KR101784047B1 - 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 공정에 있어서, a)반응기로부터 얻어진 반응 생성물을 열 교환기가 구비된 압축기에 공급하는 단계; b)상기 압축기에서 반응 생성물을 압축하여 용매 흡수탑으로 공급하는 단계; 및c)상기 압축기에 구비된 열 교환기로부터 배출되는 핫워터(HW) 또는 로우핫워터(LHW)를 열 교환기가 구비된 하나 이상의 장치 유닛에 통과시키는 단계;를 포함하는 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법에 관한 것으로서, 산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 공정 내에서 요구되는 순에너지량을 절감함으로써, 부타디엔 제조 공정의 경제성을 향상시킨다.

Description

부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법{Energy recycling method of waste energy in butadiene manufacturing process}

본 발명은 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법에 관한 것이다.

부타디엔(Butadiene)은 중요한 기본 화학물질이고, 합성고무와 전자재료 등 수많은 석유화학 제품의 중간체로 이용되며, 현재 석유화학 시장에서 가장 중요한 기초유분 중 하나로서 그 수요와 가치가 점차 증가하고 있으며, 상기 부타디엔을 제조하는 방법으로는 납사 크래킹, 노르말-부텐(n-butente)의 직접 탈수소화 반응, 노르말-부텐(n-butene)의 산화적 탈수소화(oxidative dehydrogenation) 반응을 통한 방법 등이 있다.

이 중 산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 방법은 300 내지 600?의 고온에서 반응을 진행하며, 상기 반응으로 제조된 부타디엔은 흡수 용매에 용해시켜 가스 생성물을 분리하고, 용매를 제거한 다음 이를 정제하면 고순도의 부타디엔이 얻어진다. 한편, 상기 분리된 가스 생성물 중 반응에 유효한 성분들은 순환되어 반응기 내로 재투입되며, 나머지 부분들은 퍼지 스트림과 함께 계 외부로 배출된다.

상기 산화탈수소 반응을 통한 부타디엔 제조 시, 반응기는 상대적인 저압에서 운전되고, 용매 흡수탑은 상대적인 고압에서 운전되므로, 상기 반응기로부터 얻어진 반응 생성물은 용매 흡수탑으로 공급되기 전에 압축기에 의해 압축되는 과정을 거친다. 상기 압축 과정에서 압축열이 발생하는데 상기 압축열은 흡수탑에 공급되기 전에 제거될 필요성이 있다.

상기 압축 과정에서 발생하는 압축열을 고비점 제거탑, 탈기탑 및 부타디엔 정제탑 등의 공정 내 개별 장치 유닛(unit)에 공급함으로써, 공정 내에서 필요로 하는 순 에너지량을 절감하고자 하였다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 일실시예에서, 산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 공정에 있어서, a)반응기로부터 얻어진 반응 생성물을 열 교환기가 구비된 압축기에 공급하는 단계; b)상기 압축기에서 반응 생성물을 압축하여 용매 흡수탑으로 공급하는 단계; 및 c)상기 압축기에 구비된 열 교환기로부터 배출되는 핫워터(HW) 또는 로우핫워터(LHW)를 열 교환기가 구비된 하나 이상의 장치 유닛에 통과시키는 단계;를 포함하는 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 반응 생성물을 용매 흡수탑에 공급하기 전에 압축하는 과정에서 발생하는 압축열을 부타디엔 제조 공정 내 개별 장치 유닛에 공급함으로써, 공정 내에서 요구되는 순 에너지량을 절감할 수 있다.

이에 따라, 부타디엔 제조 공정의 경제성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 반응 생성물을 압축하는 과정에서 발생한 압축열을 열 에너지를 필요로 하는 개별 장치 유닛에 공급하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 반응 생성물을 압축하는 과정에서 발생한 압축열을 열 에너지를 필요로 하는 개별 장치 유닛에 공급하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. 특히, 특허청구범위 및 요약서를 포함하여 본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어인 "가스 생성물(light gas)"은 산화탈수소 반응을 통하여 생성된 반응생성물 중 질소, 산소, 수증기, 일산화탄소 또는 이산화탄소 등을 포함하는 기체 성분을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 용어 "유효 성분"은 질소, 산소, 미반응 원료 또는 부타디엔 등과 같이 부타디엔 제조 반응에 유효한 성분을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

부타디엔 제조 장치

상술한 산화탈수소 반응을 통한 부타디엔 제조방법을 실시하기 위한 부타디엔 제조 장치는, C4 유분, 스팀(steam), 산소(O₂) 및 질소(N₂)를 포함하는 제 1 흐름(30)의 각 성분을 반응기(10) 내에 각각 유입시키기 위한 개별 파이프라인을 포함하거나, 또는 반응기(10)와 직접 연결된 하나의 파이프라인에서 분기되어 상기 제 1 흐름에 포함되는 성분이 개별적으로 투입되는 복수 개의 개별 파이프라인을 포함할 수 있다(도 1 참조).

또한, 상기 파이프라인과 연결되며 산화탈수소 반응이 일어나는 반응기(10)를 포함한다. 상기 반응기 전단에는 상기 제 1 흐름에 포함되는 성분이 반응기 내에 유입되기 전에 이들을 혼합하기 위한 혼합 장치를 더 포함할 수 있다(도 1 참조).

또한, 상기 반응기(10)로부터 얻어지는 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물을 가스 생성물(light gas)과 분리하기 위한 것으로, 용매 흡수탑(21) 및 탈기탑(22) 중 적어도 하나를 포함하는 가스 분리 장치를 포함할 수 있다(도 1 참조).

또한, 고순도의 부타디엔을 얻기 위한 정제 장치들로, 용매 회수탑(23), 고비점 제거탑(24) 및 용매 정제탑(25) 등을 포함하는 용매 분리, 회수 장치와 얻어진 부타디엔을 순도 높게 정제하기 위한 부타디엔 정제탑(26)을 포함할 수 있다(도 1 참조).

한편, 본 발명의 부타디엔 제조 장치는, 상기 가스 분리 장치로부터 분리된 가스 생성물 중 질소(N₂) 및 이산화탄소(CO₂) 중 하나 이상을 포함하는 제 2 흐름(40)을 반응기 내로 재투입할 수 있게 하는 내부 순환(inert recycle) 라인과, 퍼지를 포함하는 제 3 흐름(50)을 계 외부로 배출시키기 위한 배출 라인을 더 포함할 수 있다(도 1 참조).

또한, 상기 반응기와 가스 분리 장치 사이에 반응기로부터 얻어지는 반응 생성물을 냉각하기 위한 급랭탑(quenching tower)(60) 등을 포함하는 급랭 장치, 반응 생성물의 압축을 위한 압축기(compressor)(70) 및 상기 반응 생성물에 포함된 수분을 제거하기 위한 탈수 장치 등을 더 포함할 수도 있다.

부타디엔 제조 공정

우선, C4 유분, 스팀(steam), 산소(O₂) 및 질소(N₂)를 포함하는 제 1 흐름을 반응기 내에 유입시켜 산화탈수소 반응을 진행시킨다.

상기 C4 유분은 납사 크래킹으로 생산된 C4 혼합물에서 유용한 화합물을 분리하고 남은 C4 라피네이트-1, 2, 3을 의미하는 것일 수 있으며, 에틸렌 다이머리제이션(dimerization)을 통해 얻을 수 있는 C4 류를 의미하는 것일 수도 있다. 본 발명의 일실시예에서, 상기 C4 유분은 n-부탄(n-butane), 트랜스-2-부텐(trans-2-butene), 시스-2-부텐(cis-2-butene) 및 1-부텐(1-butene)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상의 혼합물일 수 있다.

상기 스팀(steam) 또는 질소(N₂)는 산화탈수소 반응에 있어서, 반응물의 폭발 위험을 줄이는 동시에, 촉매의 코킹(coking) 방지 및 반응열 제거 등의 목적으로 투입되는 희석기체이다.

한편, 상기 산소(O₂)는 산화제(oxidant)로서 C4 유분과 반응하여 탈수소반응을 일으킨다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제 1 흐름(30)은 C4 유분, 스팀(steam), 산소(O₂) 및 질소(N₂)가 각각의 개별 파이프라인을 통하여 반응기에 유입되는 흐름일 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 일실시예에서, 상기 제 1 흐름(30)은 C4 유분, 스팀(steam), 산소(O₂) 및 질소(N₂)가 반응기와 직접 연결된 하나의 파이프라인에서 분기되어 상기 제 1 흐름에 포함되는 성분이 개별적으로 투입되는 복수 개의 개별 파이프라인을 통과한 다음 상기 하나의 파이프라인에서 혼합되거나, 또는 반응기 전단에 위치한 혼합 장치에 의해 혼합된 다음 반응기 내에 유입되는 흐름일 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제 1 흐름에 포함되는 C4 유분, 스팀, 산소 및 질소는 기체 상태로 파이프라인에 투입될 수 있으며, 상기 기체는 산화탈수소 반응에 유리한 온도로 사전 가열되어 투입될 수도 있다.

본 발명의 일실시예에서, 반응기 내에 충진되는 촉매는 C4 유분을 산화탈수소 반응시켜 부타디엔을 제조할 수 있게 하는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 페라이트계 촉매 또는 비스무스 몰리브데이트계 촉매일 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 촉매는 비스무스 몰리브데이트계 촉매일 수 있으며, 상기 비스무스 몰리브데이트계 촉매는 비스무스(Bismuth), 몰리브덴(Molybdenum) 및 코발트(Cobalt)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 또한 상기 비스무스 몰리브데이트계 촉매는 다성분계 비스무스 몰리브데이트 촉매일 수도 있다. 다만 상기 반응 촉매의 종류와 양은 반응의 구체적인 조건에 따라 달라질 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 반응기(10)는 산화탈수소 반응이 진행될 수 있다면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 관형 반응기, 조형 반응기, 또는 유동상 반응기일 수 있다. 또 다른 예로, 상기 반응기는 고정상 반응기일 수도 있으며, 고정상의 다관식 반응기 또는 플레이트식 반응기일 수도 있다.

상기 설명한 바와 같이 C4 유분, 스팀(steam), 산소(O₂) 및 질소(N₂)를 포함하는 제 1 흐름(30)이 촉매가 충진된 반응기(10) 내에 유입되면 산화탈수소 반응이 진행된다. 상기 산화탈수소 반응은 발열 반응이며 주된 반응식은 아래의 반응식 1 또는 2와 같다.

반응식 1

C₄H₈ + 1/2O₂ → C₄H₆ + H₂O

반응식 2

C₄H₁₀ + O₂ → C₄H₆ + 2H₂O

상기 산화탈수소 반응으로 부탄 또는 부텐의 수소가 제거됨으로써 부타디엔(butadiene)이 제조된다. 한편, 상기 산화탈수소 반응은 상기 화학식 1 또는 2와 같은 주반응 이외에, 부반응을 동반하며 상기 부반응으로 인하여 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂), 아세틸렌류 또는 카르보닐류 등의 저비점 및 수용성 부산물, 페놀 및 쿠마린 등의 고비점 부산물 등을 포함하는 부반응 생성물이 생성될 수 있다. 상기 부반응 생성물은 공정 내에서 지속적인 축적이 발생하지 않도록 분리되어 계 외부로 배출되어야 한다.

한편, 반응기로부터 얻어진 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물은 고순도의 부타디엔을 얻기 위한 후처리 과정을 더 거칠 수 있다. 상기 후처리 과정은 복수 개 이상의 급랭탑(quenching tower)을 이용한 급랭 단계, 압축기(compressor)를 이용한 압축 단계, 탈수 장치를 이용한 탈수 단계, 가스 분리 장치를 이용한 가스 분리 단계, 용매 분리, 회수 장치 및 정제탑을 이용한 정제 단계로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다.

급랭 단계

본 발명의 일실시예에서, 상기 반응기로부터 얻어지는 반응 생성물은 급랭 단계를 거칠 수 있다.

상기 반응기로부터 얻어지는 반응 생성물은 고온의 가스 형태일 수 있으며, 이에 따라 가스 분리 장치로 공급되기 이전에 냉각될 필요성이 있다.

상기 급랭 단계에서 사용되는 냉각 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 냉각 용매와 반응 생성물을 직접 접촉시키는 냉각 방법을 사용할 수도 있고, 냉각 용매와 반응 생성물을 간접 접촉시키는 냉각 방법을 사용할 수도 있다.

탈수 단계

본 발명의 일실시예에서, 상기 반응기로부터 얻어진 반응 생성물은 수분을 제거하는 탈수 단계를 더 포함할 수 있다.

수분이 반응 생성물에 남아있는 경우, 이후 용매 흡수, 분리 및 정제 단계 등에서 수분에 의해 기기가 부식되거나, 용매 내에 불순물이 축적되는 등의 문제가 있을 수 있으므로, 이를 제거하여야 한다.

상기 탈수 단계에서 탈수 방법은 특별히 제한되지 않는다. 상기 탈수 단계에서 사용되는 탈수 수단은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 산화칼슘, 염화칼슘, 몰레큘러 시브 등의 건조제(수분 흡착제)일 수 있다. 상기 탈수 수단 중 몰레큘러 시브는 재생의 용이함, 취급의 용이함 등의 측면에서 유리할 수 있다.

압축 단계

본 발명의 일실시예에서, 상기 반응기로부터 얻어지는 반응 생성물을 용매 흡수탑에 공급하기 이전에 압축시키는 압축 단계를 포함할 수 있다.

상기 산화탈수소 반응을 위한 반응기는 전환률 및 선택도 향상을 위하여 저압에서 운전되며, 가스 분리 단계의 용매 흡수탑은 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물의 흡수 효율을 높이기 위하여 고압에서 운전된다.

따라서, 상기 반응기로부터 얻어지는 반응 생성물은 상기 흡수탑에 공급되기 전에 상기 흡수탑 내의 흡수 과정이 원활하게 진행될 수 있도록 고압으로 압축되어야 한다.

상기 단계는 압축기에서 진행될 수 있으며, 본 발명의 일실시예에서, 상기 압축기는 열 교환기를 구비할 수 있다. 본 발명의 또 다른 일실시예에서, 상기 열 교환기는 다단 열 교환기일 수 있다.

가스 분리 단계

본 발명의 일실시예에서, 상기 반응기로부터 얻어지는 반응 생성물을 용매 흡수탑에서 흡수 용매와 접촉시켜 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물만 흡수 용매에 선택적으로 흡수시키며, 그 외의 가스 생성물(light gas)은 분리·제거한다.

상세하게는, 반응기로부터 얻어진 반응 생성물이 흡수탑 내에서 흡수 용매와 향류 접촉되면, 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물이 흡수 용매에 의해 선택적으로 흡수되고, 나머지 가스 생성물은 상기 흡수탑의 탑정을 통하여 배관을 거쳐 나간다.

상기 흡수탑의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 충전탑, 젖은 벽탑, 분무탑, 사이클론 스크러버, 기포탑, 기포 교반조, 단탑 (포종탑, 다공판탑) 또는 포말 분리탑일 수 있다.

상기 흡수 용매는 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 흡수 용매를 사용할 수 있으며, 예를 들어 C6 내지 C10의 포화 탄화수소, C6 내지 C8의 방향족 탄화수소 또는 아미드 화합물 등이 사용될 수 있다.

또한, 상기 흡수 용매는 디메틸포름아마이드(dimethylformamide(DMF)), 메틸피롤리돈(methylpyrrolidone(NMP)), 아세토니트릴(acetonitrile(ACN)), 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide(DMA)), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide(DMSO)), 아세토니트릴(acetonitrile(ACN)), 비닐사이클로헥센(vinylcyclohexane), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene), 자일렌(xylene), 스티렌(styrene), 옥탄(octane), 옥텐(octene), 에틸사이클로헥센(ethylcyclohexene), 노난(nonane), 노넨(nonene) 및 푸르푸랄(furfural)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 2 이상의 혼합물일 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에서, 상기 흡수탑의 탑정을 통하여 배관을 거쳐 배출되는 가스 생성물은 제 2 흐름(40) 및 제 3 흐름(50)으로 나누어진다(도 1 참조).

상기 제 2 흐름은 질소 및 이산화탄소로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 농축된 흐름일 수 있으며, 내부 순환 라인을 따라 순환되어 반응기 내로 재투입된다. 상기 제 2 흐름에는 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂) 이외에 미반응 원료 및 부타디엔 등이 더 포함될 수 있으며, 상기 제 2 흐름에 포함된 이산화탄소는 내부 순환을 통해 반응기 내에 재투입되어 반응기 내에서 산화탈수소 반응의 약산화제(mild oxidant) 역할 또는 희석기체의 역할을 할 수 있다.

한편, 상기 제 3 흐름은 퍼지 스트림으로서, 제 2 흐름과는 별도의 배출 라인을 통하여 계 외부로 배출된다. 상기 제 3 흐름 또한, 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂), 미반응 원료 및 부타디엔 등을 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에서, 상기 흡수 용매는 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물만 선택적으로 흡수하기 위해 사용되는 것이지만, 질소, 이산화탄소 등 기체 일부 또한 용해시킬 수 있다. 이에, 상기 질소, 이산화탄소 등의 가스를 제거하기 위한 탈기 단계가 추가적으로 진행될 수 있으며, 상기 탈기 단계는 탈기탑 내에서 진행될 수 있다.

상기 탈기 단계에 있어서 탈기 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당해 분야에서 사용되는 통상적인 방법에 의한 것일 수 있다.

정제 단계

본 발명의 일실시예에서, 상기 흡수 용매 내에 포함된 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물은 정제 단계를 거쳐 순도 높은 부타디엔으로 제조된다. 상기 정제 단계는 흡수 용매를 분리·회수하기 위한 용매 회수탑(23), 고비점 성분을 제거하기 위한 고비점 제거탑(24), 용매 정제탑(25) 등을 포함하는 용매 분리·회수 장치 및 고순도의 부타디엔을 정제하기 위한 부타디엔 정제탑(26) 중 선택되는 하나 이상의 장치를 포함할 수 있다(도 1 참조).

본 발명의 일실시예에서, 용매를 분리·회수하기 위한 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 증류 분리법이 사용될 수 있다. 증류 분리법에 의하면 리보일러(reboiler)와 콘덴서(condensor)에 의해 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물이 용해된 흡수 용매가 용매 회수탑으로 공급된 후 증류 분리가 진행된다. 상기 증류 분리 과정을 거치면 탑정 부근으로부터 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물이 추출된다.

상기 과정에서 분리된 흡수 용매는 용매 회수탑의 탑저로부터 추출되며, 상기 추출된 흡수 용매는 전단 공정에 재공급되어 다시 사용될 수 있다. 상기 흡수 용매는 불순물을 포함하고 있을 수도 있으므로, 재활용 전에 일부를 추출하여 증류, 데칸테이션(decantation), 침강, 흡착제나 이온 교환 수지등과 접촉 처리하는 등 공지된 정제 방법으로 불순물을 제거하는 과정을 거치게 할 수도 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 흡수 용매로부터 분리된 부타디엔을 포함하는 C4 혼합물은 고비점 성분의 분리를 위해 고비점 제거탑으로 공급될 수도 있다.

상기 고비점 제거탑에서는 고비점 성분(부타디엔보다 용해도가 높은 성분)을 제거하는 과정이 진행되는데, 상기 과정에서 부타디엔에 비하여 용해도가 높은 성분은 용매에 용해된다. 상기 용매는 탑저로부터 배출되어 용매 정제탑으로 전달될 수 있다.

한편, 상기 고비점 성분이 제거된 부타디엔은 고비점 제거탑의 탑정으로부터 배출되어 부타디엔 정제탑에 전달될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 정제탑에 전달된 부타디엔은 상기 정제탑을 거치는 동안 고비점·저비점 성분들이 제거되어 고순도의 부타디엔으로 얻어진다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 일련의 단계를 통하여 최종적으로 얻을 수 있는 부타디엔의 순도는 99.0 ~ 99.9% 이다.

한편, 상기와 같은 부타디엔 제조 공정에 있어서 반응기로부터 얻어지는 반응 생성물이 용매 흡수탑으로 공급되기 전에 압축하는 과정을 거칠 때 발생한 압축열을 활용하면 부타디엔 제조 공정 내에서 필요로 하는 순 에너지량을 절감할 수 있다.

부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법

본 발명의 일실시예에서, 산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 공정에 있어서, a)반응기로부터 얻어진 반응 생성물을 열 교환기가 구비된 압축기에 공급하는 단계; b)상기 압축기에서 반응 생성물을 압축하여 용매 흡수탑으로 공급하는 단계; 및 c)상기 압축기에 구비된 열 교환기로부터 배출되는 핫워터(HW) 또는 로우핫워터(LHW)를 열 교환기가 구비된 하나 이상의 장치 유닛에 통과시키는 단계;를 포함하는 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법을 제공한다.

우선, 반응기로부터 얻어진 반응 생성물을 열 교환기가 구비된 압축기로 공급한다(본 발명 단계 a).

본 발명의 일시예에서, 상기 반응기 내의 압력은 0.01 내지 0.3MpaG일 수 있고, 상기 반응기로부터 배출되는 반응 생성물의 압력은 상기 반응기 내의 압력과 동등한 수준에 해당할 수 있다.

압축기에 공급된 반응 생성물은 압축 과정을 거쳐 용매 흡수탑으로 공급된다(본 발명 단계 b).

상기 압축기는 고온의 기체 상태인 반응 생성물을 고압으로 압축할 수 있는 것이어야 하며, 별도의 열 교환기를 구비할 수 있다.

상기 열 교환기는 고온 유체와 저온 유체 사이에서 열의 이동을 일으키는 장치라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 압력 용기 형태일 수 있다.

예시적인 실시예에서, 상기 열 교환기는 예를 들어 2개로 나뉜 칸막이 용기 내에서 일측에 고온 유체를 유입시키고, 다른 일측에 저온 유체를 유입시켜 고온 유체로부터 저온 유체로 열이 이동하게 함으로써, 고온 유체는 원 상태보다 냉각된 상태로 배출되고, 저온 유체는 원 상태보다 가열된 상태로 배출되게 하는 형태이다.

상기 열 교환기는 예를 들어 동일한 종류의 열 교환기가 순차적으로 직렬 연결된 다단 열 교환기일 수도 있다.

한편, 상기 용매 흡수탑 내의 압력은 흡수 효율을 높이기 위한 고압으로서 0.1 MPaG 내지 5 MPaG일 수 있고, 이에 상기 반응 생성물은 압축기에서 상기 용매 흡수탑 내의 압력과 동등한 수준으로 압축 또는 다단 압축되어 용매 흡수탑으로 공급된다.

한편, 상기 압축 과정에서 압축열이 발생할 수 있는데, 상기 압축열은 압축기에 구비된 열 교환기를 순환하는 냉매로 전달된다. 상기 열 교환기를 순환하는 냉매는 특별히 제한되지 않으나 예를 들어 물(H₂O)일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 냉매는 물이며, 압축 과정에서 발생하는 압축열을 전달받아 열 교환기로부터 배출되는 물은 90℃ 이상의 온도를 가진 핫워터(Hot water, HW) 또는 80℃ 이하의 온도를 가진 로우핫워터(Low hot water, LHW)일 수 있다.

상기와 같이, 압축기에 구비된 열 교환기로부터 배출되는 핫워터(HW) 또는 로우핫워터(LHW)는 열 교환기가 구비된 하나 이상의 장치 유닛을 통과함으로써, 상기 장치 유닛에 열을 공급하는 열원으로 사용된다(단계 c).

부타디엔 제조 공정 내에서 에너지를 필요로 하는 개별 장치 유닛은 산화탈수소 반응으로 부타디엔을 제조하는 공정에 필요한 장치, 예를 들어 반응기(10), 급랭탑(60), 압축기(70), 흡수탑(21), 탈기탑(22), 용매 회수탑(23), 고비점 제거탑(24), 용매 정제탑(25), 부타디엔 정제탑(26) 및 열 교환기(91, 92) 등을 의미하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 본 발명의 장치 유닛은 핫워터 생성기(81, 82), 가스 생성물 가열기(83) 및 부타디엔 정제탑 재비기(84)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 의미하는 것일 수 있다. 상기 각각의 장치 유닛은 각각 열 교환기(91, 92)를 구비하고 있을 수 있다. 도 2 및 도3을 참조하면, 열 교환기(91, 92)는 열 교환기와 드럼(DRUM)의 조합이거나, 출구의 흐름이 기상과 액상을 동시에 가지고 있는 열 교환기일 수 있다. 상기 열 교환기(91, 92)는 핫워터 생성 후, 가스 생성물을 더욱 냉각하고, 발생될 수 있는 소량의 물의 제거를 수행할 수 있다.

즉, 상기 압축기에 구비된 열 교환기로부터 배출되는 핫워터 또는 로우핫워터는 열원으로서, 열을 필요로 하는 상기 부타디엔 제조 공정 내 장치 유닛에 공급될 수 있다. 이에 따라, 상기 열을 필요로 하는 공정 내 장치 유닛들에 별도로 가해주어야 하는 스팀(steam) 양을 줄일 수 있게 되므로, 공정 내에서 요구되는 순 에너지량을 절감할 수 있게 된다. 따라서, 부타디엔 제조 공정의 경제성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법에 따르면, 반응 생성물을 흡수탑으로 공급하기 위하여 상기 반응 생성물을 압축할 때 발생하는 압축열을, 열 에너지를 필요로 하는 공정 내 개별 장치 유닛에 공급함으로써, 공정 내에서 요구하는 순 에너지량을 절감할 수 있으며, 이에 따라, 부타디엔 제조 공정의 경제성이 향상된다.

실시예

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1

산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 공정에서, 도 2 와 같이 압축기에서 발생한 압축열을 이용하여 용매 흡수탑 탑정에서 반응기로 재순환되는 가스 생성물(light gas)을 가열하였다. 용매 흡수탑 탑정의 가스 생성물의 온도는 10 ~ 50℃ 범위에 해당하였으며, 반응기에 다시 투입될 때는 100℃ 이상이어야 하므로, 상기 압축열로 생성된 핫워터 또는 로우핫워터를 이용하여 스팀(steam) 사용량을 절감하였다. 핫워터 생성기(81, 82)에서 회수한 열량은 0.15Gcal/BD ton 이었으며, 모두 가스 생성물 가열기(83)에 활용하였더니 가스 생성물의 온도는 90℃가 되었다(표 1 참조).

	열량(Gcal/BD ton)	유틸리티
HW 생성기(81)	0.11	Hot water
HW 생성기(82)	0.04	Hot water
가스 생성물 가열기(83)	0.15	Hot water

실시예 2

산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 공정에서, 도 3과 같이 압축기에서 발생한 압축열을 이용하여 부타디엔 정제탑 재비기에 열량을 제공하였다. 부타디엔 정제탑 재비기는 운전 온도가 100℃ 이하이고, 상기 압축열을 이용하여 생성한 핫워터 또는 로우핫워터를 열원으로 사용하였다. 핫워터 생성기(81, 82)에서 회수한 열량은 0.15Gcal/BD ton이었으며, 이를 모두 부타디엔 정제탑 제기비(84)에 활용함으로써 스팀(steam) 사용량을 절감하였다(표 2 참조).

	열량(Gcal/BD ton)	유틸리티
HW 생성기(81)	0.11	Hot water
HW 생성기(82)	0.04	Hot water
부타디엔 정제탑 재비기(84)	0.15	Hot water

비교예 1

산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 공정에서, 압축기에서 발생한 압축열을 이용하지 않은 것만 달리하여 실시예 1과 동일하게 부타디엔을 제조하였다. 한편, 용매 흡수탑 탑정에서 반응기로 재순환되는 가스 생성물(light gas)을 가열하기 위하여 별도의 스팀과 냉각수를 추가 투입하였다(표 3 참조).

열 교환기 명	열량(Gcal/BD ton)	유틸리티
HW 생성기(81)	0.11	Cooling water
HW 생성기(82)	0.04	Cooling water

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1를 살펴보면, 본 발명에 따라 반응 생성물을 압축할 때 발생하는 압축열을, 열 에너지를 필요로 하는 공정 내 개별 장치 유닛인 가스 생성물 가열기(83) 또는 부타디엔 정제탑 재비기(84)에 공급하는 경우, 공정 내에서 요구하는 순 에너지량을 절감할 수 있음을 확인할 수 있었다.

10: 반응기
21: 흡수탑 22: 탈기탑
23: 용매 회수탑 24: 고비점 제거탑
25: 용매 정제탑 26: 부타디엔 정제탑
30: 제 1 흐름
40: 제 2 흐름
50: 제 3 흐름
60: 급랭탑
70, 70-1, 70-2: 압축기
81, 82: HW생성기
83: 가스 생성물 가열기 84: 부타디엔 정제탑 재비기

Claims (6)

1. 산화탈수소 반응을 이용한 부타디엔 제조 공정에 있어서,
   a)반응기로부터 얻어진 반응 생성물을 열 교환기가 구비된 압축기에 공급하는 단계;
   b)상기 압축기에서 반응 생성물을 압축하여 용매 흡수탑으로 공급하는 단계; 및
   c)상기 압축기에 구비된 열 교환기로부터 배출되는 핫워터(HW) 또는 로우핫워터(LHW)를 열 교환기가 구비된 하나 이상의 장치 유닛에 통과시키는 단계;를 포함하는 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응기 내의 압력은 0.01 내지 0.3 MPaG인 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 용매 흡수탑 내의 압력은 0.1 내지 5 MPaG인 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 b)단계의 압축 과정은 다단 압축 과정인 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 압축기에 구비된 열 교환기는 하나 이상의 동종 열 교환기가 순차적으로 연결된 다단 열 교환기인 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 장치 유닛은 핫워터 생성기, 가스 생성물 가열기 및 부타디엔 정제탑 재비기로 이루어지는 군에서 선택되는 부타디엔 제조 공정 내 에너지 재활용 방법.

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