회분식 증류탑의 Scale-up 특성연구

홍범의,박융호

한양대학교 화학공학과

Scale-up Characteristics of Batch Distillation Column

Bum-Ui Hong,Yeung-Ho Park,Shin-Choon Kang

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서론

회분식 증류장치는 화학산업에서 매우 오래전부터 사용된 단위조작장치중 하나이다. 최근 적은 양의 생성물로부터 고부가가치를 창출하는 정밀화학산업이 발달함에 따라 회분 증류의 유용성이 재인식되고 있다. 회분식 증류탑을 이용한 정제에 있어서 고순도의 product를 얻고 또한 전체적인 운전시간을 짧게 하기 위해 순환공정 [1], distillate receiver설치에 의한 운전 [2], 그리고 Holdup에 대한 연구 [3]등 여러 가지 방법들이 시도되었다. 하지만, 지금까지의 연구들은 Lab-scale이나 Bench-scale의 연구들이 주로 행하여 졌으며 Pilot-scale로의 scale-up에 대한 연구는 거의 진행되지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 회분식 증류탑의 전통적 조업방법으로써 환류비를 일정하게 조작하여 증류생성물의 조성에 미치는 영향 및 환류비를 변화시킴으로써 일정한 조성의 생성물을 얻을 수 있는 방법의 일환으로 재비기의 일정온도제어와 일정열량제어, 그리고 증류탑 상부의 일정온도제어의 방법으로 두 가지 조업방법에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 shortcut method로 장치에 대한 모사(상용 simulator인 Aspen Plus사용)를 수행하였다. 실험은 이를 근거로 이루어졌으며 전체 증류시간과 그 때의 accumulator의 최종 product농도를 분석함으로써 회분식 증류장치의 LAB-scale에서 Pilot-scale로의 scale-up에 대한 연구를 수행하였다.

이론

회분식 증류공정에 대한 shortcut method

회분식 증류에 대한 이론식들은 Fenske equation, Underwood equation, Gilliland correlation과 같은 연속식 증류 공정의 이론식들을 기초로 Rayleigh equation을 이용하여 계산하였다.

Fenske equation은 연속식 증류와 회분식 증류의 차이가 없으므로 연속식에서의 식(1)을 그대로 사용할 수 있다 [3].

[eqn: rmN_min = { ln LEFT ( { LEFT ( x_A over x_B RIGHT )_dist } / { LEFT ( { x_A} over {x_B } RIGHT )_R } RIGHT ) } over {ln alpha _AB }]	(1)

Underwood equation은 회분식 증류 공정의 경우 조작선과 평행선이 만나는 pinch point 부분이 [eqn: rm y_i,R = K_i,R x_i,R = K_i,R x_i,R-1]가 되고, 연속식 증류 공정의 rectifying section의 유도과정과 동일한 가정을 거치면 식(2)처럼 동일한 결과를 얻게된다.

[eqn: rmV_min = SUM from { i=1 } to {C} LEFT ( { D x_i,dist} over {1 - { L_min} over {V_min K_i,R } } RIGHT )]	(2)

그 밖에 필요한 물질수지식과 Rayleigh equation을 식(3),(4)에 나타내었다.

[eqn: rmV_min = L_min + D]	(3)

[eqn: rmln { W} over {F } = -INT _{ x_W}^{x_f } { dx} over {y-x }]	(4)

장치 및 조작 방법

1.장치

본 실험에 사용한 Lab-scale의 회분식 증류장치는 내경이 8.3□인 Packed column으로 packing은 sus316 재질의 pall ring[1in]을 사용하였으며 증류탑의 높이는 200cm, still의 용량은 5L이다. 재비기는 heating jacket으로 전기를 사용하여 heating을 시켜주는 장치를 사용하였다. Pilot-scale의 회분식 증류장치는 높이 6m의 packed column, 재비기는 kettle type이며 용량은 500L이고 열매유를 사용하여 heating을 시켜주는 장치를 사용하였다. 이 장치에는 reflux의 양을 조절하기 위한 control valve가 설치되어 있고 증류탑 전체에 총 7개의 온도계가 설치되어있다. 모든 장치는 자동제어를 할 수 있는 system이 구성되어있으며, 그 개략도는 Fig. 1에 나타내었다.

2.모사

본 실험에 사용한 모사는 상용 Simulator인 Aspen plus(batchfrac)를 사용하여 모사를 수행하였고, 원료의 용량에 따른 증류시간이나 온도 등, 증류운전의 수행에 있어서 사전 조사를 하기 위해 사용되어졌다.

3.실험

MeOH과 water의 혼합물을 사용하여 재비기의 일정온도제어와 일정열량제어(constant reflux의 운전방법), 그리고 top상부의 일정온도제어(variable reflux의 운전방법)의 방법으로 두 가지 조업방법에 대해서 전체적인 증류시간과 그에 따른 최종 product의 농도에 대한 연구를 수행하였다. 이를 통한 lab-scale의 증류장치에서 pilot-scale로의 scale-up에 대한 연구를 수행하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 원료 400L에 이론단수는 10단, reflux ratio는 2.3, 재비기에 공급되는 열량이 40kW일 때의 모사결과를 도시한 것이다. 이 결과에서 알 수 있는 것은 재비기로 공급되는 열량이 40kW일 경우 운전시작 후 약 6.2시간이 경과하였을 때 증류탑 전체단의 온도가 급격히 상승하는 현상이 나타났다. 이는 Fig. 5에서 보여지는 것처럼 증류의 중반이후에서는 저비점 물질인 MeOH가 거의 소모되어 column내에는 고비점 물질인 water가 증발되기 때문이다.

Table. 1에는 일정열량을 공급하면서 부피 분율로 80%조성의 메탄올 수용액을 증류했을 때 얻어지는 결과를 나타내었다. 이 결과를 보면 재비기로 공급되는 열량이 120∼160kW로 충분히 높은 경우에는, 2시간의 짧은 운전시간에 공급량의 93%에 해당되는 순도 99.7%의 MeOH을 회수할 수 있었다. 하지만, 180∼200kw처럼 열량이 너무 커지게 되면 초기에 과다한 열량으로 저비점 물질 뿐만니라 고비점 물질을 같이 증발시키므로 단시간 내에 원하는 순도에 도달할 수는 있지만, 수율은 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 실질적인 공정상에서 product에 원하는 저비점 물질만을 고순도로 받아내기가 어렵기 때문에 너무 과다한 열량을 공급하는 것은 좋지 않은 방법임을 나타낸다.

Fig. 3과 4는 Lab-scale의 결과로서 재비기의 온도제어와 열량제어시의 온도 profile을 비교하여 도시한 것이다. 열량을 제어하는 것이 온도를 제어하는 것보다 total reflux이후 전체적인 단의 안정화를 볼 수 있는데, 이 결과에서 특정단의 온도가 양쪽 모두 동일하게 상승하는 것은 단내의 dry-up이 원인인 것으로 사료된다. 따라서 이 문제를 해결하기 위한 연구가 수행될 예정이다.

Fig. 5와 6은 pilot-scale의 결과로서 constant reflux와 variable reflux의 결과를 비교하여 도시한 것이다. constant reflux일 때는 저비점 물질이 끓어오를 때까지

일정 온도 분포를 보이지만, variable reflux일 때는 특정단의 온도를 유지하기 위하여 reflux의 양이 수시로 변하는 것을 관찰할 수 있다. Fig. 7은 그 결과를 대표적으로 보여주고 있는데, total reflux이후의 valve open정도에 따른 단의 온도분포로써 valve가 많이 열릴수록 column상부의 온도가 낮은 것을 볼 수 있다. 이는 reflux의 양이 많아져서 생기는 현상이다.

참고 문헌

[1] E. Sorensen and M. Prenzler, Computers Chem. Engng, 21, s1215 (1997)

[2] J. K. Kim and D. P. Ju, Ind. Eng. Chem. Res., No. 3, 38, 1024 (1999)

[3] I. M. Mujtaba and S. Macchietto, Chemical Engineering Science, No. 14,       53, 2519 (1998)

[4] S. M. MILANI, Trans IChemE, Part A, 77, 469 (1997)

[5] O. Oppenheimer and E. Sorensen, Computers chem. Engng, 21, s529          (1997)

[6]  R. E. Treybal, Chem. Eng., 5, 95, 95 (1970)

Fig. 1 Schematic diagram of a batch distillation column.  Fig. 2 The result of simulation for operation time

(Q=40kw).

Table. 1 Simulation of MeOH recovery process for variable heat duty

Fig. 3 Temperature profile in a constant reboiler Fig. 4 Temperature profile in a constant reboiler

temperature (Theat=80℃)                          heat duty (Q=2.5kW)

(Lab-scale data)                                 (Lab-scale data)

Fig. 5 Temperature profile for a constant reflux   Fig. 6 Temperature profile for a variable reflux

(Pilot-scale data)                                  (Pilot-scale data)

Fig. 7 Temperature profile for a amount

of reflux