KR101292923B1 - 나프타 공급 이중화에 의한 방향족 화합물의 분리공정에서의 에너지 절감방법 - Google Patents

나프타 공급 이중화에 의한 방향족 화합물의 분리공정에서의 에너지 절감방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원료인 나프타를 처리하여 파라-자일렌과 벤젠을 주요 최종제품으로 하는 방향족 화합물 분리 공정에서, 상기 나프타 원료공급물의 예열 최적화를 위하여 나프타 주입 라인을 이중화하여 제 1 및 제 2 주입 라인을 각각 별도의 스플리터의 폐열을 이용하여 예열시킨 후 합류시켜, 이를 이성질화 공정 공급물과 열교환시키므로써 나프타 원료공급물의 예열 최적화에 의하여 에너지를 절감하는 공정에 관한 것이다.

Description

나프타 공급 이중화에 의한 방향족 화합물의 분리공정에서의 에너지 절감방법{METHOD FOR SAVING ENERGY IN AROMATIC COMPOUNDS SEPARATION FROM NAPHTHA}
본 발명은 원료인 나프타(naphtha)를 처리하여 파라-자일렌(p-xylene: PX)과 벤젠(benzene: BZ)을 주요 최종제품으로 하는 방향족 화합물 분리 공정에서, 상기 나프타 원료공급물(feed)의 주입 라인을 이중화하여 제 1 및 제 2 주입 라인을 각각 별도로 예열시킨 후 합류시켜, 이를 이성질화 공정(ISOMAR) 공급물과 열교환시키므로써, 나프타 원료공급물의 예열 최적화에 의하여 중간압스팀(midddle pressure steam) 사용량 감소에 따른 에너지를 절감하는 공정에 관한 것이다.
석유화학 공업분야에 있어서, 증류탑의 상업적 이용은 잘 알려져 있으며, 통상적으로 사용되는 증류탑의 운전 원리 및 운전 사례는, 예로서 하기 문헌에 잘 설명되어 있다: H.Z. Kister, "Distllation -　Operation," McGraw Hill, Nt, 1990; H.Z. Kister, "Distllation -　Design," McGraw Hill, NY, 1992; 및 J.D. Seader and E. J. Henley, "Separation Process Principles," 2nd ed., Wiley, NY, 2006.
방향족 화합물 처리공정(이하, "방향족 공정"이라고도 함)은 석유화학공장에서 원료인 나프타를 처리하여 파라-자일렌과 벤젠을 주요 최종제품으로 하는 공정이다. 종래의 방향족 공정에 있어서, 주요 제품 중 하나인 파라-자일렌(PX)이 포함되는 혼합 자일렌이 만들어지는 근원 공정은, 리포머(reformer), 자일렌 이성질화 공정 및 탄소수 7개의 방향족 화합물과 탄소수 9개의 방향족 화합물의 트랜스알킬화 및 불균등화 공정의 3가지이다.
상업적으로 사용되는 파라-자일렌 분리 공정에는 유사이동층(Simulated moving bed(SMB)) 공정 및 결정화법에 의한 공정이 있으며, 이 중 SMB법에 의한 PX 분리공정은 다단으로 구성된 흡착탑의 각 단마다 위치하는 밸브의 개폐를 주기적으로 제어하여 흡착제와 유체가 마치 향류 접촉하고 있는 것과 같은 효과를 거둠으로써, 자일렌 이성질체를 효과적으로 연속 분리하는 공정으로, 대표적인 예로서, UOP사의 파렉스(Parex) 공정이 있다.
이러한 기존의 파렉스 공정에 대한 설명은 대한민국 등록특허 10-0741752호에 잘 기술되어 있다. 파렉스 공정에는 PX의 흡착분리를 실시하는 자일렌 컬럼 및 그 후 추출물 및 라피네이트 흐름으로부터 탈착제 물질을 분리, 회수하기 위하여 추출 컬럼 및 라피네이트 컬럼과 같은 증류탑이 사용된다.
전형적인 종래의 방향족 화합물 처리공정을 도 1, 도 2 및 도 3에 나타내었다.
도 1에 따르면, 리포머(1)로부터 스플리터(2)에 투입된 원료 방향족 화합물의 혼합물(리포메이트)은, 탄소수 6개의 방향족 화합물과 탄소수 7개의 방향족 화합물, 즉 벤젠과 톨루엔을 포함하는 혼합물 및 보다 무거운 방향족 혼합물(예컨대 탄소수 8의 자일렌 등)로 분리되어, 전자는 라인(21)을 통해 벤젠-톨루엔 분획공정 및 비-방향족 제거공정인 설포란(SULFOLANE) 공정(3)으로 투입되고, 후자는 라인(22)을 통해 자일렌 컬럼(5)으로 투입된다. 설포란(SULFOLANE) 공정에서, 벤젠과 톨루엔의 혼합물은 벤젠과 톨루엔으로 각각 분리되어, 벤젠은 라인(33)을 통해 배출되고, 톨루엔(TOL)은 라인(31)을 통해 톨루엔과 탄소수 9의 방향족 화합물의 불균등화 및 트랜스알킬화 공정인 TATORAY 공정(4)으로 투입된다. 자일렌 컬럼(5)에서, 탄소수 9 이상의 방향족 화합물들은 라인(52)을 통해 배출되어 무거운 방향족 컬럼(6)으로 투입되고, 탄소수 8의 자일렌 혼합물은 라인(51)을 통해 배출되어 파라-자일렌 분리공정인 PAREX 공정(8)으로 투입된다. 라인(51)을 통해 PAREX 공정(8)으로 투입된 자일렌 혼합물은 파라-자일렌 및 나머지 자일렌 혼합물로 분리되어, 전자는 라인(81)을 통해 배출되고, 후자는 라인(82)을 통해 배출되어 자일렌 이성질화 공정인 ISOMAR 공정(9)으로 투입된다. ISOMAR 공정(9)의 결과물은 라인(91)을 통해 배출되어 자일렌 컬럼(5)으로 재투입된다. 라인(52)을 통해 무거운 방향족 컬럼(6)으로 투입된 탄소수 9 이상의 방향족 화합물의 혼합물은 무거운 방향족 컬럼(6)에서 트리메틸벤젠을 포함하는 탄소수 9의 방향족 화합물(A9)과 탄소수 10 이상의 방향족 화합물(A10+)로 분리되어, 전자는 라인(61)을 통해 톨루엔과 탄소수 9의 방향족 화합물의 불균등화 및 트랜스알킬화 공정인 TATORAY 공정(4)으로 투입되고, 후자는 라인(62)을 통해 배출된다. TATORAY 공정(4)으로 투입된 탄소수 9의 방향족 화합물은, 설포란(SULFOLANE) 공정(3)으로부터 라인(31)을 통해 투입된 톨루엔과 TATORAY 공정(4)에서 트랜스알킬화 반응하여 파라-자일렌을 포함하는 결과 혼합물을 생성하며, 그 결과 혼합물은 라인(41)을 통해 설포란 공정(3)으로 재투입된다.
방향족 화합물 처리공정의 또 다른 형태에 대한 개략도인 도 2를 보면, 도 2에 나타낸 공정은 도 1의 공정에 있는 TATORAY 공정이 PX-Plus 공정과 TAC9 공정으로 대체된 경우로서, 기본적으로 도 1의 공정과 동일하나 다음 사항에 있어서 도 1과 차이가 있다. 설포란(SULFOLANE) 공정에서 분리된 톨루엔(TOL)이 라인(31)을 통해 톨루엔의 선택적 불균등화 공정인 PX-Plus 공정(4) 및 트랜스알킬화 공정인 TAC9 공정(7)으로 투입되며, PX-Plus 공정(4)에서의 선택적 불균등화 반응의 결과로 생성된 혼합물에는 벤젠(A6), 톨루엔(A7), 자일렌(A8) 및 트리메틸벤젠과 같은 탄소수 9의 방향족 화합물(A9)이 포함되며, 그 중에서도 파라-자일렌이 자일렌 혼합물 중에 약 85~95중량%의 양으로 포함된다. 이 PX-Plus 공정(4)의 결과 혼합물은 라인(41)을 통해 설포란(SULFOLANE) 공정(3)으로 재투입되고, 여기에서 탄소수 8의 자일렌 및 그보다 무거운 트리메틸벤젠 등은 보다 가벼운 성분들로부터 분리된 후, 라인(32)을 통해 배출되어 라인(22)을 거쳐 자일렌 컬럼(5)으로 투입된다. 무거운 방향족 컬럼(6)에서 분리된 트리메틸벤젠을 포함하는 탄소수 9의 방향족 화합물(A9)은 라인(61)을 통해 트랜스알킬화 공정인 TAC9 공정(7)으로 투입된다. TAC9 공정(7)으로 투입된 탄소수 9의 방향족 화합물은, 설포란(SULFOLANE) 공정(3)으로부터 라인(31)을 통해 투입된 톨루엔과 TAC9 공정(7)에서 트랜스알킬화 반응하여 파라-자일렌을 포함하는 결과 혼합물을 생성하며, 그 결과 혼합물은 라인(71)을 통해 자일렌 컬럼(5)으로 재투입된다.
　
　방향족 화합물 처리공정의 또 다른 형태에 대한 개략도인 도 3을 보면, 도 3에 나타낸 공정은 도 2의 공정에 결정화 공정이 설치된 경우로서, 기본적으로 도 2의 공정과 동일하며, 설포란(SULFOLANE) 공정(3)으로부터 배출된 탄소수 8의 자일렌 및 그보다 무거운 트리메틸벤젠 등이 라인(32)을 통해 결정화공정(10)으로 투입되고, 이 결정화공정(10)에서 투입 혼합물은 파라-자일렌 및 파라-자일렌 이외의 자일렌 혼합물로 분리된 후, 전자는 라인(101)을 통해 배출되고, 후자는 라인(102)을 통해 배출되어 자일렌 컬럼(5)으로 투입된다는 점에서만, 도 2의 공정과 차이가 있다.　
도 5에 나타낸 바와 같이, 상기와 같은 방향족 화합물 분리공정에서 기존에는 나프타 원료공급물을 열교환기(EA-121)에서 나프타 스플리터(DA-101) 오버헤드(overhead : OVHD) 생성물을 통해서 예열하고, 이어서 다른 열교환기(EA-104)에서 예열하고, 다시 이어서 또다른 열교환기(EA-119A/B)에서 나프타 스플리터(DA-101) 오버헤드 응축기 폐열로 예열토록 하고 있으나, 에너지 절감을 보다 더 제고할 수 있는 개선의 여지를 지니고 있다.
본 발명의 목적은 방향족 화합물 분리공정의 원료인 나프타 원료공급물의 주입라인을 이중화하여 나프타 원료공급물의 예열을 최적화하므로써 예열에 사용되는 중간압스팀의 사용량을 감소시켜, 에너지를 현저히 절감시키고자 하는 것이다.
본 발명에 따라, 나프타 스플리터, 응축기 및 리런 컬럼(rerun column)의 이용을 포함하고, 리포머, 자일렌 이성질화 공정 및 탄소수 7개의 방향족 화합물과 탄소수 9개의 방향족 화합물의 트랜스알킬화 및 불균등화 공정을 포함하는, 원료인 나프타를 처리하여 파라-자일렌과 벤젠을 주요 최종제품으로 하는 방향족 화합물 처리공정에 있어서, 원료인 나프타 공급물의 주입 라인을 제 1 및 제 2 주입 라인으로 이중화하고, 상기 제 1 및 제 2 주입 라인의 나프타 공급물을 각각 별도로 예열시킨 후 합류시켜, 이를 이성질화 공정 공급물과 열교환시키는, 방향족 화합물의 분리공정에서의 에너지 절감방법이 제공된다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명은 제 1 주입 라인의 나프타 공급물은 제 1의 열교환기(EA-121)에서 나프타 스플리터 오버헤드 생성물(DA101 OVHD Product)에 의하여 예열된 후, 제 2의 열교환기(EA119A/B)에서 나프타 스플리터(DA101) 오버헤드 응축기 폐열에 의하여 예열되고, 제 2 주입 라인의 나프타 공급물은 제 3의 열교환기(EA-122)에서 리런 컬럼(DA102) 오버헤드 응축기 폐열로 예열되고, 상기 각각 예열된 제 1 주입 라인의 나프타 공급물 및 제 2 주입 라인의 나프타 공급물을 합하여 제 4의 열교환기(EA-123)에서 자일렌 이성질화 공정 공급물(Isomar Feed)과 열교환시키므로써 나프타 공급물의 예열 최적화를 달성하므로써 에너지를 절감하는 방법이 제공된다.
증류탑은 일반적으로 기액접촉을 위한 컬럼, 컬럼 하부로 흘러내리는 액체를 다시 끓여서 일정 부분을 기화시켜 다시 증류탑 내부로 되돌리는 리보일러, 및 컬럼 상부에서 배출되는 기체 전체 또는 일부분을 다시 응축시켜 일정 부분을 다시 증류탑 내부로 되돌리는 응축기로 구성된다.
상기와 같은 컬럼 또는 컬럼 상부의 응축기로부터의 폐열은 열원으로서 이용될 수 있으나, 본 발명에 따라 나프타 원료 공급물의 주입 라인을 제 1 및 제 2라인으로 이중화하여 각각 예열하므로써, 통상 17kg/cm2gdml 압력의 스팀인, 중간압스팀(middle pressure steam: MS)의 양을, 기존의 BTX 예비분류장치에 비해 절감할 수 있다. 상기 중간압 스팀은 해당 압력에서 약 280℃로 운용되며, 방향족 공정에서 적용되는 증류탑 중 탑저 온도가 200℃내외의 컬럼 리보일러의 열원으로 사용되며 보일러를 통해 연료를 사용하여 발생시키는 것이 일반적이나, 본 발명의 방법에 따라 상기 중간압스팀의 사용량의 절감을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 방향족 화합물 분리 공정에서의 에너지 절감방법은, 도 4 참조하여, 신규 열교환기 2기(EA-122와 EA-123), 신규 아이소머 열분리기(Isomar Hot Separator) 1기(FA-806), 나프타 공급라인(Naphtha feed Line 6") 신설을 통하여 실현할 수 있다.
본 발명에 따라, 상온의 나프타 원료공급물(feed)의 주입 라인을 이중화하여 제 1 및 제 2 주입 라인을 각각 별도로 예열시킨 후 합류시켜, 이를 이성질화 공정(ISOMAR) 공급물과 열교환시켜 약 110~120℃로 상승시키므로써, 나프타 원료공급물의 예열 최적화에 의하여, 예열에 사용되는 중간압스팀의 사용량을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 종래의 방향족 화합물 분리공정에 비하여 에너지 절감을 현저히 향상시킬 수 있다.
도 1은 전형적인 방향족 화합물 처리공정에 대한 개략도이다.
도 2는 또 다른 형태의 전형적인 방향족 화합물 처리공정에 대한 개략도이다.
도 3은 또 다른 형태의 전형적인 방향족 화합물 처리공정에 대한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 개선된 방향족 화합물 처리공정의 일 구체예에 대한 개략도이다.
도 5는 종래 방향족 화합물 처리공정의 구체예에 대한 개략도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예
도 4에 도시한 바와 같이 나프타 공급물 주입 라인을 이중화하여, 제 1 주입라인의 나프타 공급물(FRN/Con.)은(상온(29℃)) 열교환기(EA-121)에서 나프타 스플리터(DA-101) 오버헤드 생성물(DA101 OVHD Product)에 의하여 예열하고, 이어서 열교환기(EA-119A/B)에서 나프타 스플리터(DA-101) 오버헤드 응축기의 폐열로 예열하였다. 이로써 예열된 제 1 주입라인의 나프타 공급물의 온도는 63℃ 였다. 제 2 주입라인의 나프타 공급물은(29℃) 열교환기(EA-122)에서 리런 컬럼(DA-102) 오버헤드 응축기의 폐열로 예열하였다. 상기와 같이 예열된 제 1 주입 라인의 나프타 공급물 및 제 2 주입 라인의 나프타 공급물을 합쳐서(80℃) 열교환기(EA-123)에서 자일렌 이성질화 공정 공급물(Isomar Feed)(157℃)과 열교환시키므로써 나프타 공급물을 116℃로 예열하여 예열 최적화를 달성하였다.
본 발명에 따른 상기 실시예의 방법에 따라 중간압스팀의 사용량을 연간 3.5 MMKcal/시간 절감할 수 있으며, 이를 금전으로 환산하면 연간 8.6억원의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
비교예
도 5에 도시된 바와 같은 기존 공법에서는, 나프타 공급물(29℃)을 제 1의 열교환기(EA-121)에서 나프타 스플리터(DA-101) 오버헤드 생성물을 통해서 예열하고, 이어서 제 2의 열교환기(EA-104)에서 예열한 후(54℃), 다시 제 3의 열교환기(EA-119A/B)에서 나프타 스플리터(DA-101) 오버헤드 응축기 폐열로 79℃로 예열하였으나, 실시예만큼의 에너지 절감은 달성하지 못하였다.
SULFOLANE: 벤젠-톨루엔 분획공정 및 비-방향족 제거공정
TATORAY: 톨루엔과 탄소수 9의 방향족 화합물의 불균등화 및 트랜스알킬화 공정
PAREX: 파라-크실렌 분리공정
ISOMAR: 크실렌 이성질화 공정
PX-Plus: 톨루엔의 선택적 불균등화 공정
TAC9: 탄소수 9의 방향족 화합물의 트랜스알킬화 공정
A6: 탄소수 6의 방향족 화합물
A7: 탄소수 7의 방향족 화합물
A8: 탄소수 8의 방향족 화합물
A9: 탄소수 9의 방향족 화합물
A10+: 탄소수 10 이상의 방향족 화합물
FRN/con.: 나프타 공급물
DA 101: 나프타 스플리터
DA 102: 리런 컬럼
EA-104, EA-121, EA-119A/B, EA-123, EA-122: 열교환기
OVHD product: 오버헤드 생성물

Claims (2)

  1. 리포머 공정, 자일렌 이성질화 공정 및 탄소수 7개의 방향족 화합물과 탄소수 9개의 방향족 화합물의 트랜스알킬화 및 불균등화 공정을 포함하는, 원료인 나프타를 처리하여 파라-자일렌과 벤젠을 제조하는 방향족 화합물 분리 공정에서, 원료인 나프타 공급물의 주입 라인을 제 1 및 제 2 주입 라인으로 이중화하고, 제 1 주입 라인의 나프타 공급물은 제 1의 열교환기에서 예열시킨 후, 제 2의 열교환기에서 예열시키고, 제 2 주입 라인의 나프타 공급물은 제 3의 열교환기에서 예열시킨 후, 상기 각각 별도로 예열된 제 1 및 제 2 주입 라인의 나프타 공급물을 합류시켜, 이를 이성질화 공정 공급물과 열교환시키는 것을 특징으로 하는 방향족 화합물의 분리공정에서의 에너지 절감방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 주입 라인의 나프타 공급물은 제 1의 열교환기에서 나프타 스플리터 오버헤드 생성물에 의하여 예열된 후, 제 2의 열교환기에서 나프타 스플리터 오버헤드 응축기 폐열에 의하여 예열되고, 제 2 주입 라인의 나프타 공급물은 제 3의 열교환기에서 리런 컬럼 오버헤드 응축기 폐열로 예열되고, 상기 각각 예열된 제 1 주입 라인의 나프타 공급물 및 제 2 주입 라인의 나프타 공급물을 합하여 제 4의 열교환기에서 자일렌 이성질화 공정 공급물과 열교환시키는 것을 특징으로 하는 방향족 화합물의 분리공정에서의 에너지 절감방법.
KR1020110091891A 2011-09-09 2011-09-09 나프타 공급 이중화에 의한 방향족 화합물의 분리공정에서의 에너지 절감방법 KR101292923B1 (ko)

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KR1020110091891A KR101292923B1 (ko) 2011-09-09 2011-09-09 나프타 공급 이중화에 의한 방향족 화합물의 분리공정에서의 에너지 절감방법

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US11186786B2 (en) 2017-12-15 2021-11-30 Sabic Global Technologies B.V. Method for preheating naphtha in naphtha catalytic cracking processes

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KR100843436B1 (ko) 2007-04-27 2008-07-03 삼성토탈 주식회사 유사 이동층 크실렌 혼합물 전처리 공정 및 추가의 크실렌이성질화 공정을 포함하는 방향족 화합물의 분리 방법
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