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에탄올-n-헵탄 공비 혼합물의 분리를 위한 압력변환 증류공정 연구
A Study on the Pressure-Swing Distillation of Ethanol-n-Heptane Azeotrope 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.21 no.4, 2015년, pp.217 - 223  

노상균 (동양대학교 생명화학공학과)

초록
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본 연구에서는 에탄올-n-헵탄 이성분계 공비 혼합물의 분리를 위해 압력변환 증류공정(pressure-swing distillation, PSD)을 사용하여 전산모사 및 공정 최적화를 진행하였다. 저압-고압 컬럼 배열과 고압-저압 컬럼 배열을 통해 고순도 에탄올과 고순도 n-헵탄을 얻기 위한 압력변환 증류공정을 수행하였다. 전산모사 결과, 저압-고압 컬럼 배열 공정보다 고압-저압 컬럼 배열 공정을 사용할 경우 heat duty 값이 약 5.8% 정도 감소되어 에너지 소모량 면에서 더 경제적임을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the present study, modelling and optimization of ethanol-n-heptane separation process were performed using pressure-swing distillation. The pressure-swing distillation process optimization was performed to obtain high purity ethanol and high purity n-heptane into a low-high pressure columns confi...

주제어

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문제 정의

  • 그러나 공비 증류공정이나 추출 증류공정을 사용할 경우 제3의 추가적인 성분을 필요로 하기 때문에 압력변환 증류공정과 비교할 때 환경 친화적인이지 못한 공정[5,6]이라는 단점을 가지고 있어 최근 압력변환 증류공정이 선호되고 있다. 따라서 본 연구에서는 압력변환 증류공정을 사용하여 에탄올과 n-헵탄 이성분계 공비 혼합물의 분리를 위한 전산모사를 수행하고자 한다.
  • 그러므로 증류탑의 배열에 따라 순환되는 혼합물의 유량이 변하게 되므로 실제 컬럼의 가격이나 유틸리티 비용이 다르기 때문에 정확한 비용을 산출하기에는 다소 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 에탄올과 n-헵탄 공비 혼합물의 분리를 위해 Figure 2와 3과 같은 두 가지 공정 배열에 대한 전산모사 및 최적화를 수행한후 증류탑 재비기의 heat duty를 계산하고, 이를 통한 유틸리티 비용 측면에서 좀 더 경제적인 공정 배열을 알아보는 것을 목적으로 하였다. 원료의 조성과 온도, 압력, 유량에 대한 정보는 Table 1에 나타내었으며, 각 증류탑 하부에서 얻어지는 에탄올과 n-헵탄의 순도는 99.
  • 그러므로 증류탑의 배열에 따라 순환되는 혼합물의 유량이 변하게 되므로 실제 컬럼의 가격이나 유틸리티 비용이 다르기 때문에 정확한 비용을 산출하기에는 다소 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 에탄올과 n-헵탄 공비 혼합물의 분리를 위해 Figure 2와 3과 같은 두 가지 공정 배열에 대한 전산모사 및 최적화를 수행한후 증류탑 재비기의 heat duty를 계산하고, 이를 통한 유틸리티 비용 측면에서 좀 더 경제적인 공정 배열을 알아보는 것을 목적으로 하였다. 원료의 조성과 온도, 압력, 유량에 대한 정보는 Table 1에 나타내었으며, 각 증류탑 하부에서 얻어지는 에탄올과 n-헵탄의 순도는 99.
  • 이와 반대로 Figure 3과 같은 고압-저압 컬럼 공정배열의 경우에는 첫 번째 증류탑의 하부에서는 고순도 n-헵탄을 얻을 수 있으며, 두 번째 증류탑 하부에서는 고순도 에탄올을 얻을 수 있다. 이와 같은 원리를 이용하여 본 연구에서는 에탄올과 n-헵탄 이성분계 공비 혼합물의 분리를 위해 공정모사 툴인 Invensys사의 PRO/II with PROVISION 9.2[7]를 사용하여 압력변환 증류공정을 전산모사하고, 에너지 소모량을 최소화 할 수 있는 공정 최적화를 수행하였다.
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참고문헌 (10)

  1. Raal, J. D., Code, R. K., and Best, D. A., “Examination of Ethanol-n-Heptane, Methanol-n-Heptane System using New Vapor-Liquid Equilibrium Still,” J. Chem. Eng. Data, 17(2), 211-216 (1972). 

  2. Pereiro, A. B., and Rodriguez, A., "Azeotrope-breaking using [BMIM][MeSO 4 ] Ionic Liquid in an Extraction Column," Sep. Purif. Technol., 62(3), 733-738 (2008). 

  3. Pereiro, A. B., and Rodriguez, A., “Separaion of Ethanol-Heptane Azeotropic Mixtures by Solvent Extraction with an Ionic Liquid,” Ind. Eng. Chem. Res., 48, 1579-1585 (2009). 

  4. Laroche, L., Bekiaris, N., Andersen, H. W., and Morari, M., “Homogenous Azeotropic Distillation-Comparing Entrainers,” Can. I., Chem. Eng., 69, 1302-1319 (1991). 

  5. William, L. L., and Chien, L. I., “Design and Control of Distillation Systems for Separating Azeotropes,” A John Wiley & Sons, Inc., (2010). 

  6. Hilmen, E. K., "Separation of Azeotropic Mixtures: Tools for Analysis and Studies on Batch Distillation Operation," Ph. D. Thesis, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway, 2000. 

  7. “PRO/II TM Keyword Manual,” Invensys Systems, Inc., (2010). 

  8. Renon, H. and Prausnitz, J. M., “Local Compositions in Thermodynamic Excess Functions for Liquid Mixtures,” AIChE J., 14(1), 135-144 (1968). 

  9. Soave, G., “Equilibrium Constants from a Modified Redich-Kwong Equation of State,” Chem. Eng. Sci., 27, 1197-1203 (1972). 

  10. “PRO/II Application Briefs,” Simulation Sciences Inc., (2005). 

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