KR101532879B1 - 다단 압축모듈 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다단 압축모듈 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 다단 압축모듈 시스템은 증발 분리 시스템으로부터 제1유체를 공급받아 압축하는 제1압축모듈; 상기 제1압축모듈로부터 토출되는 상기 제1유체의 속도압을 낮추는 라미네이터; 상기 라미네이터를 통과한 상기 제1유체를 상기 증발 분리 시스템에서 요구되는 온도 및 압력으로 압축하여 상기 증발 분리 시스템으로 순환시키는 제2압축모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 제1압축모듈을 통과한 유체의 속도를 낮추어 제2압축모듈로의 유입을 용이하게 하며, 유체가 증발분리 시스템에서 요구되는 온도 및 압력으로 제2압축모듈에서 압축될 수 있도록 유체의 온도 및 압력을 제어하여 증발분리 시스템으로 순환시키는 다단 압축 모듈 시스템이 제공된다.

Description

다단 압축모듈 시스템{SYSTEM FOR MULTI-STAGE COMPRESSION MODULE}
본 발명은 다단 압축모듈 시스템으로서, 보다 상세하게는 제1압축모듈을 통과한 유체의 속도를 낮추어 제2압축모듈로의 유입을 용이하게 하며, 유체가 증발분리 시스템에서 요구되는 온도 및 압력으로 제2압축모듈에서 압축될 수 있도록 유체의 온도 및 압력을 제어하여 증발분리 시스템으로 순환시키는 다단 압축 모듈 시스템에 관한 것이다.
증류시스템은, 공급원료 중에 존재하는 혼합물질을 비점차에 의하여 증발 분리하기 위한 것이다. 증류시스템의 상부에서 저비점물질(high volatile component)은 증발되어 상부증기(overhead vapor) 형태로, 증류시스템의 하부에서 고비점물질(low volatile component)은 미증류의 형태로 분리된다. 이때, 저비점물질과 고비점물질은 각각 단일 성분일 수도 있고, 각각 2성분 이상의 혼합물일 수도 있다.
이러한 증류시스템은 비점차에 따라 물질을 분리하는 증발분리기를 필수적으로 포함한다. 증발분리기 중 저비점물질을 추출하여 목표로 하는 대상제품으로 할 경우에는 정류탑이 사용되고, 고비점물질을 추출하여 목표로 하는 대상제품으로 할 경우에는 탈거탑 또는 탈거조가 사용된다. 탈거탑은 주로 저점도의 고비점물질을 추출할 때 사용되며, 탈거조는 고점도의 고비점물질을 추출할 때 사용된다.
도 1은 종래의 다단 압축기를 이용하는 증류시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 다단 압축기를 이용하는 증류 시스템은, 공급원료가 공급되는 제1탈거조, 제1탈거조에서 탈거되지 않은 물질들을 공급받는 제2탈거조, 제1탈거조로부터 배출된 상부증기와 물이 열교환되는 응축증발기, 응축증발기에서 응축되지 않은 상부증기를 최종적으로 응축하는 응축기와 2개의 압축 모듈을 포함한다.
종래의 다단 압축기를 이용하는 증류시스템(10)은 먼저, 공급원료가 제1탈거조(311)로 공급된다. 제1탈거조(311)에서 요구되는 온도에 따라 스팀공급부로부터 스팀이 공급되면, 공급원료 중 저비점물질은 상부증기로 배출되며 고비점물질은 하부에서 응축된다. 이때, 제1탈거조(311)에서는 일정온도 이하의 비점을 갖는 저비점물질만 상부증기로 배출되며, 일정온도 이상의 비점을 갖는 물질은 상부증기로 배출되지 않는다. 이러한 이유 등으로 제1탈거조(311)에서는 모든 공급원료가 저비점물질과 고비점물질로 분리되지 않으며, 이는 추가적으로 분리되기 위하여 제2탈거조(312)로 공급된다.
제1탈거조(311)로부터 배출된 상부증기는 응축증발기(360)에서 물과 열교환하여 포화수증기를 만든 후, 제1압축 모듈에서 다단 압축되어 제1탈거조(311)로 재공급된다. 이는 제1탈거조(311)에서 공급원료를 분리하는데 사용된다.
한편, 응축증발기(360)에서 응축되지 않은 상부증기는 응축기(370)로 공급되어 최종적으로 응축된다. 응축기(370)에서 생성된 응축액은 비중에 의해 물과 분리된 후 증류탑(390)으로 공급된다. 재비기(350)는 스팀을 증류탑에 공급하며, 재비기에서 생성된 스팀 응축수는 저압 팽창(flash)되어 제2압축 모듈(130)에서 압축된 뒤 제2탈거조(312)로 공급되어, 제1탈거조(311)에서 배출된 공급원료와 직접 열교환하여 최종 탈거하는데 사용된다.
즉, 제2탈거조(312)는 응축기(370)에서 응축,분리된 응축액이 정제를 위하여 증류탑(390)에 공급되고, 재비기(350)에서는 고온 스팀 응축수를 팽창 증발시켜 제2압축 모듈(130)에서 압축되어 공급되어야 한다. 일반적으로 제1탈거조로부터 배출된 상부증기가 응축,분리되어 증류탑에 공급된 후 다단 탈거공정이 안정될 때까지는 수 시간이 소요된다. 종래의 다단 압축기를 이용하는 증류시스템(10)의 초기 구동시 제1탈거조(311)를 구동하기 위해 제1탈거조(311)에서 요구되는 온도에 따라 스팀공급부로부터 스팀이 공급된다. 제1탈거조(311)로부터 배출된 상부증기와 물이 열교환하여 생성된 수증기가 제1압축 모듈(120)을 통과하여 다시 제1탈거조(311)에 공급되어 사용되더라도, 제1탈거조(311)를 작동하기에 충분하지 않아 스팀공급부로부터 스팀은 계속적으로 공급이 되어야 한다.
이로 인해, 제2탈거조(312)가 구동하여 제2탈거조(312)의 상부증기가 제1탈거조(311)에 공급되기 전까지 외부로부터 공급되어야 하는 스팀의 양이 과도하여 많은 비용이 소요된다.
또한, 제1탈거조(311)에서 공급원료를 분리하는데 요구되는 온도 조건과 제2탈거조(312)에서 요구되는 온도 조건이 상이하므로, 제1압축모듈(120)과 제2압축모듈(130) 각각의 구동조건이 상이하다. 따라서, 제1압축모듈(120)과 제2압축모듈(130)은 별도로 구동되어야 하며, 이로 인해, 각 압축모듈의 유지보수가 용이하지 못하며, 증류 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제1압축모듈을 통과한 유체의 속도를 낮추어 제2압축모듈로의 유입을 용이하게 하며, 유체가 증발분리 시스템에서 요구되는 온도 및 압력으로 제2압축모듈에서 압축될 수 있도록 온도 및 압력을 제어하여 증발분리 시스템으로 순환시키는 다단 압축 모듈 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 증발 분리 시스템으로부터 제1유체를 공급받아 압축하는 제1압축모듈; 상기 제1압축모듈로부터 토출되는 상기 제1유체의 속도압을 낮추는 라미네이터; 상기 라미네이터를 통과한 상기 제1유체를 상기 증발 분리 시스템에서 요구되는 온도 또는 압력 중 적어도 어느 하나로 압축하여 상기 증발 분리 시스템으로 순환시키는 제2압축모듈을 포함하는 다단 압축모듈 시스템에 의하여 달성된다.
여기서, 제2유체를 상기 라미네이터에 공급하는 유체공급부를 더 포함하며, 상기 라미네이터는 상기 제1유체와 상기 제2유체가 온도 평형이 이루어지도록 하여 상기 제2압축모듈로 공급하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 라미네이터는, 상기 제2압축모듈이 상기 제1유체와 상기 제2유체를 상기 증발 분리 시스템에서 요구되는 온도 또는 압력 중 적어도 어느 하나로 압축하도록, 상기 제1유체와 상기 제2유체의 온도 또는 압력을 제어하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 증발 분리 시스템은 서로 다른 온도에서 구동되는 복수 개의 증발 분리기를 포함하며, 상기 제2압축모듈을 통과한 유체는 적어도 2개 이상의 상기 증발 분리기에 공급되어 순환되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1압축모듈은 복수 개의 기계적 증기 재압축 장치(Mechanical Vapor Recompression:MVR)로 마련되어 상기 제1유체를 다단 압축하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 제1압축모듈과 제2압축모듈 사이에 라미네이터를 설치함으로써, 제2압축모듈로의 포화수증기의 유입이 용이하며, 제2압축모듈의 장치파손을 방지할 수 있는 다단 압축모듈 시스템이 제공된다.
또한, 제1압축모듈과 제2압축모듈 사이에 라미네이터를 설치함으로써, 제1압축모듈로부터 토출되는 제1유체와 유체공급부로부터 공급되는 제2유체의 온도를 동일하게 하여 제2압축모듈로 공급할 수 있다.
또한, 라미네이터에 의하여 제1유체와 제2유체의 온도 및 압력을 제어함으로써 제2압축모듈에서 용이하게 제1스트리퍼에서 요구되는 온도 조건 등을 갖도록 할 수 있다.
또한, 증발분리기로부터 배출되는 제1유체 다단 단열압축하여 적어도 2개이상의 증발분리기로 순환시킴으로써, 제1유체의 열회수율을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 다단 압축기를 이용하는 증류시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 다단 압축모듈 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 다단 압축모듈 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다단 압축모듈 시스템이 적용된 증류 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 증류 시스템의 응축기에서 생성된 응축액이 증류탑으로 공급되기 전의 작동을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 증류 시스템의 응축기에서 생성된 응축액이 증류탑으로 공급된 후의 작동을 개략적으로 도시한 도면이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 다단 압축모듈 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 다단 압축모듈 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 다단 압축모듈 시스템(100)은 증발 분리 시스템(110)과, 증발 분리 시스템(110)으로부터 유체를 공급받아 압축하는 제1압축모듈(120)과, 제1압축모듈(120)로부터 토출되는 유체가 통과하는 라미네이터(140) 및 라미네이터(140)로부터 공급된 유체를 압축하는 제2압축모듈(130)을 포함한다.
증발 분리 시스템(110)은 공급원료 중에 존재하는 혼합물질을 비점차에 의하여 증발 분리하는 장치이다. 증발 분리 시스템(110)은 복수 개의 증발 분리기를 포함한다.
증발분리기의 상부에서는 공급원료 중에 존재하는 저비점물질이 증발되어 상부증기 형태로 분리되며, 하부에서는 공급원료 중에 존재하는 고비점물질이 응축액의 형태로 분리된다. 이러한 증발분리기의 예로는 증류탑(distillaion column), 정류탑(rectification column), 탈거탑(stripping column), 탈거조(stripping vessel,stripper) 등이 있다.
증발분리 시스템(110)은 증류 과정에서 생성되는 제1유체를 제1압축모듈(120)로 공급한다. 여기서, 제1유체는 상부증기와 별도의 물 공급원으로부터 응축증발기에 공급된 물이 열교환하여 증발된 포화수증기 등이 이에 해당한다.
제1압축모듈(120)은 증발분리 시스템(110)으로부터 공급된 제1유체를 압축하기 위한 구성이다. 제1압축모듈(120)은 복수 개의 기계적 증기 재압축 장치로 마련된다.
한편, 기계적 증기 재압축 장치는 고속 압축기, 저속 송풍원심압축기 등이 사용될 수 있다. 송풍원심압축기를 사용하는 경우, 송풍원심압축기는 10000rpm 이하의 저속의 송풍원심압축기로서 저가이고, 저속운전되기 때문에 장시간 운전시에도 압축기의 손상 없이 안정적으로 운영이 가능한 장점이 있다. 다만 송풍원심압축기는 10000rpm이하, 바람직하게는 4000~7000rpm의 저속압축기로서 고속다단 터보압축기에 비하여 압축비가 낮기 때문에, 낮은 압축비를 보상하기 위하여 복수의 송풍원심압축기로 마련된다.
즉, 증발분리시스템(110)부터 공급되는 제1유체는 소정의 압축비에 따라 복수의 송풍원심압축기에서 다단 압축된다. 본 실시예에서 기계적 증기 재압축 장치는 저속 송풍원심압축기를 예로 들어 설명하였으나, 제1유체를 증발분리시스템(110)에서 요구되는 온도 및 압력으로 압축할 수 있다면 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
제1압축모듈(120)의 유입단에는 유량제어부(121)가 설치될 수 있다. 증발분리 시스템(110)의 초기 구동시에는 제2압축모듈(130)로부터 증발분리 시스템(110)으로 순환되는 유체가 없으므로, 제1유체의 양이 적을 수 있다. 기계적 증기 재압축 장치에서 요구되는 유량보다 낮은 경우 소음 및 진동이 발생하게 되고, 기계적 증기 재압축 장치에 손상을 가져오게 될 수 있다. 이때, 유량 제어부(121)가 설치됨으로써 상술한 문제점을 방지할 수 있다. 유량제어부(121)로는 흡입 안내깃(IGV : Inlet Guide Vane) 또는 인버터 모터 제어 등이 포함된다.
제2압축모듈(130)은 제1압축모듈(120)에서 압축된 제1유체가 증발분리 시스템(110)에서 요구되는 온도 및 압력을 갖도록 최종적으로 압축하는 구성이다. 제2압축모듈(130)은 복수 개의 기계적 증기 재압축 장치로 마련된다. 한편, 제2압축모듈(130)의 기계적 증기 재압축 장치는 제1압축모듈(110)과 같은 종류의 압축기로 마련될 수 있다.
라미네이터(140)는 제1압축모듈(120)과 제2압축모듈(130) 사이에 설치되어, 제1압축모듈(120)로부터 토출되는 포화수증기의 속도를 낮추며 온도를 제어하는 구성이다.
제1압축모듈(120)은 복수 개의 기계적 증기 재압축 장치로 구성되어 제1유체를 다단 압축한다. 복수 개의 기계적 증기 재압축 장치를 통과한 제1유체는 속도압이 아주 높으며, 기계적 증기 재압축 장치의 임펠러 등의 회전운동에 의하여 강렬한 와류가 형성된다. 이로 인해, 제2압축모듈(130)로의 유입 증기밀도 분포가 균일하지 않아, 높은 속도압에 의하여 제2압축모듈(130)의 기계적 증기 재압축 장치의 임펠러 단면에 부분적으로 과도한 응력이 발생되어 이로 인한 진동과 파손이 우려될 수 있다.
이에 따라, 제1압축모듈(120)과 제2압축모듈(130) 사이에 라미네이터(140)가 설치됨으로써, 제1압축모듈(120)로부터 토출되는 제1유체의 속도압을 대부분 정압으로 변환시켜 서서히 제1유체의 와류현상이 없이 제2압축모듈(130)로 유입되도록 한다.
라미네이터(140)는 하기의 수학식으로 정의되는 베르누이 방정식에 따라 제1유체의 속도압을 정압으로 변환시킨다.
Figure 112014051127757-pat00001
여기서, Pt는 전압(total pressure)이며, Ps는 정압이고, ρv^2/2 는 속도압이다.
즉, 전압 = 정압 + 속도압(동압)의 원리에 따라, 속도압을 낮춤으로써 정압을 상승시켜 제1유체의 와류현상 없이 제2압축모듈(130)로 유입되도록 한다. 라미네이터(140)는 덕트 형태 또는 챔버 형태로 마련되며, 제1압축모듈(120)로부터 유입된 제1유체는 속도압을 낮추기 위하여 등온 팽창한다. 다시 말해, 제1압축모듈(120)로부터 라미네이터(140) 내부로 고속으로 유입되는 제1유체는 라미네이터(140) 내부에서의 등온 팽창 및 내벽과의 마찰 등에 의해 속도압이 낮아지게 되며, 이로 인해 제2압축모듈(130)로 와류현상 없이 유입된다.
지금부터는 제1실시예에 따른 상술한 다단 압축 모듈 시스템의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 증발분리 시스템(110)에 공급원료를 공급한 뒤, 증발분리 시스템(110)에서 요구되는 온도 등의 조건에 따라 스팀을 공급한다. 스팀은 증발분리 시스템(110) 하부의 고비점물질과 접촉하여 열전달하며, 이 열에 의하여 저비점물질이 증발되어 수증기와 함께 상부증기로 배출된다.
본 실시예에서, 저비점물질의 상부증기는 응축증발기에서 공급되는 물에 열량을 전달한다. 상부증기로부터 열전달 받은 물은 증발되어 포화수증기가 된다. 이 포화수증기가 제1유체가 되며, 제1유체는 제1압축모듈(120)로 공급된다.
제1유체는 제1압축모듈(120)을 통과하면서 다단 압축 된 후 라미네이터(140)로 공급된다. 제1압축모듈(120)을 통과하면서 제1유체는 속도압이 증가하게 되며, 임펠러 등의 회전에 의하여 강렬한 와류가 형성된다. 이로 인해, 제2압축모듈(130)로의 유입 증기밀도 분포가 균일하지 않아, 제2압축모듈(130)의 파손의 원인이 될 수 있다. 그러나, 라미네이터(140)에서 포화수증기의 속도압을 낮추며, 와류가 생성되는 것을 방지하고 바람직하게는 직선이동하도록 하여 제1유체의 와류현상 없이 제2압축모듈(130)에 균일한 증기 밀도로 유입되도록 한다.
라미네이터(140)를 통과하여 제2압축모듈(130)로 유입된 포화수증기는 추가적으로 다단 압축되어 증발분리 시스템(110)에서 공급원료를 분리하기 위한 온도 및 압력조건이 된다. 최종적으로 압축된 제1유체는 다시 증발분리 시스템(110)에 공급되어 공급원료를 분리하는데 사용된다.
다음으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 다단 압축모듈 시스템에 대하셔 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 다단 압축모듈 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 다단 압축모듈 시스템(200)은 증발분리 시스템(110)과, 제1압축모듈(120)과, 제2압축모듈(130)과 라미네이터(140) 및 라미네이터(140)에 제2유체를 공급하는 유체공급부(250) 포함한다. 한편 증발분리 시스템(110)과, 제1압축모듈(120) 및 제2압축모듈(130)은 상술한 제1실시예와 동일하므로 중복설명은 생략한다.
유체공급부(250)는 라미네이터(140)에 제2유체를 공급하기 위한 구성이다. 여기서, 제2유체는 증류 공정에서 발생하는 스팀 등의 응축수가 증발된 증기 등을 예로 들 수 있다. 증발분리 시스템(110)에서 생성되는 제1유체와 유체공급부(250)에서 생성되는 제2유체는 서로 다른 공정에서 생성되는 것이므로, 그 온도 또는 압력 등의 조건이 서로 상이할 수 있다.
라미네이터(140)는 제1압축모듈(120)과 제2압축모듈(130) 사이에 설치되어, 제1압축모듈(130)로부터 토출되는 제1유체의 속도를 낮추며 온도를 제어하는 구성이다. 한편, 제1압축모듈(130)로부터 토출되는 제1유체의 속도를 낮추는 것은 제1실시예와 동일하므로 중복설명은 생략한다.
라미네이터(140)는 상술한 제1유체의 속도를 낮추는 것 뿐만 아니라 라미네이터(140)로 공급되는 제1유체 및 제2유체의 온도를 조절한다. 라미네이터(140)에는 제1압축모듈(110)로부터 토출되는 제1유체와 유체공급부(250)로부터 공급되는 제2유체가 공급된다. 이때, 제1유체와 제2유체는 서로 다른 공정으로부터 생성되는 물질이므로 그 온도 등의 조건이 상이하다. 따라서, 라미네이터(140)는 제1유체와 제2유체의 온도 평형을 이룬 뒤, 제2압축모듈(130)로 공급하여 증발분리 시스템(110)에서 요구되는 온도 및 압력이 되도록 하며, 바람직하게는 제2압축모듈(130)의 압축비에 따라 온도 및 압력을 제어하여 증발분리 시스템(110)에서 요구되는 온도 및 압력으로 압축 되도록 한다.
다음으로, 본 발명의 다단 압축모듈 시스템이 적용된 증류시스템에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 다단 압축모듈 시스템이 적용된 증류시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 증류 시스템(300)은 공급원료가 공급되는 증발분리 시스템(310)과, 증발분리 시스템(310)으로부터 배출되는 상부증기와 물이 열교환되는 응축증발기(360)와, 응축증발기(360)에서 응축되지 않은 상부증기가 공급되어 응축되는 응축기(370)와, 응축증발기(360)에서 생성된 포화수증기가 공급되어 압축되는 제1압축모듈(120)과, 제2압축모듈(130)과, 라미네이터(140)와, 제2압축모듈(130)을 통과한 포화수증기 중 일부의 온도 및 압력을 증가시키는 열적 증기 재압축 모듈(380)과, 스팀공급부로부터의 스팀의 공급여부를 제어하는 밸브(311a, 312a, 380a)와, 증류탑(390) 및 재비기(350)를 포함한다.
한편, 제1압축모듈(120), 제2압축모듈(130) 및 라미네이터(140)는 제1실시예 또는 제2실시예와 동일하므로 중복설명은 생략한다.
증발분리 시스템(310)은 공급원료를 저비점물질과 고비점물질로 분리하기 위한 것으로서, 서로 다른 온도에서 구동되는 복수 개의 증발분리기를 포함하며, 본 실시예에서는 스트리퍼(stripper) 즉, 탈거조 모듈을 의미한다. 증발분리 시스템(310)은 공급원료 중 저비점의 모노머를 제거하고 고점도의 고비점 폴리머를 얻기 위한 것으로서, 증발분리기에 해당하는 제1스트리퍼(311)와 제2스트리퍼(312)를 포함한다. 여기서 공급원료는 합성고무의 중합반응 이후에 생산되는 혼합물질을 예로 들 수 있다. 합성고무의 중합반응 이후에 생산되는 폴리머 슬러리의 경우에는 물, 폴리머, 모노머, 중합되지 않은 용제 등이 포함된다.
제1스트리퍼(311)는 혼합물질 등이 존재하는 공급원료를 공급받아 저비점물질과 고비점물질로 분리하는 장치이다. 제1스트리퍼(311)에는 제1스트리퍼(311)에서 요구되는 온도 등의 조건에 따라 제어되는 제1밸브(311a)를 통하여 스팀 공급부로부터 스팀이 공급된다. 또한, 제2스트리퍼(312)로부터 상부증기가 공급되며, 제2압축모듈(130)로부터 배출되는 포화수증기가 공급된다. 상술한 스팀과 포화수증기는 동일한 물질이다. 스팀 공급부로부터 공급되는 스팀이 제1스트리퍼(311) 하부의 고비점물질과 직접 접촉하여 열전달하며, 이 열에 의하여 혼합물질 중 저비점물질이 증발되어 수증기와 함께 상부증기로 배출된다.
한편, 제1스트리퍼(311)는 공급원료에 존재하는 저비점물질을 모두 증발시키는 것은 아니다. 저비점물질과 고비점물질 각각이 2성분 이상의 혼합물일 수 있으며, 이러한 경우 모든 저비점물질을 증발시키기 위하여 요구되는 스팀의 온도 등이 높으므로 비용이 과도하게 발생할 수 있다. 따라서, 제1스트리퍼(311)에서는 일정온도 이하의 비점을 갖는 저비점물질만 증발되도록 한다.
제2스트리퍼(312)는 제1스트리퍼(311)에서 분리되지 않은 저비점물질과 고비점물질을 공급받아 분리하는 장치이다. 제1스트리퍼(311)에서는 일정온도 이하의 비점을 갖는 저비점물질만 증발되며, 일정온도 이상의 비점을 갖는 저비점물질은 제2스트리퍼(312)에서 증발되므로, 제2스트리퍼(312)는 제1스트리퍼(311)에 비하여 높은 온도에서 구동된다.
제2스트리퍼(312)는 스팀 공급부 및 열적 증기 재압축 모듈(380)로부터 스팀을 공급받을 수 있도록 마련된다. 구체적으로, 제2스트리퍼(312)에서 요구되는 온도 등의 조건에 따라 제어되는 제2밸브(312a)를 통하여 스팀 공급부로부터 스팀이 공급된다. 또한, 열적 증기 재압축 모듈(380)로부터는 제2스트리퍼(312)에서 요구되는 온도 등의 조건에 따라 제어되는 제3밸브(380a) 및 제2압축모듈(130)을 통과한 스팀을 공급받는다.
한편, 제2스트리퍼(312)는 제1스트리퍼(311)에 비하여 높은 온도에서 구동된다. 따라서, 제2스트리퍼(312)에서 배출되는 상부증기는 제1스트리퍼(311)에 공급되도록 마련되며, 이는 제1스트리퍼(311)에서 공급원료를 분리하는 열원으로 사용된다.
응축증발기(360)는 제1스트리퍼(311)로부터 공급되는 단일 또는 포화증기압이 다른 2성분계 이상의 상부증기를 응축시켜, 최대의 열량을 물에 전달함으로써, 전달열량에 상응하는 열량의 수증기를 생성시키는 구성이다. 구체적으로, 응축증발기(360)에는 별도의 물 공급원으로부터 물이 공급되며, 제1스트리퍼(311)에서 요구되는 온도 및 압력까지 포화수증기가 압축모듈에서 압축될 수 있도록, 응축증발기(360)에서 필요한 만큼 상부 증기를 응축시켜 물에 열량을 전달한다. 응축되지 않은 나머지 상부증기는 응축기(370)로 공급되며, 상부증기로부터 열전달 받은 물은 포화수증기가 되어 제1압축모듈(120)로 공급된다.
상부증기가 2성분계 이상의 물질인 경우 각각 포화증기압이 다르기 때문에, 응축온도를 포화증기압이 가장 높은 물질에 맞춰야만 상부증기 전량이 응축되며, 이때문에 과도한 압축이 필요하다는 문제가 있다. 그러나, 상부증기와 열교환하여 생성된 수증기를 압축 및 열매체로 이용함으로써, 상부증기를 압축할 필요가 없어, 포화증기압이 상이한 2성분 이상의 저비점물질의 증류에도 제한없이 적용 가능하다. 또한, 상부증기의 응축잠열을 물의 응축잠열로 제거함으로써 순환냉각수의 현열로 제거하는 것에 비해 상당히 적은 양의 물로 가능한 장점이 있다.
응축기(370)는 응축증발기(360)에서 응축되지 않은 상부증기를 응축하는 구성이다. 응축증발기(360)에서 응축되지 않은 상부증기는 응축기(370)로 공급되며, 응축기(370)에서 최종적으로 응축된다. 응축기(370)에서 생성된 응축액은 비중차에 의해 물과 분리되어 증류탑(390)으로 공급된다.
열적 증기 재압축 모듈(380)은 제2압축모듈(130)을 통과한 포화수증기를 제2스트리퍼(312)에서 요구되는 온도 및 압력으로 압축하는 구성이다. 제2압축모듈(130)을 통과한 포화수증기 중 일부는 제2스트리퍼(312)로 공급되어 공급원료를 분리하는데 사용되며, 나머지는 제1스트리퍼(311)로 공급되어 공급원료를 분리하는데 사용된다. 이때, 제2압축모듈(130)을 통과한 수증기는 제1스트리퍼(311)에서 요구되는 온도 및 압력으로 압축된다. 제2스트리퍼(312)는 제1스트리퍼(311)에 비하여 높은 온도에서 구동되므로, 제2압축모듈(130)을 통과한 수증기의 추가적인 압축이 요구된다. 포화수증기는 열적 증기 재압축 모듈(380)을 통과하면서 압축되어 제2스트리퍼(312)에서 요구되는 온도 및 압력을 갖게된다.
본 실시예에서는 제2압축모듈(130)을 통과한 포화수증기를 제2스트리퍼(312) 측으로 우선적으로 유입되도록 한다. 따라서, 열적 증기 재압축 모듈(380)은 제2압축모듈(130)을 통과한 포화수증기를 흡입하여 제2스트리퍼(312) 측으로의 유입을 유도한다. 또한, 제2스트리퍼(312)와 제2압축모듈(130)의 거리가 먼 경우에는 제2압축모듈(130)을 통과한 포화수증기가 제2스트리퍼(312)로 유입되기 어려운 문제점이 있다. 이때, 열적 증기 재압축 모듈(380)은 제2압축모듈(130)을 통과한 포화수증기를 흡입하여 제2스트리퍼(312) 측으로의 우선적인 유입을 유도한다.
스팀 공급부는 스트리퍼 모듈(310) 즉, 제1스트리퍼(311) 및 제2스트리퍼(312) 및 열적 증기 재압축 모듈(380)에 스팀을 공급하기 위한 구성이다. 스팀 공급부로부터 공급되는 스팀이 제1스트리퍼(311)에 공급되면 하부의 고비점물질과 직접 접촉하여 열전달하며, 이 열에 의하여 혼합물질 중 저비점물질이 증발되어 수증기와 함께 상부증기로 배출된다.
밸브는 스트리퍼 모듈(310)로의 스팀 공급여부를 제어하기 위한 구성으로서, 제1밸브(311a)와 제2밸브(312a) 및 제3밸브(380a)를 포함한다.
제1밸브(311a)는 스팀 공급부로부터 제1스트리퍼(311)로 공급되는 스팀의 공급여부를 제어하기 위한 구성이다. 제1밸브(311a)는 제1스트리퍼(311)에서 공급원료를 분리하기 위하여 요구되는 온도 조건에 따라 제1스트리퍼(311)로 공급되는 스팀의 양을 제어한다. 제1밸브(311a)는 증류 시스템(300)의 구동 초기에 개방되어 제1스트리퍼(311) 내부로 스팀이 공급되도록 한다.
제2밸브(312a)는 스팀공급부(160)로부터 제2스트리퍼(312)로 공급되는 스팀의 공급여부를 제어하기 위한 구성이다. 제2밸브(312a)는 제1밸브(311a)와 달리, 장치의 구동 초기에 개방되어 있는 것은 아니며, 제3밸브(380a) 구동 후, 후술하는 바와 같이 제3밸브(380a)로부터 공급되는 스팀의 양이 제1스트리퍼(111)와의 기액 압력 평형을 위한 스팀 공급량이 부족할 때에 개방되어 스팀을 보충함으로써 제2스트리퍼(312)에서 공급원료가 분리되도록 하는 것이다.
제3밸브(380a)는 스팀 공급부로부터 제2스트리퍼(312)로 공급되는 스팀의 공급여부를 제어하기 위한 구성이다. 다만, 제2밸브(312a)와 같이 스팀이 직접적으로 제2스트리퍼(312)에 공급되도록 하는 것은 아니며, 열적 증기 재압축 모듈(380) 측으로 공급되도록 하는 구성이다. 즉, 제2스트리퍼(312)에서 요구되는 온도 조건에 따라 열적 증기 재압축 모듈(380) 측으로 공급되는 스팀의 양을 제한하며, 스팀은 열적 증기 재압축 모듈(380)에서 압축된 뒤 제2스트리퍼(312)로 공급된다.
증류탑(390)은 응축기(370)에서 생성된 응축수를 공급받아 정류하기 위한 것이며, 재비기(reboiler)(350)는 증류탑(390)에서 스팀을 공급하기 위한 구성이다. 재비기(350)에서 생성되는 스팀의 응축수는 팽창 증발된 후 라미네이터(140)로 공급된다. 상술한 바와 같이, 팽창 증발되어 라미네이터(140)로 공급되는 증기와 제1압축모듈(120)로부터 라미네이터(140)로 공급되는 증기의 온도가 상이하나, 라미네이터(140)에서 동일한 온도가 되어 제2압축모듈(130)로 공급된다.
지금부터는 상술한 증류 시스템의 작동에 대하여 설명한다.
증류 시스템(300)의 응축기(370)에서 생성된 응축수가 증류탑(390)으로 공급되기 전과 후로 분리하여 설명한다.
1. 응축기에서 생성된 응축수가 증류탑으로 공급되기 전
도 5는 도 4의 증류 시스템의 응축기에서 생성된 응축액이 증류탑으로 공급되기 전의 작동을 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저, 공급부로부터 제1스트리퍼(311)에 공급원료를 공급한다. 공급원료는 다양한 물질일 수 있으며, 합성고무의 중합반응 이후에 생산되는 물질의 경우에는 물, 폴리머, 모노머, 중합되지 않은 용제 등이 포함된다.
제1스트리퍼(311)에서 요구되는 온도 등의 조건에 따라 제어되는 제1밸브(311a)를 개방하여, 스팀 공급부로부터 제1스트리퍼(311)에 스팀을 공급한다. 스팀은 제1스트리퍼(311) 하부의 고비점물질과 직접 접촉하여 열전달한다. 이 열에 의하여 공급원료 중 일정온도 이하의 비점을 갖는 저비점물질이 증발되어 수증기와 함께 상부증기로 배출되며, 고비점물질은 미증류 분리되어 스팀의 응축수와 함께 제2스트리퍼(312)로 공급된다.
제1스트리퍼(311)로부터 배출되는 상부증기는 응축증발기(360)로 유입된다. 상부증기는 응축증발기(360)에서 일부가 응축되어, 별도의 물 공급원으로부터 응축증발기(360)에 공급되는 물에 열량을 전달한다. 상부증기로부터 열전달 받은 물은 포화수증기가 되어 제1압축모듈(120)로 공급되며, 응축되지 않은 상부증기는 응축기(370)로 공급된다.
응축증발기(360)에서 생성된 포화수증기는 제1압축모듈(120)로 공급된다. 이때, 제1압축모듈(120)로의 공급이 보다 원활히 되도록 제1압축모듈(120)의 유입단에는 유량 제어부(121)이 설치될 수 있다.
포화수증기는 제1압축모듈(120)을 통과하면서 다단 단열압축 된 후 라미네이터(140)로 공급된다. 제1압축모듈(120)을 통과하면서 포화수증기는 속도압이 증가하게 되며, 임펠러 등의 회전에 의하여 와류가 형성된다. 이로 인해, 제2압축모듈(130)로의 유입 증기밀도 분포가 균일하지 않아, 제2압축모듈(130)의 파손의 원인이 될 수 있다. 그러나, 라미네이터(140)에서 포화수증기의 속도압을 낮추며, 와류가 생성되는 것을 방지하고 바람직하게는 직선이동하도록 하여 포화수증기가 제2압축모듈(130)로 균일한 증기 밀도로 유입되도록 한다. 라미네이터(140)를 통과하여 제2압축모듈(130)로 유입된 포화수증기는 추가적으로 다단 압축되어 제1스트리퍼(311)에서 공급원료를 분리하기 위한 온도 및 압력 조건이 된다.
제2압축모듈(130)로부터 토출되는 포화수증기의 일부는 열적 증기 재압축 모듈(380)이 우선적으로 흡입한다. 즉, 제2압축모듈(130)로부터 토출되는 포화수증기 중 일부는 열적 증기 재압축 모듈(380)로 공급되며, 나머지는 제1스트리퍼(311)로 공급된다. 열적 증기 재압축 모듈(380)로 유입된 포화수증기는 추가적으로 압축되어 제2스트리퍼(312)에서 요구되는 온도 및 압력으로 되며, 이후 제2스트리퍼(312)에서 공급원료를 분리하게 된다. 이때, 증류 시스템(300)의 구동 초기에는 제1스트리퍼(311)에서 발생하는 상부증기의 양이 충분하지 않으며, 그 중 일부가 제2스트리퍼(312)에 공급되므로, 제2스트리퍼(312) 내부에서의 공급원료를 분리하기에 충분하지 못하다. 따라서, 제2스트리퍼(312)에서 요구되는 온도에 따라 제3밸브(380a)를 제어하여 스팀 공급부(112)로부터 스팀을 보충한다.
한편, 제2스트리퍼(312)에 스팀이 공급되어 공급원료가 분리됨으로써 발생되는 상부증기는 제1스트리퍼(311)로 공급된다. 제2스트리퍼(312)에서 요구되는 온도가 제1스트리퍼(311) 보다 높으므로, 제2스트리퍼(312)의 상부증기는 제1스트리퍼(311)의 열원으로 사용될 수 있다. 제1스트리퍼(311)에서의 제1밸브(311a)를 통한 스팀공급이 만족하게 제어되면, 제2스트리퍼(312)에 스팀을 공급하는 제2밸브(312a)는 닫히게 되고 제3밸브(380a)에 의한 제어로 제1스트리퍼(311)와 제2스트리퍼(312)는 안정된 운전 상태로 진입한다.
2. 응축기에서 생성된 응축수가 증류탑으로 공급된 후
도 6은 도 4의 증류 시스템의 응축기에서 생성된 응축액이 증류탑으로 공급된 후의 작동을 개략적으로 도시한 도면이다.
상술한 바와 같이, 응축증발기(360)에서 응축되지 않은 상부증기는 응축기(370)로 공급되어 최종적으로 응축된다. 응축기(370)에서 생성되고 분리된 응축액은 증류탑(390)으로 공급되어 정류된다. 이때, 증류탑(390)에서의 정류를 위하여 재비기(350)로부터 스팀이 공급된다.
재비기(350)에서 스팀 응축수가 생성되며, 생성된 스팀 응축수는 증발되어 라미네이터(140)로 공급된다. 즉, 응축수가 증류탑(390)으로 공급된 후에는 라미네이터(140)에는 제1압축모듈(120)로부터 배출된 포화수증기 및 재비기(350)에서 배출된 스팀 응축수가 증발된 증기가 공급된다.
라미네이터(140)는 포화수증기 및 증기의 온도를 균일하게 조정하며, 속도압을 낮추어 제2압축모듈(130)로 공급되도록 한다. 즉, 응축액이 증류탑(390)으로 공급되기 전에 비하여, 제2압축모듈(130)에 공급되어 압축되는 포화수증기의 양이 많아지게 된다.
제2압축모듈(130)로부터 배출된 포화수증기는 열적 증기 재압축 모듈(380)이 흡입하여 압축한 뒤 제2스트리퍼(312)로 공급하게 된다. 재비기(350)로부터 배출된 스팀 응축수로부터 발생한 증기가 추가됨으로써, 제2스트리퍼(312)에 공급되는 스팀의 양이 충분하여, 스팀 공급부로부터 제2스트리퍼(312)에 공급되는 스팀의 양이 적어지게 된다.
이후, 제2스트리퍼(312)에서의 탈거반응에 의하여 생성된 상부증기는 제1스트리퍼(311)로 공급된다. 제2스트리퍼(312)로 공급된 스팀의 양이 충분하여, 제1스트리퍼(11)로 공급되는 상부증기의 양이 많아지게 되며, 또한, 제2압축모듈(130)로부터 배출된 포화수증기의 양이 많아 제1스트리퍼(311)로 공급되는 포화수증기의 양이 많아지게 된다. 따라서, 제1스트리퍼(311)에서 요구되는 스팀의 양이 충분하며, 이로 인해, 제1밸브(311a)를 완전 폐쇄하여 신규 공급 스팀을 차단할 수 있을지의 여부는 상부증기의 조성에 달려 있으나, 통상 약간의 보충 스팀이 필요할 것으로 예상된다.
이후, 제1스트리퍼(311)에서 발생되는 상부증기는 다시 응축증발기(360)로 공급되며, 상술한 순환과정이 반복된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 스트리퍼로 모듈로부터 배출되는 상부증기를 이용하여 물을 증발시킨 뒤, 그 증발된 수증기를 다단 단열압축하여 적어도 2개 이상의 스트리퍼로 공급함으로써, 스트리퍼의 상부증기의 열회수율을 높히며 증류 공정에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 다단 스트리퍼를 이용하는 증류 시스템이 제공된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
120 : 증발분리 시스템 120 : 제1압축모듈
121 : 유량 제어부 130 : 제2압축모듈
140 : 라미네이터 250 : 유체 공급부
310: 증발분리 시스템 311 : 제1스트리퍼
311a : 제1밸브 312 : 제2스트리퍼
312a : 제2밸브 350 : 재비기
360 : 응축증발기 370 : 응축기
380 : 열적 증기 재압축 모듈 390 : 증류탑

Claims (5)

  1. 증발 분리 시스템으로부터 제1유체를 공급받아 압축하는 제1압축모듈;
    상기 제1압축모듈로부터 토출되는 상기 제1유체의 속도압을 낮추는 라미네이터;
    상기 라미네이터를 통과한 상기 제1유체를 상기 증발 분리 시스템에서 요구되는 온도 또는 압력 중 적어도 어느 하나로 압축하여 상기 증발 분리 시스템으로 순환시키는 제2압축모듈을 포함하는 다단 압축모듈 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제2유체를 상기 라미네이터에 공급하는 유체공급부를 더 포함하며,
    상기 라미네이터는 상기 제1유체와 상기 제2유체가 온도 평형이 이루어지도록 하여 상기 제2압축모듈로 공급하는 다단 압축모듈 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 라미네이터는,
    상기 제2압축모듈이 상기 제1유체와 상기 제2유체를 상기 증발 분리 시스템에서 요구되는 온도 또는 압력 중 적어도 어느 하나로 압축하도록, 상기 제1유체와 상기 제2유체의 온도 또는 압력을 제어하는 다단 압축모듈 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발 분리 시스템은 서로 다른 온도에서 구동되는 복수 개의 증발 분리기를 포함하며,
    상기 제2압축모듈을 통과한 유체는 적어도 2개 이상의 상기 증발 분리기에 공급되어 순환되는 다단 압축모듈 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1압축모듈은 복수 개의 기계적 증기 재압축 장치(Mechanical Vapor Recompression:MVR)로 마련되어 상기 제1유체를 다단 압축하는 다단 압축모듈 시스템.
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