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문제 정의
- 단일셀을 이용해 도출한 실험식의 적용성을 확인하기 위하여 처리용량을 크게 하여 실험을 수행하여 설계식의 적용가능성을 검토하였다. 한 개의 모듈당 378 cm2인 셀을 4개 제작하여 막 의 면적이 총 1,512 cm2가 되도록 하였다.
가설 설정
- 공비증류법과 투과증발막의 에너지소비를 비교할 경우 발효 에서 나오는 에탄올을 공비점까지 (에탄올 약 94.0 wt%) 농축 하는 과정은 동일하다고 가정하였고 그 이후 벤젠을 사용하는 공비증류와 투과증발막에 의해 99.5 wt%까지 농축하는 경우의 에너지 소비량을 비교하였다. SRI report에서의 공비증류에 대 한 설계결과를 요약하여 보면 Feed 조건으로 에탄올 18,990 kg/hr, 물 1,194 kg/hr 이고 distillation 탑의 탑하부 에서 얻 어지는 성분은 에탄올 17,701 kg/hr, 물 86 kg/hr 이다.
- 공비증류법과 투과증발막의 에너지소비를 비교할 경우 발효 에서 나오는 에탄올을 공비점까지 (에탄올 약 94.0 wt%) 농축 하는 과정은 동일하다고 가정하였고 그 이후 벤젠을 사용하는 공비증류와 투과증발막에 의해 99.5 wt%까지 농축하는 경우의 에너지 소비량을 비교하였다. SRI report에서의 공비증류에 대 한 설계결과를 요약하여 보면 Feed 조건으로 에탄올 18,990 kg/hr, 물 1,194 kg/hr 이고 distillation 탑의 탑하부 에서 얻 어지는 성분은 에탄올 17,701 kg/hr, 물 86 kg/hr 이다.
제안 방법
- 한 개의 모듈당 378 cm2인 셀을 4개 제작하여 막 의 면적이 총 1,512 cm2가 되도록 하였다. 각각의 모듈은 병렬 로 연결하였고, 공급액은 모듈 하부에서 공급되어 모듈 상부에 서 잔여액을 모으도록 구성함으로써 공급액이 각 모듈에 잘 분 산 공급되도록 하였다. 잔여액은 가스 크로마토그라피로 농도분 석을 하였다.
- 한 개의 모듈당 378 cm2인 셀을 4개 제작하여 막 의 면적이 총 1,512 cm2가 되도록 하였다. 각각의 모듈은 병렬 로 연결하였고, 공급액은 모듈 하부에서 공급되어 모듈 상부에 서 잔여액을 모으도록 구성함으로써 공급액이 각 모듈에 잘 분 산 공급되도록 하였다. 잔여액은 가스 크로마토그라피로 농도분 석을 하였다.
- 앞에서 언급한 바와 같이 공정을 설계하기 위해 많은 모델식이 제안 되 었으나 -실제로 비극성용매에 대해서는 잘 활용되었다- 물-에 탄올 시스템에 대해서는 적합한 모델식이 제안되지 못한 상태 이다｛11-15]. 따라서 실제로 membrane-aided distillation에 대한 실증실험을 수행하고 이를 적용하기 위해서 설계를 위한 실험식을 도출하여 적용하기로 하였다.
- 앞에서 언급한 바와 같이 공정을 설계하기 위해 많은 모델식이 제안 되 었으나 -실제로 비극성용매에 대해서는 잘 활용되었다- 물-에 탄올 시스템에 대해서는 적합한 모델식이 제안되지 못한 상태 이다｛11-15]. 따라서 실제로 membrane-aided distillation에 대한 실증실험을 수행하고 이를 적용하기 위해서 설계를 위한 실험식을 도출하여 적용하기로 하였다.
- 이 공정 모사에서 증류탑의 이론단수는 고유가 시대의 추세에 따른 단 수에 여유분을 주는 경향에 따라 30단으로 하여 10 wt%의 에 탄올 rich 수용액은 탑저로부터 18단째에서, 투과증발막에 의 해 투과된 액은 12단째에서 공급하도록 하였다. 또한 본 연구는 소비되는 에너지를 추산하는 것을 그 목적으로 하였기 때문에 탑의 단수에 관계없이 환류비를 통상적인 값인 1.5 전후에서 수 렴되는 조건으로 공정모사를 수행하였다. 증류공정의 계산은 Pro-II를 사용하였고 상평형식은 NRTL을 사용하였다 이들로 부터 구한 membrane-aided distillation 공정에서 에탄올 1 kg 을 생산하기 위한 에너지비용은 190 won/kg of ethanol로 추산되었다.
- 이 공정 모사에서 증류탑의 이론단수는 고유가 시대의 추세에 따른 단 수에 여유분을 주는 경향에 따라 30단으로 하여 10 wt%의 에 탄올 rich 수용액은 탑저로부터 18단째에서, 투과증발막에 의 해 투과된 액은 12단째에서 공급하도록 하였다. 또한 본 연구는 소비되는 에너지를 추산하는 것을 그 목적으로 하였기 때문에 탑의 단수에 관계없이 환류비를 통상적인 값인 1.5 전후에서 수 렴되는 조건으로 공정모사를 수행하였다. 증류공정의 계산은 Pro-II를 사용하였고 상평형식은 NRTL을 사용하였다 이들로 부터 구한 membrane-aided distillation 공정에서 에탄올 1 kg 을 생산하기 위한 에너지비용은 190 won/kg of ethanol로 추산되었다.
- 투과셀의 온도는 water bath에 의해 제어하였고, 투과액은 액 체질소로 냉각된 콜드트랩 g 에서 모두 포집하였다. 매시간 번 갈아 가면서 콜드트랩 g 의 무게를 측정하여 투과량을 측정하 였으며, 포집된 액의 농도는 가스 크로마토그리피로 측정하였 다. 분석을 위한 GC 컬럼으로 Porapak Q를 사용하였다.
- 투과셀의 온도는 water bath에 의해 제어하였고, 투과액은 액 체질소로 냉각된 콜드트랩 g 에서 모두 포집하였다. 매시간 번 갈아 가면서 콜드트랩 g 의 무게를 측정하여 투과량을 측정하 였으며, 포집된 액의 농도는 가스 크로마토그리피로 측정하였 다. 분석을 위한 GC 컬럼으로 Porapak Q를 사용하였다.
- 바이오매스로부터 에탄올을 생산하는 공정 중 발효공정에 의 해 생산되는 저 농도의 에탄올을 분리하기 위한 membrane- aided distillation 공정의 소비에너지를 평가하기 위해 이축연 신한 나이론 막을 사용하여 투과증발법에 의해 투과속도에 대 한 실험식을 구하고, 이로부터 한 개의 투과증발막 면적이 약 378 cm2 인 모듈을 네 개를 연결하여 막의 면적이 총 1,512 cm2 인 장치를 제작하여 투과증발막에서의 소비에너지를 추산하였다. 이러한 실험자료를 기반으로 나이론 막을 이용한 membrane- aided distillation를 모사하여 구한 에탄올 생산 시 분리공정에 필요한 운전비는 190 won/kg of ethanol로 나타났다.
- 바이오매스로부터 에탄올을 생산하는 공정 중 발효공정에 의 해 생산되는 저 농도의 에탄올을 분리하기 위한 membrane- aided distillation 공정의 소비에너지를 평가하기 위해 이축연 신한 나이론 막을 사용하여 투과증발법에 의해 투과속도에 대 한 실험식을 구하고, 이로부터 한 개의 투과증발막 면적이 약 378 cm2 인 모듈을 네 개를 연결하여 막의 면적이 총 1,512 cm2 인 장치를 제작하여 투과증발막에서의 소비에너지를 추산하였다. 이러한 실험자료를 기반으로 나이론 막을 이용한 membrane- aided distillation를 모사하여 구한 에탄올 생산 시 분리공정에 필요한 운전비는 190 won/kg of ethanol로 나타났다.
- 본 연구에서는 나이론 막을 사용하여 평판형 투과증발막모듈을 제작하고 이에 대한 투과속도에 대한 실험식을 구하여 membrane- aided distillation에 의해 10 wt%의 에탄올 수용액으로부터 99.5 wt%의 에탄올을 농축하는 공정을 구성하여 소비되는 에너지비 용을 추산하였다.
- 본 연구에서는 나이론 막을 사용하여 평판형 투과증발막모듈을 제작하고 이에 대한 투과속도에 대한 실험식을 구하여 membrane- aided distillation에 의해 10 wt%의 에탄올 수용액으로부터 99.5 wt%의 에탄올을 농축하는 공정을 구성하여 소비되는 에너지비 용을 추산하였다.
- 이식으로부터 물 및 에탄올 각각의 투과량을 계산하기 위해서는 J(C,T) 및 0(C)의 농도의 함수를 구해야 한다. 이를 위해서 소형 투과증발장치를 사용하여 온도 35°C 및 투과 측 압력 2 및 20 mmHg에서 공급액의 농도 C를 변화시켜가며 실 험을 수행하였다. 여기서 얻은 결과를 내삽하여 P 및 丁게 대한 공급액 농도의 함수를 구하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타 내었다.
- 이를 위해서 소형 투과증발장치를 사용하여 온도 35℃ 및 투과 측 압력 2 및 20 mmHg에서 공급액의 농도 C를 변화시켜가며 실험을 수행하였다.
- 각각의 모듈은 병렬 로 연결하였고, 공급액은 모듈 하부에서 공급되어 모듈 상부에 서 잔여액을 모으도록 구성함으로써 공급액이 각 모듈에 잘 분 산 공급되도록 하였다. 잔여액은 가스 크로마토그라피로 농도분 석을 하였다.
- 각각의 모듈은 병렬 로 연결하였고, 공급액은 모듈 하부에서 공급되어 모듈 상부에 서 잔여액을 모으도록 구성함으로써 공급액이 각 모듈에 잘 분 산 공급되도록 하였다. 잔여액은 가스 크로마토그라피로 농도분 석을 하였다.
- 5 전후에서 수 렴되는 조건으로 공정모사를 수행하였다. 증류공정의 계산은 Pro-II를 사용하였고 상평형식은 NRTL을 사용하였다 이들로 부터 구한 membrane-aided distillation 공정에서 에탄올 1 kg 을 생산하기 위한 에너지비용은 190 won/kg of ethanol로 추산되었다. 이 경우 막의 선택성이 높지 않아 투과된 용액을 다시 농축하기 위해 증류탑에 도입되므로 총 환류비가 증가하 여 비교적 높은 에너지 비용이 추산되었다.
- 5 전후에서 수 렴되는 조건으로 공정모사를 수행하였다. 증류공정의 계산은 Pro-II를 사용하였고 상평형식은 NRTL을 사용하였다 이들로 부터 구한 membrane-aided distillation 공정에서 에탄올 1 kg 을 생산하기 위한 에너지비용은 190 won/kg of ethanol로 추산되었다. 이 경우 막의 선택성이 높지 않아 투과된 용액을 다시 농축하기 위해 증류탑에 도입되므로 총 환류비가 증가하 여 비교적 높은 에너지 비용이 추산되었다.
- 투과증발막은 공급액의 온도가 65°C와 35°C인 경우로 나누 고, 각각에 대하여 투과 측 압력이 2 mmHg 와 20 mmHg 인 경우로 나누어 모두 네 가지 경우에 대해 실험하였다. 첫 막 모 듈에 공급되는 에탄올용액의 온도가 막을 투과 시 30°C 로 감 소하면 다시 초기의 공급온도로 승온시켜 두 번째 모듈로 공급 하였다.
- 투과증발막은 공급액의 온도가 65°C와 35°C인 경우로 나누 고, 각각에 대하여 투과 측 압력이 2 mmHg 와 20 mmHg 인 경우로 나누어 모두 네 가지 경우에 대해 실험하였다. 첫 막 모 듈에 공급되는 에탄올용액의 온도가 막을 투과 시 30°C 로 감 소하면 다시 초기의 공급온도로 승온시켜 두 번째 모듈로 공급 하였다.
- 한 개의 투과증발막 면적이 약 378 cm2 인 모듈을 네 개를 연결하여 총 막의 면적이 약 1,512 cm2인 장치를 제작하여 온 도를 35°C로 유지시킨 항온조에 넣고 일정한 온도를 유지하였 다. 공급액의 물의 농도가 약 20 wt%인 경우와 10 wt% 인 경 우에 각각 유량을 16.
- 한 개의 투과증발막 면적이 약 378 cm2 인 모듈을 네 개를 연결하여 총 막의 면적이 약 1,512 cm2인 장치를 제작하여 온 도를 35°C로 유지시킨 항온조에 넣고 일정한 온도를 유지하였 다. 공급액의 물의 농도가 약 20 wt%인 경우와 10 wt% 인 경 우에 각각 유량을 16.
대상 데이터
- 투과증발막으로는 SK주에서 생산하는 이축연신 나일론 필름 을 사용하였다. 건조된 막을 사용할 경우 투과과정에서 팽윤에 의해 막이 훼손되지 않도록 하루 정도 증류수에 담그고 난 후 사용하였다.
- 투과증발막으로는 SK주에서 생산하는 이축연신 나일론 필름 을 사용하였다. 건조된 막을 사용할 경우 투과과정에서 팽윤에 의해 막이 훼손되지 않도록 하루 정도 증류수에 담그고 난 후 사용하였다.
- 단일셀을 이용해 도출한 실험식의 적용성을 확인하기 위하여 처리용량을 크게 하여 실험을 수행하여 설계식의 적용가능성을 검토하였다. 한 개의 모듈당 378 cm2인 셀을 4개 제작하여 막 의 면적이 총 1,512 cm2가 되도록 하였다. 각각의 모듈은 병렬 로 연결하였고, 공급액은 모듈 하부에서 공급되어 모듈 상부에 서 잔여액을 모으도록 구성함으로써 공급액이 각 모듈에 잘 분 산 공급되도록 하였다.
- 단일셀을 이용해 도출한 실험식의 적용성을 확인하기 위하여 처리용량을 크게 하여 실험을 수행하여 설계식의 적용가능성을 검토하였다. 한 개의 모듈당 378 cm2인 셀을 4개 제작하여 막 의 면적이 총 1,512 cm2가 되도록 하였다. 각각의 모듈은 병렬 로 연결하였고, 공급액은 모듈 하부에서 공급되어 모듈 상부에 서 잔여액을 모으도록 구성함으로써 공급액이 각 모듈에 잘 분 산 공급되도록 하였다.
이론/모형
- 투과증발공정에 투입되는 에너지에는 잠열 및 현열에 의한 소비에너지 외에 냉동기 사용 에 의한 소비에너지 및 진공펌프 사용에 의한 소비에너지가 있다. 이 소비에너지는 Jung[l기에 의한 계산방법에 따라 계산하 였다(Table 4). 이 표에서 보면 어느 공정의 소비에너지가 저고 많음은 전기료와 steam의 가격에 달려 있다는 것을 알 수 있다.
- 투과증발공정에 투입되는 에너지에는 잠열 및 현열에 의한 소비에너지 외에 냉동기 사용 에 의한 소비에너지 및 진공펌프 사용에 의한 소비에너지가 있다. 이 소비에너지는 Jung[l기에 의한 계산방법에 따라 계산하 였다(Table 4). 이 표에서 보면 어느 공정의 소비에너지가 저고 많음은 전기료와 steam의 가격에 달려 있다는 것을 알 수 있다.
성능/효과
- 바이오매스로부터 에탄올을 생산하는 공정 중 발효공정에 의 해 생산되는 저 농도의 에탄올을 분리하기 위한 membrane- aided distillation 공정의 소비에너지를 평가하기 위해 이축연 신한 나이론 막을 사용하여 투과증발법에 의해 투과속도에 대 한 실험식을 구하고, 이로부터 한 개의 투과증발막 면적이 약 378 cm2 인 모듈을 네 개를 연결하여 막의 면적이 총 1,512 cm2 인 장치를 제작하여 투과증발막에서의 소비에너지를 추산하였다. 이러한 실험자료를 기반으로 나이론 막을 이용한 membrane- aided distillation를 모사하여 구한 에탄올 생산 시 분리공정에 필요한 운전비는 190 won/kg of ethanol로 나타났다.
- 이 경우 막의 선택성이 높지 않아 투과된 용액을 다시 농축하기 위해 증류탑에 도입되므로 총 환류비가 증가하 여 비교적 높은 에너지 비용이 추산되었다. 즉, 94 wt%에서 99.5 wt%로 농축하기 위한 에너지비용은 절감되었으나 증류탑 의 환류비가 증가하게 되어 증류탑의 리보일러의 에너지소비량 이 증가하여 오히려 에너지소비비용이 기존의 공비증류에 비해 증가하였다. 기존 공비증류에 의한 에너지 소비비용은 약 124 won/kg of ethanol로 추산된다[18].
- 이 경우 막의 선택성이 높지 않아 투과된 용액을 다시 농축하기 위해 증류탑에 도입되므로 총 환류비가 증가하 여 비교적 높은 에너지 비용이 추산되었다. 즉, 94 wt%에서 99.5 wt%로 농축하기 위한 에너지비용은 절감되었으나 증류탑 의 환류비가 증가하게 되어 증류탑의 리보일러의 에너지소비량 이 증가하여 오히려 에너지소비비용이 기존의 공비증류에 비해 증가하였다. 기존 공비증류에 의한 에너지 소비비용은 약 124 won/kg of ethanol로 추산된다[18].
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