KR20240042633A - 촉매 재생 중 플랜트 시설 운영 프로세스 - Google Patents

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KR20240042633A
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로저 알렌 해리스
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Abstract

본 발명은 다음을 포함하는 플랜트 시설에서 촉매 재생을 수행하는 방법을 제공한다; 배터리 한도 내에서 작동하는 단위 면적을 갖춘 플랜트 시설을 제공하는 단계; 상기 단위 면적의 상기 배터리 한계는 공급물을 수용하도록 구성되고; 상기 공급물을 상기 배터리 한계 내로 수용하고, 복수의 반응기 트레인에서 복수의 평행한 흐름 경로를 통해 상기 플랜트 시설의 상기 단위 면적 내에서 상기 공급물을 흐르게 하는 단계; 각 원자로 트레인은 적어도 하나의 원자로를 포함하며; 및 각 반응기 트레인의 적어도 하나의 반응기는 촉매로 충전되며; 격리 단계에서 상기 복수의 평행 흐름 경로 중 전부는 아니지만 적어도 하나를 격리하여 하나 이상의 격리된 반응기 트레인과 나머지 온라인 반응기 트레인을 제공하는 단계; 재생 단계에서 적어도 하나의 격리된 반응기 트레인의 적어도 하나의 반응기에서 상기 촉매를 재생하는 단계; 상기 재생 단계 동안 상기 공급물은 나머지 온라인 반응기 트레인의 상기 평행 흐름 경로를 통해 흐르고; 여기서, 상기 배터리 한계로부터 공급되고 상기 플랜트 시설에서 처리를 위해 허용되는 상기 복수의 평행 흐름 경로를 통해 흐르는 상기 공급물의 부피는 격리 단계 전 및 격리 단계 동안 거의 일정하다.

Description

촉매 재생 중 플랜트 시설 운영 프로세스
본 발명은 플랜트 시설, 예를 들어 Fischer-Tropsch 반응기 또는 더 넓은 플랜트 내의 Fischer-Tropsch 반응기 아일랜드에서 촉매 재생을 수행하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 그러한 프로세스를 수행하는 플랜트 시설에 관한 것이다.
Fischer-Tropsch(FT) 프로세스는 일산화탄소와 수소로부터 연료를 생성하는 데 널리 사용되며 다음 방정식으로 나타낼 수 있다.
(2n + 1)H2 + nCO -> CnH2n+2 + nH2O
이 반응은 발열성이 높으며 높은 온도(일반적으로 180°C 이상, 예를 들어 200°C 이상) 및 압력(예: 10bar 이상) 조건에서, 일반적으로 코발트 기반 촉매인, Fischer-Tropsch 촉매에 의해 촉매화된다.
제품 혼합물이 얻어지며, n은 일반적으로 10~120 범위를 포함한다.
제품 혼합물 중 메탄의 비율(n = 1)과 C5 이상(n ≥ 5) 파라핀에 대한 선택성을 최대화하기 위해, 가벼운 가스(예: 메탄) 선택성을 일반적으로 85% 이상 수준으로 최소화하는 것이 바람직하다.
또한 일산화탄소의 전환율을 최대화하는 것이 바람직하다.
수소 및 일산화탄소 공급원료는 일반적으로 합성 가스 또는 합성 가스를 포함하는 가스 혼합물이다.
합성가스는 탄소질 물질을 고온, 예를 들어 약 700℃ 이상에서 가스화하여 제조할 수 있다.
탄소질 물질은 가스화되어 합성 가스를 생성할 수 있는 임의의 탄소 함유 물질을 포함할 수 있다.
탄소질 물질은 바이오매스(예: 식물 또는 동물 물질, 생분해성 폐기물 등), 식량 자원(예: 옥수수, 대두 등) 및/또는 석탄(예: 저등급 석탄)과 같은 비식량 자원 , 고급 석탄, 청정 석탄 등), 석유(예: 원유, 중유, 타르 샌드 오일, 셰일 오일 등), 고형 폐기물(예: 도시 고형 폐기물, 위험 폐기물), 파생된 폐기물 연료(RDF), 타이어, 석유 코크스, 쓰레기, 쓰레기, 바이오가스, 하수 슬러지, 동물 배설물, 농업 폐기물(예: 옥수수대, 스위치 풀, 잔디 깎기), 건설 철거 자재, 플라스틱 재료(예: 플라스틱 폐기물), 조면폐기물, 이들 중 2종 이상의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
대안적으로, 합성 가스는 천연 가스 또는 매립 가스, 또는 혐기성 소화 프로세스에 의해 생성된 가스의 개질과 같은 다른 수단에 의해 생성될 수 있다. 또한 합성 가스는 전기분해를 수소원으로 사용하는 CO2 개질(예: 소위 "전기-연료" 프로세스)을 통해 생산될 수 있다.
위와 같이 생산된 합성가스는 증기 개질을 통해 H2와 CO의 몰비를 조정(예: 증기 메탄 개질(SMR) 촉매 존재 하에서 메탄이 증기와 반응하는 증기 메탄 개질(SMR) 반응); 부분 산화; 자열 개질; 이산화탄소 개질; 또는 Fischer-Tropsch 촉매(이하 신규 합성 가스라 칭함) 공급을 위한 준비 시 이들 중 둘 이상의 조합으로 처리될 수 있다.
신선한 합성 가스 내 H2대 CO의 몰비는 바람직하게는 약 1.6:1 내지 약 2.2:1, 또는 약 1.8:1 내지 약 2.10:1, 또는 약 1.95:1 내지 약 2.05:1 범위이다.
신선한 합성 가스는 선택적으로 H2 및 CO도 포함하는 재활용된 테일 가스(예: 재활용된 FT 테일 가스)와 결합되어 반응물 혼합물을 형성할 수 있다. 테일 가스는 선택적으로 약 0.5:1 내지 약 2:1, 또는 약 0.6:1 내지 약 1.8:1, 또는 약 0.7:1 내지 약 1.2:1 범위의 H2 :CO의 몰비로 H2 및 CO를 포함할 수 있다. 결합된 FT 합성 가스 공급물(재활용된 테일가스와 결합된 신선한 합성 가스로 구성됨)은 바람직하게는 약 1.4:1 내지 약 2.1:1, 또는 약 1.7:1 내지 약 2.0 , 또는 약 1.7:1 내지 약 1.91 범위의 몰비로 H2 및 CO를 포함한다.
재활용된 테일 가스가 사용되는 경우, 반응 혼합물을 형성하는 데 사용되는 신선한 합성 가스 대 재활용된 테일 가스의 부피 비율은 예를 들어 약 1:1 내지 약 20:1, 또는 약 1:1 내지 약 10:1, 또는 약 1:1 내지 약 6:1, 또는 약 1:1 내지 약 4:1, 또는 약 3:2 내지 약 7:3, 또는 약 2:1범위 일 수 있다.
Fischer-Tropsch 반응 중에 촉매는 점진적으로 분해되어 효율성이 감소하고 허용 가능한 일산화탄소 전환율을 유지하려면 온도를 점진적으로 높여야 한다.
이러한 촉매 분해는 그 효과를 감소시키며, 활성 손실을 상쇄하고 허용 가능한 일산화탄소 전환율을 유지하려면 온도를 점진적으로 높여야 한다. 이는 Steynberg et al. "Fischer-Tropsch catalyst deactivation in commercial microchannel reactor operation" Catalysis Today 299 (2018) pp10-13.에 설명되어 있다.
결국 그 효과를 회복하기 위해서는 촉매를 재생하는 것이 필요하게 된다. 현장에서 촉매를 재생하는 것이 알려져 있다.
고정층 반응기, 슬러리 기포탑 반응기(SBCR), 마이크로구조 및 마이크로채널 반응기 (Rytter et al, "Deactivation and Regeneration of Commercial Type Fischer-Tropsch Co-Catalysts - A Mini-Review" Catalysts 2015, 5, pp 478-499 at pp 482-483).를 포함하여 Fischer-Tropsch 합성을 수행하기 위한 다양한 반응기 유형이 알려져 있다.
마이크로채널 반응기는 본 출원인으로 WO 2016/201218A에 개시되어 있으며, 이는 참고로 포함되며 유사하게 LeViness et al "Velocys Fischer-Tropsch Synthesis Technology - New Advances on State-of-the-Art" Top Catal 2014 57 pp518-525. 에 포함되어 있다. 이러한 반응기는 마이크로채널(따라서 촉매) 부피에 대한 열 교환 표면적의 비율이 높기 때문에 매우 효과적인 열 제거가 가능하다는 특별한 이점을 갖다.
마이크로구조 반응기는 예를 들어 US2018207607, US8122909, US7745667에 개시되어 있다.
출원인의 WO 2016/201218A에는 기존 또는 마이크로채널 반응기에서 중단된 합성 가스 프로세스를 재개하는 방법이 개시되어 있다. 이 프로세스에는 일정 기간 동안 반응기 트레인트레인 내부로(또는 외부로) 합성 가스의 흐름을 중단하는 단계가 포함된다.
발열 반응에서 열을 제거하는 방법, 특히 공통 냉각제 시스템을 사용하여 다중 반응 트레인에서 열을 제거하는 방법이 출원인의 US2016107962에 설명되어 있다.
상기 인용된 선행 기술에서는 재생 중에 유속 감소로 인해 플랜트 설비가 감소한다. 이는 전체 플랜트 시설 효율성의 감소를 초래한다.
그러므로 플랜트의 운영을 최대한화하고 당업계의 기존 방법과 관련하여 감동적인 재생 기간 동안 미래에 대한 영향을 제거하는 플랜트 시설에서 촉매 재생위한 개선되고 더욱 환경 친화적이고 최적화된 프로세스를 제공할 필요성이 남아있다.
과열 증기와 같은 열 교환 유체를 사용하여 현장에서 촉매를 재생하는 방법은 출원인의 동시 계류 중인 출원 WO2020249529에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 방법은 프로세스 흐름이 거의 일정하게 유지되고 감소될 필요가 없기 때문에 당업계의 통상적인 방법에 비해 더 효율적이고 비용 효과적이며 낭비를 줄인다.
이는 플랜트를 작동하기 위해 프로세스 흐름을 줄여서 플랜트 효율성을 줄이고 탄소 배출을 증가시키며 비용을 증가시켜야 하는 기존 프로세스에 비해 유리한다.
본 발명은 반응기 재생 중에 처리될 수 없는 공급원료를 연소시키거나 및/또는 턴다운 업스트림 가스화 장치 프로세스를 턴다운할 필요성을 최소화하거나 제거하기 위해 Fischer-Tropsch 아일랜드와 같은 플랜트 시설을 구성하는 것, 및/ 또는 반응기 트레인을 통해 전체 플랜트 효율을 개선하고 선행 기술의 이전 예에 비해 탄소 배출을 줄이는 것에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 촉매의 재생이 반응기(들)의 전체 생산 능력을 유해하게 방해하지 않고 프로세스가 쉽고 효율적으로 적용될 수 있는 프로세스, 및 상기 프로세스를 다양한 작동 조건에서 작동할 수 있는 플랜트 시설에 관한 것이다. .
일반적으로 촉매 재생이 필요한 반응기로 구성된 운영 시설은 일반적으로 처리할 수 없는 플레어 공급원료(예: 합성 가스)를 사용하는 동시에 업스트림 장치를 일정한 용량으로 유지한다. 그러나 공급원료의 연소는 운영 시설의 배출 프로필에 부정적인 영향을 미치고 대기 허가 위반을 초래할 수 있다.
대안적으로, 기존의 운영 시설은 촉매 재생을 촉진하기 위해 업스트림 장치의 용량을 줄여 필요할 수 있는 플레어링의 양을 줄일 수 있다.
그러나 시설의 업스트림 장치를 끄는 것은 바람직하지 않게 시설 생산 능력을 감소시키고 턴다운 시 작동하는 장치의 효율성을 손상시킨다.
예비 반응기를 설치하는 또 다른 대안은 이 옵션의 자본 집약적 특성으로 인해 거의 실행되지 않는다.
따라서 공급원료 확충 및/또는 턴다운 업스트림 장치를 방지하고 플랜트 시설이 촉매 재생 모드에 있을 때 이용 가능한 합성 가스의 전체 양을 활용하는 프로세스를 제공할 필요가 있다.
그러므로 본 발명의 목적은 촉매 재생 동안 공급원료를 플레어할 필요성 및/또는 업스트림 장치의 용량을 감소시키거나 감소시켜 배출 및 CAPEX에 대한 관련 부정적인 영향을 감소시키는 방법을 제공하는 것이다.
따라서 본 발명은 예를 들어 Fischer-Tropsch(FT) 아일랜드와 같은 플랜트 시설에서 촉매 재생을 위한 개선되고 보다 환경 친화적이며 최적화된 프로세스를 제공하는 것을 목표로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 예를 들어, 유용한 제품을 생산하는 Fischer-Tropsch 아일랜드, 예를 들어, 작동 모드와 관계없이 거의 일정한 수준으로 유지되는 합성연료, 예를 들어 정상 작동 모드와 재생 작동 모드 사이의 플랜트 시설의 구성을 최적화하는 것이다. 따라서 본 발명의 목적은 또한 그러한 시설에서 수행될 수 있는 프로세스에 관한 것이다.
본 발명의 첫 번째 측면에 따르면, 다음을 포함하는 촉매 재생 동안 플랜트 시설을 작동하는 방법이 제공된다;
배터리 한도 내에서 작동하는 단위 면적을 갖춘 플랜트 시설을 제공하는 단계;
상기 단위 면적의 배터리 한계는 공급물을 수용하도록 구성되고;
공급물을 배터리 한계 내로 수용하고, 복수의 반응기 트레인에서 복수의 평행한 흐름 경로를 통해 플랜트 시설의 단위 면적 내에서 공급물을 흐르게 하는 단계;
각 반응기 트레인은 적어도 하나의 반응기를 포함하며;
각 반응기 트레인의 적어도 하나의 반응기는 촉매로 충전되며;
격리 단계에서 복수의 평행 흐름 경로 중 전부는 아니지만 적어도 하나를 격리하여 하나 이상의 격리된 반응기 트레인과 나머지 온라인 반응기 트레인을 제공하는 단계;
재생 단계에서 적어도 하나의 격리된 반응기 트레인의 적어도 하나의 반응기에서 촉매를 재생하는 단계;
재생 단계 동안 공급물은 나머지 온라인 반응기 트레인의 평행 흐름 경로를 통해 흐르고;
여기서, 배터리 한계로부터 공급되고 플랜트 시설에서 처리를 위해 허용되는 복수의 평행 흐름 경로를 통해 흐르는 공급물의 부피는 격리 단계 전 및 격리 단계 동안 거의 일정하다.
복수의 반응기 트레인은 일부 구성으로 배열된 다수의 개별적이고 구별되는 반응기, 선택적으로 마이크로채널 또는 마이크로구조 반응기를 포함할 수 있다.
복수의 평행한 흐름 경로는 각각 단위 작동을 수행하는 복수의 모듈식 반응기를 포함하는 개별 반응기 트레인인 것으로 해석될 수 있다.
적어도 하나의 반응기는 마이크로구조 또는 마이크로채널 반응기일 수 있다.
각 반응기는 마이크로구조 또는 마이크로채널 반응기일 수 있다.
공급물은 혼합물일 수 있다.
공급물은 가스일 수 있다.
공급물은 가스 혼합물일 수 있다.
따라서 복수의 평행한 흐름 경로를 통해 흐르는 공급물은 각 반응기 트레인의 적어도 하나의 반응기를 포함하는 복수의 반응기 트레인을 통해 흐를 것이다.
공급물은 바이오매스 및/또는 도시 폐기물 또는 고형 폐기물을 가스화하고 선택적으로 후속 개질을 통해 생성될 수 있다.
바람직하게는, 공급물은 가스 혼합물이다.
매립 가스나 천연 가스와 같은 기타 공급원료는 사전 가스화 없이 직접 개질될 수 있다.
매립 가스나 천연 가스와 같은 기타 공급원료는 사전 가스화 없이 직접 개질될 수 있다.
플랜트의 운영 효율성을 최대화하고 당업계의 기존 방법과 관련된 촉매 재생 기간 동안 배출에 대한 부정적인 영향을 제거하기 위해, 발명자들은 본 발명의 다중 트레인, 모듈식 접근법이 발전소 시설, 예를 들어 반응기가 FT 반응기일 때 FT 아일랜드를 허용한다는 것을 발견했다.
따라서 본 발명의 장치는 생산을 최대화하기 위해 작업을 최적화하면서 플랜트 시설에서 촉매 재생을 수행하기 위한 보다 친환경적이고 환경 친화적인 프로세스를 제공한다.
본 발명의 접근법은 예를 들어 단일 가스화 트레인이 있는 액체 시설로의 소량 공급에 특히 도움이 될 수 있다.
일반적으로 가스화 트레인으로의 공급을 줄이는 것은 까다로우며 층 재료의 유동화 또는 층 온도의 균일성과 같은 여러 가지 복잡성을 초래할 수 있다.
발명자들은 놀랍게도 본 발명에 따른 배열, 예를 들어 다중-열 구성이 합성 가스 흡입 및 액체 연료 생산을 위한 설계 용량에 가깝게 유지하면서 프로세스 및 작동 조건의 변화하는 요구에 플랜트 시설이 효과적으로 적응할 수 있게 한다는 것을 발견했다.
이는 증가된 열 부하를 처리할 수 있는 반응기의 능력으로 인해 촉매 재생 중 합성 가스 처리 능력을 유지하는 데 필요한 변화에 대응하여 공급 비율 및 작동 온도에 대한 재순환과 같은 작동 매개변수를 조정함으로써 달성될 수 있다. .
예를 들어 트레인당 대형 및/또는 단일 반응기가 사용되는 기존 시설의 경우 이러한 접근 방식은 비실용적이거나 예비 트레인 설치와 관련된 큰 CAPEX 패널티를 수반한다.
종래의 반응기는 임의로 예를 들어 고정층 반응기, 연속 교반 탱크 반응기, 슬러리 기포탑 반응기 또는 순환 유동층 반응기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반응기는 바람직하게는 마이크로 구조 또는 마이크로채널 반응기이다.
"마이크로채널"은 10mm 이하, 바람직하게는 2mm 이하, 1μm 초과(바람직하게는 10μm 초과)의 적어도 하나의 내부 치수(벽 대 벽, 촉매제 제외)를 갖는 채널이며, 일부 실시예에서는 50 내지 500μm; 바람직하게는 마이크로채널은 적어도 10mm, 바람직하게는 적어도 200mm의 길이에 대해 이러한 치수 내에 유지된다.
일부 실시예에서는 길이가 50~1000mm 범위이고, 일부 실시예에서는 100~600mm 범위이다.
마이크로채널은 또한 적어도 하나의 출구와 구별되는 적어도 하나의 입구의 존재로 정의된다.
마이크로채널은 단순히 제올라이트나 메조다공성 물질을 통한 채널이 아니다.
마이크로채널의 길이는 마이크로채널을 통과하는 흐름의 방향에 해당한다.
마이크로채널 높이와 폭은 채널을 통한 흐름 방향에 실질적으로 수직이다.
마이크로채널이 2개의 주 표면(예: 적층 및 접착된 시트로 형성된 표면)을 갖는 적층형 장치의 경우, 높이는 주 표면에서 주 표면까지의 거리이고 폭은 높이에 수직이다.
마이크로채널은 선택적으로 직선이거나 실질적으로 직선일 수 있다. 이는 직선이 방해받지 않는 선이 마이크로채널을 통해 그려질 수 있다는 것을 의미한다("방해받지 않는"은 입자 로딩 이전을 의미함).
일반적으로 장치는 공통 머리와 공통 바닥을 공유하는 여러 마이크로채널로 구성된다.
일부 장치에는 단일 머리와 단일 바닥이 있지만; 마이크로채널 장치에는 여러 개의 머리와 여러 개의 바닥이 있을 수 있다.
마이크로채널 반응기는 적어도 하나의 치수 (벽에서 벽으로, 촉매제를 세지 않음)가 10mm 이하, 바람직하게는 2mm 이하 (일부 실시예에서는 약 1mm 이하), 100nm 초과 (바람직하게는 1μm보다 큰 것), 일부 실시예에서는 50 내지 500μm인 적어도 하나의 반응 채널의 존재하는 것을 특징으로 한다.
촉매를 포함하는 채널은 반응 채널이다. 보다 일반적으로 반응 채널은 반응이 일어나는 채널이다.
마이크로채널 장치는 촉매 함유 반응 채널이 필요하지 않다는 점을 제외하고는 유사한 특징이 있다.
높이와 폭 모두 반응기를 통과하는 반응물의 흐름 방향에 실질적으로 수직이다.
마이크로채널의 측면은 반응 채널 벽으로 정의된다.
이러한 벽은 바람직하게는 세라믹과 같은 단단한 재료, 강철과 같은 철 기반 합금, 또는 모넬과 같은 Ni-, Co- 또는 Fe 기반 초합금으로 만들어진다.
반응 채널 벽의 재료 선택은 반응기가 의도하는 반응에 따라 달라질 수 있다.
반응 챔버 벽은 선택적으로 내구성이 있고 우수한 열 전도성을 갖는 스테인레스 스틸 또는 InconelTM으로 구성될 수 있다.
전형적으로, 반응 채널 벽은 마이크로채널 장치에 대한 주요 구조적 지지를 제공하는 재료로 형성된다.
마이크로채널 장치는 공지된 방법에 의해 제조될 수 있고, 선택적으로 인터리빙된 플레이트("심"("shims)으로도 알려짐)를 적층함으로써 제조될 수 있으며, 바람직하게는 반응 채널용으로 설계된 심이 열 교환용으로 설계된 심과 인터리브되어 있다.
일부 마이크로채널 장치는 장치에 적층된 10개 이상의 층(또는 100개 이상의 층)을 포함하며, 이들 층 각각은 10개 이상의 채널(또는 100개 이상의 채널)을 포함하고; 장치에는 더 적은 수의 채널을 가진 다른 레이어가 선택적으로 포함될 수 있다.
마이크로구조 반응기는 화학 반응이 일어나는 구속 정도와 관련하여 유사하게 특성화될 수 있으며, 적어도 하나의 치수(벽에서 벽으로, 촉매제를 세지 않음)가 10mm 이하인 적어도 하나의 반응 구역의 존재를 특징으로 한다.
촉매를 포함하는 구역은 반응 구역이다.
보다 일반적으로 반응 구역은 반응이 일어나는 구역이다.
마이크로구조 장치는 촉매 함유 반응 구역이 필요하지 않다는 점을 제외하고는 유사하게 특성화된다.
따라서, "미세구조" 반응기는 최소 한 치수(촉매를 제외한 벽 대 벽)가 10mm 이하인 반응 구역에서 화학 반응이 일어나는 밀폐된 공간 반응기로 해석된다.
미세구조 반응기는 마이크로채널 반응기와 유사하게 특성화될 수 있다.
다음의 설명에서 용어 "마이크로채널 반응기" 및 "마이크로채널"은 예시 및 설명의 목적으로 사용되지만, 미세구조 반응기도 구체적으로 본 발명의 범위 내에 있다는 것이 이해되어야 한다.
따라서 본 발명은 작업 요인에 유연하게 반응하고 생산 능력에 부정적인 영향을 주지 않으면서 보다 환경적으로 유익한 방법을 제공하는 방법을 제공한다.
프로세스의 유연성으로 인해 본 발명에 따른 프로세스는 당업계의 프로세스와 비교할 때 더욱 신뢰할 수 있고 공급 비율을 최적화할 수 있다.
공급물은 임의로 수소 및 일산화탄소를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 공급물은 합성 가스이거나 합성 가스를 포함한다.
합성 가스라는 용어는 주로 수소와 일산화탄소를 포함하는 가스를 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
이산화탄소, 질소, 아르곤, 물, 메탄, 타르, 산성 가스, 고분자량 탄화수소, 오일, 휘발성 금속, 숯, 인, 할로겐화물 및 재와 같은 기타 성분도 존재할 수 있다.
존재하는 오염물질과 불순물의 농도는 프로세스 단계와 탄소질 공급원료 공급원에 따라 달라진다.
생성된 원료 합성가스에 존재하는 CH4와 같은 탄소질 물질과 N2와 같은 불활성 가스는 각 후속 단계를 통해 수행될 것으로 예상되므로 명시적으로 언급할 수 없는 것으로 이해되어야 한다.
합성 가스는 선택적으로 바이오매스 및/또는 도시 폐기물 또는 고형 폐기물을 가스화하고 선택적으로 후속 개질을 통해 생성될 수 있다.
매립 가스나 천연 가스와 같은 기타 공급원료는 사전 가스화 없이 직접 개질될 수 있다.
마이크로채널 반응기에서, 촉매는 동시 계류 중인 출원 WO2020249529에 개시된 바와 같이 현장에서 재생될 수 있다.
단위 면적은 배터리 한도 내에서 작동한다.
본 발명에 따른 배터리의 단위면적 제한은 원료를 공급받을 수 있도록 구성된다.
수령한 공급물은 다운스트림 가공을 위한 제품 가공 및 공급에 사용될 수 있다.
단위 면적은 예를 들어 Fischer-Tropsch(Fischer-Tropsch) 지역 또는 Fischer-Tropsch 아일랜드(Fischer-Tropsch Island)일 수 있다.
다운스트림 프로세스는 예를 들어 업그레이드 및/또는 저장을 위한 중질 FT 액체(HFTL) 및 경질 FT 액체(LFTL) 액체 탄화수소 제품일 수 있다.
단위 면적, 예를 들어 FT 아일랜드의 반응기 트레인의 수는 선택적으로 적어도 2개, 적어도 3개, 적어도 4개, 또는 적어도 5개일 수 있다.
한 실시예에서는 단위 영역에 두 개의 반응기 트레인이 있다.
대안적인 실시예에서는 단위 면적에 3개의 반응기 트레인이 있다.
각 반응기 트레인의 반응기, 예를 들어 마이크로채널 반응기의 수는 선택적으로 적어도 1개, 적어도 2개, 적어도 3개, 적어도 4개, 또는 적어도 5개일 수 있다.
일 실시예에서, 각 반응기 트레인에는 2개의 반응기가 있다.
다른 실시예에서는 각 반응기 트레인에 3개의 반응기가 있다.
단위 면적 내 각 반응기 트레인에 존재하는 반응기의 수는 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.
본 발명에 따른 반응기 트레인이라는 용어는 평행한 반응기 세트, 예를 들어 평행한 마이크로채널 반응기인 것으로 해석될 수 있다.
합리적인 자본 투자로 전체 생산을 극대화할 수 있도록 반응기 크기 및 구성은 공급물 처리를 위해 선택할 총 반응기 수(반응기 트레인 수 x 각 트레인의 마이크로채널 반응기 수)에 따라 맞춤화된다.
본 발명의 접근법에 따르면, 반응기 트레인(각각 최소 1개의 반응기를 포함)의 수를 2개 이상으로 늘리면 가용성과 단위 면적(예: FT 면적)의 능력이 증가하여 모든 이용 가능한 합성가스를 항상 처리할 수 있고, 따라서 시설의 생산량이 증가한다.
반면, 반응기 트레인의 수가 많을수록 더 많은 수의 (더 작은 크기) 장비가 필요하다는 점에서 비용이 증가하지만 활용도가 더 높은 재생 장비와 관련된 비용은 감소한다.
플랜트 시설 내 단위 면적에서 처리할 공급물의 양에 따라 최적의 반응기 트레인 수와 반응기 트레인당 반응기 수가 있어 공급물의 최대 흡수를 보장하고 최적화된 제품 수율을 보장한다.
복수의 반응기 트레인에 설치된 반응기(각 반응기 트레인에 적어도 하나로 배치됨)는 고도의 발열 및/또는 고도의 흡열 반응, 예를 들어 Fischer-Tropsch 합성 및 메탄올 합성에 적합할 수 있다.
일 실시예에서, 반응기, 예를 들어 마이크로채널 반응기(반응기 트레인에 적어도 하나로 배치됨)는 적어도 하나의 Fischer-Tropsch 반응기일 수 있다.
Fischer-Tropsch 반응기는 Fischer-Tropsch 마이크로채널 반응기일 수 있다.
평행 흐름 경로는 하나 이상의 Fisher-Tropsch 반응기의 여러 채널을 통해 흐를 수 있다.
플랜트 시설은 XTL(액체 공급) 시설일 수 있다.
XTL 시설은 예를 들어 폐기물을 액체로 변환하는 시설, 바이오매스를 액체로 변환하는 시설, 가스를 액체로 변환하는 시설 및/또는 전기를 연료로 변환하는 시설일 수 있다.
단위면적은 합성단위로 해석될 수 있다.
단위 면적은 Fischer-Tropsch(Fischer-Tropsch) 지역, Fischer-Tropsch 아일랜드(Fischer-Tropsch Island) 등이 될 수 있다.
예를 들어 Fischer-Tropsch 지역이나 Fischer-Tropsch Island는 합성 가스를 흡수하고 탄화수소 제품을 제공할 수 있다.
Fischer-Tropsch 합성에 관한 실시예에 따르면, 공급물(예를 들어, 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성 가스)은 Fischer-Tropsch 반응기, 바람직하게는 Fischer-Tropsch 마이크로채널 반응기로 공급된다.
Fischer-Tropsch 반응기는 공급물의 일산화탄소 및 수소의 적어도 일부를 주로 선형 탄화수소로 변환할 수 있다.
합성 가스를 액체 탄화수소로 변환하는 과정에는 촉매가 사용된다.
사슬 길이 분포는 사용된 촉매의 특성과 작동 조건에 따라 달라진다.
Fischer-Tropsch 반응은 발열성이 매우 높으며 반응 온도를 거의 일정하게 유지하려면 제거해야 하는 열을 방출한다.
촉매층의 국부적인 고온은 FT 촉매와 제품 제조에 부정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
따라서 최적의 균일한 온도를 유지하기 위해서는 열을 효율적으로 전달해야 하며, 이를 통해 가장 높은 촉매 활성과 가장 긴 촉매 수명을 달성할 수 있다.
온도를 설정할 수 있는 한 가지 방법은 순환 냉각수와 함께 사용되는 FT 반응기와 관련된 증기 드럼의 압력을 변경하는 것이다.
순환하는 냉각수는 반응 중에 발생하는 열로 인한 온도 상승을 제어하는 데 도움이 된다.
Fischer-Tropsch 아일랜드(FT 아일랜드)은 FT 반응기의 한 형태로, 반응기에는 동일한 공통 공급원료 저장소로부터 공급되는 여러 개의 서로 다른 반응기 트레인이 있으며, 각 반응기 트레인은 하나 이상의 마이크로채널 반응기로 구성된다.
FT 합성을 위한 작동 온도는 약 125 내지 350℃, 약 150 내지 300℃, 약 170 내지 250℃, 약 180 내지 240℃일 수 있다.
저온 FT 기술의 경우 작동 온도는 약 180~240°C 사이인 것이 바람직하다.
FT 합성에서 얻을 수 있는 생성물, 예를 들어 상기 탄화수소에는 중질 FT 액체(HFTL), 경질 FT 액체(LFTL), FT 프로세스수, 나프타 및 비응축 경질뿐만 아니라 비활성 탄화수소와 비응축 경질 탄화수소(일반적으로 C1~C4)로 구성된 테일 가스가 포함될 수 있다.
C1~C4 범위의 경질 탄화수소로 구성된 테일 가스의 일부는 재활용될 수 있다.
각 반응기 트레인의 적어도 하나의 반응기는 촉매를 포함한다.
적어도 하나의 반응기는 촉매로 충전된다.
각각의 반응기는 촉매를 포함할 수 있다.
촉매는 예를 들어 금속 또는 지지체와 혼합된 금속 촉매일 수 있다.
바람직하게는 촉매는 금속계 촉매, 예를 들어 코발트 또는 철 함유 촉매와 같은 Fischer-Tropsch(Fischer-Tropsch) 촉매이다.
Fischer-Tropsch 촉매는 프로세스 마이크로채널 내에 맞는 임의의 크기와 기하학적 구성을 가질 수 있다.
바람직하게는 촉매는 다공성 지지체 상에 배치된다.
지지체는 예를 들어 실리카 및/또는 티타니아로 만들어질 수 있다.
촉매는 선택적으로 중앙 입자 직경이 약 1 내지 약 1000 μm(미크론), 또는 약 10 내지 약 750μm, 또는 약 25 내지 약 500μm인 미립자 고체(예를 들어, 펠렛, 분말, 아일랜드유 등)의 형태일 수 있다.
중앙 입자 직경은 임의로 50 내지 약 500 μm, 또는 약 100 내지 약 500 μm, 또는 약 125 내지 약 400 μm, 또는 약 170 내지 약 300 μm 범위일 수 있다.
결국, 그 효과를 회복하기 위해서는 촉매를 재생하는 것이 필요하게 될 것이다.
한 실시예에서, 촉매는 미립자 고체의 고정층 형태일 수 있다.
촉매 재생 동안, 본 발명의 방법은 격리 단계에서 재생에 필요한 촉매를 포함하는 반응기를 포함하는 반응기 트레인을 시설의 나머지 부분으로부터 격리한다.
결과적으로, 다수의 반응기를 포함하는 적어도 하나의 반응기 트레인은 촉매 재생 중에 고립되거나 "오프라인"이 된다.
적어도 하나의 격리된 반응기 트레인은 선택적으로 약 3일 내지 약 14일, 또는 약 4일 내지 약 12일, 또는 약 5일 내지 약 10일의 기간 동안 오프라인 상태일 수 있다.
적어도 하나의 격리된 반응기 트레인은 선택적으로 약 7일 동안 오프라인 상태일 수 있다.
촉매 재생에는 며칠이 걸릴 수 있으므로 해당 마이크로채널 반응기가 장기간 오프라인 상태이므로 제품 수율 감소를 최소화하기 위해 플랜트 시설이 전체 또는 거의 전체 용량으로 작동할 수 있어야 한다. .
따라서 적어도 하나의 격리된 마이크로채널 반응기는 예를 들어 동시 계류 중인 출원 WO2020249529에 개시된 바와 같이 현장에서 촉매의 재생을 겪을 수 있다.
본 발명에 따른 플랜트 시설의 모듈식 특성은 유리하게도 기존 플랜트 시설에 비해 촉매 재생을 위한 우수한 구성을 제공한다.
모듈형 특성은 반응기 트레인을 촉매 재생이 필요한 반응기와 격리하는 동시에 나머지 온라인 반응기 트레인은 크게 영향을 받지 않고 작동 조건의 조정을 통해 추가 처리 부담을 차지할 수 있는 가능성을 갖는 본 발명의 시설 가용성을 제공하고, 이를 통해 전체 프로세스의 유연성과 신뢰성이 향상된다.
기존 반응기는 모듈형 특성이 없으며 기존 시설을 모듈화하는 것은 복잡한다.
따라서 각 반응기 트레인의 격리로 인해 합성 가스 전환율이 선형적으로 감소하거나 업스트림 합성가스 생산이 선형적으로 감소하여 전체 생산 능력이 감소할 것으로 예상된다.
예를 들어, 정상 작동 시 2개의 반응기 트레인이 온라인 상태인 경우 촉매 재생 중에는 온라인 상태인 반응기 트레인이 하나만 남게 된다.
결과적으로, 당업자는 결과적인 생산 능력 및 합성 가스 전환이 50% 용량으로 감소할 것으로 예상할 것이다.
추가의 비제한적인 예로서, 정상 작동 시 4개의 반응기 트레인이 온라인인 경우, 일반적으로 촉매 재생 중에는 3개의 반응기 트레인만이 온라인 상태이다.
이러한 상황에서 숙련된 기술자는 생산 능력/합성 가스 변환의 4분의 1(25%) 손실을 예상할 수 있다.
이러한 생산 용량 손실을 보상하기 위해 기존 시설은 재생 중에만 배치되는 별도의 전체 반응기 트레인을 포함할 수 있으며, 이는 매우 비용이 많이 들거나 작동 조건의 변화를 수용하고 들어오는 가스 혼합물 공급물을 처리하기 위해 시스템을 정지한다.
본 발명자들은 놀랍게도 마이크로채널 및/또는 다중-열 접근법의 사용이 시설의 전체 생산 능력에 영향을 주지 않고 촉매의 재생을 가능하게 하는 프로세스를 제공하고, 운영조건 변화에 따른 외부 운영설비의 설치가 필요 없는 프로세스를 제공한다는 것을 발견했다.
복수의 평행 흐름 경로 중 적어도 하나를 격리함으로써 적어도 하나의 반응기 트레인을 격리하면 상기 격리된 평행 흐름 경로를 통한 공급물의 흐름이 제한된다.
결과적으로, 상기 유동 경로를 통해 유동했을 공급물은 이미 상기 경로를 통해 유동하고 있었을 공급물에 더하여, 대신 나머지 격리되지 않은 유동 경로를 통해 유동한다.
따라서 격리 단계 전과 격리 단계 동안 복수의 평행한 유동 경로를 통해 흐르는 공급물은 대략 일정한다.
공급물은 업스트림 공급 가스 생산 유닛으로부터 수용될 수 있다.
업스트림 공급 가스 생산 유닛은 예를 들어 가스화 유닛일 수 있다.
격리 단계 전 및 격리 단계 동안 대략 일정한 공급물은 온라인에 있는 반응기 트레인 및 반응기, 선택적으로 마이크로채널 반응기의 수와 무관할 수 있다.
"거의 일정한"이라는 용어는 격리 단계 전 및 격리 단계 동안 복수의 평행한 흐름 경로를 통해 흐르는 공급물의 부피(업스트림 공급 가스 생산 장치로부터 수용됨)가 10% 이상 변하지 않는다는 것을 의미하며, 바람직하게는 7% 이하, 더욱 바람직하게는 5% 이하이다.
서로 다른 작동 모드 사이의 공급물(업스트림 공급 가스 생산 장치로부터 받은)이 거의 일정하기 때문에 작동 모드와 관계없이 생산량이 거의 일정한 수준으로 유지될 수 있다.
"일정한 수준"이라는 용어는 일반 모드와 재생 모드 간의 생산량 차이가 10% 미만, 7% 미만, 5% 미만인 것으로 해석된다.
따라서 본 발명에 따른 방법은 예를 들어 정상 작동 및 촉매 재생 중에 항상 플랜트 시설의 처리 용량의 최대 활용을 보장한다.
따라서 이 프로세스는 전반적인 플랜트 효율성을 향상시키고 공급원료를 유용한 제품으로 전환하는 것을 최대화하여 배출을 줄이고 지출을 낮춘다.
배열의 하나의 트레인에 예상치 못한 기계적 문제가 있는 경우, 본 발명에 따른 접근 방식은 유리하게도 모든 이용 가능한 공급원료 또는 공급 재료를 계속 처리할 수 있는 유연성을 허용하여 플랜트 시설을 보다 안정적으로 만든다.
본 발명의 프로세스는 가스화 동안 공급원료 또는 업스트림 장치의 용량을 소각할 필요성을 제거하거나 감소시키는 것으로 밝혀졌다.
원하는 촉매 재생 프로세스는 기존에 사용되는 플레어링이나 턴다운을 요구하지 않고 달성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 프로세스는 공급원료의 플레어링 및/또는 업스트림 유닛의 턴다운을 포함하지 않을 수 있다.
"업스트림 장치"라는 용어는 발전소 시설에서 FT 반응기(FT Island) 앞에 있는 장치를 의미한다.
이러한 업스트림 장치에는 예를 들어 가스화 아일랜드, 수성 가스 전환 반응기, 그리고 합성 가스가 유용한 생성물로 변환되는 촉매 함유 프로세스 채널에 들어가기 전에 합성 가스를 준비하고 정화하는 데 사용되는 기타 장치가 포함될 수 있다.
기존 프로세스에서는 하나 이상의 반응 트레인이 사용되지 않고 프로세스 용량이 저하되는 촉매 재생 단계 동안 촉매를 포함하는 프로세스 채널에 제공되는 합성 가스의 양을 줄이는 것이 때때로 필요하다.
이는 다음 중 하나를 통해 달성할 수 있다; 과잉 공급원료 가스가 시스템으로부터 방출되어 연소되는 플레어링 공급원료, 또는 업스트림 유닛을 감소시킴으로써 합성 가스를 생산하는 유닛,
예를 들어, 가스화 아일랜드는 프로세스 채널에 제공되는 공급원료 가스의 양을 중단하거나 줄이기 위해 효과적으로 꺼진다.
이들 프로세스 중 어느 것도 환경친화적이지 않으며 플랜트 효율성을 크게 떨어뜨리는 원인이 된다.
따라서 본 발명에 따른 방법은 당해 분야의 통상적인 방법에 비해 경제적 이점을 제공한다.
예를 들어, 공급물, 선택적으로 가스 혼합물(예를 들어, 합성가스), 턴다운이 필요한 기존 시설과 비교하여 촉매 재생 중 가용성에 따라 공급물에 대한 재활용 비율 및 작동 온도와 같은 작동 매개변수의 조정을 통해 생산이 유지되고, 이로 인해 생산 손실이 발생한다.
격리 단계 전 및 격리 단계 동안 복수의 평행 유로를 통해 흐르는 공급물(업스트림 공급 가스 생산 장치로부터 수용)의 부피가 거의 일정하므로, 단위 면적 장치를 손상시키거나 위험한 폭주 반응을 일으키지 않고 단위 면적이 잉여 공급물(유동 경로의 고립으로 인해 발생)을 처리할 수 있는 것이 중요하다.
이는 반응기에서 높은 발열 반응이 일어나는 경우 특히 중요하다.
예를 들어, 모듈식 반응기가 Fischer-Tropsch 반응기인 경우, 바람직하게는 Fischer-Tropsch 마이크로채널 반응기이고, 공급물은 합성 가스이고, 촉매 재생 중에 나머지 온라인 반응기를 통해 흐르는 데 사용할 수 있는 합성 가스의 과잉은 단위 면적에서 변환된 공급물이 끊임없이 유지됨에 따라 반응기에서 열 방출을 증가시킨다.
반응기 트레인당(따라서 마이크로채널 반응기당) 합성 가스 공급량의 증가와 그에 따른 열 부하의 증가를 처리할 수 있는 능력은 본 발명의 프로세스에서 마이크로채널 반응기를 구현하는 데 기인한다.
마이크로채널 반응기는 기존 반응기에 비해 열 및 물질 전달 능력이 향상되었다.
따라서, 본 발명에 따른 마이크로채널의 사용은 제어되지 않은 발열 반응, 열 폭주 반응 및 바람직하지 않은 높은 메탄 생성의 위험을 최소화한다.
가스 스트림의 온도는 선택적으로 반응기, 바람직하게는 마이크로채널 반응기의 열 교환 채널을 통해 흐르는 열 교환 유체에 의해 제어될 수 있다.
바람직하게는, 열 교환 유체는 순환하는 냉각수이다.
예를 들어 종래의 관형 반응기를 사용하여 종래의 시설을 작동할 때, 당업자는 이러한 구성이 증가된 열 부하(촉매 재생 중에 처리되는 추가 공급 가스로부터의 열 발생 증가로 인한)를 처리할 수 있을 것이라고 기대하지 않을 것이다.
대신, 기존 시설에서는 비효율적인 열 제거로 인한 온도 상승으로 인해 제어할 수 없는 폭주 반응이 발생할 가능성이 있기 때문에 합성 가스 전환율의 증가와 열 방출의 증가는 위험한 것으로 간주된다.
따라서, 종래의 반응기는 본 발명의 방법에서 제안된 작동 조건의 변화를 안전하게 수용할 수 없을 것이다.
기존 시설에서 이 문제에 대한 한 가지 접근 방식은 열이 제거되는 속도가 열이 생성되는 속도와 적절한 속도를 유지할 수 있도록 체적 생산성을 제한하는 것이었다.
이것이 당업계에서 일반적으로 사용되는 기존의 고정층 반응기의 원리이다.
또한, 촉매 재생 중 조건 변화를 수용하기 위해 이러한 기존 반응기는 일반적으로 공급원료의 연소, 업스트림 가스화 시스템의 턴다운 또는 전체 별도 트레인의 설치를 포함하는데, 이 모든 작업은 비용이 많이 들고 바람직하지 않다.
대안적으로, 마이크로채널 반응기와 같이 열을 보다 효과적으로 제거할 수 있는 반응기 설계를 사용함으로써, 국부적인 반응 온도를 프로세스 목표치의 수 도 이내로 유지하면서 부피 생산성을 높이는 것이 가능하다. 이는 경제적 목표를 달성할 수 있을 만큼 충분히 높은 생산 속도를 갖춘 설치된 반응기의 하위 집합을 활용하는 유연성을 허용하다.
본 발명의 발명자들은 이러한 프로세스 및 구성이 촉매 재생 중에 동적 유연성을 제공한다는 것을 발견했다.
따라서 본 발명에 따른 방법은 내부 재활용 여부에 관계없이 처리의 유연성으로 모든 이용 가능하고/하거나 생산된 합성 가스를 수용할 수 있는 능력을 갖는다. 따라서 본 발명의 프로세스는 촉매 재생 프로세스에서 신선한 합성가스 처리 부하가 변동하기 때문에 내부 재순환(즉, 테일가스 재순환)과 내부 재순환 없음 사이의 전이 동역학을 처리하는 능력을 갖는다.
본 발명의 모듈식 접근법은 마이크로채널 반응기의 개별 모듈이 촉매의 재생을 요구할 때 반응기 트레인(각각은 촉매를 포함하는 적어도 하나의 반응기를 포함함)의 격리로 인한 가동 중지 시간을 최소화하는 데 도움이 된다. 대조적으로, 기존의 고정층 시스템은 반응기의 변경 또는 수리를 수용하기 위해 전체 예비 별도 트레인이나 시스템을 종료하거나 턴다운해야 한다.
결과적으로, 예상되거나 (예를 들어, 촉매 재생) 예상치 못한 (예를 들어, 시설 견학 등) 작동 중단이 발생하는 경우, 본 발명에 따른 방법은 연속 작동을 허용하므로 예상되거나 예상치 못한 중단으로 인해 해로운 영향을 받지 않을 수 있다.
바람직하게는, 프로세스는 어떤 성질의 공급물(예를 들어 합성 가스)이 복수의 평행한 흐름 경로를 통해 플랜트 시설(예를 들어 Fischer-Tropsch 아일랜드)에 연속적으로 공급되는 연속 프로세스다.
촉매의 재생이 완료된 후, 본 발명에 따른 프로세스는 이전에 격리된 흐름 경로를 통해 공급물의 흐름을 재개하도록 효율적이고 유연하게 조정된다. 격리된 반응기 트레인은 발전소 시설에 다시 통합될 수 있다.
의심의 여지를 없애기 위해, 촉매 재생을 수행하는 프로세스와 관련된 모든 특징은 적절한 경우 촉매 재생을 수행하는 플랜트 시설에 선택적으로 적용될 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
신선한 합성 가스는 업스트림 가스화 아일랜드(특정 신선한 합성 가스 비율에 대한 예 참조)에서 얻어졌으며 각각이 하나 이상의 마이크로채널 반응기로 구성된 복수의 반응기 트레인을 포함하는 Fischer-Tropsch 지역에 공급되었다.
사용 가능한 합성가스의 처리 능력과 시설의 전체 생산량에 미치는 영향을 평가하기 위해 설치된 마이크로채널 반응기의 여러 구성을 고려했다.
실시예 1과 표 1은 반응기 트레인당 1개의 마이크로채널 반응기 설치를 고려하고 정상 작동과 설치된 트레인 중 1대가 재생(재생 모드) 상태인 경우 사이의 전체 시설 생산에 미치는 영향을 보여준다.
실시예 2와 표 2는 반응기 트레인당 2개의 마이크로채널 반응기 설치를 고려하고 정상 작동과 설치된 트레인 중 1대가 재생(재생 모드) 상태인 경우 사이의 전체 시설 생산에 미치는 영향을 보여준다.
실시예 2와 표 3은 반응기 트레인당 3개의 마이크로채널 반응기를 설치하는 옵션에 대한 유사한 평가를 제공하다.
표 1 내지 3에 나타난 최대 트레인수로 표현된 구성에 대한 시설 구성은 각각 도 1 내지 3에 나타나 있다.
이러한 예에서 Train 2는 재생성 중에 단일 격리된 트레인으로 묘사되는 반면, 다른 트레인은 재생성 중에 대신(또는 마찬가지로) 격리될 수 있고; 반응기 트레인의 수, 트레인당 반응기의 수, 재생 중에 격리되는 반응기 및/또는 반응기 트레인의 위치 및/또는 양의 구성은 본 발명에 따라 달라질 수 있다.
실시예 2에서 가정된 합성가스 공급량은 실시예 1 공급량의 약 5배이다. 따라서, 이러한 공급 가스 양의 증가를 처리하기 위해 추가적인 반응기 및/또는 반응기 트레인이 필요할 것이라는 점은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서 예 2의 표 2와 표 3에는 불균형적으로 적은 수의 반응기 트레인(예: 2개의 반응기 포함)을 갖춘 구성이 제시되어 있지 않는다.
표 1 내지 3에 보고된 데이터의 목적에 따라 각 반응기 트레인을 60일마다 정기적으로 재생하는 것은 예를 들어 반응성 질소종 및 비반응성 탄소 축적 및 온화한 산화와 같은 정상적인 비활성화 메커니즘으로 인한 가역적 중독의 영향을 역전시키는 것으로 간주된다. 보고된 생산량은 2년 동안 반응기 트레인의 평균 작동 온도를 기준으로 하다.
촉매 재생 동안 1개의 반응기 트레인(촉매 재생이 일어나는 곳)의 모든 마이크로채널 반응기는 7일 동안 오프라인 상태로 전환되는 것으로 가정된다.
재생 중에 촉매는 왁스 제거, 산화 및 환원 단계(WROR)로 구성된 재생 프로세스를 거치며 각 단계에서 반응기 내 촉매층의 가열 및 냉각이 필요하다.
재생을 준비하기 위해 온도를 약 170°C로 낮추어 오프라인 반응기에서 합성 가스를 정지한 다음 합성 가스를 차단하여 격리된 반응기 트레인을 만든다. 재생 예정인 반응기 트레인이 성공적으로 격리되면 재생 준비가 된 것이다. 격리된 반응기 트레인은 가열을 시작하기 전에 왁스 제거 단계를 위한 환경을 구축하기 위해 수소로 퍼지된다. 필요한 고온 유지가 완료되면 반응기 트레인은 산화 단계에 적합한 전이 온도로 냉각된다. 산화 단계에서는 트레인의 반응기가 질소로 퍼지되고 목표 산소 수준이 점차적으로 설정되고 가열이 시작된다. 필요한 고온 유지가 완료되면 반응기 트레인은 환원 단계에 적합한 전이 온도로 냉각된다. 환원 단계에서는 트레인의 반응기가 질소로 퍼지되고 목표 수소 환경이 설정되고 가열이 시작된다. 필요한 고온 유지가 완료되면 반응기 트레인은 합성가스 재도입 단계를 위한 적절한 전이 온도로 냉각된다.
재생 단계가 완료되면 합성 가스의 흐름이 다시 시작되고 격리된 반응기 트레인이 플랜트 시설에 다시 통합된다.
실시예 전반에 걸쳐 사용된 용어 "턴다운"은 이론적으로 예상되는 턴다운, 예를 들어 당업자가 종래의 반응기에 대해 기대할 수 있는 결과로 해석되어야 한다.
실시예 전반에 걸쳐 사용된 용어 "실제"는 본 발명에 따른 프로세스 및/또는 플랜트 시설이 사용될 때 촉매 재생 모드(한 개의 반응기 트레인이 오프라인인 경우)와 정상 작동 모드 사이의 실제 생산량 차이로 해석되어야 하다.
재생 중 생산 델타라는 용어는 정상 작동 시 생산 수준의 차이와 하나의 트레인이 정상 작동 시 생산 수준과 비교하여 재생 중일 때 추정되는 생산 손실의 척도로 해석된다.
실시예 1
신선한 합성 가스(H2:CO 몰비가 2.00이고 불활성 물질이 약 8mol%임)는 업스트림 가스화 아일랜드에서 460kmol/hr의 속도로 얻어졌으며 각각 하나 이상의 마이크로채널 반응기로 구성된 복수의 반응기 트레인을 포함하는 Fischer-Tropsch 지역에 공급되었다. 나머지 과정은 위에서 설명한 바와 같다.
표 1은 사용 가능한 합성가스 공급물을 처리하기 위해 단위 면적에 1~4개의 반응기 트레인(각각 1개의 마이크로채널 반응기 포함)을 설치한 결과를 보여준다. 1개의 마이크로채널 반응기 중 1개의 반응기 트레인의 경우를 제외한 모든 경우에, 단위 면적은 정상 작동 모드와 재생 모드 모두에서 이용 가능한 신선한 합성가스 공급량을 100% 수용할 수 있다.
표 1 - 구성 1: 반응기 트레인당 하나의 마이크로채널 Fischer-Tropsch 반응기
재생을 위해 1개의 반응기 트레인이 오프라인 상태가 될 때 1개의 마이크로채널 반응기 중 1개의 반응기 트레인만 있는 경우 합성 가스를 수용할 수 있는 사용 가능한 반응기 트레인이 없다. 결과적으로 업스트림 장치를 폐쇄하거나 가스의 100%를 연소시켜야 한다. 따라서 1개의 마이크로채널 반응기 중 하나의 반응기 트레인의 경우는 본 발명의 실시예가 아니다.
각각 1개의 마이크로채널 반응기로 구성된 2개의 반응기 트레인의 경우, 1개의 반응기 트레인이 재생을 위해 오프라인 상태가 되면 기존 시설의 예상 감소율은 1/2 또는 50%이다. 고정층 반응기 또는 슬러리 기포탑 반응기와 같은 기존 시설에서 촉매 재생은 일반적으로 이용 가능한 합성 가스의 흡입을 줄이기 위해 업스트림 장치의 턴다운을 포함한다. 이는 추가된 반응 열 부하로 인해 발생할 수 있는 온도 상승을 제어하고 잠재적으로 불안정한 작동과 불량한 제품 선택성을 초래할 수 있는 온도 상승을 제어하기 위해 기존 시설에 필요하다. 유리하게도, 본 발명에 따른 반응기 구성의 모듈식 특성은 업스트림 장치로부터 이용 가능한 합성 가스의 활용을 최대화하도록 설계의 유연성을 허용한다. 따라서, 본 발명의 접근방식을 사용할 때, 이용 가능한 추가 사료는 나머지 1개(설치된 2개 중) 트레인에 의해 온라인으로 수용되며(마이크로채널 반응기의 향상된 열 제거 용량으로 인해), 실제 생산량 감소는 약 25%에 불과한 것으로 확인된다.
더욱이, 3번째 트레인이 추가됨에 따라, 턴다운 예상과 비교하여 본 발명에 따른 접근법을 사용하여 증가된 생산 수준을 유지할 수 있는 능력으로 인해 재생 중 생산 델타는 약 2%로 감소한다. 네 번째 트레인을 추가하면 재생 중 생산 델타가 1% 미만으로 감소하지만 시간 평균 생산이 미미하게 향상되어 필요한 투자 가치가 감소한다. 실제로는 작동 모드에 관계없이 생산을 일정한 수준 또는 거의 일정한 수준으로 유지하는 것이 가능하지만(예: 재생 중 생산 델타 1% 미만), 사용 가능한 합성가스를 100% 처리하는 능력에 따라 10% 미만 또는 5% 미만의 생산 차이는 허용될 수 있다.
실시예 2
2236kmol/hr의 속도로 업스트림 가스화 아일랜드에서 얻은 신선한 합성 가스(H2:CO 몰비가 2.00이고 불활성 물질이 약 8mol%임)는 각각 복수의 마이크로채널 반응기로 구성된 복수의 반응기 트레인을 포함하는 Fischer-Tropsch 지역에 공급되었다. 나머지 과정은 위에서 설명한 바와 같다.
표 2는 상기 양의 합성가스 공급물을 처리하는 동안 3 내지 6개의 반응기 트레인(각각 2개의 마이크로채널 반응기 포함)을 설치한 결과를 보여준다. 3개 이상의 설치된 반응기 트레인(각각 2개의 마이크로채널 반응기 포함) 배열은 정상 작동 및 재생 모드 동안 사용 가능한 신선한 합성가스 부하를 100% 수용할 수 있다.
표 3은 표 2에 예시된 것과 동일한 양의 합성가스 공급물을 처리하면서 3 내지 5개의 반응기 트레인(각각 3개의 마이크로채널 반응기 포함)을 설치한 결과를 보여준다. 이 경우에도 3개 이상의 설치된 반응기 트레인(각각 3개의 마이크로채널 반응기 포함) 배열은 정상 작동 및 재생 모드에서 사용 가능한 신선한 합성가스 부하를 100% 수용할 수 있다. 각 반응기 트레인에 추가 마이크로채널 반응기를 포함하면(트레인당 2개의 반응기가 설치된 표 2에 표시된 경우와 비교하여) 표 3에 표시된 것처럼 재생 중 생산 델타가 감소하다.
각각 2개의 마이크로채널 반응기로 구성된 4개의 반응기 트레인의 경우, 1개의 반응기 트레인이 재생을 위해 오프라인 상태가 되면 기존 시설의 예상 감소율은 1/4 또는 25%이다. 고정층 반응기 또는 슬러리 기포탑 반응기와 같은 기존 시설에서 촉매 재생은 일반적으로 이용 가능한 합성 가스의 흡입을 줄이기 위해 업스트림 장치의 턴다운을 포함한다. 이는 추가된 반응 열 부하로 인해 발생할 수 있는 온도 상승을 제어하고 잠재적으로 불안정한 작동과 불량한 제품 선택성을 초래할 수 있는 온도 상승을 제어하기 위해 기존 시설에 필요하다. 유리하게도, 본 발명에 따른 반응기 구성의 모듈식 특성은 업스트림 장치로부터 이용 가능한 합성 가스의 활용을 최대화하도록 설계의 유연성을 허용한다. 따라서, 본 발명의 접근법을 사용할 때, 이용 가능한 추가 피드는 나머지 3개(설치된 4개 중) 트레인에 의해 온라인으로 수용되며(마이크로채널 반응기의 향상된 열 제거 용량으로 인해), 실제 생산량 감소는 ~7%에 불과한 것으로 확인된다.
더욱이, 반응기 트레인의 수가 증가함에 따라, 턴다운 예상과 비교하여 본 발명에 따른 접근법을 사용하여 증가된 생산 수준을 유지할 수 있는 능력으로 인해 재생 중 생산 델타가 감소한다.
작동 모드에 관계없이 생산량을 거의 일정한 수준으로 유지하는 것이 가능하지만(예를 들어 재생성 중 생산 델타가 1% 미만), 실제로는 이용 가능한 합성가스를 100% 처리하는 능력에 따라 10% 미만 또는 5% 미만의 생산량 차이가 허용될 수 있다.
표 2 - 구성 2: 반응기 트레인당 2개의 마이크로채널 Fischer-Tropsch 반응기
표 3 - 구성 3: 반응기 트레인당 3개의 마이크로채널 Fischer-Tropsch 반응기
표 2와 3을 비교할 때 볼 수 있듯이 재생 중 생산 델타(즉, 정상 작동 모드와 재생 작동 모드 사이의 생산 차이)는 반응기 트레인당 마이크로채널 반응기의 수가 증가함에 따라 더 빠르게 감소한다. 추가적으로, 반응기 트레인의 수가 증가함에 따라, 본 발명에 따른 배열로 증가된 생산 수준을 유지할 수 있는 능력으로 인해 재생 중 생산 델타가 감소한다. 이는 도 4에 예시되어 있다.
재생 프로세스의 기간이 길고 빈도가 높을수록 본 발명에 따른 프로세스의 이점은 더욱 관련성이 높다. 일반적으로 촉매가 비활성화되면 전환율을 유지하기 위해 반응기 작동 온도가 증가한다. 작동 온도가 높아지면 유리한 제품이 감소한다. 재생은 촉매의 활성을 향상시키고 비활성화의 영향을 역전시킬 수 있으므로 촉매를 더 높은 활성 상태로 유지하여 유리한 생성물의 생산을 최대화하려면 높은 재생 빈도가 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 촉매 상태와 관계없이 목표 속도로 생산을 유지하는 능력은 시설에서 제품의 가치를 극대화하는 데 유익하다.

Claims (17)

  1. 촉매 재생 동안 플랜트 시설을 작동하는 방법으로서, 다음을 포함하는 방법;
    배터리 한도 내에서 작동하는 단위 면적을 갖춘 플랜트 시설을 제공하는 단계;상기 단위 면적의 상기 배터리 한계는 공급물을 수용하도록 구성되고; 상기 공급물을 상기 배터리 한계 내로 수용하고, 복수의 반응기 트레인에서 복수의 평행한 흐름 경로를 통해 상기 플랜트 시설의 상기 단위 면적 내에서 상기 공급물을 흐르게 하는 단계;
    각 원자로 트레인은 적어도 하나의 원자로를 포함하며; 및
    각 반응기 트레인의 적어도 하나의 반응기는 촉매로 충전되며;
    격리 단계에서 상기 복수의 평행 흐름 경로 중 전부는 아니지만 적어도 하나를 격리하여 하나 이상의 격리된 반응기 트레인과 나머지 온라인 반응기 트레인을 제공하는 단계;
    재생 단계에서 적어도 하나의 격리된 반응기 트레인의 적어도 하나의 반응기에서 상기 촉매를 재생하는 단계;
    상기 재생 단계 동안 상기 공급물은 나머지 온라인 반응기 트레인의 상기 평행 흐름 경로를 통해 흐르고;
    여기서, 상기 배터리 한계로부터 공급되고 상기 플랜트 시설에서 처리를 위해 허용되는 상기 복수의 평행 흐름 경로를 통해 흐르는 상기 공급물의 부피는 격리 단계 전 및 격리 단계 동안 거의 일정함.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공급물이 혼합물인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공급물이 가스인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 반응기가 마이크로구조 또는 마이크로채널 반응기인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 각각의 반응기가 마이크로채널 반응기인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 트레인의 수가 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상, 또는 5개 이상인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 트레인이 1개 이상의 반응기, 2개 이상의 반응기, 3개 이상의 반응기, 또는 4개 이상의 반응기를 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 반응기가 피셔-트롭쉬 반응기인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 평행한 흐름 경로를 통해 흐르는 상기 공급물은 상기 배터리 한계로부터 공급되어 상기 플랜트 시설에서 처리를 위해 허용되며, 상기 공급물의 부피는 상기 격리 단계 전과 상기 격리 단계 동안에 10% 이상, 7% 이상, 5% 이상 변하지 않는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급물이 일산화탄소 및 수소를 포함하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급물이 바이오매스 및/또는 도시 폐기물 또는 고형 폐기물을 가스화함으로써 생성되는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매의 재생이 상기 격리된 반응기 트레인의 현장에서 일어나는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 격리된 반응기 트레인이 약 3일 내지 약 14일, 또는 약 4일 내지 약 12일, 또는 약 5일 내지 약 10일의 기간 동안 오프라인 상태이고, 선택적으로 적어도 하나의 상기 격리된 반응기 트레인은 약 7일의 기간 동안 오프라인 상태인 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매가 금속계 촉매, 예를 들어 코발트 또는 철 함유 촉매와 같은 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 촉매인 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 공급원료의 플레어링 및/또는 업스트림 유닛의 턴다운이 없는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랜트 시설의 상기 단위 면적이 피셔-트롭쉬 아일랜드인 방법.
  17. 촉매 재생 동안 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 화학적 또는 생화학적 공정을 수행하기 위한 플랜트 시설.
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