KR101333141B1 - 기능성 유체 및 기능성 유체를 제조하기 위한 공정 - Google Patents

기능성 유체 및 기능성 유체를 제조하기 위한 공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 중 산성 유발물질, 황 성분 및 액체 스트림(liquid stream)으로부터 탄소산화물과 같은 오염물질 및 연소 배출 후(post combustion emissions) NOX 및 SOX 제거 및 처리를 위한 신규한 기능성 유체에 관한 것이나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 대기압 이상 또는 이하에서도 작동할 수 있는 폐쇄 시스템뿐만 아니라 배치 대기압 공정 시스템(batch atmospheric process)에서 기능성 유체를 생산할 수 있는 제조공정에 관한 것이다.
기능성 유체, 물-염소 용액, 유해가스 처리, 질소산화물, 황산화물, 황화수소 처리

Description

기능성 유체 및 기능성 유체를 제조하기 위한 공정{FUNCTIONAL FLUID AND A PROCESS FOR THE PREPARATION OF THE FUNCTIONAL FLUID}
본 발명은 기능성 유체 및 특히 산, 사워성분(sour components: 예컨대 H2S) 및 액체 스트림(예컨대, 하이드로카본을 포함하는 액체 스트림(hydrocarbon based fluid stream)) 또는 연소 후 연료 또는 가스등으로부터 CO2, CO, NOx, 및 SOx 가스 등을 제거 또는 처리하는 데 사용하는 기능성 유체에 관한 것이다. 본 발명은 또한 기능성 유체의 제조 공정에 관한 것이다.
하이드로카본 및 탄소계 조성물(carbon based composition)(예컨대, 원유(crude oil), 합성 크루드(synthetic crude), 천연가스, 석탄(coal) 및 코크스(coke))의 추출, 가공, 정련, 저장, 연소과정에서는 많은 양의 독성물질이 발생 및/또는 생산된다. 이러한 물질은, 예컨대, 황화수소(hydrogen sulphide) 가스, 머캅탄(mercaptans), SOx 가스(예컨대, SO2 및 SO3) 및 NOx 가스 (예컨대, NO, NO2 및 N2O)이다. 황화수소(hydrogen sulphide) 및 머캅탄은 원유에서 자주 추출된다. 이산화탄소, 일산화탄소 및 SOx 가스는 원유 가공 및 정련과정에서 생성될 수 있다. NOx 가스는 하이드로카본을 포함하는 연료(hydrocarbon based fuel)의 연소시에 발생될 수 있다. 덧붙여서, 화력발전소(coal fired power stations), 코크스 플랜트(coking plants) 및 철강 생산 플랜트로부터 발생하는 연소후 연기(post combustion fumes)에는 하나 이상의 상기 가스들을 포함되어 있다. 따라서 하이드로카본을 포함하는 스트림, 굴뚝 및 배기가스로부터 이러한 유해가스를 제거하는 조성물 및 공정의 개발에 대한 요구가 지속되고 있다.
H2S를 제거하는(scavenging) 화합물은 전형적으로 아민 부가물(adduct)을 포함하며, 이들의 제조 방법은 통상적으로 복잡한 반응 프로토콜 및 환경적으로 유해한 반응 물질을 필요로 한다. 예컨대, GB 2409859에는 하나 이상의 입체 장애(sterically hindered) 1차 또는 2차 아민과 하나 이상의 1 몰 이상의 과량의 알데하이드 또는 이들의 전자공여체(donor)의 반응으로부터 생성된 실질적으로 단분자 알데하이드-아민 부가물(adduct)을 포함하는 기름에 녹는(oil-soluble) 황 제거제(scavenger)를 개시하고 있다.
US 특허 출원 번호 No 2005/0214199에는 NOx, SOx 및 CO와 같은 오염물질을 흡착 및 산화에 의해 제거하는 데 사용되는 표면적이 큰 망간 산화물을 개시하고 있다. 망간 산화물은 특정한 반응조건하에서 이온교환 수의 존재 하에서 알칼리 금속 과망간산(permanganate) 및 수산화 용액으로 2가(bivalent) 망간염을 반응시켜 만든다. CO에 대해서 35%까지의 제거율만이 개시되어 있다.
따라서, 독성 물질의 제거에 사용되는 더 나은 조성물이 요구되고 있는 실정이다. 또한 상대적으로 직접적(straight forward)이고도 경제적인 반응 프로토콜을 통해 제조되는 조성물에 대한 요구가 높다. 또한 상기에서 설명된 것과 같이 많은 응용분야(application)에서 사용될 수 있는 다기능을 가진 조성물의 제조 및 분리가 요구되고 있다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 반응성 실리콘, 알칼리 금속 수산화물(hydroxide) 및 물과 염소(chlorine)를 포함하는 용액을 93 ℃ 보다 높지 않은 온도에서 반응 용기 내에서 반응시키는 기능성 유체(functional fluid)의 제조공정을 제공한다.
본 발명의 제 1 측면의 선택적인 사항(optional features)은 종속항의 주제가 된다.
따라서, 본 발명의 공정은 경제적이고 상대적으로 직접적인 공정을 통해 신규한 기능성 유체의 제조 및 분리를 위해 제공된다. 기능성 유체는 전자 공여체, 산화제 또는 항산화제로써 수 많은 응용분야에서 이용될 수 있다는 것이 발견되었다. 잇점으로는, 본 공정은 반응 부산물의 생성을 야기시키는 비싼 유기화학물질을 포함할 필요가 없는 스카벤저로 이용할 수 있는 기능성 유체를 제공한다. 그러한 반응 부산물은 환경에 대한 우려 때문에 처리비용이 상당히 비싸고, 처리가 어렵다. 또다른 잇점은 기능성 유체는 대기압 또는 가압 조건하에서 제조될 수 있다는 점이다.
본 발명의 제 2측면은, 본 발명의 기능성 유체는 본 발명의 제 1측면에 따른 공정에 의해 비중(specific gravity) 1.25 내지 5, pH 9 내지 13를 갖는 기능성 유체가 얻어진다.
본 발명의 또다른 잇점은 다양한 용도로써 사용될 수 있는 기능성 유체의 제조공정 및 분리에 있다. 예컨대, 석유 및 가스 생산 산업에서, 기능성 유체는 원유 펌핑 파이프에서 H2S 스카벤저 및 파이프 부식 억제제로써 사용될 수 있다. 기능성 유체는 또한 원유의 정련 및/또는 크루드(crude) 생산의 연소과정 동안 발생되는 CO2 및 NO2의 처리에 사용될 수 있다.
본 발명의 제 2측면의 기능성 유체는 CO, CO2, H2S의 스카벤저로써 사용될 수 있다.
기능성 유체는 습유(wet oil) 및 가스 생산(gas production) 시스템에서 H2S의 스카벤저(scavenger)로써 사용될 수 있다.
기능성 유체는 NOX (예컨대, NO 및 NO2)또는 SOX (예컨대, SO2 및 SO3) 가스의 스카벤저(scavenger)로써 사용될 수 있다.
기능성 유체는 사워 가스(sour gas)처리 시스템에서 사용될 수 있다.
기능성 유체는 부식 억제제(corrosion inhibitor)로써 사용될 수 있다.
기능성 유체는 산성 가스(acid gas)와 관련된 부식비율을 감소시키기 위하여 탄소강(carbon steel)의 부식 방지제로써 사용될 수 있다.
기능성 유체는 소포제(antifoaming agent)로써 사용사용될 수 있다.
기능성 유체는 폐수(waste water) 또는 보일러 공급수(boiler feed water)로부터 오염물질을 제거하는데 사용될 수 있다.
기능성 유체는 수소가스 저장용도로써 사용될 수 있다.
본 발명의 제 3측면에 따르면, 본 발명은,
(1) 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체를 형성하기 좋은 조건하에서, 가스상의 하이드로카본 공급원료를 상기 기능성 유체와 접촉시키는 단계; 및
(2) 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체로부터 탈황된 가스상의 하이드로카본 공급원료를 회수하는 단계를 포함하는 가스상의 하이드로카본 공급원료(feedstock)의 탈황(desulfurisation) 공정을 제공한다.
본 발명의 제 3측면의 공정은,
(3) 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체로부터 황을 침전시키기 위해 충분한 조건하에서, 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체를 응집제(flocculating agent)와 접촉시키는 단계; 및
(4) 상기 기능성 유체를 회수하기 위하여 유체로부터 침전된 황을 분리시키는 단계를 선택적으로 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제 4측면에 따르면, 본 발명의 공정은,
(1) 기능성 유체에 CO2를 용해시키기 위해 승압(elevated pressure)조건에서, 기능성 유체 및 가스상의 하이드로카본 공급원료를 기능성 유체와 접촉시키는 단계; 및
(2) 기능성 유체로부터 가스상의 하이드로카본 공급원료를 분리시키는 단계;
(3) 기능성 유체로부터 CO2의 방출을 위해 기능성 유체를 감압(depressurising) 시키는 단계를 포함하는 CO2 성분을 가진 하이드로카본 공급원료로부터 CO2를 제거시키기 위한 공정을 제공한다.
이하의 도면은, 본 발명의 보다 나은 이해를 위한 것이며, 어떻게 효과를 발휘하는 지 보다 분명히 보여주기 위해, 참조로써 만들어진 것이나 본 발명의 권리범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
제 1도는 본 발명의 기능성 유체의 제조공정을 위한 대기압 하에서 이루어지는 공정을 도시한 것이다.
제 2도는 본 발명의 기능성 유체의 제조공정을 위한 대기압 이상 또는 이하의 압력에서 이루어지는 폐쇄 시스템의 공정을 도시한 것이다.
제 3도는 메탄 가스 공급원료(feed)로부터 H2S를 제거하기 위한 공정을 도시한 것이다.
제 4도는 현존하는 탈황공정의 개조(retrofit)로써 적용되는 탈황 공정의 예를 도시한 것이다.
기능성 유체는 알칼리 금속 또는 이들의 유도체 및 실리콘의 반응에 의해 생성된다. 반응공정에 사용되는 반응물이 우선적으로 아래에서 설명될 것이다.
실리콘
본 발명의 공정에 사용되는 실리콘은 실리콘 원자(elemental silicon) 또는 실리콘 금속이 될 수 있다. 실리콘 금속은 많은 수의 순도 등급(purity grades)에 존재한다. 본 공정에 사용되는 실리콘 금속 예는 실리콘 금속 그레이드(silicon metal grade) 551 (98.5% Si, 0.5% Fe 최대함량, 0.10 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 553 (98.5% Si, 0.5% Fe 최대 함량, 0.30 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 441 (99% Si, 0.5% Fe 최대 함량, 0.10 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 442 (99% Si, 0.4% Fe 최대 함량, 0.20 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 4406 (99.3% Si, 0.4% Fe 최대 함량, 0.06 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 4403 (98.5% Si, 0.4% Fe 최대 함량, 0.03 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 331 (99.3% Si, 0.3% Fe 최대 함량, 0.10 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 3305 (99.4% Si, 0.3% Fe 최대 함량, 0.05 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 3303 (99.4% Si, 0.3% Fe 최대 함량, 0.03 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 2204 (99.5% Si, 0.2% Fe 최대 함량, 0.04 % Ca 최대 함량), 실리콘 금속 그레이드 2202 (99.5% Si, 0.2% Fe 최대 함량, 0.02 % Ca 최대 함량) or 실리콘 금속 그레이드 1501 (99.5% Si, 0.15% Fe 최대 함량, 0.01 % Ca 최대 함량) 등이다.
본 발명의 기능성 유체 제조공정에서 사용되는 실리콘 금속 그레이드 중에서 실리콘 금속 그레이드 441이 보다 바람직하다.
실리콘 또는 실리콘 금속은 다양한 범위의 입자크기를 포함할 수 있다. 이러한 입자는 거대 청크(chunks) 또는 잉곳(ingot)(예컨대, 약 150 mm까지의 평균 지름을 갖는다) 또는 파우더 형태일 수 있다. 어떤 구현예에서는, 실리콘 또는 실리콘 금속은 1 mm 내지 150 mm사이의 평균 입경을 가지는 입자를 포함한다. 어떤 구현예에서는, 실리콘 또는 실리콘 금속은 24 mm 내지 150 mm사이의 평균 입경을 가지는 입자를 포함한다. 또 어떤 구현예에서는, 평균 입경은 10 ㎛ 이상, 500 ㎛ 이상 또는 100 ㎛ 이상이다. 평균 입경은 또한 10 mm 이하, 5 mm 이하, 2 mm 이하, 또는 1 mm 이하이다. 입자는 구형(spherical)이 아니며, 여기서 입경(diameter)이란 용어는 입자의 가장 긴 거리를 의미한다.
몇 개의 입자가 특정 값을 벗어날 수는 있다. 그러나, 입자의 50%이상(예컨대 99%와 같은 95%이상)이 특정값 안에 있는 입경을 가지는 입자를 가진다. 어떤 구현예에서는, 이들 입자 모두가 실질적으로 특정 범위내에 있는 입경을 가진다.
알칼리 금속 수산화물
본 공정에 사용되는 알칼리 금속 수산화물은 수산화리튬, 수산화나트륨 또는 수산화칼륨이다. 어떤 구현예에서, 수산화나트륨이 사용된다. 수산화리튬, 수산화나트륨 및 수산화칼륨의 조합이 본 공정에서 사용될 수도 있다.
알칼리 금속 수산화물(예컨대, 수산화나트륨)은 고체형태나 알칼리 금속 수산화물의 조제된 수용액의 형태로 사용될 수 있다. 알칼리 금속 수산화물 고체형태로는 플레이크(flakes), 펠릿 또는 파우더의 형태가 가능하다.
택일적으로, 알칼리 금속 수산화물은 수산화루비듐(rubidium hydroxide), 수산화베릴륨(beryllium hydroxide), 수산화망간(magnesium hydroxide), 수산화칼슘, 수산화스트론튬(strontium hydroxide), 수산화바륨과 같은 다른 알칼리 또는 알칼라인 금속수산화물로 대체할 수 있다.
물 및 염소 용액
본 공정에 사용되는 물 및 염소 용액은 물, 바람직하게는 증류수 및 염소의 원료(chlorine source)을 포함한다. 염소 원료는 물에 용해된 염소가스일 수 있다.
바람직한 구현예에서, 염소 원료는 차아염소산나트륨(sodium hypochlorite, NaOCl)로 알려진 액체 염소이다.
물(바람직하게는 증류수) 및 액체 염소는 10:1 내지 30:1의 부피비율, 예컨대 15:1 및 25:1의 부피 비율로 제조된다. 어떤 구현예에서는 물 및 액체 염소는 20:1 의 부피비율이다.
물 및 염소 용액은 실리콘 및 알칼리 금속 수산화물을 포함하는 반응용기에 추가되기 전에 혼합되거나, 물 및 염소가 현장에서(in situ) 각각 첨가될 수 있다.
공정 및 결과물(resultant)인 기능성 유체
아래에서 설명되는, 본 발명의 제 1측면의 공정 기간은 반응온도 및 반응물의 입자 크기(표면적을 고려한 입자크기의 효과 때문에)와 같은 인자에 좌우된다. 반응 시간은 작은 입자가 사용되면 더 짧아지며, 보다 큰 입자가 사용되면 더 길어질 것이다. 대부분의 구현예에서, 반응시간은 한 시간보다 길며, 예컨대 6시간 정도로 3시간보다 길다. 반응 시간은 3일 이하, 2일 이하, 1일 이하, 또는 12시간 이하일 수도 있다. 반응은 발열반응(exothermic)이므로, 반응물 입자 크기 조절은 본 발명의 반응속도 및 본 발명의 제 1측면의 공정 동안, 반응 용기가 냉각을 필요로하는 정도를 조절함으로써 이루어질 수 있다.
반응용기는 93℃ 이하의 온도로 유지된다. 이러한 제한을 달성하기 위하여, 어떤 구현예에서, 반응온도가 60℃ 이하, 70℃ 이하, 80℃ 이하의 온도로 유지될 수 있다.
실리콘 금속 그레이드 441 및 수산화나트륨을 사용하는 경우에 대한 공정을 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 공정에 대한 이해를 돕기위하여 포함되어 있다. 그러나, 이들은 제한적인 것은 아니며, 당업자라면 다음의 논의될 내용이 상기 설명한 것의 수많은 대체물의 전형적인 예에 불과하다는 것을 알 수 있을 것이다.
전형적으로, 실리콘 금속 그레이드 441 및 알칼리 금속 수산화물은 반응용기 내에서 합해진다. 도 1은 본 발명의 기능성 유체의 제조를 위한 대기압 배치 공정을 보여준다. 개방된 반응기(1)에, 바람직하게는 스텐레스 철로부터 제조된 것, 24mm 내지 150 mm 평균 입경의 범위를 같는 실리콘(2)(실리콘 금속 그레이드 441)을 첨가하였다. 실리콘(2)을 실리콘 입자(2)의 빈 공간(voidage)를 포함하여 반응기 부피의 30%에 해당하는 높이로 첨가하였다. 수산화나트륨(3)(플레이크 형태)를 반응기(1)에 있는 실리콘(2)에 첨가하였고, 실리콘 입자(2)의 빈 공간과 대략 비슷한 수준으로 첨가하여, 반응기에 고체입자 레벨이 실질적으로 변화하지 않도록 하였다. 이것은 실리콘(2)과 수산화나트륨(3)을 철처히 혼합함으로써 달성하였다. 실리콘(2): 수산화나트륨(3)의 부피비는 전형적으로 1:1이다. 당업자에게 사용되는 입자크기가 실리콘 입자의 표면적에 따라 반응속도(예컨대, 물-염소 용액의 첨가시)에 영향을 미칠 것임은 자명하다.
반응기(1)에 첨가하기 전에, 증류수(4)를 액체 염소(5)와 함께 혼합하며(예컨대, 물:액체 염소의 부피비율=2:1), 물과 염소간의 반응이 시작된다. 물-염소 용액을 실리콘/수산화나트륨이 완전히 물-염소 용액에 잠길 정도로 실리콘/수산화나트륨 혼합물(mix)의 레벨 이상이 되도록 물-염소 용액을 첨가한다(도 1에 레벨 (6)).
전형적으로, 눈에 띄는 반응이 일어나기 전에 시간 지연(time lag)가 있을 것이다. 이러한 시간 지연은 사용되는 반응물의 양(예컨대, 실리콘:수산화나트륨의 부피비율) 및 실리콘(2) 및 산화나트륨(3)의 입자크기에 달려있다. 결과적으로 발생하는 발열반응이 수소가스(7) 및 스팀(8)의 방출과 함께 거품(effervesce)이 생기기 시작한다. 따라서 적당한 안전한 측정장치(measures)가 사용되어야 한다. 반응온도는 93 ℃, 바람직하게는 80 ℃를 넘지않도록 유지되어야한다. 반응온도는 외부 가열/냉각수단(10), 예컨대, 가열/냉각 자켓(heating/cooling jacket)을 사용해서 유지되어야 한다. 물 및/또는 물-염소 용액의 첨가는 실리콘/수산화나트륨 위로 용액의 레벨을 유지시키기 위해 반응진행동안 첨가된다(예컨대, 수소가스 및 스팀의 손실로 인한 손실을 맞추기 위한 것).
이상에서 설명한 조건하에서, 전형적으로, 반응은 거품의 정도가 감소되기 시작한 후로 6시간이 걸리며, 결과로서 발생하는 기능성 유체는, 반응을 계속시킬 수 있는 원하지 않는 입자들을 제거하기 위해 적당한 여과 매체(filtration medium)를 통과하여, 출구(9)를 통해 옮겨질 준비가 된다. 최종 화학물질은 이용을 위해 준비된 밀봉된 드럼에 보관된다.
도 2는 폐쇄 또는 가압된 시스템 장치의 한 예를 보여주는 데, 그것은 대기압 이상 또는 이하에서 작동될 수 있다. 호퍼(33)에 실리콘(21) 및 수산화나트륨(20)을 주어진 배치크기에 맞게 도 1에서 설명한 것과 동일한 양과 질로써 물질을 첨가한다. 그러나, 도 2에서 보여지는 것과 같은 폐쇄된 시스템에서는 1mm 같이 더 작은 입자의 실리콘이 사용될 수 있어, 접촉에 유용한 실리콘 표면적을 실질적으로 증가시킬 수 있다. 이것은, 압력 조절 수단(29)에 의해 용기내에서 압력을 조절할 수 있는 것과 더불어 반응을 더 조절할 수 있게 되어 실리콘 반응이 요구되는 화학물질을 생산하기 위해 필요로하는 시간을 감소시킬 수 있게한다. 실리콘(21) 및 수산화나트륨(20)이 호퍼(33)로 투입되고, 밸브 수단(28)에 의해 조절되어, 반응 압력 용기(27)로 들어간다. 밸브수단(28)은 닫혀지고, 펌프(24)가 작동하기 시작되어, 물(23) 및 염소(22) 혼합물이 투입된다. 이러한 혼합물은 밸브수단(25)에 의해, 반응용기(27) 내에 위치한 볼텍스 발생기(vortex generator)(31)까지 전달된다. 그 다음 반응이 시작되고, 실리콘(21)과 수산화나트륨(20) 입자들의 연속적인 내부 혼합(inter-mixing) 및 물(23)과 염소(22) 액체의 볼텍스에 의한 원심력에 의해 반응은 가속화된다. 반응에 의해 발생하는 수소가스 및 스팀은 반응용기(27)의 상부에 모이게 되고, 반응용기(27) 내의 압력은 압력 센서, 조절기(controller) 및 압력 조절 수단(29)에 의해 조정되어 요구되는 압력으로 조절된다. 반응용기(27)로부터 제거된 가스는 플레임 어레스터(flame arrestor)(30) 및/또는 스크러버/컨덴서(scrubber/condense)(37)로 유도되어, 필요한 경우, 반응에 의해 야기된 수증기를 제거하고, 수소를 반응용기(27)로 다시 돌아오도록 할 수도 있다. 따라서, 수소는 재흡수될 수 있어 화학물질을 더 진하게 할 수 있고, 또는 만일 필요로 하지 않는다면 저장되거나 태워서 처분(disposal flare)할 수도 있다. 이러한 경우는 반응용기(27) 내에서 액체 레벨이 요구되는 레벨의 범위 내에서 유지되도록 추가적인 공정이 요구된다. 따라서 레벨 지시계(indicator)(26)는 펌프(24)를 작동시키며, 요구되는 양의 물을 첨가하기 위하여 밸브 수단(25)를 활성화시킬 수 있다. 펌프(24)가 작동 중에 있지 않은 상태에서, 반응용기(27) 내에서 볼텍스가 유지되는 것이 필요하거나, 수산화나트륨(20)과 실리콘(21) 고체가 서스펜션 상태로 유지되는 것이 필요할 때, 펌프(40)는 작동하여 화학적 생산물(chemical product)을 재순환시킨다.
냉각 자켓(cooling jacket)(41)은 온도 조절기(32)와 상호작용으로, 요구되는 온도범위 내에서 공정 온도를 조절하기 위하여 냉각 매체(medium)로 채워질 수 있다. 만약 필요로 한다면, 진공상태가 증기 출구인 압력 조절 수단(29)에 의해 유지될 수 있고, 어떤 조건에서 진공은 화학물질의 생산을 증가시킬 수 있다. 화학반응이 완결된 후, 펌프(40)는 정지하고, 밸브 수단(39)은 닫혀지게 된다. 생산된 화학물질은 밸브수단(34)이 열리면, 필터(35) 및 저장 용기(36)으로 이동된다.
반응에서 액체 염소의 역할이 완전히 이해된 것이 아니어서, 이론적 근거에 기초한 것은 아니지만, 염소는 반응에 대한 전자 수용체(electron sink)로써 작용하는 것 같다. 만일 액체 염소가 사용되지 않으면, 실리케이트 나트륨염(sodium silicate salts)가 기능성 유체 대신에 형성될 것이다. 만일 수용성 수산화나트륨 용액이 사용되면, 시간 지연(time lag)이 물-염소 용액의 첨가 전 액체 물의 존재 때문에 훨씬 짧아질 것이다. 이러한 상황들 때문에, 액체 염소는 실리케이트 형성을 감소시키기 위해서는 거품발생 전에 첨가되어야 한다.
상기에 설명된 방법에 의해 생성된 기능성 유체는 전형적으로 맑고(clear), 투명(transparent)하며, 비중 1.25 내지 5(예컨대, 5)를 갖는 점성 액체이며, pH는 9 내지 13(예컨대,9 내지 12)인 액체이다. 그러나 기능성 유체는 때때로 반투명(translucent)하다. 기능성 유체는 만들어진 상태로 이용되거나, 희석된 형태로 사용될 수도 있다. 예컨대, 기능성 유체는 사용전에 비중 1.25를 갖도록 희석될 수도 있다.
본 발명의 기능성 유체의 특징(characterisation)
기능성 유체의 정확한 조성이나 형태를 완전히 이해한 것은 아니지만, 실리콘 및 알칼리 금속 이온이 물-염소 용액과 함께 반응하여 물에 용해되는 단분자 무기 컴플렉스(complex)를 형성하는 것 같다. 대개 염소이온으로써 존재하는 염소가 무기 컴플렉스의 일부분을 생성하는지 여부는 불분명하다. 상기 반응에 의해 결과적으로 생성된 기능성 유체는 실리콘-알칼리 금속 컴플렉스를 포함하며, 풍부한 전자(electron rich)(아마도 자유 전자)가 발견되며, 다른 화학물질의 존재하에 상기 화학물질을 물에 용해되는 염 또는 심지어 기초 화합물(elemental compound)로 전환시키면서 쉽게 환원제로써 작용하는 것이 발견된다. 예컨대, 기능성 유체와 H2S가 반응하여 황(elemental sulfur)이 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 기능성 유체는 어떠한 탄소기본의 유체 스트림으로부터도 타겟 오염물질을 선택적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 기능성 유체의 이용(utility)
본 발명의 기능성 유체는 수많은 응용방법이 가능하고, 예를 들면 다음과 같다.
본 발명의 제 2측면의 기능성 유체는 CO, CO2, H2S의 스카벤저로써 사용될 수 있다.
- CO2의 스카벤저(scavenger)
- H2S의 스카벤저(scavenger)
- NOX (예컨대, NO 및 NO2) 또는 SOX (예컨대, SO2 및 SO3)가스처리
- 부식 억제제(corrosion inhibitor)
- 아민 플랜트같은 현존하는 사워 가스(sour gas)처리 시스템의 기능을 향상시킴
- 폐수(예컨대,보일러 공급수 처리전) 오염물질 제거 및 폐수에서 휘발성 유기 화합물(VOC) 및 메틸 터셔리 부틸 에테르(Methyl Tertiary Butyl Ether, MTBE) 그리고 페타 콜라이(feta coli) 형태, 크립토스포리듐(cryptosporidium) 및 레지오넬라(legionnaires)와 같은 수많은 형태의 박데리아 파괴
- 석유에 젖은 고형물(oil wetted solids)(예컨대, 석유가 흘러가면서 생기는 단단한 덩어리(tight rock))에서 하이드로카본을 제거함. 기능성 유체는 생산 구역(production zone)을 습윤화시키고, 덩어리 형성을 유도하여, 석유가 덩어리(rock)로부터 떨어지게 하고, 흐름 지연(drag)을 감소시키며, 석유 흐름을 향상시킴
- 모든 종류의 황 함유 물질 제거, 특히 물과 함께 가수분해되어 H2S, S 및 CO2를 생성시키는 것으로 알려진 카보닐 설파이드(carbonyl sulphide, COS)의 제거
- 소포제(antifoaming agent)
- 항산화 부식 방지제, 예컨대, 화학물질이 탄소강(carbon steel)으로 만들어진 파이프라인이나 용기에 주입될 때 파이프라인이나 용기의 부식을 방지
- 약제로써 또는 약제의 제조공정으로서, 예컨대, 벌레물림, 바이러스 및/또는 혈액 상태(blood condition)의 치료
가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황공정
본 발명의 제 3측면에서, 가스상의 하이드로카본 공급원료(예컨대, 천연 메탄가스)가 본 발명의 기능성 유체와 접촉할 수 있는데, 그러한 목적으로 사용될 수 있는 본 기술분야에서 잘 알려진 적당한 장치를 이용할 수 있다. 예컨대, 인라인 믹서/접촉기(inline mixer/contactor) 또는 향류 탈거탑(counter current flow stripping tower)를 사용할 수도 있다.
아민 시스템으로서 종래의 탈황공정과는 다르게, 제 3측면에 따른 공정은 보일러, 히터, 산 스트리핑 또는 재주입(re-injection) 공정 유닛(units)을 필요로 하지 않는다. 따라서, 제 3측면에 따른 공정은 실온에서 수행할 수 있다. 예컨대, 5 ℃ 이상, 10 ℃ 이상, 또는 15 ℃ 이상에서도 가능하다. 공정온도는 예컨대, 60 ℃ 이하, 40 ℃ 이하, 또는 30 ℃ 이하에서도 가능하다. 따라서 이러한 공정은 특히, 예컨대, 해안에서 멀리 떨어진(offshore) 지역과 같은 극저온 유닛의 열 공급 원천(heat sources)에 근접하고, 냉각 박스(cool boxes)가 위험한 작동을 할 수 있는 지역에서 LNG(Liquified Natural Gas) 플랜트 공정 전에 천연메탄가스를 전처리하는데 유용하다.
본 발명의 제 3측면에 따른 공정은 선택적으로 다음의 단계를 더 포함할 수 있다.
(3) 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체로부터 황을 침전시키기 위해 충분한 조건하에서, 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체를 응집제(flocculating agent)와 접촉시키는 단계; 및
(4) 상기 기능성 유체를 회수하기 위하여 유체로부터 침전된 황을 분리시키는 단계.
응집제는 기능성 유체의 알칼리 환경에서 황 침전을 유도할 수 있는 것이라면 알려진 응집제도 가능하다. 예컨대, 응집제는 알칼리 금속 할라이드, 바람직하게는 염화나트륨이다.
침전된 황은 적당한 분리 공정에 의해 분리될 수 있다. 예컨대, 플레이트 필터 프레스(plate filter press)가 사용될 수 있다. 이러한 플레이트 필터 프레스는 적당한 건조 고형물을 제공하는 것이 알려져 있다. 현재까지 테스트에서 이러한 공정에 의해 생산된 고형물은 매립(land farming)에 적합하여 최소한의 환경적 악영향을 주는 것으로 나타났다.
제 3측면에 따른 공정은 천연 메탄가스로부터 황화수소(hydrogen sulphide) 수준을 10,000 ppm에서 1ppm 이하로 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
이러한 공정은 본 발명의 제 3측면의 제 1단계를 사용하여 회수된 기능성 유체를 재활용하는(recycling) 단계를 더 포함할 수 있다.
재활용 전에, 회수된 기능성 유체의 pH는 12보다 높게, 예컨대 pH 13으로 조정될 수 있다. 이것은 예컨대, 수산화나트륨과 같은 알칼리 금속 수산화물에 의해 수행될 수 있다.
가스상의 하이드로카본 공급원료는 어떠한 가스상의 하이드로카본 공급원료도 모두 될 수 있지만 전형적으로 대부분은 천연가스와 같이 상당히 많은 메탄을 함유한다.
다음은 본 발명의 제 3측면에 따른 공정을 메탄 공급원료로부터 H2S를 제거하는 공정을 참조하여 설명될 것이다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 공정에 대한 이해를 돕기 위하여 포함되어 있다. 그러나, 이들은 제한적인 것은 아니며, 당업자라면 다음에 논의될 내용이 상기 설명한 것의 수많은 대체물의 전형적인 예에 불과하다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 제 3측면을 실시한(exemplifying) 3단계 공정을 보여준다.
처리된 가스가 1단계 접촉기(stage one contactor)에 공급되고, 여기에서 기능성 유체(MonoChem으로 표시됨) 및 사워가스가 서로 접촉하게 된다. 기능성 유체는 H2S를 제거하고 메탄가스는 제거하지 않는다. 그리고 나서 요구 스펙(spec)인 스위트 가스(sweet gas)가 1단계 접촉기를 나가서 3차 폴리싱(tertiary polishing) 시스템으로 가거나 가스조건이 허용된다면 사용중인 배출 가스 파이프라인(export gas pipeline)으로 간다.
1단계 접촉기로부터 H2S가 풍부한 기능성 유체는, 접촉기 타워(contacting tower)의 경우에 레벨조절 하에서, 2단계의 보다 작은 믹서/접촉기(mixer/contactor)로 가게 되며, 상기 믹서/접촉기에서는 형성 탱크(development tank)로써 작동할 정도로 긴 머무름 시간(residence time)을 가진다. 응집제(flocculent)를 탱크의 유입구의 기능성 유체 스트림에 첨가하여, 황이 응집하여 고형물이 형성되도록 한다.
2단계로부터의 액체 및 고형물 혼합물은 3단계로 향하고, 그곳에서 액체/고형물 여과(filtration) 또는 정화(clarification)될 수 있다. 실제적으로, 이러한 플레이트 필터 프레스는 별도의 처분없이 버려질 수 있는 적당한 건조 고형물을 제공하는 것이 알려져 있다. 현재까지 테스트에서 이러한 공정에 의해 생산된 고형물은 매립(land farming)에 적합하여 최소한의 환경적 악영향을 주는 것으로 나타났다.
3단계로부터 액체 여과물(liquid filtrate)는 1단계로 재순환되어, 공정에서 재사용(reuse)된다. 재순환된 기능성 유체의 pH 및 비중에 따라, 기능성 유체의 pH를 13 정도로 유지시키기 위해 pH 조정 화학물질이 첨가될 수 있다.
도 3에서, 기능성 유체는 가스 스트림으로부터 제거되는 H2S의 양에 의해 결정되는 유속에서 시스템안에서 재 순환된다. 한 예로써, 천연가스의 분당 37.85리터(10 US 갤런/분)(1일당 19,822㎥)이다.
위에서 언급된 공정은 또한 CO2를 제거하는 데도 사용될 수 있음이 입증되었다. CO2는 일단 기능성 유체의 압력이 떨어지면 떨어져 나와(flashing off)되어, 다시 가스상(gas phase)이 되는 것으로 나타났다. 현재까지 메탄가스에서 CO2 10,000 ppm까지, H2S는 10,000 ppm 까지 동시에 제거될 수 있는 것으로 나타났다.
제 3측면의 공정을 적용하기 위한 개조(retrofit)
실제적으로, 현존하는 가스처리 공정 플랜트(예컨대, Amine and Claus units)은 어떤 조건에서, 유입구 조건이 변화하는 경우 시스템에 병목(bottleneck) 형상이 발생한다. 예컨대, 다음의 조건에서이다.
- 가스 부피가 증가
- 압력 감소
- H2S 부피의 증가
- 유입구 온도의 변화(variations)
아민 시스템의 유입구에서 이러한 유형의 변화는 작동을 방해하거나 시스템의 변화(대부분의 경우에 셋업(set up) 변화 및 주요 문제를 일으키는 플랜트 작동에서 연쇄 반응(chain reaction)을 야기시키는 변화)를 필요로 한다.
기능성 유체 시스템의 단순성(simplicity) 때문에, 기능성 유체 시스템은 현존하는 가스 스위트닝(sweetening) 플랜드의 업스트림에 적용되어 효과적으로 공정에서의 병목을 제거(debottleneck)하거나 또는 실질적으로 유지비용을 감소시킬 수 있다. 왜냐하면 현존하는 시스템은 흡착유형(absorption type)이고, 흡착에 소비되는 물질은 제거되거나 대체되어야 하기 때문이다.
도 4는 그러한 시스템을 보여준다.
도 4에서, 기능성 유체 컴팩트 접촉기(compact contactor) 시스템은 현존하는 가스 처리 플랜트 앞에 위치한다. 기능성 유체 컴팩트 접촉기는 선택적으로 바이패스(bypass)될 수 있거나, 또는 처리되는 가스의 전체 흐름의 일부분을 처리하는 데 이용될 수도 있다. 처리되는 가스의 비율은 처리되지 않은 가스와 함께 재-결합(re-combined)될 때, 시스템 내에 남겨진 결과로써 생긴 H2S ppm이 현존하는 가스 처리 플렌트에 의해 관리 가능(manageable)할 정도로 충분히 커질 수 있다.
도 4에서, 몇 개의 인라인 믹서/접촉기(inline mixer/contactor)가 연속적으로 연결된 시리즈로 사용되어, 기능성 유체가 각각의 유닛에 공급된다. 각 유닛은 아래 표 1에 기재된 것처럼 가스 유입구에 있는 벌크 H2S의 50%까지 제거할 수 있다. 이것은 공정을 보여주는 한 예이다. 각 단계에서의 제거효율은 각 단계에서 기능성 유체의 조건 및 그 단계에서 공급된 것에 존재하는 오염물질의 레벨과 같은 인자에 따라 달라진다.
H2S in ppm H2S out ppm
접촉기 믹서 1 6000 3000
접촉기 믹서 2 3000 1500
접촉기 믹서 3 750 375
접촉기 믹서 4 375 188
접촉기 믹서 5 188 94
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비록 추가적인 유닛으로부터 얻어지는 잇점이 최소화되는 지점이 있겠지만, 일반적으로, 더 많은 유닛이 사용되면 될수록, H2S의 제거율은 높아질 것이다.
개조(retrofit) 시스템은 최종 H2S가 현존하는 장치에서 전체 95% 정도의 제거 레벨을 달성할 수 있도록 보통 설계된다. 그러한 개조 시스템은 다음과 같은 공정 플랜트의 작업자에게 몇 가지 잇점을 제공한다.
- 현존하는 플랜트 유입 파이프에 부단수 천공(hot tapping) 공법으로 적용함으로써, 개조시 반드시 플랜트 일시정지(shut down)을 할 필요는 없는 점.
- 필요하다면, 현존하는 아민탑(Amine tower)은 기능성 유체를 사용하는 시스템으로 빠르게 개조될 수 있는데, 그러한 시스템은 형성 탱크(development tank) 및 파이프라인 접촉기들로부터 기능성 유체를 회수하기 위해서 사용되는 필터 유닛을 가진다. 이러한 방식으로, 아민 플랜트 다운스트림 유닛은 불필요하게 되고, 실질적으로 플랜트로 부터 배출물을 감소시킬 수 있다.
- 어떠한 액체 산(liquid acid)도 생성되지 않으므로, 플랜트로부터 액체 산을 제거하는 것이 불필요해진다.
- 황이 상업적으로 사용될 수 있는 비료로 전환될 가능성이 있다.
CO 2 및 황을 함유하는 가스상의 하이드로카본 공급원료로부터 CO 2 를 선택적으로 제거하기
본 발명의 제 4측면에 따르면, CO2 성분을 가진 하이드로카본 공급원료로부터 CO2를 제거시키기 위한 공정으로 다음의 단계를 포함한다.
(1) 기능성 유체에 CO2를 용해시키기 위해 승압(elevated pressure)조건에서, 기능성 유체 및 가스상의 하이드로카본 공급원료를 기능성 유체와 접촉시키는 단계; 및
(2) 기능성 유체로부터 가스상의 하이드로카본 공급원료를 분리시키는 단계;
(3) 기능성 유체로부터 CO2의 방출을 위해 기능성 유체를 감압(depressurising) 시키는 단계
본 발명의 이러한 측면에서, 가스상의 하이드로카본 공급원료(예컨대, 천연 메탄가스)은 그러한 목적으로, 본 기술분야에서 잘 알려진 적당한 장치를 이용하여 본 발명의 기능성 유체와 접촉될 수 있다. 예컨대, 인라인 믹서/접촉기 또는 향류 탈거탑(counter current flow stripping tower)가 사용될 수 있다.
기능성 유체 및 가스상의 하이드로카본 공급원료가 접촉하는 압력은 공급원료로부터 CO2가 제거되는 정도가 어느 정도로 요구되는 지에 달려있다. 더 높은 압력의 조건하에서는, 더 많은 CO2가 기능성 유체에 용해될 것이다. 전형적으로, 시스템의 압력은 1 기압보다 높을 것이다(예컨대 5기압, 또는 10기압). 압력은 또한 전형적으로 30기압 이하(예컨대, 20기압)일 수 있다.
택일적인 구현예에서, 기능성 유체 및 가스상의 하이드로카본 공급원료는 주위 조건(ambient condition)에서 접촉되거나, 만일 2 단계(기능성 유체로부터 가스상의 하이드로카본 공급원료가 분리) 이후에 압력이 기능성 유체로부터 CO2의 방출을 야기시키기 위해 더 낮추어 진다면 주위 압력(ambient pressure) 이하에서 접촉될 수도 있다.
기능성 유체에서 CO2의 용해도는 유체의 온도와 반비례하는 것으로 생각된다. 따라서, 기능성 유체에서 CO2의 용해도를 증가시키기 위해서 기능성 유체가 낮은 온도에서 제공될 수 있다. 유체는 주로 그것의 어는 점(freezing point) 위의 온도에 서 제공되며, 최대 CO2의 용해도는 최저의 온도에서 보여진다. 그러나, 기능성 유체를 냉각시키는데는 경제적인 고려가 있어야 하므로, 어떤 구현예에서는, 유체가 50 ℃ 이하(예컨대 40 ℃, 또는 30 ℃)에서 제공된다. 또한 어떤 구현예에서는, 유체는 20 ℃ 이하(예컨대 10 ℃)에서 제공된다. 바람직한 구현예에서, 유체는 5 ℃ 이하(예컨대 1~3 ℃, 또는 2 ℃)에서 제공된다.
공정은 공정의 3단계에서 얻어진 분리된 CO2 가스를 액화(liquefying)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 따라서 이러한 공정은 적어도 CO2 가스가 환경에 배출되는 것을 막아 상업적인 응용분야에서 CO2 가스를 수집할 수 있으므로 유리하다. 액화 CO2는 다음의 분야에서 잘 형성된 시장을 가지고 있다.
(a) 다운홀 분획화(downhole fractionation)(CO2 fracs)
(b) 석유 2차 회수 또는 석유 회수 증진법(Enhanced Oil Recovery, EOR)을 위한 주입물
(c) 표준 가스에 대한 PLM 및 NGL 처리
(d) CO2의 많은 다른 상품 및 산업적 용도
택일적인 구현예에서, 현재는 덜 바람직하지만, 기능성 유체에 CO2가 용해되면 CO2 및 기능성 유체 사이의 결합을 깨뜨릴 수 있고, 시스템 내로 산소가 방출될 수 있으며, 고형물로써 탄소 성분(전형적으로 중탄산소다(sodium bicarbonate))를 필터링할 수 있게 한다. 이러한 구현예에서, 기능성 유체는 스카벤저로 작용하여, 기능성 유체의 고갈을 야기한다.
본 발명의 제 4 측면의 구현예에서, 하이드로카본 공급연료는 특정한 CO2 뿐만아니라 황 함유 화합물(예컨대, H2S)을 포함한다. 감온조건에서, 기능성 유체를 제공하여, H2S 제거없이도, 하이드로카본 공급원료로부터 선택적으로 CO2 를 분리할 수 있다는 것은 놀랄만한 발견이다. 본 발명의 이러한 구현예에서, 기능성 유체는 5 ℃이하, 바람직하게는 1 ℃~ 3 ℃(예컨대 2 ℃)에서 제공될 수 있다.
공정은 본 발명의 제 4 측면의 공정을 사용하여, 분리된 가스상의 하이드로카본 공급원료의 황 화합물 제거를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제 4측면은 CO2 및 H2S를 포함하는 메탄으로부터 CO2 를 제거하는 공정의 참조로써 설명될 것이다. 도 5는 본 발명의 공정에 대한 이해를 돕기 위하여 포함되어 있다. 그러나, 이들은 제한적인 것은 아니며, 당업자라면 다음의 논의될 내용이 상기 설명한 것의 수많은 대체물의 전형적인 예에 불과하다는 것을 알 수 있을 것이다.
아래의 도 5는 CO2 및 H2S가 메탄 스트림에 공동으로 존재하여 가스 스트림으로부터 선택적으로 CO2 의 제거가 요구되는 경우에 전형적으로 사용되는 시스템을 보여준다.
천연 메탄 가스 스트림으로부터 선택적으로 CO2의 제거하는 경우, 가압된 메탄가스와 결합된 CO2가 접촉기(T 101)로 들어오고, 그곳에서 본 발명의 기능성 유체의 스트림(M)이 1 내지 2 ℃에서, 향류 탈거탑(counter-current stripping tower) 내의 전형적인 불규칙 충전(random packing) 위로 분배된다. 가스는 기능성 유체와 접촉하며, 그곳에서 가스와 결합된 CO2 가 우선적으로 기능성 유체에 용해된다. 기능성 유체는 메탄가스와는 반응하지 않아 메탄가스는 접촉기를 빠져나간다. 레벨 조절 밸브(L)을 통해 용액 내에 CO2를 가진 기능성 유체가 접촉기를 빠져나가도록 하며, 접촉기는 스프레이 노즐(spray nozzle)을 통해 CO2 추출 용기(T 102)로 유도한다. 스프레이 노즐에 의해 야기된 교반과 함께 용기(T 102)에서 감압에 의해 CO2가 용액으로부터 방출되도록 한다. CO2는 미스트 제거기(mist eliminator)를 통하여 용기(T 102)의 꼭대기를 빠져나간다. 공정 및 지역적인 환경 규제에 따라, CO2는 불에 태워지거나 석유 회수를 위한 주입물로 사용되거나 또는 다른 응용분야에서 사용하기 위해 액화될 수 있다.
CO2가 없는 기능성 유체는 용기(T 102)의 바닥을 빠져나가서, 냉장된 열 교환기(refrigerated heat exchanger)를 통해, 1 내지 2 ℃로 다시 냉각시킨다. 기능성 유체는 열 교환기를 떠나 접촉기의 패킹(packing)을 침수시키는 스프레이 노즐을 통해서 접촉기(T 101)로 유도되고, 공정은 반복된다. 기능성 유체는 공정에서 거의 소비되지 않거나 전혀 소비되지 않으며; 발생하는 손실은 기능성 유체 메이크업 시스템에 의해 보충된다.
사용 실시예(EXAMPLES OF USE)
기능성 유체는 다음과 같이 분리되고 테스트되었다.
기능성 유체는 천연가스가 720 rpm에서 작동되는 연료로 공급된 가스 터빈으로부터 배기가스에서 테스트되었다. NOx, CO, O2 및 CO2 레벨을 1시간에 걸쳐서 모니터링하였다. 결과는 표 2 및 3에서 보여진다. C-1A, C-2A 및 C-3A 실험에서, 배기가스의 가스 레벨이 1시간에 걸쳐서 측정되었다. C-1B, C-2B 및 C-3B 실험에서, 배기가스는 접촉반응기(contacting vessel)에 있는 기능성 유체를 통과하고, 기능성 유체 통과후 배기가스에서 가스의 레벨이 1시간에 걸쳐서 측정되었다.
C-1A C-1B C-2A C-2B
대기 조건
(inches of Hg) 29.86 29.86 29.79 29.79
온도(℉ 건조) 51 52 52 52
온도(℉ 습윤) 46 48 48 48
습도(lb x/lb air) 0.0054 0.0061 0.0061 0.0061
엔진 스피드(rpm) 720 722 721 722
배기가스 제거효율(%) 제거효율(%)
Nox(ppmvd) 2217 130 94.1 2224 134 94.0
CO(ppmvd) 6025 446 92.6 5736 528 90.8
O2(%) 0.2 19.4 0.14 19.2
CO2(%) 11.9 0.42 11.9 0.5
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C-3A C-3B
대기 조건
(inches of Hg) 29.82 29.82
온도(℉ 건조) 51 51
온도(℉ 습윤) 47 47
습도(lb x/lb air) 0.0059 0.0059
엔진 스피드(rpm) 721 722
배기가스 제거효율(%)
Nox(ppmvd) 2101 91 95.7
CO(ppmvd) 6316 528 91.3
O2(%) 0.14 19.1
CO2(%) 11.7 0.57
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본 발명의 신규한 기능성 유체는 가스 중 산성 유발물질, 황 성분 및 액체 스트림(liquid stream)으로부터 탄소산화물과 같은 오염물질 및 연소 방출 후(post combustion emissions) NOX 및 SOX의 제거 및 처리를 효과적으로 수행할 수 있다.

Claims (58)

  1. 반응성 실리콘, 알칼리 금속 수산화물(hydroxide), 및 물과 염소(chlorine)를 포함하는 용액을 93 ℃ 보다 높지 않은 온도에서 반응용기 내에서 반응시키며,
    상기 염소의 원료(source)는 염소가스 또는 액체 염소인 것인 기능성 유체(functional fluid)의 제조공정.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 및 알칼리 금속 수산화물은 물 및 염소를 포함하는 용액의 첨가 전에 상기 반응용기에 첨가되는 것인 기능성 유체의 제조공정.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 염소의 원료는 액체 염소인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 물과 상기 액체 염소의 부피비율은 10:1 내지 30:1인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 물과 상기 액체 염소의 부피비율은 20:1인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘과 상기 알칼리 금속 수산화물의 부피비율은 1:5 내지 5:1인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 실리콘과 상기 알칼리 금속 수산화물의 부피비율은 1:1인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  8. 제 1항에 있어서, 물과 액체 염소를 포함하는 첨가 용액(additional solution)을 상기 실리콘 및 상기 알칼리 금속 수산화물 중 적어도 어느 하나가 모두 소비될 때까지 반응을 유지시키도록 더 첨가하는 것인 기능성 유체의 제조공정.
  9. 제 1항에 있어서, 반응 온도는 80 ℃ 보다 높지 않은 온도인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 알칼리 금속 수산화물의 금속은 리튬, 나트륨 및 칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 금속은 나트륨인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 알칼리 금속 수산화물은 고체 형태인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 알칼리 금속 수산화물은 수용액 형태인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘은 그레이드(grade) 441인 실리콘 금속인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘은 입자의 평균 입경이 1 mm 내지 150 mm인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘은 입자의 평균 입경이 24 mm 내지 150 mm인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 물은 증류수인 것인 기능성 유체의 제조공정.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 반응용기는 대기(atmosphere) 중에 개방(open)되어 있는 것인 기능성 유체의 제조공정.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 반응용기는 대기(atmosphere) 중에 폐쇄(closed)되어 있는 것인 기능성 유체의 제조공정.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 및 상기 알칼리 금속 수산화물이 상기 물과 액체 염소를 포함하는 용액의 첨가 전에 상기 반응용기 부피의 30%와 동일한 높이로 투입(loaded)되는 것인 기능성 유체의 제조공정.
  21. 제 1항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 따른 기능성 유체의 제조공정에 의해서 얻어지며, 비중(specific gravity)이 1.25 내지 5이고, pH가 9 내지 13인 기능성 유체(functional fluid).
  22. 제 21항에 있어서, 상기 기능성 유체는 비중(specific gravity)이 5이고, pH가 9 내지 12인 것인 기능성 유체.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 알칼리 금속 수산화물은 수산화나트륨인 것인 기능성 유체.
  24. 제 22항에 있어서, 상기 실리콘은 그레이드 441인 실리콘 금속인 것인 기능성 유체.
  25. 제 21항에 있어서, 상기 기능성 유체는 CO, CO2 및 H2S로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 스카벤저(scavenger)로 사용되는 것인 기능성 유체.
  26. 제 21항에 있어서, 상기 기능성 유체는 습유(wet oil) 및 가스 생산 시스템에서 H2S의 스카벤저로 사용되는 것인 기능성 유체.
  27. 제 21항에 있어서, 상기 기능성 유체는 NOX 또는 SOX 가스의 스카벤저로 사용되는 것인 기능성 유체.
  28. 제 21항에 있어서, 상기 기능성 유체는 사워 가스(sour gas) 처리 시스템에서 사용되는 것인 기능성 유체.
  29. 제 21항에 있어서, 상기 기능성 유체는 부식 억제제(corrosion inhibitor)로 사용되는 것인 기능성 유체.
  30. 제 21항에 있어서, 상기 기능성 유체는 산성 가스(acid gas)와 관련된 부식비율을 감소시키기 위한 탄소강(carbon steel)의 부식 방지제로 사용되는 것인 기능성 유체.
  31. 제 21항에 있어서, 상기 기능성 유체는 소포제(antifoaming agent)로 사용되는 것인 기능성 유체.
  32. 제 21항에 있어서, 상기 기능성 유체는 폐수(waste water) 또는 보일러 공급수(boiler feed water)로부터 오염 물질을 제거하는데 사용되는 것인 기능성 유체.
  33. (1) 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체를 형성할 수 있는 조건하에서, 가스상의 하이드로카본 공급원료를 제 21항에 따른 기능성 유체와 접촉시키는 단계; 및
    (2) 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체로부터 탈황된 가스상의 하이드로카본 공급원료를 회수하는 단계를 포함하는 가스상의 하이드로카본 공급원료(feedstock)의 탈황(desulfurisation) 공정.
  34. 제 33항에 있어서,
    상기 가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황 공정은
    (3) 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체로부터 황을 침전시킬 수 있는 조건하에서, 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체를 응집제(flocculating agent)와 접촉시키는 단계; 및
    (4) 침전된 황을 분리시켜 상기 기능성 유체를 회수하는 단계를 더 포함하는 것인 가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황 공정.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황 공정은 상기 회수된 기능성 유체를 상기 가스상의 하이드로카본 공급원료와 접촉시키는 (1) 단계에 재활용(recycling)하는 단계를 더 포함하는 것인 가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황 공정.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 재활용되는 기능성 유체는 pH가 12보다 크게 조정된 것인 가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황 공정.
  37. 제 36항에 있어서, 상기 재활용되는 기능성 유체는 pH가 13으로 조정된 것인 가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황 공정.
  38. 제 33항에 있어서, 상기 가스상의 하이드로카본 공급원료는 천연 메탄가스를 포함하는 것인 가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황 공정.
  39. 제 33항에 있어서, 상기 가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황 공정은 상기 하이드로카본 공급원료로부터 황과 함께 CO2도 제거하는 것인 가스상의 하이드로카본 공급원료의 탈황 공정.
  40. (1) 기능성 유체에 CO2를 용해시키기 위해 승압(elevated pressure) 조건에서, 제 22항에 따른 기능성 유체와 가스상의 하이드로카본 공급원료를 접촉시키는 단계;
    (2) 상기 기능성 유체로부터 상기 가스상의 하이드로카본 공급원료를 분리시키는 단계; 및
    (3) 상기 기능성 유체로부터 상기 CO2의 방출시키기 위해 상기 기능성 유체를 감압(depressurising) 시키는 단계를 포함하는 CO2 성분을 가진 하이드로카본 공급원료로부터 CO2를 제거시키기 위한 공정.
  41. 제 40항에 있어서, 상기 가스상의 하이드로카본 공급원료는 황 함유 화합물(sulfur-containg compound)을 더 포함하는 것인 CO2 성분을 가진 하이드로카본 공급원료로부터 CO2를 제거시키기 위한 공정.
  42. 제 41항에 있어서, 상기 기능성 유체는 5℃ 이하의 온도로 공급되는 것인 CO2 성분을 가진 하이드로카본 공급원료로부터 CO2를 제거시키기 위한 공정.
  43. 제 42항에 있어서, 상기 기능성 유체는 1℃ 내지 3℃의 온도로 공급되는 것인 CO2 성분을 가진 하이드로카본 공급원료로부터 CO2를 제거시키기 위한 공정.
  44. 제 43항에 있어서, 상기 기능성 유체는 2℃의 온도로 공급되는 것인 CO2 성분을 가진 하이드로카본 공급원료로부터 CO2를 제거시키기 위한 공정.
  45. 제 40항에 있어서, 상기 분리된 CO2 가스를 액화(liquefying)하는 단계를 더 포함하는 것인 CO2 성분을 가진 하이드로카본 공급원료로부터 CO2를 제거시키기 위한 공정.
  46. 제 40항에 있어서,
    상기 기능성 유체로부터 분리된 상기 가스상의 하이드로카본 공급원료를 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체를 형성할 수 있는 조건하에서, 상기 기능성 유체와 접촉시키는 단계, 및 황이 많은(sulfurenriched) 기능성 유체로부터 탈황된 가스상의 하이드로카본 공급원료를 회수하는 단계를 포함하는 탈황하는 단계를 더 포함하는 CO2 성분을 가진 하이드로카본 공급원료로부터 CO2를 제거시키기 위한 공정.
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