KR20130143577A - Low energy distillation system and method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다성분 유체 공급물 중의 둘 이상의 성분을 분리하기 위한 증류 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 스트립퍼 구역을 포함하되, 이 스트립퍼 구역은 (i) 둘 이상의 성분을 함유하는 유체의 공급물을 수용하기 위한 유입구, (ii) 상기 스트립퍼 구역 내의 상기 유체의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되어 유출 공급물을 제공하는 압축기, 및 (iii) 가열 유체를 수용하고 상기 스트립퍼 구역 내의 덜 휘발성인 분획과 유체 연통되는 재비기를 포함한다. 상기 증류 시스템은 또한, 상기 스트립퍼 구역과 수직으로 정렬되어 그 아래에 위치되며 상기 압축기로부터의 유출 공급물을 수용하기 위한 정류기 구역을 포함하며, 이는 추가로, (i) 냉각 유체를 수용하고, 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되며, 상기 유출 공급물의 더 휘발성인 분획으로부터 하나 이상의 성분을 제거하기 위한 유출구를 포함하는, 응축기, 및 (ii) 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 덜 휘발성인 분획을 상기 스트립퍼 구역으로 다시 재순환시키기 위한 유출구를 포함한다. 하부 정류기 구역과 상부 스트립퍼 구역의 사이에 열 파이프가 제공되어, 정류기 구역으로부터 스트립퍼 구역으로 열 에너지를 전달하며, 이로써 상기 증류의 유효에너지 효율이 개선된다.The present invention provides a distillation system for separating two or more components of a multicomponent fluid feed, the system comprising a stripper section, the stripper section containing (i) a feed of fluid containing two or more components. An inlet to (i) a compressor in fluid communication with the more volatile fraction of the fluid in the stripper section to provide an effluent feed, and (iii) in fluid communication with a less volatile fraction in the stripper section. Includes reboiling. The distillation system also includes a rectifier zone aligned vertically below the stripper zone and for receiving the effluent feed from the compressor, which further comprises: (i) receiving a cooling fluid; A condenser in fluid communication with the more volatile fraction of the effluent feed from the compressor, the outlet including a outlet for removing one or more components from the more volatile fraction of the effluent feed, and (ii) less of the effluent feed from the compressor. An outlet for recycling the volatile fraction back to the stripper zone. A heat pipe is provided between the lower rectifier zone and the upper stripper zone to transfer heat energy from the rectifier zone to the stripper zone, thereby improving the effective energy efficiency of the distillation.
Description
본 발명은, 정유 조작 등에 사용하기 위한 에너지 효율적인 증류 시스템 및 방법을 비롯한, 에너지 효율적 증류 시스템 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to energy efficient distillation systems and methods, including energy efficient distillation systems and methods for use in oil refinery operations and the like.
정유 공장은 많은 양의 에너지를 소비한다. 전형적인 정유 공정에서, 원유의 에너지 함량의 약 10%가 조질물을 다양한 최종 제품으로 정유하는데 소비된다. 많은 양의 에너지는 액체 및 반-액체 공급물을 그들의 비점 부근으로 만들어 기-액 평형 분리를 수행하는데 이용된다. 에너지가 덜 필요한 증류 기법은 정유 공장의 총 에너지 효율을 크게 개선할 것이다.Refineries consume a lot of energy. In a typical refinery process, about 10% of the energy content of crude oil is spent to refine the crude into various end products. Large amounts of energy are used to carry out gas-liquid equilibrium separation by bringing liquid and semi-liquid feeds near their boiling points. Less energy distillation techniques will greatly improve the total energy efficiency of the refinery.
통상의 증류 공정에서, 증류탑의 탑정부에 있는 응축기의 폐열은 회수되지 않는다. 이것은 매우 낮은 에너지 효율(예컨대, 10% 미만의 유효에너지(exergetic) 효율)을 초래한다. 열 집적 증류 컬럼(HIDiC)이 이미 개시되었지만 아직까지 상업화되지 못하였다. 쉘 엔드 튜브(shell and tube) 유형 구조, 또는 2개의 중심 트레이를 가진 증류 컬럼, 스트립퍼 구역 내부에 정류기 구역을 가진 증류 컬럼이 일반적으로 기술되어 있다. 학술 문헌에 제시된 HIDiC 구조는 일반적으로 정류기 및 스트립퍼 구역의 가로 배치를 이용하기 때문에, 복잡한 열 전달 배열 및 열 집적에 필요한 이중 병렬 컬럼에 대한 필요성이 장애가 되며, 이는 작업 공정을 증가시킨다. 이러한 배열은 기존 컬럼을 개조하는데 실용적이지 않을 수 있다.In a conventional distillation process, the waste heat of the condenser at the top of the column is not recovered. This results in very low energy efficiency (e.g., less than 10% effective efficiency). Thermal integrated distillation columns (HIDiC) have already been disclosed but have not yet been commercialized. Shell and tube type constructions, or distillation columns with two central trays, and distillation columns with rectifier sections inside the stripper section are generally described. Since the HIDiC structure presented in the academic literature generally utilizes a horizontal arrangement of rectifier and stripper zones, the need for complex parallel heat transfer arrangements and dual parallel columns for thermal integration is a barrier, which increases the working process. Such an arrangement may not be practical for retrofitting existing columns.
도 1은 통상적인 증류 조작(1000)을 도시한다. 컬럼(1020)의 정상부(top)에 위치된 응축기(1010)은 증기-풍부 공정 스트림(1030)으로부터 열을 제거하여 더 고 휘발성("더 경질") 생성물이 풍부한 액체 생성물 스트림(1040)을 생성한다. 상기 응축기는 또한, 기-액 단 분리 공정의 질을 개선하는데 사용되는 환류 스트림(1050)을 생성한다. 상기 응축기에서 제거된 열은 회수되지 않고 냉각 수 또는 공기로 배출되어, 증류의 저에너지 효율을 야기한다. 증류 컬럼에서, 유효에너지 효율(exergy efficieny)로도 지칭되는 제 2 법칙 열역학 효율은 일반적으로 10% 미만이다. 유효에너지 효율은, 동일한 유입 공급물로 출발하고 동일한 생성물 스트림을 생성하는 동일한 조작을 수행하는 열역학적으로 완전한 시스템에 비해 시스템이 얼마나 효율적인지를 정의한다.1 illustrates a
도 1에서 볼 수 있듯이, 통상의 증류 컬럼에서는 스트립퍼 구역(1070) 위에 수직으로 인접하게 정류기 구역(1060)이 위치된다.As can be seen in FIG. 1, in a conventional distillation column,
도 2는 문헌[J. of Chem. Tech. and Biotech., 78:241-248 (2003)](이의 내용 전체를 본원에 참고로 인용한다)에 기술된 HIDiC 단위 조작(2000)을 도시한다. 정류기 구역(1060)이 스트립퍼 구역(1070)위에 위치되는 도 1의 증류 컬럼과는 달리, 도 2에서 정류기 구역(2060) 및 스트립퍼 구역(2030)은, 정류기 구역에서 스트립퍼 구역으로의 열 전달을 위한 추가의 설비와 함께 병렬로 위치된다. 공급물(2040) 아래 영역으로 정의되는 영역인 스트립핑 영역(2030)을 나오는 스트림(2020)으로부터 증기를 압축하기 위해 압축기(2010)이 사용된다. 상기 압축은, 일반적으로 도 2의 오른쪽 편에 도시된 컬럼(2080)인 정류기 구역(2060)에서 더 고온을 야기한다. 정류 구역의 기저부(bottom)를 나오는 스트림(2100)의 흐름을 제어하기 위해, 공급물에 근접한 위치에 밸브(2090)이 제공된다. 제2 컬럼(2080)의 상부(upper) 부분은 기체-풍부 스트림(2110)을 생성하며, 이는 응축기(2120)으로 보내져 저휘발성 생성물(2130) 및 환류 스트림(2140)(정류기 구역(2060)으로 순환됨)을 생성한다.2 is described in J. of Chem. Tech. and Biotech., 78: 241-248 (2003), the entirety of which is hereby incorporated by reference. Unlike the distillation column of FIG. 1 where the
정류기 구역(2060)으로부터 스트립퍼 구역(2030)으로 열이 전달될 때, 정류 및 스트립핑 구역들간에 액체 환류 기능을 제공하는 스트림(2100)이 생성된다. 액체 환류 기능을 제공하는 스트림(2100)의 "환류비"는, 밸브(2090)에 의해 정류 구역 기저부로 나가는 양을 기준으로 어림잡아 제어한 컬럼 열 수지(heat balance)에 의해 설정된다.When heat is transferred from the
또하나의 제시된 HIDiC 조작(3000)(문헌[Z. Olujic et al., Energy 31:3083-3096 (2006)] 참조, 이 문헌 전체를 본원에 참고로 인용한다)이 도 3에 도시되어 있다.Another presented HIDiC manipulation 3000 (see Z. Olujic et al., Energy 31: 3083-3096 (2006), incorporated herein by reference in its entirety) is shown in FIG. 3.
도 3은, 정류기 구역의 외측에 위치된 스트립핑 구역을 가진 동심 트레이 설계로서, 이때 트레이들간에 열 전달 패널(3030)이 배치된 것을 예시한다. 예를 들면 외측 스트립핑 구역(3020)으로 둘러싸인 내측 정류 구역(3010)에 의해 제공될 수 있는 두 개의 평형한 또는 동심 컬럼들 간에 측방향 열 전달이 일어난다.3 illustrates a concentric tray design with a stripping zone located outside of the rectifier zone, with the
본원에 전체적으로 참고로 인용하는 미국 특허 제 4,234,391 호에 개시된 도 4는 열 파이프(4010)가 정류기 구역(4040)으로부터 스트립핑 구역(4030)으로 열을 전달하는 개념적 설계(4000)을 도시하며, 여기에서는 상기 정류기 구역(4040)과 스트립핑 구역(4030)은 격벽(4020)에 의해 분리되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 열 파이프는 가로방향 위치로 배치되어 있다. 그러한 HIDiC 설계는 오늘날까지 상업화되지 않았다.4, disclosed in US Pat. No. 4,234,391, which is incorporated herein by reference in its entirety, illustrates a
따라서, 특히 정유 공장 내에서, 증류 조작의 에너지 효율을 개선할 필요성 및 요구가 여전히 남아있다. 또한, 기존의 증류 컬럼 내부구조물에 대해 쉽게 개조될 수 있는 HIDiC 설계에 대한 필요성이 남아있다.
Thus, there remains a need and desire to improve the energy efficiency of distillation operations, especially in refineries. There is also a need for a HIDiC design that can be easily retrofitted to existing distillation column internals.
본 발명의 한 양태는, 다성분 유체 공급물 중의 둘 이상의 성분을 분리하기 위한 증류 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 스트립퍼 구역을 포함하며, 이 스트립퍼 구역은 (i) 둘 이상의 성분을 함유하는 유체의 공급물을 수용하기 위한 유입구, (ii) 상기 스트립퍼 구역 내의 상기 유체의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되어 유출 공급물을 제공하는 압축기, 및 (iii) 가열 유체를 수용하고 상기 스트립퍼 구역 내의 덜 휘발성인 분획과 유체 연통되는 재비기를 포함한다. 상기 증류 시스템은 또한, 상기 스트립퍼 구역과 수직으로 정렬되어 그 아래에 위치되며 상기 압축기로부터의 유출 공급물을 수용하기 위한 정류기 구역을 포함하며, 이는 추가로, (i) 냉각 유체를 수용하고, 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되며, 상기 유출 공급물의 더 휘발성인 분획으로부터 하나 이상의 성분을 제거하기 위한 유출구를 포함하는, 응축기, 및 (ii) 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 덜 휘발성인 분획을 상기 스트립퍼 구역으로 다시 재순환시키기 위한 유출구를 포함한다.One aspect of the invention provides a distillation system for separating two or more components in a multicomponent fluid feed. The system includes a stripper zone, which stripper zone is in fluid communication with (i) an inlet for receiving a supply of fluid containing two or more components, and (ii) a more volatile fraction of the fluid in the stripper zone. A compressor providing the effluent feed, and (iii) a reboiler that receives the heating fluid and is in fluid communication with the less volatile fraction in the stripper zone. The distillation system also includes a rectifier zone aligned vertically below the stripper zone and for receiving the effluent feed from the compressor, which further comprises: (i) receiving a cooling fluid; A condenser in fluid communication with the more volatile fraction of the effluent feed from the compressor, the outlet including a outlet for removing one or more components from the more volatile fraction of the effluent feed, and (ii) less of the effluent feed from the compressor. An outlet for recycling the volatile fraction back to the stripper zone.
본 발명의 다른 양태는, 다성분 유체 공급물 중의 둘 이상의 성분을 분리하기 위한 증류 방법을 제공한다. 상기 방법은, 둘 이상의 성분을 함유하는 유체의 공급물을 스트립퍼 구역으로 도입하는 것을 포함하며, 이때 상기 스트립퍼 구역은 (i) 상기 유체의 공급물을 수용하기 위한 유입구, (ii) 상기 스트립퍼 구역 내의 상기 유체의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되어 유출 공급물을 제공하는 압축기, 및 (iii) 가열 유체를 수용하고 상기 스트립퍼 구역 내의 덜 휘발성인 분획과 유체 연통되는 재비기를 포함한다. 상기 증류 방법은 또한, 상기 압축기로부터의 유출 공급물을, 상기 스트립퍼 구역과 수직으로 정렬되어 그 아래에 위치된 정류기 구역으로 보내는 것을 포함하며, 이때 상기 정류기 구역은 (i) 냉각 유체를 수용하고, 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되며, 상기 유출 공급물의 더 휘발성인 분획으로부터 하나 이상의 성분을 제거하기 위한 유출구를 포함하는, 응축기, 및 (ii) 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 덜 휘발성인 분획을 상기 스트립퍼 구역으로 재순환시키기 위한 유출구를 포함한다.
Another aspect of the invention provides a distillation method for separating two or more components in a multicomponent fluid feed. The method includes introducing a feed of a fluid containing two or more components into a stripper zone, wherein the stripper zone is (i) an inlet for receiving a feed of the fluid, and (ii) in the stripper zone. A compressor in fluid communication with the more volatile fraction of the fluid to provide an effluent feed, and (iii) a reboiler containing the heating fluid and in fluid communication with the less volatile fraction in the stripper zone. The distillation method also includes directing the effluent feed from the compressor to a rectifier zone aligned vertically below the stripper zone, the rectifier zone containing (i) a cooling fluid, A condenser in fluid communication with the more volatile fraction of the effluent feed from the compressor and including an outlet for removing one or more components from the more volatile fraction of the effluent feed, and (ii) the effluent feed from the compressor An outlet for recycling the less volatile fraction to the stripper zone.
이하, 첨부 도면을 참고로 본 발명을 기술한다.
도 1은, 스트립핑 구역 위에 위치된 정류 구역을 가지며 제거된 에너지가 응축기에서 회수되지 않는 통상의 증류 컬럼의 개략도이다.
도 2는 통상적인 HIDiC 개념의 개략도이다.
도 3은 내측 정류기에서 외측 스트립퍼 구역으로 열이 전달되는 동심 HIDiC 설계의 개략도이다.
도 4는 정류기 구역에서 가로방향 위치로 배치된 스트립퍼 구역으로 열을 전달하는 열 파이프가 구비된 HIDiC 설계의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 증류 시스템의 대표적인 실시양태의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 증류 시스템의 또 하나의 대표적인 실시양태의 개략도이다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1 is a schematic illustration of a conventional distillation column having a rectifying zone located above the stripping zone and no energy removed is recovered in the condenser.
2 is a schematic of a conventional HIDiC concept.
3 is a schematic of a concentric HIDiC design in which heat is transferred from the inner rectifier to the outer stripper zone.
4 is a schematic diagram of a HIDiC design with heat pipes transferring heat from the rectifier zone to the stripper zone disposed in the transverse position.
5 is a schematic representation of an exemplary embodiment of the distillation system of the present invention.
6 is a schematic of another exemplary embodiment of the distillation system of the present invention.
예시 목적으로 제한없이 하기 정의를 제공한다.The following definitions are provided without limitation for illustrative purposes.
"유효에너지 효율"은 열역학적으로 완전한 시스템에 비해 분리가 얼마나 효율적인지를 정의한다. 각각의 스트림의 유효에너지는, 주변 환경과 평형을 이루는 일련의 가역적 단계들을 통해 측정된, 생성할 수 있는 이론적 최대 일(work)량이다. 투입 공급물에 대한 생성물의 유효에너지량의 증가는 필요한 일의 최소량을 나타낸다. 유효에너지는, 일의 최소량을, 실제적으로 분리를 수행하는데 소비되는 총 에너지로 나눈 비로서 정의된다."Effective energy efficiency" defines how efficient separation is compared to a thermodynamically complete system. The effective energy of each stream is the theoretical maximum work that can be produced, measured through a series of reversible steps in equilibrium with the surrounding environment. The increase in the amount of effective energy of the product relative to the input feed represents the minimum amount of work required. Effective energy is defined as the ratio of the minimum amount of work divided by the total energy consumed to actually perform the separation.
본원에서 정의되는 용어 "산업적 규모로 생산된"은, 최종 제품의 판매 또는 분배로부터 생성되는 수익을 기대로 한, 긴 기간에 걸친(예컨대, 적어도 1주일 또는 한달, 또는 일년에 걸친) 연속 운전을 기준으로(공장 유지에 필요한 중단은 예외로 함) 최종 제품이 생산되는 생산 유형을 나타낸다. 산업적 규모의 생산은, 전형적으로 단지 제한된 기간 동안의 실험 또는 조사를 위해서만 유지되며 연구 목적으로 수행될 뿐 최종 제품의 판매 또는 분배로부터의 수익 생성을 기대하지는 않는 실험실 또는 파일롯 공장 세팅과는 구별된다.The term “produced on an industrial scale” as defined herein refers to continuous operation over a long period of time (eg, over at least one week or month, or one year) in anticipation of revenue generated from the sale or distribution of the final product. By reference (with the exception of interruptions required to maintain the plant), it indicates the type of production in which the final product is produced. Industrial scale production is typically distinguished from laboratory or pilot plant settings, which are maintained only for a limited period of time for experimentation or investigation and are performed for research purposes and do not expect to generate revenue from the sale or distribution of the final product.
본 발명에 따르면, 다성분 유체 공급물 중의 둘 이상의 성분을 분리하기 위한 증류 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 스트립퍼 구역을 포함하되, 이 스트립퍼 구역은 (i) 둘 이상의 성분을 함유하는 유체의 공급물을 수용하기 위한 유입구, (ii) 상기 스트립퍼 구역 내의 상기 유체의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되어 유출 공급물을 제공하는 압축기, 및 (iii) 가열 유체를 수용하고 상기 스트립퍼 구역 내의 덜 휘발성인 분획과 유체 연통되는 재비기를 포함한다. 상기 증류 시스템은 또한, 상기 스트립퍼 구역과 수직으로 정렬되어 그 아래에 위치되며 상기 압축기로부터의 유출 공급물을 수용하기 위한 정류기 구역을 포함하며, 이 정류기 구역은 추가로, (i) 냉각 유체를 수용하고, 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되며, 상기 유출 공급물의 더 휘발성인 분획으로부터 하나 이상의 성분을 제거하기 위한 유출구를 포함하는, 응축기, 및 (ii) 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 덜 휘발성인 분획을 상기 스트립퍼 구역으로 다시 재순환시키기 위한 유출구를 포함한다.According to the present invention, a distillation system is provided for separating two or more components in a multicomponent fluid feed. The system includes a stripper zone, the stripper zone being in fluid communication with (i) an inlet for receiving a supply of fluid containing two or more components, and (ii) a more volatile fraction of the fluid in the stripper zone. A compressor providing the effluent feed, and (iii) a reboiler that receives the heating fluid and is in fluid communication with the less volatile fraction in the stripper zone. The distillation system also includes a rectifier zone aligned vertically below the stripper zone and for receiving effluent feed from the compressor, the rectifier zone further comprising: (i) receiving cooling fluid; And an outlet for fluid communication with the more volatile fraction of the effluent feed from the compressor, the outlet for removing one or more components from the more volatile fraction of the effluent feed, and (ii) the effluent from the compressor An outlet for recycling the less volatile fraction of the feed back to the stripper zone.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 다성분 유체 공급물 중의 둘 이상의 성분을 분리하기 위한 증류 방법이 제공된다. 상기 방법은, 둘 이상의 성분을 함유하는 유체의 공급물을 스트립퍼 구역으로 도입하는 것을 포함하며, 이때 상기 스트립퍼 구역은 (i) 상기 유체의 공급물을 수용하기 위한 유입구, (ii) 상기 스트립퍼 구역 내의 상기 유체의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되어 유출 공급물을 제공하는 압축기, 및 (iii) 가열 유체를 수용하고 상기 스트립퍼 구역 내의 덜 휘발성인 분획과 유체 연통되는 재비기를 포함한다. 상기 증류 방법은 또한, 상기 압축기로부터의 유출 공급물을, 상기 스트립퍼 구역과 수직으로 정렬되어 그 아래에 위치된 정류기 구역으로 보내는 것을 포함하며, 이때 상기 정류기 구역은 (i) 냉각 유체를 수용하고, 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되며, 상기 유출 공급물의 더 휘발성인 분획으로부터 하나 이상의 성분을 제거하기 위한 유출구를 포함하는, 응축기, 및 (ii) 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 덜 휘발성인 분획을 상기 스트립퍼 구역으로 재순환시키기 위한 유출구를 포함한다.According to another aspect of the invention, a distillation process is provided for separating two or more components in a multicomponent fluid feed. The method includes introducing a feed of a fluid containing two or more components into a stripper zone, wherein the stripper zone is (i) an inlet for receiving a feed of the fluid, and (ii) in the stripper zone. A compressor in fluid communication with the more volatile fraction of the fluid to provide an effluent feed, and (iii) a reboiler containing the heating fluid and in fluid communication with the less volatile fraction in the stripper zone. The distillation method also includes directing the effluent feed from the compressor to a rectifier zone aligned vertically below the stripper zone, the rectifier zone containing (i) a cooling fluid, A condenser in fluid communication with the more volatile fraction of the effluent feed from the compressor and including an outlet for removing one or more components from the more volatile fraction of the effluent feed, and (ii) the effluent feed from the compressor An outlet for recycling the less volatile fraction to the stripper zone.
이해 및 실행을 위해 본원에 개시된 방법 및 시스템은 서로 조합되어 기술된다.The methods and systems disclosed herein are described in combination with one another for understanding and practice.
예시 목적으로, 제한 없이, 도 5의 실시양태를 참조해보면, 여기에서는 스트립퍼 구역(5250)과 정류기 구역(5500)이 최소한 부분적으로 밀봉된 단일 구조물(5010) 내에 함유된다. 증류 컬럼(5010)의 공급물 트레이 또는 단(5120) 위로 공급 조성물의 비점 부근의 온도로 다성분 액체 공급물(5100)이 도입된다. 바람직한 실시양태에서, 상기 증류 시스템으로 도입되는 공급물은 주로 탄화수소이지만, 본원에 개시된 방법 및 시스템을 사용하여 임의의 다성분 공급물이 분리될 수 있다.For illustrative purposes, without limitation, referring to the embodiment of FIG. 5, the
공급물이 상기 컬럼에 도입되면, 덜 휘발성인 성분이 풍부한 액체 분획은 컬럼 아래로 흐르고, 공급물 중의 더 휘발성인 성분이 풍부한 기체 분획은 기체 압축기(5150)을 향해 위로 흐른다. 공급물 중의 더 중질인 성분이 풍부한 액체 분획이 컬럼 아래로 정류기 구역(5500) 내로 들어가는 것을 방지하기 위해 격벽(5200)이 제공된다. 상기 공급물과 상기 격벽 사이의 구역은 상기 증류 컬럼의 스트립핑 또는 스트립퍼 구역(5250)을 구성한다.Once the feed is introduced into the column, a less volatile component-rich liquid fraction flows down the column and a more volatile component-rich gas fraction in the feed flows up towards the
스팀 또는 다른 가열 유체의 공급원이 공급되는 재비기(5300)가 상기 컬럼으로 열을 도입하며, 덜 휘발성인("더 중질") 생성물이 풍부한 기저부 생성물(5350) 및 스트립핑 구역(5250)으로 되돌아가는 스트림(5400)을 생성한다.
압축기(5150)을 나가는 압축된 증기(5450)은 정류기 구역(5500)의 기저부로 보내어진다. 상기 기체의 압축은, 격벽(5200) 아래의 컬럼 구역으로 이루어진 스트립퍼 구역(5250)에 비해, 정류기 구역(5500)에서 더 높은 온도를 야기한다. 따라서, 하나의 실시양태에서, 정류기 구역(5500)은 스트립퍼 구역(5250)에 비해 더 높은 평균 온도로 조작된다.
이러한 특정 실시양태에서, 액체 성분(5600)은 상기 컬럼의 기저부로부터 회수되어 공급물(5100)로 스트립퍼 구역(5250)으로 도입되거나, 또는 예를 들어 쓰로틀(throttle) 밸브 또는 펌프(5650) 수단에 의해 공급물 트레이(5120)으로 도입된다. 정류 구역의 정상부에 응축기(5700)이 제공되어, 냉각수의 공급을 수용하고, 경질 생성물이 풍부한 생성물(5750) 및 컬럼으로 정류 구역 내로 다시 보내어지는 환류 스트림(5800)을 생성한다. 응축기를 나가는 조성물은 공급물(5100)의 경질 저비등 성분을 포함하거나 주로 이로 구성될 수 있다.In this particular embodiment, the
하나의 실시양태에서, 본원에 개시된 방법 및 시스템으로부터 유도된 최종 제품은 산업적 규모로 생산된다.In one embodiment, the final product derived from the methods and systems disclosed herein is produced on an industrial scale.
상기에 기재한 바와 같이, 정류기 구역(5500)은 스트립퍼 구역(5250)보다 더 높은 온도로 조작된다. 정류기 구역(5500) 위에 수직으로 근접하게 위치된 스트립퍼 구역(5250)은, 하나 이상의 열 파이프(5850)을 사용하여 정류기 구역(5500)으로부터 스트립퍼 구역(5250)으로 열을 전달하고 재비기에 대한 열 부담을 감소시킬 수 있게 한다. 따라서, 본 발명의 하나의 실시양태에서, 상기 시스템은 상기 정류기 구역의 적어도 일부와 상기 스트립퍼 구역의 적어도 일부 사이를 가로지르는 하나 이상의 열 파이프를 포함하여 상기 정류기 구역으로부터 상기 스트립퍼 구역으로 열을 전달한다.As described above, the
응축기(5700) 뿐 아니라 재비기(5300)의 열 부담이 상당히 감소되고 상당히 높은 에너지 효율이 달성된다. 본질적으로, 정류기 내의 액체 환류는, 응축기에서의 임의의 열 제거 뿐 아니라 상기 정류기 구역에서 상기 스트립퍼 구역으로의 열 전달에 의해서 발생된다. The heat burden of
도 5에 도시된 바와 같이, 열 파이프(5850)은 상기 정류기 구역의 기부에 대해 실질적으로 수직으로 배향되어, 열 파이프(5850) 내부의 응축물을 중력에 의해 상기 정류기 구역으로 유도할 수 있다. 상기 시스템(5000)에는 추가로, 열 파이프의 하나 이상의 말단부에 위치된 하나 이상의 중공 증류 트레이(5900, 5950)이 구비될 수 있다. 달리, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은, 예를 들어, 상기 열 파이프의 양쪽 말단부에 위치된 두 개의 중공 증류 트레이(5900, 5950)를 포함할 수 있다. 중공 증류 트레이(5900, 5950)에는 추가로, 상기 열 파이프로 및 상기 열 파이프로부터의 열 전달 면적을 향상시키기 위해 핀(fin)(도시하지 않음)이 제공될 수 있다.As shown in FIG. 5,
상기 열 파이프 내부의 응축물은 중력에 의해 더욱 고온의 정류기 구역(5500)으로 기저부에서 재순환된다. 중력-구동식 열 파이프는, 도 4에 도시된 열 파이프와 같은 심지-구동(wick-driven) 열 파이프에 비해 더 큰 운반 성능을 가진다.The condensate inside the heat pipe is recycled at the bottom by gravity to the
도 5에 요약된 특징부는 단지 하나의 비제한적인 실시양태에 따른 것임을 주지하여야 한다. 예를 들어, 단지 명확성을 위해, 단지 하나의 열 파이프가 도 5에 도시되어 있다. 다른 실시양태에서는, 증류 조작의 단(예컨대 트레이), 특히 정류기 구역의 단의 몇몇 또는 모두로부터 스트립퍼 구역의 상응하는 트레이로 다수의 열 파이프가 제공된다.It should be noted that the features summarized in FIG. 5 are in accordance with only one non-limiting embodiment. For example, only one heat pipe is shown in FIG. 5 for clarity. In other embodiments, a plurality of heat pipes are provided from the stages (eg trays) of the distillation operation, in particular from some or all of the stages of the rectifier section to the corresponding trays of the stripper section.
압축기(5150)에 의해 제공되는 압축은 정류기 구역(5500)에 더 높은 온도를 야기한다. 열은 하나 이상의 열 파이프를 통해 정류기 구역(5500)으로부터 스트립핑 구역(5250)으로 전달된다. 이 열 전달은 응축기에서 방출되는 열을 감소 및/또는 경감시킨다. 또한, 스트립핑 구역(5250)의 하부에서 재비기(5300)의 열 부담을 감소시켜, 전체적인 유효에너지 효율의 개선(예컨대, 50% 이하 및 초과)을 제공한다.The compression provided by the
정류 구역(5950) 내의 열 파이프는 내부-응축기로서 작용하며, 스트립핑 구역(5900) 내의 열 파이프는 내부-재비기로서 작용한다. 열 파이프(5850) 내부의 작동 유체는 스트립핑 구역(5900)에서 응축되고 정류 구역(5950)에서 기화되어, 열을 정류기 구역에서 스트립퍼 구역으로 전달한다. 이 열 전달이 일어나면, 상기 스트립핑 구역 내의 공정 액체가 기화되고, 정류 구역 내의 공정 기체가 응축된다. 도 5 또는 도 6에 도시된 대표적인 실시양태의 설계를 기초로 할 때, 열 파이프 작업 유체가 더 고온인 정류기 구역에서 더 저온인 스트립퍼 구역으로 이동하면서 응축되고 상기 작업 유체가 중력에 의해 다시 정류기 구역으로 흐르는 것처럼, 액체 환류 기능을 제공하는 스트림이 형성된다. 열 파이프 열 전달의 양은, 작업 유체의 선택, 온도 차, 작업 유체 압력 수준, 두 열 전달 구역의 표면적을 비롯한 물리적 레이아웃(layout) 및 중력 구동력을 포함하는 열 파이프의 설계에 의해 설정된다. 열 파이프 설계는 내부-응축기에 의해 발생된 환류 및 내부-재비기에 의해 발생된 기화의 양을 결정한다.The heat pipe in the
본 발명을 편리를 위해 트레이형 증류 컬럼 측면에서 기술하였지만, 이는 충전탑에도 균등하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 충전탑은, 증류 장치의 탈병목화 현상을 수반하는 상황에서 압력차 고려사항 때문에 바람직할 수 있다. 또한, 충전탑은, 컬럼 내부에 열 파이프가 설치되는 경우 손실 영역을 더 많이 보상하는 성능을 제공할 수 있다. 더 낮은 압력차를 가진 충전된 정류 구역은 또한, 정류 구역으로 공급하기 위한 스트립퍼 구역 오버헤드의 압축의 더 낮은 압축 비를 허용할 것이다. 예를 들어, 열 파이프를 사용하여, 정류기의 다른 구역들로부터 스트립퍼의 상응하는 구역들로 열을 전달할 수 있다. 상응하는 구역은, 정류 구역 내부-응축기와 스트립핑 구역 내부-재비기 사이의 동일한 델타 온도를 유지하는 구역일 것이다. 이것은, 도 6에서 시스템(6000)에서 도시된 바와 같이, 상부 내부-응축기가 상부 내부-재비기로 열을 전달하고 하부 내부-응축기가 하부 내부-재비기로 열을 전달함을 의미한다. 이 열 파이프는, 하나의 비제한적인 실시양태에 따르면, 열 파이프의 양쪽 말단 상에 반경방향으로 연장되는 핀이 구비된 열 교환기를 가질 수 있다.Although the present invention has been described in terms of tray type distillation columns for convenience, it may be equally applied to packed towers. For example, packed towers may be desirable because of pressure differential considerations in situations involving debottlenecking of the distillation apparatus. In addition, the packed tower can provide the ability to compensate more of the lost area when a heat pipe is installed inside the column. A filled rectification zone with a lower pressure differential will also allow a lower compression ratio of the compression of the stripper zone overhead to feed into the rectification zone. For example, a heat pipe can be used to transfer heat from other zones of the rectifier to the corresponding zones of the stripper. The corresponding zone will be a zone that maintains the same delta temperature between the rectifying zone in-condenser and the stripping zone in-reboiler. This means that the upper inner-condenser transfers heat to the upper inner-reboiler and the lower inner-condenser transfers heat to the lower inner-reboiler, as shown in
도 5 또는 도 6에 도시된 실시양태와 같이, 본원에 개시된 발명은 보다 실용적인 컬럼 구조를 제공하며, 여기에서는 통상의 증류와 달리, 정류기 구역이 스트립퍼 구역의 수직방향으로 아래에 위치된다. 정류기 구역(6500)에서 스트립퍼 구역(6250)으로의 열 수송은 하나 이상의 열 파이프를 사용하여 달성할 수 있으며, 열은 주로 축 방향으로 전달된다. 이러한 수직 구조는 중력이 열 파이프 내의 응축물을 스트립퍼 구역으로부터 하부의 정류기 구역으로 되돌리게 한다. 열 집적은 단일 컬럼에서 달성되며, 이는 기존 컬럼의 개조를 용이하게 하고, 제2 컬럼에 필요한 플롯 면적을 감소시킨다. 도 6은, 증기 상승기(6851) 및 액체 순환부(6852)(이는 열 파이프 작업 유체가 응집되게 하고 넘침을 피하게 한다)로써 열 싸이폰(siphon) 배향된 외부 열 파이프를 사용하는 본 발명의 실시양태를 예시한다. 상승기(6851) 및 순환부(6852)는 내부 열 전달 표면(6853)과 작동가능하게 결합되어 있다. 내부 열 전달 표면(6853)은 중공 증류 트레이, 판 또는 프레임 유형 구조의 구조적 패킹, 또는 컬럼 성능 제한 없이 열 전달을 촉진하는 임의의 다른 적합한 열 전달 장치일 수 있다. 동일한 개념은 또한, 열 파이프가 넘침을 피하는데 적합한 크기라면, 대향(countercurrent) 증기 및 액체 흐름과 단일 접속된 외부 열 파이프로써 달성될 수도 있다.As with the embodiment shown in FIG. 5 or FIG. 6, the invention disclosed herein provides a more practical column structure wherein, unlike conventional distillation, the rectifier zone is located below in the vertical direction of the stripper zone. Heat transport from the
본원에 개시된 발명의 시스템 및 방법을 위한 조작 조건은 당 분야의 통상의 기술자들에 의해 결정될 수 있다. 또한, 예를 들면, 문헌[Internal heat integration - the key to an energy-conserving distillation column, Z. Olujic, F. Fakhri, A de Rijke, F de Graauw and PJ Jansens, J of Chemical Technology and Biotechnology, 78, page 241-248 (online 2003)]; [Internal versus External Heat Integration. Operational and Economic Analysis, J. P. Schmal, H. J. Van Der Kooi, A. De. Rijke, Z. Olujic and P. J. Jansens, Trans IChemE, Part A, Chemical Engineering Research and Design, 2006, 84, page 374-380]; [A new approach to the design of internally heat integrated tray distillation columns, M. Gadalla, Z. Olujic, A. de Rijke and J. P. Jansens, European Symposium on Computer Aided Process Engineering, 15: 805-810]; [A thermo-hydraulic approach to conceptual design of an internally heat-integrated distillation column (i-HIDiC), M. Gadalla, L. Jimenez, Z. Olujic and P. J. Jansens, Computers and Chemical Engineering (2006), doi: 10.1016/j.compchemeng.2006.11.006]; 및 [Conceptual design of an internally heat integrated propylene-propane splitter, Z. Olujic, L.Sun, A. de Rijke, P. J. Jansens, Energy 31 (2006) 3083-3096]으로부터 이해할 수 있다. Operating conditions for the systems and methods of the invention disclosed herein can be determined by one of ordinary skill in the art. See also, for example, Internal heat integration-the key to an energy-conserving distillation column, Z. Olujic, F. Fakhri, A de Rijke, F de Graauw and PJ Jansens, J of Chemical Technology and Biotechnology, 78, page 241-248 (online 2003); Internal versus External Heat Integration. Operational and Economic Analysis, J. P. Schmal, H. J. Van Der Kooi, A. De. Rijke, Z. Olujic and P. J. Jansens, Trans IChem E, Part A, Chemical Engineering Research and Design, 2006, 84, page 374-380; A new approach to the design of internally heat integrated tray distillation columns, M. Gadalla, Z. Olujic, A. de Rijke and J. P. Jansens, European Symposium on Computer Aided Process Engineering, 15: 805-810; A thermo-hydraulic approach to conceptual design of an internally heat-integrated distillation column (i-HIDiC), M. Gadalla, L. Jimenez, Z. Olujic and PJ Jansens, Computers and Chemical Engineering (2006), doi: 10.1016 / j.compchemeng. 2006.11.006]; And Conceptual design of an internally heat integrated propylene-propane splitter, Z. Olujic, L. Sun, A. de Rijke, P. J. Jansens, Energy 31 (2006) 3083-3096.
본 발명은 본원에 기술된 특정 실시양태에 의해 그 범위가 제한되지 않는다. 실제로, 전술된 명세서 내용 및 첨부 도면으로부터, 본원에 기술된 것들 이외에도 본 발명의 다양한 변경이 당분야의 통상의 기술자에게는 자명할 것이다. 그러한 변경은 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 드는 것으로 의도된다.The present invention is not to be limited in scope by the specific embodiments described herein. Indeed, from the foregoing specification and the accompanying drawings, various modifications of the invention in addition to those described herein will be apparent to those skilled in the art. Such modifications are intended to fall within the scope of the appended claims.
모든 값은 어림치이고 설명을 위해 제공된 것임을 또한 이해하여야 한다.It should also be understood that all values are approximate and provided for illustration.
본 출원 전반에 걸쳐 특허, 특허출원, 간행물, 제품 설명 및 프로토콜이 인용되었으며, 이들 각각의 개시내용은 그 전체로써 모든 목적을 위해 본원에 참고로 인용된다.Patents, patent applications, publications, product descriptions, and protocols have been cited throughout this application, each disclosure of which is incorporated herein by reference for all purposes in its entirety.
Claims (9)
(a) 스트립퍼(stripper) 구역 및
(b) 상기 스트립퍼 구역과 수직으로 정렬되어 그 아래에 위치되며 상기 압축기로부터의 유출 공급물을 수용하기 위한 정류기(rectifier) 구역
을 포함하되, 이때,
상기 스트립퍼 구역(a)는
(i) 둘 이상의 성분을 함유하는 유체의 공급물을 수용하기 위한 유입구,
(ii) 상기 스트립퍼 구역 내의 상기 유체의 더 휘발성인 분획(portion)과 유체 연통되어 유출 공급물을 제공하는 압축기(compressor), 및
(iii) 가열 유체를 수용하고 상기 스트립퍼 구역 내의 덜 휘발성인 분획과 유체 연통되는 재비기(reboiler)
를 포함하고,
상기 정류기 구역(b)는 추가로,
(i) 냉각 유체를 수용하고, 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 더 휘발성인 분획과 유체 연통되며, 상기 유출 공급물의 더 휘발성인 분획으로부터 하나 이상의 성분을 제거하기 위한 유출구를 포함하는, 응축기, 및
(ii) 상기 압축기로부터의 유출 공급물의 덜 휘발성인 분획을 상기 스트립퍼 구역으로 다시 재순환시키기 위한 유출구
를 포함하는, 증류 시스템.A distillation system for separating two or more components in a multicomponent fluid feed,
(a) stripper zones and
(b) a rectifier zone aligned vertically below the stripper zone and for receiving an effluent feed from the compressor
Including, wherein,
The stripper zone (a)
(i) an inlet for receiving a feed of a fluid containing two or more components,
(ii) a compressor in fluid communication with the more volatile portion of the fluid in the stripper zone to provide an effluent feed, and
(iii) a reboiler containing a heating fluid and in fluid communication with a less volatile fraction in the stripper zone.
Lt; / RTI >
The rectifier zone (b) is further
(i) a condenser containing an outlet for receiving a cooling fluid and in fluid communication with a more volatile fraction of the effluent feed from the compressor and for removing one or more components from the more volatile fraction of the effluent feed, and
(ii) an outlet for recycling the less volatile fraction of the effluent feed from the compressor back to the stripper zone
Comprising a distillation system.
상기 스트립퍼 구역과 상기 정류기 구역이, 적어도 부분적으로 밀봉된 단일 구조물 내에 함유된, 증류 시스템.The method of claim 1,
And the stripper zone and the rectifier zone are contained in a single structure that is at least partially sealed.
상기 정류기 구역이 상기 스트립퍼 구역보다 높은 평균 압력 및 온도로 조작되는, 증류 시스템.3. The method according to claim 1 or 2,
And the rectifier zone is operated at a higher average pressure and temperature than the stripper zone.
상기 정류기 구역의 적어도 일부와 상기 스트립퍼 구역의 적어도 일부 사이를 가로질러 상기 정류기 구역으로부터 상기 스트립퍼 구역으로 열을 전달하는 하나 이상의 열 파이프를 추가로 포함하는 증류 시스템.The method of claim 3, wherein
And at least one heat pipe for transferring heat from said rectifier zone to said stripper zone across at least a portion of said rectifier zone and at least a portion of said stripper zone.
상기 열 파이프가 상기 정류기 구역의 기부(base)에 대해 실질적으로 수직으로 배향된, 증류 시스템.5. The method of claim 4,
And the heat pipe is oriented substantially perpendicular to the base of the rectifier zone.
상기 열 파이프가 열 파이프 내부의 응축물을 중력에 의해 상기 정류기 구역으로 유도하는, 증류 시스템.5. The method of claim 4,
And the heat pipe directs condensate inside the heat pipe to the rectifier zone by gravity.
상기 열 파이프의 하나 이상의 말단에 하나 이상의 중공(hollow) 증류 트레이(tray)가 위치되어 열 전달을 위한 전달 표면적을 증가시키는, 증류 시스템.5. The method of claim 4,
At least one hollow distillation tray is located at at least one end of the heat pipe to increase the transfer surface area for heat transfer.
상기 공급물이 주로 탄화수소인, 증류 시스템.The method according to any one of claims 1 to 7,
The distillation system, wherein the feed is mainly hydrocarbon.
(a) 둘 이상의 성분을 함유하는 공급물을 스트립퍼 구역으로 도입하고,
(b) 압축기로부터의 유출 공급물을, 상기 스트립퍼 구역과 수직으로 정렬되어 그 아래에 위치된 정류기 구역으로 유도하는
것을 포함하는 방법.A distillation process for separating two or more components in a multicomponent fluid feed using the distillation system according to any one of claims 1 to 8.
(a) introducing a feed containing two or more components into the stripper zone,
(b) directing the effluent feed from the compressor to a rectifier zone aligned below and vertically aligned with the stripper zone;
Method comprising the same.
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