KR102732193B1 - 증기 분해 전 희석 증기를 액상 탄화수소와 혼합하는 방법 - Google Patents

증기 분해 전 희석 증기를 액상 탄화수소와 혼합하는 방법 Download PDF

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Abstract

상대적으로 큰 탄화수소 액적 크기를 유지하는 휘발 단계를 포함하는 전체 원유를 증기 분해하는 공정이 수행된다. 공정은 전체 원유를 증기와 접촉시켜서 탄화수소의 일부를 증발시키는 단계를 포함할 수 있고, 여기서 탄화수소 공급원료 및 증기를 증발시키는 단계는 예를 들어, 30 m/s 미만의 초기 상대 속도에서 진행될 수 있다. 생성되는 기상은 증발된 탄화수소 및 증기를 포함하고, 비증발된 탄화수소를 포함하는 액상으로부터 분리될 수 있다. 기상 탄화수소는 기상의 탄화수소를 증기 분해하는 증기 열분해 반응기로 보내질 수 있다.

Description

증기 분해 전 희석 증기를 액상 탄화수소와 혼합하는 방법
본원에 개시된 구현예는 일반적으로 전체 원유 또는 비-휘발성 탄화수소를 포함하는 기타 탄화수소 혼합물과 같은 탄화수소 혼합물을 처리하여 올레핀을 제조하는 것에 관한다.
550℃ 초과 말단 끓는점을 가지는 것과 같은 비-휘발성 성분을 가지는 탄화수소 혼합물은 반응기가 상당히 빠르게 코크스화 하기 때문에, 일반적으로 올레핀을 제조하는 증기 열분해 반응기에서 직접 처리되지 않는다. 반응 조건을 제한하는 것은 쇠퇴 경향을 감소시킬 수 있으나, 덜 심각한 조건은 수율의 심각한 감소를 초래한다.
해당 기술분야에서 일반적인 의견은 광비점(wide boiling range)을 가지는 탄화수소 혼합물 및/또는 높은 말단 끓는점을 가지는 탄화수소가 탄화수소의 기체 / 경질 탄화수소, 나프타 범위 탄화수소, 경유, 등과 같은 많은 분획으로의 초기 분리하는 것, 및 그 후 개별된 증기 열분해 로와 같이 그러한 분획에 특정한 조건 하에서 각 분획을 분리하는 것을 필요로 한다는 것이다. 증류탑 및 개별 처리를 통한 것과 같은 분획화가 자본 및 에너지 집약적일 수 있으나, 일반적으로는 분획의 구분 및 개별 처리가 공정 제어 및 수율에 관해서는 최고 수익을 제공하는 것이라고 믿어진다.
중질 탄화수소 처리 및 탄화수소 분획의 희석 증기와의 접촉을 필요로 하는 기타 증기 분해 공정에서, 다양한 선행 기술 문헌은 희석 증기와 0.5 내지 1.0(증기 대 탄화수소)의 중량 비로 혼합하기 전에 액상 탄화수소 공급원료의 부분 기화를 교시한다. 기존의 공급원료에 대해서, 혼합은 고속에서 이루어지고, 이는 공급원료의 완전 기화(total vaporization)를 초래한다. 그러나, 전체 원유와 같은 비-휘발성 탄화수소를 함유하는 원료에 대해서는, 완전 기화는 달성되지도 않고, 바람직하지도 않다.
일반적으로 이러한 혼합 및 휘발 공정 동안 증기 및 탄화수소는 주로 100 m/s 이상의 상대 속도(증기 속도 빼기 탄화수소 속도)에서 접촉한다. 이러한 접촉 속도는 작은 액상 액적의 형성을 초래하고, 이는 탄화수소 및 증기가 직접 접촉하도록 바람직하게 유도되어 높은 수준의 기화를 달성하도록 한다. 안타깝게도, 이렇게 작은 액상 액적은 증기에서 제거하기가 어렵다. 결과적으로, Heavy Oil Processing System(HOPS)와 같이 분리된 증기가 증기 분해기의 복사 구역으로 보내지기 전에 이러한 작은 액적을 제거하는 대단한 기-액 분리기에 대한 수요가 있다.
다양한 선행 기술 문헌은 Ludwig Kniel 등의 “Ethylene: Keystone to the Petrochemical Industry,”Marcel Dekker, Inc., New York, 1980, p. 85, 및 Mal J. Maddock, Ph.D.의 1992년 12월 1일에서 4일까지 싱가폴에서 진행한 Refining, LNG and Petrochem Asia 92에서 발표된 논문인 “Improved Field Condensate Cracking Trends in Industrial Application,”뿐만 아니라 US3617493, US4498629, US6632351, US7097758, US8070938를 포함할 수 있다.
공정은 전체 원유 및 비-휘발성 탄화수소 및/또는 고비점 코크스 전구체를 함유하는 기타 탄화수소 혼합물을 선택된 운전 조건에서 유연하게 처리하기 위해 발전해왔다. 더욱 구체적으로, 본원의 구현예에 따르면, 액상 탄화수소 원료는 높은 상대 속도를 거치지 않으면서, 상당한 증기 형성 없이 예열될 수 있다. 희석 증기는 탄화수소에 낮은 상대속도에서 첨가되어, 더 휘발성인 탄화수소를 증발시키고, 작고, 분리하기 어려운 액상 액적을 생성하지 않는다. 본원의 구현예는 높은 심각도 조건에서도 열 분해와 같은 추가 처리 동안의 코크스 및 쇠퇴를 유리하게 감소시켜서, 분별증류 전(pre-fractionation) 그리고 개별적인 처리와 관련한 자본 및 에너지 필요사항을 상당히 감소시키면서, 목적하는 수율을 얻을 수 있다.
일 측면에서, 본원에 개시된 구현에는 전체 원유를 증기 분해하는 방법에 관한 것이다. 상기 공정은 전체 원유를 증기와 접촉시켜서 그 내부의 탄화수소의 일부를 휘발시키는 단계;를 포함할 수 있다. 탄화수소 공급원료 및 증기를 접촉시키는 단계;는 30 m/s 미만의 초기 상대 속도에서 진행될 수 있다. 상기 공정은 또한 휘발된 탄화수소 및 증기를 포함하는 기상을 비휘발된 탄화수소를 포함하는 액상으로부터 분리하는 단계; 및 기상 내의 탄화수소를 증기 분해하는 단계;를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 전체 원유 및 증기를 접촉시키는 단계;는 약 1 m/s 내지 약 15 m/s 범위 내의 초기 상대 속도에서 진행될 수 있다. 다른 구현예에서, 전체 원유 및 증기를 접촉시키는 단계;는 약 2 m/s 내지 약 10 m/s 범위 내의 초기 상대 속도에서 진행될 수 있다.
일부 구현예에서 상기 증기와 탄화수소를 접촉시키는 단계;는 약 1000 미크론 초과의 D50 방울(drop) 크기 분포를 가지는 탄화수소 액적을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있고, 여기서 액체의 50 중량%은 D50 미만의 지름으로 액적에 포함되어 있다. 다양한 구현예에서, 공정은 약 20 미크론 초과의 D10을 가지는 탄화수소 액적을 형성하는 단계;를 포함할 수 있고, 여기서 액체의 10 중량%는 D10 미만의 지름으로 액적에 포함되어 있으며, 액체의 90 중량%는 D10 초과의 지름으로 액적에 포함되어 있다. 본원의 구현예는 또한 접촉하는 단계; 전에, 전체 원유를 이의 끓는점 온도 미만까지 예열하는 단계;를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 접촉하는 단계;는 상기 증기 및 상기 전체 원유를 병류 흐름에서 혼합하는 단계;를 포함할 수 있고, 그리고 상기 분리하는 단계;는 사이클론 분리기에서 상기 액상으로부터 상기 기상을 분리하는 단계;를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 증기 및 상기 전체 원유는 향류로 접촉될 수 있다.
일부 구현예에서, 공정은 예를 들어, 전체 원유 내의 탄화수소의 5 내지 90 중량%을 휘발시키기에 충분하도록 증기 온도 및 증기 공급량을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 공정은 전체 원유 내의 탄화수소의 10 내지 30 중량%를 휘발시키기에 충분하도록 증기 온도 및 증기 공급량을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본원에 개시된 구현예는 전체 원유 또는 이의 일부를 증기 분해하여 올레핀 및/또는 방향족 화합물을 제조하는 방법에 관한다. 공정은 전체 원유를 증기와 접촉시켜서 탄화수소의 일부를 휘발시키는 단계;를 포함할 수 있다. 전체 원유 및 증기를 접촉시키는 단계;는 약 15 미크론 초과의 D10을 가지는 탄화수소 액적이 형성되도록 진행될 수 있다. 공정은 또한 휘발된 탄화수소 및 증기를 포함하는 기상 및 비휘발된 탄화수소를 포함하는 액상을 회수하는 단계;를 포함할 수 있다. 그 후 기상은 증기 열분해 반응기로 공급되어 그 내부의 탄화수소의 적어도 일부를 올레핀 및/또는 방향족 화합물로 전환시킬 수 있다.
일부 구현예에서, 전체 원유의 접촉하는 단계;는 약 20 미크론 초과의 D10을 가지는 탄화수소 액적을 형성한다. 다양한 구현예에서, 전체 원유의 접촉하는 단계;는 약 25 미크론 초과의 D10을 가지는 탄화수소 액적을 형성한다.
일부 구현예에서, 공정은 접촉하는 단계; 전에, 전체 원유를 증기 열분해 반응기의 대류 구역에서 통과시켜서 전체 원유를 예열하는 단계;를 포함할 수 있다. 예열하는 단계;는 예를 들어, 전체 원유를 이의 끓는점 온도 미만의 온도로 가열하는 단계;를 포함할 수 있다.
공정은 탄화수소 공급원료 내의 탄화수소의 5 내지 90 중량%를 휘발시키기에 충분하도록 증기 온도 및 증기 공급량을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 증기 온도 및 유량은 탄화수소 공급원료 내의 탄화수소의 10 내지 30 중량%를 휘발시키도록 제어될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 공정은 160℃ 이하의 표준 끓는점을 가지는 탄화수소의 70 내지 98 중량%를 기상 분획으로 회수하도록 증기 온도 및 증기 공급량을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본원에 개시된 구현예는 광비점 탄화수소 공급원료로부터 올레핀을 제조하는 시스템에 관한다. 시스템은 증기 유입구, 탄화수소 유입구, 기상 유출구 및 액상 유출구를 가지는 휘발 장치를 포함할 수 있다. 제어 시스템이 제공될 수 있고, 또한 상기 탄화수소 유입구를 통해 도입된 탄화수소 공급원료, 및 상기 증기 유입구를 통해 도입된 증기의 유량을 예를 들어, 30 m/s 미만의 상대 접촉 속도로 유지하도록 구성될 수 있다. 시스템은 또한 증기 유출구를 통해 회수된 휘발된 탄화수소를 전환시켜서 올레핀 및 방향족 화합물을 형성하는 증기 열분해 반응기를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 예를 들어, 제어 시스템은 상기 탄화수소 유입구를 통해 도입된 탄화수소 공급원료, 및 상기 증기 유입구를 통해 도입된 증기의 유량을 15 m/s 미만의 상대 접촉 속도로 유지하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 휘발 장치는 병류 흐름 구성으로 배열된 동심 파이프로 구성된 증기 유입구 및 탄화수소 유입구를 포함할 수 있다. 휘발 장치는 동심 유입구로부터 병류로 흐르는 증기 및 탄화수소를 받도록 구성된 사이클론 분리기를 더 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 휘발 장치는 향류 흐름 구성으로 배열된 증기 유입구 및 탄화수소 유입구로 구성될 수 있다.
다른 측면에서, 본원에 개시된 구현예는 광비점 탄화수소 공급원료를 증기 분해하는 공정에 관한다. 공정은 원료 또는 이전에 처리 또는 수소처리된 흐름을 포함할 수 있는 광비점 탄화수소 공급원료를 증기와 접촉시켜서 탄화수소의 일부를 휘발시키는 단계;를 포함할 수 있다. 탄화수소 공급원료 및 증기를 접촉시키는 단계;는 30 m/s 미만의 초기 상대 속도에서 진행될 수 있다. 공정은 휘발된 탄화수소 및 증기를 포함하는 기상을 비휘발된 탄화수소를 포함하는 액상으로부터 분리시키는 단계;뿐만 아니라 기상의 탄화수소를 증기 분해하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
상기 구현예 각각에서, 증기가 액상 탄화수소 흐름과 혼합되도록 하고, 그러한 접촉이 낮은 속도에서 이루어지도록 하여 작고, 분리하기 어려운, 액체 액적을 만들지 않으면서, 더 휘발성인 탄화수소를 증발시킨다.
첨부된 스케치에 나타낸 공정 흐름도는 특정 원유 및 제품 구성에 의해 약간은 수정될 수 있다. 다른 측면 및 이점은 하기 설명 및 첨부된 청구범위로부터 명백할 것이다.
도 1은 본원의 구현예에 따라 탄화수소 혼합물을 열적 분해하는 시스템의 단순화된 공정 흐름도이다.
일 측면에서, 본원에 개시된 구현예는 광비점 탄화수소 공급원료와 증기의 제어된 휘발을 위한 시스템 및 공정에 관한다. 위에서 나타낸 것처럼, 탄화수소 혼합물의 최종 끓는점이 550℃ 초과와 같이 높은 경우, 탄화수소 혼합물은 목적으로 하지 않거나, 또는 처리하기 어려운(hard-to-process) 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고비점 성분은 올레핀을 제조하는 증기 열분해 반응기에서 직접 처리될 수 없고, 이는 이러한 중질 탄화수소의 존재가 반응기 내의 코크스를 형성하기 때문이며, 여기서 코크스화는 대류 구역 예열 코일 또는 과열 코일 또는 과열 코일의 하나 이상에서, 복사 코일에서, 이송 라인 교환기에서, 그리고 코크스화가 수 시간 내처럼 빠르게 일어날 수 있다.
분리되는 탄화수소 및 하류 공정으로의 공급물을 휘발시킬 때, 증기의 탄화수소와의 “온화한(gentle)”접촉이 액적 형성 및 하류 공정을 방해할 수 있는 중질 탄화수소의 동반흐름의 최소화 또는 회피하면서, 혼합물 내의 경질 탄화수소를 유리하게 증발시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 본원에서 사용된, “온화한”은 탄화수소 및 증기를 접촉시키는 단계;가, 예를 들어, 30 m/s 미만의 초기 상대 속도로 진행되어 비휘발된 탄화수소를 포함하는 액상 및 휘발된 탄화수소 및 증기를 포함하는 기상을 포함하는 분리 가능한 혼합물을 제조하는 것을 의미할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 탄화수소 공급원료 및 증기를 접촉시키는 단계;는 약 1 m/s 내지 약 15 m/s 범위 내와 같은 약 1 m/s 내지 약 30 m/s 범위 내의 초기 상대 속도에서 진행될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 탄화수소 공급원료 및 증기를 접촉시키는 단계;는 약 3.5 m/s 내지 약 10 m/s 또는 약 1.6 m/s 내지 약 9.5 m/s 범위 내와 같은 약 2 m/s 내지 약 10 m/s 범위 내의 초기 상대 속도에서 진행될 수 있다. 상기 증기 및 상기 탄화수소의 초기 접촉은 예를 들어, 30 m/s 미만, 25 m/s 미만, 20 m/s 미만, 18 m/s 미만, 15 m/s 미만, 12 m/s 미만, 또는 10 m/s 미만의 상대 속도, 예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 m/s의 하한 내지 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 20, 또는 25 m/s의 상한 범위 내의 상대 속도에서 발생할 수 있고, 여기서 어느 하한 값은 어느 상한 값과 조합 가능하다. 본원에서 사용된, 초기 상대 속도는 초기 혼합 시 각 흐름의 속도 차이를 의미한다.
목적하는 탄화수소의 휘발 양은 속도의 하한에 영향을 줄 수 있다. 탄화수소와의 온도 차이가 주어진 증기의 특정 부피 안에서 상당한 양의 열이 제공 가능하다. 이처럼, 상기 증기의 속도는 증기의 유동 면적 및 부피 유량에 의해 결정되고, 이는 탄화수소 공급원료 내의 탄화수소의 목적 양을 휘발시키기에 충분해야 한다. 따라서, 상기 증기와 탄화수소의 접촉을 위해 사용된 성분의 사이징은 휘발의 상당한 양을 달성하기 위하여 필요한 각각의 유량에 따라 결정될 수 있다.
일부 구현예에서, 탄화수소 공급원료는 상기 탄화수소 공급원료를 상기 증기와 접촉시키는 단계; 전에, 이의 끓는점 온도, 미만, 또는 초과의 온도 까지 일부 증기로 예열될 수 있다. 상기 예열은 예를 들어, 공급물 / 유출물 열교환기와 같은 열교환기에서 뿐만 아니라, 예를 들어, 가열기의 대류 구역에 배치된 가열 코일에서도 발생할 수 있다.
상기 증기 및 탄화수소 공급원료를 접촉시키는 단계는, 일부 구현예에서, 병류 흐름에 있는 상기 증기 및 탄화수소로 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 증기 및 탄화수소는 동심 파이프를 통해 혼합될 수 있고, 여기서 외부 파이프에서 흐르는 상기 스팀 또는 탄화수소는 내부 파이프의 말단에서 흐르는 나머지 스팀 또는 탄화수소와 접촉할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 증기는 외부 파이프에 있을 수 있고, 상기 탄화수소는 내부 파이프에서 흐르고 있을 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 탄화수소는 외부 파이프에서 흐르고 있을 수 있고, 상기 스팀은 내부 파이프에서 흐르고 있을 수 있다. 일부 구현예에서, 정적 믹서와 같은 혼합 장치가 내부 파이프의 말단의 하류에 제공될 수 있다.
혼합 후, 직접 가열은 탄화수소의 부분 휘발을 초래할 수 있다. 결과적인 2개-상(two-phase) 혼합물은 증기 및 휘발된 탄화수소를 포함하는 기상으로부터 비-휘발된 탄화수소를 포함하는 액상을 분리하는 분리기로 공급될 수 있다. 증기 및 탄화수소는 온화한 방식으로 혼합되기 때문에, 증기상 배출구로 중질 탄화수소를 동반할 수 있는 액적은 최소로 형성되거나, 또는 전혀 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 증기와 탄화수소의 병류 접촉은 30m/s 미만 또는 15 m/s 미만과 같은 낮은 상대 속도를 허용할 수 있고, 또한 액체 탄화수소 액적 지름이 주로, 예를 들어, 25 미크론을 초과하도록 할 수 있다. 그러한 액체 탄화수소 액적 지름은 중질 성분의 증발 또는 동반 없이 경질 성분의 증발을 가능하게 할 수 있다.
일부 구현예에서, 분리기는 플래쉬 용기(flash vessel)일 수 있다. 일부 구현예에서, 접촉이 뒤따르는 증기 및 탄화수소의 혼합물은, 실린더형 플래쉬 용기에 공급되어, 흐름의 벌크가 용기 내부로 접촉하며 도입되어 사이클론 흐름을 형성할 수 있고, 이에 따라 혼합 공정 동안 형성되어 올 수 있는 어느 액적을 포함하는 기상 및 액상의 분리를 촉진시킬 수 있다. 사이클론 분리 챔버는 기상의 회수를 위한 상부 유출구 및 액상의 회수를 위한 하부 유출구를 포함할 수 있다.
다른 구현예에서, 증기 및 탄화수소 공급원료는 향류로 접촉될 수 있다. 예를 들어, 상기 증기 및 상기 탄화수소는 세로 용기의 서로 반대 말단에서 도입될 수 있고, 여기서 아래로 떨어지는 탄화수소는 위로 흐르는 증기와 접촉될 수 있다. 일부 구현예에서, 세로 용기는 물질/열 전달 내부 및/또는 상기 증기 및/또는 탄화수소를 도입하는 분배기를 포함할 수 있다. 세로 용기의 속도는 작은 액체 액적(즉, 25 미크론 미만의 액적)의 심각한 형성을 예방하기에 충분하도록 낮게, 경질 성분의 목적 휘발도(degree of volatilization)를 달성하기에 충분하도록 높게 유지될 수 있다.
위에서 설명한 것처럼, 본원의 구현예에 따른 증기 및 탄화수소의 병류 및 향류 접촉 둘 다 동반될 수 있는 작은 탄화수소 액적의 상당한 양의 형성을 피할 수 있는 상대 속도에서 진행될 수 있다. 그러나, 접촉시키는 단계는 액적 크기 분포를 초래하는 것으로 알려져 있다. 일부 구현예에서, 본원의 구현예에 따른 증기 및 탄화수소를 접촉시키는 단계;는 형성된 액적이 100 미크론 초과, 150 초과, 200 미크론 초과, 250 미크론 초과, 300 미크론 초과, 또는 350 미크론 초과의 D50을 가지도록 하는 상대 속도에서 진행될 수 있다. 다른 구현예에서, 형성된 액적은 5 미크론 초과, 예컨대 10 미크론 초과, 15 미크론 초과, 20 미크론 초과, 25 미크론 초과, 30 미크론 초과, 35 미크론 초과, 85 미크론 초과, 또는 200 미크론 초과의 D10을 가진다. 일부 구현예에서, 형성된 액적은 약 60 내지 약 150 미크론 범위 내의 D10을 가질 수 있고, 약 200 내지 약 350 미크론 범위 내의 D50를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 증기 및 탄화수소의 접촉은 5% 미만, 10% 미만, 15% 미만의 액적이 25 미크론 미만의 액적을 가지도록 진행될 수 있다.
위에서 설명한 광비점 탄화수소 공급원료의 휘발은 탄화수소를 열적 분해하여 올레핀 및/또는 방향족 화합물을 제조하는 시스템에 유리하게 적용될 수 있다. 본원에 개시된 구현예에 유용한 탄화수소 혼합물은 다양한 탄화수소 혼합물을 포함할 수 있고, 이는 끓는점 범위를 가지는 것을 포함하고, 여기서 혼합물의 말단 끓는점은, 525℃, 550℃ 또는 575℃ 초과와 같이 450℃초과 또는 500℃초과일 수 있다. 550℃초과에서 끓는 탄화수소와 같은 고비점 탄화수소의 함량은 0.1 중량%, 1 중량% 또는 2 중량%만큼 적고, 10 중량%, 25 중량%, 50 중량% 이상만큼 많을 수 있다. 본원의 구현예는 원유에 기반하여 설명될 수 있으나, 어느 고비점 탄화수소 혼합물, 예를 들어 원유 및 응축물도 적용될 수 있다. 본원에 개시된 공정은 원유, 응축물 및 광비점 곡선 및 500 ℃초과의 종점을 가지는 탄화수소 또는 미량의 오염물질을 포함하고, 말단 끓는점이 150℃처럼 낮은 원료로 적용될 수 있다. 그러한 탄화수소 혼합물은 그 중에서도, 전체 원유, 미정제 원유, 수소처리된 원유, 경유, 진공 경유, 난방유, 제트 연료유, 경유, 등유, 휘발유, 합성 나프타, 라피네이트 리포메이트, 피셔-트로프슈 액체, 피셔-트로프슈 기체, 천연 휘발유, 증류물, 미정제 나프타, 천연 가스 응축물, 대기 파이프스틸 탑저, 탑저를 포함한 진공 파이프스틸 흐름, 경유 응축물로 되는 광비점 나프타, 정제소로부터의 정제 탄화수소 흐름, 진공 경유, 중질 경유, 대기 잔사, 수소화분해 왁스, 및 피셔-트로프슈 왁스를 포함할 수 있다 일부 구현예에서, 탄화수소 혼합물은 나프타 범위 이하 내지 진공 경유 범위 이상에서 끓는 탄화수소를 포함할 수 있다. 원한다면, 이러한 공급물은 전처리되어, 황, 질소, 금속 및 본원에 개시된 공정의 Conradson Carbon 상류의 일부를 제거할 수 있고, 또는 수소처리되어 수소 함량을 증가시키거나, 또는 분자량을 감소시킬 수 있다.
탄화수소 혼합물의 말단 끓는점이 550℃초과와 같이 높은 경우, 탄화수소 혼합물은 올레핀을 제조하는 증기 열분해 반응기에서 직접 처리될 수 없다. 이러한 중질 탄화수소의 존재는 반응기에서 코크스의 형성을 초래하고, 여기서 코크스화는 하나 이상의 대류 구역 예열 코일 또는 과열 코일에서, 복사 코일에서, 또는 이송 라인 교환기에서 일어날 수 있고, 또한 그러한 코크스화는 수 시간 내와 같이 매우 빠르게 일어날 수 있다. 전체 원유는 경제적이지 않기 때문에, 상업적으로 분해되지 않는다. 이는 일반적으로 분별 증류되고, 그리고 특정 컷만 올레핀을 제조하는 증기 열분해 반응기에 사용된다. 나머지는 기타 공정에 사용된다. 낮은 말단 포인트를 가지는 오염된 공급물 또한 증기 열분해 반응기 또는 생성물 회수 구역, 또는 양쪽 모두에서의 올레핀 공장에 영향을 미칠 수 있다.
분해 반응은 자유 라디칼 메카니즘을 통해 진행한다. 따라서, 높은 온도에서 분해될 때, 고 에틸렌 수율을 달성할 수 있다. 부탄 및 펜탄과 같은 경질 공급물은 고 에틸렌 수율을 얻으려면 높은 반응기 온도가 필요하다. 경유 및 진공 경유(vacuum gas oil, VGO)와 같은 중질 공급물은 낮은 온도가 필요하다. 원유는 부탄에서 VGO 그리고 잔여물(550℃초과의 표준 끓는점을 가지는 물질)까지의 화합물의 분포를 포함한다. 전체 원유를 분리 없이 고온에서 다루는 것은 고 수율의 코크스(높은 심각도에서의 탄화수소 분해의 부산물)를 제조하고, 반응기를 막히게 한다. 증기 열분해 반응기는 주기적으로 중단되어야 하고, 코크스는 증기/공기 탈코크스화로 제거되어야 한다. 올레핀이 제조될 ‹š의 두개의 세척 주기 사이의 시간을 실행 길이라고 부른다. 원유가 분리 없이 분해되면, 코크스는 대류 구역 코일(유체를 증발시킴), 복사 구역(올레핀 제조 반응이 일어나는 곳) 및/또는 이송 라인 교환기(반응이 냉각에 의해 빠르게 중단되어 올레핀 수율을 보존하는 곳)에서 축적될 수 있다. 본원의 분리 장치 및 공정은 전체 원유의 증기 열분해 반응기에서의 향상된 처리성능을 위한 목적 분획으로의 분별 증류를 촉진시킬 수 있다.
분리되는 탄화수소 및 증기 분해기로 공급되는 공급물을 휘발시킬 때, 증기를 탄화수소와 온화하게 접촉시키는 것은 액적 형성 및 중질 탄화수소의 동반흐름을 최소화하거나 피하면서, 혼합물 내의 경질 탄화수소를 유리하게 증발시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 본원에 개시된 구현예는 공급 탄화수소 혼합물을 예열하고, 2개 이상의 분획으로 분리하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원의 구현예는 전체 원유를 증기와 접촉시켜서 90 ℃미만, 120 ℃미만, 140 ℃미만, 150 ℃미만, 160 ℃미만, 180 ℃미만, 200 ℃미만, 220 ℃미만, 250 ℃미만, 300 ℃미만, 350 ℃미만, 400 ℃미만 또는 450 ℃미만의 표준 끓는점 온도를 가지는 탄화수소와 같은 경질 탄화수소 분획을 휘발시킬 수 있다. 증기와 접촉시키기 전에, 탄화수소 공급원료는 열 교환기에서 또는 공급원료를 증기 열분해 반응기(또는 가열기)의 대류 구역에서 통과시켜서 공급 탄화수소 혼합물을 예열하는 것과 같이 예열되어 목적 분획으로의 분리를 촉진시킬 수 있다.
증기는 낮은 상대 속도(스팀 빼기 탄화수소 속도)에서 탄화수소 공급원료에 주입되어 탄화수소 혼합물의 증발을 증가시키고, 가열 및 분리 달성의 정도를 제어할 수 있다. 탄화수소의 증발은 상대적으로 낮은 온도에서 일어날 수 있다. 증기 및 탄화수소의 초기 접촉은 예를 들어 위에서 설명한 것처럼 낮은 상대 속도에서 일어날 수 있고, 여기서 상대 속도는 예를 들어, 30 m/s 미만, 25 m/s 미만, 20 m/s 미만, 15 m/s 미만, 12 m/s 미만 또는 10 m/s 미만일 수 있다.
일부 구현예에서, 증기 온도 및 증기 공급량은 예를 들어, 탄화수소 공급원료 내의 탄화수소의 5 이하, 10 이하, 15 이하, 20 이하, 25 이하, 30 이하, 35 이하 또는 40 중량% 이하를 휘발시키기에 충분할 수 있다. 일부 구현예에서, 증기 온도 및 증기 유량은 160℃ 이하의 표준 끓는점을 가지는 탄화수소의 75 내지 85 중량%와 같이, 160℃ 이하의 표준 끓는점을 가지는 탄화수소의 70 내지 90, 95, 또는 심지어 98 중량%를 휘발시키기에 충분할 수 있다. 다른 구현예에서, 증기 온도 및 증기 유량은200℃또는 220℃이하의 표준 끓는점을 가지는 탄화수소의 75 내지 85 중량%와 같이, 200℃ 이하 또는 220℃이하의 표준 끓는점을 가지는 탄화수소의 70 내지 90, 95, 또는 98 중량%를 휘발시키기에 충분할 수 있다.
본원의 구현예에 따른 증기 및 광비점 탄화수소의 접촉은 코크스 전구체의 휘발 및/또는 코크스 전구체의 동반흐름을 최소화 또는 제거할 수 있다. 예를 들어, 주어진 컷 포인트 온도에서, 본원의 구현예는 의도한 컷 포인트 온도 이하의 표준 끓는점을 가지는 탄화수소의 대부분을 효율적으로 휘발시킬 수 있다. 예를 들어, 탄화수소 컷은 비교적 깨긋할 수 있으며, 이는 증발된 분획이 의도된 타겟 끓는점 보다 높은 온도에서 끓는 화합물을 실질적인 양(본원에서 사용된 바와 같이 >10 중량)으로 가지지 않을 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 160°C- 컷은 160°C 초과에서 끓는 탄화수소 화합물을 실질적인 양으로 가지지 않을 수 있다(즉, >10 wt%). 다른 구현예에서, 의도된 타겟 “컷” 온도는 95% 끓는점 온도, 또는 다른 구현예에서는 85% 끓는점 온도일 수 있고, 이는 ASTM D86 또는 ASTM D2887, 또는 진비점(True Boiling Point, TBP) 분석법을 사용하여 측정할 수 있는 것과 같으며, 진비점 분석법은 예를 들어, ASTM D2892에 따른다. 그러한 구현예에서, 표시된 “컷” 포인트 온도를 초과하는 화합물의 5 중량% 이하, 15 중량% 이하 또는 25 중량% 이하가 있을 수 있다.
전체 원유와 같은 광비점 탄화수소 혼합물의 열분해 공정은 따라서 450℃ 이하, 또는 초과의 끓는점 범위를 가지는 탄화수소 공급원료를 증기를 접촉시켜서 탄화수소의 일부를 휘발시키는 단계;를 포함할 수 있다. 위에서 설명한 것처럼, 탄화수소 공급물 및 증기를 접촉시키는 단계;는 예를 들어, 9 m/s의 초기 상대 속도에서와 같은, 15 m/s 미만 또는 12 m/s 미만의 초기 상대 속도에서 진행될 수 있다. 회수 후에는, 생성된 기상은 증기 열분해 반응기로 공급되어, 적어도 그 내부의 탄화수소의 일부를 올레핀으로 전환할 수 있다. 증기와 접촉시키기 전, 탄화수소 공급원료는 증기 열분해 반응기의 대류 구역에서 통과되어 탄화수소 공급원료를 예열할 수 있다. 일부 구현예에서, 예열은 이의 끓는점 온도 미만의 온도까지의 탄화수소 공급원료의 가열을 제한하도록 진행될 수 있다.
다른 측면에서, 본원의 구현예는 광비점 탄화수소 공급원료를 휘발시키는 시스템 및 광비점 탄화수소 공급원료로부터 올레핀 및 방향족 화합물을 제조하는 시스템에 관한다. 본원의 시스템은 증기 유입구, 탄화수소 유입구, 기상 유출구 및 액상 유출구를 포함하는 휘발 장치를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 휘발 장치는 병류 흐름 구성으로 배열된 동심 파이프로 구성된 증기 유입구 및 탄화수소 유입구를 포함한다. 병류 휘발 장치는 동심 유입구로부터 병류로 흐르는 증기 및 탄화수소를 받도록 구성된 사이클론 분해기를 더 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 휘발 장치는 향류 흐름 구성으로 배열된 증기 유입구 및 탄화수소 유입구로 구성될 수 있다.
본원의 시스템은 또한 제어 시스템을 포함하여, 탄화수소 유입구를 통해 도입된 탄화수소 공급원료의 유량 및 증기 유입구를 통해 도입된 증기의 유량을 유지할 수 있다. 제어 시스템은 탄화수소 공급원료 및 증기의 유량을 유지하고, 흐름의 접촉을 30 m/s 미만, 15 m/s 미만, 12 m/s 미만, 10 m/s 미만의 상대 속도 또는 위에서 설명한 다른 상대 속도에서 제어하도록 구성될 수 있다.
시스템은 기상 유출구를 통해 회수된 휘발된 탄화수소를 전환하여 올레핀 및 방향족 화합물을 형성하는 증기 열분해 반응기를 더 포함할 수 있다.
위에서 설명한 부분 기화 시스템 및 방법은 따라서 기-액 혼합물을 형성할 수 있다. 기상 탄화수소는 액상 탄화수소로부터 분리될 수 있고, 분리된 기상만이 증기 열분해 반응기의 하나 이상의 복사 셀에 있는 복사 코일로 공급될 수 있다.
가열 및 분리하는 단계;는 원한다면, 탄화수소 혼합물을 2개 이상의 탄화수소 분획으로 분리하는데 사용될 수 있다. 이는 각 컷의 최적 분리를 증기 대 오일 비(ratio)인 처리량, 가열기 유입구 및 유출구 온도, 및 기타 변수가 복사 코일 및 연관된 하류 장치의 코크스화는 제한하면서, 예를 들어, 목표 생성물 프로파일과 같은 원하는 반응 결과를 달성하는데 적절한 정도로 제어될 수 있도록 한다. 남은 액체는 처리하기 어려운 중질 성분을 올레핀 및 방향족 화합물을 제조하는 복사 코일로의 추가 공급물로서 사용하기에 적합한 탄화수소로 전환하는 공급원료의 중질 부분의 컨디셔닝과 같은 추가 처리를 위해 제거될 수 있다.
탄화수소 공급원료는 분해 공정으로부터의 유출물 또는 증기 열분해 반응기 / 가열기로부터의 배연(flue gas)을 포함하는 공정 흐름으로부터의 폐열(waste heat)로 예열될 수 있다. 대신, 원유 가열기가 예열에 사용될 수 있다. 그러한 경우에서, 증기 열분해 반응기의 열 효율을 증가시키기 위해, 기타 저온(cold) 유체(보일러 공급수(BFW) 또는 공기 예열물 또는 이코노마이저)가 대류 구역의 최상단 저온 싱크로서 채용될 수 있다.
증기 열분해 반응기에서 탄화수소를 분해하는 공정은 세 부분, 다시 말해, 대류 구역, 복사 구역, 및 이송 라인 교환기(transfer line exchanger, TLE) 등의 급랭 구역으로 나누어질 수 있다. 대류 구역에서, 공급물은 예열되고, 증기와 혼합되며, 그리고 부분 증발된다. 복사 구역에서, 공급물은 분해된다(주요 분해 반응을 진행한다). TLE에서, 반응 유체는 빠르게 급랭하여 반응을 멈추고, 생성물 혼합을 제어한다. 열교환을 통한 간접 급랭 대신, 오일에 의한 직접 급랭 또한 적용될 수 있다.
본원의 구현예는 탄화수소 공급원료를 효율적이고 선택적으로 증발시켜서 중질 탄화수소의 동반흐름을 제한 또는 제거하여, 분해 공정을 개선한다. 일부 구현예에서, 모든 가열은 단일 반응기의 대류 구역에서 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 원유는 대류 뱅크의 맨 윗줄로 들어가고, 어느 증기의 추가 없이 가열기의 복사 구역에서 생성된 고온 배연과 함께 운전 압력에서 중간 온도까지 예열된다. 출구 온도는 150℃에서 230℃까지 변할 수 있고, 이는 공급원료 끓는점 범위, 온도 및 처리량에 의존한다. 이러한 조건에서, 탄화수소는 미량으로 증발하거나, 증발되지 않아서, 탄화수소 공급원료를 이의 비점 이하로 유지할 수 있다. 예를 들어, 이러한 제 1 가열 단계의 출류 온도는 나프타(약 200℃이하의 표준 끓는점을 가짐)와 같이 경질인 성분이 증발되지 않거나, 소량만이 증발되도록 하는 것일 수 있다. 탄화수소 혼합물이 가열기의 복사 구역에서 생성된 고온 배연으로 예열되기 때문에, 출구 온도에서의 제한된 온도 변화 및 가변이 예상될 수 있다.
일부 구현예에서, 미량의 증기가 공급물 탄화수소에 추가될 수 있고, 추가로 예열되어 공급물의 부분 증발과 함께 200℃초과의 온도를 달성할 수 있다. 미량의 증기의 추가는 코크스 형성을 예방할 수 있고, 동시에 원료를 고온으로 가열할 수 있도록 하여, 원유, 또는 올레핀 및 방향족 화합물 제조의 원료를 고수율로 회수할 수 있도록 한다.
위에서 설명한 것처럼, 예열된 탄화수소 혼합물은 탄화수소 공급원료를 부분적으로만 증발시키는 낮은 상대 속도에서 증기와 혼합될 수 있고, 증발된 부분은 증발되지 않은 부분으로부터 분리될 수 있다. 기상은 추가로, 희석 증기와 혼합되는 과열하는 단계를 진행할 수 있고, 그 다음, 분해하는 복사 코일로 공급될 수 있다.
일부 구현예에서 예를 들어, 160℃이하의 표준 끓는점을 가지는 탄화수소가 휘발될 수 있다. 이렇게 휘발된 경질 탄화수소 분획 및 희석 증기의 혼합물은 대류 구역에서 더 과열될 수 있고, 그 다음 복사 코일로 들어간다. 복사 코일은 다른 셀 또는 단일 셀의 복사 코일의 군일 수 있고, 경질 탄화수소 분획을 분해하는데 사용될 수 있다. 희석 증기의 양은 제어되어 전체 에너지를 최소화시킬 수 있다. 일반적으로, 증기 대 경질 탄화수소의 분율(fraction)은 0.2 w/w 내지 1.0 w/w와 같은, 또는 약 0.3 w/w 내지 약 0.7 w/w와 같은, 약 0.5 w/w의 증기 대 오일 비로 제어된다.
비증발된 액상 탄화수소는, 일부 구현예에서, 추가로 처리되거나 또는 연료로 보내진다. 비증발된 액체의 열적 분해가 추가의 올레핀 및 방향족 화합물을 제조하고자 하는 것이면, 비증발된 액체는 각각 쉐브론 루머스 글로벌에서 입수 가능한 LC-FINNING 공정 또는 LC-SLURRY 공정과 같은 다른 정제 공정에서 먼저 컨디셔닝되어 증기 열분해 반응기에서 사용되기에 적합한 공급물을 제조할 수 있다. 수소처리를 대신하여, 당업자는 또한 코크스화 지연 및/또는 유체 촉매 분해(fluid catalytic cracking, FCC)와 같은 기타 방식을 고려할 수 있다. 추가로, 이 흐름에서 얻을 수 있는 열 에너지는 기타 공정 흐름을 예열하는데, 또는 증기를 생성하는데 사용될 수 있다.
복사 코일 기술은 여러 줄 및 여러 병렬 흐름 및/또는 스플릿 코일 배열과, 90 ms(millisecond) 내지 1000 ms의 벌크한 체류 시간을 가지는 어느 종류일 수 있다. 이는 세로 또는 가로일 수 있다. 코일 재료는 맨(bare) 및 휜(finned) 고강도 합금 또는 내부적으로 향상된 열전달 튜브일 수 있다. 가열기는 다수의 코일을 가지는 한개의 복사 용기 및/또는 각 용기 당 복수의 코일을 가지는 두개의 복사 용기로 이루어질 수 있다. 복사 코일의 모양 및 크기와 각 용기 내의 코일의 수는 서로 같거나 다를 수 있다. 비용을 고려하지 않는 경우, 복수 흐름 가열기 / 교환기가 채용될 수 있다.
복사 코일에서의 분해 후, 하나 이상의 이송 라인 교환기가 생성물을 매우 빠르게 냉각시키고, (초)고압 증기를 생성하는데 사용될 수 있다. 하나 이상의 코일이 각 교환기로 혼합 및 연결될 수 있다. 교환기는 이중 파이프 또는 다중 쉘(shell) 및 관형 교환기일 수 있다.
간접 냉각 대신, 직접 급랭 또한 사용될 수 있다. 이러한 경우, 오일이 복사 코일의 유출구로 주입될 수 있다. 오일 급랭 후, 물 급랭 또한 사용될 수 있다. 오일 급랭 대신, 전수(all water) 급랭 또한 사용될 수 있다. 급랭 후, 생성물은 회수 구역으로 보내진다.
도면은 본원의 구현예에 따른 분해 시스템의 단순화된 공정 흐름도를 나타낸다. 가열 관형로(1)는 탄화수소를 에틸렌 및 기타 올레핀성 및 방향족 화합물로 분해하는데 사용된다. 가열 관형로(1)는 대류 구획 또는 구역(2) 및 분해 구획 또는 구역(3)을 가진다. 로(1)는 탄화수소 공급 라인(22)을 통해 초기에 공급되는 탄화수소의 일부가 열의 인가에 따라 분해되어 생성물 기체를 제조하는 하나 이상의 공정 튜브(복사 코일, 4)를 포함한다. 복사 및 대류 열은 노저 버너, 바닥 버너, 또는 벽 버너와 같은 가열매 유입구(8)를 통해 로(1)의 분해 구역(3)으로 도입되고 배기(10)을 통해 배출되는, 가열매(heating medium)의 연소에 의해 공급된다.
전체 원료 또는 나프타 범위 탄화수소에서부터 450℃ 초과의 표준 끓는점을 가지는 탄화수소까지의 탄화수소를 포함하는 탄화수소 혼합물과 같은 탄화수소 공급원료는 증기 열분해 가열기(1)의 대류 구역(2)에 도입된 유입구(22)를 통해 가열 코일(24)로 도입될 수 있다. 예를 들어, 475℃ 초과, 500℃초과, 525℃ 초과, 또는 550℃초과의 표준 끓는점을 가지는 탄화수소를 포함하는, 광비점을 가지는 탄화수소는 가열 코일(24)에 도입될 수 있다. 가열 코일(24)에서, 탄화수소 공급원료는 예를 들어, 탄화수소 공급원료의 끓는점 미만의 온도까지 예열될 수 있다. 가열된 탄화수소 공급원료(26)는 그 다음 증기(50)와 낮은 상대 속도에서 접촉할 수 있고, 기체 분획(28) 및 액체 분획(30)으로 분리하는 분리기(27)로의 공급물과 접촉할 수 있다. 명확하게 도시하지 않았지만, 도면에 나타낸 구현예는 증기(5) 및 예열된 탄화수소(26)를 사이클론 분리기(27)로 공급하기 전에 병류 접촉하는 것을 고려한다.
증기는 유선(32)을 통해 공정으로 공급될 수 있다. 다른 부분에서는 고온 과열 증기를 사용할 수 있는 동안, 공정의 다양한 부분은 저온 또는 포화 증기를 사용할 수 있다. 과열되는 증기는 유선(32)을 통해 가열 코일(34)로 공급될 수 있고, 증기 열분해 가열기(1)의 대류 구역(2)에서 가열될 수 있으며, 유선(36)을 통해 과열 증기로 회수될 수 있다. 증기(50)는 유선(32)으로부터 공급될 수 있고, 또는 대신에 유선(50A)로부터의 과열 증기가 될 수 있다.
낮은 상대 속도 에서의 증기(50 또는 50A)의 예열된 탄화수소 공급원료(26)와의 접촉은 예를 들어, 탄화수소 성분의 최중질 10 내지 30 중량%를 휘발시킬 수 있고, 이는, 유선(28) 내의 증기로 회수될 수 있다. 증기의 일부는 유선(40)을 통해 공급될 수 있고, 기체 분획(28)과 라인(42)에서 혼합되어 증기 / 탄화수소 혼합물을 형성할 수 있다. 흐름(42) 내의 증기 / 탄화수소 혼합물은 시스템(A)을 통해 가열 코일(44)로 공급될 수 있다. 그 다음, 생성된 과열된 혼합물은 유선(46)을 거쳐 시스템(B)을 통해 증기 열분해 가열기(1)의 복사 구역(3)에 도입된 분해 코일(4)로 공급될 수 있다. 분해된 탄화수소 생성물은 열 회수, 급랭 및 생성물 회수를 위한 유선(12)를 통해 회수될 수 있다. 시스템(A) 및 시스템(B)은 간단한 도관(conduit)일 수 있고, 또는 하나 이상의 가열기, 추가 증기 주입, 이차 탄화수소 공급물 또는 중간 처리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유선(40)을 통해 공급되고, 기체 분획(28)과 혼합되는 추가 증기 대신, 증기는 시스템(A)에서 혼합될 수 있다.
가열 코일(24)에서 휘발되지 않은 탄화수소 공급원료의 최경질 70 내지 90 중량%인 액체 분획(3)은, 그 다음 열 분해되는 중질 성분을 컨디셔닝하는 시스템(C)으로 공급될 수 있다. 시스템(C)에서의 컨디셔닝 후, 열 분해될 탄화수소 결과물은 코일(52)에서 예열될 수 있고, 증기 열분해 반응기(1)의 대류 구역(2)에 도입된 가열 코일(52)의 전 또는 후에 증기(53)와 혼합될 수 있다. 가열 코일(52)에서, 컨디셔닝된 탄화수소는 부분적으로 또는 전체적으로 증발될 수 있다. 위에 나타낸 것처럼, 일부 구현예에서, 미량의 증기(미도시)가 중질 공급물의 가열에 앞서 추가될 수 있다. 컨디셔닝된 액체 분획(30)으로의 증기의 주입은 가열 코일(52)에서의 코크스 형성의 방지를 도울 수 있다. 가열된 액체 분획(54)은, 기체 분획(58) 및 액체 분획(60)으로 분리하는 분리기(56)로 선택적으로 공급될 수 있다. 흐름(C)은 나타낸 것처럼, 같은 증기 분해기에서 열 분해될 수 있다. 다른 구현예에서, 흐름(C)은 다른 가열기에서 열분해되어, 추가 온도 제어를 제공할 수 있다. 대신, 흐름(C)은 수소처리 장치 또는 FCC 장치에서 처리될 수 있다. 다른 구현예에서, 흐름(C)은 다른 흐름과 혼합되어 연료를 형성할 수 있다.
과열 증기의 일부는 유선(62)을 통해 공급되고, 기체 분획(58)과 혼합되어, 라인(64)에서 증기 / 탄화수소 혼합물을 형성할 수 있다. 흐름(64) 내의 증기 / 탄화수소 혼합물은, 그 후 가열 코일(66)로 공급될 수 있다. 생성된 과열된 혼합물은 그 다음 유선(68)을 통해 증기 열분해 가열기(1)의 복사 구역(3)에 도입된 분해 코일(4)에 공급될 수 있다. 그 후, 분해된 탄화수소 생성물은 열 회수, 급랭 및 생성물 회수를 위한 유선(13)을 통해 회수될 수 있다.
과열된 증기는 유선(74)을 통해 분리기(56)으로 직접 주입될 수 있다. 과열 증기의 분리기로의 주입은 분압을 감소시키고, 기체 분획(58)내의 탄화수소의 함량을 증가시킬 수 있다.
탄화수소 및 증기 흐름을 가열하는 단계에 더하여, 대류 구역(2)은 다른 공정 흐름 및 증기 흐름을 예를 들어 코일(80, 82, 84)를 통해 가열하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 코일(80, 82, 84)는 특히 보일러 공급수(BFW, Boiler feed water)를 가열하고, 초고압(super high pressure) 증기를 예열하는데 사용될 수 있다.
코일(24, 52, 34, 44, 66, 80, 82, 84)의 배치 및 수는 설계 및 사용 가능한 것으로 예상되는 공급원료에 따라 달라진다. 이 방식에서, 대류 구역은 배연으로부터의 에너지 회수를 최대화하도록 설계될 수 있다. 일부 구현예에서, 과열 코일(44)을 과열 코일(66) 보다 높은 배연 온도 위치에 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 경질 탄화수소의 분해는 높은 심각도에서 수행될 수 있고, 과열 코일을 적절하게 위치시킴으로써, 분해 조건은 특정 증기 컷으로 향상되거나, 또는 맞춰질 수 있다.
위에서 설명한 것처럼, 분리기(27)는 예열된 탄화수소 공급원료와 낮은 상대 속도에서 병류 또는 향류 방식으로 접촉하도록 구성될 수 있다. 상기 접촉은 낮은 리프트(예를 들어, 탄화수소의 30 중량% 미만의 휘발)를 달성할 것이고, 또한 높은 평균 탄화수소 액적 지름(예를 들어. 25 미크론 초과)을 초래할 것이다.
분리기(56)는 가동되어 높은 휘발도(degree of volatilization)를 달성할 수 있다. 높은 휘발도를 원함에 따라, 제 2 분리기(56)는 중질유 처리 시스템(heavy oil processing system) 탑일 수 있고, 이는 처리된 탄화수소의 95% 초과 휘발도를 달성하는데 사용될 수 있다. 대신에, 당업자는 분리기(27)과 유사한 분리기를 사용하여 높은 휘발도를 달성할 수 있다. 또한, 도면은 저비점 및 고비점흐름이 단일 가열기 또는 복수의 가열기에서 열분해되는 것을 나타내지만, 고비점 분획은 위에서 나타내는 수소처리 장치에서도 처리될 수 있다.
위에서 설명한 각 구현예에서, 액체 탄화수소 공급물은 예열될 수 있고, 증기와 혼합될 수 있다. 본원의 구현예는 추가로 증기 및 액체 탄화수소의 혼합물을 형성하는 것에 관하고, 여기서 액체 탄화수소는 심각한 증기의 형성 없이 가열되며, 이로써 고속을 피한다. 희석 증기는 그 후 탄화수소에 낮은 속도로 추가되어 작고, 분리가 어려운 액체 액적을 형성하지 않으면서, 더 휘발성인 탄화수소를 증발시킨다.
예를 들어, 본원의 구현예는 원유 또는 기타 탄화수소 분획을 증기 분해기의 대류 구역에서 이의 끓는점 온도 밑의 온도까지 예열하는 단계;를 포함할 수 있다. 예열된 원유는 그 다음, 증기 및 원유를 낮은 속도에서 접촉시키기 위해 물질 및/또는 열 전달 내부를 가지는 세로 용기에서 접촉될 수 있다. 일부 구현예에서, 증기 및 원유는 향류로 흐를 수 있다. 세로 용기 내의 속도는25 미크론 미만의 지름을 가지는 액체 액적의 형성을 최소화 또는 예방하는데 충분히 낮게 유지될 수 있다. 용기의 오버헤드로부터의 기체는, 증기 및 휘발된 탄화수소를 포함하고, 올레핀으로 전환하는 증기 분해기의 과열 및/또는 복사 구역으로 보내진다. 세로 용기 및 접촉 내부는 액체 탄화수소 분획을 증기와 접촉시켜서 상기 탄화수소 공급원료의 분획을 낮은 속도에서 증발시켜서 작은 액적의 형성을 방지하게 한다. 액적-없는 또는 실질적으로 액적-없는 증기 분획은 그 다음 증기 분해기 복사 구역에서 분해될 수 있다.
본원의 구현예는 따라서 전체 원유 및 고비점 코크스 전구체를 함유하는 기타 탄화수소 혼합물의 유연한 처리를 제공할 수 있다. 유리하게, 본원의 시스템 및 공정은 광비점 혼합물의 제어된 휘발을 제공할 수 있다. 본원의 구현예는 예열, 과열 및 분해 공정 동안, 심지어 높은 심각도 조건에서도 코크스화 및 쇠퇴를 유리하게 감소시킬 수 있다. 본원의 구현예는 복수의 가열기에서의 분획의 예비 분별 및 분리 처리와 관련한 자본 및 에너지 요건을 상당히 감소시키면서 상당한 수율을 달성할 수 있다.
본원 구현예에 따른 분해 공정 동안의 코크스화의 억제는 올레핀 수율을 증가시키면서 증가된 실행 길이(감소된 중단 시간) 및 중질 탄화수소를 함유하는 공급물을 다루는 능력을 포함하는 상당한 이점을 제공한다. 또한, 증류성 분리 및 분리 분해 반응기를 포함하는 기존의 공정 대비 상당한 에너지 효율을 얻을 수 있다.
본 개시는 제한된 구현예를 포함하지만 본 개시의 이점을 가지는 당업자는 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구현예가 고안될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (25)

  1. 전체 원유를 증기 분해하는 공정으로서, 상기 공정은:
    전체 원유를 증기와 접촉시켜서 탄화수소의 일부를 휘발시키는 단계; 여기서 탄화수소 공급원료 및 증기를 접촉하는 단계;는 30 m/s 미만의 초기 상대 속도에서 진행되고;
    비휘발된 탄화수소를 포함하는 액상으로부터 휘발된 탄화수소 및 증기를 포함하는 기상을 분리하는 단계;
    기상의 탄화수소를 증기 분해하는 단계;를 포함하고,
    상기 초기 상대 속도는, 상기 탄화수소 공급원료 및 증기의 초기 혼합 시의 탄화수소 공급원료 흐름 및 증기 흐름의 속도 차이인 것인, 공정.
  2. 제 1 항에 있어서, 전체 원유 및 증기를 접촉하는 단계;는 1 m/s 내지 15 m/s 범위 내의 초기 상대 속도에서 진행되는 것인, 공정.
  3. 제 1 항에 있어서, 전체 원유 및 증기를 접촉하는 단계;는 2 m/s 내지 10 m/s 범위 내의 초기 상대 속도에서 진행되는 것인, 공정.
  4. 제 1 항에 있어서, 100 미크론 초과의 D50을 가지는 탄화수소 액적(droplet)을 형성하는 단계;를 더 포함하는, 공정.
  5. 제 1 항에 있어서, 20 미크론 초과의 D10을 가지는 탄화수소 액적(droplet)을 형성하는 단계;를 더 포함하는, 공정.
  6. 제 1 항에 있어서, 접촉하는 단계; 전에, 전체 원유를 이의 끓는점 온도 미만의 온도까지 예열하는 단계;를 더 포함하는, 공정
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 접촉하는 단계;는 상기 증기와 상기 전체 원유를 병류에서 혼합하는 단계;를 포함하는 것이고, 상기 분리하는 단계;는 사이클론 분리기에서 상기 액상으로부터 상기 기상을 분리하는 단계;를 포함하는 것인, 공정.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 증기 및 상기 전체 원유는 향류로 접촉되는 것인, 공정.
  9. 제 1 항에 있어서, 전체 원유 내의 탄화수소의 5 내지 90 중량%을 휘발시키기에 충분하도록 증기 온도 및 증기 공급량을 제어하는 단계;를 추가로 포함하는, 공정.
  10. 제 1 항에 있어서, 전체 원유 내의 탄화수소의 10 내지 30 중량%을 휘발시키기에 충분하도록 증기 온도 및 증기 공급량을 제어하는 단계;를 추가로 포함하는, 공정.
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  21. 광비점 탄화수소 공급원료로부터 올레핀을 제조하는 시스템으로서, 상기 시스템은:
    증기 유입구, 탄화수소 유입구, 기상 유출구 및 액상 유출구를 포함하는 휘발 장치;
    탄화수소 유입구를 통해 도입된 탄화수소 공급물 및 증기 유입구를 통해 도입된 증기의 유량을 30 m/s 미만의 상대 접촉 속도로 유지하도록 구성되는 제어 시스템; 및
    기상 유출구를 통해 회수된 휘발된 탄화수소를 전환하여 올레핀 및 방향족 화합물을 형성하는 증기 열분해 반응기;를 포함하고
    상기 상대 접촉 속도는, 상기 탄화수소 공급원료 및 증기의 초기 혼합 시의 탄화수소 공급원료 흐름 및 증기 흐름의 속도 차이인 것인, 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 탄화수소 유입구를 통해 도입된 탄화수소 공급물 및 증기 유입구를 통해 도입된 증기의 유량을 15 m/s 미만의 상대 접촉 속도로 유지하도록 구성되는 것인, 시스템.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 휘발 장치는 병류 흐름 구성으로 배열된 동심 파이프(concentric pipe)로 구성된 상기 증기 유입구 및 상기 탄화수소 유입구를 포함하는 것인, 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 휘발 장치는 동심 유입구로부터 병류로 흐르는 증기 및 탄화수소를 받도록 구성된 사이클론 분리기를 추가로 포함하는 것인, 시스템.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 휘발 장치는 향류 흐름 구성으로 배열된 상기 증기 유입구 및 탄화수소 유입구로 구성되는 것인, 시스템.
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