KR100449549B1 - 탄화수소공급원료의주입장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구체적으로 케이스(1), 공급원료(액체)용 주공급관(3) 및 보조 가스 유체용 주입구(2)를 포함하는 접촉 분해 반응기내로의 탄화수소 공급원료 분사장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 공급원료의 주공급관(3)은 케이스(1)의 내부에서 상기 공급원료를 균일하게 분배할 수 있도록 되어 있는 2 이상의 2차 도관(4)으로 분할되고, 상기 2차 도관(4)은 각각 벤투리관형 부재(7)의 주입구와 동축상으로 연결되며, 상기 보조 가스 유체는 상기 벤투리관(7)의 주입구에서 공급원료와 혼합된다.

본 발명의 장치는 특히 중질 탄화수소 공급원료의 접촉 분해에 적용된다.

Description

탄화수소 공급원료의 분사 장치

본 발명은 구체적으로 분사 장치, 특히 유동상 접촉 분해 반응기내에서 탄화 수소 공급원료의 분사 장치에 관한 것이지만, 이에 제한되지는 않는다.

당해 기술 분야에서 F.C.C. 방법으로 명명되는 유동상 접촉 분해 방법에서 탄화수소 공급원료를 컬럼 형태의 반응기에 분사하며, 이때 촉매를 현탁 상태로 유지시키고 본질적으로 상승류를 따라 이송시키거나 (이 경우의 반응기는 "상승기"로 언급됨), 또는 본질적으로 하강류를 따라 이송시킨다 (이 경우의 반응기는 "하강기"로 언급됨).

그러나, 후술하는 바와 같이, 상승기 (상승류 반응기)의 경우에, 하강기 (하강류 반응기)로의 위치 전환이 당업자들에게 공지되어 있으며, 본 발명이 목적으로 하는 바인 공급원료의 주입기는 이러한 2 가지 유형의 반응기로도 확장 적용될 수 있다.

"상승기"에서는, 재생된 촉매를 탄화수소 공급원료의 분사 영역의 하류에서 고온의 유동화된 상태로 캐리어 가스와 동일한 온도 (650℃∼850℃)에서 반응기의 기부에 주입시킨다. 탄화수소 공급원료는 본질적으로 액체 상태에서 통상 80℃∼350℃의 온도하에 반응기에 주입된다.

공급원료의 분사 영역과 반응기의 상부 사이에서, 촉매는 그 에너지의 일부를 공급원료에 제공하여 공급원료를 기화시키고 경질 탄화수소로 분해된다. 이는 가스의 부피를 신속하게 증가시키는 작용을 하므로, 그 가스는 촉매를 가속된 방식으로 반응기의 상부까지 운반할 수 있고, 여기에서 촉매는 탄화수소로부터 분리된다. 탄화수소와 촉매 입자의 혼합물은 상승기의 배출구에서 통상 470℃∼600℃의 평형 온도에 도달한다.

이와 같은 작업중에 공급원료의 소부분(통상 3 내지 12 중량%)은 촉매 입자상에서 고체 탄화수소 또는 "코우크스" 침착물의 형태를 갖는데, 이러한 코우크스의 침착은 촉매의 접촉 활성을 감소시키고 공급원료가 유용한 생성물로 전환되는 것을 제한한다. 따라서, 새로운 분해 사이클을 수행하기 위해서 반응기에 재주입하기 전에 코우크스 침착물을 연소시킴으로써 촉매를 재생시킬 필요가 있다.

촉매상의 코우크스 침착물의 크기는 일반적으로 분사된 공급원료의 중량에 비례한다.

더욱이, 접촉 분해 분야에 있어서 최근 개발된 바에 의하면, 공급원료가 촉매 입자와 접촉시 신속성과 균일성, 따라서 공급원료를 반응 영역에 분사하는 동안에 그 공급원료의 분무 및 기화의 질이 분해 반응의 중요한 요인인 것으로 증명되었다.

접촉 분해 반응기의 반응 영역에 탄화수소 공급원료를 분사하기 위한 다양한 시스템이 종래 기술에 개시된 바 있다.

미국 특허 US-A-4,097,243호는, 예를 들면 이동하는 촉매의 입자 전체에 걸쳐 공급원료를 분배할 수 있는 원추형 단부에 장착된 일련의 관을 포함하는 공급 원료 분사 시스템을 개시하고 있다. 상기 시스템은 액상 공급원료의 일부분이 반응기의 벽과 접촉하여 유해한 코우크스를 과다하게 형성시킨다는 문제점을 야기한다.

미국 특허 US-A-3,812,029호는 공급원료의 미세한 액적을 얻을 수 있는 분사기를 개시하고 있으나, 상기 분사기는 액적을 우수하게 분배할 수 없기 때문에, 탄화수소의 불량한 기화 및 과다한 코우크스 형성을 야기한다. 또한, 중질의 공급원료를 사용할 경우, 상기 분사기는 상당히 빨리 폐색될 수 있다.

유럽 특허 출원 EP-A-220,349호는 평균 직경 약 350 미크론 (35x10^-5m) 이하의 액적을 얻을 수 있고 공급원료와 반응 영역의 벽과의 접촉을 적어도 부분적으로 방지할 수 있는 나선부를 포함하는 분사기를 개시하고 있다. 그러나, 상기 분사기 부근에서의 공급원료 액적의 와동 형성은 촉매 입자의 유출을 교란시키고 역혼합 (back-mixing) 현상을 증가시켜 공정을 수행하는데 유해한 영향을 미친다.

처리하고자 하는 공급원료를 고속으로 매우 미세한 액적의 형태로 분사하는 것에 관한 중요성은 당해 기술분야에 공지되어 있다. (미국 특허 제2,891,000호 및 2,994,659호 참조).

본 발명의 목적은 종래 기술의 탄화수소 공급원료 분사 방법의 단점을 극복하여, 특히 중질의 공급원료를 분해하는 경우에, 분사 영역에서 공급원료를 균일하게, 그리고 즉각적으로 미세한 액적 형태로 분무시킴으로써 촉매의 입자와 탄화수소와의 최적의 접촉을 제공하는 데 있다.

구체적으로, 본 발명에 의하면, 동일한 조건하에 작동하고 네크부 (neck)의 높이에서 동등한 통과 단면적을 가진 단일네크부 (mono-neck) 벤투리관 분사기에서 형성되는 것보다 한층 더 작은 액적을 형성시킬 수 있다.

환언하면, 본 발명은 벤투리관형 분사기의 성능을 향상시킴으로써 분사기내에서 기상과 액상간의 접촉 효율을 증가시킬 수 있다.

벤투리관 분사기는 특히 접촉 분해 방법에서 탄화수소를 분사하기에 적합하다. 이 분사기는 최소한 혼합 챔버, 수렴부 및 분기부를 포함하고, 상기 챔버내에는 탄화수소 공급원료 및 분무화 가스를 저속으로 주입시키며, 수렴부에서는 액상과 기상을 병류식으로 가속시키고, 분기부에서는 기상과 액상을 균일하게 유동시켜 상기 액체를 미세한 액적으로 분무화시킨다. 이와 같은 분사기는 탄화수소를 미세한 액적으로 분무할 수 있으며, 낮은 증기 비율로 이용할 수 있다.

또한, 본 발명은 코우크스를 최소한으로 형성시킬 수 있다.

소정의 액적 크기에 대하여 필요한 증기의 소비량이 감소된다. 이와 관련된 실시 비용의 감소는 사용자의 측면에서는 매우 가치가 있다.

본 발명에 의한 또 다른 장점은 장치의 밀도 (compactness)에 관한 것으로서, 후술하는 비교예를 통해 이러한 장점을 명확히 파악할 수 있을 것이다.

또한 본 발명의 제2 목적은 구체적으로 케이스, 공급원료의 주공급관 및 보조 가스 유체용 분사구를 포함하는 접촉 분해 반응기내에 탄화수소 공급원료의 분사 장치를 제공하는 것이다.

도 1, 도 1A 및 도 1B는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 종단면도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 종단면도이다.

본 발명에 의하면, 공급원료를 공급하기 위한 관은 케이스 내부에서 상기 공급원료를 균일하게 분배할 수 있도록 하는 2 이상의 2차 도관으로 분할되며, 상기 각각의 2차 도관은 벤투리관형 부재의 상류에 연결되고, 보조 가스 유체는 상기 벤투리관의 분사구에 장착된 혼합 챔버내에서 공급원료와 혼합된다.

구체적으로, 상기 벤투리관 부재들은 케이스의 내부에 서로 평행하게 장착된다.

본 발명의 한 실시양태에 따르면, 보조 가스 유체용 분사구는 상기 2차 도관들 중 1 이상에 대해 평행하게 장착된다.

상기 2차 도관들 중 1 이상은 그 내부에 통과 단면 제한부를 구비할 수 있다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 벤투리관형 부재는 그 수렴부에 연장부를 갖는다.

상기 케이스는 상기 벤투리관의 하류에 위치하고 공급원료와 보조 유체 혼합물을 케이스 외부의 반응 영역으로 이송하도록 하는, 개구부를 구비한 종단부(mouthpiece)를 포함하는 것이 유리할 수 있다.

상기 종단부는 평탄한 사출을 발생시킬 수 있도록 배치될 수 있다.

구체적으로, 상기 종단부의 개구부 벽은 약 30∼75° 범위의 각도 α를 형성한다.

특히 본 발명에 의하면, 상기 벤투리관형 부재는 10∼45° 의 수렴부 각도 및 2∼14° 의 분기부 각도를 나타낸다.

본 발명의 장치의 제1 실시예에 따르면, 상기 각각의 2차 도관은 벤투리관의 상류에 거의 동축으로 연결된 1 이상의 오리피스를 포함한다.

본 발명의 장치의 제2 실시예에 따르면, 상기 각각의 2차 도관은 그 단부에서 폐색될 수 있고, 그 외주에 배치되어 있고 2차 유체의 흐름을 횡단하여 공급원료를 공급하도록 되어 있는 다수의 오리피스 또는 슬릿을 포함할 수 있다. 상기 오리피스 또는 슬릿은 벤투리관의 상류에 연결되어 공급원료를 바람직하게는 2차 유체의 흐름에 대하여 수직 방향으로 운반한다.

본 발명에 의한 장치는 중질 탄화수소 공급원료의 접촉 분해에 적용될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 특징과 세부사항 및 장점을 첨부된 도면과 관련하여 구체적으로 설명하고자 하나, 첨부된 도면은 예시적인 것에 불과할 뿐 본 발명의 보호범위를 제한하는 것은 아니다.

도면에 의하면, 세장형 외부 케이스(1)는 그 한쪽 단부에 개구부(2)를 갖는다. 주요 도관(3)은 개구부(2)를 관통하고 케이스(1)의 내부에서 n 개의 2차 도관(4)으로 분할된다.

각각의 2차 도관(4)은 그 도관을 관통하는 유체를 균일하게 분배할 수 있는수렴부(5)를 내부에 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 각각의 2차 도관(4)은 후술하는 바와 같은 특징을 가진 벤투리관(7)의 분사구(6)에 동축으로 연결된다.

벤투리관(6)의 다른 한쪽 단부, 즉 배출구(8)는 원통형 케이스(1)의 배출구의 가까이에 연결된다.

케이스(1)의 배출구는 특정한 형태를 갖는 종단부(9)를 포함할 수 있다. 종단부(9)는 도 1에 도시한 바와 같이 약 30∼75° 의 각도 α를 형성하는 벽을 갖는 개구부를 구비한다.

특히 FCC에 사용되는 경우에, 분해시키고자 하는 공급원료는 주도관(3)을 통해 주입되고, 그 동안에 보조 가스 유체 (통상 수증기 또는 허용가능한 다른 형태의 가스 중기)는 개구부(2)를 통해 주입된다. 공급원료는 각각 제한부(5)를 구비한 n 개의 2차 도관(4) 사이에서 분배된다.

첨부된 도면에 도시된 예에 따르면 4 개의 2차 도관이 구비되어 있다. 본 발명의 장치는 2∼10 개의 벤투리관을 포함할 수 있다. 또한, 도 1의 실시양태에 따르면 상기 도관들의 축은 도 1A에 도시한 바와 같이 동일한 평면에 속한다. 따라서 케이스의 전반적인 형태는 평면형이다.

2차 도관(4)은 그 단부에서 폐색될 수 있고, 공급원료를 2차 유체의 흐름을 횡단하여 공급하도록 되어 있는 슬릿 또는 오리피스를 구비할 수 있다. 각각의 2차 도관의 마개 (도시하지 않음)는 2 가지 유체의 혼합을 촉진하도록 원추형일 수 있다.

따라서 4 개의 2차 도관(4)에 대하여 동축 관계인 4 개의 벤투리관(7)은 공급원료와 보조 유체로 이루어진 혼합물이 형성되는 위치에 각각 분사구(6)를 구비하며, 공급원료는 2차 도관(4)에 도달하고 유체는 2차 도관(4)을 둘러싼다.

따라서 이와 같이 형성된 혼합물은 각각의 벤투리관에서 매우 강하게 가속화된다. 이와 같은 배치에 의하면 액체 스트림의 미세한 액적으로의 전단으로 인해, 거의 즉각적인 분무화를 달성할 수 있다. 따라서 본 발명은 각각의 벤투리관 상류에서 예비혼합을 실시할 수 있으며; 이로 말미암아 가스 흐름에 의한 액체의 도달의 전단 효과에 의해 액체와 가스 사이에서 더욱 밀접한 접촉이 이루어질 수 있다.

더욱 구체적으로, 벤투리관의 수렴부 각도는 10~45° 이고, 분기부의 각도는 2~14° 이다. 배출구(8)에서 각각의 벤투리관의 직경은 현탁액의 배출 유속이 20~150 m/s, 바람직하게는 50~100 m/s가 되도록 계산된다.

각각의 벤투리관은 그 수렴부와 분기부 사이에 직선 영역(네크부)을 포함할 수 있지만, 이러한 특징이 필수적인 것은 아니다.

벤투리관의 종축상에서 측정된 네크부의 길이(1)는 그 직경(D)의 0~5 배인 것이 바람직하다.

각각의 분기부의 길이(L)는 단일네크부 분사기의 길이의 함수로서 정의될 수 있다. 실제로, N 개의 오리피스를 가진 단일네크부 분사기내에서 각각의 분기부의 길이(L1)는 다중네크부 분사기의 네크부들에서 통과 단면적의 합계에 해당하는 네크부에서의 통과 단면적을 가진 단일네크부 분사기의 분기부 길이(L2)보다 작다.

길이(L1)은보다 작다.

길이 (L2)는 통상 네크부의 직경의 0∼20 배이기 때문에, 단일네크부 분사기의 통과 단면적과 동일한 총 통과 단면적을 갖는 4 개의 오리피스로 이루어진 다중네크부 분사기는 해당 단일네크부 분사기의 분기부 길이의 절반보다 작은 분기부 길이 (L)를 가질 것이다.

벤투리관의 크기는 공급원료 및 증기의 속도와 유량 (flowrate)에 좌우됨은 물론이다.

공급원료의 주입 온도는 그 조성과 실시 방법에 따라서 80℃∼250℃가 될 수 있다.

반응기에 공급되는 공급원료의 총 유량은 통상 10,000 톤/일보다 작다. 평균적으로 공급원료의 유량은 5,000 톤/일 정도이다. 본 발명에 의하면, 공급원료는 다수의 분사기로 분배되고, 그 수는 1∼20, 바람직하게는 3∼12이다.

본 발명의 장치내에서 공급원료의 분무를 촉진하는데 이용되는 보조 가스 유체는 통상, 비교적 수소가 농후하거나 수소화된 화합물이 농후한 가스 유체 또는 수증기이다.

구체적인 예를 들면 수증기를 사용할 경우, 수증기의 비율은 공급원료의 1∼10%, 바람직하게는 2∼6%일 수 있다.

벤투리관의 네크부 높이에서, 혼합물의 유량은 통상 2,000∼10,000 kg/s m²이다.

도 2는 벤투리관형 부재(7)가 그 수렴부(6)에서 연장부(10)를 갖는다는 점에서 도 1의 장치와는 상이한 본 발명의 다른 실시양태를 도시한 것이다. 연장부(10)는 2차 도관(4)을 통해 혼합 챔버내로 침투되어 혼합물이 더 잘 분할되도록 한다.

종축을 따라서 측정된 연장부(10)의 길이(Lp)는 혼합 챔버의 길이(Lm)의 절반보다 작은 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 용도는 탄화수소 공급원료의 접촉 분해에 관한 것이다. 본 발명은 특히 공급원료의 10 중량% 이상이 500℃ 이상의 비등점을 가지는 것을 특징으로 하는 중질 공급원료, 예를 들면 수소화처리되거나 수소화처리되지 않은 대기압 증류 컬럼의 기부에서 유래한 분류물을 적어도 일부 함유하는 공급원료의 분해에 특히 적합하다.

촉매/공급원료의 비는 공정 및 유닛의 전체 크기에 좌우된다. 통상 그 비는 3∼15, 바람직하게는 4∼8이다.

(Lc)는 분사기의 종축을 따라서 측정한 수렴부의 길이이며, 2차 도관(4)은 그것의 최대 면적에서 내부로 연결되거나, 수렴부(6)의 가장 큰 면적으로부터 Lc/2의 최대 거리에서 수렴부(6)의 외부로 연결될 수 있다.

촉매와 공급원료 분사기의 상대적인 배치 및 배향으로 인해 공급원료와 촉매가 접촉하는 분사 영역에서 2 가지 매질의 병류 또는 역류 순환이 일어날 수 있다. 프랑스 특허 제2,585,030호는 공급원료와 촉매가 역류식으로 순환하는 접촉 분해 방법 및 장치를 개시하고 있으며, 프랑스 특허 제2,644,795호는 병류식 순환을 개시하고 있다.

본 발명은 2 가지 작동 유형에 구분 없이 적용된다.

일례를 들면 본 발명에 의한 분사기를 사용할 수 있는 접촉 분해 반응기는 목적하는 용량에 따라서 30 cm∼2 m 범위의 직경을 가질 수 있다.

본 발명에 의한 장치는 촉매가 1,000 kg/m³~2,000 kg/m³범위의 입자 밀도를 갖고 재생된 촉매의 온도가 600℃∼900℃인 반응기에서 특히 우수하게 작동한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 방법에 사용할 수 있는 촉매로는 결정질 알루미노실리케이트 유형 및 특정 실리카-알루미나, 실리카-마그네시아 또는 실리카-지르코늄 등의 분해 촉매를 들 수 있으며, 이들은 모두 비교적 높은 분해 활성을 갖는다. 결정질 알루미노실리케이트는 천연 상태로 존재하거나 당업자에게 공지된 기법에 따라 합성에 의해 제조할 수 있다. 이는 합성 제올라이트 또는 점토, 예를 들면 포우저사이트, 특정의 모오데나이트, 몬트모릴로나이트, 가교된 점토, 알루미노 포스페이트 등에서 선택될 수 있다.

비교용으로서 단일네크부 분사기를 사용하는 경우를 비롯하여 2 가지 실시예를 이하에 기술하였다. 제1 실시예 (실시예 1)는 본 발명에 의해 액적의 크기면에서 개선될 수 있음을 예시하며, 제2 실시예는 본 발명에 의한 가스의 소비량의 감소 효과를 명백히 예시한다.

실시예 1

2 가지 분사기의 성능 비교

[표 1]

실시예 2

2 가지 분사기의 가스 소비량 비교

[표 2]

본 발명은 특히 중질의 공급원료를 분해하는 경우에, 균일하고 즉각적인 방식으로 분사 영역에서 미세한 액적의 형태로 공급원료를 분무시켜서 촉매의 입자와 탄화수소와의 최적의 접촉을 제공할 수 있는 분사 장치를 제공한다. 본 발명의 장치에 의하면 코우크스의 형성이 최소화되고 소정량의 액적을 제공하기 위한 증기의소비량이 감소된다.

Claims (15)

1. 케이스(1), 공급원료의 주공급관(3) 및 보조 가스 유체용 분사구(2)를 포함하는 접촉 분해 반응기내로의 탄화수소 공급원료의 분사 장치로서, 상기 공급원료의 주공급관(3)은 케이스(1)의 내부에서 상기 공급원료를 균일하게 분배할 수 있도록 설계된 2 이상의 2차 도관(4)들로 분할되고, 상기 각각의 2차 도관(4)은 벤투리관형 부재(7)의 상류로 연결되며, 보조 가스 유체는 상기 벤투리관(7)의 분사구에 위치한 혼합 챔버내에서 상기 공급원료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 공급원료의 분사 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 벤투리관형 부재(7)들이 케이스(1)의 내부에 서로 평행하게 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보조 유체용 분사구(2)가 상기 2차 도관(4)들 중 1 이상에 대하여 평행하게 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2차 도관(4) 중 1 이상이 그 내부에 통과 단면 제한부(5)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 벤투리관형 부재(7)가 그 수렴부(6)에 연장부(10)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 연장부(10)는 분사 장치의 종축을 따라 측정된 길이(Lp)를 가지며, 그 길이(Lp)는 혼합 챔버의 길이(Lm)의 절반보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 케이스(1)는, 상기 벤투리관(7)의 하류에 위치하고, 공급원료와 보조 유체의 혼합물을 케이스 외부의 반응 영역으로 이송할 수 있도록 설계된 개구부를 구비한 종단부(mouthpiece)(9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 종단부(9)는, 약 30~75° 의 각도 α를 형성하는 상기 종단부(9)의 개구부 벽에 의하여 평탄한 분사를 발생시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 종단부(9)의 개구부 벽이 약 30 내지 75° 의 각도 α를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 벤투리관형 부재(7)가 10∼45° 각도의 수렴부(6) 및 2∼14° 각도의 분기부를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 4 개의 2차 도관(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2차 도관(4)의 축들이 하나의 동일한 평면에 속하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 2차 도관(4)이 벤투리관의 상류에 연결되고 상기 벤투리관(7)과 거의 동축인 1 이상의 오리피스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 2차 도관(4)은, 이것의 외주에 배치되며 부차적인 유체의 흐름에 대하여 횡단하도록 공급원료를 공급하는 벤투리관(7)의 상류에 연결되어 있는 다수의 오리피스 또는 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제1항 또는 제2항의 장치를 사용하여 중질 탄화수소 공급원료를 접촉 분해하는 방법.