회분식 증류탑의 조업방법에 따른 최적 공정

이영상, 김정근．, 이의수

동국대학교 화학공학과, 아주대학교 화학공학과．

Optimal control for Operation Methods of Batch Distillation Column

Young Sang Lee, Jeung Kun Kim．, Euy Soo Lee

Department of Chemical Engineering, Dongguk University

Department of Chemical Engineering, Ajou University．

서론

증류는 액체 혼합물을 분리하는 가장 오래된 단위조작으로서 운전방식에 따라 연속식과 회분식으로 나누어진다. 회분식은 연속식에 비해 공정운영의 유연성이 뛰어나고 단일 증류탑을 이용하여 다품종 소량생산에 용이할 뿐 아니라 잦은 시장변화로 인한 불확실한 수요에 대비하기 위한 공정운용 전략에 적합하다. 이런한 장점으로 인해 최근에는 회분 증류의 중요성이 재인식되고 있다. 회분식 증류는 조업방식에 따라 □일정 환류법□ 및 □변동 환류법□으로 운전되며 증류공정 운용의 최적화을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와는 달리 Treybal[1]은 증류물용기를 이용하는 회분 증류방법과 이성분계에 적용할 수 있는 해석방법을 제안하였다. 그러나 산업 증류의 대부분은 다성분계를 취급하고 있으므로 이를 해석할 수 있는 방법의 개발이 요구되었다. 이에 대해 Kim과 Ju[2,3]는 다성분계를 해석할 수 있는 방법을 제안하고 실험을 통해 검증하였다. 그러나 해석방법의 개발에도 불구하고 아직까지 증류물용기를 이용하는 회분 증류탑이 산업증류에 사용되지 못하고 있다. 이는 증류물용기를 이용하는 회분 증류탑의 공정운용에 대한 연구가 활발히 이루어지지 않은 것에 기인한다. 전통적인 회분 증류탑의 공정운용 최적화 문제는 많은 선행연구자들[4-6]에 의해 꾸준히 연구되고 있으나 증류물용기를 이용하는 회분 증류탑에 대한 연구는 아직까지 미흡한 실정이다.     따라서 본 연구에서는 이러한 점에 착안하여 이성분계에 대하여 증류공정의 최적화 문제의 하나인 maximum distillate problem에 대한 운전방법에 따른 비교를 실시하고자 하였다.

전산 모사

주어진 조업시간 내에 얻을 수 있는 최대 증류물의 양은 증류탑의 운전방법에 많은 영향을 받는다. 이에 대해 본 연구에서는 이성분계에 대하여 Table 1에 수록된 조건하에서 전산모사를 수행하였다. 이성분계에 대해서는 초기시료 무게와 조성 및 증류물의 평균조성을 변화시키면서 7가지 경우에 대해 검토하였다. □일정 환류법□ 과 □변동 환류법□ 및 □최적 환류법□에 대한 전산모사 결과는 문헌[4]에 보고된 이성분계에 대한 값이 이용되었으며 □전환류 회분 증류법□의 값은 Kim과 Ju[2]가 제안한 □약식 방법□을 사용하여 계산하였다.

Table 1. Input conditions for a binary systems[4]

Case. No.     [eqn: rm w (0)]        [eqn: rmx_1 (0)]         [eqn: rmx_D^*]

1           116.1         0.715          0.95

2            74.3         0.420          0.90

3           116.1         0.580          0.93

4           116.1         0.487          0.93

5            74.3         0.715          0.95

6           116.1         0.715          0.93

7           116.1         0.715          0.90

Vapor boilup rate : V = 110 mol/hr

Relative volatility : [eqn: rm alpha_12 =] 2.0, [eqn: rm alpha_22 =] 1.0

Equilibrium stage : N = 4 (No. of plate= 3+1 for reboiler)

Batch distillation time : T = 1hr

결과 및 고찰

이성분계에 대하여 공정운영의 최적화 문제중의 하나인  maximum distillate problem을 회분 증류의 조업방법 따라 조사하여 이를 Table 3 및 Fig. 1에 나타내었다. 이성분계에서 Case No. 6을 제외한 모든 경우에 대해 증류물용기를 이용하는 □전환류 회분 증류법□이 □일정 환류법□ 및 □변동 환류법□과 □최적 환류법□에 비해 많은 증류물을 얻을 수 있다.

Table 3. Comparison of results for a binary systems

Case         J[4]              J[4]            J[4]             J

No.    (Optimal reflux) (Constant reflux) (Variable reflux) (Total reflux)

1         20.290           20.081          20.247          20.600

2          4.731            4.545           4.482           7.820

3         12.300           12.234          12.276          15.837

4          3.170            2.935           2.956           7.710

5         18.238           18.162          18.230          19.151

6         30.240           29.966          30.211          27.684

7         37.261           36.283          36.762          38.827

Fig. 1 Comparison of amount of distillate with operation policy

결론

증류공정의 최적화 문제중 하나인 maximum distillate problem은 조업방식에 따라 많은 영향을 받는 것을 알 수 있다. 주어진 전산모사 조건 내에서 전통적인 회분 증류탑을 이용할 경우 주어진 조업시간 내에 얻을 수 있는 최대 증류물의 양은 □최적 환류 법□이 □일정 환류법□ □변동 환류법□에 비해 항상 많은 결과를 나타내고 있다[4,5]. 그러나 증류물용기를 이용하는 □전환류 증류법□과 비교해 볼 때 조업방법들간에 많은 차이를 나타내고 있으므로 조업방법사이에 우위를 가리기란 쉽지 않다. 검토된 조건하에서 □전환류 회분 증류법□이 전통적인 조업방법에 비하여 거의 모든 경우에 대해 많은 증류물을 얻을 수 있었으며 이로부터 □전환류 회분 증류법□을 산업증류에 적용할 경우 전통적인 방법에 비해 매우 유용할 것으로 판단된다. 그러나 대부분의 산업증류는 다성분계를 취급하는 것이 일반적이므로 다성분계에 대한 추가적인 비교를 위한 연구가 진행중이다.

사용 기호

N     : equilibrium stage (-)

J      : amount of distillate collected (mol)

T     : time of operation (h)

V     : vapor boilup rate (mol/h)

[eqn: RMw (0)]	: quantity of charge in still (mol)

[eqn: RMx_1 (0)]  : composition of key component in still (mole fraction)

[eqn: rmx_D^*]    : specified average composition of component 1

[eqn: □]     : relative volatility

참고 문헌

1. R. R. Treybal, Chem. Eng., October, pp. 95-98(1970)

2. J. K. Kim and D. P. Ju, Ind. Eng. Chem. Res., 38, pp. 1024-1031(1999)

3. J. K. Kim and D. P. Ju, Separation Science and Technology, 35(10),

pp. 1517-1537(2000)

4. B. S. N. Murty, K. Gangiah and A. Husain, Chem. Eng. J, 19, pp.

201-208(1980)

5. U. M. Diwekar, R. K. Malik and K. P. Madhvan, Comput. Chem. Engng.,

11(6), pp. 629-637(1987)

6. J. S. Logsdon and L. T. Biegler, Ind. Eng. Chem. Res., 32, pp. 692-700        (1993)