KR100945121B1 - 열분해 용도에서 연무 흐름을 환상 흐름으로 전환시키는방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수증기 분해 시스템에서 플래쉬 드럼에서의 비휘발성 성분 제거 효율을 증가시키는 방법에 관한 것이다. 대류 구역으로부터의 기체 흐름을 플래쉬 드럼에 들어가기 전에 연무 흐름에서 환상 흐름으로 전환시켜, 제거 효율을 증가시킨다. 상기 기체 흐름을 먼저 하나 이상의 팽창관에, 이어 다양한 각도의 굴곡부에 가하고 이 흐름의 방향을 1회 이상 변화시킴으로써, 기체 흐름을 연무 흐름에서 환상 흐름을 전환시킬 수 있다. 연무 흐름에서 환상 흐름으로 기체 흐름을 변화시키면, 액적을 합체시키는데, 따라서 증기 상으로부터 제거하는데 도움이 된다.

Description

열분해 용도에서 연무 흐름을 환상 흐름으로 전환시키는 방법{CONVERTING MIST FLOW TO ANNULAR FLOW IN THERMAL CRACKING APPLICATION}

본 발명은 수증기 분해 용도에서 연무 흐름(mist flow)을 환상 흐름(annular flow)으로 전환시켜, 비휘발성 탄화수소의 플래쉬 드럼 제거 효율을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

다양한 탄화수소 공급원료를 올레핀으로 분해시키는데 수증기 분해를 오랫동안 이용해왔다. 종래의 수증기 분해 방법에서는 2개의 주요 구역, 즉 대류 구역 및 복사 구역을 갖는 로(furnace)를 이용한다. 탄화수소 공급원료는 전형적으로 액체로서 로의 대류 구역에 들어가고(증기로서 들어가는 경질 공급원료 제외), 여기에서 복사 구역으로부터의 고온 배연(flue gas)과의 간접적인 접촉에 의해 또한 수증기와의 직접적인 접촉에 의해 가열 및 기화된다. 이어, 기화된 공급원료가 복사 구역 내로 도입되는데, 여기에서 분해가 이루어진다. 생성된 올레핀이 추가의 하류 처리(예: 급랭)를 위해 로로부터 나온다.

종래의 수증기 분해 시스템은 고품질 공급원료(예: 가스유 및 나프타)를 분 해하는데 효과적이었다. 그러나, 수증기 분해의 경제적인 측면에서는 종종 비제한적인 예로서 원유 및 대기압 잔유 같은 저렴한 중질 공급원료를 열분해시키는 것이 바람직하다. 원유 및 대기압 잔유는 1100℉(590℃)를 초과하는 비점을 갖는 고분자량의 비휘발성 성분을 함유한다. 이들 공급원료의 비휘발성 중질 성분은 종래의 열분해로(pyrolysis furnace)의 대류 구역에서 코크스로서 침착된다. 보다 경질의 성분들이 완전히 기화되는 지점 하류의 대류 구역에서는 매우 소량의 비휘발성 성분만이 허용될 수 있다. 또한, 수송하는 동안 일부 나프타가 원유로 오염된다. 종래의 열분해로는 중질의 비휘발성 탄화수소를 높은 분율로 함유하는 잔유, 원유 또는 다수의 잔유 또는 원유 오염된 가스유 또는 나프타를 처리할만한 적응성을 갖지 않는다.

이러한 코크스 형성 문제를 해결하기 위하여, 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제 3,617,493 호에는 원유 공급물에 대한 외부 기화 드럼의 사용이 개시되어 있고, 또한 나프타를 증기로서 제거하기 위한 1차 플래쉬 및 450 내지 1100℉(230 내지 600℃)의 비점을 갖는 증기를 제거하기 위한 2차 플래쉬의 사용이 개시되어 있다. 증기는 열분해로에서 올레핀으로 분해되고, 2개의 플래쉬 탱크로부터의 분리된 액체는 제거되어 수증기로 스트립핑된 다음 연료로 사용된다.

본원에 참고로 인용된 미국 특허 제 3,718,709 호에는 코크스 침착을 최소화시키는 방법이 개시되어 있다. 이 특허는 중질 공급물을 열분해로 내부 또는 외부에서 예열시킴으로써 과열된 수증기로 중질 공급물의 약 50%를 기화시키고, 잔류하는 액체를 제거함을 기재하고 있다. 기화된 탄화수소를 분해 공정에 가한다.

본원에 참고로 인용된 미국 특허 제 5,190,634 호에는 대류 구역에서 적은 임계량의 수소의 존재하에 공급물을 예열시킴으로써 로에서의 코크스 형성을 억제하는 방법이 개시되어 있다. 대류 구역에서의 수소의 존재가 탄화수소의 중합 반응을 억제함으로써 코크스 형성을 억제한다.

본원에 참고로 인용되어 있는 미국 특허 제 5,580,443 호는 공급물을 먼저 예열한 다음 열분해로의 대류 구역에서 예열기로부터 회수하는 방법을 개시하고 있다. 이어, 이 예열된 공급원료를 소정량의 수증기(희석 수증기)와 혼합한 다음 기체-액체 분리기로 도입하여, 요구되는 비율의 비휘발성 성분을 액체로서 분리기로부터 분리하고 제거한다. 기체-액체 분리기로부터 분리된 증기를 과열 및 분해시키기 위해 열분해로로 복귀시킨다.

본 발명자들은 열분해로에서 분해될 수 있는 경질의 휘발성 탄화수소로부터 중질의 비휘발성 탄화수소를 분리시키기 위해 플래쉬를 사용함에 있어서, 비휘발성 탄화수소 제거 효율을 최대화시키는 것이 중요함을 인식하였다. 그렇지 않을 경우, 중질의 코크스-형성 비휘발성 탄화수소가 증기 상에 비말동반되어 탑정(overhead)을 거쳐 로 내로 운반되어 코크스 형성 문제를 야기하게 된다.

수증기 분해 열분해로의 대류 구역에서는, 우수한 열교환을 달성하고 코크스 침착을 감소시키기에 충분히 낮은 필름 온도를 유지하기 위해, 파이프 내에 최소한의 기체 흐름이 필요한 것으로 밝혀졌다. 전형적으로는, 약 100ft/초(30m/초)의 최소 기체 유속이 바람직한 것으로 밝혀졌다.

액체 상으로서의 중질 비휘발성 탄화수소로부터 증기 상으로서의 보다 경질의 휘발성 탄화수소를 분리하기 위해 플래쉬 드럼을 사용하는 경우, 플래쉬 드럼에 들어가는 플래쉬 스트림은 통상 미세한 액적으로서 비말동반된 액체(비휘발성 탄화수소 성분)와 함께 증기 상을 포함한다. 따라서, 플래쉬 스트림은 2상 흐름이다. 대류 구역 내부의 파이프에서 요구되는 경계 층 필름 온도를 유지하는데 필요한 유속에서, 이 2상 흐름은 "연무 흐름" 체제이다. 이러한 연무 흐름 체제에서는, 비휘발성 중질 탄화수소 함유 미세한 소적이 증기 상에 비말동반되는데, 이 때 증기 상은 휘발성 탄화수소 및 임의적으로는 수증기이다. 2상 연무 흐름은 플래쉬 드럼에서 작동상의 문제점을 드러내는데, 왜냐하면 이렇게 높은 기체 유속에서는 비휘발성 탄화수소 함유 미세한 액적이 합체하지 않으며, 따라서 액체 상으로서 플래쉬 드럼으로부터 효율적으로 제거될 수 없기 때문이다. 100피트/초(30m/s)의 기체 흐름에서, 플래쉬 드럼은 약 73%의 낮은 효율로만 중질 비휘발성 탄화수소를 제거할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

본 발명은 플래쉬 드럼에서 휘발성 탄화수소 증기로부터 비휘발성 탄화수소 액체를 효율적으로 제거하는 방법을 제공한다. 본 발명은 "연무 흐름" 체제를 "환상 흐름" 체제로 전환시키고, 따라서 플래쉬 드럼에서의 비휘발성 탄화수소와 휘발성 탄화수소의 분리를 크게 향상시키는 방법을 제공한다.

발명의 개요

본 발명은, 수증기 분해 로의 대류 구역에서 임의적으로 수증기를 포함하는 중질 탄화수소 공급원료를 예열하여, 공급원료의 일부를 기화시키고 임의적으로 수증기를 갖는 휘발성 탄화수소 증기중에 비휘발성 탄화수소 함유 액적을 포함하는 연무 스트림을 형성시키며(이 연무 스트림은 대류 구역에서 나갈 때 제 1 유속 및 제 1 유동 방향을 가짐); 먼저 유속을 감소시킨 후 유동 방향을 변화시킴을 포함하는 처리 과정으로 연무 스트림을 처리하여 액적으로 합체시키고; 플래쉬 드럼에서 액적의 적어도 일부를 상기 증기로부터 분리시켜, 증기 상 및 액체 상을 형성한 다음; 증기 상을 열분해로(thermal cracking furnace)에 공급함을 포함하는, 중질 탄화수소 공급원료를 처리하는 방법을 제공한다.

본 발명의 한 실시태양에서는, 증기 상을 수증기 분해 로의 하부 대류 구역 및 복사 구역으로 공급한다.

한 실시태양에서, 연무 흐름의 처리는 연무 스트림의 유속을 감소시킴을 포함한다. 연무 스트림의 유속을 40% 이상 감소시킬 수 있다. 연무 스트림 속도를 60피트/초(18m/s) 미만으로 감소시킬 수 있다.

다른 실시태양에 따라, 연무 스트림 유속을 감소시킨 다음, 액적이 합체되도록 연무 스트림에 1회 이상 원심력을 가한다. 연무 스트림의 유동 방향을 1회 이상 변화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 실시태양에서, 연무 스트림 액적은 파이프 직경의 25배 미만의 거리에서, 바람직하게는 파이프 내부 직경의 8배 미만에서, 가장 바람직하게는 파이프 내부 직경의 4배 미만에서 합체된다.

다른 실시태양에 따라, 연무 스트림은 하나 이상의 굴곡부를 포함하는 유동 경로를 통해 유동한다. 유동 경로는 하나 이상의 팽창관을 추가로 포함할 수 있 다. 바람직하게는, 유동 경로는 다수의 굴곡부를 포함한다. 굴곡부는 45° 이상, 90° 이상, 180° 이상일 수 있거나, 이들의 조합일 수 있다.

또 다른 실시태양에서는, 연무 스트림을 환상 흐름 스트림으로 전환시킨다. 플래쉬 효율이 85% 이상, 바람직하게는 95% 이상, 더욱 바람직하게는 99% 이상, 가장 바람직하게는 99.8% 이상으로 증가될 수 있다. 파이프 직경의 50배 미만, 바람직하게는 파이프 직경의 25배 미만, 더욱 바람직하게는 파이프 직경의 8배 미만, 가장 바람직하게는 파이프 직경의 4배 미만에서 연무 스트림을 환상 흐름 스트림으로 전환시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따라, 탄화수소 공급원료를 처리하는 방법은, 열분해로의 대류 구역에서 임의적으로 수증기를 포함하는 탄화수소 공급원료를 예열함으로써, 상기 공급원료의 일부를 기화시키고, 임의적으로 수증기를 갖는 탄화수소 증기 중에 탄화수소 함유 액적을 포함하는 연무 스트림을 형성하며(이 때, 상기 연무 스트림은 대류 구역에서 떠날 때 제 1 유속 및 제 1 유동 방향을 가짐); 상기 액적이 합체되도록 연무 스트림을 처리하여; 플래쉬 공정으로 상기 증기로부터 상기 액적의 적어도 일부를 분리시켜, 증기 상과 액체 상을 형성시킨 다음; 상기 증기 상을 수증기 분해 로에 공급함을 포함하며, 이 때 플래쉬 공정은, 합체된 액적을 함유하는 연무 스트림을 플래쉬 드럼 내로 도입하고, 하나 이상의 상부 플래쉬 드럼 출구로부터 증기 상을 제거하고, 하나 이상의 하부 플래쉬 드럼 출구로부터 액체 상을 제거함을 포함한다.

본 발명은 또한 하나 이상의 접선 방향(tangential) 드럼 입구를 통해 연무 스트림을 접선 방향으로 플래쉬 드럼 내로 도입하는 다른 실시태양도 개시하고 있다.

도 1은 수증기 분해 공정의 개략적인 흐름도이다.

도 2는 팽창관의 디자인을 도시한다.

도 3은 본 발명에 따른 플래쉬 드럼의 디자인을 도시한다.

달리 언급하지 않는 한, 백분율, 부, 비 등은 모두 중량 기준이다.

달리 언급하지 않는 한, 화합물 또는 성분을 지칭할 때에는 화합물 또는 성분 자체, 및 다른 화합물 또는 성분과 혼합된 이들 화합물 또는 성분(예: 화합물의 혼합물)을 포함한다.

또한, 양, 농도, 또는 다른 값 또는 변수는 보다 큰 바람직한 값과 보다 작은 바람직한 값을 나열하여 제공되며, 이는 이들 범위들이 별도로 개시되는지의 여부와는 관계없이, 보다 큰 바람직한 값과 보다 작은 바람직한 값의 임의의 쌍으로부터 형성되는 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다.

흐름 체제는 유체 흐름의 가시적 또는 정성적 특성이다. 속도 및 액적 크기는 설정되지 않는다. 연무 흐름은 파이프를 통해 흐르는 증기 상에 액체의 작은 액적이 분산되어 있는 2상 흐름을 일컫는다. 투명한 파이프에서, 연무 흐름은 빨리 이동하는 작은 빗방울처럼 보인다.

환상 흐름은 액체가 파이프의 내부 표면에서 스트림으로서 흐르고 증기가 파리프의 중심에서 흐르는 2상 흐름을 말한다. 환상 흐름의 증기 유속은 약 20피트/초(6m/s)이다. 투명한 파이프에서는, 빨리 이동하는 액체 층이 관찰된다. 증기가 흐르는 중심에서는 액적이 거의 발견되지 않는다. 파이프 출구에서는, 통상 액체가 똑똑 떨어지고 연무는 소량만 관찰된다. 연무 흐름에서 환상 흐름으로의 변화는 통상 연무 흐름과 환상 흐름이 함께 존재하는 과도기를 포함한다.

공급원료는 적어도 두 성분, 즉 휘발성 탄화수소 및 비휘발성 탄화수소를 포함한다. 본 발명에 따른 연무 흐름은 휘발성 탄화수소 증기에 비말동반된 비휘발성 탄화수소의 미세한 액적을 포함한다.

비휘발성 성분 제거 효율은 다음과 같이 계산한다:

탄화수소는 증기(통상 휘발성) 탄화수소와 액체(통상 비휘발성) 탄화수소의 합이다. 비휘발성 성분은 다음과 같이 측정한다: 탄화수소 공급물의 비점 분포는 ASTM D-6352-98에 의한 기체 크로마토그래프 증류(Gas Chromatograph Distillation; GCD)에 의해 측정된다. 비휘발성 성분은 ASTM D-6352-98에 의해 측정할 때 1100℉(590℃)보다 높은 공칭 비점을 갖는 탄화수소의 분획이다. 본 발명은 1400℉(760℃)보다 높은 공칭 비점을 갖는 비휘발성 성분을 사용할 때 매우 우수하게 작용한다.

로에 들어가는 전체 탄화수소 및 물이 제거된 후 플래쉬 드럼 탑정 샘플중의 비휘발성 성분(1100 내지 1400℉(590 내지 760℃))의 분율은 ASTM D-6352-98에 의해 분석된다.

도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 탄화수소 공급원료(10)를 분해하는 방법은 수증기 분해 로(3)의 상부 대류 구역(1)에서 물(11) 또는 수증기(12)의 존재 또는 부재하에 일렬의 교환기 관(2)에 의해 탄화수소 공급원료를 예열시켜, 공급원료의 일부를 기화시키고, 휘발성 탄화수소/수증기 증기중에 비휘발성 탄화수소 함유 액적을 포함하는 연무 스트림(13)을 생성시킴을 포함한다. 일렬의 열교환 관(6)을 통해 공급원료/물/수증기 혼합물을 추가로 예열할 수 있다. 대류 구역에서 나가는 연무 스트림(14)은 제 1 유속 및 제 1 유동 방향을 갖는다. 이 방법은 또한 연무 스트림을 처리하여 액적을 합체시키고, 플래쉬(5)에서 탄화수소 증기로부터 액적의 적어도 일부를 분리하여 증기 상(15) 및 액체 상(16)을 생성시킨 다음, 증기 상(8)을 열분해로의 하부 대류 구역 및 복사 구역으로 공급함을 포함한다.

나타낸 바와 같이, 공급원료는 탄화수소이다. 중질 비휘발성 중질 단부를 갖는 임의의 탄화수소 공급원료를 본 방법에 유리하게 사용할 수 있다. 이러한 공급원료는 비제한적인 예로서 수증기 분해된 가스유 및 잔류물, 가스유, 난방유, 제트 연료, 디젤, 케로센, 가솔린, 코커 나프타(coker naphtha), 수증기 분해된 나프타, 촉매 분해된 나프타, 수소첨가 분해물(hydrocrackate), 개질유(reformate), 추출 잔류물(raffinate) 개질유, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 액체, 피셔-트롭쉬 기체, 천연 가솔린, 증류액, 미가공(virgin) 나프타, 원유, 대기압 파이프스틸(pipestill) 바닥부 생성물, 바닥부 생성물을 비롯한 진공 파이프스틸 스트림, 비점이 넓은 나프타 내지 가스유 응축액, 정유 공장으로부터의 중질 가공 탄화수소 스트림, 진공 가스유, 중질 가스유, 원유로 오염된 나프타, 대기압 잔유, 중질 잔류물, C4/잔류물 혼합물 및 나프타 잔류물 혼합물중 하나 이상을 포함할 수 있다.

중질 탄화수소 공급원료는 600℉(315℃) 이상의 공칭 최종 비점을 갖는다. 바람직한 공급원료는 황 함량이 낮은 왁스성 잔유, 대기압 잔유, 및 원유로 오염된 나프타이다. 가장 바람직한 것은 1100℉(590℃) 미만의 비점을 갖는 성분을 60 내지 80% 포함하는 잔유, 예컨대 황 함량이 낮은 왁스성 잔유이다.

나타낸 바와 같이, 로의 상부 대류 구역(1)에서 중질 탄화수소 공급원료를 예열한다. 예열 전 또는 예열 후(예컨대, 예열기(2)에서 예열시킨 후)에, 분출기(4)에서 공급원료를 임의적으로 수증기와 혼합한다. 당해 분야의 숙련자에게 공지되어 있는 임의의 형태로 중질 탄화수소를 예열할 수 있다. 로의 대류 구역에 있는 공급원료를 로의 복사 구역으로부터의 고온 배연과 간접적으로 접촉시킴으로써 가열하는 것이 바람직하다. 비제한적인 예로서, 열분해로(3)의 상부 대류 구역(1) 내에 위치된 일렬의 열교환 관(2)을 통해 공급원료를 통과시킴으로써, 이를 달성할 수 있다. 제어 시스템(17) 전의 예열된 공급원료(14)는 600 내지 950℉(315 내지 510℃)의 온도를 갖는다. 바람직하게는, 예열된 공급원료의 온도는 약 700 내지 920℉(370 내지 490℃), 더욱 바람직하게는 750 내지 900℉(400 내지 480℃), 가장 바람직하게는 810 내지 890℉(430 내지 475℃)이다.

예열 결과, 공급원료의 일부가 기화되고, 수증기가 있거나 또는 없는 휘발성 탄화수소 증기중에 비휘발성 탄화수소 함유 액적을 포함하는 연무 스트림이 형성된다. 100피트/초보다 큰 유속에서, 액체는 증기 상에 비말동반된 비휘발성 탄화수소 함유 미세한 액적으로서 존재한다. 이 2상 연무 흐름은 액체 및 증기로 분리하기가 극히 어렵다. 플래쉬 드럼에 들어가기 전에 미세한 연무를 큰 액적으로 합체시킬 필요가 있다. 그러나, 고온 배연으로부터의 열을 실제로 전달하고 대류 구역에서의 코크스 침착을 감소시키는 데에는 100ft/초 이상의 유속이 통상적으로 필요하다.

본 발명에 따라, 연무 스트림을 처리하여 액적을 합체시킨다. 본 발명에 따른 한 실시태양에서, 처리는 연무 스트림의 속도를 감소시킴을 포함한다. 플래쉬(5) 전(도 1의 위치 9)에 대류 구역에서 나가는 연무 스트림(14)의 속도를 감소시키면 연무 스트림이 합체되는데 도움이 된다. 연무 스트림의 속도를 40% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상, 가장 바람직하게는 85% 이상 감소시키는 것이 바람직하다. 또한, 대류 구역에서 나가는 연무 흐름 스트림의 속도를 100피트/초(30m/s) 이상에서 60피트/초(18m/s) 미만으로, 더욱 바람직하게는 30피트/초(27에서 9m/s) 미만으로, 가장 바람직하게는 15피트/초(27에서 5m/s) 미만으로 감소시키는 것이 바람직하다.

직경이 큰 파이프에서의 마찰에 의해 유속을 감소시킴으로써 환상 흐름을 달성할 수 있다. 연무 흐름을 환상 흐름으로 전환시키는데 요구되는 유속 감소를 달성하기 위하여, 상당한 길이의 파이프가 필요하다. 필요한 파이프 길이는 내부 파 이프 직경의 배수로 정의된다. 공업 관행상, 연무 유속을 60피트/초(18m/s)로 감소시킨 후에, 환상 흐름을 확립하는데 직선 파이프의 파이프 직경의 50 내지 150배(예를 들어, 24인치×100=200피트 또는 0.6미터×100=60미터)로부터의 마찰이 필요하다.

대류 구역 외부의 파이프에 하나 이상의 팽창관을 포함시킴으로써, 연무 흐름 스트림의 속도를 감소시킬 수 있다. 폐쇄 시스템에서는, 바람직한 속도 감소를 달성하는데 하나 이상의 팽창관이 필요할 것으로 생각된다. 비제한적인 예로서, 팽창관은 도 2에 도시된 바와 같이 단순한 삼각뿔 형상(101) 또는 매니폴드(102)일 수 있다. 출구 말단의 단면적은 모든 입구의 합의 단면적보다 더 크다. 본 발명에 따른 바람직한 실시태양에서는, 연무 흐름을 먼저 하나 이상의 팽창관에 가한 다음 하나 이상의 굴곡부, 바람직하게는 다양한 각도를 갖는 다수의 굴곡부에 가한다. 연무 흐름 스트림이 팽창관(들)을 통해 흐를 때에는, 속도가 감소하게 된다. 팽창관의 수는 요구되는 속도 감소량에 따라 달라질 수 있다. 일반적인 관행상, 속도를 크게 감소시켜야 하는 경우에는 더욱 많은 팽창관을 사용할 수 있다. 임의의 팽창관, 예컨대 매니폴드를 본 발명에 사용할 수 있다.

팽창관만으로도 환상 흐름이 확립되도록 속도를 감소시키지만, 속도 감소 후 하나 이상의 굴곡부를 사용하는 것이 바람직하다. 굴곡부는 원심분리기 같은 작용을 한다. 액적은 이들이 합체될 수 있는 굴곡부의 외벽으로 흐른다.

본 발명에 의해 상당히 적은 파이프 내에서 연무 흐름을 환상 흐름으로 전환시킬 수 있다. 본 발명에 따라, 연무 스트림 액적은 내부 파이프 직경의 25배 미만, 더욱 바람직하게는 8배 미만, 가장 바람직하게는 4배 미만에서 합체된다.

본 발명에 따라, 연무 스트림의 처리는 연무 스트림을 하나 이상의 팽창관 및 팽창관 하류의 원심분리력에 1회 가하여 액적이 합체되도록 함을 포함한다. 이는, 연무 스트림의 유동 방향을 1회 이상 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 대류 구역 외부의 파이프는 연무 흐름 스트림을 환상 흐름 스트림으로 전환시키기 위하여 하나 이상의 굴곡부를 포함하도록 디자인된다. 제어 시스템(17)과 플래쉬 드럼 직전 사이에서 팽창기 하류의 파이프 전체에 걸쳐 굴곡부를 위치시킬 수 있다.

상이한 각도의 굴곡부를 사용할 수 있다. 예를 들어, 45°, 90° 및/또는 180° 굴곡부를 본 발명에 사용할 수 있다. 팽창관 후에, 180° 굴곡부가 가장 큰 증기 중심 속도 감소를 제공한다. 본 발명의 한 실시태양에서, 공정은 45° 이상의 굴곡부를 하나 이상 포함한다. 다른 실시태양에서, 공정은 90°의 굴곡부를 하나 이상 포함한다. 또 다른 실시태양에서, 공정은 180°의 굴곡부를 하나 이상 포함한다.

본원에 개시되어 있는 발명을 이용하여, 85% 이상의 플래쉬 드럼 제거 효율을 달성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 본 발명을 이용하여, 95% 이상의 바람직한 플래쉬 효율, 99% 이상의 더욱 바람직한 플래쉬 효율, 99.8% 이상의 가장 바람직한 플래쉬 효율도 달성할 수 있다.

예컨대 팽창관의 조합에서 속도를 요구되는 만큼 감소시킨 후, 연무 흐름 스트림중의 미세한 액적은 하나 이상의 굴곡부에서 합체되고, 따라서 플래쉬 드럼(5)에서 증기 상 스트림으로부터 용이하게 분리된다. 통상 하나 이상의 플래쉬 드럼에서 플래쉬를 수행한다. 플래쉬 드럼(5)에서는, 하나 이상의 상부 플래쉬 드럼 출구로부터 증기 상 스트림이 제거되고, 하나 이상의 하부 플래쉬 드럼 출구로부터 액체 상이 제거된다. 바람직하게는, 액체 상 제거를 위해 플래쉬에 둘 이상의 하부 플래쉬 드럼 출구가 존재한다.

또한 본 발명에 따라, 탄화수소 공급원료를 처리하는 방법은, 열분해로의 대류 구역에서 액체 탄화수소 공급원료를 가열하여, 공급원료의 일부를 기화시키고, 수증기가 있거나 또는 없는 탄화수소 증기중에 탄화수소 함유 액적을 포함하는 연무 스트림(이는 대류 구역에서 나갈 때, 제 1 유속 및 제 1 유동 방향을 가짐)을 형성하고; 연무 스트림을 처리하여 액적을 합체시키고; 플래쉬 공정으로 탄화수소 증기로부터 액적의 적어도 일부를 분리시켜, 증기 상 및 액체 상을 형성시킨 다음; 증기 상을 수증기 분해 로의 복사 구역에 공급함을 포함하는데, 이 때 플래쉬 공정은 합체된 액적을 함유하는 스트림을 플래쉬 드럼 내로 도입하고, 하나 이상의 상부 플래쉬 드럼 출구로부터 증기 상을 제거하고, 하나 이상의 하부 플래쉬 드럼 출구로부터 액체 상을 제거함을 포함한다.

본 발명에 따른 플래쉬 드럼이 도 3에 도시되어 있다. 플래쉬 드럼의 제거 효율은 플래쉬 드럼에 들어가는 액적의 크기가 감소됨에 따라 떨어진다. 액적 크기는 기체 속도가 증가함에 따라 작아진다. 분리 효율을 증가시키기 위하여, 보다 낮은 속도에서 보다 큰 안정한 액적 크기를 확립하는데 충분한 길이의 파이프, 팽창관 및 굴곡부가 필요하다.

플래쉬 드럼에서 비휘발성 탄화수소의 제거 효율을 추가로 증가시키기 위해서는, 도 1의 플래쉬 스트림(9)이 도 3의 하나 이상의 접선 방향 플래쉬 드럼 입구(201)를 통해 접선 방향으로 플래쉬 드럼에 들어가는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 접선 방향 입구는 수평이거나 또는 약간 아래로 기울어져 있다. 비휘발성 탄화수소 액체 상은 내부 플래쉬 드럼 벽을 따라 외부 환상 흐름을 형성하고, 휘발성 증기 상은 먼저 내부 중심을 형성한 다음 플래쉬 드럼에서 상향 유동하게 된다. 한 가지 바람직한 실시태양에서, 접선 방향 입구는 코리올리(Coriolis) 효과와 동일한 방향이어야 한다.

하나의 바닥부 플래쉬 드럼 출구로부터 액체 상을 제거한다. 임의적으로는, 측부 플래쉬 드럼 출구(203) 또는 소용돌이 차단기를 첨가하여 출구에서 소용돌이가 형성되지 않도록 할 수 있다. 플래쉬 드럼 내부의 환상 배플(202) 주위에서 증기 상의 상향 내부 중심 흐름이 전환되어 하나 이상의 상부 플래쉬 드럼 출구(204)로부터 제거된다. 플래쉬 드럼에서 아래로 흐르는 분리된 액체 상의 임의의 일부가 플래쉬 드럼에서 위로 흐르는 증기 상에 비말동반되지 않도록 하고 이러한 비말동반을 감소시키기 위해, 플래쉬 드럼 내부에 배플을 장치한다. 증기 상은 바람직하게는 도 1의 하부 대류 구역(7)으로, 또한 크로스오버 파이프(18)를 통해 열분해로의 복사 구역으로 흘러간다.

설명하기 위한 목적으로 제공되며 본 발명의 영역을 한정하는 것으로 간주되어서는 안되는 하기 실시예에 의해 본 발명을 예시한다. 달리 언급되지 않는 한, 백분율, 부 등은 모두 중량 기준이다.

실시예 1

플래쉬 드럼 분리의 증기/액체 분리 효율은 액적 크기에 따라 매우 크게 달라진다. 스토크(Stoke's) 법칙은 액적 또는 입자의 종단 속도가 그의 직경의 제곱에 비례함을 교시한다. 따라서, 매우 미세한 연무가 플래쉬 드럼에 들어가면, 상향 기체 속도가 액적의 종단 속도보다 더 커져서 액적을 비말동반하게 된다. 액적을 광범위하게 환상 흐름으로 합체시키면 매우 큰 액적이 생성되고, 이는 플래쉬 드럼에서 용이하게 분리된다.

벌크 유속을 감소시키고, 액적 합체에 충분한 시간 및 마찰을 허용함으로써, 환상 흐름을 수행할 수 있다. 벌크 속도가 감소된 후에는 액적을 합체시키는데 파이프 유동 직경의 대략 100배가 필요하다. 파이프 직경의 100배 미만에서 환상 흐름을 생성시키는 방법을 결정하기 위하여 공기/물 흐름 시험을 수행하였다. 2개의 6HP 송풍기로 2" ID 파이프에서 고속 기체를 생성시켰다. 두 송풍기로부터의 공기를 Y-부품에서 합하여 2" ID 투명 파이프 내로 흘려보낸다. 투명한 파이프 바로 앞은 물이 첨가되어 연무 흐름을 생성시키는 T-부품이다. 파이프 시스템 뒤에 있는 풍력계가 유체 속도를 측정한다.

연무 흐름 스트림의 미세한 액적이 합체되었는지의 여부를 관찰하기 위하여 다양한 파이프 굴곡부, 예를 들어 45°, L형 및 U형 굴곡부, 및 팽창관을 시험하였다. 이들은 아래 표 1에 요약되어 있다.

관찰 결과는 다음과 같다: 시험 2는 고속에서 굴곡부만으로는 액적을 합체시키지 못하며, 심지어는 더욱 미세한 연무를 생성시킬 수 있음을 보여주었다. 시험 3 및 4는 직경이 보다 큰 파이프의 파이프 직경의 75배 후에도 팽창관만으로는 액적을 충분히 합체시키지 못했음을 보여주었다. 시험 5 및 6은 팽창관 및 뒤이은 굴곡부가 짧은 직선 파이프 길이에서 액적을 합체시켰음을 나타내었다. 팽창관 및 뒤이은 굴곡부가 더욱 클수록 액적이 환상의 더욱 층화된 흐름으로 더욱 완벽하게 합체된다.

Claims (26)

1. 수증기(steam)를 포함하거나 포함하지 않은 중질 탄화수소 공급원료를, 수증기 분해 로(cracking furnace)의 대류 구역에서 예열함으로써, 상기 공급원료의 일부를 기화시키고, 수증기를 갖거나 갖지 않은 휘발성 탄화수소 증기중에 비-휘발성 탄화수소 함유 액적을 포함하는 연무 스트림을 형성하는(이때, 상기 연무 스트림은 대류 구역을 떠날 때 일정한 유속 및 유동 방향을 갖는다) 단계,

   먼저 유속을 감소시킨 후 유동 방향을 변화시킴을 포함하는 처리 과정으로 상기 연무 스트림을 처리하여 액적을 합체시키는 단계,

   플래쉬 드럼(flash drum)에서 상기 증기로부터 상기 액적의 적어도 일부를 분리하여 증기 상 및 액체 상을 형성하는 단계, 및

   상기 증기 상을 상기 수증기 분해 로에 공급하는 단계

   를 포함하는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 증기 상을 상기 수증기 분해 로의 하부 대류 구역 및 복사 구역에 공급하는 단계를 추가로 포함하는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 중질 탄화수소 공급원료가 수증기 분해된 가스유 및 잔류물, 가스유, 난방유, 제트 연료, 디젤, 케로센, 가솔린, 코커 나프타(coker naphtha), 수증기 분해된 나프타, 촉매 분해된 나프타, 수소첨가 분해물(hydrocrackate), 개질유(reformate), 추출 잔류물(raffinate) 개질유, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 액체, 피셔-트롭쉬 기체, 천연 가솔린, 증류액, 미가공(virgin) 나프타, 원유, 대기압 파이프스틸(pipestill) 바닥부 생성물, 바닥부 생성물을 비롯한 진공 파이프스틸 스트림, 비점이 넓은 나프타 내지 가스유 응축액, 정유 공장으로부터의 중질 가공 탄화수소 스트림, 진공 가스유, 중질 가스유, 원유로 오염된 나프타, 대기압 잔유, 중질 잔류물, C₄/잔류물 혼합물 및 나프타/잔류물 혼합물 중 하나 이상을 포함하는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 중질 탄화수소 공급원료가 황 함량이 낮은 왁스성 잔유를 포함하는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 연무 스트림의 유속을 40% 이상 감소시키는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 연무 스트림의 유속을 60피트/초(18m/s) 미만으로 감소시키는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 처리 과정이, 먼저 상기 연무 스트림의 유속을 60피트/초(18m/s) 미만으로 감소시킨 다음, 액적이 합체되도록 상기 연무 스트림에 1회 이상의 원심력을 인가하는 단계를 포함하는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 연무 스트림이 먼저 하나 이상의 팽창관 및 하나 이상의 굴곡부를 포함하는 유동 경로를 통하여 흐르는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
12. 삭제
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 플래쉬 드럼이 85% 이상의 비휘발성 성분 분리 효율을 달성하는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
14. 삭제
15. 삭제
16. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 플래쉬 드럼이 99.8% 이상의 비휘발성 성분 분리 효율을 달성하는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
17. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 연무 스트림이 연무 흐름 체제이며, 파이프 직경의 25배 미만의 환상 흐름 체제로 전환되는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
18. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 연무 스트림이 연무 흐름 체제이며, 파이프 직경의 4배 미만의 환상 흐름 체제로 전환되는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
19. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 연무 스트림이 다수의 굴곡부를 포함하는 유동 경로를 통하여 흐르는, 중질 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 수증기를 포함하거나 포함하지 않은 탄화수소 공급원료를 열분해로의 대류 구역에서 예열함으로써, 상기 공급원료의 일부를 기화시키고, 수증기를 갖거나 갖지 않은 탄화수소 증기중에 탄화수소 함유 액적을 포함하는 연무 스트림을 형성하는(이때 상기 연무 스트림은 대류 구역을 떠날 때 일정한 유속 및 유동 방향을 갖는다) 단계,

    상기 액적이 합체되도록 연무 스트림을 처리하는 단계,

    플래쉬 공정으로 상기 증기로부터 상기 액적의 적어도 일부를 분리하여 증기 상 및 액체 상을 형성하는 단계, 및

    상기 증기 상을 상기 열분해로에 공급하는 단계를 포함하되,

    상기 플래쉬 공정이, 합체된 액적을 함유하는 연무 스트림을 플래쉬 드럼 내로 도입하고, 하나 이상의 상부 플래쉬 드럼 출구로부터 증기 상을 제거하고, 하나 이상의 하부 플래쉬 드럼 출구로부터 액체 상을 제거함을 포함하는, 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
24. 제23항에 있어서,

    상기 연무 스트림을 하나 이상의 접선 방향 플래쉬 드럼 입구를 통해 접선 방향으로 플래쉬 드럼 내로 도입하는, 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서,

    상기 액체 상을 하나 이상의 하부 측부 플래쉬 드럼 출구 및 하나의 플래쉬 드럼 바닥부 출구로부터 제거하는, 탄화수소 공급원료의 처리 방법.
26. 제23항 또는 제24항에 있어서,

    상기 플래쉬 드럼이, 플래쉬 드럼에서 하향 유동하는 액체 상의 일부가 증기 상에 비말동반(entrain)되는 것을 감소시키는 데 효과적인, 플래쉬 드럼 내부에 설치된 환상 배플(annular baffle)을 갖는, 탄화수소 공급원료의 처리 방법.

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