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プロセス開発の工学的課題と反応装置

プロセス開発の工学的課題と反応装置. 代表的な反応装置とその特性. プロセスと反応装置. 同じ反応を用いるプロセスでも、適切な反応装置は異なることがある. 重質油分解プロセス　　　管型、槽型、気泡塔、流動層 酸化プロセス　　　　　　　　固定層、流動層、ライザー ポリオレフィンプロセス　　流動層、攪拌層、 etc. さまざまな重質油分解プロセス. Visbreaker Tublar Reactor （管型）　　　 低分解率、連続

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プロセス開発の工学的課題と反応装置

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Presentation Transcript

  1. プロセス開発の工学的課題と反応装置

  2. 代表的な反応装置とその特性

  3. プロセスと反応装置 同じ反応を用いるプロセスでも、適切な反応装置は異なることがある 重質油分解プロセス　　　管型、槽型、気泡塔、流動層 酸化プロセス　　　　　　　　固定層、流動層、ライザー ポリオレフィンプロセス　　流動層、攪拌層、etc.

  4. さまざまな重質油分解プロセス Visbreaker Tublar Reactor（管型）　　　 低分解率、連続 Delayed Coker Tublar+Vessel Reactor　　高分解率、Reactor切替え　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　副生コーク切り出し Fluid Coker Fluidized bed（流動層）　　　高過酷度、連続、ｺｰｸ粒子排出 Eureka Process Bubble column（気泡塔）　 マイルドな分解、ピッチ副生 Flexicoker ３塔流動層(Fluid Coker+Gasifier) ｺｰｸのｶﾞｽ化（燃料ｶﾞｽ）

  5. Visbreaker 反応停止 加熱炉 コーキング

  6. Delayed Coker 熱分解槽 加熱炉 コーク切出し

  7. Fluid Coker 燃焼・排出 流動層熱分解 コークス粒子

  8. Flexicoker ｽﾁｰﾑｶﾞｽ化 流動層熱分解 熱分解温度510℃以上　　→低収率・分解油性状不良

  9. Eureka Process 気泡塔熱分解（マイルドな温度） 灯・軽油に適した分解油 (高H/C) ピッチ（製鉄用コークスBinder）

  10. 反応の進行度と収率 灯軽油の収率最大 コーク生成minimum 　収率 反応の進行度

  11. 熱分解温度と生成油性状 マイルドな分解温度・低ガス収率 良(高H/C) 分解油性状 不良 ガス収率　[wt%]

  12. 反応装置選定の考え方 マクロ的要素 反応の特性、目的生成物と副生成物、原料・生成物の特性、 ヒートバランスの取り方（徐熱、給熱、予熱、クエンチ）、 目標収率（反応進行度）、触媒特性、触媒再生　など ミクロ的要素 反応相（混相）、流動状態、触媒の接触状態、混合状態、 反応速度・物質移動速度、律速過程、触媒細孔構造、 吸着、触媒の劣化・被毒、 トラブル要因　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　など

  13. 重質油の熱分解プロセスの開発 プロセス開発における考え方と研究手法

  14. 重質油利用の必要性 需給ギャップの解消 1980年代 （第２次ｵｲﾙｼｮｯｸ後） 安価な原料の活用 2005年～ 将来のｴﾈﾙｷﾞｰ確保 エネルギー資源の多様化 重質油：　減圧残油、重質原油、Oil Sand、高次回収原油

  15. 需要構造と原油組成

  16. 石油の水素/炭素比

  17. 重質油分解方法 Carbon Rejection 直鎖分の分解、ｱｽﾌｧﾙﾃﾝなどはｺｰｸ化生成油を水素化精製 Thermal Cracking Free Radical機構　　　　直鎖HC生成（→灯・軽油） Catalytic Cracking Carbenium ion機構（固体酸）分鎖HC生成（→ガソリン） Hydrogen Addition 芳香環の水素添加→分解 Hydrocracking 水素の消費量大　　　　　直鎖HC生成（→灯・軽油）

  18. 重質油熱分解における性状変化 ガス 4.3 油分 61.6 分解油 72.6 ﾚｼﾞﾝ分 26.0 ピッチ 23.1 ｱｽﾌｧﾙﾃﾝ分 12.4

  19. 石油精製フローにおける位置づけ

  20. Clean Oilの製造 Clean Oil 水素化精製 ガス化→水素 熱分解生成物 コーク ガス 分解油 重質油 残炭分

  21. プロセス開発の目的

  22. 技術開発の目標と課題 項目　　　　　　　　　 対比ﾌﾟﾛｾｽ　　　　　　　課題 分解油収率最大　　　　　　Eurekaﾌﾟﾛｾｽ　　分解油重質分の軽質化 （６５％） （７０～７５％） 灯軽油選択率・性状最大 Eurekaﾌﾟﾛｾｽ　　分解温度430～450℃ コークのガス化　　Flexicoker(ｺｰｸｽ粒子) 流動層で低温分解 （５１０℃以下では油分固着(Bogging)） （４５０℃で流動層分解できる技術　の開発） 操作性のよいプロセス　 Flexicoker 流動性改善 （２００μｍの粗粒流動層） （６０μｍの微粉流動層）

  23. 実験装置（流動層）

  24. 使用した粒子 Fluid cokesの実験結果：　Flexicoker同様510℃では分解したが、450℃ではBoggingが発生し短時間で装置閉塞．　Silica Baloonでも同様．

  25. 多孔質粒子を用いた分解（450℃）

  26. 多孔質粒子の容量効果 毛管力による細孔への吸蔵 粒子の外部には液が残らない 流動化が可能

  27. 反応速度定数 10 s 510℃ 30 s 1min Feed油（減圧残油）の沸点は540℃以上 450℃ 5min 510℃では20sで分解450℃では5minかかる 10min 30min 1 hr Temperature, F

  28. 重質油分解の反応場 Eureka Process Fluid Coker Flexicoker This Process

  29. 微粉流動層と粗粒流動層の流動性の違い

  30. 粒子物性と流動性 ｺｰｸｽ粒子 流動性のよい粒子

  31. 熱分解に対する粒子細孔の影響

  32. 細孔径と収率 ガス コーク 重質留分 減圧軽油留分（FCC原料） 灯軽油留分 ナフサ留分

  33. プロセスコンセプト 多孔質粒子の容量効果　　　　低温での流動層熱分解可能 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１つ１つの粒子がReactor 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　細孔内のコークをガス化塔へ輸送 低温熱分解　　　　　　　　　　　　高い分解油収率・灯軽油収率 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　高品質な分解油 微粉流動層　　　　　　　　　　　　良好な流動性　　　　　　　　　　　　　　 このプロセスの設計・制御、粒子設計のための理論が必要

  34. 反応モデル 蒸発平衡 πyD=γDpD0xD πyL=γLpL0xL 供給された重質油は粒子内に液相として保持される 液相内で重質油の逐次分解反応が進行 液相成分と気相成分は蒸発平衡にある E: 重質油　　D: 重質分解油　　L: 軽質分解油　　S: ｽﾁｰﾑ

  35. 液相分解ｰ蒸発平衡 分解速度と蒸発速度 蒸発平衡（液相-気相間） μD=MD/ME, μL=ML/MD（分子量の比） pD0, pL0 : 重質分解油、軽質分解油の蒸気圧

  36. 解 D/Ef ： の解として得られる L/Ef ： Dｖ/Ef ： Lｖ/Ef ：

  37. Reactor出口での生成物収率 Reactor出口の生成物[mol/h]は、流動層Freeboardでの気相反応により Dv1：Lv1が分解油組成を意味する

  38. 反応モデルと生成油組成の対比 Pore size分布の広いAlumina-1は細孔内液相量が大きい条件ではMacro poreのAlmina-2と同じ活量係数を示す Alumina-2(Macro pore) 液相量大 活量係数 液相量小 Alumina-1(Macro+Micro pore)

  39. 細孔内液相の蒸気圧降下

  40. 熱分解収率

  41. FTC(Fluid Thermal Cracking) Process

  42. Pilot Plant

  43. Pilot Plantによるプロセスの実証 Properties of feed oil Properties of particles

  44. 蓄積メタルの影響

  45. 水素加圧の効果

  46. 水素加圧の効果(H2)

  47. Process Flow

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