증류물 용기를 이용하는 다성분 회분 증류탑의 동적거동 및 증류시간

강승현, 주동표*

아주대학교 화학공학과

Dynamic Behavior and Batch Times of a Multicomponent Batch Distillation Column with Distillate Receiver

Seung Hyun Kang, Dong Pyo Ju*

Department of Chemical Engineering, Ajou University

서론

회분식 증류공정은 적은 양의 생성물로부터 고부가가치를 창출하는 정밀화학산업에서 널리 사용되고 있다. 회분 증류탑의 전통적 운전방법은 증류 생성물의 조성이 변하는 일정한 환류비법과 환류비를 변화시킴으로서 일정한 조성의 생성물을 얻을 수 있는 변동환류비법으로 크게 나눌 수 있다. 전통적 회분식 증류탑의  비정상상태의 거동은 각 단별로 계산을 수행하는 엄밀한 계산 방법[1] 또는 기상 및 액상의 체류량을 무시하면서 일정한 몰흐름을 가정하는 약식 방법[2,3]에 의해 추정 가능하다.

한편 Treybal[4]은 전통적인 조작방법 대신 증류물 용기가 부착된 회분식 증류탑을 사용하는 방법을 제안하였다. 이 조작방법은 증류공정시 환류비의 제어가 필요 없으며 생성물의 순도는 가열속도 변화에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 전환류 조건하에서 운전됨으로 장치의 성능을 극대화 시킬수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 일정 몰흐름을 가정하면서 체류량을 무시한 Treybal의 해석방법은 이성분계 혼합물에 국한되어 있어 다성분계 증류탑의 해석에는 사용될 수 없다는 아쉬움이 있었다. 이에 대해 Kim과 Ju[5]는 일정한 상대 휘발도를 가진 다성분계 혼합물에 적용 가능한 해석방법을 제안하였다. 이들은 benzene-toluene-

o-xylene 삼성분계를 사용하여 증류실험을 수행한 다음 실측치와 추정치를 비교, 검토하였고 추정치와 실측치가 잘 부합됨을 보고하였다. 이들이 제한한 해석방법은 휘발성이 가장 큰 성분에 대해 희망하는 순도를 규정함으로서 증류생성물의 양, 시간변화에 따른 정류기와 증류물 용기 및 탑내 조성변화를 쉽게 추정할 수 있다. 본 연구에서는 Kim과 Ju가 제안한 해석방법을 확장하되 다성분 혼합물중 임의의 성분에 대하여 순도를 규정할 수 있도록 하였고 액체의 체류량도 고려하였다. 또한 n-hexane-benzene-toluene-o-xylene 사성분계를 이용하여 증류실험을 수행한 다음 실측치와 추정치를 비교 검토하였다. 본 연구에서 제안한 해석 방법은 임의 성분에 대하여 생성물의 회수율이 규정됨에 따라 증류생성물의 양, 탑의 농도분포, 증류물 용기와 증류기의 조성의 변화 및 요구되는 증류시간과 같은 다성분 증류탑의 특성치를 추정할 수 있다.

회분 증류 장치 및 조작방법

본 실험에 사용한 회분 증류장치는 내경이 10□, 단 간격이 15□인 7개의 단으로 구성된 seive plate column으로서 Pyrex유리로 제작되었으며 장치의 개략도는 Fig. 1과 같다. 본 증류탑은 증류물 용기의 초기 상태에 따라 초기 비어있는 증류물 용기를 Rayleigh 증류를 거쳐 전환류 조건하에서 운전하는 방법 및 초기에 증류물 용기를 초기 시료로 채운 후 Rayleigh 증류 없이 바로 전환류 조건하에서 운전하는 방법을 사용하였다. 증류 실험은 n-hexane-benzene-toluene-o-xylene  4성분계에 대해 실시하였다.

Condenser

V   L              Distillate

receiver

Still

Fig. 1 Batch distillation column with a distillate

receiver under total reflux condition

전산모사

제안된 해석방법의 타당성을 입증하기 위하여 전산모사를 수행하고 실측치와 비교 검토하였다. 전산모사조건은 Table 1과 같다.

system : n-hexane(1)-bezene(2)-toluene(3)-o-xylene(4)

relative volatility : [eqn: alpha _14]=9.5,[eqn: alpha _24]=6.7, [eqn: alpha _34]=2.8, [eqn: alpha _44]=1

initial charge : 105 mol

feed composition :[eqn: rmx_W1^0]=0.0900, [eqn: rmx_W2^0]=0.1334,[eqn: rmx_W3^0]=0.2726,[eqn: rmx_W4^0]=0.5940

stage holdup : 0.5 mol             condenser holdup : 0.5 mol

vapor boilup rate : 105 mol/h

Table 1. Operating Conditions

결과 및 고찰

Fig. 2와 Fig. 3은 초기에 빈 증류물 용기를 사용하여 Rayleigh 증류를 거쳐 전환류 조건으로 운전할 때 시간에 따른 증류물 용기 및 증류기의 조성변화를 도시한 것이다. 실측치와 추정치가 잘 부합됨을 알 수 있다.

Fig. 4와 Fig.5는 증류물 용기를 초기 시료로 채운 후 Rayleigh 증류없이 바로 전환류 조건으로 운전할 때 시간에 따른 증류물 용기 및 정류기의 조성변화를 도시한 것이다. 실측치와 예측치가 잘 부합됨을 알 수 있다.

Fig. 6은 증류 공정이 끝난 후 실측된 액상의 농도분포를 전산모사결과와 비교하여 단별로 도시한 것이다. 가장 휘발성이 큰 n-hexane의 농도는 증류기에서 탑상부로 가면서 단조 증가하고 가장 휘발성이 낮은 o-xylene은 탑상부로 가면서 단조 감소하는 경향을 보여주고 있다. 그러나 중간 휘발성분을 갖는 benzene과 toluene은 탑상부로 가면서 단조 증가하다 단조 감소하는 경향을 보여주고 있다. 전산모사결과는 이러한 경향을 잘 보여주고 있으며 실측치를 잘 모사 함을 알 수 있다.

Fig. 7은 임의 성분에 대한 생성물을 얻고자 할 때 소요되는 조업시간을 증류물 용기의 척도 인자(scaling factor)에 따라 도시한 것이다. 규정된 회수율에 따라 결정되는 생성물의 최대량(Rf=1.0)을 얻기 위해 필요한 증류시간은 이론상으로 무한히 소요되지만 척도 인자를 조절할 경우 증류시간이 크게 단축될 수 있음을 보여주고 있다.

이상의 결과로부터 본 연구에서 제안한 방법은 증류물 용기가 부착된 다성분 증류탑의 조업 및 해석에 잘 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

참고 문헌

1. Meadows, E. L. : Chem. Eng. Progr. Symp. Ser., No. 46, 59, 48-55(1963)

2. Diwekar, U. M. and Madhavan, K. P. : Ind. Eng. Chem. Res., 30, 713-721

(1991)

3. Sundaram, S. and Evans, L. B. : Ind. Eng. Chem. Res., 32, 511-518(1993)

4. Treybal, R. E. : Chem. Eng., , Oct. 5, 95-98(1970)

5. Jeung Kun Kim and Dong Pyo Ju : Ind. Eng. Chem. Res., 38, 1024-1031

(1999)