KR910001859Y1 - 테레프탈산 제조공정의 폐열을 이용한 증기터빈 발전장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

테레프탈산 제조공정의 폐열을 이용한 증기터빈 발전장치

첨부한 도면은 본 고안에 의한 증기터빈 발전장치의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 증기 터빈 3 : 산화반응기

4 : 탈수탑 5 : 중압증기 발생장치

6 : 저압 증기발생장치 7 : 초저압증기발생장치

8 : 미스트 세퍼레이터 10 : 가스 이젝팅 및 응축수 회수 수단

본 고안은 증기터빈을 가동하여 발전하는 장치에 관한 것으로, 특히 테레프탈산 산화공정에서 발생하는 폐가스 및 초산 탈수탑에서 발생하는 무압증기를 이용하여 증기터빈을 가동하도록한 테레프탈산 제조공정의 폐열을 이용한 증기터빈 발전장치에 관한 것이다.

통상 테레프탈산 제조공정에서는 파라자이렌(P-xylene)을 산화시켜서 테레프탈산으로 전환시키는 테레프탈산 산화반응기가 사용됨과 아울러, 테레프탈산의 제조용매로 사용되는 초산을 공정수와 분리 회수하는 초산탈수탑이 사용되고 있으며, 테레프탈산 산화반응기에서는 파라자이렌이 산화되는 과정에서 다량의 반응열이 생성되어 이 반응열이 질소가스 및 공정증기와 함께 산화반응기의 상부로 방출되고, 초산 탈수탑에서는 공정수와 회석된 초산을 하부에 설치된 열교환기에서 중압증기로 가열하여 증류탈수하는 과정에서 다량의 무압증기가 생성되어 탑의 상부를 통하여 방출된다.

종래에는 상기 테레프탈산 산화반응기에서 방출되는 폐가스를 중압증기발생장치와 저압증기발생장치를 통과시켜 그 폐가스를 열원으로 중압증기와 저압증기를 발생시키고, 그 중압증기와 저압증기를 제조공장의 스팀라인에 공급하는 한편 잔여 증기는 증기의 압력 조절을 위해 대기로 방출시키고 있으며, 초산을 분리하기 위한 증류 탈수탑에서 배출되는 다량의 무압증기는 냉각수로 냉각 처리함으로서 많은 열손실을 초래하는 결함이 있었다.

상기 탈수탑에서 발생되는 무압증기는 초저압증기로 변화하여 그 초저압 증기를 보일러 보충수나 열설비의 예비 가열 증기로 사용할 수 있는 것이나. 초저압 증기는 응축수의 회수가 어려우며, 초저압 증기는 대기압이하의 증기이므로, 그 초저압 증기를 이동시키기 위해서는 실제 사용기기의 내부압력을 대기압 이하로 낮게 유지시켜야 하는 설빙상의 난점 및 배관상 응축수 처리 문제 등으로 인하여 종래에는 초저압 증기를 증기터빈에 이용한 예가 알려지지 않고 있다.

또한 탈수탑에서 요구되는 안전 운전조전을 유지하기 위하여 통상 열교환기를 사용하면 운전조건을 만족시킬수는 있으나 이 경우에는 다량의 무압증기를 열원으로서 이용할 수 없게 되는 문제점이 있는 것이었다.

본 고안은 이와같은 종래의 결함을 해소하기 위하여 안출한 것으로 탈수탑에서 방출되는 미량의 초산이 함유된 무압증기를 열원으로 이용하여 초저압 증기로 만들고 그 초저압 증기로 증기터빈을 가동하게 되는 증기터빈발전장치를 제공하려는데 주 목적이 있다.

본 고안의 다른목적은 탈수탑의 운전조건(탑의 상부압력 및 온도유지 ; 0.1kg/㎠G, 102℃)을 유지하면서, 탈수탑에서 발생하는 무압증기를 초저압증기 발생장에서 초저압 증기로 변환시켜 그 초저압 증기로 증기터빈을 가동시키는 증기터빈 발전장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 가지는 본 고안은 테레프탈산 산화반응기에서 방출되는 폐가스를 중압증기발생장치와 저압증기발생장치를 차례로 통과시켜 회수되는 열에 의하여 중압증기와 저압증기를 만들어 증기터빈에 공급하고, 초산회수를 위한 탈수탑에서 방출되는 무압증기를 초저압증기발생장치를 통과시켜 초저압증기를 만든후 미스트 세퍼레이터(mist separator)를 통과시켜 미스트(mist), 즉 증기보다 큰 물입자를 제거한 초저압증기를 증기터빈에 공급하여 증기터빈을 중압, 저압 및 초저압 증기로 가동하도록 구성된다.

이와같이 구성된 본 고안의 중압증기 회수공정과, 저압증기 회수공정 및 초저압증기 회수공정에 대하여 공정별로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 중압증기 회수공정을 살표보면, 테레프탈산의 산화반응은 반응기에서 파라자이렌과 압축공기 중의 산소와의 반응으로서 이때 발생되는 고온 고압(15.7kg/㎠G, 199℃)의 반응열이 질소가스 및 공정증기와 함께 반응기 상부로 배출하게 된다.

이 고온고압의 공정증기는 중압증기 발생장치에서 보일러 공급수와 열교환되어 반응열의 약81%에 해당하는중압증기(4.2kg/㎠G, 153℃)를 발생시켜 제조공장의 중압증기가 요구되는 공정에 사용되고 일부 남는 증기는 증기터빈의 구동용으로 사용하게 된다.

저압증기 회수공정을 살펴보면 상기와 같이 중압증기를 발생시킨후 잔여 열에너지(15.7kg/㎠G, 166℃)는저압증기 발생장치를 거치는 동안 보일러 공급수와 열교환되어 총반응열의 약 11%에 해당하는 저압증기 (2.1kg/㎠G, 133℃) 를 발생시켜 증기터 빈의 인젝션(injection) 용으로 사용된다.

그리고 이와같이 중압 및 저압증기 회수장치를 거친 질소가스 및 공정증기는 최종적으로 냉각수에 의한 열교환기를 통해 제조공정에 이용되거나 대기로 방출된다.

초저압 증기 회수공정을 살펴보면, 테레프탈산 산화반응 공정중 용매로 사용된 초산을 회수하는 공정에서 발생되는 무압증기(0.1kg/㎠G, 102℃)와 열교환한 초저압증기(대기압 이하의 증기) (-0.3kg/㎠G, 91℃) (=0.7kg/㎠G, 91℃)로서 대단히 많은 양이 발생된다.

이 무압증기는 파라자이렌과 산소의 반응에서 생성된 반응수에 의하여 희석된 용액중 용매인 초산의 회수를 위해 반응수를 제거하는 과정에서 발생되는 것으로서 탈수탑 하부 열교환기에 초산과 물의 비점을 이용한 중압증기에 의한 가열로 탈수탑 상부로 부터 다량의 무압증기가 발생되어 방출된다.

이러한 무압증기가 함유된 잠열을 효과적으로 회수하기 위해 초저압 증기(-0.3kg/㎠G, 91℃)발생장치를 설치하고 여기에서 발생되는 초저압 증기를 증기터빈에 상기한 중압 및 저압 증기와 같이 사용함으로서 공정의 폐열을 최대로 회수하게 된다.

상기 초저압 중기 발생장치는 탈수탑 상부의 무압증기(0.1kg/㎠G, 102℃)가 케틀형(kettle type)의 열교환기의 튜브 사이드(tube side)를 통과시킬때 응축되면서 열교환되어 초저압 증기를 상부로 발생하게 되는것이며. 이와같이 발생된 초저압 증기는 혼합 복수기형의 증기터빈에 압력이 같은 최적의 단으로 주입되어 전력을 회수하게 된다.

이와같은 본 고안을 일실시예로 들어서 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 고안은 증기터빈(1)과, 그의 구동에 의하여 발전하는 발전기(2)와, 테레프탈산 산화반응기(3)와, 초산탈수탑(4)과, 중압증기 발생장치(5), 저압증기 발생장치(6) 및 초저압 증기 발생장치(7)와, 미스트 세퍼레이터(8)와, 가스 이젝팅 및 응축수 회수 수단(10)으로 이루어진다.

상기 중압증기발생장치(5)는 열교환기(5l)와 증기발생기(52)를 보유하고 상기 저압증기 발생장치(6)는 열교환기(61)와 증기발생기(62)를 보유한다.

그리고, 상기 산화반응기(3)에서 배출된 폐가스는 관(9)을 통하여 열교환기(51) (61)를 차례로 통과하면서 열이 회수된후 배출되고 관(91)을 통하여 열교환기(51) (61)와 증기발생기(52) (62)간을 순환하는 순환수에 전열되며, 증기발생기(52) (62)에서 각각 중압증기 및 저압증기가 발생된다.

이와같이 중압증기 발생장치(5) 및 저압증기 발생장치(6)에서 발생된 중압증기 및 저압증기는 각각 관(92) (93)을 통하여 제조공장의 증기가 요구되는 곳으로 배출되며 관(92) (93)에서 분지된 분지관(94) (95)을 통하여 증기터빈(1)에 공급된다.

상기 관(94) (95)에는 압력조절기(96) (97)가 각각 연결되고 밸브(98) (99)가 연결되어 관(92) (93)의 압력을 일정게 조정한뒤 중압증기 및 저압증기가 공급되게 되어있다.

상기 중압 증기발생장치(5) 및 저압증기 발생장치(6)에는 관(910) (911)을 통하여 보충수가 공급되게 되어있다.

또한 상기 초저압증기 발생장치(7)는 탈수탑(4)과 관(912)으로 연결되어 무압증기가 유입되게 되어있고, 관(913)을 통하여 유입된 보충수가 초저압 증기로 변환되어 관(914)을 통하여 증기터빈(1)에 공급되게 되어있으며, 관(915)을 통하여 공정응축수가 배출되게 되어있다.

상기 초저압증기가 배출되는 관(914)에는 미스트 세퍼레이터(8)가 연결되어 초저압증기에 포함된 미스트가 제거되도록 되어 있다.

상기 가스 이젝팅 및 응축수 회수 수단(10)은 열교환기(condensor) (921) (922) (923) (924)와이젝트(917) (918) (919) 및 응축수 펌프(920)로 구성된다.

상기 열교환기(921)는 증기터빈(1)과 관(914')으로 연결되고, 상기 열교환기(923)는 상기 관(914)의 밸브(916)와 미스트 세퍼레이터(8)사이에서 분지되는 관(927)에 연결되며 관(927)에는 상기 관(914)에 연결되는 압력조절기(925)와 연결되는 밸브(926)가 연결되어있다.

상기 이젝트(917)는 열교환기(912) (922)에 연결되고 이젝트(919)는 열교환기(923)에 연결되고 이젝터(918) (917)에는 고압증기가 관(928)을 통하여 공급됨과 아울러 이젝터(919)에는 고압증기가 관(928')을 통하여 연결된다.

상기 열교환기(912) (922) (923)는 응축수 펌프(920)에 연결되어있다.

이러한 본 고안은 산화반응기(3)에서 배출된 고온고압(15.7kg/㎠G, 199℃)의 폐가스가 중압증기 발생장치(5)와 저압증기 발생장치(6)를 순차로 통과하면서 열이 회수되어 외부로 배출되고. 폐가스의 열에 의하여 발생된 중압증기(4.2kg/㎠G, 153℃)와 저압증기(2.1kg/㎠G, 133℃) 가 관(92) (93)을 통하여 주변 공정에 공급되고 분지관(94) (95)을 통하여 증기터빈(1)에 공급된다.

그리고 탈수탑(4)에서 배출된 다량의 무압증기(0.1kg/㎠G, 102℃)가 초저압 증기발생장치(7)로 유입되어 관(913)에서 공급되는 보충수는 초저압 증기(0.7kg/㎠A)로 전환되어 관(914)로 배출되며, 미스트 세퍼레이터(8)에서 증기보다 굵은 물입자가 걸러진후 관(914)을 통해 증기터빈(1)에 공급된다.

따라서 증기터빈(1)은 그에 공급되는 중압증기, 저압증기 및 초저압증기에 의하여 가동되고 가동에 따라 발전기(2) 에서 발전된다.

이와같은 공정중 탈수탑(4)의 부하변동시 포는 증기터빈(1)의 고장시에는 밸브(916) (926)의 조절에 의하여 이상없이 대처하여 공정의 안정을 유지할 수 있다. 즉, 어떤 이유로 인하여 증기터빈(1)이 작동되지 않아 초저압증기가 남아 돌게되고 따라 탈수탑(4)의 안전 운전조건을 위협하게 되는 경우에는 자연적으로 계내의 압력이 올라가게되고 압력조절기(925)가 작동하여 열교환기(923)가 작동할 수 있도록 밸브(926)가 조정되고 열교환기(923)로서 초저압 증기를 빼내줌으로써 탈수탑(4)의 안전운전을 원활하게 한다. 교환기(923)에서 발생하는 응축수는 응축펌프(920)의 펌핑에 의하여 외부로 배출된다.

그리고, 상기와 같이 초저압 증기를 증기터빈(1)에서 열원으로 활용하기 위하여 열교환기(921)에서 증기를 응축시킴으로서 응축된 응축수는 응축수 펌프(920)에 의하여 배출되고 응축되지 않는 가스와 증기는 고압증기를 이용하여 진공을 걸어줌으로서 열교환기(922)측으로 빼낸다음 증기는 열교환기(922)에서 응축한다. 이 열교환기(922)에서 응축된 응축수는 열교환기(921)로 유입되어 응축수 펌프(920)에 의하여 배출되며 압축증기를 이용하여 진공을 걸어줌으로서 증기는 열교환기(924)에서 응축되어 열교환기(922)에서 응축된 응축수와 함께 열교환기(921)에 유입되며 가스는 대기로 배출된다.

또 열교환기(923)에서는 고압증기를 이용하여 응축되지 않는 가스와 증기를 빼내게 된다. 도면에서 S1, S2는 5-10kg. ㎠G인 배출증기 및 가스를 표시한 것이다.

이렇게 함으로써 열교환기(921)만 설치되어있을 때보다 고진공을 걸 수 있어 효율적이다(열교환기에 가스, 증기가 남아있을 경우에는 응축효과가 저하됨).

이상에서 설명한 바와같은 본 고안은 초산을 회수하기 위한 탈수탑에서 배출되는 다량의 무압증기를 초저압증기 발생장치에서 초저압증기로 변환시켜 증기터빈을 가동하도록 되어있으므로 발전기의 출력용량을 증대시킬 수 있으며, 폐열 손실이 없게되어 경제적인 이점이 있을 뿐아니다 필요에 따라서는 중압증기와 저압증기를 주변의 다른 공정에 보다 충족하게 이용할 수 있는 이점이 있다.

Claims (1)

1. 통상의 증기터빈(1)과, 파라자이렌을 산화시켜 테레프탈산을 생성하는 테레프탈산 산화반응기(3)와, 이에서 배출된 폐가스의 열을 이용하여 보충수를 중압증기로 변화시키고 그 중압증기를 상기 증기터빈(1)에 공급하는 중압증기발생장치(5)와, 중압증기발생장치(5)를 통과한 상기 폐가스의 잔여열을 이용하여 보충수를 저압증기로 변환시키고 그 저압증기를 상기 증기터빈(1)에 공급하는 저압증기발생장치(6)와, 테레프탈산 산화반응공정중 용매로 사용된 초산을 회수하는 탈수탑(4)과, 이에서 배출되는 무압증기를 이용하여 보충수를 초저압중기로 변환시키는 초저압증기발생장치(7)와, 이에서 배출되는 초저압증기에서 미스트를 제거하여 상기 증기터빈(1)에 공급하는 미스트분리기(8)와, 가스이젝팅 및 응축수회수수단(10)으로 구성되는 것을 특징으로하는 테레프탈산 제조공정의 폐열을 이용한 증기터빈 발전장치.