KR20190014516A - 냉매 환기 정류기 및 효율 부스터 - Google Patents

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마크 울리히
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Abstract

에틸렌 생산 플랜트와 같은 석유 화학 플랜트에 사용하기 위한 냉각 시스템은 냉매 환기 정류기를 포함한다. 정류기는 저 분자량 불활성 성분을 제거하여 냉매를 정화한다. 그 냉각 시스템은 보다 효율적이고 에너지를 덜 소비하며 플랜트 용량을 증가시킨다.

Description

냉매 환기 정류기 및 효율 부스터
본 발명은 산업 플랜트용 폐쇄 루프 냉각 시스템의 작동을 향상시키기 위한 액체 질소의 사용에 관한 것이다.
많은 산업 공정은 냉각 시스템을 필요로 한다. 예를 들어, 가스 혼합물로부터 올레핀을 회수하는 것은 경제적으로 중요하지만 에너지 집약적인 석유 화학 공정이다. 일반적으로, 가스 혼합물은 (열 분해, 유동 촉매 분해, 또는 유체 코킹 공정을 통해) 증기 존재 하에서 탄화수소 열분해에 의해 생성된다. 그 후, 낮은 온도에서 많은 양의 냉각을 필요로 하는 방법과 같은 극저온 분리 방법이 일반적으로 올레핀을 회수하는 데 사용된다.
보다 구체적인 예는 에틸렌 생산 플랜트이다. 분해 히터 유출물로부터 원하는 생성물을 분리하기 위해서는 냉각이 필요하다. 냉각은 수냉, 폐쇄 사이클 프로필렌 및 에틸렌 시스템, 또는 분리 공정으로부터 가압된 가벼운 가스의 작업 팽창에 의해 제공될 수 있다.
또한, 이러한 유형의 플랜트에서, 플랜트 내의 수많은 용도에 기체 질소가 필요하다. 질소가 극저온 액체로서 플랜트에 전달되는 것은 통상적이다. 액체 질소는 사용 가능한 온도 및 압력에서 질소 가스를 제공하기 위해 기화되고 가열되어야 한다. 통상적으로, 이는 질소를 기화시키고 가열하기 위해 대기 조건에서 공기를 사용하여 수행된다. 질소는 -147℃ 아래에서 기화한다. 기화 및 가열은 에너지 사용을 집약적일 수 있다. 예를 들어, 질소를 35℃ 대기 조건으로 가열하기 위해서는 질소 1g 당 약 83칼로리가 필요하다. 100킬로와트의 냉각을 필요로 하는 플랜트는 일반적으로 1,000kg/hr의 질소를 필요로 할 것이다. 따라서, 질소를 가열하는 데 필요한 에너지는 시간당 8,300만 칼로리의 범위, 예를 들어 상당한 양이다.
도 1은 종래 기술에 공지된 냉각 시스템을 도시한다. 도 1에 도시된 시스템에서, 제2 단계(stage) 냉매 압축기 방출은 냉매 어큐뮬레이터(accumulator)에 들어가기 전에 냉매 응축기에서 응축된다. 냉매 액체는 더 낮은 압력으로 플래싱(flashing)되고, 그 다음에 제2 단계 냉매 사용자에서 부분적으로 기화된다. 냉매는 그 다음에 제2 단계 흡입 드럼으로 들어가서 액체가 제거되고, 그 다음에 제1 단계 냉매 사용자에게 보내져서 냉매가 더 낮은 압력으로 플래싱되고 완전히 기화된다. 제2 단계 흡입 드럼에서 나온 증기는 제2 단계 냉매 압축기로 반환된다. 제1 단계 냉매 사용자로부터의 증기는 제1 단계 흡입 드럼에서 처리되어 임의의 혼입된 액체를 제거하고 제1 단계 냉매 압축기로 보내진다.
에틸렌 플랜트에서 사용하기 위해, 통상적인 폐쇄 루프 냉각 시스템이 도 1에 도시된다. 냉각 시스템의 내재된 한계는 종종 플랜트의 생산 능력을 제한하며, 이는 산업에서 "병목 현상"이라고 한다. 이러한 병목 현상을 해소하기 위해서는 냉각 용량의 추가가 필요할 수 있으며, 이 경우 압축기, 열 교환기, 드럼 등의 값비싼 개조 또는 교체가 필요할 수 있다. 냉각 시스템이 플랜트 병목 현상이 아닐지라도, 냉각 시스템에 냉각 듀티를 추가하고 냉매를 회수하여 불활성 성분을 제거하는 것은 냉매 압축기의 동력 요구를 현저하게 감소시키므로, 에너지 소비 및 연관된 운영 비용이 현저히 감소시킨다.
석유 화학 플랜트와 같은 산업 플랜트에서 사용하기 위한 냉각 시스템의 개선에 대한 당해 기술 분야에서 필요성이 남아 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 관련하여 고려된 예시적인 실시예에 대한 다음의 설명이 참조될 수 있다.
도 1은 본 기술분야에 공지된 냉각 시스템을 도시하는 종래 기술의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각 시스템을 도시하는 개략도이다.
본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 그 적용이 첨부된 도면에 도시된 부품의 구성 및 배열의 세부 사항으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방법으로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 어구 또는 용어는 설명을 위한 것이지 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 도면은 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 축척을 의도하지는 않는다.
본 발명에 따른 냉각 시스템은, 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 냉각 시스템 또는 플랜트 내의 다른 곳에서 재사용을 위해 냉각을 회수하는 수단을 제공한다는 점에서 유리하다. 추가 냉각은 더 높은 냉각 용량에 대한 필요성으로 인해 발생하는 병목 현상과 연관된 문제를 완화시킬 수 있다. 이는 차례로 플랜트 기계에 대한 추가 또는 수정의 필요성을 감소시키거나 없애고, 따라서 자본 지출을 감소시킬 수 있다. 회수된 냉각은 냉각 압축기의 전력 요구를 감소시킴으로써, 에너지 소비를 감소시키고 연관된 운영 비용을 낮추는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 냉각 시스템은 그렇지 않으면 냉매 내에 축적될 수 있는 낮은 분자량 불순물을 제거할 수 있다는 이점을 갖는다. 이러한 불순물은 종종 누출, 열악한 품질의 구성 요소 재료, 불충분한 정화, 및 환기(vent)가 잘 안되는 밀봉을 통해 폐쇄 루프 냉매 시스템에 유입된다. "불활성 성분"이라고 불리는 불순물은 사용되는 보통의 냉매보다 훨씬 낮은 비등점을 가지며 여러 가지 부작용을 일으킬 수 있다.
예를 들어, 불활성 성분은 냉매 방출 압력을 증가시킴으로써 압축기 전력 소모를 증가시킬 수 있다. 불활성 성분은 또한 보다 무거운 보통의 냉매를 대체함으로써 냉각 시스템의 용량을 감소시킬 수 있다. 또한, 불활성 성분은 유입되는 냉매 증기가 응축기의 차가운 표면과 접촉하는 것을 방지함으로써 냉각 효율성을 감소시키는 "블랭킷(blanket)"을 형성하는 냉매 응축기의 상부에 응축 가능하지 않은 증기의 기포를 생성할 수 있다. 불활성 성분의 존재는 또한 냉매 플래시 온도를 낮추고 냉매와 냉각 시스템의 최소 설계 금속 온도 사이의 안전 마진을 감소시킨다. 불활성 성분은 또한 과도한 불활성 성분을 제거하기 위해 냉각 시스템이 환기되어야 할 때 귀중한 냉매의 손실을 야기한다.
본 발명의 냉각 시스템을 사용함으로써, 기화된 액체 질소와의 열 교환을 이용하여 냉매를 냉각시킴으로써 달성되는 증류를 통해 냉매로부터 불활성 성분이 쉽게 제거될 수 있다. 질소는 통상적인 냉각 시스템보다 낮은 온도에 도달할 수 있고, 기화된 질소는 통상적인 용도로 올레핀 플랜트 내에서 사용될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예가 도 2를 참조하여 설명될 것이다. 도 2는 위의 냉각 시스템에 대해 위의 도 1에서 설명된 모든 구성 요소를 포함한다. 특히, 본 발명의 냉각 시스템은 제1 및 제2 단계 냉매 압축기, 제1 및 제2 단계 흡입 드럼, 냉매 응축기, 및 냉매 어큐뮬레이터를 포함하며, 전술한 바와 같이 작동하여 제1 및 제2 단계 냉매 사용자에게 냉매를 제공한다.
본 발명의 냉각 시스템의 작동을 설명하기 위해, 이하의 논의는 에틸렌 생산 플랜트에서의 사용을 언급한다. 본 발명에 따른 냉각 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 냉매 환기 정류기(1)를 포함한다. 정류기(1)는 일반적으로 원통형 단면을 가지며, 정류기(1)로 전환되는 제2 단계 흡입 드럼으로부터의 증기의 일부를 처리하는 데 사용된다. 전환된 증기는 정류기(1)의 하부 섹션으로 공급되고, 팩킹된(packed) 섹션(2)을 통과한다. 팩킹된 섹션(2)에서, 증기는 팩킹된 섹션(2)을 통해 내려 오는 액체를 직접 만나게 된다. 이 액체는 정류기(1)의 상부(3)에 있는 열 교환기(6)에서 응축에 의해 생성되며, 여기에서 질소가 가열되고 기화된다. 액체는 증기로부터 에틸렌을 세척하는 동시에 증기는 액체로부터 불활성 성분(예컨대 메탄)을 제거한다. 정류기의 상부에 도달한 증기는 그러면 플레어(4)로 환기된다. 이 증기는 매우 적은 에틸렌을 함유하고, 대신 증기로부터 씻겨 나와 밸브(5)를 통해 하부로부터 정류기(1)를 빠져나간다. 이 에틸렌은 사실상 불활성 성분이 없다.
도 2에 도시된 바와 같이, 정류기에서 사용되는 질소는 열 교환기(6)로부터 빠져나간다. 이 질소는 플랜트에서 사용하기에 충분히 따뜻하지 않으므로 사용하기 전에 데워져야 할 것이다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 질소는 추가로 처리되어 그 온도를 상승시킨다. 열 교환기(6)를 떠나는 질소는 추가적인 전력을 절약하기 위해 냉각 공정에 대해 가열된다. 제2 단계 냉매 압축기로부터의 증기의 일부는 질소 히터에서 열 교환기(6)로부터의 질소에 대해 과열 저감 및 응축된다. 제2 단계 냉매 압축기의 냉매는 질소를 충분히 따뜻하게 하여 질소 히터를 떠나는 질소가 플랜트의 다른 곳에서 사용될 수 있도록 할 수 있다. 질소 히터를 빠져나가는 냉매는 제2 단계 흡입 드럼과 제1 단계 냉매 사용자 사이의 공정으로 반환된다.
일부 경우에는, 냉매는 불활성 성분의 제거를 필요로 하지 않는다. 그 경우에, 정류기 환기부(4)(도 3 참조)가 폐쇄되고 응축된 모든 냉매가 제1 단계 냉각 사용자에게 반환될 수 있다.
본 발명의 냉매 시스템은 다수의 장점을 제공한다. 본 발명의 시스템은 폐쇄 루프 냉각 시스템으로부터의 불활성 성분의 제거를 가능하게 한다. 이는 냉각 압축기의 환기 압력을 감소시키는 효과를 가져서 압축력을 절약을 가져온다. 또한, 순환하는 냉매는 가벼운 불순물을 함유하지 않는데, 이는 기화하는 냉매가 킬로그램 당 및 리터 당 더 많은 에너지를 흡수할 수 있어 냉각 시스템의 용량을 증가시킴을 의미한다. 또한, 응축기와 같은 장비의 상부를 채울 수 있는 불활성 증기 포켓이 없다. 따라서, 본 발명의 적용은 시스템이 보다 효율적으로 작동하고 기능하도록 한다. 압력 감소 후 냉매의 플래시 온도는 불활성 성분의 존재 없이 따뜻해질 것이며, 이는 냉매 온도와 최소 설계 금속 온도 사이의 설계 마진이 유지되게 한다.
본 발명에 따른 냉매 환기 정류기를 사용함으로써, 환기되는 증기가 정화되고 불활성 성분이 제거되는 동안 귀중한 냉매의 손실이 감소된다. 불활성 성분 환기 응축기는 또한 저압 냉매를 응축시키고 가장 차가운 사용자에게 액체 냉매를 공급하는 역할을 한다. 이것은 냉각 시스템의 작동을 향상시킨다.
불활성 성분이 시스템에서 제거될 필요가 없는 경우에도, 본 발명의 냉매 환기 정류기를 사용함으로써, 전체 플랜트 효율성이 개선될 수 있다.
상기 설명은 에틸렌 생산 플랜트에서의 본 발명의 용도를 언급한다. 이러한 에틸렌 플랜트의 경우, 본 발명은 임의의 폐쇄된 메탄, 에틸렌, 또는 프로필렌 냉각 시스템에서 냉매를 정화하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 그렇게 제한되지는 않는다. 본 발명은 또한 임의의 폐쇄 루프 냉각 시스템(예를 들어, 메탄, 에틸렌, 프로필렌)에서 냉매를 정화하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 시스템은 에틸렌 또는 다른 생산 플랜트에서 사용하기 위한 혼합 냉각 시스템에 사용될 수 있다. 통상적인 혼합 냉각 시스템은 메탄을 함유할 것이고, 가능한 한 많은 응축 가능하지 않은 수소 및 질소 불활성 성분을 시스템에서 제거하는 것이 바람직하다. 그런 시스템을 위한 메탄을 보충하는 것은 통상적으로 수소 및 질소 불순물을 포함한다. 본 발명의 시스템은 과도한 메탄 손실 없이 시스템으로부터 수소 및 질소를 제거한다.
본 발명의 시스템은 또한 천연 가스 액화 플랜트, 공기 조절 유닛, 및 저온 저장 유닛에 사용되는 것과 같은 다른 폐쇄 루프 냉각 시스템에서 사용될 수 있다. 다시, 그러한 폐쇄 루프 시스템으로부터 불활성 성분(예컨대 질소)을 제거하는 것은 상술한 많은 장점을 제공한다.
본 명세서에 설명된 실시예는 단지 예시적인 것이며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 변형 및 수정을 할 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 모든 변형 및 수정은 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 전술한 실시예는 대안적인 것일 뿐만 아니라 조합될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 산업 플랜트용 냉각 시스템에 있어서,
    상기 냉각 시스템은
    입구 및 출구를 갖는 제1 단계 냉매 사용자;
    입구 및 출구를 갖는 제2 단계 냉매 사용자;
    입구 및 출구를 갖는 제1 단계 흡입 드럼;
    입구, 액체 출구, 및 증기 출구를 갖는 제2 단계 흡입 드럼;
    입구 및 출구를 갖는 제1 단계 냉각 압축기;
    제1 입구, 제2 입구, 및 출구를 갖는 제2 단계 냉각 압축기;
    입구 및 출구를 갖는 냉매 응축기;
    입구 및 출구를 갖는 냉매 어큐뮬레이터; 및
    냉매 환기 정류기;를 포함하고,
    상기 제1 단계 냉매 사용자의 입구는 상기 제2 단계 흡입 드럼의 액체 출구에 유체 연결되고, 상기 제1 단계 냉매 사용자의 출구는 상기 제1 단계 흡입 드럼의 입구에 유체 연결되고;
    상기 제1 단계 흡입 드럼의 출구는 상기 제1 단계 냉각 압축기의 입구에 유체 연결되고;
    상기 제1 단계 냉각 압축기의 출구는 제2 단계 냉각의 제1 입구에 유체 연결되고;
    상기 제2 단계 냉각 압축기의 출구는 상기 냉매 응축기의 입구에 유체 연결되고;
    상기 냉매 응축기의 출구는 상기 냉매 어큐뮬레이터의 입구에 유체 연결되고;
    상기 냉매 어큐뮬레이터의 출구는 상기 제2 단계 냉매 사용자의 입구와 유체 연결되고;
    상기 제2 단계 냉매 사용자의 출구는 상기 제2 단계 흡입 드럼의 입구에 유체 연결되고;
    상기 제2 단계 흡입 드럼의 증기 출구는 상기 제2 단계 냉각 압축기의 제2 입구에 유체 연결되고;
    상기 제2 단계 흡입 드럼의 증기 출구는 또한 상기 냉매 환기 정류기의 입구에 연결되고;
    상기 냉매 환기 정류기는 입구를 구비하고 팩킹된 섹션을 수용하는 하부 부분, 열 교환기를 수용하는 상부 부분, 및 상기 냉매 환기 정류기의 내부와 연통하는 상기 냉매 환기 정류기의 상부에 있는 환기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 플랜트용 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 폐쇄 루프 냉각 시스템인 것을 특징으로 하는 산업 플랜트용 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단계 냉매 사용자는 상기 산업 플랜트의 열 교환기이고, 상기 제2 단계 냉매 사용자는 상기 산업 플랜트의 열 교환기인 것을 특징으로 하는 산업 플랜트용 냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    질소 입구, 질소 출구, 냉매 입구, 및 냉매 출구를 갖는 질소 히터를 더 포함하며, 상기 냉매 환기 정류기의 열 교환기의 출구는 상기 질소 히터의 질소 입구에 유체 연결되고, 상기 제2 단계 냉각 압축기의 출구는 또한 상기 질소 히터의 냉매 입구에 유체 연결되고, 상기 질소 히터의 냉매 출구는 상기 제1 단계 냉매 사용자의 입구에 유체 연결되는 것을 특징으로 하는 산업 플랜트용 냉각 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산업 플랜트는 에틸렌 생산 플랜트인 것을 특징으로 하는 산업 플랜트용 냉각 시스템.
  6. 산업 플랜트에 냉매를 제공하는 방법에 있어서,
    제1 단계 냉매 사용자, 제2 단계 냉매 사용자, 제1 단계 흡입 드럼, 제2 단계 흡입 드럼, 제1 단계 냉각 압축기, 제2 단계 냉각 압축기, 냉매 응축기, 냉매 어큐뮬레이터, 및 냉매 환기 정류기를 갖는 냉각 시스템을 확립하는 단계;
    상기 제2 단계 흡입 드럼을 빠져나가는 냉매 증기의 일부를 환기 정류기의 하부 섹션으로 전환시키는 단계;
    상기 환기 정류기의 상부 섹션에 수용된 열 교환기 상에서 응축에 의해 액체를 생성하는 단계;
    전환된 냉매 증기를 상기 환기 정류기의 팩킹된 섹션을 통해 상향으로 통과시키는 단계;
    상기 환기 정류기의 팩킹된 섹션 아래를 통해 상기 액체를 통과시키는 단계;
    상기 전환된 냉매 증기를 상기 액체와 접촉시킴으로써 상기 팩킹된 섹션에서 상기 전환된 냉매 증기로부터 에틸렌을 세척하는 단계;
    상기 액체를 상기 전환된 냉매 증기와 접촉시킴으로써 상기 팩킹된 섹션에서 상기 액체로부터 불활성 재료를 제거하는 단계; 및
    상기 환기 정류기의 상부 섹션에 도달한 임의의 전환된 냉매 증기를 환기시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 플랜트에 냉매를 제공하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 폐쇄 루프 냉각 시스템인 것을 특징으로 하는 산업 플랜트에 냉매를 제공하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 단계 냉매 사용자는 상기 산업 플랜트의 열 교환기이고, 상기 제2 단계 냉매 사용자는 상기 산업 플랜트의 열 교환기인 것을 특징으로 하는 산업 플랜트에 냉매를 제공하는 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2 단계 냉매 압축기로부터의 냉매 증기의 일부를 사용하여 질소 히터에서 상기 환기 정류기의 열 교환기를 빠져나가는 질소를 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산업 플랜트에 냉매를 제공하는 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 산업 플랜트는 에틸렌 생산 플랜트인 것을 특징으로 하는 산업 플랜트에 냉매를 제공하는 방법.
  11. 냉매 시스템용 환기 정류기에 있어서,
    상기 정류기는 냉매를 수신하기 위한 하부 섹션, 상기 하부 섹션 위의 팩킹된 섹션, 상기 팩킹된 섹션 위의 상단 섹션, 열 교환기를 수용하는 상부 섹션, 및 상기 상단 섹션 위의 환기부를 포함하는 일반적으로 원통형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 냉매 시스템용 환기 정류기.
  12. 폐쇄 루프 냉각 시스템에서 냉매 증기로부터 에틸렌을 제거하는 방법에 있어서,
    냉각 시스템으로부터 냉매 증기의 일부를 환기 정류기로 전환시키는 단계 - 상기 정류기는 전환된 냉매 증기를 수신하기 위한 하부 섹션, 상기 하부 섹션 위의 팩킹된 섹션, 상기 팩킹된 섹션 위의 상단 섹션, 열 교환기를 수용하는 상부 섹션, 및 상기 상단 섹션 위의 환기부를 구비한 일반적으로 원통형 단면을 가짐 -;
    상기 환기 정류기의 상단 섹션에 있는 열 교환기 상에서 응축에 의해 액체를 생성하는 단계;
    상기 전환된 냉매 증기를 상기 환기 정류기의 팩킹된 섹션을 통해 상향으로 통과시키는 단계;
    상기 환기 정류기의 팩킹된 섹션 아래를 통해 상기 액체를 통과시키는 단계; 및
    상기 전환된 냉매 증기를 상기 액체와 접촉시킴으로써 상기 팩킹된 섹션에서 상기 전환된 냉매 증기로부터 에틸렌을 세척하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 냉각 시스템에서 냉매 증기로부터 에틸렌을 제거하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 액체를 상기 전환된 냉매 증기와 접촉시킴으로써 상기 팩킹된 섹션에서 상기 액체로부터 불활성 재료를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 냉각 시스템에서 냉매 증기로부터 에틸렌을 제거하는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 환기 정류기의 상단 섹션에 도달한 임의의 전환된 냉매 증기를 환기시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 냉각 시스템에서 냉매 증기로부터 에틸렌을 제거하는 방법.
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