KR100630501B1 - 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속분별증류 장치 - Google Patents

열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속분별증류 장치 Download PDF

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KR100630501B1
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김영한
정옥진
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동아대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 전처리탑, 주탑과 상기 주탑의 상부에 응축기, 주탑의 하부에 재비기가 설치되어 있는 연속 분별증류 장치에 있어서,
상기 주탑은 상·하부로 각각 분리된 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)으로 이루어지고, 상기 전처리탑(1)과 상부 주탑(2a) 및 하부 주탑(2b)은 각각 양방향으로 물질이동이 일어나고, 상기 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)도 양방향으로 물질이동이 일어나는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치에 관한 것이다.
본 발명은 열복합 증류탑에서 분리된 주 탑을 이용하여 운전성을 개선한 증류 장치에 관한 것으로, 기존의 열복합 증류탑의 주탑을 분리하여 운전성을 개선한 증류 장치에 관한 것으로, 이러한 개량형 열복합 증류탑은 석유 정유공정, 벤젠 톨루엔 크실렌 분리공정에서 탑들 사이의 증기와 액체의 유동을 용이하게 하여 보다 쉬운 제품조성 제어를 가능하게 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 분리된 주 탑을 이용한 개량형 열복합 증류방식은 탑 효율이 높으며, 전처리 탑을 포함한 세 개의 영역들은 각기 다른 압력에서 운전됨으로 이들 영역들 사이의 보다 쉬운 증기와 액체 유동의 분리 제어는 기존의 열복합 증류탑 보다 제품조성 제어가 용이해 진다.
열복합 증류, 분별 증류, 운전성, 주탑, 분리, 물질이동

Description

열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치{Fractionation Equipment Using Separated Main Column in Thermally Coupled Distillation System}
도 1은 종래의 열복합 증류탑을 사용한 증류장치의 개략도이고,
도 2는 선출원한 주탑이 2기로 분리된 증류탑을 사용한 증류장치의 개략도이고,
도 3은 또 다른 선출원한 주탑이 2기로 분리된 증류탑을 사용한 증류장치의 개략도이고,
도 4는 본 발명의 증류 방법에 따른 운전성 개선형 연속 분별증류 장치를 나타낸 개략도이고,
도 5는 본 발명의 증류 방법에 따른 증류장치의 수치모사에 사용된 계통도이고,
도 6은 본 발명의 증류 방법에 따른 증류장치의 동적 수치모사에 사용된 계통도이고,
도 7은 본 발명의 증류 방법에 따른 개량 열복합 증류장치의 BTX분리에 대한 환류 유량, 증기비등 유량, 측류 유량의 단계적 변화에 따른 탑정 제품, 측류 제 품, 탑저 제품의 조성변화의 수치모사의 결과 그래프이고,
도 7은 종래의 증류 방법에 따른 열복합 증류장치의 BTX분리에 대한 환류 유량, 증기비등 유량, 측류 유량의 단계적 변화에 따른 탑정 제품, 측류 제품, 탑저 제품의 조성변화의 수치모사의 결과 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 전처리탑 2a : 상부 주탑
2b : 하부 주탑 F : 원료
B : 탑저(고비점) 제품 D : 탑정(저비점) 제품
S : 측류(중간비점)제품 L2,L3, LD : 환류 유량
V2, V3, VD : 증기 유량 NF : 원료 주입단
NR : 상부 주탑 연결단 NS : 하부 주탑 연결단
NT, NT2, NT3 : 증기 비등단
본 발명은 종래의 열복합 증류탑에 상부 주탑 및 하부 주탑으로 분리된 주탑을 이용한 운전성 개선형 열복합 분별증류 장치의 설계에 관한 것으로, 보다 자세 하게는 석유정제 및 석유화학 공정에서 얻어진 혼합물로부터 각각의 성분들을 분리하기 위해 사용하는 증류조작용 장치의 운전성을 개선한 것을 특징으로 하는 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치에 관한 것이다.
종래에는 3가지 성분 혼합액의 분류시 일반적으로 2개의 증류탑만을 사용하는데, 도 1을 중심으로 구체적으로 살펴보면 전처리탑(10)과 주탑(20)이 각각 1 기씩으로만 구성되어 있고, 상기 주탑(20)은 그 상단부로 전처리탑(10)의 상부를 통하여 유출되는 저비점 성분(D')이 유입되고, 그 하단부로 전처리탑(10)의 하부를 통하여 유출되는 고비점 성분(B')이 유입되기 때문에 즉, 1기의 전처리탑(10)과 1기의 주탑(20)만을 사용하여 3 성분을 분류하기 때문에 이러한 열복합형 증류탑은 전처리탑(10)과 주탑(20) 사이의 물질이동이 양방향으로 일어나서 전처리탑과 주탑이 서로 복합적으로 운전되므로 3가지 성분을 동시에 조절하는 조작상의 어려움으로 인하여 광범위한 적용에 제한을 받을 뿐만 아니라 증류 조작에 따른 많은 에너지가 소비되는 문제점들이 있었다.
그리고 상기와 같이 종래의 통상적인 열복합 증류탑은 공업적인 응용에 있어서 탑 내의 압력의 설정이 어렵다는 단점이 있다. 즉 통상적인 2탑 시스템에서 각 탑 내의 압력들은 분리해서 결정할 수 있지만, 열복합 증류탑은 전처리탑과 주탑 사이의 양방향 연결 때문에 탑 내 압력의 독립된 조작은 허용되지 않는다. 이 때문에 통상적인 2탑 시스템의 경우보다 더 어려운 상황을 야기하기도 한다. 가스농축 공정의 경우에서 2개의 탑들 사이의 압력차는 대략 1600 kPa 정도로 아주 크고, 열복합 증류탑의 전처리탑 압력이 통상적인 2탑 시스템의 첫 번째 탑의 압력으로 설정될 때, 열복합 증류탑의 응축기는 영하의 냉매를 필요로 하며, 반대로 통상적인 2탑 시스템의 두 번째 탑 압력이 열복합 증류탑의 주탑에 적용되면 주탑의 직경이 과도하게 커지게 된다. 열복합 증류탑에서 전처리탑과 주탑을 연결함에 있어 탑 내의 증기 흐름 조작은 간단한 것이 아니며, 이런 문제들은 해소하기 위해 분리벽 탑이 현장 응용에 활용되었다. 열복합 증류탑의 전처리탑과 주탑의 영역을 적절히 배열하면 증기 흐름을 쉽게 하는 압력 분포를 형성할 수 도 있으나 증기의 흐름을 원활하게 하는 압력분포를 만들기는 어렵다.
더욱이, 열복합 증류탑은 많은 유용한 가능성에도 운용 및 조작상의 어려움으로 인하여 광범위한 응용에 제한이 되어 왔으며, 열복합 증류탑에서 세 가지 제품의 조성 제어는 시스템의 폭 넓은 활용에 대한 주된 장애가 되었다.
본 발명자는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 도 2에 도시된 바와 같은 1기의 전처리탑과 2기의 주탑으로 구성된 분별 증류장치를 사용하여 n-부탄올, i-부탄올과 s-부탄올의 3 성분이 섞인 부탄올 혼합물을 분별 증류하는 장치 및 방법에 대해 이미 제10-2004-0014677호로 선출원한 바 있으나, 이러한 열복합형 증류탑은 전처리탑(110)과 상·하 주탑(121, 122) 사이의 물질이동이 양방향으로 일어나고, 그리고 상부 주탑(121)과 하부 주탑(122) 사이에도 열교환기(150)를 거쳐 물질을 제한적으로 이동시킴에 증류장치의 운전이 복잡할 뿐만 아니라 필 요 이상의 에너지가 소비되는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명자는 상기와 같은 선출원 특허의 문제점을 해결하기 위한 방안으로 도 3에 도시된 바와 같이 3성분들의 혼합물을 분별 증류시에는 주탑을 2개의 상부 주탑(121)과 하부 주탑(122)으로 분리하고 전처리탑(110)과 상·하부 주탑(121, 122) 사이의 물질이동을 전처리탑(110)으로부터 상·하부 주탑(121, 122)으로 일방적으로 이동하게 하여 역방향으로의 물질이동을 차단시킴으로써, 즉, 증류탑 내의 액의 조성분포가 평형증류 조성곡선과 유사하면 탑 내에서 구성 성분 간의 혼합이 최소가 되어 탑효율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 분별 증류장치 및 방법에 대하여 제10-2004-0021859호로 선출원한 바 있으나 상부 주탑(121)의 탑저와 하부 주탑(122)의 탑정에서 각각 유출되는 성분들을 상·하부 주탑(121, 122)으로 서로 교환시키지 아니하고, 전처리탑(110)과 상·하부 주탑(121, 122) 사이의 물질이동을 전처리탑(110)으로부터 상·하부 주탑(121, 122)으로 일방적으로 이동시켜야만 하기 때문에 3 성분을 분리시키기 위한 증류장치의 운전이 대단히 까다롭다는 문제점이 있었다. (상기 도 1 내지 3의 미설명 부호 30, 130, 131, 132는 응축기기고, 40, 140, 141, 142는 재비기이다.)
이에 본 발명자 등은 상기와 같이 연속 분별 증류 방식에서 탑 내의 압력차를 쉽게 설정하고 쉬운 증기 흐름과 증류탑의 운전성을 개선할 수 있는 새로운 구조의 열복합 증류탑을 도입함으로서, 종래의 열복합 증류탑이 가지는 현장 적용 및 운전상의 어려움을 해결하려고 하였으며, 본 발명자 등은 바로 이점을 인식하여 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위한 방안으로, 전처리탑과 상·하부 주탑의 각 섹션별 압력을 적절히 조절하여 증기흐름을 원활하게 함으로써 연속 분별 증류 방식에 의한 분별 증류에 있어 운전성이 높은 것을 특징으로 하는 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 전처리탑과 상·하부 주탑 그리고 상·하부 주탑간에 물질이동을 시킬 수 있기 때문에 3성분 이상의 물질을 분리하는 분별 증류공정에서 이를 활용하여 분리된 주탑의 운전이 2성분 증류와 유사하게 유지하여 증류탑의 운전성을 개선할 수 있는 새로운 구조의 열복합 증류탑을 제공하기 위한 것이다.
그리고 본 발명은 종래의 열복합 증류탑의 구조를 개선하여 탑 내의 압력 조절을 통한 탑들 사이의 증기 흐름을 원활히 할 수 있게 함으로 증류장치의 설비비를 줄일 수 있는 것을 특징으로 하는 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 분리된 주탑을 이용하여 전처리탑과 상·하부 주탑사이에 물질이동이 양방향으로 일어나고, 그리고 상·하부 주탑 간에도 물질이동을 시킬 수 있는 운전성 개량형 열복합 증류탑을 사용하여 달성되는데, 이러한 증류탑은 석유정제 및 석유화학 공정의 분별 증류 공정에 활용하여 종래의 열복합 증류탑에 비해 운전성이 뛰어난 분별 증류를 가능하게 하는 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치에 관한 것이다.
상기와 같이 본 발명에 따른, 분리형 주탑을 이용한 열복합 증류방식은 탑 효율이 높으며, 각각의 탑 내 압력을 조절하여 전처리탑과 분리된 주탑들 사이의 증기 흐름을 원활하게 함으로서 기체 수송용 압축기와 같은 설비를 줄일 수 있어 설비비를 줄일 수 있다.
이하 본 발명의 구성에 대해 첨부된 도면을 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 증류 방법에 따른 운전성 개선형 연속 분별증류 장치를 나타낸 개략도에 관한 것으로 본 발명의 구성은 전처리탑, 주탑과 상기 주탑의 상부에 응축기, 주탑의 하부에 재비기가 설치되어 있는 연속 분별증류 장치에 있어서,
상기 주탑은 상·하부로 각각 분리된 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)으로 이 루어지고, 상기 전처리탑(1)과 상부 주탑(2a) 및 하부 주탑(2b)은 각각 양방향으로 물질이동이 일어나고, 상기 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)도 양방향으로 물질이동이 일어나는 구조로 이루어진다.
본 발명은 주탑을 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)으로 분리시킴으로서 각 성분들이 혼합된 원료(F)로부터 일차적으로 저비점 성분(D')과 고비점 성분(B')으로 분리하기가 쉬우며, 상기와 같이 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)에서 다시 저비점 성분(D')과 고비점 성분(B')으로 분별 증류시킴과 동시에 이들 성분을 전처리탑(1)으로 재환류시키기 때문에 증류 조작의 운전 조건이 까다롭지도 않을 뿐만 아니라 분리되는 각 성분들의 순도도 높일 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 상기 전처리탑(1)과 상기 상·하부 주탑(2a, 2b)사이에는 저비점 성분(D')과 고비점 성분(B')의 물질이동이 각각 양방향으로 일어난다. 이러한 물질이동은 상기 전처리탑(1)에서 원료 주입단(NF)으로 유입된 원료(F)를 저비점 성분(D')과 고비점 성분(B')으로 분리시킨 후 저비점 성분(D')을 상부 주탑 연결단(NR), 고비점 성분(B')을 하부 주탑 연결단(NS)으로 각각 이송시키고, 상부 주탑(2a)에서 유입된 저비점 성분(D')중 응축된 액상 유량(L2)을 전처리탑(1)의 증기 비등단(NT2)으로 재순환시키고, 하부 주탑(2b)에서 유입된 고비점 성분(B')중 기화된 증기 유량(V2)을 전처리탑(1)의 탑저로 재순환시키면서 양방향으로 물질이동이 일어 나게 된다.
그리고 상기 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)사이에도 물질이동이 일어난다. 이러한 물질이동은 상부 주탑(2a)에서 그 하부로 유출되는 중간비점 제품(S)중 응축된 액상 유량(L3)을 하부 주탑(2b)의 증기 비등단(NT)으로 유입시키고, 하부 주탑(2b)에서 그 탑정으로 기화하는 증기 유량(V3)을 상부 주탑(2a)의 탑저로 유입시키게 된다.
이와 같이 본 발명은 전처리탑(1)과 상·하부 주탑(2a, 2b)사이에는 저비점 성분(D')과 고비점 성분(B')의 물질이동이 양방향으로 일어남과 동시에 상·하부 주탑(2a, 2b)사이에도 저비점 성분(D')과 고비점 성분(B')의 물질이동이 양방향으로 일어나기 때문에 분리되는 각 성분들의 순도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 각 성분들을 분리하기 위한 운전을 손쉽게 조작할 수 있다.
본 발명의 상기 연속 분별증류 장치는 상부 주탑(2a)으로부터 탑정(저비점) 제품(D) 및 측류(중간비점) 제품(S), 하부 주탑(2b)으로부터 탑저(고비점) 제품(B)이 각각 생산되어진다.
본 발명의 연속 분별증류 장치는 상부 주탑(2a)에는 응축기(130), 하부 주탑 (2b)에는 재비기(140)가 설치되어지고, 상부 주탑(2a)의 탑정에서 생산되어지는 저비점 제품(D)은 상부 주탑(2a)에 설치된 응축기(130)에서 일부는 응축되어 액상 유량(LD)으로 다시 상부 주탑(2a)의 증기 비등단(NT3)으로 재순환되어지고, 하부 주탑(2b)에 설치된 재비기(140)에서 일부는 기화하여 기화된 증기 유량(VB)으로 하부 주탑(2b)의 하부로 재순환되어진다.
본 발명의 운전성 개량형 열복합 증류탑의 설계과정을 자세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 증류 장치는 열복합 증류탑의 개량형이기 때문에 증류탑 설계는 열복합 증류탑의 설계로부터 시작하여야 하며, 증류탑의 구조 설계는 최소단 설계를 기본으로 하고 있다. 증류탑의 가장 높은 열역학적 효율은 최소단 설계를 요구하는 전환류 조작으로부터 얻어진다.
공급단 조성으로 시작하는 전처리탑에 대한 단 액 조성과 주탑에 대한 측류(중간비점) 제품 조성의 평형단 계산은 전처리 탑과 주 탑의 단 수를 구할 수 있게 한다. 공급단과 측류(중간비점) 제품단의 위치 또한 평형단 계산 결과로부터 단 수를 알 수 있다. 전처리탑과 주탑 사이의 연결단은 두 연결단의 단 조성의 차가 최소가 되는 단으로 결정되어진다. 이것은 이상적인 최소단 탑의 구조 정보이기 때문에 실제 증류탑에 대한 단의 수는 최소 2배를 곱한다. 그리고 단수 계산에 있어 공급단, 측류(중간비점) 제품단, 연결단 위치들의 비율은 탑의 높은 열역학적 효율로 유지된다. 여기서 증류탑의 구조적인 정보들이 결정이 되면, 주어진 제품 조성에 대한 액과 증기 유량과 같은 조작변수들은 수치모사로부터 찾아낸다.
본 발명의 운전성 개량형 열복합 증류탑의 설계과정을 자세히 설명하면, 증류탑의 효율이 최대가 되는 전환류 조작에서는 단의 증기 조성은 바로 윗 단의 액체의 조성과 동일하다. 그러므로 전처리탑에서의 공급단 위의 단들의 액체의 조성은 공급단의 조성으로부터 시작하는 평형단 계산법의 평형 관계로부터 구해진다. 원료가 포화상태로 공급이 되고, 공급 조성과 단의 조성이 같을 때 공급단 바로 위의 단의 액체의 조성은 공급단의 증기의 조성과 같다. 공급단 위쪽 단들에서의 액 조성은 다음 식(1)에 의해 계산된다.
Figure 112005018585714-pat00001
(1)
여기서 K 는 평형상수이다. 이 계산은 연속적으로 전처리탑의 최상단까지 수행된다. 최상단의 조성은 아래에 설명하는 주탑의 조성 분포와의 비교를 통해서 결정된다. 공급단 이하의 단들에 대해서도 유사한 방법으로 식 (1)의 조금 변형된 식에 의해서 계산된다. 공급단 아래쪽 단들에서의 액 조성은 다음의 식(2)를 사용하여 평형단 계산에 의해 구해진다.
Figure 112005018585714-pat00002
(2)
식 (1)에 의한 계산은 공급단 위쪽으로의 평형단 계산이지만, 식 (2)의 계산은 평형상수가 함축적인 정보를 가지고 있기 때문에 차이점이 있다. 이 경우에서는 공급 조성이 공급단의 바로 아랫단의 증기 조성과 같고, 단의 액체의 조성이 평형관계를 이용하여 증기의 조성으로부터 얻어진다. 또 다시 계산은 연속적으로 최하단까지 아래로 진행된다.
주탑의 설계에 있어서의 계산은 측류(중간비점) 제품의 조성으로부터 시작하며, 전체적인 공정은 전처리탑의 설계에서 사용되었던 것과 같은 방법으로 반복된다. 주탑의 최상단과 최하단에서의 조성은 탑정(저비점) 제품과 탑저(고비점) 제품의 조성과 일치해야만 한다. 상기와 같은 증류탑 설계 절차에 의해 구해진 단수들은 전처리탑과 주탑의 단의 최저수가 된다. 주탑과 전처리탑의 연결단에서의 조성 차는 비가역 혼합을 야기하고, 이것은 열복합 증류탑의 열역학적 효율을 낮춘다. 그러므로 연결단의 조성은 일치해야만 한다. 주탑에서의 연결단들은 전처리탑과 주탑의 단 액 조성의 최소차를 주는 시험에 의해 결정되어진다.
증류탑의 최소단의 구조를 유지하는 것은 증류탑의 높은 열역학적 효율을 가능하게 하고, 이것은 전환류 조작의 조성분포를 따르며, 가장 높은 효율을 가진다. 따라서 증류탑의 최소단 구조로부터 실질적인 증류탑 구조로 적절하게 단 수를 늘리는 것에 의해 증류탑의 높은 열역학적 효율의 구조는 유효해진다. 최소단 구조로부터 실질적인 증류탑 시스템으로의 확장에 대한 2의 인자는 공업적인 응용에 있어서 보통이다. 실질적인 주탑과 전처리탑의 단의 총수는 이러한 인자로서 구해지며, 공급단, 측류 제품단과 연결단들의 위치도 증류탑의 상부로부터 쉽게 수를 세면된다.
도 4에 나타낸 본 발명의 분리된 상·하부 주탑(2a, 2b)의 운전성 개선형 열복합 증류탑은 주탑이 측류 제품(S)단의 위치에서 2개의 부분으로 분리되어 있다. 상부 주탑(2a)의 최하단에 제품단을 설치하는 것에 의해 측류 제품(S)의 조성 제어는 종래의 열복합 증류탑의 중간부에 측류 제품단을 설치하는 것보다는 쉬워진다. 본 발명의 운전성 개선형 열복합 증류탑 시스템의 구조적인 정보의 부재는 종래의 열복합 증류탑의 구조적인 설계로부터 쉽게 찾을 수 있다. 주어진 조성의 각 제품을 얻기 위해서는 상기한 증류탑 설계 절차에 의해 구한 구조의 증류 시스템에 대한 증류탑 운전 조건의 적절한 조합을 필요로 한다. 이러한 증류탑 운전 조건은 상기의 설계 절차에 따라 계산된 제품 조성이 실제의 제품 조성과 일치할 때까지 시도되는 수치모사에 의해 구해진다.
탑들 사이에서 보다 원활한 증기 유동을 위해 하부 주 탑의 압력은 가장 높게 설정이 되었고, 전처리탑의 압력이 그 다음, 상부 주탑의 압력이 가장 낮게 설 정하였다. 그 대신에 증기 유동에 대해 반대인 액체 유동은 탑들 사이의 압력차를 극복하기 위해 이송용 펌프를 요구하게 되며, 각각의 탑들에 대한 압력의 이런 배열은 증기 유동에 대한 압축기를 제거하기 때문에 본 발명의 증류 장치의 설비비를 절감할 수 있게 한다. 증류탑 운전의 변수들은 예정된 제품 조성이 구해질 때까지 수치모사를 하는 동안 조절되어 진다. 수치모사 결과는 구조적인 정보와 같이 [표 1]에 정리되어 있다.
[표 1]분별 공정에서의 구조설계 결과와 운전 조건 (단수는 탑상부에서부터 계산한 값임)
항목 본 발명의 열복합 증류탑 종래의 열복합 증류탑
전처리탑 상부 주탑 하부 주탑 전처리탑 주탑
구조 설계 21 62 27 21 89
단의 수 15 16 22 15 62
공급단/측류 제품단 16, 84
연결단
운전 조건
공급 조성(kmol/h) 801.8 513.1 1071 801.8
탑정 제품 조성(kmol/h) 86.86 86.85
탑저 제품 조성(kmol/h) 337.8 377.4 377.4
측류 제품 조성(kmol/h) 289.9 492.8 337.8
환류량(kmol/h) 289.9 1836 1052 290.1 1792
증기 비등량(kmol/h) 492.8 1254 1676 492.9 1634
소모 열량(GJ/h) 60.78 59.35
본 발명은 분리된 주탑을 이용한 운전성 개선형 열복합 증류탑 시스템의 성능 평가로서 벤젠, 톨루엔, 크실렌(이하 'BTX'라 한다)의 분리 공정, 즉 나프타 개질물로부터 BTX를 분리하는 실제적인 공정에 대해 검토해 보았다. BTX 분리공정은 상당한 에너지 소비로 다량의 제품들을 취급하기 때문에 에너지 효율 증류 시스템 을 사용함에 의해 얻어지는 설비 감축의 효과는 무시하지 못한다. 전형적인 열복합 증류탑 설비에서의 공정의 공급과 제품의 유량들은 [표 2]에 나타나 있다.
도 5는 본 발명의 운전성 개선형 열복합 증류탑 시스템의 수치모사의 계통도를 나타내었다. 본 발명의 분리형 주탑을 가지는 3기 탑의 공정은 종래의 열복합 증류탑 보다 높은 탑 압력을 가지므로 종래의 열복합 증류탑 보다 조금 많은 소모 열량을 요구하게 된다. 실제의 BTX 분리 공정에 수치모사를 하여본 결과 본 발명의 증류탑 시스템이 종래의 열복합 증류탑 보다 2.4% 많은 소모 열량을 요구하는 것으로 나타났다.
[표 2]BTX 분리 공정에서의 공급과 제품의 유량(단위는 kmol/h)
성분 공급 본 발명의 열복합 증류탑 종래의 열복합 증류탑
탑정 제품 탑저 제품 측류 제품 탑정 제품 탑저 제품 측류 제품
(저비점 물질)
벤젠 87.850 86.804 0.0006 0.9399 86.830 0.0005 0.9308
디메틸 c-펜탄 0.0124 0.0119 0.0000 0.0004 0.0119 0.0000 0.0004
(중간체 물질)
메칠 c-헥산 0.0075 0.0018 0.0000 0.0015 0.0024 0.0000 0.0015
톨루엔 338.10 0.0372 3.1969 335.83 0.0033 3.2667 335.65
n-옥탄 0.0490 0.0000 0.0012 0.0480 0.0000 0.0012 0.0479
(고비점 물질)
에틸벤젠 14.975 0.0000 14.613 0.2717 0.0000 14.712 0.2257
p-크실렌 57.798 0.0000 57.367 0.2464 0.0000 57.379 0.3069
m-크실렌 128.55 0.0000 127.70 0.4778 0.0000 127.69 0.6129
o-크실렌 60.160 0.0000 60.221 0.0303 0.0000 60.088 0.0584
n-노난 0.0057 0.0000 0.0057 0.0000 0.0000 0.0057 0.0000
n-펜틸벤젠 0.3300 0.0000 0.3300 0.0000 0.0000 0.3299 0.0000
메틸에틸벤젠 26.010 0.0000 26.015 0.0000 0.0000 26.003 0.0000
트리메틸벤젠 75.950 0.0000 75.944 0.0000 0.0000 75.940 0.0000
메틸-n-프로필벤젠 0.5700 0.0000 0.5700 0.0000 0.0000 0.5700 0.0000
디에틸벤젠 0.3300 0.0000 0.3300 0.0000 0.0000 0.3300 0.0000
o-사이멘 4.1200 0.0000 4.1199 0.0000 0.0000 4.1195 0.0000
테트라메틸벤젠 4.7500 0.0000 4.7498 0.0000 0.0000 4.7497 0.0000
펜타메틸벤젠 2.2389 0.0000 2.2389 0.0000 0.0000 2.2389 0.0000
총계 801.81 86.855 377.40 337.85 86.848 377.43 337.83
그럼에도 불구하고 본 발명의 목적이라 할 수 있는 열복합 증류탑의 운전성 개선은 전처리탑과 주탑의 부분을 재배치함에 의해 검토하여 보았다. 본 발명의 분리된 주탑을 이용한 열복합 증류탑의 운전성을 개선하기 위한 재배치는 각 탑들의 압력을 고려하여 두 탑들 사이의 원활한 증기 흐름에 초점을 두었다. 각 탑들의 독립적인 압력 조작이 본 발명의 열복합 증류탑에서는 유효하지 않기 때문에 원활한 증기 흐름을 만드는 충분한 압력차는 제공되지 않았다.
상기와 같은 열복합 증류탑 시스템에서의 이들 두 가지 개선점의 결합은 본 발명의 분리된 주 탑 구조를 착안하게 되었다. 도 6에 본 발명의 증류 방법에 따른 증류장치의 동적 수치모사에 사용된 계통도를 나타낸 바와 같이 각각의 탑들이 액체 유동조절에 대해 독립적이기 때문에 본 발명의 열복합 증류탑에서와 같이 액체 유동의 분리 제어는 유용하게 되며, 이는 종래의 열복합 증류탑에서는 기대할 수 없었던 것이다.
실제의 BTX 분리 공정에 대해 환류 유량, 증기비등 유량, 측류 유량의 단계적 변화에 따른 탑정(저비점) 제품, 측류(중간비점) 제품, 탑저(고비점) 제품의 조성변화의 수치모사의 결과가 도 7과 도 8에 나타나 있다. 도 7은 본 발명의 운전성 개선형 열복합 증류탑에 대한 수치모사 결과이며, 도 8은 종래의 열복합 증류탑에 대한 수치모사 결과이다.
도 8의 상부 3개의 그래프에서 보는 바와 같이 세 가지 제품의 조성 응답들은 조성의 분리 제어를 어렵게 만드는 환류의 단계적인 변화와 연결되어 있다. 증기 비등과 측류 유량 변화의 단계 응답은 종래의 열복합 증류탑과 본 발명의 열복합 증류탑 배치에서 동일한 성능을 나타낸다. 그러나 본 발명의 운전성 개선형 열복합 증류탑에서는 환류 유량을 조절함에 의해 탑정(저비점) 제품의 조성을 제어 할 수 있기 때문에 세 가지 제품 조성의 제어가 종래의 열복합 증류탑에서보다 쉬워지게 된다.
본 발명의 분리된 주탑을 이용한 열복합 증류탑은 종래의 열복합 증류탑의 실제 산업에 적용함에 있어서의 문제점이었던 증류탑의 운전성을 개선하는 것을 목적으로 하고 있다. 각각 다른 압력을 가진 전처리탑과 분리된 주탑으로 구성되는 본 발명의 열복합 증류탑은 종래의 열복합 증류탑의 운전상의 문제점 중 하나인 각 탑들 사이의 증기와 액체 유동을 원활하게 함으로서 각 제품의 조성 제어를 보다 쉽게 할 수 있다는 것을 실제의 BTX 분리 공정의 수치모사를 통하여 확인해 보았다.
상기와 같은 본 발명의 구성에 따른 운전성 개선형 열복합 증류탑은 종래의 열복합 증류탑이 가지지 못하는 증류탑 운전성을 분리된 주탑을 통해 해결하는 방안을 제시하였다. 본 발명의 열복합 증류탑 시스템의 성능을 설계 소프트웨어를 통해 검증해 보았으며, 제시된 설계방법으로 새로운 공정을 구성할 수 있었다. 새로운 분리형 열복합 증류탑을 사용하면 종래의 열복합 증류탑 시스템에 비해 증류탑의 운전성을 높일 수 있으며, 또한 증류설비를 단순화할 수 있게 함으로서 증류장치의 설비비를 줄일 수 있게 하는 유용한 발명이다.

Claims (5)

  1. 전처리탑, 주탑과 상기 주탑의 상부에 응축기, 주탑의 하부에 재비기가 설치되어 있는 연속 분별증류 장치에 있어서,
    상기 주탑은 상·하부로 각각 분리된 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)으로 이루어지고, 상기 전처리탑(1)과 상부 주탑(2a) 및 하부 주탑(2b)은 각각 양방향으로 물질이동이 일어나고, 상기 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)도 양방향으로 물질이동이 일어나는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전처리탑(1)과 상기 상·하부 주탑(2a, 2b)사이의 물질이동은 상기 전처리탑(1)에서 원료 주입단(NF)으로 유입된 원료(F)를 저비점 성분(D')과 고비점 성분(B')으로 분리시킨 후 저비점 성분(D')을 상부 주탑 연결단(NR), 고비점 성분(B')을 하부 주탑 연결단(NS)으로 각각 이송시키고, 상부 주탑(2a)에서 유입된 저비점 성분(D')중 응축된 액상 유량(L2)을 전처리탑(1)의 증기 비등단(NT2)으로 재순환시키고, 하부 주탑(2b)에서 유입된 고비점 성분(B')중 기화된 증기 유량(V2)을 전처리탑(1)의 탑저로 재순환시키면서 양방향으로 물질이동이 일어나는 것을 특징으로 하는 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별 증류 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 상부 주탑(2a)과 하부 주탑(2b)사이의 물질이동은 상부 주탑(2a)에서 그 하부로 유출되는 중간비점 제품(S)중 응축된 액상 유량(L3)을 하부 주탑(2b)의 증기 비등단(NT)으로 유입시키고, 하부 주탑(2b)에서 그 탑정으로 기화하는 증기 유량(V3)을 상부 주탑(2a)의 탑저로 유입시키는 것을 특징으로 하는 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 연속 분별증류 장치는 상부 주탑(2a)으로부터 탑정(저비점) 제품(D) 및 측류(중간비점) 제품(S), 하부 주탑(2b)으로부터 탑저(고비점) 제품(B)이 각각 생산되어지는 것을 특징으로 하는 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 연속 분별증류 장치는 상부 주탑(2a)에는 응축기(130), 하부 주탑(2b)에는 재비기(140)가 설치되어지고, 상부 주탑(2a)의 탑정에서 생산되어지는 저비점 제품(D)은 상부 주탑(2a)에 설치된 응축기(130)에서 일부는 응축되어 액상 유량(LD)으로 다시 상부 주탑(2a)의 증기 비등단(NT3)으로 재순환되어지고, 하부 주탑(2b)에 설치된 재비기(140)에서 일부는 기화하여 기화된 증기 유량(VB)으로 하부 주탑(2b)의 하부로 재순환되어지는 것을 특징으로 하는 열복합 증류시스템에서 분리된 주탑을 이용한 연속 분별증류 장치.
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