KR101665452B1 - Ｍｅｇ 재생 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MEG 재생 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는리치 MEG를 공급받아 상기 리치 MEG로부터 물을 제거하는 증류탑; 및 상기 증류탑의 전단에 설치되고, 통과하는 리치 MEG를 상기 증류탑의 후단에 위치하는 리보일러를 통과한 고온상태의 린 MEG와의 열교환에 의해 가열시키는 열교환기를 포함하는 MEG 재생 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, MEG 재생에 있어서, 고온 상태의 린(Lean) MEG의 폐열을 회수하여, 리치(Rich) MEG의 가열에 사용함으로써 에너지 효율을 높이도록 하고, 운용비용(Operating Expenditure, OPEX)을 줄일 수 있다.

Description

ＭＥＧ 재생 시스템{MEG regeneration system}
본 발명은 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 해양 탑사이드(Topside) 공정 중 하나인 MEG 재생공정에서 슬립 스트림 컨셉(Slip stream concept)을 적용시 폐열을 회수하여 에너지효율을 증대시킬 수 있도록 구성된 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, MEG(Mono Ethylene Glycol)는 부동액으로 많이 사용되는데, 해저(Subsea) 시추작업에서 해저 파이프라인에서 발생되는 하이드레이트(Hydrate)의 생성을 근본적으로 차단하는 열역학적 억제제(Thermodynamic Hydrate Inhibitor, THI)로 사용된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 MEG 순환 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 MEG 순환 공급 시스템(10)은 해상에 위치하는 탑사이드(Topside)에서 생성된 MEG를 해저에 위치하는 웰헤드(Wellhead; 1)로 주입하여 배관에서 하이드레이트의 생성을 방지하는 기능을 수행한다. MEG는 웰헤드(1)로부터 생성되는 물과 함께 세퍼레이터(Separator; 11)로 이동하여 물과 가스 등이 1차적으로 분리되도록 한 다음, MEG 재생 패키지(MEG regeneration package; 12)로 공급된다. 세퍼레이터(11)는 웰헤드(1)로부터 이동한 리치 MEG로부터 가스와 컨덴세이트를 분리하여, 가스 트리트먼트(Gas treatment) 및 컨덴세이트 트리트먼트(Condensate treatment)를 위해 보내게 된다. MEG 재생 패키지(12)는 세퍼레이터(11)로부터 다량의 물, 염 성분을 포함한 리치(Rich) MEG를 공급받아 물과 염성분을 제거하여 최종 생성되는 린(Lean) MEG를 웰헤드(1)로 주입하게 된다.
이와 같이 슬립 스트림 컨셉(Slip stream concept)을 이용한 MEG 재생공정은 물과 MEG를 분리하기 위한 상압증류공정과 물/MEG 혼합액에서 염을 제거하기 위한 진공증류공정으로 이루어져 있으며, 히팅과 쿨링에 대한 부담이 가장 큰 탑사이드(Topside) 공정 중의 하나이다. 히팅과 쿨링에 대한 부담이 크다는 것은 공정을 운용하는데, 소요되는 운용비용(Operating Expenditure, OPEX)이 크다는 의미가 되므로 에너지 측면에서 최적화된 공정을 구성하는 것이 매우 중요한 설계가 될 수 있다. 따라서, 종래의 MEG 재생공정에서 에너지 효율을 증대시킬 필요성을 가지게 되었다.
1. 국제공개번호 WO2014/036253, "PROCESS, METHOD, AND SYSTEM FOR REMOVING HEAVY METALS FROM FLUIDS" 2. 미국공개번호 2008/0023071, "HYDRATE INHIBITED LATEX FLOW IMPROVER"
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, MEG 재생에 있어서, 폐열을 회수하여 리치(Rich) MEG의 가열에 사용되도록 함으로써 에너지 효율을 높이고, 운용비용(Operating Expenditure, OPEX)을 줄이는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, MEG(Mono Ethylene Glycol) 재생 시스템에 있어서, 리치 MEG를 공급받아 상기 리치 MEG로부터 물을 제거하는 증류탑; 및 상기 증류탑의 전단에 설치되고, 통과하는 리치 MEG를 상기 증류탑의 후단에 위치하는 리보일러를 통과한 고온상태의 린 MEG와의 열교환에 의해 가열시키는 열교환기를 포함하는 MEG 재생 시스템이 제공된다.
상기 MEG 재생 시스템은, 리치 MEG로부터 2가 염을 제거하는 프리트리트먼트 베슬을 포함하는 전처리부; 상기 전처리부로부터 리치 MEG를 공급받아 상기 리치 MEG로부터 물을 제거하는 증류탑과 상기 증류탑의 전단에 설치되고, 통과하는 리치 MEG를 상기 증류탑의 후단에 위치하는 리보일러를 통과한 고온상태의 린 MEG와의 열교환에 의해 가열시키는 열교환기를 포함하는 재농축부; 및 상기 재농축부를 통과한 린 MEG에 잔여하는 염을 제거하는 플래시 세퍼레이터를 포함하는 재생부를 포함할 수 있다.
상기 증류탑은 상압증류공정에 의해 리치 MEG로부터 물을 제거할 수 있다.
상기 플래시 세퍼레이터는 진공증류공정에 의해 린 MEG로부터 염을 제거할 수 있다.
상기 린 MEG는 그 온도가 140℃ 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, MEG 재생 시스템에 있어서, 고온의 린 MEG를 이용하여 상대적으로 저온인 리치 MEG를 가열함으로써, 시스템의 히팅 듀티(heating duty) 및 쿨링 듀티(cooling duty)를 동시에 저감시키는 것을 특징으로 하는 MEG 재생 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면, MEG 재생에 있어서, 고온 상태의 린(Lean) MEG이나 응축수 또는 리플럭스(Reflux)의 폐열을 회수하여, 리치(Rich) MEG의 가열에 사용함으로써 에너지 효율을 높이도록 하고, 운용비용(Operating Expenditure, OPEX)을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 MEG 순환 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템을 도시한 구성도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(1000)은 시스템(1000) 내의 폐열을 이용하는 폐열회수부에 의해 리치 MEG(Rich Mono Ethylene Glycol)를 가열되도록 하는데, 이를 위해 예컨대 리치 MEG를 공급받아 리치 MEG로부터 물을 제거하는 증류탑(210)과, 증류탑(210)에 공급되기 전의 리치 MEG를 시스템(1000) 내의 폐열을 이용하여 가열시키는 폐열회수부를 포함한다. 폐열회수부는 본 실시례에서 증류탑(210)의 전단에 설치될 수 있고, 통과하는 리치 MEG를 증류탑(210)의 후단에 위치하는 리보일러(Reboiler; 270)를 통과한 고온상태의 린(Lean) MEG와의 열교환에 의해 가열시키는 열교환기(400)로 이루어질 수 있다.
열교환기(400)는 제 1 이송라인(120)을 통과하는 리치 MEG를 열교환라인(410)을 통과하는 린 MEG와의 열교환에 의해 가열되도록 한다. 여기서 열교환라인(410)은 린 MEG을 이송시키는 제 2 이송라인(260)으로부터 연장되도록 마련될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(1000)은 MEG로부터 2가염이온을 석출시키기 위한 전처리부(Pretreatment section; 100), MEG로부터 물을 분리하기 위한 재농축부(Reconcentration section; 200), 그리고 배출되는 MEG의 염 농도를 낮추도록 하는 재생부(Reclamation section; 300)를 포함할 수 있다.
전처리부(100)는 웰헤드(Wellhead)로부터 세퍼레이터(Separator)를 통과한 리치 MEG가 공급라인(150)을 통해서 프리트리트먼트 베슬(110)로 공급되고, 프리트리트먼트 베슬(110)에서 2가염을 석출시킨 리치 MEG가 제 1 이송라인(120)을 통해서 재농축부(200)로 공급된다. 프리트리트먼트 베슬(110)은 배기를 위한 배기라인(114)이 설치된다. 제 1 이송라인(120)으로부터 분기되어 공급라인(150)에 연결되는 재공급라인(121)에는 리치 MEG의 가열을 위한 리사이클 히터(Recycle heater; 140)가 설치된다.
전처리부(100)는 Fe2+, Mg2+, CO3 2-와 같은 2가염 성분이 온도가 높아질수록 잘 석출되는 특성을 이용하여, 프리트리트먼트 베슬(110)에서 2가염을 제거해 준다. 프리트리트먼트 베슬(110)로 들어오는 리치 MEG는 온도가 낮기 때문에 리사이클 히터(140)를 이용하여 온도를 증가시켜서 염이 석출되기 쉬운 분위기를 조성한다. 석출된 2가염은 전처리부(100)와 재농축부(200) 사이에 설치된 원심분리기(Centrifuge)에서 제거될 수 있다.
재농축부(200)는 제 1 이송라인(120)을 통해서 리치 MEG가 공급되는 증류탑(210)이 마련되고, 증류탑(210)으로부터 물이 분리된 린(Lean) MEG가 제 2 이송라인(260)을 통해서 재생부(300)로 공급된다. 증류탑(210)의 탑정에는 리플럭스(Reflux)가 순환되기 위한 리플럭스라인(220)이 연결되고, 리플럭스라인(220)에는 리플럭스의 응축 및 이송 등을 위한 리플럭스 콘덴서(Reflux condenser; 230), 리플럭스 드럼(Reflux drum; 240) 및 리플럭스 펌프(Reflux pump; 250)가 각각 설치된다. 리플럭스라인(220)에는 응축수의 배출을 위한 배출라인(221)이 연결된다. 리플럭스 드럼(240)에는 배기를 위한 배기라인(241)이 연결된다. 제 2 이송라인(260)에는 MEG의 가열을 위한 리보일러(MEG reboiler; 270)가 설치되고, 리보일러(270)에는 MEG가 증류탑(210)으로 회수되어 순환되기 위한 회수라인(271)이 연결된다.
재농축부(200)는 상압에서 물의 끓는점이 약 100℃이고, MEG의 끓는점이 약 200℃인 두 물질간의 끓는 점 차이를 이용하여, 증류탑(210)과 리보일러(270)를 이용한 상압증류법을 통해 물과 MEG를 쉽게 분리시킨다. 즉, 재농축을 통해서 리치 MEG에서 물을 제거해 주고, 물이 제거된 린 MEG를 재생부(300)로 이송되도록 한다.
재생부(300)는 제 2 이송라인(260)을 통해서 린 MEG가 공급되는 플래쉬 세퍼레이터(Flash separator; 310)가 마련되고, 제 2 이송라인(260)에서 플레쉬 세퍼레이터(310)의 후단에 콘덴서(320)와 드럼(330)이 각각 설치된다. 드럼(330)에는 베큠 펌프(Vacuum pump) 측으로의 연결을 위한 흡입라인(331)이 연결된다. 플래쉬 세퍼레이터(310)의 하부에는 슬러리 형태의 유체를 원심분리기(Centrifuge) 측으로 배출시키도록 배출라인(340)이 연결되고, 배출라인(340)에는 순환라인(341)이 분기되어 세퍼레이터(310)에 연결된다. 배출라인(340)에는 플래쉬 펌프(350)가 설치되고, 순환라인(341)에는 리사이클 히터(360)가 설치된다.
재생부(300)는 재농축부(200)를 통과한 린 MEG가 여전히 다량의 염 성분을 포함하고 있으므로, 린 MEG를 해저의 웰헤드로 주입하기 전에 린 MEG로부터 염을 제거해 주는 공정을 수행하게 된다. 이러한 염 제거 공정의 핵심은 진공상태에서 쉽게 증발되는 원리를 이용한 진공증류기법인데, 이는 플래쉬 세퍼레이터(310)의 상부에 진공을 형성시킴으로써 증발이 이루어지도록 하고, 증발되지 못한 염을 슬러리 형태로 플래쉬 세퍼레이터(310)의 하부로 보내어 원심분리기를 통해 제거되도록 한다.
이와 같은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(1000)에 따르면, 리보일러(270)를 통과한 고온상태의 린 MEG를 증류탑(210)으로 들어가는 리치 MEG 스트림과 열교환을 시켜줌으로써, 리치 MEG의 온도를 상승시킴으로써 리보일러(270)의 부담을 저감시켜 준다. 증류탑(210)을 지난 고온상태의 린 MEG는 탱크로 저장되기 전에 냉각되어야 하고, 증류탑(210)으로 들어가는 리치 MEG는 온도가 높아져야 하므로, 이 두 스트림이 열교환을 이루게 함으로써 가열과 냉각에 대한 부담을 동시에 줄일 수 있도록 한다.
재생부(300)를 통과한 최종생성물인 린 MEG는 140℃ 이상의 높은 온도를 가진다. 일반적으로는 이러한 높은 온도를 가지는 린 MEG를 탱크로 보내기 전에 냉각시켜야 하는데, 열교환기(400)에 의해 린 MEG가 가지는 폐열을 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 이로 인한 린 MEG의 냉각 부담을 줄이게 된다. 또한 열교환기(400)에 의해 140℃ 이상, 구체적으로는, 140 ~ 160℃인 고온의 린 MEG와 상대적으로 저온인 리치 MEG 간에 열교환이 이루어지도록 하여 리치 MEG의 가열 부담을 줄이게 되고, 이러한 리치 MEG의 가열 효과는 MEG의 유량이 커질수록 더 큰 효과를 볼 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(2000)은 시스템(2000) 내의 폐열을 이용하는 폐열회수부에 의해 리치(Rich) MEG(Mono Ethylene Glycol)를 가열되도록 하는데, 이를 위해 예컨대 폐열회수부는 증류탑(210)의 전단에 설치되는 프리트리트먼트 베슬(110)의 전단에 설치되고, 통과하는 리치 MEG를 증류탑(210)의 탑정에서 배출되는 고온상태의 응축수와의 열교환에 의해 가열시키는 열교환기(500)로 이루어질 수 있다. 열교환기(500)는 제 1 이송라인(120)을 통해서 통과하는 리치 MEG를 증류탑(210)의 탑정으로부터 배출라인(510)을 통해서 배출되는 응축수와의 열교환에 의해 가열되도록 한다.
한편 본 발명의 제 2 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(2000)은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(1000)과 동일한 부분에 대해서 동일한 부호를 사용하여 그 설명을 생략하기로 한다.
이와 같이 본 발명의 제 2 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(2000)에 따르면, 증류탑(210) 탑정의 최종 생산물인 응축수의 온도가 리치 MEG 스트림의 온도에 비해서 높다. 따라서 이러한 응축수를 열교환기(500)에서 리치 MEG와 열교환을 이루게 함으로써, 리치 MEG의 온도를 상승시키며, 이로 인해 응축수가 가지고 있는 폐열을 활용할 수 있게 된다. 또한 열교환기(500)를 통과한 응축수는 자동적으로 온도가 감소하므로 기존 공정에서 필요하였던 응축수 쿨러를 별도로 설치할 필요가 없게 된다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템을 도시한 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(3000)은 시스템(1000) 내의 폐열을 이용하는 폐열회수부에 의해 리치(Rich) MEG(Mono Ethylene Glycol)를 가열되도록 하는데, 이를 위해 예컨대 폐열회수부는 증류탑(210)에 순환 공급되는 리플럭스(Reflux)를 응축시키도록 설치되고, 증류탑(210)의 전단에 설치되는 프리트리먼트 베슬(110) 전단의 리치 MEG를 고온상태의 리플럭스와의 열교환에 의해 가열시키는 리플럭스 콘덴서(Reflux condenser; 600)로 이루어질 수 있다. 리플럭스 콘덴서(600)는 리치 MEG의 순환을 개폐시키는 유량조절밸브(620)가 설치되는 열교환라인(610)에 의해 프리트리트먼트 베슬(110)의 전단으로부터 리치 MEG를 순환 공급받게 된다. 따라서 유량조절밸브(620)의 동작에 의해 리플럭스 콘덴서(600) 측으로의 리치 MEG 순환량을 조절하게 된다.
한편 본 발명의 제 3 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(3000)은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(1000)과 동일한 부분에 대해서 동일한 부호를 사용하여 그 설명을 생략하기로 한다.
이와 같은 본 발명의 제 3 실시례에 따른 폐열을 이용한 MEG 재생 시스템(3000)에 따르면, 리플럭스 콘덴서(600)는 리보일러(270)의 가열 부담 못지 않게 큰 냉각 부담을 가지게 되는데, 이를 활용하기 위해 리플럭스 콘덴서(600)가 냉각수 대신 프리트리트먼트 베슬(110) 전단의 리치 MEG를 냉매로서 사용할 수 있도록 한다. 리플럭스 콘덴서(600)에서 열교환된 리치 MEG는 프리트리트먼트 베슬(110)로 유입된다.
기존 공정에서는 리플럭스 콘덴서(600)에서 증기를 응축시키기 위하여, 냉각수를 사용하나, 이를 프리트리트먼트 베슬(110) 전단의 리치 MEG로 대체할 경우, 리치 MEG는 예열의 효과를 보게 되므로 리사이클 히터(140)의 부담을 줄일 수 있고, 저온 측에서는 냉각수를 사용하지 않아도 되므로 냉각에 대함 부담을 줄이는 효과를 가지게 된다. 또한 요구되는 냉각 부담에 따라 열교환라인(610)에 유량조절밸브(620)를 설치함으로써 원하는 양의 리치 MEG가 열교환되도록 조절할 수 있다.
본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100 : 전처리부 110 : 프리트리트먼트 베슬
114 : 배기라인 120 : 제 1 이송라인
121 : 재공급라인 130 : 리사이클 펌프
140 : 리사이클 히터 150 : 공급라인
200 : 재농축부 210 : 증류탑
220 : 리플럭스라인 221 : 배출라인
230 : 리플럭스콘덴서 240 : 리플럭스 드럼
241 : 배기라인 250 : 리플럭스 펌프
260 : 제 2 이송라인 270 : 리보일러
271 : 회수라인 300 : 재생부
310 : 플래쉬 세퍼레이터 320 : 콘덴서
330 : 드럼 331 : 흡입라인
340 : 배출라인 341 : 순환라인
350 : 플래쉬 펌프 360 : 리사이클 히터
400,500 : 열교환기 410,610 : 열교환라인
510 : 배출라인 600 : 리플럭스 콘덴서
620 : 밸브

Claims (6)

  1. 리치 MEG로부터 2가 염을 제거하는 프리트리트먼트 베슬을 포함하는 전처리부;
    상기 전처리부로부터 리치 MEG를 공급받아 상기 리치 MEG로부터 물을 제거하는 증류탑을 포함하는 재농축부; 및
    상기 재농축부를 통과한 린 MEG에 잔여하는 염을 제거하는 플래시 세퍼레이터를 포함하는 재생부;를 포함하는 MEG(Mono Ethylene Glycol) 재생 시스템에 있어서,
    상기 증류탑의 전단에 설치되며 상기 증류탑으로 도입되는 리치 MEG를 가열시키는 열교환기; 및
    상기 증류탑에서 물이 분리된 린 MEG를 가열하여 상기 증류탑의 탑저로 순환시키는 리보일러;를 더 포함하고,
    상기 리보일러에서 가열된 린 MEG는 상기 열교환기에서 냉각시킨 후 상기 재생부로 도입되고 린 MEG 탱크에 저장되며 해저 웰 헤드로 재공급되어 순환하는 것을 특징으로 하는, MEG 재생 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 증류탑은 상압증류공정에 의해 리치 MEG로부터 물을 제거하는 것을 특징으로 하는 MEG 재생 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 플래시 세퍼레이터는 진공증류공정에 의해 린 MEG로부터 염을 제거하는 것을 특징으로 하는 MEG 재생 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 린 MEG는 그 온도가 140℃ 이상인 것을 특징으로 하는 MEG 재생 시스템.
  6. 삭제
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