[논문]Ethanol-Benzene 공비혼합물의 분리를 위한 압력변환 증류공정의 전산모사

박회경; 김동선; 조정호

doi:10.9713/kcer.2015.53.4.450

Ethanol-Benzene 공비혼합물의 분리를 위한 압력변환 증류공정의 전산모사
Simulation and Optimization Study on the Pressure-Swing Distillation of Ethanol-Benzene Azeotrope 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.53 no.4, 2015년, pp.450 - 456

박회경 (공주대학교 화학공학부) , 김동선 (공주대학교 화학공학부) , 조정호 (공주대학교 화학공학부)

초록
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본 연구에서는 압력변환 증류공정(Pressure-Swing Distillation, PSD)을 사용하여 에탄올-벤젠 공비혼합물의 분리공정에 대한 전산모사 및 공정 최적화를 수행하였다. 신뢰성 있는 공정 최적화 결과를 도출하기 위해 에탄올-벤젠 이성분계에 대한 기-액 상평형 실험을 수행한 후, 열역학 모델식의 회귀분석을 통해 이성분계 상호작용 매개변수를 도출하였다. 저압-고압 컬럼 배열, 고압-저압 컬럼 배열을 통한 압력변환 증류공정을 적용하여 고순도 에탄올과 고순도 벤젠을 얻기 위한 공정 최적화를 수행하였으며, 재비기의 heat duty량을 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, modelling and optimization of ethanol-benzene separation process were performed using pressure-swing distillation. Order to obtain a reliable results, vapour-liquid equilibrium (VLE) experiments of ethanol-benzene binary system were performed. The parameters of thermodynamic equation were determined using experimental data and the regression. The pressure-swing distillation process optimization was performed to obtain high purity ethanol and high purity benzene into a low-high pressure columns configuration and a high-low pressure columns configuration. The heat duty values of the reboiler from simulation were compared, and the process was optimized to minimize the heat duty.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

공정모사 툴은 Invensys사의 PRO/II with PROVISION 9.2[5]를 사용하였으며, 에너지 소모량을 최소화하는 것을 목적으로 하였다.
본 연구에서는 에탄올-벤젠 공비 혼합물의 분리를 위한 공정으로 압력변환 증류공정을 이용하여 전산모사 및 공정 최적화를 수행하였다. 압력변환 증류공정은 압력에 따라 혼합물에 공비점이 변화는 원리를 이용하여 운전압력을 변화시켜 상대휘발도를 역전시킴으로써 혼합물의 분리를 용이하게 하는 원리를 이용한 공정이다.
본 연구에서는 에탄올-벤젠 공비 혼합물의 분리를 위해 위에서 설명한 것과 같이 압력변환 증류공정의 저압-고압 공정배열과 고압-저압 공정배열을 각각 모사하고 최적화를 수행하였다. 신뢰성 있는 공정모사 결과 도출을 위해서는 적절한 열역학 모델식의 선정과 이성 분계 매개변수가 중요한 요인으로 작용하기 때문에 에탄올-벤젠 이성분계에 대한 기-액 상평형 실험을 수행한 후, 열역학 모델식의 회귀분석을 통해 이성분계 상호작용 매개변수를 도출하였다.

제안 방법

공비점을 형성하는 에탄올과 벤젠의 이성분계 혼합물에 대하여 100 kPa에서 기-액 상평형 실험을 수행하고, 실험 결과를 바탕으로 NRTL 회귀분석을 통해 이성분계 상호작용 매개변수를 도출하였다. 수정된 NRTL 모델식을 적용하여 에탄올과 벤젠의 분리를 위한 압력변환 증류공정에 전산모사를 수행하였다.
5%로 설정하였다. 공정 최적화 수행과정은 세 단계로 나누어 수행하였다. 압력변환 증류공정은 순환공정이므로 에탄올이나 벤젠의 순환되는 양이 전체 공정 재비기의 heat duty 값에 영향을 준다.
기-액 상평형 실험을 통해 채취한 시료의 정확한 농도를 알아보기 위해 에탄올-벤젠 이성분계 혼합물을 농도별로 표준시료를 제조하여 가스 크로마토그래피 분석을 통해 검량선을 작성하였으며, Fig. 5에 나타내었다.
그러므로 각 증류탑 상부 스트림에서 에탄올의 조성이 중요한 요소로 작용한다. 따라서 각 증류탑 상부에서의 에탄올의 조성을 결정하고, 환류비와 이론단수 그래프로부터 적절한 증류탑의 이론단수를 결정하고, 마지막으로 각 증류탑의 원료 주입단을 변화시키면서 재비기의 총 heat duty가 최소가 되는 최적의 원료 주입단을 결정하였다.
공비점을 형성하는 에탄올과 벤젠의 이성분계 혼합물에 대하여 100 kPa에서 기-액 상평형 실험을 수행하고, 실험 결과를 바탕으로 NRTL 회귀분석을 통해 이성분계 상호작용 매개변수를 도출하였다. 수정된 NRTL 모델식을 적용하여 에탄올과 벤젠의 분리를 위한 압력변환 증류공정에 전산모사를 수행하였다. 에너지 소모량을 최소화하기 위해 각 컬럼 상부 에탄올의 조성과 이론단수, 원료 주입단을 결정하는 순으로 공정 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 에탄올-벤젠 공비 혼합물의 분리를 위해 위에서 설명한 것과 같이 압력변환 증류공정의 저압-고압 공정배열과 고압-저압 공정배열을 각각 모사하고 최적화를 수행하였다. 신뢰성 있는 공정모사 결과 도출을 위해서는 적절한 열역학 모델식의 선정과 이성 분계 매개변수가 중요한 요인으로 작용하기 때문에 에탄올-벤젠 이성분계에 대한 기-액 상평형 실험을 수행한 후, 열역학 모델식의 회귀분석을 통해 이성분계 상호작용 매개변수를 도출하였다.
에너지 소모량을 최소화하기 위해 각 컬럼 상부 에탄올의 조성과 이론단수, 원료 주입단을 결정하는 순으로 공정 최적화를 수행하였다.
에탄올-벤젠 공비혼합물의 전산모사 및 최적화를 위해 상용공정 모사기인 Invensys사의 PRO/II with PROVISION 9.2를 사용하여 저압-고압 배열(Case I)과 고압-저압 배열(Case II)의 압력변환 증류공정을 모사하고 에너지 소모량을 최소화 하도록 공정 최적화를 수행하였다. 원료의 몰 조성과 온도, 압력, 유량에 대한 정보는 Table 2에 나타내었으며, 각 증류탑 하부에서 에탄올과 벤젠의 순도는 99.
에탄올-벤젠 이성분계 혼합물 시료의 정량 분석은 가스 크로마토그래피(영린기기, YL6100 GC)에 의해 분석하였으며, HT300A autosampler를 장착하여 함께 사용함으로써 분석의 효율성, 정확성, 재현성이 향상되도록 하였다.
저압 컬럼과 고압 컬럼 상부 에탄올의 조성을 변화시켜 가면서 재비기의 heat duty 변화를 알아보았다. Fig.
저압인 100 kPa에서 기-액 상평형 실험 데이터는 본 연구에서 실험을 수행하였으며, NRTL 열역학 모델식을 이용하여 회귀분석을 수행하였다. 한편 고압인 1,000 kPa에서 기-액 상평형의 추산은 PRO/II with PROVISION에 내장되어 있는 NRTL 이성분계 상호작용 매개 변수를 이용하여 추산하였다.

대상 데이터

기-액 상평형 실험에 사용된 에탄올(Aldrich, 99.8%)과 벤젠(Aldrich, 99.9%)은 추가 정제 없이 사용하였다. Fig.
4는 에탄올-벤젠 기-액 상평형 실험에 사용된 장치 개략도로 독일 i-Fischer Engineering GmbH 사의 VLE 602를 나타내었다. 실험 장치는 크게 가열기, mixing chamber, separation chamber, 응축기, 액상/기상 냉각기, 액상/기상 시료 채집부분으로 구성되어 있다. 본 장비로 측정 가능한 압력의 범위는 0~400 kPa로써 저압과 상압 영역에서 상평형 실험이 가능하다.

데이터처리

저압(100 kPa)의 조건에서 얻은 에탄올-벤젠 이성분계 혼합물의 기-액 상평형 실험결과를 Table 1에 나타내었다. 실험 결과를 바탕으로 NRTL 모델식의 회귀분석을 통해 에탄올-벤젠 이성분계 상호작용 매개변수를 도출하였다. 최적화된 NRTL 이성분계 상호작용 매개변수들은 Table 2에 나타내었으며, Fig.
저압인 100 kPa에서 기-액 상평형 실험 데이터는 본 연구에서 실험을 수행하였으며, NRTL 열역학 모델식을 이용하여 회귀분석을 수행하였다. 한편 고압인 1,000 kPa에서 기-액 상평형의 추산은 PRO/II with PROVISION에 내장되어 있는 NRTL 이성분계 상호작용 매개 변수를 이용하여 추산하였다.
84 K로 유사함을 보였다. 회귀분석 결과의 적합도를 확인하기 위하여 100 kPa의 압력에서 추산된 에탄올의 기상 몰분율(y_i)을 이용하여 AAD(Average absolute deviation)%를 식 (11)로 부터 계산하였으며, 계산 결과는 Table 2에 나타내었다.

이론/모형

본 연구에서는 저압 증류탑과 고압 증류탑의 운전압력은 각각 100 kPa 과 1,000 kPa로 각 상에서의 보다 정확한 상거동을 알아보기 위해, 기체상의 경우에는 Soave-Redlich-Kwong (SRK)[6] 상태 방적식을 액체상의 경우에는 NRTL[7] 액체 활동도계수 모델식을 각각 사용하였다.

성능/효과

6에 기-액 상평형 실험결과와 회귀분석으로 추산된 결과를 비교하여 나타내었다. 100 kPa에서 실험 결과와 추산된 매개변수를 적용하여 계산된 에탄올과 벤젠의 공비 조성과 공비점은 각각 0.451, 340.67 K와 0.446, 340.84 K로 유사함을 보였다. 회귀분석 결과의 적합도를 확인하기 위하여 100 kPa의 압력에서 추산된 에탄올의 기상 몰분율(y_i)을 이용하여 AAD(Average absolute deviation)%를 식 (11)로 부터 계산하였으며, 계산 결과는 Table 2에 나타내었다.
14에 고압 컬럼과 저압 컬럼 상부 에탄올의 조성을 변화시킬 때 증류탑 재비기의 heat duty 변화를 각각 나타내었다. 고압 컬럼 상부 에탄올의 조성을 65.5 mol%부터 70.5 mol%까지 변화시킬 때 에탄올의 조성 65.5 mol%에서 재비기의 heat duty 값이 1.877 Mkcal/h로 최소값을 보였으며, 저압 컬럼의 경우 에탄올의 조성을 45.0 mol%에서 49.0 mol%까지 변화시킨 결과 47.0 mol%에서 0.999 Mkcal/h로 재비기의 heat duty 값이 최소값을 나타내었다.
에너지 소모량을 최소화하기 위해 각 컬럼 상부 에탄올의 조성과 이론단수, 원료 주입단을 결정하는 순으로 공정 최적화를 수행하였다. 공정 최적화 수행 결과 저압-고압 컬럼 배열(Case I) 공정의 총 재비기의 heat duty 값은 2.766 Mkcal/h, 고압-저압 배열(Case II) 공정 총 재비기의 heat duty 값은 3.033 Mkcal/h로 저압-고압 컬럼 배열 공정에 에너지가 약 9.653% 정도 heat duty 값이 감소됨을 확인할 수 있었다. 압력변환 증류 공정을 통해 공비점을 형성하는 에탄올-벤젠 이성분계 혼합물의 분리가 원활히 이루어짐을 확인하였으며, 저압-고압 컬럼 배열 공정이 고압-저압 컬럼 배열 공정보다 재비기의 heat duty를 고려할 때 더 경제적임을 확인할 수 있었다.
0 mol%까지 변화시키면서 증류탑 재비기의 heat duty 변화를 각각 나타내었다. 그 결과, 저압 컬럼 상부 에탄올 조성이 49.5 mol%일 때 재비기의 heat duty가 1.543 Mkcal/h로 최소값을 나타내었으며, 고압 컬럼 상부 에탄올의 조성이 65.0 mol%일 때 재비 기의 heat duty가 1.533 Mkcal/h로 최소값을 나타내었다.
18)으로 결정되었으며, 고압-저압 컬럼 배열 공정에서 최적화된 결과는 Table 4에 나타내었다. 따라서 고압-저압 컬럼 배열 공정에서 소요되는 총 재비기의 heat duty 값은 3.033 Mkcal/h로 저압-고압 컬럼 배열 공정 보다 약 9.653% 정도 heat duty 값이 증가되는 것으로 나타났다.
653% 정도 heat duty 값이 감소됨을 확인할 수 있었다. 압력변환 증류 공정을 통해 공비점을 형성하는 에탄올-벤젠 이성분계 혼합물의 분리가 원활히 이루어짐을 확인하였으며, 저압-고압 컬럼 배열 공정이 고압-저압 컬럼 배열 공정보다 재비기의 heat duty를 고려할 때 더 경제적임을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공비 혼합물 성분 각각을 순수한 성분으로 분리하는 데에 특수 증류 공정이 필요한 이유는?	공비 혼합물을 형성하는 혼합물은 통상적인 증류방법을 통해서는 각각을 거의 순수한 성분으로 분리해 내는 것은 불가능하기 때문에 순수한 성분으로 분리해 내기 위해서는 특수 증류공정을 사용해야 한다. 에탄올과 벤젠은 341.
	압력변환 증류 공정은 어떤 원리를 이용하는 것인가?	본 연구에서는 에탄올-벤젠 공비 혼합물의 분리를 위한 공정으로 압력변환 증류공정을 이용하여 전산모사 및 공정 최적화를 수행하였다. 압력변환 증류공정은 압력에 따라 혼합물에 공비점이 변화는 원리를 이용하여 운전압력을 변화시켜 상대휘발도를 역전시킴으로써 혼합물의 분리를 용이하게 하는 원리를 이용한 공정이다. Fig.
	특수 증류공정에는 어떤 방법이 있는가?	따라서 일반적인 증류방법으로는 에탄올과 벤젠을 고순도의 성분으로 분리하는 것은 불가능하다. 특수 증류공정에는 공비 증류공정, 추출 증류공정, 압력변환 증류공정이 있다. 공비 증류공정은 1983년 Messick 등[2]에 의해 소개된 공정으로 공비점 분리제가 필요한 반면, 추출 증류공정은 추가적인 용매 성분이 필요한 것으로 알려져 있으나, 압력변환 증류 공정(Pressure-Swing Distillation, PSD)은 제3의 성분을 필요로 하지 않기 때문에 환경 친화적인 공정이라는 장점을 가지고 있다[3,4].

참고문헌 (9)

Nam, Z., Jiao, Q. Z., Tan, Z. C. and Sun, L. X., "Thermodynamic Investigation of the Binary System of Ethanol + benzene," Thermochim. Acta, 401, 151-159 (2003).
Messick, J. R., Ackley, W. R. and Moon, G. D., "Anhydrous Ethanol Distillation Method and Apparatus," U.S.Pat. US4,422,903, Dec. (1983).
William, L. L. and Chien, L. I., "Design and Control of Distillation Systems for Separating Azeotropes," A John Wiley & Sons, Inc., (2010).
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).
"PRO/II TM Keyword Manual," Invensys Systems, Inc. (2010).
Soave, G., "Equilibrium Constants from a Modified Redich-Kwong Equation of State," Chem. Eng. Sci., 27, 1197-1203(1972).

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

상세보기
McKetta, J. J. Jr., "Unit Operations Handbook 1," CRC Press, 298-322(1992).
"PRO/II Application Briefs," Simulation Sciences Inc. (2005).

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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