공정변수값의 변화가 연속증류공정의 정상운전상태에 미치는 영향

박찬성□김진걸

순천향대학교 신소재화학공학부

The Effect of change of process parameter

on steady state of Continuous Distillation

Chan Sung Park·Jin Gul Kim

Division of Material and Chemical Engineering, College of Engineering,

Soonchunhyang University, Asan 336-745, Korea

1. 서  론

대부분의 화학공정은 그 규모가 크고 많은 투자를 필요로 한다. 그 화학공정들의 안정적인 운전을 위해서는 공정모사 및 제어는 필수적이라고 할 수 있다. 그러기 위해서는 공정에 따른 알맞는 모델을 구해 그 공정에 따른 최적화된 조건을 찾아야 한다. 이러한 화학공정은 대부분 비선형 미분방정식으로 모델화되는데 이 비선형적인 화학공정중 증류공정은 화학공학에서 가장많이 사용되는 분리공정이다.

증류공정은 2성분계나 다성분계에서 증류점의 차이에 의하여 성분별로 분리하는 공정인데, 2성분을 증류하는 방법으로 많이 사용되는 것은 플래쉬증류(일명 평형증류)이다. 그러나 이 증류방법은 휘발도가 비슷한 성분을 분리하기 위해서는 응축된 증기와 잔류액체의 순도가 좋지 않기 때문에 효과적이지 못하다. 그래서 최종적으로 고순도의 순수한 성분을 얻기위하여 환류가 많이 이용되고 있다.

효율적인 수율을 위해서 증류공정에 미치는 여러 변수가 있다. 즉 증류를 위한 증류탑설계시 필요한 변수들로서 증류탑의 총 단수, 공급액의 공급단, 공급액의 액상분율, 공급액의 주입속도, 그리고 환류량 등이 있는데, 일반적으로 공급액의 액상분율은 낮을수록, 환류량은 높을수록 그 수율이 좋다고 알려져 있다.

이 논문에서는 이런 공정변수값들의 변화가 연속증류공정의 정상운전상태에 미치는 영향에 대해서 알아보았다.

2. 실  험

연속증류 공정제어 및 모사를 위한 연속증류공정의 모델을 다음의 Figure 1 에 나타내었다. 그리고 실험에 사용된 공정변수값은 Table 1에 나타내었다.  실험 model 방정식의 해석은 MATLAB을 사용하여 연립미분방정식 해법에 의하여 구하였다.

Material balance

Material balance

Figure 1. Material balance model for the continuous distillation

Table 1. Process Variable for continuos distillation

Process Variable	value
Total number of stages	9
Feed stage	6
Initial feed flow rate	1 mole/min
Initial feed composition of mathanol	0.5 mole
Initial reflux flow rate	0.79 mole/min
Feed quality(1=sat. liquid, 0=sat. vapor)	1

3. 결  과

3.1. Feed composition의 변화에 따른 각 단의 조성

Figure 2는 정상상태에서 Feed composotion중 메탄올 분율(f)변화에 따른 각 단의 조성을 나타내었다.

Figure 2. Effect of feed composition(f) on liquid composotion at steady state

3.2. Feed quality의 변화에 따른 각 단의 조성

Figure 3는 정상상태에서 Feed quality가 변함에 따른 각 단의 조성을 나타내었다.

Figure 3. Effect of feed quality at steady state

3.3 Reflux ratio의 변화에 따른 각 단의 조성

Figure 4는 정상상태에서 Reflux ratio가 변함에 따른 각 단의 조성을 나타내었다.

Figure 4.  Effect of Reflux ratio on liquid composotion at steady state

4. 결 론

본 연구는 공정변수, 즉 Feed composition, Feed quality 그리고 Reflux ratio의 변화에 따른 각 단의 조성을 예측하는 실험이었다. 위의 Figure 2, 3, 4에서 보는 바와 같이 Feed composition을 0.3 - 0.7 mole/min 변화시켜주었을 때 Feed composition의 증가에 따라 각 단의 조성이 증가하는 것을 볼 수 있었고, Feed quality를 0 - 2까지 변화하였을 때 Quality 값이 증가함에 따라 각 단의 조성이 증가함을 볼 수 있었다. 그리고 Reflux ratio 값을 -30에서 30%까지 변화하였을 때 재순환량의 증가에 따라 각 단의 조성이 증가하는 것을 볼 수 있었다.

5. 참고문헌

1. B. Wayne Bequette, "Process Dynamics ", Prentice Hall International, 1998

2. Warren L. McCabe 외, □Unit Operations of Chemical Engineering",

3. 이윤용 외, □ 충전 증류탑을 이용한 다성분계 분리 □, 한국과학기술원, 1989

4. 정주영, □ 2성분계 분리를 위한 연속증류공정의 모사와 공정제어 □, 순천향대    학교, 1999.