KR101727362B1 - 큐멘 정제장치 및 정제방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 큐멘 정제장치 및 정제방법에 관한 것이다. 본 출원은 알킬레이션 반응부의 스트림 및 프레쉬(fresh) 벤젠을 유입하여, 경질 물질과 물을 상부로 배출시키는 라이트 컷 컬럼; 트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림과 상기 라이트 컷 컬럼의 하부로 배출된 스트림을 유입하여, 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리하는 벤젠 컬럼; 상기 벤젠 컬럼으로부터 큐멘 스트림을 유입하여, 큐멘과 폴리이소프로필벤젠 스트림으로 분리하는 큐멘 컬럼; 상기 큐멘 컬럼으로부터 폴리이소프로필벤젠 스트림을 유입하여, 폴리이소프로필벤젠과 중질 물질로 분리하는 폴리이소프로필벤젠 컬럼; 상기 벤젠 컬럼의 하부 온도를 강하시키는 온도 강하부; 및 상기 큐멘 컬럼의 상부에 설치된 큐멘 배출라인을 포함하고, 상기 큐멘 배출라인은 벤젠 컬럼의 하부에 열을 공급할 수 있도록, 상기 벤젠 컬럼의 열교환기에 연결된 큐멘 정제장치, 및 이를 이용한 정제방법을 제공한다. 본 출원에 따르면, 에너지의 효율을 높여 소비량을 절감할 수 있다.

Description

큐멘 정제장치 및 정제방법 {APPARATUS AND METHOD FOR PURIFYING CUMENE}
본 출원은 큐멘 정제장치 및 정제방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 큐멘(Cumene)의 정제공정에서 에너지의 효율을 높일 수 있는 큐멘 정제장치 및 정제방법에 관한 것이다.
큐멘(Cumene)은 이소프로필벤젠(C6H5CH(CH3)2)으로서, 이는 각종 화학 산업 및 중합체 산업 등에서 중요한 중간체 물질로 사용된다. 현재, 생산되고 있는 대부분의 큐멘(이소프로필벤젠)은 페놀 및 아세톤 등의 제조에 사용된다.
일반적으로, 큐멘은 촉매 존재 하에서 액상 또는 기상 조건에서 벤젠과 프로필렌을 반응시켜 제조된다. 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0082160호 및 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0008595호 등에는 큐멘의 제조와 관련한 기술이 제시되어 있다.
대부분의 큐멘은 상업적으로 알킬레이션(Alkylation) 반응과 트랜스 알킬레이션(Trans Alkylation) 반응을 통하여 제조된다. 이에 따라, 큐멘 제조장치는 알킬레이션 반응부와 트랜스 알킬레이션 반응부를 포함한다.
상기 알킬레이션 반응부에서는 벤젠과 프로필렌이 반응하여 큐멘(이소프로필벤젠)이 생성되며, 부산물로서 큐멘과 프로필렌이 반응하여 디이소프로필벤젠(DIPB ; diisopropylbenzene) 및 트리이소프로필벤젠(TIPB ; triisopropylbenzene) 등의 폴리이소프로필벤젠(PIPB ; polyisopropylbenzene)이 생성된다. 큐멘의 제조에서 경쟁적인 반응은 폴리알킬레이션 반응이다. 즉, 상기 디이소프로필벤젠(DIPB) 및 트리이소프로필벤젠(TIPB) 등의 폴리이소프로필벤젠(PIPB)을 생성시키는 부반응이다.
상기 트랜스 알킬레이션 반응부는 폴리알킬레이션된 벤젠, 즉 상기 부반응에 의해 생성된 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 등을 벤젠과 반응시켜, 추가적인 큐멘을 생성하는데 사용된다.
또한, 큐멘의 제조과정에서는 상기 성분들 이외에, 다른 부가적인 생성물로서 C3(프로필렌, 프로판 등) 등의 경질 물질(Lights)과, 폴리이소프로필벤젠(PIPB)보다 무거운 중질 물질(Heavies)이 생성되며, 이와 함께 미반응 벤젠 및 물(water) 등이 존재한다. 따라서 상기 알킬레이션 반응부 및 트랜스알킬레이션 반응부에서는 목적하는 큐멘(이소프로필벤젠) 이외에, C3(프로필렌, 프로판 등) 등의 경질 물질(Lights), 폴리이소프로필벤젠(PIPB), 미반응 벤젠, 물(water) 및 기타 중질 물질 등이 배출된다. 이들은 고순도의 큐멘을 위해 정제공정을 통해 제거되거나 재순환된다.
큐멘의 정제공정에서는, 일반적으로 3개의 증류 컬럼(distillation column)이 사용된다. 도 1은 종래 기술에 따른 큐멘 정제장치를 보인 구성도이다. 도 1을 참조하여, 종래 기술에 따른 큐멘의 정제공정을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 큐멘 정제장치는 상기 알킬레이션 반응부 및 트랜스 알킬레이션 반응부와 연계하여 설치되며, 제1 증류 컬럼, 제2 증류 컬럼 및 제3 증류 컬럼으로서, 3개의 증류 컬럼을 포함한다.
상기 제1 증류 컬럼은 알킬레이션 반응부 및 트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림(stream)으로부터 벤젠을 회수하는 벤젠 컬럼(1)이다.
이때, 상기 벤젠 컬럼(1)의 전단부에는 알킬레이션 반응부에서 배출된 스트림을 유입하는 유입라인(1b, In-put Line)과, 트랜스 알킬레이션 반응부에서 배출된 스트림을 유입하는 유입라인(1c)이 연결되어 있다. 또한, 상기 벤젠 컬럼(1)의 전단부에는 프레쉬(fresh) 벤젠이 유입되는 벤젠 유입라인(1a)이 연결되어 있다. 그리고 벤젠 컬럼(1)의 상부에서는 경질 물질 배출라인(1d, Lights Out-put Line)을 통해 C3 등의 경질 물질(Lights)과 물(water)이 배출되며, 하부에서는 큐멘 스트림 배출라인(1e, Cumene Stream Out-put Line)을 통해 큐멘 스트림이 배출된다. 그리고 벤젠 컬럼(1)의 대략 중앙에서는 벤젠 리사이클 라인(1f, Benzene Recycle Line)을 통해 벤젠이 배출되며, 상기 배출된 벤젠은 재순환된다.
상기 제2 증류 컬럼은 벤젠 컬럼(1)의 하부에서 배출된 큐멘 스트림으로부터 큐멘을 회수하는 큐멘 컬럼(2)이다.
이때, 상기 큐멘 컬럼(2)의 상부에서는 큐멘 배출라인(2a)을 통해 큐멘이 배출, 회수된다. 그리고 큐멘 컬럼(2)의 하부에서는 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 유출라인(2b)을 통해 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림이 배출된다.
상기 제3 증류 컬럼은 큐멘 컬럼(2)의 하부에서 배출된 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림을 유입하여 재순환시키는 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(3)이다.
이때, 상기 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(3)의 상부에서는 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 배출라인(3a)을 통해 디이소프로필벤젠(DIPB) 등의 폴리이소프로필벤젠(PIPB)이 배출되어 재순환된다. 그리고 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(3)의 하부에서는 중질 물질 배출라인(3b, Heavies Out-put Line)을 통해 무거운 중질 물질(Heavies)이 배출된다.
위와 같은 정제공정을 통해 목적하는 큐멘(이소프로필벤젠)을 고순도로 정제, 회수할 수 있다. 또한, 상기 정제공정에서는 에너지가 소비된다. 상기 각 칼럼(1)(2)(3)에는 비점 차이를 통한 성분들의 분리를 위해 열원이 공급되는데, 이러한 분리 과정에서 대부분의 에너지가 소비된다. 도 1에서, 도면 부호 C는 응축기를 나타내며, 도면 부호 B는 열을 공급하기 위한 열교환기(또는 재비기)를 나타낸다.
그러나 종래 기술에 따른 큐멘 정제공정은 에너지의 소비량이 많다. 상기한 바와 같이, 각 칼럼(1)(2)(3)에는 성분들의 분리를 위한 열원이 공급되는데, 특히 이러한 분리 과정에서 열원의 효율적인 사용이 검토되지 않아 에너지의 소비량이 많은 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0082160호 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0008595호
이에, 본 출원은 개선된 큐멘 정제장치 및 정제방법을 제공하고자 한다. 본 출원은 큐멘의 정제공정을 개선하여, 예를 들어 에너지의 효율을 높일 수 있는 큐멘 정제장치 및 정제방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 출원은,
알킬레이션 반응부의 스트림 및 프레쉬(fresh) 벤젠을 유입하여, 경질 물질과 물을 상부로 배출시키는 라이트 컷 컬럼;
트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림과 상기 라이트 컷 컬럼의 하부로 배출된 스트림을 유입하여, 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리하는 벤젠 컬럼;
상기 벤젠 컬럼으로부터 큐멘 스트림을 유입하여, 큐멘과 폴리이소프로필벤젠 스트림으로 분리하는 큐멘 컬럼;
상기 큐멘 컬럼으로부터 폴리이소프로필벤젠 스트림을 유입하여, 폴리이소프로필벤젠과 중질 물질로 분리하는 폴리이소프로필벤젠 컬럼;
상기 벤젠 컬럼의 하부 온도를 강하시키는 온도 강하부; 및
상기 큐멘 컬럼의 상부에 설치된 큐멘 배출라인을 포함하고,
상기 큐멘 배출라인은 벤젠 컬럼의 하부에 열을 공급할 수 있도록, 상기 벤젠 컬럼의 열교환기에 연결된 큐멘 정제장치를 제공한다.
또한, 본 출원은,
알킬레이션 반응부의 스트림 및 프레쉬(fresh) 벤젠을 라이트 컷 컬럼으로 유입하여, 경질 물질과 물을 제거하는 라이트 제거단계;
트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림과 상기 라이트 컷 컬럼의 하부로 배출된 스트림을 벤젠 컬럼으로 유입하여, 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리하는 벤젠 분리단계;
상기 분리된 큐멘 스트림을 큐멘 컬럼으로 유입하여, 큐멘과 폴리이소프로필벤젠 스트림으로 분리하는 큐멘 분리단계; 및
상기 분리된 폴리이소프로필벤젠 스트림을 폴리이소프로필벤젠 컬럼으로 유입하여, 폴리이소프로필벤젠과 중질 물질로 분리하는 폴리이소프로필벤젠 분리단계를 포함하고,
상기 벤젠 컬럼의 하부 온도를 강하시킨 다음, 상기 큐멘 컬럼의 상부에서 배출되는 큐멘을 상기 벤젠 컬럼의 열교환기에 통과시켜 벤젠 컬럼의 하부에 열을 공급하여 정제하는 큐멘 정제방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시 형태에 따라서, 상기 벤젠 컬럼의 하부 온도 강하는 벤젠 컬럼의 내부 압력을 강하시켜 진행될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 예시적인 실시 형태에 따라서, 상기 벤젠 컬럼과 큐멘 컬럼은 하기 수학식을 만족하도록 운전될 수 있다.
[수학식]
T3 - T2 ≥ 10℃
(상기 수학식에서, T2는 벤젠 컬럼의 하부 온도이고, T3은 큐멘 컬럼의 상부 온도이다.)
본 출원에 따르면, 정제공정이 개선되어 에너지의 효율을 높일 수 있는 효과를 갖는다. 구체적으로, 본 출원에 따르면, 큐멘 컬럼의 증기 열원이 벤젠 컬럼의 열원으로 사용되어 에너지 소비량을 효과적으로 절감할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 큐멘 정제장치의 구성도이다.
도 2는 본 출원의 제1실시 형태에 따른 큐멘 정제장치의 구성도이다.
도 3은 본 출원의 제2실시 형태에 따른 큐멘 정제장치의 구성도이다.
도 4는 비교예에서 적용된 큐멘 정제장치의 구성도이다.
도 5는 실시예에서 적용된 큐멘 정제장치의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원을 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 출원의 예시적인 실시 형태를 도시한 것으로, 이는 본 출원의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 출원의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.　 첨부된 각 도면의 구성요소에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하였다.
본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다.
본 명세서에서 '연결', '설치', 및 '결합' 등은, 두 개의 부재가 착탈(결합과 분리)이 가능한 것은 물론 일체 구조를 포함하는 것을 의미한다. 구체적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 '연결', '설치', 및 '결합' 등은, 예를 들어 강제 끼움 방식; 홈과 돌기를 이용한 끼움 방식; 및 나사, 볼트, 피스, 리벳, 브라켓 등의 체결 부재를 이용한 체결 방식 등을 통하여, 두 개의 부재를 결합과 분리되도록 도모한 것, 그리고 용접이나 접착제 또는 일체적 성형 등을 통하여 두 개의 부재가 결합된 후, 분리가 불가능한 일체적인 것을 포함한다.
본 명세서에서 "제1", "제2", "제3", "일측" 및 "타측" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 출원을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2 및 도 3에는 본 출원의 예시적인 실시 형태에 따른 큐멘 정제장치가 도시되어 있다.
본 출원에 따른 큐멘 정제장치는, 큐멘 제조장치와 연계되어 설치된다. 본 출원에 따른 큐멘 정제장치는, 구체적으로 큐멘 제조장치를 구성하는 알킬레이션 반응부 및 트랜스 알킬레이션 반응부와 연계되어 설치된다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 알킬레이션 반응부에서는 벤젠과 프로필렌이 반응하여 큐멘(이소프로필벤젠)이 생성되며, 부산물로서 큐멘과 프로필렌이 반응하여 디이소프로필벤젠(DIPB ; diisopropylbenzene) 및 트리이소프로필벤젠(TIPB ; triisopropylbenzene) 등의 폴리이소프로필벤젠(PIPB ; polyisopropylbenzene)이 생성된다. 이때, 생성된 큐멘은 회수라인을 통해 분리, 회수되며, 상기 부산물을 포함하는 스트림(stream)은 별도의 라인을 통해 배출된다. 상기 알킬레이션 반응부에서 배출되는 스트림에는 상기 부산물로서의 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 이외에, C3(프로필렌, 프로판 등) 등의 경질 물질(Lights), 회수되지 않은 소량의 큐멘, 미반응 벤젠, 물(water) 및 기타 무거운 중질 물질 등이 존재한다.
또한, 상기 트랜스 알킬레이션 반응부에서는 폴리알킬레이션된 벤젠, 즉 상기 부반응에 의해 생성된 폴리이소프로필벤젠(PIPB)과 벤젠이 반응하여 추가적인 큐멘을 생성한다. 상기 트랜스 알킬레이션 반응부에서 배출되는 스트림에는 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 이외에, 폴리이소프로필벤젠(PIPB)보다 무거운 중질 물질(Heavies)이 존재한다.
본 출원에 따른 큐멘 정제장치는, 위와 같은 알킬레이션 반응부의 스트림과 트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림을 유입하여 정제한다. 이때, 상기 스트림은 알킬레이션 반응부와 트랜스 알킬레이션 반응부로부터 배출되는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 알킬레이션 반응부로부터 배출된 스트림은, 큐멘이 분리 제거(회수)된 부산물 스트림이거나, 경우에 따라서는 큐멘 회수라인을 통하여 분리된 큐멘 스트림일 수 있다.
본 출원에 따른 큐멘 정제장치는, 도 2에 예시한 바와 같이 벤젠 컬럼(10)의 전방에 설치된 라이트 컷 컬럼(40, Lights Cut Column); 상기 라이트 컷 컬럼(40)의 하부 스트림을 유입하여, 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리하는 벤젠 컬럼(10, Benzene Column); 상기 벤젠 컬럼(10)으로부터 큐멘 스트림을 유입하여, 큐멘과 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림으로 분리하는 큐멘 컬럼(20, Cumene Column); 상기 큐멘 컬럼(20)으로부터 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림을 유입하여, 폴리이소프로필벤젠(PIPB)과 중질 물질(Heavies)로 분리하는 폴리이소프로필벤젠 컬럼(30, PIPB Column); 상기 벤젠 컬럼(10)의 하부 온도를 강하(drop)시키는 온도 강하부(15); 및 상기 큐멘 컬럼(20)의 상부에 설치된 큐멘 배출라인(25)을 포함한다. 이때, 상기 큐멘 배출라인(25)은 벤젠 컬럼(10)의 하부에 열을 공급할 수 있도록, 상기 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 연결된다.
상기 라이트 컷 컬럼(40)은 알킬레이션 반응부의 스트림 및 프레쉬(fresh) 벤젠을 유입하여, 경질 물질(Lights)과 물(water)을 상부로 배출시켜 제거한다. 그리고 벤젠 컬럼(10)으로는 라이트 컷 컬럼(40)의 하부로 배출된 스트림과 트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림이 유입된다.
또한, 본 출원에 따른 큐멘 정제방법은, 벤젠 분리 이전에 진행되는 것으로서, 알킬레이션 반응부의 스트림 및 프레쉬(fresh) 벤젠을 라이트 컷 컬럼(40)으로 유입하여, 경질 물질(Lights)과 물(water)을 제거하는 라이트 제거단계; 상기 라이트 컷 컬럼(40)의 하부 스트림을 벤젠 컬럼(10)으로 유입하여, 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리하는 벤젠 분리단계; 상기 분리된 큐멘 스트림을 큐멘 컬럼(20)으로 유입하여, 큐멘과 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림으로 분리하는 큐멘 분리단계; 및 상기 분리된 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림을 폴리이소프로필벤젠 컬럼으로 유입하여, 폴리이소프로필벤젠(PIPB)과 중질 물질(Heavies)로 분리하는 폴리이소프로필벤젠 분리단계를 포함한다.
상기 벤젠 분리단계에서는, 라이트 컷 컬럼(40)의 하부로 배출된 스트림과 트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림을 벤젠 컬럼(10)으로 유입시켜, 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리한다. 이때, 분리 공정에 앞서, 상기 벤젠 컬럼의 하부 온도를 강하시킨다. 그리고 분리 과정에서는, 상기 큐멘 컬럼(20)의 상부에서 배출되는 큐멘을 상기 벤젠 컬럼(10)의 열교환기에 통과시켜 벤젠 컬럼(10)의 하부에 열을 공급하여 진행한다.
본 출원에 따른 큐멘 정제방법을 구현함에 있어서는, 상기 본 출원에 따른 큐멘 정제장치를 유용하게 적용할 수 있다. 그러나 본 출원에 따른 큐멘 정제방법은 상기 본 출원에 따른 큐멘 정제장치를 통해서 구현되는 것만으로 제한되는 것은 아니다.
본 출원에 따르면, 큐멘의 정제공정이 개선되어 에너지의 효율을 높일 수 있다. 구체적으로, 상기 큐멘 컬럼(20)에서 배출된 큐멘의 증기(vapor) 열원이 벤젠 컬럼(10)의 열원으로 대체 사용되어, 에너지 소비량을 절감할 수 있다. 또한, 큐멘의 정제를 효율적으로 도모할 수 있다.
본 출원에서, "A 스트림"은 적어도 'A' 성분을 포함하는 흐름을 의미하며, 이는 'A' 성분을 주성분으로 포함할 수 있다. 예를 들어, "큐멘 스트림"은 적어도 '큐멘'을 포함하는 흐름이며, "폴리이소프로필벤젠 스트림"은 적어도 '폴리이소프로필벤젠'을 포함하는 흐름이다. 그리고 이들은 각각 '큐멘' 및 '폴리이소프로필벤젠'을 주성분으로 포함할 수 있다.
본 출원에서, "A 컬럼"은 유입물로부터 적어도 'A' 성분을 분리하는 컬럼(Column)의 의미로 사용된다. 예를 들어, "벤젠 컬럼(10)"은 적어도 '벤젠'을 분리하는 컬럼이며, "큐멘 컬럼(20)"은 적어도 '큐멘'을 분리하는 컬럼이다. 그리고 "폴리이소프로필벤젠 컬럼(30)"은 적어도 '폴리이소프로필벤젠'을 분리하는 컬럼이다.
또한, 본 출원에서, 벤젠 컬럼(10), 큐멘 컬럼(20), 폴리이소프로필벤젠 컬럼(30) 및 라이트 컷 컬럼(40)은 일반 산업분야의 증류 공정에서 사용되는 증류 컬럼(distillation column)으로부터 선택될 수 있다. 이때, 상기 각 칼럼(10)(20)(30)(40)의 운전 조건, 예를 들어 각 칼럼(10)(20)(30)(40)의 단수와 내경, 압력과 온도, 그리고 상부와 하부 배출물의 환류 비율 등은 특별히 제한되지 않으며, 이들은 안정화된 상태에서 연속적으로 분리 공정을 수행할 수 있으면 좋다.
아울러, 상기 각 칼럼(10)(20)(30)(40)에는 응축기 및/또는 열교환기(또는 재비기)가 설치될 수 있다. 도면에서, 도면 부호 C는 응축기를 나타내며, 도면 부호 B는 열교환기(또는 재비기)를 나타낸다. 상기 각 칼럼(10)(20)(30)(40)에 따라 응축기(C) 및/또는 열교환기(B)는 선택적으로 설치되거나, 설치되지 않을 수 있다. 또한, 상기 응축기(C)와 열교환기(B)는 특별히 언급하지 않는 한, 도면에 도시되어 있더라도 생략될 수 있는 구성요소이며, 이와는 반대로 도면에 도시되어 있지 않더라도 포함(설치)될 수 있는 구성요소이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 출원에 따른 큐멘 정제장치와 정제정방법의 예시적인 실시 형태를 함께 설명한다. 도 2는 본 출원의 제1실시 형태에 따른 큐멘 정제장치의 구성도이고, 도 3은 본 출원의 제2실시 형태에 따른 큐멘 정제장치의 구성도이다.
제1실시 형태
도 2를 참조하면, 본 출원의 제1실시 형태에 따른 큐멘 정제장치는, 도 1에 보인 종래와 대비하여 벤젠 컬럼의 전방에 설치된 라이트 컷 컬럼(40, Lights Cut Column)을 더 포함하는 구조를 가지며, 이에 따라 유입물 및 유출물의 흐름 라인이 변경되면서 개선된 구조를 갖는다.
구체적으로, 본 출원의 제1실시 형태에 따른 큐멘 정제장치는, 라이트 컷 컬럼(40); 상기 라이트 컷 컬럼(40)의 후방에 설치된 벤젠 컬럼(10); 상기 벤젠 컬럼(10)의 후방에 설치된 큐멘 컬럼(20); 및 상기 큐멘 컬럼(20)의 후방에 설치된 폴리이소프로필벤젠 컬럼(30)을 포함하여, 4개의 증류 컬럼을 갖는다.
상기 라이트 컷 컬럼(40)은 알킬레이션 반응부의 스트림 및 프레쉬(fresh) 벤젠을 유입하여, 경질 물질(Lights)과 물(water)을 상부로 배출시켜 제거한다. 상기 라이트 컷 컬럼(40)은, 전단부에 설치된 유입라인(41)(42)을 포함한다. 상기 유입라인(41)(42)은 알킬레이션 반응부에서 배출되는 스트림을 유입하는 알킬레이션 반응부의 스트림 유입라인(42)을 포함한다. 또한, 상기 유입라인(41)(42)은 프레쉬(fresh) 벤젠을 유입하는 벤젠 유입라인(41)을 포함한다. 이때, 상기 벤젠 유입라인(41)을 통해 프레쉬(fresh) 벤젠이 유입되어, 벤젠 컬럼(10) 내에서 큐멘 생성반응이 도모되어 큐멘의 수율을 향상시킬 수 있다.
도 2는 라이트 컷 컬럼(40)의 전단부에 2개의 유입라인(41)(42)이 설치된 모습을 보여주고 있다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같이, 벤젠 유입라인(41)은 라이트 컷 컬럼(40)의 상단에 설치되고, 벤젠 유입라인(41)의 아래에 알킬레이션 반응부의 스트림 유입라인(42)이 설치될 수 있다.
상기 라이트 컷 컬럼(40)은 알킬레이션 반응부의 스트림과 프레쉬(fresh) 벤젠을 유입하여 상부 스트림(저비점 물질)과 하부 스트림(고비점 물질)으로 분리한다. 라이트 컷 컬럼(40)은 상부에 설치된 상부 스트림 배출라인(44)과, 하부에 설치된 하부 스트림 배출라인(46)을 포함한다.
상기 상부 스트림 배출라인(44)으로는 C3(프로필렌, 프로판 등) 등의 경질 물질(Lights)과 물(water)를 포함하는 라이트 물질(Lights)이 배출되어 제거된다. 이때, 상기 C3(프로필렌, 프로판 등) 등의 경질 물질(Lights)은 주로 알킬레이션 반응부의 스트림에 함유된 것이고, 상기 물(water)은 주로 프레쉬(fresh) 벤젠에 함유된 것일 수 있다. 또한, 상기 하부 스트림은 경질 물질(Lights)과 물(water)을 제외한 고비점 물질로서, 이는 벤젠, 큐멘, 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 및 중질 물질(Heavies) 등을 포함한다. 이러한 하부 스트림은 하부 스트림 배출라인(46)을 통해 배출되어 벤젠 컬럼(10)으로 유입된다.
상기 벤젠 컬럼(10)은 라이트 컷 컬럼(40)의 후방에 설치되어, 유입된 스트림으로부터 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리한다. 벤젠 컬럼(10)은, 그 전단부에 트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림 유입라인(12)과, 상기 라이트 컷 컬럼(40)의 하부 스트림 배출라인(46)이 연결되어 있다. 이에 따라, 벤젠 컬럼(10)은 트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림과, 상기 라이트 컷 컬럼(40)의 하부로 배출된 스트림을 유입하여, 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리한다.
또한, 상기 벤젠 컬럼(10)은 상부에 설치된 벤젠 리사이클 라인(14)과, 하부에 설치된 큐멘 스트림 배출라인(16)을 포함한다. 벤젠 컬럼(10)에서는 벤젠과 큐멘 스트림의 2상으로 분리된다. 벤젠 컬럼(10)에서 분리된 벤젠은 벤젠 리사이클 라인(14)을 통해 배출되어 재순환된다. 이때, 벤젠 리사이클 라인(14)을 통해 배출된 벤젠은, 예를 들어 알킬레이션 반응부 및/또는 트랜스 알킬레이션 반응부로 공급되어 재순환되거나, 경우에 따라서는 상기 벤젠 유입라인(41)을 통해 라이트 컷 컬럼(40)으로 재순환될 수 있다. 그리고 상기 큐멘 스트림은 큐멘 스트림 배출라인(16)을 통해 배출되어, 큐멘 컬럼(20)으로 유입된다.
상기 큐멘 컬럼(20)은 벤젠 컬럼(10)으로부터 큐멘 스트림을 유입하여, 큐멘과 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림으로 분리한다. 큐멘 컬럼(20)은 상부에 설치된 큐멘 배출라인(25)과, 하부에 설치된 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림 배출라인(26)을 포함한다.
상기 큐멘 컬럼(20)에서 분리된 큐멘은 큐멘 배출라인(25)을 통해 상부로 배출되며, 배출된 큐멘은 제품으로 회수된다. 이때, 큐멘 배출라인(25)의 일측은 큐멘 컬럼(20)의 상부와 연결되고, 타측은 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 연결되어 벤젠 컬럼(10)에 열원을 제공한다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다. 또한, 큐멘 컬럼(20)에서 분리된 상기 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림은 배출라인(26)을 통해 배출되어, 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(30)으로 유입된다.
상기 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(30)은 큐멘 컬럼(20)으로부터 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림을 유입하여, 폴리이소프로필벤젠(PIPB)과 중질 물질(Heavies)로 분리한다. 이때, 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(30)은, 하나의 구현예에 따라서 상부에 설치된 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 배출라인(34)과, 하부에 설치된 중질 물질 배출라인(36)을 포함할 수 있다.
상기 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(30)에서 분리된 폴리이소프로필벤젠(PIPB)은 배출라인(34)을 통해 상부로 배출되며, 배출된 폴리이소프로필벤젠(PIPB)은 예를 들어 트랜스 알킬레이션 반응부로 공급되어 재순환될 수 있다. 상기 큐멘 컬럼(20)으로부터 유입된 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림은 디이소프로필벤젠(DIPB) 및 트리이소프로필벤젠(TIPB) 등의 폴리이소프로필벤젠(PIPB)을 포함하고 있다. 이때, 상기 디이소프로필벤젠(DIPB) 및 트리이소프로필벤젠(TIPB) 중에서 적어도 디이소프로필벤젠(DIPB)은 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(30)을 통해 분리되어, 상기 배출라인(34)을 통해 배출되어 트랜스 알킬레이션 반응부로 공급되어 재순환될 수 있다.
또한, 상기 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(30)은, 다른 구현예에 따라서 폴리이소프로필벤젠(PIPB)을 종류별로 각각 분리하여 배출하는 복수의 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 배출라인(34)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(30)은 단수의 대략 중간 지점에 설치된 트리이소프로필벤젠(TIPB) 배출라인과, 이의 상단에 설치된 디이소프로필벤젠(DIPB) 배출라인(34)을 포함하여, 폴리알킬레이션 벤젠을 종류별로 다단으로 분리할 수 있다.
한편, 상기 중질 물질 배출라인(36)을 통해 배출되는 중질 물질은 공정에서 가장 무거운 물질이며, 이는 구체적으로 폴리이소프로필벤젠(PIPB)보다 무거운 물질(비점이 높은 물질)이다. 이러한 중질 물질은 배출라인(36)을 통해 배출된 후, 냉각된 다음, 저장조로 보내질 수 있다.
본 출원에 따른 큐멘 정제장치는, 상기한 바와 같은 4개의 컬럼(10)(20)(30)(40)을 포함하되, 에너지 효율을 향상시키기 위한 수단으로서, 상기 벤젠 컬럼(10)의 하부 온도(T2)를 강하(drop)시키는 온도 강하부(15)를 포함한다.
본 출원에서, 상기 온도 강하부(15)는 벤젠 컬럼(10)의 적어도 하부 온도(T2)를 강하시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 본 출원의 예시적인 구현예에 따라서, 상기 온도 강하는 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력(P1)을 강하시켜 진행될 수 있다. 구체적으로, 상기 온도 강하부(15)는 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력을 강하시킬 수 있는 압력 강하 수단을 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 온도 강하부(15)는 압력 강하 수단으로서 진공 펌프를 포함할 수 있다. 도면에는 상기 온도 강하부(15)로서 진공 펌프가 예시적으로 도시되어 있다. 그러나 본 출원에서, 상기 온도 강하부(15)는 진공 펌프로 한정되는 것은 아니며, 이는 벤젠 컬럼(10)의 하부 온도(T2)를 강하시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
또한, 상기 온도 강하부(15)의 설치 위치는 제한되지 않는다. 온도 강하부(15)는 벤젠 컬럼(10)의 내부에 설치되거나, 벤젠 컬럼(10)의 외부에 위치되어 벤젠 컬럼(10)에 연결, 설치될 수 있다. 온도 강하부(15)는, 하나의 예시에서 진공 펌프가 사용되어, 벤젠 컬럼(10)의 측벽에 연결, 설치될 수 있다. 이때, 진공 펌프는 최대의 감압력(흡입력)을 제공할 수 있도록, 벤젠 컬럼(10)의 측벽에 최대한 근접하여 연결, 설치될 수 있다.
상기 벤젠 컬럼(10)의 하부 온도(T2)를 강하시킴에 있어서는, 벤젠 컬럼(10)의 분리 효율에 악영향을 끼치지 않도록, 하부 온도(T2)는 상부 온도(T1)보다 높게 유지되도록 한다. 즉, 도면에서 T2 > T1을 유지되도록 한다. 이러한 점을 고려할 때, 하부 온도(T2)의 강하는 상기에서 예시한 바와 같이 내부 압력(P1) 강하를 통해 진행되는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로, 내부 압력(P1)을 감압하면, 상부 온도(T1)와 하부 온도(T2)가 균등한 비율로 강하되므로, 간단한 조작으로 T2 > T1을 유지할 수 있다.
또한, 상기 큐멘 배출라인(25)은 벤젠 컬럼(10)의 하부에 열을 공급할 수 있도록, 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 연결된다.
구체적으로, 상기 벤젠 컬럼(10)의 하부에는 열을 공급하기 위한 열교환기(B)가 설치되어 있는데, 이러한 열교환기(B)에 상기 큐멘 배출라인(25)이 연결된다. 즉, 상기 큐멘 배출라인(25)의 일측은 큐멘 컬럼(20)의 상부에 연결하고, 타측은 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 연결한다.
보다 구체적으로, 위와 같이 정제장치를 설계하여, 상기 벤젠 컬럼(10)의 하부 온도(T2)를 강하시킨 다음, 상기 큐멘 컬럼(20)의 상부에서 배출되는 큐멘을 회수하기 이전에 상기 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 통과시켜 벤젠 컬럼(10)의 하부에 열을 공급한다. 그리고 열교환기(B)를 통과한 큐멘은 제품으로 회수한다.
따라서 본 출원에 따르면, 벤젠 컬럼(10)의 하부에 열을 공급하기 위한 열원은 큐멘 컬럼(20)에서 배출되는 큐멘의 증기(vapor) 열원이 대체 사용된다. 즉, 큐멘의 증기(vapor) 열원은 벤젠 컬럼(10)에 설치된 열교환기(B)의 열전달 매체로 사용된다. 이에 따라, 벤젠 컬럼(10)의 하부에 열을 공급하기 위한 에너지가 절감된다. 또한, 전술한 바와 같이, 상기 벤젠 컬럼(10)의 하부 온도(T2)는 강하되어 있으므로, 큐멘의 증기(vapor) 열원만으로도 벤젠 컬럼(10)의 분리 공정에 필요한 열을 충분히 공급할 수 있으며, 이는 열에너지 재활용에 효율적이다.
바람직한 형태에 따라서, 상기 벤젠 컬럼(10)과 큐멘 컬럼(20)은 하기 수학식을 만족하도록 운전되는 것이 좋다.
[수학식]
T3 - T2 ≥ 10℃
상기 수학식에서, T2는 벤젠 컬럼(10) 내부의 하부 온도이고, T3은 큐멘 컬럼(20) 내부의 상부 온도이다. 즉, 큐멘 컬럼(20) 내부의 상부 온도(T3)는 벤젠 컬럼(10) 내부의 하부 온도(T2)보다 10℃ 이상 높게 유지되도록 하는 것이 좋다. 상기 수학식을 만족하는 경우, 에너지 효율성에서 매우 유리할 수 있다. 즉, 상기 수학식을 만족하는 경우, 에너지 소비량이 효과적으로 절감될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 하부 온도(T2)의 강하를 통하여, 상기 큐멘 컬럼(20)의 상부 온도(T3)는 벤젠 컬럼(10)의 하부 온도(T2)보다 15℃ 이상(T3 - T2 ≥ 15℃), 또는 20℃ 이상(T3 - T2 ≥ 20℃) 높게 유지되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이때, 두 온도 차이의 상한치는 제한되지 않으나, 예를 들어 80℃, 또는 60℃가 될 수 있다. 즉, T3 - T2 ≤ 80℃, 또는 T3 - T2 ≤ 60℃이 될 수 있다.
예시적인 구현예에 따라서, 상기 큐멘 컬럼(20)의 상부 온도(T3)는, 예를 들어 140℃ 이상, 보다 구체적인 예를 들어 140℃ 내지 210℃로 유지할 수 있다. 아울러, 상기 벤젠 컬럼(10)의 하부 온도(T2)는, 예를 들어 내부 압력(P1) 강하를 통하여 200℃ 이하, 구체적인 예를 들어 130℃ 내지 200℃로 유지할 수 있다.
또한, 상기 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력(P1)은 낮게 유지할 수 있도록 공정에 유리할 수 있다. 상기 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력(P1)은 압력 강하를 통해, 예를 들어 상기 범위의 하부 온도(T2)로 유지되도록 할 수 있다. 상기 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력(P1)은, 예를 들어 500kPa 이하, 300kPa 이하, 또는 230kPa 이하로 유지되게 할 수 있다. 아울러, 상기 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력(P1)의 하한치는, 특별히 제한되지 않으나 예를 들어 5kPa 이상, 또는 10kPa 이상이 될 수 있다. 상기 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력(P1)은, 보다 구체적인 예를 들어 5 ~ 300kPa, 5 ~ 300kPa, 10 ~ 300kPa, 또는 10 ~ 230kPa의 압력이 되도록 할 수 있다.
한편, 본 출원에서, 상기 큐멘 컬럼(20)에서 분리된 큐멘은, 그의 전부가 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 통과되는 경우와, 그의 일부가 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 통과되는 경우를 포함한다.
구체적으로, 상기 큐멘 컬럼(20)에서 분리된 큐멘은, 그의 전부가 큐멘 배출라인(25)을 통해 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 공급될 수 있다. 또한, 상기 큐멘 컬럼(20)에서 분리된 큐멘은 2개의 라인(25)(25')을 통해 배출되되, 일부는 제1 큐멘 배출라인(25)을 통해 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 공급되고, 나머지 일부는 제2 큐멘 회수라인(25')을 통해 배출될 수 있다.
이때, 상기 제2 큐멘 회수라인(25')을 통해 배출된 큐멘은 냉각된 다음, 저장조에 회수된다. 아울러, 상기 제 1큐멘 배출라인(25)을 통해 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 공급되는 큐멘은 벤젠 컬럼(10)에 열을 공급한 후, 냉각된 다음, 저장조에 회수된다.
또한, 예시적인 구현예에 따라서, 상기 큐멘 배출라인(25)은 보온 처리될 수 있다. 구체적으로, 큐멘이 큐멘 배출라인(25)을 통해 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)로 이동되는 과정에서 열손실이 방지될 수 있도록, 상기 큐멘 배출라인(25)의 표면에는 단열재가 커버링(covering)되거나, 열선 등의 가온 수단이 설치될 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이, 본 출원에 따라서, 경질 물질(Lights)과 물(water)은 벤젠 컬럼(10)으로 유입되기 전에 라이트 컷 컬럼(40)을 통해 미리 제거된다. 이에 따라, 벤젠 컬럼(10)의 온도 강하에 의해 수반될 수 있는 악영향이 해결되고, 이와 함께 벤젠 컬럼(10)에서의 정제공정도 개선된다.
구체적으로, 상기 라이트 컷 컬럼(40)을 설치하지 않고, 종래와 같이 벤젠 컬럼(10)에서 알킬레이션 반응물 내에 포함된 C3(프로필렌, 프로판 등) 등의 경질 물질(Lights)과 프레쉬(fresh) 벤젠 내에 포함된 물(수분)을 상부로 배출하여 제거하고자 하는 경우, 벤젠 칼럼(10)의 온도 강하 시 응축기(C)에 큰 무리가 갈 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 벤젠 칼럼(10)의 하부 온도(T2)를 강하시킴에 있어서, 바람직하게는 상기한 바와 같이 벤젠 칼럼(10)의 내부 압력(P1)을 강하시키는 방법이 고려될 수 있는데, 이때 벤젠 칼럼(10)의 내부 압력(P1) 강하 시, 하부 온도(T2)는 물론 상부 온도(T1)도 내려간다. 이때, 내부 압력(P1)의 지나친 강하로 상부 온도(T1)가 영하까지 내려갈 수 있고, 이 경우 응축기(C)에 큰 무리가 갈 수 있다.
그러나 본 출원의 실시 형태에 따라서, 상기와 같이 벤젠 칼럼(10)의 전방에 라이트 컷 컬럼(40)을 설치하여, 상기 라이트 컷 컬럼(40)을 통해 알킬레이션 반응물 내에 포함된 경질 물질(Lights)과 프레쉬(fresh) 벤젠 내에 포함된 물(수분)을 미리 제거한 경우, 상기와 같은 현상을 방지할 수 있어 벤젠 컬럼(10)의 압력(P1) 강하를 통한 온도 강하가 가능하다. 이와 함께, 벤젠 칼럼(10)의 상부에서는 거의 순수한 벤젠을 분리할 수 있다.
또한, 종래 기술에 따른 큐멘 정제장치는, 도 1에 보인 바와 같이, 벤젠 컬럼(1)을 통해 경질 물질(Lights)과 물(water)은 벤젠 컬럼(1)의 상부 영역에서, 벤젠은 벤젠 컬럼(1)의 중간 영역에서, 큐멘 스트림은 벤젠 컬럼(1)의 상부 영역에서 분리 배출되는데, 이 경우 3상의 구역을 형성해야 하므로 벤젠 컬럼(1)의 운전 조건(단수, 압력, 온도 등)이 까다롭고, 벤젠의 분리 효율이 떨어질 수 있다. 즉, 벤젠을 고순도로 분리하기 어려울 수 있다.
이에 비해, 본 출원의 실시 형태에 따라서, 도 2에 보인 바와 같이 라이트 컷 컬럼(40)을 통해 경질 물질(Lights)과 물(water)을 미리 제거한 경우, 벤젠 컬럼(10)에서는 벤젠과 큐멘 스트림의 2상 분리 공정이므로, 상부 영역 및 하부 영역에 대한 운전 조건이 고려되어 까다롭지 않다. 아울러, 벤젠에 대한 운전 조건(압력 및 온도 등)만이 고려될 수 있고, 고순도의 벤젠을 고효율로 분리할 수 있다.
또한, 본 출원의 실시 형태에 따라서, 상기한 바와 같이 알킬레이션 반응부의 스트림 유입라인(42)은 라이트 컷 컬럼(40)에 연결되고, 트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림 유입라인(12)은 벤젠 컬럼(10)에 연결되는데, 이 또한 개선된 정제공정을 도모한다. 예를 들어, 2개의 스트림 유입라인(12)(42) 모두를 라이트 컷 컬럼(40)에 연결하는 경우를 고려해볼 수 있으나, 이 경우 라이트 컷 컬럼(40)에 로드(load)가 가해져, 라이트 컷 컬럼(40) 자체에서의 분리 공정은 물론, 전체적인 정제공정을 연속적으로 진행하는데 효율성이 떨어질 수 있다.
그러나 본 출원의 실시 형태에 따라서, 2개의 스트림이 라이트 컷 컬럼(40) 및 벤젠 컬럼(10)으로 각각 별도로 분할 유입되는 경우, 각 컬럼(10)(40)의 로드(load)가 감소되고 효율적인 정제공정을 연속적으로 진행할 수 있다.
제2실시 형태
이하, 본 출원의 제2실시 형태를 설명한다. 도 3에는 본 출원의 제2실시 형태에 따른 큐멘 제조장치가 도시되어 있다.
본 출원의 제2실시 형태를 설명함에 있어, 상기 제1실시 형태와 동일하게 사용되는 용어 및 도면 부호는 동일한 기능을 나타내므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 이하에서 구체적으로 설명되지 않는 부분이 있다면, 이는 상기 제1실시 형태를 설명한 바와 같다. 본 출원의 제2실시 형태는, 상기 제1실시 형태와 동일한 구성을 가지므로, 제1실시 형태와 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 출원의 제2실시 형태에 따라서, 상기 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼(30)의 상부에서 배출되는 폴리이소프로필벤젠(PIPB)을 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)와 큐멘 컬럼(20)의 열교환기(B) 중에서 선택된 하나 이상의 열교환기(B)에 통과시켜, 벤젠 컬럼(10)과 큐멘 컬럼(20) 중에서 선택된 하나 이상의 하부에 열을 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 배출라인(34)은, 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)와 큐멘 컬럼(20)의 열교환기(B) 중에서 선택된 하나 이상의 열교환기(B)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 폴리이소프로필벤젠(PIPB)의 증기 열원이 벤젠 컬럼(10) 및/또는 큐멘 컬럼(20)의 열원으로 재활용되어 에너지 효율이 증가될 수 있다.
하나의 구현예에 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 배출라인(34)은 적어도 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에는 연결될 수 있다. 열교환기(B)를 통과한 폴리이소프로필벤젠(PIPB)은 열을 공급한 다음, 트랜스 알킬레이션 반응부로 공급되어 재순환될 수 있다.
이상에서 설명한 본 출원에 따르면, 전술한 바와 같이 개선된 정제공정에 의해 에너지의 효율을 높일 수 있다. 구체적으로, 큐멘의 증기(vapor) 열원이 벤젠 컬럼(10)의 열원으로 사용되어 열에너지 소비량을 절감할 수 있다. 또한, 큐멘이 고순도를 갖도록 효율적으로 정제된다.
한편, 본 출원에서, 상기 각 성분 및 스트림이 유입 및 배출되는 라인들은 유체가 통과될 수 있는 것이면 제한되지 않으며, 이들은 금속관이나 플라스틱관 등으로부터 선택될 수 있다. 아울러, 상기 각 라인들은 플렉시블(flexible)한 것을 포함한다. 또한, 상기 라인들 상에는 각 성분 및 스트림의 원활한 흐름을 위한 펌프(pump) 등이 설치되거나, 흐름을 제어(차단 및/또는 유량 조절)하는 밸브(valve) 등이 설치될 수 있다.
이하, 본 출원의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 출원의 이해를 돕도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 출원의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
[비교예]
도 4에 보인 바와 같은 장치를 이용하여 큐멘을 정제하였다. 도 4에 보인 장치는 도 1에 보인 장치와 같으며, 다만 도 4에서는 각 컬럼(1)(2)에서 소비되는 열에너지를 설명하기 위해 Q를 나타내었다. 본 비교예는 종래의 일반적인 공정으로서, 공지의 구체적인 공정에 대한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 각 유입라인(1a)(1b)(1c)에 통해 프레쉬 벤젠(1a), 알킬레이션 반응부에서 배출된 스트림(1b) 및 트랜스 알킬레이션 반응부에서 배출된 스트림(1c)을 벤젠 컬럼(1)에 유입시켰다. 그리고 경질 물질(Lights)과 물(water)은 상부 배출라인(1d)을 통해, 벤젠은 중간 배출라인(1f)을 통해, 큐멘 스트림은 하부 배출라인(1e)을 통해 배출되게 하였다.
그리고 큐멘 컬럼(2)의 상부 배출라인(2a)을 통해 큐멘을 배출시켜 회수되게 하고, 하부 배출라인(2b)을 통해 배출된 PIPB 스트림은 PIPB 컬럼(3)으로 유입되게 하였다. 또한, PIPB 컬럼(3)의 상부 배출라인(3a)을 통해 PIPB을 배출시켜 트랜스 알킬레이션 반응부로 재순환시키고, 하부 배출라인(3d)을 통해 중질 물질(Heavies)을 배출시켜 냉각 처리하였다.
위와 같은 정제공정에서, 벤젠 컬럼(1)의 내부 압력(P1)은 대략 310 kPa로 유지되고, 벤젠 컬럼(1)의 상부 온도(T1)와 하부 온도(T2)는 각각 약 50℃와 약 215℃로 유지되었다. 그리고 큐멘 컬럼(2)의 상부 온도(T3)는 약 160℃로 유지되었다. 여기서, 상부 온도(T1)(T3)는 탑정 구역의 평균 온도이고, 하부 온도(T2)는 탑저 구역의 평균 온도이다. 또한, 벤젠 컬럼(1)에 공급된 열에너지 Q1, 큐멘 컬럼(2)에 공급된 열에너지 Q2, 그리고 큐멘 컬럼(2)의 상부에서 배출되는 큐멘의 열에너지 Q3가 측정되었다. 이를 하기 [표 1]에 나타내었다.
[실시예]
도 5에 보인 바와 같은 장치를 이용하여 큐멘을 정제하였다. 도 5에 보인 장치는 도 2에 보인 장치와 같으며, 다만 도 5에서는 각 컬럼(10)(20)(40)에서 소비되는 열에너지를 설명하기 위해 Q를 나타내었다. 본 실시예는 전술한 제1실시 형태의 예시적인 실시예이다.
도 5을 참조하면, 라이트 컷 컬럼(40)에 각 유입라인(41)(42)을 통해 프레쉬(fresh) 벤젠(41)과 알킬레이션 반응부에서 배출된 스트림(42)을 유입시켰다. 상부 배출라인(44)을 통해 경질 물질(Lights)과 물(water)은 제거하고, 하부 스트림은 하부 배출라인(46)을 통해 벤젠 컬럼(10)으로 유입되게 하였다.
벤젠 컬럼(10)으로는 상기 라이트 컷 컬럼(40)의 하부 스트림(46)과 함께, 유입라인(12)을 통해 트랜스 알킬레이션 반응부에서 배출된 스트림(12)이 유입되게 하였다. 그리고 상부 배출라인(14)으로 벤젠을 배출시켜 라이트 컷 컬럼(40)으로 재순환시키고, 하부 배출라인(16)으로 큐멘 스트림을 배출시켜 큐멘 컬럼(20)으로 유입되게 하였다.
또한, 큐멘 컬럼(20)의 상부 배출라인(25)을 통해 큐멘을 배출시키되, 이를 벤젠 컬럼(10)의 열교환기(B)에 통과시켜 열을 공급되게 하였다. 하부 배출라인(26)을 통해 배출된 PIPB 스트림은 PIPB 컬럼(30)으로 유입되게 하였다. 또한, PIPB 컬럼(30)의 상부 배출라인(34)을 통해 PIPB을 배출시켜 트랜스 알킬레이션 반응부로 재순환시키고, 하부 배출라인(36)을 통해 중질 물질(Heavies)을 배출시켜 냉각 처리하였다.
본 실시예에 따른 정제공정을 진행함에 있어서는, 상기 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력(P1) 강하가 유도되었다. 이때, 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력(P1)은 벤젠 컬럼(10)의 측방에 설치된 진공 펌프(15)에 의해 감압되어 대략 35 kPa로 유지되었다. 내부 압력(P1) 강하에 의해, 벤젠 컬럼(10)의 상부 온도(T1)와 하부 온도(T2)는 각각 약 50℃와 약 150℃로 유지되었다. 그리고 큐멘 컬럼(20)의 상부 온도(T3)는 약 160℃로 유지되었다. 여기서, 상부 온도(T1)(T3)는 탑정 구역의 평균 온도이고, 하부 온도(T2)는 탑저 구역의 평균 온도이다. 또한, 라이트 컷 컬럼(40)에 공급된 열에너지 Q0, 벤젠 컬럼(10)에 공급된 열에너지 Q1, 큐멘 컬럼(20)에 공급된 열에너지 Q2, 그리고 큐멘 컬럼(20)의 상부에서 배출되는 큐멘의 열에너지 Q3가 측정되었다. 이를 하기 [표 1]에 나타내었다.
< 열에너지 평가 결과 >
비 고 P1
(kPa)		 Q0 Q1 Q2 Q3 QT 절감량
(△Q)
비교예
 310 - 8.4 5.2 6.1 13.6 -
실시예
 35 0.95 6.94 7.6 6.1 9.39 4.21

- P1 : 벤젠 컬럼의 내부 압력(kPa)
- Q0 : 라이트 컷 컬럼에 공급된 열에너지(Gcal/hr)
- Q1 : 벤젠 컬럼에 공급된 열에너지(Gcal/hr)
- Q2 : 큐멘 컬럼에 공급된 열에너지(Gcal/hr)
- Q3 : 큐멘 컬럼에서 배출된 큐멘의 열에너지(Gcal/hr)
- QT : 벤젠 컬럼과 큐멘 컬럼에서 실제 사용된 열에너지의 합량(Gcal/hr)
상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 본 출원의 실시예에 따라, 벤젠 컬럼(10)의 내부 압력(P1) 강하를 통해, 하부 온도(T2) 강하를 유도하고, 큐멘의 증기 열원(Q2)을 벤젠 컬럼(10)의 열원(Q2)으로 보충하는 경우, 4.21 Gcal/hr의 열에너지를 절감(약 31% 절감)할 수 있음을 알 수 있었다.
이때, 실시예에서, 벤젠 컬럼(10)에 공급된 열에너지(Q2)는 6.94 Gcal/hr이나, 벤젠 컬럼(10)에 큐멘의 열에너지(Q3) 6.1 Gcal/hr가 공급되므로, 벤젠 컬럼(10)에서 실제 사용된 열에너지(Q2 - Q3)는 0.94 Gcal/hr이다. 따라서 2개의 컬럼에서 실제 사용된 열에너지(QT)는, 비교예의 경우에는 13.6 Gcal/hr이나, 실시예의 경우에는 9.36 Gcal/hr로서 에너지 소비량이 현저히 절감됨을 알 수 있었다.
10 : 벤젠 컬럼
14 : 벤젠 리사이클 라인
16 : 큐멘 스트림 배출라인
20 : 큐멘 컬럼
25 : 큐멘 배출라인
26 : 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 스트림 배출라인
30 : 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 컬럼
34 : 폴리이소프로필벤젠(PIPB) 배출라인
36 : 중질 물질 배출라인
40 : 라이트 컷 컬럼

Claims (12)

  1. 알킬레이션 반응부의 스트림 및 프레쉬(fresh) 벤젠을 유입하여, 경질 물질과 물을 상부로 배출시키는 라이트 컷 컬럼;
    트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림과 상기 라이트 컷 컬럼의 하부로 배출된 스트림을 유입하여, 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리하는 벤젠 컬럼;
    상기 벤젠 컬럼으로부터 큐멘 스트림을 유입하여, 큐멘과 폴리이소프로필벤젠 스트림으로 분리하는 큐멘 컬럼;
    상기 큐멘 컬럼으로부터 폴리이소프로필벤젠 스트림을 유입하여, 폴리이소프로필벤젠과 중질 물질로 분리하는 폴리이소프로필벤젠 컬럼;
    상기 벤젠 컬럼의 하부 온도를 강하시키는 온도 강하부; 및
    상기 큐멘 컬럼의 상부에 설치된 큐멘 배출라인을 포함하고,
    상기 큐멘 배출라인은 벤젠 컬럼의 하부에 열을 공급할 수 있도록, 상기 벤젠 컬럼의 열교환기에 연결된 것을 특징으로 하는 큐멘 정제장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 강하부는, 벤젠 컬럼의 내부 압력을 강하시키는 압력 강하 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도 강하부는, 벤젠 컬럼에 연결된 진공 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 벤젠 컬럼과 큐멘 컬럼은, 하기 수학식을 만족하도록 운전되는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제장치.
    [수학식]
    T3 - T2 ≥ 10℃
    (상기 수학식에서, T2는 벤젠 컬럼의 하부 온도이고, T3은 큐멘 컬럼의 상부 온도이다.)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 라이트 컷 컬럼은, 전단부에 설치된 벤젠 유입라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리이소프로필벤젠 컬럼은, 상부에 설치된 폴리이소프로필벤젠 배출라인을 포함하고,
    상기 폴리이소프로필벤젠 배출라인은, 벤젠 컬럼의 열교환기와 큐멘 컬럼의 열교환기 중에서 선택된 하나 이상의 열교환기에 연결된 것을 특징으로 하는 큐멘 정제장치.
  7. 알킬레이션 반응부의 스트림 및 프레쉬(fresh) 벤젠을 라이트 컷 컬럼으로 유입하여, 경질 물질과 물을 제거하는 라이트 제거단계;
    트랜스 알킬레이션 반응부의 스트림과 상기 라이트 컷 컬럼의 하부로 배출된 스트림을 벤젠 컬럼으로 유입하여, 벤젠과 큐멘 스트림으로 분리하는 벤젠 분리단계;
    상기 분리된 큐멘 스트림을 큐멘 컬럼으로 유입하여, 큐멘과 폴리이소프로필벤젠 스트림으로 분리하는 큐멘 분리단계; 및
    상기 분리된 폴리이소프로필벤젠 스트림을 폴리이소프로필벤젠 컬럼으로 유입하여, 폴리이소프로필벤젠과 중질 물질로 분리하는 폴리이소프로필벤젠 분리단계를 포함하고,
    상기 벤젠 컬럼의 하부 온도를 강하시킨 다음, 상기 큐멘 컬럼의 상부에서 배출되는 큐멘을 상기 벤젠 컬럼의 열교환기에 통과시켜 벤젠 컬럼의 하부에 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 벤젠 컬럼의 하부 온도 강하는 벤젠 컬럼의 내부 압력을 강하시켜 진행하는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 벤젠 컬럼과 큐멘 컬럼이 하기 수학식을 만족하도록 운전하는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제방법.
    [수학식]
    T3 - T2 ≥ 10℃
    (상기 수학식에서, T2는 벤젠 컬럼의 하부 온도이고, T3은 큐멘 컬럼의 상부 온도이다.)
  10. 제7항에 있어서,
    상기 벤젠 컬럼의 하부 온도는 130℃ 내지 200℃로 유지하고, 상기 큐멘 컬럼의 상부 온도는 140℃ 내지 210℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 벤젠 컬럼의 내부 압력을 10 ~ 230kPa로 유지하는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 폴리이소프로필벤젠 컬럼의 상부에서 배출되는 폴리이소프로필벤젠을 벤젠 컬럼의 열교환기와 큐멘 컬럼의 열교환기 중에서 선택된 하나 이상의 열교환기에 통과시켜, 벤젠 컬럼과 큐멘 컬럼 중에서 선택된 하나 이상에 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 큐멘 정제방법.
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