KR20210095664A

KR20210095664A - 탄화수소 공급원료의 석유화학제품으로의 촉매 전환을 위한 구역 유동화 공정

Info

Publication number: KR20210095664A
Application number: KR1020217019563A
Authority: KR
Inventors: 조지 가스콘; 유세프 사이; 쥴리안 비테넷; 리에벤 거버스; 웨이 수; 이시도로 모라레스; 오라 살라 알리
Original assignee: 킹 압둘라 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀로지; 사우디 아라비안 오일 컴퍼니
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-08-02
Also published as: US11446625B2; EP3887484B1; CA3120559A1; US20210394145A1; CN113423804B; MX2021006007A; JP7482868B2; CN113423804A; SG11202104280YA; JP2022509205A; EP3887484A1; WO2020109885A1

Abstract

탄화수소 또는 공급원료를 함유하는 탄화수소의 석유화학제품 혼합물로의 촉매 전환을 위한 반응 유닛(202)이 하우징(204); 상기 하우징(204)의 하단에 위치한 유동층 분배기 플레이트(206); 상기 유동층 분배기 플레이트(206) 위에 위치한 재생 구역(204) 및 스트리핑 구역(241), 여기서 촉매 입자(214)들이 수용되고; 상기 스트리핑 구역(241) 위에 위치한 반응 구역(242); 및 상기 반응 구역(242) 위에 위치한 응축구역(246), 여기서 석유화학생성물 유체(250)이 응축되며;를 포함한다.

Description

탄화수소 공급원료의 석유화학제품으로의 촉매 전환을 위한 구역 유동화 공정

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2018 년 11 월 27 일에 출원된 미국 가특허 출원 제 62/771,789 호, 명칭 "탄화수소 공급원료의 석유화학제품으로의 촉매 전환을 위한 구역 유동화 공정"에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 여기에 전체로 참고문헌으로 통합된다.

배경

기술 분야

여기서 개시된 주제의 실시들은 일반적으로 탄화수소 공급원료(feedstocks)의 석유화학제품(petrochemicals)으로의 촉매 전환을 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 반응 유닛(unit)에서 탄화수소 공급원료의 석유화학제품으로의 촉매 전환을 성취하는 다중구역 유동화 공정에 관한 것이다.

배경 논의

메탄, 셰일 가스, LPG, 바이오매스로부터의 탄화수소, 알코올과 다른 옥시제네이트(oxygenates), 나프타(인화성 액체 탄화수소 혼합물) 및/또는 더 가벼운 분획들, VGO(감압 경유, 즉 촉매 크래킹 유닛에서 더 정제될 수 있는 석유화학 증류로부터 남겨진 중유), 대기 잔류물 및 원유와 같은 탄화수소 공급원료들을 C2-C4 올레핀 및 방향족과 같은 석유화학제품으로 전환하는 것은 이들 베이스 빌링 블럭에 대한 높은 수요때문에 더욱 중요해지고 있다.

유동 접촉 분해(Fluid catalytic cracking:FCC)는 C2-C4 올레핀류 및 방향족 물질의 수율을 증가시키는 중요한 공정이다. FCC 공정은 석유 원유의 고비점, 고분자량 탄화수소 분획물을 보다 가치있는 가솔린, 올레핀 가스 및 기타 제품으로 변환시킨다. 미국 특허 출원 공개 2009/0012339의 도 3에 대응하는 도 1에 도시된 바와 같이, 전형적인 FCC 시스템(100)은 공급원료가 공급되는 라인(111)을 포함한다. 공급원료는 희석을 위해 증기 또는 가스를 운반하는 라인(112)으로 들어간다. 혼합물은 반응 구역인 라이저(110)로 들어간다. 재생된 촉매는 또한 라인(113)을 통해 라이저(110)로 들어간다. 증기 또는 가스는, 공급원료와 혼합될 때, 재생된 촉매의 흐름을 효율적으로 만드는 동시에, 경질 올레핀 탄화수소의 선택성이 증가시킨다. 재생된 촉매는 재생기(103)로부터 라인(113)을 따라 공급되며, 이것은 라이저(110)와 별개의 존재다. 재생기(103) 내부의 온도는 공급원료의 가스화를 달성하기 위해 높아야할 필요가 있다.

라인(112)에 의해 공급되는 증기는 라이저(110)의 하단(bottom)에서 혼합된 공급원료와 촉매를 유동화시키고, 혼합물이 크래킹 과정을 거치는 동안 혼합물을 라이저의 상부로 이동시킨다. 크래킹 공정은 흡열 공정이기 때문에, 혼합물의 온도가 낮아지고, 그래서 라이저(110) 상단(top)의 온도가 낮아진다. 라이저(110)의 상단에 도달한 생성물은 고체 생성물(product)로부터 가스 생성물을 분리하는 스트리퍼(102)로 들어간다. 분리 공정의 효율성을 높이기 위해 사이클론이 사용될 수 있다. 분리된 가스는 라인(115)을 따라 제거되고, 분리된 촉매는 스트리퍼(102)의 하단으로 이동된다. 스트리핑 증기는 라인(116)을 따라 스트리퍼의 하단 부분에 공급되어 분리되지 않은 탄화수소 반응 생성물을 제거한다. 촉매는 밸브(118)의 제어하에 라인(117)을 따라 재생기(103)로 전달된다. 재생기에서, 촉매에 부착된 코크는 라인(120)을 따라 공급되는 산화제와 상호 작용하고, 그래서 코크가 일산화탄소 또는 이산화탄소로 변환되고, 이것은 라인(119)를 통해서 제거된다. 재생된 촉매는 라인(113)을 따라 라이저(110)로 되돌아가 공급된다. 밸브(121)는 라인(113)을 따라 흐르는 재생된 촉매의 양을 제어한다.

상기된 FCC 공정 중, 크래킹 반응은 라이저 또는 다우너에서 달성되며, 여기서 촉매와 공급원료는 동반된 흐름으로 함께 흐르고, 사이클론과 스트리퍼를 사용하여 분리된다. 코크된 촉매는 별도의 용기에서 재생되며, 이것은 더 높은 온도와 체류 시간에서 작동된다. 도 1에 도시된 시스템의 한 가지 장점은 재생 섹션(103) 및 촉매 크래킹 섹션(110)에서의 체류 시간이 개별적으로 제어될 수 있다는 것이다. 그러나 이러한 이점은 전체 시스템의 복잡성, 더 큰 에너지 손실 그래서 상대적으로 높은 자본 및 운영 비용을 대가로 지불한다. 또 다른 단점은 두 반응 용기 사이에서 고체 전송으로 인한 높은 마모로 인해 촉매의 대량 소모로 이어진다.

더욱이, 더 높은 올레핀 수율을 달성하기 위해 반응기 부분에서 더 높은 온도와 더 긴 접촉 시간이 필요하다는 것이 분명해지고 있다. 도 1과 같이 재생기(열원)와 반응기 모듈이 서로 다른 용기에 물리적으로 분리되어 있을 때, 고온은 달성하기가 더 어렵다. 라이저와 다우너도 길이가 제한되어 있으므로, 그래서 최대 접촉 시간은 전형적인 FCC 라이저의 경우 2-5 초이며, High-severity FCC(HSFCC) 시스템의 경우 0.5-1 초이다.

따라서, 상술한 단점에 영향을 받지 않는 새로운 방법과 FCC 시스템이 필요하다.

요약

일 구현 예에 따르면, 탄화수소 또는 탄화수소 함유 공급원료를 석유 화학 혼합물로의 촉매 전환을 위한 반응 유닛이 있다. 반응 유닛은 하우징, 하우징 하단에 위치한 유동층 분배기 플레이트, 재생 구역 및 촉매 입자가 수용(house)되는 유동층 분배기 플레이트 위에 위치한 스트리핑 구역, 스트리핑 구역 위에 위치한 반응 구역, 및 석유화학제품 유체가 응축되는 반응 구역 위에 위치한 응축 구역을 포함한다.

또 다른 구체 예에 따르면, 탄화수소 공급원료 또는 탄화수소 함유 공급원료를 석유화학 유체로 촉매 전환하는 방법이 있다. 이 방법은 단일 반응 유닛에 위치한 반응 구역에 탄화수소 또는 탄화수소 함유 공급원료를 공급하는 것과, 또한 단일 반응 유닛에 위치한 재생 구역과 스트리핑 구역을 통해 반응 구역에 유동화 가스를 공급하는 것과, 촉매 입자의 존재하에서 반응 구역에서 탄화수소 공급원료를 석유화학유체로 전환하는 것과, 및 또한 단일 반응 유닛에 위치하는 응축 구역에서 석유 화학 유체를 응축하는 것을 포함한다. 반응 구역은 응축 구역과 재생 및 스트리핑 구역 사이에 샌드위치된다.

본 명세서에 통합되고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 하나 이상의 실시 예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 이들 실시 예를 설명한다.

도면에 대한 간략한 설명
도면에서:
도 1은 재생 모듈로부터 분리된 반응 모듈을 갖는 시스템을 도시한다.
도 2는 단일 유닛에 위치한 반응 구역, 재생 구역 및 응축 구역을 갖는 촉매 시스템을 도시한다.
도 3은 도 2의 시스템을 사용하여 탄화수소 공급원료를 석유 화학 유체로 크래킹하는 방법을 도시한다.
도 4는 소모 및 신규 촉매의 배출 및 메이크업을 용이하게 하는 시스템을 가지는 단일 유닛에 위치한 반응 구역, 스트리핑 및 재생 구역 및 응축 구역을 갖는 또 다른 촉매 시스템을 도시한다.
도 5는 단일 유닛에 위치한 반응 구역, 재생 구역 및 응축 구역을 갖는 또 다른 촉매 시스템을 도시한다.
도 6은 단일 유닛에 위치한 반응 구역, 재생 구역, 스트리핑 구역 및 응축 구역과 및 또한 공급원료를 공급하기 위한 두 개의 공급 파이프를 갖는 촉매 시스템을 도시한다.
도 7은 단일 유닛에 위치한 반응 구역, 재생 구역 및 응축 구역을 가지며, 응축 구역이 반응 구역보다 큰 촉매 시스템을 도시한다.
도 8은 단일 유닛에 위치한 반응 구역, 재생 구역 및 응축 구역을 가지며, 구역들의 각각이 다른 구역과 부피가 상이한 촉매 시스템을 도시한다.
도 9는 위에서 언급한 임의의 시스템으로 공급원료를 석유화학제품으로 전환하는 방법의 흐름도이다.
도 10은 촉매 시스템에서 시간에 따른 경질 올레핀의 수율을 도시한다.

상세 설명

실시 예에 대한 다음의 설명은 첨부 도면을 참조한다. 다른 도면들에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다. 다음의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 정의된다. 다음의 실시 예는, 단순화를 위해, 유체 촉매 크래킹을 달성하기 위해서 동일한 용기에 위치한 다중 구역을 갖는 반응 유닛과 관련하여 논의된다. 그러나, 여기서 논의된 실시 예는 크래킹 반응으로 제한되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐서, "일 실시 예" 또는 "실시 예"에 대한 언급은 한 실시 예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시 예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치에서 나타나는 "일 실시 예에서"또는 "실시 예에서"라는 문구는 반드시 동일한 실시 예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 재생 공정, 촉매에 흡착된 화합물의 스트리핑 및 촉매 크래킹 공정이 응축 공정과 함께 하나의 유동 용기에서 수행되는 촉매 크래킹을 위한 방법이 있으며, 이것은 더 무거운 성분들의 더 광범위한 크래킹과 보다 나은 열 통합을 허여한다. 이들 모든 공정을 단일 유동 용기내로 통합하는 것은, 기존 반응기들보터 더 쉽게 더 높은 온도의 성취를 이루면서, 공급원료와 촉매 사이의 더 긴 접촉 시간과, 단일 유동 용기의 재생 구역과 반응 구역 사이에 최적의 열 전달의 수립을 허여한다. 더욱이, 이 실시 예의 구성은, 재생 구역으로 가기 전에 흡착된 화합물의 스트리핑이 훨씬 더 효과적이기 때문에, 코크의 형성으로 인한 촉매의 비활성화를 유의미하게 지연시킨다는 것이 밝혀졌다. 전체 크래킹 공정이 하나의 단위로 진행됨에 따라 자본 및 운영 비용이 모두 감소할 것으로 예상된다.

이제 새로운 FCC 시스템(200)이 도 2와 관련하여 논의된다. FCC 시스템(200)은 여러 반응(추후 논의)이 발생하는 반응기/스트리핑/재생기/응축 유닛(202)(여기서 간단히 반응 유닛이라고 함)을 포함한다. 반응 유닛(202)은 다양한 구역을 수용하는 하우징(204)을 갖는다. 일 적용에서, 하우징(204)은 여기서 논의 될 모든 구역을 수용하는 단일 하우징이다. 하우징(204)의 하단에는, 촉매층(catalytic bed)(210)를 지지하도록 구성된 천공된(또는 다공성) 베이스 플레이트(206)(유동층 분배기 플레이트라고도 함)가 있다. 촉매층(210)는 원래 촉매 입자(214)를 포함하고 코크(212)를 포함하지 않는다. 예를 들어, 촉매(214)는 제올라이트일 수 있다. 한 적용에서, 촉매는 하나 이상의 크래킹 촉매를 포함한다. 촉매(214)의 입자는 20 내지 120 마이크론의 크기 분포를 가질 수 있다. 일 실시 예에서, 촉매 입자는 공급물(feed)에 위치되고 공급물로부터 반응 유닛(202)으로 공급된다. 즉, 촉매 입자는 유닛에 존재하거나 공급물과 함께 공급되거나, 새로운 촉매를 포함하는 메이크업 탱크로부터 별도로 공급된다. 반응 유닛(202)이 일정 시간 동안 사용된 후, 코크(212)는 촉매 입자(214) 및 하우징(204)의 벽에 형성된다. 코크(212)는 탄소가 풍부한 연료이다.

유동화 가스(220)는 하우징(204)의 하단 포트(204B)에서 제공된다. 유동화 가스(220)는 물, 또는 질소, 또는 물과 질소의 혼합물, 또는 나중에 논의되는 것과 같이, 코크의 제거를 돕는 다른 화학적 성분을 포함할 수 있다. 유동화 가스(220)는 다공성 베이스 플레이트(206)를 통해 전파되어 촉매층(210)으로 들어간다. 유동화 가스(220)의 속도에 따라, 코크와 촉매의 입자는, 유동화 가스의 명칭처럼, 교반된 유체처럼 이동하기 시작한다.

하우징(204)은, 또한 후술하는 바와 같이, FCC 공정의 생성물이 반응 유닛(202)으로부터 제거되는 상단(top) 포트(204A)를 갖는다. 공급 파이프(230)는 하우징(204)의 상부 부분에 들어가서 촉매층(210)으로 연장된다. 공급 파이프(230)의 한쪽 단부(230A)는 공급원료(233)를 액체 물(234)과 혼합하는 장치(232)에 연결되며(그러나, 물이 있으면, 물이 없이 공급원료를 도입하는 것이 가능함), 공급 파이프의 타단(230B)은 촉매층(210) 내부, 즉 코크(212) 및 촉매(214)와 직접 접촉하여 배치된다. 공급 파이프의 제2 단부(230B)는 스프레이 노즐(231)과 함께 종료될 수 있다. 한 적용에서, 베이스 플레이트(206)에 대해서 공급 파이프(230)의 제2 단부(230B)의 높이(H)는 촉매층의 높이(h)보다 작게 설정된다.

촉매층(210)은 하부에 코크(212) 및 촉매(214)뿐만 아니라 불활성 유동화 가스 및 재생(반응성) 가스(220)를 포함한다. 불활성 유동화 가스는 탄화수소 또는 코크와 반응할 수 없으며 화학적으로 변하지 않는 상태로 남아 있지만, 그러나 촉매 표면으로부터 강하게 흡착된 탄화수소의 탈착을 향상시킬 수 있다. 재생 가스는 코크 및 탄화수소와 반응하여, CO 및 CO2와 같은 가스 생성물을 형성할 수 있다. 이 하부 부분은 나중에 논의되는 이유로 여기서 재생 및 스트리핑 구역(240)으로 지칭된다. 바람직하게는, 촉매층(210)의 중간 부분은 산화(재생) 가스(220)를 포함하지 않지만, 코크(212), 불활성 유동화 가스 및 촉매(214)를 포함하며, 이 부분은 반응 구역(242)으로 지칭된다. 공급원료의 분자들은 반응구역으로 더해진다. 하우징(204)(이것은 반응 구역(242)에서 충분히 높아야 한다)에서 공급물 파이프(230)의 제2 단부(230B)의 높이 H를 조절할 수 있음으로 인해서, 도 2에 도시된바와 같이, 재생 구역(240)과 반응 구역(242) 사이에 위치한, 스트리핑 구역(241)의 부피를 조절하는 것이 가능하다. 도 2가 재생/스트리핑 구역(241)과 반응 구역(242) 사이에서 좁은 경계를 보여줄지라도, 당업자는 이러한 경계 구역이 단순한 평면들이 아니며, 재생(반응성) 가스(220)의 입자들이 불활성 유동화 가스는 유지하면서 서서히 사라지고, 그리고 촉매 입자 또는 공급 원료들이 생성물 및 비반응성 흡착종에서 서서히 사라지는 부피라는 것을 이해할 것이다. 더구나, 베이스 플레이트(206)에 대한 경계(244)의 위치는 공급 파이프(230)의 제2 단부(230B)의 높이 H에 의존한다. 재생구역(240)에서, 촉매로부터 탈착되지 않은 것은 재생(산화) 가스(220)와 접촉시 반응한다. 스트리핑 구역(241)은 일반적으로 반응 구역(242)의 아래와 재생구역(240)의 위에 위치되는 반응기 구역으로 정의될 수 있으며, 여기서 흡착된 미반응 중질 탄화수소들을 포함하는 촉매는 이들 잠재적으로 '독성' 분자를 탈착하기 위해서 비활성 유동성 가스의 상향 흐름의 작용하에서 스트리핑을 겪는다.

도 2에 설명된 반응 유닛(202)은 응축 구역(246)을 추가로 포함하며, 이는 일 실시 예에서 촉매층(210)의 상부에서부터 하우징(204)의 상부까지 연장된다. 응축 구역(246)은, 실제로는 이러한 입자들이 응축 구역에 도달하지만, 이상적으로 코크 또는 촉매의 입자를 포함하지 않는다. 그러나, 반응기 직경을 증가시키는 것에 의해 응축 구역의 속도를 줄어들면, 응축 구역에서의 그들의 존재를 극적으로 줄일 수 있다. 이 구역에서, 온도를 제어함으로써, FCC 공정에서 발생하는 가스들(250)만 촉매층으로부터 상단 포트(204A)로 이동하고, 컨테이너(252)로 수집된다. 반응 생성물이라고도 하는 이러한 가스는 소정의 석유 화학 물질을 포함한다. 응축 구역(246)에서 반응 생성물은 파이프 내 차가운 공급물을 예열시키고, 반응 생성물의 더 무거운 부분들을 응축시키고, 그리고 반응 구역(242)으로 다시 낙하시킨다.

반응 유닛(202) 내부에서 일어나는 FCC 프로세스는 이제 도 3과 관련하여 논의된다. 도 3은 FCC 방법의 흐름도이다. 이 방법은 단계(300)에서, 촉매층(210)을 하우징(204)에 로딩하는 것으로 시작한다. 이전에 논의된 바와 같이, 촉매층(210)은 원래 촉매(214)만을 포함한다. 코크(212)는 촉매 입자상에서 크래킹 공정 동안 형성된다. 코크 전구체라고 하는 코크의 일부는 증기/질소와 같은 불활성 가스를 포함하는 유동화 가스를 사용하여, 스트리핑 구역(241)에서 제거될 것이다. 코크 전구체는 진공 또는 스트리핑 불활성 가스의 존재하에 고온에서 탈착 될 수 있는 촉매에 흡착된 탄화수소로 정의된다. 경질 코크는 산화 유동화 가스의 존재하에서 제거된다. 경질 코크는 25 ~ 800 ℃ 범위의 온도에서 스트리핑에서 제거될 수 없는 침적물로 정의된다. 촉매는 C2-C4 올레핀에 대한 선택도가 전체 탄화수소 공급원료의 적어도 20 %, 바람직하게는 50 % 또는 그 이상으로 최대화되는 방식으로 제형화된다. 당업자는 이러한 숫자가 예시적이며 다른 값이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 촉매의 BTX 선택도(BTX라는 용어는 벤젠, 톨루엔 및 세 자일렌 이성질체의 혼합물을 의미하며, 이들 모두 방향족 탄화수소 임)는 적어도 1 %, 바람직하게는 25 %까지여야 한다. 사용된 촉매는 크래킹과는 별도로 추가 기능성(즉, 탈황, 탈금속, 방향화, 탈알킬화, 알킬화 및 / 또는 탈질소화)을 포함할 수 있다.

촉매 분말은 이상적으로는 10 내지 200 마이크로 미터 범위의 입자 크기 및 0.5 내지 3 kg/m³ 범위의 골격 밀도를 갖는 Geldart 분류 A(통기성) 또는 B(모래 형)를 가져야 한다.

소정 생성물의 증가된 선택도 외에도, 공정에서 최적화된 촉매를 사용하는 추가적인 이점은 코크가 주로 촉매에 흡수되고 유동화 가스(220)에 의해 그을음으로서 하우징(204)으로부터 플래시 아웃되지 않을 것이라는 점이다. 이는 60 년대에 개발된 BASF 공정과는 대조적으로, 코크의 50 %가 그으름으로 사라지고, 그것이 열 균형을 위해 재활용되야 할 필요가 있다(미국 특허 번호 제 3,082,165를 참조).

'165 특허에서, 과잉 석유 코크는 또한 생성물 스트림 중 하나로 언급되어 있다. 석유 코크가 열원으로 명확하게 설명되어 있으므로, 과도한 석유 코크의 방출이 열 관리의 매개 변수로 가정된다. 시스템(200)은 생성물 스트림으로서 과량의 석유 코크를 방출하지 않거나 최소한으로 방출한다. BASF 공정은 공급원료 기준으로 약 5 중량 %의 과잉 석유 코크를 생성하는 것으로 설명되지만, 시스템(200)은 최대 1 중량 %, 바람직하게는 0.5 중량% 이하로만 방출한다. 과도한 석유 코크를 생산할 필요 없이 열 관리 문제를 극복하기 위해, 유동화 가스와 함께, CH4 또는 일반적으로 발화되는 비규격 가스와 같은 기타 낮은 가치의 탄화수소 가스가 재생 구역에 함께 공급되어, 추가 열을 제공하기 위해서 연소될 수 있다.

또한, 여전히 단계(300)와 관련하여, 촉매층이 과열되는 경우, 온도를 낮추기 위해 여분의 물 또는 적은 O2가 반응기에 공급된다. 대안적으로, 다른 구체 예와 관련하여 논의될 바와 같이, 재생 구역(240) 및 스트리핑 구역(241)을 통해 더 많은 공급원료를 보내는 것이 가능하다. 한 응용에서, 열 생성을 위한 코크로 태워져야 하는 공급원료의 희생 필요성을 최소화 하기 위해, 촉매는 열 발생 물질과 함께 제형화 될 수 있다(예를 들어, 국제 특허 공보 WO 2017/196660)

단계(302)에서, 촉매층(210)은 베이스 플레이트를 통해 유동화 가스(220)를 펌핑함으로써 유동화된다. 촉매층의 유동화는 O2와 같은 산화 화학 물질을 포함하는 가스로 수행될 수 있다. 그러나 둘 이상의 산화제가 함께 혼합될 수도 있다. 예를 들어, O2는 CO2와 같은 다른 산화제와 혼합될 수 있다. 산화제 또는 산화제의 혼합물은 코크를 CO2 또는 CO로 전환하고 층의 온도를 높은 소정의 값으로 유지하기에 충분한 열을 생성할 수 있어야 한다. 전형적인 예는 N2 가스 혼합물(공기 또는 N2, H2O, CO2, 연료 가스, CO로 희석된 공기, 또는 H2O, CO2 또는 연료 가스에 희석된 산소)일 수 있다.

석유 화학 물질을 생산하는 공정의 효율성을 제어하는 주요 매개 변수는 산화제의 농도와 산화제의 적용 방식이다. 한 응용에서, 산화제의 농도는 1 내지 20 vol % 범위로 선택된다. 산화제의 농도는 연소될 경질 코크의 양 뿐만 아니라, 반응기 내부 어디에도 폭발성 성분이 나타나지 않아야 한다는 사실에 따라 선택된다. 이 농도는 재생 및 스트리핑 구역에서 접촉 시간과 함께 최적화된다. 또한, 산화제는 연속 모드 또는 주기적 펄스로 공급될 수 있다. 주기적 펄스를 이용하는 촉매의 현장 재생 공정이 가장 효율적인 것으로 나타났다.

단계 304에서, 공급원료(233)는 코일 파이프(230)를 통해 반응 유닛(202)으로 공급된다. 도 1과 관련하여 논의된 바와 같이, 스팀은 일반적으로 반응물 및 열 전달제로 사용되지만, 반응기 벽 및 파이프에서 코크 침적을 최소화하고, 또한 경질 올레핀에 대한 선택성을 증가시키는 역할을 한다. 도 1의 시스템에서 물은 플랜트의 다른 곳에서 생성된 증기 형태로 공급물/반응기에 직접 추가된다. 도 2의 시스템에서는, 도 1의 시스템과 달리, 공급원료(233)는 (증기가 아닌) 액체 형태의 물(234)과 접촉하고, 연속적인 물 상에서 잘 분산된 오일 액적을 얻기 위해서, 유화 장치(232)(예를 들어, 초음파를 사용하는 고전단 혼합 장치)에서 유화될 수 있다. 에멀젼의 압력은 최대 수백 바일 수 있는 반면, 에멀젼(236)의 온도는 반응 온도에 대해 20 ℃의 범위에 있을 수 있다. 압력은 코일 파이프(230)에서 액체 상태의 물을 유지하기 위해 필요하다. 이 에멀젼(236)은 응축 구역(246)을 통해 코일 파이프(230)를 통해 흐르고, 여기서 이것은 뜨거운 반응 생성물(250)과 접촉 및/또는 다른 실시예와 관련하여 나중에 논의되는 바와 같이, 용기의 재생구역(240) 및 스트리핑 구역(241)을 통해서 그것을 보내는 것에 의해서 증발된다.

이 접근법은 열 관리 프로세스를 돕는다. 공급 파이프(230) 내부의 물(234)의 증발은, 공급물 에멀젼(236)이 응축 구역(246)을 통과할 때, 생성물(250)로부터 추가 열을 흡수하여, 하우징의 응축 구역에서 중질물들(증발되지 않고 상단 포트(204A)를 통해 하우징을 떠나지 않는 무거운 생성물들)의 응축을 증가시킨다.

열 관리 공정의 장점 외에도, 공급물의 미세액적을 가지는 이 에멀젼(236)을 공급하는 것은 공급원료(233)와 촉매 입자(214)의 매우 잘 분산된 접촉과, 그래서 반응 유닛(202)의 보다 효율적인 이용에 이른다. 촉매 입자(214)에 대한 에멀젼(236)의 분산은 스프레이 노즐(231) 또는 촉매상(210) 내부에서 많은 양의 작은 에멀젼 액적을 생성하는 유사한 장치의 사용에 의해서 향상될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 유화장치(232)내에 촉매/메이크업 촉매 입자(214)를 포함시키고, 그래서 촉매 입자(214)가 반응 구역(242)로 들어갈 때 이미 공급원료(233)와 혼합되어 있는 것이 가능하다.

공급물 에멀젼(236)에서 연속 상으로서 물(234)을 갖는 것은 시스템(200)의 벽 및 라인상의 코크 퇴적물에서 공급원료(233)의 손실을 추가로 최소화한다. 실제로, 본 접근법은 탄화수소 공급물(233)과 벽(204) 사이의 직접적인 접촉을 피한다. 물(234) 증발은 많은 열을 필요로 하기 때문에, 공급원료(233)가 촉매층(210)으로 들어가기 전에 과열되는 것도 방지된다. 원치 않는 열 반응과 함께 제어되지 않은 가열은 전통적인 시스템에서 벽과 파이프에 코크 침전물의 소스이다.

중질 탄화수소 공급원료(233)에 대한 물(234)의 비율은 이 실시 예에서 중량 기준으로 0.001 내지 3 범위의 조절 가능한 매개 변수이다. 일 실시 예에서, 물은 생략될 수 있다. 물은 메탄올, 알데히드, 케톤과 같은 다른 에너지 풍부한 옥시제네이트로 대체될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 옥시제네이트는 바이오 소스에서 나온다. 위에서 논의한 모든 이점 외에도, 이러한 옥시제네이트는 크랙될 때 탄화수소 크래킹에 연료를 공급하고 경질 올레핀의 수율을 증가시키기 위해 추가 열을 추가한다.

공급원료 에멀젼(236)과 산화가스(220)가 촉매층(210)으로 주입되는지와, 촉매에 생성되는 코크(212)의 양에 따라서, 유동층의 일부는 산화제 프리이다. 앞서 논의한 바와 같이, 이 부분은 반응 구역(242)에 상응하며, 여기서 크래킹 및 탈수소화 반응의 주요 부분이 단계(306)에서 발생한다. 나머지 부분에는 여전히 산화 가스가 존재하므로, 그래서 이것은 코크(212)의 연소와 탄화수소 크래킹 공정에 연료를 공급하도록 열을 발생시키는 것을 허여한다. 이 구역은 또한 위에서 논의된 바와 같이, 재생 구역(240) 및 스트리핑 구역(241)에 대응한다.

두 유형의 반응이 모두 발생하는 구배 구역이 있을 수 있으며, 이 구역은 경계 구역(244)에 해당한다. 반응기 유닛기 중요 매개 변수는 재생/스트리핑 구역, 반응 구역 및 응축 구역 사이의 부피비이다. 재생/스트리핑 구역과 반응 구역 사이의 비율은 1 ~ 20 범위, 바람직하게는 5 ~ 15, 가장 바람직하게는 약 10 일 수 있다. 이 체적 비율은 촉매층의 총 높이, 용기(하우징)의 직경, 및 공급원료의 입구 높이에 의해서 결정된다. 본 발명자들은 놀랍게도 스트리핑 구역에 대한 유의미한 부피가 촉매 비활성화를 유의미하게 지연시킬 수 있음을 발견했다.

응축 구역의 크기(예: 부피)는 응축 온도 및 처리할 공급원료의 유형에 따라 변경될 수 있다.

단계(308)에서, FCC 공정으로부터 얻어진 유출 가스는 응축을 위해 응축 구역(246)으로 방출된다. 본 발명자들은 유동층(210) 바로 위 및 동일한 하우징(204)에서 응축 구역(246)을 갖는 이점을 실현했다. 응축은 유출 가스(250)가 반응 유닛의 하우징(204)을 떠나기 전에 발생되도록 허용된다. 이 방식에서, 완전히 전환/크래킹되지 않은 중질물들(254)은 응축되고 그리고 촉매층(210)으로 다시 떨어지며, 여기서 보다 원하는 제품으로 재크래킹된다. 더 이상 크랭킹되지 않으면, 이러한 응축된 중질물(254)은 코크 형성을 위한 잠재적인 원천이며, 이는 부분적으로 열 생성 과정에 필요하다. 이러한 새로운 접근법은 외부 재활용 스트림의 필요성을 줄이거나 완전히 제거하고, 반응 유닛(202) 하류의 유출물 정화 유닛을 추가로 축소한다. 중질물의 재활용은 원하는 생성물(250)의 수율을 증가시키고, 코크(212)의 충분한 생산을 위해서도 필요하다. 응축 구역(246)은 또한 효율적인 열 관리를 허여한다. 하나의 적용에서, 응축된 액체는 또한 반응 유닛(202)을 떠나는 코크 그을음을 감소시킬 수 있다.

반응 유닛(200) 내에서 FCC 프로세스를 위한 온도 제어 및 열 관리와 관련하여, 컨트롤러(260) 및 관련 밸브(262, 264, 266)들이 열 분포를 제어하기 위해 사용된다. 도 2는 하우징(204)으로 들어가는 유동화 가스(220)의 양을 제어하는 유동화 밸브(262)를 도시한다. 공급원료 밸브(264)는 코일 파이프(230)를 따라 흐르는 공급원료 에멀젼(236)의 양을 제어하고, 그리고 유출 가스 밸브(266)는 하우징을 떠나는 유출 가스(250)의 양을 제어한다. 제어기(260)는 이제 논의된 바와 같이 이들 밸브들 각각을 독립적으로 제어할 수 있다.

촉매층(210)의 온도는 400~1000 ℃, 바람직하게는 500~850 ℃ 범위이다. 제어기(260)는 코크 연소로부터 발생하는 열을 제어하고, 그래서 하우징 내부 온도를 제어하는 몇가지 방법을 가진다. 주요 인자 중 하나는 재생 구역에서 연소되는 탄소의 양이며, 이는 유출 가스에서 CO 및 CO2의 수율로 측정되며, 그리고 이것은 크래킹 공정에 필요한 열의 주요 원천이 될 것이다. 연소될 탄소는 촉매에 흡착되고 크래킹되지 않는 아스팔텐, 폴리아로마킥스 등과 같은 중질 탄화수소 또는 크래킹 과정에서 생성된 코크로부터 유래될 수 있다. 하나의 적용에서 제어기는 열발생을 위한 탄화수소 공급원료의 사용을 최소화하도록 프로그램되어 있다. 이 사용량은 공급원료의 25 중량 % 보다 낮고, 바람직하게는 20 중량 % 보다 더 낮고, 이상적으로는 약 15 중량 % 또는 미만이어야 한다. 예를 들어, 제어기가 반응 유닛(202)을 제어하여 오일을 280 ℃로 예열하고 공급원료가 720 ℃에서 크랙되면, 이 온도에 도달하기 위해 1100kcal/kg 공급물이 필요하게 된다. 이것은, 이 열을 발생시키기 위해서는 공급원료 kg 당 약 150g의 탄소가 산소와 함께 태워져야 한다는 문헌 자료에 따라, 추정되었다. 화학 반응은 C + O2 -> CO2, △H = -91 kcal/mol이다.

제어기는 또한 열 관리를 위해 다른 파라미터를 제어하도록 프로그램 될 수 있다. 예를 들어, 공급원료(233) 및 산화 가스(220)는 재생 구역(240) 및 스트리핑 구역(241)을 통해 부분적으로 이들을 유도하거나, 또는 도 2에 도시된 바와 같이 응축 구역(246)에서 유출 가스(250)와 접촉함으로써 예열될 수 있다.

대안적으로, 유동층 위의 구역을 통해 공급원료 또는 산화 가스를 유도하는 것이 가능하며, 여기서 무거운 부분은 더 차가운 스트림과 접촉하여 다시 응축되고, 그래서 열을 회수하여 이러한 스트림을 예열할 수 있다. 응축된 중질물(254)들은 그 층(210)으로 다시 떨어질 것이며, 여기서 더 크랙될 수 있다.

하나의 적용에서, 열 발생 물질(WO 2017/196660 참조)을 촉매층 및/또는 공급원료에 탄화수소와 함께 추가하는 것이 가능하다. 또 다른 적용에서, 장치(232)에서 H2O 및 탄화수소 공급원료의 비율을 제어하는 것이 가능하다. 다른 실시 예에서, 연소되는 탄소의 양 및 이에 따라 생성되는 열을 제어하는 것이 가능하다. 이것은 예를 들어 탄화수소 공급원료의 Conradson Carbon Residue을 제어함으로써 달성된다. 이것은 공급원료의 속성이지만, 다른 공급원료를 혼합하는 것에 의하여 영향을 받을 수 있다. 이 값이 높을수록, 연소에 더 많은 탄소 잔류물이 사용될 수 있다. 연소된 탄소의 양을 제어하는 또 다른 메커니즘은 재생 구역과 반응 구역 사이의 부피비를 제어하는 것이다. 연소된 탄소의 양을 제어하는 또 다른 메커니즘은 재생 및 응축 구역에서 공급원료의 체류 시간을 제어하는 것이다. 또 다른 메커니즘은 공급원료와 산화 가스 사이의 비율을 제어하는 것이다. 희박 조건에서 부분 연소를 목표로 삼을 수 있으며 주로 CO를 생성하지만 열도 적게 생성한다. 연소된 코크에서 발생하는 열이 크래킹 단계를 허용하기에 충분하지 않으면, 추가로 낮은 가치의 탄화수소 가스를 재생 구역에 함께 공급할 수 있다. 열 관리의 마지막 방법은 연소를 통한 추가 열 생성을 위해 탄화수소계 가스를 유동화 가스에 도입하는 것이다.

도 4에 도시 된 다른 실시 예에 따르면, 블리드(bleed) 촉매 배출구(270)가 하우징(204)의 하단 부분에 제공되고, 그래서 일정량의 촉매층(210)이 제거될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명자들은 촉매 입자(214)가 촉매층에서 대부분의 금속 및 기타 독을 포획하고, 금속 및 기타 독을 갖는 이러한 촉매 입자는 이들 입자가 밀도가 더 높은 밀도를 가지기 때문에 하우징(204)의 하단 부분에 농축됨을 주목했다. 따라서, 금속 및/또는 독들을 갖는 이러한 소모된 촉매 입자는 하우징(204)으로부터 제거될 수 있다. 이러한 이유로, 촉매 출구(270)는 금속 및/또는 독이 담지된 하단 촉매 입자를 선택적으로 제거하기 위해 사용된다. 촉매 입구(272)는 또한 촉매상(210)의 상부를 향해서, 하우징(204)에 추가되며, 그래서 공정의 중단 없이, 새로운 촉매 입자가 FCC 공정 중에 촉매층에 추가된다. 이는 FCC 공정 중 촉매 입자(214)의 양이 실질적으로 일정하게 유지되도록 하기 위해 필요하다. 한 응용에서, 촉매 입자(214)는 연속 또는 간헐적으로 공급 촉매 입자 용기(274)로부터 첨가된다는 점에 주목하라. 이것은 첫 번째 적용에 따라서, 촉매 입자 용기(274)로부터의 촉매 입자(214)가 촉매 입구(272)를 통해 반응 유닛(202)의 하우징(204)으로 연속적으로 부어지며, 반면 금속 및/또는 또는 다른 독이 가미된 동일한 양의 사용된 촉매 입자(214)들이 촉매 출구(270)에서 제거된다. 두 번째 적용에 따르면, 유입구(272)에서 새로운 촉매 입자(210) 첨가하고 유출구(270)에서 더러운 촉매 입자를 제거하는 이 과정이 간헐적, 즉, 매 n분마다 시간 간격 T1 동안이며, 여기서 T1은 분 또는 시간일 수 있고, n은 수십과 수천 사이의 값을 가진다. 필요한 경우, 이 시스템은 용기 외부에서 재생(일부)을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 도 4가 반응 구역(242)에 직접 연결된 입구(272)를 나타내지만, 입구(272)를 스트리핑 구역(241) 또는 재생 구역(240)과 직접 연결하도록 배치하는 것도 가능하다.

도 5에 예시된 다른 실시 예에서, 코일 파이프(230)는, 도 2의 실시 예에서와 같이, 하우징(204)의 상부 부분을 통해 들어 가지 않고 응축 구역(246)을 통해 연장되지 않는다. 대신, 이 실시예에서, 코일 파이프(230)는 베이스 플레이트(206) 옆에 있는 하우징(204)의 하단으로 들어가서, 재생 구역(240) 및 스트리핑 구역(241)을 통해 위쪽으로, 그리고 부분적으로 반응 구역(242)으로 연장된다. 이 실시예의 이점은 공급원료(233) 및 산화 가스(220)가 재생 및 스트리핑 구역을 통해 부분적으로 유도함으로써 예열된다는 것이다. 이는 또한 에멀젼(236)(공급원료(233) 및 물(234)로부터 형성됨)이 촉매층(210)으로부터 과도한 열을 직접 흡수하기 때문에 재생 및 스트리핑 구역의 과열을 방지한다.

다른 실시 예가 도 6에 예시되어 있다. 이 실시 예에서, 반응 유닛(600)은 2 개의 상이한 파이프(230, 230')로부터 촉매층(210)으로 공급되는 공급원료(233)를 갖는다. 제1 파이프(230)는 도 2의 실시 예와 유사하고 제2 코일 파이프(230')는 도 5의 실시 예와 유사하다. 이것은 제1 파이프(230)가 응축 구역(246)으로 들어가고, 그 다음 반응 구역(242)으로 연장되는 반면, 제2 파이프(230')는 먼저 재생 및 스트리핑 구역으로 들어가고, 그 다음 반응 구역(242)으로 연장된다는 것을 의미한다. 따라서, 탄화수소 공급물/물 에멀젼(236 및 236')은 응축 구역(246) 및 재생/스트리핑 구역(240/241)을 통해 보내진다. 이 구성은 열 관리의 측면에서 더 많은 자유도를 제공한다. 배출 가스에서 가능한 한 많은 열을 회수하기 위해서, 응축 구역을 통해 상부에서 더 높은 공급 속도가 요구된다. 재생 구역이 과열될 때 제 2 파이프(230')로부터 더 높은 공급 속도가 요구된다. 따라서, 에멀젼(236)의 흐름은 에멀젼(236')의 흐름과 무관하게 제어될 수 있다. 또한, 이 실시 예에 따르면, 도면에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 파이프(230, 230')의 단부를 동일한 높이 또는 상이한 높이(H1 및 H2)에 배치하는 것이 가능하다.

또 다른 실시 예가 도 7에 예시되어있다. FCC 시스템(700)은 응축 구역(246)의 직경이 반응 구역(242)의 직경보다 큰 것을 제외하고는 도 6의 것과 유사한 반응 유닛(702)을 갖는다. 이렇게 증가된 크기(또는 부피)는 유출 가스의 속도를 낮추고, 그래서 유출 가스와 공급물 라인의 더 오랜 접촉을 허용하고, 이것은 더 많은 열전달 결과에 이르게 된다. 또한 유동화 가스와 증발되지 않은 액체에 의해 촉매층으로부터 끌어 당겨진 미세한 생성물들은 다시 촉매층으로 되돌아 떨어진다. 응축 구역(246)의 이러한 증가된 직경(또는 부피)은, 또한 공급물 에멀젼(236)이 응축 구역(246)을 통해서만 유도되는, 도 2의 실시 예에서 사용될 수 있다.

또 다른 실시 예가 도 8에 도시되어 있다. 이 실시 예의 FCC 시스템(800)은 재생 및 스트리핑 구역이 반응 구역(242)의 크기 D2보다 작은 크기 D1(이 경우 직경)을 갖는 반응 유닛(802)을 갖는다. 이러한 특징을 제외하고, 반응 유닛(802)은 반응 유닛(702)과 유사하며, 그래서 유닛의 다른 요소는 여기서 설명되지 않는다. 당업자는 대응하는 재생/스트리핑 구역의 크기 또는 폭 또는 부피보다 큰 반응 구역의 직경 또는 폭 또는 부피를 갖는 이러한 특징이 도 2 및 4~7에 예시된 실시 양태에도 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

위에서 논의된 반응 유닛의 장점은, 도 9에 예시된 방법과 관련하여, 지금 논의된 바와 같이 전형적인 공급원료뿐만 아니라 원유를 크래킹하는 능력이다. 탄화수소 공급원료의 석유화학제품 유체(기체 또는 액체 일 수 있음)로의 촉매 전환 방법은 탄화수소 공급원료(236)를 단일 반응 유닛(202)의 하우징(204)에 위치한 반응 구역(242)에 공급하는 단계(900), 또한 단일 반응 유닛(202)의 하우징(204)에 위치한 재생/스트리핑 구역(240/241)을 통해 반응 구역(242)에 유동화 가스(220)를 공급하는 단계(902), 촉매 입자(214)의 존재하에서, 반응 구역(242)에서, 탄화수소 공급원료(236)를 석유화학제품 유체(250)로 전환시키는 단계(904), 및 또한 단일 반응 유닛(202)의 하우징(204)에 위치한 응축 구역(246)에서 석유화학제품 유체(250)를 응축하는 단계(906)를 포함한다. 반응 구역(242)은 응축 구역(246)과 재생/스트리핑 구역(240/241) 사이에 샌드위치된다.

이 방법에서, 탄화수소 공급원료는 하나 이상의 공급 파이프를 따라 반응 구역으로 공급된다. 한 응용에서, 유동화 가스는 하우징의 하단에 위치한 하단 포트(204B)에서 재생/스트리핑 구역으로 공급된다. 석유화학제품 유체는 반응 구역에서 응축 구역으로 이동한다. 이 방법은 응축 구역에서 파이프 내에 있는 탄화수소 공급 원료를 석유화학제품 유체로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 파이프는 응축 구역 및 반응 구역을 통해 연장된다. 다른 실시예에서, 파이프는 재생 구역 및 반응 구역을 통해 연장된다. 또 다른 실시예에서, 공급 파이프는 (1)응축 구역 및 반응 구역을 통해 연장되는 제 1 파이프와, 및 (2) 재생 구역 및 반응 구역을 통해 연장되는 제2 파이프를 포함한다.

한 적용에서, 응축 구역의 부피는 반응 구역의 부피보다 더 크다. 또 다른 적용에서, 반응 구역의 부피는 재생/스트리핑 구역의 부피보다 크다.

아라비안 라이트(Arabian Light)가 쿼츠 4 구역 반응기(위에서 논의되고 외부 직경이 28mm이고 재생/스트리핑 구역의 높이가 60mm 임)에서 크랙된 한 여러 실험이 이제 논의된다. 물 및/또는 원유 에멀젼이 HPLC 펌프를 사용하여 반응기 상단에 실온에서 주입되었다. 반응기 하단에서 유동화/재생 가스를 주입하기 위해 여러 질량 흐름 컨트롤러가 사용되었다. 4 구역 반응기의 출구에서 몇 개의 트랩이 추가 분석(SIMDIS 분석)을 위해 액체 분획을 수집하는 것을 허여하고, 마이크로 GC가 크래킹 반응(C1-C4 탄화수소) 중 가스 분획을 기록하였다. 액체 샘플은 고온 SIMDIS 분석용으로 업그레이드된 7890A GC 시스템(Agilent)과 7693A 자동 액체 샘플러(Agilent)를 사용하여 분석되었다. 헬륨은 FID 검출기의 운반 가스로 사용되었으며 GC 컬럼은 DB-HT Sim Dis(5 m x 0.53 mm I.D., 0.15 ㎛)였다. 모든 샘플은 ASTM D2887 및 D6325에서 권장하는대로 이황화 탄소(CS2)로 희석되었다. 기체 분획(C1-C4 탄화수소)은 헬륨을 운반 기체로 사용하여 각각 3 개의 μ- 컬럼과 TCD 검출기가 장착된 SRA Instruments 모델 T-3000을 사용하여 기록되었다. 스펙:(i) N2, 02, CO 및 CH4 검출용 Molsieve 5A 컬럼(10 m/46 ℃/ 16psi), (ii) CO2 검출 용 PPU 컬럼(8 m/ 50 ℃/ 30 psi), (iii) C2-C4 탄화수소 검출용 알루미나 컬럼 (10 m/49.5 ℃/ 16 psi).

상이한 실험을 비교하기 위해, 이들 실시 예에 보고된 가스 수율은 1 시간의 크래킹 후 평균값이다. 온도는 공급 파이프의 높이에 위치한 써모 웰을 사용하여 반응 구역에서 기록되었다. 아래 제시된 모든 예에서 액체 물의 흐름은 0.25 mL/min이었고, 재생/유동화 가스의 총 흐름은 상온에서 400ml/분 이었다. 모든 촉매 크래킹 실험은 약 25~35 g의 상용 평형 FCC 촉매와 Arabian Light 원유를 사용하여 수행되었다. 실험 전에 상용 FCC 촉매는 800 ℃에서 10 시간 동안 하소되었다.

크래킹될 스트림은 표 1에 나타낸 특성을 나타냈다.

먼저, 열분해의 영향을 평가하기 위해 상용 FCC 촉매의 부재하에서 520 ℃에서 Arabian Light의 분해를 수행 하였다(실험 번호 1). 그런 다음 상용 FCC 촉매(실험 번호 2 ~ 5)를 사용하였으며, 재생/유동화 가스에서 산소 비율(실험 번호 2), Arabian Light의 흐름(실험 번호 4), 및 반응 구역의 온도(실험 번호 5)와 같은 다양한 몇몇 작동 조건을 사용하여, 여러 가지 촉매 크래킹 테스트가 수행되었다. 4 구역 유동화 공정을 사용한 원유의 열 및 촉매 크래킹 결과는 표 2에 나타내었다.

표 2

실험 1에서, 4wt % 미만의 소량의 경질 올레핀이 기록되었는데, 열분해가 이 반응 온도에서 유의미하지 않기 때문이다. 상업용 FCC 촉매를 추가함으로써, C1-C4 가스 수율은 사용된 운전 조건에 따라, 촉매 크래킹 반응 동안 5wt %에서 약 30wt %로 증가했습니다. 액체 분석은 또한 가장 무거운 탄화수소가 촉매 존재 하에서 더 가치있는 가벼운 분획으로 분해되었음을 나타내었다. 경질 올레핀의 최고 수율은 다중 구역 반응기가 570 ℃에서 운전되고 재생/유동화 가스에 산소가 없을 때 기록되었다. 더욱이, 도 2 및 4-8 중 하나에 제시된 다중 구역 반응 유닛은 도 10에서와 같이 200 분 이상동안에 경질 올레핀의 매우 안정적인 수율을 나타내었다.

마지막으로, Arabian Light의 크래킹이 상용 FCC 촉매(5g)의 고정층을 사용하여, 실험 3과 유사한 작동 조건에서 수행되었다. 이 비교 예의 결과는 표 3에 기록되었다. 도 2 및 4-8 중 하나에 표시된 반응 장치로 인해서, 경질 올레핀의 수율이 유사한 작동 조건을 사용한 고정층 모드 실험에 비해, 8 중량%에서 20 중량%로 증가하였다.

표 3

개시된 실시 예는 촉매 공정을 사용하여 탄화수소 공급원료를 석유화학제품으로 변환하기 위한 FCC 시스템용 신규 반응 유닛을 제공한다. 이 설명은 본 발명을 제한하려는 것이 아님을 이해해야한다. 반대로, 예시적인 실시 예는 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위에 포함되는, 대안, 수정 및 등가물을 포함하도록 의도된다. 또한, 예시적인 실시 예의 상세한 설명에서, 청구 된 발명의 포괄적인 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 설명된다. 그러나, 당업자는 이러한 특정 세부 사항 없이 다양한 실시 예가 실시 될 수 있음을 이해할 것이다.

본 실시 예의 특징 및 요소가 특정 조합으로 실시 예에서 설명되었지만, 각각의 특징 또는 요소는 실시 예의 다른 특징 및 요소없이 단독으로 또는 개시된 다른 특징 및 요소와 함께 또는없이 다양한 조합으로 사용될 수있다.

이 기록된 설명은 임의의 장치 또는 시스템을 만들고 사용하고 임의의 통합 된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 동일한 것을 실행할 수 있도록 개시된 주제의 예를 사용한다. 주제의 특허 가능한 범위는 청구 범위에 의해 정의되며, 당업자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 실험예는 청구항의 범위 내에있는 것으로 의도된다.

Claims

탄화수소 또는 탄화수소 함유 공급원료의 석유화학제품 혼합물로의 촉매 전환을 위한 반응 유닛(202)이며,
하우징(204);
상기 하우징(204)의 하단에 위치한 유동층 분배기 플레이트(206);
상기 유동층 분배기 플레이트(206) 위에 위치한 재생 구역(204) 및 스트리핑 구역(241), 여기서 촉매 입자(214)들이 수용되고;
상기 스트리핑 구역(241) 위에 위치한 반응 구역(242); 및
상기 반응 구역(242) 위에 위치한 응축구역(246), 여기서 석유화학 생성물 유체(250)가 응축되며;
를 포함하는 반응 유닛.
제1항에 있어서,
하우징(204)는 단일 하우징이며, 재생 구역(240), 스트리핑 구역(241), 반응 구역(242), 및 응축 구역(246)은 단일하우징(204)에 위치된 반응 유닛.
제1항에 있어서,
상기 재생구역(240), 스트리핑 구역(241), 반응 구역(242) 및 응축 구역(246)은 동일 또는 상이한 온도를 가지는 반응 유닛.
제1항에 있어서,
상기 반응 구역으로 탄화수소 또는 탄화수소 함유 공급원료를 제공하는 공급물 파이프(230)을 더 포함하는 반응 유닛.
제4항에 있어서,
반응 생성물이 공급물 파이프 내부에서 탄화수소 공급원료를 가열하는 반응 유닛.
제4항에 있어서,
공급물 파이프가 응축 구역 및 반응 구역을 통해서 연장되는 반응 유닛.
제4항에 있어서,
공급물 파이프가 재생 구역, 스트리핑 구역, 및 반응 구역을 통해서 연장되는 반응 유닛.
제4항에 있어서,
상기 공급물 파이프는
(1)응축 구역을 통해, 다음 반응 구역을 통해서 연장되는 제1 파이프와, 및
(2) 스트리핑 구역 및/또는 재생 구역을 통해서 반응 구역으로 연장되는 제2 파이프를 포함하는 반응 유닛.
제1항에 있어서,
하우징의 하단에 위치하고 그리고 유동화 가스 및/또는 촉매 재생 가스를 유동층 분배기 플레이트를 통해서 반응기 재생 구역 및 스트리핑 구역에 공급하도록 구성된 하단 포트(204B)를 더 포함하는 반응 유닛.
제1항에 있어서,
유동화 가스는 N2, 스팀, 공기, O2, CO2, CO 또는 이들의 조합들의 하나 이상의 가스인 반응 유닛.
제1항에 있어서,
탄화수소 또는 탄화수소 함유 공급원료는 원유, 정제 생성물, 및 다른 옥시제네이트를 포함하는 반응 유닛.
제1항에 있어서,
탄화수소 공급물 또는 탄화수소 함유 공급원료를 물과 프리믹스된 하우징으로 공급하는 반응 유닛.
제1항에 있어서,
상기 응축 구역의 부피가 상기 반응 구역의 부피와 상이한 반응 유닛.
제1항에 있어서,
상기 반응 구역의 부피가 상기 재생 및 스트리핑 구역의 부피와 상이한 반응 유닛.
제1항에 있어서,
크래킹 공정 중 반응 구역으로 새로운 촉매 입자들을 연속적으로 또는 간헐적으로 공급하는 하우징에 부착된 촉매 유입구; 및
크래킹 공정 중 금속이 가미된 촉매 입자들을 연속적으로 또는 간헐적으로 제거하는 하우징에 부착된 촉매 유출구를 더 포함하는 반응 유닛.
탄화수소 공급원료 또는 탄화수소 함유 공급원료의 석유화학제품 유체로의 촉매 전환 방법이며,
탄화수소 또는 탄화수소 함유 공급원료를(236)를 단일 반응 유닛(202)에 위치한 반응 구역(242)에 공급하는 것(900);
유동화 가스(220)를 또한 상기 단일 반응 유닛(202)에 위치한 재생 구역(240) 및 스트리핑 구역(241)을 통해서 공급하는 것(902);
촉매 입자들(214)의 존재하에서 반응 구역(242)에서 탄화수소 공급원료(236)를 석유화학제품 유체(250)로 전환시키는 것(904); 및
석유화학제품 유체(250)를 또한 단일 반응 유닛(202)에 위치한 응축 구역(246)에서 응축시키는 것(906)을 포함하고,
여기서, 반응 구역(242)은 응축 구역(246)과 재생 및 스트리핑 구역(240/214) 사이에 샌드위치된 방법.
제16항에 있어서,
단일 반응 유닛은 400 ℃와 1000 ℃ 사이, 재생 온도는 500 ℃와 1000 ℃사이, 공급원료 잔류 시간은 0.05~100 초사이, 그리고 압력은 0.1~30 bar사이에서 작동하는 방법.
제16항에 있어서,
탄화수소 공급원료는 파이프를 따라서 반응 구역에 공급되는 방법.
제17항에 있어서,
유동화 가스는 하우징의 하단에 위치한 하단 포트(204B)에서 재생 구역으로 공급되는 방법.
제17항에 있어서,
석유화학제품 유체는 반응 구역으로부터 응축 구역으로 이동하는 방법.
제19항에 있어서,
파이프 내의 탄화수소 공급원료를 응축 구역내 석유화학제품 유체로 가열하는 것을 더 포함하는 방법.
제17항에 있어서,
파이프는 응축 구역을 통해서 반응 구역으로 연장되는 방법.
제17항에 있어서,
파이프는 재생/스트리핑 구역 및 반응 구역을 통해서 연장되는 방법.
제17항에 있어서,
공급물 파이프는
(1)응축 구역 및 반응 구역을 통해서 연장되는 제1 파이프와, 및
(2) 재생/스트리핑 구역 및 반응 구역을 통해서 연장되는 제2 파이프를 포함하는 방법.
제16항에 있어서,
응축 구역의 부피가 반응 구역의 부피보다 더 큰 방법.
제16항에 있어서,
반응 구역의 부피가 재생/스트리핑 구역의 부피보다 더 큰 방법.
제16항에 있어서,
탄화수소 공급원료는 원유를 포함하는 방법.
제16항에 있어서,
촉매 입자들을 탄화수소 공급원료와 함께 공급하는 방법.