JP6798044B2 - エチレン分離工程および分離装置 - Google Patents

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Description

本出願は、2017年6月8日付で出願された韓国特許出願10−2017−0071315号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、アセチレン、エタン、エチレンおよびC3+を含む混合物からのエチレンを分離する工程に関し、より詳細には、工程効率がより向上したエチレン分離工程に関する。
エチレンは、広範な化学材料を製造する基礎原料であり、蒸気が存在する分解炉(cracking furnace)の中で炭化水素の熱分解によって産業的に製造される。様々な成分を含む分解炉流出物ストリームは、通常、洗浄され、水を除去するために乾燥され、圧縮されてオレフィン回収部を通過することで、エタン、プロピレン、プロパンなどの他の軽質の炭化水素からエチレンが分離される。
分解炉流出物からの混合物の分離順序は、脱メタンカラム(DeC1)、脱エタンカラム(DeC2)、または脱プロパンカラム(DeC3)によって開始することができる。例えば、脱メタンカラム−優先(first)分類工程で、分解炉(cracking furnace)からの流出物が冷却および押出された後、脱メタンカラムに流入されて、メタンと軽質化合物が除去される。脱メタンカラムの底部の流出物が、脱エタンカラムに供給される。
脱エタンカラムは、脱メタンカラムの底部の流出物を、蒸気として脱エタンカラムのオーバヘッドから流出されるC2と軽質化合物、また脱エタンカラムの底部から流出される重質化合物を含む部分に分離する。脱エタンカラムの底部は、重質化合物を分離するために処理される。オーバヘッドC2は、アセチレンコンバータ(AC Converter)に送られて、アセチレンをエタンとエチレンに転換することができ、または他の方法として、アセチレン回収装置に送られて、エタンとエチレンからアセチレンを分離することができる。前記反応器または回収装置の流出物が、C2分離器(C2 splitterまたはC2 fractionater)に供給されて、エチレンとエタンに分離され得る。
C2分離器でエチレン生産量を増加させるための様々な努力があったが、既存設備の限界によってボトルネックにかかっていることが多く、既存設備を取り替えるためには多額の費用がかかるという問題がある。例えば、アセチレンコンバータが脱メタンカラムの前段に位置する工程では、脱エタンカラムの上部に第2の脱エタン装置を備えることで、より高純度のエチレンを含む流出物をエチレン分離器に供給するAdvanced DeC2工程が使用されているが、この工程は、アセチレンコンバータが脱エタンカラムの後段に存在する工程には、エチレン製品からアセチレンを分離することができないため、活用が困難であるという問題がある。
本発明が解決しようとする技術的課題は、アセチレンコンバータが脱エタンカラムの後段に位置する工程で既存の設備を取り替えることなく、経済的にエチレンの生産量を増やすことができるエチレン分離工程を提供することにある。
本発明は、前記技術的課題を解決するために、
アセチレン、エタン、およびエチレンを含むC2ストリームと、プロピレンを含むC3ストリームとを含む供給ストリームからエチレンを分離する方法であって、
C2ストリームとC3ストリームとを含む供給ストリームが、第1の脱エタン(DeC2)カラムに投入され、第1の脱エタンカラムの上部に第1のC2ストリームを、第1の脱エタンカラムの下部にC3ストリームを排出するステップと、
前記第1の脱エタンカラムの上部に排出された第1のC2ストリームの一部を第2の脱エタンカラムに投入し、上部に第2のC2ストリームを排出するステップと、
前記第2の脱エタンカラムの下部ストリームは第1の脱エタンカラムに流入されて、第1の脱エタンカラムのリフラックスとして作用するステップと、
前記第2のC2ストリームを第1のアセチレンコンバータに供給し、第2のC2ストリームに含まれたアセチレンをエチレンに変換し、第1のエチレンストリームを排出するステップと、
前記第1の脱エタンカラムの上部に排出された第1のC2ストリームの残りのストリームを第2のアセチレンコンバータに供給し、第1のC2ストリームに含まれたアセチレンをエチレンに変換し、第2のエチレンストリームを排出するステップと、
前記第1のエチレンストリームと第2のエチレンストリームをエチレン分離カラムに投入し、エチレンを得るステップとを含むエチレン分離方法を提供する。
一実施形態によると、第1のエチレンストリームは、エチレン分離カラムの中間に投入し、第2のエチレンストリームは、エチレン分離カラムの下段に投入してもよい。
一実施形態によると、第1の脱エタンカラムの上段のリフラックス率は、第2の脱エタンカラムが存在しない場合のリフラックス率と同一であってもよい。
一実施形態によると、第1の脱エタンカラムの上部に排出される第1のC2ストリームは、65〜85重量%のエチレン純度を有してもよい。
一実施形態によると、前記第2の脱エタンカラムから排出された第2のC2ストリームのエチレン純度は、96〜99重量%であり、第1のアセチレンコンバータを経た後、第1のエチレンストリームは、97重量%以上のエチレン純度を有してもよい。
一実施形態によると、第2のアセチレンコンバータを経た後、第2のエチレンストリームは、65〜85重量%のエチレン純度を有してもよい。
一実施形態によると、前記第2の脱エタンカラムは、30〜100段の段数を備えてもよい。
一実施形態によると、前記エチレン分離カラムは、150〜200段の段数を備え、前記第1のエチレンストリームは、エチレン分離カラムの塔頂から50〜110段に投入され、第2のエチレンストリームは、第1のエチレンストリームよりも30〜100段低い段に投入されてもよい。
一実施形態によると、エチレン分離カラムの上段のリフラックス率は、第2の脱エタンカラムが存在しない場合に比べて減少してもよい。
本発明は、既存の脱エタンカラムの上段に、第2の脱エタンカラムおよびアセチレン変換器を追加することで、エチレン予備分離工程を経るのと同じ効果が得られ、これより得られた99%以上の高純度を有する第1のエチレンストリームをエチレン分離カラムの中間部に投入することで、単位体積当たりエチレン生産量を増大することができる。本発明は、脱エタンカラムの後段にアセチレンコンバータが位置するすべての設備への適用が可能であることから経済的な方法でエチレン生産量を増大することができる。
アセチレンコンバータが脱エタンカラムの後段に位置する従来の脱エタンおよびエチレン分離工程の概略的な工程フローチャートである。 本発明によるエチレン分離工程の概略的な工程フローチャートである。 従来工程(Base)によるDeC2工程のフローチャートである。 本発明の実施例(Prefraction)によりエチレン分離カラムの前段にAdvanced DeC2工程を追加した工程のフローチャートである。 比較例(Base)および実施例(Prefraction)による工程のLiquid Loadを比較した図である。 本発明の実施例により脱エタンカラムの上段に第2の脱エタンカラム(Advanced DeC2)を備えた工程の工程フローチャートである。 図6による工程でAdvanced DeC2ストリームの流量によるエチレン純度を示した図である。 本発明の実施例により99%のエチレンをエチレン分離カラムに投入する工程のフローチャートである。 図8による工程で99%のエチレンの投入量によるエチレン分離カラムのリフラックスとリフラックスを示す図である。 本発明の実施例による工程で投入段数別のリフラックスとアセチレンコンバータ通過後の予想のエチレン組成を示すグラフである。
本明細書で使用されている「C#炭化水素」または「C#」(ここで、#は、正の整数である)は、#個の炭素原子を有するすべての炭化水素を説明することを意味する。また、用語「C#+炭化水素」または「C#+」は、#以上の炭素原子を有するすべての炭化水素分子を説明することを意味する。例えば、用語「C3+炭化水素」または「C3+」は、3以上の炭素原子を有する炭化水素の混合物を説明することを意味する。したがって、用語「C3+アルカン」は、3以上の炭素原子を有するアルカンに関するものである。したがって、用語「C#マイナス炭化水素」または「C#マイナス」は、#以下の炭素原子を有し、水素を含む炭化水素の混合物を説明することを意味する。例えば、用語「C2−」または「C2マイナス」は、エタン、エチレン、アセチレン、メタンおよび水素の混合物に関するものである。
本発明は、アセチレンコンバータを脱エタンカラム(DeC2)の後段に備え、脱エタンカラムの上段に第2の脱エタンカラム(Advanced DeC2)およびアセチレンコンバータをさらに配置することで、Prefractionator効果によりエチレン生産量を増大することができるエチレン分離工程を提供する。
本発明によるエチレン分離方法は、
アセチレン、エタン、およびエチレンを含むC2ストリームと、プロピレンを含むC3ストリームとを含む供給ストリームからエチレンを分離する方法であって、
C2ストリームとC3ストリームとを含む供給ストリームが、第1の脱エタン(DeC2)カラムに投入され、第1の脱エタンカラムの上部に第1のC2ストリームを、第1の脱エタンカラムの下部にC3ストリームを排出するステップと、
前記第1の脱エタンカラムの上部に排出された第1のC2ストリームの一部を第2の脱エタンカラムに投入し、上部に第2のC2ストリームを排出するステップと、
前記第2の脱エタンカラムの下部ストリームは第1の脱エタンカラムに流入されて、第1の脱エタンカラムのリフラックスとして作用するステップと、
前記第2のC2ストリームを第1のアセチレンコンバータに供給し、第2のC2ストリームに含まれたアセチレンをエチレンに変換し、第1のエチレンストリームを排出するステップと、
前記第1の脱エタンカラムの上部に排出された第1のC2ストリームの残りのストリームを第2のアセチレンコンバータに供給し、第1のC2ストリームに含まれたアセチレンをエチレンに変換し、第2のエチレンストリームを排出するステップと、
前記第1のエチレンストリームと第2のエチレンストリームをエチレン分離カラムに投入し、エチレンを得るステップとを含む。
本発明は、第1の脱エタンカラムの後段にさらに第2の脱エタンカラムを備えることで、高純度のエチレンストリームを形成することができ、高純度のエチレンストリームが、エチレン分離カラムの中間部に投入されることで、エチレンの生産量がより向上することができる。すなわち、さらに備えられた第2の脱エタンカラムによる脱エタン工程が、エチレンストリームの予備分離(Prefraction)ステップとして作用することで、既存のエチレン分離工程に比べ、単位体積当たり生産量が増大され得る。
一実施形態によると、第1のエチレンストリームは、エチレン分離カラムの中間に投入し、第2のエチレンストリームは、エチレン分離カラムの下段に投入してもよい。
一実施形態によると、第1の脱エタンカラムの上段のリフラックス率は、第2の脱エタンカラムが存在しない場合のリフラックス率と同一であってもよい。
一実施形態によると、第1の脱エタンカラムの上部に排出される第1のC2ストリームは、65〜85重量%、好ましくは80〜85重量%のエチレン純度を有してもよい。
一実施形態によると、前記第2の脱エタンカラムから排出された第2のC2ストリームのエチレン純度は、96〜99重量%であり、第1のアセチレンコンバータを経た後、第1のエチレンストリームは、97重量%以上のエチレン純度を有してもよい。すなわち、第1のC2ストリームよりも第2のC2ストリームのエチレン純度がはるかに高い。
一実施形態によると、第2のアセチレンコンバータを経た後、第2のエチレンストリームは、65〜85重量%のエチレン純度を有してもよい。
一実施形態によると、前記第2の脱エタンカラムは、30〜100段、好ましくは30〜80段、より好ましくは30〜60段の段数を備えてもよい。前記段数で供給されたときに、高純度の第1のエチレンストリームによる効率が最も極大化され得る。
一実施形態によると、前記エチレン分離カラムは、150〜200段の段数を備え、前記第1のエチレンストリームは、エチレン分離カラムの塔頂から50〜110段、好ましくは80〜110段、より好ましくは、90〜105段に投入されてもよく、第2のエチレンストリームは、第1のエチレンストリームよりも30〜100段低い段に投入されてもよい。前記段数で供給されたときに、高純度の第1のエチレンストリームによる効率が最も極大化され得る。
一実施形態によると、エチレン分離カラムの上段のリフラックス率は、第2の脱エタンカラムが存在しない場合に比べて減少することができ、これにより、単位体積当たりエチレン生産率が向上することができる。
アセチレンコンバータは、C2ストリームに含まれたアセチレンを水素と接触させてアセチレンをエチレンに転換し、エチレンストリームがアセチレン希薄ストリームまたは最初からアセチレンがないストリームを形成する。
一実施形態によると、前記供給ストリームは、脱プロパンカラム、脱メタンカラム、脱ブタンカラム、脱メタンカラムストリッパから得られた生成物のストリーム、分解炉流出物、触媒反応器流出物またはこれらを組み合わせたものであってもよい。
前記第1の脱エタンカラム、第2の脱エタンカラムおよびエチレン分離カラムには、凝縮器が備えられてもよく、前記凝縮器は、分離されたエチレンストリームを凝縮し集めることができる。
本明細書において使用されたエチレン分離カラムは、「整流器」を含み、これは、複数個のトレイを含む分別蒸留領域を意味するものであり、この領域は、供給ストリームからの蒸気がエタンに存在する比較的希薄な液体と接触し、上部のエチレンストリームは、エタンが希薄となり、供給トレイから集まった液体からエチレンのリボイリングまたはストリッピングを提供しない。前記エチレン分離カラムの下部には、比較的エチレンの純度が低い第2のエチレンストリームが供給され、必要に応じて、熱交換器で加熱または冷却されて供給されてもよい。
また、本発明は、アセチレン、エタン、およびエチレンを含むC2ストリームと、プロピレンを含むC3ストリームとを含む供給ストリームからエチレンを分離するエチレン分離システムを提供する。
本発明によるエチレン分離システムは、
C2ストリームとC3ストリームとを含む供給ストリームが投入され、上部にC2ストリーム、下部にC3ストリームを排出する第1の脱エタン(DeC2)カラムと、
前記第1の脱エタンカラムの上部に備えられ、第1の脱エタンカラムから排出された第1のC2ストリームの一部からエタンをさらに除去する第2の脱エタンカラム(Advanced DeC2)と、
前記第2の脱エタンカラムから排出された第2のC2ストリームに含まれたアセチレンをエチレンに変換し、アセチレンを除去する第1のアセチレンコンバータと、
前記第2の脱エタンカラムに投入される第1のC2ストリーム以外の残りの第1のC2ストリームに含まれたアセチレンをエチレンに変換し、アセチレンを除去する第2のアセチレンコンバータと、
前記第1のエチレンストリームおよび第2のエチレンストリームが投入され、エチレンを分離するエチレン分離カラムとを備える。
一実施形態によると、前記第1のアセチレンコンバータから排出された高純度の第1のエチレンストリームは、前記エチレン分離カラムの中間部に投入されてもよい。
一実施形態によると、前記第2のアセチレンコンバータから排出された低純度の第2のエチレンストリームは、前記エチレン分離カラムの下段部に投入されてもよい。第2のエチレンストリームは、第1のエチレンストリームよりも30〜100段低い段に投入されてもよい。前記段数で供給されたときに、高純度の第1のエチレンストリームによる効率が最も極大化され得る。
以下、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施するように、本発明の実施例について詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な相違する形態に実現されてもよく、ここで説明する実施例に限定されない。
以下の略称および記号が意味することは次のとおりである。
DA401:第1の脱エタンカラム
DA412/1412:エチレン分離カラム
DA403:脱メタンカラム
<比較例1および実施例1>
図3および図4は、それぞれ従来のDeC2工程(比較例)と本発明によるAdvanced DeC2工程(実施例)を示す。各図のストリームに示されている4個の数字は、上から下の順に、温度(℃)、圧力(kg/cm2G)、流量(kg/hr)、気体分率を示し、工程運転の条件は、次のとおりである。
供給物(Feed)の性状:100%気体
第1の脱エタンカラムの段数:81段
第2の脱エタンカラムの段数:50段(実施例のみ)
エチレン分離カラムの段数:215段(DA1412 100段/DA412 115段)
第1のエチレンストリーム純度および供給段数:99重量%、塔頂から100段(実施例のみ)
第2のエチレンストリーム純度および供給段数:
− 比較例82重量%、塔頂から151段
− 実施例80重量%、塔頂から151段
比較例および実施例による工程の生産量、リフラックス、凝縮器およびリボイラ負荷、エチレン分離カラムのLiquid Loadを比較した。
前記表1に示されているように、第2の脱エタンカラムによる予備分離工程を含む場合、Liquid Loadの減少効果が最も目立ち、これは、図5でより詳細に示している。本発明による工程は、塔頂から10段以下から100段までの区間のLiquid Loadが21.5ton/hr減少しており、101段以下でのLiquid Loadも25.2ton/hr減少し、エチレン6ton/hrを追加生産することができるようになった。本発明による工程は、リフラックス率(RR、またはReflux Ratioとも記す。)が3.597から3.114に減少している。
また、本発明による工程は、リフラックス(Refluxが総18.4ton/hr減少、Condenser dutyが総1.9Gcal/hr減少、Reboiler dutyが総2.02Gcal/hr減少して第2の脱エタンカラムによる予備分離工程を含むことで、分離工程に必要なエネルギーが減少したことを確認した。
<実施例2:供給流量によるエチレン純度>
図6に図示されている運転条件で第2の脱エタンカラムを運転したときに、第2の脱エタンカラムの流量によるエチレンの純度を図7に示した。
本工程は、アセチレンコンバータを通過する前のエチレン純度であるため、ストリームにアセチレンが存在している。これにより、エチレンの純度が98.9重量%水準の限界を示し、約17ton/hエチレンを取り出すまで組成の変化が現れていないことが分かる。
<実施例3:高純度のエチレンストリームの投入量によるリフラックスおよびリフラックス率>
本発明により第2の脱エタンカラムによる予備分離工程(Prefractionation)を経る場合、約99重量%のエチレンストリームを得ることができることを先に確認した。そのため、99重量%のエチレンストリームの投入量によるエチレン分離カラムのリフラックスおよびリフラックス率の変化を測定した。
図8に図示されているように、DA402(エチレン分離カラム)の塔頂から40段に99%のエチレンストリームを直接供給しており、エチレンストリームの投入量を変化させながらRefluxおよびRR(Reflux atio)の変化を測定した。その結果は、図9および表2のとおりである。
前記結果によると、高純度のエチレンストリームの投入量が増加するに伴い、Refluxは増加し、RRは減少することが示されている。これは、リフラックスは投入量に比例して増加し、RRはL/Dとしてリフラックス/生成物の量で示すことができるが、リフラックスの増加によって生成物の量も増加し、リフラックスの増加幅に比べて生成物の量の増加幅がより高く示されるため、RRは、エチレンの投入量が増加するにつれて減少する様相を示した。
<実施例4:エチレン分離カラムの投入段数による効果>
第1のアセチレンコンバータを通過した後の第1のエチレンストリームをエチレン分離カラムに投入するステップで投入段数による効果を確認した。図10には、投入段数によるリフラックスを示した。
アセチレンコンバータを通過する前のエチレンストリームの組成は、98.9重量%であり、アセチレンコンバータを通過した第1のエチレンストリームの予想組成は、99.4重量%であり、アセチレンコンバータの反応に応じて99.0〜99.7重量%の間で決定され得る。
図10のグラフを参照すると、エチレンストリームの組成が99.4重量%より高くなり得る可能性とリフラックスの変化様相を考慮すると、投入段数が塔頂から80〜100段で最も高い予備分離効果を示すことができる。80段よりも高い段数に投入する場合、上段で99.96重量%で生産しなければならないエチレン製品の純度に悪い影響を及ぼすことがあり、100段よりも低い段数に投入する場合、塔底からエチレンが漏れる可能性が大きくなるため、両方の場合、いずれも結果としてリフラックスの増加および生産量の減少、エネルギー効率の低下につながり得る。
以上、本発明の内容の特定の部分について詳細に記述したが、当業界において通常の知識を有する者にとって、かかる具体的技術は単に好ましい実施様態であるだけであって、これによって本発明の範囲が制限されるものではないことは明白である。したがって、本発明の実質的な範囲は、添付の請求項とそれらの等価物によって定義されるといえる。

Claims (6)

  1. アセチレン、エタン、およびエチレンを含むC2ストリームと、プロピレンを含むC3ストリームとを含む供給ストリームからエチレンを分離する方法であって、
    C2ストリームとC3ストリームとを含む供給ストリームが、第1の脱エタン(DeC2)カラムに投入され、第1の脱エタンカラムの上部に第1のC2ストリームを、第1の脱エタンカラムの下部にC3ストリームを排出するステップと、
    前記第1の脱エタンカラムの上部に排出された第1のC2ストリームの一部を第2の脱エタンカラムに投入し、上部に第2のC2ストリームを排出するステップと、
    前記第2の脱エタンカラムの下部ストリームは第1の脱エタンカラムに流入され、第1の脱エタンカラムのリフラックスとして作用するステップと、
    前記第2のC2ストリームを第1のアセチレンコンバータに供給し、第2のC2ストリームに含まれたアセチレンをエチレンに変換し、第1のエチレンストリームを排出するステップと、
    前記第1の脱エタンカラムの上部に排出された第1のC2ストリームの残りのストリームを第2のアセチレンコンバータに供給し、第1のC2ストリームに含まれたアセチレンをエチレンに変換し、第2のエチレンストリームを排出するステップと、
    前記第1のエチレンストリームと第2のエチレンストリームをエチレン分離カラムに投入し、エチレンを得るステップとを含
    前記第1のエチレンストリームは、エチレン分離カラムの塔頂から80〜100段目に投入され、第2のエチレンストリームは、第1のエチレンストリームよりも30〜100段低い段に投入される、エチレン分離方法。
  2. 第1の脱エタンカラムの上部に排出される第1のC2ストリームは、65〜85重量%のエチレン純度を有する、請求項1に記載のエチレン分離方法。
  3. 前記第2の脱エタンカラムから排出された第2のC2ストリームのエチレン純度は、96〜99重量%であり、第1のアセチレンコンバータを経た後、第1のエチレンストリームは、97重量%以上のエチレン純度を有する、請求項1または2に記載のエチレン分離方法。
  4. 第2のアセチレンコンバータを経た後、第2のエチレンストリームは、65〜85重量%のエチレン純度を有する、請求項1〜3のいずれかに記載のエチレン分離方法。
  5. 前記第2の脱エタンカラムは、30〜100段の段数を備える、請求項1〜4のいずれかに記載のエチレン分離方法。
  6. 前記エチレン分離カラムは、150〜200段の段数を備える、請求項1〜6のいずれかに記載のエチレン分離方法。
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