KR20200042021A - 유체 고체 접촉 디바이스 - Google Patents

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매튜 티. 프렛츠
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돈 에프. 샤우
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다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

유체 고체 접촉 디바이스(fluid solids contacting device)로서, 용기; 서로 수평으로 이격된 복수의 수평 코드(horizontal chord) 및 수평 코드들 사이에 삽입되는 복수의 그리드 플랫폼을 포함하는 제1 그리드 어셈블리 섹션을 포함하되; 각 수평 코드는 용기 내 유동력을 견디기에 충분한 기계적 강도를 갖는 구조 부재를 포함하고; 용기의 내부 표면에 부착되고 구조 부재를 지지하기 위해 원주 방향으로 이격되는 복수의 체어를 포함하되; 각 구조 부재는 복수의 체어 중 하나 이상 상에 지지되는, 상기 유체 고체 접촉 디바이스가 제공된다.

Description

유체 고체 접촉 디바이스{A FLUID SOLIDS CONTACTING DEVICE}
본 발명은 유체 고체 접촉 디바이스에 관한 것이다.
낮은 공탑 속도로 운용되는 유동층 시스템들에서, 기체 공극 이를테면 기포가 형성되어 기체 및 고체 상 사이 접촉을 감소시는 경향이 있다. 특정 상황들에서, 내장품들 이를테면 갈매기형 무늬들, 지하도 격자, 구조화된 쌓임 등은 부적절한 고체/기체 상 접촉의 악영향을 감소 또는 제거하기 위해 기포를 터뜨리고/거나 기포의 형성을 방지하기 위해 사용된다.
통상적인 프로판 탈수소화 공정에서, 내장품들은 촉매 조절 구역, 연소기, 반응기 스트리퍼 및 반응기 그 자체에 요구된다. 지하도 격자는 그것이 상기 층의 방사상 모션을 제한하지 않으면서 큰 기포를 작은 기포로 터뜨림에 따라 탁월하다.
용기 개방 면적의 일부를 가리는 소정의 내장품을 통하는 소정의 기체 속도 및 유동에서, 상기 층은 고체가 저 수준들로 역혼합될 수 있게 하지 않을 것이고 내부 구조의 고 수준으로의 과잉 비말 동반을 야기할 것이다. 따라서, 개방 면적 및 관련 기체 속도들은 0.1 ft/s 내지 10 ft/s의 엄격한 제한 내에서 제어되어야 한다. 나아가, 내장품들 이를테면 지하도 격자의 간격은 구조의 일측 위로의 기체의 흐름을 방지하도록 설정되어야 한다. 마지막으로, 큰 힘 및 고온에서 야기되는 금속 이동에 기인하여, 용기 또는 내장품들 상에 과도한 응력을 야기하지 않고 그러한 이동을 고려하기 위한 고유한 기계 설계가 사용되어야 한다.
일 실시예에서, 본 발명은 유체 고체 접촉 디바이스(fluid solids contacting device)로서, 용기; 서로 수평으로 이격된 복수의 수평 코드(horizontal chord) 및 상기 수평 코드들 사이에 삽입되는 복수의 그리드 플랫폼을 포함하는 제1 그리드 어셈블리 섹션을 포함하되; 각 수평 코드는 상기 용기 내 유동력을 견디기에 충분한 기계적 강도를 갖는 구조 부재를 포함하고; 상기 용기의 내부 표면에 부착되고 상기 구조 부재를 지지하기 위해 원주 방향으로 이격되는 복수의 체어를 포함하되; 각 구조 부재는 상기 복수의 체어 중 하나 이상 상에 지지되는, 유체 고체 접촉 디바이스를 제공한다.
본 발명의 예시의 목적을 위해, 도면들에 대표적인 형태가 도시된다; 그러나, 본 발명은 도시된 정확한 배열체들 및 수단들로 제한되지 않는다는 것이 이해되고 있다.
도 1은 유체 고체 접촉 디바이스의 제1 실시예의 컷어웨이 길이방향 개략도이다;
도 2는 유체 고체 접촉 디바이스의 그리드 어셈블리 섹션의 제1 실시예의 개략적인 사시도이다;
도 3은 유체 고체 접촉 디바이스의 그리드 어셈블리 섹션의 제2 실시예의 개략적인 클로즈업 사시도이다; 그리고
도 4는 본 발명의 디바이스에 사용되는 체어들의 제1 실시예를 예시하는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 유체 고체 접촉 디바이스의 제1 실시예가 예시된다. 디바이스는 하나 이상의 그리드 어셈블리 섹션(20)을 봉입하는 셸, 또는 용기(10)를 포함한다. 각 그리드 어셈블리 섹션(20)은 서로 수평으로 이격된 복수의 수평 코드(horizontal chord)(30) 및 수평 코드들 사이에 삽입되는 복수의 그리드 플랫폼(40)(도 2에 도시된 바와 같은)으로 형성된다. 각 수평 코드(30)는 용기(10) 내 유동력을 견디기에 충분한 기계적 강도를 갖는 구조 부재를 포함한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 수평 코드들(30)은 대체로 I-빔 또는 역전된 T-빔 형상을 갖는 구조 부재를 갖는다. 구조 부재의 형상은 그리드 플랫폼들(40)이 구조 부재의 부분에 달려 있을 수 있도록 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 구조 부재는 바닥판(32), 바닥판(32)의 중앙선에서 위를 향하여 연장되고 상판(37)으로 덮히는 중앙판(34)을 포함하되, 바닥판들(32) 및/또는 상판들(37) 상에 그리드 플랫폼들(40)이 지지될 수 있다. 도 3은 수평 코드들(30)에 대한 특정 형태를 예시하지만, 수평 코드는 그것이 그리드 플랫폼들(40)을 지지하거나 홀딩한다는 단서하에 임의의 형상을 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 수평 코드들(30)은 용기(10) 내 유동력을 견디기에 충분한 강도를 갖는 편평한 구조 부재로 만들어질 수 있다. 도 3에 더 도시된 바와 같이, 중앙판(34)은 임의로 펙들(38)이 그리드 플랫폼들(40)의 상향 이동을 방지하기 위해 그것들 위에 연장되도록 펙들(38)이 안으로 삽입될 수 있는 개구들(35)을 포함할 수 있다. 개구 및 펙 방법은 단지 특정 실시예의 예시이다. 그리드 플랫폼들(40)의 리프팅을 방지하기 위해 임의의 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 클립들, 타이들 또는 유사한 파스너들이 사용될 수 있다. 대안적으로, 그리드 플랫폼(40)의 상향 리프팅을 방지하기 위해 이를테면 돌출 립들과 같은, 수평 코드들(30)의 구성 요소들이 사용될 수 있다. 본 발명은 수평 코드(30)가 코드(30)의 하나 또는 양 종단 상에 종단 캡(미도시)을 더 포함한다는 점 이외에 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 디바이스(10)를 더 제공한다. 종단 캡들은 용기 내 유동력 및/또는 열 또는 압력 유도 팽창 및/또는 수축에 대항하여 체어 상의 또는 그것 내 수평 코드(30)의 홀딩을 개선하도록 구성될 수 있다. 수평 코드들(30) 사이 수평 거리는 일반적으로 용기의 크기 및 사용 목적 및 수평 코드들의 강도에 의존적이다. 그러한 수평 거리는 특정 실시예에서, 그리드 플랫폼(40)이 이어지고 2 psi까지의 갑자기 높아지는 힘을 견딜 수 있는 거리를 결정함으로써 결정된다.
각 그리드 어셈블리 섹션은 복수의 그리드 플랫폼(40)을 더 포함한다. 두 개의 수평 코드(30)에 또는 최외곽 코드 및 체어 사이에 걸쳐 이어지는 각 그리드 플랫폼(40)은 하나 이상의 섹션을 포함할 수 있다. 그리드 플랫폼들(40)은 수평 코드들(30) 사이 간격들을 완전히 또는 부분적으로 채울 수 있다. 그리드 플랫폼들은 임의로 용기(10)의 다른 내부 부재들의 통행을 가능하게 하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서, 그리드 플랫폼(40)에서의 개구(42)는 다른 용기 내장품 이를테면 촉매 전달 라인(17)의 통행을 가능하게 할 수 있다. 그리드 플랫폼들(40)은 흐름 차단 기능을 하고 용기(10)에 흐르는 기포를 터뜨릴 수 있는 임의의 구조를 포함한다. 그러한 구조들은 지하도 격자(subway grating), 갈매기형 무늬들(chevrons), 쌓임(packing), 원형 바들, 파이프들, 편평한 바들, L자형 철재 등을 포함한다. 본 발명은 그리드 플랫폼(40)이 지하도 격자, 갈매기형 무늬들, 쌓임 구조들 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 이루어지는 군 중 하나 이상을 포함한다는 점 이외에, 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 디바이스를 더 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 그리드 어셈블리 구조는 임의로 최외곽 수평 코드들(30a 및 30b) 및 체어(50)에 의해 제 위치에 홀딩되는 하나 또는 두 개의 종단 그리드 플랫폼(44)을 포함할 수 있다. 두 개의 수평 코드(30)에 또는 최외곽 코드 및 체어 사이에 걸쳐 이어지는 각 그리드 플랫폼(40)은 하나 이상의 섹션을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 그리드 플랫폼(40)은 세 개의 별도의 그러나 인접한 섹션(40a, 40b 및 40c)을 포함할 수 있다. 그리드 플랫폼이 하나보다 많은 섹션을 포함하는 그러한 실시예들에서, 섹션들은 반드시는 아니나, 서로에 부착될 수 있다.
도 1에 더 도시된 바와 같이, 용기(10)는 복수의 그리드 어셈블리 섹션(20); 구체적으로, 도 1에 도시된 네 개의 그리드 어셈블리 섹션을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 용기(10) 내 그리드 어셈블리 섹션들의 수는 범위가 1 내지 20이다. 1 내지 20의 모든 개별적인 값 및 부분 범위가 본 명세서에 포함 및 개시된다; 예를 들어, 그리드 어셈블리 섹션들의 수는 범위가 1, 5, 10 또는 15의 하한 내지 2, 6, 8, 12, 14 또는 20의 상한일 수 있다.
그리드 어셈블리 섹션들의 각각은 서로 수직으로 이격된다. 그리드 어셈블리 섹션들의 수직 간격은 용기(10) 전체에 걸쳐 균일하거나 가변적일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각 그리드 어셈블리 섹션은 대체로 동일한 거리들로 이격된다. 그리드 어셈블리 섹션들(20)의 수 및 그리드 어셈블리 섹션들(20) 사이 수직 거리는 그 중에서도, 용기(10)에 대한 특정 용도, 용기(10)의 크기, 작동 압력, 유동화되고 있는 고체의 물리적 특성들 및 용기(10) 내 공탑 기체 속도에 따라, 수 인치에서 수 피트까지 다양할 수 있다. 용기(10) 내 공탑 기체 속도는 범위가 0.1 ft/s 내지 10 ft/s일 수 있다. 0.1 ft/s 내지 10 ft/s의 모든 개별적인 값이 본 명세서에 포함 및 개시된다; 예를 들어, 용기 내 공탑 기체 속도는 범위가 0.1 ft/s, 2 ft/s, 4 ft/s, 6 ft/s 또는 8 ft/s의 하한 내지 0.5 ft/s, 1 ft/s, 3 ft/s, 5 ft/s, 7 ft/s, 9 ft/s 또는 10 ft/s의 상한일 수 있다. 예를 들어, 용기 내 공탑 기체 속도는 범위가 0.1 ft/s 내지 10 ft/s, 또는 대안예에서 0.1 ft/s 내지 7.8 ft/s, 또는 대안예에서 0.5 ft/s 내지 8 ft/s, 또는 대안예에서 1 ft/s 내지 7.7 ft/s일 수 있다. 특정 실시예에서, 용기 내 공탑 기체 속도는 8 ft/s 미만이다. 본 명세서에서 사용될 때, "공탑 속도(superficial velocity)"는 전체 용기 내 기체 속도이고 용어 "슬롯 속도(slot velocity)"는 그리드 플랫폼 개구들을 통한 기체 속도이다, 즉 기체 속도는 그리드 플랫폼의 빔 및 고체 부분들에 의해 막히지 않는다. 기체의 슬롯 속도들은 범위가 1 ft/s 내지 8 ft/s이어야 한다. 8 ft/s보다 높은 슬롯 속도들은 플러딩을 야기할 수 있고 밀도가 높은 촉매층들이 용기 내에 형성될 수 있게 하지 않을 것이다.
용기 개방 면적의 10% 내지 80%를 가릴 수 있는 내장품들이 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 수평 코드들은 개방 면적의 20% 내지 30%를 가릴 수 있는 한편 지하도 격자는 나머지 개방 면적의 10% 내지 40%를 가릴 수 있다. ¼” 두께의 바들을 갖는 표준 1 인치 x 4 인치 격자는 개방 면적의 30%를 가릴 수 있다.
본 발명은 용기가 반응기로서 사용된다는 점 이외에 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 디바이스를 더 제공한다.
본 발명은 용기가 연소기로서 사용된다는 점 이외에 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 디바이스를 더 제공한다.
본 발명은 용기가 촉매 조절기로서 사용된다는 점 이외에 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 디바이스를 더 제공한다.
본 발명은 용기가 촉매 스트리퍼로서 사용된다는 점 이외에 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 디바이스를 더 제공한다.
본 발명은 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 디바이스를 더 제공하며 디바이스는 반응기 또는 연소기이고 상향 병류 상태를 보인다. 상향 병류(co-current upflow)는 일부 고체는 역혼합될 수 있으나 평균 기체 및 고체 흐름이 위를 향하여 흐르고 있음을 의미한다.
본 발명은 본 명세서에 개시된 임의의 실시예에 따른 디바이스를 더 제공하며 디바이스는 촉매 조절기 또는 촉매 스트리퍼이고 기체는 위를 향하여 흐르고 고체는 아래를 향하여 흐르는 역류 상태를 보인다. 흐른다는 것은 특정 스트림의 평균 속도를 나타내고 역혼합을 배제하지 않는다. 본 발명은 디바이스가 디바이스로의 주요 공급 원료가 에탄, 프로판, 부탄, n-부탄, 이소-부탄, 이소부텐, n-부텐, 에틸벤젠, 쿠멘 및 이들 중 둘 이상의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 탈수소화 반응기로서 사용된다는 점 이외에 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따른 유체 고체 접촉 디바이스를 더 제공한다.
그리드 어셈블리 섹션들(20)은 용기(10)의 내부 표면(15) 주위에 이격되는 체어들(50)을 사용하여 용기 내에서 제 위치에 홀딩된다. 체어들(50)은 내부 표면(15)에 직접 또는 간접적으로 부착되고 수평 코드들의 종단들이 위로 또는 안으로 배치되는 수평 레지(55)를 제공한다. 체어들(50)의 배치는 체어들(50)이 수평 코드들(30)을 지지 또는 홀딩하도록 한다. 도 4는 체어들(50)의 일 실시예를 예시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 레지(55)는 판(57)에 부착된다. 판(57)은 금속 용기의 내부 표면(15)에 직접 부착될 수 있거나 대안적으로, 하나 이상의 인터페이스(미도시), 이를테면 호환가능한 금속판에 부착될 수 있으며, 이것이 내부 표면(15)에 직접 부착될 수 있다. 임의로, 체어들(50)은 하나 이상의 내화성 물질(미도시)로 완전히 또는 부분적으로 감기거나, 감싸지거나 또는 코팅될 수 있다. 도 4에 더 도시된 바와 같이, 체어는 레지(55)의 양측으로부터 위를 향하여 연장되는 두 개의 사이드 레일(58)을 더 포함한다. 사이드 레일들(58) 및 레지(55)는 수평 코드의 종단이 안으로 얹힐 수 있는 채널을 형성한다. 일 실시예에서, 수평 코드들의 종단은 그것이 용기의 작동 동안 열 팽창 및 수축에 따라 이동될 수 있도록 채널 내에 놓인다. 대안적인 실시예에서, 각 수평 코드(30)는 빔이 온도 및/또는 압력의 변화에 따라 이동될 수 있도록 체어(50)에 볼트로 또는 다른 방법으로 부착된다. 다시 도 4를 참조하면, 사이드 레일들(58)의 각각은 레지(55) 및 사이드 레일들(58)로부터 판(57) 위로의 열관류를 제한하기 위해 임의적 노치들을 포함한다는 것을 알 수 있다. 도 4는 체어의 일 실시예를 예시하지만, 각 체어가 열 팽창 및 수축을 가능하게 하면서 수평 코드(30)의 종단을 지지할 수 있다는 단서하에 다른 구조들이 본 발명의 범위에 포함된다. 예를 들어, 대안적인 구성에서, 수평 코드의 종단은 레일들 없이 체어의 수평 레지 위에 끼우는 터널 또는 튜브로서 구성될 수 있다. 대안적으로, 체어는 그렇게 함으로써 수평 코드의 종단이 안으로 배치될 수 있는 터널 또는 튜브를 형성하는 레지, 사이드 레일들 및 상단으로 형성될 수 있다.
이전에 언급한 바와 같이, 특정 실시예들에서, 유체 고체 접촉 디바이스는 반응기, 연소기, 촉매 조절기 또는 촉매 스트리퍼로서 사용될 수 있다. 즉, 유체 고체 접촉 디바이스는 광범위한 상황하에서 사용될 수 있다.
특정 실시예에서, 유체 고체 접촉 디바이스는 탄화수소의 탈수소화 반응, 유동 접촉 분해(fluidized catalytic cracking) 또는 MTO(methanol to olefins) 공정들 용으로 사용된다. 다른 실시예에서, 유체 고체 접촉 디바이스는 그것들에 상응하는 올레핀을 형성하기 위한 보다 적은 파라핀의, 또는 그것들에 상응하는 디올레핀을 형성하기 위한 보다 적은 올레핀의 탈수소화 반응용으로 사용된다. 특정 실시예에서, 유체 고체 접촉 디바이스로의 주요 공급 원료는 C3, C4 및/또는 에틸벤젠 탄화수소 피드이다.
탈수소화 반응기로서 사용될 때, 탄화수소 피드 및 촉매 피드를 접촉시키는 것은 촉매가 중량 대 중량을 기초로 5 대 100의 촉매 피드 대 탄화수소 피드 비의, 유동 탈수소화 반응기, 즉 본 발명의 유체 고체 접촉 디바이스에서 Geldart A 또는 Geldart B 분류의 요건을 충족시키는 것을 포함하되, 임의로 탄화수소 피드 및 촉매 피드는 약 섭씨 400 도(℃) 내지 약 660 ℃의 온도로 미리 예열되었고; 탈수소화 반응기에서 탄화수소 피드 및 촉매 피드 간 평균 접촉 시간은 약 1 초 내지 약 10초이며; 탈수소화 반응기 내 온도는 약 550 ℃ 내지 750 ℃ 반응 온도로 유지되며; 탈수소화 반응기 내 압력은 반응기의 유출구에서 약 41.4 킬로파스칼(kPa) 내지 약 308.2 kPa(제곱인치당 약 6.0 절대 파운드 내지 약 44.7 절대 파운드, psia)로 유지된다.
본 발명의 대부분 실시예에서, 반응 온도는 500 ℃보다 높고 바람직하게는 550 ℃보다 높다. 특정 실시예에서, 반응 온도는 500 ℃, 바람직하게는 550 ℃, 보다 바람직하게는 570 ℃ 내지 760 ℃이다. 평균 접촉 시간은 허용되지 않는 양의 부산물을 야기하지 않는 한, 허용량의 개시 탄화수소 피드에서 수소를 제거하도록 충분히 길어야 한다. 필수 접촉 시간은 특정 피드, 촉매(들) 및 반응 온도(들)와 관련되지만, 본 발명의 바람직한 실시예들에서 탈수소화 반응기 내 접촉 시간은 60초 미만, 바람직하게는 10초 미만, 보다 바람직하게는 8초 미만, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 7초 미만이다. 그에 따라 접촉 시간은 범위가 약 0.5초 또는 약 1초 내지 약 10초, 바람직하게는 약 0.5초 또는 약 1초 내지 약 8초, 그리고 보다 바람직하게는 약 0.5초 또는 약 1초 내지 약 7초이다.
반응기 내 촉매의 평균 체류 시간은 바람직하게는 약 500초 미만, 바람직하게는 약 5초 내지 약 240초, 보다 바람직하게는 약 20초 내지 약 150초, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 약 25초 내지 약 100초이다. 이러한 시간들의 적용은 공정에 요구되는 촉매의 양을 감소시키는 경향이 있어, 촉매 재고량을 감소시키게 한다. 그러한 재고량은 결과적으로 몇몇 종래 기술의 공정과 비교하여, 운용 및 자본 비용을 감소시키는 이점을 제공한다.
탈수소화 반응기에 제공된 촉매 체류 시간 및 평균 접촉 시간에서, 적용된 반응 혼합 온도(고온의 새로운 또는 재생된 촉매에 의해 대부분 공급될 수 있는)는 바람직하게는 약 500 ℃ 내지 약 800℃, 바람직하게는 약 550 ℃ 내지 약 760 ℃, 그리고 훨씬 더 바람직하게는 600 ℃ 내지 약 760 ℃이다. 해당 기술분야의 통상의 기술자들은 앞서 언급한 화합물들의 탈수소화 반응은 본질적으로 흡열성이고 이러한 온도 범위들 내 약간의 유연성이 몇몇 사례에서 설비의 전체 공정 설계의 필요에 따라 다른 변수들의 적절한 변경에 의해 얻어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
또한 온도는 본 발명의 공정에 사용되는 탈수소화 반응기의 유형에 영향을 받을 것이다. 개시 탄화수소 피드 및 촉매 피드 사이에 유동 접촉을 제공한다면, 다양한 유형이 이용될 수 있다. 적합한 반응기 유형들의 예들은 병류 또는 역류 유동 반응기, 라이저 반응기, 다우너 반응기, 고속 유동층 반응기, 기포층 반응기, 터뷸런트 반응기 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 반응기는 그것의 하부에서 고속 유동층 또는 터뷸런트 반응기의 조합을, 그리고 그것의 상단부에서 라이저 반응기이다. 다른 실시예에서, 고속 유동 또는 터뷸런트 반응기는 절두체를 통해 별개의 라이저 반응기에 연결될 수 있다. 반응기는 특정 실시예들에서, 고온 벽 반응기 또는 냉각 벽 반응기일 수 있고, 어느 경우든 그것은 내화 라이닝될 수 있다. 그것은 유동 접촉 분해(FCC, fluid catalytic cracking) 또는 석유화학 공정에 사용되는 종래 물질들, 이를테면, 예를 들어, 스테인리스 강 또는 탄소 강으로 제조될 수 있고, 바람직하게는 온도, 압력 및 흐름율을 포함하여 공정 변수들을 견딜 수 있는 품질을 갖는다. 반응기가 상승 병류를 갖는 유동 반응기인 특정 실시예들에서, 탈수소화 반응기 내 최고 온도는 그것의 하단에서 찾아질 것이고, 반응이 진행되고 촉매 및 반응 혼합이 올라감에 따라, 온도는 반응기의 상단을 향해 경사져 감소할 것이다. 예를 들어, 그 개시 내용 전체가 참조로 본 명세서에 통합되는 미국 특허 8,669,406 (B2)를 참조하자. 반응기의 치수들은 일반적으로 적용가능한 설비의 공정 설계에 의존적이고, 그러한 것은 일반적으로 제안된 용량 또는 이의 처리량, 중량 공간 속도(WHSV, weight hourly space velocity), 온도, 압력, 촉매 효율 및 요구되는 선택도로 변환되는 피드 대 부산물의 단위 비율을 고려할 것이다.
보다 구체적인 실시예들에서, 반응기는 두 개의 한정할 수 있는 섹션을 포함할 수 있으며, 그에 따라 하단부는 이를테면 고속 유동 또는 터뷸런트 상향류 반응기에서, 등온이거나 거의 등온인 방식으로 작동할 수 있는 한편, 상단부는 이를테면 라이저 반응기에서, 그보다 플러그 흐름 방식으로 작동할 수 있다. 예를 들어, 이전에 설명된 특정 실시예에서, 탈수소화 반응기는 고속 유동 또는 터뷸런트 층으로서 작동하는 하단부 및 라이저 반응기로서 작동하는 상단부를 포함할 수 있으며, 그 결과 평균 촉매 및 기체 흐름이 동시에 위를 향하여 이동된다. 용어가 본 명세서에서 사용될 때, "평균"은 순 흐름, 즉 일반적으로 유동 입자의 거동을 표상하여, 총 상향 흐름 마이너스 역행 또는 역전 흐름을 나타낸다.
탈수소화 반응기의 적용가능한 작동 압력은 광범위하여, 개조를 위해 사용될 임의의 기존 장비에 의해 허용됨에 따라 적용가능한 자본 조건에 따라, 본 발명의 공정이 개조된 플랜트에 적용되는 실시예들에서, 최적 기반을 가능하게 한다. 이는 숙련된 기술자의 일반적인 이해도 내에서 알맞을 것이다. 일반적으로 압력은 범위가 제곱인치당 약 6.0 절대 파운드 내지 약 44.7 절대 파운드(psia, 약 41.4 킬로파스칼(kPa) 내지 308.2 kPa)일 수 있으나, C3 및 C4 탈수소화 반응을 포함하는 대부분 실시예에 대해서는 15 psia 내지 35 psia(약 103.4 kPa 내지 약 241.3 kPa), 보다 바람직하게는 15 psia 내지 30 psia(약 103.4 kPa 내지 약 206.8 kPa), 훨씬 더 바람직하게는 17 psia 내지 28 psia(약 117.2 kPa 내지 약 193.1 kPa), 그리고 가장 바람직하게는 19 psia 내지 25 psia(약 131.0 kPa 내지 약 172.4 kPa)의 보다 좁게 선택된 범위가 채용되는 것이 바람직하다.
탈수소화 공정을 위한 WHSV는 편의대로 범위가 반응기 내 촉매의 lb당 시간(h) 당 탄화수소 피드의 약 0.1 파운드(lb) 내지 약 100 lb(lb 피드/h/lb 촉매)일 수 있다. 예를 들어, 반응기가 고속 유동 또는 터뷸런트 반응기로서 작동하는 하부 및 라이저 반응기로서 작동하는 상부를 포함하는 경우, 공탑 기체 속도는 그 안에서 범위가 반응기의 하부에서, 초당 약 2 피트(ft/s, 초당 약 0.61 미터(m/s)) 내지 약 80 ft/s(약 24.38 m/s), 바람직하게는 약 3 ft/s(약 0.91 m/s) 내지 10 ft/s(약 3.05 m/s), 그리고 반응기의 상부에서 30 ft/s(약 9.14 m/s) 내지 약 70 ft/s(약 21.31 m/s)일 수 있다. 대안적인 그러나 덜 바람직한 실시예들에서, 전체가 라이저 유형을 갖는 반응기 구성은 높은 단일 공탑 기체 속도, 예를 들어, 몇몇 실시예에서 전체에 걸쳐 적어도 30 ft/s(약 9.15 m/s)로 작동할 수 있다.
탈수소화 반응기에서, 촉매 피드 대 탄화수소 피드 비는 범위가 중량 대 중량(w/w)을 기초로 약 2 내지 약 100이다. 프로판의 탈수소화를 위한 특정 실시예에서, 비는 범위가 약 5 내지 약 40; 보다 바람직하게는 약 10 내지 약 36; 그리고 가장 바람직하게는 약 12 내지 약 24이다.
앞에서 설명된 2-부분 반응기와 같은 실시예들에서, 촉매 유동은 바람직하게는 반응기의 하부에서 평방 피트-초당 약 1 파운드(lb/ft2-s)(4.89 kg/m2-s) 내지 약 20　lb/ft2-s(97.7 kg/m2-s), 그리고 반응기의 상부에서 약 10 lb/ft2-s(48.9 kg/m2-s) 내지 약 200 lb/ft2-s(489 kg/m2-s)라는 것이 주의된다. 다우너 반응기에서, 약 200 lb/ft2-s보다 높은 촉매 유동이 채용될 수 있으나, 일반적으로는 바람직하지 않다. 해당 기술분야의 통상의 기술자들은 WHSV 및 촉매 피드 대 탄화수소 피드의 비에 기초하여 촉매 유동을 적절하게 조절할 수 있을 것이다.
유체 고체 접촉 디바이스가 연소기로서 사용될 때, 적어도 부분적으로 비활성화된 촉매의 일부가 유체 고체 접촉 디바이스의 실시예에 전달되고 적어도 부분적으로 비활성화된 촉매의 일부가 코크스 연소 자체 및 보충 연료에 의해 생성되는 열을 사용하여, 촉매에 침착된 코크스를 연소하기 위해 500 ℃ 내지 850 ℃의 온도로 가열되며 열은 가열된, 추가의 비활성화된 촉매를 야기한다(탈수소화 반응의 경우 그러나 유동 접촉 분해 또는 MTO(methanol to olefins) 작동들과 관련되어 사용될 때가 아닌 경우).
유체 고체 접촉 디바이스가 탈수소화 공정에서 연소기로서 사용되는 경우에 대해, 부분적으로 비활성화된 촉매는 660 ℃ 이상 850 ℃ 미만, 바람직하게는 700 ℃ 내지 770 ℃, 그리고 보다 바람직하게는 720 ℃ 내지 750 ℃의 온도로 가열된다. 다시, 탈수소화 반응기에 관해 말하면, 재생 영역의 부분으로서의 역할을 하는 그리고 CO2를 형성하기 위해 코크스가 연소될(즉 산소 함유 기체로 산화될) 연소기는 고속 유동, 터뷸런트 또는 기포층으로서 작동하는 하단 및 라이저로서 작동하는 상단을 포함하는 것이 바람직하다. 이는 연소기가 동시에 위를 향하여 아동하는 평균 촉매 및 기체 흐름으로 작동하게 한다. 이러한 구성에서 내장품들은 기포를 터뜨리고 연료, 공기 및 촉매 혼합을 촉진시키기 위해 중요하다. 하향의 평균 촉매 흐름 및 상향의 평균 기체 흐름을 가능하게 하기 위해 대신 설계되는, 다른 가능한 구성은 고속 유동, 터뷸런트 또는 기포층을 포함한다. 구성에 관계 없이, 재생기의 연소를 위한 열은 침착된 코크스의 연소(즉 코크스 자체가 산화 반응의 결과로서 열을 공급함) 및 반응기에서 반응을 유도하기에 충분한 코크스를 생성하지 않는 공정들을 위한 보충 연료의 연소의 조합으로부터 온다. 용어가 본 명세서에서 사용될 때, "보충(supplemental)"은 코크스 자체 외의 연료를 의미한다.
연소기 내의 그러한 공정을 위한 WHSV는 편의대로 범위가 연소기 내 촉매의 lb당 시간(h) 당 공기 + 연료 피드의 약 0.1 lb 내지 약 100 lb(lb 피드/h/lb 촉매)일 수 있다. 예를 들어, 연소기가 고속 유동 또는 터뷸런트 반응기로서 작동하는 하부 및 라이저 반응기로서 작동하는 상부를 포함하는 경우, 공탑 기체 속도는 그 안에서 범위가 반응기의 하부에서, 초당 약 1 피트(ft/s, 초당 약 0.3 미터, m/s) 내지 약 80 ft/s(약 24.38 m/s), 바람직하게는 약 2 ft/s(약 0.61 m/s) 내지 10 ft/s(약 3.05 m/s), 그리고 연소기의 상부에서 20 ft/s(약 6.09 m/s) 내지 약 70 ft/s(약 21.31 m/s)일 수 있다. 대안적인 그러나 덜 바람직한 실시예들에서, 전체가 라이저 유형을 갖는 연소기 구성은 높은 단일 공탑 기체 속도, 예를 들어, 몇몇 실시예에서 전체에 걸쳐 적어도 30 ft/s(약 9.15 m/s)로 작동할 수 있다.
앞에서 설명된 2-부분 연소기와 같은 실시예들에서, 촉매 유동은 바람직하게는 연소기의 하부에서 평방 피트-초당 약 1 파운드(lb/ft2-s)(4.89 kg/m2-s) 내지 약 20　lb/ft2-s(97.7 kg/m2-s), 그리고 연소기의 상부에서 약 10 lb/ft2-s(48.9 kg/m2-s) 내지 약 200 lb/ft2-s(489 kg/m2-s)이다. 다우너 연소기에서, 약 200 lb/ft2-s보다 높은 촉매 유동이 채용될 수 있으나, 일반적으로는 바람직하지 않다. 해당 기술분야의 통상의 기술자들은 WHSV 및 촉매 피드 대 공기/보충 연료 피드의 비에 기초하여 촉매 유동을 적절하게 조절할 수 있을 것이다.
연소기 내 압력은 범위가 15 psia 내지 50 psia 그리고 보다 바람직하게는 25 psia 내지 40 psia이다.
유체 고체 접촉 디바이스가 촉매 조절기로서 사용될 때, 가열된, 추가의 비활성화된 촉매는 가열된, 추가의 비활성화된 촉매를 일정 시간 기간 동안 산소-함유 기체의 흐름에 노출시키면서 가열된, 추가의 비활성화된 촉매를 적어도 660 ℃의(탈수소화 공정의 경우) 또는 500 ℃의(FCC 또는 MTO(methanol to olefins) 공정의 경우) 온도로 유지하는 단계를 포함하는 조절 단계를 거치게 된다.
또한 조절은 공정의 재생 영역 내에서 일어나고 예를 들어 고속 유동, 터뷸런트 또는 기포층을 포함하여 재활성화 구역에서 실현될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 재활성화 구역 구성은 하향의 평균 촉매 흐름 및 상향의 평균 기체 흐름, 즉 연소기의 흐름들에 대응하는 흐름들을 가능하게 하나, 다른 구성들도 또한 가능하다. 올레핀 탈수소화 공정에서의 이러한 조절 단계는 가열된, 추가의 비활성화된 촉매를 산소-함유 기체의 흐름에 노출시키면서, 그것을 660 ℃ 이상 850 ℃ 미만, 바람직하게는 700 ℃ 내지 770 ℃, 그리고 보다 바람직하게는 720 ℃ 내지 750 ℃의 온도로 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 조절은 바람직하게는 촉매가 2분 초과의 산소-함유 기체 내 평균 촉매 체류 시간을 갖도록 수행된다. 임의로, 재생된 촉매는 촉매 입자들 사이에 그리고/또는 촉매 입자들의 내부에 체류하는 산소-함유 기체 분자들을 제거하기 위해, 0.5 몰 퍼센트(mol%)를 초과하는 산소를 함유하지 않는 기체를 사용하여, 스트리핑될 수 있다.
촉매 조절기로서 사용될 때 본 발명의 디바이스에서의 공탑 기체 속도는 범위가 0.05 ft/s 내지 4 ft/s, 또는 대안예에서 0.05 ft/s 내지 2 ft/s, 또는 대안예에서 2 ft/s 내지 4 ft/s, 또는 대안예에서 0.1 ft/s 내지 1 ft/s, 또는 대안예에서 0.2 ft/s 내지 0.5 ft/s일 수 있다.
촉매 조절기로서 사용될 때 본 발명의 디바이스 내 촉매 유동은 범위가 0.1 lb/ft2 초 내지 20 lb/ft2 초, 또는 대안예에서 0.1 lb/ft2 초 내지 10 lb/ft2 초, 또는 대안예에서 10 lb/ft2 초 내지 20 lb/ft2 초, 또는 대안예에서 0.5 lb/ft2 초 내지 5 lb/ft2 초일 수 있다.
촉매 조절기로서 사용될 때 본 발명의 디바이스 내 압력은 범위가 15 psia 내지 50 psia, 또는 대안예에서 15 psia 내지 32 psia, 또는 대안예에서 33 psia 내지 50 psia, 또는 대안예에서 25 psia 내지 40 psia이다.
또한 유체 고체 접촉 디바이스는 반응기 스트리퍼로서 사용될 수도 있다. 그러한 적용예에서, 디바이스 내 촉매 유동은 범위가 5 lb/ft2 초 내지 50 lb/ft2 초, 또는 대안예에서 5 lb/ft2 초 내지 25 lb/ft2 초, 또는 대안예에서 25 lb/ft2 초 내지 50 lb/ft2 초, 또는 대안예에서 10 lb/ft2 초 내지 40 lb/ft2 초이다. 반응기 스트리퍼 내 공탑 기체 속도는 범위가 0.1 ft/s 내지 4 ft/s, 또는 대안예에서 0.1 ft/s 내지 2 ft/s, 또는 대안예에서 2 ft/s 내지 4 ft/s, 또는 대안예에서 0.2 ft/s 내지 1.5 ft/s이다. 반응기 스트리퍼에 대한 압력은 범위가 6.0 psia 내지 44.7 psia, 또는 대안예에서 6 psia 내지 25 psia, 또는 대안예에서 25 psia 내지 44.7 psia, 또는 대안예에서 15 psia 내지 35 psia이다. 반응기 스트리퍼 내 온도는 범위가 400 ℃ 내지 750 ℃, 또는 대안예에서 400 ℃ 내지 575 ℃, 또는 대안예에서 575 ℃ 내지 750 ℃, 또는 대안예에서 450 ℃ 내지 650 ℃이다.
본 발명은 본 발명의 사상 및 기본적인 속성들에서 벗어나지 않고 다른 형태들로 구현될 수 있고, 그에 따라, 본 발명의 범위를 나타낼 때, 앞에서의 명세서보다는 첨부된 청구범위가 참조되어야 한다.

Claims (15)

  1. 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법으로서,
    유체 고체 접촉 디바이스(fluid solids contacting device)에서 기체 및 촉매를 접촉시키는 단계를 포함하며, 상기 유체 고체 접촉 디바이스는
    용기(10);
    서로 수평으로 이격된 복수의 수평 코드(horizontal chord)(30) 및 상기 수평 코드들(30) 사이에 삽입되는 복수의 그리드 플랫폼(들)(40)을 포함하는 제1 그리드 어셈블리 섹션(20) - 여기서 각 수평 코드(30)는 상기 용기(10) 내 유동력을 견디기에 충분한 기계적 강도를 갖는 구조 부재를 포함하고, 각 그리드 플랫폼(40)은 상기 그리드 플랫폼(40)의 상향 이동을 방지하기 위한 방식으로 하나 이상의 수평 코드(30)에 부착됨 -; 및
    상기 용기(10)의 내부 표면(15)에 직접 또는 간접적으로 부착되고 상기 구조 부재를 지지하기 위해 원주 방향으로 이격되는 복수의 체어(50) - 여기서 각 구조 부재는 상기 복수의 체어(50) 중 하나 이상 상에 지지됨 -
    를 포함하고;
    기체 및 촉매를 접촉시키는 상기 단계는,
    기체 중의 탄화수소의 적어도 일부를 전환시켜 하나 이상의 생성물을 생성하는 단계; 또는
    촉매를 프로세싱하여 추가의 비활성화된 촉매 또는 재생된 촉매를 생성하는 단계
    중 적어도 하나를 발생시키는 것인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 유체 고체 접촉 디바이스가 반응기, 연소기, 촉매 조절기 또는 촉매 스트리퍼인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유체 고체 접촉 디바이스가 반응기이고;
    기체가 탄화수소를 포함하고;
    유체 고체 접촉 디바이스 내 촉매 대 탄화수소 피드 비가 중량 대 중량을 기초로 5 내지 100이고/거나 유체 고체 접촉 디바이스 내 탄화수소 피드 및 촉매간 평균 접촉 시간이 1초 내지 10초인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서, 유체 고체 접촉 디바이스 내 온도가 550 ℃ 내지 750 ℃로유지되고, 유체 고체 접촉 디바이스 내 압력이 41.4 kPa 내지 308.2 kPa인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 탄화수소 피드 및 촉매를 400 ℃ 내지 660 ℃의 온도로 예열하는 단계를 추가로 포함하는, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  6. 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법으로서,
    반응기에서 탄화수소 피드 및 촉매를 접촉시켜 반응기 유출물 및 적어도 부분적으로 비활성화된 촉매를 생성하는 단계;
    적어도 부분적으로 비활성화된 촉매를 연소기로 전달하는 단계;
    적어도 부분적으로 비활성화된 촉매를 가열하여, 적어도 부분적으로 비활성화된 촉매 상의 코크스 침착물을 연소시켜 추가의 비활성화된 촉매를 생성하는 단계;
    촉매 조절기에서 추가의 비활성화된 촉매를 조절하여 재생된 촉매를 생성하는 단계; 및
    임의로, 촉매 스트리퍼에서 재생된 촉매를 스트리핑하여, 재생된 촉매 입자들 사이에 또는 재생된 촉매 입자들의 내부에 체류하는 산소-함유 기체 분자들을 제거하는 단계
    를 포함하고,
    상기 반응기, 연소기, 촉매 조절기 또는 촉매 스트리퍼 중 하나 이상은
    용기(10);
    서로 수평으로 이격된 복수의 수평 코드(30) 및 상기 수평 코드들(30) 사이에 삽입되는 복수의 그리드 플랫폼(들)(40)을 포함하는 제1 그리드 어셈블리 섹션(20) - 여기서 각 수평 코드(30)는 상기 용기(10) 내 유동력을 견디기에 충분한 기계적 강도를 갖는 구조 부재를 포함하고, 각 그리드 플랫폼(40)은 상기 그리드 플랫폼(40)의 상향 이동을 방지하기 위한 방식으로 하나 이상의 수평 코드(30)에 부착됨 -; 및
    상기 용기(10)의 내부 표면(15)에 직접 또는 간접적으로 부착되고 상기 구조 부재를 지지하기 위해 원주 방향으로 이격되는 복수의 체어(50) - 여기서 각 구조 부재는 상기 복수의 체어(50) 중 하나 이상 상에 지지됨 -
    를 포함하는 유체 고체 접촉 디바이스를 포함하는 것인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서, 탄화수소 피드가 에탄, 프로판, 부탄, n-부탄, 이소-부탄, 이소부텐, n-부텐, 에틸벤젠, 쿠멘 및 이들 중 둘 이상의 임의의 조합으로 이루어진 군 중 하나 이상을 포함하는 것인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 프로판 탈수소화 공정을 포함하는, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 슬롯 속도(gas slot velocity)가 초당 2.44 미터(8 ft/s) 미만이고, 상기 기체 슬롯 속도는 그리드 플랫폼(40) 개구들을 통한 기체 속도로 정의되는 것인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 그리드 플랫폼(40) 개구들이 10% 내지 80% 가려지는 것인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 고체 접촉 디바이스가, 서로 그리고 제1 그리드 어셈블리 섹션(20)으로부터 수직으로 이격되는 하나 이상의 추가 그리드 어셈블리 섹션(들)(20)을 더 포함하는 것인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 구조 부재가 바닥판(32), 상기 바닥판(32)의 중앙선에서 위를 향하여 연장되고 상판(37)으로 덮히는 중앙판(34)을 포함하고, 상기 그리드 플랫폼들(40)은 상기 바닥판들(32) 및/또는 상기 상판들(37) 상에 지지되는 것인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 그리드 플랫폼들(40)이 지하도 격자(subway grating), 갈매기형 무늬들(chevrons), 쌓임 구조들(packing structures), 또는 흐름 차단 기능을 하고 기포를 터뜨릴 수 있는 임의의 구조로 이루어진 군 중 하나 이상을 포함하는 것인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 고체 접촉 디바이스에서의 흐름이 상향 병류(co-current upflow)인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 고체 접촉 디바이스에서의 흐름이 역류(countercurrent flow)인, 탄화수소 피드를 전환시키기 위한 방법.
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