KR102531934B1 - 유체가 유동하는 3개 또는 복수의 순차적 셀을 갖는 칼럼을 포함하는 증류 장치 및 상기 증류 장치를 사용하는 증류 또는 추출 증류 방법 - Google Patents

유체가 유동하는 3개 또는 복수의 순차적 셀을 갖는 칼럼을 포함하는 증류 장치 및 상기 증류 장치를 사용하는 증류 또는 추출 증류 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 공급물 스트림(1)을 상부 생성물 스트림(2), 저부 생성물 스트림(3) 및 임의로 1개 이상의 측부 추출 스트림으로 분리하기 위한 칼럼(K)을 포함하는 증류 장치에 관한 것으로, 액체가 유동하는 3개 이상의 순차적 셀(I, II, III)로서, 마지막 셀로부터의 액체를 제외한, 셀을 통해 유동하는 액체를 증발기 단에서 다단계 가열 및 부분-증발시키기 위한 3개 이상의 순차적 셀(I, II, III)을 가지며, 여기서 적어도 제1 셀은 칼럼(K)의 저부에 통합된 것인, 증류 장치에 관한 것이다.

Description

유체가 유동하는 3개 또는 복수의 순차적 셀을 갖는 칼럼을 포함하는 증류 장치 및 상기 증류 장치를 사용하는 증류 또는 추출 증류 방법
본 발명은 3개 이상의 순차적 액체-횡단 셀을 갖는 칼럼을 포함하는 증류 장치 및 상기 증류 장치를 사용하는 증류 또는 추출 증류 방법에 관한 것이다.
물질 혼합물을 증류, 특히 추출 증류를 통해 분별하기 위한 산업적 대규모 공정은 종종 매우 에너지 집약적이다. 그러므로 공지된 설비에서 저부 액체는, 특히 순차적으로 연결된 증발기에서, 종종 다단계 가열에 적용된다. 이로 인해 각 경우에 2상 액체/증기 혼합물이 형성되고, 이것은 1개의 증발기 단으로부터 이후의 증발기 단으로 이송되는 동안에 균일하게 분배되어야 한다. 이는 단순하게는 개별 증발기 단들을 수직으로 서로 상하로 배열함으로써 달성될 수 있는데, 이는 이러한 조치가 없이도 이미 비교적 높은 칼럼을 더욱더 높게 만들어야 하므로 상응하는 제조상 난관, 특히 안정성 문제, 및 이러한 난관을 극복하기 위한 상응하는 비용이 초래된다는 단점이 있기는 하다.
전술된 문제는 순차적 횡단 증발기 단의 수평 배열에 의해 회피될 수 있지만, 이러한 배열은 1개의 증발기 단으로부터의 2상 혼합물이 이후의 증발기 단에 들어갈 때 직면하는 분배 문제 때문에 불리하다.
따라서 본 발명의 목적은, 전술된 문제를 갖지 않고 더욱이 개별 증발기 단을 위해 기존의 에너지원을 가능한 한 적절하게 관류식(recuperative) 방식으로 활용하여 자본 및 에너지 비용을 절약할 수 있게 하는, 특히 산업적 대규모 공정을 위한, 증류 장치를 제공하는 것이었다.
상기 목적은, 공급물 스트림을 각각 규정된 사양을 갖는 상부 생성물 스트림, 저부 생성물 스트림 및 임의로 1개 이상의 측부 인출 스트림으로 분별하기 위한 칼럼을 포함하는 증류 장치로서, 순차적으로 배열된 3개 이상의 셀들 중 마지막 셀로부터의 액체를 제외한, 상기 3개 이상의 셀을 순차적으로 횡단하는 액체를, 각 경우에 1개 이상의 평행한 증발기 단에서, 순차적으로 배열된 셀들 중 마지막 셀로부터 규정된 사양을 갖는 저부 생성물 스트림을 배출시키는 데 필요한, 상기 순차적으로 배열된 셀들 중 마지막 셀의 온도로 다단계 가열 및 부분-증발시키기 위한 3개 이상의 순차적 액체-횡단 셀을 가지며, 여기서 순차적으로 배열된 셀들 중 마지막 셀로부터의 액체를 제외한, 3개 이상의 셀을 순차적으로 횡단하는 액체를 각각의 증발기 단에서 가열 및 부분-증발시키는 것은, 각 경우에 적합한 에너지원을 사용하여 수행되는 것인, 증류 장치에 의해 달성된다.
화학 산업에서 가장 통상적으로 이용되는 열 분리 공정은 증류 공정이다.
증류에 의한 물질 분리는, 다양한 비점을 갖는 물질 혼합물이 부분 증발/응축될 때 상기 혼합물이 다양한 정도로 증기상 및 액체상에 축적된다는 원리에 기초한다. 증류 칼럼에서의 다단계 증류는 일반적으로 저부 액체의 부분 증발 및 상부 산출물의 부분 응축에 의해 수행된다. 증발기로부터의 증기 및 일부 응축물은 칼럼으로 재순환된다. 분리 내장품, 예컨대 랜덤 패킹, 구조화 패킹 또는 트레이는 하강하는 액체와 상승하는 증기 사이에서 효과적인 열 및 물질 교환을 달성하고, 따라서, 일반적으로, 분리 성능은 복수의 순차적으로 연결된 증기/액체 평형 이론단과 동일하다.
서로 유사한 비점 또는 불리한 비등 순서 때문에 분리하기가 어려운 물질 혼합물의 경우에, 액체 용매를 첨가하면, 액체 용매에서의 물질의 다양한 용해 거동 덕분에 분리를 단순화할 수 있다. 전형적으로 증발기 또는 응축기가 사용되지 않는 흡수와는 대조적으로, 용매가 증류 칼럼에서 사용되는 경우에, 상기 증류는 추출 증류라고 지칭된다. 그것을 사용하여 달성되는 분리는 때때로 제2 액체상의 형성에 의해 추가로 개선된다.
증류 칼럼과 추출 증류 칼럼 둘 다는 칼럼 저부에 통합된 적어도 1개의 증발기 또는 칼럼 저부에 연결된 적어도 1개의 외부 증발기를 가지며, 상기 칼럼 저부를 통해 분별에 요구되는 에너지의 일부 또는 모두가 도입된다. 임의로 분별에 요구되는 에너지의 일부는 또한 공급물 스트림 아래 및 저부 위에 배치된 예비증발기 및/또는 측부 증발기를 통해 도입될 수 있다.
이를 위해 종종, 특히 산업적 대규모 설비에서, 저부 액체를 복수의 단에서 가열하기 위해 다량의 에너지를 도입할 필요가 있다.
산업적 대규모 설비에서 증류 칼럼은 종종 약 0.5 m 내지 약 6 m 또는 심지어 7 m, 특히 약 2 내지 5 m의 직경을 갖는다. 산업적 대규모 설비에서 증류 칼럼은 높이가 전형적으로 약 10 내지 30 m 또는 그 초과이다. 증발기 단으로서 이용되는 외부 관다발 열 교환기가 자연 순환 증발기로서 사용되는 경우에, 그것은 종종 관 방향으로 약 2 내지 3 m의 길이를 갖는다.
상기 열 교환기는 높은 유량을 갖도록 구성되고, 저부 생성물 스트림은 종종 시간당 수백 톤의 범위이다.
본 발명에 따라, 액체의 다단계 가열 및 부분-증발을 보장하고, 상기에 명시되고 하기에 상세하게 설명되는 구조를 통한, 단일 액체상이 공급된 복수의 단에서의 액체의 단계적 부분 증발, 및 규정된 사양을 갖는 액체 저부 생성물 스트림을 배출시키는 데 필요한 온도로의 상기 액체의 가열을 허용하는, 특히 산업적 대규모 분리 공정을 위한, 증류 장치가 제안된다.
본 발명은 늘 그렇듯이 복수의 성분을 포함하는 공급물 스트림을 각각 규정된 사양을 갖는 상부 생성물 스트림, 저부 생성물 스트림 및 임의로 1개 이상의 측부 인출 스트림으로 분별하기 위한 칼럼을 포함하는 증류 장치를 출발점으로 한다.
본 발명에 따라 제안된 증류 장치에는 액체 스트림의 방향으로 순차적으로 배열된 3개 이상의 셀이 공급된다. 저부 생성물 스트림이 배출되는, 순차적으로 배열된 셀 중 마지막 셀을 제외한, 각각의 이들 셀로부터의 액체 또는 액체의 부분스트림은 단일 액체상 형태로, 가열 및 부분-증발을 위한 각각의 증발기 단에 공급된다.
셀은 각 경우에 액체가 순차적으로 횡단하는 용기이고, 각각의 용기를 횡단하는 액체는 개별적으로 각 경우에 유동 방향으로 상승하는 온도로 가열되고 부분적으로 증발된다. 따라서 개별 셀 내의 온도는 유동 방향으로 상승하며, 동시에, 부분-증발로 인해, 저비점 성분의 농도는 감소한다.
이들 용기는 서로 매우 가깝게 배치될 수 있거나, 서로 비교적 큰 간격을 두고 배열될 수 있다. 그러나, 액체가 이전의 용기로부터 각각의 이후의 용기로 곧바로 유동할 수 없다는 것이 중요하다. 이와 대조적으로, 본 발명의 특정한 실시양태에서는 이후의 용기로부터 각각의 이전의 용기로의 액체의 부분 환류가 허용된다.
3개 이상의 셀 중 2개, 3개 또는 모두는 칼럼 저부에 통합될 수 있다.
한 바람직한 실시양태에서, 증류 장치는 3개의 부분으로 분할된 저부를 갖는 칼럼을 포함하고, 즉 3개의 순차적 액체-횡단 셀이 칼럼 저부에 통합되어 있다. 이를 위해 하부 칼럼 구역은 칼럼의 하부 트레이로부터 하부 칼럼 구역으로 특정한 높이까지 돌출되는 수직 분할 벽에 의해 3개의 소구역으로 분할되고, 개별 소구역들 사이의 상기 분할 벽의 높이는 유동 방향으로 증가한다.
분할 벽은 특히, 칼럼 단면에서 관찰 시, 원의 현 또는 원의 반경을 따라 배열된, 동심 원통 또는 편평 분할 플레이트일 수 있다.
제1 액체-횡단 셀에 후속되는 셀 중 1개, 2개 또는 모두는 칼럼 저부 밖에 배치될 수 있고, 특히 기체/액체 분리기의 액체-횡단 부분으로서 구성될 수 있다.
본 발명에 따라, 저부 생성물 스트림이 배출되는, 순차적으로 배열된 셀 중 마지막 셀을 제외한, 각각의 3개 이상의 순차적으로 배열된 셀을 횡단하는 액체는 각 경우에 서로 독립적으로 각 경우에 적합한 에너지원을 갖는 각각의 증발기 단에서 가열되고 부분-증발된다.
증류 장치의 본 발명에 따른 특정한 구조는 각 경우에 에너지 함량에 기초하여 가장 적합한 이용 가능한 에너지원을 사용하여 단일상 액체 스트림을 가열할 수 있게 한다. 이들 적합한 에너지원은 공정-내 에너지원 및/또는 외부 에너지원일 수 있다.
바람직한 에너지원은 물질 유동(mass flow)이다.
추가의 구조에서, 이용되는 에너지원은 또한 전기 에너지일 수 있다.
바람직한 물질 유동은 스팀 또는 고온 응축물이다.
이용되는 에너지원은 유리하게는 공정-내에서 발생한 스팀 또는 고온 응축물일 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 마지막 액체-횡단 셀을 제외한, 각각의 3개 이상의 순차적 액체-횡단 셀로부터의 액체가 전달되고 가열되고 부분-증발되어 각 경우에 각각의 이후의 하류 셀로 전부 또는 부분적으로 공급되는 부분-증발된 스트림이 생성되는 곳인 증발기 단은 개별 열 교환기로서 구성된다. 이들 열 교환기는 각 경우에 단순 열 교환기로서 또는 평행하게 배열된 복수의 열 교환기로서 부착될 수 있다.
열 교환기 및 이후의 하류 셀로 구성된 배열은 또한 상이한, 열역학적으로 동등한 배열에 의해, 특히 강하막 증발기 또는 케틀형 재비기(kettle-type reboiler) (케틀 증발기)에 의해 대체될 수 있다.
강하막 증발기에서, 증발될 액체는 관벽을 따라 중단되지 않는 막으로서 유동한다.
케틀 증발기 또는 케틀형 증발기는 액체에 침지된 가열 가능한 관다발을 포함하는 증발기이다. 관다발 및 액체는 분리기로서의 역할을 하는 용기 내에 배치된다. 이러한 증발기는 액체 물로부터 가열 스팀을 발생시키는 데 종종 사용된다.
가열 가능한 관다발은 분리기로서의 역할을 하는 비교적 큰 용기 내에 일반적으로 수평으로 배치된다. 증발될 액체는 관다발 구역 내의 용기에 공급되고 관다발이 침지되도록 월류 위어에 의해 지지된다. 가열은 액체의 비등을 초래하여 기포가 형성되고 기포는 큰 부피의 분리기에 의해 액체로부터 분리되고 상부 구역으로부터 방출된다. 이어서 증발되지 않은 액체는 위어에서 월류하여 증발기로부터 배출된다 (출처: 위키피디아(Wikipedia)).
이들 경우에, 증발기 단은 각 경우에 강하막 증발기/용기의 케틀 증발기의 관다발에 상응한다. 셀은 강하막 증발기의 저부에 의해/위어 옆에 배치되고 케틀 증발기의 관다발 열 교환기는 배치되어 있지 않은 케틀 증발기의 구역에 의해 형성된다.
제1 액체-횡단 셀을 제외한, 3개 이상의 순차적 액체-횡단 셀 중 1개 이상으로부터 각각의 바로 이전의 셀로의 액체 환류가 바람직하게는 특히 위어를 넘는 직접 액체 월류로서, 침지된 공급물로서, 또는 사이펀으로서 제공될 수 있다.
본 발명은 상기에 기술된 증류 장치를 사용하여 증류 또는 추출 증류를 수행하는 방법을 추가로 제공한다.
상기 방법은 예를 들어 물질 A 및 B를 포함하는 공급물 스트림(1)을, A보다 B에 대해 더 높은 친화력을 갖는 추출제를 사용하여 추출 증류를 통해 분리하기 위한 방법이며,
a) 공급물 스트림(1)을 칼럼(K)에서 추출제에 대해 반대방향으로 흘려보냄으로써 A를 포함하는 상부 생성물 스트림(2) 및 B 및 추출제를 포함하는 액체를 수득하고,
b) 칼럼 내의 B 및 추출제를 포함하는 액체를 칼럼(K)의 저부에 통합된 제1 셀 내로 유출시키고,
c) 마지막 셀을 제외한, 각각의 3개 이상의 셀(I, II, III)로부터의 액체를 각각의 증발기 단에 통과시킴으로써 가열하고 거기서 그것을 부분-증발시켜 각각의 부분-증발된 스트림(4, 5)을 수득하고, 이것을 각각 유동 방향으로 각각의 이후의 셀에 전부 또는 부분적으로 공급하고,
d) 마지막 셀로부터 저부 생성물 스트림(3)을 배출시키는 것
을 포함한다.
방법의 한 실시양태에서 A는 부탄을 나타내고 B는 부텐을 나타낸다. 방법의 또 다른 실시양태에서 A는 부텐을 나타내고 B는 1,3-부타디엔을 나타낸다.
본 발명에 따른 방법에서, 추출제는 A보다 B에 대해 더 높은 친화력을 가지며, 즉 추출제는 A보다 B와 더 강하게 상호작용한다. 관련 기술분야의 통상의 기술자가 추출제에 대한 A/B의 용해도를 결정함으로써 A/B에 대한 추출제의 친화력을 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 기술자는 A의 분위기 및 B의 분위기에서 각각의 추출제 액적을 교반하여 얼마나 많은 A/B가 추출제에 용해되었는지를 결정할 수 있다.
A가 부탄을 나타내고 B가 부텐을 나타내는 경우 및 A가 부텐을 나타내고 B가 1,3-부타디엔을 나타내는 경우에 추출제는 예를 들어 디메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈, 아세토니트릴, 푸르푸랄 및 디메틸 술폭시드로부터 선택될 수 있다. A가 부텐을 나타내고 B가 1,3-부타디엔을 나타내는 경우에 예를 들어 바람직하게는 85 내지 95 wt%의 N-메틸피롤리돈 및 6 내지 12 wt%의 물을 포함하는 N-메틸피롤리돈-포함 추출제가 이용된다.
본 발명에 따른 방법의 한 실시양태는 부탄 및 부텐을 추출 증류를 통해 분리하기 위한 방법에 관한 것이다. 공급물 스트림은 1종 이상의 이성질체 부탄 외에 1종 이상의 이성질체 부텐을 포함한다. 부탄(들) 및 부텐(들) 외에, 스트림은 특히 또한 부텐(들) 외에 저부 생성물 스트림에 축적되는 부타디엔(들)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시양태는 부탄 및 부타디엔을 추출 증류를 통해 분리하기 위한 방법에 관한 것이다. 공급물 스트림은 1종 이상의 이성질체 부텐 외에 부타디엔(들)을 포함한다. 부텐(들) 및 부타디엔(들) 외에, 스트림은 특히 또한 부탄(들)을 포함할 수 있고, 부탄(들) 및 부텐(들)은 상부 생성물 스트림에 축적되고 부타디엔(들)은 저부 생성물 스트림 추출제에 축적된다.
방법은 특히 유리하게는 부탄의 탈수소화로부터의 반응 혼합물을 분별하여 부텐을 제조하거나 부탄의 옥시탈수소화로부터의 반응 혼합물을 분별하여 부타디엔을 제조하기 위한 추출 증류일 수 있다. 추출 증류의 경우에, 특히 적합한 에너지원은 고온 재생된 용매이다.
본 발명은 도면 및 예시적 실시양태를 참조하여 하기에 더 자세하게 설명된다.
도면에서 동일한 도면부호는 각각의 동일하거나 상응하는 특징부를 표현한다.
특히,
도 1은 3개의 부분으로 분할된 저부를 갖는 본 발명에 따른 증류 장치의 바람직한 실시양태의 개략도를 나타내고, 칼럼 저부에서의 분할 벽의 바람직한 구조에 대한 단면도가 도 1a 내지 1c에 나타나 있고;
도 2는 칼럼 저부에 통합된 2개의 셀 및 칼럼 밖에 배치되고 상 분리기로서 구성된 제3 셀(III)을 갖는 본 발명에 따른 증류 장치의 추가의 바람직한 실시양태의 개략도를 나타내고, 열 교환기(WT2) (도 2a에 상세하게 도시되어 있음)와 함께 칼럼(K) 밖에 배치된 셀(III)에 대한 추가의 변형양태가 도 2b 및 2c에 나타나 있고;
도 3은 칼럼(K) 밖에 배치된 2개의 셀(II 및 III)을 갖는 바람직한 증류 장치의 추가의 실시양태의 개략도를 나타내고;
도 4는 칼럼(K) 밖에 배치된 2개의 셀(II 및 III)을 갖는 바람직한 증류 장치의 추가의 변형양태를 나타내고;
도 5는 칼럼(K) 밖에 배치된 2개의 셀(II 및 III)을 갖는 바람직한 증류 장치의 추가의 변형양태를 나타내고;
도 6은 칼럼-통합 셀(I 및 III) 및 칼럼 밖에 배치된 셀(II)을 갖는 증류 장치의 개략도를 나타내고;
도 7은 칼럼 저부로부터의 액체를 수직으로 서로 상하로 배열된 2개의 열 교환기에서 2 단계로 가열하는 것인 선행 기술의 증류 장치를 나타내고;
도 8은 칼럼 저부로부터의 액체를 2개의 수평으로 순차적으로 배열된 열 교환기에서 2 단계로 가열하는 것인 선행 기술의 증류 장치의 추가의 실시양태의 개략도를 나타내고;
도 9는 2개의 부분으로 분할된 저부를 갖는 선행 기술의 증류 장치의 추가의 실시양태의 개략도를 나타내고;
도 10은 3개의 부분으로 분할된 저부를 갖는 본 발명에 따른 증류 장치의 바람직한 실시양태의 개략도를 나타낸다.
도 1은, 3개의 순차적 액체-횡단 셀(I, II 및 III)을 갖는, 공급물 스트림(1)을 상부 생성물 스트림(2) 및 저부 생성물 스트림(3)으로 분별하기 위한 칼럼(K)을 갖는 본 발명에 따른 증류 장치의 바람직한 실시양태의 개략도를 나타내며, 여기서 모든 액체-횡단 셀(I 내지 III)은 칼럼(K)의 저부에 통합되고 위어(W1, W2)에 의해 서로 분리되어 있다. 유동 방향으로 맨 처음에 있는 셀(I)로부터 저부 스트림이 배출되어 열 교환기(WT1)에 공급되고, 여기에서 스트림이 가열되고 부분 증발되어 부분-증발된 스트림(4)이 수득되고, 이것은 제2 셀(II)에 공급된다. 제2 셀(II)로부터의 저부 스트림은 마찬가지로 액체 형태로 배출되고 외부 열 교환기(WT2)에서 가열되고 부분적으로 증발되고 부분-증발된 스트림(5)으로서 제3 액체-횡단 셀(III)에 공급된다.
도 1a 내지 1c의 단면도는 각각 칼럼 저부를 3개의 순차적으로 배열된 액체-횡단 셀(I 내지 III)로 분할하기 위한 분할 벽에 대한 바람직한 배열을 나타내는데, 도 1a에는 분할 벽의 동심 배열, 도 1b에는 분할 벽의 원의 현 형상의 배열 및 도 1c에는 원의 반경 형상의 배열이 나타나 있다.
도 2는 칼럼(K)의 저부에 배치된 2개의 셀(I 및 II) 및 칼럼(K) 밖에 배치되고 분리 장치, 즉 상 분리기로서 구성된 제3 셀(III)을 갖는 본 발명에 따른 증류 장치의 추가의 바람직한 실시양태의 개략도를 나타낸다. 상기 셀로부터 증기 스트림(6)이 다시 한 번 칼럼(K)의 하부 구역으로, 그 곳의 액체 수위보다 위로 재순환되고, 액체의 부분스트림은 칼럼(K)의 저부에 통합된 셀(II)로 재순환된다.
도 2a는 도 2의 설비, 즉 셀(III) 및 관련 열 교환기(WT2)로 구성된 배열의 상세도이다.
이러한 배열은 도 2b/2c에 도시된 대안으로 대체될 수 있는데, 대안으로서 도 2b는 이러한 실시양태에서 증발기 단(WT1)을 포함하는 통합된 관다발 열 교환기 및 액체-횡단 셀(III)을 포함하는 액체-횡단 저부 구역을 갖는 강하막 증발기를 나타낸다. 이러한 실시양태에서, 액체는 통합된 열 교환기의 가열된 관을 통해 유동하고, 부분적으로 증발하여, 증기 스트림(6) 및 2개의 액체 부분스트림(7 및 3)으로 분할된다.
도 2c의 실시양태는 용기 내에 배치된 관다발을 포함하고 증발기 단(WT1)에 상응하는 케틀 증발기를 나타낸다. 보조 열-전달 매체에 의해 가열된 관은 액체를 가열하고 상기 액체를 부분적으로 증발시켜, 관다발 열 교환기가 배치된 구역으로부터 위어에 의해 분리된 케틀 증발기의 구역에서 기체상 스트림(6) 및 2개의 액체 스트림(7 및 3)을 제공한다.
도 3은 칼럼(K) 밖에 배치된 상 분리기인 2개의 셀(II 및 III)을 갖는 증류 장치의 추가의 바람직한 실시양태의 개략도를 나타낸다. 셀(II)로부터 증기 스트림(8)이 칼럼(K)의 하부 구역으로, 그 곳의 액체 수위 위로 재순환되고, 액체의 부분스트림인 스트림(9)은 칼럼(K)의 액체 수위 아래로, 셀(I)로 재순환된다. 셀(III)로부터 증기 스트림(6)이 마찬가지로 칼럼(K)의 하부 구역으로, 그 곳의 액체 수위 위로 재순환되고, 액체의 부분스트림인 스트림(7)은 셀(II)로, 그 곳의 액체 수위 아래로 재순환된다.
도 4는 칼럼(K)의 밖에 배치되고 각각 셀 및 증발기로부터 형성된 2개의 장치가 강하막 증발기인 것인, 도 3에 도시된 실시양태의 변형양태를 나타낸다. 여기서 각 경우에 강하막 증발기의 관다발 열 교환기는 증발기 단(WT1, WT2)을 형성하고 강하막 증발기의 저부 구역은 액체-횡단 셀(II)/(III)을 형성한다. 도 3의 실시양태와는 다르게, 셀(III)로부터의 증기 스트림은 스트림(10)으로서 셀(II)로, 그 곳의 액체 수위보다 위에 공급되고 도 3의 실시양태에서처럼 칼럼(K)에 공급되지 않는다.
도 5는 칼럼(K) 밖에 배치되고 공동 순환되는 2개의 셀(II 및 III)을 갖는 본 발명에 따른 증류 장치의 추가의 바람직한 실시양태를 나타낸다. 이러한 실시양태에서, 셀(II)로부터의 전체 액체 스트림은 제2 열 교환기(WT2)에 공급된다.
도 7 및 8은 선행 기술의 구조를 나타낸다.
도 7에 도시된 실시양태에 따르면, 칼럼 저부는 단지 2개의 부분인 2개의 셀(I 및 II)로 분할되고, 셀(I)로부터 배출된 저부 액체는 서로 상하로 배열된 2개의 관다발 열 교환기에서 2 단계로 가열된다. 이로 인해 각 경우에 상응하는 산업적 대규모 증류 설비의 고려 가능한 높이가 안정성에 있어서 위험해질 수 있는 범위로 추가로 증가한다.
도 8에 도시된 실시양태는 마찬가지로 2개의 부분으로 분할된 칼럼(K) 저부를 갖는 선행 기술의 증류 장치의 추가의 변형양태를 나타낸다. 제1 셀(I)로부터의 저부 액체는 2개의 순차적으로 배치된 관다발 열 교환기에 2 단계로 공급된다. 2상 증기/액체 혼합물은 아래쪽으로부터 제2 수평 관다발 열 교환기에 공급되어야 하고, 따라서 원통 쉘을 통해 1개 이상의 점 모양의 부위를 통해 관다발 열 전달기의 내부에 들어간다. 상기 혼합물이 유동하는 표면은 그것이 장치의 직경에 상응하는 최대 너비에 도달할 때까지 계속 확대되고, 그 후에 다시 수축한다. 따라서 이러한 실시양태에서 2상 증기/액체 혼합물의 균일한 분배를 달성할 수 없다.
도 9에 도시된 실시양태는 마찬가지로 2개의 부분으로 분할된 칼럼(K) 저부를 갖는 선행 기술의 증류 장치의 추가의 변형양태를 나타낸다. 유동 방향으로 맨 처음에 있는 셀(I)로부터의 저부 스트림은 액체 형태로 배출된다. 저부 스트림은 수송 펌프를 통해 열 교환기(WT1)에 제공되고, 여기에서 저부 스트림은 가열된다. 이어서 저부 스트림은 감압되어 부분적으로 증발된다. 그렇게 수득된 부분-증발된 스트림(4)은 제2 셀(II)에 공급된다. 열 교환기(WT1)에 공급된 가열 매체는 재생된 추출제(15)이다.
도 10은, 3개의 순차적 액체-횡단 셀(I, II 및 III)을 갖는, 공급물 스트림(1)을 상부 생성물 스트림(2) 및 저부 생성물 스트림(3)으로 분별하기 위한 칼럼(K)을 갖는 본 발명에 따른 증류 장치의 바람직한 실시양태의 개략도를 나타내며, 여기서 모든 액체-횡단 셀(I 내지 III)은 칼럼(K)의 저부에 통합되고 위어에 의해 서로 분리되어 있다. 유동 방향으로 맨 처음에 있는 셀(I)로부터 저부 스트림이 액체 형태로 배출된다. 저부 스트림은 수송 펌프를 통해 열 교환기(WT1)에 제공되고, 여기에서 저부 스트림은 가열된다. 이어서 저부 스트림은 감압되어 부분적으로 증발된다. 그렇게 수득된 부분-증발된 스트림(4)은 제2 셀(II)에 공급된다. 제2 셀(II)로부터의 저부 스트림은 마찬가지로 액체 형태로 배출된다. 제2 셀(II)로부터 배출된 저부 스트림은 수송 펌프를 통해 열 교환기(WT2)에 공급되고, 여기에서 저부 스트림은 가열된다. 이어서 저부 스트림은 감압되어 부분적으로 증발된다. 그렇게 수득된 부분-증발된 스트림(5)은 제3 셀(III)에 공급된다. 열 교환기(WT1)에 공급된 가열 매체는 재생된 추출제(15)이고 열 교환기(WT2)에 공급된 가열 매체는 부분적으로 냉각된 재생된 추출제(16)이다.
예시적 실시양태
하기 실시예는 각 경우에, WO 2012/117085 A1에 기술된 바와 같은, 칼럼에서 수성 N-메틸피롤리돈 (NMP) 용액을 사용하여 부탄/부텐을 분리하기 위한 추출 증류에 관한 것이다. 이전의 흡수 단계로 인해, 부탄/부텐은 이미 부분적으로 NMP 용액에 용해되어 있고, 이러한 용액이 더 낮은 압력으로 감압됨으로 인해, 추출 증류에 공급되는 공급물 (스트림(1))은 2상이고 대부분 부탄 및 부텐으로 구성된 기체상 및 용해된 부탄/부텐 성분을 포함하는 NMP 용액을 포함한다.
6 mol%의 용해된 부텐 및 부타디엔을 포함하는 상부 생성물 스트림(2)을 수득하기 위한 추출 증류 칼럼에서의 분리가 요구된다. 또한 용해된 부텐 및 부타디엔의 분율이 비-용매 성분의 총량을 기준으로 82.9 mol%인 것인 저부 생성물 스트림을 수득할 것이 요구된다. 이러한 분리는 하기에 기술되는 모든 변형양태를 사용하여 달성된다.
상 평형 모델에 기초한 바스프 소유의 시뮬레이션 프로그램 (상업적으로 입수 가능한 시뮬레이터 아스펜 플러스(ASPEN plus)와 유사함)을 사용하여 장치구성을 추정하였다. 평형 단계 모델을 사용하여 증류 칼럼의 시뮬레이션을 수행하였다. 상 평형을 비-랜덤 2-액체 모델을 사용하여 기술하였다 (Renon H., Prausnitz J. M.: Local Compositions in Thermodynamic Excess Functions for Liquid Mixtures, AIChE J., 14(1), pp.135-144, 1968).
하기 시뮬레이션 추정 결과에서는 각 경우에 32개의 이론단 (즉, 평형단)을 갖는 증류 칼럼이 고려된다. 저부(1)로부터 상부(32) 쪽으로 번호를 매기며 칼럼 저부에는 번호를 매기지 않는다. 증발기는 평형단으로서 모델링된다. 출구가 칼럼에 곧바로 연결된 증발기로부터의 기체 스트림은 곧바로 칼럼의 플레이트(1) 상에 도입된다. 셀은 기체-액체 분리기의 구성성분이고 마찬가지로 평형단으로서 나타내어진다. 액체 스트림만이 이들 평형단에 도입되고 그렇게 형성된 기체는 마찬가지로 칼럼의 플레이트(1) 상에 도입된다.
비교 실시예 1:
표 1은 칼럼의 저부에 있는 증발기가 2개의 증발기(WT1 및 WT2)로 분할됨으로써, WT1에서의 재생된 용매가 추가로 냉각되어 용매의 일부분이 흡수 단계를 위해 용매로서 재순환되고 용매의 다른 부분이 스트림(13)으로서 추출 증류 칼럼으로 재순환되기 전에 상기 용매로부터의 에너지를 사용할 수 있는 것인, (2개의 순차적으로 연결된 열 교환기를 갖는) 선행 기술에 따른 도 7에 상응하는 스트림의 상, 농도, 온도 및 압력을 요약한 것이다 (WO 2012/117085 A1을 참조함).
(최상부 플레이트 상의) 칼럼의 상부에서, 후속 응축기로부터의 환류 (스트림(14))가 칼럼에 공급되고, 상기 환류는 본질적으로 부탄으로 구성된다. 이러한 공급점보다 다소 더 낮은 지점에서 (여기서는 약 1 내지 3개의 이론단만큼 더 낮음: 2), 재생된 수성 NMP 용액이 추출제 (스트림(13))로서 도입된다. 공급물 스트림 (스트림(1))의 액체 분획은 플레이트(18) 상에 도입되고 기체 분획은 플레이트(19) 상에 도입된다.
칼럼으로부터 유출되고 본질적으로 부탄 및 부텐을 보유하는 용매(11)는 셀(II)로부터의 월류와 혼합되고 그렇게 형성된 기체는 칼럼의 가장 낮은 플레이트 상으로 간다. 증발기(WT1)에는 셀(I)로부터의 액체가 공급된다. 균일하고 효과적인 열 전달을 보장하기 위해 2상 (기체 및 액체) 스트림(4)은 열 교환기(WT2) 상에 균일하게 분배되어야 한다. 스트림은 증발기(WT2)에서 추가로 가열되고 부분적으로 증발된다. 형성된 기체상은 칼럼의 제1 플레이트로 상승하고 액체는 셀(II)로 들어간다. 거기서 저부 생성물(3)이 배출되고 과량의 액체는 위어를 넘어 유동하여 셀 1에 들어간다. 액체 순환 속도 (스트림(11)의 물질 유동)는 종종 증발기에서 스트림의 2% 내지 20%, 특히 5 내지 15%가 기체상으로 변환되도록 하는 정도이다.
실시예 1 (발명)
셀(II 및 III)로부터 각각의 이전의 셀(I 및 II)로의 액체의 부분 재순환을 포함하는, 본 발명에 따른 변형양태에서의 스트림이 하기 표 2 및 도 1에 나타나 있다.
실시예 2 (발명)
셀(III)로부터의 액체만이 셀(I)로 부분적으로 재순환되는 것인 추가의 발명 변형양태가 하기 표 3 및 도 6에 나타나 있다.
상기 변형양태 둘 다가 비교 실시예 1과 동일한 분리를 달성하지만 2상 스트림을 분배해야 한다거나 증발기가 서로 상하로 수직 증발기로서 배열되기 때문에 칼럼을 극히 높게 만들어야 한다는 단점을 갖지 않는다.
본 발명에 따른 변형양태는, 열 교환기(WT1)를 위한 입구 온도 및 출구 온도 둘 다가 비교 실시예 1에서보다 더 낮다 (비록 동량의 열이 전달되기는 함)는 추가의 이점을 갖는다. 이들 온도는 표 4에 나타나 있다. 입구와 출구 둘 다에서의 차는 도 1에 따른 변형양태의 경우에 10 K(켈빈도) 초과이고 도 6에 따른 변형양태의 경우에 약 4 K 초과이다. 그러므로, 더 높은 추진 온도 구배가 이용 가능하고 따라서 동량의 열의 전달에 더 작은 열-전달 표면적이 요구된다. 또 다르게는, 원칙적으로 또한 이들 변형양태에서는 가열에 사용된 재생된 용매로부터 더 많은 열을 수득할 수 있고, 즉 상기 용매를 추가로 냉각시킬 수 있고, 또는 (도 1에 따른 변형양태의 경우에) 약 10도 더 낮은 온도 수준에서 또 다른 공정 스트림으로부터 열을 회수할 수 있다.
실시예 3 (발명)
C4 혼합물 (부탄, 부텐, 부타디엔, C4 아세틸렌 + 소량의 C3, C5+ 분자)로부터 1,3-부타디엔을 추출하기 위한 추출 증류 방법을, 380 t/h의 저부 생성물 스트림 (스트림(3))을 갖는 도 10에 따른 증류 장치에 대해 시뮬레이션하였다. 개별 스트림의 온도는 하기에 기록되어 있다:
재생된 추출제 15: 150.4℃
부분적으로 냉각된, 재생된 추출제 16: 138.6℃
냉각된 추출제 17: 90.2℃
저부 스트림을 WT1에서 68℃로부터 180℃로 가열하고 WT2에서 95℃로부터 106℃로 가열하였다 (가열 시 달성된 온도는 저부 스트림의 감압 전에 각각의 열 교환기로부터 유출된 저부 스트림과 관련이 있음). 액체 저부 생성물 스트림(3)의 온도는 104℃였다. 높은 추진 온도 구배 때문에, 단지 878㎡의 총면적이 열 전달에 요구된다.
비교 실시예 2
실시예 3에서와 동일하지만 도 9에 따른 증류 장치를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였더니, 동일한 조건 (유입 및 유출된 스트림의 동일한 조성, 양 및 온도)에서 13.6% 더 큰 면적이 열 전달에 요구된 것으로 나타났다.
<표 1>
Figure 112018010817077-pct00001
<표 2>
Figure 112018010817077-pct00002
<표 3>
Figure 112018010817077-pct00003
<표 4>
Figure 112018010817077-pct00004
1, 13, 14 공급물 스트림
2 상부 생성물 스트림
3 저부 생성물 스트림
4, 5 부분-증발된 스트림
6, 8, 10 증기 스트림
7, 9, 11, 12 액체 부분스트림
15, 16, 17 재생된 추출제 스트림
K 칼럼
WT1, WT2 열 교환기
W1, W2 위어
I, II, III 액체-횡단 셀

Claims (13)

  1. 공급물 스트림(1)을 상부 생성물 스트림(2) 및 저부 생성물 스트림(3)으로 분별하거나 상부 생성물 스트림(2), 저부 생성물 스트림(3) 및 1개 이상의 측부 인출 스트림으로 분별하기 위한 칼럼(K)을 포함하는 증류 장치이며,
    3개 이상의 순차적 액체-횡단 셀(I, II, III)로서, 마지막 셀로부터의 액체를 제외한, 셀들을 횡단하는 액체를, 각 경우에 1개의 증발기 단으로 다단계 가열 및 부분-증발시키기 위한 3개 이상의 순차적 액체-횡단 셀(I, II, III)을 가지며, 여기서 적어도 제1 셀은 칼럼(K)의 저부에 통합되고, 여기서 마지막 셀을 제외한, 3개 이상의 순차적 액체-횡단 셀(I, II, III)의 각각으로부터의 액체가 증발기 단에 통과되고 거기서 부분-증발되어 각 경우에 부분-증발된 스트림(4, 5)이 수득되고, 이것은 각각의 이후의 하류 셀에 전부 또는 부분적으로 공급되고, 여기서 제1 셀을 제외한, 3개 이상의 셀(I, II, III) 중 1개 이상으로부터 각각의 바로 이전의 셀로의 액체 환류가 제공되는 것인,
    증류 장치.
  2. 제1항에 있어서, 가열 및 부분-증발이 공정-내 및/또는 외부 에너지원을 사용하여 수행되는 것인 증류 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가열 및 부분-증발이 물질 유동을 사용하여 수행되는 것인 증류 장치.
  4. 제3항에 있어서, 물질 유동이 스팀 또는 고온 응축물인 증류 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 제1 셀을 횡단하는 액체의 가열 및 부분-증발이 공정-내 물질 유동을 사용하여 수행되고,
    - 끝에서 두 번째 셀을 횡단하는 액체의 가열 및 부분-증발이 외부 에너지원을 사용하여 수행되는 것인
    증류 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 3개 이상의 순차적 액체-횡단 셀(I, II, III) 모두가 칼럼(K)의 저부에 통합된 것인 증류 장치.
  7. 제6항에 있어서, 3개의 셀(I, II, III)이 칼럼(K)의 저부에 통합된 것인 증류 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 증발기 단이 열 교환기(WT1, WT2)인 증류 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액체 환류가 위어(W1, W2)를 넘는 직접 액체 월류로서, 침지된 공급물로서 또는 사이펀으로서 설계되는 것인 증류 장치.
  10. 복수의 성분을 포함하는 공급물 스트림이 상부 생성물 스트림 및 저부 생성물 스트림으로 분별되거나 상부 생성물 스트림, 저부 생성물 스트림 및 1개 이상의 측부 인출 스트림으로 분별되는, 제1항에 따른 증류 장치를 사용하여 증류 또는 추출 증류를 수행하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 공급물 스트림을 추출 증류를 통해 부탄을 포함하는 상부 생성물 스트림, 및 부텐을 포함하거나 부텐 및 부타디엔을 포함하는 저부 생성물 스트림으로 분리하기 위한 방법.
  12. 제10항에 있어서, 공급물 스트림을 추출 증류를 통해 부텐을 포함하거나 부텐 및 부탄을 포함하는 상부 생성물 스트림, 및 부타디엔을 포함하는 저부 생성물 스트림으로 분리하기 위한 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 부탄의 탈수소화로부터의 반응 혼합물을 분별하여 부텐을 제조하거나 부탄의 옥시탈수소화로부터의 반응 혼합물을 분별하여 부타디엔을 제조하기 위한 추출 증류인 방법.
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