KR870001544B1 - 비스브레이킹 공정 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

비스브레이킹 공정

본 도면은 본 발명의 바람직한 구체에의 간단한 공정 유통도이다.

본 발명은 원유의 개질에 이용되는 탄화수소 전환동정에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 개선된 비스브레이킹(visbreaking) 공정으로서, 일반적으로 원유의 분별증류에 의해 산출된 잔류 탄화수소의 열처리 공정에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공정내에서 연료소비를 최소로 하고 열회수를 최대로 하기 위해 상기 공정에 이용되는 열교환에 관한 것이다. 또한 본 발명은 비스브레이킹 가열기 또는 비스브레이킹 반응챔버로부터의 유출물을 저온도의 탄화수소 스트림으로 퀸칭시켜 열 분해반응(thermal cracking reaction)을 종결시켜는 방법에 관한 것이다.

비스브레이킹은 매우 잘 확립된 산업적 개질공정이다. 비스브레이킹 및 이것과 관련된 열분해공정은 1980년 5월에 간행된 탄화수소 처리공정(Hydrocarbon Processing) 101페이지에 기술되어 있다. H.L.Thompson에 의한 미합중국 특허 제4, 169, 782호는 산업적 비스브레이킹 공정의 좀더 완전한 공정유통도를 제시하고 있다. 이러한 문헌들은 비스브레이킹 가열기의 유출물과 혼합되는 퀸칭액체로서 사용될 수 있는 물질에 대한 기술로서 적합한 것이다.

또한 비스브레이킹 공정은 오일 및 기름(Oil and Gas Journal)(1981.4.13)의 109페이지에 기술되어 있다. 상기 문헌은 특히 비스브레이커 유출물을 수신하는 분류기(fractionator)의 하부스트림의 일부분을 비스브레이커 유출물과 혼합되는 퀸칭 스트림으로서 사용하는 것에 대해 기술하고 있다. 1979년 1월에 간행된 탄화수소 처리공정의 131페이즈는 비스브레이킹에 대해 기술하고 있다. 상기 문헌은 퀸칭스트림으로서 사용될 수 있는 비스브레이킹 가열기 유출스트림 및 기타 물질을 퀸칭하는 유용성에 대해 135페이지에서부터 시작되는 기술의 설명에 적합하다. Kirk- Othmer Encyclopedia of Chemical Technology의 제2판 제15권 2페이지의 제9도에 도시된 비스브레이킹 잔위의 공정유통도는 그 공정에 사용되는 여러 간접 열교환기를 보여주고 있다. 상기 유통도는 간접열교환에 의해 부하 스트림을 바람직하게 가열시키는 기술에 대해 설명하는데 적합하다.

본 발명은 공정의 자금비용과 유틸리티 비(utilities cost)를 감소시킨 비스브레이킹 공정에 관한 것이다. 이러한 개선은 전(前) 공정보다 더 높은 온도로 스트림을 가열하는 간접 열 교환방식에 의해 원료 스트림을 비스브레이킹 가열기로 가열함으로써 이루어진다. 원료스트림이 비스브레이킹 가열기로 주입될 때는 더 높은 온도상태로 있게 되므로 더 적은 연료가 가열기내에서 소비되며 가열기의 크기는 더 작게 된다.

본 공정의 중요한 부분은 종래의 비에서 보다 더 높은 온도와 더 높은 유동속도를 갖는 퀸칭스트림의 이용에 있다. 퀸칭물질이 좀더 높은 온도라 할지라도 더 많은 양의 퀸칭스트림을 사용함으로써 비스브레이커 가열기 유출물의 온도를 적절하게 감소시킬 수 있다.

본 발명은 600°F(315℃) 이상의 비점을 지닌 탄화수소 혼합물로 구성되는 원료스트림을 하기에는 제1 하부스트림으로 칭해지는 제1 하부스트림에 대한 간접 열 교환에 의해 가열하고 ; 원료스트림을 비스브레이킹 대역을 통해 이동시키고 결과의 비스브레이킹 대역유출 스트림을 더 높은 온도의 퀸칭스트림과 혼합하여 제 1 공정스트림을 얻고 ; 제1 분리대역에 있는 제1 공정 스트림을 상기 제1 하부스트림을 포함하는 바람직한 탄화수소 분류액들로 분리시키고 ; 상기 제1 하부스트림을 상기 간접 열 교환에 사용한 후 제1 하부 스트림을 상기 퀸칭스트림과 제2 공정스트림으로 분리하고 ; 제2 공정스트림을 제2 분리대역으로 이동시키고 제2 분리대역으로부터 생성된 생성물 스트림을 회수하는 단계로 구성되는 , 탄화수소 스트림을 열적으로 처리하는 방법에 그 특징이 있다.

첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 구체에의 간단한 공정유통도이다. 본 도면은 유동속도 조절시스템, 온도 및 압력조절 시스템, 펌프, 내부용기 증과 같은 통상적으로 본 공정에 사용되는 여러 공정장치를 삭제함으로써 간단하게 한 것이다. 제시된 본 공정의 바람직한 구체에는 명시된 구체예 이와의 구체에와 함께 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다.

진공하부 분류액으로서 환원된 원유로 구성된 부하스트림을 라인(1)을 통해 공정에 주입하고 교환기(2)에서의 간접 열교환에 의해 가열한다. 부하스트림을 간접열교환수단(3)으로 다시 가열하고 비스브레이킹 가열기(4) 속으로 이동시킨다. 이것을 도시되지 않은 임의의 부가반응챔버와 가열기에서 유지된 비스브레이킹 조건에 수반시킨 후, 라인(5)에 의해 이송된 비스브레이킹 대역유출물을 라인(6)에 의해 이송된 퀸칭스트림과 혼합시킨다. 퀸칭스트림의 온도는 비스브레이킹 온도 이하의 비스브레이킹 대역유출스트림의 온도로 감소된다. 이러한 2개의 스트림의 혼합물은 라인(7)을 통해 정류플래탑 또는 분류기(8)로 이동된다.

정류플래시 탑으로 주입된 탄화수소는 서로 상이한 비점범위를 지닌 많은 탄화수소 분류액으로 분리된다. 따라서, 상부 증기스트림은 라인(9)을 통해 제거된다. 증기스트림은 증기스트림에 함유된 나프타비점 범위 탄화수소를 분리하고 회수하기 위한 적합한 장치로 이동된다. 측면스트림은 일반적으로 탑의 중간지점으로부터 라인(10)을 통해 제거된다. 이것은 가스오일 비점범위의 탄화수소 혼합물이다. 이 스트림은 일반적으로 도시되지 않은 간접 열교환에 의해서 냉각되고 더 적은 스트림으로 분할된다. 따라서, 냉각된 가스 오일의 스트림은 분리의 촉진을 위해 라인(11) 및 (12)를 통해 상기 탑으로 이동되며, 반면에 제3의 스트림은 생성물스트림으로서 라인(13)을 통해 공정을부터 제거된다.

전류플래시탑에 주입된 탄화수소의 나머지 부분은 하부스트림으로 집중되어 라인(14)를 통해 제거된다.

비분할된 하부스트림은 부하스트림에 대한 간접 열교환에 의해 냉각된다. 다음, 플래시 탑 하부스트림은 라인(6)을 통해 이동되는 퀸칭스트림과 라인(15)을 통해 제2플래시 대역으로 이동되는 제2 스트림으로 분할된다. 제2 플래시 대역(16)은 정류 플래시 탑(8)보다 더 낮은 압력에서 작동된다. 제2 플래시 대역으로 주입된 탄화수소는 경질가스오일 및 중질가스오일과 같은 하나 또는 이 이상의 결질분유액으로 분리된다. 이것은 라인(17)을 통한 가스오일 스트림의 제거로서 도시되어 있다. 제2 플래시 대역으로 주입된 탄화수소의 나머지 부분액은 제2 하부스트림으로 집중되어 라인(18)을 통해 제거된다. 열은 부하스트림에 대한 간접 열교환에 의해 상기 스트림으로부터 회수되며, 제2 하부스트림은 도시되지 않은 수단으로부터 적당량의 커터(cutter) 또는 커트백(cutback) 오일과 혼합된 후 연료오일로서 제거된다.

비스브레이킹은 여러 중유로부터 유래된 탄화수소성 액체의 점성도 및 유동점을 감소시키기 위해 사용되는 마일드 열분해 형태의 탄화수소 전환공정을 의미한다. 비스브레이킹 작동은 일부분의 부하스토크를 적합항 연료오일 생성물로 개선함으로써 석유개질에서 산출된 저값어치의 잔류물질의 양을 감소시키는데 이용된다. 또하, 비스브레이킹 작동은 열분해 작동에 의해 산출된 나프타와 같은 분자량이 낮은 탄화수소를 회수하는데 적합하다. 비스브레이킹 공정은 초기분리대역으로서 단일분류 칼럼을 사용하거나 부가적양의 결질가스오일 또는 중질가스오일의 회수하기 위해 진공분류칼럼과 결합된다.

비스브레이킹 작동은 부하물질을 마일드 분해작동에 필요한 비교적 높은 온도로 가열하고 상기 온도의 부하스토크를 사용온도에 반비례하여 소정의 시간동안 유지시키는 기본적 단계로 구성된다. 이러한 방식으로 처리된 물질은 충분히 낮은 온도로 퀸칭되어 열분해 반응을 종결시키고 분리장치로 이용된다.

부하스트림을 승온으로 가열해야 하는 모든 이러한 공정에 있어서, 내화처리된 부하스토크 가열기내에서 많은 양의 열이 소비된다. 따라서, 이러한 소비때문에 상기 공정을 작동시키는데 상당량의 유틸리티비를 필요로 한다. 즉, 비스브레이킹 가열기에서 소비되는 연료를 감소시킴으로써 작동의 유틸리티 비가 적은 비스브레이킹 공정을 제공하는 것이 본 발명의 중요한 목적이다.

비스브레이킹 공정에 대한 원료스트림은 상부원류 도는 진공환원원유와 같은 중질탄화수소(high hydrocarbons) 스트럼이다. 이러한 물질은 일반적으로 잔류오일이라 칭하여진다. 또한, 비스브레이킹은 중질원유 및 기타 탄화수소성 물질에 사용된다. 그러나, 이러한 여러 물질은 적합한 ASTM 증류방법에 의해 측정했을 때 약 600°F(315℃) 이상의 비점을 갖는 중질탄화수소를 함유하고 있다는 공동의 특징을 갖고 있다. 비스브레이킹 작동의 부하스토크는 10%가 500°F(260℃) 이상의 비점을 지닐 때가 바람직하다.

비스브레이킹 작동에 대한 부하스토크가 여러 열 회수단계에서 간접열교환에 의해 처음으로 가열된다. 다음, 이 스토크는 비스브레이킹 대역으로 이동되는데, 필요에 따라 본 공정에 소망온도에서 가열된 부하물질의 체류시간을 증가시키는 흡인대역이나 반응챔버를 사용할 수 있다. 비스브레이킹 노의 가열기 관내에서 코우킹을 최소로 하기 위해 스팀을 원료스트림과 혼합할 수 있다. 비스브레이킹 가열기 및 반응챔버는 비스브레이킹 조건으로 유지된다. 일반적으로 비스브레이킹조건은 800°-975°F(425-523℃)의 온도조건을 의미하는 것으로, 900°F(482℃) 이상의 온도가 바람직한다. 또한 일반적인 비스브레이킹 압력조건은 25-400psig(172-278kPag)으로서, 문헌에는 약 1000psig(6895kPag) 정도의 압력이 기재되어 있다. 부하스토크는 비스브레이킹 대역내에서 900°F(482℃) 이상의 온도에서 약 20-65초 동안 비스브레이킹 조건으로 유지되는 것이 바람직하다. 다음, 비스브레이커 가열기의 유출물은 가스오일 등으로 바람직하게 퀸칭되어 후도를 약 70-140°F(39-78℃)만큼 감소시킨다. 비스브레이킹에 있어서, 비스브레이커 가열기의 뜨거운 유출물을 퀸칭하기전에 예정된 시간동안 유지시키는 흡인 드럼(soaker drum)의 사용에 따라 달라진다. 이러한 흡인형태의 비스브레이커에 있어서, 열전환 반응은 드럼내에서 계속되어 전환도에 필요한 온도로 감소시킨다. 바람직한 온도 및 압력조건은 원료물질 및 소망 열분해도의 특성과 같은 여러 인자에 의해 변한다. 또 한 전술된 참고문헌과 같은 여러 문헌으로부터 비스브레이킹에 대한 정보를 얻을 수 있다.

본 공정에 있어서, 원료스트림은 고온공정 스트림에 대한 간접열교환과 내화처리된 가열기의 조합에 의해 소망의 비스브레이킹 온도로 가열된다. 처음의 가열은 제1 분리대역의 총하부스트림에 대한 원료스트림을 포함한다. 바람직한 처음의 가열은 또한 제2 분리대역의 하부스트림에 대한 간접 열교환을 포함한다. 그러나, 본 발명은 제1 분리대역의 하부스트림을 가열하므로 내화처리된 가열기에서 필요로 하는 열량이 감소된다.

더 높은 원료스트림 예비가열 온도를 산출하기 위한 이러한 열 교환능력은 "비교적 높은 온도 퀸칭" 스트림의 잔류(하부) 물질과 더 높은 온도의 비플래시 하부스트림의 사용으로부터 기인된다. 여기에서, "비교적 높은 온도퀸칭"은 비스브레이커 유출물스트림보다 낮은 약 300°F(176℃) 이하의 온도를 지닌 퀸칭스트림을 지칭한다. 뜨거운 퀸칭스트림의 사용은 다량의 퀸칭의 사용을 필요로 한다. 퀸칭스트림의 유동속도가 비퀸칭 비스브레이커 가열기 유출물의 유동속도를 초과할 때가 바람직하다. 뜨거운 퀸칭물질은 분리대역으로부터의 하부액체이므로 분리대역으로 돌아갈 때 하부스트림 속으로 다시 집중된다. 따라서, 하부스트림의 유동속도는 증가하게 된다. 즉, 하부스트림으로부터 더 많은 열이 제거될 수 있고, 원하는 바보다 더 많이 냉각하지 않고 원료스트림을 가열하는데 사용할 수 있다. 따라서, 비록 하부스트림의 온도는 교환 전과후에 있어서 종래 기술에서의 온도와 같다할지라도 원료 스트림은 더 높은 온도로 가열된다. 열교환 매체의 유동속도를 증가시키는 이러한 방법은 펌핑으 및 파이핑 비용의 증가를 제한시키므로 가장 바람직한 방법이 될 것이다.

본 발명의 바람직한 구체예는, 이후 제1 하부스트림으로 칭하여지는 제1 하부스트림에 대한 간접 열교환에 의해 잔류오일 원료스트림을 가열하고 ; 비스브레이킹 대역을 통해 원료스트림을 이동시킨후 결과의 비스브레이커 대역유출물 스트림을 600°F(315℃) 이상의 온도를 지닌 비교적 높은 온도의 퀸칭스트림과 혼합시켜 제 1 공정스트림을 형성하고 ; 제1 공정스트림을 제1 분리대역으로 이동시켜 주입된 탄화수소를 전술된 제1 하부스트림을 포함하는 서로 상이한 비점범위의 분유액들로 분리하고 ; 제1 림하부스트림을 전술된 열교환에 의해 냉각시킨 후 제1 하부스트림을 상기의 퀸칭스트림과 제2공정 스트림으로 분할시키고 ; 제2 공정스트림을 더 낮은 압력의 제2 분리대역으로 이동시키고 제2 분리대역으로부터 생성된 성스트림을 회수하는 단계로 구성되는 비스브레이킹 공정으로서 기술할 수 있다.

본 공정에 있어서, 비스브레이킹 대역의 퀸칭된 유출물은 처음에는 2개의 분리대역으로 이동된다. 이러한 대역들은 부하스토크의 특성, 소망 생성물 및 공정조건 등과 같은 조건에 따라 분리대역의 디자인을 지닌 여러 배열을 이룰 수 있다. 제1 분리대역이 정류플래시 탑을 포함할 때가 바람직하다. 퀸칭된 유출물은 칼럼의 하부로부터 약간 떨어진 위치의 정류플래시탑의 하부의 빈 공간으로 집중된다. 상기 칼럼은 약 689°-860°F(365°-460℃)의 하부온도와 45-150psig(310-1034kpag)의 압력상태에서 작동되고 있다. 압력이 650psig(414kpag) 이상일 때 바람직하다. 여기에서, 특정압력은 분리용기의 상부에서 측정되는 압력이고, 특정온도는 문제의 용기의 하부온도이다. 액체상은 원료공급점 이하의 칼럼하부에서 수취되어 하부스트림으로서 제거된다. 정류플래시 탑은 적당량의 액체를 응축시키고 역류적 증기-액체 유동을 초래하기 위해 칼럼의 상부 영역을 적절하게 냉각시키기 위한 수단이 구비되어 있다. 상부의 정류영역은 트랩-아웃 트레이(trap-out tray)에 의해 하부영역으로부터 분리되는 것이 바람직하다. 바람직한 상부 영역은 5개의 분류트레이를 함유하고 있고 가장 상부 트레이에서 환류액체가 공급된다. 트랩-아웃트레이에서 제거된 액체스트림은 냉각되어 분리작동을 촉진하기 위해 중간의 2개의 분류트레이가 있는 더높은 지점의 상부영역으로 돌아간다.

제1 분리대역으로부터 제거된 하부스트림은 간접 열교환 단계가 수반되어 냉각된다. 이러한 냉각은 단지 비스브레이커 공급스트림에 대한 열교환에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 하부스트림이 제2 분리대역의 압력과 같이 낮은 압력으로 플래시되기 전에 열교환이 수행되는 것이 바람직하다. 냉각후, 하부스트림은 제2 분리대역으로 이동되어 퀸칭으로서 사용되는 분류액으로 분할된다. 열교환 후 하부스트림의 온도, 즉 비교적 높은 온도의 퀸칭스트림의 온도는 약 600°F(315℃) 이상이어야 하며 650°F(343℃) 이상일 대가 바람직하다. 더 바람직하기로는 퀸칭스트림이 약 680°F(360℃) 이상일 때이다. 퀸칭스트림의 유동속도는 비스브레이커 유출스트림의 유동속도 및 온도, 퀸칭스트림의 온도 및 퀸칭에 의해 제공되는 소망의 온도 감소도에 의해 설정되고 측정된다.

제1 분리대역에서의 나머지 하부스트림은 제2 플래시 대역으로 칭하여지는 제2 분리대역으로 이동된다. 이것은 상부 증기 배출구를 구비하고 있는 빈 용기로서 공급점 이하로 액체준위를 유지시키도록 저정되어 있다. 액체는 공급점 이상의 중심위치에서 용기속으로 분무된다. 제2 플래시 대역은 제1 분리대역보다 낮은 압력에서 작동된다. 상기 대역에 사용되는 온도범위는 약 644-752°F(340-400℃)이다. 또한 상기 대역에서 사용되는 압력은 정류플래시 대역의 하부영역의 작동압력보다 낮은 적어도 30psig(207kpag)이다. 상기 대역에서의 압력범위는 약 0-100psig(0-689kpag)이다. 본 발명에 사용되는 제1 및 제2 분리대역과 기타 장치의 디자인 및 작동을 유일한 것이 아니다.

개질분야에 관련된 전문가들은 본 발명의 장치와 설비가 적합한 공정장치로 설계되어 있다는 것을 알 것이다. 그럼에도 불구하고 본 발명에 대한 정확한 이해를 위해 산업적 척도단위의 기술적 설계(계산됨) 작동에 관한 실시예가 하기 기술되어 있다. 원료스트림은 환원된 원유의 1일 하류스트림당 20,000배럴(3180m³)이다.

이러한 실시예에서, 대괄호안의 온도는 종래 기술(낮은 온도) 퀸칭시스템에서 추정되는 온도이다. 원료스트림은 약 480°F(249℃)에서 공정에 도입되어 제2 분리대역의 하부스트림에 대한 간접 열교환에 의해 약 4550°F(288℃)가지 가열되는데, 제2 분리대역의 하부스트림은 650°F(343℃)로부터 550°F(288℃)까지 냉각된다. 그후 가열된 원료는 제1 분레대역의 하부스트림에 대한 간접 열교환에 의해 710°F(377℃)[670°F(343℃)]까지 다시 가열된다. 다음, 원료는 비스브레이커 가열기로 이동되어 925°F(496℃)로 가열된다. 비스브레이커 가열기의 유출물은 본 발명의 공온 퀸칭에 의해 약 820°F(438℃)로 퀸칭된다. 상기 퀸칭온도는 약 700°F(371℃)[550°F(288℃)]이가. 더 높은 온도의 퀸칭액체를 응축하기 위해 퀸칭의 양은 종래 동정의 0.65 : 1의 퀸칭 대 유출물의 중량비로부터 1.45 : 1로 증가한다. 따라서, 하부스트림의 유동속도는 크게 증가한다. 본 실시예에서, 비스브레이커 가열기로 증가된 공급원료의 온도(40°F 또는 22℃)에 의해 비스브레이커가 가열기의 온도를 삼소시키고 적어도 10%의 연료절감이 발생한다. 비록, 본 실시예에서 제1 분리대역으로부터의 비플래시된 더 뜨거운 하부액체의 사용으로 인해 원료스트림의 약간이 증가된 가열이 일어났다 할지라도, 퀸칭스트림의 증가된 온도와 대응되는 총 하부스트림의 더 큰 물질 유동속도로 인한 개선된 가열은 중요하다.

Claims (2)

1. 600°F(315℃) 이상의 비점을 지닌 탄화수소 혼합물로 구성된 원료스트림을 제1 하부스트림으로 칭하여지는 스트림에 대한 간절 열 교환에 의해 가열하고 ; 원료스트림을 비스브레이킹 대역을 통해 이동시키고, 결과의 비스브레이킹 대역 유출물을 600°F(315℃) 이상의 비교적 높은 온도와 비스브레이킹 유출스트림의 유동속도보다 더 큰 유동속도를 갖는 퀸칭스트림과 혼합하여 제1 공정 스트림을 형성하고 ; 제1 분리대역의 제1 공정스트림을 상기의 제1 하부스트림을 포함하는 원하는 탄화수소 분류액으로 분리하고 ; 제1 하부스트림상을 상기 간접 역교환에 사용하여 제1 하부스트림을 상기 퀸칭스트림과 제2 공정스트림으로 나누고 ; 제2 공정스트림을 제2 분리대역으로 이동시켜 제2 분리대역으로부터 생성된 생성물 스트림을 회수하는 단계로 구성되는, 탄화수소 스트림을 열적으로 처리하는 공정.
2. 제1항에 있어서, 상기 원료스트림을 제1 하부스트림에 대한 열교환에 의해 가열되기 전에 제2 분리대역으로부터 제거된 제2 하부스트림에 대한 간접 열교환에 의해 가열하는 것을 특징으로 하는 공정.

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