KR102635041B1 - 나프타 범위의 물질을 개선하기 위한 고형물 분리 장치가 결합된 단계적 유체 촉매 분해 공정 - Google Patents

나프타 범위의 물질을 개선하기 위한 고형물 분리 장치가 결합된 단계적 유체 촉매 분해 공정 Download PDF

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Abstract

본원에는 탄화수소를 전환시키기 위한 공정 및 시스템이 제공되며, 이때 이 공정은 이동층 반응기로부터 유출액을 분리하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 유출액은 반응 생성물, 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함한다. 분리 단계에 의해 반응 생성물 및 제1 미립자 촉매를 포함하는 제1 스트림 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림이 회수될 수 있다. 제2 스트림은 승온에서 제1 및 제2 미립자 촉매 둘 모두를 포함하는 재생된 촉매 스트림과 혼합될 수 있다. 이 혼합에 의해 재생된 촉매 승온보다 낮은 비교적 균일한 온도에서 혼합 촉매가 생성될 수 있으며, 이때 승온은 이동층 반응기 내에서 경질 나프타 및 중질 나프타를 접촉시켜 반응 생성물, 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 유출액을 생성하는데 보다 유리하다.

Description

나프타 범위의 물질을 개선하기 위한 고형물 분리 장치가 결합된 단계적 유체 촉매 분해 공정
본원의 실시형태는 일반적으로 혼합 촉매 시스템을 이용하여 탄화수소를 전환시키기 위한 시스템 및 공정에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본원의 실시형태는 유리한 작동 조건에서 경질 및 중질 나프타를 접촉시키면서 반응기 내에서 나프타 전환 촉매의 농축을 향상시키는 것에 관한 것이다.
최근, 유체 촉매 분해(FCC) 공정을 통한 경질 올레핀의 생산은 가장 매력적인 과제들 중 하나로 간주되어 왔다. 또한, 프로필렌, 에틸렌 및 방향족 화합물(벤젠, 톨루엔, 크실렌 등)과 같은 석유 화학 빌딩 블록에 대한 요구가 증가하고 있다. 게다가, 정유 공장에 석유 화학 복합체를 결합하는 것이 경제적 및 환경적인 이유 둘 모두에 대한 바람직한 선택이 되었다.
또한, 세계적인 경향에 따르면 가솔린 생성물보다 중간 유분(디젤)에 대한 요구가 증가하는 것으로 나타나 있다. FCC 공정으로부터 중간 유분을 최대화하기 위해, 보다 낮은 반응기 온도 및 상이한 촉매 제형에서 FCC를 작동하는 것이 요구된다. 이 같은 변화의 단점은, 훨씬 더 낮은 반응기 온도에서 작동하는 FCC 유닛으로 인해 경질 올레핀의 수율이 감소한다는 것이다. 또한, 이로 인해 알킬화 유닛을 위한 공급원료가 감소될 것이다.
몇몇 유동층 촉매 공정은 변화하는 시장 요구에 적응하면서 지난 20년에 걸쳐 개발되어 왔다. 예를 들어, US7479218에는 경질 올레핀의 생산에 대한 선택성을 개선하기 위해 라이저 반응기(riser reactor)가 상이한 반경을 갖는 2개의 섹션으로 분할되어 있는 유동 촉매 반응기 시스템이 개시되어 있다. 반경이 보다 작은 라이저 반응기의 제1 파트는 중질 공급물 분자를 나프타 범위까지 분해하기 위해 이용된다. 라이저 반응기의 확장된 반경 부분인 제2 파트는 나프타 범위의 생성물을 프로필렌, 에틸렌 등과 같은 경질 올레핀으로 추가로 분해하기 위해 사용된다. 반응기 시스템의 개념이 매우 단순할지라도 경질 올레핀에 대한 선택도는 하기 이유로 인해 제한된다: (1) 나프타 범위의 공급물 스트림은 부분적으로 코킹(coking)되거나 불활성화된 촉매와 접촉하고; (2) 반응 섹션의 제2 파트의 온도는 2개의 섹션 모두에서 반응의 흡열 특성으로 인해 제1 구역보다 훨씬 낮고; (3) 중질 탄화수소와 비교할 때 경질 공급물 분해에 요구되는 높은 활성화 에너지가 부족하다.
그 중에서도, US6106697, US7128827, US7658837, US2007/0205139, WO2010/067379, US6869521, US7611622, US5944982, US20060231461 및 US7323099에 기술되어 있는 바와 같은 시스템을 비롯한, 탄화수소를 분해하기 위한 기타 다양한 시스템이 개발되어 왔다.
US9452404에는 경질 올레핀 또는 중간 유분 및 경질 올레핀을 최대화하기 위한 공정이 개시되어 있다. 여기에 개시된 시스템은 탄화수소를 분해하기 위한 2-반응기 체계(two-reactor scheme)를 포함하며, 이는 혼합 분해 촉매가 분리되어 있는 역류 기포/난류 유동층 반응기와 결합하여 통상적인 라이저 반응기를 포함한다.
하나의 양태에서, 본원에 개시되어 있는 실시형태는 탄화수소를 전환시키기 위한 공정에 관한 것이다. 공정은 이동층 반응기(moving bed reactor)로부터 유출액을 분리하는 단계를 포함할 수 있으며, 이때 유출액은 반응기 유출 온도를 갖고 반응 생성물, 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함한다. 제1 미립자 촉매는 제2 미립자 촉매보다 작은 평균 입자 크기를 가질 수 있고/있거나 밀도가 낮을 수 있다. 반응 생성물 및 제1 미립자 촉매를 포함하는 제1 스트림 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 회수할 수 있다. 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림은 재생된 촉매 스트림과 혼합할 수 있으며, 이때 재생된 촉매 스트림은 승온에서 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매 둘 모두를 포함할 수 있다. 혼합에 의해 승온과 반응기 유출 온도 사이의 중간 온도에서 혼합 촉매가 생성될 수 있다. 이동층 반응기에서, 혼합 촉매는 경질 나프타 공급원료와 접촉하여 그 내부에서 탄화수소를 반응시킬 수 있으며, 이때 흡열성 반응에 의해 혼합 촉매의 온도가 제2 중간 온도까지 감소한다. 이어서, 이동층 반응기에서 제2 중간 온도를 갖는 혼합 촉매는 중질 나프타 공급원료와 접촉하여 그 내부에서 탄화수소를 반응시킬 수 있다. 반응 생성물, 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 유출액은 이동층 반응기로부터 회수될 수 있다.
일부 실시형태에서, 이동층 반응기는 수직 반응기일 수 있고, 경질 나프타 공급원료는 중질 나프타 공급원료보다 낮은 고도에서 반응기로 도입될 수 있다. 재생된 촉매 스트림의 승온은, 예를 들어 약 1,300℉ 내지 약 1,500℉의 범위일 수 있다. 게다가, 일부 실시형태에서 제1 중간 온도는 약 900℉ 내지 약 1,200℉의 범위일 수 있고; 제2 중간 온도는 약 800℉ 내지 약 1,150℉의 범위일 수 있고; 반응기 유출액 온도는 약 700℉ 내지 약 1,150℉의 범위일 수 있다.
일부 실시형태에서는 촉매 스트림의 혼합이 경질 나프타 공급원료가 도입되는 고도보다 낮은 고도에서 이동층 반응기 내에서 수행될 수 있다. 기타 실시형태에서, 혼합은 이동층 반응기의 외부에서 수행될 수 있다.
다른 양태에서, 본원에 개시되어 있는 실시형태는 화학 반응을 수행하기 이한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 반응 생성물, 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 반응기 유출액을 분리하도록 구성된 분리기를 포함할 수 있다. 제1 미립자 촉매는 제2 미립자 촉매보다 작은 평균 입자 크기를 가질 수 있고/있거나 밀도가 낮을 수 있다. 반응 생성물 및 제1 미립자 촉매를 포함하는 제1 스트림 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림이 분리기로부터 회수될 수 있다. 혼합 장치가 제공될 수 있으며, 이 혼합 장치는 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 승온에서 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함할 수 있는 촉매 스트림과 밀접하게 접촉시키도록 구성된다. 밀접한 접촉에 의해 승온과 반응기 유출 온도 사이의 중간 균일한 온도에서 혼합 촉매가 생산될 수 있다. 시스템은 또한 중간 온도에서 혼합 촉매를 제1 반응물과 접촉시켜 혼합 촉매의 온도를 제2 중간 온도까지 감소시키고; 제2 중간 온도를 갖는 혼합 촉매를 제2 반응물과 접촉시키도록 구성된 이동층 반응기를 포함할 수 있다. 이동층 반응기로부터 반응기 유출액을 회수하기 위해 유동 라인(flow line)이 제공될 수 있다.
일부 실시형태에서, 혼합 장치는 스탠드파이프(standpipe)를 포함하며, 이때 이 스탠드파이프는 분리기로부터 제2 스트림을 수용하기 위한 제1 유입구; 촉매 재생기로부터 촉매 스트림을 수용하기 위한 제2 유입구; 및 혼합 촉매를 이동층 반응기에 공급하기 위한 유출구를 포함한다. 기타 실시형태에서, 혼합 장치는 이동층 반응기의 하부 부분에 배치되며, 분리기로부터 제2 스트림을 수용하고 제2 스트림 내에 함유된 제2 촉매를 이동층 반응기 내로 분산시키도록 구성된 제1 촉매 분배기; 및 촉매 재생기로부터 촉매 스트림을 수용하고, 촉매 스트림 내에 함유된 제1 및 제2 촉매를 이동층 반응기 내에 분산시켜 제1 촉매 분배기로부터 제2 촉매와 접촉하도록 구성된 제1 촉매 분배기와 인접하여 배치된 제2 촉매 분배기를 포함할 수 있다.
시스템은 제1 반응물과의 접촉 이전에 균일한 중간 온도를 구현하기 위해 촉매를 유동화 및 밀접하게 혼합하도록 구성된 제1 및 제2 촉매 분배기 하부에 위치한 가스 분배기를 더 포함할 수 있다. 또한, 시스템은 이동층 반응기 내부에 있으며, 제1 반응물과의 접촉 이전에 균일한 중간 온도를 구현하기 위해 촉매의 접촉을 향상시키도록 제1 반응물의 공급물 고도보다 낮게 위치한 구조를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 본원에 개시되어 있는 실시형태는 탄화수소를 전환시키기 위한 공정에 관한 것이다. 공정은 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 스트림을 반응기에 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 미립자 촉매는 제2 미립자 촉매보다 작은 평균 입자 크기를 가질 수 있고/있거나 밀도가 낮을 수 있다. 또한, 공정은 경질 나프타 공급원료 및 중질 나프타 공급원료를 반응기에 공급하는 단계를 포함하며, 이때 경질 나프타 공급원료는 중질 나프타 공급원료보다 낮은 고도에서 반응기로 도입된다. 이어서, 경질 및 중질 나프타 공급원료는 제1 및 제2 미립자 촉매와 접촉하여 그 내부에 함유된 탄화수소를 반응시켜, 반응기로부터 탑정 생성물의 회수를 가능케 할 수 있다. 탑정 생성물은 전환된 탄화수소 유출액, 제2 미립자 촉매 및 제1 미립자 촉매를 포함할 수 있다. 이어서, 제2 미립자 촉매는 탑정 생성물로부터 분리되어 제1 미립자 촉매 및 전환된 탄화수소 유출액을 포함하는 제1 스트림 및 분리된 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 제공할 수 있다. 제2 스트림 내의 분리된 제2 미립자 촉매는 반응기로 반송할 수 있다. 일부 실시형태에서, 하단 생성물은 반응기로부터 회수될 수 있으며, 이때 하단 생성물은 제2 미립자 촉매를 포함한다.
일부 실시형태에서, 공정은 탄화수소 공급원료 및 제1 미립자 촉매와 제2 미립자 촉매의 혼합물을 제2 반응기로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물은 제2 반응기 내에서 탄화수소 공급원료와 접촉하여 탄화수소 공급원료를 분해하고, 보다 경질의 탄화수소 및 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물을 포함하는 제2 반응기 유출액을 형성할 수 있다. 이어서, 제1 스트림 및 제2 반응기 유출액 둘 모두는 분리기에 공급될 수 있으며, 이때 분리기는 보다 경질의 탄화수소 및 전환된 탄화수소 유출액으로부터 제1 및 제2 미립자 촉매를 분리하여 탄화수소 생성물을 회수하고, 혼입된 탄화수소를 포함하는 혼합 촉매를 형성한다. 일부 실시형태에서, 예를 들어 제2 반응기는 라이저 반응기일 수 있다.
혼입된 탄화수소는 혼합 촉매로부터 스트리핑(stripping)될 수 있고, 스트리핑된 미립자 촉매는 촉매 재생기에 공급될 수 있으며, 여기서 이는 제1 및 제2 미립자 촉매를 재생하는데 사용될 수 있다. 반응기에 공급된 촉매 스트림은, 예를 들어 재생기로부터 재생된 제1 및 제2 미립자 촉매를 포함할 수 있다. 공정은 또한 새로운 제2 미립자 촉매를 반응기에 공급하는 단계; 및/또는 새로운 제1 미립자 촉매를 재생기에 공급하는 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
공정은 제2 반응기에 공급된 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물로서 제1 미립자 촉매와 제2 미립자 촉매의 혼합물을 재생기로부터 제2 반응기로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제2 미립자 촉매는 ZSM-5 또는 ZSM-11일 수 있고, 제1 미립자 촉매는 Y-형 분해 촉매 또는 FCC 분해 촉매일 수 있다.
공정은 탄화수소 생성물을 경질 나프타 분획 및 중질 나프타 분획을 포함하는 2개 이상의 탄화수소 분획으로 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 경질 나프타 분획 및 중질 나프타 분획은 반응기에 공급될 수 있다.
다른 양태에서, 본원에 개시되어 있는 실시형태는 탄화수소를 분해하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 제1 승온에서 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 혼합물을 수용하고; 제2의 보다 낮은 온도에서 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 스트림을 수용하고; 촉매 혼합물 및 촉매 스트림 내의 촉매를 혼합하여 균일한 중간 온도를 갖는 혼합 촉매를 제공하도록 구성된 혼합 구역을 포함할 수 있다. 또한, 반응 구역이 제공될 수 있으며, 이때 반응 구역은 균일한 중간 온도를 갖는 촉매 혼합물을 경질 나프타 공급물과 접촉시켜 제2 중간 온도에서 탄화수소-촉매 혼합물을 생산하고; 제2 중간 온도를 갖는 탄화수소-촉매 혼합물을 경질 나프타 공급물과 접촉시켜 제1 미립자 촉매, 제2 미립자 촉매 및 탄화수소를 포함하는 반응기 유출액을 생산하도록 구성된다. 또한, 시스템은 반응기 유출액으로부터 제2 미립자 촉매를 분리하여 탄화수소 및 제1 입자를 포함하는 탄화수소 유출액 스트림 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 스트림을 회수하기 위한 입자 분리기를 포함할 수 있다. 분리된 제2 입자를 입자 분리기로부터 혼합 구역으로 반송하기 위한 공급 라인이 제공될 수 있다.
일부 실시형태에서, 시스템은 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물을 제2 탄화수소 공급원료와 접촉시켜 제2 탄화수소 공급원료의 적어도 일부를 보다 경질의 탄화수소로 전환시키고, 보다 경질의 탄화수소 및 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물을 포함하는 라이저 반응기 유출액을 회수하기 위한 라이저 반응기를 포함할 수 있다. 분리 시스템은 탄화수소 유출액 스트림 및 라이저 반응기 유출액 스트림을 수용할 수 있으며, 이때 분리 시스템은 그 내부에 함유된 탄화수소를 제1 및 제2 미립자 촉매로부터 분리하도록 구성된다. 분리 시스템 내에서 회수된 제1 및 제2 미립자 촉매를 재생하기 위한 재생기가 제공될 수 있다.
또한, 시스템은 분리된 미립자 촉매로부터 추가의 탄화수소를 스트리핑하고 스트리핑된 미립자 촉매를 재생기에 공급하기 위해 분리 시스템과 재생기 사이의 중간에 배치된 스트리퍼(stripper)를 더 포함할 수 있다. 제2 분리기로부터 회수된 탄화수소 생성물 스트림을 경질 나프타 분획 및 중질 나프타 분획을 포함하는 2개 이상의 탄화수소 분획으로 분리하기 위한 제2 분리 시스템이 또한 제공될 수 있다. 새로운 제2 미립자 촉매를 반응기에 공급하기 위한 제1 공급 라인이 제공될 수 있고; 새로운 제1 미립자 촉매를 재생기에 공급하기 위한 제2 공급 라인이 또한 제공될 수 있다.
기타 양태 및 이점은 하기 설명 및 첨부된 청구범위로부터 자명하게 될 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본원의 실시형태에 따른 반응기 시스템에 대한 단순화된 흐름도이다.
도 2 내지 도 5는 본원의 실시형태에 따른 반응기 시스템에 유용한 분리기를 보여준다.
도 6 내지 도 8은 본원의 실시형태에 따른 공정에 대한 단순화된 흐름도이다.
도 9 내지 도 12는 본원의 실시형태에 따른 반응기 시스템에서 구현 가능한 유리한 반응 조건을 예시한 데이터를 보여준다.
도 13은 본원의 실시형태에 따른 반응기 시스템을 통상적인 시스템과 비교한 데이터를 보여준다.
본원에서 사용된 바와 같이, "촉매", "입자", "미립자 촉매"란 용어 등은 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 상기에 요약되고, 하기에 추가로 기술된 바와 같이, 본원의 실시형태는 나프타 전환 시스템에서 유리한 효과를 구현하기 위한 크기 및/또는 밀도에 기초하여 혼합 미립자 촉매 물질을 분리하기 위해 사용될 수 있다. 촉매 반응 또는 열적 반응을 용이하게 하기 위해 사용되는 입자 또는 미립자 물질은, 예를 들어 촉매, 흡수제, 및/또는 촉매 활성이 없는 열전달 물질을 포함할 수 있다.
하나의 양태에서, 본원의 실시형태는 나프타 범위의 탄화수소를 전환시키기 위한 유체 촉매 분해 장치 및 공정에 관한 것이다. 본원의 실시형태는 유리하게는 보다 높고 보다 바람직한 분해 온도에서 보다 경질의 나프타 분획을 전환시킨 후, 보다 낮고 보다 선택적인 온도에서 보다 중질의 나프타 분획을 전환시킬 수 있다. 따라서, 보다 바람직하거나 선택적인 조건에서 개개의 나프타 분획을 접촉 및 전환시키면 수소, 메탄 및 에탄과 같은 경질 탄화수소("가스") 생성물이 보다 선택적으로 분해되고, 적게 생산될 수 있다.
본원의 일부 실시형태에 사용된 바와 같이, 나프타 범위의 물질은 가공 및 사용된 "분기(split)"에 따라 "경질" 및 "중질"로서 지칭될 수 있는 반면, 기타 실시형태에서는 "경질", "중간" 및 "중질"로서 지칭될 수 있다. 이러한 유형의 공급물은, 예를 들어 약 C5 내지 215℃(420℉)의 비등 범위를 갖는 전범위 나프타(full-range naphtha)로부터 유래할 수 있으며, 일부 실시형태에서는 최고 480℉, 최고 500℉ 또는 심지어 최고 520℉에서 비등하는 성분뿐만 아니라, 이러한 범위 내에서 비등하는 탄화수소를 함유하는 기타 탄화수소 혼합물을 포함할 수 있다.
본원의 실시형태에서 사용된 경질 나프타 분획은 일부 실시형태에서 약 C5 또는 C6 내지 165℃(330℉)의 비등 범위; 기타 실시형태에서는 약 C5 또는 C6 내지 약 280℉의 비등 범위; 및 또 다른 기타 실시형태에서는 약 C5 또는 C6 내지 약 250℉의 비등 범위를 가질 수 있다. 기타 실시형태에서, 경질 나프타 분획은 약 49℃(120℉) 내지 약 88℃(190℉) 범위의 비등 범위 종료점을 가질 수 있다.
본원의 실시형태에서 사용된 중질 나프타 분획은 일부 실시형태에서 약 125℃ 내지 210℃(260℉ 내지 412℉)의 비등 범위를 가질 수 있다. 본원의 실시형태에 따른 중질 나프타는 일부 실시형태에서 약 110℃(230℉)보다 높은 온도에서 비등하는 탄화수소, 기타 실시형태에서는 121℃(250℉)보다 높은 온도에서 비등하는 탄화수소, 및 또 다른 기타 실시형태에서는 약 132℃(270℉)보다 높은 온도에서 비등하는 탄화수소를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 중질 나프타 범위 분획은 최고 400℉, 최고 420℉, 최고 480℉, 최고 500℉ 또는 심지어 최고 520℉에서 비등하는 성분을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 중질 나프타 분획은 약 110℃(230℉) 내지 약 132℃(270℉) 범위의 초기 비등점을 가질 수 있다.
사용된 나프타 분획의 초기 비등점 및 최종 비등점은 공급원, 나프타 범위의 물질을 가공하기 위해 사용되는 촉매, 공급 위치 또는 반응기(들)에 제공되는 분배기의 개수뿐만 아니라, 공급 위치 또는 분배기에 근접한 작동 온도에 의존할 수 있다. 3개 이상의 공급 위치 또는 분배기가 제공되는 경우, 나프타 분획은 중간 나프타 분획을 포함한 3개의 분획으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 본원에서 사용된 중간 나프타 분획은 약 60℃(140℉) 내지 약 66℃(150℉)의 시작점(start point) 및 약 110℃(230℉) 내지 약 132℃(270℉) 또는 138℃(280℉) 범위의 종료점을 갖는 비등 범위, 예를 들어 약 83.3℃(150℉) 내지 약 61.1℃(230℉)의 비등 범위를 가질 수 있다. 게다가, 초기 또는 종료점 온도로서 지칭될지라도, 본원의 일부 실시형태에 있어 언급된 목표 표적 "컷(cut)" 온도는 하한치로 5 중량% 또는 15 중량% 비등점 온도일 수 있고/있거나, 상한치로 95 중량% 또는 85 중량% 비등점 온도일 수 있으며, 예를 들어 ASTM D86 또는 ASTM D2887을 이용하여 측정될 수 있다.
본원의 실시형태에 따른 나프타 분획을 가공하기 위해 다양한 유형의 반응기가 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 반응기는 이동층(motive bed)을 포함할 수 있다. 기타 실시형태에서, 반응기는 유동층 영역 및 이동층 영역을 포함할 수 있다.
작동 시, 예를 들어 반응기는 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 입자의 혼합물을 수용할 수 있다. 제1 미립자 촉매는 제2 미립자 촉매보다 작은 평균 입자 크기를 가질 수 있고/있거나 밀도가 낮을 수 있다. 일부 실시형태에서, 예를 들어 제2 미립자 촉매는 ZSM-5 또는 ZSM-11을 포함할 수 있고, 제1 미립자 촉매는 기타 촉매가 추가적 또는 대안적으로 사용될 수 있을지라도 Y-형 분해 촉매 또는 FCC 분해 촉매를 포함한다. 하기에 기술된 실시형태는 특정 촉매 유형에 관하여 기술되어 있을 수 있지만, 이들 기술은 본원의 실시형태를 예시하는 것으로 의도되며, 본 발명을 이들 촉매의 사용에만 제한하기 위한 것은 아니다.
제2 (보다 크고/크거나 더 조밀한) 미립자 촉매가 나프타 범위의 물질을 전환시키는데 보다 선택적일 수 있기 때문에 반응기 내에서 촉매를 농축하는 것이 바람직하다. 따라서, 반응기로부터 적어도 제1 미립자 촉매를 이송하고; 기타 실시형태에서는 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매의 일부를 이송하고; 또 다른 기타 실시형태에서는 반응기로부터 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매 둘 모두를 이송하기 위해 이동층 반응기 내의 조건을 조절할 수 있어서, 일부 실시형태에서는 반응 생성물, 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 함유하는 유출액을 생산할 수 있다. 따라서, 이송층(transport bed) 또는 이동층 반응기에 있어서, 반응기 내에서의 가스 속도는 가장 크고/크거나 가장 조밀한 촉매 입자의 이송 속도보다 높게 제어될 수 있다.
이어서, 이송된 촉매 입자를 포함하는 반응기 유출액은 분리기로 공급될 수 있다. 이어서, 반응기로부터 모은 입자 스트림을 크기 및/또는 밀도에 기초하여 분리할 수 있고/있거나, 보다 크고/크거나 더 조밀한 입자를 연속 반응을 위해 반응기로 반송할 수 있다. 따라서, 보다 경질이고/이거나 덜 조밀한 입자를 제거하면 보다 중질이고/이거나 더 조밀한 입자의 보다 높고 보다 유리한 농축이 반응기 시스템 내에서 구현된다.
복합 유동층/이동층 반응기가 사용되는 경우, 반응기 내에서의 가스 속도는 가장 크고/크거나 가장 조밀한 제2 촉매 입자의 이송 속도보다 낮지만, 보다 작고/작거나 덜 조밀한 제1 촉매 입자의 이송 속도보다 높도록 제어될 수 있다. 다시 말해, 보다 중질의 입자는 반응기의 유동층 영역 내에서 난류층을 형성할 수 있고, 보다 경질이고/이거나 덜 조밀한 입자는 이동층을 형성하여, 반응기로부터 보다 경질이고/이거나 덜 조밀한 입자를 이송할 수 있다. 조건은, 보다 중질이고/이거나 더 조밀한 입자의 일부가 이동층 내에서 혼입되도록 설정될 수 있다. 이어서, 반응기로부터 모은 입자의 스트림은 크기 및/또는 밀도에 기초하여 분리될 수 있고, 보다 크고/크거나 더 조밀한 입자는 연속 반응을 위한 반응기로 반송할 수 있다. 따라서, 반응기 유출액을 이용하여 보다 경질이고/이거나 덜 조밀한 입자를 제거 및 분리하면 보다 중질이고/이거나 더 조밀한 입자의 보다 높고 보다 유리한 농축이 반응기 시스템 내에서 구현된다.
제1 및 제2 촉매 입자는 각각 입자 크기 분포를 갖는 것으로 기술될 수 있으며, 이는 Dx(예를 들어, D10, D25, D50, D75, 및 D90; 여기서 x배 백분율의 입자는 직경(D)보다 작은 직경을 갖고, 평균 입자 크기는 D50로 나타나 있음)로 나열될 수 있으며, 이때 입자 크기 분포는, 예를 들어 스크리닝 또는 광 산란에 의해 측정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 반응기 내에서의 공탑 가스 속도(superficial gas velocity)는 보다 크고/크거나 더 조밀한 입자의 D10, D25, D50, D75 또는 D90보다 작은 크기를 갖는 입자를 이송하도록 선택될 수 있다. 기타 실시형태에서, 반응기 내에서의 공탑 가스 속도는 보다 크고/크거나 더 조밀한 입자의 적어도 D75 또는 D90과 같은 크기를 갖는 입자를 이송하도록 선택될 수 있으며, 따라서 대부분 또는 모든 입자를 반응기로부터 입자 분리기로 이송할 수 있다.
이어서, 이동층 반응기 또는 이동층 반응 구역으로부터의 유출액은 상기에 언급한 바와 같이 입자 분리 장치로 공급될 수 있다. 입자 분리 장치는 크기 및/또는 밀도에 기초하여 촉매 입자를 분리하기 위해 사용될 수 있어, 반응 생성물 및 제1 미립자 촉매를 포함하는 제1 스트림 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 회수하는 것이 가능케 한다.
제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매 둘 모두를 포함하는 혼합 촉매 시스템의 공급물은 전형적으로 촉매 재생기로부터 수용되며, 일반적으로는 바람직한 경질 나프타 전환 조건을 훨씬 초과한 재생 온도를 갖는다. 반응기 시스템 내에서 바람직한 촉매를 농축하는 것 이외에, 본원의 실시형태에서는 또한 유리하게는 탄화수소 공급물에 대한 혼합 촉매의 보다 낮은 초기 접촉 온도를 제공할 수 있다. 보다 낮은 초기 접촉 온도는 승온에서 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 재생된 혼합 촉매 스트림과 밀접하게 접촉 및 혼합함으로써 제공될 수 있다. 입자의 밀접한 혼합 및 접촉에 의해 (i) 재생기로부터의 촉매 공급물보다 높은 농도의 보다 중질이고/이거나 더 조밀한 제2 미립자 촉매를 갖고; (ii) 재생기 승온과 반응기 유출 온도 사이의 중간 온도를 갖는 혼합 촉매가 생산된다. 그 결과, 이동층 반응기 내에서는 혼합 촉매가 경질 나프타 공급원료와 접촉하여 그 내부에 있는 탄화수소를 반응시킬 수 있으며, 이때 흡열성 반응에 의해 이동층 반응기 내에서 제2 중간 온도의 혼합 촉매 및 중질 나프타 공급원료를 접촉시켜 그 내부에서 탄화수소를 반응시키기에 적합한 제2 중간 온도까지 혼합 촉매의 온도가 감소하게 된다. 이어서, 반응 생성물, 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 유출액은 상술한 바와 같이 반응기로부터 회수되고 연속 가공을 위한 입자 분리기로 이송되어, 반응기로의 반송을 위해 보다 크고/크거나 더 조밀한 입자를 분리하고, 반응기 내에서 보다 크고/크거나 더 조밀한 이들 입자의 농축을 구축하고, 재생기로부터 제공되는 촉매의 온도를 제어하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
이동층 반응기 시스템의 일례로서, 이동층 반응기는 수직 반응기일 수 있다. 경질 나프타 공급원료는 중질 나프타 공급원료보다 낮은 고도에서 반응기에 도입될 수 있다. 촉매 재생기로부터 반응기에 공급된 촉매 혼합물은, 예를 들어 약 1,300℉ 내지 약 1,500℉ 범위의 승온을 가질 수 있다. 제1 중간 온도, 즉 보다 크고/크거나 더 조밀한 분리된 입자와의 밀접 접촉 이후의 혼합 촉매의 온도는, 예를 들어 약 900℉ 내지 약 1,200℉의 범위일 수 있다. 경질 나프타는 제1 중간 온도에서 촉매와 접촉하여, 경질 나프타의 일부를 보다 경질의 탄화수소로 전환시키고, 혼합 촉매 입자의 온도를 제2 중간 온도까지 추가로 감소시킬 수 있다. 제2 중간 온도, 즉 경질 나프타의 흡열성 전환 이후의 온도는 약 800℉ 내지 약 1,150℉의 범위일 수 있다. 중질 나프타는 제2 중간 온도에서 촉매와 접촉하여, 중질 나프타의 일부를 보다 경질의 탄화수소로 전환시키고, 혼합 촉매 입자의 온도를 반응기 유출 온도, 예를 들어 약 700℉ 내지 약 1,150℉ 범위의 반응기 유출액 온도까지 감소시킬 수 있다. 2개 초과의 공급 위치 또는 공급물 분배기를 포함하는 반응기에 있어서, 중간 나프타 분획은 경질 및 중질 나프타 공급물 고도의 중간에 도입될 수 있다. 본 발명자들은 본원의 실시형태에 따른 이동층 반응기를 위한 중질 나프타 공급물보다 낮은 경질 나프타 공급물의 공급에 의해 목적하는 경질 및 중질 나프타 분해 반응을 위한 바람직한 동역학이 제공된다는 것을 발견하였다.
상술한 바와 같이, 반응기 유출액으로부터 분리되고 반응기에서 농축된 촉매 입자는 분리된 촉매 입자를 재생된 촉매 입자와 밀접하게 혼합함으로써 탄화수소의 접촉 이전에 재생된 촉매의 온도를 변경하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 혼합은 경질 나프타 공급원료가 도입되는 고도보다 낮은 고도에서 이동층 반응기 내에서 수행될 수 있다. 기타 실시형태에서, 혼합은 이동층 반응기 외부에서 수행될 수 있다.
본원의 실시형태는 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 촉매 스트림과 밀접하게 접촉하도록 구성된 혼합 장치를 포함하며, 이때 촉매 스트림은 승온에서 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하며, 예를 들어 촉매 재생기로부터 수용될 수 있다. 2개의 촉매 스트림의 밀접한 접촉에 의해 승온과 반응기 유출 온도 사이의 균일한 중간 온도에서 혼합 촉매가 생산된다. 본원에서 사용된 바와 같이, "균일한 온도"는 어느 정도의 평균 층 온도(mean bed temperature)(도(°)) 이내의 온도를 갖는 입자를 갖는 촉매 층을 지칭한다. 일부 실시형태에서, 본원에서 균일한 온도는 평균 층 온도의 ± 20℃ 이내의 온도; 기타 실시형태에서는 평균 층 온도의 ± 15℃ 이내의 온도; 기타 실시형태에서는 평균 층 온도의 ± 10℃ 이내의 온도; 기타 실시형태에서는 평균 층 온도의 ± 5℃ 이내의 온도; 및 또 다른 기타 실시형태에서는 평균 층 온도의 ± 2℃ 이내의 온도를 갖는 입자를 포함한다. 촉매 입자가 고형물일지라도, 혼합 장치는 경질 나프타와의 반응을 위한 목적하는 균일한 온도를 구현하기에 충분한 나프타 공급물의 위치까지 이동하는 동안에 접촉 시간 및 충돌(collision)을 제공하도록 구성될 수 있다.
상기에 언급한 바와 같이, 재생기 온도는 1,300℉보다 높을 수 있는 반면, 경질 나프타는 1,250℉ 미만의 온도에서 촉매와 접촉하는 것이 유리하다. 모든 촉매 스트림의 목적하는 균일한 온도를 구현하기 위해, 재생된 촉매(혼합 촉매 스트림)는 일부 실시형태에서 0.2:1 내지 5:1 범위의 공급 비율; 기타 실시형태에서는 0.3:1 내지 3:1 범위의 공급 비율; 및 또 다른 기타 실시형태에서는 0.5:1 내지 1.5:1 범위의 공급 비율로 반송된 촉매(제2 스트림)와 조합될 수 있다. 본원에서 사용된 반송 촉매에 대한 재생된 촉매의 비율은 목적하는 균일한 온도, 촉매 대 오일의 비율 및 기타 반응기 변수에 의존할 수 있다.
일부 실시형태에서, 균일한 온도는 혼합 장치 내에서 구현될 수 있으며, 예를 들어 반응기 시스템의 하부 부분에 위치한 접촉 면적에서 구현될 수 있다. 따라서, 혼합 장치는 이동층 반응기의 하부 부분에 배치된 제1 촉매 분배기 및 제2 촉매 분배기를 포함할 수 있다. 제1 촉매 분배기는 분리기로부터 제2 스트림을 수용하고 제2 스트림 내에 함유된 제2 촉매를 이동층 반응기 내로 분산시키도록 구성될 수 있다. 제2 촉매 분배기는 제1 촉매 분배기에 인접하여 배치되며, 촉매 재생기로부터 혼합 촉매 스트림을 수용하여 촉매 스트림 내에 함유된 제1 및 제2 촉매를 이동층 반응기 내로 분산시켜 제1 촉매 분배기로부터 제2 촉매와 접촉하도록 구성될 수 있다. 반응기의 이러한 하부 부분에서의 이송 속도는 촉매 공급 구역 내에서의 2개의 촉매 스트림의 체류 시간 및 밀접한 접촉 및 혼합을 제공하도록 충분히 낮게 유지되어 있어서, 경질 나프타 공급물과의 접촉 이전에 목적하는 균일한 온도를 구현할 수 있다.
일부 실시형태에서, 가스 분배기는 제1 및 제2 촉매 분배기 하부에 위치할 수 있다. 가스 분배기는 경질 나프타와의 접촉 이전에 균일한 중간 온도를 구현하기 위해 촉매를 유동화 및 밀접하게 혼합하도록 구성될 수 있다. 가스 분배기에 의해 도입된 가스, 예를 들어 기타 이송 매질 중에서 질소 또는 스팀은 불활성일 수 있다.
다양한 실시형태에서, 시스템은 또한 이동층 반응기 내에 있고 경질 나프타와 같은 제1 반응물의 공급물 고도보다 낮게 위치한 내부 구조물을 포함할 수 있다. 구조는 촉매 입자의 이송을 위한 구불구불한 경로(tortuous path)를 제공하여, 나프타와의 접촉 이전에 균일한 중간 온도를 구현하기 위해 촉매의 접촉을 향상시킬 수 있다.
재생된 촉매의 밀접한 접촉 및 이의 온도의 감소 없이, 경질 나프타와의 접촉은 과도한 분해 또는 기타 반응을 초래하여, 예를 들어 수소 및 메탄과 같은 원치 않은 경질 가스를 생산할 수 있다. 게다가, 촉매 온도가 중질 나프타 공급원료와의 접촉을 위해 요구되는 것보다 높게 유지되어 다시 반응기 성능의 감소를 초래할 수 있다는 것이 가능하다. 그러나, 본원의 실시형태를 통해 구현 가능한 균일한 중간 온도에 의해 경질 나프타 및 중질 나프타 둘 모두는 유리한 조건에서 혼합 촉매 시스템과 접촉하여, 반응기 성능을 개선하고 보다 바람직한 생성물 혼합물을 초래할 수 있다.
이제, 도 1a 및 도 1b을 참고하면, 본원의 실시형태에 따른 반응기 시스템이 예시되어 있다. 반응기(32)는, 예를 들어 유동 라인(30)을 통하여 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 입자의 혼합물을 수용할 수 있고, 촉매 분배기를 통하여 반응기(32) 내로 도입될 수 있다. 제1 미립자 촉매는 제2 미립자 촉매보다 작은 평균 입자 크기를 가질 수 있고/있거나 밀도가 낮을 수 있다. 일부 실시형태에서, 예를 들어 제2 미립자 촉매는 기타 촉매가 추가적 또는 대안적으로 사용될 수 있을지라도 ZSM-5 또는 ZSM-11을 포함할 수 있고, 제1 미립자 촉매는 Y-형 분해 촉매 또는 FCC 분해 촉매를 포함한다. 이들 촉매는, 예를 들어 각각 유동 라인(34a 및 34b)을 통하여 반응기(32) 내로 도입된 경질 나프타 공급원료 및 중질 나프타 공급원료를 분해하기 위해 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 반응기(32)는 이송 반응기로서 작동하여, 반응 유출액을 갖는 혼합 촉매 시스템을 반응기(32)로부터 분리기(47)로 이송하기에 충분한 공탑 가스 속도를 유지할 수 있다. 반응기(32)로부터의 유출액은 유동 라인(45)을 통해서 회수될 수 있고, 따라서 분해된 탄화수소 생성물, 미반응 탄화수소 공급원료, 질소 또는 스팀(유동 라인(35)을 통해서 첨가되는 것과 같은 스트리핑 매질(stripping medium) 또는 첨가된 유동화 가스) 및 촉매 혼합물(반응기에 도입된 본질적으로 모든 보다 경질이고/이거나 보다 작은 촉매 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 일부 또는 모두를 포함함)을 포함할 수 있다.
이어서, 유출액은 유동 라인(45)을 통해서 고형물 분리기(47)로 이송할 수 있다. 분리기(47)는 이들의 물리적 특성, 즉 입자 크기 및/또는 밀도에 기초하여 2개 유형의 촉매를 분리하도록 구성된 분리기일 수 있다. 예를 들어, 분리기(47)는 ZSM-5로부터 FCC 촉매를 분리하기 위해 관성력 또는 원심력의 차이를 이용할 수 있다. 고형물 분리 용기(47)는 제2 반응기(32)에 대해 외부에 있는 용기이며, 이들의 물리적 특성에 기초하여 2개 유형의 촉매에 대한 분리를 향상시키는 수력학적 특성으로 작동한다.
분리기(47)에서의 분리 이후, 보다 작고/작거나 보다 경질의 촉매(예를 들어, Y-형 제올라이트 또는 FCC 촉매)는 분리기 유출 라인(36a)을 통해 반응기 유출액 증기와 함께 회수될 수 있다. 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매(예를 들어, ZSM-5 또는 ZSM-11)는 유동 라인(49) 및 관련 촉매 분배기를 통해서 분배기(34a 및 34b)를 통해 도입된 탄화수소 공급물과의 연속 반응을 위한 반응기(32)로 반송될 수 있다.
도 1b는 용기(32) 내의 다중 촉매 분배기의 사용에 대한 대안을 보여준다. 오히려, 스트림(49) 내의 혼합 촉매 공급물(30) 및 촉매는 제2 촉매의 농도가 증가된 혼합물을 용기(32) 내에 도입하기 위해 사용되는 단일 촉매 분배기의 상류에서 혼합될 수 있다.
본질적으로 모든 보다 경질의 보다 작은 촉매 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 일부의 혼입, 후속적인 분리, 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 반응기(32)로의 재활용에 의해 반응기(32) 내에서의 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 유의한 축적이 가능할 수 있다. 이러한 촉매가 C4 및 나프타 범위의 탄화수소의 분해에 대해 선택적이기 때문에 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 축적은 선택성 및 수율 이점을 제공할 수 있다. 게다가, 2가지 유형의 촉매 모두를 혼입하기 위한 유동화 유동 구간(fluidization flow regime) 내에서의 반응기의 작동에 의해 상기에서 논의된 바와 같이 개선된 반응기 작동성 또는 작동 시의 유연성이 제공될 수 있다.
일부 실시형태에서, 보다 크고/크거나 더 조밀한 제2 촉매와 같은 새로운 촉매는 유동 라인(43)을 통해서 반응기 용기(32)에 직접 첨가될 수 있다. 재생된 촉매 혼합물은 승온에서 파이프(30)를 통해 재생기(미도시)로부터 반응기 용기(32)로 전달된다. 촉매 스트림(30 및 49)의 혼합 및 밀접한 접촉에 의해 경질 나프타 공급물(34a)와의 접촉 이전에 상술한 바와 같이 균일한 촉매 온도가 제공될 수 있다. 유동 라인(43)을 통한 새로운 촉매의 첨가율은 낮고, 전체 촉매 온도에 대해 최소한의 영향을 미칠 수 있는 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고, 새로운 촉매(43)의 도입점(introduction point)은 유입구(30 및 49)에 근접하여 이는 목적하는 균일한 온도의 구현에 기여할 수 있거나, 경질 나프타 공급물(34a)과 중질 나프타 공급물(34b) 중간에 존재할 수 있어서, 혼합 촉매의 온도를 중질 나프타 공급물(34b)의 도입점에 근접한 보다 바람직한 중질 나프타 반응 온도까지 추가로 감소시킬 수 있다.
반응기 용기(32) 내의 촉매층은 난류층, 기포층 또는 신속 유동화 구간에서 작동하는 것으로 예상된다. 예시된 바와 같이, 경질 나프타 공급물(34a)은 반응기(32) 내로 공급되어 혼합 촉매의 존재 하에 경질 올레핀으로 전환될 수 있다. 리프팅 가스(lifting gas; 35)는 용기(32) 내의 생성물 가스와 함께 2개의 촉매 모두를 포함한 고형물을 파이프(45)를 통해 고형물 분리 용기(47)까지 리프팅할 것이다. 2개의 촉매 입자의 크기 및/또는 밀도의 차이로 인해, 대부분의 보다 중질의 촉매 입자(예를 들어, ZSM-5 또는 ZSM-11)는 고형물 분리 용기(47) 내의 보다 경질의 촉매 입자(예를 들어, Y-형 또는 FCC 촉매)로부터 분리되고, 반송 라인(49)을 통해서 반응기(32)로 다시 전송될 것이다. 이어서, 보다 경질의 촉매 입자는, 예를 들어 분리기, 스트리퍼 및/또는 재생기 내에서 연속 가공을 위한 유동 라인(36a)을 통해서 반응기 유출액과 함께 하류로 이송될 것이다.
도시되지 되어 있지는 않지만, 용기(32)는 촉매를 용기에 재고를 없애도록 하는 하단 플랜지 또는 유출구를 포함할 수 있다. 이 같은 유출구는 또한 필요한 경우 용기(32) 내에서 축적할 수 있는 보다 크고/크거나 보다 중질의 촉매 입자를 주기적으로 제거하기 위해 사용될 수 있다.
이동층 또는 이송 반응기가 도 1a 및 도 1b에서 단일의 인접한 반응기 용기(32)로 나타나 있을지라도, 본원의 실시형태에서는 도 1c에 나타나 있는 바와 같이 제1 (예를 들어, 경질 나프타) 및 제2 (예를 들어, 중질 나프타) 반응단(reaction stage)을 위한 별도의 용기를 이용하는 것이 또한 고려되며, 여기서 동일한 참고부호는 동일한 부품을 나타낸다. 도 1c에 나타나 있는 바와 같이, 최상위 반응단으로부터 회수한 반응기 유출액(45)은 반응 생성물 및 보다 경질이고/이거나 덜 조밀한 촉매로부터 보다 중질이고/이거나 더 조밀한 촉매를 분리하기 위한 분리기(47)에 공급될 수 있다.
보다 경질이고/이거나 덜 조밀한 촉매 및 반응 생성물은 유동 라인(36a)을 통해서 회수될 수 있다. 선택적으로, 유동 라인(36a) 내의 반응 생성물 및 촉매는 퀀치 스트림(quench stream)을 통해서 퀀칭될 수 있다. 퀀치 스트림은 중질 감압 경유(heavy vacuum gas oil) 또는 중질 잔류물 공급물, 경질 순환 오일(LCO) 또는 증기와 같은 탄화수소 공급물일 수 있으며, 이들은 분배기(36b)를 통해 분리기 유출 라인(36a) 내로 주입될 수 있다. 이어서, (선택적으로 퀀칭된) 반응 유출액은 추가의 가공을 위한 유동 라인(37)을 통해서 하류로 공급될 수 있다.
보다 중질이고/이거나 더 조밀한 촉매 입자는 유동 라인(49)을 통해서 분리기(47)로부터 회수될 수 있다. 유동 라인(49)은 반응단(32A 및 32B) 내에서 보다 중질이고/이거나 더 조밀한 촉매를 농축하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 라인(49) 내에서의 촉매의 유동은 전적으로 최하위 반응단(32A)으로 전해질 수 있다. 선택적으로, 라인(49) 내의 촉매의 일부는 유동 라인(49B)을 통해서 중간 또는 상부 반응단(32B)로 전해질 수 있다. 사용된 촉매 분기에도 불구하고, 충분한 촉매는 경질 나프타 공급물(34a)에 대한 촉매 혼합물의 접촉 이전에 목적하는 균일한 촉매 혼합물 온도를 구현하기 위해 재생된 촉매 스트림(30)과의 접촉 및 혼합을 위한 최하위 반응단(32A)을 향해 전달되어야 한다.
하부 반응단(32A) 내에서의 공탑 가스 속도는 보다 경질이고/이거나 덜 조밀한 촉매 모두를 전달 라인(38)을 통해서 상부 반응단(32B)까지 이송하도록 충분히 높게 유지될 수 있다. 이어서, 중질 나프타 공급물(34b)은 촉매 혼합물과 접촉할 수 있고, 반응단(32B) 내의 조건은 보다 경질이고/이거나 덜 조밀한 촉매 모두를 반응 생성물과 함께 유동 라인(45)을 통해서 분리기(47)로 이송하기에 충분하게 유지될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본원의 실시형태에 따른 시스템은 입자 크기 및/또는 밀도와 같은 이들의 물리적 특성에 기초하여 2개 유형의 촉매를 분리하도록 구성된 분리기(47)를 포함할 수 있다. 분리기(47)는 사이클론 분리기, 스크린 분리기, 기계 체(mechanical sifter), 중력 챔버, 원심 분리기, 배플 챔버(baffle chamber), 정탑 분리기, 인라인 또는 공압 분류기, 또는 크기 및/또는 수력학적 특성에 기초하여 입자를 충분히 분리하는데 유용한 기타 유형의 분리기일 수 있다.
본원의 실시형태에서 유용한 분리기 또는 분류기의 예는 도 2 내지 도 5에 나타나 있다. 일부 실시형태에서, 분리기(47)는 도 2에 나타나 있는 바와 같이 상이한 입자 크기 및/또는 입자 밀도를 갖는 2개의 종류의 고체 입자 또는 촉매를 분리하기 위한 U-형상의 관성 분리기일 수 있다. 분리기는 그 상단에 유입구(70), U의 다른 말단에 가스 유출구(84), 및 U-형상의 분리기의 기저에 주 고체 유출구(80)를 갖는 U 형상의 형태로 구축될 수 있다.
상이한 크기를 갖는 고체 입자 또는 촉매의 혼합물(72)은 유입구(70)를 통해 캐리어 가스 스트림과 함께 도입되며, 상이한 크기의 고체 입자를 분리하기 위해 1회 이상 회전시킴으로써 고형물에 관성 분리력을 인가한다. 보다 크고/크거나 더 조밀한 고체 입자(78)는 우선적으로 섹션(74/76) 내에서 U 형상의 기저에 연결된 스탠드파이프 또는 하강관(dipleg; 80)까지 하강하는 반면, 보다 경질이거나 보다 작은 고체 입자는 우선적으로 가스 스트림과 함께 유출구(82)까지 전달되며, 여기서 작은 입자와 가스의 혼합물(84)이 회수될 수 있다. U-형상의 분리기의 기저에 있는 고체 유출구(80)(보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매 입자를 제2 반응기(32)로 다시 유동시키기 위해 사용되는 스탠드파이프 또는 하강관의 유입구)는 정상적인 고체/촉매 유동을 수용하도록 충분히 커야 한다.
하류 스탠드파이프에 진입하고 주 가스 스트림 유출구에서 빠져나가는 가스의 유량을 제어함으로써 U-형상의 관성 분리기의 전체 분리 효율, 및 보다 작고/작거나 덜 조밀한 입자로부터 보다 크고/크거나 더 조밀한 입자를 분리하기 위한 선택성을 조정할 수 있다. 이는 완전 밀봉된 하강관까지 확장되며, 여기서 빠져나가는 고체/촉매의 유동에 의해 하강관에서 빠져나가는 가스 스트림만이 혼입되는 것이다. U-형상의 관성 분리기가 분리 효율을 조정하는 능력을 제공함에 따라, 상기에 언급한 바와 같이 시스템 내에 축적될 잠재성을 갖는 중간 크기의 입자는 주기적 또는 연속적으로 용기(8)에서의 분리 및 재생기(24)에서의 재생을 위한 분리기(47)로부터 회수된 탄화수소 생성물과 혼입될 수 있다.
일부 실시형태에서, 가스 스파저(gas sparger; 75) 또는 여분의 스팀/불활성 가스는 유출 섹션(80)의 상단에 인접하여, 예를 들어 스탠드파이프 유입구의 상단 주변에 제공될 수 있다. 여분의 가스가 우선적으로 보다 경질의 고체 입자를 가스 유출구(84)까지 리프팅하며, 결과적으로 보다 양호한 고체 분류가 이루어짐에 따라, 분리기 내에 제공되는 추가의 리프팅 가스는 덜 조밀하고/하거나 보다 작은 고체 입자로부터의 보다 크고/크거나 더 조밀한 고체 입자의 분리를 추가로 용이하게 할 수 있다.
유입구(70) 및 유출구(82)에서의 U-형상의 분리기의 단면적 및 U-형상의 분리기(영역(74 및 76)을 포함함) 전체에서의 U-형상의 분리기의 단면적을 조절하여 분리 효율 및 선택성을 제어하기 위해 장치 내에서 공탑 가스 속도를 조정할 수 있다. 일부 실시형태에서, 분리기의 벽들 중 하나 이상의 위치가 조절 가능할 수 있거나, 이동성 배플은 분리기의 하나 이상의 섹션 내에 배치될 수 있으며, 이는 분리 효율 및 선택성을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 시스템은 유출구(82)의 하류에 입자 크기 분석기를 포함하여, 목적하는 분리를 실현하기 위해 U-형상의 분리기를 통한 유동 구성의 실시간 조절을 가능케 할 수 있다.
직렬로 연결된 U-형상의 관성 분리기, 또는 U-형상의 관성 분리기와 사이클론의 조합을 이용하면 보다 작고/작거나 덜 조밀한 입자에 대한 보다 크고/크거나 더 조밀한 입자의 표적 전체 분리 효율 및 표적 선택성 둘 모두를 동시에 구현할 수 있도록 유연성을 제공할 수 있다.
또한, 이차 반응기(32)에는 US 특허 7,179,427에서 기술되어 있는 바와 같이 배플 또는 내부 구조물(예를 들어, 모듈형 그리드)이 구비될 수 있다. 접촉 효율 및 생성물 선택성/수율을 향상시키는 기타 유형의 내부 구조물이 또한 사용될 수 있다. 내부 구조물은 반응기 전반에 걸쳐 촉매 분포를 향상시키고 공급물 증기의 촉매와의 접촉을 개선시켜 평균 반응 속도의 증가를 초래할 수 있으며, 촉매의 전체 활성을 향상시키고, 작동 조건을 최적화하여 경질 올레핀의 생산을 증가시킬 수 있다.
본원에 개시되어 있는 실시형태는 Y-형 제올라이트 또는 통상적인 FCC 촉매를 이용하여 중질 탄화수소 공급물의 전환을 최대화한다. Y-형 제올라이트 또는 FCC 촉매는 이동층 또는 이송 반응기 내의 경질 올레핀의 생산을 향상시키기 위해 사용되는 ZSM-5 또는 유사한 촉매보다 작고/작거나 경질의 입자 크기를 갖는다. ZSM-5 또는 유사한 촉매는 보다 큰 입자 크기를 갖고/갖거나, 이동층 또는 이송 반응기 및 고형물 분리기 각각에서 촉매 유형의 분리를 향상시키기 위해 사용되는 Y-형 제올라이트 또는 FCC 촉매보다 밀도가 높다. 이동층 또는 이송 반응기 내에서의 증기의 공탑 가스 속도는 이동층 또는 이송 반응기 외부의 Y-형 제올라이트 또는 FCC 촉매 및 ZSM-5 또는 ZSM-11 촉매의 일부의 혼입을 허용하도록 유지되며, 고형물 분리기는 단일 입자 종단 속도의 차이 또는 최소 유동화 속도/최소 기포 속도 간 차이를 이용하여 ZSM-5/ZSM-11을 분리하여 이동층 또는 이송 반응기로 반송할 수 있다. 이러한 개념은 2단 FCC 시스템을 제거할 수 있게 하며, 그 결과 단순하고 효율적인 공정을 가능케 한다. 공정에서 이용되는 촉매는 Y-형 제올라이트/FCC 촉매와 ZSM-5의 조합 또는 기타 유사한 촉매, 예를 들어 US5043522 및 US5846402에 언급된 촉매일 수 있다. 이 같은 반응기 시스템에서는 기타 다양한 촉매 혼합물이 또한 사용될 수 있다.
이동층 또는 이송 반응기로부터의 2개의 촉매 모두의 혼입, 후속적인 분리 및 이동층 또는 이송 반응기에서의 ZSM-5/ZSM-11 촉매의 재활용 및 축적에 의해 반응기 내의 공탑 가스 속도에 대한 임의의 잠재적인 제한이 제거된다. 따라서, 고형물 분리 용기를 사용하면 반응기에서 공정 유연성이 제공되어, 단지 기포층 구간에 대한 작동을 제한하는 것이 아니라 이동층 또는 이송 반응기가 기포층, 난류층, 또는 신속 유동화 구간에서 작동할 수 있도록 한다. 고형물 분리 용기는 사이클론이거나, 고형물 및 가스가 일반적인 유입구에서 도입되는 기타 용기일 수 있으며, 탈기(degasing), 관성력 및 원심력을 통해 입자는 크기 및/또는 밀도에 기초하여 분리되며, 이때 대부분의 보다 작은 FCC 유형 입자는 증기 유출구에 의해 혼입되고, 보다 크고/크거나 더 조밀한 ZSM-5 또는 ZSM-11 유형의 입자는 농축상(dense phase) 스탠드파이프 또는 하강관을 통해서 이동층 또는 이송 반응기 용기(32)으로 다시 반송된다.
도 2와 관련하여 기술되어 있는 U-형 입자 분리기 이외에도, 도 3 내지 도 5는 본원의 실시형태에 사용하기 위한 다양한 추가의 입자 분리 장치를 보여준다. 도 3을 참고하면, 크기 및/또는 밀도에 기초하여 촉매 또는 기타 입자를 분리하기 위한 배플 챔버 분리기(900)는 수평 도관과 같은 유입구(910)를 포함할 수 있다. 이어서, 수평 도관 내에 함유된 증기 및 입자는 배플(914)에 의해 굴절되기 전에 챔버(912)에 진입한다. 챔버(912)는 제1 수직 유출구(916) 및 제1 수평 유출구(918)에 연결되어 있다. 배플(914)은 챔버(912)의 중앙에 위치하거나, 챔버의 유입구(910)에 인접하거나 수평 유출구(918)에 인접하여 위치할 수 있다. 배플이 보다 많거나 적은 촉매 입자를 굴절시키는데 사용될 수 있도록 배플은 임의의 각도로 있거나 이동 가능할 수 있으며, 입자의 특정 혼합물용으로 구성될 수 있다.
본원에서의 공정은 배플 챔버 분리기(900)를 이용하여 캐리어 가스에 함유된 보다 작고/작거나 덜 조밀한 입자(예를 들어, 탄화수소 반응 유출액)로부터 보다 크고/크거나 더 조밀한 입자를 분리할 수 있다. 배플 챔버 분리기(900)는 캐리어 가스 및 제1 입자 유형으로부터 제2 입자 유형의 적어도 일부를 분리하고, 제1 수직 유출구(916)를 통해서 제2 입자 유형을 회수하고, 제1 수평 유출구(918)를 통해서 캐리어 가스 및 제1 입자 유형을 포함하는 혼합물을 회수하도록 구성될 수 있다. 또한, 분리기는 유동화 가스를 도입하기 위한 제1 수직 유출구 내부에 배치되거나 이에 인접하여 배치된 분배기(미도시)를 포함하여, 제2 입자 유형으로부터 제1 입자 유형의 추가적인 분리를 용이하게 할 수 있다.
도 4를 참고하면, 본원의 실시형태에 따라 사용하기 위한 정탑 분리기가 나타나 있다. 예시되고 기술되어 있는 기타 분리기와 유사하게, 정탑 분리기(1000)는 크기 및/또는 밀도에 기초하여 촉매 또는 기타 입자를 분리하기 위해 사용될 수 있다. 정탑 분리기(1000)는 챔버(1012)에 연결된 수직 유입구(1010)를 포함할 수 있으며, 여기서 챔버의 하나 이상의 수직 측면(1014)에는 정탑으로서 기술될 수 있는 좁은 슬롯 유출구(1016)가 구비되어 있다. 정탑의 개수는 분리될 목적하는 입자 혼합물과 같은 응용에 따라 달라질 수 있으며, 정탑의 각도는 정탑 유출구를 통과하여 빠져나가는 증기의 양을 제어하기 위해 조절 가능할 수 있다. 또한, 챔버(1012)는 챔버의 하단에 있는 제1 수직 유출구(1014)에 연결되어 있다.
본원에서의 공정은 정탑 분리기(1000)를 이용하여 캐리어 가스 내에 함유된 보다 작고/작거나 덜 조밀한 입자(예를 들어, 탄화수소 반응 유출액)로부터 보다 크고/크거나 더 조밀한 입자를 분리할 수 있다. 정탑 분리기(1000)는 캐리어 가스 및 제1 입자 유형으로부터 제2 입자 유형의 적어도 일부를 분리하고, 제1 수직 유출구(1014)를 통해서 제2 입자 유형을 회수하고, 정탑 유출구(1016)를 통해서 캐리어 가스 및 제1 입자 유형을 회수하도록 구성될 수 있다. 또한, 분리기는 유동화 가스를 도입하기 위한 제1 수직 유출구 내에 배치되거나 이에 인접하여 배치된 분배기(미도시)를 포함하여, 제2 입자 유형으로부터 제1 입자 유형의 추가적인 분리를 용이하게 할 수 있다.
도 5를 참고하면, 본원의 실시형태에 따라 사용하기 위한 관성 분리기(1100)가 나타나 있다. 예시되고 기술되어 있는 기타 분리기와 유사하게, 관성 분리기(1100)는 크기 및/또는 밀도에 기초하여 촉매 또는 기타 입자를 분리하기 위해 사용될 수 있다. 분리기는 챔버(1112)의 상단에서 챔버(1112) 내부로 확장되어 있는 유입구(1110)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 챔버(1112) 내에서의 유입구(1110)의 높이 또는 배열은 조절 가능할 수 있다. 또한, 분리기는 하나 이상의 측면 유출구(1114 및 1116)(예를 들어, 1개 내지 8개의 측면 유출구) 및 수직 유출구(1118)를 포함할 수 있다. 또한, 분리기는 유동화 가스를 도입하기 위한 수직 유출구(1118) 내부에 배치되거나 이에 인접하여 배치된 분배기(미도시)를 포함할 수 있다.
상이한 크기를 갖는 고체 입자 또는 촉매의 혼합물(1172)은 유입구(1110)를 통해서 캐리어 가스 스트림과 함께 도입된다. 혼합물(1172) 내의 가스는 우선적으로 차동 압력(pressure differential)에 기초하여 유출구(1114 및 1116)를 향해 전달되며, 입자 및 캐리어 가스를 챔버(1112) 내의 확장형 유입구(1110)로부터 회전시켜 유출구(1114 및 1116)를 향해 유동시킴으로써 고형물에 관성 분리력을 인가하며, 이때 관성력에 의해 상이한 크기/밀도의 입자가 분리된다. 보다 크고/크거나 보다 중질의 고체 입자(1174)는 우선적으로 섹션(1118) 내에서 분리기의 기저에 연결된 스탠드파이프 또는 하강관(미도시)까지 하강하는 반면, 보다 경질이거나 보다 작은 고체 입자(1176)는 우선적으로 가스 스트림과 함께 유출구(1114 및 1116)까지 이송되며, 여기서 작은 입자와 가스의 혼합물이 회수될 수 있다.
본원에 기술되어 있는 분리기 각각에서, 하류 스탠드파이프/분리 챔버에 진입하고 주 가스 스트림 유출구에서 빠져나가는 가스의 유량을 제어함으로써 분리기의 전체 분리 효율, 및 보다 경질이거나 보다 작은 입자로부터 보다 중질이고/이거나 보다 큰 입자를 분리하기 위한 선택성이 조정될 수 있다. 이는 완전 밀봉된 하강관까지 확장되며, 여기서 빠져나가는 고체/촉매의 유동에 의해 하강관에서 빠져나가는 가스 스트림만이 혼입되는 것이다.
일부 실시형태에서, 가스 스파저 또는 여분의 스팀/불활성 가스는 중질/조밀한 입자 유출 섹션에 인접하여, 예를 들어 스탠드파이프 유입구의 상단 주변에 제공될 수 있다. 여분의 가스가 우선적으로 보다 경질의 고체 입자를 가스 유출구까지 리프팅하며, 결과적으로 보다 양호한 고체 분류가 이루어짐에 따라, 분리기 내에 제공되는 추가의 리프팅 가스는 보다 경질이거나 보다 작은 고체 입자로부터의 보다 중질이고/이거나 보다 큰 고체 입자의 분리를 추가로 용이하게 할 수 있다.
본원에 기술되어 있는 입자 분리기는 용기의 외부 또는 내부에 배치될 수 있다. 게다가, 일부 실시형태에서는 입자 분리기의 크고 조밀한 입자 유출구는 외부 용기에 유동적으로 연결될 수 있어서, 예를 들어 목적하는 촉매 균형을 유지하기 위해 분리된 입자의 선택적 재활용 또는 목적하는 반응기에 대한 분리된 입자의 공급을 제공할 수 있다.
다른 양태에서, 본원의 실시형태는 중질 탄화수소 공급물(예를 들어, 감압 경유 및/또는 중질 오일 잔유물)을 매우 높은 수율의 경질 올레핀(예를 들어, 프로필렌 및 에틸렌, 옥탄가가 높은 방향족 화합물 및 가솔린, 또는 중간 유분)으로 전환하는 것을 최대화하면서, 동시에 보다 중질의 하단 생성물 및 경질 가스(예를 들어, 메탄)의 수율을 최소화하기 위한 유체 촉매 분해 장치 및 공정에 관한 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해, 이동층 또는 이송 반응기(예를 들어, 도 1a 내지 도 1c와 관련하여 상기에 기술되어 있는 촉매 농축용 반응기)일 수 있는 이차 반응기는 라이저 반응기와 같은 통상적인 유체 촉매 분해 반응기와 통합될 수 있다.
중질 탄화수소 공급물은 공압식 병류형 반응기(pneumatic flow co-current type reactor)인 라이저 반응기 내에서 나프타, 중간 유분 및 경질 올레핀으로 촉매적으로 분해될 수 있다. 경질 올레핀(에틸렌 및 프로필렌)에 대한 수율 및 선택성을 향상시키기 위해, 라이저 반응기로부터 분해된 탄화수소 생성물(예를 들어, 나프타 범위의 탄화수소(올레핀 및 파라핀))은 이동층 또는 이송 반응기(촉매-농축반응기)에서 재활용 및 가공될 수 있다. 대안적 또는 추가적으로, 상기 탄화수소 공급원료 중에서, 외부 공급물 스트림(예를 들어, C4, 나프타, 또는 스팀 분해기(steam cracker), 복분해 반응기 또는 지연형 코킹 유닛과 같은 기타 공정으로부터의 기타 탄화수소 분획, 및 나프타 범위의 스트림(예를 들어, 직류 나프타) 또는 지연형 코킹, 비스프레이킹(visbreaking) 또는 천연 가스 응축물로부터의 나프타 범위의 스트림은 이동층 또는 이송 반응기에서 가공되어 에틸렌 및 프로필렌과 같은 경질 올레핀을 생산할 수 있다. 본원에 개시되어 있는 실시형태에 따른 통상적인 FCC 라이저 반응기와 이동층 또는 이송 반응기를 통합하면 이전 공정의 단점을 극복할 수 있고, 전체 전환 및 경질 올레핀 수율을 실질적으로 증가시킬 수 있고, 수소 및 메탄과 같은 경질 가스의 생산을 감소시킬 수 있고/있거나, 보다 중질의 공급원료를 가공하는 능력을 증가시킬 수 있다.
본원에 개시되어 있는 실시형태에 따른 통상적인 FCC 라이저 반응기에 대한 이동층 또는 이송 반응기의 통합은 (a) 일반적인 촉매 재생 용기를 사용하고, (b) 2개 유형의 촉매(하나는 보다 중질의 탄화수소를 분해하는데 선택적이고, 다른 하나는 경질 올레핀을 생산하기 위한 C4 및 나프타 범위의 탄화수소의 분해에 선택적임)를 사용하고, (c) 2개 유형의 촉매를 부분적으로 분리할 유동 구간 내에서 도 1a 내지 도 1c에 대해 기술되어 있는 바와 같은 이동층 또는 이송 반응기 또는 촉매 농축용 반응기를 사용함으로써 조장될 수 있으며, 따라서 C4 또는 나프타 공급물의 분해에 선택적인 촉매와의 C4 또는 나프타 공급물의 접촉을 조장하고 경질 올레핀을 생산할 수 있다.
이차 반응기의 작동 윈도우(operation window)를 향상시키고, 보다 큰 공정 유연성을 제공하기 위해, 이동층 또는 이송 반응기는 유동 구간 내에서 작동하여 보다 중질의 탄화수소의 분해에 선택적인 촉매를 혼입시키고, C4 및 나프타 범위의 탄화수소의 분해에 선택적인 촉매의 일부를 혼입시킬 수 있다. 이어서, 분해된 탄화수소 생성물 및 혼입된 촉매는 분리기에 공급하여 분해된 탄화수소 생성물로부터 C4 및 나프타 범위의 탄화수소의 분해에 선택적인 촉매를 분리하고, 보다 중질의 탄화수소를 분해하는데 선택적인 촉매를 분리할 수 있다. 이러한 고형물 분리 용기는 반응기 외부에 있는 용기이며, 입자 크기 및/또는 밀도와 같은 이들의 물리적 특성에 기초하여 2개 유형의 촉매의 분리를 향상시키는 수력학적 특성으로 작동한다. 이어서, C4 및 나프타 범위의 탄화수소의 분해에 선택적인 분리된 촉매는 연속 반응용 이동층 또는 이송 반응기로 반송되어, 이동층 또는 이송 반응기 내에서 C4 및 나프타 범위의 탄화수소의 분해에 선택적인 촉매를 증가한 농도로 제공하고, 전체 공정의 선택성을 개선하면서, 또한 작동 윈도우의 향상으로 인해 전체 공정 유연성을 개선시킬 수 있다.
상기에 언급한 바와 같이, 분해 시스템은 2개 유형의 촉매를 이용할 수 있으며, 촉매 각각은 상이한 유형의 탄화수소 공급물을 선호한다. 제1 분해 촉매는 Y-형 제올라이트 촉매, FCC 촉매, 또는 보다 중질의 탄화수소 공급원료를 분해하는데 유용한 기타 유사한 촉매일 수 있다. 제2 분해 촉매는 ZSM-5 또는 ZSM-11 유형 촉매, 또는 C4 또는 나프타 범위의 탄화수소를 분해하는데 유용하고 경질 올레핀을 생산하는데 선택적인 유사한 촉매일 수 있다. 본원에 개시되어 있는 2-반응기 체계를 용이하게 하기 위해, 제1 분해 촉매는 제1 평균 입자 크기 및 밀도를 가질 수 있고, 제2 분해 촉매에 대한 것보다 작고/작거나 경질일 수 있어서, 촉매는 밀도 및/또는 크기(예를 들어, 촉매 입자의 종단 속도 또는 기타 특징)에 기초하여 분리될 수 있다.
촉매 재생 용기에서, 라이저 반응기 및 이동층 또는 이송 반응기 둘 모두로부터 회수된 사용한 촉매가 재생된다. 재생 후, 혼합 촉매의 제1 일부는 재생 용기로부터 라이저 반응기(병류형 반응기)로 공급될 수 있다. 혼합 촉매의 제2 일부는 재생 용기로부터 이동층 또는 이송 반응기로 공급될 수 있다.
병류형 (라이저) 반응기에서, 제1 탄화수소 공급물은 재생된 촉매의 제1 일부와 접촉하여 탄화수소의 적어도 일부를 분해하여 보다 경질의 탄화수소를 형성할 수 있다. 이어서, 유출액은 병류형 반응기로부터 회수될 수 있으며, 이때 유출액은 분해된 제1 탄화수소 생성물 및 사용한 혼합 촉매 분획을 포함한다.
도 1a 내지 도 1c에 대해 기술되고 예시된 바와 같은 촉매 농축용 제2 반응기에서, 경질 나프타가 촉매 혼합물과 접촉한 후, 중질 나프타가 촉매 혼합물에 접촉할 수 있다. 경질 나프타 및 중질 나프타 반응 구역은, 예를 들어 약 20 ㎏/㎏ 내지 약 50 ㎏/㎏ 범위의 촉매 대 오일 비율(중량)로 작동할 수 있다.
일부 실시형태에서, 이동층 또는 이송 반응기는 이차 반응기 탑정 유출구로부터 유출액으로서 회수된 탄화수소 생성물과 함께 제1 분해 촉매 및 제2 분해 촉매를 혼입하기에 충분한 유동화 구간 내에서 작동한다. 이어서, 유출액은 분리기에 공급되어 제2 분해 촉매로부터 분해된 탄화수소 생성물 및 제1 분해 촉매를 분리한다.
이어서, 분리기로부터 회수된 증기/제1 분해 촉매 스트림은 분리용으로 전달될 수 있다. 상기에 언급한 바와 같이, 분리기로부터 회수된 제2 분해 촉매는 연속 반응을 위해 이동층 또는 이송 반응기로 다시 재활용될 수 있다.
제1 유출액(라이저 반응기로부터의 분해된 탄화수소 및 사용한 혼합 촉매) 및 제2 유출액(이동층 또는 이송 반응기로부터의 분해된 탄화수소 및 분리된 제1 분해 촉매)은 모두 분리 용기에 공급하여 분해된 제1 및 제2 탄화수소 생성물로부터 사용한 혼합 촉매 분획 및 분리된 제1 분해 촉매를 분리할 수 있다. 이어서, 경질 올레핀, C4 탄화수소, 나프타 범위의 탄화수소 및 보다 중질의 탄화수소를 포함한 분해된 탄화수소 생성물을 분리하여 목적하는 생성물 또는 생성물 분획을 회수할 수 있다.
따라서, 본원에 개시되어 있는 공정에서는 촉매 농축용 반응기, 외부 고형물 분리기 및 라이저 반응기가 일반적인 생성물 분리 및 촉매 재생과 통합되며, 여기서 이동층 또는 이송 반응기(촉매 농축용 반응기)에서 사용된 촉매는 C4 및 나프타 범위의 탄화수소를 분해하여 경질 올레핀을 생산하는데 고도로 선택적이다. 일반적인 촉매 재생은 열 균형을 제공하고, 일반적인 생성물 분리(분리 용기 등)는 기타 이점들 중에서 작동 간결성 및 부품수의 감소를 제공한다.
따라서, 도 1a 내지 도 1c에 나타나 있는 바와 같은 시스템은 도 6에 나타나 있는 바와 같은 라이저 반응기 및 재생기 시스템과 유리하게 결합될 수 있다.
이제, 도 6을 참고하며, 본원에 개시되어 있는 실시형태에 따라 탄화수소를 분해하고 경질 올레핀을 생산하기 위한 시스템의 단순화된 공정 흐름도가 나타나 있다. 시스템은 석유 잔유물 공급원료 또는 기타 탄화수소 스트림으로부터 프로필렌 및 에틸렌의 수율을 최대화하기 위한 2-반응기 구성을 포함한다. 제1 반응기(3)는, 예를 들어 보다 중질의 탄화수소 공급물을 분해하기 위한 라이저 반응기일 수 있다. 제2 반응기(32)는 배플 또는 내부 구조물이 구비될 수 있는 이동층 또는 이송 반응기이다. 제1 반응기(3)로부터의 경질 나프타 및 중질 나프타 생성물 또는 외부 공급원으로부터의 유사한 공급물 스트림은 제2 반응기(32)에서 가공되어 프로필렌 및 에틸렌 및 방향족 화합물/고옥탄 가솔린을 포함한 경질 올레핀의 수율을 향상시킬 수 있다.
중질 석유 잔유물 공급물은 제1 반응기(3)의 하단 주변에 위치한 하나 이상의 공급물 주입기(2)를 통해 주입된다. 중질 석유 공급물은 J 벤드(J-bend; 1)를 통해 도입된 고온의 재생된 촉매와 접촉한다. 제1 반응기(3)에 공급된 촉매는 Y-형 제올라이트계 촉매와 같은 보다 중질의 탄화수소를 분해하는데 선택적인 제1 촉매 및 경질 올레핀을 생산하기 위한 C4 및 나프타 범위의 탄화수소의 분해에 선택적인 제2 촉매(예를 들어, ZSM-5 또는 ZSM-11)를 포함하는 촉매 혼합물이며, 이는 또한 기타 촉매와 결합하여 사용될 수 있다. 제1 및 제2 촉매는 입자 크기 및 밀도 중 하나 또는 둘 모두가 상이할 수 있다. Y-형 제올라이트계 촉매와 같은 제1 촉매는 20 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위의 입자 크기 및 0.60 g/㎖ 내지 1.0 g/㎖ 범위의 겉보기 부피 밀도를 가질 수 있다. ZSM-5 또는 ZSM-11과 같은 제2 촉매는 20 ㎛ 내지 350 ㎛ 범위의 입자 크기 및 0.7 g/㎖ 내지 1.2 g/㎖ 범위의 겉보기 부피 밀도를 가질 수 있다.
공급물의 기화 및/또는 목적하는 반응기 온도(예를 들어, 500℃ 내지 약 700℃의 범위)까지의 공급물 온도의 승온에 필요한 열, 및 흡열(반응열)에 필요한 열은 재생기(17)에서 유래하는 고온의 재생된 촉매에 의해 제공될 수 있다. 제1 반응기(3) 내의 압력은 전형적으로 약 1 barg 내지 약 5 barg의 범위이다.
분해 반응의 주요 부분이 완료된 이후, 생성물, 전환되지 않은 공급물 증기 및 사용한 촉매의 혼합물은 사이클론 격납 용기(8)에 수용된 2-단 사이클론 시스템 내로 유동한다. 2-단 사이클론 시스템은 증기로부터 사용한 촉매를 분리하기 위한 일차 사이클론(4)을 포함할 수 있다. 사용한 촉매는 일차 사이클론 하강관(5)을 통해 스트리퍼(9) 내로 방출된다. 유동 라인(36a) 및 단일단 사이클론(36c)을 통해서 도입되는, 일차 사이클론(4)으로부터 분리된 증기 및 제2 반응기(32)로부터의 생성물 증기와 함께 혼입된 미세한 촉매 입자는 제2 단 사이클론(6) 내에서 분리된다. 수집된 촉매 혼합물은 하강관(7)을 통해서 스트리퍼(9) 내로 방출된다. 제2 단 사이클론(6)으로부터의 증기는 플레넘(plenum; 11)에 연결될 수 있는 이차 사이클론 유출구(12b)를 통해 환풍된 후, 목적하는 올레핀을 포함하는 생성물의 회수를 위한 주 분별기/가스 플랜트(gas plant; 미도시)로 보내진다. 필요한 경우, 생성물 증기는 분배기 라인(12a)을 통해서 퀀칭 매질로서 경질 순환 오일(LCO) 또는 스팀을 도입함으로써 추가로 냉각된다.
하강관(5 및 7)을 통해서 회수된 사용한 촉매는, 스팀 분배기(10)를 통해 스트리퍼(9)의 하단까지 도입된 스팀의 역류 접촉에 의해 개재성 증기(interstitial vapor; 촉매 입자 사이에 갇힌 탄화수소 증기)를 제거하도록 스트리퍼 층(9) 내에서 스트리핑을 겪게 된다. 이어서, 사용한 촉매는 사용한 촉매 스탠드파이프(13a) 및 리프트 라인(lift line; 15)을 통해서 재생기(17)로 전달된다. 사용한 촉매 스탠드파이프(13a) 상에 위치한 사용한 촉매 슬라이드 밸브(l3b)는 스트리퍼(9)로부터 재생기(17)로의 촉매의 유동을 제어하기 위해 사용된다. 연소 공기 또는 질소의 적은 일부는 분배기(14)를 통해 도입되어 사용한 촉매의 원활한 전달에 도움을 줄 수 있다.
코킹되거나 사용한 촉매는 조밀 재생기 층(24)의 중앙에 있는 사용한 촉매 분배기(16)를 통해 방출된다. 연소 공기는 재생기 층(24)의 하단에 위치한 공기 분배기(18)에 의해 도입된다. 이어서, 촉매 상에 증착된 코크스(coke)는 연소 공기와의 반응을 통해 재생기(17) 내에서 연소된다. 재생기(17)는, 예를 들어 약 640℃ 내지 약 750℃ 범위의 온도 및 약 1 barg 내지 약 5 barg 범위의 압력에서 작동할 수 있다. 연도 가스(flue gas)와 함께 혼입된 촉매 분말(catalyst fines)은 제1 단 사이클론(19) 및 제2 단 사이클론(21) 내에서 수집되고, 개개의 하강관(20 및 22)을 통해 재생기 촉매층 내로 방출된다. 제2 단 사이클론(21)의 유출구로부터 회수된 연도 가스는 하류 폐열 회수 및/또는 전력 회수를 위한 재생기 플레넘(23)을 통해서 연도 가스 라인(50)까지 전달된다.
재생된 촉매 혼합물의 제1 부분은 J 벤드(1)와 유통(flow communication)하는 재생된 촉매 스탠드파이프(27)를 통해서 인출된다. 재생기(17)로부터 반응기(3)까지의 촉매의 유동은 재생된 촉매 스탠드파이프(27) 상에 위치한 슬라이드 밸브(28)에 의해 조절될 수 있다. 슬라이드 밸브(28)의 개구는 반응기(3)에서 목적하는 상단 온도를 유지하기 위해 촉매 유동을 제어하도록 조절된다.
리프트 스팀 이외에도, 재생된 촉매의 J 벤드(1)로부터 반응기(3)까지의 원활한 전달을 가능케 하기 위한 Y-섹션에 위치한 가스 분배기(1a)를 통해 C4 올레핀 및 나프타 또는 유사한 외부 스트림과 같은 공급물 스트림을 리프트 매질로서 J 벤드(1)에 주입하는 것이 제공될 수도 있다. 또한, J 벤드(1)는 0.5 h-1 내지 50 h-1의 WHSV, 640℃ 내지 750℃의 온도 및 3 초 내지 10초의 체류 시간과 같이 이 같은 반응에 바람직한 조건 하에 C4 올레핀 및 나프타 스트림을 경질 올레핀으로 분해하기 위한 조밀층 반응기로서 작용할 수 있다.
재생된 촉매 혼합물의 제2 부분은 스탠드파이프(30)를 통해 제2 반응기(32) 내로 인출된다. 슬라이드 밸브(31)는 증기 유출 온도 설정 값에 기초하여 재생기(17)로부터 제2 반응기(32)로의 촉매의 유동을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 경질 및 중질 나프타 스트림은 액체상 또는 증기상으로 하나 이상의 공급물 분배기(34; 34a 및 34b)를 통해 촉매층의 하단 섹션 내로 주입된다. 상술한 바와 같이, 제2 반응기(32)는 이동층 또는 이송층 반응기로서 작용을 하며, 여기서 재생된 촉매 혼합물의 일부 및 공급물 탄화수소 스트림은 상류로(반응기 층의 하단으로부터 상단으로) 유동하며, 유동 라인(45)을 통해서 유출액으로서 회수된다.
제2 반응기(32)에는 촉매 및 공급물 분자의 밀접한 접촉 및 혼합에 도움을 주는 배플 또는 내부 구조물(미도시)이 구비될 수 있다. 이들 내부 구조물은 또한 채널링(channeling), 기포 성장 및/또는 융합을 최소화하는데 도움을 줄 수 있다. 제2 반응기(32)는 또한 섹션 내에서 일정하거나 목적하는 공탑 가스 속도를 유지하기 위해 길이를 따라서 상이한 섹션으로 확대될 수 있다. 탄화수소 공급물/생성물 이외도, 스팀, 질소 또는 기타 가스(예를 들어, 메탄)는 분배기(35)를 통해서 유동화 매질로서 도입될 수 있다.
상기에 언급한 바와 같이, 제2 반응기(32)는 입자 크기 및 밀도 중 하나 또는 둘 모두에서 상이할 수 있는 2개의 상이한 촉매, 예를 들어 보다 경질이고 보다 작은 Y-형 제올라이트 또는 FCC 촉매 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 ZSM-5/ ZSM-11 형상-선택적 펜타실(pentacil) 소공 제올라이트를 이용한다. 제2 반응기(32) 내에서의 공탑 가스 속도는, 본질적으로 대부분 또는 모든 보다 경질이고 보다 작은 촉매(예를 들어, Y-형 제올라이트/FCC 촉매) 및 보다 중질이고 보다 큰 촉매(예를 들어, ZSM-5/ZSM-11)의 일부가 유동 라인(45)을 통해서 회수된 분해된 탄화수소 및 스팀과 함께 반응기 밖으로 이송되도록 유지된다. 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 일부는 반응기(32) 내부에 유지되어, 상기에 언급한 바와 같이 반응기의 하부 부분을 향해 조밀층을 형성할 수 있다.
따라서, 유동 라인(45)을 통해 회수된 반응기(32)로부터의 유출액은 분해된 탄화수소 생성물, 미반응 탄화수소 공급원료, 스팀(스트리핑 매질) 및 촉매 혼합물(반응기로 도입된 본질적으로 모든 보다 경질이고/이거나 보다 작은 촉매 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 일부를 포함함)을 포함할 수 있다. 이어서, 유출액은 유동 라인(45)을 통해서 고형물 분리기(47)로 이송될 수 있다. 분리기(47)는 이들의 물리적 특성, 즉 입자 크기 및/또는 밀도에 기초하여 2개 유형의 촉매를 분리하도록 구성된 분리기일 수 있다. 예를 들어, 분리기(47)는 ZSM-5로부터 FCC 촉매를 분리하기 위해 관성력 또는 원심력의 차이를 이용할 수 있다. 고형물 분리 용기(47)는 제2 반응기(32) 외부에 있는 용기이며, 이들의 물리적 특성에 기초하여 2개 유형의 촉매의 분리를 향상시키는 수력학적 특성으로 작동한다.
이어서, 분리기(47)에서의 분리 이후에 보다 작고/작거나 보다 경질의 촉매(Y-형 제올라이트/FCC 촉매)는 유출 라인(36a)을 통해서 분리기(47)로부터 라이저 반응기 사이클론 및/또는 반응 종료 시스템이 수용된 일반적인 분리장치(disengager) 또는 격납 용기(8)로 이송된다. 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매(ZSM-5/ZSM-11)는 유동 라인(49)을 통해서 분배기(34)를 통해 도입된 탄화수소 공급물과의 연속 반응을 위한 혼합 유동 반응기(32)로 반송될 수 있다.
본질적으로 모든 보다 경질의 보다 작은 촉매 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 일부 또는 모두의 혼입, 후속적인 분리, 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 반응기(32)로의 반송에 의해 반응기(32) 내에서의 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 유의한 축적이 가능할 수 있다. 이러한 촉매는 C4 및 나프타 범위의 탄화수소의 분해에 대해 보다 선택적이므로, 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 축적은 선택성 및 수율 이점을 제공할 수 있다. 게다가, 2개 유형의 촉매 모두를 혼입시키기 위한 이동층 또는 수송층 유동 구간에서의 반응기의 작동에 의해 상기에서 토의된 바와 같이 개선된 반응기 작동성 또는 작동 시의 유연성이 제공될 수 있다.
중질 감압 경유 또는 중질 잔류물 공급물과 같은 탄화수소 공급물, 경질 순환 오일(LCO) 또는 스팀은 분배기(36b)를 통해 유출 라인(36a) 내의 퀀칭 매질로서 주입될 수 있다. 이 같은 퀀칭 매질의 유량은 격납 용기(8)에 진입하는 스트림의 온도를 설정함으로써 제어될 수 있다. 제2 반응기(32)로부터의 모든 증기(분배기(36b)를 통해 공급되고/되거나 분리기(47) 내로 도입된 증기를 포함함)는 단일단 사이클론(36c)을 통해 격납 용기(8)의 희박상(dilute phase) 내로 방출된다. 탄화수소 공급물을 퀀칭 매질로서 사용하는 것이 바람직한데, 이는 제2 반응기(32)로부터의 생성물을 냉각시키는 이중 목적을 제공하며, 중간 유분의 생산을 향상시키기 때문이다.
라이저 반응기와 같은 제1 단 반응기(3)는 상단 섹션 내의 신속 유동화 구간(예를 들어, 하단 섹션에서 약 3 m/초 내지 약 10 m/초 범위의 공탑 가스 속도로) 및 공압 이송층 구간(예를 들어, 약 10 m/초 내지 약 20 m/초 범위의 공탑 가스 속도로)에서 작동할 수 있다.
제2 반응기(32)에서의 WHSV는 전형적으로 약 0.5 h-1 내지 약 50 h-1의 범위이고; 증기 및 촉매 체류 시간은 약 2초에서 약 20초까지 달라질 수 있다. 상이한 공급물이 도입되는 경우, 바람직하게는 C4 공급물이 경질 나프타 공급물의 주입보다 낮은 고도에서 주입되고, 경질 나프타 공급물의 주입은 중질 나프타 공급물의 주입보다 낮은 고도에서 이루어진다. 사용하는 경우, 중간 나프타 공급물의 주입은 경질 나프타 고도와 중질 나프타 고도의 중간 고도에서 이루어질 수 있다.
필요한 경우, 구성성 촉매(make-up catalyst)는 하나 이상의 유동 라인(42 및 43)을 통해서 도입될 수 있다. 예를 들어, 새롭거나 구성성인 FCC 또는 Y-형 제올라이트 촉매 또는 이들 2개의 혼합물은 유동 라인(42)을 통해서 재생기(17)로 도입될 수 있고, 새롭거나 구성성인 ZSM-5/ ZSM-11 촉매는 유동 라인(43)을 통해서 제2 반응기(32)로 도입될 수 있다. 전체 시스템 촉매 목록(system catalyst inventory)은, 예를 들어 재생기(24)로부터 혼합 촉매를 인출함으로써 유지될 수 있다. 반응기(32) 내의 바람직한 촉매의 촉매 목록 및 축적은, 하기에 기술된 바와 같이 반응기 및 분리기(47)의 작동에 대한 제어를 통해 제어될 수 있다.
일부 실시형태에서, 재생된 촉매의 제1 일부는 재생기(17) 및 재생된 촉매 스탠드파이프(27)와 유통하는 인출 라인(25)을 통해서 재생기(17)로부터 재생된 촉매(RCSP) 호퍼(hopper; 26) 내로 인출된다. RCSP 호퍼(26) 내의 촉매층은 재생기(17)의 층 수준으로 부유한다. 이어서, 재생된 촉매는 J 벤드(1)와 유통하는 재생된 촉매 스탠드파이프(27)를 통해서 RCSP 호퍼(26)로부터 반응기(3)로 전달된다. 재생기(17)로부터 반응기(3)로의 촉매의 유동은 재생된 촉매 스탠드파이프(27) 상에 위치한 RCSP 슬라이드 밸브(28)에 의해 조절된다. 압력 평형화 라인(29)이 또한 제공될 수 있다. 촉매를 제2 반응기(32)에 제공하기 위해 유사한 공급물 시스템이 또한 사용될 수 있다.
또한, 분리기 바이패스 라인(separator bypass line; 60)은, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 반응기(32)의 상단으로부터 용기(8)까지의 입자의 전달을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다. 상기 도 1에 대해 기술되어 있는 바와 같이, 제2 반응기(32)는 입자 크기 및 밀도 중 하나 또는 둘 모두가 상이할 수 있는 2개의 상이한 촉매, 예를 들어 보다 경질이고/이거나 보다 작은 Y-형 제올라이트 또는 FCC 촉매 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 ZSM-5/ ZSM-11 형상 선택적 펜타실 소공 제올라이트를 이용한다. 제2 반응기(32) 내에서의 공탑 가스 속도는 본질적으로 모든 경질이고 보다 작은 촉매(예를 들어, Y-형 제올라이트/FCC 촉매) 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매(예를 들어, ZSM-5/ZSM-11)의 일부가 유동 라인(45)을 통해서 회수된 분해된 탄화수소 및 스팀과 함께 반응기 밖으로 전달되도록 유지될 수 있다.
따라서, 유동 라인(45)을 통해 회수된 반응기(32)로부터의 유출액은 분해된 탄화수소 생성물, 미반응 탄화수소 공급원료, 스팀(스트리핑 매질) 및 촉매 혼합물(반응기를 통해 도입된 본질적으로 모든 경질이고 보다 작은 촉매 및 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매의 일부를 포함함)을 포함할 수 있다. 이어서, 유출액은 유동 라인(45)을 통해서 고형물 분리기(47)로 이송될 수 있다. 분리기(47)는 이들의 물리적 특성, 즉 입자 크기 및/또는 밀도에 기초하여 2개 유형의 촉매를 분리하도록 구성된 분리기일 수 있다. 분리기(47)는 이들의 물리적 특성에 기초하여 2개 유형의 촉매의 분리를 향상시키는 수력학적 특성으로 작동한다.
이어서, 분리기(47)에서의 분리 이후, 보다 작고/보다 경질의 촉매(Y-형 제올라이트/FCC 촉매)는 유출 라인(36a)을 통해서 분리기(47)로부터 라이저 반응기 사이클론 및/또는 반응 종료 시스템이 수용된 일반적인 분리장치 또는 격납 용기(8)로 이송된다. 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매(ZSM-5/ZSM-11)는 분배기(34)를 통해 도입된 탄화수소 공급물과의 연속 반응을 위한 혼합 유동 반응기(32)로 반송될 수 있다.
연속적이거나 간헐적으로, 유동 라인(45)을 통해서 이송되고 있는 2개 유형의 촉매 모두를 함유하는 유출액의 일부는 바이패스 분리기(47)로 우회할 수 있다. 우회된 유출액의 일부는 우회장치(diverter) 또는 유동 제어 밸브(62)를 포함할 수 있는 유동 라인(60)을 통해서 분리기(47) 둘레에서 유동할 수 있다. 이어서, 유출액은 유동 라인(64)을 통해서 촉매로부터 탄화수소 생성물을 분리하기 위한 분리장치(8)로 다시 계속 갈 수 있다. 유동 라인(64)은 유동 라인(36a)을 통해서 분리기(47)로부터 회수된 유출액 및 보다 작은 촉매와 조합할 수 있고, 퀀치(36b)의 상류 또는 하류로 도입될 수 있다. 대안적으로, 라인(60)에서 우회된 유출액은 분리장치/격납 용기(8)기로 직접 공급될 수 있다.
우회장치 밸브(62)와 함께 도 6에 나타나 있을지라도, 본원의 실시형태에서는 촉매 입자 유형 둘 모두를 함유하는 유출액의 일부를 분리기(47)로 연속적으로 보내면서 유출액을 분리장치(8)로 연속적으로 보내고, 그 결과 반응기(32) 내에서의 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매 입자의 목적하는 축적을 가능케 하기 위해 y-형상의 유동 도관 또는 유사한 장치를 이용하는 것이 고려된다. 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 제2 반응기로부터의 촉매는 라인(37), 슬라이드 밸브(38) 및 전달 라인(40)을 통해서 재생기(17)로 전달될 수 있다. 송풍기 공기를 캐리어 가스(39)로서 사용하여 촉매를 재생기(17)로 전달한다. 이 같은 촉매 전달 설비는 반응기(32) 내의 촉매층 수준을 제어하는데 도움을 줄 뿐만 아니라, 보다 빈번한 촉매 재생에 도움을 줄 것이다. 상술한 바와 같이, 캐리어 유체의 증가된 유동을 사용하고/하거나 유동 우회장치를 사용하면 제2 반응기(32) 내에서 나프타 범위의 탄화수소를 분해하는데 선택적인 촉매의 축적이 유익하게 제공될 수 있다.
본원에 개시되어 있는 실시형태는 상술한 방법에 의해 이차 반응기(이동층 또는 이송 반응기 용기(32)) 내의 목적하는 촉매의 농도를 유의하게 증가시키며, 결과적으로 경질 올레핀 수율을 증가시킨다. 게다가, 이러한 공정은 또한 FCC 촉매의 인출 및 첨가와 더불어 ZSM-5 및 ZSM5-11의 인출 및 첨가를 분리시키기 위한 방법으로서 작용한다. 요약하면, 본 개시내용에 나타나 있는 FCC 공정은 이차 반응기(32) 내에서 목적하는 ZSM-5 또는 ZSM-11 촉매 첨가제가 풍부한 환경을 만들며, 이는 일차 반응기 또는 라이저에서의 최적의 작동 조건을 적용함으로써 우선적으로 일차 반응기로부터 유래하는 것과 같은 경질 및 중질 나프타 생성물을 전환시켜 경질 올레핀 수율을 개선시키는 동시에 중간 유분 수율을 최대화할 수 있다.
본원에 개시되어 있는 실시형태의 다른 이점은, 통합형 2-반응기 체계가 독립형 C4/나프타 촉매 분해 공정에서의 열 균형 제한을 극복한다는 것이다. 이차 (혼합 유동) 반응기는 촉매 재생기와의 통합으로 인해 방열판으로서 작용하여 잔유물 공급원료를 가공하면서 촉매 냉각기의 요건을 최소화한다.
이차 반응기로부터의 생성물 증기는 제1 단 반응기/분리 용기 또는 반응 종료 장치 내로 이송되며, 이때 이들 증기는 제1 단으로부터의 생성물 및/또는 LCO 또는 스팀과 같은 외부 퀀칭 매질과 혼합되고 퀀칭되어 원치 않은 열분해 반응을 최소화한다. 대안적으로, 이동층 또는 이송 반응기/고형물 분리기의 생성물 유출 라인은 또한 중질 공급물, 또는 제1 단 반응기(라이저 반응기)로부터의 공급물의 새로 설정된 부분(re-route part)을 추가의 양으로 도입하기 위해 사용될 수 있다. 이는 2개의 목적에 부합한다: (1) 고형물 분리기 증기 유출 라인 내의 촉매는 대부분 이들 중질 공급물 분자를 중간 유분으로 분해하는 것이 바람직한 Y-형 제올라이트/통상적인 FCC 촉매이고, (2) 이 같은 분해 반응은 흡열성이어서 흘러나가는 생성물 증기의 온도 및 또한 체류 시간을 감소시키는데 도움이 된다.
도 6에 대해 상기에 기술되어 있는 반응기 시스템은 주로 시스템의 반응성 및 선택성을 향상시키기 위해 혼합 촉매 시스템 내에서의 경질 올레핀의 생산 및 촉매의 유리한 농축과 관련이 있다. 이 같은 반응기 시스템은 또한 기타 혼합 촉매 시스템용으로 사용될 수 있으며, 여기서 촉매들 중 하나의 농축이 유리할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서 반응 시스템은 가솔린의 탈황을 위해 사용될 수 있으며, 이때 촉매 혼합물은 제올라이트 Y와 같은 보다 작고/작거나 덜 조밀한 FCC 촉매 및 가솔린 탈황 첨가제와 같은 보다 크고/크거나 더 조밀한 촉매를 포함할 수 있다.
일반적으로, 도 1 및 도 6에 나타나 있는 공정 흐름도에서는 촉매/입자 분리 기술을 이용하여 이차 용기 내의 추가적이거나 재생된 탄화수소 공급원료를 가공한다. 시스템을 통해 순환하는 촉매 혼합물은 분해, 탈황, 탈금속화(demetalization), 탈질소화(denitrogenation) 등과 같은 특정 반응에 대해 선택적인 촉매를 포함하며, 이때 혼합물의 촉매는 목적하는 촉매가 이차 반응기에서 농축될 수 있도록 상술한 바와 같이 상이한 물리적 특성을 갖도록 선택된다. 재생된 촉매는 (응용에 따라) 신속 유동층, 기포층 또는 난류층 작동으로 작동할 수 있는 이차 이동층 또는 이송 반응기/용기에 공급된다. 이차 반응기/용기의 유출액은 분리기(47)로 보내지고, 여기서 일차 및 이차 촉매는 크기 및/또는 밀도에 기초하여 분리되며, 이차 촉매가 풍부한 분리기 하단은 이차 반응기/용기로 다시 재활용된다. 이차 반응기/용기는 응용에 따라 상이한 탄화수소 공급물뿐만 아니라, 응용에 따라 유리할 수 있는 선택적인 촉매 인출물을 갖는다. 이차 촉매의 농축에 의해 전체 반응 시스템의 작동성, 유연성 및 선택성이 향상될 수 있다.
분리 용기(8)/스트리퍼(9)로부터 회수된 탄화수소 생성물은 상술한 바와 같이 하나 이상의 탄화수소 분획의 분리 및 회수를 위해 분별기/가스 플랜트로 보내질 수 있다. 본원의 실시형태에서 분별기/가스 플랜트로부터 회수된 탄화수소 분획들 중 하나 이상은 도 7 및 도 8에 나타나 있는 바와 같은 추가의 가공을 위한 라이저 반응기(3) 또는 이차 이동층 또는 이송 반응기(32)로 재순환될 수 있다.
본원에 개시되어 있는 실시형태에 따라 탄화수소를 가공하기 위한 시스템에 대한 단순화된 공정 흐름도가 나타나 있으며, 여기서 동일한 참고부호는 동일한 부품을 나타낸다. 분해 반응의 주요 부분이 완료된 후, 생성물, 전환되지 않은 공급물 증기 및 사용한 촉매의 혼합물은 사이클론 격납 용기(8)에 수용된 2-단 사이클론 시스템 내로 유동한다. 수집된 촉매 혼합물은 스트리퍼(9) 내로 방출된다. 분리기(8)로부터의 증기는 이차 사이클론 유출구(12b)를 통해 환풍된 후, 목적하는 올레핀을 포함한 생성물의 회수를 위한 분별기/가스 플랜트(110)로 보내진다.
분별기(110)는, 예를 들어 FCC 플랜트의 주 분별기일 수 있으며, 기타 다양한 탄화수소 컷들 중에서 경질 올레핀-함유 분획(112), 경질 나프타 분획(114), 중질 나프타 분획(116) 및 중질물 분획(118)을 포함하는 다양한 탄화수소 분획을 생산할 수 있다. 분별기/가스 플랜트(110)로 보내진 생성물은 탈황 동안에 생산될 수 있는 스팀 및 황화수소와 같은 기타 경질 가스를 포함할 수 있고; 분리기, 흡수기 또는 기타 유닛 작동이 포함될 수 있으며, 여기서 기타 불순물이 주 분별기/가스 플랜트의 상류 또는 하류에서 분리될 필요가 있다.
도 7에 나타나 있는 바와 같이, 경질 나프타 분획(114)은 촉매 농축용 반응기(32)의 제1 단 또는 최하위 반응단(32A)으로 보내질 수 있다. 중질 나프타 분획은 촉매 농축용 반응기(32)의 제2 단 또는 최상위 반응단(32B)으로 보내질 수 있다. 필요한 경우, 추가의 공급원으로부터의 추가의 경질 나프타(34a) 및 중질 나프타 (34b)는 또한 적절한 반응단으로 공급될 수 있다. 대안적으로, 분획(114 및 116)은 각각 공급물(34a 및 34b)로서 사용될 수 있다.
도 8에 나타나 있는 바와 같이, 분별기(110)는 다양한 탄화수소 컷들 중에서 경질 올레핀-함유 분획(112), 나프타 분획(115) 및 중질물 분획(118)을 포함하는 다양한 탄화수소 분획을 생산할 수 있다. 이어서, 나프타 분획(115)은 분별기(120) 내에서 경질 나프타 분획(34a) 및 중질 나프타 분획(34b)으로 추가로 분리될 수 있으며, 이들은 상술한 바와 같이 촉매 농축용 반응기(32)에서 추가로 가공될 수 있다.
본원의 실시형태에서는 목적하는 반응을 수행하기 위해 다양한 유형의 촉매 또는 입자가 이용될 수 있으며, 이때 일반적인 재생기는 촉매의 혼합물을 재생하기 위해 사용될 수 있고, 분리기는 유리하게는 하나 이상의 반응기에 촉매의 혼합물에 함유된 특정 촉매가 풍부하도록 위치한다. 본원의 실시형태는 유닛 작동을 개선하고, 경질 올레핀의 생산, 가솔린 탈황 및 중질 오일 가공을 포함한 응용에 대해서와 같이 반응 시스템의 선택성 및 유연성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
경질 올레핀의 생산은 상기에 기술된 바와 같이 라이저에 대한 다양한 경질, 중간 및 중질 탄화수소의 공급물을 포함할 수 있다. 제2 반응기(32)에 대한 공급물은 기타 공급물 중에서 직류 나프타 또는 재생 촉매 나프타와 같은 나프타를 포함할 수 있고, 나프타는 유리하게는 올레핀의 생산을 향상시키고 경질 가스의 생산을 감소시키는데 유리한 반응 조건에서 경질 나프타 및 중질 나프타의 접촉을 제공하기 위해 분기될 수 있다. 경질 올레핀 생산용 촉매 혼합물은 기타 조합들 중에서 FCC 촉매(예를 들어, 제올라이트 Y)와 같은 보다 작고/작거나 덜 조밀한 촉매 및 ZSM-5 또는 ZSM-11과 같은 보다 중질의 더 조밀한 촉매를 포함할 수 있다. 또한, 기타 분해 촉매가 사용될 수 있다. 그 중에서도, 탄화수소를 분해하기 위한 다양한 촉매가 U.S. 특허 번호 제7,375,257호, 제7,314,963호, 제7,268,265호, 제7,087,155호, 제6,358,486호, 제6,930,219호, 제6,809,055호, 제5,972,205호, 제5,702,589호, 제5,637,207호, 제5,534,135호 및 제5,314,610호에 개시되어 있다.
본원의 실시형태에는 분리기에 의해 분리되는 촉매 혼합물, 반응기에서의 혼합물 내의 선호되는 촉매의 효과적인 농축뿐만 아니라, 재생된 촉매의 반응물과의 초기 접촉을 위한 온도의 제어가 기술되어 있다. 본원의 실시형태는 반응물의 접촉 상류에서의 균일한 촉매 온도를 추가로 구현하는 촉매 농축 개념을 이용한 나프타 범위의 물질을 개선시키기 위한 신규한 유체 촉매 분해 공정을 제공한다. 상술한 바와 같이, 일반적인 재생기에 의해 공유되는 상이한 기능을 위한 상이한 입자 크기 및/또는 밀도를 갖는 2개의 상이한 촉매 및/또는 첨가제가 존재한다. FCC 촉매 시스템이 2개 이상의 유형의 촉매/첨가제를 이용할 가능성이 가장 높은 것이지만; 효과적인 촉매/첨가제가 앞서 기술한 바와 같은 물리적 특성을 가질 것으로 이해된다. 더욱이, 상술한 바와 같은 고형물 분리 용기는 이의 크기 및/또는 밀도에 기초하여 FCC 촉매 및/또는 첨가제의 일부를 선택적으로 반송하여 이차 반응 용기 내에서 비교적 높은 농도의 목적하는 촉매 및/또는 첨가제를 생성하고, 이러한 특정 촉매 또는 첨가제에 대한 바람직한 반응을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
특정 나프타 범위의 물질이 이차 반응기를 따라 있는 상이한 지점에서 도입되는 경우, 최적화된 선택성 및 생산성을 위한 고유 열 및 물질 균형뿐만 아니라 촉매 농축 효과로부터 이익을 얻는다. FCC 시스템 내의 반응기를 따라 공급물을 이관(staging)하는 단계를 수반하는 기타 공정(예를 들어, US5154818, US7029571)이 존재하지만; 이들 공정은 나프타를 별도의 스트림으로 구체적으로 하위 분열시키지 않고, 2원 촉매 시스템에 의존하지도 않는다. 2-촉매 시스템에 따라서 나프타 공급물을 이 같이 분열시키면 시스템의 열 및 물질 균형에 기초하여 생성물의 선택성이 최적화된다.
본 개시내용의 이점은 하기에 의해 예시될 수 있다. 본원에 나타나 있는 제1 사례 연구에서는 2개의 상이한 나프타 물질의 블렌드가 포함되어 있는데, 제1 물질은 경질 직류(LSR) 유형 물질 또는 나프타 범위의 물질이며, 제2 물질은 촉매 분해-유래 나프타이다. 북미에서 정유 공장에서의 타이트 오일(tight oil)의 가공이 증가함에 따라 옥탄가가 낮은 과잉의 직류 유형 나프타가 존재한다. 프로필렌, 에틸렌 및 부틸렌을 포함하는 경질 올레핀으로의 촉매 분해를 통해 이러한 직류 나프타를 개선하는 것이 바람직하지만; 직류 나프타의 가공은 유체 촉매 분해 유닛에서 가공되는 통상적인 공급원료보다 높은 반응 온도 및 긴 촉매 접촉 시간이 요구된다. 직류 나프타의 동시 가공 및 온도 및 촉매 접촉 시간의 통상적인 윈도우에서의 작동에 의해 일반적으로는 통상적인 FCCU에서 가공된 직류 나프타의 수율이 한계치(marginal value)로 제한된다. 보다 높은 엄격성 및 접촉 시간으로 직류 나프타를 동시 가공하면 일반적으로 건성 가스 및 코크스와 같은 다량의 원치 않은 생성물이 얻어지며, 이로 인해 전체 FCC 공정이 수익성이 떨어지게 되며, 또한 보다 높은 엄격성은 일반적으로 통상적인 FCC용 설계 윈도우의 범위 밖에 있으며, 다량의 리트로핏(retrofit)이 얻어진다. 본 공정에서는 하기 경로를 통해 이들 한계가 극복된다:
a. 나프타 물질이 가공되는 제2 반응기를 도입하는데, 이는 고형물 분리 장치로부터의 촉매의 재활용으로 인해 첨가제의 보다 높은 농도에 대한 이점을 갖는다.
b. 원치 않은 부반응을 제한하기 위해 부분적으로 코킹된 Y 제올라이트/FCC 촉매를 재활용하고, 반응기 선택성을 증가시키고; ZSM-5가 보다 중질의 보다 큰 촉매이고, Y 제올라이트/FCC 촉매가 혼합 촉매 시스템 내의 보다 경질의 보다 작은 촉매일지라도 본원의 실시형태의 고형물 분리 장치 및 시스템을 이용하여 100% 분류는 구현할 수 없다. 그러나, 부분적으로 코킹된 Y 제올라이트/FCC 촉매를 포함하는 재활용 고형물은 예상치 못한 선택성 이점을 제공하는 것으로 밝혀져 있다.
c. 온도가 더 최적이고 촉매 접촉이 가장 긴 이차 반응기의 하단에서 저급의 반응성 경질 직류 나프타를 도입한다. 경질 직류 나프타는 일반적으로 열 균형으로부터 이점을 갖도록 시스템으로의 전체 나프타 유동에 대해 10 중량%와 75 중량% 사이일 것이다.
d. 과도한 온도 및 건성 가스를 방지하는 것은 고형물 분리 장치로부터의 촉매 재활용을 통해 동일한 반응기 유출 온도에서 기타 공정과 대비되고; 이러한 촉매 재활용은 반응기를 더욱 등온성으로 만들며, 그 결과 공정의 선택성에서 이익을 본다.
도 9는 상이한 촉매 대 오일 비율에 대한 단계적 나프타 가공 체계의 이점을 보여준다. 촉매 대 오일 비율은 제2 단 반응기 유출 온도를 구현하기 위해 본원에서 재생기로부터의 촉매의 유동으로서 정의된다. 제1 단 유출 온도는 새로운 재생된 촉매, 재생되고 부분적으로 사용된 촉매 및 제1 단 나프타 공급물의 조합이다. 도면에는 경질의 직류 나프타와 촉매 나프타의 50:50 중량 블렌드에 대해 나타나 있고, 제1 단 대 제2 단에서 구현되는 대략 50℉보다 높은 온도를 보여준다. 보다 높은 이러한 온도는 촉매 입자 분리기로부터 재활용된 촉매로 인해 더 등온성이고; 이들 효과 둘 모두는 반응 속도 및 경질 올레핀에 대한 선택성을 증가시킬 것이다.
도 10은 제1 단에 대한 공급물의 중량 백분율을 변경함으로써 3개의 상이한 반응기 유출 온도에서 보다 높은 제1 단 유출 온도를 구현하는 단계적 나프타 체계의 이점을 보여준다. 제1 단 유출 온도에서의 이러한 증가는 훨씬 더 많은 비율의 경질 직류 나프타가 통상적인 공정에 대비하여 가공될 수 있게 된다.
본원에 나타나 있는 제2 사례는 촉매적 분해에서 유래하는 나프타를 낮은 비등 범위 물질 및 보다 높은 비등 범위 물질로 분리하는 단계를 수반한다. 보다 낮은 비등 범위 물질은 일부 C4 및 C6 탄화수소(대략 30℉ 내지 160℉의 비등점)가 존재하는 C5 탄화수소로 주로 구성되는 반면, 보다 높은 비등 범위 물질은 150℉ 내지 430℉ 범위의 물질로 구성될 것이다. 보다 낮은 비등 범위 물질은 보다 높은 비등 범위 물질 대비 ZSM-5 유형 촉매에 대해 보다 낮은 고유 분해 활성을 갖고, 반응기 수율을 증가시키기 위해 모다 엄격한 작동이 요구되지만, 이러한 높은 엄격성은 보다 높은 비등 분획에 유해할 수 있다. 이와 같이, 본원에서 본 발명자들은 반응기 조건(즉, 보다 높은 온도 및 보다 긴 촉매 접촉 시간)이 가장 엄격한 반응기의 하단에서 보다 낮은 비등 범위 물질을 도입하는 반면, C6+ 물질은 반응기의 후단에서 도입된다. 이러한 공정은 하기로 인해 유리하다:
· 일반적으로, C5 범위 물질은 전범위 경질 촉매 나프타 물질의 대략 20 중량%를 차지하고; 제1 단에서 도입된 이러한 C5 물질의 양은 제1과 제2 (전체) 반응기 유출 온도 사이의 높은 온도 차이를 허용한다.
· 도 11은 일정한 제2 단 반응기 유출 온도에서의 전체 대비 반응기의 제1 단에 대한 상이한 중량 백분율의 나프타 공급물의 효과를 나타낸다. 제1 단 반응기는 전체 반응기 유출 온도 대비 50℉ 이상의 온도를 구현할 수 있다.
· 나프타에 적용되는 가장 높은 온도가 제1 단에서 존재함에 따라 제1 단이 경질 올레핀에 대한 선택성을 향상시키고 건성 가스를 최소화한 후에 보다 반응성인 C6+ 나프타를 도입하고; 본원에 기술되어 있는 바와 같은 재생된 촉매를 이용한 촉매 입자 분리기 및 밀접한 혼합에 의해 이러한 온도는 통상적인 라이저 반응기 구성보다 낮다.
· 보다 높은 온도 이외에도, C5 물질은 반응기 생산성을 증가시키기 위해 보다 긴 촉매 접촉 시간이 요구될 수 있고; 본원의 실시형태는 도 12에 나타나 있는 바와 같이 촉매 대 오일 비율에 의해 계산된 촉매 접촉 시간을 증가시킨다.
이제, 도 13을 참고하면, 통상적인 라이저 반응기 작동은 본원에 기술되어 있는 바와 같은 촉매 농축용 반응기에서의 작동과 비교되며, 이때 재생기 온도는 각각의 시뮬레이션을 위해 1,350℉로 설정된다. 라이저 반응기의 제1 및 제2 단에 대한 작동 윈도우는 매우 좁은데, 제1 단에서 촉매 대 오일 비율이 낮고, 온도는 비교적 높으며, 이로 인해 보다 건성의 가스가 생산될 수 있다. 대조적으로, 촉매 농축용 반응기 및 그 내부에서 구현 가능한 균일한 혼합 촉매 온도의 사용, 본원의 실시형태를 위한 작동 윈도우는 보다 넓으며, 이로 인해 추가의 공정 유연성이 제공되는데, 제1 반응단에서 조건이 보다 낮으며 더욱 바람직하며, 이로 인해 통상적인 라이저 반응기 시스템보다 적은 건성 가스가 생산된다.
고형물 분리 장치를 본원의 실시형태에 따른 시스템에 도입함으로써 내부 촉매 대 오일 비율에서의 유의한 증가가 존재한다. 도 13에서, 예를 들어 본원의 실시형태의 촉매/오일 비율은 대략적으로 통상적인 사례보다 4배 높다. 동일한 재생기 온도에서의 동일한 유량의 촉매가 재생기로부터 나오는 경우, 본원의 실시형태에 있어서 제1 단 및 제2 단의 평균 온도 사이의 차이는 통상적인 2-단 시스템과 비교하여 훨씬 작다. 이러한 결과는 단순히 본원의 실시형태에 의해 제공되는 열 균형 및 보다 높은 내부 촉매 대 오일의 비율에서 기인하다. 본원의 실시형태에 의해 제공되는 보다 균일한 온도 프로파일(2개의 단 사이의 더 적은 온도 차이)은 더 적은 과분해 및 더 적은 건성 가스 생산을 초래할 것이다.
상술한 바와 같이, 본원의 실시형태는 나프타 범위의 탄화수소에 대한 유리한 가공을 제공한다. 본원에 기술되어 있는 촉매 농축용 반응기는 유익하게는 경질 나프타와의 초기 접촉 후, 더욱 바람직한 온도에서의 촉매 혼합물의 중질 나프타와의 접촉접촉에 대한 균일한 촉매 온도를 제공할 수 있다. 따라서, 본원의 실시형태는 더욱 적절한 조건에서 반응물의 접촉을 제공하여, 유리하게는 보다 적은 건성 가스 및 기타 부산물을 생산할 수 있다.
본 개시내용에는 제한된 수의 실시형태가 포함되어 있을지라도 본 개시내용의 혜택을 받는 당업자라면 본 개시내용의 범주에서 벗어나지 않는 기타 실시형태를 고안할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 상기 범주는 첨부된 특허청구에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (28)

  1. 탄화수소를 전환시키기 위한 공정으로서,
    이동층 반응기로부터 유출액을 분리하는 단계로서, 상기 유출액은 반응기 유출 온도를 갖고 반응 생성물, 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하며, 이때 상기 제1 미립자 촉매는 상기 반응 생성물 및 상기 제1 미립자 촉매를 포함하는 제1 스트림 및 상기 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 회수하기 위해 제2 미립자 촉매보다 작은 평균 입자 크기를 갖고/갖거나 밀도가 낮은 단계;
    상기 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 재생된 촉매 스트림과 혼합하는 단계로서, 상기 재생된 촉매 스트림은 승온에서 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하며, 이때 상기 혼합에 의해 상기 승온과 상기 반응기 유출 온도 사이의 중간 온도에서 혼합 촉매가 생성되는 단계;
    상기 이동층 반응기 내에서 상기 혼합 촉매와 경질 나프타 공급원료를 접촉시켜 그 내부에서 탄화수소를 반응시키는 단계로서, 상기 흡열성 반응에 의해 상기 혼합 촉매의 온도가 제2 중간 온도까지 감소하는 단계;
    상기 이동층 반응기 내에서 상기 제2 중간 온도를 갖는 혼합 촉매와 중질 나프타 공급원료를 접촉시켜 그 내부에서 탄화수소를 반응시키는 단계; 및
    상기 이동층 반응기로부터 상기 반응 생성물, 상기 제1 미립자 촉매 및 상기 제2 미립자 촉매를 포함하는 상기 유출액을 회수하는 단계를 포함하는 것인, 탄화수소를 전환시키기 위한 공정.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이동층 반응기는 수직 반응기이고, 상기 경질 나프타 공급원료는 상기 중질 나프타 공급원료보다 낮은 고도에서 상기 반응기에 도입되는 것인 공정.
  3. 제1항에 있어서, 상기 승온은 1,300℉ 내지 1,500℉의 범위이고;
    상기 제1 중간 온도는 900℉ 내지 1,200℉의 범위이고;
    상기 제2 중간 온도는 800℉ 내지 1,150℉의 범위이고;
    상기 반응기 유출액 온도는 700℉ 내지 1,150℉의 범위인 것인 공정.
  4. 제1항에 있어서, 상기 혼합은 상기 경질 나프타 공급원료가 도입되는 고도보다 낮은 고도에서 상기 이동층 반응기 내에서 수행되는 것인 공정.
  5. 제1항에 있어서, 상기 혼합은 상기 이동층 반응기 외부에서 수행되는 것인 공정.
  6. 화학 반응을 수행하기 위한 시스템으로서,
    반응 생성물, 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 반응기 유출액을 분리하도록 구성된 분리기로서, 상기 제1 미립자 촉매는 상기 반응 생성물 및 상기 제1 미립자 촉매를 포함하는 제1 스트림 및 상기 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 회수하기 위해 상기 제2 미립자 촉매보다 작은 평균 입자 크기를 갖고/갖거나 밀도가 낮은 분리기;
    상기 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 촉매 스트림과 밀접하게 접촉시키도록 구성된 혼합 장치로서, 상기 촉매 스트림은 승온에서 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하며, 이때 상기 밀접한 접촉에 의해 상기 승온과 상기 반응기 유출 온도 사이의 중간 균일한 온도에서 혼합 촉매가 생성되는 혼합 장치;
    상기 중간 온도에서 상기 혼합 촉매를 제1 반응물과 접촉시켜 상기 혼합 촉매의 온도를 제2 중간 온도까지 감소시키고;
    상기 제2 중간 온도에서 상기 혼합 촉매를 제2 반응물과 접촉시키도록 구성된 이동층 반응기; 및
    상기 반응기 유출액을 상기 이동층 반응기로부터 회수하도록 구성된 유동 스트림을 포함하는 것인, 화학 반응을 수행하기 위한 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 혼합 장치는 스탠드파이프(standpipe)를 포함하며, 이때 상기 스탠드파이프는,
    상기 분리기로부터 상기 제2 스트림을 수용하기 위한 제1 유입구;
    촉매 재생기로부터 상기 촉매 스트림을 수용하기 위한 제2 유입구; 및
    상기 혼합 촉매를 상기 이동층 반응기에 공급하기 위한 유출구를 포함하는 것인 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 혼합 장치는,
    상기 이동층 반응기의 하부 부분에 배치되며, 상기 분리기로부터 상기 제2 스트림을 수용하고 상기 제2 스트림 내에 함유된 상기 제2 미립자 촉매를 상기 이동층 반응기 내로 분산시키도록 구성된 제1 촉매 분배기; 및
    촉매 재생기로부터 상기 촉매 스트림을 수용하고, 상기 촉매 스트림 내에 함유된 상기 제1 및 제2 미립자 촉매를 상기 이동층 반응기 내에 분산시켜 상기 제1 촉매 분배기로부터 상기 제2 미립자 촉매와 접촉하도록 구성된 상기 제1 촉매 분배기와 인접하여 배치된 제2 촉매 분배기를 포함하는 것인 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 반응물과의 접촉 이전에 상기 균일한 중간 온도를 구현하기 위해 상기 촉매를 유동화 및 밀접하게 혼합하도록 구성된 제1 및 제2 촉매 분배기 하부에 위치한 가스 분배기를 더 포함하는 것인 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 이동층 반응기 내부에 있으며, 상기 제1 반응물과의 접촉 이전에 상기 균일한 중간 온도를 구현하기 위해 상기 촉매의 접촉을 향상시키도록 상기 제1 반응물의 공급물 고도보다 낮게 위치한 구조를 더 포함하는 것인 시스템.
  11. 탄화수소를 전환시키기 위한 공정으로서,
    제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 스트림을 반응기에 공급하는 단계로서, 상기 제1 미립자 촉매는 상기 제2 미립자 촉매보다 작은 평균 입자 크기를 갖고/갖거나 밀도가 낮은 단계;
    경질 나프타 공급원료 및 중질 나프타 공급원료를 상기 반응기에 공급하는 단계로서, 상기 경질 나프타 공급원료는 상기 중질 나프타 공급원료보다 낮은 고도에서 상기 반응기에 도입되는 단계;
    상기 경질 및 중질 나프타 공급원료를 상기 제1 및 제2 미립자 촉매와 접촉시켜 그 내부에 함유된 탄화수소를 반응시키는 단계;
    전환된 탄화수소 유출액, 상기 제2 미립자 촉매 및 상기 제1 미립자 촉매를 포함하는 상기 반응기로부터 탑정 생성물을 회수하는 단계;
    상기 탑정 생성물로부터 상기 제2 미립자 촉매를 분리하여 상기 제1 미립자 촉매 및 상기 전환된 탄화수소 유출액을 포함하는 제1 스트림 및 상기 분리된 제2 미립자 촉매를 포함하는 제2 스트림을 제공하는 단계; 및
    상기 제2 스트림 내의 상기 분리된 제2 미립자 촉매를 상기 반응기로 돌려보내는 단계를 포함하는 것인, 탄화수소를 전환시키기 위한 공정.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 촉매 스트림은 1,300℉ 내지 1,500℉ 범위의 온도이고;
    상기 경질 나프타 공급원료를 접촉시키는 단계는 900℉ 내지 1,250℉ 범위의 온도에서 이루어지고;
    상기 중질 나프타 공급원료를 접촉시키는 단계는 850℉ 내지 1,200℉ 범위의 온도에서 이루어지고;
    상기 탑정 생성물 스트림은 700℉ 내지 1,150℉ 범위의 온도인 것인 공정.
  13. 제12항에 있어서, 상기 촉매 스트림 및 상기 제2 스트림을 혼합하여 900℉ 내지 1,250℉ 범위의 균일한 온도를 갖는 혼합 촉매 스트림을 제공하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제2 미립자 촉매를 포함하는 반응기로부터 하단 생성물을 회수하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
  15. 제11항에 있어서,
    탄화수소 공급원료 및 제1 미립자 촉매와 제2 미립자 촉매의 혼합물을 추가의 반응기에 공급하는 단계;
    상기 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물을 상기 탄화수소 공급원료과 접촉시켜 상기 탄화수소 공급원료를 분해하고 보다 경질의 탄화수소 및 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물을 포함하는 추가의 반응기 유출액을 형성하는 단계;
    상기 제1 스트림 및 상기 추가의 반응기 유출액 둘 모두를 분리기에 공급하는 단계;
    상기 보다 경질의 탄화수소 및 상기 전환된 탄화수소 유출액으로부터 상기 제1 및 제2 미립자 촉매를 분리하여 탄화수소 생성물을 회수하고 혼입된 탄화수소를 포함하는 혼합 촉매를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
  16. 제15항에 있어서, 상기 추가의 반응기는 라이저 반응기(riser reactor)인 것인 공정.
  17. 제15항에 있어서, 상기 혼합 촉매로부터 상기 혼입된 탄화수소를 스트리핑(stripping)하고 상기 스트리핑된 미립자 촉매를 촉매 재생기에 공급하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
  18. 제17항에 있어서, 상기 재생기 내에서 상기 제1 및 제2 미립자 촉매를 재생하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
  19. 제18항에 있어서, 상기 반응기에 공급된 상기 촉매 스트림은 상기 재생기로부터의 재생된 제1 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 것인 공정.
  20. 제17항에 있어서,
    새로운 제2 미립자 촉매를 상기 반응기에 공급하는 단계; 및
    새로운 제1 미립자 촉매를 상기 재생기에 공급하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
  21. 제17항에 있어서, 상기 추가의 반응기에 공급된 상기 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물로서 제1 미립자 촉매와 제2 미립자 촉매의 혼합물을 상기 재생기로부터 상기 추가의 반응기에 공급하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
  22. 제11항에 있어서, 상기 제2 미립자 촉매는 ZSM-5 또는 ZSM-11을 포함하고, 상기 제1 미립자 촉매는 Y-형 분해 촉매 또는 FCC 분해 촉매를 포함하는 것인 공정.
  23. 제11항에 있어서,
    상기 탄화수소 생성물을 경질 나프타 분획 및 중질 나프타 분획을 포함하는 2개 이상의 탄화수소 분획으로 분리하는 단계; 및
    상기 경질 나프타 분획 및 상기 중질 나프타 분획을 상기 반응기에 공급하는 단계를 더 포함하는 것인 공정.
  24. 탄화수소를 분해하기 위한 시스템으로서,
    제1 승온에서 제1 미립자 촉매 및 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 혼합물을 수용하고;
    보다 낮은 제2 온도에서 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 스트림을 수용하고;
    상기 촉매 혼합물 및 상기 촉매 스트림 내의 촉매를 혼합하여 균일한 중간 온도를 갖는 혼합 촉매를 제공하도록 구성된 혼합 구역;
    균일한 중간 온도를 갖는 상기 촉매 혼합물을 경질 나프타 공급물과 접촉시켜 제2 중간 온도를 갖는 탄화수소-촉매 혼합물을 생성하고;
    제2 중간 온도를 갖는 상기 탄화수소-촉매 혼합물을 경질 나프타 공급물과 접촉시켜 제1 미립자 촉매, 제2 미립자 촉매 및 탄화수소를 포함하는 반응기 유출액을 생성하도록 구성된 반응 구역;
    상기 반응기 유출액으로부터 제2 미립자 촉매를 분리하여 탄화수소 및 제1 입자를 포함하는 탄화수소 유출액 스트림 및 상기 제2 미립자 촉매를 포함하는 촉매 스트림을 회수하기 위한 입자 분리기; 및
    분리된 제2 입자를 상기 입자 분리기로부터 상기 혼합 구역으로 반송하기 위한 공급 라인을 포함하는 것인, 탄화수소를 분해하기 위한 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물을 제2 탄화수소 공급원료와 접촉시켜 상기 제2 탄화수소 공급원료의 적어도 일부를 보다 경질의 탄화수소로 전환시키고 상기 보다 경질의 탄화수소 및 상기 제1 및 제2 미립자 촉매의 혼합물을 포함하는 라이저 반응기 유출액을 회수하기 위한 라이저 반응기;
    상기 탄화수소 유출액 스트림 및 상기 라이저 반응기 유출액 스트림을 수용하는 분리 시스템으로서, 그 내부에 함유된 탄화수소를 상기 제1 및 제2 미립자 촉매로부터 분리하는 분리 시스템; 및
    상기 분리 시스템에서 회수된 제1 및 제2 미립자 촉매를 재생하기 위한 재생기를 더 포함하는 것인 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 분리된 미립자 촉매로부터 추가의 탄화수소를 스트리핑하고 상기 스트리핑된 미립자 촉매를 상기 재생기에 공급하기 위해 상기 분리 시스템과 상기 재생기 사이의 중간에 배치된 스트리퍼(stripper)를 더 포함하는 것인 시스템.
  27. 제24항에 있어서, 제2 분리기로부터 회수된 탄화수소 생성물 스트림을 경질 나프타 분획 및 중질 나프타 분획을 포함하는 2개 이상의 탄화수소 분획으로 분리하기 위한 제2 분리 시스템을 더 포함하는 것인 시스템.
  28. 제25항에 있어서,
    새로운 제2 미립자 촉매를 상기 반응기에 공급하기 위한 제1 공급 라인; 및
    새로운 제1 미립자 촉매를 상기 재생기에 공급하기 위한 제2 공급 라인을 더 포함하는 것인 시스템.
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