KR20010002601A

KR20010002601A - 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일, 이의 제조방법 및 이를이용한 세정방법

Info

Publication number: KR20010002601A
Application number: KR1019990022490A
Authority: KR
Inventors: 최선; 강신철
Original assignee: 남창우; 에스케이 주식회사
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2001-01-15
Also published as: KR100304820B1

Abstract

본 발명은 탄화수소 열분해가스 압축기의 효율을 개선할 수 있는 압축기 세정오일 조성물에 관한 것이다. 좀 더 상세히 설명하면, 나프타 접촉 개질 공정, 나프타 열분해 공정, 이성화반응 공정 및/또는 원유 정제공정에서 부산물로 부생되는, 방향족 화합물이 주로 포함되어 있는 탄소수 9개 이상의 유분을 증류탑으로 탄소수 10개를 초과하는 유분만을 분별증류하여 이를 탄화수소 열분해 공장에서 제품분리를 위해 가압하는 열분해가스 압축기 내의 이물질 축적을 방지할 수 있는, 새로운 압축기용 세정오일로 사용하는 것이다.

Description

탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세정방법{Wash oil for hydrocarbon cracking gas compressor, preparing method thereof and method for washing the compressor using the same}

본 발명은 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세정방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는, 탄화수소 열분해 공정에서 제품분리를 위해 가압하는 열분해가스 압축기 내의 이물질 축적을 방지할 수 있는 새로운 압축기 세정오일과 이의 제조방법 및 이를 이용하여 열분해가스 압축기를 세정하는 방법에 관한 것이다.

탄화수소의 열분해 공정을 통해 얻어진 열분해가스 혼합물들을 분리공정에 도입하기 위해서는 압축기를 통해 압축을 시켜야 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통상적으로 열분해가스 압축기는 스팀 터어빈으로 구동되는 원심 압축기로 4∼5단으로 구성되어 있으며, 약 0.2기압에서 40기압까지 순차적으로 가압시킨다. 이 과정에서 압축기 내부는 반응성이 높은 열분해 가스와 열분해로에서 이송되어 온 미세 탄소입자가 반응 또는 엉킴현상으로 인해 이물질이 생성되어 압축기 케이스(Case)나 블레이드(Blade) 및 후단 열교환기 셀 및 튜브쪽에 축적된다. 이물질이 축적되면 압축기는 압축율이 떨어져 압축효율이 감소하고, 배출구 온도가 증가하고, 터어빈 회전속도와 진동이 증가하며, 가스 처리량이 감소하는 등의 많은 부작용이 발생한다.

이물질 축적을 방지하기 위해, 탄화수소 열분해 과정에서 부산물로 부생되는 열분해 가솔린(Treated Pyrolysis Gasoline, TPG)을 세정오일로 사용하는 방법이 아주 널리 활용되고 있다. FRN(Full Range Naphtha), 가스오일(Gas Oil) 또는 NGL(Natural Gas Liquid)과 같은 중질 탄화수소를 열분해시킬 경우 다량의 열분해 가솔린이 생성되고, 방향족 화합물을 많이 포함하고 있기 때문에 세정오일로서의 효과가 크다. 그러나 에탄, 프로판, 부탄과 같은 경질 탄화수소를 열분해시킬 경우, 생성량도 적고, 방향족 화합물도 거의 포함되어 있지 않아, 각 단별로 일정량의 세정오일을 추가로 주입하여, 열분해 가스와 탄소입자간의 반응 또는 엉킴현상을 억제해 주고, 이미 생성된 이물질을 세척해내는 역할을 하게 한다. 이 방법은 열분해 공정의 자체 부생물을 활용할 수 있어 주입 비용이 저렴한 반면, 열분해가스가 압축기 내부에서 기화될 가능성이 매우 높아 세정오일로서의 제기능을 발휘하지 못해 이물질 축적방지 및 세정효과가 매우 낮은 단점이 있다.

이를 보완하기 위하여 자유 라디칼 결합 방지제(Free Radical Chain Stopper)나 금속 비활성화제 및 분산제를 세정오일에 첨가하여 주입하는 방법이 있다(HYDROCARBON PROCESSING, NOV., 1988, 63-67). 이 방법은 열분해 가스간의 중합반응을 억제해 주며, 탄소입자와 중합물질간의 엉킴현상을 줄여 궁극적으로 이물질의 축적을 방지하는 역할을 한다. 그러나 특수케미칼을 추가로 주입해야 하기 때문에 추가 비용부담이 있고, 사용하는 압축기 세정오일의 종류 혹은 특성에 따라 효과가 다르게 나타는 등의 문제점이 발생한다.

전술한 바와 같이, 탄화수소 열분해 공정의 가장 중요한 장치 중의 하나인 열분해가스 압축기의 효율은 압축기 케이스 내부에 이물질의 축적을 얼마나 억제해 주는 가에 따라 다르게 나타난다. 가장 일반적으로 이용할 수 있는 방법이 적절한 압축기 세정오일을 주입하는 것이다. 세정오일은 압축기 내부에서 축적될 가능성이 있는 열분해가스에 의한 폴리머 화합물이나 탄소입자간의 반응 또는 엉킴현상을 효과적으로 제거해 줄 수 있어야 한다. 이를 위해서는 우선 충분한 탄화수소 용해력(Solvency)을 지니고 있어야 하는데, 이를 위해서는 방향족 화합물이 적어도 70% 이상은 포함되어야 하며, 압축기 시스템 운전조건에서 액상을 유지할 수 있어야 한다. 이는 용해력이 충분해도 압축기 운전조건에서 전량 기화된다면 압축기 내부를 적시며 기계에 생성되는 폴리머를 세정하는 역할을 수행할 수 없기 때문이다. 또한, 기화를 막기 위하여 세정오일을 과량으로 주입하면 세정효과는 개선될 수 있어도, 결국은 회수시설에서 이를 전량 회수하여야 하기 때문에 동력비 등의 운전비용을 증가시키고 처리량을 감소시키는 요인이 될 수 있다. 또한 압축기의 운전조건이 단별로 서로 다르고, 이로 인하여 세정오일이 기화되는 정도가 서로 다르다는 점을 이용한다면, 압축기 단별로 주입량을 달리하여 가장 적은 양의 압축기오일을 주입하고서도 최상의 효과를 거둘 수 있게 된다.

이에 본 발명에서는 별도의 첨가제의 첨가없이 압축기 운전조건에서 기화되지 않고, 용해력 및 세정효과가 탁월하여, 압축기 내부에 이물질 생성을 효과적으로 억제해 줄 수 있는 압축기용 세정오일과 효과적인 세정방법을 개발하여, 열분해가스 압축기 효율저하를 사전에 방지하고, 이로 인한 탄화수소 열분해 공정의 처리량 감소를 막고, 정비비용을 획기적으로 절감할 수 있도록 하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일을 이용하여 압축기를 세정하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 세정오일의 제조방법은 나프타 접촉 개질 공정, 나프타 열분해 공정, 이성화반응 공정 및/또는 원유 정제공정에서 부산물로 부생되는, 방향족 화합물이 주로 포함되어 있는 탄소수 9개 이상의 유분을 증류탑으로 탄소수 10개를 초과하는 유분을 분별증류하는 것으로 이루어진다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 세정오일은 상기 방법으로 제조되어 비점범위가 160∼390℃이고, 방향족 화합물의 함량이 70중량% 이상이며, 황화합물의 함량이 0.2중량% 이하인 것으로 이루어진다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 세정방법은 탄화수소 열분해가스 압축기에서 단별로 세정오일 주입하여 압축기를 세정하는 방법에 있어서, 상기 세정오일의 주입량을 1단에 무게비로 100으로 할 때, 2단은 50∼70, 3단은 30∼50, 4단 및 5단은 20∼40으로 주입하는 것으로 이루어진다.

도 1은 일반적인 탄화수소 열분해가스 압축기 공정과 압축기 세정오일 주입과정을 간략히 나타낸 개략도이다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

탄화수소 열분해 공정에서 부산물로 부생되는 열분해 가솔린은 열분해가스 압축기의 운전조건인 온도 및 압력에서 액상이다. 열분해 가솔린의 일반적인 비점범위는 70∼150℃이므로 가장 압력이 낮은 1단에서도 액상으로 존재할 수 있음을 뜻한다. 그러나 열분해 가솔린을 세정오일로 사용하면 전량이 기화되어 기상으로만 존재하는 것으로 계산된다. 이는 압축기로 유입되는 가스가 매우 경질이며 흐름이 매우 빨라 전량 휘발되기 때문이다. 일반적으로 열분해가스 압축기의 단별 운전조건은 하기 표 1과 같다.

압축기	1단	2단	3단	4단	5단
입구온도(℃)	35∼40	35∼40	35∼40	35∼40	35∼43
출구온도(℃)	80∼95	80∼95	80∼95	80∼95	75∼105
출구압력(㎏/㎠,g)	1∼2	3∼6	8∼11	19∼21	39∼45

따라서 우선 압축기내에서 액상을 유지할 수 있는 고비점 유분을 세정오일로 사용하여야 하며, 이를 위해서는 초기 비등온도(IBP)가 최소한 160∼230℃, 말기 비등온도(FBP)는 280∼390℃ 정도는 되어야 한다. 또한 방향족 화합물 성분이 많으면 많을수록 용해력이 좋으므로 최소한 70wt% 이상은 되어야 하며, 가능하다면 높을수록 좋다. 또한 세정오일내에 황화합물이 존재할 경우, 장치부식이 우려되고, 후처리 공정에서 이를 제거해주어야 하는 부담이 있으므로 최대한 0.2wt% 보다는 적어야 하고, 가능하다면 낮을수록 좋다.

전술한 바와 같이, 기존의 세정제인 열분해 가솔린을 압축기 세정오일로 사용하면, 용해력은 충분히 높으나, 비등점이 낮아 쉽게 기화되는 단점이 있다. 반면에 원유로부터 분리되어 황제거 공정을 거친 저유황 중질유(Low Sulfur Light Gas Oil)의 경우에는 비등점이 높아 액상 유지는 문제가 없으나, 방향족 화합물 함량이 낮아 용해력이 낮은 단점이 있어, 단독 사용이 불가능하다.

본 발명에서는 비등점이 높으면서 충분한 용해력을 지닌 압축기용 세정오일의 원료성분으로 나프타 접촉 개질 공정, 나프타 열분해 공정, 이성화반응 공정 및/또는 원유 정제공정 등에서 부산물로 부생되는, 방향족 화합물이 주로 포함되어 있는 탄소수 9개 이상의 유분을 이용한다. 상기 유분을 증류탑으로 분별증류하여 탄소수 10를 초과하는 유분이 본 발명의 세정오일이다. 증류탑은 1기 또는 2기의 증류탑을 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 1기 증류탑을 사용하는 방법으로는 나프타 접촉 개질 공정, 나프타 열분해 공정, 이성화반응 공정 및/또는 원유 정제공정 등에서 부산물로 부생되는, 방향족 화합물이 주로 포함되어 있는 탄소수 9개 이상의 유분을 분별증류하여 탄소수 10개를 초과하는 유분만을 이용한다. 이때, 증류 탑정으로 분리된 탄소수 10 이하의 유분은 분리하여 휘발유에 배합하든지, 페인트, 잉크, 농약유화제, 및/또는 금속세정제로 활용한다. 1기 증류탑의 운전조건은 온도 140∼192℃, 탑정압력 -0.7∼-0.4kg/cm²,g이다. 탑정으로 제거되는 유분의 비점범위는 160∼200℃이며, 탑저유분의 비점범위는 210∼370℃이다. 2기의 증류탑으로 분리하는 방법은 먼저, 제1증류탑에서 탑정으로 탄소수 9개 이하인 유분을 분리하고, 탑저 유분을 제2증류탑으로 보내 탑정으로 탄소수가 10개 이하인 유분을 제거하는 방법이다. 이 경우 제1증류탑의 운전조건은 온도 140∼192℃, 탑정압력 -0.7∼-0.4kg/㎠,g이고, 탑정유분의 비점범위는 155∼180℃이며, 탑저유분는 183∼338℃이다. 제2증류탑의 운전조건은 온도 161∼235℃, 탑정압력 -0.7∼-0.4kg/㎠,g이고, 탑정유분의 비점범위는 174∼215℃이고, 탑저유분의 비점범위는 210∼370℃이다.

이들 두가지 방법으로 생산되는 본 발명에 바람직한 최종 탑저유분은 압축기에서 충분히 액상을 유지할 수 있을 정도의 고비점 유분으로, 초기 비점범위(IBP)가 160∼230℃이고, 말기 비점범위(FBP) 280∼390℃ 정도이며, 방향족 화합물 성분이 70중량% 이상으로 매우 높아 용해력이 탁월하며, 황화합물이 0.2중량% 이하인 것이 바람직하다. 이렇게 생산된 유분을 압축기 세정오일로 사용할 경우, 별도의 첨가제 주입없이도 압축기 운전조건에서 기화되지 않으며, 용해력과 세정효과가 탁월하여, 압축기 내부에 이물질의 생성을 효과적으로 억제해 줄 수 있다. 따라서 압축율 감소, 배출구 온도 증가, 터어빈 회전속도 및 진동 증가 등의 압축기의 효율저하를 사전에 방지할 수 있고, 이로 인한 열분해 공정의 처리량 감소를 막고, 정비비용을 획기적으로 절감할 수 있다.

세정방법은 압축기 각 단별로 동일량의 세정오일을 일정하게 주입하는 방법과, 단별 특성을 고려하여 주입량을 다르게 하는 방법이 있다. 세정오일이 충분한 세정효과를 가지기 위해서는 일정량 이상이 액상을 유지하여야 하나, 1단으로부터 5단까지 거치면서 배출구 압력이 증가하므로 각 단별로 기화되는 정도를 감안해 세정오일 주입량을 점진적으로 감소실킬 수 있다. 이러한 방법은 세정오일 사용량을 전체적으로 감소시키면서, 세정효과를 극대화할 수 있다. 이 경우도 동일량을 주입하는 방법과 같은 효과를 얻을 수 있으며, 대신 세정오일의 주입량을 줄일 수 있는 잇점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 압출기의 1단에 주입량을 무게비로 100으로 할 때, 2단은 50∼70, 3단은 30∼50, 4단 및 5단은 20∼40으로 세정오일의 주입량을 줄였다. 단, 이 경우 4단 및 5단에 사용되는 액상의 세정오일이 적어도 압축기의 내부를 적실수 있는 양이어야 한다.

한편, 세정오일의 액상 유지를 위한 목적으로 고비점 유분을 혼합하여 함께 주입하는 방법이 있는데, 가용유분의 효율적인 활용을 위한 방법이다. 이 경우 세정오일로서 충분한 용해력을 갖기 위해서는 방향족 화합물의 함량이 적어도 70% 이상은 되어야 하며, 황화합물의 함량 허용범위에 주의하여야 한다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

압축기 세정오일의 특성 및 효과를 비교하기 위하여 적용한 나프타 열분해가스 압축기의 운전조건은 하기 표 2와 같다.

압축기 단수	1단	2단	3단	4단	5단
입구온도(℃)	38.0	32.6	35.9	36.8	42.2
배출구온도(℃)	88.0	81.7	87.7	89.8	102.0
출구압력(㎏/㎠,g)	1.53	3.93	8.93	19.33	40.03
탄화수소 유량(kmol/hr)	5,868	5,820	5,727	5,616	5,478

나프타 접촉개질 공정 및 이성화반응 공정에서 부산물로 부생되는 탄소수 9개 이상의 유분을 대상원료로 하여 증류탑 1기를 사용하여 운전온도 14-∼192℃이고, 압력은 -0.63kg/㎠,g에서 생산한 새로운 세정오일의 특성을 기존 세정오일과 비교하면 하기 표 3과 같다. 하기 표 3에서 IBP는 초기 비점이고, FBP는 말기 비점이다.

특성	기존 세정오일	본 발명의 세정오일
비중(15.56/15.56℃)	0.837	0.960
색(Color)	-	ASTM 7 이상
증류범위(ASTM D-86, ℃) IBP	73.0	210.0
10%	82.0	228.0
30%	85.0	253.5
50%	90.0	274.0
70%	101.0	293.0
90%	128.0	323.0
FBP	149.0	361.5
플래쉬점(Flash point, ℃)	-	85 이상
아닐린점(Aniline point)(혼합, ℃)	-	15 이하
황함량(중량%)	0.1이하	0.1 이하
방향족 성분 함량(중량%)	73.6	99.8

열분해 가솔린을 세정오일로 사용할 때와 본 발명의 세정오일을 적용할 경우, 열분해가스 압축기의 운전결과를 비교해 보면 하기 표 4와 같다.

운전변화사항	기존 세정오일	본 발명의 세정오일
세정오일 주입량	200 kg/hr/stage	200 kg/hr/stage
압축기에서 세정오일 존재형태	기상	액상
압축기 케이스 내부 폴리머 생성량	160 liter	0.0 liter
압축기 내부 파울링(Fouling) 현상	심했음	없었음
압축기 효율감소율(설계대비, 1년 운전후)	△10 %	△1% 미만
압축기 후단 열교환기 파울링 현상	심했음	없었음

즉, 동일량의 세정오일을 주입하였을 경우, 압축기 내부에 이물질이 전혀 축적되지 않았고, 압축율 감소, 출구 온도 증가, 터어빈 회전속도 및 진동 증가 등의 압축기의 효율저하가 1/10 이상 감소하였으며, 이로 인한 열분해 공정의 처리량 감소가 없었다. 또한 이물질 제거를 위해 필요했던 압축기 정수작업 주기도 1회/년 정도에서 1회/3∼4년 이상으로 연장되어 정비비용을 획기적으로 절감할 수 있었다.

실시예 2

압축기는 각 단 별 운전조건이 서로 다르기 때문에 주입한 세정오일이 기화되는 정도도 단별로 다르다. 세정오일이 충분한 세정효과를 가지기 위해서는 일정량 이상이 액상을 유지하고 있어야 하므로, 각 단별로 기화되는 정도를 감안해 세정오일 주입량을 서로 다르게 하는 것이다. 이는 전체 세정오일 사용량은 유지 또는 감소시키면서, 세정효과를 극대화할 수 있는 방법이다.

압축기 단수	1단	2단	3단	4단	5단
출구온도(℃)	89.0	89.0	86.0	86.0	88.0
출구압력(kg/㎠,g)	2.65	5.53	11.62	22.98	40.90
탄화수소유량(kg/hr)	173,500	183,500	175,800	161,100	152,100
세정오일 주입량(상대비)	100	60	39	31	31

본 실시예 2에 의한 방법도 상기 실시예 1과 같은 효과를 얻을 수 있는 반면, 세정오일 주입량을 단별로 10∼20% 정도 감소시킬 수 있어, 후처리 공정에서의 회수공정 부하를 감소시킬 수 있었다.

전술한 바와 같이, 열분해 가솔린을 압축기 세정오일로 사용하는 경우에는, 낮은 비점범위로 인하여 운전온도, 압력조건에서 세정오일이 전량 기화되어 이물질의 축적을 전혀 억제하지 못했다. 이로 인하여 압축기 내부에 폴리머가 축적되고, 압축비가 감소되며, 진동이 발생하는 등 압축기 운전효율이 현저히 떨어졌다. 또한 터어빈을 구동시키는 스팀 사용량이 급격히 증가하였으며, 분리를 위해 필요한 압축기 용량이 부족해져 열분해로 공정의 처리량을 줄여야 했다. 정상운전을 위해서는 빈번한 정비가 필요했으며, 압축기를 분해,청소, 재조립해야 하기 때문에 많은 시간이 소요되어 운전비용 증가요인으로 작용하였다.

그러나, 본 발명에 따른 세정오일과 그 주입량을 최적화 한 이후에는, 압축기 내부에 이물질이 축적되지 않고, 압축율 감소, 출구 온도 증가, 터어빈 회전속도 및 진동 증가 등의 압축기의 효율저하가 거의 없으며, 이로 인한 열분해 공정의 처리량 감소가 없다. 또한 압축효율 저하로 인한 스팀 소모량 증가를 억제할 수 있으며, 이물질 제거를 위해 필요했던 압축기 정수작업 주기도 4배 이상으로 연장되어 정비비용을 획기적으로 절감할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Claims

나프타 접촉 개질 공정, 나프타 열분해 공정, 이성화반응 공정 및/또는 원유 정제공정에서 부산물로 부생되는, 방향족 화합물이 주로 포함되어 있는 탄소수 9개 이상의 유분을 증류탑으로 탄소수 10개를 초과하는 유분을 분별증류하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 증류탑이 1기 또는 2기인 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일의 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 1기 증류탑의 운전조건은 온도 140∼192℃, 탑정압력 -0.7∼-0.4kg/㎠,g이고, 탑정으로 제거되는 유분의 비점범위는 160∼200℃이며, 탑저유분의 비점범위는 210∼370℃인 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일의 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 2기 증류탑으로 분리하는 방법은 제1증류탑에서 탑정으로 탄소수 9개 이하인 유분을 분리하고, 탑저 유분을 제2증류탑으로 보내 탑정으로 탄소수가 10개 이하인 유분을 제거하며, 상기 제1증류탑의 운전조건은 온도 140∼192℃, 탑정압력 -0.7∼-0.4kg/㎠,g이고, 탑정유분의 비점범위는 155∼180℃이며, 탑저유분는 183∼338℃이고, 제2증류탑의 운전조건은 온도 161∼235℃, 탑정압력 -0.7∼-0.4kg/㎠,g이고, 탑정유분의 비점범위는 174∼215℃이고, 탑저유분의 비점범위는 210∼370℃인 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일의 제조방법.
제1항의 방법으로 제조되어 비점범위가 160∼390℃이고, 방향족 화합물의 함량이 70중량% 이상이며, 황화합물의 함량이 0.2중량% 이하인 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일.
제5항에 있어서, 상기 조성물의 초기 비등온도가 160∼230℃이고, 말기 비등온도가 280∼390℃인 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해가스 압축기용 세정오일.
탄화수소 열분해가스 압축기에서 단별로 세정오일 주입하여 압축기를 세정하는 방법에 있어서, 제1항에 따른 세정오일의 주입량을 1단에 무게비로 100으로 할 때, 2단은 50∼70, 3단은 30∼50, 4단 및 5단은 20∼40으로 주입하는 것을 탄화수소 열분해가스 압축기의 세정방법.