KR960003938B1 - C2+탄화수소또는c3+탄화수소를회수하는방법 - Google Patents

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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

내용 없음.

Description

C2+탄화수소 또는 C3+탄화수소를 회수하는 방법
제 1 도는 본 발명의 한 실시태양의 흐름을 도식화한 것이다.
본 발명은 냉각단계, 상분리단계, 정류단계(rectifying) 및 스트리핑 단계를 순차적으로 거쳐 탄화수소 함유 스트림으로부터 C2 +또는 C3 +탄화수소를 회수하는 방법에 관한 것으로서, 그러한 작업동안에 필요한 냉장 처리는 합성냉각제를 사용하는 단일 고리증기 재압축 냉각장치 중에서 주로 이루어진다.
냉각단계, 상분리단계, 정류단계 및 스트리핑단계의 순차적 단계를 사용하여 탄화수소 포함 스트림으로부터 중(heavy)탄화수소산물 (즉, C2 +또는 C3 +탄화수소)을 회수하는 방법은 당해 기술분야에 교시되어 있다. 구체적으로, 미합중국 특허 제4,622,053호(톰린슨외 다수)에 그러한 방법이 개시되어 있다. 상기 특허에는 부가로 방법중의 냉각처리 (refrigeration)를 합성 냉각제를 사용하는 2-단계(2개의 고리)의 계단식 냉각장치(바람직한 실시태양) 또는 단일 고리의 증기 재압축 냉각장치를 통해 수행할 수 있음이 개시되어 있다. 그러나, 현재에는 냉각단계, 상분리단계, 정류단계 및 스트리핑단계의 순차적 단계들이 포함된 톰린슨 싸이클이 상당히 개선된 것으로 밝혀졌는데, 상기 단계들중에 상당량을 냉장 처리하는 작업은 합성 냉각제를 사용하는 단일 고리의 증기 재압축 냉각장치를 통해 이루어진다.
상분리 단계, 저온분류를 통한 정류단계 및 스트리핑 단계를 비롯한, 본 발명의 기술분야와 관련이 있는 다양한 각각의 단계들을 제시한 통상적인 참고적 기타 종래 기술은 하기와 같다: 미합중국 특허 제 4,002,042 호; 제 4,272,270 호; 제4,356,014호 ; 제 4,526.596호 ; 제4,507,133호 ; 제4,608,068호 ; 제4,664,687호 ; 제4,675,036호 ; 제4,707,170호 ; 제4,714,487호 ; 제4,718,927 호.
본 발명은 탄화수소 함유 가스스트림으로부터 중탄화수소 산물을 회수하는 종래 기술적 분리방법을 개선시킨 방법에 관한 것이다. 종래 기술적 분리 방법은 하기의 단계들을 포함한다.
(a) 가스스트림을 냉각시켜 그것을 부분적으로 응축시키는 단계 ;
(b) 부분응축된 가스스트림을 상분리내에서 증기성분과 액체성분으로 상분리시키는 단계 ;
(c) 저온분류를 통해 단계(b)의 증기 성분을 정류시켜 가벼운 가스 스트림과 무거운 액체스트림을 분리해내는 단계 ; 및
(d) 단계(b)의 액체 성분과 단계 (c)의 무거운 액체스트림을 뒷끊임장치가 장착된 스트리핑 컬럼에서 스트리핑 시키는 단계 ; (상기 스트리핑 컬럼의 하부 스트림은 중탄화수소 산물임) ;
(e) 방법시행동안 합성 냉각제를 사용하는 단일 고리의 증기 압축 냉각장치에 상당량을 저장하는 단계.
본 발명은 상기 종래 기술적 방법의 에너지 효율을 증가시킬 수 있도록 개선된 것이다. 그 개선점은 하기 (i)내지 (iv)와 같다 :
(i)단계 (b)의 액체 성분과 단계 (c)의 무거운 액체스트림을 단계(d)의 스트리핑 컬럼으로 직접 보내고 ;
(ii)스트리핑 컬럼을 주위 온도 이하에서 작동시키고 ;
(iii)스트리핑 컬럼의 상층부 증기를 단계 (b)의 상분리기에 통과시켜 단계 (b)의 증기 성분을 정류시키며 ;
(iv)단계 (e)에서 사용된 합성 냉각제를 스트리핑 컬럼의 뒷끊임장치에 열매체로서 사용하여 뒷끊임장치중 한 부분이상에서 열원으로서 사용할 수 있다.
본 발명은 공급가스스트림을 저압, 예를들어 40 내지 200psia에서 처리하며, 이때 가벼운 성분과 무거운 성분간의 비교 휘발도가 비교적 높아 분리가 용이하며 결과적으로 분리에너지가 보다 낮아질 수 있다. 본 발명의 또 다른 주의점은 대부분의 용도에 단 하나의 압축기(단일고리의 합성 냉각체 압축기)만으로도 사용할 수 있어, 상당히 절약할 수 있다.
본 발명은 정제되지 않은 가스스트림과 같은 탄화수소 함유 스트림으로부터 C2 +또는 C3 +탄화수소를 회수하는 효율적인 방법을 제공한다. 탄화수소함유 스트림에는 수소, 질소, 일산화탄소 및 이산화탄소와 같은 비-탄화수소류가 몇종 포함될 수 있다. 탄화수소 성분에는 포화탄화수소 및 불포화 탄화수소 및 잠재적 잔류량의 중탄화 수소가 포함될 수 있는데 여기에는, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부텐, 이소부탄, 펜탄, 펜텐, 헥산이 있다. 본문에서는, 포화 탄화수소 및 불포화 탄화수소를 상징적으로 탄화수소의 탄소수를 나타내는 Cx+로 표시한다. "+" 표시로서 "x"자리의 숫자가 탄소원자수를 나타낸다는 것과 고분자량의 화합물임을 알 수 있다.
본 발명에서, 비교적 저압하에 공급된 가스는 중간 정도 온도, 예를들어, +30°F 내지 -150°F 로 냉각된다. 응축액에는 상분리기중에서 제거되고 비응축된 증기는 더 냉각되어 분류 장치에서 정류됨으로써 잔류 C2 +또는 C3 +탄화수소를 회수할 수 있다. 응축액은 주위온도이하에서 작동되는 스트리핑 컬럼 중에서 분별 증류되어 잔류하는 가벼운 성분은 제거되고 이로써 C2 +또는 C3 +탄화수소산물의 순도가 증가하게 된다. 정제된 탄화수소는 액체 산물로서 회수하거나 냉장 상태로 회수할 수 있도록 재기화 처리한다.
스트리핑 컬럼의 상층부 증기는 상 분리기로 되돌아 온 후 분류장치로 보내짐으로써 잔류하는 C2 +또는 C3 +탄화수소를 회수할 수 있다. 단일 고리의 재압축 냉각장치 중에 사용된 합성 냉각제는 스트리핑 컬럼의 뒷끊임장치에서 열 매체로서 작용 함으로서 뒷끊임장치중 최소한 일부 열원으로서 사용될 수 있다. 필요한 경우, 공급물 및 산물 스트림과 같은 기타 스트림은 뒷끊임장치에 보충적으로 열을 공급할 수 있다.
이 방법은 C2 +또는 C3 +탄화수소의 분리 및 회수시 필요한 주 비용 및 필요 전력을 모두 절감시킬 수 있다. 공급 가스스트림은 저압, 예를들어, 40 내지 200psia에서 처리할 수 있으며, 이때 가벼운 성분 및 무거운 성분간의 상대적 휘발도가 높아 분리시키기가 보다 용이하고 이로써 분리 에너지는 보다 낮아질 수 있다.
상기 방법의 주의점은 대부분의 용도에, 단 하나의 압축장치, 즉 단일고리의 합성 냉각제 압축장치 만을 사용할 수 있다는 점이다. 반드시 공급물을 압축시킬 필요는 없고; 반드시 2단계(2개의 고리)의 계단식 냉각장치에 2개의 분리 압축 장치가 필수적인 것도 아니다. 방법시 필요한 압축 작업은 하나의 장치, 즉 합성 냉각제 압축장치로서 수행할 수 있고, 이로써 상당히 절약할 수 있다. 또, 분류장치에서 수행되는 정류작업을 통해 스트리핑 컬럼내로 유입되는 가벼운 성분의 양을 최소화 할 수 있고, 이로써 보다 작은 컬럼으로도 가능하며 분별 효율도 보다 높아진다.
본 발명은 탄화수소 함유 스트림으로부터 중탄화수소 (즉, C2 +또는 C3 +탄화수소)를 회수하는 종래 기술 사이클을 개선시킨 것이다. 종래 기술의 사이클은 미합중국 특허 제 4,622,053호 (톰린슨외 다수)의 제 2 도에 제시되어 있고 냉각단계, 상분리단계, 정류단계 및 스트리핑단계의 순차적 단계들을 포함한다. 종래 기술 사이클의 바람직한 실시태양에 있어서의 냉장 처리는 2-단계(2개 고리)의 계단식 냉각장치로 수행된다. 그러나, 상기 특허의 컬럼 6에서, 라인38내지 43에는 다음과 같이 기술되어 있다. "제 2 도에 기재된 방법에 사용된 2-단계의 계단식 냉각장치는, 필요한 경우 어느 정도 다른 형태의 외용 냉각장치로 대신 사용할 수도 있다. 예를들어, 합성 냉각제를 사용하는 단일 고리의 증기 압축 냉각장치를 사용할 수 있으나(본 발명에서와 동일)전력의 절약 효과는 그다지 크지 않다."
효율성에 있어서 종래 기술 사이클에 비해 본 발명이 월등한 이유로는 하기와 같은 점들을 들 수 있다:
1. 종래 기술의 사이클에서는, 상분리단계의 액체 성분과 정류단계의 액체 성분을 혼합한 후 스트리핑 컬럼으로 보내기 전에 공급 가스 혼합물로 직접 열교환시킴으로써 가온시키는 반면 ; 본 발명에서는, 이들 액체 성분들을 가온 처리없이, 직접 스트리핑 컬럼으로 보낸다.
2. 종래 기술의 사이클에서는, 스트리핑 컬럼을 상기 주위 온도 이상에서 작동시키는 반면 ; 본 발명에서는 스트리핑 컬럼을 주위온도 이하에서 작동시킨다.
3. 종래 기술의 사이클에서는, 스트리핑 컬럼의 상층부 증기가 유입공급물과 혼합된 후 상분리 장치로 직접 보내지기 전에 냉각처리 되는 반면; 본 발명에서는, 이 증기성분을 냉각처리 없이, 상분리 장치로 직접보낸다.
4. 종래 기술의 사이클에서는, 스트리핑 컬럼의 뒷끊임장치에 열매체로서 뜨거운 기름 또는 저온 증기를 사용하는 반면; 본 발명에서는, 스트리핑 컬럼의 뒷끊임장치에 열매체로서 합성 냉각제를 사용함으로써 뒷끊임장치에 최소한 어느 정도의 열을 제공할 수 있다.
종래 기술의 사이클에 상기 개선점을 적용시킴으로써 분리단계의 효율성이 상당히 증가된다. 하기의 표 1에 제시된 바와같이, 본 발명에서는 통상적 정제된 가스스트림으로부터 C3 +탄화수소를 회수하는 종래 기술 사이클의 바람직한 실시태양에 비해 전력요구량이 19% 낮다. 상기 주시된 바와같이, 톰린슨의 특허에서는 바람직한 실시태양의 2단계 (2개 고리)의 계단식 냉각장치 대신 (본 발명에서와 같이)합성 냉각제를 사용하는 단일 고리의 증기압축 냉각장치를 사용할 경우 상기 특허의 전력낭비가 초래된 점을 고려해 볼 때 이와같은 전력의 절약은 상당한 것이다.
본 발명과 종래 기술 사이클에 있어서 두 경우 모두 프로판은 95% 회수되고 C4 +성분은 100% 회수된다.
[표1]
본 발명의 방법과 톰린슨 방법과의 비교 성능*
* 미합중국 제4,622,053호(톰린슨외 다수)의 제 2 도에 제시된 것
** 공급물은 80℃ 및 105psia 하에 공급되며 54.1%의 수소, 0.2% 이산화탄소, 14.2%메탄, 11.7%에탄, 0.8% 프로필렌, 10.9% 프로판, 3.2%이소부탄, 3.2% 부탄, 1.4%펜탄 및 0.3%헥산을 포함한다.
본 발명의 한 실시태양은 이제 통상적 정제 배출된 가스스트림으로부터 C3 +탄화수소를 회수하는 방법과 연관지어 상세히 설명될 것이다. 제 1 도에서, 54.1% 수소, 0.2% 이산화탄소, 14.2% 메탄, 11.7% 에탄, 0.8% 프로필렌, 10.9% 프로판, 3.2% 이소부탄, 3.2% 부탄, 1.4% 펜탄 및 0.3% 헥산을 포함한 공급가스는 80℉ 및 105psia 하에 라인(10)으로 유입된다. 라인 (10)내의 공급가스는 열교환장치 (1)에서 냉각된다. 공급가스는 온도가 -10℃이고 압력 100psia인 라인 (11)을 빠져나옴에 따라 부분 응축된다. 상 분리장치의 용기 (3)내로 유입됨으로써 라인 (12)내에는 중탄화수소를 포함한 무거운 액체스트림이 생성되고 라인(21)에는 가벼운 공급 가스 성분을 포함한 증기 스트림이 생성된다. 라인 (21)내의 증기 스트림은 환류열교환장치, 또는 분류장치 (2)로 상승되어, 그 내부에서 부분응축되고 응축된 무거운 부분의 스트림은 열교환 통로로 하류하여 환류제로서 작용하며 이로써 라인(21)내에서 증기 스티림이 정류처리된다. 스트림중 응축된 부분은 상분리 용기(3)로 되돌아와 라인 (12)내의 무거운 액체스트림으로서 최초 상분리된 스트림과 합성된다. 분류장치 (2)의 상층부를 빠져나간 가벼운 성분은 -113℉이고 99psia 상태의 라인 (23)내에서 제거된다. 라인(22)내의 이 스트림은 분류장치(2) 및 열교환장치 (1)를 통해 되돌아오고, 재가온된후, 100℃이고 90psia 상태의 라인 (23)내에서 67.0% 수소, 0.3% 이산화탄소, 17.5% 메탄, 14.2% 에탄, 0.3% 프로필렌, 및 0.7% 프로판이 포함된 연료 스트림으로서 제거된다.
무거운 액체스트림은 라인 (12)을 통과하여 스트리핑 컬럼 (4)내로 운송된다. 스트리핑 컬럼은 그 하부에 뒷끊임장치에 의해 작동된다. C3 +탄화수소 및 1.0% 에탄, 2.9% 프로필렌, 54.0% 프로판, 16.4% 이소부탄, 16.6% 부탄, 7.5% 펜탄 및 1.6% 헥산을 포함한 무거운 탄화수소 산물은 80℉이고 101psia인 상태인 라인 (12)을 통해 스트리핑 컬럼의 하단부로부터 수득된다. 스트리핑 컬럼의 상층증기는 라인 (14)에서 제거되어 상분리 장치 (3)로 되돌려 보내진 후 분류장치 (2)내에서 정류되고 이로써 잔류 C3 +탄화수소가 회수된다.
상기 방법을 수행하는데 필요한 처리과정으로서 제 1 도에 설명된, 냉장처리 과정은 합성 냉각제를 사용하는 단일 고리의 증기 압축 냉각장치로 수행한다. 합성 냉각제는 임의적인 몇 개의 성분들로 제조할 수 있으나 통상적으로 공급 가스를 구성하는 성분들중에서 선택된다. 제 1 도에서, 합성냉각제는 5.8% 메탄, 50.4% 에탄 및 43.8% 부탄으로 구성된다. 제 1 도에서, 라인 (30)내 합성 냉각제의 온도는 110℉이고 그 압력은 17psia이다. 그것은 압축 장치 내에서 6내지 395psia로 재압축되고 공기 냉각장치(5) 및 스트리핑 컬럼의 뒷끊임장치내에서 부분 응축된다. 부분 응축된, 고압의 합성 냉각제 스트림은 115℉인 상태의 라인 (31)을 통해 뒷끊임장치를 빠져나간 후 열교환 장치(1)에서 더욱 응축되고 분류 장치 (2)에서 -118℉로 냉각되어 밸브(17)를 통해 배출되고 분류 장치 (2)에서 부분적으로 재기화됨으로써 저온으로 냉장처리될 수 있다. 이어서 저압합성 냉각제는 더 가온처리하여 열교환장치(1)내에서 기화시켜 110℃이고 17psia인 라인 (30)을 통해 압축기 (6)로 되돌아 간다.
제 1 도에 제시되지 않았으나, 공급가스 스트림이 팽창함으로써 방법의 시행동안 부가적인 냉장처리를 할 수 있다. 예를들어, 라인 (22)을 통해 분류장치의 상위부를 빠져나가는 가벼운 성분을 분류장치에서 가온되기전 또는 분류장치에서 재가온된 후에 팽창될 수 있다.
사용할 수 있는 또 다른 보충적 냉장원은 라인 (13)내에서 중 탄화수소산물을 재증기화 시킨다. 중탄화 수소 산물이 액체스트림 형태로서 요구되지 않을 경우에는, 상기 중탄화 수소 산물을 분류 장치 (2) 또는 열교환 장치(1)에서 재기화 시킴으로써 더욱 냉장시킨다.
단일 고리의 증기 재압축 냉각장치는 합성 냉각제를 사용함으로써 방법시행중 상당량은 냉장처리 할 수 있다. 합성 냉각제는, 가능하다면, 비교적 순수한 성분들, 또는 공급가스의 처리과정중에서 획득된 적당한 성분들의 합성물로 제조할 수 있다. 예를들어, 적당한 합성 냉각제 조성물은 라인 (14) 또는 라인 (21)에서 수득된 증기와 라인 (12) 또는 라인 (13)에서 수득된 액체를 적당한 비율로 혼합함으로써 제조할 수 있다.
합성 냉각제의 조성 및 그것의 응축도 및 기화 압력수치는 열교환 장치와 분류 장치내에서의 방법상 스트림과 합성 냉각제 스트림간의 온도차가 열역학적 효율을 띨수 있도록 정해진다. 물냉각장치 또는 공기냉각장치에서 유용한 냉각원, 스트리핑 컬럼의 뒷끊임장치에 유용한 냉각원과 방법상의 스트림을 재가온시키는데 유용한 냉각원들의 합성체로 합성 냉각제를 최소한 부분적으로 응축시킬 수 있을 정도의 고압상태로 합성 냉각제를 압축시킨다. 합성 냉각제는 부분 응축되거나 완전 응축될 수 있고 냉장상태로 공급될 수 있도록 배출되어 저압하에서 기화되기 전에 차 냉각시킨다.
편이상, 단일 고리의 냉각 스트림의 증기부 및 액체부를 각각 응축시켜 냉각시키고 열 교환장치 또는 분류 장치중 임의의 장치에서 각각 가온시켰다. 합성 냉각제는 또한 냉장상태로 유지하기 위해 1기압 이상의 상태에서 기화시키고 가온시킴으로써 재압축 에너지를 절감시킬 수 있다.
본 발명은 그것의 구체적 실시태양을 참고로 기재하였다.
이 실시태양은 본 발명의 영역을 제한시키고자 제시한 것은 아니며 ; 그러한 발명의 영역은 하기 특허청구의 범위에 의해 설정된다.

Claims (9)

  1. (a) 가스스트림을 냉각시켜 그것을 부분응축시키는 단계 ; (b) 부분응축된 가스스트림을 상분리장치내에서 증기 성분과 액체 성분으로 상분리시키는 단계 ; (c) 단계 (b)의 증기 성분을 저온 분류를 통해 정류시킴으로써 가벼운 가스스트림과 무거운 액체스트림을 분리 생성시키는 단계 ; 및 (d) 단계 (b)의 액체성분 및 단계 (c)의 무거운 액체스트림을 뒷끊임장치가 장착된 스트리핑 컬럼내에서 스트리핑 처리하는 단계 (이때 상기 스트리핑 컬럼의 하단부로부터 배출되는 스트림은 무거운 탄화수소 산물임) ; (e) 합성 냉각제를 사용하는 단일 고리의 증기 재압축 냉각장치를 통해 방법 시행동안 냉장시키는 단계를 포함하여 가스스트림을 포함한 탄화수소로부터 중탄화수소 산물을 회수하는 저온분리방법에 있어서, 상기 분리방법의 효율성을 증가시키기 위한 하기 (ⅰ) 내지 (ⅳ)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리방법 ; (ⅰ) 단계 (b)의 액체 성분과 단계 (c)의 무거운 액체스트림을 단계 (d)의 스트리핑 컬럼으로 직접 보내고 ; (ⅱ) 스트리핑컬럼을 주위온도 이하에서 작동시키고 ; (ⅲ) 스트리핑 컬럼의 상층부 증기를 단계(b)의 상분리장치에 직접 보냄으로써 (b)의 증기 성분과 정류되도록 하며 ; (ⅳ) 단계 (e)에서 사용된 합성 냉각제를 스트리핑 칼럼의 뒷끊임장치에 열매체로서 사용함으로써 뒷끊임장치에 최소한 어느정도의 열을 제공한다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소 포함 가스스트림이 수소, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 C2 +탄화수소를 포함하는 분리방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 중탄화수소 산물이 C2 +탄화수소를 포함하는 분리방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 중탄화수소 산물이 C3 +탄화수소를 포함하는 분리방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소 포함 가스스트림의 압력이 40 내지 200psia이고 상기 가스스트림을 압축시키는 단계를 포함하지 않은 분리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 합성 냉각제의 성분이 탄화수소 포함 가스스트림으로부터 획득되는 분리방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 공급가스를 팽창시킴으로써 상기 방법에서 보충적 냉장 효과를 내는 분리방법.
  8. 제 1 항에서 상기 중탄화수소 산물을 기화시킴으로써 상기 방법에서 보충적 냉장효과를 내는 분리방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 뒷끊임장치에는 공급물, 산물 또는 합성 냉각제를 통해서만 열이 공급되고 스팀과 같은 외적열원은 사용하지 않는 분리방법.
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