KR20140096119A - 알칼리 금속 전도성 막을 사용한 석유 공급원료의 업그레이드 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

반응기는 오일 공급원료 챔버 및 공급원 챔버의 두 개의 챔버를 갖는다. 이온 분리기는 공급원 챔버로부터 오일 공급원료 챔버를 분리하며, 여기서 이온 분리기는 알칼리 금속 이온이 공급원 챔버에서 이온 분리기를 거쳐 오일 공급원료 챔버로 통과하게 한다. 캐소드는 오일 공급원료 챔버 안에 적어도 부분적으로 자리잡고 있고 애노드는 공급원 챔버 안에 적어도 부분적으로 자리잡고 있다. 일정량의 오일 공급원료는 오일 공급원료 챔버 내에 있으며, 상기 오일 공급원료는 하나 이상의 탄소 원자 및 헤테로원자 및/또는 하나 이상의 중금속을 포함하며, 상기 오일 공급원료는 나프텐산을 더 포함한다. 알칼리 금속 이온이 오일 공급원료 챔버로 들어갈 때, 상기 알칼리 금속은 헤테로원자, 중금속 및/또는 나프텐산과 반응하며, 상기 알칼리 금속과의 반응은 무기 생성물을 형성한다.

Description

알칼리 금속 전도성 막을 사용한 석유 공급원료의 업그레이드 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR UPGRADING PETROLEUM FEEDSTOCKS USING AN ALKALI METAL CONDUCTIVE MEMBRANE}

<관련 출원>

본 출원은 2011년 11월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/560,653호의 이익을 주장한다. 본 출원은 또한 "UPGRADING OF PETROLEUM OIL FEEDSTOCKS USING ALKALI METALS AND HYDROCARBONS"라는 명칭으로 2010년 11월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/916,984호의 일부 계속 출원으로, 이 출원은 "UPGRADING OF PETROLEUM OIL FEEDSTOCKS USING ALKALI METALS AND HYDROCARBONS"라는 명칭으로 2009년 11월 2일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/257,369호의 이익을 주장한다. 이들 선행 특허 출원 모두는 참고문헌으로 본원에 명시적으로 포함된다.

<기술 분야>

본 개시는 황-, 질소-, 및 금속-함유 셰일 오일, 역청, 중질유 및 석유 정제 스트림으로부터 질소, 황, 중금속, 및 산 양성자를 제거하여 이들 물질이 탄화수소 연료로 사용될 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시는 셰일 오일, 역청, 중질유, 또는 석유 정제 스트림으로부터 질소, 황, 중금속 및 산 양성자를 제거하는 동시에, 이들 물질이 더 높은 탄소에 대한 수소 비를 갖도록 업그레이드하는 것에 관한 것이다.

미국 특허 출원 제12/916,984호(본원에 참고문헌으로 포함)는 미국 특허 출원 공개 제2011/0100874호로 공개되었다. 독자는 이 공개된 출원에 대해 친숙할 것으로 예상된다. 이 공개된 출원은 본원에서 "'874 출원"으로 언급될 것이다.

에너지 수요(및 이 에너지가 유래된 탄화수소)는 지속적으로 상승하고 있다. 그러나, 이러한 에너지를 제공하는데 사용되는 탄화수소 원료는 종종 제거하기 힘든 황과 금속을 함유한다. 예컨대, 황은 대기 오염을 일으킬 수 있고 자동차 배기가스로부터 탄화수소와 질소 산화물을 제거하도록 설계된 촉매를 오염시킬 수 있어, 탄화수소 원료가 연료로 사용되도록 하기 전에 그에서 황을 제거하는데 사용되는 고가의 방법이 요구된다. 더욱이, 금속(예컨대 중금속)은 종종 탄화수소 원료에서 발견된다. 이들 중금속은 탄화수소로부터 황을 제거하는데 통상적으로 활용되는 촉매를 오염시킬 수 있다. 이들 중금속을 제거하기 위해, 추가의 탄화수소 가공처리가 요구되며, 이로써 가격을 더욱 상승시킨다.

최근에, 외국산 오일에 대한 미국의 의존도를 낮추기 위해 새로운 에너지 공급원에 대한 조사가 진행중이다. 셰일유 광물로부터 레토르트된 오일을 구성하는 셰일유의 막대한 매장량이 이 나라의 장래 에너지 수요를 충족하는데 점점 더 커다란 역할을 할 것으로 예측되었다. 미국에서, 1 조 배럴 이상의 가용 셰일유 매장량이 콜로라도, 유타, 및 와이오밍 소재의 그린 리버 지층(Green River Formation)으로 알려진 상대적으로 좁은 영역에서 발견되었다. 원유 가격 상승에 따라, 이들 셰일유 자원은 대체 에너지 공급원으로 더 매력적이 되고 있다. 이 자원을 활용하기 위해, 이러한 셰일유 매장량이 비용 효율적 방식으로 탄화수소 연료로 사용될 수 있도록 특수한 기술적 문제가 해결되어야 한다. 이들 물질과 관련된 하나의 문제는 이 셰일유가 탄화수소 연료로 적절히 기능하게 하기 위해서는 제거되어야만 하는 질소, 황 및 금속을 이들이 상대적으로 높은 수준으로 함유한다는 점이다.

마찬가지로 황, 질소, 또는 중금속의 제거를 요구하는 잠재적 탄화수소 연료의 다른 예로는 역청(캐나다 앨버타에 풍부한 양으로 존재함) 및 중질유(예컨대, 베네주엘라에서 발견됨)가 있다.

셰일유, 역청 및 중질유(집합적으로 또는 개별적으로 "오일 공급원료"라 말할 수 있음)에서의 높은 수준의 질소, 황, 및 중금속은 이들 물질의 가공처리를 어렵게 만든다. 통상적으로, 이들 오일 공급원료 물질은 "수소-처리"라고 알려진 방법을 통해 황, 질소 및 중금속을 제거하기 위해 정제된다.

수소-처리는 Co-Mo/Al₂O₃ 또는 Ni-Mo/Al₂O₃과 같은 촉매를 사용하여 승온 및 승압 하에서 수소 가스로 물질을 처리함으로써 수행될 수 있다.

본 발명에서, 오일 공급원료는 알칼리 금속(예컨대 나트륨) 및 수소 가스와 함께 혼합된다. 이 혼합물은 중간 압력 하에(및 흔히 승온에서) 반응된다. 황 및 질소 원자는 오일 공급원료의 탄소 원자에 화학적으로 결합되어 있다. 황 및 질소 헤테로원자는 알칼리 금속에 의해 환원되어 이온성 염(예컨대 Na₂S, Na₃N, Li₂S 등)을 형성한다. 코킹(coking)(예컨대, 석탄 유사물의 형성)을 방지하기 위해, 반응은 헤테로원자에 이미 결합된 오일 공급원료의 탄소 원자와 결합을 형성할 수 있는 수소 가스의 존재 하에서 일어난다. 수소 원자는 헤테로원자에 이미 결합된 탄소 원자에 결합하며, 이로써 오일 공급원료의 탄소에 대한 수소 비를 높이고 결과물인 유기 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비를 낮춘다. 수소-처리 반응 이후에, 유기상(오일 공급원료)은 점성이 덜하고 추가의 탄화수소 연료 물질로의 정제를 위해 보내질 수 있다.

수소-처리 방법에서 형성된 이온성 염은 여과, 또는 유기상(오일 공급원료)으로부터 분리된 상을 형성하는 알칼리 수황화물을 형성하기 위해 처리된 공급원료를 황화수소와 먼저 혼합함으로써 유기 생성물로부터 제거될 수 있다. 다른 알칼리 금속도 또한 사용될 수 있지만, 나트륨(Na)을 알칼리 금속으로 하여, 아래에 반응이 나타난다:

Na₂S + H₂S → 2NaHS (이는 375 ℃에서 액체이다.)

Na₃N + 3H₂S → 3NaHS + NH₃

질소 생성물은 배출되거나 회수될 수 있는 암모니아 기체(NH₃)의 형태로 제거되는 반면, 황 생성물은 추가 가공을 위해 분리되는 알칼리 수황화물, NaHS의 형태로 제거된다. 임의의 중금속은 중량측정 분리 기술(gravimetric separation technique)에 의해 유기 탄화수소로부터 또한 분리될 수 있을 것이다.

방법의 일부로서, 알칼리 금속이 사용된다. 헤테로원자를 환원하기 위해 수소 대신에 나트륨이나 리튬과 같은 알칼리 금속을 사용하는 이점은 알칼리 금속이 더 큰 환원력을 제공하는 점에 있다. 다시 말해, 알칼리 금속은 헤테로원자를 더 잘 환원시킬 수 있어 알칼리 금속 질화물 또는 알칼리 금속 황화물을 형성한다. 추가로, 알칼리 금속을 사용함으로써, 헤테로원자가 환원될 수 있게 하기 위해 수소로 고리를 포화시켜 이들을 불안정하게 할 필요성이 덜하여, 상당히 적은 수소로 헤테로원자를 제거할 수 있게 만든다.

알칼리 금속 처리 방법은 산업계에 공지되었고 예컨대, 미국 특허 제 3,787,315호, 미국 특허 출원 공개 제2009/0134040호 및 미국 특허 출원 공개 제2005/0161340호(이들 문서는 참고문헌으로 본원에 명시적으로 포함)에서 기술된다는 점을 주지하여야 한다.

수소-처리 방법을 사용하는 것의 약점은 수소 가스가 수소-처리 방법에 요구되는 필수적인 반응물이라는 점이다. 그러나, 수소 가스는 고가일 수 있다. 통상적으로, 수소 가스는 탄화수소 분자와 물을 반응시킴으로써 형성된다. 예컨대, 미국에서 95 %의 수소가 천연 가스로부터 수증기-메탄 개질 방법(Steam-Methane Reforming Process)을 사용하여 형성된다. 개질 단계로 알려진 첫번째 단계에서, 천연 가스 내 메탄(CH₄)은 750 ℃ - 800 ℃에서 수증기(H₂O)와 반응하여 합성 가스(syngas)를 생성한다. 합성 가스는 주로 수소 가스(H₂) 및 일산화탄소(CO)를 포함하는 혼합물이다. 다음 단계에서, 수성 가스 전화 반응으로 알려진, 첫번째 반응에서 생성된 일산화탄소가 촉매를 거쳐 수증기(H₂O)와 반응하여 수소 가스(H₂) 및 이산화탄소(CO₂)를 형성한다. 이 두번째 방법(예컨대, 수성 가스 전화 반응)은 두 가지 스테이지로 일어나며, 첫번째 스테이지는 약 350 ℃에서 일어나고 두번째 스테이지는 약 200 ℃에서 일어난다.

수증기-메탄 개질 방법의 전체 반응은 다음과 같다:

CH₄ + 2H₂O → 4H₂ + CO₂

따라서 1 몰(이론적으로)의 수소 가스가 생성되기 위해서는, 0.25 몰의 메탄 및 0.5 몰의 물이 필요하다. 또한, 1 몰의 수소 가스가 생성되기 위해서는, 0.25 몰의 이산화탄소가 생성되어 대기로 방출된다. 수증기-메탄 개질 방법은 통상적으로 단지 65-75 % 효율을 가진다는 것을 주지하여야 한다. 따라서 70 % 효율에서, 수증기-메탄 개질 방법은 1 몰의 수소가 생성되기 위해서, 실제로는 0.36 몰의 메탄과 0.71 몰의 물을 활용하는 반면 0.36 몰의 이산화탄소를 방출할 것이다.

수소-처리 방법 동안 이산화탄소의 생성은 이산화탄소 방출에 대한 관심 증가와 이러한 방출이 환경에 미칠 수 있는 영향 때문에 많은 환경주의자에 의해 문제로 인식된다.

많은 지역에서 부가적 문제는 수자원의 결핍이다. 예컨대, 셰일 오일이 있는 그린 리버 지층의 일부가 위치한 서부 콜로라도 및 동부 유타의 지역에서, 기후가 매우 건조하여 수소 형성에서 물의 사용은 고가일 수 있다.

대안으로, 일부 기업가는 이들의 수소-처리 방법에 필요한 수소 가스 공급을 제공하기 위해 전해(electrolysis) 방법을 사용했다. 이 전해 반응은 물의 전해성 분해를 수반한다. 이 전해 반응에서, 물은 캐소드에서 수소를 형성하고 애노드에서 산소를 형성하도록 분해된다: H₂O → H₂ + ½O₂

이 반응에서, 전기 에너지가 물을 분해하는데 사용된다. 만약 전지가 90 % 효율로 작동하고 약 1.4 볼트로 작동하면, 필요한 전기 에너지는 생성된 수소의 몰당 약 72 kcal이다. 이 전해 반응에서 수 1 몰이 생성되기 위해서는, 물 1 몰이 소비된다. 1 몰의 물이 이 방법에서 수소를 생성하기 위해 소비되기 때문에, 수증기-메탄 개질 방법을 사용한 수소 생성에 필요한 것보다(0.71 몰의 물이 필요하다) 전기분해를 통해 더 많은 물이 수소 가스를 생성하는데 필요하다. 따라서, 물값이 비싼 매우 건조한 기후에서, 수소를 생성하는데 전해 방법을 사용하는 것은 경제적으로 비현실적일 수 있다.

종래의 수소-처리 방법은 공지된 반면, 이들은 기능하는 수소-처리 플랜트를 얻기 위해 값비싸고 큰 자본 투자를 필요로 한다. 오일 공급원료로부터 황과 질소와 같은 헤테로원자를 제거하는데 사용될 수 있고 수소-처리보다 덜 비싼 새로운 방법이 산업계에 필요하다. 이러한 방법이 본원에 개시된다.

부가적으로, 나프텐산은 정제기구에 의해 생성된 많은 유기 스트림으로부터 제거되어야만 한다. 나프텐산("NAP")은 석유 원유 또는 다양한 정제 스트림에 존재하는 카르복실 산이다. 이들 산은 정제기구의 부식의 원인이다. 석유의 산도의 흔한 척도는 이른바 총산가("TAN") 값으로 석유 물질 1 그램 중의 산을 중화시키는데 필요한 수산화칼륨의 밀리그램(mg) 양으로 정의된다(오일 공급원료에서 발견되는 다른 산도 TAN 값에 또한 기여할 수 있다). TAN >1인 모든 석유 스트림은 고가 TAN으로 불린다. NAP은 많은 상이한 화합물의 혼합물이며 증류를 통해 분리될 수 없다. 보다 더 고가의 TAN 원유는 브랜트(Brent) 원유 가격보다 할인된다. 예컨대, 4.7의 TAN을 갖는 도바(Doba) 원유는 브랜트 원유의 기본단가 $80에서 배럴당 $19까지 할인된다.

NAP은 등유/제트 연료에서와 같은 범위에서 끓는다(그러나, 등유/제트 연료는 매우 엄격한 TAN 사양을 가진다). 수성 부식제 또는 다른 염기를 사용하여 이들 산을 중화시키려는 노력은 염을 형성한다. 물의 존재하에 이들 염은 안정한 에멀젼의 형성으로 이어진다. NAP 환원의 부가적 방법론은 파괴적 방법론인 수소처리 또는 탈카르복시화를 포함하며 NAP은 이들 방법을 사용하여 회수될 수 없다. 용매 추출 또는 흡착 방법론은 고비용과 흡착제의 재생 또는 용매의 비등을 위한 에너지 사용을 초래한다. NAP이 회수되어 상업적 제품으로 처리될 수 있는 낮은 에너지 소비의 새로운 NAP 제거 방법이 요구된다. 따라서, NAP을 중화하고/하거나 제거하는 새로운 방법이 필요하다. 이러한 방법 및 장치가 본원에 개시된다.

본 실시양태는 알칼리 금속을 직접 다루거나, 저장하거나, 또는 옮길 필요 없이 강 알칼리 금속 시약의 힘으로 오일 공급원료를 업그레이드시키는 방법을 포함한다. 방법은, 하나 이상의 탄소 원자 및 헤테로원자 및/또는 하나 이상의 중금속을 포함하는 일정량의 오일 공급원료를 얻는 단계를 포함한다. 상기 일정량의 오일 공급원료는 반응기 내 전극 상에서 생성되는 알칼리 금속과 반응한다. 알칼리 금속과의 반응은 또한 업그레이드용 탄화수소 예컨대 수소 가스 또는 탄화수소를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.

이들 실시양태를 실시하기 위해, 알칼리 금속 이온에 대해 전도성인 막에 의해 부분적으로 분리된 둘 이상의 챔버를 갖는 반응기가 활용될 수 있다. 이 막은 알칼리 금속 이온 공급원 물질(예컨대 나트륨 염 또는 나트륨 금속을 포함하는 액체)로부터 알칼리 금속 이온을 전도한다. 양으로 하전된 전극(애노드)은 알칼리 금속 이온 공급원과 교류한다. 반응기의 반대 챔버(이른바 공급원료 챔버)는 공급원료 스트림(유기 오일 공급원료를 포함함) 및 음으로 하전된 전극(캐소드)을 포함한다. 알칼리 금속은 공급원료 챔버로 들어가고 공급원료 내 헤테로원자 및/또는 중금속과 반응하여 하나 이상의 무기 생성물을 형성하며, 여기서 업그레이드용 탄화수소는 오일 공급원료와 반응하여 업그레이드된 오일 공급원료를 생성한다. 업그레이드용 탄화수소와의 반응은 업그레이드된 오일 공급원료의 탄소 원자의 수가 본래의 오일 공급원료의 탄소 원자의 수보다 더 클 수 있도록 작동한다. 무기 생성물은 그 다음 업그레이드된 오일 공급원료로부터 분리된다. (오일 공급원료, 알칼리 금속, 및 업그레이드용 탄화수소 분자의 반응은 수소 가스를 사용하거나 사용하지 않고 실시될 수 있다. 만약 수소 가스가 활용된다 해도, 필요한 수소 가스의 양은 종래의 수소처리를 사용할 때 필요한 것보다 훨씬 적다.)

일부 실시양태에서, 알칼리 금속은 나트륨, 리튬, 또는 리튬 및 나트륨의 합금을 포함한다. 업그레이드용 수소 공급원은 수소, 천연 가스, 셰일 가스 및/또는 그들의 혼합물을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 업그레이드용 탄화수소는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 그들의 이성질체, 에텐, 프로펜, 부텐, 펜텐, 디엔, 및/또는 그들의 혼합물을 포함한다. (정제 방법에서 생성되는 가스의 혼합물인 오일 레토르트 가스도 업그레이드용 탄화수소로 또한 사용될 수 있다.)

공급원료와 알칼리 금속을 반응시키는 방법은 두 가지 단계로 구성될 수 있다. 첫번째 단계는 알칼리 금속 이온이 막을 통과하게 하여 음으로 하전된 전극(이는 막 표면에 직접적으로 고정될 수 있다)의 막 표면에서 금속으로 환원되게 하는 단계와 연관된다. 두 번째 단계는 형성된 알칼리 금속이 오일 공급원료 내 성분과 직접 반응하도록 하는(또는 다운스트림에서 반응하기 위해 오일과 함께 휩쓸려가는) 단계와 연관된다. 알칼리 금속이 형성되는 전극은 다공성이거나, 그물망으로 구성될 수 있다. 다른 실시양태에서, 전극은 전기 리드(또는 전류 콜렉터)에 연결된 금속성 알칼리 금속의 필름일 수 있다. 연속성을 유지하기 위해, 스크린 또는 그물망은 알칼리 금속이 오일 공급원료로부터 환원되는 구역을 분리하는 칸막이를 제공할 수 있다. 이 스크린은 알칼리 금속이 형성되면 이를 통과하게 한다.

알칼리 금속과 오일 공급원료 사이의 반응은 대기압 내지 약 2500 psi의 압력에서 및/또는 약 100 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 일어날 수 있다. 다른 실시양태에서, 알칼리 금속과 오일 공급원료 사이의 반응은 알칼리 금속의 녹는점 초과이고 450 ℃ 미만인 온도에서 일어난다. 추가의 실시양태는 반응에 촉매를 활용할 수 있다. 촉매는 몰리브데넘, 니켈, 코발트 또는 그의 합금, 산화몰리브데넘, 산화니켈 또는 산화코발트 및/또는 그의 조합을 포함할 수 있다.

알칼리 금속과 오일 공급원료 사이의 반응이 무기 생성물을 생산하기 때문에, 분리 단계가 필요할 수 있다. 방법에서 사용되는 분리는 무기 생성물이 업그레이드된 오일 공급원료 및/또는 미반응된 오일 공급원료를 포함하는 유기상으로부터 분리가능한 상을 형성하는 분리기에서 일어날 수 있다. 이 분리를 촉진하기 위해, 융제가 분리기에 첨가될 수 있다. 분리 이후, 무기 생성물로부터 알칼리 금속이 재생되고 재사용될 수 있다.

반응에서 생성된 업그레이드된 오일 공급원료는 오일 공급원료보다 더 큰 탄소-대-수소 비를 가질 수 있다. 반응에서 생성된 업그레이드된 오일 공급원료는 오일 공급원료보다 더 큰 에너지값을 또한 가질 수 있다. 추가로, 업그레이드된 오일 공급원료의 탄소-대-헤테로원자 비은 오일 공급원료의 탄소-대-헤테로원자보다 더 적을 수 있다.

알칼리 금속이 오일 공급원료의 TAN 값을 낮추기 위해 오일 공급원료에 첨가되는 부가의 실시양태가 설계될 수 있다. 구체적으로, 알칼리 금속은 산성 성분을 제거하기 위해 오일 공급원료와 반응할 수 있고, 이로써 TAN 값을 낮춘다. 일부 실시양태에서, 본래의 (미반응된) 오일 공급원료는 1 이상의 TAN 값을 가질 수 있으나, 알칼리 금속과의 반응 이후에는, 1 이하의 TAN 값을 가질 수 있다.

도 1은 일정량의 오일 공급원료를 탈산성화하는데 사용될 수 있는 장치의 개략도를 나타내며;
도 2는 일정량의 오일 공급원료를 업그레이드하는데 사용될 수 있는 장치의 개략도를 나타내며;
도 3은 일정량의 오일 공급원료를 탈산성화하는데 사용될 수 있는 장치의 개략도를 나타내며;
도 4는 일정량의 오일 공급원료를 탈산성화하는데 사용될 수 있는 장치의 또다른 실시양태의 개략도를 나타내며;
도 5는 일정량의 오일 공급원료를 업그레이드하는데 사용될 수 있는 장치의 또다른 실시양태의 개략도를 나타내며;
도 6은 일정량의 오일 공급원료를 업그레이드하는 방법의 흐름도이며; 그리고
도 7은 일정량의 오일 공급원료를 업그레이드하는데 사용될 수 있는 시스템의 또다른 실시양태의 개략도를 나타낸다.

본 실시양태는 공급원료와 정제 스트림을 탈산성화하는 방법에 관한 것이다. 이러한 탈산성화는 파이프 부식을 줄여주도록 작동할 수 있고 나프텐산을 염 형태로 전환할 수 있어서 유리하다. 본 실시양태는 나프텐산과의 반응의 수단으로서 공급원료에의 알칼리 금속(예컨대 나트륨 또는 리튬 금속)의 첨가와 관련되며, 이로써 이들 산을 탈산성화한다. 이 반응이 일어나면, 나프텐산은 상응하는 나트륨 또는 리튬 염(또는 다른 무기 생성물)으로 전환된다. 수소 가스가 이 반응에서 또한 생성된다. 이 반응은 다음과 같이 요약된다:

R-COOH + Na → (R-COO^-)Na⁺ + ½H₂

대안으로, 나트륨은 산소 원자와 더 반응하여 다음 화학식에 나타난대로 카르복실기를 제거할 수 있다:

R-COOH + 4Na + H₂ → R-CH₃ + 2Na₂O

이 방식으로 NAP과의 반응은 바람직할 수 있고 오일 공급원료와 연관된 총산가("TAN")의 감소를 일으킬 수 있다. 알칼리 금속이 공급원료에 첨가될 수 있는 다수의 상이한 방법이 있다. 일 실시양태에서, 나트륨 또는 리튬 금속은 스트림에 직접 첨가된다. 일단 이것이 일어나면, 무기 생성물은 그 다음 오일 스트림으로부터 여과될 수 있다. 다른 실시양태는 오일 공급원료의 스트림에 알칼리 금속을 첨가하는 다른 메커니즘(예컨대, 계내에서 알칼리 금속을 형성함으로써)을 제공하도록 또한 (본원에 기술된대로) 설계될 수 있다.

산(예컨대 나프텐산)과의 반응에 추가로, 공급원료에 첨가되는 알칼리 금속은 황, 질소, 금속(예컨대 중금속) 등을 제거하도록 또한 반응할 수 있다는 점을 주지하여야 한다. 이들 금속/헤테로원자를 제거하는 이러한 방법은 '874 출원에서 논의된다. 따라서, 알칼리 금속을 오일 공급원료에 첨가함으로써, 스트림 내 금속/헤테로원자와 연관된 문제 뿐만 아니라 스트림 내 산의 문제가 극복될 수 있다.

오일 가공처리 산업에서 다수가 금속성 나트륨 또는 리튬의 성질 때문에 이들을 다루는데 불편해한다는 점을 주지할 필요가 있다. 다시 말해, 이들 기술자들은 나트륨/리튬을 사용하는데 불편해하고 이들 시약을 직접적으로 이들의 오일 공급원료 스트림에 첨가하는데 불편해한다. 따라서, 본 실시양태는 오일 공급원료 챔버 내에서(예컨대, 계내에서) 알칼리 금속을 전기화학적으로 생성하도록 작동하는 방법 및 장치를 또한 제공하여, 이로써 나트륨과 같은 알칼리 금속을 공급원료와 직접 접촉하게 한다. 일단 이러한 알칼리 금속이 챔버 내에서 생성되면, 이는 공급원료 내 중금속/헤테로원자 및/또는 산과 반응함으로써 소진된다. 이들 실시양태는 이들이 적정량의 금속이 존재하지 않고도 알칼리 금속과 연관된 강력한 환원력과 반응성을 제공한다는 점에서 바람직할 수 있다. 다시 말해, 본 실시양태는 기술자가 알칼리 금속을 다루거나, 저장하거나, 또는 옮길 필요 없이 알칼리 금속(예컨대, 강력한 시약)을 사용하여 오일 공급원료를 업그레이드시킨다.

이제 도 1을 보면, 일정량의 제1 오일 공급원료(9)를 탈산성화하는데 사용될 수 있는 장치(2)가 나타난다. 도 1에 나타난대로, 오일 공급원료(9)는 챔버(3) 내에 놓여지는 액체이다. 챔버(3)는 반응 용기로서, 전해 전지(본원에 기술될 것이다) 등의 챔버일 수 있다. 당업계의 숙련자는 어떤 용기, 컨테이너 등이 챔버(3)으로 사용될 수 있을지 이해할 것이다.

오일 공급원료(9)는 일정량의 나프텐산(8)을 포함한다. 전술한대로, 나프텐산(8)은 석유 원유 또는 다양한 정제 스트림에 존재하는 카르복실산을 포함한다. 나프텐산(8)은 많은 상이한 화합물의 혼합물이며 증류를 통해 분리될 수 없다. 나프텐산(8)을 오일 공급원료(9)로부터 제거하기 위해, 일정량의 알칼리 금속(5)이 챔버(3)에 첨가된다. (알칼리 금속은 "AM"으로 약칭된다.) 일부 실시양태에서, 알칼리 금속은 나트륨, 리튬 또는 나트륨 및 리튬의 합금일 수 있다. 챔버(3)는 액체 알칼리 금속(5)이 액체 오일 공급원료에 쉽게 첨가될 수 있도록 알칼리 금속(5)의 녹는점 위의 온도에서 유지될 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응은 알칼리 금속의 녹는점보다 높은(또는 약 100 ℃의 온도보다 높은) 온도에서 일어난다. 다른 실시양태에서, 반응의 온도는 약 450 ℃보다 낮다.

챔버(3)에 첨가되면, 알칼리 금속(5)은 오일 공급원료(9)와 반응할 수 있다. 더 구체적으로, 알칼리 금속(5)은 일정량의 나프텐산(8)과 반응하여 탈산성화된 공급원료(12)를 형성한다. 무기산 생성물(13)은 이 반응으로부터 또한 형성될 수 있고, 생성물 분리기(10)가 무기산 생성물로부터 탈산성화된 오일 공급원료(12)를 분리하는데 사용될 수 있다. 당업계의 숙련자는 이 분리가 어떻게 일어나는지 이해할 것이다. 더욱이, 당업계의 숙련자는 생성물 분리기(10)로 사용될 수 있는 구조(예컨대 침강 챔버 등)를 이해할 것이다. 생성물 분리기(10)는 챔버(3)과 통합될 수 있거나 도 1에 나타난대로 분리된 구조일 수 있다.

본원에 설명된대로, 알칼리 금속(5)과 나프텐산(8) 사이의 반응은 오일 공급원료(9)로부터 나프텐산(8)을 제거하도록 작동할 수 있다. 따라서, 탈산성화된 오일 공급원료(12)의 TAN 값은 본래의 (미반응된) 제1 오일 공급원료(9)의 TAN 값보다 낮을 것이다. 예컨대, 일부 실시양태에서, 본래의 (미반응된) 오일 공급원료(9)의 TAN 값은 1 이상(예컨대, 3, 4, 5 등)일 수 있는 반면 탈산성화된 오일 공급원료(12)의 TAN 값은 1 이하와 같은 낮은 값이다. 위에서 주지된대로, 오일 공급원료(9) 내의 다른 산은 공급원료(9)의 TAN 값에 기여할 수 있다. 이들 산은 유사한 방식으로 알칼리 금속과 또한 반응할 수 있어, TAN 값을 추가로 감소시킨다.

TAN 값의 이러한 감소는 오일 공급원료의 소유자에게 상당한 재정적 이득을 제공할 수 있다. 위에서 주지된대로, 높은 TAN으로 여겨지는(예컨대, 1보다 큰 TAN 값) 오일 제품의 배럴당 가격은 낮은 TAN인 오일 제품의 배럴에 대해 종종 상당히 할인된다. 따라서, 오일 공급원료에서 TAN 값을 감소시킴으로써, 오일 공급원료의 가치는 상당히 증가할 수 있다.

이제 도 2를 보면, 장치(2a)의 또다른 실시양태가 나타난다. 위에서 주지된대로, 장치(2a)는 도 1에서 나타난 장치(2)와 유사하다. 장치(2a)는 오일 공급원료(9)를 탈산성화하도록 설계될 수 있다. 동시에, 장치(2a)는 오일 공급원료(9)에 존재하는 중금속(14) 및/또는 하나 이상의 헤테로원자(11)를 제거함으로써 제1 오일 공급원료(9)를 추가로 업그레이드하도록 또한 설계될 수 있다.

전술된대로, 중금속(14)(예컨대 니켈, 바나듐, 철, 비소 등)은 오일 공급원료 물질(9)의 샘플에서 종종 발견된다. 일부 실시양태에서, 금속이 탄화수소 가공처리에 통상적으로 활용되는 촉매를 오염시킬 수 있으므로 이들 중금속(14)을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 도 2에 나타난대로, 장치(2a)는 알칼리 금속(5)이 오일 공급원료(9) 내 중금속(14)과 반응할 수 있도록 설계될 수 있다. 더 구체적으로, 공급원료를 탈산성화하도록 나프텐산(8)과 반응하는 알칼리 금속(5)에 더하여(전술됨), 일정량의 알칼리 금속(5)이 중금속(14)과 추가로 반응할 수 있어, 이로써 중금속을 그들의 금속성 상태로 환원시킨다. 이 반응은 챔버(3)에서 또한 일어날 수 있다.

도 2에 나타난대로, 이들 중금속(16)은 그 다음 분리되고 회수된다(생성물 분리기(10)를 사용). 금속성 상태의 중금속(16)은 무기물이며 따라서 유기 오일 공급원료 물질로부터 분리될 수 있음을 주지하여야 한다. 따라서, 생성물 분리기(10)는 이러한 특성을 중금속(16)을 분리하는 수단으로 사용할 수 있다. 당업계의 숙련자는 다른 분리 기법이 중금속(16)을 분리하는데 또한 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 일단 중금속(16)이 분리되고 나면, 이들은 회복되고, 판매되고, 추가의 가공처리 등에 사용된다. 이들 금속이 일반적으로 고가의 상품이기 때문에, 이러한 금속이 수집될 수 있다(그리고 사용되고/판매된다)는 사실은 공급원료의 소유자에게 상당한 상업적 이점을 제공할 수 있다.

중금속의 제거에 추가로, 알칼리 금속(5)은 오일 공급원료(9)에 존재하는 하나 이상의 헤테로원자(11)(예컨대 N, S)와 또한 반응할 수 있다. 이들 N, S 원자는 유기 오일 공급원료(9)에서 탄소/수소 원자에 결합될 수 있다. 그러나, 본원에서 주지된대로, 알칼리 금속(5)은 이들 하나 이상의 헤테로원자(11)와 반응하여 무기 황/질소 생성물(17)을 형성할 수 있다. 예컨대, 만약 알칼리 금속(5)이 나트륨이면, 헤테로원자(11)와의 반응은 무기 황/질소 생성물(17), 예컨대 Na₂S, Na₃N 및/또는 다른 무기 생성물을 형성한다. (또다시, 생성물 분리기(10)가 무기 황/질소 생성물(17)을 오일 공급원료로부터 분리하는데 사용될 수 있다.) 일단 무기 황/질소 생성물(17)이 제거되고 나면, 결과물인 오일 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비는 본래의 (미반응된) 오일 공급원료(9)의 탄소에 대한 헤테로원자 비보다 낮다.

오일 공급원료(9)가 탈산성화되고, 탈금속화되고, 탈황화되고 및/또는 탈질소화되고 나면, 이러한 오일 공급원료는 이 물질이 추가의 정제, 상업화 등에 더 잘 맞는다는 점에서 "업그레이드된" 오일 공급원료(12a)라고 언급됨을 주지하여야 한다.

도 2에서 나타난 실시양태에서, 단일의 생성물 분리기(10)가 중금속(16), 무기산 생성물(13) 및 무기 황/질소 생성물(17)을 분리시켜, 이로써 이들 물질을 업그레이드된 오일 공급원료(12a)로부터 제거하는 것으로 나타남에 주지하여야 한다. 그러나, 당업계의 숙련자는 다수의 생성물 분리기(10) 및/또는 분리 기법이 이러한 분리를 달성하는데 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 추가로, 업그레이드된 오일 공급원료(12a)로부터 다양한 물질의 순차적 분리가 또한 가능할 수 있다.

마찬가지로, 도 2의 실시양태에서, 단일 챔버(3)가 오일 공급원료(9)와 알칼리 금속(5)이 반응하는데(그리고 따라서 나프텐산(8), 중금속(14) 및 헤테로원자(11)를 유기 공급원료로부터 제거하는데) 사용됨을 주지하여야 한다. 당업계의 숙련자는 이러한 반응이 상이한 챔버에서 또한 일어날 수 있음을 이해할 것이다. 다시 말해, 제1 챔버가 알칼리 금속(5)과 중금속(14)이 반응하는데(그리고 중금속(14)이 순차적으로 석출되는데) 사용되도록, 제2 챔버가 알칼리 금속(5)과 나프텐산(8)이 반응하는데(그리고 산 생성물(13)이 순차적으로 석출되는데) 그리고 그 다음 제3 챔버가 알칼리 금속(5)이 헤테로원자(11)와 반응하는데(그리고 황/질소 생성물(17)이 순차적으로 석출되는데) 사용는 실시양태가 설계될 수 있다. 물론, 만약 상이한 챔버가 이러한 각 반응에 사용된다면, 압력, 온도, 유량 등과 같은 반응 조건이 각 특정 반응을 최적화하도록 조정/변경될 수 있을 것이다.

도 1 및 2에 나타난 실시양태에서, 알칼리 금속(5)은 챔버(3)에 첨가되는 것으로 나타난다. 당업계의 숙련된 기술자는 알칼리 금속(5)이 반응을 유도하기 위해 첨가될 수 있게 하는 다양한 상이한 방법이 존재함을 이해할 것이다. 예컨대, 알칼리 금속(5)의 샘플은 단순히 챔버(3)에 첨가될 수 있다. 그러나, 오일 가공처리 산업의 다수는 금속성 나트륨(또는 다른 금속성 알칼리 금속)의 반응성 성질 때문에 이들을 다루는데 불편해한다. 따라서, 알칼리 금속(5)이 알칼리 금속 이온으로부터 챔버(3) 내에서 계내 형성되는 다른 실시양태가 설계될 수 있다. 다시 말해, 알칼리 금속 이온이 챔버(3)(이는 다루기 안전하고 쉽다)에 첨가되고 그 다음 이러한 이온이 전기화학적 환원 반응을 통해 금속성 상태로 재환원된다. 일단 이들 알칼리 금속 이온이 계내에서 환원되어 금속성 알칼리 금속(5)을 형성하고 나면, 이들 형성된 알칼리 금속(5)은 오일 공급원료(9)와 즉시 반응하고(본원에 개요된 방식으로) 따라서 형성 이후 거의 즉시 소진된다. 알칼리 금속을 계내에서 전기화학적으로 형성하는 실시양태는 이들이 적정량의 금속이 존재하지 않고도 오일 공급원료에 알칼리 금속의 강력한 환원력과 반응성을 제공한다는 점에서 유리할 수 있다.

이제 도 3을 보면, 오일 공급원료를 탈산성화할 뿐만 아니라 헤테로원자/중금속을 제거하고/하거나 공급원료를 업그레이드하는데 사용될 수 있는 장치(100)의 실시양태가 나타난다. 구체적으로, 장치(100)는 이른바 공급원료 챔버(20)와 알칼리 금속 공급원 챔버(30)의 둘 이상의 챔버로 구성된다. 공급원료 챔버(20)는 바깥 벽(21)을 가지며 주입구(22) 및 유출구(23)를 가질 수 있다.

공급원료 챔버(20)는 금속 이온 전도성 분리기(25)에 의해 알칼리 금속 공급원 챔버(30)로부터 분리될 수 있다. 이온 분리기(25)는 알칼리 금속이 나트륨이면 나시콘(Nasicon), 나트륨 베타 알루미나, 나트륨 베타 프라임 알루미나 또는 나트륨 이온 전도성 유리로; 또는 만약 알칼리 금속이 리튬이면 리시콘(Lisicon), 리튬 베타 알루미나, 리튬 베타 프라임 알루미나 또는 리튬 이온 전도성 유리로 일반적으로 알려진 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 이온 분리기(25)를 구축하는데 사용된 물질은 유타주 솔트 레이크 시티의 세라마텍 인크.(Ceramatec, Inc.)에서 상업적으로 이용가능하다.

음으로 하전되고 전원(40)에(전선(42)을 통해) 연결된 캐소드(26)는 적어도 부분적으로, 공급원료 챔버(20) 내에 자리잡을 수 있다. 바람직하게는 캐소드(26)가 이온성 저항을 최소화하기 위해 이온 분리기(25)에 인접하게 위치된다. 캐소드(26)는 이온 분리기(25)에 접촉하거나(도 3에 보여진대로) 또는 이온 분리기(25) 상에 스크린 프린팅될 수 있다. 다른 실시양태에서, 캐소드(26)는 "ELECTROCHEMICAL CELL COMPRISING IONICALLY CONDUCTIVE MEMBRANE AND POROUS MULTIPHASE ELECTRODE"라는 명칭의 미국 특허 공개 제2010/0297537호(이 특허 출원은 본원에 명시적으로 참고문헌으로 포함)에 개시된대로 이온 분리기(25)와 통합될 수 있다. 이온 분리기(25) 상에 또는 근처에 캐소드(26)를 놓음으로써, 오일 공급원료는 이온/전하를 이동시키기 위해 반드시 이온적으로 전도성이어야 할 필요가 없다.

알칼리 금속 공급원 챔버(30)는 바깥 벽(31)을 가지며 주입구(32) 및 유출구(33)를 가질 수 있다. 전원(40)에(전선(42)을 통해) 연결된(양으로 하전된) 애노드(36)는 적어도 부분적으로, 공급원 챔버(30) 내에 자리잡을 수 있다. 캐소드(26)에 적절한 물질은 전자적으로 전도성인 탄소, 흑연, 니켈, 철을 포함하는 물질을 포함한다. 애노드(36)에 적절한 물질은 티타늄, 백금으로 도금된 티타늄, 탄소, 흑연을 포함하는 물질을 포함한다. 도 3에 나타난 실시양태에서, 캐소드(26) 및 애노드(36)는 동일한 전원(40)에 연결된다. 추가로, 도 3은 주입구(22), (32)를 통해 챔버(20), (30)를 빠져나가는 전선(42)을 보여준다. 이러한 서술은 명확성을 위해 만들어진 것이지 제한하기 위함이 아니다. 당업계의 숙련자는 전원(40)/전선(42)이 캐소드(26) 및/또는 애노드(36)에 연결되기 위해 어떻게 다른식으로 배열될 수 있을지 이해할 것이다. 마찬가지로, 당업계의 숙련자는 캐소드(26) 및 애노드(36)가 다양한 방식 등으로 전원에 연결될 수 있음을 이해할 것이다.

장치(100)를 위한 작동 모드가 이제 기술될 것이다. 구체적으로, 제1 오일 공급원료(50)가 공급원료 챔버(20)로 들어갈 수 있다(예컨대, 주입구(22)를 통해 흐름으로써). 동시에, 용해된 알칼리 금속(51)의 용액이 알칼리 금속 공급원 챔버(30)를 통해 흐를 것이다. 이러한 알칼리 금속의 용액은 예컨대, 황화나트륨, 황화리튬, 염화나트륨, 수산화나트륨 등의 용액일 수 있다. 전압이 그 다음 전원(40)으로부터 애노드(36)와 캐소드(26)로 인가된다. 이 전압은 화학 반응이 일어나게 한다. 이러한 반응은 알칼리 금속 이온(52)("AM 이온(52)"으로 약칭)이 이온 분리기(25)를 통과하게 한다. 다시 말해, 알칼리 금속 이온(52)은 알칼리 금속 공급원 챔버(30)로부터 이온 분리기(25)를 통해 공급원료 챔버(20)로 흐른다.

일단 알칼리 금속 이온(52)(예컨대, 나트륨 이온 또는 리튬 이온)이 이온 분리기(25)를 통과하면, 이온(52)은 캐소드(26)에서 알칼리 금속 상태(55)로 환원된다(예컨대, 나트륨 금속 또는 리튬 금속으로). 일단 형성되면, 알칼리 금속(55)은 공급원료(50)과 함께 섞인다(화살표(58)에 나타남). 본원에 기술된대로, 오일 공급원료(50)와 알칼리 금속(55) 사이의 반응은 오일 공급원료(50)에서 산(예컨대 나프텐산) 끼리의 반응과 연관될 수 있다. 따라서, 챔버(20)에서 계내 형성된 알칼리 금속(55)과의 반응은 오일 공급원료(50)의 산 함량을 감소시키도록 작동하여, 이로써 오일 공급원료(50)의 TAN 값을 감소시킨다.

부가적으로 및/또는 대안으로, 오일 공급원료(50)와 챔버(20)에서 형성되는 알칼리 금속(55) 사이의 반응은 오일 공급원료(50)에서 황 또는 질소 부분과 반응을 일으킨다. 이 반응은 공급원료(50) 내의 중금속 예컨대 바나듐 및 니켈을 또한 환원할 수 있다. 추가로, '874 출원에서 설명된대로, 승온 및 승압에서, 알칼리 금속(55)과 헤테로원자(S, N) 사이의 반응은 황과 질소 헤테로원자가 알칼리 금속에 의해 이온성 염(예컨대 Na₂S, Na₃N, Li₂S 등)으로 환원되도록 만든다. 이러한 이온성 염은 그 다음 오일 공급원료(50)에서 제거될 수 있다. 이와 같이, 오일 공급원료(50)에서 황 및 질소의 함량은 챔버(20) 내에서 형성된 알칼리 금속(55)과의 반응에 의해 상당히 감소될 수 있다. 다시 말해, 업그레이드된 오일 공급원료의 탄소-대-헤테로원자 비은 본래의 (미반응된) 오일 공급원료의 탄소-대-헤테로원자 비보다 낮을 수 있다. 또한, 공급원료의 중금속의 양은 추가로 감소될 수 있다. 따라서, 업그레이드된 (반응된) 공급원료 내 탄소에 대한 중금속의 비는 본래의 (미반응된) 공급원료 내 탄소에 대한 중금속의 비보다 낮다.

추가로, 오일 공급원료(50)에 추가로, 챔버(20)는 오일 공급원료(50)와 반응하는 일정량의 업그레이드용 탄화수소(60)를 또한 포함할 수 있다(화살표(74)로 나타남). 구체적으로, '874 출원에서 설명된대로, 오일 공급원료(50)의 황/질소 부분이 알칼리 금속(55)과 반응하면, 업그레이드용 탄화수소(60)와 반응할 수 있는 라디칼 물질이 형성된다. 일부 실시양태에서, 업그레이드용 탄화수소(60)는 나프텐산과의 반응에 의해 형성된 수소 가스를 포함한 수소 가스일 수 있다. (만약 수소가 탄화수소(60)로 사용된다 해도, 필요한 수소의 양은 통상적인 수소처리 방법이 활용되었을 때 요구되는 수소의 양보다 적다). 다른 실시양태에서, 업그레이드용 탄화수소(60)는 천연 가스, 셰일 가스 및/또는 그들의 혼합물, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 그들의 이성질체, 에텐, 프로펜, 부텐, 펜텐, 디엔, 및/또는 그들의 혼합물을 포함한다. '874 출원에서 설명된대로, 업그레이드용 탄화수소(60)와의 이러한 반응은 본래의 오일 공급원료(60)보다 더 큰 탄소-대-수소 비를 가지는 업그레이드된 탄화수소를 생성하도록 작동할 수 있다. 반응에서 생성된 업그레이드된 오일 공급원료는 본래의 오일 공급원료(60)보다 더 큰 에너지 값을 또한 가질 수 있다. 통상적으로 업그레이드용 탄화수소(60)의 존재는 반응 도중 불용성 고체의 형성의 감소로 이어질 수 있다. 이들 고체는 라디칼 반응의 일부로서 형성되는 커다란 유기 중합체라고 여겨진다. 그러나, 업그레이드용 탄화수소(60)를 사용하여, 이러한 탄화수소(60)는 이들 고체, 유기 중합체의 형성을 방해하는 "캡핑" 물질로 작용한다. 따라서, 탄화수소(60)를 사용하여, 액체 오일 공급원료의 후속 수득률(예컨대, 원하는 생성물)이 증가될 수 있다.

도 3에 기술된 반응은 승온에서 수행될 수 있다. 예컨대, 반응은 나트륨의 녹는점 초과의 온도에서 또는 특정 공급원료에 대해 효과적인 것으로 밝혀진 더 높은 온도에서 일어날 수 있다. 장치(100)의 작동 모드는 알칼리 금속 공급원 챔버(30)에서 나트륨 공급원(51)으로서 용융 나트륨 또는 리튬 공급원으로 리튬 금속을 사용하는 단계로 추가로 구성될 수 있다. 반응은 예컨대 평방 인치 당 300 - 2000 파운드 범위의 승압에서 추가로 수행될 수 있다.

일부 실시양태에서, 오일 공급원료(50)는 장치(100)를 통과할 수 있다(황화나트륨의 용액도 또한 통과). 일단 장치(100)를 통과하면, 오일 공급원료는 상이한 온도와 압력(예컨대, 제2 용기 크기의 공급원료의 체류시간이 반응 동력학 및 유량에 대응되는 원하는 반응에 더 전도성인 온도 및 압력)에서 작동하는 또다른 용기로 흐를 수 있다.

본원에 기술된대로, 다양한 고체, 무기 화합물 등이 본원에 개요된 반응을 수행할 때 형성될 수 있다. 이들 무기 생성물은 Na₂S, NaN₃, 중금속 및 라디칼 반응에 의해 형성된 고체 유기 중합체를 포함할 수 있다. 이들 무기 화합물을 다루기 위해, 도 3의 장치와 함께 사용되는 방법은 액체에서 고체를 제거하는데 충분한 시간 동안 나트륨에 노출된 이후에 공급원료를 원심력으로 여과 또는 분리하는 단계와 추가로 연관될 수 있다. 이러한 분리는 아래에 기술된 분리기(80)의 사용과 연관될 수 있다.

오일 공급원료(50), 알칼리 금속 용액(51) 및 장치(100)의 다른 성분이 극성 용매 예컨대, 포름아미드, 메틸 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 아세트아미드, 메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드, 트리에틸아민, 디에틸 아세트아미드, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 에틸렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, 디메틸프로필렌우레아, 부틸렌 카르보네이트, 시클로헥산올, 1,3-시클로헥산디올, 1,2-에탄디올, 1,2-프로판디올, 에탄올아민, 메틸 술폭시드, 디메틸 술폭시드, 테트라메틸렌 술폭시드, 술포란, 감마-부티로락톤, 니트로벤젠, 아세토니트릴, 피리딘, 퀴놀린, 암모니아, 이온성 액체 또는 용융 융합 염에 용해될 수 있다. 예컨대, 알칼리 금속 용액(51)은 하나 이상의 이들 용매에 용해될 수 있고 그 다음 알칼리 금속 공급원 챔버(30)로 흐르게 될 수 있다. (알칼리 금속 용액(51)에 사용되는 염은 알칼리 금속 염화물, 수산화물, 인산염, 탄산염, 황화물 등일 수 있다.) 유사하게, 이러한 용매는 오일 공급원료(50) 및/또는 탄화수소(60)로 사용될 수 있고 그 다음 혼합물은 챔버(20)로 흐르게 될 수 있다.

알칼리 금속 공급원(예컨대, 알칼리 금속 용액(51))에 따라, 알칼리 금속 공급원 챔버(30)의 애노드 반응은 달라질 수 있다. 예컨대, 황화물은 다중황화물 및/또는 황 원소를 형성할 수 있고, 염화물은 염소 가스를 형성할 수 있고, 수산화물은 산소 가스를 형성할 수 있고, 탄산염은 산소 가스를 형성하여 이산화탄소 등을 발생할 수 있다. 만약 알칼리 금속 공급원이 알칼리 금속이면, 금속 이온이 단순하게 생성될 것이다. 이들 변형은 상이한 실시양태를 구성한다. 가스 취급 및 회수는 전체 방법의 일부일 수 있다.

도 3에 나타난대로, 오일 공급원료 챔버(20)에서 형성된 생성물은 생성물 분리기(80)로 보내질 수 있다(화살표(82)로 나타남). 이 생성물 분리기(80)에서, 무기 생성물은 업그레이드된 오일 공급원료 및/또는 미반응된 오일 공급원료를 포함하는 유기상으로부터 분리가능한 상을 형성할 수 있다. 이러한 분리를 촉진하기 위해, 융제가 생성물 분리기에 첨가될 수 있다. (당업계의 숙련자는 유기 공급원료 물질과 무기 생성물 간의 분리를 촉진할 융제로 사용될 수 있는 물질에 친숙하다.) 분리 이후에, 무기 생성물로부터 알칼리 금속이 재생되고 재사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 생성물 분리기(80)는 침강 챔버이거나 다른 유사한 구조일 수 있다.

도 4는 장치(100)의 또다른 실시양태를 포함하는 도식이다. 도 4에 도시된 많은 구조/요소는 도 3에 기술된 것과 유사하다. 따라서, 간결함을 위해 많은 이들 구조/요소에 대한 논의가 생략된다.

도 4는 이온 분리기(25)와 공급원료(50) 사이에 놓인 다공성 칸막이(101)를 제외하면 도 3의 도식과 유사한 도시적 실시양태를 도시한다. 칸막이(101)는 금속 그물망 또는 유공성 금속 시트, 또는 유리 섬유 그물망, 탄소 섬유 그물망, 또는 알칼리 금속이 통과하여 흐를 수 있게 할 구멍이나 기공을 갖는 다른 물질일 수 있다. 알칼리 금속(102)은 이온 분리기(25)에서 형성되고 알칼리 금속(102)과 접촉한 음으로 하전된 전류 콜렉터(103)와 함께 캐소드로 기여될 수 있다. (대안으로, 다공성 칸막이(101)가, 만약 전자적으로 전도성이라면, 음으로 하전되어 전류 콜렉터로 기여될 수 있다.) 일단 알칼리 금속(102)이 형성되면, 이는 다공성 칸막이(101)를 통해 흐를 수 있고 그 다음 전술된 방식으로 오일 공급원료(50)와 반응할 수 있다.

따라서, 본원 나타난대로, 이들 스트림을 탈산성화하기 위해 본 발명의 일부로서 세 가지 이상의 상이한 방법이 존재한다:

1) 산염과 수소를 형성하기 위해 스트림에 직접적으로 나트륨이나 리튬을 첨가하고, 그 다음 스트림으로부터 산염을 여과하는 방법;

2) 알칼리 금속 공급원 챔버 및 공급원료에서 나트륨이나 리튬 공급원이 공급원료 챔버 내에 있고, 나트륨 금속이 공급원료 챔버에 위치된 캐소드에서 형성되고, 알칼리 금속이 공급원료와 반응하여 산을 산의 나트륨 또는 리튬 염으로 전환하고 수소가 부산물로 발생하는 모드로 새로운 장치를 사용하는 방법;

3) 알칼리 금속 공급원 챔버 및 공급원료의 나트륨 또는 리튬 공급원이 공급원료 챔버에 존재하고, 알칼리 이온이 포텐셜 구배 하에서 두 챔버를 나누는 이온 분리기를 가로질러 이동하여 수소가 공급원료 챔버에 위치된 캐소드에서 발생하고, 알칼리 금속 이온이 유기산 음이온과 결합하여 염을 형성하며, 이 경우 낮은 수소 과전압을 갖는 캐소드 물질(예컨대 백금 또는 다른 물질)을 사용하는 것이 바람직할 수 있는 모드로 새로운 장치를 사용하는 방법.

산 제거의 경우, 수소 가스가 부산물일 수 있기 때문에 캐소드가 있는 공급원료 챔버에 업그레이드용 탄화수소(가스)(60)를 첨가할 어떠한 이유도 없을 수 있다. 이 경우, 이러한 형성된 수소는 업그레이드용 탄화수소(60)로 작용할 수 있다. 만약 황, 또는 질소와 같은 헤테로원자가 존재한다면, 업그레이드용 가스(60) 예컨대 수소, 천연 가스, 셰일 가스 및/또는 그들의 혼합물이 필요할 수 있다.

알칼리 금속(102)의 첨가가 나프텐산에서 산성 수소를 단순히 중화시키는 것이 아닐 수도 있음을 주지하여야 한다. 구체적으로, 나프텐산은 R―COOH의 구조를 가진다. 일부 실시양태에서, 알칼리 금속(102)은 알칼리 금속 첨가 이후 남아있는 탄화수소가 R―CH₃, R―H 등의 구조를 갖도록 산소 원자(수소 원자와 더불어)와 반응할 수 있다. (이것의 이유는 알칼리 금속(102)이 산소 부분 뿐만 아니라 수소 부분도 또한 환원할 수 있기 때문이다.) 형성된 무기 생성물은 따라서 NaOH, Na₂O 등을 포함할 수 있다. 이전에 주지된대로, 알칼리 금속(103)과의 반응 이후, 공급원료(50)의 TAN 값은 감소된다. 그러나, 위에서 인용된 산소 부분과의 반응에 있어서, TAN 값은 탈산성화된 오일 공급원료와 염기(예컨대 NaOH)를 단순히 반응함으로써 증가되지 않을 수 있다(또는 그의 본래 상태로 되돌아가지 않을 수 있다). 그보다는, 본원에 기술된대로, TAN 값의 감소는 나프텐산이나 다른 산 기를 순수한 탄화수소 작용기(예컨대 R―CH₃, R―H 등)로 전환하도록 또한 작동할 수 있다.

이제 도 5를 보면, 장치(100)의 또다른 실시양태가 나타난다. 구체적으로, 장치(100)는 오일 공급원료(50)를 업그레이드하는데 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 공급원료(50)는 공급원료(50)가 탈산성화되고, 탈황화되고, 탈금속화되고 그리고 탈질소화되게 함으로써 업그레이드될 수 있다. 다시 말해, 장치(100)는 오일 공급원료(50)로부터 황, 중금속, 산(예컨대 나프텐산) 및 질소를 제거하도록 작동할 수 있다.

도 5에 나타난 장치(100)의 실시양태는 도 3에서 나타나고 기술된 것과 유사하다. 간결함을 위해, 이러한 논의는 많이 생략될 것이다. 그러나, 명확히 하기 위해, 전선(42) 및 전원(40)은 도 5에 나타나지 않는다. 그러나, 당업계의 숙련자는 이러한 구조가 실제로 존재하고 장치(100)와 연관된 전해 반응을 수행하기 위해 필수적일 수 있음을 이해할 것이다.

본원에 기술된대로, 도 5에 나타난 오일 공급원료(50)는 일정량의 중금속, 나프텐산 및 하나 이상의 헤테로원자(예컨대, 질소 및 황)를 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 물질은 본원에 개요된 방법을 사용하여 오일 공급원료(50)로부터 제거될 수 있다. 구체적으로, 오일 공급원료(50)는 일정량의 알칼리 금속(55a), (55b), (55c)에 접촉된다. (화살표(58)는 알칼리 금속(55a), (55b), (55c) 및 오일 공급원료(50) 사이의 반응을 나타내도록 설계된다.) 더 구체적으로, 공급원료(50)는 제1 양의 알칼리 금속(55a)와 접촉될 수 있다. 제1 양의 알칼리 금속(55a)과 공급원료(50) 사이의 반응은 알칼리 금속(55a)이 공급원료(50)에 있는 중금속과 반응하도록 하는 것이다. 이러한 반응된 공급원료는 그 다음 챔버(20)를 빠져나와 생성물 분리기(80)를 통과할 수 있다. 생성물 분리기(80)의 목적은 오일 공급원료로부터 중금속을 제거하는 것이다. 이러한 중금속은 그 다음 회수되고, 판매 등이 될 수 있다.

도 5에 나타난대로, 생성물 분리기(80)를 통과한 이후, 공급원료(50)(이전에 제거된 중금속을 제외)는 챔버(20)로 되돌아올 수 있다. 이러한 챔버(20)는 이전에 중금속을 제거하기 위해 사용된 챔버와 같을 수 있거나, 또는 이는 생성물 분리기(80)로부터 다운스트림에 위치된 상이한 장치(100)의 챔버(20)일 수 있다.

챔버(20)에서 반응한 이후, 오일 공급원료(50)(이는 중금속을 제거시켰음)는 그 다음 제2 양의 알칼리 금속(55b)과 반응할 수 있다. 이번에는, 알칼리 금속(55b)이 나프텐산과 반응하여 탈산성화된 오일 공급원료를 형성하며, 여기서 미반응된 오일 공급원료의 TAN 값은 탈산성화된 오일 공급원료의 TAN 값보다 낮다. 또다시, 산이 반응한 이후, 반응된 오일 공급원료(50)는 제2 양의 알칼리 금속(55b)과의 반응 도중 형성된 무기물을 제거하도록 작동할 수 있는 생성물 분리기(80)로 보내질 수 있다. 이러한 무기물의 분리는 중금속을 제거하는데 사용된 생성물 분리기(80) 내에서 일어날 수 있거나 또는 상이한 생성물 분리기(80)에서 수행될 수 있다.

생성물 분리기(80)를 통과한 이후, 공급원료(50)(이전에 제거된 중금속 및 나프텐산을 제외)는 챔버(20)로 되돌아올 수 있다. 이러한 챔버(20)는 이전에 중금속/나프텐산을 제거하는데 사용된 것과 같은 챔버일 수 있거나, 또는 이는 생성물 분리기(80)로부터 다운스트림에 위치된 상이한 장치(100)의 챔버(20)일 수 있다. 챔버(20)에서 반응한 이후, 오일 공급원료(50)(이는 중금속/나프텐산을 제거시켰음)는 그 다음 제3 양의 알칼리 금속(55c)과 반응할 수 있다. 이러한 제3 양의 알칼리 금속(55c)과의 반응은 공급원료(50)로부터 하나 이상의 헤테로원자(예컨대, N, S)를 제거하여 업그레이드된 오일 공급원료를 형성한다. 업그레이드된 오일 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비는 오일 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비보다 낮다. 한 번 더, 이 생성물은 그 다음 오일 공급원료로부터 무기물 및/또는 N, S 부분을 제거하기 위해 생성물 분리기(80)를 통과하여, 업그레이드된 오일 공급원료를 생성할 수 있다.

도 5에서 알칼리 금속 양(55a), (55b), (55c)은 장치(100)의 방법을 사용하여, 예컨대, 챔버(20) 내 계내에서 알칼리 금속 이온이 이온 분리기(25)를 통과하고 그 다음 금속성 상태로 환원되도록 함으로써 도입되었다는 점을 주지하여야 한다. 물론, 하나 이상의 알칼리 금속 양(55a), (55b), (55c)이 오일 공급원료(50)로 직접 도입되도록(예컨대, 금속이 환원 반응을 거쳐 형성되게 하지 않고) 다른 실시양태가 설계될 수 있다. 상이한 양의 알칼리 금속(55a), (55b), (55c)은 동일한 알칼리 금속이거나 상이한 알칼리 금속일 수 있다.

이제 도 6을 보면, 일정량의 제1 오일 공급원료(50a)를 업그레이드하는데 사용될 수 있는 방법(190)의 흐름도가 나타난다. 구체적으로, 일정량의 오일 공급원료(50)가 얻이질 수 있다. 이러한 오일 공급원료(50)는 일정량의 중금속, 산(예컨대 나프텐산), 및/또는 하나 이상의 헤테로원자(예컨대 황 및 질소 부분)를 포함할 수 있다. 오일 공급원료(50a)를 업그레이드하기 위해, 이러한 금속/헤테로원자/산은 오일 공급원료(50a)로부터 제거될 수 있다. 구체적으로, 일정량의 오일 공급원료(50a)가 챔버(110a)에 첨가될 수 있다. 이러한 챔버(110a)는 중금속이 이러한 챔버(110a)에서 오일 공급원료(50a)로부터 제거된다는 점에서 "탈금속화" 챔버로 언급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 챔버(110a)는 전술된 유형의 오일 공급원료 챔버(20)일 수 있다. 그러나, 다른 실시양태에서, 챔버(110a)는 오일 공급원료(50a)로부터 금속을 제거하도록 설계된 단순히 또다른 유형의 용기일 수 있다. 오일 공급원료(50a)로부터 금속을 제거하기 위해, 일정량의 알칼리 금속(예컨대 도 5에 나타난 알칼리 금속(55a))이 공급원료(50a)에 첨가될 수 있다. 일단 반응이 일어나고 나면, 생성물은 생성물 분리기(80a)에 놓일 수 있다. 당업계의 숙련자는 생성물 분리기(80a)로 사용될 수 있는 장치(예컨대 침강 챔버)의 유형을 이해할 것이다. 이러한 생성물 분리기(80a)에서, 중금속(125)이 분리되고, 오직 일정량의 "탈금속화된" 오일 공급원료(50b)만을 남겨놓는다.

이러한 오일 공급원료(50b)는 그 다음 챔버(110b)에 첨가될 수 있다. 챔버(110b)는 챔버(110a)와 같은 챔버일 수 있고(예컨대, 오일 공급원료 물질이 챔버(110a)로 재삽입된다) 또는 상이한 용기일 수 있다. 챔버(110b)는 이러한 챔버(110b)에서 오일 공급원료(50b)가 탈산성화될 수 있다는 점에서 "탈산성화" 챔버로 언급될 수 있다. 이러한 반응을 수행하기 위해, 오일 공급원료(50b)는 일정량의 알칼리 금속(예컨대 도 5에서 나타난 제2 양의 알칼리 금속(55b))과 반응된다. 알칼리 금속(55b)과의 이러한 반응은 공급원료(50b) 중의 나프텐산과 반응한다. 더 구체적으로, 알칼리 금속(55b)은 반응된 오일 공급원료가 (미반응된) 오일 공급원료(50a)의 TAN 값보다 낮은 TAN 값을 갖도록 나프텐산을 제거한다.

일단 반응이 일어나고 나면, 생성물은 생성물 분리기(80b) 내에 놓일 수 있다. 당업계의 숙련자는 생성물 분리기(80b)로 사용될 수 있는 장치(예컨대 침강 챔버)의 유형을 이해할 것이다. 생성물 분리기(80b)는 생성물 분리기(80a)와 동일한 구조이거나 또는 상이한 요소일 수 있다. 이러한 생성물 분리기(80b)에서, 무기산 생성물(127)은 분리되고, 오직 일정량의 "탈산성화된" 오일 공급원료(50c)를 남겨놓는다.

이러한 탈산성화된 오일 공급원료(50c)(이는 또한 탈금속화되었다)는 그 다음 챔버(110c)에 첨가될 수 있다. 이러한 챔버(110c)는 챔버(110a), (110b) 각각 또는 모두와 동일할 수 있거나, 또는 다른 실시양태에서, 챔버(110c)는 챔버(110a), (110b)와 상이한 챔버일 수 있다. 이러한 챔버(110c)는 오일 공급원료로부터 황 부분이 제거될 수 있다는 점에서 "탈황화된" 챔버로 언급될 수 있다. 더 구체적으로, 알칼리 금속(예컨대 제3 양의 알칼리 금속(55c))은 오일 공급원료와 반응하기 위해 첨가될 수 있다. 더 구체적으로, 이러한 반응은 알칼리 금속과 헤테로원자, 예컨대 황과의 반응에 관계된다. (이 반응은 전술된다.) 일단 반응되면, 생성물은 오일 공급원료로부터 무기 황 생성물(129)를 제거하도록 작동하는 생성물 분리기(80c)에 첨가되어, 이로써 탈황화된 공급원료(50d)를 생성할 수 있다.

이러한 공급원료(50d)는 챔버(110d)에 추가로 첨가될 수 있다. 이러한 챔버(110d)는 챔버(110a), (110b), (110c)와 동일하거나 상이할 수 있다. 이러한 챔버에서, 질소와 같은 헤테로원자는 오일 공급원료로부터 공급원료와 알칼리 금속 양(예컨대, 도 5의 알칼리 금속(55c)과 반응함으로써 제거된다. 이러한 반응이 일어난 이후, 무기 질소 생성물(131)은 생성물 분리기(80d)(이는 생성물 분리기(80a), (80b), (80c)와 동일하거나 또는 이와 상이한 구조일 수 있다)를 거쳐 제거될 수 있다. 결과물인 오일 공급원료는, 모든 이들 생성물이 제거되고 난 이후, "업그레이드된" 오일 공급원료(50e)로 분류될 수 있다.

도 6에 나타난 실시양태에서, 황 부분과 질소 부분(예컨대, 헤테로원자들)의 반응이 상이한 단계로 나타난다. 당업계의 숙련자는 다른 실시양태가 모든 S 및 N 헤테로원자를 제거하는 단일 단계(예컨대, 제3 양의 알칼리 금속의 단일 첨가)와 관련될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 만약 황과 질소가 알칼리 금속의 단일 첨가를 통해 함께 제거된다면, 실시양태는 80 % 이하의 황이 질소 부분이 알칼리 금속과 반응을 시작하기 전에 오일 공급원료로부터 제거될 수 있도록 설계될 수 있다. 공급원료의 실제 작동 조건 및 성질에 따라, 다양한 물질이 제거되는 순서는 도 6에 나타난 순서와 다를 수 있다는 점이 또한 이해된다.

이제 도 7을 보면, 오일 공급원료를 업그레이드하기 위한 시스템(200)의 또다른 실시양태가 나타난다. 시스템(200)은 도 3의 장치(100)와 연관된 동일한 특징을 다수 포함하는 점을 주지하여야 한다. 간결함을 위해, 이 논의는 많이 생략될 것이다. 그러나, 명확히 하기 위해, 전선(42) 및 전원(40)은 도 7에 나타나지 않는다. 그러나, 당업계의 숙련자는 이러한 구조가 실제로 존재하고 시스템(200)과 연관된 전해 반응을 수행하기 위해 필수적일 수 있음을 이해할 것이다.

도 7의 실시양태에서, 일정량의 제1 오일 공급원료(150a)는 TAN 감소 챔버(205)에 첨가된다. 이러한 챔버(205)는 알칼리 금속(그의 금속성 형태로)이 첨가되는 챔버이다. 공급원료(150a)로 이러한 알칼리 금속의 첨가는 공급원료(150a)의 나프텐산을 제거하도록 작동한다. 따라서, TAN 감소 용기(205)에서 반응한 이후 공급원료(150a)의 TAN 값은 상당히 감소된다. 분리기(이는 도 7에 나타나지 않음)는 공급원료로부터 형성된 무기물을 제거하는데 사용될 수 있다. 이 챔버(205)를 떠나는 공급원료는 탈산성화된 오일 공급원료(150b)로 언급될 수 있다.

탈산성화된 공급원료(150b)는 알칼리 금속(155b)에 노출될 수 있도록 챔버(20)에 첨가되어, 이로써 공급원료(150b)에서 헤테로원자 및/또는 중금속을 제거한다. 따라서, 도 7은 TAN 값을 감소하는데 사용되는 챔버(205)가 공급원료를 탈질소화/탈황화하는데 사용되는 챔버(20)로부터 분리되는 실시양태를 보여준다. 따라서, 도 7에 나타난대로, 최적의 TAN 감소를 위한 온도 및 압력 및 유량은 TAN 용기(205)에서 사용될 수 있으며, 그 다음으로 상이한 온도/압력/유량 등이 다른 화학 반응을 위해 챔버(20)에서 사용될 수 있다. 이러한 상이한 온도/압력/유량은 특정 반응의 반응 동력학에 맞을 수 있다.

도 7에 나타난 실시양태는 본 실시양태와 관련된 상당한 양의 탄력성이 있음을 보여준다. 예컨대, 도 7에 나타난대로, 오일 공급원료의 TAN 값을 감소시키도록 설계된 TAN 감소 챔버(205)가 존재할 수 있다. 일단 이러한 TAN 값이 감소되면(예컨대 1 이하의 값으로), 그 다음 다른 방법이 오일 공급원료와 관련된 헤테로원자, 중금속 등을 제거하는데 사용될 수 있다. 따라서, 오일 공급원료의 소유자는 이들의 탄화수소 물질의 특정 샘플 가공처리에 적절할 시스템을 설계할 수 있다.

일단 헤테로원자/중금속이 챔버(20)에서 제거되면, 오일 공급원료(150c)가 챔버(20)에서 흘러나올 수 있다. 이러한 오일 공급원료는 "업그레이드된" 오일 공급원료(150c)로 언급된다.

더욱이, 당업계의 숙련자는 TAN 값을 1 미만으로 감소시키는데, 헤테로원자를 제거하는데, 중금속과 반응하는데 등에 필요한 알칼리 금속의 양이 오일 공급원료/탄화수소 물질의 특정 샘플에 달려있을 것임을 이해할 것이다. 따라서, 샘플 오일 공급원료에 대해 테스트를 수행함으로써, 숙련된 기술자는 얼마나 많은 알칼리 금속이 오일 공급원료를 업그레이드하는데 필요할 수 있는지 결정할 수 있다.

본원에 나열된 모든 특허 출원 및 특허는 본원에 참고문헌으로 명시적으로 포함된다.

Claims (22)

1. 나프텐산을 포함하는 일정량의 제1 오일 공급원료를 얻는 단계; 및
   상기 일정량의 제1 오일 공급원료를 알칼리 금속과 반응시켜 탈산성화된 오일 공급원료를 형성하는 단계를 포함하며,
   여기서 알칼리 금속이 나프텐산과 반응하고, 탈산성화된 오일 공급원료가 제1 오일 공급원료의 총산가(TAN: Total Acid Number) 값보다 더 낮은 TAN 값을 갖는 것인, 오일 공급원료의 탈산성화 방법.
2. 제1항에 있어서, 알칼리 금속이 리튬, 나트륨 및/또는 그의 합금을 포함하는 것인 탈산성화 방법.
3. 제1항에 있어서, 제1 오일 공급원료가 1 이상의 TAN 값을 가지며, 탈산성화된 오일 공급원료가 1 이하의 TAN 값을 갖는 것인 탈산성화 방법.
4. 제1항에 있어서, 챔버가 상기 일정량의 제1 오일 공급원료를 수용하며, 여기서 알칼리 금속이 챔버 내에서 알칼리 금속 이온으로부터 계내 형성되어 챔버 내에서 제1 오일 공급원료와 반응하는 것인 탈산성화 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 일정량의 제1 오일 공급원료를 알칼리 금속과 반응시켜 탈산성화된 오일 공급원료를 형성하는 단계가 알칼리 금속 공급원 챔버를 제공하는 단계를 포함하며,
   여기서 이온 분리기가 알칼리 금속 공급원 챔버와 오일 공급원료 챔버 사이에 위치하며, 이온 분리기가 알칼리 금속 이온으로 하여금 상기 알칼리 금속 공급원 챔버로부터 이온 분리기를 거쳐 오일 공급원료 챔버로 통과하게 하는 것인 탈산성화 방법.
6. 제5항에 있어서,
   전원;
   오일 공급원료 챔버 내에 적어도 부분적으로 수용된 캐소드; 및
   알칼리 금속 공급원 챔버 내에 적어도 부분적으로 수용된 애노드
   를 더 포함하며,
   여기서 알칼리 금속 이온이 오일 공급원료 챔버로 통과할 때, 알칼리 금속 이온이 환원되어 오일 공급원료 챔버 내에서 알칼리 금속을 형성하는 것인 탈산성화 방법.
7. 제1항에 있어서, 탈산성화된 오일 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비가 제1 오일 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비보다 낮도록, 알칼리 금속이 제1 오일 공급원료 내에서 발견되는 헤테로원자/중금속과 추가로 반응하는 것인 탈산성화 방법.
8. 제7항에 있어서, 탈산성화된 오일 공급원료가 제1 오일 공급원료의 에너지 값보다 더 큰 에너지 값을 갖도록, 제1 오일 공급원료와 반응하는 업그레이드용 탄화수소를 더 포함하는 것인 탈산성화 방법.
9. 제7항에 있어서, 업그레이드용 탄화수소가 수소 가스, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 에텐, 프로펜, 부텐, 펜텐, 디엔, 이들의 이성질체, 및/또는 그의 혼합물을 포함하는 것인 탈산성화 방법.
10. 제1항에 있어서, 반응이 알칼리 금속의 녹는점 초과이고 450 ℃ 미만인 온도에서 일어나는 것인 탈산성화 방법.
11. 제1항에 있어서, 반응이 약 250 psi 초과이고 약 2500 psi 미만인 압력에서 일어나는 것인 탈산성화 방법.
12. 일정량의 제1 오일 공급원료를 포함하는 오일 공급원료 챔버; 및
    상기 오일 공급원료 챔버 내의 알칼리 금속을 포함하며,
    여기서 제1 오일 공급원료가 일정량의 나프텐산을 포함하고, 알칼리 금속이 일정량의 나프텐산과 반응하여 탈산성화된 오일 공급원료를 형성하며, 탈산성화된 오일 공급원료가 제1 오일 공급원료의 TAN 값보다 더 낮은 TAN 값을 갖는 장치.
13. 제12항에 있어서, 제1 오일 공급원료가 1 이상의 TAN 값을 가지며, 탈산성화된 오일 공급원료가 1 이하의 TAN 값을 갖는 것인 장치.
14. 제12항에 있어서,
    일정량의 알칼리 금속 이온을 포함하는 알칼리 금속 공급원 챔버;
    알칼리 금속 공급원 챔버로부터 오일 공급원료 챔버를 분리시키며, 알칼리 금속 이온으로 하여금 알칼리 금속 공급원 챔버로부터 이온 분리기를 거쳐 오일 공급원료 챔버로 통과하게 하는 이온 분리기;
    전원;
    오일 공급원료 챔버 내에 적어도 부분적으로 자리잡은 캐소드; 및
    알칼리 금속 공급원 챔버 내에 적어도 부분적으로 자리잡은 애노드
    를 포함하며, 여기서 알칼리 금속 이온이 오일 공급원료 챔버로 통과할 때, 알칼리 금속 이온이 환원되어 오일 공급원료 챔버 내에서 알칼리 금속을 형성하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 제1 오일 공급원료가 하나 이상의 황 및/또는 질소 헤테로원자 및/또는 일정량의 중금속을 더 포함하며,
    여기서 탈산성화된 오일 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비가 제1 오일 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비보다 낮도록 알칼리 금속이 헤테로원자/중금속과 추가로 반응하는 것인 장치.
16. 제15항에 있어서, 오일 공급원료 챔버 내에 업그레이드용 탄화수소를 더 포함하며, 여기서 업그레이드용 탄화수소가 제1 오일 공급원료와 반응하는 장치.
17. 일정량의 중금속, 나프텐산 및 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 제1 오일 공급원료를 얻는 단계;
    제1 오일 공급원료를 제1 양의 알칼리 금속과 반응시키며, 여기서 알칼리 금속이 제1 오일 공급원료로부터 중금속을 제거하는 단계;
    상기 제1 오일 공급원료를 제2 양의 알칼리 금속과 반응시키며, 여기서 제2 양의 알칼리 금속이 나프텐산과 반응하여 탈산성화된 오일 공급원료를 형성하며, 제1 오일 공급원료의 TAN 값이 상기 탈산성화된 오일 공급원료의 TAN 값보다 더 낮은 것인 단계;
    탈산성화된 오일 공급원료를 제3 양의 알칼리 금속과 반응시키며, 여기서 상기 제3 양의 알칼리 금속이 하나 이상의 헤테로원자와 반응하여 업그레이드된 오일 공급원료를 형성하며, 업그레이드된 오일 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비가 제1 오일 공급원료의 탄소에 대한 헤테로원자 비보다 낮은 것인 단계
    를 포함하는, 오일 공급원료의 업그레이드 방법.
18. 제17항에 있어서, 제1, 제2 및 제3 양의 알칼리 금속과의 반응이 모두 동일한 챔버에서 일어나는 것인 업그레이드 방법.
19. 제17항에 있어서, 제1, 제2 및 제3 양의 알칼리 금속과의 반응이 모두 상이한 챔버에서 일어나는 것인 업그레이드 방법.
20. 제17항에 있어서, 상기 제1 오일 공급원료를 제2 양의 알칼리 금속과 반응시키기 전에 중금속이 제1 오일 공급원료로부터 분리되는 것인 업그레이드 방법.
21. 오일 공급원료로부터 중금속을 제거시키는 제1 양의 알칼리 금속과 오일 공급원료를 반응시키는 제1 챔버;
    오일 공급원료로부터의 나프텐산과 반응하는 제2 양의 알칼리 금속과 오일 공급원료를 반응시키는 제2 챔버; 및
    오일 공급원료 내 헤테로원자와 반응하는 제3 양의 알칼리 금속과 오일 공급원료를 반응시키는 제3 챔버
    를 포함하는, 오일 공급원료의 업그레이드 시스템.
22. 제21항에 있어서, 제1, 제2 및 제3 챔버가 모두 동일한 챔버를 포함하는 시스템.
    

Images