탄화수소 처리 반응기란 무엇인가: 종류, 설계 및 정유 공장 응용

석유화학 반응기란 무엇인가: 종류, 설계 및 정유 공장 응용

핵심 질문에 답하기: 석유화학 반응기란 무엇인가? 석유화학 반응기는 석유 또는 석유화학 원료가 거의 항상 고체 촉매 위에서 제어된 온도와 압력 하에 분해, 개질, 수소첨가 탈황, 알킬화 또는 이성화 반응을 통해 더 높은 가치의 제품으로 화학적으로 전환되는 압력 용기입니다. 주요 분류는 작동 범위에 따라 구분됩니다. 유동층 촉매 분해는 기화된 가스 오일을 제올라이트 촉매와 2-5초 동안 500-540°C의 라이저에서 접촉시킵니다. 수소첨가 분해는 350-450°C 및 100-200 bar에서 이기능성 촉매와 높은 수소 분압 하에서 작동합니다. 촉매 개질은 옥탄가를 높이기 위해 480-525°C 및 5-35 bar에서 작동합니다. 수소첨가 탈황은 300-400°C 및 30-100 bar에서 황, 질소 및 금속을 제거합니다. 이 각각은 지배적인 제약 조건이 다르기 때문에 다른 반응기 구성을 요구합니다: 유동층 촉매 분해의 열 균형, 수소첨가 분해의 수소 분압 및 야금학, 수소첨가 탈황의 코크 및 금속 침착으로 인한 압력 강하.

1. 전환 경로 및 필요한 반응기

네 가지 경로가 석유화학 전환 용량의 대부분을 차지하며, 각 경로는 다른 반응기 설계를 요구합니다:

• 유동층 촉매 분해: 유동층 촉매 분해는 정유 공장에서 가장 높은 온도의 전환 공정이며, 촉매가 반응기와 재생기 사이를 지속적으로 순환하는 유일한 주요 공정입니다. 가스 오일은 500-540°C의 재생된 촉매와 2-5초 동안 접촉하여 휘발유, LPG 및 더 가벼운 제품으로 분해되는 라이저에 주입됩니다. 분해는 흡열 반응이며 열은 이전 주기에서 코크를 운반하는 뜨거운 재생된 촉매 자체에서 공급됩니다. 0.5-1.5 wt%의 코크 침착은 몇 초 안에 촉매를 비활성화시키므로, 사용된 촉매는 증기로 스트리핑되고 650-730°C에서 재생기에서 연소되어 활성을 복원하고 공정 열을 제공합니다. 따라서 반응기는 일반적인 의미의 용기가 아니라 라이저, 증기에서 촉매를 분리하기 위한 사이클론이 있는 분리 용기, 스트리퍼이며, 촉매가 매우 연마성이기 때문에 침식 방지 내화물 라이닝으로 제작됩니다.
• 수소첨가 분해 및 수소첨가 탈황: 이들은 높은 수소 분압 하에서 수행되는 고정층 촉매 공정입니다. 수소첨가 탈황은 300-400°C 및 30-100 bar에서 알루미나 상의 코발트-몰리브덴 또는 니켈-몰리브덴 촉매를 사용하여 황, 질소, 산소 및 금속을 제거하며, 재순환 가스에서 제거해야 하는 황화수소와 암모니아를 생성합니다. 수소첨가 분해는 350-450°C 및 100-200 bar에서 더 높고 더 강하게 작동하며, 산성 분해 기능을 추가하여 중질 원료를 탈황하고 증류물로 전환합니다. 두 공정 모두 강한 발열 반응이므로, 반응기는 여러 개의 촉매층과 그 사이의 냉수소 퀜치를 사용하여 각 층의 온도 상승을 20-40°C로 제한하도록 제작됩니다. 두 가지 주요 설계 제약 조건은 코크 형성을 억제하기 위한 300-1,500 Nm3/m3의 수소 대 오일 비율과 코크 및 금속이 축적됨에 따라 증가하여 층을 교체하거나 스키밍해야 하는 압력 강하입니다.
• 촉매 개질: 개질은 480-525°C 및 5-35 bar에서 염화 알루미나 지지체 상의 백금 또는 백금-레늄 촉매를 사용하여 저옥탄가 나프타를 고옥탄가 개질유 및 방향족으로 전환합니다. 주요 반응은 나프텐의 방향족으로의 탈수소화, 파라핀의 탈고리화 및 이성화이며, 전반적으로 강한 흡열 반응이므로 반응기는 중간 가열기를 갖춘 3개 또는 4개의 단열 고정층으로 배열됩니다. 수소가 귀중한 부산물로 생성됩니다. 두 가지 공정 변수가 지배적입니다: 염소는 유출물로 지속적으로 손실되어 산성을 유지하기 위해 재주입되어야 하므로 촉매 상의 물-염소 균형과 코크 침착이며, 이는 주기적 재생, 6-24개월 주기로 종료되는 반재생 설계 또는 촉매가 재생기를 통해 천천히 순환하는 연속 촉매 재생으로 관리됩니다.
• 열 전환 및 코킹: 원료가 촉매에 너무 무겁거나 너무 오염된 경우, 정유 공장은 열 전환을 사용합니다. 지연 코킹은 진공 잔사를 480-510°C의 가열로에서 가열하고 12-24시간 동안 대형 코크 드럼에 유지하여 더 가벼운 제품과 나중에 고압수로 절단되는 고체 코크로 분해합니다. 점도 저하(Visbreaking)는 450-500°C에서 짧은 체류 시간으로 온화한 열 분해를 통해 점도를 줄이는 더 온화한 버전입니다. 이들은 촉매 고정층보다는 반연속식 또는 코일 공정이며, 반응기 설계 과제는 촉매적이 아니라 열적입니다: 주기적인 열 응력 하에서의 드럼 벽 야금학, 퀜치 및 스위칭 밸브의 신뢰성, 가열기 튜브의 심각한 오염 및 코킹 경향이며, 이는 짧은 체류 시간을 유지하기 위해 높은 증기 또는 응축수 주입 속도로 관리됩니다.

2. 반응기 구성 및 선택 방법

접촉 모드 간의 선택은 촉매 수명, 발열 심각도 및 원료 오염에 따라 달라집니다:

• 고정층 반응기: 가장 간단하고 가장 널리 사용되는 구성: 1-3mm의 촉매 펠릿이 격자 및 등급이 매겨진 불활성 세라믹 볼 층에 의해 지지되는 하나 이상의 층에 로드됩니다. 흐름은 본질적으로 플러그 흐름이며, 이는 패스당 전환율을 극대화하고 촉매 마모 또는 분리 장비가 없습니다. 한계는 고정층을 사용할 수 있는 곳을 정의합니다. 열 제거가 좋지 않으므로, 고발열 반응은 다층 퀜치 또는 관형 설계를 필요로 합니다. 코크 및 금속이 침착됨에 따라 압력 강하가 발생하여 결국 가동 중단이 발생합니다. 그리고 촉매 비활성화가 빠른 경우, 장치를 중지하지 않고 층을 변경할 수 없습니다. 따라서 고정층은 1~5년의 촉매 수명을 가진 깨끗한 원료에 적합하며, 이것이 수소첨가 탈황, 수소첨가 분해 및 개질을 지배하는 이유입니다.
• 유동층 및 비등층 반응기: FCC와 같이 촉매가 몇 초 안에 비활성화될 때, 촉매는 지속적으로 순환해야 하며, 유동층은 이를 가능하게 하면서도 우수한 온도 균일성과 열 전달을 제공합니다. 단점은 촉매 마모, 고효율 사이클론을 요구하는 비산, 플러그 흐름에 비해 패스당 전환율을 감소시키는 역혼합입니다. 잔사 수소첨가 전환에 사용되는 비등층은 액체와 가스의 상승 흐름에서 촉매를 현탁시켜 층이 30-50% 팽창하여 거의 등온 작동, 낮고 일정한 압력 강하, 그리고 매일 온라인으로 촉매를 추가하고 제거할 수 있는 능력을 제공합니다. 이는 금속이 50-350 ppm 포함된 잔사를 처리할 때 결정적인 이점이며, 금속은 촉매를 영구적으로 독화시키고 지속적인 교체만이 경제성을 확보하기 때문입니다.
• 슬러리 버블 컬럼 및 관형 반응기: 슬러리 반응기는 액체에 미세 촉매를 현탁시키고 가스를 통해 기포를 통과시켜 우수한 열 제거와 매우 높은 촉매 활용도를 제공하며, 피셔-트롭쉬 합성 및 잔사 슬러리 수소첨가 분해에 사용됩니다. 과제는 제품에서 미세 촉매를 분리하는 것이며, 이는 여과 및 자기 분리 개발을 주도합니다. 대조적으로 관형 반응기는 수천 개의 작은 직경의 튜브 안에 촉매를 배치하고 쉘 측에 열 전달 매체를 둡니다. 이는 증기 개질과 같이 온도 제어가 중요한 경우, 반응이 흡열 반응이고 튜브가 800-900°C에서 가열로에서 가열되는 경우, 또는 폭주 반응이 물리적으로 불가능해야 하는 매우 발열적인 선택적 산화 반응에서 선택됩니다. 200-1,000개의 튜브와 6-13m의 길이는 일반적이며, 튜브 시트와 튜브-튜브 시트 조인트가 가장 까다로운 제작 세부 사항입니다.
• 재료, 코드 및 무결성: 석유화학 반응기는 야금학적 능력의 경계에서 작동하며, 세 가지 열화 메커니즘이 재료 선택을 지배합니다. 고온 수소 공격은 API 941 넬슨 곡선으로 처리되며, 크롬-몰리브덴 강철이 필요합니다: 수소 처리용 1.25Cr-0.5Mo 또는 2.25Cr-1Mo, 때로는 황화수소에 대한 내식성을 위해 347 스테인리스 오버레이 또는 321 또는 347 용접 클래딩이 사용됩니다. 350-575°C 범위에서 2.25Cr-1Mo의 템퍼 취성은 J 계수를 제한하고, 생산 열의 단계 냉각 취성을 추적하고, 냉간 용기를 최소 가압 온도 이하에서 가압하는 것을 피하기 위해 시동 및 정지를 제어함으로써 제어됩니다. 습한 황화수소로부터의 황화 응력 균열은 경도에 대한 NACE MR0175 / ISO 15156 제한 및 의무적인 용접 후 열처리로 해결됩니다. 압력 방출은 API 520 및 API 521을 통해 별도로 처리되며, 폭주 반응이 기존 방출 장치보다 빠르게 증기를 생성할 수 있는 경우 DIERS 방법론이 적용됩니다.

석유화학 반응기 유형 비교 매트릭스

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 수소첨가 탈황과 수소첨가 분해의 주요 차이점은 무엇인가요?

A: 둘 다 수소와 고압의 황화 촉매를 사용하지만, 목적과 심각도가 다릅니다. 수소첨가 탈황은 오염 물질을 제거하고, 황을 황화수소로, 질소를 암모니아로 전환하며, 올레핀과 방향족을 가볍게 포화시키며, 300-400°C 및 30-100 bar에서 비점 범위에 거의 변화가 없습니다. 수소첨가 분해는 의도적으로 탄소-탄소 결합을 끊어 중질 원료의 30-90%를 더 가벼운 증류물로 전환하며, 350-450°C 및 100-200 bar에서 금속 수소화 기능과 산성 분해 기능을 결합한 이기능성 촉매를 사용하여 작동합니다. 실제로는 수소첨가 분해기는 수소첨가 탈황 단계 다음에 동일한 고압 루프에서 분해 단계로 구축됩니다. 왜냐하면 분해 촉매는 황과 질소에 의해 독화되고 원료를 먼저 정제해야 하기 때문입니다.

Q: 수소첨가 공정에서 수소 분압이 왜 그렇게 중요한가요?

A: 수소 분압은 촉매 표면에 코크를 형성하는 응축 및 탈수소화 반응을 억제합니다. 코크는 주요 가역적 비활성화 메커니즘이며, 수소 분압을 높이면 촉매 수명을 두 배 또는 세 배로 늘릴 수 있어 동일한 심각도에서 더 긴 주기 또는 동일한 주기 길이에서 더 높은 심각도를 허용합니다. 또한 탈황 및 탈질 평형을 생성물 쪽으로 밀어내고 방향족 포화를 개선합니다. 이것이 수소첨가 공정 장치가 높은 재순환 가스 속도(일반적으로 원료 300-1,500 Nm3/m3)로 설계되고, 재순환 가스의 아민 스크러빙으로 황화수소와 암모니아를 제거하여 수소를 희석시키고, 불활성 물질 축적을 피하기 위해 슬립 스트림을 퍼지하여 공급 수소 순도를 약 90-95% 이상으로 유지하는 이유입니다.

Q: 수소첨가 반응기가 운전 종료에 도달하는 원인은 무엇인가요?

A: 세 가지 한계에 도달하며, 먼저 도달하는 것이 주기를 설정합니다. 압력 강하: 코크, 철 스케일 및 잔사 서비스의 현탁 고체가 층 상단의 빈 공간을 막고, 차압이 내부의 기계적 한계 또는 재순환 압축기에 도달하면 반응기가 차단됩니다. 온도: 촉매가 비활성화됨에 따라, 운영자는 전환율을 유지하기 위해 가중 평균 층 온도를 높이고, 최대 허용 층 온도(일반적으로 야금학 및 선택성을 위해 415-440°C)에 도달하면 주기가 종료됩니다. 그리고 제품 품질 또는 야금학적 한계: 제품 황이 더 이상 충족될 수 없거나, 반응기 출구 온도가 수소 공격 고려 사항에 의해 설정된 한계에 접근할 때. 이 각각은 다르게 관리되므로, 층 등급, 스케일 트랩 및 잘 설계된 퀜치 시스템이 주기 길이에 큰 영향을 미치는 이유입니다.

Q: 수소화 반응기는 폭주 및 과압으로부터 어떻게 보호되나요?

A: 보호는 계층적입니다. 본질적으로, 다층 퀜치 설계와 높은 수소 대 오일 비율은 발열이 생성할 수 있는 온도 상승을 제한하고, 반응기 야금학은 최대 신뢰 가능한 작동 온도 이상의 여유를 두고 선택됩니다. 계측 보호는 높은-높은 경보 및 공급 가열기를 트립하고, 심각한 경우 API 521에 따라 크기가 조정된 비상 감압 시스템을 통해 장치를 감압하는 독립적인 층 온도 열전대를 사용하며, 일반적으로 15분 이내에 작동 압력에서 7 bar로 압력을 낮추어 전파되는 발열을 중지합니다. 기계적 보호는 API 520에 따라 설정되고 신뢰 가능한 방출 부하에 대해 크기가 조정된 압력 방출 밸브이며, 수소첨가 분해기의 경우 총 증발 사례일 수 있습니다. 폭주 반응이 비응축성으로 방출보다 빠르게 증기를 생성할 수 있는 경우, DIERS 방법론을 사용하여 시스템이 완화되었는지 또는 가스인지, 그리고 방출 장치가 충분한지 또는 압력 유지 덤프 탱크 또는 전체 비상 감압이 필요한지 결정합니다.