JP7655695B2 - Pressure loss estimation method, reaction method for controlling pressure loss, pressure loss estimation derivation device, and pressure loss estimation program - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 第48回石油・石油化学討論会(創立60周年記念東京大会)講演要旨、第129頁、発行日:平成30年10月17日Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law, Abstract of the 48th Petroleum and Petrochemical Symposium (Tokyo Symposium Commemorating the 60th Anniversary of the Founding), p. 129, Published on October 17, 2018
特許法第30条第2項適用 第48回石油・石油化学討論会(創立60周年記念東京大会)、開催日:平成30年10月17日 Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act 48th Petroleum and Petrochemical Symposium (Tokyo Symposium Commemorating 60th Anniversary of the Founding), held on October 17, 2018
特許法第30条第2項適用 第44回精製パネル討論会、開催日:平成31年2月22日Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act 44th Refining Panel Discussion, held on February 22, 2019
本発明は、気体及び/又は液体の流体を固体触媒が充填された反応器に流通させて反応を行う固定床流通式反応における、圧力損失の推定方法、圧力損失を制御するための反応方法、圧力損失推定導出装置、圧力損失推定プログラムに関する。 The present invention relates to a method for estimating pressure loss in a fixed-bed flow reaction in which a gas and/or liquid fluid is circulated through a reactor packed with a solid catalyst, a reaction method for controlling pressure loss, a pressure loss estimation device, and a pressure loss estimation program.
従来から、固体触媒を充填した反応器に、気体及び/又は液体の反応物を流通させる反応方法は、固定床流通式反応として知られている。固定床流通式反応の反応器において、反応物を含む流体の流れは、固体触媒層からの抵抗により損失する。この損失を圧力の次元で表して圧力損失という。 Conventionally, a reaction method in which gaseous and/or liquid reactants are circulated through a reactor packed with a solid catalyst is known as a fixed-bed flow reaction. In a fixed-bed flow reaction reactor, the flow of the fluid containing the reactants is lost due to resistance from the solid catalyst layer. This loss is expressed in terms of pressure and is called pressure loss.
通常、固定床流通式反応に用いられる反応器にはその材質、構造等により、耐圧の上限値が定まっており、前記上限値に達しないように、反応器内の圧力を常にモニタリングする必要がある。すなわち、反応器内の圧力が、反応器の耐圧の上限値に達する前に反応を停止しなくてはならない。特に圧力損失が急上昇した場合などは、緊急に反応を停止しなければならないこともあり、その場合、操業計画等に大きな悪影響を与えることになる。そのため、安定的な操業の観点から、圧力損失の経時変化を推定する方法に対するニーズは高い。 Normally, reactors used in fixed-bed flow reactions have an upper limit on the pressure resistance determined by the material, structure, etc., and the pressure inside the reactor must be constantly monitored to prevent this upper limit from being reached. In other words, the reaction must be stopped before the pressure inside the reactor reaches the upper limit of the reactor's pressure resistance. In particular, if pressure loss increases suddenly, the reaction may have to be stopped urgently, which can have a significant negative impact on operation plans, etc. Therefore, from the perspective of stable operation, there is a high demand for a method to estimate the change in pressure loss over time.
流体中に不純物が含まれていると、不純物が固体触媒層へ堆積することがある。また、流体が炭素元素を含む化合物を含む場合には、反応器内でコークが生成し、コークが固体触媒層へ堆積することもある。不純物、コーク等が固体触媒層に堆積すると、固体触媒層の空隙が徐々に閉塞する。このことが、固定床流通式反応における圧力損失の上昇の要因の1つであると考えられている。 If impurities are present in the fluid, the impurities may accumulate on the solid catalyst layer. Also, if the fluid contains compounds that contain carbon, coke may form in the reactor and accumulate on the solid catalyst layer. When impurities, coke, etc. accumulate on the solid catalyst layer, the voids in the solid catalyst layer gradually become clogged. This is thought to be one of the factors that cause an increase in pressure loss in fixed-bed flow-type reactions.
流体が気体又は液体の1相の場合の圧力損失を計算するための式の一つとしては、Ergun式等がよく知られている。Ergun式は層流域から乱流域までを含めた適用範囲の広い式であり、古くからよく用いられている(非特許文献1)。また、Ergun式を流体が気体及び液体の2相系に拡大した場合の圧力損失を計算する式も数多く提案されており、そのような式の一つとしてErgun・Larkins式が知られている(非特許文献2)。 The Ergun equation is one of the well-known equations for calculating pressure loss when the fluid is a single phase gas or liquid. The Ergun equation has a wide range of application, from laminar to turbulent flow, and has been widely used for a long time (Non-Patent Document 1). In addition, many equations have been proposed for calculating pressure loss when the Ergun equation is expanded to a two-phase system of gas and liquid, and the Ergun-Larkins equation is one such known equation (Non-Patent Document 2).
Ergun式、Ergun・Larkins式等はともに、反応器内の固体触媒層の空隙率、流体の密度、流体の粘度、流体の線速度等の必要なパラメータを式に代入することにより圧力損失の推定値を導出する式である。 The Ergun formula, Ergun-Larkins formula, etc. are both formulas that derive an estimated value of pressure loss by substituting necessary parameters such as the void fraction of the solid catalyst layer in the reactor, the fluid density, the fluid viscosity, and the fluid linear velocity into the formula.
しかしながら、Ergun式、Ergun・Larkins式等から圧力損失の推定値を導出するために必要な全パラメータを、反応を行いながら経時的に取得することは困難である。したがって、圧力損失の経時変化の推定を精度よく行うことは実質的に不可能である。 However, it is difficult to obtain all of the parameters required to derive an estimated value of pressure loss from the Ergun equation, the Ergun-Larkins equation, etc., over time while the reaction is taking place. Therefore, it is practically impossible to accurately estimate the change in pressure loss over time.
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであって、反応器に気体若しくは液体の1相の流体、又は気体及び液体の2相の流体を流通させる固定床流通式反応における、反応器内の圧力損失の経時変化を精度よく推定する方法、反応器内の圧力損失を制御するための反応方法、圧力損失推定導出装置、及び圧力損失推定プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a method for accurately estimating the change over time in pressure loss in a reactor in a fixed-bed flow reaction in which a one-phase fluid of gas or liquid, or a two-phase fluid of gas and liquid, is circulated through the reactor, a reaction method for controlling the pressure loss in the reactor, a pressure loss estimation device, and a pressure loss estimation program.
上記課題を解決するため、本発明は、以下の態様を有する。
[1] 固体触媒を充填した反応器に気体若しくは液体の1相の流体、又は気体及び液体の2相の流体を流通させる固定床流通式反応における任意の反応経過時txの前記反応器内の圧力損失の推定方法であって、
前記反応経過時txにおける流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを取得するステップと、
前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得するステップと、
取得したSIN及びSOUTを下記式(1)に代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップと、を有し、
取得した前記μ、前記u、前記ρ、及び前記εxを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式に代入し、圧力損失の計算値であるΔPcalを導出し、
得られたΔPcalを下記式(2)に代入し、前記反応経過時txにおける前記反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを求めることを特徴とする反応器内の圧力損失の推定方法。
In order to solve the above problems, the present invention has the following aspects.
[1] A method for estimating a pressure drop in a reactor at any reaction time tx in a fixed bed flow reaction in which a single-phase fluid of gas or liquid, or a two-phase fluid of gas and liquid, is circulated through a reactor packed with a solid catalyst, comprising the steps of:
Acquiring the viscosity μ of the fluid, the linear velocity u of the fluid, and the density ρ of the fluid at the reaction time t x ;
A step of acquiring a total amount of impurities S IN in the fluid flowing into the reactor during a period (t x -t x-1 ) between another arbitrary reaction time t x-1 before the reaction time t x and the reaction time t x , and a total amount of impurities S OUT in the fluid flowing out of the reactor ;
and substituting the obtained S IN and S OUT into the following formula (1) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x ,
The obtained μ, u, ρ, and ε x are substituted into an equation for calculating a pressure drop based on the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, to derive a calculated value of the pressure drop, ΔP cal ;
A method for estimating a pressure drop in a reactor, comprising: substituting the obtained ΔP cal into the following formula (2) to obtain an estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at the reaction time t x :
[2] さらに前記反応経過時txにおける反応温度Tt(x)を取得するステップを有し、
前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには、前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップにおいて、前記式(1)に代えて、下記式(1-1)に前記SIN、前記SOUT、前記TB、及び前記Tt(x)を代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する[1]に記載の反応器内の圧力損失の推定方法。
[2] Further, the method includes a step of acquiring a reaction temperature T t(x) at a reaction time t x ,
The method for estimating a pressure drop in a reactor according to [1], wherein, when a relationship between the Tt (x) and a threshold value T B for coking satisfies T t(x) > T B , in the step of deriving a porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor, the S IN , the S OUT , the T B , and the Tt (x) are substituted into the following formula (1-1) instead of the formula (1) to derive a porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x .
[3] 固体触媒を充填した反応器に気体若しくは液体の1相の流体、又は気体及び液体の2相の流体を流通させる固定床流通式反応における任意の反応経過時txの前記反応器内の圧力損失を制御するための反応方法であって、
前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得するステップと、
取得したSIN及びSOUTを下記式(3)に代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップと、を有し、
所期の前記反応器内の圧力損失ΔPxを下記式(4)に代入し、ΔPcalを導出し、
得られたΔPcal及び前記εxを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式に代入し、
前記圧力損失を計算する式が成立するように流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを調整して反応を行うことを特徴とする反応器内の圧力損失を制御するための反応方法。
[3] A reaction method for controlling a pressure drop in a reactor at any reaction time t x in a fixed bed flow reaction in which a one-phase fluid of gas or liquid, or a two-phase fluid of gas and liquid is flowed through a reactor packed with a solid catalyst, comprising:
A step of acquiring a total amount of impurities S IN in the fluid flowing into the reactor during a period (t x -t x-1 ) between another arbitrary reaction time t x-1 before the reaction time t x and the reaction time t x , and a total amount of impurities S OUT in the fluid flowing out of the reactor ;
and substituting the obtained S IN and S OUT into the following formula (3) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x ,
The desired pressure drop ΔP x in the reactor is substituted into the following formula (4) to derive ΔP cal ,
The obtained ΔP cal and the ε x are substituted into an equation for calculating the pressure drop based on the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the void fraction of the solid catalyst layer in the reactor,
A reaction method for controlling pressure drop in a reactor, comprising: carrying out a reaction by adjusting the viscosity μ of a fluid, the linear velocity u of the fluid, and the density ρ of the fluid so that the equation for calculating the pressure drop is satisfied.
[4] さらに前記反応経過時txにおける反応温度Tt(x)を取得するステップを有し、
前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには、前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップにおいて、前記式(3)に代えて、下記式(3-1)に前記SIN、前記SOUT、前記TB、及び前記Tt(x)を代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する[3]に記載の反応器内の圧力損失を制御するための反応方法。
[4] Further, the method includes a step of acquiring a reaction temperature T t(x) at a reaction time t x ,
When the relationship between the Tt (x) and the threshold value T B for coking satisfies T t(x) > T B , in the step of deriving the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor, the S IN , the S OUT , the T B , and the Tt (x) are substituted into the following formula (3-1) instead of the formula (3) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x .
前記反応経過時txにおける流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを取得する流体情報取得部と、
前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得する不純物情報取得部と、
取得したSIN及びSOUTを下記式(5)に代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する空隙率導出部と、
取得した前記μ、前記u、前記ρ、及び前記εxを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式に代入し、圧力損失の計算値であるΔPcalを導出するΔPcal導出部と、
得られたΔPcalを下記式(6)に代入し、前記反応経過時txにおける前記反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを導出する圧力損失の推定値導出部と、
前記圧力損失の推定値ΔPsimを出力する出力部と、
を有することを特徴とする圧力損失推定導出装置。
A fluid information acquisition unit that acquires the viscosity μ of the fluid, the linear velocity u of the fluid, and the density ρ of the fluid at the reaction time t x ;
an impurity information acquisition unit that acquires a total amount S IN of impurities in the fluid flowing into the reactor during a period (t x -t x-1 ) between another arbitrary reaction time t x -1 before the reaction time t x and the reaction time t x and a total amount S OUT of impurities in the fluid flowing out of the reactor;
a porosity deriving unit that derives the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x by substituting the obtained S IN and S OUT into the following formula (5);
a ΔP cal derivation unit that substitutes the obtained μ, u, ρ, and ε x into an equation for calculating a pressure drop based on a viscosity of a fluid, a linear velocity of the fluid, a density of the fluid, and a porosity of a solid catalyst layer in a reactor, and derives a calculated value of the pressure drop, ΔP cal ;
a pressure loss estimated value deriving unit that substitutes the obtained ΔP cal into the following formula (6) to derive an estimated value ΔP sim of the pressure loss in the reactor at the reaction time t x ;
an output unit that outputs the estimated pressure loss value ΔP sim ;
A pressure loss estimation deriving device comprising:
[6] さらに前記反応経過時txにおける反応温度Tt(x)を取得する温度情報取得部を有し、
前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには、前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する空隙率導出部において、前記式(5)に代えて、下記式(5-1)に前記SIN、前記SOUT、前記TB、及びTt(x)を代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する[5]に記載の圧力損失推定導出装置。
[6] Further, a temperature information acquisition unit is provided for acquiring a reaction temperature T t(x) at a reaction time t x ,
When the relationship between the Tt (x) and a threshold value T B for coking satisfies T t(x) > T B , a porosity deriving unit for deriving the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor is configured to substitute the S IN , the S OUT , the T B , and Tt (x) into the following formula (5-1) instead of the formula (5) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x .
[7] コンピュータを、[5]又は[6]に記載の圧力損失推定導出装置の各部として機能させるための圧力損失推定プログラム。
[7] A pressure loss estimation program for causing a computer to function as each part of the pressure loss estimation derivation device according to [5] or [6].
本発明に係る圧力損失の推定方法は、反応器に気体若しくは液体の1相の流体、又は気体及び液体の2相の流体を流通させる固定床流通式反応における、反応器内の圧力損失の経時変化を精度よく推定する方法、反応器内の圧力損失を制御するための反応方法、圧力損失推定導出装置、及び圧力損失推定プログラムを提供することができる。 The pressure loss estimation method according to the present invention can provide a method for accurately estimating the change in pressure loss over time in a reactor in a fixed-bed flow reaction in which a one-phase fluid of gas or liquid, or a two-phase fluid of gas and liquid, is circulated through the reactor, a reaction method for controlling the pressure loss in the reactor, a pressure loss estimation device, and a pressure loss estimation program.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下の記載は本発明の実施態様の一例であり、本発明はこれらの内容に限定されず、その要旨の範囲内で変形して実施することができる。 The following describes in detail the embodiments of the present invention. However, the following description is merely an example of the embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these contents, and can be modified and implemented within the scope of the gist of the invention.
<圧力損失の推定方法>
本実施形態の圧力損失の推定方法は、固体触媒を充填した反応器に気体若しくは液体の1相の流体、又は気体及び液体の2相の流体を流通させる固定床流通式反応における任意の反応経過時txの前記反応器内の圧力損失の推定方法であって、前記反応経過時txにおける流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを取得するステップ(図1のS1A)と、前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得するステップ(図1のS1B)と、取得したSIN及びSOUTを下記式(1)に代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップ(図1のS1B-1)と、を有し、取得した前記μ、前記u、前記ρ、及び前記εxを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式に代入し、圧力損失の計算値であるΔPcalを導出し(図1のS2)、得られたΔPcalを下記式(2)に代入し、前記反応経過時txにおける前記反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを求める(図1のS3)ことを特徴とする。
<Pressure loss estimation method>
The pressure drop estimation method of the present embodiment is a method for estimating a pressure drop in an arbitrary reaction time t x in a fixed bed flow reaction in which a one-phase fluid of gas or liquid, or a two-phase fluid of gas and liquid is circulated through a reactor packed with a solid catalyst, the method including the steps of: acquiring a viscosity μ of the fluid , a linear velocity u of the fluid, and a density ρ of the fluid at the reaction time t x ( S1A in FIG . 1); acquiring a total amount S IN of impurities in the fluid flowing into the reactor and a total amount S OUT of impurities in the fluid flowing out of the reactor during the period (t x -t x-1 ) from another arbitrary reaction time t x-1 before the reaction time t x to the reaction time t x; and substituting the acquired S IN and S OUT into the following formula (1) to obtain a porosity ε of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x: and a step of deriving ΔP cal , which is a calculated value of the pressure drop (S2 in FIG. 1), by substituting the acquired μ, u, ρ, and ε x into an equation for calculating a pressure drop based on a viscosity of a fluid, a linear velocity of a fluid, a density of a fluid, and a porosity of a solid catalyst layer in a reactor (S1B-1 in FIG. 1). The method is characterized in that the method includes a step of deriving ΔP cal , which is a calculated value of the pressure drop, into the following equation (2) to obtain an estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at the reaction time t x (S3 in FIG. 1).
前記式(1)中、εx-1は、反応経過時tx-1における反応器内の固体触媒層の空隙率、αはチューニングファクターである。αの設定方法については後述する。 In the above formula (1), ε x-1 is the void fraction of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x-1 , and α is a tuning factor. The method for setting α will be described later.
前記式(2)中、σはチューニングファクターである。σの設定方法については後述する。 In the above formula (2), σ is a tuning factor. The method for setting σ will be described later.
固定床流通式反応においては、反応時間の経過とともに反応器内の固体触媒層にスケールが蓄積し、固体触媒層の空隙率が減少する。主要なスケールの形成要因としては、反応物を含む流体に含まれる金属化合物を代表とする不純物の固体触媒層への堆積が挙げられる。前記式(1)においては、前記反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTの差である(SIN-SOUT)を計算することにより(SIN-SOUT)量の不純物が固体触媒層に堆積し、反応器内の固体触媒層の空隙率を減少させるものと考える。 In a fixed bed flow reaction, scale accumulates in the solid catalyst layer in the reactor over the reaction time, and the porosity of the solid catalyst layer decreases. The main cause of scale formation is the deposition of impurities, typically metal compounds, contained in the fluid containing the reactants on the solid catalyst layer. In the formula (1), the difference (S IN -S OUT ) between the total amount of impurities S IN in the fluid flowing into the reactor between the reaction time t x-1 and the reaction time t x (t x -t x-1 ) and the total amount of impurities S OUT in the fluid flowing out of the reactor is calculated, and it is considered that the amount of impurities (S IN -S OUT ) is deposited on the solid catalyst layer, reducing the porosity of the solid catalyst layer in the reactor.
前記SINは、前記反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)における、前記反応器に流入する前の流体中の不純物濃度(単位は例えばppm)を測定し、その間に反応器に流入した流体の総量(単位は例えばkg)との積を計算することにより得ることができる。また、前記SOUTは、前記反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)における、前記反応器から流出した後の流体中の不純物濃度(単位は例えばppm)を測定し、その間に反応器から流出した流体の総量(単位は例えばkg)との積を計算することにより得ることができる。反応器に流入した流体中及び反応器から流出した流体中の不純物濃度は、反応経過時tx-1からtxの間(tx-tx-1)に1回以上取得すればよく、2回以上取得した場合は、それらの平均値を使用することができる。 The S IN can be obtained by measuring the impurity concentration (for example, ppm) in the fluid before flowing into the reactor during the reaction time t x-1 to the reaction time t x (t x -t x-1 ) and calculating the product with the total amount of fluid flowing into the reactor during that time (for example, kg). The S OUT can be obtained by measuring the impurity concentration (for example, ppm) in the fluid after flowing out of the reactor during the reaction time t x-1 to the reaction time t x (t x -t x-1 ) and calculating the product with the total amount of fluid flowing out of the reactor during that time (for example, kg). The impurity concentration in the fluid flowing into the reactor and the fluid flowing out of the reactor may be obtained at least once during the reaction time t x-1 to t x (t x -t x-1 ), and if obtained twice or more times, the average value thereof can be used.
反応器内に複数の異なる固体触媒層が形成されている場合の前記反応経過時txにおける各固体触媒層の空隙率εx(n)は例えば、下記式(1-A)により導出することができる(εx(n)導出方法(1))。 When a plurality of different solid catalyst layers are formed in a reactor, the porosity ε x(n) of each solid catalyst layer at the reaction time t x can be calculated, for example, by the following formula (1-A) (method (1 ) of deriving ε x(n) ).
前記式(1-A)中、nは2以上の整数であり異なる固体触媒層の数を表す。εx(n)は前記反応経過時txにおける反応器入り口側から第n層目の固体触媒層の空隙率、εx-1(n)は、前記反応経過時tx-1における反応器入り口側から第n層目の固体触媒層の空隙率、α(n)は反応器入り口側から第n層目の固体触媒層のチューニングファクター、R(n)は反応器入り口側から第n層目の固体触媒層の固体触媒層比率であり、R(1)~R(n)の和は1となる。SIN及びSOUTは上記と同様である。 In the formula (1-A), n is an integer of 2 or more and represents the number of different solid catalyst layers. ε x(n) is the porosity of the n-th solid catalyst layer from the reactor inlet side at the reaction time t x , ε x-1(n) is the porosity of the n-th solid catalyst layer from the reactor inlet side at the reaction time t x-1 , α (n) is the tuning factor of the n-th solid catalyst layer from the reactor inlet side, R (n) is the solid catalyst layer ratio of the n-th solid catalyst layer from the reactor inlet side, and the sum of R (1) to R (n) is 1. S IN and S OUT are the same as above.
本発明において、固体触媒層比率R(n)は、前記反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTの差である(SIN-SOUT)のうち、前記複数の異なる固体触媒層それぞれにどれだけの量が堆積したかを按分するための係数である。 In the present invention, the solid catalyst layer ratio R (n) is a coefficient for apportioning how much of the difference (S IN -S OUT ) between the total amount of impurities S IN in the fluid flowing into the reactor between the reaction time t x-1 and the reaction time t x (t x -t x- 1 ) and the total amount of impurities S OUT in the fluid flowing out of the reactor is deposited in each of the plurality of different solid catalyst layers.
反応器内に複数の異なる固体触媒層が形成されている場合の前記反応経過時txにおける各固体触媒層の空隙率εx(n)は例えば、下記式(1-B)によっても導出することができる(εx(n)導出方法(2))。
前記式(1-B)中、nは2以上の整数であり異なる固体触媒層の数を表す。εx(n)は前記反応経過時txにおける反応器入り口側から第n層目の固体触媒層の空隙率、εx-1(n)は、前記反応経過時tx-1における反応器入り口側から第n層目の固体触媒層の空隙率、αconstはチューニングファクターであり、SIN及びSOUTは上記と同様である。εx(n)導出方法(2)においては、n層の固体触媒層の空隙率をそれぞれ導出する上で、同じαconstを使用し、かつ前記固体触媒層比率を使用しないため、εx(n)導出方法(1)よりも簡便に圧力損失を推定することができる。 In the formula (1-B), n is an integer of 2 or more and represents the number of different solid catalyst layers. ε x(n) is the porosity of the n-th solid catalyst layer from the reactor inlet side at the reaction time t x , ε x-1(n) is the porosity of the n-th solid catalyst layer from the reactor inlet side at the reaction time t x-1 , α const is a tuning factor, and S IN and S OUT are the same as above. In the ε x(n) derivation method (2), the same α const is used to derive the porosities of the n solid catalyst layers, and the solid catalyst layer ratio is not used, so that the pressure loss can be estimated more simply than in the ε x(n) derivation method (1).
本発明においては、反応器内に複数の異なる固体触媒層が形成されている場合、より簡便に圧力損失を推定できる観点から、前記εx(n)導出方法(2)を採用することが好ましい。 In the present invention, when a plurality of different solid catalyst layers are formed in a reactor, it is preferable to employ the above-mentioned ε x(n) deriving method (2) from the viewpoint of being able to estimate the pressure drop more simply.
本明細書において「不純物」とは、反応器入り口においては目的としている化学反応の反応物以外の物質、反応器出口においては前記反応器入り口における「不純物」由来の物質を意味する。また、窒素ガス等、一般に化学反応において不活性な物質に関しては測定する必要はない。目的とする化学反応に応じて、固体触媒層に堆積する不純物を適宜選定し、前記物質のみを測定すればよい。
流体中の不純物濃度の測定方法は、不純物、及び流体の種類によって本分野で公知の方法を採用することができ、例えば、誘導結合プラズマ質量分析計ICP-MS、ICP-OES、ICP-AES、液体クロマトグラフィーやガスクロマトグラフィー等の各種クロマトグラフィー、蛍光X線分析等が例として挙げられる。
また、前記反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に反応器に流入した流体の総量、及び反応器から流出した流体の総量は、流量計、原料タンク及び生成物タンクの液面レベル変化等により得ることができる。また、前記反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に反応器に流入した流体の総量、及び反応器から流出した流体の総量はマスフローコントローラー、コントロールバルブ、ポンプ、コンプレッサー等で制御を行い所期の量とすることもできる。
In this specification, "impurities" means substances other than the reactants of the target chemical reaction at the reactor inlet, and substances originating from the "impurities" at the reactor inlet at the reactor outlet. In addition, there is no need to measure substances that are generally inactive in chemical reactions, such as nitrogen gas. It is sufficient to appropriately select impurities that accumulate on the solid catalyst layer according to the target chemical reaction, and measure only the above substances.
The method for measuring the concentration of impurities in a fluid can be a method known in the art depending on the type of impurity and fluid. Examples of the method include an inductively coupled plasma mass spectrometer ICP-MS, ICP-OES, ICP-AES, various types of chromatography such as liquid chromatography and gas chromatography, and fluorescent X-ray analysis.
The total amount of fluid flowing into the reactor during the reaction time t x-1 to the reaction time t x (t x -t x-1 ) and the total amount of fluid flowing out of the reactor can be obtained from a flow meter, changes in the liquid levels of the raw material tank and the product tank, etc. The total amount of fluid flowing into the reactor during the reaction time t x-1 to the reaction time t x (t x -t x-1 ) and the total amount of fluid flowing out of the reactor can also be controlled to a desired amount by a mass flow controller, a control valve, a pump, a compressor, etc.
前記式(1)中の反応経過時tx-1における反応器内の固体触媒層の空隙率εx-1は、例えば反応経過時tx-1よりさらに前の別の任意の反応経過時tx-2における反応器内の固体触媒層の空隙率εx-2、及び前記反応経過時tx-2から前記反応経過時tx-1の間に反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを前述の方法で測定し、前記式(1)に代入することにより導出することができる。すなわち、反応開始時の反応器内の固体触媒層の空隙率であるε0が既知であれば、その後は、上記式(1)を繰り返し適用することにより、反応器内の固体触媒層の空隙率εの経時変化を取得することができる。 The porosity ε x-1 of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x-1 in the formula (1) can be derived by measuring, for example, the porosity ε x- 2 of the solid catalyst layer in the reactor at another arbitrary reaction time t x-2 before the reaction time t x-1 , the total amount of impurities S IN in the fluid flowing into the reactor between the reaction time t x- 2 and the reaction time t x-1 , and the total amount of impurities S OUT in the fluid flowing out of the reactor by the above-mentioned method and substituting them into the formula (1). That is, if the porosity ε 0 of the solid catalyst layer in the reactor at the start of the reaction is known, the change over time in the porosity ε of the solid catalyst layer in the reactor can be obtained by repeatedly applying the above formula (1) thereafter.
反応開始時の反応器内の固体触媒層の空隙率ε0は、例えば、固体触媒層の充填密度BD(単位は例えば、kg/m3)、充填されている固体触媒の真密度ρcat(単位は例えば、kg/m3)、及び充填されている固体触媒の細孔容積PV(単位は例えばm3/kg)をそれぞれ測定し、ε0=1-(BD×(1/ρcat+PV))を計算することにより取得することができる。
また、固体触媒層の充填密度BDは、固体触媒層の充填容積Vcat(単位は例えば、m3)、及び固体触媒の充填重量Wcat(単位は例えば、kg)より、BD=Wcat/Vcatを計算することにより取得することができる。
固体触媒層の充填容積Vcatは、固体触媒層の層高(単位は例えば、m)と反応器(例えば、円柱状の管型反応器)の断面積(単位は例えば、m2)を乗じることによって得ることができる。固体触媒層の層高の測定方法については後述する。
固体触媒の真密度ρcatは、本分野において公知の方法により測定することができ、例えばピクノメーター法による測定により取得することができる。ピクノメーター法は、アルキメデスの原理に基づく測定方法であり、測定手段として液相法と気相法がある。
固体触媒の細孔容積PVは、水銀圧入法、ガス(窒素ガス等)吸着法により取得することができる。
The porosity ε 0 of the solid catalyst layer in the reactor at the start of the reaction can be obtained, for example, by measuring the packing density BD (unit: kg/m 3 , for example) of the solid catalyst layer, the true density ρ cat (unit: kg/m 3 , for example) of the packed solid catalyst, and the pore volume PV (unit: m 3 /kg, for example) of the packed solid catalyst, and calculating ε 0 = 1 - (BD × (1/ρ cat + PV)).
The packing density BD of the solid catalyst layer can be obtained by calculating BD=W cat /V cat from the packing volume V cat (unit: m 3 , for example) of the solid catalyst layer and the packing weight W cat ( unit: kg, for example) of the solid catalyst.
The packed volume V cat of the solid catalyst layer can be obtained by multiplying the layer height (unit: m, for example) of the solid catalyst layer by the cross-sectional area (unit: m 2 , for example) of the reactor (for example, a cylindrical tubular reactor). The method for measuring the layer height of the solid catalyst layer will be described later.
The true density ρ cat of the solid catalyst can be measured by a method known in the art, for example, by measurement using a pycnometer method. The pycnometer method is a measurement method based on Archimedes' principle, and includes a liquid phase method and a gas phase method as a measurement means.
The pore volume PV of the solid catalyst can be obtained by mercury porosimetry or gas (nitrogen gas, etc.) adsorption method.
(チューニングファクターα(αconst)、σの設定方法1)
反応器内に単一の固体触媒層が形成されている場合、前記式(1)におけるチューニングファクターα及び前記式(2)におけるチューニングファクターσは、例えば以下の方法により設定することができる(α、σの設定方法1)。
任意の反応経過時txにおける反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを前記式(1)、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式、及び前記式(2)より導出する。このとき、α、σが定まっていないため、ΔPsimはα及びσの関数となる。
前記反応経過時txにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係が、ΔP=ΔPsimとなるようにα、σの値を設定することができる。
(
When a single solid catalyst layer is formed in the reactor, the tuning factor α in the formula (1) and the tuning factor σ in the formula (2) can be set, for example, by the following method (
The estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at any reaction time t x is derived from the above formula (1), a formula for calculating the pressure drop from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the void fraction of the solid catalyst layer in the reactor, and the above formula (2). At this time, since α and σ are not determined, ΔP sim is a function of α and σ.
The values of α and σ can be set so that the relationship between the actual measured value ΔP of the pressure loss at the reaction time t x and the ΔP sim satisfies ΔP=ΔP sim .
反応器内に複数の異なる固体触媒層が形成されており、各固体触媒層の空隙率εx(n)を前記εx(n)導出方法(2)により導出する場合、前記式(1-B)におけるチューニングファクターαconst及び前記式(2)におけるチューニングファクターσは、例えば以下の方法により設定することができる(αconst、σの設定方法1)。
任意の反応経過時txにおける反応器内の各固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(n)を前記式(1-B)、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式より導出する(nは2以上の整数であり異なる固体触媒層の数を表す。以下同様である)。このとき、ΔPcal(n)はαconstの関数となる。続いて、各固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(n)を合計することにより全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalをαconstの関数として得る。得られた全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalを前記式(2)に代入し、全固体触媒層の圧力損失の推定値ΔPsimを導出する。このとき、αconst、σが定まっていないため、ΔPsimはαconst及びσの関数となる。
前記反応経過時txにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係が、ΔP=ΔPsimとなるようにαconst、σの値を設定することができる。
When a plurality of different solid catalyst layers are formed in a reactor and the porosity ε x(n) of each solid catalyst layer is derived by the above-mentioned ε x(n) derivation method (2), the tuning factor α const in the above-mentioned formula (1-B) and the tuning factor σ in the above-mentioned formula (2) can be set, for example, by the following method (
The calculated pressure loss ΔP cal(n) of each solid catalyst layer in the reactor at any reaction time t x is derived from the above formula (1-B), a formula for calculating pressure loss from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor (n is an integer of 2 or more and represents the number of different solid catalyst layers. The same applies below). At this time, ΔP cal(n) is a function of α const . Next, the calculated pressure loss ΔP cal of all solid catalyst layers is obtained as a function of α const by summing the calculated pressure loss ΔP cal (n) of each solid catalyst layer. The calculated pressure loss ΔP cal of all solid catalyst layers obtained is substituted into the above formula (2) to derive the estimated pressure loss ΔP sim of all solid catalyst layers. At this time, since α const and σ are not determined, ΔP sim is a function of α const and σ.
The values of α const and σ can be set so that the relationship between the actual measured value ΔP of the pressure loss at the reaction time t x and the ΔP sim satisfies ΔP=ΔP sim .
前記圧力損失の推定値ΔPsimと前記圧力損失の実測値ΔPとの比較は複数の反応経過時において行い、チューニングファクターα(αconst)及びσを決定することが好ましい。例えば、前記ΔPsimと前記ΔPを任意の15点以上の反応経過時において取得し、それぞれの平均値であるΔPsim(ave)、ΔP(ave)の比率ΔP(ave)/ΔPsim(ave)の値が1に最も近づくようにα(αconst)、σを設定することができる。 It is preferable to compare the estimated pressure loss ΔP sim with the actual pressure loss ΔP at a plurality of reaction time points and determine tuning factors α (α const ) and σ. For example, ΔP sim and ΔP are obtained at any 15 or more reaction time points, and α (α const ) and σ can be set so that the ratio ΔP (ave ) /ΔP sim ( ave) of the respective average values ΔP sim (ave) and ΔP (ave) approaches 1.
(チューニングファクターα(αconst)、σの設定方法2)
反応器内に単一の固体触媒層が形成されている場合、チューニングファクターα、σは以下の方法により設定してもよい(α、σの設定方法2)。
反応開始初期tintにおける反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式、及び前記式(2)より導出する。この際、反応器内の固体触媒層の空隙率として、上述した反応開始時の反応器内の固体触媒層の空隙率ε0を使用する。この場合、ΔPsimはσの関数となる。
前記反応開始初期tintにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係がΔP=ΔPsimとなるようにσの値を設定することができる。
(Method 2 of Setting Tuning Factors α (α const ), σ)
When a single solid catalyst layer is formed in the reactor, the tuning factors α and σ may be set by the following method (method 2 for setting α and σ).
The estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at the initial stage t int of the reaction is derived from the equation for calculating the pressure drop from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, and from the above-mentioned equation (2). At this time, the porosity of the solid catalyst layer in the reactor at the start of the reaction, ε 0, is used as the porosity of the solid catalyst layer in the reactor. In this case, ΔP sim is a function of σ.
The value of σ can be set so that the relationship between the actual measured value ΔP of the pressure loss at the initial reaction start time t int and the ΔP sim satisfies ΔP=ΔP sim .
上述の反応開始初期tintにおける反応器内の固体触媒層の空隙率をε0として前記反応開始初期tintよりも後の任意の反応経過時txにおける反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを前記式(1)、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式、及び前記式(2)より導出する。このとき、σはすでに定まっているため、ΔPsimはαの関数となる。
前記反応経過時txにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係が、ΔP=ΔPsimとなるようにαの値を設定することができる。
The void ratio of the solid catalyst layer in the reactor at the initial time t int of the reaction is set as ε 0 , and the estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at any time t x of the reaction after the initial time t int of the reaction is derived from the above formula (1), the formula for calculating the pressure drop from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the void ratio of the solid catalyst layer in the reactor, and the above formula (2). At this time, σ is already determined, so ΔP sim is a function of α.
The value of α can be set so that the relationship between the actual measured value ΔP of the pressure loss at the reaction time t x and the ΔP sim satisfies ΔP=ΔP sim .
反応器内に複数の異なる固体触媒層が形成されており、各固体触媒層の空隙率εx(n)を前記εx(n)導出方法(2)により導出する場合、前記式(1-B)におけるチューニングファクターαconst及び前記式(2)におけるチューニングファクターσは、以下の方法により設定してもよい(αconst、σの設定方法2)。
反応開始初期tintにおける反応器内の各固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(n)を流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式より導出する。この際、反応器内の各固体触媒層の空隙率として、上述した反応開始時の反応器内の各固体触媒層の空隙率ε0(n)を使用する。続いて、各固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(n)を合計することにより全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalを得る。得られた全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalを前記式(2)に代入し、全固体触媒層の圧力損失の推定値ΔPsimを導出する。この場合、ΔPsimはσの関数となる。
前記反応開始初期tintにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係がΔP=ΔPsimとなるようにσの値を設定することができる。
When a plurality of different solid catalyst layers are formed in a reactor and the porosity ε x(n) of each solid catalyst layer is derived by the above-mentioned ε x(n) deriving method (2), the tuning factor α const in the above-mentioned formula (1-B) and the tuning factor σ in the above-mentioned formula (2) may be set by the following method (method 2 for setting α const and σ).
The calculated pressure loss ΔP cal (n) of each solid catalyst layer in the reactor at the beginning of the reaction t int is derived from a formula for calculating pressure loss based on the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor. At this time, the porosity ε 0 (n) of each solid catalyst layer in the reactor at the start of the reaction is used as the porosity of each solid catalyst layer in the reactor. Then, the calculated pressure loss ΔP cal of all solid catalyst layers is obtained by summing the calculated pressure loss ΔP cal (n) of each solid catalyst layer. The calculated pressure loss ΔP cal of all solid catalyst layers obtained is substituted into the above formula (2) to derive the estimated pressure loss ΔP sim of all solid catalyst layers. In this case, ΔP sim is a function of σ.
The value of σ can be set so that the relationship between the actual measured value ΔP of the pressure loss at the initial reaction start time t int and the ΔP sim satisfies ΔP=ΔP sim .
上述の反応開始初期tintにおける反応器内の各固体触媒層の空隙率をε0(n)として前記反応開始初期tintよりも後の任意の反応経過時txにおける反応器内の各固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(n)を前記式(1-B)、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式より導出する。このとき、ΔPcal(n)はαconstの関数となる。続いて、各固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(n)を合計することにより全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalをαconstの関数として得る。得られた全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalを前記式(2)に代入し、全固体触媒層の圧力損失の推定値ΔPsimを導出する。このとき、σはすでに定まっているため、ΔPsimはαconstの関数となる。
前記反応経過時txにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係が、ΔP=ΔPsimとなるようにαconstの値を設定することができる。
The porosity of each solid catalyst layer in the reactor at the initial time t int of the reaction is set as ε 0(n) , and the calculated pressure loss ΔP cal(n) of each solid catalyst layer in the reactor at any reaction time t x after the initial time t int of the reaction is derived from the above formula (1-B), the equation for calculating the pressure loss from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor. At this time, ΔP cal(n) is a function of α const . Next, the calculated pressure loss ΔP cal of all solid catalyst layers is obtained as a function of α const by summing the calculated pressure loss ΔP cal (n) of each solid catalyst layer. The calculated pressure loss ΔP cal of all solid catalyst layers obtained is substituted into the above formula (2) to derive the estimated pressure loss ΔP sim of all solid catalyst layers. At this time, since σ is already determined, ΔP sim is a function of α const .
The value of α const can be set so that the relationship between the actual measured value ΔP of the pressure loss at the reaction time t x and the ΔP sim is ΔP=ΔP sim .
本明細書において、α(αconst)、σの設定方法2における反応開始初期とは、反応開始~前記反応開始初期の間に反応器に流入した流体の総容積(Vflow)と固体触媒層の充填容積(Vcat)との比であるVflow/Vcatが100以下となるような反応経過時を意味する。上述の関係が成り立つような反応開始初期においては、固体触媒層に不純物はほとんど堆積していないことから、反応器内の固体触媒層の空隙率としてε0を近似的に使用することにより、σとα(αconst)を段階的に、かつ一義的に決定することができる。 In this specification, the early stage of the reaction in the second method for setting α (α const ) and σ means the time when the reaction progresses at which V flow /V cat , which is the ratio of the total volume (V flow ) of the fluid flowing into the reactor between the start of the reaction and the early stage of the reaction to the packed volume (V cat ) of the solid catalyst layer, becomes 100 or less. Since almost no impurities are deposited in the solid catalyst layer at the early stage of the reaction when the above-mentioned relationship holds, σ and α (α const ) can be determined stepwise and uniquely by approximately using ε 0 as the void fraction of the solid catalyst layer in the reactor.
なお、反応器を複数備える多管式反応器で反応行う場合は、各反応器ごとにチューニングファクターα(αconst)及びσを設定することが好ましい。 When the reaction is carried out in a multi-tubular reactor having a plurality of reactors, it is preferable to set the tuning factors α (α const ) and σ for each reactor.
<流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式>
流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式としては、本分野において公知の式を使用することができ、流体が気体又は液体の1相の場合の反応器内の圧力損失を計算する式としてはErgun式、Blake・Kozeny式、Burke・Plummer式、Kozeny・Carman式、Fanning式等が例として挙げられ、流体が気体及び液体の2相の場合の反応器内の圧力損失を計算する式としてはErgun・Larkins式、Lockhart・Martinelli式等が例として挙げられるがこれらに限定されない。
以下、流体が気体又は液体の1相の場合の反応器内の圧力損失を計算する式としてErgun式を、流体が気体及び液体の2相の場合の反応器内の圧力損失を計算する式としてErgun・Larkins式を説明するが、本発明はこれらの式に限定されるものではない。
<Formula for calculating pressure drop based on fluid viscosity, fluid linear velocity, fluid density, and void fraction of solid catalyst layer in reactor>
As a formula for calculating the pressure drop based on the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, a formula known in the art can be used. When the fluid is a single phase of gas or liquid, examples of the formula for calculating the pressure drop in the reactor include the Ergun formula, the Blake-Kozeny formula, the Burke-Plummer formula, the Kozeny-Carman formula, and the Fanning formula. When the fluid is a two-phase of gas and liquid, examples of the formula for calculating the pressure drop in the reactor include the Ergun-Larkins formula, the Lockhart-Martinelli formula, and the like, but are not limited thereto.
Hereinafter, the Ergun formula will be described as a formula for calculating the pressure drop in a reactor when the fluid is a single phase of gas or liquid, and the Ergun-Larkins formula will be described as a formula for calculating the pressure drop in a reactor when the fluid is a two-phase of gas and liquid, but the present invention is not limited to these formulas.
<Ergun式>
固定床流通式反応において、流体が気体又は液体の1相の場合の反応器内の圧力損失の計算値は、下記式(7)で表わされるErgun式により導出することができる。本実施形態においてはErgun式により求められる反応器内の圧力損失の計算値をΔP1calとする。
<Ergun method>
In a fixed bed flow reaction, the calculated value of the pressure drop in the reactor when the fluid is one phase of gas or liquid can be derived by the Ergun equation represented by the following formula (7). In this embodiment, the calculated value of the pressure drop in the reactor obtained by the Ergun equation is defined as ΔP1 cal .
前記式(7)中、a、b、mはErgun式における定数、εは反応器内の固体触媒層の空隙率、μは流体の粘度[kg/ms]、uは流体の線速度[m/s]、ρは流体の密度[kg/m3]、dpは固体触媒を球と仮定した場合の球径[m]、Hは固体触媒の層高[m]である。 In the above formula (7), a, b, and m are constants in the Ergun formula, ε is the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, μ is the viscosity of the fluid [kg/ms], u is the linear velocity of the fluid [m/s], ρ is the density of the fluid [kg/ m3 ], dp is the spherical diameter [m] when the solid catalyst is assumed to be a sphere, and H is the layer height of the solid catalyst [m].
前記式(7)中のa、b、mは定数であり、経験的に求められている値である。例えば固体触媒が球状の場合a=150、b=1.75、m=3.0とすることができる。例えば、固体触媒が球状でない場合、a=180、b=1.80、m=3.6とすることができる。 In the above formula (7), a, b, and m are constants and are empirically determined values. For example, if the solid catalyst is spherical, a = 150, b = 1.75, and m = 3.0 can be used. For example, if the solid catalyst is not spherical, a = 180, b = 1.80, and m = 3.6 can be used.
本実施形態においては、前記式(7)中のεとして、前記式(1)又は後述する式(1-1)により導出したεxを使用する。μは反応温度における流体の粘度[kg/ms]であり、流体が気体の場合は、例えばガスクロマトグラフィーで得られた組成分析結果をプロセスシミュレーターに導入し、算出した結果により、流体が液体の場合は、例えばJIS K 2283「原油及び石油製品-動粘度試験方法及び粘度指数算出方法」より得られた結果とJIS K2249「原油及び石油製品-密度試験方法及び密度・質量・容量換算表」により得られた15℃換算の密度を乗じて、温度換算することにより取得することができる。なお、一般的な固定床流通式反応の反応温度においては、気体、液体ともに流体の粘度は反応器内の圧力損失に影響を及ぼすほど変わらないため、一度取得した値を固定値として継続的に使用することができる。ρは反応温度における流体の密度[kg/m3]であり、流体が気体の場合は、例えばガスクロマトグラフィーで得られた組成分析結果をプロセスシミュレーターに導入し、算出した結果、組成を一定とみなし、前記組成に相当する密度を温度、圧力補正することにより、流体が液体の場合は、例えばJIS K2249「原油及び石油製品-密度試験方法及び密度・質量・容量換算表」により得られた15℃換算の密度を温度で補正することにより取得することができる。uは反応温度における流体の線速度[m/s]であり、流体の流量[m3/s]を反応器(例えば、円柱状の管型反応器)の断面積[m2]で除することにより取得することができる。流体の流量は、SIN及びSOUTを取得するステップで説明した方法と同様の方法により取得することができる。 In this embodiment, ε in the formula (7) is ε x derived from the formula (1) or the formula (1-1) described later. μ is the viscosity of the fluid at the reaction temperature [kg/ms]. When the fluid is a gas, for example, the composition analysis results obtained by gas chromatography are introduced into a process simulator and calculated from the results. When the fluid is a liquid, for example, the results obtained from JIS K 2283 "Crude oil and petroleum products - Kinematic viscosity test method and viscosity index calculation method" are multiplied by the density converted to 15 ° C. obtained from JIS K2249 "Crude oil and petroleum products - Density test method and density, mass, and volume conversion table" to obtain the temperature conversion. Note that, at the reaction temperature of a general fixed bed flow reaction, the viscosity of the fluid, both gas and liquid, does not change so much as to affect the pressure loss in the reactor, so the value once obtained can be used continuously as a fixed value. ρ is the density of the fluid at the reaction temperature [kg/m 3 ]. When the fluid is a gas, for example, the composition analysis results obtained by gas chromatography are introduced into a process simulator, and the calculated results are considered to be constant. The density corresponding to the composition is corrected for temperature and pressure. When the fluid is a liquid, for example, the density converted to 15°C obtained by JIS K2249 "Crude oil and petroleum products - Density test method and density, mass, and volume conversion table" is corrected by temperature. u is the linear velocity of the fluid at the reaction temperature [m/s], and can be obtained by dividing the flow rate of the fluid [m 3 /s] by the cross-sectional area [m 2 ] of the reactor (for example, a cylindrical tubular reactor). The flow rate of the fluid can be obtained by the same method as that described in the step of obtaining S IN and S OUT .
dpは固体触媒を球と仮定した場合の球径[m]である。固定床流通式反応に用いられる固体触媒の形状は、その用途に応じ選択されるものであるが、リング形状、円柱形状、タブレット形状、ハニカム形状、三つ葉型、四つ葉型、さらには球状の触媒の形状がよく使用されている。
本実施形態においては、充填されている固体触媒が球状であれば、その球径をdpとすることができる。一方、固体触媒が球状でない場合は、固体触媒を球と仮定した場合の球径を求めることができ、当該径をdpとすることができる。既知文献(Ind.Eng.Chem.Des.Dev.1986,25,1034-1036)に記載のように、例えば円柱であれば式(8-1)、三つ葉型であれば式(8-2)、四つ葉型であれば式(8-3)で求めることができる。
dp is the spherical diameter [m] when the solid catalyst is assumed to be a sphere. The shape of the solid catalyst used in the fixed bed flow reaction is selected according to the application, but ring-shaped, cylindrical, tablet-shaped, honeycomb-shaped, three-leaf-shaped, four-leaf-shaped, and even spherical catalyst shapes are often used.
In this embodiment, if the filled solid catalyst is spherical, its spherical diameter can be taken as dp. On the other hand, if the solid catalyst is not spherical, the spherical diameter can be calculated assuming that the solid catalyst is a sphere, and this diameter can be taken as dp. As described in a known document (Ind. Eng. Chem. Des. Dev. 1986, 25, 1034-1036), for example, if it is a cylinder, it can be calculated by formula (8-1), if it is a three-leaf clover, it can be calculated by formula (8-2), and if it is a four-leaf clover, it can be calculated by formula (8-3).
前記式(8-1)~(8-3)中、Lは固体触媒の平均長径[m]、Dは固体触媒の平均短径[m]である。固体触媒の平均長径及び平均短径は例えば50個以上の固体触媒の長径及び短径を測定し、その平均値を採用することができる。
本発明においては、固体触媒のdpは反応開始前に測定し、反応中にdpの値は変化しないものとする。
In the formulas (8-1) to (8-3), L is the average major axis [m] of the solid catalyst, and D is the average minor axis [m] of the solid catalyst. The average major axis and the average minor axis of the solid catalyst can be determined by measuring the major axis and the minor axis of, for example, 50 or more solid catalysts, and averaging the results.
In the present invention, the dp of the solid catalyst is measured before the start of the reaction, and the value of dp does not change during the reaction.
Hは固体触媒の層高[m]である。固体触媒の層高は反応開始前に固体触媒を充填した際に、本分野において公知の方法により測定することができる。固体触媒の層高は、例えば触媒充填時の検尺により測定することができる。
本発明においては、反応中に固体触媒の層高の値は変化しないものとする。
H is the bed height of the solid catalyst [m]. The bed height of the solid catalyst can be measured by a method known in the art when the solid catalyst is packed before the start of the reaction. The bed height of the solid catalyst can be measured, for example, by measuring the bed height of the catalyst when it is packed.
In the present invention, the bed height of the solid catalyst does not change during the reaction.
以上のパラメータを前記式(7)に代入し、ΔP1calを導出する。そして、得られたΔP1calを前記式(2)のΔPcalに代入することにより、前記反応経過時txにおける前記反応器内の圧力損失の推定値ΔPsim(以下、流体が気体又は液体の1相の場合の反応器内の圧力損失の推定値をΔP1simと表記することがある)を求めることができる。 The above parameters are substituted into the formula (7) to derive ΔP1 cal . Then, the obtained ΔP1 cal is substituted into ΔP cal in the formula (2) to obtain an estimated value ΔP sim of the pressure loss in the reactor at the reaction time t x (hereinafter, the estimated value of the pressure loss in the reactor when the fluid is one phase of gas or liquid may be referred to as ΔP1 sim ).
<Ergun・Larkins式>
固定床流通式反応において、流体が気体及び液体の2相の場合の反応器内の圧力損失の計算値は、下記式(9)~(14)で構成されるErgun・Larkins式により導出することができる。本実施形態においてはErgun・Larkins式により求められる反応器内の圧力損失の計算値をΔP2calとする。
<Ergun-Larkins style>
In a fixed bed flow reaction, the calculated value of the pressure drop in the reactor when the fluid is two-phase, that is, gas and liquid, can be derived by the Ergun-Larkins equation composed of the following equations (9) to (14). In this embodiment, the calculated value of the pressure drop in the reactor obtained by the Ergun-Larkins equation is defined as ΔP2 cal .
前記式(9)中、δLは液体のΔPcal/H、δGは気体のΔPcal/H、δLGは気液のΔPcal/Hであり、χ=(δL/δG)1/2であり、0.05<χ<30である。) In the formula (9), δL is ΔP cal /H of the liquid, δG is ΔP cal /H of the gas, δLG is ΔP cal /H of the gas-liquid, χ=( δL / δG ) 1/2 , and 0.05<χ<30.
前記式(10)中、RLは液ホールドアップである。 In the formula (10), R L is the liquid holdup.
前記式(11)中、ρmは気液平均密度、ρLは液体の密度、ρGは気体の密度、RLは上記と同様である。 In the formula (11), ρ m is the gas-liquid average density, ρ L is the liquid density, ρ G is the gas density, and R L is the same as above.
Ergun・Larkins式による反応器内の圧力損失の計算値ΔP2calの導出について以下に説明する。
まず、δL及びδGを前記Ergun式により、下記の通り導出する(下記式(13)、下記式(14))。
The derivation of the calculated value ΔP2 cal of the pressure drop in the reactor by the Ergun-Larkins equation will be described below.
First, δ L and δ G are derived by the Ergun equation as follows (Equation (13) and Equation (14) below).
前記式(13)中、a、b、mはErgun式における定数、εは反応器内の固体触媒層の空隙率、μLは液体の粘度[kg/ms]、uLは液体の線速度[m/s]、ρLは液体の密度[kg/m3]、dpは固体触媒を球と仮定した場合の球径[m]、Hは触媒の層高[m]である。これらの値の求め方は、Ergun式で説明した通りである。
また、本実施形態においては、前記式(13)中のεとしては、前記式(1)又は後述する式(1-1)により導出したεxを使用する。
In the above formula (13), a, b, and m are constants in the Ergun formula, ε is the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, μL is the viscosity of the liquid [kg/ms], uL is the linear velocity of the liquid [m/s], ρL is the density of the liquid [kg/ m3 ], dp is the spherical diameter [m] when the solid catalyst is assumed to be a sphere, and H is the height of the catalyst layer [m]. The method of determining these values is as explained in the Ergun formula.
In this embodiment, ε in the above formula (13) is ε x derived from the above formula (1) or the formula (1-1) described below.
前記式(14)中、a、b、mはErgun式における定数、εは反応器内の固体触媒層の空隙率、μGは気体の粘度[kg/ms]、uGは気体の線速度[m/s]、ρGは気体の密度[kg/m3]、dpは固体触媒を球と仮定した場合の球径[m]、Hは触媒の層高[m]である。これらの値の求め方は、Ergun式で説明した通りである。
また、本実施形態においては、前記式(14)中のεとしては、前記式(1)又は後述する式(1-1)により導出したεxを使用する。
In the above formula (14), a, b, and m are constants in the Ergun formula, ε is the void fraction of the solid catalyst layer in the reactor, μ G is the gas viscosity [kg/ms], u G is the gas linear velocity [m/s], ρ G is the gas density [kg/m 3 ], dp is the spherical diameter [m] when the solid catalyst is assumed to be a sphere, and H is the catalyst layer height [m]. The method of determining these values is as explained in the Ergun formula.
In this embodiment, ε in the above formula (14) is ε x derived from the above formula (1) or the formula (1-1) described below.
得られたδL及びδGよりχ=(δL/δG)1/2を導出する。引き続いて、δL、δG、χを用いて前記式(9)からδLGを、前記式(10)からRLを導出する。続いて、得られたRLを用いて前記式(11)からρmを導出する。得られたδLG及びρmを用いて前記式(12)よりΔP2calを導出する。そして、得られたΔP2calを前記式(2)のΔPcalに代入することにより、前記反応経過時txにおける前記反応器内の圧力損失の推定値ΔPsim(以下、流体が気体及び液体の2相の場合の反応器内の圧力損失の推定値をΔP2simと表記することがある)を求めることができる。 From the obtained δ L and δ G , χ = (δ L / δ G ) 1/2 is derived. Next, δ LG is derived from the above formula (9) using δ L , δ G , and χ, and R L is derived from the above formula (10). Next, ρ m is derived from the above formula (11) using the obtained R L. Then, ΔP2 cal is derived from the above formula (12) using the obtained δ LG and ρ m . Then, by substituting the obtained ΔP2 cal into ΔP cal in the above formula (2), an estimated value ΔP sim of the pressure loss in the reactor at the reaction time t x (hereinafter, the estimated value of the pressure loss in the reactor when the fluid is two-phase, that is, gas and liquid, may be denoted as ΔP2 sim ) can be obtained.
本発明の圧力損失の推定方法において、反応器内に複数の異なる固体触媒層が形成されている場合は、各固体触媒層における圧力損失の計算値ΔPcal(n)を上述の方法によりそれぞれ導出し、それらを積算することにより、全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalを取得することができる。そして、得られたΔPcalを前記式(2)に代入することにより、反応器内に複数の異なる固体触媒層が形成されている場合の反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを求めることができる。 In the method for estimating pressure drop according to the present invention, when a plurality of different solid catalyst layers are formed in a reactor, the calculated value ΔP cal (n) of the pressure drop in each solid catalyst layer is derived by the above-mentioned method, and these are integrated to obtain the calculated value ΔP cal of the pressure drop of all the solid catalyst layers. Then, by substituting the obtained ΔP cal into the above formula (2), the estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor when a plurality of different solid catalyst layers are formed in the reactor can be obtained.
本発明の反応器内の圧力損失の推定方法によって得られるΔPsimは、反応器内の圧力損失の実測値をΔPとした時に、ΔP/ΔPsimが平均で0.50以上1.50以下となることが好ましく、0.80以上1.20以下となることがより好ましい。ΔP/ΔPsimの平均は例えば15点以上のΔP/ΔPsimを測定することによって得ることができる。 The ΔP sim obtained by the method for estimating pressure drop in a reactor of the present invention is preferably ΔP/ΔP sim on average from 0.50 to 1.50, more preferably from 0.80 to 1.20, where ΔP is the actual measured value of pressure drop in the reactor. The average ΔP/ΔP sim can be obtained, for example, by measuring ΔP/ΔP sim at 15 or more points.
所定期間におけるΔP/ΔPsimの平均値が前記範囲を外れるときには、チューニングファクターαを再設定することが好ましい。所定期間におけるΔP/ΔPsimの平均値が前記範囲を外れる場合は、圧力損失の上昇の要因が、流体中の不純物の固体触媒層への堆積のみではなく、その他の要因によっても起こっていることを示唆するものである。 When the average value of ΔP/ ΔPsim in a predetermined period falls outside the range, it is preferable to reset the tuning factor α. When the average value of ΔP/ ΔPsim in a predetermined period falls outside the range, it suggests that the increase in pressure loss is caused not only by the accumulation of impurities in the fluid on the solid catalyst layer but also by other factors.
反応器内に単一の固体触媒層が形成されている場合、所定期間におけるΔP/ΔPsimの平均値が前記範囲を外れたときの、チューニングファクターαの再設定は以下のように行うことが好ましい。
所定期間におけるΔP/ΔPsimの平均値が前記範囲を外れた後の任意の反応経過時txにおける反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを前記式(1)、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式、及び前記式(2)より導出する。このとき、前記反応経過時txにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係が、ΔP=ΔPsimとなるようにαの値を再設定すればよい。
In the case where a single solid catalyst layer is formed in the reactor, when the average value of ΔP/ΔP sim in a predetermined period falls outside the above range, it is preferable to reset the tuning factor α as follows.
The estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at any reaction time t x after the average value of ΔP/ΔP sim in a predetermined period falls outside the range is derived from the above formula (1), a formula for calculating the pressure drop from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, and the above formula (2). At this time, the value of α may be reset so that the relationship between the actual pressure drop value ΔP at the reaction time t x and the above ΔP sim is ΔP = ΔP sim .
反応器内に複数の異なる固体触媒層が形成されており、各固体触媒層の空隙率εx(n)を前記εx(n)導出方法(2)により導出する場合、所定期間におけるΔP/ΔPsimの平均値が前記範囲を外れたときの、チューニングファクターαconstの再設定は以下のように行うことが好ましい。
所定期間におけるΔP/ΔPsimの平均値が前記範囲を外れた後の任意の反応経過時txにおける反応器内の各固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(n)を前記式(1-B)、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式より導出する。続いて、各固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(n)を合計することにより全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalを得る。得られた全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalを前記式(2)に代入し、全固体触媒層の圧力損失の推定値ΔPsimを導出する。このとき、前記反応経過時txにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係が、ΔP=ΔPsimとなるようにαconstの値を再設定すればよい。
In the case where a plurality of different solid catalyst layers are formed in a reactor and the porosity ε x(n) of each solid catalyst layer is derived by the above-mentioned ε x(n) deriving method (2), when the average value of ΔP/ΔP sim in a predetermined period falls outside the above-mentioned range, it is preferable to reset the tuning factor α const as follows.
The calculated pressure loss ΔP cal(n) of each solid catalyst layer in the reactor at any reaction time t x after the average value of ΔP/ΔP sim in a predetermined period falls outside the range is derived from the above formula (1-B), the equation for calculating pressure loss from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor. Then, the calculated pressure loss ΔP cal of all solid catalyst layers is obtained by summing the calculated pressure loss ΔP cal (n) of each solid catalyst layer. The calculated pressure loss ΔP cal of all solid catalyst layers obtained is substituted into the above formula (2) to derive the estimated pressure loss ΔP sim of all solid catalyst layers. At this time, the value of α const may be reset so that the relationship between the measured pressure loss value ΔP at the reaction time t x and the ΔP sim is ΔP=ΔP sim .
所定期間におけるΔP/ΔPsimの平均値が前記範囲を外れた後における前記圧力損失の推定値ΔPsimと前記圧力損失の実測値ΔPとの比較は複数の反応経過時において行い、チューニングファクターα(αconst)を再決定することが好ましい。例えば、所定期間におけるΔP/ΔPsimの平均値が前記範囲を外れた後における前記ΔPsimと前記ΔPを任意の15点以上の反応経過時において取得し、それぞれの平均値であるΔPsim(ave)、ΔP(ave)の比率ΔP(ave)/ΔPsim(ave)の値が1に最も近づくようにα(αconst)を再設定することができる。 It is preferable to compare the estimated pressure loss value ΔP sim with the actual pressure loss value ΔP after the average value of ΔP/ΔP sim in a predetermined period falls outside the range at a plurality of reaction times, and to re-determine the tuning factor α (α const ). For example, the ΔP sim and the ΔP after the average value of ΔP/ΔP sim in a predetermined period falls outside the range can be obtained at any 15 or more reaction times, and α (α const ) can be re-set so that the ratio ΔP (ave) /ΔP sim ( ave) of the respective average values ΔP sim (ave) and ΔP (ave) approaches 1 as close as possible.
上述した所定期間におけるΔP/ΔPsimの平均値が前記範囲を外れるのは、金属化合物を代表とする反応物を含む流体に含まれる不純物の固体触媒層への堆積に加え、さらに他の要因によっても固体触媒層の空隙率が減少していることを示唆するものである。例えば、流体が炭素元素を含む化合物を含む場合には、反応器内でコークが生成し、コークが固体触媒層へ堆積することにより、固体触媒層の空隙率が減少することがある。 The fact that the average value of ΔP/ ΔPsim in the above-mentioned predetermined period is outside the above-mentioned range suggests that the porosity of the solid catalyst layer is reduced due to other factors in addition to the deposition of impurities contained in the fluid containing reactants such as metal compounds on the solid catalyst layer. For example, when the fluid contains a compound containing carbon element, coke is generated in the reactor and the coke is deposited on the solid catalyst layer, which may reduce the porosity of the solid catalyst layer.
本願の発明者らは、上述の反応器内の圧力損失の推定方法を基に、さらに前記反応経過時txにおける反応温度Tt(x)を取得するステップ(図2のS1C)を有し、前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには、前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップにおいて、前記式(1)に代えて、下記式(1-1)に前記SIN、前記SOUT、前記TB、及び前記Tt(x)を代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する(図2のS1BC)ことにより、不純物の固体触媒層への堆積に加え、コークの固体触媒層への堆積を考慮した、固体触媒層の空隙率の経時変化、並びに前記空隙率の経時変化による反応器内の圧力損失を推定する方法を新たに見出した。 The inventors of the present application have newly found a method for estimating a pressure drop in a reactor based on the above-mentioned method for estimating a pressure drop in a reactor, which further includes a step of acquiring a reaction temperature T t(x) at the reaction time t x (S1C in FIG. 2), and when the relationship between the T t(x) and a threshold value T B for coking satisfies T t(x) > T B , in a step of deriving a porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor, the S IN , S OUT , T B , and T t(x) are substituted into the following formula (1-1) instead of the formula (1) to derive a porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x (S1BC in FIG. 2), thereby estimating a change in the porosity of the solid catalyst layer over time and a pressure drop in a reactor due to the change in the porosity over time, taking into account not only the deposition of impurities in the solid catalyst layer but also the deposition of coke in the solid catalyst layer.
反応経過時txにおける反応温度Tt(x)としては、例えば固体触媒層の最高温度(ホットスポット温度)、固体触媒層の重量平均温度(WABT)、反応器の入口温度、反応器の出口温度、反応器の入口温度と反応器の出口温度の平均温度等を採用することができる、中でも固体触媒層の最高温度を採用することが好ましい。上述の温度は、例えば反応器内の温度計等により取得することができる。 As the reaction temperature Tt (x) at the reaction time tx , for example, the maximum temperature of the solid catalyst layer (hot spot temperature), the weight average temperature (WABT) of the solid catalyst layer, the inlet temperature of the reactor, the outlet temperature of the reactor, the average temperature of the inlet temperature of the reactor and the outlet temperature of the reactor, etc. can be used, among which it is preferable to use the maximum temperature of the solid catalyst layer. The above-mentioned temperature can be obtained, for example, by a thermometer in the reactor.
前記式(1-1)において、コーキングの閾値TBとは、コークが生成し、当該コークが固体触媒層への堆積を始める温度である。コーキングの閾値は、固体触媒の種類、反応物を含む流体の種類、及び前記固体触媒に対する前記流体の液空間速度(LHSV)及び/又はガス空間速度(GHSV)の組み合わせが決まると一義的に決定される。すなわち、上記組み合わせが決まると、TBは一定の値となる。以下にコーキングの閾値TBを取得する方法を説明するが、当該方法は例示であり、TBを取得する方法はこれに限定されるものではない。 In the formula (1-1), the coking threshold T B is the temperature at which coke is generated and begins to accumulate on the solid catalyst layer. The coking threshold is uniquely determined when a combination of the type of solid catalyst, the type of fluid containing reactants, and the liquid hourly space velocity (LHSV) and/or gas hourly space velocity (GHSV) of the fluid relative to the solid catalyst is determined. In other words, once the above combination is determined, T B becomes a constant value. A method for acquiring the coking threshold T B will be described below, but this method is merely an example, and the method for acquiring T B is not limited thereto.
(コーキングの閾値TBの取得方法1)
上述した通り、コーキングの閾値TBとは、コークが生成し、当該コークが固体触媒層への堆積を始める温度である。したがって、固体触媒を経時的に抜出すことが可能な反応の場合は、抜出した固体触媒を元素分析等により分析し、固体触媒中の炭素濃度が、一定値以上となったときの反応温度をTBとすることができる。前記一定の値とは、例えば0.05質量%以上が挙げられる。固体触媒の抜出及び元素分析は反応温度5~20℃おきに行うことが好ましく、5~10℃おきに行うことより好ましい。反応温度は上記で説明した通りであり、固体触媒層の最高温度を採用することが好ましい。
本方法においては、コーキングの閾値TBは実機で反応を行いながら取得してもよく、実機よりも小さなスケールのラボ、ベンチスケールにおいて、予め取得してもよい。ラボ、ベンチスケールで予めコーキングの閾値TBの取得する場合、上述したように、固体触媒の種類、反応物を含む流体の種類、及び前記固体触媒に対する前記流体のLHSV及び/又はGHSVを実機での反応条件と同じにすればよい。
実機においては、経時的に触媒を抜出すことが困難であることが多いため、コーキングの閾値TBの取得方法1においては、ラボ、ベンチスケールで予めコーキングの閾値TBを取得することが好ましい。
(
As described above, the threshold value of coking, T B , is the temperature at which coke is generated and begins to accumulate on the solid catalyst layer. Therefore, in the case of a reaction in which the solid catalyst can be extracted over time, the extracted solid catalyst can be analyzed by elemental analysis or the like, and the reaction temperature at which the carbon concentration in the solid catalyst reaches a certain value or more can be taken as T B. The certain value can be, for example, 0.05 mass% or more. The extraction and elemental analysis of the solid catalyst are preferably performed at reaction temperature intervals of 5 to 20°C, more preferably 5 to 10°C. The reaction temperature is as described above, and it is preferable to adopt the maximum temperature of the solid catalyst layer.
In this method, the coking threshold value T B may be obtained while performing a reaction in an actual reaction system, or may be obtained in advance in a laboratory or bench scale that is smaller than the actual reaction system. When the coking threshold value T B is obtained in advance in a laboratory or bench scale, as described above, the type of solid catalyst, the type of fluid containing reactants, and the LHSV and/or GHSV of the fluid relative to the solid catalyst may be set to be the same as the reaction conditions in the actual reaction system.
In an actual machine, it is often difficult to extract the catalyst over time, so in the
(コーキングの閾値TBの取得方法2)
上述した通り、コークが生成し始めると当該コークが固体触媒層への堆積を始め、固体触媒層の空隙が徐々に閉塞され、圧力損失が上昇する。また、固定床流通式反応において、固体触媒は種々の要因により活性が経時的に低下するため、反応器全体としての活性を一定に保つために反応温度を経時的に上昇させながら反応を行う。
本願の発明者らが、重質炭化水素油の水素化処理反応をモデルに反応温度と、反応器内の圧力損失の実測値との関係を検討したところ、コークが固体触媒層へ堆積していない反応初期において、反応器内の圧力損失の実測値を反応温度に対してプロットすると、y=a1x+b1で表される直線関係(直線1)が得られることがわかった。前記直線1において、yは反応器内の圧力損失の実測値、xは反応温度、a1は傾き、b1は切片である。反応温度は上記で説明した通りであり、固体触媒層の最高温度を採用することが好ましく、以下同様である。
(Method 2 for obtaining the coking threshold T B )
As described above, when coke begins to form, the coke starts to accumulate on the solid catalyst layer, gradually blocking the voids in the solid catalyst layer and increasing the pressure drop. In addition, in a fixed-bed flow reaction, the activity of the solid catalyst decreases over time due to various factors, so the reaction is carried out while increasing the reaction temperature over time in order to keep the activity of the entire reactor constant.
The inventors of the present application have studied the relationship between the reaction temperature and the measured value of the pressure drop in the reactor using a model of a hydrotreating reaction of heavy hydrocarbon oil, and have found that when the measured value of the pressure drop in the reactor is plotted against the reaction temperature in the early stage of the reaction when no coke has accumulated on the solid catalyst layer, a linear relationship (line 1) expressed by y = a1x + b1 is obtained. In
本願の発明者らが、さらに検討を進めたところ、コークが固体触媒層へ堆積し始めた後において、反応器内の圧力損失の実測値を反応温度に対してプロットすると、当該プロットは前記直線1から大きく上方に外れるということがわかった。
そして、コークが固体触媒層へ堆積し始めた後において、反応器内の圧力損失の実測値を反応温度に対してプロットすると、y=a2x+b2で表される新たな直線関係(直線2)が得られることがわかった。前記直線2において、yは反応器内の圧力損失の実測値、xは反応温度、a2は傾きでありa2>a1を満たし、b2は切片でありb2<b1を満たす。
すなわち、本願の発明者らは、反応器内の圧力損失の実測値を反応温度に対してプロットしたときに、コークの固体触媒層への堆積開始前後において前記プロットが前記直線1から前記直線2に移行し、前記直線1と前記直線2の交点(直線1から直線2への変曲点)における反応温度としてTBを取得可能であることを見出した。
As a result of further investigation, the inventors of the present application found that when the actual measured value of the pressure drop in the reactor after coke started to deposit on the solid catalyst layer was plotted against the reaction temperature, the plot significantly deviated upward from the
It was also found that when the measured value of the pressure drop in the reactor was plotted against the reaction temperature after the coke started to deposit on the solid catalyst layer, a new linear relationship (line 2) expressed by y = a2x + b2 was obtained. In line 2, y is the measured value of the pressure drop in the reactor, x is the reaction temperature, a2 is the slope and satisfies a2 > a1 , and b2 is the intercept and satisfies b2 < b1 .
That is, the inventors of the present application have found that when the measured value of the pressure drop in the reactor is plotted against the reaction temperature, the plot shifts from the
上記変曲点の測定方法について具体的に説明を行う。反応開始から、反応器内の圧力損失の実測値と反応温度を経時的に取得し、プロットを行い、直線1をexcel等で求める。例えば反応開始からM点において上記プロットを行い、y=a1x+b1で表される直線1を求める。Mは正の整数であり、例えば5~350である。続いて、M+1点目における反応温度を直線1の式のxに代入し、y(M+1)を求める。得られたy(M+1)とM+1点目における反応器内の圧力損失の実測値ΔP(M+1)との比率であるΔP(M+1)/y(M+1)を算出する。
前記ΔP(M+1)/y(M+1)が0.8~1.2の時は、前記直線1上のプロットとして判断し、当該プロットも加えて直線1のa1、b1を計算し直す。M+2点目以降においても同様に計算値と反応器内の圧力損失の比率を算出することを繰り返し、当該比率が0.8~1.2の範囲内の場合は、上述したM+1点目と同様に処理を行う。
The method for measuring the inflection point will be specifically described. From the start of the reaction, the actual pressure loss in the reactor and the reaction temperature are obtained over time, plotted, and
When the ΔP (M+1) /y (M+1) is between 0.8 and 1.2, it is judged as a plot on the
前記比率が1.2超となったときには、コークが生成し、当該コークが固体触媒層への堆積を始め、反応器内の圧力損失の実測値の反応温度に対するプロットが前記直線1から直線2に移行したと判断することができる。前記比率が1.2超となった点以降のN点において、反応器内の圧力損失の実測値と反応温度を経時的に取得し、プロットを行い、y=a2x+b2で表される直線2をexcel等で求める。Nは正の整数であり、例えば5~350である。
そして、前記直線1と前記直線2の交点を求め、交点におけるxとしてコーキングの閾値TBを取得することができる。
本方法においては、コーキングの閾値TBは実機で反応を行いながら取得してもよく、実機よりも小さなスケールのラボ、ベンチスケールにおいて、予め取得してもよい。ラボ、ベンチスケールで予めコーキングの閾値TBの取得する場合、上述したように、固体触媒の種類、反応物を含む流体の種類、及び前記固体触媒に対する前記流体のLHSV及び/又はGHSVを実機での反応条件と同じにすればよい。
When the ratio exceeds 1.2, it can be determined that coke is generated, the coke starts to accumulate on the solid catalyst layer, and the plot of the actual pressure drop in the reactor against the reaction temperature shifts from the
Then, the intersection point of the
In this method, the coking threshold value T B may be obtained while performing a reaction in an actual reaction system, or may be obtained in advance in a laboratory or bench scale that is smaller than the actual reaction system. When the coking threshold value T B is obtained in advance in a laboratory or bench scale, as described above, the type of solid catalyst, the type of fluid containing reactants, and the LHSV and/or GHSV of the fluid relative to the solid catalyst may be set to be the same as the reaction conditions in the actual reaction system.
コーキングの閾値TBの取得方法2は、固体触媒を抜出す必要がないため、反応を停止する必要がない点でコーキングの閾値TBの取得方法1よりも好ましい。
The method 2 for obtaining the coking threshold value T B is preferable to the
チューニングファクターαは、上述の方法によりTt(x)≦TBにおいて設定した値を、Tt(x)>TBとなった後も引き続き使用することができる。
チューニングファクターβ、γは例えば以下の方法により設定することができる。
The tuning factor α can continue to use the value set when T t(x) ≦T B by the above-mentioned method even after T t(x) >T B.
The tuning factors β and γ can be set, for example, by the following method.
(チューニングファクターβ、γの設定方法1)
反応温度Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを初めて満たした時の任意の反応経過txにおける反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを前記式(1-1)、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式、及び前記式(2)より導出する。このとき、β、γが定まっていないため、ΔPsimはβ、γの関数となる。
前記反応経過時txにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係が、ΔP=ΔPsimとなるようにβ、γの値を設定することができる。
(
The estimated pressure drop ΔP sim in the reactor at any reaction time t x when the relationship between the reaction temperature T t(x) and the coking threshold T B first satisfies T t(x) > T B is derived from the above formula (1-1), the formula for calculating the pressure drop from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the void fraction of the solid catalyst layer in the reactor, and the above formula (2). At this time, since β and γ are not determined, ΔP sim is a function of β and γ.
The values of β and γ can be set so that the relationship between the actual measured value ΔP of the pressure loss at the reaction time t x and the ΔP sim satisfies ΔP=ΔP sim .
前記圧力損失の推定値ΔPsimと前記圧力損失の実測値ΔPとの比較は、反応温度Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを初めて満たした時の任意の反応経過時tx以降の複数の反応経過時において行い、チューニングファクターβ及びγを決定することが好ましい。例えば、前記ΔPsimと前記ΔPを任意の15点以上の反応経過時において取得し、それぞれの平均値であるΔPsim(ave)、ΔP(ave)の比率ΔP(ave)/ΔPsim(ave)の値が1に最も近づくようにβ、γを設定することができる。 It is preferable to compare the estimated pressure loss ΔP sim with the measured pressure loss ΔP at a plurality of reaction times subsequent to an arbitrary reaction time t x at which the relationship between the reaction temperature T t (x) and the coking threshold value T B first satisfies T t(x) > T B , and determine the tuning factors β and γ. For example, the ΔP sim and the ΔP are obtained at any 15 or more reaction times, and β and γ can be set so that the ratio ΔP (ave) /ΔP sim (ave) of the respective average values ΔP sim (ave) and ΔP (ave) approaches 1.
(チューニングファクターβ、γの設定方法2)
反応温度Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを初めて満たした時の任意の反応経過txにおける反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを前記式(1-1)、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式、及び前記式(2)より導出する。このとき、βとして仮の値を設定する。βの仮の値としては0超10以下が例として挙げられ、1であってもよい。
βとして仮の値を使用したことにより、上述の方法によって導出されたΔPsimはγの関数となる。
前記反応経過時txにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係が、ΔP=ΔPsimとなるようにγの値を設定することができる。
(Method 2 for setting tuning factors β and γ)
The estimated pressure drop ΔP sim in the reactor at any reaction time t x when the relationship between the reaction temperature T t(x) and the coking threshold T B first satisfies T t(x) >T B is derived from the above formula (1-1), the formula for calculating the pressure drop from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, and the above formula (2). At this time, a provisional value is set as β. The provisional value of β may be, for example, greater than 0 and less than or equal to 10, or may be 1.
Due to the use of a tentative value for β, ΔP sim derived by the above method is a function of γ.
The value of γ can be set so that the relationship between the actual measured value ΔP of the pressure loss at the reaction time t x and the ΔP sim satisfies ΔP=ΔP sim .
このようにして得られたβ、γを使用し、前記反応経過時txより後の別の任意の反応経過時tx+1における反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを前記式(1-1)、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式、及び前記式(2)より導出する。 Using β and γ thus obtained, an estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at another arbitrary reaction time t x+1 after the reaction time t x is derived from the above formula (1-1), a formula for calculating the pressure drop from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, and the above formula (2).
前記反応経過時tx+1における圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの比率であるΔP/ΔPsimが0.5~1.5の範囲を外れるときは、βの仮の値を変更して、再度上述の方法で(反応経過時txにおける圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの関係が、ΔP=ΔPsimとなるように)γの値を設定する。
一方、ΔP/ΔPsimが0.5~1.5の範囲内であるときは、当該βとγを使用し、前記反応経過時tx+1より後の別の任意の反応経過時tx+2における反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを上記と同様に導出する。
前記反応経過時tx+2における圧力損失の実測値ΔPと前記ΔPsimとの比率であるΔP/ΔPsimが0.5~1.5の範囲を外れるときは、上述と同様にβの仮の値を変更して、再度上述の方法でγの値を設定する。
一方、ΔP/ΔPsimが0.5~1.5の範囲内であるときは、当該βとγを使用し、前記反応経過時tx+2より後の別の任意の反応経過時tx+3における反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを上記と同様に導出し、上述の操作を繰り返す。
When the ratio ΔP/ΔP sim between the actual pressure loss value ΔP at the reaction time t x+1 and the ΔP sim falls outside the range of 0.5 to 1.5, the tentative value of β is changed, and the value of γ is set again by the above-mentioned method (so that the relationship between the actual pressure loss value ΔP at the reaction time t x and the ΔP sim becomes ΔP=ΔP sim ).
On the other hand, when ΔP/ΔP sim is within the range of 0.5 to 1.5, the estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at another arbitrary reaction time t x+2 after the reaction time t x+1 is derived in the same manner as described above using the β and γ.
When ΔP/ΔP sim , which is the ratio of the actual pressure loss value ΔP at the reaction time t x+2 to the ΔP sim , falls outside the range of 0.5 to 1.5, the tentative value of β is changed in the same manner as described above, and the value of γ is set again by the above-mentioned method.
On the other hand, when ΔP/ΔP sim is within the range of 0.5 to 1.5, the estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at another arbitrary reaction time t x+ 3 after the reaction time t x+2 is derived in the same manner as above using the β and γ, and the above-mentioned operation is repeated.
上述の操作を繰り返し、前記反応経過時tx以降の15点全てにおいてΔP/ΔPsimが0.5~1.5の範囲内となった場合、β、γを確定することができる。 The above-mentioned operation is repeated, and when ΔP/ΔP sim is within the range of 0.5 to 1.5 at all 15 points after the reaction time t x , β and γ can be determined.
<本発明の圧力損失の推定方法の適用例>
本発明の流体が気体及び液体の2相の場合の圧力損失の推定方法の適用例としては、重質炭化水素油の水素化処理反応が好適な例として挙げられる。以下、重質炭化水素油の水素化処理反応における圧力損失の推定方法について説明する。
<Application example of the pressure loss estimation method of the present invention>
A suitable example of application of the method for estimating pressure drop in the case where the fluid is a two-phase gas and liquid fluid of the present invention is the hydrotreating reaction of heavy hydrocarbon oil. The method for estimating pressure drop in the hydrotreating reaction of heavy hydrocarbon oil will be described below.
(重質炭化水素油の水素化処理反応)
重質炭化水素油の水素化処理反応は、液体である重質炭化水素油と、気体である水素を反応器に流通させることにより反応を行う流体が液体と気体の2相の固定床流通式反応である。重質炭化水素油中には、金属不純物が含まれており、これらの金属不純物が固体触媒層に堆積することにより圧力損失が経時的に上昇する。重質炭化水素油に含まれる金属不純物に含まれる金属元素としては、Ni、V、Fe、Na、Zn、Al、Ba、Ca、Mg、P、Pb、Mo、Cr、Cd、As、Se、Si等が代表的な例として挙げられる。また、重質炭化水素油の水素化処理反応では、固体触媒の活性の低下に伴い、経時的に反応温度を上げる必要があり、反応温度が一定の値以上となると、コークが発生し、当該コークが固体触媒層への堆積を始め、固定触媒層の空隙を閉塞することが知られている。
(Hydrotreatment reaction of heavy hydrocarbon oil)
The hydrotreating reaction of heavy hydrocarbon oil is a two-phase fixed bed flow reaction in which liquid heavy hydrocarbon oil and gaseous hydrogen are circulated through a reactor to carry out the reaction. Heavy hydrocarbon oil contains metal impurities, and these metal impurities accumulate on the solid catalyst layer, causing the pressure loss to increase over time. Representative examples of metal elements contained in the metal impurities contained in heavy hydrocarbon oil include Ni, V, Fe, Na, Zn, Al, Ba, Ca, Mg, P, Pb, Mo, Cr, Cd, As, Se, and Si. In addition, in the hydrotreating reaction of heavy hydrocarbon oil, it is necessary to increase the reaction temperature over time as the activity of the solid catalyst decreases, and it is known that when the reaction temperature exceeds a certain value, coke is generated, and the coke begins to accumulate on the solid catalyst layer and blocks the voids in the fixed catalyst layer.
まず、任意の反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に反応器に流入した重質炭化水素油中の金属不純物総量SIN、及び反応器から流出した重質炭化水素油中の金属不純物総量SOUTを取得する。前記SINは、前記反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)における、反応器に流入する前の重質炭化水素油中の金属不純物濃度(単位は例えばppm)を測定し、その間に反応器に流入した重質炭化水素油の量(単位は例えばkg)との積を計算することにより得ることができる。また、前記SOUTは、前記反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)における、反応器から流出した後の重質炭化水素油中の金属不純物濃度(単位は例えばppm)を測定し、その間に反応器から流出した重質炭化水素油の量(単位は例えばkg)との積を計算することにより得ることができる。 First, the total amount S IN of metal impurities in the heavy hydrocarbon oil flowing into the reactor during the period (t x -t x-1 ) between any other arbitrary reaction time t x-1 before any arbitrary reaction time t x and the reaction time t x , and the total amount S OUT of metal impurities in the heavy hydrocarbon oil flowing out of the reactor are obtained. The S IN can be obtained by measuring the metal impurity concentration (unit: ppm, for example) in the heavy hydrocarbon oil before flowing into the reactor during the period (t x -t x-1 ) between the reaction time t x -1 and the reaction time t x, and calculating the product of this and the amount (unit: kg, for example) of heavy hydrocarbon oil flowing into the reactor during that period. In addition, the S OUT can be obtained by measuring the metal impurity concentration (unit: ppm, for example) in the heavy hydrocarbon oil after flowing out from the reactor during the period from the reaction time t x-1 to the reaction time t x (t x -t x-1 ) and calculating the product by the amount (unit: kg, for example) of the heavy hydrocarbon oil flowing out from the reactor during that period.
金属不純物濃度の測定方法としては、例えばICP-MSが挙げられる。反応器に流入した重質炭化水素油の量、及び反応器から流出した重質炭化水素油の量は、例えば流量計により取得することができる。 Methods for measuring metal impurity concentrations include, for example, ICP-MS. The amount of heavy hydrocarbon oil flowing into the reactor and the amount of heavy hydrocarbon oil flowing out of the reactor can be obtained, for example, by a flow meter.
なお、重質炭化水素油の水素化処理反応に使用される水素には、固体触媒層に堆積する不純物は通常含まれていないため、前記SIN及び前記SOUTを導出するうえで、水素中の不純物濃度を測定する必要はない。 In addition, since the hydrogen used in the hydrotreating reaction of heavy hydrocarbon oil does not usually contain impurities that accumulate on the solid catalyst layer, there is no need to measure the impurity concentration in the hydrogen to derive the S IN and S OUT .
得られたSIN及びSOUTを前記式(1)に代入して、前記反応時間txにおける反応器内の固体触媒層の空隙率εxを得ることができる。なお、反応開始時の反応器内の固体触媒層の空隙率ε0は上述の方法で求めることができ、εx-1は、ε0から前記式(1)を繰り返し適用することにより取得することができる。 The obtained S IN and S OUT can be substituted into the above formula (1) to obtain the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x . Note that the porosity ε 0 of the solid catalyst layer in the reactor at the start of the reaction can be obtained by the above-mentioned method, and ε x-1 can be obtained by repeatedly applying the above formula (1) starting from ε 0 .
本実施形態においては、さらに前記反応経過時txにおける反応温度Tt(x)を取得するステップを有し、前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには、前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップにおいて、前記式(1)に代えて、下記式(1-1)に前記SIN、前記SOUT、前記TB、及び前記Tt(x)を代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを得ることが好ましい。
本実施形態において、反応経過時txにおける反応温度Tt(x)は、上述した通りであり、触媒層の最高温度を採用することが好ましい。反応温度は、例えば反応器内の温度計等により取得することができる。
In this embodiment, the method further includes a step of acquiring a reaction temperature T t(x) at the reaction time t x . When the relationship between the T t(x) and the threshold value T B of coking satisfies T t(x) > T B , in the step of deriving the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor, it is preferable to obtain the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x by substituting the S IN , S OUT , T B , and T t(x) into the following formula (1-1 ) instead of the formula (1).
In this embodiment, the reaction temperature T t(x) at the reaction time t x is as described above, and it is preferable to adopt the maximum temperature of the catalyst layer. The reaction temperature can be obtained, for example, by a thermometer in the reactor.
重質炭化水素油のδLを前記式(13)により導出する。この際、反応器内の固体触媒層の空隙率εとして前記式(1)又は前記式(1-1)により導出したεxを使用する。反応温度における重質炭化水素油の粘度μL[kg/ms]は、例えばJIS K 2283「原油及び石油製品-動粘度試験方法及び粘度指数算出方法」より得られた結果とJIS K2249「原油及び石油製品-密度試験方法及び密度・質量・容量換算表」により得られた15℃換算の密度を乗じて、温度換算することにより取得することができる。反応温度における重質炭化水素油の密度ρL[kg/m3]は、例えばJIS K2249「原油及び石油製品-密度試験方法及び密度・質量・容量換算表」により得られた15℃換算の密度を温度で補正することにより取得することができる。重質炭化水素油の線速度uL[m/s]は、重質炭化水素油の流量[m3/s]を反応器(例えば、円柱状の管型反応器)の断面積[m2]で除することにより求めることができる。重質炭化水素油の流量は、例えば流量計により取得することができる。 The δ L of the heavy hydrocarbon oil is derived by the above formula (13). At this time, the ε x derived by the above formula (1) or the above formula (1-1) is used as the void fraction ε of the solid catalyst layer in the reactor. The viscosity μ L [kg/ms] of the heavy hydrocarbon oil at the reaction temperature can be obtained by, for example, multiplying the result obtained by JIS K 2283 "Crude oil and petroleum products-Kinematic viscosity test method and viscosity index calculation method" by the density converted at 15°C obtained by JIS K2249 "Crude oil and petroleum products-Density test method and density, mass, and volume conversion table" and converting the result into a temperature value. The density ρ L [kg/m 3 ] of the heavy hydrocarbon oil at the reaction temperature can be obtained by, for example, correcting the density converted at 15°C obtained by JIS K2249 "Crude oil and petroleum products-Density test method and density, mass, and volume conversion table" by temperature. The linear velocity u L [m/s] of the heavy hydrocarbon oil can be obtained by dividing the flow rate [m 3 /s] of the heavy hydrocarbon oil by the cross-sectional area [m 2 ] of the reactor (e.g., a cylindrical tubular reactor). The flow rate of the heavy hydrocarbon oil can be obtained, for example, by a flow meter.
水素のδGを前記式(14)により導出する。この際、反応器内の固体触媒空隙率εとして前記式(1)又は前記式(1-1)により導出したεxを使用する。反応温度における水素の粘度μG[kg/ms]は、例えばガスクロマトグラフィーで得られた組成分析結果をプロセスシミュレーターに導入し、算出した結果により求めることができる。反応温度における水素の密度ρG[kg/m3]は、例えばガスクロマトグラフィーで得られた組成分析結果の組成に相当する密度を温度で補正することにより求めることができる。水素の線速度uG[m/s]は、水素の流量[m3/s]を反応器(例えば、円柱状の管型反応器)の断面積[m2]で除することにより求めることができる。水素の流量は、例えばガスメーターにより取得することができる。 The δ G of hydrogen is derived by the above formula (14). In this case, the ε x derived by the above formula (1) or the above formula (1-1) is used as the solid catalyst void ratio ε in the reactor. The viscosity μ G [kg/ms] of hydrogen at the reaction temperature can be obtained by, for example, introducing the composition analysis results obtained by gas chromatography into a process simulator and calculating the results. The density ρ G [kg/m 3 ] of hydrogen at the reaction temperature can be obtained by, for example, correcting the density corresponding to the composition of the composition analysis results obtained by gas chromatography with temperature. The linear velocity u G [m/s] of hydrogen can be obtained by dividing the flow rate [m 3 /s] of hydrogen by the cross-sectional area [m 2 ] of the reactor (for example, a cylindrical tubular reactor). The flow rate of hydrogen can be obtained, for example, by a gas meter.
得られたδL及びδGよりχ=(δL/δG)1/2を導出する。引き続いて、δL、δG、χを用いて前記式(9)からδLGを、前記式(10)からRLを導出する。続いて、得られたRLを用いて前記式(11)からρmを導出する。そして、得られたδLG及びρmを用いて前記式(12)よりΔP2calを導出する。そして、得られたΔP2calを前記式(2)のΔPcalに代入することにより、重質炭化水素油の水素化処理方法における前記反応経過時txの前記反応器内の圧力損失の推定値ΔPsim(ΔP2sim)を求めることができる。 From the obtained δL and δG , χ = ( δL / δG ) 1/2 is derived. Next, δLG is derived from the above formula (9) using δL , δG , and χ, and RL is derived from the above formula (10). Next, ρm is derived from the above formula (11) using the obtained RL . Then, ΔP2cal is derived from the above formula (12) using the obtained δLG and ρm . Then, by substituting the obtained ΔP2cal for ΔPcal in the above formula (2), an estimated value ΔPsim ( ΔP2sim ) of the pressure loss in the reactor at the reaction time tx in the hydrotreating method of heavy hydrocarbon oil can be obtained.
重質炭化水素油の水素化処理反応の条件としては、一般に反応温度が300~450℃、好ましくは350~410℃であり、水素分圧が4~20MPa、好ましくは8~15MPaであり、反応器の液空間速度が0.05~5hr-1、好ましくは0.1~2hr-1であり、水素/油比が400~3,000(L/L)、好ましくは500~1,400(L/L)である。 The conditions for the hydrotreating reaction of heavy hydrocarbon oil are generally as follows: reaction temperature is 300 to 450° C., preferably 350 to 410° C.; hydrogen partial pressure is 4 to 20 MPa, preferably 8 to 15 MPa; liquid hourly space velocity in the reactor is 0.05 to 5 hr −1 , preferably 0.1 to 2 hr −1 ; and hydrogen/oil ratio is 400 to 3,000 (L/L), preferably 500 to 1,400 (L/L).
重質炭化水素油の水素化処理反応に用いる触媒は、特に限定されるものではなく、本分野で公知の水素化処理触媒を使用することができる。触媒の担体として、種々のものが使用でき、例えばシリカ、アルミナ、ボリア、マグネシア、チタニア、シリカ-アルミナ、シリカ-マグネシア、シリカ-ジルコニア、シリカ-トリア、シリカ-ベリリア、シリカ-チタニア、シリカ-ボリア、アルミナ-ジルコニア、アルミナ-チタニア、アルミナ-ボリア、アルミナ-クロミア、チタニア-ジルコニア、シリカ-アルミナ-トリア、シリカ-アルミナ-ジルコニア、シリカ-アルミナ-マグネシア、シリカ-マグネシア-ジルコニアなど、又はこれらの2種以上の混合物が挙げられる。これらの無機酸化物のうち、好ましいものとしては、アルミナ、シリカ-アルミナ、アルミナ-チタニア、アルミナ-ボリア、アルミナ-ジルコニアが挙げられ、特に好ましくは、アルミナが挙げられ、アルミナの中でもγアルミナが特に好ましい。これらの無機酸化物は、1種単体で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The catalyst used in the hydrotreating reaction of heavy hydrocarbon oil is not particularly limited, and any hydrotreating catalyst known in the art can be used. Various catalyst supports can be used, such as silica, alumina, boria, magnesia, titania, silica-alumina, silica-magnesia, silica-zirconia, silica-thoria, silica-beryllia, silica-titania, silica-boria, alumina-zirconia, alumina-titania, alumina-boria, alumina-chromia, titania-zirconia, silica-alumina-thoria, silica-alumina-zirconia, silica-alumina-magnesia, silica-magnesia-zirconia, and the like, or mixtures of two or more of these. Among these inorganic oxides, preferred ones include alumina, silica-alumina, alumina-titania, alumina-boria, and alumina-zirconia, and particularly preferred is alumina, and among aluminas, gamma alumina is particularly preferred. These inorganic oxides may be used alone or in combination of two or more.
上記担体に活性成分として含有させる金属は、元素周期律表第6族金属及び第8~10族金属の中から選ばれる少なくとも1種類以上の金属を含むもので、好ましくはモリブデン、タングステン、コバルト及びニッケルの金属及びそれを含む化合物である。これらの金属成分は、金属状態又は金属酸化物、金属硫化物の何れの形態でも有効であり、また、イオン交換などにより金属成分が触媒担体と結合した形態で存在してもよい。この金属成分の含有量は、通常、触媒基準かつ酸化物換算で、約10~25質量%の範囲内である。金属含有量が10質量%より少ないと、活性点として働く金属の絶対量が少ないために、脱硫活性を始めとする水素化処理活性(以下、簡単に水素化処理活性と言う)が発現せず、逆に担持される金属の含有量が25質量%より多すぎると、金属の凝集が起こり活性点の数が減少し、その結果、水素化処理活性が却って低下するからである。更に、必要に応じて、元素周期律表第6族金属及び第8族金属からなる活性金属に加えて、リン、ホウ素、亜鉛、ジルコニア等を含ませることができる。 The metal contained in the carrier as an active component includes at least one metal selected from the group 6 metals and the group 8 to 10 metals of the periodic table, and is preferably molybdenum, tungsten, cobalt, and nickel metals and compounds containing them. These metal components are effective in the form of metal, metal oxide, or metal sulfide, and may also be present in a form in which the metal component is bonded to the catalyst carrier by ion exchange or the like. The content of this metal component is usually within the range of about 10 to 25 mass% on a catalyst basis and oxide conversion basis. If the metal content is less than 10 mass%, the absolute amount of metal acting as an active site is small, so that hydrotreating activity including desulfurization activity (hereinafter simply referred to as hydrotreating activity) is not expressed, and conversely, if the content of the supported metal is too much than 25 mass%, the metal will aggregate and the number of active sites will decrease, resulting in a decrease in hydrotreating activity. Furthermore, if necessary, in addition to the active metals consisting of metals in Groups 6 and 8 of the Periodic Table, phosphorus, boron, zinc, zirconia, etc. can be contained.
固体触媒を充填した反応器に気体及び液体の2相の流体を流通させる固定床流通式反応の例として、重質炭化水素油の水素化処理反応を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、流体中の不純物を測定することができ、コークが生成する反応であれば、本発明の圧力損失の推定方法を適用することができる。このような反応としては、軽質炭化水素の水素化処理方法等が例として挙げられる。 As an example of a fixed-bed flow reaction in which a two-phase fluid of gas and liquid flows through a reactor packed with a solid catalyst, a hydrotreating reaction of heavy hydrocarbon oil has been given, but the present invention is not limited to this. In other words, the pressure loss estimation method of the present invention can be applied to any reaction in which impurities in the fluid can be measured and coke is produced. An example of such a reaction is the hydrotreating method of light hydrocarbons.
<本発明の圧力損失の推定方法の利用方法>
本発明の圧力損失の推定方法の利用方法としては、例えば、(1)反応運転中の圧力損失の異常上昇の確認、(2)反応を終了すべき時期の推定、(3)運転計画に対して運転期間終了までの圧力損失の推移の推定、(4)運転期間に対して許容圧力損失以下となる運転条件の推定、(5)不純物含有量が上限以下となる原油種の選定等が例として挙げられる。
<How to use the pressure loss estimation method of the present invention>
Examples of applications of the pressure loss estimation method of the present invention include: (1) confirmation of an abnormal increase in pressure loss during a reaction operation; (2) estimation of the time to terminate a reaction; (3) estimation of the progress of pressure loss until the end of an operation period based on an operation plan; (4) estimation of operating conditions that result in an allowable pressure loss or less for the operation period; and (5) selection of a crude oil type that has an impurity content below an upper limit.
(反応運転中の圧力損失の異常上昇の確認)
本発明の前記式(1)により導出された固体触媒層の空隙率εxを使用し、圧力損失の推定方法により得られた圧力損失の推定値ΔPsimと、実測値ΔPが大きく異なる場合(特にΔP/ΔPsim>1.5の場合)、圧力損失の上昇が流体中の不純物の固体触媒層への堆積だけではなく、それ以外の要因によっても圧力損失の上昇が起きていることが示唆される。例えば、コークが生成し、当該コークが固体触媒層への堆積を始め、固体触媒層の空隙が徐々に閉塞されることにより、圧力損失が上昇することがある。この場合、チューニングファクターαを再設定することにより、再度圧力損失の経時変化を推定することができる。チューニングファクターαの再設定方法は上述した通りである。また、前記式(1-1)により導出された固体触媒層の空隙率εxを使用し、上述の方法によって圧力損失の推定値ΔPsimを求めてもよい。前記式(1-1)を使用する方法では、チューニングファクターαを変更する必要がないため、上述のチューニングファクターαを再設定する方法よりも好ましい。
(Confirmation of abnormal increase in pressure loss during reaction operation)
When the estimated value ΔP sim of the pressure loss obtained by the method for estimating the pressure loss using the porosity ε x of the solid catalyst layer derived by the formula (1) of the present invention is significantly different from the actual measured value ΔP (particularly when ΔP/ΔP sim >1.5), it is suggested that the increase in pressure loss is caused not only by the deposition of impurities in the fluid on the solid catalyst layer, but also by other factors. For example, the pressure loss may increase due to the formation of coke, the deposition of the coke on the solid catalyst layer, and the pores of the solid catalyst layer being gradually blocked. In this case, the time-dependent change in the pressure loss can be estimated again by resetting the tuning factor α. The method for resetting the tuning factor α is as described above. The estimated value ΔP sim of the pressure loss may be obtained by the method described above using the porosity ε x of the solid catalyst layer derived by the formula (1-1). The method using the formula (1-1) does not require the tuning factor α to be changed, and is therefore preferable to the method for resetting the tuning factor α described above.
(反応を終了すべき時期の推定)
本発明の圧力損失の推定方法により得られた圧力損失の推定値を反応時間に対してプロットし、これらのプロットをつないだ圧力損失の推定曲線を作成することにより、反応器に設定されている許容圧力損失に達する反応時間を推定することができ、当該時間を参考に反応を終了すべき時期を決定することができる。また、将来の想定する運転条件、不純物の堆積量等の予測値を上述の式に代入することにより、将来の圧力損失の推定値を反応時間にプロットすることによっても反応器に設定されている許容圧力損失に達する反応時間を推定することができ、当該時間を参考に反応を終了すべき時期を決定することができる。
(Estimation of when the reaction should be completed)
The estimated pressure loss values obtained by the method for estimating pressure loss of the present invention are plotted against the reaction time, and an estimated pressure loss curve is created by connecting these plots, thereby estimating the reaction time at which the allowable pressure loss set in the reactor is reached, and the time at which the reaction should be terminated can be determined with reference to the estimated time. In addition, the reaction time at which the allowable pressure loss set in the reactor is reached can also be estimated by plotting the estimated future pressure loss values against the reaction time by substituting the predicted values of the expected future operating conditions, the amount of impurities deposited, etc. into the above formula, and the time at which the reaction should be terminated can also be estimated with reference to the estimated time.
(運転計画に対して運転期間終了までの圧力損失の推移の推定)
本発明の圧力損失の推定方法から得られた圧力損失の推定値と将来の運転条件から運転終了期間までの圧力損失を推定し、これらの運転条件で許容圧力損失以下になることを確認することができる。
(Estimation of the change in pressure loss until the end of the operation period based on the operation plan)
The pressure loss until the end of operation can be estimated from the estimated pressure loss value obtained by the pressure loss estimation method of the present invention and future operating conditions, and it can be confirmed that the pressure loss will be below the allowable pressure loss under these operating conditions.
(運転期間に対して許容圧力損失以下となる運転条件の推定)
本発明の圧力損失の推定方法から得られた圧力損失の推定値と運転期間終了まで許容圧力損失以下となる運転条件(主に流量)を推定することができる。詳細は後述する。
(Estimation of operating conditions that will keep pressure loss below allowable level for the operating period)
The estimated pressure loss obtained by the method for estimating pressure loss of the present invention can be used to estimate operating conditions (mainly flow rate) that will keep the pressure loss below the allowable pressure loss until the end of the operating period. Details will be described later.
(不純物含有量が上限以下となる原油種の選定)
本発明の圧力損失の推定方法から得られた圧力損失の推定値より、運転期間終了まで許容圧力損失以下となるような不純物含有量を推定し、その推定値以下の不純物を含む原油を選定することができる。
(Selection of crude oil type with impurity content below the upper limit)
From the estimated pressure drop value obtained by the pressure drop estimation method of the present invention, it is possible to estimate the impurity content that will keep the pressure drop below the allowable pressure drop until the end of the operating period, and to select crude oil containing impurities at or below the estimated value.
<圧力損失を制御するための反応方法>
本発明の別の実施形態は、固体触媒を充填した反応器に気体若しくは液体の1相の流体、又は気体及び液体の2相の流体を流通させる固定床流通式反応における任意の反応経過時txの前記反応器内の圧力損失を制御するための反応方法であって、前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得するステップと、取得したSIN及びSOUTを下記式(3)に代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップと、を有し、所期の前記反応器内の圧力損失ΔPxを下記式(4)に代入し、ΔPcalを導出し、得られたΔPcal及び前記εxを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式に代入し、前記圧力損失を計算する式が成立するように流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを調整して反応を行うことを特徴とする。
<Reaction method for controlling pressure loss>
Another embodiment of the present invention is a reaction method for controlling a pressure drop in a reactor at any reaction time t x in a fixed bed flow reaction in which a one-phase fluid of gas or liquid, or a two-phase fluid of gas and liquid is flowed through a reactor packed with a solid catalyst, the method comprising the steps of: acquiring a total amount S IN of impurities in a fluid flowing into the reactor and a total amount S OUT of impurities in a fluid flowing out of the reactor during a period (t x -t x-1 ) between another arbitrary
すでに説明した圧力損失の推定方法では、流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρ等のパラメータを所定の式に代入し、圧力損失の推定値ΔPsimを導出したが、本実施形態では反対に、所期の圧力損失ΔPxを設定し、前記ΔPxを所定の式に代入し、前記所定の式が成り立つように流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを調整して反応を行う。所期の圧力損失となるように制御を行うために必要な流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρの条件を得て、当該条件で反応を行う。 In the pressure loss estimation method already described, parameters such as the fluid viscosity μ, the fluid linear velocity u, and the fluid density ρ are substituted into a predetermined formula to derive an estimated pressure loss ΔP sim , but in this embodiment, on the contrary, a desired pressure loss ΔP x is set, ΔP x is substituted into a predetermined formula, and the fluid viscosity μ, the fluid linear velocity u, and the fluid density ρ are adjusted so that the predetermined formula holds true, and a reaction is performed. The conditions of the fluid viscosity μ, the fluid linear velocity u, and the fluid density ρ necessary for control to achieve the desired pressure loss are obtained, and a reaction is performed under those conditions.
任意の反応経過時txにおけるεx及び反応開始時の反応器内の固体触媒層の空隙率ε0は、上述の圧力損失の推定方法で説明した場合と同様に前記式(3)により求めることができる。また、チューニングファクターであるα、σは、上述の圧力損失の推定方法で説明した方法と同様に求めることができる。 ε x at any reaction time t x and the void fraction ε 0 of the solid catalyst layer in the reactor at the start of the reaction can be calculated by the above formula (3) in the same manner as described in the above-mentioned method for estimating pressure drop. The tuning factors α and σ can be calculated in the same manner as described in the above-mentioned method for estimating pressure drop.
本実施形態においては、さらに前記反応経過時txにおける反応温度Tt(x)を取得するステップを有し、前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときのεxは、上述の圧力損失の推定方法で説明した場合と同様に下記式(3-1)により求めることが好ましい。また、コーキングの閾値TB、及びチューニングファクターであるβ、γは、上述の圧力損失の推定方法で説明した方法と同様に求めることができる。 In this embodiment, the method further includes a step of acquiring the reaction temperature T t(x) at the reaction time t x , and when the relationship between the T t(x) and the coking threshold T B satisfies T t(x) > T B , it is preferable to obtain ε x by the following formula (3-1) in the same manner as described in the above-mentioned pressure loss estimation method. The coking threshold T B and the tuning factors β and γ can be obtained in the same manner as described in the above-mentioned pressure loss estimation method.
(流体が気体又は液体の1相の場合)
流体が気体又は液体の1相の場合の圧力損失を制御するための反応方法について流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式としてErgun式を使用した場合の説明を行う。まず、所期の圧力損失ΔP1xを設定し、前記ΔP1xを前記式(4)のΔPxに代入して、ΔPcal(以下、流体が気体又は液体の1相の場合の反応器内の圧力損失の計算値をΔP1calと表記することがある)を導出する。続いて、前記式(7)で表されるErgun式に前記ΔP1cal、前記式(3)又は前記式(3-1)により導出したεx、固体触媒の層高H、固体触媒を球と仮定した場合の球径dpを代入する。
なお、固体触媒の層高H及び固体触媒を球と仮定した場合の球径dpは上述の圧力損失の推定方法で説明した通りである。
(When the fluid is one phase of gas or liquid)
A reaction method for controlling pressure loss when the fluid is a single phase of gas or liquid will be described using the Ergun formula to calculate pressure loss based on the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor. First, a desired pressure loss ΔP1 x is set, and the ΔP1 x is substituted for ΔP x in the formula (4) to derive ΔP cal (hereinafter, the calculated value of the pressure loss in the reactor when the fluid is a single phase of gas or liquid may be referred to as ΔP1 cal ). Next, the ΔP1 cal , ε x derived from the formula (3) or the formula (3-1), the bed height H of the solid catalyst, and the spherical diameter dp when the solid catalyst is assumed to be a sphere are substituted into the Ergun formula represented by the formula (7).
The bed height H of the solid catalyst and the spherical diameter dp when the solid catalyst is assumed to be a sphere are as explained in the above-mentioned method for estimating pressure loss.
上記パラメータを代入すると、Ergun式中の変数は、流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρの3つとなる。Ergun式が成り立つようなμ、u、ρの組み合わせを選択し、当該条件において反応を行うことによって、所期の圧力損失ΔP1xを達成することができる。 When the above parameters are substituted, the variables in the Ergun equation are the viscosity μ of the fluid, the linear velocity u of the fluid, and the density ρ of the fluid. By selecting a combination of μ, u, and ρ that satisfies the Ergun equation and performing a reaction under those conditions, a desired pressure loss ΔP1 x can be achieved.
化学反応においては、反応物を含む流体の粘度μ、密度ρを大きく変更することは難しい場合が多い。その場合は、前記Ergun式が成り立つようなuを選択して反応を行うことによって所期の圧力損失ΔP1xを達成することができる。 In chemical reactions, it is often difficult to significantly change the viscosity μ and density ρ of the fluid containing the reactants. In such cases, the desired pressure loss ΔP1 x can be achieved by selecting u such that the Ergun equation holds true and carrying out the reaction.
(流体が気体及び液体の2相の場合)
流体が気体及び液体の2相の場合の圧力損失を制御するための反応方法について流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式としてErgun・Larkins式を使用した場合の説明を行う。まず、所期の圧力損失ΔP2xを設定し、前記ΔP2xを前記式(4)のΔPxに代入して、ΔPcal(以下、流体が気体及び液体の2相の場合の反応器内の圧力損失の計算値をΔP2calと表記することがある)を導出する。続いて、前記式(9)~(14)で構成されるErgun・Larkins式に前記ΔP2cal、前記式(3)又は前記式(3-1)により導出したεx、固体触媒の層高H、固体触媒を球と仮定した場合の球径dpを代入する。
なお、固体触媒の層高H及び固体触媒を球と仮定した場合の球径dpは上述の圧力損失の推定方法で説明した通りである。
(When the fluid is two-phase, gas and liquid)
A reaction method for controlling pressure loss when the fluid is in two phases of gas and liquid will be described using the Ergun-Larkins formula as a formula for calculating pressure loss based on the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor. First, a desired pressure loss ΔP2 x is set, and the ΔP2 x is substituted for ΔP x in the formula (4) to derive ΔP cal (hereinafter, the calculated value of the pressure loss in the reactor when the fluid is in two phases of gas and liquid may be referred to as ΔP2 cal ). Next, the ΔP2 cal , ε x derived from the formula (3) or the formula (3-1), the bed height H of the solid catalyst, and the spherical diameter dp when the solid catalyst is assumed to be a sphere are substituted into the Ergun-Larkins formula composed of the formulas (9) to (14).
The bed height H of the solid catalyst and the spherical diameter dp when the solid catalyst is assumed to be a sphere are as explained in the above-mentioned method for estimating pressure loss.
具体的には、前記ΔP2cal、前記Hを前記式(12)に代入、前記εx、前記dpを前記式(13)、(14)に代入する。前記式(9)、(13)、(14)よりδLGを、液体の粘度μL、液体の線速度uL、液体の密度ρL、気体の粘度μG、気体の線速度uG、気体の密度ρGで表される式とする。また、前記式(10)、(11)、(13)、(14)より、ρmを、μL、uL、ρL、μG、uG、ρGで表される式とする。これらの式と前記式(12)より、ΔP2calをμL、uL、ρL、μG、uG、ρGで表される式とし、当該式が成り立つようなμL、uL、ρL、μG、uG、ρGの組み合わせを選択し、当該条件において反応を行うことによって、所期の圧力損失ΔP2xを達成することができる。 Specifically, ΔP2 cal and H are substituted into the formula (12), and ε x and dp are substituted into the formulas (13) and (14). From the formulas (9), (13), and (14), δ LG is defined as an equation expressed by liquid viscosity μ L , liquid linear velocity u L , liquid density ρ L , gas viscosity μ G , gas linear velocity u G , and gas density ρ G. From the formulas (10), (11), (13), and (14), ρ m is defined as an equation expressed by μ L , u L , ρ L , μ G , u G , and ρ G. From these equations and the above equation (12), ΔP2 cal can be expressed by μ L , u L , ρ L , μ G , u G , and ρ G , and by selecting a combination of μ L , u L , ρ L , μ G , u G , and ρ G such that this equation holds, and carrying out the reaction under these conditions, the desired pressure loss ΔP2 x can be achieved.
上述した通り、化学反応においては、反応物を含む流体の粘度μ、密度ρを大きく変更することは難しい場合が多い。その場合は、前記式が成り立つような液体の線速度uL、気体の線速度uGを選択して反応を行うことによって所期の圧力損失ΔP2xを達成することができる。 As described above, in chemical reactions, it is often difficult to significantly change the viscosity μ and density ρ of the fluid containing the reactants. In such cases, the desired pressure loss ΔP2 x can be achieved by selecting the linear velocity u L of the liquid and the linear velocity u G of the gas so that the above formula is satisfied.
<圧力損失推定導出装置、圧力損失推定プログラム>
本発明の別の実施形態は、固体触媒を充填した反応器に気体若しくは液体の1相の流体、又は気体及び液体の2相の流体を流通させる固定床流通式反応における任意の反応経過時txの前記反応器内の圧力損失推定導出装置であって、前記反応経過時txにおける流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを取得する流体情報取得部と、前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得する不純物情報取得部と、取得したSIN及びSOUTを前記式(5)に代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する空隙率導出部と、取得した前記μ、前記u、前記ρ、及び前記εxを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式に代入し、圧力損失の計算値であるΔPcalを導出するΔPcal導出部と、得られたΔPcalを前記式(6)に代入し、前記反応経過時txにおける前記反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを導出する圧力損失の推定値導出部と、前記圧力損失の推定値ΔPsimを出力する出力部と、を有することを特徴とする。
<Pressure loss estimation device, pressure loss estimation program>
Another embodiment of the present invention is a pressure drop estimation deriving device in an arbitrary reaction time t x in a fixed bed flow reaction in which a one-phase fluid of gas or liquid, or a two-phase fluid of gas and liquid is circulated through a reactor filled with a solid catalyst, the pressure drop estimation deriving device including a fluid information acquisition unit that acquires a viscosity μ of the fluid , a linear velocity u of the fluid, and a density ρ of the fluid at the reaction time t x , an impurity information acquisition unit that acquires a total amount of impurities S IN in the fluid that flowed into the reactor and a total amount of impurities S OUT in the fluid that flowed out of the reactor between another arbitrary reaction time t x -1 before the reaction time t x and the reaction time t x (t x -t x-1 ), and a porosity derivation unit that derives a porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x by substituting the acquired S IN and S OUT into the formula (5), and the acquired μ, u, ρ, and ε a ΔP cal derivation unit that substitutes x into an equation for calculating the pressure drop from the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, and derives ΔP cal , which is a calculated value of the pressure drop; a pressure loss estimate derivation unit that substitutes the obtained ΔP cal into the equation (6) to derive an estimate value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at the reaction elapsed time t x ; and an output unit that outputs the estimate value ΔP sim of the pressure drop.
本実施形態の圧力損失推定導出装置は、さらに前記反応経過時txにおける反応温度Tt(x)を取得する温度情報取得部を有し、前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには、前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する空隙率導出部において、前記式(5)に代えて、前記式(5-1)に前記SIN、前記SOUT、前記TB、及びTt(x)を代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出することが好ましい。 The pressure drop estimation deriving device of the present embodiment further includes a temperature information acquisition unit that acquires a reaction temperature T t(x) at the reaction time t x , and when the relationship between the T t (x) and a coking threshold value T B satisfies T t(x) > T B , in a porosity derivation unit that derives the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor, it is preferable to substitute the S IN , the S OUT , the T B , and T t(x) into the formula (5-1) instead of the formula (5) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x .
本実施形態の圧力損失推定導出装置10は、具体的には図3に示されるように、取得部11と、取得部11からの情報を処理する計算機本体14と、計算機本体14において処理された情報(反応器内の圧力損失の推定値)を外部に出力する出力部20とを有する。
Specifically, as shown in FIG. 3, the pressure loss
取得部11は、反応のオペレーターによって所定の情報が入力され、この入力により取得した情報を計算機14に送信するものである。本実施形態の取得部11は、任意の反応経過時txにおける流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを取得する流体情報取得部12と、前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得する不純物情報取得部13と、を備える。また、本実施形態の取得部11は、さらに前記反応経過時txにおける反応温度Tt(x)を取得する温度情報取得部19を備えることが好ましい。
The
流体情報取得部12は、具体的には、上述の測定方法により得られた前記反応経過時txにおける流体の粘度μ(流体が気体及び液体の2相の場合は、μL及びμG)、流体の線速度u(流体が気体及び液体の2相の場合は、uL及びuG)、及び流体の密度ρ(流体が気体及び液体の2相の場合は、ρL及びρG)を反応のオペレーターが入力することにより取得し、これを計算機本体14へ送信する。
不純物情報取得部13は、具体的には、上述の測定方法により得られた前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを反応のオペレーターが入力することにより取得し、これを計算機本体14へ送信する。
温度情報取得部19は、具体的には、上述の測定方法により得られた前記反応経過時txにおける反応温度Tt(x)を反応のオペレーターが入力することにより取得し、これを計算機本体14へ送信する。
Specifically, the fluid
Specifically, the impurity
Specifically, the temperature
本実施形態では、流体情報取得部12と不純物情報取得部13と温度情報取得部19が共通のキーボードによって構成されている。流体情報取得部12、不純物情報取得部13、及び温度情報取得部19の具体的構成は、限定されず、本実施形態ではキーボードであるが、タッチパネル等であってもよい。なお、流体情報取得部12、不純物情報取得部13、及び温度情報取得部19が別々に構成され、それぞれが独立して計算機本体14に接続されてもよい。また、流体情報取得部12、不純物情報取得部13、及び温度情報取得部19は、反応器の制御等に用いられる計算機、分析装置等から有線又は無線により前記の各情報を直接取得するように構成されてもよい。
In this embodiment, the fluid
計算機本体14は、種々の情報を処理可能な、いわゆるコンピュータである。この計算機本体14には、所定のプログラムが組み込まれ、このプログラムの実行によって機能的に演算部15が構成される。具体的には、この演算部15には、前記プログラムの実行によって機能的に空隙率導出部16と、ΔPcal導出部17と、圧力損失の推定値導出部18と、が構成される。
The computer
空隙率導出部16は、計算機本体14に取得部11から上記の情報が入力されると前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)≦TBを満たすときには前記式(5)より、前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには前記式(5-1)より、反応器内の固体触媒層の空隙率εxを計算する。ΔPcal導出部17は計算機本体14に取得部11から上記の情報が入力されると、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式よりΔPcalを、導出する。ΔPcal導出部17において、流体が気体又は液体の1相の場合は、例えば上述のErgun式よりΔPcal(ΔP1cal)を導出することができる。また、ΔPcal導出部17において、流体が気体及び液体の2相の場合は、例えば上述のErgun・Larkins式よりΔPcal(ΔP2cal)を導出することができる。圧力損失の推定値導出部18は前記ΔPcal導出部17により導出されたΔPcalから前記式(6)より前記反応経過時txにおける圧力損失の推定値ΔPsimを導出する。
When the above information is input from the
また、空隙率導出部16、ΔPcal導出部17、圧力損失の推定値導出部18は協同して、圧力損失の推定方法の部分ですでに説明した方法で、前記式(5)におけるチューニングパラメータα、前記式(5-1)におけるチューニングファクターβ、γ、及び前記式(6)におけるチューニングファクターσを導出する機能を有することが好ましい。
In addition, it is preferable that the
演算部15は、反応のオペレーターが入力した情報に基づいて上記のように求めた計算結果を圧力損失の推定値として出力部20に出力する。
The
出力部20は、計算機本体14(詳しくは、演算部15)が出力した計算結果(反応器内における圧力損失の推定値)を受信し、これを外部に出力するものである。本実施形態の出力部20は、CRTディスプレイや液晶ディスプレイ、PDP等の表示部によって構成されているが、これに限定されず、プリンタ等の印刷部や、他の装置(例えば、重質炭化水素油の水素化処理反応制御等に用いられる計算機等)等へ出力するように構成されてもよい。また、出力部20は、これらを組み合わせたものでもよい。
The
本実施形態の圧力損失推定導出装置10は、流体が気体又は液体の1相の場合の反応器内の圧力損失の推定値のみを導出する装置であってもよいし、流体が気体及び液体の2相の場合の反応器内の圧力損失の推定値のみを導出する装置であってもよいし、流体が前記1相の場合の反応器内の圧力損失の推定値と流体が前記2相の場合の反応器内の圧力損失の推定値の両方を導出する装置であってもよい。
The pressure loss
流体が前記1相の場合の反応器内の圧力損失の推定値と流体が前記2相の場合の反応器内の圧力損失の推定値の両方を導出する装置である場合、取得部11において流体が1相であるか2相であるかを反応のオペレーターが入力することにより、取得する流体相数情報取得部(不図示)を備えていることが好ましい。
When the device derives both an estimated value of the pressure loss in the reactor when the fluid is one phase and an estimated value of the pressure loss in the reactor when the fluid is two phases, it is preferable that the device is equipped with a fluid phase number information acquisition unit (not shown) that acquires information by having the reaction operator input in
前記流体相数情報が計算機本体14へ送信されることで、ΔPcal導出部17において使用される、流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式が適切に選択される。
The fluid phase number information is transmitted to the computer
圧力損失推定導出装置10の各構成は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにCPUを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
Each component of the pressure
すなわち、圧力損失推定導出装置10は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するCPU(central processing unit)、上記プログラムを格納したROM(read only memory)、上記プログラムを展開するRAM(random access memory)、上記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置(記録媒体)などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである圧力損失推定導出装置10の制御プログラムのプログラムコード(実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム)をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、圧力損失推定導出装置10に供給し、そのコンピュータ(またはCPUやMPU)が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
That is, the pressure loss
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フレキシブルディスク/ハードディスク等の磁気ディスクやCD-ROM/MO/MD/DVD/CD-R等の光ディスクを含むディスク系、ICカード(メモリカードを含む)/光カード等のカード系、あるいはマスクROM/EPROM/EEPROM/フラッシュROM等の半導体メモリ系などを用いることができる。 Examples of the recording medium that can be used include tape-based devices such as magnetic tape and cassette tape, disk-based devices including magnetic disks such as flexible disks and hard disks, and optical disks such as CD-ROMs, MOs, MDs, DVDs, and CD-Rs, card-based devices such as IC cards (including memory cards) and optical cards, and semiconductor memory-based devices such as mask ROMs, EPROMs, EEPROMs, and flash ROMs.
また、圧力損失推定導出装置10を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、LAN、ISDN、VAN、CATV通信網、仮想専用網(virtual private network)、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、IEEE1394、USB、電力線搬送、ケーブルTV回線、電話線、ADSL回線等の有線でも、IrDAやリモコンのような赤外線、Bluetooth(登録商標)、802.11無線、HDR、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された搬送波あるいはデータ信号列の形態でも実現され得る。
The pressure loss
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[重質炭化水素油中の金属不純物濃度の測定]
重質炭化水素油中の金属不純物濃度の測定は、ICP-OESで測定した。具体的には、反応器流入前の重質炭化水素油中のNi、V、Feの金属換算濃度、及び反応器流出後の重質炭化水素油のNi、V、Feの金属換算濃度をICP-OESで測定した。
[Measurement of metal impurity concentration in heavy hydrocarbon oil]
The metal impurity concentrations in the heavy hydrocarbon oil were measured by ICP-OES. Specifically, the metal-equivalent concentrations of Ni, V, and Fe in the heavy hydrocarbon oil before it flowed into the reactor and the metal-equivalent concentrations of Ni, V, and Fe in the heavy hydrocarbon oil after it flowed out of the reactor were measured by ICP-OES.
[重質炭化水素油の密度及び粘度の測定]
重質炭化水素油の密度は、JIS K2249「原油及び石油製品-密度試験方法及び密度・質量・容量換算表」に準拠して測定した15℃換算の密度を反応温度で補正することにより得た。
重質炭化水素油の粘度は、JIS K 2283「原油及び石油製品-動粘度試験方法及び粘度指数算出方法」に準拠して得られた結果とJIS K2249「原油及び石油製品-密度試験方法及び密度・質量・容量換算表」に準拠して測定した15℃換算の密度を乗じて、温度換算を行うことにより得た。
[Measurement of density and viscosity of heavy hydrocarbon oil]
The density of the heavy hydrocarbon oil was obtained by correcting the density converted to 15° C. measured in accordance with JIS K2249 "Crude oil and petroleum products -- Density test method and density, mass and volume conversion table" by the reaction temperature.
The viscosity of the heavy hydrocarbon oil was obtained by multiplying the result obtained in accordance with JIS K 2283 "Crude oil and petroleum products -- Test method for kinematic viscosity and calculation method for viscosity index" by the density converted to 15°C measured in accordance with JIS K2249 "Crude oil and petroleum products -- Test method for density and density, mass, and volume conversion table" and converting the result into a temperature value.
[水素の密度及び粘度の測定]
水素の密度は、ガスクロマトグラフィーで得られた組成分析結果の組成に相当する密度を温度、圧力補正を行うことにより得た。
水素の粘度は、ガスクロマトグラフィーで得られた組成分析結果をプロセスシミュレーターに導入し、算出することにより得た。
[Measurement of density and viscosity of hydrogen]
The density of hydrogen was obtained by correcting the density corresponding to the composition obtained by composition analysis using gas chromatography for temperature and pressure.
The viscosity of hydrogen was obtained by inputting the composition analysis results obtained by gas chromatography into a process simulator and calculating it.
反応温度の測定は、反応器内の温度計により行い、その中の最高温度を採用した。 The reaction temperature was measured using a thermometer inside the reactor, and the maximum temperature was used.
[実施例1]
4種類の異なる重質炭化水素油の水素化処理触媒(モリブデンとニッケルがγアルミナに担持されたモリブデン・ニッケル系触媒、形状:四つ葉型)A~Dを反応器にそれぞれ充填し、4層の固体触媒層を形成した。この際、それぞれの固体触媒層の層高H(m)を検尺により測定した。それぞれの固体触媒層の層高Hと反応器(円柱状の管型反応器)の断面積(m2)を乗じることにより、それぞれの固体触媒層の充填容積Vcat(m3)を計算した。さらに、それぞれの固体触媒層の充填容積Vcatと充填重量Wcat(kg)より、BD=Wcat/Vcatを計算し、それぞれの固体触媒層の充填密度BD(kg/m3)を求めた。それぞれの固体触媒層の充填密度BD、それぞれの固体触媒の真密度ρcat(kg/m3)、及びそれぞれの固体触媒の細孔容積PV(m3/kg)より、ε0=1-(BD×(1/ρcat+PV))を計算し、それぞれの固体触媒層のε0を計算した。
なお、固体触媒の真密度はピクノメーター法(液相法)により求めた。また、固体触媒の細孔容積は、水銀圧入法により測定した。水銀圧入装置は、ポロシメーター(MICROMERITICS AUTO-PORE 9200:島津製作所製)を使用した。
[Example 1]
Four different types of heavy hydrocarbon oil hydrotreating catalysts (molybdenum-nickel catalysts in which molybdenum and nickel are supported on gamma alumina, shape: four-leaf clover) A to D were packed into a reactor, respectively, to form four solid catalyst layers. At this time, the layer height H (m) of each solid catalyst layer was measured by a scale. The layer height H of each solid catalyst layer was multiplied by the cross-sectional area (m 2 ) of the reactor (cylindrical tubular reactor) to calculate the packing volume V cat (m 3 ) of each solid catalyst layer. Furthermore, BD = W cat /V cat was calculated from the packing volume V cat and the packing weight W cat (kg) of each solid catalyst layer, and the packing density BD (kg/m 3 ) of each solid catalyst layer was obtained. From the packing density BD of each solid catalyst layer, the true density ρ cat (kg/m 3 ) of each solid catalyst, and the pore volume PV (m 3 /kg) of each solid catalyst, ε 0 =1-(BD×(1/ρ cat +PV)) was calculated, and ε 0 of each solid catalyst layer was calculated.
The true density of the solid catalyst was determined by the pycnometer method (liquid phase method). The pore volume of the solid catalyst was measured by mercury intrusion porosimeter (MICROMERITICS AUTO-PORE 9200, manufactured by Shimadzu Corporation) as the mercury intrusion device.
それぞれの固体触媒の平均長径、平均短径から、前記式(8-3)より、それぞれの固体触媒を球と仮定した場合の球径dpを求めた。
表1に水素化処理触媒A~Dのdp、H、ε0及び層構成を表1に示す。表1において、1ゾーンが反応器入口側、4ゾーンが反応器出口側である。
From the average major axis and the average minor axis of each solid catalyst, the spherical diameter dp was calculated by the above formula (8-3) assuming that each solid catalyst was a sphere.
Table 1 shows the dp, H, ε 0 and layer structure of the hydrotreating catalysts A to D. In Table 1,
反応温度に加熱した重質炭化水素油と水素を反応器の上部より導入して、下記の条件で水素化処理を行った。 Heavy hydrocarbon oil heated to the reaction temperature and hydrogen were introduced from the top of the reactor, and hydrotreating was carried out under the following conditions:
反応条件:
反応温度;377℃
圧力(水素分圧);10.3MPa
液空間速度 ;0.2h-1
線速(油);0.0043m/s
線速(水素);0.067m/s
水素/油比 ;860m3/m3
生成油中の硫黄成分;0.30質量%
Reaction conditions:
Reaction temperature: 377°C
Pressure (hydrogen partial pressure): 10.3 MPa
Liquid space velocity; 0.2h -1
Linear speed (oil): 0.0043m/s
Linear speed (hydrogen): 0.067 m/s
Hydrogen/oil ratio: 860 m3 / m3
Sulfur content in produced oil: 0.30 mass%
原料油の性状:
油種;中東系原油の常圧蒸留残渣油
密度(15℃);0.9616g/cm3
硫黄成分;2.97質量%
バナジウム;15ppm
ニッケル;31ppm
鉄;18ppm
動粘度;369mm3/s(50℃)
生成油の性状:
バナジウム;6ppm
ニッケル;9ppm
鉄;13ppm
硫黄成分の測定は、JIS K2541「原油及び石油製品-硫黄分試験方法」に準拠して測定した。
なお、上記の反応条件は、全反応期間の平均の値である。
Characteristics of feedstock oil:
Oil type: Middle Eastern crude oil atmospheric distillation residue Density (15°C): 0.9616g/ cm3
Sulfur component: 2.97% by mass
Vanadium: 15 ppm
Nickel: 31 ppm
Iron: 18 ppm
Kinematic viscosity: 369 mm 3 /s (50°C)
Properties of the resulting oil:
Vanadium: 6 ppm
Nickel: 9 ppm
Iron: 13 ppm
The sulfur content was measured in accordance with JIS K2541 "Crude oil and petroleum products -- Determination of sulfur content."
The above reaction conditions are average values over the entire reaction period.
反応開始から24h後に、反応器に流入する前の重質炭化水素油中の金属不純物濃度を測定し、24hの間に反応器に流入した重質炭化水素油の総量との積を計算することにより、反応開始から24h経過時の間に反応器に流入した重質炭化水素油中の不純物総量SIN(kg/24h)を取得した。反応開始から24h後に、反応器から流出した後の重質炭化水素油中の金属不純物濃度を測定し、24hの間に反応器から流出した重質炭化水素油の総量との積を計算することにより、反応開始から24h経過時の間に反応器から流出した重質炭化水素油中の不純物総量SOUT(kg/24h)を取得した。
前記式(1-B)に各ゾーンの固体触媒層のε0、及びSIN、SOUTを代入し、各ゾーンの固体触媒層のε24hをαconstの関数としてそれぞれ得た。前記ε24h、24h経過時の重質炭化水素の密度、線速度、粘度、水素の密度、線速度、粘度、及び触媒のdp、Hを前記式(9)~(14)に代入し、各ゾーンの固体触媒層の24h経過時の圧力損失の計算値ΔPcal(n)(ΔP2cal(n))をαconstの関数としてそれぞれ得た(n=4である)。続いて、1~4ゾーンの固体触媒層の圧力損失の計算値を合計することにより全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(ΔP2cal)をαconstの関数として得た。得られた全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcal(ΔP2cal)を前記式(2)に代入し、全固体触媒層の圧力損失の推定値ΔPsim(ΔP2sim)をαconstとσの関数として得た。
以後24hおきに上記の圧力損失の推定作業を行い、圧力損失の推定値ΔPsim(ΔP2sim)をαconstとσの関数として得た。反応開始から15点の反応経過時における圧力損失の実測値ΔPと圧力損失の推定値ΔPsimの平均値であるΔP(ave)、ΔPsim(ave)の比率ΔP(ave)/ΔPsim(ave)の値が1に近づくようαconst、σを調整したところ、αconst=0.0065、σ=-0.19とすると実測値と推定値がよく合うことがわかった。
24 hours after the start of the reaction, the metal impurity concentration in the heavy hydrocarbon oil before flowing into the reactor was measured, and the product of this and the total amount of heavy hydrocarbon oil flowing into the reactor during 24 hours was calculated to obtain the total amount of impurities S IN (kg/24h) in the heavy hydrocarbon oil flowing into the reactor during 24 hours after the start of the reaction. 24 hours after the start of the reaction, the metal impurity concentration in the heavy hydrocarbon oil after flowing out from the reactor was measured, and the product of this and the total amount of heavy hydrocarbon oil flowing out from the reactor during 24 hours was calculated to obtain the total amount of impurities S OUT (kg/24h) in the heavy hydrocarbon oil flowing out from the reactor during 24 hours after the start of the reaction.
The ε 0 , S IN and S OUT of the solid catalyst layer in each zone were substituted into the formula (1-B) to obtain the ε 24h of the solid catalyst layer in each zone as a function of α const . The ε 24h , the density, linear velocity and viscosity of the heavy hydrocarbons after 24 hours, the density, linear velocity and viscosity of hydrogen, and the dp and H of the catalyst were substituted into the formulas (9) to (14) to obtain the calculated pressure loss ΔP cal(n) (ΔP2 cal(n) ) of the solid catalyst layer in each zone after 24 hours as a function of α const (n=4). Next, the calculated pressure loss of the solid catalyst layers in
Thereafter, the above pressure loss estimation work was performed every 24 hours, and the estimated pressure loss ΔP sim (ΔP2 sim ) was obtained as a function of α const and σ. α const and σ were adjusted so that the ratio ΔP (ave ) / ΔP sim (ave) , which is the average value of the actual pressure loss value ΔP and the estimated pressure loss value ΔP sim over 15 reaction points from the start of the reaction, approached 1. It was found that the actual measurement value and the estimated value matched well when α const = 0.0065 and σ = -0.19.
αconst=0.0065、σ=-0.19として、24hおきに上記の圧力損失の推定作業を行った。図4に、反応時間に対する、圧力損失の実測値(実績値)と推定値のグラフを示す。 The above-mentioned pressure loss estimation work was performed every 24 hours with α const = 0.0065 and σ = -0.19. Figure 4 shows a graph of the actual measured value (achieved value) and the estimated value of the pressure loss versus the reaction time.
図4に示すように269日経過時まではαconst、σの値を変更しなかったが、その間のΔP/ΔPsimの平均値は、1.06であり、非常に精度高く圧力損失を推定することができた。ΔP/ΔPsimの値が徐々に上昇してきたため(264日経過時:1.09、265日経過時:1.16、266日経過時:1.20、267日経過時:1.24、268日経過時:1.28、269日経過時:1.30)、270日経過時にαconstの値を0.03に変更し(σは変更せず)、反応をトータルでおよそ300日行った。全反応期間の圧力損失の実測値と推定値はよく一致した。この間のΔP(実測値)/ΔPsim(推定値)の平均値は1.06であった。 As shown in FIG. 4, the values of α const and σ were not changed until 269 days had passed, but the average value of ΔP/ΔP sim during that time was 1.06, and the pressure loss could be estimated with a very high degree of accuracy. Since the value of ΔP/ΔP sim gradually increased (after 264 days: 1.09, after 265 days: 1.16, after 266 days: 1.20, after 267 days: 1.24, after 268 days: 1.28, after 269 days: 1.30), the value of α const was changed to 0.03 after 270 days had passed (σ was not changed), and the reaction was carried out for a total of about 300 days. The actual and estimated values of the pressure loss during the entire reaction period were in good agreement. The average value of ΔP (actual value)/ΔP sim (estimated value) during this period was 1.06.
[実施例2]
実機スケールにて、上述のコーキングの閾値TBの取得方法2に準拠して、TBを求めたところ、TBは370℃であった。なお、コーキングの閾値TBの取得方法2における直線1はy=0.0002x+0.0372であり、直線2はy=0.0163x-5.9256であった。
したがって、反応温度Ttが370℃を超えるまでは、上述の実施例1の方法で圧力損失の推定値を前記式(1)により求めたεxにより圧力損失の推定値を求めた(実施例1と同様にα=0.0065、σ=-0.19とした)。
101日経過時に、反応温度Ttが371℃となり、TBである370℃超となった。
101日経過時の反応器に流入する前の重質炭化水素油中の金属不純物濃度を測定し、100日経過時から101日経過時までの間に反応器に流入した重質炭化水素油の総量との積を計算することにより、100日経過時から101日経過時の間に反応器に流入した重質炭化水素油中の不純物総量SIN(kg/24h)を取得した。101日経過時の反応器から流出した後の重質炭化水素油中の金属不純物濃度を測定し、100日経過時から101日経過時の間に反応器から流出した重質炭化水素油の総量との積を計算することにより、100日経過時から101日経過時の間に反応器から流出した重質炭化水素油中の不純物総量SOUT(kg/24h)を取得した。
前記式(1-1)に各ゾーンの固体触媒層のε100日、及びSIN、SOUT、R、TB、Tt(x)を代入し、各ゾーンの固体触媒層のε101日をβ、γの関数としてそれぞれ得た。ここで上述のチューニングファクターβ、γの設定方法2に準拠して、仮の値としてβ=1を代入し、前記ε101日をγの関数として得た。前記ε101日、101日経過時の重質炭化水素の密度、線速度、粘度、水素の密度、線速度、粘度、及び触媒のdp、Hを前記式(9)~(14)に代入し、各ゾーンの固体触媒層の101日経過時の圧力損失の計算値ΔPcal(n)をγの関数としてそれぞれ得た。続いて、1~4ゾーンの固体触媒層の圧力損失の計算値を合計することにより全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalをγの関数として得た。得られた全固体触媒層の圧力損失の計算値ΔPcalを前記式(2)に代入し、全固体触媒層の圧力損失の推定値ΔPsimをγの関数として得た。101日経過時の圧量損失の実測値ΔPと前記ΔPsimがΔP=ΔPsimになるよう計算するとγは340であった。
以後24hおきに上記の圧力損失の推定作業を行い、以後15点においてΔP/ΔPsimが0.5~1.5の範囲に収まったため、β=1、γ=340として、その後の圧力の推定作業を継続した。
図5に、反応時間に対する、圧力損失の実測値と推定値のグラフを示す。
[Example 2]
When T B was obtained on an actual scale in accordance with the above-mentioned method 2 for obtaining the threshold value T B for coking, T B was 370° C. In addition, in the method 2 for obtaining the threshold value T B for coking,
Therefore, until the reaction temperature Tt exceeded 370° C., the estimated value of the pressure loss was calculated using ε x calculated by the formula (1) in the method of Example 1 described above (α=0.0065, σ=−0.19 as in Example 1).
After 101 days, the reaction temperature Tt reached 371°C, exceeding Tb of 370°C.
The metal impurity concentration in the heavy hydrocarbon oil before flowing into the reactor after 101 days was measured, and the product was calculated by multiplying the total amount of heavy hydrocarbon oil flowing into the reactor between 100 days and 101 days to obtain the total amount of impurities S IN (kg/24h) in the heavy hydrocarbon oil flowing into the reactor between 100 days and 101 days. The metal impurity concentration in the heavy hydrocarbon oil after flowing out from the reactor after 101 days was measured, and the product was calculated by multiplying the total amount of heavy hydrocarbon oil flowing out from the reactor between 100 days and 101 days to obtain the total amount of impurities S OUT (kg/24h) in the heavy hydrocarbon oil flowing out from the reactor between 100 days and 101 days.
The ε 100 days , S IN , S OUT , R, T B , and T t(x) of the solid catalyst layer in each zone were substituted into the formula (1-1) to obtain the ε 101 days of the solid catalyst layer in each zone as a function of β and γ. In accordance with the above-mentioned setting method 2 of tuning factors β and γ, β=1 was substituted as a provisional value to obtain the ε 101 days as a function of γ. The ε 101 days , the density, linear velocity, and viscosity of the heavy hydrocarbons after 101 days, the density, linear velocity, and viscosity of the hydrogen, and the dp and H of the catalyst were substituted into the formulas (9) to (14) to obtain the calculated value ΔP cal(n) of the pressure loss of the solid catalyst layer in each zone after 101 days as a function of γ. Next, the calculated values of the pressure loss of the solid catalyst layers in
Thereafter, the above-mentioned pressure loss estimation work was performed every 24 hours, and since ΔP/ΔP sim was within the range of 0.5 to 1.5 at 15 points thereafter, the pressure estimation work was continued with β=1 and γ=340.
FIG. 5 shows a graph of the measured and estimated pressure drop versus reaction time.
図5に示すように、全反応期間の圧力損失の実測値と推定値はよく一致した。また、実施例1のように、チューニングパラメータαを変更する必要がなかった。この間のΔP(実測値)/ΔPsim(推定値)の平均値は1.01であった。 As shown in Fig. 5, the measured and estimated values of pressure drop during the entire reaction period were in good agreement. Moreover, there was no need to change the tuning parameter α, as in Example 1. The average value of ΔP (measured value)/ΔP sim (estimated value) during this period was 1.01.
10…圧力損失推定導出装置、11…取得部、12…流体情報取得部、13…不純物情報取得部、14…計算機、15…演算部、16…空隙率導出部、17…ΔPcal導出部、18…圧力損失の推定値導出部、19…温度情報取得部、20…出力部 Reference Signs List 10: Pressure loss estimation derivation device, 11: Acquisition unit, 12: Fluid information acquisition unit, 13: Impurity information acquisition unit, 14: Calculator, 15: Calculation unit, 16: Porosity derivation unit, 17: ΔP cal derivation unit, 18: Pressure loss estimated value derivation unit, 19: Temperature information acquisition unit, 20: Output unit
Claims (7)
前記反応経過時txにおける流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを取得するステップと、
前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得するステップと、
取得したSIN及びSOUTを下記式(1)に代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップと、を有し、
取得した前記μ、前記u、前記ρ、及び前記εxを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式に代入し、圧力損失の計算値であるΔPcalを導出し、
得られたΔPcalを下記式(2)に代入し、前記反応経過時txにおける前記反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを求めることを特徴とする反応器内の圧力損失の推定方法であって、
前記反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式は、前記流体が気体又は液体の1相の場合、Ergun式、Blake・Kozeny式、Burke・Plummer式、Kozeny・Carman式、又はFanning式であり、前記流体が気体及び液体の2相の場合、Ergun・Larkins式である、反応器内の圧力損失の推定方法。
Acquiring the viscosity μ of the fluid, the linear velocity u of the fluid, and the density ρ of the fluid at the reaction time t x ;
A step of acquiring a total amount of impurities S IN in the fluid flowing into the reactor during a period (t x -t x-1 ) between another arbitrary reaction time t x-1 before the reaction time t x and the reaction time t x , and a total amount of impurities S OUT in the fluid flowing out of the reactor ;
and substituting the obtained S IN and S OUT into the following formula (1) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x ,
The obtained μ, u, ρ, and ε x are substituted into an equation for calculating a pressure drop based on the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the porosity of the solid catalyst layer in the reactor, to derive a calculated value of the pressure drop, ΔP cal ;
A method for estimating a pressure drop in a reactor, comprising: substituting the obtained ΔP cal into the following formula (2) to obtain an estimated value ΔP sim of the pressure drop in the reactor at the reaction time t x ,
The method for estimating pressure drop in a reactor, wherein a formula for calculating the pressure drop based on the void ratio of the solid catalyst layer in the reactor is the Ergun formula, the Blake-Kozeny formula, the Burke-Plummer formula, the Kozeny-Carman formula, or the Fanning formula when the fluid is a single phase of gas or liquid, and is the Ergun-Larkins formula when the fluid is a two-phase of gas and liquid .
前記Tt(x)と、コークが生成し、当該コークが固体触媒層への堆積を始める温度であるコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには、前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップにおいて、前記式(1)に代えて、下記式(1-1)に前記SIN、前記SOUT、前記TB、及び前記Tt(x)を代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する請求項1に記載の反応器内の圧力損失の推定方法。
2. The method for estimating a pressure drop in a reactor according to claim 1, wherein, when a relationship between the Tt (x) and a coking threshold T B , which is a temperature at which coke is generated and begins to deposit on the solid catalyst layer, satisfies Tt (x) > T B , in the step of deriving a porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor, the S IN , the S OUT , the T B , and the Tt (x) are substituted into the following formula (1-1) instead of the formula (1) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x .
前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得するステップと、
取得したSIN及びSOUTを下記式(3)に代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップと、を有し、
所期の前記反応器内の圧力損失ΔPxを下記式(4)に代入し、ΔPcalを導出し、
得られたΔPcal及び前記εxを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式に代入し、
前記圧力損失を計算する式が成立するように流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを調整して反応を行うことを特徴とする反応器内の圧力損失を制御するための反応方法であって、
前記反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式は、前記流体が気体又は液体の1相の場合、Ergun式、Blake・Kozeny式、Burke・Plummer式、Kozeny・Carman式、又はFanning式であり、前記流体が気体及び液体の2相の場合、Ergun・Larkins式である、反応器内の圧力損失を制御するための反応方法。
A step of acquiring a total amount of impurities S IN in the fluid flowing into the reactor during a period (t x -t x-1 ) between another arbitrary reaction time t x-1 before the reaction time t x and the reaction time t x , and a total amount of impurities S OUT in the fluid flowing out of the reactor ;
and substituting the obtained S IN and S OUT into the following formula (3) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x ,
The desired pressure drop ΔP x in the reactor is substituted into the following formula (4) to derive ΔP cal ,
The obtained ΔP cal and the ε x are substituted into an equation for calculating the pressure drop based on the viscosity of the fluid, the linear velocity of the fluid, the density of the fluid, and the void fraction of the solid catalyst layer in the reactor,
A reaction method for controlling a pressure drop in a reactor, comprising: adjusting a viscosity μ of a fluid, a linear velocity u of the fluid, and a density ρ of the fluid so that the equation for calculating the pressure drop is satisfied ;
A reaction method for controlling pressure drop in a reactor, wherein a formula for calculating the pressure drop based on the void ratio of the solid catalyst layer in the reactor is the Ergun formula, the Blake-Kozeny formula, the Burke-Plummer formula, the Kozeny-Carman formula, or the Fanning formula when the fluid is a single phase of gas or liquid, and is the Ergun-Larkins formula when the fluid is a two-phase of gas and liquid .
前記Tt(x)とコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには、前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出するステップにおいて、前記式(3)に代えて、下記式(3-1)に前記SIN、前記SOUT、前記TB、及び前記Tt(x)を代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する請求項3に記載の反応器内の圧力損失を制御するための反応方法。
4. The reaction method for controlling a pressure drop in a reactor according to claim 3, wherein, when the relationship between Tt ( x) and the coking threshold value T B satisfies Tt (x) > T B , in the step of deriving the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor, the S IN , the S OUT , the T B , and the Tt (x) are substituted into the following formula (3-1) instead of the formula (3) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x .
前記反応経過時txにおける流体の粘度μ、流体の線速度u、及び流体の密度ρを取得する流体情報取得部と、
前記反応経過時txより前の別の任意の反応経過時tx-1から前記反応経過時txの間(tx-tx-1)に前記反応器に流入した流体中の不純物総量SIN、及び前記反応器から流出した流体中の不純物総量SOUTを取得する不純物情報取得部と、
取得したSIN及びSOUTを下記式(5)に代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する空隙率導出部と、
取得した前記μ、前記u、前記ρ、及び前記εxを流体の粘度、流体の線速度、流体の密度、及び反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式に代入し、圧力損失の計算値であるΔPcalを導出するΔPcal導出部と、
得られたΔPcalを下記式(6)に代入し、前記反応経過時txにおける前記反応器内の圧力損失の推定値ΔPsimを導出する圧力損失の推定値導出部と、
前記圧力損失の推定値ΔPsimを出力する出力部と、
を有することを特徴とする圧力損失推定導出装置であって、
前記反応器内の固体触媒層の空隙率により圧力損失を計算する式は、前記流体が気体又は液体の1相の場合、Ergun式、Blake・Kozeny式、Burke・Plummer式、Kozeny・Carman式、又はFanning式であり、前記流体が気体及び液体の2相の場合、Ergun・Larkins式である、圧力損失推定導出装置。
A fluid information acquisition unit that acquires the viscosity μ of the fluid, the linear velocity u of the fluid, and the density ρ of the fluid at the reaction time t x ;
an impurity information acquisition unit that acquires a total amount S IN of impurities in the fluid flowing into the reactor during a period (t x -t x-1 ) between another arbitrary reaction time t x -1 before the reaction time t x and the reaction time t x and a total amount S OUT of impurities in the fluid flowing out of the reactor;
a porosity deriving unit that derives the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x by substituting the obtained S IN and S OUT into the following formula (5);
a ΔP cal derivation unit that substitutes the obtained μ, u, ρ, and ε x into an equation for calculating a pressure drop based on a viscosity of a fluid, a linear velocity of the fluid, a density of the fluid, and a porosity of a solid catalyst layer in a reactor, and derives a calculated value of the pressure drop, ΔP cal ;
a pressure loss estimated value deriving unit that substitutes the obtained ΔP cal into the following formula (6) to derive an estimated value ΔP sim of the pressure loss in the reactor at the reaction time t x ;
an output unit that outputs the estimated pressure loss value ΔP sim ;
A pressure loss estimation device comprising:
The pressure loss estimation deriving device, wherein an equation for calculating the pressure loss based on the porosity of the solid catalyst layer in the reactor is the Ergun equation, the Blake-Kozeny equation, the Burke-Plummer equation, the Kozeny-Carman equation, or the Fanning equation when the fluid is a single phase of gas or liquid, and is the Ergun-Larkins equation when the fluid is a two-phase of gas and liquid .
前記Tt(x)と、コークが生成し、当該コークが固体触媒層への堆積を始める温度であるコーキングの閾値TBの関係が、Tt(x)>TBを満たすときには、前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する空隙率導出部において、前記式(5)に代えて、下記式(5-1)に前記SIN、前記SOUT、前記TB、及びTt(x)を代入して、前記反応経過時txにおける前記反応器内の固体触媒層の空隙率εxを導出する請求項5に記載の圧力損失推定導出装置。
6. The pressure loss estimation deriving device according to claim 5, wherein, when a relationship between the Tt (x) and a coking threshold T B , which is a temperature at which coke is generated and begins to deposit on the solid catalyst layer , satisfies Tt (x) > T B , a porosity deriving unit that derives the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor is configured to substitute the S IN , the S OUT , the T B , and Tt (x) into the following formula (5-1) instead of the formula (5) to derive the porosity ε x of the solid catalyst layer in the reactor at the reaction time t x .
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