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KR20230070206A - 공정 용기 진입 구역 - Google Patents

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KR20230070206A
KR20230070206A KR1020237008381A KR20237008381A KR20230070206A KR 20230070206 A KR20230070206 A KR 20230070206A KR 1020237008381 A KR1020237008381 A KR 1020237008381A KR 20237008381 A KR20237008381 A KR 20237008381A KR 20230070206 A KR20230070206 A KR 20230070206A
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KR
South Korea
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entry zone
zone
stability
bed
treatment
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Application number
KR1020237008381A
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English (en)
Inventor
브래들리 글로버
오스틴 슈나이더
존 엔. 글로버
피터 그레고리 햄
Original Assignee
크라이스타페이즈 프로덕츠, 인크.
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Publication date
Application filed by 크라이스타페이즈 프로덕츠, 인크. filed Critical 크라이스타페이즈 프로덕츠, 인크.
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Abstract

공정 용기에는 안정성 향상 재료가 포함된 하나 이상의 진입 구역이 포함될 수 있다. 진입 구역은 베드 이동 및 여과 문제를 해결한다. 안정성 개선 물질은 처리 구역 위 또는 용기 내 처리 베드 위에 배치할 수 있다. 진입 구역은 다운 스트림 작업의 안정성을 개선하기 위한 것이다.

Description

공정 용기 진입 구역
본 출원은 2020년 9월 9일에 출원되고 그 공개 및 내용이 본 출원에 전체적으로 참조로 통합된 미국 잠정출원 제 63/076,226의 이익 및 우선권을 주장한다.
본 발명의 주제는 산업 공정 용기의 기능 및 효율성 개선에 관한 것이다.
많은 산업 공정 용기는 용기로 들어오고 나가는 유체 공정 스트림을 포함한다. 일부 용기는 용기 내부 또는 주변을 이동하거나 재활용하는 스트림을 가질 수 있다. 상업용 공정 용기는 직경이 4인치~18피트, 높이가 1~100피트일 수 있다. 기존 용기에는 일반적으로 크기가 3인치 이하인 베드 재료가 포함될 수 있다.
재료들은 요소로 구성된 패킹 베드로 공정 용기에 적재할 수 있다. 패킹된 베드 내에는 요소 사이에 "간극 공간"이라고 하는 공간이 존재한다. 또한 요소 자체에 "내부 보이드"로 정의되는 공간이 존재할 수 있다. 개별 공간과 공극의 크기가 일반적으로 1미크론 미만인 경우를 제외하고, 패킹 베드 내 유체 흐름은 간극 공간과 내부 공극에서 발생한다. 패킹 베드의 "다공성"은 패킹 베드에서 유체 흐름에 사용할 수 있는 간극 공간 및 내부 공극의 총 부피를 패킹 베드의 총 부피로 나눈 값으로 정의된다. 업계에서는 이러한 용어가 중복되어 혼동을 일으키는 것이 일반적이었다. 상기 정의는 문서의 나머지 부분을 해석하는 데 사용할 수 있도록 여기에 작성되었다.
처리 요소는 포장된 베드로 공정 용기에 적재된다. 처리 요소는 촉매, 흡착제 등이 될 수 있다. 이러한 처리 베드 요소는 일반적으로 압출 또는 기타 방법을 통해 옥수수 또는 쌀 크기의 작은 커널로 형성된다. 기존 처리 요소의 중량은 입방 피트당 25~50파운드 범위이다. 개당 중량은 10~50mg이다. 다공성은 가공 베드의 성능과 거동을 고려할 때 중요한 값이다. 처리 베드 다공성은 일반적으로 30~45% 범위이며 전적으로 간극 공간으로 구성된다. 유체 흐름에 사용할 수 있는 공극이 없는 처리 베드 내부 공극은 0%이다.
용기는 주기적으로, 즉 각각 몇 주, 몇 달 또는 몇 년 동안 지속되는 일련의 연속 모드로 설계 및 운영된다. 사이클 종료 용기 운영은 용기 내에 배치된 처리 베드 요소의 성능 소진, 압력 강하, 필수 용기 검사를 위한 셧다운, 정전 등의 이유로 트리거될 수 있다.
공정 용기에서 유체는 차압을 통해 입구에서 출구까지 흐른다. 이 차압을 압력 강하라고 한다. 압력 강하가 높을수록 업스트림 펌프와 컴프레서가 더 열심히 작동해야 한다. 압력 강하가 특정 지점 이상으로 증가하면 펌프와 컴프레서가 더 이상 높은 차압을 따라갈 수 없으므로 장치를 종료해야 한다. 압력 강하가 증가하는 것은 바람직하지 않다. 상기 기술 분야의 개선이 필요하다.
다음은 일부 측면에 대한 기본적인 이해를 돕기 위해 공개된 주제에 대한 간략한 요약이다. 이 요약은 여기에 공개된 기술에 대한 완전한 개요가 아니다.
특정 예시적 실시예에서, 공정 용기 내에서 유체 공정 스트림 흐름의 향상된 안정성 및 여과를 제공하는 방법이 제공되며, 이는 다음을 포함할 수 있다: 유체 공정 스트림 흐름을 공정 용기 내의 처리 구역을 통과시키는 단계로서, 처리 구역은 하나 이상의 처리 요소의 베드를 포함하는 단계; 및 유체 공정 스트림 흐름을 처리 베드를 통과시키기 전에, 유체 공정 스트림 흐름을 처리 베드의 상류에 위치한 진입 구역을 통과시키는 단계로서, 진입 구역은 67% 내지 87% 범위의 다공성을 가질 수 있고, 30 - 60lbs/ft3 범위의 밀도를 가질 수 있으며, 조각당 25 - 200 그램의 중량을 가질 수 있는 안정성 개선 물질의 베드를 포함할 수 있는 단계.안정화 재료는 유체 공정 스트림 흐름에서 원하지 않는 종을 포집할 수 있는 내부 공극을 가질 수 있다. 진입 구역은 하나 이상의 안정성 개선 재료 층을 포함할 수 있다. 진입 구역의 하류에 처리 구역이 있을 수 있다. 안정성 개선 물질은 처리 구역에서 처리 요소의 움직임을 안정화시키고 방지한다. 안정성 개선 재료의 내부 공극에는 원치 않는 입자를 가두어 유지할 수 있는 상호 연결된 기공 네트워크가 포함될 수 있다. 안정성 개선 재료의 내부 공극은 구불구불할 수 있다. 내부 공극은 진입 구역 부피의 20% - 42%일 수 있다. 내부 공극은 진입 영역 부피의 20% - 40%일 수 있다. 내부 공극은 진입 구역 부피의 25% - 42%일 수 있다. 내부 공극은 진입 구역 부피의 25% - 35%일 수 있다. 내부 공극은 진입 구역 부피의 30% - 40%가 될 수 있다. 내부 공극은 진입 구역 부피의 30% - 35%일 수 있다. 내부 공극은 진입 구역 부피의 20% - 35%일 수 있다. 개당 중량은 30 - 200 그램이 될 수 있다. 개당 중량은 65 - 200 그램이 될 수 있다. 개당 중량은 70 - 300 그램이 될 수 있다. 개당 중량은 70 - 200 그램이 될 수 있다. 개당 중량은 35 - 300 그램이 될 수 있다. 개당 중량은 12 - 200 그램이 될 수 있다. 개당 중량은 12 - 300 그램이 될 수 있다. 안정성 향상 재료의 개당 중량은 다운스트림 처리 요소보다 2500~4000배 더 클 수 있다. 안정성 향상 재료의 개당 중량은 다운스트림 처리 요소보다 2 - 25배 더 클 수 있다. 안정성 향상 재료의 개당 중량은 다운스트림 처리 요소보다 2~10배 더 클 수 있다. 안정성 개선 재료는 처리 베드에서 처리 요소의 움직임을 안정화하고 방지할 수 있다. 진입 구역을 빠져나가는 유체 공정 스트림 흐름은 처리층 또는 처리 구역으로 직접 흐를 수 있다. 안정성 개선 재료는 처리 베드에서 처리 요소의 움직임을 안정화하고 방지할 수 있다. 투과성 메쉬는 진입 구역과 처리 베드를 분리할 수 있다. 진입 구역의 출구와 처리 베드 입구 사이에 빈 공간이 존재할 수 있다. 진입 구역의 안정성 향상 재료의 조성은 철, 텅스텐, 지르코늄, 티타니아, 알루미나 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 진입 구역의 안정성 향상 물질의 조성은 철, 텅스텐, 지르코늄, 티타니아, 알루미나 등의 하나 이상의 산화물을 포함할 수 있다. 진입 구역의 안정성 향상 재료의 조성은 철, 텅스텐, 지르코늄, 티타니아, 알루미나 등의 하나 이상의 탄화물을 포함할 수 있다. 진입 구역의 안정성 향상 재료는 공정 용기의 내부 벽에 고정될 수 있다.
특정 예시적 실시예에서, 공정 용기가 제공된다. 공정 용기는: 하나 이상의 처리 요소의 베드를 포함하는 처리 구역; 및 처리 베드의 상류에 위치한 진입 구역을 포함할 수 있으며, 상기 진입 구역은 67% 내지 87% 범위의 다공성, 30 내지 60 파운드/ft3 범위의 밀도, 25 내지 200 그램의 개당 중량 및 이를 통과하는 유체 공정 흐름으로부터 원하지 않는 종을 포획할 수 있는 내부 빈 공간을 갖는 안정성 개선 물질의 베드로 구성된다. 공정 용기는 예를 들어 리포머, 수소 처리기, 나프타 수소 처리기, 유체 촉매 크래커 가솔린 처리기, 수소 탈황 장치, 이성질화 장치 또는 황 회수 장치 등이 될 수 있다.
하기 상세한 설명을 다음 도면과 함께 고려하면 본 발명에 대한 더 나은 이해를 얻을 수 있다:
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공정 용기에서의 와류 및 수평 확산을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공정 용기에서의 와류 및 수직 확산을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공정 용기 내의 콘을 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공정 용기에서의 디싱을 도시한 도면;
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공정 용기 내의 접시 처리 구역을 도시한 도면;
도 6은 처리 구역 상부의 안정화 구역을 도시한 도면으로, 안정화 구역 상부에서 오염이 발생하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 다운스트림 처리 구역으로의 접근이 차단된 경우의 안정화 구역을 도시한 도면;
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공정 용기 내의 고속 스트림 및 오염을 갖는 안정화 구역을 도시한 도면;
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공정 용기 내의 유체 처리 스트림을 갖는 처리 구역을 도시한 도면;
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공정 용기 내의 안정성 개선 물질 및 안정성 개선 물질 하부의 처리 구역을 도시한 도면;
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공정 용기 내의 안정성 개선 물질 및 안정성 개선 물질 하부의 처리 베드를 도시한 도면;
도 11은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 처리 용기 내의 분배기 트레이 다운커머 아래에 충돌된 처리 베드를 도시한 도면;
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 분배기 트레이 아래에 배치되고 공정 용기 내의 처리 베드를 보호하는 안정성 개선 물질의 도면;
도 13은 각 장치가 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 진입 구역에 매립되거나 이를 통과하는 것으로 도시된 쓰레기통, 바이패스 튜브 및 바이패스 장치로 알려진 세 개의 침입 장치에 대한 도면;
본 명세서에서 특정 바람직한 예시적 실시예가 설명되지만, 상기 설명은 주제를 그러한 실시예로 제한하려는 의도가 아님을 이해할 것이다. 오히려, 본 설명은 첨부된 청구범위에 정의된 주제의 정신 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 수정 및 균등물을 포함하도록 의도된 것이다.
본 명세서에 개시된 다양한 예시적 실시예에 따르면, 산업 공정 용기(10) 내의 처리 베드(40)의 기능 및 효율을 개선하기 위한 재료 및 관련 방법이 제공된다.
도 1 및 도 2는 공정 용기(10)의 도면이다. 공정 용기(10)는 용기(10)로 유입되는 공급 스트림(20)의 고속을 분산 및 감소시키는 데 도움이 되는 기계 장치를 포함할 수 있다. 용기(10)의 이러한 구역은 1차 공급 스트림 입력 플랜지와 베드 재료 사이에 설치되는 유입구 구역(80)으로 설명될 수 있다. 입구 구역(80)은 유입되는 공급 스트림(20)의 높은 속도를 분산하고 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 유입 구역(80)은 엔지니어링된 스트림 확산 노즐(90), 천공 플레이트 및 분배 트레이(200)와 같은 장치를 포함할 수 있다. 이러한 장치는 비싸고 부피가 클 수 있는 복잡한 엔지니어링 장치일 수 있다. 비용에는 시설의 엔지니어링, 설계, 설치, 운영 및 유지 보수에 대한 노력이 포함된다. 종래의 엔지니어링된 입구 구역(80)은 일반적으로 용기(10) 내에서 약 2~4피트의 수직 공간을 소비한다.
여기에서 "침입 장치"라고 하는 다른 기계 장치는 설치되어 베드 재료가 주변에 채워진 용기의 베드에 침입하는 것으로 알려져 있다. 이러한 장치는 막힘이 발생할 경우 유체가 베드 상단을 우회할 수 있도록 하는 장치이다. 침입 장치의 예로는 "쓰레기통", "바이패스 튜브" 또는 "바이패스 장치"가 있다. 베드 재료에 내장된 바이패스 장치는 분배 수단에 연결된 바이패스 튜브 모음일 수 있다. 공개된 자료는 이러한 침입 장치와 함께 사용할 수 있다.
용기(10)는 와류 및 수평/수직 확산을 생성하는 입구에서 높은 속도를 생성하는 공급 속도를 갖는 것으로 알려져 있다. 도 1은 공정 용기(10)에서의 와류 및 수평 확산을 나타낸 도면이고, 도 2는 공정 용기(10)에서의 와류 및 수직 확산을 나타낸 도면이다. 유입 구역(80)은 이러한 고속을 확산시켜 보다 완만한 유체 속도를 생성하여 고속 스트림을 제거하기 위한 것이다. 그럼에도 불구하고, 유입 구역(80)이 유체 속도를 허용 가능한 작동 한계로 감소시키지 못하는 경우가 있다. 유입 구역(80)의 기계 장치는 설치 또는 작동 중에 손상되거나 방해를 받아 올바르게 작동하는 데 방해가 될 수 있다. 이러한 경우에 생성되는 높은 속도는 "베드 이동"으로 알려진 처리 베드(40)에서 처리 요소(30)의 이동을 시작할 수 있다. 처리 요소(30)가 움직이기 시작하면 처리 베드(40)의 가장 윗부분이 소용돌이치고 충돌하여 처리 요소(30)가 서로 부딪히게 될 수 있다. 이로 인해 처리 요소(30)가 마모되고 파손되어 지속 불가능한 교란이 발생하고 허용 가능한 작동 조건이 손실됨에따라 선박이 빠르게 정지될 수 있다.
일반적인 베드 이동 이벤트 유형에는 콘닝, 디싱, 가우징, 충돌 및 플러핑이 포함된다. 도 3은 공정 용기(10)에서의 코닝을 나타낸 도면이다. 콘(120)은 미립자가 처리 베드(40)의 단면 중심을 향해 이동함에 따라 처리 베드(40)의 가장 상부에 있는 처리 요소(예컨대, 촉매)가 소용돌이치고 부서져 원뿔을 형성하는 것으로 정의된다. 디싱(130)은 처리 요소(30)의 미립자가 처리 베드(40)의 단면 둘레를 향해 이동함에 따라 처리 베드(40)의 가장 윗부분이 소용돌이치고 분리되어 중앙에 그릇 또는 접시 모양의 함몰부를 남기는 것으로 정의된다. 도 4는 처리 용기(10)에서의 접시 모양을 나타낸 그림이다. 도 5는 공정 용기(10) 내의 접시 처리 구역(180)을 나타낸 그림이다. 가우징은 높은 유속이 처리 요소(30)의 작은 부분에만 영향을 미치지만, 처리 베드(40)의 작은 위치에 비대칭 가우징 또는 흉터를 생성하여 부서진 처리 요소(30)를 베드(40)의 다른 부분으로 밀어내는 것으로 충분하다. 플러핑에는 유속이 정상적인 다운 플로우 작동과 역전되는 상황이 포함된다. 유체가 충분한 속도로 위로 이동하면 베드 재료가 유입될 수 있다. 충돌은 유체가 패킹된 베드로 유입되어 베드 재료가 변위되어 구멍을 형성하는 것으로 정의할 수 있다. 도 11은 처리 용기(10) 내의 분배 트레이 다운커머(210) 아래에 있는 충돌 처리 베드(220)를 나타낸 도면이다. 이러한 유형의 베드 이동 이벤트에서, 그 결과는 치명적일 수 있으며, 문제를 해결하기 위해 셧다운이 필요할 수 있는 처리 용기(10)의 사이클을 종료시킬 수 있다.
일부 처리 용기(10)는 처리 용기(10)에 포함된 처리 재료(30)의 베드(40)를 안정화시키기 위한 안정화 구역(110)을 포함할 수 있으며, 이러한 베드 이동 이벤트를 보호하거나 제거할 수 있다. 도 6은 고속 스트림(20)을 갖는 안정화 구역을 도시한 그림이다. 안정화 구역(110)은 안정화 요소(115)를 포함할 수 있고, 유입 구역(80) 아래 및 처리 요소(30)의 상류에 설치된다. 종래의 안정화 구역(110)은 일반적으로 세라믹으로 만들어진 안정화 요소(115)로 구성되며, 지지 볼, 도그본, 버터플라이, 수레바퀴 등과 같은 요소를 포함할 수 있다. 이러한 요소(115)는 입방 피트당 55~130파운드 범위의 밀도, 40%~65%의 포장 베드 다공성, 3그램~190그램의 요소당 중량을 갖다. 안정화에는 적합하지만, 이러한 요소(115)는 낮은 다공성으로 인해 여과 성능이 좋지 않다. 안정화 요소(115)의 내부 보이드 다공성은 일반적으로 제로 퍼센트(0%)에 가깝다. 그러나 이러한 요소(115)는 내부 공극이 3~5%, 잠재적으로 최대 20%까지 있을 수 있다. 내부 공극이 20%인 안정화 요소(115)의 층은 약 65%의 공극률에 해당한다. 패킹 베드의 다공성은 패킹 베드에서 유체 흐름에 사용할 수 있는 공간 및 보이드의 총 부피를 패킹 베드의 총 부피로 나눈 값으로 정의된다. 낮은 다공성은 총 다공성이 65% 이하인 모든 패킹 베드로 정의된다. 반대로 고다공성은 총 다공성이 65% 이상인 모든 베드로 정의된다. 낮은 다공성 베드는 안정화 요소(115)의 고결, 막힘 등으로 인해 문제를 일으킬 수 있다. 입자가 표면에 침전되어 쌓여 결국 용기(10)를 막고 케이크 층(140)을 생성할 수 있다. 도 7은 케이크 층(140)을 생성하는 고속 스트림 및 파울링이 있는 안정화 구역을 나타낸 그림이다. 안정화 요소(115)는 용기(10) 내의 부피 및 깊이를 이용하는데, 이는 용기(10)에 설치될 수 있는 처리 베드(40) 내의 처리 재료(30)의 양을 감소시키며, 따라서 처리 베드(40)의 처리 능력을 감소시킨다.
처리 용기(10)는 또한 스트림 내에 포함된 원치 않는 종의 내부 여과를 용이하게 하기 위해 설치된 처리 구역(150)을 포함할 수 있다. 처리 구역(150)은 처리 요소(160)를 포함할 수 있다. 도 8은 처리 용기(10) 내의 유체 처리 스트림(20)을 갖는 처리 구역(150)의 도면이다. 처리 구역(150)은 일반적으로 처리 베드(40)의 상류에 배치된다. 처리 요소(160)는 용기(10)의 고결 및 막힘 문제를 완화하기 위한 것이며, 입자를 위한 큰 내부 용량을 갖도록 설계된다. 처리 요소(160)는 입방 피트당 12~30 파운드 범위의 밀도, 88%~95%의 다공성, 8~30그램의 요소당 중량을 갖는다. 높은 다공성은 처리 요소(160)에 용기(10)에서 압력 강하 형성이 일어나기 전에 많은 양의 입자를 저장할 수 있는 능력을 제공한다. 그러나, 큰 다공성은 요소(160)를 베드 이동의 낮은 속도 임계값에 노출시킨다. 이러한 요소(160)가 충분히 빠른 속도의 스트림으로 베드 위에 사용될 때, 베드 재료의 이동이 가능하며, 이는 처리 요소(160)의 원뿔형 또는 접시형 베드 또는 기타 베드 교란을 생성할 수 있다.
안정화 요소들(115)로 구성된 안정화 구역(110)은 층 이동에 대한 저항을 제공하기 위해 처리 요소들(160)의 처리 구역(150)의 상류에 위치할 수 있다. 이러한 경우, 안정화 요소들(115)은 베드 이동을 방지할 수 있지만, 상술한 제약 조건과 유사한 두 개의 추가적인 바람직하지 않은 제약 조건을 용기(10)에 도입할 수 있다. 안정화 요소(115)는 처리 요소(30) 또는 다른 베드 재료를 제거하는 비용으로 설치하기 위해 용기 부피 및 깊이의 증가를 요구할 수 있다. 또한, 안정화 요소(115)는 다운스트림 처리 구역(150)에 입자가 저장되는 것을 차단하여, 처리 구역 입자 저장에 필요한 높은 다공성을 사용할 수 없게 만들 수 있다. 이는 안정화 구역(110) 내의 입자 축적(140)에 의해 야기되는 바람직하지 않은 압력 강하의 증가로 이어질 수 있다.
특정 예시적 실시예에서, 공정 용기(10)는 안정성 개선 물질(175)을 포함하는 하나 이상의 진입 구역(170)을 포함할 수 있다. 진입 구역(170)은 베드 이동 및 여과 문제를 해결한다. 도 9는 안정성 개선 물질(175) 및 안정성 개선 물질(175) 아래의 처리 구역을 도시한 도면이고, 도 10은 안정성 개선 물질(175) 및 안정성 개선 물질(175) 아래의 처리 베드(40)를 도시한 도면이다.
베드 이동 문제는 처리 베드(40)로 유입되는 공정 스트림(20)의 속도와 베드(40) 상단에 있는 처리 요소(30)의 재료 특성 간의 불일치로 특징지어질 수 있다. 외부 유체 힘이 가해지지 않는 패킹 베드에서는 중력만이 요소(30)를 제자리에 고정하는 유일한 힘이다. 요소(30)에 가해지는 유체 힘이 중력을 극복하면 베드 이동이 발생한다. 유체가 주어진 요소에 가할 수 있는 힘은 유체의 밀도, 유체 속도의 제곱 및 해당 요소의 면적에 비례한다. 밀도가 높은 유체와 빠른 속도는 더 큰 힘을 가능하게 한다. 베드에 있는 요소가 움직일 수 있는 속도는 표면적과 개당 중량에 따라 크게 달라진다. 표면적이 크거나 개당 중량이 낮은 요소는 주어진 속도에서 이동하기 쉬운 경향이 있다. 밀도와 속도의 주어진 유체 특성에서 베드 이동을 방지하려면 요소의 조각당 중량을 늘리고 표면적을 줄여야 한다. 낮은 표면적 요건 때문에 표면적이 높은 다공성 소재를 안정화 소재로 사용할 수 없을 것으로 생각되어 왔다. 놀랍게도 이는 잘못된 생각이며, 올바른 특성을 선택하면 높은 다공성, 높은 표면적 재료를 안정화에 사용하면서도 유입 입자를 보유할 수 있는 여과 용량을 제공할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
원하지 않는 종은 진입 구역(170)으로 유입되는 스트림(20)에 포함된다. 진입 구역(170)의 수명은 처리 층 재료(30)의 활동을 포함하여 공정 용기(10)의 사이클 수명보다 길어야 하므로, 진입 구역(170)의 수명이 중요하다. 처리 베드 재료(30)의 입자 증착이 용기(10)의 베드를 통과하는 압력을 증가시킬 수 있으므로 압력 강하 제어도 중요한다. 용기(10)의 설계된 성능을 보장하기 위해 압력 증가를 최소화해야 한다. 또한, 진입 구역(170)은 베드 이동을 방지하기 위해 공급 스트림의 힘과 속도를 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.
진입 구역(170)은 다운스트림 작동의 안정성을 개선하기 위한 것이다. 안정성 개선 재료(175)는 콘, 디싱, 충돌 또는 보풀에 대한 저항성을 허용하는 동시에 용기(10)의 작동을 손상시키지 않고 공정 스트림(20)으로부터 입자를 필터링할 수 있는 능력을 제공한다. 도 12는 분배 트레이(200) 아래에 배치되고, 공정 용기(10) 내의 분배 트레이 다운코머(210)로부터 나오는 유체 공정 스트림(20)으로부터 처리 베드(40)를 보호하는 안정성 개선 재료(175)의 도면이다. 일부 안정성 개선 재료(175)는 1㎜ 내지 15㎜ 크기의 구멍 또는 기공을 가질 수 있다. 안정성 개선 재료(175)는 일반적으로 다운스트림 베드 재료보다 밀도가 높거나 다운스트림 베드 재료보다 개당 중량이 더 높다.
안정성 향상 재료(175)는 중화학 종의 존재, 재료(175)의 내부 빈 공간의 감소 및 크기의 증가에 의해 구별될 수 있다. 또 다른 옵션은 용기(10)의 벽에 부착되거나 용기(10)의 원주를 가로질러 시트 또는 메쉬로 펼쳐진 재료(175)를 제조하여 하류 재료의 이동을 억제하는 것을 포함한다. 또는, 다공성, 고체 스크린 또는 멤브레인이 하나 이상의 진입 구역(170)의 상부 및/또는 하부에 배치되어, 진입 구역(170) 및 다운스트림 구역의 재료(175)의 이동을 방지할 수 있다. 진입 구역(170)은 유입 스트림(20)으로부터 원하지 않는 종을 내부적으로 필터링할 수 있다. 진입 구역(170)의 매체는 진입 구역(170)을 통과하는 원하지 않는 종을 끌어당기고 유지할 수 있는 다공성을 갖는 물질(175)을 포함할 수 있다. 스트림은 진입 구역(170)을 빠져나와 다운스트림 작업으로 들어갈 수 있다. 진입 구역(170)은 각 층에 포함된 매체의 상이한 형상 및/또는 특성을 반영하는 층에 배치될 수 있다. 예를 들어, 각각 다른 크기, 다공성 또는 기공 크기를 갖는 세 개의 재료 층(175)을 포함하는 진입 구역(170)이 있을 수 있다. 진입 구역(170)의 이러한 층은 이들을 통과하는 유체 스트림의 여과를 용이하게 하기 위한 것이다. 진입 구역(170)은 가장 큰 크기의 재료(175)가 상단에 위치하거나, 가장 큰 다공성 재료(175)가 상단에 위치하거나, 가장 무거운 재료(175) 조각이 상단에 위치하도록 층을 형성할 수 있다.
진입 구역(170)은 다운스트림 처리층 작업의 업스트림에서 여과를 제공할 수 있다. 원하지 않는 종을 포함하는 스트림에서 제거되는 여과된 유체를 본 명세서에서는 "여과액"으로 지칭한다. 이러한 스트림에서 제거된 원하지 않는 종을 본 문서에서는 "여과제"라고 한다. 여과액은 안정성 개선 물질(175)에 갇혀 유지된다.
안정성 개선 물질(175)은 원하지 않는 입자를 가두어 유지할 수 있는 상호 연결된 기공 네트워크를 포함할 수 있다. 상호 연결된 기공이 있는 요소는 표면적과 체류 시간을 제공하여 (i) 여과액과 여과제의 분리 및 (ii) 여과제의 유지를 용이하게 한다. 이러한 기공의 크기는 일반적으로 2마이크론에서 5000마이크론 사이이다.
안정성 개선 물질(175)은 구불구불한 다공성 요소일 수 있다. 구불구불한 다공성 요소는 (i) 여과액과 여과제의 분리 및 (ii) 여과제의 유지를 용이하게 하기 위해 표면적과 체류 시간을 제공하는 구불구불한 구불구불한 내부 다공성 유동 통로를 포함하는 것으로 본 명세서에서 정의된다. 이러한 통로는 일반적으로 2마이크론에서 5000마이크론 크기이다.
현재 개시된 진입 구역(170)의 재료(175)는 용기(10) 내의 처리 베드의 상류에 배치되는 재료의 필요한 깊이를 감소시키면서 동시에 베드의 안정성을 달성하고, 여과를 용이하게 하며, 용기(10) 내의 처리 베드 기능의 활용도를 증가시킬 수 있다.
특정 예시적 실시예에서, 안정성 개선 재료는 침입 장치를 둘러싸서 침입 장치가 진입 구역에 부분적으로 또는 전체적으로 매립되도록 할 수 있다. 도 13은 쓰레기 바구니(230), 바이패스 튜브(240) 및 바이패스 장치(250)로 알려진 세 개의 침입 장치를 도시한 도면으로, 각 침입 장치는 진입 구역(170)의 일부를 점유하는 것으로 도시되어 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 현재 개시된 진입 구역(170) 내의 재료(175)는 공정 용기(10)의 진입 구역(170) 내에서 스트림 안정성 및 여과를 가능하게 하는 중량, 강도 및 다공성의 원하는 조합을 갖도록 구성될 수 있다. 재료(175)는 수직 공간 요구사항 감소, 베드 이동 제거 또는 현저한 감소, 파울란트 포집 시 압력 강하 증가 최소화, 용기(10)의 성능 사이클 길이 개선 등을 포함하는 용기(10)의 개선을 초래할 수 있다.
개시된 재료(175)의 사용은 여과에 유리한 층 다공성을 달성하는 동시에 층 안정화에 유리한 재료 밀도 및 개당 중량을 가질 수 있다. 진입 구역(170)의 개시된 다공성은 67% 내지 87% 범위 내에 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 다공성은 70% 내지 87% 범위 내에 있을 것이다. 또 다른 예시적인 실시예들에서, 다공성은 75% 내지 87% 범위 내에 있을 것이다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 다공성은 75% 내지 85% 범위 내에 있을 것이다.
진입 구역 170의 공개된 밀도 범위는 입방 피트당 30~60파운드이다.
개시된 진입 구역(170) 내의 재료(175)에 대한 개시된 개당 중량은 다운스트림 처리 베드(40) 내의 재료(30)의 중량보다 2500 내지 4000배 더 클 수 있다. 예를 들어, 다운스트림 처리 베드(40)에 개당 중량이 10~50밀리그램인 재료(30)가 포함된 경우, 개시된 진입 구역(170)의 재료(175)의 개당 중량은 개당 25~200그램일 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 재료(175)의 개당 중량은 60 - 200그램 범위일 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 재료(175)의 개당 중량은 65 - 200그램의 범위일 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 재료(175)의 조각당 중량은 70 - 200그램의 범위일 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 재료(175)의 조각당 중량은 75 - 200그램의 범위일 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 개시된 진입 구역(170) 내의 재료(175)에 대한 개시된 개당 중량은 다운스트림 처리 영역 내의 요소의 중량보다 5 - 10배 더 클 수 있다. 예를 들어, 다운스트림 처리 베드 구역 재료의 개당 중량이 7 - 30그램인 경우, 개시된 진입 구역(170)의 재료(175)의 개당 중량은 개당 35 - 300그램일 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 개시된 진입 구역(170)의 재료(175)에 대한 개시된 개당 중량은 다운스트림 처리 영역의 요소보다 2 - 25배 더 클 수 있다.
의외로 소재의 내부 보이드 공간이 증가하면 개당 중량이 크게 감소하면서 소재의 안정화 기능이 향상된다는 사실이 밝혀졌다. 줄어든 중량와 내부 공극으로 인한 표면적 증가로 인한 추가적인 항력이 결합되어 소재가 더 쉽게 움직일 수 있을 것으로 예상했다. 반대로, 내부 공극의 투과성은 이미 중력이 재료를 제자리에 고정하는 데 기여하여 안정성을 높이는 데 도움이 된다는 것이 입증되었다.
안정화 영역 기능을 개선하는 한 가지 요인은 개당 중량이다. 여과를 위한 또 다른 중요한 동인은 내부 공극이다. 내부 공극이 채워지고 여과 재료가 사용되면 내부 공극에서 파생되는 투과성을 잃고 더 쉽게 이동할 수 있다. 안정성이 사이클 전반에 걸쳐 변할 수 있다는 결론은 여과 성능을 잘 발휘할 수 있는 안정적인 진입 구역 소재를 설계하는 데 있어 핵심이다. 안정성이 우수하고 여과 성능이 우수한 소재를 사용하면 개당 초기 중량을 제어하는 동시에 상당한 여과 성능을 제공할 내부 공극을 결정하는 균형을 맞출 수 있다.
일 실시예에서, 개시된 안정성 향상 물질(175)은 20 - 42% 범위의 내부 공극을 가지며, 설명된 다공성의 균형을 구성하는 간극 공간은 20 - 40% 범위의 내부 공극을 갖는다. 다른 예시적인 실시예에서, 개시된 안정성 향상 물질(175)은 20 - 40% 범위의 내부 공극을 가지며, 설명된 다공성의 균형을 구성하는 간극 공간과 함께 내부 공극을 가진다. 다른 예시적인 실시예에서, 개시된 안정성 향상 물질(175)은 25 - 40% 범위의 내부 공극을 가지며, 설명된 다공성의 균형을 구성하는 간극 공간과 함께 내부 공극을 가진다. 다른 예시적인 실시예에서, 개시된 안정성 향상 물질(175)은 20 - 35% 범위의 내부 공극을 가지며, 설명된 다공성의 균형을 구성하는 간극 공간은 20 - 35% 범위의 내부 공극을 갖는다. 다른 예시적인 실시예에서, 개시된 안정성 향상 물질(175)은 25 - 35% 범위의 내부 공극을 가지며, 설명된 다공성의 균형을 구성하는 간극 공간과 함께 내부 공극을 가진다. 다른 예시적인 실시예에서, 개시된 안정성 향상 물질(175)은 30 - 40% 범위의 내부 공극을 가지며, 설명된 다공성의 균형을 구성하는 간극 공간과 함께 내부 공극을 가진다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 개시된 안정성 향상 물질(175)은 30 - 35% 범위의 내부 공극을 가지며, 설명된 다공성의 균형을 구성하는 간극 공간과 함께 내부 공극을 가진다. 이러한 내부 공극은 우수한 여과 성능을 제공하는 동시에, 놀랍게도, 재료(175)의 안정화 능력을 강화한다. 내부 공극을 갖는 다른 재료와 비교할 때, 개시된 재료(175)의 장점은 더 무거운 재료의 도입으로 개당 중량이 증가하여 초기 안정화 능력이 양호하고, 내부 공극이 약간 감소하여, 안정화 능력이 사이클 전반에 걸쳐 보다 일정하게 유지되면서 여과액을 저장할 수 있는 능력을 제공한다는 것이다. 조각당 중량을 증가시키고 내부 공극을 감소시킴으로써, 용기(10)의 사이클 수명 동안 유속이 높은 애플리케이션에서 층 이동을 견딜 수 있는 재료(175)의 능력이 향상된다.
이번에 공개된 다공성, 밀도 범위, 개당 중량 및 그에 따른 기능의 조합은 기존 용기 및 재료에는 사용되지 않는다. 기존 소재의 한 예로, 입방 피트당 55~130파운드의 밀도를 달성하기 위해 40~65% 범위의 베드 다공성을 유지한다. 이러한 다공성 범위와 밀도 범위는 안정성 성능은 좋지만 여과 성능이 떨어지는 재료로 이어진다. 또 다른 예로, 우수한 여과 성능을 달성하려면 다공성이 88~95% 범위여야 한다. 이 다공성을 달성하기 위해 기존 소재의 밀도는 입방 피트당 12~30파운드, 개당 중량은 8~30그램 범위이다. 이러한 밀도 범위, 다공성 범위 및 개당 중량 범위는 여과 성능은 우수하지만 필요한 안정성 성능이 부족한 재료로 이어진다.
특정 예시적 실시예에서, 현재 개시된 재료(175)는 용기(10) 내의 하나 이상의 진입 구역(170) 내에 개별 구역으로서 또는 재료의 통합 구역으로서 배치될 수 있다. 진입 구역(170) 하류의 처리 층 안정성은 가중 재료의 사용 및/또는 용기(10) 둘레에 걸쳐 있는 재료의 설치를 통해 촉진될 수 있다. 가중치는 철, 텅스텐, 지르코늄, 티타니아, 알루미나 등과 같은 재료(175) 및 이들의 산화물, 탄화물 등과 같은 재료의 구성에 고밀도, 고중량의 조각당 중량 성분을 사용함으로써 달성될 수 있다.
특정 예시적 실시예에서, 현재 개시된 재료(175)는 디스크, 큐브, 직사각형 또는 다른 다면체 형상, 일식, 실린더, 연탄, 고리 등과 같은 기하학적 형상을 포함할 수 있다. 진입 구역(170)에 개시된 재료(175)는 재료(175)의 각 요소가 1 입방인치 내지 27 입방인치 크기의 공간에 맞도록 개별적인 크기를 가질 수 있다.
현재 개시된 재료(175)는 진입 구역(170)에서 사용될 때 중요한 여과 특성을 가질 수 있다. 특정 예시적 실시예에서, 재료(175)는 스트림이 진입 구역(170)을 통과함에 따라 여과액을 점점 더 분리할 수 있다. 상류 여과제 제거는 이들 재료(175)의 개별 여과 용량이 소진되는 지점까지 재료(175)의 다공성 구조 내에서 촉진된다. 그 후, 유체 공정 흐름은 소진된 재료(175)를 우회하여 진입 구역(170)을 통과하여 여과 용량이 소진되지 않은 재료(175)와 함께 여과제 제거를 수행한다. 이 공정은 공정 용기(10) 내에서 압력을 약간만 증가시키면서 진입 구역(170)을 통해 진행된다.
특정 예시적인 실시예에서, 현재 개시된 물질(175)은 리포머, 나프타 수소화 처리기("NHT"), 유체 촉매 분해 가솔린 수소화 처리기("GHT"), 황 회수 장치("SRU"), 수소 탈황 장치, 이성질화 장치 등과 같은 증기상 응용분야에서 활용될 수 있고, 다른 잠재적인 용도 중에서도 활용될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 현재 개시된 물질(175)은 등유 수소 처리기("KHT"), 디젤 수소 처리기("DHT"), 고양이 사료 수소 처리기("CFHT"), 가스 오일 수소 처리기("GOHT") 및 기타 혼합 상 응용 분야(액체 및 가스 흐름이 존재하는 곳)에 활용될 수 있다.
본 발명는 바람직한 실시예와 관련하여 설명될 것이지만, 본 발명를 해당 실시예로 제한하려는 것은 아님을 이해할 수 있을 것이다. 반대로, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 정신 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 수정 및 균등물을 포함하도록 의도된 것이다.

Claims (30)

  1. 공정 용기에서 유체 공정 스트림 흐름의 안정성과 여과를 개선하는 방법에 있어서,
    유체 공정 스트림을 공정 용기 내의 처리 구역, 하나 이상의 처리 요소 층을 포함하는 처리 구역을 통과시키는 단계; 및
    유체 공정 스트림을 처리 베드를 통과하기 전에 처리 베드의 상류에 위치한 진입 구역을 통해 유체 공정 스트림을 통과시키는 단계를 포함하고,
    상기 진입 구역은 67%~87% 범위의 다공성, 30~60 lbs/ft3 범위의 밀도, 12~300그램의 개당 중량을 갖는 안정성 향상 재료로 이루어진 층을 포함하고,
    상기 안정성 개선 재료는 유체 공정 흐름에서 원치 않는 종을 포집할 수 있는 내부 공극을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 진입 구역은 안정성 향상 재료의 싱글 베드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 진입 구역의 하류에 처리 구역이 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 안정성 개선 물질은 처리 영역에서 처리 요소의 움직임을 안정화시키고 방지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 내부 공극은 상호 연결된 기공의 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 내부 공극이 구불구불한 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 내부 공극은 진입 구역 부피의 20% - 42인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 내부 공극은 진입 구역 부피의 20% - 40인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 내부 공극은 진입 구역 부피의 25% - 42인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 내부 공극은 진입 구역 부피의 25% - 35인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 내부 공극은 진입 구역 부피의 30% - 40인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 내부 공극은 진입 구역 부피의 30% - 35인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 내부 공극은 진입 구역 부피의 20% - 35인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 개당 중량은 12 - 200 g 인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 개당 중량은 30 - 200 g 인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 개당 중량은 70 - 200 g 인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 개당 중량은 70 - 300 g 인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1항에 있어서, 개당 중량은 35 - 300 g 인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 1항에 있어서, 개당 중량은 25 - 200 g 인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1항에 있어서, 안정성 개선 재료의 조각당 중량은 다운스트림 처리 요소보다 2500~4000배 더 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1항에 있어서, 안정성 개선 물질의 조각당 중량은 다운스트림 처리 요소보다 2 - 25배 더 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 안정성 향상 재료는 처리 베드 내의 처리 요소의 움직임을 안정화시키고 방지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 1항에 있어서, 상기 진입 구역을 빠져나가는 유체 공정 스트림 흐름은 처리 베드로 직접 흐르는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 22항에 있어서, 상기 안정성 향상 재료는 처리 베드 내의 공정 요소의 움직임을 안정화시키고 방지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 1항에 있어서, 상기 진입 구역의 안정성 향상 물질의 조성물은 철, 텅스텐, 지르코늄, 티타니아, 알루미나 등 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 1항에 있어서, 상기 진입 구역의 안정성 개선 물질의 조성물은 철, 텅스텐, 지르코늄, 티타니아, 알루미나 등의 하나 이상의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 1항에 있어서, 상기 진입 구역의 안정성 향상 물질의 조성은 철, 텅스텐, 지르코늄, 티타니아, 알루미나 등의 하나 이상의 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 1항에 있어서, 상기 진입 구역의 안정성 향상 재료는 공정 용기의 내부 벽에 고정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 공정 용기에 있어서:
    하나 이상의 처리 요소 베드를 포함하는 처리 구역; 및
    처리 층의 상류에 위치한 진입 구역을 포함하고,
    상기 진입 구역은 67% ~ 87% 범위의 다공성, 30 ~ 60 lbs/ft3 범위의 밀도, 25 ~ 200 그램의 개당 중량 및 이를 통과하는 유체 공정 흐름에서 원치 않는 종을 포집할 수 있는 내부 공극을 갖는 안정성 개선 재료의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공정 용기.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 공정 용기는 리포머, 수소 처리기, 나프타 수소 처리기, 유동 촉매 크래커 가솔린 처리기, 수소 탈황 장치, 이성질화 장치 또는 황 회수 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 용기.
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