회분식 삼성분 증류탑의 농도 분포 및 단효율

김 정 근, 김 석 종, 주 동 표

아주대학교 화학공학과

Concentration Profiles and Tray Efficiencies

in a Ternary Batch Distillation Column

Jeung Kun Kim, Suk Jong Kim, Dong Pyo Ju

Dept. of Chemical Engineering, Ajou University

서론

증류공정은 액체혼합물을 분리하는데 가장 널리 사용되는 활용도가 높은 분리조작으로서 증류탑의 설계와 경제적인 운전을 하기 위해서는 탑내 물질전달거동과 단효율에 대한 이해가 필요하다.

Krishna 등[1]은 이성분계의 전달단위수를 사용하여 다성분계의 전달특성을 고찰하는 방법을 제안하였다. 이성분계 증류탑에 대한 전달단위수의 추정법은 여러 연구자[2-4]에 의해 제안되고 있으나 계가 동일하더라도 방법에 따라 전달단위수는 서로 다른 값으로 나타나는 수가 많으므로 이를 다성분계로 확장하기 위하여는 세심한 주의가 필요하리라 생각된다.

단효율은 증류탑 설계시 가장 중요한 인자이다. 지금까지 단효율에 대한 연구의 대부분은 이성분계 혼합물에 국한되어 수행되었다. 그러나 공업적 증류공정은 보통 삼성분 이상의 다성분계로서 각 성분에 대해 동일한 단효율을 적용하는 것이 일반적이나 성분마다 단효율이 다른 경우도 보고되고 있다[5-7].

본 연구에서는 acetone-methanol, acetone-isopropanol 그리고 methanol-isopropanol계에 대해 각 이성분계의 회분식 증류실험을 수행한 다음 AIChE[2], Zuiderweg[3] 및 Harris방법[4]등을 사용하여 전달단위수를 추정하고 이 결과를 acetone-methanol-

isopropanol 계로 확장, 적용함으로써 삼성분 증류탑내의 농도 분포를 모사하고 이를 실측치와 비교하였으며 본 삼성분계의 Murphree 단효율 특성을 고찰하였다.

실험

본 실험에 사용한 회분증류장치는 내경이 10□, 단간격이 15□인 10개의 단으로 구성된 seive plate column으로서 내부의 유동현상을 관찰할 수 있도록 Pyrex 유리로 제작하였다. 재비기는 3.6kw의 heating mantle을 사용하였고 각 plate의 위와 아래에서는 기상과 액상의 시료채취 및 액상의 온도 측정이 가능하며 탑상부와 하부에서는 기상과 액상의 유량측정을 할 수 있도록 설계, 제작되었다<Fig. 1>.

증류 실험은 weeping이 일어나지 않는 유량인 2gmole/min 이상의 boil-up rate에서 전환류 조건하에 boil-up rate 및 시료의 조성을 변화시키면서 실험하였다.

시료의 분석은 chromosorb로 충진된 stainless steel column을 사용하여 TCD가 부착된 G.C.로 분석하였다. 분석조건은 oven temperature는 200℃, injection temperature는 150℃ 그리고 detector temperature는 250℃이며 시료의 농도는  standard물질을 사용하여 구한 보정인자를 사용하여 결정하였으며 분석오차는 0.5wt%이내이다.

1. Condenser

2. Reflux divider

3. Flow meter

4. Sampling valves

5. Temperature measurement

6. Temperature controller

7. Manometer

8. Heating mantle

9. Insulation

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparature

결과 및 고찰

각 이성분계의 증류실험을 통해 실측된 유량 및 농도분포를 이용하여 이성분계의 전달단위수를 AIChE, Zuiderweg 및 Harris방법을 사용하여 추정하였다.  전달단위수는 방법에 따라 동일한 이성분계에 대해서도 상당히 다른 값을 나타내었다. 이성분계의 전달단위수를 삼성분계로 확장, 적용하여 삼성분계 증류탑내의 농도 분포를 예측하였으며 이를 실측치와 비교함으로써<Fig. 2> 본 삼성분계의 농도 분포를 가장 잘 모사할 수 있는 전달단위수의 추정식을 조사하였다. 이상의 결과로부터 탑내 농도분포를 추정하는데 있어 전달단위수가 매우 중요하며 전달단위수를 추정하는 방법을 선택함에 있어 다각적인 검토가 있어야 할 것으로 사료된다.

참고문헌

1. Krishna, R. and Standart, G. L.: AIChE J., 22, 383(1976)

2. AIChE, "Bubble Tray Design Manual", New York(1958)

3. Zuiderweg, F. J.: Chem. Eng. Sci., 37, 1441(1982)

4. Harris, I. J.: Brit. Chem. Eng., 40(6), 377(1965)

5. Krishna, R : Chem. Eng. Res. Des., 63, 312(1985)

6. Vogelpohl, A.: The Institution of Chemical Engineers Symposium Series,       No. 56, Distillation 1979, 2.1/25-2.1/31(1979)

7. Biddulph, M. W. and Kalbassi, M. A.: Ind. Eng. Chem. Res., 27, 2127(1988)

Fig. 2. Composition profiles in distillation of acetone-methanol-isopropanol              system.