KR101417049B1 - 공정 스트림 분리 방법 및 어셈블리 - Google Patents

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크리쉬나 케이. 라오
스테펜 제이. 맥고버른
존 에이치. 글로버
피터 쥐. 햄
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크리스타페이즈 인터네셔널, 인코포레이티드
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Abstract

구성성분 분리 유닛 내 개방된-공극 다공성 고체 재료를 사용하여, 하나 이상의 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 구성성분 공정 스트림으로 분리하기 위한 방법 및 어셈블리. 상기 개방된-공극 다공성 고체 재료를 사용하여 구성성분 분리 유닛 내에서 공정 스트림을 바람직한 구성성분 공정 스트림으로 분리하기 위한 방법 및 어셈블리에 있어서, 상기 개방된-공극 다공성 고체 재료는 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 세라믹, 금속, 폴리머, 및 화학 증기 증착 재료를 포함할 수 있다.
공정 스트림, 망상 요소

Description

공정 스트림 분리 방법 및 어셈블리{SEPARATION METHOD AND ASSEMBLY FOR PROCESS STREAMS}
발명의 배경
1. 발명의 분야
본원발명은 공정 스트림(process stream)으로부터 오염물질을 여과하는 방법에 관한 것이다. 또 다른 양상에 있어서, 본원발명은 공정 유닛(process unit) 내 공정 스트림의 흐름 분배(flow distribution) 제공 방법에 관한 것이다. 또 다른 양상에 있어서, 본원발명은 공정 스트림 내에서 특정 화학종을 적어도 부분적으로 제거하거나 및/또는 전환시키기 위한 적어도 한가지 반응에 대하여 촉매 작용시키면서, 여과 또는 흐름분배, 또는 둘 모두를 제공한다. 또 다른 양상에 있어서, 본원발명은 구성성분 분리 유닛 내에서 적어도 하나의 다공성 고체 재료를 사용하여 하나 이상의 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림으로 분리하는 방법 및 어셈블리에 관한 것이다.
2. 관련 기술의 설명
공정 스트림 내 오염물질은 공정 및 공정 유닛에 유해할 수 있다. 오염물질은 공정 유닛에 해를 끼쳐서, 잠재적으로 환경 문제 또는 안전 문제를 야기할 수 있다. 오염물질은 또한 공정의 효율성을 감소시키거나, 생산을 중지시키거나, 또는 제품 사양에 영향을 미치는 등에 의해 공정에 손해를 끼칠 수 있다. 오염물질은 공급 스트림(feed stream), 방출 스트림(discharge stream), 또는 방류 스트림(effluent stream)과 같은 모든 종류의 공정 스트림에서 발견될 수 있다. 오염물질은 반응기, 추출기, 증류 칼럼, 스크러버(scrubber), 테일 가스 처리기(tail gas treater), 소각로, 교환기, 보일러, 콘덴서, 등과 같은 다양한 종류의 공정 유닛에 영향을 미칠 수 있다.
공정 스트림이 유닛 내에서 수직 아래 또는 위, 또는 아래 위 모두의 방향으로 흐르도록 공정 유닛이 배열될 수 있다. 그 대신에, 유닛 내 공정 스트림은 대응하는 외부로부터 또는 유닛의 외부 부분으로부터, 또는 둘 모두로부터 중심으로 방사적으로 흐를 수 있다.
반응기는 공정 유닛의 한 종류이다. 많은 반응기는 하나 이상의 고정층(fixed bed)에 함유된 분산 고체 촉매 입자(discrete solid catalyst particle)를 포함한다. 전형적으로 촉매 층(catalyst bed)은 촉매 층으로 공급되는 공정 스트림 내의 오염물질을 붙잡는데 매우 효율적이다. 그렇지만, 이러한 촉매 층은 이렇게 붙잡힌 오염물질에 의해 빠르게 막힐 수 있다. 촉매 층이 막히게 됨에 따라, 공정 유닛 전반에 압력 강하가 발생하여서 결국에는 공정 유닛의 조기 작업중단을 결과한다.
상기 문제를 부분적으로 감소시키기 위하여, 비-촉매 층 공정 유닛뿐만 아니라 촉매 층 공정 유닛 또한 막힘에 대해 다소 덜 저항적인 전통적인 보존 재료 층(retention material bed)으로 종종 보완된다. 이러한 전통적인 보존 재료 층은 전형적으로 공정 유닛의 입구에 위치한다. 촉매 층 공정 유닛의 경우에 있어서, 전통적인 보존 재료 층은 전형적으로 촉매 층 내에서의 반응에 대하여 불활성이다. 이러한 전통적인 보존 재료 층은 공정 유닛으로 유입되거나, 공정 유닛에 머무르거나 또는 공정 유닛을 떠나는 공정 스트림 내의 먼지, 산화철, 황화철, 아스팔텐, 코크 미립자, 촉매 미립자, 염, 산성 불순물, 침전물 또는 또 다른 유입된 외부 미립자 재료와 같은 오염물질 모두 또는 일부를 붙잡거나 또는 여과하는데 다소 효과적일 수 있다. 오염물질을 붙잡음으로써 바람직하지 않은 물질이 공정 유닛을 막거나 오염시키거나 또는 또 다르게 손상시키는 것을 방지한다. 상기 전통적인 보존 재료 층들이 불활성일 때, 이들은 전형적으로 펠렛, 고리, 안장(saddle) 또는 구 형태의 전통적인 세라믹 재료로 만들어지며, 전형적으로 분쇄, 고열 및/또는 고압에 대하여 저항성이 있어야 한다. 상기 전통적인 보존 재료 층이 공정 유닛을 막힘으로부터 방지하는데 다소 효과적인 반면, 전통적인 보존 재료 층은 자신들 스스로 막히게 된다.
전통적인 보존 재료 층은 또한 공정 유닛을 가로지르는 공정 스트림의 흐름에 대하여 수직방향으로 공정 스트림의 흐름 분배를 촉진할 수 있다. 이러한 작용은 수직 흐름 분배로서 본원발명에 있어서 바람직하게 될 것이다. 한 예로서, 윗 방향 또는 아래 방향의 공정 유닛에 있어서, 공정 스트림 흐름은 축 방향이며, 수직 흐름 분배는 방사 방향이다.
통상의 보존 재료 층의 효율을 증가시키기 위하여, 천공된 디스크, 또는 스크린 바스켓과 함께 이들 재료의 상이한 크기 및 모양으로 등급화된 층(graduated layer)을 사용하여, 먼지, 산화철, 황화철, 아스팔텐, 코크 미립자, 촉매 미립자, 침전물, 또는 또 다른 유입된 외부 미립자 재료와 같은 오염물질에 의해 공정 유닛이 막히게 되는 것을 방지하여 왔다.
공정 유닛의 입구에서 오염물질에 노출된 전통적인 보존 재료 층은 결국 오염물질에 의해 막히게 된다. 이러한 현상이 일어남에 따라, 공정 유닛을 가로지르는 압력 강하가 발생하여서, 그 결과 결국 유닛의 작업중단이 유발된다. 촉매 층 공정 유닛 내에서 이러한 현상이 일어날 때, 전형적으로 촉매 층 자체의 일부분이 일부 또는 완전히 오염물질에 의해 막히게 된다. 이러한 공정 유닛의 작업중단 이후, 막혀있는 전통적인 보존 재료 부분뿐만 아니라 막혀있는 촉매 층 부분의 찌꺼기 걷어내기 또는 제거가 요구된다.
공정 스트림 내에서 오염물질에 의한 막힘에 부가하여, 촉매 층 공정 유닛으로 공급되는 공정 스트림 내에서 발견되는 예를 들면 디올레핀과 같은 폴리머 전구체의 폴리머화는 또한 상기 공정 유닛을 오염시키거나, 점착성이 되어 막거나 또는 충전물이 되어 막을 수 있다. 특히, 폴리머화의 두 가지 메커니즘, 자유 라디칼 폴리머화 및 축합-타입 폴리머화는 촉매 층 오염, 고무화(gumming), 또는 막힘을 유발할 수 있다. 자유 라디칼 폴리머화를 조절하기 위한 산화방지제의 첨가는 공정 스트림이 산소와 직면할 때 유용하다는 점이 밝혀졌다. 디올레핀의 축합 폴리머화는 전형적으로 유기-기초 공급물(feed)이 가열된 이후에 발생한다. 그러므로, 공정 스트림이 촉매 층 공정 유닛으로 유입되기 이전의 여과는 유닛 내에서 일반적으로 발생하는 폴리머화 반응에 따른 상기 오염물들을 제거하기에는 도움이 되지 않는다.
오염물질에 의해 막히지 않으면서 공정 스트림으로부터 오염물질을 효율적으로 그리고 효과적으로 여과하는 보존 재료를 갖는 것이 매우 바람직하다. 효율은 상기 재료에 의해 공정 스트림으로부터 제거된 오염물질의 함량 및 상기 재료에 의해 제거될 수 있는 오염물질의 크기 범위에 관계한다. 효과성은 상기 재료가 보존 재료를 관통하는 오염제거된 공정 스트림의 흐름을 방해하지 않는 정도에 관계한다. 이러한 재료는 바람직하게는 실질적으로 공정 스트림으로부터 광범위한 크기의 오염물질을 모두 제거하며, 반면 공정 유닛을 가로지르는 수용 불가능한 압력 강하 증가를 야기하지 않는다. 또한 수직 흐름 분배를 촉진하는 보존 재료를 갖는 것이 매우 바람직하다. 공정 스트림에 대한 흐름 분배 및 여과를 위한 본원발명의 방법은, 종래 공지된 방법에 비하면, 매우 효율적이고 효과적인 오염물질의 여과 방법의 제공; 촉매 층 공정 유닛 내 촉매의 수명 및 활성의 증가; 촉매 손실의 감소; 제품 선택성의 강화, 원료처리량/생산성의 증가, 공정 유닛 배치의 최적화 가능; 공정 유닛으로 유입되고 그 내부에 존재하는 공정 스트림의 수직 흐름 분배의 개선, 및 전통적인 보존 재료 층이 특정 지점을 막아서 그 결과 유닛을 가로지르는 압력 강하가 수용 불가능한 수준으로 발생할 때 공정 유닛을 멈추어야 하는 필요성의 제거; 등의 장점을 갖는다. 이러한 장점은 자본 및 운영 비용의 절감, 감소된 작업 중단시간, 증가된 공정 유닛 성능 및 증가된 공정 유닛의 작동 시간을 결과한다.
전통적인 보존 재료 층의 연약함은 필터로서 특히 효율적이지 못하며 또한 특히 효과적이지 못하다. 전통적인 보존 재료 층은 전형적으로 제한된 시간 동안 공정 스트림으로부터 일부 오염물질을 제거하기에 효율적이다. 이렇게 해서 붙잡히는 오염물질은 전형적으로 약 50 마이크론 및 그 이상이다. 전통적인 보존 재료 층의 효과성은 종국적인 막힘 때문에 우수하지 않은데, 상기 막힘은 전통적인 보존 재료 층을 관통하는 오염제거된 공정 스트림의 흐름을 방해하여 공정 유닛 압력 강하의 수용 불가능한 증가를 유발한다. 더욱이, 전통적인 보존 재료 층은 상단의 약 6 내지 12 인치 깊이 내에서 오염물질을 붙잡는 것으로 여겨진다. 전통적인 보존 재료의 더 깊은 층은 상기 물질의 붙잡음 용량을 증가시키지 않는다. 따라서, 당해 분야의 기술은 50 마이크론 미만의 미립자 오염물질을 제거하는 여과 방법, 심각한 공정 유닛 압력 강하가 없는 오염제거된 공정 스트림의 자유 흐름을 허용하면서 미립자 오염물질을 여과하는 방법, 및 층 깊이에 상관없이 층 깊이에 따라 증가하는 여과 용량을 갖는 여과 방법을 추구하였다.
현재 공정 유닛의 수직 흐름 분배 고안 및 방법과 관련된 단점은 공정 유닛 내에서의 나쁜 분배를 결과할 수 있다. 미립자 오염물질 또는 바람직하지 않은 폴리머화 반응의 생성물에 의해 발생하는 막힘 또는 또 다른 퇴적은 또한 불균형분배를 야기할 수 있다. 불균형 분배는 공정 유닛 일부분의 채널링 및 대응하는 바이패싱, 오염물질 제거 효율의 감소, 유닛 효율의 감소를 결과할 수 있다. 일반적으로, 불균형 분배 문제는 소위 말하는 온도 핫-스팟(hot-spot)에 의해 입증된다. 예를 들면, 이러한 핫-스팟은 촉매 층 공정 유닛 내에서의 증가된 코킹(coking) 및 감소 된 활성을 유발할 수 있다. 불균형 분배 문제 및 코킹 이외에, 압력 강하의 증가는 마모의 결과로서 촉매 분해를 야기할 수 있다. 그러므로, 종래 기술은 공정 유닛 내에서 공정 스트림을 더욱 균등하게 분배하고, 오염물질의 효율적인 여과를 제공하며, 핫-스팟의 발생을 감소시키며, 촉매 마모를 최소화하며, 바람직하지 않은 폴리머화 반응에 의해 발생하는 퇴적을 감소시킬 수 있는 수직 흐름 분배 방법을 추구해왔다.
본원발명의 참조문헌으로 편입된 U.S. 특허 6,258,900 및 6,291,603는 화학 반응기 내에서 유기 공급 스트림을 여과하고 분배하는데 사용되는 망상 세라믹 재료를 개시한다. 유기-기초 스트림 이외 다른 종류의 공정 스트림 및 화학 반응기 이외 다른 종류의 공정 유닛에 대한 여과 및 흐름 분배 능력에 대한 수요가 존재한다.
모든 공정 스트림 및 모든 공정 유닛에 대한 여과 및 흐름 분배 방법은, 공정 스트림으로부터 오염물질을 제거하기 위해 사용되는 재료의 여과 효율 및 효과성을 증가시키고, 공정 유닛 내 수직 흐름 분배를 개선하고, 유닛 작업 길이(unit run length)가 압력 강하 증가 이외의 요인에 의해 결정되도록 하고, 공정 장비 전반에 걸친 압력 강하를 최소로 하고, 공정 안전을 극대화하며 촉매 층 채널링 및 흐름 오분배(misdistribution), 온도 핫 스팟, 및 공정 유닛 작업중단 및 시작으로부터 발생하는 환경 문제를 최소화하는 것이 바람직하다.
구성성분 분리 유닛은 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 구성성분 공정 스트림으로 분리하기 위하여 실험실, 시험 공장 및 산업 설비에서 전통적으로 사용 되어 왔던 특정 종류의 공정 유닛이다. 임의의 구성성분 분리 유닛에 있어서, "공정 스트림"은 공급 스트림을 의미하며, "구성성분 공정 스트림"은 유닛으로부터 유래한 생성 스트림(product stream)을 의미하며, "상(phase)"은 유닛 내부의 각각의 액체 또는 증기 상을 의미한다. 구성성분 분리 동안에, 한 방향으로 이동하는 상과 반대방향으로 이동하는 상은 구성성분 분리 유닛 내에서 서로 만나서 상 사이의 계면에서 물질 전달(mass transfer)을 수행한다. 구성성분 분리는 본 물질 전달의 결과로서 달성된다. 물질 전달의 결과로서, 하나 이상의 공정 스트림이 분리되어서 각각 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 형성한다. 전형적으로, 복수의 트레이 및/또는 패킹 요소(packing element)들은 유닛 내에 위치하여서 상 사이의 접촉 및 상 사이의 물질 전달을 촉진한다. 트레이들은 전형적으로 서로서로 수평으로 쌓이고, 반면에 패킹 요소들은 무작위적으로 쌓이거나 또는 체계화된 모양(structural shape)으로 형성된다. 무작위로 쌓인 패킹 요소는 일반적으로 서로서로 상대적으로 정해진 방향을 갖지 않는 반면, 체계화된 요소는 특정 모양 및 상대적인 방향을 갖는다.
구성성분 분리 유닛의 예는 예를 들면 증류 유닛, 크로마토그래피 유닛, 흡착기, 추출기 및 이들의 조합을 포함하며, 증류 유닛은 유닛으로 공급되는 공정 스트림 내에 존재하는 화학종의 끓는점 차이에 기초한 구성성분 분리를 달성한다. 증류 유닛은 예를 들면 칼럼, 분별기(fractionator), 분배기(splitter), 반-연속(semi-continuous) 유닛, 연속 유닛, 플래쉬 유닛, 배치 증류 유닛, 스트리퍼, 정류기, 추출 증류 유닛, 아조트로피 증류 유닛, 및 진공 증류 유닛을 포함한다. 흡착기 및 추출기는 접촉 유닛인데, 접촉 유닛 내에서 증기 상 및 액체 상이 만나고 목적 되는 구성성분 분리가 한 상 내의 구성성분에 대한 또 다른 상 내의 구성성분의 친화성에 기초하여 달성된다. 예를 들면, 구성성분 A 및 B를 함유하는 공정 스트림이 유닛의 한 지점에서 유입되고, 반면에 C를 함유하는 또 다른 공정 스트림이 또 다른 지점에서 유닛으로 유입될 수 있다. 상기 스트림 중 하나는 전형적으로 액체이며, 반면에 나머지들은 액체 또는 증기일 수 있다. 구성성분 B가 구성성분 A에 대한 친화성보다 구성성분 C에 대한 더 큰 친화성을 갖는다고 가정한다. 적절하게 고안된 두 스트림의 친밀한 접촉 및 작동된 접촉 유닛은 본질적으로 구성성분 B없이 구성성분 A를 함유하는 하나의 생성 스트림, 및 구성성분 C 및 본질적으로 구성성분 B 모두를 함유하는 제2 생성 스트림의 생성을 결과할 것이다. C로부터 B를 분리하는 것보다 A로부터 B를 직접적으로 분리하는 것이 어렵기 때문에 전술한 바와 같은 유닛의 상업적 사용이 추구되어야 한다. 본 실시예에서, 제1 생성 스트림은 탈착제(desorbant)로 불리고, 제2 생성 스트림은 흡착제(adsorbant)라 불린다. 흡착기 유닛의 구체적인 예는 연속 흡착기, 온도 스윙 흡착기, 압력 스윙 흡착기, 정화/농축 스윙 흡착기 및 파라메트릭 펌핑을 포함한다. 추출기는 접촉 유닛인데, 본 접촉 유닛 내에서는 혼합되지 않는 액체 상이 접촉되고 구성성분 분리가 물질 분리 매개체를 사용하여 달성된다. 상기 예에서, 제2 공정 스트림 내의 구성성분 C는 물질 분리 매개체일 수 있다. 추출기 유닛의 한 예는 방향족 추출 유닛(aromatics extraction unit)인데, 여기서 방향족 화학종 및 비-방향족 화학종을 함유하는 탄화수소 스트림은 설포레인(sulfolane) 또는 모르폴린(morpholine)과 같 은 물질 분리 매개체와 접촉하고, 상기 두 개의 혼합되지 않는 액체의 유효한 접촉은 탄화수소 스트림으로부터 물질 분리 매개체를 함유하는 스트림으로 방향족 화학종의 추출을 결과한다. 구성성분 분리 유닛은 또한 구성성분 분리 유닛 내에 바람직한 화학 반응을 촉진하는 촉매 물질의 영역을 또한 포함할 수 있다. 이러한 예에는 반응성 증류 유닛 및 추출 증류 유닛이 있다. 구성성분 분리 유닛 내에서 분리를 달성하거나 증강시키기 위해 사용되는 전통적인 유닛 내부재(internals)의 예는 예를 들면 트레이; 무작위로 쌓여진 고리 또는 안장(saddle); 메쉬, 모놀리스, 거즈 등을 갖는 체계화된 패킹; 수집재; 분배재; 강수재(downcomer); 벽 와이퍼; 지지 그리드; 및 홀드 다운 플레이트;를 포함한다.
구성성분 분리 유닛의 내부에 있어서, 상승하는 상과 하강하는 상 사이의 긴밀한 접촉이 반복된다. 이러한 접촉은 트레이 및/또는 충전재에 의해 촉진된다. 트레이의 각 부분 또는 충전재의 깊이는 분리의 "이론 단" 수를 대략 나타낸다. 구성성분 분리 유닛 내부재는 바람직한 분리를 달성하는 "이론 단"의 적절한 수를 제공하도록 구성성분 분리 유닛 내에 고안되고 배치된다.
증류 유닛 내에서, 상 사이의 반복된 접촉은 최종적으로 고 휘발성 및 낮은 끓는점을 갖는 화학종으로 구성된 증기 상, 및 저 휘발성 및 더 높은 끓는점을 갖는 화학종으로 구성된 액체 상을 결과한다. 상 사이의 상기 물질 전달은 상 내 화학종들의 서로 다른 끓는점의 차이에 의해 유발된다. 더 낮은 끓는점을 갖는 화학종은 상승하며, 더 높은 끓는점을 갖는 구성성분을 하강한다. 하나 이상의 바람직한 조성이 발생하자마자, 증기 상의 일부분은 전형적으로 상부 구성성분 공정 스트 림으로서 회수되고, 잔류하는 일부분은 액화되고 추가 물질 전달을 위하여 환류 상으로서 증류 유닛으로 되돌아간다. 이와 유사하게, 액체 상의 일부분은 하부 구성성분 공정 스트림으로서 회수되고, 잔류하는 일부분은 다시 끓여지고(즉 증기화되고) 추가 물질 전달을 위하여 증류 유닛으로 되돌아간다. 더욱이, 하나 이상의 구성성분 공정 스트림은 증류 유닛의 상단 및 바닥 사이의 임의의 부분에서 증류 유닛으로부터 회수될 수 있다.
구성성분 분리 유닛에 있어서, 유닛 내에서 효율적인 그리고 비용 효과적인 분리를 달성하는 것이 매우 바람직하다. 또한 유닛 내의 적은 압력 강하 및 유닛에 대한 적은 HETP(이론단 해당 높이) 수를 달성하는 것이 또한 매우 바람직하다. 유닛에 의해 달성되는 분리 정도(degree of separation)는, 여러 가지 요인들 중에, 상 사이의 접촉량, 사용된 트레이 수, 사용된 충전재의 양 및 종류, 유닛이 작동되는 곳의 온도 및 압력, 그리고 상에 함유된 화학종들의 끓는점 차이 또는 또 다른 적절한 분리 특성에 의해 영향을 받는다. 분리는 또한 예를 들면 트레이의 디자인, 유닛의 횡단면에 걸쳐 상의 균일한 분배를 촉진하기 위한 유닛 내 분배재의 사용, 및 충전재의 디자인에 영향을 받는다.
구성성분 분리 유닛 내의 종래 기술의 충전재는 무작위로 쌓이거나 또는 체계화되었다. 무작위로 쌓이거나 또는 "묶여있지 않은(loose)" 패킹은, 비록 체계화된 충전재보다 저비용이지만, 많은 압력 강하 및 낮은 물질 전달 특성을 보이며, 유닛 내의 나쁜 분리 효율을 결과하는 나쁜 상 분배로 인하여 곤란을 겪는다. 또한 트레이 또는 "묶여있지 않은" 충전재를 사용하는 종래 기술의 유닛은 부식 및 퇴적 하는 경향이 있음이 밝혀졌으며 비효율적인 분리를 제공하였다. 결과적으로, 종래 기술의 묶여있지 않은 패킹 기술은 고도로 공작된 체계화된 패킹 기술의 개발에 대한 필요성을 제시하였다. 체계화된 충전재(Structured packing material)는 개선된 분리 효율을 제공할 수 있으나; 그렇지만 , 체계화된 충전재의 제조는 완벽함을 위한 더 큰 유닛을 디자인하기 위한 정교한 기계장치, 엔지니어링 전문기술 및 제작 기술을 요구한다. 더욱이, 이러한 재료는 일반적으로 제작하기가 더욱 고비용이며, 설치를 위한 유닛의 작업중단 시간이 무작위 패킹보다 더 길다. 이들이 더욱 고비용임에도 불구하고, 체계화된 충전재는 종종 무작위 패킹을 대신하여 사용되는데, 왜냐하면 더욱 우수한 압력 강하 및 물질 전달 특성으로 인하여 현재 존재하는 유닛보다 더 높은 생산율을 제공하기 때문이다. 그렇지만, 체계화된 충전재의 사용은 일반적으로 퇴적이나 부식을 겪지 않는 공정에 제한된다. 체계화된 패킹은 더욱 고비용이며 설치하기가 어려우며, 따라서 퇴적 또는 부식으로 인하여 더욱 잦은 교체가 요구되는 공정에서의 사용은 경제적으로 매력적이지 않다.
따라서, 본원발명의 개발 이전에는, 바람직한 특성 및/또는 수준; 낮은 HETP 값에서의 효율적인 분리; 상대적으로 낮은 압력 강하; 퇴적 및/또는 부식에 대한 저항; 낮은 제작 및 설치 비용; 용이한 교체; 및 전반적으로 개선된 성능 및 생산력;을 제공하는, 구성성분 분리 유닛 내에서 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 구성성분 공정 스트림으로 분리하는 방법 및 장치가 존재하지 않았다. 그러므로, 당해 기술은 상대적으로 큰 압력 강하를 발생하지 않으며, 낮은 HETP 수에서 더욱 효율적인 분리를 나타내며, 덜 복잡하고 덜 고비용의 디자인, 제작, 설치, 작업 및 유지를 요구하며, 퇴적 및 부식에 저항성이며, 용이하게 대체가능하며 전반적으로 개선된 성능 및 생산성을 나타내는, 증류, 흡착 및/또는 추출을 통하여 공정 스트림을 바람직한 구성성분 공정 스트림으로 분리하는 개선된 방법 및 장치를 추구하였다.
발명의 개요
본원발명에 따르면, 전술한 장점은 본원발명의 공정 스트림 여과 방법, 공정 유닛 내에서 공정 스트림 분배 방법, 및 바람직한 반응을 촉매작용 하면서 동시에 상기 방법의 하나 또는 둘 모두를 수행하는 방법에 의하여 달성된다. 본원발명의 또 다른 구체예는 특정 형태의 다공성 고체 재료를 사용하여 구성성분 분리 유닛 내에서 하나 이상의 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림으로 분리한다. 셀디스트(CELLDIST)는 본원발명에서 사용된 다공성 고체 재료의 특정 형태를 확인하기 위하여 사용된 이름이 될 것이다. 셀디스트 재료(CELLDIST material)는 3-차원의 다공성 고체(cellular solid)이다. 다공성 고체는 고체 구성성분 또는 재료 및 공극으로 구성된 재료이다(다공(cell)과 공극(pore)은 본 출원에서 동의어이다). 고체 재료는 세라믹, 금속, 폴리머, 및 이들의 혼합으로 구성될 수 있다. 공극은 개방 또는 폐쇄, 또는 이들 모두일 수 있다. 개방 공극은 공극쪽으로 창을 갖는데, 상기 창의 크기는 공극 자체의 크기와 동일하거나 더 작다. 개방-공극 재료는 공극 내 창을 통한 공극들 사이의 통로를 갖는다. 폐쇄-공극 재료는 창이 없으며 공극 사이의 통로도 없다. 다공성 고체에는 두 가지 기본 구조 형태가 있다: 2-차원 및 3-차원. 2-차원 다공성 고체는 2-차원으로 배치된 공극을 갖는다. 이들 공극은 전형적으로 상호-연결되지 않은 평행한 채널을 형성한다. 벌집 및 모놀리스가 2-차원 다공성 고체의 예이다. 3-차원 다공성 고체에는 두 가지 기본 구조 형태가 있다: 주기적인 것(periodic)과 확률적인 것(stochastic). 3-차원 주기적 다공성 고체는 3-차원 주기적으로 구조물 전반에 배치되는 유닛 공극에 의해 특징된다. 예에는 공동 구(hollow sphere) 및 트러스(truss)와 같은 정렬된 공극 배열 및 격자 구조를 포함한다. 확률적 다공성 고체는 다양한 공극 크기 및 모양을 갖는 3-차원 형상을 갖는다. 이러한 재료는 단일의 반복 유닛 공극에 의해 특징될 수 없다. 이러한 재료에 있어서 형상의 무작위성은 "확률적(stochastic)"이라는 용어를 제안한다. 개방-공극 확률적 다공성 고체의 예는 세라믹 포말이다. 셀디스트 재료는 형상에 있어서 순수하게 확률적이거나 순수하게 주기적일 필요가 없다. 셀디스트 재료는 상기 두 형상의 의도적 또는 비의도적 혼합일 수 있는데, 비의도적 혼합은 완벽한 주기성을 획득할 때의 자연의 불명확성 때문이며, 일부 주기적 형상을 갖는 확률적 재료를 제재하는 어느 정도의 가능성 때문이다. 실질적으로 개방 공극을 갖는 다공성 고체는 또한 망상형 재료(reticulated material)로 불린다.
셀디스트 재료는 또한 분리 조건을 만족하여야 한다. 본원발명의 분리 조건은 구성성분 분리 유닛 내에서의 만족할만한 용량, 상 접촉 및 압력 강하를 달성하기 위한 필요성에 의해 유도된다. 분리 조건은 셀디스트 재료가 충분히 개방된 공극 및 낮은 상대 밀도를 나타내는 것을 요구한다. 셀디스트 재료 내 존재 가능한 폐쇄 공극의 양을 고려하면, 충분히 개방된 공극은 충분히 개방된 공극 내로 난 창을 갖으며, 창의 평균 크기는 평균 공극 크기(개방 공극 및 폐쇄 공극 포함)의 10%보다 크며, 바람직하게는 평균 공극 크기의 40%보다 크다. 상대 밀도는 다공성 고체의 밀도를 고체 재료 자체의 밀도로 나눈 값이다. 상대 밀도는 낮으며, 50% 이하, 바람직하게는 30% 이하이다.
본원발명에 따르면, 구성성분 분리 유닛은 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림으로 분리하기 위해 사용되는 공정 유닛의 한 종류이다. 구성성분 분리 유닛에 있어서, "공정 스트림"은 공급 스트림을 의미하며, "구성성분 공정 스트림"은 유닛으로부터 유래한 생성 스트림을 의미하며, "상"은 유닛 내에 존재하는 각각의 액체 또는 증기 상을 의미한다. 본원발명에 적합한 구성성분 분리 유닛의 예는 예를 들면 증류 유닛, 흡착기, 추출기 및 이들의 조합을 포함한다. 예를 들면, 증류 유닛 내에서의 구성성분 분리 동안에, 어느 한 방향으로 이동하는 상과 그 반대 방향으로 이동하는 상은 구성성분 분리 유닛 내에서 서로 접촉하여서 상기 상들 사이의 경계면에서 물질 전달을 수행한다. 예를 들면, 흡착 유닛 내에서의 구성성분 분리 동안, 하나 이상의 액체 상으로부터 유래한 바람직한 화학종을 유닛 내에 쌓인, 셀디스트 재료를 포함하는, 적절하게 활성화된 고체 재료의 표면상에 흡착되게 함으로써 물질 전달이 달성된다. 예를 들면, 추출 유닛 내에서의 구성성분 분리 동안, 액체 상들은 유닛 내에서 접촉하여서 상들 사이의 바람직한 물질 전달을 달성한다. 구성성분 분리는 이와 같은 물질 전달의 결과로서 달성된다. 물질 전달의 결과로서, 하나 이상의 공정 스트림은 분리되어서 각각 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 형성한다.
본원발명에 적합한 구성성분 분리 유닛의 예는 예를 들면 증류 유닛, 흡착기, 추출기 및 이들의 조합을 포함한다. 증류 유닛은 유닛 내로 공급되는 공정 스트림에 존재하는 화학종들의 끓는점의 차이에 기초하여 구성성분 분리를 달성한다. 증류 유닛은 예를 들면 증류 칼럼, 분별기, 분배기, 반-연속(semi-continuous) 유닛, 연속 유닛, 플래쉬 유닛, 배치 증류 유닛, 스트리퍼, 정류기, 추출 증류 유닛, 아조트로피 증류 유닛, 및 진공 증류 유닛 및 이들의 조합을 포함한다. 흡착기 및 추출기는 접촉 유닛인데, 접촉 유닛 내에서는 하나 이상의 액체 상들이 접촉하며 바람직한 구성성분 분리는 또 다른 상 내의 구성성분에 대한 또는 유닛 내에 쌓인 적절하게 활성화된 고체 흡착 재료에 대한 어느 한 상 내의 구성성분의 친화성에 기초하여 달성된다. 예를 들면, 구성성분 A 및 B를 함유하는 공정 스트림은 어느 한 지점에서 유닛 내로 유입될 수 있으며, 반면에 C를 함유하는 또 다른 공정 스트림은 또 다른 지점에서 유닛 내로 유입될 수 있다. 상기 스트림 중 하나는 전형적으로 액체이며, 반면에 나머지는 액체 또는 증기일 수 있다. 이제, 구성성분 B가 구성성분 A에 대한 친화성보다 구성성분 C에 대한 훨씬 더 큰 친화성을 갖는다고 가정한다. 적절하게 고안되고 작동되는 접촉 유닛 내에서 두 스트림의 친밀한 접촉은 본질적으로 구성성분 B 없이 구성성분 A를 함유하는 생성 스트림, 및 구성성분 C 및 본질적으로 구성성분 B 모두를 함유하는 제2 생성 스트림을 결과할 것이다. C로부터 B를 분리하는 것보다 A로부터 B를 직접 분리하는 것이 어렵다는 점 때문에 상기 유닛의 상업적 사용이 추진되어야 한다. 흡착기 유닛의 구체 예는 연속 흡착기, 온도 스윙 흡착기, 압력 스윙 흡착기, 정화/농축 스윙 흡착기 및 파라메트릭 펌핑을 포함한다. 추출기는 접촉 유닛인데, 접촉 유닛 내에서는 혼합되지 않는 액체 상들이 접촉하며 구성성분 분리는 물질-분리제(mass-separating agent)를 사용하여 달성된다. 상기 예에서, 제2 공정 스트림 내의 구성성분 C가 물질-분리제가 될 수 있다. 추출기 유닛의 한 예는 방향족 추출 유닛인데, 방향족 추출 유닛에서는 방향족 화학종 및 비-방향족 화학종 양자 모두를 함유하는 탄화수소 스트림이 설포레인(sulfolane) 또는 모르폴린(morpholine)과 같은 물질 분리 매개체와 접촉하며, 혼합 불가능한 이들 두 액체의 충분한 접촉은 본질적으로 방향족 화학종 모두를 탄화수소 스트림으로부터 물질 분리 매개체를 함유하는 스트림으로 추출한다. 구성성분 분리 유닛은 또한 구성성분 분리 유닛 내에서 바람직한 화학 반응을 촉진하기 위한 촉매 재료 영역을 포함한다. 이러한 예에는 반응성 증류 유닛 및 추출 증류 유닛이 있다.
본원발명은 오염된 공정 스트림으로부터의 오염 물질 제거 방법을 유리하게 제공한다. 상기 방법은 바람직하게는 공정 유닛 내의 복수의 망상 요소(reticulated element)를 통하여 공정 스트림을 통과시킴으로써 수행된다. 상기 망상 요소는 공정 유닛 내에 무작위적으로 쌓이며 그 결과 각각의 망상 요소 사이에는 충분히 비어있는 공간이 존재하여서, 망상 요소 표면상에서 오염물질의 여과를 증강시키며 동시에 오염제거된 공정 스트림이 복수의 망상 요소를 관통하여 방해받지 않고 통과하도록 한다. 표면은 내부 표면과 외부 표면을 포함할 수 있다. 본원발명에 따라 제조된 망상 요소는 외부 표면적 보다는 여과에 적합한 내부 표면적을 더 많이 가질 것이다. 망상 요소는 발포 재료 및 모놀리스 재료를 포함할 수 있다. 발포 재료는 일반적으로 불규칙한 패턴을 가지며, 반면에 모놀리스는 더욱 일정한 패턴을 갖는다. 망상 요소는 임의의 상업적으로 구입가능한 재료, 예를 들면 일반적으로 ZTA(zirconia toughened alumuna)라 불리는 지르코니아 인성강화 알루미나로부터 제조될 수 있다. ZTA는 세라믹 포말 형태로, Cudahy, Wisconsin에 본사를 둔 Fiber Ceramics, Inc.사로부터 구입 가능하다. 또 다른 적절한 종류의 세라믹은 모놀리스인데, Corning, New York에 본사를 둔 Corning, Inc.사에 의해 제조된다. 공정 스트림은 액체 스트림, 증기 상, 또는 이들 두 상의 조합일 수 있으며, 오염물질은 먼지, 산화철, 황화철, 아스팔텐, 코크 미립자, 검댕, 촉매 미립자, 산성 불순물, 침전물 또는 외부에서 유입된 또 다른 미립자 물질, 증류 칼럼 내 염, 가스 스트림 내의 미립자, 또는 테일 가스 유닛으로부터 나오는 황 또는 황화물을 포함할 수 있다. 공정 스트림은 또한 유기-기초 공정 스트림일 수 있다. 상기 망상 요소는 공정 스트림으로부터 오염물질의 일부 또는 전부를 제거하기에 충분한 양으로 제공되어야 한다. 본원발명의 또 다른 특징은 오염제거된 공정 스트림을 추가적인 공정에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
더욱 특히, 본원발명은 공정 유닛으로 유입되는 공정 스트림의 스트림 품질을 개선하는 방법에 관한 것이다. 대표적인 예는 촉매 층 공정 유닛으로 유입되는 유기-기초 공정 스트림의 스트림 품질을 개선하는 것이다. 바람직하게는, 촉매 층 공정 유닛은 디스크릿(discrete), 고체 요소, 고정된 촉매 층을 사용한다. 촉매 층 공정 유닛은 하이드로트리터(hydrotreater), 하이드로리파이너(hydrorefiner), 하이드로크래커(hydrocracker), 개질장치(reformer), 알킬레이션, 디알킬레이션, 이성질체화, 산화, 에스테르화, 및 폴리머화 반응기를 포함한다. 분산된 고체 촉매 입자는 하나 이상의 고정 층 및 상승류(upflow), 하강류(downflow) 또는 방사류(radial flow) 디자인에 함유될 수 있다.
촉매 층 공정 유닛에 부가하여, 본원발명의 망상 요소는 또한 다른 종류의 공정 장치로부터 오염물질을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 공정 장치는 소각로, 스크러버, 테일 가스 처리기, 및 증류 칼럼 및 연속으로 작동하는 임의의 제조 유닛을 포함한다. 증류 칼럼 내의 오염물질을 제거하기 위해 사용될 때, 망상 요소는 증류 칼럼의 바닥 또는 증류 칼럼 내 임의의 지점에 위치하여서 염 또는 증류 공정으로부터 나오는 또 다른 오염물질을 제거하기 위한 필터로서 작용할 수 있다. 염 또는 또 다른 오염물질의 제거는 타워 전체에 걸친 압력 강하를 감소시킬 것이며, 더욱 우수한 칼럼 내 분리 효율을 가능하게 할 것이며, 염 또는 칼럼으로부터 나오는 또 다른 오염물질을 제거하기 위해 전형적으로 요구되는 작업 중단들 사이의 시간 간격을 증가시킬 것이다.
본원발명은 또한 공정 유닛 내 수직 흐름 분배 방법을 유리하게 제공한다. 본 수직 흐름 분배 방법은 공정 유닛 내에 하나 이상의 망상 요소를 제공하는 단계를 포함한다. 단지 하나의 망상 요소가 사용될 때, 공정 유닛을 효과적으로 채우기에 충분히 크다. 다중 망상 요소가 사용될 때, 이들은 전형적으로 무작위로 쌓인 층 내에 배열된다. 망상 요소의 배열에 관계없이, 각각의 망상 요소는 망상 요소를 관통하는 복수의 흐름 통로를 규정하는 복수의 웹 멤버(web member)를 갖는다. 그러므로 복수의 망상 요소와 접촉하는 공정 스트림은 각각의 망상 요소의 웹 멤버에 의해 규정되는 복수의 흐름 통로를 통하여 공정 스트림을 통과함으로써 복수의 더 작은 유체 스트림으로 세분된다. 다중 망상 요소가 사용될 때 망상 요소 내의 흐름 통로를 관통하는 공정 스트림의 흐름 및 망상 요소들 사이의 빈 공간을 관통하는 공정 스트림의 흐름이, 공정 유닛을 관통하는 공정 스트림의 흐름에 수직인 효과적인 흐름 분배를 제공하기 위하여 사용된다. 이러한 방법은 공정 유닛 내 임의의 위치에서, 공정 유닛으로부터의 출구에서 또는 이들 위치의 임의 조합에서, 공정 유닛으로 유입되는 공정 스트림에 적용될 수 있다. 이러한 방법은 동시에 공정 스트림으로부터 오염물질을 여과하면서 공정 스트림에 적용될 수 있다. 이러한 방법은 동시에 공정 스트림 내 바람직한 화학종을 일부 또는 전부 제거하거나 또는 전환하기 위한 촉매 반응을 수행하면서 공정 스트림에 적용될 수 있다.
본원발명의 또 다른 특징은 다양한 모양(shapes)의 망상 요소를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 다양한 모양은 실질적으로 구형의 공(ball), 모놀리스, 사각형, 라시히 고리(raschig ring), 안장(saddle), 공동(空洞) 실린더(hollow cylinder), 천공된 디스크, 디스크, 싱글 시트, 및 솔리드(solid) 실린더(속이 꽉 찬 실린더) 등을 포함할 수 있다. 각각의 형상은 각각의 특성에 맞는 크기일 수 있다. 사용된 형상의 크기는 약 1/8 내지 2 인치 직경의 실질적으로 구형인 공; 약 1/8 내지 2 인치 폭 및 약 1/8 내지 2 인치 길이의 모놀리스; 약 1/8 내지 2 인치 폭 및 약 1/8 내지 2 인치 길이의 사각형; 약 1/8 내지 1 인치 내부 직경 및 약 1/4 내지 1 1/2 인치 내부 직경 및 약 1/4 내지 2 인치 높이의 라시히 고리; 약 1/4 내지 2 인치 반경의 안장(saddle) 형상; 약 1/8 내지 1 1/4 인치 내부 직경, 약 1/4 내지 2 인치 외부 직경, 및 약 1/4 내지 3 인치 높이의 공동 실린더; 및 약 1/8 내지 1 인치 직경 및 약 1/4 내지 2 인치 높이의 솔리드 실린더를 포함할 수 있다. 맞춤-제작된 1-조각 디스크 또는 싱글 시트 구성은 반응기의 물리적 배열에 맞춰질 수 있다. 본원발명의 또 다른 특징은 망상 요소가 각각 선택적으로 천공을 갖는 디스크 또는 싱글 시트 형상으로 형성될 수 있다는 것이다. 본원발명의 또 다른 특징은 반응기의 물리적 배열에 맞는 어셈블리된 시트 또는 디스크를 형성하기 위하여, 망상 요소는 구성될 때 복수의 단편으로 형성될 수 있다는 것이다.
본원발명의 또 다른 부가적인 특징은 다양한 공극률 및 다양한 공극 크기를 갖는 망상 요소를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 망상 요소는 인치 당 공극("ppi")이 많은 공극률을 갖도록 제조될 수 있다. 예를 들면, 30 ppi의 망상 요소는 인치 당 평균 30개의 공극을 갖는다는 것을 의미한다. 인치 당 약 25 밀리미터임을 고려하면, 이러한 재료의 공극 크기는 단지 1 밀리미터 미만일 것이다. 공극이 완전한 구형이 아니라는 점을 고려하면, 이 정도의 공극 크기는 공극 구멍의 일반적인 크기이다. 공극 크기의 또 다른 중요한 요소는 공극쪽으로 개방된 창의 크기이다. 공극 내에 붙잡히거나 또는 여과되는 가장 큰 입자의 크기를 결정하는 것은 바로 상기 창의 측정치이다. 본원발명의 망상 요소의 공극률 범위는 약 4 내지 약 800 ppi 이다. 이는 미립자 부과량을 포함하는 적용의 제한 및 압력 강하 제한에 대한 망상 요소의 크기 및 모양의 규격화를 가능하게 한다. 망상 요소의 공극은 약 6 밀리미터 내지 약 100 마이크론 범위일 수 있는데, 이들 각각은 망상 요소를 관통하는 복수의 흐름 통로를 형성하는 복수의 웹 멤버에 의해 정해진다. ppi 값이 일정하게 유지되더라도 상기 재료의 표면적은 변할 수 있다.
본원발명의 또 다른 특징은 동일한 공정 유닛 내에서 서로 다른 공극 크기를 갖는 망상 요소를 사용하여서 광범위한 크기의 오염물질 재료를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 본원발명의 재료는 약 1 마이크론 크기 미만의 오염물질을 여과할 수 있다. 상업적으로 구입 가능한 보존 재료는 약 50 마이크론 크기 미만의 입자를 붙잡을 수 있다.
본원발명의 또 다른 특징은 공정 유닛의 전체 길이에 걸쳐 복수의 망상 요소를 제공하는 단계를 유리하게 제공한다. 복수의 망상 요소는 공정 유닛 전반에서 단일 촉매, 복수의 촉매, 또는 체계화된 충전재와 같은 또 다른 물질과 함께 혼합될 수 있다.
본원발명의 또 다른 양상에 있어서, 오염된 공정 스트림을 망상 요소와 접촉시키는 단계는 오염된 공정 스트림과 접촉시키기 이전에 촉매를 망상 요소에 증착시키는 단계를 포함할 수 있다. 본원발명의 또 다른 특징은 VI-B족 금속 또는 VIII족 금속, 또는 양자 모두를 갖는 다공성 알루미나 코팅제를 포함하여, 선택된 촉매의 실질적으로 균일한 코팅을 갖는 기질(substrate)로서의 망상 요소의 사용을 포함한다. 바람직하게는, VI-B족 금속은 몰리브덴이며, 바람직하게는 VIII족 금속은 니켈 또는 코발트이다. 더욱 바람직하게는, VI-B족 금속 및 VIII족 금속은 망상 요소 내에 함침된다. 본원발명의 방법은 촉매 층의 작동 수명을 연장하는데 유용하다. 촉매로 활성화된 망상 요소는 디올레핀 또는 또 다른 폴리머 전구체를 반응시키기 위해 사용될 수 있고 또한 필터로서 그리고 흐름 분배기로서 작용하도록 사용될 수 있다. 고체를 여과하고 디올레핀과 같은 임의의 폴리머 전구체와 부분적으로 반응함으로써, 촉매의 퇴적은 반응기의 작동 시간을 효과적으로 연장하면서 감소된다.
본원발명의 또 다른 양상에 따르면, 여과 방법은 퇴적을 감소시키거나 또는 다운스트림 장치의 막힘을 감소시키기 위해, 공정 유닛 내에 형성되는 고체 미립자 물질 또는 침전물을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 본원발명의 이러한 양상은 하나 이상의 망상 요소를 공급하는 단계; 미립자 물질 또는 침전물을 함유하는 공정 스트림을 망상 요소와 접촉시키는 단계; 공정 스트림으로부터 미립자 물질 또는 침전물을 제거하는 단계; 및 상대적으로 미립자 물질 또는 침전물-없는 공정 스트림을 추가적인 공정에 제공하는 단계;를 포함할 수 있다. 망상 요소는 공정 유닛 내의 하나 이상의 지점 또는 공정 유닛의 출구, 또는 둘 모두에 위치할 수 있다. 침전물을 제거하는 이러한 방법은 증류 칼럼 내에서 사용되어서 상대적으로 침전물 없는 공정 스트림을 추가적인 공정에 제공할 수 있다. 종래 기술과 비교할 때, 촉매 층 공정 유닛 내 공정 스트림을 여과하는 본원발명의 방법은 요구되는 보존 재료의 부피는 감소시키며; 자금 비용을 낮추며; 공급 스트림으로부터의 고체 미립자 물질의 여과를 개선하며; 시스템 전반의 압력 강하를 감소시키며; 반응기의 작동 시간을 증가시키며; 더 큰 반응성을 가지며 작동 비용을 낮추는 촉매의 사용을 가능하게 하며; 공정 안정성을 증가시키며; 환경 문제를 감소시키는 장점을 갖는다.
본원발명의 또 다른 양상에 따르면, 전술한 장점들은 구성성분 분리 유닛 내에서 셀디스트 재료를 사용하여 하나 이상의 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림으로 분리하는 본원발명의 방법 및 장치를 통하여 달성된다.
상기 방법은 구성성분 분리 유닛 내에 셀디스트 재료를 제공하는 단계; 셀디스트 재료를 구성성분 분리 유닛(이하 "유닛"이라 함)의 하나 이상의 영역 내에 위치시키는 단계; 공정 스트림의 둘 이상의 상을 셀디스트 재료를 함유하는 영역에 유입하는 단계; 상기 셀디스트 재료 표면에서 또는 그 근체에서 상기 둘 이상의 상을 접촉시켜 물질 전달을 촉진하는 단계; 및 유닛으로부터 하나 이상의 상의 적어도 일부분을 하나 이상의 구성성분 공정 스트림으로서 회수하는 단계, 여기서 상기 구성성분 공정 스트림은 바람직한 조성을 가짐;을 포함할 수 있다.
본원발명의 특징은 상이 셀디스트 재료 영역을 빠져나오자마자 바람직한 조성을 갖는다는 점이다. 하나 이상의 구성성분 공정 스트림은 유닛의 상단과 유닛의 바닥 사이의 하나 이상의 지점으로부터 회수될 수 있다. 한 구체예에서, 셀디스트 재료의 표면은 유닛 내에서 셀디스트 재료의 입방 미터 당 최대 약 4000 평방 미터의 표면적을 가질 수 있다. 바람직하게는, 셀디스트 재료의 표면은 유닛 내에서 셀디스트 재료의 입방 미터 당 약 250-4000 평방 미터 범위의 표면적을 갖는다.
한 양상에 있어서, 유닛 내 셀디스트 재료의 고체 구성성분은 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 세라믹 재료, 금속성 재료, 폴리머 재료 및 화학 기상 증착 재료, 또는 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 셀디스트 재료는 또한 부식 저항성 재료 또는 주로 탄화 규소로부터 형성될 수 있다.
본원발명의 특징은 구성성분 분리 유닛이 셀디스트 재료 및 하나 이상의 전통적인 유닛 내부재를 포함할 수 있다는 점이다. 유닛으로 유입되는 공정 스트림은 증기 스트림, 액체 스트림 또는 이들의 조합일 수 있다. 유닛 내에 함유되는 하나 이상의 상은 유닛 내에 장착된 셀디스트 재료의 하나 이상의 영역을 관통하여 지나갈 수 있다.
본원발명의 또 다른 양상에 따르면, 구성성분 분리 유닛 내 하나 이상의 공정 스트림의 조성을 변화시키는 방법은 적어도 하나의 셀디스트 재료 층을 유닛 내에 배치하는 단계; 하나 이상의 공정 스트림으로부터 둘 이상의 바람직한 상을 생성하는 단계; 상기 둘 이상의 바람직한 상을 적어도 하나의 셀디스트 재료 층을 관통하여 통과시키며, 여기서 상기 둘 이상의 상의 조성은 셀디스트 재료를 관통하여 통과하면서 변화되며, 그 결과 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 생성하는 단계; 및 유닛으로부터 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 회수하는 단계를 포함할 수 있다. 본원발명의 특징은 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림이 유닛의 상단과 유닛의 바닥 사이의 지점으로부터 회수된다는 점이다. 한 양상에 있어서, 셀디스트 재료의 층 또는 층들은 유닛의 횡단면 배열에 꼭 맞는다. 또 다른 양상에 있어서, 셀디스트 재료의 층 또는 층들은 복수의 무작위로 쌓인 요소들로 구성된다.
본원발명의 또 다른 양상에 따르면, 증류 유닛 내에서 증류를 통하여 하나 이상의 공정 스트림의 조성을 변화시키는 방법은 적어도 하나의 셀디스트 재료 층을 증류 유닛 내에 배치하는 단계; 하나 이상의 공정 스트림으로부터 바람직한 상을 생성하는 단계; 상기 상을 적어도 하나의 셀디스트 재료 층을 관통하여 통과시키며, 여기서 상기 상의 조성은 셀디스트 재료를 관통하여 통과하면서 변화되며, 그 결과 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 생성하는 단계; 및 증류 유닛으로부터 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 회수하는 단계를 포함할 수 있다. 본원발명의 특징은 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림이 증류 유닛의 상단과 증류 유닛의 바닥 사이의 지점으로부터 회수된다는 점이다. 한 양상에 있어서, 셀디스트 재료의 층 또는 층들은 증류 유닛의 횡단면 배열에 꼭 맞는다. 또 다른 양상에 있어서, 셀디스트 재료의 층 또는 층들은 복수의 무작위로 쌓인 셀디스트 요소들로 구성된다.
본원발명의 또 다른 양상에 따르면, 흡착기 내에서 흡착을 통하여 하나 이상의 공정 스트림의 조성을 변화시키는 방법은 적어도 하나의 셀디스트 재료 층을 흡착기 내에 배치하는 단계; 하나 이상의 공정 스트림으로부터 둘 이상의 바람직한 상을 생성하는 단계; 상기 둘 이상의 상을 적어도 하나의 셀디스트 재료 층을 관통하여 통과시키며, 여기서 상기 둘 이상의 상의 조성은 셀디스트 재료를 관통하여 통과하면서 변화되며, 그 결과 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 생성하는 단계; 및 흡착기로부터 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 회수하는 단계를 포함할 수 있다. 본원발명의 특징은 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림이 흡착기의 상단과 흡착기의 바닥 사이의 지점으로부터 회수된다는 점이다. 한 양상에 있어서, 셀디스트 재료의 층 또는 층들은 흡착기의 횡단면 배열에 꼭 맞는다. 또 다른 양상에 있어서, 셀디스트 재료의 층 또는 층들은 복수의 무작위로 쌓인 셀디스트 요소들로 구성된다.
본원발명의 또 다른 양상에 따르면, 추출기 내에서 추출을 통하여 하나 이상의 공정 스트림의 조성을 변화시키는 방법은 적어도 하나의 셀디스트 재료 층을 추출기 내에 배치하는 단계; 하나 이상의 공정 스트림으로부터 바람직한 상을 생성하는 단계; 상기 상을 적어도 하나의 셀디스트 재료 층을 관통하여 통과시키며, 여기서 상기 상의 조성은 셀디스트 재료를 관통하여 통과하면서 변화되며, 그 결과 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 생성하는 단계; 및 추출기로부터 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 회수하는 단계를 포함할 수 있다. 본원발명의 특징은 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림이 추출기의 상단과 추출기의 바닥 사이의 지점으로부터 회수된다는 점이다. 한 양상에 있어서, 셀디스트 재료의 층 또는 층들은 추출기의 횡단면 배열에 꼭 맞는다. 또 다른 양상에 있어서, 셀디스트 재료의 층 또는 층들은 복수의 무작위로 쌓인 셀디스트 요소들로 구성된다.
본원발명의 또 다른 양상은 구성성분 분리 유닛 내에서 물질 전달을 통하여 공정 스트림의 구성성분 공정 스트림으로의 분리를 촉진하는 방법을 포함한다. 유닛은 바람직하게는 하나 이상의 셀디스트 재료 층을 갖는다. 이러한 하나 이상의 층은 유닛의 횡단면 배열에 꼭 맞는 셀디스트 재료 또는 복수의 무작위로 쌓인 셀디스트 재료, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 층의 깊이는 공정 스트림 내 하나 이상의 화학종의 일부 또는 모두의 바람직한 분리를 달성하기 위해 요구되는 이론단의 수를 제공하도록 규정된다.
또 다른 양상에서, 본원발명은 하나 이상의 셀디스트 재료가 내부에 증착된 구성성분 분리 유닛 어셈블리에 관계하는데, 여기서 유닛 내 하나 이상의 셀디스트 재료의 양은 바람직하게는 하나 이상의 공정 스트림을 하나 이상의 공정 스트림 내의 특정 화학종의 바람직한 조성을 함유하는 구성성분 공정 스트림으로 분리하기 위해 요구되는 이론단의 수를 제공하기에 충분하다.
종래 기술과 비교하여, 구성성분 분리 유닛 내에서 셀디스트 재료를 사용하여 하나 이상의 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 구성성분 공정 스트림으로 분리하는 본원발명의 방법 및 어셈블리는 고안, 조립, 설치, 작동 및 유닛의 유지 등을 위한 비용 및 복잡성을 감소시키며, 바람직한 분리를 달성하기 위한 더욱 효율적인 공정 스트림의 접촉을 제공한다는 장점을 갖는다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본원발명의 구체 예를 나타내는 단일 고정 촉매 층 공정 유닛의 부분 횡단면도이다.
도 2는 본원발명의 또 다른 구체 예를 나타내는 다중 고정 층 화학 반응기의 부분 횡단면도이다.
도 3은 본원발명의 한 구체 예를 나타내는 연소장치-스타일 재생장치 유동층 반응기(combustor-style regenerator fluidized bed reactor)의 부분 횡단면도이다.
도 4는 본원발명의 한 구체 예를 나타내는 2-단 재생장치 유동층 반응기의 부분 횡단면도이다.
도 5는 본원발명의 또 다른 구체 예를 나타내는 방사 흐름 반응기의 부분 횡단면도이다.
도 6은 본원발명에 따르는 망사형 재료로 제조된 천공된 디스크의 사시도이다.
도 7은 본원발명에 따르는 망사형 재료로 제조된 안장(saddle)의 사시도이다.
도 8은 본원발명에 따르는 망사형 재료로 제조된 공동 실린더의 사시도이다.
도 9는 본원발명에 따르는 망사형 재료로 제조된 1-피스 시트 샘플의 사시도이다.
도 10은 본원발명에 따르는 망사형 재료로 제조된 어셈블리된 디스크의 사시도이다.
도 11은 본원발명에 따르는 망사형 재료로 제조된 공(ball)의 사시도이다.
도 12는 본원발명에 따르는 망사형 재료로 제조된 솔리드 실린더의 사시도이다.
도 13은 본원발명에 따르는 망사형 재료로 제조된 공동형 실린더의 사시도이다.
도 14는 본원발명에 따르는 망사형 재료로 제조된 모놀리스의 사시도이다.
도 15는 본원발명의 한 구체 예는 나타내는 증류 칼럼의 부분 횡단면도이다.
도 16은 본원발명에 따라 변화하는 각각의 망상 요소 사이의 빈 공간을 갖는 망상 요소 층의 사시도이다.
도 17은 본원발명의 망상 요소가 설치된 증류 하이드로트리터 내 압력 강하와 종래 기술의 보존 재료가 설치된 증류 하이드로트리터 내 압력 강하의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 18은 나프타 하이드로트리터 유닛 내 압력 강하에 대한 본원발명의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 19는 본원발명에 따르는 공정 유닛의 입구에서, 공정 유닛 내 또 다른 두 지점에서, 그리고 공정 유닛의 출구에서, 본원발명의 방법을 제공하기 위한 망상 요소의 다중 층을 갖는 하강류 공정 유닛의 부분 횡단면도이다.
도 20은 본원발명의 구체예에 따르는, 광범위한 입자 크기의 오염물질의 여과를 가능하게 하는 서로 다른 공극률의 망상 요소 층을 갖는 공정 유닛의 부분 횡단면도이다.
도 21은 망상 요소 한 조각의 상단 및 바닥의 사시도이며, 여기에 식용 색소로 염색된 물이 떨어지며, 이는 본원발명에 따르는 망상 요소의 수직 흐름 분배를 나타낸다.
도 22는 본원발명의 한 구체 예에 따르는, 촉매 층의 길이방향으로 전반적으로 무작위적으로 쌓인 본원발명의 망상 요소를 갖는 공정 유닛의 사시도이다.
도 23은 종래 기술에 따르는 전통적인 구성성분 분리 유닛의 부분 횡단면도이다.
도 24는 본원발명에 따르는, 셀디스트 재료, 전통적인 트레이 및 전통적인 분배재를 함유하는 구성성분 분리 유닛의 부분 횡단면도이다.
도 25는 종래 기술에 따르는, 공정 스트림을 구성성분 공정 스트림으로 분리하기 위해 전통적인 충전재와 전통적인 분배재를 사용하는 구성성분 분리 유닛의 부분 횡단면도이다.
도 26은 본원발명의 한 구체 예를 따르는, 공정 스트림을 구성성분 공정 스트림으로 분리하기 위해 셀디스트 재료, 전통적인 충전재 및 전통적인 분배재를 사용하는 구성성분 분리 유닛의 부분 횡단면도이다.
도 27은 본원발명에 따르는, 구성성분 분리 유닛 내에서의 사용을 위하여 셀디스트 재료로 제조된 1-피스 시트 샘플의 사시도이다.
도 28은 본원발명에 따르는, 구성성분 분리 유닛 내에서의 사용을 위하여 셀디스트 재료로 제조된 어셈블리된 디스크의 사시도이다.
본원발명이 바람직한 구체 예와 결합하여 설명되나, 본원발명은 구체 예에 제한되면 안 된다. 반면, 특허청구범위에 의해 정의되는 발명의 범위 및 사상 내에 포함되는 모든 대안, 변성, 및 균등 범위를 포함한다.
구체 예의 상세한 설명
도 1을 참조하여, 또 다른 공정 유닛뿐만 아니라, 전술한 또 다른 모양의 망상 요소(15)가 사용될 수 있음에도, 공정 스트림을 처리하기 위하여 실질적으로 구형 공(122) (도 11) 모양의 망상 요소(15)를 갖는 단일 고정 촉매 층 공정 유닛(22)이 설명될 것이다. 공정 유닛(22)이 하강류 배열이라면, 오염된 공정 스트 림(20)은 입구(24)에서 공정 유닛(22)으로 유입될 것이다. 본원발명은 고정 또는 유동 촉매 층 공정 유닛 내에서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 본원발명은 상승류 또는 하강류 또는 방사류 배열을 하는 하나 또는 그 이상의 고정 층 내에서 사용된다. 바람직하게는, 촉매 층 공정 유닛은 하이드로트리터, 하이드로리파이너, 하이드로크래커, 개질장치(reformer), 알킬레이션, 디알킬레이션, 이성질체화, 에스테르화, 및 폴리머화 반응기를 포함한다. 공급 스트림 내에서 발견되는 오염물질은 전형적으로 먼지, 산화철, 황화철, 아스팔텐, 코크 미립자, 검댕, 촉매 미립자, 침전물 또는 또 다른 유입된 외부 미립자 물질, 증류 칼럼 내 염, 가스 스트림 내 미립자, 테일 가스 유닛으로부터 나오는 황 또는 황화물, 디올레핀과 같은 폴리머 전구체를 포함한다. 반응기의 작동을 조절하도록 반응기 내의 촉매가 충분히 활성인 기간을 포함하여 바람직한 기간 동안, 망상 요소(15)의 층(26), 바람직하게는 층(26, 28)이 공정 스트림(20)으로부터 오염물질을 여과하기에 충분한 양으로 용기에 제공되며, 상기 기간에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 유입되는 공정 스트림이 망상 요소(15)의 층을 관통하여 흐름에 따라, 공(122)과 같은 망상 요소(15)의 크기가 층(26) 내에서의 특정 크기에서 층(28) 내에서의 또 다른 크기로 증가하는 다중 층(26, 28)이 제공될 수 있다. 망상 요소는 발포 재료 및 모놀리스 재료를 포함할 수 있다. 발포 재료는 일반적으로 무작위 패턴을 가지며, 반면에 모놀리스는 더욱 균일한 패턴을 갖는다. 망상 세라믹 요소가 사용된다면, 망상 세라믹 요소는 임의의 상업적으로 구입 가능한 재료, 예를 들면 일반적으로 ZTA라 불리는 지르코니아 인성강화 알루미나로부터 제조될 수 있다. ZTA는 Cudahy, Wisconsin 에 본사를 둔 Fiber Ceramics, Inc. 사로부터 구입 가능하다. 본원발명에서 사용되는 대표적인 모놀리스는 Corning, New York에 본사를 둔 Corning, Inc.사로부터 구입 가능하다. 망상 요소(15)의 점증하는 크기는 광범위한 크기의 오염물질의 여과를 가능하게 한다.
본원발명은 오염된 공정 스트림으로부터 오염물질을 제거하는 유리한 방법을 제공한다. 상기 방법은 바람직하게는 각각의 망상 요소 사이의 빈 공간을 갖는 무작위로 쌓인 망상 요소를 제공하여 오염물질의 여과를 증강하고, 그 결과 오염제거된 공정 스트림이 망사형 재료를 관통하여 방해받지 않고 통과할 수 있게 함으로써 수행된다. 본원발명은 공정 스트림으로부터 오염물질을 제거하기 위하여 망상 요소 전체가 사용될 수 있는 방법을 제공한다. 촉매 층 공정 유닛 내에서, 망상 요소의 크기가 조절되어서, 그 결과 망상 요소가 오염물질 입자를 여과하는 자신들의 능력을 모두 소진하기 이전에, 촉매 층이 자신들의 촉매 활성을 모두 소진한다. 전통적으로 사용가능한 보존재료의 6 내지 12 인치의 상단을 결국 막히게 하는 현재의 방법과 대조적으로, 상기 방법은 망상 요소의 전체 층의 사용을 가능하게 한다. 이러한 물질을 가지면서, 약 1 피트보다 더 깊은 층은 본질적으로 공정 스트림으로부터 미립자 오염물질을 제거하는데 소용이 없다. 더욱이, 이러한 물질에 의해, 일단 층의 상단이 막히게 되면, 장치 내의 압력 강하는 증가하며, 막힌 물질을 공정 유닛으로부터 제거하고 대체하기 위한 작업중단이 요구된다.
데이터는 본원발명의 망상 요소를 가지고 실험한 서로 다른 공정 유닛으로부터 수집되었다. 본원발명의 망상 요소는 상업적으로 구입 가능한 전통적인 보존 재 료보다 매우 우수하게 수행되었다.
실시예 1 - 증류 하이드로트리터 내에서의 사용
데이터는 실질적으로 동일한 공정 조건에서 4개의 증류 하이드로트리터를 위한 정제(refinery)로부터 수득되었다. 두 개의 하이드로트리터, A 및 B는 "링 그레이딩 시스템(ring grading system)"으로 알려진 전통적인 망사형 재료를 함유하였다. 나머지 두 개의 하이드로트리터, C 및 D는 본원발명의 망상 요소를 사용하였다. 도 17은 전통적인 링 그레이딩 시스템과 본원발명의 망상 요소를 사용하는 4개의 하이드로트리터의 압력 강하의 비교를 나타낸다. 그래프에 도시된 바와 같이, 망상 요소를 함유하는 C 및 D 하이드로트리터에서 압력 강하는, 450일의 충분한 기간 동안 시작 압력 강하와 비교하여 상대적으로 낮게 유지되었으며, 반면에 전통적인 링 그레이딩 시스템을 사용하는 A 및 B 하이드로트리터는 200일의 수명 기간 이후에 급격한 압력 증가를 나타냈다. 압력 강하 비교의 결과는 표 1에 제시된다. 증류 하이드로트리터 내 오염된 공정 스트림은 주로 액체 상 이었다. C 하이드로트리터 내에서, 차압(differential pressure)은 450일에서 단지 8 psi 이었다. D 하이드로트리터 내에서, 차압은 450일에서 단지 0.5 psi 이었다. A 및 B 하이드로트리터에 대한 차압은 각각 82.5 psi 및 54 psi 이었다. 이와 비교하여, 본원발명의 망상 요소를 갖는 C 및 D 하이드로트리터는 전통적인 링 그레이딩 시스템보다 훨씬 우수하게 수행하였다. 본원발명의 망상 요소와 관계하는 낮은 차압은 턴어라운드(turnaround) 사이의 시간을 극적으로 연장한다.
Figure 112007092331807-pct00001
전형적인 압력 강하 시나리오는 작업의 첫 1개월 동안은 낮은 압력 강하를 갖는 것이며, 그렇지만 예상 불가능한 특정 시간에서, 압력은 비교적 짧은 기간 동안 매우 많이 증가하며 그 시점에서 유닛은 막힘을 제거하고 제거된 물질을 대체하기 위하여 작업중단해야 하며 그리고 유닛을 다시 시작해야 한다. 이러한 점들은 예측 불가능한 사고를 유발하며, 그리고 매우 짧은 리드-타임을 갖는 대체 물질을 요구하거나, 대체 물질의 충분한 잉여 재고를 유지하거나 또는 대체 물질의 인도를 기다리기 위한 작업중단 시간을 늘려야 한다는 점에서 문제된다. 본원발명의 방법에 따른 망상 요소의 사용으로, 압력 강하는 공정 스트림 내 오염물질의 수준 및 공정 유닛에 부과된 망상 요소의 용량에 기초하여 예측 가능한 기간 동안 낮게 유지한다. 충분한 망상 요소가 부과되어서 그 결과 망상 요소가 포화되기 이전에 유닛 내 촉매가 소진된다.
실시예 2 - 나프타 하이드로트리터 내에서의 사용
데이터는 4개의 나프타 하이드로트리터에 의한 정제(refinery)로부터 수득되었다. 하이드로트리터 중 세 개(A, B, 및 C)는 전통적인 링 그레이딩 시스템을 사용하였으며, 반면에 나머지 하이드로트리터(D)는 본원발명의 망상 요소를 사용하였다. 도 18은 4개 하이드로트리터 사이의 압력 강하 비교를 도시한다. 200일에서, 망상 요소를 갖는 유닛(D)은 최소의 압력 강하, 즉 하이드로트리터 D에 대하여 -4 psi를 나타냈으며, 이와 비교하여 링 그레이딩 시스템을 함유하는 세 개의 유닛은 하이드로트리터 B에 대하여 10 psi, 그리고 하이드로트리터 C에 대하여 22 psi를 나타냈다. 나프타 하이드로트리터 내 오염된 공정 스트림은 주로 증기 상 이었다. 본원발명의 망상 요소는 효율적이며 효과적으로 여과하였으며, 반면에 전통적인 링 그레이딩 시스템은 막혔다.
도 1을 참조하면, 다른 설명이 없는 한, 오염된 공정 스트림(20)을 여과하는 것에 부가하여, 망사형 재료(15)는 또한 촉매 층(32)으로 들어가는 유입 공정 스트림(20)의 균일한 분배 및 흐름을 가능하게 한다.
층(26, 28) 내 망사형 재료(15)의 웹 멤버(123)(도 9)에 의해 정의된 복수의 흐름 통로(120)(도 9)를 관통하여 공정 스트림이 지나감으로써, 유입 공정 스트림(20)은 또한 복수의 더 작은 유체 스트림으로 세분화되어 분배되고 그 후 여러번 더 작은 스트림으로 다시 세분화되고, 그 결과 유입 공정 스트림은 촉매 층(32)의 라인(34 - 34)을 따르는 유체 입구 횡단면(34)에 균일하게 산재된다. 공정 스트림(20)은 촉매 층(32) 내에서 반응된다. 바람직하게는 촉매 층(32)은 디스크릿 고체 촉매 입자(36)를 함유한다.
촉매 층 공정 유닛을 위하여, 본원발명의 방법은 미립자 오염물질을 이들이 촉매 층에 도달하기 이전에 여과한다. 이러한 방법은 촉매 층의 증가된 효율성을 가능하게 하는데, 왜냐하면 실시예 1 및 2에서 사용된 링 그레이딩 시스템과 같은 전통적인 보존 재료를 갖는 시스템과 비교하여 더 많은 촉매 표면적이 촉매로서 작용할 수 있기 때문이다. 결과적으로, 더 작은 크기의, 더 촉매 활성인 촉매 요소가 사용될 수 있는데, 이는 약 10% -15%의 촉매 활성의 이득을 결과하는 유닛의 더 낮은 평균 압력 강하 때문이다.
망사형 재료(15)는 또한 유출 공정 스트림(38)으로부터 미립자(36)를 여과하여 보유하기 위해 사용될 수 있다. 출구 공정 스트림에 존재할 수 있는 작은 미립자 물질(36)이 공정 스트림(38)으로부터 여과되거나, 또는 붙잡힐 수 있고, 망사형 재료 층(40, 42)에 의해 보유될 수 있다. 바람직하게는, 반응기(22)의 출구(44)에서, 층(40, 42) 내 망사형 재료의 크기는 층(40) 내에서의 특정 크기에서부터 층(42) 내에서의 또 다른 크기로 점차 증가한다. 더욱이, 물질의 침전물이 공정 유닛 내에 형성될 수 있는데, 예를 들면 잔류 오일의 과도한 수소화분해(hydrocracking)에 의해 형성되는 침전물이며, 이는 다운스트림 장치를 막히게 하거나 오염시킬 수 있다. 이러한 침전물들은 망사형 재료(15)에 의해 유출 공정 스트림(38)으로부터 여과될 수 있다. 바람직하게는, 반응기(22)의 출구(44)에서, 층(40, 42) 내 망사형 재료의 크기는 층(40) 내에서의 특정 크기에서부터 층(42) 내에서의 또 다른 크기로 점차 증가한다. 그 대신에, 본원발명은 또한 상승류 배열에서 사용될 수 있는데, 여기에서 오염된 공정 스트림(46)은 하부 끝단(39)의 (44)에서 유닛으로 유입되며, 유출 공정 스트림(25)은 반응기(22)의 상부 끝단(47)의 (24)에서 공정 유닛을 빠져나온다.
전술한 바와 같이, 본원발명의 또 다른 장점은 오염된 공정 스트림(20) 내에서 활성화된 또는 부분적으로 활성화된 망사형 재료(15)를 폴리머 전구체와 반응시키는 것이다. 오염된 공정 스트림(20)이 가열된 이후 그리고 일반적으로 공정 유닛(22)으로 유입되기 전에 공정 유닛(32) 내에서 디올레핀의 축합 폴리머화가 일어나며, 그 결과 공정 유닛(32) 내에서 오염물(foulant))이 형성되며, 이 오염물질은 공정 유닛(32)을 방해하거나 막는다. 오염물이 공정 유닛 내에서 형성됨에 따라, 이들 오염물들은 유체 입구 횡단면(34)을 가로질러 흐르기에 앞서, 오염된 공정 스트림(20)으로부터 여과될 수 없다. 그러므로, 망사형 재료(15)의 층 또는 층들(26, 28, 40, 42)은 알루미나 분말로 코팅되어서 부분적으로 활성화된 망사형 재료를 형성하기 위한 촉매 재료용 기질로서 작용할 수 있다. 본원발명의 "활성화된 지지체(activated support)"는 (1) 촉매 재료가 함침된 망사형 재료; 또는 (2) 금속의 산화물, 질화물, 또는 탄화물일 수 있는 망사형 재료; 또는 (3) 예를 들면 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 실리카-마그네시아 또는 티타니아와 같은 무기 산화물 또는 제올라이트를 함유하는 망사형 재료;를 의미한다. 본원발명의 "부분적으로 활성화된 지지체"는 느린 반응 속도를 달성하기 위하여 또는 접촉하는 재료를 부분적으로 반응시키기 위하여 의도적으로 덜 활성화된 또는 부분적으로 활성을 잃은, 활성화된 지지체 재료를 의미한다.
오염된 공정 스트림에 대하여, 코팅된 망사형 재료(15)가 또한 사용될 수 있는데, 여기서 코팅제는 몇 개의 전통적인 촉매 중 하나를 포함할 수 있다. 알루미나가 활성 코팅제로 사용될 수 있으며, 선택적으로 그러나 바람직하지는 않지만, 알루미나는 촉매를 강화하기 위하여 지지체로서 사용될 수 있다. 본원발명에 따르는 촉매는 바람직하게는 알루미나 기초 지지체에 함침된 VI-B족 금속 또는 VIII족 원소 또는 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 따라서, 촉매는 철, 니켈, 코발트, 백금, 팔라듐 및 이리듐 중 적어도 하나와 조합하여 크롬, 몰리브덴, 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 팔라듐의 사용은 에틸렌으로부터 아세틸렌 및 디올레핀의 제거, 산소의 제거, 및 수소의 제거에 특히 유용하다. VI-B족 금속 중에, 몰리브덴이 가장 선호된다. 촉매는 바람직하게는 약 2 중량% 내지 약 14 중량%의 VI-B족 금속을 함유할 것이다. VIII족 금속 중에, 니켈 및 코발트가 가장 선호된다. 촉매 내 VIII족 금속의 양은 바람직하게는 약 0.5 중량% 내지 약 10 중량%이다.
도 2를 참조하여, 안장(126)(도 7) 모양의 망사형 재료(15)가 있는 두 개의 고정 촉매 층(48, 50)을 갖는 다중 고정 촉매 층 공정 유닛(46)이 설명된다. 반응기(46)는 하강류 배열로 도시되며, 여기서 오염된 공정 스트림(51)은 입구(52)에서 유닛(46)으로 들어가며, 유출 공정 스트림(54)은 출구(56, 60)에서 유닛을 빠져나올 것이다. 부분적으로 반응된 고정 스트림(58)은 제1 고정 층(48)의 출구(61)에 축적되며 수집기 트레이(60)에서 회수된다. 부분적으로 반응된 고정 스트림(58)은, 혼합 챔버(64)에서 부분적으로 반응된 공정 스트림(62)으로서 반응기(46)에 재유입되기 이전에, 가열되거나 급랭되거나 또는 달리 처리될 수 있다. 후속하는 촉매 층(50)과의 반응을 위하여 부분적으로 반응된 공정 스트림(62)을 반응기(46) 내에 재유입시키기 이전에, 부분적으로 반응된 고정 스트림(58)은 재분배, 가열, 또는 요구되는 또 다른 공정 단계를 위하여 제거될 수 있다. 망사형 재료(15)의 또 다른 층(70)은, 추가적인 공정 단계에서 사용되는 공정 장치에 의해 형성되거나 또는 상기 공정 장치로부터 유입된 임의의 오염물질을 제거하기 위한 여과 또는 분배를 위하여 제공될 수 있는데, 오염물질의 예에는 먼지, 산화철, 황화철, 아스팔텐, 코크 미립자, 검댕, 촉매 미립자, 침전물 또는 또 다른 유입된 외부 미립자 물질, 증류 칼럼 내 염, 가스 스트림 내 미립자, 테일 가스 유닛으로부터 나오는 황 또는 황화물, 또는 디올레핀과 같은 폴리머 전구체가 있다.
망사형 재료(15)의 층(66, 68, 70)은, 공정 스트림(51) 및 부분적으로 반응된 공정 스트림(62)을 여과하기에 충분한 양으로, 입구(52) 아래쪽의 반응기(46) 및 혼합 챔버(64)에 제공된다. 바람직하게는, 다중 층(66, 68, 70)이 제공되어서, 그 결과 유입되는 오염된 공정 스트림 망사형 재료(15)를 관통하여 흐름에 따라, 망사형 재료(15)의 공극률이 층(66)에서의 특정 공극률로부터 층(68)에서의 또 다른 공극률 내지 층(70)에서의 또 다른 공극률로 점차 증가한다. 선택적으로, 본원발명은 전통적인 바스켓 스크린(72)이 있거나 또는 없이 수행될 수 있다. 바람직하게는, 고정 촉매 층(48, 50)은 디스크릿 고체 촉매 입자(74)를 함유한다.
본원발명의 또 다른 특징은 공정 유닛 전체 길이에 걸쳐서 복수의 망상 요소(15)를 제공하는 것이다. 도 22에 제시된 바와 같이 공정 유닛 전반에서 복수의 망상 요소(15)는 촉매(19)와 혼합될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본원발명의 장점은 공정 스트림을 분배하기 위해 사용될 수 있다는 점이다. 망사형 재료(15)의 웹 멤버(123)(도 9)에 의해 정의된 복수의 흐름 통로(120)(도 9)를 관통하여 공정 스트림이 지나감으로써 유입 공정 스트림을 복수의 더 작은 유체 스트림으로 세분화시킴으로써, 공정 스트림(51)은 여과됨과 동시에 분배될 수 있으며; 그 후 여러번 더 작은 스트림으로 재세분화 되어서 그 결과 유입 공정 스트림은 촉매 층(76)의 전체 유동 횡단면에 균일하게 분포된다. 그 후 수집기 플레이트(60)에서 부분적으로 반응된 고정 스트림(58)으로서 회수되기 이전에, 공급물(51)은 촉매 층(48) 내에서 반응한다. 그 후 부분적으로 반응된 공정 스트림(62)이 혼합 챔버(64) 내로 흐르고 망사형 재료 층(70)을 관통하여 지나감에 따라, 여과 및 분배 방법은 부분적으로 반응된 공정 스트림(62)에 대하여 반복된다.
본원발명의 또 다른 특징은 유출되는 부분적으로 반응된 고정 스트림(58) 및 반응된 공정 스트림(54)으로부터 촉매 입자(74)를 붙잡고 보유하기 위해 망사형 재료(15)가 사용될 수 있다는 점이다. 제1 고정 층(48)의 출구(61)에서의 층(78, 80) 내 망사형 재료(126) 및 제2 고정층(50)의 출구(56)에서의 층(82, 84) 내 망사형 재료(126)는 부분적으로 반응된 고정 스트림(58) 또는 반응된 공정 스트림(54) 내에 존재할 수 있는 촉매 입자(74)를 여과하고 보유하기 위해 사용된다. 도 1을 참조하여 설명하면, 단일 또는 다중 고정 층 화학 반응기 내에서 부분적으로 반응된 또는 반응된 유출 공정 스트림으로부터 촉매(74)를 붙잡고 보유하기 위하여, 망사형 재료(15)는 바람직하게는 도 2에 제시된 층(48)의 층(78, 80) 및 층(50)의 층(82, 84)과 같이 특정 공극률로부터 또 다른 공극률로 점차 증가한다. 선택적으로, 망사형 재료의 공극률은 작은 공극으로부터 큰 공극으로 점차 증가할 수 있다. 그 대신에, 망사형 재료의 공극률은, 촉매 층에 형성될 수 있는 침전물을 여과하기 위하여, 큰 공극으로부터 작은 공극으로 점차 감소할 수 있다.
본원발명의 또 다른 장점은 공정 스트림(51, 62) 내에서 폴리머 전구체와 반응하기 위하여 망사형 재료(15)가 촉매 활성 재료에 의해 활성화되거나 또는 촉매 활성 재료로 함침될 수 있다는 점이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 망사형 재료(15)의 층(66, 68, 70)은 바람직하게는 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 실리카-마그네시아 또는 티타니아로 구성된 그룹으로부터 선택되는 무기 산화물; 또는 바람직하게는 제올라이트 L, 제올라이트 X, 및 제올라이트 Y로 구성된 그룹으로부터 선택되는 제올라이트;를 포함하는 활성화된 지지체를 함유하며, 활성화된 지지체는 촉매 재료를 위한 기질로서 망사형 재료에 첨가될 수 있다. 선택적으로, 망사형 재료는 촉매 재료에 의해 함침될 수 있거나 또는 망사형 재료는 본원발명의 참조문헌으로 편입된 미국 특허 5,399,535에 공지된 바와 같이 금속의 산화물, 질화물, 탄화물 또는 붕화물일 수 있다.
전술한 활성화된 또는 부분적으로 활성화된 망사형 재료는 퇴적의 형성 또는 검(gum)의 형성을 방지하기 위한 디올레핀 또는 또 다른 폴리머 전구체의 수소화처리(hydrogenation)를 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 흡열 반응이 부분적으로 반응된 고정 스트림(58)에 대한 열의 첨가를 요구할 때, 바람직하게는 층(70)의 망사형 재료(15)가 또한 활성화되거나 또는 부분적으로 활성화된다. 본원발명은 코팅된 망사형 재료에 의해 실행될 수 있는데, 여기서 코팅제는 몇몇의 전통적인 촉매 중 하나를 포함할 수 있다. 알루미나가 활성 코팅제 또는 지지체 상에서 사용될 수 있다. 본원발명에 따르는 촉매는 바람직하게는, 망사형 재료 내에 함침된 VI-B족 금속 또는 VIII족 원소 또는 양쪽 모두, 무기 산화물, 또는 제올라이트를 포함한다. 따라서, 촉매는 철, 니켈, 코발트, 백금, 팔라듐 및 이리듐 중 적어도 하나와 조합하여 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. VI-B족 금속 중에, 몰리브덴이 가장 선호된다. 촉매는 바람직하게는 약 2 중량% 내지 약 14 중량%의 VI-B족 금속을 함유할 것이다. VIII족 금속 중에, 니켈 및 코발트가 가장 선호된다. 촉매 내 VIII족 금속의 양은 바람직하게는 약 0.5 중량% 내지 약 10 중량%이다.
도 3은 전통적인 연소장치-스타일 유동층 반응기(88, 90)를 나타낸다. 망사형 재료(15)의 층(86, 92)은 유동층 화학 반응기(90) 및 연소장치, 또는 재생장치(88) 내에서 사용되어서 증기 또는 공기 흐름의 유입 손실 및 불균형 분배를 감소시킬 수 있다. 연소장치 또는 재생장치(88)에 대한 유입 공기(93)는 망사형 재료 층(86)을 관통하여 흘러서 스트림을 복수의 더 작은 흐름 스트림으로 세분화한다. 망사형 재료(15)는 도시된 천공(125)이 없는 단일 환형 디스크(124)(도 6)일 수 있다; 그렇지만 이것은 타원형 또는 직사각형 시트(121)(도 9)이거나, 또는 어셈블리된 디스크(134)(도 10)를 포함하는 임의의 바람직한 기하학적 배열일 수 있다. 선택적으로, 다중 디스크(86, 92)(도 3)가 사용될 수 있다. 또한, 디스크(124)(도 7) 또는 시트(121)(도 9)는 선택적으로 천공을 함유할 수 있다. 증기 또는 공기 흐름의 세분화는 유입 증기 또는 공기 스트림의 난류를 감소시켜서, 그 결과 특정 연소장치-스타일 유동층 반응기(도 3)의 공정 제한에 의존하여서, 유속을 증가시키거나 또는 압축장치 마력의 사용을 감소시킬 수 있다. 본원발명의 또 다른 장점은 세분화된 증기 또는 공기 흐름은 증기 또는 공기(94)를 연소장치 또는 재생장치(88) 전반에 걸쳐서 더욱 균일하게 분포시킬 수 있다는 점이다. 더욱이, 망사형 재료(15)의 또 다른 층(92)이 사용되어서 유동층 반응기(90) 내에 사용된 임의의 보풀 증기(fluffing vapor)(96)를 더욱 균일하게 분배할 수 있다는 점이다.
그 대신에, 전통적인 2-단 재생장치 유동층 반응기(104)를 도시하는 도 4에 있어서, 망사형 재료(15)의 층(98, 112)은 도 3에 도시된 단일-단 연소장치 또는 재생장치와 유사하게 사용될 수 있다. 연소장치 또는 재생장치의 첫 번째 단(108)에 대한 난류성 유입 공기(102)는 망사형 재료(15)의 층(98)을 관통하여 흘러서 스트림이 바람직하게는 복수의 더 작은 흐름 스트림으로 세분화된다. 바람직하게는, 망사형 재료(15)는 천공(125)이 없는 단일 환형 디스크(124)(도 6)이다; 그렇지만 이것은 타원형 또는 직사각형 시트(121)(도 9)이거나, 또는 어셈블리된 디스크(134)(도 10)를 포함하는 임의의 바람직한 기하학적 배열일 수 있다. 선택적으로, 다중 디스크(98, 112)(도 4)가 사용될 수 있다. 또한 디스크(124)(도 7) 또는 시트(121)(도 9)는 선택적으로 천공을 함유할 수 있다. 유사하게, 2-단(110)에 대하여, 난류성 유입 공기(106)는 망사형 재료(15)의 층(100)을 관통하여 흘러서 스트림이 복수의 더 작은 흐름 스크림으로 세분화된다. 증기 또는 공기 흐름의 세분화는 유입 증기 또는 공기 스트림의 난류를 감소시켜서, 그 결과 2-단 재생장치 유동층 반응기(104, 116)의 공정 제한에 의존하여서, 유속을 증가시키거나 또는 압축장치 마력의 사용을 감소시킬 수 있다. 본원발명의 또 다른 장점은 세분화된 증기 또는 공기 흐름은 연소장치 또는 재생장치 챔버(108, 110) 전반에 증기 또는 공기를 더욱 균일하게 분배시킬 수 있다는 점이다. 더욱이, 망상 요소(112)의 또 다른 층이 사용되어서 유동층 반응기(116) 내에 사용되는 보풀 증기(114)를 더욱 균일하게 분배시킬 수 있다.
도 5에는, 증기 형태의 오염된 공정 스트림의 처리를 위한, 실질적으로 구형 공(122)(도 11) 모양의 망사형 재료(15)를 갖는 방사류 고정층 화학 반응기(94)가 도시되며, 전술한 바와 같이 또 다른 모양도 사용될 수 있다. 증기 형태의 오염된 공정 스트림(92)은 입구(96)에서 방사류 반응기(94)로 유입된다. 망사형 재료(15)의 층(98), 더욱 바람직하게는 망사형 재료(15)의 층(98, 100)이 디플렉션 배플(deflection baffle)(122)과 스캘럽(scallop)(104) 사이에서 용기 내에 제공된다. 망사형 재료(15)의 층(98, 100)은 오염된 증기 공급(92)에 존재하는, 먼지, 산화철, 황화철, 아스팔텐, 코크 미립자, 검댕, 촉매 미립자, 침전물 또는 또 다른 유입된 외부 미립자 물질과 같은 오염물질, 또는 디올레핀과 같은 폴리머 전구체의 여과를 도우며, 그 후 고정 촉매 층(108) 내에서 반응하고, 반응된 공정 스트림(112)으로서 중심 파이프(110)을 통하여 배출된다. 또한 전술한 바와 같이, 본원발명의 한 장점은 망사형 재료(15)가 출구 스트림으로부터 촉매를 붙잡고 보유하기 위하여 사용될 수 있다는 점이며, 이는 본원발명에서 언로딩 튜브(unloading tube)(106)에 제시된다.
망상 요소는 또 다른 종류의 공정 장치 내 오염물질, 예를 들면 침전물을 여과하기 위하여 사용될 수 있다. 도 15는 본원발명의 또 다른 구체 예를 도시한다. 본 구체 예에서, 망상 요소(95)는 증류 칼럼(90) 내 염과 같은 침전물을 제거하기 위하여 사용된다. 공정 장치에 형성된 침전물을 여과하는 방법은 바람직하게는 각각의 망사 요소 사이의 빈 공간을 가지면서 쌓인 망상 요소 층을 제공하는 단계를 포함한다. 망상 요소의 표면에서 더 작은 오염물질의 여과를 증강하고, 동시에 망상 요소 층의 막힘을 방지하기 위해 더 큰 오염물질이 관통하여 지나가도록, 상기 빈 공간이 변화한다. 상기 방법은 또한 침전물을 함유하는 공정 스트림을 망상 요소와 접촉시켜서 그 결과 망상 요소 표면에서 더 작은 오염물질을 제거함으로써 공정 스트림으로부터 침전물을 제거하고 더 큰 오염물질은 각각의 망상 요소 사이의 빈 공간을 관통하여 지나가도록 허용하는 방법을 포함한다. 본 방법은 추가적인 공정을 위한 상대적으로 침전물-없는 공정 스트림을 생성한다.
도 6은 본원발명의 한 구체 예인 망상 요소 디스크(124)를 도시한다. 선택적으로, 디스크는 천공(125)을 가질 수 있다. 바람직하게는, 망상 요소로 충전될 수 있는 스크린 바스켓을 수용하기 위하여 다중 천공이 사용된다. 또 다른 모양은 안장(126)(도 7), 공동 실린더(128)(도 8), 망사형 재료(15)의 싱글 시트(121)(도 9), 복수의 단편(134 a-f)으로부터 형성된 디스크(134)(도 10), 실질적으로 구형의 공(122)(도 11), 솔리드 실린더(132)(도 12), 라시히 고리(130)(도 13), 사각형(도 14), 및 모놀리스(도 14) 등이다. 각각의 성형체는 각각의 사양에 따라 크기가 조절될 수 있다. 사용된 형상의 크기는 약 1/8 내지 2 인치 직경의 실질적으로 구형인 공; 약 1/8 내지 1 인치 내부 직경 및 약 1/4 내지 1 1/2 인치 내부 직경 및 약 1/4 내지 2 인치 높이의 라시히 고리; 약 1/4 내지 2 인치 반경의 안장(saddle) 형상; 약 1/8 내지 1 1/4 인치 내부 직경, 약 1/4 내지 2 인치 외부 직경, 및 약 1/4 내지 3 인치 높이의 공동 실린더; 및 약 1/8 내지 1 인치 직경 및 약 1/4 내지 2 인치 높이의 솔리드 실린더를 포함할 수 있다. 맞춤-제작된 1-조각 디스크(124) 또는 싱글 시트(121) 구성은 반응기의 물리적 배열에 맞춰질 수 있다. 본원발명의 또 다른 특징은 망상 요소(15)가 천공(125)을 갖는 디스크(124) 또는 싱글 시트(121)로 형성될 수 있다는 것이다. 본원발명의 또 다른 특징은 반응기의 물리적 배열에 맞는 어셈블리된 시트 또는 디스크를 형성하기 위하여, 망상 요소는 구성될 때 복수의 단편으로 형성될 수 있다는 것이다. 망상 요소의 공극률은 4 내지 800 ppi 범위이다. 바람직하게는, 여과를 위하여 공극률은 약 4 내지 80 ppi 범위일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 여과를 위하여 공극률은 약 10 내지 65 ppi 범위일 수 있다. 이는 응용, 크기, 미립자 부과 및 압력 강하 제한을 위한 망상형 재료(15)의 크기 및 모양의 주문맞춤을 가능하게 한다. 망상 요소의 공극, 또는 개구 주변의 망상 요소 재료는 웹 멤버(123)(도 9)를 형성하며, 이는 순서대로 흐름 통로(120)(도 9)를 규정한다.
본원발명은 또한 공정 유닛 내 수직 흐름 분배 방법을 제공한다. 본 수직 흐름 분배 방법은 하나 이상의 망상 요소를 공정 유닛에 제공하는 단계를 포함한다. 단지 하나의 망상 요소가 사용될 때, 공정 유닛을 효과적으로 채우기에 충분히 크다. 다중 망상 요소가 사용될 때, 이들은 전형적으로 무작위로 쌓인 층 내에 배열된다. 망상 요소의 배열에 관계없이, 각각의 망상 요소는 망상 요소를 관통하는 복수의 흐름 통로를 규정하는 복수의 웹 멤버(web member)를 갖는다. 그러므로 복수의 망상 요소와 접촉하는 공정 스트림은 각각의 망상 요소의 웹 멤버에 의해 규정되는 복수의 흐름 통로를 통하여 공정 스트림을 통과함으로써 복수의 더 작은 유체 스트림으로 세분된다. 다중 망상 요소가 사용될 때 망상 요소 내의 흐름 통로를 관통하는 공정 스트림의 흐름 및 망상 요소들 사이의 빈 공간을 관통하는 공정 스트림의 흐름이, 공정 유닛을 관통하는 공정 스트림의 흐름에 수직인 효과적인 흐름 분배를 제공하기 위하여 사용된다. 이러한 방법은 도 19에 도시된 바와 같이, 공정 유닛 내 임의의 위치에서, 공정 유닛으로부터의 출구에서 또는 이들 위치의 임의 조합에서, 공정 유닛으로 유입되는 공정 스트림에 적용될 수 있다. 이러한 방법은 동시에 공정 스트림으로부터 오염물질을 여과하면서 공정 스트림에 적용될 수 있다. 이러한 방법은 동시에 공정 스트림 내 바람직한 화학종을 일부 또는 전부 제거하거나 또는 전환하기 위한 촉매 반응을 수행하면서 공정 스트림에 적용될 수 있다.
도 21은 본원발명의 망상 요소가 생성할 수 있는 수직 흐름의 양을 도시한다. 약 1/16"의 점적기(dropper) 직경을 갖는 점적기를 사용하여 실험이 수행되었다. 망상 요소는 점적기 직경의 약 7배인 직경에 수직으로 액체를 분배시켰다. 흐름은 망상 요소만큼 분배되지 않았다. 상당히 많은 분배가 수평 평면에서 이루어졌으며 수직 평면에서는 이루어 지지 않았다. 공정 유닛 내에서 사용될 때, 망상 요소는 채널링 및 본원발명에서 언급된 또 다른 문제점들을 방지하기 위하여 수직으로 액체를 분산시킨다.
본원발명의 또 다른 특징은 도 20에 도시된 바와 같이, 다양한 공극률 및 공극 크기의 망상 요소를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 망상 요소는 인치 당 많은 수의 공극(pores per inch, "ppi")을 갖도록 제조될 수 있다. 예를 들면, 이것은 30 ppi의 망상 요소는, 당해 기술분야의 통상의 기술자에 의해 조사될 때, 인치 당 30개의 평균 공극을 갖는다는 것을 의미한다. 이러한 재료의 공극 크기는 약 1 밀리미터일 수 있다. 여기서 공극 크기는 공극이 완전한 구가 아니라는 고려하에 공극 구멍의 일반적 크기를 의미한다. 공극 크기의 또 다른 중요한 요소는 공극쪽으로 개방된 창의 크기이다. 이러한 측정은 공극 내에 붙잡히거나 또는 여과될 수 있는 가장 큰 입자의 크기를 결정한다. 본원발명의 망상 요소의 공극률 범위는 약 4 내지 800 ppi이다. 이는 미립자 부과량을 포함하는 적용의 제한 및 압력 강하 제한에 대한 망상 요소의 크기 및 모양의 규격화를 가능하게 한다. 망상 요소의 공극은 약 6 밀리미터 내지 약 100 마이크론의 범위일 수 있으며, 각각은 망상 요소를 관통하는 복수의 흐름 통로를 형성하는 복수의 웹 멤버에 의해 규정된다.
본원발명의 장점에 따라, 여과 방법은 공정 유닛 내 더욱 효율적인 여과를 제공한다. 전통적인 보존 재료와 달리, 오염물질이 망상 요소의 첫째 인치 상에 응고하지 않기 때문에, 모든 여과층이 효율적으로 사용될 수 있다. 망상 요소를 통한 압력 강하는 충분한 망상 요소가 사용되는 동안 낮게 유지될 수 있으며 그 결과 공정 유닛은 압력 강하의 증가 없이 작업 종료 조건에 도달한다. 더 낮은 압력 강하는 유닛 작업의 안정성을 증가시키는데 왜냐하면 다운스트림 장치가 흐름을 잃지 않으며 업스트림 장치가 압력 상승을 하지 않기 때문이다. 촉매가 변화하는 사이의 작업 시간은 많이 증가하는데 왜냐하면 공정 장치의 작업 종료 조건 이전에, 공정 장치가 종래 기술의 여과 방법보다 더 오랫동안 작동할 수 있기 때문이다.
본원발명의 또 다른 장점은 더 작은 크기의 촉매가 촉매 층 공정 유닛 내에서 사용될 수 있다는 점인데, 왜냐하면 촉매 층은 훨씬 더 낮은 사이클-평균 압력 강하를 겪기 때문이다. 더욱 작고, 더욱 촉매 활성인 촉매 사용의 결과는 약 10% 내지 약 15%의 활성 이득을 결과한다. 촉매의 전체 표면이 의도된 목적, 즉 반응을 개선하고 반응 속도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있는데, 왜냐하면 공정 유닛에 대한 사이클 당 훨씬 낮은 평균 압력 강하 때문이다.
도 21에 도시된 바와 같이, 본원발명의 또 다른 장점은 공정 유닛 내 다양한 지점에서 하나 이상의 망상 요소 층을 사용하여, 채널링 및 흐름 불균형 분배의 또 다른 증상을 경감하기 위하여 수직 흐름 재분배를 촉진하는 점이다. 공정 유닛 내 상기 하나 이상의 망상 요소 층은 또한 공정 유닛 내 미립자 오염물질의 여과를 촉진한다.
도 23을 참조하면, 전통적인 트레이(12) 및 두 개의 전통적인 분배재(11)를 갖는 종래 기술의 증류 칼럼을 도시하는데, 상기 두 개의 전통적인 분배재 중 하나는 유닛의 상단 부근에 위치하고 나머지 하나는 유닛의 바닥 부근에 위치한다. 유닛으로 유입되는 공정 스트림은 유입 공정 스트림(151), 콘덴서를 빠져나가는 오버헤드 액체 스트림의 일부(152), 및 바닥 리보일러를 빠져나가는 증기 스트림(153)을 포함한다. 구성성분 공정 스트림은 콘덴서를 빠져나가는 액체 스트림의 일부(154) 및 유닛의 바닥을 빠져나가는 액체 스트림의 일부(155)로서 회수된다.
도 24를 참조하여, 공정 스트림을 분리하기 위한 구성성분 분리 유닛 내 셀디스트 재료(15)의 사용을 위한 방법 및 어셈블리가 설명된다. 본 구체예에서, 셀디스트 재료(15)는 유닛 내 전통적인 트레이(12)의 일부를 대체하기 위하여 유닛 내에 배치된다. 예를 들면, 크고 부피가 큰 트레이는 더 작고, 덜 복잡한 트레이에 의해 대체될 수 있으며, 유닛 내에 생성되는 부가적인 공간은 개선된 분리를 달성하기 위하여 셀디스트 재료(15)에 의해 완전히 또는 부분적으로 충전될 수 있다.
도 25는 전통적인 충전재(10)를 함유하는 종래 기술에 따르는 구성성분 분리 유닛을 도시한다. 도 26은 구성성분 분리 유닛 내에 셀디스트 재료(15), 전통적인 분배재(11) 및 전통적인 패킹(10)을 사용하는 본원발명에 따르는 구체 예를 도시한다.
셀디스트 재료(15)는 요구되는 구조로 제작될 수 있으며, 온도, 압력, 부식 및 구성성분 분리 유닛 작업의 또 다른 조건을 견딜 수 있는 재료로 구성될 수 있다. 공정 스트림 내에서 구성성분과의 반응이 요구되지 않을 때에는 불활성 셀디스트 재료(15)가 사용될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 셀디스트 재료(15)는 염산 또는 황산과 같은 부식성 시스템의 처리를 가능하게 하기 위하여 비-금속성 재료로 구성되어서 디자인 비용, 설치 시간을 감소시키고 유닛 내 열 손실을 감소시킨다.
셀디스트 재료(15)는 도 27에 도시된 바와 같이 통로(120)를 형성하며 개방되어 연결된 공극을 갖는 다양한 모양을 취할 수 있다. 셀디스트 재료(15) 내 통로는 셀디스트 재료를 관통하는 상의 역류 흐름을 가능하게 한다. 이러한 통로는 셀디스트 재료(15)를 관통하여 지나가는 상들 사이의 물질 전달을 촉진한다. 셀디스트 재료(15)는 광범위한 공극률을 나타내도록 제조될 수 있다. 이는 특정한 응용을 위한 셀디스트 재료(15)의 공극률의 맞춤규격화를 가능하게 한다. 또한, 이는 셀디스트 재료(15)가 충분한 양 및 공극률을 가져서 유닛 내 구성성분의 바람직한 분리를 달성하기 위하여 요구되는 이론 단 수를 제공하는 것을 보장한다. 셀디스트 재료(15)는 공극, 또는 개구를 둘러싸는 웹 멤버(123)를 가지며, 이는 순서대로 흐름 통로(120)의 경계를 규정한다(도 27 및 도 28).
셀디스트 재료의 공극률은 유닛 내에서 인치 당 공극(ppi)으로 측정된다. 다공성 재료의 공극률은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 바와 같이 등급순으로 배열한다. 마이크로다공성(microporous) 재료는 가장 작은 공극 크기를 가지며, 일반적으로 약 5 옹스트롬 내지 약 5 나노미터이다. 메소다공성(mesoporous) 재료는 일반적으로 약 5 나노미터 내지 약 50 나노미터의 공극 크기를 갖는다. 마크로다공성(macroporous) 재료는 약 50 나노미터 이상의 공극 크기를 갖는다. 마크로다공성 공극으로 구성된 셀디스트 재료는 도 28에 도시된 바와 같이 무작위 패턴을 가질 수 있다. 본원발명의 셀디스트 재료(15)의 공극률 범위는 약 4 내지 약 800 ppi 이다. 구성성분 분리 유닛 내 사용을 위한 바람직한 한 구체예에서, 본원발명의 셀디스트 재료(15)는약 4 내지 약 30 ppi의 공극률을 가질 것이다. 셀디스트 재료(15) 내 상호 연결된 공극의 표면적은 유닛 내의 상 혼합 및 물질 전달을 촉진한다. 한 구체예에서, 본원발명의 셀디스트 재료(15)는 종래 기술에서 사용된 충전재 및 또 다른 유닛 내부재와 비교하여 증가된 표면적을 제공한다. 셀디스트 재료의 입방 미터 당 최대 4000 평방 미터인 본원발명의 셀디스트 재료의 표면적은 전형적으로 종래 기술에 제공되는 유닛 패킹 내부재의 입방 미터 당 약 60-750 평방 미터의 표면적과 비교된다. 상기 증가된 표면적은 상의 접촉이 일어나는 더욱 확장된 영역을 제공한다. 이와 대응하는 상 사이의 증가된 접촉 수준은 유닛 내 개선된 분리 능력을 결과한다. 상 사이의 증가된 접촉 수준은 또한 종래 기술의 유닛보다 더욱 개선된 물질 전달 효율성 및 더욱 낮은 HETP를 결과한다.
본원발명의 한 구체 예에서, 상은 도 24 및 도 26에 도시된 바와 같이 유닛 내에 위치한 셀디스트 재료(15)의 하나 이상의 영역을 관통하여 지나간다. 유닛으로 유입되는 공정 스트림은 액체 스트림, 증기 스트림, 또는 이들의 혼합일 수 있으며, 예를 들면 하나 이상의 공급 스트림, 환류 스트림, 리사이클 스트림, 리보일드 스트림, 펌프어라운드 스트림, 펌프-백 환류 스트림 및 사이드스트림 리사이클 스트림을 포함할 수 있다. 공정 스트림은 또한 액체-액체 추출의 경우에, 물질-분리제로서 작용할 수 있다. 본원발명의 한 구체예에 따르는 셀디스트 재료(15)를 사용하는 증류는 전통적인 유닛 내 높은 가스 또는 증기 부과량에서 달성될 수 있다.
한 구체예에서, 셀디스트 재료(15)는 도 27에 도시된 바와 같이 단일의 체계화된 요소의 형태이다. 체계화된 요소는 구성성분 분리 유닛의 내부 횡단면에 맞도록 성형되거나 크기조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 요소는 디스크, 나선형, 직사각형 또는 재료가 유닛의 횡단면 내에 맞도록 요구되는 임의의 기하학적 모양일 수 있다. 그 대신에, 유닛이 상대적으로 큰 횡단면을 갖는다면, 도 28에 도시된 바와 같이 하나 이상의 더 작은 단면의 셀디스트 재료(10)가 유닛의 횡단면을 채우기 위해 함께 맞춰질 수 있다. 셀디스트 재료(15)는 유닛 내에 단일 층을 형성할 수 있다. 또한 셀디스트 재료(15)의 다중 층이 유닛 내에 사용될 수 있다. 셀디스트 재료(15)는 유닛 내 셀디스트 재료의 영역 내에서 누출 가능성 또는 채널링 가능성을 감소시키기 위하여 오프셋 패턴으로 배열될 수 있다. 하나 이상의 셀디스트 재료(15)는 또한 유닛의 전체 길이에 걸쳐서 배치될 수 있다. 또한 다중 셀디스트 재료(15)는 유닛 전반에서 하나 이상의 전통적인 유닛 내부재와 혼합될 수 있는데, 예를 들면 도 24에 도시된 바와 같은 트레이, 도 26에 도시된 바와 같은 충전재, 또는 도 24 및 도 26에 도시된 바와 같은 분배재와 혼합될 수 있다.
유닛 내 셀디스트 재료(15)의 외부 주변, 또는 공극 내에, 구멍 또는 개방된 공간이 있을 수 있다. 전형적으로, 높은 공극률의 공간 또는 공극률은 유닛 내의 높은 공극률 및 낮은 압력 강하에 대응하며, 이는 분리 목적에 바람직하다. 본원발명의 셀디스트 재료(15) 내부의 공극률은 바람직하게는 70% 정도이다. 비교하면, 가장 최근의 사용가능한 금속성의 체계화된 패킹에서 발견되는 공극률은 약 98-99% 이며, 비금속성의 체계화된 패킹에 대하여는 약 65% 이다. 이러한 종래 기술에 따르는 재료의 일부가 본원발명의 공극률보다 더 큰 공극률을 가질수 있는 반면, 본원발명의 셀디스트 재료(15)의 증가된 표면적과 관계하는 물질 전달 효율성의 증가는 유닛이 낮은 플러딩 넘버(flooding number)에서 작동되는 것을 가능하게 한다. 이는 높은 공극률 백분율을 갖는 종래 기술의 재료를 사용하는 유닛과 비교하여, 본원발명에 따르는 셀디스트 재료(15)로 작동하는 유닛의 바람직하게는 동일하거나, 더욱 우수한 생산성을 결과한다.
셀디스트 재료(15)는 또한 종래 기술의 충전재와 비교하여 우수한 습윤 특성을 나타낸다. 습윤도(Wettability)는 충전재 표면에서 상의 접촉 및 분배 정도와 관계하며, 재료의 구조에 영향을 받는다. 높은 습윤도 값은 유닛 내 상의 불균형 분배를 배제하기 위해 중요하다.
일반적으로, 낮은 압력 강하를 갖는 주어진 플러딩 팩터(flooding factor)에서 높은 이론 단 수를 달성하는 충전재가 효율적이며 바람직한 충전재이다. 사용된 충전재의 양을 최소화하고 바람직한 분리를 결과하는 이론 단 수를 생성하는 것이 목적이다. 본원발명의 셀디스트 재료(15)는, 구성성분 분리 유닛 내에 사용되는 종래 기술의 재료와 비교하여, 높은 분리 효율성 및 낮은 압력 강하 특성을 나타내며, 이는 셀디스트 재료(15)의 증가된 표면적 및 바람직한 공극률 및 습윤 특성의 결과이다.
본원발명은 전술한 구성, 작동, 정확한 재료, 또는 구체예에 제한되지 않으며, 명백한 수정 및 등가는 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 명백하다. 예를 들면, 특수한 액체 분배재 또는 전통적인 액체 분배재가 망상 요소 내에 사용되어서 공정 장치 전반에 걸친 액체의 분산을 촉진시킬 수 있다. 이와 반대로, 망상 요소는 단지 미립자 제거를 위해서만 사용될 수 있다. 따라서, 본원발명은 특허청구범위의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (49)

  1. 구성성분 분리 유닛 내에서 오염된 공정 스트림으로부터 오염물질을 제거하는 방법에 있어서, 상기 방법은
    (a) 유닛 내에 고체 구성성분 및 하나 이상의 공극을 갖는 확률적 3-차원 다공성 고체 재료를 제공하는 단계;
    (b) 상기 다공성 고체 재료를 유닛의 적어도 한 영역에 위치시키는 단계;
    (c) 하나 이상의 오염된 공정 스트림의 둘 이상의 상을 다공성 고체 재료를 함유하는 영역으로 유입시키는 단계;
    (d) 상기 둘 이상의 상을 다공성 고체 재료의 표면에서 접촉시켜 물질 전달을 촉진시키는 단계; 및
    (e) 유닛으로부터 오염물질이 제거된 하나 이상의 구성성분 공정 스트림으로서 하나 이상의 상의 적어도 일부분을 회수하는 단계;
    를 포함하고,
    여기서 상기 다공성 고체 재료는 6000 내지 100 마이크론의 공극 크기를 가지는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증류 하이드로트리터 유닛 또는 나프타 하이드로트리터 유닛임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 복수의 공극 크기 및 모양을 가 짐을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 상은 다공성 고체 재료 영역을 빠져나가자마자 오염물질이 제거된 조성을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림은 유닛의 하나 이상의 지점으로부터 회수됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료의 표면은 유닛 내에서 다공성 고체 재료의 입방 미터 당 250 내지 4000 평방 미터 범위의 표면적을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 세라믹 재료, 금속성 재료, 폴리머 재료 및 화학 기상 증착 재료로 구성된 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 부식 저항성 재료로부터 형성됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 탄화 규소로부터 형성됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 유닛은 하나 이상의 전통적인 유닛 내부재를 함유함을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 4 내지 30 공극/인치의 공극률을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  12. 구성성분 분리 유닛 어셈블리에 있어서, 어셈블리는 확률적 3-차원 다공성 고체 재료를 갖는 유닛을 포함하며, 확률적 3-차원 다공성 고체 재료는 고체 구성성분, 및 상기 3-차원 다공성 고체 재료 내에 배열된 하나 이상의 공극, 및 표면을 가지며, 상기 표면 상부에서는 하나 이상의 공정 스트림으로부터 유래된 둘 이상의 상이 접촉하여서 물질 전달을 촉진하고, 여기서 상기 다공성 고체 재료는 6000 내지 100 마이크론의 공극 크기를 가짐을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증류 하이드로트리터 유닛 또는 나프타 하이드로트리터 유닛임을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 복수의 공극 크기 및 모양을 가짐을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증류 유닛, 흡착기 및 추출기 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  16. 삭제
  17. 제 12항에 있어서, 상기 상은 하나 이상의 액체 상 및 하나 이상의 증기 상을 포함함을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  18. 제 12항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료의 표면은 유닛 내에서 다공성 고체 재료의 입방 미터 당 250-4000 평방 미터 범위의 표면적을 가짐을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  19. 제 12항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 세라믹 재료, 금속성 재료, 폴리머 재료 및 화학 기상 증착 재료로 구성된 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  20. 제 12항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 부식 저항성 재료로부터 형성됨을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  21. 제 12항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 탄화 규소로부터 형성됨을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  22. 제 12항에 있어서, 상기 유닛은 하나 이상의 전통적인 유닛 내부재를 함유함을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  23. 제 12항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 4 내지 30 공극/인치의 공극률을 가짐을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  24. 구성성분 분리 유닛내에서의 분리를 통하여 하나 이상의 공정 스트림의 조성을 변화시키는 방법에 있어서, 상기 방법은
    (a) 고체 구성성분 및 하나 이상의 공극을 갖는 확률적 3-차원 다공성 고체 재료의 적어도 하나의 층을 유닛 내에 배치하는 단계;
    (b) 하나 이상의 스트림을 다공성 고체 재료 층을 통하여 통과시켜, 상이 다공성 고체 재료를 통하여 지나감에 따라 유닛 내 하나 이상의 상의 조성이 변화되며, 그에 따라 오염물질이 제거된 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 생성하는 단계; 및
    (c) 유닛으로부터 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 회수하는 단계;
    를 포함하고,
    여기서 상기 다공성 고체 재료는 6000 내지 100 마이크론의 공극 크기를 가지는 방법.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 상은 하나 이상의 액체 상 및 하나 이상의 증기 상을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 24항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증류 하이드로트리터 유닛 또는 나프타 하이드로트리터 유닛임을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 24항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 복수의 공극 크기 및 모양을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 24항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 유닛 내에서 다공성 고체 재료의 입방 미터 당 250-4000 평방 미터 범위의 표면적을 갖는 표면을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 24항에 있어서, 상기 하나 이상의 구성성분 공정 스트림은 유닛의 하나 이상의 지점으로부터 회수됨을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 24항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 유닛의 횡단면 배열에 꼭 맞음을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 24항에 있어서, 상기 하나 이상의 층은 복수의 무작위로 쌓인 다공성 고 체 요소로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 24항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 세라믹 재료, 금속성 재료, 폴리머 재료 및 화학 기상 증착 재료로 구성된 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 24항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 부식 저항성 재료로부터 형성됨을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 24항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 탄화 규소로부터 형성됨을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 24항에 있어서, 상기 유닛은 하나 이상의 전통적인 유닛 내부재를 함유함을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 24항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 4 내지 30 공극/인치의 공극률을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 24항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증류 유닛임을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 24항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증기/액체 또는 액체/액체 상 접촉을 하는 접촉 유닛임을 특징으로 하는 방법.
  39. 구성성분 분리 유닛 어셈블리에 있어서, 어셈블리는 확률적 3-차원 다공성 고체 재료를 갖는 하나 이상의 구성성분 분리 유닛을 포함하며, 3-차원 다공성 고체 재료는 고체 구성성분, 및 상기 확률적 3-차원 다공성 고체 재료 내에 배열된 하나 이상의 공극을 가지며, 여기서 다공성 고체 재료의 양은 하나 이상의 공정 스트림을 오염물질이 제거된 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림으로 분리하기 위해 필요한 이론 단 수를 제공하기에 충분한 양이고, 여기서 상기 다공성 고체 재료는 6000 내지 100 마이크론의 공극 크기를 가짐을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증류 하이드로트리터 유닛 또는 나프타 하이드로트리터 유닛임을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  41. 제 39항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 복수의 공극 크기 및 모양을 가짐을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  42. 제 39항에 있어서, 상기 유닛은 전통적인 유닛 내부재를 함유함을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  43. 제 39항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 유닛 내에서 다공성 고체 재료의 입방 미터 당 250-4000 평방 미터 범위의 표면적을 갖는 표면을 가짐을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  44. 제 39항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 4 내지 30 공극/인치의 공극률을 가짐을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  45. 제 39항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증류 유닛임을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  46. 제 39항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증기/액체 또는 액체/액체 상 사이의 물질 전달을 수행하는 접촉 유닛임을 특징으로 하는 구성성분 분리 유닛 어셈블리.
  47. 접촉 유닛 내에서 하나 이상의 공정 스트림의 조성을 변화시키는 방법에 있어서, 상기 방법은
    (a) 고체 구성성분 및 하나 이상의 공극을 갖는 확률적 3-차원 다공성 고체 재료의 적어도 하나의 층을 접촉 유닛 내에 배치하는 단계;
    (b) 하나 이상의 공정 스트림을 다공성 고체 재료 층을 통하여 통과시켜, 공정 스트림이 다공성 고체 재료를 통하여 지나감에 따라 둘 이상의 상의 조성이 변화되며, 그에 따라 오염물질이 제거된 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 생성하는 단계; 및
    (c) 접촉 유닛으로부터 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 회수하는 단계;
    를 포함하고,
    여기서 상기 다공성 고체 재료는 6000 내지 100 마이크론의 공극 크기를 가지는 방법.
  48. 제 47항에 있어서, 상기 구성성분 분리 유닛은 증류 하이드로트리터 유닛 또는 나프타 하이드로트리터 유닛임을 특징으로 하는 방법.
  49. 제 47항에 있어서, 상기 다공성 고체 재료는 복수의 공극 크기 및 모양을 가짐을 특징으로 하는 방법.
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