KR20200085808A - 외부 라이저를 구비하는 촉매 분해 유닛들을 위한 새로운 기체-고체 분리기 - Google Patents

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벤자맹 앙블라르
프레데릭 퓌네
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아이에프피 에너지스 누벨
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Abstract

본 발명은 촉매 분해 유닛의 외부 라이저에 맞춰진 기체 고체 분리 장치에 관한 것이다. 장치는 실질적으로 라이저 (2) 에 대해 90°의 각도를 형성하는 파이프 (19) 를 포함하고, 상기 파이프는 (19) 는 그들 사이에 각도 2*γ를 형성하는 두개의 관형 섹션 (4) 로 분할되고, γ 은 5° 내지 85°이다. 이러한 디바이스는 동시에 접촉 시간의 보다 양호한 제어에 의해 분리의 전체 효율을 개선시키고 스트리핑 기체의 체널닝을 가능하게 한다. 본 발명은 또한 상기 기체 고체 분리 장치를 사용하는 촉매 분해 공정에 관한 것이다.

Description

외부 라이저를 구비하는 촉매 분해 유닛들을 위한 새로운 기체-고체 분리기
본 발명은 중질 컷트들 (heavy cuts) 을 촉매 분해하기 위한 유닛들에 관한 것이다. 본 발명은 분리 및 스트리핑 장치 및 탄화수소의 촉매 분해에서의 변환 공정에서의 그 사용에 관한 것이고, 상기 탄화수소는 진공 증류, 경질 잔류물, 또는 컷트들, 예를 들면 원유 및 선택적으로 리그노 셀룰로스 바이오매스의 상압 증류 또는 변환을 위한 다양한 공정으로부터 유래될 수 있는 예를 들어 가솔린일 수 있다.
촉매 분해 공정 ("유체 촉매 분해" 의 경우 FCC 로 약칭됨) 은 비등점이 일반적으로 340 ℃ 초과인 중질 탄화수소 공급 원료를 산 촉매의 존재하에 중질 공급 원료의 분자들의 분해에 의해 더 경질 탄화수소 분획들로 변환시키는 것을 가능하게 한다.
FCC 공정은 본질적으로 가솔린 및 LPG (액화 석유 가스의 약칭) 뿐만 아니라 LCO 및 HCO 로 나타내는 중질 컷트들을 제조한다.
촉매 분해 유닛에 사용되는 반응기는 일반적으로 라이저로 알려진 수송 유동층 반응기 (transported fluidized bed reactor) 이다.
중질 컷트를 위한 FCC 유닛의 주요 공급 원료는 일반적으로 탄화수소 또는 본질적으로 적어도 80 % 의 분자를 함유하는 탄화수소의 혼합물이며, 그 비등점은 340 ℃ 초과이다. 이러한 공급 원료는 제한된 양의 금속, 본질적으로 니켈 및 바나듐 (Ni + V), 일반적으로 50 ppm 미만, 바람직하게 20 ppm 미만 및 일반적으로 11 중량 % 초과의 수소 함량을 함유한다. 질소 함량을 0.5 중량 % 값 미만으로 제한하는 것이 또한 바람직하다.
표준 ASTM D 482에 의해 정의된 공급 원료의 콘라드슨 (Conradson) 탄소 함량에 따라, 코크스 수율은 열 균형을 만족시키기 위해 유닛의 특정 치수를 요구한다.
이는 촉매에 디포짓된 탄소가 이어서 분해 반응의 흡열성 및 액적 형태로 인젝터를 통해 도입되는 공급 원료의 기화 열을 충족시키는 데 사용되는 열을 방출하도록 재생 구역에서 소각되기 때문이다. 따라서, 공급 원료의 콘라드슨 탄소가 3 중량 % 미만이면, 전체 연소에서 유동층에서의 코크스를 소각함으로써 유닛의 열 균형을 만족시키는 것이 가능하다. 일반적으로 유닛의 요구와 비교하여 과잉 열을 생성하는 더 중질의 공급 원료의 경우에 대해, 열 균형, 예를 들면 부분 연소에서의 재생 또는 과잉 공기 재생, 예를 들어 R2R 공정의 이중 재생, 또는 또한 기화에 의해 과잉 열을 흡수하는 라이저로 리사이클링되는 분해된 컷트들의 주입과 공기 부족을 갖는 부분 재생의 조합을 만족시킬 수 있는 다른 솔루션을 사용하는 것이 가능하다.
마지막으로, 유동화 상태 (일반적으로 "캣 쿨러 (cat cooler)" 라고 함) 에서의, 재생 구역에서의 또는 이러한 영역과 병렬로의 교환기들의 설치는, 예를 들어 저압 또는 중압 스트림을 생성함으로써 그리고 촉매를 냉각함으로써, 과도한 열의 일부를 흡수할 수 있다.
촉매 크래킹 (FCC) 유닛의 라이저 상단에서 기체-고체 분리 분야의 종래 기술은 매우 광범위하며, 특히 본 발명에 대해 관련된 바와 같이 다음과 같은 문서에서 개시된다:
특허 EP 0 852 963 에는 기체 혼합물에 함유된 입자들을 위해 디렉트 와인딩 기체-고체 분리기와 유동층 촉매 또는 열 분해에서의 그 사용이 기술되어 있다. 이 장치는 상부 부분이 스트리핑 구역에서 나오는 라이저에 적용되며, 이는 본 발명의 경우와 상이하다.
특허 FR 2 767 715는 FCC 유닛의 메인 라이저를 위한 분리 및 스트리핑 장치를 설명한다. 인용된 문서에서, 그것은 라이저이며, 그 상부는 스트리핑 구역에서 나온다. 기체 유출물의 경로는 인용 문헌의 도 3 에 도시된 바와 같이 챔버 (2) 에서 발생하는 기체의 반전 후에 챔버 (3) 에서의 변위가 이어지기 때문에 측면 오프셋을 나타낸다.
특허 US 8 383 051 에는 외부 라이저, 즉 스트리퍼의 케이싱에 적어도 부분적으로 포함되지 않은 라이저에 적용되는 기체-고체 분리 장치가 기술되어 있다. 기체-고체 현탁액의 메인 스트림은 2 개로 분할되고 장치는 충격 플레이트 (인용 문헌에서 "분할 배플"이라고 함) 를 포함하여 그 속도에서 급격한 감소에 의해 고체를 회수하는 것을 가능하게 한다. 기술된 장치는 스트리핑 챔버에 연결된다. 본 발명은 인용 문헌에 대한 개선예로서 간주될 수 있다.
특허 EP 1 017 762 는 라이저 주위에 교대로 배열된 분리 챔버 및 스트리핑 챔버 세트를 포함하는 기체-고체 분리 시스템을 기술한다. 이 시스템을 사용하면 다음 작업을 동시에 수행할 수 있다.
- 분리 챔버들에서 기체들과 입자들의 분리
- 탄화수소들의 비말동반 (entrainment) 을 최소화하는 파이프를 통해 분리 챔버들에서 분리된 대부분의 촉매의 스트리퍼로 내로의 도입
- 기체와 촉매 입자 사이의 분리를 완료하고 스트리퍼로부터 나오는 유출물과 상기 기체를 혼합하는 것을 가능하게 하는 스트리핑 챔버 내로 분리 챔버로부터의 기체의 통과;
- 반응기를 떠나기 전에 궁극적인 분리를 위해 반응기의 사이클론들로 스트리핑 챔버 및 라이저로부터 발생하는 모든 기체 유출물의 빠른 배출.
본 발명은 촉매 분해 (FCC) 유닛의 외부 라이저로부터 발생된 기체-고체 현탁액에 함유된 입자에 대한 기체-고체 분리 장치로서 규정될 수 있다. 외부 라이저는 라이저가 스트리핑 챔버와 완전히 분리되어 있다는 사실을 의미하는 것으로 이해된다.
이러한 외부 라이저는 따라서 상이한 가능한 공급 원료를 단독으로 또는 혼합물로서 변환하거는 유닛의 메인 라이저이거나 또는 중앙의 메인 라이저와 연관된 2 차 라이저이다.
후자의 경우, 하나의 가능한 구성은 종래의 공급 원료를 처리하는 중앙 메인 라이저 및 메인 라이저와 평행하지만 메인 라이저에 대해 외부 위치에 있고 더 경질의 공급 원료, 예를 들어 나프타 타입을 처리하는 2 차 라이저이다.
중질 공급 원료(들) 및 경질 공급 원료(들) 이 각각 중앙 위치에서 메인 라이저 및 외부 라이저에서 처리되는 구성이 또한 가능하다.
두 라이저로부터의 유출물은 공통 스트리퍼에 수집된다.
라이저 (2) 의 상단부는 라이저 (2)에 대해 실질적으로 90 °의 각도를 형성하는 파이프 (19) 에 의해 본 발명에 따른 분리 장치 (5) 에 연결되며, 상기 파이프 (19) 는 그들 사이에 각도 2*γ 를 형성하는 두 개의 관형 섹션 (4) 으로 분할되고, γ 는 5 ° 내지 85 °, 바람직하게는 25 ° 내지 65 °, 바람직하게는 40 ° 내지 50 °이다.
더욱이 각각의 파이프 (4) 는 입자가 기체로부터 분리되고 원심력에 의해 벽에 대해 가압되는 수직 평면에 위치된 엘보우 (12) 에 연결되며, 분리된 입자는 2 개의 레그 (13) 로부터 나오는 2 개의 입자 유동을 재합류시키는 역할을 하는 실질적으로 수직 부분 (14) 에 연결되는 리턴 레그 (13) 에서 아래쪽으로 유동한다.
리턴 레그는, 당업자의 용어에 따르면, 내부에서 촉매가 농축 유동 흐름으로 유동하는 수직 파이프를 의미하는 것으로 이해되며, 유동 밀도는 일반적으로 400 내지 800 kg/m3 이다.
회수된 고체의 흐름은 스트리핑 챔버의 유동층 내 또는 부근에서 나오는 리턴 레그 (6) 에서 종료된다. 라이저로부터 나오는 기체는 엘보우 (12) 에서 고체로부터 분리되어 레그 (13) 에서 약 180 ° 터닝하여 하류 유동층으로부터 나오는 유동화/스트리핑 기체가 채널링되는 파이프 (18) 에 연결되는 챔버 (15) 로 진행한다. 따라서, 스트리핑 기체는 촉매로부터 분리 후 라이저 (2) 로부터 발생하는 기체 유출물과 재합류한다. 라이저 (2) 로부터 발생하는 기체 및 유동화된 스트리핑 층 (bed) 으로부터 기인하는 기체는 이어서 배출 파이프 (16) 를 통해 사이클론 티어 (9) 에 보내진다. 파이프 (18) 는 전용 파이프 (18) 에서 스트리핑 기체를 수집하고, 이들 스트리핑 기체를 촉매로부터 분리한 후 챔버 (15) 의 라이저로부터 발생한 기체 유출물과 접촉시키는 것이 가능하다는 점에서 본 발명에 따른 분리 장치에서 중요한 역할을 한다. 따라서, 라이저로부터 발생한 유출물이 스트리퍼로 유입되어 수율에 해를 끼치는 과분해되는 것을 방지하도록 분리기가 밀봉되는 것이 가능하다. 과분해는 전체적으로 가솔린에 해를 끼치는 일련의 반응이다.
일반적으로, 분리될 촉매 입자는 일반적으로 10 중량 % 내지 30 중량 %의 40 미크론 미만의 미세 입자 퍼센티지를 갖는 1 ㎛ 내지 1 mm 범위의 직경 분포 및 500 kg/m3 내지 5000 kg/m3 범위의 입자 밀도를 갖는다.
본 발명에 따른 기체-고체 분리 장치에서, 엘보우 (12) 의 직경 (d) 은 0.5V 내지 10V 사이, 바람직하게는 V 내지 5V 사이, 바람직한 방식으로 V 내지 2V 사이의 기체 속도를 갖도록 연산되고, V 는 외부 라이저에서 기체의 평균 속도이다.
본 발명에 따른 기체-고체 분리 장치에서, 엘보우 (12) 의 곡률 반경 (r) 은 d 내지 10d, 바람직하게는 2d 내지 5d, 바람직한 방식으로 2d 와 동일하다.
챔버 (15) 는 일반적으로 0.5V 내지 10V, 바람직하게는 V 내지 5V, 바람직한 방식으로 V 내지 2V 의 수평 기체 속도를 갖도록 치수설정되고, V 는 외부 라이저에서 기체의 평균 속도이다.
본 발명에 따른 기체-고체 분리 장치에서, 레그 (13) 의 상부 부분과 두 레그 (13) 가 수직 평면 (xz) 에서 재합류하는 요소 (14) 사이의 각도 (α) 는 일반적으로 90 ° 내지 140 °, 바람직하게는 90 ° 내지 120 °, 바람직한 방식으로 90 ° 내지 105 °이다. 수직 평면의 개념은 x, y, z 좌표의 일반적인 좌표계로부터 추론되고, z 는 수평 평면을 나타내는 수직 좌표, (x, y) 이다.
본 발명에 따른 기체-고체 분리 장치에서, 수직 평면 (xz) 에서 요소 (14) 의 각도 (β) 는 일반적으로 20° 내지 90°, 바람직하게 30° 내지 120° 바람직한 방식으로 45° 내지 90° 이다.
본 발명에 따른 기체-고체 분리 장치에서, 수직 평면 (yz) 에서 요소 (14) 의 각도 (δ) 는 일반적으로 90° 내지 140°, 바람직하게 90° 내지 120°, 바람직한 방식으로 90° 내지 105° 이다.
스트리핑 기체 수집 파이프 (18) 의 직경은 일반적으로 1 m/s 내지 40 m/s, 바람직하게는 1.5 m/s 내지 20 m/s, 바람직한 방식으로 2m/s 내지 10m/s 의 상기 파이프 내측에서 기체 속도를 갖도록 치수 설정된다.
기체의 배출을 위한 파이프 (16) 의 직경은 일반적으로 0.1V 내지 10V, 바람직하게 0.2V 내지 5V 바람직한 방식으로 0.5V 내지 2V 의 기체 속도를 갖도록 연산되고, V 는 외부 라이저에서 기체의 평균 속도를 나타낸다.
리턴 레그 (6) 의 직경은 10 kg/m2/s 내지 700 kg/m2/s 바람직하게는 10 kg/m2/s 내지 300 kg/m2/s, 바람직한 방식으로 10 kg/m2/s 내지 200 kg/m2/s 의 입자 유동을 갖도록 치수설정된다.
본 발명은 또한 라이저 (2) 에서 기체 속도 (V) 가 1 m/s 내지 40 m/s, 바람직하게는 10 m/s 내지 30 m/s, 바람직한 방식으로 15 m/s 내지 25 m/s 인, 본 발명에 따른 분리 장치를 사용하는 촉매 크래킹 공정에 관한 것이다.
본 발명은 또한 라이저 (2) 에서 입자들의 유동이 10 kg/m2/s 내지 1500 kg/m2/s, 바람직하게 200 kg/m2/s 내지 1000 kg/m2/s, 바람직한 방식으로 400 kg/m2/s 내지 800 kg/m2/s 인 본 발명에 따른 분리 장치를 사용하는 촉매 크래킹 공정에 관한 것이다.
본 발명은 또한 파이프 (19) 와 파이프 (4) 의 기체 속도가 0.5V 내지 10V, 바람직하게는 V 내지 5V 사이, 바람직한 방식으로 V 와 2V 인, 본 발명에 따른 분리 장치를 사용하는 촉매 크래킹 공정에 관한 것이고, V 는 외부 라이저에서 기체의 속도를 나타낸다.
도 1 은 외부 라이저 (2), 다시 말해서 스트리핑 챔버 (1) 로부터 완전히 분리되는 것의 경우에 촉매 분해 유닛의 상부 부분을 나타낸다. 본 발명에 따른 분리 디바이스 (5) 는 스트리핑 챔버 내에 위치된다. 이것은 스트리핑 챔버 (1) 의 내부를 관통하는 수평 파이프 (19) 에 의해 라이저 (2) 에 연결된다. 가장 일반적인 구성에서, 분리기 (5) 에는 하나 이상의 사이클론들 (9) 이 이어진다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c 는 기체-고체 분리기 및 상기 기체-고체 분리기의 외부 라이저와의 연결을 보다 상세하게 나타낸다. 스트리핑 기체를 채널링하여 이것을 챔버 (16) 내에서 라이저로부터의 기체 유출물과 결합시킬 수 있는 파이프 (18) 가 주목되어야 한다. 도 2 는 텍스트의 나머지 부분에서 명시되는 각도들 및 치수들을 도입한다.
도 3 은 본 발명의 주제인 분리기의 등각 사시도이다. 이러한 도 3 에서, 파이프 (18) 및 상기 파이프가 챔버 (16) 에 연결되는 방식이 보다 명확하게 보여진다.
분리 후 고체를 위한 리턴 레그 (6) 가 또한 이러한 도면에서 디스플레이된다.
도 4 는 라이저 (2) 로부터 생성된 기체-고체 현탁액을 분리 디바이스 (5) 로 이동시키는 메인 파이프 (19) 의 가능한 세분화들의 개략도이다. 이러한 세분화들은 병렬로 작동하는 분리기들 (5) 의 나무 구조로 이어지고, 상기 분리기의 구성은 본 발명의 일부를 형성한다.
도 5 는 종래 기술의 분리기 (5a) 를 본 발명에 따른 분리기 (5b) 와 비교하는 3D 시뮬레이션의 결과를 디스플레이할 수 있다.
본 발명은 상기 인용된 특허 US 8 383 051 B2 에 기재된 장치에 대한 개선예로서 볼 수 있다.
본 명세서에서 연속적으로, 수송 층 (transported bed) 으로서 작동하고 세장형 관형 형상의 유동층으로서의 촉매 분해 반응기는 당업자의 용어에 따라 "라이저" 로 공지될 것이다. 이러한 용어는 일반적으로 기체 및 촉매의 유동이 상향으로 동시 방식으로 그리고 수송 층 상태에서 행해지는 반응기를 설명한다. 본 명세서에서 연속적으로, 간략화를 위해 라이저가 참조될 것이며, 본 발명의 맥락에서 외부 라이저가 관련된다는 것이 이해될 것이다.
현재 기술에 의하면, 공급 원료의 콘라드슨 탄소가 15 중량 % 미만, 바람직하게는 10 중량 % 미만인 경우 촉매 분해에 의해 중질 컷트를 전환하는 것이 가능하다.
중질 컷트의 촉매 분해는 건조 기체로부터 변환 잔류물의 범위까지 유출물을 생성한다. 다음 컷트는 컷트가 종래에 그 조성 또는 비등점의 함수로 규정되는 유출물과 구별된다.
- 건조 및 산성 기체 (본질적으로 : H2, H2S, C1, C2),
- C3-C4 분자들을 함유하는 액화 석유 가스,
- 비등점이 220 ℃ (표준 컷오프점) 미만이고 5 개의 탄소 원자를 함유하는 분자로 시작하여 중질 탄화수소까지의 범위인 가솔린,
- 220-360 ℃ 의 표준 비등 범위를 갖고, 상당한 방향성이며 이러한 이유로 LCO (light cycle oil) 로 알려진 기체 오일, 및 일부 경우에 LCO 컷트와 동일한 성질이지만 일반적으로 360 ℃ ~ 440 ℃ 의 비등점을 갖는 HCO (heavy cycle oil) 로 알려진 중질 기체 오일 컷트.
- HCO 컷트가 존재하는 경우 360 ℃ 초과의 또는 440C ° + 의 비등점을 갖는 전환 잔류물.
촉매 분해 유닛의 라이저(들) 에서 이들 컷트들의 일부를 리사이클하여 그것들을 촉매 분해하는 것이 가능하다. 따라서 FCC 에서 직접 제조된 컷트들 또는 FCC 에서 제조되지만 차후의 변환을 거치는 컷트들을 리사이클링하는 것이 가능하다. 예를 들어, 프로필렌의 제조를 촉진시키기 위해 C5-150 ℃ 의 비등 범위을 갖고 올레핀이 풍부한 경질 FCC 가솔린을 분해하는 것이 가능하다.
또한 C4-C5 분자들이 풍부한 컷트를 유출물로부터 분리하여 이러한 컷트로부터 올레핀을 올리고머화하고, 이어서 올리고머레이트를 촉매 분해하는 것이 가능하다.
LCO 를 회수하고, 그것을 수소화하고 이러한 컷트를 분해하는 것을 구현하는 것이 가능하고, 또한 그 특성은 개질되고 촉매 분해에 보다 유리하다.
많은 조합이 가능하다. 또한 FCC 에 다른 공정으로부터 발생하는 경질 컷트를 주입하여 그것을 촉매 변환하는 것이 가능하다. 따라서, 예로서, 원유의 상압 증류로부터 직접 발생하는 석유 화학 나프타 또는 납사 (straight run naphtha) 를 촉매 분해하는 것이 가능하다.
또한 식물 또는 동물 공급원에서 나오는 경질 탄화수소 컷트를 촉매 분해하는 것도 가능하다. 이러한 공급 원료는 다음 그룹:
- 3 개의 메인 패밀리들, 즉 리그닌, 셀룰로스 및 헤미 셀룰로스를 변하는 비율로 함유하는 리그노셀룰로스 바이오매스;
- 6 내지 25 의 다수의 탄소 원자를 갖는 지방 탄화수소 체인을 갖는, 본질적으로 트리글리세리드 및 지방산 또는 에스테르를 함유하는 식물성 오일 및 동물성 지방으로 구성된다. 이들 오일은 팜, 팜 커널, 코코넛, 피마자 및 목화씨 오일, 땅콩, 아마씨 및 씨 케일, 또는 고수 오일, 및 예를 들어 해바라기 또는 유전적 변형 또는 혼성화에 의해 유채씨로부터 발생되는 모든 오일일 수 있다. 튀김 오일, 다양한 동물성 오일, 예를 들면 어유, 탤 로우 (tallow) 또는 라드 (lard) 도 또한 사용될 수 있다.
이들 공급 원료에는 사실상 또는 완전히 황 및 질소 화합물이 없고 방향족 탄화수소를 함유하지 않는다. 유리하게는, 이러한 유형의 공급 원료, 리그노 셀룰로스 바이오매스, 식물성 오일 또는 동물성 지방은 FCC 공정에 그 사용 전에 적절한 처리에 의해 다양한 오염물을 제거하기 위한 전처리 또는 예비 정제 단계를 거칠 수 있다.
모든 시나리오에서, 라이저의 유출구에서, 촉매 반응들을 정지시키고 반응기로부터 기체 유출물들을 신속하게 배출하기 위해, 분해된 공급 원료로부터 발생된 기체 유출물들이 촉매 입자들로부터 분리된다. 또한 라이저의 유출구에서 조우하는 온도와 가까운 온도 레벨로의 그 장기간 노출로 기인한 유출물들의 열 분해를 가능한 한 제한하는 것이 바람직하다. 이를 위해 라이저의 유출구에서 촉매 및 기체 유출물의 신속한 분리를 촉진하기 위해 기체-고체 분리 기술이 개발되었고, 상기 장비의 아이템은 수율과 선택성 측면에서 공정의 최종 성능 품질과 관련하여 중요한 역할을 한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 특허의 설계와 비교하여 외부 라이저 유출구에서 기체/입자 분리를 개선하는 것을 가능하게 하는 개선된 신속한 분리기 지오메트리를 제안하는 것이다. 다음의 개선예에는 항상 이점이 존재한다:
- 즉 2 차 사이클론을 향하여 나가는 입자의 양을 감소시키는 고체 분리,
- 즉 분리기의 리턴 레그 (6) 에서 기체의 양을 감소시켜 스트리퍼의 상부 구역에서 기체의 체류 시간을 감소시키고 원하는 제품의 과분해 현상을 제한하는 기체 분리.
더욱이, 본 발명에서 제공된 디바이스는 전용 파이프 (18) 에서 스트리핑 기체를 수집하고, 또한 촉매로부터의 분리 후에 챔버 (15) 내에서 이러한 스트리핑 기체를 라이저로부터 발생하는 기체 유출물들과 접촉하게 하는 것이 가능하다.
도 1 은 외부 라이저의 경우에 본 발명에 따른 분리기의 일반적인 위치를 나타낸다. 외부 라이저 (2) 는 스트리핑 챔버 (1) 에 연결되고, 상기 스트리핑 챔버 (1) 는 상기 챔버의 하부 부분에 위치된 유동화 층을 포함한다. 스트리핑 챔버 (1) 에서, 유동화 층은 "농축" 상 (20) 및 희석상 (3) 으로 분리된다. 계면 (7) 은 두 개의 상들 사이의 분리를 한정한다. 본 발명에 따른 분리기 및 하류에 위치된 사이클론(들) (9) 은 스트리핑 챔버의 희석상 내에 위치되고, 분리된 고체를 위한 리턴 레그들, 즉 분리기에 대한 레그 (6) 및 하류 사이클론(들)에 대한 레그 (10) 는 농축 상까지 다시 내려가도록 되어 있다. 이들은 유닛의 압력 균형에 따라 농축상에서 다소 침지될 수 있다. 라이저 (2) 내 상향 유동은 실질적으로 수평인 관형 부분 (19) 을 통해 챔버 (1) 에 진입한다. 기체는 이어서 분리기 (5) 내에서 분리되고, 이는 본 발명의 주제이다.
기체로부터 분리된 고체는 리턴 레그 (6) 에 의해 농축된 유동화 층 (20) 으로 보내진다. 이러한 레그는 농축 구역 (20) 내에 침지될 수 있거나 희석 구역 (3) 에서 끝날 수 있다.
분리기 (5) 로부터의 리턴 레그 (6) 는, 상기 리턴 레그 (6) 내 고체의 양호한 반경방향 분포를 얻기 위하여, 따라서 기체/입자 접촉을 개선시키기 위하여, 예를 들어 문헌 US 6 224 833 에서 개시된 바와 같은 패킹 유형의 내부 요소 (17) 를 이용할 수 있다.
분리기 (5) 내에서 입자들로부터 분리된 기체는 그후 연결 파이프들 (8) 을 통해 사이클론들 (9) 의 티어 (tier) 로 지향된다. 분리된 고체 입자들은 리턴 레그 (10) 를 통해 유동화 층으로 복귀되는 반면, 기체는 배출 파이프(들) (11) 를 통해 스트리핑 챔버 (1) 를 빠져 나온다. 물론, 사이클론들의 단일 티어가 불충분하다면, 제 2 티어를 제 1 티어와 직렬로 위치시키는 것이 가능하다. 본 발명은 분리기 (5) 의 하류에 위치된 사이클론들의 티어들의 구성에 구속되지 않는다.
도 2 및 도 3 은 본 발명의 주제인 분리기 (5) 의 지오메트리를 나타낸다.
외부 라이저 (2) 는 파이프 네트워크 (19) 에 의해 분리기 (5) 에 연결된다. 파이프들 (4) 은 파이프 네트워크 (19) 로부터 기원하는 기체/입자 유동을 두 개로 균질하게 분할한다.
두 개의 파이프들 (4) 사이의 균질한 분포는 그들의 구성의 대칭에 의해 보장된다. 각각의 파이프 (4) 는, 입자들이 기체로부터 분리되어 원심력에 의해 벽에 대해 가압되는 엘보우 (12) 에 연결된다.
분리된 입자들은 리턴 레그들 (13) 에서 하향으로 유동하고, 상기 리턴 레그들 (13) 은, 두 개의 레그들 (13) 로부터 발생하는 두 개의 입자 유동들을 수집하는 역할을 하는 실질적으로 수직 부분 (14) 에 연결된다.
후속하여, 입자들은 리턴 레그 (6) 에서 유동화된 스트리핑 층으로 복귀한다.
라이저로부터 나오는 기체는 엘보우들 (12) 내에서 고체로부터 분리된다. 기체는 레그들 (13) 에서 대략 180°터닝되고, 후속하여 챔버들 (15) 로 진행된다.
이러한 챔버들 (15) 은 스트리핑 기체를 수집하기 위한 수집 파이프 (18) 에 연결되고, 상기 수집 파이프 (18) 내에서 유동화 층으로부터의 유동화/스트리핑 기체가 채널링된다. 후속하여, 라이저 (2) 로부터 발생하는 기체 및 유동화 층 (20) 으로부터 발생하는 기체는 챔버 (16) 를 통해 사이클론 티어 (9) 로 보내진다.
도 4 는, 연속적으로 두 개로 분할되는 다수의 파이프들로 구성된 파이프 네트워크 (19) 에 의해 스트리핑 챔버 (1) 내에 이용가능한 공간에 따라 수개의 분리기들 (5) 을 병렬로 배치할 수 있는 가능성을 도시한다. 수개의 분리기들 (5) 을 병렬로 배치하는 이점은, 분리에 사용된 엘보우들이 더 작은 반경을 가지고, 또한 본질적으로 원심력에 의해 조절된 기체/입자 분리가 따라서 향상된다는 점이다.
병렬로 배치된 분리기들 (5) 의 개수는 1 ~ 10 개, 바람직하게는 1 ~ 6 개, 그리고 바람직한 방식으로 1 ~ 4 개 사이에서 변할 수 있다.
분리기들의 모든 엘보우들 사이의 유동의 균질한 분포는, 엘보우들의 개수가 짝수이고 또한 파이프 네트워크 (19) 의 배열체가 대칭이라는 사실에 의해 보장된다.
본 발명에서 따른 디바이스는 수집 파이프 (18) 라고 또한 불리는 전용 파이프에서 스트리핑 기체를 수집할 수 있고, 또한 촉매로부터의 분리 후에 챔버 (15) 내에서 이러한 스트리핑 기체를 라이저로부터 발생하는 기체 유출물들과 접촉하게 할 수 있다. 따라서, 라이저로부터 발생하는 유출물들이 스트리퍼 내로 진입하는 것을 방지하고 또한 수율 구조 (yield structure) 에 유해한 과분해 (overcracking) 되는 것을 방지하기 위해, 분리기가 밀봉되는 것이 가능하다.
유닛 내에서 순환하고 또한 유동화된 스트리핑 층 (20) 에서 사용되는 촉매 입자들은 1 ㎛ ~ 1 mm 범위의 직경 분포 및 500 kg/m3 ~ 5000 kg/m3 범위의 그레인 밀도를 가질 수 있다.
외부 라이저 (2) 내 기체 속도 (V) 는 1 m/s ~ 40 m/s, 바람직하게는 10 m/s ~ 30 m/s, 그리고 바람직한 방식으로 15 m/s ~ 25 m/s 이다. 라이저 (2) 내에 입자들의 스트림은 10 kg/m2/s ~ 1500 kg/m2/s, 바람직하게는 200 kg/m2/s ~ 1000 kg/m2/s, 그리고 바람직한 방식으로 400 kg/m2/s ~ 800 kg/m2/s 이다.
파이프 네트워크 (19) 및 파이프들 (4) 내 기체 속도는 0.5V ~ 10V, 바람직하게는 V ~ 5V, 그리고 바람직한 방식으로 V ~ 2V 이고, V 는 외부 라이저 내에서 기체의 평균 속도를 나타낸다. 축선에 대한 파이프들 (4) 의 배향을 규정하는 각도 (γ) 는 5°~ 85°, 바람직하게는 25°~ 65°, 그리고 바람직한 방식으로 40°~ 50°이다.
엘보우들 (12) 의 직경 (d) 은 0.5V ~ 10V, 바람직하게는 V ~ 5V, 그리고 바람직한 방식으로 V ~ 2V 의 기체 속도를 가지도록 구현되고, V 는 외부 라이저에서 기체의 평균 속도를 나타낸다.
엘보우들 (12) 은 90°의 각도를 갖는다. 그들의 곡률 반경 (r) 은 d ~ 10d, 바람직하게는 2d ~ 5d, 그리고 바람직한 방식으로 2d 와 동등하다.
챔버들 (15) 은 0.5V ~ 10V, 바람직하게는 V ~ 5V, 그리고 바람직한 방식으로 V ~ 2V 의 수평 기체 속도를 가지도록 치수설정되고, V 는 외부 라이저에서 기체의 평균 속도를 나타낸다.
평면 (xz) 에서 요소 (14) 와 레그 (13) 의 상부 부분 사이의 각도 (α) 는 90°~ 140°, 바람직하게는 90°~ 120°, 그리고 바람직한 방식으로 90°~ 105°이다.
평면 (xz) 에서 요소 (14) 의 각도 (β) 는 20°~ 90°, 바람직하게는 30°~ 120°, 그리고 바람직한 방식으로 45°~ 90°이다.
평면 (yz) 에서 요소 (14) 의 각도 (δ) 는 90°~ 140°, 바람직하게는 90°~ 120°, 그리고 바람직한 방식으로 90°~ 105°이다.
리턴 레그 (6) 의 직경은 10 kg/m2/s ~ 700 kg/m2/s, 바람직하게는 10 kg/m2/s ~ 300 kg/m2/s, 그리고 바람직한 방식으로 10 kg/m2/s ~ 200 kg/m2/s 의 입자들의 스트림을 가지기 위해 치수설정된다.
스트리핑 기체들을 수집하기 위한 파이프 (18) 의 직경은 1 m/s ~ 40 m/s, 바람직하게는 1.5 m/s ~ 20 m/s, 그리고 바람직한 방식으로 2 m/s ~ 10 m/s 의 기체 속도를 가지도록 치수설정된다.
기체들을 위한 유출구 파이프 (16) 의 직경은 0.1V ~ 10V, 바람직하게는 0.2V ~ 5V, 그리고 바람직한 방식으로 0.5V ~ 2V 의 기체 속도를 가지도록 구현되고, V 는 라이저 내에서 기체의 평균 속도를 나타낸다.
비교예
특허 US 8 383 051 에 따른 분리기 그리고 본 발명에 따른 분리기에서의 기체/입자 유동의 CFD 시뮬레이션은 BarracudaTM 소프트웨어로 수행되었다. 이러한 소프트웨어는 유체상에 대해서는 Eulerian 접근법을 사용하고, 또한 "셀 내 다상 입자 (Multiphase Particle in Cell; MP-PIC) 방법으로 미립자상에 대해서는 pseudo-Lagrangian 접근법을 사용한다.
이러한 방법으로, 미립자상은 동일한 특성들 (직경, 속도, 밀도 등) 을 갖는 특정 개수의 실제 입자들을 나타내는 입자들의 그룹들로 분할된다. 이러한 방법의 이점은, 더 낮은 연산 비용을 위해 입자 크기 분포가 고려될 수 있다는 것이다.
두 개의 분리기들의 치수들 뿐만 아니라 시뮬레이션된 조건들이 표 1 에 제시되어 있다.
Figure pct00001
도 5 는 좌측에는 종래 기술에 따른 설계 (도 5a) 를 그리고 우측에는 본 발명에 따른 설계 (도 5b) 를 갖는 두 개의 시뮬레이션된 구성들에서 입자들의 부피 분율을 나타낸다.
본 발명에 따라, 기체/입자 분리는 더 선명해진다. 이는, 종래 기술의 디바이스에서, 입자들의 클라우드가 분리기 내부에서 발견되고, 이는 고체가 디바이스의 하부 부분에서만 나타나는 도 5b 에서는 발견되지 않기 때문이다. 본 발명에 따라, 분리기의 내부에는, 고체 입자들이 매우 희석되는 구역이 존재한다.
분리기들의 고체 효율은 다음의 방식으로 규정된다:
Figure pct00002
분리기들의 기체 효율은 다음의 방식으로 규정된다:
Figure pct00003
종래 기술의 분리기 및 본 발명에 따른 분리기에 대한 기체 및 고체 효율들은 이하의 표에 제시되어 있다.
Figure pct00004
본 특허에서 제안된 디자인은 시뮬레이션된 조건들 하에서 고체 효율을 13 포인트 증가시키고, 기체 효율은 2 포인트 향상시킨다.

Claims (14)

  1. 촉매 분해 유닛의 외부 라이저로부터 발생하는 기체-고체 현탁액 내에 함유된 입자들을 위한 기체-고체 분리 디바이스로서,
    - 상기 외부 라이저 (2) 의 상단부는 상기 외부 라이저 (2) 에 대하여 실질적으로 90°의 각도를 형성하는 파이프 (19) 에 의해 상기 분리 디바이스 (5) 에 연결되고,
    - 각각의 파이프 (4) 는, 입자들이 기체로부터 분리되어 원심력에 의해 벽에 대해 가압되는 수평면에 위치된 엘보우 (12) 에 연결되고, 그후 분리된 상기 입자들은, 두 개의 리턴 레그들 (13) 로부터 나오는 입자들의 두 개의 유동들을 재합류시키는 역할을 하는 실질적으로 수직 부분 (14) 에 연결되는 상기 리턴 레그들 (13) 에서 하향으로 유동하고, 그후 리턴 레그 (6) 내로 유동하고, 상기 외부 라이저 (2) 로부터 나오는 기체는 상기 엘보우 (12) 에서 고체들로부터 분리되고, 상기 리턴 레그들 (13) 에서 대략 180°로 터닝되어, 그후 유동화된 스트리핑 층으로부터 나오는 유동화/스트리핑 기체가 채널링되는 수집 파이프 (18) 에 연결되는 챔버들 (15) 을 향해 진행하고,
    - 상기 라이저 (2) 로부터 나오는 기체 유출물들 및 하류 유동층으로부터 나오는 기체들은 그후 배출 파이프 (16) 를 통해 사이클론 티어 (9; cyclone tier) 에 실질적으로 보내지고,
    상기 파이프 (19) 가 두 개의 관형 섹션들 (4) 로 분할되어 상기 두 개의 관형 섹션들 사이에 각도 2*γ 를 형성하고, γ 는 5°~ 85°, 바람직하게는 25°~ 65°, 그리고 바람직한 방식으로 40°~ 50°인 것을 특징으로 하는, 기체-고체 분리 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    분리될 촉매 입자들은 1 ㎛ ~ 1 mm 범위의 직경 분포 및 500 kg/m3 ~ 5000 kg/m3 범위의 그레인 밀도를 갖는, 기체-고체 분리 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    엘보우들 (12) 의 직경 (d) 은 0.5V ~ 10V, 바람직하게는 V ~ 5V, 그리고 바람직한 방식으로 V ~ 2V 의 기체 속도를 갖도록 연산되고, V 는 상기 외부 라이저에서 기체의 평균 속도를 나타내는, 기체-고체 분리 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    엘보우들 (12) 의 곡률 반경 (r) 은 d ~ 10d, 바람직하게는 2d ~ 5d, 그리고 바람직한 방식으로 2d 와 동등한, 기체-고체 분리 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버들은 (15) 은 0.5V 내지 10V, 바람직하게 V 내지 5V, 바람직한 방식으로 V 내지 2V 의 수평 기체 속도를 갖도록 치수설정되고, V 는 외부 라이저에서의 기체의 평균 속도를 나타내는, 기체-고체 분리 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    수직 평면 (xz) 에서 요소 (14) 와 레그 (13) 의 상부 부분 사이의 각도 (α) 는 90°~ 140°, 바람직하게는 90°~ 120°, 그리고 바람직한 방식으로 90°~ 105 °인, 기체-고체 분리 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    수직 평면 (xz) 에서 요소 (14) 의 각도 (β) 는 20°~ 90°, 바람직하게는 30°~ 120°, 그리고 바람직한 방식으로 45°~ 90°인, 기체-고체 분리 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    수직 평면 (xz) 에서 요소 (14) 의 각도 (δ) 는 90°~ 140°, 바람직하게는 90°~ 120°, 그리고 바람직한 방식으로 90°~ 105°인, 기체-고체 분리 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스트리핑 기체들을 수집하기 위한 수집 파이프 (18) 의 직경은, 1 m/s ~ 40 m/s, 바람직하게는 1.5 m/s ~ 20 m/s, 그리고 바람직한 방식으로 2 m/s ~ 10 m/s 의 상기 파이프 내에서 기체 속도를 가지기 위해 치수설정되는, 기체-고체 분리 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    기체의 배출을 위한 파이프 (16) 의 직경은 0.1V ~ 10V, 바람직하게는 0.2V ~ 5V, 그리고 바람직한 방식으로 0.5V ~ 2V 의 기체 속도를 가지기 위해 연산되고, V 는 외부 라이저에서 기체의 속도를 나타내는, 기체-고체 분리 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    리턴 레그 (6) 의 직경은 10 kg/m2/s ~ 700 kg/m2/s, 바람직하게는 10 kg/m2/s ~ 300 kg/m2/s, 그리고 바람직한 방식으로 10 kg/m2/s ~ 200 kg/m2/s 의 입자들의 스트림을 가지도록 치수설정되는, 기체-고체 분리 디바이스.
  12. 제 1 항에 따른 기체-고체 분리 디바이스를 사용하는 촉매 분해 공정으로서,
    라이저 (2) 내의 기체 속도 (V) 는 1 m/s ~ 40 m/s, 바람직하게는 10 m/s ~ 30 m/s, 그리고 바람직한 방식으로 15 m/s ~ 25 m/s 인, 촉매 분해 공정.
  13. 제 1 항에 따른 기체-고체 분리 디바이스를 사용하는 촉매 분해 공정으로서,
    라이저 (2) 에서의 입자들의 스트림은 10 kg/m2/s ~ 1500 kg/m2/s, 바람직하게는 200 kg/m2/s ~ 1000 kg/m2/s, 그리고 바람직한 방식으로 400 kg/m2/s ~ 800 kg/m2/s 인, 촉매 분해 공정.
  14. 제 1 항에 따른 기체-고체 분리 디바이스를 사용하는 촉매 분해 공정으로서,
    파이프 (19) 및 파이프들 (4) 에서의 기체 속도는 0.5V ~ 10V, 바람직하게는 V ~ 5V, 그리고 바람직한 방식으로 V ~ 2V 이고, V 는 상기 외부 라이저에서 기체의 평균 속도를 나타내는, 촉매 분해 공정.
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