분리공정 추출증류탑 설계

문서 내 토픽

1. 증류 방법

증류는 끓는점 차이를 이용해 물질을 분리하는 방법입니다. 순수한 물질을 얻거나 물질의 순도를 조절할 수 있습니다. 감압증류, 공비증류, 추출증류 등의 방법이 있습니다. 감압증류는 압력을 낮춰 끓는점을 내리는 방법이며, 공비증류는 공비혼합물을 이용해 분리가 어려운 액체 혼합물을 완전히 분리할 수 있습니다. 추출증류는 원료의 두 성분보다 휘발도가 작은 첨가제를 넣어 한 성분의 비휘발도를 변화시켜 분리하는 방법입니다.
2. 추출증류 공정

추출증류 공정은 에탄올이 함유된 수분을 제거하여 무수에탄올을 얻는 과정에서 에너지 효율이 크고, 비이상형의 기-액 평형곡선을 이상형의 형태로 변화시켜 분리 정제를 용이하게 합니다. 추출증류 공정은 Concentrator column, Extractive distillation column, Solvent recovery column으로 구성됩니다. 용매로 DMSO(dimethyl sulfoxide)를 사용하여 에탄올과 물의 분리를 용이하게 합니다.
3. Concentrator column

Concentrator column은 에탄올을 공비점 직전까지 농축하여 제거된 수분의 양만큼 공정 운전 비용을 절감할 수 있습니다. 탑 상부에서 나온 에탄올은 Extractive distillation column으로 들어갑니다.
4. Extractive distillation column

Extractive distillation column에서는 Concentrator column에서 농축된 에탄올이 24번째 단으로 유입되고, 분리용매인 DMSO가 3번째 단에 180°C, 1atm 상태로 100kmol/hr 속도로 유입됩니다. 탑 상부에서는 순수 에탄올이 얻어지고, 탑 하부에서는 물, DMSO, 에탄올의 혼합물이 나옵니다.
5. Solvent recovery column

Solvent recovery column에서는 Extractive distillation column의 하부에서 나온 물, DMSO, 에탄올의 혼합물이 20번째 단에 주입됩니다. 탑 하부에서는 순수한 DMSO가 나오고, 탑 상부에서는 물이 나옵니다.
6. 에탄올 순도

이 공정을 통해 99.9% 순도의 에탄올과 99.9% 순도의 DMSO를 분리할 수 있습니다.
7. 공정 조건

모든 column의 압력강하는 무시하고, 단수는 30단으로 고정하였습니다. 환류비는 각 column마다 적절히 조절하였습니다. 원료는 25°C, 1atm 상태에서 물 0.2, 에탄올 0.8의 조성으로 공급됩니다.

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1. 증류 방법

증류 방법은 액체 혼합물을 분리하는 가장 일반적인 방법 중 하나입니다. 증류 공정은 액체 혼합물의 끓는점 차이를 이용하여 성분을 분리하는 것으로, 증류 장치의 설계와 운전 조건에 따라 다양한 증류 방법이 적용될 수 있습니다. 예를 들어 단순 증류, 감압 증류, 정류 증류, 추출 증류 등이 있습니다. 각 방법은 혼합물의 특성과 분리 목적에 따라 선택되며, 에너지 효율, 분리 성능, 운전 비용 등을 고려하여 최적의 증류 방법을 선택해야 합니다.
2. 추출증류 공정

추출증류 공정은 액체 혼합물의 분리에 있어 매우 유용한 방법입니다. 이 공정은 증류와 추출을 결합한 것으로, 증류만으로는 분리가 어려운 공비점 혼합물을 효과적으로 분리할 수 있습니다. 추출증류 공정에서는 추출제가 사용되어 공비점을 깨뜨리고 상대적으로 끓는점 차이를 증가시킴으로써 분리 효율을 높일 수 있습니다. 이를 통해 에너지 소비를 줄이고 분리 성능을 향상시킬 수 있습니다. 추출증류 공정은 에탄올, 아세톤, 아세트산 등의 분리에 널리 사용되고 있습니다.
3. Concentrator column

Concentrator column은 증류 공정에서 중요한 역할을 합니다. 이 컬럼은 원료 혼합물의 농도를 높이는 역할을 하며, 이를 통해 후단 공정의 효율을 향상시킬 수 있습니다. Concentrator column에서는 증발과 응축이 반복되어 원료의 농도가 점차 높아지게 됩니다. 이 컬럼의 설계와 운전 조건은 전체 공정의 성능에 큰 영향을 미치므로, 혼합물의 특성과 분리 목적에 맞게 최적화되어야 합니다. 또한 에너지 효율 향상을 위해 열 통합 등의 기술이 적용될 수 있습니다.
4. Extractive distillation column

Extractive distillation column은 추출증류 공정에서 핵심적인 역할을 하는 장치입니다. 이 컬럼에서는 추출제와 혼합물이 접촉하여 공비점을 깨뜨리고 상대적인 휘발성 차이를 증가시킵니다. 이를 통해 증류 분리 효율이 향상되어 목표 성분을 효과적으로 분리할 수 있습니다. Extractive distillation column의 설계와 운전 조건은 추출제 선정, 추출제 대 혼합물의 비율, 온도, 압력 등 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다. 따라서 공정 모델링과 최적화를 통해 Extractive distillation column의 성능을 최대화할 수 있습니다.
5. Solvent recovery column

Solvent recovery column은 추출증류 공정에서 사용된 추출제를 회수하는 중요한 장치입니다. 이 컬럼에서는 추출제와 목표 성분을 분리하여 추출제를 재사용할 수 있도록 합니다. 추출제 회수는 공정의 경제성과 환경성 측면에서 매우 중요한데, 추출제 손실을 최소화하고 폐기물 발생을 줄일 수 있기 때문입니다. Solvent recovery column의 설계와 운전 조건은 추출제의 특성, 공정 조건, 에너지 효율 등을 고려하여 최적화되어야 합니다. 또한 추출제 회수율을 높이고 에너지 소비를 줄이기 위한 다양한 기술이 적용될 수 있습니다.
6. 에탄올 순도

에탄올 순도는 에탄올 생산 공정에서 매우 중요한 품질 지표입니다. 에탄올은 다양한 용도로 사용되므로 용도에 따라 요구되는 순도 수준이 다릅니다. 예를 들어 연료용 에탄올은 95% 이상의 순도가 필요하지만, 화학 원료용 에탄올은 99.5% 이상의 고순도가 요구됩니다. 에탄올 순도를 높이기 위해서는 증류, 흡착, 막 분리 등 다양한 정제 기술이 활용될 수 있습니다. 또한 공정 모델링과 최적화를 통해 에너지 효율과 경제성을 고려한 최적의 에탄올 정제 공정을 설계할 수 있습니다.
7. 공정 조건

증류 공정의 성능은 공정 조건에 크게 의존합니다. 주요 공정 조건으로는 온도, 압력, 유량, 농도 등이 있습니다. 이러한 공정 조건은 혼합물의 특성, 분리 목적, 에너지 효율 등을 고려하여 최적화되어야 합니다. 예를 들어 온도와 압력은 증발과 응축 특성에 영향을 미치므로 적절한 조건 설정이 필요합니다. 또한 유량과 농도는 컬럼 내 물질 전달 및 분리 효율에 영향을 줍니다. 공정 모델링과 실험을 통해 최적의 공정 조건을 도출하고, 이를 바탕으로 에너지 소비와 운전 비용을 최소화할 수 있는 증류 공정을 설계할 수 있습니다.

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