KR101931043B1 - 이중-벽 반응기에서 중유 업그레이딩을 위한 공정 - Google Patents

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KR101931043B1
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Abstract

이중-벽 반응기를 사용하는 탄화수소 업그레이드 반응 동안 코크스 형성을 감소시키는 공정으로서, 상기 공정은, 열 전달 스트림을 생성하기 위해 이중-벽 반응기의 쉘-측 체적에 가열된 공급수를 공급하며, 상기 이중-벽 반응기는, 외부 벽 및 내부 벽, 반응 섹션 체적, 상기 열 전달 스트림을 가열하도록 구성되고, 여기서 열은 상기 열 전달 스트림으로부터 상기 반응 섹션 체적으로 전달되는 가열 소자를 포함하는, 공급 단계; 필터를 통해 쉘-측 체적을 빠져나가는 반환 고온수를 공급하는 단계; 상기 여과수 스트림과 가열된 탄화수소 공급원료를 혼합시키는 단계; 상기 혼합된 스트림을 열 전달 스트림에 역류하는 흐름 구성으로 반응 섹션 체적에 공급하는 단계; 상기 반응 흐름 스트림을 반응 온도에서 반응시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 반응 섹션 체적으로 전달된 열은 물의 임계 온도 이상으로 반응 온도를 유지하도록 작동 가능하다.

Description

이중-벽 반응기에서 중유 업그레이딩을 위한 공정 {PROCESS FOR HEAVY OIL UPGRADING IN A DOUBLE-WALL REACTOR}
본 발명은 중유의 업그레이딩 동안에 코크스 형성 (coke formation)을 감소시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 좀 더 상세하게는, 본 발명은 초임계수를 사용하는 이중-벽 반응기 (double-wall reactor)에서 중유를 업그레이딩하여 코크스 형성을 감소시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
가솔린 및 디젤에 대해 증가하는 수요는 가솔린 및 디젤 풀 (pools)로 혼합될 수 있는 경질 및 중간 범위 유분 (distillates)의 더 많은 석유 제품을 요구한다. 그러나, 현재 이용 가능한 탄화수소 자원은, 원유 및 다른 중질 분획 및 중질 분획 유분을 가장 흔하게 포함하며, 원하는 생성물을 발생시키기 위한 정제 공정을 요구한다.
종래의 정제 공정은 중유를 열에너지, 촉매, 및 수소의 도움으로 경질 및 중간 유분 범위 제품으로 업그레이드시킨다. 대표적인 종래의 공정은 촉매적 수소화처리 (hydroprocesses) 및 코킹 공정 (coking processes)을 포함한다. 수소화분해 (hydrocracking)와 같은, 촉매적 수소화처리는, 황과 같은, 불순물이 최소화된, 청정 가솔린 및 디젤 제품을 생산하지만, 최고급 품질의 제품은 생산하는데 수소의 엄청난 소비를 요구한다. 촉매 및 수소가 사용되지 않는 코킹 공정은, 열분해 반응 (thermal cracking reactions)을 활용하여 중유를 가스, 경질 유분, 및 중간 유분으로 업그레이드하지만, 또한 고체 코크스와 같은, 많은 양의 저 경제성의 부산물을 생성한다.
중유를 업그레이드하는 제3의 선택은 초임계수 (supercritical water)의 사용이다. 낮은 유전 상수 (dielectric constant)는 초임계수를 유기 화합물에 대한 우수한 용매로 만든다. 초임계수는 산화와 같은 특정한 화학 반응 및 탄화수소의 업그레이드를 위한 반응 매질 (reaction medium)로 사용되어 왔다. 초임계수는 수소가 물에서 탄화수소로 이동될 수 있기 때문에 업그레이딩을 위한 좋은 반응 매질이다. 따라서, 막대한 수소 가스 공급은 필요하지 않다. 초임계수는 희석제로 작용하여 탄화수소를 희석시킨다. 열분해와 같이, 초임계수를 사용하여 중유를 업그레이드할 때, 화학 결합이 끊어져 라디칼 (radical)은 발생된다. 분자 재배열은 크래킹, 이합체화 (dimerization), 및 올리고머화를 포함하는, 라디칼 전파 (radical propagation)가 뒤따른다. 그러나, 열분해 단독과 달리, 초임계수에서 업그레이딩 반응은, 초임계수가 라디칼을 제한하는 "케이지 (cage)"로 작용하기 때문에, 라디칼이 올리고머화가 되는 기회를 감소시킨다. 라디칼 종 (Radical species)은 케이지 효과 (즉, 하나 이상의 물 분자가 라디칼 종을 둘러싸고, 그 다음 라디칼 종들이 상호작용하는 것을 방지하는 상태)를 통해 초임계수에 의해 안정화된다. 라디칼 종의 안정화는, 라디칼-간 축합 (condensation)을 방지하고, 따라서 본 발명에서 전체 코크스 생산을 감소시키는 것을 돕는 것으로 믿어진다. 예를 들어, 코크스 생성은 라디칼-간 축합의 결과일 수 있다.
코크스, 또는 석유 코크스는, 업그레이딩 반응에서 형성된 고체 물질이다. 고체 물질은 액체 생성물로 반응기를 떠날 수 있지만, 흔히 반응기 및 공정 배관의 내부 표면상에 층으로 남는다. 유용성을 위해, 코크스는 또 다른 공정을 요구하고, 따라서 업그레이드된 탄화수소에 보다 덜 가치있는 부산물로 간주된다.
코킹은 업그레이딩 반응에서 중요한 문제이다. 코킹은 증가된 온도에서 증가한다. 코킹이 일어나는 정도는 예측하기 어렵지만, 400℃ 이상의 온도는 코크스를 형성하기에 충분한 것으로 알려져 있다. 고온에서 코킹이 가속되는 하나의 이유는 고온에서 라디칼 형성이 가속되기 때문이다. 더 많은 라디칼은 더 많은 올리고머화 반응을 결과하고, 이는 분자 축합반응 또는 코크스 형성을 증가시킨다.
고온 점 (hot spots)은 업그레이딩 반응기에 코킹에 기여한다. 반응기 벽과 같은, 금속 표면의 국부적인 가열로 인해 고온 점은 발생한다. 일반적으로, 국부적인 가열은, 화염, 전기 히터, 금속 표면상에 절연체의 형성, 또는 금속 표면상에 불규칙한 유체 분포와 같은, 직접적인 열원의 불규칙하거나 또는 불-균일한 분포에 의해 야기된다. 금속 표면상에 불규칙한 유체 분포의 예로는, 관형 반응기에서의 공정 유체 흐름의 중단일 수 있다. 따라서, 가열로 또는 히터는 반응기 벽을 통한 온도의 균일한 분포를 위해 설계되어야 한다. 하나의 설계 특색 (design feature)은, 더 우수한 열 분포를 제공하기 위해 열 전달 물질로 반응기의 표면을 코팅하는 것이지만, 그러한 열 전달 물질은 종종 수명이 짧고, 교체하는 데 비용이 많이 든다. 제2 설계 선택은 반응기를 통과하는 공정 유체의 높은 공탑 속도 (superficial velocity)를 보장하는 것이다. 높은 공탑 속도는 온도 분포를 개선할 수 있다. 그러나, 몇몇 경우에서, 높은 공탑 속도를 위해 설계하는 것은, 반응기 튜브의 높은 길이 대 직경 비를 요구하고, 이는 반응기 튜브의 물질 중량에 기인하여 반응기의 비용을 증가시킨다. 임의의 설계는 고온 점의 형성을 방지하기 위해 반응기 전체에 걸쳐 온도 모니터링을 위한 민감한 기구를 특별히 포함하여야 한다. 그러나, 정밀한 설계 및 기구 조차도, 직접 가열 시스템에서 고온 점은 불가피하다. 잘해야, 반응기 설계는 고온 점의 수 및 강도를 최소화하는 것을 바라는 것이다.
고온 점은 이들이 반응기에서 유체의 국부적인 과도한 가열을 유발하기 때문에 코킹에 기여한다. 과도한 가열은 반응기의 내부 벽에 국부적인 코크스 형성을 일으킨다. 코크스가 내부 벽에 형성되면, 고온 점의 크기 및 강도 모두는 증가하여 더 많은 코크스 형성으로 이어진다. 부가적으로, 코크스 형성은 반응기의 정확한 온도 측정을 방해한다.
업그레이딩 공정 동안 코크스 형성은 업그레이딩 공정의 기능성을 제한한다. 업그레이딩 동안 형성된 코크스의 감소는 액체 탄화수소 생성물의 증가된 수율을 유도할 것이다. 코크스 형성은 실행 길이 (run length), 또는 체류 시간을 제한하고, 석유는 반응기에서 소비될 수 있다. 체류 시간이 짧으면 업그레이딩 효율이 떨어진다. 코크스는 공정 라인을 막아 공정 라인 및 반응기의 압력을 증가시킨다. 만약 압력이 어느 정도 이상으로 상승한다면, 전체 공정은 코크스를 제거할 수 있도록 중단해야 한다. 그렇지 않으면 압력 상승은 설비 장비의 기계적 고장을 일으킬 수 있다. 코크스 형성은 정제 공정의 계획되지 않은 중단에 대한 일반적인 원인 중 하나이다.
초임계수는 순수한 열 공정과 비교하여 코크스 형성을 감소시킨다. 그러나, 초임계수에 의한 코킹 방지의 정도는 중유의 타입에 의존한다. 분자, 특히 중질 분자 (heavy molecules)가 이들의 더 낮은 용해도에 기인하여 초임계수에 쉽게 용해되지 않기 때문에, 초임계수 조차도 코크스 형성을 방지하는데 제한되며, 그래서, 아스팔텐과 같은, 더 큰 분자는, 라디칼 매개 반응 (radical mediated reactions)을 통해 쉽게 코크스로 전환될 수 있다. 부가적으로, 고온에서 초임계수는 중유보다 더 낮은 밀도를 갖고 및 초임계 압력에서 온도가 상승함에 따라 밀도는 더 빨리 변화한다. 25MPa에서, 400℃에서 물의 밀도는 166.54㎏/㎥인 반면, 450℃에서 밀도는 108.98㎏/㎥이다. 중유 및 초임계수의 밀도에서 상대적인 차이는, 반응기 하부 또는 벽에 중질 분자의 침전을 유발하고, 여기서 이러한 분리된 중질 분자는 코크스 형성의 전구체로 역할을 한다. 초임계수 반응기에서조차, 중질 분자의 응집은 코크스의 형성을 초래할 수 있고, 및 코크스는 고온 점의 형성을 유도할 수 있다.
고온 점의 형성을 감소시키거나 또는 방지하는 초임계수 공정은 유리할 것이다. 종래의 초임계수 공정에 비해 코크스의 형성을 감소시키고 및 작동 안정성을 증가시키는 초임계수 공정은 유리할 것이다.
본 발명은 초임계수로 탄화수소 공급원료를 업그레이드하기 위한 공정 및 장치를 제공하며, 여기서 업그레이드 공정은 구체적으로 열수 촉매 (hydrothermal catalyst)의 사용 또는 수소의 외부 공급의 사용을 배제한다.
본 발명의 제1 관점에서, 이중-벽 반응기를 사용하는 탄화수소 업그레이딩 반응 동안 코크스 형성을 감소시키는 공정은 제공된다. 상기 공정은 열 전달 스트림을 생성하기 위해 이중-벽 반응기의 쉘-측 체적 (shell-side volume)에 가열된 공급수를 공급하는 단계를 포함한다. 상기 이중-벽 반응기는, 외부 벽 및 내부 벽 사이에 배치된 상기 쉘-측 체적을 한정하는 상기 외부 벽 및 내부 벽, 상기 내부 벽에 의해 제한된 반응 섹션 체적, 상기 외부 벽에 인접한 가열 소자를 포함하며, 여기서 상기 가열 소자는, 열 전달 스트림이 물의 임계 온도 이상 이도록, 반환 고온수 (hot water return)를 생성하기 위해 상기 열 전달 스트림을 가열하도록 구성되고, 여기서 열은 상기 열 전달 스트림으로부터 상기 내부 벽을 통하여 상기 반응 섹션 체적으로 전달되며, 여기서 상기 반환 고온수는 상기 쉘-측 체적을 빠져나오고, 여기서 상기 열 전달 스트림은 물의 임계 온도를 초과하는 온도이고, 및 물의 임계 압력을 초과하는 압력하에 있다. 상기 공정은 미립자를 제거하여 여과수 스트림을 형성하도록 구성된, 필터를 통해 이중-벽 반응기의 쉘-측 체적을 빠져나가는 반환 고온수를 공급하는 단계; 상기 여과수 스트림을 혼합장치에서 가열된 탄화수소 공급원료와 혼합하여 혼합된 스트림을 생성시키며, 여기서 상기 가열된 탄화수소 공급원료는 물의 임계 압력을 초과하는 압력 및 50℃ 초과의 온도에 있는, 혼합 단계; 상기 여과수 스트림을 혼합장치에서 가열된 탄화수소 공급원료와 혼합하여 혼합된 스트림을 생성시키며, 여기서 상기 가열된 탄화수소 공급원료는 물의 임계 압력을 초과하는 압력 및 50℃ 초과의 온도에 있는, 혼합 단계; 상기 혼합된 스트림을 열 전달 스트림에 역류하는 흐름 구성으로 이중-벽 반응기의 반응 섹션 체적에 공급하여 반응 흐름 스트림을 생성시키는, 공급 단계; 상기 반응 섹션 체적 내에 반응 온도에서 반응 흐름 스트림을 반응시켜 반응기 유출물을 생성시키며, 여기서 상기 열 전달 스트림으로부터 반응 섹션 체적으로 전달된 열은, 반응 온도를 물의 임계 온도 이상으로 유지하도록 작동 가능한, 반응 단계; 상기 반응기 유출물을 반응기 냉각기에서 냉각시켜 냉각된 유출물을 생성시키는, 냉각 단계; 상기 냉각된 유출물을 감압 장치 (pressure reducer)에서 감압시켜 감압된 유출물을 생성시키는, 감압 단계; 상기 감압된 유출물을 상 분리장치 (phase separator)에서 분리하여 기상 생성물 및 액상 생성물을 생성하는, 분리 단계; 및 상기 액상 생성물을 생성물 분리장치에서 분리하여 분리수 스트림 및 업그레이드된 탄화수소 스트림을 생성하는, 분리 단계를 더욱 포함한다.
본 발명의 어떤 관점에서, 상기 공정은 상기 분리수 스트림을 재순환시켜 이중-벽 반응기의 공급수 업스트림과 조합시키는 재순환 단계를 더욱 포함한다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 이중-벽 반응기는, 상기 가열된 공급수를 수용하도록 구성된, 쉘-측 주입구, 반환 고온수로서 상기 열 전달 스트림을 방출하도록 구성된, 쉘-측 배출구, 상기 혼합된 스트림을 수용하도록 구성된, 반응 주입구, 및 상기 반응 유출물로서 상기 반응기 흐름 스트림을 방출하도록 구성된 반응 배출구를 포함하고, 여기서, 상기 쉘-측 주입구, 상기 쉘-측 배출구, 상기 반응 주입구, 및 상기 반응 배출구는 상기 열 전달 스트림과 상기 반응 흐름 스트림 사이에서 흐름 구성 역류를 생성하도록 구성된다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 이중-벽 반응기는 상기 외부 벽으로부터 쉘-측 체적으로 연장되는 배플을 더욱 포함하고, 상기 배플은 가열 소자 및 외부 벽으로부터 열 전달 스트림으로 열 전달을 증가시키도록 구성된다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 공정은, 상기 반환 고온수를 혼합장치 예열기에 공급하고, 상기 혼합장치 예열기는 반환 고온수의 온도를 증가시켜 고온 혼합장치 공급원을 생성하도록 구성되는, 공급 단계, 및 상기 고온 혼합장치 공급원을 필터에 공급하여 여과수 스트림을 생성시키는, 공급 단계를 더욱 포함한다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 공정은, 상기 가열된 공급수의 온도를 상승시켜 고온수 공급을 생성하도록 구성된 물 과열기에 상기 가열된 공급수를 공급하는 단계, 및 상기 이중-벽 반응기의 쉘-측 체적에 고온수 공급을 공급하는 단계를 더욱 포함한다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 공정은, 상기 반응기 유출물을 초임계수 반응기로 공급하고, 상기 초임계수 반응기는 상기 반응기 유출물에 존재하는 탄화수소를 업그레이드하도록 구성되며, 여기서 상기 초임계수형 반응기의 온도는 물의 임계 온도를 초과하고, 여기서 상기 초임계수 반응기의 압력은 물의 임계 압력을 초과하는, 공급 단계, 상기 반응기 유출물을 반응시켜 생성물 스트림을 생성시키는, 반응 단계, 및 상기 생성물 스트림을 반응기 냉각기로 공급하는 단계를 더욱 포함한다. 본 발명의 어떤 관점에서, 액체 수율은 98 부피%를 초과한다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 업그레이드된 탄화수소 스트림은, 감소된 양의 아스팔텐, 황, 및 다른 불순물을 갖는다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 이중-벽 반응기에서 반응 흐름 스트림의 체류 시간은 10초를 초과한다.
본 발명의 제2 관점에서, 감소된 코크스 형성을 갖는 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비는 제공된다. 상기 초임계수 설비는, 탄화수소 공급원료를 물의 임계 압력 이상의 압력으로 가압하여 가압된 탄화수소 공급원료를 생성하도록 구성된 탄화수소 공급원료 펌프, 상기 탄화수소 공급원료 펌프에 유동적으로 연결되고, 상기 가압된 탄화수소 공급원료를 50℃ 초과의 온도로 가열하여 가열된 탄화수소 공급원료를 생성하도록 구성된, 탄화수소 공급원료 히터, 공급수를 물의 임계 압력 이상의 압력으로 가압하여 가압된 공급수를 생성하도록 구성된 공급수 펌프, 상기 공급수 펌프에 유동적으로 연결되며, 상기 가압된 공급수를 물의 임계 온도 이상의 온도로 가열하여 가열된 공급수를 생성하도록 구성된, 공급수 히터, 상기 탄화수소를 업그레이딩 반응으로 업그레이드되도록 구성되며, 상기 업그레이딩 반응 동안에 코크스 형성을 제한하도록 더욱 구성된 이중-벽 반응기를 포함한다. 상기 이중-벽 반응기는, 상기 공급수 히터에 유동적으로 연결되고, 쉘-측 체적에 열 전달 스트림을 생성하기 위해 상기 가열된 공급수를 수용하도록 구성된, 쉘-측 주입구, 외부 벽 및 내부 벽 사이에 배치되고, 열전달 스트림을 수용하도록 구성된 상기 쉘-측 체적을 한정하는 상기 외부 벽 및 내부 벽, 상기 내부 벽에 의해 제한된 반응 섹션 체적, 상기 쉘-측 체적에 유동적으로 연결되고, 상기 열 전달 스트림을 방출하여 반환 고온수를 생성하도록 구성된 쉘-측 배출구, 및 상기 외부 벽에 인접하며, 상기 열 전달 스트림이 물의 임계 온도 이상 이도록 상기 열 전달 스트림을 가열하도록 구성되고, 여기서 열은 상기 열 전달 스트림으로부터 상기 내부 벽을 통하여 상기 반응 섹션 체적으로 전달되는, 가열 소자를 포함한다. 상기 초임계수 설비는, 상기 쉘-측 배출구에 유동적으로 연결되며, 상기 반환 고온수로부터 미립자를 제거하여 여과수 스트림을 형성하도록 구성된 필터, 상기 필터에 유동적으로 연결되고, 상기 여과수 스트림과 가열된 탄화수소 공급원료를 혼합하여 혼합된 스트림을 생성하도록 구성되며, 여기서 상기 혼합된 스트림은 열 전달 스트림에 역류하는 흐름 구성으로 이중-벽 반응기의 반응 섹션 체적에 공급하여 반응 흐름 스트림을 생성시키며, 여기서 상기 반응 섹션 체적은 상기 반응 흐름 스트림 내에 탄화수소를 업그레이드하여 반응기 유출물을 생성하도록 작동 가능한, 혼합장치, 상기 이중-벽 반응기에 유동적으로 연결되며, 상기 반응기 유출물을 물의 임계 온도 미만의 온도로 냉각시켜 냉각된 유출물을 생성하도록 구성된 반응기 냉각기, 상기 반응기 냉각기에 유동적으로 연결되며, 상기 냉각된 유출물의 압력을 물의 임계 압력 이하의 압력으로 감압하여 감압된 유출물을 생성하도록 구성된 감압 장치, 상기 감압 장치에 유동적으로 연결되며, 상기 감압된 유출물을 기상 생성물 및 액상 생성물로 분리하도록 구성된 상 분리장치, 및 상기 상 분리장치에 유동적으로 연결되며, 상기 액상 생성물을 업그레이드된 탄화수소 스트림과 분리수 스트림으로 분리하도록 구성된 생성물 분리장치를 더욱 포함한다.
본 발명의 어떤 관점에서, 상기 분리수 스트림은 공급수 펌프의 공급수 업스트림과 조합된다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 이중-벽 반응기는, 상기 혼합된 스트림을 수용하도록 구성된, 반응 주입구, 및 상기 반응 흐름 스트림을 상기 반응기 유출물로서 방출하도록 구성된, 반응 배출구를 더욱 포함하고; 여기서, 상기 쉘-측 주입구, 상기 쉘-측 배출구, 상기 반응 주입구 및 상기 반응 배출구는 상기 열 전달 스트림과 상기 반응 흐름 스트림 사이에서 흐름 구성 역류를 생성하도록 구성된다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 이중-벽 반응기는, 상기 외부 벽으로부터 쉘-측 체적으로 연장되는 배플을 더욱 포함하고, 상기 배플은 가열 소자 및 외부 벽으로부터 열 전달 스트림으로 열 전달을 증가시키도록 구성된다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 초임계수 설비는, 상기 이중-벽 반응기에 유동적으로 연결되며, 상기 반환 고온수의 온도를 증가시켜 고온 혼합장치 공급원을 생성하도록 구성되고, 여기서 상기 고온 혼합장치 공급원은 필터로 공급되어 여과수 스트림을 생성시키는, 혼합장치 예열기를 더욱 포함한다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 초임계수 설비는, 상기 공급수 히터에 유동적으로 연결되며, 상기 가열된 공급수의 온도를 증가시켜 고온수 공급을 생성하도록 구성되고, 여기서 상기 고온수 공급은 이중-벽 반응기의 쉘-측 체적으로 공급되는, 물 과열기를 더욱 포함한다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 초임계수 설비는, 상기 이중-벽 반응기에 유동적으로 연결되고, 상기 반응기 유출물에 존재하는 미반응된 탄화수소를 업그레이드시켜 생성물 스트림을 생성하도록 구성된, 초임계수 반응기를 더욱 포함하며, 여기서 상기 초임계수형 반응기의 온도는 물의 임계 온도를 초과하고, 여기서 상기 초임계수 반응기의 압력은 물의 임계 압력을 초과하며, 여기서 상기 초임계수형 반응기의 온도는 물의 임계 온도를 초과하고, 여기서 상기 초임계수 반응기의 압력은 물의 임계 압력을 초과하며, 여기서, 상기 생성물 스트림은 반응기 냉각기로 공급된다. 본 발명의 어떤 관점에서, 액체 수율은 98부피%를 초과한다. 본 발명의 어떤 관점에서, 업그레이드된 탄화수소 스트림은 감소된 양의 아스팔텐, 황, 및 다른 불순물을 갖는다. 본 발명의 어떤 관점에서, 상기 이중-벽 반응기에 반응기 흐름 스트림의 체류 시간은 10초를 초과한다.
본 발명의 이들 및 다른 특색, 관점, 및 이점은 하기 상세한 설명, 청구 범위 및 첨부된 도면을 참조하면 더 잘 이해 될 것이다. 그러나, 도면은 본 발명의 몇몇 구체 예를 단지 예시한 것이며, 따라서, 이것이 다른 동일하게 효과적인 구체 예를 인정할 수 있음에 따라 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 고려되지 않는다는 점에 주목될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 탄화수소 공급원료를 업그레이딩하는 방법의 하나의 구체 예의 공정도를 제공한다.
도 2는 이중-벽 반응기의 하나의 구체 예의 평면도를 제공한다.
도 2a는 이중-벽 반응기의 하나의 구체 예의 평면도를 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 탄화수소 공급원료를 업그레이딩하는 방법의 하나의 구체 예의 공정도를 제공한다.
도 4는 본 발명에 따른 탄화수소 공급원료를 업그레이딩하는 방법의 하나의 구체 예의 공정도를 제공한다.
도 5는 본 발명에 따른 탄화수소 공급원료를 업그레이딩하는 방법의 하나의 구체 예의 공정도를 제공한다.
도 6은 본 발명에 따른 탄화수소 공급원료를 업그레이딩하는 방법의 하나의 구체 예의 공정도를 제공한다.
하기 상세한 설명이 예시의 목적을 위한 다수의 특정 세부 사항을 포함하지만, 당업자들은 하기 상세한 설명에 대한 많은 실시예, 변화 및 개조가 본 발명의 범주 및 사상 내에 있다는 것을 인지할 것으로 이해할 것이다. 따라서, 여기에 기재되고, 첨부된 도면에 제공된 본 발명의 대표적인 구체 예는, 청구된 발명과 관련하여, 일반성의 임의의 상실 없이, 및 제한을 부과하지 않고 서술된다. 구체 예의 특색은 다른 구체 예의 특색과 조합될 수 있다.
도 1을 참조하면, 이중-벽 반응기에서 코크스 형성을 감소시키는 공정의 하나의 구체 예는 제공된다. 탄화수소 공급원료 (10)는 탄화수소 공급원료 펌프 (104)에서 가압되어 가압된 탄화수소 공급원료 (12)를 생성한다. 탄화수소 공급원료 (10)는 임의의 탄화수소 공급원으로부터 유래될 수 있다. 탄화수소 공급원료 (10)로서 사용하기 위한 대표적인 탄화수소 공급원은, 전체 범위의 원유, 증류된 원유, 잔사유, 감압 잔사유, 상압증류된 원유 (topped crude oil), 원유의 하부 분획, 정유 공장의 생성물 스트림, 감압 가스 오일, 스팀 크래킹 공정으로부터 생산 스트림, 액화 석탄, 오일 또는 타르 모래로부터 회수된 액체 생성물, 역청, 오일 셰일, 아스팔텐, 바이오매스 탄화수소, 및 이와 유사한 것을 포함한다. 가압된 탄화수소 공급원료 (12)의 압력은 약 22.064 MPa를 초과하고, 선택적으로 약 22.1 MPa 내지 약 31.9 MPa이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가압된 탄화수소 공급원료 (12)의 압력은 25.0 MPa이다. 물의 임계 압력은 22.064 MPa이다.
가압된 탄화수소 공급원료 (12)는 탄화수소 공급원료 히터 (106)에서 가열되어 가열된 탄화수소 공급원료 (14)를 형성한다. 가열된 탄화수소 공급원료 (14)의 온도는 약 10℃ 내지 약 300℃, 선택적으로 약 50℃ 내지 250℃, 선택적으로 약 50℃ 내지 200℃, 선택적으로 약 50℃ 내지 150℃, 선택적으로 약 50℃ 내지 약 100℃, 선택적으로 약 100℃ 내지 약 200℃, 선택적으로 약 150℃ 약 250℃, 선택적으로 약 200℃ 내지 약 300℃이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가열된 탄화수소 공급원료 (14)의 온도는 50℃를 초과한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가열된 탄화수소 공급원료 (14)의 온도는 125℃이다. 탄화수소 공급원료 히터 (106)는 가압된 탄화수소 공급원료 (12)를 가열할 수 있는 임의의 열 전달 유닛 (heat transfer unit)일 수 있다. 탄화수소 공급원료 히터 (106)로 사용될 수 있는 대표적인 열 전달 유닛은, 천연가스 연소 히터 (natural gas fired heater), 열교환기 및 전기 히터를 포함한다. 몇몇 구체 예에서, 가압된 탄화수소 공급원료 (12)는 다른 공정 스트림으로 열교환기 내에 교차-교환 작동 (cross-exchange operation)에서 가열된다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 탄화수소 공급원료 히터 (106)는 탄화수소 공급원료 히터 (106)를 빠져나가는 가열된 탄화수소 공급원료 (14)의 압력이 물의 임계 압력 이상이 되도록 압력 강하 (pressure drop)를 최소화하도록 설계된다. 가열된 탄화수소 공급원료 (14)는 혼합장치 (108)로 주입된다.
공급수 (20)는 물의 임의의 공급원일 수 있다. 적어도 하나의 구체 예에서, 공급수 (20)는 약 10.0μmhos/cm 미만의 전도도 (conductivity)를 갖는다. 전도도는 물에서 이온성 화합물의 농도를 결정하는 가장 흔한 방식이다. 더 높은 전도도는 물에 이온성 화합물이 많이 존재함을 나타낸다. 염화나트륨과 같은 이온성 화합물은, 아임계 조건 (subcritical conditions)에서 물에 용해되더라도, 초임계수 조건하에서 침전될 수 있다. 공급수 (20)로서 활용될 수 있는 물의 대표적인 공급원은, 탈염수, 증류수, 보일러 공급수, 탈이온수, 및 처리된, 재생수를 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 공급수 (20)는 탈염수이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 공급수 (20)는 염수 (brine)가 부재인 상태이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 공급수 (20)는 분리수 스트림 (60)으로부터 재순환된 물을 포함한다. 공급수 (20)는 공급수 펌프 (100)에서 가압되어 가압된 공급수 (22)를 생성한다. 가압된 공급수 (22)의 압력은 약 22.064 MPa, 선택적으로 약 22.1 MPa 내지 약 31.9MPa, 선택적으로 약 22.9 MPa 내지 31.1 MPa이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가압된 공급수 (22)의 압력은 25.0 MPa이다. 물의 임계 압력은 22.064 MPa이다.
가압된 공급수 (22)는 공급수 히터 (102)에서 가열되어 가열된 공급수 (24)를 생성한다. 가열된 공급수 (24)의 온도는 약 374℃ 이상, 선택적으로 약 374℃ 내지 약 600℃, 또는 선택적으로 400℃ 내지 약 550℃, 선택적으로 약 400℃ 내지 약 450℃, 선택적으로는 450℃ 내지 약 500℃, 선택적으로는 약 500℃ 내지 약 550℃, 선택적으로는 약 550℃ 내지 약 600℃이다. 물의 최대 온도는 이중-벽 반응기 (110)의 구성 물질 및 공급수 히터 (102)에 공급되는 연관된 배관을 고려하여 선택된다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가열된 공급수 (24)의 온도는 520℃이다. 물의 임계 온도는 373.946℃이다. 공급수 히터 (102)는 가압된 공급수 (22)를 가열할 수 있는 임의의 타입의 열 전달 유닛일 수 있다. 공급수 히터(102)로서 사용하기 위한 대표적인 열 전달 유닛은, 천연가스 연소 히터, 열교환기, 전기 히터 또는 기술분야에서 알려진 임의의 히터 또는 열교환기를 포함한다. 본 발명의 몇몇 구체 예에서, 가압된 공급수 (22)는 공정의 또 다른 공정 스트림으로 열교환기 내에 교차-교환 작동에서 부분적으로 가열된다. 가열된 공급수 (24)는 물의 임계 온도 및 임계 압력, 또는 임계점 이상인, 초임계수이다. 임계 온도 및 압력 이상에서, 물의 액체 및 기체 상 경계는 사라지고, 및 유체는 액체 및 기체 물질 모두의 특성을 갖는다. 초임계수는 유기 용매와 같은 유기 화합물을 용해시킬 수 있으며 및 가스와 같은 우수한 확산성을 갖는다. 온도 및 압력의 조절은 초임계수의 특성의 연속적인 "조정"을 가능하게 하여 좀 더 액체 또는 좀 더 기체같이 되도록 한다. 초임계수는, 액체-상 서브-임계수와 비교하여, 감소된 밀도 및 더 낮은 극성을 가지며, 이에 의해 물에서 수행될 수 있는 가능한 화학반응의 범위를 크게 확장시킨다. 초임계수는 이것이 초임계 경계에 도달함에 따라 예기치 못한 다양한 특성을 갖는다. 초임계수는 유기 화합물에 가까운 매우 높은 용해도를 가지며 및 가스와의 무한한 혼화성을 갖는다. 어떤 구체 예에서, 초임계수는 스트림 개질 반응 및 수-가스 이동 반응 (water-gas shift reaction)을 통해 수소 가스를 발생시키고, 이는 그 다음 업그레이딩 반응을 위해 이용 가능하다.
가열된 공급수 (24)는 이중-벽 반응기 (110)로 주입된다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 이중-벽 반응기 (110)는 이중 파이프 열교환기를 갖는 특색을 공유한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 이중-벽 반응기 (110)는, 유속을 포함하는, 공정 조건에 기초한 사양으로 설계된다. 이중-벽 반응기 (110)는 도 2를 참조하여 기재된다. 이중-벽 반응기 (110)는 외부 벽 (210) 및 내부 벽 (212)을 갖는다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 외부 벽 (210) 및 내부 벽 (212)은 양 말단에서 개방된, 두 개의 동심원의 실린더로 형성되고, 두 개의 동심원 실린더는 연결되지 않는다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 이중-벽 반응기 (110)는 외부 가열 공급원을 갖는 이중-파이프 타입 용기이다. 내부 벽 (212)에 의해 둘러싸인 체적은 반응 섹션 체적 (214)를 한정한다. 내부 벽 (212)과 외부 벽 (210) 사이의 체적은 쉘-측 체적 (216)을 한정한다. 반응 섹션 체적 (214)은 하나의 반응 주입구 (230) 및 하나의 반응 배출구 (232)를 갖는다. 쉘-측 체적 (216)은 쉘-측 주입구 (220) 및 쉘-측 배출구 (222)를 갖는다. 가열된 공급수 (24)는 쉘-측 주입구 (220)를 통해 이중-벽 반응기 (110)의 쉘-측 체적 (216)으로 진입되어 열 전달 스트림 (30)을 생성한다.
쉘-측 체적 (216)과 반응 섹션 체적 (214) 사이에 직접적으로 유체의 교환을 제한하는 이중-벽 반응기 (110)의 설계는, (연결부, 노즐, 포트 등에서) 기계적 고장의 위험을 감소시키고, 이중-벽 반응기 (110)의 제작을 단순화시키며, 및 압력 및 온도를 좀 더 관리 가능한 조절을 제공한다. 반응 섹션 체적 (214) 및 내부 벽 (212)을 따른 온도 조절은, 본 발명의 장점이다.
가열 소자 (218)는 외부 벽 (210)에 인접해 있다. 가열 소자 (218)는 임의의 직접 가열 공급원이다. 가열 소자 (218)로서 사용하기 위한 대표적인 직접 가열 공급원은, 전기 히터, 가스 연소 히터, 액체 연소 히터, 및 석탄 연소 히터를 포함한다. 가열 소자 (218)는 열 전달 스트림 (30)에 열을 전달한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가열 소자 (218)는 가열된 공급수 (24)의 온도에 비례하여 열 전달 스트림 (30)의 온도를 유지한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가열 소자 (218)는 외부 벽 (210)의 전체 길이 또는 실질적인 전체 길이로 연장된다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가열 소자 (218)는 외부 벽 (210)의 전체 길이 미만으로 연장된다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가열 소자 (218)는 외부 벽 (210)의 전체 둘레 주위를 감싼다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가열 소자 (218)는 외부 벽 (210)의 둘레의 일부에 인접하게 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 가열 소자 (218)는 가열된 공급수 (24)의 온도 이상으로 열 전달 스트림 (30)의 온도를 증가시킨다. 열 전달 스트림 (30)의 가열은, 런-어웨이 반응 온도 (run-away reaction temperatures)에 기여할 수 있는, 산화 반응의 부재하에 있다. 열은 외부 벽 (210)으로부터 쉘-측 체적 (216) 내에 열 전달 스트림 (30)을 통해 내부 벽 (212)으로, 내부 벽 (212)을 통해 반응 섹션 체적 (214)으로 전달된다. 내부 벽 (212)과 외부 벽 (210) 사이에 체적, 열 전달 스트림 (30)의 유속, 및 열 전달 스트림 (30)의 온도는, 외부 벽 (210)으로부터 쉘-측 체적 (216)을 통해 내부 벽 (212)으로의 열 전달 요건을 고려하고 및 열 전달 매질로서의 열 전달 스트림 (30)의 효율을 향상시키기 위해 최적화된다. 열 전달 스트림 (30)의 속도는 목표 반응 온도에 의해 영향을 받는다.
본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 열 전달 스트림 (30)으로의 열 전달의 효율은 외부 벽 (210)에 인접하여 쉘-측 체적 (216) 내로 연장되는 배플 (240)을 설치함으로써 개선될 수 있다. 배플 (240)은 열 전달 스트림 (30)의 흐름에 노출된 표면적을 증가시켜 열 전달 스트림 (30)에 가열 소자 (218)의 열 전달 능력을 증가시켜, 열 전달 스트림 (30)과 상호작용하는 더 큰 면적을 생성시킨다. 열 전달 스트림 (30)의 개선된 가열은, 열 전달 스트림 (30)으로부터 반응 섹션 체적 (213)으로 열 전달의 효율을 개선시킨다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 배플 (240)은 핀이다.
이중-벽 반응기 (110)는 반응기 파라미터를 최적화하는 것을 고려하여 설계된다. 반응기 파라미터는, 체류 시간, 반응기 배향, 흐름 방향, 반응 체적, 반응기 종횡비, 및 작동 조건을 포함한다. 이중-벽 반응기 (110)에서 체류 시간은 적어도 5초, 선택적으로는 적어도 10초, 선택적으로는 적어도 15초, 선택적으로는 적어도 20초, 선택적으로는 적어도 30초, 및 선택적으로는 적어도 40초이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 이중-벽 반응기 (110)에서 체류 시간은 적어도 10초이다. 여기에 사용된 바와 같이, 반응기 배향은 반응기가 지면에 대해 어떻게 정렬되는지를 의미한다. 대표적인 반응기 배향은 수직 및 수평을 포함한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 이중-벽 반응기 (110)는 수직 반응기 배향을 갖는다. 흐름 방향은 혼합된 스트림 (40)의 흐름이 수직 반응기 배향에서 상향 흐름인지 하향 흐름인지 여부를 나타낸다. 상향 흐름 방향에서, 이중-벽 반응기 (110)의 반응 주입구 (230)는 이중-벽 반응기 (110) 배출구에 비해 지반면에 더 가깝게 위치되고 및 혼합된 스트림 (40)은 반응 주입구 (230)로 주입된다. 하향 흐름 방향에서, 반응 주입구 (230)는 반응 배출구 (232)에 비해 지반면으로부터 멀게 위치된다. 반응 체적은 반응 섹션 체적 (214)의 총 체적을 의미한다. 반응 체적은, 원하는 체류 시간, 가열된 공급수 (24)의 열 전달 효율, 및 반응기 종횡비를 고려하여 계산된다. 반응기 종횡비는 이중-벽 반응기 (110)의 직경에 대한 길이의 비이다. 종횡비는 열 전달 능력, 체류 시간, 및 흐름 레짐 (flow regime)에서 중요한 역할을 한다. 작동 조건은 반응기 온도 및 반응기 압력을 포함한다. 반응기 온도는 반응 섹션 체적 (214)의 말단에서 유체의 온도로서 정의된다.
도 1을 다시 참조하면, 열 전달 스트림 (30)은 이중-벽 반응기 (110)의 쉘-측 체적 (216)를 반환 고온수 (32)로서 배출한다. 반환 고온수 (32)의 온도는 가열된 공급수 (24)의 온도의 10도 이내, 선택적으로 20도 이내, 선택적으로 30도 이내, 선택적으로 40도 이내, 및 선택적으로 50도 이내이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 반환 고온수 (32)의 온도는 가열된 공급수 (24)의 온도 이상이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 반환 고온수 (32)의 온도는 가열된 공급수 (24)의 온도 이하이다. 반환 고온수 (32)는 반응 섹션 체적 (214) 내에 반응물 중 하나로 된다.
반환 고온수 (32)는 필터 (124)를 통해 흘러 여과수 스트림 (36)을 생성한다. 필터 (124)는, 차르 (char)를 포함하는 미립자를 제거할 수 있는, 기술분야에 알려진 임의의 타입의 여과 소자 (filtering element)일 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 필터 (124)는 금속 하우징을 갖는다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 필터 (124)는 평행한 어셈블리 내에 배열된 복수의 필터 소자를 포함한다. 여과수 스트림 (36)은 혼합장치 (108)로 주입되어 혼합된 스트림 (40)을 생성한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 반환 고온수 (32)는 필터 (124)의 부재하에 있고, 및 반환 고온수 (32)는 혼합장치 (108) 내의 가열된 탄화수소 공급원료 (14)와 직접 혼합된다.
여과수 스트림 (36) 및 가열된 탄화수소 공급원료 (14)는 이중-벽 반응기 (110)로부터 외부적으로 혼합된다. 이중-벽 반응기 (110)는 반응물의 혼합을 향상시키도록 설계된 특색의 부재하에 있다. 이중-벽 반응기 (110)에서 가열된 탄화수소 공급원료 (14) 및 여과수 스트림 (36)을 혼합하는 것은, 이중-벽 반응기 (110)의 온도, 압력 및 유속의 조절을 유지하는 능력을 감소시켜 이중-벽 반응기 (110)에서 불안정한 조건을 생성한다. (이중-벽 반응기 (110)에 외부적으로) 이중-벽 반응기 (110)의 여과수 스트림 (36) 업스트림 및 가열된 탄화수소 공급원료 (14)의 혼합은, 이중-벽 반응기 (110)에 진입하는 경우, 이것은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 반응 흐름 스트림 (42)으로서 반응 섹션 체적 (214)을 통해 이동함에 따라, 혼합 스트림 (40)의 더 많은 균일한 온도 프로파일을 보장한다. 혼합장치 (108)는 여과수 흐름 (36) 및 가열된 탄화수소 공급원료 (14)를 혼합할 수 있는 임의의 타입의 혼합 장치일 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 혼합장치 (108)는 인라인 혼합장치 (inline mixer)이다. 혼합된 스트림 (40)은 탄화수소 공급원료 (10) (υ10)의 체적 유량에 대한 공급수의 체적 유량 (20) (υ20)의 비로 나타낸 탄화수소에 대한 물의 비를 갖는다. υ20 대 υ10의 비는, 표준 주변 온도 및 압력에서 측정된 것으로 약 10:1 내지 약 1:10의 범위, 선택적으로 표준 주변 온도 및 압력에서 측정된 것으로 약 5:1 내지 약 1:5, 선택적으로 표준 주변 온도 및 압력에서 측정된 것으로 4:1 미만, 선택적으로 표준 주변 온도 및 압력에서 측정된 것으로 3:1 미만, 및 선택적으로 표준 주변 온도 및 압력에서 측정된 것으로 2:1 미만이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, υ20 대 υ10의 비는 표준 주변 온도 및 압력에서 측정된 것으로 1.4:1이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, υ20 대 υ10의 비는 표준 주변 온도 및 압력에서 측정된 것으로 2.5:1이다. 혼합된 스트림 (40)은 이중-벽 반응기 (110)의 반응 섹션 체적 (214)에 주입된다. 여기에 사용된 바와 같은, "표준 주변 온도 및 압력"은 25℃ 및 0.1 MPa를 의미한다. 표준 온도 및 압력은 0℃ 및 0.1 MPa를 나타낸다. 표준 주변 온도 및 압력은 좀 더 적용 가능하다.
혼합된 스트림 (40) 및 가열된 공급수 (24)는 도 2에 예시된 바와 같이 역류 흐름 구성으로 이중-벽 반응기 (110)로 주입된다. 여기서 사용된 바와 같은 역류 흐름 구성은 스트림의 흐름 방향을 나타내며, 하나의 스트림의 공급 위치가 제2 스트림의 배출 위치에 인접하도록, 이중-벽 반응기 (110) 내에 스트림이 대향 단부로부터 용기에 진입하는 것을 의미한다. 역류 흐름 구성은 반응 섹션 체적 (214)의 길이에 걸쳐 반응 흐름 스트림 (42)에서 균일하거나 또는 실질적으로 균일한 온도 분포를 유지한다. 반응 흐름 스트림 (42)은, 열 전달 스트림 (30)으로부터의 간접 가열을 통하여 내부 벽 (212)을 통해 열을 수용하여 반응 온도에서 반응 흐름 스트림 (42)을 유지한다. 반응 흐름 스트림 (42)은 계속적인 흐름이다. 열 전달 스트림 (30)은 연속적인 흐름이다.
이중-벽 반응기 (110)는 초임계 반응기이다. 이중-벽 반응기 (110)는 외부에서-제공된 수소 가스 부재하에 탄화수소 업그레이딩 반응을 위한 반응 섹션 체적 (214)에서 반응 매질로서 초임계수를 사용한다. 이중-벽 반응기 (110)는 외부에서 제공된 산화제가 없는 상태이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 이중-벽 반응기 (110)는 촉매가 없는 상태이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 초임계수는 이중-벽 반응기 (110)에서 희석제로서 역할을 한다. 이중-벽 반응기 (110)의 구조는 반응 섹션 체적 (214)에 간접 가열을 제공함으로써 코크스의 형성을 감소시킨다. 내부 벽 (212) 상에 직접 가열의 부재는 내부 벽 (212) 상에 균일한 온도 분포를 발생시킨다. 균일한 온도 분포는 내부 벽 (212) 상에 고온 점의 형성을 감소시키거나 또는 제거한다. 고온 점의 감소는 반응 섹션 체적 (214) 내부에 코크스의 형성을 감소시킨다. 흡열 및 발열 반응은, 흡열 또는 발열 반응과 연관된 국부적인 가열 또는 냉각으로 인해 반응 온도를 조절하는 능력에 각각 영향을 미친다. 특정 이론에 제한되는 것을 원하지는 않지만, 성분 및/또는 온도의 불-균일한 분포를 갖는 탄화수소 유체 반응기는, 또한 발열 또는 흡열 반응으로 인해 불-균일한 국부 온도를 갖는 것으로 믿어진다. 따라서, 균일한 온도 분포를 생성함으로써 이중-벽 반응기 (110)는 발열 반응 및/또는 흡열 반응을 감소시킨다.
이중-벽 반응기 (110)의 반응 섹션 체적 (214)은 반응기 유출물 (50)을 생성한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 반응기 유출물 (50)의 온도는 이중-벽 반응기 (110)의 단부에서의 배관을 통한 냉각 (나타내지 않음)으로 인해 반응기 온도 미만이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 반응기 유출물 (50)의 온도는 이중-벽 반응기 (110)의 간접 가열에 기인하여 혼합 스트림 (40)의 온도를 초과한다. 반응기 유출물 (50)에서 반응 생성물은, 탄화수소 공급원료 (10)의 조성물, υ20 대 υ10의 비, 및 이중-벽 반응기 (110)의 반응 섹션 체적 (214)의 작동 온도에 기여한다.
반응기 유출물 (50)은 반응기 냉각기 (112)에서 냉각되어 냉각된 유출물 (52)을 생성한다. 냉각된 유출물 (52)은 약 10℃ 내지 약 200℃, 선택적으로 약 30℃ 내지 약 120℃, 또는 약 50℃ 내지 약 100℃의 온도를 갖는다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 냉각된 유출물 (52)의 온도는 60℃이다. 반응기 냉각기 (112)는 반응기 유출물 (50)을 냉각시킬 수 있는 임의의 열 전달 유닛일 수 있다. 반응기 냉각기 (112)로서 사용될 수 있는 대표적인 열 전달 유닛은 열교환기, 증기 발생기, 교차-교환기 또는 공기 냉각기를 포함한다. 도 5에 나타낸 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에 따르면, 반응기 냉각기 (140)는 가압된 공급수 (22)를 반응기 유출물 (50) 유래의 열로 가열하고, 및 공정에서 반응기 유출물 (50)을 냉각시키는 교차-교환기이다. 기술분야의 당업자는 교차-교환 열교환기가 시스템 내에서 에너지 회수를 제공하도록 활용될 수 있음을 인식할 것이다.
냉각된 유출물 (52)의 압력은 감압 장치 (114)에서 감압되어 감압된 유출물 (54)을 형성한다. 감압된 유출물 (54)의 압력은, 약 0.11 MPa 내지 약 2.2 MPa, 선택적으로 약 0.05 MPa 내지 약 1.2 MPa, 선택적으로 약 0.05 MPa 내지 약 1.0MPa, 선택적으로 약 0.11MPa 내지 약 0.5MPa이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 감압된 유출물 (54)의 압력은 0.11 MPa이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 감압된 유출물 (54)의 압력은 대기압 (101.3 kPa)이다. 감압 장치 (114)는 냉각된 유출물 (52)의 압력을 감소시킬 수 있는 임의의 타입의 감압 장치일 수 있다. 감압 장치 (114)로서 사용하기에 적합한 대표적인 장치는, 압력 조절 밸브 및 모세관-타입 압력 감소 장치 (capillary-type pressure let-down devices)를 포함한다. 감압된 유출물 (54)은 상 분리장치 (116)로 주입된다.
반응기 유출물 (50), 냉각된 유출물 (52), 및 감압된 유출물 (54)은 물, 업그레이드된 탄화수소, 및 기타 탄화수소를 함유한다. 감압된 유출물 (54)은, 이산화탄소와 같은 가스를 더욱 포함한다. 반응기 유출물 (50), 냉각된 유출물 (52), 및 감압된 유출물 (54)은, 탄화수소 공급원료 (10)에 비해 더 높은 함량의 경질 탄화수소를 갖는다. 감압된 유출물 (54)에서 탄화수소의 비점 범위는, 탄화수소 공급원료 (10)에 존재하는 탄화수소의 비등점 범위와 비교하여 더 낮다. 탄화수소의 더 낮은 비등점 범위는, 더 낮은 함량의 중질 분획 탄화수소를 나타낸다. 반응기 유출물 (50), 냉각된 유출물 (52), 및 감압된 유출물 (54)에 존재하는 물의 질량 분율 (mass fraction)은 이중-벽 반응기 (110)의 작동 조건, 공급수 (20)의 유속 및 혼합 스트림 (40) 내에 탄화수소에 대한 물의 공급비에 의존한다.
상 분리장치 (116)는 감압된 유출물 (54)을 기상 생성물 (56) 및 액상 생성물 (58)로 분리한다. 상 분리장치 (116)는 기-액 분리장치다. 상 분리장치 (116)로 사용하기 위한 대표적인 분리장치는, 플래시 드럼 (flash drum), 플래시 컬럼, 다-단 컬럼, 스트립핑-타입 컬럼을 포함한다.
반응기 냉각기 (112), 감압 장치 (114) 및 상 분리장치 (116)의 작동 조건은, 기상 생성물 (56) 및 액상 생성물 (58)에 대해 수행되는 공정 단계를 고려하여 조정된다. 반응기 냉각기 (112), 감압 장치 (114), 및 분리장치 (116)의 작동 조건은, 기상 생성물 (56) 및 액상 생성물 (58)에서 조성물 및 총량에 영향을 미친다.
기상 생성물 (56)은 스트림 내에 성분을 회수하기 위한 또 다른 처리를 위해 보내질 수 있거나 또는 처리 및 처분을 위해 선택적으로 보내질 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 기상 생성물 (56)은 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판 및 프로필렌을 포함하는, 경질 탄화수소 기체를 함유한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 기상 생성물 (56)은 연료 가스로서 사용될 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 기상 생성물 (56)은 경질 탄화수소 가스 및 황화수소를 함유한다.
액상 생성물 (58)은 생성물 분리장치 (118)로 주입되어 액상 생성물 (58)을 업그레이드된 탄화수소 스트림 (62) 및 분리수 스트림 (60)으로 분리시킨다. 업그레이드된 탄화수소 스트림 (62)은 탄화수소 공급원료 (10)에 비해 감소된 불순물을 함유한다. 업그레이드된 탄화수소 스트림 (62)은 또 다른 공정으로 보내질 수 있고, 다른 업그레이드된 탄화수소와 함께 모여질 수 있으며, 또는 업그레이드된 탄화수소 스트림을 위해 적절한 임의의 다른 역량 (other capacity)으로 사용될 수 있다. 탄화수소 공급원료 (10)로 업그레이드된 탄화수소 스트림 (62)의 액체 수율은 95% 초과, 선택적으로 98% 초과, 선택적으로 98.5% 초과, 및 선택적으로 99% 초과이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 액체 수율은 98%를 초과한다. 액체 수율은 업그레이드된 탄화수소 스트림 (62)의 총 중량을 탄화수소 공급원료 (10)의 총 중량으로 나눈 백분율이다. 액체 수율은 가스 및 물의 손실 때문에 100% 미만일 수 있고, 여기서 탄화수소는 물에 용해된다.
분리수 스트림 (60)은 또 다른 처리를 위해 보내질 수 있고, 현장에 저장될 수 있거나, 처분을 위해 보내질 수 있거나, 또는 공정의 앞으로 재순환될 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 분리수 스트림 (60)은 공급수 (20)와 혼합되거나 또는 공급수 (20)로서 사용되기 위해 재순환된다. 분리수 스트림 (60)은 총 유기 탄소 함량 (organic carbon content)을 함유한다. 총 유기 탄소 함량은, 정상적인 알칸, 방향족 화합물, 및 기타 탄화수소 형태이다. 방향족 탄화수소는 정상 알칸에 비해 초임계수에서 더 높은 용해도를 갖는다. 이중-벽 반응기 (110)에서 초임계수 공정으로 재순환되는 분리수 스트림 (60)으로부터 탄화수소를 제거하는 것은, 공정 라인을 막을 수 있는, 탄화수소 분해로 인한 차르 (char)의 생성을 피하기 위해 중요하다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 분리수 스트림 (60)은 20,000 중량 ppm 미만, 선택적으로 10,000 중량 ppm 미만, 선택적으로 5,000 중량 ppm 미만, 또는 선택적으로 1,000 중량 ppm 미만의 총 유기 탄소 함량을 달성하도록 처리된다.
공정 기구 및 분석기는 공정 유닛의 가열 및 압력 조절을 개선시켜 업그레이드된 탄화수소 스트림 (62)의 조성물을 개선하도록 시스템에 부가될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 구체 예는 나타낸다. 여기에 기재된 도 1을 참조하고 및 도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명의 구체 예에 따르면, 반환 고온수 (32)는 이중-벽 반응기 (110)의 쉘-측 체적 (216)를 빠져나와 혼합장치 예열기 (120)에 주입되어 고온 혼합장치 피드 (feed) (34)를 생성한다. 혼합장치 예열기 (120)는 반환 고온수 (32)를 가열할 수 있는 임의의 타입의 열 전달 유닛일 수 있다. 혼합장치 예열기 (120)로서 사용하기 위한 대표적인 열 전달 유닛은, 천연가스 연소 히터, 열교환기, 전기 히터, 또는 기술분야에 알려진 임의의 히터 또는 열교환기를 포함한다. 고온 혼합장치 피드 (34)는 374℃ 이상 온도로, 선택적으로 이것이 쉘-측 체적 (216)를 빠져나오는 경우, 반환 고온수 (32)의 온도보다 높은 온도로, 및 선택적으로, 이것이 쉘-측 체적 (216)를 빠져나가는 경우 216 내지 600℃의 반환 고온수 (32)의 온도로 가열된다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 혼합장치 예열기 (120)는 반환 고온수 (32)의 온도를 증가시킨다. 고온 혼합장치 피드 (34)는 혼합장치 (108)에서 가열된 탄화수소 공급원료 (14)와 혼합되어 혼합된 스트림 (40)을 생성한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 구체 예는 나타낸다. 여기에 기재된 도 1을 참조하고 및 도 4에 나타낸 본 발명의 구체 예에 따르면, 가열된 공급수 (24)는 공급수 히터 (102)를 빠져나가고, 및 물 과열기 (122)에 도입되어 고온수 공급 (26)을 생성한다. 물 과열기 (122)는 가열된 공급수 (24)를 가열할 수 있는 임의의 타입의 열 전달 유닛일 수 있다. 물 과열기 (122)로서 사용하기 위한 대표적인 열 전달 유닛은, 천연가스 연소 히터, 열교환기, 전기 히터, 또는 기술분야에 알려진 임의의 히터 또는 열교환기를 포함한다. 고온수 공급 (26)는 선택적으로 374 ℃ 이상의 온도로, 선택적으로 이것이 공급수 히터 (102)를 빠져나올 때 가열된 공급수 (24)의 온도보다 높은 온도로, 또는 선택적으로 이것이 공급수 히터 (102)를 빠져나올 때 102 내지 600℃의 가열된 공급수 (24)의 온도로 가열된다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 물 과열기 (122)는 가열된 공급수 (24)의 온도를 증가시킨다. 공급수 히터 (102) 및 물 과열기 (122)는 효율적인 가열을 위해 균형을 이룰 수 있어 고온수 공급 (26)을 생성한다. 고온수 공급 (26)은 이중-벽 반응기 (110)의 쉘-측 체적 (216)에 주입된다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 구체 예는 나타낸다. 여기에 기재된 도 1을 참조하고 및 도 6에 나타낸 본 발명의 구체 예에 따르면, 가압된 공급수 (22)는 생성물 스트림 (70)과 교차 교환하여 공급수 교차-교환기 (126)에서 가열된다. 가압된 공급수 (22)의 가열은, 가열된 공급수 (24)를 생성하고, 이는 그 다음 도 1을 참조하여 기재된 바와 같이 이중-벽 반응기 (110)의 쉘-측 체적 (216)으로 주입된다. 반응기 유출물 (50)은 이중-벽 반응기 (110)의 다운스트림에서 초임계 반응기 (130)로 주입된다.
초임계수 반응기 (130)는 초임계 반응기이다. 이중-벽 반응기 (110) 및 초임계 반응기 (130)는 두 개의 반응기가 직렬 형태이다. 직렬 형태의 2-반응기에서, 제1 반응기인 이중-벽 반응기 (110)는 탄화수소 및 초임계수의 혼합 및 업그레이딩 반응이 시작하는 것을 보장한다. 제2 반응기인 초임계수 반응기 (130)에서, 크래킹, 탈황, 및 이성질체화 반응을 포함하는, 업그레이딩 반응의 대부분이 일어난다. 제1 반응기에서 성분들이 잘 혼합되는 것을 보장함으로써, 제2 반응기 내에 모두 또는 실질적으로 모든 고온 점을 제거한다. 고온 점의 제거는 코크스의 모두 또는 실질적으로 모두가 제2 반응기에서 형성되는 것을 방지한다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 초임계수 반응기 (130)는 직접 가열원을 갖는 단일-벽 반응기이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 제2 반응기는 간접 가열로 가열되는 반응 섹션을 갖는 이중-벽 반응기이다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 이중-벽 반응기 (110)의 반응기 파라미터 및 초임계수 반응기 (130)의 반응기 파라미터는 동일하다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 이중-벽 반응기 (110)의 반응기 파라미터 및 초임계수 반응기 (130)의 반응기 파라미터는 다르다. 본 발명의 적어도 하나의 구체 예에서, 이중-벽 반응기 (110)의 반응기 파라미터 중 적어도 하나는 초임계수 반응기 (130)와 동일하고 및 이중-벽 반응기 (110)의 반응기 파라미터 중 적어도 하나는 초임계수 반응기 (130)와 다르다. 초임계수 반응기 (130)는 생성물 스트림 (70)을 생성한다. 생성물 스트림 (70)은 공급수 교차-교환기 (126)로 주입된다. 생성물 스트림 (70)은 공급수 교차-교환기 (126)에서 냉각되어 냉각된 유출물 (52)을 생성한다.
실시 예
비교 예. 단일-벽 반응기 및 본 발명의 이중-벽 반응기를 비교하기 위해 2개의 모의실험은 수행된다. 두 모의실험에서, 10 barrels/day 속도의 탄화수소 공급원료는 25.0 MPa의 압력으로 가압되고, 125℃의 온도로 가열된다.
단일-벽 반응기 모의실험에서, 탄화수소 공급원료는 25.0 MPa의 압력 및 460 ℃의 온도에서 공급수와 혼합된다. 물 스트림은 반응기의 액체 분리장치 다운스트림으로부터 물 재순환 스트림이다. 단일-벽 반응기는 10L의 내부 체적을 갖는 관형 용기로서 모의실험된다. 액체 수율은 95 wt%이다. 표 1은 다양한 스트림의 작동 조건을 포함한다. 표 2는 탄화수소 공급원료 및 업그레이드된 탄화수소 스트림의 특성을 나타낸다.
스트림 작동 조건
스트림 명 탄화수소 공급원료 공급수 가열된 탄화수소 공급원료 가열수 혼합 스트림 반응기 유출물 냉각된 유출물 감압된 스트림
온도 (℃) 25 25 125 460 365 450 50 45
압력 (MPa) 0.11 0.11 25.0 25.0 25.0 24.8 24.6 0.11
스트림 속성
특성 탄화수소 공급원료 업그레이드된 탄화수소 스트림
비중 (API) 17 24
아스팔텐 (wt%) 13.0 2.0
황 (wt% S) 3.2 2.6
이중-벽 반응기 모의실험에서, 구체 예는 도 1을 참조하여 기재된 바와 같이 모의실험된다. 공급수 (20)는 25.0 MPa의 압력으로 가압되고 및 450℃의 온도로 가열된 다음, 가열된 공급수 (24)로 이중-벽 반응기 (110)의 쉘-측 체적 (216)으로 주입된다. 이중-벽 반응기 (110)를 빠져나가는 반환 고온수 (32)는 가열된 탄화수소 공급원료 (14)와 혼합되고, 가열된 공급수 (24)에 대해 역류 흐름 구성으로 이중-벽 반응기 (110)의 반응 섹션 체적 (214)으로 주입된다. 공급수 (20)는 분리된 물 스트림 (60)의 적어도 일부로 생성물 분리장치 (118)로부터 재순환된다. 반환 고온수 (32)의 온도는 이중-벽 반응기 (110)의 외부 벽 (210) 상에 가열 소자 (218)에 기인하여 480℃이다. 모의실험에서, 가열 소자 (218)는 외부 가스 연소 히터로서 모의실험된다. 액체 수율은 98 wt%이다. 작동 조건은 표 3에 열거된다. 스트림 특성은 표 4에 열거된다.
스트림 작동 조건
스트림 명 탄화수소 공급원료 (10) 공급수 (20) 가열된 탄화수소 공급원료 (14) 가열된 공급수 (24) 혼합 스트림 (40) 반응기 유출물 (50) 냉각된 유출물 (52) 감압된 유출물 (54)
Temp (℃) 25 25 125 450 373 430 50 50
압력 (MPa) 0.11 0.11 25.0 25.0 25.0 25.0 24.8 0.11
스트림 속성
특성 탄화수소 공급원료 업그레이드된 탄화수소 스트림
비중 (API) 17 25
아스팔텐 (wt%) 13.0 1.8
황 (wt% S) 3.2 2.5
어떤 특정 이론에 제한됨이 없이, 단일-벽 반응기와 비교하여 이중-벽 반응기에서의 고온 점의 부재는, 단일-벽 반응기에 대해 95 wt%에 비해 이중-벽 반응기에 대해 98 wt%인, 더 높은 액체 수율, 및 단일-벽 반응기에 대해 450℃에 비해 더 낮은 반응기 온도인, 이중-벽 반응기에 대해 430℃에서도, 우수한 품질 생성물, 더 낮은 아스팔텐 중량 퍼센트 및 황 중량 퍼센트를 결과하는 것으로 믿어진다. 단일-벽 반응기 모의실험에서 고온 점은, 코크스 형성을 일으키는, 중 분자들 사이에 축합반응, 뿐만 아니라 기상 생성물을 생성하는 과도한 크래킹 (over-cracking)을 유발하여 것으로 추측된다. 축합반응은 축합반응의 생성물인 더 무거운 분자 내에 황 및 금속을 포획한다.
본 발명이 상세하게 기재되었을지라도, 본 발명의 원리 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 변화, 치환 및 변경이 이루어질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 이하의 청구 범위 및 이들의 적절한 법적 균등물에 의해 결정되어야 한다.
용어의 단수 형태는 문맥상 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수형태를 포함한다.
선택적 또는 선택적으로는 이후에 기재된 사건 또는 상황이 발생할 수도 있고 발생하지 않을 수도 있음을 의미한다. 본 상세한 설명은 사건이나 상황이 발생하는 경우와 이것이 발생하지 않는 경우를 포함한다.
범위는 여기에서 약 하나의 특정 값으로부터, 및/또는 약 다른 특정 값으로 표시될 수 있다. 이러한 범위가 표시된 경우, 또 다른 구체 예는, 상기 범위 내에 모든 조합과 함께, 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값인 것으로 이해될 것이다.

Claims (20)

  1. 이중-벽 반응기를 사용하는 탄화수소 업그레이드 반응 동안 코크스 형성을 감소시키는 공정으로서, 상기 공정은:
    열 전달 스트림을 생성하기 위해 이중-벽 반응기의 쉘-측 체적에 가열된 공급수를 공급하는 단계, 상기 이중-벽 반응기는:
    외부 벽 및 내부 벽 사이에 배치된 상기 쉘-측 체적을 한정하는 상기 외부 벽 및 내부 벽,
    상기 내부 벽에 의해 제한된 반응 섹션 체적,
    상기 외부 벽에 인접하며, 열 전달 스트림이 물의 임계 온도 이상 이도록, 반환 고온수를 생성하기 위해 상기 열 전달 스트림을 가열하도록 구성되고, 여기서 열은 상기 열 전달 스트림으로부터 상기 내부 벽을 통하여 상기 반응 섹션 체적으로 전달되며, 여기서 상기 반환 고온수는 상기 쉘-측 체적을 빠져나오는, 가열 소자를 포함하고,
    여기서 상기 열 전달 스트림은 물의 임계 온도를 초과하는 온도 및 물의 임계 압력을 초과하는 압력하에 있으며;
    미립자를 제거하여 여과수 스트림을 형성하도록 구성된, 필터를 통해 이중-벽 반응기의 쉘-측 체적을 빠져나가는 반환 고온수를 공급하는 단계;
    상기 여과수 스트림을 혼합장치에서 가열된 탄화수소 공급원료와 혼합하여 혼합된 스트림을 생성시키며, 여기서 상기 가열된 탄화수소 공급원료는 물의 임계 압력을 초과하는 압력 및 50℃ 초과의 온도에 있는, 혼합 단계;
    상기 혼합된 스트림을 열 전달 스트림에 역류하는 흐름 구성으로 이중-벽 반응기의 반응 섹션 체적에 공급하여 반응 흐름 스트림을 생성시키는, 공급 단계;
    상기 반응 섹션 체적 내에 반응 온도에서 반응 흐름 스트림을 반응시켜 반응기 유출물을 생성시키며, 여기서 상기 열 전달 스트림으로부터 반응 섹션 체적으로 전달된 열은, 반응 온도를 물의 임계 온도 이상으로 유지하도록 작동 가능한, 반응 단계;
    상기 반응기 유출물을 반응기 냉각기에서 냉각시켜 냉각된 유출물을 생성시키는, 냉각 단계;
    상기 냉각된 유출물을 감압 장치에서 감압시켜 감압된 유출물을 생성시키는, 감압 단계;
    상기 감압된 유출물을 상 분리장치에서 분리하여 기상 생성물 및 액상 생성물을 생성하는, 분리 단계; 및
    상기 액상 생성물을 생성물 분리장치에서 분리하여 분리수 스트림 및 업그레이드된 탄화수소 스트림을 생성하는, 분리 단계를 포함하는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리수 스트림을 재순환시켜 이중-벽 반응기의 공급수 업스트림과 조합시키는 재순환 단계를 더욱 포함하는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이중-벽 반응기는:
    상기 가열된 공급수를 수용하도록 구성된, 쉘-측 주입구;
    반환 고온수로서 상기 열 전달 스트림을 방출하도록 구성된, 쉘-측 배출구;
    상기 혼합된 스트림을 수용하도록 구성된, 반응 주입구; 및
    상기 반응기 유출물로서 상기 반응 흐름 스트림을 방출하도록 구성된 반응 배출구를 포함하고;
    여기서, 상기 쉘-측 주입구, 상기 쉘-측 배출구, 상기 반응 주입구, 및 상기 반응 배출구는 상기 열 전달 스트림과 상기 반응 흐름 스트림 사이에서 흐름 구성 역류를 생성하도록 구성되는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 이중-벽 반응기는:
    상기 외부 벽으로부터 쉘-측 체적으로 연장되는 배플을 더욱 포함하고, 상기 배플은 가열 소자 및 외부 벽으로부터 열 전달 스트림으로 열 전달을 증가시키도록 구성되는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반환 고온수를 혼합장치 예열기에 공급하고, 상기 혼합장치 예열기는 반환 고온수의 온도를 증가시켜 고온 혼합장치 공급원을 생성하도록 구성되는, 공급 단계; 및
    상기 고온 혼합장치 공급원을 필터에 공급하여 여과수 스트림을 생성시키는, 공급 단계를 더욱 포함하는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열된 공급수의 온도를 상승시켜 고온수 공급을 생성하도록 구성된 물 과열기에 상기 가열된 공급수를 공급하는 단계; 및
    상기 이중-벽 반응기의 쉘-측 체적에 고온수 공급을 공급하는 단계를 더욱 포함하는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기 유출물을 초임계수 반응기로 공급하고, 상기 초임계수 반응기는 상기 반응기 유출물에 존재하는 탄화수소를 업그레이드하도록 구성되며, 여기서 상기 초임계수 반응기의 온도는 물의 임계 온도를 초과하고, 여기서 상기 초임계수 반응기의 압력은 물의 임계 압력을 초과하는, 공급 단계;
    상기 반응기 유출물을 반응시켜 생성물 스트림을 생성시키는, 반응 단계; 및
    상기 생성물 스트림을 반응기 냉각기로 공급하는 단계를 더욱 포함하는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  8. 청구항 1에 있어서,
    액체 수율은 98 부피%를 초과하는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 업그레이드된 탄화수소 스트림은, 감소된 양의 아스팔텐, 황, 및 다른 불순물을 갖는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 이중-벽 반응기에서 반응 흐름 스트림의 체류 시간은 10초를 초과하는, 코크스 형성을 감소시키는 공정.
  11. 감소된 코크스 형성을 갖는 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비로서, 상기 초임계수 설비는:
    탄화수소 공급원료를 물의 임계 압력 이상의 압력으로 가압하여 가압된 탄화수소 공급원료를 생성하도록 구성된 탄화수소 공급원료 펌프;
    상기 탄화수소 공급원료 펌프에 유동적으로 연결되고, 상기 가압된 탄화수소 공급원료를 50℃ 초과의 온도로 가열하여 가열된 탄화수소 공급원료를 생성하도록 구성된, 탄화수소 공급원료 히터;
    공급수를 물의 임계 압력 이상의 압력으로 가압하여 가압된 공급수를 생성하도록 구성된 공급수 펌프;
    상기 공급수 펌프에 유동적으로 연결되며, 상기 가압된 공급수를 물의 임계 온도 이상의 온도로 가열하여 가열된 공급수를 생성하도록 구성된, 공급수 히터;
    상기 탄화수소를 업그레이딩 반응으로 업그레이드되도록 구성되며, 상기 업그레이딩 반응 동안에 코크스 형성을 제한하도록 더욱 구성된 이중-벽 반응기, 상기 이중-벽 반응기는:
    상기 공급수 히터에 유동적으로 연결되고, 쉘-측 체적에 열 전달 스트림을 생성하기 위해 상기 가열된 공급수를 수용하도록 구성된, 쉘-측 주입구;
    외부 벽 및 내부 벽 사이에 배치되고, 열전달 스트림을 수용하도록 구성된 상기 쉘-측 체적을 한정하는 상기 외부 벽 및 내부 벽;
    상기 내부 벽에 의해 제한된 반응 섹션 체적;
    상기 쉘-측 체적에 유동적으로 연결되고, 상기 열 전달 스트림을 방출하여 반환 고온수를 생성하도록 구성된 쉘-측 배출구; 및
    상기 외부 벽에 인접하며, 상기 열 전달 스트림이 물의 임계 온도 이상 이도록 상기 열 전달 스트림을 가열하도록 구성되고, 여기서 열은 상기 열 전달 스트림으로부터 상기 내부 벽을 통하여 상기 반응 섹션 체적으로 전달되는, 가열 소자를 포함하며;
    상기 쉘-측 배출구에 유동적으로 연결되며, 상기 반환 고온수로부터 미립자를 제거하여 여과수 스트림을 형성하도록 구성된 필터;
    상기 필터에 유동적으로 연결되고, 상기 여과수 스트림과 가열된 탄화수소 공급원료를 혼합하여 혼합된 스트림을 생성하도록 구성되며, 여기서 상기 혼합된 스트림은 열 전달 스트림에 역류하는 흐름 구성으로 이중-벽 반응기의 반응 섹션 체적에 공급하여 반응 흐름 스트림을 생성시키며, 여기서 상기 반응 섹션 체적은 상기 반응 흐름 스트림 내에 탄화수소를 업그레이드하여 반응기 유출물을 생성하도록 작동 가능한, 혼합장치;
    상기 이중-벽 반응기에 유동적으로 연결되며, 상기 반응기 유출물을 물의 임계 온도 미만의 온도로 냉각시켜 냉각된 유출물을 생성하도록 구성된 반응기 냉각기;
    상기 반응기 냉각기에 유동적으로 연결되며, 상기 냉각된 유출물의 압력을 물의 임계 압력 이하의 압력으로 감압하여 감압된 유출물을 생성하도록 구성된 감압 장치;
    상기 감압 장치에 유동적으로 연결되며, 상기 감압된 유출물을 기상 생성물 및 액상 생성물로 분리하도록 구성된 상 분리장치; 및
    상기 상 분리장치에 유동적으로 연결되며, 상기 액상 생성물을 업그레이드된 탄화수소 스트림과 분리수 스트림으로 분리하도록 구성된 생성물 분리장치를 포함하는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 분리수 스트림은 공급수 펌프의 공급수 업스트림과 조합되는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 이중-벽 반응기는:
    상기 혼합된 스트림을 수용하도록 구성된, 반응 주입구; 및
    상기 반응 흐름 스트림을 상기 반응기 유출물로서 방출하도록 구성된, 반응 배출구를 더욱 포함하고;
    여기서, 상기 쉘-측 주입구, 상기 쉘-측 배출구, 상기 반응 주입구 및 상기 반응 배출구는 상기 열 전달 스트림과 상기 반응 흐름 스트림 사이에서 흐름 구성 역류를 생성하도록 구성되는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 이중-벽 반응기는:
    상기 외부 벽으로부터 쉘-측 체적으로 연장되는 배플을 더욱 포함하고, 상기 배플은 가열 소자 및 외부 벽으로부터 열 전달 스트림으로 열 전달을 증가시키도록 구성되는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 이중-벽 반응기에 유동적으로 연결되며, 상기 반환 고온수의 온도를 증가시켜 고온 혼합장치 공급원을 생성하도록 구성되고, 여기서 상기 고온 혼합장치 공급원은 필터로 공급되어 여과수 스트림을 생성시키는, 혼합장치 예열기를 더욱 포함하는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 공급수 히터에 유동적으로 연결되며, 상기 가열된 공급수의 온도를 증가시켜 고온수 공급을 생성하도록 구성되고, 여기서 상기 고온수 공급은 이중-벽 반응기의 쉘-측 체적으로 공급되는, 물 과열기를 더욱 포함하는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 이중-벽 반응기에 유동적으로 연결되고, 상기 반응기 유출물에 존재하는 미반응된 탄화수소를 업그레이드시켜 생성물 스트림을 생성하도록 구성된, 초임계수 반응기를 더욱 포함하며, 여기서 상기 초임계수형 반응기의 온도는 물의 임계 온도를 초과하고, 여기서 상기 초임계수 반응기의 압력은 물의 임계 압력을 초과하며,
    여기서, 상기 생성물 스트림은 원자로 냉각기로 공급되는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
  18. 청구항 11에 있어서,
    액체 수율은 98 부피%를 초과하는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 업그레이드된 탄화수소 스트림은 감소된 양의 아스팔텐, 황 및 다른 불순물을 갖는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 이중-벽 반응기에서 반응 흐름 스트림의 체류 시간은 10초를 초과하는, 탄화수소를 업그레이드하기 위한 초임계수 설비.
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