증류물용기가 부착된 다성분 회분 증류탑의 성능계수

김정근, 김태경, 주동표

아주대학교 화학공학과

Capacity Factor Multicomponent Batch Distillation Column

with Distillate Receiver

Jeung Kun Kim, Tae Kyong Kim and Dong Pyo Ju

Department of Chemical Engineering ,Ajou University

서론

화학공업분야의 대표적 분리조작인 증류는 에너지 소모량이 많은 단위 조작으로서 우리 나라 한해동안 소비되는 에너지 총량의 5-10%가 증류공정에 사용된다[1-3]. 증류는 연속식 또는 회분식으로 조업되며 최근에는 정밀화학산업이 발전함에 따라 회분증류의 중요성이 재인식되고 있다. 전통적 회분식 증류는 '일정 환류법'과 '변동 환류법'으로 운전된다. 한편 1970년에 Treybal[4]은 증류물용기를 이용하는 회분 증류탑의 새로운 조업방법 및 이성분계를 해석할 수 있는 '약식 방법'을 제안하였으며 최근 Kim과 Ju[5,6]는 다성분계를 해석할 수 있는 '약식 방법'을 보고하였다. 증류물용기를 이용하는 회분증류탑은 조업이 간편하고 안전성이 우수하다. 그러나 아직까지 증류물용기를 이용하는 회분 증류탑이 산업증류에 사용되지 못하고 있는데 이는 새로운 회분증류방법에 대한 연구가 미진한 결과이다. 본 연구에서는 증류물용기를 이용하는 회분증류탑에 대하여 성능계수에 대한 여러 조업인자들의 영향과 경제적 운전을 위한 최적 조업조건을 조사하고자 하였다. 아울러 증류물용기를 이용하는 회분 증류법과 전통적 회분증류법 사이의 성능계수를 비교 검토함으로써 증류물용기를 이용하는 회분 증류법의 공업적 활용가능성을 검토하였다.

전산 모사 조건

Table 1. Description of simulation conditions

System : Benzene(1)-Toluene(2)-o-Xylene(3)

Initial charge : F=100, 200, 300, 400 mol

Initial feed composition : [eqn: rmx_W1^0 =]0.1687, [eqn: rmx_W2^0 =]0.3140, [eqn: rmx_W3^0 =]0.5174

Relative volatility : [eqn: rm alpha _13 =]6.29, [eqn: rm alpha _23 =]2.72, [eqn: rm alpha _12 =]2.31

Vapor boilup rate : V=100, 150, 200, 250 mol/h

Equilibrium stages : N=3, 5, 10

Average composition of component 1 :[eqn: rmx_D1^*]=0.9

증류 장치

(a) Conventional distillation column    (b) Distillation column with distillate receiver

Fig. 1 Schematic diagram for multicomponent batch distillation column

결과 및 고찰

증류물의 양과 순도는 증류시간에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 양과 순도를 동시에 고려할 수 있는 회수%를 저 비점 성분에 대하여 다음과 같이 정의하였으며

%Recovery[eqn: RM= { Dx_D1^*} over {W_0 x_W1^0 } ×100]

다음과 같이 정의된 성능계수[7]로부터 증류시간과 밀접한 관계가 있는 여러 인자들의 영향을 살펴보았다.

Capacity factor (CAP)[eqn: rm={amount~of~distillate (D)} over {distillation~time (t) }]

성능계수는 시료량, 초기조성, 상대휘발도와 같은 시료특성, 평형단수와 체류량같은 장치특성 및 증기생성속도, 생성물의 양, 증류시간과 같은 조업조건 등이 복합적으로 크기가 결정되는 인자이다.

Fig. 2는 증류물용기를 이용하는 회분증류탑을 경제적으로 운전하는데 필요한  인자들의 영향을 도시한 결과이다. Fig. 2(a)는 액체 체류량에 따른 성능계수를 단수 변화에 따라 도시한 결과이다. 액체 체류량이 증가할수록 성능계수는 감소하고 단이 증가함에 따라 성능계수는 증가한다. Fig. 2(b)는 초기 시료량의 변화 및 단수 변화에 따른 성능 계수를 함께 도시한 결과이다. 이때 회수율은 초기 시료량에 대해 20%로 규정되었다. 초기 시료량이 증가함에 따라 성능계수는 증가하는 경향을 보여주고 있다. Fig. 2(c)는 증류물의 양이 일정할 때, 초기 시료량의 변화 및 단수 변화에  따른 성능 계수를 도시한 결과이다. 초기 시료량이 증가함으로서 성능계수는 증가한다. Fig. 2(d)는 증류물의 양의 변화에 따른 성능계수를 도시한 결과이며 아울러 단수 변화의 영향도 보여주고 있다. N=3인 경우 증류물의 양이 증가함에 따라 성능계수는 단조 증가하다 감소하는 경향을 보여주고 있으며 N=5와 N=10에서는 단조 증가하는 경향을 보여주고 있다.

Fig. 3은 전통적인 회분 증류탑의 조업방법인 □일정 환류법□과 □변동 환류법□ 및 증류물용기를 이용하는 □전환류 회분 증류법□사이의 성능계수를 도시한 결과이다. Fig. 3(a)는 단수 변화에 따른 성능계수를 증류탑의 운전방법에 따라 도시한 결과이다. N=3과 N=5에서는 전통적인 방법에 비해 큰 성능계수를 나타내었다. N=10에서는 □일정 환류법□이 □전환류 회분 증류법□에 비해 큰 성능계수를 나타내었다. 3(b)는 액체 체류량의 변화에 따른 성능계수를 세 가지 방법에 대해

도시한 결과이다. 액체 체류량이 시료양 대비 3%인 경우 □변동 환류법□이 □전환류 회분 증류법□에 비해 큰 성능계수를 보여주고 있으나 액체 체류량이 4%이상에서는 □전환류 회분 증류법□이 전통적인 회분 증류법에 비해 큰 성능계수를 가진다.

결론

증류물용기를 이용하는 회분 증류탑의 경제적인 조업조건을 살펴보기 위해 Table 1의 조건하에서 성능계수에 미치는 인자들(단의 수, 액체 체류량, 초기시료의 양, 증류물의 양)의 영향을 살펴보았다. 단의 수가 증가함에 따라 성능계수는 증가하였으며 액체 체류량이 증가함에 따라 성능계수는 감소하였다. 초기시료량에 대해 일정한 회수율을 규정할 경우, 초기 시료량이 증가하면 성능계수는 증가한다. 동일한 순도와 증류물을 희망할 경우, 단의 수와 초기 시료량이 증가함에 따라 성능계수는 증가한다.

회분 증류탑의 운전방법에 따른 성능계수를 조사한 결과 다음과 같은 사실을 알 수 있었다. N=3과 N=5에서 □전환류 회분 증류법□이 전통적인 방법에 비해 큰 성능계수를 가지며 전통적인 방법에 비해 □전환류 회분 증류법□으로 운전할 경우 증류시간이 적게 소요된다. 검토된 조건하에서 액체 체류량이 증가함에 따라 전통적인 방법에 비해 □전환류 회분 증류법□이 큰 성능계수를 가지며, 액체 체류량이 증가함에 따라 □전환류 회분 증류법□이 전통적인 방법에 비해 증류시간이 단축된다.

사용 기호

[eqn: RM W_i^0]  : Amount of component i in the original charge (mol)

[eqn: RM W_ 0]  : Amount of the original batch charge (mol)

[eqn: RM x_D1^*]  : Average composition of component 1 distillated (-)

[eqn: RM x_Wi^0]  : Initial concentration of the batch charge (-)

참고 문헌

1. 에너지통계연보, 산업자원부/에너지 경제 연구원(1999)

2. 한국동력자원연구소, 1981년도 에너지 센서스 결과 보고서, 동력자원부(1982)

3. A. Meili, Chem. Eng. Progr., June, pp. 60(1990)

4. R. R. Treybal, Chem. Eng., October, pp. 95-98(1970)

5. Jeung Kun Kim and Dong Pyo Ju, Ind. Eng. Chem. Res., 38, pp.

1024-1031(1999)

6. Jeung Kun Kim and Dong Pyo Ju, Separation Science and Technology,

35(10), pp. 1517-1537(2000)

7. W. L. Luyben, Ind. Eng. Chem. Res., 27, pp. 642-647(1988)

Fig. 2 Effect of operation parameters

Fig. 3 Comparison of distillation time for multicomponent batch distillation