KR20110106893A

KR20110106893A - 올레핀을 생산하기 위한 단열 리액터

Info

Publication number: KR20110106893A
Application number: KR1020117016975A
Authority: KR
Inventors: 칸다사미 미낙시 선더램
Original assignee: 루머스 테크놀로지 인코포레이티드
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-09-29
Also published as: KR101273069B1; US8815080B2; BRPI1007252A2; PL2382040T3; CA2748051A1; BRPI1007252B1; HUE037128T2; CN102292151B; NO2382040T3; CA2798536A1; AR075172A1; SG173108A1; MY156974A; CL2011001282A1; US20100191031A1; EP2382040B1; WO2010085550A2; WO2010085550A3; CA2748051C; CN102292151A

Abstract

탄화수소 피드스탁으로부터 올레핀을 생성하는 공정이 제공된다. 일 실시형태에서, 본 발명에 따른 공정은 탄화수소 피드스탁의 일부가 올레핀으로 변환되는 열분해 가열로를 통과하는 코일들을 이용하되, 단열 리액터에서 탄화수소 피드스탁의 추가변환 뒤이어 행해진다. 열분해 가열로의 코일 중 일부는 탄화수소 피드스탁을 운반하고, 나머지는 스팀만을 운반한다. 선택된 시간 주기 이후에, 코일을 따라 흐르는 물질들은 전환된다. 앞서 탄화수소 피드스탁을 함유하였던 코일을 통해 스팀이 흐름에 따라, 온라인으로 탈탄화가 이루어진다. 다른 실시형태에서, 높은 온도의 리액터가 메탄 또는 천연가스를 올레핀으로 변환하는데 사용된다.

Description

올레핀을 생산하기 위한 단열 리액터{ADIABATIC REACTOR TO PRODUCE OLEFINS}

본 발명은 올레핀(olefine)의 생산을 위한 개선된 프로세스와 관련된다. 일 실시예에서, 본 발명에 따른 공정은 탄화수소 피드스탁의 일부가 올레핀으로 변환되는 열분해 가열로를 통과하는 코일들을 이용하되, 단열 리액터에서 탄화수소 피드스탁의 추가변환이 뒤이어 행해진다. 다른 실시예에서, 고온 리액터는 메탄(methane) 또는 천연 가스(natural gas)를 올레핀으로 변환하는데 사용된다.

에틸렌(ethylene)과 프로필렌(propylene)과 같은 올레핀들은 폴레에틸렌(polyethylene)과 폴리프로필렌(polypropylene)과 같은 생성물의 생산에 사용되는 유용한 탄화수소이다. 일반적으로 올레핀은 탄화수소 피드스탁의 열적 분해에 의해 생산된다. 열적 분해 공정에서, 납사(naptha)와 같은 중질 탄화수소(heavier hydrocarbon)들은 2 내지 4의 탄소 원자를 포함하는 올레핀을 생산하기 위해 높은 온도에서 분해가 진행된다.

몇몇의 프로세스들은 올레핀을 생산하기 위한 중질의 탄화수소들을 분해하기 위해 존재한다. 일반적으로 사용되는 하나의 프로세스에서, 변환되는 피드스탁은 상기 피드스탁을 다수개의 코일 내부로, 가열로를 통과시킴으로써 가열로 안에서 가열된다. 코일들은 가열로의 내부로부터 코일 내부의 피드스탁으로 열의 전달을 향상시키도록 배치된다. 피드스탁은 가열되고 분해되며, 출구에서 코일로부터의 분해된 유출 물질은 분해 반응을 종료하도록 냉각된다.

이러한 방식의 탄화수소 분해는 코크(coke)를 포함하는 다양한 부산물의 형성을 초래한다. 코크는 코일의 내부 표면에 형성되고, 가열로로부터 탄화수소 피드스탁(hydrocarbon feedstock)으로 열이 전달되는 것을 억제시킨다. 코일에 형성되는 코크의 양은 탄화수소 피드스탁이 변환되는 정도에 직접적으로 관계된다. 복사열이 금속 코일로 공급되기 때문에, 코크 증착은 열의 전달을 억제하여 금속 코일의 온도가 상승하는 것을 야기하고, 이는 코일에 손상을 가져올 수 있다. 어떤 관점에서, 코크 부착물은 탈탄소를 위해 오프라인(off-line) 되어야만 하는 시점까지 열 전달을 억제한다. 일반적으로 탈탄소는 스팀(steam)와 공기를 이용하여 코일 내부의 코크를 연소하여 수행된다. 탈탄소 프로세스는 장비가 오프라인(off-line) 되는 것이 필요하기 때문에, 탈탄소 공정 동안 리액터로부터 올레핀의 생산은 중단된다.

형성되는 코크의 양을 감소시키기 위해, 희석 스팀(dilution steam)이 피드스탁에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 종래의 일 공정에서, 탄화수소 피드스탁은 가열로의 대류 구역(convection section)에서 하나 이상의 코일을 통해 열분해 가열로로 들어간다. 희석 스팀(dilution steam)은 공급 스팀(steam-to-feed)의 비율이, 일반적으로 공급 탄화수소 피드의 파운드 당 스팀(steam) 피드가 0.3에서 0.6 파운드의 범위에서, 지속적으로 유지될 수 있도록 각각의 코일에 첨가된다. 스팀-피드 혼합물은, 스팀-피드 혼합물이 분해되어 탄화수소에서 올레핀으로 변환되는데 요구되는 온도까지 가열되는 복사 구역(radiant section)으로 진입하기 앞서, 가열로의 대류 구역(convection section)에서 더 가열될 수 있다. 상기 혼합물의 희석 스팀(dilution steam)은 관 로(tube) 내부에서 코크 형성을 감소시킨다. 코일로부터의 유출물은 냉각되고, 미가공된 생성물은 저장소 또는 공정을 위해 보내진다.

희석 스팀을 사용하더라도, 코크 형성은 문제이다. 어떠한 공정들에서는, 방사 구역(radiant zone)에서 코일의 부착물을 감소시키면서, 개선된 탄화수소의 올레핀 변환이 가능하도록 단열 리액터가 열분해 가열로의 하류 부분으로 이용된다. 이런 공정들에서, 위에서 묘사한 타입의 열분해 가열로가 이용되고, 특정 온도 및 플로우 레이트(flow rate)에서의 반응 조건들은 가열로의 코일 내부에서 탄화수소의 올레핀으로의 변환이 감소하도록 제어된다. 코일 내부에서 상기 감소된 변환은 코크의 형성을 감소시킨다. 하류 부분의 단열 리액터는 피드스톡이 올레핀으로 추가적으로 변환되는데 사용되고, 이에 의해 전반적인 변환이 개선된다. 심지어는 이러한 공정에서도, 코크 형성은 탈 탄소를 위해 주기적인 정지 시간이 요구된다.

전술한 공정에서, 납사와 같은 중질 탄화수소가 피드스탁으로 사용된다. 올레핀을 생산하기 위한 피드스탁으로서 메탄 또는 천연가스와 같은 경질 탄화수소의 사용은, 메탄의 변환이 개시제(initiator) 또는 상대적으로 높은 온도(1100℃ 이상)가 요구되기 때문에 제한되어 왔다. 상기 요구되는 온도는 일반적으로 열분해 가열로에서 얻어질 수 있는 온도들보다 높다. 예를 들어, 메탄으로부터 올레핀을 생성하는 벤슨 공정(Benson process)은 높은 온도에서 염소를 자유 라디칼 개시제(free radical initiator)로서 사용한다. 이 공정은 부식성이 강한 상태를 야기하며, 따라서 고가이고 운용이 어렵다.

메탄을 올레핀으로 변환하는데 사용되는 다른 공정은 메탄의 산화 결합이다. 이 공정에서, 메탄은 부분적으로 연소되고, 적합한 촉매가 변환 반응을 촉진하기 위해 필요하다.

메탄과 천연가스는 풍부하고 다른 탄화수소들에 비해 상대적으로 저렴하기 때문에, 메탄과 천연가스를 올레핀으로 변환시키는 개선된 공정을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 탈탄소를 위해 리액터 또는 열분해 가열로의 정지 시간을 감소시킬 수 있는 납사(naptha) 또는 다른 탄화수소를 분해하는 공정을 갖는 것도 바람직하다.

본 발명은 탄화수소 피드스탁으로부터 올레핀을 생성하는 개선된 공정을 제공한다. 본 공정의 일 실시예에서, 다수개의 코일을 포함하는 열분해 가열로는 탄화수소 피드스탁을 분해하는데 사용된다. 동작의 제1 주기 동안, 다수개의 코일 중 하나 이상의 코일은 탄화수소 피드스탁과 희석 스팀의 혼합물을 운반하고, 상기 다수개의 코일 중 나머지 코일은 오직 스팀만을 운반한다. 열분해 가열로 안에서, 코일 내부의 내용물은 가열된다. 탄화수소와 스팀의 혼합물을 운반하는 하나 이상의 코일에서, 탄화수소는 탄화수소가 올레핀으로 부분적으로 변환이 이루어지기에 충분한 온도로 가열된다. 온도 및 체류 시간은 원하는 수준의 탄화수소 변환을 달성하도록 제어된다.

스팀만을 운반하는 코일에서, 코일 안의 스팀은 과열된다. 코일 유출물들은 조합되어(combined) 피드스탁이 올레핀 생성물로의 추가적인 변환을 위해 단열 리액터로 보내진다. 코일 유출물들을 조합하는 것은 유체간의(fluid-fluid) 열 전달을 야기하고, 단열 리액터에서 탄화수소 피드스탁이 올레핀으로 변환되는데 필요한 에너지는 과열된 스팀으로부터 제공된다. 단열 리액터로부터의 생성물은 가스의 온도를 저하시키고 변환 반응을 중지하도록 냉각 유닛으로 공급된다. 냉각 유닛으로부터의 생성물 스트림은 저장소 또는 추가적인 공정을 위해 보내질 수 있다.

스팀은 단독으로 오염된 복사 코일을 탈탄소시키는데 사용될 수 있기 때문에, 선택된 시간 후에 관로들을 통과하는 흐름을 전환하고, 제2 주기 동안 열분해 가열로가 구동된다. 동작의 제2 주기 동안, 스팀은 앞서 탄화수소 피드를 둘러싸고 있던 코일들을 통해 단독으로 흐른다. 상기 스팀의 온도가 높고 동작 기간이 길기 때문에, 동작의 제1 주기동안 이러한 코일들에 증착된 코크는 감소되거나 제거될 것이다. 동작의 제2 주기의 종료시점에서, 상기 코일들을 통한 흐름은 동작의 제2 주기 동안 탄화수소의 분해에 사용된 코일의 탈탄소 제공하기 위해 다시 전환된다. 탄화수소에서 올레핀으로의 바람직한 변환을 얻기 위해 요청됨에 따라, 상기 물질의 흐름은 이러한 방식으로 교대될 수 있다. 코일들에서 운반되는 물질의 연속적인 교대에 의해, 코일의 온라인(on-line) 탈탄소가 일어나며, 오프라인(off-line) 탈탄소를 위한 운전 정지 사이에서 더 긴 런 타임을 갖는다.

열분해 가열로는 탄화수소 피드스탁의 예열을 위한 대류 구역(convection zone) 및 탄화수소 피드스탁이 올레핀으로 변환되는데 요구되는 온도까지 가열되는 복사 구간(raiant zone)을 구비하도록 설계될 수 있다. 다른 실시예로, 열은 냉각 유닛으로부터 상기 공정에 요구되는 희석 스팀의 적어도 일부를 발생시기 위해 회수될 수 있다.

공정의 다른 실시예에서는, 메탄 또는 천연가스가 올레핀으로 변환된다. 이러한 실시예에서, 리액터는 세라믹 절연물질을 이용하여 내부에 절연되도록 구비된다. 상기 리액터는 내부 세라믹 절연물을 갖는 튜브 타입의 리액터일 수 있다.

수소와 산소가 리액터의 제1 스테이지 안으로 도입되고 연소된다. 일반적으로, 산소의 화학양론적 양보다 적은 양이 사용된다. 연소는 리액터의 제1 스테이지에서 일반적으로 1200℃ 또는 그 이상의 매우 높은 온도를 형성한다. 초과된 수소로부터 수소 자유 라디칼(hydrogen free radical)들 또한 생성된다. 메탄 또는 천연가스는 리액터의 제2 스테이지 안으로 주입되고, CH3- 자유 라디칼들을 형성하도록 분리된다. 자유 라디칼 반응이 시작되고, 수소, 아세틸렌, 에틸렌 및 소량의 중질 탄화수소를 생성한다. 상기 반응에 요구되는 열은 상기 리액터의 제1 스테이지에서 생성되는 고온의 가스를 냉각함으로써 제공된다. 리액터로부터의 유출물은 일반적인 장치에서 냉각할 수 있을 정도로 충분히 냉각된다.

상기 공정의 이점 가운데, 긴 런타임(run-time)과 보다 높은 온라인(on-line) 인자가 공정의 경제성을 개선하는 것이 있다. 다른 공정에 비해 올레핀의 더 높은 산출 또한 가능할 수 있다. 게다가, 일부 실시예에서는, 덜 비싼 메탄 또는 천연 가스가 피드스탁으로서 이용될 수 있다. 공정의 다른 이점들은 이하에서 기술되는 발명의 상세한 설명에 기초한 기술 분야에서 숙련된 자들에게는 명백할 것이다.

도 1은 2 코일 열분해 가열로를 개시하는 발명의 공정의 일 실시예에 대한 개략도이다.
도 2는 열분해 가열로가 대류 구역 및 복사 구역을 갖고 희석 스팀이 복사 구간에 진입하기에 앞서 탄화수소 피드로 주입되는 발명의 일 실시예에 대한 개략도이다.
도 3은 스팀 드럼과 냉각 유닛으로부터 열 회수를 위해 결합된 라인들을 갖는 도 2의 열분해 가열로의 개략도이다.
도 4는 리액터가 올레핀을 형성하기 위해 메탄 또는 천연가스를 분해되는데 이용되는 공정의 일 실시예에 대한 개략도이다.
도 5는 다양한 리액터 온도에서 메탄이 올레핀으로 변환되는 백분율과 리액터에서의 체류 시간의 관계를 보여주는 차트이다.
도 6은 올레핀을 형성하기 위해 메탄 또는 천연가스를 분해하는 튜브 타입의 리액터의 개략도이다.

본 발명의 공정의 일 실시예에서, 탄화수소 피드스탁(hydrocarbon feedstock)은 열분해 가열로(pyrolysis furnace)와 단열 리액터(adiabatic reactor)를 이용하여 올레핀(olefin) 생성물을 형성하기 위해 분해된다. 일반적으로, 열분해 가열로는 다수개의 코일들로 구성된다. 상기 다수개의 코일 중 일부는 예를 들어 납사(naptha)와 같이 분해(crack)되는 탄화수소 피드스탁과 희석 스팀(dilution steam)을 수용한다. 상기 다수개의 코일 중 나머지는 오직 스팀만을 수용한다. 탄화수소와 스팀 스트림(stream)이 상기 열분해 가열로를 통과함에 따라, 탄화수소 피드스탁은 일부분이 올레핀으로 변환된다. 오직 스팀만을 포함하는 코일에서는, 상기 스팀이 열분해 가열로를 통과함에 따라 과열된다.

상기 코일들의 출구들은 조합되고, 추가적인 탄화수소 피드스탁의 변환이 발생하는 단열 리액터로 공급된다. 상기 조합된 스트림의 유체간 열 전달(fluid-fluid heat transfer)의 결과로, 과열된 희석 스팀의 열은 상기 단열 리액터에서 탄화수소의 추가적인 변환을 위한 필요한 에너지를 공급할 수 있다.

코일에서 탄화수소의 올레핀으로 변환은 코일의 내측 표면에 코크를 포함하는 다양한 부산물을 생성한다. 소정 시간 주기 후에, 코일들에서의 물질의 플로우(material flow)는 전환되어, 탄화수소 피드스탁과 희석 스팀을 운반해 오던 코일들은 오직 스팀만을 운반하고, 반면 오직 스팀만을 운반해 오던 코일들은 탄화수 소 피드스탁과 희석 스팀을 운반할 수 있다. 이전에 탄화수소 피드스탁과 스팀을 운반하던 코일들을 오직 스팀만이 통과하는 것에 의해, 상기 코일에 증착된 코크가 감소하거나 제거될 수 있다. 이는 탈탄소를 위해 운전을 정지하는 시간 사이에 보다 긴 가열로의 동작을 가능하게 한다.

단열 리액터로부터 출구(outlet)는 조합된 가스 스트림(combined gas stream)을 냉각하고 탄화수소 변환 반응을 종료하기 위해 냉각 유닛으로 제공된다. 냉각 유닛으로부터의 생성물 스트림(proroduct stream)은 저장소 또는 추가적인 공정을 위해 보내진다.

본 발명의 이러한 관점에 따른 실시예의 설명은 이하에서 제공한다. 이러한 설명은 예시들로서 제공되는 것이며 본 발명의 전체 범위가 여기서 설명되거나 첨부된 청구항에서 인용되는 것으로 제한하고자 하는 의도는 아닌 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 공정의 일 실시예의 개략도는 도 1에 도시된다. 이 개략도에서, 2-코일 가열로(two coil furnace)가 도시된다. 본 기술분야에 숙련된 자에게는 이하에서 설명하는 공정을 수행하는 가열로는 어떤 개수의 코일이든 포함할 수 있다고 이해될 수 있을 것이다. 게다가, 두 개 이상의 코일을 포함하는 가열로에서, 코일들은 예를 들어 두 개의 탄화수소 피드/스팀 코일과 하나의 스팀 전용 코일, 또는 세 개의 탄화수소 피드/스팀 코일과 두 개의 스팀 전용 코일 등과 같이 다양한 플로우 배열이 적용될 수 있도록 배치될 수 있다. 본 기술분야에 숙련된 자는 여기에서 제공되는 정보를 이용하여 바람직한 탄화수소 피드스탁의 변환을 달성하기 위해 열분해 가열로에서 코일을 통과하는 플로우를 어떻게 배치할 것인지 쉽게 결정할 수 있다.

도 1을 참고하면, 두 개의 코일들(12),(14)을 구비하는 열분해 가열로(10)가 개시된다. 동작의 제1 주기동안, 코일(12)은 라인(11)을 통해 분해되기 위한 탄화수소 피드스탁과 희석스팀의 혼합물이 공급된다. 탄화수소 피드스탁에 대한 희석스팀의 비율은 일반적으로 중량 기준 0.1 내지 1.0의 범위이다. 원한다면, 탄화수소 피드스탁은 희석스팀 없이 상기 열분해 가열로로 공급될 수도 있다. 코일(12)의 탄화수소 피드스탁은 희석스팀의 첨가 전 또는 첨가 후에 예열될 수 있다. 아래에서 설명하는 것과 같이, 어떤 실시예에서는, 상기 열분해 가열로가 스팀과 혼합되기 전에 탄화수소 피드스탁으로 예열(pre-heating)을 제공하는 대류 구역을 포함할 수 있다. 탄화수소 피드스탁은 일반적으로 250℃에서 750℃의 온도로 열분해 리액터로 공급된다.

동작의 제1 주기동안, 코일(14)은 라인(13)을 통해 오직 스팀만이 공급된다. 상기 스팀은 일반적으로 150℃에서 800℃의 온도로 공급된다. 상기 코일들은 열분해 가열로를 통과하고, 각 코일 내부의 내용물들은 열분해 가열로의 내벽에 설치된 가열기구들에 의해 가열된다.

코일(12)의 탄화수소 피드스탁이 가열로(10)를 통과함에 따라, 탄화수소 피드스탁은 상기 탄화수소 피드스탁의 일부가 올레핀으로 변환하기에 충분한 온도, 일반적으로 700℃에서 800℃의 온도까지 가열된다. 코일들에서의 플로우 레이트는 상기 가열로의 탄화수소 피드스탁이 바람직한 탄화수소 변환 수준을 얻는데 요구되는 체류시간을 달성하도록 유지된다. 일반적으로, 가열로에서 체류 시간은 100ms에서 800ms의 범위이다. 코일(12)의 탄화수소의 일부는 올레핀으로 변환된다. 변환 정도는 리액터에서 온도 및 체류 시간을 조절하는 것에 의해 제어된다. 상기 가열로에서 탄화수소의 변환은 탄화수소 분해에 사용되는 일반적인 열분해 가열로에서보다 낮고, 대략 50%의 범위일 수 있다. 탄화수소 변환이 일반적인 가열로에서보다 낮기 때문에, 가열로의 코일 내부에 보다 적은 양의 코크가 형성된다.

코일(14)에서 스팀이 가열로를 통과함에 따라, 상기 스팀은 과열된다. 일반적으로, 상기 스팀은 10psig에서 20psig의 압력에서 900℃에서 1100℃의 온도로 과열될 수 있다. 스팀의 비열(specific heat)이 낮고 상기 코일에서 탄화수소의 변환을 위해 요구되는 열이 없기 때문에, 이러한 스팀은 과열된다. 공정의 본 단계에서는 코일(14)에서 탄화수소 변환이 이루어지지 않기 때문에, 어떠한 코크도 형성되지 않는다.

상기 가열로(10)로부터의 코일 출구(18, 16)는 헤더(header)(12)에 결합되어 단열 리액터(20)로 제공된다. 열분해 리액터에서의 탄화수소 변환의 결과로, 코일 출구의 온도는 일반적으로 750℃에서 1000℃이다. 상기 단열 리액터는 별개의 리액터 베슬(vessel)로 이루어질 수 있고, 코일들의 연장부일 수도 있으며, 또는 확장된 직경을 갖는 조합된 코일 헤더(22)일 수도 있다. 상기 단열 리액터는 열분해 가열로에서 뜨거운 관로 가스에 노출되지 않기 때문에, 리액터는 주위로 열손실을 최소화할 수 있도록 단열될 수 있다. 또한, 상기 단열 리액터에서는 덜 고가인 물질들이 사용될 수 있다. 상기 입구들과 출구들은 최소한의 압력강하로 탄화수소와 스팀이 빠르게 혼합되는 것을 증진하고, 반응로에서 데드존(dead zone)을 최소화하거나 제거할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다. 이러한 설계는 단열 리액터에서 코크 형성을 최소화시켜야 한다.

상기 리액터의 체적, 그리고 튜브 형상 리액터의 직경에 대한 길이 비율은 원하는 탄화수소의 변환이 발생하는데 적절한 체류시간을 제공하도록 선택된다. 다수개의 단열 리액터들을 사용할 수도 있다. 각각의 단열 리액터는 냉각유닛에 직접 연결될 수 있다. 일 실시예로, 상기 냉각유닛은 수송라인 열교환기(transferline exchanger)이고, 상기 단열 리액터는 상기 수송라인 열교환기에 통합된다. 수송라인 열교환기들은 일반적으로 유입 체류시간(inlet residence time)을 최소화하도록 설계된다. 수송라인 열교환기를 탄화수소의 추가 변환이 가능하도록 유입 체류시간이 증가하도록 설계함으로써, 수송라인 열교환기의 유입 구역은 단열 리액터의 역할을 할 수 있다. 이는 시스템의 전체 비용을 감소시키거나 별도의 단열 리액터에 대한 필요를 없앨 수 있다.

하나의 가열로에 다중의 코일들이 이용되면, 두 개 이상의 코일이 하나의 단열 리액터에 제공될 수 있다. 또한 하나의 코일이, 위에서 설명한 것과 같이 수송라인 열교환기와 다수개의 단열 리액터 집합체와 같은, 다수개의 단열 리액터에 제공될 수도 있다. 냉각 유닛은 종래의 원통다관식 열교환기(shell and tube heat exchanger), 이중관 또는 선형 열교환기(double pipe or linear exchanger), 또는 급속 냉각기일 수 있다.

단열 리액터에서, 과열된 스팀은 탄화수소가 올레핀으로 추가적으로 변환하는데 에너지를 제공한다. 조합된 가스들은 단열 리액터에서 변환 공정이 진행되는 동안, 일반적으로 950℃에서 700℃의 온도로 냉각된다. 전체적으로 70% 또는 그 이상의 비율로 변환이 이루어질 수 있다.

상기 반응 생성물(24)은 단열 리액터로부터 냉각유닛(30)으로 공급된다. 상기 가스들은 단열 리액터에서 냉각되었기 때문에, 본 기술 분야에서 숙련된 자에게 잘 알려진 여러 냉각 유닛을 이용할 수 있다. 냉각유닛의 냉각은 외부의 냉각 소스에 의해 제공되거나, 또는, 아래에서 설명하는 것과 같이, 열은 냉각 공정을 통해 공정에 필요한 스팀을 생성하는 용도로 재생될 수 있다. 일 실시예로서, 수송라인 열교환기(TLE) 타입의 냉각유닛이 상기공정에 사용될 수 있다. 상기 냉각된 미가공 생성물(26)은 냉각유닛으로부터 저장소 또는 추가공정을 위해 보내진다.

선택된 시간 주기 이후, 코일(14) 및 (16)을 통해 공급되는 물질들은 동작의 제2 주기로 전환된다. 제1 코일(12)을 통해 오직 스팀만이 공급되고, 탄화수소와 스팀의 혼합물은 제2 코일(14)을 통해 공급된다. 코일(12)를 통한 스팀 플로우는 동작의 제1 주기 동안 상기 코일에 증착된 코크를 제거한다. 이러한 온라인(on-line) 탈탄소 작업은 오프라인(off-line) 탈탄소 작업 사이에서 보다 긴 시간 주기 동안 상기 시스템을 구동하는 것이 가능하게 한다. 제2 코일(14)에서 탄화수소는 위에서 설명한 것과 같이 올레핀으로 변환되고, 헤더(22)에서 제1 코일(12)에서 생성되는 스팀과 혼합된다. 온도, 플로우 레이트 그리고 다른 조건들은 동작의 제2 주기 동안 위에서 설명한 것과 같이 유지된다.

동작의 제2 주기가 종료될 때, 동작의 제2 주기동안 탄화수소 분해에 사용된 코일들이 탈탄소되도록, 상기 코일들을 통한 플로우가 다시 한번 전환될 수 있다. 코일 내부에 낮은 코크 수준을 유지하면서 원하는 탄화수소의 올레핀 변환을 얻어내는 것이 요구됨에 따라, 이 같은 방식으로 물질 플로우(material flow)는 번갈아 가며 교대될 수 있다. 상기 코일들을 따라 운반되는 물질들을 주기적으로 교대시킴에 의해, 코일의 온라인(on-line) 탈탄소 작업이 이루어지고, 이는 오프라인(off-line) 탈탄소 작업을 위해 정지하는 시간 사이에서 더 긴 런타임(run time)을 갖게 된다.

이제 도 2를 참조하면, 대류 구역(convection section)과 복사 구역(radiant section)을 포함하는 열분해 가열로(110)가 도시된 공정의 다른 일 실시예의 개략도가 개시된다. 동작의 제1 주기에, 탄화수소 피드(108)는 예열을 위해 상기 가열로(110)의 대류 구역(109)내부에 제1 코일(112)로 진입한다. 상기 탄화수소 피드스탁은 일반적으로 30℃에서 200℃의 온도로 열분해 리액터로 공급된다. 상기 열분해 가열로의 대류 구역은 일반적으로 100℃에서 1200℃의 온도로 유지된다. 예열 후에는, 상기 탄화수소 피드스탁(113)은 희석 스팀(119)과 혼합되고, 탄화수소-스팀 혼합물(125)은 가열로의 복사 구역(111) 내부에 위치한 코일(125)로 공급된다. 복사 구역(111)에서, 상기 탄화수소-스팀 혼합물은 가열되고, 상기 탄화수소는 일부가 올레핀으로 변환된다. 상기 열분해 가열로의 복사 구역은 일반적으로 1000℃에서 1300℃의 온도에서 동작되고, 상기 탄화수소-스팀 혼합물은 700℃에서 850℃의 온도로 가열된다. 상기 가열로의 복사 구역에서 체류시간은 일반적으로 100ms에서 800ms이다. 도 2에 도시된 실시예에서는, 희석 스팀이 상기 가열로의 외부에서 예열된 탄화수소에 첨가된다. 원하는 경우에는, 상기 스팀 첨가 라인이 상기 가열로의 벽면 내측에 위치하는 코일로 희석 스팀을 주입할 수도 있다.

제2 코일(129)에서, 스팀은 스팀라인(121)을 통해 공급되어, 코일(129)을 통해 복사 구역(111)을 통과한다. 상기 스팀은 희석 스팀의 온도에서 유입되며, 상기 가열로의 복사 구역에서 과열된다. 상기 스팀은 10psig에서 200psig의 압력에서 일반적으로 900℃에서 1100℃의 온도로 과열된다.

다른 방안으로는, 동작의 제1 주기 동안, 스팀은 라인(107)을 통해 코일(114)로 공급되고, 대류 구역(109)에서 예열될 수 있다. 상기 스팀은 라인(115)과 라인(123)를 따라 상기 가열로의 복사 구역 내의 코일(129)로 흐를 수 있다. 원하는 경우라면, 상기 스팀 중 일부는 상기 대류 구역을 따라 공급될 수 있고, 추가적인 스팀이 라인(121)을 따라 공급될 수도 있다. 상기 스팀은 위에서 설명한 바와 같이 상기 가열로의 복사 구역에서 과열된다.

상기 코일의 출구(118, 116)들은 상기 헤더(122)에 결합되고, 상기 단열 리액터(120)에 제공된다. 코일의 출구 온도는 일반적으로 750℃에서 1000℃이다. 상기 단열 리액터는 위에서 설명한 것과 같은 형태일 수 있다. 단열 리액터에서, 과열된 스팀은 유체간의 열전달(fluid-fluild heat transfer)에 의해 탄화수소가 올레핀으로 추가적인 변환이 가능하도록 에너지를 공급한다. 조합된 가스는 상기 변환 공정동안 냉각된다. 전체적으로 70% 또는 그 이상의 비율로 변환이 이루어질 수 있다. 반응 생성물(122)은 단열 리액터로부터 냉각유닛(130)으로 공급된다(124). 상기 가스들은 단열 리액터에서 냉각되기 때문에, 해당 기술분야의 숙련된 자에게 알려진 여러 타입의 냉각유닛을 이용할 수 있다. 예를 들어, 수송라인 열교환기(TLE) 타입의 냉각 유닛이 본 공정에 사용될 수 있다. 냉각된 미가공 생성물(126)은 상기 냉각 유닛으로부터 저장소 또는 추가적인 공정을 위해 보내진다.

선택된 시간 주기 후에, 상기 코일(127)과 코일(129)을 통해 공급되는 물질들은 동작의 제2 주기로 전환된다. 상기 동작의 제2 주기 동안, 피드 라인(107)은 예열을 위해 가열로(110)의 대류 구역(109) 내부의 코일(114)로 탄화수소 피드스탁을 공급한다. 예열 후에, 상기 탄화수소 스트림(115)은 희석 스팀(121)과 혼합되고, 상기 탄화수소-스팀 혼합물(123)은 가열로의 복사 구역(111) 내부의 코일(129)로 공급된다. 복사 구역(111)에서, 상기 탄화수소-스팀 혼합물은 가열되고, 상기 탄화수소는 위에서 설명한 바와 같이 일부가 올레핀으로 변환된다.

코일(127)에서는, 스팀이 스팀라인(119)을 통해 공급되고, 코일(127)을 통해 복사 구역(111)을 통과한다. 상기 스팀은 희석 스팀의 온도로 유입되고, 위에서 설명한 바와 같이 상기 가열로의 복사 구역에서 과열된다.

대안적으로, 동작의 제2 주기 동안, 스팀은 라인(108)을 통해 코일(112)로 공급될 수 있고, 대류 구역(109)에서 가열될 수 있다. 상기 스팀은 라인(113)과 라인(125)를 통해 상기 가열로의 복사 구역에 위치한 코일(127)로 흘러갈 수 있다. 원하는 경우에는, 상기 스팀의 일부가 상기 대류 구역을 통해 공급될 수 있고, 추가적인 스팀이 라인(119)를 통해 공급될 수 있다. 상기 스팀은 위에서 설명한 바와 같이 상기 복사 구역에서 과열된다.

상기 가열로에서 복사구역의 코일(129)을 통과하는 스팀 플로우는 동작의 제1 주기 동안 코일(129) 내부에 증착된 코크를 제거한다. 이러한 온라인(on-line) 탈탄소 작업은 오프라인(off-line) 탈탄소 작업 간에 보다 긴 시간 주기 동안 시스템이 동작되도록 할 수 있다. 동작의 제2 주기 동안, 상기 코일(129)의 탄화수소는 위에서 설명한 바와 같이 올레핀으로 변환되고, 헤더(122)에서 코일(127)로부터의 과열된 스팀과 혼합되며, 위에서 설명한 바와 같이 단열 리액터(120) 및 냉각 유닛(130)으로 공급된다. 생성물 스트림(126)은 저장소 또는 추가적인 공정을 위해 보내진다.

동작의 제2 주기가 종료할 때, 상기 동작의 제2 주기 동안 탄화수소 분해에 사용된 코일들이 탈탄소되도록, 상기 코일들을 통한 플로우가 다시 한 번 전환될 수 있다. 코일 내부에 낮은 코크 수준을 유지하면서 원하는 탄화수소의 올레핀 변환을 얻어내는 것이 요구됨에 따라, 이 같은 방식으로 물질 플로우(material flow)는 번갈아 가며 교대될 수 있다. 상기 코일들을 따라 운반되는 물질들을 주기적으로 교대시킴에 의해, 코일의 온라인(on-line) 탈탄소 작업이 이루어지고, 이는 오프라인(off-line) 탈탄소 작업을 위해 정지하는 시간 사이에서 더 긴 런타임(run time)을 갖게 된다.

도 3에 개시된 공정의 또 다른 실시예에서는, 냉각 유닛에서 열이 회수되어 공정에서 스팀을 공급하는데 사용된다. 이제 도 3을 참조하면, 본 실시예에서, 도 2의 열분해 가열로가 상기 시스템에 추가되는 스팀 드럼(140)과 함께 사용된다. 상기 열분해 가열로(110)와 단열 리액터(120)는 탄화수소 피드를 올레핀 생성물로 변환시키도록 위에서 설명한 바와 같이 동작된다. 스팀 드럼(140)은 피드 라인(142) 및 스팀 드럼 라인(144)에 의해 냉각 유닛(130)에 연결된다. 스팀 드럼(140)으로부터 물은, 냉각 유닛에서 생성물 스트림에 대한 냉각 작업의 적어도 일부에 대해 제공하도록, 상기 냉각 유닛(130)으로 공급된다. 상기 물은 상기 스팀 드럼으로부터 상기 냉각 유닛으로 펌핑될 수도 있고, 열사이펀(thermosyphon) 시스템이 사용될 수도 있다.

스팀은 냉각 유닛에서 생성되고 라인(144)를 따라 상기 스팀 드럼으로 되돌아온다. 상기 스팀의 온도는 냉각 유닛에서 필요한 냉각을 진행하고자 하는 요구에 따라 제어될 수 있다. 일반적으로, 냉각 유닛으로부터의 스팀의 온도는 160℃에서 330℃의 범위일 수 있다.

피드 워터(feed water)는 피드 라인(146)을 통해 스팀 드럼(140)으로 제공된다. 상기 피드 워터는 도 3에 개시된 것처럼, 열분해 가열로의 대류 구역에서 예열될 수 있다. 대안적으로는, 피드 워터(feed water)는 별도의 열 교환기 또는 급탕기(boiler)에서 예열될 수도 있다. 상기 스팀 드럼에서 발생되는 스팀은 상기 스팀이 라인(148)을 통해 상기 가열로(110)의 대류 구역(109)으로 제공됨에 따라 추가적으로 가열될 수 있다. 대안적으로, 상기 스팀은 별도의 열 교환기 또는 급탕기에서 추가적으로 가열될 수도 있다. 이러한 방식으로 공정을 위한 희석 스팀의 적어도 일부를 생성함으로써, 상기 공정은 보다 효과적이며, 투입되는 열이 덜 요구된다. 250℃내지 330℃의 온도에서 높은 압력의 스팀 또한 이러한 방식으로 생성될 수 있으며, 열분해 가열로에서 과열될 수 있다.

다음 예시들은 예상되는 것으로, 본 공정의 일 실시예가 종래의 공정과 비교하여 어떻게 수행되는지를 설명한다. 두 예시 모두 열분해 가열로에서 두 코일의 동작을 설명한다.

[예시 1]

다음 예시는 열분해 가열로에 코일 1 및 코일 2의 두 개의 분해용 코일들을 포함하는 것으로 상정한다. 올레핀을 형성하는 종래의 분해 공정에서는, 각각의 코일이 1000 kg/h의 납사(naptha)와 500 kg/h의 희석 스팀(dilution steam)의 혼합물로 이루어진 스트림을 수용한다. 대략 850℃의 코일 출구 온도에서 공급 변환효율(feed conversion)은 75%이다.

[예시 2]

본 실시예에서는, 두 개의 분해용 코일들을 구비한 열분해 가열로가 상정된다. 코일 1은 2000 kg/h의 납사(naptha) 및 400kg/h의 희석 스팀(dilution steam)을 운반한다. 본 코일 안의 납사는 상기 가열로의 체류 시간을 조절함으로써 열분해 가열로에서 대략 50%가 변환할 때까지 분해된다. 보다 짧은 체류 시간을 유지함으로써, 코일 출구 온도는 대략적으로 850℃일 수 있다. 코일 2에서는, 거의 1800 kg/h의 스팀이 운반된다. 코일 2의 상기 스팀은 가열로에서 대략 1000℃까지 과열된다. 코일 1의 납사-스팀 혼합물은 상기 코일 2의 외부로부터 단열 환경의 가열로에 이르기까지 상기 스팀과 혼합된다. 상기 과열된 스팀의 에너지는 탄화수소의 추가적인 변환에 필요한 에너지를 제공한다. 70% 또는 그 이상의 전체적인 변환율이 얻어질 수 있다.

일 시간 주기 이후, 상기 코일들을 통한 플로우는 전환된다. 코일 1은 오직 스팀만을 운반하고, 코일 2는 납사-스팀 혼합물을 운반한다. 코일 1의 스팀 플로우는 이전 공정에서 코일에 형성된 코크의 일부 또는 전부를 제거한다.

[메탄 변환]

공정의 다른 실시예에서, 리액터는 메탄을 올레핀으로 변환하는데 사용된다. 메탄은 일반적인 열분해 가열로의 온도에서는 올레핀으로 변환될 수 없다. 본 발명에 따른 본 실시예에서는, 리액터에서 1200℃ 또는 그 이상의 온도를 형성하도록 수소가 화학량론적 양보다 적은 양의 산소와 함께 리엑터에서 연소된다. 초과된 수소는 메탄 변환 반응을 촉진시키는 수소 라디칼을 형성한다. 메탄은 상기 리액터로 주입되고, 이는 CH3- 자유 라디칼(CH3-free radical)을 형성하도록 분해된다. 이는 수소, 아세틸렌(acetylene), 에틸렌(ethylene) 그리고 적은 양의 중질 탄화수소 및 코크의 형성을 초래하는 자유 라디칼 반응을 일으킨다. 상기 아세틸렌은 추가적인 에틸렌을 형성하기 위해 수소화(hydrogenated)될 수도 있다.

본 발명의 이러한 실시예에 사용되는 리액터의 개략도는 도 4에 개시된다. 리액터(200)는 측벽들(206), 하부벽(bottom wall)(216), 상부벽(top wall)(218)을 포함한다. 상기 측벽들, 하부벽 및 상부벽은 적합한 다양한 재질로 구성될 수 있으며, 일반적으로 스틸과 같은 금속이 사용될 수 있다. 상부벽은 상기 리액터로부터 생성물 스트림을 제거할 수 있는 생성물 라인(214)을 포함한다. 리액터에서 발생되는 높은 온도 때문에, 측벽, 하부벽 및 상부벽은 단열층(208)을 구비한다. 상기 단열층은 일반적으로 세라믹 재질이다. 사용되는 세라믹 재질은 알루미나(alumina), 실리콘카바이드(silicon carbides), 실리카 알루미나(silica-aluminas), 카보런덤(carborundums) 또는 해당 기술분야의 숙련자에게 알려진 다른 종래의 세라믹 재질일 수 있다. 상기 세라믹 단열재는 상기 매탄의 올레핀으로의 변환을 더욱 촉진시키는 촉매 물질을 포함할 수 있다.

리액터는 도 4에 개시되고 위에서 설명한 형상에 한정되는 것은 아님을 주의해야한다. 상기 리액터는 아래에서 설명하는 바와 같이 튜브 타입의 리액터를 포함하여, 여러 형상일 수 있다.

리액터(200)는 제1 스테이지(210) 및 제2 스테이지(220)를 포함한다. 제1 스테이지(210)에서, 수소는 라인(202)을 통해 공급되고, 라인(204)을 통해 공급되는 화학양론적 양(stioichiometric amount)보다 적은 양의 산소와 함께 연소된다. 기준으로(on a molar basis), 상기 리액터의 제1 스테이지로 제공되는 산소에 대한 수소의 비율은 2에서 10이다. 상기 수소와 산소의 연소는 스팀형태의 많은 양의 물을 생성한다. 초과된 수소의 일부는 메탄 변환을 촉진시킬 수 있는 수소 라디칼을 형성할 수 있다. 충분한 수소와 산소는 제1 스테이지에서 가스의 온도를 1200℃ 또는 그 이상으로 증가시키기 위해 연소된다. 만약 수소가 이용될 수 없다면, 메탄이 상기 제1 스테이지의 온도를 올리는데 이용될 수 있음을 밝혀둔다. 만약 메탄이 사용되거나, 다른 탄화수소가 상기 제1 스테이지에 존재하게 되면, CO 및 CO2가 생성되고, 물의 생성은 약간 감소할 것이다.

상기 리액터의 제2 스테이지(220)에서는, 메탄이 라인(212)를 통해 가열된 가스로 주입된다. 메탄은 CH3- 자유 라디칼을 형성하도록 분해되고, 이는 자유 라디칼 반응을 일으키고, 수소(hydrogen), 아세틸렌(acetylene) 그리고 에틸렌(ethylene) 및 소량의 중질 탄화수소 및 코크를 형성한다. 도 5에 개시된 바와 같이, 온도가 상승함에 따라, 메탄으로부터의 올레핀 수율이 증가하고, 상기 리액터의 체류 시간은 감소할 수 있다. 보다 긴 체류 시간에서, 많은 양의 탄소가 생성된다. 원하는 올레핀 생성물을 획득하기 위해서, 리액터의 체류 시간은 일반적으로 0.5초 이하로 유지되며, 바람직하게는 0.2초 보다 적게 유지된다. 이러한 체류 시간에서, 생성물은 일반적으로 중량 기준 50%의 에틸렌과 중량 기준 45%의 아세틸렌을 함유한다. 벤젠(중량 기준 대략 1%)과 다른 중질 탄화수소(잔류물; remainder)들 또한 생성된다.

상기 생성물 가스는 상기 리액터로부터 생성물 라인(214)를 통해 배출되고, 냉각을 위해 보내진다. 메탄이 올레핀 생성물로 변환됨에 따라, 흡열 변환 반응에 요구되는 열은 상기 리액터의 제1 스테이지에서 형성되는 고온의 가스로부터 제공된다. 이는 가스의 온도를 저하시키게 되므로, 제2 스테이지 말단에서는 조합된 생성물 가스가 예를 들어 수송라인 열교환기와 같은 일반적인 장치를 이용하여 냉각될 수 있다. 일반적으로, 생성물 가스의 온도는 800℃에서 1100℃일 수 있다. 일반적으로 상기 온도는 리액터의 제2 스테이지에서의 반응에 의해 충분히 낮춰질수 있기 때문에, 생성물 가스 스트림의 냉각을 위해 어떤 특별한 장치 또는 방법이 요구되지 않을 수 있다.

도 6은 올레핀으로의 메탄 변환에 사용되는 튜브 타입 리액터의 단면 개략도를 개시한다. 상기 튜브는 적절한 다양한 재질로 구성될 수 있고, 일반적으로 스틸과 같은 금속이다. 금속벽(306)은 내측 직경에 단열 물질(308)이 구비된다. 상기 단열 물질은 일반적으로 위에서 설명한 종류의 세라믹이다. 대안적으로, 리액터 튜브 전체가 세라믹 물질로 이루어질 수 있다. 상기 단열층은 위에서 설명한 바와 같이 촉매를 포함할 수 있다.

도 6에 개시된 바와 같이, 리액터(300)는 제1 구역(310)과 제2 구역(320)을 포함한다. 제1 구역(310)에서, 수소는 튜브(302)로 공급되고, 화학량론적(stoichiometric) 양보다 적은 양의 산소가 라인(304)를 통해 상기 제1 구역으로 주입된다. 원하는 경우에는, 산소가 튜브를 통해 상기 제1 구역으로 공급되고, 수소가 라인(304)를 통해 제1 구역으로 주입되는 것도 가능한 것으로 이해될 수 있다.

수소와 산소는 제1 구역에서 연소한다. 수소와 산소의 연소는 스팀의 형태로 많은 양의 물과 위에서 설명한 바와 같이 자유 수소 라디칼을 생성할 것이다. 충분한 수소와 산소는 상기 리액터의 제1 스테이지에서 가스의 온도를 1200℃ 또는 그 이상까지 증가시키기 위해 연소된다. 위에서 논의된 바와 같이, 수소가 이용될 수 없다면, 메탄이 제1 스테이지의 온도를 상승시키는데 이용될 수도 있다. 만약 메탄이 사용되거나 또는 다른 탄화수소가 제1 스테이지에 존재한다면, CO와 CO2가 생성되고, 물의 생성이 약간 달라질 것이다.

상기 튜브의 제2 구역(320)에서, 메탄은 라인(312)를 통해 가열된 가스로 주입된다. 상기 메탄은 CH3- 자유 라디칼을 형성하기 위해 분해되고, 이는 자유 라디칼 반응을 일으키고, 수소, 아세틸렌, 에틸렌 그리고 소량의 중질 탄화수소 및 코크를 형성한다. 상기 리액터의 제2 스테이지에서 체류시간과 온도는 위에서 설명한 바와 같이 원하는 메탄 변환을 획득하도록 제어된다. 상기 생성물 가스는 리액터로부터 상기 튜브(314)의 말단을 통해 배출되고 냉각을 위해 보내진다. 위에서 설명한 바와 같이, 매탄이 올레핀 생성물로 변환함에 따라, 흡열 변환 반응에 요구되는 필요한 열은 상기 튜브의 제1 스테이지에서 형성된 고온의 가스로부터 제공된다. 이는 가스의 온도를 냉각시키므로, 조합된 생성물 가스는 제2 구역의 말단에서 예를 들어 수송라인 열교환기와 같은 일반적인 장치를 이용하여 냉각될 수 있다. 따라서, 생성물 가스 스트림을 냉각하기 위해 어떠한 특별한 장치 또는 방법이 요구되지 않을 수 있다.

위에서 설명한 공정의 모든 실시예에 있어, 메탄 및/또는 납사(naptha)는 탄화수소 피드스탁으로서 설명된다. 해당 기술분야에서 숙련된 자에 의해서 메탄에서 가공되거나 가공되지 않은 가스 오일을 포함하는 어떠한 탄화수소 피드도 설명되고 클레임된 공정의 피드로서 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 어떤 탄화수소 피드도 단열 리액터에서 에너지를 제공하는 고온의 스팀과 또는 에너지를 공급하는 탄화수소-메탄 연소와 함께 이용될 수 있다.

어떤 종류의 피드에 대한 원하는 변환 수준을 달성하기 위해, 흡열성의 히트듀티(endothermic heat duty)는 충족되어야 한다. 에너지 요구량을 만족하기 위해 요구되는 최소한 수준의 수소는 연소를 위해 리액터로 제공되어야 한다. 수소가 약간 초과하는 것은, 초과한 수소가 변환 반응을 일으키고 촉진시키는 수소 자유 라디칼을 형성함에 따라 용인된다. 만약 지나치게 많이 초과하는 수소가 존재한다면, 형성된 올레핀이 파라핀(paraffins)으로 거꾸로 수소화됨으로써, 올레핀으로의 탄화수소 변환에 역으로 영향을 줄 수 있다. 또한, 생성물을 분리하는데 요구되는 압축 파워(compression power)가 증가하고, 역으로 경제성에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 특정한 탄화수소 피드에 대한 적정한 양의 수소가 리액터로 공급되어야 한다. 확실하게 분해되지 않고 탄화수소 피드를 예열함에 의해, 요구되는 수소의 양은 감소할 수 있다.

다양한 실시예에 대하여 개시하고 설명하였으며, 해당 기술분야에서 능숙한자는 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 위에서 설명한 공정을 변경하여 실시할 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 예시적인 수단으로서 설명된 것이며, 한정의 목적으로 설명된 것이 아닌 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims

(a) 하나 이상의 제1 코일과 하나 이상의 제2 코일을 갖는 열분해 가열로를 구비하는 단계;
(b) 상기 하나 이상의 제1 코일에 탄화수소 피드를 공급하는 단계;
(c) 상기 하나 이상의 제2 코일에 스팀을 공급하는 단계;
(d) 상기 열분해 가열로에서 상기 제1 및 제2 코일을 가열하는 단계;
(e) 조합된 탄화수소-스팀 스트림을 형성하도록 상기 제1 및 상기 제2 코일의 출구를 결합시키는 단계;
(f)　상기 조합된 탄화수소-스팀 스트림을 단열 리액터에 공급하는 단계; 및
(g) 상기 단열 리액터로부터의 배출 스트림을 냉각 유닛에서 냉각하는 단계;를 포함하는 탄화수소 피드로부터 올레핀을 생성하는 공정.
제1항에 있어서,
(h) 기 설정된 시간 주기 후에, 상기 하나 이상의 제1 코일을 통해 스팀을 공급하고, 상기 하나 이상의 제2 코일을 통해 탄화수소 피드를 공급하는 단계;를 더 포함하는 공정.
제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 코일 및 상기 하나 이상의 제2 코일로 공급이 이루어질 때, 희석 스팀(dilution steam)을 상기 탄화수소 피드에 첨가하는 단계;를 더 포함하는 공정.
제3항에 있어서,
탄화수소 피드에 대한 희석 스팀의 비율은 중량 기준으로 0.1에서 1.0인 공정.
제2항에 있어서,
상기 제1 코일의 수와 상기 제2 코일의 수는 동일한 공정.
제1항에 있어서,
상기 탄화수소 피드는 상기 열분해 가열로에서 최소 750℃의 온도로 가열되는 공정.
제1항에 있어서,
(i) 상기 냉각 유닛에 예열된 물을 공급하는 단계; 및
(j) 상기 냉각 유닛에서 스팀을 발생시키는 단계;를 더 포함하는 공정.
제7항에 있어서,
상기 냉각 유닛은 수송라인 열교환기(transfer line exchanger)인 공정.
(a) 하나 이상의 제1 코일과 하나 이상의 제2 코일을 포함하고, 대류 구역 및 복사 구역을 구비하는 열분해 가열로를 구비하는 단계;
(b) 탄화수소 피드가 상기 대류 구역에서 예열될 수 있도록 상기 탄화수소 피드를 상기 하나 이상의 제1 코일에 공급하는 단계;
(c) 상기 하나 이상의 제2 코일에 스팀을 공급하는 단계;
(d) 상기 열분해 가열로의 상기 복사 구역에서 상기 제1 및 상기 제2 코일을 가열하는 단계;
(e) 조합된 탄화수소-스팀 스트림을 형성하기 위해 상기 제1 및 상기 제2 코일의 출구를 결합하는 단계;
(f) 상기 조합된 탄화수소-스팀 스트림을 단열 리액터에 공급하는 단계; 및
(g) 냉각 유닛에서 상기 단열 리액터로부터의 배출 스트림을 냉각하는 단계;를 포함하는 탄화수소 피드로부터 올레핀을 생성하는 공정.
제9항에 있어서,
(h) 기 설정된 시간 주기 후에, 상기 하나 이상의 제1 코일로 스팀을 공급하고, 상기 탄화수소 피드가 상기 대류 구간에서 예열될 수 있도록 상기 하나 이상의 제2 코일로 상기 탄화수소 피드를 공급하는 단계;를 더 포함하는 공정.
제10항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 코일 및 상기 하나 이상의 제2 코일로 공급이 이루어지 때 희석 스팀(dilution steam)을 상기 탄화수소 피드에 첨가하는 단계;를 더 포함하는 공정.
제11항에 있어서,
(i) 상기 냉각 유닛에 예열된 물을 공급하는 단계; 및
(j) 상기 냉각 유닛에서 스팀을 발생시키는 단계;를 더 포함하는 공정.
제11항에 있어서,
상기 냉각 유닛은 수송라인 열교환기(transfer line exchanger)인 공정.
(a) 제1 스테이지 및 제2 스테이지를 포함하고, 높은 온도에 저항하는 단열 물질로 내부가 도포된 리액터를 구비하는 단계;
(b) 상기 리액터의 상기 제1 스테이지로 수소 및 산소를 공급하고, 최소 1200℃의 온도에 도달하도록 상기 수소와 산소를 연소시키되, 상기 리액터로 공급되는 산소의 양은 상기 리액터로 공급되는 수소의 양과 비교하여 화학양론적 양 보다 적은 단계;
(c) 상기 연소 가스들을 상기 리액터의 상기 제1 스테이지로부터 상기 리액터의 상기 제2 스테이지로 공급하고, 메탄 피드 스트림(methane feed stream)을 상기 리액터의 상기 제2 스테이지로 주입하는 단계;
(d) 메탄이 올레핀을 포함하는 생성물 가스 스트림(product gas stream)으로 변환하도록 체류 시간 동안 상기 리액터에서 상기 메탄 피드 스트림을 유지하는 단계;
(e) 상기 생성물 가스 스트림을 상기 리액터로부터 냉각 유닛으로 공급하는 단계;를 포함하는 실질적으로 모든 메탄 물질을 포함하는 피드 스트림으로부터 올레핀을 생성하는 공정.
제14항에 있어서,
상기 리액터에서 상기 메탄 피드 스트림의 상기 체류시간은 0.5초 이하인 공정.
제15항에 있어서,
상기 산소에 대한 상기 수소의 비율은 몰 기준으로 2 내지 10인 공정.
제14항에 있어서,
상기 리액터로부터의 상기 생성 가스는 상기 냉각 유닛으로 공급되기에 앞서 단열 리액터로 공급되는 공정.
제17항에 있어서,
상기 냉각 유닛은 수송 라인 열교환기(transferline exhanger)인 공정.