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에너지 재활용

◈ 탈거탑 또는 탈거조

탈거조 배출증기 폐열회수를 위한 3단 MVR 및 TVR 시스템

고분자 석유화학제품을 생산하는 많은 석유화학공장에서 중합반응 다음 공정에는 일반적으로 탈거 공정을 운영하고 있습니다. 중합반응에 사용되고 남은 유기용제는 제품인 고분자 화합물에서 분리되어야 하고, 또한 재사용을 위한 회수 목적에서 생증기에 의한 탈거공정이 필수적입니다. 이 과정에서 많은 량의 생증기와 탈거공정에서 발생되는 배출증기를 응축하기 위한 냉각수가 사용됩니다.

이러한 에너지 과소비 공정을 개선하기 위해 응축증발기, 다단 MVR 과 TVR 을 도입한 공정이 개발되었습니다.

Descriptions	Unit	1	2	3	4	5	6
Phase		vapor	liquid	vapor	vapor	vapor	vapor
Mass flow rate	kg/h	39,300	6,432	5,900	6,432	6,378	12,810
Temperature	℃	93	70	79	107	180	120
Pressure	㎏/㎠G	0.45	1.5	- 0.536	0.33	9	1.04
MVR coupling power	KWh			275

탈거조 배출증기 폐열의 회수율을 높이고, 재생산된 생증기를 탈거조에 재사용하기 위한 온도와 유량을 만족 할 수 있는 응축증발기, MVR 및 TVR 의 적정 압력과 증기발생량을 구하는 시스템 엔지니어링을 하여야 합니다. 이에 부응할 수 있는 최적의 설계조건을 찾은 결과 위표와 같은 성능의 시스템 구축을 설계하게 되었습니다. 여러조건 중에서도 필히 만족시켜야할 운전값은 탈거용 생증기 압력 1.04 ㎏/㎠G 이기 때문에, 부족한 3단 turbo fan type MVR 의 압축비를 높이기 위하여 후단에 TVR 을 설치하였으며, 응축증발기에서 발생시킬 수 있는 증발량을 TVR motive steam 을 합하여 탈거조에 필요한 생증기량이 12,000 kg/h 가 되도록 하였습니다. 이와 같은 최적화 과정에서, 탈거조 배출증기가 보유한 엔탈피의 약 50% 를 회수하는 설계가 되었습니다.

Cyclo-hexane, n-heptane 과 물의 혼합 배출증기는 판간격이 큰 특수 판형 응축증발기의 고온측에서는 탈거조 배출증기가 응축되고, 저온측에서는 순환하는 고온수가 증발되도록 하였습니다. 이렇게 특별한 고려는 배출증기 중에 존재하는 폴리머가 전열면에 고착되기 때문에 분해조립이 간편한 판형 열교환기를 채택하여, 정기적으로 청소가 용이하게 하기 위함이었습니다. 고온수가 공급되는 저온측은 배출증기가 응축되는 저온측보다 낮은 온도에서 증발되도록 진공이 유지됩니다.

저온측의 압력이 포화증기 분압에 미치지 못하여 응축되지 못한 배출증기는 기존 응축기의 낮은 온도에서 응축된 후, 응축증발기에서 배출된 응축액과 합해져, 물과 용제가 분리조에서 층분리됩니다.

응축증발기에서 생성된 진공 생증기는 3단 MVR 에서 단열 압축되면 과열증기 상태가 되어 적정량의 응축수를 fan impeller 에 분사하여 과열도를 낮추면서 추가 증발 수증기를 얻게 됩니다.

과거에 고속 turbo compressor 를 사용한 MVR 시스템이 공급되었으나, 운전과 유지보수의 어려움과 자주 발생되는 고가의 impeller 교체로 인한 단점을 해결한 다단 저속 turbo fan 을 기본사양으로 정하였습니다.

우측 사진은 2008년에 설치후, 지금까지 만족하게 운전되고 있는 butadiene rubber 공장 탈거조 배출증기의 폐열회수 판형응축증발기, MVR 및TVR 시스템을 보여주고 있습니다. 진동이 있는 고층 철구조물 상에 설치된 3단 MVR 은 허용 진동도보다 낮은 3∼10 ㎛ 에서 운전되므로 설치공간에 제약을 받는 석유화학공장에 장소와 공간의 제약을 받지 않기 때문에 시스템 구성과 위치선택이 보다 용이합니다. 반면에 turbo compressor 는 단단한 기초가 요구되는 지상 에 설치함이 바람직합니다.

Stripping steam regeneration system by 4-stage MVR

처음 설치된 3단 MVR 시스템의 성공으로, 보다 큰 용량의 탈거조 배출증기 폐열회수 시스템의 발주를 받아 2010년 1월 가동 목표로 시공중에 있습니다. 배출증기 중에 toluene 이 추가되어 가스켙을 사용하는 판형 열교환기를 채택할 수가 없어 폴리머 고착면의 청소를 위하여 tube 측에서 응축되며, shell 측에서 증발되는 횡형 박막유하식 응축증발기를 자체 개발하였습니다. 배출증기의 온도가 높고 농도조성이 응축증발기에서의 증발량을 탈거조가 필요한 생증기 유량 14,000 kg/h 에 근접한 13,000 kg/h 을 얻을 수 있으나, 요구 압력 1.2 ㎏/㎠G 을 얻기 위해서는 세계 최초로 시도된 4단 MVR 의 도입이 불가피하게 되었습니다. 응축증발기에서의 증발수증기 포화온도가 88℃ 이며 이를 1.2 ㎏/㎠G 까지 압축시켜야 123 ℃ 의 포화수증기 를 얻을 수 있기 때문입니다. 이와 같이 되면, 배출증기 총 엔탈피의 90% 이상을 회수하는 시스템이 됩니다.

Descriptions	Unit	1	2	3	4
Phase		vapor	liquid	vapor	vapor
Mass flow rate	kg/h	45,890	13,000	13,000	14,277
Temperature	℃	102	90	88	123.3
Pressure	㎏/㎠G	0.7	1.5	- 0.387	1.24
MVR coupling power	KWh			800

위 그림은 지상 4.3 M 에 위치한 기존 응축기 의 철구조물을 연장하여 15.3 M 높이에 횡형 응축증발기와 4단 MVR 을 설치한 설비 배치 도면 입니다. 2 기의 탈기조가 지상에 설치되고 순환펌프와 진공펌프는 지상 8.6 M 에 설치됩니다. 우측 도면은 나란히 설치된 3단 MVR 과 다르게, 각단 사이의 증기흐름의 난류화를 방지하기 위하여 각단의 연결 덕트에 bend 를 사용하지 않아 공진의 우려가 없게 하였습니다.