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KR101454074B1 - 듀얼 모드 분리벽형 증류탑 - Google Patents

듀얼 모드 분리벽형 증류탑 Download PDF

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KR101454074B1
KR101454074B1 KR1020120103959A KR20120103959A KR101454074B1 KR 101454074 B1 KR101454074 B1 KR 101454074B1 KR 1020120103959 A KR1020120103959 A KR 1020120103959A KR 20120103959 A KR20120103959 A KR 20120103959A KR 101454074 B1 KR101454074 B1 KR 101454074B1
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이성규
신준호
이종구
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환이 가능한 듀얼 모드 분리벽형 증류탑 및 상기 듀얼 모드 분리벽형 증류탑을 이용한 증류방법에 관한 것으로, 기존의 단일벽형 모드 증류탑에 비해 장치비용 및 에너지를 절약할 수 있으며, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 공정 셧다운 없이 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환이 가능하여, 장치의 이상으로 셧다운 시 발생할 수 경제적 손실을 방지할 수 있다.

Description

듀얼 모드 분리벽형 증류탑{Dual Mode Dividing Wall Columns}
본 발명은 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환이 가능한 듀얼 모드 분리벽형 증류탑 및 상기 듀얼 모드 분리벽형 증류탑을 이용한 에틸렌 또는 프로필렌을 포함하는 크루드 원료물질의 증류방법에 관한 것이다.
원유(Crude Oil) 등과 같은 각종 원료물질은 통상적으로 수많은 화학물질의 혼합물인 경우가 많아, 그 자체로 산업에 이용되는 것은 드물고 각각의 화합물로 분리된 후 사용되는 것이 보통이다. 혼합물을 분리하는 화학공정 중 대표적인 것이 증류공정이다.
통상적으로 증류공정은 고비점 성분과 저비점 성분을 양분하므로, 분리하고자 하는 혼합물의 성분 개수(n)보다 하나 적은 개수(n-1)의 증류탑을 사용하게 된다. 즉, 종래의 증류산업 현장에서 3성분 혼합물의 분리를 위한 공정은 대부분 연속 2기의 증류탑 구조를 사용하고 있다.
3성분 혼합물의 분리를 위한 종래의 증류공정은 도 1에 도시한 것과 같다. 예를 들어, 제1탑(11)에서 가장 저비점 성분(D)을 분리하고, 제2탑(21)에서 중비점 성분(S)과 고비점 성분(B)을 분리하는 2탑 방식이다. 이런 경우, 첫번째 컬럼의 하부 영역에서 중비점(S) 성분의 재혼합 현상이 발생하는 것이 일반적이다. 구체적으로, 상기 종래의 공정은 제품 생산물의 조성은 쉽게 제어할 수 있는 반면, 첫 번째 컬럼 내에서 중비점 성분의 재혼합 과정이 일어나게 되며, 이는 증류탑에서의 열역학적 효율을 떨어뜨리는 주요 요인이 되어 에너지를 불필요하게 추가로 소비하는 결과를 가져온다.
상기 문제점을 개선하기 위하여 새로운 증류 구조에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 열통합 구조에 의하여 분리 효율을 향상시키고자 하는 대표적인 예로 도 2와 같은 Petlyuk 증류탑 구조를 들 수 있다. Petlyuk 증류탑은 예비분리기(12)와 주분리기(22)를 열적으로 통합된 구조로 배열함으로써 저비점 성분과 고비점 성분을 1차적으로 예비분리기에서 분리한 다음, 예비분리기의 탑정 부분과 탑저 부분이 주분리기의 공급단으로 각각 유입되어 주분리기에서 저비점, 중비점, 고비점 성분을 각각 분리하게 된다. 이러한 구조는 Petlyuk 증류탑 내의 증류곡선이 평형증류곡선과 유사하게 되어 에너지 효율을 높게 만든다. 하지만 공정의 설계 및 운전이 용이하지 않고, 특히 증류탑 내의 압력 균형을 맞추기 어렵다는 문제점이 존재한다. 상기 Petlyuk 증류탑이 가지는 제한점을 개선하기 위하여 분리벽형 증류탑(DWC: Dividing Wall Column)이 제안되었다. 구체적으로, 분리벽형 증류탑은 Petlyuk 증류탑과 열역학적 관점에서는 유사하나 구조적인 관점에서 탑 내에 분리벽을 설치함으로써 Petlyuk 증류탑의 예비분리기를 주분리기 내부에 통합시킨 형태이다. 이러한 구조는 Petlyuk 증류탑의 예비분리기와 주분리기 간의 압력 균형의 어려움과 이로 인한 운전상의 어려움을 자연스럽게 해소해 줌으로써 운전이 용이하게 되고, 또한 2기의 증류탑이 하나로 통합되어 투자 비용도 대폭 절감될 수 있다는 큰 장점을 가지게 된다.
예를 들어, 상기 분리벽형 증류탑에 대한 선행기술로, 한국공개특허 제2010-0105500호에서는 2-에틸헥산올 생산을 위한 분리벽형 증류탑을 개시하고 있으며, 한국공개특허 제2010-0092396호에서 압력균등화 수단을 구비한 분리벽형 증류탑이 개시되어 있다.
한국공개특허 제2010-0105500호 한국공개특허 제2010-0092396호
본 발명은 듀얼 모드 분리벽형 증류탑에 관한 것으로, 셧다운(Shutdown) 없이 연속적으로 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 듀얼 모드 분리벽형 증류탑에 관한 것으로, 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환이 가능한 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 분리벽형 증류탑은 탑정구역; 상부 공급 구역, 하부 공급 구역을 포함하는 예비분리영역; 상부 유출 구역, 하부 유출 구역을 포함하는 주분리영역; 및 탑저구역을 포함하고,
상기 탑정구역에 설치된 환류 장치로의 유출라인 및 상기 환류 장치로부터의 유입라인;
예비분리영역의 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역이 접하는 곳에 설치된 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인;
주분리영역의 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역이 접하는 곳에 설치된 중비점 성분의 유출라인; 및
탑저구역에 설치된 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인을 포함할 수 있다.
상기 분리벽형 증류탑을 이용하여 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환할 수 있으며, 예를 들어,
분리벽형 모드에서는, 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인이 폐쇄되고,
단일벽형 모드에서는, 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인이 개방될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 듀얼 모드 분리벽형 증류탑을 이용한 증류방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 듀얼 모드 분리벽형 증류탑(DWC)은 기존의 단일벽형 모드 증류탑에 비해 장치비용 및 에너지를 절약하고 생산성을 향상시킬 수 있으며, 특히, 공정 셧다운 없이 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환이 가능하므로 장치의 셧다운시 발생할 수 있는 경제적 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 기존의 단일벽형 모드의 개략도이다.
도 2는 Petlyuk 증류탑 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 분리벽형 증류탑의 구조를 나타낸 개략도이다.
도4는 분리벽형 증류탑의 모드 변환 시에 관여하는 노즐이 설치된 구조를 나타낸 개략도이다.
도 5는 일실시예의 2-에틸헥사놀을 정제하기 위한 증류탑의 공정 흐름도를 나타낸 것으로, (a) 기존 인다이렉트 시퀀스(Indirect sequence) 증류탑에서의 공정과 (b) 인다이렉트 시퀀스에 분리벽형 증류탑을 이용한 경우의 공정과 (c) 기존 다이렉트 시퀀스(Direct sequence) 증류탑에서의 공정과 (d) 다이렉트 시퀀스에 분리벽형 증류탑을 이용한 경우의 공정을 나타낸 개략도이다.
도 6은 2-에틸헥사놀을 생산 및 정제하는 과정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 7은 분리벽형 모드와 단일벽형 모드에서의 온도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 듀얼 모드 분리벽형 증류탑에 관한 것으로, 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환이 가능한 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 본발명에 따른 분리벽형 증류탑은 분리벽형 모드로 작동시 장치의 이상이 생길 경우 셧다운 없이 단일벽형 모드와 상호 전환이 가능할 수 있다.
본 발명에서, 단일벽형 모드는, 기존의 증류탑이 가지는 운전 모드를 의미하며, 도 1에 개시된 증류탑과 실질적으로 동일한 경로의 증류과정을 거치게 된다. 이에 대해, 분리벽형 모드는 증류탑 내부에 분리벽을 형성함으로써, 기존의 증류탑 2기로 수행하던 증류과정을 1기의 증류탑을 이용하여 통합 수행할 수 있는 증류탑 운전 모드를 의미한다. 본 발명에서 단일벽형 모드 및 분리벽형 모드는 증류대상 물질에 대한 증류과정을 식별하기 위한 것으로, 증류탑 내에 실제 분리벽이 형성되어 있는지 여부와는 무관하다.
하나의 예로서, 본 발명의 분리벽형 증류탑은 증류대상물질의 유체 흐름을 제어함으로써, 단일벽형 모드와 분리벽형 모드 상호간의 전환이 가능하다.
하나의 예로서, 상기 분리벽형 증류탑은,
탑정구역; 상부 공급 구역, 하부 공급 구역을 포함하는 예비분리영역; 상부 유출 구역, 하부 유출 구역을 포함하는 주분리영역; 및 탑저구역을 포함하고,
상기 탑정구역에 설치된 환류 장치로의 유출라인 및 상기 환류 장치로부터의 유입라인;
예비분리영역의 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역이 접하는 곳에 설치된 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인;
주분리영역의 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역이 접하는 곳에 설치된 중비점 성분의 유출라인; 및
탑저구역에 설치된 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인을 포함할 수 있다.
상기 분리벽형 증류탑을 통해 단일벽형 모드와 분리벽형 모드를 상호 전환할 경우, 각각의 예를 들어,
분리벽형 모드에서는, 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인이 폐쇄되고,
단일벽형 모드에서는, 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인이 개방될 수 있다.
구체적으로, 상기 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드에서는 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인을 제외한 라인들은, 각 모드에서 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인의 개방 또는 폐쇄에 대하여 반대로 폐쇄 또는 개방될 수 있다. 예를 들어,
분리벽형 모드에서는, 환류 장치로의 유출라인, 환류 장치로부터의 유입라인, 중비점 성분의 유출라인 및 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인이 개방되고,
단일벽형 모드에서는, 환류 장치로의 유출라인, 환류 장치로부터의 유입라인, 중비점 성분의 유출라인 및 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인이 폐쇄될 수 있다.
상기 본 발명의 일실시예의 분리벽형 증류탑의 개략적 구조를 도 3을 통해 나타낼 수 있다. 도 3을 보면, 본 발명 일실시예의 증류탑은 주탑(1) 이외에 응축기(31) 또는/및 재비기(41)를 포함할 수 있다. 상기 응축기는 가스 상태의 혼합물의 기화열을 빼앗아 응축시키는 장치로서, 종래 화학공학 장치에 사용되는 응축기를 비제한적으로 사용할 수 있다. 상기 재비기는 액체 상태의 혼합물에 기화열을 제공하여 기화시키는 장치로서, 종래 화학공학 장치에 사용되는 재비기를 비제한적으로 사용할 수 있다. 또한, 상기 주탑은 충전물(packing)을 포함하는 충전탑인 것을 사용할 수 있다. 충전탑은 탑체(塔體)에 고정된 다공판 또는 격자형 받침 트레이가 있고, 그 위에 적당한 높이의 층으로 충전물(packing)이 채워져 충전배드(packing bed)가 형성될 수 있으며, 통상적으로 액분배기(liquid distributor)가 충전배드들의 사이에 위치하게 된다. 충전물은 표면적이 넓고 통기성이 있는 고체로 이 충전층 내에서 기액접촉이 일어나 증류조작이 행해지며, 충전물의 재료로는 도자기, 그라파이트, 메탈(metal) 등이 사용될 수 있다.
상기 주탑(1)은 크게 6 부분의 구역으로 구획될 수 있다.
구체적으로, 탑정 구역(100)은 분리벽(51)이 없는 주탑의 상부의 영역을 말한다.
상부 공급 구역(200)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고 유입물(원료) 흐름보다 상부에 위치하는 서브영역이다.
상부 유출 구역(300)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유출물 흐름보다 상부에 위치하는 서브영역이다.
하부 공급 구역(400)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유입물 흐름보다 하부에 위치하는 서브영역이다.
하부 유출 구역(500)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유출물 흐름보다 하부에 위치하는 서브영역이다.
탑저 구역(600)은 분리벽이 없는 주탑의 하부 영역을 말한다.
또한, 상기 주탑은 예비분리영역과 주분리영역으로 크게 2 부분의 영역으로 나누어질 수 있다. 예비분리영역은, 상기 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역은 기존의 단일벽형 모드(2기의 증류탑을 연속으로 사용하는 공정)의 예비분리기와 유사한 역할을 하므로, 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역을 통칭할 수 있으며, 주분리영역은, 상기 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역은 기존의 단일벽형 모드(2기의 증류탑을 연속으로 사용하는 공정)의 주분리기 역할을 하므로, 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역을 통칭할 수 있다.
상기 주탑은 적어도 1개의 유입점 및 적어도 3개의 유출점을 포함할 수 있다.
원료(F)가 상기 주탑의 상부 공급 구역 및 상기 하부 공급 구역이 접하는 유입중간단(NR1)으로 유입되고, 저비점 성분(D)은 상기 탑정 구역에서 유출되고, 고비점 성분(B)은 상기 탑저 구역에서 유출되고, 중비점 성분(S)은 상기 상부 유출 구역 및 상기 하부 유출 구역이 접하는 유출중간단(NR2)으로 유출될 수 있다.
분리벽형 증류공정이 종래의 연속 2기 증류공정보다 에너지가 적게 소요되는 이유는 구조적 차이로 해석할 수 있다. 분리벽형 증류탑에서는 분리벽에 의해 나누어진 공간이 예비분리기의 역할을 하므로 고비점 성분과 저비점 성분의 분리로 인해 액체 조성이 평형증류곡선과 거의 일치하게 되고 재혼합(remixing) 효과가 억제되어 분리를 위한 열역학적 효율이 향상될 수 있다.
상기 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역을 포함하는 예비분리영역은 종래 공정의 예비분리기와 유사한 역할을 할 수 있다. 예비분리영역으로 유입되는 3성분은 저비점 성분과 고비점 성분으로 분리되며, 상기 예비분리영역에서 분리된 저비점 성분과 고비점 성분의 일부는 탑정 구역 및 탑저 구역으로 유입되고, 일부는 다시 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역으로 유입되어 재증류될 수 있다.
상기 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역을 포함하는 주분리영역은 종래 공정의 주분리기 역할을 할 수 있다. 상기 주분리영역의 분리벽 상부 부분에서는 주로 저비점 성분과 중비점 성분으로 분리되고, 하부 부분에서는 주로 중비점 성분과 고비점 성분이 분리될 수 있다.
저비점 성분은 주탑의 탑정 구역과 응축기를 거친 후 일부는 저비점 제품(D)으로 생산되고, 그 나머지는 액상 유량(LD)으로 다시 주탑의 탑정 구역으로 환류되며, 고비점 성분은 주탑의 탑저 구역과 재비기를 거친 후 일부는 고비점 제품(B)으로 생산되고, 그 나머지는 기상 유량(VB)으로 다시 주탑의 탑저 구역으로 환류될 수 있다.
상기 듀얼 모드 분리벽형 증류탑의 또 하나의 예로서, 도 4를 통해 나타낼 수 있으며, 상기 분리벽형 증류탑의 모드 변환 시에 관여하는 노즐이 설치된 구조를 설명할 수 있다. 구체적으로, 환류 장치로의 유출라인(A), 상기 환류 장치로부터의 유입라인(B1, B2), 중비점 성분의 유출라인(C), 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인(D), 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인(F1,2) 및 증기 이퀄라이징 라인(E1,2)이 설치된 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 듀얼 모드 분리벽형 증류탑은 분리벽형 모드와 단일벽형 모드의 상호 전환이 연속적일 수 있다. 구체적으로, 상기 증류탑에 설치된 환류 장치로의 유출라인, 상기 환류 장치로부터의 유입라인, 중비점 성분의 유출라인, 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인, 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인의 개방 또는 패쇄를 통해 상호 전환을 조절할 수 있다. 예를 들어, 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 시에 각 라인의 개방 또는 패쇄는 하기 표 1에 따라 수행될 수 있다.
노즐 명칭 분리벽형 모드 단일벽형 모드
A 환류 장치로의 유출라인 개방(Open) 폐쇄(Close)
B1, B2 환류 장치로부터의 유입라인 개방(Open) 폐쇄(Close)
C 중비점 성분의 유출라인 개방(Open) 폐쇄(Close)
D 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인 개방(Open) 폐쇄(Close)
E1, E2 증기 이퀄라이징 라인 폐쇄(Close) 개방(Open)
F1, F2 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 폐쇄(Close) 개방(Open)
상기 각 모드의 상호 전환 시 노즐의 개방 또는 패쇄를 통해 수행하므로, 기본적으로 분리벽형 모드로 작동시키며, 만일의 사태가 발생하여 분리벽형 모드로 작동시킬 수 없을 경우, 셧다운(shutdown) 없이 연속적으로 단일벽형 모드로 전환할 수 있다. 이를 통해, 셧다운시 발생할 수 있는 경제적인 피해를 줄일 수 있으며, 유지 및 보수가 용이할 수 있다.
상기 분리벽형 모드시, 상기 예비분리영역과 상기 주분리영역은 3 내지 10℃의 온도차를 나타낼 수 있다. 단일벽형 모드일 경우 분리벽, 예비분리영역 및 주분리영역이 분리되어 존재하지 않으므로 탑 내의 동일 단에서 온도가 같다. 하지만, 본 발명은 상기 온도차를 통해, 분리벽, 예비분리영역 및 주분리영역의 작용으로 인해 분리벽형 증류탑으로서 작동할 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 듀얼 모드 분리벽형 증류탑은 단일벽형 모드인 경우에는 별도의 증류탑과 유체연결될 수 있다. 구체적으로, 기본적으로 분리벽형 모드로 운전되나, 만일의 사태가 발생하여 분리벽형 모드로 작동시킬 수 없을 경우, 별도의 증류탑과 유체연결되어 기존의 2기의 증류탑을 연속으로 사용하는 단일벽형 모드로 운전될 수 있다. 또한, 상기 분리벽형 증류탑은 기존의 증류탑을 개조하여 사용할 수 있으며, 이를 통해, 장치비용을 절감할 수 있다. 예를 들어, 상기 기존의 2기의 증류탑을 연속으로 사용하는 단일벽형 증류탑을 개조한 공정 흐름의 하나의 예로서, 도 5를 통해 설명할 수 있다. 구체적으로, 도 5는 2-에틸헥사놀(2-EH) 정제를 위한 것으로, (a) 기존 인다이렉트 시퀀스(Indirect sequence) 증류탑에서의 공정 흐름과 (b) 인다이렉트 시퀀스에 분리벽형 증류탑을 이용한 경우의 공정 흐름을 비교할 수 있고, (c) 기존 다이렉트 시퀀스(Direct sequence) 증류탑에서의 공정 흐름과 (d) 다이렉트 시퀀스에 분리벽형 증류탑을 이용한 경우의 공정 흐름을 비교할 수 있다.
도 2의 (a)에 의하면, 기존 증류탑에서는 제1 컬럼의 중간단에 형성된 유입구로 크루드 2-EH가 유입된다. 제1 컬럼은 해비-컷 컬럼(Heavies-cut column)으로, 하단부로는 해비(Heavies) 성분이 유출되고, 나머지는 제2 컬럼인 라이트-컷 컬럼(Lights-cut column)으로 도입된다. 제2 컬럼에서는 라이트(lights) 성분이 컬럼의 상단부로 유출되고, 컬럼의 하단으로 정제된 2-EH를 얻게 된다. 이에 반해, 분리벽형 증류탑(b)의 경우에는 제1 컬럼인 헤비-컷 컬럼에 분리벽을 설치한 구조이다. 제1 컬럼의 상단 및 중간단으로 유출되는 성분이 제2 컬럼인 라이트-컷 컬럼으로 도입되며, 제 2 컬럼의 하단으로 정제된 2-EH를 얻게 된다.
도 2의 (c)에 의하면, 기존 증류탑에서는 제1 컬럼의 중간단에 형성된 유입구로 크루드 2-EH가 유입된다. 제1 컬럼은 라이트-컷 컬럼으로, 상단부로는 라이트 성분이 유출되고, 나머지는 제2 컬럼인 헤비-켓 컬럼으로 도입된다. 제2 컬럼에서는 헤비 성분이 컬럼의 하단부로 유출되고, 컬럼의 상단으로 정제된 2-EH를 얻게 된다. 이에 반해, 분리벽형 증류탑(d)의 경우에는 제1 컬럼인 라이트-컷 컬럼에 분리벽을 설치한 구조이다. 상기 제1 컬럼의 하단 및 중간단으로 유출되는 성분을 제2 컬럼인 헤비-컷 컬럼으로 도입하게 되며, 제2 컬럼의 상단으로 정제된 2-EH를 얻게 된다.
본 발명에 따른 상기 예비분리영역과 상기 주분리영역의 유체 분배는 균등하게 이루어질 수 있다. 구체적으로, 충전배드들의 사이에 설치된 액분배기(liquid distributor)를 통해, 상기 유체 분배를 균등하게 할 수 있으며, 상기 분리벽으로 양분되는 두 영역의 유체 분배비(liquid split ratio)를 1:1로 유지될 수 있다. 이를 통해, 탑 내의 분리벽으로 양분되는 예비분리영역과 주분리영역의 압력 강하 차이를 1 mmHg 이하로 줄일 수 있어, 운전 용이성 측면에서 바람직할 수 있다. 또한, 상기 압력 강하 차이를 줄이기 위해 증기 이퀄라이징 라인을 통해 분리벽으로 양분되는 두 영역의 기체 분배비(Vapor split ratio)를 조절할 수 있다.
본 발명은, 본 발명에 따른 듀얼 모드 분리벽형 증류탑을 이용한 증류방법을 포함할 수 있다. 구체적으로, 증류대상물질이 탄소수 2 내지 8의 유기화합물인 크루드 원료물질의 증류방법을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 크루드 원료물질의 증류대상물질은 2-에틸헥산올, 아크릴 또는 노르말부탄올일 수 있으며, 상기 2-에틸헥산올의 생산 공정흐름도는 도 6을 통해 설명할 수 있다. 도 6을 보면, 프로필렌(propylene) 및 합성 가스(SYN, GAS)로부터 옥소 유닛(oxo unit)에서 옥소 반응을 통해 부틸 알데히드(BAL)가 합성된다. 상기 합성된 부틸 알데히드 중 이성질체인 N-BAL 및 I-BAL는 이성질체 공정(isomer process)을 통해 분리되고, N-BAL은 알돌(aldol) 축합에 의해 2-에틸헥사날(EPA)로 전환된다. 그 후, 상기 EPA와 수소의 수소화반응(Hydrogenation)으로부터 크루드 2-EH가 발생되고, 그런 다음, 알코올 정제 유닛(alcohol purification unit)을 통해 정제된 최종 2-EH가 분리될 수 있다. 상기 알코올 정제 유닛은 기존에 해비 컷(heavies-cut) 컬럼과 라이트 컷(light-cut) 컬럼으로 이루어진 두 개의 연속된 단순 증류 컬럼들로 구성되었으나, 본 발명에 따른 듀얼 모드 분리벽형 증류탑을 사용함으로써, 에너지의 절약 및 장치비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 듀얼 모드 분리벽형 증류탑을 이용한 증류방법의 하나의 예로서,
크루드 원료물질이 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역이 접하는 공급중간단으로 유입되고;
저비점 성분은 탑정구역에서 유출되고, 고비점 성분은 탑저구역에서 유출되고, 중비점 성분은 상기 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역이 접하는 유출중간단으로 유출되며,
상기 중비점 성분이 증류대상물질일 수 있다.
상기 증류대상물질은 다양한 물질들을 대상으로 하며, 분리벽이 없는 기존의 증류탑에서 증류가능한 물질들은 모두 적용 가능하다. 하나의 예로서, 탄소수 2 내지 8의 유기화합물을 포함하는 크루드 원료물질을 정제하여 분리된 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 증류대상물질은 2-에틸헥산올, 아크릴 또는 노르말부탄올일 수 있다. 구체적으로, 크루드 2-에틸헥산올이 증류탑의 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역이 접하는 공급중간단으로 유입되고, 저비점 성분은 탑정구역에서 유출되고, 고비점 성분은 탑저구역에서 유출되며, 중비점 성분인 2-에틸헥산올은 상기 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역이 접하는 유출중간단으로 유출되어 분리될 수 있다.
상기 크루드 물질에 함유된 증류대상물질의 함량은, 크루드 원료물질 100 중량%를 기준으로, 50 내지 80 중량%일 수 있다. 또 다른 예로는, 원료 물질에 함유된 증류대상물질의 함량이 상대적으로 고순도인 경우, 예를 들어, 90 내지 98 중량%, 90 내지 95 중량% 또는 92 내지 95 중량%인 경우에도 적용 가능하다.
상기 크루드 원료물질은 예열 후 공급될 수 있다. 이를 통해 약 5%의 에너지를 절약할 수 있으며, 이는 추가로 설치될 수 있는 예열기를 통해 수행될 수 있다.
이하, 상기 서술한 내용을 바탕으로, 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위를 한정하려는 것은 아니다.
실시예 : 시뮬레이션을 통한 온도 프로파일링
물리적 그리고 열역학적 특성을 확인하기 위하여 Aspen Plus 및 Pro-II와 같은 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 분리벽형 증류탑의 설계 및 구동 능력을 평가하였다. 상기 시뮬레이션을 통해 트레이의 전체 수, 공급 및 산출 위치, 분리 섹션으로의 유체 및 증기 분배비와 같은 설계 변수들은 시뮬레이션에 의해 결정할 수 있으며, 건설 비용 견적을 결정하는데 유용할 수 있다.
상기 시뮬레이션을 통해 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드에 대하여 온도 프로파일링을 수행하였으며, 도 7에 나타내었다. 도 7을 통해, 분리벽형 모드(Design)에서, 예비분리영역(Pre)의 온도 프로파일은 주분리영역(Main)의 온도 프로파일과 차이가 있지만, 단일벽형 모드(Contingency)에서는 동일하게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 또한, 각 이상 단(No. of Ideal stage)에서 탑정구역(Top)으로 갈수록 온도가 낮아지며, 탑저구역(Btm)으로 갈수록 온도가 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 이를 통해, 분리벽형 모드 증류탑 및 단일벽형 모드 증류탑을 상호 전환 및 작동 여부를 확인할 수 있다.
1: 주탑
11: 제1탑 21: 제2탑
12: 예비분리기 22: 주분리기
31: 응축기 41: 재비기
51: 분리벽
100: 탑정 구역 200: 상부 공급 구역
300: 상부 유출 구역 400: 하부 공급 구역
500: 하부 유출 구역 600: 탑저 구역
NR1: 유입중간단 NR2: 유출중간단
F: 원료(피드) B: 고비점 성분
D: 저비점 성분 S: 중비점 성분

Claims (14)

  1. 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환이 가능하고,
    상기 분리벽형 증류탑은 탑정구역; 상부 공급 구역, 하부 공급 구역을 포함하는 예비분리영역; 상부 유출 구역, 하부 유출 구역을 포함하는 주분리영역; 및 탑저구역을 포함하고,
    상기 탑정구역에 설치된 환류 장치로의 유출라인 및 상기 환류 장치로부터의 유입라인;
    예비분리영역의 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역이 접하는 곳에 설치된 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인;
    주분리영역의 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역이 접하는 곳에 설치된 중비점 성분의 유출라인; 및
    탑저구역에 설치된 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드 분리벽형 증류탑.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    분리벽형 모드에서는, 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인이 폐쇄되고,
    단일벽형 모드에서는, 단일벽형 모드를 위한 원료 공급라인 및 증기 이퀄라이징 라인이 개방되는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드 분리벽형 증류탑.
  4. 제 1 항에 있어서,
    분리벽형 모드에서는, 환류 장치로의 유출라인, 환류 장치로부터의 유입라인, 중비점 성분의 유출라인 및 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인이 개방되고,
    단일벽형 모드에서는, 환류 장치로의 유출라인, 환류 장치로부터의 유입라인, 중비점 성분의 유출라인 및 분리벽형 모드를 위한 원료 공급라인이 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 듀얼 모드 분리벽형 증류탑.
  5. 제 1 항에 있어서,
    분리벽형 모드와 단일벽형 모드의 연속적인 상호 전환이 가능한 것을 특징으로 하는 듀얼 모드 분리벽형 증류탑.
  6. 제 1 항에 있어서,
    분리벽형 모드시, 예비분리영역과 주분리영역의 온도차는 3 내지 10℃ 범위인 것을 특징으로 하는 듀얼 모드 분리벽형 증류탑.
  7. 제 1 항에 있어서,
    예비분리영역과 주분리영역의 유체 분배를 조절하는 액분배기를 더 포함하는 듀얼 모드 분리벽형 증류탑.
  8. 제 7 항에 있어서,
    예비분리영역과 주분리영역의 압력 강하 차이는 1 mmHg 이하인 것을 특징으로 하는 듀얼 모드 분리벽형 증류탑.
  9. 제 1 항에 있어서,
    단일벽형 모드인 경우에는 별도의 증류탑과 유체연결되는 구조인 것을 특징으로 하는 듀얼 모드 분리벽형 증류탑.
  10. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 듀얼 모드 분리벽형 증류탑을 이용한 증류방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    크루드 원료물질이 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역이 접하는 공급중간단으로 유입되고;
    저비점 성분은 탑정구역에서 유출되고, 고비점 성분은 탑저구역에서 유출되고, 중비점 성분은 상기 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역이 접하는 유출중간단으로 유출되며,
    상기 중비점 성분이 증류대상물질인 것을 특징으로 하는 증류방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    증류대상물질은 탄소수 2 내지 8의 유기화합물을 포함하는 크루드 원료물질을 정제하여 분리된 물질인 것을 특징으로 하는 증류방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    크루드 원료물질에 함유된 증류대상물질의 함량은, 크루드 원료물질 100 중량%를 기준으로, 50 내지 80 중량%인 것을 특징으로 하는 증류방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    크루드 원료물질은 예열 후 공급되는 것을 특징으로 하는 증류방법.
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