KR102577682B1 - 액상 프로판 기화 방법 및 이에 사용되는 기화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액상 프로판 기화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 제1 감압 장치로 공급하여 감압시키는 단계(S10); 상기 제1 감압 장치 배출 스트림을 열교환기로 공급하여 냉매로 사용하는 단계(S20); 상기 열교환기를 통과한 제1 감압 장치 배출 스트림을 압축기로 공급하여 압축시키는 단계(S30); 상기 압축기에서 배출되는 제1 배출 스트림을 제1 기화 장치로 공급하여 예열 또는 기화시키고, 제2 배출 스트림을 응축기로 공급하는 단계(S40); 상기 응축기에서 기상 프로판을 액상 프로판으로 응축시킨 배출 스트림을 제2 감압 장치로 공급하는 단계(S50); 및 상기 제2 감압 장치에서 압력을 낮춘 배출 스트림을 제2 기화 장치로 공급하여 감압된 액상 프로판을 기화시켜 냉매로 사용하는 단계(S60)를 포함하는 액상 프로판의 기화 방법 및 이를 실시하기 위한 액상 프로판 기화 장치를 제공한다.

Description

액상 프로판 기화 방법 및 이에 사용되는 기화 장치{METHOD FOR VAPORIZING LIQUID PROPANE AND APPARATUS USED FOR THE METHOD}
본 발명은 액상 프로판 기화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액상 프로판을 열분해 반응의 공급 원료로 공급하기 위한 기화 방법 및 이를 실시하기 위한 기화 장치에 관한 것이다.
나프타 열분해는 주로 나프타를 고온에서 스팀과 함께 공급하여 1,000 ℃ 이상의 열을 가해 탄소-탄소 간의 고리를 끊는 방법으로 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔 및 BTX 등의 부산물을 생산하기 위해 이용된다.
최근, 나프타 이외의 에틸렌의 생산 원료가 될 수 있는 원료인 에탄, 프로판 및 부탄 등의 가격이 하락하고 있고, 이에 따라 에틸렌 등의 생성물의 생산량을 증가시키기 위해, 공급 원료로서 나프타를 이용하는 액상(liquid)의 분해 공정 이외에, 공급 원료로서 에탄 및 프로판 등을 이용한 기상(gas)의 분해 공정을 추가하는 방법이 이용되고 있다.
여기서, 에탄은 나프타의 분해에 의해 생성된 열분해 생성물 중, 정제 후 순환되는 에탄을 공급 원료로 이용하고, 프로판은 나프타의 분해에 의해 생성된 열분해 생성물 중, 정제 후 순환되는 프로판 등을 공급 원료로 이용하거나, 또는 외부로부터 도입된 프로판을 공급 원료로 이용하게 된다. 특히, 프로판의 경우, 다른 공급 원료에 비해 원가가 저렴하여 외부로부터의 공급이 용이하고, 생산 원가를 절감시키는 장점이 있다.
한편, 나프타 열분해는 생성물을 수득하기 위한 정제 단계에서, 저온의 냉매에 대한 수요처가 매우 많고, 일례로 에틸렌 정제탑에서는 -40 ℃의 냉매의 소비량이 40 Gcal/hr를 넘어서며, 탈에탄탑이나 탈메탄탑에서도 상당량의 냉매를 필요로 한다.
이와 관련하여, 상기 프로판은 일반적으로 액화된 액화석유가스(LPG, Liquefied Petroleum Gas)의 형태인 액상 프로판으로 도입되는데, 기상의 분해 공정의 공급 원료로서 프로판을 이용하기 위해서는 상기 액상 프로판을 기화시켜 공급할 필요가 있다. 구체적으로, 상기 액상 프로판은 기상의 열분해로에 공급되기에 앞서 기화 및 예열 과정을 거치게 된다. 여기서, 기화 및 예열에 앞서 감압을 수행하는 경우, 액상 프로판의 잠열을 냉매로 활용하는 것이 가능하고, 이를 정제 단계에서의 냉매로 이용할 수 있게 된다.
그러나, 액상 프로판의 감압 범위가 낮은 경우에는, 액상 프로판의 잠열을 냉매로서 활용되는 양이 감소하고, 액상 프로판을 기화시키기 위해 필요한 열원이 증가하는 문제가 있다. 또한, 액상 프로판의 감압 범위가 증가하는 경우에는, 액상 프로판이 기화 및 예열되어 열분해로에 공급되기까지의 흐름성이 유지되지 않는 문제가 있고, 이를 해결하기 위해 압축기를 별도로 설치하는 경우 공정 비용, 공정에 사용되는 공간 및 운전 부담이 증가하는 문제가 발생한다.
KR 2009-0100121 A
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 상기 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하기 위하여, 기상의 분해 공정의 공급 원료로 액상 프로판을 도입할 때, 액상 프로판의 잠열을 최대한 냉매로 이용하면서도, 흐름성을 유지시키는 것이다.
즉, 본 발명은 기상의 분해 공정의 공급 원료인 액상 프로판을 열분해로에 공급하기 위한 기화에 앞서, 액상 프로판을 감압하여 잠열을 최대한 냉매로 이용함과 동시에, 기상 분해로에 공급시키기 적절한 온도로의 예열을 위한 열원을 절감하면서도 흐름성은 유지할 수 있는 액상 프로판 기화 방법 및 이를 실시하기 위한 기화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 제1 감압 장치로 공급하여 감압시키는 단계(S10); 상기 제1 감압 장치 배출 스트림을 열교환기로 공급하여 냉매로 사용하는 단계(S20); 상기 열교환기를 통과한 제1 감압 장치 배출 스트림을 압축기로 공급하여 압축시키는 단계(S30); 상기 압축기에서 배출되는 제1 배출 스트림을 제1 기화 장치로 공급하여 예열 또는 기화시키고, 제2 배출 스트림을 응축기로 공급하는 단계(S40); 상기 응축기에서 기상 프로판을 액상 프로판으로 응축시킨 배출 스트림을 제2 감압 장치로 공급하는 단계(S50); 및 상기 제2 감압 장치에서 압력을 낮춘 배출 스트림을 제2 기화 장치로 공급하여 감압된 액상 프로판을 기화시켜 냉매로 사용하는 단계(S60)를 포함하는 액상 프로판의 기화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 공급받아 감압된 공급 스트림을 열교환기로 공급하는 제1 감압 장치; 상기 제1 감압 장치 배출 스트림을 공급받아 열교환시키는 열교환기; 상기 열교환기를 배출 스트림을 공급받아 압축시키고, 제1 배출 스트림을 제1 기화 장치로 공급하고, 제2 배출 스트림은 응축기로 공급하는 압축기; 상기 압축기 제1 배출 스트림을 공급받아 예열 또는 기화시키는 제1 기화 장치; 상기 압축기 제2 배출 스트림을 공급받아 기상 프로판을 액상 프로판으로 응축시켜 제2 감압 장치로 공급하는 응축기; 상기 응축기 제2 배출 스트림을 공급받아 감압시키고, 배출 스트림을 제2 기화 장치로 공급하는 제2 감압 장치; 및 상기 제2 감압 장치 배출 스트림을 공급받아 기화시키는 제2 기화 장치를 포함하는 액상 프로판의 기화 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 액상 프로판 기화 방법에 따라, 기상의 분해 공정의 공급 원료인 액상 프로판을 기화시키는 경우, 액상 프로판의 잠열을 최대한 냉매로 이용 가능하고, 나아가, 냉매로 이용한 후의 프로판을 기상의 분해 공정의 공급 원료로 공급하기 위한 기화 시, 필요한 온도로 예열하는 경우 예열을 위한 열원을 절감하면서도, 흐름성은 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 액상 프로판 기화 방법은, 별도의 압축기 설치 없이 프로필렌 냉동 설비의 압축기와 결합시킴으로써, 공정 비용을 절감할 수 있고, 프로필렌 냉동 설비에서 사용되는 프로필렌 냉매보다 저가인 액상 프로판의 잠열을 냉매로서 사용함으로써, 경제성이 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 흐름도이다.
도 2 및 3은 각각 비교예에 따른 공정 흐름도이다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선을 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 용어 '스트림(stream)'은 공정 내 유체(fluid)의 흐름을 의미하는 것일 수 있고, 또한, 배관 내에서 흐르는 유체 자체를 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 '스트림'은 각 장치를 연결하는 배관 내에서 흐르는 유체 자체 및 유체의 흐름을 동시에 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 유체는 기체(gas)를 의미할 수 있다.
본 발명에서 용어 '흐름성'은 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림이 분해로의 입구까지 유체의 흐름에 따라 흐르는 성질을 의미하는 것일 수 있다.
구체적인 예로, 분해로에 공급되기 직전의 기화된 공급 스트림은 분해로의 입구의 유입 조건에 따른 온도 및 압력의 범위를 가질 수 있는데, 기화된 공급 스트림의 이전에 흐르는 각 스트림의 압력이 기화된 공급 스트림의 압력 보다 낮은 경우에는, 각 스트림이 기화된 공급 스트림까지 흐름성이 저하되거나, 흐르지 않는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 모든 스트림의 압력은, 각 스트림의 이전에 흐르는 각 스트림의 압력과 같거나 작을 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 액상 프로판 기화 방법은, 나프타 열분해의 일부로서, 기상의 분해 공정에 있어서, 액상 프로판을 공급 원료로 공급하기 위한 액상 프로판 기화 방법일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나프타 열분해는 나프타, 재순환 C2 및 C3 탄화수소 화합물 및 프로판 등을 각각 공급 원료로 투입하여, 각각의 열분해로에서 열분해를 실시하는 단계; 각각의 열분해로에서 열분해되어 수소, C1, C2 및 C3 이상의 탄화수소 화합물을 포함하는 열분해 가스를 냉각하는 단계; 냉각된 열분해 가스를 압축하는 단계; 및 수소, C1, C2 및 C3 이상의 탄화수소 화합물을 포함하는 열분해 압축 스트림을 정제하는 단계를 포함하여 실시될 수 있다.
구체적으로, 상기 열분해 단계는 나프타를 공급 원료로 하는 액상의 분해 공정, 에탄 및 프로판 등과 같은 재순환 C2 및 C3 탄화수소 화합물을 공급 원료로 하는 기상의 분해 공정, 및 프로판을 공급 원료로 하는 기상의 분해 공정을 포함하는 것일 수 있다.
상기 냉각 단계는 상기 열분해 단계의 각각의 열분해로에서 생성된 열분해 가스를 냉각탑에서 냉각시키는 냉각 공정을 포함하는 것일 수 있다.
상기 압축 단계는 상기 냉각 단계에서 냉각된 열분해 스트림을 정제하기 위해 2개 또는 그 이상의 압축기로부터 다단 압축을 통해 압축시키는 압축 공정을 포함하는 것일 수 있다.
상기 정제 단계는 상기 압축 단계에서 압축되어 배출되는 열분해 압축 스트림으로부터 생성물 및 부산물을 수득하기 위한 정제 공정을 포함하는 것일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 액상 프로판 기화 방법은 상기 열분해 단계의 프로판을 공급 원료로 하는 기상의 분해 공정을 실시하기 위해, 액상 프로판을 공급 원료로 공급하기 위한 액상 프로판 기화 방법일 수 있다.
이와 관련하여, 종래의 액상 프로판 기화 방법에 따르면, 공급 장치로부터 공급되는 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 분해로에 공급하기에 앞서, 기화 장치를 통해 공급 스트림을 기화시키고, 기화된 공급 스트림을 분해로에 공급하게 된다. 즉, 액상 프로판을 분해로의 공급 원료로 공급하기 위해서는, 액상 프로판을 기화 장치에서 기화시키는데 소모되는 열원만큼의 에너지를 지속적으로 소모하게 되어, 에너지의 낭비가 심한 문제가 발생하게 된다.
이에, 종래의 액상 프로판 기화 방법에 따른 기화 시의 에너지 소모를 저감시키면서도, 액상 프로판이 함유하고 있는 잠열(latent heat)을 활용하기 위한 액상 프로판 기화 방법이 연구되어 왔다.
구체적으로, 공급 장치로부터 공급되는 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 감압 장치를 이용하여 감압하고, 감압된 공급 스트림을 열교환기에 공급하여 냉각 또는 응축이 필요한 스트림과 열교환을 실시하고, 냉각 또는 응축된 스트림을 배출함과 동시에, 열교환기를 통과한 감압된 공급 스트림을 기화 장치를 통해 기화시키고, 기화된 공급 스트림을 분해로에 공급하는 액상 프로판 기화 방법이 개시된다. 그러나, 액상 프로판의 감압 범위가 증가하는 경우에는, 액상 프로판이 기화 및 예열되어 분해로에 공급되기까지의 흐름성이 유지되지 않는 문제가 있다.
이에, 상기 액상 프로판이 기화 및 예열되어 분해로에 공급되기까지의 흐름성을 유지하기 위하여 별도의 압축기를 설치하는 방법이 고려되었으나, 이는 공정 비용, 공정에 사용되는 공간 및 운전 부담을 증가시키는 문제를 초래하였다.
종래의 액상 프로판 기화 방법과 비교하여 본 발명에 따른 액상 프로판 기화 방법을 이용하여 프로판을 열분해 단계의 공급 원료로 공급하는 경우, 액상 프로판의 잠열을 최대한 냉매로 이용 가능하여 에너지의 절약 및 활용이 가능함은 물론, 냉매로 이용한 후의 프로판을 기상의 분해 공정의 공급 원료로 공급하기 위한 기화 시, 예열을 위한 열원을 절감하면서도, 흐름성은 유지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 프로필렌 냉동 설비의 압축기와 결합시킴으로써, 공정 비용을 절감할 수 있고, 프로필렌 냉동 설비에서 사용되는 프로필렌 냉매보다 저가인 액상 프로판의 잠열을 냉매로서 사용함으로써, 경제성이 확보할 수 있다.
위와 같은 효과를 나타내기 위한 본 발명에 따른 액상 프로판 기화 방법은, 도 1을 참조하여 설명하면, 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 제1 감압 장치(200)로 공급하여 감압시키는 단계(S10); 상기 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 열교환기(300)로 공급하여 냉매로 사용하는 단계(S20); 상기 열교환기(300)를 통과한 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 압축기(400)로 공급하여 압축시키는 단계(S30); 상기 압축기(400)에서 배출되는 제1 배출 스트림을 제1 기화 장치(500)로 공급하여 예열 또는 기화시키고, 제2 배출 스트림을 응축기(600)로 공급하는 단계(S40); 상기 응축기(600)에서 기상 프로판을 액상 프로판으로 응축시킨 배출 스트림을 제2 감압 장치(700)로 공급하는 단계(S50); 및 상기 제2 감압 장치(700)에서 압력을 낮춘 배출 스트림을 제2 기화 장치(800)로 공급하여 감압된 액상 프로판을 기화시켜 냉매로 사용하는 단계(S60)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 냉매 및 공급 원료로 이용하기 위해 공급하고, 상기 공급 스트림을 감압시키는 단계일 수 있다.
상기 (S10) 단계에서 공급된 공급 스트림은 제1 감압 장치(200)에서 감압되고, 이는, 상기 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 제1 감압 장치(200)에서 일부 또는 전부를 기화시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 감압에 의해 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림의 일부 또는 전부가 기화되는 경우, 기화에 의해 발생하는 기화열, 즉 액상 프로판의 잠열을 냉매로서 이용할 수 있는 효과가 있다.
상기 (S10) 단계에서는 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림의 압력을 1 kg/cm2g 이하로 감압시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 (S10) 단계에서, 공급 스트림의 압력을 0 kg/cm2g 내지 1.0 kg/cm2g, 0 kg/cm2g 내지 0.9 kg/cm2g 또는 0 kg/cm2g 내지 0.8 kg/cm2g의 압력으로 감압하여 실시될 수 있고, 상기 범위 내에서 액상 프로판의 잠열을 최대한 이용할 수 있는 효과가 있다.
상기 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림의 압력은 분해로 입구의 압력 보다 높은 것일 수 있다. 공급 스트림의 압력이 분해로 입구의 압력 보다 낮거나, 동등 수준인 경우 압력 차이에 따른 흐름성이 유지되지 않아 공급 스트림의 흐름성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 분해로 입구의 압력은 6 kg/cm2g 내지 8 kg/cm2g일 수 있고, 공급 스트림의 압력은 상기 분해로 입구의 압력보다 높은 값으로 결정될 수 있으며, 상기 범위 내에서 흐름성을 유지하면서도 액상 프로판의 잠열을 최대한 이용할 수 있는 효과가 있다.
상기 (S10) 단계에 의해 감압된 공급 스트림의 온도는 - 50 ℃ 내지 - 10 ℃, - 40 ℃ 내지 - 10 ℃, 또는 - 30 ℃ 내지 - 15 ℃일 수 있다. 예를 들어, (S10) 단계에 의해 감압된 공급 스트림은 열교환기(300)으로 공급되는 제1 감압 장치(200) 배출 스트림일 수 있으며, 상기 범위 내에서 액상 프로판의 잠열을 냉매로서 이용할 수 있고, 예열 또는 기화 시, 예열을 위한 열원을 절감시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는, 상기 감압된 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 열교환기(300)에서 냉매로 활용하여 냉각 또는 응축이 필요한 스트림을 냉각 또는 응축시켜 배출하기 위해, 열교환기(300)에 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 공급하는 단계일 수 있다.
상기 제1 감압 장치(200) 배출 스트림은 상기 열교환기(300)를 통과하면서 예를 들어, 에틸렌 정제탑, 탈메탄탑, 탈에탄탑과 같은 반응기 추출물 또는 증류탑 원료의 냉각(Prechilling), 증류탑의 콘덴서, 냉동 설비 등에 냉매로서 사용될 수 있다.
상기 열교환기(300)는 예를 들어, 프로필렌 냉매 압축기의 전단에 위치한 것일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 열교환기(300)는 상기 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 프로필렌 냉매를 과냉각 시키기 위한 냉매로 이용하여, 프로필렌 냉매 압축기의 사용 에너지를 저감시키기 위한 것일 수 있다. 보다 구체적인 예로, 상기 열교환기(300)는 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 냉매로 이용하여 프로필렌 냉매 압축기 공급 스트림을 냉각 또는 응축시켜, 냉각 또는 응축된 프로필렌 냉매 압축기 공급 스트림을 배출하기 위한 것일 수 있다.
상기 열교환기(300)를 통과한 제1 감압 장치(200) 배출 스트림의 온도는 10 ℃ 내지 40 ℃, 10 ℃ 내지 30 ℃, 또는 11.9 ℃ 내지 29.2 ℃일 수 있고, 압력은 0 kg/cm2g 내지 1.0 kg/cm2g, 0 kg/cm2g 내지 0.9 kg/cm2g 또는 0 kg/cm2g 내지 0.8 kg/cm2g일 수 있다. 상기 열교환기(300)를 통과한 제1 감압 장치(200) 배출 스트림의 범위 내의 압력을 갖기 때문에, 분해로까지의 흐름성을 유지하기 위하여는 압축시켜야 하는데, 이에 대해, 본 발명에서는 상기 열교환기(300)를 통과한 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 압축시키기 위하여 프로필렌 냉동 설비의 압축기를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는, 상기 열교환기(300)를 통과한 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 압축기(400)를 이용하여 압축시켜 분해로(900)까지의 흐름성을 유지하기 위한 것일 수 있다.
상기 압축기(400)에서 배출되는 제1 배출 스트림 및 제2 배출 스트림의 압력은 4 kg/cm2g 내지 20 kg/cm2g일 수 있다. 예를 들어, 상기 압축기(400)에서 배출되는 스트림의 압력은 6 kg/cm2g 내지 20 kg/cm2g, 7 kg/cm2g 내지 20 kg/cm2g 또는 8 kg/cm2g 내지 20 kg/cm2g일 수 있다. 상기 압축기(400)를 통과시켜 압력을 상기 범위까지 높임으로써, 상기 압축기(400)에서 배출되는 제1 배출 스트림이 제1 기화 장치(500)를 거쳐 분해로(900)까지 공급되기 위한 흐름성을 유지할 수 있다.
상기 열교환기(300)를 통과한 제1 감압 장치(200) 배출 스트림은 압축기(400)를 통과하면서, 온도가 8 ℃ 내지 100 ℃ 상승할 수 있다. 예를 들어, 상기 열교환기(300)를 통과한 제1 감압 장치(200) 배출 스트림은 압축기(400)를 통과하면서, 온도가 10 ℃ 내지 100 ℃, 20 ℃ 내지 80 ℃ 또는 30 ℃ 내지 50 ℃ 상승할 수 있다. 이와 같이, 압축기(400) 배출 스트림은 분해로(900)로 공급되기 위한 흐름성을 유지함과 동시에, 제1 기화 장치(500)에서 예열 또는 기화를 위한 열원의 사용량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S40) 단계는, 상기 압축기(400)에서 배출되는 제1 배출 스트림을 제1 기화 장치(500)로 공급하여 예열 또는 기화시켜 분해로(900)로 공급시키기 위한 것이고, 제2 배출 스트림은 응축기(600)으로 공급하여 (S50) 내지 (S60) 단계를 거쳐 냉동 설비의 냉매로서 사용하기 위한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압축기(400) 제1 배출 스트림은 제1 기화 장치(500)로 공급되어 예열 또는 기화되고, 상기 예열 또는 기화된 제1 기화 장치(500) 배출 스트림은 예열기(미도시)를 통과하여 분해로(900)로 공급되는 것일 수 있다.
즉, 상기 기화된 제1 기화 장치(500) 배출 스트림은 분해로(900)에 공급되는 공급 원료일 수 있고, 상기 공급 원료의 공급으로 인해 분해로(900)에서의 열분해 단계가 실시될 수 있다.
상기 예열 또는 기화된 제1 기화 장치(500) 배출 스트림의 압력은 6 kg/cm2g 내지 9.6 kg/cm2g, 7 kg/cm2g 내지 9.6 kg/cm2g, 또는 7.8 kg/cm2g 내지 9.6 kg/cm2g일 수 있으며, 이 범위 내에서 분해로(900)까지의 흐름성이 유지되는 효과가 있다.
상기 예열 또는 기화된 제1 기화 장치(500) 배출 스트림의 온도는 100 ℃ 내지 200 ℃, 110 ℃ 내지 140 ℃, 또는 120.0 ℃ 내지 123.6 ℃일 수 있고, 이 범위 내에서 분해로(900)에 공급 원료가 원활히 공급되는 효과가 있다.
상기 (S40) 단계의 예열 또는 기화는 외부로부터 공급되는 열원에 의해 실시될 수 있다. 구체적인 예로, 상기 열원은 외부로부터 공급되는 스팀(steam)일 수 있다.
상기 (S40) 단계에서, 압축기(400)에서는 윤활유를 사용할 수 있다. 상기 윤활유는 압축기(400)로 공급되는 스트림을 압축하는 냉동기유로서 사용되기 때문에, 상기 압축기(400)로 공급되는 스트림과 물리적인 특성 및 화학적인 특성이 조화를 이루는 것으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 윤활유는 압축기(400)로 공급되는 스트림이 용회되어도 충분하게 유막을 보호할 수 있고, 열적 화학적으로 충분히 안정된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 윤활유로서, 파라핀계 윤활유를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 액상 프로판 기화 방법을 이용하는 경우, 열교환기(300)를 통과 스트림 및 제1 기화 장치(500)로 공급되는 스트림의 기화점이 제1 감압 장치(200)로 공급되는 공급 스트림 및 감압된 제1 감압 장치(200) 배출 스트림에 포함되는 액상 프로판보다 낮기 때문에, 분해로(900)에 공급하기 위한 예열 또는 기화 시, 열원, 즉 스팀의 사용량을 저감시킬 수 있고, 이에 따라, 분해로(900)에 공급 원료의 공급 시, 냉매의 활용은 물론, 에너지 사용량을 저감시키는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압축기(400) 제2 배출 스트림은 응축기(600)로 공급하여 후술할 (S50) 내지 (S60) 단계를 거쳐 냉동 설비의 냉매로서 사용하기 위한 것일 수 있다.
상기 압축기(400) 제2 배출 스트림은 고온고압의 기체 스트림으로, 응축기(600)로 공급되어 고온고압의 액체 스트림으로 응축시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S40) 단계에서, 압축기(400)로부터 배출되는 제1 배출 스트림과 제2 배출 스트림의 유량비는 1:50 내지 1:10일 수 있다. 예를 들어, 상기 압축기(400)로부터 배출되는 제1 배출 스트림과 제2 배출 스트림의 유량비는 1:45 내지 1:15, 1:40 내지 1:15 또는 1:40 내지 1:20일 수 있다. 상기 압축기(400)로부터 제1 배출 스트림과 제2 배출 스트림의 유량비는 에틸렌 생산 공정에 공급하기 위한 프로판의 유량 및 냉동 설비에서 요구되는 냉매의 양에 따라서 결정되며, 상기 범위 내의 유량비로 배출함으로써, 에틸렌 생산 공정에 공급되는 프로판의 유량 및 냉동 설비에 공급되어 냉매로서 사용되는 프로판의 양을 효율적으로 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S50) 단계에서는, 상기 응축기(600)에서 기상 프로판을 액상 프로판으로 응축시킨 배출 스트림을 제2 감압 장치(700)로 공급하여 증발이 용이한 상태로 감압시킬 수 있다.
상기 제2 감압 장치(700)에서 감압되어 배출되는 스트림의 압력은 0.1 kg/cm2g 내지 15 kg/cm2g일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 감압 장치(700)에서 감압되어 배출되는 스트림의 압력은 0.1 kg/cm2g 내지 13 kg/cm2g, 0.3 kg/cm2g 내지 10 kg/cm2g, 0.3 kg/cm2g 내지 8 kg/cm2g, 0.1 kg/cm2g 내지 0.7 kg/cm2g, 1 kg/cm2g 내지 1.5 kg/cm2g, 3 kg/cm2g 내지 4.5 kg/cm2g 또는 7 kg/cm2g 내지 8 kg/cm2g일 수 있다. 상기 제2 감압 장치(700)에서 감압된 응축기(600) 배출 스트림의 압력은 냉매로 사용되기 위한 사용처의 필요 온도에 따라서 적절히 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 응축기(600) 배출 스트림을 제2 감압 장치(700)에서 상기 범위 내의 압력으로 감압시킴으로써, 후술할 (S60) 단계에서 증발이 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S60) 단계는, 제2 감압 장치(700)에서 압력을 낮춘 배출 스트림을 제2 기화 장치(800)로 공급하여 냉매로서 사용하기 위한 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 감압 장치(700)에서 감압된 스트림은 제2 기화 장치(800)로 공급되며, 상기 제2 기화 장치(800)에서 기화되면서 액상 프로판의 잠열을 냉매로서 이용할 수 있다. 이 때, 상기 제2 기화 장치(800)를 통과하는 공기가 냉각되어 냉동 설비의 내부로 공급되어 냉각 작용을 수행할 수 있다.
상기 (S60) 단계에서, 제2 기화 장치(800)에서 액상 프로판의 잠열을 이용하여 - 60 내지 25 ℃의 냉매로 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기화 장치(800)에서 액상 프로판의 잠열을 이용하여 - 60 ℃ 내지 20 ℃, - 50 ℃ 내지 20 ℃, - 45 ℃ 내지 15 ℃, - 45 ℃ 내지 - 35 ℃, - 30 ℃ 내지 -20 ℃, - 10 ℃ 내지 0 ℃ 또는 8 ℃ 내지 15 ℃의 냉매로 사용할 수 있다. 이를 통해 냉동 설비 내부로 공급되는 공기를 다양한 온도로 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 기화 장치(800) 배출 스트림은 열교환기(300)를 통과한 제1 감압 장치(200) 배출 스트림과 혼합되어 압축기(400)로 공급될 수 있다. 이와 같이 제2 기화 장치(800) 배출 스트림을 순환시킴으로써, 전체 공정에서 필요로 하는 냉매를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, (S40) 내지 (S60) 단계는 개루프(open loop) 방식으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 개루프 방식이란, 지속적으로 유체가 들어오고 나가는 열린 계의 형태를 의미하며, 이를 통해, 액상 프로판을 이용하여 에틸렌 생산 공정에 공급하는 과정에서 프로판의 잠열을 냉매로 활용함과 동시에 냉동 설비의 냉매로서 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 액상 프로판 기화 방법을 실시하기 위한 액상 프로판 기화 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 액상 프로판 기화 장치는 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 공급받아 감압된 공급 스트림을 열교환기(300)로 공급하는 제1 감압 장치(200); 상기 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 공급받아 열교환시키는 열교환기(300); 상기 열교환기(300)를 배출 스트림을 공급받아 압축시키고, 제1 배출 스트림을 제1 기화 장치(500)로 공급하고, 제2 배출 스트림은 응축기(600)로 공급하는 압축기(400); 상기 압축기(400) 제1 배출 스트림을 공급받아 예열 또는 기화시키는 제1 기화 장치(500); 상기 압축기(400) 제2 배출 스트림을 공급받아 기상 프로판을 액상 프로판으로 응축시켜 제2 감압 장치(700)로 공급하는 응축기(600); 상기 응축기(600) 제2 배출 스트림을 공급받아 감압시키고, 배출 스트림을 제2 기화 장치(800)로 공급하는 제2 감압 장치(700); 및 상기 제2 감압 장치(700) 배출 스트림을 공급받아 기화시키는 제2 기화 장치(800)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 감압 장치(200)로 공급되는 공급 스트림은 공급 장치(Tank, 100)로부터 공급될 수 있다. 상기 공급 장치(100)는 외부로부터 도입되는 액상 프로판을 저장하기 위한 저장 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상 프로판 기화 장치는 상기 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 감압시키기 위한 제1 감압 장치(200)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상 프로판 기화 장치는 열교환기(300)를 포함할 수 있다. 상기 열교환기(300)는 예를 들어, 상기 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 프로필렌 냉매를 과냉각 시키기 위한 냉매로 이용하여, 프로필렌 냉매 압축기의 사용 에너지를 저감시키기 위한 것일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 열교환기(300)는 제1 감압 장치(200) 배출 스트림을 냉매로 이용하여 프로필렌 냉매의 압축기 공급 스트림을 냉각 또는 응축시기 위한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상 프로판 기화 장치는 압축기(400)를 포함할 수 있다. 상기 압축기(400)는 열교환기(300)를 통과한 제1 감압 장치(200) 배출 스트림의 압력을 다시 높여 분해로(900)까지의 흐름성을 유지하기 위한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상 프로판 기화 장치는 제1 기화 장치(500)를 포함할 수 있다. 상기 제1 기화 장치(500)는 압축기(400) 제1 배출 스트림을 공급 원료로서 분해로(900)에 공급하기 위해 예열 또는 기화시키는 장치로서, 열원을 공급하기 위한 열원 공급장치일 수 있고, 구체적인 예로 스팀, 또는 퀀치 워터(Quench water)와 열교환을 시키기 위한 열교환 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상 프로판 기화 장치는 응축기(600)를 포함할 수 있다. 상기 응축기(600)는 압축기(400)에서 배출되는 제2 배출 스트림에 대해서, 고온고압의 기체 스트림을 액체 스트림으로 응축시키기 위한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상 프로판 기화 장치는 제2 감압 장치(700)를 포함할 수 있다. 상기 제2 감압 장치(700)는 액상 프로판을 포함하는 응축기(600) 배출 스트림을 감압시켜 증발이 용이하게 하기 위한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액상 프로판 기화 장치는 제2 기화 장치(800)를 포함할 수 있다. 상기 제2 기화 장치(800)는 감압된 액상 프로판을 증발시킴으로써 잠열을 냉매로서 사용하기 위한 것일 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실험예
실시예 1
도 1에 도시된 공정 흐름도에 대하여, ASPENTECH 社의 ASPEN Plus 시뮬레이터를 이용하여, 공정을 시뮬레이션 하였다.
상기 공정에서의 각 스트림의 온도, 압력, 냉매 활용량 및 열 에너지 소모량등을 하기의 표 1에 나타내었다.
구분 실시예 1
제1 스트림 압력(kg/cm2g) 9.8
온도(℃) 17.9
유량(ton/hr) 78.7
제2 스트림 압력(kg/cm2g) 0..6
온도(℃) -31.2
유량(ton/hr) 78.7
제3 스트림 압력(kg/cm2g) 0.2
온도(℃) -38.1
유량(ton/hr) 78.7
제4 스트림 압력(kg/cm2g) 0.2
온도(℃) -38.1
유량(ton/hr) 992.0
제5 스트림 압력(kg/cm2g) 7.8
온도(℃) 55.2
유량(ton/hr) 78.7
제6 스트림 압력(kg/cm2g) 16.0
온도(℃) 90.3
유량(ton/hr) 913.3
제7 스트림 압력(kg/cm2g) 7.3
온도(℃) 120
유량(ton/hr) 78.7
제8 스트림 압력(kg/cm2g) 15.5
온도(℃) 47.3
유량(ton/hr) 913.3
제9 스트림 압력(kg/cm2g) 0.6
온도(℃) -31.2
유량(ton/hr) 913.3
제10 스트림 압력(kg/cm2g) 0.2
온도(℃) -38.1
유량(ton/hr) 913.3
제3 스트림:제10 스트림의
혼합비(중량)		 11.6
열교환기(300) 및 제2 기화 장치(400)에서의 냉매 활용량 Total
(Gcal/hr)		 5.31
프로판 1톤당
(Gcal/hr)		 0.067
제1 기화 장치(500)에서의 예열 열량 Total
(Gcal/hr)		 2.49
프로판 1톤당
(Gcal/hr)		 0.032
제1 스트림: 공급 장치(100)에서 제1 감압 장치(200)로 공급되는 스트림
제2 스트림: 제1 감압 장치(200)에서 열교환기(300)로 공급되는 스트림
제3 스트림: 열교환기(300)에서 배출되는 스트림
제4 스트림: 열교환기(300) 배출 스트림과 제10 스트림의 혼합 스트림
제5 스트림: 압축기(400)에서 제1 기화 장치(500)로 공급되는 제1 배출 스트림
제6 스트림: 압축기(400)에서 응축기(600)로 공급되는 제2 배출 스트림
제7 스트림: 제1 기화 장치(500)에서 분해로(900)로 공급되는 스트림
제8 스트림: 응축기(600)에서 제2 감압 장치(700)로 공급되는 스트림
제9 스트림: 제2 감압 장치(700)에서 제2 기화 장치(800)로 공급되는 스트림
제10 스트림: 제2 기화 장치(800) 배출 스트림
비교예 1 내지 2
도 2(비교예 1) 및 도 3(비교예 2)에 도시된 공정 흐름도에 대하여, ASPENTECH 社의 ASPEN Plus 시뮬레이터를 이용하여, 공정을 시뮬레이션 하였다.
상기 공정에서의 각 스트림의 온도, 압력, 냉매 활용량 및 열 에너지 소모량등을 하기 표 2에 나타내었다.
구분 비교예
1 2
제1 스트림 압력(kg/cm2g) 9.8 9.8
온도(℃) 17.9 17.9
유량(ton/hr) 78.7 78.7
제2 스트림 압력(kg/cm2g) 8.3 0.6
온도(℃) 17.9 -31.2
유량(ton/hr) 78.7 78.7
제3 스트림 압력(kg/cm2g) 7.8 -
온도(℃) 21.3 -
유량(ton/hr) 78.7 -
제4 스트림 압력(kg/cm2g) - 0.2
온도(℃) - -38.1
유량(ton/hr) - 78.7
제5 스트림 압력(kg/cm2g) - 7.8
온도(℃) - 55.2
유량(ton/hr) - 78.7
제6 스트림 압력(kg/cm2g) 7.3 7.3
온도(℃) 120 120
유량(ton/hr) 78.7 78.7
열교환기(300)에서의 냉매 활용량 Total
(Gcal/hr)		 2.85 5.31
프로판 1톤당
(Gcal/hr)		 0.036 0.067
제1 기화 장치(500)에서의 예열 또는 기화 열량 Total
(Gcal/hr)		 7.48 2.49
프로판 1톤당
(Gcal/hr)		 0.095 0.032
제1 스트림: 공급 장치(100)에서 제1 감압 장치(200)로 공급되는 스트림
제2 스트림: 제1 감압 장치(200)에서 열교환기(300)로 공급되는 스트림
제3 스트림: 열교환기(300)에서 제1 기화 장치(500)로 공급되는 스트림
제4 스트림: 열교환기(300)에서 압축기(400)로 공급되는 스트림
제5 스트림: 압축기(400)에서 제1 기화 장치(500)로 공급되는 스트림
제6 스트림: 제1 기화 장치(500)에서 분해로(900)로 공급되는 스트림
상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 액상 프로판을 분해로(900)의 공급 원료로 공급하기 위한 기화에 앞서, 열교환기(300)에서 냉매로 사용하고, 제2 기화 장치(800)에서 냉매로 사용한 실시예 1의 경우, 단순히 공급 스트림의 흐름성을 고려하여 8.3 kg/cm2g의 압력으로만 감압한 비교예 1에 비해, 냉매 활용량이 3.66 Gcal/hr 증가한 것을 확인할 수 있었고, 나아가, 예열 또는 기화에 사용된 열량도 3.89 Gcal/hr가 감소한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 2의 경우 공급 스트림을 실시예 1과 동일한 압력까지 감압하여 실시예 1과 동일한 냉매 활용량 증가와 기화에 사용되는 열량 감소 효과를 나타내나, 실시예 1의 경우 비교예 2에서 별도의 압축기를 추가하여 설치함으로써 발생하는 공정 비용의 증가 문제를 해결할 수 있었다.
본 발명자들은 상기와 같은 결과로부터, 본 발명에 따라 액상 프로판을 기화시키는 경우, 액상 프로판의 잠열을 최대한 냉매로 이용 가능하고, 나아가, 냉매로 이용한 후의 프로판을 기상의 분해 공정의 공급 원료로 공급하기 위한 기화 시, 예열을 위한 열원을 절감하면서도, 흐름성은 유지할 수 있는 것을 확인하였다.
또한, 액상 프로판 기화 공정에 기존의 프로필렌 냉동 설비의 압축기를 결합함으로써, 추가적인 압축기 설치에 대한 비용 절감과 동시에, 프로필렌 냉매에 비해 저가인 프로판 냉매로 대체함으로써 얻는 경제적인 효과도 확인하였다.

Claims (10)

  1. 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 제1 감압 장치로 공급하여 감압시키는 단계(S10);
    상기 제1 감압 장치의 배출 스트림을 열교환기로 공급하여 냉매로 사용하는 단계(S20);
    상기 열교환기를 통과한 제1 감압 장치의 배출 스트림을 압축기로 공급하여 압축시키는 단계(S30);
    상기 압축기에서 배출되는 제1 배출 스트림을 제1 기화 장치로 공급하여 예열 또는 기화시키고, 제2 배출 스트림을 응축기로 공급하는 단계(S40);
    상기 응축기에서 기상 프로판을 액상 프로판으로 응축시킨 배출 스트림을 제2 감압 장치로 공급하는 단계(S50); 및
    상기 제2 감압 장치에서 압력을 낮춘 배출 스트림을 제2 기화 장치로 공급하여 감압된 액상 프로판을 기화시켜 냉매로 사용하는 단계(S60)를 포함하는 것인 액상 프로판의 기화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (S10) 단계에서 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림의 압력을 1 kg/cm2g 이하로 감압시키는 것인 액상 프로판의 기화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (S10) 단계에서 감압된 공급 스트림의 온도는 - 50 ℃ 내지 - 10 ℃인 액상 프로판의 기화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기화 장치의 배출 스트림은 열교환기를 통과한 제1 감압 장치 배출 스트림과 혼합되는 것인 액상 프로판의 기화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (S40) 내지 (S60) 단계는 개루프 방식으로 수행되는 것인 액상 프로판의 기화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (S40) 단계에서, 압축기로부터 배출되는 제1 배출 스트림과 제2 배출 스트림의 유량비는 1:50 내지 1:10인 액상 프로판의 기화 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (S50) 단계에서, 제2 감압 장치의 배출 스트림의 압력은 0.1 kg/cm2g 내지 15 kg/cm2g 인 액상 프로판의 기화 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (S60) 단계에서, 액상 프로판의 잠열을 이용하여 - 60 ℃ 내지 25 ℃의 냉매로 사용하는 것인 액상 프로판의 기화 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (S40) 단계에서, 상기 제1 기화 장치의 배출 스트림은 분해로로 공급되는 것인 액상 프로판 기화 방법.
  10. 액상 프로판을 포함하는 공급 스트림을 공급받아 감압된 공급 스트림을 열교환기로 공급하는 제1 감압 장치;
    상기 제1 감압 장치의 배출 스트림을 공급받아 열교환시키는 열교환기;
    상기 열교환기의 배출 스트림을 공급받아 압축시키고, 제1 배출 스트림을 제1 기화 장치로 공급하고, 제2 배출 스트림은 응축기로 공급하는 압축기;
    상기 압축기의 제1 배출 스트림을 공급받아 예열 또는 기화시키는 제1 기화 장치;
    상기 압축기의 제2 배출 스트림을 공급받아 기상 프로판을 액상 프로판으로 응축시켜 제2 감압 장치로 공급하는 응축기;
    상기 응축기의 제2 배출 스트림을 공급받아 감압시키고, 배출 스트림을 제2 기화 장치로 공급하는 제2 감압 장치; 및
    상기 제2 감압 장치의 배출 스트림을 공급받아 기화시키는 제2 기화 장치를 포함하는 액상 프로판의 기화 장치.
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