[논문]4성분계 다중반응증류 공정의 시각화

강도형; 이재우

doi:10.9713/kcer.2014.52.6.713

4성분계 다중반응증류 공정의 시각화
Visualization of Stage Calculations in Quaternary Reactive Distillation with Multiple Reactions 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.52 no.6, 2014년, pp.713 - 719

강도형 (한국과학기술원 생명화학공학과) , 이재우 (한국과학기술원 생명화학공학과)

초록
AI-Helper

4성분계 다중반응이 반응증류 탑 내에서 발생할 때 증류거동의 변화를 시각화 방법을 통해 분석하였다. 시각화 방법이란 단순 증류의 물질수지에 각 반응에 의한 벡터를 추가하고 이를 공간상에 표현하는 것으로 각 단에서 혼합물의 조성 변화 및 반응의 진척도를 직관적으로 알 수 있다. 또한 이를 통해 주어진 운전조건에서 필요한 총 단수 및 최적반응 단의 위치를 결정할 수 있다. 본 연구에서는 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 생산공정을 시각화 방법을 통해 분석하였다. 제안된 시각화 방법을 사용하여 복잡한 실험이나 공정모사 없이 4성분계 다중반응증류 공정에 대한 타당성 평가 및 분석이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

When multiple reactions of quaternary mixtures take place in a reactive distillation column, the behavior of composition trajectory is analyzed by a visual-aided method. By adding additional vectors of multiple reactions and visualizing them in composition space, the composition of each component and extent of each reaction on an arbitrary stage can be easily estimated in terms of the composition trajectory and reaction cascade difference points. Moreover, for a given operating conditions, the number of total stages and position of optimum reaction zone can be determined by the visual-aided method. In this study, ethylene glycol synthesis with a side reaction is taken as an example and analyzed by the proposed graphical method. Through this method, the quaternary reactive distillation with multiple reactions can be analyzed without numerous experiments and simulations.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 기존의 반응평형 조건에서 단일반응만을 고려하는 반응증류의 시각화 연구에서 더 나아가 속도기반 반응모델에서 다중반응을 시각화하는 방법을 제시하였다. 물질수지 식을 통해 각 단의 액체, 기체 몰분율과 반응의 정도를 공간상에 나타내고 이들의 관계를 지렛대 법칙을 통해 분석하였다.

가설 설정

하지만 기존의 연구들은 두가지 한계점을 지닌다. 먼저 액상반응의 경우 각 층에서 반응이 평형에 도달하여 액체 몰분율이 반응평형의 몰분율과 같다고 가정하였다. 하지만 실제 공정의 경우 반응이 평형에 도달하기 위해서는 긴 체류시간을 필요로 하기 때문에 실제 몰분율과 반응평형의 몰분율은 차이가 있다.

제안 방법

위의 문제점들을 극복하기 위해 본 연구는 속도기반 모델을 통해 체류시간에 따른 반응의 정도를 계산하고, 그 정도를 다중반응차이점을 이용하여 표현하였다. 따라서 반응이 평형에 도달하지 않는 경우에도 증류거동의 예측을 가능하게 하였고 이를 3차원 공간에서 시각화하였다.
하지만 실제 공정의 경우 반응이 평형에 도달하기 위해서는 긴 체류시간을 필요로 하기 때문에 실제 몰분율과 반응평형의 몰분율은 차이가 있다. 또한 반응과정에서 발생하는 여러 부 반응을 무시하고 주 반응에 의한 효과만을 고려하여 증류거동을 예측하였다.
위의 문제점들을 극복하기 위해 본 연구는 속도기반 모델을 통해 체류시간에 따른 반응의 정도를 계산하고, 그 정도를 다중반응차이점을 이용하여 표현하였다. 따라서 반응이 평형에 도달하지 않는 경우에도 증류거동의 예측을 가능하게 하였고 이를 3차원 공간에서 시각화하였다.
제안된 방법의 타당성을 증명하기 위해 기존의 방법에서는 분석될 수 없었던 부 반응을 포함하고 속도기반 모델을 통해 반응의 크기가 결정되는 에틸렌글리콜 생산공정을 시각화방법을 통해분석하였다.

이론/모형

각 성분과 관련한 열역학 매개변수는 기존의 연구[22]를 참고하였다.
본 연구는 기존의 반응평형 조건에서 단일반응만을 고려하는 반응증류의 시각화 연구에서 더 나아가 속도기반 반응모델에서 다중반응을 시각화하는 방법을 제시하였다. 물질수지 식을 통해 각 단의 액체, 기체 몰분율과 반응의 정도를 공간상에 나타내고 이들의 관계를 지렛대 법칙을 통해 분석하였다. 이를 통해 다양한 조건 하에서 증류곡선의 거동과 방향성 및 반응의 크기를 예측할 수 있었다.
반응증류에서도 마찬가지로 증류거동을 시각화하려는 많은 노력들이 이루어져 왔다. 반응과 증류의 영향을 공간상의 표시한 것을 시작으로[10], 이성분계의 반응증류를 Ponchon-Savarit, McCabe-Thiele 기법을 통해 분석하였으며[11,12], 3성분계 반응증류[13-15]와 4성분계 반응증류[15-17] 또한 반응차이점(Reaction difference points)[18,19]을 도입하여 시각화해왔다.

성능/효과

또한 Case 2와 Case 3를 비교하였을 때, Case 3의 정류부 다중반응차이점이 Case 2에 비해 주 반응의 반응차이점에 가까운 것을 알 수 있다. 따라서 이로부터 반응 단을 정류부에 설치하는 것이 공급 단에 설치하는 것에 비해 에틸렌글리콜의 생성을 촉진하고 디에틸렌글리콜의 생성을 억제시켜 효과적임을 알 수 있다.
본 연구에서 제시한 방법을 통해서 예로 든 에틸렌글리콜 생산공정뿐만 아니라 반응증류탑 내부에서 일어나는 다양한 4성분계 다중 반응을 분석하여 이를 시각화할 수 있다. 특히 다중반응 중 하나의 반응이 반응평형에 쉽게 도달하는 경우 각 단의 액체 몰분율이 모두이 반응평형의 몰분율에 있기 때문에 더욱 쉽게 반응차이점을 계산할 수 있고 이는 보다 정확한 증류거동의 예측을 가능케 한다.
제안된 시각화 방법을 통해 복잡한 실험이나 공정모사 없이 4성분계 다중반응증류 공정의 분석과 타당성 평가를 가능하게 하였다.

후속연구

이러한 반응의 예로는 2개의 속도기반 알킬화반응과 1개의 평형기반 알킬 교환 반응이 동시에 일어나는 4성분계 큐멘(Cumene)의 생산공정이 있다. 따라서 향후의 연구는 이러한 하나의 평형기반 반응을 포함한 다중반응증류의 시각화에 중점을 두고 이루어질 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이성분계 단순증류에서 증류거동을 이해하기 위한 대표적인 방법은 무엇인가?	먼저 이성분계 단순증류에서 증류거동을 이해하기 위한 대표적인 방법은 Ponchon-Savarit[7,8], McCabe-Thiele[9] 기법과 같이 이를 시각화 하는 것이다. 반응증류에서도 마찬가지로 증류거동을 시각화하려는 많은 노력들이 이루어져 왔다.
	반응증류가 아직까지 많은 공정에 적용되지 못하고 있게 만드는 한계점은?	하지만 이러한 장점에도 불구하고 반응증류는 다음의 한계점으로 인해 아직까지 많은 공정에 적용되지 못하고 있다. 먼저 반응과 증류가 비슷한 온도 범위에서 이루어져야 한다. 또한 일반적으로 사용되는 불균일계 촉매의 경우 반응속도에 따라 긴 체류시간을 필요로 하기 때문에 이는 스케일 업에 큰 문제점으로 지적되고 있다. 이러한 문제점들은 증류온도와 비슷한 범위에서 활성과 빠른 반응속도를 가지는 촉매의 개발을 통해 해결될 수 있다.
	반응증류의 장점은?	반응증류는 반응과 증류를 하나의 탑에서 동시에 진행함으로써 여러 장점을 취할 수 있다. 두 개의 독립된 단위 공정을 하나로 통합하여 자본비와 운영비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 생성물을 반응과 동시에 분리하여 정 반응을 촉진시킬 수 있다. 또한 반응을 통해 공비점, 증류경계와 같은 증류 탑에서 분리의 한계를 극복할 수 있다[1-6]. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 반응증류는 다음의 한계점으로 인해 아직까지 많은 공정에 적용되지 못하고 있다.

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