KR102098148B1 - 아스팔텐 저감 방법 - Google Patents

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Abstract

아스팔텐 저감 방법이 제공된다. 상기 아스팔텐 저감 방법은, 아스팔텐 함유 물질, 용매, 및 금속 산화물 전구체를 반응기에 공급하는 단계 및 상기 반응기를 초임계 조건으로 변화시켜 탈아스팔텐 반응을 수행하는 단계를 포함한다.

Description

아스팔텐 저감 방법{REDUCTION METHOD OF ASPHALTENES}
본 발명은 아스팔텐 저감 방법에 관한 것으로, 초임계 유체 및 금속 산화물 전구체를 이용한 아스팔텐 저감 방법에 관한 것이다.
미국 에너지부(United States Department of Energy, DOE)에 따르면 초중질원유는 2020년 이후 전체 원유 소비량 360억 배럴/년 중 24억 배럴/년을 담당할 것으로 전망된다. 그러나 초중질원유는 밀도와 점도가 높으며 황 및 아스팔텐 함량이 높아 기존의 상압증류탑을 통한 원유의 분리공정이 불가능하여 전처리 공정이 필수적이다. 현재 초중질원유의에서 황과 아스팔텐의 함량을 줄이기 위한 전처리 과정은 감압공정, 고온 열분해공정, 접촉유동분해공정 등을 통해 이루어지고 있으나 수소분위기를 형성하기 위해 첨가되는 수소의 비용이 크며, 초중질원유의 황 함량이 높아 사용되는 촉매 및 첨가제가 비활성화 되는 등의 문제가 있으며, 전처리 과정에서 발생하는 코크로 인한 수송 및 분획 과정에서 공정상의 문제를 해결하지 못하고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 아스팔텐 함유 물질에서 아스팔텐을 효과적으로 저감할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 아스팔텐 저감 방법은, 아스팔텐 함유 물질, 용매, 및 금속 산화물 전구체를 반응기에 공급하는 단계 및 상기 반응기를 초임계 조건으로 변화시켜 탈아스팔텐 반응을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 용매는 물 및 알코올 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 용매는 -OH를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체는 금속염 및 금속염 수화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물 전구체는 아연 질산염 및 아연 질산염 수화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 반응기는 연속식 반응기이고, 상기 금속 산화물 전구체는 상기 금속염 수화물을 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체는 금속 수산화물과 산을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물 전구체는 아연 수산화물과 질산을 포함할 수 있다.
상기 아스팔텐 함유 물질과 상기 용매는 1:1 ~ 1:10의 중량비로 공급될 수 있다.
상기 아스팔텐 함유 물질은 원유 또는 탄화수소체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 원유 등의 아스팔텐 함유 물질에서 아스팔텐을 효과적으로 저감할 수 있다. 탈아스팔텐 및 고도화 공정을 단순화하면서 공정 효율을 향상시킬 수 있다. 또, 상기 공정을 연속식 반응기에 적용할 수 있어 아스팔텐 함유 물질의 처리량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원유의 아스팔텐 저감 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 베네수엘라 보스칸지역산 고황-초중질원유의 조성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 금속 산화물 전구체의 수화도와 분자량을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 금속 산화물 전구체의 종류에 따른 말텐, 아스팔텐, 코크, 및 금속 산화물의 질량 및 함량을 나타낸다.
도 5은 물을 초임계 유체로 사용한 경우 금속 산화물 전구체의 종류에 따른 아스팔텐 전환율과 코크 생성율을 나타낸다.
도 6은 메탄올을 초임계 유체로 사용한 경우 금속 산화물 전구체의 종류에 따른 아스팔텐 전환율과 코크 생성율을 나타낸다.
도 7은 물을 초임계 유체로 사용한 경우 금속 산화물 전구체의 종류에 따른 아스팔텐의 코크로의 전환율을 나타낸다.
도 8은 메탄올을 초임계 유체로 사용한 경우 금속 산화물 전구체의 종류에 따른 아스팔텐의 코크로의 전환율을 나타낸다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
본 발명의 실시예들에 따른 아스팔텐 저감 방법은, 아스팔텐 함유 물질, 용매, 및 금속 산화물 전구체를 반응기에 공급하는 단계 및 상기 반응기를 초임계 조건으로 변화시켜 탈아스팔텐 반응을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 용매는 물 및 알코올 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 용매는 -OH를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체는 금속염 및 금속염 수화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 산화물 전구체는 세륨(Ⅲ) 질산염, 아연 질산염, 구리(Ⅱ) 황산염, 알루미늄 질산염, 철(Ⅲ) 질산염, 은 질산염, 코발트(Ⅱ) 염산염, 니켈(Ⅱ) 아세트산염, 및 이들의 수화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 금속 산화물 전구체는 아연 질산염 및 아연 질산염 수화물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 반응은 연속식 반응기에서 수행될 수 있다. 상기 금속 산화물 전구체는 상기 금속염 수화물을 포함할 수 있으며, 상기 금속염 수화물은 액상으로 상기 아스팔텐 함유 물질 및 용매와 함께 상기 반응기에 연속으로 공급되어 처리될 수 있으며, 생성된 금속 산화물은 입자의 크기가 작아 반응 생성물과 함께 배출될 때 압력 강하를 줄일 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체는 금속 수산화물과 산을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물 전구체는 아연 수산화물과 질산을 포함할 수 있다.
상기 아스팔텐 함유 물질은 원유 또는 탄화수소체를 포함할 수 있다.
상기 아스팔텐 함유 물질과 상기 용매는 1:1 ~ 1:10의 중량비로 공급될 수 있다. 상기 용매의 양이 1:1보다 작으면 아스팔텐 저감 반응이 잘 이루어지지 않을 수 있고, 1:10보다 많으면 초임계 유체의 사용양이 증가하여 비경제적일 수 있다.
상기 반응에서 반응 조건은 상기 용매를 초임계 유체로 변화시킬 수 있는 조건으로 설정되어야 한다. 예를 들어, 온도는 400℃ 이상 또는 임계점 이상, 압력은 임계점 이상으로 설정될 수 있다. 반응 시간은 아스팔텐 함유 물질의 양, 아스팔텐 함유 물질과 용매의 혼합 비율, 반응 조건, 반응기 형태, 금속 산화물 전구체의 종류나 사용량 등을 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 반응은 30분 이상, 예를 들어, 0.5 ~ 3시간 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원유의 아스팔텐 저감 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에서 사용하고 있는 용매인 물과 메탄올은 초임계 조건에서 라디칼 반응에 의해 수소를 공여할 수 있는 능력이 있어 전처리 과정에서 발생하는 코크의 생성을 억제할 수 있으며, 유기물에 대한 용해력으로 균일상을 형성하여 우수한 반응 매개체로 작용할 수 있다.
또, 반응에서 촉매로 사용하는 금속 산화물은 탈황을 위한 촉매로 작용하는 물질을 포함하고 있으며, 용매 및 수소공여체로 작용하는 물 또는 메탄올의 산화-환원반응을 촉진시키는 역할을 수행하여 아스팔텐 및 황 성분의 제거율을 높이고 고부가가치 유분의 생성을 향상시킬 수 있다.
촉매는 표면에서 반응이 진행되므로 입자의 크기가 작을수록 표면적이 커져 그 효율이 높아지는데 본 발명의 실시예들에서는 초임계 조건에서 금속 산화물 전구체로부터 매우 작은 입자 크기를 갖는 금속 산화물을 형성하기 때문에 촉매 반응의 효율을 높일 수 있다. 또, 초임계 용매 조건에서 촉매를 형성함과 동시에 이를 이용하여 탈아스팔텐 및 고도화 반응을 진행하기 때문에 초임계 공정을 단순화하면서 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
[실시예]
실시예 1
스테인레스강(SUS316강) 재질의 22mL 회분식 반응기에 베네수엘라 보스칸지역산 고황-초중질원유(도 2 참조), 물, 및 아연 질산염 수화물(200mg)을 넣고 상기 반응기의 온도 및 압력을 400℃ 및 300bar로 조절하였다. 상기 초임계 조건 하에서 상기 아연 질산염 수화물은 아연 산화물과 질산으로 변화되고, 상기 물은 초임계수로 변화되어 고도화 반응이 진행되었다. 상기 초중질원유와 상기 물은 1:4의 중량비로 반응기에 투입되었고, 상기 반응은 1시간 동안 이루어졌다. 상기 반응이 진행되는 동안 일정한 속도의 수평 교반기를 이용하여 교반이 이루어졌다. 상기 반응 시간은 동일 에너지 사용에 대한 결과를 비교하기 위해 1시간으로 설정되었으나 원유의 처리량, 원유와 물의 혼합 비율, 반응 조건, 반응기 형태, 금속 산화물 전구체의 종류나 사용량 등에 따라 다르게 설정될 수 있다. 또, 상기 반응은 회분식 반응기에서 이루어졌으나 연속식 반응기를 통해 이루어질 수 있다.
상기 반응 후 생성물을 다이클로로 메탄을 사용하여 모두 추출한 뒤 물을 가하여 무기물 등을 액액분리를 통해 분리해내고 회전증발기를 이용해 다이클로로 메탄을 증발시켰다. 이 결과물을 속실렛 추출기에서 헵탄으로 용해 및 여과하여 헵탄에 녹는 말텐과 헵탄에 녹지 않는 성분으로 분획하였다. 또, 헵탄에 녹지 않는 성분은 80도의 톨루엔으로 용해 및 여과를 진행하여 톨루엔에 녹는 아스팔텐과 톨루엔에 녹지 않는 고체 성분으로 분획하였다. 800℃의 용광로(furnace)에서 고체 성분을 연소시키고 필터 페이퍼의 무게 변화를 통해 고체 내 코크 성분의 함량과 금속 산화물의 무게를 측정하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 용매를 물에서 메탄올로 변경한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 반응을 수행하고 반응 생성물을 분석하였다.
실시예 3 내지 18
상기 실시에 1 및 2에서 금속 산화물 전구체를 아연 질산염 수화물에서 다른 금속염 또는 금속염 수화물로 변경한 것을 제외하고 상기 실시예 1 및 2와 동일한 방법으로 반응을 수행하고 반응 생성물을 분석하였다. 상기 실시예들에서 사용한 금속 산화물 전구체는 도 3에 표시되어 있고, 반응 생성물에 대한 분석 결과는 도 4에 표시되어 있다. 도 4를 참조하면, 물 또는 메탄올의 초임계 용매 조건에서 금속 산화물 전구체를 사용하는 경우 아스팔텐의 전환율은 높고, 코크의 생성률은 낮은 것으로 나타났다. 따라서, 특정 공정에서 공정 조건이나 원하는 결과에 따라 금속 산화물 전구체를 적절하게 선택하여 사용하거나 둘 이상의 금속 산화물 전구체를 혼합하여 사용할 수 있다.
도 5는 물을 초임계 유체로 사용한 경우 금속 산화물 전구체의 종류에 따른 아스팔텐 전환율과 코크 생성율을 나타내고, 도 6은 메탄올을 초임계 유체로 사용한 경우 금속 산화물 전구체의 종류에 따른 아스팔텐 전환율과 코크 생성율을 나타낸다. 도 7은 물을 초임계 유체로 사용한 경우 금속 산화물 전구체의 종류에 따른 아스팔텐의 코크로의 전환율을 나타내고, 도 8은 메탄올을 초임계 유체로 사용한 경우 금속 산화물 전구체의 종류에 따른 아스팔텐의 코크로의 전환율을 나타낸다. 도 7 및 도 8은 아스팔텐 전환에 따른 코크 생성 정도를 나타내는 것으로 y축의 값이 낮을수록 코크 생성 반응의 선택도가 낮아 탈아스팔텐 반응이 원하는 방향으로 이루어졌음을 의미한다. 도 5 내지 도 8에서 상기 금속 산화물 전구체는 세륨(Ⅲ) 질산염, 아연 질산염, 알루미늄 질산염, 철(Ⅲ) 질산염, 코발트(Ⅱ) 염산염, 니켈(Ⅱ) 아세트산염은 수화물을 나타낸다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 아연 질산염 수화물을 금속 산화물 전구체로 사용한 경우 물과 메탄올 두 용매 하에서 높은 아스팔텐 전환율과 낮은 코크 생성률을 나타냈다. 즉, 같은 온도와 시간에서 아연 질산염 수화물을 금속 산화물 전구체로 사용할 경우 높은 아스팔텐 전환율이 달성될 수 있으며 수송 및 분획과정에서 코크 생성으로 인해 발생하는 공정상의 문제를 줄일 수 있다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 아스팔텐 함유 물질, 용매, 및 금속 산화물 전구체를 반응기에 공급하는 단계; 및
    상기 반응기를 초임계 조건으로 변화시켜 탈아스팔텐 반응을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 금속 산화물 전구체는 금속염 및 금속염 수화물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 아스팔텐 저감 방법.
  2. 아스팔텐 함유 물질, 용매, 및 금속 산화물 전구체를 반응기에 공급하는 단계; 및
    상기 반응기를 초임계 조건으로 변화시켜 탈아스팔텐 반응을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 금속 산화물 전구체는 금속 수산화물과 산을 포함하는 것을 특징으로 하는 아스팔텐 저감 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 용매는 물 및 알코올 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 아스팔텐 저감 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 용매는 -OH를 포함하는 것을 특징으로 하는 아스팔텐 저감 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체는 아연 질산염 및 아연 질산염 수화물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 아스팔텐 저감 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기는 연속식 반응기이고,
    상기 금속 산화물 전구체는 상기 금속염 수화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 아스팔텐 저감 방법.
  7. 삭제
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체는 아연 수산화물과 질산을 포함하는 것을 특징으로 하는 아스팔텐 저감 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 아스팔텐 함유 물질과 상기 용매는 1:1 ~ 1:10의 중량비로 공급되는 것을 특징으로 하는 아스팔텐 저감 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 아스팔텐 함유 물질은 원유 또는 탄화수소체를 포함하는 것을 특징으로 하는 아스팔텐 저감 방법.
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