KR20080059331A - 현장 열처리 과정으로부터 생성된 액체 스트림을 여과하는방법 - Google Patents
현장 열처리 과정으로부터 생성된 액체 스트림을 여과하는방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 지하 현장 열처리 과정으로부터 지층 유체 (212) 를 생성하는 단계; 지층 유체를 분리하여 (214), 액체 스트림 (216) 및 가스 스트림 (218) 을 생성하는 단계; 액체 스트림의 적어도 일부를 나노여과 시스템에 제공하여, 농축물 및 투과물을 생성하는 단계; 투과물을 나노여과 시스템의 하류에 위치된 1 이상의 처리 유닛에 제공하는 단계; 및 1 이상의 하류 처리 유닛에서, 여과된 액체 스트림을 처리하여 1종 이상의 원료 생성물을 형성하는 단계를 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 일반적으로 탄화수소 함유 지층 (formation) 과 같은 다양한 지하 지층으로부터 탄화수소, 수소 및/또는 다른 생성물을 형성하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
지하 지층으로부터 얻어진 탄화수소는 공급원료 등의 에너지 자원으로서 그리고 소비재로서 종종 사용된다. 이용가능한 탄화수소 자원의 고갈에 대한 걱정 그리고 형성되는 탄화수소의 전체 질의 감소에 대한 걱정으로 인해, 이용가능한 탄화수소 자원의 더욱 효과적인 회수, 처리 및/또는 사용을 위한 처리가 개발되고 있다. 지하 지층으로부터 탄화수소 재료를 제거하기 위해 현장 처리가 이용될 수 있다. 지하 지층 속의 탄화수소 재료의 화학적 및/또는 물리적 특성은 지하 지층으로부터 탄화수소 재료를 더욱 용이하게 제거할 수 있도록 변화될 필요가 있을 수 있다. 화학적 및 물리적 변화는 제거가능한 유체를 형성하는 현장 반응, 지층 속의 탄화수소 재료의 조성 변화, 용해도 변화, 밀도 변화, 상 변화 및/또는 점도 변화를 포함할 수 있다. 유체는 가스, 액체, 에멀젼, 슬러리 및/또는 액체 유동과 유사한 유동 특성을 갖는 고체 입자의 스트림일 수 있고, 이에 국한되지 않는다.
현장 열처리 과정을 이용하여 지하 지층으로부터 얻어지는 지층 유체는 상업적 생성물을 형성하기 위해 팔리고/거나 처리될 수 있다. 현장 열처리 과정에 의해 생성된 지층 유체는 종래 제조 과정을 통해 얻어지는 지층 유체와는 상이한 특성 및/또는 조성을 가질 수 있다. 현장 열처리 과정을 이용하여 지하 지층으로부터 얻어지는 지층 유체는 운송 및/또는 상업적 사용을 위한 산업 표준을 충족시키지 않을 수 있다. 따라서, 다양한 탄화수소 함유 지층으로부터 얻어지는 지층 유체의 처리를 위한 개선된 방법 및 시스템이 필요하다.
여기서 설명하는 실시형태는 일반적으로 지하 지층으로부터 생성되는 지층 유체를 처리하기 위한 방법에 관한 것이다.
몇몇의 실시형태에서, 본 발명은, 지하 현장 열처리 과정으로부터 지층 유체를 생성하는 단계; 지층 유체를 분리하여, 액체 스트림 및 가스 스트림을 생성하는 단계; 액체 스트림의 적어도 일부를 여과 시스템의 멤브레인의 공급측에 제공하여, 막히게 하는 조성물을 포함하는 농축물 및 투과물을 생성하는 단계; 및 나노여과 시스템의 하류에 있는 1 이상의 처리 유닛에서 투과물을 처리하여 1종 이상의 원료 생성물을 형성하는 단계를 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법을 제공한다.
몇몇의 실시형태에서, 본 발명은, 지하 현장 열처리 과정으로부터 지층 유체를 생성하는 단계; 지층 유체를 분리하여 액체 스트림을 생성하는 단계; 제 1 접촉 분해 시스템에서 액체 스트림의 적어도 일부를 접촉 분해하여 원료 생성물을 생성하는 단계; 원료 생성물의 적어도 일부를 1종 이상의 탄화수소 스트림으로 분리하는 단계로서, 탄화수소 스트림 중 적어도 1종이 가솔린 탄화수소 스트림인 단계; 제 2 접촉 분해 시스템에서 가솔린 탄화수소 스트림을 접촉 분해 촉매와 접촉시킴으로써, 가솔린 탄화수소 스트림의 적어도 일부를 접촉 분해하여, 원료 올레핀 스트림을 생성하는 단계; 및 원료 올레핀 스트림을 알킬화 유닛에 도입하여 1종 이상의 알킬화 탄화수소를 생성하는 단계를 포함하는, 알킬화 탄화수소의 생성 방법을 제공한다.
도 1 은 탄화수소 함유 지층을 처리하기 위한 현장 열처리 시스템의 일부의 실시형태의 개략도를 나타낸다.
도 2 는 현장 열처리 과정으로부터 생성된 혼합물을 처리하기 위한 시스템의 실시형태의 개략도를 나타낸다.
도 3 은 현장 열처리 과정으로부터 생성된 액체 스트림을 처리하기 위한 시스템의 실시형태의 개략도를 나타낸다.
본 발명은 다양한 수정과 다른 형태가 가능하지만, 본 발명의 특정 실시형태를 예로써 도면에 나타내고 여기서 상세히 설명한다. 도면은 일정한 축척이 아닐 수 있다. 도면과 상세한 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하려는 것이 아니고, 오히려 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 보호범위에 속하는 모든 수정, 균등물 및 변형을 포함하려는 것임을 이해해야 한다.
이하의 설명은 일반적으로 지층 내 탄화수소를 처리하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 그러한 지층을 처리하여, 탄화수소 생성물, 수소 및 다른 생성물을 얻을 수 있다.
이하의 설명은 일반적으로 현장 열처리 과정을 이용하여 탄화수소 함유 지층으로부터 생성된 지층 유체를 처리하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 탄화수소 함유 지층을 처리하여, 탄화수소 생성물, 수소, 메탄, 및 다른 생성물을 얻을 수 있다.
"탄화수소"는 일반적으로 주로 탄소와 수소 원자로 형성된 분자로 정의된다. 탄화수소는 할로겐, 금속원소, 질소, 산소 및/또는 황과 같은 다른 원소를 또한 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 탄화수소는 케로겐, 역청, 피로역청, 오일, 천연 광랍 및 아스팔타이트일 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 탄화수소는 땅 속 광물 매트릭스 내에 또는 인접하게 위치될 수 있다. 매트릭스는 퇴적암, 모래, 실리실라이트 (silicilyte), 탄산염, 규조토 및 다른 다공성 매체를 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. "탄화수소 유체"는 탄화수소를 포함하는 유체이다. 탄화수소 유체는 수소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 물 및 암모니아와 같은 비탄화수소 (non-hydrocarbon) 유체를 포함 또는 동반하거나 비탄화수소 유체에 동반될 수 있다.
"지층"은 1 이상의 탄화수소 함유 층, 1 이상의 비탄화수소 층, 상부 퇴적물 (overburden) 및/또는 하부 퇴적물 (underburden) 을 포함한다. "상부 퇴적물" 및/또는 "하부 퇴적물"은 1 이상의 상이한 종류의 불투과성 재료를 포함한다. 예컨대, 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물은 암석, 셰일, 이암, 또는 습식/기밀 탄산염을 포함할 수 있다. 현장 열처리 과정의 일부 실시형태에서, 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물은, 상대적으로 불투과성이며 또 현장 열처리 동안 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물의 탄화수소 함유 층의 중요한 특성 변화를 발생시키는 온도를 거치지 않는 탄화수소 함유 층(들)을 포함할 수 있다. 예컨대, 하부 퇴적물은 셰일 또는 이암을 포함할 수 있지만, 하부 퇴적물은 현장 열처리 과정 동안 열분해 온도까지 가열되는 것은 허용되지 않는다. 몇몇의 경우에, 상부 퇴적물 및/또는 하부 퇴적물은 약간 투과성일 수 있다.
"지층 유체"는 지층 내에 존재하는 유체를 가리키며, 열분해 유체, 합성가스, 가동화 유체, 비스브레이킹 (visbreaking) 된 유체 및 물 (증기) 을 포함할 수 있다. 지층 유체는 비탄화수소 유체뿐만 아니라 탄화수소 유체를 포함할 수 있다. "가동화 유체"는 지층의 열처리 결과 유동할 수 있는 탄화수소 함유 지층 내 유체를 가리킨다. "비스브레이킹된 유체"는 지층의 열처리 결과 제거된 점성을 갖는 유체를 가리킨다.
"생성된 유체"는 지층으로부터 제거된 지층 유체를 가리킨다.
"현장 전환 과정"은, 지층의 적어도 일부의 온도를 열분해 온도 이상으로 올려 지층 내에 열분해 유체가 생성되도록 열원으로 탄화수소 함유 지층을 가열하는 과정을 가리킨다.
"탄소 수"는 분자 내 탄소 원자의 개수를 가리킨다. 탄화수소 유체는 상 이한 탄소 수를 갖는 다양한 탄화수소를 포함할 수 있다. 탄화수소 유체를 탄소 수 분포로 기술할 수 있다. 탄소 수 및/또는 탄소 수 분포는 참 끓는점 (true boiling point) 분포 및/또는 기체-액체 크로마토그래피에 의해 결정될 수 있다.
"열원"은 실질적으로 전도 및/또는 복사 열전달에 의해 지층의 적어도 일부에 열을 제공하는 임의의 시스템이다. 예컨대, 열원은 절연된 도체, 기다란 부재 및/또는 도관 내에 배치된 도체와 같은 전기 히터를 포함할 수 있다. 열원은 지층 외부 또는 내부에서 연료를 연소시킴으로써 열을 발생시키는 시스템을 또한 포함할 수 있다. 이 시스템은 표면 버너, 다운홀 가스 버너, 무염 (flameless) 분배 연소기 및 천연 분배 연소기일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 1 이상의 열원에 제공되거나 열원에서 발생되는 열은 다른 에너지원에 의해 공급될 수 있다. 다른 에너지원은 지층을 직접 가열하거나, 또는 지층을 직접 또는 간접적으로 가열하는 전달 매체에 에너지가 가해질 수 있다. 지층에 열을 가하는 1 이상의 열원은 상이한 에너지원을 이용할 수 있다. 따라서, 예컨대, 주어진 지층의 경우, 일부 열원은 전기 저항 히터로부터 열을 공급하고, 일부 열원은 연소로부터 열을 공급하며, 또 일부 열원은 1 이상의 다른 에너지원 (예컨대, 화학 반응, 태양에너지, 풍력, 바이오매스 (biomass), 또는 재생가능한 다른 에너지원) 으로부터 열을 공급할 수 있다. 화학 반응은 발열 반응 (예컨대, 산화 반응) 을 포함할 수 있다. 열원은 히터 웰 (heater well) 과 같은 가열 위치에 가까운 구역 및/또는 가열 위치를 둘러싸는 구역에 열을 제공하는 히터를 또한 포 함할 수 있다.
"히터"는 웰 (well) 내에 또는 웰보어 구역 근방에 열을 발생시키는 임의의 시스템 또는 열원이다. 히터는 지층 내 재료 또는 지층에서 생성된 재료와 반응할 수 있는 전기 히터, 버너, 연소기 및/또는 이들의 조합일 수 있으며, 이에 국한되지 않는다.
"현장 열처리 과정"은, 지층 내에 가동화 유체, 비스브레이킹된 유체, 및/또는 열분해 유체가 생성되도록, 가동화 유체, 탄화수소 함유 재료의 비스브레이킹, 및/또는 열분해가 이루어지는 온도 이상으로 지층의 적어도 일부의 온도를 올리기 위해 열원으로 탄화수소 함유 지층을 가열하여 과정을 가리킨다.
용어 "웰보어"는 드릴링 또는 지층에의 도관 삽입에 의해 형성된 지층 내 구멍을 가리킨다. 웰보어는 실질적으로 원형의 단면 또는 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 여기서 사용되는 용어 "웰"과 "개구"는 지층 내 개구를 나타내는 경우 용어 "웰보어"와 서로 교환가능하게 사용될 수 있다.
"열분해"는 열 공급으로 인한 화학 결합의 파괴이다. 예컨대, 열분해는 단지 열로써 화합물을 1 이상의 다른 물질로 변환시키는 것을 포함할 수 있다. 열은 지층의 구획에 전달되어 열분해를 야기할 수 있다. 몇몇의 지층의 경우, 지층의 부분 및/또는 지층 내 다른 재료가 촉매 활성을 통해 열분해를 촉진할 수 있다.
"열분해 유체" 또는 "열분해 생성물"은 실질적으로 탄화수소의 열분해 동안 형성된 유체를 가리킨다. 열분해 반응에 의해 형성된 유체는 지층 내 다른 유 체와 혼합될 수 있다. 이 혼합물은 열분해 유체 또는 열분해 생성물로 간주된다. 여기서 사용되는 "열분해 구역"은 반응되거나 반응하여 열분해 유체를 형성하는 지층의 체적 (예컨대, 역청사암 지층과 같은 비교적 투과성인 지층) 을 가리킨다.
"크래킹 (cracking)"은 초기에 존재하던 것보다 훨씬 더 많은 수의 분자를 생성하는 유기 화합물의 분해 및 분자 재조합을 수반하는 과정을 가리킨다. 크래킹에서, 분자 사이의 수소 원자 전달에 수반하여 일련의 반응이 이루어진다. 예컨대, 나프타는 열 크래킹 반응을 거쳐, 에텐과 H2 를 형성할 수 있다.
"비스브레이킹"은 열처리 동안 유체 내 분자의 풀림 (untangling) 및/또는 열처리 동안 큰 분자의 더 작은 분자로의 파괴를 가리키며, 그 결과 유체의 점성이 감소한다.
"응축성 (condensable) 탄화수소"는 25 ℃ 및 1 절대압에서 응축하는 탄화수소이다. 응측성 탄화수소는 4 보다 큰 탄소 수를 갖는 탄화수소들의 혼합물을 포함할 수 있다. "비응축성 탄화수소"는 25 ℃ 및 1 절대압에서 응축하지 않는 탄화수소이다. 비응축성 탄화수소는 5 미만의 탄소 수를 갖는 탄화수소를 포함할 수 있다.
"막힘 (clogging)"은 처리 관 또는 도관을 통한 1 이상의 조성물의 유동을 방해 및/또는 억제하는 것을 가리킨다.
"올레핀"은 1 이상의 비방향족 탄소-탄소 이중결합을 갖는 불포화 탄화수소 를 포함하는 분자이다.
"가솔린 탄화수소"는 32 ℃ (90 ℉) ∼ 약 204 ℃ (400 ℉) 의 끓는점을 갖는 탄화수소를 가리킨다. 가솔린 탄화수소는 직류 가솔린, 나프타, 유동화 또는 열 접촉 분해 가솔린, VB 가솔린, 또는 코커 (coker) 가솔린을 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 가솔린 탄화수소 함량은 ASTM 법 D2887 에 의해 결정된다.
"나프타"는 0.101 MPa 에서 38 ℃ ∼ 200 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소 성분을 가리킨다. 나프타 함량은 미국 표준 시험 및 재료 (ASTM, American Standard Testing and Materials) 법 D5307 에 의해 결정된다.
"등유 (kerosene)"는 0.101 MPa 에서 204 ℃ ∼ 260 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소를 가리킨다. 등유 함량은 ASTM 법 D2887 에 의해 결정된다.
"디젤 (diesel)"은 0.101 MPa 에서 260 ℃ ∼ 343 ℃ (500 ∼ 650 ℉) 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소를 가리킨다. 디젤 함량은 ASTM 법 D2887 에 의해 결정된다.
"VGO" 또는 "진공 가스 오일"은 0.101 MPa 에서 343 ℃ ∼ 538 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소를 가리킨다. VGO 함량은 ASTM 법 D5307 에 의해 결정된다.
"업그레이드"는 탄화수소의 질을 향상시키는 것을 가리킨다. 예컨대, 중질 (heavy) 탄화수소를 업그레이드하면, 중질 탄화수소의 API 비중을 증가시킬 수 있다.
"API 비중"은 15.5 ℃ (60 ℉) 에서의 API 비중을 가리킨다. API 비중은 ASTM 법 D6822 에 의해 결정된다.
"주기율표"는 2005년 10월에 국제 순수 및 응용 화학 연맹 (IUPAC) 에 의해 지정된 주기율표를 가리킨다.
"칼럼 (column) X 금속(들)"은 주기율표 중 칼럼 X 의 1 이상의 금속, 및/또는 주기율표 중 칼럼 X 의 1 이상의 금속의 1 이상의 화합물을 가리키며, 여기서 X 는 주기율표의 칼럼 번호 (예컨대, 1 ∼ 12) 에 대응한다. 예컨대, "칼럼 6 금속"는 주기율표의 칼럼 6 의 금속 및/또는 주기율표의 칼럼 6 의 1 이상의 금속의 화합물을 가리킨다.
"칼럼 X 원소(들)"은 주기율표 중 칼럼 X 의 1 이상의 원소, 및/또는 주기율표 중 칼럼 X 의 1 이상의 원소의 1 이상의 화합물을 가리키며, 여기서 X 는 주기율표의 칼럼 번호 (예컨대, 13 ∼ 18) 에 대응한다. 예컨대, "칼럼 15 원소"는 주기율표의 칼럼 15 의 원소 및/또는 주기율표의 칼럼 15 의 1 이상의 원소의 화합물을 가리킨다.
본 출원의 범위에서, 주기율표상 금속의 중량, 주기율표상 금속 화합물의 중량, 주기율표상 원소의 중량, 또는 주기율표상 원소의 화합물의 중량은 금속의 중량 또는 원소의 중량으로서 산출된다. 예컨대, 촉매 1 g 당 0.1 g 의 MoO3 가 사용되면, 촉매 중 몰리브덴 금속의 산출되는 중량은 촉매 1 g 당 0.067 g 이다.
"업그레이드"는 탄화수소의 질을 향상시키는 것을 가리킨다. 예컨대, 중 질 탄화수소를 업그레이드하면, 중질 탄화수소의 API 비중을 증가시킬 수 있다.
"사이클 오일 (cycle oil)"은 경질 (light) 사이클 오일과 중질 (heavy) 사이클 오일의 혼합물을 가리킨다. "경질 사이클 오일"은, 430 ℉ (221 ℃) ∼ 650 ℉ (343 ℃) 의 비등 범위 분포를 가지며 유동 접촉 분해 시스템으로부터 생성되는 탄화수소를 가리킨다. 경질 사이클 오일 함량은 ASTM 법 D5307 에 의해 결정된다. "중질 사이클 오일"은, 650 ℉ (343 ℃) ∼ 800 ℉ (427 ℃) 의 비등 범위 분포를 가지며 유동 접촉 분해 시스템으로부터 생성되는 탄화수소를 가리킨다. 중질 사이클 오일 함량은 ASTM 법 D5307 에 의해 결정된다.
"옥탄가"는 표준 기준 연료에 비한 모터 연료의 내폭성의 산출된 수치적 표현을 가리킨다. 산출된 옥탄가는 ASTM 법 D6730 에 의해 결정된다.
"세노스피어 (cenosphere)"는 유기 성분의 휘발에 의해 용융 성분이 풍선처럼 부푸는 때 고온의 열처리에서 형성되는 중공 입자를 가리킨다.
"물리적 안정성"은 지층 유체의 운송 동안 상 분리 또는 응집을 나타내지 않는 지층 유체의 능력을 가리킨다. 물리적 안정성은 ASTM 법 D7060 에 의해 결정된다.
"화학적 안정성"은, 배관, 밸브, 및/또는 관을 막는 중합체 및/또는 조성물을 형성하는 지층 유체 내 성분의 반응 없이 운송될 수 있는 지층 유체의 능력을 가리킨다.
도 1 은 탄화수소 함유 지층을 처리하기 위한 현장 열처리 시스템의 일부의 실시형태의 개략도를 보여준다. 현장 열처리 시스템은 장벽 (barrier) 웰 (200) 을 포함할 수 있다. 장벽 웰은 처리 영역 주위에 장벽을 형성하기 위해 사용된다. 장벽은 처리 영역 내외로의 유체 유동을 금지한다. 장벽 웰은 탈수 웰, 진공 웰, 캡쳐 (capture) 웰, 주입 웰, 그라우트 (grout) 웰, 프리즈 (freeze) 웰, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 몇몇의 실시형태에서, 장벽 웰 (200) 은 탈수 웰이다. 탈수 웰은 액체 물을 제거하고/하거나 액체 물이 가열되는 지층의 부분에 또는 가열되는 지층에 들어가는 것을 막을 수 있다. 도 1 에 나타낸 실시형태에서, 장벽 웰 (200) 은 단지 열원 (202) 의 한 측을 따라서만 연장되어 있고, 장벽 웰은 일반적으로 지층의 처리 영역을 가열하기 위해 사용되는 또는 사용될 열원 (202) 을 둘러싸지 않는다.
열원 (202) 은 지층의 적어도 일부에 위치된다. 열원 (202) 은 절연된 도체, 도관 내 도체 히터, 표면 버너, 무염 분배 연소기, 및/또는 천연 분배 연소기와 같은 히터를 포함할 수 있다. 또한, 열원 (202) 은 다른 종류의 히터를 포함할 수 있다. 열원 (202) 은 지층 내 탄화수소를 가열하기 위해 지층의 적어도 일부에 열을 제공한다. 에너지가 공급 라인 (204) 을 통해 열원 (202) 에 공급될 수 있다. 공급 라인 (204) 의 구조는 지층을 가열하는데 사용되는 열원(들)의 종류에 따라 다를 수 있다. 열원을 위한 공급 라인 (204) 은 전기 히터를 위한 전기를 전달하거나, 연소기를 위한 연료를 운반하거나, 또는 지층에서 순환되는 열교환 유체를 운반할 수 있다.
지층이 가열되는 때, 지층으로의 열 입력은 지층의 확장 및 지구역학적 (geomechanical) 운동을 야기할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 가열에 대한 지층 응답을 모델링할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션은 지층의 지구역학적 운동이 열원, 제조 웰, 및 지층 내 다른 장비의 기능성에 악영향을 미치지 않도록 지층 내 열원을 활성화하기 위한 패턴과 시간 시퀀스를 개발하기 위해 사용될 수 있다.
지층의 가열은 지층의 투과성 및/또는 다공성의 증가를 야기할 수 있다. 투과성 및/또는 다공성이 증가하면, 물의 증발과 제거, 탄화수소의 제거, 및/또는 단열 (fracture) 의 형성으로 인해 지층 내 질량이 감소할 수 있다. 유체는 지층의 증가된 투과성 및/또는 다공성으로 인해 지층의 가열된 부분에서 더욱 용이하게 유동할 수 있다. 지층의 가열된 부분 내 유체는 증가된 투과성 및/또는 다공성으로 인해 지층을 통해 먼 거리를 이동할 수 있다. 먼 거리는 지층의 투과성, 유체의 특성, 지층의 온도, 및 유체의 이동을 허락하는 압력 구배와 같은 다양한 인자에 따라 1000 m 이상일 수 있다. 지층 내에서 먼 거리를 이동할 수 있는 유체의 능력으로 인해, 제조 웰 (206) 을 지층에서 비교적 먼 간격으로 배치할 수 있다.
제조 웰 (206) 은 지층으로부터 지층 유체를 제거하기 위해 사용된다. 몇몇의 실시형태에서, 제조 웰 (206) 은 열원을 포함한다. 제조 웰의 열원은 제조 웰에서 또는 제조 웰 근방에서 지층의 1 이상의 부분을 가열할 수 있다. 몇몇의 현장 열처리 과정 실시형태에서, 제조 웰 1 미터 당 제조 웰로부터 지층에 공급되는 열량은 열원 1 미터 당 지층을 가열하는 열원으로부터 지층에 공급되는 열량보다 작다. 제조 웰로부터 지층에 가해지는 열은 제조 웰에 인접한 액상 유체를 증발시키고 제거함으로써 그리고/또는 매크로 및/또는 마이크로 단열의 형성에 의해 제조 웰에 인접한 지층의 투과성을 증가시킴으로써 제조 웰 근방에서 지층 투과성을 증가시킬 수 있다.
1 이상의 열원이 제조 웰에 위치될 수 있다. 인접 열원들로부터의 열의 중첩이 제조 웰로 지층을 가열함으로써 제공되는 이점을 상쇄할 정도로 지층을 충분히 가열하는 때, 제조 웰의 하측 부분에 있는 열원은 꺼질 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 제조 웰의 상측 부분에 있는 열원은 제조 웰의 하측 부분에 있는 열원이 비활성화된 후에도 켜진 상태로 유지될 수 있다. 상기 웰의 상측 부분에 있는 열원은 지층 유체의 응축 및 환류 (reflux) 를 억제할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 제조 웰 (206) 의 열원에 의해, 지층으로부터 지층 유체의 증기 상 제거가 가능하다. 제조 웰을 가열하면, (1) 제조 유체가 상부 퇴적물 근방의 제조 웰 내에서 이동할 때, 제조 유체의 응축 및/또는 환류를 억제할 수 있고, (2) 지층으로의 열 입력을 증가시킬 수 있으며, (3) 제조 웰로부터의 제조 속도를 열원이 없는 제조 웰에 비해 증가시킬 수 있고, (4) 제조 웰에서 높은 탄소 수 화합물 (C6 및 그 이상) 의 응축을 억제할 수 있으며, 그리고/또는 (5) 제조 웰 또는 그 근방에서 지층 투과성을 증가시킬 수 있다.
지층 내 지하 압력은 지층에서 생성되는 유체 압력에 상응할 수 있다. 지층의 가열된 부분의 온도가 올라감에 따라, 유체 생성 및 물의 증발이 증가하는 결과, 가열된 부분의 압력은 증가할 수 있다. 지층으로부터 유체를 제거하는 속도를 제어함으로써, 지층 내 압력을 제어할 수 있다. 지층 내 압력은 제조 웰 또는 그 근방, 열원 또는 그 근방, 또는 모니터 (monitor) 웰과 같은 다수의 상이한 위치에서 결정될 수 있다.
몇몇의 탄화수소 함유 지층에서, 지층의 적어도 일부 탄화수소가 열분해될 때까지 지층으로부터 탄화수소의 생성이 억제된다. 지층 유체가 선택된 질을 가질 때 지층 유체가 지층으로부터 생성된다. 몇몇의 실시형태에서, 선택된 질은 적어도 약 20°, 30°, 또는 40°의 API 비중을 포함한다. 적어도 일부 탄화수소가 열분해될 때까지 생성을 억제하면, 경질 (light) 탄화수소로의 중질 (heavy) 탄화수소의 전환을 증가시킬 수 있다. 초기 생성을 억제하면, 지층으로부터의 중질 탄화수소의 생성을 최소화할 수 있다. 많은 양의 중질 탄화수소의 생성은 값비싼 장비를 요구하고/하거나 제조 장비의 수명을 감소시킬 수 있다.
일부 탄화수소 함유 지층에서, 지층의 가열된 부분에 실질적인 투과성이 보장되기 전에 지층 내 탄화수소가 열분해 온도까지 가열될 수 있다. 투과성의 초기 부족은 생성된 유체가 제조 웰 (206) 에 운송되는 것을 억제할 수 있다. 초기 가열 동안, 지층 내 유체 압력은 근접 열원 (202) 을 증가시킬 수 있다. 증가된 유체 압력은 1 이상의 열원 (202) 을 통해 해제, 모니터링, 변경, 및/또는 제어될 수 있다. 예컨대, 선택된 열원 (202) 또는 개별 압력 릴리프 (relief) 웰은 지층으로부터 일부 유체를 제거할 수 있도록 하는 압력 릴리프 밸브를 포함할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 제조 웰 (206) 또는 임의의 다른 압력 싱크로의 개방 통로가 지층 내에 존재하지 않을 수 있지만, 지층에서 생성되는 열분해 유체 또는 다른 유체의 팽창에 의해 생성되는 압력은 증가될 수 있다. 유체 압력은 정암압 (lithostatic pressure) 을 향해 증가될 수 있다. 유체가 정암압에 접근하는 경우, 탄화수소 함유 지층의 단열이 형성될 수 있다. 예컨대, 지층의 가열된 부분에서 열원 (202) 으로부터 제조 웰 (206) 까지 단열이 형성될 수 있다. 가열된 부분에서의 단열 발생은 그 부분 내 압력 중 일부를 경감시킬 수 있다. 지층 내 압력은 원하지 않는 생성, 상부 퇴적물 또는 하부 퇴적물의 단열, 및/또는 지층 내 탄화수소의 코킹 (coking) 을 억제하기 위해 선택된 압력 미만으로 유지되어야 한다.
열분해 온도에 도달하고 지층으로부터 생성이 허용된 후, 생성된 조성 유체의 조성을 변경 및/또는 제어하기 위해, 지층 유체 내 비응축성 유체에 대한 응축성 유체의 비율을 제어하기 위해, 그리고/또는 생성되는 지층 유체의 API 비중을 제어하기 위해, 지층 내 압력이 바뀔 수 있다. 예컨대, 압력을 낮추면, 더 많은 응축성 유체 성분을 제조할 수 있다. 응축성 유체 성분은 더 많은 비율의 올레핀을 포함할 수 있다.
몇몇의 현장 열처리 실시형태에서, 지층 내 압력은 20°보다 큰 API 비중을 갖는 지층 유체의 생성을 촉진하기에 충분할 정도로 높게 유지될 수 있다. 지층 내에 증가된 압력을 유지하면, 현장 열처리 동안 지층 침강을 억제할 수 있다. 증가된 압력을 유지하면, 지층으로부터 유체의 증기상 생성을 촉진할 수 있다. 증기 상 생성에 의해, 지층으로부터 생성된 유체를 운송하는데 사용되는 수집관의 크기를 줄일 수 있다. 증가된 압력을 유지하면, 처리 설비로의 수집관 내에 서 유체를 운송하기 위해, 표면에서 지층 유체를 압착할 필요성을 줄이거나 제거할 수 있다.
놀랍게도, 지층의 가열된 부분에서 증가된 압력을 유지하면, 증가된 질과 비교적 낮은 분자량을 갖는 다량의 탄화수소를 제조할 수 있다. 생성된 지층 유체가 선택된 탄소 수 이상의 화합물을 최소량으로 갖도록 압력을 유지할 수 있다. 선택된 탄소 수는 25 이하, 20 이하, 12 이하, 또는 8 이하일 수 있다. 일부 높은 탄소 수 화합물이 지층 내 증기에 동반되어 증기와 함께 지층으로부터 제거될 수 있다. 지층 내 증가된 압력을 유지하면, 높은 탄소 수 화합물 및/또는 증기 내 다중-링 (multi-ring) 탄화수소 화합물의 동반을 억제할 수 있다. 높은 탄소 수 화합물 및/또는 다중-링 탄화수소 화합물은 오랜 기간 동안 지층의 액상에 남을 수 있다. 오랜 기간은 화합물이 열분해되어 더 낮은 탄소 수 화합물을 형성하기에 충분한 시간을 제공할 수 있다.
비교적 낮은 분자량 탄화수소의 생성은, 탄화수소 함유 지층의 일부에서의 수소의 자생 (autogenous) 생성 및 반응에 일부 기인한 것으로 생각된다. 예컨대, 증가된 압력을 유지하는 것은 열분해 동안 생성된 수소를 지층 내 액상이 강제할 수 있다. 상기 일부를 열분해 온도 범위 내 온도까지 가열하면, 지층 내 탄화수소가 열분해되어 액상 열분해 유체가 생성될 수 있다. 생성된 액상 열분해 유체 성분은 이중결합 및/또는 라디칼을 포함할 수 있다. 액상의 수소 (H2) 는 생성된 열분해 유체의 이중결합을 줄여,생성된 열분해 유체로부터 기다란 사슬 화 합물이 중합 또는 형성될 가능성을 낮출 수 있다. 그리고, H2 는 생성된 열분해 유체의 라디칼을 또한 중화할 수 있다. 그러므로, 액상의 H2 는 생성된 열분해 유체가 서로 그리고/또는 지층의 다른 화합물과 반응하는 것을 억제할 수 있다.
제조 웰 (206) 로부터 생성된 지층 유체는 수집관 (208) 을 통해 처리 설비 (210) 로 운반될 수 있다. 또한, 지층 유체는 열원 (202) 으로부터 생성될 수 있다. 예컨대, 유체는 열원에 인접한 지층 내 압력을 제어하기 위해 열원 (202) 으로부터 생성될 수 있다. 열원 (202) 으로부터 형성된 유체는 튜빙 또는 파이핑을 통해 수집관 (208) 으로 운반되거나 또는 튜빙 또는 파이핑을 통해 처리 설비 (210) 로 직접 운반될 수 있다. 처리 설비 (210) 는 분리 유닛, 반응 유닛, 개량 (upgrading) 유닛, 연료 셀, 터빈, 저장 용기, 및/또는 생성된 지층 유체를 처리하기 위한 다른 시스템과 유닛을 포함할 수 있다. 처리 설비는 지층으로부터 생성된 탄화수소의 적어도 일부로부터 운반 연료를 형성할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 현장 열처리 과정에서 생성된 지층 유체는 분리기로 보내져, 1 이상의 현장 열처리 과정 액체 스트림 및/또는 1 이상의 현장 열처리 과정 가스 스트림으로 분리된다. 액체 스트림과 가스 스트림은 원하는 생성물을 얻기 위해 더 처리될 수 있다.
지하 지층의 일부의 가열은, 지층의 광물 구조를 변형시키고 입자를 형성시킬 수 있다. 입자는 지층 유체에 분산되고/되거나 부분적으로 용해될 수 있다. 입자는 주기율표의 칼럼 1 ~ 2 및 칼럼 4 ~13 (예컨대, 알루미늄, 규소, 마그네 슘, 칼슘, 칼륨, 나트륨, 베릴륨, 리튬, 크롬, 마그네슘, 구리, 지르코늄, 등) 의 금속 및/또는 금속 화합물을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 입자는 세노스피어를 포함한다. 몇몇의 실시형태에서, 입자는 예를 들어 지층 유체의 탄화수소로 피복된다. 특정 실시형태에서, 입자는 제올라이트를 포함한다.
지층 유체 내 입자의 농도는 1 ppm ∼ 3000 ppm, 50 ppm ∼ 2000 ppm, 또는 100 ppm ∼ 1000 ppm 일 수 있다. 입자의 크기는 0.5 ㎛ ∼ 200 ㎛, 5 ㎛ ∼ 150 ㎛, 10 ㎛ ∼ 100 ㎛, 또는 20 ㎛ ∼ 50 ㎛ 일 수 있다.
특정 실시형태에서, 지층 유체는 입자의 분포를 포함할 수 있다. 입자의 분포는 3-모드 또는 2-모드 분포일 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 예컨대, 입자의 3-모드 분포는 크기 5 ㎛ ∼ 10 ㎛ 의 입자 1 ppm ∼ 50 ppm, 크기 50 ㎛ ∼ 80 ㎛ 의 입자 2 ppm ∼ 2000 ppm, 크기 100 ㎛ ∼ 200 ㎛ 의 입자 1 ppm ∼ 100 ppm 을 포함할 수 있다. 입자의 2-모드 분포는 크기 50 ㎛ ∼ 60 ㎛ 의 입자 1 ppm ∼ 60 ppm 및 크기 100 ㎛ ∼ 200 ㎛ 의 입자 2 ppm ∼ 2000 ppm 을 포함할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 입자는 지층 유체와 접촉할 수 있고, 25 이하, 20 이하, 12 이하, 또는 8 이하의 탄소 수를 갖는 화합물의 형성을 촉진할 수 있다. 특정 실시형태에서, 제올라이트 입자는 종래 생성 방법을 이용하여 생성된 유체에서 일반적으로 발견되지 않는 화합물을 생성하도록 지층 유체의 산화 및/또는 환원을 보조할 수 있다. 제올라이트 입자의 존재 하에서 지층 유체가 수소와 접촉하면, 지층 유체 내 이중결합 화합물의 환원이 촉진될 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 생성된 유체 내 입자의 전부 또는 일부가 생성된 유체로부터 제거될 수 있다. 입자는 원심분리, 세척, 산 세척, 여과, 전기 집진, 부유 선별 및/또는 다른 종류의 분리법에 의해 제거될 수 있다.
현장 열처리 과정에서 생성된 지층 유체는 분리기로 보내져, 현장 열처리 과정 액체 스트림과 현장 열처리 과정 가스 스트림으로 분리될 수 있다. 액체 스트림과 가스 스트림은 원하는 생성물을 얻기 위해 더 처리될 수 있다. 상업적 제품을 생성하기 위해 일반적으로 알려진 조건을 이용하여 액체 스트림을 처리하는 경우, 처리 장비가 악영향을 받을 수 있다. 예컨대, 처리 장비가 막힐 수 있다. 상업적 제품을 형성하기 위한 과정의 예로는 알킬화, 증류, 접촉개질 수소화분해, 수소처리, 수소첨가, 수소화탈황, 접촉 분해, 지연 코킹 (delayed coking), 가스화, 또는 이들의 조합이 포함되며, 이에 국한되지 않는다. 상업적 제품을 형성하는 과정은 여기서 참조로 인용된 "정제 과정(Refining Processes) 2000" (탄화수소 처리, Gulf 출판사, p.87~142) 에 기재되어 있다. 상업적 제품의 예로는 디젤, 가솔린, 탄화수소 가스, 제트 연료, 등유, 나프타, 진공 가스 오일 ("VGO"), 또는 이들의 혼합물이 포함되며, 이에 국한되지 않는다.
현장 열처리 과정 액체 내 조성물에 의해 처리 장비가 막히거나 오염될 수 있다. 막히게 하는 조성물은 현장 열처리 과정에서 생성된 탄화수소 및/또는 고체를 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 막히게 하는 조성물은 현장 열처리 과정 액체의 가열 동안 형성될 수 있다. 조성물은 장비의 부품에 들러붙어, 처리 유닛을 통한 액체 스트림의 유동을 막을 수 있다.
막히게 하는 고체는 유기금속 화합물, 무기 화합물, 광물, 광물 화합물, 세노스피어, 코크스, 세미-수트 (semi-soot) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 고체는 일반적인 여과를 통해 액체 스트림으로부터 제거될 수 없는 입자 크기를 가질 수 있다. 막히게 하는 탄화수소는 헤테로원자를 포함하는 탄화수소, 방향족 탄화수소, 고리형 탄화수소, 고리형 디-올레핀 및/또는 비고리형 디-올레핀을 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 몇몇의 실시형태에서, 막힘을 야기하는 현장 열처리 과정 액체 내에 존재하는 고체 및/또는 탄화수소는 현장 열처리 과정 용액에 부분적으로 가용성이거나 불용성이다. 몇몇의 실시형태에서, 가열 전 또는 가열 동안 액체 스트림의 일반적인 여과는 처리 장비를 막히게 하는 조성물의 전부 또는 일부를 제거하기에 불충분하고/하거나 비효과적이다.
몇몇의 실시형태에서, 막히게 하는 조성물은 액체 스트림의 액체 스트림의 세척 및/또는 탈염에 의해 액체 스트림으로부터 적어도 부분적으로 제거된다. 몇몇의 실시형태에서, 처리 장비의 막힘은 나노여과 시스템을 통해 액체 스트림의 적어도 일부를 여과함으로써 억제된다. 몇몇의 실시형태에서, 처리 장비의 막힘은 액체 스트림의 적어도 일부를 수소처리함으로써 억제된다. 몇몇의 실시형태에서, 처리 장비를 막히게 하고/하거나 오염시킬 수 있는 조성물을 제거하기 위해, 액체 스트림의 적어도 일부가 나노여과 및 수소처리된다. 수소처리 및/또는 나노여과된 액체 스트림은 상업적 제품을 형성하기 위해 더 처리될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 처리 장비의 막힘을 억제하기 위해, 오염방지 첨가제가 액 체 스트림에 첨가된다. 오염방지 첨가제는 Mansfield 등의 미국특허 제 5,648,305 호, Wright 등의 미국특허 제 5,282,957 호, Miller 등의 미국특허 제 5,173,213 호, Reid 의 미국특허 제 4,840,720 호, Dvoracek 의 미국특허 제 4,810,397 호, 및 Fern 의 미국특허 제 4,551,226 호 (이들 모두는 여기서 참조로 인용됨) 에 기재되어 있다. 상업적으로 이용가능한 첨가제의 예로는, Chimec RO 303, Chimec RO 304, Chimec RO 305, Chimec RO 306, Chimec RO 307, Chimec RO 308 (이탈리아 로마에 있는 Chimec 로부터 이용가능함), GE-Betz Thermal Flow 7R29, GE-Betz ProChem 3F28, Ge Betz ProChem 3F18 (미국 펜실베이니아주 Trevose 에 있는 GE Water and Process Technologies 로부터 이용가능함) 이 포함되며, 이에 국한되지 않는다.
도 2 는 현장 열처리 과정 액체 스트림 및/또는 현장 열처리 과정 가스 스트림으로부터 생성된 원료 생성물 및/또는 상업적 제품을 생성하기 위한 시스템의 실시형태의 개략도를 나타낸다. 지층 유체 (212) 가 유체 분리 유닛 (214) 에 들어가서, 현장 열처리 과정 액체 스트림 (216), 현장 열처리 가스 (218) 및 수성 (aqueous 스트림 (220) 으로 분리된다. 몇몇의 실시형태에서, 유체 분리 유닛 (214) 은 급랭 (quench) 구역을 포함한다. 생성된 지층 유체가 급랭 구역에 들어가면, 하류 처리 장비에서 다루기에 적절한 온도까지 지층 유체를 급랭 및/또는 냉각시키기 위해, 물, 마실 수 없는 물 및/또는 다른 성분과 같은 급랭 유체가 지층 유체에 첨가될 수 있다. 지층 유체를 급랭하면, 유체의 물리적 및/또는 화학적 불안정성에 기여하는 화합물의 형성을 억제할 수 있다 (예컨대, 용액으로부터 석출하거나 하류 장비 및/또는 파이핑의 부식 및/또는 오염에 기여할 수 있는 화합물의 형성을 억제할 수 있다). 급랭 유체는 스프레이 및/또는 액체 스트림으로서 지층 유체에 도입될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 냉각 유체에 지층 유체가 도입된다. 몇몇의 실시형태에서, 지층 유체는 지층 유체로부터 열의 일부를 제거하기 위해 열 교환기에 그 유체를 통과시킴으로써 냉각된다. 지층 유체의 온도가 급랭 유체의 이슬점 온도 근방 또는 이슬점 온도인 때, 냉각된 지층 유체에 급랭 유체가 첨가될 수 있다. 급랭 유체의 이슬점 온도 근방 또는 이슬점 온도에서 지층 유체를 급랭하는 것은, 급랭된 유체의 화학적 및/또는 물리적 불안정성을 야기할 수 있는 염 (예컨대, 암모늄 염) 의 용해화 (solubilization) 를 강화할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 급랭시 사용되는 물의 양은 최소한이므로, 무기 화합물의 염 및/또는 다른 성분이 혼합물로부터 분리되지 않는다. 분리 유닛 (214) 에서, 급랭 유체의 적어도 일부가 급랭 혼합물로부터 분리되어 최소량의 처리로 급랭 구역으로 재순환될 수 있다. 급랭으로부터 생성되는 열을 설비에서 획득하여 사용할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 급랭하는 동안 증기가 생성될 수 있다. 생성된 증기는 가스 분리 유닛 (222) 및/또는 처리용 다른 설비로 보내질 수 있다.
현장 열처리 과정 가스 (218) 가 현장 열처리 과정 가스로부터 가스 탄화수소 스트림 (224) 을 분리하기 위해 가스 분리 유닛 (222) 에 들어갈 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 가스 분리 유닛은 정류된 흡착 및 고압 분별 유닛이다. 가스 탄화수소 스트림 (224) 은 적어도 3 의 탄소 수를 갖는 탄화수소를 포함한다.
현장 열처리 과정 액체 스트림 (216) 은 액체 분리 유닛 (226) 에 들어간다. 몇몇의 실시형태에서, 액체 분리 유닛 (226) 은 필요하지 않다. 액체 분리 유닛 (226) 에서, 현장 열처리 과정 액체 스트림 (216) 이 분리되면, 가스 탄화수소 스트림 (228) 과 솔티 (salty) 처리 액체 스트림 (230) 이 생성된다. 가스 탄화수소 스트림 (228) 은 5 이하의 탄소 수를 갖는 탄화수소를 포함할 수 있다. 가스 탄화수소 스트림 (228) 의 일부는 가스 탄화수소 스트림 (224) 과 조합될 수 있다. 솔티 처리 액체 스트림 (230) 은 액체 스트림 (234) 을 형성하기 위해 탈염 유닛 (232) 을 통해 처리될 수 있다. 탈염 유닛 (232) 은 공지된 탈염 및 물 제거 방법을 이용하여 솔티 처리 액체 스트림 (230) 으로부터 암염 및/또는 물을 제거한다. 특정 실시형태에서, 탈염 유닛 (232) 은 액체 분리 유닛 (226) 의 상류에 있다.
액체 스트림 (234) 은 적어도 5 의 탄화수소 및/또는 헤테로원자를 포함하는 탄화수소 (예컨대, 질소, 산소, 황 및 인을 포함하는 탄화수소) 를 포함하며, 이에 국한되지 않는다. 액체 스트림 (234) 은 0.101 MPa 에서 95 ℃ ∼ 200 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소를 적어도 0.001 g, 적어도 0.005 g, 또는 적어도 0.01 g 을 포함하고; 0.101 MPa 에서 200 ℃ ∼ 300 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소를 적어도 0.01 g, 적어도 0.005 g, 또는 적어도 0.001 g 을 포함하고; 0.101 MPa 에서 300 ℃ ∼ 400 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소를 적어도 0.001 g, 적어도 0.005 g, 또는 적어도 0.01 g 을 포함하고; 그리고 0.101 MPa 에서 400 ℃ ∼ 650 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소를 적어도 0.001 g, 적어 도 0.005 g, 또는 적어도 0.01 g 을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 액체 스트림 (234) 은 10 중량% 이하의 물, 5 중량% 이하의 물, 1 중량% 이하의 물, 또는 0.1 중량% 이하의 물을 포함한다.
탈염 유닛 (232) 을 나온 후, 액체 스트림 (234) 은 여과 시스템 (236) 으로 들어간다. 몇몇의 실시형태에서, 여과 시스템 (236) 은 탈염 유닛의 출구에 연결되어 있다. 여과 시스템 (236) 은 액체 스트림 (234) 으로부터 막히게 하는 화합물 중 적어도 일부를 분리한다. 몇몇의 실시형태에서, 여과 시스템 (236) 은 스키드 (skid) 설치된다. 스키드 설치 여과 시스템 (234) 에 의하면, 여과 시스템은 한 처리 유닛에서 다른 처리 유닛으로 이동될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 여과 시스템 (236) 은 1 이상의 멤브레인 분리기, 예컨대 1 이상의 나노여과 멤브레인 또는 1 이상의 역삼투압 멤브레인을 포함한다.
멤브레인은 세라믹 멤브레인 및/또는 중합체 멤브레인일 수 있다. 세라믹 멤브레인은 2000 Daltons (Da) 이하, 1000 Da 이하, 또는 500 Da 이하의 분자량 컷오프 (cut off) 를 갖는 세라믹 멤브레인일 수 있다. 세라믹 멤브레인은 기질로부터 원하는 재료 (예컨대, 액체 스트림으로부터 막히게 하는 조성물) 를 제거하기 위한 최적의 조건 하에서 작동하기 위해 부풀려질 필요가 없다. 그리고, 세라믹 멤브레인은 높은 온도에서 사용될 수 있다. 세라믹 멤브레인의 예로는 메조포러스 (mesoporous) 티타니아, 메조포러스 γ-알루미나, 메조포러스 지르코니아, 메조포러스 실리카, 그리고 이들의 조합이 포함되며, 이에 국한되지 않는다.
중합체 멤브레인은 조밀한 멤브레인으로 이루어진 상부층 및 다공성 멤브레 인으로 이루어진 기반층 (지지부) 을 포함한다. 중합체 멤브레인은 액체 스트림 (투과물 (permeate)) 이 먼저 조밀한 멤브레인 상부층을 통해 유동한 다음 기반층을 통해 유동하도록 배열될 수 있고, 그 결과 멤브레인을 경계로 한 압력차로 인해 상부층이 기반층쪽으로 밀린다. 중합체 멤브레인은 친유기성 (organophilic) 또는 소수성 (hydrophobic) 멤브레인이므로, 액체 스트림에 존재하는 물이 농축물 (retantate) 내에 보유되거나 실질적으로 보유된다.
조밀한 멤브레인 층은 액체 스트림 (234) 으로부터 막히게 하는 조성물의 적어도 일부 또는 실질적으로 전부를 분리할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 조밀한 중합체 멤브레인은 액체 스트림 (234) 이 멤브레인의 조직에 용해되고 그 조직에 확산되어 멤브레인을 통과하는 특성을 갖는다. 막히게 하는 입자의 적어도 일부가 조밀한 멤브레인을 통해 용해 및/또는 확산되지 않을 수 있고, 그 결과 제거된다. 막히게 하는 입자는 그 입자의 복잡한 구조 및/또는 높은 분자량으로 인해 조밀한 멤브레인을 통해 용해 및/또는 확산되지 않을 수 있다. 조밀한 멤브레인 층은 여기서 참조로 인용된 Schmidt 등의 WO 96/27430 에 기재된 것처럼 가교 (cross-linked) 구조를 포함할 수 있다. 조밀한 멤브레인 층의 두께는 1 ㎛ ∼ 15 ㎛, 2 ㎛ ∼ 10 ㎛, 또는 3 ㎛ ∼ 5 ㎛ 일 수 있다.
조밀한 멤브레인은 폴리실록산, 폴리-디-메틸 실록산, 폴리-옥틸-메틸 실록산, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리-트리-메틸 시릴 프로핀, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 다공성 기반층은 멤브레인에 기계적 강도를 제공하는 재료로 이루어질 수 있고, 한외여과, 나노여과, 또는 역삼투압을 위해 사용되는 임의 의 다공성 멤브레인일 수 있다. 그러한 재료의 예로는 폴리아크릴로니트릴, 산화티타늄과 조합된 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리비닐리덴디플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 이들의 조합이 있다.
액체 스트림 (234) 으로부터 막히게 하는 조성물을 분리하는 동안, 멤브레인을 경계로 한 압력차는 5 bar ∼ 60 bar, 10 bar ∼ 50 bar, 또는 20 bar ∼ 40 bar 일 수 있다. 분리시 온도는 액체 스트림을 붓는 지점으로부터 100 ℃ 이하, 약 -20 ℃ ∼ 약 100 ℃, 10 ℃ ∼ 90 ℃, 또는 20 ℃ ∼ 85 ℃ 일 수 있다. 연속 작업 동안, 투과물 유동량 (flux rate) 은 초기 플럭스 (flux) 의 50 % 이하, 초기 플럭스의 70 % 이하, 또는 초기 플럭스의 90 % 이하일 수 있다. 공급물에서의 투과물의 질량 회복은 50 중량% ∼ 97 중량%, 60 중량% ∼ 90 중량%, 또는 70 중량% ∼ 80 중량% 일 수 있다.
여과 시스템 (236) 은 1 이상의 멤브레인 분리기를 포함할 수 있다. 멤브레인 분리기는 1 이상의 멤브레인 모듈을 포함할 수 있다. 2 이상의 멤브레인 분리기가 사용되는 경우, 멤브레인 분리기들은 공급물 (투과물) 이 제 1 멤브레인 분리기로부터 제 2 멤브레인 분리기 안으로 유동할 수 있도록 평행한 구성으로 배열될 수 있다. 멤브레인 모듈의 예로는 나선형 권취 모듈, 플레이트와 프레임 모듈, 중공 섬유, 및 관형 모듈이 포함되며, 이에 국한되지 않는다. 멤브레인 모듈이 화학공학 백과사전 (제4판, 1995년, John Wiley & Sons Inc., 제16권, p.158∼164) 에 기재되어 있다. 나선형 권취 모듈의 예가 예컨대 Boestert 등의 WO/2006/040307, Pasternak 의 미국특허 제 5,102,551호; Pasternak 의 미국특 허 제 5,093,002 호; Feimer 등의 미국특허 제 5,275,726 호; Mannapperuma 의 미국특허 제 5,458,774 호; 및 Finkle 등의 미국특허 제 5,150,118 호 (이들 모두 여기서 참조로 인용됨) 에 기재되어 있다.
몇몇의 실시형태에서, 조밀한 멤브레인이 여과 시스템 (236) 에 사용되는 때, 나선형 권취 모듈이 사용된다. 나선형 권취 모듈은 두 멤브레인 시트의 멤브레인 조립체를 포함할 수 있으며, 두 멤브레인 시트 사이에는 투과물 스페이서 시트가 개재되고, 멤브레인 조립체의 세 측면이 밀봉된다. 제 4 측면은 멤브레인들 사이의 면적이 도관의 내부와 유체 소통하도록 투과물 출구 도관에 연결되어 있다. 멤브레인 중 한 멤브레인 위에, 공급 스페이서 시트가 정렬되고, 공급 스페이서 시트를 갖는 조립체가 투과물 출구 도관 주위에 감겨, 실질적으로 원통 나선형으로 감긴 멤브레인 모듈을 형성한다. 공급 스페이서는 충분한 멤브레인 표면을 나선형 권취 모듈로 꾸릴 (pack) 수 있도록 적어도 0.6 ㎜, 적어도 1 ㎜, 또는 적어도 3 ㎜ 의 두께를 가질 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 공급 스페이서는 직포 (woven) 공급 스페이서이다. 작업 동안, 멤브레인의 공급 측들 사이에 개재된 공급 스페이서 시트를 따라 멤브레인 조립체 사이의 원통형 모듈의 일 단부로부터 공급 혼합물이 전달될 수 있다. 공급 혼합물 중 일부가 투과물 측으로 멤브레인 시트의 다른 하나를 통과한다. 그 결과, 투과물은 투과물 스페이서 시트를 따라 투과물 출구 도관 내로 유동한다.
몇몇의 실시형태에서, 멤브레인 분리는 연속 과정이다. 액체 스트림 (234) 은 압력차로 인해 멤브레인 위를 지나, 여과된 액체 스트림 (238) (투과물) 및/또는 재순환 액체 스트림 (240) (농축물) 을 얻는다. 몇몇의 실시형태에서, 여과된 액체 스트림 (238) 은 하류 처리 시스템에서의 막힘을 야기하는 조성물 및/또는 입자를 감소된 농도로 가질 수 있다. 나노여과 시스템을 통한 재순환 액체 스트림 (240) 의 연속 재순환은 여과된 액체 스트림 (238) 의 생성을 액체 스트림 (234) 의 원래 체적의 95 % 까지 증가시킬 수 있다. 재순환 액체 스트림 (240) 은 멤브레인의 공급 측의 세척 없이 적어도 10 시간, 적어도 하루 또는 적어도 1 주일 동안 나선형 권취 멤브레인 모듈을 통해 연속적으로 재순환될 수 있다. 여과 완료시, 폐기물 스트림 (242) (농축물) 은 막힘을 야기하는 조성물 및/또는 입자를 높은 농도로 포함할 수 있다. 폐기물 스트림 (242) 은 여과 시스템 (236) 을 나와서, 예컨대 지연 코킹 유닛 및/또는 가스화 유닛과 같은 다른 처리 유닛으로 운송된다.
여과된 액체 스트림 (238) 은 여과 시스템 (236) 에서 나와서, 1 이상의 처리 유닛에 들어갈 수 있다. 여기서 설명하는 원료 생성물 및/또는 상업적 제품의 제조를 위한 처리 유닛은 이하의 온도, 압력, 수소원 유동, 액체 스트림 유동, 또는 이들의 조합으로 작동되거나 아니면 본 기술분야에서 공지된 것처럼 작동될 수 있다. 온도는 약 200 ℃ ∼ 약 900 ℃, 약 300 ℃ ∼ 약 800 ℃, 또는 약 400 ℃ ∼ 약 700 ℃ 이다. 압력은 약 0.1 MPa ∼ 약 20 MPa, 약 1 MPa ∼ 약 12 MPa, 약 4 MPa ∼ 약 10 MPa, 또는 약 6 MPa ∼ 약 8 MPa 이다. 액체 스트림의 액체 공간 속도는 약 0.1 h-1 ∼ 약 30 h-1, 약 0.5 h-1 ∼ 약 25 h-1, 약 1 h-1 ∼ 약 20 h-1, 약 1.5 h-1 ∼ 약 15 h-1, 또는 약 2 h-1 ∼ 약 10 h- 1 이다.
도 2 에서, 여과된 액체 스트림 (238) 과 수소원 (244) 이 수소처리 유닛 (248) 에 들어간다. 몇몇의 실시형태에서, 수소원 (244) 은 수소처리 유닛 (248) 에 들어가기 전에 여과된 액체 스트림 (238) 에 부가될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서는, 액체 스트림 (238) 내에 충분한 수소가 존재하고, 수소원 (244) 이 필요하지 않다. 수소처리 유닛 (248) 에서, 1 이상의 촉매의 존재 하에서 여과된 액체 스트림 (238) 이 수소원 (244) 과 접촉하여 액체 스트림 (250) 이 생성된다. 수소처리 유닛 (248) 의 하류에 위치된 장비에 막힘을 야기할 수 있는 조성물을 제거하기에 그리고/또는 조성물의 형성을 억제하기에 충분히 수소원 (244) 이 변화되도록, 수소처리 유닛 (248) 이 작동될 수 있다. 수소처리 유닛 (248) 에서 사용되는 촉매는 상업적으로 이용가능한 촉매일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 액체 스트림 (234) 의 수소처리가 필요하지 않다.
몇몇의 실시형태에서, 운송 및/또는 정제 규격을 충족하도록 원료 공급물의 1 이상의 원하는 특성을 변화시키기 위해, 액체 스트림 (234) 은 1 이상의 촉매의 존재 하에서 수소와 접촉하게 된다. 원료 공급물의 1 이상의 원하는 특성을 변화시키는 방법이 Bhan 등의 공표된 미국특허출원 제 20050133414 호, Wellington 등의 공표된 미국특허출원 제 20050133405 호와, 2006년 4월 7일에 "원료 생성물을 생성하기 위한 시스템, 방법 및 촉매"라는 발명의 명칭으로 제출된 미국특허출원 시리얼 넘버 제 11/400,542 호; 2006년 6월 6일에 "원료 생성물을 생성하기 위한 시스템, 방법 및 촉매"라는 발명이 명칭으로 제출된 Bhan 의 제 11/425,979 호; 및 2006년 6월 6일에 "원료 생성물을 생성하기 위한 시스템, 방법 및 촉매"라는 발명의 명칭으로 제출된 Wellington 등의 제 11/425,992 호 (이들 모두는 여기서 참조로 인용됨) 에 기재되어 있다.
몇몇의 실시형태에서, 수소처리 유닛 (248) 은 선택적인 수소첨가 유닛이다. 수소처리 유닛 (248) 에서, 액체 스트림 (234) 및/또는 여과된 액체 스트림 (238) 은 디-올레핀이 모노-올레핀으로 환원되도록 선택적으로 수소첨가된다. 예컨대, 액체 스트림 (234) 및/또는 여과된 액체 스트림 (238) 이 100 ℃ ∼ 200 ℃ 의 온도 및 0.1 MPa ∼ 40 MPa 의 압력에서 DN-200 (미국 텍사스주 휴스턴에 있는 Criterion Catalysts & Technologies) 의 존재 하에서 수소와 접촉되어 액체 스트림 (250) 을 생성한다. 액체 스트림 (250) 은 액체 스트림 (234) 의 디-올레핀과 모노-올레핀 함량에 비해 감소된 함량의 디-올레핀과 증가된 함량의 모노-올레핀을 포함한다. 이러한 조건 하에서 디-올레핀의 모노-올레핀으로의 전환은 몇몇의 실시형태에서 적어도 50 %, 적어도 60 %, 적어도 80 % 또는 적어도 90 % 이다. 액체 스트림 (250) 은 수소처리 유닛 (248) 을 나와서, 수소처리 유닛 (248) 의 하류에 위치된 1 이상의 처리 유닛에 들어간다. 수소처리 유닛 (248) 의 하류에 위치된 유닛은 증류 유닛, 촉매개질 유닛, 수소화분해 유닛, 수소처리 유닛, 수소첨가 유닛, 수소화탈황 유닛, 접촉 분해 유닛, 지연 코킹 유닛, 가스화 유닛, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
액체 스트림 (250) 은 수소처리 유닛 (248) 을 나와서 분별 유닛 (252) 에 들어갈 수 있다. 분별 유닛 (252) 은 1 이상의 원료 생성물을 생성한다. 증류는 대기압 증류 처리 및/또는 진공 증류 처리를 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 원료 생성물은 C3-C5 탄화수소 스트림 (254), 나프타 스트림 (256), 디젤 스트림 (262), 및 바닥 스트림 (264) 을 포함하며, 이에 국한되지 않는다. 바닥 스트림 (264) 은 일반적으로 0.101 MPa 에서 적어도 340 ℃ 의 비등 범위 분포 (boiling range distribution) 를 갖는 탄화수소를 포함한다. 몇몇의 실시형태에서, 바닥 스트림 (264) 은 진공 가스 오일이다. 다른 실시형태에서, 바닥 스트림은 적어도 537 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소를 포함한다. 원료 생성물 중 1 이상은 판매되고/되거나 가솔린 또는 다른 상업적 제품으로 더 처리될 수 있다.
지층 유체로부터 생성된 스트림의 용도를 강화하기 위해, 액체 스트림의 분별 동안 생성된 탄화수소와 처리 가스의 분리 동안 생성된 탄화수소가 조합되어, 더 높은 탄소 수를 갖는 탄화수소를 형성할 수 있다. 생성된 탄화수소 가스 스트림은 알킬화 반응에 적합한 올레핀 레벨을 포함할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 수소처리된 액체 스트림 및/또는 분류로부터 생성된 스트림 (예컨대, 증류액 (distillate) 및/또는 나프타) 이 현장 열처리 과정 액체 및/또는 지층 유체와 혼합되어 혼합 유체를 형성한다. 혼합 유체는 지층 유체에 비해 물리적 안정성 및 화학적 안정성을 강화할 수 있다. 혼합 유체는 지층 유체보다 감소된 양의 반응성 종 (species) (예컨대, 디-올레핀, 산소, 황 및/또는 질소를 포함하는 다른 올레핀 및/또는 화합물) 을 가질 수 있으므로, 혼합 유체의 화학적 안정성이 강화된다. 혼합 유체는 지층 유체에 비해 아스팔텐의 양을 감소시킬 수 있으므로, 혼합 유체의 물리적 안정성이 강화된다. 혼합 유체는 지층 유체 및/또는 현장 열처리 과정에서 생성된 액체 스트림보다 더욱 대체가능한 공급물일 수 있다. 혼합 유체는 지층 유체보다 운송, 화학 처리 유닛에의 사용, 및/또는 정제 유닛에의 사용에 더 적합할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 여기서 설명한 방법에 의해 오일 셰일 지층으로부터 생성된 유체가 중유/역청사암 현장 열처리 과정 (IHTP) 유체와 혼합될 수 있다. 오일 셰일 액체는 실질적으로 파라핀성이고 중유/역청사암 IHTP 유체는 실질적으로 방향족이므로, 혼합 유체는 강화된 안정성을 나타낸다. 특정 실시형태에서, 현장 열처리 과정 유체는 역청 (bitumen) 과 혼합되어, 정제 유닛에서의 사용에 적합한 공급물을 얻을 수 있다. IHTP 유체 및/또는 역청을 생성된 유체와 혼합하면, 혼합 생성물의 화학적 및/또는 물리적 안정성을 강화할 수 있고, 따라서 혼합물은 처리 유닛에 운송 및/또는 분배될 수 있다.
분별 유닛 (252) 에서 생성된 C3-C5 탄화수소 스트림 (254) 및 탄화수소 가스 스트림 (224) 이 알킬화 유닛 (266) 에 들어간다. 알킬화 유닛 (266) 에서, 탄화수소 가스 스트림 (224) 내 올레핀 (예컨대, 프로필렌, 부틸렌, 아밀렌, 또는 이들의 조합) 이 C3-C5 탄화수소 스트림 (254) 의 이소-파라핀과 반응하여, 탄화수소 스트림 (268) 을 생성한다. 몇몇의 실시형태에서, 탄화수소 가스 스트림 (254) 내 올레핀 함량은 용인가능하고 올레핀의 부가적인 근원이 필요하지 않다. 탄화수소 스트림 (268) 은 적어도 4 의 탄소 수를 갖는 탄화수소를 포함한다. 적어도 4 의 탄소 수를 갖는 탄화수소는 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄, 및 옥탄을 포함하고, 이에 국한되지 않는다. 특정 실시형태에서, 알킬화 유닛 (266) 으로부터 생성된 탄화수소는 70 초과, 80 초과, 또는 90 초과의 옥탄가를 가질 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 탄화수소 스트림 (268) 은 추가 처리 없이 가솔린으로서 사용하기에 적합하다.
몇몇의 실시형태에서, 바닥 스트림 (264) 은 수소화분해되어 나프타 및/또는 다른 생성물을 형성할 수 있다. 그러나, 얻어지는 나프타는 생성물이 가솔린으로서 상업적으로 판매되기 위해서 옥탄 레벨을 변경하도록 재구성될 필요가 있을 수 있다. 또는, 바닥 스트림 (264) 은 접촉 분해기 내에서 처리되어 나프타 및/또는 알킬화 유닛용 공급물을 생성할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 나프타 스트림 (256), 등유 스트림 (258), 및 디젤 스트림 (262) 은 파라핀계 탄화수소, 올레핀계 탄화수소 및/또는 방향족 탄화수소의 불균형을 가질 수 있다. 상기 스트림들은 상업적 제품에서 사용되기에 적합한 양의 올레핀 및/또는 방향족을 갖지 않을 수 있다. 이러한 불균형은 상기 스트림들의 적어도 일부를 조합하여 38 ℃ ∼ 약 343 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 조합 스트림 (266) 을 형성함으로써 변화될 수 있다. 조합 스트림 (266) 을 접촉 분해하면, 알킬화 유닛 및/또는 다른 처리 유닛에서 사용하기에 적합한 올레핀 및/또는 다른 스트림을 얻을 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 나프타 스트림 (256) 은 수소화분해되어 올레핀을 생성한다.
도 2 에서, 조합 스트림 (266) 및 바닥 스트림 (264) 은 분별 유닛 (252) 으로부터 접촉 분해 유닛 (270) 으로 들어간다. 제어된 분해 조건 (예컨대, 제어된 온도와 압력) 하에서, 접촉 분해 유닛 (270) 은 부가적인 C3-C5 탄화수소 스트림 (254'), 가솔린 탄화수소 스트림 (272), 및 부가적인 등유 스트림 (258') 을 형성한다.
부가적인 C3-C5 탄화수소 스트림 (254') 은 알킬화 유닛 (266) 으로 보내지고, C3-C5 탄화수소 스트림 (254) 및/또는 탄화수소 가스 스트림 (224) 과 조합되어, 판매에 적합한 가솔린을 형성할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 탄화수소 가스 스트림 (224) 내 올레핀 함량은 용인가능하고 올레핀의 부가적인 근원이 필요하지 않다.
몇몇의 실시형태에서, 생성된 바닥 스트림 (예컨대, VGO) 의 양이 너무 적어 수소화분해 유닛 또는 접촉 분해 유닛의 작동을 유지할 수 없고, 분별 유닛 및/또는 접촉 분해 유닛 (예컨대, 도 2 에서 분별 유닛 (252) 및/또는 접촉 분해 유닛 (270)) 으로부터 생성된 가스 스트림 내 올레핀의 농도가 너무 낮아 알킬화 유닛의 작동을 유지할 수 없을 수 있다. 분별 유닛으로부터 생성된 나프타는 처리되어, 예컨대 알킬화 유닛에서 더 처리되기 위한 올레핀을 생성할 수 있다. 종래 나프타 재구성 처리에 의해 생성된 재구성 가솔린 (reformulated gasoline) 은, 현장 열처리 과정 액체로부터 생성된 액체 스트림을 공급 스트림으로서 사용하는 때, 예컨대 캘리포니아 대기 자원 위원회의 요구사항과 같은 상업적 조건을 충족시키지 않을 수 있다. 나프타 내 올레핀의 양은 재구성 나프타 처리 전 종래 수소처리 동안 포화될 수 있다. 따라서, 수소처리된 나프타 전부를 재구성하면, 재구성 가솔린을 위한 가솔린 풀 (pool) 내에 원하는 방향족 함량보다 더 높은 함량을 얻을 수 있다. 재구성 나프타 내 올레핀과 방향족 함량의 불균형은 알킬화 유닛으로부터 충분한 알킬레이트를 생성하여 재구성 가솔린을 생성함으로써 변화될 수 있다. 나프타의 분별 및/또는 분해로부터 생성된 올레핀, 예컨대 프로필렌과 부틸렌은 이소부탄과 조합되어 가솔린을 생성할 수 있다. 그리고, 분별 유닛에서 생성된 나프타 및/또는 다른 분별 스트림을 접촉 분해하는 것은, 접촉 분해 유닛에서 사용되는 다른 공급물에 비해 코크스 생성량이 적기 때문에, 추가적인 열을 필요로 함이 밝혀졌다.
도 3 은 현장 열처리 과정 스트림으로부터 생성된 액체 스트림을 처리하여 올레핀 및/또는 액체 스트림을 생성하기 위한 개략도를 보여준다. 중간 유분 (middle distillate) 과 올레핀을 생성하는 유사한 과정이 Mo 등의 국제공보 WO 2006/020547 과 미국특허출원공보 제 20060191820 호 및 제 20060178546 호 (이들 모두는 여기서 참조로 인용됨) 에 기재되어 있다. 액체 스트림 (274) 은 접촉 분해 시스템 (278) 에 들어간다. 액체 스트림 (274) 은 도 2 의 시스템에서 액체 스트림 (234), 수소처리된 액체 스트림 (250), 여과된 액체 스트림 (238), 나프타 스트림 (256), 등유 스트림 (258), 디젤 스트림 (262), 및 바닥 스트림 (264), 65 ℃ ∼ 800 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 임의의 탄화수소 스트림, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지 않는다. 몇몇의 실시형태에서, 증기 (276) 는 접촉 분해 시스템 (278) 에 들어가고, 액체 스트림 (274) 을 원자화시키고 (atomize) 그리고/또는 들어올려, 액체 스트림과 접촉 분해 촉매 사이의 접촉을 강화시킬 수 있다. 액체 스트림 (274) 을 공급물로 원자화시키기 위한 증기의 비는 0.01 ∼ 2 w/w, 또는 0.1 ∼ 1 w/w 일 수 있다.
접촉 분해 시스템 (278) 에서, 액체 스트림 (274) 은 접촉 분해 촉매와 접촉되어, 1 이상의 원료 생성물을 생성한다. 접촉 분해 촉매는 선택된 접촉 분해 촉매, 사용된 재생 분해 촉매 스트림 (280) 의 적어도 일부, 재생 분해 촉매 스트림 (282) 의 적어도 일부, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 사용된 재생 분해 촉매 (280) 는 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 에서 사용된 재생 분해 촉매를 포함한다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 은 올레핀 및/또는 다른 원료 생성물을 생성하기 위해 탄화수소를 분해하는데 사용될 수 있다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 에 제공된 탄화수소는 제조 웰로부터 생성된 C3-C5 탄화수소, 가솔린 탄화수소, 하이드로왁스 (hydrowax), 피셔 트롭쉬법으로 생성된 탄화수소, 바이오연료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제 2 접촉 분해 시스템에 상이한 종류의 탄화수소 공급물의 혼합물을 사용하면, 알킬레이트 요구를 충족시키는 C3-C5 올레핀 생성을 강화할 수 있다. 따라서, 정제 과정과 생성물의 통합이 강화될 수 있다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 은 조밀한 상 유닛, 고정된 유동층 유닛, 라이저 (riser), 상기한 유닛들의 조합이거나, 또는 탄화수소의 분해를 위해 본 기술분야에서 공지된 임의의 유닛 또는 유닛들의 구성일 수 있다.
접촉 분해 시스템 (278) 에서 접촉 분해 촉매와 액체 스트림 (274) 의 접촉은 원료 생성물을 생성하고 분해 촉매를 소비한다. 원료 생성물은 액체 스트림 (274) 의 비등점 분포보다 낮은 비등점 분포를 갖는 탄화수소, 액체 스트림 (274) 의 일부, 또는 이들의 조합을 포함하며, 이에 국한되지 않는다. 원료 생성물 및 소비된 촉매는 분리 시스템 (286) 으로 들어간다. 분리 시스템 (286) 은 예컨대 증류 유닛, 스트리퍼 (stripper), 여과 시스템, 원심분리기, 또는 소비된 촉매로부터 원료 생성물을 분리할 수 있는 본 기술분야에서 공지된 임의의 장치를 포함할 수 있다.
분리된 소비 분해 촉매 스트림 (288) 은 분리 시스템 (286) 을 나와서 재생 유닛 (290) 에 들어간다. 재생 유닛 (290) 에서, 소비된 분해 촉매는 재생 분해 촉매 스트림 (282) 와 연소 가스 (294) 를 생성하는 탄소 연소 조건 하에서 예컨대 산소 및/또는 공기와 같은 산소원 (292) 과 접촉하게 된다. 연소 가스는 접촉 분해 과정 동안 탄소 및/또는 촉매에 형성된 다른 불순물의 제거의 부산물로서 형성될 수 있다.
재생 유닛 (290) 의 온도는 약 621 ℃ ∼ 760 ℃, 또는 677 ℃ ∼ 715 ℃ 일 수 있다. 재생 유닛 (290) 의 압력은 대기압 ∼ 0.345 MPa, 또는 0.034 ∼ 0.345 MPa 일 수 있다. 재생 유닛 (290) 내 분리된 소비 분해 촉매의 체류 시간은 약 1 ∼ 약 6 분, 또는 약 2 ∼ 약 4 분이다. 재생된 분해 촉매에서의 코크스 함량은 분리된 소비 분해 촉매에서의 코크스 함량보다 적다. 그러한 코크스 함량은 0.5 중량% (중량% 는 코크스 성분의 중량을 제외한 재생 분해 촉매의 중 량에 기초함) 보다 적다. 재생된 분해 촉매의 코크스 함량은 0.01 중량% ∼ 0.5 중량%, 0.05 중량% ∼ 0.3 중량%, 또는 0.1 중량% ∼ 0.1 중량% 일 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 재생 분해 촉매 스트림 (282) 은 2 개의 스트림으로 분리될 수 있으며, 이 경우 재생 분해 촉매 스트림의 적어도 일부 (282') 가 재생 유닛 (290) 에서 나와 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 으로 들어간다. 재생 분해 촉매 스트림 (282) 의 적어도 다른 일부가 재생기 (290) 를 나와 접촉 분해 시스템 (278) 에 들어간다. 재생 분해 촉매에 대한 사용된 재생 분해 촉매의 상대적인 양은 접촉 분해 시스템 (278) 내에 원하는 분해 조건을 제공하도록 조절된다. 재생 분해 촉매에 대한 사용된 재생 분해 촉매의 비를 조절하면, 접촉 분해 시스템 (278) 내 분해 조건의 제어를 보조할 수 있다. 사용된 재생 분해 촉매 대 재생 분해 촉매의 중량비는 0.1:1 ∼ 100:1, 0.5:1 ∼ 20:1, 또는 1:1 ∼ 10:1 일 수 있다. 정상상태로 작동되는 시스템의 경우, 사용된 재생 분해 촉매 대 재생 분해 촉매의 중량비는 접촉 분해 시스템 (278) 내로 도입된 액체 스트림 (274) 과 혼합되는 재생 분해 촉매의 나머지 부분에 대한 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 로 전달되는 재생 분해 촉매의 적어도 일부의 중량비에 가까워지고, 따라서 전술한 범위가 그러한 중량비에도 또한 적용될 수 있다.
원료 생성물 (296) 은 분리 시스템 (286) 을 나와 액체 분리 유닛 (298) 으로 들어간다. 액체 분리 유닛 (298) 은 원료 생성물을 예컨대 가스 스트림 (228'), 가솔린 탄화수소 스트림 (300), 사이클 오일 스트림 (302), 및 바닥 스트림 (304) 과 같은 생성물 스트림으로 회수 및 분리하기 위한 본 기술분야의 당업자 에게 공지된 임의의 시스템일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 바닥 스트림 (304) 은 접촉 분해 시스템 (278) 으로 재순환된다. 액체 분리 유닛 (298) 은 예컨대 흡수기와 스트리퍼, 분류기, 압축기와 분리기, 또는 원료 생성물로부터 생성물의 회수와 분리를 제공하기 위한 공지된 시스템의 임의의 조합과 같은 부품 및/또는 유닛을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 경질 사이클 오일 스트림 (302) 의 적어도 일부는 액체 분리 유닛 (298) 을 나와서 제 2 접촉 분해 시스템 (278) 으로 들어간다. 몇몇의 실시형태에서, 경질 사이클 오일 스트림이 제 2 접촉 분해 시스템으로 전혀 보내지지 않는다. 몇몇의 실시형태에서, 가솔린 탄화수소 스트림 (300) 의 적어도 일부가 액체 분리 유닛 (298) 을 나와서 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 에 들어간다. 몇몇의 실시형태에서, 가솔린 탄화수소 스트림이 제 2 접촉 분해 시스템으로 전혀 보내지지 않는다. 몇몇의 실시형태에서, 가솔린 탄화수소 스트림 (300) 이 판매 및/또는 다른 처리에서의 사용에 적합하다.
가스 오일 탄화수소 스트림 (306) (예컨대, 진공 가스 오일) 및/또는 가솔린 탄화수소 스트림 (300) 과 경질 사이클 오일 스트림 (302) 의 일부가 접촉 분해 시스템 (284) 에 보내진다. 상기 시스템은 증기 (276') 의 존재 하에서 접촉 분해되어, 원료 올레핀 스트림 (308) 을 생성한다. 원료 올레핀 스트림 (308) 은 적어도 2 의 탄소 수를 갖는 탄화수소를 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 원료 올레핀 스트림 (308) 은 적어도 30 중량% 의 C2-C5 올레핀, 40 중량% 의 C2-C5 올레핀, 적어도 50 중량% 의 C2-C5 올레핀, 적어도 70 중량% 의 C2-C5 올레핀, 또는 적어도 90 중량% 의 C2-C5 올레핀을 포함한다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 으로의 가솔린 탄화수소 스트림 (300) 의 재순환이 C2-C5 올레핀으로의 가스 오일 탄화수소 스트림 (306) 의 전반적인 처리 시스템에 부가적인 전환을 제공할 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 은 서로 유체 소통하는 중간 반응 구역과 스트리핑 (stripping) 구역을 포함하며, 스트리핑 구역은 중간 반응 구역 아래에 위치해 있다. 중간 반응 구역 내 증기 속도에 비해 스트리핑 구역 내에 높은 증기 속도를 제공하기 위해, 스트리핑 구역의 단면적은 중간 반응 구역의 단면적보다 작다. 스트리핑 구역의 단면적 대 중간 반응 구역의 단면적의 비는 0.1:1 ∼ 0.9:1, 0.2:1 ∼ 0.8:1, 또는 0.3:1 ∼ 0.7:1 일 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 제 2 접촉 분해 시스템의 기하학적 형상은 일반적으로 원통 형상이며, 스트리핑 구역의 길이 대 직경의 비는 스트리핑 구역 내에 원하는 높은 증기 속도를 제공하도록 그리고 제 2 접촉 분해 시스템으로부터 제거되어야 하는 사용된 재생 촉매의 원하는 스트리핑을 위해 스트리핑 구역 내에 충분한 접촉 시간을 제공하도록 되어 있다. 따라서, 스트리핑 구역의 길이 대 직경 치수는 1:1 ∼ 25:1, 2:1 ∼ 15:1, 또는 3:1 ∼ 10:1 일 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 은 접촉 분해 시스템 (278) 의 작동 또는 제어에 독립적으로 작동 또는 제어된다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 의 이러한 독립적인 작동 또는 제어는 에틸렌, 프로필렌과 부틸렌과 같은 원하는 생성물로의 가솔린 탄화수소의 전반적인 전환을 향상시킬 수 있다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 의 독립적인 작동의 경우, 접촉 분해 유닛 (278) 의 엄격성 (severity) 이 감소되어 C2-C5 올레핀의 수득 (yield) 을 최적화할 수 있다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 의 온도는 482 ℃ (900 ℉) ∼ 약 871 ℃ (1600 ℉), 510 ℃ (950 ℉) ∼ 약 871 ℃ (1600 ℉), 또는 538 ℃ (1000 ℉) ∼ 약 732 ℃ (1350 ℉) 일 수 있다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 의 작동 압력은 대기압 ∼ 약 0.345 MPa (50 psig), 또는 약 0.034 ∼ 0.345 MPa (5 ∼ 50 psig) 일 수 있다.
제 2 접촉 분해 시스템 (284) 에 증기 (276') 를 추가하는 것은 제 2 접촉 분해 유닛의 작동 제어에 도움이 될 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 증기는 필요하지 않다. 몇몇의 실시형태에서, 처리 시스템에서 주어진 가솔린 탄화수소 전환을 위해 그리고 가솔린 탄화수소의 분해에서 증기의 사용은 다른 접촉 분해 과정에 비해 프로필렌 및 부틸렌 수득의 증가와 함께 C2-C5 올레핀 수득을 향한 개선된 선택성을 제공할 수 있다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 에 도입되는 증기 대 가솔린 탄화수소의 중량비는 약 15:1 이하, 0.1:1 ∼ 10:1, 0.2:1 ∼ 9:1, 또는 0.5:1 ∼ 8:1 일 수 있다.
원료 올레핀 스트림 (308) 은 올레핀 분리 시스템 (310) 으로 들어간다. 올레핀 분리 시스템 (310) 은 C2-C5 올레핀 생성물 스트림, 예컨대 에틸렌 생성물 스트림 (312), 프로필렌 생성물 스트림 (314), 및 부틸렌 생성물 스트림 (316) 내 로 원료 올레핀 스트림 (308) 을 회수 및 분리하기 위한 본 기술분야의 당업자에게 공지된 임의의 시스템일 수 있다. 올레핀 분리 시스템 (310) 은 흡수기와 스트리퍼, 분류기, 압축기와 분리기, 또는 유체 스트림 (308) 으로부터 C2-C5 올레핀 생성물의 회수와 분리를 제공하는 공지된 시스템 또는 장비의 임의의 조합과 같은 시스템을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 올레핀 스트림 (312, 315, 316) 은 탄화수소 스트림 (268) 을 생성하기 위해 알킬화 유닛 (266) 에 들어간다. 몇몇의 실시형태에서, 탄화수소 스트림 (268) 은 적어도 70, 적어도 80, 또는 적어도 90 의 옥탄가를 갖는다. 몇몇의 실시형태에서, 1 이상의 스트림 (312, 314, 316) 의 전부 또는 일부가 공급물로서 사용되기 위해 중합 유닛과 같은 다른 처리 유닛에 운송된다.
몇몇의 실시형태에서, 접촉 분해 시스템으로부터의 원료 생성물과 제 2 접촉 분해 시스템으로부터의 원료 올레핀 스트림이 조합될 수 있다. 조합 스트림은 단일 분리 유닛 (예컨대, 액체 분리 시스템 (298) 과 올레핀 분리 시스템 (310) 의 조합) 에 들어갈 수 있다.
도 3 에서, 사용된 접촉 분해 스트림 (280) 은 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 을 나와서 접촉 분해 시스템 (278) 에 들어간다. 사용된 접촉 분해 스트림 (280) 내 촉매는 재생 분해 촉매 스트림 (282) 내 촉매에 있는 탄소의 농도보다 약간 더 높은 농도의 탄소를 포함할 수 있다. 촉매에 있는 높은 농도의 탄소는 접촉 분해 시스템 (278) 로부터 올레핀의 수득 강화를 제공하는 접촉 분해 촉매를 부분적으로 비활성화시킬 수 있다. 사용된 재생 촉매의 코크스 함량은 적어도 0.1 중량% 또는 적어도 0.5 중량% 일 수 있다. 사용된 재생 촉매의 코크스 함량은 0.1 중량% ∼ 약 1 중량%, 또는 0.1 중량% ∼ 0.6 중량% 일 수 있다.
접촉 분해 시스템 (278) 및 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 에서 사용되는 접촉 분해 촉매는 본 기술분야에서 공지된 임의의 유동화가능한 (fluidizable) 분해 촉매일 수 있다. 유동화가능한 분해 촉매는 다공성의 무기 내화성 산화물 매트릭스 또는 바인더에 분산된 분해 활성을 갖는 분자체 (molecular sieve) 를 포함할 수 있다. "분자체"는 개별 치수에 기초하여 원자 또는 분자를 분리할 수 있는 임의의 재료를 가리킨다. 분해 촉매의 성분으로서 사용하기에 적합한 분자체는 주상 점토, 박리 (delaminated) 점토, 및 결정성 알루미노실리케이트를 포함한다. 몇몇의 실시형태에서, 분해 촉매는 결정성 알루미노실리케이트를 포함한다. 그러한 알루미노실리케이트의 예로는 Y 제올라이트, 고안정성 (ultrastable) Y 제올라이트, X 제올라이트, 제올라이트 베타, 제올라이트 L, 오프레타이트 (offretite), 모더나이트 (mordenite), 포우저사이트 (faujasite) 및 제올라이트 오메가가 포함된다. 몇몇의 실시형태에서, 분해 촉매용 결정성 알루미노실리케이트는 X 및/또는 Y 제올라이트이다. Breck 의 미국특허 제 3,130,007 호에는 Y형 제올라이트가 기재되어 있다.
제올라이트를 수소 이온, 암모늄 이온, 다원자가 금속 양이온 (희토류-함유 양이온, 마그네슘 양이온 또는 칼슘 양이온 등) 또는 수소 이온, 암모늄 이온과 다 원자가 금속 양이온의 조합으로 교환하여, Na2O 로서 계산하였을 때 약 0.8 중량% 미만, 바람직하게는 약 0.5 중량% 미만, 그리고 가장 바람직하게는 약 0.3 중량% 미만이 될 때까지 나트륨 함량을 낮춤으로써, 분해 촉매의 성분으로서 사용되는 제올라이트의 안정성 및/또는 산도 (acidity) 를 증가시킬 수 있다. 이온 교환을 행하는 방법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있다.
분해 촉매의 제올라이트 또는 다른 분자체 성분은 다공성의 무기 내화성 산화물 매트릭스 또는 바인더와 조합되어 사용 전에 최종 촉매를 형성한다. 최종 촉매 내 내화성 산화물 성분은 실리카-알루미나, 실리카, 알루미나, 천연 또는 합성 점토, 주상 또는 박리 점토, 이들 성분의 1종 이상으로 이루어진 혼합물 등일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 무기 내화성 산화물 매트릭스는 실리카-알루미나와 점토 (카올린, 헥토라이트, 세피오라이트, 및 애터펄자이트 (attapulgite) 등) 의 혼합물을 포함한다. 최종 촉매는 약 5 중량% ∼ 약 40 중량% 의 제올라이트 또는 다른 분자체 및 약 20 중량% 이상의 무기 내화성 산화물을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 최종 촉매는 약 10 ∼ 약 35 중량% 의 제올라이트 또는 다른 분자체, 약 10 ∼ 약 30 중량% 의 무기 내화성 산화물, 및 약 30 ∼ 약 70 중량% 점토를 포함할 수 있다.
분해 촉매의 결정성 알루미나실리케이트 또는 다른 분자체 성분은, 혼합, 멀링 (mulling), 블렌딩 또는 균질화를 포함하는 본 기술분야에서 공지된 임의의 적합한 기술에 의해 다공성의 무기 내화성 산화물 성분 또는 그의 선구체와 조합될 수 있다. 사용될 수 있는 선구체의 예로는 알루미나, 알루미나 졸, 실리카 졸, 지르코니아, 알루미나 하이드로겔, 알루미늄과 지르코늄의 폴리옥시양이온 (polyoxycation), 및 콜로이드화 (peptized) 알루미나가 있으며, 이에 국한되지 않는다. 몇몇의 실시형태에서, 제올라이트는 아미노-실리케이트 겔 또는 졸 또는 다른 무기 내화성 산화물 성분과 조합되고, 그 결과 혼합물은 분사 건조되어 일반적으로 직경이 약 40 ∼ 약 80 마이크론인 최종 촉매 입자를 생성한다. 몇몇의 실시형태에서, 제올라이트 또는 다른 분자체는 밀링되거나 또는 그렇지 않으면 내화성 산화물 성분 또는 그의 선구체와 혼합, 압출된 후, 원하는 입자 크기 범위 내로 연삭될 수 있다. 최종 촉매는 약 0.30 ∼ 약 0.90 g/㎤ 의 평균 부피 밀도 (bulk density) 및 약 0.10 ∼ 약 0.90 ㎤/g 의 공극 체적을 가질 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 의 중간 분해 반응기 내에 ZSM-5 첨가제가 도입될 수 있다. 중간 분해 반응기에서 선택된 분해 촉매와 함께 ZSM-5 첨가제가 사용되는 경우, 프로필렌과 부틸렌과 같은 저급 올레핀의 수득이 강화된다. ZSM-5 의 양은 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 에 도입되는 재생 촉매의 30 중량% 이하, 20 중량% 이하, 또는 18 중량% 이하이다. 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 에 도입되는 ZSM-5 첨가제의 양은 제 2 접촉 분해 시스템 (284) 에 도입되는 재생 분해 촉매의 1 ∼ 30 중량%, 3 ∼ 20 중량%, 또는 5 ∼ 18 중량% 일 수 있다.
ZSM-5 첨가제는 중간 공극 크기 결정성 알루미노실리케이트 또는 제올라이트의 일족 (family) 으로부터 선택된 분자체 첨가제이다. ZSM-5 첨가제로서 사용 될 수 있는 분자체는 "Atlas of Zeolite Structure Types" (Eds. W. H. Meier 와 D. H. Olson, Hutterworth-Heineman, 제3판, 1992년) 에 기재된 중간 공극 제올라이트를 포함하며, 이에 국한되지 않는다. 중간 공극 크기 제올라이트는 일반적으로 약 0.5 ㎚ ∼ 약 0.7 ㎚ 의 공극 크기를 갖고, 예컨대 MFI, MFS, MEL, MTW, EUO, MTT, HEU, FER, 및 TON 조직형 제올라이트 (IUPAC 제올라이트 위원회의 ㅁ며명명법) 를 포함한다. 그러한 중간 공극 크기 제올라이트의 비제한적인 예로는 ZSM-5, ZSM-12, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-34, ZSM-35, ZSM-38, ZSM-48, ZSM-50, 실리카라이트, 및 실리카라이트 2 가 있다. ZSM-5 가 Argauer 등의 미국특허 제 3,702,886 호 및 Graven 의 미국특허 제 3,770,614 호 (양자 모두 여기서 참조로 인용됨) 에 기재되어 있다.
ZSM-11 이 Chu 의 미국특허 제 3,709,979 호에, ZSM-12 가 Rosinski 등의 미국특허 제 3,832,449 호에, ZSM-21 및 ZSM-38 이 Bonacci 등의 미국특허 제 3,948,758 호에, ZSM-23 이 Plank 등의 미국특허 제 4,076,842 호에, 그리고 ZSM-35 가 Plank 등의 미국특허 제 4,016,245 호에 (이들 모두는 여기서 참조로 인용됨) 기재되어 있다. 다른 적당한 분자체로는, Lok 등의 미국특허 제 4,440,871 호에 기재되어 있는 SAPO-4 및 SAPO-11 와 같은 실리코알루미노포스페이트 (SAPO); 크롬 실리케이트; 갈륨 실리케이트, 철 실리케이트; Wilson 등의 미국특허 제 4,310,440 호에 기재된 ALPO-11 과 같은 알루미늄 포스페이트 (ALPO); Pellet 등의 미국특허 제 4,686,029 호에 기재된 TASO-45 와 같은 티타늄 알루미노실리케이트 (TASO); Frenken 등의 미국특허 제 4,254,297 호에 기재된 보론 실리케이트; Lok 등의 미국특허 제 4,500,651 호에 기재된 TAPO-11 과 같은 티타늄 알루미노포스페이트 (TAPO); 및 철 알루미노실리케이트 (이들 모두는 여기서 참조로 인용됨) 가 있다.
Chester 등의 미국특허 제 4,368,114 호 (여기서 참조로 인용됨) 에는, 적절한 ZSM-5 첨가제가 될 수 있는 제올라이트 종류가 상세히 기재되어 있다. ZSM-5 첨가제는 종래 방법에 따라 촉매 비활성 무기 산화물 매트릭스 성분과 함께 유지될 수 있다.
몇몇의 실시형태에서, 도 2 및 도 3 에 나타낸 유닛으로부터 생성되는 잔부가 에너지원으로서 사용될 수 있다. 잔부는 가스화되어, 연소되는 (예컨대, 터빈 내에서 연소되는) 가스를 생성하고/하거나 지하 지층에 주입 (예컨대, 생성된 이산화탄소의 지하 지층에의 주입) 될 수 있다. 특정 실시형태에서, 잔부는 탈아스팔트 처리 (de-asphalte) 되어 아스팔트를 생성한다. 아스팔트는 가스화될 수 있다.
예
현장 열처리된 액체 스트림의 여과 및 현장 열처리된 액체 스트림으로부터의 올레핀의 생성에 대한 비제한적인 예를 이하에서 설명한다.
예 1. 현장 열처리 과정 액체 스트림의 나노여과. 현장 열처리 과정에서 액체 샘플 (500 ㎖, 398.68 g) 을 얻었다. 액체 샘플은 액체 샘플 1g 당 0.0069 g 의 황과 0.0118 g 의 질소를 포함하였다. 액체 샘플의 최종 끓는점은 481 ℃ 이었고, 액체 샘플의 밀도는 0.8474 이었다. 샘플을 여과하기 위해 사 용된 멤브레인 분리 유닛은 CM Celfa Membrantechnik A.G. (스위스) 로부터 구한 실험실용 편평한 시트 멤브레인 설치 유형 P28 이었다. 여과 매체로서, 단일 2 마이크론 두께 폴리 디-메틸 실록산 멤브레인 (GKSS Forschungszentrum GmbH, Geesthact, 독일) 을 사용하였다. 여과 시스템을 50 ℃ 에서 작동시켰고, 멤브레인을 경계로 한 압력차는 10 bar 이었다. 투과측에서의 압력은 거의 대기압이었다. 투과물을 수집한 후 여과 시스템을 통해 재순화시켜 연속 과정을 모방하였다. 투과물을 질소로 블랭킷 처리하여, 주위 공기와의 접촉을 방지하였다. 또한, 분석을 위해 투과물을 수집하였다. 2 ㎏/㎡/bar/hr 의 평균 플럭스는 여과 동안 초기 플럭스로부터 측정가능할 정도로 감소하지 않았다. 여과된 액체 (298.15 g, 74.7 % 회수) 는 여과된 액체 1g 당 0.007 g 의 황과 0.0124 g 의 질소를 포함하였고, 여과된 액체는 0.8459 의 밀도와 486 ℃ 의 최종 끓는점을 가졌다. 농축물 (56.46 g, 14.16 % 회수) 은 농축물 1g 당 0.0076 g 의 황과 0.0158 g 의 질소를 포함하였고, 농축물은 0.8714 의 밀도와 543 ℃ 의 최종 끓는점을 가졌다.
예 2. 여과된 그리고 여과되지 않은 현장 열처리 과정 액체 스트림의 오염 시험. 예 1 로부터 여과되지 않은 그리고 여과된 액체 샘플을 오염 거동에 대해 시험하였다. Alcor 열적 오염 시험기를 이용하여 오염 거동을 결정하였다. Alcor 열적 오염 시험기는 사용 전에 Norton R222 사포로 문지른 1018 강으로 이루어진 소형 쉘 앤드 튜브 (shell and tube) 열교환기이다. 시험 동안, 열교 환기 온도 (Tc) 를일정한 값으로 유지하면서 샘플 출구 온도 (Tout) 를 관찰한다. 오염이 발생하고 재료가 튜브 표면에 쌓이면, 샘플의 열 저항이 증가하고 결과적으로 출구 온도가 감소한다. 주어진 시간 경과 후 출구 온도의 감소가 오염 정도의 척도이다. 2 시간의 작동 후 온도 감소가 오염 정도의 척도로서 사용된다. ΔT = Tout (0) - Tout (2h). Tout (0) 은 시험 시작시 얻어지는 최대 (안정적) 출구 온도로서 정의되고, 출구 온도의 제 1 현저한 감소 후 2 시간 또는 출구 온도가 적어도 2 시간 동안 안정적으로 된 때 Tout (2h) 이 기록된다.
각각의 시험 동안, 액체 샘플은 약 3 ㎖/min 로 열교환기를 통해 연속적으로 순환되었다. 열교환기 내 체류 시간은 약 10 초이었다. 작동 조건은 다음과 같다: 압력은 40 bar, Tsample 은 약 50 ℃, Tc 는 350 ℃, 그리고 시험 시간은 4.41 시간이었다. 여과되지 않은 액체 스트림 샘플의 경우 ΔT 은 15 ℃ 이었다. 여과된 액체 스트림 샘플의 경우 ΔT 은 0 이었다.
이 예는 현장 열처리 과정으로부터 생성된 액체 스트림의 나노여과가 적어도 막히게 하는 조성물의 일부를 제거함을 보여준다.
예 3. 현장 열처리 과정 액체 스트림으로부터 올레핀의 생성. 실험을 행하기 위해 실험용 파일럿 시스템 (pilot system) 을 사용하였다. 파일럿 시스템은 공급물 공급 시스템, 촉매 적재 및 운송 시스템, 고속 유동화된 상승관 반응기 (fast fluidized riser reactor), 스트리퍼, 생성물 분리 및 수집 시스템, 및 재생기를 포함하였다. 상승관 반응기는 내경이 11 ㎜ ∼ 19 ㎜ 이고 길이가 약 3.2 m 인 단열 상승관이었다. 상승관 반응기 출구는 상승관 반응기 출구와 동일한 온도에서 본질적으로 100 % 스트리핑 효율을 제공하는 방식으로 작동되는 스트리퍼와 유체 소통하고 있었다. 재생기는 소비된 촉매를 재생하기 위해 사용되는 다단 연속 재생기였다. 소비된 촉매는 제어된 속도로 재생기에 공급되었고, 재생된 촉매는 용기에 수집되었다. 30 분 간격으로 매 실험 작업 (run) 동안 재료 균형이 이루어졌다. 온라인 가스 크로마토그래프를 사용하여 복합재 가스 샘플을 분석하였고 액체 생성물 샘플을 밤새 수집 및 분석하였다. 유닛이 정상 상태로 작동되는 때 각각의 작업 (run) 에서 취한 소비된 그리고 재생된 촉매 샘플에서의 코크스를 측정하여 결정되는 것처럼, 촉매 유동을 측정하고 촉매에서의 델타 코크스를 측정함으로써 코크스 수득을 측정하였다.
현장 열처리 과정으로부터 생성된 액체 스트림을 분류하여, 310 ℃ ∼ 640 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 진공 가스 오일 (VGO) 스트림을 얻었다. VGO 스트림은 위에서 기술한 촉매 시스템에서 10 % ZSM-5 첨가제를 포함하는 유동화 접촉 분해기 E-Cat 와 접촉되었다. 상승관 반응기 온도는 593 ℃ (1100 ℉) 로 유지되었다. 생성된 생성물은, 생성물 1g 당, C3 올레핀 0.1402 g, C4 올레핀 0.137 g, C5 올레핀 0.0897 g, 이소-C5 올레핀 0.0152 g, 이소부틸렌 0.0505 g, 에탄 0.0159 g, 이소부탄 0.0249 g, n-부탄 0.0089 g, 펜탄 0.0043 g, 이소-펜탄 0.0209 g, C6 탄화수소와 232 ℃ (450 ℉) 이하의 비등점을 갖는 탄화수소의 혼합물 0.2728 g, 232 ℃ ∼ 343 ℃ (450 ℉ ∼ 650 ℉) 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소 0.0881 g, 343 ℃ ∼ 399 ℃ (650 ℉ ∼ 750 ℉) 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소 0.0769 g, 및 적어도 399 ℃ (750 ℉) 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소 0.0386 g 과 코크스 0.0323 g 을 포함하였다.
이 예는, 지층 유체로부터 액체 스트림의 분리로부터 생성된 액체 스트림을 분류하여, 343 ℃ 이상의 비등점을 갖는 원료 생성물을 생성하고, 343 ℃ 이상의 비등점을 갖는 원료 생성물을 접촉 분해하여, 1 이상의 부가적인 원료 생성물을 생성하는, 원료 생성물의 생성 방법을 보여주는데, 여기서 부가적인 원료 생성물 중 적어도 1종이 제 2 가스 스트림이다.
예 4. 현장 열처리 과정으로부터 생성된 액체 스트림으로부터 올레핀의 생성. 30 ℃ ∼ 182 ℃ 의 비등 범위 분포를 갖는 현장 열처리 과정으로부터 생성된 액체 스트림을 모방하기 위해 열분해된 나프타를 사용하였다. 나프타는, 나프타 1g 당, 나프텐 0.186 g, 이소파라핀 0.238 g, n-파라핀 0.328 g, 시클로-올레핀 0.029 g, 이소-올레핀 0.046 g, n-올레핀 0.064 g 및 방향족 0.109 g 을 포함하였다. 나프타 스트림은 원료 생성물을 생성하기 위해 위에서 기술한 접촉 분해 시스템에서 10 % ZSM-5 첨가제를 갖는 FCC E-Cat 과 접촉되었다. 상승관 반응기 온도는 593 ℃ (1100 ℉) 로 유지되었다. 원료 생성물은, 원료 생성물 1g 당, 에틸렌 0.1308 g, 에탄 0.0139 g, C4 올레핀 0.0966 g, C4-이소 올레핀 0.0343 g, 부탄 0.0175 g, 이소부탄 0.0299 g, C5 올레핀 0.0525 g, C5-이소 올레핀 0.0309 g, 펜탄 0.0442 g, 이소-펜탄 0.0384 g, C6 탄화수소와 232 ℃ (450 ℉) 이하의 비 등점을 갖는 탄화수소의 혼합물 0.4943 g, 232 ℃ ∼ 343 ℃ (450 ℉ ∼ 650 ℉) 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소 0.0201 g, 343 ℃ ∼ 399 ℃ (650 ℉ ∼ 750 ℉) 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소 0.0029 g, 및 적어도 399 ℃ (750 ℉) 의 비등 범위 분포를 갖는 탄화수소 0.00128 g 과 코크스 0.00128 g 을 포함하였다. C3-C5 올레핀의 총량은 나프타 1g 당 0.2799 g 이었다.
이 예는, 지층 유체로부터 액체 스트림의 분리로부터 생성된 액체 스트림을 분류하여, 343 ℃ 이상의 비등점을 갖는 원료 생성물을 생성하고, 343 ℃ 이상의 비등점을 갖는 원료 생성물을 접촉 분해하여, 1 이상의 부가적인 원료 생성물을 생성하는, 원료 생성물의 생성 방법을 보여주는데, 여기서 부가적인 원료 생성물 중 적어도 1종이 제 2 가스 스트림이다.
Claims (20)
- 지하 현장 열처리 과정으로부터 지층 유체를 생성하는 단계;지층 유체를 분리하여, 액체 스트림 및 가스 스트림을 생성하는 단계;액체 스트림의 적어도 일부를 여과 시스템의 멤브레인의 공급측에 제공하여, 막히게 하는 조성물을 포함하는 농축물 및 투과물을 생성하는 단계; 및나노여과 시스템의 하류에 있는 1 이상의 처리 유닛에서 투과물을 처리하여 1종 이상의 원료 생성물을 형성하는 단계를 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 나노여과 시스템은 스키드 (skid) 설치되어 있는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 멤브레인은 나노여과형 멤브레인 또는 1 이상의 역삼투압형 멤브레인인, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 세라믹 멤브레인인, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 조밀한 멤 브레인으로 이루어진 상부층 및 다공성 멤브레인으로 이루어진 지지층을 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 조밀한 멤브레인은 폴리실록산을 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 나선형으로 감긴 모듈 내에 배치되어 있는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 폴리실록산을 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 스트림은 10 중량% 이하의 물, 5 중량% 이하의 물, 1 중량% 이하의 물, 또는 0.1 중량% 이하의 물을 갖는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 스트림은 여과 시스템의 멤브레인의 공급측의 세척 없이 적어도 10 시간, 하루, 또는 적어도 1주일 동안 멤브레인에 연속적으로 제공되는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 투과물의 최종 끓는점이 액체 스트림의 최종 끓는점보다 낮고, 끓는점은 ASTM 법 D5307 에 의해 결정되는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 처리 유닛 중 적어도 하나가 수소처리 유닛을 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 처리 유닛 중 적어도 하나가 선택적 수소첨가 유닛을 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,처리 유닛 중 적어도 하나가 수소처리 유닛을 포함하고,수소의 존재 하에서 투과물을 1 이상의 촉매와 접촉시켜 운송 및/또는 정제 용도에 적합한 생성물을 생성하는 단계를 더 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 현장 열처리 과정은 1 이상의 열원으로 탄화수소 함유 지층을 가열하는 것을 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 지층 유체는 가동화 유체, 비스브레이킹 (visbreaking) 된 유체, 열분해 유체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 농축물의 적어도 일부를 지연 코킹 (delayed coking) 유닛 및/또는 가스화 유닛에 제공하는 단계를 더 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 1종 이상의 원료 생성물을 다른 성분과 혼합하여 가솔린을 생성하는 단계를 더 포함하는, 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 1종 이상의 원료 생성물의 생성 방법에 의해 생성된 1종 이상의 원료 생성물을 이용하는 단계를 포함하는, 수송용 연료의 생성 방법.
- 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 생성된 1종 이상의 원료 생성물을 포함하는 수송용 연료.
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| KR101348117B1 (ko) * | 2005-10-24 | 2014-01-07 | 쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이. | 원료 생성물을 분해하여 부가적인 원료 생성물을 생성하는방법 |
| KR102618021B1 (ko) * | 2023-06-12 | 2023-12-27 | 주식회사 에이치엔티 | 수막이 형성된 하이드로사이클론 타입의 디센더 |
| KR102618017B1 (ko) * | 2023-06-12 | 2023-12-27 | 주식회사 에이치엔티 | 고체분리 시스템 |
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