KR101236664B1

KR101236664B1 - 에너지 절감형 증류탑 어셈블리

Info

Publication number: KR101236664B1
Application number: KR1020090066008A
Authority: KR
Inventors: 이성규; 이종구; 신준호
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2013-02-22
Also published as: BR112012001362A2; JP2012533424A; KR20110008589A; EP2457630A2; EP2457630B1; US20120267233A1; US8771479B2; CN102596347A; BR112012001362B1; EP2457630A4; WO2011010846A2; WO2011010846A3

Abstract

본 발명은 증류공정에 사용되는 2기의 증류탑을 조합한 증류탑 어셈블리에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 1 개 유입점, 3 개 유출점, 및 내부에 분리벽을 구비하는 분리벽형 증류탑; 및 2 개의 유입점과 2 개의 유출점을 갖는 일반형 증류탑이 순차적으로 연결되고, 상기 분리벽형 증류탑의 2 개의 유출점 흐름은 상기 일반형 증류탑의 2 개의 유입점에 도입되는 것을 특징으로 하는 증류탑 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명은, 기존의 2기 증류탑 공정장치를 개량함으로써 손쉽고 설치될 수 있고, 에너지 절감효과도 클 뿐만 아니라, 분리 압력 차이와 유틸리티 온도 차이가 큰 경우에도 적용할 수 있다는 효과가 있다.

분리벽, 분할벽, 증류탑, 컬럼, 유입, 유출, 저비점, 중비점, 고비점, 에너지 절감, 3 성분

Description

에너지 절감형 증류탑 어셈블리{DISTILLATION-COLUMN ASSEMBLY FOR SAVING ENERGY}

본 발명은 증류공정에 사용되는 2기의 증류탑을 조합한 증류탑 어셈블리에 관한 것이다.

원유(Crude Oil)등과 같은 각종 원료물질은 통상적으로 수많은 화합물질의 혼합물인 경우가 많아 그 자체로 산업에 이용되는 것은 드물고 각각의 화합물로 분리된 후 사용되는 것이 보통이다. 혼합물을 분리하는 화학공정 중 대표적인 것이 증류공정이다.

통상적으로 증류공정은 고비점 성분과 저비점 성분을 양분하므로, 분리하고자 하는 혼합물의 성분 개수(n)보다 하나 적은 개수(n-1)의 증류탑을 사용하게 된다. 즉, 종래의 증류산업 현장에서 3성분 혼합물의 분리를 위해서는 최소 2개의 증류탑을 사용해야 하며, 실제적인 공정 역시 대부분 연속 2기의 증류탑 구조를 사용하고 있다.

3성분 혼합물의 분리를 위한 종래의 증류공정은 도 1에 도시한 것과 같다.

종래의 공정은 제1탑(11)에서 가장 저비점 성분(D)을 분리하고, 제2탑(21)에서 중비점 성분(S)과 고비점 성분(B)을 분리하는 2 탑 방식이다. 이러한 방식은 첫번째 컬럼 하부 영역에서 중비점(S) 물질의 재혼합 현상이 발생하는 것이 일반적이다.

이러한 3성분 혼합물을 연속적인 2기의 탑으로 분리하는 공정에 대한 종래의 발명에 관한 것으로서, 한국 특허청에 출원공개된 KR 10-2003-0088211 (출원공개일: 2003.11.19)을 예시할 수 있다. 상기 특허공개 문헌은 2개의 증류탑을 운전해서 노말 부탄올을 정제하는 방법에 대해 개시하고 있는 바, 종래의 기술은 이를 참조할 수 있을 것이고, 상기 KR 10-2003-0088211 문헌 상의 내용 일체는 본 발명 명세서의 종래의 기술에 대한 참조로서 전부 인용한다.

상기한 종래의 공정은 제품 생산물의 조성은 쉽게 제어할 수 있는 반면, 첫 번째 증류탑 내에서 중비점 물질의 재혼합 과정이 일어나게 된다. 이는 증류탑에서의 열역학적 효율을 떨어뜨리는 주요 요인이 되어 에너지를 불필요하게 추가로 소비하는 결과를 가져온다.

이러한 종래의 증류탑이 가지는 제한점을 개선하기 위하여 분리벽형 증류탑(DWC: Dividing Wall Column)이 제안되었다. 분리벽형 증류탑은 구조적인 관점에서 탑 내에 분리벽을 설치함으로써 예비분리기와 주분리기를 주탑 내부에 통합시킨 형태이다. 이러한 구조의 분리벽형 증류탑은 2기의 증류탑이 하나로 통합되어 투자 비용도 대폭 절감될 수 있다는 큰 장점을 가지게 된다. 즉, 두 개의 증류탑을 분리벽을 이용하여 하나의 증류탑 안으로 통합한 구조이므로, 일반형 증류탑 2 개를 사용하였을 때 발생하게 되는 중비점 성분의 재혼합에 의한 에너지 효율성 저하 문제를 근본적으로 제거해 준다. 일반적으로, 분리벽형 증류탑은 일반형 증류탑 대비 약 30% 정도의 에너지 절감효과(최고 60%)와 20~30% 정도의 투자비용 절감효과가 있는 것으로 알려져 있다. 소요공간이 작고 수율/순도의 향상 효과가 커서 신규 증류탑뿐만 아니라 기존 증류탑에 대한 리뱀프(revamp)에도 많이 시도되고 있다. 분리 압력 차이와 유틸리티 온도 차이가 그리 크지 않다면 어떠한 삼성분계 이상의 분리에도 적용이 가능하기 때문에 기술의 적용범위가 매우 넓다.

특히, (1) 중비점 성분이 상대적으로 많은 경우, (2) 중비점 성분의 고순도 분리가 요구되는 경우, (3) 생산물 규격과 상대 휘발도 분포가 고른 경우에 뛰어난 성능 향상을 보인다. 예비 증류부와 주 증류부를 분리하는 분리벽 구간의 내부구조 설계, 분리벽 구간에서의 전열특성 및 HETP의 예측, 분리특성 예측을 위한 전산모사 기술, 운전 및 제어성능의 확보 등이 중요한 기술적 이슈이다.

증류공정은 한국 산업 부문 에너지 총소비의 19%와 국가 에너지 총 소비의 11%의 에너지를 소요하고 있고, 이는 에너지 사용량 1,670만TOE과 CO₂ 배출량 1,460만TC(중유기준)에 해당하는 막대한 양이다. 한국의 국가 에너지 총 소비량(2003년 기준: 16.4×10⁷TOE)의 24%를 석유화학산업에서 소요하고, 석유화학산업 에너지 총 소비량의 50%가 분리공정에 의한 것이며, 분리공정 에너지 총 소비량의 약 85%가 증류공정에 의한 것이다.

미국의 경우에도 국가 에너지 총 소비량의 5.4%를, 영국의 경우 산업에너지 총 소요량의 13%를 소요하고 있을 정도로 증류공정은 대표적 에너지 다소비 공정이다.

이러한 석유화학산업에서의 에너지 비용은 매출액 대비 약 7%로서 해당 산업 평균 수익률인 2~4%를 크게 상회하여 에너지 비용이 기업경영에 상당한 부담을 주고 있는 실정이다. 또한, 최근 전세계적으로 기후변화 협약이 체결되고, 각 나라별 탄소배출권 등이 문제되면서, 에너지 비용절감 문제는 CO₂ 발생 저감 문제와 직결되는 것이 되었다.

이러한 상황 하에서, 증류공정에서 에너지 저감 기술 개발의 필요성은 매우 높다할 것이지만, 절실한 에너지 절감 필요성에도 불구하고 높은 설비투자 비용으로 인해 신규공정의 대체가 타 분야에 비하여 매우 어려운 실정이다. 즉, 증류공정은 장치산업으로서, 그 설비비용이 매우 고가이므로 에너지 절감형 신규장치가 개발되었을 경우라도 이를 대체할 경제적 타당성을 이끌어내기 어렵다. 이러한 점에서 종래의 경우, 기 설치된 장치의 운전방법을 최적화하는 것이 고작이었다.

따라서, 종래의 장치를 손쉽고, 경제적으로 대체할 수 있는 에너지 절감형 증류장치의 개발이 절실하다 할 것이다.

상술하였듯이, 분리벽형 증류탑은 종래의 일반형 증류탑에 비해 에너지 절감효과 및 설비투자 절감효과 측면에서 비교 우위적 장점을 가지고 있는 바, 종래의 일반형 증류탑을 분리벽형 증류탑으로 대체함으로써, 소기의 에너지 절감효과를 얻을 수 있을 것이다.

그러나, 모든 화학물질에 관한 분리공정을 분리벽형 증류탑을 단순치환한다고 해서, 에너지가 절감되지는 않는다. 특히, 분리 압력 차이와 유틸리티 온도 차이가 큰 경우, 분리벽형 증류탑의 에너지 절감 효과는 극히 미미하거나, 오히려 역효과가 일어날 수 있다.

정리하건대, 기존의 증류장치를 대체할 수 있는 에너지 절감형 증류장치는 다음과 같은 요구를 충족시켜야 한다. ① 에너지 절감효과가 클 것, ② 기존의 공정을 큰 변화없이 경제적으로 대체할 수 있을 것, ③ 분리 압력 차이와 유틸리티 온도 차이가 큰 경우에도 적용할 수 있을 것 등이다.

이에, 본 출원인은, 분리벽형 증류탑과 일반형 증류탑의 배치순서, 및 흐름 등을 적절히 조합하여 새로운 증류탑 어셈블리를 제안하고자 한다. 상기 증류탑 어셈블리는 기존의 2기 증류탑 공정장치를 개량함으로써 손쉽고 설치될 수 있고, 에너지 절감효과도 클 뿐만 아니라, 분리 압력 차이와 유틸리티 온도 차이가 큰 경우에도 적용할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점 및 이에 대한 요구를 해결하기 위해 안출된 것으로서,

1 개 유입점, 3 개 유출점, 및 내부에 분리벽을 구비하는 분리벽형 증류탑; 및 2 개의 유입점과 2 개의 유출점을 갖는 일반형 증류탑이 순차적으로 연결되고,

상기 분리벽형 증류탑의 2 개의 유출점 흐름은 상기 일반형 증류탑의 2 개의 유입점에 도입되는 것을 특징으로 하는 증류탑 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명의 증류탑 어셈블리에 있어서, 상기 분리벽형 증류탑에서 상기 일반형 증류탑으로 도입되는 2 개의 흐름은, 각각 중비점 흐름 및 고비점 흐름인 것을 특징으로 하는 증류탑 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명의 증류탑 어셈블리에 있어서, 상기 분리벽형 증류탑에서 상기 일반형 증류탑으로 도입되는 2 개의 흐름은, 각각 중비점 흐름 및 저비점 흐름인 것을 특징으로 하는 증류탑 어셈블리를 제공한다.

또한, 상기 증류탑 어셈블리에, 3 성분 이상의 혼합물을 제공하여 3 종의 유분(留分)을 분별증류하는 방법을 제공한다.

본 발명은, 기존의 2기 증류탑 공정장치를 개량함으로써 손쉽고 설치될 수 있고, 에너지 절감효과도 클 뿐만 아니라, 분리 압력 차이와 유틸리티 온도 차이가 큰 경우에도 적용할 수 있다는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은,

상기 분리벽형 증류탑의 2 개의 유출점 흐름은 상기 일반형 증류탑의 2 개의 유입점에 도입되는 것을 특징으로 하는 증류탑 어셈블리에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 분리벽형 증류탑은 1 개의 유입점, 및 3 개의 유출점을 갖는다.

도 2에 본 발명 하나의 구성인 분리벽형 증류탑의 구조를 도시하였다.

상기 분리벽형 증류탑은 아래와 같이 크게 6 부분의 구역으로 구획될 수 있다.

탑정구역(100)은 분리벽이 없는 주탑의 상부 영역을 말한다.

상부 공급구역(200)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유입물(원료) 흐름보다 상부에 위치하는 서브영역이다.

상부 유출구역(300)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유출물 흐름보다 상부에 위치하는 서브영역이다.

하부 공급구역(400)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유입물 흐름보다 하부에 위치하는 서브영역이다.

하부 유출구역(500)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유출물 흐름보다 하부에 위치하는 서브영역이다.

탑저구역(600)은 분리벽이 없는 주탑의 하부 영역을 말한다.

3 성분 이상의 혼합물 원료(F)가 상기 상부 공급구역 및 상기 하부 공급구역이 접하는 중간단(NR1)으로 유입되고, 저비점 성분(D)은 상기 탑정구역에서 유출되고, 고비점 성분(B)은 상기 탑저구역에서 유출되고, 중비점 성분(S)은 상기 상부 유출구역 및 상기 하부 유출구역이 접하는 중간단(NR2)으로 유출된다.

이렇게 각각 상기와 같이, 1 개의 혼합물 원료 유입점 흐름과 저비점 성분 흐름, 중비점 성분 흐름, 고비점 성분 흐름의 3 개의 유출점 흐름이 존재하게 된다.

상기 분리벽형 증류탑은 종래의 것을 제한없이 사용할 수 있고, 종래의 분리벽형 증류탑은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, ‘당업자’라 약칭한다)에 자명하므로 설명을 생략한다. 필요하다면, 본 출원인의 의해 한국 특허청에 출원된 KR 10-2008-0129049(출원일: 2008.12.18.)참조할 수 있을 것이고, 상기 KR 10-2008-0129049 문헌 상의 내용 일체는 본 발명 명세서 상의 참조로서 전부 인용한다.

본 발명에 있어서, 상기 일반형 증류탑은 2 개의 유입점, 및 2 개의 유출점을 갖는다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래에 널리 사용되는 일반적인 증류탑은 1 개의 유입점과 2 개의 유출점을 갖지만, 본 발명의 일반형 증류탑은 2 개의 유입점을 갖도록 개량된 것이다. 이는 종래의 일반적인 증류탑과 다른 점이고, 이러한 점에서 ‘일반형 증류탑’이라는 용어는 종래의 증류탑과 같다는 의미가 아니라, 분리벽형 증류탑과 다른 종류의 증류탑임을 나타내기 위한 것임을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 분리벽형 증류탑과 상기 일반형 증류탑은 순차적으로 연결되고, 상기 분리벽형 증류탑의 3 개의 유출점 흐름 중 임의로 선택되어지는 2 개의 유출점 흐름은 상기 일반형 증류탑의 2 개의 유입점에 도입된다.

3 개의 유출점 흐름 중 임의로 2 개가 선택되어지므로, 저비점 흐름과 중비점 흐름이 일반형 증류탑에 도입되는 경우(제 1 경우); 저비점 흐름과 고비점 흐름이 일반형 증류탑에 도입되는 경우(제 2 경우); 중비점 흐름과 고비점 흐름이 일반형 증류탑에 도입되는 경우(제 3 경우)와 같은 3 가지 경우의 수가 존재한다.

특히, 상기 일반형 증류탑으로 도입되는 2 개의 유출점 흐름은, 상대 휘발도 분포 등을 고려하여 당업자가 적절히 선택할 수 있다. 즉, 저비점 물질과 나머지 물질의 휘발도 차이가 매우 큰 경우에는, 저비점 흐름을 제외한 나머지 중비점 흐름, 및 고비점 흐름을 상기 일반형 증류탑에 도입하는 것이 바람직하고, 고비점 물질과 나머지 물질의 휘발도 차이가 매우 큰 경우에는, 고비점 흐름을 제외한 나머지 저비점 흐름, 및 중비점 흐름을 상기 일반형 증류탑에 도입하는 것이 바람직하다.

상기 분리벽형 증류탑에서부터 상기 일반형 증류탑으로 도입되는 2 개 흐름은 서로 혼합되지 않고 각각 일반형 증류탑에 개별적으로 도입된다. 상기 2 개의 유입점 흐름이 다시 혼합되면 이를 분리하는데 추가적인 에너지가 더 소모되기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 상기 분리벽형 증류탑에서부터 상기 일반형 증류탑으로 도입되는 2 개 흐름은 각 흐름의 혼합물 농도와 일반형 증류탑 내에서의 혼합물 농도를 당업자가 비교·판단하여 적절한 단 위치로 각각 도입시킬 수 있다. 다시말해, 정상상태(steady state)로 운전되는 증류탑은 각 단의 위치에 따라 일정한 혼합물 농도 분포를 갖게 되는데, 각 흐름의 도입 단 위치를 결정하는데 있어 이를 고려할 수 있다는 것이다. 열역학적으로는, 도입되는 흐름의 농도와 상기 흐름이 도입되는 단 위치에서의 농도가 유사한 것이 바람직할 것이다.

특히, 증류탑에 있어서, 단 위치에 따른 혼합물의 농도 분포는 피증류물이 도입되는 단의 위치에 따라서도 다시 영향을 받으므로, 이러한 단 위치를 결정하는데는 당업자가 시행착오법(trial and error)의 방법으로 위치를 결정할 수도 있다.

또한, 본 발명은,

상기한 증류탑 어셈블리에, 3 성분 이상의 혼합물을 제공하여 3 종의 유분(留分)을 분별증류하는 방법에 관한 것이다.

이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 것은 아니다.

실시예 1 및 비교예 1 - 다이렉트 시퀀스(Direct sequence)의 예

저비점 성분을 먼저 제 1 탑에서 분리하고, 나머지 중비점 성분, 및 고비점 성분을 제 2 탑에서 재분리하는 종래의 공정(비교예 1)을 본 발명의 증류탑 어셈블리(실시예 1)로 대체하여 증류탑 성능 실험을 하였다.

종래의 공정은 제 1 탑에 분리벽을 설치하고, 제 2 탑에 추가적인 도입관 1개를 더 추가하는 것만으로도 간단히 변경할 수 있었다.

도 3에 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 개념을 도시하였다.

공정은 크루드 2-EH(Crude 2-EthylHexanol)을 피증류물로 하고, 증류되어진 2-EH는 실시예 1 및 비교예 1 모두 99wt% 이상의 고순도 함량을 나타내었다. 결과는 도 5에 도시한 것과 같았다. 각 메스흐름양의 단위는 ton/hr 이다.

에너지소비량은 하기 표 1과 같았다.

에너지소비량 (MMKcal/hr)		에너지 절감량 (MMKcal/hr)	에너지 절감율 (%)
비교예 1	실시예 1
2.57	2.07	0.50	19.5

실시예 2 및 비교예 2 - 인다이렉트 시퀀스(Indirect sequence)의 예

고비점 성분을 먼저 제 1 탑에서 분리하고, 나머지 저비점 성분, 및 중비점 성분을 제 2 탑에서 재분리하는 종래의 공정(비교예 2)을 본 발명의 증류탑 어셈블리(실시예 2)로 대체하여 증류탑 성능 실험을 하였다.

도 4에 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2의 개념을 도시하였다.

공정은 크루드 2-EH(Crude 2-EthylHexanol)을 피증류물로 하고, 증류되어진 2-EH는 실시예 2 및 비교예 2 모두 99wt% 이상의 고순도 함량을 나타내었다. 결과는 도 6에 도시한 것과 같았다. 각 메스흐름양의 단위는 ton/hr 이다.

에너지소비량은 하기 표 2과 같았다.

에너지소비량 (MMKcal/hr)		에너지 절감량 (MMKcal/hr)	에너지 절감율 (%)
비교예 2	실시예 2
5.61	4.48	1.13	20.1

다이렉트 시퀀스형인지, 인다이렉트 시퀀스 형인지에 따라 다소 에너지 절감량의 차이는 있었으나, 상기 표 1, 및 표 2에서 알 수 있듯이, 종래의 공정을 본 발명의 증류탑 어셈블리로 대체함으로써 에너지 절감율이 향상됨을 알 수 있다.

도 1은 3 성분 혼합물의 분리를 위한 종래의 증류공정을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명 하나의 구성인 분리벽형 증류탑의 구조를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 개념을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2의 개념을 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 결과를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2의 결과를 도시한 것이다.

Claims

상기 분리벽형 증류탑의 2 개의 유출점 흐름은 서로 혼합되지 않고 각각 상기 일반형 증류탑의 2 개의 유입점에 개별적으로 도입되는 것을 특징으로 하는 증류탑 어셈블리.

제 1 항에 있어서, 상기 분리벽형 증류탑에서 상기 일반형 증류탑으로 도입되는 2 개의 흐름은, 각각 중비점 흐름 및 고비점 흐름인 것을 특징으로 하는 증류탑 어셈블리.

제 1 항에 있어서, 상기 분리벽형 증류탑에서 상기 일반형 증류탑으로 도입되는 2 개의 흐름은, 각각 중비점 흐름 및 저비점 흐름인 것을 특징으로 하는 증류탑 어셈블리.

제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 증류탑 어셈블리에, 3 성분 이상의 혼합물을 제공하여 3 종의 유분을 분별증류하는 방법.