타르산 증류공정 운용 최적화

배두한,이문춘*,신기영*,박상진,이의수

동국대학교 화학공학과,(주)제철화학 생산 1부

Optimal Operation Strategies for Tar Acid Separation Process

Doo-han Bae, Mun-chun Lee*, Ki-young Shin*, Sang-Jin Park, Euy Soo Lee

Department of Chemical Engineering, Dongguk University

Production Department.Ⅰ, Korea Steel Chemical Co.Ltd *

1. 서 론

회분식 공정은 공정운용의 유연성을 가지고 있으므로 불확실한 수요에 대비하기 위한 공정운용 전략의 설정 및 다품종 소량생산에 적합한 장점을 가지고 있다. 이중 회분식 증류는 목적으로 하는 순도를 갖는 다양한 최종 혹은 중간제품을 소량의 규모로 얻고자 하는데 주로 사용되는 분리공정이다.

본 연구에서는 콜타르의 증류를 통하여 얻어지는 mixed cresol로부터        phenol(95%)과 cresol(90%), xylenol(70%)을 회분식 증류공정을 통하여 얻기 위한 공정운용전략을 제시하였다. Simsci사에서 개발한 PRO Ⅱ Simulator를 사용하여 회분식 타르산 분리공정을 모사하였으며, 실제 공정운전 data와 모사결과를 비교하여 공정모사를 위한 각종 입력조건을 결정하였다. 확정된  공정 모사 조건으로부터 원하는 제품의 순도와 양을 얻기 위한 공정 조건들을 해석하였으며, 이들 결과를 종합하여 공정 운용 조건마다의 제품 생산 성향을 분석, 최종적으로 최적 공정 운용 조건을 도출하였으며 현장 장치의 개선사항을 제시하였다.

2 타르산 공정

본 연구는 타르산 분리공정중 최종 분리단계를 대상으로 하고 있다. 즉, 콜타르로부터 1차 분리된 조타르산(Crude Tar Acid)에 함유된 타르염기를 제거시키기 위한 전처리 공정이 끝난 원료(Mixed cresol)로부터 회분식 증류기에서 원하는 제품을 분리하는 공정단계로써 공정도는 Fig.1에 나타내었다. 전처리된 원료(Mixed cresol)의 조성은 매번 달라질 수 있으나, 공정설계시 채택된 기본 조성은 Table 1과 같다. 여기서 이성체 즉 o, m, p-cresol과, 2·3, 2·4, 2·5, 2·6, 3·4, 3·5 xylenol은 따로 구분하지 않고 wt%의 합으로 각각 cresol과 xylenol로 나타내었다.

2.1 타르산 분리탑 사양 및 기본 운전조건

회분식 증류탑의 사양 및 설계단계에서 고려된 운전조건,  공정운용 방법등은

다음의 Table 2와 같다. 증류탑의 기본적인 Operation Sequence는 다음의 두단계로 나누어 진다. 먼저 1단계 공정에서는 원료인 Mixed cresol로부터[eqn: H_2 O](Cut Off), 95% Phenol(productⅠ) 및 Intermediate를 순차적으로 생산하고, 2단계 공정으로 1단계 공정에서 생산된 Intermediate를 원료로 하여 동일한 회분식 증류탑에서 95% Cresol(productⅡ) 과 Residue(Xylenol, productⅢ)를 생산하는 회분식 공정이다. 생산된 제품의 목표순도는 각각 phenol 95%, cresol 90% 및  xylenol 50% 이상이다.

[eqn: H_2 O]

Phenol

Cresol

회분식

증류탑

콜타르      C-T/A        전처리        Feed Tank

콜타르      분리기       tank          공  정       (Mixed Cresol)

still pot

Xylenol

Residue

Fig 1. 타르산 제품생산 공정

Table 1. Feed  specification

성 분	Phenol	Cresol	Xylenol	Naphthalene	Water	Trimethyl Phenol	Pitch
조성wt%	51.21	40.12	6.51	0.79	0.56	0.92	0.61

(sp.gr 1.05 @40/15,  Viscosity 4.5 @40℃)

Table 2. Operation Condition

Specifications	Operation Condition
Column:packed column(packing height : 2ft)	Total Reflux
Total Volume = 8.63 □ (still pot)	Top Pressure : 50□Hg abs (0.067bar)
Available Volume = 8 □ (still pot)	Cooling water temperature : 34℃
Effective Volume = 4.4 □ (still pot)	Pot still heating source : 16 □ steam (200℃, Latent heat = 462□/□)

2.2 타르산 분리공정 모사 조건 결정

현장의 시운전 data의 공정조건과 동일한 압력과 조성, reflux ratio로, 단수를 변화시켜 가며 PROⅡ Simulator로 공정모사를 하였으며, 이때 component의 물성은 PROⅡ에서 제시된 각 component의 물성치를 사용하였다. 우선 설계단계에서 제시된 공정조건 및 원료성상을 기준으로 탑상부의 압력 변화에 따른 제품규격의 변화를 모사한 결과를 Table 3에 나타내었다. 이때 공정운용 방식은 1차 증류에서 phenol을, 2차 증류에서 cresol과 xylenol을 얻는 방법을 채택하였다.  Table 3에서 보면 탑상 압력이 50, 200mmHg인 경우 모두 원하는 순도의 제품을 얻을 수 있으며, 압력 변화는 탑상 및 탑저의 온도변화에 영향을 줄뿐이며 제품의 순도에는 영향을 미치지 않는다. Table 4는 현장의 시운전 data와 상기에서 채택한 공정모사 조건으로 공정모사를 실시한 결과를 비교하여 나타낸 것으로  시운전 data와 공정모사 결과가 거의 일치함을 볼 수 있다. 단수 변화에 따른 공정모사 결과는 14단이 packed column의 시운전 data와 가장 일치함을 확인 할 수 있었다.

Table 3. Top pressure가 50, 200mmHg 인 경우의 공정모사 결과

압 력		50mmHg			200mmHg
Component		phenol	cresol	xylenol	phenol	cresol	xylenol
순도(wt%)		95.50	91.20	51.80	95.23	91.20	51.50
온도(℃) start/final	top	63.43/106.4	106.4/121.5	-	96.16/142.69	142.69/158.7	-
	bottom	125.5/135.6	135.6/146.8	-	152.45/163.0	163.0/175.0	-

Table 4. 1차 증류에서의 시운전 결과와 공정모사 결과의 제품 조성의 비교 (14단)

Prod 조성(wt%)	Cut off		Product Ⅰ		ProductⅡ		Product Ⅲ
	시운전	공정모사	시운전	공정모사	시운전	공정모사	시운전	공정모사
water	10.90	23.89	0.05	0	0.07	0	0.6	0
phenol	75.57	74.62	95.48	95.48	59.98	39.70	0.73	0.7
cresol	10.24	1.49	4.15	4.51	38.72	59.46	74.13	72.41
xylenol	0.85	0	0	0.01	0.19	0.80	22.51	26.63

2.3 타르산 분리 공정의 공정변수 영향 해석

기 설치된 회분식 증류탑에서 공정조건의 변화만으로 각 제품의 생산량을 증가시킬 수 있는지를 검토하기 위하여 distillate flow rate 와 reflux ratio, 증류탑의 단수를 변화시켜 다른 공정변수들의 영향과 생산량과의 증가량에 대한 분석을 하였다. Product의 distillate flow rate를 변화시켰을 경우는 탑정, 탑저 온도등의 공정 조건은 거의 일정하며, heat duty는 증가하는 반면, batch time은 감소함을 알 수 있다. Reflux ratio의 변화의 경우에서는 reflux ratio를 줄이면 batch time이 줄어들어 생산량이 그만큼 증가하지만 제품의 순도가 떨어지므로 reflux ratio의 감소로 인한 생산량의 증가와 규격에 맞는 순도 범위내에서 공정조건이 확립되어야 함을 알 수 있다.  현재의 회분식 증류탑을 개조할 경우에 대한 분석을 위하여 증류탑의 단수를 14단에서 20단, 25단으로 높여 생산량의 변화를 비교했을때, 단수 변화에 따른 생산량의 차이는 거의 없고, 년간 생산량이 약간 증가할 뿐임을 알 수 있었다.

2.3 최적 공정 운용 전략 도출과 공정개선 사항 검토

Phenol 생산을 위한 1차 증류단계에서는 증류시간의 경과에 따라 phenol 의 조성이 증가 되나, o-cresol이 증류되면서 phenol의 조성이 점차 낮아지고, 일정시간이 경과하면 o-cresol의 조성이 급격히 상승하면서 phenol의 조성 또한 급격히 낮아지는 경향을 나타낸다. 따라서 높은 조성(95%)의 phenol을 얻기 위해서는 o-cresol이 증류되기 전과 phenol의 조성이 급격히 낮아지는 부분에서 intermemediate 단계를 적절히 잡아야 하며, cresol만 급격히 증류하는 부분 이후에는 1차증류에서 더 이상 제품을 생산하지 않는 것이 좋음을 알 수 있었다. cresol과 xylenol을 생산하기 위한 2차 증류단계에서는 원료, 즉 1차 증류의 residue내에는 water와 phenol의 함량이 매우 적으므로 cut off 단계를 생략하여도 높은 조성(90%)의 cresol을 얻을 수 있다. 다만 높은 조성(70%)의 xylenol을 얻기 위해서는 xylenol이 많이 증류하는 부분까지만 cresol을 얻어야 한다. 이경우 stillpot의 남은양이 적으므로 정상적으로 공정운용에 문제가 발생 할 수 있다. 따라서 공정상 문제가 되지 않는 범위의 생산량을 얻은 후 다시 3차증류 실시하면 높은 조성의 xylenol을 얻을 수 있다. 이상의 분석결과를 바탕으로 최적공정운용 조건을 도출하여 공정모사를 실시하였다. 그 결과 전제품 생산에 환류비를 10으로 고정하였으며, 1 batch 당 charge 되는 원료의 양은 8 ton 이고, Feed를 증류 시키는 총 소요시간은 14.5 시간으로 feeding, 전환류 및 preheating에 소요되는 시간을 고려할 경우 2 batch/3일 정도의 생산이 가능함을 알 수 있었다.  이때의 수율은 각각 phenol 50.8%(원료에 함유된 phenol의 99.2%회수), cresol 48.5%(원료에 함유된 cresol의 63.6%회수)로 주어졌다. 그러나 heat duty 와 operation temperature는 현재 공정조건상 maiximum 조건이고 실제 운전 시에는 이보다 낮은 조건으로 운전되어지므로, 수율도 다소 낮아질 것으로 판단 되어진다. 제품의 cut-off 시점을 결정하기 위한 측정변수는 증류탑 상부의 vapor temperature가 적당한 것으로 판단되었으며,  이를 위하여 tower의 상부에 TRI를 설치하는 것이 바람직하다. 또한 still pot 내의  steam heating pipe 의 재배치를 통하여 고른 열전달을 위한 revamping이 필요함을 알 수 있었다.

3. 결   론

본 연구는 콜타르증류공정에서 생산되는 타르산을 회분식 증류공정으로 분리하여, 영업상 적합한 순도의 phenol, cresol, xylenol을 얻기 위한 현증류장치의 생산능력을 파악하고, 처리량을 늘리기 위한 공정운영을 방안을 제시한 것이다.

현장의 Packed Column은 단수 14단에 해당함을 알 수 있었으며, PROⅡ 모사기를 통해 증류시간에 따른 제품의 조성 예측이 가능하게 되었으며, 적절한 순도의 제품을 생산하기 위한 최적 Operation  Sequence를 결정할 수 있었다. 타르산의 처리량 증대와 공정모사를 통해 원활한 공정운용을 위한 공정장치의 개선사항을 제시하였다.

참고문헌

1. J. S. Logsdon, U. M. Diwekar and L.T. Biegler, "On the simulaneous optimal design and          operation of batch distillatin column", Trans IChemE., 68, p434-444, 1990

2. Urmila M. Diwekar, R. K. MaLik and K. P. Madhavan, "Optimal reflux rate policy                determination for multicomponent batch distillation columns", Comput. & Chem. Eng. 11,             p629-637, 1987

3. Urmila M. Diwekar and K.P madhavan, "Multicomponent Batch Distillation Column Design",       Ind. Chem. Eng. Res, 30, p713-721, 1991