삼성분 충전증류탑의 농도분포 예측

이영상, 김정근, 주동표

아주대학교 화학공학과

Prediction of Concentration Profiles in a Ternary Packed Distillation Column

Young Sang Lee ,  Jeung Kun Kim, Dong Pyo Ju

Department of Chemical Engineering, Ajou University

서론

압력강하 특성이 우수하여 증류공정에 자주 사용되어지는 충전탑은 탑내에서 매우 복잡한 물질전달 특성을 나타내고 있다. 탑내 물질전달 특성은 액상과 기상의 접촉면에서 열과 물질 플럭스사이의 상호 작용으로 인해 또는 액체흐름속도 및 농도 구동력으로 인한 확산 플럭스와 다성분계의 경우 성분사이의 상호 작용에 기인한다.  최근에는 확산이론에 기초하여 충전탑내의 이성분계 및 다성분계에 대한 물질전달특성을 이해하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며 이에 대한 다각적인 검토가 필요한 실정이다[1,2]. 충전탑내 물질전달 특성을 정확히 고찰하기 위해서는 탑내 농도분포를 정확히 모사할 수 있어야 하며 많은 연구자들에 의해 새로운 모델식들이 보고 되고 있다[3-4].

Gorak등[5]은 SULZER-CY 충전물로 채워진 지름이 10□인 충전탑을 사용하여 methanol-2-propanol-water계에 대해 증류실험을 수행하여 실측된 농도분포와 Krishna와 Standart[4]가 제안한 모델식을 사용하여 추정된 농도분포를 비교, 검토하였다. 이들은 연구결과에서 사용된 모델식이 실측된 농도분포를 잘 모사함을 보고 하였다.

본 연구에서는 Krishina와 Standart[4]가 제안한 다성분계의 물질전달 모델식을 사용하여 삼성분계에 대한 탑내 농도분포를 예측한다음 실측된 농도분포와 비교, 검토함으로서 모델식의 적용가능성 및 모델식에 사용되는 파라미터의 중요성을 검토하고자 하였다. 본 증류실험에서는 지름 1□인 Pall ring이 불규칙하게 충전된 증류탑을 이용하여  acetone - methanol -2-propanol계에 대해 초기 시료조성 및 boil-up rate를 변화시키면서 증류실험을 수행하여 탑내 농도분포를 실측하였다. 아울러 모델식에 사용되는 파라미터를 결정하기 위해 세쌍의 이성분계에 대해 초기시료 및 boil-up rate을 변화시키면서 증류실험을 수행하고 실측된 농도분포 및 온도를 이용하여 Onda등[6], Bravo 그리고 Fair[7]에 의해 제안된 경험식을 사용하여 각 이성분계의 물질전달계수를 추정하였다.

실험장치 및 방법

본 실험에 사용한 충전탑은 내경이 10□, 높이가 150□인  glass column으로서 지름이 1□인 Pall ring이 불규칙하게 채워져 있다. sampling tap은 50□간격으로 설치되어 액상과 기상의 시료채취가 가능하도록 설계, 제작하였으며 개략도는 Fig. 1과 같다. 이성분계 및 삼성분계의 모든 증류실험은 대기압하에서 전환류조건으로 시료의 초기 조성과 boil-up rate을 변화시키면서 운전하였다.

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

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

결과 및 고찰

각 이성분계 증류실험으로 부터 추정된 물질전달계수를 모델식을 사용하여 삼성분계로 확장, 적용하여 충전탑내의 농도분포를 예측한 다음 실측치와 비교하여 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에서 보는 바와같이 실측된 농도분포와 추정된 농도분포가 매우 잘 부합됨을 알 수 있다. 따라서 Krishna와 Standart가 제안한 다성분계 물질전달 모델식을 사용하여 이성분계 증류실험결과를 삼성분계로 확장, 적용가능함을 알 수 있었으며 모델에 사용되는 파라미터를 결정하는 각 물질전달계수 추정방법이 본 계에 잘 적용됨을 알 수 있었다,

참고문헌

1. Kosuge, H., Matsudaira, J., Aoki, K. and Asano, K. : J. Chem. Eng. Jpn.,      5, 593-599(1990)

2. Kouri, R. J. and Sohlo, J. : Chem. Eng. J., 61, 95-105(1996)

3. Krishnamurthy, R. and Taylor, R. : AIChE J., 449-464(1985)

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

5. Gorak, A. and Vogelpohl, A. : Sep. Sci. and Tec., 20(1), 33-61(1985)

6. Onda, K., Takeuchi, H. and Okumoto, Y. : J. Chem. Eng. Jpn., 1, 56-62

(1968)

7. Bravo, J. L. and Fair, J. R. : Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 21,         162-170(1982)

feed composition: 0.1510-0.3786-0.4704

feed composition : 0.1234-0.2624-0.6142

Fig. 2  Comparison of experimental and calculated composition profiles

of acetone-methanol-2-propanol system.