석유화학 기초 및 계통도 이해 (5)

Chemical Plant

2) VACUUM DISTILLATION UNIT (VDU)
① PROCESS DESCRIPTION

㉮ Feed & heating ; crude unit로 부터의 hot feed는 열교환기에서 상호 열교환 되어 vacuum tower로 부터의 recycle stream과 mixing 된 후 vacuum charge heater로 이송 되고 heater에서 더욱 가열 된 후 vacuum tower flash zone 으로 feed 되어 vapor와 liquid로 분리 된다. heater에서 가열 시 feed stream의 탄화 방지 및 heater내에서의 일정 속도 이상을 유지 하여 heater coil내의 coke을 제거하기 위하여 steam injection 된다.

 

㉯ Vacuum distillation ; vacuum tower는 flash zone, wash oil section, VGO (vacuum gas oil) section으로 구성 되며, 상압 잔사유의 heavier성분의 증류는 crude unit보다 더 높은 온도가 필요 하며 높은 온도에서는 feedstock의 thermal cracking을 초래 하여 product loss및 equipment fouling을 야기 시키 므로 hydrocarbon의 boiling point을 낮출 수 있는 vacuum distillation을 한다.

 

㉰ Flash zone ; flash zone으로 feed된 stream은 vapor와 liquid로 flash 된다.

 

㉱ Stripping section ; stripping zone으로 stripping steam이 injecton되며, flash zone으로 부터의 flashed liquid가 stripping steam에 의하여 light component가 제거 된다.

 

㉲ Wash oil section ; VGO product가 recycle 되면서 VGO내의 metal와 carbon residue을 제거 한다.

 

㉳ VGO section ; VGO를 drawoff 된다.

 

㉴ Steam injection ; heater tube에서의 속도를 증가 시키고, coke 형성을 최소화 하기 위하여 heater tube 에 injection되며, vacuum tower 에서의 partial pressure을 줄여 light 성분을 효율적으로 stripping하기 위하여 flash zone에 injection 한다.

 

㉵ Wash oil recycle ; flash zone 에서 올라 오는 vapor와 wash oil section에서 recycle 되는 liquid와 접촉 하면서 VGO내의 metal과 carbon residue을 제거 한다.

 

㉶ Flash zone & heater recycle ; flash zone에서 charge heater에 의해 충분히 vaporization된 feed stream이 vapor와 liquid로 분리 되며, material balance상의 vaporization에 여분의 기화를 더 주는 것을 말하며 wash oil이 heater로 recycle되는 rate로 나타낸다. recycle을 함으로서 충분한 기화를 위한 heater tube 출구 온도를 낮출 수 있다.

 

② TOPPED CRUDE PROCESSING

㉮ Heater outlet temperature ; vacuum charge heater 출구에서의 온도는 feed의 기화 정도 및 vacuum tower로의 heat input와 밀접한 관계가 있으며, 수율 및 product간의 분리에 영향을 미치므로 세밀히 조절 되어야 한다. 일반적으로 feed의 gravity에 따라 변하지만 heater 출구에서의 vapor 함량이 30 – 45 % 가 되도록 heater 출구 온도를 정해야 한다.

 

㉯ Tower overhead vapor temperature ; tower overhead 에서의 온도는 entrained hydrocarbon 의 boiling range에 의하여 결정 되며, 온도에 따라 탑상층부로 딸려가는 양이 결정 되므로 딸려오는 oil의 량을 최소화 할 수 있는 온도를 유지해야 한다. 그러나 overhead에서의 steam condensation에 의한 corrosion 을 방지 할 수 있는 온도 이상을 유지 하여야 한다.

 

㉰ Tower overhead vacuum system ; 전형적인 vacuum system은 surface condenser을 갖춘 three stage steam jet ejector로 구성 되며, 물이 귀한 지역 에서는 하나 정도의 steam jet ejector에 liquid ring type vacuum pump로 구성할 수 있다. Overhead vapor는 1ststageejector로 들어가며, vapor는 응축성 hydrocarbon, 비응축 hydrocarbons, steam 과 system에서 leak된 air 등으로 이루어진다. 따라서 vacuum system을 설계 할 경우에는 overhead vacuum system의 load을 줄이기 위하여 injection steam을 줄어야 하며, air leakage을 최소화 하여야 한다.

 

㉱ Vacuum distillation ; vacuum tower는 flash zone, slop wax section, HVGO section, LVGO section, residue section으로 구성 된다.
· flash zone ; feed의 liquid/vapor 분리를 증진 시킨다.
· slop wax section ; gas oil의 5 –10 volume % 의 wash oil 이reflux되어 flash zone으로 부터 올라오는 heavy material를 washing 한다. 그러나 종종 wash oil rate로 인해 slop wax내의 heavy coke때문에 distributor의 plugging 을 초래 하여 black HVGO의 원인이 되기도 한다.
· HVGO section (heat recovery section) ; 이곳에서 vacuum tower의 대부분의 heat를 제거 한다. HVGO의 drawoff rate는 전체 gas oil의 70 – 75 vol. % 정도이며, LVGO/HVGO와 같이 both drawoff system이 single drawoff보다 heat recovery면에서 효과적이다. 왜냐하면 drawoff 온도 (bubble point)와heat recovery circuit는 crude unit로 부터의 feed내의 light material의 량에 변화하기 때문이다.
· LVGO section (condensation) ; LVGO의 응축과 non-condensables (air leakage, steam과 cracked gases)의 분리가 일어난다. LVGO section으로 올라오는 vapor의 량이 적기 때문에 column 직경이 줄어든다.
· Residue section (stripping) ; residue section tower의 가장 좁은 부분으로 asphalt생산 case를 제외 하고는 internal이 없다. Stripping steam (6 lb-steam/bbl-net residue)이 injection 되고 thermal cracking을 방지 하기 위하여 residence time과 bottom 온도를 낮게 유지 하여야 하며, 이를 위해 cooling된 bottom residue가 return 된다.

 

㉲ Metallurgy ; 고온에서의 sulfur corrosion에 내성을 갖는 type 405 혹은 410S (11-13 Cr)을 적용하고 vapor온도가 550 °F 정도인 lower section (HVGO)는 보통 lining을 한다. Packing 재질은 410을 주로 사용 하고, mesh blanket의 재질로는 HCl에 내성을 갖는 monel를 사용 한다. Vacuum top section의 재질에는 water liquid phase에서는 황화수소가 존재 하지 않으므로 PWHT (post welded heat treatment)을 적용 하지 않는다.

 

㉳ Design pressure & temperature ; Vacuum tower의 설계온도는 HVGO section 까지의 bottom부분은 flash zone 온도 + 50 °F, top section은 vapor 온도 + 50 °F 한 값으로, 설계압력은 30 psig/FV으로 한다.