KR20080080668A - 크고 작은 기공 필터 요소들을 사용하는, 슬러리 탄화수소합성 공정용 여과 시스템 - Google Patents

크고 작은 기공 필터 요소들을 사용하는, 슬러리 탄화수소합성 공정용 여과 시스템 Download PDF

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데이비드 씨 롱
토마스 엠 홀덴
스테븐 주-밍 시아
코스타스 에이 쿨랄로글로우
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엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니
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Abstract

탄화수소 슬러리 액체로부터 고체 입자들을 분리하고 여과하는 방법은 상기 탄화수소 슬러리와 유체 연통되는 하나 이상의 필터 구역들을 포함한다. 하나 이상의 필터 구역은 10 미크론 미만의 평균 기공 크기를 갖는 하나 이상의 필터 요소들로 구성되고, 하나 이상의 필터 구역은 10 미크론 이상의 평균 기공 크기를 갖는 하나 이상의 필터 요소들로 구성된다. 작은 기공 필터(10 미크론 미만)는 촉매 입자 마모에 의해 생성된 보다 작은 촉매 입자들 모두 또는 실질적으로 모두를 배제시킬 것이다. 작은 기공 필터들로부터 제거된 액체 생성물에는 실질적으로 미립자들이 존재하지 않는다. 큰 기공 필터들(10 미크론 이상)은 보다 큰 촉매 입자들을 배제시킬 것이지만, 보다 작은 미세 입자들은 통과시킬 것이다. 큰 기공 필터들로부터 제거된 액체 생성물은 촉매 입자 마모로부터 생성된 미세 입자들을 함유할 것이다.

Description

크고 작은 기공 필터 요소들을 사용하는, 슬러리 탄화수소 합성 공정용 여과 시스템{FILTRATION SYSTEM FOR SLURRY HYDROCARBON SYNTHESIS PROCESS USING BOTH SMALL AND LARGE PORE FILTER ELEMENTS}
본 발명은 고체 입자들로부터 액체를 분리하는 데 유용한 필터 시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 하나 이상의 큰 기공 필터 요소들 및 하나 이상의 작은 기공 필터 요소들을 포함한다. 상기 큰 기공 요소들 및 작은 기공 요소들은 개별 구역 내로 분기되어, 상기 어느 한쪽 구역으로부터 재료를 독립적으로 회수할 수 있도록 한다. 제안된 필터 시스템은 탄화수소 액체 생성물에 촉매 입자들을 포함하는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 탄화수소 합성 슬러리로부터 액체 탄화수소 생성물을 분리하는 데 유용하다.
슬러리 탄화수소 합성(HCS) 공정들은 공지되어 있다. 슬러리 HCS 공정에서, H2와 CO의 혼합물을 함유하는 합성가스는 피셔-트롭쉬형 탄화수소 합성 촉매가 내부에 분산된 탄화수소 반응 생성물로 구성된 반응기의 슬러리를 통해 상향 폭기된다. 상기 3상 슬러리를 함유하는 반응기를 때때로 "기포탑(bubble column)"이라 부르며, 이는 본원에 참고로 인용되는 미국특허 제5,348,982호에 개시되어 있다. 슬러리 반응기가 분산층 또는 슬럼프층(slumped bed)으로 작동되느냐에 관계없이, 슬러리의 혼합 조건은 전형적으로 플러그 흐름 및 역류가 혼합된 2개의 이론적 조건들 사이쯤 될 것이다. 촉매 입자들은 전형적으로 슬러리를 통해 상향 폭기되는 합성가스의 상승 작용, 및 유압 수단에 의해 액체중에 분산되고 현탁된다. 슬러리 피셔-트롭쉬 반응기는 증기상 및 고분자량 액체 생성물 스트림을 생성한다.
액체 생성물(일반적으로 본원에서는 왁스로 지칭됨)의 형성 때문에, 반응기로부터 액체 생성물을 연속적으로 또는 간헐적으로 제거함으로써 슬러리를 일정 수준으로 유지시키는 것이 필요하다. 그러나 액체의 제거와 관련된 하나의 문제점은 촉매 입자들이 액체에 분산되어 있어 상기 액체로부터 제거한 다음 반응기 슬러리로 회송시켜 반응기 내의 촉매량을 일정하게 유지시켜야 한다는 점이다. 액체 생성물로부터 촉매를 분리해내는 다수의 수단이 제안되었으며, 예를 들어 원심분리, 소결된 금속 필터, 교차-흐름 필터, 자성 분리, 중력 침강 등을 들 수 있다.
피셔-트롭쉬 반응기와 함께 사용되는 촉매-액체 분리 방법들 중 하나로 여과가 있다. 여과 기술은 필터 매체를 통해 유체를 배수시킴으로써 슬러리로부터 액체 생성물을 제거하는 고-액 분리 시스템임을 특징으로 한다. 필터 매체는 단순히 필터 기재이거나 필터 기재상에 배치되어 1차 필터를 형성하도록 하는 필터 케이크(filter cake)로 구성될 수 있다. 필터 케이크는 고체 입자들이 필터 기재상에 침적됨에 따라 형성되어 슬러리와 기재 사이에서 투과성 벽을 형성한다. 필터 케 이크의 두께 및 투과도가 여과 시스템의 효율적인 작동에 중요하다.
상용 슬러리 기포탑 반응기에서, 반응기 내부의 유체역학적 조건은 촉매 재료에 필요한 긴 수명과 함께 전형적으로는 촉매 마모를 초래한다. 촉매가 시간에 따라 분해됨으로써 "미세 입자들(fines)"로 알려진 매우 작은 입자들을 포함하는 다양한 크기의 부-입자(sub-particle)들이 생성되고, 이들 중 일부는 심지어 미크론 이하(sub-micron)의 크기일 수도 있다. 반응기내 상기 미세 입자들의 존재는 촉매-액체 분리 시스템의 효율을 크게 감소시키는 경향이 있다.
슬러리 반응기에서는, 액상 및 고상을 통해 부상하는 가스의 유동이 상기 상들의 교반 및 움직임을 생성한다. 이러한 교반은 슬러리 반응기에 침지될 수 있는 필터의 성능에 유리한 영향을 미친다. 슬러리의 교반은 일반적으로 필터 표면에서 상기 교반 액체의 고체에 대한 항력으로 인해 필터의 표면에 고체가 축적되는 것을 상당히 감소시킨다. 이러한 항력은 입자 크기의 함수로서 입자가 작을수록 큰 입자들보다 덜 끌려가는 것으로 알려져 있다. 그러므로, 필터를 큰 촉매 입자들을 갖는 슬러리 기포탑에서 긴 시간 동안 작동시키는 것은 가능하지만, 더 미세한 입자들이 더욱 쉽게 필터 표면상에 수집되어 필터의 파울링(fouling)을 초래할 수 있다. 따라서, 여과를 이용한 촉매-액체 분리 시스템에서, 역세척 작동 간의 주기 시간 및 필터 수명은 미세 입자들이 필터 시스템의 투과도 및 선속을 감소시키는 경향 때문에 크게 짧아질 수 있다. 미세 입자들은 촉매보다 농도가 낮기 때문에, 원심분리기 또는 중력 침강기의 사용은 촉매 슬러리로부터 미세 입자들을 제거하는 데 실용적이지 않다. 자성 분리도 마찬가지로 슬러리로부터 미세 입자들을 제거하 는 데 실용적이지 않다. 따라서, 지금까지 촉매-액체 분리 시스템의 성능은 바람직스럽지 못하게도 촉매의 사용기간에 의존적이었다. 예를 들어, 촉매가 새로운 촉매인 경우, 촉매-액체 분리 시스템은 매우 고속으로 작동하지만, 촉매의 사용기간과 마모(attrition)가 미세 입자들 농도를 증가시킴에 따라 그 속도는 상당히 감소한다.
HCS 반응기로부터의 액체 생성물에 미립자들이 존재하는 것도 또한 바람직하지 않다. HCS 반응기로부터의 생성물을 HCS 반응기의 하부 시스템에서 미립자들의 농도에 유력한 스펙(specification)을 가질 수 있는 추가의 공정으로 처리할 수 있다. 또한, 최종 생성물, 예를 들어 윤활유 또는 디젤도 또한 미립자 함량에 유력한 스펙을 가질 수 있다.
따라서, 촉매의 사용기간 또는 마모 정도와는 관계없이 촉매-액체 분리 시스템의 효율을 유지시키는 방법 및 장치가 당업계에 여전히 필요하다. 따라서, 본 발명의 실시양태는 슬러리로부터 촉매 미세 입자들을 제거하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 종래 기술의 한계를 극복하고자 한다.
발명의 개요
본 발명에 따르면, 적어도 일부가 액체인 탄화수소를 형성하기 위한, 하기의 단계를 포함하는 슬러리 탄화수소 합성 방법이 제공된다:
(a) H2와 CO의 혼합물을 함유하는 합성가스를, 탄화수소 합성 반응기에서 슬 러리 중의 고체 미립자 탄화수소 합성 촉매의 존재하에, 적어도 일부가 액체인 탄화수소를 형성하는 데 효과적인 반응 조건에서 반응시키는 단계로서,
이때, 상기 슬러리는 탄화수소 슬러리 액체에 상기 촉매 및 가스 기포를 포함하고, 상기 슬러리 탄화수소 액체는 상기 액체 탄화수소를 포함하는, 단계;
(b) 상기 슬러리를, 약 10 미크론 미만의 기공 크기를 갖는 하나 이상의 필터 요소 및 약 10 미크론 이상의 기공 크기를 갖는 하나 이상의 필터 요소로 구성된 필터 시스템과 접촉시키는 단계로서,
이때, 상기 작은 기공 필터 요소는 여과액 도관에 연결되는 메니폴드(manifold)를 가로질러 배열되되, 상기 요소의 내부, 메니폴드 및 도관이 서로 유체 연통되며, 상기 요소의 내부를 상기 슬러리로부터 분리하는 벽이 상기 슬러리 탄화수소 액체에는 투과성이지만 상기 슬러리 고체에는 불투과성이며,
상기 큰 기공 필터 요소는 여과액 도관에 연결되는 별개의 메니폴드를 가로질러 배열되되, 상기 요소의 내부, 메니폴드 및 도관이 서로 유체 연통되며, 상기 요소의 내부를 상기 슬러리로부터 분리하는 벽이 상기 슬러리 탄화수소 액체 및 약 10 미크론 미만의 입자에 대해 투과성이며, 상기 큰 기공 필터 요소가 슬러리 액체의 약 25 부피% 이하만이 통과되도록 하는, 단계;
(c) 상기 슬러리 탄화수소 액체를 상기 작은 기공 필터 요소 벽을 통과시켜 여과액으로서 상기 요소의 내부로 보낸 다음, 상기 여과액을, 상기 메니폴드 및 상기 여과액 도관의 내부를 연속적으로 통과시켜 상기 도관으로부터 상기 반응기 밖으로 보내는 단계; 및
(d) 상기 슬러리 탄화수소 액체 및 미세 입자들을 상기 큰 기공 필터 요소 벽을 통과시켜 여과액으로서 상기 요소의 내부로 보낸 다음, 상기 여과액을, 상기 메니폴드 및 상기 여과액 도관의 내부를 연속적으로 통과시켜 상기 도관으로부터 상기 반응기 밖으로 보내는 단계.
따라서, 본 발명의 이점 중 하나는 작은 기공 필터 요소를 통해 반응기로부터 제거된 액체 생성물에는 고체 및 미세 입자들이 실질적으로 존재하지 않지만, 반응기 내 미세 입자들의 농도는 큰 기공 필터 요소를 사용하여 제어된다는 점이다.
도 1은 슬러리 반응기의 슬러리 액체에 침지된 본 발명의 크고 작은 필터 어셈블리의 바람직한 실시양태를 단순화시킨 개략도이다.
본 발명은 액체로부터 미립자 고체를 분리하는 방법 및 필터 시스템에 관한 것으로, 탄화수소 합성(HCS) 공정에 유용하다. 가스의 유동은 고체 및 액체를 혼합시키는 데 이용되며, HCS 공정에 대해 효율적인 반응 시스템을 제공한다.
피셔-트롭쉬 슬러리 HCS 공정에서, H2와 CO의 혼합물을 함유하는 합성가스는 반응성 슬러리 내로 상향 폭기되어, 탄화수소, 바람직하게는 액체 탄화수소로 촉매 전환된다. 공급물 중 수소 대 일산화탄소의 몰비는 약 0.5 대 4일 것이지만, 더욱 전형적으로는 약 0.7 내지 2.75이며, 바람직하게는 약 0.7 내지 2.5일 것이다. 피셔-트롭쉬 HCS 반응에 대한 화학양론적 몰 소모율은 전형적으로 약 2.1이지만, 당업계의 숙련자들에게 잘 알려진 화학양론비 외의 것을 사용하는 여러 가지 이유들이 있다. 따라서, 이를 논의하는 것은 불필요하며 본 발명의 범주 밖이다. 반응기의 슬러리 액체는 탄화수소 합성 반응에 의해 생성되는 탄화수소 생성물을 포함하며, 이는 반응 조건에서 액체이다. 오랜 문제점은 반응기에서 생성된 탄화수소 액체 생성물을 비교적 미세한 촉매 입자들로부터 분리하고 제거하는 것이었다. 반응기의 승온 및 승압과 탄화수소 생성물의 왁스성 물성으로 인해 종래의 미립자 분리 및 여과 방법을 슬러리 형태의 탄화수소 합성 공정에 사용하는 것은 부적합하다.
슬러리 반응기에서의 온도 및 압력은 사용되는 특정 촉매 및 필요한 생성물에 따라 폭넓게 변할 수 있다. 담지된 코발트 촉매를 이용하여 대부분 C5+ 파라핀(예: C5 내지 C200), 바람직하게는 C10+ 파라핀을 포함하는 탄화수소를 형성하는 데 효과적인 전형적인 조건은 각각 약 320-600℉ 범위의 온도, 80-600 psi 범위의 압력, 및 촉매의 부피당 시간당 (0℃, 1 기압에서) CO와 H2 가스 혼합물의 표준 부피로 표현되는, 100-40,000 V/hr/V 범위의 시간당 가스 공간 속도를 포함한다. 슬러리는 전형적으로 약 10 중량% 내지 70 중량%, 더욱 전형적으로는 약 30 중량% 내지 약 60 중량% 및 일부 실시양태에서는 약 40 중량% 내지 약 55 중량%가 바람직한 고체 촉매를 함유한다. 상술한 바와 같이, 슬러리 액체는 반응 조건에서 바람직하게는 액체인 탄화수소 생성물을, 소량의 다른 성분들과 함께 포함한다.
촉매 입자 크기는 작게는 1 미크론에서부터 크게는 200 미크론까지 넓게 분포하며, 전형적으로 슬러리 탄화수소 합성 촉매는 20-100 미크론의 평균 입자 크기를 가질 것이다. 상기 촉매들은 또한 1 미크론보다 작은 미세 입자들을 포함할 것이고, 슬러리 내 촉매 입자들의 계속적인 교반 및 혼합은 촉매 마모를 초래한다. 상기 마모 공정은 일반적으로 약 10 미크론 미만의 입자 크기를 갖는 미세 입자들을 생성한다. 또한, 피셔-트롭쉬 슬러리 기포탑 공정의 정상 작동으로부터 생성된 마모 생성물의 상당 부분은 약 1 미크론보다 작은 입자 크기를 가질 것이다.
본 발명의 필터 시스템은 두 개 이상의 필터 구역을 포함하며, 각각은 여과액 도관에 연결되는 메니폴드 상에 배치된 복수 개의 공동형(hollow) 필터 요소들로 구성된다. 적어도 하나의 구역은 약 10 미크론 미만의 기공들을 갖는 하나 이상의 필터 요소들로 구성되며, 적어도 하나의 구역은 10 미크론 이상의 기공들을 갖는 하나 이상의 필터 요소들로 구성된다. 본 발명의 방법에서, 상기 필터 시스템은 슬러리에 침지되며, 이때 필터 요소들의 내부, 메니폴드(들) 및 도관은 모두 서로 유체 연통된다. 상기 필터 요소들은 슬러리 액체에는 투과성이지만, 각각의 필터 구역이 선택적으로 차단하는 미립자 고체들에 대해서는 비투과성이다. 본 발명의 필터 시스템 및 방법은 슬러리 반응기의 내부 또는 개별 용기의 외부에서 3상 피셔-트롭쉬형 탄화수소 합성 슬러리로부터 슬러리 탄화수소 액체를 분리하고 제거하는 데 유용하다.
본 발명의 일 실시양태에서, 필터 시스템의 하나 이상의 구역 각각은 통상의 여과액 도관에 연결되는 각각의 메니폴드의 수평면을 가로질러 수직 배치되고 수평 배열 또는 정렬된 복수 개의 필터 요소들을 포함한다. 상기 필터 요소들은 액체 투과성이지만 설계하고자 했던 고체들의 통행에는 비투과성인 재료들로 제조된 긴 공동형 튜브 또는 파이프를 포함한다. 상기 필터 요소들은, 예를 들어 소결된 금속 입자, 소결된 금속 섬유, 권취된 쐐기형 와이어(wedgewire), 와이어 메쉬(wire mesh), 또는 좁고 균일한 기공 개구부를 갖는 필요한 크기의 임의의 구조로 구성될 수도 있다. 상기 필터 요소의 구조 재료는 내구성이고 조기 파손 없이 피셔-트롭쉬 반응기의 온도와 압력을 견딜 수 있는 임의의 구조 재료일 수 있다. 바람직한 재료들은 300 계열 스테인레스 스틸(300 series stainless steel)을 포함한다. 예를 들어, 작은 기공 필터들은 316 스테인레스 스틸의 소결된 금속 입자들로 구성되고, 큰 기공 필터들은 316 스테인레스 스틸 쐐기형 와이어 또는 와이어 메쉬 재료들로 구성되는 것이 바람직하다.
또 다른 바람직한 실시양태에서는, 슬러리 환경에 노출되는 필터 매체의 표면을 처리하거나 개질하여 파울링, 예를 들어 미세 입자들이 필터 표면에 부착하여 막힘을 초래하는 경향을 감소시킨다. 이러한 처리의 비-제한적인 예로는 티타니아, 지르코니아 또는 세라믹 재료들에 의한 코팅; 표면 조도를 감소시키기 위한 필터 표면의 기계가공; 양극산화(anodizing), 질화(nitriding), 또는 필터 표면에 유리한 효과를 줄 수 있는 기타 적합한 화학처리 등이 포함된다.
본 발명에서, 큰 기공 및 작은 기공 필터 구역들은 독립적으로 작동하고 별개의 기능을 제공한다. 작은 기공 필터는 보다 큰 촉매 입자들의 마모에 의해 생성되는 미세 입자들을 포함하여 슬러리 반응기에 존재하는 모든 미립자들 또는 실질적인 모든 미립자들을 배제시키도록 선택된 개구부들을 갖는다. 그 결과, 작은 기공 필터들을 통해 반응기로부터 제거된 액체 생성물에는 미립자들이 전혀 또는 실질적으로 전혀 존재하지 않을 것이다. 큰 기공 필터는 보다 큰 촉매 입자들은 배제시키지만 보다 작은 촉매 입자들은 통과시키도록 선택된 개구부들을 갖는다. 큰 기공 필터들을 통해 반응기로부터 제거된 액체 생성물은 촉매의 마모에 의해 생성되는 미세 입자들을 함유할 것이다. 큰 기공 필터들을 통해 회수된 액체의 양은 반응기로부터 회수된 총 액체보다는 상대적으로 적은 분율이지만, 상기 미세 입자들을 운반하기에는 충분한 양이다. 상대적으로 적은 분율이란, 슬러리의 약 1 중량% 내지 약 25 중량%, 및 바람직하게는 약 1 중량% 내지 약 15 중량%가 상기 큰 기공 필터 요소들을 통해 여과된다는 것을 의미한다. 가장 바람직한 범위는 상기 큰 기공 필터 요소들을 통과한 탄화수소 생성물의 약 1 중량% 내지 약 5 중량%일 것이다.
이제 본원의 도 1을 참조하면, 슬러리형 탄화수소 합성 반응기(30)는, 내부에 3상 슬러리(34)를 함유하고, 촉매 입자들이 분산되고 현탁된 탄화수소 액체를 포함하며, 또한 가스 기포를 함유하는 실린더형 스틸 외부 쉘 또는 용기(32)를 포함하는 것으로 나타나 있다. 상기 가스는 합성가스 및 피셔-트롭쉬형 탄화수소 합성 반응의 가스 생성물을 포함한다. 합성가스 공급물은 라인(20)을 통해 반응기 내로 도입되고, 가스 분배기(38)에 의해 슬러리(34)의 저부로 상향 주입된다. 합성가스는 슬러리(34)를 통해 위로 흐르고, 편의상 단지 일부만을 보인 기포(36)로 표시된다. 합성가스는 슬러리의 촉매 입자들과 접촉하여 액체 및 기체 탄화수소 생성물들을 상당한 양의 수증기와 함께 형성한다. 본 발명의 두 개의 필터 어셈블리(40, 50)는 슬러리(34)에 현수된 구조로 나타나 있으며, 각각은 하나 이상의 필터 요소 그룹들을 포함한다. 각각의 그룹은 복수 개의 필터 요소들을 함유하며, 이들 중 몇 개만이 편의상 간략히 도시되어 있다. 필터 어셈블리(40)는 전부 작은 기공 필터 요소들로 구성되는 반면, 필터 어셈블리(50)는 전부 큰 기공 필터 요소들로 구성된다. 작은 기공 필터 요소들은 약 10 미크론 미만, 바람직하게는 약 5 미크론 미만, 및 더욱 바람직하게는 약 2 미크론 미만의 평균 기공 크기를 가질 것이다. 평균 기공 크기는 ASTM 테스트 E 1294 또는 이와 유사한 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 큰 기공 필터 요소들은 10 미크론 이상의 평균 기공 크기를 가질 것이다. 큰 기공 필터 요소들 및 작은 기공 필터 요소들 모두는 슬러리 내부의 임의의 지점에 위치될 수 있으며, 바람직하게는 큰 기공 필터 요소들은 슬러리의 상부 절반, 더욱 바람직하게는 슬러리의 상부 1/3 지점에 위치된다.
반응이 진행됨에 따라, 증기상 생성물 및 비-반응된 합성가스는 슬러리의 상부에서 배출되고, 위를 지나 가스 이탈 구역(22)으로 이동해, 라인(24)을 통해 반응기로부터 제거된다. 동시에, 액상 생성물은, 다공성이고 슬러리 액체의 흐름은 통과시키지만, 극히 작은 크기(예: 2 미크론 미만)의 기공으로 인해 슬러리내 촉매 입자들 또는 촉매 미세 입자들은 필터 요소들의 내부로 통과시키지 않는 벽을 갖는 작은 기공 필터 요소들의 내부로 보내진다. 기공 크기는 촉매 특이적이며, 티타니아에 담지되거나 착체된 Co를 포함하는 촉매용으로 2 미크론 미만의 평균 기공 크기가 적합한 것으로 밝혀졌다. 슬러리 액체는 여과액으로서 필터 요소들의 내부로 보내진 다음, 필터 요소들과 유체 연통되는 메니폴드의 내부를 통과한다. 상기 여과액은 메니폴드로부터 여과액 도관 내로 보내져, 화살표(42)로 표시된 바와 같이 반응기로부터 청정(clean) 생성물 수용조(47)로 제거된다.
슬러리(34)로부터 적은 분율의 액상 생성물은 큰 기공 필터 어셈블리(50)를 통해 반응기로부터 회수된다. 회수는 연속적이거나 주기적일 수 있다. 미세 입자들을 함유하는 슬러리 액체는 여과액으로서 필터 요소들의 내부로 보내진 다음, 필터 요소들과 유체 연통되는 메니폴드의 내부로 보내진다. 상기 여과액은 메니폴드로부터 여과액 도관 내로 보내져, 화살표(54)로 표시된 바와 같이 반응기로부터 비청정 생성물 수용조(56)로 제거된다. 수용조(56)로부터의 액체 및 미세 입자들은 분리 장치(60)에서 추가 처리되어 청정 생성물 스트림(62) 및 고체 풍부 스트림(61)을 생성할 수 있다. 분리 장치(60)는 필터, 하이드로사이클론(hydrocyclone), 원심분리기, 중력 침강기 등을 포함하는 임의의 적합한 분리 장치일 수 있다.
슬러리내 작은 기공 필터 요소들의 주기적인 역세척은 필터 요소들을 청소하여 흐름 저항성을 감소시키는 데 필요하다. 작은 기공 필터들은 다음과 같은 방식으로 역세척된다. 생성물 밸브(46)를 우선 폐쇄시켜 필터를 통한 액체 생성물의 흐름을 차단한다. 선택적으로, 짧은 시간 기간을 선택하여 무-흐름(no-flow) 조건이 유지될 수 있도록 한다. 다음, 역세척 밸브(45)를 소정의 시간 기간 동안 개방하여 역세척 유체가 역세척 드럼(44)으로부터 도관(42) 내로 흘러 필터(40)를 통해 반응기 내로 정상 흐름에 반대되는 방향으로 흐르게 한다. 이를 달성하기 위해, 역세척 드럼(44)을 반응기 압력보다 높은 압력에서 작동시킨다. 당업계의 숙련자들은 역세척 드럼의 과압 양과 역세척 밸브의 개방 시기를 선택하여 역세척의 유리한 효과를 최대화시킬 수 있다. 필터에 날카로운 압력 펄스(pulse)를 주는 높은 과압과 짧은 밸브 개방 기간으로 인해 양호한 역세척이 제공될 것이라는 것은 일반적으로 공지되어 있다. 역세척 후, 밸브(45)는 다시 폐쇄된다. 선택적으로, 무-흐름 조건이 유지될 수 있도록 짧은 시간 기간이 다시 선택될 수 있다. 마지막으로, 생성물 밸브(46)를 개방하고 흐름을 생성물 수집 드럼(47)으로 향하도록 재-설정한다.
큰 기공 필터의 주기적인 역세척 또한 필터 케이크 축적을 방지하고 필터의 미세 입자 제거 능력을 유지시키는 데 필요하다. 큰 기공 필터들은 다음과 같은 방식으로 역세척된다. 생성물 밸브(55)를 우선 폐쇄시켜 필터를 통한 미세 입자들 및 액체의 흐름을 차단한다. 선택적으로, 역세척 밸브(52)를 개방하여 임의의 고체들을 필터 내부로부터 비청정 생성물 수용조 내로 플러싱(flushing)시킨 후, 밸브(55)를 짧은 시간 기간 동안 개방시켜 둘 수 있다. 다음, 역세척 밸브(52)를 소정의 시간 기간 동안 개방하여 역세척 유체가 역세척 드럼(53)으로부터 도관(51) 내로 흘러 필터(50)를 통해 반응기 내로 정상 흐름에 반대되는 방향으로 흐르게 한다. 이를 달성하기 위해, 역세척 드럼(53)을 반응기 압력보다 높은 압력에서 작동시킨다. 당업계의 숙련자들은 역세척 드럼의 과압 양과 역세척 밸브의 개방 시기를 선택하여 역세척의 유리한 효과를 최대화시킬 수 있다. 필터에 날카로운 압력 펄스를 주는 높은 과압과 짧은 밸브 개방 기간으로 인해 양호한 역세척이 제공될 것이라는 것은 일반적으로 공지되어 있다. 역세척 후, 밸브(52)는 다시 폐쇄된다. 선택적으로, 무-흐름 조건이 유지될 수 있도록 짧은 시간 기간이 다시 선택될 수 있다. 마지막으로, 생성물 밸브(55)를 개방하고 흐름을 비청정 생성물 수집 드럼(56)으로 향하도록 재-설정한다.
상기 큰 기공 필터에 대한 역세척 및 생성물 수집 메니폴드들은 도 1에 도시한 바와 같이 특정 방식으로 연결되는 것이 유리할 수 있다. 생성물 메니폴드는 수직 정렬된 필터들의 저부에 설치된다. 임의의 고체들은 저부 메니폴드를 향해 침강하는 경향이 있어 쉽게 제거될 수 있다. 역플러시(backflush) 메니폴드는 필터들 상부 내로 설치되고, 깨끗한 역세척을 사용하여, 실제의 역세척 사이클 전에, 임의의 고체들을 반응기 내부로부터 비청정 생성물 드럼 내로 쓸어낼 수 있다. 상부 메니폴드 상에 고점 배출구(vent)를 설치하여 상기 메니폴드로부터 임의의 증기 축적을 주기적으로 배출시키는 것이 필요할 수 있다.
HCS 공정에서, 액체 및 기체 탄화수소 생성물은, H2와 CO의 혼합물을 함유하는 합성가스를 수성 가스 전화 반응(water gas shift reaction)이 일어나는 전화 조건 또는 상기 전화 반응이 일부 또는 전혀 일어나지 않는 비-전화 조건, 및 바람직하게는 비-전화 조건하에서, 특히 Co, Ru 또는 이들의 혼합물을 포함하는 금속 촉매와 접촉시킴으로써 형성된다. 적합한 피셔-트롭쉬 반응형 촉매는, 예를 들어 하나 이상의 VIII족 금속 촉매, 예컨대 Fe,Ni, Co, Ru 및 Re을 포함한다. 일 실시양태에서, 상기 촉매는 적합한 무기 지지체 재료 상에 촉매적으로 유효량의 Co 및 하나 이상의 Re, Ru, Fe, Ni, Th, Zr, Hf, U, Mg 및 La를 포함하며, 바람직하게는 하나 이상의 내화성 금속 산화물을 포함하는 것을 포함한다. Co 함유 촉매용으로 바람직한 지지체로는 특히 고 분자량, 주로 파라핀성 액체 탄화수소 생성물이 요망되는 슬러리 HCS 공정을 이용하는 경우 티타니아를 포함한다. 유용한 촉매 및 이의 제조 방법은 예를 들어 미국특허 제4,568,663호; 제4,663,305호; 제4,542,122호; 제4,621,072호 및 제5,545,674호에 공지되고 예시되어 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 HCS 공정에 의해 생성되는 탄화수소는 전형적으로 C5+ 탄화수소의 전부 또는 일부를 분획 및/또는 전환시켜 더욱 부가가치가 높은 생성물로 고급화시킨다. 전환이란, 탄화수소의 적어도 일부 분자 구조를 변화시키는 하나 이상의 조작을 의미하며, 비-촉매적 공정(예: 스팀 분해), 및 분획물을 적합한 촉매와 접촉시키는 촉매적 공정(예: 촉매적 분해) 모두를 포함한다. 수소가 반응물로서 존재하는 경우, 상기 공정 단계는 전형적으로 수첨전환 공정으로 지칭되고, 예를 들어 수첨이성체법, 수첨탈왁스법, 수첨정제법, 및 수첨처리법으로도 지칭되는 보다 가혹한 수첨정제법을 포함하며, 모두 파라핀에 풍부한 탄화수소 공급물을 포함하는 탄화수소 공급물의 수소화전환을 다룬 문헌에 잘 공지되어 있는 조건들에서 수행된다. 상기 전환에 의해 형성된 보다 부가가치가 높은 생성물의 예시적이며 비-제한적인 예로는 합성 원유, 액체 연료, 올레핀, 용제, 윤활유, 상업용 또는 의료용 오일, 왁스성 탄화수소, 질소 및 산소 함유 화합물 등 중 하나 이상이 포함된다. 액체 연료로는 모터용 가솔린, 디젤 연료, 제트 연료 및 케로센 중 하나 이상이 포함되는 반면, 윤활유로는 예를 들어 자동차, 제트, 터빈 및 금속 작동용 오일이 포함된다. 산업용 오일로는 우물(well) 시추용 유체, 농업용 오일, 열전달용 유체 등이 포함된다.
상술된 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명을 실시하는 데 있어서의 다양한 다른 실시양태 및 수정양태들은 당업계의 숙련자들에게 명백하며 또한 쉽게 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 본원의 청구범위는 상술된 상세한 설명에 정확히 제한되는 아니라 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 균등물로 취급되어야 하는 특징들 및 실시양태들 모두를 포함하여 본 발명에 존재하는 특허가능한 신규한 특징들 모두를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (14)

  1. (a) H2와 CO의 혼합물을 함유하는 합성가스를, 탄화수소 합성 반응기에서 슬러리 중의 고체 미립자 탄화수소 합성 촉매의 존재하에, 적어도 일부가 액체인 탄화수소를 형성하는 데 효과적인 반응 조건에서 반응시키는 단계로서,
    이때, 상기 슬러리는 탄화수소 슬러리 액체에 상기 촉매 및 가스 기포를 포함하고, 상기 슬러리 탄화수소 액체는 상기 액체 탄화수소를 포함하는, 단계;
    (b) 상기 슬러리를, 약 10 미크론 미만의 평균 기공 크기를 갖는 하나 이상의 필터 요소 및 약 10 미크론 이상의 평균 기공 크기를 갖는 하나 이상의 필터 요소로 구성된 필터 시스템과 접촉시키는 단계로서,
    이때, 상기 작은 기공 필터 요소는 여과액 도관에 연결되는 메니폴드(manifold)를 가로질러 배열되되, 상기 요소의 내부, 메니폴드 및 도관이 서로 유체 연통(fluid communication)되며, 상기 요소의 내부를 상기 슬러리로부터 분리하는 벽이 상기 슬러리 탄화수소 액체에는 투과성이지만 상기 슬러리 고체에는 불투과성이며,
    상기 큰 기공 필터 요소는 여과액 도관에 연결되는 별개의 메니폴드를 가로질러 배열되되, 상기 요소의 내부, 메니폴드 및 도관이 서로 유체 연통되며, 상기 요소의 내부를 상기 슬러리로부터 분리하는 벽이 상기 슬러리 탄화수소 액체 및 약 10 미크론 미만의 입자들에 대해 투과성이며, 상기 큰 기공 필터 요소가 슬러리 액체의 약 1 중량% 내지 약 25 중량%가 통과되도록 하는, 단계;
    (c) 상기 슬러리 탄화수소 액체를 상기 작은 기공 필터 요소 벽을 통과시켜 여과액으로서 상기 요소의 내부로 보낸 다음, 상기 여과액을, 상기 메니폴드 및 상기 여과액 도관의 내부를 연속적으로 통과시켜 상기 도관으로부터 상기 반응기 밖으로 보내는 단계; 및
    (d) 상기 슬러리 탄화수소 액체 및 미세 입자들을 상기 큰 기공 필터 요소 벽을 통과시켜 여과액으로서 상기 요소의 내부로 보낸 다음, 상기 여과액을, 상기 메니폴드 및 상기 여과액 도관의 내부를 연속적으로 통과시켜 상기 도관으로부터 상기 반응기 밖으로 보내는 단계
    를 포함하는, 적어도 일부가 액체인 탄화수소를 형성하는 슬러리 탄화수소 합성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매가 철계 또는 코발트계 피셔-트롭쉬(Fisher-Tropsch) 촉매인, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 촉매가 20 미크론 내지 100 미크론 범위의 평균 입자 크기를 갖는 코발트계 촉매인, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 큰 기공 필터 요소 및 작은 기공 필터 요소 모두를 주기적으로 역플러 싱(backflush)시켜 케이크(cake)가 존재하지 않는 필터의 표면을 유지하는, 방법.
  5. 제 5 항에 있어서,
    상기 역세척이, 상기 반응기 생성물의 정상 흐름에 대해 반대 방향으로 흐르는 청정 유체의 하나 이상의 짧은 기간 고압 펄스로 구성되는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 역세척 단계에 앞서, 잔류하는 임의의 미세 입자들의 상기 내부 필터 공간을 청소하기 위한 플러싱(flushing) 단계가 수행되는, 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 역세척 단계 후, 상기 필터를 통한 무-흐름(no-flow) 기간을 유지시킨 다음, 상기 생성물 회수 밸브를 점차 개방시켜 상기 필터가 사용에 복귀되도록 하는, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 큰 기공 필터 요소가 상기 슬러리 반응기 용기 내부에 위치되는, 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 큰 기공 필터가 상기 슬러리 반응기 용기 외부에 위치되되, 상기 반응기 슬러 리와 연통되는, 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 작은 기공 필터 요소를 주기적으로 역플러싱시켜 케이크가 존재하지 않는 필터의 표면을 유지하는, 방법.
  11. 제 11 항에 있어서,
    상기 작은 기공 필터 요소에 대한 상기 역세척이, 상기 반응기 생성물의 정상 흐름에 대해 반대 방향으로 흐르는 청정 유체의 하나 이상의 짧은 기간 고압 펄스를 포함하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 역세척 단계 후, 상기 필터를 통한 무-흐름 기간을 유지시킨 다음, 상기 생성물 회수 밸브를 점차 개방시켜 상기 필터가 사용에 복귀되도록 하는, 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 작은 기공 필터가 상기 슬러리 반응기 용기 내부에 위치되는, 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 작은 기공 필터가 상기 슬러리 반응기 용기 외부에 위치되되, 상기 반응기 슬 러리와 연통되는, 방법.
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