KR102513464B1 - 원유의 정제에서 발생하는 진공 잔류물을 연속적으로 처리하는 방법 - Google Patents

원유의 정제에서 발생하는 진공 잔류물을 연속적으로 처리하는 방법 Download PDF

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Abstract

원유의 정제에서 발생하는 진공 잔류물을 연속적으로 처리하는 방법에 관한 것으로, 진공 잔류물은 교반조에 연속적으로 공급된다.

Description

원유의 정제에서 발생하는 진공 잔류물을 연속적으로 처리하는 방법
본 발명은 원유의 정제에서 발생하는 진공 잔류물을 연속적으로 처리하는 방법에 관한 것이다.
원유에는 경제적으로 중요한 많은 제품을 포함하여 가치가 큰 물질이 다수 포함되어 있다. 원유는, 예를 들어 연료 가스, 액화 석유 가스 (LPG), 항공 가솔린, 자동차 가솔린, 경질 용매 (light solvents), 제트 연료, 등유, 중질 용매 (heavy solvents), 증류 연료 오일 및 디젤 연료 오일의 원료이다. 상기 언급된 생성물은 정제 공정 동안 다수의 상이한 공정 단계에 의해 수득된다. 정제 공정의 증류 단계에서 가치가 큰 물질이 추출된 후에 남아있는 물질을 통칭하여 잔류물이라고 한다.
최신 기술에 따른 정제 공정에서, 원유는 이후에 사용되는 기계류의 부식을 방지하기 위해 탈염되고, 분별 컬럼이라고도 하는 제 1 증류 컬럼에 도입된다. 이 제 1 증류 단계는 일반적으로 대기압 하에서 최대 50 미터 높이의 컬럼에서 수행된다. 소위 "나프타 (Naphta)", 등유와 같은 가스 등의 가치가 큰 물질이 잔류물로부터 추출되어 분리된다. 제 1 컬럼에는 일반적으로 주입구 포트가 하나 있지만 높이가 다른 여러 배출구 포트가 있다. 컬럼과 함께 온도 프로파일이 확립되며, 바닥은 가장 높은 온도를 가지며 상단은 가장 낮은 온도를 갖는다. 제 1 컬럼 내부의 기상 (gas phase)으로 전환되지 않는 원유 성분은 잔류물을 형성하며, 종종 대기 잔류물이라고 한다.
컬럼의 상단 부근 배출구 포트에서, 분자량이 가장 낮고 점도가 가장 낮은 물질이 수득된다. 컬럼의 배출구 포트가 낮을수록, 수득된 물질의 분자량이 더 높고 점도가 더 높다. 따라서, 얻어진 물질의 분자량 및 점도에 대한 구배가 관찰된다.
또한, 트레이 효율에 대한 구배가 관찰되는데, 이는 컬럼에서의 분리 품질에 상응한다. 배출구 포트가 높을수록 트레이 효율이 높아진다.
이들 대기 잔류물은 대기압 조건하에서 증류에 의해 추출되지 않은 가치가 큰 물질을 추출하고 분리하기 위해 제 1 컬럼과 유사하게 작동하지만 진공하에 수행되는 제 2 컬럼에서 제 2 증류 단계를 거친다. 제 2 컬럼의 압력은 종종 약 20mbar이다. 제 2 증류 단계로부터 수득된 가치가 큰 물질을 경질 진공 증류물 및 중질 증류물이라고 한다. 이 제 2 증류 단계에서 남은 잔류물을 진공 잔류물이라고 한다. 종래 기술에 따르면, 진공 잔류물은 예를 들어 코커 (coker)에 도입되고, 500 ℃의 고온에서 균열, 즉 저 분자량 물질에서 화학적으로 분해된다. 제 1 증류 단계 또는 제 2 증류 단계에 의해 추출되지 않은 가치가 큰 물질은 잔류 분획에 남아 균열이 발생하여 연료 등을 제조하는데 사용될 수 없다.
본 발명의 목적은 원유의 진공 잔류물로부터 잔류 유용 물질을 효율적으로 추출하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 원유의 정제 (refinery)에서 발생하는 진공 잔류물을 연속적으로 처리하는 방법에 관한 것으로, 상기 원유는 제 1 및 제 2 증류 단계가 적용되고, 상기 제 2 증류 단계는 진공 조건하에서 수행되며, 상기 진공 잔류물은 제 2 증류 단계 후에 수득되고, 상기 진공 잔류물은 교반조 (agitated vessel)에 연속적으로 공급되며, 상기 교반조 내에서 진공 잔류물은 증류 단계에 의해 제거될 수 없는 휘발성 물질을 제거하기 위해 10 mbar 이하의 진공 및 적어도 300 ℃의 온도로 처리된다.
교반조는 바람직하게 하우징 (housing) 및 그 위에 이동 요소가 장착된 샤프트 (shaft)를 포함한다.
이 방법은 API 중력이 30 또는 20보다 낮거나 또는 15보다 낮은 사워 (sour) 원유 및 원유에 적합하다.
제 1 증류 단계는 대기압 조건에서 수행될 수 있고 제 2 증류 단계는 진공 조건에서 수행된다.
교반조에서의 처리는 제 3 증류 단계로 간주 될 수 있다.
본 발명에 따르면, "교반조 (agitated vessel)"는 휘발성 물질이 물질로부터 분리되는 동안, 바람직하게는 증발에 의해 요소를 이동시킴으로써 물질이 움직이도록 유지되는 것이 바람직하도록 설계된 용기이다. 용기 내의 가열된 표면 및 / 또는 요소의 교반에 의해 야기된 기계적 에너지의 혼입에 의해 증발이 일어날 수 있다. 이동 요소 (moving elements)는 바람직하게는 표면 형성 및 표면 재생의 방지를 목표로 사용된다.
교반조 내의 진공은 바람직하게는 10 mbar 미만, 더욱 바람직하게는 5 mbar 미만, 더욱 바람직하게는 1 mbar 미만, 더욱 더 바람직하게는 0.5 미만 또는 심지어 0.1 mbar 미만이다.
교반조 내부의 온도는 바람직하게는 300 ℃ 내지 500 ℃이다. 300 ℃ 내지 450 ℃ 또는 300 ℃ 내지 400 ℃ 또는 300 ℃ 내지 350 ℃ 일 수 있다. 상기 범위의 하한은 320 ℃ 또는 340 ℃로 설정될 수 있다. 바람직하게는, 제거될 가치가 큰 물질이 열에 의해 파괴되지 않도록 온도가 선택된다.
가열은 다른 방법으로 제공될 수 있다. 용기의 샤프트, 하우징, 이동 요소, 특히 니딩 요소 (kneading elements), 또는 니딩 역-요소 (kneading counter-elements) 또는 다른 요소와 같은 구성 요소는 중공 (hollow) 방식으로 구성될 수 있고 가열 유체는 내부를 순환할 수 있다. 예를 들어, 가열 오일이 사용될 수 있다. 더 높은 온도에서 안정한 합성 가열 유체가 또한 사용될 수 있다. 또한 증기를 사용할 수 있다. 또한, 용기에는 가열 자켓이 제공될 수 있다. 다른 가능성은 하나 이상의 버너 불꽃을 구성 부품, 특히 용기의 하우징에 직접 적용하는 것이다.
특히, 싱글 또는 트윈 샤프트 믹서 니더가 교반조로서 이용되는 경우, 길이 / 직경 비율은 바람직하게는 2보다 크고, 보다 바람직하게는 2.5보다 크고, 더욱 바람직하게는 3.0보다 크다. 특히, 싱글 또는 트윈 샤프트 믹서 니더가 교반조로 사용되는 경우, 길이는 4 미터 이상, 바람직하게는 5 미터 이상 또는 6 미터 또는 7 미터 이상일 수 있다. 특히, 싱글 또는 트윈 샤프트 믹서 니더가 교반조로서 이용되는 경우, 부피는 3 내지 25 입방 미터, 바람직하게는 3 내지 15 입방 미터, 더욱 바람직하게는 5 내지 12 입방 미터일 수 있다.
진공 잔류물은 깨지거나 폐기되어야 하고 종종 독성이 있기 때문에, 진공 잔류물을 처리하기 위해서는 전술한 내용이 중요하다. 따라서 정제 공정 후 남아 있는 잔류물의 비율을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 이용 가능한 고품질 원유의 공급원이 곧 소진될 것이기 때문에, 주어진 양의 원유의 잔류물 비율은 앞으로 증가할 것이다. 한편으로는 원유를 유용한 물질로 분리하고, 다른 한편으로는 잔류물을 분리하는 것은 결코 완벽하지 않다. 깨지거나 폐기될 잔류물의 비율이 증가할 뿐만 아니라, 활용할 가치가 큰 물질의 비율이 감소하여 주어진 양의 원유로부터 얻는 이익이 제한되기 때문에, 미래에 분리를 개선할 필요가 있다.
과거에는 종종 원유의 97 % 이상이 제품으로 전환될 수 있었으며, 원유의 3 % 미만이 잔류물로 처리되어야 했다. 이 수치는 예를 들어 API 중력이 약 50 인 0.1 % 미만의 황을 함유하는 소위 "스위트 (sweet)" 오일에 적용된다. 그러나 미래에는 최첨단 방법으로 최대 60 %의 제품과 최대 40 %의 잔류물을 생산할 수 있는 원유를 사용해야 한다. 이 수치는 예를 들어 API 중력이 15 미만인 1.8 % 이상의 황을 함유하는 소위 "매우 무겁고 (heavy), 매우 사워 (sour)"한 원유에 적용된다.
미래에는 원유에서 가치가 큰 물질을 거의 완전히 추출하기 위해 더 많은 노력을 기울이는 것이 경제적으로 유리할 것이다.
바람직한 교반조는 믹서 니더라고도 불리는 니더 반응기이다. 이러한 니더 반응기는 예를 들어, 논문 "Methodenentwicklung und-anwendung zur Untersuchung des Misch-und Entgasungsverhaltens in Knetreaktoren", ISBN 978-3-8440-1 021 -3에 공지 및 기술되어 있다. 트위-샤프트 니더는 예를 들어, US 201 4 0 376 327 A 1 및 CA 2 737 497 및 EP 1 436 073 B 1에 기재되어 있다. 싱글-샤프트 믹서 니더는 예를 들어, US 4 889 431 및 CH 674 959 A5에 기재되어 있다.
교반조의 대안적인 예는 교반 컬럼, 예를 들어 와이프 필름 증발기 (wiped film evaporators), 박막 증발기 등과 같은 수직 교반 컬럼이다. 필름트루더 (Filmtruders)는 예를 들어, EP 0 356 4 19 A2 및 DE 28 23 129 C2에 기재되어 있다.
본 발명의 장점은 본 발명에 따른 단계를 수행하는 데 필요한 장비 외에 다른 새로운 장비를 구매할 필요 없이 최첨단 원유 정제 공정에 매끄럽게 들어 맞는다. 본 발명은 주로 제 3의 매우 효과적인 증류 단계를 추가하기 때문에, 지금까지 사용된 장비는 교환되거나 변경될 필요가 없다.
20 mbar 미만의 매우 낮은 압력 및 / 또는 매우 높은 온도에서 증류 컬럼에서 현재 사용되는 증류 단계를 수행할 때, 컬럼 내부의 원유 점도가 상승하여 컬럼을 더 이상 핸들 (handled)할 수 없고 막히는 것으로 밝혀졌다. 이것은 본 발명에 따라 사용되는 교반조에서는 발생하지 않는다.
본 발명의 일 예에 따르면, 교반조는 싱글-샤프트 믹서 니더이고, 진공 잔류물은 싱글-샤프트 믹서 니더의 하나 이상의 공급점을 통해 싱글-샤프트 믹서 니더에 연속적으로 공급되고, 상기 싱글-샤프트 믹서 니더의 샤프트에는 니딩 요소가 장착되고, 상기 싱글-샤프트 믹서 니더는 니딩 역-요소가 장착된 하우징을 포함하고, 상기 니딩 요소 및 니딩 역-요소는 협력 방식으로 배열되어 있고, 상기 하우징은 적어도 하나의 증기 연결부 (vapour connection)를 포함하고, 진공 잔류물은 싱글-샤프트 믹서 니더와 함께 싱글-샤프트 믹서 니더의 방출 장치로 전달되고,
상기 싱글-샤프트 믹서 니더 내에서 진공 잔류물은 10 mbar 이하의 진공 및 300 ℃ 이상의 온도로 처리되어 하나 이상의 증기 연결부를 통해 증류 단계에 의해 제거될 수 없는 휘발성 물질을 제거하고, 상기 남아 있는 비-휘발성 물질은 방출 장치를 통해 방출된다.
샤프트에 장착된 니딩 요소 및 하우징에 장착된 니딩 역-요소의 예는 DE 37 44 269에서 보여주고 있다. 니딩 요소는 디스크 위에 장착된 니딩 막대 (kneading bars)일 수 있다. 니딩 역-요소는 후크 (hooks)로 형성될 수 있다. 전술한 요소는 바람직하게는 예를 들어 결합 방식으로, 협력 또는 상호작용 한다.
싱글-샤프트 믹서 니더의 샤프트에는 하나 이상의 기계 밀봉 (mechanical seal)이 장착될 수 있다. 또한, 니더에 스터핑 (stuffing) 박스를 장착하는 것도 가능하지만, 일반적으로 기계 밀봉이 더 나은 조임을 제공한다. 바람직하게는, 2개 이상의 기계 밀봉이 사용된다.
증기 연결부는 용기 또는 믹서 니더로부터 증기를 제거할 수 있는 구멍과 같이 증기를 제거하기 위해 튜브에 연결될 수 있는 임의의 수단일 수 있다. 바람직하게는 증기 연결부는 큰 단면적을 갖는다.
본 발명에 따른 싱글- 및 트윈-샤프트 믹서 니더는 모두 니더 반응기로 지칭될 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따르면, 교반조는 트윈-샤프트 믹서 니더이고, 진공 잔류물은 트윈-샤프트 믹서 니더의 하나 이상의 공급점을 통해 트윈-샤프트 믹서 니더에 연속적으로 공급되고, 상기 트윈-샤프트 믹서 니더의 샤프트에는 니딩 요소가 장착되고, 상기 양 샤프트의 니딩 요소는 협력 방식으로 배열되고, 상기 하우징은 하나 이상의 증기 연결부를 포함하고, 상기 진공 잔류물은 트윈-샤프트 믹서 니더와 함께 트윈-샤프트 믹서 니더의 방출 장치로 전달되고, 상기 트윈-샤프트 믹서 니더 내에서 진공 잔류물은 10 mbar 이하의 진공 및 300 ℃ 이상의 온도로 처리되어 하나 이상의 증기 연결부를 통해 증류 단계에 의해 제거될 수 없는 휘발성 물질을 제거하고, 상기 남아 있는 비-휘발성 물질은 방출 장치를 통해 방출된다.
트윈-샤프트 믹서 니더의 샤프트에는 싱글-샤프트 믹서 니더에 대해 상기 언급된 바와 같은 하나 이상의 기계 밀봉 또는 하나 이상의 스터핑 박스가 장착된다.
본 발명에 따른 모든 믹서 니더에는 방출 스크류 또는 다른 방출 장치, 바람직하게는 가스가 새지 않는 방출 장치가 장착될 수 있다. 예를 들어, 믹서 니더는 진공을 유지하기 위해 잠금 용기 (vessel) 시스템이 장착될 수 있다.
교반조 내에 존재하는 다른 기체 성분의 분압을 감소시키기 위해 기체 상으로 전이될 수 있는 액상 제제가 교반조에 도입될 수 있다.
본 발명의 추가 세부 사항 및 장점은 이하에 제시된 바람직한 예 및 도면과 관련하여 논의된다.
도 1의 좌측은 최신 기술에 따른 전형적인 정유 공정의 제 1 단계를 보여주는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 진공 잔류물의 처리를 상세하게 보여주는 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글-샤프트 믹서 니더의 작동 메커니즘을 보여주는 것이다.
실시예
도 1은 최신식의 정유 공정의 제 1 단계에서 가치가 큰 물질을 얻는 방법을 보여준다. 도 1의 좌측은 특히 화살표 위의 도 1에 나타낸 바와 같이 증류 컬럼에서 수행된 증류 단계에서 가치가 큰 물질을 생성하는 과정을 개략적으로 보여준다.
도 1의 우측에는, 도 1의 좌측의 증류 단계로부터 수득된 물질에 대한 트레이 효율뿐만 아니라 분자량 (MW) 및 점도의 구배가 설명되어 있다. 도 1의 우측 가장 상단 막대는 대기 증류에서 얻은 가스를 나타내며, 가장 하단의 것은 진공 증류로부터 수득된 진공 잔류물을 나타낸다.
막대는 단지 예시일뿐이다. 그러나, 각 증류 단계마다 별도로 검사할 경우, 좌측에 표시된 물질과 중간 생성물을 비교할 때 관찰되는 기울기를 보여준다.
도 2는 진공 잔류물 (도 1 참조)이 직접 배출되거나 또는 코커에 도입되지 않고, 대신에 추가 증류 단계가 수행되는 싱글-샤프트 믹서 니더 1에서 처리되는 본 발명의 예를 나타낸다.
샤프트 4, 더블-샤프트 방출 스크류 3 및 하우징 5 뿐만 아니라 싱글-샤프트 믹서 니더 1의 엔진 2를 보여준다. 또한, 증기 연결부 8, 공급점 9를 보여준다. 샤프트 4에 장착된 니딩 요소 6 및 하우징 5에 장착된 니딩-역 요소 7이 도시되어 있다.
도 3은 도 2의 싱글-샤프트 믹서 니더 1의 확대도이며, 단순화를 위해 엔진 2는 생략되었다. 또한, 싱글-샤프트 믹서 니더 1의 횡단면을 나타낸다.
도 4는 하우징 5의 내부를 완전히 채우지 않는 진공 잔류물로 채워진 도 2의 싱글-샤프트 니더 1을 보여준다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진공 증류 단계로부터 발생된 진공 잔류물은 공급점 9를 통해 싱글-샤프트 믹서 니더 1으로 도입되고, 니딩 요소 6 및 니딩 역-요소 7의 협력에 의해 혼합되는 동안 싱글-샤프트 믹서 니더 1과 함께 이송되고, 가치가 큰 물질을 포함한 휘발성 화합물은 증기 연결부 8을 통해 제거된다. 그 후, 잔류물은 방출 스크류 3에 의해 방출된다. 이 과정에서 열과 진공이 적용된다.
Figure 112019085844980-pct00001

Claims (8)

  1. 원유의 정제(refinery)에서 발생하는 진공 잔류물을 연속적으로 처리하는 방법으로서, 상기 원유는 제 1 및 제 2 증류 단계가 적용되고, 상기 제 2 증류 단계는 진공 조건하에서 수행되며, 상기 진공 잔류물은 제 2 증류 단계 후에 수득되고,
    상기 진공 잔류물은 교반조에 연속적으로 공급되며,
    상기 교반조는 싱글-샤프트 믹서 니더이고,
    상기 진공 잔류물은 싱글-샤프트 믹서 니더의 하나 이상의 공급점을 통해 싱글-샤프트 믹서 니더로 연속적으로 공급되며,
    상기 싱글-샤프트 믹서 니더의 샤프트에는 니딩 요소(kneading elements) 및 하나 이상의 기계 밀봉(mechanical seal)이 장착되어 있고, 상기 싱글-샤프트 믹서 니더는 니딩 역-요소(kneading counter-elements)가 장착된 하우징을 포함하고, 상기 니딩 요소 및 니딩 역-요소는 협력 방식으로 배열되며, 상기 하우징은 하나 이상의 증기 연결부(vapour connection)를 포함하고,
    상기 진공 잔류물은 싱글-샤프트 믹서 니더와 함께 싱글-샤프트 믹서 니더의 방출 장치로 전달되고,
    상기 싱글-샤프트 믹서 니더 내에서 진공 잔류물은 10 mbar 이하의 진공 및 300 ℃ 이상의 온도로 처리되어 하나 이상의 증기 연결부를 통해 증류 단계에 의해 제거될 수 없는 휘발성 물질을 제거하고, 상기 남아 있는 비-휘발성 물질은 방출 장치를 통해 방출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 믹서 니더는 방출 스크류가 장착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 교반조 내에 존재하는 다른 기체 성분의 분압을 감소시키기 위하여 기체 상으로 전이될 수 있는 액상 제제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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