KR100966123B1 - 납사 분해 공장 ｂｆｗ 시스템의 최적화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저압 스팀을 탈기기로 공급하여 스팀 중의 산소를 제거하는 단계 및 펌프를 사용하여 상기 탈기기의 하부 생성물을 이동시켜, 그 중 일부는 납사 분해 공장 화로로 직접 공급하고, 다른 일부는 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수 및 벤젠 회수 유닛 스팀 응축수가 순차로 합류된 유체와 열교환을 수행한 후에 납사 분해 공장 화로로 공급하는 단계를 포함하는 납사 분해 공장의 공정에 있어서, 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수가 합류된 유체를 납사 분해 공장 급냉수와 열교환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BFW 시스템 최적화 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 납사 분해 공장 BFW 시스템의 최적화를 통하여 사용되는 스팀의 양을 절감할 수 있고, 이에 따라 전체 공장의 에너지 효율을 개선할 수 있다.

납사 분해 공장, 화로, 냉각수, 응축수, 순수, 열교환기, 탈기기

Description

납사 분해 공장 ＢＦＷ 시스템의 최적화 방법 {Method for optimizing Naphtha Cracking Center BFW system}

본 발명은 납사 분해 공장 BFW 시스템의 최적화를 통하여, 사용되는 스팀의 양을 절감함으로써, 공장 전체의 에너지 효율을 개선하는 방법에 관한 것이다.

납사 분해 공장(Naphtha Cracking Center, 이하 「NCC」라 칭함)은 원유의 상압 증류 장치에서 얻은 가솔린 유분인 나프타 (naphtha)를 고온에서 열 분해하여 석유 화학 제품의 기초 원료인 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 및 BTX(Benzene·Toluene·Xylene) 등을 생산하는 시설이다. NCC에서 수행되는 공정은 크게 분해 공정, 급냉 공정, 압축 공정, 냉동 공정 및 분리 정제 공정으로 구분되며, 상기 각각의 공정을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

분해 공정은 열을 가하여 나프타를 탄소수가 적은 탄화수소로 분해하는 과정이다. 상기 공정에서는 액상 원료인 나프타와 순환 에탄을 희석 증기와 혼합한 후, 고온의 분해로 내에서 분해한다. 또한 상기 분해로의 출구 물질은 열교환기를 거치면서 약 400℃로 급냉되며 고압 스팀을 생산한 후, 냉각유에 의해 급냉되어 가솔린 정류탑(급냉 공정)으로 보내진다. 급냉 공정은 분해된 탄화수소끼리의 반응을 억제하기 위해 온도를 낮추는 공정이다. 이 공정에서는 가솔린 정류탑의 하부에서 타르를 포함한 열분해 연료유(PFO)가 생성되며, 상부의 가스는 급냉탑으로 보내져 분해 가솔린(RPG) 및 경질 유분으로 분리된다.

또한, 경제적 분리를 위해 분해 가스를 압축하여 부피를 감소시키는 압축 공정에서는, 분해 가스 압축기에 의해 급냉탑에서 배출된 경질 유분이 약 36 기압까지 압축된다. 한편, 냉동 공정에서는 건조기에서 수분이 제거된 압축기의 배출 가스가 저온 회수 공정에 도입되게 된다. 즉, 상기 수분 제거 가스는 프로필렌 냉매 및 에틸렌 냉매에 의해 단계적으로 냉각되어 응축물이 분리되며, 상기 응축물은 메탄 분리탑으로 보내져 메탄 및 경질 유분으로 분리된다. 이와 같은 저온 회수 공정 중 분리된 수소 가스의 일부는 고순도로 정제되어 아세틸렌 및 프로파디엔 전환 반응기의 수소 첨가용으로 사용되고, 나머지는 DPG 및 수첨 유닛 등의 원료로 사용되게 된다. 상기에서 메탄 분리탑의 상부 생성물인 메탄 가스는 가열된 후에 연료 가스로 사용되고, 일부는 액체 상태로 인출되어 저온 냉매로서 메탄 분리탑을 순환하게 된다. 또한, 상기 분리탑의 하부 생성물은 압축기 출구 가스와 열교환을 수행하여 가열된 후에 에탄 분리탑으로 보내진다.

NCC에서는 원료인 나프타가 전술한 각각의 공정을 거친 후에, 탄소수 2, 3 및 4의 탄화수소와 BTX로 분리 및 정제된다(분리 정제 공정). 상기 분리 정제 공정에는 에틸렌 정제 공정 및 프로필렌 정제 공정 등이 포함되며, 또한 이와 같은 과정에서 생성된 부산물인 분해 가솔린(RPG)은 벤젠 회수 유닛(Benzene Recovery Unit, 이하 「BRU」라 한다.)으로 보내져 고순도의 벤젠으로 정제된다.

이상과 같은 공정을 수행하는 NCC는 다수의 분리탑, 화로 (furnace) 및 탈기기(deaerator) 등의 장치로 구성되고, 또한 공정 수행을 위해 다량의 스팀을 사용한다. 이에 따라 NCC에서 사용되는 스팀의 양을 절감하여, 전체 공장의 에너지 효율을 개선할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

본 발명은 NCC BFW 시스템의 최적화를 통하여, 사용되는 스팀의 양을 절감함으로써, 공장 전체의 에너지 효율을 개선할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 저압 스팀을 탈기기로 공급하여 스팀 중의 산소를 제거하는 단계 및 펌프를 사용하여 상기 탈기기의 하부 생성물을 이동시켜, 그 중 일부를 납사 분해 공장 화로로 직접 공급하고, 다른 일부를 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수 및 벤젠 회수 유닛 스팀 응축수가 순차로 합류된 유체와 열교환시킨 후에 상기 화로로 공급하는 단계를 포함하는 납사 분해 공장의 공정에 있어서,

상기 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수가 합류된 유체 및 납사 분해 공장에서 배출된 급냉수를 열교환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BFW 시스템 최적화 방법을 제공한다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 상기 방법에서 열교환이 수행되는 유체의 온도가 65℃ 이하일 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 상기 방법에서 급냉수와의 열교환이 수행된 후 벤젠 회수 유닛 스팀 응축수가 합류된 유체의 온도가 70℃ 내지 85℃일 수 있 다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 방법에서 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수 및 벤젠 회수 유닛 스팀 응축수가 순차로 합류되어 탈기기 하부 생성물 중의 일부와의 열교환을 수행한 유체 및 탈기기 하부 생성물을 열교환시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수 및 벤젠 회수 유닛 스팀 응축수가 순차로 합류되어 탈기기 하부 생성물 중의 일부와의 열교환을 수행한 유체와 열교환을 수행하는 탈기기 하부 생성물은 탈기기 및 펌프 사이의 유체 흐름일 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수 및 벤젠 회수 유닛 스팀 응축수가 순차로 합류되어 탈기기 하부 생성물 중의 일부와의 열교환을 수행한 유체 및 탈기기 하부 생성물의 열교환을 펌프의 전단부에 설치된 열교환기에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 방법에서 탈기기 하부 생성물과 열교환이 수행되는 유체의 온도가 70℃ 내지 85℃일 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 방법에서 탈기기 하부 생성물과 열교환을 수행한 후의 유체의 온도가 100℃ 내지 110℃일 수 있다.

본 발명에서는 NCC의 BFW 시스템의 최적화를 통하여 사용되는 스팀, 특히 저 압 스팀의 양을 절감할 수 있고, 이에 따라 전체 납사 분해 공장의 에너지 효율을 현저히 개선할 수 있다.

본 발명은, 저압 스팀을 탈기기(deaerator)로 공급하여 스팀 중의 산소를 제거하는 단계 및 펌프를 사용하여 상기 탈기기의 하부 생성물을 이동시켜, 그 중 일부를 NCC 화로(furnace)로 직접 공급하고, 다른 일부를 순수(DW: Demi Water)에 NCC 스팀 응축수(SC: Steam Condensate) 및 BRU 스팀 응축수가 순차로 합류된 유체와 열교환시킨 후에 상기 화로로 공급하는 단계를 포함하는 납사 분해 공장의 공정에 있어서,

상기 순수에 NCC 스팀 응축수가 합류된 유체 및 NCC에서 배출된 급냉수(QW: Quenching Water)를 열교환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BFW 시스템 최적화 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 NCC의 BFW(Boiler Feeding Water) 시스템의 최적화를 통하여 사용되는 스팀, 특히 저압 스팁(LS: Low-pressure steam)의 양을 절감함으로써, 전체 공장의 에너지 효율을 현저히 개선할 수 있게 되는 이점이 있다.

이하, 본 발명의 BFW 시스템 최적화 방법을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 NCC BFW 시스템의 열교환 루프의 최적화를 통하여, 사용되는 스팀의 양을 절감한 것을 특징으로 하며, 발명의 명확한 이해를 돕기 위하여 첨부된 도 면을 참조로 기존 BFW 시스템을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도 1은 기존 BFW 시스템의 운전 상태를 나타내는 모식도이다. 도 1에 나타난 바와 같이 BFW 시스템에서는 저압 스팀(LS: Low-pressure Steam)이 탈기기(deaerator)(1)로 도입된다. 이어서 탈기 공정에 의해 산소(O₂)가 제거된 상기 탈기기(1)의 하부 생성물(스팀)은 펌프(2)에 의해 이동하여, 그 일부는 NCC의 화로(3)로 직접 도입된다. 또한, 상기 탈기기(1) 하부 생성물의 다른 일부는 열교환기(E1)에서 유체와의 열교환을 수행한 후에 NCC의 화로(3)로 도입된다. 이 때, 상기 열교환기(E1)에서 열교환이 수행되는 유체는 순수(DW), NCC 스팀 응축수(NCC SC) 및 BRU 스팀 응축수(BRU SC)를 포함한다. 상기에서 사용된 용어 「NCC 스팀 응축수(NCC SC)」 및 「BRU 스팀 응축수(BRU SC)」는 각각 NCC 및 BRU에서 배출되는 스팀 응축수(SC, Steam Condensate)를 의미한다. 즉, 상기 순수(DW)에는, 열교환기(E1)로 도입되는 과정에서, NCC 스팀 응축수(NCC SC) 및 BRU 스팀 응축수(BRU SC)가 순차로 합류되게 되고, 이에 의해 순수, NCC 스팀 응축수 및 BRU 스팀 응축수를 포함하게 되는 유체는 열교환기(E1)에서 탈기기(1) 하부 생성물의 일부와 열교환을 수행한 후에 탈기기(1)로 도입된다.

본 발명에서는 상기와 같은 기존 BFW 시스템에서, 순수에 NCC의 스팀 응축수가 합류된 유체 및 NCC에서 배출된 급냉수(QW: Quenching Water)의 열교환을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 유체가 고온의 NCC 급냉수 와 열교환 단계를 거침으로써, 열교환기(E1)에 도달한 유체의 탈기기(1) 하부 생성물과의 열교환 효율을 개선할 수 있다. 이와 같은 열교환을 수행하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 도 2에 나타난 바와 같이, 순수 및 NCC 스팀 응축수를 포함하는 유체가 흐르는 배관 상에 열교환기(E2)를 설치하고, 상기 열교환기(E2)로 NCC 급냉수가 공급되도록 루프를 구성함으로써 수행할 수 있다.

상기에서 열교환이 수행되는 유체는 NCC 스팀 응축수가 합류된 순수, 즉 순수와 NCC 스팀 응축수의 합류점(B2) 및 순수와 BRU 스팀 응축수의 합류점(B1) 사이의 유체 흐름인 것이 바람직하다. 이 때 상기 합류점(B2)을 통과한 유체 흐름(즉, 열교환기(E2)에서 열교환이 수행되기 전의 유체 흐름)의 온도는 65℃ 이하인 것이 바람직하다. 상기 온도가 65℃를 초과하면, 열교환기에서 열교환되는 열량이 적어질 우려가 있다. 또한, 상기 유체 흐름의 온도의 하한은 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면 30℃이다.

또한, 본 발명의 방법에서 상기 열교환기(E2)에서 NCC의 급냉수와의 열교환이 수행된 후, BRU 스팀 응축수가 합류된 유체 흐름(즉, 열교환기(E1)에서 탈기기(1) 하부 생성물의 일부와 열교환을 수행할 유체 흐름)의 온도는 70℃ 내지 85℃인 것이 바람직하다. 상기 온도가 70℃ 미만이면, NCC 화로에서 배출되는 연도가스에 포함된 황화 물질이 응축되어 화로가 손상될 우려가 있고, 85℃를 초과하면 열교환되는 열량이 적어질 우려가 있다..

본 발명의 방법에서는 또한 순수(DW)에 NCC 스팀 응축수 및 BRU 스팀 응축수가 순차로 합류되어 탈기기(1) 하부 생성물 중의 일부와의 열교환을 수행한 유체 및 탈기기(1) 하부 생성물의 열교환을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 상기에서 열교환되는 유체는 상기 탈기기(1) 하부 생성물의 일부와의 열교환이 수행되는 열교환기(E1) 및 탈기기(1) 사이의 유체 흐름이며, 상기 유체 흐름은 탈기기(1)에서 배출되는 하부 생성물 전체와 열교환이 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 순수(DW)에 NCC 스팀 응축수 및 BRU 스팀 응축수가 순차로 합류되어 탈기기(1) 하부 생성물 중의 일부와의 열교환을 수행한 유체와 열교환되는 탈기기(1) 하부 생성물은 탈기기(1) 및 상기 탈기기 하부 생성물을 이동시키는 펌프(2) 사이의 유체 흐름인 것이 바람직하다. 상기와 같은 열교환을 수행하는 방법 역시 특별히 한정되지 않으며, 열교환될 유체 및 탈기기(1) 하부 생성물의 흐름이 서로 교차될 수 있도록 배관을 설치하고, 상기 교차점에 열교환기(E3)를 설치함으로써 수행할 수 있다. 특별히 한정되는 것은 아니나, 상기에서 열교환기(E3)는 상기 탈기기(1) 하부 생성물을 이동시키는 펌프(2)의 전단부에 설치되고, 이에 따라 펌프의 전단부에 설치된 열교환기(E3)에서 전술한 열교환이 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 같이 열교환이 수행되는 열교환기(E3)를 펌프(2)의 전단부에 설치함으로써, 펌프 전단의 낮은 압력을 설치 비용을 낮출 수 있고, 또한 판형 가스켓 열교환기 등과 같이 열교환 효율이 우수한 열교환기를 설치할 수 있어, 최대 효율의 열교환이 가능하게 되는 이점이 있다.

상기 단계에서 열교환이 수행되는 유체(즉, 열교환기(E1)에서의 열교환을 수 행한 후의 유체)의 온도는 70℃ 내지 85℃인 것이 바람직하다. 상기 온도가 70℃보다 작으면 NCC 화로에서 배출되는 연도가스에 포함된 황화 물질이 응축되어 화로가 손상될 우려가 있고, 85℃를 초과하면, 열교환되는 열량이 작아질 우려가 있다.

또한, 상기 단계를 통해 열교환이 수행된 후 탈기기(1)로 도입되는 유체 흐름의 온도가 100℃ 내지 110℃인 것이 바람직하다. 상기 온도가 100℃보다 작으면 탈기기에서 사용되는 스팀의 절감량이 축소될 우려가 있고, 110℃를 초과하면 압력 증가로 탈기기에서 대기로 누출되는 스팀의 양이 증가할 우려가 있다.

이상 설명한 본 발명의 방법에서 사용되는 열교환기의 종류 및 루프 구성 방법은 특별히 한정되지 않으며, 이 분야의 평균적 기술자는 전체 공장의 구동 조건 등을 고려하여, 전술한 목적에 따른 열교환 루프를 용이하게 구현할 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 전술한 NCC BFW 시스템의 열교환 루프의 최적화를 통하여 사용되는 스팀의 양을 절감하여, 전체 납사 분해 공장의 에너지 효율을 현저히 개선할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 기존 NCC의 BFW 시스템의 운전 상태를 나타내는 개략적인 모식도이다.

도 2는 본 발명의 일 태양에 따라 구성된 열교환 루프의 상태를 나타내는 모식도이다.

Claims (9)

1. 저압 스팀을 탈기기로 공급하여 스팀 중의 산소를 제거하는 단계 및 펌프를 사용하여 상기 탈기기의 하부 생성물을 이동시켜, 그 중 일부를 납사 분해 공장 화로로 직접 공급하고, 다른 일부를 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수 및 벤젠 회수 유닛 스팀 응축수가 순차로 합류된 유체와 열교환시킨 후에 상기 화로로 공급하는 단계를 포함하는 납사 분해 공장의 공정에서 BFW 시스템을 최적화하는 방법으로서,

   상기 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수가 합류된 유체 및 납사 분해 공장에서 배출된 급냉수를 열교환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BFW 시스템 최적화 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   열교환이 수행되는, 순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수가 합류된 유체의 온도가 65℃ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   급냉수와의 열교환이 수행된 후 벤젠 회수 유닛 스팀 응축수가 합류된 유체의 온도가 70℃ 내지 85℃인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   순수에 납사 분해 공장 스팀 응축수 및 벤젠 회수 유닛 스팀 응축수가 순차 로 합류되어 탈기기 하부 생성물 중의 일부와의 열교환을 수행한 유체 및 탈기기 하부 생성물을 열교환시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   열교환되는 탈기기 하부 생성물은 탈기기 및 펌프 사이의 유체 흐름인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   유체 및 탈기기 하부 생성물의 열교환은 펌프의 전단부에 설치된 열교환기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   열교환기가 판형 가스켓 열교환기인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 4 항에 있어서,

   탈기기 하부 생성물과 열교환이 수행되는 유체의 온도가 70℃ 내지 85℃ 인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 4 항에 있어서,

   탈기기 하부 생성물과 열교환을 수행한 후의 유체의 온도가 100℃ 내지 110 ℃인 것을 특징으로 하는 방법.

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