KR102087753B1 - 벤젠과 톨루엔의 분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벤젠 및 톨루엔의 분리방법 및 이를 수행할 수 있는 분리 시스템에 관한 것이다.

Description

벤젠과 톨루엔의 분리방법{Method for separation of benzene and toluene}

본 발명은 벤젠 및 톨루엔의 분리방법 및 이를 수행할 수 있는 분리 시스템에 관한 것이다.

현재 고유가 기조 및 날로 심각해지는 환경 문제로 인해 저가 중질 유분의 고도화(upgrading)을 통해 경유를 비롯한 중간유분(middle distillate) 및 BTEX 방향족(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌) 등으로의 고부가가치화가 주목을 받고 있다.

원유 정제시 발생하는 나프타(naphtha)에는 부탄, 펜탄, 시클로펜탄, 헵탄, 옥탄 등의 지방족 화합물뿐만 아니라 벤젠, 톨루엔, 혼합 자일렌 및 에틸벤젠과 같은 방향족 화합물이 포함되어 있으며, 이러한 방향족 화합물, 특히 벤젠과 톨루엔을 분리하는 방법으로 UOP 社의 술포란(sulfolane) 공정이 알려져 있다.

상기 술포란 공정은 수첨 공정으로부터 얻은 C_6~8 heart cut(HTPG)으로부터 방향족 화합물을 추출 증류법에 의해 분리하는 공정이며, 술포란은 C₈ 방향족 화합물보다 비점이 높아 방향족 화합물을 용이하게 분리할 수 있어 추출 용매로 사용된다.

그러나, 이러한 술포란 공정은 하기와 같이 에너지 측면, 비용측면 및 환경측면에서 문제점을 가지고 있다. 에너지 측면에서, 상기 술포란 공정은 총 2기의 증류컬럼으로 구성되며 제1 증류컬럼(추출공정)에서 벤젠을 분리하고, 그 외 비점이 높은 분획을 제2 증류컬럼(스트리퍼)으로 보내어 톨루엔을 다시 증류하여 분리해내는 공정인데, 이때 톨루엔은 제1 증류컬럼에서 최고 농도로 분리된 후 다시 혼합되고 제2 증류컬럼으로 이송되어 톨루엔이 제1, 2 증류컬럼에서 반복되는 재혼합(remixing)현상이 일어나므로 에너지가 비효율적으로 소비되는 문제점을 가진다.

또한, 비용측면에서 추출 증류컬럼과 스트리퍼 및 추출 용매인 술포란의 재생을 위한 여러장치들로 구성된 대단위 공정이기 때문에, 특히 여러 단위 장치들 중 분리를 위한 증류장치와 열 교환기에 소비되는 조업 비용이 많이 든다.

또한, 환경측면에서 술포란은 대표적인 극성물질로서 열과 가수분해에 안정적이며 높은 끓는점을 갖는다는 장점이 있으나 방향족 화합물뿐만 아니라 지방족 화합물까지 추출함으로써 선택도가 낮고 소량의 술포란이 지방족 화합물과 섞임으로써 추출 용매의 손실이 발생하는 단점이 있다. 또한, 200℃에서 분해가 시작되고 260℃가 넘게 되면 높은 분해율을 보이며, 이는 술포란을 재사용하기 위해 정제하는 재생컬럼 내에서 술포란의 재생을 위해 높은 온도를 가하였을 때 분해될 수 있다는 것을 나타낸다. 나아가, 공정 내 산소의 존재는 술포란의 분해를 가속화하고, 이때 생성되는 산성가스는 장치의 부식을 초래하는 문제가 있다.

또한, 상기 술포란 공정 이외에도 다수의 방법이 제안된바 있다.

일례로, 미국 등록특허 제5,849,981호에는 제올라이트에 하나 이상의 바륨 또는 칼륨 이온을 치환시킨 흡착제를 사용하여 방향족 성분을 선택적으로 분리하는 방법이 개시되어 있으나, 흡착 용량에 한계가 있을 뿐만 아니라 탈착시 고온 및 고진공의 요건을 필요로 하는 문제가 있다.

또한, 미국 등록특허 제4,914,064호에는 폴리우레아/우레탄 공중합체로부터 제조된 이방성의 탄성 중합체막을 사용하여 분리하는 방법이 개시되어 있으나, 특정막의 제조가 어렵고 비용이 비싸며 도입되는 기체에 의해서 일부 막 성분이 유실되어 분리효율을 장시간 유지하기 어려워 효율성이 떨어지는 문제가 있다.

최근에는 이온성 액체를 사용하여 분리하는 방법이 제안되고 있으며, 이온성 액체는 방향족 화합물의 분리 효율에 있어 술포란 공정과 유사한 수준을 보이면서도 진공증류탑을 이용하여 적은 에너지로도 쉽게 회수가 가능한 이점이 있다.

이하, 도 1을 참고하여 종래의 이온성 액체를 사용하여 방향족 화합물, 특히 벤젠과 톨루엔을 분리하는 방법을 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이 종래의 이온성 액체를 이용한 방법은 용매추출탑(EX), 감압증류탑 1(CO), 감압증류탑 2(CO-1); 및 감압증류탑 3(CO-2)을 포함하는 분리 시스템(100)을 통하여 각 증류탑의 탑저에 구비된 재비기에 의하여 열을 공급받고 탑정에 구비된 응축기의 열회수를 통해 기액상평형을 이룸으로써 분리가 이루어진다. 예를 들어, 벤젠과 톨루엔을 포함하는 탄화수소 함유 화합물은 원료 공급라인(10)을 통하여 용매추출탑(EX)의 탑저로 이송되고, 이온성 액체 공급라인(20)을 통하여 용매추출탑(EX)의 탑정으로 이송된 이온성 액체에 의하여 잔사유와 벤젠 및 톨루엔 혼합 분획으로 분리되어 잔사유는 용매추출탑(EX) 탑정에서 잔사유 배출 라인 1(R1-1)을 통하여 배출되고, 벤젠 및 톨루엔 혼합 분획은 이온성 액체와 혼합된 상태로 용매추출탑(EX) 탑저에서 혼합 분획 흐름라인 1(30)을 통하여 감압증류탑 1(CO)로 이송된다. 이후, 감압증류탑 1(CO)에서 감압분위기에서 증류과정을 거쳐 이온성 액체와 벤젠 및 톨루엔 혼합 분획이 분리되고, 분리된 벤젠 및 톨루엔 혼합 분획은 혼합 분획 흐름라인 2(40)을 통하여 감압증류탑 2(CO-1)로 이송되어 또 한번의 감압증류 공정을 거쳐 벤젠과 톨루엔이 분리되어 벤젠은 탑정에서 벤젠 배출 라인(B)을 통해 회수되고, 톨루엔은 탑저에서 톨루엔 배출 라인(T)를 통해 회수되며, 이온성 액체는 이온성 액체 환류라인 1(50)을 통하여 혼합기(M)로 이송되어 재사용된다. 또한, 잔사유는 잔사유 배출 라인 2(R1-2)를 통하여 계외부로 배출되고, 잔사유에 잔류하던 이온성 액체는 잔사유와 분리되어 이온성 액체 환류라인 2(60)를 통하여 혼합기(M)로 이송되어 재사용된다.

그러나, 이온성 액체는 분리공정에 있어서 추출용매로서 사용되는 것으로 기본적으로 분리시키고자 하는 대상물, 예컨대 탄화수소 함유 화합물 대비 몇배의 양이 필요할 뿐 아니라 고가이기 때문에 경제적인 효율이 떨어져 실질적으로 산업에 적용하기에는 한계가 있다.

US5,849,981 A US4,914,064 A

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 벤젠 및 톨루엔의 분리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 분리방법을 수행할 수 있는 분리 시스템을 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠 및 톨루엔을 분리하기 위한 방법에 있어서, 탄화수소 함유 혼합물을 제1 감압증류하여 제1 벤젠 풍부분획 및 제1 톨루엔 풍부분획으로 분리하는 단계(단계 1); 상기 제1 벤젠 풍부분획에 제1 추출제를 첨가하고 제1 용매추출하여 제1 잔사유와 제2 벤젠 풍부분획으로 분리하는 단계(단계 2); 상기 제2 벤젠 풍부분획을 제2 감압증류하여 제1 추출제와 벤젠 분획으로 분리하는 단계(단계 3); 상기 제1 톨루엔 풍부분획에 제2 추출제를 첨가하고 제2 용매추출하여 제2 잔사유와 제2 톨루엔 풍부분획으로 분리하는 단계(단계 4); 및 상기 제2 톨루엔 풍부분획을 제3 감압증류하여 제2 추출제와 톨루엔 분획으로 분리하는 단계(단계 5)를 포함하고, 상기 단계 3에서 분리된 제1 추출제는 제1 분획 및 제2 분획으로 분리되어 제2 분획은 순환시켜 단계 4의 제2 추출제로서 재사용하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 방향족 탄화수소 함유 혼합물을 공급하는 원료 공급라인이 구비되어 있는 공급부; 상기 공급부와 연결되고 제1 감압증류탑이 구비된 예비증류부; 및 상기 예비증류부와 연결되고, 제1 추출제 공급부, 벤젠 분리부 및 톨루엔 분리부를 포함하는 처리부를 포함하고, 상기 벤젠 분리부는 상기 제1 감압증류탑의 탑정과 연결되고, 제1 용매추출탑과 제2 감압증류탑이 순차적으로 구비되어 있는 것이고, 상기 톨루엔 분리부는 제1 감압증류탑의 탑저와 연결되고, 제2 용매추출탑과 제3 감압증류탑이 순차적으로 구비되어있는 것이며, 상기 제2 감압증류탑과 제2 용매추출탑은 제2 추출제 순환부에 의하여 연결되어 있는 것인 상기에 기재된 분리방법을 수행하기 위한 분리 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠 및 톨루엔을 분리하는 방법은 종래의 이온성 액체를 사용한 분리방법 대비 총 이온성 액체의 사용량을 현저히 줄일 수 있어 경제성이 높으면서 분리 효율이 우수할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래의 이온성 액체를 이용한 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠 및 톨루엔을 분리하기 위한 분리 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 액체를 이용한 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠 및 톨루엔을 분리하기 위한 분리 시스템(200)을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이온성 액체를 이용한 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠 및 톨루엔을 분리하기 위한 분리 시스템(300)을 개략적으로 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 발명으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 분리공정 효율 및 경제성이 우수한 벤젠 및 톨루엔의 분리방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠 및 톨루엔을 분리하기 위한 상기 분리방법은 방향족 탄화수소 함유 혼합물을 제1 감압증류하여 제1 벤젠 풍부분획 및 제1 톨루엔 풍부분획으로 분리하는 단계(단계 1); 상기 제1 벤젠 풍부분획에 제1 추출제를 첨가하고 제1 용매추출하여 제1 잔사유와 제2 벤젠 풍부분획으로 분리하는 단계(단계 2); 상기 제2 벤젠 풍부분획을 제2 감압증류하여 제1 추출제와 벤젠 분획으로 분리하는 단계(단계 3); 상기 제1 톨루엔 풍부분획에 제2 추출제를 첨가하고 제2 용매추출하여 제2 잔사유와 제2 톨루엔 풍부분획으로 분리하는 단계(단계 4); 및 상기 제2 톨루엔 풍부분획을 제3 감압증류하여 제2 추출제와 톨루엔 분획으로 분리하는 단계(단계 5)를 포함하고, 상기 단계 3에서 분리된 제1 추출제는 제1 분획 및 제2 분획으로 분리되어 제2 분획은 순환시켜 단계 4의 제2 추출제로서 재사용하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 벤젠 및 톨루엔의 분리방법은 각각 벤젠의 제조방법 및 톨루엔의 제조방법일 수 있으며, 상기 벤젠 및 톨루엔의 분리방법은 후술하는 분리 시스템을 이용하여 수행하는 것일 수 있다.

본 발명에서 사용하는 용어 "제1 벤젠 풍부분획" 및 "제2 벤젠 풍부분획"은 각각 전체 분획 내에 벤젠의 비율이 절반 수준 이상으로 높은 상태의 분획을 나타내는 것이고, 제2 벤젠 풍부분획은 제1 벤젠 풍부분획 대비 분획 내 벤젠의 비율이 더 높은 상태인 것이다.

본 발명에서 사용하는 용어 "제1 톨루엔 풍부분획" 및 "제2 톨루엔 풍부분획"은 각각 전체 분획 내에 톨루엔의 비율이 절반 수준 이상으로 높은 상태의 분획을 나타내는 것이고, 제2 톨루엔 풍부분획은 제1 톨루엔 풍부분획 대비 분획 내 톨루엔의 비율이 더 높은 상태인 것이다.

본 발명에서 사용하는 용어 "액체-액체 추출(liquid-liquid extraction)"은 액체 혼합물에 추출용매를 작용시켜 혼합물 중에 있는 특정의 물질을 다른 물질로부터 분리하는 추출 방법을 나타내는 것으로, 혼합물과 추출용매가 2상(相)을 형성하여 비중차에 의해 분리가 이루어지며 분리해내고자 하는 물질이 선택적으로 추출용매상으로 이동 분리됨으로써 수행되는 것이다.

본 발명에서 사용하는 용어 "잔사유(raffinate)"는 방향족 탄화수소 함유 혼합물 내에 포함되어 있는 성분 중 목적 성분인 벤젠과 톨루엔을 제외한 나머지 성분을 포괄하는 것으로, 예컨대 상기 방향족 탄화수소 함유 혼합물이 후술하는 바와 같이 나프타 분해 공정으로부터 생성된 반응물 중 일부(BTX)일 경우 상기 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 목적 성분인 벤젠 및 톨루엔을 비롯하여 혼합 자일렌, C5's, C6 및 C9-10 등의 탄화수소 성분을 포함하고 있는 것일 수 있으며, 이때 잔사유는 벤젠 및 톨루엔을 제외한 나머지 탄화수소 성분을 포함하는 것이다.

상기 단계 1은 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 제1 벤젠 풍부분획 및 제2 톨루엔 풍부분획을 분리하기 위한 단계로, 상기 탄화수소 함유 혼합물을 제1 감압증류함으로써 제1 벤젠 풍부분획과 제1 톨루엔 풍부분획으로 분리할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 벤젠과 톨루엔을 함유하고 있는 혼합물을 나타내는 것으로, 특별히 제한하는 것은 아니나 예컨대 나프타 분해 공정(Naphtha cracking process)으로부터 생성된 반응물 중 일부인 것일 수 있다.

여기서, 상기 나프타 분해 공정은 원유의 상압 증류장치에서 얻은 가솔린 유분인 나프타를 750℃ 내지 850℃에서 열분해하여 석유화학제품의 기초 원료인 에틸렌, 프로필렌, 벤젠 등을 생산하는 반응으로, 열분해 단계, 급냉단계, 압축단계 및 정제단계를 포함하며 생성물로서 에틸렌, 프로필렌 혼합 C4 화합물 및 BTX(벤젠, 톨루엔, 혼합 자일렌)을 얻는 것일 수 있다. 즉, 상기 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 나프타 분해 공정을 통하여 생성된 반응물 중 BTX인 것일 수 있다.

구체적으로는, 상기 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 벤젠을 40 mol% 내지 60 mol%로 포함하고, 톨루엔을 20 mol% 내지 40 mol%로 포함하고, 기타의 잔사유를 더 포함하는 것일 수 있다.

상기 제1 감압증류는 방향족 탄화수소 함유 혼합물을 제1 벤젠 풍부분획과 제1 톨루엔 풍부분획으로 분리하기 위한 수단으로, 상기 방향족 탄화수소 함유 혼합물을 제1 벤젠 풍부분획과 제1 톨루엔 풍부분획으로 용이하게 분리할 수 있는 조건이면 특별히 제한하는 것은 아니나, 예컨대 감압하에서 수행하는 것일 수 있으며, 구체적으로는 0.5 bar 내지 1 bar 이하인 조건 하에서 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 제1 감압증류는 목적하는 분리를 원활하게 수행할 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않고 적절한 시스템 혹은 장치를 이용하여 수행할 수 있으나, 감압증류탑을 이용하여 수행하는 것일 수 있으며, 예컨대 후술하는 분리 시스템에 제1 감압증류탑에 의하여 수행하는 것일 수 있다.

상기 제1 감압증류에 의하여 분리된 제1 벤젠 풍부분획은 제1 톨루엔 풍부분획 대비 상대적으로 벤젠을 고함량으로 함유하고 있는 분획이면서 상기 제1 벤젠 풍부분획 내 주성분이 벤젠인 것일 수 있으며, 구체적으로는 상기 제1 벤젠 풍부분획은 벤젠을 62 mol% 이상, 톨루엔을 1 mol% 미만으로 포함하고, 1 bar의 압력 조건하 80℃ 내지 100℃의 온도범위에서 끓는 성질을 갖는 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 감압증류에 의하여 분리된 제1 톨루엔 풍부분획은 제1 벤젠 풍부분획 대비 상대적으로 톨루엔을 고함량으로 함유하고 있는 분획이면서 상기 제1 톨루엔 풍부분획 내 주성분이 톨루엔인 것일 수 있으며, 구체적으로는 상기 제1 톨루엔 풍부분획은 톨루엔을 88 mol% 이상, 벤젠을 1 mol% 미만으로 포함하고, 1.2 bar의 압력 조건하 90℃ 내지 120℃의 온도범위에서 끓는 성질을 갖는 것일 수 있다.

한편, 상기 제1 벤젠 풍부분획 및 제1 톨루엔 풍부분획은 각각 분획 내에 벤젠과 톨루엔을 비롯하여 잔사유를 포함하고 있는 것일 수 있으며, 구체적으로는 상기 제1 벤젠 풍부분획 내에는 벤젠을 주성분으로 포함하면서 잔사유 중에서 벤젠과 유사한 비점(boiling point)을 갖는 성분이 포함되어 있을 수 있고, 상기 제1 톨루엔 풍부분획 내에는 톨루엔을 주성분으로 포함하면서 잔사유 중에서 톨루엔과 유사한 비점을 갖는 성분이 포함되어 있는 것일 수 있다.

상기 단계 2는 상기 제1 감압증류에 의하여 분리된 제1 벤젠 풍부분획으로부터 제1 잔사유와 제2 벤젠 풍부분획을 분리하기 위한 단계로, 상기 제1 벤젠 풍부분획에 제1 추출제를 첨가하고 제1 용매추출함으로써 상기 제1 벤젠 풍부분획을 제1 잔사유와 제2 벤젠 풍부분획으로 분리할 수 있다. 이때, 상기 제1 용매추출은 용매추출탑을 이용하여 수행하는 것일 수 있으며, 예컨대 후술하는 분리 시스템에서 제1 용매추출탑을 통하여 수행하는 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 용매추출은 제1 벤젠 풍부분획으로부터 벤젠을 선택적으로 분리하여 제2 벤젠 풍부분획과 제1 잔사유로 분리하기 위한 수단으로, 제1 추출제를 추출용매로서 사용하여 액체-액체 추출에 의하여 수행하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 용매추출은 제1 벤젠 풍부분획과 추출용매인 제1 추출제를 혼합하여 제1 벤젠 풍부분획 내에 존재하는 벤젠이 선택적으로 제1 추출제로 이동하게 됨으로써 대부분 벤젠으로 이루어진 제2 벤젠 풍부분획과 제1 잔사유로 분리되는 것일 수 있다. 이때, 상기 제2 벤젠 풍부분획은 제1 벤젠 풍부분획으로부터 분리된 벤젠과 제1 추출제를 포함하는 것일 수 있고, 상기 제1 잔사유는 전술한 바와 같이 제1 벤젠 풍부분획 내에 포함되어 있을 수 있는 벤젠과 유사한 비점을 갖는 잔사유 성분인 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 추출제는 전술한 바와 같이 추출용매로서 사용되는 것으로 이온성 액체인 것일 수 있으며, 제1 벤젠 풍부분획 대비 4 내지 5의 질량비(제1 벤젠 풍부분획:제1 추출제=1:4 내지 5의 질량비)로 사용되는 것일 수 있다. 만약, 상기 제1 추출제가 상기의 질량비를 벗어나 다량으로 사용될 경우에는 추출용매로서의 추출효율 상승은 미미하고 과량사용으로 인한 비용증가에 의하여 생산성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으며, 상기의 질량비를 벗어나 소량으로 사용될 경우에는 추출용매로서의 추출효율이 저하되어 제1 벤젠 풍부분획 내에서 벤젠의 분리율이 저하될 수 있다.

여기에서, 상기 이온성 액체는 상온에서 액체로 존재하는 염으로 증기압이 0에 가깝고 고온에서 매우 안정하여 오랫동안 분해되지 않는 성질을 가지고 있으며, 이를 구성하고 있는 양이온과 음이온에 의하여 방향족 탄화수소와 상호작용하여 혼합물 내에서 방향족 탄화수소만을 선택적으로 분리해낼 수 있는 특성을 갖는 것일 수 있다. 이에, 상기 이온성 액체는 추출용매로 사용되어 제1 벤젠 풍부분획과 작용하여 제1 벤젠 풍부분획 내에 존재하는 방향족 탄화수소, 예컨대 벤젠만을 선택적으로 추출용매상으로 이동시켜 제1 잔사유와 용이하게 분리할 수 있다.

또한, 상기 이온성 액체는 제1 벤젠 풍부분획과 작용하여 방향족 탄화수소, 즉 벤젠만을 선택적으로 분리해낼 수 있는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예컨대 4-메틸-N-부틸피리디늄 테트라플루오로보레이트, 1,1'-(1,2-에탄딜)비스(3-메틸이미다졸리움) 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1,1'-(1,4-부탄딜)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(트리플루오로메탄슬포닐)이미드, 1,1'-(2,4-부텐딜)비스(3-부틸이미다졸리움) 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1,1'-(1,4-부탄딜-2-온)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1,1'-(1,4-부탄딜-2,3-디온)비스(3-부틸이미다졸리움) 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1,1'-(1,4-부탄딜-2-올)비스(3-메틸이미다졸리움) 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1,1'-(1,4-부탄딜-2,3-디올)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1,1'-(1,2-에탄딜)비스(3-메틸이미다졸리움) 비스(테트라플루오로보레이트), 1,1'-(1,4-부탄딜)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(테트라플루오로보레이트), 1,1'-(2,4-부텐딜)비스(3-부틸이미다졸리움) 비스(테트라플루오로보레이트), 1,1'-(1,4-부탄딜-2-온)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(테트라플루오로보레이트), 1,1'-(1,4-부탄딜-2-올)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(테트라플루오로보레이트), 1,1'-(1,4-부탄딜-2,3-디올)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(테트라플로오로보레이트), 1,1'-(1,2-에탄딜)비스(3-메틸이미다졸리움) 비스(헥사플루오로포스페이트), 1,1'-(1,4-부탄딜)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(헥사플루오로포스페이트), 1,1'-(2,4-부텐딜)비스(3-부틸이미다졸리움) 비스(헥사플로오로포스페이트), 1,1'-(1,4-부탄딜-2-온)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(헥사플루오로포스페이트), 1,1'-(1,4-부탄딜-2,3-디온)비스(3-부틸이미다졸리움) 비스(헥사플루오로포스페이트), 1,1'-(1,4-부탄딜-2-올)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(헥사플루오로포스페이트) 및 1,1'-(1,4-부탄딜-2,3-디올)비스(3-에틸이미다졸리움) 비스(헥사플루오로포스페이트) 등일 수 있으며, 이들 1종을 사용하거나 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 분리방법은 상기 단계 2에서 분리된 제1 잔사유를 제4 감압증류하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 제1 잔사유에는 경우에 따라 벤젠과 제1 추출제가 포함되어 있을 수 있으며, 상기 제4 감압증류는 제1 잔사유로부터 벤젠과 제1 추출제를 분리하여 재순환시키기 위한 것일 수 있다. 이때, 상기 제4 감압증류는 제1 잔사유로부터 벤젠과 제1 추출제를 용이하게 분리낼 수 있는 것이면 특별히 제한하는 것은 아니나 예컨대, 0.08 bar 이하의 압력 조건에서 수행하는 것일 수 있다.

상기 단계 3은 제2 벤젠 풍부분획을 제1 추출제와 벤젠 분획으로 분리하기 위하여 제2 벤젠 풍분 분획을 제2 감압증류하여 제1 추출제와 벤젠 분획으로 분리하는 단계이다.

구체적으로, 상기 제2 벤젠 풍부분획은 전술한 바와 같이 벤젠과 제1 추출제를 포함하고 있는 것일 수 있으며, 제2 감압증류를 통하여 제2 벤젠 풍부분획으로부터 제1 추출제를 분리해냄으로써 벤젠 분획을 수득할 수 있다. 즉, 단계 3은 벤젠 분획을 수득하는 단계 혹은 벤젠 분획을 제조하는 단계인 것일 수 있다.

상기 제2 감압증류는 감압증류탑을 이용하여 수행할 수 있으며, 예컨대 후술하는 분리 시스템 내 제2 감압증류탑을 통하여 수행하는 것일 수 있다. 구체적으로는, 상기 제2 감압증류는 제2 벤젠 풍부분획으로부터 제1 추출제와 벤젠 분획을 용이하게 분리해낼 수 있으면 특별히 제한하지 않으나, 예컨대 0.08 bar 이하의 압력 조건 하에서 수행하는 것일 수 있다.

이때, 상기 제2 감압증류를 통하여 분리된 벤젠 분획은 벤젠을 99.9 mol% 이상으로 포함하는 것일 수 있으며, 제2 감압증류를 통하여 제2 벤젠 풍부분획으로부터 벤젠 분획과 분리되어 얻어진 제1 추출제는 제1 분획 및 제2 분획으로 분리되어 제2 분획은 후술하는 단계 4의 제2 추출제로서 재사용하고 제1 분획은 재순환되어 제1 용매추출에 재사용하는 것일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 분리방법은 상기 단계 2 이후, 단계 3 이전에 제2 벤젠 풍부분획을 제1 증류시키는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 단계 2의 제1 용매추출을 통하여 얻어진 제2 벤젠 풍부분획을 단계 3의 제2 감압증류하기 전에 제1 증류시키는 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 제2 벤젠 풍부분획은 전술한 바와 같이 벤젠과 제1 추출제를 포함하고 있는 것으로 경우에 따라 제1 잔사유가 포함되어 있을 수 있으며, 상기 제1 증류는 제2 벤젠 풍부분획 내 존재할 수 있는 제1 잔사유를 제거하기 위하여 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 제1 증류는 비점차를 이용하여 제2 벤젠 풍부분획으로부터 제1 잔사유를 분리하여 제거하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 잔사유는 벤젠 및 제1 추출제 대비 상대적으로 비점이 낮은 것일 수 있다. 이때, 상기 제1 증류는 이러한 비점차를 이용할 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않는다. 이를 통하여 제2 벤젠 풍부분획으로부터 분리된 제1 잔사유에는 벤젠 및 제1 추출제가 소량 포함되어 있을 수도 있으며, 이에 재순환되어 제1 벤젠 풍분 분획에 혼합되어 다시 제1 용매추출될 수 있다.

상기 단계 4는 상기 제1 감압증류에 의하여 분리된 제1 톨루엔 풍부분획으로부터 제2 잔사유와 제2 톨루엔 풍부분획을 분리하기 위한 단계로, 상기 제1 톨루엔 풍부분획에 제2 추출제를 첨가하고 제2 용매추출함으로써 상기 제1 톨루엔 풍부분획을 제2 잔사유와 제2 톨루엔 풍부분획으로 분리할 수 있다. 이때, 상기 제2 용매추출은 용매추출탑을 이용하여 수행하는 것일 수 있으며, 예컨대 후술하는 분리 시스템에서 제2 용매추출탑을 통하여 수행하는 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 제2 용매추출은 제1 톨루엔 풍부분획으로부터 톨루엔을 선택적으로 분리하여 제2 톨루엔 풍부분획과 제2 잔사유로 분리하기 위한 수단으로, 제2 추출제를 추출용매로서 사용하여 액체-액체 추출에 의하여 수행하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 용매추출은 제1 톨루엔 풍부분획에 추출용매인 제2 추출제를 첨가하여 제1 톨루엔 풍부분획 내에 존재하는 톨루엔이 선택적으로 제2 추출제로 이동하게 됨으로써 대부분 톨루엔으로 이루어진 제2 톨루엔 풍부분획과 제2 잔사유로 분리되는 것일 수 있다. 이때, 상기 제2 톨루엔 풍부분획은 제1 톨루엔 풍부분획으로부터 분리된 톨루엔과 제2 추출제를 포함하는 것일 수 있고, 상기 제2 잔사유는 제1 톨루엔 풍부분획 내에 포함되어 있을 수 있는 톨루엔과 유사한 비점을 갖는 잔사유 성분인 것일 수 있다.

여기에서, 상기 제2 추출제는 전술한 바와 같이 제1 추출제로부터 분리된 제2 분획인 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 추출제는 제1 추출제와 동일한 이온성 액체인 것으로 제1 용매추출에 사용된 제1 추출제를 재순환시켜 제2 용매추출에 추출용매로서 재사용한 것일 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리방법은 하나의 이온성 액체를 벤젠을 분리하기 위한 제1 용매추출시의 추출용매로 사용한 후 이를 재순환시켜 톨루엔을 분리하기 위한 제2 용매추출시의 추출용매로 재사용한 것일 수 있다.

상기 제2 추출제는 제1 톨루엔 풍부분획 대비 6 내지 9의 질량비(제1 톨루엔 풍부분획:제2 추출제=1:6 내지 9의 질량비)로 투입하는 것일 수 있다. 만약, 상기 제2 추출제가 상기의 질량비를 벗어나 다량으로 사용될 경우에는 추출용매로서의 추출효율 상승은 미미하고 과량사용으로 인한 부피 증가로 용매추출탑의 용적만 증가시켜 공정비용 증가를 발생시킬 수 있으며, 상기의 질량비를 벗어나 소량으로 사용될 경우에는 추출용매로서의 추출효율이 저하되어 제1 톨루엔 풍부분획 내에서 톨루엔의 분리율이 저하될 수 있다.

한편, 상기 제1 톨루엔 풍부분획은 상기 단계 1의 제1 감압증류를 통해 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 분리된 것으로 상기 방향족 탄화수소 함유 혼합물 내 톨루엔의 비율이 벤젠에 비하여 소량으로 존재하므로, 제1 톨루엔 풍부분획은 제1 벤젠 풍부분획 대비 적은 양일 수 있고, 상기 제1 추출제는 제1 벤젠 풍부분획 보다 많은 양으로 사용되므로 상기 단계 4에서 필요한 제2 추출제는 제1 추출제 대비 현저히 적은 양일 수 있다. 이에, 상기 제1 추출제를 전부 제2 추출제로서 사용하는 것은 부피증가로 인한 공정비용 증가만을 유발할 수 있으므로 전술한 바와 같이 제1 분획 및 제2 분획으로 분리하여 제2 분획만을 제2 용매추출의 제2 추출제로서 사용하는 것일 수 있다. 이때, 상기 제1 분획과 제2 분획은 제1 톨루엔 풍부분획과 제2 추출제의 질량비에 따라 조절되는 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 분획은 제2 추출제와 동일한 것이므로, 필요한 제2 추출제의 양에 따라 제1 분획과 제2 분획의 분리 비율이 조절되는 것일 수 있다.

상기 단계 5는 제2 톨루엔 풍부분획을 제2 추출제와 톨루엔 분획으로 분리하기 위하여 제2 톨루엔 풍분 분획을 제3 감압증류하여 제2 추출제와 톨루엔 분획으로 분리하는 단계이다.

구체적으로, 상기 제2 톨루엔 풍부분획은 톨루엔과 제2 추출제를 포함하고 있는 것일 수 있으며, 제3 감압증류를 통하여 제2 톨루엔 풍부분획으로부터 제2 추출제를 분리해냄으로써 톨루엔 분획을 수득할 수 있다. 즉, 단계 5는 톨루엔 분획을 수득하는 단계 혹은 톨루엔 분획을 제조하는 단계인 것일 수 있다.

상기 제3 감압증류는 감압증류탑을 이용하여 수행할 수 있으며, 예컨대 후술하는 분리 시스템 내 제3 감압증류탑을 통하여 수행하는 것일 수 있다. 구체적으로는, 상기 제3 감압증류는 제2 톨루엔 분획으로부터 제2 추출제와 톨루엔 분획을 용이하게 분리해낼 수 있으면 특별히 제한하지 않고 통상적인 조건 하에서 수행하는 것일 수 있다.

이때, 상기 제3 감압증류를 통하여 분리된 톨루엔 분획은 톨루엔을 99.4 mol% 이상으로 포함하는 것일 수 있으며, 제3 감압증류를 통하여 제2 톨루엔 풍부분획으로부터 톨루엔 분획과 분리되어 얻어진 제2 추출제는 재순환되어 제1 용매추출에서 제1 추출제로 재사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 분리방법은 상기 단계 4 이후, 단계 5 이전에 제2 톨루엔 풍부분획을 제2 증류시키는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 단계 4의 제2 용매추출을 통하여 얻어진 제2 톨루엔 풍부분획을 단계 5의 제3 감압증류하기 전에 제2 증류시키는 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 제2 톨루엔 풍부분획은 톨루엔과 제2 추출제를 포함하고 있는 것으로 경우에 따라 제2 잔사유가 포함되어 있을 수 있으며, 상기 제2 증류는 제2 톨루엔 풍부분획 내 존재할 수 있는 제2 잔사유를 제거하기 위하여 수행하는 것일 수 있다. 이때, 상기 제2 증류는 비점차를 이용하여 제2 톨루엔 풍부분획으로부터 제2 잔사유를 분리하여 제거하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제2 잔사유는 톨루엔 및 제2 추출제 대비 상대적으로 비점이 낮은 것일 수 있으며, 제2 증류는 이러한 비점차를 이용할 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않고 통상적인 조건 하에서 수행하는 이를 통하여 제2 톨루엔 풍부분획으로부터 분리된 제2 잔사유에는 톨루엔 및 제2 추출제가 소량 포함되어 있을 수도 있으며, 이에 재순환되어 제1 톨루엔 풍분 분획에 혼합되어 다시 제2 용매추출될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기의 벤젠 및 톨루엔의 분리방법을 용이하게 수행할 수 있는 분리 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 분리 시스템은 방향족 탄화수소 함유 혼합물을 공급하는 원료 공급라인이 구비되어 있는 공급부; 상기 공급부와 연결되고 제1 감압증류탑이 구비된 예비증류부; 상기 예비증류부와 연결되고, 제1 추출제 공급부, 벤젠 분리부, 톨루엔 분리부 및 추출제 순환부를 포함하는 처리부; 및 상기 처리부와 연결되고 벤젠 분획 회수부 및 톨루엔 분획 회수부를 포함하고, 상기 벤젠 분리부는 상기 제1 감압증류탑의 탑정과 연결되고, 제1 용매추출탑과 제2 감압증류탑이 순차적으로 구비되어 있는 것이고, 상기 톨루엔 분리부는 제1 감압증류탑의 탑저와 연결되고, 제2 용매추출탑과 제3 감압증류탑이 순차적으로 구비되어있는 것이며, 상기 제2 감압증류탑과 제2 용매추출탑은 추출제 순환부에 의하여 연결되어있는 것을 특징으로 한다.

이하, 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 분리 시스템을 설명한다. 여기에서, 상기 분리 시스템의 장치 배치, 설계 및 구조 이외의 분리 조건 등의 내용은 전술한 분리방법에서 설명한 바와 중복되므로 그 기재를 생략한다.

도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 시스템(200)은공급부; 예비 증류부; 및 처리부를 포함하는 것일 수 있다.

상기 공급부는 예비 증류부와 연결되고 방향족 탄화수소 함유 혼합물을 예비 증류부로 공급하는 원료 공급라인(110)을 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 원료 공급라인(110)은 후술하는 예비 증류부의 제1 감압증류탑에 연결되어 있는 것일 수 있으며, 상기 제1 감압증류탑의 탑저에서 탑정까지의 전체높이 중 탑저에서부터 45% 내지 55%인 위치에 연결되어 있는 것일 수 있다.

상기 예비 증류부는 제1 감압증류탑(CO1)이 구비되어 있는 것으로, 상기 원료 공급라인(110)을 통하여 이송된 방향족 탄화수소 함유 혼합물을 제1 벤젠 풍부분획과 제1 톨루엔 풍부분획으로 분리하기 위한 제1 감압증류를 수행하기 위한 것일 수 있다. 또한, 상기 예비 증류부는 제1 벤젠 풍부분획 흐름라인(120) 및 제1 톨루엔 풍부분획 흐름라인(130)을 포함할 수 있으며, 상기 제1 벤젠 풍부분획 흐름라인(120)은 제1 감압증류탑(CO1) 탑정에서 후술하는 제1 용매추출탑(EX1)의 탑저로 연결되어 있는 것일 수 있고 상기 제1 톨루엔 풍부분획 흐름라인(130)은 상기 제1 감압증류탑(CO1) 탑저에서 후술하는 제2 용매추출탑(EX2)의 탑저로 연결되어 있는 것일 수 있다. 한편, 상기 제1 감압증류를 통하여 분리된 제1 벤젠 풍부분획은 상기 제1 벤젠 풍부분획 흐름라인(120)을 통하여 후술하는 제1 용매추출탑(EX1)로 이송되고, 상기 제1 톨루엔 풍부분획은 제1 톨루엔 풍부분획 흐름라인(130)을 통하여 후술하는 제2 용매추출탑(EX2)로 이송될 수 있다.

상기 처리부는 제1 추출제 공급부, 벤젠 분리부 및 톨루엔 분리부를 포함하는 것일 수 있고, 상기 벤젠 분리부는 제1 용매추출탑(EX1)과 제2 감압증류탑(CO2)이 순차적으로 구비되어 있는 것일 수 있으며, 톨루엔 분리부는 제2 용매추출탑(EX2)과 제3 감압증류탑(CO3)이 순차적으로 구비되어 있는 것일 수 있다. 이때, 상기 제2 감압증류탑(CO2)과 제2 용매추출탑(EX2)은 추출제 순환부에 의하여 연결되어 있는 것일 수 있다.

또한, 상기 추출제 순환부는 제1 추출제 배출라인(160), 제1 분획 환류라인(162), 제2 추출제 공급라인(161) 및 스프리트(SP)를 포함하는 것일 수 있고, 상기 제1 추출제 배출라인(160)은 제2 감압증류탑(CO2) 탑저에서 스프리트(SP)로 연결되어 있는 것일 수 있으며, 상기 제1 분획 환류라인(162)은 스프리트(SP)에서 제1 추출제 공급부로 연결되고, 상기 제2 추출제 공급라인(161)은 스프리트(SP)에서 후술하는 제2 용매추출탑(EX2)의 탑정으로 연결되어 있는 것일 수 있다. 여기에서, 상기 제2 추출제 공급라인(161)은 제2 분획 공급라인 또는 제2 분획 환류라인으로도 불릴 수 있다. 상기 제1 추출제 배출라인(160)을 통하여 이송된 제1 추출제는 스프리트(SP)를 통하여 제1 분획과 제2 분획으로 분리되는 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 추출제 공급부는 혼합기(M) 및 제1 추출제 공급라인(140)을 포함하는 것일 수 있고, 상기 제1 추출제 공급라인(140)은 혼합기(M)에서 제1 용매추출탑(EX1)의 탑정으로 연결되어 있는 것일 수 있으며, 제1 추출제는 상기 제1 추출제 공급라인(140)을 통하여 혼합기(M)에서 제1 용매추출탑(EX1)으로 이송되는 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 용매추출탑(EX1)과 제2 감압증류탑(CO2)은 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인(150)에 의하여 연결되어 있는 것일 수 있고, 상기 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인(120)은 제1 용매추출탑(EX1)의 탑저에서 제2 감압증류탑(CO2) 전체높이 중 중간지점에 연결되어 있는 것일 수 있다.

여기에서, 상기 제1 용매추출탑(EX1)은 제1 벤젠 풍부분획 흐름라인(120)을 통하여 이송된 제1 벤젠 풍부분획으로부터 제2 벤젠 풍부분획과 제1 잔사유를 분리하기 위한 제1 용매추출을 수행하기 위한 것일 수 있으며, 이때 상기 제1 용매추출은 상기 제1 추출제 공급라인(140)을 통하여 이송된 제1 추출제를 이용하여 수행하는 것일 수 있다. 또한, 제2 감압증류탑(CO2)은 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인(150)을 통하여 이송된 제2 벤젠 풍부분획으로부터 벤젠 분획과 제1 추출제를 분리하기 위한 제2 감압증류를 수행하기 위한 것으로, 상기 제2 감압증류탑(CO2)에서 분리된 벤젠 분획은 제2 감압증류탑(CO2) 탑정으로부터 벤젠 분획 회수라인(B)을 통하여 회수되고, 제1 추출제는 제2 감압증류탑(CO2) 탑저로부터 제1 추출제 배출라인(160)을 통하여 스프리트(SP)로 이송될 수 있다. 한편, 상기 제1 용매추출탑(EX1)에서 분리된 제1 잔사유는 제1 용매추출탑(EX1) 탑정으로부터 제1 잔사유 배출라인(R1)에 의하여 반응계 외부로 배출되는 것일 수 있다.

또한, 상기 제2 용매추출탑(EX2)과 제3 감압증류탑(CO3)은 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인(170)에 의하여 연결되어 있는 것일 수 있고, 상기 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인(170)은 제2 용매추출탑(EX2)의 탑저에서 제3 감압증류탑(CO3) 전체높이 중 중간지점에 연결되어 있는 것일 수 있다.

상기 제2 용매추출탑(EX2)은 제1 톨루엔 풍부분획 흐름라인(130)을 통하여 이송된 제1 톨루엔 풍부분획으로부터 제2 톨루엔 풍부분획과 제2 잔사유를 분리하기 위한 제2 용매추출을 수행하기 위한 것일 수 있으며, 이때 상기 제1 용매추출은 상기 제2 추출제 공급라인(161)을 통하여 이송된 제2 추출제를 이용하여 수행하는 것일 수 있다. 또한, 제3 감압증류탑(CO3)은 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인(170)을 통하여 이송된 제2 톨루엔 풍부분획으로부터 톨루엔 분획과 제2 추출제를 분리하기 위한 제3 감압증류를 수행하기 위한 것으로, 상기 제3 감압증류탑(CO3)에서 분리된 톨루엔 분획은 제3 감압증류탑(CO3) 탑정으로부터 톨루엔 분획 회수라인(T)을 통하여 회수되고, 제2 추출제는 제3 감압증류탑(CO3) 탑저로부터 제2 추출제 환류라인(180)을 통하여 제1 분획 흐름라인(162)로 이송될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 분리 시스템(300)은 도 3에 나타난 바와 같이 도 2에 나타낸 분리 시스템(200)에서 벤젠 분리부의 제1 용매추출탑(EX1)과 제2 감압증류탑(CO2) 사이에 제1 증류탑(ST1)을 더 포함하고, 제4 감압증류탑(CO4)를 더 포함하는 것일 수 있고, 톨루엔 분리부의 제2 용매추출탑(EX2)과 제3 감압증류탑(CO3) 사이에 제2 증류탑(ST2)을 더 포함하는 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 증류탑(ST1)은 제1 용매추출탑(EX1)과 제2 감압증류탑(CO2) 사이에 위치하면서, 상기 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인 1(150-1)에 의하여 제1 용매추출탑(EX1) 탑저와 연결되고, 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인 2(150-2)에 의하여 제2 감압증류탑(CO2)과 연결되어 있는 것일 수 있다. 이때, 상기 제1 증류탑(ST1)은 제2 벤젠 풍부분획 내 포함되어 있을 수 있는 제1 잔사유를 제2 벤젠 풍부분획으로부터 분리하기 위한 제1 증류를 수행하기 위한 것일 수 있다. 상기에서 분리된 제1 잔사유는 제1 잔사유 환류라인(190)을 통하여 제1 증류탑(ST1) 탑정에서 제1 용매추출탑(EX1)으로 재도입될 수 있고, 제2 벤젠 풍부분획은 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인 2(150-2)를 통하여 제2 감압증류탑(CO2)으로 이송될 수 있다.

또한, 상기 제2 증류탑(ST2)는 제2 용매추출탑(EX2)과 제3 감압증류탑(CO3) 사이에 위치하면서, 상기 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인 1(170-1)에 의하여 제2 용매추출탑(EX2) 탑저와 연결되고, 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인 2(150-1)에 의하여 제3 감압증류탑(CO3)과 연결되어 있는 것일 수 있다. 이때, 상기 제2 증류탑(ST2)은 제2 톨루엔 풍부분획 내 포함되어 있을 수 있는 제2 잔사유를 제2 톨루엔 풍부분획으로부터 분리하기 위한 제2 증류를 수행하기 위한 것일 수 있다. 상기에서 분리된 제2 잔사유는 제2 잔사유 환류라인(210)을 통하여 제2 증류탑(ST2) 탑정에서 제2 용매추출탑(EX1)으로 재도입될 수 있고, 제2 톨루엔 풍부분획은 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인 2(150-2)를 통하여 제3 감압증류탑(CO3)으로 이송될 수 있다.

한편, 상기 제4 감압증류탑(CO4)는 제1 잔사유에 포함되어 있을 수 있는 제1 추출제를 제1 잔사유로부터 분리하기 위한 제4 감압증류를 수행하기 위한 것으로, 제1 잔사유 배출라인 1(R1-1)에 의하여 제1 용매추출탑(EX1)의 탑정과 연결되어 있는 것일 수 있다. 상기 제4 감압증류탑(CO4)에서 분리된 제1 추출제는 제1 추출제 환류라인(220)을 통하여 상기 혼합기(M)으로 이송되고, 제1 잔사유는 제1 잔사유 배출라인 2(R1-2)를 통하여 반응계 외부로 배출되는 것일 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

하기 실시예 및 비교예는 상용 공정모사 프로그램 ASPEN PLUS를 이용하여 본 발명에 따른 분리방법을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션에 필요한 상수는 상기 프로그램 상에 내장되어 있는 값, 문헌상에 기재된 값 및 기존 벤젠 및 톨루엔 분리 공정에서 얻어진 값 등을 사용하였다.

실시예 1

도 2에 나타낸 바와 같은 분리 시스템(200)을 이용하여 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠과 톨루엔을 분리하였다.

구체적으로, 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 원료 공급라인(110)을 통하여 제1 감압증류탑(CO1)에 도입되어 제1 벤젠 풍부분획과 제1 톨루엔 풍부분획으로 분리되어 제1 벤젠 풍부분획은 제1 벤젠 풍부분획 흐름라인(120)을 통하여 제1 용매추출탑(EX1)로 이송되고, 상기 제1 톨루엔 풍부분획은 제1 톨루엔 풍부분획 흐름라인(130)을 통하여 제2 용매추출탑(EX2)로 이송되다. 제1 용매추출탑(EX1)로 이송된 제1 벤젠 풍부분획은 제1 추출제 공급라인(140)을 통해 도입된 제1 추출제에 의하여 제1 잔사유와 제2 벤젠 풍부분획으로 다시 분리되고, 제1 잔사유는 제1 잔사유 배출라인(R1)을 통해 반응계 외부로 배출되고, 제2 벤젠 풍부분획은 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인(150)을 통하여 제2 감압증류탑(CO2)으로 이송된다. 이송된 제2 벤젠 풍부분획은 제2 감압증류탑(CO2)에서 다시 벤젠 분획과 제1 추출제로 분리되어 벤젠 분획은 벤젠 분획 회수라인(B)에 의하여 회수되고, 제1 추출제는 제1 추출제 배출라인(160)에 의하여 스프리트(SP)로 이송된다. 스프리트(SP)로 이송된 제1 추출제는 제1 분획과 제2 분획으로 분리되어 제1 분획은 제1 분획 환류라인(162)을 통하여 혼합기(M)로 보내져 이후 다시 제1 추출제로 사용되고, 제2 분획은 제2 추출제 공급라인(161)을 통하여 제2 용매추출탑(EX2)로 이송되어 제2 추출제로서 재사용된다. 상제 제1 톨루엔 풍부분획 흐름라인(130)을 통해 제2 용매추출탑(EX2)로 이송된 제1 톨루엔 풍부분획은 상기 제2 추출제에 의하여 제2 톨루엔 풍부분획 및 제2 잔사유로 분리되어, 제2 잔사유는 제2 잔사유 배출라인(R2)를 통하여 반응계 외부로 배출되고, 제2 톨루엔 풍부분획은 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인(170)을 통하여 제3 감압증류탑(CO3)로 이송된다. 이후, 제3 감압증류탑(CO3)에서 톨루엔 분획과 제2 추출제로 분리되어, 톨루엔 분획은 톨루엔 분획 회수라인(T)에 의하여 회수되고, 제2 추출제는 제2 추출제 환류라인(180)을 통하여 제1 분획 환류라인으로 이송되어 혼합기(M)로 보내진다. 이때, 원료인 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 혼합물 100 mol% 중 벤젠을 49 mol%, 톨루엔을 20 mol% 함유하고 나머지 잔사유 성분이 포함된 것으로 설정하였다. 또한, 추출제인 이온성 액체는 4-메틸-N-부틸피리디늄 테트라플루오로보레이트로 설정하고, 총 투입량은 155,120 kg/hr로 설정하였다.

실시예 2

도 3에 나타낸 바와 같은 분리 시스템(300)을 이용하여 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠과 톨루엔을 분리하였다.

구체적으로, 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 원료 공급라인(110)을 통하여 제1 감압증류탑(CO1)에 도입되어 제1 벤젠 풍부분획과 제1 톨루엔 풍부분획으로 분리되어 제1 벤젠 풍부분획은 제1 벤젠 풍부분획 흐름라인(120)을 통하여 제1 용매추출탑(EX1)로 이송되고, 상기 제1 톨루엔 풍부분획은 제1 톨루엔 풍부분획 흐름라인(130)을 통하여 제2 용매추출탑(EX2)로 이송된다. 제1 용매추출탑(EX1)으로 이송된 제1 벤젠 풍부분획은 제1 추출제 공급라인(140)을 통해 도입된 제1 추출제에 의하여 제1 잔사유와 제2 벤젠 풍부분획으로 다시 분리되고, 제1 잔사유는 제1 잔사유 배출라인 1(R1-1)을 통해 제4 감압증류탑(CO4)로 이송되고, 제2 벤젠 풍부분획은 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인 1(150-1)을 통하여 제1 증류탑(ST1)으로 이송된다. 제4 감압증류탑(CO4)로 이송된 제1 잔사유는 제1 추출제가 제거되어 제1 잔사유 배출라인 2(R1-1)를 통하여 반응계 외부로 배출되고, 제1 추출제는 제1 추출제 환류라인(220)을 통하여 혼합기(M)로 보내진다. 그리고, 제1 증류탑(ST1)으로 이송된 제2 벤젠 풍부분획은 제1 잔사유가 제거되어 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인 2(150-2)를 통하여 제2 감압증류탑(CO2)으로 이송되고, 제거된 제1 잔사유는 제1 잔사유 환류라인(190)을 통하여 제1 용매추출탑(EX1)로 재도입된다. 이송된 제2 벤젠 풍부분획은 제2 감압증류탑(CO2)에서 다시 벤젠 분획과 제1 추출제로 분리되어 벤젠 분획은 벤젠 분획 회수라인(B)에 의하여 회수되고, 제1 추출제는 제1 추출제 배출라인(160)에 의하여 스프리트(SP)로 이송된다. 스프리트(SP)로 이송된 제1 추출제는 제1 분획과 제2 분획으로 분리되어 제1 분획은 제1 분획 환류라인(162)을 통하여 혼합기(M)로 보내져 이후 다시 제1 추출제로 사용되고, 제2 분획은 제2 추출제 공급라인(161)을 통하여 제2 용매추출탑(EX2)로 이송되어 제2 추출제로서 재사용된다. 상제 제1 톨루엔 풍부분획 흐름라인(130)을 통해 제2 용매추출탑(EX2)로 이송된 제1 톨루엔 풍부분획은 상기 제2 추출제에 의하여 제2 톨루엔 풍부분획 및 제2 잔사유로 분리되어, 제2 잔사유는 제2 잔사유 배출라인(R2)를 통하여 반응계 외부로 배출되고, 제2 톨루엔 풍부분획은 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인 1(170-1)을 통하여 제2 증류탑(ST2)로 이송된다. 제2 증류탑(ST2)으로 이송된 제2 톨루엔 풍부분획은 제2 잔사유가 제거된 후 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인 2(170-2)를 통하여 제3 감압증류탑(CO3)로 이송되고, 제거된 제2 잔사유는 제2 잔사유 환류라인(210)을 통하여 제2 용매추출탑(EX2)로 재도입된다. 이후, 제3 감압증류탑(CO3)에서 톨루엔 분획과 제2 추출제로 분리되어, 톨루엔 분획은 톨루엔 분획 회수라인(T)에 의하여 회수되고, 제2 추출제는 제2 추출제 환류라인(180)을 통하여 제1 분획 환류라인으로 이송되어 혼합기(M)로 보내진다. 이때, 원료인 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 혼합물 100 mol% 중 벤젠을 49 mol%, 톨루엔을 20 mol% 함유하고 나머지 잔사유 성분이 포함된 것으로 설정하였다. 또한, 추출제인 이온성 액체는 4-메틸-N-부틸피리디늄 테트라플루오로보레이트로 설정하고, 총 투입량은 159,936 kg/hr로 설정하였다.

비교예

도 1에 나타낸 바와 같은 분리 시스템(100)을 이용하여 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠과 톨루엔을 분리하였다.

구체적으로, 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 원료 공급라인(10)을 통하여 용매추출탑(EX)의 탑저로 이송되어 이온성 액체 공급라인(20)을 통하여 용매추출탑(EX)의 탑정으로 이송된 이온성 액체에 의하여 제1 잔사유와 벤젠 및 톨루엔 혼합 분획으로 분리된다. 분리된 제1 잔사유는 용매추출탑(EX) 탑정에서 제1 잔사유 배출라인 1(R1-1)을 통하여 감압증류탑 3(CO-2)로 이송되고, 벤젠 및 톨루엔 혼합 분획은 이온성 액체와 혼합된 상태로 용매추출탑(EX) 탑저에서 혼합 분획 흐름라인 1(30)을 통하여 감압증류탑 1(CO)로 이송된다. 이후, 감압증류탑 1(CO)에서 이온성 액체와 벤젠 및 톨루엔 혼합 분획이 분리되고, 분리된 벤젠 및 톨루엔 혼합 분획은 혼합 분획 흐름라인 2(40)을 통하여 감압증류탑 2(CO-1)로 이송되어 또 한번의 감압증류 공정을 거쳐 벤젠과 톨루엔이 분리되어 벤젠은 탑정에서 벤젠 배출 라인(B)을 통해 회수되고, 톨루엔은 탑저에서 톨루엔 배출 라인(T)를 통해 회수되며, 이온성 액체는 이온성 액체 환류라인 1(50)을 통하여 혼합기(M)로 이송되어 재사용된다. 또한, 감압증류탑 3(CO-2)로 이송된 제1 잔사유는 잔류하던 이온성 액체와 분리되어 제1 잔사유 배출 라인 2(R1-2)를 통하여 반응계 외부로 배출되고, 잔류하던 이온성 액체는 이온성 액체 환류라인 2(60)를 통하여 혼합기(M)로 이송되어 재사용된다. 이때, 원료인 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 혼합물 100 mol% 중 벤젠을 49 mol%, 톨루엔을 20 mol% 함유하고 나머지 잔사유 성분이 포함된 것으로 설정하였다. 또한, 이온성 액체는 4-메틸-N-부틸피리디늄 테트라플루오로보레이트로 설정하고, 총 투입량은 234,194 kg/hr로 설정하였다.

실험예

상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에서 각각 분리된 벤젠 분획과 톨루엔 분획에서의 벤젠과 톨루엔의 비율 및 총 에너지 요구량을 비교 분석하였으며, 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예
벤젠 분획 내 벤젠비율	90.0 mol%	99.6 mol%	99.5 mol%
톨루엔 분획 내 톨루엔비율	95.3 mol%	99.4 mol%	99.4 mol%
총 이온성 액체 투입량(kg/hr)	155,120	159,936	234,194

상기 표 1에서, 벤젠 분획 내 벤젠비율 및 톨루엔 분획 내 톨루엔 비율은 각각 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 분리된 벤젠과 톨루엔의 순도를 나타내는 것으로, 당업계에 있어서 벤젠과 톨루엔을 각각 90 mol% 이상 함유하는 분획으로 분리하는 것은 쉬운 것이 아니며, 따라서 상기와 같이 벤젠과 톨루엔을 각각 90 mol% 이상 함유하는 분획을 얻는 것은 분리 효율이 우수한 것을 나타내는 것이다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리방법을 통한 실시예 1 및 실시예 2의 경우에는 종래의 이온성 액체를 이용한 분리방법을 통한 비교예와 비교하여 현저히 적은 양의 이온성 액체를 사용하였음에도 불구하고 우수한 분리 효율을 나타내었다.

이는, 본 발명의 일 실시예에 따른 벤젠 및 톨루엔의 분리방법이 종래의 이온성 액체를 사용한 분리방법 대비 현저히 적은 양의 이온성 액체로도 충분히 우수한 분리 효율을 보일 수 있음을 보여주는 것이며, 따라서 이온성 액체 사용 감소에 따른 비용절감으로 인해 경제성이 우수할 수 있음을 의미한다.

100, 200, 300: 분리 시스템
10, 110: 원료 공급라인 20: 이온성 액체 공급라인
30: 혼합 분획 흐름라인 1 40: 혼합 분획 흐름라인 2
50: 이온성 액체 환류라인 1 60: 이온성 액체 환류라인 2
120: 제1 벤젠 풍부분획 흐름라인
130: 제1 톨루엔 풍부분획 흐름라인
140: 제1 추출제 공급라인
150: 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인
150-1: 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인 1
150-2: 제2 벤젠 풍부분획 흐름라인 2
160: 제1 추출제 배출라인 161: 제2 추출제 공급라인
162: 제1 분획 환류라인
170: 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인
170-1: 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인 1
170-2: 제2 톨루엔 풍부분획 흐름라인 2
180: 제2 추출제 환류라인 190: 제1 잔사유 환류라인
210: 제2 잔사유 환류라인 220: 제1 추출제 환류라인
B: 벤젠 분획 회수라인 T: 톨루엔 분획 회수라인
R1: 제1 잔사유 배출라인 R1-1: 제1 잔사유 배출라인 1
R1-2: 제1 잔사유 배출라인 2 R2: 제2 잔사유 배출라인
CO: 감암추출탑 1 CO-1: 감압추출탑 2 CO-2: 감압추출탑 3 CO1:제1 감압증류탑
CO2: 제2 감압증류탑 CO3: 제3 감압증류탑
CO4: 제4 감압증류탑 EX: 용매추출탑
EX1: 제1 용매추출탑 EX2: 제2 용매추출탑
ST1: 제1 증류탑 ST2: 제2 증류탑
SP: 스프리트 M: 혼합기

Claims (20)

1. 방향족 탄화수소 함유 혼합물로부터 벤젠 및 톨루엔을 분리하기 위한 방법에 있어서,
   1) 탄화수소 함유 혼합물을 제1 감압증류하여 제1 벤젠 풍부분획 및 제1 톨루엔 풍부분획으로 분리하는 단계;
   2) 상기 제1 벤젠 풍부분획에 제1 추출제를 투입하고, 제1 용매추출하여 제1 잔사유와 제2 벤젠 풍부분획으로 분리하는 단계;
   3) 상기 제2 벤젠 풍부분획을 제2 감압증류하여 제1 추출제와 벤젠 분획으로 분리하는 단계;
   4) 상기 제1 톨루엔 풍부분획에 제2 추출제를 투입하고, 제2 용매추출하여 제2 잔사유와 제2 톨루엔 풍부분획으로 분리하는 단계; 및
   5) 상기 제2 톨루엔 풍부분획을 제3 감압증류하여 제2 추출제와 톨루엔 분획으로 분리하는 단계를 포함하고,
   상기 단계 3)에서 분리된 제1 추출제는 제1 분획 및 제2 분획으로 분리되어 제2 분획은 순환시켜 단계 4)의 제2 추출제로서 재사용되는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 방향족 탄화수소 함유 혼합물은 벤젠, 톨루엔 및 잔사유를 포함하는 것이고,
   상기 벤젠을 40 mol% 내지 60 mol%로 포함하고, 톨루엔을 20 mol% 내지 40 mol%로 포함하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 감압증류는 0.5 bar 이상 1.0 bar 이하의 압력조건 하에서 수행하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 벤젠 풍부분획은 벤젠을 62 mol% 이상, 톨루엔을 1 mol% 미만으로 포함하고,
   1 bar의 압력 조건하 80℃ 내지 100℃의 온도범위에서 끓는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 톨루엔 풍부분획은 톨루엔을 88 mol% 이상, 벤젠을 1 mol% 미만으로 포함하고,
   1.2 bar의 압력 조건하 90℃ 내지 120℃의 온도범위에서 끓는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 2)에서 제1 추출제는 제1 벤젠 풍부분획 대 제1 추출제의 질량비가 1:4 내지 1:5가 되도록 첨가하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 5)에서 제2 추출제는 제1 톨루엔 풍부분획 대 제2 추출제의 질량비가 1:6 내지 1:9가 되도록 첨가하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 감압증류는 0.08 bar이하의 압력 조건 하에서 수행하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 제3 감압증류는 0.08 bar 이하의 압력 조건 하에서 수행하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 분획 및 단계 5)에서 분리된 제2 추출제는 재순환되어 단계 2)에서 제1 추출제로 재사용되는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
    
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 벤젠 분획은 벤젠을 99.9 mol% 이상으로 포함하는 것이고, 톨루엔 분획은 톨루엔을 99.4 mol% 이상으로 포함하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
    
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 2) 이후, 단계 3) 이전에 제2 벤젠 풍부분획을 제1 증류시키는 단계를 더 포함하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
    
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 4) 이후, 단계 5) 이전에 제2 톨루엔 풍부분획을 제2 증류시키는 단계를 더 포함하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
    
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 2)에서 분리된 제1 잔사유를 제4 감압증류하는 단계를 더 포함하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
    
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제4 감압증류는 0.08bar 이하의 압력 조건 하에서 수행하는 것인 벤젠 및 톨루엔의 분리방법.
    
16. 방향족 탄화수소 함유 혼합물을 공급하는 원료 공급라인이 구비되어 있는 공급부;
    상기 공급부와 연결되고 제1 감압증류탑이 구비된 예비증류부; 및
    상기 예비증류부와 연결되고, 제1 추출제 공급부, 벤젠 분리부 및 톨루엔 분리부를 포함하는 처리부를 포함하고,
    상기 벤젠 분리부는 상기 제1 감압증류탑의 탑정과 연결되고, 제1 용매추출탑과 제2 감압증류탑이 순차적으로 구비되어 있는 것이고,
    상기 톨루엔 분리부는 제1 감압증류탑의 탑저와 연결되고, 제2 용매추출탑과 제3 감압증류탑이 순차적으로 구비되어있는 것이며,
    상기 제1 추출제 공급부는 혼합기 및 제1 추출제 공급라인을 포함하고, 상기 제1 추출제 공급라인은 상기 혼합기에서 제1 용매추출탑의 탑정으로 연결되며, 제1 추출제는 제1 추출제 공급라인을 통하여 혼합기에서 제1 용매추출탑으로 이송되고,
    상기 제2 감압증류탑과 제2 용매추출탑은 추출제 순환부에 의하여 연결되어있는 것이고,
    상기 추출제 순환부는 제1 추출제 배출라인, 제2 추출제 공급라인 및 스트리트를 포함하고, 상기 제1 추출제 배출라인은 제2 갑압증류탑 탑저에서 스트리트로 연결되고, 상기 제2 추출제 공급라인은 스트리트에서 제2 용매추출탑 탑정으로 연결되어 있는 것인 청구항 1에 기재된 분리방법을 수행하기 위한 분리 시스템.
    
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 추출제 순환부는 제1 분획 환류라인을 포함하고,
    상기 제1 분획 환류라인은 스프리트에서 제1 추출제 공급부로 연결되어 있는 것인 분리 시스템.
    
18. 청구항 16에 있어서,
    상기 원료 공급라인은 제1 감압증류탑의 탑저에서 탑정까지의 전체 높이 중 탑저에서부터 45% 내지 55%인 위치에 연결되어 있는 것인 분리 시스템.
    
19. 청구항 16에 있어서,
    상기 벤젠 분리부는 제1 용매추출탑과 제2 감압증류탑 사이에 제1 증류탑을더 구비하고 있는 것인 분리 시스템.
    
20. 청구항 16에 있어서,
    상기 톨루엔 분리부는 제2 용매추출탑과 제3 감압증류탑 사이에 제2 증류탑을 더 구비하고 있는 것인 분리 시스템.

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