KR20190098128A - 에틸벤젠 탈수소화 반응을 위한 병렬형 반응 시스템 - Google Patents

에틸벤젠 탈수소화 반응을 위한 병렬형 반응 시스템 Download PDF

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조세프 이. 페라티
제이슨 클라크
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피나 테크놀러지, 인코포레이티드
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Abstract

제1 단계로, 탈수소화 반응 조건 하에서 탄화수소와 증기를 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제1 단계 유출물을 수득하는 단계, 상기 제1 단계 유출물을 가열하는 단계, 및 제2 단계로 탈수소화 반응 조건 하에서 상기 가열된 제1 단계 유출물을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제2 단계 유출물을 수득하는 단계를 포함하되, 상기 제1 단계가 병렬로 배치된 제1 반응기와 제2 반응기를 포함하고, 상기 제2 단계가 상기 제1 반응기 및 제2 반응기와 직렬로 연결된 제3 반응기를 포함하는 다단계 탈수소화 반응 공정. 탈수소화 반응을 실행하기 위한 다단계 탈수소화 반응 시스템 또한 제공된다.

Description

에틸벤젠 탈수소화 반응을 위한 병렬형 반응 시스템
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C. § 119(e)에 따라 "에틸벤젠 탈수소화 반응을 위한 병렬형 반응 시스템"이란 발명의 명칭으로 2016년 12월 20일에 출원된 미국 가출원 제62/436,653호의 우선권을 주장하고, 상기 가출원의 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로 통합되었다.
연방정부 후원 연구 또는 개발에 관한 성명
해당사항 없음.
마이크로피시 부록에 대한 참조
해당사항 없음.
본원에 개시된 시스템 및 공정은 탈수소화 반응, 예를 들어, 에틸벤젠의 스타이렌 단량체로의 탈수소화 반응에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 상기 개시된 시스템 및 공정은 다단계 탈수소화 반응에 관한 것이다. 훨씬 더 구체적으로, 상기 개시된 시스템 및 공정은 병렬로 배치된 두 대의 탈수소화 반응기를 포함하는 제1 단계 및, 이어서 제3 탈수소화 반응기를 포함하는 제2 단계를 포함하는 다단계 탈수소화 반응에 관한 것이다.
스타이렌은 주요한 중합체 생산물들, 예컨대 폴리스타이렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스타이렌, 스타이렌 부타디엔 고무 등에 쓰이는 원료로, 매년 대량이 소비되고 있으며, 대표적인 다목적 단량체 생산물들 중 하나이다. 통상적인 스타이렌 제조공장은 수많은 용광로 및 열 교환기와 연계된 직렬 연결 단열 반응기 두 대 또는 세 대를 포함하는 반응 시스템을 활용한다. 스타이렌은 반응기의 탈수소화 반응 촉매제층 상에 과열된 수증기, 즉 증기(steam)의 존재 하에 에틸벤젠을 탈수소화함으로써 제조될 수 있다. 스타이렌 생산의 상업적 중요성의 관점에서, 탈수소화 반응, 예컨대 스타이렌 생산을 위한 에틸벤젠의 탈수소화 반응을 초래하기 위한 개선된 시스템 및 공정에 대한 요구가 지속적으로 존재한다. 바람직하게는, 그와 같은 개선된 시스템 및 공정은, 본원에서 좀 더 자세히 기술되는 바와 같이, 반응기 압력의 감소, 선택도(selectivity)의 증가, 바람직한 전환율 및/또는 원하는 탈수소화 반응 생산물의 1파운드당 요구되는 에너지 투입량의 감소를 가능하게 할 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 에틸벤젠 탈수소화 반응을 위한 병렬형 반응 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
하기를 포함하는 다단계 탈수소화 반응 공정이 본원에 개시된다: 제1 단계로, 탈수소화 반응 조건 하에서 탄화수소와 증기를 포함하는 공급물 스트림을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제1 단계 유출물을 수득하는 단계; 상기 제1 단계 유출물을 가열하는 단계; 및 제2 단계로, 탈수소화 반응 조건 하에서 상기 가열된 제1 단계 유출물을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제2 단계 유출물을 수득하는 단계를 포함하되, 상기 제1 단계는 병렬로 배치된 제1 반응기와 제2 반응기를 포함하고, 상기 제2 단계는 상기 제1 반응기 및 제2 반응기와 직렬로 연결된 제3 반응기를 포함하는 것인 공정이 개시된다. 일부 구현예에서, 상기 제1 단계에서 상기 공급물 스트림을 접촉시키는 단계는 하기를 포함한다: 상기 제1 반응기에서 상기 공급물 스트림의 제1 부분을 상기 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제1 반응기 유출물을 수득하는 단계; 및 상기 제2 반응기에서 상기 공급물 스트림의 제2 부분을 상기 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제2 반응기 유출물을 수득하는 단계. 일부 구현예에서, 상기 방법은 가열 단계 이전에 상기 제1 반응기 유출물과 상기 제2 반응기 유출물을 조합하여 상기 제1 단계 유출물을 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 상기 공급물 스트림을 상기 제2 단계 유출물과 열 교환함으로써, 제2 단계 유출물의 일부분을 응결시키는 단계; 상기 열 교환 단계 후 상기 제2 단계 유출물을 압축하는 단계; 및 상기 제2 단계 유출물에서 상기 탈수소화 반응 생산물을 분리하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 차압은 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 공정의 총 차압보다 적되, 상기 총 차압이 제1 반응기의 유입구 및 제3 반응기의 유출구 사이에서 측정된다. 일부 구현예에서, 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 종합 선택도는 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 공정의 종합 선택도보다 크되, 상기 종합 선택도가 [제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 생산된 원하는 생산물(예컨대, 탈수소화 반응 생산물)의 몰수] / [제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 전환된 탈수소화 반응 공급물 종(예컨대, 탄화수소)의 총 몰수]로 정의된다. 일부 구현예에서, 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 에너지 투입량은 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 총 에너지 투입량보다 적다. 일부 구현예에서, 상기 탄화수소는 에틸벤젠이고, 상기 탈수소화 반응 생산물은 스타이렌을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기 각각은 단열 반응기이다. 일부 구현예에서,상기 제1 단계 유출물을 가열하는 단계에서 열 교환기가 사용된다.
또한 본원에 하기를 포함하는 다단계 탈수소화 반응 시스템이 개시된다: 탄화수소와 증기를 포함하는 공급물 스트림; 병렬로 배치된 제1 반응기와 제2 반응기가 구비된 제1 단계(상기 제1 반응기는 탈수소화 반응 촉매제를 함유하고 상기 공급물 스트림의 일부분을 수용하는 제1 반응기의 유입구를 구비하고, 상기 제2 반응기는 탈수 촉매제를 함유하고 상기 공급물 스트림의 잔여 부분을 수용하는 제2 반응기의 유입구를 구비하되, 상기 제1 단계는 탈수소화 반응 조건 하의 상기 제1 및 제2 반응기에서 상기 탄화수소를 상기 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시킴으로써 상기 탄화수소의 적어도 일부분을 탈수소화 반응 생산물로 전환시키는 데 효과적임); 상기 제1 반응기의 제1 반응기 유출구에 유동적으로 연결되어 제1 반응기 유출물을 수용하고, 상기 제2 반응기의 제2 반응기 유출구에 유동적으로 연결되어 제2 반응기 유출물을 수용하는 단계 사이(inter-stage) 가열 장치; 제3 반응기가 구비된 제2 단계(상기 제3 반응기는 탈수소화 반응 촉매제를 함유하고 상기 단계 사이 가열 장치와 유동적으로 연통되는 제3 반응기 유입구를 구비하되, 상기 제2 단계는 탈수소화 반응 조건 하의 상기 제3 반응기에서 상기 미반응 탄화수소를 상기 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제3 반응기에서 유래된 유출물을 포함하는 제2 단계 유출물을 제공함으로써 상기 단계 사이 가열 장치에서 수용된 미반응 탄화수소를 탈수소화 반응 생산물로 전환시키는 데 효과적임). 일부 구현예에서, 상기 제1 반응기 유출물과 상기 제2 반응기 유출물은 조합되어 상기 단계 사이 가열 장치에 공급되는 제1 단계 유출물을 형성한다. 일부 구현예에서, 상기 단계 사이 가열 장치는 가열 유체로 증기를 사용하는 열 교환기이다. 일부 구현예에서, 상기 시스템은 상기 제2 단계 유출물과 상기 공급물 스트림 사이에서 제1 열을 교환하는 제1 열 교환기; 및 상기 제2 단계 유출물과 상기 공급물 스트림 사이의 제2 열을 교환하는 제2 열 교환기를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 시스템은 상기 제1 열 교환기와 제2 열 교환기의 하류에 위치하고 상기 제2 단계 유출물을 압축하도록 구성된 압축기; 및 상기 압축기의 하류에 위치하고 상기 제2 단계 유출물에서 탈수소화 반응 생산물을 분리하도록 구성된 분리 시스템을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 차압은 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 총 차압보다 적되, 상기 총 차압은 상기 제1 반응기의 유입구와 상기 제3 반응기의 유출구 사이에서 측정된다. 일부 구현예에서, 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 상기 종합 선택도는 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 종합 선택도보다 크되, 상기 종합 선택도가 [상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 생산된 원하는 생산물(예컨대, 탈수소화 반응 생산물)의 몰수] / [상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 전환된 탈수소화 반응 공급물 종(예컨대, 탄화수소)의 총 몰수]로 정의된다. 일부 구현예에서, 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 에너지 투입량은 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 총 에너지 투입량보다 적다. 일부 구현예에서, 상기 탄화수소는 에틸벤젠이고, 상기 탈수소화 반응 생산물은 스타이렌을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기 각각은 단열 반응기이다.
또한 본원에 하기를 포함하는 다단계 탈수소화 반응 공정이 개시된다: 증기와 에틸벤젠을 조합하여 공급물 스트림을 형성하는 단계; 상기 공급물 스트림을 가열하여 가열된 공급물 스트림을 수득하는 단계; 상기 가열된 공급물 스트림을 제1 부분과 제2 부분으로 나누는 단계; 상기 공급물 스트림의 제1 부분을 탈수소화 반응 촉매제를 함유하는 제1 반응기에 공급하는 단계(에틸벤젠이 스타이렌으로 전환됨); 상기 공급물 스트림의 제2 부분을 탈수소화 반응 촉매제를 함유한 제2 반응기에 공급하는 단계(에틸벤젠이 스타이렌으로 전환됨); 상기 제1 반응기에서 미반응 에틸벤젠과 스타이렌을 포함하는 제1 유출물을 회수하는 단계; 상기 제2 반응기에서 미반응 에틸벤젠과 스타이렌을 포함하는 제2 유출물을 회수하는 단계; 상기 제1 유출물과 상기 제2 유출물을 조합 유출물로 조합하는 단계; 상기 조합 유출물을 가열하여 가열된 조합 유출물을 수득하는 단계; 상기 가열된 조합 유출물을 탈수소화 반응 촉매제를 함유한 제3 반응기에 공급하되, 상기 가열된 조합 유출물에 존재하는 미반응 에틸벤젠의 적어도 일부분이 스타이렌으로 전환되는 단계; 및 제3 반응기에서 미반응 에틸벤젠과 스타이렌을 포함하는 제3 유출물을 회수하는 단계.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명은 에틸벤젠 탈수소화 반응을 위한 병렬형 반응 시스템을 제공하는 효과가 있다.
상세 기술은 아래 간략하게 기술된 도면을 참조하되, 유사한 참조 번호는 유사 부품을 나타낸다.
도 1은 본 개시의 구현예에 따른 다단계 탈수소화 반응 시스템의 공정 흐름 다이어그램이다.
도 2는 본 개시의 또 다른 구현예에 따른 다단계 탈수소화 반응 시스템의 공정 흐름 다이어그램이다.
도 3은 선행 기술 탈수소화 반응 시스템의 공정 흐름 다이어그램이다.
탈수소화 반응(예컨대, 에틸벤젠의 탈수소화 반응)을 위한 종래의 공정은 일반적으로 증기 희석, 감압 운영 및 단열 반응기를 수반한다. 흡열성 반응의 경우, 재가열 장치가 상기 단열 반응기들 사이에 위치한다. 상기 탈수소화 반응은 낮은 압력에서 선호될 수 있어서, 상기 반응기는 전형적으로 압축기 유출물 라인 상에 압축기(예컨대, 진공 압축기)를 설치함으로써 감압(즉, 진공 조건) 상태로 운영된다. 종래의 3층(three-bed) 반응기 시스템은 직렬로 배치되는데, 공장 용량을 증가시키기 위한 일반적인 레트로피트(retrofit)선택안이다. 예를 들어, 에틸벤젠의 탈수소화 반응은 흡열성이고 증기 희석 및 직렬 단열 반응기들을 수바하고, 상기 반응기들 사이에 재가열 장치들이 구비된다.
본원에서 앞서 기술된 바와 같이, 종래의 탈수소화 반응은 직렬로 배치된 탈수소화 반응 반응기 세 대를 활용한다. 놀랍게도, 다단계 탈수소화 반응 응용의 첫 번째 두 반응기를 병렬로 배치하고, 이어서 이것의 생산물 스트림들을 조합하여 공통의 제3 반응기에 공급하면 종합 반응기 압력의 저감, 에너지 소비의 감소 및/또는 생산물 선택도의 증가를 가능하게 하는 한편, 바람직한 전환율을 유지할 수 있음이 발견된 바 있다. 스타이렌 단량체를 생산하기 위한 에틸벤젠의 탈수소화 반응을 언급하면서 때때로 아래에 기술되긴 하는데, 본원에 개시된 시스템 및 공정이 다양한 탈수소화 반응에 적합할 것임은 당업자에게 명백할 것이다.
비록 하나 이상의 측면의 묘사적 구현이 아래 묘사되고 있지만, 본원에 개시된 조립체, 시스템 및 방법이 현재 알려진 것이든 아직 존재하지 않는 것이든, 무수히 많은 기법을 사용하여 구현될 수 있음이 애초에 이해되어야 한다. 본원의 개시는 결코 아래 기술된 묘사적 구현, 도면 및 기법에 제한되어서는 안 되고, 첨부된 청구항의 범위 내에서, 그리고 그에 상당하는 것들의 전범위 내에서 변형될 수도 있다. 다양한 요소의 치수에 대한 값들이 개시되는데, 도면은 그 척도에 따라 표현되지 않았을 수도 있다.
다단계 탈수소화 반응을 위한 시스템 및 공정이 본원에 개시된다. 상기 시스템과 공정은 반응기 세 대를 활용하는데, 아래 좀 더 상세히 기술되는 바와 같이, 이들 중 첫 번째 두 대는 병렬로 배치되어, 공통의 제3 반응기에 직렬로 공급된다. 앞서 주목한 바와 같이, 이와 같은 첫 번째 두 대 반응기의 병렬형 배치는 종합 반응기 압력의 저감, 에너지 필요량의 감소 및/또는 선택도의 증가를 가능하게 할 수 있다.
다단계 탈수소화 반응을 위한 시스템이 본원에 개시된다. 상기 시스템은 병렬로 배치된 제1 탈수소화 반응 반응기와 제2 탈수소화 반응 반응기를 포함하는 제1 단계; 상기 제1 단계와 직렬로 배치되고, 제3 탈수소화 반응 반응기를 포함하는 제2 단계; 및 상기 제1 탈수소화 반응 반응기와 상기 제2 탈수소화 반응 반응기 각각의 유출구에 유동적으로 연결되고, 그것에서 유래된 반응기 유출물의 온도를 높이고 온도가 상승된 반응기 유출물을 상기 제3 탈수소화 반응 반응기에 유입시키도록 구성된 단계 사이 가열 장치를 포함한다. 상기 시스템은 상기 단계 사이 가열 장치 이외에, 하나 이상의 가열 장치, 하나 이상의 열 교환기, 하나 이상의 흐름 스플릿터(splitter) 또는 혼합기 및 다양한 하류공정 장비, 에컨대 압축기 및 분리기(상기 제3 반응기에서 추출된 반응기 유출물에서 유래된 상기 다단계 탈수소화 반응 생산물을 분리하도록 구성됨)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 도 1과 관련하여 아래 기술된 바와 같이, 본 개시에 따른 다단계 탈수소화 반응 시스템은 제2 단계 유출물과 상기 공급물 스트림 사이에서 제1 열을 교환하도록 구성된 제1 열 교환기를 포함할 수 있고, 추가로 상기 제2 단계 유출물과 상기 공급물 스트림 사이에서 제2 열을 교환하도록 구성된 제2 열 교환기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 본 개시에 따른 다단계 시스템은 추가로 제3 반응기, 제1 열 교환기 및/또는 제2 열 교환기의 하류에 위치하여 제2 단계 유출물을 압축하도록 구성된 압축기를 포함하고, 또한 일부 구현예에서, 상기 압축기의 하류에 위치하여 상기 제2 단계 유출물에서 탈수소화 반응 생산물을 분리하도록 구성된 분리 시스템을 포함할 수도 있다. 앞서 언급된 본 개시의 시스템의 구성성분들 각각이 이제 도 1의 구현예와 관련하여 좀 더 상세히 기술될 것이다.
도 1은 본 개시의 구현예에 따른 다단계 탈수소화 반응 시스템(I)의 공정 흐름 다이어그램이다. 다단계 탈수소화 반응 시스템(I)은 직렬의 제1 및 제2 반응기 단계를 포함하는데, 각각의 단계는 탈수소화 반응 조건 하에서 탄화수소를 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시킴으로써, 탄화수소와 증기를 포함하는 공급물 스트림 중 탄화수소의 적어도 일부분을 탈수소화 반응 생산물로 전환시키는데 효과적이다. 다단계 탈수소화 반응 시스템(I)의 제1 반응기 단계는 병렬로 배치된 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)와 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)를 포함하고, 다단계 탈수소화 반응 시스템(I)의 제2 반응기 단계를 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)를 포함한다. 다단계 탈수소화 반응 시스템(I)은 추가로 제1 가열 장치(15A), 제2 가열 장치(15B), 제3 가열 장치(15C), 제4 가열 장치(15D), 단계 사이 가열 장치(15E)(본원에서 '제5 가열 장치(15E')라고도 불림), 흐름 스플릿터(55A), 혼합기(55B), 제1 열 교환기(25A) 및 제2 열 교환기(25B)를 포함한다. 다단계 탈수소화 반응 시스템(I)의 구성성분들 각각은 아래에서 좀 더 자세히 기술될 것이다.
제1 가열 장치(15A)는 탄화수소 공급 유입구 라인(10)을 통해 유입된 탄화수소 공급물을 조합하여 증기 공급 유입구 라인(5)을 증발시켜 그것에 유입된 공급 증기를 증발시킴으로써 제1 가열 장치 유출물 라인(20)에서 제1 가열 장치 유출물을 생산하도록 구성된다. 제1 가열 장치(15A)는 그것에 유입된 탄화수소 공급물을 증발시키도록 작동 가능하고, 따라서 본원에서 때때로 '기화장치 증기 혼합 유닛(15A')라고 불리기도 한다. 제1 가열 장치(15A)는 제1 가열 장치 유출물 라인(20)을 통해 제1 열 교환기(25A)와 유동적으로 연결된다. 제1 열 교환기(25A)는 제1 가열 장치 유출물 라인(20) 중에 제1 가열 장치 유출물과 제2 가열 장치 유출물 라인(95) 중에 제2 가열 장치 유출물 사이의 열을 교환하도록 구성된다. 제1 열 교환기(25A)가 제1 가열 장치 유출물 라인(20)을 통해 그것에 유입된 탄화수소를 증발시키도록 작동가능하기 때문에, 제1 열 교환기(25A)는 본원에서 때로 '반응기 공급물 기화장치(25A')라고 불린다. 제1 열 교환기 유출물 라인(96)은 제1 열 교환기(25A)에서 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 유출물을 제거하도록 구성되고, 제1 열 교환기 유출물 라인(30)은 제1 열 교환기(25A)에서 반응기 공급물을 포함하는 유출물을 제거하도록 구성된다.
제1 열 교환기(25A)는 제1 열 교환기 유출물 라인(30)을 통해 제2 열 교환기(25B)와 유동적으로 연결되고, 제1 열 교환기 유출물 라인(30) 중 반응기 공급물을 포함하는 제1 열 교환기 유출물과 제3 반응기 유출물 라인(85)을 통해 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)에서 추출된 제3 반응기 유출물 사이의 열을 교환하도록 구성된다. 제2 열 교환기 유출물 라인(90)은 제2 열 교환기(25B)에서 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 유출물을 제거하도록 구성되고, 제2 열 교환기 유출물 라인(35)은 제2 열 교환기(25B)에서 반응기 공급물을 포함하는 유출물을 제거하도록 구성된다. 제2 열 교환기(25B)가 제3 반응기 유출물 라인(85)을 통해 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)에서 추출된 제3 탈수소화 반응의 유출물에서 제1 열 교환기 유출물 라인(30)중 반응기 공급물을 포함하는 제1 열 교환기 유출물로 열을 전달하도록 구성되기에, 제2 열 교환기(25B)는 본원에서 또한 '반응기 공급물/유출물 교환기(25B)'로 불린다. 제2 가열 장치(15B)는 제2 열 교환기 유출물 라인(90)을 통해 그것에 유입되는 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제2 열 교환기 유출물을 수용하여 가열하고, 제2 가열 장치 유출물 라인(95)를 통해 그것에서 추출된 제2 가열 장치 유출물을 제공하도록 자리가 배치될 수 있다. 제2 가열 장치(15B)가 높은 압력(HP) 증기를 생산하도록 작동 가능할 수 있어서, 제2 가열 장치(15B)는 본원에서 'HP 증기 생산이기(15B)'로 불릴 수 있다.
제3 가열 장치(15C)는 희석 증기 공급 라인(40)을 통해 유입된 희석 증기에서 제3 가열 장치 유출물을 생산하도록 구성된다. 제3 가열 장치(15C)가 희석 증기 공급 라인(40)을 통해 그것에 유입된 상기 희석 증기를 과열하도록 작동 가능할 수 있기에, 제3 가열 장치(15C)는 본원에서 '제1 증기 과열 장치(15C)'로 불릴 수 있다. 제3 가열 장치(15C)는 제3 가열 장치 유출물 라인(45)를 통해 제4 가열 장치(15D)와 유동적으로 연결된다. 제4 가열 장치(15D)는 제3 가열 장치 유출물 라인(45)을 통해 그것에 유입된 희석 증기 및 제2 열 교환기 유출물 라인(35)을 통해 그것에 유입된 탄화수소 공급물에서 제4 가열 장치 유출물을 생산하도록 구성된다. 제4 가열 장치(15D)가 희석 증기 혼합(즉, 라인(35) 및 라인(45)의 내용물은 유출물 라인(50)을 통해 조합되어 방출됨)을 제공하기에, 제4 가열 장치(15D)는 본원에서 '희석 증기 혼합 유닛(15D)'으로 불릴 수 있다. 제4 가열 장치 유출물 라인(50)(본원에서 또한 '제1 단계 공급 라인(50)'으로 불림)은 제4 가열 장치(15D)와 흐름 스플릿터(55A)를 유동적으로 연결하고, 제4 가열 장치(15D)에서 제1 단계 반응기 공급물을 추출하고 그것에서 흐름 스플릿터(55A)로 유입시키도록 구성된다.
흐름 스플릿터(55A)는 병렬형 탈수소화 반응 반응기(65A 및 65B)로의 유입을 위해 제4 가열 장치 유출물 흐름 라인(50)을 통해 그것에 유입되는 제1 단계 반응기 공급물을 나누도록 구성된다. 흐름 스플릿터(55A)는 제1 탈수소화 반응 반응기 공급 라인(60A)을 통해 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)와, 그리고 제2 탈수소화 반응 반응기 공급 라인(60B)을 통해 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)와 유동적으로 연결된다.
제1 탈수소화 반응 반응기(65A)는 탈수소화 반응 촉매제를 함유하고, 제1 탈수소화 반응 반응기 공급 라인(60A)을 통해, 제1 단계 공급 라인(50) 중에 탄화수소와 증기를 포함하는 제1 단계 공급물의 일부분을 수용하는 제1 반응기 유입구를 포함하고; 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)도 또한 탈수 촉매제를 함유하고, 제2 탈수소화 반응 반응기 공급 라인(60B)을 통해, 제1 단계 공급 라인(50) 중 탄화수소와 증기를 포함하는 제1 단계 공급물의 잔여 부분을 수용하는 제2 반응기 유입구를 포함한다.
제1 탈수소화 반응 반응기(65A)는 제1 반응기 유출구를 통해 혼합기(55B)와 유동적으로 연결되고; 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)는 제2 반응기 유출구를 통해 혼합기(55B)와 유동적으로 연결된다. 혼합기(55B)는 제1 반응기 유출물 라인(70A)을 통해 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)에서 추출된 제1 탈수소화 반응 반응기 유출물과 제2 반응기 유출물 라인(70B)을 통해 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)에서 추출된 제2 탈수소화 반응 반응기 유출물을 조합하여, 조합된 제1 단계 반응기 유출물을 제공하도록 구성된다. 혼합기(55B)는 조합된 제1 단계 유출물 라인(75)을 통해 제5 가열 장치(15E)(본원에서 또한 '단계 사이 가열 장치(15E)' 또는 '제3 반응기 재가열 장치(15E)'로 불림)와 유동적으로 연결된다. 제5 가열 장치(15E)는 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)를 포함하는 제2 단계로 유입시키기 전에 제1 단계 유출물 라인(75)을 통해 그것에 유입된 제1 단계 유출물의 온도를 상승시키도록 구성된다. 제3 반응기 공급 라인(80)(본원에서 또한 '제2 단계 공급 라인(80)')은 제5 가열 장치(15E)를 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)와 유동적으로 연결한다.
앞서 주목한 바와 같이, 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제3 반응기 유출물 라인(85)은 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)를 제2 열 교환기(25B)와 유동적으로 연결한다. 또한 앞서 본원에서 주목한 바와 같이(도 1에 표시되지 않음), 다단계 탈수소화 반응 시스템(I)은 당업자에게 알려진 하류 공정 장치들을 추가로 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 본 개시에 따른 다단계 탈수소화 반응 시스템은 제3 반응기 유출물을 그것으로 유입(예컨대, 제1 열 교환기 유출물 라인(96)을 통해)하도록 구성된 압축기, 및 물과 상기 반응의 다양한 부산물에서 탈수소화 반응 생산물을 분리하도록 고안된 분리 유닛을 추가로 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 구현예에 따른 다단계 탈수소화 반응 시스템(II)이 도 2의 공정 흐름 다이어그램에 묘사되어 있다. 본 구현예에서, 희석 증기 공급 라인(40’)은 제3 가열 장치(15C')(또한 본원에서 '제1 증기 과열장치(15C')'로 불림)로의 희석 증기 공급물을 유입시키도록 구성되고, 이것은 본 구현예에서 제3 가열 장치 유출물 라인(45')을 통해 제3 열 교환기(25C’)와 유동적으로 연결된다. 라인(41')은 제3 가열 장치(15C) 및 제3 가열 장치 유출물 라인(45)을 통해 제3 열 교환기(25C’)를 희석 증기 혼합 유닛(15D)와 유동적으로 연결할 수 있다. 제3 가열 장치(15C)는 탄화수소 스트림과 혼합하여 제1 반응기 세트에 진입하기 전에 추가적인 재가열(reheat)을 제공할 것이다. 본 구현예에서, 상기 단계 사이 가열 장치는 열 교환기(25C’)를 포함한다. 본 구현예는 향상된 열 회수 및 약간 더 낮은 총 에너지 투입량 때문에, 본원의 하기에 추가로 기술되는 도 3의 종래의 구현예에 비해, 도 1의 구현예에 대해 추가적인 에너지 이점이 가능하게 할 수 있다.
탈수소화 반응 반응기(65A, 65B 및 65C)는 당업자에게 알려진 모든 탈수소화 반응 반응기일 수 있다. 일부 구현예에서, 탈수소화 반응 반응기(65A, 65B 및 65C)는 단열 반응기이다. 탈수소화 반응 반응기(65A, 65B 및 65C)는 그것 내에 탄화수소 공급물 중 탄화수소의 탈수소화 반응 생산물로의 탈수소화 반응을 촉매화하는 데 적합한 탈수소화 반응 촉매제를 함유한다. 일부 구현예에서, 탈수소화 반응 촉매제는 탄화수소 공급물 중 에틸벤젠을 탈수소화하여 스타이렌을 포함하는 탈수소화 반응 생산물을 생산하도록 작동 가능한 촉매제이다. 당업자는 상기 주어진 반응기 조건을 기반으로 적합한 탈수소화 반응 촉매제의 선택이 명백함을 발견할 것이다. 일부 구현예에서, 탈수소화 반응 촉매제는 산화철(III)을 포함하는데, 산화칼륨 또는 탄산칼륨, 산화희토류 및/또는 기타 무기 성능 촉진제에 의해 촉진된다. 일부 구현예에서, 상기 탈수소화 반응 촉매제는 증기 희석, 감소된 압력 및 높은 온도로 작동하여 평형 제약 및 흡열성 반응을 극복하기에 알맞은 불균일 촉매제 시스템을 포함한다.
가열 장치(15A, 15B, 15C, 15C', 15D 및 15E)는 당업자에게 알려진 임의의 가열 장치일 수 있다. 일부 구현예에서, 가열 장치(15A, 15B, 15C, 15C', 15D 및 15E) 중 하나 이상은 가열된 튜브 가열 장치 또는 용광로에서 선택된다. 일부 구현예에서, 가열 장치(15A, 15B, 15C, 15C', 15D 및 15E) 중 하나 이상은 열 교환기에서 선택된다. 일부 구현예에서, 가열 장치(15A, 15B, 15C, 15C', 15D 및 15E) 중 하나 이상은 가열 유체로 증기를 사용하는 열 교환기에서 선택된다. 일부 구현예에서, 제2 가열 장치(15B)는 HP 증기 생성기다. 일부 구현예에서, 제3 가열 장치(15C), 제3 가열 장치(15C)', 또는 둘 다는 증기 과열 장치이다. 일부 구현예에서, 단계 사이 가열 장치(15E)는 표준 용광로 재가열 장치를 포함한다. 일부 구현예에서, 단계 사이 가열 장치(15E)는 열 교환기를 포함한다.
열 교환기(25A, 25B 및 25C')는 공정 스트림과 열 교환 유체 사이에서 열을 교환하기에 적합한, 당업자에게 알려진 임의의 열 교환기일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 열 교환 유체는 증기를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 열 교환 유체는 또 다른 공정 스트림(예컨대, 제3 반응기 유출물 라인(85) 중 제3 반응기 유출물, 제2 열 교환기 유출물 라인(90) 중 제2 열 교환기 유출물 또는 제2 가열 장치 유출물 라인(95) 중 제2 가열 장치 유출물)을 포함한다. 일부 구현예에서, 열 교환기(25A, 25B, 및/또는 25C')는 셸형 및 튜브형 열 교환기에서 선택된다.
비교를 위해, 선행기술에 따른 종래의 탈수소화 반응 시스템(III)이 도 3에 묘사되고, 하기 실시예에서 비교를 위해 언급될 것이다. 도 3에서 번호 매기기는 일반적으로 도 1 및 2의 그것에 상응하되, 단 아래 주목한 부분은 제외되고(구체적으로, 제5 가열 장치(115E)와 관련하여), 도 3의 구성성분들은 100씩 증가하여, 예컨대, 도 3에서 구성성분(105)는 도 1 및 2에서 구성성분(5)에 상응한다.
종래의 탈수소화 반응 시스템(III)에서, 제1 탈수소화 반응 반응기(165A), 제2 탈수소화 반응 반응기(165B) 및 제3 탈수소화 반응 반응기(165C)는 직렬로 연결된다. 이와 같은 구성에서, 제4 가열 장치 유출물 라인(150) 중 제4 가열 장치 유출물은 흐름 스플릿터로 유입되지 않고, 대신 오히려 모두 제1 탈수소화 반응 반응기(165A)로 유입된다. 상기 제1 탈수소화 반응 반응기 유출물은 제1 반응기 유출물 라인(170A)을 통한 후, 제3 열 교환기(125C) 및 제3 열 교환기 유출물 라인(127)을 통해 제2 탈수소화 반응 반응기(165B)로 유입된다. 제3 열 교환기(125C)는 제1 반응기 유출물 라인(170A) 중 제1 반응기 유출물과 제5 가열 장치 증기 유출물 라인(129) 중 제5 가열 장치 유출물의 증기 사이의 열을 교환하도록 구성된다. 제3 열 교환기(125C)는 제2 탈수소화 반응 반응기(165B)에 앞서 반응물을 재가열하는 역할을 하기에, 제3 열 교환기(125C)는 본원에서 '반응기 1/반응기 2 재가열 장치(125C)'로 불릴 수 있다. 상기 제2 탈수소화 반응 반응기 유출물은 제2 반응기 유출물 라인(170B)을 통한 후, 제4 열 교환기(125D)와 제3 반응기 공급 라인(180)을 통해 제3 탈수소화 반응 반응기(165C)로 유입된다. 제4 열 교환기(125D)가 제3 탈수소화 반응 반응기(165C)에 가열된 공급물을 제공하도록 작동할 수 있기에, 제4 열 교환기(125D)는 본원에서 또한 '반응기 2/반응기 3 재가열 장치(125D)'로 불린다.
희석 증기 공급물 유입구 라인(140’)은 상기 희석 증기를 가열하도록 구성된 제3 가열 장치(115C')로 희석 증기를 유입시키도록 구성된다. 제3 가열 장치(115C’)가 그것에 유입된 희석 증기를 과열하도록 작동할 수 있기에, 제3 가열 장치(115C’)는 본원에서 '제1 증기 과열장치(115C’)'로 불릴 수 있다. 제3 가열 장치 유출물 라인(145’)은 제3 가열 장치(115C’)를 제4 열 교환기(125D)와 유동적으로 연결한다, 이것은 제3 가열 장치 유출물 라인(145’) 중 증기의 열을 제2 반응기 유출물 라인(170B)를 통해 제4 열 교환기(125D)로 유입된 제2 반응기 유출물에 전달하여, 제3 반응기 공급 라인(180)을 통한 제3 탈수소화 반응 반응기(165C)로의 유입을 위해 제2 반응기 유출물을 가열하고, 제4 열 교환기 증기 유출물 라인(128)을 통해 제4 열 교환기(125D)에서 추출된 냉각 증기를 제공하도록 구성된다. 제4 열 교환기 증기 유출물 라인(128)은 제4 열 교환기(125D)를 제5 가열 장치(115E)(이와 같은 종래의 경우, 단계 사이 가열 장치가 아님)와 유동적으로 연결하고, 이것은 그것에 유입된 냉각 증기를 가열하도록 구성된다. 제5 가열 장치(115E)는 과열된 증기를 제공하도록 작동할 수 있기에, 제5 가열 장치(115E)는 '제2 증기 과열 장치(115E)로 불릴 수 있다'. 제5 가열 장치 유출물 라인(129)은 제5 가열 장치(115E)를 제3 열 교환기(125C)(앞서 주목한 바와 같이, 제1 반응기 유출물 라인(170A) 중 제1 반응기 유출물과 제5 가열 장치 증기 유출물 라인(129) 중 제5 가열 장치 유출물의 증기 사이에 열을 교환하도록 구성됨)와 유동적으로 연결한다. 제3 열 교환기 증기 유출물 라인(126)은 제3 열 교환기(125C)를 제6 가열 장치(115F)와 유동적으로 연결하는데, 이것은 제3 열 교환기 증기 유출물 라인(126)을 통해 그것에 유입된 냉각 증기를 (제4 가열 장치(155D)에서 제2 열 교환기 유출물 라인(135) 중 반응기 공급물을 포함하는 제2 열 교환기 유출물과 냉각 증기의 조합 이전에) 가열하도록 구성된다. 제6 가열 장치(115F)는 그것에 유입된 증기를 과열하도록 작동할 수 있기에, 제6 가열 장치(115F)는 본원에서 '제3 증기 과열장치(115F)'로 불릴 수 있다.
도 3의 구성성분들(105)(증기화인 증기 공급물 유입구 라인), (110)(탄화수소 공급물 유입구 라인), (115A)('제1 가열 장치' 또는 '기화장치 증기 혼합 유닛'), (115B)('제2 가열 장치' 또는 'HP 증기 생산이기'), (120)(제1 가열 장치 유출물 라인), (125A)('제1 열 교환기' 또는 '반응기 공급물 기화장치'), (125B)('제2 열 교환기' 또는 '반응기 공급물/유출물 교환기'), (130)(반응기 공급물을 포함하는 제1 열 교환기 유출물 라인), (190)( 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제2 열 교환기 유출물 라인), (195)( 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제2 가열 장치 유출물 라인) 및 (196)(탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제1 열 교환기 유출물 라인) 은 도1 및 2의 구성성분들 5, 10, 15A, 15B, 20, 25A, 25B, 30, 90, 95 및 96과 관련하여 기술된 바와 같다.
본원에서 또한 다단계 탈수소화 반응을 위한 공정이 개시된다. 상기 다단계 공정은 제1 단계로, 탈수소화 반응 조건 하에서 탄화수소와 증기를 포함하는 공급물 스트림을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제1 단계 유출물을 수득하는 단계;상기 제1 단계 유출물을 가열하는 단계; 및 제2 단계로, 탈수소화 반응 조건 하에서 상기 가열된 제1 단계 유출물을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제2 단계 유출물을 수득하는 단계를 포함하되, 상기 제1 단계는 병렬로 배치된 제1 반응기와 제2 반응기를 포함하고, 상기 제2 단계는 상기 제1 반응기 및 제2 반응기와 직렬로 연결된 제3 반응기를 포함한다. 일부 구현예에서, 탄화수소는 에틸벤젠이고, 상기 탈수소화 반응 생산물은 스타이렌을 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기 각각은 단열로 작동된다.
본 개시의 구현예에 따른 상기 다단계 공정의 좀 더 상세한 기술이 도 1과 관련하여 이루어질 것이다.
증기화 증기 공급물 유입구 라인(5) 중 증기화 증기 공급물과 탄화수소 공급물 유입구 라인(10) 중 탄화수소 공급물은 제1 가열 장치(15A)에서 조합되어(상기 탄화수소는 증기화됨), 제1 가열 장치(20)에서 추출된 증기화된 탄화수소 공급물을 포함하는 제1 가열 장치 유출물이 제1 가열 장치 유출물 라인(20)을 통해 공급된다. 제1 열 교환기(25A)와 제2 열 교환기(25B)를 관통하는 통로를 통해, 상기 증기화된 탄화수소 공급물과 제3 반응기 유출물 라인(85) 중 제3 반응기 유출물(즉, 생산물 스트림) 사이에서 열이 교환된다. 제1 열 교환기(25A)에서, 제1 가열 장치 유출물 라인(20) 중 증기화된 탄화수소 공급물과 제2 가열 장치 유출물 라인(95) 중 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제2 가열 장치 유출물 사이에서 열이 교환된다. 탈수소화 반응 생산물은 제1 열 교환기 유출물 라인(96)을 통해 제1 열 교환기(25A)에서 추출되고, 반응기 공급물을 포함하는 제1 열 교환기 유출물은 제1 열 교환기 유출물 라인(30)을 통해 제1 열 교환기(25A)에서 추출된다. 제1 열 교환기 유출물 라인(30)을 통해 제1 열 교환기(25A)에서 추출된 탄화수소 공급물의 추가적인 열 교환은 제2 열 교환기(25B)로의 그것의 유입과 제3 반응기 유출물 라인(85)을 통한 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)에서 추출된 생산물 스트림과의 열 교환에 의해 제공된다. 탈수소화 반응 생산물은 제2 열 교환기 유출물 라인(90)을 통해 제2 열 교환기(25B)에서 추출되고, 추가로 열 교환된 탄화수소 공급물은 제2 열 교환기 유출물 라인(35)을 통해 제2 열 교환기(25B)에서 추출된다. 제2 열 교환기 유출물 라인(90) 중 반응 생산물(즉, 열 교환 매질)의 온도는 제2 가열 장치 유출물 라인(95)을 통한 제1 열 교환기(25A)로의 유입에 앞서, 제2 가열 장치(15B)를 관통하는 통로를 통해 조절이 가능하다.
희석 증기 공급 라인(40)을 통해 유입된 희석 증기는 제3 가열 장치(15C)에서 과열되고, 제3 가열 장치 유출물 라인(45)을 통해 제3 가열 장치(15C)에서 추출된 과열된 증기는 제4 가열 장치(15D)에서 제2 열 교환기 유출물 라인(35) 중 탄화수소/증기 공급물과 조합된다. 탄화수소와 증기를 포함하는 제1 단계 공급물 스트림은 제4 가열 장치 유출물 라인(50)을 통해 제4 가열 장치(15D)에서 추출된다.
스플릿터(55A)는 제1 단계 공급물 스트림을 제1 탈수소화 반응 반응기 공급 라인(60A)을 통해 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)로 유입되는 제1 부분과, 제2 탈수소화 반응 반응기 공급 라인(60B)을 통해 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)로 유입되는 제2 또는 잔여 부분으로 나누는 역할을 하고, 이것은 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)와 병렬로 작동된다. 제1 및 제2 탈수소화 반응 반응기 각각에 유입된 중 제1 단계 공급물 스트림의 분율(fraction)은 그것의 부피에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)과 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)가 크기가 다른 레트로피트(retrofit) 응용의 경우, 분획율(split ratio)은 그에 따라 조절될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 단계 공급물 스트림의 대략 절반이 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)로 유입되고, 제1 단계 공급물 스트림의 대략 절반이 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)로 유입된다. 일부 구현예에서, 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)와 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)는 대략 동등한 부피를 갖는다.
앞서 주목한 바와 같이, 제1 및 제2 탈수소화 반응 반응기(65A 및 65B)는 그 안에 증기의 존재 하에 제1 단계 공급물 스트림에서 탄화수소의 탈수소화 반응을 촉매하여 탈수소화 반응 생산물을 생산하기에 적합한 탈수소화 반응 촉매제를 함유한다. 탈수소화 반응 생산물과 미반응 탄화수소는 각각 제1 반응기 유출물 라인(70A)과 제2 반응기 유출물 라인(70B)을 통해 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)와 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)에서 추출된다. 제1 탈수소화 반응 반응기(65A)와 제2 탈수소화 반응 반응기(65B)의 생산물의 생산물 스트림들은 혼합기(55B)에서 조합되어, 단계 사이 또는 제5 가열 장치 공급 라인(75)을 통해 혼합기(55B)에서 추출되는 조합된 제1 단계 유출물이 제공된다.
상기 조합된 제1 단계 유출물은 단계 사이 또는 제5 가열 장치 공급 라인(75)을 통해 단계 사이 또는 제5 가열 장치(15E)로 유입되는데, 상기 장치는 제1 단계 유출물을 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)의 작동에 적합한 온도로 가열함으로써, 제3 반응기 또는 제2 단계 공급 라인(80)을 통해 단계 사이 가열 장치(15E)에서 추출되는 제3 반응기 공급물(본원에서 제2 단계 반응기 공급물로도 불림)을 제공하는 역할을 한다. 도 1에서 가열 장치로 표시되어 있지만, 단계 사이 가열 장치(15E)는 임의의 표준 재가열 장치 기술을 통해 작동될 수 있고, 열 교환기의 사용이 도 2의 구현예에 표시되었고, 추가로 하기에서 논의된다. 일부 구현예에서, 상기 조합된 제1 단계 유출물은 열 교환을 통해 단계 사이 또는 제5 가열 장치(15E)에서 가열된다.
앞서 주목한 바와 같이, 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)는 제2 단계 공급 라인(80)을 통해 그것에 유입되는 증기의 존재 하에 제2 단계 공급물 중 미반응 탄화수소의 탈수소화 반응을 촉매하기 위해 적합한 탈수소화 반응 촉매제를 그 안에 함유한다. 탈수소화 반응 생산물과 임의의 잔여 미반응 탄화수소를 포함하는 제2 단계 유출물은 제3 반응기 유출물 라인(85)을 통해 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)에서 추출된다. 앞서 주목한 바와 같이, 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)에서 추출된 제2 단계 유출물은 압축되어 물과 상기 반응의 임의의 부산물에서 상기 탈수소화 반응 생산물을 분리하기 위한 생산물 분리(들)을 거친다. 일부 구현예에서, 앞서 주목한 바와 같이, 상기 제2 단계 유출물은 탄화수소/증기화 증기 공급물과의 열 교환을 거침으로써, 그것의 압축 및/또는 그것에서의 생산물 분리에 앞서, 제2 단계 유출물 중 적어도 일부분이 응결될 수 있다. 예를 들어, 이전에 논의된 바와 같이, 열은 제2 열 교환기(25B)에서, 제3 반응기 유출물 라인(85) 중 제2 단계 유출물과 제1 열 교환기 유출물 라인(30) 중 탄화수소/증기 공급물 사이에서, 교환될 수 있고, 더 나아가 열은 제1 열 교환기(25A)에서, 제2 열 교환기 유출물 라인(90) 중 제2 열 교환기 유출물과 제1 가열 장치 유출물 라인(20) 중 탄화수소/증기 공급물 사이에서 교환될 수 있다. 제2 열 교환기 유출물 라인(90)중 제2 열 교환기 유출물의 온도는 제2 가열 장치 유출물 라인(95)을 통한 제1 열 교환기(25A)로의 유입 전에, 제2 가열 장치(15B)를 관통하는 통로를 통해 조절될 수 있다.
본 개시에 따른 탈수소화 반응 공정의 또 다른 구현예가 도 2와 관련하여 기술될 것이다. 본 구현예에서, 희석 공급물이 희석 증기 공급 라인(40’)을 통해 제3 가열 장치(15C')로 유입되고, 적절히 가열된 증기가 제3 가열 장치 유출물 라인(45')을 통해 제2 단계 공급 라인(80)을 통해 제3 탈수소화 반응 반응기(65C)로 유입되기 전 조합된 제1 단계 유출물 라인(75)에서 상기 조합된 제1 단계 유출물을 가열하도록 구성된 제3 열 교환기(25C')로 유입된다. 라인(41')을 통해 제3 열 교환기(25C’)에서 추출된 열 교환된 희석 증기는 제4 가열 장치(15D)에서, 제3 가열 장치(15C)와 제3 가열 장치 유출물 라인(45)을 통해 제2 열 교환기 유출물 라인(35)에서 열 교환된 탄화수소/증기 공급물과 조합될 수 있다.
비교를 위해, 이제 종래의 탈수소화 반응 공정의 간략한 기술이 도 3과 관련하여 이루어질 것이다. 앞서 주목한 바와 같이, 종래의 탈수소화 반응 공정은 병렬형이 아닌 직렬형 탈수소화 반응 반응기들을 활용한다. 제4 가열 장치 또는 '희석 증기 혼합 유닛'(115D)로의 유입에 앞서 탄화수소/증기 공급물의 준비는 제1 가열 장치(115A)에서 증기화 증기 공급물 유입구 라인(105) 중 증기화 증기 공급물과 탄화수소 공급물 유입구 라인(110) 중 탄화수소 공급물(상기 탄화수소는 증기화됨)을 조합하여, 제1 가열 장치 유출물 라인(120)을 통해 제1 가열 장치 115A에서 추출되는 증기화된 탄화수소 공급물을 포함하는 제1 가열 장치 유출물을 제공하는 단계를 포함한다. 제1 열 교환기(125A)와 제2 열 교환기(125B)를 관통하는 통로를 통해, 열은 제3 반응기 유출물 라인(185) 중 증기화된 탄화수소 공급물과 제3 반응기 유출물 (즉, the 생산물 스트림) 사이에서 교환된다. 제1 열 교환기(125A)에서, 열은 제1 가열 장치 유출물 라인(120) 중 증기화된 탄화수소 공급물과 제2 가열 장치 유출물 라인(195) 중 제2 가열 장치 유출물 사이에서 교환된다. 반응 생산물은 제1 열 교환기 유출물 라인(196)을 통해 제1 열 교환기(125A)에서 추출되고, 열 교환된 탄화수소 공급물은 제1 열 교환기 유출물 라인(130)을 통해 제1 열 교환기(125A)에서 추출된다. 제1 열 교환기 유출물 라인(130)을 통해 제1 열 교환기(125A)에서 추출되는 탄화수소 공급물의 추가 열 교환은 제2 열 교환기(125B)으로의 그것의 유입과 제3 반응기 유출물 라인(185)를 통해 제3 탈수소화 반응 반응기(165C)에서 추출된 생산물 스트림과의 열 교환에 의해 제공된다. 반응 생산물은 제2 열 교환기 유출물 라인(190)을 통해 제2 열 교환기(125B)에서 추출되고, 추가로 열 교환된 탄화수소 공급물은 제2 열 교환기 유출물 라인(135)를 통해 제2 열 교환기(125B)에서 추출된다. 제2 열 교환기 유출물 라인(190) 중 반응 생산물(즉, 열 교환 매질)의 온도는 제2 가열 장치 유출물 라인(195)을 통한 제1 열 교환기(125A)로의 유입 이전에 제2 가열 장치(115B)를 관통하는 통로를 통해 조절될 수 있다.
희석 증기와 열 교환된 탄화수소/증기 공급물을 포함하는 제6 가열 장치 유출물은 각각 제6 가열 장치 유출물 라인(116)과 제2 열 교환기 유출물 라인(135)을 통해 제4 가열 장치(115D)로 유입된다. 반응기 공급물은 제4 가열 장치 유출물 라인(150)을 통해 제1 탈수소화 반응 반응기(165A)로 유입된다. 제1 반응기 유출물 라인(170A)을 통해 그것에서 추출된 제1 탈수소화 반응 반응기(165A)의 탈수소화 반응 생산물은 제3 열 교환기(125C)에서 제5 가열 장치 증기 유출물 라인(129) 중 증기와의 열 교환을 통해 가열된다. 열 교환된 증기는 제3 열 교환기 증기 유출물 라인(126)을 통해 제3 열 교환기(125C)에서 추출되고, 이것의 온도는 제6 가열 장치 유출물 라인(116)을 통한 제4 가열 장치(115D)로의 유입 이전에 제6 가열 장치(115F)를 관통하는 통로를 통해 상승된다. 제1 탈수소화 반응 반응기(165A)에서 유래된 온도 상승된 탈수소화 반응 생산물은 제3 열 교환기 유출물 라인(127)을 통해 제2 탈수소화 반응 반응기(165B)로 공급물로서 유입된다.
제2 반응기 유출물 라인(170B)를 통해 제2 탈수소화 반응 반응기(165B)에서 추출된 그것의 탈수소화 반응 생산물은 제4 열 교환기(125D)에서 제3 가열 장치 유출물 라인(145’)의 증기와 열 교환을 통해 가열된다. 상기 열 교환된 증기는 제4 열 교환기 증기 유출물 라인(128)을 통해 제4 열 교환기(125D)에서 추출될 수 있고, 이것의 온도는 제5 가열 장치 증기 유출물 라인(129)을 통한 제3 열 교환기(125C)로의 유입 이전에 제5 가열 장치(115E)를 관통하는 통로를 통해 상승된다. 제2 탈수소화 반응 반응기(165B)에서 유래된 온도 상승된 탈수소화 반응 생산물은 제3 반응기 공급 라인(180)을 통해 제3 탈수소화 반응 반응기(165C)로 공급물로서 유입된다.
도 3의 종래의 공정에서, 희석 증기 공급 라인(140')의 희석 증기 공급물은 제3 가열 장치(115C’)에서 과열되고, 이어서 적절히 가열된다. 상기 종래의 공정에서, 제3 가열 장치 유출물 라인(145’)을 통해 제3 가열 장치(115C’)에서 추출된 과열된 증기는 제3 반응기 공급 라인(180)을 통한 제3 탈수소화 반응 반응기(165C) 로의 유입에 앞서, 제2 반응기 유출물 라인(170B)에서 상기 탈수소화 반응 생산물을 가열하도록 구성된 제4 열 교환기(125D)에 유입된다. 앞서 주목한 바와 같이, 제4 열 교환기 증기 유출물 라인(128)을 통해 제4 열 교환기(125D)에서 추출한 열 교환된 희석 증기의 온도는 제3 열 교환기(125C)에서 제1 탈수소화 반응 반응기(165A)의 탈수소화 반응 생산물과의 열 교환 이전에, 제5 가열 장치(115E)를 관통하는 통로를 통해 상승될 수 있다.
앞서 주목한 바와 같이, 본원에 개시된, 제3 탈수소화 반응 반응기를 함유하는 제2 단계의 상류에 위치한 병렬로 작동하는 두 대의 탈수소화 반응 반응기를 함유하는 제1 단계를 활용하는 다단계 탈수소화 반응 시스템은 종합 반응기 압력의 감소, 평균 유닛 압력 이점, 원하는 탈수소화 반응 생산물 선택도의 증가, 바람직한 전환율, 및/또는 탈수소화 반응 생산물 1파운드 당 더 낮은 에너지 투입량을 가능하게 할 수 있다. 스타이렌를 생산하는 흡열성 에틸벤젠의 탈수소화 반응과 같은 탈수소화 반응 공정의 경우, 압력 조건의 향상(즉, 압력 감소)이 선택도를 향상시킨다. 하기 실시예에서 보듯이, 병렬로 작동하는 두 대의 탈수소화 반응 반응기를 포함하고, 제3 탈수소화 반응 반응기를 포함하는 제2 단계로 이어지는 제1 단계를 활용함으로써, 차압이 유의미하게 감소되고, 이것으로 생산물 선택도가 향상될 수 있다. 일부 구현예에서, 본원에 개시된 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 차압은 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 종래의 그 밖의 유사한 공정의 총 차압보다 적되, 상기 총 차압은 상기 제1 반응기의 유입구와 상기 제3 반응기의 유출구 사이에서 측정된다. 일부 구현예에서, 본원에 개시된 다단계 탈수소화 반응 공정의 종합 선택도는 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 종래의 그 밖의 유사한 공정의 종합 선택도보다 크다. 상기 종합 선택도는 [상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 생산된 원하는 생산물 (예컨대, 탈수소화 반응 생산물)의 몰수]/[ 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 전환된 탈수소화 반응 공급물 종들(예컨대, 탄화수소)의 총 몰수]로 정의된다. 일부 구현예에서, 본원에 개시된 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 에너지 투입량은 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 종래의 그 밖의 유사한 공정의 총 에너지 투입량보다 적다.
도 1의 본원에 개시된 다단계 탈수소화 반응 시스템을 도 3의 종래의 탈수소화 반응 시스템과 비교할 때 보듯이, 제5 가열 장치(115E), 제6 가열 장치(115F), 제3 열 교환기(125C) 및 제4 열 교환기(125D)는 본질적으로 단계 사이 가열 장치(15E)로 대체되는데, 이것은 본원에 개시된 다단계 탈수소화 반응 시스템 및 공정의 앞서 주목된 에너지 이점을 제공하는 데 도움일 될 수 있다.
본원에 개시된 다단계 탈수소화 반응 시스템 및 공정은 제1 단계의 첫 번째 반응기 두 대에서 (첫 번째 탈수소화 반응 반응기 두 대가 직렬로 배치된 종래의 탈수소화 반응 시스템의 첫 번째 탈수소화 반응 반응기 두 대에 비해) 더 높은 전환율을 운영할 수 있고, 제2 단계의 제3 반응기로의 유입 이전에 더 많은 재가열이 바람직할 수 있다. 추가적으로, 상기 다단계 시스템 및 공정은 특히 초저(ultra-low) 증기 대 오일(예컨대, 약 5.5~6 STO)과 낮은 압력이 활용되는 레트로피트(retrofit) 작동에 적합하다.
실시예
실시예 1: 종래 및 본원개시 병렬형 반응기 시스템의 비교
Aspen Plus 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 도 1에 표시된 본원 개시 병렬형 반응기 시스템을 구성하고, 도 3에 표시된 종래의 직렬형 반응기 시스템과 비교하였다. 0.37/h 에틸벤젠, 7 몰 증기 대 오일(STO는 증기 대 탄화수소, 예컨대, 에틸벤젠의 몰비) 및 6.5 psia 유출구에서 두 가지 공정의 반응기 모델을 사용하는 비교를 수행하였다. 이와 같은 조건 하에서의 반응기에서 1.5 psia 압력 강하를 가정하였다. 표 1은 상기 비교에 대한 기본의 개요를 제공한다.
표 1: 실시예 1의 공정 비교에 대한 기본
종래 병렬형
에틸벤젠 공급물
유닛당 에틸벤젠 공급률 292824 (36.9) lb/h (kg/s)
에틸벤젠 공급물 온도 107 (41.7) °F (°C)
에틸벤젠 공급물 압력 39.7 (273.7) psia (kPa)
증기 공급물
STO 7 mol/mol
증기화 증기 공급물 74197 (9.3) lb/h (kg/s)
증기화 증기 공급물 온도 270.2 (132.3) °F (°C)
증기화 증기 공급물 압력 39.7 (273.7) psia (kPa)
희석 증기 공급물 273623 (34.5) lb/h (kg/s)
희석 증기 공급물 온도 366.5 (185.8) °F (°C)
희석 증기 공급물 압력 165 (1137.6) psia (kPa)
반응기 조건
반응기 1 유입구 온도 1130 (610) 1140 (615.6) °F (°C)
반응기 1 유입구 압력 11 (75.8) 9.5 (62.1) psia (kPa)
반응기 1 유출구 온도 1025.3 (551.8) 993.2 (534) °F (°C)
반응기 1 유출구 압력 9.5 (62.1) 8 (55.2) psia (kPa)
반응기 2 유입구 온도 1145 (618.3) 1140 (615.6) °F (°C)
반응기 2 유입구 압력 9.5 (62.1) 9.5 (62.1) psia (kPa)
반응기 2 유출구 온도 1065.9 (574.4) 993.2 (534) °F (°C)
반응기 2 유출구 압력 8 (55.2) 8 (55.2) psia (kPa)
반응기 3 유입구 온도 1160 (626.7) 1140 (615.6) °F (°C)
반응기 3 유입구 압력 8 (55.2) 8 (55.2) psia (kPa)
반응기 3 유출구 온도 1097.1 (591.7) 1043.7 (562.1) °F (°C)
반응기 3 유출구 압력 6.5 (44.8) 6.5 (44.8) psia (kPa)
3-Car Garage1 사양
반응기 F/E 교환 공급물 유출구 온도 (라인(35)/(135) 중) 965 (518.3) °F (°C)
반응기 공급물 기화장치 유출물 유출구 온도 (라인(96)/(196) 중) 273 (133.9) °F (°C)
13-차고는 도면에서 폐쇄된 짝꿍 열 교환기들(25A/125A, 15B/115B 및 25B/125B)을 가리킨다. 이들 열 교환기들은 별개의 기능들이 있으나 단일 유닛으로 보이도록 배치되는데, 이것은 차량구역 세 곳이 포함된 차고가 밖에서 보기에 단일 건물로 보이는 것와 유사하다.
에틸벤젠 공급물 스트림의 약간 상승된 온도는 재순환 스트림을 새 에틸벤젠과 조합한 결과이고, 상기 증기화 증기는 낮은 압력 헤더(25 psig)에서 유래되며, 상기 희석 증기는 중간 압력 헤더(150 psig)에서 출발하고, 상기 3-차고는 종래 공정을 위해 설계된 시동 조건에서 작동 중이다.
두 공정 모두에서 하기 반응을 고려하였다:
에틸벤젠 → 스타이렌 + 수소 (1)
에틸벤젠 → 벤젠 + 에틸렌 (2)
에틸벤젠 + 수소 → 톨루엔 + 메탄 (3)
표 2에 표시된 전환율 및 선택도 사양을 활용하였다.
표 2: 반응기 전환율 및 선택도 사양
종래 병렬형
반응기 1 전환율, % 27.1 38
스타이렌에 대한 반응기 1 선택도, 몰% 98.2 98
반응기 2 전환율, % 29 38
스타이렌에 대한 반응기 2 선택도, 몰% 96.1 98
반응기 3 전환율, % 34.4 43
스타이렌에 대한 반응기 3 선택도, 몰% 91.9 93
종합 전환율, % 66 64.7
종합 선택도, 몰% 95.83 95.94
연구된 종래 공정의 공정 흐름이 도 3에 묘사되어 있고; 연구된 병렬형 공정의 공정 흐름은 도 1에 묘사되어 있다. 상기 종래 공정의 열 전달부하(Heat duty) 결과가 하기 표3에 제공되고, 병렬형 공정의 열부하 결과가 아래 표 4에 제공된다.
표 3: 종래 공정 유닛 작동 열 부하
유닛 작동 유닛 작동 설명 열부하, MMBTU/h
(MW)
115A 기화장치 증기 혼합 4.47921607(1.313)
125A 반응기 공급물 기화장치, 방열부 -62.9435095 (-18.446)
반응기 공급물 기화장치, 흡열부 62.9435095 (18.446)
반응기 공급물 기화장치, Net 0(0)
115B HP 증기 생산이기 -82.071856(24.052)
125B 반응기 공급물/유출물 교환, 방열부 -129.5808(-37.974)
반응기 공급물/유출물 교환, 흡열부 129.5808(37.974)
반응기 공급물/유출물 교환, Net??? 0(0)
115D 희석 증기 혼합 0(0)
165A 제1 탈수소화 반응 반응기 0(0)
125C 반응기 1/반응기 2 재가열 장치, 방열부 -44.8874153(-3.142)
반응기 1/반응기 2 재가열 장치, 흡열부 44.8874153(3.142)
반응기 1/반응기 2 재가열 장치, Net 0(0)
165B 제2 탈수소화 반응 반응기 0(0)
125D 반응기 2/반응기 3 재가열 장치, 방열부 -35.557896(-10.420)
반응기 2/반응기 3 재가열 장치, 흡열부 35.557896(10.420)
반응기 2/반응기 3 재가열 장치, Net 0(0)
165C 제3 탈수소화 반응 반응기 0(0)
115C' 제1 증기 과열장치 151.484011(44.393)
115E 제2 증기 과열장치 34.6394569(10.151)
115F 제3 증기 과열장치 39.3110092(11.520)
에너지 합계
에너지 순 합계 147.8418372 (43.326)
에너지 투입량 합계 229.9136932(67.377)
에너지 산출량 합계 -82.071856(-24.052)
스타이렌 생산에 정규화된 에너지 합계
스타이렌 생산율, lb/h 181813.893
(22.908)
에너지 순 합계, BTU/lb 스타이렌 (MJ/kg 스타이렌) 813.1492854(1.891)
에너지 투입량 합계, BTU/lb 스타이렌 (MJ/kg 스타이렌) 1264.555141(2.941)
에너지 산출량 합계 총, BTU/lb 스타이렌 (MJ/kg 스타이렌) -451.405856(-1.050)
표 4: 병렬형 공정 유닛 작동 열 부하
유닛 작동 유닛 작동 설명 열부하, MMBTU/h
(MW)
15A 기화장치 증기 혼합 4.47921607
(1.313)
25A 반응기 공급물 기화장치, 방열부 -62.9435095 (-18.446)
반응기 공급물 기화장치, 흡열부 62.9435095(18.446)
반응기 공급물 기화장치, Net 0(0)
15B HP 증기 생산이기 -62.028827(18.178)
25B 반응기 공급물/유출물 교환, 방열부 -129.5808(-37.974)
반응기 공급물/유출물 교환, 흡열부 129.5808(37.974)
반응기 공급물/유출물 교환, Net 0(0)
15C 제1 증기 과열장치 148.802469(43.607)
15D 희석 증기 혼합 0(0)
55A 공급물 스트림을 반응기 1 및 2로 나눔 0(0)
65A 제1 탈수소화 반응 반응기 0(0)
65B 제2 탈수소화 반응 반응기 0(0)
55B 반응기 1 및 2 유출물의 재조합 0(0)
15E 제3 반응기 재가열 장치/단계 사이 가열 장치 54.8201305(16.065)
65C 제3 탈수소화 반응 반응기 0(0)
에너지 합계
에너지 순 합계 146.0729886
(42.808)
에너지 투입량 합계 208.1018156(60.985)
에너지 산출량 합계 -62.028827(18.178)
스타이렌 생산에 정규화된 에너지 합계
스타이렌 생산율, lb/h (kg/s) 178200.733
(22.453)
에너지 순 합계, BTU/lb 스타이렌 (MJ/kg 스타이렌) 819.7103688(1.906)
에너지 투입량 총, BTU/lb 스타이렌 (MJ/kg 스타이렌) 1167.794386(2.716)
에너지 산출량 합계, BTU/lb 스타이렌 (MJ/kg 스타이렌) -348.0840171(-0.810)
표준 직렬형 모드의 대표적인 실험실 데이터와 병렬형 모드의 추정치가 표 5에 표시되었다. 표준 직렬형 모드 및 병렬형 모드의 탈수소화 반응 반응기 세 대에 대해 반응기 유출물에서의 스타이렌 단량체 비율, 유입구 압력, 유출구 압력, % 전환율 및 % 선택도가 표시되었다.
표 5: 직렬형 및 병렬형 반응기 시스템의 데이터 요약
직렬형 모드 병렬형 모드(반응기 65A/65B)
165A 165B 165C 65A 65B 65C
스타이렌 단량체, % 27.1 47.1 63.5 37 37 64
유입구 압력, psia (kPa) 11(75.8) 9.5
(62.1)		 8
(55.2)		 9.5
(62.1)		 9.5
(62.1)		 8
(55.2)
유출구 압력, psia (kPa) 9.5(62.1) 8
(55.2)		 6.5
(44.8)		 8
(55.2)		 8
(55.2)		 6.5
(44.8)
전환율, % 27.1 29 34.4 38 38 43
선택도, % 98.2 96.1 91.9 98 98 93
표 3과 4에 표시된 바와 같이, 종래 공정의 순 에너지는 병렬형 공정보다 약간 적다. 하지만, 이것은 생성되는 높은 압력 증기에 기인한 것일 수 있다. 병렬형 공정은 사실상 스타이렌 1파운드당 더 적은 에너지 투입량을 요구한다. 추가적으로, 상기 공정은 명시된 바와 같이 더 낮은 종합 압력과 더 높은 선택도에서 작동할 수 있다. 따라서 병렬형 반응기 공정은 모형화된 조건에 있어서 에너지 투입량, 평균 유닛 압력, 총 차압 및 종합 선택도에서 이점을 입증한다.
추가 설명
앞서 개시된 특정 구현예는 묘사를 위한 것일 뿐, 본 개시는 본원의 교시의 혜택을 갖는 당해기술의 숙련가에게 명백한 상이한 또는 동등한 방식으로 수정 및 실행될 수 있다. 추가적으로, 하기 청구항에 기술된 것을 제외하고, 본원에 표시된 구성 또는 설계의 상세 내용에 어떤 한계도 의도되지 않는다. 따라서, 명백하게, 앞서 개시된 특정 묘사적 구현예가 수정 또는 변형될 수 있고, 그와 같은 변형들은 모두 본 개시의 범위 및 개념에 속하는 것으로 간주된다. 상기 구현예(들)의 특징들을 조합, 통합 및/또는 생략한 결과인 대안적 구현예들 또한 본 개시의 범위에 속한다. 또한 다양한 구현예에서 별도 또는 별개로 기술 및 묘사된 기법, 시스템, 하위시스템 및 방법은 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한 다른 시스템, 모듈, 기법 또는 방법과 조합 또는 통합될 수 있다. 서로 직접적으로 연결되거나 또는 소통한다고 보여지거나 또는 논의된 다른 항목들은 일부 인터페이스, 장치 또는 매개 구성성분을 통해, 전기적으로, 기계적으로 또는 그 밖의 다른 방식으로, 간접적으로 연결되거나 또는 소통할 수 있다. 변화, 대체 및 변경의 다른 예들은 당해기술의 숙련가에 의해 확인될 수 있고, 본원에 개시된 개념 및 범위에서 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 조성물 및 방법이 다양한 구성성분들 또는 단계들을 "구비하는", "포함하는", "함유하는" 또는 "포함하는"은 보다 광범위한 용어로 기술되지만, 상기 조성물과 방법은 또한 다양한 구성성분 및 단계들로 "기본적으로 이루어지거나" 또는 "이루어질 수" 있다. 청구항의 임의의 요소와 관련하여 "선택적으로"이란 용어의 사용은 상기 요소가 요구됨, 또는 선택적으로 상기 요소가 요구되지 않음을 의미하는데, 두 가지 대안 모두 본 청구항의 범위에 속한다.
앞서 개시된 숫자 및 범위는 어느 정도 다양할 수 있다. 하한값과 상한값을 갖는 수치 범위가 개시될 때마다, 상기 범위 내에 속하는 모든 숫자 및 포함되는 모든 범위가 구체적으로 개시된다. 특히, 본원에 개시된 값들의 모든 범위("약 a 내지 약 b" 또는 이와 동등하게, "대략 a 내지 b", 또는 이와 동등하게, "대략 a~b"라고 표현됨)는 보다 넓은 범위에 포함되는 모든 숫자 및 범위를 명시하는 것으로 이해되어야 한다. 또한 청구항에서 용어들은 그들의 특허 출원인에 의해 명백하고 명확하게 달리 정의되지 않는 한 그것의 분명하고 일반적인 의미를 갖는다. 더불어, 청구항에서 사용되는 바와 같이 단수(부정관사 "a" 또는 "an"-영어원문)는 본원에서 이것이 소개하는 요소의 하나 이상을 의미하는 것으로 정의된다. 본 명세서 및 하나 이상의 특허 또는 기타 문헌에서 단어 또는 용어의 사용에 충돌이 있는 경우, 본 명세서와 일맥상통하는 정의가 채택되어야 한다.
본원에 개시된 구현예에는 하기가 포함된다:
A: 하기를 포함하는 다단계 탈수소화 반응 공정: 제1 단계 로, 탈수소화 반응 조건 하에서 탄화수소와 증기를 포함하는 공급물 스트림을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제1 단계 유출물을 수득하는 단계; 상기 제1 단계 유출물을 가열하는 단계; 및 제2 단계로, 탈수소화 반응 조건 하에서 상기 가열된 제1 단계 유출물을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제2 단계 유출물을 수득하는 단계, 여기서 상기 제1 단계는 병렬로 배치된 제1 반응기와 제2 반응기를 포함하고, 제2 단계는 상기 제1 반응기 및 제2 반응기와 직렬로 연결된 제3 반응기를 포함한다.
B: 하기를 포함하는 다단계 탈수소화 반응 시스템: 탄화수소와 증기를 포함하는 공급물 스트림; 병렬로 배치된 제1 반응기 및 제2 반응기가 구비된 제1 단계(상기 제1 반응기는 탈수소화 반응 촉매제를 함유하고 상기 공급물 스트림의 일부분을 수용하는 제1 반응기 유입구를 구비하고, 상기 제2 반응기는 탈수 촉매제를 함유하고 상기 공급물 스트림의 잔여 부분을 수용하는 제2 반응기 유입구를 구비하되, 상기 제1 단계는 탈수소화 반응 조건 하의 상기 제1 및 제2 반응기에서 상기 탄화수소를 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시킴으로써 상기 탄화수소의 적어도 일부분을 탈수소화 반응 생산물로 전환시키는 데 효과적임); 상기 제1 반응기의 제1 반응기 유출구에 유동적으로 연결되어 제1 반응기 유출물을 수용(receive)하고, 상기 제2 반응기의 제2 반응기 유출구에 유동적으로 연결되어 제2 반응기 유출물을 수용하는 단계 사이 가열 장치(inter-stage heater); 제3 반응기가 구비된 제2 단계(상기 제3 반응기는 탈수소화 반응 촉매제를 함유하고 상기 단계 사이 가열 장치와 유동적으로 연통되는 제3 반응기 유입구를 구비하되, 상기 제2 단계는 탈수소화 반응 조건 하의 상기 제3 반응기에서 상기 미반응 탄화수소를 상기 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제2 단계 유출물을 제공함으로써 상기 단계 사이 가열 장치에서 수용된 미반응 탄화수소를 탈수소화 반응 생산물로 전환시키는 데 효과적임).
C: 하기를 포함하는 다단계 탈수소화 반응 공정: 증기와 에틸벤젠을 조합하여 공급물 스트림을 형성하는 단계; 상기 공급물 스트림을 가열하여 가열된 공급물 스트림을 수득하는 단계; 상기 가열된 공급물 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 나누는(splitting) 단계; 상기 공급물 스트림의 제1 부분을 탈수소화 반응 촉매제를 함유한 제1 반응기에 공급하되, 에틸벤젠이 스타이렌으로 전환되는 단계; 상기 공급물 스트림의 제2 부분을 탈수소화 반응 촉매제를 함유한 제2 반응기에 공급하되, 에틸벤젠이 스타이렌으로 전환되는 단계; 상기 제1 반응기에서 미반응 에틸벤젠과 스타이렌을 포함하는 제1 유출물을 회수하는 단계; 상기 제2 반응기에서 미반응 에틸벤젠과 스타이렌을 포함하는 제2 유출물을 회수하는 단계; 상기 제1 유출물과 상기 제2 유출물을 조합 유출물로 조합하는 단계; 상기 조합 유출물을 가열하여 가열된 조합 유출물을 수득하는 단계; 상기 가열된 조합 유출물을 탈수소화 반응 촉매제를 함유한 제3 반응기에 공급하되, 상기 가열된 조합 유출물에 존재하는 상기 미반응 에틸벤젠의 적어도 일부분이 스타이렌으로 전환되는 것인 단계; 및 제3 반응기에서 미반응 에틸벤젠과 스타이렌을 포함하는 제3 유출물을 회수하는 단계.
구현예 A, B 및 C 각각은 하기의 추가적 요소들 중 하나 이상을 구비할 수 있다: 요소 1: 제1 단계의 공급물 스트림을 접촉시키는 단계는 하기를 포함한다: 상기 제1 반응기에서 상기 공급물 스트림의 제1 부분을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제1 반응기 유출물을 수득하는 단계; 및 상기 제2 반응기에서 상기 공급물 스트림의 제2 부분을 상기 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제2 반응기 유출물을 수득하는 단계. 요소 2: 하기를 추가로 포함한다: 가열 단계 이전에 상기 제1 반응기 유출물과 상기 제2 반응기 유출물을 조합하여 상기 제1 단계 유출물을 형성하는 단계. 요소 3: 하기를 추가로 포함한다: 상기 공급물 스트림과 상기 제2 단계 유출물 사이에서 열 교환함으로써, 제2 단계 유출물의 일부분을 응결시키는 단계; 상기 열 교환 단계 후 상기 제2 단계 유출물을 압축하는 단계; 및 상기 제2 단계 유출물에서 상기 탈수소화 반응 생산물을 분리하는 단계. 요소 4: 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 차압이 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 유사한 공정의 총 차압보다 적되, 상기 총 차압이 상기 제1 반응기의 유입구과 상기 제3 반응기의 유출구 사이에서 측정되는 것인 단계. 요소 5: 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 종합 선택도가 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 공정의 종합 선택도보다 크되, 상기 종합 선택도가 [제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 생산된 탈수소화 반응 생산물의 몰수] / [제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 전환된 탄화수소의 총 몰수]로 정의된다. 요소 6: 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 에너지 투입량이 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 공정의 총 에너지 투입량보다 적다. 요소 7: 상기 탄화수소가 에틸벤젠이고, 상기 탈수소화 반응 생산물이 스타이렌를 포함한다. 요소 8: 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기 각각은 단열 반응기이다. 요소 9: 상기 제1 단계 유출물을 가열하는 단계에 열 교환기가 사용된다. 요소 10: 상기 제1 반응기 유출물과 상기 제2 반응기 유출물을 조합하여 상기 단계 사이 가열 장치에 공급되는 제1 단계 유출물을 형성한다. 요소 11: 상기 단계 사이 가열 장치는 증기를 가열 유체로 사용하는 열 교환기이다. 요소 12: 하기를 추가로 포함한다: 상기 제2 단계 유출물과 상기 공급물 스트림 사이에서 제1 열을 교환하는 제1 열 교환기; 및 상기 제2 단계 유출물과 상기 공급물 스트림 사이의 제2 열을 교환하는 제2 열 교환기. 요소 13: 하기를 추가로 포함한다: 상기 제1 열 교환기와 상기 제2 열 교환기의 하류에 위치하고, 상기 제2 단계 유출물을 압축하도록 구성된 압축기; 및 상기 압축기의 하류에 위치하고 탈수소화 반응 생산물을 상기 제2 단계 유출물에서 분리하도록 구성된 분리 시스템. 요소 14: 상기 다단계 탈수소화 반응 시스템의 총 차압이 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 총 차압보다 적되, 상기 총 차압이 상기 제1 반응기의 유입구와 상기 제3 반응기의 유출구 사이에서 측정된다. 요소 15: 상기 다단계 탈수소화 반응 시스템의 종합 선택도가 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 종합 선택도보다 크되, 상기 종합 선택도가 [상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 생산된 탈수소화 반응 생산물의 몰수] / [상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 전환된 탄화수소의 총 몰수]로 정의된다. 요소 16: 상기 다단계 탈수소화 반응 시스템의 총 에너지 투입량이 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 총 에너지 투입량보다 적다. 요소 17: 상기 탄화수소는 에틸벤젠이고 상기 탈수소화 반응 생산물은 스타이렌을 포함한다. 요소 18: 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기 각각은 단열 반응기이다.
본 발명의 바람직한 구현예들이 표시 및 기술되었으나, 본 개시의 교시에서 벗어나지 않는 한 당해기술의 숙련가에 의해 이들의 수정이 이루어질 수 있다. 본원에 기술된 구현예는 단지 예시적인 것으로, 제한적인 것은 아니다. 본원에 개시된 발명의 여러 변형 및 수정이 가능하며, 그들은 본 발명의 범위에 속한다.
수많은 기타 수정, 등가물 및 대안들은 상기 개시가 충분히 인식된다면 당해기술의 숙련가에게 명백해질 것이다. 하기 청구항은 그와 같은 수정, 등가물 및 대안(적용 가능한 경우)을 모두 아우른다고 해석되도록 의도된다. 이에 따라서, 보호의 범위는 앞서 기술된 설명에 의해 제한되지 않고, 이후 이어지는 청구항에 의해서만 제한되며, 범위는 청구항의 주제의 등가물 모두를 포함한다. 각각의 청구항은 본 발명의 구현예로서 본 명세서에 통합되어 있다. 따라서, 청구항은 본 발명의 상세한 설명에 추가적인 설명이자 부가적인 내용이다. 본원에 언급된 모든 특허, 출원 및 문헌들의 개시내용은 이로써 참조로 통합되었다.

Claims (21)

  1. 하기 단계들을 포함하는 다단계 탈수소화 반응 공정:
    1 단계로 탈수소화 반응 조건 하에서 탄화수소 및 증기를 포함하는 공급물 스트림을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제1 단계 유출물을 수득하는 단계;
    상기 제1 단계 유출물을 가열하는 단계; 및
    제2 단계로 탈수소화 반응 조건 하에서 상기 가열된 제1 단계 유출물을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 탈수소화 반응 생산물을 포함하는 제2 단계 유출물을 수득하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 단계는 병렬로 배치된 제1 반응기와 제2 반응기를 포함하고, 및
    상기 제2 단계는 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기와 직렬로 연결된 제3 반응기를 포함하는 것인 공정.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 단계에서 상기 공급물 스트림을 접촉시키는 단계가 하기를 포함하는 것인 공정:
    상기 제1 반응기에서 상기 공급물 스트림의 제1 부분을 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제1 반응기 유출물을 수득하는 단계; 및
    상기 제2 반응기에서 상기 공급물 스트림의 제2 부분을 상기 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제2 반응기 유출물을 수득하는 단계.
  3. 제2항에 있어서, 가열 단계에 앞서 상기 제1 반응기 유출물과 상기 제2 반응기 유출물을 조합하여 제1 단계 유출물을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 공정.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공급물 스트림과 상기 제2 단계 유출물 사이에서 열교환을 수행함으로써, 상기 제2 단계 유출물의 일부분을 응결(condense)시키는 단계;
    열 교환 단계 후, 상기 제2 단계 유출물을 압축하는 단계; 및
    상기 제2 단계 유출물에서 상기 탈수소화 반응 생산물을 분리하는 단계를 추가로 포함하는 공정.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 차압이 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 공정의 총 차압보다 적되, 상기 총 차압이 제1 반응기의 유입구 및 제3 반응기의 유출구 사이에서 측정된 것인 공정.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 종합 선택도가 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 공정의 종합 선택도보다 크되, 상기 종합 선택도가 [제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 생산된 탈수소화 반응 생산물의 몰수] / [제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 전환된 탄화수소의 총 몰수]로 정의되는 것인 공정.
  7. 제1항에 있어서, 상기 다단계 탈수소화 반응 공정의 총 에너지 투입량이 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 공정의 총 에너지 투입량보다 적은 것인 공정.
  8. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소가 에틸벤젠이고, 상기 탈수소화 반응 생산물이 스타이렌를 포함하는 것인 공정.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기 각각이 단열 반응기인 것인 공정.
  10. 제3항에 있어서, 상기 제1 단계 유출물을 가열하는 단계에 열 교환기가 사용되는 것인 공정.
  11. 하기를 포함하는 다단계 탈수소화 반응 시스템:
    탄화수소 및 증기를 포함하는 공급물 스트림;
    병렬로 배치된 제1 반응기 및 제2 반응기가 구비된 제1 단계(상기 제1 반응기는 탈수소화 반응 촉매제를 함유하고 상기 공급물 스트림의 일부분을 수용하는 제1 반응기 유입구를 구비하고, 상기 제2 반응기는 탈수 촉매제를 함유하고 상기 공급물 스트림의 잔여 부분을 수용하는 제2 반응기 유입구를 구비하되, 상기 제1 단계는 탈수소화 반응 조건 하의 상기 제1 및 제2 반응기에서 상기 탄화수소를 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시킴으로써 상기 탄화수소의 적어도 일부분을 탈수소화 반응 생산물로 전환시키는 데 효과적임);
    상기 제1 반응기의 제1 반응기 유출구에 유동적으로 연결되어 제1 반응기 유출물을 수용(receive)하고, 상기 제2 반응기의 제2 반응기 유출구에 유동적으로 연결되어 제2 반응기 유출물을 수용하는 단계 사이 가열 장치(inter- stage??? heater); 및
    제3 반응기가 구비된 제2 단계(상기 제3 반응기는 탈수소화 반응 촉매제를 함유하고 상기 단계 사이 가열 장치와 유동적으로 연통되는 제3 반응기 유입구를 구비하되, 상기 제2 단계는 탈수소화 반응 조건 하의 상기 제3 반응기에서 상기 미반응 탄화수소를 상기 탈수소화 반응 촉매제와 접촉시켜 제2 단계 유출물을 제공함으로써 상기 단계 사이 가열 장치에서 수용된 미반응 탄화수소를 탈수소화 반응 생산물로 전환시키는 데 효과적임).
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 반응기 유출물과 상기 제2 반응기 유출물을 조합하여 상기 단계 사이 가열 장치에 공급되는 제1 단계 유출물을 형성하도록 구성된 혼합기를 추가로 포함하는 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 단계 사이 가열 장치가 증기를 가열 유체로 사용하는 열 교환기인 것인 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제2 단계 유출물과 상기 공급물 스트림 사이에서 제1 열을 교환하는 제1 열 교환기; 및 상기 제2 단계 유출물과 상기 공급물 스트림 사이의 제2 열을 교환하는 제2 열 교환기를 추가로 포함하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 열 교환기와 상기 제2 열 교환기의 하류에 위치하고, 상기 제2 단계 유출물을 압축하도록 구성된 압축기; 및
    상기 압축기의 하류에 위치하고 탈수소화 반응 생산물을 상기 제2 단계 유출물에서 분리하도록 구성된 분리 시스템을 추가로 포함하는 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 상기 다단계 탈수소화 반응 시스템의 총 차압이 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 총 차압보다 적되, 상기 총 차압이 상기 제1 반응기의 유입구와 상기 제3 반응기의 유출구 사이에서 측정되는 것인 시스템.
  17. 제11항에 있어서, 상기 다단계 탈수소화 반응 시스템의 종합 선택도가 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 종합 선택도보다 크되, 상기 종합 선택도가 [상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 생산된 탈수소화 반응 생산물의 몰수] / [상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기에서 전환된 탄화수소의 총 몰수]로 정의되는 것인 시스템.
  18. 제11항에 있어서, 상기 다단계 탈수소화 반응 시스템의 총 에너지 투입량이 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기가 직렬로 연결된 그 밖의 다른 유사한 시스템의 총 에너지 투입량보다 적은 것인 시스템.
  19. 제11항에 있어서, 상기 탄화수소가 에틸벤젠이고, 상기 탈수소화 반응 생산물이 스타이렌를 포함하는 것인 시스템.
  20. 제11항에 있어서, 상기 제1 반응기, 제2 반응기 및 제3 반응기 각각이 단열 반응기인 것인 시스템.
  21. 하기를 포함하는 다단계 탈수소화 반응 공정:
    증기와 에틸벤젠을 조합하여 공급물 스트림을 형성하는 단계;
    상기 공급물 스트림을 가열하여 가열된 공급물 스트림을 수득하는 단계;
    상기 가열된 공급물 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 나누는(splitting) 단계;
    상기 공급물 스트림의 제1 부분을 탈수소화 반응 촉매제를 함유한 제1 반응기에 공급하되, 에틸벤젠이 스타이렌으로 전환되는 단계;
    상기 공급물 스트림의 제2 부분을 탈수소화 반응 촉매제를 함유한 제2 반응기에 공급하되, 에틸벤젠이 스타이렌으로 전환되는 단계;
    상기 제1 반응기에서 미반응 에틸벤젠과 스타이렌을 포함하는 제1 유출물을 회수하는 단계;
    상기 제2 반응기에서 미반응 에틸벤젠과 스타이렌을 포함하는 제2 유출물을 회수하는 단계;
    상기 제1 유출물과 상기 제2 유출물을 조합 유출물로 조합하는 단계;
    상기 조합 유출물을 가열하여 가열된 조합 유출물을 수득하는 단계;
    상기 가열된 조합 유출물을 탈수소화 반응 촉매제를 함유한 제3 반응기에 공급하되, 상기 가열된 조합 유출물에 존재하는 상기 미반응 에틸벤젠의 적어도 일부분이 스타이렌으로 전환되는 것인 단계; 및
    제3 반응기에서 미반응 에틸벤젠과 스타이렌을 포함하는 제3 유출물을 회수하는 단계.

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