KR940010976B1 - 유동성 입자와 열교환 유체사이의 간접 열교환 방법 및 이를 수행하기 위한 재생기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

유동성 입자와 열교환 유체사이의 간접 열교환 방법 및 이를 수행하기 위한 재생기

제 1 도는 본 발명의 입자 열교환기를 갖는 FCC 재생기를 도시한 도면이며,

제 2 도는 본 발명의 변형된 형의 열교환기를 갖는 다른 형의 FCC 재생기를 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 연소구역 20, 50 : 분리구역

30, 70 : 열교환기

[발명의 분야]

본 발명은 넓게는 유동 입자체를 가열하거나 냉각하기 위한 열교환기를 구비한 재생기 및 이를 이용한 열교환 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 간접적인 열교환에 의해 사용 고온의 입자를 가열하거나 냉각하는 방법에 대한 것이며, 또한 이러한 방법의 실시중에 상요되는 신규의 열교환기를 구비한 재생기에 관한 것이다.

[발명의 배경]

가열 또는 냉각 유체와 간접적으로 접촉시킴으로써 미세한 분말 또는 유동 입자물질을 가열 또는 냉각시키는 열교환기는 이미 공지되어 있다. 이 유형의 열교환기는 재료층을 거쳐서 상향 통과하는 유동성 매체를 유동상태중에 입자물질과 같이 유지시킨다. 튜브, 채널 또는 코일을 포함한 일련의 관이 유동층내에 배치된다. 간접적인 열교환에 의해 유동성 고체로 부터 열을 첨가하거나 제거하기 위하여 관을 거쳐서 유체가 통과한다. 유동성 고체가 유동층에 지속적으로 공급되고 그 층으로부터 지속적으로 제거된다. 유동층으로부터 열교환기를 통해 유동성 고체를 공급하거나 제거하는 방법은 흐름형 및 역혼합형 열교환기를 포함한다. 흐름형 냉각기에는 2가지 기본적인 형태가 있다 : 하나는 중력을 이용하여 입자가 상부 흡입구로 들어가서 하부 배출구로 나오며, 다른 하나는 입자를 하부 흡입구로부터 냉각관을 거쳐 상부 배출구로 유동화하여 이동시킨다. 역혼합형에서는, 입자가 공통의 흡입구와 배출구를 통해 순환되어 나머지 공정의 입자와 교환된다.

유동성 입자물질을 간접적으로 가열하거나 냉각시키는 열교환기는 수많은 산업공정에서 널리 적용되고 있다. 이러한 공정은 광물질을 처리하고, 야금광성을 처리하며 석유화합물을 제조하고, 탄화수소를 생성하는 것을 포함한다. 수많은 열교환기 구성이 상기 각종 공정의 요구에 맞도록 개발되어 왔다.

상술한 형태의 간접 열교환기는 탄화수소의 유동성 촉매 전화공정의 재생기상에 있는 입자냉각기로의 용도가 증가하고 있다. 유동성 접촉 분해공정(Fluidized Catalytic Cracking Process) (이하 FCC)은 진공가스 오일과 기타 비교적으로 중유인 탄화수소 흐름을 가볍고 더 유용한 제품으로 전환시키는데 광범위하게 이용된다.

FCC 공정에서, 탄화수소 출발물질을 가스나 증기에 의해 유동화된 미세하게 세분된 촉매 입자와 접촉한다. 촉매 입자가 분해반응을 촉진시킴으로써, 코우크스(coke)로 불리는 분해반응의 부산물이 그 위 표면상에 용착된다. FCC 공정의 일부를 구성하는 재생기는 촉매 표면으로부터 코우크스를 산화시켜 지속적으로 제거한다. 코우크스의 산화는 분해반응에 필요한 반응열을 부분적으로 공급하는 다량의 열을 방출시킨다. FCC 유니트가 더욱 무거운 원료를 처리할 필요가 발생함에 따라, 재생구역내에서 더욱 많은 양의 코우크스가 제거되어야만 하며, 이에 따라 여기서 발생하는 열량도 상응해서 증가한다. 이러한 부가적인 열은 FCC 공정에서 수많은 문제점을 야기한다. 과량의 열은 공정중의 열평형을 깨뜨림에 따라 재생기로부터 반응기로의 고온 촉매의 순환을 저하시키는 것이 요구되어 유용한 생성물의 산출이 저하될 수 있다. 부가하여, 과량의 열로 인해 장치 또는 촉매 입자에 유해한 정도로 온도를 상승시킬 수 있다. 따라서, 재생기 온도를 낮추는 수단을 구비하는 것이 효과적이다. 온도조절 및 공정의 유연성을 이유로, 재생기 용기의 외부에 냉각관이 배치된 열교환기가 선택될 수 있다.

입자물질을 조절하는 것을 포함하는 다른 공정뿐만 아니라 FCC 공정에서 중요한 점은 입자물질의 운반에 있다. 필요한 정도의 입자의 열전달을 제공할 수 있는 크기를 가지는 열교환기를 제한된 공정의 배치구조속에 결합시키는 것이 곤란한 경우도 있다. 주로 이러한 제한은 요구되는 표면적의 교환기를 수용하기에 충분한 교환기 길이를 제공하며 교환기와 그 나머지 공정단위 사이에서 입자가 이동할 수 있는 흡입구 및 배출구를 제공하는 것과 관계된다. FCC 공정 유니트의 경우, 입자 열교환기를 첨가하게 되면 구조물의 전체 높이를 증대시키거나 교환 설계의 필요사항을 충족시키도록 부가적인 관 및 유동화 장치를 제공하는 것이 필요하다. 입자 열교환기를 새로 고안된 FCC 유니트에 부가시키는 경우, 높이의 증가 및/또는 도관 및 유동화 장치의 첨가에 의해 비용이 증가되며 유니트의 구조가 복잡하게 된다. 또한 입자 열교환기를 기존의 FCC 공정 유니트에 결합시키기도 한다. 이 경우에, 구조적 제한에 의해 유니트의 비용이 부가될 뿐만 아니라 요구되는 열 제거능력을 갖는 입자 열교환기를 결합시키는 것이 허용되지 않기도 한다.

이미 설명한 바와같이, 역혼합형 교환기를 사용하면 입자 열교환기를 임의의 공정에 결합시키는 것이 간단할 수 있는데, 그 이유는 단지 하나의 흡입구/배출구 도관을 사용하기만 하면 되기 때문이다. 그러나, 이 유형의 장치의 총 열교환 능력은 그 수직길이에 걸쳐 수득될 수 있는 촉매 순환양에 의해 제한된다. 또한, 역혼합형 냉각기에 사용할 수 있는 냉각관의 길이당 총 열전달을 열교환기의 일단부에 있는 흡입구로부터 반대편 단부에 있는 배출구로 촉매가 흐르는 형태의 흐름형 열교환기의 경우보다 더 작다. 최종적으로, 역혼합형 냉각기의 구조상 단점은, 입자가 배출 및 회수되는 부분과 열교환기 사이에 적당히 유동성 입자 순환이 이루어지기 위해서는 매우 큰 흡입/배출구 도관이 요구되는 점이다. 따라서, 역혼합형의 열교환기는, 멀리 떨어진 입자 열교환기를 가열하거나 냉각시키는데 요구되는 공정에 설치하는 것과 관련된 많은 설치상의 문제점을 극복할 수 없다.

유동성 입자를 간접적으로 열교환하는데 있어서의 문제는 수많은 선행 기술 참고자료에 기술되어 있다. 하기의 자료는 이러한 예를 포함한다.

로마스 등(Lomas et al.)에 특허된 미합중국 특허 제4,439,533호에는 재생기내의 촉매입자 보유구역과 열교환기 사이에서 FCC 촉매를 교환하는 역혼합형의 입자 열교환기가 개시되고 있다. 이 참고자료에서는 FCC 공정중에 역혼합형 촉매 냉각기를 사용하는 것이 개시된다.

로마스 등(Lomas et al.)에 특허된 미합중국 특허 제4,434,245호에는 촉매 분리구역 및 분리된 연소구역을 갖는 FCC 공정중에 입자 열교환기를 사용하는 것이 개시되어 있다. 고온의 촉매 입자가 부분 구역으로 부터 얻어져서, 냉각기를 통해 하향으로 이동되면서 냉각유체와 간접적으로 열교환되고, 열교환기의 바닥으로부터 연소구역으로 촉매를 이송하기 위한 상승관으로 보내진다. 이 참고자료에는 하부의 연소구역과 상부의 촉매보유 구역을 가지는 FCC 공정에서 입자 열교환기를 사용하는 것이 제시된다.

미합중국 특허 제4,396,531호에는 FCC 재생기의 보유 구역으로부터의 고온 촉매가, 물과 간접 접촉하여 촉매 입자를 냉각시키기 위하여 열교환기에 촉매 입자를 공급하고, FCC 재생기로 냉각된 촉매 입자를 이송하는 것이 제시되고 있다. 이 참고자료에는 FCC 재생구역으로부터 냉각된 입자물질을 제거하는 것이 제시되고 있다.

데이비덕 등(Daviduk et al.)에 특허된 미합중국 특허 제4,238,631호에는 열교환기 용기의 중간에 고온 촉매의 흡입구를 가지고, 이 촉매를 재생기로 회수하기 위하여 열교환기 용기의 바닥에 촉매 배출구를 가지고 열교환기 후면으로부터 재생기까지 가스를 배출시키기 위한 관을 열교환기 상부에 구비하며, FCC 재생기로부터의 촉매 입자를 냉각시키기 위한 열교환기가 개시되고 있다. 촉매 흡입구의 아래에 위치한 유체 냉각관은 간접적인 열교환에 의해 촉매로부터 열을 제거한다. 이 참고자료에는 입자 열교환기의 중간부에 입자 흡입구가 구비된 것이 도시되고 있다.

자니그(Jahnig)에 특허된 미합중국 특허 제2,735,802호에는 열교환기의 중간부에 위치한 흡입구를 거쳐서 FCC 재생기로부터의 촉매 입자를 회수하는 입자 열교환기가 개시되고 있다. 촉매는 열교환기 바닥에 있는 배출구를 거쳐서 재생기로 회수되고, 열교환기의 상부에 위치한 관은 가스를 재생기로 다시 배출한다. 이 열교환기는 냉각제를 순환시키기 위해 촉매 흡입구 상부 및 하부에 관을 갖는다. 열교환기내의 촉매 입자 양은 열 제거양을 변화시키기 위하여 냉각관과 접촉되어 열교환기내에 있는 촉매 레벨을 변화시키도록 조절된다. 이 참고자료에는 입자 흡입구 상부 또는 하부에 가열 및 냉각용 관을 가지는 열교환기가 개시되고 있다.

[발명의 요약]

본 발명은 상부의 흐름 관통부와 하부의 역혼합부를 갖는 열교환기에서 열교환 유체로 입자를 간접적으로 열교환시키는 것에 의해 입자 물질을 가열하거나 냉각시키는 방법에 관한 것이다. 흐름 관통부 아래에 역혼합부를 구비시켜 냉각관용의 부가의 표면을 제공하며 교환기의 총 열 제거 능력을 증가시킨다. 교환기의 열 제거 능력이 교환기의 역혼합부로 들어가는 유동가스 또는 증기의 양을 조절함으로써 변화될 수 있기 때문에 이러한 구조에 의해 열교환기의 작동이 단순화된다. 역혼합부로 부터의 열 제거의 비율은 최대로 증가되거나 거의 없는 양까지 감소될 수 있는데, 이는 최대로부터 거의 없는 양까지 변화하는 유동가스를 사용하는 것에 의해 이루어진다.

본 발명의 목적은 입자 열교환기의 열전달능력을 증가시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 입자를 냉각시키는 방법과 열전달능력 및 유연성이 개선된 입자 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 입자를 공급하는 장치의 구조에 쉽게 적용할 수 있는 입자 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 입자의 간접적인 열교환에 있어서의 열전달을 열교환 유체로 조절하는 방법을 개선하는 것이다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서 입자를 가열 또는 냉각시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 비교적 고온 또는 저온인 입자를 수거하고, 그 입자를 입자 흡입구를 통하여 열교환 구역으로 이송하며, 입자 배출구를 통해 열교환 구역으로부터 비교적 고온 또는 저온의 입자를 회수하는 것을 포함한다.

입자가 흡입구를 거쳐서 배출구로 흐르는 제 1 부(흐름 관통부)와 그것을 통한 입자 흐름이 전혀 없는 배출구 하부의 제 2 부(역혼합부)에서 열전달 유체와 간접적인 열교환을 시킴으로써 상기 열교환 구역에서 입자로부터 열을 제거하고 첨가한다. 열 제거 구역에 유동 가스를 유입시켜 열 제거 구역에 들어가는 유동 매체의 적어도 일부를 공급한다.

또다른 본 발명의 실시예에서, 본 발명은 고온의 유동성 촉매를 냉각시키는 방법을 제공한다. 이 방법은 그 위에 용착된 코우크스를 갖는 촉매 입자를 연소구역으로 유동시키고, 산소함유 가스를 촉매와 접촉시켜서 그에 포함된 코우크스를 산화시키며, 고온의 촉매를 재생구역으로부터 제거하고, 고온 촉매를 촉매 흡입구를 거쳐 멀리 떨어져 있는 열 제거 구역에 제공하는 단계를 구비한다. 비교적 저온의 촉매 입자는 촉매 유출구를 통해 열 제거 구역으로 부터 회수된다. 열 제거 구역의 하부 및 열 제거 구역의 상부에 있는 냉각 유체와 간접적인 열교환을 하여 촉매로부터 열을 제거한다. 열 제거 구역의 상부에서는 그것을 거쳐서 촉매입자가 흐르고 있는 반면, 열 제거 구역의 하부에서는 그것을 거쳐서 촉매 입자가 흐르지 않는다. 열 제거구역의 촉매는 그를 통해 유동가스를 통과시킴으로써 유동화된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 유동성 입자를 가열 또는 냉각시키기 위한 장치를 제공한다. 본 발명의 장치는 입자를 열전달 유체와 간접적으로 접촉시키며, 상부 및 하부의 열 제거 부분을 갖는 수직으로 설치된 열교환기, 상기 부분에서 상당한 표면적을 가지는 복수의 열교환관 및 상기 열교환기로부터 입자를 수용하고 제거하며 상부 열 제거 부분의 대향 단부에 위치한 입자 배출구 및 흡입구를 갖는다.

본 발명의 다른 실시예와 목적 및 이점, 그들의 설명이 하기의 상세한 설명으로부터 명확하게 이해될 것이다.

[발명의 상세한 설명]

방법면에서, 본 발명은 유동성 고체 입자를 간접적으로 가열하거나 냉각하기 위한 단계로 구성된다. 본 발명의 방법 및 장치는 입자를 가열 또는 냉각시키는데 사용할 수 있으나, 단순화를 위해, 입자를 냉각시키는 것과 관련하여 설명한다. 본 발명은 연소성 물질을 산화시키기에 충분한 온도로 유지된 연소구역에 산소를 함유한 연소가스와 유동성 고체 입자를 유입시키는 단계를 포함하는, 연소성 물질을 포함하는 유동성 고체 입자로부터 연소성 물질을 연소시키는 방법을 제공한다. 연소성 물질은 그 안에서 산화되어 본 발명의 방법에 의해 냉각된 고온의 유동성 고체입자로 이루어지는 농축상(dense phase)의 유동층을 형성한다.

연소구역은 고온 입자가 수집되고 제 1 유동층으로 유지되는 분리구역으로 고온 입자가 이동된 희박상(dilute phase)이거나, 연소구역은 농축상이며 그 자체 제 1 유동층을 포함한다.

특히 중요한 본 발명의 실시예에 있어서, 반응구역으로 공급된 FCC 촉매를 함유하는 코우크스를 재생구역내에서 재생 연소시켜서 고온의 연도가스 및 재생 촉매를 형성하며, 고온의 재생 촉매를 분리 및 수거하고, 본 발명의 열교환기를 포함하는 열 제거 또는 냉각구역내에서 고온의 재생 촉매를 냉각시키고, 냉각된 재생 촉매를 재생구역이나 반응구역으로 복귀시켜 재생구역내의 촉매 온도를 조절하는 단계를 구비한다. FCC 공정에 있어서, "고온의 재생 촉매"란 용어는 약 1300°내지 약 1400°F(740 내지 760℃)의 온도에서 연소구역을 떠나는 재생된 촉매를 의미하는 반면, "저온 재생 촉매"는 고온의 재생 촉매 온도보다 최고 200°F(111℃) 낮은 온도에서 냉각구역을 떠나는 재생된 촉매를 의미한다.

제 1 도와 관련하여 본 발명의 방법과 입자 열교환기를 설명한다. 제 1 도에서, 공기 또는 다른 산소-함유 가스인 재생가스가 라인(11)을 통해 연소구역(10)으로 유입하며, 돔형의 분배그리드(12)에 의해 분배된다. 그리드를 떠난 공기는 관(13)을 통해 연소구역으로 유입하는 코우크스로 오염된 촉매 입자와 혼합한다. 이러한 흐름들은 연소구역(10)으로 각각 흐르는 것으로 도시되었지만, 각 흐름은 연소구역(10)에 유입되기 이전에 혼합관속으로 함께 흘러갈 수 있다. 코우크스로 오염된 촉매는 통상 약 0.1 내지 약 5중량% 탄소를 코우크스로서 포함하고 있다. 주로, 코우크스는 탄소로 구성되나, 황과 기타 물질뿐만 아니라 수소를 약 5내지 약 15중량% 포함할 수 있다. 재생가스 및 혼입된 촉매는 연소구역(10)의 하부로부터 희박한 상태로 상향 유동한다. 본 명세서에서 사용되는 "희박상(dilute phase)"이란 30l bs/ ft³(480kg/m³) 이하의 밀도를 갖는 가스와 촉매 입자의 혼합물을 의미하며, "농축상(dense phase)"이란 30l bs/ft³(480kg/m³) 이상의 밀도를 가지는 혼합물을 의미한다. 즉, 희박상의 조건으로 30l bs/ ft³(480kg/m³) 이하, 대표적으로는 2-10l bs/ ft³(32 내지 160kg/m³)의 밀도를 가지는 촉매/ 가스 혼합물이 코우크스 산화에 가장 효율적이다. 촉매/가스 혼합물이 연소구역(10)내에서 상승함에 따라 코우크스의 연소 열이 방출되어 이 열은 비교적 탄소가 없는 촉매, 즉 재생 촉매에 의해 흡수된다.

상향의 촉매/가스 흐름은 상승관(14)를 거쳐 흐르게 되어 측관(15)의 상부에 충돌하는데, 이 충돌에 의해 흐름의 방향이 변화되어 배출구(16)로 촉매와 가스 혼합물이 흐르게 된다. 측관(15)의 상면에 촉매/가스 흐름이 충돌하고 배출구(16)을 통하여 방향이 변화되면 연소구역으로부터 흐르는 대부분의 고온 재생 촉매는 연도가스로부터 분리되어 고온 입자의 수거 챔버 또는 유체 입자 수거부를 포함한 분리구역(20)의 하부로 떨어지게 된다. 이 구역(20)을 분리구역으로 정의하지만, 부가의 재생 또는 연소가 이 구역에서 수행될 수 있는 가능성도 포함하고 있다. 분리구역의 촉매 수거 영역은 도시한 바와같이, 환형의 저장소나 촉매 입자를 수거하기에 적당한 다른 형태일 수도 있다. 수거구역의 바닥에 있는 촉매는 상부 레벨(27)을 갖는 조밀 유동층(26)에 유지된다. 코우크스가 산화된 가스 생성물과 과량의 재생가스 또는 연도가스 및 고온의 재생촉매 입자의 비수거 부분은 분리구역(20)을 거쳐서 흐르게 되고 사이클론(21)과 같은 촉매/가스 분리기에 흡입구(22)를 거쳐서 유입된다. 연도가스로부터 분리된 촉매 입자는 사이클론으로부터 분리구역(20)의 바닥으로 긴 다리부(23), (24)를 통해 떨어진다. 연도가스는 관(25)를 통하여 분리구역(20)으로부터 배출되는데, 관(25)을 통하여 연결된 에너지 회수시스템으로 이어질 수 있다.

고온의 촉매 입자는 분리구역으로부터 제거되어 관(44)을 거쳐서 FCC 반응기에 전달되거나, 관(46)을 통해 연소구역으로 복귀되며, 밸브(48)에 의해 관(46)을 통해 흐르는 촉매흐름을 조절한다. 또한 촉매 입자는 냉각구역을 거쳐 연소구역으로 회수된다.

제 1 도에 있어서, 냉각구역은, 셀(shell)측에 촉매가 구비되고 라인(32, 33)들을 통해 공급되고 회수되는 열교환 매체가 관다발(31)을 통하여 흐르는 수직으로 배치된 열교환기(30)으로 구성된다. 바람직한 열교환매체는 물이며, 양호하게는, 관을 통과할 때 부분적으로 액체에서 가스상(증기)으로 변할 수 있다. 또한 열교환매체가 일정한 속도로 관을 통과해 순환할 수 있도록 열교환기를 작동하는 것이 바람직하다. 열교환기내의 관다발은 "삽입(bayonet)"형이 바람직한데, 이것은 다발의 일단이 붙어 있지 않기 때문에 고온의 재생 촉매 온도에 노출되어 제어할 때 관의 신장 및 수축으로 인한 문제점을 최소화하기 때문이다. 촉매로부터 관의 벽을 통하여 열전달 매체로 열전달이 이루어진다. 열교환기(30)의 상부는 관(34)와 흡입구(35)를 통해 분리구역의 바닥과 밀봉관계로 연통되며, 이 흡입구는 조밀 유동층(26)으로부터 촉매를 제거하기 위한 제거지점으로 작용된다. 저온 촉매는 열교환기(30)의 중심부로부터 제거되어 연소구역(10)으로 복귀된다. 촉매는 배출구(37)을 통해 중심부로부터 제거되고 흐름조절 밸브(39)를 갖는 관(38)에 공급된다. 밸브(39)는 관(38)로부터의 촉매 입자 흐름을 조절한다. 흡입구(35)와 배출구(37)에 의해 형성된 열교환기의 부분은 흐름 관통부 또는 제 1 부로 정의되며, 이 부분을 통해 순수한 촉매가 흐르도록 작동된다. 배출구(37) 아래의 열교환기 부분은 역혼합부 또는 제 2 부로 정의한다. 열교환기의 하부 또는 역혼합부는 적어도 10%의 열교환기의 열제거 능력을 가지며, 바람직하게는 열교환기의 총 열제거능력의 25% 이상을 갖는다.

바람직하게는 공기인 유동가스는 라인(36, 40)을 통해 열교환기(30)의 셀측의 하단으로 공급되고, 셀측의 유동 입자층인 조밀상이 유지된다. 라인(36, 40)에는 각각 유동가스의 흐름을 조절할 수 있도록 가로질러 배치된 밸브(36', 40')가 구비된다. 이 유동가스에 의해 열교환기의 역혼합부속에서 격렬한 역혼합이 초래되며 촉매 입자가 열교환기의 흐름 관통부를 통해 운반된다. 하부의 유동 가스 라인(36)을 통해 열교환기에 유동가스를 첨가하는 것만이 필요하다. 유동가스가 상향으로 흐름에 따라, 열교환기의 역혼합부에서 열전달을 위해 필요한 역혼합이 촉진되며, 열교환기의 흐름 관통부를 통해 흐름에 따라 촉매 입자를 유동화시켜 운반한다. 열 제거능력, 즉 열교환능력은 라인(36)을 통해 가스 첨가 흐름속도를 조절하는 것에 의해 제어될 수 있다. 흐름속도를 높이면 열전달을 증가시키며 열교환기능력을 상승시킨다. 열교환기의 바닥부에 유동가스를 첨가하는 것만이 요구되기는 하지만, 유동가스는 다른 일정한 위치들에서 첨가될 수 있다. 제 1 도에 도시된 위치에서 유동가스를 첨가하면 역혼합부에서의 열교환기능력을 독립적으로 제어할 수 있다. 냉각부의 흐름 관통부를 통해 흐르는 촉매의 운반을 양호하게 유지하기 위해서는 최소량의 유동가스가 항상 필요하다. 열교환기의 역혼합부로부터 열을 제거하는 것이 거의 또한 전혀 필요하지 않은 경우 이 최소량의 유동가스의 일부 또는 전부를 공급하는데 라인(40)이 이용될 수 있다. 이로 인해 라인(36)을 통한 유동가스의 흐름은 0로 조절될 수 있다. 그러나, 필요하다면, 총량의 5% 미만인 소량의 유동가스가 열교환기가 작동하는 중에 바닥 노즐을 통해 첨가될 것이다.

열교환기내의 관다발은 전술한 삽입형이며, 여기에서 모든 관은 열교환기 바닥에 위치한 단일 관 시이트에 부착된다. 삽입형 다발중의 일반적인 관 구조는, 각기 열교환기의 헤드속의 인입 매니폴드(42)로부터 그 상부에 봉해진 긴 외부관을 통해서 셀(shell)내부까지 인입관이 올라오는 것이다. 각각의 인입관은 외부관속으로 들어가고 외부관의 밀봉된 단부 바로밑에 수용된다. 물과 같은 액체는 관속을 상향이동하며 외부관속으로 들어가서, 외부관과 인입관 사이에 형성된 환상 공간을 통하여 하향이동할때 외부관의 벽을 통해 고온 촉매로부터 열을 흡수하고, 배출 매니폴드(43)로부터 최소한 부분적으로 증기화되어, 열교환기로부터 배출된다. FCC 공정에서 중요한 점은, 열교환기(30)에 들어가는 고온 입자의 양이 조밀상 유체 촉매층의 깊이를 유지시키기에 충분하여 조밀상측속에 관들이 잠기게 하는 것이다. 관들이 잠기는 것에 의해 냉각유체의 순환이 일시적으로 중단되었을때 관이 과열되는 것이 방지된다. 관이 탄소 강이나 기타 내열성이 작은 금속으로 구성된 경우 과열이 문제가 된다.

열교환기의 흐름 관통부는 냉각된 촉매 입자를 열교환기로부터 연소구역으로 전달하는데 사용한다. 연소구역으로 들어가는 냉각촉매는 연소구역 및 분리구역에 걸쳐서 전체적으로 온도를 감소시킨다. 이러한 관통 흐름형으로 작동되는 것의 특징은 큰 촉매 냉각을 얻는 큰 열전달 속도를 가지는 것이다.

열교환기의 역혼합부는 일단 촉매가 흐름 관통부를 통해 흐르면 촉매의 온도를 더욱 감소시킨다. 역혼합은 역혼합부 아래로 촉매를 순환시키는 적당한 외부적인 가스속도에서 열교환기내에서 달성될 수 있다. 유동가스의 첨가는 직접적으로 열교환기 관에서의 외형속도에 영향을 끼치고 간접적으로 열교환기의 역혼합부를 거쳐서 흐르는 촉매의 중량흐름(mass flow)의 정도에 영향을 끼침으로써 열전달 계수에 영향을 미친다. 중량 흐름이 클수록 열교환기 능력이 커지는데, 이것은 역혼합부의 평균촉매 온도가 더 높아져서 열전달량이 그에 비례하는 보다 큰 온도차를 제공하기 때문이다. 역혼합 냉각구역의 작동에 관한 자세한 설명은 미합중국 특허 제4,439,533호에서 알 수 있다.

하부의 역혼합부와 상부의 흐름 관통부를 구비시키는 구성에 의해 열교환기가 단순한 구조를 유지할 수 있으며, 어느한 유형의 열교환기 단독으로는 얻어질 수 없는 보다 더 긴 길이를 갖는다. 입자의 중력에 의해 공급되는 유형의 흐름관통형(flow through type) 열교환기가 사용될 경우, 열교환기의 길이는 촉매 회수점(35)와 배출기((37) 사이의 높이로 제한된다. 비록 총 높이가 제 1 도에 도시된 길이를 갖는 역혼합형의 냉각기를 사용하기에 충분하지만, 이러한 긴 길이에 걸쳐서 촉매를 역혼합 순환시키기 위해서는 과량의 유동가스가 요구되며, 더욱이 총 열전달 성능이 저하된다.

제 2 도는 상이한 형의 FCC 재생기와 결합된 본 발명의 입자 열교환기를 도시하고 있다. 재생기는 분리구역(50)내에 하나의 챔버를 갖는다. 0.1 내지 5중량% 양의 소비된 촉매를 함유한 코우크스 관(52)를 통해 재생기로 유입된다. 하부관(54)는 분리구역(50)의 횡단면에 걸쳐 분포하는 분배기(56)를 통해 재생기에 공기를 공급한다. 촉매를 거쳐서 공기를 통과시키면 촉매 표면에서 코우크스가 산화하고 레벨(58)을 갖는 조밀 유동층(57)에 촉매를 유지한다. 재생가스와 그 안에 유입된 임의의 촉매는 상향 운반되어 흡입구(52)를 통해 사이클론으로 유입한다. 사일클론의 긴 다리부(64)는 촉매입자를 조밀유동층(57)로 복귀시킨다. 노즐(66)은 사이클론(60)으로부터 재생가스를 분리구역(50) 외부로 운반한다. 감소된 코우크스 농도를 갖는 재생 촉매는 관(68)을 통해 분리구역(50)의 하부로부터 배출되며 반응구역(도시되지 않음)으로 다시 유입한다.

열교환기(70)은 관(72)를 통해 조밀유동층(57)과 연통한다. 열교환기(70)은 제 1 도에 도시된 열교환기(30)과 거의 같은 방식으로 작동하며, 삽입관의 배치 및 촉매를 재생기로 회수하는 수단 및 방법에 있어서 주로 상이하다. 열교환기(70)은 다수의 흡입 매니폴드(74)로부터 열교환 매체를 받아들이는 내부관과 열교환 매체를 다수의 배출 매니폴드(76)으로 복귀시키는 외부의 밀봉된 말단관으로 이루어진 다수의 삽입형관(73)으로 이루어진다. 라인(78, 78')을 통해 열교환기(70)으로부터 열교환 매체를 제거하고 공급한다. 열교환기의 중심부에 위치한 배출구(80)은 냉각된 촉매 입자를 열교환기 밖으로 운반하며, 이 열교환기를 흐름 관통모드로 작동하는 상부와 열혼합모드로 작동하는 하부로 나눈다. 유동가스는 열교환기의 배출구(80) 바로 아래 및 바닥에 각각 배치된 두개의 유동가스 흡입구(82, 84)의 둘다 또는 어느 하나를 통해 열교환기로 유입된다. 관(86)은 제어밸브(88)에 의해 조절된 속도로 배출구(80)로부터 냉각 촉매를 취한다. 냉각 촉매는 관(86)을 통해 외부의 라이저(90)내로 흐른다. 라인(92)를 통해 유동가스는 라이저(90)로 흐르고 여기에서 비교적 냉각된 촉매와 접촉하고 이 촉매를 조밀 유동층(57)로 역이동시킨다.

본 발명의 열교환기는 특히 제 2 도에 도시된 유형의 FCC 구조에 유용하다. 이러한 구조에 있어서, 라인(92)의 수평부는 바닥높이에 매우 근접하게 위치되며, 따라서 흐름관통형 냉각기의 길이는 전체 분리구역(50)을 상승시키지 않고는 증가될 수 없다. 본 발명은 그렇지 않으면 사용되지 않을 열교환기 배출구 아래의 공간과 바닥을 사용함으로써 전체 분리구역의 높이를 상승시키지 않고도 냉각기의 상응하는 열전달 면적과 길이를 증가시킨다. 냉각기 상부에 다수의 흡입 매니폴드를 배치하면, 열교환기의 상부로부터 들어올려서 관다발을 용이하게 제거할 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 열교환기를 사용하여 FCC 공정을 완만하게 진행시킬 때 반응구역에 들어가는 촉매의 온도를 감소시키는 장점을 보이고 있다. 이러한 실시예는 부분적으로 공학적 계산과 작동 유니트가 유사한 통상적인 경험에 근거하고 있다. 본 실시예의 원료는 하기 표 1에 설정한 특성을 갖는 잔류 오일과 진공 가스오일의 혼합물이다.

[표 1]

[실시예]

이 실시예에서, FCC 원료는 표 2에 요약한 가공조건에서 FCC 상승기 반응구역을 갖는 FCC 반응기-재생기중에서 처리된다. 본 실시예는 제 1 도에 도시된 구조의 FCC 유니트에서 본 발명에 따라 구성된 입자 열교환기를 사용하였다. 이 열교환기는 역혼합부의 표면적이 975ft²(90.6cm²)이고, 흐름 관통부의 표면적이 975ft²(90.6cm²)이다. 유동가스는 166,000ft³/ hr(4691m³/ hr)의 속도로 열교환기의 바닥에 첨가되었다. 공정 유니트의 선택된 위치에서의 조건 및 공급 조건에 따른 수율이 표 2에 도시되었다.

[표 2]

도면과 실시예에 의해 설명된 FCC 공정의 실시예는 넓은 의미에서는 임의의 목적으로 유동입자를 가열 또는 냉각시키기 위한 공정일 수 있는 본 발명의 하나의 적용예일 뿐이다. 가장 넓은 의미의 본 발명의 장치가 도면에 도시된다.

Claims (6)

1. a) 상단의 분리구역(20 ; 50)에 있는 조밀 유동층(26 ; 57)으로 고온의 입자를 수집하는 단계 ; b) 상기 조밀 유동층으로부터 흡입구(35)를 통해 상기 상단 아래의 하단에 위치한 열교환기(30 ; 70)로 중력흐름에 의해 상기 입자를 전달하는 단계 ; c) 라인(40, 36 ; 84, 82)을 통해 유동가스를 상기 열교환기로 유입시킴으로써 적어도 부분적으로 상기 열교환기내의 입자를 유동화시키는 단계 ; (d) 라인(32 ; 78)을 통해 공급된 열전달유체와 간접적으로 열교환시킴으로써 상기 열교환기내의 입자로부터 열을 제거하는 단계 ; e) 배출구(37 ; 80)를 통하여 상기 열교환기로부터 비교적 냉각된 입자를 회수하고, 상기 배출구로부터 상기 입자를 상기 조밀 유동층으로 공기에 의해 운반하는 단계를 포함하는 유동성 입자와 열교환 유체 사이의 간접 열교환을 수행하는 방법에 있어서, 상기 배출구(37 ; 80)이 상기 열교환기에 구비되는 것에 의해, 상기 열교환기는 흡입구(35)와 배출구(37 ; 80) 사이의 흐름 관통부와, 상기 열교환기의 전체 열 제거 능력의 25% 이상의 열 제거 능력을 가지며 상기 배출구 아래에 위치하는 역혼합부로 구분되며, 상기 흐름 관통부에는 상기 흡입구로부터 배출구로 입자가 유동하나, 역혼합부에는 입자가 유동하지 않는 것을 특징으로 하는 유동성 입자와 열교환 유체 사이의 간접 열교환 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고온의 입자는 상기 흐름 관통부의 상부로 유입하고, 바닥을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고온의 입자는 상기 흐름 관통부의 바닥을 통과하여 상향으로 이동되고 상기 열교환기의 흐름 관통부의 상부로부터 분리구역으로 회수되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 유동성 입자 냉각기구를 구비한 유동성 접촉 분해 공정(FCC) 유니트용 재생기로서, a) 냉각유체와 입자를 간접적으로 접촉시키기 위해 수직으로 배치된 긴 열교환기(30 ; 70) ; b) 다수의 열교환용 관다발(31 ; 73) ; c) 상기 열교환기로부터 고온의 입자를 받아들이고 냉각입자를 제거하기 위한 입자 흡입구(35)와 입자 배출구(37 ; 80) ; 및 d) 유동가스를 상기 열교환기의 바닥으로 전달하기 위한 수단(36 ; 84)을 포함하는 재생기에 있어서, 상기 흡입구와 배출구 사이의 흐름 관통부와 상기 배출구 아래의 역혼합부를 상기 열교환기가 구비하도록, 상기 열교환기의 중간부에 배출구(37 ; 80)이 구비되는 것을 특징으로 하는 유동성 접촉 분해 공정 유니트용 재생기.
5. 제 4 항에 있어서, 라인(40 ; 82)이 상기 흐름 관통부의 바닥에 유동가스를 첨가하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 재생기.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 흡입구(35)가 상기 흐름 관통부의 상부에 위치하며 상기 배출구(37)은 상기 흐름 관통부의 바닥에 위치하는 것을 특징으로 하는 재생기.

Images