KR101811561B1

KR101811561B1 - 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템

Info

Publication number: KR101811561B1
Application number: KR1020170127142A
Authority: KR
Inventors: 이주선
Original assignee: 선테코 유한회사
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2017-12-26
Also published as: CN111587147B; EP3689449A4; US11141676B2; EP3689449B1; JP2020536721A; US20200282327A1; CN111587147A; EP3689449A1; WO2019066220A1; JP7003237B2; ES2935617T3

Abstract

본 발명은 발열반응에 의해 중간물질을 생성하여 배출하고, 상기 발열반응에서 발생되는 열과 외부에서 공급되는 물을 열교환시켜, 수증기를 생성하는 열교환반응기; 상기 중간물질을 공급받아, 상기 중간물질에 물을 혼합시켜 중간물질 수용액을 생성하는 흡수조; 상기 중간물질 수용액을 공급받아, 상기 중간물질을 중간물질 가스와 중간물질 과수용액으로 분리하는 스트리퍼; 상기 중간물질 과수용액을 공급받아, 상기 중간물질을 물과 반응시켜 최종물질 수용액으로 생성하는 흡열반응기; 상기 최종물질 수용액을 공급받고, 상기 열교환반응기로부터 나오는 수증기의 열과 상기 최종물질 수용액을 열교환시켜, 스팀을 생성하는 증발농축기; 상기 증발농축기에서 배출되는 최종물질 수용액을 공급받아 탈수 및 정제하는 탈수증류탑; 및 상기 증발농축기로부터 나오는 스팀을 압축하고, 압축된 스팀을 열원 또는 스팀공급원으로서 제공하는 증발스팀재압축기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템을 제공한다.

Description

복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템{SYSTEM FOR ENERGY REGENERATION USING MVR IN COMBINED CHEMICAL PROCESS}

본 발명은 고분자 화학제품을 생산하는 화학반응의 공정에서 발생되는 스팀을 재활용하는 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 화학반응의 발열공정과 흡열공정이 결합되어 있는 공정에서 생성되는 스팀과 필요한 열을 각각의 공정특성에 맞게 효율적으로 적용하여, 전체 시스템에서 필요한 에너지를 재분배하여 자급하는 시스템에 관한 것이다.

고분자 화학제품을 제조하는 화학반응 공정이 널리 이용되고 있는데, 대표적으로 고분자 화학제품은 탄화수소를 이용하여 제조되고 있다.

이러한 탄화수소는 다양한 화학반응 공정을 거쳐서, 화학제품, 의약제품, 기타 일상생활에 필요한 각종 고분자 화학제품으로 생산되고 있다. 특히, 탄화수소를 이용하여 제조되는 대표적인 고분자 화학제품으로서, 산화에틸렌, 산화메틸렌, 산화프로필렌, 산화부틸렌, 에틸렌글라이콜, 메틸렌글라이콜, 프로필렌글라이콜, 부틸렌글라이콜이 있다.

산화에틸렌은 화학반응성이 매우 커서 물, 알코올, 산, 아민등과 잘 반응하여 많은 유도체를 생산한다. 뿐만 아니라, 산화에틸렌은 값도 저렴하여 여러 방면의 합성원료로서 널리 이용되고 있다. 특히, 산화에틸렌은 에틸렌글라이콜을 제조하는데 제일 많이 이용되고 있다. 에틸렌글라이콜은 산화에틸렌의 최대 유도품으로서, 자동차의 부동액 등등으로 사용되며, 최근에는 폴리에스테르섬유의 원료로서 널리 사용되고 있다.

이러한 탄화수소의 분해와 결합을 위한 석유화학공정은 많은 양의 열에너지를 사용하고 있는데, 이러한 에너지를 절감하기 위한 적극적인 방안은 별로 알려지지 않았다.

또한, 원료물질로서 탄화수소를 이용하여 고분자 화학제품을 생산하는 과정은, 발열반응 공정, 흡열반응 공정, 열에너지를 사용하는 공정 등등 다양한 공정으로 이루어져 있다. 발열 반응의 공정에서 생성되는 수증기를 일부 후속 공정에서 사용하기도 하지만, 대부분의 공정에서 필요한 열에너지는 별도로 외부의 열원에서 공급되는 열에너지로 충당하고 있다. 뿐만 아니라, 시스템의 운전 중에 필요한 수증기도 대부분 외부에서 공급되는 스팀을 사용하고 있다.

석유화학공정에서 사용되는 시스템에서는 전반적으로 열에너지의 수요가 매우 크고, 공정에 따라서는 대량의 스팀이 필요한데, 이러한 열에너지와 수증기를 모두 외부에서 공급하려면, 해당 공급장치의 설치 및 운전에 드는 비용이 상당하다.

공개특허공보 제10-2012-0086352호 (2012년8월2일 공개)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 도입되었다.

본 발명은 화학공정에서 필요한 열에너지를 별도의 외부 열원으로부터 찾지 않고, 화학공정 시스템에서 발생하는 스팀을, 특히 산화발열반응시에 발생하는 스팀을, 이어지는 증발농축에 의한 탈수공정에서 전량 소모할 수 있도록, 증발농축기 단수를 조정하는 소극적인 방법을 넘어서, 증발농축기에서 발생하는 스팀을 압축하는 MVR시스템을 적극적으로 도입하여, MVR로부터 생성되는 열에너지를 나머지 공정에 추가함으로써, 별도로 열에너지를 공급하는데 필요한 비용과 노력을 감소시키는 것을 목적으로 한다.

아울러, 본 발명은, 화학공정 시스템 내부에서 필요한 스팀도 외부에서 공급받지 않고, 직접 화학공정 시스템의 공정 후단에서 발생하는 스팀을 압축하여 직접 재활용함으로써, 별도로 스팀을 공급하는데 소요되는 비용과 노력을 경감하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,

발열반응에 의해 중간물질을 생성하여 배출하고, 상기 발열반응에서 발생되는 열과 외부에서 공급되는 물을 열교환시켜, 수증기를 생성하는 열교환반응기; 상기 중간물질을 공급받아, 상기 중간물질에 물을 혼합시켜 중간물질 수용액을 생성하는 흡수조; 상기 중간물질 수용액을 공급받아, 상기 중간물질을 중간물질 가스와 중간물질 과수용액으로 분리하는 스트리퍼; 상기 중간물질 과수용액을 공급받아, 상기 중간물질을 물과 반응시켜 최종물질 수용액으로 생성하는 흡열반응기; 상기 최종물질 수용액을 공급받고, 상기 열교환반응기로부터 나오는 수증기의 열과 상기 최종물질 수용액을 열교환시켜, 스팀을 생성하는 증발농축기; 상기 증발농축기에서 배출되는 최종물질 수용액을 공급받아 탈수 및 정제하는 탈수증류탑; 및 상기 증발농축기로부터 나오는 스팀을 압축하고, 압축된 스팀을 열원 또는 스팀공급원으로서 제공하는 증발스팀재압축기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템을 제공한다.

바람직하게, 상기 증발농축기는 복수의 증발농축기가 순차로 연결된 다단증발농축기로 구성되며, 상기 다단증발농축기의 단수는 상기 증발농축기에서 배출되는 최종물질 수용액의 농도와 상기 열교환반응기에서 생성되는 수증기의 배출열량을 고려하여, 상기 증발스팀재압축기에서 요구하는 스팀의 온도와 압력에 따라 결정될 수 있다.

바람직하게, 상기 다단증발농축기를 구성하는 증발농축기는 자연순환식 증발농축기일 수 있다.

바람직하게, 상기 다단증발농축기를 구성하는 증발농축기는 박막강하식 증발농축기일 수 있다.

바람직하게, 상기 흡열반응기가 상기 증발스팀재압축기로부터 나오는 스팀으로부터 열을 공급받도록, 상기 증발스팀재압축기가 상기 흡열반응기에 연통되어 있을 수 있다.

바람직하게, 상기 탈수증류탑이 상기 스팀으로부터 열을 공급받도록, 상기 탈수증류탑의 재비기가 상기 증발스팀재압축기에 연통되어 있을 수 있다.

바람직하게, 상기 스트리퍼가 상기 스팀으로부터 열을 공급받도록, 상기 스트리퍼의 재비기가 상기 증발스팀재압축기에 연통되어 있을 수 있다.

바람직하게, 상기 스트리퍼로부터 배출되는 중간물질 가스를 응축시켜 중간물질 용액으로 공급받아, 상부에서는 상기 중간물질을 증류시켜 순수 중간물질로 배출하고, 하부에서는 나머지 중간물질 용액을 배출시켜 상기 흡열반응기로 공급하도록 마련된 증류탑을 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 증류탑이 상기 스팀으로부터 열을 공급받도록, 상기 증류탑의 재비기가 상기 증발스팀재압축기에 연통되어 있을 수 있다.

바람직하게, 상기 열교환반응기에 공급되는 냉각수를 예열하도록, 상기 증발스팀재압축기의 스팀이 상기 열교환반응기의 냉각수 예열기에 연통되도록 마련될 수 있다.

바람직하게, 상기 증발스팀재압축기와 상기 스트리퍼 사이, 또는 상기 증발스팀재압축기와 상기 열교환반응기의 냉각수 예열기 사이에는, 증발스팀재압축기가 추가로 배치될 수 있다.

바람직하게, 상기 중간물질은 산화에틸렌이고, 상기 최종물질은 에틸렌글라이콜일 수 있다.

본 발명에 의하면, 화학공정 시스템에서 필요한 열에너지와 스팀을 외부에서 충당하지 않고, MVR시스템의 적정한 설계를 도입하여, 각각의 공정에 필요한 스팀을 적절한 압력과 유량으로 직접 생산하여 자급함으로써, 열에너지와 스팀을 공급하는데 드는 비용과 노력을 크게 줄일 수 있다.

또한, MVR을 적용한 본 발명의 화학공정 시스템에서 증발농축기를 박막강하식 증발농축기로 하면, 자연순환식 증발농축기를 사용하는 경우와 비교하여, 1차 스팀의 온도 조건을 보다 유연하게 설계할 수 있고, 2차 스팀의 온도를 더 높일 수 있으며, 생스팀의 사용량도 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 시스템에서 스팀이 활용되는 예를 설명하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 화학공정 내 에너지 재활용 시스템에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 시스템을 보다 구체화한 한 실시예를 나타내는 도면이다.

도 1에서 볼 수 있듯이, 주원료(a, b)가 보조가스와 함께 열교환반응기(10)에 투입된다.

열교환반응기(10)는 다관식 반응기로서, 하우징 내에 반응물이 지나가는 관이 설치되어 있고, 하우징으로 유입되는 물이 관의 외부와 접촉하여 열을 교환하도록 마련되어 있다.

주원료와 보조가스가 열교환반응기(10) 내에 유입된 상태에서, 소정의 촉매를 사용하여 반응을 일으키면, 상당량의 발열량이 동반된 산화반응이 일어난다.

열교환반응기(10)에는 외부로부터 물이 유입되고, 물은, 열교환반응기(10) 내부에서 발열반응에 의해 발생되는 열을 전달받아서 증발된 후 수증기로 배출된다. 이 수증기는 1차 스팀이라 부르기로 한다.

열교환반응기(10)의 반응을 통해, 가스와 혼합된 중간물질 용액이 생성된 후, 열교환반응기의 하부에 모여 배출된다.

열교환반응기(10)로부터 나온 중간물질은 흡수조(20)로 유입되어 물로 세취된 후, 중간물질 수용액으로서 배출된다.

흡수조(20)로부터 나온 중간물질 수용액은 스트리퍼(30)로 유입된다. 스트리퍼(30)에서 중간물질 수용액은 물과 불순물 및 가스로 분리된다. 스트리퍼(30)의 상부에서 중간물질 가스가 배출되는데, 이 중간물질 가스를 응축시켜 증류탑(70)에 보낸 후 정제를 하면, 후술하는 산화에틸렌과 같은 순수한 중간물질을 얻어 최종제품으로 사용할 수 있다. 동시에, 스트리퍼(30)의 하부에서는 중간물질 과수용액을 배출한다.

스트리퍼(30)에서 배출되는 중간물질 과수용액은 흡열반응기(40)로 유입된다. 흡열반응기(40)는 다관식 반응기로서, 하우징 내에 중간물질 과수용액이 지나가는 관이 설치되어 있고, 외부로부터 유입되는 스팀이 흡열반응기의 관의 외부와 접촉하여, 관에 열을 전달하도록 마련되어 있다.

흡열반응기(40)에서는 중간물질 과수용액과 물이 반응하여 최종물질 수용액이 생성되며, 최종물질 수용액이 생성되는 반응은 흡열반응으로서, 흡열반응에 사용되는 열은 스팀으로부터 전달된다.

흡열반응기(40)로부터 배출되는 최종물질의 수용액은 낮은 농도로 증발농축기(50)로 들어간다.

증발농축기(50)는 다관식 반응기로서, 하우징 내에 최종물질 수용액이 지나가는 관이 설치되어 있고, 하우징으로 유입되는 수증기(즉, 1차 스팀)가 관의 외부와 접촉하여 열을 교환하도록 마련되어 있다.

증발농축기(50)는 1차 스팀, 즉 열교환반응기에서 생성한 수증기를 공급받아, 1차 스팀의 열을 이용하여 최종물질 수용액을 증발시킴으로써, 최종물질 수용액을 농축시킨다. 최종물질 수용액으로부터 증발되는 증기는 2차 스팀이라고 부르기로 한다.

증발농축기(50)의 하부에서는, 증발에 의해 수분이 감소되어 농축된 최종물질 수용액이 배출되어, 탈수증류탑(60)으로 보내진다.

탈수증류탑(60)에서는 최종물질 수용액을 가열함으로써, 탑하부에서 최종물질 수용액으로부터 대부분의 수분을 제거하여, 탑상부에서는 낮은 압력의 수증기를 배출하여 응축시킨다.

또한, 필요에 따라 증류탑(60)을 하나 이상 추가하여 다단으로 마련할 수 있다. 다단 증류탑을 이용하면, 후술하는 것처럼 최종물질 수용액이 에틸렌글라이콜 수용액인 경우, 모노 에틸렌글라이콜(MEG), 디 에틸렌글라이콜(DEG), 트리 에틸렌글라이콜(TEG)으로 분류하여 각각 높은 순도의 제품을 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 증발농축기(50)에서 생성된 저압의 2차 스팀은 증발스팀재압축기(110)에서 압축되어, 열에너지가 필요한 주변의 공정에 배분된다. 증발스팀재압축기는 주변의 공정에서 필요로 하는 스팀의 압력에 알맞게 2차 스팀을 압축하여, 스팀을 필요로하는 장치에 공급할 수 있다.

증발스팀재압축기(MVR; mechanical vapor recompression system)는 기계적 증발스팀재압축기로서, 저압 스팀을 압축하여 고압 스팀을 생성하는 장치이다. 산업 현장에서는, 고속회전하는 임펠러의 원심력에 의해, 속도에너지를 압력에너지로 변화시켜 기체를 압축해주는 원심압축기를 비롯하여, 여러 유형의 기계적 증발스팀재압축기가 사용되고 있다.

본 발명에 따라, 증발스팀재압축기에서 압축된 2차 스팀을 활용하는 예는 다음과 같다.

첫째, 흡열반응기(40)의 흡열반응에 소요되는 열을 공급할 수 있다 (도 4의 A 참고).

둘째, 증류탑 또는 스트리퍼에 설치된 재비기(39, 69, 79)에 스팀을 공급하여, 증류탑 또는 스트리퍼의 재비기의 열원으로 사용할 수 있다(도 4의 B, C, D 참고). 이 경우, 필요시에 또 다른 증발스팀재압축기(120)를 배치하여 스팀을 추가로 압축할 수 도 있다.

셋째, 열교환반응기(10)에 공급되는 냉각수를 예열하는데 사용될 수 있다(도 4의 E 참고).

상술한 바와 같이, 본원발명에서는 공정의 후단부에서 발생되는 에너지를 버리지 않고, 증발스팀재압축기를 적용하여 생성된 에너지를, 필요한 공정에 사용함으로써 실질적으로 자족 에너지 밸런스를 이루도록 하는 새로운 방안을 제시하고 있다.

즉, 증발농축기(50)로부터 배출되는 스팀을 버리지 않고, 증발스팀재압축기를 사용하여 재활용함으로써, 시스템을 운전할 때 소모되는 열에너지와 비용을 크게 줄여 경제성을 향상시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 시스템의 운전 중에 스팀을 외부에서 별도도 공급할 필요가 없으므로, 스팀을 공급하는 장치가 별도로 필요없고, 따라서 해당 장치의 설치비용 및 운전비용을 제외할 수 있는 바, 경제성을 크게 높일 수 있다.

아래에서는 도 2 내지 도 4를 기초로, 구체적인 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하기로 한다. 참고로, 아래에서 설명하는 구성요소들은, 실선과 점선으로 표시된 경로를 따라 유체들이 이동하도록 서로 연통되어 있다.

도 2 내지 도 4에서, 실선은 반응물, 중간물질 및 최종물질이 지나가는 경로를 나타내며, 점선은 스팀이 지나가는 경로를 나타낸다. 특히, 도 4에서는 2차 스팀이 활용되는 예가 명확히 드러나도록 굵은 점선과 기호 (A 내지 E)를 사용하였다.

복합화학공정에서는, 필요에 따라 다양한 물질을 주원료로 선택하여, 원하는 중간물질과 최종물질을 생산할 수 있다. 아래에서는, 에틸렌과 산소를 주원료로하여 산화에틸렌(EO: Ethylene Oxide)과 에틸렌글라이콜(EG: Ethylene Glycol)을 생성하는 공정을 한가지 예로 들어 설명하도록 한다.

열교환반응기(10)에 원료물질로서 저분자 탄화수소 에틸렌(a)(H2C4)과 산소(b)(O2)가 공급된다. 또한, 열교환반응기(10)에 메탄, 질소 등과 같은 보조가스(c를 추가로 주입할 수 있고, 은을 미세하게 분산시킨 촉매를 사용하여, 반응을 시킬 수 있다. 그러면, 열교환반응기(10)에서는 발열량이 동반되는 산화반응이 일어나면서, 중간물질로서 산화에틸렌(EO)이 생성된다.

열교환반응기(10)는 다관식 반응기로서, 내부에는 반응물이 지나가는 튜브(12)들이 배치되어 있다. 또한, 열교한반응기(10)는 튜브(12)를 둘러싸는 하우징, 즉 쉘 부분을 포함하며, 냉각수가 유입되는 유입구(16)와, 수증기를 배출하는 유출구(18)도 포함하고 있다. 이 수증기를 1차 스팀이라고 부르도록 한다.

1차 스팀의 압력과 유량은 산화발열반응의 수율에 영향을 미치기 때문에, 1차 스팀의 압력과 유량은 최대 수율에 맞게 제어한다. 또한, 1차 스팀의 압력과 유량은 후단의 다단 증발농축기(50)의 단수를 결정하는 기준이 된다.

유입구(16)를 통해 유입된 냉각수는, 열교환반응기의 내부에 배치된 튜브(12)와 접촉하여, 튜브의 내부를 통과하는 반응물로부터 열을 받아 증발되어, 유출구(18)를 통해 수증기로서 배출된다.

동시에, 반응물은 냉각수에 열을 전달한 후, 가스와 혼합된 산화에틸렌 용액으로서 흡수조(20)로 유입된다.

열교환반응기(10)에 연통된 흡수조(20)에서 산화에틸렌은 물로 세취(洗取)되어, 산화에틸렌 수용액으로서 스트리퍼(30)로 공급된다. 흡수조(20)에서 분리된 가스는 분리조(25)(gas scrubber; 세정조)를 통과한 후 다시 열교환반응기(10)로 공급될 수 있다.

흡수조(20)와 연통된 스트리퍼(30)에서는, 산화에틸렌 수용액을 물과 불순물과 가스로 분리시켜, 상부에서는 산화에틸렌 가스를 배출하고, 하부에서는 산화에틸렌 과수용액을 배출한다.

스트리퍼(30)의 상부에서 배출되는 산화에틸렌 가스는, 응축기(35)를 통해 응축되어 증류탑(70)으로 유입된다. 증류탑(70)에서는, 산화에틸렌 용액을 정제하여 순수한 산화에틸렌으로 배출한다. 이렇게 제조된 산화에틸렌은 최종 제품으로서 사용될 수 있다.

스트리퍼(30) 하부에서 배출된 산화에틸렌 과수용액은 흡열반응기(40)로 공급되도록, 스트리퍼(30)는 흡열반응기(40)와 연통되어 있다.

흡열반응기(40)에서는 산화에틸렌의 가수반응에 의해 최종물질로서 에틸렌글라이콜을 생성한다. 특히, 흡열반응기에서, 과잉량의 물(대략 5배 내지 10배)과의 반응으로, 에틸렌클라이콜 수용액을 얻는다.

흡열반응기(40)에서 생성된 에틸렌클라이콜 수용액은 후술하는 과정에서 농축 및 탈수되고 정제함으로써, 최종 에틸렌글라이콜을 제조할 수 있다.

흡열반응기(40)는 증발농축기(50)에 연통되어, 흡열반응기(40)에서 생성된 에틸렌글라이콜 수용액은 증발농축기(50)로 유입된다.

증발농축기(50)는 다관식 반응기로서, 내부에 튜브가 마련되어 튜브를 통해 최종물질의 수용액, 즉 에틸렌글라이콜 수용액이 지나간다. 또한, 증발농축기(50)는 튜브를 둘러싸는 하우징에 해당하는 쉘을 포함하고, 쉘에는 수증기 유입구가 구비되어 쉘 내부로 수증기가 유입된다.

운전초기에는 증발농축기(50)에 별도의 생스팀(d)이 공급될 수 있다. 정상운전시에는 열교환반응기(10)에서 생성된 수증기(1차 스팀)가 수증기 유입구를 통해 유입되어, 튜브 내부의 에틸렌글라이콜 수용액에 열을 전달하고, 이로써 에틸렌글라이콜 수용액을 증발시켜 증기를 생성할 수 있다. 이 증기를 2차 스팀이라고 칭하며, 2차 스팀은 스팀 배출구를 통해 저압스팀으로서 배출된다.

한편, 증발농축기(50)는 에틸렌글라이콜의 농도를 높이기 위하여 다단으로 구성될 수 있다. 즉, 도 2 내지 도 4에서 볼 수 있듯이, 증발농축기(50)는 복수의 증발농축기를 순차로 연결하여 다단(예를 들어 2단 내지 7단)으로 구성할 수 있다. 이로써, 여러 번의 증발과정을 통해 에틸렌글라이콜의 농도를 높일 수 있다.

즉, 다단증발농축기는, 열교환반응기(10)에서 생성된 수증기인 1차 스팀이 1단 증발농축기에 유입되면, 1단 증발농축기(150a, 250a)에서 1차 스팀이 최종물질 수용액을 가열하고, 최종물질 수용액에서 증발된 스팀은 2단 증발농축기(150b, 250b)로 유입된다. 또한, 1단 증발농축기에서 가열되어 수분이 감소됨으로써 농축된 최종물질 수용액도, 2단 증발농축기로 유입된다. 이러한 과정은 여러 단의 증발농축기를 통하여 순차적으로 진행되어, 최종물질 수용액을 점점 더 농축한다. 이때, 1차 스팀의 압력과 유량을 기초로, 증발농축기의 단수를 결정하며, 단수의 결정시 총 증발량의 1/n에 필요한 각단의 열량과 각단의 온도차도 함께 고려한다.

한편, 높은 단수로 증발농축기를 구성하면, 에틸렌글라이콜의 농도를 높여서 후속하는 탈수증류탑(60)의 탈수부하를 줄일 수 있다. 하지만, 단수를 높이면 상대적으로 2차 스팀의 온도가 낮아지므로, 2차 스팀을 증발스팀재압축기(110)에서 압축하여 잔여공정에 필요한 열량을 공급하고자 하는 본 발명에서, 2차 스팀의 온도가 너무 낮아지는 것은 바람직하지는 않다.

따라서, 증발스팀재압축기(110)를 활용하는 본 발명에서는, 에너지의 효율성을 고려하여 증발스팀재압축기(110)에 유입되는 2차 스팀의 온도를 적절히 조절해야 할 것이다. 즉, 본 발명에서는, 복합화학공정에서 스팀을 재활용하는 효율을 최적화하도록, 최종물질인 에틸렌글라이콜의 배출농도와 열교환반응기(10)의 배출열량을 고려하여 증발농축기(50) 단수를 조절하는 것이 바람직하다.

도 2는 다단증발농축기에 사용되는 각각의 증발농축기를, 자연순환식 증발농축기, 즉 써모-사이폰 증발농축기(thermo-syphon evaporator)로 구성한 실시예를 나타낸다.

복합화학공정을 수행하는 산업현장에서는 일반적으로 증발농축기로서 자연순환식 증발농축기를 사용하고 있다. 자연순환식 증발농축기는 기술분야에 널리 알려진 구성으로서 자세한 설명은 생략하기로 한다. 자연순환식 증발농축기를 사용하면, 순환동력을 갖는 낙차를 이용함으로써 펌프없이 운전할 수 있는 이점이 있다.

각각의 자연순환식 증발농축기(150a, 150b,...,150n)는 증발기(152a, 152b,...,152n)와 챔버(154a, 154b,...,154n)로 구성되어 있다. 자연순환식 증발농축기를 적용한 구성을 간단히 설명하면, 최종물질 수용액은 1단 자연순환식 증발농축기(105a)의 증발기(152a)의 하부로 유입된 후, 가열됨으로써 튜브(153a)를 통해 상부로 올라간다. 최종물질 수용액의 가열은, 열교환반응기(10)에서 생성되어 유입구(156)를 통해 증발기(152a)에 유입되는 1차 스팀에 의해 이루어진다. 운전초기에는 생스팀(d)이 공급될 수 있다.

가열된 최종물질 수용액은 챔버(154a)로 들어가고, 스팀이 챔버(154a) 상부를 통해 배출되고, 농축된 나머지 최종물질 수용액은 챔버(154a)의 하부로 배출되어, 다시 순환되거나 다음 단의 증발기로 전달된다. 배출된 스팀과 최종물질 수용액은 다음 단의 증발기로, 즉 2단 증발농축기(150b)의 증발기(152b)로 유입되어, 앞서 수행한 증발농축공정을 반복하며, 이러한 공정은 최종단까지 순차적으로 수행된다.

증발스팀재압축기(110)를 사용하는 본원발명에서는, 증발스팀재압축기(110)에 유입되는 2차 스팀의 온도가 너무 낮으면, 2차 스팀을 압축해도 상승된 온도가 필요한 온도에 도달하지 못하여 압축된 2차 스팀을 사용하지 못하거나, 필요한 온도까지 압축하기 위해 다단의 증발스팀재압축기를 사용해야하는 문제가 있다. 따라서, 앞서 설명한 것처럼 증발스팀재압축기(110)에 유입되는 스팀, 즉 2차 스팀의 온도가 적정 온도가 되도록 시스템을 설계해야한다.

구체적으로, 시스템의 설계와 관련하여 다음 사항을 고려하여야 한다. 자연순환식 증발농축기에서는, 최종물질 수용액이 증발기(152)의 튜브(153) 하부측으로 유입되어 상부로 올라가므로, 튜브(153)의 하부측에서 최종물질 수용액을 가열하여 증발시키기 위해서는, 상하부 압력차에 따른 포화온도의 차이도 함께 고려해야한다. 즉, 최종물질 수용액을 증발시키기 위해서는, 튜브 상하부의 포화온도 차이를 고려하여, 시스템의 설계시 증발농축기에 공급되는 1차 스팀의 온도를 높여야한다. 또한, 다단증발농축기이므로, 포화온도의 차이에 해당 단수를 곱한 만큼 1차 스팀의 온도를 높여야 한다.

이어서, 도 3은 다단증발농축기에 사용되는 각각의 증발농축기를 박막강하식 증발농축기(falling film evaporator)로 구성한 실시예를 나타낸다.

각각의 박막강하식 증발농축기(250a, 250b,...,250n)는 다관식 반응기로서, 증발기(252a, 252b,...,252n)와 증발기에 연결된 챔버(254a, 254b,...,254n)를 포함한다. 증발기 내부에는, 최종물질 수용액인 에틸렌글라이콜 수용액이 지나가는 튜브(253)가 마련되어 있다. 또한, 증발농축기는 튜브를 둘러싸는 하우징, 즉 쉘을 포함하고 있고, 증발기에 설치된 수증기 유입구(256)와 챔버(254)에 설치된 스팀 배출구(258)도 구비하고 있다.

운전초기에는 증발농축기(250)에 별도의 생스팀(d)이 공급될 수 있으며, 정상운전시에는 열교환반응기(10)에서 생성된 수증기(1차 스팀)가 수증기 유입구(256)를 통해 유입된다.

최종물질 수용액은 1단 증발농축기(250a)의 상부로 공급되어, 증발기(252a)의 튜브(253)를 통해 아래쪽으로 흐르면서, 1차 스팀에 의해 가열된다. 가열된 최종물질 수용액은 증발되면서 증발기(252a) 하부의 기액분리부로 이동한다. 1차 스팀에 의해 가열되는 최종물질 수용액은 증발되어 스팀으로서 챔버(254a)를 거쳐 배출되며, 최종물질로부터 생성된 스팀을 2차 스팀이라고 부른다. 또한, 증발에 의해 수분량이 감소되어 농축된 최종물질 수용액은 증발기(252a)의 하부로 배출된다.

1단 증발농축기(250a)에서 배출된 스팀과 최종물질 수용액은 펌프에 의해 다음 단의 증발농축기로, 즉 2단 증발농축기(250b)로 유입된다. 이때, 1단 증발농축기에서 배출된 스팀은 다음 단에 유입되는 최종물질 수용액을 증발시키는데 사용된다.

증발에 의해 수분량이 감소된 에틸렌글라이콜 수용액은 최종단의 증발농축기의 하부로부터 배출되어, 증발농축기와 연통된 탈수증류탑(60)으로 공급된다.

한편, 다단 증발농축기를 구성하는 각각의 증발농축기를 박막강하식 증발농축기로 하면, 자연순환식 증발농축기를 사용하는 경우와 비교하여 아래에서 설명하는 것처럼 몇 가지 이점이 있다.

첫째, 박막강하식 증발농축기는 자연순환식 증발농축기 보다 시스템 설계시 유리하다. 박막강하식 증발농축기에서는, 최종물질 수용액이 증발기의 상부로 공급되므로, 1차 스팀의 온도를 결정함에 있어서 상하부 사이의 포화온도차이를 고려할 필요가 없다. 따라서, 같은 단수의 증발농축기를 사용하는 경우, 박막강하식 증발농축기는 자연순환식 증발농축기와 비교하여, 1차 스팀의 온도를 더 낮게 설계할 수 있다.

둘째, 위와 같은 원리에 기초하여, 같은 단수의 증발농축기를 사용하면서 동일한 온도의 1차스팀을 공급하면, 박막강하식 증발농축기에서 얻는 2차 스팀의 온도가 자연순환식 증발기에서 얻는 2차 스팀의 온도보다 더 높다. 따라서, 증발스팀재압축기에 유입되는 2차 스팀의 온도를 높일 수 있어, 2차 스팀을 더 잘 활용할 수 있고 증발스팀재압축기의 개수를 줄일 수도 있다.

셋째, 자연순환식 증발농축기의 경우 운전이 정상화되는데에 시간이 많이 걸리고 운전초기에 생스팀을 많이 공급해야한다. 반면, 박막강하식 증발농축기는 정상운전시까지 걸리는 시간이 상대적으로 빠르므로, 운전초기시에 생스팀 사용량을 줄일 수 있다.

이어서, 최종물질 수용액이 유입되는 탈수증류탑(60)에 대한 설명을 하면, 탈수증류탑(60)은 에틸렌글라이콜 수용액에서 최종적으로 수분을 제거하는 장치이다. 탈수증류탑(60)을 통해서, 탈수된 최종 에틸렌글라이콜 제품을 얻을 수 있다.

바람직하게는, 필요에 따라 별도의 탈수증류탑(60)을 추가로 배치함으로써 탈수증류탑을 다단으로 구성할 수 있다. 보통, 에틸렌글라이콜의 제조시, 디에틸렌글라이콜이 약 9내지 10% 정도, 그리고 트리에틸렌글라이콜이 약 2 내지 3%정도 함께 생산된다. 이러한 상황에서, 다단의 탈수증류탑(60, 60)을 사용함으로써, 증류법(distillation)을 통해 모노-에틸렌글라이콜(MEG), 디-에틸렌글라이콜(DEG), 트리-에틸렌글라이콜(TEG)을 분류하여 얻을 수 있다.

증발농축기(50)에서 배출되는 2차 스팀을 버리지 않고, 증발스팀재압축기(MVR)(110)로 공급한다. 증발스팀재압축기(110)에서 2차 스팀을 압축하여, 시스템상에서 필요한 공정에 적절히 공급할 수 있다.

흡열반응기(40)를 통해 에틸렌클라이콜을 생성하는 공정은 흡열반응이며, 흡열반응에 사용되는 스팀을 공급하기 위해서는 별도의 스팀발생장치가 필요하며, 따라서 스팀발생장치의 설치와 운영에는 상당한 비용이 소요된다. 그런데, 본원발명의 도 4에서 A로 표시한 것처럼, 증발농축기(50)에서 배출되는 2차 스팀을 재압축하여 흡열반응기(40)에 공급하여 2차 스팀을 재활용하면 별도의 스팀발생장치에 수반되는 비용을 없앨 수 있는 바, 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 증발스팀재압축기(110)에서 압축된 2차 스팀은 본 시스템에서 사용되는 생(生)스팀에 더해져서, 생(生)스팀을 보충하는 역할을 할 수도 있다.

아울러, 증발스팀재압축기(110)에서 압축된 2차 스팀은 시스템의 각 장치에 필요한 열원으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 2차 스팀은 도 4에서 B로 표시한 것처럼 탈수증류탑(60)에 사용되는 재비기(69)에 공급될 수 있고, 도 4에서 C로 표시한 것처럼 증류탑(70)에 사용되는 재비기(79)에 공급될 수도 있고, 도 4에서 D로 표시한 것처럼 스트리퍼(30)에 사용되는 재비기(39)에 공급될 수도 있고, 도 4에서 E로 표시한 것처럼 열교환반응기(10)의 냉각수 예열기에 공급되어 열교환반응기(10)에 유입되는 냉각수를 예열할 수도 있다.

바람직하게, 증발스팀재압축기(110)에서 배출된 2차 스팀은 필요에 따라 별도의 증발스팀재압축기(120, 130)을 통해 추가로 압축될 수 있다.

10: 열교환반응기
20: 흡수조
25: 분리조
30: 스트리퍼
40: 흡열반응기
50: 증발농축기
60: 탈수증류탑
70: 증류탑
110, 120 : 증발스팀재압축기

Claims

발열반응에 의해 중간물질을 생성하여 배출하고, 상기 발열반응에서 발생되는 열과 외부에서 공급되는 물을 열교환시켜, 수증기를 생성하는 열교환반응기(10);
상기 중간물질을 공급받아, 상기 중간물질에 물을 혼합시켜 중간물질 수용액을 생성하는 흡수조(20);
상기 중간물질 수용액을 공급받아, 상기 중간물질을 중간물질 가스와 중간물질 과수용액으로 분리하는 스트리퍼(30);
상기 중간물질 과수용액을 공급받아, 상기 중간물질을 물과 반응시켜 최종물질 수용액으로 생성하는 흡열반응기(40);
상기 최종물질 수용액을 공급받고, 상기 열교환반응기로부터 나오는 수증기의 열과 상기 최종물질 수용액을 열교환시켜, 스팀을 생성하는 증발농축기(50);
상기 증발농축기에서 배출되는 최종물질 수용액을 공급받아 탈수 및 정제하는 탈수증류탑(60); 및
상기 증발농축기(50)로부터 나오는 스팀을 압축하고, 압축된 스팀을 열원 또는 스팀공급원으로서 제공하는 증발스팀재압축기(110);를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 증발농축기(50)는 복수의 증발농축기가 순차로 연결된 다단증발농축기로 구성되며, 상기 다단증발농축기의 단수는 상기 증발농축기에서 배출되는 최종물질 수용액의 농도와 상기 열교환반응기에서 생성되는 수증기의 배출열량을 고려하여, 상기 증발스팀재압축기에서 요구하는 스팀의 온도와 압력에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제2항에 있어서,
상기 다단증발농축기를 구성하는 증발농축기는 자연순환식 증발농축기인 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제2항에 있어서,
상기 다단증발농축기를 구성하는 증발농축기는 박막강하식 증발농축기인 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 흡열반응기(40)가 상기 증발스팀재압축기로부터 나오는 스팀으로부터 열을 공급받도록, 상기 증발스팀재압축기(110)가 상기 흡열반응기(40)에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 탈수증류탑(60)이 상기 스팀으로부터 열을 공급받도록, 상기 탈수증류탑(60)의 재비기(69)가 상기 증발스팀재압축기(110)에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스트리퍼(30)가 상기 스팀으로부터 열을 공급받도록, 상기 스트리퍼(30)의 재비기(39)가 상기 증발스팀재압축기(110)에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스트리퍼(30)로부터 배출되는 중간물질 가스를 응축시켜 중간물질 용액으로 공급받아, 상부에서는 상기 중간물질을 증류시켜 순수 중간물질로 배출하고, 하부에서는 나머지 중간물질 용액을 배출시켜 상기 흡열반응기(40)로 공급하도록 마련된 증류탑(70)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제8항에 있어서,
상기 증류탑(70)이 상기 스팀으로부터 열을 공급받도록, 상기 증류탑(70)의 재비기(79)가 상기 증발스팀재압축기(110)에 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 열교환반응기(10)에 공급되는 냉각수를 예열하도록, 상기 증발스팀재압축기(110)의 스팀이 상기 열교환반응기의 냉각수 예열기에 연통되도록 마련된 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증발스팀재압축기(110)와 상기 스트리퍼(30) 사이, 또는 상기 증발스팀재압축기(110)와 상기 열교환반응기(10)의 냉각수 예열기 사이에는, 증발스팀재압축기(120)가 추가로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간물질은 산화에틸렌이고, 상기 최종물질은 에틸렌글라이콜인 것을 특징으로 하는 복합화학공정 내의 증발스팀재압축기를 이용한 에너지 재활용 시스템.