WO2022270958A1 - 탄화수소계 물질의 저분자화 장치 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a low-molecularization device for hydrocarbon-based substances, and more particularly, to a low-molecularization device for hydrocarbon-based substances that converts high-boiling hydrocarbons and separates products.
  • high boiling point hydrocarbons include pyrolyzed fuel oil (PFO), naphtha cracking bottom oil (NCB), ethylene cracker bottom oil (EBO), and vacuum residue (Vacuum).
  • residue (PFO), De-asphalted oil (DAO), Atmospheric residue (AR), Fluid catalytic cracking decant oil (FCC-DO), Residual fluid catalytic cracking decant oil (Residue fluid catalytic cracking decant oil, RFCC-DO), and heavy aromatic oil with a boiling point of 120°C or higher.
  • High boiling point hydrocarbons are obtained as essential by-products of petroleum refining processes, and are mostly used as fuel for ships or power generation facilities at low cost due to their low utility value.
  • high-boiling hydrocarbons contain a large amount of aromatic compounds (BTX) that are useful and can be used with high added value. Therefore, studies to utilize high boiling point hydrocarbons are actively underway.
  • BTX aromatic compounds
  • due to the physical and chemical properties of high boiling hydrocarbon compounds it is difficult to supply or handle reactants, and it is difficult to control reaction conditions such as reaction time and temperature, and it is difficult to obtain products with high selectivity due to various components. That is, during the hydrocarbon decomposition reaction, the selectivity of the product is greatly affected by the reaction temperature, time, and pressure.
  • BTX aromatic compounds
  • an apparatus for reducing molecular weight of a hydrocarbon-based material includes a supply unit for supplying liquid hydrocarbon, a plasma generator for generating plasma for supplying thermal energy to the hydrocarbon of the supply unit, and the supply unit and the plasma generator.
  • the plasma generating unit may generate arc plasma having a set temperature range using hydrogen or a mixed gas containing hydrogen as a discharge gas.
  • the plasma generating unit further includes a discharge hole through which a plasma jet is discharged to the reaction unit and formed with a narrow inner diameter, and a high-temperature part formed with an inner diameter larger than the discharge hole and connected to the discharge hole while the inner diameter becomes narrow, and the plasma discharged from the discharge hole.
  • a jet may be discharged into the reaction unit.
  • the reaction unit may be connected to the plasma generating unit and the supply unit separately from each other.
  • the reaction unit may include a downwardly sloped surface forming a space with a narrow upper side and a wide lower side toward the plasma generating unit, at the side of the plasma generating unit.
  • the reaction part may further include an upwardly inclined surface forming a space narrow at the bottom and wide at the top toward the supply part at the side of the supply part.
  • An inner diameter of the supply unit may be the same as an inner diameter of a lower end of the upward inclined surface.
  • the separation unit may include one or a plurality of chambers connected to the reaction unit and supplied with converted hydrocarbons.
  • the chamber may have a first outlet for discharging the gaseous product at an upper side and a second outlet for discharging the liquid product at a lower side.
  • the second outlet may be connected to the supply unit through a circulation line.
  • the aromatic compound produced by the primary conversion in the separator may include at least one of benzene, toluene, xylene, and an organic solvent having 15 or less carbon atoms.
  • the apparatus for low-molecularization of hydrocarbon-based materials is connected to the separation unit and is separated in the separation unit to further convert liquid products and unreacted hydrocarbons having a low molecular weight Catalytic reaction to produce light olefins Wealth may be further included.
  • the reaction unit includes a downwardly sloped surface forming a space at the side of the plasma generating unit that is narrow at the top and wide at the bottom toward the plasma generating unit, and the lower end toward the separation unit is connected to a neck portion smaller than the inner diameter of the reaction unit so that the flow temporarily stays.
  • a high-temperature reaction space can be created.
  • the supply unit may include at least one injection nozzle provided on the downward inclined surface to inject liquid hydrocarbon into the reaction unit.
  • the spray nozzles are provided in pairs, and the spray center lines of the pair of spray nozzles deviate from the center of the planar cross section of the reaction unit and may be positioned parallel to each other.
  • the separator may be connected to the reaction unit through the neck, and may include a first outlet for discharging the gaseous product at an upper side and a second outlet for discharging the liquid product at a lower side.
  • the second outlet may be connected to the supply unit through a circulation line.
  • the separation unit may be connected to the reaction unit through the neck, may have a solvent nozzle on one side to spray the solvent toward an inner surface of the separation unit, and may include a discharge port for discharging the liquid product at a lowermost side.
  • the separator may further include an outlet for discharging the gaseous product at a lower side of the solvent nozzle, and the outlet for discharging the liquid product may be connected to the supply unit through a circulation line.
  • the supply unit and the plasma generator are separated from each other and connected to the reaction unit, in converting the supplied liquid high-boiling point hydrocarbon into a useful chemical substance, the thermal energy by the plasma generated by controlling the plasma generator is converted into a liquid phase. of hydrocarbons can be effectively transferred.
  • FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for reducing molecular weight of a hydrocarbon-based material according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for reducing molecular weight of a hydrocarbon-based material according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of an apparatus for reducing molecular weight hydrocarbon-based substances according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a state in which liquid hydrocarbon is sprayed from a reaction unit with the injection nozzle applied to FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a block diagram of an apparatus for reducing molecular weight hydrocarbon-based substances according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the hydrocarbon-based material low molecular weight apparatus 100 includes a supply unit 10, a plasma generator 20, a reaction unit 30, and a separation unit 40.
  • the low-molecularization device 100 is configured to realize high addition of a hydrocarbon-based material having a high boiling point.
  • the high boiling point includes a boiling point of 120°C or higher.
  • the supply unit 10 is configured to supply liquid high-boiling point hydrocarbons.
  • the supply unit 10 is supplied with liquid hydrocarbon through the supply port 11 provided at the lower side.
  • the supply unit 10 is formed in a cylinder, filled with liquid hydrocarbons, and supplies the liquid hydrocarbons supplied downward by pushing them upward.
  • the plasma generator 20 is configured to generate plasma P in order to directly supply thermal energy to liquid hydrocarbons filled in the supply unit 10 .
  • the plasma generating unit 20 generates arc plasma having a set temperature range by supplying hydrogen or a mixed gas containing hydrogen as a discharge gas.
  • the plasma generating unit 20 has a discharge port 21 in which a plasma jet is discharged to the reaction unit 30 and formed with a narrow inner diameter, and an inner diameter larger than the discharge port 21 connected to the discharge port 21 to have a narrow inner diameter. It further includes a high-temperature portion 22 formed of. That is, the high-temperature part 22 delays the discharge of heat and plasma P from the plasma generating part 20 to the reaction part 30 so that high temperature can be formed and supplied to the reaction part 30 .
  • the reaction unit 30 is provided between the supply unit 10 and the plasma generating unit 20 and is configured to convert liquid hydrocarbons. That is, the reaction unit 30 separates and connects the plasma generating unit 20 and the supply unit 10 to each other. High boiling point hydrocarbons react for conversion in the reaction unit 30. That is, the liquid hydrocarbon reacts with heat and hydrogen or active hydrogen generated by the high-temperature plasma in the reaction unit 30 .
  • the reaction unit 30 primarily provides a space for a liquid hydrocarbon conversion reaction.
  • the reaction unit 30 separates the supply unit 10 and the plasma generating unit 20 to form a reaction space in which the primary conversion is performed, thereby suppressing carbon generation that may occur when high boiling point hydrocarbons come into direct contact with plasma, and stable reaction. conditions can be formed.
  • the inside of the low-molecularization device 100 that is, the inside of the reaction unit 30 may be contaminated, or the discharge of the plasma generating unit 20 may become unstable.
  • the reaction unit 30 separates the supply unit 10 and the plasma generating unit 20, stability of the molecular weight reduction device 100 as a whole can be secured.
  • the molecular weight reduction device 100 may improve product conversion and product selectivity by controlling reaction temperature, time, and area.
  • the reaction part 30 is formed by including a downwardly inclined surface 31 and an upwardly inclined surface 32 facing each other and connected to each other.
  • the downwardly sloped surface 31 forms a space narrow at the top and wide at the bottom at the plasma generating unit 20 side.
  • the upwardly inclined surface 32 forms a wide space at the side of the supply unit 10 whose lower side is equal to the inner diameter of the supply unit 10 and whose upper side is larger than the inner diameter of the supply unit 10 .
  • the inner diameter of the supply part 10 is the same as the inner diameter of the lower end of the upwardly inclined surface 32 .
  • the downwardly inclined surface 31 and the upwardly inclined surface 32 make it possible to minimize the deposition of hydrocarbons inside the reaction unit 30 despite the progress of the first conversion reaction. That is, the liquid product in the reaction unit 30 touches the downward slope 31 and the upward slope 32 and flows down to enter the liquid hydrocarbon of the supply unit 10 again, so that the hydrocarbon is deposited on the inner surface of the reaction unit 30. can be minimized.
  • the high-temperature heat continuously supplied from the high-temperature part 22 proceeds the primary conversion reaction while remaining on the surface of the liquid hydrocarbon of the supply part 10.
  • the primary conversion reaction may be directly induced into the plasma P jet by directly contacting the surface of the liquid hydrocarbon with the plasma P jet passing through the high temperature unit 22 by controlling the driving voltage in the plasma generating unit 20 .
  • the product converted from the high boiling point hydrocarbon to the primary reaction in the reaction unit 30 has a high added value in itself and includes benzene, toluene, xylene, and an organic solvent that are easy to use.
  • the separation unit 40 is connected to the reaction unit 30 and is configured to separate gaseous and liquid products and unreacted hydrocarbons of the aromatic compound generated and introduced by the primary conversion in the reaction unit 30 .
  • the separation unit 40 may be formed of one or a plurality of chambers 42 connected to the downwardly inclined surface 31 and the upwardly inclined surface 32 by a connection pipe 41 .
  • the plurality of chambers 42 can maximize the conversion capacity while corresponding to the conversion performance of the plasma generator 20 .
  • the chamber 42 has a first outlet 421 for discharging gaseous products at an upper side and a second outlet 422 for discharging a liquid product at a lower side. Since the connection pipe 41 is connected to the chamber 42 between the first outlet 421 and the second outlet 422, gaseous products and liquid products can be quickly discharged to the first and second outlets 421 and 422, respectively. make it possible
  • the molecular weight reduction device 200 of the second embodiment further includes a catalytic reaction unit 50 .
  • the catalytic reaction unit 50 is connected to the separation unit 40 and is separated from the gaseous product in the separation unit 40 to secondarily convert liquid products and unreacted hydrocarbons having a low molecular weight to produce light olefins, which are high value-added compounds, and discharge them is configured to
  • the catalytic reaction unit 50 may increase the conversion rate of unreacted materials or increase the selectivity of products.
  • the catalytic reaction unit 50 is configured to be able to control the temperature, so that the catalytic reaction temperature can be controlled as needed. That is, the catalytic reaction unit 50 may control the catalytic reaction temperature according to the product selection.
  • the catalyst may be deactivated by coke generated during the catalytic reaction.
  • the catalyst may be regenerated and reused by supplying hydrogen supplied to the plasma reaction unit to the catalytic reaction unit to convert the coke in the catalyst to methane, or by supplying oxygen to burn the coke in the catalyst.
  • FIG. 3 is a block diagram of a hydrocarbon-based material low molecular weight device according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a plan view of a state in which liquid hydrocarbon is sprayed from a reaction unit with a spray nozzle applied to FIG. 3 .
  • the reaction unit 330 includes a downwardly inclined surface 31 , a cylindrical surface 33 and an upwardly inclined surface 32 .
  • the downwardly inclined surface 31 forms a space narrow at the top and wide at the bottom on the side of the plasma generating unit 20 .
  • the cylindrical surface 33 is connected to the lower end of the downward inclined surface 31 to form a cylindrical space.
  • the upwardly inclined surface 32 is connected to the neck portion 341 having a smaller inner diameter than the reaction part 230 at the lower side of the separation part 340 and forms a wide space equal to the inner diameter of the cylindrical surface 33 at the upper side.
  • the supply unit 310 includes at least one injection nozzle provided on the downward slope 31 to inject liquid hydrocarbon into the reaction unit 330 .
  • the spray nozzles may be provided in pairs. Jet centerlines of the paired spray nozzles deviate from the center of the reaction unit 330 in a planar section (see FIG. 4) of the reaction unit 330 and may be positioned parallel to each other.
  • the injection nozzle is directed in a tangential direction (a direction parallel to the tangential line) to the downwardly sloped surface 31 and the cylindrical surface 33 of the different areas A1 and A2 in the plane section (see FIG. 4) of the reaction unit 330, liquid hydrocarbon is injected from the longitudinal section of the reaction unit 330 (see FIG. 3) toward the downward inclined direction of the cylindrical surface 33.
  • the injection nozzle of the supply unit 310 supplies the high boiling point hydrocarbon to the reaction unit 330 to directly induce a primary conversion reaction in the reaction unit 330 .
  • the spray nozzle enables to control the atomization, positioning, and primary conversion reaction time of the liquid hydrocarbon, thereby minimizing the deposition of the hydrocarbon inside the reaction unit 330.
  • the injection nozzles are directed to different regions A1 and A2, they cover different spaces within the reaction unit 330 to prevent the liquid hydrocarbon from being biased in some areas within the reaction unit 330, while also providing uniform supply. makes it possible Since the injection nozzle is directed in a tangential direction to the downward inclined surface 31 and the cylindrical surface 33 and faces the downward inclined direction of the cylindrical surface 33, the liquid hydrocarbon to be injected is accumulated on the downward inclined surface 31 and the cylindrical surface 33. You can sweep the coke and go down. That is, deposition of the solid product inside the reaction unit 330 may be prevented.
  • the upwardly inclined surface 32 forms a conical structure, when a liquid phase reactant and a gas phase reactant come out of the reaction part 330 to the neck part 341, a block phenomenon caused by a liquid phase product and a solid phase by-product can be prevented.
  • the separation unit 340 is connected to the reaction unit 330 through the neck unit 341 and includes a first outlet 421 and a second outlet 422 .
  • the first discharge port 421 is provided on the upper side of the separator 340 to discharge gaseous products.
  • the second outlet 422 discharges the liquid product to the lower side of the separator 340 .
  • the second outlet 422 is connected to the supply unit 310 through a circulation line 423 . Therefore, the liquid product and unreacted liquid hydrocarbons separated in the separation unit 340 are circulated and supplied to the supply unit 310 through the circulation line 423 and converted again in the reaction unit 330.
  • FIG. 5 is a block diagram of an apparatus for reducing molecular weight hydrocarbon-based substances according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the separator 440 is connected to the reaction unit 330 through the neck 341, and the solvent nozzle 544 and the first outlet 521 and a second outlet 422.
  • the solvent nozzle 544 is provided on the uppermost side to inject the solvent toward the inner surface of the separator 540 .
  • the solvent nozzle 544 is provided at the rear end of the reaction unit 330 to spray the solvent, thereby preventing the viscosity of the liquid product from increasing due to plasma discharge, liquid hydrocarbon flow rate, gaseous reactants and products. That is, it is possible to prevent plugging that may occur due to an increase in the viscosity of the liquid product. In addition, it is possible to prevent the solid product from being deposited inside the separation unit 340 and the reaction unit 330 .
  • the first outlet 521 is provided below the solvent nozzle 544 in the separator 540 to discharge gaseous products.
  • the first outlet 521 may be installed at a location that does not interfere with the installation of the solvent nozzle 544 and the solvent injection.
  • the second discharge port 422 is provided at the lowest side of the separator 540 to discharge the liquid product. Solid, liquid, and gaseous products are separated at the lower side of the separator 540 and are separately discharged through the first and second outlets 521 and 422 , respectively.
  • the second outlet 422 is connected to the supply unit 310 through a circulation line 423 . Liquid and solid products are recirculated and supplied to the supply unit 310 through the circulation line 423 and converted again in the reaction unit 330.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치는, 액상의 탄화수소를 공급하는 공급부, 상기 공급부의 탄화수소에 열 에너지를 공급하기 위한 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부, 상기 공급부와 상기 플라즈마 발생부 사이에서 액상의 탄화수소를 전환하는 반응부, 상기 반응부에 연결되어 상기 반응부에서 전환으로 생성되어 유입되는 방향족 화합물의 기상 생성물과 액상 생성물 및 미반응 탄화수소를 분리하는 분리부를 포함한다.

Description

탄화수소계 물질의 저분자화 장치
본 발명은 탄화수소계 물질의 저분자화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고비점 탄화수소를 전환하고 생성물을 분리하는 탄화수소계 물질의 저분자화 장치에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 고비점 탄화수소는 열분해 연료유(pyrolyzed fuel oil, PFO), 나프타분해 잔사유(Naphtha cracking bottom oil, NCB), 에틸렌분해 잔사유(Ethylene cracker bottom oil, EBO), 감압잔사유(Vacuum residue, VR), 탈아스팔트오일(De-asphalted oil, DAO), 상압잔사유(Atmospheric residue, AR), 유체 촉매균열 디캔트유(Fluid catalytic cracking decant oil, FCC-DO), 잔류유체 촉매균열 디캔트유(Residue fluid catalytic cracking decant oil, RFCC-DO), 및 중질 방향족 유분(Heavy aromatic oil) 등으로써 비점 120℃ 이상이다.
고비점 탄화수소는 석유정제공정의 필수적인 부산물로써 얻어지며, 이용가치가 낮아 대부분 저가로 선박이나 발전시설의 연료로 사용되고 있다.
그러나 고비점 탄화수소는 유용하고 고부가 사용 가능한 방향족 화합물(BTX)을 다량 포함하고 있다. 따라서 고비점 탄화수소를 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다. 그러나 고비점 탄화수소화합물들의 물리 화학적 특성으로 인하여, 반응물의 공급이나 취급이 어렵고, 반응 시간, 온도 등 반응 조건의 제어가 어려우며, 구성 성분이 다양하여 높은 선택도의 생성물을 얻기 어렵다. 즉 탄화수소의 분해 반응시, 반응 온도, 시간, 압력에 따라서 생성물의 선택도가 큰 영향을 받는다.
고비점 탄화수소로부터 방향족 화합물(BTX), 즉 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene) 등 유용한 화학물질을 생산하기 위하여, 플라즈마 발생부의 제어와 발생된 플라즈마에 의한 열 에너지를 고비점 탄화수소에 전달하기 위한 반응기가 요구된다.
본 발명의 일 측면은 고비점 탄화수소를 유용한 화학물질로 전환하는 탄화수소계 물질의 저분자화 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 측면은 플라즈마 발생부를 제어하여 발생된 플라즈마에 의한 열 에너지를 액상의 탄화수소에 효과적으로 전달하는 탄화수소계 물질의 저분자화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치는, 액상의 탄화수소를 공급하는 공급부, 상기 공급부의 탄화수소에 열 에너지를 공급하기 위한 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부, 상기 공급부와 상기 플라즈마 발생부 사이에서 액상의 탄화수소를 1차 전환하는 반응부, 상기 반응부에 연결되어 상기 반응부에서 1차 전환으로 생성되어 유입되는 방향족 화합물의 기상 생성물과 액상 생성물 및 미반응 탄화수소를 분리하는 분리부를 포함한다.
상기 플라즈마 발생부는 수소 또는 수소를 포함하는 혼합기체를 방전기체로 하여 설정된 온도 범위를 가지는 아크 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
상기 플라즈마 발생부는, 플라즈마 제트가 상기 반응부로 토출되고 좁은 내경으로 형성되는 토출구, 및 상기 토출구보다 큰 내경으로 형성되되 상기 토출구에 내경이 좁아지면서 연결되는 고온부를 더 포함하며, 상기 토출구에서 토출되는 플라즈마 제트는 상기 반응부 내부로 토출될 수 있다.
상기 반응부는 상기 플라즈마 발생부와 상기 공급부를 서로 분리하여 연결할 수 있다.
상기 반응부는 상기 플라즈마 발생부 측에서는 상기 플라즈마 발생부를 향하는 상방이 좁고 하방이 넓은 공간을 형성하는 하향 경사면을 포함할 수 있다.
상기 반응부는, 상기 공급부 측에서는 상기 공급부를 향하는 하방이 좁고 상방이 넓은 공간을 형성하는 상향 경사면을 더 포함할 수 있다.
상기 공급부의 내경은 상기 상향 경사면의 하단 내경과 동일할 수 있다.
상기 분리부는 상기 반응부와 연결되어 전환된 탄화수소를 공급받는 하나 또는 복수의 챔버를 포함할 수 있다.
상기 챔버는 상측에 상기 기상 생성물을 배출하는 제1배출구를 구비하고, 하측에 상기 액상 생성물을 배출하는 제2배출구를 구비할 수 있다.
상기 제2배출구는 순환라인을 통해 공급부와 연결될 수 있다.
상기 분리부에서 1차 전환으로 생성되는 방향족 화합물은 벤젠, 톨루엔, 자일렌 및 탄소수 15 이하의 유기용매 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치는, 상기 분리부에 연결되어 상기 분리부에서 분리되어 분자량이 작아진 액상 생성물 및 미반응 탄화수소를 추가 전환하여 경질 올레핀을 생성하는 촉매 반응부를 더 포함할 수 있다.
상기 반응부는 상기 플라즈마 발생부 측에서는 상기 플라즈마 발생부를 향하는 상방이 좁고 하방이 넓은 공간을 형성하는 하향 경사면을 포함하고,상기 분리부를 향하는 하단이 상기 반응부의 내경보다 작은 목부로 연결되어 유동이 일시 체류하면서 고온의 반응공간이 생성될 수 있도록 할 수 있다.
상기 공급부는 상기 하향 경사면에 구비되어 액상의 탄화수소를 상기 반응부 내에 분사하는 적어도 하나의 분사 노즐을 포함할 수 있다.
상기 분사 노즐은 쌍으로 구비되며, 상기 쌍으로 구성된 분사 노즐의 분사중심선이 상기 반응부의 평단면 중심에서 벗어나고 서로 간에 평행하게 위치될 수 있다.
상기 분리부는 상기 목부를 통해 상기 반응부에 연결되며, 상측에 상기 기상 생성물을 배출하는 제1배출구를 구비하고, 하측에 상기 액상 생성물을 배출하는 제2배출구를 구비할 수 있다.
상기 제2배출구는 상기 공급부에 순환 라인을 통해 연결될 수 있다.
상기 분리부는 상기 목부를 통해 상기 반응부에 연결되며, 상기 분리부의 내면을 향하여 솔벤트를 분사하도록 일측에 솔벤트 노즐을 구비하고, 최하측에 상기 액상 생성물을 배출하는 배출구를 구비할 수 있다.
상기 분리부는 상기 솔벤트 노즐의 하측에 상기 기상 생성물을 배출하는 배출구를 더 구비하며, 상기 액상 생성물을 배출하는 배출구는 상기 공급부에 순환 라인을 통해 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 공급부와 플라즈마 발생부를 서로 분리하여 반응부로 서로 연결하므로 공급되는 액상의 고비점 탄화수소를 유용한 화학물질로 전환함에 있어서, 플라즈마 발생부를 제어하여 발생된 플라즈마에 의한 열 에너지를 액상의 탄화수소에 효과적으로 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치의 구성도이다.
도 4는 도 3에 적용되는 분사 노즐로 반응부에서 액상의 탄화수소를 분사하는 상태의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1 실시예의 탄화수소계 물질의 저분자화 장치(100)는 공급부(10), 플라즈마 발생부(20), 반응부(30), 및 분리부(40)를 포함한다. 저분자화 장치(100)는 고비점을 가진 탄화수소계 물질의 고부가화를 구현하도록 구성된다. 고비점은 비점 120℃ 이상을 포함한다.
공급부(10)는 액상의 고비점 탄화수소를 공급하도록 구성된다. 예를 들면, 공급부(10)는 하측에 구비되는 공급구(11)를 통하여 액상의 탄화수소를 공급받는다. 또한 공급부(10)는 원통으로 형성되어 액상의 탄화수로로 채워지고, 하측으로 공급되는 액상의 탄화수소를 상방으로 밀어서 공급한다.
플라즈마 발생부(20)는 공급부(10)에 채워져 있는 액상의 탄화수소에 열 에너지를 직접 공급하기 위하여 플라즈마(P)를 발생시키도록 구성된다. 플라즈마 발생부(20)는 수소 또는 수소를 포함하는 혼합기체를 방전기체로 공급하여 설정된 온도 범위를 가지는 아크 플라즈마를 발생시킨다.
일례로써, 플라즈마 발생부(20)는 플라즈마 제트가 반응부(30)로 토출되고 좁은 내경으로 형성되는 토출구(21), 및 토출구(21)에 내경이 좁아지게 연결되어 토출구(21)보다 큰 내경으로 형성되는 고온부(22)를 더 포함한다. 즉 고온부(22)는 플라즈마 발생부(20)에서 반응부(30)로 열 및 플라즈마(P)의 토출을 지연시키므로 고온을 형성하여 반응부(30)로 공급할 수 있게 한다.
반응부(30)는 공급부(10)와 플라즈마 발생부(20) 사이에 구비되어 액상의 탄화수소를 전환하도록 구성된다. 즉 반응부(30)는 플라즈마 발생부(20)와 공급부(10)를 서로 분리하여 연결한다. 고비점 탄화수소는 반응부(30)에서 전환을 위하여 반응한다. 즉 액상의 탄화수소는 반응부(30)에서 고온 플라즈마에 의해 생성된 열 및 수소 또는 활성수소와 반응한다.
반응부(30)는 액상의 탄화수소가 전환 반응을 위한 공간을 일차적으로 제공한다. 반응부(30)가 공급부(10)와 플라즈마 발생부(20)를 분리시켜 1차 전환하는 반응 공간을 형성함으로써 고비점 탄화수소가 플라즈마에 직접 접촉됨으로써 발생될 수 있는 카본 생성을 억제하고, 안정적인 반응 조건을 형성할 수 있게 한다.
고비점 탄화수소의 경우, 저분자화 장치(100)의 내부, 즉 반응부(30)의 내부가 오염되거나, 플라즈마 발생부(20)의 방전이 불안정하게 될 수 있다. 그러나 반응부(30)가 공급부(10)와 플라즈마 발생부(20)를 분리시키므로 저분자화 장치(100)가 전체적으로 안정성을 확보할 수 있다. 또한 저분자화 장치(100)는 반응 온도, 시간, 및 면적의 제어를 통하여 생성물의 전환율을 향상시키고, 생성물의 선택도를 향상시킬 수 있다.
반응부(30)는 서로 마주하는 하향 경사면(31)과 상향 경사면(32)을 포함하여 서로 연결됨으로써 형성된다. 하향 경사면(31)은 플라즈마 발생부(20) 측에서 상방이 좁고 하방이 넓은 공간을 형성한다. 상향 경사면(32)은 공급부(10) 측에서 하방이 공급부(10)의 내경과 동일하고 상방이 공급부(10)의 내경보다 큰 넓은 공간을 형성한다. 공급부(10)의 내경은 상향 경사면(32)의 하단 내경과 동일하다.
하향 경사면(31)과 상향 경사면(32)은 반응부(30) 내에서 1차 전환 반응의 진행에도 불구하고 내부에서 탄화수소의 침적을 최소화될 수 있게 한다. 즉 반응부(30) 내의 액상 생성물은 하향 경사면(31)과 상향 경사면(32)에 닿아서 흘러내리어 공급부(10)의 액상 탄화수소로 다시 들어가게 되므로 반응부(30)의 내면에서 탄화수소의 침적이 최소화될 수 있다.
고온부(22)에서 지속적으로 공급되는 고온의 열은 공급부(10)의 액상 탄화수소의 표면에 체류하면서 1차 전환 반응을 진행시킨다. 플라즈마 발생부(20)에서 구동 전압의 제어로 고온부(22)를 경유하는 플라즈마(P) 제트를 액상 탄화수소의 표면에 직접 접촉시켜 1차 전환 반응을 플라즈마(P) 제트로 직접 유도할 수도 있다.
반응부(30)에서 고비점 탄화수소에서 1차 반응으로 전환된 생성물은 그 자체로 고부가 가치를 가지며, 사용이 용이한 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 및 유기용매를 포함한다.
분리부(40)는 반응부(30)에 연결되어 반응부(30)에서 1차 전환으로 생성되어 유입되는 방향족 화합물의 기상 생성물과 액상 생성물 및 미반응 탄화수소를 분리하도록 구성된다. 일례를 들면, 분리부(40)는 하향 경사면(31)과 상향 경사면(32)에 연결관(41)으로 연결되는 하나 또는 복수의 챔버(42)로 형성될 수 있다. 복수의 챔버(42)는 플라즈마 발생부(20)의 전환 성능에 상응하면서 전환 용량을 최대화할 수 있게 한다.
챔버(42)는 상측에 기상 생성물을 배출하는 제1배출구(421)를 구비하고, 하측에 액상 생성물을 배출하는 제2배출구(422)를 구비한다. 연결관(41)은 제1배출구(421)와 제2배출구(422) 사이에서 챔버(42)에 연결되므로 기상 생성물과 액상 생성물이 각각 제1, 제2배출구(421, 422)로 신속히 배출될 수 있게 한다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1 실시예 및 기 설명된 실시예들의 구성과 동일한 구성을 생략하고, 서로 다른 구성들을 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 제2 실시예의 저분자화 장치(200)는 촉매 반응부(50)를 더 포함한다.
촉매 반응부(50)는 분리부(40)에 연결되어 분리부(40)에서 기상 생성물과 분리되어 분자량이 작아진 액상 생성물 및 미반응 탄화수소를 2차 전환하여 고부가 화합물인 경질 올레핀을 생성하여 배출하도록 구성된다.
따라서 촉매 반응부(50)는 미반응 물질의 전환률을 높이거나 생성물의 선택도를 높일 수 있다. 촉매 반응부(50)는 온도를 조절할 수 있도록 구성되어 필요에 따라 촉매 반응 온도를 제어할 수 있다. 즉 촉매 반응부(50)는 생성물의 선택에 따라 촉매 반응 온도를 제어할 수 있다.
또한 촉매 반응부(50)는 촉매 반응 중에 생성된 코크에 의해 촉매가 비활성화(deactivation)될 수 있다. 이 경우, 도시하지는 않았으나 플라즈마 반응부에 공급되는 수소를 촉매 반응부에 공급하여 촉매에 있는 코크를 메탄으로 전환하거나, 산소를 공급하여 촉매에 있는 코크를 연소시킴으로써 촉매를 재생하여 재사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치의 구성도이고, 도 4는 도 3에 적용되는 분사 노즐로 반응부에서 액상의 탄화수소를 분사하는 상태의 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제3 실시예의 저분자화 장치(300)에서 반응부(330)는 하향 경사면(31), 원통면(33) 및 상향 경사면(32)을 포함한다. 하향 경사면(31)은 플라즈마 발생부(20) 측에서는 상방이 좁고 하방이 넓은 공간을 형성한다. 원통면(33)은 하향 경사면(31)의 하단에 연결되어 원통 공간을 형성한다. 상향 경사면(32)은 분리부(340) 측에서는 하방이 반응부(230)의 내경보다 작은 목부(341)로 연결되고 상방이 원통면(33)의 내경과 같은 넓은 공간을 형성한다.
공급부(310)는 하향 경사면(31)에 구비되어 액상의 탄화수소를 반응부(330) 내에 분사하는 적어도 하나의 분사 노즐을 포함한다. 일례로써, 분사 노즐은 쌍으로 구비될 수 있다. 쌍으로 구성된 분사 노즐의 분사중심선은 반응부(330)의 평단면(도 4 참조)에서 반응부(330)의 중심에서 벗어나고 서로 간에 평행하게 위치될 수 있다. 또는, 분사 노즐은 반응부(330)의 평단면(도 4 참조)에서 서로 다른 영역(A1, A2)의 하향 경사면(31) 및 원통면(33)에 접선 방향(접선에 나란한 방향)을 향하고, 반응부(330)의 종단면(도 3 참조)에서 원통면(33)의 하향 경사 방향을 향하여 액상의 탄화수소를 분사한다.
공급부(310)의 분사 노즐은 고비점 탄화수소를 반응부(330)로 공급하여 반응부(330)에서 1차 전환 반응을 직접 유도한다. 분사 노즐은 액상 탄화수소의 미립화, 위치 설정, 및 1차 전환 반응 시간을 제어할 수 있게 하므로 반응부(330) 내부에 탄화수소의 침적을 최소화할 수 있게 한다.
분사 노즐이 서로 다른 영역(A1, A2)을 향하므로 반응부(330) 내에서 서로 다른 공간을 커버하여 반응부(330) 내의 일부 영역에 액상의 탄화수소가 편중되는 것을 방지하면서, 또한 균일한 공급을 가능하게 된다. 분사 노즐이 하향 경사면(31) 및 원통면(33)에 접선 방향을 향하고 원통면(33)의 하향 경사 방향을 향하므로 분사되는 액상의 탄화수소가 하향 경사면(31) 및 원통면(33)에 쌓이는 코크(coke)를 쓸고 내려 갈 수 있다. 즉 반응부(330) 내부에 고상 생성물의 침적이 방지될 수 있다.
상향 경사면(32)은 원뿔 구조를 형성하므로 반응부(330)에서 액상 반응물 및 기상 반응물이 목부분(341)으로 나오는 경우, 액상 생성물 및 고상 부산물로 인한 블록(block) 현상을 막을 수 있게 한다.
분리부(340)는 목부(341)로 반응부(330)에 연결되며, 제1배출구(421)와 제2배출구(422)를 포함한다. 제1배출구(421)는 분리부(340)의 상측에 구비되어 기상 생성물을 배출한다. 제2배출구(422)는 분리부(340)의 하측에 액상 생성물을 배출한다.
또한, 제2배출구(422)는 공급부(310)에 순환 라인(423)으로 연결된다. 따라서 분리부(340)에서 분리된 액상 생성물 및 미반응 액상 탄화수소는 순환 라인(423)을 통하여 공급부(310)로 순환 공급되어 반응부(330)에서 다시 전환 반응한다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 저분자화 장치의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 제4 실시예의 저분자화 장치(400)에서, 분리부(440)는 목부(341)로 반응부(330)에 연결되며, 솔벤트 노즐(544), 제1배출구(521)와 제2배출구(422)를 포함한다.
솔벤트 노즐(544)은 분리부(540)의 내면을 향하여 솔벤트를 분사하도록 최상측에 구비된다. 솔벤트 노즐(544)은 반응부(330)의 후단에 구비되어, 솔벤트를 분사하므로 플라즈마 방전, 액상 탄화수소 유량, 기상 반응물 및 생성물에 의하여 액상 생성물의 점도가 상승하는 것을 방지한다. 즉 액상 생성물의 점도 상승으로 발생될 수 있는 플러깅(plugging)을 방지할 수 있다. 또한 고상 생성물이 분리부(340) 및 반응부(330)의 내부에 침적되는 것을 방지할 수 있다.
제1배출구(521)는 분리부(540)에서 솔벤트 노즐(544)의 하측에 구비되어 기상 생성물을 배출한다. 제1배출구(521)는 솔벤트 노즐(544)의 설치 및 솔벤트 분사를 방해하지 않는 위치에 설치될 수 있다.
제2배출구(422)는 분리부(540)에서 최하측에 구비되어 액상 생성물을 배출한다. 고상, 액상, 기상 생성물은 분리부(540)의 하측에서 분리되어 제1, 제2배출구(521, 422)로 각각 분리 배출된다.
제2배출구(422)는 순환 라인(423)으로 공급부(310)에 연결된다. 액상, 고상의 생성물은 순환 라인(423)을 통하여 공급부(310)로 재순환 공급되어 반응부(330)에서 다시 전환 반응한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
(부호의 설명)
10, 310: 공급부 11: 공급구
20: 플라즈마 발생부 21: 토출구
22: 고온부 30, 330: 반응부
31: 하향 경사면 32: 상향 경사면
40, 340, 440, 540: 분리부 41: 연결관
42: 챔버 50: 촉매 반응부
33: 원통면 100, 200, 300, 400: 저분자화 장치
341: 목부 421, 521: 제1배출구
422: 제2배출구 423: 순환 라인
544: 솔벤트 노즐 A1, A2: 다른 영역
P: 플라즈마

Claims (19)

  1. 액상의 탄화수소를 공급하는 공급부;
    상기 공급부의 탄화수소에 열 에너지를 공급하기 위한 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부;
    상기 공급부와 상기 플라즈마 발생부 사이에서 액상의 탄화수소를 전환하는 반응부; 및
    상기 반응부에 연결되어 상기 반응부에서 전환으로 생성되어 유입되는 방향족 화합물의 기상 생성물과 액상 생성물 및 미반응 탄화수소를 분리하는 분리부
    를 포함하는 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는
    수소 또는 수소를 포함하는 혼합기체를 방전기체로 하여 설정된 온도 범위를 가지는 아크 플라즈마를 발생시키는 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는
    플라즈마 제트가 상기 반응부로 토출되고 좁은 내경으로 형성되는 토출구, 및 상기 토출구보다 큰 내경으로 형성되되 상기 토출구에 내경이 좁아지면서 연결되는 고온부를 포함하며,
    상기 토출구에서 토출되는 플라즈마 제트는 상기 반응부 내부로 토출되는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응부는 상기 플라즈마 발생부와 상기 공급부를 서로 분리하여 연결하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응부는
    상기 플라즈마 발생부 측에서는 상기 플라즈마 발생부를 향하는 상방이 좁고 하방이 넓은 공간을 형성하는 하향 경사면을 포함하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응부는
    상기 공급부 측에서는 상기 공급부를 향하는 하방이 좁고 상방이 넓은 공간을 형성하는 상향 경사면을 더 포함하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 공급부의 내경은 상기 상향 경사면의 하단 내경과 동일한, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 분리부는
    상기 반응부와 연결되어 전환된 탄화수소를 공급받는 하나 또는 복수의 챔버를 포함하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 챔버는
    상측에 상기 기상 생성물을 배출하는 제1배출구를 구비하고,
    하측에 상기 액상 생성물을 배출하는 제2배출구를 구비하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2배출구는 순환라인을 통해 공급부와 연결되는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리부에서 전환 생성되는 방향족 화합물은 벤젠, 톨루엔, 자일렌 및 탄소수 15 이하의 유기용매 중 적어도 하나를 포함하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리부에 연결되어 상기 분리부에서 분리되어 분자량이 작아진 액상 생성물 및 미반응 탄화수소를 추가 전환하여 경질 올레핀을 생성하는 촉매 반응부를 더 포함하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응부는
    상기 플라즈마 발생부 측에서는 상기 플라즈마 발생부를 향하는 상방이 좁고 하방이 넓은 공간을 형성하는 하향 경사면을 포함하고,
    상기 분리부를 향하는 하단이 상기 반응부의 내경보다 작은 목부로 연결되어 유동이 일시 체류하면서 고온의 반응공간이 생성될 수 있도록 하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 공급부는
    상기 하향 경사면에 구비되어 액상의 탄화수소를 상기 반응부 내에 분사하는 적어도 하나의 분사 노즐을 포함하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 쌍으로 구비되며,
    상기 쌍으로 구성된 분사 노즐의 분사중심선이 상기 반응부의 평단면 중심에서 벗어나고 서로 간에 평행하게 위치되는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 분리부는
    상기 목부를 통해 상기 반응부에 연결되며,
    상측에 상기 기상 생성물을 배출하는 제1배출구를 구비하고,
    하측에 상기 액상 생성물을 배출하는 제2배출구를 구비하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제2배출구는
    상기 공급부에 순환 라인을 통해 연결되는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 분리부는
    상기 목부를 통해 상기 반응부에 연결되며,
    상기 분리부의 내면을 향하여 솔벤트를 분사하도록 일측에 솔벤트 노즐을 구비하고, 최하측에 상기 액상 생성물을 배출하는 배출구를 구비하는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 분리부는
    상기 솔벤트 노즐의 하측에 상기 기상 생성물을 배출하는 배출구를 더 구비하며,
    상기 액상 생성물을 배출하는 배출구는
    상기 공급부에 순환 라인을 통해 연결되는, 탄화수소계 물질의 저분자화 장치.
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