KR102091670B1 - 열적 결합에 의해 에너지 소모를 감소시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열적 결합을 사용함으로써 증류 공정에서의 에너지 소모를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은 제1 칼럼의 예비 분별 섹션에 사이드 리보일러와 분축기를 포함하여, 제1 칼럼과 제2 칼럼 사이에 기-액 트래픽을 균일하게 분산시키는 것에 관한 것이다.

Description

열적 결합에 의해 에너지 소모를 감소시키는 방법{A METHOD FOR REDUCING ENERGY CONSUMPTION BY THERMAL COUPLING}

이 출원은 2013년 2월 11에 출원된 미국 가특허 출원 제61/763,326호의 우선권을 35 U.S.C. § 119(e)에 따라 주장하며, 이 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 편입된다.

본 발명은 열적 결합을 사용함으로써 증류 공정에서의 에너지 소모를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은 제1 칼럼의 예비 분별 섹션에 사이드 리보일러와 분축기(partial condenser)를 포함하여, 제1 칼럼과 제2 컬럼 사이에 기-액 트래픽을 균일하게 분산시키는 것에 관한 것이다.

증류는 화학, 석유화학, 정제 및 관련 산업에서 사용되는 가장 일반적인 분리 공정이다. 이러한 증류는 리보일러 및 응축기와 각각 관련된 가열 및 냉각 단계로 인해 다량의 에너지를 소비한다. 산업적 공정에서의 주된 간접비는 원료 비용, 에너지 비용과 노동 비용을 포함하는 운영 비용에서 온다. 이것은 사회적 뿐만 아니라 경제적 관점에서 에너지 비용을 저감하는 것이 바람직하다.

에너지와 자본 지출의 상당한 감소를 제공할 수 있는 복합 증류 구성이 존재한다. 이러한 옵션들은 분할 벽 칼럼들 및 열적으로 결합된 칼럼들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

열적으로 결합된 칼럼들은 20~30% 더 적은 에너지를 필요로 하지만, 이 칼럼들을 상업적으로 설치하기에 비효율적인 심각한 단점이 있다. 예를 들면, 열적으로 결합된 배열들은 증류 시퀀스의 다른 칼럼들 사이에 양방향 증기/액체의 흐름을 설정함으로써 실현된다. 열적 결합의 단점들 중 하나는 칼럼 내의 비균일 기-액 트래픽이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 칼럼의 상부 및 하부 섹션에서는 높은 기-액 트래픽을 보이는 반면, 칼럼의 예비 분별 섹션 및 주 섹션에서는 낮은 기-액 트래픽을 보인다. 높은 트래픽은 칼럼 용량에 제한을 주게 되며, 많은 경우에 기존의 칼럼 쉘들을 이용할 수 없다.

이에 따라, 뛰어난 에너지 절약성을 가지면서, 동시에 칼럼 내에 균일한 기-액 트래픽을 갖는 열적 결합 시스템을 개발하고 구현하는 것이 필요하다.

본 발명의 일 실시예는 제1 증류칼럼과 제2 증류칼럼을 포함하는 증류 시스템으로서, 상기 시스템은 열적 결합을 통해 벤젠, 톨루엔 및 크실렌을 분리하기 위해 사용된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 증류칼럼의 예비 분별 섹션은 분축기 및 사이드 리보일러를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 열적 결합의 장점은 벤젠-톨루엔 증류 시퀀스에 사용되는 것이다.

도 1은 종래 기술의 증류 공정 및 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열적 공정을 도시한다.

본 발명의 일 실시예는 제1 증류칼럼과 제2 증류칼럼을 포함하는 증류 시스템으로서, 상기 시스템은 열적 결합을 통해 벤젠, 톨루엔 및 크실렌을 분리하기 위해 사용된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 증류칼럼의 예비 분별 섹션(prefractionation section)은 분축기를 포함한다.

본 발명의 특정 실시예들에 있어서, 분축기는 높은 응축 온도를 가지며, 저압 (LLP) 스팀을 생성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 분축기는 예비 분별 섹션 오버헤드 내에 스팀 생성 능력을 제공한다. 이 오버헤드 증기(overhead vapor)는 제2 증류칼럼의 상부 섹션에 대한 원료(feed)의 역할을 한다.

본 발명의 특정 실시예들에 있어서, 사이드 리보일러(side reboiler)는 제1 증류칼럼의 예비 분별 섹션에 연결되어 있다. 본 발명의 특정 실시예들에 있어서, 제1 증류칼럼의 예비 분별 섹션은 증기 사이드 드로우(vapor side draw)를 갖는다. 이 증기 사이드 드로우는 제2 증류칼럼의 주 섹션에 대한 원료의 역할을 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 증류칼럼의 주 섹션은 리보일러를 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 이 리보일러는 폐열 회수 리보일러이다. 제2 증류칼럼의 주 섹션의 리보일러는 저온 열을 사용한다. 리보일러는 전체 스팀 소모를 줄이고, 스팀 응축물로부터 회수된 플래시 스팀(flash steam)을 사용할 수 있다.

본 발명의 특정 실시예들에 있어서, 제1 증류칼럼의 예비 분별 섹션의 증기 사이드 드로우는 또한 제2 증류칼럼의 주 섹션의 리보일러 내로 공급된다. 따라서, 리보일러는 제1 증류칼럼으로부터 흐르는 증기 공급의 임의의 변동을 흡수함으로써 제2 증류칼럼의 동작을 안정화시킨다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 예비 분별 섹션의 사이드 리보일러 및 분축기의 사용의 추가는 2개의 칼럼 내에 기-액 트래픽(vapor liquid traffic)을 균일하게 분산시키는 데 도움이 된다. 또한, 사이드 리보일러와 분축기의 추가는 플랜트 용량을 증가시키고 에너지 소모를 감소시킨다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 열적 결합 방식의 장점은 벤젠-톨루엔 증류 시퀀스에 사용되는 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 방향족 원료(10)는 흐름 제어되고, 특정 실시예들에서 톨루엔 증류칼럼으로서 지정되는 제1 칼럼(100)으로 보내진다. 제1 칼럼 오버헤드 증기들은 분축기(102)에서 부분적으로 응축된다. 응축된 액체는 제1 칼럼 오버헤드 리시버(104) 내에 수집된다. 제1 칼럼 오버헤드 리시버(104)로부터의 오버헤드 응축 액체는 환류액으로서 제1 칼럼(100)으로 다시 보내진다. 오버헤드 리시버로부터의 미응축 증기 스트림(106)은 특정 실시예들에서 벤젠 증류칼럼으로서 지정되는 제2 칼럼(200)으로 보내진다. 따라서, 제1 칼럼 오버헤드 압력은 제2 칼럼 압력에 플로트(float)된다.

본 발명의 특정 실시예들에 있어서, 제1 칼럼(100)은 하부 리보일러(108)를 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 하부 리보일러(108)는 가열 매체로서 스팀을 사용하는 스팀 리보일러이다. 제1 칼럼의 하부 리보일러(108)로의 열 입력은 상기 제1 칼럼의 하부 트레이 온도에 종속된 스팀/응축물 흐름을 제어함으로써 조절된다. 따라서, 제1 칼럼(100)의 하부 온도가 제어된다.

본 발명의 특정 실시예들에 있어서, 제1 칼럼 사이드 리보일러(110)는 스팀 가열 매체를 사용하는 스팀 리보일러이다. 제1 칼럼 사이드 리보일러(110)로의 열 입력은 응축물 흐름을 제어함으로써 조절된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 칼럼(100) 내의 열적 결합 효과는 하기의 3개의 스트림 사이의 상호작용에 의해 생성된다:

a. 제1 칼럼의 예비 분별 섹션(114)으로부터의 증기 사이드 드로우(112)는 제2 칼럼(200)의 하부 섹션(202)으로 보내지며, 증기 사이드 드로우(112) 스트림은 흐름 제어된다.

b. 제2 칼럼(200)으로부터의 하부 액체(204)는 제1 칼럼(100)의 예비 분별 섹션(114)으로 다시 보내지며, 하부 액체(204) 스트림은 제2 칼럼 하부의 레벨 제어에 종속되어 흐름 제어된다.

c. 제1 칼럼 오버헤드 리시버(104)로부터의 오버헤드 증기는 제2 칼럼(200)의 상부 섹션(206)으로 보내진다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 칼럼(200)에는 2개의 원료 스트림이 제공된다. 제1 원료 스트림은 제1 칼럼(100)의 오버헤드 리시버(104)로부터의 증기 스트림이다. 제2 칼럼에 대한 제2 원료 스트림은 제1 증류칼럼(100)의 예비 분별 섹션(114)으로부터의 증기 스트림이다. 제2 칼럼(200)의 압력은 제2 칼럼 오버헤드 리시버(208)의 압력을 제어함으로써 유지된다. 제2 칼럼 오버헤드 리시버(208)로부터의 액체는 환류액으로서 제2 칼럼(200)의 상부 섹션(206)으로 다시 보내진다. 이 스트림은 제2 칼럼 오버헤드 리시버(208)의 레벨 제어에 종속되어 흐름 제어된다.

본 발명의 특정 실시예들에 있어서, 고순도 벤젠 생성물은 제2 칼럼(200)의 상부(206) 가까이에서 액체 사이드 드로우(210)로서 배출된다. 벤젠 생성물 순도는 제2 칼럼(200)의 상부 섹션(206)의 2개의 트레이 사이의 차온 제어장치에 종속된 벤젠 생성물의 흐름을 제어함으로써 유지된다.

본 발명의 특정 실시예들에 있어서, 고순도 톨루엔 생성물은 제2 칼럼(200)의 하부(202) 가까이에서 제2 칼럼(200)의 액체 사이드 드로우로서 배출된다. 톨루엔 생성물 순도는 제2 칼럼(200)의 하부 트레이에 가까운 트레이의 온도를 유지시키는 온도 제어장치에 종속된 톨루엔 생성물의 흐름을 제어함으로써 유지된다.

본 발명의 특정 실시예에 있어서, 제2 칼럼 리보일러(212)의 듀티(duty)는 이 리보일러(212)에 대한 가열 매체의 흐름을 제어함으로써 제어된다.

본 발명의 전체 관점들은 열적 결합 공정을 사용하여 증류 공정의 에너지 효율을 증가시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 얻은 지식으로 당업자들은 다양한 변경들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에 기술된 방법으로 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 이론적인 또는 관찰된 현상 또는 결과들을 설명하기 위해 사용된 메커니즘은 단지 예시적인 것으로 해석되어야 하며, 청구항들의 범위를 어떤 식으로든 제한하는 것은 아니다.

Claims (9)

1. 증류 시스템으로서,
   제1 증류칼럼(100) 및 제2 증류칼럼(200);
   상기 제1 증류칼럼(100) 및 상기 제2 증류칼럼(200)과 유체 연통하는 제1 오버헤드 리시버(104); 및
   상기 제1 증류칼럼의 예비 분별 섹션(prefractionation section)(114)과 그리고 상기 제2 증류칼럼의 하부 섹션(202) 및 리보일러(reboiler)(212)와 유체 연통하는 증기 사이드 드로우(vapor side draw)(112)를 포함하고,
   상기 제2 증류칼럼(200)의 리보일러(212)는 상기 제2 증류칼럼의 주(main) 섹션과 유체 연통하는, 증류 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 증류칼럼의 예비 분별 섹션은 분축기(102)와 유체 연통하는, 증류 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 오버헤드 리시버(104)는 응축된 액체를 상기 제1 증류칼럼(100)으로 다시 공급하는 제1 배출구를 포함하고, 또한 응축되지 않은 증기(106)를 상기 제2 증류칼럼(200)에 공급하는 제2 배출구를 포함하는, 증류 시스템.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 증류칼럼(100)의 상기 예비 분별 섹션(114)과 유체 연통하는 사이드 리보일러(110)를 더 포함하는 증류 시스템.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 증류칼럼(200)의 리보일러(212)는 특정 온도 범위의 열에서 작동하는, 증류 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 증류칼럼(200)과 유체 연통하는 제2 오버헤드 리시버(208)를 더 포함하는 증류 시스템.

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