KR20230037856A - 유동층 촉매 반응 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유동층 촉매 반응 시스템에 관한 것으로, 유동층 반응기; 촉매 분리기; 촉매 재생기 및 유동화 가스 공급부를 포함하고, 상기 유동화 가스 공급부는 유동화 가스 이송배관 및 상기 유동화 가스 이송배관에 구비된 가열부를 포함하며, 상기 가열부는 자성 구조물 및 상기 자성 구조물을 둘러싸도록 형성되는 전선 코일을 포함하는 유동층 촉매 반응 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 유동층 촉매 반응 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유동층 반응기를 이용하여 촉매의 존재 하에 반응물을 반응시키고, 상기 반응에 사용되어 불활성화된 촉매를 재생시킨 후 유동층 반응기에서 재사용하는데 있어, 연료의 사용을 줄여 CO2 배출량을 감소시키고, 촉매 재생기 내 고온의 핫스팟 형성을 방지할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
석유 화학 공정에서 유동층 반응기는 촉매를 파우더 형태로 공급하고 유동의 흐름 상태에서 반응에 참가시켜 반응물로 다양한 화합물을 생산하는 공정에 널리 활용되고 있다. 이 때, 상기 유동층 반응기 내에서 이루어지는 반응 특성에 따라 열을 회수하거나 보충할 필요가 있다. 이에, 상기 유동층 반응기에 열을 보충할 필요가 있을 때, 촉매 재생기에서 연료를 연소시켜 유동층 반응기 내의 온도를 상승시켰다.
예를 들어, 상기 석유 화학 공정으로는 나프타에서 올레핀을 생산하는 공정이 있다. 이 공정에서 유동층 반응기는 파우더 형태의 촉매를 순환시켜 유동장을 형성하며, 촉매 반응을 유도한다. 이 때, 유동층 반응기에서 사용되어 불활성화된 촉매는 촉매 재생기로 공급되고, 상기 촉매 재생기에서 촉매에 침적된 코크스(coke)를 연소를 통해 제거함으로써 촉매를 재생시키고, 이 때, 발생되는 코크스 연소열은 반응에 필요한 열량을 보충할 수 있다.
상기 촉매 재생기에서 촉매에 침적된 코크스를 제거 후 반응에 필요한 열량이 부족한 경우, 이를 보충하기 위하여 추가로 연료가 공급될 수 있다. 예를 들어, 촉매 재생기 내 연료를 추가로 공급하고 연소함으로써, 촉매 재생기 내 촉매가 가열되고, 온도가 상승된 촉매가 유동층 반응기로 공급될 수 있다. 이 경우, 연료의 연소로 인해 필연적으로 추가적인 CO2가 배출되고, 이는 지구 온난화 방지 및 탄소 중립 성장에 부합하지 않는 문제를 초래했다. 또한, 연료가 상기 촉매 재생기 내 촉매가 적층된 구역에 분사될 때 연료의 고르지 못한 분배가 발생할 수 있고, 이로 인해 연료가 밀집된 부분에 가열이 집중되어 촉매가 적층된 구역 내 고온의 핫스팟(hot spot) 형성이 발생할 수 있다. 고온의 핫스팟 발생 시 연료의 연소 과정에서 발생하는 물(H2O)이 촉매 활성 부위(active site)에 열수 작용에 의한 불활성화(hydrothermal deactivation)를 가속하여 촉매 성능을 악화시키는 문제가 있다. 또한, 상대적으로 온도가 낮은 유동화 가스 투입에 따른 냉각(cooling)을 보완하기 위하여 연료로 가열하는 구간의 온도가 유동층 반응기로 투입되는 촉매의 타겟(target) 온도보다 높을 수 있고, 이로 인해 상기 열수 작용에 의한 불활성화를 더욱 촉진시켜 촉매 성능을 보다 악화시키는 문제가 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 상기 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하기 위하여, 유동층 반응기에서 사용된 촉매를 재생하는데 있어, 촉매의 온도를 원하는 온도로 높이기 위해서 추가적으로 투입되는 연료의 사용을 최소화하여 CO2의 배출을 감소시키고, 고온의 핫스팟 형성을 방지할 수 있는 유동층 촉매 반응 시스템을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 촉매의 존재 하에 반응물을 반응시키는 유동층 반응기; 상기 유동층 반응기의 배출 스트림에 포함된 촉매를 분리하는 촉매 분리기; 상기 촉매 분리기에서 분리된 촉매를 공급받아 촉매를 재생시키는 촉매 재생기; 및 상기 촉매 재생기 내부로 유동화 가스를 이송하기 위한 유동화 가스 공급부를 포함하고, 상기 유동화 가스 공급부는 유동화 가스 이송배관 및 상기 유동화 가스 이송배관에 구비된 가열부를 포함하며, 상기 가열부는 자성 구조물 및 상기 자성 구조물을 둘러싸도록 형성되는 전선 코일을 포함하는 유동층 촉매 반응 시스템을 제공한다.
본 발명의 유동층 촉매 반응 시스템에 따르면, 촉매 재생기 내로 이송되는 유동화 가스를 가열하기 위한 가열부에 자성 구조물 및 상기 자성 구조물을 둘러싸도록 형성되는 전선 코일을 구비하여 유동화 가스를 유도 가열함으로써, 반응에 필요한 열량을 보충하기 위해 촉매를 원하는 온도로 가열하는데 필요한 연료의 양이 감소하여 CO2 배출량이 감소될 수 있다.
또한, 유동화 가스를 유도 가열 후 촉매 재생기 내부로 공급함으로써 유동화 가스에 의한 냉각 효과가 감소하여 이를 보완하기 위한 과열 구간이 감소할 수 있다. 또한, 연료 사용량 감소로, 연료의 불균일한 분포에 따른 고온의 핫스팟(hot spot) 형성이 감소할 수 있다. 과열 구간 감소와 핫스팟 감소는 연료의 연소 과정에서 발생하는 물(H2O)의 열수 작용에 의한 불활성화(hydrothermal deactivation)를 감소시켜 촉매 성능을 높게 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 촉매 반응 시스템의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 격자 구조의 자성 구조물이 형성된 것을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 격자 구조의 자성 구조물의 일부 채널에 요철이 형성된 것을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 격자 구조의 자성 구조물의 일부 채널에 방해판이 형성된 것을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 나선 구조의 자성 구조물이 형성된 것을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 나선 구조의 자성 구조물의 엘레멘트의 일부에 방해판이 형성된 것을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 격자 구조의 자성 구조물이 형성된 것을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 격자 구조의 자성 구조물의 일부 채널에 요철이 형성된 것을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 격자 구조의 자성 구조물의 일부 채널에 방해판이 형성된 것을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 나선 구조의 자성 구조물이 형성된 것을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 나선 구조의 자성 구조물의 엘레멘트의 일부에 방해판이 형성된 것을 나타낸 것이다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 용어 '스트림(stream)'은 공정 내 유체(fluid)의 흐름을 의미하는 것일 수 있고, 또한, 배관 내에서 흐르는 유체 자체를 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 스트림은 각 장치를 연결하는 배관 내에서 흐르는 유체 자체 및 유체의 흐름을 동시에 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 유체는 기체(gas), 액체(liquid) 및 고체(solid) 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 하기 도 1 내지 도 6을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따르면, 유동층 촉매 반응 시스템이 제공된다. 상기 유동층 촉매 반응 시스템은, 촉매의 존재 하에 반응물을 반응시키는 유동층 반응기(10); 상기 유동층 반응기(10)의 배출 스트림에 포함된 촉매를 분리하는 촉매 분리기(20); 상기 촉매 분리기(20)에서 분리된 촉매를 공급받아 촉매를 재생시키는 촉매 재생기(30); 및 상기 촉매 재생기(30) 내부로 유동화 가스를 이송하기 위한 유동화 가스 공급부(40)를 포함하고, 상기 유동화 가스 공급부(40)는 유동화 가스 이송배관(41) 및 상기 유동화 가스 이송배관(41)에 구비된 가열부(42)를 포함하며, 상기 가열부(42)는 자성 구조물(42a) 및 상기 자성 구조물(42a)을 둘러싸도록 형성되는 전선 코일(42b)을 포함할 수 있다.
석유 화학 공정에서 유동층 반응기는 촉매를 파우더 형태로 공급하고 유동의 흐름 상태에서 반응에 참가시켜 반응물로 다양한 화합물을 생산하는 공정에 널리 활용되고 있다. 이 때, 상기 유동층 반응기 내에서 이루어지는 반응 특성에 따라 열을 회수하거나 보충할 필요가 있다. 이에, 상기 유동층 반응기에 열을 보충할 필요가 있을 때, 촉매 재생기에서 연료를 연소시켜 유동층 반응기 내의 온도를 상승시켰다.
예를 들어, 상기 석유 화학 공정으로는 나프타에서 올레핀을 생산하는 공정이 있다. 이 공정에서 유동층 반응기는 파우더 형태의 촉매를 순환시켜 유동장을 형성하며, 촉매 반응을 유도한다. 이 때, 유동층 반응기에서 사용되어 불활성화된 촉매는 촉매 재생기로 공급되고, 상기 촉매 재생기에서 촉매에 침적된 코크스(coke)를 연소를 통해 제거함으로써 촉매를 재생시킨다. 이 때, 발생되는 코크스 연소열은 반응에 필요한 열량을 보충할 수 있다.
상기 촉매 재생기에서 촉매에 침적된 코크스를 제거 후 반응에 필요한 열량이 부족한 경우, 이를 보충하기 위하여, 추가로 연료가 공급될 수 있다. 예를 들어, 촉매 재생기 내 연료를 추가로 공급하고 연소시킴으로써 촉매 재생기 내 촉매가 가열되고, 온도가 상승된 촉매가 유동층 반응기로 공급될 수 있다. 이 경우, 연료의 연소로 인해 필연적으로 추가적인 CO2가 배출되고, 이는 지구 온난화 방지 및 탄소 중립 성장에 부합하지 않는 문제를 초래한다. 또한, 연료가 상기 촉매 재생기 내 촉매가 적층된 구역에 분사될 때 연료의 고르지 못한 분배가 발생할 수 있다. 이로 인해 연료가 밀집된 부분에 가열이 집중되어 촉매가 적층된 구역 내 고온의 핫스팟(hot spot) 형성이 발생할 수 있다. 고온의 핫스팟 발생 시 연료의 연소 과정에서 발생하는 물(H2O)이 촉매 활성 부위(active site)에 열수 작용에 의한 불활성화(hydrothermal deactivation)를 가속하여 촉매 성능을 악화시키는 문제가 있다. 또한, 상대적으로 온도가 낮은 유동화 가스 투입에 따른 냉각(cooling)을 보완하기 위하여 연료로 가열하는 구간의 온도가 유동층 반응기로 투입되는 촉매의 타겟(target) 온도보다 높을 수 있고, 이로 인해 상기 열수 작용에 의한 불활성화를 더욱 촉진시켜 촉매 성능을 보다 악화시키는 문제가 있다.
이에 대해, 본 발명에서는 상기 촉매 재생기 내로 공급되는 유동화 가스를 유도 가열함으로써, 유동화 가스의 냉각 효과를 보상하기 위한 추가적인 연료 사용량을 줄여 CO2 배출을 감소시킬 수 있다. 또한 촉매 재생기에서 연료 사용량이 감소함에 따라 연료의 불균일한 분포에 따른 핫스팟 형성이 감소할 수 있고, 연료의 연소를 위해 투입되는 유동화 가스량이 감소되어 유동화 가스에 의해 냉각되는 열량을 보완하기 위한 과열 구간이 감소할 수 있으며, 핫스팟과 과열 구간 감소는 연료의 연소 과정에서 물(H2O)로 인해 발생하는 열수 작용에 의한 불활성화(hydrothermal deactivation)를 감소시킬 수 있고, 이를 통해 촉매 성능을 높게 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유동층 반응기(10)는 촉매의 존재 하에 반응물을 반응시키는 장치일 수 있다. 구체적으로, 상기 유동층 반응기(10)로 촉매와 반응물을 공급하고, 상기 촉매의 존재 하에 반응물을 반응시켜 목적하는 생성물을 포함하는 반응 생성물을 제조할 수 있다.
상기 반응물은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 부탄(butane), 나프타(naphtha), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 탄화수소(hydrocarbon), 바이오 탄화수소(bio hydrocarbon) 및 플라스틱의 화학적 재활용(chemical recycle)을 통해 얻어진 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 촉매의 종류는 반응물의 종류와 목적하는 생성물의 종류 등에 따라서 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매는 제올라이트(zeolite)계 촉매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제올라이트계 촉매는 ZSM-5 zeolite 및 USY zeolite로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 유동층 반응기(10)의 운전 온도는 반응물의 종류와 목적하는 생성물의 종류 등에 따라서 적절히 조절될 수 있다.
상기 유동층 반응기(10)에서 반응을 통해 생성된 반응 생성물 스트림은 상기 유동층 반응기(10)의 상부 배출 스트림으로서 촉매 분리기(20)로 공급될 수 있다. 이 때, 상기 반응 생성물 스트림은 촉매, 미반응물 및 생성물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 분리기(20)는 상기 유동층 반응기(10)로부터 공급되는 반응 생성물 스트림 내 포함된 촉매를 분리하여 촉매 재생기(30)로 공급하고, 미반응물 및 생성물을 포함하는 스트림은 정제를 위한 후속 공정으로 공급하기 위한 것일 수 있다.
상기 촉매 분리기(20)에서 분리된 촉매는 상기 촉매 분리기(20)와 촉매 재생기(30)를 연결하는 이송배관을 통해 촉매 재생기(30)로 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 재생기(30)는 촉매 분리기(20)로부터 공급된 촉매를 재생시키기 위한 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 촉매 재생기(30)로 공급된 촉매는 유동층 반응기(10)에서 사용되어 불활성화된 촉매일 수 있다. 상기 불활성화된 촉매는 표면에 침적된 코크스를 연소시켜 제거함으로써 재생될 수 있다.
구체적으로, 상기 촉매 재생기(30)로 공급된 촉매는 상기 촉매 재생기(30) 내부에 적층되고, 상기 촉매에 침적된 코크스는 촉매 재생기(30)로 공급되는 공기(Air)를 통해 연소됨으로써 상기 촉매는 재생될 수 있다. 상기 공기는 산소를 포함하는 공기를 의미할 수 있다.
이 때, 필요에 따라서 상기 반응에 필요한 열량을 보충하기 위하여 연료가 추가로 공급될 수 있고, 상기 연료는 연료 가스(fuel gas), 연료유(fuel oil) 및 가스유(gas oil)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유동화 가스 공급부(40)는 유동화 가스를 상기 촉매 재생기(30) 내부로 공급하기 위한 것일 수 있다. 이 때, 상기 유동화 가스는 공기를 포함할 수 있다.
상기 유동화 가스 공급부(40)는 유동화 가스를 이송하기 위한 유동화 가스 이송배관(41) 및 상기 유동화 가스 이송배관(41)을 통해 이송되는 유동화 가스를 가열시키기 위한 가열부(42)를 포함할 수 있다.
상기 유동화 가스 이송배관(41)은 배관벽(41a)과 상기 배관벽(41a) 내부에 형성된 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)를 포함할 수 있다.
상기 유동화 가스 이송배관(41)을 통해 이송되는 유동화 가스는 상기 촉매 재생기(30) 내부의 촉매가 적층된 구역으로 공급될 수 있다. 이와 같이, 상기 유동화 가스는 상기 촉매 재생기(30) 내 촉매가 적층된 구역으로 공급되어, 촉매에 침적된 코크스를 연소시키는데 사용되고, 적층된 촉매를 유동시켜 촉매가 적층된 구역에 난류 상태(turbulent regime)를 형성하여 촉매 입자간 열교환을 원활하게 하여 입자간 온도를 균일하게 할 수 있다. 또한, 상기 유동화 가스가 가열된 상태로 상기 촉매 재생기(30) 내부로 공급되는 경우에는 반응에 필요한 열량을 보충하기 위해서 상기 촉매 재생기(30)로 공급되는 연료를 일부 또는 전부 대체할 수 있다.
상기 유동화 가스 이송배관(41)은 외부로부터 입구를 통해 공급되는 유동화 가스를 상기 촉매 재생기(30)의 내부로 연결된 출구까지 이송시키기 위한 배관을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 유동화 가스 이송배관(41)은 입구에서 출구까지 연속적으로 연결되어 있거나, 상기 유동화 가스 이송배관(41)의 입구 및 출구 사이의 임의의 영역에 추가적인 장치가 설치되어 상기 유동화 가스 이송배관(41)의 일부가 다른 설비로 대체될 수도 있다.
상기 유동화 가스 이송배관(41)은 상자성체 또는 반자성체 재질로 형성할 수 있다. 상기 상자성체 또는 반자성체 재질은 퀴리 온도가 40 ℃ 이하인 재질을 포함할 수 있고, 예를 들어, 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 마그네슘, 텅스텐, 백금, 금, 주석, 망간 및 그들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 이와 같이, 상기 유동화 가스 이송배관(41)을 유도 가열의 발생이 적은 상자성체 또는 반자성체 재질로 형성함으로써, 상기 유동화 가스 이송배관(41)을 통해 이송되는 유동화 가스의 유도 가열 시, 배관 자체가 가열되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가열부(42)는 상기 유동화 가스 이송배관(41)에 설치되어, 상기 유동화 가스 이송배관(41)을 통해 이송되는 유동화 가스를 가열시키기 위한 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 가열부(42)는 상기 유동화 가스 이송배관(41)에 부속되어 설치되거나, 상기 유동화 가스 이송배관(41)에 별도의 장치로서 설치될 수 있다.
상기 가열부(42)는 자성 구조물(42a) 및 상기 자성 구조물(42a)을 둘러싸도록 형성되는 전선 코일(42b)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 구조물(42a)은 자성 물질로 이루어진 구조물을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 물질은 강자성 물질 및 상자성 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 구체적인 예로서, 상기 자성 물질은 강자성 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 강자성 물질은 퀴리 온도(curie temperature)가 촉매 재생기의 운전 온도 근처인 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 강자성 물질은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 및 그들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 합금은 알니코(Alnico)를 포함할 수 있다.
상기 자성 구조물(42a)은 상기 유동화 가스 이송배관(41)의 입구로 공급된 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)에 형성될 수 있고, 상기 전선 코일(42b)은 상기 자성 구조물(42a)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 전선 코일(42b)은 상기 자성 구조물(42a)이 형성된 영역과 대응되는 영역에서 상기 자성 구조물(42a)을 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전선 코일(42b)은 상기 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)와 배관벽(41a) 사이의 영역에 형성될 수 있다.
상기 전선 코일(42b)이 형성되는 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)와 배관벽(41a) 사이의 영역에는 내화물층을 형성하거나, 유동화 가스를 이송시킬 수 있다.
상기 전선 코일(42b)이 형성되는 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)와 배관벽(41a) 사이의 영역에 내화물층을 형성하는 경우, 상기 내화물층은 상기 유동화 가스 이송배관(41)의 배관벽(41a) 내부에 상기 내화물층의 탈락을 방지하기 위하여 앵커(anchor)를 설치하고, 상기 앵커에 내화물을 설치함으로써 형성될 수 있다. 상기 내화물은 고온, 화학적 작용에 견딜 수 있는 재료로서, 예를 들어, 상기 내화물은 용융 실리카(fused silica), 알루미노실리카(aluminosilicate), 멀라이트(mullite), 보크사이트(bauxite) 및 칼슘 알루미네이트 시멘트(calcium aluminate cement)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 내화물층 내 내화물 함량의 85 중량% 내지 95 중량%일 수 있다. 이 경우, 가열된 유동화 가스에 의한 배관의 열적 변형을 방지할 수 있다.
또한, 상기 전선 코일(42b)이 형성되는 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)와 배관벽(41a) 사이의 영역에 유동화 가스를 이송시키는 경우에는, 상기 자성 구조물(42a) 외부로 흐르는 유동화 가스가 상기 전선 코일(42b)을 냉각(cooling)하는 역할을 하여 유동화 가스 가열과 동시에 전선 코일(42b)이 과열되는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 전선 코일(42b)에 교류 전류 인가 시 발생되는 저항열에 의해 전선 코일(42b)의 온도가 상기 가열부(42) 입구의 유동화 가스 온도보다 높아지게 되는데, 상기 전선 코일(42b)이 설치된 영역에서도 유동화 가스를 이송시켜 상기 유동화 가스가 전선 코일(42b)을 냉각하는 역할을 하여 유동화 가스 가열과 동시에 전선 코일(42b)이 과열되는 것을 방지할 수 있다.
상기 전선 코일(42b)이 형성되는 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)와 배관벽(41a) 사이의 영역에 유동화 가스를 이송시키는 경우에는 상기 가열부(42) 전단에서 상기 가열부(42)와 연결되는 지점의 유동화 가스 이송배관(41)에는 유동화 가스 분배 장치가 설치될 수 있다. 구체적으로, 상기 유동화 가스 분배 장치는 상기 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)와 전선 코일(42b)이 형성되는 영역으로 공급되는 유동화 가스의 유량을 제어하기 위한 장치일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 유동화 가스 분배 장치는 상기 전선 코일(42b)이 형성되는 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)와 배관벽(41a) 사이의 영역의 단면적을 제어하는 가림막을 포함할 수 있다.
상기 유동화 가스의 흐름 방향을 기준으로 상기 가열부(42) 후단의 유동화 가스 이송배관(41)은 배관벽(41a) 내부에 형성된 내화물층을 포함할 수 있다. 상기 내화물층은 상술한 바와 같이 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 가열부(42) 후단의 유동화 가스 이송배관(41)에 내화물층을 형성함으로써, 상기 촉매 재생기(30)로 이송되는 유동화 가스의 열량을 보존할 수 있고, 가열된 유동화 가스에 의한 배관의 열적 변형을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 구조물(42a)은 유동화 가스와의 접촉 면적을 넓혀 열교환이 용이한 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 구조물(42a)은 격자 구조 또는 나선 구조로 형성될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 자성 구조물(42a)은 격자 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 자성 구조물(42a)은 본체 및 상기 본체 내부에 유동화 가스의 진행 방향(화살표)에 대하여 평행한 방향으로 형성된 복수 개의 채널(channel)(42a-a)을 포함할 수 있다.
상기 자성 구조물(42a)을 격자 구조로 형성할 때, 상기 복수 개의 채널(42a-a) 내면은 요철(42a-b) 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 요철(42a-b) 구조는 다수의 돌출부와 다수의 홈부가 교번되어 형성될 수 있으며, 핀이 부착된(finned) 구조일 수 있다. 이와 같이, 상기 자성 구조물(42a)을 격자 구조로 형성할 때, 상기 복수 개의 채널(42a-a) 내면을 요철(42a-b) 구조로 형성함으로써, 상기 자성 구조물(42a)과 유동화 가스 간의 열교환을 보다 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 자성 구조물(42a)을 격자 구조로 형성할 때, 상기 복수 개의 채널(42a-a) 내부에는 배플(baffle)과 같은 하나 이상의 방해판(42a-c)이 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 방해판(42a-c)은 상기 유동화 가스의 진행 방향(화살표)에 수직으로 배치되어, 상기 유동화 가스가 이동하는 단면적의 일부 흐름을 방해할 수 있다. 상기 방해판(42a-c)은 상기 채널(42a-a) 내에서 유동화 가스의 진행 방향으로 소정의 간격을 두고 복수 개 형성될 수 있으며, 이 때, 서로 인접하는 방해판(42a-c) 각각은 상기 채널(42a-a) 내부에서 유동화 가스의 진행 방향을 방해하는데 있어, 방해 면적이 상이할 수 있다. 이와 같이, 상기 자성 구조물(42a)을 격자 구조로 형성할 때, 상기 복수 개의 채널(42a-a) 내부에 방해판(42a-c)을 구비함으로써, 상기 채널(42a-a) 내부에서 와류를 형성하여 상기 자성 구조물(42a)과 유동화 가스 간의 열교환을 보다 증가시킬 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 자성 구조물(42a)은 나선 구조로 형성될 수 있으며, 1개 또는 2개 이상의 다발 형태로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 자성 구조물(42a)이 나선 구조로 형성되는 경우, 상기 자성 구조물(42a)은 상기 유동화 가스가 이송되는 유로(41b) 내에서 상기 유동화 가스의 진행 방향(화살표)에 대해서 수평 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 나선 구조의 자성 구조물(42a)은 상기 유동화 가스가 이송되는 유로(41b)의 길이 방향으로 장축을 가지고, 배관의 직경 방향으로 단축을 가질 수 있다.
상기 나선 구조의 자성 구조물(42a)은 본체 및 본체에 나선 구조의 엘레멘트(element)(42a-d)를 포함하는 것일 수 있으며, 구체적인 예로서, 상기 나선 구조의 자성 구조물(42a)은 스테틱 믹서(static mixer)를 포함할 수 있다. 상기 스테틱 믹서는 본체에 유체의 흐름을 변환시키는 나선 구조의 엘레멘트(42a-d)가 구비된 혼합 교반 장치로, 이송되는 유동화 가스 스트림이 상기 스테틱 믹서의 엘레멘트(42a-d)를 연속적으로 통과하면서 와류가 형성될 수 있으며, 이를 통해 상기 자성 구조물(42a)과 유동화 가스 간의 열교환을 증가시킬 수 있다.
상기 자성 구조물(42a)을 나선 구조로 형성할 때, 상기 나선 구조의 엘레멘트(42a-d) 표면에는 하나 이상의 방해판(42a-e)이 결합되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 방해판(42a-e)은 상기 유동화 가스가 이동하는 단면적의 일부 흐름을 방해할 수 있다. 또한, 상기 방해판(42a-e)은 상기 유동화 가스의 진행 방향과 평행한 방향으로 결합되거나, 상기 유동화 가스의 진행 방향과 수직 방향으로 결합될 수 있다. 이 경우, 와류를 더욱 강하게 형성하여 이를 통해 상기 자성 구조물(42a)과 유동화 가스 간의 혼합이 원활히 이루어져 열교환 효과를 보다 증가시킬 수 있다.
또 다른 하나의 예로서, 상기 자성 구조물(42a)은 복수 개 형성되고, 격자 구조와 나선 구조의 자성 구조물(42a)을 병용할 수 있다. 구체적으로, 상기 유동화 가스가 이송되는 유로(41b) 내에 핀 구조의 자성 구조물(42a)과 격자 구조의 자성 구조물(42a)을 모두 형성할 수 있다. 이 때, 상기 나선 구조의 자성 구조물(42a)은 상기 유동화 가스의 흐름 방향을 기준으로 상기 격자 구조의 자성 구조물(42a)보다 전단에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 유동화 가스는 상기 나선 구조의 자성 구조물(42a)을 통과하면서 1차적으로 유도 가열됨과 동시에 와류가 형성으로 인해 흐름이 변환되고, 상기 격자 구조의 자성 구조물(42a)을 통과하면서 2차적으로 유도 가열됨으로써, 상기 유동화 가스를 효과적으로 유도 가열시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자성 구조물(42a)의 본체는 800 ℃ 이상의 온도에서도 강성을 유지하는 금속 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 자성 구조물(42a)의 채널(42a-a) 및 나선 구조의 엘레멘트(42a-d)의 일부 또는 전체를 강자성체 물질로 형성할 수 있다. 또한, 상기 채널(42a-a) 및 나선 구조의 엘레멘트(42a-d)에 부속하는 요철(42a-b), 방해판(42a-c, 42a-e) 등의 일부 또는 전체를 강자성체 물질로 형성할 수 있다. 이와 같이 상기 자성 구조물(42a)을 제조함으로써, 우수한 구조 강성을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유동화 가스 공급부(40)는 상기 유동화 가스 이송배관(41)을 통해 이송되는 유동화 가스를 상기 촉매 재생기(30) 내부로 분배하기 위한 유동화 가스 분배장치(43)를 더 포함할 수 있다.
상기 유동화 가스 분배장치(43)는 상기 유동화 가스 이송배관(41) 중에서 상기 촉매 재생기(30) 내부에 존재하는 영역에 설치될 수 있으며, 구체적으로, 상기 유동화 가스 이송배관(41)의 출구와 연결되도록 설치될 수 있다.
상기 유동화 가스 분배장치(43)는 유동화 가스를 상기 촉매 재생기(30) 내부에 골고루 분사하기 위한 다양한 형태로 존재할 수 있다. 또한, 상기 유동화 가스 분배장치(43)는 상기 유동화 가스 이송배관(41)으로부터 분기되는 복수의 배관에 분사를 위한 노즐이 형성된 것일 수도 있다.
상기 촉매 재생기(30)에서 재생된 촉매는 상기 촉매 재생기(30)와 상기 유동층 반응기(10)를 연결하는 배관을 통해 상기 유동층 반응기(10)로 이송되어 재사용할 수 있다.
상기 가열부(42)에서 유도 가열을 통해 상기 유동화 가스를 유도 가열하는 경우, 상기 촉매 재생기(30)에서 반응에 필요한 열량을 보충하기 위하여 촉매의 온도를 원하는 수준으로 가열하기 위한 연료 사용량을 절감할 수 있다. 구체적으로, 일반적으로 상기 유동화 가스의 온도는 촉매 재생기(30)보다 낮은 온도로 공급되는데, 이 경우, 상대적으로 온도가 낮은 유동화 가스 투입에 따른 냉각을 보완하기 위하여 연료를 연소하여 가열할 수 있으며, 이러한 과정에서 연료 사용량이 증가하여 연료의 불균일한 분배로 인한 핫스팟 증가 및 연소 구간의 온도 증가로 인해 촉매 활성 부위의 열수 작용에 의한 불활성화를 촉진하여 촉매의 성능이 저하되는 문제가 있었다. 이에 대해, 본 발명의 경우 상기 가열부(42)에서 유도 가열을 통해 가열된 유동화 가스를 촉매 재생기(30)로 투입함으로써 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 재생기(30)에서 사용된 유동화 가스는 상기 촉매 재생기(30) 내부에 설치된 별도의 장치를 이용하여 촉매와 분리되고 상기 촉매 재생기(30)에서 배출될 수 있다. 구체적으로, 상기 촉매 재생기(30) 내부에는 촉매와 유동화 가스를 분리하기 위한 가스 분리기(31)가 설치되어 있을 수 있고, 상기 가스 분리기(31)를 이용하여 분리된 유동화 가스를 폐가스 처리설비로 이송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전선 코일(42b)과 전기적으로 연결되며, 상기 전선 코일(42b)에 교류 전류를 공급하기 위한 전원(50)을 더 포함할 수 있다. 상기 전원(50)의 출력 전력은 목적하는 가열 정도에 따라서 조절될 수 있다.
상기 전원(50)을 이용하여 상기 전선 코일(42b)에 교류 전류를 공급하는 경우, 상기 전선 코일(42b)은 교류 전류를 수용하고 이에 응답하여 교류 자기장을 발생시킬 수 있다. 상기 전선 코일(42b)이 형성된 유동화 가스가 이송되는 유로(41b) 내 자성 구조물(42a)이 인가된 교류 자기장에 응답하여 유도 가열될 수 있고, 상기 자성 구조물과 유동화 가스 간 열교환을 통해 유동화 가스가 유도 가열될 수 있다. 또한, 이러한 과정에서 상기 유도 가열된 유동화 가스를 상기 촉매 재생기(30) 내 촉매가 적층된 구역으로 공급함으로써, 촉매 재생기(30) 내에서 유동화 가스에 의한 냉각 효과를 보완하기 위해 추가로 소모되는 연료 사용량을 절감하고 반응에 필요한 열량을 보충할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응에 필요한 열량을 보충하기 위하여 유도 가열과 연료를 통한 가열을 병용할 수 있다. 이를 통해, 연료 사용량을 줄일 수 있고, 이에 따라서 연료의 불균일한 분포에 따른 고온의 핫스팟 형성을 방지하고, 연료의 연소 과정에서 발생하는 물로 인해 열수 작용에 의한 불활성화를 감소시켜 촉매 성능을 높게 유지할 수 있다.
상기 전원(50)에서는 상기 전선 코일(42b)에 공급하는 교류 전류의 양을 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 촉매 재생기(30)에서 촉매의 온도를 목적하는 온도로 상승시키기 위해서는 상기 전선 코일(42b)에 공급하는 교류 전류의 양을 늘려 유도 가열을 우선적으로 이용하고, 추가적으로 연료가 필요할 시 연료 투입량을 증가시킬 수 있다. 반면, 상기 촉매 재생기(30)에서 촉매의 온도를 목적하는 온도로 맞추기 위해서 가열을 중단하고 냉각시켜야 할 때에는 연료 투입량을 먼저 제어하고, 상기 전선 코일(42b)에 공급하는 교류 전류의 양을 제어할 수 있다. 이와 같은 조작을 통해서 추가적으로 사용되는 연료의 투입량을 최소화할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 유동층 촉매 반응 시스템을 기재 및 도면에 도시하였으나, 상기의 기재 및 도면의 도시는 본 발명을 이해하기 위한 핵심적인 구성만을 기재 및 도시한 것으로, 상기 기재 및 도면에 도시한 공정 및 장치 이외에, 별도로 기재 및 도시하지 않은 공정 및 장치는 본 발명에 따른 유동층 촉매 반응 시스템을 실시하기 위해 적절히 응용되어 이용될 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
도 1에 도시된 공정 흐름도와 같이, 유동층 촉매 반응 시스템을 운전하였다.
구체적으로, 650 ℃의 온도로 운전되는 유동층 반응기(10)에 촉매로서 ZSM-5 제올라이트 분말 및 반응물을 공급하여 반응시키고, 반응 생성물 스트림을 촉매 분리기(20)로 공급하였다.
상기 촉매 분리기(20)에서 분리된 촉매는 촉매 재생기(30)로 공급하고, 상기 촉매 재생기(30)에서 유동화 가스 공급부(40)를 통해 공기(Air)를 공급시켜 촉매를 재생시켰다. 이 때, 상기 재생된 촉매 내 탄소(carbon) 함량을 0.05 중량% 이하로 제어하였으며, 이는 하기 실시예 2 내지 7에서 동일하게 제어하였다. 또한, 반응에 필요한 열량을 보충할 필요가 있는 경우 촉매가 적층된 구역에 연료로서 연료유를 투입하여 촉매 온도를 원하는 온도까지 상승시켰다. 상기 원하는 촉매 온도는 하기 실시예 2 내지 7에서도 동일하다.
상기 촉매 재생기(30)에서 재생된 촉매는 상기 유동층 반응기(10)로 재공급하였다. 또한, 상기 촉매 재생기(30)에서 사용된 유동화 가스는 상기 촉매 재생기(30) 내부의 가스 분리기(31)를 이용하여 촉매와 분리 후 폐가스 처리설비로 이송하였다.
이 때, 상기 유동화 가스 공급부(40)는 유동화 가스 이송배관(41), 가열부(42) 및 유동화 가스 분배장치(43)를 포함하고, 상기 가열부(42)에 있어서, 상기 유동화 가스 이송배관(41) 내 본체와 상기 본체 내부에 복수 개의 채널(42a-a)을 갖는 격자 구조의 자성 구조물(42a)을 설치하고, 상기 자성 구조물(42a)을 감싸도록 전선 코일(42b)을 형성하였으며, 전원(50)을 이용하여 상기 전선 코일(42b)에 교류 전류를 공급하여 상기 유동화 가스 이송배관(41)으로 이송되는 유동화 가스를 유도 가열하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서, 상기 자성 구조물(42a)의 복수 개의 채널(42a-a) 내부에 요철 구조를 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서, 상기 자성 구조물(42a)의 복수 개의 채널(42a-a) 내부에 하나 이상의 방해판(42a-c)을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서, 격자 구조의 자성 구조물(42a)이 아닌 나선 구조의 자성 구조물(42a)로서 스테틱 믹서를 설치한 것을 제외하는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
실시예 5
상기 실시예 4에서, 상기 스테틱 믹서의 엘레멘트(42a-d)에 복수 개의 방해판을 상기 유동화 가스의 진행 방향에 대하여 수직 방향으로 결합시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
실시예 6
상기 실시예 4에서, 상기 스테틱 믹서의 엘레멘트(42a-d)에 복수 개의 방해판을 상기 유동화 가스의 진행 방향에 대하여 평행한 방향으로 결합시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.
10: 유동층 반응기
20: 촉매 분리기
30: 촉매 재생기
31: 가스 분리기
40: 유동화 가스 공급부
41: 유동화 가스 이송배관
41a: 배관벽
41b: 유동화 가스가 이송되는 유로
42: 가열부
42a: 자성 구조물
42a-a: 채널
42a-b: 요철
42a-c: 방해판
42a-d: 엘레멘트
42a-e: 방해판
42b: 전선 코일
43: 유동화 가스 분배장치
50: 전원
20: 촉매 분리기
30: 촉매 재생기
31: 가스 분리기
40: 유동화 가스 공급부
41: 유동화 가스 이송배관
41a: 배관벽
41b: 유동화 가스가 이송되는 유로
42: 가열부
42a: 자성 구조물
42a-a: 채널
42a-b: 요철
42a-c: 방해판
42a-d: 엘레멘트
42a-e: 방해판
42b: 전선 코일
43: 유동화 가스 분배장치
50: 전원
Claims (12)
- 촉매의 존재 하에 반응물을 반응시키는 유동층 반응기;
상기 유동층 반응기의 배출 스트림에 포함된 촉매를 분리하는 촉매 분리기;
상기 촉매 분리기에서 분리된 촉매를 공급받아 촉매를 재생시키는 촉매 재생기; 및
상기 촉매 재생기 내부로 유동화 가스를 이송하기 위한 유동화 가스 공급부를 포함하고,
상기 유동화 가스 공급부는 유동화 가스 이송배관 및 상기 유동화 가스 이송배관에 구비된 가열부를 포함하며,
상기 가열부는 자성 구조물 및 상기 자성 구조물을 둘러싸도록 형성되는 전선 코일을 포함하는 유동층 촉매 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 유동화 가스 이송배관은 배관벽 및 상기 배관벽의 내부에 형성된 유동화 가스가 이송되는 유로를 포함하고,
상기 자성 구조물은 상기 유동화 가스가 이송되는 유로에 형성되고,
상기 전선 코일은 상기 유동화 가스가 이송되는 유로와 배관벽 사이의 영역에 형성되는 유동층 촉매 반응 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 유동화 가스가 이송되는 유로와 배관벽 사이의 영역에는 내화물층을 형성하거나 유동화 가스를 이송시키는 유동층 촉매 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 유동화 가스의 흐름 방향을 기준으로 상기 가열부 후단의 유동화 가스 이송배관은 배관벽의 내부에 형성된 내화물층을 포함하는 유동층 촉매 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 자성 구조물은 격자 구조 또는 나선 구조로 형성되는 유동층 촉매 반응 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 격자 구조의 자성 구조물은 본체 및 상기 본체 내부에 유동화 가스의 진행 방향에 대하여 평행한 방향으로 형성된 복수 개의 채널을 포함하는 유동층 촉매 반응 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 격자 구조의 자성 구조물은 상기 복수 개의 채널 내면이 요철 구조로 형성된 유동층 촉매 반응 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 격자 구조의 자성 구조물은 상기 복수 개의 채널 내부에 형성된 하나 이상의 방해판을 포함하는 유동층 촉매 반응 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 나선 구조의 자성 구조물은 본체 및 상기 본체에 나선 구조의 엘레멘트를 포함하는 유동층 촉매 반응 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 나선 구조의 엘레멘트의 표면에는 하나 이상의 방해판이 결합된 유동층 촉매 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 가열부는 유도 가열된 자성 구조물과 열교환을 통해 상기 유동화 가스를 가열하는 유동층 촉매 반응 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전선 코일로 전류를 공급하는 전원을 더 포함하는 유동층 촉매 반응 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210120922A KR20230037856A (ko) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 유동층 촉매 반응 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210120922A KR20230037856A (ko) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 유동층 촉매 반응 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230037856A true KR20230037856A (ko) | 2023-03-17 |
Family
ID=85872309
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| KR1020210120922A KR20230037856A (ko) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 유동층 촉매 반응 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR20230037856A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100017363A (ko) | 2007-04-30 | 2010-02-16 | 쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이. | 탄화수소 원료로 중질 증류 생성물 및 저급 올레핀을 산출하는 시스템 및 방법 |
-
2021
- 2021-09-10 KR KR1020210120922A patent/KR20230037856A/ko unknown
Patent Citations (1)
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