KR20200070368A - 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 위한 일체형 반응기 시스템 - Google Patents

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셰브런 유.에스.에이.인크.
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Abstract

본 발명자들을 하기를 포함하는 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 수행하기 위한 일체형 반응기 시스템을 제공한다: a. 탄화수소 전환 반응기의 내부 길이를 통해 주로 연장되는 열 교환기 배관의 다발; b. 상기 탄화수소 전환 반응기의 적어도 일부를 가로질러 연장되는 배플; c. 이온성 액체 촉매 및 반응물을 상기 열 교환기 배관 외부의 상기 탄화수소 전환 반응기로 유도하도록 구성된 다중 고속 제트 유동 노즐; 및 d. 상기 탄화수소 전환 반응기 내부의 침강 구역.

Description

이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 위한 일체형 반응기 시스템
본 출원은 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 수행하기 위한 일체형 반응기 시스템 및 상기 일체형 반응기 시스템을 사용하는 공정에 관한 것이다.
본 출원은 하기를 포함하는 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 수행하기 위한 일체형 반응기 시스템을 제공한다:
a. 탄화수소 전환 반응기의 내부 길이를 통해 주로 연장되는 열 교환기 배관의 다발;
b. 상기 탄화수소 전환 반응기의 적어도 일부를 가로질러 연장되는 배플(baffles);
c. 이온성 액체 촉매 및 반응물을 상기 열 교환기 배관 외부의 상기 탄화수소 전환 반응기로 유도하도록 구성된 다중 고속 제트 유동 노즐; 및
d. 상기 탄화수소 전환 반응기 내부의 침강 구역.
본 발명은 본원에 기술된 바와 같이 청구항의 요소를 적합하게 포함하거나 이로 이루어지거나 이로 본질적으로 이루어질 수 있다.
도 1은 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 위한 수직으로 배향된 일체형 반응기 시스템의 일 구현예의 개략도이다.
도 2는 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 위한 수평으로 배향된 일체형 반응기의 일 구현예의 개략도이다.
도 3은 3개의 고속 제트 유동 노즐의 예시적인 배열을 갖는 탄화수소 전환 반응기의 단면의 개략도이다.
도 4는 다수의 재순환 루프를 갖는 일체형 반응기 시스템의 일 구현예의 개략도이다.
도 5a는 그들의 유도된 유동과 교차하도록 배열된 한 쌍의 고속 제트 유동 노즐을 갖는 탄화수소 전환 반응기의 단면의 개략도이다.
도 5b는 6개의 배플을 갖는 수평으로 배향된 탄화수소 전환 반응기에서 4쌍의 고속 제트 유동 노즐의 인접 배열 및 비인접 배열 둘 다를 나타내는 개략도이다 (다른 특징들은 미도시).
도 6a는 전산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션에 의해 예측되는, 일체형 반응기 시스템의 일 구현예에 대한 액체 속도 프로파일을 나타낸다.
도 6b는 CFD 시뮬레이션에 의해 예측되는, 일체형 반응기 시스템의 일 구현예에 대한 촉매 부피 분율 프로파일을 나타낸다.
용어해설
"탄화수소 전환"은 탄화수소의 분자 구조 또는 조성의 변화를 지칭한다.
"알킬화(Alkylation)"는 한 분자로부터 다른 분자로의 알킬기의 이동이다. 상기 방법은 불포화 경질 탄화수소(올레핀)를 아이소파라핀과 조합하여 하나 이상의 알킬레이트 생성물을 생성한다.
"아이소파라핀(Isoparaffin)"은 직쇄 알케인(alkane)의 임의의 분지쇄 이성체를 지칭한다.
"가솔린(Gasoline)"은 내연 기관에서 연료로서 사용된 액체 탄화수소이다. 가솔린은 탄소수가 주로 4 내지 12이다. 알킬레이트 가솔린은 알킬화 반응의 가솔린 생성물이다.
"나프타(Naphtha)"는 90 ℉ 내지 300 ℉ (32 ℃ 내지 149 ℃)의 나프타 비등 범위를 갖는 경질의 탄화수소 생성물이다.
"제트 연료(Jet fuel)"는 가스-터빈 엔진에 의해 구동되는 항공기에 사용하기 위해 설계된 항공 연료의 유형이다. 제트 연료는 제트 연료 비등 범위를 갖는 탄화수소 생성물이다. 용어 "제트 연료 비등 범위"는 250 ℉ 내지 550 ℉ (121 ℃ 내지 288 ℃)의 비등 범위를 갖는 탄화수소를 지칭한다. 알킬레이트 제트 연료는 알킬화 반응의 제트 연료 생성물이다.
"디젤 연료(Diesel fuel)"는 디젤 엔진에 사용되는 임의의 액체 연료로, 그 연료 점화는 주입구 공기 혼합물의 압축 및 이어서 연료의 주입의 결과로서 어떠한 스파크도 없이 발생한다. 용어 "디젤 연료 비등 범위"는 250 ℉ 내지 700 ℉ (121 ℃ 내지 371 ℃)의 비등 범위를 갖는 탄화수소를 지칭한다. 알킬레이트 디젤 연료는 알킬화 반응의 디젤 연료 생성물이다.
"가솔린 블렌딩 성분"은 가솔린 또는 가솔린으로 블렌딩하기에 적합한 나프타일 수 있다. 알킬레이트 가솔린 블렌딩 성분은 알킬화 반응의 가솔린 블렌딩 성분 생성물이다.
"베이스 오일(Base oil)"은 다른 오일 또는 물질이 첨가되어 윤활제를 생성하는 탄화수소 유체를 지칭한다. 알킬레이트 베이스 오일은 알킬화 반응의 베이스 오일 생성물이다.
본 개시내용의 맥락에서 "중간 증류물"은 240 ℉ 내지 725 ℉ (115.6 ℃ 내지 385 ℃)의 비등 범위를 갖는 액체 탄화수소를 지칭한다. 일 구현예에서, 알킬레이트 중간 증류물은 알킬레이트 가솔린과 알킬레이트 베이스 오일의 비등 범위 사이의 비등 범위를 갖는다.
본 개시내용의 맥락에서 "주로"는 80 내지 100%를 의미한다.
상세한 설명
이온성 액체는 다양한 유형의 탄화수소 전환을 위한 촉매로서 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매는 산성 이온성 액체이다. 이들 탄화수소 전환의 예는 다음을 포함한다: 알킬화, 이성질화, 수소화분해, 중합, 이량체화, 올리고머화, 불균형, 역 불균형, 아실화, 복분해, 공중합, 하이드로포밀화, 탈할로겐화, 탈수, 및 이들의 조합. 일 구현예에서, 탄화수소 전환은 올레핀에 의한 파라핀의 알킬화이다. 이온성 액체 촉매의 예 및 올레핀에 의한 파라핀의 알킬화를 위한 이들의 용도는, 하기의 특허에 교시되어 있다: 예를 들어, 미국특허 번호 제7,432,408호 및 제7,432,409호, 제7,285,698호, 및 2008년 7월 31일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제12/184,069호. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매는 복합 이온성 액체 촉매이며, 여기서 상기 양이온은 알킬-함유 아민 또는 피리딘의 하이드로할라이드로부터 나오며, 상기 음이온은 2개 이상의 금속 화합물로부터 나오는 복합 배위 은이온이다. 또 다른 구현예에서, 탄화수소의 전환은 파라핀의 알킬화, 방향족의 알킬화, 또는 이들의 조합이다. 이들 탄화수소 전환의 대부분은 발열성이며 탄화수소 전환을 위한 온도 제어를 제공하기 위해 냉각이 필요하다.
본 개시내용의 일체형 반응기 시스템은 탄화수소 전환 반응기 내부의 열 교환기로 반응 열을 동시에 제거하면서 탄화수소 반응물과 이온성 액체 촉매 사이에 친밀하고 빠른 혼합을 제공한다. 일 구현예에서, 일체형 반응기 시스템은 또한 탄화수소 전환 반응기 내의 침강 구역에서 탄화수소 생성물로부터 대부분의 이온성 액체 촉매를 분리한다.
열 교환기:
냉각을 제공하기 위해, 일체형 반응기 시스템은 탄화수소 전환 반응기의 내부 길이를 통해 주로 연장되는 열 교환기 배관의 다발을 포함한다. 열 교환기 배관은 열 교환기 배관 내부에 냉각수(coolant)를 전도(conduct)하고, 탄화수소 전환 반응기에서 발생하는 탄화수소 전환을 위한 효과적인 온도 제어를 제공하도록 구성된다. 냉각수는 열 교환기 배관을 통해 유동하는 유체로서, 일체형 반응기 시스템이 과열되는 것을 방지하고 일체형 반응기 시스템에 의해 생성된 열을 사용하거나 소멸시키는 다른 장치로 전달한다. 일 구현예에서, 냉각수는 높은 열용량, 낮은 점도를 가지며, 저비용, 비독성, 화학적 불활성이며, 냉각 시스템의 부식을 유발하거나 촉진하지 않는다. 냉각수는 그 상을 유지하고 액체 또는 기체 상태를 유지할 수 있거나, 잠열로 냉각 효율을 증가시키면서 상 전이를 겪을 수 있다. 주변 온도 이하를 달성하기 위해 사용되는 경우, 후자의 유형의 냉각수는 냉매로서 보다 일반적으로 알려져 있다. 일 구현예에서, 냉각수는 물을 포함한다. 냉각수는 또한 부식 억제제, 부동액, 및 이들의 조합과 같은 첨가제를 포함할 수 있다. 수계 냉각수가 0 ℃ 미만의 온도를 견뎌야 하거나, 그 비점이 상승되어야 하는 경우, 물 중에서 적합한 유기 화학물질(대부분 종종 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 또는 프로필렌 글리콜)의 용액인 부동액을 사용할 수 있다. 일 구현예에서, 냉각수는 베타인(betaine)을 포함할 수 있다. 베타인은 순수한 식물 주스로 만들어지며 따라서 생태학적으로 처리하기에 덜 어려울 수 있다.
열 교환기 배관의 다발은 탄화수소 전환 반응기를 통해 연장되는 다중 배관 라인을 갖는다. 열 교환기 배관의 다발이 하나 이상 존재할 수 있다. 탄화수소 전환 반응기에서 배관 라인의 크기와 수는 탄화수소 전환 반응기에서 충분한 온도 제어를 제공하도록 선택될 수 있다. 일 구현예에서, 예를 들어, 탄화수소 전환 반응기를 통해 연장되는 배관 라인의 수는 10 내지 10,000, 예컨대 100 내지 5,000일 수 있다. 적합한 구성의 예는 약 5 내지 30 피트 (약 1.524 내지 9.144 미터)의 폭을 갖는 탄화수소 전환 반응기에서 약 500 내지 1500 라인의 배관일 수 있다. 이러한 폭을 갖는 탄화수소 전환 반응기에서 배관 라인의 내경은, 예를 들어, 1/16 인치 (0.1588 cm) 내지 1.5 인치 (3.81 cm)일 수 있다.
일 구현예에서, 열 교환기 배관의 다발은 탄화수소 전환 반응기에서 반응 구역과 침강 구역 둘 다를 통해 연장된다. 이 특징은 도 1 및 2에 나타낸다.
일 구현예에서, 배관 라인은 서로 등거리로 배열되고 제자리에 유지될 수 있다. 배관 라인 사이의 간격은 필요한 최적의 냉각을 제공하도록 조정될 수 있다. 일 구현예에서, 예를 들어, 배관 라인은 서로 1" 내지 5"의 간격일 수 있다.
일 구현예에서, 탄화수소 전환 반응기는 다중 고속 제트 유동 노즐이 반응물을 유도하는 개방식 채널을 갖는다. 일 구현예에서, 열 교환기 배관은 탄화수소 전환 반응기 내부에 개방식 채널을 갖도록 배열되며 여기에서 다중 고속 제트 유동 노즐은 반응물을 유도하도록 구성된다. 개방식 채널은 이온성 액체 촉매 및 반응물의 유동을 유도하는데 도움을 수 있으며, 또한 열 교환기 배관에서의 전단 응력을 감소시킬 수 있다. 채널은 탄화수소 전환 반응기의 일부 폭 또는 전체 폭에 걸쳐 연장될 수 있다. 개방식 채널의 길이의 선택은 이온성 액체 촉매와 반응물의 충분한 혼합, 탄화수소 전환 반응기에서의 반응 혼합물의 효과적인 냉각, 및 열 교환기 배관에서의 낮은 전단 응력의 최상의 조합을 제공하도록 조정될 수 있다.
일 구현예에서, 열 교환기 배관의 다발은 탄화수소 전환 반응기 내의 유동 저항을 최소화하며, 탄화수소 전환 반응기 내의 반응물의 역 혼합을 향상시키고, 효과적인 열 전달을 제공하며, 반응물의 유동에 의해 야기되는 열 교환기 배관에서의 전단 응력을 최소화하도록 구성된다.
배플(Baffles):
일체형 반응기 시스템은 탄화수소 전환 반응기의 적어도 일부를 가로질러 연장되는 배플을 포함한다. 일 구현예에서, 배관의 라인은 배플에 의해 제자리에 유지될 수 있다. 일 구현예에서, 배플은 열 교환기 배관을 지지한다. 예를 들어, 배플은 열 교환기 배관이 연장되는 천공판을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 배플은 교호 패턴으로 배치되며 탄화수소 전환 반응기를 통해 지그-재그 방향으로 반응물의 유동을 유도한다.
일 구현예에서, 배플은 탄화수소 전환 반응기의 외부 벽에 수직이다. 또 다른 구현예에서, 배플은 반응물의 유동을 추가로 유도하며 탄화수소 전환 반응기 내에서 역 혼합을 향상시키도록 경사져있다.
일 구현예에서, 배플은 탄화수소 전환 반응기를 다중 섹션으로 분리한다. 다중 섹션은 탄화수소 전환 반응기의 길이를 따라 연속하여 발생할 수 있다. 일 구현예에서, 각 섹션은 하나 이상의 고속 제트 유동 노즐을 포함할 수 있다.
탄화수소 전환 반응기:
일 구현예에서, 탄화수소 전환 반응기는 탄화수소 전환 반응기에서 반응물의 난류성 역류를 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 탄화수소 전환 반응기는 탄화수소 전환 반응기 내에서 반응 구역에서 반응물의 난류성 역류를 제공하도록 구성될 수 있다. 일 구현예에서, 탄화수소 전환 반응기는 침강 구역에서 난류를 방지하도록 구성되며, 이는 이온성 액체 침강 및 분리의 효율에 악영항을 미칠 수 있다. 난류성 역류는 다중 고속 제트 유동 노즐의 배치, 배플의 배치 및 폭, 열 교환기 배관의 배향, 열 교환기 배관의 내경, 및 열 교환기 배관의 간격 중 하나 이상을 통해 생성되고 향상될 수 있다. 일 구현예에서, 난류성 역류는 일체형 반응기 시스템에서 탄화수소 전환의 수율 및 선택성을 개선시킨다.
탄화수소 전환 반응기, 또는 전체 일체형 반응기 시스템은 수직 또는 수평을 포함한 임의의 방향으로 배향될 수 있다. 수직으로 배향된 탄화수소 전환 반응기는 도 1에 도시되며 수평으로 배향된 탄화수소 전환 반응기는 도 2에 도시된다.
일 구현예에서, 탄화수소 전환 반응기는 액체 탄화수소 상으로 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 수행하도록 설계된다. 일 구현예에서, 액체 탄화수소 상은 연속 상이며 이온성 액체 촉매는 탄화수소 전환 반응기에서 분산상이다.
일 구현예에서, 탄화수소 전환 반응기에서 이온성 액체 촉매 및 다른 탄화수소 액체는 탄화수소 전환 반응기의 일단으로부터 타단으로 이동한다. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매의 미세한 액적은 상당한 또는 임의의 풀링 없이 탄화수소 전환 반응기에서 반응 구역을 통과할 것이다. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매의 일부 큰 액적은 반응 구역 내부에 침강되고 축적될 것이지만, 탄화수소 전환 반응기에서 발생하는 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환에 악영향을 미치지 않을 것이다. 일 구현예에서, 탄화수소 전환 반응기로 공급되는 이온성 액체 촉매의 부피의 1/10 미만은 탄화수소 전환 반응기에서의 반응 구역에서 혼합물로부터 침강된다. 예를 들어, 소량의 이온성 액체 촉매는 반응기에서 수평으로 배향된 배플의 상단에 수집될 수 있지만 난류는 유지된다.
일 구현예에서, 탄화수소 전환 반응기는 알킬화를 수행하도록 설계된다. 알킬화 조건은 원하는 알킬레이트 생성물 수율 및 품질을 제공하도록 선택될 수 있다. 알킬화 반응은 일반적으로 알킬화 반응기인 탄화수소 전환 반응기에서 액체 탄화수소 상으로 수행된다.
알킬화 반응기에서와 같은 탄화수소 전환 반응기에서의 촉매 부피는 0.25 부피% 내지 50 부피%, 예를 들어 1 부피% 내지 25 부피%, 또는 3 부피% 내지 10 부피%의 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 탄화수소 전환 반응기에서 10 부피% 미만과 같은 매우 소량의 이온성 촉매만이 필요하며, 이는 연속적인 탄화수소 상에서 분산된 이온성 액체 촉매 상을 생성한다. 본원에 개시된 구성에서 다중 고속 제트 유동 노즐은 반응물과 이온성 액체 촉매의 친밀한 혼합을 제공하며 탄화수소 전환에 충분한 계면 면적을 갖는 이온성 액체 촉매의 미세한 액적을 제공한다.
일 구현예에서, 탄화수소 전환 온도는 -40℃ 내지 150℃, 예컨대 -20℃ 내지 100℃, 또는 -15℃ 내지 50℃의 범위일 수 있다. 탄화수소 전환 반응기에서의 압력은 대기압 내지 8000 kPa의 범위일 수 있다. 일 구현예에서, 액체 상에 반응물을 유지하기에 충분한 압력이 유지된다. 탄화수소 전환 반응기에서 반응물의 체류 시간은 2 내지 10시간의 범위일 수 있다. 사용될 수 있는 체류 시간의 예는 0.5분 내지 120분, 1분 내지 30분, 1분 내지 10분, 및 2분 내지 5분을 포함한다.
일 구현예에서, 하나 이상의 알킬레이트 생성물은 일체형 반응기 시스템에 의해 생성되며, 하나 이상의 알킬레이트 생성물은 알킬레이트 가솔린, 알킬레이트 중간 증류물, 또는 알킬레이트 베이스 오일 중 하나 이상이다. 일 구현예에서, 일체형 반응기 시스템에 의해 생성된 하나 이상의 알킬레이트 생성물은 알킬레이트 가솔린, 알킬레이트 제트 연료, 알킬레이트 디젤 연료, 알킬레이트 베이스 오일, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
고속 제트 유동 노즐:
고속 제트 유동 노즐은 이온성 액체 촉매 및 반응물을 열 교환기 배관 외부의 탄화수소 전환 반응기로 유도하도록 구성된다. 고속 제트 유동 노즐로부터의 고속 유동은 0.8 m/s 초과, 예컨대 1 m/s 내지 100 m/s, 5 m/s 내지 50 m/s, 또는 10 m/s 내지 30 m/s일 수 있다. 일 구현예에서, 고속 제트 유동 노즐은 탄화수소 반응물과 이온성 액체 촉매 사이에 친밀하고 빠른 혼합을 제공하면서 동시에 반응 열을 제거한다. 이온성 액체 촉매 및 반응물의 유동은 열 교환기 배관 외부에서 발생한다.
일 구현예에서, 고속 제트 유동 노즐은 탄화수소 전환 반응기의 외부 길이를 따라 배치된다. 이들은 이온성 액체 촉매 및 반응물을 유도할 뿐만 아니라, 반응물을 이온성 액체 촉매와 충분한 혼합을 제공하도록 구성될 수 있다. 일 구현예에서, 반응물은 연속상이며 이온성 액체 촉매는 탄화수소 전환 반응기에서 분산상이다.
일 구현예에서, 고속 제트 유동 노즐은 탄화수소 전환 반응기 내부에 역 혼합을 향상시키도록 배열된다. 일 구현예에서, 다중 고속 제트 유동 노즐은 탄화수소 전환 반응기의 한 측면을 따라 배치된다. 이 구현예는 도 1에 도시된다. 또 다른 구현예에서, 다중 고속 제트 유동 노즐은 도 2, 3, 5a, 및 5b에 나타낸 바와 같이 탄화수소 전환 반응기의 대향 측면 상에 배치된다. 다중 고속 제트 유동 노즐은 탄화수소 전환 반응기의 각 섹션에 배치될 수 있는데, 하나의 고속 제트 유동 노즐은 각 섹션에 배치될 수 있거나, 이러한 상이한 구성의 조합이 존재할 수 있다. 탄화수소 전환 반응기의 한 섹션에 다중 고속 제트 유동 노즐이 존재하는 일 구현예에서, 이들은 이온성 액체 촉매 및 반응물의 유동을 유도하여 고속으로 교차하도록 배열될 수 있다. 일 구현예에서, 고속 제트 유동 노즐의 배열은 탄화수소 전환 반응기 내부의 역 혼합을 향상시키고, 국소 올레핀 농도를 감소시키며, 보다 우수한 품질의 탄화수소 생성물, 또는 이들의 조합을 생성하도록 선택된다.
일 구현예에서, 다중 고속 제트 유동 노즐의 구성은 더 나은 반응 열 제거를 제공하는 열 전달 계수를 증가시키도록 선택된다. 일 구현예에서, 다중 고속 제트 유동 노즐의 구성은 열 교환기 배관에 대한 직접적인 유동 영향을 최소화하도록 선택된다. 열 교환기 배관에 대한 직접적인 유동 충격을 최소화함으로써, 열 교환기 배관에 대한 진동 및/또는 높은 응력이 감소되거나 제거될 수 있다. 일 구현예에서, 열 교환기 배관에 대한 직접적인 유동 충격의 회피는 열 교환기 배관의 부식성 마모를 방지하거나, 현저하게 감소시킬 수 있다.
일 구현예에서, 다중 고속 제트 유동 노즐은 하나 이상의 쌍으로 존재한다. 이 구현예는 반응물과 이온성 액체 촉매의 혼합을 추가로 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 쌍은 이온성 액체 촉매 및 반응물의 유도된 유동이 탄화수소 전환 반응기 내에서 1 내지 180 도의 각으로 교차하도록 배열될 수 있다. 이 특징은 도 5a 및 5b에 나타낸다. 도 5a는 이온성 액체 촉매 및 반응물이 약 90 도의 각으로 교차하는 일 구현예를 나타낸다. 도 5b에 나타낸 바와 같이, 고속 제트 유동 노즐의 쌍은 배플에 의해 한정된 인접 섹션에서, 배플에 의해 한정된 비인접 섹션에서, 또는 이들의 조합에서 탄화수소 전환 반응기의 섹션 당 한 쌍으로 배치될 수 있다.
일 구현예에서, 많은 쌍의 고속 제트 유동 노즐이 존재할 수 있는데, 각 쌍은 이온성 액체 촉매 및 반응물을 유도하여 이들이 1 내지 180 도의 교차 각으로 서로 교차한다. 교차 각은 탄화수소 전환 반응기의 길이를 따라 변할 수 있다.
일 구현예에서, 다중 고속 제트 유동 노즐은 알킬화를 촉진하도록 배열된다. 일 구현예에서, 다중 고속 제트 유동 노즐은 올레핀 공급물, 아이소파라핀 공급물, 재순환된 탄화수소 스트림, 및 재순환된 이온성 액체 스트림을 친밀하게 혼합하도록 설계된다. 일 구현예에서, 다중 고속 제트 유동 노즐은 올레핀 공급물을 다중 스트림으로 분할하여 각 다중 고속 제트 유동 노즐의 주입 지점에서 아이소파라핀 대 올레핀의 높은 국소 몰 비를 제공하도록 배열된다. 이것은 알킬레이트 가솔린 블렌딩 성분, 알킬레이트 제트 연료, 및 알킬레이트 디젤 연료, 및 이들의 조합을 제조하는 것과 같은 알킬화를 수행하는데 유용한 구현예일 수 있다. 일 구현예에서, 올레핀 공급물은 탄화수소 전환 반응기를 따라 상이한 위치에서 고속 제트 유동 노즐에 의해 공급되는 다중 스트림으로 분할되며, 이는 주입 지점에서 낮은 올레핀 국소 농도를 초래할 수 있다. 고속 제트 유동 노즐의 주입 지점에서 아이소파라핀 대 올레핀의 높은 국소 몰 비는 옥탄가를 증가시키고 생성된 알킬레이트 가솔린의 최종 비점을 낮출 수 있다.
일 구현예에서, 사용될 수 있는 올레핀 공급물은 임의의 공급원 및 임의의 조합으로부터 C2-C43 올레핀을 포함한다. 일 구현예에서, 사용될 수 있는 아이소파라핀 공급물은 임의의 공급원 및 임의의 조합으로부터 C3-C50 아이소파라핀을 포함한다. 올레핀 공급물 및 아이소파라핀 공급물의 선택은 일체형 반응기 시스템에서 생성될 탄화수소 생성물에 기초하여 선택될 수 있다.
침강 구역(Settling Zone):
일체형 반응기 시스템은 탄화수소 전환 반응기 내부에 침강 구역을 포함한다. 침강 구역은 반응물 또는 탄화수소 전환 반응기에서 생성된 탄화수소 생성물로부터 이온성 액체 촉매의 분리를 제공할 수 있다. 일 구현예에서, 침강 구역은 중력 분리기를 포함한다. 일 구현예에서, 침강 구역은 탄화수소 전환 반응기의 하단 또는 일단에 존재한다. 일 구현예에서, 침강 구역은 탄화수소 전환 반응기에서 반응 구역의 아래에 있다. 일 구현예에서, 침강 구역은 탄화수소 전환 반응기의 내부 길이의 5% 내지 75%이다.
일 구현예에서, 이온성 액체 촉매가 침강 구역에서 효과적으로 분리되도록 이온성 액체 촉매의 밀도는 반응물 또는 탄화수소 전환 반응기에서 생성된 탄화수소 생성물의 밀도보다 충분히 크다. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매의 밀도와 반응물 또는 탄화수소 생성물의 밀도 사이의 차이는 적어도 0.1 g/mL, 예컨대 0.1 내지 3.0 g/mL이다. 밀도는 디지털 밀도계에 의해 액체의 밀도, 상대 밀도, 및 API 중력에 대한 ASTM D4052 - 16, 표준 시험 방법에 의해 측정될 수 있다.
일 구현예에서, 침강 구역은 적어도 하나의 유착 패드(oalescing pad)를 포함한다. 이 특징은 도 1 및 2에 나타낸다. 일 구현예에서, 적어도 하나의 유착 패드는 탄화수소 반응물 및 탄화수소 생성물로부터 실질적인 양의 이온성 액체 액적을 제거하는 큰 기공 크기를 갖는 다중 층의 매체를 포함할 수 있는데, 예를 들어, 50% 초과, 예컨대 60% 내지 95%의 이온성 액체 액적이 제거될 수 있다. 큰 기공 크기는 100 미크론 초과 내지 100,000 미크론일 수 있다. 일 구현예에서, 적어도 하나의 유착 패드는 100 미크론 이하, 또는 심지어 20 미크론 이하의 미세한 기공 크기를 갖는 다중 층의 매체를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 적어도 하나의 유착 패드는 1 내지 100 미크론의 미세한 기공 크기를 갖는 다중 층의 매체를 포함한다. 일 구현예에서, 적어도 하나의 유착 패드가 장착된 침강 구역은 탄화수소 반응물 및 탄화수소 생성물로부터 90% 초과, 보다 바람직하게는 95% 초과의 이온성 액체 액적을 제거할 수 있다. 일 구현예에서, 적어도 하나의 유착 패드는 상이한 기공 크기를 갖는 다중 층의 매체를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 침강 구역은 탄화수소 반응물 및 탄화수소 생성물로부터 90 내지 100%의 이온성 액체 액적을 제거한다.
유착 패드는 임의의 잔류 탄화수소 반응물 및 탄화수소 전환 반응기에서 생성된 탄화수소 생성물로부터 이온성 액체 촉매의 분리를 제공한다. 이온성 액체 촉매는 탄화수소 전환 반응기의 하단에 침강한다. 일 구현예에서, 다중 층의 매체는 교호적인 친수성 표면 성질 및 소수성 표면 성질을 갖도록 배열될 수 있다. 친수성 표면 성질을 갖는 매체의 예는 금속 합금을 포함한 다양한 금속을 포함한다. 일 구현예에서, 금속 매체는 유착 패드에서 다른 매체를 구조적 지지를 제공한다. 하위 구현예에서, 적어도 하나의 유착 패드에서 친수성 표면 성질을 갖는 하나 이상의 층의 매체는 금속을 포함한다. 소수성 표면 성질을 갖는 소수성 매체의 예는 조작된 중합체를 포함하는, 탄화수소로부터 제조된 물질을 포함한다. 조작된 중합체의 예는 섬유유리, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르, 열가소성 수지, 아크릴/페놀 수지, 나일론, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일 구현예에서, 소수성 표면 성질을 갖는 매체는 섬유유리를 포함한다. 일 구현예에서, 소수성 표면 성질을 갖는 매체는 폴리에스테르 물질을 포함한다. 조작된 중합체의 다른 예는 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT), 폴리아미드 물질, 플루오로중합체, 폴리올레핀 또는 섬유 조작된 중합체를 불소 작용기를 포함하는 제제로 처리함으로써 얻어진 매체를 포함한다.
일 구현예에서, 분리된 탄화수소 스트림은 침강 구역의 상단 부분에서 수집된다. 일 구현예에서, 일체형 반응기 시스템은 침강 구역의 상단 부분에 출구 포트를 포함하여 탄화수소 전환 반응기로 일부를 재순환하는 분리된 탄화수소 스트림을 용출시킨다. 이 특징은 도 1 및 2에 나타낸다. 일 구현예에서, 침강 구역의 상단 부분에 있는 출구 포트는 탄화수소 전환 반응기에서 생성된 탄화수소 생성물을 용출시킨다. 이어서, 이들 탄화수소 생성물은 추가 처리 및 정화를 위해 슬립스트림(slipstream)으로서, 예컨대 프리필터 및 분리기로 또는 프리필터 및 코어레서(coalesce)로 보내질 수 있다. 이어서, 탄화수소 생성물은 추가 생성물 분리를 위해 증류 컬럼으로 보내질 수 있다.
일 구현예에서, 일체형 반응기 시스템은 탄화수소 전환 반응기로부터 유출물을 수용하고 유출물 내의 탄화수소 생성물로부터 혼입된 이온성 액체를 제거하는 하나 이상의 코어레서에 연결된 하나 이상의 프리필터를 추가로 포함한다.
일 구현예에서, 분리된 이온성 액체는 침강 구역의 하단에 수집된다. 일 구현예에서, 일체형 반응기 시스템은 분리된 이온성 액체를 용출시키는 침강 구역의 하단 부분에서 하단 출구 포트를 포함한다. 분리된 이온성 액체는 탄화수소 전환 반응기로 재순환될 수 있다.
일 구현예에서, 침강 구역의 하단은 이온성 액체를 수집 및 저장하고 이온성 액체 촉매의 서지(surge) 부피로서 기능하기에 충분히 크다. 일 구현예에서, 침강 구역의 하단으로부터 이온성 액체의 슬립 스트림은 침강 구역의 하단 사이의 연결을 통해 이온성 액체 재생 유닛 또는 퍼지 유닛에 보내어, 이온성 액체 촉매가 높은 촉매 강도를 유지할 수 있도록 한다. 일 구현예에서, 보충된 신선한 이온성 액체는 침강 구역의 하단에서 이온성 액체 유입구를 통해 도입되어 탄화수소 전환 반응기 내에 충분한 이온성 액체 부피를 허용하여 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 수행할 수 있도록 한다.
일 구현예에서, 침강 구역은 부트(boot)를 추가로 포함할 수 있다. 이 특징은 도 2의 침강 구역의 하단에 나타낸다. 부트는 하단 출구 포트에 연결되어 이온성 액체 재순환 펌프 앞에 배치될 수 있다. 부트는 또한 프리필터에 연결될 수 있으며, 이는 프리필터에 의해 제거된 잔류 이온성 액체 촉매를 부트에 공급한다. 일 구현예에서, 부트는 추가로 프리필터의 하단에 연결되며, 여기서 상기 프리필터는 침강 구역의 상단 부분에서 출구 포트에 연결된다. 부트와 프리필터의 통합은 다운스트림 코어레서의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
반응물 및 촉매 재순환:
일 구현예에서, 일체형 반응기 시스템은 다중 고속 제트 유동 노즐에 유체 연결되는 적어도 하나의 이온성 액체 재순환 펌프 및 적어도 하나의 탄화수소 재순환 펌프를 포함한다. 일 구현예에서, 일체형 반응기 시스템은 침강 구역의 상당 부분에 출구 포트를 포함하여 탄화수소 전환 반응기로 재순환되는 분리된 탄화수소 스트림을 용출시킨다. 분리된 탄화수소 스트림은 미량의 이온성 액체 촉매의 미세한 액적만을 함유할 수 있다.
일 구현예에서, 일체형 반응기 시스템은 재순환된 탄화수소 스트림과 재순환된 이온성 액체 스트림 둘 다를 위한 하나 이상의 재순환 루프를 포함한다. 도 4는 2개의 재순환 루프를 갖는 구현예를 나타내며, 각 루프는 독립적으로 작동하도록 구성된다. 다중 재순환 루프는 더 작은 재순환 루프가 일체형 반응기 시스템의 비용과 작동을 향상시키기 위해 크기가 정해질 수 있는 대규모 일체형 반응기 시스템에 유리할 수 있다. 일 구현예에서, 각 재순환 루프는 독립적으로 작동할 수 있어서 고가의 백업 펌프 및 그들의 관련된 제어 시스템의 필요성을 감소시킨다. 일 구현예에서, 2개 이상의 재순환 루프가 존재할 수 있으며 2개 이상의 재순환 루프 각각은 독립적으로 작동하도록 구성된다.
일 구현예에서, 하나 이상의 이온성 액체 재순환 펌프는 침강 구역의 하단에 연결되며 이온성 액체 촉매를 고속 제트 유동 노즐로 재순환시킨다.
일 구현예에서, 일체형 반응기 시스템은 높은 옥탄가를 갖는 알킬레이트 가솔린 또는 알킬레이트 가솔린 블렌딩 성분을 생성한다. 높은 옥탄가의 예는 82 이상, 85 초과, 90 초과, 및 95 초과이다. 일 구현예에서, 알킬레이트 가솔린 또는 알킬레이트 가솔린 블렌딩 성분은 90 내지 105의 연구-방법 옥탄가 (RON: Research-method octane number)를 갖는다. 연료 또는 연료 블렌드 성분의 옥탄가를 계산하기 위해 상이한 방법들이 사용된다. RON은 ASTM D2699-16ε1를 사용하여 결정될 수 있다. RON은 표준 CFR (Cooperative Fuel Research) 노크-시험 엔진을 사용한다. 또한, 연구-방법 옥탄가는 가스 크로마토그래피 비등 범위 분포 데이터로부터 계산될 수 있다 [RON (GC)].RON (GC) 계산은 공보 Anderson, P.C., Sharkey, J. M., and Walsh, R.P., "Journal Institute of Petroleum", 58 (560), 83 (1972)에 기술되어 있다.
낮은 휘발성 및 높은 옥탄가를 갖는 알킬레이트 가솔린을 제조하기 위한 알킬화 공정은 하기의 특허에 기술되어 있다: 미국특허 번호 제7,432,408호 및 미국특허 번호 제7,919,663호.
하나 이상의 올레핀이 2-부텐을 포함하고 아이소파라핀이 아이소부탄인 일 구현예에서, 탄화수소 전환 반응기에서 생성된 하나 이상의 알킬레이트 생성물은 높은 RON을 갖는, 예컨대 RON이 85 이상, 또는 90 내지 105인 알킬레이트 가솔린 또는 알킬레이트 가솔린 블렌딩 성분이다.
예를 들어, 도 1 및 2는 고품질 알킬레이트 가솔린 블렌딩 성분을 제조하기 위해 알킬화를 수행할 수 있는 일체형 반응기 시스템에 대한 2개의 상이한 구현예를 나타낸다.
본 출원은 알킬레이트 가솔린 블렌딩 성분, 알킬레이트 제트 연료, 알킬레이트 디젤 연료, 알킬레이트 베이스 오일, 또는 이들의 조합을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 본원에 개시된 일체형 반응기 시스템에서 올레핀에 의한 아이소파라핀의 알킬화를 수행하는 단계를 포함한다.
고점도 지수 및 저브롬 지수를 갖는 알킬레이트 베이스 오일을 제조하기 위한 예시적인 알킬화 공정은 하기의 문헌에 기술되어 있다: "HIGH VISCOSITY INDEX LUBRICANTS BY ISOALKANE ALKYLATION", 2016년 5월 19일자로 출원된 미국특허 출원 번호 제15/159,205호.
알킬레이트 가솔린 및 알킬레이트 중간 증류물을 제조하기 위한 예시적인 알킬화 공정은 하기의 특허에 기술되어 있다: 미국특허 번호 제8,252,968호.
이온성 액체 촉매:
이온성 액체 촉매는 착물을 형성하는 적어도 2개의 성분으로 구성된다. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매는 산성이다. 산성 이온성 액체 촉매는 제1 성분 및 제2 성분을 포함한다. 촉매의 제1 성분은 전형적으로 알루미늄 할라이드, 알킬 알루미늄 할라이드, 갈륨 할라이드, 알킬 갈륨 할라이드, 인듐 할라이드, 및 알킬 인듐 할라이드를 포함하는 13족 금속의 루이스산 화합물과 같은 성분들로부터 선택된 루이스산 화합물을 포함할 것이다 (주기율표의 13족 금속에 대해 2005년 10월 IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) 버전 3 참조). 13족 금속의 루이스산 화합물 이외의 다른 루이스산 화합물이 사용될 수도 있다. 일 구현예에서, 제1 성분은 알루미늄 할라이드 또는 칼륨 할라이드 또는 철 할라이드 또는 알킬 알루미늄 할라이드이다. 일 구현예에서, 제1 성분은 알루미늄 할라이드 또는 알킬 알루미늄 할라이드이다. 예를 들어, 이온성 액체 촉매를 제조하기 위한 제1 성분으로서 삼염화알루미늄이 사용될 수 있다.
이온성 액체 촉매를 구성하는 제2 성분은 유기 염 또는 염의 혼합물이다. 이들 염은 화학식 Q+A-를 특징으로 할 수 있으며, 여기서 Q+는 암모늄, 포스포늄, 보로늄, 요오도늄, 또는 설포늄 양이온이며 A-는 음으로 하전된 이온, 예컨대 Cl-, Br-, ClO4 -, NO3 -, BF4 -, BCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, ArF6 -, TaF6 -, CuCl2 -, FeCl3 -, HSO3 -, RSO3 - (여기서 R은 1 내지 12개 탄소 원자를 갖는 알킬기이다), SO3CF3 -, SO3Cl-, 및 3-설퍼트리옥시페닐이다. 일 구현예에서, 제2 성분은 약 1 내지 12개 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 알킬 모이어티를 함유하는 4급 암모늄 또는 포스포늄 할라이드를 갖는 것들, 예를 들어, 트리메틸아민 하이드로클로라이드, 메틸트리부틸암모늄 할라이드, 트리알킬 포스포늄 하이드로클로라이드, 테트라알킬포스포늄 클로라이드, 메틸트리알킬포스포늄 할라이드, 또는 치환된 헤테로사이클릭 암모늄 할라이드 화합물, 예컨대 1-부틸피리디늄 할라이드, 또는 하이드로카빌 치환된 이미다졸륨 할라이드, 예를 들어, 1-에틸-3-메틸-이미다졸륨 클로라이드로부터 선택된다. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매는 고도로 산성인 클로로알루미네이트 이온성 액체이다. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매는 화학식 RR'R''NH+Al2Cl7 - 또는 RR'R''PH+Al2Cl7 -을 갖는 클로로알루미네이트 이온성 액체이며, 여기서 R, R', 및 R"는 1 내지 12개 탄소를 함유하는 알킬기이다. 고도로 산성인 클로로알루미네이트 이온성 액체의 예는 Al2Cl7 - 및 Al3Cl10 -을 포함하는 것들이다.
일 구현예에서, 이온성 액체 촉매는 화학식 A 및 B 각각의 알킬 치환된 피리디늄 클로로알루미네이트 또는 알킬 치환된 이미다졸륨 클로로알루미네이트를 포함한다.
Figure pct00001
화학식 A 및 B에서, R은 H, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 또는 헥실기, R'=H, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 또는 헥실기이며, X는 클로로알루미네이트이며, R1 및 R2는 H, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 또는 헥실기이다. 이온성 액체 촉매는 또한 고리에서 탄소에 직접 부착된 하나 이상의 수소가 알킬기에 의해 대체된 구조 A 또는 B 중 하나의 유도체를 포함할 수 있다. 화학식 A 및 B에서: R, R', R1 및 R2는 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 대안적으로, 이온성 액체 촉매는 화학식 R R'R''R'''N+Al2Cl7 - 또는 RR'R''R'''PAl2Cl7 -을 갖는 클로로알루미네이트 이온성 액체이며, 여기서 R, R', R'' 및 R'''는 1 내지 12개의 탄소를 함유하는 알킬기이다.
제1 성분의 존재는 이온성 액체에 루이스 또는 프랭클린 산성 특성을 제공해야 한다. 일반적으로, 제1 성분 대 제2 성분의 몰 비가 클수록, 이온성 액체 혼합물의 산성도는 더 커진다. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매에서 제1성분 (금속 할라이드) 대 제2성분 (4급 아민 또는 4급 인)의 몰 비는 2:1 내지 1.1:1의 범위이다.
이온성 액체 공촉매:
일 구현예에서, 공촉매는 이온성 액체 촉매에 첨가되어 전체 산성도를 높이고 이온성 액체 촉매의 선택성을 변화시킨다. 공촉매는 클로라이드를 포함하는 공촉매와 같은 할라이드 함유 첨가제일 수 있다. 할라이드 함유 첨가제를 첨가하고 이온성 액체 촉매에 첨가하여 알킬레이트 생성물의 수율을 증가시킬 수 있다. 할라이드 함유 첨가제의 예는 수소 할라이드, 알킬 할라이드, 금속 할라이드 및 이들의 조합이다. 일 구현예에서, 할라이드 함유 첨가제는 브뢴스테드산일 수 있다. 브뢴스테드산의 예는 염산 (HCl), 브롬화수소산 (HBr), 및 트리플루오로메탄설폰산이다. 이온성 액체 촉매와 함께 할라이드 함유 첨가제의 사용은 하기의 특허에 개시되어 있다: 미국공개 특허 출원 번호 제2003/0060359호 및 제2004/0077914호. 일 구현예에서, 할라이드 함유 첨가제는 하기 화학식을 갖는 플루오르화 알케인 설폰산이다:
Figure pct00002
여기서 R' = Cl, Br, I, H, 알킬 또는 퍼플루오로 알킬기이며 R'' = H, 알킬, 아릴 또는 퍼플루오로 알콕시기이다.
사용될 수 있는 금속 할라이드의 예는 하기 문헌에 기술된 바와 같이 NaCl, LiCl, KCl, BeCl2, CaCl2, BaCl2, SrCl2, MgCl2, PbCl2, CuCl, CuCl2, ZrCl4 및 AgCl이다: Roebuck and Evering (Ind.Eng. Chem.Prod.Res.Develop., Vol. 9, 77, 1970). 일 구현예에서, 할라이드 함유 첨가제는 Hirschauer 등의 하기 특허에 기술된 바와 같이 하나 이상의 IVB 족 금속 화합물, 예컨대 ZrCl4, ZrBr4, TiCl4, TiCl3, TiBr4, TiBr3, HfCl4, 또는 HfBr4를 함유한다: 미국특허 번호 제6,028,024호.
일 구현예에서, 할라이드 함유 첨가제는 알킬레이트 제트 연료 또는 알킬레이트 디젤 연료의 증가된 수율을 제공하는 수준으로 첨가된다. 할라이드 함유 첨가제 수준의 수준을 조정하면 알킬화 반응의 선택성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 할라이드 함유 첨가제, 예를 들어, 염산의 수준이 더 낮게 조정되면, 알킬화 반응의 선택성이 더 무거운 생성물을 생성하도록 이동한다. 생성된 알킬레이트에서 C10+ 생성물의 수율에 대한 (염산 수준을 더 낮게 조정하는) 이온성 액체 알킬화 반응기로의 공급물에서 올레핀 대 HCl의 몰 비를 증가시키는 효과는 하기의 특허에 기술되어 있다: 미국특허 번호 제7,919,664호.
일 구현예에서, 염화물을 포함하는 공촉매가 이온성 액체 촉매에 첨가된다. 일 구현예에서, 이온성 액체 촉매에 첨가되는 염화물을 포함하는 공촉매는 알킬화 반응기에서 무수 HCl을 생성하는 알킬 할라이드이다.
"포함하는 (including)", "함유하는 (containing)", 또는 "~을 특징으로 하는 (characterized by)"과 동의어인 "포함하는 (comprising)"이라는 과도기 용어는 포괄적이거나 개방형이며 추가의 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. "구성되는 (consisting of)"이라는 과도기 용어는 청구범위에 명시되지 않은 임의의 요소, 단계 또는 성분을 배제한다. "본질적으로 구성되는 (consisting essentially of)"이라는 과도기 문구는 특정 재료 또는 단계 및 청구된 발명의 "기본 및 신규한 특성(들)에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것"들로 청구범위를 제한한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위의 목적상, 달리 나타내지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 수량, 백분율 또는 비율을 표현하는 모든 숫자 및 다른 수치는, "약"이라는 용어에 의해 모든 경우에 변형되는 것으로 이해되어야 한다또한, 본원에 개시된 모든 범위는 종점을 포함하며 독립적으로 조합 가능하다. 하한 및 상한을 갖는 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위 내에 속하는 임의의 수 또한 구체적으로 개시된다. 달리 명시되지 않는 한, 모든 백분율은 중량%이다.
정의되지 않은 임의의 용어, 약어 또는 속기는 출원이 출원될 때 당업자에 의해 사용되는 일반적인 의미를 갖는 것으로 이해된다. 단수 형태 "a," "an," 및 "the"는, 하나의 예에 명백하고 명확하게 제한되지 않는 한, 복수의 언급을 포함한다.
본 출원에 인용된 모든 간행물, 특허 및 특허 출원은, 각각의 개별 간행물, 특허 출원 또는 특허의 개시내용이 구체적이고 개별적으로 그 전체가 참조로 포함되는 것으로 표시되는 것과 동일한 정도로 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
이 기술된 설명은 최선의 모드를 포함하여 실시예를 사용하여 본 발명을 개시하며 또한 당업자가 본 발명을 제조하고 사용할 수 있도록 한다. 상기 개시된 본 발명의 예시적인 구현예의 많은 변형이 당업자에게 용이하게 발생할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 모든 구조 및 방법을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 달리 명시되지 않는 한, 개별 구성요소 또는 구성요소의 혼합물이 선택될 수 있는 요소, 재료 또는 다른 성분의 종류의 언급은 열거된 구성요소 및 이들의 혼합물의 모든 가능한 하위-일반 조합을 포함하도록 의도된다.
본원에 예시적으로 개시된 본 발명은 본원에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소가 없는 상태로 적합하게 실시될 수 있다.
본 개시내용과 관련된 구성요소만이 도면에 나타내어져 있으며 많은 다음 구성요소는 일반적으로 하나 이상의 탄화수소 생성물을 제조하기 위한 일체형 반응기 시스템의 일부로서 간략화를 위해 나타내지 않다는 것에 주목해야 한다.
실시예
실시예 1 :
CFD (Computational Fluid Dynamic) 시뮬레이션은 본 개시내용의 일체형 반응기 시스템의 일 구현예에 대해 수행되었다. 이 구현예에서, 수직 탄화수소 전환 반응기를 6개의 수평 배플을 갖는 다중 연결 세그먼트로 분리하였다. 탄화수소 전환 반응기에서 반응 구역은 반응기의 상단에 6개의 세그먼트를 가지며, 침강 구역은 반응기의 하단에 1개의 세그먼트를 가졌다. 3개의 고속 제트 유동 노즐을 사용하여 올레핀 공급물 및 아이소파라핀 공급물을 탄화수소 재순환 스트림 및 이온성 액체 재순환 스트림과 친밀하게 혼합하고 조합된 유동을 반응 구역으로 고속으로 도입하였다. 고속 제트 유동 노즐은 도 6a 및 6b에 나타낸 바와 같이 수직 탄화수소 전환 반응기의 측면을 따라 수평으로 배향되었다.
시뮬레이션을 단순화하기 위해, 올레핀/아이소파라핀 공급물을 고속 제트 유동 노즐의 유입구에서 탄화수소/이온성 액체 재순환 스트림과 완전히 혼합된 것으로 가정하여, 연속적인 탄화수소 상 및 분산된 이온성 액체 상을 함유하는 잘 혼합된 스트림을 생성하였다. 시뮬레이션을 더 단순화하기 위해, 분산된 이온성 액체 상은 동일한 고정된 직경을 갖는 이온성 액체 액적을 포함하는 것으로 추가로 가정되었다. 시뮬레이션에서는 액적 합체 및 분해는 고려되지 않았다.
도 6a는 탄화수소 전환 반응기에서 CFD 시뮬레이션된 액체 속도 프로파일을 나타내며, 도 6b는 동일한 탄화수소 전환 반응기에서 CFD 시뮬레이션된 이온성 액체 농도 프로파일을 나타낸다. 이들 도면에서, 색상은 각 도면의 좌측에 나타낸 색상 맵을 기준으로 변수의 크기를 나타낸다. 적색은 높은 값을 나타내며, 청색은 낮은 값을 나타낸다.
도 6a에 나타낸 바와 같이, 고속 제트 유동 노즐은 고속 유동을 생성하여 반응 구역 내에서 높은 액체 역 혼합 및 따라서 액체 난류를 초래하였다. 높은 액체 역 혼합 및 액체 난류는 빠르고 선택적인 탄화수소 전환 반응을 수행하는데 매우 효과적일 것이다. 추가로 도 6b에 나타내 바와 같이, 높은 액체 유동 및 액체 난류는, 이온성 액체 액적 중 일부가 침강되어 축적된 배플 상단에서 작은 부분을 제외하고는, 전체 반응 구역에서 다소 균일한 이온성 액체 농도를 초래하였다.

Claims (27)

  1. 하기를 포함하는, 이온성 액체-촉매화된 탄화수소 전환을 수행하기 위한 일체형 반응기 시스템:
    a. 탄화수소 전환 반응기의 내부 길이를 통해 주로 연장되는 열 교환기 배관의 다발;
    b. 상기 탄화수소 전환 반응기의 적어도 일부를 가로질러 연장되는 배플;
    c. 이온성 액체 촉매 및 반응물을 상기 열 교환기 배관 외부의 상기 탄화수소 전환 반응기로 유도하도록 구성된 다중 고속 제트 유동 노즐; 및
    d. 상기 탄화수소 전환 반응기 내부의 침강 구역.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소 전환 반응기는 상기 탄화수소 전환 반응기 내의 반응 구역에서 상기 반응물의 난류성 역류를 제공하도록 구성되는, 일체형 반응기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소 전환 반응기는 수직으로 또는 수평으로 배향되는, 일체형 반응기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배플은 교호 패턴으로 배치되며 상기 탄화수소 전환 반응기를 통해 지그-재그 방향으로 반응물의 유동을 유도하는, 일체형 반응기 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 배플은 상기 탄화수소 전환 반응기를 다중 섹션으로 분리하는, 일체형 반응기 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배플은 상기 열 교환기 배관을 지지하는, 일체형 반응기 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기 배관은 상기 탄화수소 전환 반응기 내부에 개방식 채널을 갖도록 배열되며 여기에는 상기 다중 고속 제트 유동 노즐이 상기 반응물을 유도하도록 구성되는, 일체형 반응기 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기 배관의 다발은 상기 탄화수소 전환 반응기 내의 유동 저항을 최소화하고, 상기 탄화수소 전환 반응기 내의 상기 반응물의 역 혼합을 향상시키고, 효과적인 열 전달을 제공하고, 상기 반응물의 유동에 의해 야기된 상기 열 교환기 배관에 대한 전단 응력을 최소화하도록 구성되는, 일체형 반응기 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소 전환 반응기는 상기 다중 고속 제트 유동 노즐이 상기 반응물을 유도하는 개방식 채널을 갖는, 일체형 반응기 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 다중 고속 제트 유동 노즐은 상기 탄화수소 전환 반응기의 외부 길이를 따라 배치되는, 일체형 반응기 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 다중 고속 제트 유동 노즐은 상기 탄화수소 전환 반응기 내부에 역 혼합을 향상시키도록 배열되는, 일체형 반응기 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 다중 고속 제트 유동 노즐은 올레핀 공급물, 아이소파라핀 공급물, 재순환된 탄화수소 스트림, 및 재순환된 이온성 액체 스트림을 친밀하게 혼합하도록 설계된, 일체형 반응기 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 다중 고속 제트 유동 노즐은 상기 탄화수소 전환 반응기의 한 측면을 따라 배치되는, 일체형 반응기 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 다중 고속 제트 유동 노즐은 하나 이상의 쌍으로 존재하는, 일체형 반응기 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 쌍은 상기 이온성 액체 촉매 및 상기 반응물의 유도된 유동이 상기 탄화수소 전환 반응기 내에서 90 내지 180 도의 각으로 교차하도록 배열되어 있는, 일체형 반응기 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 다중 고속 제트 유동 노즐은 올레핀 공급물을 다중 스트림으로 분할하여 상기 다중 고속 제트 유동 노즐 각각의 주입 지점에서 아이소파라핀 대 올레핀의 높은 국소 몰 비를 제공하도록 배열되는, 일체형 반응기 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 침강 구역은 적어도 하나의 유착 패드를 포함하는, 일체형 반응기 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 침강 구역의 하단은 이온성 액체를 수집 및 저장하고, 상기 이온성 액체 촉매의 서지(surge) 부피로서 기능하기에 충분히 큰, 일체형 반응기 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 침강 구역의 상단 부분에 상기 탄화수소 전환 반응기로 재순환되는 분리된 탄화수소 스트림을 용출시키는 출구 포트를 추가로 포함하는, 일체형 반응기 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 침강 구역의 하단 부분에 상기 탄화수소 전환 반응기로 재순환되는 분리된 이온성 액체를 용출시키는 하단 출구 포트를 추가로 포함하는, 일체형 반응기 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 하단 출구 포트에 연결되고 이온성 액체 재순환 펌프 앞에 배치된 부트(boot)를 추가로 포함하는, 일체형 반응기 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 부트는 프리필터의 하단에 추가로 연결되며 상기 프리필터는 상기 침강 구역의 상단 부분에서 출구 포트에 연결되는, 일체형 반응기 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소 전환 반응기로부터 유출물을 수용하고 상기 유출물 내의 탄화수소 생성물로부터 혼입된 이온성 액체를 제거하는, 하나 이상의 코어레서(coalescer)에 연결된 하나 이상의 프리필터를 추가로 포함하는, 일체형 반응기 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 상기 다중 고속 제트 유동 노즐에 유체 연결되는 이온성 액체 재순환 펌프 및 탄화수소 재순환 펌프를 추가로 포함하는, 일체형 반응기 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 재순환된 탄화수소 스트림 및 재순환된 이온성 액체 스트림 둘 다를 위한 하나 이상의 재순환 루프를 포함하는, 일체형 반응기 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 2개 이상의 재순환 루프가 존재하며, 상기 2개 이상의 재순환 루프 각각은 독립적으로 작동하도록 구성되는, 일체형 반응기 시스템.
  27. 알킬레이트 가솔린 블렌딩 성분, 알킬레이트 제트 연료, 알킬레이트 디젤 연료, 알킬레이트 베이스 오일, 또는 이들의 조합을 제조하는 방법으로서, 제1항의 일체형 반응기 시스템에서 올레핀을 사용하여 아이소파라핀의 알킬화를 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
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