KR101385915B1 - 1,2-디클로르에탄의 제조 중에 발생한 반응열을 이용하기위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

직접염소화 반응기 내에서 에텐 및 염화나트륨 전기분해로 제조된 염소로부터 1,2-디클로르에탄의 제조 중에 발생한 반응열을 이용하는 방법에 있어서, 직접염소화 반응기 내의 1,2-디클로르에탄의 생성으로부터의 반응열 중 적어도 일부는 직접염소화에 필요한 염소의 제조를 위해 NaCl 전기분해의 부산물로서 제조된 NaOH의 증발을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 반응열 이용 방법과, 상기 방법을 수행하기 위한 장치로서, 2개의 고정된 관 플레이트 및 NaOH 기저부를 구비하고 수산화나트륨 용액이 상기 관의 내부에서 이송되고 1,2-디클로르에탄이 상기 관의 외부에서 이송되며 수산화나트륨 용액을 상기 관의 내부로 유입하고 분배하기 위한 설비를 또한 구비하도록 구성되는 각-관 열교환기를 포함하는 장치.

반응열, 열교환기, 디클로르에탄, 수산화나트륨, 전기열분해

Description

1,2-디클로르에탄의 제조 중에 발생한 반응열을 이용하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR USING REACTION HEAT DURING THE PRODUCTION OF 1,2-DICHLORETHANE}

본 발명은 1,2-디클로르에탄(이하, EDC로 표기)의 제조에서 발생된 반응열을 이용하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. EDC는 염화비닐모노머(이하, VCM으로 표기)의 제조에서 중간물질(intermediate)로서의 역할을 하며, 이로부터 폴리염화비닐(PVC: polyvinyl chloride)이 최종적으로 제조된다. VCM으로의 EDC의 전환은 염화수소(HCl: hydrogen chloride)를 형성한다. 따라서, EDC는 아래의 반응식에 따른 반응에서 생성되고 소비되는 염화수소(HCl) 사이에 평형이 달성되도록 에텐(C₂H₄)과 염소(Cl₂)로부터 바람직하게 제조된다.

Cl₂ + C₂H₄ → C₂H₄Cl₂ (순수 EDC) + 218 kJ/Mol (1)

C₂H₄Cl₂ (분열 EDC) → C₂H₃Cl (VCM) + HCl -71 kJ/Mol (2)

C₂H₄ + 2HCl + ¹/₂ O₂ → C₂H₄Cl₂ (원료 EDC) + H₂O + 238 kJ/Mol (3)

이하, HCl 평형을 갖는 VCM을 제조하기 위한 방법은 간단하게 "평형 VCM 방 법"으로 표기되며 아래의 단계를 포함한다.

필요 EDC의 일부가 에텐(C₂H₄)과 염소(Cl₂)로부터 제조되어 이른바 순수 EDC(pure EDC)로서 통과되는 직접염소화(direct chlorination) 단계; 여기서 이러한 직접염소화 단계에서 생성된 반응열이 본 발명의 주요 태양이며,

상기 EDC의 타부분이 에텐(C₂H₄), 염화 수소(HCl) 및 산소(O₂)로부터 제조되며 원료 EDC(crude EDC)로서 통과되는 옥시염소화(oxychlorination) 단계;

VCM 분별 단계로부터 재순환되는 회수 EDC(recycle EDC)와 함께 원료 EDC는, EDC 열분해 단계에 사용하기 적합한 공급 EDC를 획득하기 위하여 옥시염소화 단계와 EDC 열분해 단계에서 형성된 부산물로부터 제거되는 분별 EDC 정제(fractionating EDC purification) 단계; 여기서 EDC 정제에서 직접염소화 단계의 반응열의 이용은 본 발명의 주요 태양이며,

순수 EDC가 공급 EDC와 혼합되고 이어서 분해 EDC로 알려진 혼합물이 열적으로 분해되는 EDC 열분해 단계; 획득된 분열 가스는 VCM, 염화 수소(HCl) 및 미반응 EDC뿐만 아니라 부산물을 포함하며; 및

소망한 순수 VCM 생성물이 분해 가스로부터 분리되는 반면에, 다른 필수적 물질들, 즉 분해 가스에 함유된 염화 수소(HCl) 및 미반응 EDC은 귀한 물질로서 따로 복원되고 평형 VCM 방법에 회수 HCl 또는 회수 EDC 형태의 재사용 공급물로서 회수되는 VCM 분별 단계.

순수 EDC의 제조에 기여하고 평형 VCM 방법에 따라 작동하지 않는 플랜트는 (1) 식에 따라서만 작동하는 순수 직접염소화 단계로서 일반적으로 설계된다. 마찬가지로, 본 발명은 평형 VCM 방법에 따라 설계된 플랜트와 직접염소화만을 구비한 플랜트, 및 상기 2가지 유형의 혼합 형태에 관한 것이다.

직접염소화에서 요구되는 염소(Cl₂)는 전기분해 플랜트에서 염화 나트륨으로부터 일반적으로 제조된다. 약 33%의 농도를 갖는 수산화나트륨(NaOH)은 부산물(coproduct)로서 형성된다. 제조된 염소(Cl₂)의 높은 독성으로 인해, 가능하다면 장거리 이동을 금지하려는 노력이 시행된다. 이런 연유로 인해, 염소(Cl₂)가 직접 가공되는, 에틸렌(C₂H₄)의 염소화를 위한 플랜트가 수산화나트륨(NaOH) 및 염소(Cl₂)를 제조하기 위한 플랜트 인근에 일반적으로 배치된다.

에틸렌의 직접염소화를 위한 플랜트는 일체형 설비로 있어야할 필요가 없는 반면에, 다른 지역에서 VCM으로 가공되기 위해 상기 다른 지역으로 이송되는 염소의 비교적 무해한 "이송 형태"에서 "독립 작동(stand-alone operation)"으로 EDC를 제조할 수 있다. 특히, 예를 들어 국제 공개 특허 공보 WO 01/34542 A2호에 기재된 방법에 의해 제조된 EDC는, 증류에 의한 또 다른 가공을 필요로 하지 않을 정도로 순수하다. 이런 연유로 인해, 이러한 플랜트가 "독립 모드"로 작동되는 경우에, EDC 증류탑(distillation column)의 탑 가열에 의한 열을 회수할 기회가 더 이상 없으며, 예를 들어 이들은 직접염소화, 옥시염소화 및 EDC 분해 단계로 구성된 "평형 VCM 방법"을 위한 일체형 설비 내에 존재한다.

이러한 설정에 있어서, 이로 인한 상당한 반응열은 많은 양의 냉각수 및/또는 공기 냉각기에 의해 제거되어야 하는데, 이들 각각은 경제적 관점에서 바람직하지 못하다. 따라서, 본 발명의 목적은 직접염소화에서 발생된 열을 통과시키고 이용하여 냉각수 수요의 상당한 절감을 달성하는 것이다.

평형 VCM 방법 내에서 직접염소화가 사용되는 경우에, EDC 열분해 단계에서 분해 가스에서 형성된 이차 성분이 VCM의 제품 순도를 낮춘다. 이차 성분의 제거에 의한 VCM의 정제는 이에 따라 복잡하게 된다. 따라서, 불순물이 상당히 제거된 분해 EDC가 EDC 열처리 분해 단계에 사용된다.

수많은 기법에 의하여 상응한 단점을 지닌 부산물 및/또는 이차 성분이 방지될 수 있거나 혹은 적합한 경우 제거될 수 있으며, 문서인 국제 공개 특허 공보 WO 01/34542 A2호를 참조할 수 있으며, 특히 공지 기술이 여기에 공지되어 있다. 액체 EDC를 형성하기 위해 에텐(C₂H₄) 및 염소(Cl₂)의 반응에 의한 직접염소화 방법에서 발산된 반응열이 평형 VCM 방법에서 제조된 EDC용 정제탑을 가동하기에 충분하다는 점이 여기에 기재될 수 있다.

하지만, 상기 문헌에 나타난 방법의 단점은 EDC 내에 존재하는 열의 이용이 상대적으로 높은 온도만, 즉 주로 약 100℃ 이상에서만 일어날 수 있다는 점이다. 비록 EDC를 정제하기 위한 장치의 작동이 생성된 열 자체에 의해서 달성될 수 있을 경우에도, 예를 들어 나중 이용을 위해 제조된 EDC의 추가 냉각은 냉각수에 의해 여전히 수행되어야 하며, 이를 위해 많은 양의 냉각수가 여전히 필요하다.

상기 문헌에 제시된 방법의 또 다른 단점은 정제탑을 가열하기 위해 사용된 반응열이 증기의 상응하는 양의 응축열의 제거를 필요로 한다는 점이다. 종래 기술에 따른 이러한 제거는 많은 양이 제공되어야 하는 냉각수에 의해 통상적으로 이와 유사하게 달성된다.

따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 평형 VCM 방법, 특히 직접염소화의 생성된 열의 이용의 추가적인 최적화를 달성하는 것과, 전체 냉각수 수요의 상당한 절감을 달성하는 것이다.

본 발명은 직접염소화에 필요한 염소의 제조를 위해 염화나트륨(NaCl) 내의 부산물로서 제조된 수산화나트륨(NaOH)의 증발을 위해 직접염소화 반응기 내의 1,2-디클로르에탄의 형성시의 반응열을 적어도 일부 이용함으로써 상기 목적을 달성한다.

특히, 격리된 지역에 있어서, 염화나트륨 전기열분해에서 제조된 수산화나트륨을 이송하기 위한 이송 비용이 중요한 역할을 한다. 이러한 이송 비용은 약 33%의 농도로 제조된 염화나트륨 용액이 증발되어 50%가 되는 경우에 현저하게 감소할 수 있다. 수산화나트륨(NaOH)의 증발을 위한 이러한 플랜트는, 예를 들어 133 mbar 의 절대 압력인 감소한 압력과 60℃의 온도 하에서 가동될 수 있다. 소비자의 요구 사항과 생성된 열의 양에 따라서 33% 이외의 농도로부터 50% 이외의 농도로 증발이 자연적으로 수행될 수도 있다.

직접염소화에서 유발된 반응열은 수산화나트륨의 증발을 위해 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 상기 방법의 이하 실시예들은 혼합될 수 있으며 열 이용의 조화에서의 우수한 유연성을 현존 플랜트 및 신규 설계 플랜트에 부여할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 직접염소화로부터 생성된 EDC 증기의 응축열의 적어도 일부는 제조된 수산화나트륨의 증발에 사용된다. 이러한 실시예는 "독립 작동"의 직접염소화가 이용되거나, 또는 평형 VCM 방법으로 제조된 EDC의 증류에 의한 정제가 이러한 방식으로 이용 가능한 전체 반응열을 감당할 수 없을 경우에 특히 바람직하다. 이러한 경우에 있어서, 직접염소화 반응기의 상단으로부터의 EDC 수증기는 그 응축열을 이용하여 증발기 관의 외부를 가열하는 데 사용되며, 상기 관은 강하 격막 증발기 관으로 구성될 수 있으며 내부에 수산화나트륨이 증발된다. 순수 EDC로 구성된 응축물은, 예를 들어 플러그-인 관 교환기와 같은 또 다른 열교환기 내의 추가 냉각과 함께 수산화나트륨을 증발시키는 역할을 할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 반응기로부터 취출된 액체 EDC 재순환 흐름의 현열은 수산화나트륨을 증발시키기 위해 마찬가지로 사용된다. 이것이 반응열을 제거하는 다른 흐름과 혼합되는 경우에, 직접염소화 반응기의 반응기 순환로로 재순환되는 촉매 함유 EDC가 제품으로서 상기 공정으로부터 배출될 순수 EDC와 혼합되지 않도록 주의해야 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 직접염소화를 위한 반응기로부터 기체 형태 또는 액체 형태로 취출되어 제조된 EDC는 먼저 정제탑의 간접 가열을 위해 이용되며, EDC가 그 열 에너지의 일부를 상대적으로 높은 온도에서 정제탑으로 전달한 이후에만 수산화나트륨 증발부 내의 에너지의 추가 전달을 위해 통과하며, 수산화나트륨 증발부 내에서 간접 열교환에 의해 더 낮은 온도의 열에너지를 수산화나트륨에 전달한다. 평형 VCM 방법이 EDC 및 VCM 제조를 위해 사용되면, 이를 위해 필요한 정제탑은 잠재 반응열이 수산화나트륨의 증발을 위해 이용되기 전에 바람직하게 가열될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 정제탑의 간접 가열에 유입된 동일한 반응열이 동일한 정제탑으로부터의 증기의 이후 응축에서 다시 한 번 제거되어야 한다는 점을 이용하며, 그 결과 정제탑을 통과하며 열역학적으로 평가 절하된 방법에 있다. 하지만, 탑을 통과하는 이러한 반응열의 상당한 부분은 줄어든 압력에도 불구하고 수산화나트륨 증발을 위해 여전히 마찬가지로 이용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, EDC의 끓는점에 비해 높은 끓는점을 지닌 성분을 제거하기 위한 증류탑으로부터의 EDC 함유 증기는 수산화나트륨의 증발을 위해 사용된다. 높은 보일러탑과 같은 이러한 증류탑은 평형 VCM 방법의 통상적인 부품이다. 상기 높은 보일러탑에 이어지는 진공 탑은 그 상단에서의 온도가 본 발명에 따라 이용하기에 충분히 높지 않다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 1,2-디클로르에탄의 끓는점에 비해 높은 끓는점을 지닌 성분과 물을 제거하기 위한 증류탑으로부터의 물을 함유한 증기는 마찬가지로 수산화나트륨의 증발을 위해 사용된다. 낮은 보일러탑과 같은 이러한 증발탑은 평형 VCM 방법의 일반적인 부품이다.

직접염소화로부터 제조된 EDC가 증기 형태로 배출되고 이로부터 증류부로 직접 유입되는 공정 또한 공지되어 있다. 이러한 유형의 직접염소화는, 예를 들어 미국 특허 공보 US 4,873,384호에 개시되어 있다. 이러한 경우의 직접염소화 반응기는 후속 정제탑의 바닥 보일러를 형성하거나, 또는 이를 정제탑의 바닥 자체로 일체화한다. 이러한 반응열은 이러한 방식으로 인근 증류탑으로 이동되며 증기의 응축에서의 제거를 위해 획득된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 직접염소화 반응기에서 에텐 및 염소로부터 제조된 EDC의 증류에 의한 정제로 획득된 증기의 응축열의 적어도 일부는 제조된 수산화나트륨의 증발을 위해 사용된다.

본 발명의 또 다른 실시예들은 EDC의 열 에너지를 증발될 수산화나트륨(NaOH)으로 전달하는 데 사용되는 장치에 관한 것이다. 주로 각-관 열교환기, 바람직하게는 강하 격막 증발기가 여기서 사용되는데, 이것은 2개의 고정된 관 플레이트 및 NaOH 기저부를 구비하며, 수산화나트륨(NaOH)이 상단으로부터 관의 내부로 하향 이송되고 열전달 매체, 즉 EDC 또는 증류탑으로부터의 증기가 관의 외부 주변으로 이송된다.

만일 기체 EDC 또는 증류탑으로부터의 증기가 수산화나트륨 증발에 사용되면, 각-관 장치에서의 열전달이 동시에 발생한다. 각-관 장치의 상단에 유입된 EDC 증기는 장치를 통과하는 도중에 응축되며 기저부에서 액체 형태로 배출될 수 있다.

액체 EDC가 수산화나트륨 증발에 사용되면, 열전달은 각-관 장치 내에서 수행될 수 있으나, 바람직하게는 동시에, 또는 수산화나트륨 용액 내의 열교환기 관의 플러그-인 번들에 의해 혹은 수산화나트륨 용액 외부에 배치되어 예를 들어 주전자형의 재순환 모드에서 작동되는 열교환기에 의해 수행될 수 있다.

전술한 모든 방법은 부가적으로 또는 혼합하여 채택될 수도 있다. 상기 각-관 장치가 EDC 증기 및 액체 EDC 모두와 함께 가동된다면, 각-관 장치는 수평으로 분리될 수 있다. 물론, 다양한 증류탑들로부터의 각 증기 흐름은 서로 혼합될 수 없도록 보장되어야 한다.

수산화나트륨 증발은 다단 증발 플랜트에서 일반적으로 수행되며, 상기 플랜트는 예를 들어 직렬로 결합된 다수의 증발 장치들을 포함한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 본 발명에 따른 방법은 상기 플랜트의 다양한 단계 또는 증발 장치에 개별저긍로 적용될 수도 있다. 따라서, 예를 들어 하나의 단계는 다른 단계가 액체 EDC에 의해 가열되는 동안에 기체 EDC에 의해 가열될 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 방법은 하나의 단계로만 사용될 수도 있으며 수산화나트륨의 증발을 위한 다단계 플랜트의 다수의 단계에서 동시에 수행될 수도 있다. 각 열전달 매체의 다양한 온도를 허용하기 위해 다양한 단계들을 서로 다른 줄어든 압력에서 가동할 수도 있다.

본 발명의 8개의 도면을 참조로 하여 설명되나, 본 발명의 방법이 이들 특정 예에만 제한되는 것은 아니다.

도 1은 청구항 2 및 청구항 3의 방법에 대응하는 직접염소화 반응기와 수산화나트륨 증발부를 구비한 가능한 장치를 도시,

도 2는 청구항 4의 방법에 대응하는 결합된 정제탑을 구비한 직접염소화 반응기와 수산화나트륨 증발부를 포함하는 가능한 장치를 도시,

도 3 및 도 4는 국제 공개 특허 공보 WO 01/34542 A2호의 내용을 기초로 하며 청구항 5의 방법에 대응하는 평형 VCM 방법에 따른 직접염소화 반응기와 열 회복부와 수산화나트륨 증발부의 가능한 조합을 각각 도시,

도 5는 청구항 6 및 청구항 7의 방법에 대응하는 직접염소화 반응기, 증기 응축부를 구비한 정제탑, 및 수산화나트륨 증발부를 포함하는 가능한 장치를 도시, 및

도 6 내지 도 8은 청구항의 장치에 대응하는 수산화나트륨 증발부를 위한 장치의 예시적인 실시예들을 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 직접염소화

101: 액체로 충전된 루프

102: 에틸렌 공급

103: 용해된 염소

104: 염소 기체

105: 인젝터

106: 액체 EDC

107: EDC 냉각기

108: 기체배출 용기

109: 액체 EDC

110: 기체 EDC

111: 재순환 EDC

112: 순환 펌프

200: 수산화나트륨 증발

201: 상부 재킷 공간

202: 각-관 열교환기

203: 불활성기체 유통관

204: EDC 응축물

205: 하부 재킷 공간

206: 순수 EDC

207: 응축물 펌프

208: 제품 EDC

209: 재순환 EDC

210: EDC 펌프

211: 플러그-인 냉각기

212: EDC

213: 33% 농도 수산화나트륨 용액

214: 기저부

215: 진공 펌프

216: 수증기

217: 수산화나트륨 펌프

218: 제품 NaOH

219: 수산화나트륨 배분기

220: EDC 응축물

221: 배출가스

222: 냉각된 제품 EDC

223: 부품

224: 부품

225: EDC 흐름

226: EDC 흐름

227: 재순환 흐름

228: 주전자형 재순환 증발기

300: 증류

301: 정제탑

302: 증기

303: 증기 응축물

304: 상단 저장부

305: 저장부 펌프

400: EDC 정제

401: 원료 EDC

402: 낮은 보일러탑

403: 낮은 보일러 라인

404: EDC 라인

405: 높은 보일러탑

406: EDC 라인

407: 증기 라인

408: 바닥 흐름

409: 진공탑

410: EDC 증기 라인

411: 바닥 유통관

412: 강하 격막 증발기

413: EDC 증기

414: 강하 격막 증발기

415: 출구 흐름

416: 트림 응축기

417: 수액기

418: 산소 측정 기구

419: EDC 하위 흐름

420: 응축 불가한 성분

421: EDC 증기 흐름

422: EDC 흐름

423: 펌프

424: 순수 EDC

425: 순수 EDC

426: 제품 EDC

427: 높은 보일러 증기

428: 런백

도 1은 "독립 가동(stand-alone operation)"에서 EDC를 생산하고 그 반응열이 기체 EDC에 의한 청구항 2의 방법과 액체 EDC에 의한 청구항 3의 방법 모두에 따라 수산화나트륨 증발부를 가열하는 직접염소화 반응기와 수산화나트륨 증발부의 결합을 나타낸다.

직접염소화(100)는 액체로 충진된 루프(101), 에틸렌(102)의 유입, EDC에 용해된 염소(103)의 추가, 염소 가스(104)가 내부에서 사전 용해되는 인젝터(105), 용해도를 개선하기 위해 액체 EDC(106)가 낮은 온도로 사전 냉각되는 EDC 냉각기(107), 이에 더하여 기체방출 용기(108), 액체 EDC(109)용 유통관 설비(offtake facility), 기체 EDC(110)용 유통관 설비, 및 재순환 EDC(111)용 공급점을 포함하며, 각 공급점과 유통관 설비는 실행상의 원인으로 인해 다양한 형태로 존재될 수도 있다. 액체로 충진된 루프(101)에 있어서, 염소 및 에틸렌은 미반응 시작 물질과 불활성 첨가 기체와 함께 기체방출 용기(108)에서 증발하는 끓음 EDC를 형성하기 위해 서로 반응한다.

기체 EDC(110)는 수산화나트륨 증발부(200)의 각-관 열교환기(shell-and- tube heat exchanger)(202)의 수평으로 분리된 상부 재킷 공간(201)으로 유입되며, 여기서 기체 EDC가 응축되어 열을 발산하나 EDC 수증기의 압력 요동을 방지하기 위해 현저하게 냉각되진 않는다. 응축할 수 없는 성분들은 불활성가스 유통관(203)을 통해 배출된다. 이때, 폭발성가스 혼합물이 각-관 열교환기의 재킷 공간에 형성될 수 없도록 적절한 기술적 방법에 의해 보장되어야 한다. 이러한 방법은 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있으며 본 발명의 주제가 아니다. EDC 응축물(204)은 액체 EDC가 냉각되는 수평으로 나뉜 각-관 열교환기(202)의 하부 재킷 공간(205)으로 배출된다. 하부 재킷 공간으로의 응축된 EDC의 배출은 펌프(미도시)에 의해 선택적으로 도움을 받을 수 있다.

냉각된 순수 EDC(206)는 응축물 펌프(207)에 의해 수평으로 나뉜 각-관 열교환기(202)로부터 취출되어 제품 EDC(208)와 재순환 EDC(209)인 2개의 하위 흐름으로 나뉜다. 제품 EDC(208)는 제품 냉각기(미도시)에서 냉각된 이후에 배터리 구역(battery limits)으로 이송되며, 재순환 EDC(209)는 반응기로 재공급된다.

액체 EDC(109)용 유통관 설비로부터 취출된 촉매 함유 EDC는 EDC 펌프(210)에 의해 수산화나트륨 증발부(200)의 기저부(214)에 설치된 플러그-인 냉각기(211)로 이송되어 이곳에서 냉각된다. 플러그-인 냉각기(211)로부터 냉각된 EDC(212)는 순환 냉각기(107)에서 추가로 냉각되어 인젝터 노즐(105)로 공급되며, 염소(104)를 흡입하고 용해하는 작동류(driving stream)로 작용한다. 이어서, EDC에 용해된 염소의 흐름(103)은 직점염소화 반응기(100)로 공급된다.

33% 농도의 수산화나트륨 용액(213)은 수산화나트륨 증발부(200)의 기저부(214)에 공급되어 감압 하에서 증발된다. 압력은 자유 수증기(216)를 배출하는 진공 펌프(215)에 의해 유지된다. 수산화나트륨 펌프(217)는 제품 NaOH(218)로서 약 50%로 농축된 수산화나트륨 용액의 일부를 배출하며 나머지 일부를 수산화나트륨 분배기(219)로 이송하며, 상기 수산화나트륨 분배기는 수산화나트륨 용액이 각-관 열교환기(202)의 관 내부에서 농축되도록 분배한다. 증발을 위한 기화에너지가 응축열 및/또는 응축된 EDC의 현열(sensible heat)에 의해 이곳으로 유입된다.

연간 능력이 250 000톤인 EDC를 구비한 플랜트에 대한 시뮬레이션 결과를 기초로 한 아래의 수치 예는 예시적으로 제시된다. 이러한 규모의 플랜트에 있어서, 반응 엔탈피는 약 19.1 MW (218 kJ/mol의 EDC)이다. 연간 능력이 250 000톤인 EDC는 22.5 톤의 염소/h인 염소량에 대응하며, 이어서 25.4 톤/h (100% NaOH로서 계산)의 수산화나트륨 제품에 대응한다. 수산화나트륨은 약 80℃에서 33%의 농도로 획득되며 진공 증발에 의해 50%로 농축된다. 이는 약 26.2 톤/h의 기화될 수량 또는 14.6 MW의 가열 동력에 해당한다.

이러한 열 요구는 직접염소화에서 생성된 열에 의해 완전히 충족될 수 있으며, 그로 인해 반응열의 약 76%가 이러한 적용에서 만회될 수 있으며, 이는 본 발명의 장점이다. 증발은 약 133 mbar 감압된 절대 압력과 60℃의 온도에서 작동된다. 제거될 잔존 반응열은 직접염소화 플랜트 내의 열교환기에 의해 제거된다.

도 2는 제조된 EDC의 정제를 위한 증류부(300)가 연결된 직접염소화 반응기를 도시한다. 장치의 보충물은 직접염소화부(100)와 군을 이루며 수산화나트륨 증발부(200)는 도 1에 도시된 것과 동일하다. 도 1에 도시된 작동 모드와 달리, 직접 염소화 반응기로부터 취출되는 EDC 증기는 정제탑(301) 내의 증류에 의해 먼저 정제된다. 정제탑(301)으로부터의 증기(302)는 수한화나트륨 증발부(200)의 상부 재킷 공간(201)으로 유입된다. 수산화나트륨 증발부(200)는 정제탑(301)의 증기 응축기로서의 역할을 한다. 증기 응축물(303)은 응축물 펌프(207)에 의해 정제탑(301)의 상단 저장부(304)로 이송되며 이곳으로부터 저장부 펌프(305)에 의해 정제탑(301)의 상단으로 공급된다.

도 3 및 도 4는 옥시염소화로부터 EDC와 EDC 열분해로부터 미반응 EDC가 평형 VCM 방법의 EDC 정제부(400) 내의 에너지-집중 EDC 중류에서 정제되는 방식을 도시한다. 옥시염소화로부터의 원료 EDC(401)(미도시)는 낮은 보일러탑(low boiler column)(402) 내에서 물과 낮은 보일러가 먼저 제거되어 상기 물과 낮은 보일러는 낮은 보일러 라인(403)을 통해 배출된다. 낮은 보일러탑으로부터 기저물로 획득된 여전히 높은 보일러를 함유한 EDC는 EDC 라인(404)을 통해 높은 보일러탑(405)으로 공급된다. EDC 열분해로부터의 미반응 EDC는 높은 보일러를 마찬가지로 함유하며 EDC 라인(406)을 통해 높은 보일러탑(405)으로 공급된다.

높은 보일러탑(405)에서, 공급된 흐름이 분별된다. 정제된 EDC는 증기 라인(407)을 통해 높은 보일러탑(405)의 상단에서 취출되어 순수 EDC로서 획득된다. 높은 보일러는 높은 보일러탑(405)의 하단에서 축적된다. 높은 보일러탑(405)으로부터의 바닥 흐름(408)은 진공탑(409)에서 가공된다. 진공탑(409)의 상단에는, 순수 EDC가 EDC 증기 라인(410)을 통해 취출된다. 진공탑(409)으로부터의 바닥 출구(411)는 높은 보일러와 적은 잔여 비율의 EDC를 포함한다.

탑(405, 409)들의 가열은 아래와 같이 이루어진다. 액체 EDC(109)가 직접염소화 반응기(100)로부터 취출되고, 진공탑(409)의 강하 격막 증발기(falling film evaporator)(412) 내외로 가열 매체로서 공급되고 배출된다. EDC 증기(413)는 직접염소화(100)로부터의 기체 EDC(110)로부터 분기되어 높은 보일러탑(405)의 강하 격막 증발기(414)에 가열 매체로서 공급된다. 강하 격막 증발기(412, 414)에 있어서, 가열될 액체는 중력 하에서 가열 관 내부 상에 균일하게 분포된 끓음 막으로서 증발기 본체의 상단으로부터 아래로 유동하며 부분적으로 증발된다. EDC 증기의 대부분은 낙하 경막 증발기(414)의 외부 상에서 응축한다. 물론, 예를 들어 정상 열사이펀재비기(normal thermosiphon reboiler)와 같은 다른 열교환기가 사용될 수도 있다.

강하 경막 증발기(414)로부터의 상향 흐름(415)은 이러한 시스템을 조절하는 역할을 하는 선택적 트림 응축기(optional trim condenser)(416)로 공급될 수 있다. 액체 EDC는 수액기(receiver)(417) 내에서 응축 불가한 성분으로부터 이후 분리된다. 여기서, 산소, 잔여 에텐 및 EDC 증기의 폭발성 혼합물이 응축 중에 생성될 수 없도록 적절한 수단에 의해 보장되어야 한다. 이를 위해, 예를 들어 산소 측정 기구(418)가 산소 함량을 측정하고 관련 조절기가 트림 응축기(416)로의 냉각 매체의 유입량을 상응하게 조절하는 반면에, 추가 조절기들이 트림 응축기(416)에 결합될 수도 있다. 조절 설비가 불필요하다면, 트림 응축기(416) 또한 배제될 수도 있다. 폭발성가스 혼합물의 형성은 본 발명의 주제가 아닌 다른 수단에 의해서도 방지될 수 있다.

높은 보일러탑(405)의 특정 요구사항에 따라서, EDC 증기의 잉여물이 적어도 일부 시간 동안 존재할 수 있다. 이러한 경우에, EDC 하위 흐름(419)은 기체 EDC(110)로부터 분기되어 수액부(417)의 응축 불가한 성분과 혼합된다. 이 혼합된 EDC 증기 흐름(421)은 수산화나트륨 증발부(200)의 각-관 장치의 하부(205)를 가열하는 역할을 하며, 상기 EDC는 응축되어 EDC 응축물(220)로서 취출된다. 응축 불가한 성분은 배출가스(offgas)(221)로서 배출되고, 도면에 도시되지 않은 추가 처리를 받는다.

액체 EDC 흐름(109)은 순환 펌프(112)에 의해 기체방출 용기(108)로부터 배출되어 진공탑(409)을 가열하기 위한 강하 경막 증발기(412)로 공급된다. 현열의 외부 배출 이후에 약간 냉각된 EDC 흐름(422)은 순수 EDC(425)를 형성하기 위해 펌프(423)에 의하여 수액부(417)로부터 배출된 순수 EDC(424)의 일부와 혼합된다. 펌프(423)에 의해 수액부(417)로부터 배출된 순수 EDC(424)의 다른 부분은 제품 EDC(426)로서 역할을 한다.

도 3은 보다 높은 온도에서 제품 EDC를 획득하는 방법을 나타낸다. 본 발명이 속한 기술분야의 당업자는 VCM을 제조하기 위한 다음의 공정 단계에서 제품 EDC를 직접 가공하길 원하는 경우에 이 방법을 선택할 것이며, 이는 재가열의 일부를 보전할 수 있기 때문이다. 여기서, 제품 EDC(426)는 내부에 포함된 열의 추가적인 이용 없이 사용된다. 하지만, EDC가 대형의, 가압되지 않은 저장 탱크로 이송되면, 도 4에 도시된 절차가 이용될 수 있다. 여기서, 제품 EDC(426)는 수산화나트륨 증발부(200)의 기저부(214)에 위치한 플러그-인 냉각기(211)에서 70℃ 아래로 냉각되 며 상기 냉각기로부터 냉각된 제품 EDC(222)로서 저장부로 이송된다. 대안으로, EDC 냉각기를 수산화나트륨 펌프 순환로(circuit) 내에 배치할 수 있다.

도 3 및 도 4는 액체 EDC가 수산화나트륨 증발부(200) 내에서 어떻게 이용될 수 있는지를 나타낸다. 도 3에 있어서, EDC 흐름(425)이 분기되어 그 일부(223)가 수산화나트륨 증발부(200)의 각-관 장치의 상부(201)로 공급되고 다른 일부(224)가 바닥 가열부로서 역할을 하는 플러그-인 열교환기(211)로 공급된다. 약 65-70℃로 냉각된 EDC 흐름(225 및 226)은 EDC 응축물(220)과 혼합되고 재순환 흐름(227)을 형성한다. 도 4에 있어서, EDC 흐름(425)은 분류되지 않으나 그 대신에 수산화나트륨 증발부(200)의 각-관 장치의 상부(201)로 직접 공급된다. 대안으로, 수산화나트륨의 펌프 순환로 내의 배치가 가능하다. 약 70℃로 냉각된 EDC 흐름(225)은 EDC 응축물(220)과 혼합되어 이들이 함께 재순환 흐름(227)을 형성한다.

재순환 흐름(227)은 EDC 하위 흐름(209 및 212)으로 분기된다. 도 3 및 도 4에 도시된 추가 공정은 수산화나트륨 증발 및 도 1에 도시된 직접염소화에 대응한다.

시뮬레이션 결과를 기초로 한 아래의 수치 예는 도 3 및 도 4에 도시된 공정 변형예를 나타낸다. 계산은 연간 능력이 250 000톤인 EDC를 구비한 플랜트에 대해 수행되었다. 이러한 규모의 플랜트에 있어서, 반응 엔탈피는 약 19.1 MW (218 kJ/mol의 EDC)이다. 물론 회복할 수 있다.

EDC 증기를 이용한 탑 가열에 의해: 7900 kW

액체 EDC를 이용한 탑 가열에 의해: 2050 kW

액체 EDC를 이용한 공급 사전가열에 의해: 1310 kW

총합: 11260 kW

이들은 전체 반응열의 최대 약 60%까지 첨가된다.

연간 능력이 250 000톤인 EDC는 22.5 톤/h의 염소 요청에 대응하며, 이어서 약 25.4 톤/h의 수산화나트륨 제품(100% NaOH로서 계산)에 대응한다. 수산화나트륨은 약 80℃에서 33%의 농도로 획득되며 진공 증발에 의해 50%로 농축된다. 이는 약 26.2 톤/h의 기화될 수량 또는 14.6 MW의 가열 동력에 해당한다. 물론, 약 4.2 MW는 수산화나트륨 증발기에서 재순환 EDC 흐름을 100℃로부터 70℃로 냉각함으로써 추가 보전될 수 있다. 이는 반응열의 이용 수준을 60%에서 80%로 증가시킨다. 제거될 잔여 반응열은 직접염소화 플랜트 내의 열교환기에 의해 제거된다.

도 3 및 도 4와 비슷하게도 도 5는 직접염소화(100)로부터의 반응열이 정제탑을 가열하기 위해 이용되는 평형 VCM 방법을 나타낸다. 보일러를 떠나는 EDC 흐름 내의 열의 추가 이용이 어떻게 영향을 받는지 여부에 상관없이, 즉 예를 들어 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 방식 또는 다른 방식으로 수행되는지 여부에 상관없이, 높은 보일러탑(405)으로부터의 증기는 수산화나트륨 증발에 이용될 수도 있다. 이를 위해, 높은 보일러 증기(427)는 기존의 응축기로 공급되는 대신에 수산화나트륨 증발부(200)의 각-관 장치의 상부(201)로 공급되며 상기 수산화나트륨 증발부로부터 취출된 EDC 응축물은 높은 보일러탑(405)에 런백(runback)(428)으로서 재순환되어 탑의 상단에 공급된다.

높은 보일러 증기(427)는 도 1에 도시된 바와 같이 기체 EDC(110)에 유사한 방식 또는 도 2에 도시된 바와 같이 EDC 증기(303)에 유사한 방식으로 다루어질 수 있는 순수 EDC이며, 이를 위해 각 기재에 대한 참조가 이루어질 수 있다. 이러한 흐름은 순수 EDC이므로, 유사한 순도를 갖는 공정 내의 다른 EDC 증기 또는 EDC 응축물과 혼합될 수도 있다. 따라서, 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 방법은 서로 혼합될 수 있다.

연간 능력이 400 000톤인 EDC를 구비한 플랜트에 대해 수행된 시뮬레이션 계산을 기초로 한 아래의 수치 예는 예시적으로 제시된다. 이러한 규모의 플랜트에 있어서, 약 16.2 MW의 열 동력이 1.11 bar의 압력과 87℃의 온도에서 높은 보일러탑 내에서 보전될 수 있으며, 이에 의해 약 44톤/h의 수산화나트륨(100% NaOH로서 계산)이 33 중량%로부터 50 중량%로 농축될 수 있다.

도 6 내지 도 8은 장치의 예시적인 실시예들을 도시한다. 도 6은 수평 분할이 없는 강하 격막 증발기를 도시하는데, 이것은 2개의 고정된 관 플레이트 및 NaOH 기저부를 구비하고 수산화나트륨 용액이 상기 관의 내부에서 이송되고 1,2-디클로르에탄이 상기 관의 외부에서 이송되며 수산화나트륨 용액을 상기 관의 내부로 유입하고 분배하기 위한 설비와 1,2-디클로르에탄을 관의 외부 상에서 응축할 수 있게 하며 기체 1,2-디클로르에탄의 유입과 불활성가스 및 1,2-디클로르에탄 응축물의 배출을 가능하게 하는 설비를 또한 구비하도록 구성되는 각-관 열교환기를 포함한다.

도 7은 분리된 각-관 장치가 사용되어 액체 1,2-디클로르에탄을 유입할 수 있게하고 또한 이를 배출할 수 있게 하는 설비를 구비한 각-관 장치를 추가로 도시한다.

도 8은 각-관 열교환기의 기저부를 위한 가열 매체로서 액체 1,2-디클로르에탄을 이용하는 가동을 위한 주전자형의 외부 순환 증발기(228)를 도시한다. 이러한 실시예는 서로 다른 순도를 가지거나 또는 이들 중 하나가 직접염소화 반응기의 가동을 위한 촉매를 포함하는 다수의 액체 EDC 흐름이 이용되는 경우에 바람직하게 채택될 수 있으며 서로 혼합되지 않아야 한다.

본 발명은 1,2-디클로르에탄의 제조 중에 발생한 반응열을 이용하기 위한 방법 및 장치에 이용될 수 있다.

Claims (13)

1. 직접염소화 반응기 내에서 에텐 및 염화나트륨 전기분해로 제조된 염소로부터 1,2-디클로르에탄의 제조 중에 발생한 반응열을 이용하는 방법에 있어서,

   직접염소화 반응기 내의 1,2-디클로르에탄의 생성으로부터의 반응열 중 적어도 일부는 직접염소화에 필요한 염소의 제조를 위해 NaCl 전기분해의 부산물로서 제조된 NaOH의 증발에 사용되는 것을 특징으로 하는 반응열 이용 방법.
2. 제1항에 있어서,

   직접염소화로부터 취출된 1,2-디클로르에탄 증기의 응축열의 적어도 일부는 제조된 수산화나트륨의 증발을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 반응열 이용 방법.
3. 제1항에 있어서,

   직접염소화로부터 취출된 액체 1,2-디클로르에탄의 현열의 적어도 일부는 제조된 수산화나트륨의 증발을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 반응열 이용 방법.
4. 제1항에 있어서,

   직접염소화 반응기 내에서 에텐과 염소로부터 제조되는 1,2-디클로르에탄의 증류에 의한 정제로 획득되는 증기의 응축열의 적어도 일부는 제조된 수산화나트륨의 증발을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 반응열 이용 방법.
5. 제1항에 있어서,

   직접염소화용 반응기로부터 기체 형태 또는 액체 형태로 취출되는 제조된 1,2-디클로르에탄은 먼저 정제탑의 간접 가열을 위해 이용되며, 1,2-디클로르에탄이 그 열에너지의 일부를 상대적으로 높은 온도에서 정제탑으로 전달한 이후에만 수산화나트륨 증발부 내에 에너지의 추가 전달을 위해 통과하며, 수산화나트륨 증발부 내에서 간접 열교환에 의해 더 낮은 온도에서 열에너지를 수산화나트륨에 전달하는 것을 특징으로 하는 반응열 이용 방법.
6. 제5항에 있어서,

   에텐 및 염소의 직접염소화 반응에서 생성되는 반응열을 이용하여 작동되는 보일러의 증류로부터 증기의 응축열의 일부가 제조된 수산화나트륨의 증발을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 반응열 이용 방법.
7. 제5항에 있어서,

   1,2-디클로르에탄의 끓는점에 비해 높은 끓는점을 갖는 성분을 제거하기 위한 증류탑으로부터 1,2-디클로르에탄을 함유한 증기는 수산화나트륨의 증발을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 반응열 이용 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,

   2개의 고정된 관 플레이트 및 NaOH 기저부를 구비하고 수산화나트륨 용액이 상기 관의 내부에서 이송되고 1,2-디클로르에탄이 상기 관의 외부에서 이송되며 수산화나트륨 용액을 상기 관의 내부로 유입하고 분배하기 위한 설비를 또한 구비하도록 구성되는 각-관 열교환기를 포함하는 장치.
9. 제8항에 있어서,

   1,2-디클로르에탄을 관의 외부에서 응축을 가능하게 하고 기체 1,2-디클로르에탄의 유입과 불활성가스 및 1,2-디클로르에탄 응축물의 배출을 가능하게 하는 설비를 구비한 각-관 장치를 포함하는 장치.
10. 제8항에 있어서,

    액체 1,2-디클로르에탄을 유입 가능하게 하고 또한 이의 배출을 가능하게 하는 설비를 구비한 각-관 장치를 포함하는 장치.
11. 제8항에 있어서,

    일부는 1,2-디클로르에탄을 관의 외부에서 응축을 가능하게 하고 기체 1,2-디클로르에탄의 유입과 불활성가스 및 1,2-디클로르에탄 응축물의 배출을 가능하게 하는 설비로 구성되고, 다른 일부는 액체 1,2-디클로르에탄을 유입 가능하게 하고 또한 이의 배출을 가능하게 하는 설비로 구성되는 분리된 각-관 장치를 포함하는 장치.
12. 제8항에 있어서,

    각-관 열교환기의 기저부에 가열 매체로서 액체 1,2-디클로르에탄을 이용하는 작동을 위한 플러그-인 열교환기를 구비하는 장치.
13. 제8항에 있어서,

    각-관 열교환기의 기저부에 가열 매체로서 액체 1,2-디클로르에탄을 이용하는 작동을 위한 외부 순환 증발기를 구비하는 장치.

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