KR102550716B1 - 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법 - Google Patents
증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법에 관한 것으로, 제1 증류탑 및 제2 증류탑 내에 각각 설치된 열교환기를 이용하여 회수한 열을 재활용하여 원료인 목질계 및 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 2단 증류에 의해 바이오 항공유를 분리함으로써, 분리되는 바이오 항공유의 농도 및 분리 효율이 높고, 바이오 항공유의 분리조작 시 소비되는 에너지의 절감 효율이 높은 효과가 있다.
Description
본 발명은 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제1 증류탑 및 제2 증류탑 내에 각각 설치된 열교환기를 이용하여 회수한 열을 재활용하여 원료인 목질계 및 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 2단 증류에 의해 바이오 항공유를 분리함으로써, 분리되는 바이오 항공유의 농도 및 분리 효율이 높고, 바이오 항공유의 분리조작 시 소비되는 에너지의 절감 효율이 높은 것을 특징으로 하는 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법에 관한 것이다.
최근 고유가에 따른 에너지 공급선의 다변화와 교토협약에 따른 CO2 감축 의무화 등으로 친환경 연료인 바이오 연료에 대한 관심이 증대되고 있다. 바이오 연료는 화석연료와는 달리 환경오염물질의 발생이 없고, 곡물을 원료로 생산이 가능하므로 재생 가능한 액체 공급원 중에서 매우 인기 있는 연료로 알려져 왔다.
2040년 전세계 예상 에너지 요구량은 2019년 양보다 25% 증가하지만 다양한 분야에서 큰 기여를 한 항공산업의 항공유 소비량은 비특허문헌 1에 알려진 바와 같이 향후 20년간 2배가 될 것으로 예측되며, 이는 화석 연료 소비로 인한 CO2 배출로 인한 세계적인 재난을 고려한다면 미래 세대를 위해 바이오 항공유 생산의 긴급 개발이 절실하게 요구되고 있다.
바이오 항공유를 목질계 및 해양 바이오매스(biomass)로부터 회수하는 방법을 살펴보면, 특허문헌 1의 수소 자급형 바이오 항공유의 제조장치 및 제조방법과 특허문헌 2의 다종의 금속성분이 포함된 이원기능형 수첨분해반응 촉매 및 이를 이용한 트리글리세라이드를 포함하는 바이오매스로부터 바이오 항공유의 제조방법과 특허문헌 3의 바이오 오일로부터 항공유분을 제조하기 위한 원 포트 수첨 반응용 고활성 복합촉매 및 특허문헌 4의 식물성오일로부터 바이오 항공유분의 선택적 제조를 위한 백금 담지 실리카-알루미나 촉매와 같은 다양한 기술들이 특허 출원되어 등록된 바 있다.
하지만, 상기 특허문헌들에 의해 알려진 바이오 항공유의 회수방법들은 촉매를 이용한 수첨 분해 반응에 의해 바이오매스로부터 항공유를 분리하는 방법에 관한 기술들로서, 사용하는 촉매의 종류에 따른 수첨 반응 조건을 최적화하여 운전하여야 하는 까다로운 조작 방법과 이에 따른 효율성의 문제점이 있었다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 2기의 증류탑을 이용한 종래의 바이오 항공유 분리장치를 이용하여 바이오 항공유를 분리하는 방법은 증류의 효율성이 낮은 저 효율 증류탑을 사용함에 따라 다량의 에너지를 사용하게 되고 이에 따라 분리공정의 운전 경비가 많이 소요되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명자는 상기와 같은 문제점들을 개선하고자 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
Romero-Izquierdo AG, G’omez-Castro FI, Guti’errez-Antonio C, Hern’andez S, Errico M (2021) Intensification of the alcohol-tojet process to produce renewable aviation fuel. Chem Eng Process 160:108270.
상기와 같은 문제점들을 개선하기 위한 방안으로, 본 발명은 제1 증류탑 및 제2 증류탑 내에 각각 설치된 열교환기를 이용하여 회수한 열을 재활용하여 원료인 목질계 및 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 2단 증류에 의해 바이오 항공유를 분리함으로써, 분리되는 바이오 항공유의 농도 및 분리 효율이 높고, 바이오 항공유의 분리조작 시 소비되는 에너지의 절감 효율이 높은 것을 특징으로 하는 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치는, 탑 내에 유입되는 원료(F)를 증류하여 탑정에서 납사(Bn)를 분리하고, 탑저에서 항공유(Bj)와 디젤유(Gd)의 혼합물(M1)을 분리하여 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로 이송하는 제1 증류탑(DC I); 및, 상기 제1 증류탑(DC I)의 탑저로부터 이송되어 탑 내로 유입되는 혼합물(M1)을 증류하여 탑정에서 항공유(Bj)를 분리하고, 탑저에서 디젤유(Gd)를 분리하는 제2 증류탑(DC Ⅱ);을 포함하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
상기에서 원료(F)는 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물인 것을 특징으로 한다.
그리고 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 응축기(c1, c2, … cn)가 구비되고, 하부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 재비기(r1, r2, … rn)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 증류탑(DC I)은 상부단의 복수 개의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn) 및 탑정에 설치된 제1 응축기(Con 1)로부터 회수한 열(Q1)을 제1 예열기(Prh 1)로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 탑정에 설치된 제2 응축기(Con 2)로부터 회수한 열(Q2)을 제1 증류탑(DC I)의 하부단의 복수 개의 증류단에 구비된 재비기(r1, r2, … rn)로 이송하고, 상부단의 복수 개의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn)로부터 회수한 열(Q3)의 일부 열(Q3a)을 제2 예열기(Prh 2)로 공급하고, 나머지 열(Q3b)을 제1 재비기(Reh 1)로 공급하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리방법은, 제1 증류탑(DC I) 내에 유입되는 원료(F)를 증류하여 탑정에서 납사(Bn)를 분리하고, 탑저에서 항공유(Bj)와 디젤유(Gd)의 혼합물(M1)을 분리하여 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로 이송하는 제1 증류 단계(P100); 및, 상기 제1 증류탑(DC I)의 탑저로부터 이송되어 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내로 유입되는 혼합물(M1)을 증류하여 탑정에서 항공유(Bj)를 분리하고, 탑저에서 디젤유(Gd)를 분리하는 제2 증류 단계(P200);를 포함하는 것을 과제의 다른 해결 수단으로 한다.
상기에서 원료(F)는 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 응축기(c1, c2, … cn)가 구비되고, 하부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 재비기(r1, r2, … rn)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 제1 증류탑 및 제2 증류탑 내에 각각 설치된 열교환기를 이용하여 회수한 열을 재활용하여 원료인 목질계 및 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 2단 증류에 의해 바이오 항공유를 분리함으로써, 분리되는 바이오 항공유의 농도 및 분리 효율이 높고, 바이오 항공유의 분리조작 시 소비되는 에너지의 절감 효율이 높은 효과가 있다.
도 1은 종래의 방법에 따라 두 개의 증류탑을 이용하여 항공유를 분리하기 위한 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치의 내부 구조 및 열의 재사용 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치의 내부 구조 및 열의 재사용 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리공정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하고 있다. 한편, 각 도면 및 상세한 설명에서 일반적인 바이오 항공유 분리공정 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 그리고 본 발명은 목질계 및 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 분리 공정설계 결과를 제시하고, 종래의 공정과 비교하여 아래의 내용과 같이 설명하고자 한다.
본 발명의 명세서에 기재된 용어 중 원료(F)는 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물로서, 상기 원료(F)는 탄소수가 C7~C16의 범위에 속하는 파라핀계 화합물인 헵탄(heptane), 옥탄(octane), 데칸(decane), 도데칸(dodecane), 테트라데칸(tetradecane), 헥사데칸(hexadecane) 및 기타 화합물이 혼합된 혼합물로 이루어진다. 참고로 상기 기타 화합물은 펜탄(pentane), 헥센(hexene), 헵탄(heptane), 옥텐(octene), 노난(nonane), 운데칸(undecane), 펜타데칸(pentadecane)의 혼합물이다.
그리고 제1 증류탑(DC I)의 탑정에서 회수하는 납사(Bn)는 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물인 원료(F)로부터 회수되는 납사(naphtha)로서, 펜탄(peptane), 헥센(hexene), 헥산(hexane) 및 헵탄(heptane)의 혼합물이며, 제2 증류탑(DC Ⅱ)의 탑정에서 생산하는 항공유(Bj)는 옥텐(octane), 옥탄(octane), 노난(nonane), 데칸(decane), 운데칸(undecane), 도데칸(dodecane), 테트라데칸(tetradecane)의 혼합물이며, 탑저에서 생산하는 디젤(Gd)은 테트라데칸(tetradecane), 펜타데칸(pentadecane) 및 헥사데칸(hexadecane)의 혼합물이다.
참고로, 본 발명의 명세서에서 '탑정' 및 '탑저'라 함은 '증류탑의 윗면' 및 '증류탑의 아랫면'을 각각 의미하며, '상부단' 및 '하부단'이란 원료(F)가 유입되는 유입 증류단을 기준으로 유입 증류탑의 윗부분 또는 아랫부분에 각각 설치된 증류단을 각각 의미한다.
본 발명에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치(이하, '항공유 분리장치'라 한다.)는 도 2에 도시된 바와 같이, 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물인 원료(F)로부터 항공유(Bj)를 분리하는 장치로서, 2기의 증류탑(DC I, DC Ⅱ)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 항공유 분리장치는 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)의 탑정의 외부에는 제1 응축기(Con 1) 및 제2 응축기(Con 2)가 설치되고, 제1 증류탑(DC I)의 원료(F) 유입단의 외부 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)의 혼합물(M1) 유입단의 외부에 제1 예열기(Prh 1) 및 제2 예열기(Prh 2)가 설치되고, 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)의 탑저의 외부에는 제1 재비기(Reh 1) 및 제2 재비기(Reh 2)가 설치되어진다.
이하, 본 발명에 따른 실시예에 따른 항공유 분리장치를 구성하는 각 탑에 대하여 구체적으로 설명하면 아래의 내용과 같다.
본 발명에서 제안된 항공유 분리장치는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물인 원료(F)를 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)의 2기로 이루어지는 증류탑에서 증류 공정을 수행하여 항공유(Bj)를 분리하는 것을 특징으로 한다.
제1 증류탑(DC I)은 탑 내에 유입되는 원료(F)를 증류하여 탑정에서 납사(Bn)를 분리하고, 탑저에서 항공유(Bj)와 디젤유(Gd)의 혼합물(M1)을 분리하여 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로 이송하는 작용을 하는 탑이다.
제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상기 제1 증류탑(DC I)의 탑저로부터 이송되어 탑 내로 유입되는 혼합물(M1)을 증류하여 탑정에서 항공유(Bj)를 분리하고, 탑저에서 디젤유(Gd)를 분리하는 작용을 하는 탑이다.
본 발명에 적용하는 원료(F)는 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물로서, 상기에서 설명한 바 있으므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다,
본 발명의 따른 항공유 분리장치의 내부 구조는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 응축기(c1, c2, … cn)가 구비되고, 하부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 재비기(r1, r2, … rn)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 첨부된 도면인 도 3에서는 상부단 내부의 증류단에 구비되는 응축기(c1, c2, … cn)를 
로 도시하고, 하부단 내부의 증류단에 구비되는 재비기(r1, r2, … rn)를 
로 도시하였지만, 증류단에 설치되는 응축기와 재비기는 다양한 형태의 구조로 설치되어질 수 있다.
제1 증류탑(DC I)은 상부단의 복수 개의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn) 및 탑정에 설치된 제1 응축기(Con 1)로부터 회수한 열(Q1)을 원료(F)가 유입되는 경로에 설치된 제1 예열기(Prh 1)로 공급한다. 구체적으로 제1 예열기(Prh 1)로 공급하는 열(Q1)은 제1 증류탑(DC I)의 상부단의 복수 개의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn)로부터 회수한 열(Q1a) 및 탑정에 설치된 제1 응축기(Con 1)로부터 회수한 열(Q1b)로서, 제1 예열기(Prh 1)로 공급된 열(Q1)에 의해 제1 증류탑(DC I) 내로 유입되는 원료(F)가 탑 내의 원료 유입단으로 유입되기 전에 원료(F)의 예열에 의해 제1 증류탑(DC I) 내에서 원료(F)를 1차 증류하기 위해 소요되는 열량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
제2 증류탑(DC Ⅱ)은 탑정에 설치된 제2 응축기(Con 2)로부터 회수한 열(Q2)을 제1 증류탑(DC I)의 하부단의 복수 개의 증류단에 구비된 재비기(r1, r2, … rn)로 이송함과 동시에 제2 증류탑(DC Ⅱ)의 상부단의 복수 개의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn)로부터 회수한 열(Q3b)를 제1 재비기(Reh 1)로 공급함으로써, 제1 증류탑(DC I) 내에서 원료(F)를 1차 증류하기 위해 소요되는 열량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상부단의 복수 개의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn)로부터 회수한 열(Q3)의 일부 열(Q3a)을 혼합물(M1)이 유입되는 경로에 설치된 제2 예열기(Prh 2)로 공급함으로써, 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내에서 항공유(Bj)와 디젤유(Gd)의 혼합물(M1)을 2차 증류하기 위해 소요되는 열량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
그리고 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상부단의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn)로부터 회수한 열(Q3)의 일부 열(Q3a)을 제외한 나머지 열(Q3b)을 제1 재비기(Reh 1)로 공급함으로써, 제1 증류탑(DC I) 내에서 원료(F)를 1차 증류하기 위해 소요되는 열량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
참고로, 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내에서 항공유(Bj)와 디젤유(Gd)의 혼합물(M1)을 2차 증류하기 위해 소요되는 열량을 공급하는 하부단의 복수 개의 증류단에 구비된 재비기(r1, r2, … rn)로 외부의 가열 수단에 의해 열(Q4)이 공급되어진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항공유 분리장치를 사용하여 항공유를 분리하는 방법을 첨부된 도면인 도 3 및 도 4를 중심으로 구체적으로 설명하면 아래의 내용과 같다.
본 발명에 따른 각 공정들의 구성 장치 및 화합물들에 대한 설명은 상기 항공유 분리장치의 설명시 상세히 설명하였으므로, 아래에서는 각 공정들의 구성장치와 화합물 및 혼합물에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 항공유 분리 방법은 제1 증류 단계(P100) 및 제2 증류 단계(P200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 증류 단계(P100)는 제1 증류탑(DC I) 내에 유입되는 원료(F)를 증류하여 탑정에서 납사(Bn)를 분리하고, 탑저에서 항공유(Bj)와 디젤유(Gd)의 혼합물(M1)을 분리하여 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로 이송하는 단계이다.
제2 증류 단계(P200)는 상기 제1 증류탑(DC I)의 탑저로부터 이송되어 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내로 유입되는 혼합물(M1)을 증류하여 탑정에서 항공유(Bj)를 분리하고, 탑저에서 디젤유(Gd)를 분리하는 단계이다.
상기 제1 증류탑(DC I)은 상부단의 복수 개의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn) 및 탑정에 설치된 제1 응축기(Con 1)로부터 회수한 열(Q1)을 제1 예열기(Prh 1)로 공급하며, 상기 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 탑정에 설치된 제2 응축기(Con 2)로부터 회수한 열(Q2)을 제1 증류탑(DC I)의 하부단의 복수 개의 증류단에 구비된 재비기(r1, r2, … rn)로 공급한다.
제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)에서 회수한 열(Q)의 재활용에 대해서는 상기 항공유 분리장치의 설명시에 상세하게 설명한 바 있으므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 항공유 분리장치는 상기와 같은 기술적 구성에 의해 제1 증류탑 및 제2 증류탑 내에 각각 설치된 열교환기를 이용하여 회수한 열을 재활용하여 원료인 목질계 및 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 2단 증류에 의해 바이오 항공유를 분리함으로써, 분리되는 바이오 항공유의 농도 및 분리 효율이 높고, 바이오 항공유의 분리조작 시 소비되는 에너지의 절감 효율이 높은 효과가 있다.
이하 본 발명에 따른 항공유 분리장치를 이용한 항공유 분리방법을 아래의 실시 예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 아래의 실시 예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니다.
1. 원료(F)의 조성
본 발명에 따른 실시예 1의 항공유 분리장치 및 이에 대비되는 비교예 1의 항공유 분리장치에서 사용되는 원료(F)는 아래 [표 1]에 기재된 내용과 같은 목질계 또는 해양 바이오매스 생성물을 사용하였다. 참고로 아래 [표 1]에서 기타 화합물은 펜탄(pentane), 헥센(hexene), 헵탄(heptane), 옥텐(octene), 노난(nonane), 운데칸(undecane), 펜타데칸(pentadecane)의 혼합물이다.
| 화합물 종류 | 조성(kg/h) |
| 헵탄(heptane) | 36,175 |
| 옥탄(octane) | 27,507 |
| 데칸(decane) | 6,538 |
| 도데칸(dodecane) | 6,523 |
| 테트라데칸(tetradecane) | 6,512 |
| 헥사데칸(hexadecane) | 6,442 |
| 기타 화합물 | 1,787 |
2. 2단 증류를 이용한 항공유의 분리
상기 1의 조건을 갖는 원료(F)인 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 사용하여 실시예 1의 항공유 분리장치(도 2 및 도 3에 도시된 장치)와 비교예 1의 항공유 분리장치(도 1에 도시된 장치)를 사용하여 2단 증류에 의해 항공유를 각각 분리하였다.
아래 [표 2]는 실시예 1 및 비교예 1의 항공유 분리장치의 공정설계 결과를 제시하였다. 원료(F)의 조성과 함께 항공유를 생산하기 위해서는 장치의 운전조건을 계산하였다. 운전조건을 계산하기 위하여 아래 [표 2]의 내용과 같은 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로 구성된 항공유 분리장치에 여러 가지 운전조건을 사용하였을 때의 증류계산을 반복 실시하여 요구되는 제품을 생산하면서 에너지 사용이 가장 적은 조건을 찾았다. 이러한 계산을 위해 본 발명에서는 상업용 계산 프로그램인 아스펜플러스(Aspen Plus)를 사용하였으며 아래 [표 2]의 운전조건에서 요구되는 생성물이 얻어진다.
| 구분 | 종래 장치(비교예 1) | 본 발명의 장치(실시예 1) | ||
| 제1 증류탑 | 제2 증류탑 | 제1 증류탑 | 제2 증류탑 | |
| 구조 | ||||
| 단수 | 33 | 35 | 33 | 35 |
| 공급단 | 17 | 11 | 17 | 11 |
| 조작 변수 | ||||
| 압력(MPa), 탑정 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.17 |
| 온도(℃) | ||||
| 상부 | 69.6 | 163.8 | 69.6 | 182.8 |
| 하부 | 136.2 | 266.4 | 139.4 | 290.6 |
| F (kg/h) | 91,484 | 54,487 | 91.484 | 54,487 |
| 생성물 (kg/h) | ||||
| 상부 | 36,997 | 41,307 | 36,997 | 41,307 |
| 하부 | 54,487 | 13,180 | 54,487 | 13,180 |
| 환류용량 (kg/h) | 35,665 | 15,242 | 1723 | 2498 |
| 증기용량 (kg/h) | 68,712 | 59,639 | 27,371 | 13,862 |
| 냉각용량 (kW) | 6767 | 5605 | 3606 | 4168 |
| 가열용량 (kW) | 6384 | 4024 | 2576 | 887 |
| 증류단 냉각 (kW) | 4570 | 4897 | ||
| 증류단 가열 (kW) | 5292 | 6390 | ||
| 예열 용량 (kW) | 5655 | 2578 | 5579 | 3676 |
| 원료 조성(mass frac.) | ||||
| 항공유(Bj) | 0.4515 | 0.7580 | 0.4515 | 0.7580 |
| 생성물 | Btm | Ovhd | Btm | Ovhd |
| 항공유(Bj) | 0.7580 | 0.9999 | 0.7580 | 0.9999 |
실시예 1의 항공유 분리장치의 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)의 두 공정에 동일한 공급 원료와 제품 사양을 적용한 것으로, 두 공정의 기본 구성은 에너지 소비를 줄이기 위해 단열 공정에서 트레이 열 전달을 적용한 것을 제외하고는 동일했으며, 증류단의 열 전달 세부 정보는 아래 [표 3]에 기재된 바와 같다.
본 발명의 명세서에 첨부된 도면인 도 2를 아래 [표 3]을 참조하여 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)에서 회수한 열(Q)의 재활용 과정을 설명하면 아래의 내용과 같다.
제1 증류탑(DC I)은 상부단의 증류단에서 증류물의 온도를 102℃ 이하로 냉각시키고, 회수한 4.57MW의 열(Q1a)를 원료(F)가 유입되는 경로에 설치된 제1 예열기(Prh 1)로 공급받고, 하부단의 증류단에서 제2 증류탑(DC Ⅱ)로부터 공급된 139℃ 이하 온도의 5.29MW의 열(Q3b)을 공급받음으로써 제1 증류탑(DC I) 내에서 원료(F)를 1차 증류하기 위해 소요되는 열량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상부단의 증류단에서 증류물의 온도를 227℃ 이하 온도로 냉각시키고, 회수한 4.90MW의 열(Q3) 중에서 일부 열(Q3a)을 항공유(Bj)와 디젤유(Gd)의 혼합물(M1)이 유입되는 경로에 설치된 제2재비기(Reb 2) 공급받음으로써, 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내에서 혼합물(M1)을 2차 증류하기 위해 소요되는 열량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
| 제1 증류탑 | 제2 증류탑 | ||||
| Tray number | Temp. (℃) | Duty (kW) | Tray number | Temp. (℃) | Duty (kW) |
| 냉각(Cooling) | |||||
| 1 | 69.6 | -860 | 1 | 182.8 | -916 |
| 2 | 69.8 | -770 | 2 | 191.7 | -821 |
| 3 | 70.0 | -681 | 3 | 198.4 | -726 |
| 5 | 70.6 | -591 | 4 | 203.6 | -632 |
| 6 | 71.1 | -502 | 5 | 207.8 | -537 |
| 7 | 71.9 | -412 | 6 | 211.1 | -442 |
| 9 | 76.9 | -323 | 7 | 214.2 | -348 |
| 11 | 89.9 | -233 | 8 | 217.5 | -253 |
| 13 | 99.6 | -144 | 9 | 221.7 | -158 |
| 14 | 101.7 | -54 | 10 | 227.1 | -64 |
| 합계 | -4570 | -4897 | |||
| 가열(Heating) | |||||
| 19 | 128.9 | 339 | 12 | 264.1 | 409 |
| 20 | 131.8 | 381 | 14 | 275.6 | 460 |
| 21 | 133.1 | 423 | 16 | 279.5 | 511 |
| 23 | 134.0 | 466 | 18 | 280.9 | 562 |
| 25 | 134.7 | 508 | 20 | 281.7 | 613 |
| 26 | 135.1 | 550 | 22 | 282.4 | 665 |
| 28 | 135.9 | 593 | 25 | 283.3 | 716 |
| 29 | 136.6 | 635 | 28 | 284.5 | 767 |
| 30 | 6137.5 | 6777 | 31 | 286.3 | 818 |
| 32 | 138.8 | 720 | 34 | 289.4 | 869 |
| 합계 | 5292 | 6390 | |||
3. 항공유의 분리장치의 경제성 평가
본 발명에 따른 항공유 분리공정의 투자와 운전비용에 대한 경제성 평가를 다음 절차를 이용하여 계산하였다. 분리시스템의 비용은 탑과 관련 설비의 투자비와 운전 경비로 구성된다. 투자 비용은 2018년부터 마샬 및 스위프트 비용 인덱스(Marshall & Swift Cost Index 1638.2)를 사용하여 업데이트되었으며, 8000시간의 연간 프로세스 작업이 업데이트된 비용 요소를 적용하는 운전 비용을 추정하는데 사용되었다. 컬럼 직경은 증기 유속으로부터 계산되었고 높이는 유지보수를 위한 트레이의 총 수와 2피트 간격으로부터 계산되었다.
아래 [표 4]에는 본 발명에 따른 항공유 분리장치에 대한 계산된 설비 투자비와 운전 비용에 대한 경제성 평가에 대하여 나타내었다.
| 구분 | 종래 장치(비교예 1) | 본 발명의 장치(실시예 1) | ||
| 제1 증류탑 | 제2 증류탑 | 제1 증류탑 | 제2 증류탑 | |
| 설비 투자비 | ||||
| 컬럼 | 0.652 | 0.491 | 0.678 | 0.562 |
| 내부단 | 0.063 | 0.041 | 0.067 | 0.050 |
| 열 교환기 | 1.134 | 0.948 | 1.288 | 1.326 |
| 재비기 | - | 0.282 | - | - |
| 합계 | 3.611 | 3.971 | ||
| 운전 비용 | ||||
| 증기 비용 | 2.642 | 3.066 | 1.067 | 3.616 |
| 냉각수 비용 | 0.099 | 0.082 | 0.053 | - |
| 합계 | 5.889 | 4.736 | ||
참고로, 상기 [표 4]에서 본 발명에 따른 실시예 1과 비교되는 비교예 1은 도 2에 도시된 항공유 분리 장치이다.
상기 [표 4]의 내용에 의하면, 본 발명에 따른 실시예 1은 비교예 1에 비해 설비투자비는 10% 정도가 더 소요되지만, 운전 비용은 비교예 1에 비해 20% 정도의 운전비용이 절감되어 항공유 분리장치의 통상적인 내구연한 20년 이상인 점을 고려할 경우 경제성에서 대단히 우수한 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법을 설명하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
DC I : 제1 증류탑 DC Ⅱ : 제2 증류탑
F : 원료 Bn : 납사
Bj : 항공유 Gd : 디젤유
M1 : 혼합물
c1, c2, … cn : 상부단 응축기
r1, r2, … rn : 상부단 재비기
Con 1, Con 2 : (탑정 외부의) 제1 응축기 및 제2 응축기
Prh 1, Prh 2 : 제1 예열기 및 제2 예열기
Reh 1, Reh 2 : (탑저 외부의) 제1 재비기 및 제2 재비기
Q1, Q1a, Q1b, Q2, Q3, Q3a, Q3b, Q4 : 열(에너지)
F : 원료 Bn : 납사
Bj : 항공유 Gd : 디젤유
M1 : 혼합물
c1, c2, … cn : 상부단 응축기
r1, r2, … rn : 상부단 재비기
Con 1, Con 2 : (탑정 외부의) 제1 응축기 및 제2 응축기
Prh 1, Prh 2 : 제1 예열기 및 제2 예열기
Reh 1, Reh 2 : (탑저 외부의) 제1 재비기 및 제2 재비기
Q1, Q1a, Q1b, Q2, Q3, Q3a, Q3b, Q4 : 열(에너지)
Claims (9)
- 탑 내에 유입되는 원료(F)를 증류하여 탑정에서 납사(Bn)를 분리하고, 탑저에서 항공유(Bj)와 디젤유(Gd)의 혼합물(M1)을 분리하여 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로 이송하는 제1 증류탑(DC I); 및,
상기 제1 증류탑(DC I)의 탑저로부터 이송되어 탑 내로 유입되는 혼합물(M1)을 증류하여 탑정에서 항공유(Bj)를 분리하고, 탑저에서 디젤유(Gd)를 분리하는 제2 증류탑(DC Ⅱ);
을 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)은
상기 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내에 각각 설치된 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치.
- 제1항에 있어서,
상기 원료(F)는 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물인 것을 특징으로 하는 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 응축기(c1, c2, … cn)가 구비되고, 하부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 재비기(r1, r2, … rn)가 구비되는 것을 특징으로 하는 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 증류탑(DC I)은 상부단의 복수 개의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn) 및 탑정에 설치된 제1 응축기(Con 1)로부터 회수한 열(Q1)을 제1 예열기(Prh 1)로 공급하는 것을 특징으로 하는 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 탑정에 설치된 제2 응축기(Con 2)로부터 회수한 열(Q2)을 제1 증류탑(DC I)의 하부단의 복수 개의 증류단에 구비된 재비기(r1, r2, … rn)로 공급하는 것을 특징으로 하는 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상부단의 복수 개의 증류단에 구비된 응축기(c1, c2, … cn)로부터 회수한 열(Q3)의 일부 열(Q3a)을 제2 예열기(Prh 2)로 공급하고, 나머지 열(Q3b)을 제1 재비기(Reh 1)로 공급하는 것을 특징으로 하는 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치.
- 제1 증류탑(DC I) 내에 유입되는 원료(F)를 증류하여 탑정에서 납사(Bn)를 분리하고, 탑저에서 항공유(Bj)와 디젤유(Gd)의 혼합물(M1)을 분리하여 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로 이송하는 제1 증류 단계(P100); 및,
상기 제1 증류탑(DC I)의 탑저로부터 이송되어 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내로 유입되는 혼합물(M1)을 증류하여 탑정에서 항공유(Bj)를 분리하고, 탑저에서 디젤유(Gd)를 분리하는 제2 증류 단계(P200);
을 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)은
상기 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내에 각각 설치된 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리방법.
- 제7항에 있어서,
상기 원료(F)는 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물인 것을 특징으로 하는 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리방법.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 증류탑(DC I) 및 제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 응축기(c1, c2, … cn)가 구비되고, 하부단의 내부에 설치된 복수 개의 증류단에 재비기(r1, r2, … rn)가 구비되는 것을 특징으로 하는 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리방법.
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| KR1020220159761A KR102550716B1 (ko) | 2022-11-24 | 2022-11-24 | 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020220159761A KR102550716B1 (ko) | 2022-11-24 | 2022-11-24 | 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법 |
Publications (1)
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|---|---|
| KR102550716B1 true KR102550716B1 (ko) | 2023-06-30 |
Family
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Family Applications (1)
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| KR1020220159761A KR102550716B1 (ko) | 2022-11-24 | 2022-11-24 | 증류단 열교환형 증류탑을 이용한 고 에너지 효율의 바이오 항공유 분리장치 및 이 장치를 이용한 바이오 항공유의 분리방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102550716B1 (ko) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090287029A1 (en) * | 2008-03-17 | 2009-11-19 | Amarendra Anumakonda | Controlling Production of Transportation Fuels from Renewable Feedstocks |
| KR20150016137A (ko) * | 2013-08-01 | 2015-02-11 | 주식회사 엘지화학 | 정제 장치 및 이를 이용한 정제 방법 |
| KR101578459B1 (ko) | 2014-10-10 | 2015-12-17 | 한국화학연구원 | 식물성오일로부터 바이오 항공유분의 선택적 제조를 위한 백금 담지 실리카-알루미나 촉매 |
| KR20160052416A (ko) * | 2014-10-31 | 2016-05-12 | 주식회사 엘지화학 | 증류 장치 |
| KR102199399B1 (ko) | 2020-04-29 | 2021-01-06 | 국방과학연구소 | 수소 자급형 바이오항공유의 제조장치 및 제조방법 |
| KR102255297B1 (ko) | 2019-06-18 | 2021-05-25 | 한국과학기술원 | 다종의 금속성분이 포함된 이원기능형 수첨분해반응 촉매 및 이를 이용한 트리글리세라이드를 포함하는 바이오매스로부터 바이오항공유의 제조방법 |
| KR102454175B1 (ko) | 2020-06-24 | 2022-10-14 | 한국화학연구원 | 바이오오일로부터 항공유분을 제조하기 위한 원 포트 수첨 반응용 고활성 복합촉매 |
-
2022
- 2022-11-24 KR KR1020220159761A patent/KR102550716B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR102454175B1 (ko) | 2020-06-24 | 2022-10-14 | 한국화학연구원 | 바이오오일로부터 항공유분을 제조하기 위한 원 포트 수첨 반응용 고활성 복합촉매 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Romero-Izquierdo AG, G’omez-Castro FI, Guti’errez-Antonio C, Hern’andez S, Errico M (2021) Intensification of the alcohol-tojet process to produce renewable aviation fuel. Chem Eng Process 160:108270. |
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