KR20180134307A - 증류 장치 및 증류 방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 증류 장치 및 증류방법에 관한 것으로, 두개의 증류탑 및 증기 재압축기를 포함하는 증류 장치를 제공하여 증류탑에 공급되는 에너지 소비량을 절감할 수 있다.

Description

증류 장치 및 증류 방법{FRACTION DEVICE AND METHOD FOR FRACTION THEREOF}
관련 출원들과의 상호 인용
본 출원은 2017.06.08 자 한국 특허 출원 제10-2017-0071649호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 출원은 두 개의 증류탑을 이용한 증류 장치에 관한 것으로, 증기 재압축기를 이용하여 에너지 소비를 절감할 수 있는 증류 장치 및 상기 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 증류 공정이다.
일반적으로 증류 공정은 공급 원료 중에 존재하는 2성분계 이상의 혼합 물질을 비점차에 의해 증발 분리한다. 이러한 증류 공정에 사용되는 증류 장치는 증류탑(distillation column), 정류탑(rectification column), 탈거탑(stripping column), 또는 탈거조(stripping vessel) 등이 이용된다. 증류 장치의 상부에서 저비점 물질이 탑정 증기 형태로 배출되고, 증류 장치의 하부에서 고비점 물질이 탑저 응축액의 형태로 분리된다.
일반적으로 에틸렌/에탄 또는 프로필렌/프로판과 같은 동일한 탄소수의 알칸/알켄의 분리는 비휘발도가 1.04 내지 1.5 수준으로 상당히 낮기 때문에 높은 환류비(Reflux ratio)와 많은 이론 단수를 필요로 한다. 이로 인해 실제 공정에서는 제 1 증류탑의 탑저와 제 2 증류탑의 탑정이 서로 연결되어 두 개의 증류탑을 하나의 증류탑처럼 사용하는 직렬 연결 구조를 가진 경우가 많다.
이러한 증류 장치의 처리량을 높이기 위해, 두개의 증류탑을 병렬로 연결하여 증류하는 여러 방법을 고려할 수 있다. 예를 들어 제 1 증류탑을 정류탑(Rectifier)으로 사용하고, 제 2 증류탑과 병렬연결된구조를 사용하여 증류하는 경우, 공급되는 원료를 일차적으로 제 1 증류탑에서 증류한 후 분리 대상 물질이 잔류하는 원료를 제 2 증류탑으로 유입시켜 증류한다. 도 3은 두개의 증류탑을 병렬 연결 구조로 연결한 증류 장치의 일례를 나타낸 개략도이다. 도 3은, 유입되는 원료(1011) 흐름을 제 1 증류탑(101)에서 증류하고, 제 1 증류탑의 상부로 생성물 유출 흐름(1041)이 유출되며, 제 1 증류탑의 탑저 흐름(1051)을 제 2 증류탑(201)으로 유입시켜 증류하고, 제 2 증류탑의 상부로 생성물 유출 흐름(2061)이 유출되는 장치의 구성을 모사하고 있다.
도 3과 같이 증류탑을 병렬 연결하여 운전하는 경우 두개의 증류탑을 운전하는 것과 같은 용량을 처리할 수 있으나, 제 2 증류탑으로 유입되는 흐름(1051)을 열교환기(231)를 통해 가열하여야 하며, 제 2 증류탑의 탑정 증기를 응축기(211)를 통해 응축하여야 한다. 이 경우 열교환기(231) 및 응축기(211)에 각각 에너지가 소비되며, 특히 분리 대상 물질이 낮은 비점을 가지는 물질인 경우 냉동기를 통한 응축에 많은 에너지가 소비되는 문제가 있다.
일본등록특허 제5756900호
본 출원은 증류 장치 및 증류 방법에 관한 것으로, 에너지 소비량이 절감된 증류 장치 및 증류 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원은 증류 장치에 관한 것이다. 예시적인 상기 증류 장치는 병렬 연결된 두개의 증류탑 및 증기 재압축기를 포함할 수 있다. 상기 증류 장치를 이용하면, 재비기 및/또는 응축기에 공급되는 에너지 소비를 최소화 하면서도, 고순도의 생성물을 분리 정제할 수 있다. 이하, 도면을 참조하여 상기 장치를 설명하지만, 상기 도면은 예시적인 것으로 상기 장치의 범위가 도면에 의해 제한되는 것은 아니다.
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 「라인」은 장치들을 연결하는 배관과 실질적으로 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.
도 1은, 본 출원의 증류 장치를 예시적으로 보여주는 도면이다.
예를 들어, 본 출원에 따른 증류 장치는, 제 1 증류탑(102); 제 2 증류탑(202); 증기 재압축기(242); 및 열교환기(232)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 증류탑(102)은 탑정 응축기(112)를 구비하고, 탑정 유출구 및 탑저 유출구가 형성되어 있으며, 상부 유입구 및 상부 유출구가 형성되어 있고, 하부 유입구가 형성되어 있을 수 있다. 상기 제 2 증류탑(202)은 탑정 응축기(212)를 구비하며, 탑정 유출구 및 탑저 유출구가 형성되어 있고, 상부 유입구 및 상부 유출구가 형성되어 있고, 하부 유입구가 형성되어 있을 수 있다. 또한, 증류 장치는 상기 제 1 증류탑(102)의 하부 유입구로 원료를 공급할 수 있는 제 1 공급 라인(1012); 상기 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출된 흐름이 상기 열교환기를 거쳐 제 2 증류탑의 하부 유입구로 도입되도록 형성된 제 1 연결 라인(1052); 상기 제 2 증류탑의 탑정 유출구로 배출된 흐름이 증기 재압축기를 거친 후 상기 열교환기를 제 2 증류탑의 탑정 응축기로 도입되도록 형성된 제 2 연결 라인(2012, 2022, 2032)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 연결 라인(1052)을 흐르는 흐름과 제 2 연결 라인(2012, 2022, 2032)의 흐르는 흐름이 상기 열교환기(232)에서 열교환되도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 증기 재압축기(242)로 유입되는 제 2 증류탑(202)의 탑정 증기를 압축하여 상기 열교환기(232)에서 제 1 연결 라인(1052)을 통해 상기 열교환기(232)로 유입되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 흐름과 열교환 함으로써, 상기 제 2 증류탑(202)의 탑정 응축기(212)에서 제 2 증류탑(202)의 탑정 증기를 응축하기 위해 소비되는 에너지를 절감할 수 있다.
본 출원의 증류 장치에 사용할 수 있는 증류탑(102, 202)의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 일반적인 구조의 증류탑을 사용할 수 있으며, 정제 효율 등을 고려 하여 증류탑의 단수 및 내경 등은 적절히 조절될 수 있다. 상기「열교환기」는 증류 장치의 외부에 별도로 설치되어, 서로 온도가 다른 두 유체 흐름 사이에 열전달이 원활히 일어나도록 열교환을 수행하는 장치일 수 있으며, 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 「응축기」는 증류 장치와 별도로 설치된 장치로서, 상기 증류 장치에서 유출된 물질을 외부에서 유입된 냉각수와 접촉시키는 등의 방식으로 냉각시키기 위한 장치를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 「상부」는 상기 증류 장치 내에서 상대적으로 위쪽 부분을 의미하고, 보다 구체적으로는, 상기 증류 장치를 세로 방향, 예를 들어, 증류 장치의 길이 또는 높이 방향에 수직하게 2등분 하였을때, 나뉘어진 2개의 영역 중 위쪽 부분을 의미할 수 있다. 또한, 상기에서 「하부」는 상기 증류 장치 내에서 상대적으로 아래쪽 부분을 의미하고, 보다 구체적으로는, 상기 증류 장치를 세로 방향, 예를 들어, 증류 장치의 길이 또는 높이 방향에 수직하게 2등분 하였을 때, 나뉘어진 2개의 영역 중 아래쪽 부분을 의미할 수 있다. 또한, 상기 증류 장치의 「탑정」은 상기 증류 장치의 가장 꼭대기 부분을 의미하며, 전술한 증류 장치의 상부에 위치할 수 있다. 상기 증류 장치의 「탑저」는 상기 증류 장치의 탑의 가장 바닥 부분을 의미하며, 전술한 증류 장치의 하부에 위치할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 증류 장치의 상부와 하부 사이에는 중간부 영역이 존재할 수 있으며, 상기 증류 장치의 상부, 중간부, 하부 영역은 서로 상대적인 개념으로서 본 명세서에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 증류 장치를 세로 방향으로 2 등분하였을 때는, 상기 증류 장치는 상부 및 하부 영역으로 나뉠 수 있으며, 이 경우, 증류는 상기 상부 영역 및 하부 영역에서 일어날 수 있다. 또한, 상기 증류 장치를 세로 방향으로 3 등분 하였을 경우에는, 상기 증류 장치는, 상부, 중간부 및 하부 영역으로 나뉠 수 있으며, 이 경우, 증류는 상부, 중간부 및 하부 영역에서 모두 일어날 수 있다.
상기 증기 재압축기(242)는 외부 동력을 이용하여 증기를 압축할 수 있는 장치일 수 있으며, 증기를 압축하여 온도를 상승시키는 장치일 수 있으며, 상기 증기 재압축기(242)로 온도를 상승시킨 압축 증기의 잠열 및/또는 현열을 증발이나 증류, 건조 등의 공정의 열원으로 이용하기 위한 장치일 수 있다. 본 출원의 증류 장치는 상기 증기 재압축기(242)를 이용하여 제 2 증류탑(202)의 탑정 증기를 압축하고, 압축된 제 2 증류탑(202)의 탑정 증기를 제 1 증류탑(102)의 탑저에서 유출되어 제 2 증류탑(202)으로 유입되는 흐름과 열교환 함으로써, 제 2 증류탑(202)의 탑정 응축기(212)에서 제 2 증류탑(202)의 탑정 증기를 응축하기 위해 소비되는 에너지를 절감할 수 있다.
본 출원에 따른 증류 장치는 다양한 형태 및 작동 원리를 가지는 증기 재압축기를 적용할 수 있다. 상기 증기 재압축기는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 기계식 증기 재압축기(MVR, Mechanical Vapor Recompressor)일 수 있으며, 왕복 압축기(reciprocating compressor), 나사식 압축기(screw compressor), 회전식 압축기(rotary compressor), 원심식 압축기(centrifugal compressor) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 일례에서, 제 1 증류탑의 하부 유입구는 탑정을 기준으로 산출된 이론 단수의 최하단에 위치할 수 있다. 상기 제 1 증류탑의 하부 유입구는 탑정을 기준으로 산출된 이론 단수의 80 % 이상, 85% 이상, 90% 이상일 수 있으며, 예를 들어 95% 이상일 수 있고, 예를 들어, 100% 이하일 수 있다. 본 명세서에서, 「이론단수」는 증류탑에서 기상 및 액상과 같은 2개의 상이 서로 평형을 이루는 가상적인 영역 또는 단의 수를 의미할 수 있다. 상기 하부 유입구가 탑정을 기준으로 산출된 이론 단수의 80%에 위치한다는 것은, 예를 들어, 이론단수가 100단인 증류탑에서 탑정을 1단이라 가정할 때, 80단에 위치하는 것을 의미할 수 있다. 또한 상기 하부 유입구가 탑정을 기준으로 산출된 이론 단수의 100%에 위치한다는 것은, 예를 들어, 하부 유입구가 증류탑의 탑저에 위치하는 것을 의미할 수 있다.
본 출원에 따른 증류장치의 제 1 증류탑은 하부 유입구를 상기 범위에 위치시킴으로써, 정류 구역(rectifying section)이 탈거 구역(stripping section)보다 긴 형태를 가질 수 있으며, 제 1 증류탑의 상부로 유출되는 저비점 물질의 순도를 향상시킬 수 있다. 또한, 하나의 예시에서, 제 1 증류탑의 하부 유입구의 위치가 상기 범위를 만족하여 실질적으로 제 1 증류탑은 정류탑(rectifying column)으로 기능할 수 있다.
본 출원의 일례에서, 제 2 증류탑의 하부 유입구는 탑정을 기준으로 산출된 이론 단수의 60% 내지 90%에 위치할 수 있다. 상기 제 2 증류탑의 하부 유입구의 위치는 탑정을 기준으로 산출된 이론 단수의 60% 이상, 65% 이상, 70% 이상, 75% 이상일 수 있으며, 예를 들어 80% 이상일 수 있고, 90% 이하, 89% 이하, 88% 이하, 87% 이하일 수 있으며, 예를 들어 85% 이하일 수 있다. 본 출원에 따른 증류장치의 제 2 증류탑은, 또한, 하부 유입구를 상기 범위에 위치시킴으로써, 정류 구역(rectifying section)이 탈거 구역(stripping section)보다 긴 형태를 가질 수 있으며, 제 2 증류탑의 상부로 유출되는 저비점 물질의 순도를 향상시킬 수 있다. 또한, 하나의 예시에서, 제 2 증류탑의 하부 유입구의 위치가 상기 범위를 만족하여 실질적으로 제 2 증류탑은 정류탑(rectifying column)으로 기능할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원에 따른 증류 장치는 납사 분해 공정에서 생산되는 기초 유분을 분리하기 위한 장치일 수 있다. 납사 분해 공정은 석유정제 공정에서 생산되는 납사를 NCC(Naphtha Cracking Center)에서 열분해하여 C2, C3, C4 유분 및 BTX 등을 생산하는데, 본 출원에 따른 증류 장치는 이들을 분리 정제하는데 사용할 수 있다.
본 출원의 일례에서, 증류 장치의 제 1 증류탑의 상부 유출구와 제 2 증류탑의 상부 유출구에서 유출되는 생성물은 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 2 내지 8, 탄소수 2 내지 6 또는 탄소수 2 내지 4의 알켄일 수 있으며, 예를 들어 에틸렌(ethylene)일 수 있다. 본 출원에 따른 증류 장치를 이용하여 에틸렌을 증류함으로써, 두개의 증류탑을 이용하여 고순도의 에틸렌을 정제할 수 있으며, 제 2 증류탑의 탑정 응축기에 사용되는 냉동시스템의 부하를 줄일 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 증류 장치의 제 2 증류탑(202)의 탑정 유출구와 증기 재압축기(242)를 연결하는 제 2 연결 라인(2012)을 통과하는 탑정 증기 흐름(2013)의 온도(T2)와 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되어 제 1 연결 라인(1052)을 통해 열교환기(232)를 거친 후 제 2 증류탑(202)으로 유입되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출 흐름(1053)의 온도(T1)의 차이의 절대값(|T2-T1|)은 40℃ 이하일 수 있다. 상기 온도의 차이의 절대값(|T2-T1|)은 36℃ 이하, 32℃ 이하, 28℃ 이하, 24℃ 이하, 20℃ 이하 또는 16℃ 이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 하한은 특별히 제한되지 않으나 예를 들어 1℃ 이상, 3℃ 이상, 5℃ 이상 또는 7℃ 이상 일 수 있다. 제 2 증류탑의 탑정 유출구와 증기 재압축기를 연결하는 제 2 연결 라인을 통과하는 탑정 증기 흐름의 온도(T2)와 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되어 제 1 연결 라인을 통해 열교환기를 거친 후 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 유출 흐름의 온도(T1)의 차이의 절대값(|T2-T1|)이 상기 범위를 만족함으로써, 증기 재압축기를 이용하여 적은 양의 에너지 공급으로도 우수한 열교환 효율을 나타낼 수 있으며, 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름을 가열하기 위해 공급되는 에너지 및/또는 제 2 증류탑의 탑정 응축기에 공급되는 에너지를 절감할 수 있다.
본 출원에 따른 일례에서, 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 흐름(1054)의 온도(T3)와 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되어 제 1 연결 라인(1052)을 통해 열교환기(232)를 거친 후 제 2 증류탑(202)으로 유입되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출 흐름(1053)의 온도(T4)의 차이의 절대값(|T3-T4|)은 5℃ 이하일 수 있다. 상기 온도의 차이의 절대값은 예를 들어 4℃ 이하, 3℃ 이하 또는 2℃ 이하일 수 있으며, 0℃ 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 증류탑의 탑저 흐름이, 열교환기를 거치기 전과, 열교환기를 거친 후의 온도의 차이가 상기 범위를 만족하는 경우, 잠열을 이용하여 열교환 함으로써 에너지 효율을 높일 수 있으며, 제 2 증류탑의 탑정 응축기에 공급되는 에너지를 절감할 수 있다.
상기 온도 T1 및 T4는 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되어 제 1 연결 라인(1052)을 통해 열교환기(232)를 거친 후 제 2 증류탑(202)으로 유입되는 동일 지점의 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출 흐름(1053)에 대한 온도를 나타낸 것이다.
본 출원은 또한 증류 방법에 관한 것이며, 상기 증류 방법은 전술한 증류 장치에 의해 수행될 수 있다. 예시적인 증류 방법은 제 1 증류탑으로 원료를 유입하여 증류하는 단계; 및 상기 제 1 증류탑의 탑저 흐름을 제 2 증류탑으로 유입하여 증류하는 단계를 포함하고, 상기 제 2 증류탑의 탑정 흐름을 증기 재압축기로 유입시켜 압축하고, 상기 제 1 증류탑의 탑저 흐름을 상기 압축된 제 2 증류탑의 탑정 흐름과 열교환하여 제 2 증류탑으로 유입시킬 수 있다. 본 출원의 증류 방법에서, 상기 증류 장치에 관한 자세한 설명은 전술한 증류 장치에서 설명한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
본 출원의 증류 방법에 따른 일례에서, 제 2 증류탑(202)의 탑정 유출구와 증기 재압축기(242)를 연결하는 제 2 연결 라인(2012)을 통과하는 탑정 증기 흐름(2013)의 온도(T2)와 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되어 제 1 연결 라인(1052)을 통해 열교환기(232)를 거친 후 제 2 증류탑(202)으로 유입되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출 흐름(1053)의 온도(T1)의 차이의 절대값(|T2-T1|)은 40℃ 이하일 수 있다. 상기 온도의 차이의 절대값(|T2-T1|)은 36℃ 이하, 32℃ 이하, 28℃ 이하, 24℃ 이하, 20℃ 이하 또는 16℃ 이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 하한은 특별히 제한되지 않으나 예를 들어 1℃ 이상, 3℃ 이상, 5℃ 이상 또는 7℃ 이상 일 수 있다. 제 2 증류탑의 탑정 흐름의 온도(T2)와 열교환기에서 유출되어 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T1)의 차이의 절대값(|T2-T1|)이 상기 범위를 만족함으로써, 증기 재압축기를 이용하여 적은 양의 에너지 공급으로도 우수한 열교환 효율을 나타낼 수 있으며, 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름을 가열하기 위해 공급되는 에너지 및/또는 제 2 증류탑의 탑정 응축기에 공급되는 에너지를 절감할 수 있다.
본 출원에 따른 일례에서, 제 2 증류탑의 탑정 흐름의 온도(T2)와 열교환기에서 유출되어 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T1)는, 제 2 증류탑의 탑정 흐름의 온도(T2)와 열교환기에서 유출되어 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T1)의 차이의 절대값(|T2-T1|)이 상기 범위를 만족한다면, 특별히 제한되지 않는다. 제 2 증류탑의 탑정 흐름의 온도(T2)와 열교환기에서 유출되어 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T1)는 분리하고자 하는 대상 물질 및 분리 조건 등에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 제 1 증류탑의 상부 유출구와 제 2 증류탑의 상부 유출구에서 유출되는 생성물이 에틸렌인 경우라면, 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 유출되는 탑저 흐름의 온도는 -15℃ 내지 -30℃ 일 수 있고, 제 2 증류탑의 탑정 흐름의 온도는 -20℃ 내지 -35℃ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 증류 방법에 따른 일례에서, 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 흐름(1054)의 온도(T3)와 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되어 제 1 연결 라인(1052)을 통해 열교환기(232)를 거친 후 제 2 증류탑(202)으로 유입되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출 흐름(1053)의 온도(T4)의 차이의 절대값(|T3-T4|)은 5℃ 이하일 수 있다. 상기 온도의 차이의 절대값은 예를 들어 4℃ 이하, 3℃ 이하 또는 2℃ 이하일 수 있으며, 0℃ 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 증류탑의 탑저 흐름이, 열교환기를 거치기 전과, 열교환기를 거친 후의 온도의 차이가 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름은 열교환기를 거치는 과정에서 기화될 수 있다. 본 명세서에서 「기화」된다는 것은 물질이 액상에서 기상으로 변화하는 것을 의미할 수 있으며, 예를 들어 액체가 기체로 되는 것을 의미할 수 있다. 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 잠열을 이용하여 열교환 함으로써 에너지 효율을 높일 수 있으며, 제 2 증류탑의 탑정 응축기에 공급되는 에너지를 절감할 수 있다.
본 출원의 증류 방법은 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 유출되는 탑저 흐름의 온도와 압축된 제 2 증류탑의 탑정 흐름과 열교환한 후 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도 및/또는 제 2 증류탑의 탑정 유출구로 유출되는 제 2 증류탑의 탑정 흐름의 온도를 상기 범위로 제어함으로써, 제 1 증류탑 및 제 2 증류탑의 상부 유출구로 유출되는 생성물을 고순도로 정제할 수 있으며, 증기 재압축기를 통한 열교환 효율을 향상시켜 응축을 위해 냉동시스템을 요구하는 다양한 공정의 에너지 소비량을 절감할 수 있으며, 특히, 알칸/알켄 분리 공정의 에너지 소비량을 크게 절감할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원에 따른 증류 방법은 제 1 증류탑의 상부와 제 2 증류탑의 상부에서 저비점 물질을 유출하고, 제 2 증류탑의 탑저에서 고비점 물질을 유출할 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.
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 증류 방법은 전술한 증류 장치를 이용함으로써 제 1 증류탑 및/또는 제 2 증류탑의 상부에서 유출되는 저비점 물질을 상기 순도를 만족하도록 제어할 수 있으며, 제 2 증류탑의 탑저로 유출되는 고비점 물질을 상기 순도를 만족하도록 제어할 수 있다,
본 출원의 일례에서, 상기 저비점 물질은 알켄이고 고비점 물질은 알칸일 수 있으며, 예를 들어, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 10, 탄소수 2 내지 8, 탄소수 2 내지 6 또는 탄소수 2 내지 4의 알켄 및/또는 알칸일 수 있다. 상기 알켄 및/또는 알칸은 예를 들어 납사(Naphtha) 분해 공정의 생성물일 수 있으며, 고비점 물질로 에탄(ethane)을 유출하고 저비점 물질로 에틸렌(ethylene)을 유출하거나, 또는 고비점 물질로 프로판(propane)과 저비점 물질로 프로필렌(propylene)을 유출할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 증류 장치에 의하면, 제 2 증류탑의 탑정 증기를 증기 재압축기로 압축한 후 열교환기로 유입하여, 제 1 증류탑의 탑저 흐름을 가열함으로써, 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름을 가열하기 위해 공급되는 에너지를 절감할 수 있다. 또한, 제 2 증류탑의 탑정 증기를 응축하기 위해 공급되는 응축기의 에너지 소비량을 절감하여 전체 공정에서 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 본 출원에 따른 증류 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 두 개의 탑을 연결한 증류 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 3은 두 개의 탑을 연결한 증류 장치의 다른 일례를 나타낸 개략도이다.
이하, 본 출원에 따르는 실시예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명하나, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
도 1에 예시된 증류 장치를 이용하여 납사 분해 공정에서 생산된 C2 성분 중 에틸렌과 에탄을 분리하였다. 도 1에 예시된 바와 같이, 제 1 원료 공급 라인(1012)을 제 1 증류탑(102)의 하부 유입구와 연결하고, 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구를 제 1 연결 라인(1052)을 통해 열교환기(232) 및 제 2 증류탑(202)의 하부 유입구와 연결하였다. 제 2 증류탑(202)의 탑정 유출구와 증기 재압축기(242), 열교환기(232), 벨브(252) 및 제 2 증류탑(202)의 탑정 응축기(212)를 제 2 연결 라인(2012, 2022, 2032)을 통해 연결하였다. 상기 열교환기(232)는 제 1 연결 라인(1052)과 제 2 연결 라인(2012, 2022, 2032)을 열교환 할 수 있도록 설치하였다.
제 1 원료 공급 라인(1012)을 통하여 원료 물질을 198,846 kg/hr로 제 1 증류탑(102)의 하부 유입구로 유입시켜 증류하고, 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 유출되는 흐름을 제 1 연결 라인(1052)을 통해 제 2 증류탑(202)의 하부 유입구로 유입시켜 증류하였다.
제 1 증류탑(102)의 탑정 유출 라인(1022)을 거쳐 제 1 증류탑(102)의 탑정 응축기(112)로 유입된 제 1 증류탑(102)의 탑정 증기를 응축하여 저장 탱크(122)로 유입시켜 저장한 후에, 제 1 증류탑(102)의 상부 유입 라인(1032)을 통해 제1 증류탑(102)으로 환류시키거나, 제품 배출 라인(1030)을 통해 제품으로 배출하였다.
제 2 증류탑(202)의 탑정 증기를 제 2 연결 라인(2012, 2022, 2032)을 통해 제 2 증류탑(202)의 탑정 응축기(212)로 유입시키고 이를 응축하여 저장 탱크(222)로 유입시켜 저장한 후에 상기 제 2 증류탑(202)의 상부 유입 라인(2052)을 통해 제 2 증류탑(202)으로 환류시켰다. 제 1 증류탑(102)의 상부 유출 라인(1042) 및 제 2 증류탑(202)의 상부 유출 라인(2062)으로 저비점 물질인 에틸렌을 분리하고 제 2 증류탑(202)의 탑저 유출 라인(2072)에서 고비점 물질인 에탄을 분리하였다.
상기 제 2 증류탑(202)의 탑정 증기는 제 2 연결 라인(2012)을 거쳐 증기 재압축기(242)로 유입시켜 압축한 후, 이를 제 2 연결 라인(2022)을 통해 열교환기(232)로 유입시켰다. 상기 제 1 연결 라인(1052)을 통해 유입되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출 흐름을 제 2 연결 라인(2012, 2022)을 통해 유입되는 제 2 증류탑(202)의 탑정 증기와 열교환기(232)를 통해 열교환한 후 제 2 증류탑(202)의 하부 유입구로 유입시켰다. 상기 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구를 통해 유출되어 제 2 증류탑(202)의 하부 유입구로 유입되는 흐름은 153,244 kg/hr로 유지하였으며, 제 2 증류탑(202)의 탑저 재비기(도시 생략)를 통한 에너지 공급량은 11.36 Gcal/hr이며, 증기 재압축기(242)로 공급되는 에너지는 1,367 KW이었다. 제 1 증류탑(102)의 환류비는 4.18이며 제 2 증류탑(202)의 환류비는 3.06이 되도록 제어하였다. 또한, 제 1 증류탑(102)의 탑정 흐름의 온도는 -36.24℃이고, 압력은 15.54 kg/cm2로 유지하였으며, 제 2 증류탑(202)의 탑정 유출구와 증기 재압축기(242)를 연결하는 제 2 연결 라인(2012)을 통과하는 탑정 증기 흐름(2013)의 온도(T2)는 -36.24℃이고, 압력은 15.54 kg/cm2로 유지하였다. 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 흐름(1054)의 온도(T3)는 -24.00℃로 유지하였고, 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되어 제 1 연결 라인(1052)을 통해 열교환기(232)를 거친 후 제 2 증류탑(202)으로 유입되는 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출 흐름(1053)의 온도(T1, T4)는 20.12℃였다.
<비교예 1>
도 2에서 예시된 바와 같이, 제 1 증류탑(101) 및 제 2 증류탑(201)을 직렬로 연결하여 납사 분해 공정에서 생산된 C2 성분 중 에틸렌과 에탄을 분리하였다. 제 2 원료 공급 라인(21)을 통하여 제 2 증류탑(201)의 원료 유입구로 원료 물질을 유입하여 증류하고, 제 2 증류탑(201)의 탑정 유출 라인(241)을 통해 제 2 증류탑(201)의 탑정 증기를 제 1 증류탑(101)으로 유입시켜 증류하여, 제 1 증류탑(101)의 탑정 유출 라인(81)을 거쳐 제 1 증류탑(101)의 탑정 응축기(91)로 유입된 제 1 증류탑(101)의 탑정 증기를 응축하여 저장 탱크(131)로 유입시켜 저장한 후에, 제 1 증류탑(101)의 상부 유입 라인(110)을 통해 제 1 증류탑(101)으로 환류시키거나, 제품 배출 라인(130)을 통해 제품으로 배출하였다.
제 1 증류탑(101)으로 유입된 제 2 증류탑(201)의 탑정 증기를 증류하여 제 1 증류탑(101)의 탑저 유출 라인(151)을 통해 제 1 증류탑(101)의 탑저 응축액을 제 2 증류탑(201)으로 유입시키고, 제 2 증류탑(201)의 탑저 재비기(261)을 통해 제 2 증류탑(201)의 탑저 유출 라인(251)으로 유출된 탑저 응축액을 가열하고, 제2 증류탑(201)의 하부 유입 라인(210)을 통해 제 2 증류탑(201)으로 환류시켰다.
제 1 증류탑(101)의 상부 유출 라인(141)으로 저비점 물질인 에틸렌을 분리하고 제 2 증류탑(201)의 탑저 유출 라인(271)에서 고비점 물질인 에탄을 분리하였다. 상기 제 1 증류탑(101)의 탑정의 온도는 -36.24℃이고, 압력은 15.54 kg/cm2로 유지하였으며, 제 2 증류탑(101)의 탑저 재비기(261)를 통한 에너지 공급량은 18.89 Gcal/hr이고, 환류비는 5.33으로 제어하였다.
<비교예 2>
도 3에 예시된 증류 장치를 이용하여 납사 분해 공정에서 생산된 C2 성분 중 에틸렌과 에탄을 분리하였다. 도 3에 예시된 바와 같이, 제 1 원료 공급 라인(1011)을 제 1 증류탑(101)의 하부 유입구와 연결하고, 제 1 증류탑(101)의 탑저 유출구를 제 1 연결 라인(1051)을 통해 열교환기(231) 및 제 2 증류탑(201)의 하부 유입구와 연결하였다.
제 1 원료 공급 라인(1011)을 통하여 원료 물질을 198,846 kg/hr로 제 1 증류탑(101)의 하부 유입구로 유입시켜 증류하고, 제 1 증류탑(101)의 탑저 유출구로 유출되는 흐름을 제 1 연결 라인(1051)을 통해 제 2 증류탑(201)의 하부 유입구로 유입시켜 증류하였다.
제 1 증류탑(101)의 탑정 유출 라인(1021)을 거쳐 제 1 증류탑(101)의 탑정 응축기(111)로 유입된 제 1 증류탑(101)의 탑정 증기를 응축하여 저장 탱크(121)로 유입시켜 저장한 후에, 제 1 증류탑(101)의 상부 유입 라인(1031)을 통해 제1 증류탑(101)으로 환류시키거나, 제품 배출 라인(120)을 통해 제품으로 배출하였다.
제 2 증류탑(201)의 탑정 유출 라인(2011)을 거쳐 제 2 증류탑(201)의 탑정 응축기(211)로 유입된 제 2 증류탑(201)의 탑정 증기를 응축하여 저장 탱크(221)로 유입시켜 저장한 후에, 상기 제 2 증류탑(201)의 상부 유입 라인(2051)을 통해 제 2 증류탑(201)으로 환류시켰다. 제 1 증류탑(101)의 상부 유출 라인(1041) 및 제 2 증류탑(202)의 상부 유출 라인(2061)으로 저비점 물질인 에틸렌을 분리하고 제 2 증류탑(201)의 탑저 유출 라인(2071)에서 고비점 물질인 에탄을 분리하였다.
상기 제 1 연결 라인(1051)을 통해 유입되는 제 1 증류탑(101)의 탑저 유출 흐름을 열교환기(231)로 유입시켜 열교환 한 후 제 2 증류탑(201)의 하부 유입구로 유입시켰다. 상기 제 1 증류탑(101)의 탑저 유출구를 통해 유출되어 제 2 증류탑(201)의 하부 유입구로 유입되는 흐름은 153,244 kg/hr로 유지하였으며, 제 2 증류탑(202)의 탑저 재비기를 통한 에너지 공급량은 11.35 Gcal/hr이었다. 제 1 증류탑(101)의 환류비는 4.18이며 제 2 증류탑(201)의 환류비는 3.06이 되도록 제어하였다. 또한, 제 1 증류탑(101)의 탑정 흐름의 온도는 -36.24℃이고, 압력은 15.54 kg/cm2로 유지하였으며, 제 2 증류탑(201)의 탑정 유출구로 배출되는 탑정 증기 흐름(2014)의 온도(T2)는 -36.24℃이고, 압력은 15.54 kg/cm2로 유지하였다. 제 1 증류탑(101)의 탑저 유출구로 배출되는 제 1 증류탑(101)의 탑저 흐름(1055)의 온도(T3)는 -24.00℃로 유지하였고, 제 1 증류탑(102)의 탑저 유출구로 배출되어 제 1 연결 라인(1051)을 통해 열교환기(231)를 거친 후 제 2 증류탑(201)으로 유입되는 제 1 증류탑(101)의 탑저 유출 흐름(1056)의 온도(T1, T4)는 9.01℃였다.
비교예 1 비교예 2 실시예
Feed Rate (kg/hr) 제 1 증류탑 198,846 198,846
제 2 증류탑 198,689 153,244 153,244
Ethylene Product (kg/hr) 제 1 증류탑 150,015 45,162 45,162
제 2 증류탑 - 104,899 104,899
탑내 Liquid 질량유량 (kg/hr) 제 1 증류탑 444,632 153,606 153,606
제 2 증류탑 444,632 353,760 353,760
Condensor Duty (Gcal/hr) 제 1 증류탑 -49.13 -16.19 -16.19
제 2 증류탑 -37.87 -26.38
합계 -49.13 -54.06 -42.57
Reboiler Duty (Gcal/hr) 제 1 증류탑 - -
제 2 증류탑 18.89 11.35 11.36
합계 18.89 11.35 11.36
ΔShaftwork (KW) - - - 1,267
실시예 및 비교예의 증류 장치를 이용하여 에틸렌과 에탄을 분리하는 경우의 원료 물질의 공급량, 에틸렌의 생산량, 탑내 액체의 질량 유량, 응축기에 공급되는 에너지, 재비기에 공급되는 에너지 및 증기 재압축기에 공급되는 에너지를 표 1에 도시하였다. 비교예 2 와 실시예의 경우 Feed Rate는 제 1 증류탑의 탑저에서 유출되어 제 2 증류탑으로 유입되는 흐름의 양을 의미하며, 탑내 액체의 질량 유량은 각 증류탑에서 트레이 마다 아랫단으로 내려가는 액체의 질량 유량을 의미하고, Shaftwork는 증기 재압축기로 공급되는 에너지의 양을 의미한다.표 1을 참조하면, 본 출원의 실시예에 따른 증류 장치를 이용하여 에틸렌과 에탄을 분리하는 경우, 비교예 1에 비해 같은 크기의 증류탑을 사용하여 더 많은 제품을 생산할 수 있으며, 비교예 1 및 2에 비해 증기 재압축기에 1,267 KW만을 공급하여도 제 2 증류탑의 탑정 응축기에 요구되는 에너지 소비량을 큰 폭으로 절감할 수 있다.
101, 102: 제 1 증류탑
201, 202: 제 2 증류탑
91, 111, 112: 제 1 증류탑의 탑정 응축기
211, 212: 제 2 증류탑의 탑정 응축기
121, 122, 131, 221, 222: 저장탱크
231, 232: 열교환기
242: 증기 재압축기
252: 벨브
1011, 1012: 제 1 원료 공급 라인
21: 제 2 원료 공급 라인
151: 제 1 증류탑의 탑저 유출 라인
241, 2011: 제 2 증류탑의 탑정 유출 라인
210: 제 2 증류탑의 하부 유입 라인
261: 제 2 증류탑의 탑저 재비기
81, 1021, 1022: 제 1 증류탑의 탑정 유출 라인
141, 1041, 1042: 제 1 증류탑의 상부 유출 라인
1051, 1052: 제 1 연결 라인
2012, 2022, 2032: 제 2 연결 라인
2061, 2062: 제 2 증류탑의 상부 유출 라인
120, 130, 1030: 제품 배출 라인
110, 1031, 1032: 제 1 증류탑의 상부 유입 라인
2051, 2052: 제 2 증류탑의 상부 유입 라인
2061, 2062: 제 2 증류탑의 상부 유출 라인
251, 271, 2071, 2072: 제 2 증류탑의 탑저 유출 라인
1054, 1055: 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름
1053, 1056: 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되어 제 1 연결 라인을 통해 열교환기를 거친 후 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 유출 흐름
2013, 2014: 제 2 증류탑의 탑정 유출구로부터 배출되는 탑정 증기 흐름

Claims (14)

  1. 탑정 유출구, 탑저 유출구, 상부 유입구, 상부 유출구 및 하부 유입구가 형성되어 있는 제 1 증류탑; 탑정 응축기와 탑저 재비기를 구비하며, 탑정 유출구, 탑저 유출구, 상부 유입구, 상부 유출구 및 하부 유입구가 형성되어 있는 제 2 증류탑; 증기 재압축기; 및 열교환기를 포함하고,
    상기 제 1 증류탑의 하부 유입구로 원료를 공급할 수 있는 제 1 공급 라인; 상기 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출된 흐름이 상기 열교환기를 거쳐 제 2 증류탑의 하부 유입구로 도입되도록 형성된 제 1 연결 라인; 상기 제 2 증류탑의 탑정 유출구로 배출된 흐름이 증기 재압축기를 거친 후 상기 열교환기를 거쳐 제 2 증류탑의 탑정 응축기로 도입되도록 형성된 제 2 연결 라인을 포함하고,
    상기 제 1 연결 라인을 흐르는 흐름과 제 2 연결 라인의 흐르는 흐름이 상기 열교환기에서 열교환되는 증류 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 증기 재압축기는 기계식 증기 재압축기(MVR)인 증류 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 증류탑의 하부 유입구는 탑정을 기준으로 산출된 이론 단수의 80% 내지 100%에 위치하는 증류 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 2 증류탑의 하부 유입구는 탑정을 기준으로 산출된 이론 단수의 60% 내지 90%에 위치하는 증류 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 1 증류탑의 상부 유출구와 제 2 증류탑의 상부 유출구에서 유출되는 생성물은 탄소수 2 내지 12의 알켄인 증류 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 제 2 증류탑의 탑정 유출구로 유출되는 흐름의 온도(T2)와 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되어 열교환기를 거친 후 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T1)의 차이의 절대값(|T2-T1|)은 40℃ 이하인 증류 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T3)와 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되어 열교환기를 거친 후 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T4)의 차이의 절대값(|T3-T4|)은 5℃ 이하인 증류 장치.
  8. 제 1 항의 증류 장치를 사용하여 원료를 증류하는 방법으로서, 제 1 증류탑으로 원료를 유입하여 증류하는 단계; 및 상기 제 1 증류탑의 탑저 흐름을 제 2 증류탑으로 유입하여 증류하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 증류탑의 탑정 흐름을 증기 재압축기로 유입시켜 압축하고, 상기 제 1 증류탑의 탑저 흐름을 상기 압축된 제 2 증류탑의 탑정 흐름과 열교환한 후 제 2 증류탑으로 유입시키는 증류 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 제 2 증류탑의 탑정 흐름의 온도(T2)와 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되어 열교환기를 거친 후 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T1)의 차이의 절대값(|T2-T1|)은 40℃ 이하인 증류 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T3)와 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되어 열교환기를 거친 후 제 2 증류탑으로 유입되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름의 온도(T4)의 차이의 절대값(|T3-T4|)은 5℃ 이하인 증류 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 제 1 증류탑의 탑저 유출구로 배출되는 제 1 증류탑의 탑저 흐름은 열교환기를 거치는 과정에서 기화되는 증류 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 제 1 증류탑의 상부와 제 2 증류탑의 상부에서 저비점 물질을 유출하고, 제 2 증류탑의 탑저에서 고비점 물질을 유출하는 증류 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 저비점 물질과 고비점 물질의 순도가 99중량% 이상이 되도록 제어하는 증류 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 저비점 물질은 탄소수 1 내지 12의 알켄이고 고비점 물질은 탄소수 1 내지 12의 알칸인 증류 방법.
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