KR20030012189A

KR20030012189A - 폐합성수지를 원료로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기 및 이를 이용한 휘발유·경유의 제조방법

Info

Publication number: KR20030012189A
Application number: KR1020010046105A
Authority: KR
Inventors: 호 균 김; 김동춘
Original assignee: 호 균 김
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-12
Also published as: KR100517898B1; WO2003012009A1

Abstract

본발명은 폐합성수지를 원료로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기 및 이를 이용한 휘발유·경유의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 폐합성수지를 열크래킹방법으로 얻은 휘발유는 옥탄가가 낮고 분류성상 특히 10% 유출온도와 50% 유출온도가 높아 자동차의 시동성 문제와 가속성 문제를 해결하기 힘들며, 경유는 이성화 된 물질이 기본상 없기 때문에 동절기 경유의 유동성 문제를 해결하기에 제한적이고, 더욱이 열크래킹반응기는 원료처리 속도가 늦으며 기름의 수율이 낮고 카본 발생량이 많으며 슬러지 처리 문제 때문에 2차 오염문제까지 발생될 수 있는바,

본발명에서는 이와 같은 열크래킹반응 방법의 문제점을 극복하기 위하여 촉매제 하행식 크래킹반응기를 발명하게 되었고, 이를 이용하여 양질의 휘발유 및 경유를 제조할 수 있는 것이다.

Description

폐합성수지를 원료로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기 및 이를 이용한 휘발유·경유의 제조방법{A CATALYST DOWN-WAY CRACKING REACTOR MADING FROM WASTE SYNTHETIC RESIN AND MANUFACTURING PROCESS OF GASOLINE·DIESEL OIL}

본 발명은 폐합성수지를 원료로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기 및 이를 이용한 휘발유·경유의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐합성수지 및 폐유를 기본 원료로 하며 산성촉매를 사용하는 촉매 하행식 크래킹반응기 및 이를 이용한 휘발유·경유의 제조방법에 대한 것이다..

본 발명의 촉매 하행식 고분자 유화설비의 기술은 본 발명자가 선 특허받은 고분자 열크래킹 반응기술(특허출원 제191075호 : 폐비닐을 이용한 휘발유 및 디젤유 제조방법 및 그 장치)과 니켈, 동, 산화알미늄 촉매제와 효소분해를 이용한 기술(특허 제288731호 : 폐비닐과 폐플라스틱을 이용한 휘발유 및 디젤유 제조방법 및 그 장치)의 기술을 바탕으로 연구를 거듭하여 폐합성수지 및 폐유로부터 양질의 휘발유 및 경유를 제조할 수 있도록 발명한 신기술이다. .

일반적으로 폐합성수지를 탈수소화한다는 것은 폐합성수지를 형성하고 분자내의 수소원자를 떼어내어 원료의 수소함량을 줄인다는 것이다.

폐수지를 탈수소화하고 기름화시키면 생성된 기름의 양과 그 품질은 다음과 같이 변한다.

폐합성수지를 탈수소화시킨 후 기름화하면 다량의 방향성물질, 특히 벤젠과 같은 물질이 많이 발생되고 동시에 다량의 올레핀도 발생된다. 이런 물질들은 쉽게 카본화되기 때문에 원료가 기름으로 전환되는 비율이 낮아지고 생성된 기름의 품질이 떨어진다. 탈수소화되면 왜, 생성된 기름의 품질이 떨어지는가? 먼저, 우리나라 석유품질기준부터 살펴보면 2001년 1월 1일부터 시행하고 있는 휘발유품질기준에는 방향성화합물의 함량은 35%(부피) 이하이고, 벤젠 함량 2%(부피) 이하이며, 올레핀 함량 23%(부피) 이하 라고 규정되어 있다.

휘발유에 방향성물질, 벤젠, 올레핀과 같은 물질이 많이 함유될수록 자동차배기가스에는 발암물질 함량이 많아지며 경유에서는 위에서 언급된 그런 물질들이 많으면 경유의 세탄지수가 떨어지고 연료의 불완전연소가 생기며 배기가스에서는 발암물질이 많이 생긴다. 때문에 앞으로도 계속하여 세계 각국에서 대기환경문제때문에 이 품질기준을 높이는 것으로 알고 있다.

지금 많은 폐수지 유화업체에서 휘발유, 등유 및 경유를 생산한다고 한다. 폐수지유화설비에서 생성된 오일의 성분을 분석해 보면 등유와 경유를 동시에 생산할 수 없다. 등유는 휘발유에 이어 유출되는 유분으로서 그 비점범위는 160 ∼ 325℃ 정도이며, 경유는 비점이 200 ∼ 370℃ 범위에 속하며 등유 다음으로 유출되는 것이다. 등유와 경유의 비점범위를 살펴보면 등유 유분에 일정한 양의 경유 성분이 들어 있고, 경유 속에는 일정한 양의 등유 성분이 있다는 것을 알 수 있다. 경유에서 비점이 300℃ 보다 작은 유분의 함량이 연비에 결정적 작용을 한다.

비점이 300℃ 보다 작은 유분 함량이 많을수록 엔진에서의 기름소모량이 더욱 적어지며, 보통 300℃ 유출량이 50% 이하로 되지 말아야 한다. 그 때문에 등유 와 경유를 동시에 생산하면 경유의 품질이 떨어져 품질기준에 맞는 경유를 생산하기 어렵다.

폐수지 용융방법 : 열분해방법을 이미 물리화학적 방법으로 논술한 바가 있다. 폐수지는 고분자 탄화수소임으로 분자량이 매우 크다. 열분해특성에서 보면 탄화수소 분자량이 크면 클수록 일정한 온도조건에서 탄소와 탄소 사이의 연결고리는 쉽게 절단되어 저분자화 된다. 즉, 더 정확하게 말하면 폐합성수지의 고분자 탄화수소는 200℃ 에서도 탄소와 탄소 사이의 연결고리가 절단되며 절단속도는 온도가 일정하게 높아질수록 절단속도가 빨라진다.

상기한 이론과 실천에서부터 알 수 있는 바 폐합성수지의 고분자 탄화수소는 온도 350 ∼ 370℃ 까지 승온되었을 때에는 격렬한 열분해반응이 일어나며 그로부터 발생된 물질로는 주로 메탄, 에탄, 에틸렌 등과 같은 가스와 휘발유 유분, 경유 유분이 많이 발생된다. 열크래킹반응에서 얻은 오일은 그 품질이 낮아 엔진용 연료로 사용하기 매우 힘든 것이다. 그 때문에 폐합성수지 용액의 온도가 350 ∼370℃ 까지 승온시키면 열분해에 의하여 품질이 낮은 오일이 많이 발생한다는 것을 알 수 있다.

유동상식(流動床式) 촉매크래킹반응기를 이용하여 폐합성수지의 고분자유화설비에 안전하게 적응시키려면 아래와 같은 기본조건이 있다.

그 조건은 압력평형문제가 있다. 유동상식 촉매크래킹반응기가 안전하게 운행되려면 좋기로는 상압조건이 주어져야 한다. 상압조건이 이루어지려면 정류탑과 유동상식 촉매크래킹반응기 사이에 압력이 발생하지 말아야 한다. 압력이 발생되는 주된 원인은 정류탑에 있다. 지금 대부분의 폐합성수지 고분자 유화업체에서 사용하고 있는 정류탑의 탑판형식은 아스펜(ASPEN) 형식이다. 이런 형식의 정류탑은 탑 밑부분에 일정한 크기, 압력이 발생한다. 때문에 이런 형식 정류탑은 유동상식 촉매크래킹반응기 사용에 적합하지 않다.

폐합성수지를 열크래킹방법으로 얻은 휘발유는 옥탄가가 낮고 분류성상 특히 10% 유출온도와 50% 유출온도가 높아 자동차의 시동성 문제와 가속성 문제를 해결하기 힘들며 경유는 이성화 된 물질이 기본상 없기 때문에 동절기 경유의 유동성 문제를 해결하기에는 제한된 문제점들이 있다. 열크래킹반응기는 원료처리 속도가늦으며 기름의 수율이 낮으며 카본 발생량이 많으며 슬러지 처리 문제 때문에 2차 오염문제가 발생될 수 있다.

이와 같은 열크래킹반응 방법의 문제점을 극복하기 위하여 본 발명에서는 고산성 고촉매제을 사용하는 촉매 하행식 크래킹반응기를 이용하여 고수율의 생성유를 얻는데 목적이 있으며, 또한 크래킹반응에 필요한 열량을 촉매제 차단막을 형성하는 카본 연소열에서 얻도록 함으로써 연원의 낭비를 줄이는데 다른 목적이 있고, 또한 촉매제의 재생사용이 가능하도록 하여 생성유의 연속식 대량 생산이 가능토록 하는데 또다른 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 촉매 하행식 크래킹반응기를 이용하는 유화설비의 전체 구성도,

도 2는 본 발명의 유화설비를 구성하는 용융조의 상세 구성도,

도 3은 본 발명의 유화설비를 구성하는 촉매 하행식 크래킹반응기의 상세 구성도.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1 : 촉매크래킹반응기 2 : 스팀분산기

3 : 스팀보일러 4: 폐촉매제배출밸브

5 : 반응기촉매제배출조절밸브

6 : 열교환기 7 : 링부로와

8 : 촉매제보충기 9 : 촉매재재생 및 이송파이프

10 : 촉매제임시저장탱크 11 : 스팀분산 및 촉매제냉각기

12 : 양조절밸브

13 : 폐합성수지용융액이송라인 14 : 싸이크론

15 : 카본연소가스배출라인 16 : 제2의 촉매제원료혼합파이프

17 : 혼합유가스이송파이프 18 : 제1의 촉매제원료혼합파이프

19 : 라인

P1, P2 : 고점도유체이송용 고압펌프 M : 모터

20 : 1차압출기 25 : 2차압출기

30 : 제1용융로 40, 70 : 슬러지배출기

50 : 염산중화처리장치 60 : 제2용융로

본 발명에 적용되는 폐합성수지 촉매 접촉 크래킹반응기는 폐수지 및 폐유를 기본 원료로 한 고효율 유화장치로써, 고산성 고체촉매제(일종 규산염 알루미나)를 사용하기 때문에 원료를 단 몇초내에 유화시킬 수 있어 카본의 발생량이 상대적으로 적고 높은 수율을 얻을 수 있으며, 또한 산성촉매제를 사용함으로써 생성유의 품질이 좋아 엔진용 휘발유와 경유로 사용이 가능하다.

본 발명에서는 크래킹반응에 필요한 열량을 촉매제에 차단막을 형성하고 있는 카본 연소열에서 얻도록 하고, 촉매제를 재생 사용이 이루어지도록 하여 생성유의 연속식 대량 생산이 가능한 특징이 있다.

여기서 고체산촉매를 폐합성수지의 유화설비에 적용시키면 양질의 휘발유 유분과 양질의 경유 유분이 생성된다는 그 이론적 근거는 살펴보면?

휘발유에서 가장 중요한 것은 옥탄가와 휘발성 문제이다. 휘발유 옥탄가를 높이는 가장 이상적인 물질로는 탄화수소 분자구조에서 가지가 많은 경질 이소파라핀이고, 가지가 많을수록 옥탄가가 높아지고 비등점이 낮아진다. 휘발유 엔진의 시동성 문제에서 결정적 작용을 하는 물질은 10% 유출온도 70℃ 이하에서 유출되는 탄화수소로 이루어진 여러가지 혼합물질이 일정한 기준치에 적합해야만이 엔진의 시동성이 좋아지고 옥탄가가 높아진다. 그 물질의 주성분은 대체로 탄화수소분자에서 탄소의 개수가 4개로부터 5개로 이루어진 탄화수소 혼합물질이다. 아래의 표를 보면서 촉매크래킹반응과 열크래킹반응에서 얻어진 물질의 분포를 살펴보자.

세탄을 열크래킹과 촉매크래킹 반응시켜 얻어진 탄화수소 분포(크래킹온도 500℃)
산 물	몰/100몰 세탄
산 물	C₁	C₂	C₃	C₄	C₅	C₆	C₇	C₈	C₉	C₁₀	C₁₁	C₁₂	C₁₃	C₁₄
열크래킹	53	130	60	23	9	24	16	13	10	11	9	7	8	5
촉매크래킹	5	12	97	102	64	50	8	8	3	3	2	2	2	1

상기 표에서부터 알 수 있는 바, 촉매크래킹이 열크래킹반응에서 발생된 C₄, C₅, C₆탄화수소가 훨씬 더 많이 발생되었다.

이것이 바로 촉매크래킹반응에서 바라는 목적인 바, 즉 다시 말하면 경질 휘발유가 많이 생기고, 중질 휘발유가 적게 발생되는 것이다.

본 발명인이 선 발명한 특허 제288731호에서 이미 정탄소이온에 대하여 논술한 바가 이의 설명을 생략한다.

탄화수소분자의 이성화반응 현상은 본질상 산성촉매제의 산성작용에 의해 일어나는 것이다.

고체산의 산성은 보통 황산의 100배 이상된다. 용융된 폐합성수지의 용액의 온도가 520℃ 이상 되는 고체산 촉매제와 접촉하였을 때에 촉매제의 작용에 의해 원료는 순식간에 정탄소이온으로 변화된다.

발생된 정탄소이온(예 :)은 안정치 못하며 숙정탄소이온 ()으로 변화되며 숙정탄소이온은 다른 분자로부터 수소이온 H^-을 얻어 이성화 된 물질로 변화되고, 수소이온 H^-을 잃어버린 다른 한 분자는 정탄소이온으로 변한다. 이런 반응형식이 연속 중복되면서 계속 진행된다.

열분해에서 생산된 경유는 유동성 문제 때문에 동절기에 사용하기에 힘든 것이다. 경유의 유동성 문제는 물질의 응고점에 관계된다. 물질의 응고점이 낮으면 유동성이 좋아지고 응고점이 높으면 유동성이 나빠진다. 그렇다면 경유의 유동점 문제는 어떤 물질에 의해 높고 낮음이 결정되는가? 그것은 유동점 강하제를 사용하지 않는 조건하에서 경유 유분을 형성하고 있는 탄화수소의 분자구조와 분자의크기에 의해 결정된다.

경유를 형성하고 있는 탄화수소의 분자구조가 T 형(예 :) 혹은 π형(예 :)의 구조를 가진 물질이 많으면 유동점이 좋아지고 인화점 허용치 범위내에서 분자의 크기가 작을수록 유동점이 낮아진다. T 형 혹은 π형 분자의 구조를 가진 물질들은 열크래킹반응에서는 발생될 수 없으며 산성촉매제 작용에 의해 반응된 물질만의 분자구조가 T 형 혹은 π형 구조를 가진 물질로 전환될 수 있다.

열평형분석 : 촉매크래킹반응에서 발생된 카본연소열로서 촉매크래킹반응에 필요한 열량을 얻는다. 그 이론적 분석은 다음과 같다.

1) 촉매크래킹반응온도를 보통 480 ∼ 540℃ 로 취한다. 카본은 순수한 탄소로 이루어진 것은 아니며 수소함량이 적고 탄소함량이 많은 물질로 이루어졌다고 보며 일반적으로 카본의 수소와 탄소의 함량 비율은 H/C = 10/9 이며 카본의 경험분자식은 CH_N( N = 0.5 ∼ 1)이다. 본 설비에서 300℃ 되는 폐합성수지의 용액을 1시간/톤을 처리하며 카본발생량을 9%, 즉 90kg/시 라고 하며 촉매크래킹반응시간 1 ∼ 4초내에 진행되고, 탄소(C)의 분자량을 12, 수소(H₂)의 분자량을 2, 산소(O₂)의 분자량을 31.99, 질소(N₂)의 분자량을 28 이라고 하자

2) 탄소연소량 C : 90 × 0.9 = 81kg/시 ÷12 = 6.75k몰/시

수소연소량 H₂: 90 × 0.1 = 9kg/시 ÷2 = 4.5k몰/시

카본 연소된 연기 속에는 이산화탄소와 일산화탄소가 있으며, 그 비율은 CO₂/CO = 1.5 이다.

카본이 CO₂을 발생할때의 필요한 탄소(C)의 양은

일산화탄소(CO)를 발생할때 필요한 C의 양은

3) 이론상 필요한 공기량

CO₂를 발생할때 필요한 산소(O₂)의 양은 4.05k몰/시

CO 를 발생할때 필요한 산소(O₂)의 양은

수소 연소되어 수증기를 발생할때 필요한 산소(O₂)의 양은

그러므로 이론상 산소(O₂)의 필요한 양은 4.05 + 1.35 + 2.25 = 7.76k몰/시 = 244.72kg/시

이론상 질소(N₂)의 필요한 양은

그러므로 이론상 수분이 없는 필요한 공기량은 7.65 + 28.78 = 36.43k몰/시 = 1050.52kg/시

4) 실제 수분이 없는 필요한 공기량은

카본 연소시킬때에 100% 공기를 다 사용할 수 없으며 연기 속에 약 0.5%(부피(0.5%몰)의 산소가 남게 된다.

연기 속에 남아 있는 산소를 O_2(남)이라 하고, 남아 있는 질소를 N_2(남)으로 표시하면 아래와 같은 방정식이 성립된다.

여기서,이다.

위 방정식을 풀면

O_2(남)= 0.18198k몰/시 = 5.82kg/시

실제 필요한 공기량은

36.43 + 0.18198 + 0.684 = 37.2986k몰/시 = 1075.5kg/시

5) 수분이 있는 공기량은 대기온도가 25℃ 일때의 상대습도를 50% 라고 하자

공기의 수분함량 0.01kg수증기/kg수분없는 공기 때문에 공기 속의 수분량은 1075.5 ×0.010 = 10.755kg/시이다.

6) 열평형계산

촉매제에 차단막 카본을 연소시킬 때의 발열량 계산 ESSO 방법으로 계산한다(ESSO 계산방법이란 카본을 탄소(C)와 수소(H₂)를 단체물질로 이루어진 혼합물질로 보고 각각 그들의 발열량을 계산하는 방법이다).

1kg 탄소가 CO₂로 산화될때 발열량은 33873k쥴/kg 이다.

1kg 탄소가 CO 로 산화될때 발열량은 10258k쥴/kg 이다

1kg 수소가 H₂O 로 산화될때 발열량은 11980k쥴/kg 이다.

그러므로 촉매제 재생에서 탄소와 수소가 산화될때 방출하는 열량을 계산할 수 있다.

CO₂를 발생할때의 발열량 48.6 × 33873 = 1646227.8k쥴/시

CO 를 발생할때의 발열량 32.4 × 10258 = 332359.2k쥴/시

H₂O 를 발생할때의 발열량 9 × 11890 = 107910k쥴/시

총발열량은

7) 카본 탈부(脫附)열

카본 탈부열을 11.5%로 보면 카본탈부열은 2086497 ×11.5% = 23994.715k쥴/시

카본이 연소할때 공기온도 140℃ 에서 650℃ 까지 승온시키는데 필요한 열량은 1050.52 ×1.09 ×(650 - 140) = 583695k쥴/시

여기서, 공기비열은 1.09k쥴/kg℃로 본다.

수증기(공기의 수증기) 140℃ 에서 650℃ 까지 승온시킬때의 필요한 열량은 10.755 × 2.07 ×(650 - 140) = 11354k쥴/시

여기서, 수증기의 비열을 2.07k쥴/kg℃ 로 본다

카본의 비열과 촉매제의 비열이 같다고 하고, 비열이 1,097k쥴/kg℃ 하자

카본을 140℃ 에서 650℃ 까지 승온시킬때의 필요한 열량은 81 × 1.097 × (650 - 140) = 45317.07k쥴/시

재생기 촉매제에 포함된 수증기 470℃ 에서 650℃ 까지 승온시키는데 필요한 열량은 20 × 2.16 ×(650 - 470) = 776k쥴/시

수증기 비열 2.16k쥴/kg℃ , 수증기의 사용량을 액체상태의 폐합성수지 비닐액 2%를 사용한다.

열손실 582 × 81 = 47142k쥴/시 (582 는 경험수치이다)

카본연소열로부터 촉매제가 흡수한 열량은 2086479 - (239947.15 + 583695 + 11354 + 45317.07 + 7776 + 47142) = 1151265.75k쥴/시

촉매제의 순환량을 G 라고 하면

1151265.75 = G × 1.097(650 - 470)

G = 5830.37kg/시

촉매 하행식 크래킹반응기를 이용하는 고분자 유화설비의 동작원리(도 1 및 도 2)

<고형의 폐합성수지원료의 전처리단계>

잘 파쇄된 폐합성수지원료를 선별기에 넣어 금속, 흙, 먼지, 돌 등 잡질을 제거한다.

<파쇄된 고형원료의 압출단계>

깨끗하게 선별된 고형원료는 1차압출기(20)와 2차압출기(25)를 거치면서 약 280℃ 로 된 액체로 변화된다.

<액형원료의 열분해반응단계>

액체로 된 폐합성수지 용융액(이하, "액형원료"라 함)은 도 2에 표시된 제1 용융로(30)에 투입되며, 투입된 액형원료를 280℃ 에서 300℃ 까지 승온시킨다. 액형원료의 온도가 300℃ 까지 높아지면 열분해반응이 느린 속도로 진행되고, 폐합성수지의 분자내의 염소원자는 빠른 속도로 분자에서 이탈되어 물 혹은 수소와 결합하여 염화수소로 된다.

<중화단계>

열분해반응시 발생된 염화수소는 물에 용해되어 강산으로 된다. 이 강산은설비를 강하게 부식시키기 때문에 반드시 중화시켜야 한다. 도 2의 염산중화처리장치(50)를 통해 약 98% 이상 탈염소를 시켜 중화처리를 한다.

이때, 제1용융로(30)의 슬러지는 슬러지배출기(40)에 의해 제1용융로(30)의 외부로 배출된다.

<액형원료의 열크래킹반응단계>

300℃의 액형원료는 고점도유체이송용 고압펌프(P1)의 작용에 의해 도 2 예시의 제2용융로(60)로 이송되며, 제2용융로(60)에서 액형원료는 계속 온도 300℃ 를 유지하게 된다. 이때 액형원료는 느린 속도로 열크래킹반응을 계속 일으키게 되고, 따라서 액형원료는 유동성이 좋아지며 촉매제와 충분히 혼합될 조건을 가지게 된다.

이때 생성된 슬러지는 제2용융로(60)의 슬러지배출기(70)를 통해 외부로 배출된다.

<액형원료의 이송단계>

이렇게 유동성이 좋아진 액형원료는 다시 고점도유체이송용 고압펌프(P2)에 의해 다음에 설명되는 촉매 하행식 크래킹반응기에 이송된다.

촉매 하행식 크래킹반응기의 구성 및 원리(도 3)

본 발명을 구성하는 촉매 하행식 크래킹반응기는 크게 촉매크래킹반응기(1),촉매제재생 및 이송파이프(9), 촉매제임시저장탱크(10), 스팀분산 및 촉매제냉각기(11), 열교환기(6) 및 링부로와(7), 촉매제보충기(8), 싸이크론(14) 등으로 이루어지며, 다음과 같은 구조상의 특징을 갖는다.

상기 촉매제임시저장탱크(10)는 일정량의 촉매제를 임시 저장하는 역할을 하며, 외상부쪽으로 싸이크론(14)이 연결되어 있고 내부에는 스팀분산 및 촉매제냉각기(11)가 설치되어 있으며, 외하부쪽으로 양조절밸브(12)가 설치되는 구성을 하고 있다.

상기 촉매크래킹반응기(1)는 액형원료와 촉매제를 혼합시켜 촉매접촉크래킹반응에 의한 혼합유가스를 생성하는 역할을 하며, 제2의 촉매제원료혼합파이프(16)와 제1의 촉매제원료혼합파이프(18)의 두 라인을 통하여 상기 촉매제임시저장탱크 (10)와 연결되며, 내부에는 스팀보일러(3)와 연결된 스팀분사기(2)가 설치되어 있고, 외하부쪽에는 폐촉매제배출밸브(4) 및 반응기촉매제배출조절밸브(5)가 각각 연결설치되는 구성을 하고 있다.

상기 싸이크론(14)은 후술하는 촉매제재생 및 이송파이프(9)로부터 유입되어 촉매크래킹반응기(1)로 순환 이송하는 촉매제에서 공기를 분리하는 역할을 하며, 외하부쪽으로는 촉매제임시저장탱크(10)가 연결되어 있고, 외상부에는 카본연소가스배출라인(15)이 연결되어 있다.

촉매제재생 및 이송파이프(9)는 촉매제를 이송하며 촉매크래킹반응기(1)에서 배출되는 중독된 촉매제를 재생하는 역할을 하며, 수직상으로 길게 설치되어 그 외상부는 싸이크론(14)에 연결되고 그 외하부는 열교환기(6)와 라인(19)에 각각 연결되는 구성을 하고 있다.

링부로와(7)는 상기 열교환기(6)에 연결되어 촉매제재생 및 이송파이프(9)의 내부로 고열의 공기를 불어 넣는 역할을 한다.

상기 촉매제크래킹반응기(1)와 촉매제재생 및 이송파이프(9)를 연결하는 라인(19)에는 부족되는 촉매제를 보충하기 위한 촉매제보충기(8)가 설치되어 있으며,

상기 제1의 촉매제원료혼합파이프(18)에는 제2용융로(60)에서 배출되는 액형원료를 이송하는 폐합성수지용융액이송라인(13)이 연결되어 있고,

상기 제2의 촉매제원료혼합파이프(16)에는 정류탑으로 혼합가스를 배출하기 위한 혼합유가스이송파이프(17)가 연결되어 있다.

이하, 본 발명의 촉매 하행식 크래킹반응기의 동작원리를 설명한다.

상기 촉매크래킹반응기(1)와 촉매제임시저장탱크(10)에는 일정한 높이로 촉매제가 들어 있는 상태로써, 촉매제는 촉매크래킹반응기(1)로부터 촉매제재생 및 이송파이프(9)까지 흘러 내려 오며, 흘러 내려 온 촉매제는 열교환기(6) 및 링부로와(7)의 작용에 의해 고온으로 가열되어 싸이크론(14)까지 이송되며, 싸이크론(14)까지 이송된 촉매제는 싸이크론(14)의 작용에 의해 촉매제와 공기가 분리되며 분리된 촉매제는 촉매제임시저장탱크(10)에 저장되고 공기는 싸이크론(14) 상부에 설치된 카본연소가스배출라인(15)을 통해 외부로 배출된다.(촉매제로부터 공기 분리)

촉매제임시저장탱크(10)에 저장된 촉매제는 양조절밸브(12)에 의해 일정한 양으로 조절되어 제1의 촉매제원료혼합파이프(18)를 통해 촉매크래킹반응기(1)로흘러 내려 오며, 흘러 내러 온 촉매제는 다시 반응기촉매제배출조절밸브(5)로부터 일정한 양으로 조절되어 촉매제재생 및 이송파이프(9)까지 흘러 내려 온다. 이렇게 여러번 반복 순환하면 촉매크래킹반응기(1) 내부 촉매제 온도는 520℃ 이상 까지 높아진다.

이때, 원료를 정량 이송하는 고점도유체이송용 고압펌프(P2)의 작용에 의해 원료(폐합성수지용융액)는 폐합성수지용융액이송라인(13)를 거쳐 제1의 촉매제원료혼합파이프(18)까지 이송되어 촉매제와 1차 혼합된 후 제2의 촉매제원료혼합파이프 (16)에서 재혼합된 후, 다시 촉매크래킹반응기(1)에서 촉매접촉크래킹반응을 일으킨다(원료의 촉매접촉크래킹반응).

위 촉매접촉크래킹반응에서 생성된 카본은 촉매제의 차단막을 형성하여 촉매제는 중독되며 중독된 촉매제는 그 촉매제 역할을 잃게 된다(비교적 적은량의 카본이 생성됨).

따라서, 중독된 촉매제를 재생하여야만이 그 성질이 원상태로 회복된다.

촉매제에 차단막을 형성한 카본은 촉매제재생 및 이송파이프(9)에서 공기중의 산소와 접촉하여 연소되면서 촉매제의 카본차단막이 벗겨지고 동시에 카본연소 열로부터 촉매제는 다시 열에너지를 얻어 촉매제의 온도는 600℃ 이상 된다. 이것이 촉매재생과정이다.(촉매제의 재생)

그리고, 싸이크론(14)에서 분리된 공기와 카본연소가스는 카본연소가스라인 (15)을 통해 외부로 배출된다.

촉매크래킹반응기(1) 내부에서 원료와 촉매제가 접촉하면서 혼합유가스가 생성되고, 생성된 혼합유가스는 혼합유가스이송파이프(17)를 통하여 도 1 예시의 정류탑(제1 정류탑 → 제2 정유탑)에 이송되며 이송된 혼합유가스는 정류탑에서 휘발유 유분과 경유 유분으로 분리된다.(혼합유가스의 정유)

분리된 휘발유와 경유는 추출탑에서 A, B 화학추출제에 의하여 휘발유 기초유분과 경유 기초유분으로 추출된다.

여기에 각각 일정 양의 첨가제를 첨가시켜 석유제품 품질기준에 맞는 휘발유와 경유가 생성되며, 생성된 휘발유와 경유는 제각기 저장탱크에 저장된다.

이와 같이 본 발명에서는 최초로 폐합성수지 용융액에 촉매제를 첨가시키면서도 촉매재생을 원활히 하여 연료의 낭비를 줄이는 등 원가절감에 큰 기여를 할 수 있게 되었으며, 현재까지 유사기술의 경우에는 원료용융반응까지의 공정에 전기히팅으로 열원을 대치하였으나, 본 발명에서는 원가 코스트 절감을 위해 자체 생성된 오일중 경유를 사용함으로써, 그 결과 70% 이상 전기를 쓰지 않고 자력갱생이 가능하게 되었고, 특히 고산성 고촉매제을 사용하는 촉매 하행식 크래킹반응기를 이용함으로써, 고수율의 생성유를 얻을 수 있고 또한 촉매제의 재생사용이 가능하도록 하여 생성유의 연속식 대량 생산이 가능한 효과가 있다.

Claims

스팀분산 및 촉매제냉각기(11)가 내설되고, 하부쪽으로 양조절밸브(12)가 설치되며, 일정량의 촉매제를 임시 저장하는 촉매제임시저장탱크(10);

제2의 촉매제원료혼합파이프(16) 및 제1의 촉매제원료혼합파이프(18)를 통하여 상기 촉매제임시저장탱크(10)와연결되며, 내부에는 스팀분사기(2)가 설치되고, 외하부에는 폐촉매제배출밸브(4) 및 반응기촉매제배출조절밸브(5)가 각각 연결설치되어 액형원료(폐합성수지용융액)와 촉매제의 혼합에 의한 촉매접촉크래킹반응으로 혼합유가스를 생성하는 촉매크래킹반응기(1);

상기 촉매제임시저장탱크(10)의 외상부쪽으로 연결되며, 상부에는 카본연소가스배출라인(15)이 연결되어 촉매제재생 및 이송파이프(9)로부터 순환 이송하는 촉매제에서 공기를 분리하는 싸이크론(14);

수직상으로 길게 설치되며, 상기 싸이크론(14)과 촉매크래킹반응기(1)를 연결하여 촉매크래킹반응기(1)에서 배출되는 촉매제를 상기 싸이크론(14)까지 이송하고 재생하는 촉매제재생 및 이송파이프(9);

상기 촉매제재생 및 이송파이프(9)의 하단부에 연결 설치되어, 촉매제 재생 및 이송파이프(9)의 내부로 고열의 공기를 불어 넣는 열교환기(6)가 직렬 연결된 링부로와(7);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기.
제1항에 있어서, 촉매크래킹반응기(1)와 촉매제재생 및 이송파이프(9)를 연결해 주는 라인(19)에 촉매제보충기(8)를 설치하는 것을 특징으로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기.
상기 제1항 기재의 촉매 하행식 크랭크반응기를 구성하는 제1의 촉매제원료혼합파이프(18)에 폐합성수지용융액이송라인(13)을 연결하여 동 제1의 촉매제원료혼합파이프(18)를 통하여 유동성이 좋아진 폐합성수지용융액인 액상원료가 유입되면서 촉매제와의 1차 혼합이 이루어지고, 제2의 촉매제원료혼합파이프(16)에서 다시 재혼합이 이루어진 후, 촉매크래킹반응기(1) 내부에서 이 액상원료와 촉매제가 접촉함으로써 촉매접촉크래킹반응에 의해 생성된 혼합유가스를 공지의 정류탑에서 정류하여 휘발유 및 경유를 제조함을 특징으로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기를 이용한 휘발유·경유의 제조방법.
제3항에 있어서, 촉매크래킹반응기(1)에서 촉매접촉크래킹반응에 의해 생성된 카본에 중독된 촉매제(촉매제로서의 역할을 잃은 것)가 라인(19)을 통해 촉매제 재생 및 이송파이프(9)로 흘러 내려와 열교환기(6) 및 링부로와(7)의 작용에 의해 가열되어 싸이크론(14)으로 반복 순환하면서 촉매제의 온도가 600℃ 이상이 되어 촉매제의 재생이 이루어지면서, 촉매크래킹반응기(1) 내부에서 액상원료와 재생된 촉매제가 접촉하면서 촉매접촉크래킹반응에 의해 혼합유가스가 생성되도록 함을 특징으로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기를 이용한 휘발유·경유의 제조방법.
제4항에 있어서, 촉매제 재생 및 이송파이프(9)에서 촉매제를 재생 사용함으로써 혼합유가스의 연속식 대량 생산이 가능하도록 함을 특징으로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기를 이용한 휘발유·경유의 제조방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 촉매크래킹반응기(1)의 내부 촉매제 온도를 520℃ 이상으로 유지함을 특징으로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기를 이용한 휘발유·경유의 제조방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 촉매제재생 및 이송파이프(9)의 내부 촉매제의 온도가 600℃ 이상 유지됨을 특징으로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기를 이용한 휘발유·경유의 제조방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 촉매 하행식 크래킹반응기에 투입되는 폐합성수지용융액인 액상원료의 온도를 300℃로 유지함을 특징으로 하는 촉매 하행식 크래킹반응기를 이용한 휘발유·경유의 제조방법.