KR20140120313A - 중질 탄화수소의 낮은 복잡도, 고수율 전환 - Google Patents

Abstract

1차로 중질 탄화수소들에 대하여 온건한 열분해를 수행하고 그리고 계속해서 그 결과의 열적으로 영향을 받은 유체로부터 아스팔텐-풍부 분획들을 분리하여 상기 공정의 높은 용매-대-오일 비율부가 단지 아스팔텐-풍부 분획들에 대하여만 작용하도록 하고 그리고 최종-제품으로서 건조한 고체 아스팔텐을 생산하도록 하는 것에 의하여 높은 국부 용매-대-공정유체 비율에 대하여 고성능 용매 추출 공정을 사용하는 한편으로 여전히 낮은 전체 용매-대-공정유체 비율은 잔류하도록 하여 중질의 탄화수소로부터 파이프라인-용 또는 정유공장-용 공급원료를 생산하는 공정이 기술된다.

Description

중질 탄화수소의 낮은 복잡도, 고수율 전환{LOW COMPLEXITY, HIGH YIELD CONVERSION OF HEAVY HYDROCARBONS}

본 발명은 역청 등과 같은 중질 탄화수소를 경질의, 보다 유동성인 제품으로, 특히, 정유공장-가공용(refinery-ready)이고 그리고 희석제의 추가 없이 파이프라인 수송 기준(pipeline transport criteria)을 만족하는 최종 탄화수소 제품으로 개선시키는 최적화된 방법에 관한 것이다. 용이하게 취급되고 그리고 더욱 가공되는 고체 아스팔텐 부산물(solid asphaltene byproduct)이 생성된다. 본 발명은 캐나다 역청(Canadian bitumen)을 향상시키는 것을 목표로 하나, 그러나 임의의 중질 탄화수소를 개선시키는 일반적 적용성(general application)을 갖는다.

중질의 점성 탄화수소의 소정의 정유공장 공급원료(refinery feedstock)로의 전환의 실행 가능성 및 경제성을 개선하기 위한 낮은 복잡도, 고수율의 집약화된 공정이 개발되고, 시험되고 그리고 향상되어 왔다. 이러한 집약화된 공정에 대한 개념은 이미 미합중국 특허출원 제13/037185호 및 동 제13/250935호에서 기술되었으며, 파일럿 플랜트(일일 5배럴(5BPD: barrels per day)) 및 논증-규모 설비(demonstration scale facilities)(일일 1500배럴)를 통해 검증되었다. 전단 혼합(shear mixing)을 통한 집약화된 공정에 대한 개선들이 미합중국 특허출원 제61/548915호에서 기술되었다.

본 발명은 상기 기술된 집약화된 공정에 대한 가장 낮은 복잡도 및 가장 높은 수율을 달성하기 위한 최적의 작업조건들을 기술한다. 상기 집약화된 공정은 임의의 공개된 기술 공정들 밖의 온도, 압력, 열류(heat fluxes), 체류 시간(residence times), 스윕가스 속도(sweep gas rates) 및 용매 대 오일 비율(solvent to oil ratios)에서 운전된다. 이들 모든 조건들 및 용매의 선택의 조합으로부터 본 신규한 집약화된 공정에 대한 높은 액체 제품 수율과 함께 감소된 자본 및 운전 비용들이 임의의 중질유 제조업자들에게 높은 수익의 기회를 가능하게 한다.

선행기술의 설명

오일샌드(Oil Sands) 역청의 파이프라인 수송가능하고 그리고 정유공장에서 수용가능한 원유로의 전환 및/또는 조건들을 기술하여 왔다. 특히, 열분해(thermal cracking), 접촉분해(catalytic cracking), 용매탈아스팔트화(solvent deasphalting) 및 이들 3종의 조합들(예를 들면, 비스브레이킹(visbreaking) 및 용매 탈아스팔트화(solvent deasphalting))이 역청을 전환시켜 전송 및 정유공장 공급원료로 사용하기 위한 그의 특성들을 개선하기 위하여 제안되었다.

열분해

열분해의 일 형태인 비스브레이킹 또는 점도 강하(viscosity breaking)은 잘 알려진 석유 정제 공정이며, 여기에서 중질 및/또는 감쇠된 원유(reduced crudes)가 비교적 온건한 조건(mild conditions)들 하에서 열분해되거나 또는 크래킹되어 보다 낮은 점성 및 유동점(pour points)을 갖고, 그에 따라, 상기 원유의 유동성을 개선시키기 위한 희석제로 알려진 혼합 탄화수소(blending hydrocarbons)를 수득하기 위하여 덜 점성이고 그리고 비용적으로 증가되는 요구량(required amounts)을 감소시키는 제품들을 제공하고, 그리고 상기 원유가 최소 수송 파이프라인 규격(minimum transport pipeline specifications)(최소 9의 API 비중(API gravity))을 만족하도록 한다.

2가지 기본적인 비스브레이킹 구성(visbreaking configurations)들 즉, 코일-온리 비스브레이커(coil-only visbreaker) 및 코일-앤-소크 비스브레이커(coil-and-soak visbreaker)들이 있다. 둘 다 상기 원유를 가열하기 위한 히터를 요구하며, 코일-온리 스타일(coil-only style)은 단지 히터 튜브 내에서만 크래킹을 채용한다. 코일-온리 비스브레이커는 히터 출구에서 약 1분의 체류 시간으로 약 900℉에서 운전된다. 가스 오일(Gas oil)이 재순환되어 상기 반응을 퀀칭(quench)시킨다. 상기 코일-앤드-소크 비스브레이커에 있어서는, 로(furnace)의 출구에서 용기(vessel)이 사용되어 상기 원유의 크래킹을 위한 별도의 체류 시간을 제공하도록 한다. 상기 원유는 착좌(sits)되고 그리고 온도가 천천히 감소됨에 따라 크래킹/반응을 지속한다. 상기 코일-앤드-소크 비스브레이커는 800℉의 히터 출구 온도에서 운전된다. 소커 드럼(soaker drum) 온도는 합하여 1시간 이상의 체류 시간에 걸쳐 상기 출구에서 700℉로 감소된다.

이러한 비스브레이킹 방법들의 예들이 문헌 Beuther et al., "Thermal Visbreaking of Heavy Residues", The Oil and Gas Journal. 57:46, Nov 9, 1959, pp. 151-157; Rhoe et al., " Visbreaking: A Flexible Process", Hydrocarbon Processing, January 1979, pp. 131-136; 및 미합중국 특허 제4,233,138호에서 기술되었다. 수익율 구조(yield structure)는 두 구성에 대하여 1 내지 3% 가스유분(light ends), 5중량%(%(wt)) 나프타(naphtha) 및 15중량%(%(vt)) 가스 오일(gas oil)로 대략 동일하다. 잔여부는 중질유 또는 역청으로 잔류한다. 상기 제품들은 추가의 처리 또는 혼합을 위하여 증류탑(distillation column)에서 분리된다.

표준 비스브레이킹 방식(standard visbreaking schemes)에 대한 염려는 캐나다 역청에 대하여, 상기 작업 온도가 명백한 코크스화(coking)가 작업성(operability)에 영향을 주는 한계(약 700℉ 내지 720℉) 이상이라는 것이다(문헌 Golden and Bartletta, Designing Vacuum Units (for Canadian heavy crudes), Petroleum Technology Quarterly, Q2, 2006, pp. 105 참조). 게다가, 상기 히터 내에서 열이 짧은 시간에 걸쳐 공급되어 국소 열류가 균일하지 않고 그리고 코크스화 개시 한계들 이상으로 절정(peak)에 다다를 수 있고; 그리고 열이 일정하게 유지되지 않아 축합반응(condensation reactions)이 일어나는 것을 허용한다. 캐나다 역청에 통상적인 비스브레이킹을 적용하는 것은 코크스화에 대한 경향 및 이들 시스템들이 이러한 문제를 관리하는 데에 대하여 불능이라는 점 때문에 제한된다.

미합중국 특허 제6,972,085호 및 동 제7,976,695호의 첫 번째 부분(first part)에서, 연장된 시간에 걸쳐 원유에의 일정하고 그리고 지속적인 열의 적용에 대한 소망에 접근하기 위한 시도가 이루어졌다. 필수적으로, 히터 및 보류용기(holding vessel)가 하나의 용기 내로 합쳐져서 원유에 대한 지속적인 가열된 조(bath)를 생성하였다. 다중의 가열 수준들이 여러 시간들에서 원유에 적용되었다. 이는 표준 비스브레이킹에 대한 개선점이기는 하나 그러나 가공된 원유 내의 열점(hot spots)을 제거하지 못하여 크래킹을 위한 최적의 수준들 이상의 온도 절정으로 인하여 코크스화를 허용한다.

열/접촉분해 및 용매 탈아스팔트화의 조합( Combination of Thermal/Catalytic Cracking and Solvent Deasphalting )

미합중국 특허 제4,454,023호에서, 중질 점성 탄화수소 오일의 처리를 위한 공정이 기술되어 있으며, 상기 공정은 상기 오일을 비스브레이킹하는 단계; 상기 비스브레이킹된 오일을 분류(fractionating)하는 단계; 2-단 탈아스팔트 공정에서 상기 비스브레이킹된 오일의 비-증류분(non-distilled portion)를 용매 탈아스팔트화하여 분리된 아스팔텐, 수지 및 탈아스팔트된 오일 분획들을 생성하는 단계; 상기 탈아스팔트된 오일 분획("DAO")을 상기 비스브레이킹된 증류물들과 혼합하는 단계; 및 상기 탈아스팔트 단계로부터의 수지를 비스브레이커(visbreaker)에로 초기에 전달되는 상기 공급원료와 함께 재순환 및 결합시키는 단계;를 포함한다. 상기 미합중국 특허 제4,454,023호는 캐나다 역청 보다 경질의 탄화수소(API 비중 > 15)를 업그레이드 하기 위한 수단을 제공하나, 그러나, 상기 탄화수소 스트림을 과도-열분해(overcrack) 및 코크스화할 수 있는 열분해의 오용으로 인하여 그리고 상기 탈아스팔트된 오일 분획으로부터 상기 수지 분획을 분리하기 위한 부가의 용매추출 단계의 복잡성 및 비용으로 인하여 부담이 된다. 게다가, 수지 스트림의 재순환부의 필요성은 작업 비용 및 작업의 복잡성을 증가시킨다.

미합중국 특허 제4,191,636호에서, 중질유를 수첨처리(hydrotreating) 시켜 선택적으로 아스팔텐을 크래킹시키고 그리고 동시적으로 니켈 및 바나듐 등과 같은 중금속들을 제거하는 것에 의하여 중질유가 연속적으로 아스팔텐과 무-금속 오일(metal-free oil)로 전환된다. 액체 생성물들이 무-아스팔텐 및 무-금속 오일의 경질 분획(light fraction)과 아스팔텐-함유 및 중금속-함유 오일의 중질 분획(heavy fraction)으로 분리된다. 상기 경질 분획은 제품으로 회수되고 그리고 상기 중질 분획은 수첨처리 단계로 재순환된다. 이 4,191,636호 특허 공정을 사용한 캐나다 중질 역청(Canadian heavy bitumen; API 비중 < 10)의 접촉 전환(catalytic conversion)은 선택도(selectivity)와 수율에 영향을 주는 급속한 촉매 탈활성화(catalyst deactivation)에 대한 신뢰도 문제를 갖는 경향이 있는 고-강도 공정(high-intensity process)이다.

미합중국 특허 제4,428,824호에서, 비스브레이킹 유닛의 상향류(upstream)에 용매 탈아스팔트화 유닛(solvent deasphalting unit)에 설치되어 상기 비스브레이킹 운전으로부터 나오는 아스팔텐을 제거한다. 이 구조에 있어서, 아스팔텐이 상기 제품 스트림(product stream)으로부터 완전히 제거되기 때문에 상기 비스브레이킹 유닛이 보다 높은 온도에서 운전되어 오손(fouling) 없이 보다 중질의 분자들을 보다 경질의탄화수소 분자들로 전환시킬 수 있다. 그러나, 상기 공정에서의 아스팔텐의 초기 제거가 원유에서 정제가능한 제품으로의 이 부분의 열전환(thermal conversion)이 방지되기 때문에 역청의 수율은 크게(10 내지 5%로) 감소된다.

미합중국 특허 제4,428,824호에서와 마찬가지로 미합중국 특허 제6,274,032호는 1차적인 원유 성분들을 분리하기 위한 정류탑(fractionator)와 후속하여 보다 중질의 원유 아스팔텐 풍부 성분에 대해 작용하는 용매 탈아스팔트화(SDA) 유닛 및 비-아스팔텐 스트림에 대한 온건한 열분해기(mild thermal cracker)를 포함하는 탄화수소 공급원을 처리하기 위한 공정을 기술하고 있다. 상기 아스팔텐 풍부 스트림이 가스화 유닛(gasification unit) 내에서 처리되어 수소 수요(hydrogen requirements)를 위한 합성가스(syngas)를 생성한다. 15% 이하의 캐나다 역청을 포함하는 원유의 아스팔텐 분획이 원유로서 일부 형태로 포함되는 것을 고려하는 것을 제거하기 때문에, 열분해기의 상향류에의 용매 탈아스팔트화 유닛의 적치(placing)는 정유공장 공급원료로서의 역청의 전체 수율을 감소시킨다. 제품 수율에서의 이러한 손실은 상기 비스브레이커에서의 증가된 크래킹으로 상쇄되지 않는다.

미합중국 특허 제4,686,028호에서, 전체 원유의 처리를 위한 공정이 기술되며, 상기 공정은 2-단계 탈아스팔트화 공정에서 고비점 범위의 탄화수소를 탈아스팔트화하여 분리된 아스팔텐, 수지 및 탈아스팔트화된 오일 분획들을 생성하고 후속하여 단지 수지 분획만을 수소화(hydrogenation) 또는 비스브레이킹에 의한 업그레이드화(upgrading)의 단계들을 포함한다. 상기 미합중국 특허 제4,686,028호 발명은 전체 원유 스트림의 선호되는 분획(favourable portion)에 비스브레이킹을 적용하여 코크스 생성을 최소화한다. 그러나, 상기 4,686,028호 특허는 최적의 전환으로부터 유리할 수 있는 원유의 대부분을 상실하는 것으로 제한되고 따라서 상기 원유의 대부분이 수송 희석제(transport diluent)를 필요로 하지 않는 파이프라인 제품으로 되지 않게 된다.

미합중국 특허 제5,601,697호에서, 톱핑된 원유(topped crude oil)의 처리를 위한 공정이 기술되어 있고, 상기 공정은 상기 톱핑된 원유를 진공 증류(vacuum distilling)하고, 상기 증류로부터 잔사 제품(bottoms product)을 탈아스팔트화하고, 탈아스팔트화 오일을 접촉분해하고, 증류가능한 접촉분해 분획(1100℉ 이하의 대기등가 비점(atmospheric equivalent boiling temperature))들을 혼합하여 수송 연료(transportation fuels), 등용 가스(light gases) 및 슬러리 오일(slurry oil)을 포함하는 제품들을 생성하는 단계들을 포함한다. 미합중국 특허 제5,601,697호는 약 850℉ 까지의 톱핑된 중질의 원유의 진공 증류 및 수송 연료를 생성하기 위한 탈아스팔트화된 오일을 접촉분해의 복잡도, 비용 및 기술적 실행가능성으로 부담이 된다.

미합중국 특허 제6,533,925호에서, 용매 탈스팔트화 공정의 가스화 공정 및 용매, 탈아스팔트된 오일(deasphalted oil: DAO) 및 수지를 포함하는 용매 용액(solvent solution)으로부터 수지상(resin phase)을 분리하기 위한 개선된 공정의 통합을 포함하는 공정이 기술되었다. 상기 미합중국 특허 제6,533,925호 특허에는 제1 아스팔텐 추출기(first asphaltene extractor)의 온도 이상의 온도로 상승된 용매에 대한 수지 추출기(resin extractor)가 포함된다. 상기 아스팔텐 스트림은 처리되나 그러나 임의의 열적 전환에 앞서 제거되어 유용한 정유공장 공급원료로의 가치 향상의 수득 가능성을 제거한다. 상기한 영향은 원유 스트림의 잠재적인 전체 수율에서의 감소가 된다.

미합중국 특허출원 제2007/0125686호에서, 온건한 열분해기(비스브레이커)에로 송출되는 중질 성분에 대한 증류를 통하여 중질 탄화수소 스트림이 먼저 여러 분획들로 분리되는 공정이 기술되어 있다. 상기 온건한 열분해기로부터의 잔여의 중질 액체는 공개된 선행기술인 용매 탈아스팔트화 유닛 내에서 용매 탈아스팔트화된다. 상기 용매 탈아스팔트화로부터 분리된 아스팔텐은 가스화기에의 공급물로서 사용된다. 탈아스팔트화된 오일은 응축된 온건한 열분해기 증기와 혼합되어 혼성 생성물(blended product)을 형성한다. 상기 4,454,023호 특허에 대하여 언급된 바와 같이, 비스브레이킹은 초기 코크스 생성이라는 난제에 직면하게 된다. 특히, 상기 2007/0125686호 특허출원은 이 온건한 열분해기의 의도가 전적으로 비-아스팔텐 물질을 크래킹하는 것이고, 이는 또한 캐나다 역청에 대해서는 실현가능하지 않다. 이 출원에서, 상기 온건한 열분해기는 무익하게 코크스 형성 및 그에 따른 수율을 증가시키는 상승된 압력에서 운전된다. 게다가, 파이프라인 수송을 위하여 조합되는 분리된 성분들의 대부분에 대한 상기 증류 및 추출 단계들에서 별도의 에너지가 요구된다.

미합중국 특허 제8,048,291호에서, 대기압 컬럼(atmospheric column) 및/또는 진공 컬럼(vacuum column)으로부터의 잔사들이 용매 탈아스팔트화 유닛 내에서 처리고 계속해서 일부 형태의 열분해 또는 접촉분해로 처리되는 공정이 기술된다. 이 특허의 목적은 용매 탈아스팔트화를 상기 분해기의 상향류를 적치시키는 것에 의하여 상기 탈아스팔트된 오일 스트림을 크래킹하는 비용을 감소시키는 것이다. 상기 용매 탈아스팔트화의 다중의 추출 단계들 및 작업 조건들은 전체 공정의 비용을 증가시켜 수율을 증가시키기 위하여 수소를 첨가하는 데 상당한 비용들이 발생하지 않는 한에서 보다 낮은 전체 수율을 제공하는 집약화된 공정에 대한 보다 작은 크래킹 유닛으로부터의 절약분들의 일부를 상쇄한다. 상기 용매 탈아스팔트화 유닛은 15% 이상의 중질 역청 스트림을 포함하는 중질 아스팔텐을 제거하고, 따라서 고가의 접촉 공정들이 채용되지 않는 한 전체 수율을 85% 이하로 제한한다. 이 공정의 전체 결과는 가공되는 공급물(feed)이 상기 용매 탈아스팔트화를 통하여 가공되는 공급물(feed)이 5 API 이상이라는 제한을 수반하여 비경제적이다.

용매 탈아스팔트화 생성 아스팔텐 -풍부 스트림의 처리( Treatment of SDA generated Asphaltene - Rich Stream )

미합중국 특허 제4,421,639호에서, 용매 탈아스팔트화 공정은 2차 아스팔트 추출기(2nd asphalt extractor)를 사용하여 아스팔텐 물질을 농축한다(그리고 더 탈아스팔트화된 오일을 회수한다). 농축된 아스팔트 스트림은 상기 스트림의 온도를 18프사이(psia)에서 425℉까지 상승시키는 히터(heater)를 통하여 송출되고, 그리고 계속해서 플래시 드럼(flash drum) 및 스팀 스트리퍼(steam stripper)에로 송출되어 상기 아스팔트 스트림으로부터 용매(이 경우에서는 프로판)를 분리한다. 액체 형태의 아스팔트 제품은 펌핑되어 저장된다. 이러한 배치는 단지 상기 아스팔트 풍부 스트림이 이들 조건들에서 액체인 경우에만 작동한다. 아스팔텐-풍부 스트림 내에 역청(bitumen)과 같은 상당한 고체 아스팔텐이 존재하는 경우 폐색(plugging)에 의해 부담이 된다.

미합중국 특허 제3,847,751호에 있어서, 용매 탈아스팔트화 유닛으로부터의 농축 아스팔텐 제품이 용매와 혼합되고 그리고 액체 용액으로서 분무건조기(spray dryer)에로 전송된다. 상기 분무노즐 설계 및 압력 강하가 형성되는 액적(liquid droplets)의 크기를 결정한다. 경질 탄화수소(용매) 액적이 작을수록, 증기로 완전하게 기화(flash)될 것이다. 중질 탄화수소(아스팔텐) 입자가 작을수록, 건조한, 비-점착성(non-sticky) 고체 입자를 생성하는 목표를 달성하도록 상기 중질 입자들을냉각시키기 위한 열전달에 사용가능한 표면적이 더 커진다. 별도의 냉가스(cold gas)가 상기 분무건조기의 바닥으로 공급되어 액적 강하 속도(droplet descent rate)를 늦추는 것에 의하여(상향 냉각 가스 흐름을 통하여) 액적 체류 시간(droplet residence time)을 증가시키는 것과 마찬가지로 별도의 대류 열전도(convective heat transfer)에 의하여 냉각을 향상시켜 용기(이는 극히 크게 되는 경향이 있음)의 크기를 줄이도록 한다. 이러한 배치는 상기 추출기에서 가라앉는 상기 아스팔텐 입자들이 상기 공정 작업 온도에서 상기 용매 중에서 고체 형태로 존재하는 경우에는 필요치 않다.

미합중국 특허 제4,278,529호는 역청재료(bituminous material)의 이송(carry-over) 없이 감압에 의하여 역청재료로부터 용매를 분리하기 위한 공정을 기술하고 있다. 감압밸브(pressure reduction valve)를 통한 통과에 의하여 역청재료 및 용매를 포함하는 유체-형 상(fluid-like phase) 공급원료가 감압되고 계속해서 스팀 스트리퍼 내로 도입된다. 상기 감압은 상기 용매의 일부를 기화시키고 그리고 또한 미세한 역청재료 입자들의 액체미립자(mist)를 상기 용매 중에 분산시킨다. 이러한 접근법에 대한 문제는 잔류 아스팔텐이 젖은 상태로 그리고 점착성으로 남아 있으며 또한 상기 중질 역청상(heavy bituminous phase)(많은 고형분들을 갖는)이 흐를 수 있는 상태를 유지하기에 충분한 용매가 남아있지 않게 된다는 것이다.

미합중국 특허 제4,572,781호는 원심 경사기(centrifugal decanter)를 사용하여 고체 아스팔텐의 고도로 농축된 슬러리로부터 액체상을 분리하여 중질 탄화수소 재료로부터 높은 연화점(softening point)(온도)의 실질적으로 건조한 아스팔텐을 분리하기 위한 용매 탈아스팔트화 공정을 기술하고 있다. 이 공정은 고체들을 갖는 아스팔텐이 풍부한 스트림을 취급하는 것을 시도하고 있으나, 그러나 고체들의 분리가 상기 경사기에로 상기 재료가 흐를 수 있도록 만들기 위하여 별도의 용매가 요구되는 고/액 분리(solid/liquid separation)를 통하여 수행되기 때문에 고도로 비용이 많이 드는 공정이다. 변함없이, 상기 분리된 고체 재료는 여전히 상대적으로 습윤하고 그리고 증기로서 용매를 회수하기 위하여는 추가의 건조단계가 요구된다. 용매 증기는 재사용을 위하여 압축되어야 할 필요가 있으며, 이는 또 다른 고 에너지 단계이다.

미합중국 특허 제5,009,772호에 있어서, 연속적인, 상대적으로 낮은 온도의 탈아스팔트화 공정에 연관되는 방법이 나타나 있으며, 여기에서는 중질 탄화수소 공급원료 물질(feedstock material) 및 추출 용매가 추출 영역(extraction zone) 내에서 상승된 준임계 온도(subcritical temperatures) 및 초대기 압력(superatmospheric pressures)에서 접촉하여 경질 추출상(light extract phase) 및 보다 높은 분자량의 탄화수소 성분, 콘래드슨 탄소 전구체(Conradson carbon precursors) 및 중금속들이 풍부한 중질상(heavy phase)을 생성한다. 5,009,772호 특허는 상기 추출 영역 내에서 생성된 제1 경질 추출상 이상의 압력에서 연속적으로 발휘되는 감압을 포함하여 상기 용매 탈아스팔트화 유닛에서의 초임계 조건들 이하에서의 작업의 잇점들이 존재함을 암시하고 있다. 그러나, 전체 공정에서 추가의 개량점들이 사용되어 보다 중질의 원유들이 보다 간단하고 비용이 덜 드는 방법으로 가공되도록 하는 것을 허용할 수 있다.

미합중국 특허 제7,597,794호에 있어서, 분산매(dispersion solvent)가 용매 추출에 의한 분리 후의 아스팔트상(asphalt phase) 내로 도입되고 그리고 상기 아스팔트상이 기체-고체 분리기(gas-solid separator) 내에서 빠른 상변화를 수행하고 그리고 고체 입자들이 분산되는 한편으로 용매가 기화하여 조절가능한 크기의 아스팔트 입자들을 수반하는 아스팔트와 용매의 저온 분리의 결과를 가져온다. 전송 매질(transport media)로서 액체 용매를 사용하는 기화/분무 건조기들로의 시도는 이 공정에서 생성된 아스팔텐이 기화 건조 단계 이전, 동안 및 이후에 습윤한 상태로 잔류시키는 경향이 있다. 게다가, 이러한 공정으로, 상기 아스팔텐은 상승된 온도에서 액화를 지속시킨다. 습윤된 아스팔텐은 모든 표면에 대해 점착성이고 그리고 공정설비들을 쉽게 오염시키고 그리고 폐색시킨다. 이러한 접근법을 사용하는 것에서 야기되는 신뢰성은 높은 아스팔텐 함량을 갖는 중질 원유들에 대한 이러한 작업이 비용이 많이 들게 한다. 상기 특허의 실시예 6은 2의 API를 갖는 중질 원유를 사용하여 83.5%의 전체 DAO 수율 및 80% 이상의 용매 회수의 결과를 가져온다. 이들 두 값들 둘 다는 비경제적인 공정을 나타내고 그리고 크게 개선될 수 있다.

미합중국 특허 제7,749,378호에 있어서, 생산 장소에서 중질 오일 또는 역청을 3 내지 8개의 탄소수들을 갖는 탄화수소를 포함하는 희석제로 희석시켜 혼합물을 형성하고; 상기 혼합물을 상기 생산 장소로부터 용매 탈아스팔트화 유닛에로 전송하고; 상기 탈아스팔트화 유닛 내에서 상기 혼합물을 탈아스팔트화하여 아스팔텐 분획, 근본적으로 아스팔텐이 없는 탈아스팔트화된 오일 분획 및 용매 분획을 회수하고; 상기 용매 탈아스팔트화 유닛에서 상기 아스팔텐 분획, 상기 탈아스팔트화된 오일 분획 및 상기 용매 분획으로부터 물과 염들을 분리하고; 그리고 상기 용매 분획의 적어도 일부를 상기 생산 장소에로 전송하여 상기 중질 오일 또는 역청을 희석시켜 상기 혼합물을 형성하는 것을 포함하는 중질 오일 또는 역청을 전송하고 그리고 업그레이드하기 위한 방법이 기술된다. 상기 추출기의 폐색이 변함없이 낮은 신뢰성의 결과를 가져오기 때문에 상기 공정은 이 특허에서 2 API 이상의 원유들(2 내지 15 API가 특허청구되고 있음)로 마땅히 제한되고 그리고 역청과 같은 중질 원유들이 15% 이상의 아스팔텐 함량을 가질 수 있고 그리고 이들 분자들이 전적으로 이 공정에서 거부되기 때문에 상기 공정에서 허용되는 조건들은 전체 수율을 전체 배럴의 85% 미만으로 제한한다.

미합중국 특허 제7,964,090호는 용매 탈아스팔트화 및 가스화를 사용하여 중질 아스팔텐 원유들을 업그레이드(upgrading)시키는 방법을 기술하고 있다. 이 특허에서 흥미로운 것은, 하나 또는 그 이상의 아스팔텐 및 하나 또는 그 이상의 비-아스팔텐을 포함하는 탄화수소를 용매와 혼합하는 것에 의하여 가스화기(gasifier)에로의 스트림이 생성되고, 여기에서 상기 탄화수소에 대한 상기 용매의 비율은 약 2 : 1 내지 약 10 : 1이다. 아스팔텐 풍부 스트림이 상기 용매 탈아스팔트에서 액체 스트림으로서 가스화기에로 전송된다. 전송에 사용된 대량의 용매가 상기 가스화기에서 소모되고 그리고 연료 가스 상당(fuel gas equivalent)으로 다운그레이드(downgraded)된다. 아스팔텐이 액체로 되어야 하는 경향 때문에, 재료를 전송하기 위하여 용매를 언급된 양으로 사용하는 것이 실현될 수 있다. 고체 아스팔텐에 대하여는, 이 방법은 전송을 위하여 10 내지 20배 더 많은 용매를 요구할 수 있고, 그리고 상기 공정에서 고가의 용매가 대량으로 소모되고 그리고 그 가치가 감소될 수 있다.

기본적으로, 캐나다 오일 샌드 역청 등과 같은 중질의 원유로부터 파이프라인-용 원유 및 정유공장 공급원료를 생산하기 위한 개선된 공정이 기술되며, 상기 공정은 (1) 반응기 내에서 최대 역청 스트림에서 최소 코크스 및 오프가스(offgas)를 수반하는 최적의 아스팔텐 전환을 수행하여 열적으로 영향을 받은 아스팔텐-풍부 분획, 최소의 비-압축성 증기 스트림 및 증가된 정유공장-공급 액체 스트림을 생성하고; (2) 상기 열적으로 영향을 받은 아스팔텐-풍부 분획을 정유공장-공급 액체 스트림 및 농축된 아스팔텐 스트림으로 탈아스팔트화하고; (3) 파이프라인 규격에 요구되는 바와 같은 특정의 탄화수소 성분들을 선택적으로 수첨처리하고 그리고 최종적으로 모든 액체 스트림들을 혼합하여 정유공장 공급원으로 생성하고; 그리고 (4) 가스화기, 발전소 또는 아스팔트 공장에서의 전환을 위한 농축된 고체 아스팔텐 스트림의 관성 분리(inertial separation);로 이루어진다.

상기 역청은 열적으로 처리되어 선택된 아스팔텐을 제거하고 그리고 전환/분해하고, 이는 계속해서 보다 효율적인 용매추출공정에서 충분히 분리되어 코크스의 생성을 감소시키고 그리고 원치않는 오염물들(금속, MCR 및 잔여의 아스팔텐들)을 분리시킨다.

캐나다 역청 아스팔텐에 대한 상대적인 복잡도 및 높은 측쇄의 정도를 고려하여, 본 출원에서 기술되는 본 발명의 작업 조건들 하에서, 상기 측쇄들이 우선적으로 코어 아스팔텐(core asphaltene)으로부터 분해되어 소정의 감압 경유(vacuum gas oil)를 경질 탄화수소 범위의 성분들로 만들어진다. 잔여의 열적으로 영향을 받은 다방향족 아스팔텐 코어들(polyaromatic asphaltene cores)은 작업 조건들 이상의 상승된 온도 및 압력에서 고체로 잔류하고, 따라서 용매 탈아스팔트화(50) 및 관성 분리(110) 등과 같은 개선된 분리 공정들에서 야기되는 열적으로 영향을 받지 않은 아스팔텐(non-thermally affected asphaltenes)에 비해 보다 쉽게 분리된다.

게다가, 상기 역청 내의 보다 중질의 탄화수소들은 또한 모두가 정유공장에서 분리 및 전환에 바람직한 감압 경유, 가솔린(gasoline) 및 증류 비등 범위 성분(distillate boiling range components)들로 온건하게 크래킹된다. 상기 반응기 내의 역청조(bitumen pool) 내에서의 온도 및 열류들에서의 임의의 주요 편차들은 코크스화 및 증가된 가스 수율 및 원래 역청의 전체 원유 수율에서의 감소 및 운전의 감소된 신뢰도를 야기하여 설비의 운전비용을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 중질의, 고 아스팔텐 원유(high asphaltene crudes)(예를 들면, 캐나다 역청) 및 임의의 신생(virgin) 또는 이미 처리된 탄화수소 스트림에 대한 유용성을 갖는 공급원료들로부터 파이프라인-용 및 정유공장-용(refinery-ready) 공급원료를 생산하기 위한 개선된 장치 및 방법을 제공하며, 상기 방법 및 장치는 공정유체(process fluid)를 반응기의 소정의 운전 온도 또는 그에 가까운 설계 온도까지 예열시키기 위한 예열기를 포함하고; 상기 공정유체의 전환을 위한 반응기 내로 상기 공정유체를 옮겨 상기 반응기 내에서 상기 공정유체에의 제어된 열의 적용시켜 상기 반응기 전체에 걸쳐 상기 공정유체가 실질적으로 균질한 온도를 유지하도록 하여 열적으로 영향을 받은 아스팔텐-풍부 분획들의 스트림 및 최소 비-응축 증기(non-condensable vapour)를 수반하는 액체 탄화수소 증기의 스트림을 생성하도록 한다. 상기 증기의 스트림은 비-응축 증기 및 경질 액체 탄화수소의 두 스트림들로 더 분리된다. 상기 열적으로 영향을 받은 아스팔텐-풍부 분획은 먼저 고전단 혼합기(high-shear mixer)를 사용하여 혼합되고 계속해서 단식 용매추출공정(single-stage solvent extraction process)을 사용하여 각각 탈아스팔트화된 오일 및 농축된 아스팔텐의 스트림들로 탈아스팔트화된다. 상기 공정들에서 생성된 상기 탈아스팔트화된 오일 액체 및 상기 경질 액체 탄화수소들이 혼합되어 파이프라인 및 정유공장-용 공급원료를 형성한다. 상기 농축된 아스팔텐은 관성 분리 유닛 내에서 처리되어 건조한 고체 아스팔텐 부산물을 생성한다.

스윕가스(sweep gas)는 상기 반응기 내에서 사용될 수 있고, 그리고 상기 반응기의 히터 이외의 열류원(heat flux source)을 제공하기 위하여 예열될 수 있으며; 상기 스윕가스는 또한 반응기 증기 생물들의 제거를 보조할 수 있다.

최소 하나의 추출단계(그 이상의 단계들이 사용될 수 있음) 및 임의의 공지기술의 용매추출공정을 벗어나는 조건들에서의 저압 스트리퍼(low pressure stripper)를 사용하여 탈아스팔트화가 달성된다. 초기 공정유체가 열적으로 영향을 받았기 때문에, 상기 중질의 아스팔텐-풍부 분획들이 고전단 혼합기 및 유사한 업그레이더 운전들에서 전형적으로 발견되는 것 보다 더 낮은 용매 대 오일 비율(solvent-to-oil ratios), 온도 및 압력들의 조합을 사용하는 보다 낮은 복잡도의 단식 추출 공정을 사용하여 더 분리될 수 있다. 최종 추출 단계 이전에 상기 아스팔텐 풍부 분획을 더 농축하는 것에 의하여 심지어 더 낮은 전체 오일에 대한 용매 비율을 사용하여 심지어 더 개선된 용매-추출 성능 및 개선된 DAO 수율이 달성될 수 있다. 상기 공정은 1차 용매추출컬럼으로부터의 상기 아스팔텐-풍부 스트림에 대하여 작용하는 별도의 용매추출컬럼(린스 컬럼(rinse column))을 활용하는 공지기술의 용매 탈아스팔트화를 개선시켜 파이프라인 원유 회수 및 품질을 증가시킨다.

상기 용매 탈아스팔트화 공정은 상기 중질의 아스팔텐-풍부 탄화수소 스트림의 일부가 재순환되고 그리고 상기 반응기에의 신규 공급물과 혼합되도록 하는 것을 허용할 수 있다.

그 결과의 농축된, 열적으로 영향을 받은 아스팔텐이 원심력 수집기(centrifugal collector) 또는 침강챔버(settling chamber) 등과 같은 관성 분리기 내에서 성공적으로 처리되어 건조한, 고체 아스팔텐 부산물을 생성할 수 있다.

여러 도면들을 통하여 유사한 참조번호들이 유사한 부품들을 나타내는 도면들을 참조하여, 본 발명의 여러 관점들이 도면들에서 상세하게 실시예의 방법으로 그리고 제한이 아닌 방법으로 설명된다.
도 1은 중질 탄화수소 공급원료로부터 파이프라인 수송가능한 탄화수소 제품을 형성하기 위한 공정 다이아그램이고; 그리고
도 2는 특히 크래킹 공정 및 액체 분리 공정 및 고체 분리 공정에 관계되는 공정 다이아그램이고; 그리고
도 3은 기술된 하나 또는 그 이상의 구체예들에 따라 집약화된 온건한 열분해 및 진공 및/또는 코크스 유닛과 함께 현존하는 업그레이더 또는 정제공장 내에 적절하게 위치된 전단 혼합 장치들을 수반하는 개선된 용매 탈아스팔트화 공정의 예시적인 응용을 묘사한다.
도 4는 기술된 하나 또는 그 이상의 구체예들에 따라 현존하는 업그레이더 또는 정유공장으로부터 수첨분해(hydrocracking), 잔류 수첨분해 및 가스화 유닛으로 송출되었던 집약화된 분해기(cracker)/용매 탈아스팔트화(SDA)로부터의 감압 잔사 스트림(vacuum bottoms stream)이 공급된, 집약화된 온건한 열분해 및 개선된 용매 탈아스팔트화 공정의 도 3으로부터의 특정의 예시적인 응용을 묘시한다.

첨부된 도면들과 연관하에 이하에서 규정되는 상세한 설명은 본 발명의 여러 구체예들의 설명으로서 의도된 것이고, 본 발명자에 의해 고려된 유일한 구체예들을 나타내는 것으로 의도되는 것은 아니다. 상기 상세한 설명은 본 발명의 포괄적인 이해를 제공할 목적으로 특정의 상세들을 포함한다. 그러나, 본 발명이 이들 특정의 상세들이 없이도 실행될 수 있다는 것은 당해 기술분야에서 숙련된 자들에게는 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 다른 관점들이 하기의 상세한 설명으로부터 당해 기술분야에서 숙련된 자들에게는 쉽게 이해될 수 있을 것임은 이해되어야 하며, 여기에서 본 발명의 여러 구체예들이 설명의 방법으로 나타내어지고 그리고 기술된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 다른 구체예들에 대하여도 가능하고 그리고 그의 여러 상세들이 모두 본 발명의 정신 및 관점으로부터 벗어남이 없이 여러 다른 관점들의 변형이 가능하다. 따라서 도면들 및 상세한 설명들은 속성상 제한으로서가 아닌 설명으로서 고려되어야 한다.

도 1은 탄화수소 공급원료(12)로부터 탄화수소 제품(160)을 형성하기 위한 공정(10)을 묘사하는 공정 흐름 다이아그램이며, 여기에서 최종 탄화수소 제품(160)은 최소 파이프라인 수송 요건들(19의 최소 API 비중)을 만족하는 충분한 특성들을 갖고 그리고 선호되는 정유공장 공급원료이다. 중질 탄화수소의 공급원료(2)로부터 형성된 공정유체(14)는 히터(20)를 통하여 전송되어 공정유체가 반응기(30)에로 공급되기 이전에 상기 공정유체(14)를 소정의 온도 수준까지 가열되도록 할 수 있고, 상기 반응기에서 상기 공정유체(14)는 제어되고 그리고 유지되는 한편으로 이는 온건한 제어된 크래킹 공정을 수행하게 된다. 상기 온건한 크래킹 공정 이후, 경질의 상부 분획(top fraction)(32)이 상기 반응기(30)로부터 가스액체압축분리공정(gas liquid condensing separator process)(40)에로 전송될 수 있고 그리고 중질의 바닥 분획(bottom fraction)(34)이 고성능 용매추출공정(50)에로 전송될 수 있다. 상기 가스액체분리공정(40)으로부터의 산물들(outputs)(52, 54)의 일부는 상기 고성능 용매추출공정(50)의 산물들(52, 54)과 혼합되어 최종 탄화수소 제품(160)을 외부공급원들로부터의 희석제들과 혼합하거나 또는 이러한 희석제의 훨씬 감소된 용적들을 요구함이 없이 소정의 파이프라인 전송 기준을 만족하도록 하는 것을 가능하게 하는 충분한 물리적 특성들을 갖는 탄화수소 제품(160)의 결과를 가져올 수 있다.

상기 공급원료(12)는 스팀-보조 중력배수(SAGD: steam assisted gravity drainage)로부터 수득되는 중질 탄화수소 등과 같은 중질 탄화수소(신생 또는 이미 처리된 스트림), 예를 들면, 캐나다 오일 샌드 역청 또는 중질 탄화수소의 임의의 다른 적절한 공급원일 수 있다. 하나의 관점에 있어서, 상기 공급원료(12)는 0 내지 14의 범위 이내의 API 비중을 가질 수 있다.

하나의 관점에 있어서, 상기 고성능 용매추출공정(50)으로부터의 수지 스트림(54) 산물의 재순환부(70)는 유입되는 공급원료(12)와 혼합되어 공정(10)을 통하여 통과하는 상기 공정유체(14)를 형성할 수 있다. 처리된 제품 특성 목표들을 만족하도록 추가의 원유 수율 및/또는 보다 경질의 원유 및/또는 아스팔텐 억제가 요구되는 경우들에서 상기 수지 스트림은 상기 공정유체에 첨가될 수 있다. 수지 재순환은 작업자에게 조절가능한 흐름 매개변수(flow parameter)를 통하여 생산 명세들을 만족하도록 하는 융통성을 제공하고 그리고 공장에서 공급원료 변화를 양호하게 취급하는 것을 허용한다.

상기 용매추출공정(50)으로부터의 상기 수지 제품(54)은 전형적으로는 상대적으로 낮은 API 비중을 가질 수 있다. 하나의 관점에 있어서, 상기 수지 제품(54)의 상기 API 비중은 0 내지 10 사이의 API 비중을 가질 수 있다. 상기 공급원료(12)의 특성들 및 상기 공급원료(12)와 혼합된 수지 제품(54)의 양에 따라, 그 결과의 공정유체(14)는 일정한 범위의 특성들 및 특히 일정한 범위의 API 비중들을 가질 수 있다.

상기 공정유체(14)(전적으로 상기 공급원료(12)로부터 수득되거나 또는 공급원료(12)와 상기 용매추출공정(50)으로부터의 수지 제품(54)의 혼합물로 형성된)는 상기 히터(20)에로 전송될 수 있으며, 여기에서 공정유체가 상기 반응기(30)에로 전송되어 온건한 열분해를 수행하기 이전에 상기 히터(20)를 통과함에 따라 상기 공정유체(14)는 소정의 온도까지 가열될 수 있다. 반응기(30)는 상기 반응기 전체에 걸친 열의 균일한 적용을 통하여 일정한 유체 온도를 유지하여 상기 반응기의 운전 및/또는 성능에 문제가 되거나 해로운 코크스화 없이 온건한 열분해를 허용하도록 한다.

하나의 관점에 있어서, 상기 히터(20)는 상기 공정유체(14)가 상기 반응기(30) 내로 도입되기 이전에 상기 공정유체(14)를 675 내지 775℉의 온도까지 가열시킬 것이다.

상기 반응기(30) 내에서, 상기 공정유체(14)(상기 히터(20)에 의하여 675 내지 775℉ 사이까지 가열된)는 온건한 제어된 크래킹 공정을 수행한다. 적절하게 위치된 히터들이 이 반응기(30) 내에 제공되어 히터(20)에서 생성된 소정의 일정한 온도를 유지하도록 하고 그리고 상기 유체(14)에 대하여 일정한 열류를 적용하도록 한다. 상기 히터들은 쉽게 획득가능한 임의의 공급원(전기, 열전달유체, 방사 등)을 통하여 열을 제공한다. 상기 반응기(30)는 일차적으로 5가지의 상호-연관된 공정 변수들(온도, 압력, 체류시간, 스윕가스 및 열류)을 최적화하는 것을 통하여 상기 반응 동안에 코크스가 형성되는 것을 감소시키거나 또는 심지어 방지하도록 하고, 그리고 가스 생산을 최소화하는 한편으로 또한 상기 중질의 탄화수소의 아스팔텐부의 일부의 정유공장-용 공급원료 성분들로의 최적의 전환을 제공하도록 하는 방법으로 운전될 수 있다.

제1 및 제2 변수들은 7000 내지 12000BTU/hr sq.ft(영열량/시간ㆍ입방피트) 사이의 균일한 열류를 상기 반응기 내의 공정유체의 전체 조에 적용시키고 그리고 상기 반응기 내의 단일 작업온도를 675 내지 775℉ 사이로 유지하는 것을 포함한다. 이는 상기 반응기 내에 적절하게 크기를 갖고 그리고 위치되는 가열장치들의 존재에 의하여 달성될 수 있다. 히터들의 수는 임의의 2개의 히터들 사이에서의 열의 분산을 계산하여 상기 조를 통하여 균일한 온도를 갖도록 하고 그리고 상기 반응기 내의 목표 온도 보다 현저하게 높은 절정 또는 스폿(spot) 온도를 피하도록 하여 설정될 수 있다.

제3 변수인 체류시간은 상기 반응기 내에서 40 내지 180분 사이가 될 수 있다.

제4의 반응기 변수인 작업압력(operating pressure)은 일정한 성능을 위하여 사용되는 표준 압력 제어 원리들에 따라 대기압 또는 그 근처일 수 있으며, 어떠한 경우에도 50프사이(psig) 이하이어야 한다. 상기 압력 범위는 하한(low end)이 필수적으로 상기 반응기를 우회하는 탄화수소의 과도한 미숙 분출(premature flashing)을 방지하도록 제어되고 그리고 상한(high end)이 2차 크래킹 및 후속하는 증가된 가스 수율을 감소시키도록 제한된다.

상기 공정유체와 동일한 온도범위(675 내지 775℉) 21인 제5의 반응기 변수인 뜨거운 스윕가스(36)가 상기 반응기(30) 내에서 20 내지 80scf/bbl(표준입방피트/배럴)의 범위로 상기 공정유체(14)에 첨가된다.

상기 스윕가스(36)는 천연가스(natural gas), 수소, 상기 공정으로부터 생산된/연료 가스(produced/fuel gas), 스팀, 질소 또는 상기 반응기 환경에서 액체로 응축될 수 없는 임의의 다른 비-반응성, 비응축성 가스가 될 수 있다.

20 내지 80scf/bbl의 공급 용량의 스윕가스가 제공되어 "보다 경질의" 탄화수소 제품들(즉, 메탄 내지 750℉ 미만의 비점의 탄화수소들)이 상기 반응기(30) 내에서 생성되자마자 바로 제거하도록 하여 가스 제조를 증가시키고 그리고 잠재적으로 올레핀계 나프타/증류물(olefinic naphtha/distillate) 생산을 증가시킬 수 있는 2차 크래킹이 최소가 되도록 한다.

상기 스윕가스는 또한 상기 반응기가 소정의 작업압력(50프사이 미만) 및 온도에 더 근접하여 작동하도록 하는 것을 허용한다. 상기 스윕가스(36)는 또한 별도의 열을 제공하거나 및/또는 상기 반응기(30) 내에서 상기 공정유체(14)를 혼합하는 데 사용될 수 있다.

도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 바와 같이, 반응기(30)에 대한 열에너지 스트림(36)은 상기 소정의 온도(675 내지 775℉) 및 압력(50프사이 미만)에서 상기 반응기 내에서의 탄화수소 체류시간(40 내지 180분)에 걸쳐 균일하게(7000 내지 12000BTU/hr sq.ft) 적용되어 코크스화를 개시할 수 있는 임의의 국소의 절정 유체 온도를 최소화하도록 하고 그에 의하여 보다 높은 체적 온도(bulk temperature)에서 열의 증가된 열전달을 허용하도록 하여 반응기(30) 내에서의 탄화수소들의 전환을 개선시키도록 한다. 이들 작업 조건들에서, 반응속도론(reaction kinetics)은 상기 반응기(30) 내에서 코크스화 또는 증가된 가스 생산을 야기함이 없이 정유업자를 위한 중심에서 벗어난(outlying) 탄화수소쇄들을 우선적으로 분해하여 소정의 탄화수소(감압경유(VGO) 및 디젤 범위 탄화수소)를 생성하는 아스팔텐의 최적의 전환에 알맞다. 하나의 실시예로서, 표 1은 서로 다른 형태들의 원유들에 대한 아스팔텐의 서로 다른 구성들을 나타내고 있다. 반응기(30)의 제안된 작업 조건들은 t서로 다른 원유들에 대한 상대적인 복잡도 및 높은 측쇄도(degree of side chains)를 고려한다.

[표 1]

각 변수는 제공된 공급원료의 품질에 따라 또는 소정의 산물의 품질에 따라 제안된 범위들 내에서 독립적으로 변경될 수 있다. 상기 5가지의 언급된 공정변수들이 상호-연관되어 있기 때문에, 전술한 목표 기능(예를 들면 최소 제품 규격들을 만족하는 최대 수율)에 대한 다중-조절가능 공정제어방식(process control scheme)이 상기 변수들 중의 어느 하나가 변화되거나 또는 공급/제조 상황 또는 목표가 변경되는 경우에 상기 공정이 최적의 지점에서 조작되는 것을 보증하는 데 유리할 수 있다.

일단 상기 공정유체(14)가 충분한 시간 동안 상기 반응기(30) 내에 잔류하여 상기 반응기(30)의 산물들의 특성들이 소정의 품질들에 도달하면, 경질의 오버헤드 분획(light overhead fraction)(32) 및 중질의 바닥 분획(34)들이 상기 반응기(30)에서 제거될 수 있다.

상기 반응기(30)로부터의 상기 산물의 상기 경질의 오버헤드 분획(32)은 비-응축성의 증기 제품들, 경질의 액체 탄화수소 및 보다 중질의 액체 탄화수소를 포함할 수 있다. 상기 증기 제품들은 열분해를 수행하는 동안 사워 가스(sour gas) 등과 같이 상기 공정유체(14)로부터 방출되는 증기와 마찬가지로 상기 반응기(30)로 도입되고 그리고 상기 반응기를 통하여 통과하는 미전환되거나 미사용된 스윕가스(36)가 될 수 있다.

상기 오버헤드 액체 분획(32)은 상기 바닥 분획(34)에 비해 훨씬 더 높은 API 비중을 가질 것이다. 예를 들면, 상기 오버헤드 액체 분획(32)은 전형적으로 26 또는 그 이상의 API 비중을 가질 것이다. 상기 오버헤드 분획(32)은 가스액체분리 유닛(40)에로 지향될 수 있으며, 이는 하나의 실시예로서 냉각기(41) 및 분리드럼(separation drum)(42)을 포함할 수 있으며, 여기에서 나프타 및 보다 중질의 탄화수소들을 포함하는 응축가능한 액체 제품인 상기 오버헤드 분획(32)의 일부가 상기 오버헤드 분획(32)의 가스상 성분들로부터 분리될 수 있다. 사워 가스 등과 같은 원치않는 가스들을 포함하는 오프-가스 라인(off-gas line)(43)이 상기 분리드럼(42)에 제공되어 이들 가스들이 폐기되거나, 재순환되거나 또는 추가의 처리에 적용되도록 할 수 있다.

하나 또는 그 이상의 액체 탄화수소 스트림들이 분리드럼(42)으로부터 생산될 수 있다. 스트림(46) 보다 중질의 탄화수소인 스트림(44)이 제품 혼합을 위하여 송출될 수 있는 한편으로 스트림(46)은 제품 혼합에 앞서 추가로 대량 수첨-처리(bulk hydro-treating)가 고려될 수 있다.

상기 바닥 분획(34)은 탄화수소 및 변성된 아스팔텐들을 포함할 수 있다. 비록 상기 반응기(30)로부터 취해진 상기 바닥 분획(34)의 특성들이 상기 반응기(30) 내로의 상기 공정유체(14) 입력 및 상기 반응기의 작업 매개변수들에 따라 달라질 수 있기는 하나, 하나의 관점에 있어서, 상기 바닥 분획(34)은 -7 내지 5 사이의 범위 이내의 API 비중을 가질 수 있다.

제어가능한 공정 변수들은 작업자가 인입되는 공정유체(14)의 변화하는 특성들에 기초하여 최종 제품의 요건들을 만족하도록 상기 반응기의 성능을 변경시키도록 하는 것을 허용한다.

상기 반응기(30) 내의 상기 5가지의 상호-연관된 변수들, 즉, 체류시간, 스윕가스, 열류, 온도 및 압력의 제어가능성은 작업자가 상기 반응기(30)의 성능을 변화시키도록 하는 것을 허용한다.

이러한 방법으로, 다른 신규 공급원 또는 더 많거나 또는 더 적은 수지 재순환부(70) 등과 같이 상기 공급원료(12)의 특성들이 변화되는 경우, 코크스의 생성을 회피하고 그리고 상기 반응기(30) 내에서 생성되는 비-응축성 증기들의 생성을 최소화되도록 상기 5가지의 상호-연관되는 공정 변수들이 최적화될 수 있다. 예를 들면, 상기 작업자는 소정의 수율 및/또는 산물들(32, 34)의 품질을 수득하기 위하여 상기 공정유체(14)의 특성들에 기초하여 상기 반응기(30) 내의 상기 공정유체(14)의 체류시간을 변경시킬 수 있다. 달리, 상기 작업자는 유사하게 재단된 결과들을 달성하기 위하여 상기 스윕가스, 온도 또는 압력을 변경시킬 수 있다. 상기 공정 변수들은 상호-연관되어 있고 그리고 코크스의 최소화 및 과량의 가스 생산의 회피가 도전할 만한 것이고 그리고 파일럿 운전에 의해 가장 잘 결정되며, 이들은 과도한 실험 없이도 수행될 수 있다.

상기 반응기(30)로부터의 상기 바닥 분획(34)은 열적으로 영향을 받은 아스팔텐 스트림(58), 추출된 오일 스트림(52) 및 수지 스트림(54)을 생산할 수 있는 고성능 용매추출공정(50)에로 공급될 수 있다. 상기 반응기(30)는 코크스의 생성을 유의미하게 제한하고 그리고 심지어 방지하고 그리고 가스 생산을 감소시키는 한편으로 아스팔텐을 다운스트림 가공(downstream processing)에 보다 적절한 성분들로 전환시키는 방법으로 운전된다. 따라서, 변성된 아스팔텐 및 다른 원치않는 요소들(elements)이 상기 반응기(30)로부터 제거되는 상기 바닥 분획(34) 내에 잔류한다.

상기 바닥 분획(34) 내에 잔류하는 원치않는 요소들로부터의 소정의 정유공장 공급원료 원유의 회수를 최대화하기 위하여, 상기 반응기(30)로부터의 상기 바닥 분획(34)은 예를 들면 고성능 용매추출공정(50)을 사용하여 더욱 처리되어야 한다. 용매추출공정(50)에 의한 상기 바닥 분획(34)의 상기 처리는 상기 반응기(30) 및 상기 용매추출공정(50)이 함께 사용되어 적절한 전 범위(full range)의 정유공장 공급원료 원유를 생산하도록 하는 것을 허용한다.

상기 용매추출공정(50)은 임의의 적절한 용매추출공정을 포함할 수 있다. 하나의 관점에 있어서, 이는 상기 바닥 분획(34) 내의 수지들로부터 아스팔텐을 분리하는 3단 초-임계 용매공정(three stage super-critical solvent process)이 될 수 있다. 상기 용매추출공정(50)의 산물은 아스팔텐 스트림(58), 추출된 오일 스트림(52) 및 수지 스트림(54)이 될 수 있다. 상기 아스팔텐 스트림(58)은 전형적으로 바람직하지 않은 것이고 그리고 상기 공정(10)으로부터 제거된다. 상기 추출된 오일 스트림(52)은 9 내지 15의 API 비중을 갖는 상대적으로 고품질인 것일 수 있다. 상기 수지 스트림(54)은 상기 추출된 오일 스트림(52) 보다 낮은 API 비중을 갖는 상기 추출된 오일 스트림(52) 보다 전형적으로 보다 낮은 품질인 것이다. 하나의 관점에 있어서, 상기 수지 스트림(54)은 0 내지 10의 API 비중의 범위 이내의 API 비중을 가질 수 있다.

상기 용매추출공정(50)으로부터의 상기 추출된 오일 스트림(52) 및 상기 수지 스트림(54)들은 상기 액체가스분리기(40)로부터 수득된 상기 액체제품 스트림(44)와 함께 혼합되어 상기 파이프라인-용 및/또는 정유공장-용의 규격들을 만족하는 최종 탄화수소 제품(160)을 형성할 수 있다. 하나의 관점에 있어서, 이 최종 탄화수소 제품(160)은 19 이상의 API 비중을 가질 것이다. 전형적으로, 상기 최종 탄화수소 제품(160)은 350센티스토크(CentiStokes: "cSt") 또는 그 이하의 점성을 가질 것이다.

상기 수지 스트림(54)은 전형적으로 상기 추출된 오일 스트림(52) 보다 더 낮은 품질의 것이다. 상기 수지 스트림(54)의 상기 재순환부(70)는 상기 최종 탄화수소 제품(160)을 형성하도록 하기 위하여 재가공되도록 상기 공급원료(12)와 혼합될 수 있다. 그 결과, 상기 수지 스트림의 이 재순환부는 상기 최종 탄화수소 제품(160)의 품질을 향상시킬 것이다.

다른 관점에 있어서, 도 2에서, 상기 5가지 상호-연관되는 변수들로 운전되고 따라서 최대 수율을 위하여 반응기(30)와 일체화되는 경우의 최적의 용매 탈아스팔트화 및 고체분리방식이 묘사되어 있다. 전단 혼합기(25) 및 단식 아스팔텐 추출기(50)가 제공되어 오일 및 용매로부터의 스트림(58) 중의 고체 아스팔텐, 스트림(51)을 분리하도록 한다. 반응기(30) 내에서 생성된 열적으로 영향을 받은 아스팔텐으로 인하여, 상기 용매 추출은 1단계(one stage)에서 일어날 수 있고 그리고 약 2.5 : 1 이상의 용매 대 오일 중량비에서 그리고 용매에 대한 임계점 이하의 운전 조건들에서 효과적일 수 있다. 낮은 에너지/강도의 단식 추출의 결과로서, 단일의 저압 용매 스트리퍼가공 스트림(41)이 경제적이고 그리고 제품 탈아스팔트화 오일(52) 및 스트림(101)로서 회수된 용매를 분리하는 데 효과적이다. 농축된 아스팔텐 고체 스트림인 스트림(58)은 관성 분리기(60)에서 처리되어 용매증기 스트림(62) 및 건조한 고체 아스팔텐 스트림(61)로 분리된다. 스트림(62)는 응축(110)되고 그리고 상기 용매는 상기 공정에서 다시 사용되도록 재순환된다. 상기 건조한 고체는 건조 고체 저장소(130)로 송출되거나 또는 달리 취급된다. 상기 관성 분리 유닛(110)은 원심력, 중력 및 관성력 등과 같은 힘들의 조합을 사용하여 스트림(58) 중의 상기 가스 잔류 용매로부터 상기 아스팔텐 고체들을 분리한다. 이들 힘들은 상기 아스팔텐 고체를 상기 가스 스트림에 의해 발휘되는 상기 힘들이 최소가 되는 영역으로 이동시킬 수 있다. 상기 분리된 고체 아스팔텐은 중력에 의하여 호퍼 내로 이동될 수 있으며, 그곳에서 일시적으로 저장된다. 유닛(110)은 고체와 가스의 관성 분리를 제공하는 장치인 침강챔버, 배플챔버(baffle chamber) 또는 원심력 수집기일 수 있다. 원심력 수집기들은 단식 또는 다단의 사이클론일 수 있다. 용매 탈아스팔트화 유닛(50)이 상기 수지, DAO 및 용매로부터 상기 아스팔텐을 분리하는 데 전적으로 유효한 경우, 스트림(58)이 적절한 저분자량 가스(예를 들면, 천연가스 또는 질소)와 함께 분사되어 상기 아스팔텐 고체에 달리 상기 라인 내의 잔류하는 공정 용매의 분출에 의해 제공될 수 있는 공기역학적 이송(pneumatic conveyance)을 제공하도록 할 수 있다. 공기역학적 이송시스템은 대략적으로 50㎜의 입자 크기까지의 고체들을 이송시킬 수 있다. 상기 고체는 20% 이하의 수분을 갖도록 그리고 점착적이지 않도록 건조되어야 한다. 상기 열적으로-영향을 받은 아스팔텐 고체들은 상기 기준을 만족하고 그리고 그에 따라 상기 공정은 관성분리 유닛(110)을 유리하게 사용하게 된다.

상기 반응기(30)로부터 제품 탄화수소의 전체 회수를 증가시키고 그리고 용매 순환비율을 감소시키기 위하여, 고성능 용매추출공정(50)은 다른 전단 혼합기(235)를 수반하여 선택적인 추가의 추출공정단계(55)를 포함할 수 있다. 제2 추출기(55)에 의한 상기 아스팔텐-풍부 스트림에 대한 별도의 용매추출단계는 1차 추출기에서 사용된 동일한 용매에 대하여 표준 액체-액체 추출을 사용한다. 상기 용매 대 오일 비율이 이 컬럼 내에서 20 : 1 까지 경제적으로 증가되어 탈아스팔트화 오일의 회수를 증가시키는 한편으로 전체 용매 사용이 감소될 수 있기 때문에, 상기 아스팔텐-풍부 스트림에 대한 이 표준 액체-액체 컬럼의 배치는 유리할 수 있다. 스트림(52) 내에서의 높은 탄화수소 회수를 달성하기 위하여 사용하는 전체 용매는 비교가능한 공지 기술의 공정들에 비해 25% 더 적게 될 수 있다. 그 결과는 3-단계 추출공정의 기술현황에 비하여 에너지 소모에서의 유의미한 감소가 된다. 그 결과의 아스팔텐 스트림(58)은 아스팔텐분리 유닛(110)에서 20% 더 적게 처리될 수 있다. 잔류하는 농축된, 열적으로-영향을 받은 아스팔텐의 코어부는 심지어 상승된 온도(700℉ 초과)에서 조차도 탄화수소 측쇄들이 제거된 고체이며, 아스팔텐 분리 유닛에서 더 적은 용적이 취급되는 결과를 가져온다. 게다가, 상기 아스팔텐의 변성된 속성은 보다 효과적인 금속들의 매축(reclamation) 및 청정에너지 전환 기술(예를 들면, 가스화, 촉매가스화(catalytic gasification), 향상된 스팀-보조 중력배수 생산을 위한 순산소-연소(oxy-combustion))을 위한 보다 나은 공급원료에 대한 기회를 제공한다.

도 1에서의 공정(10)은 파이프라인 순응(pipeline compliant)이고 그리고 고전환 정제기(high conversion refiners)에 최적인 조공급원료(crude feedstock)를 제공한다. 스트림(160)은 낮은 금속(20wppm 미만 니켈 + 바나듐), 낮은 아스팔텐(0.3중량% 미만), 극히 낮은 전산가(TAN number)(0.3㎎KOH/㎎ 미만)를 갖고 그리고 희석제를 갖지 않고, 그리고 감압경유 물질이 높다(원유의 30 내지 50%). 고전환 정제기(1.4 : 1 초과의 전환 대 코크스화)를 위하여는, 스트림(160)에서 생산된 원유의 증류 품질이 최고치의 이익-생성 유닛의 활용을 개선시키는 한편으로 잔여 유닛들을 충족시킬 것이다. 표 2는 공정(10)의 스트림(160)에 비하여 여러 대표적인 중질유 원유 스트림들 1배럴에 포함되는 각 비점 물질의 백분율을 나타내고 있다. "비-업그레이드된(non-upgraded)" 공급원료들(dilbit = 희석된 역청이고 그리고 WCS = 웨스턴 캐나다 셀렉트(Western Canada Select)임)은 전체 배럴의 35% 이상의 더 많은 감압 중질 잔사(vacuum heavy residue)(950℉ 이상의 물질)를 가져 집중적인 전환과 정유업자가 수송연료로 정제하여 이득을 얻을 수 있는 것 보다 정유공장에로의 전송을 위하여 보다 많은 경질 물질(탄소수 5의(C5's))을 요구한다. 반면에 완전 업그레이드/생산된 정유공장-용 공급원료(SSB = 스위트 합성 혼합물(sweet synthetic blend)임)는 근본적으로 감압 잔사 또는 경질 물질(C5's)을 갖지 않는다. 이는 조정되지 않았고 따라서 정유업자들에 대하여 용량 한계(volume limitations)를 갖는다. 정유업자들은 10 내지 25%의 감압 잔사, 20 내지 50%의 가스 오일(HVGO = 중질 감압 가스 오일이고, LVGO = 경질 감압 가스 오일이고, AGO = 대기압 가스 오일임), 40 내지 60%의 가솔린 내지 디젤 범위 물질을 포함하는 전체 잘-조정된 공급원료를 가공하는 운전들을 개발하여왔다. 표 2에 나타난 바와 같이, 스트림(160)이 우선적으로 다른 중질의 통상적인 원유들과 동일한 범위에서 탄화수소 조성에 대하여 다른 중질의 통상적인 잘-조정된 원유들(ANS = 알라스카 북부 사면(Alaska North Slope)이고, WTI = 서부 텍사스 중질유(West Texas Intermediate)이고, MSO = 미디엄 사우어(Medium Sour: Midale)임)과 비교한다.

[표 2]

반응기(30), 고성능 용매추출공정 유닛(50) 및 관성분리 유닛(110)의 조합은 감소된 공정 복잡도를 나타낸다. 이는 코크스화 및/또는 수첨처리방식에 대한 9.0 내지 10.0에 비해 현저하게 적은 4.0 내지 4.5의 넬슨 복잡도 지수값(Nelson complexity index value)으로 표현될 수 있다. 개선된 성능의 다른 설명은 운전하는 데 4.70GJ/tonne(기가주울/톤) 공급원료의 에너지 입력(energy input)을 요구하는 중질 코크스화 공정(delayed coking process)과 비교하는 경우, 3.93GJ/tonne 공급원료의 감소된 에너지 요구이다. 이는 에너지 강도에 있어서 중질 코크스화 공정에 비하여 16.4%의 감소이다. 이는 상기 중질 코크스화 공정에 대한 0.253톤 CO2/톤 공급원료(0.253 tonne C02/tonne feed)와 제안된 공정에 대한 0.213톤 CO2/톤 공급원료(0.213 tonne C02/tonne feed)의 비교온실가스(specific greenhouse gas: GHG) 방출에 대응한다. 제품 비교를 기준으로 하면, 상기 에너지 감소는 코크스화 공정에 대하여 대략 25 내지 27%이다.

코크스화 업그레이드 공정 및 표준 반응기 및 용매추출공정과 비교하는 경우, 공정(10)은 표 3에서 언급된 바와 같이 부산물들(코크스 및 비-응축성 탄화수소들)을 최소화시키는 것에 의하여 수율에서 명백한 개선을 제공한다.

[표 3]

공정(10)의 보다 낮은 복잡도와 함께, 작업 온도 및 압력을 낮추는 데 기여하는 다른 잇점은 낮은 자본 비용(capital cost)이다. 설비가 덜 요구되고, 그리고 사용될 수 있는 플랜지 레이팅(flange rating)이 "구절점(break-point)" 바로 아래이며, 여기에서 포함된 압력 및 온도로 인하여 물질 규격들이 변화하여 비용을 증가시킨다. 상기 물질의 높은 황 농도 및 전산가 등급(TAN rating)을 고려하면, 304L/316LSS 물질이 신뢰도를 위한 적절한 선택이다. 이러한 야금(metallurgy)에 대하여는, 하나의 실시예로서 클래스 300(class 300) 배관 및 플랜지들이 400℉ 및 415프사이에서 취급될 수 있다(공급원: ASME/ANSI B16.5 1988/2009 규격). 상기 용매 탈아스팔트화 유닛은 최대 400℉ 및 400프사이에서 운전될 수 있고, 따라서 클래스 300이 특정될 수 있다. 공지 기술의 용매 탈아스팔트화 공정과 비교하는 경우, 다른 공정들의 보다 높은 작업 온도 및 압력들을 취급하는 데 요구되는 클래스 600과 같은 보다 높은 배관/플랜지 클래스가 요구될 것이다. 예를 들면, 클래스 300 플랜지의 가격의 8배의 가격에 달하는 클래스 600 플랜지들을 수반하는 공지 기술의 용매 탈아스팔트화 구조로 된 공정들에 대하여 공정(10)을 위한 전체 자본 비용 절약은 20 내지 30%의 범위 이내가 될 것이다.

신규한 농목지대 공장들(grassroots facilities)에 대하여 적절한 것과 마찬가지로, 도 3은 현존하는 업그레이더(upgrader)에의 본 발명의 상기 기술된, 집약화되고, 제어된 열분해기 및 개선된 용매 탈아스팔트화의 예시적인 적용을 나타내고 있다. 상기 제안된, 집약화된 공정, 반응기(30), 단순화된 용매 탈아스팔트화(50) 및 아스팔텐 회수(110)들은 정유업자의/업그레이더의 코크스화 유닛의 상향류에 위치될 수 있다. 정유업자/업그레이더에의 잇점은 진공 및 코크스화 유닛을 탈병목화(debottleneck)하는 능력 및 상기 유닛에 보다 중질의 원유를 받아들이는 능력이다. 현존하는 설비 상에서 보다 많은 배럴들이 처리되는 것이 투자된 자본에 대한 보다 많은 이득 및 경제적인 수익과 동일시된다. 게다가, 보다 높은 품질의 물질이 코크스화 유닛(300)에로 보내져서, 운전 가혹도(operating severity)를 감소시키고, 코커(coker)에 대한 주기(cycle time)(12 내지 24시간)를 증가시키고 그리고 가스 및 코크스는 덜 생산하고 제품을 더 생산하는 것에 의하여 상기 코커의 수명을 증가시킬 수 있다. 설비를 교체하기 위한 자본 비용들이 지연될 수 있고 그리고 수율의 증가가 실현될 수 있다(약 2 내지 3%). 상기 용매 탈아스팔트화에서 포획된 상기 고체 아스팔텐은 처분이 쉽게 획득가능하고, 상기 제안된 집약화된 공정의 추가를 이루는 현존하는 코크스 수집(coke gathering) 및 수송 시스템인 스트림(302)이 보다 비용 경적이고 그리고 크게 이득이 된다.

도 3에서 유닛(200)으로 지시된 바와 같이, 스트림(12)은 대기압 컬럼, 감압 컬럼 또는 접촉열분해 유닛으로부터의 바닥 스트림들이 될 수 있다. 상기 집약화된 분해기 및 용매 탈아스팔트화 공정은 수첨분해 및 수첨처리 복합 유닛(400) 내의 스트림(401)의 수송 연료로 더 처리될 수 있는 DAO 스트림(52)을 생산한다. 상기 집약화된 분해기 및 용매 탈아스팔트화 공정은 또한 마감된 제품들로 더 가공되기 위하여 코크스화, 유동층 접촉열분해(fluidized catalytic cracking: FCC) 및/또는 아스팔트 공장에로 보내질 수 있는 수지 품질 스트림(54)을 생산할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 스트림(61)로 생성된 상기 고체 아스팔텐은 유닛(300)에서 생산된 상기 코크스와 혼합되거나 또는 부지 밖(off-site)으로 보내져서 추가로 가공(에너지 생산 및/또는 격리(sequestration))될 수 있다.

하나의 실시예로서, 도 4는 정유업자 및/또는 업그레이더를 위한 신규한 설계 또는 개조 기회를 위한 특정의 구체예를 나타낸다. 유닛(200)은 진공 유닛이고 그리고 상기 바닥 스트림(12)이 상기 집약화된 분해기/용매 탈아스팔트화 공정, 유닛들(20, 30, 40, 50, 60 및 110)에로 보내어진다. 상기 DAO 스트림(52)은 상기 진공 유닛으로부터의 스트림(205)과 함께 수첨분해 및 수첨처리 유닛(400)에로 보내어진다. 수지 스트림(54)은 유닛(50)으로부터 생산되고 그리고 잔사 수첨분해 유닛(500)에로 보내어진다. 유닛(500)에로 보내어진, 반응하는 경우 고도로 발열성인, 덜한 아스팔텐들에 대해서는, 상기 잔사 수첨분해기가 높은 전환율(+8 내지 15%)로 운전되어 최종 수송 연료 제품으로서 보다 많은 물질을 생산할 수 있다. 유닛(110)으로부터 상기 고체 아스팔텐 스트림(61)은 수소 생성을 위하여 상기 가스화 유닛에로 보내어질 수 있다.

도 3에서와 같이, 도 4에의 상기 집약화된 유닛을 첨가하는 잇점들에는 공장에로 유입되는 원유의 최대 수율 존재하는 경우의 탈병목화 또는 코크스화 유닛 크기의 감소; 존재하는 경우의 탈병목화 또는 잔사 수첨분해 크기의 감소; 존재하는 경우의 탈병목화 또는 가스화 유닛 크기의 감소; 복합체(complex)에 대한 감소된 전체 탄소 족적(carbon footprint); 들이 포함될 수 있다.

도 2의 상기 집약화된 공정은 또한 작은(sweet), 저 복잡성(하이드로-스키밍(hydro-skimming ; 분해시설 미보유) 정유업자들이 보다 쉽게 획득가능한 보다 중질의, 저렴한 원유들을 수용할 수 있도록 하고 따라서 더 넓은 범위의 공급원료를 수용하는 것에 의하여 가치를 더 잘 잡을 수 있도록 자산(assets)을 이전(reposition)하는 것을 도와줄 수 있다. 상기 집약화된 공정은 정유공장의 전방에 위치되어 상기 중질의 원유의 초기 조정(initial conditioning)을 제공하도록 할 수 있다.

작업 조건들의 비교

본 발명의 상기 집약화된 공정의 신규한 배치 및 특징들은 임의의 선행 기술 공정에서 이전에 가능하지 않았던 영역에서 운전하는 기회를 제공하고 그에 의하여 중질의 탄화수소를 0의 API 아래로 처리하기 위한 기술적으로 실현가능하고 그리고 경제적으로 바람직한/우월한 해결책을 형성할 수 있다. 89 내지 91% 범위의 DAO 용적 수율 및 2% 이하의 용매 손실로, 낮은 운전 및 자본 비용들의 결과를 가져오는 이 낮은 복잡도의 집약화된 공정은 파이프라인용 및 정유공장 공급원료를 생성하는 경제적인(수익의 비율에 기초하여) 해결책을 생성한다. 표 4는 일부 대표적인 현존하는 특허들과 본 발명의 비교를 제공한다. 볼드체(굵은 글씨체)의 항목들은 공정(10)과 비교할 때 선행 기술을 직접적으로 한정하거나 또는 불리한 조건들을 나타내고 있다. 비교된 기술들 중의 어느 것도 0 내지 7 이내의 API 밀도 범위의 중질 탄화수소 공급원료에 대하여 설명된 공정과 동일한 수율을 달성하지 못하였다. 상기 비교에는 집약화된 분해기 및 용매 탈아스팔트화 유닛들 및 또한 용매 탈아스팔트화 만의 방식이 포함된다. 본 발명이 그 운전의 일부로서 미합중국 특허 제7976695호에서 개괄된 열분해기 공정의 일부 개념들을 차용하기 때문에, 열분해기 공정들에 대한 비교는 제공되지 않았다. 표 4에서 중요한 것은, 상기 열분해기에 대한 운전 조건들의 독특한 조합이 운전 조건들의 독특한 조합과 엄격히 아스팔텐 고체들과 용매 증기를 취급하는 관성 분리기의 사용으로 가동될 수 있는 상기 용매 탈아스팔트화의 단순화를 허용한다.

[표 4]

이 집약화된 공정으로, 0 내지 12+의 API 범위 이내의 원유들이 신뢰성있게 처리될 수 있다. 게다가, 상기 용매 탈아스팔트화 유닛(50)은 -5 내지 0의 범위 이내의 공급원료들을 신뢰성있게 수용할 수 있다. 스윕가스(다른 유사한 공정들에서는 사용되지 않은)의 사용, 균일한 열류(다른 공정들에서는 유지되지 않은), 낮은 운전 압력 및 온도들은 온건하고, 선호되는 반응들을 허용하여 보다 중질의 탄화수소들을 이 범위의 현존하는 탄화수소들과 함께 파이프라인 수송에 적절한 경질 가스 오일 범위까지 전이시킨다. 최소의 코크스 형성 및 경질 가스 형성은 상기 탄화수소들의 대부분(원유 배럴의 90% 이상)을 바람직한 제품으로 유지시킨다. 아스팔텐들 또한 "점착성인" 분자에서 "바삭바삭한(crunching)" 분자로 전환되었다. 상기 변성된 아스팔텐 풍부 스트림이 -7 내지 0의 API 밀도들에서 신규한 운전 조건들의 조합과 함께 단순화된 용매 탈아스팔트화 공정에서 처리될 수 있다. 관성 고체 분리기를 수반하는 단일 추출 단계 및 저압 용매 스트리퍼가 상기 언급된 고수율들을 얻는 데 요구되는 전부가 될 수 있다. 표 5에 나타난 바와 같이, 오일에 대한 용매의 중량비는 탄소수 6(C6) 및 탄소수 7(C7)의 범위 이내의 바람직한 용매들에 대하여 2 내지 4 : 1의 범위 이내가 될 수 있다. 단일 추출 컬럼 내의 온도는 임계값 보다 낮고, 압력도 마찬가지이다. 이들 낮은 작업 조건들에서, 에너지 사용이 크게 감소되고 그리고 단일의 저압 스트리퍼만이 요구된다. 덜 비싼 재료들의 덜 한 물리적 설비 및 구성들이 요구되어 다른 개념들에 비해 전체 투자 비용을 낮춘다.

용매 선택

기술적으로 실행가능한 한편으로 경제적인 목적들을 만족하기 위해서는, 중질 원유(2 API 이하)를 탈아스팔트화 하기 위한 상기 용매는 단지 필요한 아스팔텐을 침강시키는 한편으로 상기 용매로의 용액에서의 DAO를 유지하기에 충분히 무거울(충분히 높은 분자량) 필요가 있다. 또한, 상기 용매는 대량의 에너지를 요구함이 없이 아스팔트 추출기 잔사들의 이송(고체 아스팔텐 더하기 용매) 동안에 기화하기에 충분히 가벼워야 한다.

유사하게, 상기 작업 온도는 상기 용매 중의 DAO 용해를 조장하기에 충분하게 차가워야 하고 그리고 상기 고체 아스팔텐의 수송 동안에 상기 용매를 기화시키기에 충분하게 따뜻해야 한다. 이러한 공정을 위하여, 용액의 고체 아스팔텐 침강은 주로 용매 선택에 대하여 민감하지 않다. 표 5는 중질의 점성 탄화수소들(상기 용매 탈아스팔트화에 대하여 -7 내지 0의 API)을 처리하는 경우에 고려되는 용매들의 비교를 제공하고 있다. 상기 공정의 감소된 복잡도가 신규하고 그리고 경제적으로 실현가능한 공정을 생성하는 것과 함께 탄소수 6 및 탄소수 7의 용매들이 높은 수율(89 내지 91%)을 제공한다.

[표 5]

아스팔텐들을 분리해내는 데 대한 탄소수 6 및 탄소수 7의 용매들의 유사한 유효성에 기초하여, 이들 탄화수소들의 혼합물이 비용을 감소시키는 것으로 고려될 수 있다. 수송 희석제의 대략적인 분획이 추출되고 그리고 상기 용매 탈아스팔트화에서의 상기 용매로서의 사용을 위하여 고려될 수 있다. 탄소수 5 내지 탄소수 8의 혼합물(탄소수 6 및 탄소수 7 60% 이상)이 상기 공정(10) 운전을 위한 용매를 공급하는 경우에 저가의 선택이 될 수 있다는 것이 시험에서 확인되었다. 이는 상기 공정에 대한 공급원료를 위한 본래 희석제로서 특정되는 용이하게 획득가능한 용매들을 공급하는 것을 통하여 운전 비용을 더 감소시킨다.

상기 상술된 구체예들의 앞서의 상세한 설명은 당해 기술분야에서의 임의의 숙련된 자가 본 발명을 제조하거나 또는 사용하는 것을 가능하게 하도록 제공된다. 이들 구체예들에 대한 여러 변형들이 당해 기술분야에서 숙련된 자들에게는 쉽게 이해될 수 있으며, 본 출원에서 정의되는 포괄적인 원리들이 본 발명의 정신 또는 관점으로부터 벗어남이 없이 다른 구체예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명이 본 출원에서 나타난 구체예들로 제한되는 것으로 의도되는 것은 아니나, 그러나 특허청구범위들과 일치하는 충분한 관점과는 부합하는 것이며, 여기에서 관사 "a" 또는 "an"dml 사용에 의하는 것과 같은 요소에 대한 단수로의 참조는 달리 특별히 언급되지 않고, 오히려 "하나 또는 그 이상"이 아닌 한 "하나 및 단지 하나"를 의미하는 것으로 의도되는 것은 아니다. 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되었거나 또는 후에 알려지게 되는 것들인 상기 상세한 설명을 통하여 기술된 여러 구체예들의 상기 요소들에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물들이 특허청구범위들의 요소들에 포함되는 것으로 의도된다. 게다가, 본 출원에서 기술된 어느 것도 이러한 기술이 명쾌하게 특허청구범위들에서 언급되는 지의 여부에 무관하게 공중에 헌납하는 것으로 의도되는 것은 아니다.

본 출원에서 사용된 용어들의 용어해설

본 출원인은 독자가 본 특허출원의 해석에서 도움이 되도록 하기의 것들을 제출한다. 물론, 이들 정의들은 본 발명의 기술분야에서 명목상으로 숙련된 자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같은 이들 정의들에 대한 공통적이고 그리고 일반적인 의미들을 대체하는 것은 아니고, 그리고 도움을 의미하고 그리고 유사한 용어들에 대하여 존재할 수 있는 하나 이상의 의미들의 차이를 분명히 보여주기 위한 것이다.

아스팔텐 - 아스팔텐은 즉 (1) 1부의 원유에 대한 40부의 알칸(alkane)의 희석비에서의 노말-펜탄(n-pentane)(또는 노말-헵탄(n-heptane))에서 불용성이고, 그리고 (2) 톨루엔에서 재용해되는 원유 내의 물질이다.

역청 - 은 중질 오일의 속성들을 공유하나 그러나 여전히 보다 더 짙고 그리고 점성이다.

천연 역청(natural bitumen)은 10,000cP(센티포아즈) 이상의 점성 및 전형적으로 10 이상(<10)의 API를 갖는 오일이다.

잔사(bottoms) - 상기 언급된 열분해기에서 기화하지 않는 원유 물질. 근본적으로 가스 오일, 수지 및 아스팔텐으로 이루어진다.

캐나다 역청 - 캐나다 공급원들로부터의 10 이상의 API 비중을 갖는 원유.

캐나다 중질 원유(Canadian Heavy Crudes) - 는 통상적인 중질유 및 20 이상의 API를 갖는 역청 둘 다를 포함한다.

탈아스팔트화 오일(Deasphalted oil: DAO) - 아스팔텐의 대부분이 명목상으로 500℉ 이상의 끓임으로 제거된 중질 오일 부분.

가스 오일(Gas oil) - 520 내지 1000℉의 범위 이내에서 끓는 임의의 원유 부분.

중질 오일 - 은 그 함량이 아스팔텐으로 화학적으로 특정된 아스팔트성(asphaltic), 짙은(20 API 이하의 낮은 API 비중) 그리고 점성인 오일(100cP의 한계)(오일 중의 대부분의 황 및 아마도 90%의 금속들을 포함하는 매우 큰 분자들).

가스 유분(Light ends) - 전형적으로 펜탄(pentanes), 펜틸렌 부탄(pentylenes butanes), 부틸렌(butylenes), 프로판(propane), 프로필렌(propylene), 에탄(ethane), 에틸렌(ethylene) 및 메탄(methane)을 포함하는, 5개의 탄소수의 탄소쇄들 및 그 이하로 이루어지는 탄화수소는 대기압 조건들에서 100℉ 이하의 비점들을 갖는 원유 및 역청에서 발견된 모든 물질을 포함한다.

MCR은 마이크로 카본 잔사(micro carbon residue)를 의미한다.

수지 - 800℉ 이상의 끓는점 범위 이내에 있고 그리고 아스팔텐을 포함할 수 있는 중질 오일 부분.

SDA는 "용매 탈아스팔트화기(solvent deasphalter)" 또는 "용매 탈아스팔트화(solvent deasphalting)"를 의미하고 그리고 전형적으로는 용매 탈아스팔트화 유닛을 의미하고, 이는 용매 탈아스팔트화(용매를 사용하는 공정유체로부터의 아스팔트의 제거)를 위한 처리 장치(또는 단계)이다.

합성가스(Syngas) - 근본적으로 수소, 메탄, 일산화탄소 및 탄화수소들의 파괴적 증류(destructive distillation)로부터 생성되는 오염물들로 이루어지는 가스상 혼합물.

톱핑된 원유(Topped crude oil) - 원유(crude petroleum)의 상당한 양의 보다 휘발성인 성분들(예를 들면, 가스 유분)의 증류 또는 다른 수단들에 의한 제거 이후의 원유 스트림의 일부.

Claims (21)

1. 중질의, 고아스팔텐 공급원료 공정유체로부터 파이프라인-용 또는 정유공장-용 공급원료 및 건조한, 열적으로 영향을 받은 아스팔텐 고체를 생산하기 위한 최적화되고, 집약화된 공정에 있어서,
   (a) 히터 내에서 공정유체를 설계된 온도까지 예열시키는 단계;
   (b) 상기 예열된 공정유체를 반응기에로 이송시키고 그리고 상기 반응기 내의 상기 공정유체 중의 아스팔텐을 적절하게 전환시켜 열적으로 영향을 받은 아스팔텐-풍부 분획(들)의 제1 스트림 및 증기의 제2 스트림을 생산하는 단계;
   (c) 상기 증기의 제2 스트림을 비-응축성 증기의 제3 스트림 및 보다 경질의 액체 탄화수소(들)의 제4 스트림으로 분리하는 단계;
   (d) 상기 제1 스트림의 열적으로 영향을 받은 아스팔텐-풍부 분획을 용매추출공정으로 중질의 탈아스팔트화 오일(DAO)의 제5 스트림 및 농축된 아스팔텐의 제6 스트림으로 탈아스팔트화하는 단계;
   (e) 상기 제5 스트림의 중질의 DAO와 상기 제6 스트림의 액체 탄화수소를 파이프라인-용 또는 정유공장-용 공급원료가 되도록 혼합하는 단계; 및
   (f) 농축된 아스팔텐의 상기 제6 스트림을 관성 분리 유닛 내에서 건조한, 고체 아스팔텐의 제7 스트림 및 상기 공정에서 재사용하기 위한 용매의 제8 스트림으로 분리하는 단계;
   를 포함하는 최적의 집약화된 공정.
2. 제 1 항에 있어서,
   연속 공정으로서 상기 반응기가 하기의 매개변수들 즉:
   (a) 상기 반응기 내에서 상기 공정유체에 도입되는 7000 내지 12000BTU/hr sq.ft 사이의 균일한 열류;
   (b) 상기 반응기 내로 도입되는 20 내지 80scf/bbl(가스/공정유체)의 스윕가스;
   (c) 상기 반응기 내에서의 40 내지 180분 사이의 상기 공정유체의 체류시간;
   (d) 상기 반응기 내에서의 675 내지 775℉ 사이의 실질적으로 균일한 작업온도;
   (e) 상기 반응기 내에서의 50psig 이하의 대기압 근처의 작업압력;
   내에서 운전되는 오버헤드 부분 응축기를 수반하는 단일의 열전환 반응기인 최적의 집약화된 공정.
3. 제 1 항에 있어서,
   연속 공정으로서 상기 용매 탈아스팔트화가 하기의 매개변수들 즉:
   (a) 탄소수 6 내지 탄소수 7의 범위 이내의 용매;
   (b) 2 내지 4 : 1의 범위 이내의 오일에 대한 용매의 질량비;
   (c) 용매의 임계온도에서 40℉ 내지 130℉ 차감된 범위 이내의 온도에서 운전되는 아스팔트 추출기;
   (d) 용매의 임계압력에서 40 내지 240psig 차감된 범위 이내의 압력에서 운전되는 아스팔트 추출기;
   에서 운전되는 전단 혼합기, 간단한 아스팔트 추출기 및 저압 DAO/용매 회수 스트리퍼인 최적의 집약화된 공정.
4. 제 1 항에 있어서,
   (f) 단계가 관성 분리 유닛을 사용하는 최적의 집약화된 공정.
5. 제 1 항에 있어서,
   용매 탈아스팔트화 단계에 대한 결과의 공급원료가 -8 내지 0의 API를 갖고 그리고 관성 분리기에 대한 결과의 공급원료가 700℉ 이상의 온도에서 고체가 되는 상기 공정에 대한 공급원료가 0 내지 12의 범위 이내의 API를 갖는 최적의 집약화된 공정.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 용매가 현장에로 역청 공급원료를 수송하는 데 사용된 희석제(탄소수 5 내지 탄소수 8의 범위)의 분획인 최적의 집약화된 공정.
7. 제 1 항에 있어서,
   고전단 혼합이 상기 용매 탈아스팔트화 예열 및 상기 용매 탈아스팔트화 유닛 사이의 스트림 또는 제1 용매 탈아스팔트화 유닛 및 제2 높은 용매 강도의 용매 탈아스팔트화 유닛 사이의 스트림에 대하여 수행되는 최적의 집약화된 공정.
8. 1차로 중질 탄화수소들에 대하여 온건한 열분해를 수행하고 그리고 계속해서 그 결과의 열적으로 영향을 받은 유체로부터 아스팔텐-풍부 분획들을 분리하여 상기 공정의 높은 용매-대-오일 비율부가 단지 아스팔텐-풍부 분획들에 대하여만 작용하도록 하고 그리고 최종-제품으로서 건조한 고체 아스팔텐을 생산하도록 하는 것에 의하여 높은 국부 용매-대-공정유체 비율에 대하여 고성능 용매 추출 공정을 사용하는 한편으로 여전히 낮은 전체 용매-대-공정유체 비율은 잔류하도록 하여 중질의 탄화수소로부터 파이프라인-용 또는 정유공장-용 공급원료를 생산하는 공정.
9. 제 8 항에 있어서,
   추출 가공을 위한 아스팔텐-풍부 분획들을 분리하기 위한 중질의 탄화수소의 가공이 상기 중질의 탄화수소를 공정유체 중에 포함시키고, 상기 공정유체를 소정의 온도까지 가열시키고, 상기 공정유체를 반응기 내로 이송시키고, 그리고 반응기 내의 온도, 반응기 내 체류시간, 열류, 압력 및 스윕가스들 중의 적어도 하나를 제어하여 추가의 가공을 위한 상기 아스팔텐-풍부 분획들을 생산하는 것에 의하여 수행하여 최종 제품으로서 건조한 고체 아스팔텐을 생산하는, 중질의 탄화수소로부터 파이프라인-용 또는 정유공장-용 공급원료를 생산하는 공정.
10. a) 중질 탄화수소를 공정유체를 제조하기 위하여 요구되는 것으로서의 다른 물질들과 혼합하기 위한 공정유체 제조 요소;
    b) 상기 공정유체를 예열기로 이송시키기 위한 운송수단;
    c) 상기 공정유체를 반응기의 소정의 작업온도 또는 그 근처의 온도까지 가열시킬 수 있는 예열기;
    d) 가열된 공정유체를 상기 반응기에로 이송시키기 위한 운송 수단;
    e) 상기 공정유체에 소정의 열류를 제공하고 그리고 반응기 내 상기 공정유체를 실질적으로 일정한 소정의 온도로 소정의 체류시간 동안 유지시키기 위한 열교환수단을 갖는 반응기;
    f) 상기 반응기 내의 상기 공정유체에 스윕가스를 제공하기 위한 수단;
    g) 적어도
    i. 비-응축성 증기
    ii. 경질 액체 탄화수소
    iii. 열적으로 영향을 받은 아스팔텐-풍부 분획
    을 포함하는 여러 생산된 물질들을 상기 체류시간의 끝에서 상기 반응기로부터 제거하기 위한 수단;
    h) 경질 액체 탄화수소로부터 비-응축성 증기를 분리하기 위한 수단;
    i) 상기 열적으로 영향을 받은 아스팔텐-풍부 분획을 용매 추출 가공기에로 이송시키기 위한 수송 수단;
    j) 상기 열적으로 영향을 받은 아스팔텐-풍부 분획으로부터
    i. 탈아스팔트화 오일
    ii. 수지
    iii. 농축된, 건조한 고체 아스팔텐
    인 추출된 제품들을 제거하기 위한 수단을 수반하는 용매 추출 가공기;
    k) 상기 탈아스팔트화 오일, 수지 및 경질 액체 탄화수소 적절한 양으로 수집하고 그리고 이들을 서로 혼합하여 파이프라인-용 또는 정유공장-용 공급원료를 제공하기 위한 수단을 포함하는, 파이프라인-용 또는 정유공장-용 공급원료를 생산하기 위한 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 반응기가 오버헤드 부분 응축기를 수반하는 단일의 열전환 반응기인 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    7,000 내지 12,000BTU/hr.sq.ft. 사이로 상기 반응기 내의 공정유체에 도입되는 균일한 열류로 운전되는 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 반응기 내로 도입된 스윕가스로 운전되는 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
14. 제 11 항에 있어서,
    공정유체에 대한 스윕가스의 비율이 20 내지 80scf/bbl 사이인 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
15. 제 11 항에 있어서,
    상기 스윕가스가 질소, 증기 수소 또는 메탄, 에탄 또는 프로판 등과 같은 경질 탄화수소 중의 적어도 하나인 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
16. 제 11 항에 있어서,
    상기 반응기에로의 도입 이전에 상기 스윕가스를 가열시키기 위한 히터를 수반하는 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
17. 제 11 항에 있어서,
    40 내지 180분간 지속되는 반응기 내의 작동유체에 대한 체류시간으로 운전되는 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
18. 제 11 항에 있어서,
    상기 반응기 내의 상기 공정유체에 대하여 675 내지 775℉ 사이의 실질적으로 균일한 온도를 제공하는 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
19. 제 11 항에 있어서,
    상기 반응기 내의 상기 공정유체에 대하여 대기압 또는 그 근처인 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
20. 제 11 항에 있어서,
    50psig 이하의 압력에서 운전되는 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.
21. 제 10 항에 있어서,
    단계 (g)에서 상기 반응기로부터 제거된 상기 열적으로 영향을 받은 아스팔텐에 대하여 고전단 혼합이 수행되는 중질 탄화수소를 가공하기 위한 공정 장치.

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