KR100335288B1 - 에틸벤젠 투입방법의 개선에 따른 조 스티렌 모노머 제조 공정 - Google Patents
에틸벤젠 투입방법의 개선에 따른 조 스티렌 모노머 제조 공정 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 에틸벤젠을 촉매 존재하에서 탈수소화하여 조 스티렌 모노머를 제조하는 반응공정에 있어서, 에틸벤젠의 투입시 종래의 일정분 스팀 대신 공정 응축수 및 스팀을 혼합 투입함으로서, 에틸벤젠 투입방법의 개선에 따른 에너지 절감형 조 스티렌 모노머 제조 공정에 관한 것이다.
Description
본 발명은 에틸벤젠을 촉매 존재하에서 탈수소화하여 조 스티렌 모노머를 제조하는 반응공정에 있어서, 에틸벤젠의 투입시 종래의 일정분 스팀 대신 공정 응축수 및 스팀을 혼합 투입함으로서, 에틸벤젠 투입방법의 개선에 따른 에너지 절감형 조 스티렌 모노머 제조 공정에 관한 것이다.
일반적으로 스티렌은 폴리스티렌, ABS수지 등의 여러 가지 수지와 합성고무와 같은 탄성 중합체 제조용 원료로서 널리 사용되고 있다.
조 스티렌 모노머는 에틸렌과 벤젠을 촉매 존재하에서 알킬화 반응으로 제조된 에틸벤젠을 원료로 이용하여, 고온 진공상태에서 촉매가 충진된 반응기 내에서 탈수소화 반응시켜 제조된다.
이중 탈수소화 공정에 대하여 살펴보면, 벤젠을 에틸렌으로 알킬화하여 제조된 에틸벤젠을 스팀과 함께 혼합한 혼합물을 반응기에 주입하고, 반응기는 통상적으로 사용되는 단열반응기 또는 등온반응기를 복수개, 바람직하게는 2개 또는 3개를 직렬 또는 병렬로 연속적으로 연결하여 사용한다.
에틸벤젠 주입시 스팀을 혼합하여 주입하는 것은 에틸벤젠의 탈수소화 반응이 흡열반응이므로 반응을 위한 열원으로 공급되고, 또한 스팀은 반응기내의 탈수소화 촉매를 산화시키는 산화제로 작용하여 반응중에 생성된 탄소와 반응하여 촉매 표면의 코우킹(coking)을 방지하며 에틸벤젠의 분압을 낮추어 스티렌으로의 평형이동을 유도하는 역할을 한다.
이때 스팀과 에틸벤젠의 투입 비율은 몰비로 약 7:1 내지 약 13:1이 적합하고, 이러한 비율의 혼합물을 제1반응기 입구에서 약 500∼700℃의 온도로 가열하여 반응기로 주입한다. 이때 액체 에틸벤젠의 주입속도는 0.2 ∼0.4㎥/hr이 바람직하며, 반응온도는 500∼700℃, 바람직하게는 550∼650℃이고, 압력은 0.4∼1.5 ㎏/㎠으로 유지된다.
이때 과열 증기와 촉매의 선택이 중요하며 반응기에서 탈수소화 반응시켜 조 스티렌 모노머를 제조한다. 또한 조 스티렌 모노머 제조시 과열증기와 에틸벤젠의 투입방법 역시 중요하며 종래에는 에틸벤젠과 스팀(LPS)를 사용하여 조 스티렌 모노머를 제조하였다.
이때 반응원료인 에틸벤젠과 스팀을 투입하는 방법에 따라 여러 가지 방법으로 나눌 수 있다.
배저(Badger)사의 공정은 공정 응축수와 에틸벤젠 혼합물을 투입 콤프레셔로형성한 진공상태에서 수증기화시킨 후 투입하는 에너지 절감형 5세대 운전 모드와 직접 낮은 압력 스팀과 에틸벤젠을 혼합시켜 투입하는 4세대 운전 모드로 크게 나눌 수 있다.
4세대 운전 모드의 경우 낮은 압력 스팀과 에틸벤젠의 혼합물은 열교환기(1)의 쉘 측면에서 투입되어 반응 유출물의 열에 의해 과열 기화 되는데 이때 투입되는 혼합물의 상평형을 이용한 개선이 요구되어 왔다.
따라서 본 발명은 열교환기(1) 투입 혼합물의 상평형 해석 및 열교환기(1)의 래이팅을 통하여 일정분 스팀을 응축수로 대체시 운전 타당성 여부를 검토하였으며, 이에 따라 스팀 사용량을 줄여 경제적으로 스티렌 모노머를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 또한 기존 공정들에 비해 에틸벤젠 탈수소화 공정의 제조장치 설치비용을 최소화하는 가운데, 에너지 효율이 높은 스티렌 모노머 제조방법을 개발한 것이다.
도 1은 종래 방법에 의한 에틸벤젠 및 스팀 투입에 따른 조 스티렌 모노머 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명에 의한 개선된 에틸벤젠, 스팀 및 응축수 투입에 따른 조 스티렌 모노머 제조 공정도이다.
※ 도면부호 설명
1∼3 : 열교환기, 4 : 정적믹서, 10∼20 : 반응기
따라서 본 발명은 에틸벤젠과 스팀을 투입하여 촉매 존재하에서 탈수소반응시켜 조 스티렌 모노머를 제조하는 공정에 있어서, 에틸벤젠과 스팀 투입과 동시에 응축수를 함께 투입하여 혼합 후, 액상 에틸벤젠은 스팀과 혼합되어 에틸벤젠은 수증기화되고 한편 일부 에틸벤젠은 응축수, 스팀과 함께 응축되어 액상의 프랙션을 지닌 증기(vapor) 및 액상(liquid) 프랙션의 2상(two phace)상태로 열교환기(1) 쉘에 투입되어 100% 증기화 후 수퍼히팅(super heating)하여 에틸벤젠 탈수소화 반응기(10,20)로 투입시킴을 특징으로 하는 에틸벤젠 투입방법 개선에 따른 에너지 절감형 조 스티렌 모노머 제조 공정에 관한 것이다.
또한 이때 응축수의 투입시 필터를 이용하여 응축수의 이물질을 제거시킬수 있고, 응축수와 에틸벤젠의 혼합물을 정적믹서(4)로 혼합시킴을 특징으로 한다.
한편 응축수의 투입은 에틸벤젠 및 스팀의 투입 후, 열교환기(1)의 투입 전에도 가능함을 특징으로 한다.
이때 공급되는 스팀의 압력은 약 1.5∼2.5 ㎏/㎠이며 노즐을 통해 투입된다. 또한 열교환기(1)에서는 투입되는 에틸벤젠, 스팀 및 응축수의 2상 혼합물과 반응기(10,20)에서 탈수소화 반응되어 제조된 증기상태의 조 스티렌 모노머와의 열교환을 통해 투입되는 에틸벤젠, 스팀 및 응축수의 2상 혼합물은 가열되고, 증기상태의 조 스티렌 모노머는 냉각된다.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 의거 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 방법에 의한 에틸벤젠 투입에 따른 조 스티렌 모노머 제조 공정도이다. 에틸벤젠과 낮은 압력 스팀이 투입된 후 열교환기(1)를 거쳐 반응기 (10,20)로 이송된다.
도 2는 본 발명에 의한 에틸벤젠, 스팀 및 응축수 투입에 따른 조 스티렌 모노머 제조 공정도로서, 본 발명의 장치에 있어서는 열교환기(1)에 있어서 에틸벤젠, 스팀 및 응축수가 투입되고 이때 에틸벤젠과 응축수의 혼합물은 강한 액상 논아이디얼리티(nonideality)를 나타내며 비점이 낮아지는 특성으로 쉘 압력 1.52KGa 하에서 103 ℃의 공비점을 형성하며, 아스펜(Aspen)을 이용한 상평형 분석 및 운전 데이터 확인 결과 에틸벤젠 또는 스팀의 온도변화시에도 혼합상태의 투입은 일정온도로 유지되고 다만 증기 프랙션만이 변화하는 특성을 확인하였다.
이때 투입되는 혼합물의 증기 프랙션은 열교환기(1)의 작동에 중요한 인자로 작용하며 증기 프랙션이 커질수록 열교환기(1)의 부하감소가 일어난다. 운전 데이터를 통해 투입조건에 따라 증기 프랙션의 변동이 관찰되었으며 특히 뜨거운 에틸벤젠 서비스 후 투입된 증기 프랙션의 증가가 두드러진 것으로 나타났다.
투입온도 상승시 증기 프랙션이 증가되는 특성을 이용하면 일정량의 스팀을응축수로 대체하여도 열교환기(1)의 운전에 아무런 문제가 없었다. 현행 운전 조건에서도 투입조건의 변화없이 1.5ton/hour의 응축수 대체가 가능하였고 뜨거운 에틸벤젠 추가 공급시 순환 에틸벤젠 온도상승등의 방법으로 총 에틸벤젠의 온도를 100℃까지 상승시킬 경우 3ton/hour의 응축수 대체가 가능하다.
투입되는 응축수의 대체량을 증가시킴에 따라 총 투입물중 액상의 양이 증가하고 배출물의 온도가 낮아져 응축수 13ton/hour를 투입할 경우 배출시 2상이 형성되는 것을 알수 있었다. 표 1은 투입되는 응축수의 양의 변화에 따른 투입물중 에틸벤젠과 물의 양의 변화와 배출되는 온도의 변화를 나타낸 것이다.
| 에틸벤젠 온도(℃) | 총 투입물(KG/hour) | 총 투입 중의 액상량(KG/hour) | 배출 온도(℃) | ||||
| 에틸벤젠 | 스팀 | 응축수 | 에틸벤젠 | 물 | |||
| case1 | 100 | 73,600 | 20,100 | 3,000 | 47,822 | 6,132 | 212 |
| case2 | 100 | 73,600 | 18,100 | 5,000 | 50,150 | 7,967 | 197 |
| case3 | 100 | 73,600 | 16,100 | 7,000 | 52,678 | 9,790 | 175 |
| case4 | 100 | 73,600 | 14,100 | 9,000 | 55,119 | 11,604 | 153 |
| case5 | 100 | 73,600 | 10,100 | 13,000 | 60,437 | 15,182 | 113(2상) |
본 발명의 효과는 열교환기(1) 투입물의 상평형 해석 및 열교환기(1)의 래이팅을 통하여 일정분 스팀을 응축수로 대체시 운전 가능성을 확립하였으며, 이에 따라 공정응축수를 활용한 에너지 절감형 공정으로의 개선을 가능케 하였다.
Claims (4)
- 에틸벤젠과 스팀을 투입하여 촉매 존재하에서 탈수소반응시켜 조 스티렌 모노머를 제조하는 공정에 있어서, 에틸벤젠과 스팀 투입과 동시에 응축수를 함께 투입하여 혼합 후, 액상 에틸벤젠은 스팀과 혼합되어 에틸벤젠은 수증기화되고 한편 일부 에틸벤젠은 응축수, 스팀과 함께 응축되어 액상의 프랙션을 지닌 증기(vapor) 및 액상(liquid) 프랙션의 2상(two phace)상태로 열교환기(1) 쉘에 투입되어 100% 증기화 후 수퍼히팅(super heating)하여 에틸벤젠 탈수소화 반응기(10,20)로 투입시킴을 특징으로 하는 에틸벤젠 투입방법 개선에 따른 에너지 절감형 조 스티렌 모노머 제조 공정
- 제 1항에 있어서, 응축수의 투입시 필터를 이용하여 응축수의 이물질을 제거하고, 응축수와 에틸벤젠의 혼합물을 정적믹서(4)로 혼합시킴을 특징으로 하는 에틸벤젠 투입방법 개선에 따른 에너지 절감형 조 스티렌 모노머 제조 공정
- 제 1항에 있어서, 응축수의 투입은 에틸벤젠 및 스팀의 투입 후에 투입하여 상기 2상 혼합물을 열교환기(1)로 투입시킴을 특징으로 하는 에틸벤젠 투입방법 개선에 따른 에너지 절감형 조 스티렌 모노머 제조 공정
- 제 1항에 있어서, 공급되는 스팀의 압력은 약 1.5∼2.5 ㎏/㎠이며 노즐을 통해 투입되고, 열교환기(1)에서는 투입되는 에틸벤젠, 스팀 및 응축수의 2상 혼합물과 반응기(10,20)에서 탈수소화 반응되어 제조된 증기상태의 조 스티렌 모노머와의 열교환을 통해 투입되는 에틸벤젠, 스팀 및 응축수의 2상 혼합물은 가열되고, 증기상태의 조 스티렌 모노머는 냉각됨을 특징으로 하는 에틸벤젠 투입방법 개선에 따른 에너지 절감형 조 스티렌 모노머 제조 공정
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