KR20150110636A - 열 분해 및 증기 분해를 위한 시스템 및 공정 - Google Patents

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아지즈 핫산
레이포드 지. 안소니
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에이치 알 디 코포레이션
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Abstract

탄화수소의 열 분해 또는 증기 분해 방법이 본원에 개시되며, 방법은 고전단 장치 내에서 탄화수소 액체 또는 슬러리 스트림을 증기 또는 수소 및 선택적으로 하나 이상의 C1-C6 탄화수소를 포함하는 가스 스트림으로 과포화시켜 과포화된 분산액을 형성하는 단계; 및 상기 과포화된 분산액을 열 분해 또는 증기 분해 반응기에 투입하여 생성물 스트림을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 방법은 과포화된 분산액을 슬러리, 유동층 촉매 또는 고정층 촉매에서 분해 촉매와 접촉시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 분해 촉매는 고전단 장치 내에서 탄화수소 액체 또는 슬러리 시스템 및 가스 스트림과 혼합된다. 탄화수소의 열 분해 또는 증기 분해 시스템이 또한 본원에 개시된다.

Description

열 분해 및 증기 분해를 위한 시스템 및 공정{SYSTEM AND PROCESS FOR THERMAL CRACKING AND STEAM CRACKING}
본 발명은 일반적으로 개선된 생성물 분포의 탄화수소 화합물을 위한 열 분해 또는 증기 분해의 개선된 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 고전단 시스템에서 액체 또는 슬러리 탄화수소 스트림을 증기 및/또는 수소 및 선택적으로 하나 이상의 C1-C6 탄화수소를 포함하는 가스 스트림으로 과포화시켜 열 분해 또는 증기 분해 반응을 개선하거나 유도하여, 다른 방식으로 생성되는 것보다 더욱 많은 양 및/또는 더욱 바람직한 액체 생성물을 생성하는 것에 관한 것이다.
열 분해는 개발된 최초의 분해 방법 중 하나이다. 현대의 고압 열 분해는 대략 7,000 kPa의 절대 압력에서 작동한다. 응축되고 수소가 고갈되는 무거운 분자를 희생하면서 "경질의" 수소 풍부 생성물이 형성되는 불균등화 반응(disproportionation)의 전체 과정을 관찰할 수 있다. 실제 반응은 균일 분해(homolytic fission)로 알려져 있으며 중합체의 경제적으로 중요한 생산의 근거가 되는 알켄을 생성한다.
증기 분해는 포화 탄화수소가 작고 종종 포화되지 않은 탄화수소로 분해되는 석유화학 공정이다. 이는 에텐(또는 에틸렌)과 프로펜(또는 프로필렌)을 포함하는 경질 알켄(또는 일반적으로 올레핀)을 생산하는 주요 산업 방식이다.
증기 분해에서, 나프타, LPG 또는 에탄과 같은 기체 또는 액체 탄화수소 원료가 증기로 희석되고 산소의 존재 없이 가열로에서 간단하게 가열된다. 통상적으로, 반응 온도는 대략 850℃로 매우 높지만, 반응은 매우 간단하게 이루어질 수 있게 된다. 현대의 분해로에서, 체류 시간은 밀리초까지 감소되어 수율을 향상시킨다. 체류 시간은 관의 길이와 직경을 변경하여 감소된다. 반응을 중지시키기 위해서는, 분해 온도에 도달하면, 기체는 이송 라인의 열 교환기 내에서 또는 퀀치 오일(quench oil)을 사용하여 퀀칭 헤더(quenching header) 내부에서 빠르게 급냉된다. 반응에서 생성된 생성물은 원료의 조성, 탄화수소와 증기의 비율, 분해 온도, 및 분해로 체류 시간에 의해 결정된다.
에탄, LPG 및 경질 나프타와 같은 경질 탄화수소 원료는 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 및 부타디엔을 포함하는 경질 알켄에서 풍부한 생성물 증기를 제공한다. 중질 탄화수소 원료(풀 레인지(full range) 및 중질 나프타뿐만 아니라 다른 정제 제품)는 이들 중 일부를 제공하지만, 또한 방향족 탄화수소 및 휘발유 또는 연료유에 포함되기에 적합한 탄화수소에서 풍부한 생성물을 제공한다. 높은 분해 온도(심도(severity)라고도 함)는 에텐과 벤젠의 생성을 촉진하는 반면, 낮은 심도는 많은 양의 프로펜, C4-탄화수소, 및 액체 생성물을 생성한다. 공정은 또한 반응기 벽에 탄소의 한 형태인 코크스(coke)의 느린 증착을 초래한다. 이는 반응기의 효율을 저하시키고, 따라서 반응 조건은 일반적으로 이를 최소화하도록 설계된다. 그럼에도 불구하고, 증기 분해로는 일반적으로 탈탄소(de-coking) 주기 사이에서 한 번에 몇 달 동안만 작동될 수 있다. 탈탄소는 일반적으로 공정으로부터, 그리고 분해로 코일을 통과하는 증기 또는 증기/공기 혼합물의 흐름으로부터 분해로를 분리시킬 필요가 있다. 이는 단단한 고체 탄소층을 일산화탄소와 이산화탄소로 전환시킨다. 이 반응이 완료되면, 분해로는 다시 가동될 수 있다.
정유 공장은 원유를 처리하고 이를, 휘발유, 디젤유, 아스팔트기(asphalt base), 난방유, 등유, 및 액화 석유 가스 등과 같은 매우 유용한 석유 제품으로 정제하기 위해 이용된다. 정유 공장은 일반적으로 대형 화학 처리 장치 간의 유체의 흐름 전반에 걸쳐 연결되고 이를 전달하는 광범위한 배관을 구비한, 불규칙하게 확장되는 대형 산업 단지이다. 정유 공장에서 이용되는 많은 공정은 대량의 가스를 생성한다. 이 상당한 양의 가스는 가치가 없는 가스이다, 즉, 가스를 처리하는데 재정적 손실이 발생한다. 정유 공장에서 생성되는 대부분의 가스는 부가가치 제품을 생성하거나 또는 연료 가스로 사용하기 전 또는 환경으로 가스를 소각시키기 전에 가스를 처리하는 역할을 하는 가스 플랜트로 보내진다. 소각은 환경 규제로 인해 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 원유는 종종 원유의 정제 이전에 일반적으로 이로부터 분리되는 부수 가스(associated gas)와 함께 발견된다. 다른 유형의 가치 없는 가스(예를 들어, 코커 가스, 수소처리 마무리(hydrofinishing) 가스)는 또한 가장 일반적으로 소각되며 따라서 최적으로 이용되지 않는다.
따라서, 산업계에 탄화수소 공급원료의 열 분해 또는 증기 분해를 통해 가치 있는 탄화수소의 생산을 향상시킬 필요가 있다.
"유정(casinghead)" 가스라고도 하는 부수 가스라는 용어는 탄화수소 액체와 함께 유정에서 추출되는 가스를 설명하는데 사용된다. 이들은 유기 잔여물이 탄화수소로 전환될 때 형성되는 경질의 화학 분획(짧은 분자 사슬)을 의미한다. 이러한 탄화수소 가스는 지하 형성되는 원유와는 별도로 존재할 수 있거나 원유에 용해되어 있을 수 있다. 원유가 저장소에서 표면으로 상승할 때, 압력은 대기압으로 감소되고, 용해된 탄화수소 가스가 용액에서 나온다.
흔히, 많은 유전의 원격 위치로 인해, 부수 가스는 유정으로부터 경제적으로 채집되어 최종 용도의 적용으로 수송될 수 없으며, 그 결과, 소각되거나 또는 다른 경우 대기로 누출된다. 이는 소각이 CO2 배출량을 증가시키고 지구 온난화에 기여하며, 천연 자원의 낭비이기 때문에 환경적 관심이다. 환경적 관심으로 인해, 부수 가스의 소각은 정부로부터 증가하는 규제를 받고 있다. 부수 가스의 포획 및/또는 수송에 대한 일부 대안이 존재한다. 천연 가스를 포획하고 압축하는 것은 비용이 많이 들며 가스 압축을 위해 상당한 에너지를 필요로 한다. 수송을 위해 최대 대략 3, 500 psig의 압축 압력이 필요하다.
따라서, 부수 가스를 이용하고 누출 및 소각의 환경 영향을 줄이기 위한 더욱 경제적인 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 개선된 생성물 분포의 탄화수소 화합물을 위한 열 분해 또는 증기 분해의 개선된 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 고전단 시스템에서 액체 또는 슬러리 탄화수소 스트림을 증기 및/또는 수소 및 선택적으로 하나 이상의 C1-C6 탄화수소를 포함하는 가스 스트림으로 과포화시켜 열 분해 또는 증기 분해 반응을 개선하거나 유도하여, 다른 방식으로 생성되는 것보다 더욱 많은 양 및/또는 더욱 바람직한 액체 생성물을 생성할 수 있다.
탄화수소의 열 분해 또는 증기 분해 방법이 본원에 개시되며, 상기 방법은 고전단 장치 내에서 탄화수소 액체 또는 슬러리 스트림을 증기 또는 수소 및 선택적으로 하나 이상의 C1-C6 탄화수소를 포함하는 가스 스트림으로 과포화시켜 과포화된 분산액을 형성하는 단계; 및 상기 과포화된 분산액을 열 분해 또는 증기 분해 반응기에 투입하여 생성물 스트림을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 방법은 과포화된 분산액을 슬러리, 유동층 촉매 또는 고정층 촉매에서 분해 촉매와 접촉시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 분해 촉매는 고전단 장치 내에서 탄화수소 액체 또는 슬러리 시스템 및 가스 스트림과 혼합된다. 일부 실시형태에서, 방법은 반응기로부터의 오프 가스의 적어도 일부를 재순환시키거나, 반응기로부터의 생성물 스트림의 적어도 일부를 재순환시키거나, 또는 이둘 모두를 순환시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 오프 가스는 하나 이상의 C1-C6 탄화수소 및 선택적으로 수소를 포함하고, 오프 가스는 고전단 장치로 재순환된다.
일부 실시형태에서, 생성물 스트림은 개선된 생성물 분포의 탄화수소 화합물을 포함하고, 개선된 생성물 분포는 공급 스트림의 전체에 비해 높은 함량의 C3+ 탄화수소를 의미한다. 일부 실시형태에서, 액체 또는 슬러리 스트림은 비투멘(bitumen), 타르 샌드(tar sand), 아스팔텐(asphaltene), 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 액체 또는 슬러리 스트림은 석유, 동물, 또는 식물 유래 탄화수소를 포함한다. 일부 실시형태에서, 액체 또는 슬러리는 코커 하부유(coker bottoms), 잔사유(reduced crudes), 재순환유, 유체 촉매 분해(fluid catalytic cracking, FCC) 하부유, 원유, 진공탑 잔류물, 코커 가스 오일, 순환유, 진공 가스 오일, 탈아스팔트 잔류물, 중유, 석탄 유래 오일, 진공 증류 잔류물, 나프타, 등유, 내화 접촉 분해된 순환 원료(refractory catalytically cracked cycle stock), 고비등 버진 오일(high boiling virgin oils), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 포함한다.
일부 실시형태에서, 분산액은 5% 과포화된다. 일부 실시형태에서, 과포화는 반응기 생성물 스트림 내에 원하는 생성물 분포의 형성을 촉진한다. 일부 실시형태에서, 고전단 하의 과포화는 자유 라디칼 생성 및 자유 라디칼 반응을 촉진한다.
일부 실시형태에서, 과포화된 분산액을 형성하는 단계는 대략 20,000 s-1보다 큰 전단 속도를 이용하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 고전단 장치는 적어도 하나의 회전자-고정자 조합을 포함하며, 적어도 하나의 회전자는 적어도 22.9 m/s(대략 4,500 ft/min)의 선단 속도(tip speed)에서 회전하여 과포화된 분산액을 형성한다.
일부 실시형태에서, 방법은 탄화수소 액체 또는 슬러리 스트림을 전처리하여 불순물을 감소시키는 단계를 더 포함한다.
탄화수소의 열 분해 또는 증기 분해를 위한 시스템이 또한 본원에 개시되며, 상기 시스템은, 고전단 작용을 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 고전단 장치; 상기 고전단 장치는, 탄화수소 유체 스트림에 대한 유입구, 증기 또는 수소 및 선택적으로 하나 이상의 C1-C6 탄화수소를 포함하는 가스 스트림에 대한 선택적 유입구, 고전단 작용 하에 형성된 과포화된 분산액에 대한 배출구, 및 전단 간격에 의해 분리되는 회전자와 고정자를 포함하는 적어도 하나의 발생기를 포함하고, 상기 전단 간격은 회전자와 고정자 사이의 최소 거리이고, 상기 고전단 혼합 장치는 5.0 m/s(대략 1,000 ft/min)보다 큰 회전자의 선단 속도를 생성할 수 있고; 및 상기 고전단 장치의 배출구에 유체 연결된 유입구 및 개선된 생성물 분포의 탄화수소 화합물을 포함하는 생성물 스트림에 대한 배출구를 포함하는 반응기를 포함한다.
일부 실시형태에서, 시스템은 반응기 하류에 분리기를 더 포함한다. 적어도 하나의 고전단 혼합 장치는 적어도 22.9 m/s의 회전자의 선단 속도를 생성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 고전단 장치는 적어도 두 개의 발생기를 포함한다. 일부 실시형태에서, 고전단 장치는 20,000 s-1보다 큰 전단 속도를 생성하도록 구성되고, 전단 속도는 전단 간격에 의해 분할되는 회전자의 선단 속도이다.
고전단 장치에서 부수 가스(associated gas)를 탄화수소 액체와 혼합시켜 과포화된 분산액을 형성하는 단계; 및 과포화된 분산액을 수송하는 단계를 포함하는 방법이 또한 본원에 개시된다. 일부 실시형태에서, 고전단 장치는 오일 생산정(production well)에 근접하여 배치된다. 일부 실시형태에서, 과포화된 분산액은 자유 라디칼 반응에 의해 생성된다. 일부 실시형태에서, 과포화된 분산액은 촉매의 작용 하에 생성된다. 일부 실시형태에서, 방법은 탄화수소 액체를 탈황시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 방법은 탄화수소 액체를 수소처리하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 과포화된 분산액은 기존의 파이프라인을 통해 이송된다. 일부 실시형태에서, 방법은 파이프라인을 따라 하나 이상의 고전단 장치를 이용하여 액체 내의 기체의 과포화를 유지 또는 향상시키는 단계를 포함한다.
상기에서는 다음의 본 발명의 상세한 설명을 더 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 오히려 대략적으로 서술했다. 본 발명의 청구 범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 이하에서 설명될 것이다. 이들 및 다른 실시형태 및 잠재적인 장점은 다음의 상세한 설명과 도면을 참조로 명백할 것이다. 개시된 개념 및 특정 실시형태는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위해 다른 구조를 변경하거나 설계하는 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 본 기술분야의 숙련자는 이해해야 한다. 또한 이러한 등가의 구성은 첨부된 청구항에 명시된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는다는 것을 본 기술분야의 숙련자는 인식해야 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태의 더욱 상세한 설명을 위하여, 이제 첨부된 도면에 대한 참조가 이루어진다, 도면에서:
도 1A, 도 1B, 및 도 1C는 개선된 생성물 분포의 탄화수소 화합물을 생성하기 위해 개선된 열 분해 또는 증기 분해 공정에 대한 본 개시의 다양한 실시형태를 도시한다.
도 1D는 개선된 열 분해 또는 증기 분해 시스템의 간략한 공정 흐름도를 도시하고, 여기서 반응기(10)는 종래의/기존의 분해 장치/시스템을 나타낸다.
도 2는 본 개시의 실시형태에서 사용되는 다단계 고전단 장치의 종단면도이다.
도 3은 본 개시의 실시형태에 따른, 나프타의 증기 분해를 위한 개선된 공정 및 시스템을 도시한다.
도 4A는 복사 및 대류 영역을 구비한 증기 분해로의 개략도를 도시한다.
도 4B는 플래쉬 드럼(flash drum)을 구비한 증기 분해로의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 실시형태에 따른, 부수 가스를 탄화수소 액체에 혼입시키는데 사용되는 고전단 장치의 구성을 도시한다.
표기법 및 명명법
본원에서 사용되는 용어 "분산액(dispersion)"은 서로 쉽게 혼합되고 용해되지 않는 적어도 두 가지 구별 가능한 물질(또는 "상(phase)")을 포함하는 액화 혼합물을 말한다. 본원에서 사용되는 "분산액"은 내부에서 다른 상 또는 물질의 불연속 방울, 거품, 및/또는 입자를 갖는 "연속"상(또는 매트릭스)을 포함한다. 용어 "분산액"은 따라서 액체 연속상에 현탁된 기포를 포함하는 발포체(foam), 제 1 액체의 방울이 제 1 액체와 혼합되지 않는 제 2 액체를 포함하는 연속상 전체에 걸쳐 분산된 에멀젼, 및 고체 입자가 분포된 액체 연속상을 말할 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "분산액"은 기포가 분포된 액체 연속상, 고체 입자(예를 들어, 고체 촉매)가 분포된 액체 연속상, 연속상에서는 실질적으로 불용성인 제 2 액체의 방울이 분포된 제 1 액체의 연속상, 및 고체 입자, 혼합되지 않는 액체 방울, 및 기포 중 어느 하나 또는 이의 조합이 분포된 액체상을 모두 포함한다. 따라서, 분산액은 조합을 위해 선택된 재료의 특성에 따라 어떤 경우 균일 혼합물(예를 들어, 액체/액체상) 또는 불균일 혼합물(기체/액체, 고체/액체, 또는 기체/고체/액체)로 존재할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "개질(reforming)"은 단일 분자가 두 개의 자유 라디칼로 분해되는, 우세한 반응이 탄소와 수소 원자 간의 결합의 파괴인, 개시 반응을 말한다. 이는 여러 가지 메커니즘을 통해 이루어질 수 있고 다음과 같이 여러 유형의 최종 산물을 생성할 수 있다:
CH3CH3 → 2CH3· (1)
생성된 라디칼은 또한 자유 라디칼이 또 다른 분자에서 수소 원자를 제거하는 수소탈취 반응(hydrogen abstraction)을 초래하고, 이는 제 2 분자를 자유 라디칼로 전환시킨다.
CH3· + CH3CH3 → CH4 + CH3CH2· (2)
그렇지 않으면, 자유 라디칼이 두 개의 분자, 즉, 알켄과 자유 라디칼로 분해되는 라디칼 분해 반응이 발생한다.
CH3CH2· → CH2=CH2 + H· (3)
라디칼이 알켄과 반응하여 하나의 대형 자유 라디칼을 형성하는, 라디칼 분해 반응의 반대인 라디칼 첨가 반응이 발생한다. 이러한 공정은 무거운 공급원료가 사용될 때 발생하는 방향족 생성물의 형성을 유발할 수 있다. 자유 라디칼 공정으로부터의 방향족 화합물의 형성은 고분자 사실이 일정한 길이에 도달하고, 반응 온도와 압력이 적절한 상태일 때 발생할 수 있고, 이에 따라 고분자 사슬이 감기고 고리화될 수 있다. 이어서 탈수소화 반응이 일어나 방향족 화합물을 생성할 수 있다.
CH3CH2· + CH2=CH2 → CH3CH2CH2CH2· (4)
두 개의 자유 라디칼이 서로 반응하여 자유 라디칼이 아닌 생성물을 생성하는 종결 반응이 발생할 수 있다. 종결의 두 가지 공통적인 형태는 두 개의 라디칼이 결합하여 하나의 대형 분자를 형성하는 결합 반응(5) 및 하나의 라디칼이 다른 라디칼에 수소 원자를 전달하여 알켄과 알칸을 형성하는 불균등화 반응(6)이다.
CH3· + CH3CH2· → CH3CH2CH3 (5)
CH3CH2· + CH3CH2· → CH2=CH2 + CH3CH3 (6)
추출된 두 개 이상의 수소 라디칼은 또한 결합될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "가스 오일"은, 예를 들어, 등유와 윤활유 사이의 중간 비등 범위와 점도를 갖는 석유 증류물과 같이 연료유로 사용되는 탄화수소 오일을 말한다.
본 개시에서, 과포화(supersaturation)는 분산액(또는 용매 또는 연속상)이 동일한 조건에서 비교했을 때 평형 상태의 용질 또는 불연속상의 양보다 많은 양의 용질 또는 불연속상을 포함하는 것을 의미한다. 과량의 용질 또는 불연속상의 비율은 분산액의 과포화 정도의 척도이다. 용질 또는 불연속상은 용매에 용해되거나 연속상(예를 들어, 육안으로는 인식할 수 없는 작은 기포)에 혼입될 수 있다. 과포화된 분산액은 용매 또는 연속상의 전체 및 용매 또는 불연상의 모든 상태를 포함한다. 용질이 기체인 경우, 과포화 정도는 부피%로 나타낸다. 용매가 액체 또는 고체인 경우, 과포화 정도는 중량%로 나타낸다.
개요
본 개시의 다양한 실시형태에서, 도 1A 내지 도 1C에 나타낸 바와 같이, 증기 및/또는 수소 그리고 선택적으로 C1 내지 C6에서 선택되는 하나 이상의 탄화수소를 포함하는 가스 스트림이 고전단 장치에서 액체 또는 슬러리 탄화수소 스트림과 혼합되어 과포화된 분산액을 형성한다. 과포화된 분산액은 이후 분해 시스템/장치로 투입되어 생성물 스트림을 생성한다. 경우에 따라서는, 분해 시스템/장치에서 적절한 촉매가 이용된다. 생성물 스트림은 개선된 생성물 분포의 탄화수소 화합물을 포함한다. 개선된 생성물 분포는, 휘발유, 디젤유, 제트 연료, 아스팔트기, 난방유, 등유, 및/또는 액화 석유 가스에 대한 성분을 포함하는 공급 스트림의 전체에 비해 높은 함량의 C3+ 탄화수소를 말한다. 실시형태에서, 개선된 생성물 분포는 지방족 및 방향족 화합물 모두를 포함한다.
고전단 작용은 형성된 분산액에서 가스 성분의 과포화/혼입을 촉진한다. 이론에 의해 제한되는 것을 바라지 않고, 고전단 작용은 또한 분산액에서 자유 라디칼을 생성하여 자유 라디칼 반응을 개시한다. 또한, 이론에 의해 제한되는 것을 바라지 않고, 본원에 설명되는 고전단 장치 또는 믹서가 제공하는 고전단 작용은, 반응이 통상적으로는 상당한 정도로 발생하지 않는 것으로 예상되는 전반적인 작동 조건에서 열 분해 또는 증기 분해를 가능하게 하는 것으로 여겨진다. 개선된 시스템 및 방법의 추가적인 세부 사항이 본원에서 이하에 설명된다.
개선된 분해
일 실시형태에서, 도 1A는 개선된 열 분해 또는 증기 분해 공정을 도시하고 있다. 증기 및/또는 수소 그리고 선택적으로 C1 내서 C6에서 선택되는 하나 이상의 탄화수소를 포함하는 가스 스트림이 고전단 장치에서 액체 또는 슬러리 탄화수소 스트림과 혼합되어 과포화된 분산액을 형성한다. 일 실시형태에서, C1-C6 성분은 하나 이상의 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄을 포함한다. 일 실시형태에서, 분산액은 5% 과포화된다. 일 실시형태에서, 분산액은 최대 또는 적어도 10% 과포화된다. 일 실시형태에서, 분산액은 최대 또는 적어도 20% 과포화된다. 일 실시형태에서, 분산액은 최대 또는 적어도 30% 과포화된다. 일 실시형태에서, 분산액은 최대 또는 적어도 40% 과포화된다. 일 실시형태에서, 분산액은 최대 또는 적어도 50% 과포화된다.
일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 비투멘(bitumen)을 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 타르 샌드(tar sand)를 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 가스 오일을 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 코커 하부유(coker bottom)을 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 잔사유(reduced crude)를 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 재순환유를 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 유체 촉매 분해(fluid catalytic cracking, FCC) 하부유를 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 원유, 잔사유(코커 타워 하부유 부분의 잔사유), 진공탑 잔류물, 코커 가스 오일, 순환유, FCC 탑 하부유, 진공 가스 오일, 탈아스팔트(진공) 잔류물, 다른 중유, 비투멘, 및/또는 타르 샌드를 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 마라카이보(Maracaibo) 중질 원유를 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 진공 가스 오일, 가스 오일, 중유, 잔사유, 진공 증류 잔류물, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 하나 이상의 중질 나프타, 등유, 내화 접촉 분해된 순환 원료(refractory catalytically cracked cycle stock), 및 고비등 버진(high boiling virgin) 및 코커 가스 오일을 포함한다. 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 석유, 식물 및/또는 동물 유래인 다른 탄화수소 스트림을 포함한다.
일 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 아스팔텐(asphaltene)을 포함한다. 일부 실시형태에서, 아스팔텐은 액체/슬러리 스트림에 혼입되기 전에 분쇄된다. 아스팔텐은 중유와 비투멘에서 발견되며 일반적으로 탄화수소 내의 불용성 고체로 정의된다. 이론에 의해 제한되는 것을 바라지 않고, 아스팔텐의 수소화 반응은 본원에 개시된 자유 라디칼 반응을 통해 일어난다. 일부 실시형태에서, 고전단 작용은, 지방족 화합물을 포함할 수 있는 분해 생성물을 제공하는 수소화 반응과 함께, 아스팔텐 입자의 분쇄를 제공한다. 일부 실시형태에서, 아스팔텐은 Ni-Mo와 같은 촉매 및 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 다른 촉매의 사용에 의해 수소화된다.
일 실시형태에서, 석유 가공 공장에서 다른 방법으로는 생성되지 않을 수 있는 수소는 증기 개질에 의해 생성된다.
액체 또는 슬러리 탄화수소 스트림은 고전단 혼합 이전에 선택적으로 세정되거나 독소가 제거되어(도 1A에 도시되지 않음) 열 분해 또는 증기 분해 공정에 유해한 불순물을 줄인다. 이러한 유해한 불순물은 다양한 유황 종, 질소 종 및 특정 금속을 제한 없이 포함한다. 이러한 세정 방법 및 시스템은 본 기술분야의 숙련자에게 공지되어 있다. 예를 들어, 액체/슬러리 스트림은 예열되고, 재순환 수소와 혼합되고, 반응기로 보내질 수 있으며, 여기서, 예를 들어, 황 및 질소 화합물의 추출 가능한 황화수소 및 암모니아로의 촉매 전환이 영향을 받는다.
일 실시형태에서, 고전단은 수소 라디칼을 생성하고 하류의 장치(예를 들어, 분해 장치, FCC, 수소첨가분해기(hydrocracker))로 혼입되기 전에 과포화된 분산액에서 수소화시킨다.
과포화된 분산액은 이후 분해 장치로 투입되어, 경우에 따라서는 적절한 촉매의 작용 하에 생성물 스트림을 생성한다. 생성물 스트림은 개선된 생성물 분포의 탄화수소 화합물을 포함한다. 개선된 생성물 분포는 공급 스트림(들)의 전체에 비해 높은 함량의 C3+ 탄화수소를 말한다. 다양한 실시형태에서, 생성물 스트림 내의 휘발유, 디젤유, 제트 연료, 아스팔트기, 난방유, 등유, 및/또는 액화 석유 가스에 대한 성분의 함량은 공급 스트림(들)의 전체의 성분에 비해 증가된다.
일부 실시형태에서, 열 또는 증기 분해 장치로부터의 테일 가스(tail gas) 또는 오프 가스(off gas)는 다중 처리 작업을 위해 공급 가스 스트림으로 재순환된다. 일 실시형태에서, 분해 장치로부터의 테일 가스 또는 오프 가스는 수소를 포함한다. 일 실시형태에서, 분해 장치로부터의 테일 가스 또는 오프 가스는 C1 내지 C6에서 선택되는 적어도 하나의 탄화수소를 포함한다.
일 실시형태에서, 분해 장치로부터의 배출 스트림은 선택적으로 필요하거나 원하는 별도의 시스템을 통과한다. 어떤 경우, 도면에 나타낸 바와 같이, 부가가치 화합물을 포함하는 생성물 스트림은 오프 가스(또는 재순환 가스)에서 분리된다. 경우에 따라서, 촉매가 재사용을 위해 분리된다(미도시). 경우에 따라서, 수소가 재사용을 위해 분리된다(미도시). 이러한 분리 시스템과 방법은 본 기술분야의 숙련자에게 공지되어 있으며, 따라서, 분리의 다양한 구성이 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
선택적으로, 열 분해 또는 증기 분해 촉매가 다양한 방식으로 첨가될 수 있다. 도 1A에 도시된 실시형태에서, 새로운 또는 메이크업(make-up) 촉매가 고전단 장치에서 가스 스트림 및 액체/슬러리 스트림과 혼합된다. 도 1B에 도시된 실시형태에서, 새로운 또는 메이크업 촉매는 고전단 장치에 투입되기 전에 액체/슬러리 스트림과 혼합된다. 도 1C에 도시된 실시형태에서, 새로운 또는 메이크업 촉매는 분해 장치로 직접 투입된다.
개선된 분해 시스템
도 1D에 도시된 일 실시형태에서, 개선된 열 분해 또는 증기 분해 시스템(100)의 기본 구성요소는 외부 고전단 장치(high shear device 또는 HSD)(40), 분해기 또는 반응기(10), 및 펌프(5)를 포함한다. 도 1D에 도시된 바와 같이, 고전단 장치(40)는 반응기(10) 외부에 위치한다. 이들 구성요소 각각은 아래에서 더욱 상세하게 설명된다. 라인(21)은 열 또는 증기 분해될 탄화수소 유체를 투입하기 위해 펌프(5)와 연결된다. 라인(13)은 펌프(5)를 HSD(40)에 연결하고, 라인(18)은 HSD(40)를 반응기(10)에 연결한다. 라인(22)은, 예를 들어, H2 및/또는 증기를 포함하는 가스 스트림과 같은 가스 스트림을 투입하기 위해 라인(13)에 연결될 수 있다. 고전단 열 분해 또는 증기 분해 시스템(100)의 실시형태에서, 라인(22)은 HSD(40)의 유입구에 유체 연결된다. 일부 실시형태에서, HSD(40)와 반응기(10) 사이에 오수 탱크가 존재한다(미도시).
고전단 열 분해 또는 증기 분해 시스템(100)은 하류 처리 장치를 더 포함할 수 있으며, 이에 의해 반응기(10)에서 배출되는 분해된 액체 생성물이 비분해 중유에서 분리된다. 예를 들어, 도 1D에 도시된 실시형태에서, 고전단 열 분해 또는 증기 분해 시스템(100)은 분리기(separator, 30)와 분류기(fractionator, 50)를 더 포함한다. 분리기(30)는 라인(16)을 통해 반응기(10)에 그리고 라인(36)을 통해 분류기(50)에 유체 연결될 수 있다. 가스 라인(24)은 도 1D에 나타낸 바와 같이 분리기(30)에서 떠날 수 있다. 분리기(30)는 고압 분리기를 포함할 수 있으며, 이에 의해 수소 및 가벼운 가스가 분리된 탄화수소를 포함하는 액체 생성물로부터 제거된다. 분류기(50)는 오버헤드 라인(45)을 통해 분류기(50)에서 배출될 수 있는 분리된 생성물을 라인(35)을 통해 분류기(50)의 하부에서 배출될 수 있는 중유 및/또는 미전환유에서 분리하도록 구성될 수 있다. 분류기(50)는 분별 증류탑일 수 있다.
아래에서 설명되는 고전단 열 분해 또는 증기 분해 공정의 설명을 읽으면 명백해지듯이, 원하는 경우, 추가의 구성요소 또는 처리 단계가 반응기(10)와 HSD(40) 사이에 또는 펌프(5) 또는 HSD(40) 전방에 포함될 수 있다(미도시). 예를 들어, 원하는 경우, 다중 처리 작업 및 반응기(10)에서 배출되는 미전환 및/또는 경질 탄화수소의 적어도 일부의 분해를 제공하기 위해, 라인(20)은 하류 위치로부터(예를 들어, 반응기(10), 분리기(30), 및/또는 분류기(50)로부터) 라인(21) 및/또는 라인(13)에 연결될 수 있다. 실시형태에서, 라인(20 및 21)은 단일 라인이다.
고전단 장치
종종 고전단 혼합 장치라고도 하는 외부 고전단 장치(HSD, 40)는, 예를 들어, 수소 가스 및 저비등점 화합물로 분해될 고분자량의 탄화수소를 포함하는 탄화수소 액체를 포함하는 유입 스트림을 라인(13)을 통해 수용하도록 구성된다. 대안적으로, HSD(40)는 별도의 유입 라인(미도시)을 통해 액체/슬러리 및 기체 반응물 스트림을 수용하도록 구성될 수 있다. 하나의 고전단 장치만이 도 1D에 도시되었지만, 시스템의 일부 실시형태는 직렬 흐름, 병렬 흐름, 또는 이들의 조합으로 배치된 두 개 이상의 고전단 혼합 장치를 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. HSD(40)는 회전자/고정자 조합을 포함하고, 각각 고정자와 회전자 사이에 간극을 갖는 하나 이상의 발생기를 사용하는 기계 장치이다. 각각의 발생기 세트에서 고정자와 회전자 사이의 간극은 고정되거나 조절될 수 있다. HSD(40)는 고전단 장치를 통해 흐르는 반응 혼합물 내에 미크론 미만 그리고 미크론 크기의 기포를 생성할 수 있도록 구성된다. 고전단 장치는 반응 혼합물의 압력과 온도가 제어될 수 있도록 인클로저 또는 하우징을 포함한다.
고전단 혼합 장치는 일반적으로 유체를 혼합하는 이들의 능력에 따라 세 가지 일반적인 부류로 구분된다. 혼합은 유체 내의 입자 또는 비균일 종의 크기를 줄이는 공정이다. 혼합의 정도 또는 철저함에 대한 한 가지 미터법은 혼합 장치가 유체 입자를 분열시키기 위해 생성하는 단위 부피당 에너지 밀도이다. 장치의 부류는 전달되는 에너지 밀도에 따라 구별된다. 미크론 미만 내지 50 미크론 범위의 입자 크기를 갖는 혼합물 또는 에멀젼을 일관되게 생성하기에 충분한 에너지 밀도를 갖는 산업용 믹서의 세 가지 부류는 균질화 밸브 시스템(homogenization valve system), 콜로이드 밀(colloid mill), 그리고 고속 믹서이다. 균질화 밸브 시스템이라고 하는 첫 번째 부류의 고에너지 장치에서, 처리될 유체는 좁은 간극의 밸브를 통해 매우 높은 압력 하에 저압 환경으로 펌핑된다. 밸브 전체에 걸친 압력 구배, 및 그에 따라 형성되는 난류(turbulence)와 캐비테이션(cavitation)은 유체 내의 입자를 분해하는 역할을 한다. 이러한 밸브 시스템은 우유 균질화에서 가장 일반적으로 이용되며 미크론 미만 내지 대략 1 미크론 범위의 평균 입자 크기를 생성할 수 있다.
에너지 밀도 스펙트럼의 반대쪽 끝에 저에너지 장치라고 하는 세 번째 부류의 장치가 있다. 이러한 시스템은 일반적으로 처리될 유체의 저장소에서 고속으로 회전하는 패들 또는 유체 회전자를 채용하며, 이의 대부분의 일반적인 응용은 음식 제품이다. 이러한 저에너지 시스템은 통상적으로 20 미크론보다 큰 입자 크기가 처리 유체에서 허용되는 경우 사용된다.
저에너지 장치와 균질화 밸브 시스템 사이에, 유체에 전달되는 혼합 에너지 밀도의 관점에서, 콜로이드 밀 및 다른 고속 회전자-고정자 장치가 있으며, 이들은 중간 에너지 장치로 분류된다. 일반적인 콜로이드 밀 구성은 일반적으로 0.0254 mm 내지 10.16 mm(0.001-0.4 인치) 사이인 밀접하게 제어되는 회전자-고정자 간극에 의해 상보적인, 액체-냉각 고정자와 분리되는 원추형 또는 디스크 회전자를 포함한다. 회전자는 일반적으로 직접 구동 또는 벨트 장치를 통해 전기 모터에 의해 구동된다. 회전자가 고속으로 회전할 때, 회전자의 외부 표면과 고정자의 내부 표면 사이에서 유체를 펌핑하며, 간극 사이에서 생성된 전단력이 유체를 가공한다. 적절한 조정 기능을 갖는 많은 콜로이드 밀은 가공되는 유체에서 0.1 내지 25 미크론의 평균 입자 크기를 달성한다. 이러한 기능은 콜로이드 밀이, 화장품, 마요네즈, 및 실리콘/은 아말감 형성에 필요한 것과 같은 콜로이드 및 오일/물-기반 에멀젼 처리를 포함하여 지붕 방수용 타르 혼합까지 많은 적용분야에 적합하게 한다.
선단 속도는 단위 시간당 회전자의 선단이 이동하는 원주 거리이다. 선단 속도는 따라서 회전자 직경과 회전수의 함수이다. 선단 속도(예를 들어, 분당 미터)는 회전자 선단이 이동한 원주 거리(2πR, 여기서 R은 회전자의 반경(예를 들어, 미터))과 회전수(예를 들어, 분당 회전수, rpm)를 곱함으로써 계산될 수 있다. 콜로이드 밀은, 예를 들어, 22.9 m/s(4500 ft/min) 이상의 선단 속도를 가질 수 있고 40 m/s(7900 ft/min)를 초과할 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, 용어 "고전단"은 5.1 m/s(1000 ft/min) 이상의 선단 속도일 수 있고 반응할 예정인 생성물의 스트림에 에너지를 전달하기 위해 외부 기계 구동 전원 장치를 필요로 하는 기계식 회전자 고정자 장치(예를 들어, 콜로이드 밀 또는 회전자-고정자 분산기)를 말한다. 예를 들어, HSD(40)에서, 22.9 m/s(4500 ft/min) 이상의 선단 속도가 달성될 수 있으며, 40 m/s(7900 ft/min)를 초과할 수 있다. 일부 실시형태에서, HSD는 적어도 22.9 m/s(4500 ft/min)의 선단 속도에서 적어도 300 L/h를 전달할 수 있다. HSD는 높은 선단 속도를 매우 작은 전단 간격에 결합시켜 가공 중인 재료 상에 상당한 전단을 생성한다. 전단의 양은 유체의 점도에 따라 좌우될 것이다. 따라서, 상승된 압력과 온도의 국부 영역이 고전단 장치의 작동 중에 회전자의 선단에 생성된다. 어떤 경우, 국부적으로 상승된 압력은 대략 1034.2 MPa(150,000 psi)이다. 어떤 경우, 국부적으로 상승된 온도는 대략 500℃이다. 어떤 경우, 이러한 국부적인 압력과 온도 상승은 나노 또는 피코 초 동안 지속될 수 있다.
유체(kW/L/min)에 입력되는 에너지의 근사치는 모터 에너지(kW)와 유체 출력(L/min)을 측정함으로써 추정될 수 있다. 상기한 바와 같이, 선단 속도는 반응물에 인가되는 기계력을 생성하는 하나 이상의 회전 요소의 단부와 관련된 속도(ft/min 또는 m/s)이다. 실시형태에서, HSD의 에너지 소비량은 1000 W/m3보다 크다. 실시형태에서, HSD의 에너지 소비량은 대략 3000 W/m3 내지 대략 7500 W/m3의 범위에 있다. 슬러리 기반 촉매가 HSD(40)를 순환하는 실시형태에서, 세라믹과 같은 내구성 재료로 제조되는 회전 요소를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
전단 속도는 전단 간격 폭(회전자와 고정자 사이의 최소 간극)으로 나눈 선단 속도이다. HSD에 의해 형성된 전단 속도는 20,000 s-1보다 크다. 일부 실시형태에서, 전단 속도는 적어도 40,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단 속도는 적어도 100,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단 속도는 적어도 500,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단 속도는 적어도 1,000,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단 속도는 적어도 1,600,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, HSD에 의해 형성된 전단 속도는 적어도 20,000 s-1 내지 100,000 s-1이다. 예를 들어, 한 가지 응용에서, 회전자의 선단 속도는 대략 40 m/s(7900 ft/min)이고 전단 간격 폭은 0.0254 mm(0.001 인치)이며, 1,600,000 s-1의 전단 속도를 생성한다. 또 다른 응용에서, 회전자의 선단 속도는 대략 22.9 m/s(4500 ft/min)이고 전단 간격 폭은 0.0254 mm(0.001 인치)이며, 601,600 s-1의 전단 속도를 생성한다.
HSD(40)는 액체 연속상의 수소의 분산액이 생성되고 라인(18)을 통해 HSD(40)에서 배출되도록 하는 조건에서, 일반적으로는 수소와 혼합되지 않는 탄화수소 유체를 포함하는 주된 액상(연속상)으로 수소를 고도로 분산하거나 수송할 수 있다. 실시형태에서, 탄화수소 유체가 고전단 열 분해 또는 증기 분해 시스템(100)에 대해 순환하는 촉매를 더 포함하는 것이 고려된다. 일부 실시형태에서, HSD는 콜로이드 밀을 포함한다. 적절한 콜로이드 밀은, 예를 들어, IKA® Works, Inc. Wilmington, NC 및 APV North America, Inc. Wilmington, MA에서 제조된다. 경우에 따라, HSD는 IKA® Works, Inc.의 DISPAX REACTOR® 를 포함한다.
고전단 장치는 반응물에 인가되는 기계력을 생성하는 적어도 하나의 회전 요소를 포함한다. 고전단 장치는 소정 간격 분리된 적어도 하나의 고정자와 적어도 하나의 회전자를 포함한다. 예를 들어, 회전자는 원추형 또는 디스크 형상일 수 있고, 상보적인 형상의 회전자에서 분리될 수 있다. 실시형태에서, 회전자와 고정자 모두는 원주 방향으로 이격된 다수의 톱니를 포함한다. 일부 실시형태에서, 고정자(들)는 각각의 발생기(회전자/고정자 세트)의 회전자와 고정자 사이에서 원하는 전단 간격을 얻을 수 있도록 조절 가능하다. 회전자 및/또는 고정자의 톱니 사이의 홈은 증가하는 난류에 대해 번갈아 발생하는 단계에서 방향을 교대로 전환시킬 수 있다. 각각의 발생기는 원하는 회전을 제공하도록 구성되는 임의의 적절한 구동 시스템에 의해 구동될 수 있다.
일부 실시형태에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간극(전단 간격 폭)은 대략 0.0254 mm(0.001 인치) 내지 대략 3.175 mm(0.125 인치)의 범위에 있다. 특정 실시형태에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간극(전단 간격 폭)은 대략 1.52 mm(0.060 인치)이다. 특정 구성에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간극(전단 간격)은 적어도 1.78 mm(0.07 인치). 고전단 장치에 의해 형성되는 전단 속도는 흐름 경로를 따라 길이방향 위치에서 달라질 수 있다. 일부 실시형태에서, 회전자는 회전자의 직경과 원하는 선단 속도에 비례하는 속도에서 회전하도록 설정된다. 일부 실시형태에서, 고전단 장치는 고정자와 회전자 사이에 고정된 간극(전단 간격 폭)을 갖는다. 대안적으로 고전단 장치는 조절 가능한 간극(전단 간격 폭)을 갖는다.
일부 실시형태에서, HSD는 단일 단계의 분산 챔버(즉, 단일 회전자/고정자 조합, 단일 발생기)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 고전단 장치는 다단식 직렬 분산기이며 다수의 발생기를 포함한다. 특정 실시형태에서, HSD는 적어도 두 개의 발생기를 포함한다. 다른 실시형태에서, 고전단 장치는 적어도 3 개의 고전단 발생기를 포함한다. 일부 실시형태에서, 고전단 장치는 다단식 믹서이며, 따라서, 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 전단 속도(상기한 바와 같이, 선단 속도에 비례해서 그리고 회전자/고정자 간격 폭에 반비례해서 달라짐)는 흐름 경로를 따라 길이방향 위치에서 달라진다.
일부 실시형태에서, 외주 고전단 장치의 각각의 단계는 교체 가능한 혼합 도구를 가지며 유연성을 제공한다. 예를 들어, IKA® Works, Inc. Wilmington, NC와 APV North America, Inc. Wilmington, MA의 DR 2000/4 DISPAX REACTOR® 는 3단계 분산 모듈을 포함한다. 이 모듈은 미세(fine), 중간(medium), 조악(coarse), 및 각각의 단계에 대한 초미세(super-fine)의 선택을 갖는 세 개의 회전자/고정자 조합(발생기)을 포함할 수 있다. 이는 원하는 기포 크기(예를 들어, 수소 기포)의 좁은 분포를 갖는 분산액의 형성을 가능하게 한다. 일부 실시형태에서, 각각의 단계는 초미세 발생기로 작동된다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 발생기 세트는 대략 5.08 mm(0.20 인치)보다 큰 회전자/고정자 최소 간극(전단 간격 폭)을 갖는다. 대안적인 실시형태에서, 적어도 하나의 발생기 세트는 대략 1.78 mm(0.07 인치)보다 큰 최소 회전자/고정자 간극을 갖는다.
이제 도 2를 참조하면, 적절한 고전단 장치(200)의 종단면도가 제시되어 있다. 도 2의 고전단 장치(200)는 세 개의 단계 또는 회전자-고정자 조합을 포함하는 분산 장치이다. 고전단 장치(200)는 세 개의 단계 또는 회전자-고정자 조합(220, 230, 및 240)을 포함하는 분산 장치이다. 회전자-고정자 조합은 제한 없이 발생기(220, 230, 및 240) 또는 단계로 알려져 있을 수 있다. 세 개의 회전자/고정자 세트 또는 발생기(220, 230, 및 240)는 구동축(250)을 따라 직렬로 정렬된다.
제1 발생기(220)는 회전자(222)와 고정자(227)를 포함한다. 제2 발생기(230)는 회전자(223)와 고정자(228)를 포함한다. 제3 발생기(240)는 회전자(224)와 고정자(229)를 포함한다. 각각의 발생기에 대해, 회전자는 입력/구동축(250)에 의해 회전 가능하게 구동되며 화살표(265)로 나타낸 바와 같이 축(260)에 대해 회전한다. 회전 방향은 화살표(265)가 나타낸 것과 반대일 수 있다(예를 들어, 회전축(260)에 대해 시계 방향 또는 반시계 방향). 고정자(227, 228, 및 229)는 고전단 장치(200)의 벽(255)에 고정 가능하게 결합된다.
상기한 바와 같이, 각각의 발생기는 회전자와 고정자 사이의 최소 거리 또는 최소 간극인 전단 간격 폭을 갖는다. 도 2의 실시형태에서, 제 1 발생기(220)는 제 1 전단 간격(225)을 포함하고; 제 2 발생기(230)는 제 2 전단 간격(235)을 포함하며; 제 3 발생기(240)는 제 3 전단 간격(245)을 포함한다. 실시형태에서, 전단 간격(225, 235, 245)은 대략 0.025 mm 내지 대략 10.0 mm 범위의 폭을 갖는다. 대안적으로, 공정은 간격(225, 235, 245)이 대략 0.5 mm 내지 대략 2.5 mm 범위의 폭을 갖는 고전단 장치(200)의 이용을 포함한다. 특정 경우, 전단 간격 폭은 대략 1.5 mm에서 유지된다. 대안적으로, 전단 간격의 폭(225, 235, 245)은 발생기(220, 230, 240)에 대해 다르다. 특정 경우, 제 1 발생기(220)의 전단 간격의 폭(225)은 제 2 발생기(230)의 전단 간격의 폭(235)보다 크며, 이는 다시 제 3 발생기(240)의 전단 간격의 폭(245)보다 크다. 상기한 바와 같이, 각각의 단계의 발생기는 교체 가능하여 유연성을 제공한다. 고전단 장치(200)는 전단 속도가 흐름의 방향(260)을 따라 길이방향으로 단계적으로 증가하도록 구성될 수 있다.
발생기(220, 230, 및 240)는 조악, 중간, 미세, 및 초미세 특징을 포함할 수 있다. 회전자(222, 223, 및 224)와 고정자(227, 228, 및 229)는 톱니형 디자인일 수 있다. 각각의 발생기는 두 세트 이상의 회전자-고정자 톱니를 포함할 수 있다. 실시형태에서, 회전자(222, 223, 및 224)는 각각의 회전자의 원주에 대해 원주 방향으로 이격된 10 개 이상의 회전자 톱니를 포함한다. 실시형태에서, 고정자(227, 228, 및 229)는 각각의 고정자의 원주에 대해 원주 방향으로 이격된 10 개 이상의 고정자 톱니를 포함한다. 실시형태에서, 회전자의 내경은 대략 12 cm이다. 실시형태에서, 회전자의 직경은 대략 6 cm이다. 실시형태에서, 고정자의 외경은 대략 15 cm이다. 실시형태에서, 회전자의 직경은 대략 6.4 cm이다. 일부 실시형태에서, 고정자는 직경이 60 mm이고 회전자는 직경이 64 mm이며, 따라서 대략 4 mm의 간극을 제공한다. 특정 실시형태에서, 세 가지 단계 각각은 대략 0.025 mm 내지 대략 4 mm 사이의 전단 간격을 갖는 초미세 발생기에 의해 작동된다. 고체 입자가 고전단 장치(40)를 통해 전달되는 응용에 있어서, 적절한 전단 간격 폭(회전자와 고정자 사이의 최소 간극)은 입자 크기의 적절한 감소와 입자 표면적의 증가에 대해 선택될 수 있다. 실시형태에서, 이는 입자를 전단하고 분산시킴으로써 촉매 표면적을 증가시키는데 유리할 수 있다.
고전단 장치(200)는 라인(13)으로부터 반응물 스트림을 유입구(205)에서 수용하도록 구성된다. 반응 혼합물은 분산상으로서의 수소 및 연속상으로서의 탄화수소 액체를 포함한다. 공급 스트림은 미립자 고체 촉매 성분을 더 포함할 수 있다. 유입구(205)로 진입한 공급 스트림은 발생기(220, 230, 및 이후 240)를 통해 직렬로 펌핑됨으로써, 생성물 분산액이 형성된다. 생성물 분산액은 배출구(210)를 통해 고전단 장치(200)에서 배출된다. 각각의 발생기의 회전자(222, 223, 및 224)는 고정된 고정자(227, 228, 및 229)에 대해 고속으로 회전함으로써 높은 전단 속도를 제공한다. 회전자의 회전은 유입구(205)로 진입하는 공급 스트림과 같은 유체를 전단 간격을 통해 외부로 펌핑하여(그리고, 존재하는 경우, 회전자 톱니 사이의 공간과 고정자 톱니 사이의 공간을 통해) 국부적인 고전단 상태를 형성한다. 유체가 흐르는 전단 간격(225, 235, 및 245)(그리고, 존재하는 경우, 회전자 톱니와 고정자 톱니 사이의 간격) 내의 유체에 인가되는 높은 전단력은 유체를 가공하고 생성물 분산액을 형성한다. 생성물 분산액은 고전단 배출구(210)를 통해 고전단 장치(200)에서 배출된다.
생성물 분산액은 대략 5 ㎛ 미만의 평균 기포 크기를 갖는다. 실시형태에서, HSD는 대략 1.5 ㎛ 미만의 평균 기포 크기를 갖는 분산액을 생성한다. 실시형태에서, HSD는 대략 1 ㎛ 미만의 평균 기포 크기를 갖는 분산액을 생성하며; 실시형태에서, 기포는 주로 또는 실질적으로 직경이 미크론 미만이다. 특정 경우, 평균 기포 크기는 대략 0.1 ㎛ 내지 대략 1.0 ㎛의 범위에 있다. 실시형태에서, HSD는 대략 400 nm 미만의 평균 기포 크기를 갖는 분산액을 생성한다. 실시형태에서, HSD는 대략 100 nm 미만의 평균 기포 크기를 갖는 분산액을 생성한다. 고전단 장치(200)는 적어도 대략 15 분 동안 대기압에서 분산된 상태로 있을 수 있는 분산된 기포를 포함하는 분산액을 생성한다.
이론에 의해 제한되지 않지만, 액체 중에 분산된 미크론 미만의 입자 또는 기포가 주로 브라운 운동 효과를 통해 운동을 겪는다는 것이 유제 화학에 공지되어 있다. 고전단 장치(200)에 의해 생성된 생성물 분산액 내의 기포는 고체 촉매 입자의 경계층을 통해(예를 들어, 반응기 내의 고체 촉매를 통해) 큰 유동성을 가질 수 있으며, 따라서 반응물의 개선된 수송을 통해 촉매 반응을 촉진하고 가속화한다.
특정 경우, 고전단 장치(200)는 IKA® Works, Inc. Wilmington, NC와 APV North America, Inc. Wilmington, MA의 DISPAX REACTOR®를 포함한다. 다양한 유입구/배출구 연결, 마력, 선단 속도, 출력 회전수, 및 유속을 갖는 여러 모델을 이용할 수 있다. 고전단 장치의 선택은 처리량 요건 및 고전단 장치(200)의 배출구에서 배출되는 분산액 내의 원하는 입자 또는 기포 크기에 의해 결정될 수 있다. IKA® 모델 DR 2000/4는, 예를 들어, 벨트 구동의 4M 발생기, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 밀봉링, 유입구 플랜지 25.4 mm(1 인치)의 위생 클램프, 배출구 플랜지 19 mm(3/4 인치)의 위생 클램프, 2HP 전력, 7900 rpm의 출력 속도, 대략 300-700 L/h(발생기에 따라 다름)의 유량(물), 9.4 내지 41 m/s(1850 ft/min 내지 8070 ft/min)의 선단 속도를 갖는다.
분해기 또는 반응기
상기한 바와 같이, 반응기(10)는 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 기존의 분해 시스템을 나타낸다. 간결함을 위해, 이러한 시스템이 나타나있으며 이 절에서는 반응기 또는 분해기(10)라 칭한다. 실시형태에서, 반응기(10)는 열 분해 또는 증기 분해가 수행될 수 있는 모든 유형의 분해로 또는 반응용기 또는 반응기이다. 예를 들어, 연속 또는 반-연속 교반 탱크 반응기, 또는 하나 이상의 회분식 반응기가 직렬 또는 병렬로 채용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 반응기(10)는 고정층 반응기이다. 실시형태에서, 반응기(10)는 슬러리층 반응기이다. 따라서, 실시형태에서, 반응기(10)는 고정된, 미순환 촉매를 포함하며, 라인(21) 내의 공급 스트림은 촉매가 없는 액체 탄화수소를 포함한다.
반응기(10)의 임의의 수의 유입 스트림이 고려되며, 그 중 하나(라인(180))가 도 1D에 도시되어 있다. 실시형태에서, 반응기(10)는 흡광(extinction) 열 분해 또는 증기 분해 반응기이다. 반응기(10)는 단일 단계의 "흡광" 재순환 반응기 또는 두 단계 반응기의 제 2 단계 "흡광" 재순환 반응기일 수 있다. 전환은 라인(18)으로부터의 공급원료 분산액을 촉매의 고정된 고정층, 촉매의 고정된 유동층, 또는 촉매의 유동층에 접촉시킴으로써 수행될 수 있다. 실시형태에서, 반응기(10)는 공급 분산액이 촉매의 고정층을 통해 살수가 가능한 살수층(trickle-bed)이다. 이러한 구성으로 인해, 촉매 활성을 유지시키기 위해, 촉매 노화로 상승될 수 있는 적당한 온도에서 새로운 촉매를 이용하여 반응을 개시하는 것이 바람직할 수 있다.
반응기(10)는, 예를 들어, 시스템이 작동하는 동안, 촉매 용액 또는 슬러리를 수용하기 위해 반응기(10)에 연결된 촉매용 유입구 라인을 더 포함할 수 있다. 반응기(10)는 미반응 가스(예를 들어, 수소, 증기)를 포함할 수 있는 가스를 환기시키기 위해 출구 라인(도 1D에 미도시)을 포함할 수 있다. 반응기(10)는 액체/슬러리 스트림 내의 고분자량 화합물의 적어도 일부의 분해에 의해 및/또는 자유 라디칼 반응에 의해 형성되는 저비등점 물질을 포함하는 탄화수소 생성물을 포함하는 생성물 스트림에 대한 배출 라인(16)을 포함한다. 실시형태에서, 반응기(10)는 다수의 반응기 생성물 라인(16)을 포함한다.
열 분해 또는 증기 분해 반응은 적절한 시간, 온도 및 압력 조건이 갖추어지면 언제나 일어날 것이다. 이러한 의미에서, 탄화수소 공급 스트림 내의 고분자량 화합물의 열 분해 또는 증기 분해 및/또는 자유 라디칼 반응은 온도와 압력 조건이 절절할 때 도 1D의 흐름도의 임의의 지점에서 일어날 수 있다. 순환되는 슬러리 기반 촉매가 이용되는 경우, 반응은 도 1D에 도시된 반응기(10) 외부의 지점에서 발생할 가능성이 있을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 별도의 열 분해 또는 증기 분해 반응기(10)가 제어된 체류 시간, 교반 및 가열 및/또는 냉각을 감안하는 것이 종종 바람직하다. 촉매층이 이용될 때, 반응기(10)는 고정층 반응기일 수 있고 촉매의 존재 및 분해 속도에 미치는 이의 영향으로 인해 열 분해 또는 증기 분해가 일어나도록 하는 주요 위치가 될 수 있다. 반응기(10)가 이용될 때, 반응기(10)는 슬러리 반응기, 고정층 반응기, 살수층 반응기, 유동층 반응기, 기포탑, 또는 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 다른 방법으로 작동될 수 있다. 일부 응용에서, 외부 고전단 장치(40)의 포함은, 예를 들어, 슬러리 반응기로서 살수층 반응기의 작동을 가능하게 할 것이다.
반응기(10)는 반응 용기 설계의 기술분야에서 공지된 하나 이상의 다음 구성요소를 포함할 수 있다: 교반 시스템, 가열 및/또는 냉각 기능, 압력 측정 장비, 온도 측정 장비, 하나 이상의 분사 지점, 및 수위 조정기(미도시). 예를 들어, 교반 시스템은 모터 구동 믹서를 포함할 수 있다. 가열 및/또는 냉각 장치는, 예를 들어, 열 교환기를 포함할 수 있다.
촉매
일부 실시형태에서, 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 바와 같이 열/증기 분해를 촉진시키기 위해 적절한 촉매가 사용된다. 실시형태에서, 적절한 열 분해 또는 증기 분해 촉매는 고체 촉매, 기체 및 액체/슬러리 탄화수소상을 포함하는 불균일 촉매 반응을 촉진시킨다. 실시형태에서, 촉매는 열 분해 또는 증기 분해(산 성분) 및 수소화 활성 모두를 갖는 이중 기능 촉매로 분류될 수 있다. 실시형태에서, 촉매는 백금 및 팔라듐과 같은 귀금속, 니켈, 코발트, 몰리브덴, 텅스텐, 철, 크롬과 같은 비 귀금속, 및 이들 금속의 조합에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함한다. 실시형태에서, 촉매는 코발트와 몰리브덴 같은 금속의 조합을 포함한다. 실시형태에서, 열 분해 또는 증기 분해는 일부 수소화 정제(hydrorefining)(탈황, 탈질소 등)에 의해 달성되며 촉매의 금속 성분은 니켈 및 몰리브덴, 또는 니켈 및 텅스텐을 포함한다.
열 분해 또는 증기 분해 촉매는, 예를 들어, 촉매 활성 실리카-알루미나, 점토, 실리카, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 실리카-알루미나, 실리카-지르코니아, 실리카-마그네시아, 알루미나-보리아, 알루미나-티타니아 등과 같은 비정질 촉매 무기 산화물, 및 이들의 혼합물로부터 제한 없이 선택될 수 있다. 촉매가 내부에 존재하는 수소 및/또는 유황으로 인해 반응 영역에서 화학적 변화를 받을 수 있지만, 촉매는 탄화수소 공급 스트림 내의 수소 분산액과 처음 접촉될 때 산화물 또는 황화물의 형태일 수 있다.
열 분해 또는 증기 분해 촉매의 산성 분해 성분은 산성 점토, 알루미나, 실리카, 및/또는 실리카-알루미나와 같이, 제한 없이, 비정질 물질일 수 있다. 수명이 긴 촉매는 많은 양의 분자체(molecular sieve)를 포함할 수 있다. 높은 수준의 분자체를 갖는 이러한 촉매는 "제올라이트"계 촉매이다. 종래에 사용된 용어 "분자체"는, 하나 이상의 구성성분의 선택적 폐색에 의해 탄화수소 또는 다른 혼합물을 분리하는데 사용될 수 있는, 또는 촉매 전환 공정에서 촉매로 사용될 수 있는, 일반적으로 결정성인, 고정된 개방-네트워크 구조를 갖는 물질을 말한다. 용어 "제올라이트"는 일반적으로 일부 알루미늄, 보론, 갈륨, 철 및/또는 티타늄과 함께 실리케이트 격자(silicate lattice)를 포함하는 분자체를 말한다.
실시형태에서, 촉매는 제올라이트를 포함하는 산성 분해 성분을 포함한다. 공급원료의 주성분(예를 들어, 가스 오일, 코커 하부유, 잔사유, 재순환유, FCC 하부유)은 작은 기공의 제올라이트의 내부 기공 구조에 진입할 수 없고 따라서 적절히 전환되지 않을 고분자량의 탄화수소이기 때문에, 제올라이트 X 또는 Y와 같은 큰 기공의 제올라이트가 적절할 수 있다.
일부 실시형태에서, 열 분해 또는 증기 분해 촉매는 알루미노실리케이트(aluminosilicate) 성분을 포함한다. 열 분해 또는 증기 분해 촉매의 구성요소로서 채용 가능한 대표적인 제올라이트 알루미노실리케이트는 제올라이트 Y(매우 안정적인 Y와 같은 안정된 증기), 제올라이트 X, 제올라이트 베타, 제올라이트 ZK, 제올라이트 ZSM-3, 파우자사이트(faujasite)형, MCM-22, LZ, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-20와 같은 ZSM-5-계 제올라이트, 실리카라이트(silicalite), 에리오나이트(erionite), 모르데나이트(mordenite), 오프레타이트(offretite), 카바자이트(chabazite)와 같은 결정성 실리케이트, FU-1-계 제올라이트, NU-계 제올라이트, LZ-210-계 제올라이트 및 이들의 혼합물이다.
실시형태에서, 촉매는 미국 특허 제 3,523,887호에 개시된 결정성 제올라이트와 함께 비정질 물질을 포함한다. 실시형태에서, 촉매는 미국 특허 제 5,391,287호에 개시된 촉매이다. 중질 탄화수소 오일은 동시에 분해되거나 개질되고 수소화 탈납(hydrodewaxing)되어 충분한 유동점(pour point)과 점도를 갖는 액체 생성물을 생성할 수 있다. 이 생성물은 SSZ-35 제올라이트를 포함하는 촉매를 사용하여 수득할 수 있다. 실시형태에서, 라인(21) 내의 탄화수소 공급 스트림은 중질 탄화수소 오일(예를 들어, 343℃(650°F)에서 비등하는 가스 오일)이고, SSZ-35 제올라이트 촉매가 이용된다.
실시형태에서, 반응기는, 예를 들어, 미국 특허 제 3,884,798호에 따른 촉매인 니켈 수소화 촉매를 포함하며, 이는 알루미나 함유 다공성 담체 물질 및 원소 금속으로 계산된 대략 6.5 내지 대략 10.5 중량%의 니켈 성분의 공압출 촉매 복합체이다. 이 촉매는, 예를 들어, 나프타를 포함하는 탄화수소 공급원료로부터의 프로판/부탄 범위에서 및/또는 휘발유 비등점 범위의 증류물에서 액화 석유 가스(LPG)의 최대 생산을 얻기 위해 이용된다. 실시형태에서, 등유, 경질 가스 오일, 경질 가스 오일, 전체 비등점 범위의 가스 오일 및/또는 "블랙 오일"을 제한 없이 포함하는 무거운 공급원료를 휘발유, 등유, 중간 증류물, 윤활유 등을 제한 없이 포함하는 저비등의 일반적인 액체 생성물로 전환시키는데 니켈 촉매가 사용된다.
촉매는 상승된 온도에서, 예를 들어, 수소 가스와의 접촉에 의해 또는 공기 또는 다른 산소 함유 기체 내에서의 연소에 의해 재생될 수 있다.
열 전달 장치
상기한 반응기(10)의 가열/냉각 기능 외에도, 공정 스트림을 가열하거나 냉각하기 위한 다른 외부 또는 내부 열 전달 장치가 또한 도 1A 내지 도 1D에 도시된 실시형태의 변형에서 고려된다. 예를 들어, 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 임의의 방법을 통해 열 반응기(10)에서 제거되거나 반응기(10)에 첨가될 수 있다. 외부 가열 및/또는 냉각 열 전달 장치의 사용이 또한 고려된다. 하나 이상의 이러한 열 전달 장치에 대한 일부 적절한 위치는 펌프(5)와 HSD(40) 사이, HSD(40)와 반응기(10) 사이, 그리고 펌프(5) 상류이다. 이러한 열 전달 장치의 일부 비제한적인 예는 본 기술분야에 공지된 쉘, 튜브, 플레이트, 및 코일 열 교환기이다.
펌프
펌프(5)는 연속 또는 반-연속 작동을 위해 구성되며, HSD(40)와 시스템(100)을 통한 조절된 흐름을 가능하게 하기 위해, 202.65 kPa(2 기압)보다 큰 압력 또는 303.975 kPa(3 기압)보다 큰 압력을 제공할 수 있는 임의의 적절한 펌핑 장치일 수 있다. 펌프(5)는 7,000 kPa(69 기압)보다 큰 압력을 제공할 수 있다. 예를 들어, Dayton Electric Co (Niles, IL)의 Roper Pump Company (Commerce Georgia) 데이톤 압력 부스터 펌프 모델 2P372E인 Roper Type 1 기어 펌프가 하나의 적절한 펌프이다. 실시형태에서, 펌프의 모든 접촉 부위는, 예를 들어, 316 스테인리스강과 같은 스테인리스강을 포함한다. 시스템의 일부 실시형태에서, 펌프(5)는 대략 2026.5 kPa(20 기압)보다 큰 압력일 수 있다. 펌프(5) 이외에도, 하나 이상의 추가 펌프(미도시)가 도 1에 도시된 시스템에 포함될 수 있다. 예를 들어, 반응기(10)내의 압력을 승압시키기 위해 HSD(40)와 반응기(10) 사이에 펌프(5)와 유사할 수 있는 부스터 펌프가 포함될 수 있고, 및/또는 수소 함유 기체를 HSD(40)로 재순환시키기 위해 펌프가 라인(24) 상에 배치될 수 있다. 또 다른 예에서, 추가적인 반응물 및/또는 촉매를 반응기(10)에 투입하기 위해 펌프(5)와 유사할 수 있는 보조 급수 펌프가 포함될 수 있다. 고체 촉매를 포함하는 촉매 슬러리가 고전단 시스템(100) 전체에서 순환되는 실시형태에서, 부식을 최소화하기 위해 세라믹과 같은 내구성 재료로 제조된 펌프를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.
개선된 분해 공정
고전단 열 분해 또는 증기 분해 시스템(100)의 작동이 이제 도 1D를 참조로 논의될 것이다. 개선된 열 분해 또는 증기 분해 공정을 위한 작동에서, 증기 또는 수소 및 선택적으로 적어도 하나의 C1-C6 탄화수소를 포함하는 분산 가스 스트림이 라인(22)을 통해 시스템(100)으로 투입되고, 라인(13)에서 중질 탄화수소를 포함하는 액체/슬러리 스트림과 결합된다.
라인(21) 내의 액체/슬러리 스트림은 하나 이상의 원유, 잔사유(코커 타워 하부유 부분의 잔사유), 진공탑 잔류물, 코커 가스 오일, 순환유, FCC 탑 하부유, 진공 가스 오일, 탈아스팔트(진공) 잔류물, 석탄 유래 오일, 다른 중유, 비투멘, 및/또는 타르 샌드를 제한 없이 포함하는, 분해에 적절한 탄화수소 공급원료일 수 있다. 실시형태에서, 액체/슬러리 스트림은 진공 가스 오일, 가스 오일, 중유, 잔사유, 진공 증류 잔류물, 또는 이들의 조합을 포함한다.
탄화수소 공급원료는 중질 나프타, 등유, 내화 접촉 분해된 순환 원료, 고비등 버진 코커 가스 오일, 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다. 석유, 식물 또는 동물 유래 소스로부터의 다른 탄화수소 공급원료가 또한 이용될 수 있다. 석탄, 셰일, 및/또는 타르 샌드에서 유래된 오일이 또한 개시된 고전단 열 분해 또는 증기 분해 공정을 통해 처리될 수 있다. 이는 고체 석탄이 액체 형제로 제공되고 수소화되어 화산재와 유황의 배설과 함께 대기 조건에서 액체를 제공하는 석탄의 액화를 포함한다. 석탄의 용해는 높은 온도(대략 40℃)와 온도(대략 1500 내지 대략 3000 psi)에서 수소 및 석탄 유래 용매로 달성될 수 있다. 높은 심도에서, 열 분해 또는 증기 분해는 이러한 물질을 휘발유와 저비등 파라핀으로 전환시키며, 낮은 심도는 고비등 공급원료가 디젤유 및 항공 등유와 같은 경질 증류물로 전환되게 할 수 있다.
석유 원유의 정제에 있어서, 휘발유, 나프타, 등유 및 탑정에서의 상압 가스 오일을 회수하기 위해 대기압에서 원유를 분별 증류하고 상압 잔류물을 증류기 하부유(still bottom)로 남기는 것이 관례이다. 이후 감압 하에 증류가 계속되고, 탑정 진공 가스 오일과 경질 윤활유 증류물이 얻어지고 진공 잔류물이 남겨진다.
실시형태에서, 탄화수소 공급원료는 대략 343℃(650°F) 내지 대략 593℃(1100°F) 범위의 온도에서 비등하는 진공 가스 오일 및/또는 대략 204℃(400°F) 내지 대략 343℃(650°F)의 범위에서 비등하는 가스 오일을 포함한다. 실시형태에서, 라인(21) 내의 공급 스트림은 원유 장치의 진공탑 또는 잔류 탈황 장치의 진공탑으로부터 대략 343℃(650°F) 내지 대략 593℃(1100°F)의 범위에서 비등하는 진공 가스 오일을 포함한다.
실시형태에서, 탄화수소 공급 스트림은 일반적으로 대략 343℃(650°F)에서 비등하는 오일을 포함한다. 실시형태에서, 탄화수소 공급 스트림은 고분자량의, 긴 사슬 파라핀 및 많은 비율이 축합 고리 방향족 화합물인 고분자량의 방향족 화합물을 함유하는 중유를 포함한다. 실시형태에서, 공급원료는 상압 잔류물을 포함한다.
실시형태에서, 예비 수소처리 또는 세정 단계(도 1D에 미도시)가 포함되어 불순물(예를 들어, 질소 종, 유황 종, 금속)을 제거하고 실질적인 비등점 범위의 전환 없이 방향족 화합물을 나프텐으로 포화시킨다. 이 수소처리는 열 분해 또는 증기 분해 촉매 성능을 향상시킬 수 있고 및/또는 낮은 온도, 높은 공간 속도, 낮은 압력 또는 채용될 이들 조건의 조합을 가능하게 한다.
상기한 바와 같이, 라인(21) 내의 탄화수소 공급원료는 라인(13)을 통해 HSD(40)로 펌핑된다. 일부 실시형태에서, HSD(40)로 투입되는 공급원료는 새로운 탄화수소 유체 및, 예를 들어, 라인(20)으로부터, 예를 들어, 반응기(10), 분리기(30), 또는 분류기(50)로부터의 미전환 탄화수소를 포함하는 재순환 스트림을 포함한다.
가스 스트림은 탄화수소 공급원료와 함께 HSD(40)로 투입된다. 이러한 가스 스트림은 분산 가스 라인(22)을 통해 라인(13)으로의 투입에 의해 HSD(40)로 투입될 수 있다. 대안적인 실시형태에서, 가스 스트림 및 액체/슬러리 탄화수소 공급원료는 별도로 HSD(40)로 투입된다. 실시형태에서, HSD(40)로 투입되는 공급 스트림은 과량의 수소를 포함한다. 반응기(10) 내에서의 과량의 수소의 사용은 탄소 결합으로의 깨진 탄소의 신속한 수소화 반응을 제공함으로써, 향상된 바람직한 생성물 수율 및/또는 선택성을 제공한다.
라인(22) 내의 분산 가스 스트림의 일부는, 예를 들어, 라인(24)을 통해 HSD(40)로 재순환될 수 있는 스트림(24)으로부터의 순 재순환 수소를 포함할 수 있다. 도 1D는 간략한 공정도이고 분리가, 히터, 컴프레서와 같은 많은 가공 장비가 명확성을 위해 생략되었다는 것에 주목해야 한다.
실시형태에서, 가스 스트림은, 라인(13) 내의 액체 반응물 스트림(즉, 탄화수소 유체)과 결합되지 않고, HSD(40)에 직접 공급된다. 펌프(5)는 라인(21)을 통해 액체 반응물(즉, 분해될 고분자량 화합물을 포함하는 탄화수소 유체)을 펌핑하여 압력을 구축하고 HSD(40)에 공급하도록 작동되어 HSD(40)와 고전단 시스템(100) 전체에 걸쳐 제어된 흐름을 제공할 수 있다. 일부 실시형태에서, 펌프(5)는 HSD 유입 스트림을 202.65 kPa(2 기압) 이상 또는 303.975 kPa(3 기압) 이상 증가시킨다. 이러한 방식으로, 고전단 시스템(100)은 고전단을 압력과 결합시켜 반응물 친화 혼합을 향상시킬 수 있다.
펌핑 이후, 기체 및 액체/슬러리 반응물(라인(13) 내의 고분자량의 탄화수소 화합물)은 HSD(40) 내에서 혼합되고, 이는 탄화수소 유체 내에서 가스의 과포화된 분산액을 생성하는 역할을 한다.
개선된 열 분해 또는 증기 분해 시스템(100)에서, 고전당 장치(40)로부터의 라인(18) 내의 분산액은 분해될 과포화된 분산액을 포함한다. 예를 들어, 직렬로 정렬된 고정자와 함께 세 개의 회전자로 구성된 고전단의 3 단계 분산 장치인 IKA® 모델 DR 2000/4 분산기가 사용되어 분해될 고분자량의 탄화수소(즉, "반응물")를 포함하는 유체 매체에서 분산 가스의 분산액을 생성할 수 있다. 회전자/고정자 세트는 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 결합된 반응물은 라인(13)을 통해 고전단 장치로 진입하고 제 1 단계의 회전자/고정자 조합으로 진입한다. 제 1 단계의 회전자와 고정자는 각각 원주 방향으로 이격된 제 1 단계 회전자 톱니와 고정자 톱니를 가질 수 있다. 제 1 단계에서 배출되는 조악한 분산액은 제 2 회전자/고정자 단계로 진입한다. 제 2 단계의 회전자 및 고정자는 또한 각각 원주 방향으로 이격된 회전자 톱니와 고정자 톱니를 포함할 수 있다. 제 2 단계에서 나온 감소된 기포 크기의 분산액은, 각각 회전자 톱니와 고정자 톱니를 갖는 회전자와 고정자를 포함할 수 있는 제 3 단계 회전자/고정자 조합으로 진입한다.
일부 실시형태에서, 전단 속도는 흐름의 방향(260)을 따라 길이방향으로 단계적으로 증가한다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 제 1 회전자/고정자 단계에서의 전단 속도는 후속 단계(들)에서의 전단 속도보다 작거나 크다. 다른 실시형태에서, 전단 속도는 흐름의 방향을 따라 실질적으로 일정하며, 각각의 단계에서의 전단 속도는 실질적으로 동일하다.
고전단 장치(40)가 PTFE 씰(seal)을 포함하는 경우, 상기 씰은 본 기술분야에 공지된 임의의 적절한 기술을 사용하여 냉각될 수 있다. 예를 들어, 라인(13) 내에서 흐르는 반응물 스트림이 씰을 냉각시키기 위해 사용될 수 있고, 따라서 고전단 장치(40)로의 진입 이전에 원하는 대로 예열될 수 있다.
HSD(40)의 회전자(들)는 회전자의 직경과 원하는 선단 속도에 비례하는 속도에서 회전하도록 설정될 수 있다. 상기한 바와 같이, 고전단 장치(예를 들어, 콜로이드 밀 또는 톱니형 림(rim) 분산기)는 고정자와 회전자 사이에 고정된 간극을 갖거나 조절 가능한 간극을 갖는다. HSD(40)는 수소 함유 기체와 반응물 액체(즉, 라인(13) 내의 탄화수소 공급원료)를 친밀하게 혼합하는 역할을 한다. 공정의 일부 실시형태에서, 반응물의 이동 저항성은 고전단 장치의 작동에 의해 감소됨으로써, 반응 속도가 대략 5% 이상 증가된다. 공정의 일부 실시형태에서, 반응물의 이동 저항성은 고전단 장치의 작동에 의해 감소됨으로써, 반응 속도가 대략 5 배 이상 증가된다. 일부 실시형태에서, 반응 속도는 적어도 10 배 증가된다. 일부 실시형태에서, 반응 속도는 대략 10 배 내지 대략 100 배의 범위로 증가된다.
일부 실시형태에서, HSD(40)는 7900 ft/min(40 m/s)를 초과할 수 있는 적어도 4500 ft/min의 선단 속도에서 적어도 300 L/h을 전달한다. 소비 전력은 대략 1.5 kW일 수 있다. HSD(40) 내의 회전 전단부(shear unit) 또는 회전 요소의 선단에서의 온도와 압력의 즉각적인 측정은 어렵지만, 친밀하게 혼합된 반응물에서 보여지는 국부적인 온도는 500℃ 이상이고 압력은 캐비테이션 조건에서 kg/cm2 이상으로 추정된다. 일부 실시형태에서, 고전단 혼합은 분해될 탄화수소 화합물을 포함하는 연속상의 미크론 및/또는 미크론 미만의 크기의 기포를 포함하는 과포화된 분산액을 생성한다. 일부 실시형태에서, 생성된 분산액은 대략 1.5 ㎛ 이하의 평균 기포 크기를 갖는다. 따라서, 라인(18)을 통해 HSD(40)에서 배출되는 분산액은 미크론 및/또는 미크론 미만의 크기의 기포를 포함한다. 일부 실시형태에서, 생성된 분산액은 대략 1 ㎛ 이하의 평균 기포 크기를 갖는다. 일부 실시형태에서, 평균 기포 크기는 대략 0.4 ㎛ 내지 대략 1.5 ㎛의 범위에 있다. 일부 실시형태에서, 평균 기포 크기는 대략 400 nm 이하이고, 어떤 경우 대략 100 nm일 수 있다. 많은 실시형태에서, 미세기포의 분산액은 적어도 15 분 동안 대기압에서 분산된 상태로 있을 수 있다.
일단 분산되면, 도 1D에 도시된 바와 같이, 해당 분산액은 라인(18)을 통해 HSD(40)에서 배출되며 반응기(10)로 공급된다. 선택적으로, 분산액은 원하는 경우 반응기(10)로 진입하기 전에 더 가공될 수 있다. 실시형태에서, 반응기(10)는 촉매의 고정층을 포함하는 고정층 반응기이다. 적절한 촉매가 본 기술분야의 숙련자에게 공지되어 있으며, 제올라이트 기반 촉매뿐만 아니라 지지 촉매(예를 들어, Co/Mo, Co/Ni 함유) 및 분산 촉매(예를 들어, Fe, Mo 함유)를 제한 없이 포함한다. 반응기(10)에서, HSD(40)로부터의 분산액이 촉매와 접촉할 때, 열 분해 또는 증기 분해 촉매의 존재 하에 열 분해 또는 증기 분해 및/또는 자유 라디칼 반응이 일어난다. 반응기(10)의 내용물은 연속적으로 또는 반-연속적으로 교반될 수 있고, 반응물의 온도는 (예를 들어, 열 교환기를 사용하여) 제어될 수 있고, 용기 내의 압력은 적절한 압력 측정 장비를 사용하여 모니터링될 수 있으며, 반응기(10) 내부의 유체 레벨은 표준 기술을 사용하여 조절될 수 있다. 분해된 생성물은 특정 응용에서 원하는 대로 연속적으로, 반-연속적으로 또는 회분식으로 생성될 수 있다.
실시형태에서, 반응기(10)는 고정층의 촉매를 포함한다. 실시형태에서, 반응기(10)는 살수층 반응기를 포함한다. 열 분해 또는 증기 분해 촉매는 유입 라인(도 1D에 미도시)을 통해 슬러리 또는 촉매 스트림으로서 연속적으로 또는 반-연속적으로 반응기(10)에 투입될 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 촉매는 시스템(100)내의 다른 곳에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 촉매 슬러리는, 일부 실시형태에서, 라인(21)을 통해 주입될 수 있다.
실시형태에서, 반응기(10)는 상기한 바와 같이 열 분해 또는 증기 분해에 적절한 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 적절한 촉매층을 포함한다.
반응기 조건
다른 반응 조건과 함께 공정 심도를 나타내는 공정 반응기(10) 내의 온도와 압력은 원료, 이용되는 촉매의 유형, 및 공정에서 추구하는 전환율에 의해 결정될 수 있다. 실시형태에서, 낮은 전환은, 예를 들어, 수소 소비를 줄이기 위해 바람직할 수 있다. 낮은 전환에서, 공급원료 내의 n-파라핀이 이소-파라핀보다 우선적으로 전환될 수 있는 반면, 더욱 심각한 조건에서의 높은 전환에서는 이소-파라핀도 전환될 수 있다.
과포화된 분산액은 상승된 온도와 압력의 열 분해 또는 증기 분해 조건에서 촉매와 접촉한다. 실시형태에서, 종래의 열 분해 또는 증기 분해에서 사용되는 것들과 유사한 온도, 압력, 공간 속도 및 수소 비율의 조건이 이용된다.
실시형태에서, 반응기(10) 내에서의 열 분해 또는 증기 분해는 대략 100℃ 내지 대략 400℃ 범위의 온도 및 절대 압력의 대략 101.325 kPa 내지 대략 13.2 MPa(1 기압 내지 130 기압) 범위의 압력에서 일어난다. 실시형태에서, 반응기(10)는 대략 350℃ 내지 대략 450℃(650°F 내지 850°F) 범위의 온도에서 작동된다. 실시형태에서, 반응기(10)의 압력은 대략 7,000 kPa(1,000 psig)보다 크다. 실시형태에서, 반응기(10)의 압력은 대략5171 kPa(750 psig) 내지 대략 69 MPa(10,000 psig) 또는 대략 6.9 MPa(1,000 psig) 내지 대략 27.5 MPa(4,000 psig)의 범위에 있다. 실시형태에서, 반응기(10) 내의 수소 부분 압력은 600 kPa 내지 대략 20,000 kPa의 범위에 있다. 촉매의 노화를 방지하고, 따라서 재생 할 필요 없이 일이 년 이상의 기간 동안 고정층의 촉매를 이용하여 공정이 진행될 수 있도록 충분한 활성을 유지시키는데 높은 수소 압력이 바람직할 수 있다. 반응기(10)의 압력은 대략 202.65 kPa(2 기압) 내지 대략 5.6 MPa - 6.1 MPa(55 -60 기압)의 범위에 있다. 일부 실시형태에서, 반응 압력은 대략 810.6 kPa 내지 대략 1.5 MPa(8 기압 내지 대략 15 기압)의 범위에 있다.
전체 공급원료(기체 및 액체/슬러리) 내의 탄소화 수소의 비율은 전환율과 생성물 분포를 기반으로 조절될 수 있다. HSD(40)로부터의 분산액 내의 기체와 탄화수소 공급원료의 비율은 대략 50 내지 대략 20,000 SCF/bbl의 범위일 수 있다. 공급원료의 공간 속도는 대략 0.1 LHSV(액체 공간 속도) 내지 대략 20 LHSV의 범위 또는 대략 0.1 LHSV 내지 대략 1.0 LHSV의 범위일 수 있다.
분해된 생성물은 라인(16)을 통해 반응기(10)에서 배출된다. 실시형태에서, 라인(16) 내의 생성물 스트림은 액체와 기체 또는 슬러리와 기체의 2상 혼합물을 포함한다. 분해된 생성물은 미반응 수소 가스, (예를 들어, 미반응) 고분자량의 탄화수소, 및 탄화수소 공급 스트림 내의 중질 탄화수소의 열 분해 또는 증기 분해에 의해 생성된 저비등점 탄화수소를 포함한다.
하류 공정
열 분해 또는 증기 분해 반응기로부터의 폐수는 라인(16)을 통해 분해 영역에서 배출된다. 반응기로부터의 폐수는 액체와 기체 또는 슬러리와 기체의 2상 혼합물을 포함한다. 실시형태에서, 폐수의 액체상의 주성분은 C5와 높은 탄화수소이다. 반응기에 제거되면, 라인(16) 내의 생성물 스트림은 추가의 처리를 위해 생성물 업그레이드 시스템에 전달될 수 있다. 생성물 업그레이드는, 예를 들어, 휘발유, 윤활유, 및/또는 디젤유, 나프타, 등유, 제트 연료, 및/또는 연료유를 제한 없이 포함하는 중간 증류물 연료를 제한 없이 포함하는 광범위한 상용 제품을 생성할 수 있다.
라인(16) 내의 생성물은 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 바와 같이 더 처리될 수 있다. 실시형태에서, 라인(16)은 반응기를 분리기 영역(30)에 유체 연결시킨다. 분리기 영역(30)은, 예를 들어, 라인(24)을 통해 수소와 가벼운 가스가 제거되는 고압 분리기를 포함할 수 있고, 분리된 생성물 스트림은 라인(36)을 통해 추출된다. 분리기 영역(30)은 라인(36)을 통해 분류기(50)에 유체 연결될 수 있다. 분류기(50)는 분리기(30)보다 낮은 압력에서 작동하는 분별 증류탑일 수 있다. 변환된(분해된) 생성물은 라인(45)을 통해 분류기(50)로부터 탑정에서 취할 수 있다. 중유(예를 들어 미전환유)는 라인(35)을 통해 분류기(50)의 하부에서 제거될 수 있다. 추가의 전환을 위해, 미전환 및/또는 중유를 포함하는, 분류기(50)로부터의 적어도 일부의 하부유는, 예를 들어, 라인(21)을 통해 추가의 전환을 위해 고전단 장치(40)로 재순환될 수 있다. 라인(20)은, 예를 들어, 미전환 탄화수소 생성물의 HSD(40)로의 재순환을 위해 라인(21)과 연결될 수 있다.
실시형태에서, 라인(35) 내의 생성물 스트림은 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 바와 같이 더 처리된다. 예를 들어, 생성물 스트림(35)은 탈납 공정을 거칠 수 있다.
다중 처리 작업
도 1D에 도시된 실시형태에서, 시스템은 단일 처리 작업을 위해 구성되며, 여기서 반응기의 출력(16)은 분해된 생성물의 회수를 위해 추가 처리로 직접 전달된다. 일부 실시형태에서, 후속 처리시 HSD를 통해 반응기의 내용물 또는 고비등 화합물을 함유하는 액체 분획을 처리하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 미전환 화합물이, 예를 들어, 라인(21), 라인(13), 및/또는 라인(18)으로의 주입에 의해 HSD로 투입될 수 있다. 실시형태에서, 라인(16), 라인(36), 라인(20), 또는 이들의 조합은 라인(21)에 연결됨으로써, 미전환 및/또는 무거운 탄화수소 화합물을 포함하는 하류 라인 내용물의 적어도 일부가 HSD(40)로 재순환된다. 재순환은 펌프(5)와 라인(13) 그리고 이후 HSD(40)로 이어질 수 있다. 증기 및/또는 수소 및 선택적으로 하나 이상의 C1-C6 탄화수소를 포함하는 추가 가스가 라인(22)을 통해 라인(13)으로 주입될 수 있고, 또는 고전단 장치(미도시)로 직접 첨가될 수 있다.
다수의 고전단 장치
일부 실시형태에서, 두 개 이상의 고전단 장치와 유사한 또는 서로 다르게 구성된 HSD(40)가 직렬로 정렬되고, 반응을 더욱 개선하기 위해 사용된다. 이들의 작동은 회분식 또는 연속식일 수 있다. 단일 처리 또는 "1회 통과(once through)" 공정이 바람직한 경우, 직렬로 정렬된 다수의 고전단 장치의 사용이 또한 유리할 수 있다. 예를 들어, 실시형태에서, 라인(18) 내의 배출 분산액은 제 2 고전단 장치로 공급될 수 있다. 다수의 고전단 장치가 직렬로 작동될 때, 증기 및/또는 수소를 포함하는 추가의 분산 가스가 각각의 고전단 장치의 유입 공급 스트림으로 주입될 수 있다. 일부 실시형태에서, 다수의 고전단 장치는 병렬로 작동되고, 이들로부터의 배출 분산액은 하나 이상의 반응기(10)로 투입된다.
고전단 장치에서 생성된, 라인(18) 내의 마이크로미터 크기 및/또는 마이크로미터 미만 크기의 기포를 포함하는 과포화된 분산액은 반응기(10) 내에서 더욱 빠르고 및/또는 더욱 완벽한 열 분해 또는 증기 분해를 유발한다. 상기한 바와 같이, 추가의 장점은 낮은 온도 및/또는 온도에서 반응기를 작동시킬 수 있는 능력일 수 있고, 이는 운영 및/또는 자본 비용의 절감 효과를 제공한다.
추가촉매
일부 실시형태에서, 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 임의의 적절한 수단을 통해 필요에 따라 고전단 장치, 반응기, 또는 이들 모두에 추가 촉매가 첨가된다. 이러한 첨가는 또한 본원에서 단계간 주입(inter-stage injection)이라 칭한다.
추가 공급원료
일부 실시형태에서, 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 임의의 적절한 수단을 통해 필요에 따라 고전단 장치, 반응기, 또는 이들 모두에 추가 공급원료(기체, 액체/슬러리, 또는 이들의 조합)가 첨가된다. 일부 실시형태에서, 촉매의 단계간 주입과 공급원료의 단계간 주입이 결합된다.
단계간 주입 및 다중 HSD
일부 실시형태에서, 추가 공급원료 및/또는 추가 촉매의 단계간 주입은 다수의 고전단 장치의 사용과 결합된다. 이러한 실시형태에서, 시스템 구성요소는 매우 다양한 구성으로 배치될 수 있고, 이러한 모든 변형은 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
부수 가스와 탄화수소 액체의 결합
일부 실시형태에서, 고전단 장치는 유정에서 추출된 탄화수소 액체에 부수 가스를 혼입시키기 위해 이용된다. 고전단 장치는 탄화수소 내에서 가스의 과포화를 가능하게 한다. 고전단은 또한 부수 가스와 액체 탄화수소의 화학 결합을 유발할 수 있는 자유 라디칼을 생성한다. 자유 라디칼 반응은 선택적으로 고전단부의 표면 내에 포함된 촉매 수단에 의해 또는 고전단 장치 하류에 배치된 촉매에 고전단 혼합물을 처리함으로써 향상될 수 있다. 일부 실시형태에서, 탄화수소 혼합물의 탈황은 촉매 피독(poisoning)을 방지하기 위해 필요하다. 탈황 기술은 본 기술분야의 숙련자에게 공지되어 있다. 일부 실시형태에서, 불포화를 줄이기 위해 또는 탄화수소 혼합물을 수소처리하기 위해 고전단부 이전에 수소 또는 수소 풍부 기체가 또한 투입된다.
다양한 실시형태에서, 탄화수소 액체 내의 부수 가스의 레벨과 안정성 최적화하기 위해 고전단 장치는 병렬 또는 직렬로 이용된다. 일부 실시형태에서, 이동 중일 때 탄화수소 액체 내의 부수 가스의 과포화를 유지하거나 향상시키기 위해 고전단 장치는 파이프라인을 따라 선택적인 위치에 배치된다.
상기한 방법은 부수 가스와 탄화수소 액체의 고전단 처리된 혼합물을 종래의 액체 수송 수단을 통해, 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 정유 기술에 의해 탄화수소 혼합물이 처리되는, 정유 공장과 같은 위치로 수송될 수 있게 한다.
도 5는 탄화수소 액체에 부수 가스를 혼입시키기 위해 사용되는 고전단 장치의 구성을 도시하고 있다. 액체와 기체의 혼합물(120)은 유정(110)에서 배출되어 선택적으로 전처리 장치(130)로 진입한다. 탄화수소 스트림(120)의 전처리(130)는 가스 조절, 여과 및/또는 황 제거를 포함할 수 있다. 탄화수소 스트림(120)의 압력이 감소되거나 증가될 필요가 있을 때 압력 조절이 필요하며, 이는 펌핑 장치 또는 압력 조절 장치로 구성될 수 있다. 탄화수소 스트림(140)이 고전단 장치(150)에 진입할 때의 압력은 과포화된 액체가 정유 공장과 같은 최종 처리 공장(미도시)으로 이송될 때의 압력에 의해 결정될 것이다. 탄화수소 스트림(140)은 따라서 압력 감소로 인해 가스 분리를 유발할 수 있는 모든 압력 감소를 방지하기 위해 과포화된 스트림의 압력 또는 그 이하의 압력이다.
탄화수소 스트림(140)은 하나 이상의 고전단부(150)로 진입하는 기체 및 액체 탄화수소로 구성된 2상 시스템일 수 있다. 다수의 고전단부가 직렬 또는 병렬로 구성될 수 있다. 과포화된 유체(160)는 고전단부(150)에서 배출되고, 고전단부(150) 내의 자유 라디칼의 형성은 탄화수소 스트림(160)의 일부의 재결합을 유발할 수 있다. 선택적으로, 펌핑 장치(170)는 압력을 유지하고 가스 분리 챔버(190)에 과포화된 탄화수소 스트림(160)을 전달하기 위해 포함될 수 있고, 과포화된 스트림(160)에 혼입되지 않은 과잉의 휘발성 가스(180)는 제거되어 재순환되거나 아니면 사용된다. 자유로운 탄화수소 가스가 없는 과포화된 탄화수소(195)는 이후 원하는 최종 용도의 적용(185)으로 액체로서 수송될 수 있다.
장점
이론에 의해 제한되는 것을 바라지 않고, 개선된 열 분해 또는 증기 분해 시스템 및 방법의 일부 장점이 본원에서 논의된다. 고전단의 작용은 형성된 분산액에서 가스 성분의 과포화/혼입을 촉진하고, 이는 생성물 스트림 내에서 원하는 탄화수소 화합물(휘발유 성분, 제트 연료 성분, 디젤유 성분과 같은)의 형성을 더 촉진시킨다. 고전단 작용은 또한 분산액 내에 자유 라디칼을 생성하여 자유 라디칼 반응을 개시한다. 공급 가스 스트림에 따라, 이러한 자유 라디칼은 H·, CH3·, CH2·, 및/또는 CH·를 포함한다. 고전단으로 인해, 혼합은 낮은 벌크 또는 전체 온도에서 일어날 수 있으며, 이는 액체/슬러리 스트림 내의 가스의 혼입을 증가시킨다. 또한, 고전단 작용은 긴 사슬 탄화수소(타르 샌드 및 비투멘에서 발견되는 것들과 같은)가 분해 장치에서 처리될 수 있게 하는데, 이는 긴 사슬 탄화수소가 기체 분자의 혼입을 촉진하기 때문이다. 고전단 작용은 또한, 다양한 실시형태에서, 코킹(coking)을 줄인다. 또한, 고전단 혼합 작용은 촉매 입자를 반응물로 코팅하고, 이는 촉매 반응 속도 및/또는 촉매의 수명을 증가시킬 수 있다. 본원에 개시된 시스템과 방법의 장점은, 이에 제한되지는 않으나, 빠른 사이클 시간, 증가된 처리량, 더욱 효율적인 촉매의 사용, 높은 전환율, 더욱 작은 열 분해 또는 증기 분해 반응기를 설계할 수 있는 가능성 및/또는 더욱 낮은 온도 및/또는 압력에서 열 분해 또는 증기 분해 공정을 작동시킬 수 있는 가능성으로 인해 감소된 작동 비용 및/또는 감소된 자본 비용을 들 수 있다.
HSD에 의한 반응물의 향상된 혼합의 적용은 잠재적으로 탄화수소 스트림의 더욱 효율적인 열 분해 또는 증기 분해를 가능하게 한다. 일부 실시형태에서, 향상된 혼합은 공정 스트림의 처리량 증가를 가능하게 한다. 일부 실시형태에서, 고전단 혼합 장치는 확립된 공정에 포함됨으로써, 생산의 증가(즉, 더욱 큰 처리량)를 가능하게 한다. 반응기 온도, 촉매 산성도, 또는 체류 시간을 단순히 증가시킴으로써 열 분해 또는 증기 분해의 정도를 증가시키려는 일부 방법과는 대조적으로, 외부 고전단 혼합에 의해 제공하는 우수한 분산 및 접촉은 대부분의 경우, 처리량을 유지하거나 심지어 증가시키면서, 전체 작동 온도, 체류 시간, 및/또는 촉매 산성도를 줄일 수 있다.
특별한 이론으로 제한되는 것을 바라지는 않지만, 고전단 접촉의 수준 또는 정도는 물질 전달 속도를 증가시키기에 충분하며, 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy) 예측을 기반으로 달리는 발생할 것으로 예상되지 않는 반응을 일으킬 수 있는 국부적인 비-이상적인 조건을 형성하는 것으로 여겨진다. 국부적인 비-이상적인 조건은 고전단 장치 내에서 발생할 것으로 여겨지며, 이는 온도와 압력을 증가시킬 것이고, 가장 큰 증가는 국부적이 압력 내에 있을 것으로 예상된다. 고전단 장치 내에서의 압력과 온도의 증가는 순간적이고 국부적이며, 일단 고전단 장치를 떠나면 벌크 또는 평균적인 시스템 조건으로 신속하게 되돌아 간다. 경우에 따라서, 고전단 혼합 장치는 하나 이상의 반응물을 자유 라디칼로 분리하는 충분한 강도의 캐비테이션을 유발하고, 이는 화학 반응을 심화시키거나 또는 달리 예상할 수 있는 것보다 덜 엄격한 조건에서 반응이 일어날 수 있게 한다. 캐비테이션은 또한 국부적인 난류와 액체의 미세순환(음향 유동(acoustic streaming))을 생성함으로써 이송 공정의 속도를 증가시킬 수 있다. 화학적/물리적 처리 응용에서의 캐비테이션 현상의 적용의 개요가 Gogate 등에 의해 제공된다("Cavitation: A technology on the horizon", Current Science 91 (No. 1): 35-46 (2006)). 본 시스템과 방법의 특정 실시형태의 고전단 혼합 장치는 캐비테이션을 유도하고, 이에 의해 수소와 탄화수소 화합물일 자유 라디칼로 분해되며, 이는 이후 반응하여 저비등 분해 생성물 화합물을 생성한다.
일부 실시형태에서, 본원에 개시된 시스템과 방법은 외부 고전단 장치(40)를 사용하지 않고도 이전에 가능했던 것보다 작고 및/또는 덜 자본 집약적인 공정의 설계를 가능하게 한다. 개시된 방법의 특정 실시형태의 잠재적인 이점은 기존의 공정보다 감소된 작동 비용과 증가된 생산이다. 개시된 공정의 특정 실시형태는 또한 새로운 공정의 설계에 대해 감소된 자본 비용의 장점을 제공한다. 실시형태에서, 고전단 장치에 의해 분해될 화합물을 포함하는 탄화수소 유체 내에 수소 함유 기체 분산시킴으로써 미반응 수소(예를 들어, 라인(24)에서 제거된 수소)의 양을 줄인다.
열 분해 또는 증기 분해를 통한 탄화수소 유체의 열 분해 또는 증기 분해를 위한 본 방법 및 시스템은 외부 고전단 기계 장치를 채용하여 반응기/고전단 분산기 장치 내의 제어된 환경에서 화학 성분의 신속한 접촉과 혼합을 제공한다. 고전단 장치는 반응에 대한 물질 이동 한계를 줄이고, 따라서 전체 반응 속도를 증가시키며, 실질적인 반응이 일어나지 않을 것으로 예상될 수 있는 전체 작동 조건에서 실질적인 열 분해 또는 증기 분해를 가능하게 할 수 있다.
실시형태에서, 본 개시의 공정은 외부 고전단 혼합의 부재를 포함하는 종래의 열 분해 또는 증기 분해 공정에 비해 바람직한 탄화수소에 대한 높은 선택성을 제공한다. 실시형태에서, 외부 고전단 장치에서의 혼합의 정도는 원하는 배출 생성물 프로파일을 달성하기 위해 변경된다. 실시형태에서, 본 개시의 고전단 열 분해 또는 증기 분해 공정은 낮은 온도에서 반응기(10)가 작동할 수 있게 하며, 따라서 더욱 긴 탄화수소가 생성된다. 실시형태에서, 탄화수소 공급원료의 열 분해 또는 증기 분해를 위한 본 시스템 및 방법의 사용은 분해/수소화 속도를 증가시켜(물질 전달 저항을 감소시켜) 감소된 양의 수소의 사용을 경제적으로 가능하게 한다.
고전단 작용의 사용은 또한 FCC 생성물의 황 함량을 더 감소시킬 수 있는데, 이는 수소 라디칼을 방출하고 다시 생성물 내의 황과 반응하는 메탄 또는 다른 수소 풍부 기체의 첨가에 의해 과잉의 수소가 생성되는 때문이다. 이는 황 수준을 감소시키고, 예를 들어, 수소처리 마무리, 수소화 탈황과 같은 하류 처리에 대한 황의 양을 감소시킨다.
실시예 1
나프타 분해를 위한 개선된 공정 및 시스템
도 3을 참조하면, 나프타 처리를 위한 고전단 시스템(HSS, 300)은 나프타 소스(301), 반응물 원료(들)를 포함하는 반응기(320), 및 원하는 경질 탄화수소 스트림을 생성하기 위한 다수의 처리, 분리, 및 정제 단계를 포함한다. 반응기(320)는, 예를 들어, 가열로 반응기와 같은 나프타의 증기 분해에 적합한 임의의 반응기를 포함한다. 대안적으로, 반응기(320)는 가열기이다. 고전단 장치(315)는 연속상인 나프타로의 분산상의 반응물의 개선된 분산을 제공한다. 또한, 상기한 바와 같이, 고전단 처리 시스템은 생성물 스트림 내에 탄화수소의 분포를 변경하도록 구성되어, 탄화수소 분자량 및/또는 사슬 길이의 좁은 분포를 형성한다. 탄화수소 분자량의 분포는 평균치에 대한 분포로 간주될 수 있고; 일부 경우, 분자량 분포는 평균 분자량에 대한 가우스 분포(Gaussian distribution)이다.
나프타 소스(310)로부터의 나프타 스트림(302)은 본 기술분야의 숙련자가 알 수 있는 탄화수소 액체, 왁스, 잔류물, 혼합 탄화수소, 타르 및/또는 나프타의 스트림을 포함한다. 나프타 스트림(302)은 펌프(305)에 의한 추진력을 제공받는다. 특정 경우, 나프타 스트림(302)은 펌프(305)에 의해 가압된다. 선택적으로, 아래에서 설명되는 바와 같이, 나프타 스트림(302)은 제 1 전단 장치(315A)에서 처리되어 나프타 스트림(303)을 형성한다. 제 1 전단 장치(315A)는 펌프(305) 앞에 또는 뒤에 배치되도록 구성된다. 펌프(305)는 연속 또는 반-연속 작동을 위해 구성되며, HSD(315)를 통한 그리고 시스템(300) 전체를 통한 조절된 흐름을 가능하게 하기 위해, 대략 202.65 kPa(2 기압)보다 큰 또는 대략 303.975 kPa(3 기압)보다 큰 압력을 제공할 수 있는 임의의 적절한 펌핑 장치일 수 있다. 실시형태에서, 펌프(305)의 모든 접촉 부위는, 예를 들어, 316 스테인리스강과 같은 스테인리스강을 포함한다. 펌프(305) 외에도, 하나 이상의 추가 펌프(미도시)가 도 3에 도시된 HSS(300)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 반응 시간을 제어하기 위해 압력을 승압시켜 반응기(320) 내의 반응물 흐름을 가속시키기 위해 HSD(315)와 반응기(320) 사이에 펌프(305)와 유사할 수 있는 부스터 펌프가 포함될 수 있다. 펌프(305)는 HSS(300) 전체에 걸쳐 사용한, 사용하지 않은, 또는 불완전한 반응물의 재활용을 위해 구현될 수 있다. 또 다른 예에서, 추가적인 반응물 및/또는 촉매를 HSS(300)의 구성요소에 투입하기 위해 펌프(305)와 유사할 수 있는 보조 급수 펌프가 포함될 수 있다. Dayton Electric Co (Niles, IL)의 Roper Pump Company (Commerce Georgia) 데이톤 압력 부스터 펌프 모델 2P372E인 Roper Type 1 기어 펌프가 HSS(300)를 위한 하나의 예시적인 펌프이다. 펌프(305)는 HSD 공급 스트림(306)을 생성한다.
HSD 공급 스트림(306)은 가압된 나프타 스트림(302)을 포함한다. HSD 공급 스트림(306)은 HSD(315)로 직접 또는 간접적으로 전달된다. HSD 공급 스트림(306)은 임의의 액체 탄화수소 스트림일 수 있다. 또한, HSD 공급 스트림(306)은 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 수단에 의해 황과 무거운 유기 화합물과 같은 바람직하지 않은 성분을 제거하기 위해 수소처리 및 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 다른 수단에 의해 사전에 처리될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 4,619,757호 및 미국 특허 제 6,190,533호를 참조하라. HSD 공급 스트림(306)은 고전단 장치(HSD, 315)로 보내진다. 특정 경우, HSD 공급 스트림(306)의 온도는 하나 이상의 열 교환기에 의해 제어된다. HSD 공급 스트림(306)은 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 임의의 방법에 의해 가열되거나 냉각될 수 있다. HSD 공급 스트림(306)의 온도를 변경하기 위해 외부 가열 및/또는 냉각 열 절단 장치의 사용이 또한 고려된다. 이러한 열 교환기의 일부 비제한적인 예는 본 기술분야에 공지된 쉘, 튜브, 플레이트, 및 코일 열 교환기이다.
HSD 공급 스트림(306)은 또한 가스 스트림(310)과 유체 연통될 수 있다. 가스 스트림(310)은 분산상의 스트림을 포함한다. HSS(300)가 나프타에 대한 증기 분해기를 포함하는 경우, 가스 스트림(310)은 증기 또는 수증기를 포함한다. 대안적으로, 가스 스트림(310) 내의 분산상은 수소, 메탄, 천연 가스, 및/또는 수증기와 같은 다른 기체 성분과 증기의 혼합물을 포함할 수 있다. 가스 스트림(310)은 추가 가스 스트림(312)에 유체 연결되며, 경우에 따라, 가스 스트림(310)은 추가 가스 스트림(312)의 구성성분을 포함한다. 가스 스트림(310)의 주입은 HSD 공급 스트림(306) 내에 분산상의 가스 스트림(310) 및 연속상의 나프타 스트림(302)의 불균일 혼합물을 형성한다. 결합된 HSD 공급 스트림(306)(306 + 310 ± 312)은 HSD(315)에 투입된다.
추가 가스 스트림(312)은 추가의 기체 반응물 및/또는 개선제를 가스 스트림(310)에 추가하도록 작동될 수 있다. 추가 가스 스트림(312)은, 예를 들어, 제한 없이 증기, 수소, 및/또는 메탄과 같은 다수의 기체 반응물을 포함한다. 추가 가스 스트림(312)이, 예를 들어, 촉매 미세입자와 같은 미립자를 가스 스트림(310)에 제공하는 것을 고려할 수 있다. 대안적으로, 추가 가스 스트림(312)은 종래에는 소각되었던 오프 가스용 재순환 스트림을 포함한다. 추가 가스 스트림(312)을 포함하는 가스 스트림(310)은 HSD 스트림(306)에 주입된다. 대안적으로, 가스 스트림(310)은 HSD(315)에 직접 주입될 수 있다.
HSD(315)는 상기한 바와 같은 임의의 HSD이다. 실시형태에서, HSD(315)는 HSD 분산액(318)을 생성하기 위해 다수의 고전단 발생기를 포함한다. HSD(315)는 직렬로 정렬된 고정자와 함께 세 개의 회전자로 구성된 적어도 하나의 고전단 3 단계 분산 장치를 포함한다. 예를 들어, 나프타 내에 분산 가능한 기체의 분산을 형성하기 위해 IKA® 모델 DR 2000/4 분산기가 HSD(315)로 사용될 수 있다. 회전자-고정자 세트는 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 경우에 따라, HSD 공급 스트림(306), 가스 스트림(310), 및 추가 가스 스트림(312)은 HSD(315)의 각 단계를 통과한다. HSD 공급 스트림(306), 가스 스트림(310), 및 추가 가스 스트림(312)은 여기에서 전단을 받아 HSD 분산액(318)을 형성한다.
HSD(315)의 회전자는 회전자의 직경과 원하는 선단 속도에 비례하는 속도에서 회전하도록 설정될 수 있다. 상기한 바와 같이, 고전단 장치(예를 들어, 콜로이드 밀 또는 톱니형 회전자)는 고정자와 회전자 사이에 고정된 간극을 갖거나 조절 가능한 간극을 갖는다. HSD(315)에서의 혼합과 전단은 회전자-고정자 간격을 감소시켜 및/또는 회전자의 회전 속도를 증가시켜 회전자-고정자에서 증가될 수 있다. HSD(315)는 7900 ft/min(40 m/s)를 초과할 수 있는 적어도 4500 ft/min의 선단 속도에서 적어도 300 L/h을 전달한다. HSD(315) 내의 회전 전단부 또는 회전 요소의 선단에서의 온도와 압력의 즉각적인 측정은 어렵지만, 친밀하게 혼합된 반응물에서 보여지는 국부적인 온도는 500℃ 이상이고 압력은 캐비테이션 조건에서 500 kg/cm2 이상으로 추정된다. 고전단 혼합은, HSD 분산액(318)인, 나프타를 포함하는 액체 연속상에서 미크론 및/또는 미크론 미만의 크기의 기포의 분산액을 생성한다. 또한, HSD(315)는 각각의 발생기의 회전자와 고정자 사이에서 원하는 전단을 달성하도록 구성되고 작동될 수 있는 모든 구성성분과 작동 조건을 포함할 수 있다.
HSD(315)에서, 각 단계의 회전자와 고정자는 각각 원주 방향으로 이격된 제 1 단계 회전자 톱니와 고정자 톱니를 가질 수 있다. 특정 구성에서, 회전자-고정자 간격은 단계적으로 감소한다. 대안적으로, 회전자-고정자 간격은 각 단계에서 일정하도록 구성된다. 또한 HSD(315)는 열 교환기를 포함할 수 있다. 비제한적인 예에 있어서, HSD(315)용 열 교환기는 장치의 열 전도성 부분과 접촉하는 열 유체를 보내기 위한 도관을 포함한다. 더욱 상세하게, HSD(315)는 본 기술분야에 공지된 임의의 적절한 기술을 사용하여 냉각될 수 있는 PTFE 씰을 포함한다. 예를 들어, 가스 스트림(310) 및/또는 추가 가스 스트림(312)이 씰을 냉각시키기 위해 사용될 수 있고, 따라서 HSD 공급 스트림(306)으로의 진입 이전에 원하는 대로 예열될 수 있다.
HSD(315)는 결합된 HSD 공급 스트림을 회전자-고정자 단계를 통해 흐르게 하여 HSD 분산액(318)을 형성하도록 구성된다. 예를 들어, HSD 공급 스트림은 제 1 단계의 고정자-회전자 조합에 진입하여 제 1 단계의 혼합과 전단을 받는다. 제 1 단계에서 배출된 조악한 분산액은 제 2 회전자/고정자 단계로 진입하여 증가된 혼합 및 전단을 받는다. 제 2 단계에서 나온 더욱 감소된, 또는 중간의 기포 크기의 분산액이 제 3 단계의 회전자-고정자 조합으로 진입한다. 제 3 단계의 회전자-고정자는 비교적 높은 혼합 및 전단 조건을 형성하도록 구성된다. 그렇게 구성된 HSD(315)는 각 단계에서 혼합과 전단 조건을 순차적으로 증가시킨다. 대안적으로, 전단 속도는 흐름의 방향을 따라 실질적으로 일정하고, 각각의 단계에서의 전단 속도는 실질적으로 동일하다. 또 다른 구성에서, 제 1 회전자-고정자 단계에서의 전단 속도는 후속 단계(들)에서의 전단 속도보다 크거나 작다.
HSD 공급 스트림(306)은 HSD(315)에서 고전단 조건을 받는다. 가스 스트림(310)과 HSD 스트림(306)의 나프타 스트림(302)은 HSD(315)에서 혼합되고, 이는 나프타 내에서 가스의 미세한 분산을 형성하는 역할을 한다. HSD(315)는 고전단 조건에서 가스와 나프타를 친밀하게 혼합시키는 역할을 한다. HSD(315)에서, 가스와 나프타는 고도로 분산됨으로써, 용액으로의 용해 및 반응물 혼합의 향상을 위해 기체의 나노 기포, 미크론 미만 크기의 기포, 및/또는 마이크로 기포가 형성된다. 생성된 분산액은 대략 1.5 ㎛ 이하의 평균 기포 크기를 갖는다. 따라서, HSD(315)에서 배출되는 분산액은 미크론 및/또는 미크론 미만의 크기의 기포를 포함한다. 일부 실시형태에서, 생성된 분산액은 대략 1 ㎛ 이하의 평균 기포 크기를 갖는다. 일부 실시형태에서, 평균 기포 크기는 대략 0.4 ㎛ 내지 대략 1.5 ㎛의 범위에 있다. 일부 실시형태에서, 평균 기포 크기는 대략 400 nm 이하이고, 어떤 경우 대략 100 nm일 수 있다. 기포 크기는 국부 압력과 온도에 의존하며 이상 기체의 법칙에 의해 추정될 수 있다. 실시형태에서, 분산액은 적어도 대략 15 분 동안 대기압에서 분산된 상태로 있을 수 있다.
HSD 분산액(318)은 혼합 탄화수소 생성물 스트림(322, 이하 MHCP)을 생성하기 위해 반응기(320)로 공급된다. 반응기(320)는 높은 온도, 낮은 압력의 나프타 분해에 적절한 임의의 반응기이다. 반응기(320)는 가열로 또는 히터(321)에 결합된 가열로 반응기를 포함할 수 있다. 실시형태에서, 반응기(320)는 반응기(320)와 열 연통되는 유동층 반응기, 슬러리 반응기, 고정층 반응기, 살수층 반응기, 기포탑 반응기 등을 더 포함한다. 반응 속도를 증가시키고, 선택된 생성물로 반응을 유도하고, 및/또는 반응 조건을 변경하기 위해 촉매가 반응기(320)에서 사용되는 경우, 반응기(320)는 추가 구성요소를 제한 없이 포함할 수 있다. 또한, 반응기(320)는 반응 용기 설계의 기술분야에서 공지된 하나 이상의 다음 구성요소를 포함할 수 있다: 대류 가열 영역, 고온 복사 가열 영역, 열 교환기, 교반기, 믹서, 반응 조건 측정 장비, 반응 조절기, 압력 측정 장비, 온도 측정 장비, 하나 이상의 분사 지점, 및 수위 조정기(미도시). 예를 들어, 교반 시스템은 모터 구동 믹서를 포함할 수 있다. 가열 및/또는 냉각 장치는, 예를 들어, 열 교환기를 포함할 수 있다.
반응기(320)는 나프타가 반응기 내의 위치 및/도는 가열로 내의 위치에 따라 대략 200℃ 내지 대략 1100℃ 범위의 온도 및 절대 압력의 101.3 kPa 내지 대략 202.6 KPa(1 기압 내지 2 기압) 범위의 온도에 도달하도록 작동된다. 일반적으로, 파라핀 공급원료에 대해, 대략 400℃ 이상의 온도는 분자 중앙의 분해에서 분자의 단부에서의 분해로의 변화를 유발함으로써, 더욱 많은 양의 올레핀 생성물을 생성한다. 짧은 체류 시간은 또한 반응기의 감소된 코킹 및 증가된 올레핀 생산을 유발한다. 분해된 생성물은 일반적으로 대략 800℃ 내지 대략 900℃ 범위의 온도에서 반응 가열로를 떠난다. 이론에 의한 제한 없이, 올레핀의 생성은 낮은 온도에서 촉진된다. 경우에 따라, 증기가 나프타에 첨가되어 탄화수소의 분압을 감소시키고 코크스 형성을 최소화한다. 일부 구성에서, 반응기(320)의 압력은 대략 202.25 kPa(2 기압) 이하, 또는 대략 101.3 kPa(1 기압) 이하이다. 특정 경우, 주어진 체류 시간 동안 반응기(320)를 통해 HSD 분산액(318)을 전달하는데 필요한 최소 가스 압력을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이론에 의한 제한 없이, 가스 압력은 대략 10 psig 내지 대략 200 psig의 범위 또는 대략 30 psig 내지 대략 100 psig 범위에서 유지될 수 있다. 반응기(320) 내의 체류 시간은 가능하면 짧게 유지될 수 있고, 실시형태에서, 대략 100 밀리초 이하일 수 있다. 분해 공정에서, 제한 없이 수소와 같은 임의의 사슬 종결 요소 또는 분가의 부재에서의 탄화수소의 분해는 에틸렌 및/또는 프로필렌과 같은 바람직한 경질 탄화수소 생성물을 생산하는 이중 결합의 형성을 유발할 수 있다.
특정 경우, 반응기(320)는 반응기(320)의 다수의 구역, 부분, 또는 영역을 통해 HSD 분산액(318)을 이동시키기 위한 가열로 관(321)을 포함한다. 이제 도 4A를 참조하면, 특정 경우, HSD 분산액(318)은 대류 영역(340)에서 반응기(320)로 진입한다. 대류 영역(340)은 대략 200℃ 내지 대략 600℃, 그리고 특정 경우, 대략 200℃ 내지 대략 350℃의 온도로 HSD 분산액을 가열하도록 구성된다. HSD 분산액(318)이 가열됨에 따라, 가열된 분산액(342)이 형성된다. 경우에 따라, 가열된 분산액(342)은 반응기(320)의 복사 영역(344)으로 직접 또는 간접적으로 전달된다. 특정 구성에서, 가열된 분산액(342)은 열 교환 장치(343)를 향해 반응기(320)의 외부로 전달되어 증기 또는 추가 증기를 생성한다. 열 교환 장치(343)는 하나의 유체에서 다른 유체로 열 에너지를 전달하는데 적합한, 숙련자에게 공지된 임의의 장치를 포함할 수 있다. 특정 경우, 열 교환 장치는 역류(counter flow) 열 교환기 또는 직교류(cross-flow) 열 교환기와 같은 열 교환기이다.
대안적으로, 가열된 분산액(342)은 직접 반응기(320)의 복사 영역(344)으로 전달된다. 반응기(320)의 복사 영역(344)은 가열된 분산액의 온도를 대략 600℃ 내지 대략 1100℃의 온도로 증가시킨다. 이론에 의한 제한 없이, 복사 영역(344)은 반응기(320) 내에서의 분해 반응을 포함하여 혼합 탄화수소 생성물 스트림(MHCP, 322)을 생성한다. 경우에 따라, 반응기(320) 내의 체류 시간, 온도 및/또는 압력은 HSD 분산액(318), 나프타 스트림(302)의 성분, 및 MHCP 스트림(322)의 원하는 조성에 의존한다. 추가의 경우에서, 체류 시간, 온도 및/또는 압력은 가스 스트림(310)의 조성에 의존한다.
다른 구성에서, 가열된 분산액(342)은 반응기(320)의 작동을 오염시킬 수 있는 중질 탄화수소 분획을 제거하기 위한 임의의 구성요소로 보내진다. 이제 도 4B를 참조하면, 반응기(320)는 반응기(320)의 다수의 구역, 부분, 또는 영역을 통해 HSD 분산액(318)을 이동시키기 위한 가열로 관(321)을 포함한다. 이 실시형태에서, HSD 분산액(318)은 대류 영역(340)에서 반응기(320)로 진입하고, 공급원료(343)에 의해 분리기(360)로 전달된다. 경우에 따라, 분리기(360)는 플래쉬 드럼을 포함한다. 이론에 의한 제한 없이, 플래시 드럼은 증발기, 플래시 반응기, 또는 숙련자에게 공지된 임의의 다른 증기-액체 분리기일 수 있다. 경우에 따라, 분리기(360)는 대략 200℃ 내지 대략 600℃ 범위의 온도에서 작동하도록 구성되며, 특정 경우, 대략 450℃의 온도에서 작동한다. 내부에서 증기 농도를 증가시키고, 분해 반응을 개시하며, 및/또는 분산액 내의 증기와 나프타 비율을 개선시키기 위해 추가 증기(363)가 분리기(360)에 투입될 수 있다. 분리기(360)는 가벼운 분자량의 탄화수소 또는 가벼운 분획로부터 무거운 분자량의 탄화수소 또는 무거운 분획을 분리하도록 구성될 수 있다. 분리기(360)는 가벼운 탄화수소 분획을 포함하는, 반응기(320)로의 반환 스트림(372)을 형성한다. 특정 구성에서, 반환 스트림(372)은 추가로 열 교환기(미도시)를 통해 전달되어 증기 또는 추가 증기를 생성한다. 열 교환기는 하나의 유체에서 다른 유체로 열 에너지를 전달하는데 적합한, 숙련자에게 공지된 임의의 장치를 포함할 수 있다. 특정 경우, 열 교환기는 역류 열 교환기 또는 직교류 열 교환기이다. 경우에 따라, 반환 스트림(372)은 가열을 위해 대류 영역(340)으로 반환되거나 분해를 위해 직접 복사 영역(344)으로 반환된다. 실시형태에서, 반응기(320)의 복사 영역(344)은 온도를 대략 600℃ 내지 대략 1100℃ 범위의 온도로 상승시킨다. 이론에 의한 제한 없이, 복사 영역(344)은 반응기(320) 내에서의 분해 반응을 포함하여 MHCP 스트림(322)을 생성한다. 경우에 따라, 반응기(320) 내의 체류 시간, 온도 및/또는 압력은 HSD 분산액(318), 가스 스트림(310)의 성분, 및/또는 MHCP 스트림(322)의 원하는 조성에 의존한다.
대안적으로, 분리기(360)는 응축기(370)로 공급되는 미가공의 가벼운 분획의 스트림(361)을 생성한다. 응축기(370)는 스트림 스크러버(scrubber)의 기능을 하며 반환 스트림(372)에서 남아 있는 무거운 탄화수소 분획을 제거한다. 무거운 탄화수소 분획은 반환 스트림(362)으로서 분리기(360)로 반환된다. 실시형태에서, 분리기(360)는 무거운 분획의 스트림(364)을 형성하여 다른 하류 공정으로 전달한다.
실시형태에서, 증기(363)는 분리기(360)와 유체 연통될 수 있다. 분리기는 응축기(370)로 공급되는 가벼운 분획의 스트림(361)을 생성한다. 응축기(370)는 스트림 스크러버의 기능을 하며 반응기 반환 스트림(372)에서 남아 있는 무거운 분획의 탄화수소를 반환 스트림(362)으로서 제거한다. 실시형태에서, 분리기(360)는 무거운 분획의 스트림(364)을 형성하여 추가의 공정으로 전달하거나, 또는 특정 경우 소각 스트림으로서 전달된다.
다시 도 3을 참조하면, 공정의 일부 실시형태에서, 가열로 코킹을 증가시키지 않고 증기의 사용이 대략 5% 이상 감소되고 반응기/가열로에서 배출되는 바람직한 올레핀의 비율이 대략 5% 이상 증가할 수 있도록 하는 HSD(315)의 작동에 의해 이동 저항성이 감소되며 HSD 분산액(318) 내의 반응물의 균일성이 증가된다. (여기서 백분율은 부피% 또는 중량%인데, 이 둘은 서로 동일하기 때문이다). 경우에 따라, MHCP 스트림(322)은 HSD(315)를 사용하지 않고 제공되는 것보다 많은 올레핀 함량을 갖는 탄화수소를 포함한다. 또한, 경우에 따라, MHCP 스트림(322)은 대략 40% 이상의 올레핀 함량을 포함한다. 특정 경우, MHCP 스트림(322)은 대략 45% 이상의 올레핀 함량을 포함한다. 경질 탄화수소의 분포를 포함하는 MHCP 스트림(322)은 퀀치(324)로 보내져서 반응을 중지시키고 역 반응 및/또는 추가 반응을 방지하거나 최소화시킬 수 있다. 실시형태에서, 퀀치(324)는 MHCP 스트림(322)의 온도를 대략 800℃ 내지 대략 900℃ 범위의 온도에서 대략 200℃ 내지 대략 400℃ 범위의 온도로, 그리고 특정 구성에서 대략 300℃의 온도로 줄인다. 탄소, 코크스, 및 다른 바람직하지 않은 탄화수소 화합물의 형성을 방지하기 위해, 일반적으로 대략 1 내지 대략 100 밀리초 내의 매우 빠른 냉각 또는 퀀칭이 바람직하다. 또한, HSS(300) 내의 퀀치(324)는 반응기 퀀치 챔버에 물, 오일, 용매, 및/또는 다른 적합한 액체를 분사함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 퀀치(324)는 내부에 물이 흐르는 도관을 포함하거나, 또는 줄 톰슨 팽창기(Joule Thompson expander), 초크 노즐 또는 터보 팽창기와 같은 운동 에너지 퀀치에서 팽창된다. 실시형태에서, 퀀치(324)는 중질 탄화수소, 무기 액체, 아세틸렌 용매, 물 및/또는 증기, 또는 다른 유체를 MHCP 스트림(322)에로 투입하는 단계를 포함한다. 퀀치(324)는 진행중인 반응을 약화시키기 위해 MHCP 스트림(322)에 충분한 양의 액체를 투입하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 퀀치(324)는 추가 반응 및 전환을 중지시키거나 최소화하기 위해 MHCP 스트림(322) 내의 올레핀 농도를 최대화하기 위한 수단으로서 MHCP 스트림(322)에 도입될 수 있다. MHCP 스트림(322)을 퀀칭하여 퀀칭된 스트림(326)을 생성한다. 퀀칭된 스트림(326)은 하류 생성물 및 적용을 위해 추가 처리(350)로 보내진다.
다수의 고전단 장치
특정 경우, HSS(300) 내의 반응을 더욱 개선시키기 위해 두 개 이상의 고전단 장치가 사용된다. 두 개 이상의 HSD의 작동은 회분식 또는 연속식일 수 있다. 경우에 따라, HSS(300)는 다수의 고전단 장치 배치의 구현에 대한 이득을 취하기 위해 구성과 공정 흐름의 변화를 포함한다. 경우에 따라, 고전단 장치는, 예를 들어, Hassan 등의 미국 특허 출원 제 2009/0000989호에 개시된 바와 같이, 분해 이전에 나프타 공급원료를 제조하기 위한 전처리 장치로 사용될 수 있다.
고전단 장치에 의한 나프타 내의 개선된 혼합, 자유 라디칼 생성 및 탄화수소 성분의 기계적 전단의 적용은 잠재적으로 최종 생성물 성분의 양호한 선택성 및/또는 시스템 성분의 감소된 오염과 함께 나프타 스트림의 더욱 효율적인 분해를 가능하게 한다. 실시형태에서, 개선된 혼합은 증기의 감소 및 나프타의 분해를 달성하기 위한 관련 에너지 소비의 감소를 가능하게 한다. 일부 실시형태에서, 고전단 혼합 장치는 확립된 공정에 포함됨으로써, 생선의 증가(즉, 더욱 큰 처리량)를 가능하게 한다. 반응기 작동, 온도, 또는 체류 시간을 단순히 증가시킴으로써 분해의 정도를 증가시키려는 일부 방법과는 대조적으로, 외부 고전단 혼합에 의해 제공하는 우수한 분산, 자유 라디칼 생성 및 접촉은 대부분의 경우, 처리량을 유지하거나 심지어 증가시키면서, 전체 작동 온도, 체류 시간, 및/또는 효율성을 줄일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 본 기술분야의 숙련자에 의해 이의 변경이 이루어질 수 있다. 본원에 개시된 실시형태는 단지 예시적인 것이며 제한하고자 하는 것은 아니다. 본원에 개시된 본 발명의 많은 변형과 변경이 가능하며, 본 발명의 범위 내에 있다. 수치 범위 또는 제한이 명백하게 언급되는 경우, 이러한 명시 범위 또는 제한은 명백하게 언급된 범위 또는 제한에 속하는 같은 크기의 반복 범위 또는 제한을 포함하는 것으로 이해되어야 한다(예를 들어, 대략 1 내지 대략 10은 2, 3, 4 등을 포함하고, 0.10보다 크다라는 것은 0.11, 0.12, 0.13 등을 포함한다). 청구항의 임의의 성분에 대한 용어 "선택적으로"의 사용은 해당 성분이 필요하거나, 또는 그렇지 않으면, 필요하지 않다는 것을 의미한다. 두 경우 모드는 청구 범위에 속하는 것으로 의도된다. "포함하는", "구비하는", "갖는" 등의 넓은 의미의 용어의 사용은 "구성되는", "본질적으로 구성되는", "실질적으로 구성되는" 등과 같은 좁은 의미의 용어에 대한 지원을 제공하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 보호의 범위는 위에서 제시된 설명에 의해 제한되지 않으며, 청구항의 요지의 모든 등가물을 포함하는 청구 범위에 의해서만 제한된다. 각각의 모든 청구항은 본 발명의 실시형태에로서 본 명세서에 포함된다. 따라서, 청구항은 추가의 설명이고 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 부가물이다. 본원에 인용된 모든 특허, 특허 출원, 및 공개의 개시 내용은 이들이 본원에 개시된 것들을 보완하는 예시적이고, 절차적인 또는 다른 세부사항을 제공하는 정도까지 참조로서 포함된다.

Claims (28)

  1. 탄화수소의 열 분해 또는 증기 분해를 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
    고전단 장치 내에서 탄화수소 액체 또는 슬러리 스트림을 증기 또는 수소 및 선택적으로 하나 이상의 C1-C6 탄화수소를 포함하는 가스 스트림으로 과포화시켜 과포화된 분산액을 형성하는 단계; 및
    상기 과포화된 분산액을 열 분해 또는 증기 분해 반응기에 투입하여 생성물 스트림을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 과포화된 분산액을 슬러리, 유동층 촉매 또는 고정층 촉매에서 분해 촉매와 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분해 촉매는 고전단 장치 내에서 상기 탄화수소 액체 또는 슬러리 시스템 및 상기 가스 스트림과 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기로부터의 오프 가스의 적어도 일부를 재순환시키거나, 상기 반응기로부터의 생성물 스트림의 적어도 일부를 재순환시키거나, 또는 이둘 모두를 순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 오프 가스는 하나 이상의 C1-C6 탄화수소 및 선택적으로 수소를 포함하고, 상기 오프 가스는 고전단 장치로 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성물 스트림은 개선된 생성물 분포의 탄화수소 화합물을 포함하고, 개선된 생성물 분포는 공급 스트림의 전체에 비해 높은 함량의 C3+ 탄화수소를 의미하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 또는 슬러리 스트림은 비투멘(bitumen), 타르 샌드(tar sand), 아스팔텐(asphaltene), 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 또는 슬러리 스트림은 석유, 동물, 또는 식물 유래 탄화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 또는 슬러리는 코커 하부유(coker bottoms), 잔사유(reduced crudes), 재순환유, 유체 촉매 분해(fluid catalytic cracking, FCC) 하부유, 원유, 진공탑 잔류물, 코커 가스 오일, 순환유, 진공 가스 오일, 탈아스팔트 잔류물, 중유, 석탄 유래 오일, 진공 증류 잔류물, 나프타, 등유, 내화 접촉 분해된 순환 원료(refractory catalytically cracked cycle stock), 고비등 버진 오일(high boiling virgin oils), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산액은 최대 50% 과포화된 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 과포화는 반응기 생성물 스트림 내에 원하는 생성물 분포의 형성을 촉진하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    고전단 하의 상기 과포화는 자유 라디칼 생성 및 자유 라디칼 반응을 촉진하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 과포화된 분산액을 형성하는 단계는 대략 20,000 s-1보다 큰 전단 속도를 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전단 장치는 적어도 하나의 회전자-고정자 조합을 포함하며, 상기 적어도 하나의 회전자는 적어도 22.9 m/s(대략 4,500 ft/min)의 선단 속도(tip speed)에서 회전하여 과포화된 분산액을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화수소 액체 또는 슬러리 스트림을 전처리하여 불순물을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 탄화수소의 열 분해 또는 증기 분해를 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    고전단 작용을 제공하도록 구성되는 적어도 하나의 고전단 장치; 상기 고전단 장치는,
    탄화수소 유체 스트림에 대한 유입구,
    증기 또는 수소 및 선택적으로 하나 이상의 C1-C6 탄화수소를 포함하는 가스 스트림에 대한 선택적 유입구,
    고전단 작용 하에 형성된 과포화된 분산액에 대한 배출구, 및
    전단 간격에 의해 분리되는 회전자와 고정자를 포함하는 적어도 하나의 발생기를 포함하고, 상기 전단 간격은 회전자와 고정자 사이의 최소 거리이고, 상기 고전단 혼합 장치는 5.0 m/s(대략 1,000 ft/min)보다 큰 회전자의 선단 속도를 생성할 수 있고; 및
    상기 고전단 장치의 배출구에 유체 연결된 유입구 및 개선된 생성물 분포의 탄화수소 화합물을 포함하는 생성물 스트림에 대한 배출구를 포함하는 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 반응기 하류에 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고전단 혼합 장치는 적어도 22.9 m/s의 회전자의 선단 속도를 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고전단 장치는 적어도 두 개의 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 고전단 장치는 20,000 s-1보다 큰 전단 속도를 생성하도록 구성되고, 상기 전단 속도는 전단 간격에 의해 분할되는 회전자의 선단 속도인 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 고전단 장치에서 부수 가스(associated gas)를 탄화수소 액체와 혼합시켜 과포화된 분산액을 형성하는 단계; 및
    상기 과포화된 분산액을 수송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 고전단 장치는 오일 생산정(production well)에 근접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 과포화된 분산액은 자유 라디칼 반응에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 과포화된 분산액은 촉매의 작용 하에 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 탄화수소 액체를 탈황시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 탄화수소 액체를 수소처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 과포화된 분산액은 기존의 파이프라인을 통해 이송되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    파이프라인을 따라 하나 이상의 고전단 장치를 이용하여 액체 내의 기체의 과포화를 유지 또는 향상시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180079148A (ko) * 2016-12-30 2018-07-10 대한민국(산림청 국립산림과학원장) 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기
WO2022270702A1 (ko) * 2021-06-24 2022-12-29 주식회사 엘지화학 합성가스의 제조방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3049954A1 (fr) 2016-04-08 2017-10-13 Ifp Energies Now Utilisation de zeolithe nu-86 pour le procede de craquage catalytique de naphtha
KR20220109788A (ko) * 2021-01-29 2022-08-05 주식회사 엘지화학 합성가스의 제조방법

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57123290A (en) * 1981-01-25 1982-07-31 Chiyoda Chem Eng & Constr Co Ltd Method for converting heavy hydrocarbon oil into light fractions
EP1557395B1 (en) * 2004-01-22 2012-07-04 Panasonic Corporation Hydrogen generator and fuel cell system
US7214309B2 (en) * 2004-09-10 2007-05-08 Chevron U.S.A. Inc Process for upgrading heavy oil using a highly active slurry catalyst composition
US7648626B2 (en) * 2006-12-21 2010-01-19 Exxonmobil Chemical Patents Inc. Process for cracking asphaltene-containing feedstock employing dilution steam and water injection
US8021539B2 (en) * 2007-06-27 2011-09-20 H R D Corporation System and process for hydrodesulfurization, hydrodenitrogenation, or hydrofinishing
US7931798B2 (en) * 2008-03-11 2011-04-26 Exxonmobil Research And Engineering Company Hydroconversion process for petroleum resids by hydroconversion over carbon supported metal catalyst followed by selective membrane separation
US8821713B2 (en) * 2009-12-17 2014-09-02 H R D Corporation High shear process for processing naphtha
US9133398B2 (en) * 2010-12-22 2015-09-15 Chevron U.S.A. Inc. In-situ kerogen conversion and recycling

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180079148A (ko) * 2016-12-30 2018-07-10 대한민국(산림청 국립산림과학원장) 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기
WO2022270702A1 (ko) * 2021-06-24 2022-12-29 주식회사 엘지화학 합성가스의 제조방법

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