KR20080066859A - 폴리에틸렌 및 에틸렌 공중합체 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압 반응기; 에틸렌을 가열하기 위한 예비가열기(5)를 가지며 상기 반응기에 에틸렌을 공급하기 위한 도관(14); 중압 증기(22)를 생성시키기 위한 폐열 보일러; 고압 증기(22)의 공급원; 및 상기 폐열 보일러로부터 중압 증기를 분배시키기 위한 중압 증기 네트를 포함하는 증기 분배 시스템을 포함하고, 이 때 상기 예비가열기가 제 1(5a), 제 2(5b) 및 제 3(5c) 구역을 포함하고, 제 1 구역(5a)은 중압 증기 네트로부터 증기를 공급받을 수 있고 제 2 구역(5b)은 중압 증기 네트로부터의 증기 또는 고압 증기를 공급받을 수 있으며 제 3 구역(5c)은 고압 증기(22)를 공급받을 수 있도록 증기 분배 시스템이 구성되어 있는 에틸렌 고압 중합을 위한 장치에 관한 것이다.

Description

폴리에틸렌 및 에틸렌 공중합체 제조 장치 및 방법{AN APPARATUS AND METHOD FOR THE PRODUCTION OF POLYETHYLENE AND ETHYLENE COPOLYMERS}

본 발명은 선택적으로는 공단량체의 존재하에서, 고압하에 에틸렌을 중합하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 중합 전에 에틸렌을 가열하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

관형(tubular) 반응기 및 오토클레이브(autoclave)와 같은 고압 반응기가 고압, 예컨대 1000바아 이상 내지 3000바아 이하의 압력 또는 그 보다 높은 압력에서 에틸렌을 중합하기 위해 사용된다. 이러한 방법에서, 에틸렌 공급으로부터의 새로운 에틸렌이 재순환 에틸렌과 함께, 선택적으로는 공단량체와 함께 일련의 압축기에서 반응기 압력으로 압축되고, 이어서 전형적으로는 과산화물 또는 산소와 같은 화합물에 의해 개시되는 중합이 일어나는 반응기로 도입된다. 압축된 에틸렌은 여러 스트림(stream)으로 나누어질 수 있는데, 그 중 첫번째는 한 단부(전방 단부)에서 반응기에 유입되고 나머지("측면스트림"으로 알려짐)는 반응기 길이를 따라 존재하는 지점에서 유입되거나, 또는 택일적으로는 에틸렌 전부가 전방 단부에서 반 응기에 유입될 수 있다. 중합 반응을 개시하기 위하여, 사용되는 특정한 개시제 또는 개시제 블렌드의 "활성" 온도("light off" temperature) 이상의 온도로 제 1 에틸렌 스트림을 가열할 필요가 있다. 상기 가열은 예비가열기로 알려진 가열기에 에틸렌 스트림을 통과시킴으로써 이루어진다.

반응기에서, 에틸렌 일부가 중합되고, 중합체 및 미반응된 단량체를 포함하는 고온 혼합물이 출구를 거쳐 반응기에서 배출되고, 고압 감소 밸브(high pressure let down valve)를 통해, 중합체가 미반응된 에틸렌 기체로부터 분리되는 분리 시스템으로 이동한다. 이어서, 미반응된 에틸렌 기체가 반응기 복귀를 위해 재압축되기 전에 폴리에틸렌 왁스를 제거하고 이를 냉각시키는 재순환 시스템중에서 처리된다. 많은 에틸렌 중합 설비에서, 에틸렌 재순환 시스템은 폐열 보일러(waste heat boiler)로 알려진 보일러를 포함하며, 여기서 재순환 에틸렌으로부터의 열이 물을 비등시키는데 사용되어서 증기, 전형적으로는 중압 증기를 생성시키며, 상기 증기는 예비가열기의 적어도 일부를 가열하는데 사용된다. 이러한 방식으로, 발열 중합 반응에 의해 발생된 열의 일부는 생산적으로 사용될 수 있으며, 그 결과 설비를 작동시키는데 필요한 전체 에너지를 감소시켜서 명백한 경제적 및 환경적인 이점을 갖는다.

전형적으로, 고압 중합 설비는 분자량, 공단량체 함량, 헤이즈(haze) 및 밀도와 같은 특징을 다양하게 갖는 일정 등급의 중합체를 생성시킨다. 생성물 중합체의 특성에 영향을 주는 한 방법은 에틸렌이 반응기에 유입되는 온도를 비롯하여 반응기의 온도 프로파일(profile)을 제어하는 것이다. 따라서, 에틸렌이 예비가열 기에 의해 가열되는 설정 온도는 그 시점에 생성시키려는 구체적인 등급에 따라 광범위한 범위에서, 예컨대 130℃ 내지 220℃에서 다양하다.

하나의 공지된 유형의 예비가열기는 폐열 보일러로부터 중압 증기를 사용하는 가열 자켓(jacket)의 제 1 구역, 및 통상적인 보일러에 의해 발생되는 고압 증기를 사용하는 제 2 구역을 포함한다. 증기 온도는 그의 압력과 관련되며, 따라서 제 2 구역은 제 1 구역보다 더 높은 온도를 갖는다.

매우 높은 반응기 입구 온도를 필요로 하는 특정 등급의 중합체를 생성시키기 위하여, 예비가열기의 제 1 구역의 중압 증기가 고압 증기 첨가에 의해 보충될 수 있다. 상기 첨가는 중압 증기의 압력 및 온도 상승으로 이어지고, 그 결과 제 1 구역으로의 입열량(heat input)이 증가한다. 그러나, 중압 증기의 압력 증가는 또한 폐열 보일러의 물 비등점을 상승시키므로 비등수와 재순환 에틸렌 간의 온도 차이를 감소시키고, 결과적으로 폐열 보일러의 효율을 감소시킨다. 효율 감소는 2가지 바람직하지 않은 결과를 갖는다. 첫째, 발생되는 중압 증기의 양이 감소되어서 많은 고압 증기가 예비가열기에서 사용되어야 하므로 연료 비용이 증가된다. 둘째, 폐열 보일러에서 재순환 에틸렌의 냉각이 감소되므로 재순환 시스템에서의 다른 열 교환기에 대한 부담이 증가하고, 결과적으로 설비 냉각수에 대한 부담이 증가한다.

낮은 반응기 입구 온도가 필요한 등급의 경우, 고압 증기가 사용되지 않으며, 예비가열기의 제 1 구역 부분이 차단되고, 폐열 보일러의 증기 생성을 다시 감소시켜서 전술한 바람직하지 않은 동일한 2가지 결과를 갖게 된다.

고압 에틸렌 중합 설비는 저압 증기 네트(net)라고 전형적으로 불리우는 저압 증기의 발생 및 분배를 위한 시스템을 일반적으로 갖는다. 저압 증기는 예컨대, 내용물을 용융 상태로 유지하기 위해 에틸렌 재순환 시스템에서 왁스 넉-아웃(knock-out) 용기를 가열하는 등의 많은 용도를 갖는다. 설비 위치에 따라, 겨울에는 저압 증기가 종종 물 파이프가 동결되지 않도록 사용되고, 따라서 저압 증기에 대한 수요가 겨울에 증가할 수 있다. 저압 증기는 고압 증기 네트에서 수거된 응축물을 갑자기 증발(flashing off)시켜서 수득될 수 있다. 상기 방법이 경제적이지만, 저압 증기의 발생은 고압 증기의 발생과 관련되며, 저압 증기에 대한 수요가 상기 경로로부터 이용가능한 용량을 초과하는 때에는 전형적으로 일부 고압 증기를 저압 증기 네트로 방출시킬 필요가 있으며, 그 결과 고압 증기 발생 비용이 증가하게 된다.

발명의 요약

본 발명은 고압 반응기; 에틸렌을 가열하기 위한 예비가열기를 가지며 상기 반응기에 에틸렌을 공급하기 위한 도관; 중압 증기를 생성시키기 위한 폐열 보일러; 고압 증기의 공급원; 및 폐열 보일러로부터 중압 증기를 분배하기 위한 중압 증기 네트를 포함하는 증기 분배 시스템을 포함하고, 이때 증기 분배 시스템이, 상기 예비가열기가 제 1, 제 2 및 제 3 구역을 포함하며, 제 1 구역이 중압 증기 네트로부터 증기를 공급받을 수 있고 제 2 구역이 중압 증기 네트로부터의 증기 또는 필요시에는 고압 증기를 공급받을 수 있으며 제 3 구역이 고압 증기를 공급받을 수 있도록 하는 장치를 제공한다.

특히 높거나 낮은 반응 입구 온도를 필요로 하지 않는 중합체 등급의 경우, 예비가열기는 전형적으로 제 1 및 제 2 구역에서 중압 증기에 의해 작동할 수 있으며, 목적하는 반응기 입구 온도에 도달하기 위해 필요시에 제어된 양의 고압 증기가 제 3 구역에서 사용된다. 높은 반응기 입구 온도를 필요로 하는 등급을 생성시키고자 할 때, 제 2 구역은 제 1 구역과는 독립적으로 고압 증기로 전환될 수 있으며, 그 결과 중압 증기에 고압 증기를 첨가하지 않고도 예비가열기로의 입열량을 증대시킬 수 있다. 제 2 구역에서 중압 증기를 제거하는 것은 중압 증기의 소모를 다소 감소시키지만, 상기 감소는 일반적으로 고압 증기를 중압 증기에 첨가하여서 발생되는 것보다 적으며, 따라서 높은 입구 온도를 필요로 하는 등급의 중합체의 생성동안에 폐열 보일러내의 중압 증기 생성이 공지된 시스템에 비해 일반적으로 증가된다. 많은 경우에, 중압 증기의 발생 및 사용의 효율 증가는 고압 증기의 발생 비용을 감소시키며 설비 냉각수에 대한 부담을 감소시켜서, 제 2 압축기에 유입되기 이전에 에틸렌 냉각을 종종 향상시킬 수 있고, 에틸렌 처리량 및 설비 생산성을 결과적으로 증가시킬 수 있다.

바람직하게, 증기 공급 시스템은 저압 증기 네트, 및 중압 증기를 저압 증기 네트로 방출시키기 위한 수단을 포함한다. 이러한 방식으로, 낮은 반응기 입구 온도를 필요로 하는 중합체 등급이 제조되어야 할 때, 예컨대 중압 증기가 저압 증기 네트로 방출될 수 있다. 저압 증기에 대한 수요가 높을 때, 이는 고압 증기를 저압 증기 네트로 방출시키는 필요성을 감소시키거나 없앨 수 있다. 또한, 중압 증기를 저압 증기 네트로 방출시키면 중압 증기의 압력이 감소되고, 그 결과 폐열 보일러의 효율이 증가되어서 전술한 바와 같은 이점을 갖는다. 중압 증기를 저압 증기 네트로 방출시키기 위한 수단은 전형적으로 제어 밸브를 포함한다.

바람직하게, 증기 공급 시스템은 또한 고압 증기를 중압 증기 네트로 첨가하기 위한 수단을 포함한다. 예컨대, 중합 장치의 개시동안에, 또는 폐열 보일러에서 중압 증기를 발생시킬 정도로 재순환 에틸렌 스트림이 전형적으로 충분히 고온이지 않을 때에는 반응기 전도(upset) 동안에, 고압 증기를 중압 시스템 네트, 및 예비가열기의 제 1 구역, 선택적으로는 제 2 구역에 첨가하는 것이 바람직하다. 고압 증기를 중압 증기 네트에 첨가하는 것은 매우 높은 반응기 입구 온도를 필요로 하는 중합체 등급의 생성동안에 적절할 수도 있다. 따라서, 이러한 양태에서, 예비가열기의 제 1 구역이 선택적으로는 고압 증기에 의해 보충된 중압 증기(가능할 경우), 또는 중압 증기없이 고압 증기 단독에 의해 가열될 수 있다. 예비가열기의 제 2 구역은 중압 네트로부터의 증기 또는 고압 네트로부터의 고압 증기를 당시 필요에 따라 공급받을 수 있다.

증기 분배 시스템은 예비가열기의 제 3 구역에 고압 증기를 공급하도록 배열되어 있다. 바람직하게, 증기 분배 시스템은 예비가열기의 제 3 구역으로의 고압 증기의 흐름을 제어하기 위하여 제어 밸브와 같은 수단을 포함한다. 이러한 방식으로, 에틸렌이 가열되는 온도상에서 섬세하게 제어하도록, 또한 예비가열기의 제 1 및 제 2 구역으로의 입열량의 편차 및 에틸렌 유속의 편차를 보상하도록 예비가열기로의 입열량이 쉽게 변경될 수 있다. 예비가열기의 제 3 구역은 또한 제 2 구역처럼 고압 증기 및 중압 증기 사이에서 전환될 수도 있다. 그러나, 바람직하게, 예비가열기의 제 3 구역은 단지 고압 증기 네트와만 연통(communication)한다.

상기 장치는 하나보다 많은 고압 증기 공급원을 포함할 수 있다. 예컨대, 고압 증기를 예비가열기의 제 2 구역에 공급하는 고압 증기 공급원, 및 예비가열기의 제 3 구역에 공급하는 별도의 고압 증기 공급원이 있을 수 있다. "고압 증기 공급원" 및 "고압 증기 네트"란 용어는 복수개의 고압 증기 공급원을 갖는 양태를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 바람직하게는, 단 하나의 고압 증기 공급원, 예컨대 고압 증기 보일러 또는 이러한 보일러 배열이 있다. 바람직하게, 증기 분배 시스템은 고압 증기 공급원으로부터 고압 증기를 분배시키기 위한 고압 증기 네트를 포함한다.

본원에서 사용되는 "예비가열기"란 용어는, 도관을 통해 압축기로부터 반응기까지 이동하는 고압 에틸렌이 증기에 의해 가열될 수 있고 전술한 바와 같은 3개 구역을 갖는 임의의 구조물을 지칭한다. 예비가열기는 증기에 의해 가열될 수 있거나 다른 수단, 예컨대 전기 히터 또는 고온 액체에 의한 열 교환에 의해 가열될 수 있는 부가적인 구역을 포함할 수도 있다. 그러나, 바람직하게, 예비가열기는 전술한 바와 같이 단지 제 1, 제 2 및 제 3 구역만을 포함한다. 예비가열기의 제 1, 제 2 및 제 3 구역 각각은 열을 증기로부터 에틸렌으로 교환시키기 위한 수단을 포함한다. 임의의 적합한 열 교환 수단이 사용될 수 있다. 바람직하게, 예비가열기의 제 1, 제 2 및 제 3 구역 각각은 도관 주위에 증기 자켓을 포함한다. 각각의 구역은 동일한 증기 공급 배열을 갖는 하나 이상의 부품, 예컨대 하나 이상의 증기 자켓을 포함할 수 있다. 예컨대, 제 1 구역은 중압 증기 네트와 유사한 방식으로 각각 연결된 둘 이상의 증기 자켓을 포함할 수 있다. 각각의 증기 자켓은 전형적으로 하나 이상의 파이프 구역을 포함한다. 바람직하게, 각각의 파이프 구역은 응축물을 효율적으로 제거하기 위해 응축물 네트로의 연결부를 갖는다.

에틸렌의 온도는 예비가열기를 통과할 때 상승한다. 예비가열기의 제 1, 제 2 및 제 3 구역은 도관 길이를 따라 임의의 순서로 배열될 수 있다. 열 전달 효율때문에, 일반적으로 제 1 구역 및 제 2 구역보다 일반적으로 높은 증기 온도로 있는(제 2 구역이 고압 증기를 공급받는 경우 예외) 예비가열기의 제 3 구역이 제 1 및 제 2 구역의 다운스트림(downstream)에 있는 것이 바람직하다. 바람직하게, 제 2 구역은 제 1 구역의 다운스트림에 있고, 제 3 구역은 제 2 구역의 다운스트림에 있다.

본원에서 사용되는 "중압 증기"란 용어는 폐열 보일러에 의해 생성되는 증기를 말한다. 중압 증기의 실제 압력은 전술한 바와 같은 이유 때문에 광범위한 범위에서 다양하지만, 바람직하게는 4 내지 30바아의 범위, 더욱 바람직하게는 7 내지 15바아의 범위이다.

"고압 증기"란 용어는 폐열 보일러에서 생성되지 않고 전형적으로 중압 증기보다 더 높은 압력인 증기를 말한다. 또한, 고압 증기의 압력은 광범위한 범위에서 변할 수 있지만, 바람직하게는 15 내지 70바아의 범위, 더욱 바람직하게는 25 내지 40바아의 범위이다.

"저압 증기"란 용어는 전형적으로 중압 증기보다 낮은 압력을 갖는 증기를 말한다. 저압 증기의 압력은 또한 사용시에 광범위한 범위에서 변할 수 있으나, 바람직하게는 1.5 내지 6바아의 범위, 더욱 바람직하게는 2 내지 4바아의 범위이다.

증기 분배와 관련하여 사용되는 "네트"란 용어는 증기의 발생 지점(들)으로부터 사용 지점(들)까지 증기를 분배시키기 위한, 밸브, 비상 압력 방출 장치 등과 같은 관련 장치를 전형적으로 포함한 도관 배열을 말한다. 중간 압력 증기 네트는 증기를 폐열 보일러로부터 예비가열기의 제 1 및 제 2 구역으로, 선택적으로는 중압 증기를 저압 증기 네트로 방출시키기 위한 밸브로 운송하기 위한 도관을 포함한다. 또한, 중압 증기 네트는 중압 증기가 사용되는 임의의 다른 위치로 중압 증기를 분배시키기 위한 도관을 포함할 수도 있다. 또한, 중압 증기 네트는 전술한 바와 같이 필요시에 고압 증기를 중압 증기에 첨가할 수 있는 밸브와 연통될 수 있고, 폐열 보일러가 증기를 생성시키지 않는 특정 시점, 예컨대 반응기 개시동안에 중압 증기 네트는 고압 증기로 채워질 수 있다.

"에틸렌"이란 용어는 문맥에서 명백하게 다르게 표현되지 않는 한, 공단량체, 개질제 및 개시제와 같이 에틸렌 고압 중합에서 전형적으로 사용되는 다른 구성성분과 에틸렌의 혼합물을 포함하는 것으로 고려해야 한다.

고압 반응기는 선택적으로는 하나 이상의 공단량체와의 에틸렌 고압 중합에 적합한 임의의 반응기일 수 있다. 상기 반응기가 당업계의 숙련자에게 잘 알려져 있다. 한 양태에서, 고압 반응기는 관형 반응기이다. 반응기는 중합하려는 에틸렌 스트림용 입구, 및 일반적으로는 에틸렌 사이드스트림(sidestream), 공단량체, 개시제 및 쇄 전달제를 첨가하기 위한 다른 입구를 포함한다. 반응기는 또한 주로 미반응된 에틸렌과 중합체를 전형적으로 포함하지만 또한 개시제, 공단량체, 쇄 전달제, 에틸렌 공급으로부터의 불순물, 및 이산화탄소와 같은 분해 생성물과 같은 다른 구성성분을 포함할 수도 있는 생성물 혼합물용 출구를 포함한다.

반응기 출구로부터, 생성물 혼합물은 전형적으로 고압 감소 밸브를 통과하여 최종적으로는 미반응된 에틸렌이 중합체로부터 분리되는 분리 시스템으로 이동한다. 미반응된 에틸렌은 재순환 시스템을 거쳐 다시 압축기로 이동한다. 재순환 시스템은 전형적으로 하나 이상의 왁스 넉-아웃 용기 및 에틸렌을 냉각시키기 위한 열 교환기를 포함한다. 바람직한 양태에서, 폐열 보일러는 에틸렌 재순환내에 위치한다. 폐열 보일러의 다른 가능한 위치는 고압 감소 밸브와 분리 시스템사이의 생성물 냉각기상에, 또는 심지어는 반응기 그 자체 상에를 포함한다. "폐열 보일러"란 용어는 중합에 의해 생성된 열을 이용하여 증기를 생성시키는 임의의 장치(들)를 포함한다.

바람직하게, 증기 분배 시스템은 중압 증기를 예비가열기의 제 2 구역에 공급하기 위한 밸브, 및 고압 증기를 상기 제 2 구역에 공급하기 위한 밸브를 포함한다. 바람직하게, 상기 밸브 둘다는 차단(block) 밸브이다. 바람직하게, 증기 분배 시스템은 상기 밸브중 단 하나만이 장치 사용동안에 개방되도록 배열된다.

바람직한 양태에서, 상기 장치는 예비가열기의 제 1, 제 2 및 제 3 구역으로의 증기 공급을 제어하기 위한 제어 수단을 포함한다. 특히 바람직하게, 상기 장치는 반응기 입구 영역의 에틸렌 온도를 관측하기 위하여 예비가열기 출구의 다운스트림 및 반응기 입구의 업스트림(upstream)에 온도 센서(sensor)를 포함한다. 바람직하게, 제어 수단은 상기 온도 센서로부터의 출력 신호에 반응하여 작동하도록 배열된다. 제어 수단은 또한 전형적으로 반응기 입구 에틸렌 온도에 대한 목적하는 수치를 입력하기 위한 수단을 포함하며, 상기 제어 수단은 상기 목적하는 수치 및 온도 센서의 출력 신호에 반응하여 예비가열기의 제 1, 제 2 및 제 3 구역으로의 증기 공급을 제어하도록 배열된다. 일반적으로, 제어 수단은 도관을 거쳐 반응기에 유입되는 에틸렌의 실제 온도를 목적하는 온도의 설정 한도내로 만들고 에틸렌 온도를 상기 한도내로 유지하도록 우선적으로 배열된다. 이는 전형적으로 입구 온도가 설정 한도에서 벗어나지 않고 그 결과 반응기 전도가 중합체 품질 또는 생산량 손실에서 바람직하지 않은 편차를 일으키지 않도록 하기 위한 제어 수단의 주된 기능이다. 바람직하게, 제어 수단은 중압 증기의 생성을 최대화하고 그 결과 폐열 보일러의 효율을 최적화하도록 배열된다.

전술한 바와 같이, 저압 증기에 대한 수요가 때때로, 예컨대 날씨 변화로 인해 다양할 수 있다. 따라서, 제어 수단은 바람직하게는 저압 증기에 대한 수요 변화에 반응하여 저압 증기 네트로 방출되는 중압 증기의 양을 변경시킬 수 있는 수단을 포함한다. 예컨대, 중압 증기를 저압 증기 네트로 방출시키는 밸브가 개방되어 있는 정도로 목표 수치가 설정될 수 있도록 제어 수단이 배열될 수 있고, 제어 수단은 반응기 입구 온도를 목적하는 수치로 유지하는 동안에 상기 목표 수치를 이루기 위하여 예비가열기의 제 3 구역으로의 고압 증기의 흐름을 조정한다.

택일적으로, 제어 수단은 예비가열기의 제 3 구역으로의 고압 증기의 흐름을 증가시키거나 감소시킬 수 있는 수단을 포함할 수 있고, 상기 흐름의 증가는 제 1(및 제 2) 구역의 중압 증기의 사용을 감소시켜서, 중압 증기의 저압 증기 네트로의 방출을 촉진시킨다.

한 양태에서, 증기 공급 시스템은 중압 증기 네트의 증기 압력을 관측하기 위하여 압력 센서를 포함하고, 제어 수단은 압력 센서의 출력 정보에 반응하여 작동한다. 제어 수단은 압력 센서의 출력 정보를 수리하여서 중압 증기를 저압 증기 네트로 방출하는 수단 및 고압 증기를 중압 증기 네트로 방출하는 수단을 상기 출력 정보 및 설정점에 반응하여 제어하는 압력 제어기를 포함할 수 있다. 유리하게, 압력 제어기는 목표 압력이 조작자에 의해 또는 제어 시스템의 다른 부품에 의해 설정될 수 있도록 배열된다. 특히 유리하게, 상기 장치는 반응기 입구 영역의 에틸렌 온도를 관측하기 위한 온도 센서의 출력 정보에 반응하여 압력 제어기의 설정점을 설정하는 온도 제어기를 포함한다.

택일적인 양태에서, 제어 수단은 반응기 입구 영역의 에틸렌 온도를 관측하기 위한 온도 센서의 출력 신호에 반응하여 예비가열기의 제 1, 제 2 및 제 3 구역으로의 증기 공급을 제어하도록 프로그래밍된 컴퓨터를 포함한다. 바람직하게, 컴퓨터는 전체 에너지 소모를 최적화하기 위하여 증기를 중압 증기 네트로부터 저압 증기 네트로 방출하도록 프로그래밍된다.

또한, 본 발명은 폐열을 이용하여 중압 증기를 발생시키는 단계; 고압 증기 공급원으로부터 고압 증기를 제공하는 단계; 선택적으로는 고압 증기로 보충된 중압 증기를 예비가열기의 제 1 구역에 공급하는 단계; 제 1 구역에 공급된 것과 동일한 증기 또는 고압 증기를 제 2 구역에 공급하는 단계; 고압 증기를 제 3 구역에 공급하는 단계; 및 제 2 구역에 공급된 증기를 제 1 구역에 공급되는 것과 동일한 증기로부터 고압 증기로 변화시키거나 이와 역으로 함으로써 예비가열기로의 입열량을 변화시키는 단계를 포함하는, 고압 에틸렌 중합 장치에서 제 1, 제 2 및 제 3 구역을 포함하는 예비가열기내에서 에틸렌을 가열하는 방법을 제공한다.

중압 증기는 전형적으로 폐열 보일러를 이용하여 발생된다. 고압 증기는 일반적으로 고압 증기 보일러에 의해 제공된다.

상기에서 설명된 바와 같이, 중합 장치의 개시동안에 폐열이 이용가능하지 않으며, 따라서 예비가열기에 공급된 증기는 고압 증기이다. 그러나, 일단 중합이 개시되면, 폐열이 이용가능하여서 중압 증기를 발생시킨다.

예비가열기는 고압 반응기의 업스트림에 배열되는데, 즉 에틸렌이 반응기 입구에 유입되기 전에 예비가열기에 의해 가열된다. 바람직하게, 상기 방법은 목적하는 반응기 입구 온도를 선택하는 것을 포함한다. 바람직하게, 상기 방법은 반응기 입구 영역의 에틸렌의 실제 온도를 관측하는 것을 포함한다. 더욱 바람직하게, 상기 방법은 목적하는 반응기 입구 온도 및 측정된 실제 반응기 입구 온도에 따라 예비가열기 구역으로의 증기 공급을 제어하는 것을 포함한다. 특히, 상기 방법은 유리하게는 목적하는 반응기 입구 온도 및 측정된 실제 반응기 입구 온도에 따라 중압 증기의 압력을 제어하는 것을 포함한다. 바람직하게, 제 2 구역에 공급된 증기로의 변경은 목적하는 반응기 입구 온도에 따라 이루어진다. 유리하게, 제 3 구역으로의 고압 증기의 흐름은 목적하는 반응기 입구 온도 및 측정된 실제 반응기 입구 온도에 따라 제어된다.

유리하게, 상기 방법은 중압 증기를 저압 증기 네트로 방출시키는 것을 포함한다. 상기 방출은 저압 증기 네트상에서의 수요 뿐만 아니라 목적하는 반응기 입구 온도 및 측정된 실제 반응기 입구 온도에 반응하여 제어될 수 있다.

중압 증기는 예컨대 특히 높은 반응기 입구 온도가 요구될 때 또는 반응기 전도동안에 선택적으로 고압 증기로 보충된다. 그러나, 바람직하게 정상 작동동안에(즉, 반응기 개시 및 반응기 전도 제외), 중압 증기는 고압 증기에 의해 보충되지 않는다.

본 발명에 따른 한 양태가 도면과 관련하여 단지 예시를 목적으로 보다 상세히 기재되어 있다.

도 1은 약 300바아의 압력으로 에틸렌을 압축시키는 제 1 압축기(3)에 70 바아 압력의 에틸렌을 공급하는 에틸렌 공급 라인(2)을 포함하는 중합 설비(1)를 나타낸다. 제 1 압축기(3)의 출구는 밸브를 갖는 파이프를 통해, 에틸렌 및 다른 반응 구성성분을 3000바아 압력으로 압축시키는 두 단계 왕복동(reciprocating) 제 2 압축기(4)의 입구와 연통되어 있다. 제 2 압축기(4)에서 배출되는 압축된 에틸렌은 2개 스트림으로 나뉘어지는데, 이중 하나는 예비가열기(5)를 통과한 후에 관형 반응기(6)의 전방 단부에 유입된다. 다른 스트림은 관형 반응기(6)에 그 길이를 따라 위치한 지점에서 유입되는 2개 사이드스트림으로 나뉘어진다. 또한, 관형 반응기는 그 길이를 따라, 개시제 주입 시스템(7)으로부터 공급되는 여러 개시제 주입 지점을 갖는다.

중합체 및 미반응된 단량체의 혼합물은 관형 반응기(6)로부터 고압 감소 밸브(8)를 통과하여 고압 분리기(9)로 이동하고, 여기서 생성물 중합체 및 미반응된 에틸렌으로 분리된다. 이어서, 중합체는 저압 분리기(10)로 이동하여 추가의 잔류 에틸렌이 분리되고 최종적으로 파이프(11)를 통과하여 압출기(11)(도시되어 있지 않음)로 이동한다. 고압 분리기로부터 미반응된 에틸렌은 폐열 보일러(13)를 포함하는 재순환 기체 시스템(12)을 통과하여 제 2 압축기(4) 입구로 다시 이동한다. 저압의 미반응 단량체 기체는 저압 분리기(10)로부터 제 1 압축기(3)로 다시 이동한다.

예비가열기(5)는 관형 반응기(6)의 전방 단부에 유입되는 에틸렌 스트림을 개시제가 분해되기 시작하는 온도로 가열하여서, 중합을 개시한다. 예비가열기(5)에서 배출되어 반응기(6) 입구에 유입되는 에틸렌의 온도는 온도 센서에 의해 관측된다(도 1에 도시되지 않음).

중합 반응은 매우 발열성이고, 관형 반응기(6)는 반응 혼합물을 냉각시키는 많은 냉각 자켓을 포함한다. 그러나, 관형 반응기(6)로부터 배출되어 고압 감소 밸브(8)를 통과하는 생성물 혼합물은 고압 분리 용기(9)에 유입될 때 여전히 고온이고, 상기 열의 일부는 재순환 시스템(12)을 통과하는 에틸렌 기체에 의해 보유된다. 폐열 보일러(13)는 고온 에틸렌 스트림을 냉각하고, 상기 열을 이용하여서 중압 증기를 발생시킨다. 또한, 재순환 시스템(12)은 에틸렌을 추가로 냉각시키기 위한 열 교환기 뿐만 아니라 왁스 수거를 위한 왁스 넉-아웃 용기를 포함한다. 폐열 보일러(13)에서 발생된 중압 증기는 도관(도 1에 도시되어 있지 않음)을 거쳐 예비가열기(5)로 흘러가고, 여기서 반응기(6) 전방 단부에 유입되는 에틸렌을 가열하기 위해 사용된다.

도 2는 예비가열기(6) 및 관련 증기 공급 시스템의 배치를 나타낸다. 라인(14)은 제 2 압축기(4)로부터 관형 반응기(6)의 전방 단부까지 연장되어 있는 에틸렌 도관을 나타내며, 화살표는 에틸렌 흐름의 방향을 나타낸다. 예비가열기(5)는 4개의 증기 자켓(5a, 5b, 5c, 5d)를 포함하며, 이들은 에틸렌 흐름 방향으로 도관(14)의 길이를 따라 상기 순서로 배열되어 있다. 상기 증기 자켓(5a, 5b, 5c, 5d) 각각은 증기를 위한 입구, 및 응축물을 배수시키는 일련의 출구를 갖는다. 응축물은 일련의 도관(도 2에 도시되어 있지 않음)을 거쳐 응축물 처리 시설(도 2에 도시되어 있지 않음)로 흐른다. 증기 자켓(5a, 5b, 5c, 5d)은 구조적으로 대부분 유사하며, 주로 길이에서만 차이난다.

자켓(5a, 5b, 5c)의 증기 입구는 각각 도관(15a, 15b, 15c)을 거쳐, 폐열 보일러(13)로부터 중압 증기를 운반하는 중압 증기 도관(16)과 연통된다. 도관(16)은 도관(17) 및 제어 밸브(18)를 거쳐 저압 증기 네트(19)와 연통된다. 도관(16)은 또한 도관(20) 및 제어 밸브(21)를 거쳐 고압 증기 네트(22)와 연통된다. 제어 밸브(18, 21)는 정상 작동시에는 닫혀있는 수동 작동 밸브를 비롯한 측관 루프(bypass loop)를 관리 목적으로 각각 갖는다.

차단 밸브(23a)가 증기 자켓(5b, 5c) 각각으로의 도관(15b, 15c)간의 연결부 사이의 중압 증기 도관(16)위에 위치한다. 도관(15c)은 또한 차단 밸브(23b)를 갖는 도관(24)을 거쳐 고압 증기 네트(22)와 연통된다.

대부분의 다운스트림 증기 자켓(5d)의 증기 입구는 도관(25) 및 제어 밸브(26)를 거쳐 고압 증기 네트(22)와 연통된다. 제어 밸브(26)는 밸브(18, 21)상에서와 유사한 측관을 갖는다.

에틸렌 도관(14)은 에틸렌이 반응기(6)의 전방 단부로 흐를 때 에틸렌 온도를 측정하기 위하여 증기 자켓(5d)의 다운스트림 단부와 반응기(6) 입구 사이에 위치한 온도 센서(27)를 갖는다. 중압 증기 도관(16)은 상기 도관의 증기 압력을 측정하기 위한 압력 센서(28)를 갖는다. 온도 센서(27)와 압력 센서(28) 둘다는, 출력 정보를 관측하고 상기 출력 정보 및 제어 시스템으로의 입구 온도 입력 설정값에 반응하여 중압 내지 저압 증기 제어 밸브(18), 고압 내지 중압 증기 제어 밸브(21), 차단 밸브(23a, 23b) 및 고압 증기 제어 밸브(26)를 제어하는 제어 시스템(도 2에 도시되어 있지 않음)에 연결되어 있다.

따라서, 증기 자켓(5a, 5b)은 도관(15a, 15b) 및 중압 증기 도관(16)을 거쳐 폐열 보일러(13)로부터 중압 증기를 공급받도록 배열되어 있다. 이러한 2개 증기 자켓(5a, 5b)은 함께 예비가열기(5)의 제 1 구역을 구성한다.

필요시에, 중압 증기는 제어 밸브(21)를 개방함으로써 고압 증기에 의해 보충될 수 있고, 그 결과 고압 증기가 고압 증기 네트(22)로부터 도관(20)을 통과하여 중압 증기 도관(16)으로 흘러갈 수 있다.

중압 증기의 압력을 감소시키고자 할 때, 제어 밸브(18)를 개방하면 중압 증기가 중압 증기 도관(16)으로부터 도관(17)을 통과하여 저압 증기 네트(19)로 흘러갈 수 있다.

차단 밸브(23a)가 개방되고 차단 밸브(23b)가 닫혔을 때, 본 발명의 예비가열기(5)의 제 2 구역을 구성하는 증기 자켓(5c)은 중압 도관(16)으로부터 중압 증기를 공급받는다(제어 밸브(21)가 개방될 때, 고압 증기 네트(22)로부터 고압 증기에 의해 보충된다). 차단 밸브(23a)를 닫고 차단 밸브(23b)를 개방하면 증기 자켓(5c)으로의 증기 공급이 고압 증기로 전환되고, 차단 밸브(23b)를 닫고 차단 밸브(23a)를 개방하면 다시 반대로 전환된다. 정상적인 상황에서, 차단 밸브(23a, 23b)중 하나만이 임의의 시점에 개방되어야 한다.

증기 자켓(5d)은 본 발명의 예비가열기(5)의 제 3 구역을 구성한다. 이는 도관(25)을 거쳐 고압 증기를 공급받고, 고압 증기의 흐름은 제어 밸브(26)에 의해 제어된다.

개시 및 특정한 반응기 전도동안에, 목적하는 반응기 입구 온도가 제어 수단에 입력된다. 저압 증기 네트로의 제어 밸브(18)가 닫히고 제어 밸브(21)가 개방되면 고압 증기가 중압 증기 라인(16)으로, 또한 이로부터 증기 자켓(5a, 5b, 5c)으로 이동할 수 있다(차단 밸브(23a)가 개방되고, 차단 밸브(23b)가 닫혀있다). 고압 증기가 또한 증기 자켓(5d)에 공급된다. 중합이 개시되고 폐열 보일러(13)가 중압 증기를 발생시키면, 제어 밸브(21)가 닫힐 수 있다.

비교적 낮은 반응기 온도를 필요로 하는 등급의 중합체가 필요할 때, 증기 자켓(5a, 5b, 5c)은 중압 증기 도관(16)으로부터 중압 증기를 공급받고 제어 밸브(18)가 부분적으로 개방되어서, 일부 중압 증기를 저압 증기 네트(19)로 방출시킨다. 제어 밸브(26)가 닫히고, 증기는 거의 또는 전혀 증기 자켓(5d)에 공급되지 않는다.

중간 반응기 입구 온도가 필요할 때, 제어 밸브(18)가 닫혀서 중압 증기가 저압 증기 네트(19)로 방출되지 않도록 하며, 제어 밸브(26)가 부분적으로 개방되어서 일부 고압 증기가 증기 자켓(5d)으로 흘러갈 수 있다.

높은 반응기 입구 온도가 필요할 때, 차단 밸브(23a)가 닫히고 차단 밸브(23b)가 개방되어서, 증기 자켓(5c)이 고압 증기에 이른다. 매우 높은 입구 온도가 필요할 때, 제어 밸브(21)가 개방될 수 있어서 일부 고압 증기가 중압 증기로 이동할 수 있으며, 그 결과 증기 자켓(5a, 5b)으로의 입열량을 증가시킬 수 있다.

저압 증기에 대한 수요가 보다 높을 때, 예컨대, 겨울동안에, 보다 많은 고압 증기가 증기 자켓(5d)으로 이동할 수 있고 보다 많은 중압 증기를 저압 증기 네트로 방출시키도록 제어 시스템이 설정될 수 있다.

상기 발명의 상세한 설명은 시스템 작동의 요지이며, 정상 작동동안에는 반응기에 유입되는 에틸렌 온도를 가능한한 목적하는 온도에 근접하게 유지하고 전체 에너지 소모를 최적화하기 위하여 제어 시스템이 다양한 밸브의 위치를 지속적으로 조정한다는 것을 이해한다.

바람직한 양태가 본원에 도시되어 상세히 설명되었으나, 본 발명의 취지를 벗어나지 않고 다양한 변형, 부가, 대체 등이 이루어질 수 있고, 따라서 이들이 하기에 기재된 청구의 범위에 정의되어 있는 바와 같이 본 발명의 범위내에 있는 것으로 고려됨이 당업계의 숙련자들에게 명백할 것이다. 발명의 상세한 설명이 구체적이라는 점에서, 이는 본 발명의 바람직한 양태를 단지 예시하기 위한 목적이며, 본 발명을 이들 특정한 양태에 제한하는 것으로 간주하지 않아야 한다. 발명의 상세한 설명중 하위표제의 이용은 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하려는 것이 아니다.

도 1은 중합 설비의 개략적인 형태를 나타낸다.

도 2는 도 1에 도시된 설비의 예비가열기 및 관련 증기 분배 시스템의 개략적인 형태를 나타낸다.

Claims (20)

1. 고압 반응기;

   에틸렌을 가열하기 위한 예비가열기를 가지며, 상기 반응기에 상기 에틸렌을 공급하기 위한 도관;

   중압 증기를 생성시키기 위한 폐열 보일러(waste heat boiler);

   고압 증기의 공급원; 및

   상기 폐열 보일러로부터 중압 증기를 분배시키기 위한 중압 증기 네트(net)를 포함하는 증기 분배 시스템

   을 포함하고, 이때

   상기 예비가열기가 제 1, 제 2 및 제 3 구역을 포함하며,

   상기 증기 분배 시스템이, 상기 예비가열기의 제 1 구역이 상기 중압 증기 네트로부터 증기를 공급받을 수 있고, 상기 예비가열기의 제 2 구역이 상기 중압 증기 네트로부터의 증기 또는 고압 증기를 공급받을 수 있으며, 상기 예비가열기의 제 3 구역이 고압 증기를 공급받을 수 있도록 하는,

   에틸렌의 고압 중합 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 증기 분배 시스템이 저압 증기 네트, 및 상기 저압 증기 네트로 중압 증기를 방출시키기 위한 수단을 포함하는, 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 증기 분배 시스템이 상기 중압 증기 네트로 고압 증기를 방출시키기 위한 수단을 포함하는, 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 증기 분배 시스템이 증기를 상기 중압 증기 네트로부터 상기 예비가열기의 제 2 구역에 공급하기 위한 밸브, 및 고압 증기를 상기 예비가열기의 제 2 구역에 공급하기 위한 밸브를 포함하는, 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 두 밸브 모두가 차단(block) 밸브인, 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 증기 분배 시스템이 상기 예비가열기의 제 3 구역으로의 고압 증기의 흐름을 제어하기 위한 제어 밸브를 포함하는, 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 예비가열기의 제 1, 제 2 및 제 3 구역으로의 증기 공급을 제어하기 위한 제어 수단을 포함하는, 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   에틸렌의 온도를 관측하기 위해 상기 예비가열기 출구의 다운스트림(downstream) 및 상기 반응기 내부 또는 입구의 업스트림(upstream)에 위치한 온도 센서를 포함하고, 출력 신호(output signal)를 생성시키며, 상기 제어 수단이 상기 출력 신호에 반응하여 작동하도록 배열된, 장치.
9. 제 2 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어 수단이 상기 저압 증기 네트에 방출되는 중압 증기의 양을 변경시키도록 조정될 수 있는, 장치.
10. 제 7 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 증기 분배 시스템이 중압 증기 네트의 증기 압력을 관측하기 위한 압력 센서를 포함하고, 출력 신호를 생성시키며, 상기 제어 수단이 상기 압력 센서의 출력 신호에 반응하여 작동하는, 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 예비가열기의 제 1 구역이 상기 예비가열기의 제 2 구역의 업스트림에 있고, 상기 예비가열기의 제 2 구역이 상기 예비가열기의 제 3 구역의 업스트림에 있는, 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 예비가열기의 각각의 구역이 상기 반응기에 에틸렌을 공급하기 위한 상기 도관 주위의 증기 자켓(jacket)을 포함하는, 장치.
13. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,

    에틸렌 재순환 시스템을 포함하고, 상기 폐열 보일러가 상기 에틸렌 재순환 시스템내에 위치한, 장치.
14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 반응기가 관형(tubular) 반응기인 장치.
15. 관형 반응기;

    에틸렌을 가열하기 위한 예비가열기를 가지며, 상기 관형 반응기에 상기 에틸렌을 공급하기 위한 도관;

    중합 반응에 의해 발생된 열을 이용하여 중압 증기를 생성시키기 위한 폐열 보일러;

    고압 증기 보일러; 및

    폐열 보일러로부터 증기를 분배시키기 위한 중압 증기 네트, 및 고압 증기 보일러로부터 증기를 분배시키기 위한 고압 증기 네트를 포함하는 증기 분배 시스 템

    을 포함하고, 이때

    상기 예비가열기가 제 1, 제 2 및 제 3 구역을 포함하고, 각각의 구역이 하나 이상의 증기 자켓(jacket)을 포함하며,

    상기 예비가열기의 제 1 구역의 증기 자켓이 상기 중압 증기 네트와 연통(communication)되고,

    상기 예비가열기의 제 2 구역의 증기 자켓이 차단 밸브를 거쳐 상기 중압 증기 네트 및 상기 고압 증기 네트 둘다와 연통되며,

    상기 예비가열기의 제 3 구역의 증기 자켓이 제어 밸브를 거쳐 상기 고압 증기 네트와 연통되는,

    에틸렌의 고압 중합 장치.
16. 폐열을 이용하여 중압 증기를 발생시키는 단계;

    고압 증기 공급원으로부터 고압 증기를 제공하는 단계;

    선택적으로 고압 증기에 의해 보충되는 중압 증기를 예비가열기의 제 1 구역에 공급하는 단계;

    상기 예비가열기의 제 1 구역에 공급된 것과 동일한 증기, 또는 고압 증기를 상기 예비가열기의 제 2 구역에 공급하는 단계;

    상기 예비가열기의 제 3 구역에 고압 증기를 공급하는 단계; 및

    상기 예비가열기의 제 2 구역에 공급된 증기를 상기 예비가열기의 제 1 구역 에 공급된 것과 동일한 증기로부터 고압 증기로 변경시키거나 이와 역으로 함으로써 예비가열기로의 입열량(heat input)을 변경시키는 단계를 포함하는,

    고압 에틸렌 중합 장치중 제 1, 제 2 및 제 3 구역을 포함하는 상기 예비가열기에서 에틸렌을 가열하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 예비가열기의 제 3 구역으로의 고압 증기 흐름을 제어하는 것을 포함하는, 방법.
18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,

    중압 증기를 저압 증기 네트로 방출시키는 것을 포함하는 방법.
19. 제 16 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서,

    정상 작동동안에 상기 중압 증기가 고압 증기에 의해 보충되지 않는 방법.
20. 제 16 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서,

    반응기의 개시동안에 또는 반응기 전도(upset)동안에, 고압 증기가 상기 중압 증기에 첨가되는, 방법.

Images