KR100811971B1

KR100811971B1 - 증류시스템 및 그 증류방법

Info

Publication number: KR100811971B1
Application number: KR1020070098729A
Authority: KR
Inventors: 이주선
Original assignee: 이주선
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2008-03-10
Also published as: JP2009082916A

Abstract

본 발명은, 공급원료 중에 존재하는 2성분계 이상의 혼합물질을 비점차에 의하여 저비점물질과 고비점물질로 분리하는 증류시스템에 있어서, 상기 저비점물질이 증발되어 상부증기로 배출되며 상기 고비점물질이 하부에서 응축되는 증발분리기와, 물 공급원으로부터 도입된 물이 상기 상부증기와 열교환하여 상기 상부증기 및 물이 각각 응축 및 증발되는 응축증발기와, 상기 응축증발기에서 증발된 수증기를 단열압축하는 압축기를 포함하여 구성되며, 상기 압축기에서 압축된 수증기의 열을 상기 증발분리기에서의 혼합물질의 분리를 위한 증발열원으로 공급하는 것을 특징으로 하는 증류시스템 및 상기 증류시스템의 증류방법에 관한 것이다.

Description

증류시스템 및 그 증류방법{DISTILLATION SYSTEM AND DISTILLATING METHOD THEREOF}

본 발명은 2 성분계 이상의 혼합물질을 비점차에 의하여 증발분리하는 증류시스템 및 그 증류방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증류시스템의 증발분리기에서 배출되는 상부증기(즉, 탑정증기:overhead vapor)의 응축잠열을 이용하여 물을 증발시키고 그 증발된 수증기를 다단 단열압축시켜 그 압축된 수증기의 열을 증류시스템의 증발분리기에서의 상기 혼합물질의 분리를 위한 증발열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 증류시스템 및 증류방법에 관한 것이다.

증류시스템은, 공급원료 중에 존재하는 2 성분계 이상의 혼합물질을 비점차에 의하여 증발 분리하기 위한 것이다. 증류시스템의 상부에서 저비점물질(high volatile component)은 증발되어 상부증기 형태로, 증류시스템의 하부에서 고비점물질(low volatile component)은 응축액의 형태로 분리된다. 저비점물질과 고비점물질은 각각 단일 성분일 수도 있고, 각각 2성분 이상의 혼합물일 수도 있다.

이러한 증류시스템은 비점차에 따라 물질을 분리하는 증발분리기를 필수적으로 포함하고 있으며, 상기 증발분리기의 전형적인 예로서, 증류탑(distillation column), 정류탑(rectification cloumn), 탈거탑(stripping column), 탈거조 (stripping vessel) 등이 있다.

저비점물질을 추출하여 목표로 하는 대상제품으로 할 경우에는 정류탑이 사용되고, 고비점물질을 추출하여 목표로 하는 대상제품으로 할 경우에는 탈거탑 또는 탈거조가 사용된다. 탈거탑은 주로 저점도의 고비점물질을 추출할 때, 탈거조는 고점도의 고비점물질을 추출할 때 사용된다.

한편, 증류탑은 광의로는 정류탑 또는 탈거탑까지 모두 포함하는 개념으로 사용되기도 하지만, 협의로는 고비점물질 응축부와 저비점물질 정류부를 모두 구비하여 저비점물질과 고비점물질을 모두 추출하여 대상제품으로 하는 경우의 증발분리기를 의미하는 경우로 사용되기도 한다.

도 1은, 증발분리기로서 증류탑을 구비한 종래의 증류시스템의 일례를 나타낸 개략도이다.

상기 증류시스템은, 공급원료가 고비점물질과 저비점물질로 분리되는 증류탑(100)과, 저비점물질의 상부증기(11)가 응축되는 응축기(condenser)(200)와, 고비점 물질의 응축액(21)의 일부를 재가열하는 재비기(reboiler)(300)를 포함하여 구성된다.

저비점물질과 고비점물질이 혼합된 공급원료는, 증류탑 내부의 각 단에서 온도/성분 평형을 이루며 흐르게 되며, 증류탑(100) 상부로 갈수록 저비점물질이 농후한 증발증기상(vapor phase)으로, 증류탑(100) 하부측으로 갈수록 고비점물질이 농후한 응축액상(liquid phase)이 된다.

증류탑(100)의 최상단으로부터 나온 상부증기(11)는 응축기(200)에서 액화되어 응축액(12)이 되며, 상기 응축액(12)은 드럼(400)을 거친 후 펌프(P)에 의하여 펌핑되어, 그 응축액의 일부(12-1)는 증류탑(100) 최상단의 단 평형을 위한 유량만큼 증류탑(100)으로 환류되고 나머지(12-2)는 외부로 배출되어 증류액이 된다. 또한, 응축기(200)에서의 상부증기(11)의 응축 잠열은 순환 냉각수에 의하여 제거된다.

저비점물질이 탈거된 증류탑(100) 하부의 고비점물질 응축액(21)은 증류탑으로부터 배출되어 펌프(P)에 의하여 펌핑된 후, 상기 응축액의 일부(22)는 재비기 (300)로, 나머지(23)는 잔류액으로 배출된다. 재비기(300)에서, 상기 일부의 응축액(22)은 외부의 가열증기(50)에 의하여 가열되어 증기가 되며 이 증기는 증류탑 (100) 최하단의 단 평형 및 증류탑에서의 증발을 위한 열을 공급하기 위하여 증류탑 하단의 하부증기(24)로서 공급된다. 또한, 상기 응축액(22) 중 미증발된 응축액 (25)은 증류탑의 최초 배출응축액(21)에 합류된다.

도 2는, 증발분리기로서 탈거탑을 구비한 종래의 증류시스템의 일례를 나타낸 개략도이다.

상기 증류시스템은, 공급원료가 고비점물질과 저비점물질로 분리되는 증류탑 (100')과, 저비점물질의 상부증기(11)가 응축되는 응축기(condenser)(200)와, 고비점 물질의 응축액(21)의 일부를 재가열하는 재비기(reboiler)(300)를 포함하여 구성된다. 탈거탑(100')은 주로 공급원료로부터 저비점의 모노머를 제거하여 저점도의 고비점 폴리머를 정제하여 얻기 위한 것이다. 따라서, 탈거탑에서는, 모노머는 다단으로 흐르지 않고 도 2에서와 같이 바로 증발되어 증발되는 것이 보통이다. 반면, 고비점 폴리머는 탈거탑 내부의 각 단에서 온도/조성 평형을 이루며 흘러, 탈거탑(100') 하부측으로 갈수록 고비점 폴리머가 농후한 응축액상(liquid phase)이 된다.

탈거탑(100')의 최상단으로부터 나온 상부증기(11)는 응축기(200)에서 액화되어 응축액(12)이 되며, 상기 응축액(12)은 펌프(P)에 의하여 펌핑되어 제거된다. 탈거탑(100')은 저비점물질을 제거하여 고비점물질을 얻는 것이 목적이므로, 도 1의 증류탑(100)에서와 같이 저비점물질을 탈거탑으로 환류시키지는 않는다. 응축기 (200)에서의 상부증기(11)의 응축 열량은 순환 냉각수에 의하여 제거된다.

저비점물질이 탈거된 탈거탑(100') 하부의 고비점물질 응축액(21)은 탈거탑으로부터 배출되어 펌프(P)에 의하여 펌핑된 후, 상기 응축액의 일부(22)는 재비기 (300)로, 나머지(23)는 고비점 폴리머의 잔류액(제품)으로 배출된다. 재비기(300)에서, 상기 일부의 응축액(22)은 외부의 스팀(40)에 의하여 가열되어 증기가 되며 이 증기는 탈거탑(100') 최하단의 단 평형 및 증류탑에서의 증발을 위한 열을 공급하기 위하여 탈거탑 하단의 하부증기(24)로서 공급된다. 또한, 상기 응축액(22) 중 미증발된 응축액(25)은 탈거탑의 최초 배출응축액(21)에 합류된다. 외부의 스팀(40)은 재비기에서 열전달후 응축되어 응축수(41)로 배출된다.

한편, 상기한 증류시스템의 에너지 평형은 Hf(공급원료의 열량) + Hh(가열증기 또는 스팀의 열량) = Hd(증류액의 열량) + Hr(잔류액 열량) + Hc(냉각수 열량)으로 표시할 수 있다. 증류시스템의 물질평형은 공급원료= 증류액 + 잔류액으로 표 시되고 각 액상의 온도와 비열에 차이가 있으나, 현열이기 때문에 각 열량의 차이가 미미하여 개략적으로 각 액상 간에 개략적으로 에너지도 평형을 이룬다고 가정하여도 큰 차이는 없다. 따라서, 증류시스템의 에너지 평형은 대략 Hh = Hc로 가정할 수 있으며, 이는 재비기(300)와 응축기(200)의 공급, 제거열량이 근사함을 의미한다.

한편, 재비기(300)에 필요한 열량은 고압스팀 혹은 열매유에 의하여 공급되며, 이는 상당량의 화석연료의 소모를 요한다. 또한, 응축기(200)에서 제거되는 열량은 순환 냉각수로 전열되어 냉각탑에서 송풍공기에 의하여 냉각되며, 이는 송풍기와 순환 냉각수 펌프의 모터 구동을 위한 전력소모를 유발하는 등, 일반적인 증류시스템은 재비기(300)와 응축기(200)에서 열 및 전기에너지의 소모가 있다.

그러나, 상술한 바와 같이 재비기(300)와 응축기(200)의 공급, 제거열량이 근사하므로, 상부증기(11) 응축시 배출하는 응축 잠열을 재비기(300)에 필요한 증발 잠열로 재활용할 수만 있다면 증류시스템의 소모 에너지를 대폭 줄일 수 있다. 다만, 상부증기(11)의 온도는 증류탑(100) 또는 탈거탑(100') 하부의 증발온도보다 매우 낮고 재비기(300)에서의 온도차가 추가로 필요하기 때문에, 상부증기(11)의 응축 잠열을 이용하기 위해서는 상기 상부증기에 대하여 증류시스템 설계온도에 따라 약 30~80℃ 정도의 승온이 요구된다.

이러한 상부증기와 하부 열원의 온도차를 극복하기 위한 온도상승을 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 고속다단 터보 압축기(T)에서 상부증기(11)를 단열압축하고, 이 압축된 상부증기를 재비기(300)에서 고비점물질의 응축액과 열교환하 는 방식이 채택된 바 있다.

즉, 도 3에 개시된 바와 같이, 증류탑(100)의 상부증기(예컨대, 약 96℃의 증기)(11)로부터 증류탑에서 필요한 열량에 상응하는 양의 증기(11-1)를 추출하여 고속다단 터보압축기(T)에서 직접 단열압축하여 예컨대 126℃의 고온의 압축증기 (14)로 압축하고 이를 재비기(300)에 공급하여 재비기에서 고비점물질의 응축액 (21)의 일부(22)와 열교환함으로써, 상기 압축증기(14)는 응축하여 응축액(15)으로 하고, 고비점물질의 응축액(22)은 가열 증발시켜 이 증기(24)를 증류탑(100)에 공급하는 방식이 제안되었다. 상부증기의 추출증기를 제외한 나머지 증기(11-2)는, 응축기(200) 및 드럼(400)을 거쳐 응축액(13)이 되며 이후 펌핑되어 환류액(13-1)과 증류액(13-2)으로 분류된다.

그러나, 상기 기술은 다음과 같은 여러 가지 문제로 인하여, 널리 실용화되지 못하고 있다.

첫째, 상부증기를 직접 압축하고 이 상부증기를 직접 열교환 등에 의하여 이용하는 방식이므로, 상부증기가 2성분계 이상의 물질일 경우 적용에 한계가 있었다. 상부증기가 2성분계 이상의 물질인 경우 각각 포화증기압이 다르기 때문에, 응축온도를 포화증기압이 가장 높은 물질에 맞춰야만 상부증기 전량이 응축되며, 이 때문에 과도한 압축이 필요하다는 문제가 있었다. 따라서, 이러한 방식은 증류액이 목표물인 단일성분물질이나, 포화증기압이 비슷한 물질에 한하여 적용이 가능하다는 단점이 있었다.

둘째, 예컨대 모노머(저비점물질)와 폴리머(고비점물질)을 분리하는 경우, 상부증기의 모노머가 고속다단 터보압축기에서 직접 고온, 고압으로 압축되면, 모노머가 중합반응을 일으켜 폴리머화 될 수가 있으며, 이러한 경우에는 재비기에서 고비점물질과 열교환후 응축된 응축액이 대상제품일 경우, 품질 및 수율에 막대한 영향을 미치기 때문에 채택할 수가 없게 된다.

셋째, 상기 고속다단 터보압축기는 15,000rpm 이상의 고속회전을 이용하는 것으로서 원주속도(tip speed)가 40m/sec 이상이었기 때문에, 장시간 운전시에 스텐레스 계열의 회전블레이드가 피로에 의한 균열을 일으키는 문제가 있다. 이 때문에, 상기 압축기의 점검을 수시로 행할 필요가 있는 등 유지보수가 까다로운 단점이 있었다. 더구나, 이러한 형태의 터보압축기는 상당히 고가이며, 이러한 고가의 압축기를 지속적으로 유지보수하여야 하기 때문에, 유지비도 고가가 되는 등, 생산 비용측면에서 불리하였다.

넷째, 상기 고속다단 터보압축기는 고점도의 고비점물질을 분리하기 위한 다음과 같은 도 4의 탈거조에는 적용할 수 없었다.

도 4는, 증발분리기로서 탈거조를 구비한 종래의 증류시스템의 일례를 나타낸 개략도이다. 상기 증류시스템은, 공급원료가 고비점물질과 저비점물질로 분리되는 탈거조(100'')와, 저비점물질의 상부증기(11)가 응축되는 응축기(condenser) (200)를 포함하여 구성된다. 탈거조(100'')는 저비점의 모노머를 제거하여 고점도의 고비점 폴리머를 정제하여 얻기 위한 것이다.

탈거조(100'')에 외부로부터 스팀(40)이 공급되면, 상기 스팀은 하부에 고인 고점도의 혼합물질과 직접 접촉하여 열전달하며, 이 열에 의하여 혼합물질 중 저비 점물질이 증발되어 수증기와 함께 상부증기(11)로서 배출되며, 혼합물질 중 고비점물질은 스팀의 응축수와 함께 외부로 배출(21)된다. 탈거조의 고비점 폴리머는 점도가 높으므로 탈거조(100'') 내부에 교반날개를 설치하여 탈거반응을 촉진시키고 있다.

상기 탈거조(100'')는, 고점도의 폴리머를 추출하기 위한 것이므로, 증류탑이나 탈거탑에서와 같이 재비기로 고비점물질의 가열증기를 얻어 공급하는 방식을 사용할 수 없으며, 폴리머의 높은 점도로 인하여 스팀(40)과의 직접 접촉에 의한 열교환방식 밖에 사용할 수 없다. 따라서, 도 3과 같이 고속다단 터보압축기와 재비기를 이용한 열교환방식은 탈거조의 경우에는 사용할 수 없는 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 상부증기를 압축기로 직접 압축하거나 고비점물질의 응축액과 직접 열교환하는 방식을 취하지 않고, 상부증기와 물을 열교환시켜 이 물을 수증기로 증발시키고 상기 수증기를 요구되는 온도로 압축하고 그 열을 이용하는 것에 의하여, 2성분계 이상으로 또는 서로 포화증기압이 상이한 물질로 구성된 저비점물질의 종류에도 제한 없이 적용할 수 있으며, 모노머의 증류시에도 품질과 수율을 저하시키지 않을 수 있는 증류시스템 및 증류방법을 제공하는데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 단열저속 다단송풍압축방식과 고압증기압축방식을 도입함에 의하여, 장시간 운전시에도 압축기의 손상이 거의 없어 유지보수가 용이하고 염가로 제품의 제조가 가능한 증류시스템 및 증류방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 탈거조의 경우에도 적합하게 적용할 수 있는 증류시스템 및 증류방법을 제공하는데 있다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 증류시스템은 공급원료 중에 존재하는 2성분계 이상의 혼합물질을 비점차에 의하여 저비점물질과 고비점물질로 분리하는 증류시스템에 있어서, 상기 저비점물질이 증발되어 상부증기로 배출되며 상기 고비점물질이 하부에서 응축되는 증발분리기와, 물 공급원으로부터 도입된 물이 상기 상부증기와 열교환하여 상기 상부증기 및 물이 각각 응축 및 증발되는 응축증발기와, 상기 응축증발기에서 증발된 수증기를 단열압축하는 압축기를 포함하여 구성되며, 상기 압축기에서 압축된 수증기의 열을, 상기 증발분리기에서의 혼합물질의 분리를 위한 증발열원으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 압축기는, 5500rpm 이하의 복수의 저속 송풍원심압축기(centrifugal fan)이며, 상기 복수의 저속 송풍원심압축기에 의하여 다단으로 단열압축되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 고압스팀을 구동력으로 하여 상기 다단의 저속 송풍원심압축기에서 압축된 수증기를 목표로 하는 온도가 될 때까지 추가적으로 단열압축하는 증기압축기(TVR:Thermal Vapor Recompressor)를 더 구비할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예는, 상기 증발분리기가 증류탑이고, 상기 증류탑 하부에서 응축되어 배출된 고비점물질 응축액의 일부가 상기 단열압축된 수증기와 열교환하여 각각 증발 및 응축되는 재비기(reboiler)를 더 포함하며, 상기 재비기에서 증발된 고비점물질의 가열증기가 증류탑에 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 상기 증발분리기가 저점도의 고비점물질을 추출하기 위한 탈거탑이고, 상기 탈거탑 하부에서 응축되어 배출된 고비점물질 응축액의 일부와 상기 단열압축된 수증기가 열교환하여 각각 증발 및 응축되는 재비기(reboiler)를 더 포함하며, 상기 재비기에서 증발된 고비점물질의 가열증기가 탈거탑에 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 상기 증발분리기가 고점도의 고비점물질을 추출하기 위한 탈거조이고, 상기 단열압축된 수증기가 상기 탈거조의 증발열원으로서 상기 탈거조 하부에 직접 도입되는 것을 특징으로 한다.

상기 응축증발기는 박막유하식 응축증발기일 수 있으며, 증발분리기가 탈거탑 또는 탈거조인 경우 판형 응축증발기를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 증류방법은, 공급원료 중에 존재하는 2성분계 이상의 혼합물질을 비점차에 의하여 저비점물질과 고비점물질로 분리하는 증류시스템의 증류방법에 있어서, 상기 공급원료를 증발분리기에서 고비점물질의 하부응축액과 저비점물질의 상부배출증기로 분리하는 단계와, 상기 상부증기를 물과 열교환시켜 상기 상부증기를 응축함과 동시에 물을 수증기로 증발시키는 단계와, 상기 수증기를 다단으로 단열압축하는 단계와, 상기 압축된 수증기의 열을 상기 증발분리기에서의 혼합물질의 분리를 위한 열원으로 공급하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 증류방법은, 상기 수증기를, 5500rpm 이하의 복수의 저속 송풍원심압축기로 다단으로 단열압축시키는 것이 바람직하며, 상기 다단 단열압축된 수증기를 목표로 하는 온도가 될 때까지, 증기압축기에서 추가적으로 더 압축할 수 있다.

본 발명의 증류시스템 및 증류방법은, 저비점물질의 성분이나 포화증기압의 차이에 관계 없이 적용할 수 있으므로 탈거대상물질의 종류에 구애받지 않으며, 또한 다양한 종류의 증발분리기에도 증류 탈거 대상의 품질과 수율을 저하시킴이 없이, 증류, 탈거할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 장시간 운전시에도 압축기의 유지보수가 용이하고 염가로 제품의 제조가 가능하다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

이하의 실시예 중 종래 기술과 동일한 부분은 동일한 부호를 붙이고, 설명의 편의를 위하여 상기 종래 기술에서 이미 설명한 부분에 대한 반복설명은 생략하기로 한다.

도 5는, 증발분리기로서 증류탑을 구비한 본 발명의 증류시스템의 일례를 나타낸 개략도이다.

상기 증류시스템은, 공급원료 중의 저비점물질이 상부에서 증기로 증발되어 상부증기(11)로 배출되며 공급원료 중의 고비점물질이 하부에서 응축되어 응축액 (21)으로 배출되는 증류탑(100)과, 상기 상부증기(11)가 물(30)과 열교환하여 상부증기(11) 및 물(30)이 각각 응축 및 증발되는 응축증발기(500)와, 상기 응축증발기에서 증발된 수증기를 단열 다단압축하는 복수의 송풍원심압축기(600~800)와, 증류탑(100) 하부로부터 배출된 고비점물질의 응축액(21)의 일부가 가열되는 재비기 (300)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 특징은, 종래와 같이 상기 상부증기(11)를 직접 압축하고 열교환하는 등 상부증기를 압축 및 열매체로 직접 사용하는 방식이 아니라, 상기 상부증기를 물 공급원으로부터 도입된 물(30)과 열교환함으로서 물을 수증기(32)로 증발시키고, 이 수증기를 압축 및 열매체로 사용하는 방식을 취하고 있다는데 있다.

상술한 바와 같이, 상부증기(11)가 2성분계 이상의 물질인 경우 각각 포화증기압이 다르기 때문에, 응축온도를 포화증기압이 가장 높은 물질에 맞춰야만 상부증기 전량이 응축되며 이 때문에 과도한 압축이 필요하다는 문제가 있었고, 이 때문에 종래와 같이, 상부증기(11)를 직접 압축 및 열매체로 이용하는 방식은 증류액이 목표물인 단일성분물질이나, 포화증기압이 비슷한 물질에 한하여 적용이 가능하다는 한계가 있었다.

그러나, 본 발명과 같이 상부증기(11)와 열교환하여 생성된 수증기를 압축 및 열매체로 이용하면, 상부증기(11)를 압축할 필요가 없으므로, 종래와 같은 문제는 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명에 의하면, 포화증기압이 상이한 2성분 이상 의 저비점물질의 증류에도 얼마든지 적용할 수 있게 된다. 상부증기(11)의 응축잠열을 도 1과 같이 순환냉각수의 현열로 제거하기 위해서는, 응축되는 상부증기량의 60~100배의 냉각수 순환량이 필요하지만, 물(W)은 응축 잠열이 매우 크기 때문에, 상부증기(11)의 응축잠열을 물(W)의 응축잠열로 제거하는 본 발명의 방식에 의하면, 응축되는 상부증기량의 1/2~1/4의 물만 있으면 충분하다는 장점이 있다.

상기 응축증발기(500)에서는, 하나의 성분 또는 포화증기압이 다른 2성분계 이상의 상부증기(11)를 계산된 응축잠열과 필요한 온도의 증기압에서 응축시켜, 최대의 열량을 물에 전달함으로써, 전달열량에 상응하는 열량의 수증기를 증발시키게 된다.

구체적으로 상기 응축증발기(500)에서 필요한 양만큼 응축되어 물에 열량을 전달하며, 나머지 상부증기(11a)는 응축기(200)에서 응축되어 응축액(12a)이 되며 이 응축액은 응축증발기(500)에서 응축된 응축액과 합류하여 합류응축액(12)으로서 펌핑되어 증류탑으로의 환류액(12-1)과 증류액(12-2)으로 분류된다.

응축증발기(500)에서 증발된 (포화)수증기(32)는 복수의 저속 송풍원심압축기(600~800)에 의하여 다단으로 단열압축되며 증발되지 않은 물(31)은 최초 공급된 물(30)에 합류된다.

종래의 고속다단 터보압축기(T)는 고가이고 회전블레이드의 균열 우려가 있어 유지보수가 힘들지만, 본 발명의 송풍원심압축기는 5500rpm 이하의 저속의 송풍원심압축기로서 저가이고, 저속운전되기 때문에 장시간 운전시에도 압축기의 손상 없이 안정적으로 운영이 가능한 장점이 있다. 다만, 상기 송풍원심압축기(600~800) 는 5500rpm 이하, 바람직하게는 3000~5500rpm의 저속압축기로서 고속다단 터보압축기(T)에 비하여 압축비가 낮기 때문에, 낮은 압축비를 보상하기 위하여 복수의 송풍원심압축기(600~800)로 다단, 예컨대 3~4단으로 직열 압축을 행한다. 응축증발기 (500)에서 증발된 포화수증기(32)는 소정의 압축비(예컨대, 1.3~1.4의 압축비)에 따라 상기 복수의 압축기에서 순차로 33, 34, 35의 포화수증기로 다단 단열압축되며, 상기 복수의 압축기는 각 단의 설정 배출압력에 따라 인버터 제어(frequency conrol)된다. 송풍원심압축기에 의하여 통상 각 단에서는 8~10℃로 승온되면 4단의 경우 40℃까지 승온 될 수 있다.

복수의 송풍원심압축기(600~800)에 의해서도, 재비기(300)에서 요구하는 포화수증기온도에 미치지 못할 때에는, 증기압축기(900)에서 고압스팀을 구동력으로 하여 목표로 하는 온도까지 포화수증기를 추가로 압축한다. 상기 증기압축기(900)에서 추가로 고압스팀이 소모되기 때문에, 상기 스팀의 유량을 응축증발기(500)의 응축온도와 증발부하를 결정할 때 적절하게 반영하는 것이 중요하다.

목표온도까지 압축된 포화수증기(36)는, 재비기(300)로 공급되며 재비기에서 증류탑(100)으로부터 배출된 고비점물질 응축액(21)의 일부(22)와 열교환된다. 상기 고비점물질 응축액(22)은 상기 수증기(36)로부터의 열에 의하여 일부가 증발되고 그 증발된 증기(24)는 증류탑(100)에 필요한 증발열원으로서 증류탑 하부로 공급된다. 재비기(300)에서 증발되지 않은 고비점물질 응축액(25)은 증류탑의 최초 배출 응축액(21)과 합류한다. 고비점물질 응축액(21) 중 재비기로 분류되는 외의 나머지는 잔류액(23)으로 배출된다.

한편, 도 5의 실시예에서 구체적으로 적용되는 공정조건들은 다음과 같다.

상기 도 5에 도시된 바와 같이, 예컨대 96℃, 0.276barA, 시간당 유량 168, 128 kg/h의 저비점 물질(예컨대, CmHn형태의 탄화수소 모노머:예를 들어 시클로헥산과 헵탄의 혼합물질)의 상부증기(11)가 증류탑(100)로부터 배출되어 응축증발기 (500)에서 82℃, 시간당 유량 22,000kg/h의 물(30)과 열교환된다. 열교환된 응축 모노머는 응축기에서 응축된 모노머와 합류하고 환류양을 제외하고 시간당 유량 168,128kg/h의 증류액으로 배출된다.

응축증발기(500)에서 모노머 상부증기(11)로부터 열전달받은 물(30)은 가열증발되어 포화수증기(32)가 된다. 이 포화수증기는 3단의 송풍원심압축기(600~800)에서 각각 단계적으로 단열압축되어 119℃까지 승온된 뒤, 최종적으로 증기압축기 (900)에서 126℃까지 승온된다. 도 5에는 각 단의 송풍원심압축기에서의 포화수증기의 온도 및 유량이 표시되어 있다. 도시하지는 않았지만, 응축증발기와 제1단의 송풍원심압축기 사이 라인은 진공장치와 연결되어 있어, 예컨대 제1단의 포화수증기가 1barA 이하의 진공압력(0.7barA)상태에 유지되어, 약 90℃의 온도에서도 포화수증기상태를 유지할 수 있다. 각 단의 포화수증기의 온도 및 압력은 설정치에 따라 진공장치의 진공압, 각 송풍원심압축기의 압축비 등을 바꿈으로써 조절될 수 있다. 또한, 상기 압축공정은 이른바 폴리트로픽 단열압축으로서, 상기 각 압축기에서 압축된 포화수증기가 과열되기 때문에, 각 압축기에 소정의 응축수를 공급하여 과열을 제거하는 이른바 디수퍼히팅(desuper headting)이 필요하며, 이에 의하여 각 단마다 약 1.7~3%의 추가 포화수증기를 얻게 되므로, 각 단에서의 포화수증기 유량이 조금씩 증가하게 된다. 디수퍼히팅은 압축기 사이 도관에 물을 뿌려주는 방식으로 할 수 있으며, 여기서는 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

증기압축기(900)에서는 시간당 유량 9,187 kg/h, 압력 15kg/cm²G의 고압스팀을 구동력으로 하여 목표온도(126℃)까지 포화수증기를 추가로 압축한다.

추가로 압축된 포화수증기(36:126℃, 1.4barA, 33,074 kg/h)는 재비기(300)로 공급되어 고비점물질 응축액의 일부(22)와 열교환하여 응축되며, 이 응축된 응축액(또는 응축액과 응축증기의 혼합상:37)은, 보일러로 공급된다.

본 발명의 제1의 기술적사상, 즉 증류시스템의 상부증기(11) 대신 상부증기의 열을 이용하여 물을 포화수증기로 증발시키고 이 포화수증기를 압축하여 증발분리기에서의 증발에 필요한 열원으로 하는 기술적사상은 증류시스템의 여러 다른 유형에도 적용될 수 있다. 마찬가지로, 상기 포화수증기를 복수의 저속 송풍원심압축기(600~800)로 다단압축하거나, 상기 다단압축된 수증기를 추가의 증기압축기(900)로 다시 압축하는 본 발명의 제2의 기술적사상 역시, 증류시스템의 여러 다른 유형에도 적용할 수 있다.

도 6은, 증발분리기로서 탈거탑(100')을 구비한 본 발명의 증류시스템의 일례를 나타낸 개략도이다.

상부증기(11), 물(30), 포화수증기, 증류액의 각 단계에서의 유량, 온도 또는 압력은 도 6에 표시된 대로이다. 본 실시예에서는 65℃의 물이 응축증발기(500)에서 열교환되어 생성된 포화수증기(32)가 복수의 송풍원심압축기(600~800)에서 106℃까지 승온된 뒤, 증기압축기(900)에서 120℃까지 가열된다.

상기 가열된 포화수증기(36)는 재비기에서 필요한 양(10,000kg/h)만큼 분류 (36-2)되어 재비기로 공급되며, 나머지 여분의 수증기(36-1)는 별도의 공정으로 공급되어 그에 상응하는 용도에 따라 사용될 수 있다.

재비기(300)에서의 포화수증기와 고비점물질의 응축액과의 열교환과정은 도 5의 실시예와 동일하므로 그 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예는 고비점물질을 목표로 하는 탈거탑에 관한 것이므로, 저비점물질의 환류공정은 없다.

도 7은, 증발분리기로서 탈거조(100'')를 구비한 본 발명의 증류시스템의 일례를 나타낸 개략도이다.

본 실시예에서는, 점도가 높은 고비점물질의 응축액을 교반하기 위하여 탈거조(100'') 하부에 교반날개가 설치되어 있다. 본 실시예에서는, 종래의 탈거조에서 고점도의 혼합물질과 직접 접촉하여 열교환하기 위하여 외부에서 공급되는 스팀이 물이 상부증기와 응축증발기에서 열교환되어 증발 및 압축된 포화수증기로 대체되었다는 점에 특징이 있다.

본 실시예에 있어서, 상부증기(11)와 물(30)의 응축증발기(500)에서의 열교환과정은 다른 실시예와 거의 동일하다. 다만, 본 실시예에서는, 상부증기(11)가 전부 응축증발기(500)로 공급되는 것이 아니라, 탈거조에서 필요한 열량에 상응하는 양의 상부증기만이 분류(11-1)되어 응축증발기로 도입되고 있고, 나머지 상부증기(11-2)는 응축기(200) 및 드럼(400)을 거쳐 응축된다. 이와 같이, 상부증기를 응축증발기(500) 전에서 분류시키면 응축증발기에서 전량을 응축시키지 않아도 되므 로, 그만큼 응축증발기에 이르기까지의 도관의 압력 및 온도손실이 작아지고, 그에 따라 전열량의 손실도 줄일 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에서는, 응축증발기(500) 외부에 상부증기 응축물을 미응축증기(11-1a)와 응축액(11-1b)으로 분리하는 세퍼레이터(510)가 설치되어 있는 점이 상이하다. 상기 세퍼레이터(510)에서 미응축증기(11-1a)는 응축기(200)로 공급되어 마저 응축되고 응축액(11-1b)은 세퍼레이터(510)로부터 제2드럼(410)으로 공급된다. 제2드럼(410)에서는 응축기(200)로부터 나와 드럼(400)을 거친 응축액(13)과 세퍼레이터(510)로부터 이송된 응축액(11-1b)이 합류되어 증류액(15)으로 배출된다.

물 공급원(S)으로부터 공급된 물(30)은 응축증발기(500)에서 상부증기와 열교환하여 포화수증기(32)로 되고, 이후 송풍원심압축기 및 증기압축기에서의 다단 단열압축은 다른 실시예와 동일하다. 증기압축기(900)에서 나온 포화수증기(36)는 탈거조에서 필요한 양만큼 분류(36-2)되어 탈거조로 공급되며, 나머지 여분의 수증기(36-1)는 별도의 공정으로 공급되어 그에 상응하는 용도에 따라 사용될 수 있다.

탈거조(100'')에 공급된 수증기(36-2)는, 탈거조 내의 혼합물질과 직접 접촉및 열전달하여 혼합물질 내의 저비점물질과 함께 상승하여 상부증기(11)로 배출된다. 혼합물질 내의 고점도 및 고비점물질 응축액은 포화수증기의 응축수와 함께 잔류하여 배출된다. 본 증류시스템에서는, 시간이 갈수록 저비점물질이 상부증기(11)로서 제거되므로, 증발분리기의 고비점물질의 함량은 점점 증가하게 된다.

한편, 상기 응축증발기로서는, 이른바 박막유하식 응축증발기(Falling film evaporator)가 사용될 수 있다(도 5 및 도 6 참조).

하지만, 탈거탑이나 탈거탑 반응기의 상부증기(11)는 고분자화합물(폴리머)를 포함하고 있는 경우가 대부분이기 때문에, 상기 박막유하식 응축증발기를 사용할 경우 상기 폴리머가 전열관 외벽(shell side)에 코팅되는 문제가 있다. 이 코팅된 폴리머는 제거하기가 매우 어렵다.

따라서, 탈거탑, 특히 탈거조를 증발분리기로 구비한 유형의 증류시스템에서는, 전열관식 열교환기를 사용하는 것보다, 도 7에 도시된 바와 같이, 전열판(511) 간격이 넓은(Free flow 또는 Wide gap) 판형 응축증발기를 사용하는 것이 바람직하다. 판형 응축증발기는 해체와 청소가 용이할 뿐만 아니라, 전열계수도 높다는 장점이 있다. 한편, 상기 박막유하식 응축증발기는 응축 전열면에 도포될 수 있는 이물질이 상부증기에 존재하지 않는 경우에 사용되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 예시한 물질 외의 비점이 다른 여러 물질도 본 발명에 적용될 수 있음은 물론이며, 각 물질에 따라 응축증발기에서의 응축온도 및 압력, 재비기에서의 증발온도 및 압력은 설정치에 따라 각각 적합하게 선택될 수 있다. 또한, 응축증발기에서 증발되는 포화수증기의 온도 및 압력, 각 다단압축기에서 압축되는 포화수증기의 온도 및 승온정도, 증기압축기에서 추가되는 스팀의 압력 및 양 역시 증류시스템에서 필요로 하는 목표 설정치에 따라 각각 적합하게 선택될 수 있다. 그 외, 상부증기, 응축액, 물 또는 수증기의 유량 역시 각 단계에서 필요한 열량을 고려하여 적합하게 선택될 수 있음은 물론이다.

상기 증류시스템 및 증류방법에 의하여 압축된 포화수증기 중 증발분리기에 서의 혼합물질의 분리를 위하여 소요되는 수증기 외의 잉여의 수증기는 다른 필요한 분야로 공급될 수 있다. 이러한 의미에서, 상기 증류시스템 및 증류방법은 스팀제조장치 및 스팀제조방법이라 할 수 있다. 잉여의 수증기(스팀)를 다른 공정에서 사용하는 경우에는, 응축증발기에서의 상부증기의 에너지 회수율을 높이는 방향으로 시스템을 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 타공정에서 필요한 온도와 압력을 가지는 스팀을 얻기 위하여, 상기 증류시스템의 응축증발기 외에서의 열교환조건 외에, 다단압축기에서의 압축비 등의 압축조건 등을 적절하게 조절할 수 있다.

도 3은, 종래의 증류시스템의 다른 일례를 나타낸 개략도이다.

도 4는, 증발분리기로서 탈거조를 구비한 종래의 증류시스템의 일례를 나타낸 개략도이다.

도 6은, 증발분리기로서 탈거탑을 구비한 본 발명의 증류시스템의 일례를 나타낸 개략도이다.

도 7은, 증발분리기로서 탈거조를 구비한 본 발명의 증류시스템의 일례를 나타낸 개략도이다.

Claims

공급원료 중에 존재하는 2성분계 이상의 혼합물질을 비점차에 의하여 저비점물질과 고비점물질로 분리하는 증류시스템에 있어서,

상기 저비점물질이 증발되어 상부증기로 배출되며 상기 고비점물질이 하부에서 응축되는 증발분리기와,

물 공급원으로부터 도입된 물이 상기 상부증기와 열교환하여 상기 상부증기 및 물이 각각 응축 및 증발되는 응축증발기와,

상기 응축증발기에서 증발된 수증기를 단열압축하는 압축기를 포함하여 구성되며,

상기 압축기에서 압축된 수증기의 열을, 상기 증발분리기에서의 혼합물질의 분리를 위한 증발열원으로 공급하는 것을 특징으로 하는 증류시스템.
제1항에 있어서,

상기 압축기는, 5500rpm 이하의 복수의 저속 송풍원심압축기이며, 상기 복수의 저속 송풍원심압축기에 의하여 다단으로 단열압축되는 것을 특징으로 하는 증류시스템.
제2항에 있어서,

고압스팀을 구동력으로 하여 상기 다단의 저속 송풍원심압축기에서 압축된 수증기를 목표로 하는 온도가 될 때까지 추가적으로 단열압축하는 증기압축기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 증류시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 증발분리기는 증류탑이고,

상기 증류탑 하부에서 응축되어 배출된 고비점물질 응축액의 일부가 상기 단열압축된 수증기와 열교환하여 각각 증발 및 응축되는 재비기(reboiler)를 더 포함하며,

상기 재비기에서 증발된 고비점물질의 가열증기가 증류탑에 공급되는 것을 특징으로 하는 증류시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 증발분리기는 저점도의 고비점물질을 추출하기 위한 탈거탑이고,

상기 탈거탑 하부에서 응축되어 배출된 고비점물질 응축액의 일부와 상기 단열압축된 수증기가 열교환하여 각각 증발 및 응축되는 재비기(reboiler)를 더 포함하며,

상기 재비기에서 증발된 고비점물질의 가열증기가 탈거탑에 공급되는 것을 특징으로 하는 증류시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 증발분리기는 고점도의 고비점물질을 추출하기 위한 탈거조이고,

상기 단열압축된 수증기가 상기 탈거조의 증발열원으로서 상기 탈거조 하부에 직접 도입되는 것을 특징으로 하는 증류시스템.
제4항에 있어서,

상기 응축증발기는 박막유하식 응축증발기인 것을 특징으로 하는 증류시스템.
제5항에 있어서,

상기 응축증발기는 판형 응축증발기인 것을 특징으로 하는 증류시스템.
제6항에 있어서,

상기 응축증발기는 판형 응축증발기인 것을 특징으로 하는 증류시스템.
공급원료 중에 존재하는 2성분계 이상의 혼합물질을 비점차에 의하여 저비점물질과 고비점물질로 분리하는 증류시스템의 증류방법에 있어서,

상기 공급원료를 증발분리기에서 고비점물질의 하부응축액과 저비점물질의 상부배출증기로 분리하는 단계와,

상기 상부증기를 물과 열교환시켜 상기 상부증기를 응축함과 동시에 물을 수증기로 증발시키는 단계와,

상기 수증기를 다단으로 단열압축하는 단계와,

상기 압축된 수증기의 열을, 상기 증발분리기에서의 혼합물질의 분리를 위한열원으로 공급하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 증류시스템의 증류방법.
제10항에 있어서,

상기 수증기를, 5500rpm 이하의 복수의 저속 송풍원심압축기로 다단으로 단열압축시키는 것을 특징으로 하는 증류시스템의 증류방법.
제11항에 있어서,

상기 다단 단열압축된 수증기를 목표로 하는 온도가 될 때까지, 증기압축기에서 추가적으로 더 압축하는 것을 특징으로 하는 증류시스템의 증류방법.