KR101812526B1

KR101812526B1 - 증류 스테이션

Info

Publication number: KR101812526B1
Application number: KR1020147009768A
Authority: KR
Inventors: 볼프강 하인즐
Original assignee: 메이저 브라보 리미티드
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2017-12-27
Also published as: DE102011113314A1; US20140318945A1; SG11201400624VA; CN103842043A; JP2014530089A; EP2755732A1; JP6037575B2; EP2755732B1; CN103842043B; US9849401B2; KR20140127200A; WO2013037554A1

Abstract

액체 혼합물의 성분들을 분리하기 위한 증류 플랜트는, 장치들에 의해 개별 분리 스테이지로 나누어지고 나아가 액체 혼합물 유입에 의해 스트리퍼 칼럼과 농축 칼럼으로 나누어지는 수직 정류기 칼럼을 포함하고, 저 비등점 분획물은 증발기를 포함하는 타워 섬프로부터 상승하는 상기 액체 혼합물로부터의 증기로부터 상기 스트리퍼 칼럼에서 스트립핑되고, 상기 증기는 타워 헤드에서 제거된 증기가 응축기에서 적어도 부분적으로 응결되고 상기 정류기 칼럼으로 되돌려 유입되어 생성되는 리턴 액체로부터 추출되는 저 비등점 분획물에 의해 상기 농축 칼럼에서 농축되고, 바람직하게는 두 개의 분리 스테이지 사이에서 공급되는 상기 액체 혼합물뿐만 아니라 상기 리턴 액체는 수직방향으로 서로 이어지고 서로 연결되는 장치들에 유입된다. 이와 관련하여, 장치들은 양측 사이드에서 각각 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽에 의해 정류기 칼럼의 증기 공간으로부터 분리되는 적어도 하나의 액체 통로를 포함한다.

Description

증류 스테이션{Distillation station}

본 발명은 장치들에 의해 개별 분리 스테이지로 나누어지고 나아가 액체 혼합물 유입에 의해 스트리퍼 칼럼과 농축 칼럼으로 나누어지는 수직 정류기 칼럼을 가지는 액체 혼합물의 성분을 분리하기 위한 증류 플랜트에 관한 것이며, 증발기를 포함하는 타워 섬프(tower sump)로부터 상승하는 액체 혼합물로부터의 증기의 저 비등점 분획물(lower boiling fraction)은 스트리핑되고, 증기는 타워 헤드에서 제거된 증기가 응축기에서 적어도 부분적으로 응결되고 정류기 칼럼으로 리턴되어 생성되는 리턴 액체로부터 추출되는 저 비등점 분획물로 농축 칼럼에서 농축되고, 바람직하게는 두 개의 분리 스테이지 사이에서 공급된 액체 혼합물뿐만 아니라 리턴 액체는 서로 수직방향으로 이어지고 서로 연결되는 장치들을 흐른다.

정류는 수직 정류기 칼럼 내의 증기 및 응축물의 역류(counterflow)에 의한 액체 내의 저 비등점 분획물의 농축이다. 원칙적으로, 증발기와 응축기 사이의 정류기 칼럼에서의 정류는 증발기로부터 상승하는 증기가 응축기에서 배출되는 액체 흐름(liquid trickling)의 반대 쪽으로 흐른다는 사실에 기초한다. 증기와 액체 사이에는 열 전달 및 매스 전달이 있다. 이와 관련하여, 고 비등점 분획물(higher boiling fraction)이 증기로부터 응축되고 액체로 유입된다. 저 비등점 분획물은 방출된 응축 열로 인해 액체로부터 증발하고 증기로 유입된다. 증기는 저 비등점 분획물로 농축되어 그 온도가 흐름 방향으로 꾸준히 감소한다. 액체는 고 비등점 분획물로 농축되어 그 온도가 흐름 방향으로 꾸준히 증가한다.

열 전달 및 매스 전달은 정류기 칼럼에 구비되고 그에 의해 페이즈 경계 면(phase boundary surface) 및 두 페이즈의 접촉 시간이 증가되는 장치들에 의해 강화된다. 정류기 칼럼은 이들 장치들에 의해 개별 분리 스테이지로 나누어진다.

정류기 칼럼은 액체 혼합물 유입에 의해 스트리퍼 칼럼과 농축 칼럼으로 추가로 나누어진다. 이와 관련하여, 저 비등점 분획물은 증발기를 포함하는 타워 섬프로부터 상승하는 액체 혼합물로부터의 증기로부터 스트립핑 칼럼에서 스트립핑되며, 반면에 증기는 농축 칼럼에서 리턴 액체로부터 추출되는 저 비등점 분획물로 농축된다. 이 리턴 액체는 바람직하게는 타워 헤드에서 제거된 증기가 응축기에서 적어도 부분적으로 응결되고 정류기 칼럼으로 되돌려 흐름으로써 생성된다. 바람직하게는 두 개의 분리 스테이지 사이에서 공급된 액체 혼합물뿐만 아니라 리턴 액체는 수직방향으로 서로 이어지고 서로 연결되는 장치들에서 흐른다.

서로 다른 증기 압력을 가지는 액체 혼합물의 성분들은 정류기 칼럼에서 분리될 수 있으며, 이때 항상 단지 두 개의 액체 성분의 분리가 가능하다. 혼합물 증기의 저 비등점 분획물 및 액체의 고 비등점 분획물은 액체 및 증기의 역류에 의해 정류기 칼럼에서 농축된다. 가열된 증기가 상승하기 때문에, 정류기 칼럼은 수직 구조물로 디자인된다.
액체 혼합물의 혼합물의 성분들을 분리하기 위한 종래의 증류 플랜트는 US 2004/0211725 A1 문헌에서 알려져 있다. US 2006/0213757A1 및 DE 102005053874 A1 문헌은 멤브레인 증류를 위한 장치 및 방법을 설명한다.

특히 농축 비율뿐만 아니라 매스 전달을 증가시키고 분리 효과를 증가시키기 위해 타워 높이 이상으로 가능한 넓은 면적에 걸쳐 가능한 균일하게 액체와 증기를 접촉하게 하는 것이 모든 구조물의 목적이다.

이전의 통상적인 증류 플랜트에서, 그 장치가 버블 트레이(bubble trays), 터널 트레이(tunnel trays), 밸브 트레이(valve trays) 및 스크린 트레이(screen trays)의 형태로 구비되는 트레이 타워(tray towers)가 사용된다. 특히 분리 효율, 압력 손실, 구조물 높이 및 플랜트 비용은 장치들의 평가에 결정적이다.

근본적으로 본 발명의 근원적인 목적은 적어도 부분적으로 모듈 형태로 구성되고 특히 가능한 낮은 압력 손실을 가지면서 더 균일한 액체 분배, 더 큰 페이즈 경계 면 및 두 개의 페이즈의 더 긴 접촉 시간이 정류기 칼럼에서 달성될 수 있는 최초에 명명된 종류의 향상된 증류 플랜트를 제공하는 것이다.

이 목적은 각 장치가 양 사이드에서 증기 투과성(vapor permeable) 및 액체 불투과성(liquid tight)인 멤브레인 벽에 의해 정류기 칼럼의 증기 공간으로부터 적어도 부분적으로 분리되는 적어도 하나의 액체 통로를 포함한다는 점에서 본 발명에 따라 만족된다.

증류 플랜트의 적어도 부분적인 모듈형 디자인은 이 디자인에 의해 가능하다. 더욱이, 특히 더 균일한 액체 분배, 더 큰 페이즈 경계 면 및 두 페이즈의 더 긴 접촉 시간은 정류기 칼럼에서 본 발명에 따른 장치들에 의해 달성된다.

장치들은 그들의 액체 통로들이 각각 액체로 완전히 채워지도록 서로 연결된다.

예를 들어 이것은 액체 배출 흐름이 스로틀링되고(throttled) 물의 헤드가 형성되는 것에 의해 달성될 수 있다. 그러나 물의 헤드는 멤브레인이 정류기 칼럼의 더 높고 더 차가운 영역에서보다 더 높은 정적 압력으로 인해 정류기 칼럼의 더 낮고 더 뜨거운 영역에서 더 높은 압력 및 온도 부하에 노출되는 결과를 갖는다.

본 발명에 따르면, 특히 이 압력 부하의 저감을 위해, 수직방향으로 인접하는 장치들이 액체 흐름의 방향에서 볼 때 상류측 장치의 액체 통로의 하부 영역에 구비되는 액체 아웃렛과 하류측 장치의 액체 통로의 상부 영역에 구비되는 액체 인렛 사이에 배열되고 상류측 장치의 액체 아웃렛에서부터 시작하여 적어도 이 장치의 가능한 가장 높은 액체 레벨까지 위 방향으로 이어지는 리턴 통로에 의해 서로 각각 연결된다.

각 장치의 액체가 흐르는 액체 통로 또는 통로들이 각각 액체로 완전히 채워지는 것은 상류측 장치의 액체 아웃렛에서 리턴 통로의 적어도 가능한 가장 높은 액체 레벨까지의 상측 방향의 흐름에 의해 담보된다.

이와 관련하여, 리턴 통로는 U 파이프 방식으로 형성된다. 이와 관련하여, 본 발명에 따르면, U 파이프 방식으로 형성되는 리턴 통로의 배출 흐름 파트의 상부 영역은 바람직하게는 양 사이드에서 증기 투과성 및 액체 불투과성이고 한편으로는 액체와 접촉하고 다른 한편으로는 정류기 칼럼의 증기 공간과 접촉하는 추가 멤브레인 벽에 의해 적어도 부분적으로 경계 지워지는 통로 섹션을 포함한다. 따라서, 각 타워 장치에서의 타워 높이 이상의 액체 잼(jam)을 피하면서도 자유롭게 배출되는 액체로 항상 최대로만 타워 장치의 액체 헤드의 레벨이 각 멤브레인 벽에 부하를 가하는 것이 담보된다. 이와 관련하여, 높이 y에 의존하는 압력 p(y)에 대한 액체(ρ=일정)의 비압축성을 가정할 때 유체정역학적 기초 방정식(hydrostatic base equation)으로부터의 관계는 다음과 같다.

p(h) = ρgh + p(0),

여기서, ρ = 액체 밀도, g = 중력 가속도, h = y 방향으로의 액체 헤드의 크기, 그리고 p(y=0) = 액체 헤드(head)의 표면에서의 압력이다.

정류기 칼럼의 증기 공간의 절대 압력은 바람직하게는 장치의 액체 통로의 멤브레인 벽을 통한 증기 이동을 증가시키기 위해 대응하여 낮춰진다. 양 사이드에서 증기 투과성, 액체 불투과성 또는 미세 다공성(microporous) 및 소수성(hydrophobic)인 멤브레인 벽에 의해 적어도 부분적으로 경계 지워지는 각 장치에서 불활성 가스(inert gases)의 비율은 그에 따라 감소되고, 그에 의해 증기 이동이 양 방향으로 가속된다. 이미 언급한 바와 같이, 각 멤브레인 벽은 증기 이동을 위해 양 방향으로 개방된다.

유리하게는 적어도 하나의 장치는 바람직하게는 대체로 수직방향으로 연장되고 적어도 하나의 평탄 멤브레인(flat membrane)을 갖는 적어도 하나의 액체 통로를 포함한다. 원칙적으로, 장치들의 모든 액체 통로들은 적어도 하나의 그러한 평탄 멤브레인을 각각 포함할 수 있다.

그러나 적어도 하나의 장치가 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽에 의해 적어도 두 개의 상호 반대측에 배치되는 사이드에서 경계 지워지는 나선형 와인딩 구조를 가지는 적어도 하나의 액체 통로를 가지는 그러한 실시예들이 또한 인식될 수 있다. 일반적으로, 정류기 칼럼의 모든 장치들은 그러한 나선형 멤브레인 와인딩 구조를 각각 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 증류 플랜트의 더 유리한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 장치가 바람직하게는 중공형 멤브레인 스레드(hollow membrane thread)의 형태로 대체로 수직방향으로 연장되는 적어도 하나의 액체 통로를 포함할 수 있다. 일반적으로, 정류기 칼럼의 모든 장치들은 중공형 멤브레인 스레드 형태의 하나 또는 그 이상의 그러한 액체 통로를 각각 포함할 수 있다.

바람직하게는 적어도 하나의 장치는 병렬로 연결되고 바람직하게는 각각 대체로 수직방향으로 연장되는 복수의 액체 통로를 포함한다. 이와 관련하여, 병렬로 연결되는 액체 통로들은 특히 수평방향으로 서로 이웃하도록 배열될 수 있다. 일반적으로, 정류기 칼럼의 모든 장치들은 병렬로 연결되고 특히 수평방향으로 서로 이웃하게 배열되는 그러한 액체 통로들을 각각 포함할 수 있다.

이와 관련하여, 바람직하게는, 병렬로 연결되고 수평방향으로 서로 이웃하게 배열되고, 평탄 멤브레인에 의해 상호 반대측에 배치되는 적어도 두 개의 사이드에서 정류기 칼럼의 증기 공간으로부터 분리되는 복수의 액체 통로를 포함하는 적어도 하나의 장치가 구비된다. 이와 관련하여, 바람직하게는 수평방향으로 이웃하는 액체 통로의 각 쌍은 타워 섬프로부터 상승하는 증기가 정류기 칼럼의 증기 공간 내로 또는 정류기 칼럼의 증기 공간을 통해서 흐르도록 하는 증기 통로를 횡방향으로 경계 짓는 서로 마주하는 평탄 멤브레인을 가진다.

본 발명에 따른 증류 플랜트의 예시적인 한 실시예에 따르면, 병렬로 연결되고 수평방향으로 서로 이웃하게 배열되며 그 증기 투과성 및 액체 불투과성인 멤브레인 벽이 각각 타워 섬프로부터 증류 칼럼의 증기 공간으로 상승하는 증기와 각각 접촉하게 되는 중공형 멤브레인 스레드의 형태인 복수의 액체 통로를 포함하는 적어도 하나의 장치가 구비된다.

이와 관련하여, 병렬로 연결되고 x 방향 및 이에 수직인 y 방향으로 수평방향으로 분배되고 액체가 그 상부 영역에 구비되는 x 및 y 방향 분배기에 의해 여기에 공급되고 액체가 그 하부 영역에 구비되는 x 및 y 방향 수집기에 의해 이로부터 배출되는 복수의 중공형 멤브레인 스레드가 구비될 수 있다.

따라서, 예를 들어, 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽은 평탄 멤브레인, 나선형 멤브레인 와인딩 구조 또는 중공 스레드를 포함할 수 있으며, 멤브레인은 유리하게는 증기 통과를 위한 더 좋은 방향을 가지지는 않는다. 그들은 증기 공간으로부터 멤브레인을 통해 액체로 흐르고 응축하고 고 비등점 분획물을 가지는 증기, 그리고 액체로부터 생성되고 저 비등점 분획물을 포함하는 증기 모두를 위해 개방된다. 언급된 바와 같이, 예를 들어 적어도 두 개의 상호 반대 측에 배치되는 사이드에서 증기 투과성 및 액체 불투과성인 멤브레인 벽에 의해 각각 경계 지워지는 나선형 멤브레인 와인딩 구조가 또한 고려될 수 있다. 장치(14)는 정류기 칼럼(16)에서 각각 동일한 종류일 수 있다. 그러나 정류기 칼럼(16)이 적어도 부분적으로 다른 종류의 장치들을 포함하는 것 역시 가능하다.

정류기 칼럼의 장치들은 멤브레인, 특히 평탄 멤브레인을 사용하여 적어도 부분적으로 단순 모듈형 방식으로 쌓일 수 있다.

또한 적어도 부분적으로 타워 섬프와 연계된 증발기의 모듈형 디자인을 허용하기 위해, 본 발명에 따른 증류 플랜트의 바람직한 실시예에 따른 증발기는, 가열 매개물(heating medium)이 흐르고, 열 전도, 증기 불투과성 및 액체 불투과성 벽에 의해 적어도 부분적으로 경계 지워지는 가열 매개물 통로를 가지고, 열 전도 벽에 인접하고 정류기 칼럼으로부터의 액체에 의해 작용되고 열 전도 벽의 반대 측에 위치하는 사이드에서 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽에 의해 타워 섬프의 증기 공간으로부터 분리되며 이로부터 섬프 산출물이 제거되는 액체 통로를 가지는 적어도 하나의 증발 유닛을 포함한다.

이와 관련하여, 유리하게는, 가열 매개물 통로의 적어도 두 개의 서로 반대 측에 배치되는 사이드에서, 열 전도, 증기 불투과성 및 액체 불투과성 벽에 의해 상기 가열 매개물 통로로부터 분리되고, 정류기 칼럼 또는 그 장치로부터의 액체에 의해 작용되고, 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽에 의해 열 전도 벽의 반대 측에 배치되는 사이드에서 타워 섬프의 증기 공간으로부터 분리되는 각각의 액체 통로를 포함하는 적어도 하나의 증발 유닛이 구비된다.

특히 증발기는 정류기 칼럼으로부터 공급된 액체에 대해 병렬로 연결되는 복수의 증발 유닛을 포함한다.

이와 관련하여, 유리하게는, 바람직하게는 각각 대체로 수직방향으로 연장되는 증발 유닛은 수평방향으로 서로 이웃하게 배열된다. 예를 들어, 수평 방향으로 이웃하는 증발 유닛의 각 쌍은 그에 의해 이들 인접하는 증발 유닛들의 인접하는 액체 통로들이 타워 섬프의 증기 공간으로부터 분리되는 상호 마주하는 평탄 멤브레인들을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 증류 플랜트는 적어도 부분적으로 모듈형 흐름 시스템으로 복수의 프레임 요소로 쌓일 수 있으며, 특히 타워 섬프와 연계된 증발기의 증발 유닛의 각각의 가열 매개물 통로 및 각각의 액체 통로뿐만 아니라 특히 정류기 칼럼의 장치의 각각의 액체 통로와 같은 다른 작용 유닛도 각각 이러한 프레임 요소의 형태로 구비될 수 있다. 프레임 요소들은 웹(web) 구조물을 구비하고, 그를 통해 예를 들어 병렬로 연결되는 복수의 액체 통로를 포함하는 칼럼 장치를 형성하기 위해 또는 증발 유닛을 형성하기 위해 서로 연결될 수 있다. 프레임 요소들은 아웃터 프레임에 의해 둘러싸이고 바람직하게는 스페이서, 특히 그리드 형(gird-like) 스페이서를 구비할 수 있으며 각각의 채널을 형성하기 위해 적어도 한 쪽 사이드에 각각의 작용 표면을 구비할 수 있는 인너 영역을 적어도 부분적으로 포함할 수 있으며, 작용 표면은 유리하게는 각각 필름 또는 멤브레인 특히 평탄 멤브레인에 의해 형성될 수 있다.

본 발명이 실시예와 도면을 참조로 하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이며, 도면은 다음과 같다.
도 1은 증류 플랜트의 예시적인 실시예의 개략적인 도시이다.
도 2는 U-파이프 방식으로 구성되는 리턴 통로를 가지는 정류기 칼럼(rectifier column)의 예시적인 장치의 개략적인 도시이다.
도 3은 병렬(in parallel)로 연결되고 바람직하게는 각각 대체로 수직으로 연장되는 복수의 액체 통로를 가지는 정류기 칼럼의 예시적인 장치(installation)의 개략적인 도시이다.
도 4는 나선형 멤브레인 와인딩 구조를 가지는 적어도 하나의 액체 통로를 포함하는 정류기 칼럼의 예시적인 장치의 개략적인 도시이다.
도 5는 병렬로 연결되고 바람직하게는 중공형 멤브레인 스레드(hollow membrane threads)의 형태로 각각 대략 수직으로 연장되는 복수의 액체 통로를 가지는 정류기 칼럼의 예시적인 장치의 개략적인 도시이다.
도 6은 타워 섬프(tower sump)와 연계된 증발기의 예시적인 실시예의 개략적인 도시이다.

도 1은 액체 혼합물(12)의 성분들을 분리하기 위한 증류 플랜트(distillation plant)(10)의 예시적인 실시예의 개략적인 도시를 보여준다.

증류 플랜트(10)는 장치들(installations)(14)에 의해 개별 분리 스테이지로 나누어지고 나아가 액체 혼합물 유입(18)에 의해 스트리퍼 칼럼(stripper column)(20)과 농축 칼럼(enrichment column)(22)으로 나누어지는 수직 정류기 칼럼(vertical rectifier column)(16)을 포함한다.

이와 관련하여, 저 비등점 분획물(low boiling fraction)(LS)은 증발기(24)를 포함하는 타워 섬프(tower sump)(26)로부터 상승하는 액체 혼합물로부터의 증기로부터 스트리퍼 칼럼(20)에서 스트립핑되며, 그 동안 농축 칼럼(22)의 증기는, 타워 헤드(30)에서 제거된 증기가 응축기(32)에서 적어도 부분적으로 응축되며 정류기 칼럼(16)으로 되돌려 유입되어 생성되는 리턴 액체(28)로부터 추출되는 저 비등점 분획물(lower boiling fraction)에 의해 농축된다.

바람직하게는 두 개의 분리 스테이지 사이에서 공급되는 액체 혼합물(12)뿐만 아니라 리턴 액체(28)는 서로 수직방향으로 이어지고 서로 연결된 장치들(14)로 유입된다.

장치들(14)은 양 사이드에서 증기 침투(vapor permeable) 및 액체 불투과성(liquid tight)인 멤브레인 벽(membrane wall)(36)에 의해 정류기 칼럼(16)의 증기 공간(38)으로부터 적어도 부분적으로 분리되는 적어도 하나의 액체 통로(34)를 각각 포함한다.

도 1에서 화살표(LS, SS)로 도시된 바와 같이, 고 비등점 분획물(higher boiling fraction)은 증기로부터 응축되고 액체로 유입되며, 반면에 저 비등점 분획물(LS)은 방출되는 응축열에 의해 액체로부터 증발하여 증기로 유입된다.

장치들(14)은 그 액체 통로(34)가 각각 완전히 액체로 채워지도록 편의적으로 서로 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 수직으로 인접하는 장치들(14)은 도 2를 참조로 하여 아래에서 더 상세하게 설명될 것과 같이 리턴 통로(40)을 통하여 각각 서로 연결될 수 있다.

정류기 칼럼(16)의 증기 공간(38)의 절대 압력(absolute pressure)은 장치들(14)의 액체 통로들(34)의 멤브레인 벽들(36)을 통한 증기 이동을 증가시키기 위해 편의적으로 낮춰진다.

유리하게는 적어도 하나의 장치(14)는 바람직하게는 대체로 수직으로 연장되고 적어도 하나의 평탄 멤브레인(flat membrane)(36')을 가지는 적어도 하나의 액체 통로(34)를 포함할 수 있다. 도 1에 따른 예시적인 실시예에서는, 정류기 칼럼(16)의 모든 장치들(14)은 적어도 하나의 평탄 멤브레인(36')을 가지는 적어도 하나의 그러한 액체 통로(34)를 각각 포함한다.

도 4 및 도 5를 참조로 하여 이하에서 더 상세하게 설명될 것과 같이, 나선형 와인딩 구조(70)를 가지는 적어도 하나의 액체 통로(34)를 가지거나 중공 멤브레인 스레드(hollow membrane thread)(72) 형태의 적어도 하나의 액체 통로(34)를 가지는 적어도 하나의 장치(14)가 또한 구비될 수 있다.

도 1로부터 더 알 수 있는 있는 바와 같이, 타워 섬프(26)와 연계된 증발기(24)는, 가열 매개물(42)이 흐르고 열 전도, 증기 불투과성 및 액체 불투과성 벽에 의해 적어도 부분적으로 경계 지워지는 가열 매개물 통로(46)를 가지고, 열 전도 벽(44)에 인접하며 정류기 칼럼(16) 또는 그 장치들(14)로부터의 액체에 의해 작용되고 열 전도 벽(44)의 반대편에 배치되는 사이드에서 증기 투과성(vapor permeable) 및 액체 불투과성(liquid tight)인 멤브레인 벽(50)에 의해 타워 섬프(26)의 증기 공간(52)으로부터 분리되며 그로부터 섬프 산출물(54)이 제거될 수 있는 적어도 하나의 액체 통로(48)를 가지는 적어도 하나의 증발 유닛(24')을 포함한다. 증발기(24)가 복수의 증발 유닛(24')을 포함하면, 그들의 가열 매개물 통로(46)는 바람직하게는 공통의 가열 매개물 계통을 통해 공급될 수 있다.

이미 언급된 바와 같이, 정류기 칼럼(16)의 장치들(14)은 유리하게는 그들의 액체 통로(34)가 액체로 각각 완전히 채워지도록 서로 연결된다. 이와 관련하여, 수직으로 인접하는 장치들(14)은 액체의 흐름 방향(56)에서 볼 때 상류측 장치의 액체 통로(34)의 하부 영역에 구비되는 액체 아웃렛(58)과 하류측 장치의 액체 통로의 상부 영역에 구비되는 액체 인렛(60) 사이에 배열되고 적어도 최초에 상류측 장치의 액체 아웃렛(58)에서 시작하여 이 장치에서 가장 높을 수 있는 액체 레벨까지 위 방향으로 이어지는 리턴 통로(40)(도 2 참조)를 통해 각각 서로 연결될 수 있다.

도 2를 참조로 알 수 있는 바와 같이, 리턴 통로(40)는 U 파이프 방식으로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, U 파이프 방식으로 구성되는 이러한 리턴 통로(40)의 배출 흐름 부분(62)의 상부 영역은 바람직하게는 양 사이드에서 증기 투과성 및 액체 불투과성이고 한편으로는 액체와 접촉하게 되고 다른 한편으로는 정류기 칼럼(16) (도 1 참조)의 증기 공간(38)과 접촉하게 되는 추가 멤브레인 벽(66)에 의해 적어도 부분적으로 경계 지워지는 통로 섹션(64)을 포함할 수 있다.

도 3은 병렬로 연결되고 바람직하게는 각각 대체로 수직방향으로 연장되는 복수의 액체 통로(34)를 가지는 정류기 칼럼(16)의 예시적인 장치(14)의 개략적인 도시를 보여준다. 이와 관련하여, 병렬로 연결되는 액체 통로들(34)은 특히 서로 수평 방향으로 연이어 배열될 수 있다.

이와 관련하여, 병렬로 연결되며 수평방향으로 서로 이웃하도록 배열되며 평탄 멤브레인(36')에 의해 적어도 두 개의 상호 반대 측에 배치된 사이드에서 정류기 칼럼(16)(도 1 참조)의 증기 공간(38)으로부터 각각 분리되는 복수의 액체 통로(34)를 포함하는 적어도 하나의 장치(14)가 구비될 수 있으며, 바람직하게는 수평 방향으로 인접하는 액체 통로(34)의 각 쌍은 타워 섬프(26)로부터 정류기 칼럼(16)의 증기 공간(38)으로 상승하는 증기가 흐르는 증기 통로(68)를 횡방향으로 경계 짓는 서로 마주하는 평탄 멤브레인(36')을 가진다.

도 3을 참조로 더욱 알 수 있는 바와 같이, 병렬로 연결되고 바람직하게는 각각 수직인 각각의 장치(14)의 액체 통로(34)는 액체가 병렬로 흐르도록 상부 영역과 하부 영역 모두에서 서로 연결될 수 있다. 병렬로 연결되고 수평방향으로 서로 이웃하게 배열되는 복수의 액체 통로(34)를 포함하는 그러한 장치(14)에 의해, 액체 인렛(60)은 특히 첫 번째 액체 통로(34)의 상부 영역에 구비될 수 있고 액체 아웃렛(58)은 특히 마지막 액체 통로(34)의 하부 영역에 구비될 수 있다.

하부 영역 또는 하부 영역에 있는 평탄 멤브레인들(36')은, 예를 들어, 병렬로 연결되고 서로 수평방향으로 이웃하게 배열되는 각 장치(14)의 액체 통로들(34)을 연결하기 위한 대응하는 구멍들을 구비할 수 있다.

적어도 부분적으로 각각 멤브레인에 의해 경계 지워지는 액체 통로들(34)은 스택 형태(stack-like)의 장치(14)가 얻어지도록 특히 병렬로 연결되는 프레임 요소들을 형성하도록 쌓일 수 있다. 그러한 복수의 스택들 또는 장치들(14)은 수직방향으로 서로의 위에 배열될 수 있다. 이와 관련하여, 특히 U 파이프 방식의 각 리턴 통로(40)는 수직으로 인접하는 스택들 사이에 구비될 수 있다(도 2 참조).

도 4는 예를 들어 적어도 두 개의 서로 반대 측에 배치되는 사이드에서 증기 투과성 및 액체 불투과성인 멤브레인 벽(36)에 의해 경계 지워지는 나선형 멤브레인 와인딩 구조(70)를 가지는 적어도 하나의 액체 통로(34)를 포함하는 정류기 칼럼(16)의 예시적인 장치(14)의 개략적인 도시를 보여준다. 그러한 나선형 멤브레인 와인딩 구조(70)의 예시적인 실시예는 도 4에 평면도로 보여진다. 나선은 특히 이중 나선으로 형성될 수 있으며, 멤브레인은 적어도 두 개의 상호 반대 측에 배치되는 사이드에서 액체 통로(34)를 경계 지운다. 멤브레인 통로는 두 개의 끝 면에서 폐쇄될 수 있다. 리턴 액체(28)(도 1 참조)는 이 경우 나선형 멤브레인 와인딩 구조(70)를 향해 위 방향으로 흐르며, 한편 그것은 나선형 멤브레인 와인딩 구조(70)의 하부 영역에서 배출된다. 따라서 본 실시예에서 액체 인렛(60)은 나선형 멤브레인 와인딩 구조(70)의 상단의 영역에 구비될 수 있으며, 한편 액체 아웃렛(58)은 나선형 멤브레인 와인딩 구조(70)의 하단 영역에 구비될 수 있다.

나선형 멤브레인 와인딩 구조를 각각 구비하는 이러한 복수의 장치들(14)은 서로 수직방향으로 위로 배열될 수 있으며, 특히 수직방향으로 인접하는 장치들(14)은 또한 U 파이프(도 2 참조) 방식의 리턴 통로(40)를 통해 서로 연결될 수 있다.

예를 들어, 정류기 칼럼(16)은 바람직하게는 중공 멤브레인 스레드(72)(도 5 참조)의 형태로 대체로 수직방향으로 연장되는 적어도 하나의 액체 통로(34)를 가지는 적어도 하나의 장치(14)를 또한 포함할 수 있다.

도 5는 병렬로 연결되고 바람직하게는 그 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽(36)이 각각 타워 섬프(26)로부터 정류기 칼럼(16)(도 1 참조)의 증기 공간(28)으로 상승하는 증기와 접촉하게 되는 그러한 중공 멤브레인 스레드(72)의 형태로 각각 대체로 수직방향으로 연장되는 복수의 액체 통로(34)를 가지는 정류기 칼럼(16)의 예시적인 장치(14)의 개략적인 도시를 보여준다.

도 5와 관련하여 알 수 있는 바와 같이, 각 장치(14)는 특히 병렬로 연결되고 x 방향 및 이에 수직인 y 방향으로 수평으로 분배되고 액체가 그들의 상부 영역에 각각 구비되는 x 및 y 방향 분배기(distributor)(74, 76)를 통해 이들에 공급되며 액체가 그 하부 영역에 구비되는 x 및 y 방향 수집기(collector)를 통해 이들로부터 드레인되는 복수의 중공 멤브레인 스레드(72)를 포함할 수 있다.

병렬로 연결되는 각각의 복수의 이러한 중공 멤브레인 스레드(72)를 포함하는 복수의 이러한 장치(14)는 또한 수직방향으로 서로 위에 있도록 배열될 수 있으며, 수직으로 인접하는 장치들은 특히 각각 U 파이프(도 2 참조) 방식의 리턴 통로(40)를 통해 서로 연결될 수 있다.

유리하게는 타워 섬프(26)에 연계된 증발기(24)는 열 전도(heat conductive), 증기 불투과성 및 액체 불투과성인 벽(44)에 의해 이로부터 분리되며 정류기 칼럼(16) 또는 그 장치(14)로부터의 액체에 의해 작용되고 열 전도 벽(44)의 반대측에 배치되는 사이드에서 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽(50)에 의해 타워 섬프(26)의 증기 공간(52)으로부터 분리되는 각각의 액체 통로(48)를 가열 매개물 통로(46)의 적어도 두 개의 상호 반대 측에 배치되는 사이드에 포함하는 적어도 하나의 증발 유닛(24')을 포함한다.

도 6은 타워 섬프(26)(도 1 참조)에 연계되고 정류기 칼럼(16) 또는 그 장치(14)로부터의 공급된 액체에 대해 병렬로 연결되는 복수의 증발 유닛(24')을 가지는 이러한 증발기(24)의 예시적인 실시예의 개략적인 도시를 보여준다.

도 6에 도시된 실시예에서, 바람직하게 각각 대체로 수직으로 연장되는 증발 유닛들(24')은 수평방향으로 서로 이웃하게 배열되고, 바람직하게는 수평방향으로 인접하는 증발 유닛(24')의 각각의 쌍은 이들 인접하는 증발 유닛(24')의 인접하는 액체 통로(48)가 타워 섬프(26)의 증기 공간(52)으로부터 이에 의해 분리되는 서로 마주하는 평탄 멤브레인(36')을 가진다.

증류 플랜트(10)는 적어도 부분적으로 모듈형 흐름 시스템으로 복수의 프레임 요소로 쌓일 수 있으며, 특히 타워 섬프(26)와 연계된 증발기(24)의 증발 유닛(24')의 각각의 가열 매개물 통로(46) 및 각각의 액체 통로(48)뿐만 아니라 특히 정류기 칼럼(16)의 장치(14)의 각각의 액체 통로(34)와 같은 다른 작용 유닛도 각각 이러한 프레임 요소의 형태로 구비될 수 있다. 프레임 요소들은 그를 통해 예를 들어 병렬로 연결되는 복수의 액체 통로(34)(예를 들어 도 3 참조)를 포함하는 타워 장치(14)를 형성하기 위해 또는 증발 유닛(24')(예를 들어 도 1 및 도 6 참조)을 형성하기 위해 서로 연결될 수 있는 웹(web) 구조물을 구비할 수 있다. 프레임 요소들은 각각 아웃터 프레임에 의해 둘러싸이고 바람직하게는 스페이서, 특히 그리드 형(gird-like) 스페이서를 구비할 수 있으며 각각의 채널을 형성하기 위해 적어도 한 쪽 사이드에 각각의 작용 표면을 구비할 수 있는 인너 영역을 적어도 부분적으로 포함할 수 있으며, 작용 표면은 유리하게는 각각 필름 또는 멤브레인 특히 평탄 멤브레인(36')에 의해 형성될 수 있다.

10 증류 플랜트
12 액체 혼합물
14 정류기 칼럼의 장치
16 정류기 칼럼
18 액체 혼합물 유입
20 스트리퍼 칼럼
22 농축 칼럼
24 증발기
24' 증발 유닛
26 타워 섬프
28 리턴 액체
30 타워 헤드
32 응축기
34 액체 통로
36 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽
36' 평탄 멤브레인
38 정류기 칼럼(16)의 증기 공간
40 리턴 통로
42 가열 매개물
44 열 전도, 증기 불투과성 및 액체 불투과성 벽
46 가열 매개물 통로
48 액체 통로
50 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽
52 타워 섬프의 증기 공간
54 섬프 산출물
56 액체의 흐름 방향
58 액체 아웃렛
60 액체 인렛
62 배출 흐름 파트
64 통로 섹션
66 추가 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽
68 증기 통로
70 나선형 멤브레인 와인딩 구조
72 중공형 멤브레인 스레드
74 x 방향 분배기
76 y 방향 분배기
78 x 방향 수집기
80 y 방향 수집기
LS 저 비등점 분획물
SS 고 비등점 분획물

Claims

액체 혼합물(12)의 성분들을 분리하기 위한 증류 플랜트(10)로서,
장치들(14)에 의해 개별 분리 스테이지로 나누어지고 나아가 액체 혼합물 유입(18)에 의해 스트리퍼 칼럼(20)과 농축 칼럼(22)으로 나누어지는 수직 정류기 칼럼(16)을 포함하고,
저 비등점 분획물(lower boiling fraction)은 증발기(24)를 포함하는 타워 섬프(26)로부터 상승하는 상기 액체 혼합물(12)로부터의 증기로부터 상기 스트리퍼 칼럼(20)에서 스트립핑되고,
상기 증기는 타워 헤드(30)에서 제거된 증기가 응축기(32)에서 적어도 부분적으로 응결되고 상기 정류기 칼럼(16)으로 되돌려 유입되어 생성되는 리턴 액체(28)로부터 추출되는 상기 저 비등점 분획물에 의해 상기 농축 칼럼(22)에서 농축되고,
두 개의 분리 스테이지 사이에서 공급되는 상기 액체 혼합물(12)뿐만 아니라 상기 리턴 액체(28)는 수직방향으로 서로 이어지고 서로 연결되는 장치들(14)에 유입되고,
상기 장치들(14)은 양측 사이드에서 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽(36)에 의해 상기 정류기 칼럼(16)의 증기 공간(38)으로부터 적어도 부분적으로 분리되는 적어도 하나의 액체 통로(34)를 각각 포함하고,
수직방향으로 인접한 장치들(14)은 각각 상기 액체의 흐름 방향(56)에서 볼 때 상류측 장치의 액체 통로(34)의 하부 영역에 구비되는 액체 아웃렛(58)과 하류측 장치의 액체 통로의 상부 영역에 구비되는 액체 인렛(60) 사이에 배열되고, 상기 장치들(14)의 상기 액체 통로(34)가 액체로 각각 완전히 채워지도록, 상기 상류측 장치의 상기 액체 아웃렛(58)에서 시작하여 적어도 이 장치에서 가장 높을 수 있는 액체 레벨까지 최초에 위 방향으로 이어지는 리턴 통로(40)를 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하며,
상기 리턴 통로(40)는 U 파이프 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하고,
상기 U 파이프 방식으로 형성된 상기 리턴 통로(40)의 배출 흐름 파트(62)의 상부 영역은 양 사이드에서 증기 투과성 및 액체 불투과성이고 한편으로는 액체와 접촉하고 다른 한편으로는 상기 정류기 칼럼(16)의 상기 증기 공간(38)과 접촉하는 추가 멤브레인 벽(66)에 의해 적어도 부분적으로 경계 지워지는 통로 섹션(64)을 포함하는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제1항에 있어서,
상기 증류 플랜트(10)는 상기 정류기 칼럼(16)의 상기 증기 공간(38)의 절대 압력이 상기 장치들(14)의 상기 액체 통로(34)의 상기 멤브레인 벽(36)을 통한 증기 이동을 증가시키기 위해 대응하여 낮춰지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제1항 또는 제2항에 있어서,
적어도 하나의 장치(14)는 적어도 하나의 평탄 멤브레인(36')을 가지는 수직방향으로 연장되는 적어도 하나의 액체 통로(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제1항 또는 제2항에 있어서,
적어도 하나의 장치(14)는 적어도 두 개의 상호 반대 측 사이드에서 상기 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽(36)에 의해 경계 지워지는 나선형 멤브레인 와인딩 구조(70)를 가지는 적어도 하나의 액체 통로(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제1항 또는 제2항에 있어서,
적어도 하나의 장치(14)는 중공 멤브레인 스레드(72)의 형태로 수직방향으로 연장되는 적어도 하나의 액체 통로(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제1항 또는 제2항에 있어서,
적어도 하나의 장치(14)는 병렬로 연결되고 각각 수직방향으로 연장되는 복수의 액체 통로(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제6항에 있어서,
병렬로 연결된 상기 복수의 액체 통로(34)는 서로 수평방향으로 이웃하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제7항에 있어서,
적어도 하나의 장치(14)는 병렬로 연결되고 서로 수평방향으로 이웃하도록 배열되며 평탄 멤브레인(36')에 의해 적어도 두 개의 서로 반대 측에 배치되는 사이드에서 상기 정류기 칼럼(16)의 상기 증기 공간(38)으로부터 각각 분리되는 복수의 액체 통로(34)를 포함하고, 수평방향으로 인접하는 액체 통로(34)의 각각의 쌍은 상기 타워 섬프(26)로부터 상승하는 증기가 상기 정류기 칼럼(16)의 상기 증기 공간(38)으로 흐르는 증기 통로(68)를 횡방향으로 경계 짓는 상호 마주하는 평탄 멤브레인(36')을 포함하는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제7항에 있어서,
적어도 하나의 장치(14)는 병렬로 연결되고, 그 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽(36)이 상기 타워 섬프(26)로부터 상기 정류기 칼럼(16)의 상기 증기 공간(38)으로 상승하는 증기와 각각 접촉하게 되는 중공 멤브레인 스레드(72)의 형태로 서로 수평방향으로 이웃하게 배열되는 복수의 액체 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제9항에 있어서,
병렬로 연결되고, x 방향 및 이에 수직인 y 방향으로 수평방향으로 분배되며, 그 상부 영역에 구비되는 x 및 y 방향 분배기(74, 76)을 통해 액체가 공급되고, 그 하부 영역에 구비되는 x 및 y 방향 수집기(78, 80)를 통해 액체가 배출되는 복수의 중공 멤브레인 스레드(72)가 구비되는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 타워 섬프(26)에 연계된 상기 증발기(24)는 가열 매개물(42)이 흐르고 증기 불투과성 및 액체 불투과성 열 전도 벽(44)에 의해 적어도 부분적으로 경계 지워지는 가열 매개물 통로(46) 및 상기 열 전도 벽(44)에 인접하고, 상기 정류기 칼럼(16)으로부터의 액체에 의해 작용되고, 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽(50)에 의해 상기 열 전도 벽(44)의 반대 측에 배치되는 사이드에서 상기 타워 섬프(26)의 증기 공간(52)으로부터 분리되며, 이로부터 섬프 산출물(54)이 제거될 수 있는 적어도 하나의 액체 통로(48)를 가지는 적어도 하나의 증발 유닛(24')을 포함하는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제11항에 있어서,
상기 적어도 하나의 증발 유닛(24')은 상기 가열 매개물 통로(46)의 적어도 두 개의 서로 반대 측에 배치되는 사이드에서 각각의 액체 통로(48)를 포함하고, 상기 액체 통로(48)는 증기 불투과성 및 액체 불투과성 열 전도 벽(44)에 의해 상기 가열 매개물 통로(46)로부터 분리되고, 상기 정류기 칼럼(16)으로부터의 액체에 의해 작용되고, 증기 투과성 및 액체 불투과성 멤브레인 벽(50)에 의해 상기 열 전도 벽(44)의 반대 측에 배치되는 사이드에서 상기 타워 섬프(26)의 상기 증기 공간(52)으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제11항에 있어서,
상기 증발기(24)는 상기 정류기 칼럼으로부터 공급된 액체에 대해 병렬로 연결되는 복수의 증발 유닛(24')을 포함하는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
제13항에 있어서,
각각 수직방향으로 연장되는 상기 복수의 증발 유닛(24')은 수평방향으로 서로 이웃하게 배열되고, 수평방향으로 인접하는 증발 유닛(24')의 각 쌍은 그에 의해 이들 인접하는 증발 유닛(24')의 인접하는 액체 통로(48)가 상기 타워 섬프(26)의 상기 증기 공간(52)으로부터 분리되는 상호 마주하는 평탄 멤브레인(36')을 가지는 것을 특징으로 하는 증류 플랜트(10).
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