KR100843487B1 - 개량된 열통합 정류시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신규의 공정 및 방법과, 특히 상기 공정을 실시하고 그에 따라 얻어지는 본 발명의 필수부분인 뛰어난 결과 및 이점을 얻기 위한 신규의 장치 및 장비를 포함한다. 본 발명에 따라 얻어진 장치 및 공정은 환류 드럼(16) 및 다중 냉각제 코어 열교환기(12)를 구비한 정류탑(2)을 포함하는데, 이 정류탑에 한정되는 것은 아니다.
정류탑, 환류 드럼, 코어 열교환기, 메인 공급라인

Description

개량된 열통합 정류시스템 {ADVANCED HEAT INTEGRATED RECTIFIER SYSTEM}
본 발명은 에너지소비를 최소화한 소망의 분류능력을 얻기 위한 신규의 시스템을 구성하는 상호 관련되고 통합된 정류 및 분류시스템(fractionation system)에 관한 것이다.
본 발명의 개량된 시스템은 탑의 원료공급 및 탑정 증기 냉각을 위한 다중 냉각제 코어 열교환기와 함께 최상부에 환류 드럼(reflux drum)이 장착된 정류탑으로 구성된다.
정류시스템으로서 다양하고 많은 공정 및 시스템이 알려져 있는데, 특히 정류시스템의 여러 영역 및 단계에서 열을 공급하고 제어하기 위한 시스템이 알려져 있다.
이런 공지의 기술의 예 가운데는 맥키(McKee)의 미합중국특허 제 1,932,903 호; 그린월트(Greenewalt)의 미합중국특허 제 2,214,790 호; 로버츠(Roberts)의 미합중국특허 제 2,582,068 호; 그로스만(Grossman) 등의 미합중국특허 제 3,186,182 호; 게디스(Geddes) 등의 미합중국특허 제 3,444,696 호; 슈람(Schramm)의 미합중국특허 제 3,555,836 호; 프라이어(Pryor) 등의 미합중국특허 제 4,002,042 호; 로울즈(Rowles) 등의 미합중국특허 제 4,270,940 호; 바우어(Bauer)의 미합중국특허 제 4,608,068 호; 가지(Gazzi)의 미합중국특허 제 4,657,571 호; 및 코일(Coyle)의 미합중국특허 제 5,505,049 호가 있다.
맥키(McKee)의 미합중국특허 제 1,932,903 호는 물보다 가스를 더욱더 잘 용해시키는 유기산의 농용액에 가스를 용해시켜 가스를 액화시키는 공정을 설명한다. 그 결과 염용액은 가열되어 용해가스가 제거되며 회수된 가스는 디플레메이터(dephlegmator) 내에서 액화가스와 접촉시켜 건조되고, 건조된 가스는 냉각된다.
그린월트(Greenewalt)의 미합중국특허 제 2,214,790 호는 분리조건 하에서 기체상태로 전환 가능한 액체냉각제를 사용하여 다른 초고기압에서 실시하는 적어도 2단계의 정류과정으로 기체상태의 혼합물을 분리하도록 된 분리공정에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 공정은 특히 기체상태의 탄화수소혼합물로부터 에틸렌을 분리하기 위한 것이다. 암모니아는 기체상태의 탄화수소혼합물에서 에틸렌성분을 분리하는데 선택하는 냉각제이다.
로버츠(Roberts)의 미합중국특허 제 2,582,068 호는 초기에 고압상태에 있는 기체상태의 혼합물을 분리하고 보다 많은 휘발성성분을 회수하는 방법 및 장치를 설명한다. 이 분리공정은 특히 2종의 기체상태 혼합물에 적합하고 순수하거나 매우 정제된 조건의 더 많은 휘발성 유분을 분리하고 회수하는데 적합하다.
그로스만(Grossman) 등의 미합중국특허 제 3,186,182 호는 기체상태의 혼합물을 분리하기 위한 저온 및 저압시스템 및 공정을 설명하는 것으로서, 보다 구체적으로는 가스, 보다 구체적으로 크래킹된 기체상태의 혼합물의 탈메탄화를 위한 저온 및 저압시스템 및 공정을 설명한다.
게디스(Geddes) 등의 미합중국특허 제 3,444,696 호는 에틸렌보다 다소 휘발성이 많은 치환기를 포함하는 기체상태의 원료혼합물로부터 에틸렌을 회수하기 위해 기체상태 혼합물을 탈메탄화하는 개량된 공정에 관한 것이다. 이 공정은 에틸렌을 함유하는 냉각된 원료혼합물을 최상부에 정류부를 갖고 하부에 재비등(reboiled) 스트리핑부를 갖는 분류기에 통과시키는 것으로 이루어진다. 이 발명의 공정은 분류부 및 정류부에서 정확히 제어한 여러 온도레벨을 이용하는데 필요한 에너지소비와 분류부의 환류 스트림과 공급원료 사이의 열교환에 의한 열제거 및 공급원료의 도입 위치에 대한 경제적인 개량점을 얻는 것이라고 설명한다.
슈람(Schramm)의 미합중국특허 제 3,555,836 호는 연속적으로 낮아지는 온도에서 예비냉각처리를 일련의 단계별로 실시하여 아세틸렌이 풍부(rich)한 기체상 혼합물을 분리하고 동시에 아세틸렌을 제조하는 공정을 설명한다. 약간의 아세틸렌을 함유하는 각 응축액이 각 단계에서 수집된다. 이렇게 수집된 응축액은 정류탑에서 재결합되어 아세틸렌 및 C2 탑정유분이 회수된다. 이 탑정유분은 세정되어 아세틸렌이 제거 및 회수된다.
프라이어(Pryor) 등의 미합중국특허 제 4,002,042 호는 수소, 메탄, 에틸렌 및 에탄으로 구성되는 공급가스의 많은 부분(대부분)을 분리하고 회수하는 공정을 설명한다. 이 공급가스는 디플레메이터로 보내져서 증기 스트림 및 응축액 스트림으로 분리된다. 이 응축액 스트림은 탈메탄화 탑에 보내져서 탑정의 메탄-수소 스트림과 탑저의 생성물인 에틸렌-에탄 스트림으로 분류된다.
로울즈(Rowles) 등의 미합중국특허 제 4,270,940 호는 탈메탄화된 탑정유출물로부터 에탄 및 에틸렌을 회수하는 개량된 시스템을 설명한다. 주 환류 응축기로부터 유출되는 응축되지 않은 증기는 디플레메이터에서 더욱 응축되고 정류된다. 디플레메이터로부터의 응축액은 탈메탄화 탑으로 복귀된다.
바우어(Bauer) 등의 미합중국특허 제 4,608,068 호는 공급 스트림을 냉각시키고 적어도 부분적으로 응축시키는 단계와 상기 부분적으로 응축된 공급스트림을 액체 유분 및 기체 유분으로 분리하는 단계로 구성되어, 수소 및 C1 내지 C5 탄화수소를 갖는 정유폐가스 등의 공급 스트림으로부터 C3+ 탄화수소를 회수하는데 적합한 개량된 단계의 공정을 설명한다.
가지(Gazzi)의 미합중국특허 제 4,657,571 호는 고압의 기체상태 탄화수소 혼합물로부터 중질 성분을 회수하는 다단계공정을 설명한다. 이 단계들에는 기체상태 탄화수소 혼합물을 냉각 및 부분응축시키는 단계와, 이 기체상태 혼합물로부터 얻은 액체를 분리하는 단계와, 이를 분류탑에 공급하는 단계가 포함된다. 응축되지 않은 기체상태 혼합물에 대해서는 터보팽창이 이용된다. 상기 기체상태 혼합물을 터보팽창시키면 응축된 액체가 분리되어 분류탑에 공급된다. 중질 성분은 탑의 바닥으로부터 회수된다. 초기의 분류단계로부터의 기체와 터보팽창 후의 제 2 분류단계로부터의 기체는 별도로 또는 함께 처리가스의 위탁압력으로 재 압축된다.
코일(Coyle) 등의 미합중국특허 제 5,505,049 호는 기능강화된 표면의 환류 열교환기를 사용하여 액화천연가스로부터 질소를 제거하는 공정을 설명한다. 비교 적 따뜻한 고압의 액화천연가스는 저온 저압의 액화천연가스 스트림을 갖는 열교환위치로 역류방식으로 안내되어 고압스트림이 냉각되고 환류 열교환기 내의 저압 스트림이 적어도 부분적으로 기화된다. 이렇게 생성된 증기에 의해 질소의 저압 스트림이 스트리핑된다. 상기 저온 저압의 스트림은 냉각된 고압 스트림의 팽창에 의해 생성된다. 이 팽창에 의해 생성된 증기는 열교환기에서 생성된 증기와 결합하여 열교환기의 상부로부터 제거되어 회수된다. 적은 수소함량을 갖는 액화천연가스의 생성물은 열교환기의 바닥으로부터 회수된다.
전술한 종래기술의 많은 공정들은 산업분야에서 어느 정도 성공적인 만족을 시켰지만, 이들 시스템을 운전하는 에너지비용은 비교적 높다. 따라서, 기본적으로는 동일한 분류능력을 가지면서도 에너지비용을 절감시키는 공정을 산업상 개발할 필요가 있다.
본 발명에 따르면, 에너지소요량을 줄이면서 뛰어난 분류능력을 발휘하는 개량된 분리공정(방법) 및 장치가 제공된다.
본 발명의 장치는 첨부도면에 상세히 도시하고 이하에 상세히 설명한다. 본 발명의 장치는 분류트레이를 갖춘 정류탑과; 상기 정류탑의 상부에 장착된 환류 드럼과; 탑 원료공급 및 탑정 증기의 냉각에 사용되는 상부의 다중 냉각제 코어 열교환기와, 두 개의 공급라인으로 분기되며 그 중의 제 1 공급라인은 상기 정류탑의 하부로 안내되고 제 2 공급라인은 상기 다중 냉각제 코어 열교환기를 통하여 상기 제 1 공급라인 위의 높이의 상기 정류탑으로 안내되는 메인 공급라인으로 구성된 다.
본 시스템의 공정운전에 있어서, 본 발명의 장치로 인하여 에너지소요량이 감소하고 분류 및 분리능력이 향상될 수 있다. 본 시스템으로 공급되는 탄화수소 공급 스트림은 초기에 두 개의 스트림으로 분할된다. 이 공급 스트림의 제 1 부는 스트리핑 증기로서 상기 정류탑의 바닥부에 공급된다. 상기 공급 스트림의 제 2 부는 상기 코어 열교환기 내에서 냉각된 후 탑의 공급원료로서 상기 정류탑에 보내진다. 또한 탑의 탑정 증기도 상기 환류 드럼으로 도입되기 전에 상기 코어 열교환기 내에서 냉각된다. 그 결과 환류 드럼으로부터 유출액체는 환류 액체로서 중력유동에 의해 상기 정류탑에 복귀된다.
도 1은 정류탑과, 상기 정류탑의 상부에 장착된 환류 드럼과, 탑 연료공급 및 탑정 증기 냉각용의 상부의 다중 냉각제 열교환기와, 공급시스템으로 구성되는 본 발명의 개량된 열통합 정류시스템의 개략도이다.
도면에서, 정류탑(2)은 본 정류시스템의 베이스이다. 이 정류탑(2)은 적절한 소망 분류단계에서 필요한 분류트레이(4)를 갖추고 있다. 상기 정류탑으로 이어지는 메인 공급라인(6)은 두 개의 공급라인으로 분할된다. 제 1 공급라인(8)은 공급원료의 일부, 즉 공급원료의 약 5% 내지 약 50%, 보다 바람직하게는 25% 내지 약 35%를 포함하고 있다. 제 2 공급라인(10)은 총 공급원료의 나머지 대부분을 포함하고 있다.
상기 공급 스트림의 소량부(일부)는 라인(8)을 통하여 정류탑의 바닥부로 들어가 시스템의 스트리핑 증기로서 작용한다.
상기 공급 스트림의 대량부는 라인(10)을 통하여 상부의 코어 열교환기(12)로 보내지고 여기서 상기 제 1 공급라인(8)의 입구지점 위의 높이에서 공급원료로서 상기 정류탑(2)에 보내지기 전에 초기냉각된다. 또한 라인(14)의 탑정(overhead) 증기도 유출되어 환류 드럼(16)에 보내지기 전에 코어 열교환기(12) 내에서 냉각된다. 운전기간 중에 탑의 환류 드럼으로부터 유출된 액체는 중력유동에 의해 라인(18)을 통해 환류 액체로서 탑으로 복귀된다. 회수된 증기는 생성물 라인(20)을 통하여 환류 드럼(16)의 상부로부터 제거된다. 정류탑(2)으로부터 나오는 액체는 후속의 처리를 위해 라인(22) 내에 회수된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 코어 열교환기(12)의 냉각효율은 하나 이상의 냉각기 타입에 의해 이루어진다. 예를 들어, 도면에서 냉각제 통로(24)는 하나 이상의 에틸렌 냉각제 스트림을 포함할 수 있고, 냉각제 통로(26, 28)는 팽창된 공정증기를 포함할 수 있으며, 냉각제 통로(30)는 수소냉각제를 포함할 수 있으며, 냉각제 통로(32)는 메탄 냉각제를 포함할 수 있다.
에틸렌을 회수하기 위한 실시예에 있어서, 메인 공급라인(6)은 약 -30℃ 내지 약 -85℃의 범위의 온도가 될 수 있다. 코어 열교환기(12) 내의 냉각제 통로는 상기 공급 스트림(10)보다 약 1℃ 내지 3℃ 차가운 온도에서 나온다. 상기 정류탑(2)의 바닥을 떠나는 액체는 상기 공급 스트림(8)의 온도보다 약 3℃ 내지 10℃ 차가운 온도가 될 것이다.
상기 사용 가능한 장치 및 공정은 현재 정류 및 분리 단계에서 알려진 시스템 및 장치보다 우수한 이점을 갖는다. 이런 분류분리를 위한 공지의 장치중의 하나는 종래의 정류시스템 내에 포함된다. 본 발명의 신규의 열통합 정류시스템은 에너지를 활용하는데 있어서 종래의 공지시스템보다 효율적이다. 전형적인 종래의 시스템에 있어서, 상기 코어 열교환기 내에서의 온도는 냉각제 스트림의 복귀온도와 정류탑의 탑정온도 사이에 있다.
비교하자면, 본 발명의 열통합 정류시스템에 있어서 상기 온도는 냉각제 스트림의 복귀온도와 정류탑 공급온도의 사이에 있다.
이런 유동계획 하에서 본 발명의 시스템에 따라서 운전하면 따뜻한 냉각제를 최대로 활용할 수 있으므로 종래의 공지 정류시스템에서 요구되는 차가운 냉각제에 대한 요구조건을 완화시킨다. 이런 이점에 의해 냉동전력이 상당히 절약된다.
또한, 여기서 설명하는 열통합 정류시스템은 공지의 디플레메이터 시스템보다 개량된 것이다. 이들 장치 및 공정은 모두 유사한 분류요구조건을 달성시키고 만족시킬 수 있다. 그러나, 여기서 설명하고 청구하는 열통합 정류시스템은 공정 냉각제 스트림 내의 가용 가온효율을 더욱 활용할 수 있게 하기 때문에 에너지효율이 높다.
또한 본 발명의 열통합 정류시스템은 디플레메이터의 그것보다 컴팩트하게 설계되었다는 것이 유리하다. 디플레메이터의 작동원리는 공정가스가 저속이어야 하는 응축액 필름 런백 분류(runback fractionation)에 기초한다. 따라서, 디플레메이터의 사이즈는 본 발명의 공정의 열통합 정류시스템의 사이즈보다 커야 한다. 예를 들어, 본 발명의 열통합 정류시스템을 사용하는 700KTA의 에틸렌 플랜트에서는 운전에 필요한 대략적인 플롯 사이즈(plot size)는 코어 열교환기를 지지하기 위해 10피트 × 20피트이며 또한 파이프 선반영역 5피트가 추가된다. 만일 동일한 플랜트의 운전에 맥큐(McCue) 등의 미합중국특허 제 4,900,317 호에 설명된 것 같은 디플레메이터 시스템을 사용하였다면 필요한 플롯 사이즈는 상당히 커질 것이다. 본 발명의 장치의 컴팩트한 설계 이외의 이점으로는 디플레메이터 시스템과 비교하여 냉각박스 및 정류탑의 표면적이 감소되기 때문에 이동 및 선적, 운송, 조립이 쉽고, 열누설의 경향이 줄어드는 것이 포함된다.
요약하자면, 본 발명의 시스템은 에틸렌이나 천연가스 분리플랜트에서 경질 탄화수소의 분류를 위해 현재 알려져 있고 사용되고 있는 시스템들과 비교하여 우수한 분류결과를 얻고, 에너지 효율이 좋고 자본비용이 줄어드는 개량된 방법을 제공한다.

Claims (13)

  1. 일련의 분류트레이를 갖는 정류탑과; 상기 정류탑의 상부에 마련된 환류 드럼과; 상기 정류탑 및 환류 드럼에 연결된 상부의 다중 냉각제 코어 열교환기와, 메인 공급라인 및 상기 메인 공급라인을 상기 정류탑의 하부로 안내되는 제 1 공급라인과 상기 코어 열교환기를 통하여 상기 제 1 공급라인 위의 위치에서 상기 정류탑으로 안내되는 제 2 공급라인으로 분할하는 공급분할수단으로 이루어지는 공급시스템을 조합하여 구성되는 것을 특징으로 개량된 열통합 정류시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정류탑은 적어도 3개의 분류트레이를 갖는 것을 특징으로 개량된 열통합 정류시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 환류 드럼은 상기 정류탑의 최상부에 위치하는 것을 특징으로 개량된 열통합 정류시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 냉각제 코어 열교환기는 상기 정류탑으로의 공급원료를 냉각하고 탑정 증기를 냉각하도록 된 것을 특징으로 개량된 열통합 정류시스템.
  5. 저분자량의 탄화수소 공급원료 혼합물을 분류, 분리 및 회수하도록 된 개량된 열통합 정류처리시스템에 있어서, 탄화수소 공급 스트림을 초기에 두 개의 부분으로 분할하는 단계를 포함하고, 상기 공급 스트림의 소량부는 정류탑의 하부로 보내지고 상기 공급 스트림의 대량부는 공급원료로서 상기 정류탑으로 도입되기 전에 코어 열교환기 내에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 개량된 열통합 정류처리시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 공급 스트림의 소량부는 상기 정류탑의 바닥으로 도입되어 시스템의 스트리핑 증기로서 작용하는 것을 특징으로 하는 개량된 열통합 정류처리시스템.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 정류탑의 상부로부터의 증기 스트림은 환류 시스템으로 복귀하기 전에 모두 상기 코어 열교환기 내에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 개량된 열통합 정류처리시스템.
  8. (a) 메인 공급라인을 제 1 공급라인과 제 2 공급라인으로 분할하는 단계와,
    (b) 상기 제 1 공급라인을 스트리핑 증기로서 정류탑의 하부로 안내하는 단계와,
    (c) 상기 제 2 공급라인을 상부의 코어 열교환기 내에서 냉각시키는 단계와,
    (d) 상기 냉각된 제 2 공급라인을 정류를 위해 상기 제 1 공급라인 위의 상기 정류탑 부위에 공급하는 단계와,
    (e) 상기 정류탑으로부터 탑정 증기를 제거하고, 상기 탑정 증기를 상기 코어 열교환기 내에서 냉각시켜 부분적으로 응축시키고, 상기 부분적으로 응축된 액체를 상기 나머지 증기로부터 분리하는 단계와,
    (f) 상기 부분적으로 응축된 액체를 환류로서 상기 정류탑으로 복귀시키는 단계와,
    (g) 상기 나머지 증기를 분리된 경질 기체상태 성분으로서 회수하는 단계와,
    (h) 중질 성분을 포함하는 액체를 상기 정류탑의 바닥으로부터 회수하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 중질 기체상태 성분으로부터 경질 기체상태 성분을 분리하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 경질 기체상태 성분은 수소 및 메탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 중질 기체상태 성분으로부터 경질 기체상태 성분을 분리하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 공급라인은 상기 제 2 공급라인보다 소량의 기체상태 공급원료를 포함하는 것을 특징으로 하는 중질 기체상태 성분으로부터 경질 기체상태 성분을 분리하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 공급라인은 상기 제 1 트레이 아래의 상기 정류탑 부위로 안내되는 것을 특징으로 하는 중질 기체상태 성분으로부터 경질 기체 상태 성분을 분리하는 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 코어 열교환기는 상기 냉각스트림의 입구 부근의 한냉부와 상기 냉각스트림의 나머지 부근의 온난부를 가지며, 상기 제 2 공급라인은 상기 상부의 코어 열교환기의 상기 온난부 내에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 중질 기체상태 성분으로부터 경질 기체상태 성분을 분리하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 탑정 증기는 상기 상부의 코어 열교환기의 상기 한냉부 내에서 냉각되어 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 중질 기체상태 성분으로부터 경질 기체상태 성분을 분리하는 방법.
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