KR101612664B1 - 라이저 유체 역학의 개선을 위한 배플 - Google Patents

Abstract

배플(baffle)을 이용함으로써 유체 역학이 향상된 라이저(riser)를 갖는 유동 접촉 분해 유닛이 설명되어 있다. 상기 배플은 저속 이동하는 외측 고리부에서 고농도의 촉매를 분해하고, 이것을 고속 이동하는, 보다 낮은 농도의 라이저 유동 중심으로 재분배한다.

Description

라이저 유체 역학의 개선을 위한 배플{BAFFLES FOR IMPROVING RISER HYDRODYNAMICS}

선행 국내 출원의 우선권 주장

이 출원은, 2012년 4월 20일에 제출된 미국 출원 제13/452,093호를 우선권으로 주장한다.

이 발명은 일반적으로는 유동 접촉 분해 유닛에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 배플(baffle)을 이용함으로써 유체 역학이 개선된 라이저를 갖는 유동 접촉 분해 유닛에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같은 유동 접촉 분해(FCC: fluid catalytic cracking) 유닛에서, 탄화수소는 반응 구역에서 미분 입자 물질로 이루어진 촉매와 접촉된다. 불활성 희석제, 예컨대 증기는 라이저에 유입되고 촉매와 혼합된다. 탄화수소 공급물 및 불활성 희석제, 예컨대 증기는 라이저(10)에 유입되는 탄화수소 공급물을 미립화하는 탄화수소 공급물 분배기(5)에 의해 라이저(10)로 도입된다. 라이저(10)에서 탄화수소 공급물 및 불활성 희석제는 촉매를 유동화하고 이것을 이송한다. 촉매는 분해 반응을 촉진한다. 분해 반응이 진행됨에 따라, 코크(coke)로 일컬어지는 고탄소질 물질이 상당한 양으로 촉매 상에 증착된다. 코크 함유 촉매는 분리 구역(20)에서 탄화수소 생성물로부터 분리되어 도관(30)을 통해 반응기로부터 제거되는 한편, 탄화수소 생성물은 반응기의 상부를 통해 배출된다. 코크는 고온 재생 구역(25)에서, 유동화 매질의 역할을 하는 산소 함유 스트림과 접촉함으로써 촉매로부터 소성된다. 코크 함유 촉매는, 도관(35)을 통해 재생 구역(25)으로부터의 실질적으로 코크를 함유하지 않는 촉매로 교체된다. 몇몇 FCC 유닛에는, 일부 촉매가 재생 구역(25)을 거치지 않고서 재생되는 도관(40)이 있다.

FCC 라이저는, 상향 이동하는 입자 함유 유동의 내재된 불균일성에 의해 야기되는 증기-촉매 슬립(vapor-catalyst slip)이 통상적으로 있어왔다. 이들 불균일성은 주로 중심부-고리부 구조로서 나타나며: 유동의 중심부는 저농도이고 고속으로 상향 이동하는 반면, 고밀도의 저속 이동 고리부를 형성하는 벽 근방에는 고농도의 촉매가 존재한다. 일부 경우에는 고리부가 실제로 하향 이동할 수도 있다. 이 환상 유동으로 인해 라이저에서의 전환이 감소하는데, 고속 이동하는 저농도 중심부가 공급물을 불충분 전환(under-convert)하고 저속 이동 및/또는 하향 이동하는 고리부가 1차 FCC 생성물을 과하게 분해하기 때문이며, 이로 인해 건성 가스 생성이 증가한다.

본 발명의 한 양태는 라이저 반응기이다. 한 실시양태에서, 라이저 반응기는 탄화수소 공급물 주입구를 갖는 수직 라이저(vertical riser); 및 탄화수소 공급물 주입구의 상측 6 m 초과에 위치하는 일렬의 배플을 포함하며, 배플의 전면이 라이저의 중심을 대면하고, 배플의 하단이 라이저의 벽에 부착되어 있으며, 배플이 벽으로부터 내측으로 90° 이하의 각도로 기울어져 있다.

다른 실시양태에서, 라이저 반응기는 탄화수소 공급물 주입구를 갖는 수직 라이저; 및 탄화수소 공급물 주입구의 상측 6 m 초과에 위치하는 일렬의 배플을 포함하며, 배플의 전면이 라이저의 중심을 대면하고, 배플의 하단이 라이저의 벽에 부착되어 있으며, 배플이 벽으로부터 내측으로 90° 이하의 각도로 기울어져 있다.

도 1은 FCC 유닛의 한 구체예의 설명도이다.
도 2a는 내부 배플을 갖는 라이저 파이프의 한 구체예의 단면도이다.
도 2b는 내부 배플을 갖는 라이저 파이프의 한 구체예의 설명도이다.
도 3은 배플의 한 구체예의 도 2a의 A-A를 따른 단면도이다.
도 4는 배플의 다른 구체예의 도 2a의 A-A를 따른 단면도이다.
도 5는 배플의 다른 구체예의 도 2a의 A-A를 따른 단면도이다.
도 6a ∼ 6c는 일렬의 배플의 두 서브세트(subset)의 한 구체예의 설명도이다.

라이저의 혼합 구역의 배플의 사용은 유동 프로필을 변경하므로 진정한 플러그 유동에 근접하며, 중심부-고리부 구조와 관련된 문제가 완화된다. 배플은 외측 고리부를 분해하고 촉매를 라이저 유동의 중심으로 재분배한다. 이 결과, 라이저에서의 전환이 높아지고 생성물의 과분해가 적어진다.

탄화수소 공급물 주입구 상측의 혼합 구역에서 라이저 벽에 배플을 부착하는 것은, Computational Flow Dynamics(CFD) 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 라이저에서의 촉매 홀드업 분포(holdup distribution)를 보다 균일하게 하는 것으로 보여진다. 배플은 또한, 상향 중심부 유동을 느리게 함으로써 라이저에서의 유동 프로필을 향상시키며, 그 결과 단락이 감소된다. 또한, 배플은 고리부의 하향 유동을 최소화한다.

도 2a는 벽(110)의 내부로 연장되는 일렬의 배플(115)을 갖는 라이저(100)의 한 구체예를 도시한다. 배플의 전면(140)은 라이저의 중심을 대면하고 있다. 도시된 바와 같이, 배플(115)은 라이저(100)의 원주 둘레에서 일정한 간격을 두고 있으며 라이저의 원주 전체를 실질적으로 피복한다.

한 실시양태에서, 배플은 라이저의 원주 둘레에 대칭적으로 배치되어 있다. 다른 실시양태에서, 배플은 비대칭적으로 배열된다.

일부 실시양태에서, 필요할 경우, 배플은 원주를 약간만 피복할 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 원주의 30% 이상이 배플로 피복되거나, 40% 이상, 또는 50% 이상, 또는 60% 이상, 또는 70% 이상, 또는 80% 이상, 또는 90% 이상, 또는 95% 이상이 피복된다.

배플은 벽으로부터 내측으로, 라이저의 반지름(R)의 25% 이하, 일반적으로 15% ∼ 25% 범위의 거리(d)로 연장된다. 배플은 바람직하게는 라이저(110)의 단면적의 1/8까지 연장된다.

배플은 일반적으로 길이가 0.15 m ∼ 0.30 m 범위이다. 길이는 어느 정도는 라이저의 반지름 및 벽으로부터의 각도에 좌우된다.

세라믹 라이닝(ceramic lining)과 동반된 배플의 각도(수직으로부터 90° 이하)는 부착의 내식성을 보장한다.

라이저는, 중심부-고리부 구조가 라이저를 상향 유동하면서 본래의 상태로 되돌아가지 않도록 그의 길이를 따라 2열 이상의 배플을 가지는 것이 바람직하다. 그러나, 배플의 열이 지나치게 많을 경우, 상향 유동하는 촉매 함유 증기는 단순히 배플을 완전히 우회할 것이며, 라이저의 직경이 실질적으로 감소될 것이다.

도 2b는 세 열의 내부 배플(115A, 115B 및 115C)을 갖는 라이저 파이프(10)를 도시한다. 라이저 파이프(10)는 리프트 구역(50) 및 반응 구역(55)을 갖는다. 재생된 촉매는 도관(35)을 통해 리프트 구역(50)에 유입되며, 재순환된 촉매(존재할 경우)는 도관(40)을 통해 유입된다. 탄화수소 공급물은, 반응 구역(55)으로부터 리프트 구역(50)을 분리하는 공급물 분배기(5)를 통해 유입된다. 세 열의 배플(115A, 115B 및 115C)는 라이저 파이프(10)에 위치한다. 예로서, 리프트 구역(50)은 10 m일 수 있고, 반응 구역은 20 m일 수 있다. 제1열의 배플(115A)은 공급물 분배기(5)의 상측 6 m일 수 있고, 제2열의 배플(115B)은 제1열의 상측 5 m, 제3열의 배플(115C)는 제1열의 상측 5 m일 수 있다.

30 m 높이의 라이저에는 일반적으로 3열 이하의 배플이 있다. 제1열의 배플은 라이저에서 가장 높은 공급물 주입구(증기, 탄화수소, 촉매 등)의 상측 6 m 초과, 일반적으로 공급물 주입구(들)의 상측 6 m ∼ 6.5 m 범위에 위치한다. 추가 열들은 균등하게 떨어진 간격으로, 예컨대 5 m 떨어져서 배치될 수 있다. 열 간의 분리는, 하기에 논하는 바와 같이 라이저의 길이, 배플의 열 수, 및 어느 열이 서브세트로 나뉘어져 있는지 여부에 따라 달라질 것이다. 일반적으로, 열들은 5 m ∼ 10 m 범위로 이격될 것이다. 한 실시양태에서, 배플은 모든 열에 있어서 원주 주위의 동일한 위치에 배열된다. 다른 실시양태에서, 한 열의 배플은 앞선 열의 배플로부터 오프셋되어 있다.

한 실시양태에서, 각각의 열은 동일한 수의 배플을 갖는다. 다른 실시양태에서, 2 이상의 열에 상이한 수의 배플이 있을 수 있다.

배플의 저부는, 예를 들어 용접에 의해 라이저의 벽에 부착된다. 배플은 수직으로부터 90° 이하의 각도(b)로 내측으로 기울어져 있다. 한 실시양태에서, 배플은 수직으로부터 90°의 각도로 기울어져 있다. 다른 실시양태에서, 배플은 10° ∼ 45° 범위로 기울어져 있다.

도 3은 배플(115)의 한 구체예를 도시한다. 배플(115)은 지지판(120)을 갖는다. 지지판(120)은 상단 상의 세라믹 라이너(125) 및 전면(140)(상향 유동을 대면하는 쪽)을 갖는다. 배플은 일반적으로 90°의 각도(b)를 형성하면서 라이저(110)에 용접된다. 배플(115)은, 필요할 경우 지지체(130)에 의해 지지될 수 있다. 지지체(130)는, 예를 들어 벽(110)과 지지판(120)에 용접된 금속판일 수 있다.

도 4는 배플(115)의 다른 구체예이다. 이 구체예에서는, 배플(115)이 라이저(110) 측으로부터 10° ∼ 45°의 각도(b)를 형성한다. 지지판(120)은 전면(140) 및 상단이 세라믹(125)에 의해 피복된다.

특정 라이저에서 배플의 적절한 각도를 결정하는 데에는 다수의 요인이 고려될 수 있다. 한 고려사항으로서 혼합이 있으며, 큰 각도가 많은 혼합을 일으킨다. 다른 요인으로는 부식량이 있으며, 각도가 크면 부식량이 크다. 또 다른 요인으로는 배플에 의해 발생하는 압력 강하가 있으며, 작은 각도를 갖는 배플보다 큰 각도를 갖는 배플이 압력 강하가 더 크다. 또한, 열 편차 성장의 영향이 평가되어야 한다. 각도(b)가 90°일 경우, 벽과 배플은 상이한 속도로 팽창할 수 있으며, 이는 잠재적으로 균열을 초래할 수 있다. 10° ∼ 45°과 같은 작은 각도로는 상대적으로 긴 경사 지지판이, 보다 긴 열 전달 경로를 제공한다. 이는, 특히 시동 또는 정지와 같은 과도적 상태에서, 배플의 열 편차 성장을 최소화한다.

도 5는 배플(115)의 다른 구체예를 도시한다. 세라믹 슬리브(135)는 지지판(120)의 전면과 후면(140, 145)을 피복한다. 세라믹 슬리브(135)는 지지판에 부착되어 있다. 지지판(120)의 양면이 세라믹으로 피복되기 때문에 내식성이 향상된다.

일부 실시양태에서는, 도 6a ∼ 6c에 도시된 바와 같이, 한 열의 배플들(또는 하나 초과)이 하나 이상의 서브세트로 나뉠 수 있으며, 각 서브세트가 라이저의 상이한 수직 층에 배치될 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 서브세트(A)는 층(A)에 배치되는 한편, 서브세트(B)는 층(B)에 배치될 수 있다. 도 6b ∼ 6c에 도시된 바와 같이, 서브세트(A)의 배플(115A)은 서브세트(B)의 배플(115B)로부터 각도 오프셋일 수 있다. 도시된 바와 같이, 서브세트(A)의 배플은 라이저 둘레에 90° 간격으로 있다. 서브세트(B)의 배플도 역시 90° 간격으로 있으나, 서브세트(A)의 배플과는 45° 오프셋되어 있다. 이는, 일부 실시양태에서 혼합을 촉진하는 데에 조력할 수 있다.

도 6은 각 서브세트에 4개의 배플을 갖고 한 층으로부터 다른 층에 대하여 45° 오프셋된 2개의 서브 세트를 도시하나, 2개 초과의 서브세트가 사용될 수 있고, 각 서브세트에 동일하거나 상이한 수의 배플이 있을 수 있으며, 다른 오프셋 각도가 필요한 만큼 이용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

한 실시양태에서, 서브세트의 배플은 라이저 벽 상에 계단식 배열을 형성할 수 있다.

한 실시양태에서, 서브세트의 배플은 라이저 벽 둘레에 대칭적으로 배열되며, 다른 실시양태에서, 배플은 비대칭적으로 배열된다.

서브세트의 배플은 일반적으로 서로 1 m ∼ 2 m 이내일 것이다.

배플은 라이저 조건을 견디기 위해, 충분한 내부식성 및 내온성을 갖는 재료로 제조된다. 적합한 재료로는, 부식을 방지하기 위해서 적어도 상향 유동을 대면하는 전면을 세라믹으로 피복한 스테인리스 강판과 같은 금속판이 있다. 유동과 떨어진 후면은 내마모성 내화물로 피복할 수 있다. 다르게는, 양면을 세라믹으로 피복할 수 있다.

배플은, St. Gobain 제조의 Corguard^®와 같이 금속이 포매된 용해 주형 세라믹 타일로 제조될 수 있다. 제조시에 연신된 금속 단편이 사용되는 경우, 배플은, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 라이저 벽에 용접할 수 있다. 이어서, 용접 영역은 표준 FCC 라이저 내화물로 다시 피복할 수 있다.

배플을 제조하는 다른 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이 라이저 벽에 금속 단편(예를 들어, 사다리꼴 금속 단편)을 용접하는 것을 포함한다. 이어서, 조립식 세라믹 슬리브를 용접된 금속 단편에 부착시킬 수 있다. 금속 부재 상에, 예를 들어 벤딩(bending) 또는 용접에 의해 립(lip)을 생성함으로써 세라믹 슬리브를 더욱 고정할 수 있다. 다르게는, 이들은 슬리브와 금속 부재 사이에 저팽창 접착 화합물을 사용함으로써 더 고정할 수 있다. 이 방법은 Corguard^® 타일의 용도로 국한된 것은 아니다.

라이저에 배플을 부착시키는 것은, 필요할 경우 제자리에서 실시할 수 있다. 라이저 내부의 내화성 물질은, 배플이 배치된 영역에서 수작업으로 제거할 수 있다. 이어서, 금속 단편을 라이저 벽에 용접할 수 있다. 세라믹 라이너를 금속 단편에 부착할 수도 있다. 이어서, 처리한 영역은 내화물로 다시 피복할 수 있다.

전술한 어느 실시양태의 특징도, 본원에 개시된 다른 어느 실시양태 또는 특징과 재조합할 수 있음이 이해될 것이다. 방법 및 반응기 시스템의 구체적인 특징 및 실시양태를 제시하고 설명하면서, 본 발명의 또 다른 변형이 당업자에게 명백해질 것이다. 이 발명의 일부로 여겨지는 모든 실시양태는 이어지는 특허청구범위에 의해 정의된다.

Claims (10)

1. 라이저 반응기(riser reactor)로서,
   탄화수소 공급물 주입구를 갖는 수직 라이저(vertical riser); 및
   탄화수소 공급물 주입구의 상측 6 m 초과에 위치하는 일렬의 배플(baffle)을 포함하며,
   배플의 전면이 라이저의 중심을 대면하고, 배플의 하단이 라이저의 벽에 부착되어 있으며, 배플이 벽으로부터 내측으로 90° 이하의 각도로 기울어져 있고,
   배플이 전면과 후면을 피복하는 세라믹 슬리브를 갖는 지지판 또는 세라믹 라이너를 갖는 지지판을 포함하는 것인 라이저 반응기.
2. 제1항에 있어서, 배플이 내측으로 90°의 각도로 기울어져 있는 것인 라이저 반응기.
3. 제1항에 있어서, 배플이 내측으로 10° ∼ 45°의 각도로 기울어져 있는 것인 라이저 반응기.
4. 삭제
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 2열 이상의 배플이 있는 것인 라이저 반응기.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 배플의 열이 2 이상의 배플 서브세트(subset)를 포함하며, 제1 위치에 제1 서브세트를, 제1 위치 상측의 제2 위치에 제2 서브세트를 포함하는 것인 라이저 반응기.
7. 제6항에 있어서, 제1 서브세트의 배플이 제2 서브세트의 배플과 각도 오프셋되어 있는(angularly offset) 것인 라이저 반응기.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 배플이 라이저의 벽 둘레에 대칭적으로 배열되는 것인 라이저 반응기.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 배플의 후면 및 벽에 부착된 지지체를 더 포함하는 것인 라이저 반응기.
10. 제9항에 있어서, 배플의 후면이 내화물로 코팅되어 있는 것인 라이저 반응기.

Images