KR20210032211A - 흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법 - Google Patents

흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에틸렌 및 부텐을 원료로 이용해 흡착분리 공정 및 올레핀 전환 공정으로서 프로필렌 전환 반응공정을 결합하여 프로필렌을 제조함으로써, 촉매 반응 및 공정의 효율성을 개선하고, 공정의 운영비용을 절감하는 효과를 갖는다.

Description

흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법{Preparation method for Propylene combining Adsorption separation with Olefin converstion process}
본 발명은 흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 에틸렌을 포함하는 흐름 및 부텐을 포함하는 흐름을 원료로 이용하여 흡착분리 공정을 통한 부텐을 포함하는 흐름을 사전 분리하고, 상기 분리된 흐름을 프로필렌 전환 공정으로 주입해 프로필렌을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 프로필렌 전환 공정과 흡착분리 공정을 결합함으로써 운전비용을 절감하고, 생산 효율을 높이는 특징을 갖는다.
세계적으로 석유 화학 공업의 대부분은 화학섬유 등의 기초원료로 사용되는 파라자일렌의 수요와 공급 불균형에 따른 수익성 악화로 파라자일렌의 생산 비중을 줄이는 대신, 최근 나프타 가격 하락으로 상기 나프타를 원료로 사용하는 경질 올레핀 제조원가가 감소하였고, 그에 따라 수익성이 크게 향상되어, 합성수지, 합성고무 및 알코올 등의 원료가 되는 경질 올레핀의 생산 및 이를 이용한 다양한 화학 제품 생산 등에 주력하고 있다.
경질 올레핀은 나프타 분해를 통해 얻어지는 에틸렌, 부텐 및 프로필렌을 의미하는 것으로, 다양한 화학제품 제조에 있어 필수적인 석유화학 산업 기초 원료이며, 경질 올레핀, 그 중 특히 다양한 플라스틱 등의 제품 원료로 사용되는 프로필렌의 수요가 늘어남에 따라 상기 프로필렌을 효율적이고, 경제적으로 필요한 수요를 충족할 수 있는 생산 기술에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
프로필렌을 제조하는 방법으로는 일반적으로 나프타 크래킹 공정에서 얻을 수 있으며, 특히 1,3-부타디엔, 이소부텐 및 부텐-1을 제조하는 공정에서 나오는 부산물인 C4 라피네이트(Raffinate)를 주원료로 하여 선택적인 수소첨가 반응을 거쳐 부타디엔 및 C4 아세틸렌류를 제거한 후 2-부텐 및 에틸렌을 이용하여 C4 이성질화(Isomerization) 및 올레핀 복분해(Metathesis) 반응을 통해 프로필렌을 제조하는 올레핀 전환공정(Olefin Convsrsion Unit, OCU)이 알려져 있다.
상기 공정에서, 복분해 반응 시 이용하는 C4 올레핀 혼합물에는 부타디엔, 이소부텐, 이소 및 노멀 부탄, 1-부텐 및 2-부텐이 포함되며, 상기 복분해 반응은 상기 원료 중 2-부텐과 에틸렌을 이용해 프로필렌을 생산하는 반응이나, 상기 원료에 포함된 1-부텐이 에틸렌과 반응하진 않지만, 프로필렌 보다 낮은 상업적 가치를 가지는 헥센 및 펜텐이 생성됨에 따라 프로필렌 제조에 대한 선택도 손실이 생겨, 프로필렌 제조 효율성을 감소시키게 된다.
이에 대하여, 최근 공개된 연구들 중 한국 공개특허 제10-2007-0090886호에서 C4 올레핀 혼합물을 고정층 장치에서 n-부텐 및 이소부틸렌을 포함하는 올레핀과 파라핀들을 이용해 수소이성질체화시킴으로써 2-부텐을 통한 프로필렌을 제조하여 촉매 효율성을 높이는 것에 대한 보고가 있었으며, 한국 공개특허 제10-2018-0099884호에서는 이성질체화 촉매 및 복분해 촉매로서 불균등화 촉매를 포함하는 촉매 조성물을 이용하여 부텐과 에틸렌의 일정 비율의 조합을 원료로 반응시킴으로써 프로필렌을 제조하는 기술이 알려져 있으며, 이러한 발명들을 통해 촉매의 활성을 개선하거나, 공정 과정을 변경하여 효율성을 개선하고자 하였으나, 부텐 이성질체화 시키는 과정에 사용되는 촉매의 활용방법에 있어 개선의 필요성이 있다.
또한, 종래 프로필렌 제조 공정에 있어서, 반응 외 물질이 포함됨에 따라 반응기 및 증류탑 등의 설비 규모를 늘리게 되어 운전 비용 및 효율성을 개선할 필요성도 있었다.
따라서, 본 발명은 흡착분리 공정을 통해 부탄 및 부텐을 포함하는 원료로부터 부텐만을 정제하여 사전 분리시키고, 상기 공정에서 분리된 부텐이 다량 포함된 부텐이 풍부한 흐름을 이용해 올레핀 전환 공정으로서의 프로필렌 전환 반응기를 거쳐 프로필렌을 제조하는 방법에 관한 것으로, 프로필렌 전환 공정과 흡착분리 공정을 결합함으로써 운전비용을 절감하고, 생산 효율을 높일 수 있는 프로필렌 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 흡착분리 공정을 통해 부텐을 포함하는 원료로부터 부텐만을 사전 분리시키고, 상기 공정에서 분리된 부텐이 풍부한 흐름을 이용해 올레핀 전환 공정으로서의 프로필렌 전환 반응기를 거쳐 프로필렌을 제조하여, 공정 효율을 높이는 프로필렌 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 에틸렌을 포함하는 원료 및 부텐을 포함하는 원료를 이용하여 프로필렌을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 프로필렌 제조방법은, 하기 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 에틸렌을 포함하는 원료(에틸렌 원료) 및 부텐을 포함하는 원료(부텐 원료)를 흡착분리공정에 주입하여 부텐이 풍부한 흐름 및 부텐이 부족한 흐름으로 분리하는 (1)단계;
상기 (1) 단계에서 분리한 부텐이 풍부한 흐름을 프로필렌 전환 반응기에 주입하여 프로필렌을 생성하는 (2)단계;
상기 (2) 단계의 반응 생성물을 1차 증류탑에 주입하여 상기 1차 증류탑의 하부에서 탄소수 3개 이상의 유분(C3+)을 분리하는 (3)단계; 및
상기 (3) 단계에서 분리한 상기 탄소수 3개 이상의 유분(C3+)을 2차 증류탑으로 주입하여 상기 2차 증류탑 상부에서 프로필렌을 분리하여 회수하는 (4)단계를 포함한다.
상기 기재된 프로필렌 제조방법에 있어서, 상기 (1)단계의 상기 흡착분리공정에서 상기 에틸렌을 포함하는 원료(에틸렌 원료)에 포함된 에틸렌을 탈착제로서, 상기 흡착분리공정에 주입하고, 통상의 제올라이트의 상대적 흡착력에 따라, 상기 부텐을 포함하는 원료(부텐 원료)에 포함되어 있는 부텐을 선택적으로 흡착 및 분리하는 것이다.
상기 흡착분리공정으로부터 분리되는 부텐이 풍부한 흐름은, 상기 흡착분리공정에서 분리되는 흐름 중 상기 흐름에 포함된 탄소수 4개인 유분 중에서 부텐의 함량이 80중량% 이상을 포함하는 흐름을 의미하는 것이며, 바람직하게는 90중량%이상, 더욱 바람직하게는 95%중량% 이상인 흐름을 의미한다.
예를 들어, 상기 흡착분리공정에서 분리된 흐름 중에 에틸렌 40wt%, 부탄 5wt%, 부텐 55wt%를 포함하는 흐름이 있다면, 탄소수 4개인 유분인 부탄 및 부텐 중 부텐의 함량이 55/60인 약 91.7wt%로서, 이 흐름은 부텐이 풍부한 흐름에 해당한다.
또한, 상기 흡착분리공정으로부터 분리되는 부텐이 부족한 흐름은, 상기 흡착분리공정에서 분리된 흐름에 포함된 C4 유분들 중에서 부텐의 함량이 20중량% 이하를 포함하는 흐름을 의미하는 것이며, 바람직하게는 10중량% 이하, 더욱 바람직하게는 5중량% 이하의 유분을 의미한다.
다만, 상기 흡착분리공정에서 분리되는 흐름에 포함된 부텐의 함량에 대한 기준은 상기 부텐이 본원발명의 제조방법에 따른 흡착분리의 재순환 과정의 그 중간생성물에 해당하므로, 부텐의 흐름을 분리하는 수치 기준은 상기에서의 함량 기준에 한정되는 것은 아니다.
상기 흡착분리공정으로부터 분리된 부텐이 부족한 흐름은, 에틸렌회수탑으로 주입되어 탄소수 2개 이하(C2-) 또는 탄소수 4개 이상(C4+)을 포함하는 흐름으로 분리한다.
상기 에틸렌회수탑에서 분리하는 탄소수 2개 이하의 유분(C2-)은 흡착분리공정으로 회수시키고, 상기 에틸렌회수탑에서 분리하는 탄소수 4개 이상의 유분(C4+)은 프로필렌 전환 반응기에 주입한다.
통상의 프로필렌 전환 반응기는 C4 유분으로 부타디엔, 이소부틸렌 및 1-부텐을 제거한 흐름을 이용하게 되는데, 이 원료의 조성으로는 n-부탄 20~30 중량%, 2-부텐 60~70 중량%, 그 외 물질이 5 중량%미만을 통상 포함하는 것이며, 상기 부탄 및 부텐의 C4 유분을 원료로 이용해 프로필렌으로 전환 반응시키는 것인데, 이때 미반응 부텐을 회수하여 재순환(recycle)시키며, 상기 재순환 흐름에 프로필렌 전환 반응에 참여하지 않는 부탄(butane)도 함께 재순환 되게 된다.
이에 대해, 본 발명에서는 상기 (1)단계의 흡착분리공정을 추가하고, 상기 공정에서 올레핀(부텐)만을 선택적으로 흡착하는 제올라이트(Molecular sieve)를 사용하여 부텐만을 흡착시켜 유분에 포함된 부텐을 선택적으로 분리하고, 제올라이트에 대하여 상기 부텐보다 상대적 흡착세기가 더 강한 에틸렌을 포함하는 흐름(에틸렌 원료)을 이용하여 흡착된 상기 부텐을 탈착시켜 분리 및 정제시킨다.
상기 흡착분리공정에서의 반응온도는 20 ~ 150℃이고, 반응 압력으로는 1 ~ 20kgf/cm2를 이용한다.
상기 흡착분리공정에서 분리된 흐름 중, 에틸렌을 포함하는 부텐이 풍부한 흐름을, 상기 에틸렌회수탑에서 분리된 탄소수 4개 이상의 유분(C4+)과 함께, 프로필렌 전환 반응기에 주입하고, 통상의 금속 산화물 촉매를 이용하여 흐름에 포함된 상기 에틸렌과 부텐을 복분해시켜, 프로필렌을 제조한다.
상기 (3)단계의 상기 1차 증류탑은 상기 1차 증류탑 상부에서 탄소수 2개 이하의 유분(C2-)을 분리하고, 상기 탄소수 2개 이하의 유분(C2-)을 상기 프로필렌 전환 반응기 또는 상기 흡착분리 공정 중 선택된 어느 하나 이상으로 재순환시킬 수 있다.
상기 1차 증류탑에서 분리된 탄소수 3개 이상의 흐름(C3+)은 2차 증류탑에 주입하여, 상기 2차 증류탑으로부터 탑정에서 프로필렌 제품을 제조하고, 나머지는 탑저 및 중간에서 분리하며, 상기 2차 증류탑 중간에서 프로필렌으로 전환되지 못한 부텐(미반응 부텐)을 상기 프로필렌 전환 반응기로 회수한다.
상기 2차 증류탑 하부에서 분리된 흐름은 3차 증류탑에 주입하고, 상기 3차 증류탑 상부에서 탄수소 4개의 부탄(C4s)을 분리하여 수첨반응기를 통한 LPG의 생산이나, 납사 크래커의 원료로 활용함으로써, 공정의 반복에 따라 부텐 외의 C4가 축적되는 문제를 해소하고, 부산물인 탄소수 5개 이상(C5+) 흐름을 따로 분리하여 처리할 수 있게 된다.
본 발명은 부텐이 풍부한 흐름으로 사전분리하는 흡착분리 공정을 올레핀 전환 공정으로서의 프로필렌 전환 반응공정에 결합하여 프로필렌을 제조함으로써, 촉매 반응 및 프로필렌 제조 공정의 효율성을 개선하고, 공정의 운영비용을 절감하는 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술의 흐름도이다.
도 2는 본원 발명의 바람직한 실시양태에 대한 흐름도이다.
본 발명은, 에틸렌을 포함하는 흐름 및 부텐을 포함하는 흐름을 원료로 이용하여 흡착분리 공정에서 부텐을 포함하는 흐름을 사전 분리하여 정제한 후 프로필렌 전환 반응기를 통해 프로필렌 제조하여 분리하는 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명하나, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예
에틸렌을 포함하는 흐름(에틸렌 원료) 및 부텐을 포함하는 흐름(부텐 원료)을 원료로 이용해, 프로필렌 전환 반응기에 유입시키기 전에 흡착분리공정으로 주입한다.
상기 에틸렌을 포함하는 흐름(에틸렌 원료)을 원료로서, 흡착분리공정, 프로필렌 전환 반응기 또는 1차 증류탑 상부 중 선택된 어느 한 곳 이상으로 주입할 수 있다.
상기 흡착분리공정에서 분리되는 흐름 중 부텐이 풍부한 흐름은, 상기 (1)단계의 흡착분리공정에서 분리되어 에틸렌을 포함하는 것으로서, 상기 부텐이 풍부한 흐름 중, 본 발명의 온도 및 압력 조건에 따라, 제올라이트를 이용하여 상기 흐름내의 부텐을 흡착시킴으로써, 원료내의 부탄을 부텐으로부터 분리하고, 상기 흡착된 부텐에 에틸렌을 포함하는 흐름을 탈착제로 이용하여 탈착 및 정제시킨다.
상기 부텐이 풍부한 흐름은 상기 (1)단계의 흡착분리공정에서 분리되는 흐름에 포함된 C4 유분에서 부텐의 함량이 90중량% 이상인 흐름인 것이고, 상기 부텐이 부족한 흐름은 상기 (1)단계의 흡착분리공정에서 분리되는 흐름에 포함된 C4 유분에서의 부텐 함량이 10중량% 이하인 흐름이다.
상기 분리된 부텐이 풍부한 흐름은 프로필렌 전환 반응기에 주입하고, 통상의 금속 산화물 촉매를 이용하여 상기 흐름에 포함된 에틸렌과 부텐의 복분해 반응을 통해 프로필렌으로 전환시킨다.
상기 부텐이 부족한 흐름은 에틸렌회수탑에 주입하여, 탄소수 2개인 흐름(C2-)과 4개 이상인 흐름(C4+)으로 분리하고, 이 중 탄소수 2개인 흐름(C2-)은 다시 흡착분리공정으로 회수시키고, 상기 4개 이상인 흐름(C4+)을 상기 프로필렌 제조 반응기에 주입한다.
상기 프로필렌 전환 반응기의 생성물을 통상적인 증류탑의 원리를 이용하는 1차 증류탑에 주입시키고, 탄소수 3개 이상인 흐름(C3+)을 증류탑 하부로부터 분리해 2차 증류탑으로 주입하고, 상부에서의 탄소수 2개 이하인 흐름(C2-)을 흡착분리공정 또는 프로필렌 전환반응기 중 선택되는 어느 하나 이상의 공정으로 재순환 시킨다.
상기 1차 증류탑에서 분리된 상기 탄소수 3개 이상인 흐름(C3+)을 2차 증류탑에 주입시켜 상기 2차 증류탑의 탑정으로부터 프로필렌 제품을 제조하고, 프로필렌으로 전환되지 못한 부텐(미반응 부텐)을 회수하기 위해, 상기 2차 증류탑의 중간에서 미반응 부텐을 프로필렌 전환 반응기로 회수하고, 부탄을 포함한 나머지 유분을 3차 증류탑으로 상기 2차 증류탑 탑저에서 분리하여 주입한다.
비교예
상기 실시예의 부텐의 흐름을 원료로 이용하며, 에틸렌을 포함하는 흐름과 함께 프로필렌 전환 반응기에 바로 주입하여, 통상의 금속산화물 촉매를 이용해 전환시킨다. 이후의 공정은 상기 실시예와 동일하다. 통상적으로 상기 프로필렌 전환 반응기의 전환율은 약 70%이며, 상기 프로필렌 전환 반응기에서 반응되지 않은 미반응 부텐 및 에틸렌을 1차 증류탑에서 다시 회수해 전환 반응시킨다.
실시예 및 비교예
통상적으로 프로필렌 전환 반응기의 전환율은 약 60~70%이며, 상기 프로필렌 전환 반응기에서 반응되지 않은 에틸렌과 부텐을 각각 1차/2차 증류탑에서 다시 회수하여 반응시킨다.
그러나 부탄과 부텐은 그 비점이 비슷하여 분리가 쉽지 않아 회수 시 다량의 부탄 역시 재순환됨으로써, 이러한 흐름이 누적되어 재순환 유량이 늘어나게 되고, 이로 인해 반응기 또는 증류탑의 크기와 상기 부탄 및 부텐의 분리를 위한 에너지 소비량 역시 많아지는데, 실시예의 경우 프로필렌 전환 반응기로 유입되기 전에 흡착 분리 공정을 거치면서 부탄이 대부분 제거되게 된다.
Aspen을 활용하여 실시예 및 비교예 모사를 진행하였을 때, 그 결과를 표 1에 요약하였다.
비교예의 프로필렌 전환 반응기에서의 복분해 반응(METATHESIS)의 경우, 전환율이 낮아 일반적으로 2차 증류탑에서 부텐을 재순환(RECYCLE)시킨다.
재순환되는 유량이 감소하면서 반응기로 유입되는 유량이 약 30% 감소하였고 이로 인해 각 증류탑으로 유입되는 유량 또한 최대 70%까지 감소되었다. 1~3차 증류탑에서 분리를 위해 필요한 열량 역시 비교예는 12.6Gcal/hr인데 반해, 실시예는 9.4 Gcal/hr로 약 25% 감소하였다.
본 발명의 실시예를 통해, 프로필렌 전환 반응기에 주입하는 흐름내의 부텐의 농도를 높임으로써, 상기 프로필렌 전환 반응기 및 후단 공정에서의 용량을 줄일 수 있고, 이에 따른 설비, 운전 및 촉매 비용을 절감 시킬 수 있으며, 반응물 내의 부탄 흐름 감소로 인해 pre-heater 열량 감소에 따른 에너지 비용 감소 효과를 얻을 수 있다.
Figure pat00001
또한, 상기 본 발명의 프로필렌 전환 반응기 전 단계에서 부탄 및 부텐을분리함으로써, 후행 단계에서 분리하는 공정보다 원료에 포함된 부탄을 수용하기 위해 상기 프로필렌 전환 반응기를 비롯한 반응기 및 증류탑 등의 시설공정의 용량을 늘릴 필요가 없어, 시설 설치 및 운전 비용의 절감과 효율성을 개선하는 효과도 얻을 수 있다.

Claims (6)

  1. 에틸렌을 포함하는 원료 및 부텐을 포함하는 원료를 이용하여 프로필렌을 제조하는 방법으로서,
    상기 에틸렌을 포함하는 원료 및 부텐을 포함하는 원료를 흡착분리공정에 주입하여 부텐이 풍부한 흐름 및 부텐이 부족한 흐름으로 분리하는 (1)단계;
    상기 (1) 단계에서 분리한 부텐이 풍부한 흐름을 프로필렌 전환 반응기에 주입하여 프로필렌 생성하는 (2)단계;
    상기 (2) 단계의 반응 생성물을 1차 증류탑에 주입하여 상기 1차 증류탑의 하부에서 탄소수 3개 이상의 유분을 분리하는 (3)단계; 및
    상기 (3) 단계에서 분리한 상기 탄소수 3개 이상의 유분을 2차 증류탑으로 주입하여 상기 2차 증류탑 상부에서 프로필렌을 분리하여 회수하는 (4)단계를 포함하는 흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (1)단계의 상기 흡착분리공정에서 상기 에틸렌을 포함하는 원료에 포함된 에틸렌을 탈착제로 이용하는 것을 특징으로 하는 흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부텐이 부족한 흐름을 에틸렌회수탑에 주입하여, 탄소수 2개 이하의 유분 및 탄소수 4개 이상의 유분으로 분리하고, 상기 탄소수 2개 이하의 유분은 상기 흡착분리공정으로 주입하고, 상기 탄소수 4개 이상의 유분을 프로필렌 전환 반응기에 주입하는 것을 특징으로 하는 흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (3)단계의 상기 1차 증류탑은 상기 1차 증류탑 상부에서 탄소수 2개 이하의 유분을 분리하고, 상기 탄소수 2개 이하의 유분을 상기 프로필렌 전환 반응기 또는 상기 흡착분리 공정 중 선택된 어느 하나 이상으로 회수하는 것을 특징으로 하는 흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부텐이 풍부한 흐름은 상기 (1)단계의 흡착분리공정에서 분리되는 에틸렌을 포함하는 C4 유분 중 부텐의 함량이 90중량% 이상인 흐름이고, 상기 부텐이 부족한 흐름은 상기 (1)단계의 흡착분리공정에서 분리되는 에틸렌을 포함하는 C4 유분 중 부텐의 함량이 10중량% 이하인 흐름인 것을 특징으로 하는 흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (1) 단계의 흡착분리공정은 반응온도가 20~150℃이고, 반응압력은 1~20kgf/cm2인 것을 특징으로 하는 흡착분리 및 올레핀 전환 공정을 결합한 프로필렌 제조방법.
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