KR101274902B1 - 촉매 재생 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

촉매를 재생하는 챔버(54) 내에 촉매의 잔류 시간을 길게 하는 장치(50) 및 방법이 개시되어 있다. 아마도 FCC 반응기(10)으로부터의 폐촉매는 제1 연소 가스 분배기(66)와 제2 연소 가스 분배기(72) 사이에서 재생 용기(50)의 챔버(54) 내로 도입된다. 제1 연소 가스 분배기로부터의 가스 속도는 층으로부터 촉매를 비말 동반하기에 불충분하고, 제1 연소 가스 분배기로부터 올라가는 가스와 혼합될 때에 제2 연소 가스 분배기로부터의 가스는 고속 유동화 유동 조건을 발생시키기에 충분하다. 제2 분배기는 난류층으로부터 고속 유동화 조건으로의 천이 지점을 상승시킨다.

Description

촉매 재생 장치 및 방법{APPARATUS AND PROCESS FOR REGENERATING CATALYST}
본 발명은 유동화 연소 구역에서 촉매 상의 코크스 연소에 의해 탄화수소 전환 폐촉매를 재생하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 중질의 탄화수소를 촉매 미립자의 유동화 스트림에 의해 보다 가벼운 탄화수소로 전환하고, 촉매를 불활성화시키도록 작용하는 코크스를 제거하도록 촉매 미립자를 재생하는 공정에 관한 것이다.
유동 접촉 분해(FCC; fluidized catalytic cracking)는 유동화 반응 구역에 있는 탄화수소를 미세하게 분할된 미립자 물질로 구성된 촉매와 접촉시킴으로써 달성되는 탄화수소 전환 공정이다. 수소화 분해와 달리, 접촉 분해에서의 반응은 추가되는 수소가 없을 경우에 또는 수소의 소비가 없을 경우에 수행된다. 분해 반응이 진행됨에 따라, 상당한 양의 고탄소질 물질(코크스라고도 함)이 촉매 상에 퇴적된다. 재생 구역 내에서의 고온의 재생은 코크스를 촉매로부터 연소시킨다. 본 명세서에서 폐촉매(spent catalyst)라고도 하는 코크스 함유 촉매는 반응 구역으로부터 계속 제거되고 재생 구역으로부터의 실질적으로 코크스가 없는 촉매로 교체된다. 다양한 기상 스트림에 의한 촉매 미립자들의 유동화는 반응 구역과 재생 구역 간에 촉매의 운반을 가능하게 한다. 유동화 촉매 스트림 내의 탄화수소를 분해하 고, 반응 구역과 재생 구역 간에 촉매를 운반하며, 재생 장치 내에서 코크스를 연소하는 방법은 FCC 공정의 당업자에게 널리 알려져 있다. 이를 위해, 촉매 미립자를 이송 및 재생 가스와 각각 접촉시키기 위한 용기 구성이 당업계에 많이 있다.
이들 구성의 공통적인 목적은 반응기로부터의 생산 수율을 최대화하면서 작동 및 장비 비용을 최소화하는 것이다. 공급 원료 전환의 최적화는 촉매로부터 코크스의 거의 완벽한 제거를 필요로 하는 것이 일반적이다. 촉매로부터 코크스의 거의 완벽한 제거를 흔히 완벽한 재생이라 한다. 완벽한 재생은 0.1 중량% 미만, 바람직하게는 0.05 중량% 미만의 코크스를 갖는 촉매를 제조한다. 완벽한 재생을 얻기 위하여, 촉매는 완전한 연소가 가능하도록 충분한 체류 시간 동안에 산소와 접촉해야 한다.
종래의 재생 장치는 폐촉매 입구와, 재생된 촉매 출구와, 용기 내에 체류하는 조밀한 촉매층에 공기를 공급하기 위한 분배기를 포함하는 용기를 구비하는 것이 일반적이다. 사이클론 분리 장치는 연소 폐가스가 재생 장치 용기의 출구에서 배출되기 전에 폐가스에 비말 동반된 촉매를 제거한다. 미국 특허 제4,610,851호는 용기 전반에 걸쳐서 연소 가스의 적절한 분포를 보장하도록 상이한 높이에 있는 2개의 공기 분배기를 갖는 재생 장치 용기를 개시하고 있다. 미국 특허 제5,827,793호는 조밀한 촉매층에서 환원 환경을 촉진시키도록 조밀한 촉매층의 하측 절반부에서 상이한 높이에 있는 적어도 2개의 공기 분배기를 교시하고 있다. 미국 특허 제4,843,051호는 적절한 연소를 보장하도록 재생 용기 내에서 상이한 높이에 있는 2개의 공기 분배기 격자를 보여주고 있다. 미국 특허 제5,773,378호는 하부 공기 분배기를 갖는 재생 장치 용기를 교시하고 있으며, 공기는 하부 공기 분배기 위에서 폐촉매와 함께 유입된다.
기포층으로도 알려진 조밀한 촉매층에서, 연소 가스는 조밀한 촉매층의 식별 가능한 상단면을 통해 올라가는 기포를 형성한다. 조밀한 촉매층에서 배출되는 연소 가스에는 촉매가 상대적으로 거의 비말 동반되지 않는다. 연소 가스의 공탑 속도는 일반적으로 0.3 m/s(1.0 ft/s) 미만이고, 조밀한 촉매층의 밀도는 일반적으로 촉매의 특성에 따라 640 kg/m3(40 lb/ft3)보다 크다. 촉매와 연소 가스의 혼합물은 촉매를 우회하는 퍼베시브 가스(pervasive gas)와 이종이다.
충분히 재생된 촉매를 얻는 한가지 방식은 재생을 단계별로 수행하는 것이다. 미국 특허 제3,958,953호는 재생 폐가스를 수집하고 촉매 미립자를 분리하기 위한 공통 공간으로 개방된 배플에 의해 분리된 동심 촉매층을 갖는 단계식 유동 시스템을 기술하고 있다. 미국 특허 제4,299,687호는 중첩된 촉매층을 갖는 단계식 재생 시스템의 사용을 교시하고 있는데, 여기서 폐촉매 미립자는 우선 상부의 조밀한 유동화 촉매층에 진입하고 하부 촉매층으로부터의 재생 가스 및 신선한 재생 가스와 접촉된다. 제1 재생 구역에서 부분적인 재생 후에, 촉매 미립자는 신선한 재생 가스의 스트림이 충전된 하부 촉매층으로 중력 유동에 의해 운반된다. 미국 특허 제4,695,370호와 제4,664,778호는 각 단계가 별개의 용기 내에서 수행되는 2 단계 재생 장치를 개시하고 있다.
완벽한 촉매 재생을 행하기 위하여 상대적으로 희박상(dilute phase) 재생 구역을 사용하는 것이 미국 특허 제4,430,201호와, 제3,844,973호와, 제3,923,686호에 개시되어 있다. 이들 특허는 연소 가스가 분배되는 하부의 조밀한 층과 상부의 운반 구역을 교시하고 있다. 추가의 공기는 운반 구역을 제공하는 라이저에서 분배된다. 촉매를 재생하기 위한 하부의 조밀한 층 구역이 없이 상대적으로 희박상 운반 구역을 조합한 2단계 시스템이 미국 특허 제5,158,919호와 제4,272,402호에 개시되어 있다. 이들 특허는 모두 운반 구역에서 배출되는 적어도 부분적으로 재생된 촉매가 수집되는 상부의 조밀한 층을 교시하고 있다.
FCC 라이저 반응기에서는 희박 또는 운반 유동 기간을 통상적으로 이용하고 있다. 운반 유동에서, 가스와 촉매의 속도차는 비교적 낮아서, 다시 혼합되거나 유지되는 촉매가 거의 없다. 반응 구역에서의 촉매는 낮은 밀도와 매우 희박상 조건에서 유동을 유지한다. 운반 유동에서 가스 공탑 속도는 통상 2.1 m/s(7.0 ft/s)보다 크고, 촉매의 밀도는 통상 48 kg/m3(3 lb/ft3) 이하이다. 재생 장치의 운반 구역에서의 밀도는 80 kg/m3(5 lb/ft3)에 근접할 수도 있다. 운반 모드에서, 촉매-연소 가스 혼합물은 촉매상에서 형성하는 가스 공극 또는 기포 없이 균일하다.
조밀한 기포층 기간과 희박한 운반 유동 기간의 중간은 난류층 기간과 고속 유동화 기간이다. 난류층에서, 촉매와 연소 가스의 혼합물은 균일하지 않다. 난류층은 촉매상 내에 형성하는 연소 가스의 긴 공극과 덜 식별 가능한 표면이 있는 조밀한 촉매층이다. 비말 동반된 촉매는 연소 가스와 함께 층을 떠나고, 촉매 밀 도는 반응기 내에서의 높이에 아주 비례하지 않는다. 연소 가스 공탑 속도는 0.3 내지 1.1 m/s(1.0 내지 3.5 ft/s)이고, 밀도는 난류층에서 통상 320 내지 640 kg/m3(20 내지 40 lb/ft3)이다.
고속 유동화는 미립자의 난류층과 완벽한 미립자 운반 모드 사이에 있는 유동화 고형 미립자의 조건을 규정한다. 고속 유동화 조건은 조밀한 상의 난류층보다 높은 유동화 가스 속도를 특징으로 하고, 이로 인해 촉매 밀도가 더 낮아지고 고체와 가스의 접촉이 활발하게 된다. 고속 유동화 구역에서는, 유동화 가스의 상향류에 의해 유발되는 촉매의 순운반(net transport)이 존재한다. 고속 유동화 조건에서의 촉매 밀도는 완벽한 미립자 운반 모드에서보다 미립자 로딩에 대해 훨씬 더 민감하다. 따라서, 고도로 효율적인 가스-고체 혼합 조건에서 원하는 연소를 달성하도록 촉매 잔류 시간을 조절할 수 있다. 고속 유동화 모드로부터, 유동화 가스 속도의 추가적인 증가는 미립자의 상방 운반 속도를 상승시키고, 충분한 가스 속도에서 미립자가 주로 완벽한 촉매 운반 모드에서 이동할 때까지 평균 촉매 밀도를 급격하게 감소시킨다. 따라서, 유동화 미립자층으로부터 고속 유동화를 통해 순수한 운반 모드까지의 진행에서 연속성이 존재한다. 고속 유동화 유동 기간 동안에 연소 가스의 공탑 속도는 통상 1.1 내지 2.1 m/s(3.5 내지 7 ft/s)이고, 밀도는 통상 48 내지 320 kg/m3(3 내지 20 lb/ft3)이다.
미국 특허 제4,849,091호와, 제4,197,189호와, 제4,336,160호는 고속 유동화 유동 조건이 유지되는 라이저 연소 구역을 교시하고 있다. 이들 특허들 중 맨 나 중의 특허는 라이저의 상단으로부터 수집된 층에 대한 연소 가스의 추가를 필요로 하지 않고 고속 유동화 라이저 구역에서 완벽한 연소가 발생하는 연소기 재생 장치를 교시하고 있다.
연소기는 과도한 산소가 비교적 소량인 고속 유동화 유동 조건 하에 하부 연소 챔버에서 촉매를 완벽하게 재생하는 재생 장치의 일종이다. 라이저는 재생된 촉매와 연소 폐가스를 상당한 연소가 발생하는 분리 챔버로 운반한다. 분리 챔버에 있는 재생된 촉매는 하부 연소상으로 재순환되어 연소를 받게 되는 폐촉매를 가열한다. 재순환하는 재생된 촉매는 하부 촉매상의 연소를 가속시키는 열을 제공한다. 연소기는 그 효율적인 산소 요건 때문에 유리하다.
FCC 유닛에 대한 요구가 커짐에 따라, 보다 많은 촉매 처리량을 취급하는 연소기 용기가 요구되고 있다. 보다 많은 양의 촉매를 연소시키도록 보다 많은 양의 연소 가스가 연소기 용기에 추가된다. 연소 가스의 유량이 증가됨에 따라, 연소 챔버와 분리 챔버 사이에서 촉매의 유량이 증가된다. 따라서, 연소기 용기의 연소 챔버가 크게 되지 않으면, 하부 구역에서 촉매의 잔류 시간이 감소됨으로써, 촉매가 분리 챔버에 진입하기 전에 달성되어야 하는 완벽한 연소가 저감된다.
본 발명은 코크스라고 부르는 탄소 퇴적물을 탄화수소 전환 공정에 사용되는 촉매의 표면 및 기공으로부터 제거하는 장치에 관한 것이다. 재생 용기 내의 하이브리드 난류층과 고속 유동화 조건은 탄화수소 분해 폐촉매를 재생하기 위한 적절한 잔류 시간을 보장한다. 연소 챔버는 촉매를 완벽하게 재생하도록 하이브리드 조건을 이용한다. 분리 챔버는 완벽하게 재생된 촉매의 조밀한 층을 수집한다. 본 발명은 연소 가스와 촉매를 충분한 잔류 시간 동안 접촉 상태로 여전히 유지하면서, 대응하게 증가된 촉매 처리량에 순응하도록 연소 가스 처리량을 증가시키는 데에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명을 통합한 FCC 유닛의 개략적인 입면도.
도 2는 본 발명의 변형예의 개략적인 입면도.
본 발명의 방법 및 장치는 FCC 유닛에서 구현될 수 있다. 도 1은 반응기 용기(10)와 연소기 용기(50)를 구비하는 FCC 유닛을 도시하고 있다. 연소기 스탠드 파이프(12)는 연소기 용기(50)로부터의 촉매를 슬라이드 밸브(14)에 의해 조절되는 속도로 반응기 용기(10)로 운반한다. 노즐(16)로부터의 증기 등의 유동화 매체는 복수 개의 공급 재료 분사 노즐(20)(단하나의 노즐만 도시됨)이 촉매 미립자의 유동 스트림을 가로질러 공급 재료를 분사할 때까지 촉매를 비교적 높은 밀도로 라이저(18)를 통해 상방으로 운반한다. 결과적으로 생긴 혼합물은 한쌍의 분리 아암(22)이 가스와 촉매의 혼합물을 라이저(18)의 상단으로부터 포트(24)를 통해 분리 용기(26) 내로 접선 방향으로 방출할 때까지 라이저(18)를 통해 상방으로 계속되는데, 상기 분리 용기는 촉매로부터 가스의 분리를 행하는 것이다. 운반 도관(28)은 스트립된 탄화수소, 스트립 매체 및 비말 동반된 촉매를 비롯한 탄화수소 증기를 탄화수소 증기 스트림으로부터 폐촉매를 분리하는 분리기 용기(32)의 하나 이상의 사이클론(30)으로 운반한다. 분리 용기(32) 내의 수집 챔버(34)는 유출 노즐(36), 궁극적으로는 분별 회복 구역(도시 생략)으로의 이동을 위해 사이클론(30)으로부터 분리된 탄화수소 증기 스트림을 수집한다. 딥레그(38; dipleg)는 사이클론(30)으로부터 분리기 용기(32)의 하부로 촉매를 방출하는데, 분리기 용기의 하부는 궁극적으로 촉매 및 흡수되거나 비말 동반된 탄화수소를 분리 용기(26)의 벽 내에 형성되는 포트(42)를 가로질러 스트립 섹션(40)으로 이동시킨다. 분리 용기(26)에서 분리된 촉매는 스트립 섹션(40) 내로 직접 이동한다. 스트립 섹션(40)은 스트립 가스 및 촉매 간의 혼합을 조장하도록 배플(43, 44)을 포함한다. 스트립 가스는 적어도 하나의 입구(46)를 통해 스트립 섹션(40)의 하부로 진입하여 하나 이상의 분배기(도시 생략)로 향한다. 폐촉매는 반응기 도관(48)을 통해 스트립 섹션(40)에서 방출되어 슬라이드 밸브(52)에 의해 조절되는 유량으로 연소기 용기(50) 내로 이동한다.
연소기 용기(50)는 폐촉매를 완벽하게 재생하도록 고효율의 연소 챔버(54) 내에서 하이브리드 난류층 고속 유동화 조건을 이용한다. 연소기 용기(50)의 연소 챔버(54)는 3개의 연소 구역, 즉 난류 구역(56), 고속 유동화 구역(58) 및 운반 구역(60)을 포함한다. 반응기 도관(48)은 진입점 "A"에서 폐촉매 입구(62) 활강로를 통해 폐촉매를 연소 챔버(54)로 이송한다. 연소 챔버(54)의 타원형 베이스(63)는 폐촉매 입구(62) 활강로 아래에 있는 연소 챔버(54)의 측벽(55)과의 교차점 "B"에서 횡단면적이 정의된다. 반응기 용기(10)로부터의 폐촉매는 일반적으로 코크스 형태로 존재하는 0.2 내지 2 중량%의 양의 탄소를 함유한다. 코크스는 주로 탄소로 구성되지만, 3 내지 12 중량%의 수소 뿐만 아니라 황 및 다른 물질을 함유할 수도 있다. 산소 함유 연소 가스, 통상적으로 공기는 2개의 높이에서 연소기 용기(50)의 연소 챔버(54)로 진입한다. 연소 가스의 제1 스트림은 로우 도관(64)을 통해 낮은 높이에서 연소 챔버(54)에 진입하고 제1 연소 가스 분배기(66)에 의해 난류 구역(56)에 걸쳐 분배된다. 제1 연소 가스 분배기(66)의 개구(68)는 연소 챔버(54)로의 폐촉매의 진입점 "A"보다 낮은 수직 높이에서 연소 가스를 방출한다. 연소 가스가 연소 구역에 진입함에 따라, 연소 가스는 난류 구역(56)에서 난류 촉매층(70)에 축적된 폐촉매와 접촉한다. 연소 가스는 제1 연소 가스 분배기(66)로부터 분배되어 난류 구역(56)에서 난류 촉매층(70)을 파괴하기에 불충분한 1.1 m/s(3.5 ft/s) 미만의 공탑 가스 속도를 제공한다. 바꿔 말하면, 제1 연소 가스 분배기(66)로부터의 가스 속도는 촉매를 비말 동반하여 층으로부터 촉매를 제거하기에 불충분함으로써, 촉매층(70)을 보존시킨다. 난류 구역(56)은 320 내지 640 kg/m3(20 내지 40 lb/ft3)의 촉매 밀도를 갖는다.
연소 가스의 제2 스트림은 하이 도관(72)을 통해 연소 챔버(54)의 고속 유동화 구역(58)으로 진입하여 제2 연소 가스 분배기(74)에 의해 연소 챔버(54)에 걸쳐 분배된다. 제2 연소 가스 분배기(74)의 개구(76)는 폐촉매 입구(62) 활강로를 통한 연소기 용기(50) 내로의 폐촉매의 진입점 "A"보다 높고 제1 연소 가스 분배기(66)를 통한 연소 가스의 제1 스트림의 진입점보다 높은 수직 높이에서 연소 가스를 방출한다. 따라서, 일실시예에서, 진입점 "A"는 수직 방향으로 제2 연소 가스 분배기(74)와 제1 연소 가스 분배기(66) 사이에 있다. 다른 실시예에서, 보다 적은 연소 가스가 제1 연소 가스 분배기(66)가 아니라 제2 연소 가스 분배기(74)를 통해 연소 챔버(54)의 고속 유동화 구역(58)으로 분배된다. 그러나, 제1 연소 가스 분배기(66)로부터의 연소 가스의 유속이 제2 연소 가스 분배기(74)로부터의 연소 가스의 유속과 조합되면, 연소 챔버(54) 내의 전체 연소 가스의 공탑 속도는 적어도 1.1 m/(3.5 ft/s)에 이르러 고속 유동화 유동 조건 하에서 고속 유동화 구역(58)으로 진입한다. 일실시예에서, 고속 유동화 구역(58)은 48 내지 320 kg/m3(3 내지 20 lb/ft3)의 촉매 밀도와, 1.1 내지 2.2 m/s(3.5 내지 7 ft/s)의 공탑 가스 속도를 갖게 된다. 개구(76) 위에서 난류 구역(56)으로부터 고속 유동화 구역(58)으로 점진적인 천이가 제공된다. 고속 유동화 구역(58)에서, 촉매의 밀도는 높이에 비례하여 감소된다.
난류층으로부터 유동화 유동 기간으로의 천이는 식별 가능한 층 표면에 의해 나타나지 않는다. 따라서, 촉매 밀도를 감소시키는 연속성은 연소 챔버(54) 내에서 난류층(70)으로부터 상방으로 연장된다. 촉매 밀도가 연소 챔버(54)의 높이에 따라 감소되는 속도는 촉매가 연소 챔버(54)로 운반되는 속도에 비례하여 감소된다.
일실시예에 있어서, 연소 챔버(54) 내에서 코크스의 연소를 가속시키기 위하여, 상부 챔버(80)에서 조밀한 촉매층(78)으로부터 재생된 고온의 촉매는 제어 밸브(84)에 의해 조절되는 연장된 재순환 스탠드 파이프(82)를 통해 연소 챔버(54) 내로 재순환될 수 있다. 재생된 고온의 촉매는 입구 활강로(86)를 통해 연소 챔버(54)로 진입한다. 조밀한 촉매층(78)으로부터의 고온의 촉매를 연소 챔버(54)로 진입하는 반응기 도관(48)으로부터의 상대적으로 저온의 폐촉매와 혼합함으로써, 재생된 촉매의 재순환은 난류 구역(56)에서 촉매와 가스의 혼합물의 전체 온도를 상승시킨다. 연장된 재순환 스탠드 파이프(82)의 사용은 차치하고, 촉매를 재순환시키는 다른 여러 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 촉매는 내부 스탠드 파이프(도시 생략)에 의해 내적으로 운반될 수 있다. 연소 챔버(54) 내에 미립자 로딩의 높이는 슬라이드 밸브(52)를 통한 폐촉매의 유량에 영향을 주지 않으면서 제어 밸브(84)를 통해 촉매의 재순환 유량을 증가시킴으로써 조절될 수 있다. 재생된 촉매는 폐촉매 입구(62) 활강로를 통한 폐촉매의 진입점 "A"과 동일한 높이에서 입구 활강로(86)를 통해 진입할 수 있다. 그러나, 일실시예에서, 재생된 촉매는 난류층(70)에서 보다 큰 열교환 기회를 갖도록 제1 연소 가스 분배기(66)와 제2 연소 가스 분배기(74) 사이에서 연소 챔버(54)로 진입한다.
연소 가스를 2개의 높이에서 분배함으로써, 연소 챔버(54) 내에 고속 유동화 유동 조건을 즉각적으로 형성하여 난류층(70)을 파괴시키는 일 없이, 촉매의 진입점 "A" 위아래에서 연소 챔버(54) 내의 촉매에 보다 많은 연소 가스가 추가될 수 있다. 따라서, 난류 구역(56)과 유동화 구역(58) 간의 천이는 제2 연소 가스 분배기(74) 근처로, 제2 연소 가스 분배기로, 또는 제2 연소 가스 분배기 위로 연장될 수 있다. 폐촉매는 연소 챔버(54) 내에서 보다 긴 잔류 시간 동안 연소 가스와 접촉한다. 더욱이, 모든 연소 가스가 폐촉매의 진입점 "A" 위에서 도입되면, 난류층(70)에 있는 다량의 폐촉매는 오랜 지연 및 정체 후에만 유동화를 받게 된다.
고속 유동화 구역(58)에 있는 촉매와 가스 혼합물은 절두 원추형 천이 섹션(90)을 통해 연소 챔버(54)의 라이저 섹션(94)에 있는 운반 구역(60)으로 올라가는데, 라이저 섹션은 천이 섹션(90) 아래의 난류 구역(56)이나 고속 유동화 구역(58)에서보다 높은 공탑 가스 속도로 동작된다. 가스 속도의 증가는 천이 섹션(90) 아래의 연소 챔버(54)의 단면적에 비해 라이저 섹션(94)의 단면적이 감소되기 때문이다. 라이저 섹션(94)의 단면적은 공탑 속도의 증가를 보장하도록 교차점 "B"에서 폐촉매 입구(62) 활강로 아래에 있는 연소 챔버(54)의 단면적보다 작다. 따라서, 공탑 가스 속도는 보통 2.2 m/s(7 ft/s)를 초과한다. 운반 구역(60)은 80 kg/m3 (5 lb/ft3) 미만의 보다 낮은 촉매 밀도를 갖는다.
연소기 용기(50)는 또한 상부에 있는 분리 챔버(100)를 포함한다. 산소 소모로 인해 소비된 촉매 미립자와 연소 가스의 혼합물은 라이저 섹션(94)의 상부로부터 분리 챔버(100) 내로 방출된다. 실질적으로 완벽하게 재생된 촉매는 운반 구역(60)의 상단에서 배출된다. 방출은 재생된 촉매의 대부분을 재생 폐가스로부터 분리하는 분리 장치(96)를 통해 행해진다. 라이저 섹션(94)에서의 배출시에 촉매의 초기 분리는 사이클론 분리기(98, 99) 또는 재생 폐가스로부터 촉매 미립자의 실질적으로 완벽한 제거를 위해 사용되는 다운스트림 장치 상에 촉매의 로딩을 최소화시킴으로써, 전체 장비의 비용을 절감한다. 당업자에게 공지되고 분리 장치(96)로서 사용하기에 적절한 여러 유동 장치가 촉매와 가스의 예비 분리를 행하게 된다. 일실시예에서, 라이저 섹션(94) 위로 유동하는 촉매와 가스는 라이저 섹 션(94)의 타원형 상단 캡(61)과 충돌하여 역류한다. 이 때에, 촉매와 가스는 분리 장치(96)의 측방향 아암(97)에 있는 하향 개구를 통해 배출된다. 운동량의 갑작스러운 손실과 하향 역류는 보다 무거운 촉매 중 적어도 70 중량%, 바람직하게는 80 중량%가 조밀한 촉매층(78)을 향해 낙하하게 하고 보다 가벼운 연소 가스와 촉매의 일부는 분리 챔버(100)의 분리 공간(102)을 향해 상방으로 올라가도록 여전히 내부에 비말 동반된다.
하향으로 낙하하는 분리된 촉매는 조밀한 촉매층(78)에서 수집된다. 조밀한 촉매층(78) 내의 촉매 밀도는 640 내지 960 kg/m3(40 내지 60 lb/ft3)의 범위 내에서 유지되는 것이 통상적이다. 유동화 도관(106)은 유동화 가스, 통상적으로 공기를 유동화 분배기(108)를 통해 조밀한 촉매층(78)으로 운반한다. 공정 내에서 전체 가스 필요량 중 대략 2% 이하가 유동화 분배기(108)를 통해 조밀한 촉매층(78)으로 진입한다. 여기서, 가스는 연소 목적이 아니라 유동화 목적을 위해 추가되어 촉매는 스탠드 파이프(82, 12)를 통해 유동적으로 배출된다. 유동화 분배기(108)를 통해 추가된 유동화 가스는 연소 가스일 수 있다.
혼합된 연소 및 유동화 가스와 비말 동반된 촉매 미립자는 가스로부터 촉매를 분리시키는 하나 이상의 분리 수단, 예컨대 사이클론 분리기(98, 99)로 진입한다. 상대적으로 촉매가 없는 연소 폐가스는 배출 도관(110)을 통해 연소기 용기(50)로부터 취출되고, 회수된 촉매는 개개의 딥레그(112, 113) 또는 다른 동등한 수단을 통해 조밀한 촉매층(78)으로 복귀된다. 연소 챔버(54)로부터 방출된 촉매 중 10 내지 30 중량%는 운반 구역(60)으로부터의 출구 위의 가스에 존재하여 사이클론 분리기(98, 99)로 진입한다. 조밀한 촉매층(78)으로부터의 촉매는 연소기 스탠드 파이프(12)를 통해 반응기 용기(10)로 다시 운반되는데, 이 반응기 용기는 FCC 공정이 계속됨에 따라 공급 원료와 다시 접촉한다.
연소 챔버(54)는 하부 촉매 밀도의 구역과 오랜 기간의 활발한 혼합을 제공하는데, 이는 코크스 연소에 가장 효율적이라고 생각되며 고효율 재생을 특징으로 한다. 따라서, 고효율 재생을 조장하는 조건에서 연소기 가스의 추가는 연소 챔버(54) 내에 진입한 폐촉매로부터 모든 코크스를 제거하기에 충분하다. 연소 가스는 동일한 라인에 의해 도관(64, 72)으로 운반될 수 있지만, 일실시예에서, 로우 도관(64)에 대한 이송 속도는 하이 도관(72)에 대한 이송 속도보다 커야 한다.
따라서, 본 발명과 관련된 FCC 반응 구역은 종래의 FCC 원료 또는 보다 높은 비등점의 탄화수소 공급 원료를 처리하는 데에 사용될 수 있다. 그러한 종래의 원료 중 가장 일반적인 것은 통상적으로 상압 잔사유(atmospheric residue)의 감압 분류에 의해 마련되고 343℃ 내지 552℃(650℉ 내지 1025℉)의 비등 범위를 갖는 탄화수소 재료인 "감압 경유"(VGO; vacuum gas oil)이다. 그러한 분류는 촉매를 오염시키는 역할을 할 수 있는 중금속 오염물과 코크스 전구체가 대체로 낮다. 본 발명이 적용될 수 있는 중질 탄화수소 원료는 원유로부터의 중질의 찌꺼기, 역청 중질유, 혈암유, 타르샌드 추출물, 탈아스팔트 잔사유, 석탄 액화로부터의 부산물, 상압 및 감압 잔사유를 포함한다. 본 발명을 위한 중질 원료는 또한 상기 탄화수소들의 혼합물을 포함한다. 그러나, 전술한 목록은 본 방법의 용례가 다른 적절한 공급 원료를 고려하지 않도록 의도되지는 않는다. 중질의 탄화수소 분류는 또한 상당한 금속 오염물의 존재를 특징으로 한다. 이들 금속은 촉매 상에 축적되어 반응 지점을 봉쇄함으로써 촉매의 힘을 없애고 오버크랙킹을 조장함으로써 반응 공정을 방해한다. 따라서, 반응 구역 내에 또는 전에 패시베이션 또는 다른 금속 관리 절차의 사용이 본 발명에 의해 중질 원료를 처리할 때에 예상된다.
따라서, 본 발명의 한가지 이점은 재생이 완료되기 전에 촉매를 재생 구역 밖으로 날려버리는 일없이 폐촉매를 비례하여 커진 연소 가스에 노출시킴으로써 다량의 폐촉매를 재생하게 한다는 것이다. 산소 또는 공기 필요량과 관련하여, 본 발명의 연소기 용기는 통상적으로 완벽한 재생을 얻기 위해 제거되는 코크스의 kg 당 14 kg의 공기를 필요로 한다. 보다 많은 촉매가 재생될 때에, 보다 많은 양의 공급 원료가 종래의 반응 용기에서 처리될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예가 약간 변형된 연소기 용기(50')를 도시하는 도 2에 예시되어 있다. 도 1에도 있지만 서로 상이한 도 2의 유사한 요소에 대한 참조 번호는 프라임 부호(')가 표기되어 있다. 도 1과 도 2 양자에서 동일한 요소는 동일한 참조 번호로 표기되어 있다. 연소기 용기(50')는 폐촉매, 재생된 촉매 및 재생 가스를 화합시키기 위한 하부 혼합 라이저(120)를 포함한다. 연장된 재순환 스탠드 파이프(82') 아래로 운반된 고온의 재생된 촉매는 반응기 도관(48')을 통해 하부 혼합 라이저(120)로 진입하는 폐촉매와 조우한다. 재생된 폐촉매는 하부 혼합 라이저(120)의 하부에서 로우 도관(64')으로부터의 연소 가스를 함유하는 산소의 제1 스트림 중 적어도 일부와 접촉된다. 연소 챔버(54')의 절두 원추형 베이스(63')는 촉매가 진입점 "A'"에서 연소 챔버(54')로 진입하는 개구(68') 아래에 있는 연소 챔버(54')의 측벽(55')과의 교차점 "B'"에서 단면적을 규정한다. 라이저 섹션(94')의 단면적은 라이저 섹션(94')을 통한 공탑 속도의 증가를 보장하도록 개구(68') 아래에 있는 연소 챔버(94')의 단면적보다 작다. 더욱이, 하부 혼합 라이저(120)는 촉매 미립자와 가스 스트림의 긴밀한 혼합을 조장하도록 개구(68') 아래에서 연소 챔버(54')의 단면적보다 작은 단면적을 갖는다. 하부 혼합 라이저(120)는 또한 라이저 섹션(94')의 단면적보다 작은 단면적을 갖는다. 혼합 후에, 촉매와 가스 혼합물은 제1 연소 가스 분배기(66')의 개구(68')를 통해 연소 챔버(54')의 난류 구역(56')으로 진입한다. 로우 도관(64')으로부터의 연소 가스의 유속은 연소 챔버(54')에서 고속 유동화 조건을 조장하는 공탑 속도를 발생시키기에 불충분하다. 따라서, 연소 챔버(54') 내의 난류 구역(56')에는 난류층(70')이 제공된다. 하이 도관(72')으로부터의 추가 연소 가스는 제1 연소 가스 분배기(66')으로부터의 연소 가스와 합해질 때에 고속 유동화 구역(58')에서 고속 유동화 유동 조건을 발생시키는 제2 연소 가스 분배기(74')에 의해 추가된다. 촉매 및 연소 가스는 운반 구역(60')으로 올라가서 분리 장치(96')를 통해 분리 챔버(100') 내로 배출되어 올라가는 연소 폐가스로부터 조밀한 촉매층(78')으로 낙하하는 촉매를 분리한다. 연소 폐가스는 비말 동반된 추가 촉매를 분리하여 배출 도관(110')을 통해 배출하는 사이클론 분리기(98', 99')로 올라간다. 유동화 도관(106')은 연소 가스일 수 있는 가스를 유동화 분배기(108')를 통해 조밀한 촉매층(78')으로 운반하여 조밀한 촉매층(78') 내의 촉매를 유동화시킨다. 재생된 촉매의 일부는 연장된 재순환 스탠드 파이프(82') 및 하부 혼합 라이저(120)를 통해 연소 챔버(54')로 복귀되어 난류층(70') 내의 폐촉매를 가열할 수 있고, 재생된 촉매 중 나머지 부분은 신선한 공급 원료와 접촉되도록 연소기 스탠드 파이프(12')를 통해 도 1의 반응기 용기(10)로 복귀된다. 하부 혼합 라이저(120)를 구비한 연소기 용기(50')의 다른 모든 양태는 도 1의 연소기 용기(50)와 유사하다. 혼합 라이저의 작동은 본 명세서에 참조로서 통합된 미국 특허 제4,340,566호에 보다 충분하게 설명되어 있다.
도 1 및 도 2는 연소 챔버(54, 54') 내에서 상부에 배치된 분리 챔버(100, 100')를 갖는 재생 구역의 대칭적인 구조를 보여주고 있다. 그러나, 난류 구역(56, 56'), 고속 유동화 구역(58, 58') 및 운반 구역(60, 60')은 별개의 연소기 용기 내에 수용되거나 분리 챔버(100, 100')를 포함하는 용기에 인접하게 배치될 수도 있다. 본 실시예에서 촉매는 연소기 용기로부터 분리기 용기로 도관에 의해 운반된다. 따라서, 본 발명의 활용은 대칭적인 재생기 구조로 제한되지 않고, 변형된 조밀한 층의 재생 장치 용기일 수도 있다.

Claims (11)

  1. 촉매로부터 탄소질 퇴적물을 연소하는 용기(50)로서,
    베이스(63)와 측벽(55)이 있는 연소 챔버(54)로서, 상기 연소 챔버 내의 제1 연소 가스 분배기(66, 66') 및 상기 제1 연소 가스 분배기 위에서 상기 연소 챔버를 가로질러 측 방향으로 연장되는 제2 연소 가스 분배기(72)와, 상기 제1 연소 가스 분배기와 상기 제2 연소 가스 분배기 사이에서 상기 연소 챔버를 향하는 폐촉매 입구(62)와, 제1 단면적을 규정하는 상기 베이스와 측벽의 교차점(B)을 포함하는 연소 챔버(54)와,
    상기 연소 챔버와 연통하는 분리 챔버(100)로서, 연소 가스로부터 촉매를 분리하는 분리기(98, 99)와, 재생된 촉매 출구(12) 및 연소 가스 출구(110)를 포함하는 분리 챔버(100)와,
    상기 분리 챔버를 상기 연소 챔버와 연통하게 하는 재순환 도관(82)으로서, 재순환 도관의 촉매 입구(86)는 상기 제1 연소 가스 분배기와 상기 제2 연소 가스 분배기 사이에 있는 재순환 도관(82)과,
    절두 원추형 천이 섹션(90)으로서, 상기 제2 연소 가스 분배기는 상기 천이 섹션보다 상기 연소 챔버를 향하는 폐촉매 입구에 더 인접하는 천이 섹션(90)과,
    상기 연소 챔버로부터 상방으로 연장되는 라이저 섹션(94)으로서, 상기 제1 단면적보다 작은 제2 단면적을 갖는 라이저 섹션(94)
    을 구비하는 용기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 라이저 섹션의 상단은 연소 가스로부터 촉매를 초기에 분리하는 장치(96)를 포함하는 것을 특징으로 하는 용기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리 챔버를 연소 챔버와 연통시키는 재순환 도관(82)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 용기.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리 챔버 내에 가스 분배기(108)가 배치되는 것을 특징으로 하는 용기.
  6. 촉매로부터 탄소질 퇴적물을 연소하는 방법으로서,
    폐촉매 입구(62)를 통해 연소 챔버(54)에 폐촉매를 도입하는 단계와,
    연소 가스의 제1 스트림을, 촉매층을 보존하는 속도로, 상기 폐촉매 입구 아래에 있는 연소 챔버로 분배하는 단계와,
    연소 가스의 제2 스트림을, 상기 폐촉매 입구 아래에 분배되는 상기 연소 가스의 제1 스트림과 혼합될 때에 전체 연소 가스에 촉매를 비말 동반하는 속도로, 폐촉매 입구 위의 연소 챔버로 분배하는 단계로서, 상기 폐촉매 입구 상부보다 폐촉매 입구 아래에 보다 많은 연소 가스가 분배되는 것인 단계와,
    상기 전체 연소 가스에 비말 동반된 촉매를 상기 연소 챔버의 출구 밖으로 그리고 분리 챔버(100) 내로 올리는 단계와,
    상기 촉매를 상기 전체 연소 가스로부터 분리하는 단계와,
    상기 분리 챔버 내의 조밀한 촉매층(78)에서 촉매를 수집하는 단계와,
    상기 촉매를 분리 챔버로부터 제거하는 단계와,
    상기 전체 연소 가스를 분리 챔버로부터 회수하는 단계
    를 포함하는 촉매로부터 탄소질 퇴적물을 연소하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연소 가스의 제1 스트림은 1.1 m/s 미만의 공탑 속도를 제공하도록 상기 폐촉매 입구 아래의 연소 챔버로 분배되고, 상기 연소 가스의 제2 스트림은 상기 폐촉매 입구 아래에 분배된 연소 가스와 혼합될 때에 1.1 m/s 이상의 공탑 속도를 제공하도록 상기 폐촉매 입구 위의 연소 챔버로 분배되는 것인 촉매로부터 탄소질 퇴적물을 연소하는 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 촉매는 분리 챔버로부터 연소 챔버로 재순환되는 것인 촉매로부터 탄소질 퇴적물을 연소하는 방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 비말 동반된 촉매와 상기 연소 가스는, 상기 연소 챔버의 상부에 배치된 라이저(94)를 통해 상기 연소 챔버로부터 상기 분리 챔버로 방출되는 것인 촉매로부터 탄소질 퇴적물을 연소하는 방법.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 촉매는 상기 분리 챔버 내의 조밀한 촉매층(78)에서 축적되는 것인 촉매로부터 탄소질 퇴적물을 연소하는 방법.
  11. 촉매로부터 탄소질 퇴적물을 연소하는 용기로서,
    베이스와 측벽이 있는 연소 챔버로서, 상기 연소 챔버는, 혼합 라이저, 제1 연소 가스 분배기 및 상기 제1 연소 가스 분배기의 상부로부터 수직 방향으로 이격되는 제2 연소 가스 분배기, 상기 혼합 라이저와 상기 제2 연소 가스 분배기 사이에서 상기 연소 챔버를 향하는 폐촉매 입구, 및 제1 단면적을 규정하는 상기 베이스와 측벽의 교차점을 포함하고, 상기 제2 연소 가스 분배기가 상기 교차점 위에 배치되는 연소 챔버와,
    상기 연소 챔버와 연통하는 분리 챔버로서, 연소 가스로부터 촉매를 분리하는 분리기, 재생된 촉매 출구, 및 연소 가스 출구를 포함하는 분리 챔버와,
    상기 분리 챔버를 상기 연소 챔버와 연통하게 하는 재순환 도관으로서, 재순환 도관의 촉매 입구는 상기 제2 연소 가스 분배기 아래에 있는 재순환 도관과,
    상기 제2 연소 가스 분배기 위에서 상기 분리 챔버를 향하는 입구
    를 구비하는 용기.
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