本発明は、石油精製および石油化学精製の分野に関し、特に、炭化水素含有化合物の熱クラッキングのための反応炉に関する。

クラッキング処理は、従来、石油精製所および石油化学プラントにおいて、重質の炭化水素流を、より軽質の炭化水素留分に変換するために利用されてきた。石油精製および石油化学精製の分野は、十分に確立し、深く根差した技術領域の1つであると見なされているが、石油工業および石油化学工業において出現した動向の1つは、いかなる技術開発も、2つの主要な要件を満たす必要がある、というものである。これらの要件は、省エネルギー、および、再生不可能な原材料資源から抽出される原料の消費削減として簡潔に定式化し得る。これらはまた、主要な石油化学処理の1つ、すなわち低級(低分子量)オレフィンの大規模生産の発展のためにも、考慮すべき問題である。

エチレン、プロピレン、およびブチレンなどの低分子オレフィンは、石油化学工業の基礎製品であり、プラスチック、ゴム、ポリマー、エラストマーおよびその他の合成材料、ならびに繊維および塗料の商業生産における原料としての役割を果たす。ナフサまたは軽油などの中質の炭化水素ならびにペンタン、ブタン、プロパンおよびエタンのような軽質の炭化水素を、管状炉において熱分解して、軽質の実質的に不飽和な重合性成分にすることを含む、低級オレフィンの既存の生産技術は、半世紀以上前に創り出されたものであり、費用効率に優れた原料の利用という現代の要件をほとんど満たしていない。管状炉は、熱分解処理にあたり、以下のような制約を有する。すなわち、管の材料耐久性のため、反応温度を上げられないこと、および、管壁からプロセスガスへの熱伝達に物理的限界があることである。これは原料の滞留時間につながり、処理にとって最適ではない。管状クラッキング炉における不十分な原料の加熱速度により、熱分解処理の継続時間が長くなる。この事実により、オレフィンが、初期段階で形成されたとき、十分に長い時間の間、反応炉に滞留し、二次反応に入り始めるという状況がもたらされ、この当然の帰結として、目標製品の損失となる。二次製品はコークスも含み、コークスは、管における熱伝達の問題、および下流に位置する設備の汚染を引き起こす。従来の技術は、上述の問題を取り除くための妥当な解決策を提示していない。なぜなら、従来の熱分解炉の放射部における熱伝達速度が、既に技術的限界に達しているためである。

したがって、従来の管状反応炉では、熱が反応炉の壁を介して反応ゾーンに伝わる。

熱分解設備のための、管状炉以外の解決策が知られている。これらは、複雑なロータブレード構成を有する回転反応炉を含む。このような設備を建設および維持するための費用は、その設備によってその後得られると考えられる利益よりも高い。

したがって、熱による分解によって低分子量の炭化水素を生産するための従来の処理は、以下のような問題に直面する。1.管状反応炉の性能係数が低い。2.貴重な原材料の損失がある。3.反応時間が長い。4.二次反応が起こる確率が高い。4.エネルギー消費が高い。5.生産収量および選択性が最適ではない(実行性がより低い)。

本発明の目的は、炭化水素含有化合物の熱クラッキングなどの、原料の熱処理、熱化学処理、または触媒熱化学処理に関する新規の方法を実施することにより、上述の問題を少なくとも軽減することである。

この目的は、炭化水素含有原料の熱分解に適した回転機械型の反応炉を提供することによって達成される。

一実施形態では、螺旋経路反応炉が、シャフト、および、軸流ロータブレード列部を形成するブレードを設けられたディスクを有するロータと、軸流ロータ列部に隣接する少なくとも2つの固定翼列部が任意選択で設けられた静的指向輪状リムと、筐体とを備える。筐体内に配置された指向性リムの外側表面は、筐体の内側表面とともに、それらの間に確保されるように、ダクトを実質的に画定する。代替的には、固定翼列部のうちの少なくともいくつかを、例えば筐体のダクト壁画定内側表面に形成することができる。ダクトの断面は、子午面において輪状の外形を形成する。

ダクトは、いくつかの作動チャンバを作るように配置された、いくつかの分割仕切りを備えてもよい。作動チャンバは、均等なサイズであることが好ましいが、適切であれば、他の技術的実施態様が可能である。

反応炉は、原料流用の少なくとも1つの流入口と、生成物流用の少なくとも1つの流出口とを備える。流入口は、ロータ回転方向において各分割仕切りよりも後に配置されることが好ましく、流出口は、各分割仕切りよりも前に配置されることが好ましい。流入口および流出口は、ダクト内に一体化されてもよい。

反応炉は、軸流ロータ列部の上流に配置された第1の固定翼列部と、軸流ロータ列部の下流に配置された第2の固定翼列部とをさらに構成されてもよい。したがって、固定翼列部は、指向性リムを設けられてもよい。上述の固定翼列部は、第1の列部の出口部分と、第2の列部の入口部分との間に、翼なしの空間が作られるように配置される。

一実施形態では、反応炉は、上述したすべての翼列部、すなわち固定列部およびロータ列部の両方を、ダクトの内側で実質的に隣接して有するように構成される。

いくつかの実施形態では、反応炉内のすべての列部の3次元構成は、原料を含有する加工処理流(プロセスストリーム)が、ダクト内で流入口と流出口との間を伝わりながら、螺旋状の軌跡に従って、上記列部および翼なし空間を繰り返し通過するように方向付けられ、それにより静的衝撃波が生成され、反応炉内で原料が加熱されるように構成される。したがって、軸流ロータ列部は、原料を含有する加工処理流に動力学的エネルギーを提供することで、それを加速するように構成され、それらの下流に位置する固定列部は、加工処理流を減速して、動力学的エネルギーを熱に変換するように構成される。

すべての列部およびそれらの翼を提供することで、加工処理流の流速が、すべての列部において音速を超える速度(すなわち、超音速)に達する一方で、ダクト内の翼なし空間における流速は、音速以下にとどまることが可能になる。

一実施形態では、軸流ロータ列部には、能動超音波インパルスタービンブレードの外形を有する加工ブレードが設けられる。これらの加工ブレードは、その凹面側がロータ回転方向を指すように、回転可能に取り付けられる。

いくつかの実施形態では、第1の固定翼列部には、曲線的な外形を有し、それらの凸面側がロータ回転方向を向くように配置された複数の翼が設けられ、第2の固定翼列部には、曲線的な超音速圧縮機の外形を有し、やはりそれらの凸面側が、ロータ回転方向を向くように配置された複数の翼が設けられる。

いくつかの他の実施形態によれば、反応炉は、軸流圧縮機型機械として構成される。この実施形態の軸流反応炉は、細長いロータを備える。このロータに沿って、複数のロータブレードが、複数の連続した列になるように配置されて、軸流ロータ列部を形成する。ロータは筐体内で取り囲まれており、筐体の内側表面には、ステータ翼列部が設けられ、この列部は、ロータ列部およびステータ列部のブレード/翼が、上記ロータの長さに沿って交互になるように構成される。

様々な実施形態において、反応炉は、流体の原料、好ましくは気体の原料物質を処理するように構成される。

いくつかの実施形態では、反応炉は、炭化水素系原料物質および(例えばトリグリセリドなどの)グリセリド系原料物質などの、酸素含有原料物質を処理するように構成される。

さらに別の実施形態では、反応炉は、気体の形態で反応炉に提供される、バイオマス系、好ましくはセルロース由来の、または特にリグノセルロース由来の原料物質を処理するように構成される。

本発明の別の態様では、駆動エンジンに接続された本発明の反応炉と、熱回収ユニットと、急冷ユニットとを備える反応炉組立体が提供される。

本発明のさらに別の態様では、熱分解プラントの形態の構成が提供され、この構成は、直列に、または並列に接続された、少なくとも2つの本発明の反応炉を備える。

本発明のさらなる態様では、本明細書において開示される反応炉の実施形態を利用した、炭化水素含有原料の熱クラッキングのための方法が提供される。

本発明のさらに追加の曲面では、高速吸熱化学反応のためのエネルギーを、本明細書において開示される反応炉の回転ブレード列部の機械的エネルギーから生成される衝撃波によって輸送する方法が提供される。

本発明の有用性は、そのそれぞれの特定の実施形態に応じた様々な理由から生じる。第1に、いくつかの実施形態によって実施される回転機械型反応炉により、完璧な流れ配置の反応炉の動作モードに近い条件下で、新規のクラッキング処理の実行が可能になる。したがって、回転機械型反応炉は、低分子量の炭化水素含有化合物を得るのに特に適した、炭化水素含有化合物の熱分解のための新たな方法を提供する。反応炉の設計は、反応炉の内側で、機械的エネルギーを高い熱エネルギーに変換する高速ロータに基づいており、本明細書において提供される熱分解処理は、反応混合物に熱を供給する方法による従来の熱クラッキング技術とは異なる。従来の管状熱分解反応炉では、熱分解のための熱が、管状のコイル壁を介して伝達される一方、本明細書において開示される反応炉は、反応混合物内での直接の熱生成を可能にするように構成される。

反応炉での分解反応は、原料を含有する加工処理流が一連の高強度の静的衝撃波を通過するときに、その中で直接生成された熱のために起こる。このような熱供給方法により、反応ゾーンを規定する壁の温度を大幅に低減することが可能になり、したがって、管状炉において典型的である熱供給速度の制限を克服する機会が提供される。固定列部およびロータ列部、ならびに翼なし空間によって限定された空間から成る反応ゾーンにおいて、原料ガスが費やす時間は非常に短く(およそ0.01秒以下)、従来の熱分解炉と比較して約10倍も短い。したがって、化学反応は実質的に同じでありながら、従来の熱クラッキングよりも、処理が制御しやすくなる。圧力を低減し、反応ゾーンにおける原料ガスの滞留時間を短縮することが可能になるとともに、加工処理流の断面における温度曲線がより均一になるため、所望の熱分解製品の収量が上昇する。上述の処理は、例えばオレフィンなどの主要製品の収量が非常に高いことを特徴とするため、このようにして提供された技術は、まず第1に、より少ない量の石油およびガスなどの原料から付加的な価値を生成するという、クラッキング処理の発展における次の段階を提示する。上記の反応炉を工業利用することにより、より費用効果的に原材料を処理することが可能になり、したがって、石油精製プラントの能率および収益性に良い影響を与える。

第2に、回転機械型の反応炉の提供により、コークス形成の問題を解決することが可能になる。従来技術と比較してコークス形成率が低減される理由は、気体原料が反応ゾーンに滞留する時間がより短く、かつ、反応炉の静部品(壁)の温度がより低いためである。さらに、滞留時間が短いことは、所望の製品への反応選択性に有利である。

本発明の反応炉はまた、例えばバイオ系の原料由来の酸素含有原材料の処理を可能にする。したがって、上記の反応炉の他の可能な適用領域としては、バイオマス物質またはバイオマス由来の物質を精製して、例えば、植物油(例えばパイン油)または動物性脂肪を直接触媒水素化して対応するアルカンにするなどの処理において、再生可能燃料を生産することが挙げられる。またさらに、本発明の反応炉によって、バイオ系の熱分解ガスまたは合成ガスの安定化を実施することもでき、ただし、本書類において称される「安定化」とは、気体物質の強化または精製を指すものである。

代替的に、またはそれに加えて、本発明の反応炉には、触媒反応を可能にするための触媒表面が設けられてもよい。

本発明の軸流圧縮機型反応炉またはタービン型反応炉の様々な実施形態を特に考慮して、いわゆるプラグフローモデルを達成することができる。それと同時に、製品および原料の混合の結果としてロータチャンバで起こり、コークス形成につながる望ましくない副反応を、提示する構成によって回避することができる。本明細書において利用される固定翼列部は、以前に提示された他の回転反応炉の解決策と比較して同じかまたは少なくとも同様のタイプであってよく、この固定翼列部において、2つの別個のステータ列部のブレードは、異なる構造および位置角度を有する。

本開示において「熱分解」および「クラッキング」という用語は、重質の炭化水素含有化合物を熱により分解して軽質の炭化水素含有化合物にする処理に関して、主として類義語として利用される。

本明細書において「いくつかの」という表現は、1から始まる任意の正の整数を指し、例えば1、2、3、4…である。

本明細書において「複数の」という表現は、2から始まる任意の正の整数を指し、例えば2、3、4…である。

本明細書において「第1の」および「第2の」という用語は、特に明示的に指定のない限り、何か特定の優先度または順序を示すものではない。そうではなく、それらの用語は、物理的要素などの1つの存在を、他の存在と区別するために用いられる。

本明細書において「流体」という用語は、主として気体の物質、例えば、蒸気希釈剤の存在下または不在下のいずれかでの、気相の加工処理流を指す。

本明細書において「コード」という用語は、弧、本明細書では曲線的なブレード/翼の終端同士をつなぐ直線を指し示す。

本明細書において「気化された」という用語は、任意の可能な手段で気体の形態に変換された物質を示すために利用される。

本明細書において「流体力学」という用語は、本開示では主として気体に代表される流体の力学を示すために用いられる。したがって、本開示において、上記の用語は「空気力学」という用語の類義語として利用される。

本発明の各種の実施形態が、詳細な説明および添付の図面を考慮することにより明らかになるであろう。

炭化水素含有原料の熱分解のための本発明による反応炉の一実施形態を示す図である。

図1の反応炉の内部構成を示す図である。

図2Aの反応炉における翼の構成および流れの流動をより詳細に示す図である。

図1および図2A、図2Bの反応炉の幾何学的パラメータおよび作動条件を示す図である。

図1〜図2の反応炉内の流れガスの温度履歴チャートである。

図1〜図2の反応炉内の翼の配置を示す図である。

本明細書においては軸流ターボ機械として構成される、反応炉の別の実施形態を示す図である。

図4Aの2つの軸流反応炉の一連の接続を示す図である。

本発明の反応炉および関連するクラッキング処理に基づく反応炉組立体の高レベルブロック図である。

本発明の詳細な実施形態を、本明細書において添付の図面を参照して開示する。図面を通して、同一の参照符号は同一の部材を指すために用いられる。部材について、以下の引用が用いられる。 1 ロータシャフト 1a ロータディスク 2 ロータブレードを有する軸流列部 3 指向性リム 4 筐体 5 分割仕切り 6 供給流入口 6a 第2の供給流入口または蒸気注入口 7 製品流出口 8 ノズル翼を有する第1の固定列部 9 拡散翼を有する第2の固定列部 10 翼なし空間を有するダクト 11a 第1の実施形態による回転機械型反応炉 11b 第2の実施形態による回転機械型反応炉 11c 1つの実行可能な実施形態による、少なくとも2つの相互接続された反応炉を備える作動モジュール 12 触媒要素 13 冷媒注入口 14 冷却または加熱口 101 駆動エンジン 102 回転機械型反応炉 103 熱回収ユニット 104 急冷ユニット 105 空気フィルタ

図1に、本発明の一実施形態による、炭化水素含有原料の熱分解のための螺旋経路反応炉11aの断面図(ダッシュで囲まれた、組み込まれた小型の図において示す反応炉の上面図の断面A−A’を参照されたい)を示す。反応炉は、ロータシャフト1が設けられたロータを有する。ロータシャフト1には、ロータディスク1aが固定されている。次いで、そのロータディスク1aには、軸流ロータ列部2を形成する複数のロータブレードが設けられている。軸流ロータ列部のロータブレードは、能動式の超音速衝撃型タービンブレードの外形を有することが好ましく、ロータブレードは放射状に方向付けられ、それらの凹面側がロータ回転方向を向くように設置される。ロータブレードの周速は、少なくとも250m/秒にされるように構成される。反応炉11aは、軸流ロータブレードの先端と、筐体4の内側表面とに隣接する内部静的輪状リム3をさらに備える。外側筐体4は、ロータ1およびリム3の周囲を取り囲み、リム3の外側表面と筐体4の内側表面との間に確保される環状のダクト10を画定する。したがって、ダクト10の子午線方向断面は、輪状の外形を形成する。反応炉11aは、原料流用の少なくとも1つの流入口6および生成物流用の少なくとも1つの流出口7をさらに備える。適切であれば、反応炉11aは、2つの流入口および2つの流出口を有するように構成されてもよい。

本実施形態において提供される反応炉11aは、実質的に輪状の輪環体(トーラス)の形状で実施される。したがって、図2Aは、実質的に輪状の構造に関しての、流入口および流出口の空間位置を示すために、輪環体形状の反応炉の極方向(ポロイダル)断面を提供する。

ダクト10の内部は、分割されないものとして実施されてもよい。代替の実施形態では、ダクト10は、その内部に配置されて、少なくとも2つの作動チャンバ(図2A)を形成する、いくつかの分割仕切り5を備えてもよい。上記チャンバのサイズは同一であることが好ましいが、他の技術的な実施態様が適切な場合にはそれを除外するものではない。流入口6は、ロータ回転方向において、各分割仕切り5の後に配置されることが好ましく、流出口7は、各分割仕切り5の前に配置されることが好ましい。流入口および流出口は、ダクト内に一体化されてもよい。

次に、反応炉11aの、CFD(Computational Fluid Dynamics:計算流体力学)シミュレーションモデルに基づいて作成された図2A〜図2Cを参照する。本明細書において、図2Bの表現は、CFD計算に利用された単一の計算領域に対応する。

輪状の輪環体形状反応炉11aには、少なくとも2つの固定(ステータ)翼列部8、9がさらに設けられる。したがって、第1の固定翼列部8は、軸流ロータブレード列部2の上流に配置され、複数の翼を備える。この複数の翼は、曲線的な外形を有するとともに、それらの凸面側がロータ回転方向を向くように配置されることが好ましい。第1の固定列部8の翼は、ノズル翼として構成されることが好ましく、そのため、分かりやすくするために、これ以降第1の列部を「ノズル列部」と称する。

第2の固定翼列部9は、軸流ロータ列部2の下流に配置され、複数の翼を備える。この複数の翼は、曲線的な超音速圧縮機のプロファイルを有するとともに、やはりそれらの凸面側がロータ回転方向を向くように配置されることが好ましい。第2の固定列部9の翼は、拡散翼として構成されることが好ましく、そのため、分かりやすくするために、これ以降第2の列部を「拡散列部」と称する。

両方の固定翼列部(8、9)に設けられる翼を、両方の列部について同じ曲線的な外形を有するように実施してもよい。

固定翼列部8、9は、図面に基づいて明らかなように(図2Aのボックスを参照されたい)、指向性リム3(図1、図2A)に設けられてもよく、または、筐体4の内側表面のダクト画定壁に設けられてもよい。固定翼列部8、9は、拡散列部9からの出口と、ノズル列部8の入口との間に翼なし空間が形成されるように配置されることが好ましい。

いくつかの実施形態によれば、反応炉11aは、列部2、8および9がダクト10内で実質的に隣接するように構成されてもよい。

図2Cは、反応炉11aの幾何学的パラメータおよび1セットの作動条件を示す。

反応炉の作動原理は、加工処理流の動力学的エネルギーを熱に変換することに基づくものである。反応炉11aは、原料の分子を処理するための熱が、反応炉の壁を介して伝達されるのではなく、反応炉に入る気化された原料と蒸気との混合物が、翼列部に設けられた翼の空気力学的抵抗により反応混合物の内部で直接生成された熱によって加熱されるように提供される。

反応炉11aは、実質的に以下のように作動する。ロータ1の回転により、各作動チャンバ内のガスが、流入口6から流出口7に強制的に移動される。例えば炭化水素系原料および蒸気希釈剤(図示しない周辺の供給源から、圧力下で提供される)を調整可能な比率で含む、原料を含有する加工処理流が、反応炉の流入口6に供給される。原料と希釈剤との比率は、反応炉のダクト内で形成される圧力に大いに依存する。したがって、圧力が低下すると、加工処理流で反応炉に供給される蒸気希釈剤の量が少なくなる。原料を含有する加工処理流はさらに、ダクト10内で流入口と流出口との間を循環しながら、ノズル列部8、軸流列部2、拡散列部9、および翼なし空間を、螺旋形の軌跡に従って繰り返し通過するように方向付けられる。列部2、8および9ならびにそれらに位置する翼は、加工処理流の流速がすべての列部において超音速となる一方で、ダクト10内の翼なし空間における流速は音速以下にとどまることを可能にするように提供される。原料を含有する加工処理流が、ステータ列部−ロータ列部−ステータ列部を、螺旋形の軌跡に従って連続して強制的に通過させられることから、本開示において、反応炉を螺旋経路反応炉と称することがある。

さらに、軸流ロータ列部2は、原料を含有する加工処理流に動力学的エネルギーを提供してその流速を上昇させるように構成され、一方、拡散列部9は、そこを通過する加工処理流の流速を低下させるように構成される。反応ゾーン内での滞留時間の間、原料を含有する加工処理流は、列部8、2および9をそれぞれ数回通過し、軸流ロータ列部2を通過する度に、加工処理流は加速されて動力学的エネルギーを受け取り、さらに、このエネルギーは拡散列部9における流速の低下を受けて、熱に変換される。それによって確立された動きは、静的衝撃波を生成し、これが反応炉内の気体原料を加熱する。実際、加工処理流は、上記の流れが高強度の静的衝撃波によって影響を受ける時間の間、連続した衝撃(インパルス)で加熱される。図3Aは、例示的なモデルの反応炉11a内で、滞留時間の間に加工処理流によって生成される経時的な温度曲線を示す。破線は、加工処理流がステータ列部8−ロータ列部2−ステータ列部9を通過する瞬間を示し、破線の円は、処理段(I〜V)を画定する。したがって、図3Aの温度曲線は、鋸歯状の構成を有し、ここで、全体的な温度は約500℃から1000℃近くまで上昇する。原料は、およそ600℃において反応炉へと方向付けられ、さらに加熱され、その後、翼列部および翼なし空間を通過する。このような構成により、すべての加工処理流の粒子は、本質的に同じ温度履歴を有するという事実がもたらされる。後者の事実は、螺旋形炉反応炉を、その技術的特徴という観点において、完璧なプラグフロー型反応炉に近付ける。図3Aに示す例示的な温度履歴チャートは、秩序的な動き(粒子の流れ)および別個の分子の秩序のない動きの動力学的エネルギーの総計が、気体原料流れが列部を通過するときに一定であると仮定した、輪状の輪環体形状反応炉のシミュレーションモデリング(定常流シミュレーション)によって得られた。

例示的なモデルの反応炉11a(図3A)では、吸熱反応が入熱の大部分を消費する900℃まで温度を上げるのに5段(I〜V)を要する。これは、その後のエネルギー入力が、さらなる温度の上昇ではなく、純粋にクラッキングのために用いられるためである。したがって、熱クラッキングの処理は、本実施形態の反応炉において、原料の加工処理流が高強度の静的衝撃波を超音速で通過する多数回の移動の間に実行される。静的衝撃波が、拡散列部9の翼間の流路の入口にあるときに、著しい温度の急上昇が起こる。

図3Bは、例示的な反応炉11a内のブレード/翼の配置を示す。再生圧縮/エネルギー付加処理の間の温度上昇により、プロセスガスの密度は、反応炉11aに沿って、流入口6から流出口7で変化する。したがって、ステータ翼およびそれらの間のピッチの配置は均等ではない。したがって、図3Bは、上述のような例示的な5段構成を示す。ロータについて、ピッチ/コード比は変更することができず、合計で80のブレード(図2Cを参照のこと)に対し、0.75の値で固定される。ここで、各ブレードは、16mm(0.016m)の軸方向コードパラメータ、および0.151mの平均半径を有することが前提となっている。固定列部のピッチ/コードパラメータが表1において提供される。

一般的な熱分解反応は、本発明の反応炉内で500℃〜1000℃において実行されるが、必要最低限の「開始」温度を、200℃まで調整してもよい。何らかのバイオテクノロジー用途では、最低温度を、例えば室温などの極めて低い値に調整してもよい。このようなバイオテクノロジー用途は、例えば砂糖などの炭化水素の処理を含む。

反応炉ダクト10における作動中の圧力は、入口圧力および出口圧力を調整することにより調整可能である。重質の炭化水素が気体原料として利用される場合、ダクト10における圧力は、約2バールabs(0.2MPa)であってよいが、より低い圧力設定が好ましい場合もある。

気体原料が反応ゾーンにおいて費やす時間(滞留時間)が数秒から数ミリ秒、好ましくはおよそ10ミリ秒の間で変動するように、反応炉のパラメータを調整してもよい。絶対的な滞留時間は、上に示す(図3A)ように、処理段の数および翼なし空間の体積によって決まり得る。

図4Aを参照して、別の回転反応炉の代替の実施形態を示す。この実施形態によれば、反応炉11bは、軸流圧縮機型、またはタービンとして構成される。この実施形態の反応炉11bは、延長された(細長い)ロータ1を備える。このロータ1に沿って、複数のロータブレードが、いくつかの連続した列になり、軸流ロータ列部2を形成するように配置される。

ロータ1は筐体4に取り囲まれており、筐体4の内側表面には、第1の固定(ステータ)翼列部8および第2の固定(ステータ)翼列部9がそれぞれ配置され、これらはロータ列部2ならびにステータ列部8およびステータ列部9のブレード/翼が、ロータ1に沿って長手方向に(ロータ長に沿って)交互になるように配置される。ステータ列部(8、9)の翼は、筐体4の、ダクト壁画定内側表面の両端に配置されることが好ましい。したがって、ロータ列部2のブレードは、ロータ1の長手方向に沿った所定の位置において、隣接するステータ翼の対(列部8および9)とともに、いわゆる列部ユニット、または「段」を形成すると考えることができ、このユニットは図4Aにおいて破線の円によって強調されている。後続の段は、それらの間にブレード/翼のない空間を有する。これらの空間は、本明細書において後述するように、さらなる要素を含んでもよい。適切な場合には、他の段構成も当然可能である。

ロータ1と筐体4の内側表面との間に提供される体積は、ダクト10として画定され、したがってこのダクト10が、ロータブレード列部2およびステータ翼列部8、9を取り囲む。反応炉11bは、原料流用の少なくとも1つの流入口6および生成物流用の少なくとも1つの流出口7をさらに備える。反応炉11bは、例えば冷媒の注入用の少なくとも1つの追加注入口13を備えてもよい。さらに、反応炉11bは、後により詳細に開示するように、触媒要素または触媒用空隙12(中間触媒空間)を備えてもよい。また、選択されたブレードおよび/または翼に、例えば触媒被覆の形態で、触媒性材料が設けられてもよい。

前述の実施形態について開示した、ステータ翼の不均等な配置を、軸流反応炉11bにも適用可能である。

前述の構成により、高度にカスタマイズされた化学処理が実行可能になり、この処理においては、反応時間、温度、および/または反応ゾーンにおける気体原料の滞留時間を、最良の選択性/変換性比を達成するように調整してもよい。温度および/または希釈率を制御するために、この実施形態の反応炉は、反応成分および/または供給希釈剤用の、追加の蒸気注入口を備えてもよい。この実施形態による反応炉は、原料ガス流が反応チャンバに入るとき、固定翼列部8、9およびロータブレード列部2の協働機械動作から発生する衝撃波によって生成される熱により、この流れが影響されるように提供される。ロータ/ステータ列部内に設けられるブレード/翼の構成は、前述の実施形態と同じであってよい。しかし、軸流タービン型の実施態様によって、ロータ列部およびステータ列部のブレード/翼の構造的パラメータを、列内だけでも変動させることにより、反応パラメータを調整できるという、さらなる柔軟性が可能になる。すなわち、設計は、特定の列部の連続した列内で変更可能である。

少なくとも2つの、連続的に、または直列に接続された前述の実施形態の軸流タービン型反応炉11bを備える作動モジュール11cの実施形態を図4Bに示す。図4Bの構成は、2つの相互接続された反応炉ユニット11bを示し、それらの間には、駆動エンジン要素101が配置されている。「直列の」構成には、追加の流入口6aが設けられてもよく、流入口6aは、例えば、追加の原料注入に、または蒸気注入に利用されてもよい。冷媒または加熱媒体を供給するための追加の注入口14は、2つの反応炉ユニット11bの間に提供された接続パイプに配置されてもよい。しかしながら、動作モジュール11cの最終的な配置は、主として生産ラインのサイズおよび目的、ならびにその中の別個の反応炉ユニットの数によって決まることを理解されたい。

本明細書において上記で示唆したように、本発明の各種の実施形態による反応炉11a、11bには概して、触媒反応を可能にするための触媒表面または他の触媒要素が設けられてもよい。触媒表面は、反応ゾーン内の少なくとも1つのブレード/翼列部の個々のブレードまたは翼のうちの少なくともいくつかを触媒被覆することによって形成されることが好ましい。適切であれば、翼列部に設けられ、反応ゾーン内に配置された翼を、触媒で被覆してもよい。代替的に、またはそれに加えて、触媒被覆は例えば、筐体の反応ゾーン内のダクト壁画定内側表面に適用されてもよい。代替的に、またはそれに加えて、活性被覆されたセラミックもしくは金属の基材または支持キャリアによって形成されるか、あるいはそれらを設けられた触媒要素または触媒用空隙を、反応ゾーン内に配置してもよい。代替的に、モノリシックハニカム触媒を利用してもよい。触媒要素は、図4Aおよび図4Bにおいて、番号12によって示される。

本明細書において前述したような、種々の実行可能な実施形態による反応炉は、典型的には気体の原材料を処理するように構成され、実際、回転反応炉を、例えば酸素含有原料物質を処理するように構成してもよい。したがって、原材料の選択は、当然のことながら炭化水素系の原料によって規定される限界を超えて拡大可能である。一実施形態では、反応炉は、バイオマス精製用に適用されてもよく、植物油を直接触媒水素化して対応するアルカンにする処理、または、フィッシャー−トロプシュ処理の段のうちの1つとして、気体の炭化水素を触媒脱水素化する処理などの処理において、再生可能燃料を生産する。バイオ精製用に適用された反応炉は、バイオマス系の、前処理された気体原料を利用するように適用されてもよい。気化されたバイオマス処理のために調整された反応炉は、特に、本書類の他の箇所で開示された触媒被覆された表面との組み合わせにおいて、再生可能燃料の生産のための、新規の費用効果的な方法を開発し得る。バイオ精製関連用途の別の例として、自然ガスの液化のための将来性のある処理として広く研究されてきた、触媒高温(約900℃)によるメタンの二量化がある。

駆動エンジン、熱回収ユニットおよび急冷ユニットに接続された、本発明の反応炉または作動モジュールの実施形態を備える、反応炉組立体を提供してもよい。本発明の任意の実施形態による反応炉に基づく反応炉組立体の高レベルブロック図を示す、単なる一例としての設備を図5に示す。反応炉組立体は、エンジン101、少なくとも1つの回転機械型反応炉102、蒸気ボイラーなどの熱回収ユニット103、急冷装置104、および空気フィルタマフラー105を備える。上記の設備は、1つの回転反応炉102で動作してもよいが、図5では2つの例示的な構成を示し、ここでは3つの反応炉102が並列に(破線のボックス)または「直列に」(実線のボックス)接続されてもよい。反応炉102間の機能的な繋がりを波線で示す。図5上での反応炉102の数およびそれらの配置は例示に過ぎず、実際には、設備のサイズ/容量、および生産規模に大いに依存する。反応炉には、クラッキングユニットが設けられることが好ましいが、クラッキング用途以外においてそれを利用することも除外されない。

この組立体は、電気モータ、ガスピストンエンジン、ガスタービン、および蒸気タービンなどの、様々な駆動エンジンを利用してもよい。しかしながら、ガスタービンエンジンまたはガスピストンエンジンが、本発明における回転反応炉のための最も実行可能な駆動エンジンの1つであると証明されている。回転反応炉組立体は、従来の熱分解炉の設備と実質的に同じ加熱ユニットおよび/または冷却ユニットを必要とし得る。したがって、回転反応炉は、その他のユニット全体の作動モードに影響を与えることなく、従来のクラッキングにおける放射部コイルを、便利に取って代わるように構成されてもよい。さらに、副産物の収量が少ないため、処理の下流における設備のサイズを、従来のプラントと比較して削減することができる。

螺旋経路反応炉組立体の作動モデルの試験駆動の一例をさらに提供する。

例1.様々な生産者による従来の管状熱分解炉と比較した、例示的な螺旋経路反応炉組立体の試験駆動 試験駆動条件における新たな熱分解処理の技術的実現可能性を評価するために、螺旋経路反応炉の低容量モデルを開発および製作した。実験を行うために、試験台が構築された。一連の試験の主たる目的は、熱分解製品の収量および組成についてのデータを取得することであった。したがって、モデル反応炉には、ロータを駆動するためのステップアップギアを有する90kWの電気モータが設けられた。モデル反応炉の技術的特性は以下の通りであった。すなわち、反応ゾーンの体積は2×10⁻³m³であり、ロータ回転速度は18,000rpm〜20,000rpmであった。

試験駆動中のモデル反応炉の処理条件設定は、商業規模の反応炉において通常利用されるものと同様であった。すなわち、熱分解反応の温度は約900℃であり、反応ゾーンにおける原料の滞留時間は0.025〜0.030秒であり、出口圧力は約1.2バールabsであった。170℃の最終沸点を有するナフサが、原料として利用された。原料を含有する加工処理流の流速は、約40kg毎時であり、蒸気に対するナフサの希釈率は50%を占めた。当該技術分野における熟練者により、サンプリング手順、原料および熱分解反応製品の分析、ならびに生産収量の計算が調べられた。クラッキングされたガスの分析は、異なる設備(バリアン CP−3800(Varian CP−3800)およびLHM−8MD)に対し、2つの独立した熟練者グループによって行われた。

上述の駆動試験中、螺旋経路反応炉において初めての炭化水素含有材料の熱クラッキング(熱分解)手順が行われた。試験結果は、螺旋経路反応炉において、最先端の従来の管状クラッキング炉において得られるものと比較しても、かなり高い主要製品の収量が得られたことを裏付けた。ナフサの熱分解中の1ラン当たりの主要製品の収量についてのデータが表2にまとめられている。したがって、表2は、螺旋経路反応炉モデルの試験駆動と、ABBルーマス(ABB Lummus)、テクニップ(Technip)、およびケロッグ、ブラウン アンド ルート(Kellogg,Brown and Root)(KBR)などの大手企業が開発した従来の管状クラッキング炉における並行した反応の実行することとから得られた比較データを提供する。結果は、螺旋経路反応炉における熱分解の実行により、20%を超える総収量の改善が得られたことを示している。

データは、従来技術によって作動する管状炉が設けられた設備と比較して、螺旋経路反応炉が設けられた設備における同じ原料の熱分解が、エチレンの最終収量における1.5倍の増加をもたらし、一方、エチレンおよびプロピレンの両方の最終収量の合計は、1.25倍〜1.3倍に増加し得ることを証明している。

上述のように、エチレンおよびプロピレンは、ナフサクラッキング処理の主要製品であるが、他の価値のある、かつ有用な副産物を、クラッキング処理から得られることがある。例えば、従来技術の炉において燃料ガスとして用いられるメタン(および分離されていない水素)を利用して、螺旋経路反応炉のモータを駆動してもよい。ガソリン、およびC4混合物といった、より重質の、価値のある副産物も、熱クラッキング処理において生産される。従来技術において、熱分解ユニットから出るクラッキングされたガスに対するこれらの副産物の比率は、およそ20〜30%である。螺旋経路反応炉では、この比率は20%未満である。実際には、これは、処理の材料マージンは大幅に低下するが、副産物の収量が少なくなり、下流設備のサイズを縮小可能となり、別個のユニットの作動コストが低くなりやすいということを意味する。

本発明の様々な態様および実施形態において、反応炉の内部圧力を、例えばロータの回転速度を増減させることによって調整することにより、反応自体と、関連するパラメータとを制御してもよい。さらに、流入口流の圧力は、例えば圧縮機により高められてもよい。

本明細書において提供される反応炉は、高温処理を実行する装置として構成される。原料が反応チャンバにおいて費やす滞留時間が短いため、本明細書において実行される反応の大部分は、吸熱反応である。しかしながら、放熱を伴う(すなわち、発熱)反応を実行することも除外されない。

本発明の様々な態様および実施形態において提供される反応炉は、クラッキング処理を行うことを主に意図した装置として構成される。しかしながら、反応炉は、炭化水素系の、および/またはグリセリド系の前処理された原料物質を含む、様々な原料の蒸気クラッキングおよび触媒クラッキングの両方向けに調整されてもよい。したがって、脂肪酸含有原料物質は、パイン油によって代表され得る。

したがって、反応炉は、例えば、植物油および/または動物性脂肪に含有されるトリグリセリドを化学変化させることによって得られた遊離脂肪酸のクラッキングなどの、新規の用途に適用され得る。任意の適切な方法によって、上述のトリグリセリド含有製品の直接および/または段階的な分解を実行してもよい。

さらに、開示された反応炉を、例えば、任意の有害/有毒気体物質の排出軽減、またはその他の中和方法向けに適用してもよい。この場合の反応温度は、熱分解反応に利用される反応温度に近い。

開示された反応炉のロータ速度、反応チャンバの温度、滞留時間履歴などの一般的な技術的パラメータが、原料の性質、反応内部パラメータ、および/または装置の技術的実施態様(モータ、リング直径、トロイダル距離など)によって設定されるいくつかの制限内で調整可能に構成されることは、当業者にとって明らかである。

本発明のさらに別の態様では、熱分解プラントの形態の構成が提供される。この構成は、直列に、または並列に接続された少なくとも2つの回転反応炉を備える。したがって、回転反応炉ユニットを提供することは、モジュール構成を支持する。例示的なプラントである1000毎年キロトンのエチレンプラントユニットは、40基の螺旋経路反応炉を設けられてよい。40基のうち32基の反応炉は作動し、8基は予備である。上記の反応炉は、並列に建設されてよい。工業規模の螺旋経路反応炉は、1つの反応炉につき、電力供給用の約10メガワットのシャフトを有する可変速度の駆動エンジンを設けることができることが好ましい。作動スピードは、例えば約3600rpmであってよい。駆動エンジンのためのエネルギーは、クラッキング処理中に生成された燃料ガスから供給されることが好ましい。次に、その燃料ガスは、メタン−水素分離ユニットから得られる。従来技術においては、燃焼された燃料ガスの熱が、原料/希釈剤蒸気、ボイラー用水を加熱するため、および対流部において高圧蒸気を過熱するために用いられるのに対し、螺旋経路反応炉の利用によって提供される技術においては、燃料ガスは、反応炉のモータを駆動するために用いられる可能性が高い。

本発明のさらなる態様では、以下の項目のうちの少なくともいくつかを含む、炭化水素含有原料の熱クラッキングのための方法が提供される。 a.本明細書において説明した、筐体4と、軸流翼列部2を周囲に含むロータ1と、特に図1および図2A、図2Bの実施形態においては、軸流ロータ列部に隣接する少なくとも2つの固定翼列部8、9を設けられた指向性リム3とを有する、回転機械型衝撃波反応炉11a(螺旋経路)、11b(軸流)の実施形態を得ること。ここで、筐体4は、ロータ1および指向性リム3の周囲を実質的に取り囲み、筐体4には、流入口6および流出口7が設けられており、実質的に輪状の子午線方向断面の外形を有するダクト10が、流入口および流出口を有する筐体の内側表面と、指向性リムを有するロータとの間に形成される。 b.所定の処理速度または速度範囲に達するようにロータの回転速度を増加させること。 c.原料を含有する加工処理流を流入口6に供給し、それに応じて固定列部8、9およびロータ列部2が、原料を含有する加工処理流を方向付け始めて、ダクト内で流入口と流出口との間を伝わりながら螺旋状の軌跡に従って上記の列部を繰り返し通過させ、それにより静的衝撃波を生成して、反応部内の原料流を加熱し、当該流を熱による分解、すなわちその熱分解させること。 d.熱分解された生成物流を、流出口を通じて、急冷装置などの所定のユニットへ方向付けること。

本発明のさらなる態様では、高速吸熱反応、または例えば触媒水素化反応である高速発熱反応のためのエネルギーを、回転ブレード列部の機械的エネルギーから生成された衝撃波によって輸送する方法が提供される。上記の方法は以下を含む。 a.本明細書において上述した衝撃波反応炉の実施形態11a、11bを得ること。 b.炭化水素原料またはバイオマス系の原料物質を含有する、予熱された気相を、機械的エネルギーを生成して気相の発熱反応のための熱を提供する衝撃波を確立させる回転ブレードを設けられた反応炉11a、11bに通過させること。

しかしながら、上述した数値および開示した技術的解決策は例示的なものであり、本発明を限定することを意図するものではなく、独立請求項において開示される本発明の保護範囲の制限内での本発明の実施を当業者に教示することを意図するものであると理解されたい。