KR20150038404A - 파워 회수를 위한 방법 - Google Patents

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데이비드 마이클 콜린스
안키트 싱할
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

본 발명은 에틸렌을 생산하기 위한 프로세스에서 파워를 회수하기 위한 프로세스를 제공하고, 그러한 프로세스는 분해 가스 생성물을 생산하기 위해서 탄화수소 공급물을 증기 분해하는 단계; 고압 액체 물을 고압 증기로 증발시키면서, 고압의 물과의 간접적인 열교환에 의해서 분해 가스 생성물을 냉각시켜 냉각된 분해 가스 생성물을 획득하는 단계; 파워를 생산하기 위해서 중간 압력 증기를 획득하기 위해서, 제1 증기 팽창 터빈 내에서 고압 증기를 팽창시키는 단계; 분해 퍼니스의 대류 구역을 통해서 중간 압력 증기를 통과시키는 것과 대류 구역으로부터 재가열된 중간 압력 증기를 회수하는 것에 의해서 중간 압력 증기의 온도를 증가시키기 위해서 중간 압력 증기의 적어도 일부를 가열하는 단계; 파워를 생산하기 위해서 그리고 저압 증기를 획득하기 위해서 제2 증기 팽창 터빈 내에서 재가열된 중간 압력 증기의 적어도 일부를 팽창시키는 단계를 포함한다.

Description

파워 회수를 위한 방법{PROCESS FOR RECOVERING POWER}
본 발명은 에틸렌 생산을 위한 프로세스에서 파워를 회수하기 위한 프로세스에 관한 것이다.
에틸렌은 통상적으로, 탄화수소 공급원료(feedstock)가 에틸렌을 함유하는 분해 가스 생성물로 전환되는 증기 분해(steam cracking)라 지칭되는 프로세스에 의해서 생산된다. 에틸렌은 분해 퍼니스(furnace)의 복사(radiant) 구역 내에서 희석 증기와 탄화수소 공급원료의 공급 혼합물(feed mixture)을 분해하는 것에 의해서 생성된다. 공급 혼합물은, 공급 혼합물이 복사 구역으로부터의 연도 가스와 열교환 접촉하여 연도 가스로부터 열을 회수하게 되는 분해 퍼니스의 대류 구역 내에서 예열되고, 후속하여 복사 구역으로 진입한다. 분해 가스 생성물은 상승된 온도에서 분해 퍼니스의 복사 구역의 외부로 진행하고, 간접 급냉(quench) 열교환기(전송 라인 열교환기(TLE 또는 TLX), 선택적인 선형 열교환기(SLE), 일차, 이차 및 삼차 등의 급냉 열교환기(PQE/SQE/TQE/등등) 또는 울트라-선택적(ultra-selective) 열교환기(USX)로 종종 지칭되는 IQE)라 통상 지칭되는 열교환기 내에서 물에 접하여 냉각된다. 분해 가스 생성물을 급냉시키는 것에 의해서 IQE 내에서 포화된 증기가 생성된다.
분해 가스 생성물은 후속하여 하나 이상의 압축 단계 및 냉각 단계를 포함하는 분리 프로세스에서 분리된다.
에틸렌 분해 유닛이라고도 지칭되는 통상적인 증기 분해 유닛에서는 증기 팽창 터빈을 이용하여 분해 가스 압축기 및 냉각 압축기를 구동한다. 필요 증기는 히터와 퍼니스 내의 보일러 코일뿐만 아니라 간접 급냉 열교환기(IQE)에서 생성된다.
US 2009/0158737에는 증기 분해 프로세스로부터 파워를 회수하기 위한 프로세스가 개시되어 있다. US 2009/0158737의 프로세스에서, 파워 회수 효율을 증가시키기 위한, 복수 스테이지 팽창 터빈 시스템이 제시되어 있다. US 2009/0158737에서, 2개의 터빈 스테이지가 제공된다. 제1 스테이지를 빠져나가는 중간 압력 증기는 제1 터빈 스테이지로 제공되는 고압 증기에 대한 열교환에 의해서 재가열되고, 재가열된 중간 압력 증기는 제2 터빈 스테이지로 제공된다. 중간 압력 증기를 재가열하는데 필요한 열은, 분해 퍼니스의 대류 섹션 내의 IQE로부터 회수되는 고압 증기를, 증기 터빈 구동 목적을 위해서 고압 증기를 과열하는데 있어서 일반적으로 요구되는 온도 보다 높은 온도까지 과열시키는 것에 의해서 제공된다.
US 2009/0158737의 프로세스의 단점은, 고압 증기를 취급하기 위해서 제공된 설비를 포함하는 증기 분해 퍼니스가 전형적으로 그들의 최대 설계 한계에서 동작된다는 것이다. 정상적으로 이용되는 온도의 과열 증기를 취급할 수 있도록 허용하기 위해서, 배관 및 열교환기를 위한 특별한 합금이 채용된다. US 2009/0158737의 프로세스에서는 과열된 증기가 매우 높은 온도로 가열됨으로써, 증가된 CAPEX를 초래하는 보다 높은 온도를 취급할 수 있는 합금의 이용을 필요로 하거나, 열교환기 및 배관의 상당히 더 짧은 수명을 용인하여야 한다. 또한, US 2009/0158737의 프로세스는 복수의 열교환 단계를 필요로 하고, 이는 에너지 효율의 손실 및 증가된 CAPEX를 유도한다. 이러한 열교환 단계 중 적어도 하나는 상당한 압력 차이를 가지는 2개의 증기 사이의 열교환을 포함할 것이다. US 2009/0158737의 예 2(도 2 및 3에 관련한 본 발명의 예)에서 설명된 바와 같이, 과열된 고온 증기(30)(도 3의 70)는 중간 압력 증기(37)(도 3의 76)와 열교환되고, 여기서, 증기(30)와 증기(37)(도 3의 70 및 76) 사이의 압력차는 80 바아를 초과한다. 그러한 높은 압력차는, 특히 585 ℃를 초과한 온도에서, 열교환기의 설계 및 재료 선택에 대한 상당한 제약을 가하게 되고, 이는 증가된 CAPEX를 유도한다.
에틸렌을 생산하기 위한 프로세스에서 파워 회수를 위한 보다 효율적인 프로세스가 당업계에서 요구되고 있다.
재가열 증기 터빈을 이용하는 것에 의해서 그리고 분해 퍼니스의 대류 구역 내의 증기 팽창 터빈의 제1 스테이지를 빠져나가는 중간 압력 증기를 재가열하는 것에 의해서, 에틸렌 생산을 위한 프로세스에서 파워를 회수하기 위한 프로세스의 효율을 증가시킬 수 있다는 것이 새롭게 발견되었다.
따라서, 본 발명은 에틸렌을 생산하기 위한 프로세스에서 파워를 회수하기 위한 프로세스를 제공하고, 그러한 프로세스는:
a) 700 내지 1000 ℃ 범위의 온도를 가지는 분해 가스 생성물을 생성하기 위해서, 온도가 1000 ℃를 초과하는 분해 퍼니스 내에서 탄화수소 공급물을 증기 분해하는 단계;
b) 고압 액체 물을 65 바아(계기압)를 초과한 압력을 가지는 고압 증기로 증발시키면서, 냉각된 분해 가스 생성물을 획득하기 위해서, 270 ℃를 초과한 초기 온도 및 65 바아를 초과한 초기 압력을 가지는 고압 액체 물과의 간접적인 열교환에 의해서 분해 가스 생성물을 냉각시키는 단계;
c) 파워를 생성하고, 고압 증기에 비교하여 감소된 온도 및 감소된 압력을 가지는 중간 압력 증기를 획득하기 위해서, 제1 증기 팽창 터빈 내에서 고압 증기의 적어도 일부를 팽창시키는 단계;
d) 분해 퍼니스의 대류 구역을 통해서 중간 압력 증기를 통과시키고 대류 구역으로부터 재가열된 중간 압력 증기를 회수하는 것에 의해서 중간 압력 증기의 온도를 40 내지 100 ℃ 범위 만큼 증가시키기 위해서 중간 압력 증기의 적어도 일부를 가열하는 단계;
e) 파워를 생성하고, 재가열된 중간 압력 증기에 비교하여 감소된 압력을 가지는 저압 증기를 획득하기 위해서 제2 증기 팽창 터빈 내에서 재가열된 중간 압력 증기의 적어도 일부를 팽창시키는 단계를 포함한다.
발명에 따른 프로세스는 제1 증기 팽창 터빈을 빠져나가는 중간 압력 증기로 제1 증기 팽창 터빈으로 제공된 고압 증기를 냉각시키기 위한 부가적인 열교환기를 필요로 하지 않는다. 이는, 중간 열교환기 단계에 의존할 필요가 없이, 고압 증기가 증기 터빈으로 직접적으로 제공하기에 적합한 온도로 제공될 수 있다는 부가적인 장점을 가진다. 이는 또한, 너무 높은 온도에서 고압 증기가 제1 터빈에 제공되게하는 열교환기 내의 파열(disruption)에 기인한 제1 증기 터빈에 대한 손상 위험을 줄인다.
제1 터빈을 위해서 필요한 온도를 초과하여 고압 증기를 과열시킬 필요성이 제거되고, 그에 의해서 또한 제1 증기 터빈을 위해서 요구되는 온도를 초과한 온도를 견딜 수 있는 배관 및 기타 설비를 이용할 필요성이 제거된다.
이는, 적어도 하나의 열교환 단계를 제거하는 것에 의해서 프로세스의 효율을 높인다.
도 1은 발명에 따른 파워 생산을 위한 프로세스의 실시예의 개략도이다.
에틸렌은 열 분해 프로세스에 의해서 생산되고, 이러한 열 분해 프로세스에서는 공급 혼합물이라고도 지칭되는 희석 증기와 탄화수소 공급물의 혼합물이 분해 프로세스에 제공되고, 탄화수소 공급물이 분해되어, 다른 저급(lower) 탄화수소 중에서, 에틸렌을 생산한다. 이러한 열적 분해 프로세스는 일반적으로 증기 분해 또는 에틸렌 분해라고 지칭된다. 증기 분해 유닛(또는 에틸렌 분해 유닛)은 일반적으로, 탄화수소 공급물을 분해하기 위해서 필요한 열을 생산하는 분해 퍼니스를 포함한다. 에틸렌을 생산하기 위한 분해 퍼니스가 당업계에 잘 알려져 있고 공급 혼합물 내의 탄화수소 공급물을 분해하기 위한 복사 구역을 포함한다. 분해 퍼니스는 또한 대류 구역을 포함하고, 대류 구역에서는 퍼니스로부터의 연도 가스를 이용하여 탄화수소 공급물 및 희석 증기를 포함하는 다른 증기를 가열(예열)한다. 분해 퍼니스로 제공되는 증기는 파이프를 통해서 복사 구역 및 대류 구역을 통과하고 간접 열교환에 의해서 가열된다. 전형적으로, 공급 혼합물은 대류 구역 내에서 예열됨으로써 연도 가스로부터 열을 회수하고, 이어서 복사 구역으로 진입한다. 연도 가스가 대류 구역을 통과함에 따라, 열교환은 연도 가스를 냉각시킨다. 연도 가스가 대류 구역을 통과함에 따라, 연도 가스의 냉각은 대류 구역 내에서 온도 프로파일을 생성하고, 그에 의해서 복사 구역으로부터 멀어지는 방향으로 온도가 감소된다. 프로세스의 동작 중에, 대류 구역의 선택된 섹션을 통과하는 것에 의해서, 공급 혼합물이, 그리고 희망에 따라 다른 유체가, 대류 구역 내에서 가열(예열)되고, 대류 구역 내의 온도는 희망하는 가열 범위에 가장 적합하다.
분해 퍼니스의 복사 구역 내에서, 공급 혼합물 내의 탄화수소 공급물이 1000 ℃를 초과한 온도를 가지는 바람직하게는 1000 내지 1250 ℃ 범위의 온도를 가지는 복사 박스 내에서 분해된다. 700 내지 1000 ℃ 범위, 바람직하게 750 내지 900 ℃ 범위의 온도를 가지는, 복사 구역으로부터 회수되는 분해 가스 생성물이 생산된다. 만약 분해 가스 생성물이 온도가 너무 높다면, 비교적 보다 가치있는 메탄 및 코우크(coke)가 생산된다. 반면에, 낮은 온도에서, 적은 분해 수율이 얻어진다.
분해 가스 생성물이 후속하여 냉각된다. 바람직하게, 분해 가스 생성물이 IQE(간접 급냉 열교환기) 내에서의 간접적인 열교환에 의해서 냉각된다. 본원에서 간접 열교환에 대한 언급은, 직접적으로 접촉하거나 혼합되지 않는 둘 이상의 유체 사이의 열교환이다.
분해 가스 생성물은 고압 액체 물과의 간접적인 열교환에 의해서 냉각된다. 고압 액체 물은 270 ℃를 초과한 초기 온도, 바람직하게 270 내지 350 ℃ 범위의 초기 온도를 가지며, 초기 온도 조건의 물의 평형 압력을 초과한 초기 압력을 가진다. 초기 압력은 65 바아(계기압)를 초과하고, 바람직하게 초기 압력은 65 내지 150 바아(계기압) 범위, 보다 바람직하게 110 내지 130 바아(계기압)이다. 본원에서 유체의 초기 온도 및 초기 압력에 대한 언급은, 유체가 프로세스 단계로 제공되는 온도 및 압력이다.
분해 가스가 냉각된 후에, 냉각된 분해 가스 생성물이 얻어진다. 이러한 분해 가스 생성물은 에틸렌을 포함하나; 증기 및 다수의 탄화수소 종(species)을 또한 포함한다. 냉각된 분해 가스 생성물은 분리 프로세스에서 후속하여 분리되고, 분리 프로세스는, 전형적으로, 냉각된 분해 가스 생성물로부터 에틸렌을 포함하는 특정 생성물을 격리시키기 위한 몇 개의 분리 및 정제 단계를 포함한다. 분리 프로세스 중에, 냉각된 분해 가스 생성물의 적어도 일부가 하나 이상의 압축 단계 및 하나 이상의 냉각 단계를 거친다. 예를 들어, 분해 가스 압축기를 이용하여 냉각된 분해 가스의 적어도 일부를 압축한다. 압축기는 증기 팽창 터빈에 의해서 일반적으로 구동되며, 증기 팽창 터빈은 고압 증기를 팽창시키는 것에 의해서 압축기를 구동하기 위한 파워를 생성한다.
발명에 따른 프로세스에서, 특히 분해 가스 압축기 및 하나 이상의 냉각 압축기를 포함하는 하나 이상의 가스 압축기를 구동하기 위해서 이용하기에 적합한 파워가 생성된다. 대안적으로, 생성되는 파워를 이용하여 전기를 생산할 수 있을 것이고, 그러한 전기는 다시 전기 압축기 설비를 구동하기 위해서 이용될 수 있거나 반출될 수 있을 것이다.
프로세스의 단계(b)에서, 분해 가스 생성물이 고압의 물과의 간접적인 열교환에 의해서 냉각된다. 분해 가스 생성물과의 열교환 접촉에서, 고압의 액체 물이 증발하고 고압 증기가 얻어진다. 바람직하게, 고압 증기는 본질적으로 분해 가스 생성물과의 열교환 이후의 고압 물의 비등 온도에서, 즉, 고압 물의 비등 온도를 초과하여 최대 25 ℃의 범위 이내 바람직하게는 최대 10 ℃의 범위 이내에서 얻어진다. 고압 증기를 보다 높은 온도로 가열하는 것 보다는, 보다 높은 압력의 물을 증발시키는 것이 바람직하다. 중량 기준으로, 고압의 물을 증발시키는 것이 분해 가스 생성물을 냉각시키데 있어서 보다 효율적인 방식인데, 이는 높은 증발열 때문이다. 동시에, 보다 높은 압력의 증기가 생성될 수 있다.
단계(b)에서 얻어진 고압 증기의 압력은, 바람직하게, 단계(b)의 열교환에서 발생되는 임의의 압력 강하에 대해서 교정된(corrected), 단계(b)로 제공되는 고압의 물의 압력 이상의 압력을 갖는다. 단계(b)에서 얻어진 고압 증기는 적어도 65 바아(계기압)를 초과한 압력, 바람직하게 65 내지 150 바아(계기압), 보다 바람직하게 110 내지 130 바아(계기압) 범위의 압력을 가진다. 파워 생성을 위한 증기 팽창 터빈에서의 고압 증기의 후속 팽창의 관점에서, 보다 높은 압력이 바람직하다. 고압 증기의 압력이 너무 낮다면, 증기 팽창 터빈의 효율이 낮아진다. 압력이 너무 높다면, 증기 팽창 터빈에 대한 손상이 유발될 수 있을 것이다.
단계(b)에서 생성된 고압 증기의 적어도 일부, 그리고 바람직하게 전부가 후속하여 제1 증기 팽창 터빈으로 제공되어 팽창되고 파워를 생성한다. 전술한 바와 같이, 단계(b)에서 얻어진 고압 증기는 고압 물의 비등 온도와 같거나 그 보다 약간 높은 온도를 갖는다. 선택적으로, 고압 증기의 온도는, 과열로서 또한 지칭되는, 고압 증기의 추가적인 가열을 위해서 분해 퍼니스의 대류 구역을 통해서 고압 증기를 통과시키는 것에 의해서 추가적으로 높아진다. 바람직하게, 단계(c)에서 팽창된 고압 증기는 400 ℃를 초과한 온도, 바람직하게 400 내지 600 ℃ 범위의 온도, 보다 바람직하게 420 내지 575 ℃ 범위의 온도를 가진다.
제1 증기 팽창 터빈에서, 고압 증기가 팽창되어 파워를 생성한다. 고압 증기가 제1 증기 팽창 터빈 내에서 팽창되어, 고압 증기의 압력 감소를 유발한다. 고압 증기는, 제1 증기 팽창 터빈으로 초기에 제공되었던 고압 증기의 압력 보다 낮은 압력으로 팽창된다. 고압 증기가 증기 팽창 터빈 내에서 팽창함에 따라, 증기의 온도가 감소된다. 제1 증기 팽창 터빈에 걸친 압력 강하의 범위는 증기 팽창 터빈의 설계(design)뿐만 아니라 증기 팽창 터빈의 동작 조건에 의존한다. 바람직하게, 고압 증기의 팽창에 의해서 유발되는 증기 팽창 터빈에 걸친 압력 강하는 50 내지 100 바아 범위, 바람직하게 60 내지 90 바아 범위로 제어된다. 바람직하게, 고압 증기의 팽창에 의해서 유발되는 제1 증기 팽창 터빈에 걸친 온도 강하는 50 내지 200 ℃의 범위, 보다 바람직하게 75 내지 150 ℃의 범위이다.
전술한 바와 같이, 고압 증기를 팽창시키는 것에 의해서, 증기의 압력 및 온도가 감소된다. 그에 따라, 중간 압력 증기가 증기 팽창 터빈으로부터 얻어진다. 중간 압력 증기는, 제1 증기 팽창 터빈으로 초기에 제공되었던 고압 증기에 대비하여 감소된 온도 및 감소된 압력을 가진다. 바람직하게, 단계(c)로부터 얻어지는 바와 같은 중간 압력 증기는, 고압 증기의 압력 보다 50 내지 100 바아 더 낮은, 바람직하게 고압 증기의 압력 보다 60 내지 90 바아 더 낮은 압력을 갖는다. 바람직하게, 단계(c)에서 얻어진 중간 압력 증기는 고압 증기의 온도 보다 50 내지 200 ℃ 더 낮은, 바람직하게 고압 증기의 온도 보다 75 내지 200 ℃ 더 낮은 온도를 갖는다.
단계(c)에서 얻어진 중간 압력 증기는 분해 퍼니스의 대류 구역 내에서 중간 압력 증기를 가열하는 것에 의해서 후속하여 재가열된다. 중간 압력 증기를 분해 퍼니스의 대류 구역을 통과시키고 대류 구역으로부터 재가열된 중간 압력 증기를 회수하는 것에 의해서, 중간 압력 증기의 적어도 일부가 40 내지 100 ℃, 보다 바람직하게 45 내지 75 ℃ 범위 만큼 중간 압력 증기의 온도를 높이도록 가열된다.
중간 압력 증기의 압력을 높이기 위해서 중간 압력 증기를 재압축하지 않는 것이 바람직하다.
바람직하게, 중간 압력 증기는 분해 퍼니스의 대류 구역의 섹션을 통과하고, 대류 구역 즉, 연도 가스의 온도는 350 내지 700 ℃, 보다 바람직하게 425 내지 600 ℃ 범위이다. 특히, 대류 구역의 섹션의 후자의 온도 범위가 적합한데, 이는 그러한 온도 범위가 중간 압력 증기를 충분히 가열할 수 있게 하는 한편, 동시에, 중간 압력 증기를 바람직하지 못하고 불필요한 고온으로 가열하게 될 위험을 감소시킬 수 있기 때문이다. 그러한 너무 높은 온도는 제2 증기 팽창 터빈을 손상시킬 수 있고, 대류 구역 내에서 이용가능한 에너지의 불충분한 이용을 유발할 수 있다.
바람직하게, 재가열된 중간 압력 증기는 400 내지 550 ℃ 범위의 온도를 갖는다. 보다 바람직하게, 재가열된 중간 압력 증기는 440 내지 475 ℃ 범위의 온도를 갖는다.
중간 압력 증기가 재가열 단계 없이 제2 증기 팽창 터빈으로 제공되는 프로세스에 대비하여, 제2 증기 팽창 터빈으로 제공되는 중간 압력 증기의 톤당 100 내지 150 MJ 범위로 중간 압력 증기의 엔탈피를 증가시키기 위해서, 대류 구역으로부터 중간 압력 증기로 충분한 열을 전달하는 것이 바람직하다.
희망하는 경우에, 중간 압력 증기의 일부가 프로세스로부터 인출될 수 있고 그리고 고압 또는 중간 압력 증기 헤더(header)로 제공될 수 있을 것이다.
재가열된 증기의 적어도 일부, 바람직하게 전부가 제2 증기 팽창 터빈으로 제공되고 팽창되어 추가적인 파워를 생성한다. 제2 증기 팽창 터빈으로부터 저압 증기가 얻어진다.
재가열된 중간 압력 증기를 획득하기 위해서 중간 압력 증기를 가열하는 것에 의해서, 파워 생산의 효율이 상당히 증가되는데, 이는 진입 온도가 높아짐에 따라 랜킨(Rankine) 사이클 기반의 파워 생성의 효율이 높아질 수 있는 주지의 원리 때문이다. 동시에, 이는 증기 팽창 터빈 내의 물 액적(droplet)의 형성에 의해서 유발되는 터빈 블레이드에 대한 손상을 감소시키거나 심지어 방지한다. 증기 팽창 터빈 내부의 증기의 응축에 의해서 물 액적이 형성되는 곳에서, 액적이 고속으로 터빈 블레이드와 부딪쳐 점식(pitting) 및 침식을 유발하고, 터빈 블레이드의 수명 및 증기 팽창 터빈의 효율을 점진적으로 감소시킨다. 증기가 제1 증기 팽창 터빈 내에서 팽창된 후에 재가열되는 경우에, 제2 증기 팽창 터빈 내에서의 증기의 응축 경향이 사라지거나 크게 감소된다.
본 발명의 프로세스에서, 중간 압력 증기가 고압 증기와의 열교환 보다는 대류 구역 내에서 직접적으로 재가열된다. 이는, 중간 압력 증기를 고압 증기와 접촉시키는 열교환을 위한 열교환 유닛을 제공하여야 할 필요성을 배제한다. 또한, 그러한 프로세스는 이용가능한 고압 증기의 온도 및 부피의 변화에 대해서 덜 민감하다. 종래 기술의 프로세스에서는 고압 증기가 중간 압력 증기와의 열교환에 의해서 충분히 냉각되지 않아 증기 팽창 터빈의 손상을 유발할 위험이 있으나, 본 프로세스는 제1 증기 팽창 터빈에 대해서 최적인 온도의 고압 증기를 직접적으로 제공할 수 있다.
또한, 대류 구역 내의 넓은 온도 프로파일로 인해서, 프로세스 설계 중의 대류 구역의 적절한 섹션의 선택에 의해서, 재가열된 중간 압력 증기의 넓은 온도 범위에 대해서 프로세스가 설계될 수 있을 것이다.
생성되는 파워는 바람직하게 하나 이상의 분해 가스 압축기 및/또는 하나 이상의 냉각 압축기를 구동하기 위해서 이용된다. 보다 바람직하게, 하나 이상의 분해 가스 압축기 및/또는 하나 이상의 냉각 압축기를 이용하여, 바람직하게 IQE에서, 분해 가스 생성물이 가압된 물과의 열교환에 의해서 냉각된 후에 얻어지는 냉각된 분해 가스의 적어도 일부를 압축 또는 냉각한다. 분해 가스 생성물로부터의 에틸렌 및 프로필렌과 같은 경량(light) 올레핀의 회수 및 정제는 에너지 집약적 프로세스이다. 전형적인 에틸렌 회수 및 정제 섹션은, 선택적으로 냉각된 분해 가스 생성물로부터 희석 증기를 제거한 후에, 비교적 높은 압력으로, 전형적으로 14 내지 35 바아(계기압) 범위의 압력으로 냉각된 분해 가스 생성물을 압축하기 위한 분해 가스 압축기를 포함한다. 이어서, 전형적으로, 압축된 분해 가스 생성물 내에 포함된 에틸렌은, 탈에탄제 및 탈메탄제 컬럼(de-ethanizer and de-methanizer columns)을 포함하는, 극저온 증류(cryogenic distillation)를 통해서 회수되고 정제된다. 전형적으로, 그러한 증류 단계는, 본질적으로, 상온 보다 낮은 온도에서 실시되는 극저온적인 것이고, 상당한 냉각을 필요로 한다.
프로세스의 단계(e)에서, 저압 증기가 생성된다. 저압 증기는 임의의 적합한 목적을 위해서 이용될 수 있을 것이나, 저압 증기를 액체 물로 응축하는 것이 바람직하고, 그러한 액체 물은 단계(b)로 제공되는 고압 액체 물의 적어도 일부를 형성하도록 후속하여 가압 및 가열된다. 바람직하게, 일반적으로 보일러 급수라 지칭되는, 저압 증기를 응축함으로써 얻어지는 액체 물을 65 내지 150 바아(계기압), 바람직하게 110 내지 130 바아(계기압) 범위의 압력으로 가압하고, 대류 구역의 섹션을 통과시킨다. 바람직하게, 대류 구역의 섹션으로 제공되는 액체 물이 저압 증기를 응축하는 것에 의해서 얻어지는 온도는, 대류 구역의 섹션으로 진입하기 전에, 90 내지 240 ℃ 범위이다. 저압 증기 응축에 의해서 얻어지는 액체 물은, 연도 가스가 140 내지 300 ℃ 범위의 온도를 가지는 대류 구역의 섹션에서 바람직하게 예열된다. 가열되고 가압된 물을 단계(b)에서 얻어진 고압 증기와 직접적으로 또는 간접적으로 접촉시키는 것에 의해서, 가열되고 가압된 물의 온도가 추가적으로 증가될 수 있을 것이다. 바람직하게, 가열되고 가압된 물은, 포화된 증기의 상(相) 및 물의 상을 포함하는 증기 드럼 내에서, 단계(b)에서 얻어진 고압 증기와 직접적으로 접촉된다.
본 발명의 프로세스에서 이용되는 증기 팽창 터빈은, 제1 터빈 스테이지로부터 제2 터빈 스테이지로 통과하는 중간 압력 증기의 중간 재가열을 이용하여 고압, 고온 증기를 팽창시키기에 적합한, 재가열 증기 팽창 터빈으로서 또한 지칭되는 임의의 증기 팽창 터빈일 수 있을 것이다. 그러한 증기 팽창 터빈은 당업계에 잘 알려져 있다. 생산되는 파워가 전기로 변환되어 전기 압축기로 파워 공급될 수 있으나; 바람직하게 터빈이 구동 샤프트를 통해서 압축기로 기계적으로 연결된다.
제1 및 제2 증기 팽창 터빈은 분리된 증기 팽창 터빈일 수 있으나; 바람직하게 그러한 증기 팽창 터빈들은 단일 재가열 증기 팽창 터빈 시스템의 분리된 스테이지이다.
프로세스에 대한 탄화수소 공급물은 에틸렌을 생산하기 위한 임의의 적합한 탄화수소 공급물일 수 있을 것이다. 바람직하게, 탄화수소 공급물은 에탄, 프로판, 부탄, 및 다른 파라핀계 탄화수소와, 콘덴세이트(condensate), LPG, 천연가스액(NGL), 나프타, 가스 오일, 진공 가스 오일, 하이드로왁스, 및 피셔-트롭슈(Fischer-Tropsch) 탄화수소, 특히 C3 내지 C10 피셔-트롭슈 파라핀과 같은 합성 탄화수소 같은 탄화수소의 혼합물 중 적어도 하나를 포함한다.
도면에 대한 구체적인 설명
도 1에서, 발명에 따른 파워 생산을 위한 프로세스의 실시예의 개략도가 제공되어 있다. 이러한 프로세스에서, 분해 퍼니스(5)의 대류 구역(5A)을 통해서 탄화수소 공급물(1)을 통과시키는 것에 의해서, 탄화수소 공급물(1)이 예열된다. 특정 스테이지에서, 희석 증기(10)가 탄화수소 공급물(1)로 첨가되어 공급 혼합물(15)을 형성한다. 탄화수소 공급물(1)과 희석 증기(10)의 혼합에 앞서서 희석 증기(10)가 예열될 수 있을 것이다(미도시). 분해 퍼니스(5)의 대류 구역(5A)을 통해서 공급 혼합물(15)을 통과시키고 후속하여 분해 퍼니스(5)의 복사 구역(5B)을 통해서 공급 혼합물(15)을 통과시키는 것에 의해서, 공급 혼합물(15)이 추가적으로 예열된다. 분해 퍼니스(5)의 복사 구역(5B)에서, 공급 혼합물(15) 내의 탄화수소 공급물이 분해되고, 분해 가스 생성물(20)이 분해 퍼니스(5)의 복사 구역(5B)으로부터 얻어진다. 분해 가스 생성물(20)이 IQE(25)로 제공되고 냉각되어 냉각된 분해 가스 생성물(30)을 제공하고, 그러한 냉각된 분해 가스 생성물은 독립된 분리 및 정제 섹션(미도시)으로 제공될 수 있을 것이다.
펌프(55) 내에서, 보일러 급수(50)가 가압되어, 65 바아(계기압)를 초과한 압력을 가지는 고압 액체 물을 제공한다. 고압 액체 물(60)이 분해 퍼니스(5)의 대류 구역(5A)을 통과하여, 고압 액체 물(60)을 약 270 ℃ 또는 그 보다 높은 온도로 가열한다. 고압 액체 물(60)을 가열한 후에, 고압 액체 물(60)은, 포화된 고압 증기 및 고압 액체 물을 포함하는 증기 드럼(65)으로 전달된다. 드럼(65)으로부터, 고압 액체 물(70)이 IQE(25)로 전달되고, 그러한 IQE(25)에서 분해 가스 생성물(20)과의 간접적인 열교환 중에 증발된다. 고압 증기(75)는 IQE(25)를 빠져나가고 증기 드럼(65)으로 전달된다. 증기 드럼(65)으로부터, 고압 증기(80)가 분해 퍼니스(5)의 대류 구역(5A)을 통과하여 과열되고 후속하여 재가열 증기 팽창 터빈 시스템(85)으로 제공된다. 재가열 증기 팽창 터빈 시스템(85)에서, 고압 증기(80)가 제1 증기 팽창 터빈(85A)으로 제공되고, 고압 증기(80)가 팽창되어 중간 압력 증기(90)를 제공하고, 그러한 중간 압력 증기는 증기 팽창 터빈(85A)을 빠져나간다. 중간 압력 증기(90)는 분해 퍼니스(5)의 대류 구역(5A)을 통과하여 재가열되고, 그에 따라 재가열된 중간 압력 증기(100)를 제공한다. 바람직하게, 중간 압력 증기(90)는 분해 퍼니스(5)의 대류 구역(5A)의 섹션을 통과하고, 대류 구역의 온도는 350 내지 700 ℃ 범위이다. 재가열된 중간 압력 증기는 재가열 증기 팽창 터빈 시스템(85)으로 다시 전달된다. 재가열 증기 팽창 터빈 시스템(85)에서, 재가열된 중간 압력 증기(100)가 제2 증기 팽창 터빈(85B)으로 제공되고, 재가열된 중간 압력 증기(100)가 팽창되어 저압 증기(105)를 제공하고, 그러한 저압 증기(105)는 증기 팽창 터빈(85B)을 빠져나간다. 제1 및 제2 증기 팽창 터빈(85A 및 85B)은 파워를 생산하고, 그러한 파워는 압축기(85C) 내에서 기체 스트림, 예를 들어, 냉각된 분해 가스 생성물(30)의 일부 또는 전부를 포함하는 기체 스트림을 압축하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 제1 및 제2 증기 팽창 터빈(85A 및 85B)에 의해서 생산되는 파워는 압축기(85C)를 구동하기 위한 전기 형태로 또는 공통 샤프트(110)를 통해서 기계적으로 제공될 수 있을 것이다.
저압 증기(105)가 터빈 시스템(85)을 빠져나가고 응축기(120)로 제공되고, 저압 증기가 응축되어 보일러 급수(50)를 제공한다.

Claims (15)

  1. 에틸렌을 생산하기 위한 프로세스에서 파워를 회수하기 위한 방법이며:
    a) 700 내지 1000 ℃ 범위의 온도를 가지는 분해 가스 생성물을 생성하기 위해서, 온도가 1000 ℃를 초과하는 분해 퍼니스 내에서 탄화수소 공급물을 증기 분해하는 단계;
    b) 고압 액체 물을 65 바아(계기압)를 초과하는 압력을 가지는 고압 증기로 증발시키면서, 냉각된 분해 가스 생성물을 획득하기 위해서, 270 ℃를 초과하는 초기 온도 및 65 바아를 초과하는 초기 압력을 가지는 고압 액체 물과의 간접적인 열교환에 의해서 분해 가스 생성물을 냉각시키는 단계;
    c) 파워를 생산하기 위해서 그리고 고압 증기에 비교하여 감소된 온도 및 감소된 압력을 가지는 중간 압력 증기를 획득하기 위해서, 제1 증기 팽창 터빈 내에서 고압 증기의 적어도 일부를 팽창시키는 단계;
    d) 분해 퍼니스의 대류 구역을 통해서 중간 압력 증기를 통과시키는 것과 대류 구역으로부터 재가열된 중간 압력 증기를 회수하는 것에 의해서 중간 압력 증기의 온도를 40 내지 100 ℃ 범위 만큼 증가시키기 위해서 중간 압력 증기의 적어도 일부를 가열하는 단계;
    e) 파워를 생산하기 위해서 그리고 재가열된 중간 압력 증기에 비교하여 감소된 압력을 가지는 저압 증기를 획득하기 위해서 제2 증기 팽창 터빈 내에서 재가열된 중간 압력 증기의 적어도 일부를 팽창시키는 단계를 포함하는, 파워 회수 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계(e)에서 얻어지는 저압 증기의 적어도 일부가 액체 물로 응축되고, 상기 액체 물은 가압되고 후속하여 가열되어 단계(b)의 고압의 액체 물의 적어도 일부를 형성하는, 파워 회수 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    고압의 물은, 대류 구역의 섹션을 통해서, 90 내지 240 ℃ 범위의 온도 및 65 내지 150 바아(계기압) 범위의 압력을 가지는 가압된 액체 물을 통과시키는 것에 의해서 생성되는, 파워 회수 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄화수소 공급물은 1000 내지 1250 ℃ 범위 온도의 분해 퍼니스의 복사 구역 내에서 분해되는, 파워 회수 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄화수소 공급물은 에탄, 프로판, 부탄(액화 석유 가스 또는 LPG), 파라핀계 탄화수소 그리고 콘덴세이트, 천연가스액(NGL), 나프타, 가스 오일, 진공 가스 오일, 하이드로왁스, 및 피셔-트롭슈 탄화수소와 같은 합성 탄화수소의 혼합물 같은 탄화수소의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는, 파워 회수 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계(b) 내의 고압의 물이 270 내지 340 ℃ 범위의 초기 온도 및 65 내지 150 바아(계기압) 범위의 초기 압력을 가지는, 파워 회수 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계(b)에서 얻어진 고압 증기는 65 내지 150 바아(계기압) 범위의 압력을 가지는, 파워 회수 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계(c)에서 팽창된 고압 증기는 400 ℃를 초과하는 초기 온도, 바람직하게 400 내지 600 ℃ 범위의 초기 온도를 가지는, 파워 회수 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계(c)에서 얻어진 중간 압력 증기가 고압 증기의 압력 보다 50 내지 100 바아 더 낮은 압력을 가지는, 파워 회수 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계(c)에서 얻어진 중간 압력 증기가 고압 증기의 온도 보다 50 내지 200 ℃ 더 낮은 온도을 가지는, 파워 회수 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    중간 압력 증기는 대류 구역의 섹션으로 전달되고, 대류 구역의 온도는 350 내지 700 ℃ 범위인, 파워 회수 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계(d)에서 얻어진 재가열된 중간 압력 증기가 400 내지 550 ℃ 범위의 온도를 가지는, 파워 회수 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    중간 압력 증기가 단계(d)에서 가열되어, 대류 구역 내에서 재가열된 중간 압력 증기의 톤당 100 내지 150 MJ 범위만큼 중간 압력 증기의 엔탈피를 증가시키는, 파워 회수 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계(c) 및 단계(e)에서 생산된 파워의 적어도 일부를 이용하여 하나 이상의 분해 가스 압축기 및/또는 하나 이상의 냉각 압축기를 구동하는, 파워 회수 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    하나 이상의 분해 가스 압축기 및/또는 하나 이상의 냉각 압축기를 이용하여 냉각된 분해 가스의 적어도 일부를 압축 또는 냉각하는, 파워 회수 방법.
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