공정 스트림 분리 방법 및 어셈블리 document_id A220623054958

2. 관련 기술의 설명 공정 스트림 내 오염물질은 공정 및 공정 유닛에 유해할 수 있다. 오염물질은 공정 유닛에 해를 끼쳐서, 잠재적으로 환경 문제 또는 안전 문제를 야기할 수 있다. 오염물질은 또한 공정의 효율성을 감소시키거나, 생산을 중지시키거나, 또는 제품 사양에 영향을 미치는 등에 의해 공정에 손해를 끼칠 수 있다. 오염물질은 공급 스트림(feed stream), 방출 스트림(discharge stream), 또는 방류 스트림(effluent stream)과 같은 모든 종류의 공정 스트림에서 발견될 수 있다. 오염물질은 반응기, 추출기, 증류 칼럼, 스크러버(scrubber), 테일 가스 처리기(tail gas treater), 소각로, 교환기, 보일러, 콘덴서, 등과 같은 다양한 종류의 공정 유닛에 영향을 미칠 수 있다. 공정 스트림이 유닛 내에서 수직 아래 또는 위, 또는 아래 위 모두의 방향으로 흐르도록 공정 유닛이 배열될 수 있다. 그 대신에, 유닛 내 공정 스트림은 대응하는 외부로부터 또는 유닛의 외부 부분으로부터, 또는 둘 모두로부터 중심으로 방사적으로 흐를 수 있다. 반응기는 공정 유닛의 한 종류이다. 많은 반응기는 하나 이상의 고정층(fixed bed)에 함유된 분산 고체 촉매 입자(discrete solid catalyst particle)를 포함한다. 전형적으로 촉매 층(catalyst bed)은 촉매 층으로 공급되는 공정 스트림 내의 오염물질을 붙잡는데 매우 효율적이다. 그렇지만, 이러한 촉매 층은 이렇게 붙잡힌 오염물질에 의해 빠르게 막힐 수 있다. 촉매 층이 막히게 됨에 따라, 공정 유닛 전반에 압력 강하가 발생하여서 결국에는 공정 유닛의 조기 작업중단을 결과한다. 상기 문제를 부분적으로 감소시키기 위하여, 비-촉매 층 공정 유닛뿐만 아니라 촉매 층 공정 유닛 또한 막힘에 대해 다소 덜 저항적인 전통적인 보존 재료 층(retention material bed)으로 종종 보완된다. 이러한 전통적인 보존 재료 층은 전형적으로 공정 유닛의 입구에 위치한다. 촉매 층 공정 유닛의 경우에 있어서, 전통적인 보존 재료 층은 전형적으로 촉매 층 내에서의 반응에 대하여 불활성이다. 이러한 전통적인 보존 재료 층은 공정 유닛으로 유입되거나, 공정 유닛에 머무르거나 또는 공정 유닛을 떠나는 공정 스트림 내의 먼지, 산화철, 황화철, 아스팔텐, 코크 미립자, 촉매 미립자, 염, 산성 불순물, 침전물 또는 또 다른 유입된 외부 미립자 재료와 같은 오염물질 모두 또는 일부를 붙잡거나 또는 여과하는데 다소 효과적일 수 있다. 오염물질을 붙잡음으로써 바람직하지 않은 물질이 공정 유닛을 막거나 오염시키거나 또는 또 다르게 손상시키는 것을 방지한다. 상기 전통적인 보존 재료 층들이 불활성일 때, 이들은 전형적으로 펠렛, 고리, 안장(saddle) 또는 구 형태의 전통적인 세라믹 재료로 만들어지며, 전형적으로 분쇄, 고열 및/또는 고압에 대하여 저항성이 있어야 한다. 상기 전통적인 보존 재료 층이 공정 유닛을 막힘으로부터 방지하는데 다소 효과적인 반면, 전통적인 보존 재료 층은 자신들 스스로 막히게 된다. 전통적인 보존 재료 층은 또한 공정 유닛을 가로지르는 공정 스트림의 흐름에 대하여 수직방향으로 공정 스트림의 흐름 분배를 촉진할 수 있다. 이러한 작용은 수직 흐름 분배로서 본원발명에 있어서 바람직하게 될 것이다. 한 예로서, 윗 방향 또는 아래 방향의 공정 유닛에 있어서, 공정 스트림 흐름은 축 방향이며, 수직 흐름 분배는 방사 방향이다. 통상의 보존 재료 층의 효율을 증가시키기 위하여, 천공된 디스크, 또는 스크린 바스켓과 함께 이들 재료의 상이한 크기 및 모양으로 등급화된 층(graduated layer)을 사용하여, 먼지, 산화철, 황화철, 아스팔텐, 코크 미립자, 촉매 미립자, 침전물, 또는 또 다른 유입된 외부 미립자 재료와 같은 오염물질에 의해 공정 유닛이 막히게 되는 것을 방지하여 왔다. 공정 유닛의 입구에서 오염물질에 노출된 전통적인 보존 재료 층은 결국 오염물질에 의해 막히게 된다. 이러한 현상이 일어남에 따라, 공정 유닛을 가로지르는 압력 강하가 발생하여서, 그 결과 결국 유닛의 작업중단이 유발된다. 촉매 층 공정 유닛 내에서 이러한 현상이 일어날 때, 전형적으로 촉매 층 자체의 일부분이 일부 또는 완전히 오염물질에 의해 막히게 된다. 이러한 공정 유닛의 작업중단 이후, 막혀있는 전통적인 보존 재료 부분뿐만 아니라 막혀있는 촉매 층 부분의 찌꺼기 걷어내기 또는 제거가 요구된다. 공정 스트림 내에서 오염물질에 의한 막힘에 부가하여, 촉매 층 공정 유닛으로 공급되는 공정 스트림 내에서 발견되는 예를 들면 디올레핀과 같은 폴리머 전구체의 폴리머화는 또한 상기 공정 유닛을 오염시키거나, 점착성이 되어 막거나 또는 충전물이 되어 막을 수 있다. 특히, 폴리머화의 두 가지 메커니즘, 자유 라디칼 폴리머화 및 축합-타입 폴리머화는 촉매 층 오염, 고무화(gumming), 또는 막힘을 유발할 수 있다. 자유 라디칼 폴리머화를 조절하기 위한 산화방지제의 첨가는 공정 스트림이 산소와 직면할 때 유용하다는 점이 밝혀졌다. 디올레핀의 축합 폴리머화는 전형적으로 유기-기초 공급물(feed)이 가열된 이후에 발생한다. 그러므로, 공정 스트림이 촉매 층 공정 유닛으로 유입되기 이전의 여과는 유닛 내에서 일반적으로 발생하는 폴리머화 반응에 따른 상기 오염물들을 제거하기에는 도움이 되지 않는다. 오염물질에 의해 막히지 않으면서 공정 스트림으로부터 오염물질을 효율적으로 그리고 효과적으로 여과하는 보존 재료를 갖는 것이 매우 바람직하다. 효율은 상기 재료에 의해 공정 스트림으로부터 제거된 오염물질의 함량 및 상기 재료에 의해 제거될 수 있는 오염물질의 크기 범위에 관계한다. 효과성은 상기 재료가 보존 재료를 관통하는 오염제거된 공정 스트림의 흐름을 방해하지 않는 정도에 관계한다. 이러한 재료는 바람직하게는 실질적으로 공정 스트림으로부터 광범위한 크기의 오염물질을 모두 제거하며, 반면 공정 유닛을 가로지르는 수용 불가능한 압력 강하 증가를 야기하지 않는다. 또한 수직 흐름 분배를 촉진하는 보존 재료를 갖는 것이 매우 바람직하다. 공정 스트림에 대한 흐름 분배 및 여과를 위한 본원발명의 방법은, 종래 공지된 방법에 비하면, 매우 효율적이고 효과적인 오염물질의 여과 방법의 제공; 촉매 층 공정 유닛 내 촉매의 수명 및 활성의 증가; 촉매 손실의 감소; 제품 선택성의 강화, 원료처리량/생산성의 증가, 공정 유닛 배치의 최적화 가능; 공정 유닛으로 유입되고 그 내부에 존재하는 공정 스트림의 수직 흐름 분배의 개선, 및 전통적인 보존 재료 층이 특정 지점을 막아서 그 결과 유닛을 가로지르는 압력 강하가 수용 불가능한 수준으로 발생할 때 공정 유닛을 멈추어야 하는 필요성의 제거; 등의 장점을 갖는다. 이러한 장점은 자본 및 운영 비용의 절감, 감소된 작업 중단시간, 증가된 공정 유닛 성능 및 증가된 공정 유닛의 작동 시간을 결과한다. 전통적인 보존 재료 층의 연약함은 필터로서 특히 효율적이지 못하며 또한 특히 효과적이지 못하다. 전통적인 보존 재료 층은 전형적으로 제한된 시간 동안 공정 스트림으로부터 일부 오염물질을 제거하기에 효율적이다. 이렇게 해서 붙잡히는 오염물질은 전형적으로 약 50 마이크론 및 그 이상이다. 전통적인 보존 재료 층의 효과성은 종국적인 막힘 때문에 우수하지 않은데, 상기 막힘은 전통적인 보존 재료 층을 관통하는 오염제거된 공정 스트림의 흐름을 방해하여 공정 유닛 압력 강하의 수용 불가능한 증가를 유발한다. 더욱이, 전통적인 보존 재료 층은 상단의 약 6 내지 12 인치 깊이 내에서 오염물질을 붙잡는 것으로 여겨진다. 전통적인 보존 재료의 더 깊은 층은 상기 물질의 붙잡음 용량을 증가시키지 않는다. 따라서, 당해 분야의 기술은 50 마이크론 미만의 미립자 오염물질을 제거하는 여과 방법, 심각한 공정 유닛 압력 강하가 없는 오염제거된 공정 스트림의 자유 흐름을 허용하면서 미립자 오염물질을 여과하는 방법, 및 층 깊이에 상관없이 층 깊이에 따라 증가하는 여과 용량을 갖는 여과 방법을 추구하였다. 현재 공정 유닛의 수직 흐름 분배 고안 및 방법과 관련된 단점은 공정 유닛 내에서의 나쁜 분배를 결과할 수 있다. 미립자 오염물질 또는 바람직하지 않은 폴리머화 반응의 생성물에 의해 발생하는 막힘 또는 또 다른 퇴적은 또한 불균형분배를 야기할 수 있다. 불균형 분배는 공정 유닛 일부분의 채널링 및 대응하는 바이패싱, 오염물질 제거 효율의 감소, 유닛 효율의 감소를 결과할 수 있다. 일반적으로, 불균형 분배 문제는 소위 말하는 온도 핫-스팟(hot-spot)에 의해 입증된다. 예를 들면, 이러한 핫-스팟은 촉매 층 공정 유닛 내에서의 증가된 코킹(coking) 및 감소된 활성을 유발할 수 있다. 불균형 분배 문제 및 코킹 이외에, 압력 강하의 증가는 마모의 결과로서 촉매 분해를 야기할 수 있다. 그러므로, 종래 기술은 공정 유닛 내에서 공정 스트림을 더욱 균등하게 분배하고, 오염물질의 효율적인 여과를 제공하며, 핫-스팟의 발생을 감소시키며, 촉매 마모를 최소화하며, 바람직하지 않은 폴리머화 반응에 의해 발생하는 퇴적을 감소시킬 수 있는 수직 흐름 분배 방법을 추구해왔다. 본원발명의 참조문헌으로 편입된 U.S. 특허 6,258,900 및 6,291,603는 화학 반응기 내에서 유기 공급 스트림을 여과하고 분배하는데 사용되는 망상 세라믹 재료를 개시한다. 유기-기초 스트림 이외 다른 종류의 공정 스트림 및 화학 반응기 이외 다른 종류의 공정 유닛에 대한 여과 및 흐름 분배 능력에 대한 수요가 존재한다. 모든 공정 스트림 및 모든 공정 유닛에 대한 여과 및 흐름 분배 방법은, 공정 스트림으로부터 오염물질을 제거하기 위해 사용되는 재료의 여과 효율 및 효과성을 증가시키고, 공정 유닛 내 수직 흐름 분배를 개선하고, 유닛 작업 길이(unit run length)가 압력 강하 증가 이외의 요인에 의해 결정되도록 하고, 공정 장비 전반에 걸친 압력 강하를 최소로 하고, 공정 안전을 극대화하며 촉매 층 채널링 및 흐름 오분배(misdistribution), 온도 핫 스팟, 및 공정 유닛 작업중단 및 시작으로부터 발생하는 환경 문제를 최소화하는 것이 바람직하다. 구성성분 분리 유닛은 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 구성성분 공정 스트림으로 분리하기 위하여 실험실, 시험 공장 및 산업 설비에서 전통적으로 사용되어 왔던 특정 종류의 공정 유닛이다. 임의의 구성성분 분리 유닛에 있어서, "공정 스트림"은 공급 스트림을 의미하며, "구성성분 공정 스트림"은 유닛으로부터 유래한 생성 스트림(product stream)을 의미하며, "상(phase)"은 유닛 내부의 각각의 액체 또는 증기 상을 의미한다. 구성성분 분리 동안에, 한 방향으로 이동하는 상과 반대방향으로 이동하는 상은 구성성분 분리 유닛 내에서 서로 만나서 상 사이의 계면에서 물질 전달(mass transfer)을 수행한다. 구성성분 분리는 본 물질 전달의 결과로서 달성된다. 물질 전달의 결과로서, 하나 이상의 공정 스트림이 분리되어서 각각 바람직한 조성을 갖는 하나 이상의 구성성분 공정 스트림을 형성한다. 전형적으로, 복수의 트레이 및/또는 패킹 요소(packing element)들은 유닛 내에 위치하여서 상 사이의 접촉 및 상 사이의 물질 전달을 촉진한다. 트레이들은 전형적으로 서로서로 수평으로 쌓이고, 반면에 패킹 요소들은 무작위적으로 쌓이거나 또는 체계화된 모양(structural shape)으로 형성된다. 무작위로 쌓인 패킹 요소는 일반적으로 서로서로 상대적으로 정해진 방향을 갖지 않는 반면, 체계화된 요소는 특정 모양 및 상대적인 방향을 갖는다. 구성성분 분리 유닛의 예는 예를 들면 증류 유닛, 크로마토그래피 유닛, 흡착기, 추출기 및 이들의 조합을 포함하며, 증류 유닛은 유닛으로 공급되는 공정 스트림 내에 존재하는 화학종의 끓는점 차이에 기초한 구성성분 분리를 달성한다. 증류 유닛은 예를 들면 칼럼, 분별기(fractionator), 분배기(splitter), 반-연속(semi-continuous) 유닛, 연속 유닛, 플래쉬 유닛, 배치 증류 유닛, 스트리퍼, 정류기, 추출 증류 유닛, 아조트로피 증류 유닛, 및 진공 증류 유닛을 포함한다. 흡착기 및 추출기는 접촉 유닛인데, 접촉 유닛 내에서 증기 상 및 액체 상이 만나고 목적 되는 구성성분 분리가 한 상 내의 구성성분에 대한 또 다른 상 내의 구성성분의 친화성에 기초하여 달성된다. 예를 들면, 구성성분 A 및 B를 함유하는 공정 스트림이 유닛의 한 지점에서 유입되고, 반면에 C를 함유하는 또 다른 공정 스트림이 또 다른 지점에서 유닛으로 유입될 수 있다. 상기 스트림 중 하나는 전형적으로 액체이며, 반면에 나머지들은 액체 또는 증기일 수 있다. 구성성분 B가 구성성분 A에 대한 친화성보다 구성성분 C에 대한 더 큰 친화성을 갖는다고 가정한다. 적절하게 고안된 두 스트림의 친밀한 접촉 및 작동된 접촉 유닛은 본질적으로 구성성분 B없이 구성성분 A를 함유하는 하나의 생성 스트림, 및 구성성분 C 및 본질적으로 구성성분 B 모두를 함유하는 제2 생성 스트림의 생성을 결과할 것이다. C로부터 B를 분리하는 것보다 A로부터 B를 직접적으로 분리하는 것이 어렵기 때문에 전술한 바와 같은 유닛의 상업적 사용이 추구되어야 한다. 본 실시예에서, 제1 생성 스트림은 탈착제(desorbant)로 불리고, 제2 생성 스트림은 흡착제(adsorbant)라 불린다. 흡착기 유닛의 구체적인 예는 연속 흡착기, 온도 스윙 흡착기, 압력 스윙 흡착기, 정화/농축 스윙 흡착기 및 파라메트릭 펌핑을 포함한다. 추출기는 접촉 유닛인데, 본 접촉 유닛 내에서는 혼합되지 않는 액체 상이 접촉되고 구성성분 분리가 물질 분리 매개체를 사용하여 달성된다. 상기 예에서, 제2 공정 스트림 내의 구성성분 C는 물질 분리 매개체일 수 있다. 추출기 유닛의 한 예는 방향족 추출 유닛(aromatics extraction unit)인데, 여기서 방향족 화학종 및 비-방향족 화학종을 함유하는 탄화수소 스트림은 설포레인(sulfolane) 또는 모르폴린(morpholine)과 같은 물질 분리 매개체와 접촉하고, 상기 두 개의 혼합되지 않는 액체의 유효한 접촉은 탄화수소 스트림으로부터 물질 분리 매개체를 함유하는 스트림으로 방향족 화학종의 추출을 결과한다. 구성성분 분리 유닛은 또한 구성성분 분리 유닛 내에 바람직한 화학 반응을 촉진하는 촉매 물질의 영역을 또한 포함할 수 있다. 이러한 예에는 반응성 증류 유닛 및 추출 증류 유닛이 있다. 구성성분 분리 유닛 내에서 분리를 달성하거나 증강시키기 위해 사용되는 전통적인 유닛 내부재(internals)의 예는 예를 들면 트레이; 무작위로 쌓여진 고리 또는 안장(saddle); 메쉬, 모놀리스, 거즈 등을 갖는 체계화된 패킹; 수집재; 분배재; 강수재(downcomer); 벽 와이퍼; 지지 그리드; 및 홀드 다운 플레이트;를 포함한다. 구성성분 분리 유닛의 내부에 있어서, 상승하는 상과 하강하는 상 사이의 긴밀한 접촉이 반복된다. 이러한 접촉은 트레이 및/또는 충전재에 의해 촉진된다. 트레이의 각 부분 또는 충전재의 깊이는 분리의 "이론 단" 수를 대략 나타낸다. 구성성분 분리 유닛 내부재는 바람직한 분리를 달성하는 "이론 단"의 적절한 수를 제공하도록 구성성분 분리 유닛 내에 고안되고 배치된다. 증류 유닛 내에서, 상 사이의 반복된 접촉은 최종적으로 고 휘발성 및 낮은 끓는점을 갖는 화학종으로 구성된 증기 상, 및 저 휘발성 및 더 높은 끓는점을 갖는 화학종으로 구성된 액체 상을 결과한다. 상 사이의 상기 물질 전달은 상 내 화학종들의 서로 다른 끓는점의 차이에 의해 유발된다. 더 낮은 끓는점을 갖는 화학종은 상승하며, 더 높은 끓는점을 갖는 구성성분을 하강한다. 하나 이상의 바람직한 조성이 발생하자마자, 증기 상의 일부분은 전형적으로 상부 구성성분 공정 스트림으로서 회수되고, 잔류하는 일부분은 액화되고 추가 물질 전달을 위하여 환류 상으로서 증류 유닛으로 되돌아간다. 이와 유사하게, 액체 상의 일부분은 하부 구성성분 공정 스트림으로서 회수되고, 잔류하는 일부분은 다시 끓여지고(즉 증기화되고) 추가 물질 전달을 위하여 증류 유닛으로 되돌아간다. 더욱이, 하나 이상의 구성성분 공정 스트림은 증류 유닛의 상단 및 바닥 사이의 임의의 부분에서 증류 유닛으로부터 회수될 수 있다. 구성성분 분리 유닛에 있어서, 유닛 내에서 효율적인 그리고 비용 효과적인 분리를 달성하는 것이 매우 바람직하다. 또한 유닛 내의 적은 압력 강하 및 유닛에 대한 적은 HETP(이론단 해당 높이) 수를 달성하는 것이 또한 매우 바람직하다. 유닛에 의해 달성되는 분리 정도(degree of separation)는, 여러 가지 요인들 중에, 상 사이의 접촉량, 사용된 트레이 수, 사용된 충전재의 양 및 종류, 유닛이 작동되는 곳의 온도 및 압력, 그리고 상에 함유된 화학종들의 끓는점 차이 또는 또 다른 적절한 분리 특성에 의해 영향을 받는다. 분리는 또한 예를 들면 트레이의 디자인, 유닛의 횡단면에 걸쳐 상의 균일한 분배를 촉진하기 위한 유닛 내 분배재의 사용, 및 충전재의 디자인에 영향을 받는다. 구성성분 분리 유닛 내의 종래 기술의 충전재는 무작위로 쌓이거나 또는 체계화되었다. 무작위로 쌓이거나 또는 "묶여있지 않은(loose)" 패킹은, 비록 체계화된 충전재보다 저비용이지만, 많은 압력 강하 및 낮은 물질 전달 특성을 보이며, 유닛 내의 나쁜 분리 효율을 결과하는 나쁜 상 분배로 인하여 곤란을 겪는다. 또한 트레이 또는 "묶여있지 않은" 충전재를 사용하는 종래 기술의 유닛은 부식 및 퇴적하는 경향이 있음이 밝혀졌으며 비효율적인 분리를 제공하였다. 결과적으로, 종래 기술의 묶여있지 않은 패킹 기술은 고도로 공작된 체계화된 패킹 기술의 개발에 대한 필요성을 제시하였다. 체계화된 충전재(Structured packing material)는 개선된 분리 효율을 제공할 수 있으나; 그렇지만 , 체계화된 충전재의 제조는 완벽함을 위한 더 큰 유닛을 디자인하기 위한 정교한 기계장치, 엔지니어링 전문기술 및 제작 기술을 요구한다. 더욱이, 이러한 재료는 일반적으로 제작하기가 더욱 고비용이며, 설치를 위한 유닛의 작업중단 시간이 무작위 패킹보다 더 길다. 이들이 더욱 고비용임에도 불구하고, 체계화된 충전재는 종종 무작위 패킹을 대신하여 사용되는데, 왜냐하면 더욱 우수한 압력 강하 및 물질 전달 특성으로 인하여 현재 존재하는 유닛보다 더 높은 생산율을 제공하기 때문이다. 그렇지만, 체계화된 충전재의 사용은 일반적으로 퇴적이나 부식을 겪지 않는 공정에 제한된다. 체계화된 패킹은 더욱 고비용이며 설치하기가 어려우며, 따라서 퇴적 또는 부식으로 인하여 더욱 잦은 교체가 요구되는 공정에서의 사용은 경제적으로 매력적이지 않다. 따라서, 본원발명의 개발 이전에는, 바람직한 특성 및/또는 수준; 낮은 HETP 값에서의 효율적인 분리; 상대적으로 낮은 압력 강하; 퇴적 및/또는 부식에 대한 저항; 낮은 제작 및 설치 비용; 용이한 교체; 및 전반적으로 개선된 성능 및 생산력;을 제공하는, 구성성분 분리 유닛 내에서 공정 스트림을 바람직한 조성을 갖는 구성성분 공정 스트림으로 분리하는 방법 및 장치가 존재하지 않았다. 그러므로, 당해 기술은 상대적으로 큰 압력 강하를 발생하지 않으며, 낮은 HETP 수에서 더욱 효율적인 분리를 나타내며, 덜 복잡하고 덜 고비용의 디자인, 제작, 설치, 작업 및 유지를 요구하며, 퇴적 및 부식에 저항성이며, 용이하게 대체가능하며 전반적으로 개선된 성능 및 생산성을 나타내는, 증류, 흡착 및/또는 추출을 통하여 공정 스트림을 바람직한 구성성분 공정 스트림으로 분리하는 개선된 방법 및 장치를 추구하였다.