[논문]Isobutyl-Acetate와 Isobutyl-Alcohol 이성분계의 압력변환증류 공정 최적화 연구

조성진; 신재선; 최석훈; 이의수; 박상진

doi:10.9713/kcer.2014.52.3.307

Isobutyl-Acetate와 Isobutyl-Alcohol 이성분계의 압력변환증류 공정 최적화 연구
Optimization Study for Pressure Swing Distillation Process for the Mixture of Isobutyl-Acetate and Isobutyl-Alcohol System 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.52 no.3, 2014년, pp.307 - 313

조성진 (동국대학교 화공생물공학과) , 신재선 (동국대학교 화공생물공학과) , 최석훈 (동국대학교 화공생물공학과) , 이의수 (동국대학교 화공생물공학과) , 박상진 (동국대학교 화공생물공학과)

초록
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본 연구에서는 Isobutyl Acetate와 Isobutyl Alcohol의 공비혼합물을 압력변환증류공정(PSD; Pressure Swing Distillation Process)을 이용하여 99.9 mol% 이상의 Isobutyl Acetate를 분리하는 공정모사를 수행하였다. 압력변환증류공정은 공비혼합물의 상대휘발도와 공비조성이 압력의 변화에 따라 차이가 나는 특성을 이용한 공정이다. 액상에서는 Non-Random Two Liquid (NRTL) model을 그리고 기상에서는 Peng-Robinson equation을 이용하였다. 최적화 방법으로 환류비와 주입단 위치를 변수로 두고 총 재비기 소요 열량을 최소화시키는 목적으로 최적화를 수행하였다. 압력변환 증류공정은 두 개의 증류탑을 필요로 함에 따라 고압 증류탑과 저압 증류탑의 배열에 따른 최적화 조건 또한 비교를 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an optimization process design has been performed to separate 99.9 mol% of Isobutyl Acetate from binary azeotropic mixture of Isobutyl Acetate and Isobutyl Alcohol system using a Pressure Swing Distillation (PSD). PSD is used to separate binary azeotropic mixtures using the difference between the relative volatilities and azeotropic compositions by changing the system pressure. Non-Random Two Liquid (NRTL) model for liquid phase and the Peng-Robinson equation for vapor phase are used. An optimization study for the reflux ratio and feed stage locations which minimize the total reboiler heat duties are studied. Since PSD process consists of two columns, i.e. high pressure and low pressure, the effect of column sequence on the optimum conditions is reported.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 압력변환증류 공정의 총 재비기 소요 열량을 최소화시키는 목적으로 최적화 작업을 수행하였고 그에 따른 공정조건을 구하였다. 이를 위해 공비혼합물 즉 Isobutyl Acetate와 Isobutyl Alcohol의 기-액 상평형 실험데이터(T-x-y)를 이용하여 최적의 NRTL 변수 값을 구하였고 저압과 고압 칼럼의 local optimum 값을 구하였고 최종적으로 전체 공정(LP-HP 및 HP-LP Column) 배열에 따른 global optimum 값을 구하였다.

가설 설정

5℃일 때의 대기압과 동등한 101 kPa의 값으로 정하였다. Feed 조건은 온도는 실온인 25℃, 압력은 대기압인 101.325 kPa, 유량은 100 kgmol/hr라고 가정하였다.
47이다. 이 두 배열의 공통된 범위는 약 0.16~0.47이고 이 사이의 값을 Feed의 Isobutyl Acetate의 조성 값으로 0.4 mol fraction으로 가정하였다. 앞서 정한 고압 저압 각각의 운전압력 선정은 증류탑에서 응축기의 평균 운영 온도인 45℃와 재비기의 온도인 180℃의 범위에 있는 압력 값을 사용하기 위하여 저압 증류탑의 압력은 Fig.

제안 방법

Case1으로 고압 저압 배열로 공정모사 및 최적화를 수행하였다. 여기서 환류비에 따른 재비기 소요 열량을 최소로 최적화하는 값을 구하기 위하여, 고압 탑의 경우 x축을 고압 증류탑의 환류비, y축을 재비기 소요 열량으로 두고 plot했을 시 1.
그 다음 최적화 방법으로 공급단 위치의 따른 재비기 소요 열량을 최소화 하는 최적화 값을 구하기 위하여 고압 증류탑의 공급단에 변화를 주면서 재비기 소요 열량의 변화를 살펴보았다. 저압 증류탑 공급단에 따른 재비기 소요 열량 값을 plot하였을 때 4~6단 사이에서 공급이 이루어질 때 최적의 상태인 것을 확인할 수 있었다.
2를 사용하여 수행하였다. 압력변환증류 공정에 의한 분리는 서로 다른 압력에서 작동되는 두 개의 증류탑을 사용하여 수행된다. 각각의 증류탑에서 증류된 증류탑 상부의 조성은 공비조성에 접근하면서 증류되고 두 개의 증류탑 사이로 환류되어 운전된다.
4 mol fraction으로 가정하였다. 앞서 정한 고압 저압 각각의 운전압력 선정은 증류탑에서 응축기의 평균 운영 온도인 45℃와 재비기의 온도인 180℃의 범위에 있는 압력 값을 사용하기 위하여 저압 증류탑의 압력은 Fig. 5에 나와있듯이 약 67.5℃일 때의 20 kPa, 고압 증류탑의 압력은 약 107.5℃일 때의 대기압과 동등한 101 kPa의 값으로 정하였다. Feed 조건은 온도는 실온인 25℃, 압력은 대기압인 101.
6에서 볼 수 있다. 운전 압력에 따른 두 개의 증류 배열을 앞서 수행한 고압 저압 배열과 반대로 저압 고압 배열로 바꾸어 앞과 같은 방법으로 최적화 과정을 수행 하였다.
본 연구에서는 압력변환증류 공정의 총 재비기 소요 열량을 최소화시키는 목적으로 최적화 작업을 수행하였고 그에 따른 공정조건을 구하였다. 이를 위해 공비혼합물 즉 Isobutyl Acetate와 Isobutyl Alcohol의 기-액 상평형 실험데이터(T-x-y)를 이용하여 최적의 NRTL 변수 값을 구하였고 저압과 고압 칼럼의 local optimum 값을 구하였고 최종적으로 전체 공정(LP-HP 및 HP-LP Column) 배열에 따른 global optimum 값을 구하였다.
최적의 고압 증류탑과 저압 증류탑의 공급단을 알아보기 위하여 저압 증류탑의 공급단에 변화를 주면서 재비기 소요 열량의 변화를 살펴보았다. PRO/II를 이용하여 재비기 소요 열량 값을 구한 뒤 저압 증류탑의 공급단에 따른 재비기 소요 열량값을 plot하였을때 3~5단 사이에서 공급이 이루어질 때 최적의 상태인 것을 확인할 수 있 었고, 더 정확히 plot하여 저압 증류탑에서 4단으로 공급이 이루어질 때 최적의 상태인 것을 Fig.

데이터처리

의 이성분계 상호작용 변수가 존재한다. NRTL의 이 상호작용변수들을 isobutyl alcohol과 isobutyl acetate의 기존에 나와있는 기-액 상평형 실험 데이터[21]로 회귀분석하여 이 이성분계의 최적의 상호작용변수들을 구하였다. 회귀분석에는 PRO/II의 Regress 기능을 사용하였다.

이론/모형

공정모사 및 최적화를 위하여 상용공정 모사기인 PRO/II with PROVISION release 9.2를 사용하여 수행하였다. 압력변환증류 공정에 의한 분리는 서로 다른 압력에서 작동되는 두 개의 증류탑을 사용하여 수행된다.
이 연구에서는 Peng-Robinson [19] 상태방정식이 기체상에서의 퓨가시티 계수 계산을, NRTL [20] 액체활동도 계수 모델은 액체상의 퓨가시티 계수를 계산하는데 사용되었다.

성능/효과

Isobutyl acetate와 Isobutyl alcohol 공비혼합물을 압력변환증류공정을 통하여 분리하는 공정을 모사하고 최적화를 수행하여, 최적의 환류비, 공급단, 고압 저압 증류탑의 배열 등의 결과를 얻을 수 있었다. 고압 저압 순 배열이 18.
최적의 고압 증류탑과 저압 증류탑의 공급단을 알아보기 위하여 저압 증류탑의 공급단에 변화를 주면서 재비기 소요 열량의 변화를 살펴보았다. PRO/II를 이용하여 재비기 소요 열량 값을 구한 뒤 저압 증류탑의 공급단에 따른 재비기 소요 열량값을 plot하였을때 3~5단 사이에서 공급이 이루어질 때 최적의 상태인 것을 확인할 수 있 었고, 더 정확히 plot하여 저압 증류탑에서 4단으로 공급이 이루어질 때 최적의 상태인 것을 Fig. 11과 같이 확인할 수 있었다.
고압 증류탑의 경우도, x축을 고압 증류탑의 환류비, y축을 재비기 소요 열량으로 뒀을 때 1.5~2.1 사이의 범위에 최소 환류비가 있음을 확인하였고, 다시 범위를 좁게 plot하여 고압 증류탑의 최소 환류비가 1.78일 때 최적인 것을 Fig. 10과 같이 확인하였다.
따라서 Case1: HP → LP 이 더 효율적이며 최적의 배열인 것을 확인할 수 있었다.
앞선 경우와 다른 증류탑 배열에서의 환류비에 따른 재비기 소요 열량 최적화를 위해, x축을 저압 증류탑의 환류비, y축을 재비기 소요 열량으로 뒀을 때 2.4~3.0 사이의 범위에 최소 환류비가 있음을 확인하였고, 다시 범위를 좁게 plot하여 저압 증류탑의 최소 환류비가 2.65일 때 최적인 것을 Fig. 9와 같이 확인하였다.
Case1으로 고압 저압 배열로 공정모사 및 최적화를 수행하였다. 여기서 환류비에 따른 재비기 소요 열량을 최소로 최적화하는 값을 구하기 위하여, 고압 탑의 경우 x축을 고압 증류탑의 환류비, y축을 재비기 소요 열량으로 두고 plot했을 시 1.8~2.4 사이의 범위에 최소 환류비가 있음을 확인하였고, 다시 범위를 좁게 plot하여 고압 증류탑의 최소 환류비가 2.15일 때 최적인 것을 Fig. 6과 같이 확인하였다.
그 다음 최적화 방법으로 공급단 위치의 따른 재비기 소요 열량을 최소화 하는 최적화 값을 구하기 위하여 고압 증류탑의 공급단에 변화를 주면서 재비기 소요 열량의 변화를 살펴보았다. 저압 증류탑 공급단에 따른 재비기 소요 열량 값을 plot하였을 때 4~6단 사이에서 공급이 이루어질 때 최적의 상태인 것을 확인할 수 있었다. 다시 범위를 좁게 plot하여 저압 증류탑의 공급단에 대한 재비기 소요 열량 값을 plot하여 고압 증류탑이 7단으로 공급이 이루어질 때 최적의 상태인 것을 Fig.

후속연구

이 결과를 아래 Table 4에 정리하였다. 본 연구는 Isobutyl Acetate and Isobutyl Alcohol의 공비혼합물 압력변환증류 공정으로서의 최적공정설계 및 공정운영시의 효과적인 도구로서 응용 가능하다 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압력 변환증류 공정은 무엇이며 어떤 원리를 이용하여 분리하는 방법입니까?	이러한 공정들의 적용에 에너지를 절감하여 공비혼합물을 분리할 수 있는 공정들이 최근 연구 되어지고 있다[1-4]. 압력 변환증류 공정은 공비점 분리 방법의 하나로, 압력을 변화시킴으로써 상대 휘발도와 공비조성의 차이가 생기는 점을 이용한다[5-8]. 압력변환증류 공정은 공비점 분리제 등의 추가물질이 필요치 않으므로 환경 친화적이라 할 수 있다.
	IBAc는 어떤 물질의 에스터 화로 만들어집니까?	IBAc는 그 자체 또는 다른 용매와 함께 코팅, 잉크, 접착제, 산업용 세척제, 탈지제로 사용된다. IBAc의 제법은 아세트산과 IBA의 에스터화에 의해 생성된다. 최근에 산업발달과 더불어 폐수의 양이 점차 증가하면서 오염물질의 종류도 다양해지고 있다.
	Isobutyl acetate의 용도는 무엇입니까?	Isobutyl acetate (IBAc)는 화학 산업에서 널리 사용되는 용매이다. IBAc는 그 자체 또는 다른 용매와 함께 코팅, 잉크, 접착제, 산업용 세척제, 탈지제로 사용된다. IBAc의 제법은 아세트산과 IBA의 에스터화에 의해 생성된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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