KR102349518B1 - 액상 프로판의 기화 방법 및 이에 사용되는 기화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 액상 프로판을 나프타 크래킹 반응기에 원료로 공급하기 위하여 액상 프로판을 기화하는 방법에 있어서, 종래의 방식보다 액상 프로판의 압력을 훨씬 더 낮은 압력으로 감압하는 것이 가능하여 액상 프로판에 포함된 모든 증발 잠열 또는 기화열을 냉매로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 나프타 크래킹 반응기로의 공급되기 전 예열 공정에서 소모되는 열에너지 또한 절감시킬 수 있다.

Description

액상 프로판의 기화 방법 및 이에 사용되는 기화 장치{A PROCESS FOR VAPORIZING LIQUID PROPANE AND A VAPORIZING SYSTEM USED THEREFOR}
본 출원은 2017.11.24. 출원된 한국특허출원 10-2017-0158631호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 나프타 크래커의 원료로 액상 프로판을 사용하는 경우 이를 기화하여 공급하는 공정에 관한 것이고, 보다 상세하게는 액상 프로판의 기화 공정에서 발생하는 기화열을 보다 효율적으로 사용하기 위한 방법에 관한 것이다.
나프타 크래커는 주로 나프타를 고온에서 스팀과 함께 주입하여 1000℃ 이상의 열을 가해 탄소고리를 끊는 방법으로 에틸렌과 프로필렌, 그리고 부타디엔, BTX 등의 부산물을 생산한다. 셰일가스의 대두와 함께 나프타 대신 에틸렌 생산 원료가 될 수 있는 물질, 즉 에탄, 프로판, 부탄 등의 가격 하락으로 기존 나프타 크래커에서 이들 가스를 원료로 혼용하여 사용하는 경우가 많으며, 신규 설비의 경우 이들 가스를 원료로 설계되는 경우 역시 많다.
나프타 크래커는 제품의 정제를 위한 저온의 냉매 수요처가 매우 많다. 가령 에틸렌 정제탑에서는 -40℃의 냉매의 소비량이 40 Gcal/hr를 넘어서며, 탈에탄탑이나 탈메탄탑에서도 상당량의 냉매를 필요로 한다.
반면, 프로판 등의 가스 원료는 액체 상태로 보관하다가 반응기에 주입하기 전에 기화시키는데, 이 때 스팀이나 고온수와 같은 열원을 소비한다. 이 가스 원료를 상기 냉매 수요처와 열교환시켜 활용한다면, 상기 열원과 상기 냉매를 모두 절감하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 액상 프로판을 나프타 크래킹 원료로 사용함에 있어서 액상 프로판의 기화열을 냉매로 효율적으로 활용할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 방법에 사용되는 액상 프로판의 기화 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해, 나프타 크래킹 반응기에 원료로 주입하기 위하여 액상 프로판을 기화시키는 방법에 있어서,
S1) 액상 프로판을 감압하여 기화점을 낮추어 액상 프로판의 적어도 일부를 기화시키는 단계;
S2) 상기 액상 프로판의 기화에 의한 기화열을 냉매로 이용하는 단계;
S3) 상기 기화된 프로판을 압축하여 가스의 압력을 높이는 단계; 및
S4) 상기 압축된 프로판 가스를 예열하는 단계를 포함하는, 액상 프로판의 기화 방법을 제공한다.
일 실시 양태에 따르면, 상기 감압 단계 S1)에서 액상 프로판의 압력을 7 kg/cm2G 이하로 감압시키고, 상기 단계 S2)에서 액상 프로판에 의한 기화열을 이용하여 20℃ 미만의 냉매로 사용할 수 있다.
다른 실시 양태에 따르면, 상기 감압 단계 S1)에서 액상 프로판의 압력을 1 kg/cm2G 이하로 감압시키고, 상기 단계 S2)에서 액상 프로판에 의한 기화열을 이용하여 -20℃ 이하의 냉매로 사용할 수 있다.
일 실시 양태에 따르면, 상기 단계 S2)에서 액상 프로판의 감압에 의한 기화열을 이용한 냉매의 활용량이 프로판 1 ton/hr 당 0.05 Gcal/hr 이상일 수 있다.
일 실시 양태에 따르면, 상기 단계 S3)에서 프로판 가스는 7 kg/cm2G 이상의 압력으로 압축되는 것일 수 있다.
일 실시 양태에 따르면, 상기 단계 S3)에서 프로판 가스의 압축을 위한 샤프트워크(Shaftwork)가 프로판 1 ton/hr 당 1 kW 내지 50 kW 일 수 있다.
일 실시 양태에 따르면, 상기 단계 S4)에서 압축된 프로판 가스의 예열을 위해 소모되는 스팀의 소모량이 프로판 1 ton/hr 당 0.08 Gcal/hr 이하일 수 있다.
일 실시 양태에 따르면, 상기 단계 S3)에서 압축된 프로판 가스는 단계 S4) 에서 100℃ 이상의 온도로 예열되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여,
액상 프로판을 기화시켜 나프타 크래킹 반응기에 주입하기 위한 기화 장치에 있어서,
액상 프로판을 감압하여 기화점을 낮추어 액상의 프로판의 적어도 일부를 기화시키는 감압장치;
상기 액상 프로판의 기화에 의한 기화열을 활용하기 위한 열교환기;
상기 감압된 프로판 가스를 압축시키는 압축기; 및
상기 압축된 가스를 예열시키는 예열장치를 구비하는 액상 프로판의 기화 장치를 제공한다.
일 실시 양태에 따르면, 상기 예열장치가 스팀(Steam)을 열원으로 사용하는 것일 수 있다.
본 발명은, 액상 프로판을 기화시켜 나프타 크래킹 반응기에 원료로 공급하기 위한 공정에 있어서, 감압된 프로판 가스의 압축 공정을 구비함으로써 감압된 프로판 가스의 흐름성을 유지할 수 있기 때문에 감압 압력을 크게 낮출 수 있어 기화열을 보다 효과적으로 사용할 수 있다. 뿐만 아니라, 나프타 크래킹 반응기로 원료 공급 전단의 예열 공정에서 프로판 가스의 추가적인 기화 및 예열을 위해 소모되는 열에너지 또한 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래에 사용되는 액상 프로판의 기화 공정을 간략하게 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 액상 프로판의 기화 공정을 간략하게 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
액상 프로판(C3 LPG)은 이송 및 저장 시 액상의 상태로 공급되기 때문에, 나프타 크래킹 반응기에 들어가기 전 기화 과정을 거쳐 인입된다.
이때, 액상 프로판은 기화 온도가 낮기 때문에 일부는 냉매로서 활용될 수 있으나, 도 1에 도시된 것과 같은 기존의 공정에서는 반응기에 투입되기 위한 흐름성을 유지하기 위해 압력을 많이 낮추지 못하였다. 기존 공정에서는 액상 프로판(C3LPG)의 압력을 9.8→8.3 kg/cm2G 정도로 감압시키는 수준으로 기화점을 낮추어 사용하는데, 이 경우에는 감압의 정도가 낮아 21℃ 수준 냉매로 활용될 수 있는 정도이고, 상온과의 온도 차가 적어 냉매로서의 가치가 낮다. 따라서, 냉매로서 충분히 활용되지 못하고, 상당 부분은 스팀(Steam)이나 고온수 등의 열원으로 추가적으로 기화시키는 방법을 사용하여 왔다.
본 발명은, 이러한 종래의 문제를 해결하기 위해,
S1) 액상 프로판을 감압하여 기화점을 낮추어 액상 프로판의 적어도 일부를 기화시키는 단계;
S2) 상기 액상 프로판의 기화에 의한 기화열을 냉매로 이용하는 단계;
S3) 상기 기화된 프로판을 압축하여 가스의 압력을 높이는 단계; 및
S4) 상기 압축된 프로판 가스를 예열하는 단계를 포함하는, 액상 프로판의 기화 방법을 제공한다.
즉, 액상 프로판의 기화 공정에서 압력을 충분히 낮추지 못하여 기화 공정에서 발생하는 기화열을 효율적으로 사용하지 못하였던 문제를 해결하기 위해, 감압 공정 이후 콤프레셔(compressor)와 같은 압축기를 이용하는 압축 공정을 구비함으로써, 감압된 가스의 흐름성을 조절할 수 있도록 하였다. 이로 인해 감압 공정에서 액상 프로판의 기화점을 충분히 낮출 수 있는 수준으로 감압시킬 수 있어 액상 프로판의 기화열을 이용하여 냉매로서의 활용량을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한, 냉매로 사용되는 과정에서 기화에 필요한 열을 외부에서 전달받을 뿐 아니라, 압축 공정을 통해 프로판 가스의 온도가 상승되므로 나프타 크래킹 반응기로 공급되기 전 예열공정에서 소모되는 열에너지의 소모량 또한 현저히 감소시킬 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 다양한 실시예를 도시한다.
일 실시예에 따르면, 상기 감압 단계에서 액상 프로판의 압력을 7 kg/cm2G 이하로 감소할 수 있으며, 상기 감압되는 압력의 크기는 상기 기화열을 사용하는 냉각온도 등의 조건에 따라 조절될 수 있다.
이러한 감압 공정에서 발생되는 기화열을 이용한 냉매는 20℃ 미만의 냉매로 사용될 수 있으며, 예를 들면, 상온과 10℃ 이상의 차이의 냉각을 위한 냉매로서 사용이 가능하며, 감압 정도에 따라 0℃ 이하의 냉각온도를 위한 냉매로도 사용이 가능하다.
예를 들어, 도 2의 공정에 따르면, 상기 감압 단계 S1)에서 액상 프로판의 압력을 7 kg/cm2G 이하, 예를 들어 5 kg/cm2G 내지 6.8 kg/cm2G 로 감압시키고, 상기 단계 S2)에서 액상 프로판에 의한 기화열을 이용하여 20℃ 미만, 예를 들어 10 내지 18℃의 냉매로 사용할 수 있다.
또한 도 3의 공정에 따르면, 상기 감압 단계 S1)에서 액상 프로판의 압력을 1kg/cm2G 이하, 예를 들어 0.3 kg/cm2G 내지 0.8 kg/cm2G 로 감압시키고, 상기 단계 S2)에서 액상 프로판에 의한 기화열을 이용하여 -20℃ 이하, 예를 들어 -25℃ 내지 -30℃의 냉매로 사용할 수 있다.
예를 들면, 상기 기화열은 열교환기를 통해 에틸렌 정제탑, 탈메탄탑, 탈에탄탑과 같은 반응기 추출물 혹은 증류탑 원료의 냉각(Prechilling), 증류탑의 콘덴서 등에 냉매로 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 감압공정에서 발생되는 기화열을 이용한 냉매의 활용량은 프로판 1 ton/hr 당 0.05 Gcal/hr 이상일 수 있으며, 바람직하게는 프로판 1 ton/hr 당 0.07 Gcal/hr 이상, 보다 바람직하게는 프로판 1 ton/hr 당 0.08 Gcal/hr 이상일 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면, 상기 감압된 프로판 가스의 흐름성 유지를 위해 콤프레셔와 같은 압축기를 사용하여 압축될 수 있다. 이때, 압축기를 이용한 프로판 가스의 압축을 위해 프로판 1 ton/hr 당 1kW 내지 50 kW의 샤프트워크(Shaftwork)를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 프로판 1 ton/hr 당 3 kW 이상 35 kW 이하의 샤프트워크가 사용될 수 있다.
또한 압축공정을 통해 프로판 가스의 압력은 통상 7 내지 8 kg/cm2G의 압력으로 압축되거나 혹은 후단 공정의 압력에 따라 4 내지 10 kg/cm2G의 압력으로 압축될 수 있으며, 온도는 8 ℃ 내지 100℃ 가량 상승할 수 있다.
상기 조건으로 압축된 프로판 가스는 현저히 낮은 압력으로 감압시킬 수 있어 액상 프로판이 충분히 기화될 수 있고, 또한 압축 공정을 통해 온도가 상승하여 예열 공정에 사용되는 열에너지 소모량을 저감시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 압축된 프로판 가스는 예열 공정을 거쳐 나프타 크래킹 반응기에 투입될 수 있다. 이때, 예열을 위해 소모되는 열원의 열에너지 소모량은 프로판 1 ton/hr 당 0.05 Gcal/hr 이하일 수 있다. 기존에는 감압되는 압력이 충분히 낮지 않아 열원을 통해 추가적으로 기화를 시켜주어 열에너지 소모량이 프로판 1 ton/hr 당 0.09 Gcal/hr 이상으로 높았다. 반면, 본 발명은 기존의 감압 공정에 비해 현저히 낮은 압력으로 감압시킬 수 있어 액상 프로판이 충분히 기화될 수 있고, 또한 압축 공정을 통해 온도가 상승하여 예열 공정에 사용되는 열에너지 소모량을 저감시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 기화방법을 사용하기 위한 기화 장치를 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 기화 장치는,
액상 프로판을 기화시켜 나프타 크래킹 반응기에 주입하기 위한 기화 장치에 있어서,
액상 프로판을 감압하여 기화점을 낮추어 액상의 프로판의 적어도 일부를 기화시키는 감압 장치;
상기 액상 프로판의 기화에 의한 기화열을 활용하기 위한 열교환기;
상기 감압된 프로판 가스를 압축시키는 압축기; 및
상기 압축된 가스를 예열시키는 예열장치를 구비한다.
일 실시예에 따르면, 상기 예열장치가 스팀(steam), 고온수, 전기히터 등을 열원으로 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 바람직하게는 스팀을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
<비교예 1>
도 1에 도시된 프로판 기화공정을 사용하여 프로판을 기화시켰다.
도 1에 도시된 공정의 각 유닛에서의 온도, 압력 및 유량을 표 1에 나타내었다. 이하에서 부호는 다음을 의미한다.
C3LPG: 액상 프로판
C3VAP: 기상 프로판
PRC: 프로필렌 냉매 컴프레서 (Propylene Refrigerant Compressor)
PR: 프로필렌 냉매 (Propylene Refrigerant)
L, M, 1, 2 등은 라인 부호이다.
Figure 112018086133284-pat00001
<실시예 1>
도 2에 도시된 프로판 기화공정을 사용하여 액상 프로판을 기화시켰다.
감압에 의한 기화열을 이용하여 15.2℃의 냉매로서 활용하였으며, 상기 기화 공정에 사용된 유닛의 온도, 압력, 프로판 유량 등을 표 2에 나타내었다.
Figure 112018086133284-pat00002
<실시예 2>
도 3에 도시된 프로판 기화공정을 사용하여 액상 프로판을 기화시켰다.
감압에 의한 기화열을 이용하여 -27℃의 냉매로서 활용하였으며, 상기 기화 공정에 사용된 유닛의 온도, 압력, 프로판 유량 등을 표 3에 나타내었다.
Figure 112018086133284-pat00003
표 4는 비교예 1 및 실시예 1과 2의 공정에 따른 냉매 온도, 냉매 활용량, 스팀 소모량 및 콤프레셔 샤프트워크를 비교한 것이다.
Figure 112018086133284-pat00004
상기 표 4의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따르면 압축 단계(S3)에서 콤프레셔와 같은 압축 수단을 사용하여 감압된 프로판 가스의 흐름성을 유지시켜 줄 수 있기 때문에 감압 단계(S1)에서 충분한 감압이 가능하다. 그로 인해 액상 프로판의 감압 공정을 통한 기화에 있어서 기화점을 현저히 낮추어 기화열의 활용도를 현저히 향상시킬 수 있다.
또한, 스팀에 의한 예열 단계(S4)에서 추가적인 기화를 위한 열에너지의 소모가 감소됨으로 스팀 소모량 또한 기존 방법(비교예 1)에 비해 절반 이상 감소됨을 알 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 나프타 크래킹 반응기에 원료로 주입하기 위하여 액상 프로판을 기화시키는 방법에 있어서,
    S1) 액상 프로판을 감압하여 기화점을 낮추어 액상 프로판의 적어도 일부를 기화시키는 단계;
    S2) 상기 액상 프로판의 기화에 의한 기화열을 냉매로 이용하는 단계;
    S3) 상기 기화된 프로판을 압축하여 가스의 압력을 높이는 단계; 및
    S4) 상기 압축된 프로판 가스를 예열하는 단계를 포함하는, 액상 프로판의 기화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감압 단계 S1)에서 액상 프로판의 압력을 7 kg/cm2G 이하로 감압시키고, 상기 단계 S2)에서 액상 프로판에 의한 기화열을 이용하여 20℃ 미만의 냉매로 사용하는 것인 액상 프로판의 기화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 감압 단계 S1)에서 액상 프로판의 압력을 1 kg/cm2G 이하로 감압시키고, 상기 단계 S2)에서 액상 프로판에 의한 기화열을 이용하여 -20℃ 이하의 냉매로 사용하는 것인 액상 프로판의 기화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 S2)에서 액상 프로판의 감압에 의한 기화열을 이용한 냉매의 활용량이 프로판 1 ton/hr 당 0.05 Gcal/hr 이상인, 액상 프로판의 기화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 S3)에서 프로판 가스는 7 kg/cm2G 이상의 압력으로 압축되는 것인 액상 프로판의 기화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 S3)에서 프로판 가스의 압축을 위한 샤프트워크(shaftwork)가 프로판 1ton/hr 당 1 kW 내지 50 kW인 액상 프로판의 기화 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 S4)에서 압축된 프로판 가스의 예열을 위해 소모되는 스팀의 소모량이 프로판 1ton/hr 당 0.08 Gcal/hr 이하인 액상 프로판의 기화 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 S3)에서 압축된 프로판 가스는 단계 S4) 에서 100℃ 이상의 온도로 예열되는 것인 액상 프로판의 기화 방법.
  9. 액상 프로판을 기화시켜 나프타 크래킹 반응기에 주입하기 위한 기화 장치에 있어서,
    액상 프로판을 감압하여 기화점을 낮추어 액상의 프로판의 적어도 일부를 기화시키는 감압장치;
    상기 액상 프로판의 기화에 의한 기화열을 활용하기 위한 열교환기;
    상기 감압된 프로판 가스를 압축시키는 압축기; 및
    상기 압축된 가스를 예열시키는 예열장치를 구비하는 액상 프로판의 기화 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 예열장치가 스팀(steam)을 열원으로 사용하는 것인 액상 프로판의 기화 장치.
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