KR20130031367A - 원유 탈황 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 탈황제의 존재 하에 제 1 유황 함량을 갖는 사워 오일(sour oil)이 고속 전단을 받게 하여 고속 전단-처리된 스트림을 생성하고, 여기서 상기 적어도 하나의 탈황제는 염기와 무기염으로 이루어진 군에서 선택되고, 그리고 유황-풍부 생성물과 스위트닝된 오일 생성물을 상기 고속 전단-처리된 스트림에서 분리함으로써, 여기서 상기 유황-풍부 생성물은 원소 유황을 포함하고 상기 스위트닝된 오일 생성물은 상기 제 1 유황 함량보다 적은 제 2 유황 함량을 갖고, 사워 오일에서 유황을 제거하는 방법이 개시된다. 적어도 하나의 회전자 및 적어도 하나의 상호 보완적인 형상의 고정자를 포함하는 적어도 하나의 고속 전단 장치 및 유황-풍부 생성물과 스위트닝된 오일을 상기 고속 전단 처리된 스트림에서 분리하도록 구성된 적어도 하나의 분리 장치를 통해 사워 오일의 유황 함량을 감소시키기 위한 시스템이 개시된다.

Description

원유 탈황{CRUDE OIL DESULFURIZATION}
본 발명은 일반적으로 오일에서의 유황의 제거에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 원유를 스위트닝(sweetening)하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 고속 전단(high shear)을 통해 오일에서의 유황의 제거를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
원유는 일반적으로 상당한 양의 황화수소와 관련되어 있으며 다양한 기타 유기 및 무기 유황 화합물을 함유한다. 황화수소, 이산화황, 및 메르캅탄(mercaptan)과 같은 상당한 농도의 유황 화합물을 함유하는, 원유와 천연 가스와 같은 천연 화석 연료는 "사워(sour)"로 불린다. 유황 화합물은 시간이 지남에 따라 화석 연료로 진화할 수 있고, 이들 화합물의 진화는 중요한 환경 및 안전 문제를 초래한다. 황화수소와 이산화황을 포함하는 다양한 유황 화합물의 배출은 규제된다. 강화된 규제 및 제한으로 인해, 원유에서 유황 화합물을 제거하는 것이 바람직하다.
자연 발생적으로 생기는 저유황 원유의 계속 증가하는 부족이 있다. 오염 제어에 대해 증가하는 강조와 저유황 함유 원유에 대한 그 결과로 생기는 수요로 인해, 유황이 감소된 원유의 경제적인 생산의 필요성이 제기된다.
또한, 강화된 규제와 제한을 충족하기 위해, 원유에서의 유황의 제거는 또 다른 이유로 바람직하다. 원유로부터 유황 화합물의 진화는 중요한 환경 및 안전 문지를 초래할 뿐만 아니라, 이들 화합물은 또한 유정(oil well)의 금속 성분뿐만 아니라, 배관 및 저장 탱크 및 하류의 정유 장치를 공격할 수 있다. 이러한 공격은 금속 성분의 부식 및/또는 취성(brittleness)을 유발한다.
종래의 정유 공장에서, 일반적으로 유황은 원유를 분류한 이후 제거된다. 통상적으로 유황 제거는 종종 극한 운전 조건을 필요로 하는 다양한 탈황 공정의 활용 및 종종 높은 유지보수 비용과 관련된 고가의 장비의 결합을 포함한다. 종래의 유황 제거를 위한 종래의 기술의 예는, 본 개시에 반하지 않는 모든 목적으로 그 전체가 각각 본원에 참조로서 포함된, 미국 특허 제 1,942,054호, 제 1,954,116호, 제 2,177,343호, 제 2,321,290호, 제 2,322,554호, 제 2,348,543호, 제 2,361,651호, 제 2,481,300호, 제 2,772,211호, 제 3,294,678호, 제 3,402,998호, 제 3,699,037호, 및 제 3,850,745호에서 찾을 수 있다.
따라서, 원유에서 유황을 제거하는 시스템 및 공정에 대한 산업계의 필요가 있다. 바람직하게, 시스템 및 방법은 땅에서의 오일의 추출 근처에서의 원유의 스위트닝을 가능하게 한다. 시스템 및 방법은 또한 원유의 API 비중(API gravity)을 높이고 및/또는 원유에서 중금속과 같은 기타 불순물을 제거하는데 이용될 수 있다.
발명의 요약
사워 오일(sour oil)에서 유황을 제거하는 방법이 본원에 개시되며, 상기 방법은, (a) 적어도 하나의 탈황제의 존재 하에 제 1 유황 함량을 갖는 사워 오일이 고속 전단을 받게 하여 고속 전단-처리된 스트림을 생성하는 단계, 상기 적어도 하나의 탈황제는 염기와 무기염으로 이루어진 군에서 선택되고; 및 (b) 유황-풍부 생성물과 스위트닝된 오일 생성물을 상기 고속 전단-처리된 스트림에서 분리하는 단계를 포함하고, 상기 유황-풍부 생성물은 원소 유황을 포함하고 상기 스위트닝된 오일 생성물은 상기 제 1 유황 함량보다 적은 제 2 유황 함량을 갖는다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 탈황제의 존재 하에 사워 오일이 고속 전단을 받게 하는 단계 (a)는 슬러리가 적어도 10,000 s-1의 전단율을 받게 하는 단계를 포함한다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 탈황제의 존재 하에 사워 오일이 고속 전단을 받게 하는 단계 (a)는 슬러리가 적어도 20,000 s-1의 전단율을 받게 하는 단계를 포함한다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 탈황제는 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 황산암모늄, 탄산칼슘, 수소, 과산화수소, 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA), 디글리콜아민(diglycolamine, DGA), 디에탄올아민(diethanolamine, DEA), 디이소프로판올아민(diisopropanolamine, DIPA) 및 메틸디에탄올아민(methyldiethanolamine, MDEA)으로 이루어진 군에서 선택된다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 탈황제는 황산암모늄 및 수산화암모늄으로 이루어진 군에서 선택된다.
실시형태에서, 상기 사워 오일과 상기 적어도 하나의 탈황제는 대략 50:50의 부피백분율의 비율로 제공된다. 실시형태에서, 상기 제 1 유황 함량은 대략 0.5 내지 6 중량퍼센트의 범위에 있다. 실시형태에서, 상기 제 2 유황 함량은 상기 제 1 유황 함량의 50% 미만이다. 실시형태에서, 상기 제 2 유황 함량은 상기 제 1 유황 함량의 10% 미만이다. 실시형태에서, 상기 제 2 유황 함량은 0.5 중량퍼센트 미만이다. 실시형태에서, 상기 사워 오일이 고속 전단을 받게 하는 단계 (a)는 상기 사워 오일과 상기 적어도 하나의 탈황제를 적어도 하나의 회전자 및 적어도 하나의 상호 보완적인 형상의 고정자를 포함하는 고속 전단 장치 내로 유입시키는 단계를 포함한다. 실시형태에서, 고속 전단은 적어도 10,000 s-1의 전단율을 포함할 수 있고, 상기 전단율은 전단 간격에 의해 분할된 팁 속도로 정의되며, 및 상기 팁 속도는 πDn으로 정의되고, 여기서 D는 상기 적어도 하나의 회전자의 직경이고 n은 회전수이다. 실시형태에서, 고속 전단은 적어도 20,000 s-1의 전단율을 포함하고, 상기 전단율은 전단 간격에 의해 분할된 팁 속도로 정의되며, 및 상기 팁 속도는 πDn으로 정의되고, 여기서 D는 상기 적어도 하나의 회전자의 직경이고 n은 회전수이다.
실시형태에서, 상기 사워 오일이 적어도 10,000 s-1의 전단율을 받게 하는 단계는 적어도 하나의 회전자의 팁에서 적어도 대략 1034.2 MPa(150,000 psi)의 국부 압력을 생성한다. 실시형태(들)에서, 단계 (a)는 적어도 대략 23 m/sec의 상기 적어도 하나의 회전자의 팁 속도를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 팁 속도는 πDn으로 정의되고, 여기서 D는 상기 적어도 하나의 회전자의 직경이고 n은 회전수이다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 회전자와 상기 적어도 하나의 상호 보완적인 형상의 고정자 사이의 최소 거리인 전단 간격은 대략 5 μm 미만이다.
실시형태에서, 단계 (a)는 적어도 하나의 API-조정 가스의 존재 하에 사워 오일이 고속 전단을 받게 하는 단계를 포함하고, 상기 API-조정 가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 에탄으로 이루어진 군에서 선택된다. 실시형태에서, 상기 사워 오일은 제 1 API 비중을 갖고 상기 스위트닝된 오일 생성물은 제 2 API 비중을 가지며, 상기 제 2 API 비중은 상기 제 1 API 비중보다 크다. 실시형태에서, 상기 API-조정 가스는 수반 가스(associated gas), 비수반 가스(unassociated gas), FCC 오프가스(offgas), 코커(coker) 오프가스, 열분해 가스, 수소화 탈황 (hydrodesulfurization) 오프가스, 접촉 분해기(catalytic cracker) 오프가스, 열 분해기(thermal cracker) 오프가스 및 이들의 조합에서 선택된다. 실시형태에서, 상기 고속 전단-처리된 스트림은 대략 5, 4, 3, 2 또는 1 μm보다 작거나 같은 평균 직경을 갖는 API-조정 가스 기포를 포함한다. 실시형태에서, 상기 API-조정 가스 기포는 대략 100 nm보다 작거나 같은 평균 직경을 갖는다.
실시형태에서, 상기 사워 오일은 제 1 API 비중을 갖고, 상기 스위트닝된 오일은 제 2 API 비중을 가지며, 상기 제 2 API 비중은 상기 제 1 API 비중보다 크다. 상기 사워 오일은 상기 방법이 수행되는 위치 근처의 위치에서 땅에서 추출될 수 있다. 실시형태에서, 상기 유황-풍부 생성물을 노란색이다.
실시형태에서, (유황-풍부 생성물과 스위트닝된 오일 생성물을 고속 전단-처리된 스트림에서 분리하는) 단계 (b) 이후에 남은 것은 적어도 하나의 탈황제를 포함하는 잔존하는 스트림이며, 상기 방법은 상기 잔존하는 스트림 내의 적어도 하나의 탈황제의 적어도 일부를 단계 (a)로 재순환시키는 단계 (c)를 더 포함한다. 실시형태에서, 단계 (a)에서 시작하는 동안 암모니아 용액이 사용되고, 단계 (a)에서 황산암모늄이 생성되고, 단계 (b)에서 분리되며, 단계 (c)에서 단계 (a)로 탈황제로서 재순환되며, 단계 (a)에서 오직 원하는 제 2 유황 함량을 유지하기 위한 필요에 따라 암모니아 용액이 유입된다.
실시형태에서, 상기 사워 오일은 중금속 및 염화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 불순물을 더 포함한다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 불순물의 적어도 하나는 유황-풍부 생성물을 갖는 고속 전단-처리된 스트림에서 분리된다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 불순물은 바나듐, 수은 및 염화물로 이루어진 군에서 선택된다.
실시형태에서, 상기 유황-풍부 생성물은 실질적으로 건조 생성물로서 분리된다. 실시형태에서, 단계 (b)에서의 분리는 원심분리, 여과 또는 이들의 조합을 포함한다.
사워 오일의 유황 함량을 감소시키기 위한 시스템이 또한 본원에 개시되며, 상기 시스템은, 적어도 하나의 회전자 및 적어도 하나의 상호 보완적인 형상의 고정자를 포함하고 사워 오일이 고속 전단을 받게 하고 스위트닝된 오일을 포함하는 고속 전단-처리된 스트림을 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 고속 전단 장치, 상기 적어도 하나의 고속 전단 장치는 내부의 내용물이 적어도 10,000 s-1의 전단율을 받게 하도록 구성되고, 상기 전단율은 전단 간격에 의해 분할된 팁 속도로 정의되며, 및 상기 팁 속도는 πDn으로 정의되고, 여기서 D는 상기 적어도 하나의 회전자의 직경이고 n은 회전수이고; 및 유황-풍부 생성물과 스위트닝된 오일을 상기 고속 전단 처리된 스트림에서 분리하도록 구성된 적어도 하나의 분리 장치를 포함한다.
실시형태에서, 상기 적어도 하나의 회전자는 적어도 대략 23 m/sec의 팁 속도를 제공하도록 구성된다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 회전자는 적어도 대략 40 m/sec의 팁 속도를 제공하도록 구성된다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 회전자는 대략 5 μm 미만의 전단 간격에 의해 상기 적어도 하나의 고정자에서 분리되고, 상기 전단 간격은 상기 적어도 하나의 회전자와 상기 적어도 하나의 고정자 사이의 최소 거리이다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 회전자의 회전에 의해 작동시 제공되는 전단율은 적어도 20,000 s-1이다.
상기 시스템은 염기 및 무기염에서 선택된 적어도 하나의 탈황제, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 메탄 및 에탄에서 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 적어도 하나의 API-조정 가스, 또는 탈황제 및 API-조정 가스 모두를 상기 적어도 하나의 고속 전단 장치의 상류의 사워 오일에 및/또는 상기 적어도 하나의 고속 전단 장치에 직접 유입시키기 위한 하나 이상의 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은 상기 적어도 하나의 분리 장치로부터 상기 적어도 하나의 고속 전단 장치로 적어도 하나의 탈황제를 재순환시키기 위한 재순환 라인을 더 포함할 수 있다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 분리 장치는 실질적으로 건조 유황 생성물을 제공하도록 구성된다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 고속 전단 장치는 적어도 두 개의 발생기(generator)를 포함하고, 각각의 발생기는 회전자 및 상호 보완적인 형상의 고정자를 포함한다. 하나의 발생기에 의해 제공된 전단율은 다른 하나의 발생기에 의해 제공된 전단율보다 클 수 있다. 상기 적어도 하나의 분리 장치는 원심분리기 및 여과 장치로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 실시형태에서, 상기 적어도 하나의 분리 장치는 원심분리기를 포함한다.
실시형태에서, 상기 시스템은 폐쇄-루프 시스템이다. 상기 시스템은 이동식 장치, 모듈식 장치, 또는 이들 모두로 구성될 수 있다. 실시형태에서, 상기 시스템은 가열 장치, 증류 장치, 침전 탱크 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 장치를 포함하지 않는다.
상기한 방법 또는 시스템의 특정 실시형태는 촉매/탈황제의 감소된 사용을 가능하게 하고, 증가된 유체 처리량을 가능하게 하고, 낮은 온도 및/또는 압력에서의 작동을 가능하게 하고, 및/또는 자본 및/또는 운영 비용을 절감함으로써 잠재적으로 전체 비용의 절감을 가능하게 한다. 이러한 및 다른 실시형태 및 잠재적인 장점은 다음의 상세한 설명 및 도면에서 명백해질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 더욱 자세한 설명을 위해, 이제 참조는 첨부한 도면에 대해 이루어진다, 도면에서:
도 1은 본 개시의 일 실시형태에 따른 외부 고속 전단 믹서(mixer)/분산기(disperser)를 포함하는 고속 전단 시스템의 개략도이다.
도 2는 개시된 시스템의 실시형태에서의 사용에 적합한 고속 전단 혼합 장치의 종단면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시형태에 따른 오일에서 유황을 제거하는 방법의 순서도이다.
표기법 및 명명법
본원에서 사용된 "분산액(dispersion)"이란 용어는 서로 쉽게 혼합되거나 용해되지 않는 적어도 두 가지의 구별 가능한 물질을 함유하는 액화 혼합물을 말한다. 본원에서 사용된 "분산액"은 불연속적인 액적(droplet), 기포(bubble) 및/또는 다른 상(phase)이나 물질의 입자를 내부에 함유하고 있는 "연속상(또는 "매트릭스")을 포함한다. 분산액이란 용어는 따라서 액체 연속상에 떠 있는 가스 기포, 제 1 액체가 혼합되지 않는 제 2 액체를 포함하는 연속상에서 제 1 액체의 액적이 산재된 에멀젼(emulsion), 및 고체 입자가 산재된 연속적인 액체상을 포함하는 포말(foam)을 말한다. 본원에서 사용된 분산액(dispersion)이란 용어는 가스 기포가 산재된 연속적인 액체상, 고체 입자(예를 들어, 고체 유황 또는 촉매)가 산재된 연속적인 액체상, 실질적으로 연속상에서 용해되지 않는 제 2 액체의 액적이 산재된 제 1 액체의 연속상, 및 고체 입자, 불혼합성 액적, 및 가스 기포 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 산재된 액체상을 포함한다. 이런 이유로, 분산액은 경우에 따라서는 균일 혼합물(예를 들어, 액체/액체상), 또는 조합을 위해 선택된 물질의 특성에 따라 불균일 혼합물(예를 들어, 기체/액체, 고체/액체, 또는 기체/고체/액체)로서 존재할 수 있다. 분산액은, 예를 들어, 가스의 기포(예를 들어, API-조정 가스) 및/또는 유체가 혼합 가능한 상(예를 들어, 오일 또는 탈황제)에서의 유체(예를 들어, 탈황제 또는 오일)의 액적을 포함할 수 있다.
상의 "전부 또는 일부"의 사용은 본원에서 전부 또는 "전체의 비율" 또는 "전부 또는 일부 성분"을 의미하도록 사용된다.
본원에서 사용된 "탈황제(desulfurizing agent)"란 용어는 pH 개선제(pH enhancer)를 포함한다. "pH 개선제"란 용어는 용액이 첨가될 때 용액의 pH를 변경하는 화합물을 말한다. 아래에 더 논의되는 바와 같이, 탈황제는 염기성 또는 산성일 수 있다. 실시형태에서, 탈황제는 염기이다. 탈황제는 가성(caustic)일 수 있다. 실시형태에서, 탈황제는 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 황산암모늄, 탄산칼슘, 수소, 과산화수소, 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA), 디글리콜아민(diglycolamine, DGA), 디에탄올아민(diethanolamine, DEA), 디이소프로판올아민(diisopropanolamine, DIPA) 및 메틸디에탄올아민(methyldiethanolamine, MDEA)으로 이루어진 군에서 선택된다. 실시형태에서, 탈황제는 암모니아 용액이다. 실시형태에서, 탈황제는 28% 암모니아 용액(28% NH4OH)이다. 실시형태에서, 탈황제는 무기염을 포함한다. 실시형태에서, 탈황제는 탄산칼슘을 포함한다. 실시형태에서, 탈황제는 황산암모늄을 포함한다.
개요 .
오일을 스위트닝하기 위한 시스템 및 방법이 본원에 개시된다. 스위트닝될 오일은 원유 또는 원유에서 유래한 오일일 수 있다. 상기 시스템은 반응기/믹서 장치 내의 제어된 환경에서 반응물의 신속한 접촉 및 혼합을 제공하기 위해 외부 고속 전단 기계 장치를 포함한다. 개시된 시스템 및 방법을 통해, 오일 내의 황화수소 및 유황 화합물은 바람직하지 않는 배출을 유발하지 않고 건조한(또는 실질적으로 건조한) 형태의 유황으로 제거될 수 있다. 상기 시스템 및 방법은 소스(예를 들어, 시추 현장)에서 오일로부터 유황을 제거하는데 이용될 수 있다. 바람직하게, 상기 시스템은 완전히 모듈식 및/또는 이동식이며 원유 소스 근처에서 사워(sour) 원유를 스위트닝하기 위해 이용될 수 있다. 실시형태에서, 상기 시스템은 폐쇄 루프로서 작동될 수 있다.
실시형태에서, 상기 시스템 및 방법은 실질적으로 지구 대기 운전 조건에서 오일의 탈황을 가능하게 한다. 개시된 시스템 및 방법이 가져오는 유황 함량의 감소는 추가의 하류 탈황 공정에 대한 필요성을 제거할 수 있다.
본원에 개시된 외부 고속 전단 장치(high shear device, HSD) 또는 믹서를 포함하는 반응기 어셈블리는 물질 전달 한계를 감소시키고 그에 따라서 촉매 반응일 수 있는 반응을 운동학적 한계에 더욱 가까이 도달할 수 있게 한다. 고속 전단의 사용을 통한 접촉의 강화는 종래의 공정에 비해 증가된 처리량 및/또는 감소된 양의 촉매의 사용을 가능하게 할 수 있고 및/또는 발생하지 않을 것으로 예상되는 반응을 발생시킬 수 있다.
원유의 스위트닝을 위한 고속 전단 시스템 . 오일에서의 유황 제거를 위한 고속 전단 시스템(100)을, 본 개시의 일 실시형태에 따른 전단 시스템(100)의 공정 흐름도인 도 1을 참조로 이제 설명할 것이다. 대표적인 시스템의 기본적인 구성요소는 외부 고속 전단 장치(HSD, 40)와 분리 장치(들)(10)를 포함한다. 오일 스위트닝 시스템(100)은 펌프(5) 및/또는 오일 소스(15)를 더 포함할 수 있다. 이들 구성요소 각각은 아래에서 더욱 상세하게 설명된다. 탈황 시스템(100)은 모듈식 및/또는 이동식 장치(예를 들어, 스키드(skid unit) 단위)로 구성될 수 있다. 모듈식/이동식 장치로서의 구성은, 예를 들어, 정두(wellhead)에서의 활용에 유용할 수 있다. 탈활 시스템(100)은, 예를 들어, 100, 250, 500, 900, 1500, 2000, 3000, 4000, 또는 5000 gpm 이상, 또는 본원에 포함된 모든 범위의 원하는 체적 유량에 대해 설계될 수 있다.
라인(21)은 원유를 함유한 공급물을 펌프(5)로 유입시키기 위해 펌프(5)에 연결된다. 라인(13) 펌프(5)를 HSD(40)에 연결하고, 라인(19)은 HSD(40)에서 나오는 고속 전단-처리된 스트림을 운반한다. 흐름 라인(19)은 HSD(40)로부터의 고속 전단-처리된 스트림(스위트닝된 오일을 포함함)이 흐르는 임의의 라인이다. 분리 장치(들)(10)는, 예를 들어, 고속 전단-처리된 생성물 흐름 라인(19)을 통해, HSD(40)에 유동적으로 연결된다. 분리 장치(들)(10)는 하나 이상의 배출구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 실시형태에서, 분리 장치(들)(10)는 제 1 분리기 배출구(16), 제 2 분리기 배출구(17), 및 제 3 분리기 배출구(20)를 포함한다.
추가의 구성요소 또는 공정 단계가, 원하는 경우, 이하의 고속 전단 공정의 개시를 읽으면 명백해지듯이, HSD(40)와 분리 장치(들)(10) 사이에 또는 펌프(5) 또는 HSD(40) 앞에 포함될 수 있다. 예를 들어, 분리 장치(들)(10)로부터의 물질(예를 들어, pH 개선 및/또는 탈황 물질)이 HSD(40)로 재순환될 수 있도록, 라인(17)은 라인(21), 라인(22) 또는 라인(13)에 연결될 수 있다. 스위트닝된 원유는, 예를 들어, 제 1 분리기 배출구(16)를 통해 시스템(100)에서 제거될 수 있다.
실시형태에서, 하나 이상의 라인(22)이 탈황제 반응물(예를 들어, 암모니아) 및/또는 API-조정 가스를 HSD(40) 내로 유입시키도록 구성된다. 라인(들)(22)은 새로운 반응물을 직접 HSD(40) 내로 유입시키거나 또는 반응물을 라인(13) 내로 유입시킬 수 있다.
고속 전단 장치(40) . 고속 전단 오일 탈황 시스템(100)은 하나 이상의 고속 전단 장치(40)를 포함한다. 또한 때로는 고속 전단 믹서로 지칭되는 외부 고속 전단 장치(HSD, 40)는 라인(13)을 통해 유입 스트림을 받아들이도록 구성된다. 라인(들)(22)은 탈황제(예를 들어, 새로운 또는 분리 장치(들)(10)로부터 재순환된) 및/또는 API-조정 가스를 HSD(40)에 유입시키도록 구성된다. 대안적으로, HSD(40)는 별도의 유입 라인을 통해 탈황제와 원유를 받아들이도록 구성될 수 있다. 도 1의 실시형태에서 원유를 스위트닝하기 위한 하나의 HSD만이 도시되었지만, 시스템의 일부 실시형태는 두 개 이상의 HSD를 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 두 개 이상의 HSD는 직렬 또는 병렬 흐름 중 하나로 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 원유 스위트닝 시스템(100)은 하나의 HSD(40)를 포함한다.
HSD(40)는 회전자/고정자 조합을 포함하는 하나 이상의 발생기(generator)를 사용하는 기계 장치이며, 이들 각각은 고정자와 회전자 사이에 간격을 갖는다. 각각의 발생기 내의 회전자와 고정자 사이의 간격은 고정될 수 있거나 또는 조정될 수 있다. HSD(40)는 회전 속도에서 내부의 구성요소를 효과적으로 접촉시킬 수 있는 방식으로 구성된다. HSD(40)는 내부의 유체의 압력과 온도가 제어될 수 있도록 인클로저 또는 하우징을 포함한다.
고속 전단 혼합 장치는 유체를 혼합하는 능력에 따라 일반적으로 세 개의 일반적인 부류로 구분된다. 혼합은 유체 내의 입자 또는 비균질 종의 크기를 줄이는 공정이다. 혼합의 정도 또는 철저함에 대한 하나의 측정 항목은 혼합 장치가 유체 입자를 분열시키기 위해 생성하는 단위 체적당 에너지 밀도이다. 이러한 부류는 전달되는 에너지 밀도에 따라 구별된다. 서브마이크론 내지 50 마이크론 범위 내의 입자 크기를 갖는 혼합물 또는 에멀젼을 지속적으로 생산하기 위해 충분한 에너지 밀도를 갖는 산업용 믹서의 세 가지 부류는 균질화 밸브 시스템(homogenization valve system), 콜로이드 밀(colloid mill) 및 고속 믹서를 포함한다. 균질화 밸브 시스템으로 지칭되는 고에너지 장치의 첫 번째 부류에서, 처리할 유체는 좁은 간격의 밸브를 통해 매우 높은 압력 하에서 낮은 압력의 환경으로 펌핑된다. 밸브에서의 압력 구배 및 그 결과로 생기는 난류(turbulence) 및 캐비테이션(cavitation)은 유체 내의 입자를 부수는 역할을 한다. 이러한 밸브 시스템은 우유 균질화에서 가장 일반적으로 사용되며 서브마이크론 내지 대략 1 마이크론 범위의 평균 입자 크기를 생산할 수 있다.
에너지 밀도 스펙트럼의 반대쪽 끝에 저에너지 장치로 지칭되는 장치의 세 번째 부류가 있다. 이러한 시스템은 대개 처리할 유체의 저장소 내에서 고속으로 회전하는 패들(paddle) 또는 유체 회전자를 가지며, 이의 보다 일반적인 응용분야는 식료품이다. 이들 저에너지 시스템은 20 마이크론 이상의 평균 입자 크기를 처리 유체에서 사용할 수 있는 경우 관습상 사용된다.
저에너지 장치와 균질화 밸브 시스템 사이에, 유체에 전달되는 에너지 밀도를 혼합하는 관점에서, 콜로이드 밀 및 다른 고속 회전자-고정자 장치가 있으며, 이들은 중간 에너지 장치로 분류된다. 일반적인 콜로이드 밀 구성은 보통 0.025 mm 내지 10 mm(0.001 재지 0.40 인치) 사이인, 긴밀하게 제어된 회전자-고정자 간격에 의해 상호 보완적인 수냉식 고정자로부터 분리된 원추형 또는 디스크형 회전자를 포함한다. 회전자는 일반적으로 직접 구동 방식 또는 벨트 구동 메커니즘을 통해 전동기에 의해 구동된다. 회전자가 고속으로 회전할 때, 회전자의 외부 표면 및 고정자의 내부 표면 사이의 유체를 펌핑하며, 상기 간격 내에서 생성된 전단력(shear force)이 유체를 처리한다. 적절한 조정으로 대부분의 콜로이드 밀은 처리 유체에서 0.1 내지 25 마이크론의 평균 입자 크기를 달성한다. 이러한 능력은 콜로이드 밀이 화장품, 마요네즈, 또는 실리콘/은 아말감 형성에 필요한 콜로이드 및 유/수 기반 에멀젼 가공 내지 루핑-타르(roofing-tar) 혼합을 포함하는 다양한 응용분야에서 적절할 수 있도록 한다.
HSD는 내부의 반응물에 인가되는 기계력을 생성하는 적어도 하나의 회전 요소를 포함한다. HSD는 간격에 의해 분리된 적어도 하나의 고정자 및 적어도 하나의 회전자를 포함한다. 예를 들어, 회전자는 원추형 또는 디스크형일 수 있고 상호 보완적인 형상의 고정자와 분리될 수 있다. 실시형태에서, 회전자와 고정자 모두는 상호 보완적인 형상의 팁을 갖는 다수의 원주상 이격된 링을 포함한다. 링은 회전자 또는 고정자를 둘러싸는 단 하나의 표면 또는 팁을 포함할 수 있다. 실시형태에서, 회전자와 고정자 모두는 2 개 이상의 원주상 이격된 링, 3 개 이상의 링, 또는 4 개 이상의 링을 포함한다. 예를 들어, 실시형태에서, 세 개의 발생기 각각은 각각 상호 보완적인 3 개의 링을 갖는 회전자와 고정자를 포함하며, 따라서 처리되는 물질은 HSD(40)를 가로지를 때 9 개의 전단 간격(gap) 또는 단(stage)을 통과한다. 대안적으로, 세 개의 발생기 각각은 네 개의 링을 포함할 수 있으며, 따라서 처리되는 물질은 HSD(40)를 통과할 때 12 개의 전단 간격 또는 단을 통과한다. 일부 실시형태에서, 고정자(들)는 각각의 발생기(회전자/고정자 세트)의 회전자와 고정자 사이에서 원하는 전단 간격을 얻도록 조절될 수 있다. 각각의 발생기는 원하는 회전을 제공하도록 구성된 적절한 구동 시스템에 의해 구동될 수 있다.
일부 실시형태에서, HSD(40)는 단식 분산 챔버(즉, 하나의 회전자/고정자 조합, 하나의 고속 전단 발생기)를 포함한다. 일부 실시형태에서, HSD(40)는 다단식 인라인 분산기이며 다수의 발생기를 포함한다. 특정 실시형태에서, HSD(40)는 적어도 두 개의 발생기를 포함한다. 다른 실시형태에서, HSD(40)는 적어도 세 개의 발생기를 포함한다. 일부 실시형태에서, HSD(40)는 다단식 믹서이며 따라서 전단율(팁 속도에 비례해서 변하고 회전자/고정자 간격 폭에 반비례해서 변함)은 아래에서 더 설명되는 유동 경로를 따라 종방향 위치에 함께 변한다.
본 개시에 따르면, HSD(40) 내의 적어도 하나의 표면은, 본 개시에 반하지 않는 모든 목적으로 본원에 참조로서 포함된, 미국 특허출원 제 12/476,415호에 개시된 바와 같이, 원하는 반응에 촉매 작용을 하는데 적절한 촉매로 형성되거나, 함침되거나, 또는 코팅될 수 있다. 예를 들어, 실시형태에서, 적어도 하나의 회전자, 적어도 하나의 고정자 또는 적어도 하나의 회전자/고정자 세트(즉, 적어도 하나의 발생기)의 전부 또는 일부가 적절한 촉매로 형성되거나, 코팅되거나, 또는 함침될 수 있다. 일부 응용에서, 두 개 이상의 서로 다른 촉매를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 발생기는 제 1 촉매 물질로 형성되거나, 함침되거나, 또는 코팅된 회전자를 포함할 수 있고, 상기 발생기의 대응하는 고정자는 제 2 촉매 물질로 형성되거나, 코팅되거나, 또는 함침될 수 있다. 대안적으로, 회전자의 하나 이상의 링은 제 1 촉매로 형성되거나, 코팅되거나, 또는 함침될 수 있고, 회전자의 하나 이상의 링은 제 2 촉매로 형성되거나, 코팅되거나, 또는 함침될 수 있다. 대안적으로, 고정자의 하나 이상의 링은 제 1 촉매로 형성되거나, 코팅되거나, 또는 함침될 수 있고, 고정자의 하나 이상의 링은 제 2 촉매로 형성되거나, 코팅되거나, 또는 함침될 수 있다. 고정자, 회전자 또는 이들 모두의 접촉면의 전부 또는 일부는 촉매 물질로 형성되거나 코팅될 수 있다.
HSD(40)의 접촉면은 백금과 같은 다공성 소결 촉매로 형성될 수 있다. 실시형태에서, 접촉면은 다공성 소결 촉매 물질로 코팅될 수 있다. 응용에서, HSD(40)의 접촉면은 소결 물질로 코팅되거나 형성되고 이후 원하는 촉매로 함침된다. 소결 물질은 세라믹일 수 있고, 예를 들어, 스테인리스강 또는 유사베마이트(pseudoboehmite)와 같은 금속 분말로 형성될 수 있다. 소결 물질의 기공은 마이크론 또는 서브마이크론 범위일 수 있다. 기공 크기는 원하는 흐름 및 촉매 효과가 달성되도록 선택될 수 있다. 유사한 기공 크기는 반응물을 함유한 유체와 촉매 사이의 향상된 접촉을 허용할 수 있다. 다공성 물질(세라믹 또는 소결 금속)의 기공 크기를 변경함으로써, 촉매의 이용 가능한 표면적은 원하는 값으로 조절될 수 있다. 소결 물질은 기공이 차지하는 부피의 균형을 갖는, 예를 들어, 소결 물질의 대략 70 vol% 내지 대략 99 vol% 또는 소결 물질의 대략 80 vol% 내지 대략 90 vol%를 포함할 수 있다.
실시형태에서, 회전자/고정자의 팁에 의해 형성된 링은 개구부(즉, 치부(teeth) 또는 홈(grooves))를 포함하지 않으며 따라서 실질적으로 반응물의 전부는, 종래의 분산기에 일반적으로 존재하는 개구부 또는 홈을 통과함으로써 촉매를 우회할 수 있는 것보다는, 소결 물질의 기공 내로 강제로 들어간다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 반응물은 소결 물질 내로 강제로 들어가게 되며, 따라서 촉매와의 접촉을 강제한다.
실시형태에서, 접촉면이 형성된 소결 물질은 스테인리스강 또는 청동을 포함한다. 소결 물질(소결 금속 또는 세라믹)은 보호막이 덮일 수 있다. 촉매는 이후 첨가될 수 있다. 촉매는 본 기술분야에 공지된 임의의 수단에 의해 적용될 수 있다. 접촉면은 이후 금속 산화물(예를 들어, 스테인리스강)을 얻을 수 있도록 소성될 수 있다. 제 1 금속 산화물(예를 들어, 산화 스테인리스강)은 제 2 금속으로 코팅되고 다시 소성될 수 있다. 예를 들어, 산화 스테인리스강은 알루미늄으로 코팅되고 소성되어 산화 알루미늄을 생성할 수 있다. 후속적인 처리는 또 다른 물질을 제공할 수 있다. 예를 들어, 산화 알루미늄은 실리콘으로 코팅되고 소성되어 실리카를 생성할 수 있다. 여러 소성/코팅 단계는 원하는 접촉면과 촉매(들)를 제공하는데 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 접촉면을 형성하거나 또는 접촉면을 코팅하는 소결 물질은 다양한 촉매로 함침될 수 있다. 또 다른 코팅 기술은, 예를 들어, 금속으로 실리콘 웨이퍼를 코팅하는데 일반적으로 사용되는 금속 기상 증착 또는 화학 기상 증착이다.
일부 실시형태에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간격(전단 간격 폭)은 대략 0.025 mm(0.001 인치) 내지 대략 3 mm(0.125 인치)의 범위 내에 있다. 전단 간격은 대략 5 마이크로미터(0.0002 인치) 내지 대략 4 mm (0.016 인치) 내의 범위일 수 있다. 실시형태에서, 전단 간격은 5, 4, 3, 2 또는 1 μm 의 범위 내에 있다. 일부 실시형태에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간격(전단 간격 폭)은 대략 1 μm(0.00004 인치) 내지 대략 3 mm(0.012 인치)의 범위 내에 있다. 일부 실시형태에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간격(전단 간격 폭)은 대략 10 μm(0.0004 인치) 미만, 대략 50 μm(0.002 인치) 미만, 대략 100 μm(0.004 인치) 미만, 대략 200 μm(0.008 인치) 미만, 대략 400 μm(0.016 인치) 미만이다. 특정 실시형태에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간격(전단 간격 폭)은 대략 1.5 mm(0.06 인치)이다. 특정 실시형태에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간격(전단 간격 폭)은 대략 0.2 mm(0.008 인치)이다. 특정 구성에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간격(전단 간격)은 적어도 1.7 mm(0.07 인치)이다. HSD에 의해 생성되는 전단율은 유동 경로를 따라 종방향 위치에 함께 변한다. 일부 실시형태에서, 회전자는 회전자의 직경 및 원하는 팁 속도에 비례한 속도로 회전하도록 설정된다. 일부 실시형태에서, HSD는 고정자와 회전자 사이에 고정된 간격(전단 간격 폭)을 갖는다. 대안적으로, HSD는 조정 가능한 간격(전단 간격 폭)을 갖는다.
팁 속도는 단위 시간당 회전자의 팁에 의해 이동되는 원주 거리이다. 팁 속도는 따라서 회전자 직경과 회전수의 함수이다. 팁 속도(예를 들어, 분당 미터)는 회전자 팁에 의해 기록된 원주 거리를 승산함으로써 계산될 수 있다, 즉, 2πR, 여기서 R은 회전자의 반경(예를 들어, 미터) 곱하기 회전수(예를 들어, 분당 회전수당, rpm)이다. 회전수는 250 rpm 이상, 500 rpm 이상, 1000 rpm 이상, 5000 rpm 이상, 7500 rpm 이상, 10,000 rpm 이상, 13,000 rpm 이상, 또는 15,000 rpm 이상일 수 있다. 회전수, 유속, 및 온도는 원하는 생성물 프로파일을 얻기 위해 조절될 수 있다. 채널링(channeling)이 발생하고 유황 제거가 불충분한 경우, 회전수는 바람직하지 않는 채널링을 최소화하기 위해 증가될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제 1 HSD로부터 고속 전단-처리된 물질은 제 2 또는 후속 HSD(40)로 유입될 수 있다.
HSD(40)는 22.9 m/s(4500 ft/min) 이상의 팁 속도를 제공할 수 있고 40 m/s(7900 ft/min), 50 m/s(9800 ft/min), 100 m/s(19,600 ft/min), 150 m/s(29,500 ft/min), 200 m/s(39,300 ft/min), 또는 심지어 225 m/s(44,300 ft/min), 또는 특정 응용에서 그 이상을 초과할 수 있다. 실시형태에서, 팁 속도는 대략 1 m/s, 23 m/s 또는 50 m/s 내지 대략 23 m/s, 50 m/s, 100 m/s, 150 m/s 200 m/s 또는 225 m/s, 또는 이들의 임의의 범위(예를 들어, 대략 50 m/s 내지 대략 225 m/s) 내에 있다. 본 개시의 목적을 위해, "고속 전단(high shear)"이란 용어는 5.1 m/s(1000 ft/min) 이상 또는 위에서 제공된 값들의 팁 속도를 제공할 수 있고, 반응될 생성물의 스트림에 에너지를 주입하기 위해 외부의 기계적으로 구동되는 전원 장치를 필요로 하는 기계적 회전자 고정자 장치를 말한다. 고정식 촉매로 형성되거나, 코팅되거나, 또는 함침될 수 있는 회전 부재와 반응물을 접촉시킴으로써, 상당한 에너지가 반응에 전송된다. HSD(40)의 에너지 소비는 일반적으로 매우 낮다. 온도는 원하는 유황 제거를 달성하기 위해 원하는 대로 조절될 수 있다.
일부 실시형태에서, HSD(40)는 적어도 22.9 m/s(4500 ft/min)의 팁 속도에서 적어도 300 L/h를 전달할 수 있다. 전력 소모는 대략 1.5 kW이다. HSD(40)는 높은 팁 속도를 매우 작은 전단 간격과 결합하여 처리되는 물질에서 상당한 전단을 초래한다. 전단의 양은 HSD(40) 내의 유체의 점도에 의존할 수 있다. 따라서, HSD(40)의 작동 동안 상승된 압력 및 온도의 국부 영역이 회전자의 팁에서 생성된다. 경우에 따라서, 국부적으로 상승된 압력은 대략 1034.2 MPa(150,000 psi)이다. 경우에 따라서, 국부적으로 상승된 온도는 대략 500℃이다. 경우에 따라서, 이들 국부적인 압력 및 온도의 상승은 나노 또는 피코 초 동안 지속될 수 있다.
유체(kW/L/min)로 입력되는 에너지의 근사치는 모터 에너지(kW)와 유체 출력(L/min)을 측정함으로써 추정할 수 있다. 상기한 바와 같이, 팁 속도는 유체에 인가되는 기계력을 생성하는 하나 이상의 회전 요소의 단부와 관련된 속도(ft/min 또는 m/s)이다. 실시형태에서, 에너지 소모는 적어도 대략 1000 W/m3, 5000 W/m3, 7500 W/m3, 1 kW/m3, 500 kW/m3, 1000 kW/m3, 5000 kW/m3, 7500 kW/m3 이상이다. 실시형태에서, HSD(40)의 에너지 소모는 대략 3000 W/m3 내지 대략 7500 kW/m3의 범위 내에 있다. 실시형태에서, HSD(40)의 에너지 소모는 대략 3000 W/m3 내지 대략 7500 kW/m3의 범위 내에 있다. 필요한 실제 에너지 입력은, 예를 들어, 흡열성(endothermic) 및/또는 발열성(exothermic) 반응(들)처럼, HSD 내에서 어떠한 반응이 일어나고 있는지 뿐만 아니라 공급원료 물질을 분산시키고 혼합하기 위해 필요한 기계적 에너지의 함수이다. 일부 응용에서, HSD 내에서 일어나는 발열성 반응(들)의 존재는 필요한 반응 에너지의 일부 또는 실질적으로 전부를 모터 입력에서 경감시킨다. 액체 내에 기체를 분산시킬 때, 에너지 요구량은 상당히 적다.
전단율은 전단 간격 폭(회전자와 고정자 사이의 최소 간격)에 의해 분할되는 팁 속도이다. HSD(40)에서 생성되는 전단율은 20,000 s-1보다 클 수 있다. 일부 실시형태에서, 전단율은 적어도 30,000 s-1 또는 적어도 40,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단율은 30,000 s-1보다 크다. 일부 실시형태에서, 전단율은 적어도 100,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단율은 적어도 500,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단율은 적어도 1,000,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단율은 적어도 1,600,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단율은 적어도 3,000,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단율은 적어도 5,000,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단율은 적어도 7,000,000 s-1이다. 일부 실시형태에서, 전단율은 적어도 9,000,000 s-1이다. 회전자가 큰 직경을 갖는 실시형태에서, 전단율은 대략 9,000,000 s- 1를 초과할 수 있다. 실시형태에서, HSD(40)에 의해 생성되는 전단율은 20,000 s-1 내지 10,000,000 s-1의 범위 내에 있다. 예를 들어, 하나의 응용에서, 회전자의 팁 속도는 대략 40 m/s(7900 ft/min)이고 전단 간격 폭은 0.0254 mm(0.001 인치)이며, 1,600,000 s-1의 전단율을 생성한다. 다른 응용에서, 회전자의 팁 속도는 대략 22.9 m/s(4500 ft/min)이고 전단 간격 폭은 0.0254 mm(0.001 인치)이며, 대략 901,600 s-1의 전단율을 생성한다.
일부 실시형태에서, HSD(40)는 콜로이드 밀을 포함한다. 적절한 콜로이드 밀은, 예를 들어, IKA? Works, Inc. 윌밍턴, NC 및 APV North America, Inc. 윌밍턴, MA에 의해 제조된다. HSD(40)는 IKA? Works, Inc.의 DISPAX REACTOR?를 포함한다.
일부 실시형태에서, 외부 HSD의 각각의 단계는 유연성을 제공하는, 교체 가능한 혼합 도구를 갖는다. 예를 들어, IKA? Works, Inc. 윌밍턴, NC 및 APV North America, Inc. 윌밍턴, MA의 DR 2000/4 DISPAX REACTOR?은 3단식 분산 모듈을 포함한다. 이 모듈은 각 단계별 미세한(fine), 중간의(medium), 조악한(coarse), 그리고 초미세한(super-fine) 선택을 갖고 최대 3 개의 회전자/고정자 조합(발생기)을 포함할 수 있다. 이는 흐름 방향을 따라 전단율의 변화를 감안한 것이다. 일부 실시형태에서, 각각의 단계는 초미세한 발생기로 작동된다.
실시형태에서, DISPAX? 반응기의 확장 버전이 사용된다. 예를 들어, 실시형태에서, HSD(40)는 SUPER DISPAX REACTOR? DRS 2000을 포함한다. HSD 장치는 시간당 125,000 리터의 유량계수(flow capacity)를 갖는 DR 2000/50 장치, 또는 시간당 40,000 리터의 유량계수를 갖는 DRS 2000/50일 수 있다. HSD 장치 내에서의 체류 시간이 증가하기 때문에, 내부의 유체는 더욱 많은 전단을 받는다. 이제 도 2를 참조하면, 적절한 HSD(200)의 종단면이 도시되어 있다. 도 2의 HSD(200)는 세 개의 단계 또는 회전자-고정자 조합(220, 230 및 240)을 포함하는 분산 장치이다. 회전자-고정자 조합은 제한 없이 발생기(220, 230 및 240) 또는 단계로 알려질 수 있다. 세 개의 회전자/고정자 세트 또는 발생기(220, 230 및 240)는 구동축(250)을 따라 직렬로 정렬된다.
제 1 발생기(220)는 회전자(222)와 고정자(227)를 포함한다. 제 2 발생기(230)는 회전자(223)와 고정자(228)를 포함한다. 제 3 발생기(220)는 회전자(224)와 고정자(229)를 포함한다. 각각의 발생기를 위해, 회전자는 입력(250)에 의해 회전 가능하게 구동되고 화살표(265)로 나타낸 바와 같이 축(260)에 대해 회전한다. 회전 방향은 화살표(265)로 도시한 것과 반대일 수 있다(예를 들어, 축(260)의 회전에 대해 시계방향 또는 반시계방향). 고정자(227, 228, 및 229)는 HSD(200)의 벽(255)에 고정 가능하게 결합될 수 있다. 상기한 바와 같이, 각각의 회전자와 고정자는 상호 보완적인 형상의 팁의 링을 포함할 수 있고, 이는 각각의 발생기 내에 여러 전단 간격으로 이어진다.
상기한 바와 같이, 각각의 발생기는 회전자와 고정자 사이의 최소 거리인 전단 간격을 갖는다. 도 2의 실시형태에서, 제 1 발생기(220)는 제 1 전단 간격(225)을 포함하고, 제 2 발생기(230)는 제 2 전단 간격(235)을 포함하고, 및 제 3 발생기(240)는 제 3 전단 간격(245)을 포함한다. 실시형태에서, 전단 간격(225, 235, 245)은 대략 0.025 mm 내지 대략 10 mm 범위의 폭을 갖는다. 대안적으로, 공정은 간격(225, 235, 245)이 대략 0.5 mm 내지 대략 2.5 mm 범위의 폭을 갖는 HSD(200)의 사용을 포함한다. 특정 경우에 있어서, 전단 간격 폭은 대략 1.5 mm에서 유지된다. 대안적으로, 전단 간격(225, 235, 245)의 폭은 발생기(220, 230, 240) 마다 다르다. 특정 경우에 있어서, 제 1 발생기(220)의 전단 간격(225)의 폭은 제 2 발생기(230)의 전단 간격(235)의 폭보다 크며, 이는 차례로 제 3 발생기(240)의 전단 간격(245)의 폭보다 크다. 상기한 바와 같이, 각각의 단계에서의 발생기는 교체 가능하며, 유연성을 제공한다. HSD(200)는 전단율이 동일하거나 또는 흐름(260)의 방향을 따라 종방향으로 단계적으로 증가하거나 감소하도록 구성될 수 있다.
발생기(220, 230 및 240)는 회전자 및 상호 보완적인 고정자에서 서로 다른 수의 상호 보완적인 링 또는 단계를 갖는, 조악한, 중간의, 미세한, 그리고 초미세한 특징을 포함할 수 있다. 회전자(222, 223, 및 224)와 고정자(227, 228, 및 229)는 치형(toothed) 설계일 수 있다. 각각의 발생기는 상호 보완적인 회전자-고정자 링의 두 개 이상의 세트를 포함할 수 있다. 실시형태에서, 회전자(222, 223, 및 224)는 상호 보완적인 회전자-고정자 링의 3 개 이상의 세트를 포함한다. 실시형태에서, 회전자와 고정자는 치부를 포함하지 않고, 따라서 반응물이 소결 물질의 기공을 통해 유동하도록 한다.
HSD(40)는 대규모 또는 소규모 장치일 수 있다. 실시형태에서, 시스템(100)은 분당 100 갤런 내지 분당 5000 갤런 이상을 처리하기 위해 사용된다. 실시형태에서, 하나 이상의 HSD(40)가 적어도 100, 500, 750, 900, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 gpm 이상을 처리한다. 대규모 장치는 1000 gal/h(24 barrels/h)를 생산할 수 있다. 회전자의 내경은 원하는 응용에 적합한 임의의 크기일 수 있다. 실시형태에서, 회전자의 내경은 대략 12 cm(4 인치) 내지 대략 40 cm(15 인치)이다. 실시형태에서, 회전자의 직경은 대략 6 cm(2.4 인치)이다. 실시형태에서, 고정자의 외경은 대략 15 cm(5.9 인치)이다. 실시형태에서, 회전자의 직경은 대략 6.4 cm(2.5 인치)이다. 일부 실시형태에서, 회전자는 직경이 60 cm(2.4 인치)이고 고정자는 6.4 cm(2.5 인치)이며, 대략 4 mm의 간격을 제공한다. 특정 실시형태에서, 각각의 세 단계는 다수의 상호 보완적인 회전자/고정자 링 세트를 포함하는 초미세한 발생기로 작동된다.
HSD(200)는 라인(13)으로부터 유체 혼합물을 유입구(205)에서 받아들이도록 구성된다. 상기 혼합물은 아래에서 더 논의되는 바와 같은 반응물을 포함한다. 실시형태에서, 반응물은 오일과 탈황제를 포함한다. 실시형태에서, 반응물은 원유와 탈황제를 포함한다. 실시형태에서, 반응물은 원유와 암모니아 용액을 포함한다. 실시형태에서, 반응물은 원유와 황산암모늄을 포함한다. 실시형태에서, 반응물은 원유와 수산화칼륨을 포함한다. 실시형태에서, 반응물은 원유와 가성제(caustic)를 포함한다. 실시형태에서, 반응물은 아래에서 더 논의되는 바와 같은 적어도 하나의 API-조정 가스를 더 포함한다. 유입구(205)로 진입하는 공급물 스트림은 발생기(220, 230 이후 240)를 통해 연속적으로 펌핑되어, 스위트닝된 오일이 생성되게 한다. 생성물은 배출구(210)를 통해 HSD(200)를 빠져나간다(도 1의 라인(19)). 각각의 발생기의 회전자(222, 223, 224)는 고정된 고정자(227, 228, 229)에 비해 고속으로 회전하여, 고속 전단율을 제공한다. 회전자의 회전은 전단 간격을 통해(및 존재하는 경우, 회전자 치부 사이의 간격 및 고정자 치부 사이를 통해) 외부로, 유입구(205)에 진입하는 공급물 스트림과 같은 유체를 펌핑하여, 국부적인 고속 전단 조건을 형성한다. 유체가 유동하는 전단 간격(225, 235, 및 245) 내의(및 존재하는 경우, 회전자 치부와 고정자 치부 사이의 간격 내의) 유체에 인가된 고속 전단력은 유체를 가공하고 탈황된 오일 생성물을 형성한다. 생성물은 스위트닝된 오일과 배출된 유황을 함유하는 에멀젼을 포함할 수 있다. 고속 전단-처리된 스트림(19)은, 아래에 논의되는 바와 같이, 사용된 탈황제, 과잉의 탈황제, 변경된 탈황제, 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다. 생성물은 고속 전단 배출구(210, 도 1의 라인(19)를 통해 HSD(200)를 빠져나간다.
상기한 바와 같이, 특정 경우에 있어서, HSD(200)는 IKA? Works, Inc. 윌밍턴, NC 및 APV North America, Inc. 윌밍턴, MA의 DISPAX REACTOR?를 포함한다. 다양한 유입구/배출구 연결, 마력, 팁 속도, 출력 rpm, 및 유속을 갖는 여러 모델이 사용 가능하다. HSD의 선택은, 예를 들어, 처리량 선택에 따라 달라진다. 예를 들어, IKA?의 모델 DR 2000/4는 벨트 구동, 4M 발생기, PTFE 밀봉 링(sealing ring), 유입구 플랜지 25.4 mm(1 인치) 위생 클램프, 배출구 플랜지 19 mm(3/4 인치) 위생 클램프, 2 마력, 7900 rpm의 출력 속도, 대략 300-700 L/h의 유량(물) 계수(발생기에 따라 다름), 9.4-41 m/s(1850 ft/min 내지 8070 ft/min)의 팁 속도를 포함한다. 다수의 HSD를 사용하여, 또는 대형 HSD를 사용하여 스케일 업을 수행할 수 있다. 대형 모델을 사용한 스케일 업은 용이하게 수행되며, 대형 HSD로 인한 결과는 일부 경우에 있어서 실험실 규모의 장치의 효율성에 비해 향상된 효율성을 제공할 수 있다. 대규모 장치는 DISPAX? 2000/ 장치일 수 있다. 예를 들어, DRS 2000/5 장치는 51 mm(2 인치)의 유입구 크기와 38 mm(1.5 인치)의 배출구를 갖는다.
실시형태에서, HSD(40) 또는 이의 일부는 내화/내부식성 물질로 제조된다. 예를 들어, 소결 금속, INCONEL? 합금, HASTELLOY? 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 탈황제는 매우 가성일 수 있으며, 따라서 회전자, 고정자 및/또는 HSD(40)의 다른 구성요소들은 다양한 응용분야에서 내화 물질(예를 들어, 소결 금속)으로 제조될 수 있다.
분리 장치(들)(10) . 오일 탈황 시스템(100)은 하나 이상의 분리 장치(10)를 포함한다. 분리 장치(들)(10)는 상 및/또는 서로 다른 밀도의 물질을 분리하도록 구성된 모든 종류의 분리 용기일 수 있다. 실시형태에서, 분리 장치(들)(10)는 원심분리기, 디캔터(decanter), 및 여과 장치에서 선택된다. 실시형태에서, 분리 장치(들)(10)는 하나의 원심분리기를 포함한다. 실시형태에서, 분리 장치(들)(10)는 하나 이상의 여과 장치를 포함한다. 분리 장치(들)(10)는 연속적으로, 반연속적으로, 또는 일괄적으로 작동될 수 있다. 하나 이상의 분리 장치(10)가 직렬 또는 병렬로 구성될 수 있다. 병렬 작동을 위해, 배출구 라인(19)은 고속 전단-처리된 생성물을 다수의 분리 장치(10)로 유입시키도록 분리할 수 있다. 실시형태에서, 분리 장치(10) 내에서 분리된 성분은 유황, 스위트닝된 오일, 탈황제 또는 이들의 임의의 조합에서 선택된다. 도 1의 실시형태에서, 분리 장치(10)는 제 1 분리기 배출구 라인(16), 제 2 분리기 배출구 라인(17) 및 제 3 분리기 배출구 라인(20)을 포함한다.
분리 장치(들)(10)는 하나 이상의 다음의 구성요소를 포함할 수 있다: 가열 및/또는 냉각 기능, 압력 측정 계기, 온도 측정 계기, 하나 이상의 분사 지점, 및 레벨 조정기, 이들은 분리기 설계 분야에서 공지된 것들이다. 예를 들어, 가열 및/또는 냉각 장치는, 예를 들어, 열 교환기를 포함할 수 있다.
열전달 장치 . 처리될 유체를 가열하기 위한 내부 또는 외부 열전달 장치가 또한 시스템의 변형에서 고려된다. 예를 들어, 반응물은 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 임의의 방법을 통해 예열될 수 있다. 하나 이상의 이러한 열전달 장치에 대한 일부 적절한 위치는 펌프(5)와 HSD(40) 사이, HSD(40)와 흐름 라인(19) 사이, 및 제 2 분리기 배출구(17) 내의 유체가 HSD(40)로 재순환될 때 흐름 라인(17)과 펌프(5) 사이이다. HSD는 냉각, 예를 들어, 수냉될 수 있는 내부 축을 포함하여 HSD 내의 온도를 부분적으로 또는 전적으로 조절할 수 있다. 이러한 열전달 장치의 일부 비제한적인 예는, 본 기술분야에 공지된 쉘, 튜브 또는 플레이트이다.
펌프 . 고속 오일 탈황 시스템(100)은 펌프(5)를 포함할 수 있다. 펌프(5)는 연속적인 또는 반연속적인 작동을 위해 구성되며, HSD(40)와 시스템(100)을 통해 제어된 흐름을 제공할 수 있는 임의의 적절한 펌핑 장치일 수 있다. 응용에서, 펌프(5)는 202.65 kPa(2 atm) 이상의 압력 또는 303.97 kPa(3 atm) 이상의 압력을 제공한다. 하나의 적절한 펌프(5)는 Roper Type 1 기어 펌프, Roper Pump Company(Commerce Georgia) Dayton Pressure Booster Pump Model 2P372E, Dayton Electric Co(Niles, IL)일 수 있다. 바람직하게, 펌프의 모든 접촉부(contact part)는 스테인리스강, 예를 들어, 315 스테인리스강을 포함한다. 시스템의 일부 실시형태에서, 펌프(5)는 대략 2026.5 kPa(20 atm) 이상의 압력을 제공할 수 있다. 펌프(5) 이외에도, 하나 이상의 추가의 고압 펌프가 도 1 에 도시된 시스템에 포함될 수 있다. 예를 들어, 펌프(5)와 유사할 수 있는 승압 펌프(booster pump)가 흐름 라인(19) 내의 압력을 승압하기 위해 HSD(40)와 흐름 라인(19) 사이에 포함될 수 있다. 오일 소스(15)가 유정(oil well)인 경우, 즉 고속 전단 시스템(100)이 유정 근처에 위치한 경우, 원유는 압력에서 유입될 수 있고, 펌프(5)를 사용하지 않을 수 있다.
합성 가스를 생성하기 위한 고속 전단 공정 . 오일을 스위트닝하기 위한 공정을 이제 본 개시의 일 실시형태에 따른 스위트닝된 오일을 생성하기 위한 방법(300)의 개략도인 도 3을 참조로 설명할 것이다. 공정(300)은 오일과 탈황제를 제공하는 단계(310); 상기 오일과 탈황제를 긴밀하게 혼합하여 고속 전단-처리된 스트림을 생성하는 단계(320); 및 고속 전단-처리된 스트림에서 스위트닝된 오일을 추출하는 단계(330)를 포함한다. 유황 제거 시스템은 폐쇄 루프로서 작동될 수 있다. 실시형태에서, 개시된 방법을 통해 오일의 탈황을 달성하기 위해 증류, 침전 탱크, 및/또는 외부 가열이 필요하지 않다.
스위트닝될 오일과 탈황제를 공급하는 단계(310) . 공정(300)은 스위트닝될 오일을 제공하고 탈황제(들)를 공급하는 단계(310)를 포함한다. 스위트닝될 오일은 원유일 수 있다. 처리될 오일은 유정에서 추출된 이후 직접 유입될 수 있고, 따라서 상승된 온도 및/또는 압력일 수 있다. 실시형태에서, 가열이 사용되지 않으며, 시스템은 대기 온도에 노출된다. 실시형태에서, 오일 소스(15)는 유정을 포함한다. 실시형태에서, 스위트닝될 오일은 저장 장치에 수용된다. 따라서, 실시형태에서, 오일 소스(15)는 본 기술분야에 공지된 저장 용기를 포함한다.
스위트닝될 오일은 유기 및/또는 무기 형태의 유황을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위트닝될 오일은, 예를 들어, 황화수소, 유기 황화물, 유기 이황화물, 메르캅탄(또한 티올(thiol)로도 알려짐), 및 티오펜, 벤조티오펜 및 관련 화합물과 같은 방향족 고리화합물을 포함할 수 있다. 방향족 고리화합물은 본원에서 "티오펜 유황"으로 칭한다. 오일 셰일(oil shale)에서 추출되고 또한 타르 샌드(tar sand)에서 유래한 액체 오일은 합성원유(syncrude)라 칭한다. 스위트닝될 오일은 석유 또는 합성원유일 수 있다. 스위트닝될 오일은 정제유 또는 사용된 정유일 수 있다. 처리될 오일은 또한 염화물, 수은, 바나듐, 및/또는, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 개시된 유황 제거 공정 동안 또한 바람직하게 제거되는 다른 중금속을 포함할 수 있다.
실시형태에서, 스위트닝될 오일을 제공하는 단계는 하나 이상의 원유를 제공하는 단계를 포함한다. 원유는 일반적으로 소량의 유황, 질소, 및 탄화수소의 산소 유도체뿐만 아니라 미량 금속을 포함하는 자연 발생적으로 생기는 탄화수소의 복합 혼합물이다. 원유는 유전(oil field) 마다 모양 및 조성에 따라 변하는 많은 상이한 탄화수소 화합물을 함유한다. 원유는 물에서 타르와 같은 고체까지 농도 및 투명한 색에서 검은 색까지 색이 다양하다. "평균" 원유는 대략 84%의 탄소, 14%의 수소, 1% 내지 3%의 유황, 및 1% 미만의 질소, 산소, 금속, 및 염을 함유한다. 원유는 일반적으로 유사한 탄화수소 분자의 지배적인 비율에 따라, 파라핀계(paraffinic), 나프텐계(naphthenic), 또는 방향족 원유로 분류된다. 혼합기(mixed- base) 원유는 다양한 양의 각각의 유형의 탄소수소를 함유한다. 정제 원유 기준 재고는 보통 두 개 이상의 서로 다른 원유의 혼합물을 함유한다.
비교적 간단한 원유 분석법이 원유를 파라핀계, 나프텐계, 방향족 또는 혼합된 원유로 분류하기 위해 사용된다. 하나의 분석 방법(미합중국 광무국)은 증류를 기반으로 하고, 또 다른 방법(UOP 'K' 인자)은 비중과 비등점을 기반으로 한다. 원유의 가치(즉, 유용한 생성물의 수율과 품질) 및 공정 변수를 평가하기 위해 더욱 포괄적인 원유 분석법을 사용할 수 있다. 원유는 일반적으로 수익률 구조에 따라 분류된다.
원유는 또한 미국석유협회(American Petroleum Institute, API) 비중의 관점에서 정의된다. API 비중은 석유 제품의 밀도를 표현하는 임의의 등급이다. API 비중이 높을수록 원유는 경질이다. 예를 들어, 경질 원유는 높은 API 비중과 낮은 비중을 갖는다. 낮은 탄소, 높은 수소, 및 높은 API 비중을 갖는 원유는 일반적으로 파라핀이 풍부하며 더욱 높은 비율의 가솔린과 경질 제품을 생산하는 반면, 높은 탄소, 낮은 수소 및 낮은 API 비중을 갖는 원유는 일반적으로 방향족이 풍부하다.
상당한 양의 황화수소 또는 다른 반응성 유황 화합물을 함유하는 원유는 "사워(sour)"라 한다. 적은 유황을 함유하는 원유는 "스위트(sweet)"라 한다. 이러한 규칙에 주목할만한 예외는 황화수소 함량과는 무관하게 "사워"로 항상 간주되는 서부 텍사스 원유 및 내부의 유황 화합물이 반응성이 높지 않기 때문에 "사워"로 간주되지 않는 아라비아 고유황 원유이다. 원유를 제공하는 단계(310)는 사워 원유들에서 선택된 하나 이상의 원유를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 사워 원유는 낮은 API 원유, 높은 API 원유, 중간 API 원유, 파라핀계 원유, 나프텐계 원유, 방향족 원유, 혼합 원유, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 표 1은 다양한 원유의 전형적인 특징, 특성 및 가솔린 가능성을 도시한다. 실시형태에서, 스위트닝될 오일을 제공하는 단계(310)는 표 1에 나타낸 것과 유사한 하나 이상의 원유를 제공하는 단계를 포함한다.
표 1: 다양한 원유의 전형적인 거의 정확한 특징, 특성 및 가솔린 가능성
소스 파라핀
(vol.%)		 방향족
(vol.%)		 나프텐
(vol.%)		 유황
(wt.%)		 ~API
비중		 나프텐
수율 (vol.%)		 옥탄#
(추정)
나이지리아-경질 37 9 54 0.2 36 28 60
사우디-경질 63 19 18 2 34 22 40
사우디-중질 60 15 25 2.1 28 23 35
베네수엘라-중질 35 12 53 2.3 30 2 60
베네수엘라-경질 52 14 34 1.5 24 18 50
미국 중앙대륙
스위트		 - - - 0.4 40 - -
매국-서부 텍사스 사워 46 22 32 1.9 32 33 55
북해 브렌트 50 16 34 0.4 37 31 50
* (평균값을 나타냄)
스위트닝될 오일은 대략 5, 4, 3, 2 또는 1 중량퍼센트의 유황을 포함할 수 있다. 실시형태에서, 스위트닝될 오일은 대략 0.2 내지 대략 20 ppm의 유황을 포함한다. 실시형태에서, 스위트닝될 오일은 대략 0.2 내지 대략 10 ppm의 유황을 포함한다. 실시형태에서, 스위트닝될 오일은 대략 5 내지 대략 20 ppm의 유황을 포함한다. 실시형태에서, 스위트닝될 오일은 대략 0.1 내지 대략 5 ppm의 티오펜 유황을 포함한다.
스위트닝될 오일과 탈황제를 제공하는 단계(310)는 적어도 하나의 탈황제를 제공하는 단계를 포함한다. 실시형태에서, 스위트닝될 오일과 탈황제를 제공하는 단계는 50:50 부피비의 오일 및 탈황제 혼합물을 제공하는 단계를 포함한다. 실시형태에서, 탈황제는 염기이다. 탈황제는 가성일 수 있다. 실시형태에서, 탈황제는 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 황산암모늄, 탄산칼슘, 수소, 과산화수소, 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA), 디글리콜아민(diglycolamine, DGA), 디에탄올아민(diethanolamine, DEA), 디이소프로판올아민(diisopropanolamine, DIPA) 및 메틸디에탄올아민(methyldiethanolamine, MDEA)으로 이루어진 군에서 선택된다. 실시형태에서, 탈황제는 암모니아 용액이다. 실시형태에서, 탈황제는 28% 암모니아 용액(28% NH4OH)이다. 실시형태에서, 탈황제는 무기염을 포함한다. 실시형태에서, 탈황제는 탄산칼슘을 포함한다. 실시형태에서, 탈황제는 황산암모늄을 포함한다. 황산암모늄은 HSD(40)에서 형성될 수 있고(암모니아 용액이 초기에 탈황제로서 HSD(40)에 유입된 경우) 탈황제로 사용되기 위해 재순환될 수 있다. 대안적으로, 황산암모늄은 구매하여 HDS(40)에 유입될 수 있다. 대안적으로, 황산암모늄은, 예들 들어, 건조 황산암모늄과 물로 현장에서 생산될 수 있다.
오일과 탈황제를 긴밀하게 혼합하는 단계(320) . 공정(300)은 스위트닝될 오일과 탈황제(들)를 긴밀하게 혼합하는 단계(320)를 포함한다. 긴밀하게 혼합하는 단계는 스위트닝될 오일과 탈황제(들)가 고속 전단을 받게 하여 고속 전단-처리된 스트림을 생성하는 단계를 포함한다. 실시형태에서, 스위트닝될 오일과 탈황제(들)가 고속 전단을 받게 하는 단계는, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 적어도 10,000 s-1, 적어도 20,000 s-1, 적어도 30,000s s-1 이상의 전단율을 받게 하는 단계를 포함한다. 실시형태에서, 오일과 탈황제를 긴밀하게 혼합하는 단계(320)는 스위트닝될 오일(예를 들어, 라인(21 및 13)을 통해)과 탈황제(들)(예를 들어, 라인(22)을 통해) 도 1에 나타낸 바와 같이 HSD(40)로 유입시키는 단계를 포함한다.
이제 도 1을 참조하면, 스위트닝될 오일과 탈황제(들)를 긴밀하게 혼합하는 단계(320)는 오일 소스(15)로부터 스위트닝될 오일을 HSD(40)로 유입시키는 단계를 포함할 수 있다. 탈황제(들)는 라인(22)을 통해 라인(13)으로 또는 다른 곳에서 시스템(100) 전체에 유입될 수 있다. 예를 들어, 새로운 또는 보충 암모니아가 라인(22)을 통해 유입될 수 있다. 실시형태에서, 가스는 스위트닝될 오일과 탈황제(들)와 함께 HSD(40) 내로 유입된다. 예를 들어, 가스는 라인(22)을 통해 HSD(40) 내로 유입되거나, 추가의 유입 라인을 통해 HSD(40) 내로 직접 유입되거나, 또는 오일 소스(15)에서 도입된 오일 내에 존재할 수 있다. 라인(22)이 탈황제(들)의 유입을 위해 사용되는 경우, 제 2 라인은 가스를 라인(13)으로 유입시킬 수 있다.
탈황제와 함께 HSD(40)로의 가스의 유입은 그 결과로 생기는 스위트닝된 원유의 API를 변경하도록 사용될 수 있다. 일반적으로, 원유의 정제는 상당한 양의 정유 관련 가스를 생성한다. 일반적으로 5% 정도의 원유가 정유 작업 동안 다양한 가스로 변환된다. 이러한 가스는 일반적으로 연료로 사용되거나 또는 소각된다. API 향상을 위한 이러한 가스의 사용은, 특히 점진적으로 엄격해지는 배출 제한을 고려할 때, 이러한 가스의 소각에 비해 바람직할 수 있다. 추가적으로, API-조정 가스를 탈황제와 함께 HSD로 통과시키는 단계는 가스를 청소하는데 사용될 수 있다(즉, (황화수소와 같은) 유황을 제거할 수 있다). 상당한 양의 가스가 HSD 내의 반응에서 소모될 수 있다. 남은 가스는 HSD(40)로 재순환되거나, 소각되거나, 또는 연료로 사용될 수 있다.
상기 방법은 내부의 휘발성 성분을 감소시킴으로써 API 비중을 변경하고 및/또는 원유를 안정화하며, 또한 유황의 제거를 통해 오일을 스위트닝할 수 있다. 가스의 첨가 없이도, 스위트닝될 오일과 탈황제(들)를 긴밀하게 혼합하는 단계는 API 비중을 효과적으로 상승시킬 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 티오펜 화합물을 포함하는 원유에서의 유황의 제거는 내부에 유입된 사워 원유에 비해 더욱 높은 API 비중을 갖는 스위트닝된 오일을 생산할 수 있다.
정유 관련 가스는 예를 들어 다양한 양의 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 메탄, 에탄, 및/또는 황화수소를 포함할 수 있다. 실시형태에서, API-조정 가스는 이산화탄소이거나 이산화탄소를 포함한다. 대안적으로, 원유는 수반 가스(associated gas)와 함께 땅에서 추출될 수 있다. 수반 가스는 저장소 내에 존재하는 고압의 원유에 용해된 가스이거나 오일 위의 가스 캡(gas cap)으로 존재하는 가스이다. 수반 가스는 천연 가스를 포함한다. 비수반 가스(unassociated gas)도 또한 사용할 수 있다. 본원에서 "비수반 가스"라는 용어는 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 오일이 없는 저장소 내에서 획득되는 가스를 말한다. 탈황제와 함께 HSD 내로 유입되는 가스는 FCC 오프가스(offgas), 열분해 가스, 수반 가스, 수소화 탈황 (hydrodesulfurization) 오프가스, 접촉 분해기(catalytic cracker) 오프가스, 열 분해기(thermal cracker) 오프가스, 비수반 가스 및 이들의 조합에서 선택될 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 정유 공장에서 FCC 촉매의 재생은 상당한 양의 CO 및/또는 CO2를 생산하며, 이는 탈황제(들)와 함께 HSD 내로 유입될 수 있다. 상기 가스는 수반 가스, 비수반 가스, 정유 관련 가스, 메탄, 에탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다. 실시형태에서, 수반 가스와 함께 땅에서 추출한 원유는 탈황제와 함께 HSD(40)를 통해 (바람직하게는 감압 이전에) 긴밀하게 혼합되어 이의 안정성 및/또는 API 비중을 조정하고 유황을 제거한다. 실시형태에서, 땅에서 (수반 가스와 함께 또는 수반 가스 없이) 추출된 원유는 비수반 가스와 탈황제(들)와 함께 HSD(40)를 통해 긴밀하게 혼합되어 이의 안정성 및/또는 API 비중을 조정하고 유황을 제거한다. HSD(40) 내에서의 유황의 제거는 가스와 원유의 상호작용을 향상시킬 것이며, HSD(40) 내로 유입된 가스의 상당한 부분이 소모될 수 있다. 원유 내의 바나듐과 촉매 특성을 갖는 기타 금속의 존재는 원유와 API-조정 가스와의 반응을 향상시킬 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 펌프(5)는 스위트닝될 오일을 라인(13)을 통해 펌핑하고 압력과 HSD(40) 공급을 형성하도록 작동되어 고속 전단 HSD(40)와 고속 전단 시스템(100) 전체에 걸쳐 제어된 흐름을 제공할 수 있다. 일부 실시형태에서, 펌프(5)는 라인(13)의 HSD 유입 스트림의 압력을 200 kPa(2 atm) 이상 또는 대략 300 kPa (3 atm) 이상으로 증가시킨다. 이렇게 하여, 고속 전단 시스템(100)은 고속 전단과 압력을 결합하여 합성 가스의 생성을 촉진시킬 수 있다. 상기한 바와 같이, 원유가 정두(wellhead)에서 또는 시추 현장에서 스위트닝될 때, 오일은 땅에서 추출된 그대로 적절한 압력을 가질 수 있으며, 이 경우 펌프(5)는 사용되지 않는다.
고속 전단 장치(40) 내에서, 탈황제(들) 그리고 선택적으로 API-조정 가스는 스위트닝될 오일과 긴밀하게 혼합된다. HSD(40) 내의 온도, 전단율 및/또는 체류 시간은 원하는 유황 제거들 달성하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 원하는 유황 함량 이하를 갖는 스위트닝된 오일을 생산하기 위해 작동 변수가 선택/조정될 수 있다. 원하는 유황 함량은 2 중량퍼센트 미만의 유황, 1.5 중량퍼센트 미만의 유황, 1.0 중량퍼센트 미만의 유황, 0.7 중량퍼센트 미만의 유황, 0.5 중량퍼센트 미만의 유황, 또는 대략 2.5 중량퍼센트 미만의 유황일 수 있다.
오일과 탈황제(그리고 선택적으로 API-조정 가스)가 고속 전단을 받게 하는 단계는 탈황제 또는 오일의 액적 또는 API-조정 가스의 기포를 포함하는 에멀젼 또는 분산액을 제공할 수 있다. 실시형태에서, 액체의 나노액적 및/또는 마이크로액적 및/또는 API-조정 가스의 나노기포 및/또는 마이크로기포를 포함하는 에멀젼 또는 분산액이 형성된다. 실시형태에서, 에멀젼 내의 액적 및/또는 분산액 내의 기포는 대략 5, 4, 3, 2 또는 1 μm 미만의 평균 직경을 갖는다. 실시형태에서, 에멀젼 내의 액적 및/또는 분산액 내의 기포는 나노미터 범위, 마이크론 범위, 또는 서브마이크론 범위의 평균 입경을 갖는다.
HSD(40) 내에서, 내용물은 고속 전단을 받는다. 예시적인 일 실시형태에서, 고속 전단 장치는 상기한 바와 같이 직렬로 정렬된 고정자와 결합한 세 개의 회전자로 구성된, 고속 전단, 3단 분산 장치인 IKA?의 모델 DR 2000/4를 포함한다. 분산기는 내용물이 고속 전단을 받게 하기 위해 사용된다. 회전자/고정자 세트는, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 이러한 일 실시형태에서, 공급물은 라인(13)을 통해 고속 전단 장치로 진입하고 원주상 이격된 제 1 단계 전단 개구부를 갖는 제 1 단계 회전자/고정자 조합으로 진입한다. 제 1 단계를 빠져나간 조악한 혼합물은 제 2 단계 전단 개구부를 갖는 제 2 회전자/고정자 단계로 진입한다. 제 2 단계에서 벗어난 혼합물은 제 3 단계 전단 개구부를 갖는 제 3 단계 회전자/고정자 조합으로 진입한다. 발생기의 회전자와 고정자는 원주상 이격된 상호 보완적인 형상의 링을 가질 수 있다. 고속 전단-처리된 스트림은 라인(19)을 통해 고속 전단 장치를 빠져나간다. 일부 실시형태에서, 전단율은 흐름(260)의 방향을 따라 종방향으로 단계적으로 증가하거나 또는 하나의 발생기의 링의 내부 세트로부터 동일한 발생기의 링의 외부 세트로 갈 수 있다. 다른 실시형태에서, 전단율은 흐름(260)의 방향을 따라 종방향으로 단계적으로 감소하거나 또는 하나의 발생기의 링의 내부 세트로부터 동일한 발생기의 링의 외부 세트로 갈 수 있다(축(200)으로부터 외부로). 예를 들어, 일부 실시형태에서, 제 1 회전자/고정자 단계 내의 전단율은 후속 단계(들)에서의 전단율보다 크다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 제 1 회전자/고정자 단계 내의 전단율은 후속 단계(들)에서의 전단율보다 크거나 작다. 다른 실시형태에서, 전단율은 단계 또는 동일한 단계에서 흐름의 방향을 따라 실질적으로 일정하다. HSD(40)이, 예를 들어, PTFE 밀봉부(seal)를 포함하는 경우, 상기 실은 본 기술분야에 공지된 임의의 적절한 기술을 사용하여 냉각될 수 있다. HSD(40)는 중앙에 축(shaft)을 포함할 수 있으며, 이는 HSD(40) 내부의 온도를 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 라인(22)을 흐르는 탈황제는 상기 밀봉부를 냉각시키는데 사용될 수 있으며 그렇게 함으로써 고속 전단 장치에 진입하기 전에 예열될 수 있다.
HSD(40)의 회전자(들)는 회전자의 직경 및 원하는 팁 속도에 비례한 속도로 회전하도록 설정될 수 있다. 상기한 바와 같이, HSD(예를 들어, 콜로이드 밀 또는 치형 림(toothed rim) 분산기)는 고정자와 회전자 사이에 고정된 간격을 또는 조정 가능한 간격을 갖는다.
일부 실시형태에서, HSD(40)는 적어도 22 m/s(4500 ft/min), 40 m/s(7900 ft/min), 및 225 m/s(45,000 ft/min) 이상의 공칭 팁 속도에서 적어도 300 L/h를 전달한다. 전력 소모는 원하는 대로 대략 1.5 kW 이상일 수 있다. 회전하는 전단 장치의 팁 또는 HSD(40) 내의 회전하는 요소에서의 순간적인 온도와 압력의 측정이 어렵기는 하지만, 긴밀하게 혼합된 반응물에 의해 관찰되는 국부적인 온도는 고속 전단 조건 하에서 500℃ 이상일 수 있고 500 kg/cm2 이상의 압력일 수 있다고 추정된다.
온도, 압력, 공간 속도, API-조정 가스 조성, 및/또는 스위트닝될 오일에 대한 탈황제의 비율의 조건은 원하는 유황 제거를 달성하기 위해 조정될 수 있다. 이러한 매개변수는 처리될 원유의 조성이 변함에 따라 조정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 작동 온도와 압력은 원유가 정두를 빠져 나온 시점의 온도와 압력에 의해 결정된다. HSD(40) 내에서의 체류 시간은 일반적으로 낮다. 예를 들어, 체류 시간은 밀리초의 범위 내에 있을 수 있고, 대략 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 대략 100 밀리초일 수 있고, 대략 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 또는 대략 900 밀리초일 수 있고, 초의 범위 내에 있을 수 있고, 또는 이들 사이의 임의의 범위일 수 있다.
상기한 바와 같이, 원유와 탈황제(들)를 긴밀하게 혼합하는 단계는 하나 이상의 HSD(40)에 원유를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 원유와 탈황제(들)를 긴밀하게 혼합하는 단계는 직렬 또는 병렬의 두 개 이상의 HSD(40)에 원유를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 원유와 탈황제(들)를 긴밀하게 혼합하는 단계는 직렬 또는 병렬의 세 개 이상의 HSD(40)에 원유를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 추가의 API-조정 가스 및/또는 탈황제(들)는 각각의 후속 HSD 내로 유입될 수 있다.
이론에 의해 제한되기를 원하지 않고, 암모니아 및/또는 황산암모늄 용액이 탈황제(들)로서 HSD(40) 내에 유입되는 경우, HSD(40) 내에 존재하는 황산암모늄은 반복적으로 유황을 방출하고 오일에서 유황을 더 추출할 것이다. 원소 유황의 존재는 스위트닝될 오일에 존재할 수 있는 염화물, 수은, 바나듐 및 기타 중금속의 제거를 가능하게 할 것이다. 따라서, 유황의 제거는 개시된 시스템과 방법을 통해 염화물 및/또는 중금속 제거와 결합될 수 있다.
이론에 의해 제한되기를 원하지 않고, HSD(40) 내의 조건은 그렇지 않으면 열역학적으로 바람직하지 않을 반응을 강제하는 것으로 생각된다. 실시형태에서, HSD(40) 내에 유입된 탈황제(들)는 암모니아 또는 황산암모늄 용액을 포함한다. HSD(40) 내에서 형성되거나 또는 탈황제로서 유입된(예를 들어, 아래에 더 논의되는 바와 같이, 라인(22)을 통해 HSD(40)로 유입되거나, 분리 장치(들)(10)로부터 재순환된) 황산암모늄은 오일에서 유황을 순차적으로 제거한다. 황산암모늄은 따라서 오일에서 유황을 연속적으로 제거하고, 원소 유황을 방출하고(전단/압력으로 인해), 및 오일에서 이후의 유황 분자를 추출하는 탈황에서의 촉매로 간주될 수 있다.
스위트닝된 오일을 분리하는 단계(330) . 고속 전단 유황 제거 방법(300)은 스위트닝된 오일을 추출하는 단계(330)를 더 포함한다. 스위트닝된 오일을 추출하는 단계(330)는 고속 전단-처리된 스트림(19)에서 스위트닝된 오일을 분리하는 단계를 포함한다. 긴밀하게 혼합하는 단계(320) 동안, 탈황제는 새로운 형태로 변환될 수 있다. 예를 들어, 새로운 암모니아 용액이 스위트닝될 오일과 함께 HSD(40)로 유입되는 경우, 황산암모늄이 HSD(40) 내에서 형성될 것이다. 스위트닝된 오일을 추출하는 단계는 따라서 유황과, HSD(40) 내로 원래 유입된 동일한 탈황제를 포함하거나 또는 HSD(40) 내에 형성된 탈황제(예를 들어, 황산암모늄)를 포함할 수 있는, 탈황제(들)에서 스위트닝된 오일을 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 실시형태에서, 탈황제(들)는 제 2 분리기 배출구(17)를 통해 분리 장치(들)(10)에서 추출되고; 스위트닝된 오일은 제 1 분리기 배출구(16)를 통해 분리 장치(들)(10)에서 제거되고; 및 (고체) 유황은 제 3 분리기 배출구(20)를 통해 분리 장치(들)(10)에서 제거된다. 상기한 바와 같이, 실시형태에서, API-조정 가스는 탈황제(들) 및 오일과 함께 HSD(40) 내로 유입된다. 모든 미반응 가스 또는 생성 가스는 분리 장치(들)(10)의 상류에서 제거되거나 분리 장치(들)(10)에서 제거될 수 있다. 미반응 또는 생성 가스는 원하는 경우 HSD(40)로, 또는 다른 HSD로 재순환되거나, 또는 연료로 사용되거나 또는 소각될 수 있다.
상기한 바와 같이, 분리 장치(들)는 원심분리기, 여과 장치(예를 들어, 필터 프레스(filter press)), 디캔터, 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다. 실시형태에서, 분리 장치(들)는 하나 이상의 원심분리기이다.
실시형태에서, HSD(40) 내로 유입되거나 그 내부에서 형성된 탈황제(들)는 유황 제거 공정에서 촉매의 역할을 한다. 이러한 경우, 예를 들어, 암모니아 용액을 포함하는 탈황제가 HSD(40) 내로 유입되는 경우(그리고 황산암모늄이 HSD(40) 내에서 형성되는 경우) 또는 황산암모늄이 HSD(40) 내로 유입되는 경우, 고속 전단-처리된 스트림(19)에서 분리된 탈황제는, 제 2 배출구(17)를 라인(22) 라인(21) 또는 라인(13)을 유동적으로 연결함으로써, 분리 장치(들)(10)로부터 HSD(40)로 재순환되어, 제 2 배출구 라인(17)의 내용물의 일부가 HSD(40)로 재순환될 수 있고, 또는 라인(17)의 내용물(또는 이의 일부)을 직접 HSD(40) 내로 유입시킬 수 있다. 분리된 탈황제는 HSD(40) 내로 유입된 동일한 탈황제(예를 들어, HSD(40) 내로 유입된 미반응 암모니아 또는 황산암모늄 용액) 또는 HSD(40) 내에서 형성된 탈황제(예를 들어, HSD(40) 내의 암모니아 용액의 유입으로 인해 HSD(40) 내에서 형성된 황산암모늄)를 포함할 수 있다. 탈황제(들)의 재순환은 탈황에서 사용된 탈황제의 양을 줄이기 위해 바람직할 수 있다. 예를 들어, 최초에, 암모니아 용액은 라인(22)을 통해 HSD(40) 내로 유입될 수 있다. HSD(40) 내에서, 황산암모늄이 형성되는데, 이는 스위트닝될 오일에서 반복적으로 유황을 추출한다. 황산암모늄은 스위트닝된 오일 생성물(제 1 배출구(16)를 통해 분리 장치(들)(10)에서 빠져 나옴) 및 제거된 고체 유황(제 3 배출구(20)를 통해 분리 장치(들)(10)에서 빠져 나옴)로부터 분리되고, 황산암모늄의 일부 또는 전부는 HSD(40)로 재순환된다. 이러한 경우, 새로운 암모니아 용액의 유입은 충분한 황산암모늄이 생성되고 HSD(40)로의 재순환을 위해 이용 가능한 경우 종료된다. 이는, 예를 들어, 암모니아 용액을 조심스럽게 처리해야 하는 경우, 그리고 특히 대규모 작업을 위해 많은 용량의 새로운 탈황제를 사용하는 것보다 재활용 물질을 사용함으로써 비용을 상당히 줄일 수 있기 때문에 바람직하다. 황산암모늄이 판매 제품으로 또는 다른 곳에 사용하기에 바람직한 경우, 황산암모늄은 재사용되지 않을 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 황산암모늄은 시스템(100)을 통해 재순환될 수 있고 유황은 주로 원소 유황(예를 들어, 유황 결정)으로 제거될 수 있다.
다른 실시형태에서, 탈황제(들)는 작동시 소비되고, 변경된 탈황제는 재사용되지 않고 제 2 배출구(17)를 통해 시스템(100)에서 제거된다. 예를 들어, 가성제가 탈황제로 사용된 경우, NaCl가 형성될 수 있고, 이는 오일에서 유황을 전환시키지도 더 추출하지도 않는다. 이러한 경우, 새로운 가성제가 작동 도중 HSD(40) 내로 지속적으로 유입될 필요가 있을 것이다.
스위트닝된 오일 생성물 . 스위트닝될 오일보다 낮은 유황 함량을 갖는 오일을 포함한 스위트닝된 오일이 분리 장치(들)(10)에서 제거된다. 스위트닝된 오일은 2 중량퍼센트 미만의 유황, 1.5 중량퍼센트 미만의 유황, 1.0 중량퍼센트 미만의 유황, 0.75 중량퍼센트 미만의 유황, 0.5 중량퍼센트 미만의 유황, 또는 대략 0.25 중량퍼센트 미만의 유황의 유황 함량을 가질 수 있다. 실시형태에서, 스위트닝된 오일의 유황 함량은 스위트닝될 오일의 유황 함량의 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 또는 10% 미만이다. 예를 들어, 스위트닝된 오일은 HSD(40) 내로 유입된 원유의 유황 함량의 10%를 포함할 수 있다.
실시형태에서, 탈황 도중 염화물이 제거된다. 염화물은, 예를 들어, 염화나트륨 또는 염화암모늄으로서 제거될 수 있다. 실시형태에서, 스위트닝된 오일의 염화물 함량은 스위트닝될 오일 염화물 함량의 대략 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 또는 대략 10% 미만이다.
상기한 바와 같이, 오일에서의 유황의 제거는 원유의 API 비중을 유리하게 변경시킬 수 있다. 또한, 스위트닝될 오일 및 탈황제(들)와 함께 HSD(40) 내로의 가스의 유입은 API 비중 및/또는 오일의 안정성을 더 향상시킬 수 있다. 실시형태에서, 스위트닝된 오일 생성물의 API는 스위트닝될 오일의 API의 적어도 또는 대략 1.25 배, 1.5 배 또는 2 배이다. 실시형태에서, 원유의 API는 개시된 방법을 통해 대략 15에서 대략 30으로, 대략 5에서 대략 20으로, 또는 대략 10에서 대략 20으로 증가된다.
제 3 배출구(20)를 통해 분리 장치(들)(10)에서 제거된 유황은 고체 유황을 포함하며 일반적으로 노란색을 띨 것이다. 유황은 일반적인 유황 또는 폴리 유황으로서 존재할 수 있다. 예를 들어, S8, S7, S6 또는 이들의 조합과 같은 다양한 유황의 동소체(allotrope)가 제거된 유황 내에 존재할 수 있다. 탈황제가 암모니아를 포함하는 경우, 유황은 또한 황산암모늄으로서 제거된다. 유황은, 예를 들어, 원심분리기로부터 필터 케이크(filter cake), 슬러리, 또는 건조 생성물로서 제거될 수 있다.
다중 통과 작동( Multiple Pass Operation ) . 도 1에 도시된 실시형태에서, 시스템은 단일 통과 작동을 위해 구성된다. HSD(40)의 출력은 후속 HSD를 통해 작동될 수 있다. 일부 실시형태에서, 흐름 라인(19)의 내용물 또는 이의 일부를 제 2 통과 동안 HSD(40)로 통과시키는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 흐름 라인(19)의 내용물의 적어도 일부는 흐름 라인(19)으로부터 재순환될 수 있으며 선택적으로 펌프(5)에 의해 라인(13)으로 이후 HSD(40)로 펌핑될 수 있다. 추가의 반응물(예를 들어, API-조정 가스 및/또는 탈황제(들)는 라인(22)을 통해 라인(13)으로 주입될 수 있고, 또는 HSD 내로 직접 첨가될 수 있다. 다른 실시형태에서, 배출구 라인(19) 내의 생성물은 분리 장치(들)(10) 이전에 제 2 HSD 내로 공급된다. 지금까지 수행된 실험(아래의 실시예 참조)에서 목격된 유황 제거의 신속성으로 인해, 다중 통과 작동이 필요하지 않거나 바람직하지 않을 것으로 보인다.
다중 HSD . 일부 실시형태에서, HSD(40)와 유사한 또는 다르게 구성된 두 개 이상의 HSD이 직렬로 정렬되고 반응을 더 촉진하는데 사용된다. 실시형태에서, 반응물은 직렬 또는 병렬 흐름의 다수의 HSD(40)를 통과한다. 실시형태에서, 제 2 HSD가 분리 장치(들)(10)의 하류에 배치되어, 제 1 배출구(16)를 통해 분리 장치(들)(10)를 떠난 스위트닝된 오일을 잔여 유황의 제거를 위해 후속 HSD 내로 유입시킬 수 있다. 다중 HSD(40)가 직렬로 작동되는 경우, 추가의 반응물은 각각의 HSD의 유입 공급물 스트림 내로 주입될 수 있다. 예를 들어, 추가의 API-조정 가스 및/또는 탈황제(들)가 제 2 또는 후속 HSD 내로 유입될 수 있다. 일부 실시형태에서, 다중 HSD(40)가 병렬로 작동되고, 배출 생성물은 하나 이상의 흐름 라인(19)으로 유입된다.
특징 . 액체, 기체 및 고체를 포함하는 화학 반응의 속도는 접촉 시간, 온도 및 압력에 따라 달라진다. 서로 다른 상의 두 가지 이상의 원료 또는 혼합할 수 없는 물질을 반응시키는 것이 바람직한 경우, 반응 속도를 제어하는 제한된 요인 중 하나는 반응물의 접촉 시간을 포함한다. 반응 속도가 가속되는 경우, 체류 시간은 감소할 것이고, 따라서 달성할 수 있는 처리량을 증가시킬 것이다.
HSD에 의해 제공된 반응물의 긴밀한 접촉은 단순한 혼합보다 신속한 및/또는 완벽한 유황 제거를 가능하게 하고 및/또는 야기할 수 있다. 실시형태에서, 외부 HSD를 통해 반응물을 혼합하는 단계를 포함하는 개시된 공정의 사용은 종래의 구성 및 방법에 비해 감소된 양의 촉매(예를 들어, 황산암모늄)의 사용을 가능하게 하고 및/또는 유황 제거를 증가시킨다.
특정 이론에 의해 제한되기를 원하지 않고, 고속 전단 혼합의 수준 또는 정도는 물질 전달 속도를 증가시키고 또한 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy) 예측을 근거로 발생하지 않을 것으로 예상되는 반응이 발생하도록 하고 및/또는 예상되는 반응의 속도 또는 정도를 증가시키는 국부적인 비-이상적인 조건(열역학 측면에서)을 형성하는데 충분할 것으로 생각된다. 예를 들어, 원유와 암모니아 용액의 종래의 혼합에서, 황산암모늄이 형성될 수 있으나, 황산암모늄의 촉매 효과 및, HSD 내에서 접한 고압/고속 전단에서 유황의 방출로 인한 황산암모늄에 의해 스위트닝될 오일에서 추가의 유황의 성공적인 제거는 발생할 것으로 예상되지 않는다. 국부적인 비-이상적인 조건은 HSD 내에서 발생할 것으로 여겨지며, 이는 국부적인 압력으로 여겨지는 가장 중요한 증가와 함께 증가된 온도 및 압력을 야기한다. HSD 내에서의 압력과 온도의 증가는 순간적이고 국부적이며, 일단 HSD를 떠나게 되면, 신속하게 대량 또는 평균 시스템 조건으로 되돌아 간다. 이론에 의해 제한되기를 원하지 않고, 일부 경우에 있어서, HSD는 하나 이상의 반응물을 유리기(free radical)로 분해하기 위해 충분한 강도의 캐비테이션을 유도할 수 있고, 이는 달리 요구되는 것보다 덜 엄격한 조건에서 화학 반응을 강화하거나 반응이 일어나게 할 수 있다. 캐비테이션은 또한 국부적인 난류 및 액체 미세-순환(음향 흐름(acoustic streaming))을 유발시킴으로써 전송 공정의 속도를 증가시킬 수 있다. 화학/물리적 처리 응용에서의 캐비테이션 현상의 적용의 개요는 고게이트(Gogate) 등에 의해 제공된다("캐비테이션: 수평선 기술(A technology on the horizon)", Current Science 91 (No. 1): 35-46 (2006)). 본 시스템 및 방법의 특정 실시형태의 HSD는, 하나 이상의 반응물이 유리기로 분해되고 이후 반응하는, 캐비테이션을 포함할 수 있다. 실시형태에서, 회전자/고정자의 팁에서의 극압(extreme pressure)은 액상 반응으로 이어지고, 캐비테이션이 포함되지 않는다.
본 발명의 원리의 설명 및 예시를 위해 다양한 치수, 크기, 양, 부피, 속도, 및 기타 수치적 매개변수 및 숫자가 사용되었고, 본 발명을 본원에서 설명되고, 개시되거나 또는 명시된 수치적 매개변수로 제한하기 위한 것은 아니다. 마찬가지로, 구체적으로 명시되지 않는 한, 단계의 순서는 중요한 것으로 간주되지 않는다. 아래에 논의되는 실시형태의 서로 다른 교시는 원하는 결과를 얻기 위해 개별적으로 또는 임의의 적절한 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실지형태가 도시되고 개시되었지만, 이의 변경이 본 발명의 사상과 교시를 벗어나지 않고 본 기술분야의 숙련자에 의해 이루어질 수 있다. 본원에 개시된 실시형태는 오직 예시적인 것이며 제한하려는 의도는 아니다. 본원에 개시된 발명의 많은 변화와 수정이 가능하며 본 발명의 범위 내에 있다. 수치적 범위 또는 제한이 명시적으로 언급된 경우, 그러한 명시적 범위 또는 제한은 명시적으로 언급된 범위 또는 제한(예를 들어, 대략 1 내지 대략 10은 2, 3, 4 등을 포함하고; 0.10 이상은 0.11, 0.12, 0.13 등을 포함함) 내에 있는 유사한 크기의 반복적인 범위 또는 제한을 포함하는 것으로 이해해야 한다. 청구항의 임의의 요소와 관련된 "선택적으로(Optionally" 라는 용어의 사용은 해당 요소가 필요하고, 또는 그렇지 않으면, 필요하지 않다는 것을 의미하는 것으로 의도된다. 두 가지 대안 모두는 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 포함하는, 구비하는, 갖는 등과 같은 넓은 범위의 용어는 구성되는, 본질적으로 구성되는, 실질적으로 구성되는 등과 같은 좁은 범위의 용어에 대한 지원을 제공하는 것으로 이해해야 한다.
따라서, 본 발명의 범위는 위에서 명시된 설명에 의해 제한되지 않고, 청구범위의 주제의 모든 등가물을 포함하는 다음의 청구범위에 의해서만 제한된다. 각각의 및 모든 청구항은 본 발명의 실시형태로서 명세서에 포함된다. 따라서, 청구항은 또 다른 개시이며 본 발명의 바람직한 실시형태의 추가이다. 본원에 인용된 모든 특허, 특허출원 및 공개의 개시는, 본원에 명시된 것들을 보완하는 예시적인, 절차적인, 또는 다른 세부사항을 제공하는 정도까지 본원에 참조로서 포함된다.

Claims (46)

  1. 사워 오일(sour oil)에서 유황을 제거하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    (a) 적어도 하나의 탈황제의 존재 하에 제 1 유황 함량을 갖는 사워 오일이 고속 전단을 받게 하여 고속 전단-처리된 스트림을 생성하는 단계, 상기 적어도 하나의 탈황제는 염기와 무기염으로 이루어진 군에서 선택되고; 및
    (b) 유황-풍부 생성물과 스위트닝된 오일 생성물을 상기 고속 전단-처리된 스트림에서 분리하는 단계를 포함하고, 상기 유황-풍부 생성물은 원소 유황을 포함하고 상기 스위트닝된 오일 생성물은 상기 제 1 유황 함량보다 적은 제 2 유황 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 탈황제의 존재 하에 사워 오일이 고속 전단을 받게 하는 단계 (a)는 슬러리가 적어도 10,000 s-1의 전단율을 받게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 탈황제의 존재 하에 사워 오일이 고속 전단을 받게 하는 단계 (a)는 슬러리가 적어도 20,000 s-1의 전단율을 받게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 탈황제는 암모니아, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 황산암모늄, 탄산칼슘, 수소, 과산화수소, 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA), 디글리콜아민(diglycolamine, DGA), 디에탄올아민(diethanolamine, DEA), 디이소프로판올아민(diisopropanolamine, DIPA) 및 메틸디에탄올아민(methyldiethanolamine, MDEA)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 탈황제는 황산암모늄 및 수산화암모늄으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 사워 오일과 상기 적어도 하나의 탈황제는 대략 50:50의 부피백분율의 비율로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유황 함량은 대략 0.5 내지 6 중량퍼센트의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 유황 함량은 상기 제 1 유황 함량의 50% 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 유황 함량은 상기 제 1 유황 함량의 10% 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유황 함량은 0.5 중량퍼센트 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 사워 오일이 고속 전단을 받게 하는 단계 (a)는 상기 사워 오일과 상기 적어도 하나의 탈황제를 적어도 하나의 회전자 및 적어도 하나의 상호 보완적인 형상의 고정자를 포함하는 고속 전단 장치 내로 유입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    고속 전단은 적어도 10,000 s-1의 전단율을 포함하고, 상기 전단율은 전단 간격에 의해 분할된 팁 속도로 정의되며, 및 상기 팁 속도는 πDn으로 정의되고, 여기서 D는 상기 적어도 하나의 회전자의 직경이고 n은 회전수인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    고속 전단은 적어도 20,000 s-1의 전단율을 포함하고, 상기 전단율은 전단 간격에 의해 분할된 팁 속도로 정의되며, 및 상기 팁 속도는 πDn으로 정의되고, 여기서 D는 상기 적어도 하나의 회전자의 직경이고 n은 회전수인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 사워 오일이 적어도 10,000 s-1의 전단율을 받게 하는 단계는 적어도 하나의 회전자의 팁에서 적어도 대략 1034.2 MPa(150,000 psi)의 국부 압력을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    단계 (a)는 적어도 대략 23 m/sec의 상기 적어도 하나의 회전자의 팁 속도를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 팁 속도는 πDn으로 정의되고, 여기서 D는 상기 적어도 하나의 회전자의 직경이고 n은 회전수인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회전자와 상기 적어도 하나의 상호 보완적인 형상의 고정자 사이의 최소 거리인 전단 간격은 대략 5 μm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a)는 적어도 하나의 API-조정 가스의 존재 하에 사워 오일이 고속 전단을 받게 하는 단계를 포함하고, 상기 API-조정 가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 에탄으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 사워 오일은 제 1 API 비중을 갖고 상기 스위트닝된 오일 생성물은 제 2 API 비중을 가지며, 상기 제 2 API 비중은 상기 제 1 API 비중보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 API-조정 가스는 수반 가스(associated gas), 비수반 가스(unassociated gas), FCC 오프가스(offgas), 코커(coker) 오프가스, 열분해 가스, 수소화 탈황 (hydrodesulfurization) 오프가스, 접촉 분해기(catalytic cracker) 오프가스, 열 분해기(thermal cracker) 오프가스 및 이들의 조합에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 고속 전단-처리된 스트림은 대략 5, 4, 3, 2 또는 1 μm보다 작거나 같은 평균 직경을 갖는 API-조정 가스 기포를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 API-조정 가스 기포는 대략 100 nm보다 작거나 같은 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 사워 오일은 제 1 API 비중을 갖고 상기 스위트닝된 오일은 제 2 API 비중을 가지며, 상기 제 2 API 비중은 상기 제 1 API 비중보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 사워 오일은 상기 방법이 수행되는 위치 근처의 위치에서 땅에서 추출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 유황-풍부 생성물을 노란색인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 1 항에 있어서,
    유황-풍부 생성물과 스위트닝된 오일 생성물을 고속 전단-처리된 스트림에서 분리하는 단계 (b) 이후에 남은 것은 적어도 하나의 탈황제를 포함하는 잔존하는 스트림이며, 상기 방법은 상기 잔존하는 스트림 내의 적어도 하나의 탈황제의 적어도 일부를 단계 (a)로 재순환시키는 단계 (c)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    단계 (a)에서 시작하는 동안 암모니아 용액이 사용되고, 단계 (a)에서 황산암모늄이 생성되고, 단계 (b)에서 분리되며, 단계 (c)에서 단계 (a)로 탈황제로서 재순환되며, 단계 (a)에서 오직 원하는 제 2 유황 함량을 유지하기 위한 필요에 따라 암모니아 용액이 유입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 사워 오일은 중금속 및 염화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 불순물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 불순물의 적어도 하나는 유황-풍부 생성물을 갖는 고속 전단-처리된 스트림에서 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 불순물은 바나듐, 수은 및 염화물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 유황-풍부 생성물은 실질적으로 건조 생성물로서 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 1 항에 있어서,
    단계 (b)에서 분리는 원심분리, 여과 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 사워 오일의 유황 함량을 감소시키기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    적어도 하나의 회전자 및 적어도 하나의 상호 보완적인 형상의 고정자를 포함하고 사워 오일이 고속 전단을 받게 하고 스위트닝된 오일을 포함하는 고속 전단-처리된 스트림을 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 고속 전단 장치, 상기 적어도 하나의 고속 전단 장치는 내부의 내용물이 적어도 10,000 s-1의 전단율을 받게 하도록 구성되고, 상기 전단율은 전단 간격에 의해 분할된 팁 속도로 정의되며, 및 상기 팁 속도는 πDn으로 정의되고, 여기서 D는 상기 적어도 하나의 회전자의 직경이고 n은 회전수이고; 및
    유황-풍부 생성물과 스위트닝된 오일을 상기 고속 전단 처리된 스트림에서 분리하도록 구성된 적어도 하나의 분리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회전자는 적어도 대략 23 m/sec의 팁 속도를 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회전자는 적어도 대략 40 m/sec의 팁 속도를 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회전자는 대략 5 μm 미만의 전단 간격에 의해 상기 적어도 하나의 고정자에서 분리되고, 상기 전단 간격은 상기 적어도 하나의 회전자와 상기 적어도 하나의 고정자 사이의 최소 거리인 것을 특징으로 하는 시스템.
  36. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회전자의 회전에 의해 작동시 제공되는 전단율은 적어도 20,000 s-1인 것을 특징으로 하는 시스템.
  37. 제 32 항에 있어서,
    염기 및 무기염에서 선택된 적어도 하나의 탈황제, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 메탄 및 에탄에서 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 적어도 하나의 API-조정 가스, 또는 탈황제 및 API-조정 가스 모두를 상기 적어도 하나의 고속 전단 장치의 상류의 사워 오일에 또는 상기 적어도 하나의 고속 전단 장치에 직접 유입시키기 위한 하나 이상의 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  38. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 장치로부터 상기 적어도 하나의 고속 전단 장치로 적어도 하나의 탈황제를 재순환시키기 위한 재순환 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  39. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 장치는 실질적으로 건조 유황 생성물을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  40. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고속 전단 장치는 적어도 두 개의 발생기(generator)를 포함하고, 각각의 발생기는 회전자 및 상호 보완적인 형상의 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  41. 제 40 항에 있어서,
    하나의 발생기에 의해 제공된 전단율은 다른 하나의 발생기에 의해 제공된 전단율보다 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
  42. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 장치는 원심분리기 및 여과 장치로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 분리 장치는 원심분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  44. 제 32 항에 있어서,
    상기 시스템은 폐쇄-루프 시스템인 것을 특징으로 하는 시스템.
  45. 제 32 항에 있어서,
    이동식 장치, 모듈식 장치, 또는 이들 모두로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  46. 제 32 항에 있어서,
    가열 장치, 증류 장치, 침전 탱크 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 장치를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
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