KR100791216B1 - 상향식 이동상 촉매에 의한 접촉촉매분해 방법과 그장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 탄화수소를 접촉촉매분해{Contact Catalytic Cracking}라는 방법으로 분해하여 경질유를 생산하는 공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 기술로서 정유공정에서 중질유를 분해하여 경질유를 만드는 유동층접촉촉매분해{FCC, Fluidized Catalytic Cracking} 공법과 폐합성수지를 이동상접촉촉매분해{MBCC, Moving Bed Catalytic Cracking} 방법으로 분해처리 하는 공법 등과 대비해 볼 때, 소형화 설계가 가능하고 안전하며 분해효율이 높도록 촉매의 운용과 공정제어에서 독창적인 방법으로 새롭게 설계를 한 신공정 장치에 관한 것이다. 즉, 촉매의 분해 방법에서 촉매의 흐름 방향은 리프트{Lift} 가스를 쓰는 유동층 분해반응과 같이 상향식으로서 촉매가 위로 올라가나 그 형상은 유동층이 아닌 이동상{Moving Bed} 형태를 띠는 것을 특징으로 하는 분해단계와, 촉매의 재생 방법에서는 유동층과 유사하게 균일한 공기 흐름을 제공하는 하향식 이동상 재생탑을 사용하며 아울러 촉매의 착화에 가열가스가 아닌 균일하게 배치된 전기식 가열장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 재생단계로 이루어져 있다. 이 발명은 전체적으로 소형화 설계가 가능하여 특히 폐합성수지, 폐비닐, 폐타이어 같은 소규모 폐기물의 오일화 분해 처리에 적합한 공법이며 특히 본 발명은 촉매분해 장치와 촉매재생 장치 사이에서 촉매의 순환운전에 필수적 요소인 안정적인 제어방법과 분해가스 누출에 의한 발화를 근본적으로 차단하는 방법을 구체적인 제시하여 기술의 상용화에 매우 유용한 공법이다.

접촉촉매분해, 유동층, 상향식이동상, 버켓엘리베이터, 촉매재생탑.

Description

상향식 이동상 촉매에 의한 접촉촉매분해 방법과 그 장치{The Method and System for Contact Catalytic Cracking by Upward Moving Bed Catalyst}

도면 1은 본 발명의 일실시 예에 있어서 장치의 개략도이다

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 혼합기{Mixer}

2 : 상향식 이동상 촉매분해 장치{Bucket Elevating Cracker}

3 : 재생용 촉매 저장장치{Catalyst Hopper

4 : 이동상 촉매 재생기{Catalyst Regenerator}

5 : 반응용 촉매 저장장치{Catalyst Hopper}

6 : 방열히터{Aero Fin Heater}

7 : 전기히터{Electric Heater}

8 : 공기분배기{Air Distributer}

9 : 버켓엘리베이터{Bucket Elevator}

10, 11, 12 : 촉매이송장치{Screw Feeder}

13 : 레벨센서{Level Sensor}

14 : 흡입블로워{Suction Blower}

[문헌1]Reza Sadeghbeigi. Fluid Catalytic Cracking Handbook,

텍사스 휴스턴, 1995, 1-36쪽(Process Flow Description)

[문헌2] 대한민국 공고특허 10-0241543

PCT/JP94/001302 (구로키 다케시) 1994.08.05

[문헌3] 대한민국 공개특허 특2002-0052168

PCT/CN2000/00196 (츄 지프) 2000.07.13

[문헌4] 일본국 특허출원 공개번호

特開平9-310075 (후루카와전기공업(주)외 11) 1997.12.0

본 발명은 탄화수소 분해에 탁월한 성능을 발휘하는 접촉촉매분해 공법의 한 종류로써 보다 상세하게는, 촉매의 분해방법은 상향식 이동상으로 하고 촉매의 재생방법은 전기가열식 이동상으로 하여 분해와 재생의 효율을 올리고 아울러 촉매순환의 정확한 제어방법과 분해가스의 발화가 없는 안전한 장치에 대하여도 구체적인 방법을 제공함으로써 폐합성수지의 분해 처리에 적합한 소형화된 공법을 다양한 용도로 널리 사용 할 수 있게 하기 위함이다.

참고로 본 발명에 인용되는 분해촉매는 본 기술 분야에서 전통적으로 탄화수소의 접촉촉매분해 방식에 흔히 사용되는 촉매로서 제오라이트{Zeolite} 계열의 구 형입자상 형태를 띠는 고체산 촉매{Solid Acid Catalyst} 종류를 말한다.

인용 문헌책자 Fluid Catalytic Cracking Handbook에 의하면 접촉촉매분해 {Contact Catalytic Cracking} 공법이란 외부가열을 하는 열분해 공법에 대비한 표현으로서 탄화수소 고분자를 분해함에 있어서 분해에 필요한 수단인 열을 제오라이트 형태의 고체산 촉매에 실어서 혼합 접촉시켜 공급하는 방식으로 , 촉매의 산Acid 특성과 넓은 기공면적(약 200-800㎡/g )이 작용하여 아스팔트{Asphalt}와 같은 중질유를 짧은 시간 안에 대량의 경질유로 분해시키는 기술을 말하며, 아울러 탄화수소가 분해되는 과정에서 생성되어 촉매 기공 속에 잔류 침적하는 카본을 공기로 산화시켜 재생함으로써 촉매를 계속 사용하게 하는 공정을 포함한 순환루프Loop 식의 연속적인 촉매분해공법을 말한다. 특히 정유사에서는 이 공법을 촉매가 고속으로 분해반응을 수행하도록 유동층 형태인 유동층접촉촉매분해{FCC, Fluidized Catalytic Cracking} 방식으로 발전시켜, 감압증류 공정의 최종 잔류물인 대량의 아스팔트{Asphalt}를 더 이상의 분해잔류물이 없이 다시 휘발유, 등유, 경유 등과 같은 경질유로 분해하는 공정에 사용하고 있다. 이 공법의 핵심 중 하나인 유동층 접촉촉매분해 반응관{Riser}에서는 촉매파우더를 초당 15-25m로 쏘아 올려 유동층을 만들며, 그 속으로 분사된 아스팔트는 산 분해촉매에 의하여 수초 만에 가스 오일 형태로 분해되어 반응관 상부에 있는 사이클론Cyclone에서 촉매와 분리된 다음, 후 공정에서 응축/증류/정제 과정을 통하여 여러 종류의 경질유로 회수된다. 위와 같은 이유로 유동층 접촉촉매 분해 장치는 반응관과 사이클론을 합한 높이가 30-50m에 이르고, 1일 분해처리 능력도 3만-10만 배럴 규모인 대형장치로서 근본적으로 소규모화가 불가능한 구조를 갖고 있어서 다른 용도로의 개발이 제한되어 왔다. 아울러 촉매를 재생하는 재생탑도 규모가 보통 600-1,000톤에 이르며, 상방에서 하방으로 흐르는 밀도 높은 유동층 촉매에 하부로부터 버너 등을 이용한 가열가스를 고압으로 불어넣어 촉매에 침적된 카본이나 미 증발 탄화수소를 착화시킨 다음 계속하여 공기를 불어넣어 태우는 방식을 사용하는데, 균일한 촉매 재생을 위해서는 촉매는 유동상{Fluid Bed} 형태를 유지해야 하고 공기의 흐름도 통로{Channel}화 현상이 없이 플러그 플로우{Plug Flow} 형태여야 하는 관계로 고압의 공기 흐름을 유지하기 위하여 장치의 대형화를 필요로 한다.

종합하여 살펴보면 유동층 접촉촉매분해 공정에서는 장치를 일정 규모 이상으로 운영해야만 촉매의 유동층 불균일에 의한 공정트러블을 막을 수 있음을 보여주는데, 그런 소형화가 어려운 기술적 문제를 피하기 위해 유동층을 변형한 형태로 접촉촉매분해 공정을 이용하려는 기술들이 여러 번 제안되었다.

특히 합성수지는 대부분 포화 탄화수소 형태여서 접촉촉매분해 공법을 적용하여 분해를 하면 액상의 경질유 품질이 아스팔트의 분해유 보다도 훨씬 좋은 특성을 갖고 있다. 따라서 폐합성수지를 분해하여 경질유를 제조하려는 많은 시도가 있었으며 간단하게 외부가열식의 열분해 방법 외에도 분해오일의 품질향상과 연속적인 운전을 목적으로 하는 접촉촉매분해 공법의 시도가 많이 있어왔다.

인용한 종래기술의 문헌정보 특허들은 유동층접촉촉매분해 공법의 촉매분해,촉매재생 원리를 이용하여 폐합성수지를 분해하여 경질유를 얻고자 제안된 것으로 그들의 공통된 특징은, 촉매의 운용형태가 유동층이 아닌 이동상{Moving Bed} 방식 을 취하고 있으며 촉매분해 장치에서 촉매의 흐름 방향도 상향식이 아닌 하향식 형태를 하고 있고, 촉매재생 장치에서는 수직형 재생탑에서 연소열에 의한 착화방식이 아니고 촉매 착화원{Ignition Source}으로 별도의 가열공기나 화염을 지속적으로 사용하는 방식이 제안되었다. 그러나 인용한 문헌정보 특허에서 이동상 촉매를 이용한 폐합성수지 접촉촉매분해 특허 공정들의 단점은

첫째, 분해 장치에서 촉매와 원료의 혼합물 흐름 방향이 하향식으로 이동상의 상부에 지속적으로 떨어져 적층되는 형상이라 아래로 내려갈수록 촉매 기공 속에서 생성된 분해가스는 밀폐압력으로 이탈이 어렵고, 상부쪽으로 촉매층을 뚫고 증발하기도 어려워 수율이 저하되는 현상이 공통으로 보이며, 이를 보완하기 위한 추가적인 내부 가열장치 역시 이동상 내부에서 촉매 경로를 더욱 복잡하게 만들어 결국 FCC 방식의 최대 장점인 촉매로부터 분해가스의 신속한 이탈 특성을 제대로 구현하지 못하였고,

둘째, 정유사의 유동층 촉매분해반응기의 촉매재생 방식은 열이 아래에서 위로 흐르는 자연적 원리를 이용하여 수직형 재생탑 하부에서 가열가스를 공급하여 촉매가 일단 점화, 재생되기 시작하면 그 열을 점화원으로 계속 사용하므로 그 이후는 공기만을 균일하게 공급하는 방식이고 촉매의 형태도 공기가 잘 흐르도록 유동층을 형성하는 대형의 수직탑 구조를 하고 있으나, 문헌정보 특허들의 방식은 촉매의 유동층 형성 여부나 수직재생탑에 대한 구체적 제안이 되어 있지 않거나 수평형 연소 킬른{Kiln} 형태를 제시하고 있으며, 촉매의 완전한 재생을 위해서는 지속적으로 가열 가스나 화염 등의 열사용을 요구하여 에너지효율 측면에서 비경제적인 방법으 로 보이며,

세 번째 단점은, 소형화 설계를 할수록 사용되는 사용촉매의 양이 적어지기 때문에 촉매는 각 장치마다 정확한 양으로 유지되면서 전체적인 순환흐름이 제어되어야 하는데, 450℃~750℃인 촉매의 양을 각각의 장치에서 정확히 측정할 기구가 구체적으로 제안되어 있지도 않으며 아울러 균일한 이송을 위한 기구와 방법이 구체적으로 제안되어 있지 않았다.

위 인용한 문헌정보 특허의 네 번째 단점은, 분해반응기들이 촉매로부터 분해가스를 강제로 이탈, 방출시키기 위하여 양(+)압으로 운전되거나 촉매를 상부로 이송시키기 위하여 고압송풍기를 사용하거나 촉매를 재생하기 위하여 고압의 가열가스를 불어 넣는 방식이라 각 장치 간에 압력차이가 발생하면 절대 거리가 짧은 소형장치에서는 입자상 촉매의 공극 사이로 유체들이 장치들 간에 이동될 가능성이 매우 커 보인다. 즉, 폐합성수지 촉매분해의 생성물인 가스 오일은 쉽게 누출되는 인화성 가스로서 이들과 공기가 가득 찬 촉매 재생기 사이에 철저히 분리된 계(界)를 이루지 않으면 발화에 의한 화재의 위험과 수율감소 혹은 불완전 연소 카본으로 인한 품질 저하 등이 엿보이는데 이를 대비한 강구책이나 장치를 보여주지 못하고 있다.

따라서 본 발명은 고분자 탄화수소를 이동상 접촉촉매 분해방식으로 경질유를 생산함에 있어서 기존 특허들의 문제점을 개선하여 실제적으로 상용화가 가능한 공정을 개발하는 것으로서 이를 위하여,

첫째, 촉매분해 반응기에서는 촉매하향식에 따른 촉매의 지속적 적층으로 분해 가스의 이탈과 증발을 방해하는 현상을 회피하고 촉매의 흐름 방향과 분해가스 오일의 흐름 방향을 갖게 하여 자연스런 열효율이 이루어지는 장치에 대한 기술을 제공하고,

둘째, 촉매 재생에서는 이동상 촉매재생탑에서도 유동층의 효과를 기대할 수 있는 신기술과, 촉매의 연소열이 계속적으로 착화원{Ignition Source}이 되어 연속적인 열의 공급이 필요 없는 경제적인 재생기술을 제공하고,

셋째, 안정적인 촉매순환을 위한 구체적인 기술을 제공하며,

넷째, 각 장치간의 압력차에 따라 촉매입자 공극 사이로 유체가 이동하여 발생할 수 있는 발화현상을 근본적으로 제거할 기술을 제공하여야 한다.

본 발명의 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위해서는 촉매의 분해반응에서 촉매의 흐름 방향은 기존 특허들과는 반대로 하방에서 상방으로 흐르게 하여 아래로부터 촉매에 도입된 열이 위로 흐르면서 이탈한 분해가스에 자연스럽게 증발 운동성을 부여하고, 상향식으로 움직이는 촉매이동상의 규모도 최소단위로 분리하여 이송하는 방식을 채택함으로써 촉매의 적층 현상으로 인한 분해가스의 이탈방해가 생기지 않도록 한다.

본 발명의 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 첫 번째 구체적 장치로는 상향식 이동상 촉매분해장치{Bucket Elevating Cracker}가 있는데 내부에는 하방에서 상방으로 촉매를 이송시키는 버켓 엘리베이터{Bucket Elevator}와 분해장치 내부의 온도를 제어하는 전기히터가 장착되어있다. 이 버켓 엘리베이터는 촉매가 담겨있는 버켓Bucket과 상하로 순환 회전하며 이동경로를 만드는 콘베어 링크{Conveyor Link}, 외부로부터 동력을 콘베어 링크에 전달하거나 움직임을 지지하는 스프로켓 기어{Sprocket Gear} 등으로 구성되어 있으며 이들 장치 전체는 완전히 밀봉되어 외부로 가스의 유입이나 누출이 없도록 설계를 하였다.

촉매가 담겨져 이송되는 버켓은 그 용량이 소규모 단위로 50리터 미만이 바람직하며 그 외벽은 메쉬 스크린{Meshed Screen}으로 만들어져 있어 촉매 속에서 생성된 분해가스 오일은 쉽게 밖으로 이탈이 가능하다. 버켓 엘리베이터의 크기와 그 수는 반응 시간의 결정과 매우 중요한 관계를 갖게 하는데 이동상 촉매분해 반응기에서 바람직한 분해 반응 시간은 3분- 10분 사이로 이를 고려하여 버켓의 크기, 수와 콘베어의 길이를 결정한다. 상향식 이동상 촉매분해 장치 내에 장착된 온도제어 장치는 분해반응의 온도를 유지하는 보조적 역할을 수행하는데 만일의 산소 유입으로 인한 발화를 방지하기 위하여 복사열 방식의 히터가 사용되며 제어 온도는 450℃-550℃범위가 바람직하다.

본 발명의 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 두 번째 구체적 장치로는 상향식 이동상 촉매분해 장치에서 생성된 분해가스 오일을 흡출하여 신속히 밖으로 빼내는 장치이다. 이 장치는 분해가스 오일의 압력을 측정하는 압력센{서Pressure Transmitter}와 배출을 담당하는 흡입블로워{Sucton Blower}로 이뤄져 촉매분해 반응기와 촉매 재생기 사이에 압력차가 발생하지 않게 하면서 분해가스 오일을 회수한다.

본 발명의 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위해서는 이동상 촉매 재생탑의 형태는 수직형으로 하여 하부에서 올라오는 연소열이 상부에 계속 적층되는 촉매속의 카본 등을 쉽게 착화 연소하도록 하고, 이동상에서도 유동층과 같은 공기 흐름 효과를 내도록 재생탑내에 상하로 다단계의 공기투입 장치를 설치하며, 착화열 소스를 간단하게 제공하기 위하여 재생탑 내부에 전기히터를 공기분배기와 같은 수로 설치한다.

본 발명의 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 첫 번째 구체적 장치는 수직형 촉매재생탑{Catalyst Regenerator}으로서 촉매의 재생시간을 3분에서 10분 정도 부여하여 내경과 용량을 설계하며, 재생탑 내벽은 연소열에 의한 과열을 방지하도록 캐스터블{Castable}을 시공한다.

본 발명의 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 두 번째 구체적 장치는 촉매재생탑 내부 상하에 균일하게 분포하도록 장착하는 다단계 공기분배기{Air Distributer}와 전기히터이다. 다단계 공기분배기는 촉매재생탑에 고루게 분포하여 공기를 불어 넣어줌으로써 비록 촉매 층이 이동상이지만 유동상에서와 같은 균일한 공기 흐름을 가능하게 하며 모두 전기히터와 한 쌍을 이루어 장착을 하게 한다. 이 경우 각각의 전기히터는 공기분배기 바로 위에 설치는 하는데 이는 효과적인 열 공급과 함께 전기히터가 공기 정체에 따른 과열로 손상을 막기 위함이다.

본 발명의 세 번째 기술적 과제를 해결하기 위해서는 촉매 재생기 및 촉매 저장장치에서 촉매 로딩{Loding}양을 실시간으로 정확히 측정하여 이들 데이터가 촉매이송장치의 제어속도에 연동하여 운전되도록 한다.

본 발명의 세 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 첫 번째 구체적 장치는 순환하 는 촉매 반응기와 촉매 재생기 사이에 있는 2개의 촉매 저장장치{Catalyst Hopper}에 무게를 측정하는 로드셀{Load Cell}이며, 이 로드셀이 장치에 연결된 배관 등에 의하여 무게 변동의 영향을 받지 않도록 촉매 저장장치의 연결은 모두 후렉시블{Flexible} 배관을 사용한다.

본 발명의 세 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 두 번째 구체적 장치는 촉매재생기 상부에서 촉매의 레벨을 측정하는 장치이다. 이 장치는 레이저를 이용하여 촉매 상부의 높이를 측정하는 장치로서 재생기 상부 연소로에서 분진과 화염으로부터 측정 오차를 제거하기 위한 별도의 측정관을 사용한다.

본 발명의 세 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 세 번째 구체적 장치는 촉매 저장장치와 촉매 재생장치의 하단에 장착된 나선형 이송관{Screw Feeder}과 촉매 반응기 내에 있는 전술한 버켓 엘리베이터이다. 이 두 장치는 주파수제어장치에 의해 제어되는 감속모터에 의해 작동되며 상기한 로드셀의 무게와 레이저 센서의 측정값에 의하여 속도가 조절된다. 본 발명에서는 모두 4개의 장치에 촉매가 담겨지는데 촉매재생기과 촉매 저장장치의 촉매량을 측정, 제어함으로써 촉매반응기의 제어는 필요 없게 된다.

본 발명의 네 번째 기술적 과제를 해결하기 위해서는 먼저 각 장치 사이에 압력차가 나지 않도록 원리적 설계를 하는 것이며 아울러 미세하게 발생하는 압력차이로도 유체가 이동하지 못하도록 분해반응기와 촉매재생기 사이에 촉매를 이용한 차단막을 설치하는 일이다

본 발명의 네 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 첫 번째 구체적 장치는 전술한 촉매저장 장치로서 촉매의 불 균일 흐름에 대한 완충 역할도 하지만 분해반응기내의 분해가스 오일과 촉매재생기의 공기가 접촉하여 발화하는 현상을 근본적으로 차단하는 물리적 장치이다. 이 장치의 충분한 효과를 위해서는 압력손실 설계를 하여 저장촉매의 높이를 결정해야 한다.

본 발명의 네 번째 기술적 과제를 해결하기 위한 두 번째 구체적 장치는 촉매재생장치 상부에서 연소가스의 열팽창에 의한 과도한 양(+)압을 제거하기 위하여 연소가스 배출구 후단에 열교환기를 설치하여 연소가스의 부피를 대폭 줄여 줌으로써 쉽게 배출되도록 하는 것과, 촉매재생장치 하단으로 빠져나가는 고압의 재생공기가 하단의 촉매저장 장치에 압력부하를 주지 않고 배출가스 방향으로 다시 빠져나가도록 압력평형 배관을 해두는 것이다.

본 발명에서 주요 구성 장치들을 살펴보면,

첫째, 분해의 원료인 고분자 용융액과 촉매가 만나는 혼합기{Mixer},

둘째, 상향식 이동상 촉매분해 장치{Bucket Elevating Cracker},

셋째, 수직하향식 이동상 촉매 재생탑{Catalyst Regenerator},

넷째, 2개의 촉매 저장장치{Catalyst Hopper},

다섯째, 3개의 촉매 이송장치{Screw Feeder} 등이 있다.

본 발명품을 구성하는 각 장치들의 단계적 작용을 (도면1)에서 자세히 살펴보면,

1. 혼합기{Mixer}

도면1에서 (1)번은 분해의 원료인 고분자 탄화수소 용융액과 재생이 끝난 촉매가 혼합되는 곳이다. 장치 (12)번 촉매이송장치로부터 혼합기(1)에 도입되는 촉매는 분해에 필요한 열량 대부분을 공급하므로 접촉촉매라 부르며 원료와의 혼합비율은 총 분해열과 분해가스의 증발열을 고려하여 결정한다. 본 발명에서 바람직한 촉매와 원료의 혼합 비율은 3-10:1 범위이며 이 때의 촉매온도는 450℃-550℃ 범위이고 원료의 온도는 300℃-350℃ 범위이다.

원통형의 혼합기 내부에는 엇갈리는 다단계의 경사로가 설치되어 촉매가 다단계의 경사면을 흐르면서 떨어질 때 촉매 커튼{Curtain}을 형성하도록 되어 있으며 원료는 혼합기 중간으로 투입되어 촉매와 혼합하게 된다. 분해 초기에 격렬하게 분해반응이 일어나면 순간적으로 저분자 가스에 의해 공비를 형성하며 증발하는 Wax상 물질들이 생기는데 이들은 혼합기 상부로 이동하면서 낙하촉매 커튼에서 촉매에 접촉되어 재분해가 일어난다. 이와 같은 재 분해를 촉진하기 위해서 혼합기 상부에는 분해가스가 빠져나갈 수 있도록 배출라인이 연결된 구조로 되어 있다.

2. 상향식 이동상 촉매분해 장치{Bucket Elevating Cracker}

(1)번 혼합기에서 일부 분해 반응이 일어나며 원료와 혼합된 촉매는 곧바로 (2)번 이동상 촉매분해 장치로 도입된다. (2)번 장치 내에는 하부에 도입되는 촉매를 상부로 이송하는 장치인 (9)번의 버켓 엘리베이터가 설치되어 있으며 각각의 이송 버켓은 촉매를 이동상 형태로 상부로 이송하면서 분해 반응 시간을 부여한다. (9)번 장치는 (10), (11), (12)번 장치와 함께 본 발명의 촉매 순환 속도를 조절하는 기능을 수행한다. 분해 반응이 수행되는 버켓의 외벽은 메쉬망{Meshed Screen} 으로 되어 있어서 버켓에 담긴 촉매에서 생성되는 분해가스 오일은 쉽게 이탈 할 수 있으며 지속적으로 상부로 이동하는 이동상 촉매로부터 열 공급을 받아 증발 역시 쉽게 이루어진다. 이동상 촉매분해 장치 내부에는 열손실을 보상하기 위하여 전기 히터가 장착되어 있는데 발화를 방지하도록 복사열을 방출하는 방식이며 이 히터에 의해 제어되는 촉매분해 반응기의 온도는 350℃-450℃ 범위이다. 촉매분해 장치 상부에는 압력을 측정하는 장치가 있어서 일정한 압력을 유지하면서 그 이상으로 생성되는 분해가스 오일을 강제적으로 배출하는 흡입블로워Sucton Blower 장치(14)가 있다. 이 장치를 운영함으로써 유동층 분해반응기에서와 같은 스팀스트리핑{Steam Stripping}과 후단의 유수분리 공정을 할 필요 없이 반응의 수율을 올릴 수 있다. 아울러 이동상 촉매분해 장치는 분해 된 가스오일과 외부공기가 접촉하지 않도록 완전한 밀봉 구조로 되어 있다. 이 장치의 상부에서 분해 반응이 끝난 촉매는 다음단계로 이송된다.

3. 재생용 촉매 저장장치{Catalyst Hopper}

(2)번 장치에서 반응이 끝난 촉매는 경사로를 따라 (3)번 장치에 도입된다.

이 과정에서 원료 속에 포함되어 분해 되지 않고 촉매 입자 사이에서 남게 된 흙 등의 무기물과 입자상 촉매가 마모에 의해 생성되는 촉매가루 등은 이 경사로에 설치된 스크린을 통해서 별도로 제거된다.

(3)번 촉매 저장장치는 촉매의 높이가 (2)번 분해반응기와 (4)번 촉매재생기 사이에서 발생하는 압력차에 의한 유체 이동을 막는 기능을 수행하도록 충분한 높이를 고려한다. (3)번 장치는 촉매의 무게변화를 측정하는 기능도 갖추고 있는데 이 기 능의 정확성을 유지하기 위하여 외부 장치와의 사이에는 후렉시블Flexible 배관을 사용한다. 아울러 (3)번 장치에는 촉매가 순환도중 손실되는 양만큼 새 촉매를 보충하는 기능도 갖고 있다. 이 장치에서 전체 촉매량을 제어하는 장치는 (10)번 수평형 스크류휘더{Screw Feeder}이다.

4. 이동상 촉매 재생기{Catalyst Regenerator}

(10)번 장치에 의해 이송된 촉매는 (4)번 촉매 재생기에 도입되어 촉매 기공속에 침적 잔류하는 카본을 태우게 된다. 이 과정을 위하여 제일 필요한 것은 촉매속 카본에게 착화 소스{Ignition Source}를 제공하는 일인데 여기에 전기히터(7)가 사용된다. 전기히터는 재생기 내부의 소정한 곳에 균일하게 배치되어 균일한 촉매재생이 일어나도록 하는데 이 전기히터 바로 아래에는 (8)번의 장치인 공기분배기{Air Distributer}가 한 쌍으로 장착되어 전기히터의 발열을 골고루 확산시키는 역할과 재생공기를 공급하는 일을 한다. 전기히터에 의하여 착화된 촉매는 지속적인 공기를 공급받아 스스로 계속 연소가 가능하게 되는데 이때 재생탑 내부의 정상적인 온도는 650℃-750℃ 이다.

위와 같은 정상적인 운전을 위해서는 (7),(8) 장치를 효율적으로 배치하여 균일한 착화와 유동층과 같은 균일한 공기흐름을 유지하도록 해야 한다.

(4)번장치의 연소배관 후단에는 공기 냉각용 열교환 장치가 있어서 연소공기는 압력차이로 쉽게 빠져나가 역압이 발생하지 않음으로 해서 공정 전체에 부담이 되지 않는다. (4)번장치의 촉매량 측정을 위해서는 (13)번과 같은 레이저 반사식 레벨측정기를 장착한다. 이 장치는 분진과 화염에 의한 측정 오차를 없애기 위하여 에어 퍼징{Air Purging} 타입으로 특별히 제작된 것을 사용한다. (4)번 이동상 촉매재생기내에서 촉매의 재생 시간은 하부의 (11)번 수평형 스크류휘더{Screw Feeder}에 의하여 결정되는데 바람직한 촉매의 재생시간 범위는 3분-10분 범위이다.

5. 반응용 촉매 저장장치{Catalyst Hopper}

재생이 완료된 촉매는 (11)번 장치에 의해 촉매 저장장치(5)로 이송되는데 이 장치는 (3)번과 같이 재생기의 공기와 분해반응기의 분해가스 사이에서 경계를 이루는 유체차단 역할을 수행하며 아울러 촉매 속에 존재하는 과열량과 과압을 해소하는 역할을 동시에 수행한다. 이를 위하여 (5)번 장치 내에는 (3)번 장치와 다르게 촉매 냉각용 열교환기가 있어서 반응에 필요한 온도로 제어되어 투입됨으로써 과열 촉매의 투입으로 인한 위험을 제거하였으며, 재생기를 통하여 들어오는 양(+)압 공기가 분해반응기속으로 흐르지 않고 안전하게 배출되도록 연소가스 라인과 압력평형을 이루도록 되어 있다.

(5)번 장치 속의 촉매는 무게가 일정하게 제어되면서 (12)번 장치에 의해 소정의 공급 속도로 (1)번 혼합기에 투입되어 연속된 분해반응을 한다.

본 발명은 기존 이동상 촉매분해 장치특허의 단점인 분해효율 저하, 불균일한 재생과 비 경제적인 열효율, 불확실한 촉매순환제어방법, 분해장치 내부에서의 분해가스 발화 가능성 문제 등을 모두 해결하였으며 아울러 정유사 유동층접촉촉매분해 장치의 특징인 신속한 분해와 균일한 재생 성능을 모두 유지하며 다양한 사이즈의 소형화 설계가 가능한 상향식 이동상접촉촉매분해 공정이다.

폐합성수지는 수집경로나 운반비 등을 고려할 때 한곳에 대량으로 모으기 어려워 수집 단위별 소규모 처리를 하고 있는 실정이며 재활용되는 폐합성수지의 비율은 매우 한정되어 있는데 그 이유는 수집과정에서 다른 종류 간에 혼합이 되었거나 이물질이 포함되어 선별을 더욱 어렵게 하기 때문이다. 이러한 혼합되거나 이물질이 포함되어 재활용이 안 되는 폐합성수지는 환경을 더욱 악화시키고 사회적 처리비용을 가중시킨다.

본 발명은 위와 같이 수집량이 적고 이물질의 포함으로 재활용 비율이 낮은 폐합성수지의 분해처리에 더욱 적합하게 설계되어 있는데 이것은 본 발명품이 이동상 장치의 특성상 처리규모에 맞게 다양한 설계가 가능한 이유와 촉매분해 공정에서 미분해 무기물을 촉매로부터 분리하여 촉매의 성능저하가 없도록 방지하는 기능이 있기 때문으로 특히 처리가 가장 어려운 농촌의 폐비닐 등의 분해처리에 매우 유용하다.

아울러 본 발명은 유동층 접촉촉매분해 장치와 같은 고체산 촉매를 사용하므로 분해된 가스오일은 후단에 일반적인 증류, 정제 등의 분리 과정을 통하여 휘발유, 등유 경유 등과 같은 고급연료유를 생산할 수 있다. 본 발명은 재활용이 어려운 혼합 폐합성수지를 고부가 가치의 연료유로 전환하는 장치이며 유동층 분해 장치와 마찬가지로 분해 잔류물이 전혀 없어 환경보전에 기여도가 매우 높은 장치이다.

Claims (7)

1. 버켓엘리베이터에 의한 상향식 이동상 촉매를 사용하여 폐합성수지를 접촉촉매 분해하는 단계와,

   전기가열식 수직형 촉매재생탑을 사용하여 상기 촉매를 재생하는 단계로 이루어졌으며,

   두 단계 사이에서 촉매의 순환구조를 가지며 순환 구조 내에 각각의 촉매저장 장치가 있는,

   상향식 이동상 촉매에 의한 접촉촉매 분해 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 접촉촉매 분해 단계는 외벽이 메쉬망으로 이루어진 촉매 운반 버켓을 사용하고, 방열히터에 의하여 온도가 제어되며 분해가스의 배출압력이 제어되는 것을 특징으로 하는 상향식 이동상 촉매에 의한 접촉촉매 분해 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 촉매 재생 단계는 촉매 점화용 전기가열식 히터와 그 아래 공기분배기가 한 쌍을 이루어 내부에 여러 단으로 설치된 것을 특징으로 하는 상향식 이동상 촉매에 의한 접촉촉매 분해 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 촉매 저장 장치가 촉매 분해 단계와 촉매 재생 단계의 사이에서 압력 차이에 의한 유체 흐름을 차단하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 상향식 이동상 촉매에 의한 접촉촉매 분해 방법.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기 촉매 순환 구조는 촉매 재생탑의 레이저 반사 방식과 촉매 저장 장치의 로드셀 방식으로 촉매의 양을 측정하여,

   스크류 휘더를 이용해 촉매 순환량을 제어하는 것을 특징으로 하는 상향식 이동상 촉매에 의한 접촉촉매 분해 방법.
7. 메쉬스크린으로 처리된 버켓엘리베이터에 의한 상향식 이동상 촉매를 사용하며, 방열히터에 의해 온도가 제어되고, 압력센서와 흡입 블로워에 의해 배출 압력이 제어되는 접촉촉매 분해 반응기와,

   촉매 점화용 가열식 히터와 공기분배기가 한 쌍을 이루어 내부에 다단계로 설치된 수직형 촉매 재생탑과,

   촉매분해 반응기와 촉매 재생탑 사이에서 두 장치의 압력차에 의해 발생하는 유체 흐름을 차단하는 기능을 하는 촉매 저장 장치와,

   촉매 재생탑은 레이저 반사 방식으로 촉매 레벨을 측정하고, 촉매 저장 장치는 로드셀 방식으로 촉매 무게를 측정하여, 스크류 휘더를 이용하여 촉매 순환을 제어하는 장치

   를 포함하는 상향식 이동상 촉매에 의한 접촉촉매 분해장치.

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