KR20180016634A - 스티렌 함유 공급 원료로부터 스티렌을 회수하기 위한 공정 및 시스템 - Google Patents
스티렌 함유 공급 원료로부터 스티렌을 회수하기 위한 공정 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
다양한 실시형태에서, 본 개시는 스티렌 풍부 공급 원료로부터 스티렌을 회수하기 위한 공정 및 시스템들을 개시한다. 상기 공정 및 시스템들은 스티렌 회수에 사용되는 추출 용매의 성능을 유지한다. 일반적으로, 상기 공정은 스티렌 풍부 공급 원료를 추출 증류탑에 도입하는 단계, 추출 증류탑으로부터 스티렌 풍부 스트림을 제거하는 단계, 스티렌 풍부 스트림을 용매 회수탑에 도입하는 단계, 용매 회수탑으로부터 스티렌 결핍 스트림을 제거하는 단계, 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 분리 및 처리하여 처리된 추출 용매를 형성하는 단계, 및 처리된 추출 용매를 재생하는 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 처리 공정은 또한 증기 탈거를 포함한다. 추출 증류탑, 용매 회수탑, 적어도 하나의 평형단을 구비한 용매 처리 장치 및 이들 성분을 연결하는 연속 순환 루프를 포함하는 스티렌 회수 시스템들이 또한 본원에 개시된다.
Description
본 발명은 스티렌 함유 공급 원료로부터 스티렌을 회수하기 위한 공정 및 시스템들에 관한 것이다.
관련 출원서에 대한 교차 참조
본 출원서는 2009년 7월 17일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/226,630 호 및 2010년 2월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 제 12/697,927 호의 우선권을 주장하며, 이들 각각은 본원에서 전체가 참조로 포함되어 있다.
연방 지원 연구에 관한 성명서
적용 불가능.
석유를 정제하여, 예를 들어, 연료, 윤활유 및 석유화학 화합물과 같은 제품을 생산하는 과정에 다양한 중간산물 및 부산물 공급스트림(feedstream)들이 생성된다. 이러한 공급스트림 중 일부는 C8 탄화수소 중에서 고도로 농축되어 있으며, 일부 공급스트림은 특히 스티렌 및/또는 에틸벤젠을 함유하고 있다. 에틸벤젠은 스티렌의 수소화 반응에 의해 생성될 수 있으며, 에틸벤젠의 탈수소화 반응은 이에 상응하게 스티렌을 생성한다. 스티렌은 이량체화 및 중합되려는 경향으로 인해 가솔린과 같은 연료 사용을 위해 궁극적으로 의도된 공급스트림에서 원하지 않은 성분인 것으로 간주되고 있다. 그러나 스티렌은, 예를 들어, 폴리스티렌을 제조하기 위한 출발 물질과 같은 수많은 상업적 적용 분야에 사용되는 경제적으로 중요한 범용 화학 물질이다. 폴리스티렌 유형의 제품에 대한 요구가 증가함에 따라 스티렌 원료에 대한 필요성이 따라서 증가하고 있다.
상기한 바를 고려하여, 스티렌 함유 공급스트림으로부터 스티렌을 분리하기 위한 새로운 방법 및 시스템들이 본 기술 분야에서 실질적으로 이로울 수 있다. 특히, 열분해 가솔린 스트림에서 발견되는 기타 물질로부터 스티렌을 추출 증류하는데 있어서 추출 용매의 성능을 유지하기에 효율적인 방법 및 시스템들이 특히 이로울 수 있다.
발명의 요약
다양한 실시형태에서, 스티렌 풍부 공급 원료(styrene-rich feedstock)로부터 스티렌을 회수하기 위한 시스템에서 스티렌을 회수하고 추출 용매의 성능을 유지하기 위한 공정들이 본원에 개시된다. 상기 공정들은 (a) 스티렌 풍부 공급 원료를 추출 증류탑(extractive distillation column)에 도입하는 단계, (b) 스티렌 및 추출 용매를 포함하는 스티렌 풍부 스트림을 추출 증류탑으로부터 제거하는 단계, (c) 스티렌 풍부 스트림을 용매 회수탑(solvent recovery column)에 도입하는 단계, (d) 용매 회수탑으로부터 스티렌 결핍 스트림(styrene-lean stream)을 제거하는 단계, (e) 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 분리하는 단계, (f) 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 유기 용매로 처리하여 처리된 추출 용매를 형성하는 단계, 및 (g) 처리된 추출 용매를 재생하는 단계를 포함한다. 스티렌 결핍 스트림 중에서 스티렌의 양은 스티렌 풍부 스트림 중의 스티렌의 양보다 적다.
그 밖의 다양한 실시형태에서, 스티렌 및 에틸벤젠을 함유하는 공급 원료로부터 스티렌을 회수하기 위한 시스템에서 스티렌을 회수하고 추출 용매의 성능을 유지하기 위한 공정들이 또한 본원에 개시된다. 상기 방법들은 (a) 공급 원료를 추출 증류탑에 도입하는 단계, (b) 스티렌 및 추출 용매를 포함하는 스티렌 풍부 스트림을 추출 증류탑으로부터 제거하는 단계, (c) 스티렌 풍부 스트림을 용매 회수탑에 도입하는 단계, (d) 용매 회수탑으로부터 스티렌 결핍 스트림을 제거하는 단계, (e) 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 분리하는 단계, (f) 증기 탈거(steam stripping)를 이용하여 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 처리하여 증기-증류된(steam-distilled) 추출 용매 및 증류되지 않은 추출 용매를 생성한 후, 증류되지 않은 추출 용매를 유기 용매 및 물 세척제(water wash)로 더 처리하여 처리된 추출 용매를 형성하는 단계, 및 (g) 증류된 추출 용매를 재생하는 단계를 포함한다. 처리된 추출 용매는 또 다른 증기 탈거를 위해 스티렌 결핍 스트림에 재순환된다. 스티렌 결핍 스트림 중에서 스티렌의 양은 스티렌 풍부 스트림 중의 스티렌의 양보다 적다.
또 다른 다양한 실시형태에서, 스티렌 회수 시스템들이 본원에 개시된다. 스티렌 회수 시스템들은 추출 증류탑, 용매 회수탑, 적어도 하나의 평형단(equilibrium stage)을 구비한 용매 처리 장치, 및 상기 추출 증류탑, 용매 회수탑 및 용매 처리 장치를 연결하는 연속 순환 루프(continuous circulation loop)를 포함한다.
앞서 개시한 것은 뒤따르는 상세한 설명이 더욱 이해될 수 있도록 본 개시의 특징을 다소 광범위하게 설명하고 있다. 본 개시의 부가적인 특징 및 이점들은 이하에서 개시될 것이며, 청구 범위의 주제를 형성한다.
본 개시 및 이의 이점의 더욱 완전한 이해를 위해, 현재 본 개시의 특정 실시형태를 설명하고 있는 첨부된 도면과 함께 이루어진 다음과 같은 설명을 인용한다. 하기 도면에서:
도 1은 스티렌이 회수되고 스티렌 결핍 추출 용매가 분리되어 처리되는 예시적인 스티렌 회수 시스템의 개략도를 나타내고;
도 2는 스티렌 결핍 스트림을 처리하기 위한 예시적인 다단 장치의 개략도를 나타내고;
도 3은 스티렌이 분리되고 스티렌 결핍 스트림이 증기 탈거탑을 이용하여 처리되는 예시적인 스티렌 회수 시스템의 개략도를 나타내고;
도 4는 스티렌 회수 공정을 보조하기 위해 공용매가 추출 용매에 첨가되는 예시적인 스티렌 회수 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 1은 스티렌이 회수되고 스티렌 결핍 추출 용매가 분리되어 처리되는 예시적인 스티렌 회수 시스템의 개략도를 나타내고;
도 2는 스티렌 결핍 스트림을 처리하기 위한 예시적인 다단 장치의 개략도를 나타내고;
도 3은 스티렌이 분리되고 스티렌 결핍 스트림이 증기 탈거탑을 이용하여 처리되는 예시적인 스티렌 회수 시스템의 개략도를 나타내고;
도 4는 스티렌 회수 공정을 보조하기 위해 공용매가 추출 용매에 첨가되는 예시적인 스티렌 회수 시스템의 개략도를 나타낸다.
아래의 설명에서, 본원에 개시된 실시형태의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정의 양, 크기 등과 같은 구체적인 세부사항이 명시된다. 그러나 이러한 구체적인 세부사항 없이 본 개시를 실시할 수 있다는 것이 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 많은 경우, 이러한 세부사항이 본 개시의 완전한 이해를 달성하는데 필요하지 않고 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자의 기술 범위 내에 있다는 점을 고려하여 이러한 고려사항 등에 관한 세부사항들이 생략되어 있다.
일반적으로 도면을 참고하면, 상기 설명은 본 개시의 특정 실시형태를 설명하기 위한 것이며 이에 한정되도록 의도된 것이 아닌 것으로 이해될 것이다. 도면은 필수적으로 일정한 비례로 도시된 것은 아니다.
본원에서 사용된 대부분의 용어들이 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을지라도, 명확하게 정의되지 않는 경우에 용어들은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 현재 받아들여지고 있는 의미를 채용하는 것으로 해석되어야 하는 것으로 이해되어야 한다. 용어의 구성이 이를 무의미하게 하거나 본질적으로 무의미하게 할 수 있는 경우, 정의는 웹스터 사전(3판, 2009)에서 인용되어야 한다. 정의 및/또는 해석은, 본 명세서에서 구체적으로 명시되지 않는 한, 또는 상기 인용이 유효성을 유지하기 위해 필요한 경우에, 관련이 있거나 관련이 없는 기타 특허 출원서, 특허 또는 공개공보로부터 포함되어 있지 않아야 한다.
본원에 개시된 바와 같이, "방향족"이란 용어는 불포화 결합, 고립 쌍(lone pair) 또는 빈 분자궤도(empty orbital)의 접합된 고리가, 단독의 접합 안정화에 의해 예상될 수 있는 것보다 강한 안정화를 나타내는 화학적 특성인 방향족성(aromaticity)을 지칭한다. 이는 또한 주기적 현실감 상실(cyclic derealization) 및 공명 안정화(resonance stabilization)의 표명으로서 고려될 수 있다. 이는 일반적으로 대안적으로는 서로에 대해 단일 결합 및 이중 결합되는 원자의 순환 배열 주위에 전자가 자유롭게 순환하기 때문인 것으로 고려된다.
본원에 개시된 바와 같이, "지방족"이란 용어는 직쇄, 분지쇄 또는 고리(이 경우에 이들은 지환족으로 지칭됨)에서 함께 연결될 수 있는 탄소 원자를 갖는 화합물을 지칭한다. 이들은 단일결합(알칸류), 이중결합(알켄류) 또는 삼중결합(알킨류)에 의해 연결될 수 있다.
본원에 개시된 바와 같이, "중합체"란 용어는 이량체, 삼량체, 고급 스티렌 올리고머 및 중합체를 포함하는 스티렌의 중합체를 총칭할 것이다.
실시예 이외에서 또는 달리 언급되지 않는 한, 본원에 사용된 성분의 양을 나타내는 모든 수치는 모든 경우에 "대략"이란 용어에 의해 변경될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 개시의 다양한 실시형태는 다양한 탄화수소 공급 원료, 특히 석유 공급 원료로부터 스티렌을 생산하고 및/또는 회수하는데 있어서 추출 용매의 성능을 유지하기 위한 공정 및 시스템들에 관한 것이다. 본원에 개시된 바와 같이, "공급 원료"란 용어는 정제된 석유 제품을 생산하기 위해 원유 또는 액화 천연가스(LNG), 또는 기타 혼합된 탄화수소의 가공시 생성된 다양한 중간산물 스트림을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 이러한 중간산물 스트림은, 예를 들어, 일반적으로 스티렌을 거의 함유하지 않거나 전혀 함유하지 않지만, 스티렌으로 용이하게 전환되는 관련 물질인 에틸벤젠을 함유하는 것뿐만 아니라, 열분해 가솔린과 같이 실질적인 스티렌 함량을 갖는 것을 포함할 수 있다. 상대적으로 적은 스티렌을 함유하는 이러한 중간산물 스트림의 예시적인 예로는 C8 개질 분획(reformate fraction)이 있다. 본원에 개시된 실시형태에 따르면, 스티렌을 회수하고 추출 용매의 성능을 유지하기 위해 사용된 방법들은 추출 증류를 이용하여 스티렌 풍부 공급 원료로부터 스티렌을 회수하는 단계를 포함한다.
다양한 실시형태에서, 스티렌 풍부 공급 원료로부터 스티렌을 회수하기 위한 시스템에서 스티렌을 회수하고 추출 용매의 성능을 유지하기 위한 공정들이 본원에 개시된다. 상기 공정들은 (a) 스티렌 풍부 공급 원료를 추출 증류탑에 도입하는 단계, (b) 스티렌 및 추출 용매를 포함하는 스티렌 풍부 스트림을 추출 증류탑으로부터 제거하는 단계, (c) 스티렌 풍부 스트림을 용매 회수탑에 도입하는 단계, (d) 용매 회수탑으로부터 스티렌 결핍 스트림을 제거하는 단계, (e) 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 분리하는 단계, (f) 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 유기 용매로 처리하여 처리된 추출 용매를 형성하는 단계, 및 (g) 처리된 추출 용매를 재생하는 단계를 포함한다. 스티렌 결핍 스트림 중에서 스티렌의 양은 스티렌 풍부 스트림 중의 스티렌의 양보다 적다.
다양한 실시형태에서, 추출 용매는 단일 용매 또는 용매의 혼합물이다. 일부 실시형태에서, 예시적인 추출 용매는, 예를 들어, 프로필렌 카보네이트, 설폴란(sulfolane: 테트라메틸렌 설폰), 메틸 카비톨, 1-메틸-2-피롤리디논, 2-피롤리디논, 물 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 하기에 명시된 바와 같이, 추출 용매는 또한 공용매(co-solvent)를 포함할 수 있다.
본원에 개시된 공정들의 다양한 실시형태에서, 유기 용매는, 예를 들어, 적어도 하나의 탄화수소 용매일 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 스티렌의 중합은 특히 가솔린 스트림에서 문제가 된다. 이러한 중합은 또한 산업적 적용 분야에 이용하기 위한 스티렌을 분리하는데 문제가 된다. 본 개시의 다양한 실시형태에서, 잔류 스티렌 및 추출 용매를 함유하는 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 처리하여 스티렌의 중합체를 제거한다. 이러한 처리는 본원에 개시된 바와 같이 추출 증류 용매 루프 중에서 중합체의 형성 속도를 균형 잡고 및/또는 조절하는데 유리하며, 형성 속도를 추출 용매의 처리에 의해 생성된 중합체의 제거 속도와 상쇄(counterbalancing)시키는데 유리하다. 원하지 않은 스티렌 중합체를 제거함으로써 추출 증류 공정의 작동 시간 전반에 걸쳐 추출 용매의 성능이 유지된다.
다양한 실시형태에서, 스티렌 결핍 스트림을 처리하는 단계는 스티렌 결핍 스트림을 물로 세척하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 추출 용매에 대한 물의 비율은 대략 4 내지 대략 0.2이다. 일부 실시형태에서, 추출 용매에 대한 물의 비율은 대략 2 내지 대략 0.5이다. 기타 실시형태에서, 추출 용매에 대한 물의 비율은 대략 1 내지 대략 0.001이다. 또 다른 실시형태에서, 추출 용매에 대한 물의 비율은 대략 0.5 내지 대략 0.01이다. 또 다른 실시형태에서, 추출 용매에 대한 물의 비율은 대략 0.1 내지 대략 0.01이다.
일부 실시형태에서, 스티렌 결핍 스트림은 대략 0 내지 대략 40%의 추출 용매를 포함한다. 일부 기타 실시형태에서, 스티렌 결핍 스트림은 대략 0 내지 대략 10%의 추출 용매를 포함한다. 인용된 백분율(%)은 추출 용매의 전체 부피에 비례한다.
일부 실시형태에서, 스티렌 결핍 스트림은 물 및 유기 용매로 동시에 세척된다. 그러나 기타 실시형태에서, 스티렌 결핍 스트림은 유기 용매와 혼합된 후, 처리 단계에서 물과 혼합된다. 유기 용매 및 물을 혼합하는 단계는 일 실시형태에서 역으로 이루어질 수 있다. 이러한 단계적 세척 단계는 스티렌 결핍 스트림 중의 추출 용매가 유기 용매 및 물 중 하나에서 우위적인 용해도를 갖는 경우에 유리하다. 이러한 스티렌 결핍 스트림의 세척 단계는 연속 용매 루프에서 추출 용매의 재생 시에 추출 용매 중의 중합체의 축적을 적어도 부분적으로는 최소화한다. 다양한 실시형태에서, 중합체의 제거는 본원에 개시된 스티렌을 회수하기 위한 추출 증류 공정의 증가된 일관성, 성능 및 재생 가능성을 야기한다.
본원에 개시된 일부 실시형태에서, 스티렌 결핍 스트림을 처리하는 단계는 적어도 하나의 평형단(equilibrium stage)을 구비한 액-액 평형 시스템(liquid-liquid equilibrium system)에서 이루어진다. 평형단은 혼합기, 분리기, 또는 상분리(phase separation)에 영향을 미치는 유사한 기구를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 액-액 평형 시스템은 하나의 평형단을 구비한다. 그러나 기타 실시형태에서, 2, 3, 4, 5, 6, 7 또는 그 이상의 평형단을 갖는 액-액 평형 시스템들이 본 개시의 사상 및 범위 내에서 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 평형단은 최대 7 개 존재한다. 5 개의 평형단을 구비한 예시적인 액-액 평형 시스템이 도 2에 도시되어 있다.
일부 실시형태에서, 스티렌 결핍 스트림을 처리한 후, 증류에 의해 추출 용매를 수집한다. 그 밖의 다양한 실시형태에서, 추출 용매는 스티렌 함유 공급 스트림으로부터 스티렌을 더 회수하기 위한 추출 증류 장치에 사용된 추출 증류탑에 반환되어 재생된다. 일부 실시형태에서, 상기 재생은 연속 루프를 통해 이루어진다. 일부 실시형태에서, 처리 이후에 추출 용매 중의 적어도 일부분의 물은 상기 추출 용매가 추출 증류 시스템의 추출 증류탑에 반환되어 재생되기 전에 분리된다.
본 개시의 또 다른 실시형태에서, 본원에 개시된 추출 용매 중에 공정 화학물질들(중합체 이외) 등의 축적을 최소화하는 방법들이 본원에 개시된다. 이러한 공정 화학물질들로는, 예를 들어, 억제제, 지연제 등을 들 수 있으며, 이들은 중합체 형성 및/또는 스티렌 형성을 방지하는데 사용된다. 본 개시의 다양한 공정 및 시스템에 의해 제거될 수 있는 오염물질들로는, 예를 들어, 부식을 방지하기 위한 화학물질, 유제 등을 들 수 있다.
본 개시의 그 밖의 다양한 실시형태에서, 스티렌 및 에틸벤젠을 함유한 공급 원료로부터 스티렌을 회수하기 위한 시스템에서 스티렌을 회수하고 추출 용매의 성능을 유지하기 위한 공정들이 본원에 개시된다. 상기 방법은 (a) 공급 원료를 추출 증류탑에 도입하는 단계, (b) 스티렌 및 추출 용매를 포함하는 스티렌 풍부 스트림을 추출 증류탑으로부터 제거하는 단계, (c) 스티렌 풍부 스트림을 용매 회수탑에 도입하는 단계, (d) 용매 회수탑으로부터 스티렌 결핍 스트림을 제거하는 단계, (e) 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 분리하는 단계, (f) 증기 탈거를 이용하여 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 처리하여 증기-증류된 추출 용매 및 증류되지 않은 추출 용매를 생성한 후, 상기 증류되지 않은 추출 용매를 유기 용매 및 물 세척제로 더 처리하여 처리된 추출 용매를 형성하는 단계, 및 (g) 증류된 추출 용매를 재생하는 단계를 포함한다. 처리된 추출 용매는 또 다른 증기 탈거를 위해 스티렌 결핍 스트림에 재순환된다. 스티렌 결핍 스트림 중에서 스티렌의 양은 스티렌 풍부 스트림 중의 스티렌의 양보다 적다.
일부 실시형태에서, 증기 탈거는 증기 탈거탑을 이용하여 스티렌 결핍 스트림으로부터 추출 용매를 분리하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 스티렌 결핍 스트림의 일부분은 증기 탈거탑을 통해 전달/이송되고, 추출 용매의 적어도 일부분은 증류에 의해 회수된다. 증류하지 않는 추출 용매의 일부분(즉, 증류되지 않은 추출 용매)은 유기 용매 및 물 세척제로 더 처리될 수 있으며, 이는 적어도 하나의 평형단을 구비한 액-액 평형 시스템에서 이루어진다. 증기 탈거탑 및 액-액 평형 시스템을 구비한 이러한 스티렌 회수 시스템이 아래에 개시된다. 다양한 실시형태에서, 추출 용매는 증류된 이후에 재생된다.
본 개시의 또 다른 실시형태에서, 추출 용매의 성능은 적어도 하나의 공용매를 추출 용매에 첨가함으로써 유지되거나 증가된다. 일 실시형태에서, 공용매는 추출 용매에서 중합체 용해도를 증가시킨다. 따라서 주어진 양의 중합체를 제거하기 위해 필요한 추출 용매의 부피가 줄어든다. 다양한 실시형태에서, 공용매는, 예를 들어, 공-비등(co-boiling) 방향족 화합물 및 글리콜에테르(예를 들어, 에틸렌 글리콜 에테르 및 프로필렌 글리콜 에테르)일 수 있다.
본원에 개시된 추출 증류 기법들은 유리하게는 스티렌 회수에 사용된 추출 용매의 성능을 유지한다. 또한 상기 방법들은 스티렌뿐만 아니라 에틸벤젠의 회수를 가능하게 한다는 점에서 유리하며, 상기 에틸벤젠은 부가적인 스티렌을 수득하기 위해 나중에 전환될 수 있다. 이러한 분리를 달성하기 위해 본원에 개시된 공정들에서 사용될 수 있는 전가공 및 후가공 단계는, 예를 들어, 수소화 반응, 탈수소화 반응, 추출 증류 단계 이전 또는 이후의 추출 용매의 분리(splitting), 및 추출 증류 단계 도중의 추출 용매의 분리를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
또 다른 가공 단계를 이용하는 추출 증류 기법들은 적어도 스티렌 및 에틸벤젠을 함유하고 임의적으로 하나 이상의 방향족 또는 비방향족 탄화수소 화합물을 함유하는 공급 스트림으로부터 스티렌을 회수하기 위해 사용될 수 있다. 상기 공정들은 공급 스트림을 공급 스트림(예를 들어, 스티렌 풍부 스트림)보다 스티렌에서 상대적으로 더 농축되어 있는 제 1 스트림 및 공급 스트림(예를 들어, 스티렌 빈약 스트림)보다 에틸벤젠에서 상대적으로 더 농축되어 있는 제 2 스트림으로 분리하는 단계, 제 1 스트림으로부터 스티렌을 회수하는 단계, 제 2 스트림의 에틸벤젠에 대해 탈수소화 반응을 수행하여 부가적인 스티렌을 생산하는 단계, 및 부가적인 스티렌을 회수하는 단계를 포함한다.
본 개시의 실시형태들은 도면을 참고하여 더욱 상세하게 개시될 것이다. 도 1은 스티렌이 회수되고 스티렌 결핍 추출 용매가 분리되어 처리되는 예시적인 스티렌 회수 시스템(1)의 개략도를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스티렌 함유 공급물은 라인(101)을 통해 전처리부(100)에 공급되어 스티렌 풍부 공급 스트림을 형성하며, 이는 라인(102)을 통해 배출된다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 열분해 가솔린이 라인(101)을 통해 공급되고, 전처리부(100)에서 하나 이상의 순차적으로 배열된 분류탑들(fractionation columns)은 스티렌 풍부 C8 분획의 엄격한 분리를 수행하여 스티렌 풍부 공급 스트림을 형성하며, 이는 라인(102)을 통해 배출된다. 일부 실시형태에서, 전처리부(100)는 유의한 부분의 스티렌을 에틸벤젠으로 전환하지 않고, 예를 들어, 페닐아세틸렌과 같은 임의의 아세틸렌성 화합물에 대해 선택적으로 수소화 반응을 수행하기 위한 수소화 장치(hydrogenator)를 포함할 수도 있다.
계속해서 도 1을 참고하면, 스티렌 풍부 공급 스트림은 추출 증류탑(110) 내로 유동한다. 스티렌 결핍 추출 용매는 라인(106)을 통해 추출 증류탑(110)에 도입된다. 일 실시형태에서, 추출 증류탑(110)은 본원에서 그 전체가 참조로 포함된 다미국 특허 제 5,877,385 호에 개시된 바와 같은 칼럼으로 유입되는 이차 용매를 구비할 수 있다. 스티렌 결핍 라피네이트 스트림은 오버헤드 라인(overhead line, 103)을 통해 추출 증류탑(110)에서 배출된다. 스티렌 풍부 스트림은 바텀 라인(bottom line, 104)을 통해 추출 증류탑(110)에서 배출되고, 용매 회수탑(120)에 공급되며, 여기서 추출 용매로부터 스티렌의 분리가 수행된다. 미가공 스티렌은 오버헤드 라인(105)을 통해 용매 회수탑(120)에서 방출되고, 후처리부(130)로 도입되서 목적하는 제품 사양이 될 때까지 스티렌을 정제한다. 후처리부(130)는 건조기 시스템, 색상 및 황 제거 시스템 및 최종 증류탑을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 정제된 스티렌은 라인(107)을 통해 후처리부(130)에서 배출된다.
스티렌 결핍 스트림은 바텀 라인(106)을 통해 용매 회수탑(120)에서 배출된다. 일 실시형태에서, 바텀 라인(106)은 일련의 열교환기들을 통과하여, 스티렌 결핍 스트림이 추출 증류탑(110)에 다시 공급되기 전에 상기 스트림으로부터 에너지를 회수할 수 있다. 도 1에 도시된 연속 유동 장치의 일부로서, 스티렌 결핍 스트림의 일부분은 추출 용매의 처리를 위해 연속적으로 제거된다. 이러한 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 분취하기 위한 위치는 용매 회수탑(130)의 출구에 위치하거나, 상기 본원에 개시된 열교환기들 사이 및 열교환기 다름에 위치할 수 있다. 본원에 개시된 바와 같이, 스티렌 결핍 스트림의 연속 처리에 의해 스티렌의 추출 증류를 위한 추출 용매의 성능이 유지된다.
계속해서 도 1을 참고하면, 스티렌 결핍 스트림의 일부분은 처리를 위해 라인(108)을 통과하고, 처리된 이후에는 라인(109)을 통해 반환된다. 일부 실시형태에서, 제거된 스티렌 결핍 스트림의 일부분은 전체 순환 추출 용매의 대략 0 내지 대략 40%의 범위이다. 기타 실시형태에서, 제거된 스티렌 결핍 스트림의 일부분은 전체 추출 용매의 대략 0 내지 대략 20%의 범위이다. 또 다른 실시형태에서, 제거된 스티렌 결핍 스트림의 일부분은 전체 추출 용매의 대략 0 내지 대략 10%의 범위이다.
도 2는 스티렌 결핍 스트림을 처리하기 위한 예시적인 다단 장치(200)의 개략도를 나타낸다. 스티렌 결핍 스트림은 라인(108)을 통해 다단 장치(200) 내로 유동하고(도 1 참조), 이어 제 1 스테이지 평형 시스템(220) 내로 들어간다. 다단 장치(200)는 다단 액-액 추출탑들뿐만 아니라 수평 및 수직 탱크들을 포함할 수 있다. 스티렌 결핍 스트림은, 일 실시형태에서, 제 1 평형 시스템(220) 내로 들어간 후 여기서 추가의 혼합이 이루어지기 전 또는 그 동안에 유기 용매 및 물과 접촉한다. 일 실시형태에서, 스티렌 결핍 상은 물과 혼합되기 전에 먼저 유기 용매와 혼합된다. 물의 첨가 시, 2개의 상, 즉, 다수의 유기 용매 및 중합체를 함유하는 경질 유기상 및 물 및 추출 용매를 함유하는 중질 유기상이 제 1 평형 시스템(220)에 존재할 것이다. 경질 유기상은 라인(203)을 통해 제 1 평형 시스템(220)에서 배출되고, 중질 유기상은 라인(204)을 통해 배출된다. 또 다른 평형 시스템(230)(양의 제 2 스테이지) 및 평형 시스템(240)(양의 제 3 스테이지)에서는 라인(201)을 통해 공급된 물로 경질 유기상을 세척하여 유기상 중의 추출 용매의 함량을 더 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 또 다른 평형 시스템(230) 이후, 경질 유기상은 라인(205)을 통해 배출된 후, 또 다른 평형 시스템(240) 내로 들어가고, 중질 유기상은 라인(206)을 통해 배출되어, 제 1 평형 시스템(220)으로 반환된다. 마찬가지로, 또 다른 평형 시스템(240) 이후, 경질 유기상은 라인(209)을 통해 다단 장치(200)에서 배출되고, 중질 유기상은 라인(210)을 통해 배출되어, 또 다른 평형 시스템(230)으로 반환된다. 양의 제 3 스테이지(즉, 240)로부터의 수성상은 양의 제 2 스테이지(즉, 230)에 공급되고, 제 1 스테이지(즉, 220)에 공급된다. 사용 가능한 스테이지/시스템에 대한 제한은 없으며, 숙련자는 본 개시의 사상 및 범위 내에서 작동하면서도 도 2에 도시된 것보다 더 많은 스테이지를 구성할 수 있다.
유사한 방식으로, 라인(204)을 통해 제거된 물을 함유하는 중질 유기상은 중질 유기상(예를 들어, 추출 용매 + 물) 중의 중합체 함량을 감소시키기 위해 또 다른 평형 시스템(250 및 260)으로 유동될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 새로운 유기 용매는 라인(202)을 통해 다단 장치(200) 내로 들어간다. 중질 유기상은 또 다른 평형 시스템(250) 내로 들어가고, 경질 유기상은 라인(207)을 통해 제거되어, 평형 시스템(220)로 반환된다. 중질 유기상은 라인(208)을 통해 또 다른 평형 시스템(250)에서 배출되어, 또 다른 평형 시스템(260) 내로 들어간다. 동일한 방식으로, 경질 유기상은 라인(211)을 통해 제거되어, 또 다른 평형 시스템(250)으로 반환된다. 중질 유기상은 라인(211)을 통해 또 다른 평형 시스템(260)에서 배출되어, 도 1에 도시된 바와 같이 스티렌 회수 시스템(1)로 용이하게 반환된다. 라인(212)을 통해 배출되는 중질 유기상(즉, 추출 용매 + 물 스트림)을 임의적으로 처리하여 물 함량을 줄일 수 있거나, 스티렌 회수 시스템(1)으로 직접 전달할 수 있다.
추출 용매의 처리를 완성하기 위한 스테이지는 일부 실시형태에서는 음의 제 2 스테이지에서 양의 제 5 스테이지까지 배열될 수 있고, 기타 실시형태에서는 음의 제 1 스테이지에서 양의 제 2 스테이지까지 배열될 수 있으며, 또 다른 실시형태에서는 제 1 스테이지에서 양의 제 2 스테이지까지 배열될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 라인(209)을 통해 제거된 유기 용매는 기타 공정 화학물질을 함유할 수 있다. 이들 공정 화학물질은 부식을 방지하기 위한 화학물질, 유제 등뿐만 아니라 중합체 형성의 방지에 사용되는 억제제 및 지연제 화합물을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 안는다.
도 3은 스티렌이 분리되고 증기 탈거탑(300)을 이용하여 스티렌 결핍 스트림 처리되는 예시적인 스티렌 회수 시스템의 개략도를 나타낸다. 도 3에 도시된 실시형태에서, 라인(108)로부터의 스티렌 결핍 스트림(도 1 참조)은 탈거탑(300)으로 전달되고, 여기서 라인(301)로부터의 증기가 추출 용매를 탈거하기 위해 사용된다. 라인(304)을 통해 배출되고 추출 용매를 함유하는 오버헤드 스트림은 스티렌 회수 공정에서 사용된 추출 증류 시스템에 직접 전달될 수 있다. 라인(305)을 통해 배출되는 바텀 스트림(bottom stream)은 임의적으로 라인(302)을 통해 공급된 유기 용매 및 라인(303)을 통해 공급된 물을 이용하여 액-액 세척 스테이지(310)에서 수행되는 1-스테이지 액-액 세척(one stage liquid-liquid wash)을 구비할 수 있다. 액-액 추출은 도 2의 실시형태에 개시된 바와 유사한 방식으로 수행된다. 액-액 세척 스테이지(310)로부터의 유기상은 라인(306)을 통해 제거되고 버려지거나, 추가의 용매 재생을 위해 전달된다. 라인(307)을 통해 배출되는 수성상은 라인(108)에서 스티렌 결핍 스트림과 혼합되고, 다시 탈거탑(300)로 전달된다. 탈거탑(300)에서는 중합체, 중질의 유기물 및 무기 물질로부터 다수의 추출 용매의 분리가 달성된다. 다수의 추출 용매가 라인(304)을 통해 탈거탑(300)으로부터 제거되기 때문에, 일반적으로 1-스테이지 액-액 세척은 탈거탑(300)의 탑저로부터 회수된 수성상에서 잔류하는 추출 용매를 회수하기에 충분하다. 그러나 필요하다고 생각되는 경우에 부가적인 액-액 세척을 수행하는 것은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 4는 스티렌 회수 공정을 보조하기 위해 공용매가 추출 용매에 첨가되는 예시적인 스티렌 회수 시스템의 개략도를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 공용매는 라인(401)을 통해 도 1의 스티렌 회수 시스템의 실시형태에 추가된다. 공용매는 스티렌 회수 시스템(1)에 의해 한정되는 추출 용매 순환 루프에 연속적으로 또는 주기적으로 첨가될 수 있다. 일 실시형태에서, 공용매는 추출 용매의 비등점(boiling point)과 동일하거나 거의 동일한 비등점을 갖는다. 기타 실시형태에서, 공용매는 추출 용매와 같은 공-비등점(co-boiling point)을 갖는다. 이러한 실시형태에서, 공-비등점은 스티렌보다 추출 용매에 더 가까운 비등점으로 한정된다. 따라서 공-비등 용매를 이용하여 다수의 공용매는 추출 증류탑 및 용매 회수탑에서 추출 용매와 함께 머무를 것이다. 일 실시형태에서, 공용매의 첨가는, 예를 들어, 스티렌 및 중합체에 대한 추출 용매의 용량 및 용매 선택성과 같은 추출 용매의 기능들 중 하나에 이로울 수 있다. 일부 실시형태에서, 공용매는, 예를 들어, 공-비등 방향족 화합물, 글리콜 에테르류, 및 이들의 조합일 수 있다.
위에 개시된 다양한 실시형태에 따르면, 본 개시는 또한 추출 증류탑, 용매 회수탑, 적어도 하나의 평형단을 구비한 용매 처리 장치, 및 상기 추출 증류탑, 용매 회수탑 및 용매 처리 장치를 연결하는 연속 순환 루프를 구비한 스티렌 회수 시스템들을 개시한다. 일부 실시형태에서, 스티렌 회수 시스템은 또한 연속 순환 루프의 일부인 증기 탈거탑을 더 포함한다. 일부 기타 실시형태에서, 스티렌 회수 시스템들은 연속 순환 루프에 연결된 공용매 주입 라인을 더 포함한다.
본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본원에 개시된 기술 및 실시형태들이 단지 본 개시의 실시를 위한 바람직한 모드임을 인지해야한다. 본 개시의 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 한, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 본 개시의 관점에서, 여러 가지 변화가 본 개시의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 개시되고 여전히 같은 또는 유사한 결과를 획득한 특정 실시형태에서 이루어질 수 있다는 것을 알아야 한다.
위의 설명으로부터 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이러한 본 개시의 본질적인 특징을 용이하게 확인할 수 있으며, 이의 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 한, 본 개시를 다양한 용도 및 조건에 적용하기 위해 다양하게 변형 및 변경할 수 있다. 본원에 개시된 실시형태들은 단지 예시적인 것으로 의도되며, 아래의 청구범위에서 정의되어 있는 본 개시의 범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
Claims (20)
- 스티렌 풍부 공급 원료(styrene-rich feedstock)로부터 스티렌을 회수하기 위한 시스템에서 스티렌을 회수하고 추출 용매의 성능을 유지하기 위한 공정에 있어서,
(a) 상기 스티렌 풍부 공급 원료를 추출 증류탑(extractive distillation column)에 도입하는 단계;
(b) 상기 추출 증류탑으로부터 스티렌 풍부 스트림을 제거하되, 상기 스티렌 풍부 스트림은 스티렌 및 상기 추출 용매를 포함하는 단계;
(c) 상기 스티렌 풍부 스트림을 용매 회수탑(solvent recovery column)에 도입하는 단계;
(d) 상기 용매 회수탑으로부터 스티렌 결핍 스트림(styrene-lean stream)을 제거하되, 상기 스티렌 결핍 스트림 중의 스티렌의 양이 상기 스티렌 풍부 스트림 중의 스티렌의 양보다 적은 단계;
(e) 상기 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 분리하는 단계;
(f) 상기 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 유기 용매로 처리하여 처리된 추출 용매를 형성하는 단계; 및
(g) 상기 처리된 추출 용매를 재생하는 단계를 포함하는 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 처리 단계는 상기 스티렌 결핍 스트림을 물로 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정. - 제 2 항에 있어서,
상기 추출 용매에 대한 물의 비율은 대략 4 내지 대략 0.2인 것을 특징으로 하는 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 추출 용매는 상기 스티렌 결핍 스트림의 대략 0 내지 대략 40%로 포함되는 것을 특징으로 하는 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 추출 용매는 상기 스티렌 결핍 스트림의 대략 0 내지 대략 10%로 포함되는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 처리 단계는 적어도 하나의 평형단(equilibrium stage)을 포함하는 액-액 평형 시스템(liquid-liquid equilibrium system)에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 6 항에 있어서,
상기 평형단은 최대 7 개 존재하는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 유기 용매는 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 처리 단계는 상기 스티렌 결핍 스트림을 상기 유기 용매와 혼합한 후 물과 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 1 항에 있어서,
상기 추출 용매에 적어도 하나의 공용매(co-solvent)를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 10 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공용매는 공-비등(co-boiling) 방향족 화합물 및 글리콜 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 스티렌 및 에틸벤젠을 포함하는 공급 원료로부터 스티렌을 회수하기 위한 시스템에서 스티렌을 회수하고 추출 용매의 성능을 유지하기 위한 공정에 있어서,
(a) 상기 공급 원료를 추출 증류탑에 도입하는 단계;
(b) 상기 추출 증류탑으로부터 스티렌 풍부 스트림을 제거하되, 상기 스티렌 풍부 스트림은 스티렌 및 상기 추출 용매를 포함하는 단계;
(c) 상기 스티렌 풍부 스트림을 용매 회수탑에 도입하는 단계;
(d) 상기 용매 회수탑으로부터 스티렌 결핍 스트림을 제거하되, 상기 스티렌 결핍 스트림 중의 스티렌의 양은 상기 스티렌 풍부 스트림 중의 스티렌의 양보다 적은 단계;
(e) 상기 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 분리하는 단계;
(f) 증기 탈거(steam stripping)를 이용하여 상기 스티렌 결핍 스트림의 일부분을 처리하여 증기-증류된(steam-distilled) 추출 용매 및 증류되지 않은 추출 용매를 생산하되, 상기 증류되지 않은 추출 용매는 유기 용매 및 물 세척제(water wash)로 더 처리되어 처리된 추출 용매를 형성하고, 상기 처리된 추출 용매는 또 다른 증기 탈거를 위해 스티렌 결핍 스트림에 재순환되는 단계; 및
(g) 상기 증류된 추출 용매를 재생하는 단계를 포함하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 12 항에 있어서,
상기 추출 용매는 상기 스티렌 결핍 스트림의 대략 0 내지 대략 40%로 포함되는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 12 항에 있어서,
상기 증기 탈거는 증기 탈거탑(steam stripping column)을 이용하여 상기 스티렌 결핍 스트림으로부터 상기 추출 용매를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 12 항에 있어서,
상기 증류되지 않은 추출 용매를 유기 용매 및 물 세척제로 처리하는 단계는 적어도 하나의 평형단을 포함하는 액-액 평형 시스템에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정. - 제 12 항에 있어서, 상기 추출 용매에 적어도 하나의 공용매를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정.
- 제 16 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공용매는 공-비등 방향족 화합물 및 글리콜 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스티렌의 회수 및 추출 용매 성능의 유지 공정.
- 스티렌 회수 시스템에 있어서,
추출 증류 탈거탑;
용매 회수탑;
적어도 하나의 평형단을 포함하는 용매 처리 장치; 및
상기 추출 증류탑, 상기 용매 회수탑 및 상기 용매 처리 장치를 연결하는 연속 순환 루프를 포함하는 스티렌 회수 시스템. - 제 18 항에 있어서,
증기 탈거탑을 더 포함하되, 상기 증기 탈거탑은 또한 상기 연속 순환 루프의 일부인 것을 특징으로 하는 스티렌 회수 시스템. - 제 18 항에 있어서,
상기 연속 순환 루프에 연결된 공용매 주입 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌 회수 시스템.
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