KR20160063658A - 폐열원 및 열교환기를 이용한 화학제품 생산 시스템 - Google Patents

폐열원 및 열교환기를 이용한 화학제품 생산 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학제품 생산 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 폐열원을 이용하고 종래 열교환기의 개선을 통해 석유화학제품의 원료를 예냉함으로써 원료 냉각을 위해 냉동기에서 사용되는 에너지를 절감시킬 수 있는 폐열을 이용한 에너지 절감 화학제품 생산 시스템에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 화학제품 생산 시스템은, 원료저장탱크에 저장된 원료를 반응시켜 화학물질을 생성하는 반응기와, 상기 반응기로부터 이송된 화학물질에서 액체 상태의 물질과 기체 상태의 물질을 분리하는 분리기와, 상기 분리기에서 분리된 기체 상태의 물질을 압축시켜 생성한 냉각 기체 및 액체를 상기 분리기로 보내는 냉동기와, 폐열을 이용하여 냉수를 생산하는 흡수식 냉동기와, 상기 분리기로부터 이송된 액체 상태의 물질, 상기 원료저장탱크의 원료 및 상기 흡수식 냉동기에서 들어온 냉수 간 열교환을 통해 액체 상태의 물질을 예열하여 제품저장탱크로 보내고, 상기 원료저장탱크의 원료를 예냉하여 예냉한 원료가 상기 분리기에서 나온 냉각 액체와 혼합되어 상기 반응기로 들어가도록 하는 열교환기를 포함한다.

Description

폐열원 및 열교환기를 이용한 화학제품 생산 시스템{Chemicals production system using waste heat source and heat exchanger}
본 발명은 화학제품 생산 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 폐열원을 이용하고 종래 열교환기의 개선을 통해 석유화학제품의 원료를 예냉함으로써 원료 냉각을 위해 냉동기에서 사용되는 에너지를 절감시킬 수 있는 폐열을 이용한 에너지 절감 화학제품 생산 시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래 석유화학제품 생산 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 원료저장탱크(10)에는 석유화학제품의 원료가 저장되며 원료저장탱크(10)의 원료가 열교환기(20)에서 열교환을 통해 냉각(예냉)되어 반응기(30)로 들어간다. 여기서 석유화학제품은 알킬레이트(Alkylate) 등의 물질이 될 수 있다.
반응기(30)에서는 원료를 화학 반응시켜 석유화학제품을 생성하고 이 석유화학제품 및 미반응 물질(부산물)을 분리기(40)로 보낸다. 분리기(40)는 액체 상태의 석유화학제품을 열교환기(20)로 보내고, 액체 상태의 석유화학제품은 열교환기(20)에서 열교환을 통해 열을 흡수하여 제품저장탱크(50)에 저장된다. 제품저장탱크(50)에 저장된 석유화학제품은 제품분리탱크(70)로 이송되어 분리 및 정제 과정을 거치게 된다.
한편 분리기(40)는 기체 상태의 부산물을 냉동기(60)로 보내어 기체 상태의 부산물이 냉동 공정에 사용될 수 있도록 한다.
냉동기(60)에서 냉각 공정에 사용된 기체 상태의 부산물은 기체 및 액체 상태로 다시 분리기(40)로 들어온다. 분리기(40)는 기체를 다시 냉동기(60)로 보내고 냉각된 액체를 반응기(30) 쪽으로 보내어 열교환기(20)에서 예냉된 원료가 냉각된 액체와 혼합된 상태로 반응기(30)로 들어갈 수 있도록 한다.
열교환기(20)에서 예냉된 원료는 분리기(40)에서 나온 냉각된 액체와 혼합되어 반응기(30)에서 최적 반응 조건을 만족시키는 온도를 가지게 된다.
그런데 냉동기(60)에서의 냉동 공정은 기체를 압축함으로써 이루어지며 기체 압축을 위해서는 컴프레셔(압축기)가 필요하며 컴프레셔의 압축 동작을 위해서는 스팀 터빈이나 전기모터를 돌려야 한다. 여기서 스팀 터빈이나 전기모터를 돌리기 위해서는 에너지가 필요하다.
이와 같이 반응기(30)로 보내지는 원료를 반응조건에 맞는 온도로 냉각시키거나 반응기(30)에서 반응하지 않은 원료의 회수를 위해서 냉동기(60)의 냉동공정이 필요하다. 일반적으로 원료저장탱크(10)에 저장된 원료의 온도는 상온 이상이고 반응기(30)에서 필요한 반응 온도는 그 보다 낮기 때문에 원료의 온도를 떨어뜨려야 한다.
현재 열교환기(20)에서 열교환을 통해 예냉된 원료의 온도는 9.2℃ 정도로 예냉된 원료를 냉동공정을 통해 나온 -10.6℃ 액체와 혼합하여 4.4℃로 맞추고 있다.
따라서 열교환기(20)에서 열교환을 통해 예냉되는 원료의 온도를 다른 냉열원을 이용하여 낮출 수만 있다면 냉동기(60)의 온도 부하를 줄일 수 있으며, 이에 따라 냉동기(60)에서 소비되는 에너지를 절감시킬 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉동공정의 온도 부하를 줄이더라도 원료의 최적 반응 온도를 유지함으로써 냉동공정에서 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 화학제품 생산 시스템을 제공하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 화학제품 생산 시스템은, 원료저장탱크에 저장된 원료를 반응시켜 화학물질을 생성하는 반응기와, 상기 반응기로부터 이송된 화학물질에서 액체 상태의 물질과 기체 상태의 물질을 분리하는 분리기와, 상기 분리기에서 분리된 기체 상태의 물질을 압축시켜 생성한 냉각 기체 및 액체를 상기 분리기로 보내는 냉동기와, 폐열을 이용하여 냉수를 생산하는 흡수식 냉동기와, 상기 분리기로부터 이송된 액체 상태의 물질, 상기 원료저장탱크의 원료 및 상기 흡수식 냉동기에서 들어온 냉수 간 열교환을 통해 액체 상태의 물질을 예열하여 제품저장탱크로 보내고, 상기 원료저장탱크의 원료를 예냉하여 예냉한 원료가 상기 분리기에서 나온 냉각 액체와 혼합되어 상기 반응기로 들어가도록 하는 열교환기를 포함한다.
여기서, 상기 흡수식 냉동기는 타 공정의 분리탑에서 발생하는 폐열을 이용하여 온수를 만들고, 흡수식 냉동 원리에 따라 온수가 증발할 때 주위의 열이 흡수되는 현상을 통해 냉수를 만드는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환기는 제1 열교환점, 제2 열교환점, 제3 열교환점 및 제4 열교환점을 가지고 있으며, 상기 제1 열교환점에서 상기 분리기로부터 이송되어 상기 제3 열교환점 및 상기 제2 열교환점을 거친 액체 상태의 물질과 상기 원료저장탱크의 원료가 열교환되고, 상기 제4 열교환점에서 상기 제1 열교환점을 거친 원료와 상기 흡수식 냉동기의 냉수가 열교환되고, 상기 제2 열교환점에서 상기 제4 열교환점을 거친 원료와 상기 제3 열교환점을 거친 액체 상태의 물질이 열교환되고,상기 제3 열교환점에서 상기 분리기로부터 이송된 액체 상태의 물질과 상기 제2 열교환점을 거친 원료가 열교환되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 화학제품 생산 시스템은 타 공정의 분리탑에서 발생하는 폐열을 이용하고 열교환기의 개선을 통해 냉동공정에서 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 화학제품 생산 시스템은 폐열을 이용한 압축식 냉동을 통해 냉수를 만들고 이 냉수를 열교환기로 보내어 예냉되는 원료의 온도를 더욱 낮춤으로써 냉동공정의 온도 부하를 낮출 수 있기 때문에 냉동공정에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 화학제품 생산 시스템에서 사용하는 열교환기에서 압축식 냉동기의 냉수에 의한 열교환점을 기존 제1 열교환점과 제2 열교환점 사이에 배치할 때 열교환 효율을 극대화할 수 있음을 확인함으로써 냉동공정에서 소비되는 에너지를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 석유화학제품 생산 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 석유화학제품 생산 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 열교환점 배치를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 2는 본 발명에 따른 석유화학제품 생산 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 석유화학제품 생산 시스템은 원료저장탱크(10), 열교환기(20'), 반응기(30), 분리기(40), 제품저장탱크(50), 냉동기(60), 제품분리탱크(70), 흡수식 냉동기(80) 등을 포함한다. 석유화학제품 생산 시스템은 알킬레이트(Alkylate) 등의 물질을 생성한다.
원료저장탱크(10)는 석유화학제품의 원료를 저장하는 탱크이다. 원료저장탱크(10)에는 제품 공정에 반응하지 못한 원료도 혼합되어 있다. 원료저장탱크(10)에 저장되어 있는 원료의 온도는 일반적으로 상온 이상이다.
열교환기(20')는 원료저장탱크(10)에서 투입되는 원료의 온도를 순차적으로 냉각시키고, 분리기(40)에서 이송된 액체 상태의 물질(석유화학제품)을 순차적으로 예열시킨다.
즉, 분리기(40)에서 이송된 액체 상태의 물질과 원료저장탱크(10)의 원료가 열교환을 통해 원료의 온도는 냉각되고 액체 상태의 물질의 온도는 증가된다. 열교환기(20')에서 예열된 액체 상태의 물질은 제품저장탱크(50)에 저장된 후 제품분리탱크(70)로 이송된다.
반응기(30)는 열교환기(20')에서 냉각된 원료를 발열 반응을 통해 생성물질(석유화학제품)로 만드는 부분이다. 반응기(30)에서 만들어진 생성물질은 액체 상태와 기체 상태를 포함한다. 반응기(30)에서 만들어진 생성물질은 분리기(40)로 이송된다.
분리기(40)는 반응기(30)에서 이송된 생성물질 중에서 기체 상태의 물질은 냉동기(60)로 보내고 액체 상태의 물질은 열교환기(20')로 보낸다.
냉동기(60)로 보내진 기체는 압축기(미도시)에서 압축되어 고압의 기체가 되고 고압의 기체는 팽창밸브(미도시)를 통해 팽창하면서 급격히 온도가 떨어져 저압의 기체나 액체 상태로 변화된다. 팽창밸브를 통과한 저압의 기체나 액체는 다시 분리기(40)로 이송되고, 분리기(40)는 저압의 기체를 냉동기(60)로 보내고 저압의 액체를 반응기(30) 쪽으로 보낸다.
열교환기(20')에서 냉각된 원료와 저압의 액체는 혼합되어 반응기(30)로 투입된다. 열교환기(20')에서 냉각된 원료와 분리기(40)에서 분리된 저압의 액체가 반응기(30) 전단에서 혼합됨으로써 반응기(30)로 들어가기 전에 반응기(30)에서 반응할 수 있는 최적 온도를 유지할 수 있다.
종래의 열교환기(20)에서 냉각된 원료의 온도는 9.2℃로서 반응기(30)에서 원료의 최적 온도인 4.4℃를 맞추기 위해서 냉동공정을 통해 나오는 액체의 온도가 -10.6℃가 되어야 한다.
본 발명에서는 열교환기(20')에서 냉각되어 나오는 원료의 온도를 종래 9.2℃보다 낮춤으로써 냉동공정에서 만들어지는 냉각 액체의 온도를 높여 냉동공정에서 소요되는 에너지를 감소시키고자 한다.
이를 위해 타 공정의 분리탑에서 제품의 분리 및 정제 시 발생하는 폐열을 이용하여 열교환기(20')의 냉각 온도를 낮출 수 있다.
제품의 분리 및 정제는 끓는 점의 차이를 이용하기 때문에 액체의 석유화학제품에 열을 가하여 기화시키는 과정이 필요하며 고온의 기체를 냉각 및 액화하여 제품을 분리 및 정제하게 된다. 이 때 고온의 기체는 결국 냉각되어 액화되어야 하므로 고온의 기체가 가지고 있는 열은 버려지는 열, 즉 폐열이 된다.
본 발명에서는 이러한 폐열을 흡수식 냉동기(80)에서 사용하여 냉수를 생산하고 생산된 냉수를 열교환기(20')로 보내어 원료를 추가적으로 예냉시킴으로써 열교환기(20')에서 나오는 원료의 온도를 종래보다 낮출 수 있다.
흡수식 냉동기(80)는 타 공정의 분리탑에서 나온 고온의 기체를 이용하여 95℃ 온수를 만들고, 온수는 진공 속에서 기화되면서 주위의 열을 빼앗아 7℃의 냉수를 만들게 된다. 7℃의 냉수는 열교환기(20')로 들어가 원료를 예냉하는데 사용된 후 12℃의 물로 온도가 상승되어 흡수식 냉동기(80)로 돌아온다.
이와 같이 본 발명에 따른 흡수식 냉동기(80)에서 만들어진 냉수를 통해 원료가 추가적으로 예냉되어 열교환기(20')에서 나온 원료의 온도가 종래보다 더 낮아지게 된다. 이에 따라 분리기(40)에서 나온 냉각 액체의 온도를 종래보다 높게 할 수 있고 이에 따라 냉동기의 부하를 줄일 수 있어서 에너지를 절감할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 열교환기(20')의 열교환점 배치를 나타낸 것이다.
냉동공정에서 소비되는 에너지를 최소화하기 위해 열교환 효율을 극대화해야 하며 열효율의 극대화를 위해 흡수식 냉동기(80)에서 나온 냉수를 이용한 열교환점을 열교환기(20')의 어느 부분에 배치할 것인지가 매우 중요하다. 즉 열교환기 내의 열교환망을 개선하는 것이 매우 중요하다.
기존 열교환기(20)에는 3개의 열교환점(22, 24, 26)이 있으며 하기의 실험을 통해 3개의 열교환점 사이에서 흡수식 냉동기(80)에 의한 열교환점(28)이 최대 효율을 낼 수 있는 지점을 확인하였다.
케이스 1
새로운 열교환점인 제4 열교환점(28)을 제1 열교환점(22)의 하단에 설치한 경우이다(도 3의 (a) 참조).
최초 32.9℃의 원료가 유량 250ton/hr 7℃의 냉수와 제4 열교환점(28)에서 열교환하면 원료의 온도가 27.6℃가 된다. 27.6℃의 원료는 제1 열교환점(22)에서 제3 열교환점(26) 및 제2 열교환점(24)을 거쳐 들어온 14℃의 액체와 열교환을 통해 21℃의 원료가 된다. 21℃의 원료는 제2 열교환점(24)에서 제3 열교환점(26)을 거쳐 들어온 5.9℃의 액체와 열교환을 통해 13.6℃의 원료가 된다. 13.6℃의 원료는 제3 열교환점(26)에서 분리기(40)에서 이송된 -2.5℃의 액체와 열교환을 통해 최종 6℃의 원료가 된다.
케이스 2
새로운 열교환점인 제4 열교환점(28)을 제1 열교환점(22)과 제2 열교환점(24)의 사이에 설치한 경우이다(도 3의 (b) 참조).
최초 32.9℃의 원료는 제1 열교환점(22)에서 제3 열교환점(26) 및 제2 열교환점(24)을 거쳐 들어온 11.1℃의 액체와 열교환을 통해 22.4℃의 원료가 된다. 22.4℃의 원료는 제4 열교환점(28)에서 유량 250ton/hr 7℃의 냉수와 열교환을 통해 원료의 온도가 16.9℃가 된다. 16.9℃의 원료는 제2 열교환점(24)에서 제3 열교환점(26)을 거쳐 들어온 4.4℃의 액체와 열교환을 통해 10.8℃의 원료가 된다. 10.8℃의 원료는 제3 열교환점(26)에서 분리기(40)에서 이송된 -2.5℃의 액체와 열교환을 통해 최종 4.5℃의 원료가 된다.
케이스 3
새로운 열교환점인 제4 열교환점(28)을 제2 열교환점(22)과 제3 열교환점(24)의 사이에 설치한 경우이다(도 3의 (c) 참조).
최초 32.9℃의 원료는 제1 열교환점(22)에서 제3 열교환점(26) 및 제2 열교환점(24)을 거쳐 들어온 14.3℃의 액체와 열교환을 통해 23.9℃의 원료가 된다. 23.9℃의 원료는 제2 열교환점(24)에서 제3 열교환점(26)을 거쳐 들어온 3℃의 액체와 열교환을 통해 13.8℃의 원료가 된다. 13.8℃의 원료는 제4 열교환점(28)에서 유량 250ton/hr 7℃의 냉수와 열교환을 통해 원료의 온도가 8℃가 된다. 8℃의 원료는 제3 열교환점(26)에서 분리기(40)에서 이송된 -2.5℃의 액체와 열교환을 통해 최종 -1℃의 원료가 된다.
상기 3개의 케이스 중에서 케이스 3의 경우 열교환기(20)에서 나온 원료의 온도가 -1℃로 가장 낮으나, 제4 열교환점(28)에서 고온 영역의 온도가 13.8℃에서 8℃로 변경되고 저온 영역의 온도가 7℃에서 12℃로 변경됨에 따라 온도 역전 현상(cross pinch)이 발생하여 열교환의 효율이 떨어지거나 열교환이 불가능해지는 경우가 발생할 수 있다.
또한 제4 열교환점(28)의 대수평균 온도차(LMTD)가 작아지기 때문에 이론적으로 설계가 가능할 수 있으나 열교환기의 크기가 상당히 커져 실제 설치가 불가능하게 된다.
따라서 케이스 2, 즉 제1 열교환점(22)과 제2 열교환점(24)의 사이에 흡수식 냉동기(80)에 의한 열교환점(28)을 배치하는 것이 최적의 열교환기 설계가 된다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
10: 원료저장탱크 20, 20': 열교환기
22: 제1 열교환점 24: 제2 열교환점
26: 제3 열교환점 28: 제4 열교환점
30: 반응기 40: 분리기
50: 제품저장탱크 60: 냉동기
70: 제품분리탱크 80: 흡수식 냉동기

Claims (4)

  1. 원료저장탱크에 저장된 원료를 반응시켜 화학물질을 생성하는 반응기와,
    상기 반응기로부터 이송된 화학물질에서 액체 상태의 물질과 기체 상태의 물질을 분리하는 분리기와,
    상기 분리기에서 분리된 기체 상태의 물질을 압축시켜 생성한 냉각 기체 및 액체를 상기 분리기로 보내는 냉동기와,
    폐열을 이용하여 냉수를 생산하는 흡수식 냉동기와,
    상기 분리기로부터 이송된 액체 상태의 물질, 상기 원료저장탱크의 원료 및 상기 흡수식 냉동기에서 들어온 냉수 간 열교환을 통해 액체 상태의 물질을 예열하여 제품저장탱크로 보내고, 상기 원료저장탱크의 원료를 예냉하여 예냉한 원료가 상기 분리기에서 나온 냉각 액체와 혼합되어 상기 반응기로 들어가도록 하는 열교환기를 포함하는 폐열원 및 열교환기를 이용한 화학제품 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡수식 냉동기는 타 공정의 분리탑에서 발생하는 폐열을 이용하여 온수를 만들고, 흡수식 냉동 원리에 따라 온수가 증발할 때 주위의 열이 흡수되는 현상을 통해 냉수를 만드는 것을 특징으로 하는 폐열원 및 열교환기를 이용한 화학제품 생산 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 제1 열교환점, 제2 열교환점, 제3 열교환점 및 제4 열교환점을 가지고 있으며,
    상기 제1 열교환점에서 상기 분리기로부터 이송되어 상기 제3 열교환점 및 상기 제2 열교환점을 거친 액체 상태의 물질과 상기 원료저장탱크의 원료가 열교환되고,
    상기 제4 열교환점에서 상기 제1 열교환점을 거친 원료와 상기 흡수식 냉동기의 냉수가 열교환되고,
    상기 제2 열교환점에서 상기 제4 열교환점을 거친 원료와 상기 제3 열교환점을 거친 액체 상태의 물질이 열교환되고,
    상기 제3 열교환점에서 상기 분리기로부터 이송된 액체 상태의 물질과 상기 제2 열교환점을 거친 원료가 열교환되는 것을 특징으로 하는 폐열원 및 열교환기를 이용한 화학제품 생산 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열교환기의 제3 열교환점에서 나온 원료의 온도가 4.5℃인 것을 특징으로 하는 폐열원 및 열교환기를 이용한 화학제품 생산 시스템.
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KR100894400B1 (ko) * 2007-11-29 2009-04-20 주식회사 엘지화학 벤젠 회수 유닛 에너지 효율 개선 방법

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