KR20160019450A - 산화 반응에서의 그을음 제어 - Google Patents

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Abstract

탄소질 공급물의 부분 산화에서의 그을음 형성은 탄소질 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량을 제어함으로써 제어된다.

Description

산화 반응에서의 그을음 제어 {SOOT CONTROL IN OXIDATION REACTIONS}
본 발명은 승온에서 산소를 사용하여 공급물 스트림의 탄화수소 함량을 전환 또는 변경하는 방법의 개선에 관한 것이다. 이러한 방법의 다수의 실시양태는 "부분 산화"로 공지되어 있다.
부분 산화 및 유사한 작업은 목적하는 조성의 기체상 성분을 갖는 기체상 생성물 스트림을 형성하는 조건 하에 탄화수소를 산소와 접촉시키는 것을 수반한다. 그러나, 과거의 경험은, 특히 1종 이상의 탄화수소 성분 중 상당한 성분이 이들을 완전히 반응시키거나 연소시키지 않음으로써 보유되도록 의도된 조건 하에 기체상 생성물 스트림을 생성하는 경우에, 기체상 생성물 스트림이 종종 그을음과 같은 고체 미립자 부산물을 함유한다는 것을 보여주었다. 이 고체 미립자 부산물은 또한 부분 산화 반응이 저온에서 일어나는 경우에 존재할 수 있다. 즉, 반응 조건이 존재하는 모든 산화가능한 성분의 완전한 산화를 달성하지 않거나, 반응기 온도가 낮으면, 생성물 스트림 중에 존재하는 일부 미산화 물질이 고체 상으로 있을 것으로 예상될 것이다. 또는, 공급물의 기체상 생성물 스트림으로의 적절한 전환 없이 공급물의 크래킹 온도를 초과하도록 하는 반응 조건일 수 있다. 고체 미립자 부산물은 일반적으로 "그을음"으로 지칭되고, 원소 탄소 및/또는 탄소-함유 탄화수소를 포함할 수 있다. 부분 산화 작업으로부터의 생성물 스트림 중 이 물질의 존재는 종종 바람직하지 않다. 그러나, 생성물 스트림 중에 있는 이 물질의 양을 저하시키기 위한 이전의 노력은 수율을 희생시키거나, 산소와 같은 반응물의 사용을 증가시키는 것을 필요로 하는 결점을 갖는 접근법이었다.
본 발명의 한 측면은 1종 이상의 탄화수소를 함유하는 기체상 공급 물질을 처리하는 개선된 방법으로서,
공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비를, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 생성물 스트림의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 미만으로 더 높도록 (또는 다른 실시양태에서는 2 gm/Nm3 미만으로 더 높도록, 또는 심지어 1 gm/Nm3 미만으로 더 높도록) 유지하면서,
산소를 함유하는 고온 산화제 스트림을 기체상 공급 물질의 공급물 스트림과 함께 첨가하여, 상기 공급 물질 중 1종 이상의 탄화수소를 부분적으로 산화시키는데 효과적인 반응 조건 하에 혼합함으로써 수소 및 CO를 함유하는 생성물 스트림을 생성하는 것
을 포함하는 방법이다.
본 발명의 한 바람직한 실시양태는 1종 이상의 탄화수소를 함유하는 기체상 공급 물질을 처리하는 개선된 방법으로서,
공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비를, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 상기 비가, 다른 점에서는 동일한 반응 조건 하에 생성물 스트림의 그을음 함량이 산화제 스트림이 첨가되는 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 더 높은 경우의 (또는 다른 실시양태에서는 2 gm/Nm3 더 높은 경우의, 또는 심지어 1 gm/Nm3 더 높은 경우의) 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비보다 작도록 유지하면서,
산소를 함유하는 고온 산화제 스트림을 기체상 공급 물질의 공급물 스트림과 함께 첨가하여, 상기 공급 물질 중 1종 이상의 탄화수소를 부분적으로 산화시키는데 효과적인 반응 조건 하에 혼합함으로써 수소 및 CO를 함유하는 생성물 스트림을 생성하는 것
을 포함하는 방법이다.
즉, 상기 언급된 공급물 스트림에 대한 산화제 스트림의 운동량 비는, 생성물의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 미만, 보다 바람직하게는 2 gm/Nm3 미만, 또는 심지어 1 gm/Nm3 미만으로 더 높도록 제어된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시양태는 1종 이상의 탄화수소를 함유하는 기체상 공급 물질을 처리하는 개선된 방법으로서,
부분 산화 반응을 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 주어진 비로 실시하는 경우에 (스트림을 함께 첨가할 때에), 생성물 스트림의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 더 높아지게 되는, 공급물 스트림의 온도, 산화제 스트림의 온도, 및 화학량론적 비를 포함하는 반응 조건 하에,
산소를 함유하는 산화제 스트림을 기체상 공급 물질의 공급물 스트림과 함께 첨가하여, 상기 공급 물질 중 1종 이상의 탄화수소를 부분적으로 산화시키는데 효과적인 반응 조건 하에 혼합 및 반응시킴으로써 수소 및 CO를 함유하는 생성물 스트림을 생성하고,
스트림을 함께 첨가할 때에, 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비가 상기 주어진 비보다 작되 다른 점에서는 동일한 반응 조건하에 부분 산화 반응을 수행하는 것을 포함하며,
여기서 생성물 스트림의 그을음 함량은 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 미만으로 더 높은 것인 방법이다.
상기의 바람직한 실시양태에서, 또한 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량 비는, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 공급물 스트림 중 탄화수소 물질의 50% 이상이 CO, 수소 또는 다른 탄화수소 물질로 전환되기에 충분히 높도록 제어한다.
상기의 다른 바람직한 실시양태에서, 생성물 스트림은 메탄을 함유하고, 또한 상기 언급된 운동량 비 및 공급물 스트림에 첨가되는 산화제 스트림의 온도를 제어하여 생성물 스트림 중 메탄의 양을 제어한다.
본원에 사용된 스트림의 "운동량"은 스트림의 질량 유량과 스트림 유동 방향에 수직한 평면을 가로지르는 스트림의 평균 속도의 곱이다.
본원에 사용된 "그을음"은 폭이 1 마이크로미터 미만인 탄소-함유 고체 미립자 물질이다.
도 1은 본 발명의 부분 산화의 한 실시양태의 개략적 순서도이다.
도 2는 본 발명에 유용한 고온 산소의 스트림을 생성하는데 유용한 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시양태의 묘사를 나타내는 부분 산화 반응기의 단면도이다.
본 발명에 의해 처리될 수 있는 기체상 공급 물질은 일반적으로 임의의 많은 가능한 공급원으로부터의 임의의 많은 조성물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기체상 공급 물질은 메탄 또는 천연 가스를 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 기체상 공급 물질은 수소 및 CO 중 하나 또는 둘 다를 함유할 수 있고, 수증기를 함유할 수 있고, 메탄, 2 내지 8개의 탄소 원자 및 0 내지 2개의 산소 원자를 함유하는 탄화수소 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 경질 탄화수소를 함유할 수 있다. 기체상 공급 물질은 고체 미립자 물질, 예컨대 회분, 차르 및/또는 타르 (이는 8개 초과의 탄소 원자를 갖는 종을 함유할 수 있음)를 함유할 수 있다. 기체상 공급 물질은 또한 질소 및/또는 이산화탄소를 함유할 수 있다.
기체상 공급 물질은 임의의 다수의 공급원으로부터 수득되거나 그에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 기체상 공급 물질은
바이오매스 물질의 가스화 또는 열분해에 의해 생성될 수 있고 (그의 예는 조류, 또는 도시 고형 폐기물 (MSW), 목재 (목편, 절단 목재; 판자, 다른 판재 제품, 및 완성된 목제품, 및 톱밥을 비롯한 목재 폐기물, 및 자작나무, 단풍나무, 전나무, 소나무, 가문비나무를 비롯한 다양한 나무로부터의 펄프재 포함), 및 식물성 물질, 예컨대 그래스 및 다른 작물, 뿐만 아니라 식물성 물질로부터 유래된 생성물, 예컨대 왕겨, 볏짚, 대두 잔류물, 옥수수 대, 및 사탕수수 바가스를 포함하나 이에 제한되지는 않는 임의의 셀룰로스 또는 헤미셀룰로오스 또는 리그닌 함유 물질을 포함함);
탄소질 공급원료, 예컨대 석탄, 코크스 또는 석유 코크스의 가스화 또는 열분해에 의해 생성될 수 있으며, 그의 예는 코크스 오븐 가스이고;
용광로에서 생성된 오프가스 스트림;
연료, 예컨대 천연 가스로서 일반적으로 사용되는 다른 기체 스트림;
산업 공정으로부터의 탄화수소-함유 부산물 기체 스트림; 및
상기 중 임의의 것의 개질에 의해 생성된 합성가스
일 수 있다.
도 1을 참조하면, 스트림(11)은 본원에 기재된 기체상 공급 물질을 나타낸다. 스트림(11)은 반응기(15)에 공급되며, 여기서 이는 고온 산화제 스트림(13)과 혼합된다. 반응기(15)에 공급되는 스트림(11)은 주위 온도에서부터, 열 크랙킹을 수행하기 매우 쉬운 성분이 열 크랙킹되기 시작할 것인 온도 미만의 온도까지, 바람직하게는 상기 온도보다 최대 100℉ 미만의 온도에 있을 수 있다. 스트림(11)은 상류 가공 단계로부터 생성될 때 이러한 온도에 있을 수 있거나, 또는 이는 열 교환기 또는 가열기에서 이러한 온도로 가열될 수 있다. 임의의 주어진 조성의 공급 물질에 대해 목적하는 부분 산화 반응을 가장 우수하게 달성하는 공급물 스트림 온도는 공급 물질의 조성 및 부분 산화 반응에서의 목적하는 전환도에 따라 달라질 수 있는 것이 인지될 것이다.
고온 산화제 스트림(13)은 전형적으로 1000℉ 내지 4800℉, 바람직하게는 2800℉ 내지 4500℉의 온도를 갖는다. 산화제 스트림(13)의 산소 함량은 전형적으로 50 부피% 이상, 바람직하게는 80 부피% 이상이다. 이러한 특성을 갖는 고온 산화제 스트림은 임의의 다수의 기술에 의해 형성될 수 있다. 유용한 고온 산화제 스트림을 생성하기 위한 바람직한 기술은 도 2를 참조하여 다음과 같이 기재된다.
도 2를 참조하면, 고온 산소의 스트림(13)은 30 부피 퍼센트 이상, 바람직하게는 85 부피 퍼센트 이상의 산소 농도를 갖는 산화제의 스트림(203)을 고온 산소 발생기(202) 안으로 제공함으로써 제공될 수 있으며, 상기 고온 산소 발생기는 바람직하게는 산화제(203)를 위한 유입구(204)를 갖고 고온 산소의 스트림(13)을 위한 유출구 노즐(206)을 갖는 챔버 또는 덕트이다. 가장 바람직하게는 산화제(203)는 99.5 부피 퍼센트 이상의 산소 농도를 갖는 공업용으로 순수한 산소이다. 고온 산소 발생기(202)에 공급되는 산화제(203)는 일반적으로 50 내지 300 피트/초(fps) 범위 내에 있고, 전형적으로 200 fps 미만일 것인 초기 속도를 갖는다.
연료의 스트림(205)은 연료 주입에 일반적으로 사용되는 임의의 적합한 노즐일 수 있는 노즐(208)이 단부에 있는 적합한 연료 도관(207)을 통해 고온 산소 발생기(202) 안으로 제공된다. 연료는 임의의 적합한 연소가능한 유체일 수 있으며, 그의 예는 천연 가스, 메탄, 프로판, 수소 및 코크스 오븐 가스를 포함하거나, 또는 스트림(19)으로부터 수득된 스트림(25)과 같은 공정 스트림일 수 있다. 바람직하게는 연료는 기체상 연료이다. 기체상 연료를 사용하는 것보다 액체 연료를 사용하여 산화제와의 우수한 혼합 및 신뢰성 있고 안전한 연소를 유지하는 것이 더 어려울 수 있지만, 제2번 연료 오일 또는 부산물 스트림(23)과 같은 액체 연료가 또한 사용될 수 있다.
고온 산소 발생기(202) 안에 제공된 연료(205)는 그 안에서 산화제(203)와 연소되어 열 및 연소 반응 생성물, 예컨대 이산화탄소 및 수증기를 생성한다.
고온 산소 발생기(202)에서 발생된 연소 반응 생성물은 산화제(203)의 미반응 산소와 혼합되어, 잔류 산소에 열을 제공하고 그의 온도를 상승시킨다. 바람직하게는, 연료(205)는 고온 산소 발생기(202) 안으로, 발생기(202) 내의 노즐(208)의 특별한 배열에 안정한 화염을 유지하기에 적합한 속도로 제공된다. 노즐(208)에서의 연료의 속도는 산화제를 연소 반응으로 동반해 가는 작용을 하여 안정한 화염을 확립한다.
일반적으로 고온 산소 발생기(202) 중에 잔류하는 산화제의 온도는 약 500℉ 이상, 바람직하게는 약 1000℉ 이상 상승된다. 이 방식으로 수득된 고온 산소 스트림(13)은 고온 산소 발생기(202)로부터 반응기(15) 안으로 적합한 개구 또는 노즐(206)을 통해 2000℉ 이상의 온도를 갖는 고속 고온 산소 스트림으로서 통과된다 (도 3에 도시됨). 일반적으로, 고온 산소 스트림의 속도는 500 내지 4500 피트/초(fps) 범위 내일 것이고, 전형적으로 스트림(203)의 속도를 300 fps 이상만큼 초과할 것이다.
고온 산소 스트림(13)의 조성은 스트림이 발생하는 조건에 의존하지만, 바람직하게는 이는 50 부피% 이상의 O2를 함유하고, 90 부피%의 O2 또는 그 초과일 수 있다. 고속 고온 산소 스트림의 형성은 미국 특허 번호 5,266,024의 기재에 따라 실행될 수 있다. 임의의 주어진 조성의 공급 물질에 대해 목적하는 부분 산화 반응을 가장 우수하게 달성하는 산화제 스트림 온도는 공급 물질의 조성 및 부분 산화 반응에서의 목적하는 전환도에 따라 달라질 수 있는 것이 인지될 것이다.
부분 산화 반응은 공급물 스트림(11) 및 고온 산화제 스트림(13)을 함께 공급하여 이들이 반응기(15) 내에서 함께 혼합되도록 함으로써 실행된다. 반응기(15)는 반응 동안 직면하는 온도를 견딜 수 있는 임의의 반응기일 수 있다. 바람직한 예는 본원에 기재된 스트림을 위한 적합한 유입구 및 출구를 갖는 내화물-라이닝된 챔버이다.
공급물 스트림(11) 및 산화제 스트림(13)은 0.05 내지 0.5, 바람직하게는 0.1 내지 0.3의 화학량론적 비 ("SR")를 나타내는 상대적인 질량 유량으로 서로 혼합되도록 공급되어야 하며, 여기서 SR은 이산화탄소 및 물에 공급된 모든 탄화수소 물질을 완전히 산화시키는데 요구될 것인 산소의 양에 대한 공급된 산소의 양의 몰 비로 정의된다. 임의의 주어진 조성의 공급 물질에 대해 목적하는 부분 산화 반응을 가장 우수하게 달성하는 SR은 공급 물질의 조성 및 반응에서의 목적하는 전환도에 따라 달라질 수 있는 것이 인지될 것이다.
공급물 스트림(11)의 성분과 산화제 스트림(13) 중 산소와의 반응은 반응기(15)로부터 생성물 스트림(17)으로서 나오는 반응 생성물을 생성한다. 혼합은 한 스트림을 다른 스트림 안으로 공급함으로써, 또는 기계적 부가물, 예컨대 회전 베인의 사용에 의해 촉진될 수 있다.
본원에 기재된 바와 같이, 본원에 기재된 조건 하에서의 공급물 스트림(11)과 산화제(13)의 혼합은 공급물 스트림의 성분의 부분 산화를 촉진한다. 반응기(15)로부터 배출된 생성물 스트림(17)은 부분 산화된 물질, 뿐만 아니라 임의의 미반응 성분을 함유한다. 생성물 스트림의 더 높은 온도는 더 높은 산화도와 연관되는 경향이 있으며, 이는 메탄과 같은 화합물의 수율을 감소시킬 수 있다. 더 높은 SR 값은 마찬가지로 더 높은 산화도와 연관된다. 더 높은 SR 값은 또한 감소된 그을음 형성과 연관되며, 이는 공급물 스트림에 대하여 존재하는 산소의 양을 증가시키는 것이 그을음 형성 감소에 유리할 것으로 기대될 것이다.
생성물 스트림(17) 중 그을음을 생성하는 부분 산화의 경향은, 산화제 스트림(13)과 함께 첨가되는 공급물 스트림(11)의 운동량에 대한 고온 산화제 스트림(13)의 운동량의 비를 유지함으로써, 즉 저감시킴으로써, 목적하는 저감된 값으로, 또는 저감된 값의 범위 내로 저감시키고 유지할 수 있거나, 심지어 회피할 수 있다는 것이 발견되었다.
따라서, 이 발견의 한 실시양태에서, 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비는, 산화제 스트림을 공급물 스트림과 함께 첨가할 때에, 상기 운동량 비가, 다른 점에서는 동일한 반응 조건 하에 생성물 스트림의 그을음 함량이 산화제 스트림이 첨가되는 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 더 높은 경우의 운동량 비보다 작도록 유지되거나 제어된다. 5 gm/Nm3의 그을음 함량 (즉, 25℃ 및 1 atm 압력으로 정규화된 스트림의 부피 세제곱 미터당 그을음 그램)은 스트림 중에서 가시적이고 스트림에 배치된 그을음 필터를 몇 분 내에 어두워지게 하기에 충분한 그을음을 포함한다.
한 바람직한 실시양태에서, 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비는, 산화제 스트림을 공급물 스트림과 함께 첨가할 때에, 상기 운동량의 비가, 다른 점에서는 동일한 반응 조건 하에 생성물 스트림의 그을음 함량이 산화제 스트림이 첨가되는 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 더 높은 경우의 이들 운동량의 비보다 작도록 제어되거나 유지된다. 즉, 생성물 스트림의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 단지 5 gm/Nm3 더 높은 반응 조건 하에서도, 본 발명은 공급물 스트림(11)의 운동량에 대한 산화제 스트림(13)의 운동량의 비를 저감시킴으로써 생성물 스트림의 그을음 함량을 저감시키는 것을 달성할 수 있다.
한 보다 바람직한 실시양태에서, 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비는, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 상기 운동량 비가, 다른 점에서는 동일한 반응 조건 하에 생성물 스트림의 그을음 함량이 산화제 스트림이 첨가되어 함께 혼합되는 공급물 스트림의 그을음 함량보다 2 gm/Nm3 더 높거나 또는 심지어 1 gm/Nm3 더 높은 경우의 이들 운동량의 비보다 작도록 제어된다.
공급물 스트림(11)의 그을음 함량에 대한 생성물 스트림(17)의 그을음 함량의 감소는 본원에서 (비가 아니라) 간단한 산술 차이로 나타내진다. 예를 들어, 공급물 스트림(11)이 1 gm/Nm3의 그을음 함량을 갖고 스트림(11)의 부분 산화로부터의 생성물 스트림(17)이 4 gm/Nm3의 그을음 함량을 갖는다면, 생성물 스트림(17)의 그을음 함량은 공급물 스트림의 그을음 함량보다 3 gm/Nm3 더 높은 것으로 언급될 것이다. 공급물 스트림(11)은 고체, 예컨대 회분 및/또는 타르를 함유할 수 있고, 따라서 이러한 물질이 존재하면, 이는 반응기(15)를 통해 생성물 스트림(17)으로 통과될 수 있으며, 이 경우에 생성물 스트림(17)의 전체 고체 함량을 완전히 0으로 감소시키는 것이 항상 가능하지는 않을 수 있다. 공급물 스트림 및 생성물 스트림의 그을음 함량 및 고체 함량은 본 기술분야에 공지된 통상의 기술을 사용하여 용이하게 결정될 수 있다.
공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 상기 언급된 비는 임의의 여러 방식으로 제어될 수 있다.
한 방식은 산화제의 운동량을 생성물 스트림의 그을음 함량이 본원에 나타내어진 값을 초과하는 수준 미만으로 제어하는 것이다. 이는 산화제 스트림(13)을 반응기(15) 안으로, 그을음을 비롯한 보다 많은 양의 고체 미립자 부산물을 생성하는 작업에 사용되는 오리피스보다 큰, 적합한 치수의 오리피스(206) (산화제 스트림이 이로부터 나와 공급물 스트림(11) 안으로 들어감)를 통해 통과시킴으로써 실시될 수 있다. 산화제 스트림(13)의 운동량은 또한 산화제 스트림이 통과하는 밸브의 사용을 기반으로 지속적으로 제어될 수 있으며, 상기 밸브는 산화제 스트림의 반응기(15) 안으로의 유량을 조정하도록 조정될 수 있다.
공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비를 적합하게 제어된 수준으로 유지하여 생성물 스트림 중 그을음의 존재를 저감시키거나 회피하기 위한 또 다른 방식은, 공급물 스트림의 운동량을 생성물 스트림의 그을음 함량이 본원에 나타내어진 값을 초과하는 수준 초과로 증가시키는 것이다. 이는 공급물 스트림(13)을 반응기(15) 안으로, 보다 많은 양의 그을음을 생성하는 작업에 사용되는 오리피스보다 작은, 적합한 치수의 오리피스를 통해 통과시킴으로써 실시될 수 있다. 공급물 스트림(11)의 운동량은 또한 공급물 스트림이 통과하는 밸브의 사용을 기반으로 지속적으로 제어될 수 있으며, 상기 밸브는 공급물 스트림의 반응기(15) 안으로의 유량을 조정하도록 조정될 수 있다.
어느 한 스트림의 운동량을 제어하기 위한 다른 방법은 오리피스(206)의 크기를 바꾸지 않으면서 고온 산화제 스트림을 생성하는 고온 산소 버너의 SR을 증가시키거나; 또는 산화제 스트림의 유동을 다수의 보다 느린 스트림으로 분할하는 것을 포함한다.
생성물 스트림(17)은 전형적으로 수소 및 CO, 및 메탄, 및 2 내지 8개의 탄소 원자 및 0 내지 2개의 산소 원자를 함유하는 1종 이상의 탄화수소를 함유한다.
본원에 기재된 바와 같이 반응기(15)에서 반응을 실행하는 것은, 작업자가 목적하는 메탄 함량인 한, 생성물 스트림(17)에서 목적하는 메탄을 제공하는 능력에 부정적으로 영향을 미치지 않는 것으로 결정되었다.
또한, 메탄이 생성물 스트림(17)에 제공되는 정도는 반응기 내의 반응 조건을 더 적게 산화되게 제어함으로써 제어할 수 있다는 것을 발견하였다. 그러나, 이 조건은 완전한 전환의 경우와 비교하여 그을음의 생성을 증가시킬 수 있다. 본 발명은 예컨대 부분 산화를 보다 풍부한 연료로 (즉, 보다 낮은 SR로) 작동시킴으로써 감소시키고자 하는 목적하는 종의 전환을 가능하게 하고, 동시에 그렇지 않으면 공급물 스트림(11) 안으로 공급된 산화제 스트림(13)의 운동량을 감소시킴으로써 일어날 것인 그을음 형성을 감소시키거나 제거한다.
본 발명의 방법의, 생성물 스트림 중 그을음의 형성을 저감시키는 능력은, 그을음의 형성이 산화제 스트림의 운동량에 의해 또는 산화제 스트림 및 공급물 스트림의 운동량의 비에 의해 영향을 받는, 부분 산화 반응 조건이 사용되는 경우에 향상된다. 따라서, 공급물 스트림의 성분이 크랙킹 온도 부근 또는 그 초과에서 가열된 후, 부분 산화 반응되거나 (산화제 스트림 및 공급물 스트림이 부적절하게 혼합될 경우 그러할 수 있는 것처럼), 또는 반응기에 공급된 공급물 스트림이 이미 공급물 스트림의 1종 이상의 탄소질 성분이 크랙킹을 수행할 온도에 근접하거나 도달할 만큼 고온인 조건을 사용하지 않는 것이 바람직하다.
실시예
공급원료와 고온 산화제 스트림의 부분 산화를 산화제 특성이 상이한 2개의 실행으로 수행하였다. 2개의 실행에 공급된 공급원료의 조성 및 특성은 다음과 같았다:
조성:
질소 18.8 부피%
천연 가스 25.1 부피%
수소 55.1 부피%
벤젠 1.0 부피%
온도 750℉
공급 속도 1197 scfh
고온 산소 버너에서 360-370 scfh에서의 산소와 약 60 scfh에서의 천연 가스와 3.0의 SR로 반응시킴으로써 산화제 스트림을 생성하여 고온 산화제 스트림을 발생시켰다. 공급원료 스트림 및 산화제 스트림을 부분 산화 반응기에 공급하여 0.24의 SR로 반응기에서 혼합 및 반응시켰다.
실행 A에서, 고온 산화제 스트림을 직경 0.25 인치 오리피스를 통해 2950 fps의 속도 및 28.7 lb·ft/s2의 운동량으로 고온 산소 버너에서 배출시켰다. 산화제 스트림의 평균 온도는 약 2270℉였다.
실행 B에서, 고온 산화제 스트림을 직경 0.45 인치 오리피스를 통해 932 fps의 속도 및 9.1 lb·ft/s2의 운동량으로 고온 산소 버너에서 배출시켰다. 산화제 스트림의 평균 온도는 약 2300℉였다.
각 실행에서 생성된 생성물 스트림은 하기 특성을 가졌다:
실행 A 실행 B
조성 (부피%, 건량)
일산화탄소 16.8% 20.2%
이산화탄소 0.8% 1.5%
메탄 2.0% 1.7%
수소 62.4% 68.1%
각 실행에서, 생성물 스트림이 부분 산화 반응기에서 나올 때에 이를 필터에 통과시켰다. 실행 A로부터의 필터는 필터 상에 수집된 상당량의 그을음을 어두운 침착물로서 함유하였다. 실행 B로부터의 필터는 본질적으로 수집된 물질을 나타내지 않았으며, 이는 실행 B의 조건 하에 부분 산화에서 본질적으로 그을음이 형성되지 않았다는 것을 나타낸다.

Claims (14)

1종 이상의 탄화수소를 함유하는 기체상 공급 물질을 처리하는 개선된 방법으로서,
공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비를, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 상기 비가, 다른 점에서는 동일한 반응 조건 하에 생성물 스트림의 그을음 함량이 산화제 스트림이 첨가되는 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 더 높은 경우의 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비보다 작도록 유지하면서,
산소를 함유하는 고온 산화제 스트림을 기체상 공급 물질의 공급물 스트림과 함께 첨가하여, 상기 공급 물질 중 1종 이상의 탄화수소를 부분적으로 산화시키는데 효과적인 반응 조건 하에 혼합함으로써 수소 및 CO를 함유하는 생성물 스트림을 생성하는 것
을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비를, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 상기 비가, 다른 점에서는 동일한 반응 조건 하에 생성물 스트림의 그을음 함량이 산화제 스트림이 첨가되는 공급물 스트림의 그을음 함량보다 2 gm/Nm3 더 높은 경우의 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비보다 작도록 유지하는 것을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비를, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 상기 비가, 다른 점에서는 동일한 반응 조건 하에 생성물 스트림의 그을음 함량이 산화제 스트림이 첨가되는 공급물 스트림의 그을음 함량보다 1 gm/Nm3 더 높은 경우의 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비보다 작도록 유지하는 것을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 공급 물질이 탄소질 공급 물질의 가스화에 의해 수득된 것인 방법.
제1항에 있어서, 공급 물질이 천연 가스를 포함하는 것인 방법.
1종 이상의 탄화수소를 함유하는 기체상 공급 물질을 처리하는 개선된 방법으로서,
공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비를, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 생성물 스트림의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 미만으로 더 높도록 유지하면서,
산소를 함유하는 고온 산화제 스트림을 기체상 공급 물질의 공급물 스트림과 함께 첨가하여, 상기 공급 물질 중 1종 이상의 탄화수소를 부분적으로 산화시키는데 효과적인 반응 조건 하에 혼합함으로써 수소 및 CO를 함유하는 생성물 스트림을 생성하는 것
을 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비를, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 생성물 스트림의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 2 gm/Nm3 미만으로 더 높도록 유지하는 것을 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비를, 산화제 스트림을 공급물 스트림에 첨가할 때에, 생성물 스트림의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 1 gm/Nm3 미만으로 더 높도록 유지하는 것을 포함하는 방법.
제6항에 있어서, 공급 물질이 탄소질 공급 물질의 가스화에 의해 수득된 것인 방법.
제6항에 있어서, 공급 물질이 천연 가스를 포함하는 것인 방법.
1종 이상의 탄화수소를 함유하는 기체상 공급 물질을 처리하는 개선된 방법으로서,
부분 산화 반응을 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 주어진 비로 실시하는 경우에 생성물 스트림의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 더 높아지게 되는, 공급물 스트림의 온도, 산화제 스트림의 온도 및 화학량론적 비를 포함하는 반응 조건 하에,
산소를 함유하는 산화제 스트림을 기체상 공급 물질의 공급물 스트림과 함께 첨가하여, 상기 공급 물질 중 1종 이상의 탄화수소를 부분적으로 산화시키는데 효과적인 반응 조건 하에 혼합 및 반응시킴으로써 수소 및 CO를 함유하는 생성물 스트림을 생성하고,
스트림을 함께 첨가할 때에, 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 비가 상기 주어진 비보다 작되 다른 점에서는 동일한 반응 조건하에 부분 산화 반응을 수행하는 것을 포함하며,
여기서 생성물 스트림의 그을음 함량은 공급물 스트림의 그을음 함량보다 5 gm/Nm3 미만으로 더 높은 것인 방법.
제11항에 있어서, 부분 산화 반응을 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 주어진 비로 실시하는 경우에 생성물 스트림의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 2 gm/Nm3 더 높아지게 되는, 공급물 스트림의 온도, 산화제 스트림의 온도 및 화학량론적 비를 포함하는 반응 조건 하에, 상기 산화제 스트림 및 상기 공급물 스트림을 혼합 및 반응시키고, 여기서 생성물 스트림의 그을음 함량은 공급물 스트림의 그을음 함량보다 2 gm/Nm3 미만으로 더 높은 것인 방법.
제11항에 있어서, 부분 산화 반응을 공급물 스트림의 운동량에 대한 산화제 스트림의 운동량의 주어진 비로 실시하는 경우에 생성물 스트림의 그을음 함량이 공급물 스트림의 그을음 함량보다 1 gm/Nm3 더 높아지게 되는, 공급물 스트림의 온도, 산화제 스트림의 온도 및 화학량론적 비를 포함하는 반응 조건 하에, 상기 산화제 스트림 및 상기 공급물 스트림을 혼합 및 반응시키고, 여기서 생성물 스트림의 그을음 함량은 공급물 스트림의 그을음 함량보다 1 gm/Nm3 미만으로 더 높은 것인 방법.
제1항 또는 제6항 또는 제11항에 있어서, 생성물 스트림이 메탄을 함유하고, 공급물 스트림에 첨가되는 산화제 스트림의 운동량 및 온도를 제어하여 생성물 스트림 중 메탄의 양을 제어하는 것인 방법.
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