KR20180029669A - 선택 증류 장치 및 증류 방법. - Google Patents

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Abstract

본 출원은 선택 증류 장치 및 증류방법에 관한 것으로, 상황에 따라 직렬 연결 모드와 병렬 연결 모드의 상호 전환이 가능한 증류 장치를 제공하여 고효율 운전과 고용량 운전의 선택적 운전이 가능하다.

Description

선택 증류 장치 및 증류 방법. {ELECTIVE FRACTION DEVICE AND METHOD FOR FRACTION THEREOF}
본 발명은 두개의 증류탑을 이용하여 고효율 운전과 고용량 운전 간의 상호 전환이 가능한 선택 증류 장치 및 상기 선택 증류 장치를 이용한 증류 방법에 관한 것이다.
원유(Crude Oil) 등과 같은 각종 원료물질은 통상적으로 수많은 화학물질의 혼합물인 경우가 많아, 그 자체로 산업에 이용되는 것은 드물고 각각의 화합물로 분리된 후 사용되는 것이 보통이다. 혼합물을 분리하는 화학공정 중 대표적인 것이 증류공정이다.
일반적으로 증류공정은 공급 원료 중에 존재하는 이성분계 이상의 혼합 물질을 비점 차에 의해 증발 분리한다. 이러한 증류 공정에 사용되는 증류장치는 증류탑, 정류탑, 탈거탑, 탈거조 등이 이용되며, 증류 장치의 상부에서 저비점 물질이 탑정 증기 형태로 배출되고, 증류 장치의 하부에서 고비점 물질이 탑저 응축액의 형태로 분리된다.
증류 공정에 사용되는 증류탑은 분리하고자 하는 혼합물에 따라 최소 요구 단수를 만족하여야 하며, 높은 단수가 요구되는 증류탑의 경우 두개의 탑을 직렬로 연결하여 하나의 탑처럼 운전하는 경우가 있다. 도 1은 두 개의 증류탑을 직렬로 연결한 증류 장치의 일례를 나타낸 개략도이다. 도 1과 같이 증류탑을 직렬 연결하여 운전하는 경우 높은 단수의 증류탑을 운전하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있으나, 두개의 타워를 이용하여 한 개의 타워만큼의 처리용량 밖에 가질 수 없는 한계가 있다.
특허 문헌 1: 일본 공개특허 1997-020727호
본 출원은 선택 증류 장치에 관한 것으로, 상황에 따라 고효율 운전과 고용량 운전의 상호 전환이 가능한 증류 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원은 선택 증류 장치에 관한 것으로, 두 개의 증류탑을 연결하여, 직렬 연결 모드의 고효율 운전과 병렬 연결 모드의 고용량 운전의 상호 전환이 가능하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 본 출원에 따른 선택 증류 장치는 탑정 환류기 및 탑저 재비기를 구비하고, 탑정 유출구 및 탑저 유출구가 형성되어 있으며, 상부 유입구 및 상부 유출구가 형성되어 있고, 하부 유입구가 형성되어 있는 제 1 증류탑; 탑정 환류기 및 탑저 재비기를 구비하며, 탑정 유출구 및 탑저 유출구가 형성되어 있고, 상부 유입구 및 하부 유입구가 형성되어 있는 제 2 증류탑; 배관 시스템 및 제어부를 포함할 수 있다.
상기 배관 시스템은, 상기 제 1 증류탑으로 원료를 공급할 수 있는 제 1 공급 라인; 상기 제 2 증류탑으로 원료를 공급할 수 있는 제 2 공급 라인; 상기 제 1 증류탑의 탑정 생성물 또는 상부 생성물을 배출할 수 있는 제 1 배출 라인; 상기 제 2 증류탑의 탑정 생성물을 배출할 수 있는 제 2 배출 라인; 상기 제 1 증류탑의 탑저 유출구와 제 2 증류탑의 하부 유입구를 연결하는 제 1 연결 라인, 상기 제 1 증류탑의 탑저 유출구와 제 2 증류탑의 상부 유입구를 연결하는 제 2 연결 라인; 및 상기 제 2 증류탑의 탑정 유출구와 제 1 증류탑의 하부 유입구를 연결하는 제 3 연결 라인을 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 환류기, 재비기, 공급 라인, 배출 라인 및 연결 라인의 적어도 하나를 활성화 또는 비활성화 상태로 조절할 수 있다.
또한 하나의 예시에서, 상기 배관 시스템은 상기 제 2 증류탑의 탑정 유출구와 제 1 증류탑의 상부 유입구를 연결하는 제 4 연결 라인을 추가로 포함할 수 있다.
또한 본 출원은 상기 선택 증류 장치를 이용한 증류 방법을 제공할 수 있다.
본 출원의 선택 증류 장치에 의하면, 상황에 따라 두개의 증류탑을 직렬 연결 모드와 병렬 연결 모드로 연결 가능하며, 직렬 연결 모드와 병렬 연결 모드의 상호 전환이 가능할 수 있다. 직렬 연결 모드를 통해 열역학적 효율이 개선되어 고효율의 운전이 가능하고, 병렬 연결 모드를 통해 증류탑의 처리량을 대폭 상승시켜 고용량운전이 가능할 수 있다.
또한, 본 출원에 따른 선택 증류 장치는 직렬 연결 모드와 병렬 연결 모드를 셧다운 없이 연속적으로 직렬 연결 모드와 병렬 연결 모드의 상호 전환이 가능할 수 있어 셧다운시 발생할 수 있는 경제적인 손실을 절감할 수 있다.
도 1은, 두 개의 탑을 직렬로 연결한 증류 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 출원에 따른 선택 증류 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시예에 따른 선택 증류 장치의 직렬 연결 모드를 나타낸 개략도이다.
도 4 및 5는 본 출원의 일 실시예에 따른 선택 증류 장치의 병렬 연결 모드를 나타낸 개략도이다.
본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다.
본 명세서에서 "제1", "제2", "일측" 및 "타측" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 출원을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 용어 「배관 시스템」은 장치들을 연결하는 배관 또는 라인을 포함하는 구조를 의미할 수 있고, 「라인」은 실질적으로 배관과 같은 의미일 수 있으며, 「흐름」은 라인 또는 배관을 통한 유체의 이동을 의미할 수 있고, 본 명세서에서 라인, 배관 및 흐름은 동일한 도면 부호를 공유할 수 있다.
본 명세서에서 「개방」 및 「활성화」는 라인 또는 배관에 부착된 밸브의 조작으로 유체가 흐를 수 있는 상태이거나 장치에 부착된 설비가 작동할 수 있는 상태를 뜻할 수 있고, 「폐쇄」 및 「비활성화」는 라인 또는 배관에 부착된 밸브의 조작으로 유체가 흐를 수 없는 상태이거나 장치에 부착된 설비가 작동하지 않는 상태를 뜻할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원을 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 출원의 예시적인 실시형태를 도시한 것으로, 이는 본 출원의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 출원의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 출원은 두 개의 증류탑을 직렬 연결 모드와 병렬 연결 모드로 상호 전환이 가능하도록 구성하는 선택 증류 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 출원의 선택 증류 장치는 설비의 제거 또는 추가 없이 상황에 따라 직렬 연결을 통한 고효율 운전과 벙렬 연결을 통한 고용량 운전의 선택적 운전이 가능하다.
본 출원에서 직렬 연결 모드는, 제 1 증류탑과 제 2 증류탑을 직렬 연결 상태로 연결하는 것으로, 제 1 증류탑의 탑저 및/또는 하부와 제 2 증류탑의 탑정 및/또는 상부가 배관을 통하여 유체연결되며, 제 1 증류탑의 탑정 또는 상부에서 저비점 물질이 분리되고 제 2 증류탑의 탑저 또는 하부에서 고비점 물질이 분리되는 구조를 의미할 수 있다 또한, 본 출원에 따른 병렬 연결 모드는 제 1 증류탑과 제 2 증류탑을 병렬 연결 상태로 연결하는 것으로, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑이 각각 저비점 물질과 고비점 물질을 분리하여 유출할 수 있는 구조를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 「고비점 물질」은 혼합물 내에서 다른 물질에 비해 상대적으로 비점이 높은 물질을 의미하고, 「저비점 물질」은 혼합물 내에서 다른 물질에 비해 상대적으로 비점이 낮은 물질을 의미할 수 있다. 상기 고비점 물질은 상온(25℃) 및 상압(1기압)에서 비점이 -120℃ 이상 또는 -110℃ 이상인 물질을 의미할 수 있으며, 상한은 특별히 제한되지 않는다. 상기 저비점 물질은 상온(25℃) 및 상압(1기압)에서 비점이 200℃ 이하일 수 있으며, 하한은 특별히 제한되지 않는다. 상기 비점은 물질의 끓는점을 의미할 수 있으며, 물질의 종류에 따라 같거나 다를 수 있고, 온도 및/또는 압력에 따라 변할 수 있다. 상기 고비점 물질과 저비점 물질은 상대적인 비점의 고저 차이에 의해 나눌 수 있다. 본 명세서에서 고비점 물질은 혼합물을 분리하기 위한 온도와 압력에서 저비점 물질에 비해 비점이 높은 물질이고, 저비점 물질은 혼합물을 분리하기 위한 온도와 압력에서 고비점 물질에 비해 비점이 낮은 물질을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 「상부」는 상기 증류탑 내에서 상대적으로 위쪽 부분을 의미하고, 보다 구체적으로는, 상기 증류탑을 세로 방향, 예를 들어, 증류탑의 길이 또는 높이 방향에 수직하게 2등분 하였을때, 나뉘어진 2개의 영역 중 위쪽 부분을 의미할 수 있다. 또한, 상기에서 「하부」는 상기 증류탑 내에서 상대적으로 아래쪽 부분을 의미하고, 보다 구체적으로는, 상기 증류탑을 세로 방향, 예를 들어, 증류탑의 길이 또는 높이 방향에 수직하게 2등분 하였을 때, 나뉘어진 2개의 영역 중 아래쪽 부분을 의미할 수 있다. 또한, 상기 증류탑의 「탑정」은 상기 증류탑의 가장 꼭대기 부분을 의미하며, 전술한 증류탑의 상부에 위치할 수 있고, 상기 증류탑의 「탑저」는 상기 증류탑의 탑의 가장 바닥 부분을 의미하며, 전술한 증류탑의 하부에 위치할 수 있다.
도 2는 상기 본 출원의 일 실시예에 따른 선택 증류 장치의 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 2를 참조하면, 예를 들어, 본 출원에 따른 선택 증류 장치는 탑정 환류기(132) 및 탑저 재비기(192)를 구비하고, 탑정 유출구 및 탑저 유출구가 형성되어 있으며, 상부 유입구 및 상부 유출구가 형성되어 있고, 하부 유입구가 형성되어 있는 제 1 증류탑(102); 탑정 환류기(272) 및 탑저 재비기(222)를 구비하며, 탑정 유출구 및 탑저 유출구가 형성되어 있고, 상부 유입구 및 하부 유입구가 형성되어 있는 제 2 증류탑(202); 배관 시스템 및 제어부를 포함할 수 있다.
상기 배관 시스템은, 상기 제 1 증류탑으로 원료를 공급할 수 있는 제 1 공급 라인(12); 상기 제 2 증류탑으로 원료를 공급할 수 있는 제 2 공급 라인(22); 상기 제 1 증류탑의 탑정 생성물 또는 상부 생성물을 배출할 수 있도록 제 1 증류탑의 탑정 유출구 또는 상부 유출구와 연결되어 있는 제 1 배출 라인(142); 상기 제 2 증류탑의 탑정 생성물을 배출할 수 있도록 제 2 증류탑의 탑정 유출구와 연결되어 있는 제 2 배출 라인(292); 상기 제 1 증류탑의 탑저 유출구와 제 2 증류탑의 하부 유입구를 연결하는 제 1 연결 라인(152+172), 상기 제 1 증류탑의 탑저 유출구와 제 2 증류탑의 상부 유입구를 연결하는 제 2 연결 라인(152+162); 및 상기 제 2 증류탑의 탑정 유출구와 제 1 증류탑의 하부 유입구를 연결하는 제 3 연결 라인(242+252)을 포함할 수 있다.
또한 상기 배관 시스템은, 하나의 예시에서, 제 2 증류탑(202)의 탑정 유출구와 제 1 증류탑(102)의 상부 유입구를 연결하는 제 4 연결 라인(312+322)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 환류기, 재비기, 공급 라인, 배출 라인 및 연결 라인의 적어도 하나를 활성화 또는 비활성화 상태로 조절할 수 있다. 상기 제어부는 상기 배관 시스템의 개폐를 통해 유체의 흐름을 제어하고, 증류탑에 연결된 재비기 및 환류기 등의 장비를 활성화 또는 비활성화 함으로써 직렬 연결 모드와 병렬 연결 모드의 상호 간의 전환이 가능할 수 있다.
도 3은 본 출원의 구현예에 따른 선택 증류 장치에서 직렬 연결 모드를 예시적으로 나타낸 도면이다. 하나의 예시에서, 본 출원에 따른 선택 증류 장치의 직렬 연결 모드는 제 2 공급 라인(1021), 제 2 연결 라인(1151+1161) 및 제 3 연결 라인(1241)이 활성화되고, 제 1 증류탑(1101)의 탑정 환류기(1131) 및 제 2 증류탑(1201)의 탑저 재비기(1221)가 활성화되며, 제 1 공급 라인(1011) 및 제 1 연결 라인(1151+1171)이 비활성화되고 제 1 증류탑(1101)의 탑저 재비기(1191) 및 제 2 증류탑(1201)의 탑정 환류기(1271)가 비활성화될 수 있다. 상기 직렬 연결 모드는 제 1 증류탑(1101)의 탑저 응축액을 제 2 연결 라인(1151+1161))을 통하여 제 2 증류탑(1201)으로 유입시키고, 제 2 증류탑(1201)의 탑정 증기를 제 3 연결 라인(1241+1251)을 통하여 제 1 증류탑(1101)로 유입시킬 수 있다.
상기 직렬 연결 모드는 제 1 증류탑(1101)의 단수와 제 2 증류탑(1201)의 단수를 더한 것과 같은 효율을 가질 수 있으며, 제 2 증류탑으로 원료 물질을 공급함으로써 정류부(rectifying section)가 길어지는 효과가 있을 수 있다. 이와 같이 직렬 연결 모드는 열역학적 효율이 개선되어 높은 순도의 생성물을 분리할 수 있다.
도 4는 본 출원의 구현예에 따른 선택 증류 장치에서 병렬 연결 모드를 예시적으로 나타낸 도면이다. 하나의 예시에서, 본 출원에 따른 선택 증류 장치의 병렬 연결 모드는 제 1 공급 라인(1012) 및 제 1 연결 라인(1152+1172)이 활성화되고, 제 1 증류탑(1102)의 탑정 환류기(1132), 제 1 증류탑(1102)의 탑저 재비기(1192), 제 2 증류탑(1202)의 탑정 환류기(1272) 및 탑저 재비기(1222)가 활성화되며, 제 2 공급 라인(1022), 제 2 연결 라인(1152+1162) 및 제 3 연결 라인(1152+1252)이 비활성화될 수 있다. 상기 병렬 연결 모드는 제 1 증류탑(1102)의 탑저 응축액의 일부를 제 1 연결 라인(1152+1172)을 통하여 제 2 증류탑(1202)으로 유입시켜 제 2 공급 라인(1022)을 대체할 수 있다.
도 5는 본 출원의 또다른 구현예에 따른 선택 증류 장치에서 병렬 연결 모드를 예시적으로 나타낸 도면이다.
상기 예시에서, 상기 병렬 연결 모드는 제 1 공급 라인(1013), 제 1 연결 라인(1153+1173) 및 제 4 연결 라인(1313+1323)이 활성화되고, 제 1 증류탑(1103)의 탑정 환류기(1133), 제 2 증류탑(1203)의 탑정 환류기(1273) 및 탑저 재비기(1223)가 활성화되며, 제 2 공급 라인(1023), 제 2 연결 라인(1153+1163) 및 제 3 연결 라인(1243+1253)이 비활성화되고, 제 1 증류탑(1103)의 탑저 재비기(1193)가 비활성화될 수 있다. 상기 병렬 연결 모드는 제 1 증류탑(1103)의 탑저 응축액을 제 1 연결 라인(1153+1173)을 통하여 제 2 증류탑(1203)으로 유입시켜 제 2 공급 라인(1023)을 대체할 수 있고, 제 2 증류탑의 탑정 환류기(1273)을 통해 응축된 제 2 증류탑(1203)의 탑정 증기의 일부를 제 4 연결 라인(1313+1323)을 통하여 제 1 증류탑(1103)으로 유입시킬 수 있다.
상기 병렬 연결 모드는 제 1 증류탑의 탑저 응축액을 제 2 증류탑에 공급하여 상대적으로 고비점 물질이 응축된 상태로 증류할 수 있다. 또한, 제 2 증류탑의 탑정 증기를 응축하여 일부를 제 1 증류탑의 상부로 유입시킴으로써 탈거부(stripping section)가 길어지는 효과가 있을 수 있으며, 이를 통해 제 1 증류탑의 재비기를 비활성화 하여도 증류탑의 운전 제어가 가능할 수 있다. 또한, 제 1 증류탑(1102, 1103) 및 제 2 증류탑(1202, 1203)의 제 1 배출 라인(1142, 1143) 및 제 2 배출 라인(1292, 1293)에서 저비점 물질을 동시에 분리하여 증류탑의 처리량을 대폭 상승시켜 고용량운전이 가능할 수 있다.
본 출원에 따른 선택 증류 장치는 직렬 연결 모드와 병렬 연결 모드를 연속적으로 상호 전환할 수 있다. 상기 전환은 배관의 활성화 및 비활성화를 통해 수행함으로써, 셧다운 없이 연속적으로 직렬 연결 모드와 병렬 연결 모드의 상호 전환이 가능할 수 있다. 이를 통해 셧다운시 발생할 수 있는 경제적인 손실을 절감할 수 있다.
본 출원은 또한, 상기 선택 증류 장치를 이용한 증류방법에 관한 것이다. 본 출원에 따른 상기 증류방법은 상기 선택 증류 장치의 환류기, 재비기, 공급 라인, 배출 라인 및 연결 라인의 적어도 하나를 활성화 또는 비활성화 상태로 제어하여, 원료 물질을 저비점 물질과 고비점 물질로 분리할 수 있으며, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑을 직렬 연결 모드 또는 병렬 연결 모드로 연결하여 원료 물질을 증류하여 생성물을 유출할 수 있다. 상기 생성물은 제 1 증류탑 및/또는 제 2 증류탑의 탑정 또는 상부에서 유출되는 저비점 물질과, 제 1 증류탑 및/또는 제 2 증류탑의 탑저에서 유출되는 고비점 물질을 의미할 수 있다.
본 출원의 증류 방법에서, 상기 선택 증류 장치에 관한 자세한 설명은 전술한 선택 증류 장치에서 설명한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
본 출원의 일 구현예에 따른 직렬 연결 모드의 증류 방법은 제 2 공급 라인으로 원료가 유입되며, 제 1 공급 라인, 제 1 연결 라인, 제 1 증류탑의 탑저 재비기 및 제 2 증류탑의 탑정 환류기를 비활성화시키고, 제 1 증류탑의 탑정 또는 상부에서 저비점 물질을 유출하며, 제 2 증류탑의 탑저에서 고비점 물질을 유출시키도록 제어할 수 있다.
상기 직렬 연결 모드는 제 2 공급 라인을 통해 제 2 증류탑으로 원료를 공급하며 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑에서 원료 물질을 증류하고 제 1 증류탑의 탑저 응축액을 제 2 연결 라인을 통해 제 2 증류탑으로 유입시키며 제 2 증류탑의 탑정 증기를 제 3 연결 라인을 통해 제 1 증류탑으로 유입시킬 수 있다. 또한, 제 1 증류탑의 탑정 환류기를 이용하여 제 1 증류탑의 탑정 증기를 응축시켜 환류시키고, 제 2 증류탑의 탑저 재비기를 이용하여 제 2 증류탑의 탑저 응축액을 가열하여 제 2 증류탑으로 유입시킴으로써, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑을 하나의 탑처럼 운전할 수 있다. 상기 직렬 연결 모드에서 제 1 증류탑의 재비기에 공급되는 열량은 0 내지 40 Gcal/hr 일 수 있으며, 0 내지 30 Gcal/hr, 0 내지 20 Gcal/hr 일 수 있다. 또한 제 2 증류탑의 재비기에 공급되는 열량은 1 내지 40Gcal/hr 일 수 있으며, 1 내지 30 Gcal/hr, 1 내지 20 Gcal/hr일 수 있다. 상기 직렬 연결하여 증류하는 단계는 높은 열역학적 효율을 이용하여 고효율 운전이 가능할 수 있다.
본 출원의 일 구현예에 따른 병렬 연결 모드의 증류 방법은, 제 1 공급 라인으로 원료가 유입되며, 제 2 연결 라인 및 제 3 연결 라인을 비활성화시키고, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑의 탑정 또는 상부에서 저비점 물질을 유출시키며, 제 2 증류탑의 탑저에서 고비점 물질을 유출시키도록 제어할 수 있다.
상기 병렬 연결 모드는 제 1 공급 라인을 통해 제 1 증류탑으로 원료를 공급하며 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑에서 원료 물질을 증류하고 제 1 증류탑의 탑저 응축액을 제 1 연결 라인을 통해 제 2 증류탑으로 유입시킬 수 있다. 상기 병렬 연결 모드에서 제 1 증류탑의 탑저 응축액의 일부를 제 1 연결 라인을 통해 제 2 증류탑으로 공급하여 제 2 공급 라인을 대체할 수 있으며, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑의 저비점 물질을 동시에 분리하여 증류탑의 처리량을 대폭 상승시켜 고용량운전이 가능할 수 있다.
상기 병렬 연결 모드에서 제 1 증류탑의 탑저 응축액의 "일부"는, 제 1 증류탑의 탑저 유출구를 통해 유출되는 유체의 흐름 중 제 1 연결 라인을 통한 유체의 흐름이 존재하는 상태를 뜻하며, 예를 들어 제 1 증류탑의 탑저 재비기로 유입되는 탑저 흐름(A)과 제 1 연결 라인을 통해 제 2 증류탑으로 유입되는 흐름(B)의 비(A/B)는 0 이상일 수 있다. 상기 비(A/B)가 0인 경우는 제 1 증류탑의 탑저 응축액이 제 1 증류탑의 탑저 재비기로 유입되지 않는 상태를 의미할 수 있다. 상기 제 1 증류탑의 탑저 재비기로 유입되는 탑저 흐름(A)과 제 1 연결 라인을 통해 제 2 증류탑으로 유입되는 흐름(B)의 비(A/B)의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 10 이하일 수 있다. 상기 병렬 연결 모드에서 제 1 증류탑의 재비기에 공급되는 열량은 0 내지 40 Gcal/hr 일 수 있으며, 0 내지 30 Gcal/hr, 0 내지 20 Gcal/hr 일 수 있다. 또한 제 2 증류탑의 재비기에 공급되는 열량은 1 내지 40 Gcal/hr 일 수 있으며, 1 내지 30 Gcal/hr, 1 내지 20 Gcal/hr일 수 있다.
본 출원의 다른 구현예에 따른 병렬 연결 모드의 증류 방법은 제 1 공급 라인으로 원료가 유입되며, 제 2 연결 라인, 제 3 연결 라인 및 제 1 재비기를 비활성화시키고, 제 2 증류탑의 탑정 증기의 응축액 중 일부를 제 4 연결 라인을 통하여 제 1 증류탑으로 유입시키며, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑의 탑정 또는 상부에서 저비점 물질을 유출시키고, 제 2 증류탑의 탑저에서 고비점 물질을 유출시키도록 제어할 수 있다.
상기 병렬 연결 모드는 제 1 공급 라인을 통해 제 1 증류탑으로 원료를 공급하며 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑에서 원료 물질을 증류하고 제 1 증류탑의 탑저 응축액을 제 1 연결 라인을 통해 제 2 증류탑으로 유입시키며, 제 2 증류탑의 탑정 환류기의 유출 흐름 중 일부를 제 4 연결 라인을 통해 제 2 증류탑으로 환류시키고 나머지 일부는 제 1 증류탑으로 환류시킬 수 있다. 상기 병렬 연결에서 제 1 증류탑의 탑저 응축액을 제 1 연결 라인을 통해 제 2 증류탑으로 공급하여 제 2 공급 라인을 대체할 수 있으며, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑의 저비점 물질을 동시에 분리하여 증류탑의 처리량을 대폭 상승시켜 고용량운전이 가능할 수 있다. 또한, 제 2 증류탑의 탑정 환류기의 유출 흐름 중 일부를 제 1 증류탑의 상부로 유입시킴으로써, 제 1 증류탑의 탑저 재비기를 비활성화 하여도 증류탑의 운전 제어가 가능할 수 있다.
상기 병렬 연결 모드에서 제 2 증류탑의 탑정 환류기의 유출 흐름 중 "일부"는, 제 2 증류탑의 탑정 환류기에서 유출되는 유체의 흐름 중 제 4 연결 라인을 통한 유체의 흐름이 존재하는 상태를 뜻하며, 예를 들어 제 4 연결 라인을 통해 제 1 증류탑으로 유입되는 흐름(C)과 제 2 증류탑의 탑정 환류기에서 제 2 증류탑으로 환류되는 흐름(D)의 비(C/D)는 0 이상일 수 있다. 상기 비(C/D)가 0인 경우는 제 2 증류탑의 탑정 환류기의 유출 흐름이 제 4 연결 라인을 통해 제 1 증류탑으로 유입되지 않는 상태를 의미할 수 있다. 상기 제 4 연결 라인을 통해 제 1 증류탑으로 유입되는 흐름(C)과 제 2 증류탑의 탑정 환류기에서 제 2 증류탑으로 환류되는 흐름(D)의 비(C/D)의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 10 이하일 수 있다. 상기 병렬 연결 모드에서 제 1 증류탑의 재비기에 공급되는 열량은 0 내지 40 Gcal/hr 일 수 있으며, 0 내지 30 Gcal/hr, 0 내지 20 Gcal/hr 일 수 있다. 또한 제 2 증류탑의 재비기에 공급되는 열량은 1 내지 40 Gcal/hr 일 수 있으며, 1 내지 30 Gcal/hr, 1 내지 20 Gcal/hr일 수 있다.
본 출원에 따른 증류 방법은 2성분계 이상의 혼합물을 고비점 물질과 저비점 물질로 비점차에 의해 분리하는 증류 공정에 사용될 수 있다. 하나의 예시에서, 본출원에 따른 증류 방법은 하기 일반식 1을 만족하는 생성물을 유출시킬 수 있다.
[일반식 1]
5℃ ≤│BpH-BpL│ ≤65℃
상기 일반식 1에서 BpH는 고비점 물질의 비점이고, BpL은 저비점 물질의 비점이다.
상기 일반식 1에서 고비점 물질은 본출원에 따른 증류 방법을 사용하여 제 1 증류탑 및/또는 제 2 증류탑의 탑정 또는 상부에서 유출되는 생성물을 의미할 수 있고, 저비점 물질은 본출원에 따른 증류 방법을 사용하여 제 1 증류탑 및/또는 제 2 증류탑의 탑저에서 유출되는 생성물을 의미할 수 있다. 상기 일반식 1의 고비점 물질의 비점과 저비점 물질의 차이(│BpH-BpL│)는 5℃ 이상 65℃ 이하일 수 있으며, 10℃ 이상 65℃ 이하, 10℃ 이상 60℃ 이하, 15℃ 이상 60℃ 이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 일반식 1을 만족하는 범위에서 직렬 연결 모드의 고효율 운전과 병렬 연결 모드의 고용량 운전의 전환이 가능함과 동시에 에너지 효율 또한 개선할 수 있다.
본 출원에 따른 증류 방법은 자양한 원료 물질의 증류 공정에 적용될 수 있다. 상기 증류 공정은 알켄과 알칸의 혼합물을 분리하는 공정일 수 있으며, 예를 들어 납사(Naphtha) 분해 공정의 생성물인 분해 가스를 분리하는 공정일 수 있다. 상기 납사 분해 가스 중 고비점 물질로 에탄과 저비점 물질로 에틸렌(Ethylene)을 정제하는 공정 또는 고비점 물질로 프로판과 저비점 물질로 프로필렌을 정제하는 공정에 본 출원에 따른 증류 방법을 적용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 본출원에 따른 증류 방법은 저비점 물질의 순도가 99중량% 이상이 되도록 제어할 수 있으며, 또한 고비점 물질의 순도가 99중량% 이상이 되도록 제어할 수 있다. 본 출원의 증류방법은 직렬 연결 모드 및/또는 병렬 연결 모드에서 상기 순도를 만족할 수 있다. 상기 직렬 연결 모드 및/또는 병렬 연결 모드에서 제 1 증류탑 및/또는 제 2 증류탑의 환류비를 조절함으로써 상기 순도범위의 저비점 물질과 고비점 물질을 생산할 수 있다.
하나의 예시에서, 본출원에 따른 증류 방법은 하기 일반식 2를 만족하도록 제어할 수 있다.
[일반식 2]
P/Rd≥3700
일반식 1에서 P는 저비점 물질의 시간당 생산량(kg/hr)이고, Rd는 증류탑의 재비기에 공급되는 시간당 열량(Gcal/hr)이다.
상기 일반식 1에서 P/Rd의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 20,000 이하일 수 있다.
본 출원에 따른 증류방법은 제 1 증류탑의 탑저 응축액의 일부를 제 2 증류탑으로 공급하여, 상기 일반식 1을 만족할 수 있으며, 이를 통해 증류탑의 처리 용량을 대폭 상승시켜 고용량 운전을 하더라도 에너지 효율의 하락을 적은 폭으로 제어할 수 있다.
이하, 본 출원에 따르는 실시예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명하나, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 2에 예시된 선택 증류 장치를 이용하여 납사 분해 공정에서 생산된 C2 성분 중 에틸렌과 에탄을 분리하였다.
직렬 연결 모드는 도 3에서 예시하듯이, 제 2 공급 라인(1021), 제 1 증류탑(1101)의 탑저 유출구와 제 2 증류탑(1201)의 상부 유입구를 연결하는 제 2 연결 라인(1151+1161), 제 2 증류탑(1201)의 탑정 유출구와 제 1 증류탑(1101)의 하부 유입구를 연결하는 제 3 연결 라인(1241+1251) 및 제 1 증류탑(1101)의 상부 유출구와 연결된 제 1 배출 라인(1141)을 활성화시키고, 제 1 증류탑(1101)의 탑정 유출구와 제 1 증류탑(1101)의 탑정 환류기(1131)가 연결시키며, 제 1 증류탑(1101)의 탑정 환류기(1131)은 제 1 증류탑(1101)의 상부 유입구와 연결시켰다. 제 2 증류탑(1201)의 탑저 유출구와 제 2 증류탑(1201)의 탑저 재비기(1221)을 연결시키고 제 2 증류탑(1201)의 탑저 재비기(1221)는 제 2 증류탑(1201)의 하부 유입구로 연결시켰다. 제 1 증류탑(1101)의 탑정 환류기(1131) 및 제 2 증류탑(1201)의 탑저 재비기(1221)을 활성화시키고, 제 1 증류탑(1101)의 탑저 재비기(1191) 및 제 2 증류탑(1201)의 탑정 환류기(1271)을 비활성화시켰다.
상기 직렬 연결 모드의 선택 증류 장치에서 원료 물질을 59,104 kg/hr로 제 2 증류탑(1201)로 공급하고, 제 1 증류탑(1101)의 탑저 응축액을 제 2 연결 라인(1151+1161)을 통해 제 2 증류탑(1201)으로 유입시키며, 제 2 증류탑(1201)의 탑정 증기를 제 3 연결 라인(1241+1251)을 통해 제 1 증류탑(1101)로 유입시켰다. 제 2 증류탑의 탑저 재비기(1221)을 통해 제 2 증류탑(1201)의 탑저 응축액을 가열하고, 제 1 증류탑의 탑정 환류기(1131)을 통해 제 1 증류탑(1101)의 탑정 증기를 응축하여 환류시켰다. 제 1 증류탑(1101)의 제 1 배출 라인(1141)으로 저비점 물질인 에틸렌을 분리하고 제 2 증류탑(1201)의 탑저에서 고비점 물질인 에탄을 분리하였다. 상기 직렬 연결 모드에서 탑정의 온도는 -36.24℃이고, 압력은 15.54 kg/cm2로 유지하였으며, 재비기를 통한 에너지 공급량은 10.18Gcal/hr이고, 환류비는 5.33으로 제어하였다.
<실시예 2>
병렬 연결 모드는 도 4에서 예시하듯이, 제 1 공급 라인(1012), 제 1 증류탑(1102)의 탑저 유출구와 제 2 증류탑(1202)의 하부 유입구를 연결하는 제 1 연결 라인(1152+1172) 및 제 1 증류탑(1102)의 상부 유출구와 연결된 제 1 배출 라인(1142)을 활성화시키고, 제 1 증류탑(1102)의 탑정 유출구와 제 1 증류탑(1102)의 탑정 환류기(1132)를 연결시키고 제 1 증류탑(1102)의 탑정 환류기(1132)은 제 1 증류탑(1102)의 상부 유입구와 연결시켰다. 제 2 증류탑(1202)의 탑저 유출구와 제 2 증류탑(1202)의 탑저 재비기(1222)을 연결시키고 제 2 증류탑(1202)의 탑저 재비기(1222)는 제 2 증류탑(1202)의 하부 유입구로 연결시켰다. 제 1 증류탑(1102)의 탑정 환류기(1132) 및 탑저 재비기(1191)와 제 2 증류탑(1202)의 탑저 재비기(1222)을 활성화시켰다.
상기 병렬 연결 모드의 선택 증류 장치에서 원료 물질을 80,000kg/hr로 제 1 증류탑(1102)으로 유입시키고, 제 1 증류탑(1102)의 탑저 응축액 중 일부(1152)를 제 1 연결 라인(1152+1172)을 통하여 제 2 증류탑(1202)으로 유입시켰다. 제 1 증류탑(1102)의 탑저 재비기(1192) 및 제 2 증류탑(1202)의 탑저 재비기(1222)에서 탑저 응축액을 가열하고, 제 1 증류탑의 탑정 환류기(1122) 및 제 2 증류탑의 탑정 환류기(1272)에서 탑정 증기를 응축하여 환류시켰다. 제 1 증류탑(1102)의 제 1 배출 라인(1142) 및 제 2 증류탑(1202)의 제 2 배출 라인(1292)으로 저비점 물질인 에틸렌을 분리하고, 제 2 증류탑(1202)의 탑저에서 고비점 물질인 에탄을 분리하였다. 상기 병렬 연결 모드에서 제 1 증류탑의 재비기를 통한 에너지 공급량이 1 Gcal/hr일 때 제 2 증류탑의 재비기를 통한 에너지 공급량은 14.95 Gcal/hr으로 유지하였으며, 제 1 증류탑의 재비기를 통한 에너지 공급량이 6 Gca/hr일 때 제 2 증류탑의 재비기를 통한 에너지 공급량은 11.41 Gcal/hr로 유지하였고, 제 1 증류탑의 환류비는 4.18이며 제 2 증류탑의 환류비는 3.06이 되도록 제어하였다. 상기 병렬 연결 모드에서 탑정의 온도는 -36.24℃이고, 압력은 15.54 kg/cm2로 유지하였다. 상기 병렬 연결 모드에서 전체 생산량을 일정하게 유지할 때 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑의 재비기를 통한 에너지 공급량과 제 1 증류탑과 제 2 증류탑의 생산량을 하기 표 1에 도시하였다.
<실시예 3>
도 5에서 예시하듯이 병렬 연결 모드에서 제 1 증류탑(1103)의 상부 유입구와 제 2 증류탑(1203)의 탑정 유출구를 연결하는 제 4 연결 라인(1313+1323)을 활성화하고, 제 1 증류탑(1103)의 탑저 재비기를 비활성화하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 장치 구성을 사용하였다. 제 1 증류탑(1103)의 탑저 응축액을 전부 제 1 연결 라인(1153+1173)을 통해 제 2 증류탑(1203)으로 유입시키며, 제 2 증류탑(1203)의 탑정 환류기(1273)의 유출 흐름 중 5 kg/hr의 흐름을 제 4 연결 라인(1313+1323) 을 통하여 제 1 증류탑(1103)으로 유입시키고 제 2 증류탑의 탑저 재비기를 통한 에너지 공급량이 15.72 Gcal/hr인 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 에틸렌과 에탄을 분리하였다.
<실시예 1> <실시예 2-1> <실시예 2-2> <실시예 3>
제 1 증류탑 생산량(kg/hr) 48,466 21,256 34,342 18,609
제 2 증류탑 생산량(kg/hr) 0 44,338 31,252 46,985
전체 생산량(kg/hr) 48,466 65,594 65,594 65,594
제 1 증류탑 Reboiler Duty (Gcal/hr) 0 1 6 0
제 2 증류탑 Reboiler Duty (Gcal/hr) 10.18 14.95 11.41 15.72
Total Reboiler Duty (Gcal/hr) 10.18 15.95 17.41 15.72
에틸렌 농도 (%) 99.96 99.96 99.96 99.96
실시예 및 표 1에서 나타나듯이, 본 출원의 실시예에 따른 선택 증류 장치를 이용하여 증류탑을 운전할 경우, 설비의 변경 없이 고효율 운전과 고용량 운전을 선택적으로 운전할 수 있다.
101, 102, 1101, 1102, 1103: 제 1 증류탑
201, 202, 1201, 1202, 1203: 제 2 증류탑
12, 1011, 1012, 1013: 제 1 공급 라인
21, 22, 1021, 1022, 1023: 제 2 공급 라인
131, 132, 1131, 1132, 1133: 제 1 증류탑의 탑정 환류기
272, 1271, 1272, 1273: 제 2증류탑의 탑정 환류기
192, 1191, 1192: 제 1 증류탑의 탑저 재비기
221, 222, 1221, 1222, 1223: 제 2 증류탑의 탑저 재비기
152+172, 1151+1171, 1152+1172, 1153+1173: 제 1 연결 라인
151, 152+162, 1151+1161, 1152+1162, 1153+1163: 제 2 연결 라인
241, 242+252, 1241+1251, 1242+1252. 1243+1253: 제 3 연결 라인
312+322, 1313+1323: 제 4 연결 라인

Claims (13)

  1. 탑정 환류기 및 탑저 재비기를 구비하고, 탑정 유출구 및 탑저 유출구가 형성되어 있으며, 상부 유입구 및 상부 유출구가 형성되어 있고, 하부 유입구가 형성되어 있는 제 1 증류탑; 탑정 환류기 및 탑저 재비기를 구비하며, 탑정 유출구 및 탑저 유출구가 형성되어 있고, 상부 유입구 및 하부 유입구가 형성되어 있는 제 2 증류탑; 배관 시스템 및 제어부를 포함하고,
    상기 배관 시스템은, 상기 제 1 증류탑으로 원료를 공급할 수 있는 제 1 공급 라인; 상기 제 2 증류탑으로 원료를 공급할 수 있는 제 2 공급 라인; 상기 제 1 증류탑의 탑정 생성물 또는 상부 생성물을 배출할 수 있는 제 1 배출 라인; 상기 제 2 증류탑의 탑정 생성물을 배출할 수 있는 제 2 배출 라인; 상기 제 1 증류탑의 탑저 유출구와 제 2 증류탑의 하부 유입구를 연결하는 제 1 연결 라인, 상기 제 1 증류탑의 탑저 유출구와 제 2 증류탑의 상부 유입구를 연결하는 제 2 연결 라인; 및 상기 제 2 증류탑의 탑정 유출구와 제 1 증류탑의 하부 유입구를 연결하는 제 3 연결 라인을 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 환류기, 재비기, 공급 라인, 배출 라인 및 연결 라인의 적어도 하나의 동작 상태를 활성화 또는 비활성화 상태로 조절할 수 있는 선택 증류 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 배관 시스템은 상기 제 2 증류탑의 탑정 유출구와 제 1 증류탑의 상부 유입구를 연결하는 제 4 연결 라인을 추가로 포함하는 선택 증류 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 제어부는 제 2 공급 라인으로 원료가 공급될 때, 제 1 공급 라인, 제 1 연결 라인, 제 1 증류탑의 탑저 재비기 및 제 2 증류탑의 탑정 환류기를 비활성화시키도록 구성되어 있는 선택 증류 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 제어부는 제 1 공급 라인으로 원료가 공급될 때, 제 2 연결 라인 및 제 3 연결 라인을 비활성화 시키도록 구성되어 있는 선택 증류 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 제어부는 제 1 공급 라인으로 원료가 공급될 때, 제 2 연결 라인, 제 3 연결 라인 및 제 1 증류탑의 탑저 재비기를 비활성화 시키도록 구성되어 있는 선택 증류 장치.
  6. 제 1 항의 선택 증류 장치를 사용하여 원료를 증류하는 방법으로서,
    상기 선택 증류 장치의 환류기, 재비기, 공급 라인, 배출 라인 및 연결 라인의 적어도 하나를 활성화 또는 비활성화 상태로 제어하여, 제 1 및 제 2 증류탑의 연결상태를 직렬 연결 또는 병렬 연결 상태로 유지하면서 생성물을 유출시키도록 제어하는 증류 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 제 1 공급 라인, 제 1 연결 라인, 제 1 증류탑의 탑저 재비기 및 제 2 증류탑의 탑정 환류기를 비활성화시킨 상태에서 제 2 공급 라인으로 원료를 유입시키면서, 제 1 증류탑의 탑정 또는 상부와, 제 2 증류탑의 탑저에서 생성물을 유출시키도록 제어하는 증류 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 제 2 연결 라인 및 제 3 연결 라인을 비활성화시킨 상태에서 제 1 공급 라인으로 원료가 유입시키면서, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑의 탑정 또는 상부와, 제 2 증류탑의 탑저에서 생성물을 유출시키도록 제어하는 증류 방법.
  9. 제 6항에 있어서, 선택 증류 장치는 제 2 증류탑의 탑정 유출구와 제 1 증류탑의 상부 유입구를 연결하는 제 4 연결 라인을 추가로 포함하고, 제 2 연결 라인, 제 3 연결 라인 및 제 1 재비기를 비활성화시킨 상태에서 제 1 공급 라인으로 원료가 유입시키면서, 제 2 증류탑의 환류기의 유출흐름 중 일부를 제 4 연결 라인을 통하여 제 1 증류탑으로 유입시키며, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑의 탑정 또는 상부와 제 2 증류탑의 탑저에서 생성물을 유출시키도록 제어하는 증류 방법.
  10. 제 6항에 있어서, 생성물은 하기 일반식 1을 만족하는 증류방법.
    [일반식 1]
    5℃ ≤│BpH-BpL│ ≤65℃
    상기 일반식 1에서 BpH는 고비점 물질의 비점이고, BpL은 저비점 물질의 비점이다.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 저비점 물질은 알켄이고 고비점 물질은 알칸인 증류 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 저비점 물질과 고비점 물질의 순도가 99중량% 이상이 되도록 제어하는 증류 방법.
  13. 제 6항 내지 제 11항에 있어서, 하기 일반식 1을 만족하도록 제어하는 증류 방법:
    [일반식 2]
    P/Rd≥3700
    일반식 1에서 P는 저비점 물질의 시간당 생산량(kg/hr)이고, Rd는 증류탑의 재비기에 공급되는 시간당 열량(Gcal/hr)이다.
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