KR20240018766A - 원유로부터 플라스틱 원료를 생산하는 시스템 - Google Patents

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KR20240018766A
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Abstract

본 발명은,
원유를 분별증류하여 각 단에서 배출하는 증류탑과,
상가 증류탑의 각 단에서 분별증류되어 배출되는 원유가스를 유입하도록 상기 증류탑에 연통되고, 물을 상기 원유가스와 간접적으로 열교환시켜 스팀을 생성하는 복수의 증발기와,
상기 증발기에 각각 연통되고, 상기 증발기에서 각각 생성되는 스팀을 순차적으로 흡입하여 이송하도록 서로 연통된 복수의 압축기와,
상기 복수의 압축기에 의해 이송된 스팀을 압축하는 제2 압축기와,
상기 증류탑에서 배출되는 원유가스 중 경질 나프타와 중질 나프타를 유입하도록 상기 증류탑에 연통되고, 경질 나프타와 중질 나프타를 촉매반응시켜 LPG와 방향족화합물과 개질유를 배출하는 반응기와,
상기 반응기와 연통되어, LPG는 가스로 배출하고 방향족화합물과 개질유는 액체로 배출하는 제2증류탑과,
상기 방향족화합물과 개질유를 유입하도록 상기 제2 증류탑과 연통되고, 상기 방향족화합물과 개질유를 상기 제2 압축기에서 배출되는 스팀과 간접적으로 열교환시켜 증기상태의 방향족화합물과 개질유는 상기 제2 증류탑에 열원으로 공급하고 액체상태의 방향족화합물과 개질유는 배출하도록 구성된 박막강하식 증발기로 구성된 리보일러를 포함하는 것을 특징으로 하는 원유로부터 플라스틱 원료를 생산하는 시스템을 제공한다.

Description

원유로부터 플라스틱 원료를 생산하는 시스템{SYSTEM FOR PRODUCING PLASTIC MATERIAL FROM CRUDE OIL}
본 발명은 원유로부터 플라스틱 원료를 생산하는 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 원유의 분별증류에 의해 생성되는 나프타를 정제하여 가전, 섬유, 건설, 자동차 등등의 산업에 널리 사용되는 폴리에틸렌과 폴리에스테르 등의 플라스틱 원료로 공급되는 방향족화합물(aromatics)과 개질유(refomate)를 생산함에 있어서 스팀을 활용하여 생산 공정을 개선한 시스템에 관한 것이다.
정유사로 공급되는 원유를 석유화학원료로 정제하는 기술이 널리 이용되고 있다. 특히, 기업들은 대형 증류탑을 이용하여 원유를 나프타, 등유, 디젤, 중유 등등으로 분별증류하여 여러 공정에 공급한다. 이때 발생된 나프타는 촉매반응을 통해 방향족화합물과 개질유로 생산되어, 폴리에틸렌, 폴리에스테르 등의 산업용 플라스틱 제품의 원료로 공급되고 있다.
종래기술에 따르면 나프타를 정제한 후 증류탑에서 방향족화합물과 개질유를 생산하는데, 증류탑에 리보일러(reboiler)가 열원으로 사용되고 있다.
리보일러를 작동시키기 위해서는 고온의 열이 필요하므로 에너지 소모량이 크다. 특히 스팀을 사용하는 경우에는 약 40barA 정도의 고압의 스팀이 필요하며, 고압의 스팀을 공급하는데 필요한 장치를 설치하기 위해 초기비용이 많이 들며, 나아가 해당 장치의 운전 및 유지보수에도 계속 비용이 많이 소요되는 문제가 있다.
등록특허 10-2410057 (2022년6월16일 공고)
본 발명은, 플라스틱 원료를 생산하는 증류탑에 사용되는 리보일러의 열원으로 사용되는 스팀을 효율적으로 생산하여 공급함으로써, 플라스틱 원료의 생산공정을 개선하는 것을 목적으로 한다.
특히, 스팀을 별도의 장치에 의해 생산하지 않고, 증류탑의 각 단에서 배출되는 원유증기의 열을 이용하여 효율적으로 스팀을 생산하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 생성된 스팀을 수집하는데 필요한 동력을 최소화하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
원유를 분별증류하여 각 단에서 배출하는 증류탑과,
상가 증류탑의 각 단에서 분별증류되어 배출되는 원유가스를 유입하도록 상기 증류탑에 연통되고, 물을 상기 원유가스와 간접적으로 열교환시켜 스팀을 생성하는 복수의 증발기와,
상기 증발기에 각각 연통되고, 상기 증발기에서 각각 생성되는 스팀을 순차적으로 흡입하여 이송하도록 서로 연통된 복수의 압축기와,
상기 복수의 압축기에 의해 이송된 스팀을 압축하는 제2 압축기와,
상기 증류탑에서 배출되는 원유가스 중 경질 나프타와 중질 나프타를 유입하도록 상기 증류탑에 연통되고, 경질 나프타와 중질 나프타를 촉매반응시켜 LPG와 방향족화합물과 개질유를 배출하는 반응기와,
상기 반응기와 연통되어, LPG는 가스로 배출하고 방향족화합물과 개질유는 액체로 배출하는 제2증류탑과,
상기 방향족화합물과 개질유를 유입하도록 상기 제2 증류탑과 연통되고, 상기 방향족화합물과 개질유를 상기 제2 압축기에서 배출되는 스팀과 간접적으로 열교환시켜 증기상태의 방향족화합물과 개질유는 상기 제2 증류탑에 열원으로 공급하고 액체상태의 방향족화합물과 개질유는 배출하도록 구성된 박막강하식 증발기로 구성된 리보일러를 포함하는 것을 특징으로 하는 원유로부터 플라스틱 원료를 생산하는 시스템을 제공한다.
바람직하게, 상기 증발기는 박막강하식 증발기일 수 있다.
바람직하게, 상기 서로 연통된 복수의 압축기 중 첫 번째 압축기는 기계식 증발 재압축기이고, 나머지 압축기는 열적 증기 재압축기일 수 있다.
본 발명에 의하면, 스팀을 용이하게 생성하고 수집하여, 이를 리보일러의 열원으로 활용함으로써, 플라스틱 제조공정을 저비용으로 효율적으로 운영할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 스팀을 별도의 장치에 의해 생산하지 않고, 증류탑의 각 단에서 배출되는 원유증기의 열을 이용하여 효율적으로 스팀을 생산할 수 있다.
나아가, 생성된 스팀을 수집하는데 필요한 동력을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라 플라스틱 원료를 생산하는 공정을 나타내는 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 실시예에서 증발기를 박막강하식 증발기를 사용한 본 발명의 시스템을 나타내는 도면이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도면들을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명하도록 한다.
도 1에 원유를 분별증류하는 증류탑(10)이 도시되어 있다.
바람직하게 증류탑(10)은 복수의 트레이가 설치되어 다단으로 구성된 연속(continuous) 증류탑이다. 증류탑(10)에는 원유가 약 350℃로 가열되어 가스상태로 증류탑(10)의 하측에서 유입된다. 원유가스(o)는 증류탑(10) 내에서 하부로부터 상부쪽을 향해 올라가면서, 순차적으로 형성된 각각의 단(stage)에서 비등점에 따라 중유(heavy oil), 디젤(Diesel), 등유(kerosine), 중질 나프타(heavy naphta), 경질 나프타(light naphta)로 각각 분류되어 배출된다.
참고로, 구별이 용이하도록 도면에서 원유 및 원유로부터 생성된 물질은 굵은 선으로 표시되고, 물은 가는 선으로 표시하였다. 또한, 액체상태는 실선으로 표시하고, 가스상태나 스팀은 점선으로 표시하였다.
증류탑(10)의 각각의 단에서 분별증류되어 배출되는 원유가스(oa, ob, oc, od, oe)는 각각 대응하는 위치에서 각각의 증발기(11a, 11b, 11c, 11d, 11e)에 유입된다. 또한, 각각의 증발기에는 물(wa, wb, wc, wd, we)이 유입된다.
각각의 증발기들(11a, 11b, 11c, 11d, 11e)은 유입된 원유가스를 물과 간접적으로 열교환시킨다. 원유는 증발기에서 열교환에 의해 응축되어 증류탑(10)으로 환류된다. 이와 동시에 증발기에서 열교환에 의해 물은 스팀(수증기)이 되어 배출된다.
증발기는 박막강하식 증발기(falling film evaporator) 또는 수평증발기(horizontal evaporator)일 수 있다.
도 2에서는 본 발명의 한 실시예에 따라, 박막강하식 증발기를 사용한 예가 도시되어 있다. 박막강하식 증발기는 열교환부(111)와 기액분리부(112)를 포함한다. 열교환부는 내부에 공간을 갖는 하우징과 이 하우징 내에 수직으로 배치된 튜브를 포함한다. 수직으로 배치된 튜브에 물이 유입되고, 튜브를 수용하는 공간에 원유가스가 유입된다. 튜브 내의 물은 원유가스와 간접적으로 열교환하여 스팀(수증기)이 된다. 스팀은 튜브 하부에 배치된 기액분리부를 경유하여 배출된다. 기액분리부에서 분리된 물은 다시 튜브로 공급되는 방식으로 순환될 수 있다(도시 안함). 원유가스는 물과의 열교환으로 응축되어 증발기로 환류되며, 필요에 따라 다른 공정에 사용되도록 이송될 수도 있다.
각각의 증발기(11a, 11b, 11c, 11d, 11e)에 대응하여 압축기(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)가 제공될 수 있다. 각각의 압축기는 증발기에서 배출되는 스팀을 흡입하도록 구성되어 있다. 또한, 압축기(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)들은 서로 순차적으로 연통되어 스팀을 수집하여 이송할 수 있다.
이하, 압축기를 통해 스팀을 수집하여 이송하는 과정을 도 1 및 도 2를 참고하여 구체적으로 설명하도록 한다.
최하단에 배치된 증발기(11a)에서는 원유가스(oa)가 물과의 열교환에 의해 응축되어 약 290℃ 내지 350℃의 중유가 되어 증류탑으로 환류되거나 배출될 수 있다. 이때 증발기(11a)에서 물은 약 300℃의 온도의 스팀(sa)이 되며, 이 스팀(sa)은 압축기(12a)로 유입된 후 압축기(12a)로부터 고압의 스팀으로 배출된다. 본 발명에서 바람직하게 압축기(12a)는 기계식 증기 재압축기(MVR)이다. 한편, 증발기(11a)에서 배출되는 중유는 후술하는 반응기(30)에 공급되어 반응기 내 가열장치의 연료로 사용될 수 있다.
증류탑의 아래로부터 두 번째 단에서는 원유가스(ob)가 배출된다. 두 번째 단에 대응하여, 증발기(11b)와 압축기(12b)가 배치되어 있다. 증발기(11b)에서는 원유가스가 응축되어 약 220℃ 내지 320℃의 디젤이 되어 증류탑으로 환류되거나 배출될 수 있다. 이때 증발기(11b)에서 물은 약 250℃의 온도의 스팀(sb)이 되고, 이 스팀(sb)은 압축기(12b)로 유입된다. 바람직하게, 압축기(12b)는 열적 증기 재압축기(TVR)이다. 압축기(12b)는 압축기(12a)의 하류에 배치되어 압축기(12a)에서 나오는 고압의 스팀을 흡입한다. 압축기(12b)는 증발기(11b)와 연통되어 있는데, 압력차를 이용하여 상대적으로 저압인 증발기(11b)에서 나오는 스팀(sb)도 흡입한다. 이처럼, 압력차를 이용하여 흡입하는 열적 증기 재압축기를 통해, 압축기(12b)는 압축기(12a)에서 나오는 스팀과 증발기(11b)에서 나오는 스팀을 모두 흡입하여 하류에 연결된 장치로, 즉 후술하는 압축기(12c)로 보낸다.
증류탑의 아래로부터 세 번째 단에서는 원유가스(oc)가 배출된다. 세 번째 단에 대응하여, 증발기(11c)와 압축기(12c)가 배치되어 있다. 증발기(11c)에서는 원유가스가 응축되어 약 170℃ 내지 280℃의 등유가 되어 증류탑으로 환류되거나 배출될 수 있다. 이때 증발기(11c)에서 물은 약 200℃의 스팀(sc)이 되고, 이 스팀(sc)은 압축기(12c)로 유입된다. 바람직하게, 압축기(12c)는 열적 증기 재압축기(TVR)이다. 압축기(12c)는 압축기(12b)의 하류에 배치되어, 압축기(12b)에서 배출되는 스팀을 흡입한다. 압축기(12c)는 증발기(11c)와 연통되어 있고, 압축기(12b)의 스팀을 흡입하면서 압력차를 이용하여 증발기(11c)에서 나오는 상대적으로 낮은 압력의 스팀(sc)도 흡입한다. 이처럼, 압축기(12c)는 두 스팀을 흡입하여 하류에 연결된 장치로, 즉 후술하는 압축기(12d)로 보낸다.
증류탑의 아래로부터 네 번째 단에서는 원유가스(od)가 배출된다. 네 번째 단에 대응하여, 증발기(11d)와 압축기(12d)가 배치되어 있다. 증발기(11d)에서는 원유가스가 응축되어 약 80℃ 내지 200℃의 중질 나프타가 되어 증류탑으로 환류되거나 배출될 수 있다. 이때 증발기(11d)에서 물은 약 150℃의 스팀(sd)이 되고, 이 스팀(sd)는 압축기(12d)로 유입된다. 바람직하게, 압축기(12d)는 열적 증기 재압축기(TVR)이다. 압축기(12d)는 압축기(12c)의 하류에 배치되어, 압축기(12c)에서 배출되는 스팀을 흡입한다. 압축기(12d)는 증발기(11d)와 연통되어 있고, 압축기(12c)에서 나오는 스팀을 흡입하면서 압력차를 이용하여 증발기(11d)에서 나오는 상대적으로 낮은 압력의 스팀(sd)도 흡입한다. 이처럼, 압축기(12d)는 두 스팀을 하류에 연결된 장치로, 즉 후술하는 압축기(12e)로 보낸다.
증류탑의 최상단에서 배출되는 원유가스(oe)에 대응하여, 증발기(11e)와 압축기(12e)가 배치되어 있다. 증발기(11e)에서는 원유가스가 응축되어 약 30℃ 내지 100℃의 경질 나프타가 되어 증류탑으로 환류되거나 배출될 수 있다. 이때 증발기(11e)에서 물은 약 100℃의 스팀(se)이 되고, 이 스팀(se)은 압축기(12e)로 유입되어 고압의 스팀으로 배출된다. 바람직하게, 압축기(12e)는 열적 증기 재압축기(TVR)이다. 압축기(12e)는 압축기(12d)의 하류에 배치되어, 압축기(12d)에서 배출되는 스팀을 흡입한다. 압축기(12e)는 증발기(11e)와 연통되어 있고, 압축기(12d)에서 나오는 스팀을 흡입하면서 압력차를 이용하여 증발기(11e)에서 나오는 상대적으로 낮은 압력의 스팀(se)을 흡입한다. 이처럼, 압축기(12e)는 두 스팀을 하류에 연결된 장치로, 즉 후술하는 제2 기계식 증발 재압축기(20)로 보낸다.
이와 같이, 증류탑의 각단에서 배출되는 원유가스를 물과 간접적으로 열교환시켜 물로부터 스팀을 발생시키고, 발생된 스팀을 다수의 압축기를 이용하여 순차적으로 모아서 제2 기계식 증발 재압축기(20)로 보낸다.
상술한 바와 같이, 본원발명에서는 스팀을 별도의 장치에 의해 생산하지 않고, 증류탑의 각 단에서 배출되는 원유증기를 이용하여 스팀을 생산함으로써 스팀을 생산하는데 드는 비용과 에너지를 절약할 수 있다.
본원발명의 압축기는 처음에만 기계식 증발 재압축기(12a)를 배치하고, 그 하류에는 열적 증발 재압축기(TVR)인 압축기(12b, 12c, 12d, 12e)를 순차적으로 배치하고 있다. 즉, 모든 스팀에 대하여 기계식 증발 재압축기를 설치할 필요 없이, 첫 번째 스팀에 대해서만 기계식 증발 재압축기를 설치하고 있다. 이러한 구성에 따르면, 모든 스팀에 대하여 기계식 증발 재압축기를 설치할 필요없이, 각 단에서 발생하는 모든 스팁을 용이하게 그리고 저비용으로 수집할 수 있다.
즉, 처음에 한번만 기계식 증발 재압축기로 고압의 구동 스팀(motive steam)을 생성하여, 구동 스팀이 순차적으로 다수의 열적 증발 재압축기(TVR)들을 통과하는 과정에서 압력차를 통해 증발기들에서 발생하는 스팀을 흡입하도록 함으로써, 별도의 추가 동력원 없이 스팀을 효율적으로 수집할 수 있다.
마지막 압축기(12e)에서 배출되는 스팀은 모든 증발기에서 배출된 스팀을 합한 것으로서, 이 스팀은 제2 기계식 증발 재압축기(20)로 유입된다. 기계식 증발 재압축기(20)는 압축기(12e)로부터 유입한 스팀을 약 5 내지 15 BarA 압력 및 150℃ 내지 200℃의 온도를 갖는 스팀으로 압축하여 배출한다.
이어서, 반응기(30)와 관련하여 설명하도록 한다. 증발기(11e)에서 응축된 경질 나프타와 증발기(11d)에서 응축된 중질 나프타는 함께 반응기(30)로 유입된다. 반응기(30)는 복수의 가열장치(fired heater)와 촉매 반응기(catalytic reactor)를 포함하며, 가열장치와 촉매 반응기가 연결되어 있고, 바람직하게는 가열장치와 촉매 반응기는 세트로 구성되어 순차로 연결될 수 있다. 반응기(30)는 나프타를 정제하여 LPG, 방향족화합물(aromatics) 및 개질유(reformate)로 배출하도록 구성되어 있고, 이러한 반응기는 기술분야에 널리 알려져 있는 바 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
반응기(30)는 제2 증류탑(40)에 연통되어, 반응기(30)에서 배출되는 LPG, 방향족화합물 및 개질유가 제2 증류탑(40)에 유입된다.
제2 증류탑(40)은 LPG를 증발시켜 상부에서 배출시키고, 방향족화합물과 개질유는 액체상태로 하부에서 배출시킨다(도면부호 p로 표시). 제2 증류탑(40)에서 배출되는 방향족화합물과 개질유는 제2 증류탑에 연통된 박막강하식 증발기로 이루어진 리보일러(50)로 유입된다.
본원발명에서 리보일러(50)는 제2 증류탑(40)의 열원으로서 사용된다. 리보일러(50)는 제2 증류탑(40)에서 배출되는 방향족화합물과 개질유를 제2 MVR(20)에서 압축된 스팀과 간접적으로 열교환시키는 열교환부(51)와, 열교환부(51)를 통해 가열된 방향족화합물과 개질유를 기액분리시키는 기액분리부(55)를 포함하고 있다.
열교환부(51)는 내부에 공간을 갖는 하우징과 이 하우징 내에 수직으로 배치되어 방향족화합물과 개질유가 통과하는 튜브를 포함한다. 하우징에는 제2 기계식 증발 재압축기(20)에서 배출된 스팀이 유입되어 튜브에 열을 전달함으로써, 튜브를 통과하는 방향족화합물과 개질유가 증기로 전환된다.
열교환부(51)의 하부에는 기액분리부(55)가 설치되어 있다. 기액분리부(55)에서는 액체상태의 방향족화합물과 개질유와 증기상태의 방향족화합물과 개질유를 분리하여, 하부에서는 액체상태의 방향족화합물과 개질유를 배출한다. 증기상태의 방향족화합물과 개질유는 제2 증류탑(40)에 공급되어 제2 증류탑(40)의 열원으로 사용된다.
상술한 것처럼, 본원발명에서는 리보일러(50)를 작동시키는 열원으로서 스팀을 사용한다. 앞서 설명한 것처럼 증류탑(10)에 연결된 증발기에서 생성된 스팀을 수집하여 압축한 후 공급함으로써, 리보일러(50)를 작동시키기 위한 열원을 별도로 사용하지 않고 시스템을 효율적으로 운전할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10: 증류탑
20: 제2 기계식 증발 재압축기
30: 반응기
40: 제2 증류탑
50: 리보일러

Claims (3)

  1. 원유를 분별증류하여 각 단에서 배출하는 증류탑(10)과,
    상가 증류탑의 각 단에서 분별증류되어 배출되는 원유가스를 유입하도록 상기 증류탑에 연통되고, 물을 상기 원유가스와 간접적으로 열교환시켜 스팀을 생성하는 복수의 증발기(11a, 11b, 11c, 11d, 11e)와,
    상기 증발기에 각각 연통되고, 상기 증발기에서 각각 생성되는 스팀을 순차적으로 흡입하여 이송하도록 서로 연통된 복수의 압축기(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)와,
    상기 복수의 압축기에 의해 이송된 스팀을 압축하는 제2 압축기(20)와,
    상기 증류탑에서 배출되는 원유가스 중 경질 나프타와 중질 나프타를 유입하도록 상기 증류탑(10)에 연통되고, 경질 나프타와 중질 나프타를 촉매반응시켜 LPG와 방향족화합물과 개질유를 배출하는 반응기(30)와,
    상기 반응기(30)와 연통되어, LPG는 가스로 배출하고 방향족화합물과 개질유는 액체로 배출하는 제2증류탑(40)과,
    상기 방향족화합물과 개질유를 유입하도록 상기 제2 증류탑(40)과 연통되고, 상기 방향족화합물과 개질유를 상기 제2 압축기에서 배출되는 스팀과 간접적으로 열교환시켜 증기상태의 방향족화합물과 개질유는 상기 제2 증류탑(40)에 열원으로 공급하고 액체상태의 방향족화합물과 개질유는 배출하도록 구성된 박막강하식 증발기로 구성된 리보일러(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원유로부터 플라스틱 원료를 생산하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증발기는 박막강하식 증발기인 것을 특징으로 하는 원유로부터 플라스틱 원료를 생산하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서로 연통된 복수의 압축기 중 첫 번째 압축기(12a)는 기계식 증발 재압축기이고, 나머지 압축기(12b, 12c, 12d, 12e)는 열적 증기 재압축기인 것을 특징으로 하는 원유로부터 플라스틱 원료를 생산하는 시스템.
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