KR20080080302A - 폐 ｆｃｃ 촉매를 재생하는 방법 및 장치 - Google Patents

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데이비드 존 브로스텐
벤자민 칼 버시
예몬 천
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

재생기의 하단부에서 통상의 희박상 촉매 구역 아래에 위치 및 형성되는 농후상 촉매 구역의 상이한 영역, 즉 고속 중심 영역 및 저속 환상 영역에 상이한 유동화 가스 스트림을 도입시킴으로써, 수직 격벽없이 재생기내에서 폐 FCC 촉매를 재생하는 개선된 재생 방법 및 시스템이 기재되어 있다.
재생기, FCC 촉매

Description

폐 ＦＣＣ 촉매를 재생하는 방법 및 장치 {A PROCESS AND APPARATUS FOR THE REGENERATION OF SPENT FCC CATALYST}
본 발명은 유동 접촉 분해 (FCC) 공정시 폐 촉매를 재생하는 개선된 방법 및 장치 또는 시스템에 관한 것이다.
유동 접촉 분해 (FCC) 공정은 중질 원유 증류물 등의 중질 탄화수소 공급물을 가솔린 및 중간 증류물 등의 저분자량 탄화수소 생성물로 변환시키는데 사용되는 공정으로 알려져 있다. FCC 공정 시스템은 통상적으로 라이저 (riser) 반응기, 스트리퍼 (stripper) 및 재생기를 포함한다. 라이저 반응기안으로 중질 탄화수소 공급물이 도입되고, 이 공급물은 재생기로부터의 고온 접촉 분해 촉매 입자와 접촉하게 된다. 중질 탄화수소 공급물과 접촉 분해 촉매 입자의 혼합물은 라이저 반응기를 통과하여, 분해 생성물이 라이저 단부에서 폐 촉매로부터 분리된다. 분리된 분해 생성물은 하류 분류 시스템으로 가게 되고, 폐 촉매는 스트립핑부를 통과한 후, 분해 반응시 폐 촉매상에 증착되는 코크스가 연소되는 재생기로 가게 되며, 산소 함유 가스와의 반응을 통하여 폐 촉매를 재생하게 된다. 그 결과로 재생된 촉매는 전술한 고온 접촉 분해 촉매 입자로서 사용되고 또한 라이저 반응기안으로 도입되는 중질 탄화수소 공급물과 혼합된다.
미국특허공개공보 제 2003/0143126 호에는 FCC 공정에서 폐 FCC 촉매를 재생하기에 적합한 재생기 용기가 기재되어 있다. 단일 재생기 용기내에는, 재생기의 하단부에 있는 유동층 구역을 저밀도의 외부 고속 유동층 구역 및 고밀도의 내부 밀집 유동층 구역으로 나누는 수직 격벽이 형성되어 있다. 이 격벽내에는 촉매가 일 구역에서 다른 구역으로 유동하도록 해주는 개구가 형성된다. 재생기가 작동하면, 폐 촉매는 내부 밀집 유동층 구역안으로 도입되고, 재생된 촉매는 외부 고속 유동층 구역에서부터 나온다. 통상적으로, 외부 고속 유동층 구역에 있는 유동층의 높이는 내부 밀집 유동층 구역의 높이보다 높다.
미국특허 제 5,198,397 호에는 하부와 상부를 구비한 단일 재생기 용기내에서 FCC 촉매의 다단 유동층 재생을 위한 방법 및 장치가 기재되어 있는데, 상기 하부는, 공통의 희박상 (dilute phase) 영역 아래에 배치되고 유사한 유동층 상태로 되어 있는 2 개의 분리된 농후상 (dense phase) 유동층을 제공하기 위해 수직 격벽을 사용한다. 폐 촉매는 중심 영역의 제 1 단 재생기로 도입되어 수직 격벽내의 오버플로우 윈도우를 통하여 재생된 촉매가 나오는 외부 영역에서 제 2 단 재생기안으로 오버플로우된다. 또한, 재생된 촉매는 외부 영역에서부터 나와서 수직관을 통과하여 제 1 단 재생시 폐 촉매의 재생 반응을 초기화하기 위해 재생기의 중심 영역안으로 도입되기 전에 폐 촉매 수집 영역안으로 배출된다.
독일특허 제 769,818 호에는, 재생기 용기의 바닥내에 스트리핑 공간 및 재생 공간을 제공하고 중심에 형성되는 격벽을 구비한 재생기 용기를 포함하는 접촉 분해 유닛이 기재되어 있다. 촉매는 스트리핑 공간으로부터 격벽 바닥의 개구 를 통하여 주변 재생 공간안으로 유동한다.
본 발명의 일 목적은 FCC 공정에서 수직 배플링 또는 분리 구조 부재를 사용하지 않고서 재생기 용기의 개구부내에서 폐 접촉 분해 촉매를 재생하기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
따라서, 하단부 및 상단부를 구비하는 반응 용기를 사용하여 폐 FCC 촉매를 재생하기 위한 방법으로서,
상기 반응 용기내에서 상단부에 위치한 희박상 촉매 구역 아래의 하단부에 위치하고 접촉 분해 촉매 입자를 포함하는 농후상 촉매 구역을 형성하는 단계,
상기 농후상 촉매 구역내에 고속 중심 영역 및 저속 환상 영역을 형성하는 단계로서, 산소를 함유하는 표면 고속 유동화 가스 스트림을 상기 농후상 촉매 구역의 고속 중심 영역안으로 도입시키고 또한 산소를 함유하는 표면 저속 유동화 가스 스트림을 상기 농후상 촉매 구역의 저속 환상 영역안으로 도입시킴으로써 형성하는 단계,
폐 접촉 분해 촉매를 상기 농후상 촉매 구역내의 고속 중심 영역안으로 도입시키는 단계,
재생된 접촉 분해 촉매를 상기 농후상 촉매 구역내의 저속 환상 영역으로부터 제거하는 단계, 및
상기 재생기 용기의 상단부내로부터 연도 가스를 제거하는 단계를 포함한다.
도 1 은 본원의 재생 방법 및 장치의 일실시형태를 도시한 개략도, 및
도 2 는 도 1 에 도시된 도면에서 2-2 부분을 따른 단면도.
본 발명은 재생기 용기를 사용하는 것을 포함한다. 이 재생기 용기는 일반적으로 0.5 ~ 10 범위의 공칭 길이-직경비를 가진 원통형상이다. 재생기 용기는 수직 위치에 상단부와 하단부를 가지고, 이 재생기 용기의 벽은 농후상 촉매 구역 및 희박상 촉매 구역을 포함하거나 한정하는 개방 공간 또는 구역을 한정한다. 농후상 촉매 구역은, 재생기 용기의 하단부에 위치하고, 또한 농후상 촉매층 및 농후상 촉매 구역 위의 재생기 용기의 상단부에 위치하는 희박상 촉매 구역의 희박 촉매상과의 사이에서, 상면을 가진 농후상 촉매층 또는 천이 경계부에 의해 한정되거나 또는 그에 상당할 수 있다.
희박상 촉매 구역은, 농후상 촉매 구역내에서 폐 FCC 촉매상의 코크스 증착물의 연소로 인한 재생 방출 가스 및 농후상 촉매 구역으로부터 혼입된 FCC 촉매 입자와의 혼합물을 포함하는 희박 촉매상을 포함한다. 이 희박 촉매상은, 혼입된 FCC 촉매 입자와 재생 방출 가스를 분리하고 또한 분리된 촉매 입자를 하단부에 있는 농후상 촉매 구역으로 복귀시키기 위해서, 희박상 촉매 구역에서부터 분리 수단 (사이클론이나 일련의 여러 개의 사이클론 또는 어떠한 다른 원심 분리 장치 등) 을 통과하게 된다. 희박 촉매상은 이 희박 촉매상의 평균 밀도가 통상적으로 8 kg/㎥ (0.5 lb/ft3) ~ 160 kg/㎥ (10 lb/ft3) 범위인 낮은 촉매 밀도를 가진다 는 점에서 희박하다.
농후상 촉매 구역은, 폐 촉매, 재생된 촉매, 부분적으로 재생된 촉매, 산소 함유 가스, 및 농후상 촉매 구역내에서 폐 FCC 촉매상의 코크스 증착물의 연소로 인한 재생 방출 가스와의 혼합물을 포함하는 밀집 촉매상을 포함한다. 밀집 촉매상은 이 밀집 촉매상의 평균 밀도가 160 kg/㎥ (10 lb/ft3) ~ 900 kg/㎥ (56 lb/ft3), 바람직하게는 240 kg/㎥ (15 lb/ft3) ~ 800 kg/㎥ (50 lb/ft3) 범위인 높은 촉매 밀도를 가진다는 점에서 농후하다.
본원의 중요한 일양태는 재생 시스템의 작동시 수직 격벽 또는 배플 등의 구조 부재를 사용하지 않고서 농후상 촉매 구역에 1 이상의 유동화 영역이 형성된다는 것이다. 농후상 촉매 구역은 개방되어 있고 이 농후상 촉매 구역을 1 이상의 유동화 영역으로 분리하기 위한 수직 분리 수단, 배플 수단 또는 다른 유사한 유형의 구조 부재가 없다. 하지만, 그럼에도 불구하고, 본 발명은, 개별 유동화 영역을 분리시키는 수직 구조 부재없이, 다중 유동화 영역을 형성하도록 다중 유동화 가스 스트림을 농후상 촉매 구역의 상이한 위치로 제어 및 배향된 방식으로 도입시킴으로써, 농후상 촉매 구역내에 2 이상의 개별 유동화 영역을 형성하도록 한다.
본 발명의 일실시형태에 있어서, 도 1 에 도시된 바와 같이, 표면 고속 유동화 가스 스트림을 농후상 촉매 구역의 중앙부안으로 제어 및 배향된 방식으로 도입시키고 또한 표면 저속 유동화 가스 스트림을 농후상 촉매 구역의 환상부안으로 제 어 및 배향된 방식으로 도입시킴으로써, 농후상 촉매 구역내에 고속 중심 영역과 저속 환상 영역이 형성된다. 유동화 가스 스트림 (즉, 표면 고속 유동화 가스 스트림 및 표면 저속 유동화 가스 스트림) 각각은, 농후상 촉매 구역의 중심부에 고속 중심 영역의 유동화 영역을 형성하고 또한 농후상 촉매 구역의 환상부에 저속 환상 영역의 유동화 영역을 형성하도록 제어, 조절 또는 고정된다.
초기에 설명된 바와 같이, 농후상 촉매 구역의 중심부와 환상부안으로 유동화 가스 스트림이 도입되는 위치, 방법 및 수단은 고속 중심 영역 및 저속 환상 영역의 개별 유동화 조건을 형성하기 위해 제공된다는 점에서 본원의 중요한 양태이다.
이 표면 고속 유동화 가스 스트림은, 유동화 가스를 높은 표면 속도로 구역안으로 통과시키기 위한 고속 가스 도입 수단에 의해 농후상 촉매 구역의 중심부안으로 도입된다. 이러한 고속 가스 도입 수단은, 제어 및 배향된 가스 스트림 유동을 재생기 용기 벽의 바닥에 근접한 농후상 촉매 구역의 중심부안으로 제공하는 어떠한 적합한 수단일 수 있다. 이러한 수단의 예로서는, 유체 유동을 배향시키는 도관, 유체 분배 그리드를 포함하는데, 이는 예를 들어 측방향 도관이 연장되어 있는 파이프, 노즐을 갖춘 파이프, 매니폴드 시스템, 및 유체 분배 링을 포함한다. 바람직한 고속 가스 도입 수단은, 하나 또는 다중 유동화 가스 링을 포함하는데, 이는 노즐이나 구멍이 형성된 도관이나 파이프를 포함하며 농후상 촉매 구역의 중심부내의 영역을 둘러싸며, 이 영역은 표면 고속 유동화 가스 스트림을 배향 도입시키기 위해 제공된다. 고속 중심 영역은 바닥 단부 및 상면 단부를 더 포함하고, 이 바닥 단부는 고속 가스 도입 수단 근방에 있고, 상면 단부는 농후상 촉매층 상면의 주변에 있다.
표면 저속 유동화 가스 스트림은, 유동화 가스를 낮은 표면 속도로 구역안으로 통과시키기 위한 저속 가스 도입 수단에 의해 농후상 촉매 구역의 환상부안으로 도입된다. 이러한 저속 가스 도입 수단은, 제어 및 배향된 가스 스트림 유동을 농후상 촉매 구역의 환상부안으로 제공하는 어떠한 적합한 수단일 수 있다. 고속 가스 도입 수단과 함께 저속 가스 도입 수단은 유체 유동을 배향시키는 도관, 유체 분배 그리드를 포함하는데, 이는 예를 들어 측방향 도관이 연장되어 있는 파이프, 노즐을 갖춘 파이프, 매니폴드 시스템, 및 유체 분배 링을 포함하는 수단으로부터 선택될 수 있다. 바람직한 고속 가스 도입 수단은 하나 또는 다중 유동화 가스 링을 포함하는데, 이는 노즐이나 구멍이 형성된 도관이나 파이프를 포함하며 재생기 용기 벽의 바닥에 근접한 농후상 촉매 구역의 환상부내의 영역을 둘러싸며, 이 영역은 표면 고속 유동화 가스 스트림을 배향 도입시키기 위해 제공된다. 저속 환상 영역은 바닥 단부 및 상면 단부를 더 포함하고, 이 바닥 단부는 저속 가스 도입 수단 근방에 있고, 상면 단부는 농후상 촉매층 상면의 주변에 있다.
표면 고속 유동화 가스 스트림이 농후상 촉매 구역의 중심부안으로 도입되는 비는 2 ft/s ~ 20 ft/s, 보다 바람직하게는 3 ft/s ~ 10 ft/s 범위의 표면 고속 가스 속도를 가지도록 되고, 표면 저속 유동화 가스 스트림이 농후상 촉매 구역의 환상부안으로 도입되는 비는 0.1 ft/s ~ 3 ft/s, 보다 바람직하게는 0.3 ft/s ~ 2 ft/s 범위의 표면 저속 가스 속도를 가지도록 된다. 본원에 사용한 용어에 있 어서, 표면 가스 속도는, 공정 조건 (즉, 재생기의 밀집층 온도 및 국부 정수압) 에서 유동화 가스 스트림의 체적 유량을 유동화 가스 스트림이 도입되는 특정 유동화 영역 (즉, 중심 영역 또는 환상 영역) 의 단면적으로 나눈 것을 말한다. 유동화 가스 스트림은 공기 또는 산소 농후 공기 등의 산소 함유 스트림인 것이 바람직하다.
농후상 촉매 구역은 하단부에서 재생기 용기의 단면적으로 한정되는 단면적을 가진다. 농후상 촉매 구역은 고속 중심 영역 및 저속 환상 영역 둘 다를 포함하고, 이 영역 각각은 촉매 입자의 특징 속도 (비율과 방향) 와 농후상 촉매층의 특정 영역을 통과하는 유동화 가스의 특징 속도 (비율과 방향) 에 의해 한정된다. 고속 중심 영역에서, 촉매 입자의 벌크 유동은 일반적으로 상방으로 유동화 가스 유동과 동일한 방향이다. 이것이 의미하는 것은, 상방으로의 유동은 중력 반대 방향으로의 유동이라는 것이다. 저속 환상 영역에서, 촉매 입자의 벌크 유동은 일반적으로 하방으로 유동화 가스 유동의 반대 방향이다. 즉, 하방으로의 유동은 중력과 동일한 방향으로의 유동이라는 것이다.
농후상 촉매층의 고속 중심 영역과 저속 환상 영역 사이의 경계부는, 다양한 유동화 수단의 형상과 배치, 표면 고속 유동화 가스 스트림의 속도 및 표면 저속 유동화 가스 스트림의 속도에 의해 설정된다. 본원의 바람직한 실시형태에 있어서, 유동화 가스 스트림은 1 개 이상의 링 형태로 되어 있는 다중 유동화 가스 도관을 사용하여 중심부 및 환상부안으로 각각 도입되고, 이 도관은 유동화 가스 스트림을 농후상 촉매 구역의 각부안으로 도입 및 주입하기 위한 수단을 형성한다. 2 개의 유동화 영역을 한정하는 경계부는, 표면 고속 유동화 가스 스트림을 고속 중심 영역으로 도입시키는 가스 분배 링과, 표면 저속 유동화 가스 스트림을 저속 환상 영역으로 도입시키는 가스 분배 링과의 사이의 대략 중간 지점에 위치된다.
고속 중심 영역 및 저속 환상 영역을 포함하는 농후상 촉매층은 유압 균형이 맞도록 자체적으로 조절한다. 시스템이 균형적이면, 고속 중심 영역과 저속 환상 영역에서의 가스-고형물의 상대 속도가 실질적으로 동일해지고, 농후상 촉매층의 밀도는 비교적 균일해진다. 다음의 표 1 에서는 이러한 현상을 설명하는 숫자가 제공된다.
본원의 공정의 농후상 촉매 구역의 2 개의 영역내에 있는 고형물 및 가스 유동의 일예
중심 영역의 속도 (ft/s) 환상 영역의 속도 (ft/s)
고형물 유동 +4.5 -1.5
가스 유동 +7.5 +1.5
고형물-가스의 상대 속도 (가스 유동이 고형물 유동보다 느림) +3 +3
상기 예에서, 농후상 촉매 구역의 단면적에 대한 고속 중심 영역의 단면적의 비는 대략 0.33 이다. 표 1 에서 도시된 정보로부터 알 수 있는 바와 같이, 농후상 촉매 구역을 형성하는 2 개의 영역에서 고형물-가스의 상대 속도는 동일하고, 2 개의 영역에서 농후상 촉매 구역의 밀도는 비교적 균일하다. 중심 영역에서의 고형물 유동은 양 (상방) 의 방향이고, 환상 영역에서의 고형물 유동은 음 (하방) 의 방향이다. 2 개의 영역에서의 가스 유동은 양 (상방) 의 방향이지만 그 비가 상이하다. 이 영역 각각에서의 고형물-가스의 상대 속도는 고형물의 속도에서 가스의 속도를 차감함으로써 정해진다. 2 개의 영역의 단면적은, 중심 영역에서 환상 영역으로 순환하는 촉매의 양과 환상 영역에서 중심 영역으로 순환하는 촉매의 양이 실질적으로 동일해지도록 되어 있다.
고속 중심 영역의 단면적 및 저속 환상 영역의 단면적의 상대 단면적은, 농후상 촉매층의 폐 FCC 촉매상에 증착되는 코크스의 적절한 연소 및 연도 가스내에서 NOx 연소 생성물을 감소시키는데 중요하다. 일반적으로, 농후상 촉매 구역의 단면적에 대한 고속 중심 영역의 단면적의 비는 0.05 ~ 0.5 범위이다. 바람직하게는, 상기 비는 0.1 ~ 0.4 이고, 가장 바람직하게는 0.2 ~ 0.35 이다. 농후상 촉매 구역의 단면적에 대한 저속 환상 영역의 단면적의 비는 0.5 ~ 0.95 이다. 바람직하게는, 상기 비는 0.6 ~ 0.9, 가장 바람직하게는 0.65 ~ 0.8 이다.
특정 유동화 영역내에서 소망하는 표면 속도를 달성하기 위해서, 유동화 가스 스트림의 체적 유량 및 도입 또는 주입 위치는, 이러한 유동화 영역을 구분 또는 한정하는 어떠한 경계부(들)를 가진 다중 유동화 영역을 형성하도록 제어된다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 고속 유동화 가스 스트림을 중심부안으로 도입시키는 하나의 가스 분배 링 및 저속 유동화 가스 스트림을 환상부안으로 도입시키기 위한 하나의 가스 분배 링을 사용하는 본원의 일실시형태에 있어서, 고속 중심 영역과 저속 환상 영역을 구분하는 경계부는 내부 링 위치와 외부 링 위치 사이의 중간 지점에 위치한다. 표면 고속 유동화 가스 스트림의 체적 유량은 표면 저속 유동화 가스 스트림의 체적 유량보다 많거나 적다. 하지만, 본원의 공정의 작동시, 고속 중심 영역안으로 도입되는 표면 고속 유동화 가스 스트림의 표면 속도는 저속 환상 영역안으로 도입되는 표면 저속 유동화 가스 스트림의 표면 속도보다 큼을 이해해야 한다.
하나는 고속 유동화 가스 스트림을 도입시키고 다른 하나는 저속 유동화 가스 스트림을 도입시키는 2 개의 가스 분배 링을 사용하는 본원의 실시형태에 있어서, 고속 중심 영역의 단면적은 도 2 에 도시된 바와 같이 내부 링 위치와 외부 링 위치 사이의 중간 지점에 의해 한정되거나 둘러싸이는 영역이다. 저속 환상 영역의 단면적은 농후상 촉매 구역의 단면적과 고속 중심 영역의 단면적간의 차이에 의해 결정되는 면적이다. 가스 분배 링이 2 개의 원으로 대략적으로 나타낼 수 있는 상황에서, 내부 링은 중심 반경 (Rc) 을 가지도록 나타내어질 수 있고, 외부 링은 환상 반경 (Ra) 을 가지도록 나타내어질 수 있으며, 농후상 촉매 구역은 용기 반경 (Rv) 으로 나타내어질 수 있다. 내부 링 및 외부 링 사이의 중간 지점은, 중심 반경 및 환상 반경의 합을 2 로 나눈 것 ((Ra+Rc)/2) 과 동일한 중간 지점의 반경 (Rm) 을 가진다. 중간 지점의 반경 및 농후상 촉매 구역의 반경을 알게 됨으로써, 고속 중심 영역의 단면적 (=πRm 2), 저속 환상 영역의 단면적 (=π(Rv 2-Rm 2)), 및 농후상 촉매 구역의 단면적 (=πRv 2) 이 각각 결정될 수 있다. 고속 중심 영역 및 저속 환상 영역의 상대 단면적에 대한 소망하는 범위는 전술한 바와 같다. 고속 중심 영역 및 저속 환상 영역 각각에 다중 가스 분배 링을 사용하는 본원의 실시형태에 있어서, 중심 반경 (Rc) 은 고속 유동화 가스 스트림을 도입시키기 위해서 가장 큰 공기 링의 반경이어야 하고, 환상 반경 (Ra) 은 저속 유동화 가스 스트림을 도입시키기 위해 가장 작은 공기 링의 반경이어야 한다.
하나의 분배 링의 주변이 다음으로 크기가 큰 다른 분배 링의 주변내에 위치되도록 재생기 용기내에 가스 분배 링을 배치함을 이해해야 한다. 가스 분배 링이 대략 원형의 형상을 가질 수 있는 경우에, 이 분배 링은 공통의 중심을 가지고 동심으로 위치되고, 그리하여, 각각의 분배 링은 이 분배 링을 오프셋시키면 상이한 중심을 가질 수 있거나 공통의 중심을 가질 수 있다. 또한, 가스 분배 링은 원형의 형상을 가질 필요는 없지만 타원형이나 달걀형 등의 기다란 형상 또는 심지어 사각형을 가질 수 있음을 이해해야 한다.
본원의 재생 시스템 및 방법은 또한 농후상 촉매 구역안으로 폐 FCC 촉매를 도입시키도록 제공되고, 폐 FCC 촉매상에 증착되는 코크스 또는 탄화수소를 연소하도록 이 폐 FCC 촉매는 연소 조건하에서 산소를 함유하는 유동화 가스 스트림과 접촉하게 된다. 폐 FCC 촉매를 농후상 촉매 구역안으로 도입시키기 위해서, 폐 촉매 라이저 또는 폐 촉매 수직관의 단부에 다양한 적절한 폐 촉매 도입 수단을 사용할 수 있다. 하지만, 본원의 바람직한 실시형태에 있어서, 폐 촉매를 농후상 촉매 구역의 고속 중심 영역안으로 도입시키기 위한 폐 촉매 도입 수단이 제공된다. 본원의 다른 바람직한 특징에 있어서, 폐 FCC 촉매는 촉매 도관 (전술한 바와 같이, 폐 FCC 촉매를 농후상 촉매 구역안으로 일반적으로 수평 방향으로 이송 및 도입시키기 위한 단부 분배 수단이 선택적으로 연결되는 폐 촉매 라이저 또는 폐 촉매 수직관) 에 의해 농후상 촉매 구역의 고속 중심 영역의 바닥 단부안으로 도입되고, 또한 저속 환상 영역에서 고속 중심 영역으로 순환하는 촉매와 혼합된다.
폐 촉매 라이저는, 일반적으로, 폐 FCC 촉매를 외측 고속 중심 영역, 특히 외측 재생기 용기로부터 이송하고 또한 폐 FCC 촉매를 고속 중심 영역안으로 도입시키기 위해 제공되는 도관이다. 폐 촉매 라이저에서, 폐 FCC 촉매의 유동은 중력에 대항하는 일반적으로 상방향이고, 이 폐 FCC 촉매는 통상적으로 상승 가스를 사용하여 이동 또는 이송된다. 다른 한편으로는, 상승 가스 대신에 중력 유동을 사용하여 폐 FCC 촉매를 고속 중심 영역안으로 이송 및 도입시키기 위해서 폐 촉매 수직관이 제공된다. 그리하여, 폐 촉매 수직관에서 폐 FCC 촉매는 외측 용기로부터 일반적으로 중력 하방으로 유동하여 고속 중심 영역안으로 도입된다. 폐 촉매 라이저는 폐 FCC 촉매를 재생하기 위해 전체 연소 공기량의 상당 부분을 제공해주는 상승 가스 공기비 (lift gas air rate) 로 작동될 수 있다. 폐 촉매 라이저에 의해 폐 FCC 촉매와 공기를 고속 중심 영역안으로 보내는 본원의 일실시형태에 있어서, 고속 중심 영역안으로 도입되는 전체 공기량은, 분배 링(들) 등에 의해 유동화 가스를 고속 중심 영역안으로 도입시키는 다른 수단 및 폐 촉매 라이저에 의해 도입되는 양의 합이다.
재생된 FCC 촉매는 1 이상의 재생된 촉매 제거 도관을 사용하여 농후상 촉매 구역의 저속 환상 영역으로부터 제거될 수 있고, 이 도관은 저속 환상 영역과 유체 연통하고 또한 농후상 촉매 구역의 저속 환상 영역으로부터 재생된 FCC 촉매를 제거하여 재생기 용기의 외측 위치로 이송하기 위한 재생된 촉매 제거 수단을 제공해준다. 또한, 재생기 용기의 상단부로부터의 재생 가스 또는 방출물을 재생기 용기의 외측 위치로 제거하기 위해서, 희박상 촉매 구역과 유체 연통하는 연도 가스 제거 도관이 제공된다.
도 1 의 개략도를 참조하여, 본원의 재생 시스템 (1) 및 공정의 일실시형태의 다양한 특징을 설명한다. 본원의 재생 시스템 (1) 은 상단부 (12) 와 하단부 (14) 를 가진 재생기 용기 (10) 를 포함한다. 재생기 용기 (10) 는 희박상 촉매 구역 (16) 과 농후상 촉매 구역 (18) 을 포함하는 개방 구역을 한정한다. 농후상 촉매 구역 (18) 은 재생기 용기 (10) 내에서 하단부 (14) 에 위치하고, 희박상 촉매 구역 (16) 은 농후상 촉매 구역 (18) 바로 위의 재생기 용기 (10) 의 상단부 (12) 에 위치한다.
설명을 위해, 농후상 촉매 구역 (18) 은 농후상 촉매층에 상응하고 본원의 설명에서 하나의 동일한 것으로 취급되며, 희박상 촉매 구역 (16) 은 희박 촉매상에 상응한다. 농후상 촉매 구역 (농후상 촉매층) (18) 은, 이 농후상 촉매 구역 (18) 과 희박상 촉매 구역 (16) 사이의 천이 경계부인 표면 (20) 을 가진다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 표면 (20) 은 분명하고 보다 정밀하게 한정된 경계부로서 도시되었고, 보다 자세하게는 이 표면은 농후상 촉매 구역 (18) 에서부터 희박상 촉매 구역 (16) 으로 천이하는 연속적인 경계부이다. 또한, 도 1 에 도시된 바와 같이, 표면 (20) 은 편평하게 도시되었지만, 보다 자세하게는 이 표면 (20) 은 농후상 촉매 구역 (18) 안으로 도입되는 유동화 가스 스트림의 표면 가스 속도 차이로 인해 완전히 편평하지는 않다.
농후상 촉매 구역 (18) 은 분명하게 상이한 유동 조건을 가짐으로써 서로 구별가능한 2 이상의 개별 유동화 영역을 포함한다. 도 1 에 도시된 농후상 촉매층 (18) 은 고속 중심 영역 (22) 및 저속 환상 영역 (24) 을 포함한다. 고속 중심 영역 (22) 은 농후상 촉매 구역 (18) 의 중심부 (26) 에 위치하고, 저속 환상 영역 (24) 은 농후상 촉매 구역 (18) 의 환상부 (28) 에 위치한다.
2 개의 유동화 영역을 분리 유지하기 위해서 수직 배플이나 격벽 등의 구조 부재를 사용하지 않고 고속 중심 영역 (22) 과 저속 환상 영역 (24) 을 농후상 촉매 구역 (18) 내에 형성하는 것은 본원의 중요한 양태이다. 대신에, 2 개의 유동화 영역은 1 이상의 유동화 가스 스트림을 농후상 촉매 구역 (18) 안으로 도입시킴으로써 농후상 촉매 구역 (18) 내에 형성되고, 1 이상의 유동화 가스 스트림 각각은 다중 유동화 영역의 형성하도록 배향 및 제어된다. 그리하여, 도관 (30) 을 통하여 재생기 용기 (10) 의 바닥 근방의 유동화 가스 분배 링 (32) 으로 가게 되는 표면 고속 유동화 가스 스트림이 농후상 촉매 구역 (18) 의 중심부 (26) 안으로 도입된다. 이 유동화 가스 분배 링 (32) 은 표면 고속 유동화 가스 스트림을 중심부 (26) 안으로 통과시키기 위한 고속 가스 도입 수단을 제공한다. 유동화 가스는 공기 또는 산소 농후 공기 등의 산소 함유 가스인 것이 바람직하다.
도관 (36) 을 통하여 재생기 용기 (10) 의 바닥 근방의 환상부 (28) 내에 위치한 유동화 가스 분배 링 (38) 으로 가게 되는 표면 저속 유동화 가스 스트림이 농후상 촉매 구역 (18) 의 환상부 (28) 안으로 도입된다. 유동화 가스 분배 링 (38) 은 표면 저속 유동화 가스 스트림을 환상부 (28) 안으로 통과시키기 위한 저속 도입 수단을 제공한다. 유동화 가스는 공기 또는 산소 농후 공기 등의 산소 함유 가스인 것이 바람직하다. 유동화 가스 분배 링 (32) 과 유동화 가스 분배 링 (38) 사이의 중간 지점은 중심부 (26) 와 환상부 (28) 의 수직 경계부 (39) 이다.
재생 시스템 (1) 의 작동시, 유동화 가스 스트림은 다중 유동화 영역의 형성을 유도하도록 상기 방법으로, 상기 위치에서 또한 상기 유량으로 중심부 (26) 와 환상부 (24) 안으로 도입된다. 표면 고속 유동화 가스 스트림은, 본원의 다른 데에 정의된 바와 같이, 2 ft/s ~ 20 ft/s, 보다 바람직하게는 3 ft/s ~ 10 ft/s 범위의 표면 고속 가스 속도를 제공하는 유량으로 중심부 (26) 안으로 도입되고, 표면 저속 유동화 가스 스트림은, 0.1 ft/s ~ 3 ft/s, 보다 바람직하게는 0.3 ft/s ~ 2 ft/s 범위의 표면 저속 가스 속도를 제공하는 유량으로 환상부 (28) 안으로 도입된다. 다양한 유동화 가스 스트림을 상이한 유동화 가스 유량으로 제어하여 도입하고 또한 유동화 가스 스트림을 소망하는 위치로 배향시켜 도입함으로써, 농후상 촉매 구역 (18) 내에서 FCC 촉매를 소망대로 순환시킨다.
FCC 촉매의 순환은 도 1 에서 농후상 촉매 구역 (18) 내의 FCC 촉매의 일반적인 배향 및 순환을 나타내는 진한 화살표 (40) 로 나타내었다. 진한 화살표 (40) 로 나타낸 바와 같이, 고속 중심 영역의 촉매 입자는 일반적으로 상방으로 이동하고, 저속 환상 영역의 촉매 입자는 일반적으로 하방으로 이동한다. 저속 환상 영역 (24) 의 바닥 단부 (42) 로부터의 촉매는 고속 중심 영역 (22) 안으로 유동하고, 고속 중심 영역 (22) 의 상면 단부 (44) 로부터의 촉매 대부분은 저속 환상 영역 (24) 안으로 유동하여, 농후상 촉매 구역 (18) 내에서 촉매 순환을 형성한다. 이러한 촉매 순환은 재생 시스템 (1) 의 중요한 작동 특징이고 또한 본원의 장점 중 일부이다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 고속 중심 영역 (22) 과 저속 환상 영역 (24) 사이의 수직 경계부 (39) 는 유동화 가스 분배 링 (32) 과 유동화 가스 분배 링 (38) 사이의 중간 지점에 위치한다.
도 2 는 도 1 에 도시된 도면에서 원통형 재생기 용기 (10) 의 2-2 부분을 따른 단면도이고 2 개의 유동화 가스 분배 링을 사용하여 다중 유동화 영역을 형성하는 본원의 일실시형태를 도시하였다. 도 2 에는 단면적을 둘러싸고 또한 농후상 촉매 구역 (18) 의 외부 경계부를 한정하는 용기 (10) 의 벽이 도시되어 있다. 단면적내에는 원형 형상이며 반경 (Rc) 을 가진 유동화 가스 분배 링 (32) 및 원형 형상이며 반경 (Ra) 을 가진 유동화 가스 분배 링 (38) 이 있다. 고속 중심 영역 (22) 은 유동화 가스 분배 링 (32) 위치와 유동화 가스 분배 링 (38) 위치 사이의 대략 중간 지점인 수직 경계부 (39) 에 의해 한정되는 영역이다. 고속 중심 영역 (22) 은 또한 수직 경계부 (39) 의 직경과 대략 같은 직경으로 도시될 수 있다. 저속 환상 영역 (24) 은 용기 (10) 의 벽에 의해 한정되는 전체 단면적과 수직 경계부 (39) 에 의해 한정되는 영역간의 차이에 의해 한정되는 환상 영역이다.
도관 (36) 에는 농후상 촉매 구역 (18) 의 환상부 (28) 로의 저속 유동화 가스 스트림의 유량을 제어하는 제어 수단을 제공하는 제어 밸브 (46) 가 개재된다. 도관 (30) 에는 농후상 촉매 구역 (18) 의 중심부 (26) 로의 고속 유동화 가스 스트림의 유량을 제어하는 제어 수단을 제공하는 제어 밸브 (48) 가 개재된다. 농후상 촉매 구역 (18) 안으로의 유동화 가스 스트림의 도입비를 제어하기 위한 제어 밸브 등의 제어 수단을 사용하는 것 이외에도, 유동화 가스 스트림의 분배를 더 제어하기 위해 유동화 가스 분배 링 (32), 유동화 가스 분배 링 (38), 및 당업자에게 알려진 어떠한 다른 가스 분배 수단이 제공될 수 있다.
폐 접촉 분해 촉매는 도관 (50) 을 통하여 고속 중심 영역 (22) 안으로 도입된다. 도 1 에는 라이저가 도시되었지만, 다른 방법으로 폐 촉매 도관 (50) 은 수직관 (도시하지 않음) 일 수 있다. 수직관은 중심부 (26) 와 재생기 용기 (10) 의 외측 위치 사이를 유체 연통시키는 도관이며, 이 도관은 폐 촉매의 중력방향 유동을 중심부 (26) 안으로 제공하도록 배열된다. 도관 (50) 의 단부에는 폐 접촉 분해 촉매를 고속 중심 영역 (22) 안으로 도입시키는 단부 분배 수단 (52) 이 선택적으로 연결된다. 본원의 바람직한 실시형태에 있어서, 폐 접촉 분해 촉매를 일반적으로 수평 방향으로 고속 중심 영역 (22) 의 바닥 단부안으로 배출하여 저속 환상 영역 (24) 의 바닥 단부 (42) 로부터 순환하는 촉매와 혼합시키기 위한 단부 분배 수단 (52) 이 제공된다.
농후상 촉매 구역 (18) 내에서 폐 FCC 촉매상에 증착된 코크스 또는 탄소를 연소시켜, 재생된 접촉 분해 촉매 및 재생 방출 가스를 형성한다. 이러한 재생된 접촉 분해 촉매는, 재생된 접촉 분해 촉매를 농후상 촉매 구역 (18) 의 환상부 (28) 로부터 제거하기 위한 재생된 촉매 제거 수단이 제공되는 도관 (54) 을 통하여 저속 환상 영역 (24) 으로부터 제거된다.
폐 FCC 촉매상에 증착된 코크스의 연소로 인한 재생 방출 가스는, 농후상 촉매 구역 (18) 으로부터 희박상 촉매 구역 (16) 안으로 가게 된다. 연도 가스는 재생기 용기 (10) 로부터 연도 가스를 제거하는 연도 가스 제거 수단이 제공되는 도관 (56) 을 통하여 재생기 용기 (10) 로부터 제거된다. 도관 (56) 은, 희박상 촉매의 혼입된 FCC 촉매 입자를 희박상 촉매 구역 (16) 으로부터 분리하고 또한 분리된 입자를 도관 (60) 을 통하여 농후상 촉매 구역 (18) 으로 복귀시키기 위해 제공되는 분리 수단 (사이클론이나 일련의 여러 개의 사이클론 또는 어떠한 다른 원심 분리 장치 등) 과 유체 연통하도록 선택적으로 연결된다.
본원의 일장점은, 제공된 촉매 순환 패턴으로, 종래 기술에서는 필요한 수직 배플 또는 격벽 등의 구조 부재를 사용하지 않고서, 고속 중심 영역 (22) 내의 폐 촉매 입구와 저속 환상 영역 (24) 내의 재생된 촉매 출구를 분리하여, 폐 촉매를 보다 완전히 재생시키는 공정을 제공한다는 것이다. 본원의 다른 장점은, 본원의 촉매 순환 패턴으로, 미국특허 제 5,198,397 호에 기재된 바와 같은 추가의 수직관을 통한 외부 재생 루프를 사용하지 않고서, 유입하는 폐 촉매와 혼합하여 촉매 재생 반응을 개시한다는 것이다. 또 다른 장점은, 촉매 순환 패턴으로 부분적으로 재생된 폐 촉매를 표면 (20) 근방으로 분배함으로써 폐 FCC 촉매 재생시 NOx 방출물을 감소시킨다는 것이다.

Claims (17)

  1. 하단부 및 상단부를 구비하는 재생기 용기를 사용하여 폐 FCC 촉매를 재생하는 방법으로서,
    상기 재생기 용기내에서 상단부에 위치한 희박상 촉매 구역 아래의 하단부에 위치되고 접촉 분해 촉매 입자를 포함하는 농후상 촉매 구역을 형성하는 단계,
    상기 농후상 촉매 구역내에 고속 중심 영역 및 저속 환상 영역을 형성하는 단계로서, 산소를 함유하는 표면 고속 유동화 가스 스트림을 상기 농후상 촉매 구역의 고속 중심 영역안으로 도입시키고 또한 산소를 함유하는 표면 저속 유동화 가스 스트림을 상기 농후상 촉매 구역의 저속 환상 영역안으로 도입시킴으로써 형성하는 단계,
    폐 접촉 분해 촉매를 상기 농후상 촉매 구역내의 고속 중심 영역안으로 도입시키는 단계,
    재생된 접촉 분해 촉매를 상기 농후상 촉매 구역내의 저속 환상 영역으로부터 제거하는 단계, 및
    상기 재생기 용기의 상단부내로부터 연도 가스를 제거하는 단계를 포함하는 폐 FCC 촉매를 재생하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 농후상 촉매 구역내에 고속 중심 영역과 저속 환상 영역을 형성하도록, 높은 표면 속도를 제공하기 위해 표면 고속 유동화 가스 스트 림을 중심 영역안으로 도입시키는 것과 낮은 표면 속도를 제공하기 위해 표면 저속 유동화 가스 스트림을 환상 영역안으로 도입시키는 것을 제어하는 단계를 더 포함하는 폐 FCC 촉매를 재생하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 농후상 촉매 구역은 고속 중심 영역과 저속 환상 영역에 의해 한정되고, 상기 고속 중심 영역은 일반적으로 상방으로 이동하는 촉매 입자를 가지며, 상기 저속 환상 영역은 일반적으로 하방으로 이동하는 촉매 입자를 가지고, 그리하여 농후상 촉매 구역내에서 접촉 분해 촉매 입자의 순환이 유도되는 폐 FCC 촉매를 재생하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 고속 중심 영역은 이 고속 중심 영역에 3 ft/s ~ 15 ft/s 범위의 표면 고속 가스 속도를 부여하도록 하는 중심 영역 단면적을 가지고, 상기 저속 환상 영역은 이 환상 영역에 0.3 ft/s ~ 2 ft/s 범위의 표면 저속 가스 속도를 부여하도록 하는 환상 영역 단면적을 가지는 폐 FCC 촉매를 재생하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 농후상 촉매 구역은 상기 재생기 용기에 의해 한정되는 농후상 촉매 구역 단면적을 가지고, 상기 농후상 촉매 구역 단면적에 대한 상기 고속 중심 영역 단면적의 비는 0.1 ~ 0.5 범위이고, 상기 농후상 촉매 구역 단면적에 대한 상기 저속 환상 영역 단면적의 비는 0.5 ~ 0.9 범위인 폐 FCC 촉매를 재생하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 고속 중심 영역은 바닥 단부 및 상면 단부를 포함하고, 상기 도입시키는 단계의 폐 접촉 분해 촉매는 상기 고속 중심 영역의 바닥 단부안으로 도입되고 농후상 촉매 구역내에서 저속 환상 영역에서부터 고속 중심 영역안으로 순환하는 촉매와 혼합되는 폐 FCC 촉매를 재생하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 농후상 촉매 구역내에는 상기 고속 중심 영역 및 상기 저속 환상 영역을 분리시키기 위한 수직 분리 수단이 없는 폐 FCC 촉매를 재생하는 방법.
  8. 하단부와 상단부를 구비하고, 상기 상단부 쪽으로 위치한 희박상 촉매 구역 아래에 하단부 쪽으로 위치한 농후상 촉매 구역을 포함할 수 있는 재생 구역을 한정하는 재생기 용기,
    표면 고속 가스 스트림을 상기 농후상 촉매 구역의 중심 영역안으로 도입시키는 고속 유동화 수단,
    표면 저속 가스 스트림을 상기 농후상 촉매 구역의 환상 영역안으로 도입시키는 저속 유동화 수단,
    폐 접촉 분해 촉매를 상기 농후상 촉매 구역의 중심 영역내로 도입시키는 폐 촉매 도입 수단,
    상기 농후상 촉매 구역의 환상 영역으로부터 재생된 접촉 분해 촉매를 제거 하는 재생된 촉매 제거 수단, 및
    상기 재생기 용기의 희박상 촉매 구역으로부터 연도 가스를 제거하는 연도 가스 제거 수단을 포함하는 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 표면 고속 가스 스트림을 상기 농후상 촉매 구역의 중심 영역안으로 제어하는 고속 유동화 가스 유동 제어 수단을 더 포함하는 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 표면 저속 가스 스트림을 상기 농후상 촉매 구역의 환상부안으로 제어하는 저속 유동화 가스 유동 제어 수단을 더 포함하는 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 폐 촉매 도입 수단은 폐 촉매 라이저인 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 폐 촉매 도입 수단은 폐 촉매 수직관인 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 폐 촉매 도입 수단은 상기 농후상 촉매 구역의 중심 영역내에서 폐 촉매를 일반적으로 수평 방향으로 배출시키는 수단을 더 제공하 는 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 폐 촉매 도입 수단은 상기 농후상 촉매 구역의 중심 영역내에서 폐 촉매를 일반적으로 수평 방향으로 배출시키는 수단을 더 제공하는 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
  15. 제 8 항에 있어서, 상기 농후상 촉매 구역은 상기 재생기 용기에 의해 한정되는 농후상 촉매 구역 단면적을 가지고, 상기 농후상 촉매 구역 단면적에 대한 상기 고속 중심 영역 단면적의 비는 0.1 ~ 0.50 범위이고, 상기 농후상 촉매 구역 단면적에 대한 상기 저속 환상 영역 단면적의 비는 0.50 ~ 0.9 범위인 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 농후상 촉매 구역내에는 수직 분리 수단이 없는 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
  17. 제 8 항에 있어서, 상기 중심 영역은 중심 영역 바닥 단부 및 중심 영역 상단부를 포함하고, 상기 폐 촉매 도입 수단은 상기 농후상 촉매 구역의 중심 영역의 중심 영역 바닥 단부에서 폐 촉매를 배출시키는 수단을 더 제공하는 폐 FCC 촉매를 재생하는 장치.
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