용매 탈수 공정에서의 공비 증류와 추출 증류 비교: 엔트레이너 선정 및 컬럼 내부 구조 최적화

용매-물 혼합물이 공비점에 가까워질수록 용매 탈수 과정이 더 어려워집니다. 이론적 단계를 추가하거나 환류량을 늘려도 증기-액체 평형으로 인해 기존 증류 방식으로는 더 이상 필요한 수분 규격을 충족할 수 없게 됩니다.

공비 증류와 추출 증류는 서로 다른 기전을 통해 이러한 한계를 극복합니다. 두 방법 중 하나를 선택하려면, 운반제가 상 평형, 컬럼 유동 특성, 회수 요건, 에너지 수요, 제품 오염 위험 및 전반적인 용매 정제 공정 흐름도에 어떤 영향을 미치는지 평가해야 합니다.

왜 기존 증류 방식은 용매 탈수 과정에서 한계에 부딪히는가

기존의 증류 공정에서는 용매와 물 사이에 충분한 상대적 휘발성이 필요합니다. 공비 조성에 가까워지면 기체와 액체의 조성 성분이 수렴하게 되어, 선택된 압력 조건에서 더 이상의 분리가 제한됩니다.

이 한계점에 도달하기 전에 추가적인 공정을 거치면 분리 효율을 높일 수는 있지만, 공비 자체를 제거할 수는 없습니다. 따라서 물을 더 제거하려면 상 거동이나 상대 휘발성을 변경해야 합니다.

공비 증류와 추출 증류가 분리 과정에 미치는 영향

공비 증류에서는 계의 공비 거동을 변화시키는 운반체를 도입합니다. 많은 용매 탈수 공정에서, 휘발성 운반체는 유리한 공비 거동을 유발하며, 응축 후 두 개의 액상 상을 생성할 수 있어 상분리를 통해 운반체 회수를 용이하게 합니다.

추출 증류는 원료 성분들과 서로 다른 방식으로 상호작용하는 비교적 비휘발성 용매를 사용합니다. 활성 계수와 상대 휘발성을 조절함으로써, 한 성분은 상층부로 빠져나가는 반면 추출 용매는 주로 액상 상태에 남아 있도록 할 수 있습니다.

공학 계수	공비 증류	추출 증류
분리 메커니즘	유리한 공비 현상을 나타내게 한다	상대적 변동성의 변화
구성 요소 추가됨	일반적으로 휘발성이 높은 용매	일반적으로 비등점이 높거나 비교적 비휘발성인 용매
상 거동	VLE 및 VLLE가 포함될 수 있음	주로 VLE
일반적인 보조 분리	디캔터 및 엔트레인어 회수	용매 재생 컬럼
주요 재활용	엔트레이너 및 위상 재순환	추출용 용매 회수
주요 설계 고려 사항	상분리와 재순환 안정성	용매 주입 및 재생

실제적인 방법은 엔트레이너 순환, 회수, 수리학적 조건 및 유틸리티를 모두 고려한 후에도 이러한 열역학적 효과가 여전히 유리한지 여부에 달려 있다.

엔트레이너 선정은 첫 번째 공정 결정입니다

엔트레이너 선별은 상평형 거동 분석에서 시작되지만, 열역학적으로 우수한 성능을 보이는 후보 제품이라도 과도한 순환, 회수 부하, 유압 부하, 안전 요구 사항 또는 오염 위험을 초래할 수 있습니다.

따라서 엔트레이너의 선정은 회수 및 재활용 설계를 고려하여 종합적으로 평가되어야 한다.

공비 증류에 필요한 장치 요건

공비 엔트레이너는 필요한 용매-물 분리를 가능하게 하는 상 거동을 나타내야 한다. 이종 공비 증류에서, 응축 후 유용한 액-액 상 분리가 이루어지면 엔트레이너 회수가 단순화될 수 있다.

주요 선별 요인으로는 다음이 있습니다:

• 아제트로프의 형성 및 조성
• 기체-액체-액체 평형 거동
• 응축 후 위상 분할
• 제품 내 엔트레이너의 용해도
• 비등 거동 및 순환 조건
• 회수 및 재활용 성능
• 열적 및 화학적 안정성
• 가연성, 독성 및 VOC 관련 제한 사항
• 부식 및 재료 호환성

사이클로펜탄 및 사이클로헥산과 같은 탄화수소 엔트레이너는 이러한 상충 관계를 잘 보여줍니다. 이 물질들의 휘발성은 공비 분리를 가능하게 하는 반면, 인화성으로 인해 증기 봉쇄, 계측 장비, 안전한 재순환 처리 등에 대한 요구 사항이 높아집니다.

추출 증류에 필요한 용매

추출 용매는 특정 성분과만 선택적으로 상호작용해야 하며, 유용한 상대 휘발성을 높이고, 대부분 액상 상태에 머물러야 한다.

유용한 선별 기준으로는 다음이 있습니다:

• 상대적 휘발성 향상 및 선택성
• 충분히 높은 비등점과 낮은 휘발성
• 원료와의 혼합성
• 열적 안정성
• 조절 가능한 점도
• 실용적인 용매 대 원료 비율
• 부식성이 낮고 독성이 적음
• 효율적인 재생

예를 들어, 에틸렌글리콜은 주로 액상 상태를 유지하면서도 상대적 휘발성이 변하기 때문에 에탄올-물 분리 분야에서 널리 연구되고 있다. 그러나 이 물질의 공정적 가치는 여전히 목표 순도를 달성하기 위해 필요한 용매 순환 및 재생 과정에 달려 있다.

엔트레이너 선택은 전체 공정 흐름도를 바꾼다

분리기의 선택은 1차 분리 과정뿐만 아니라, 추가된 성분을 어떻게 회수하고, 처리하며, 공정으로 다시 반환할지도 결정합니다.

공비 증류에는 상 관리 및 재순환 관리가 필요합니다

이종 공비 탈수 시스템에는 탈수탑, 상부 응축기, 분리기, 엔트레이너 재순환 라인 및 2차 회수탑 또는 물 분리탑이 포함될 수 있다.

응축 후, 평형 시스템이 적절한 액-액 분리를 제공할 때 상부 유류는 유기상과 수상으로 분리됩니다. 상의 조성에 따라 어떤 성분이 재순환되고 어떤 성분이 추가 회수 단계로 진행되는지가 결정됩니다.

따라서 디캔터의 온도는 상 조성, 재순환 유량, 컬럼 적재량 및 후단 공정에서의 에너지 수요에 영향을 미칠 수 있다. 스케일업 과정에서 안정적인 재순환 루프를 유지하기 위해서는 액-액 평형 데이터와 상 분리 거동이 충분히 신뢰할 수 있어야 한다.

추출 증류에는 용매 재생이 필요합니다

일반적인 추출 공정에서는 대개 추출 컬럼을 먼저 사용하고, 그 다음에 용매 회수 컬럼을 사용합니다. 용매는 추출 구간 전체에 걸쳐 충분한 농도를 유지하기 위해 주 공급물 상단에 주입됩니다.

탈수된 제품은 일반적으로 상층부에서 회수되는 반면, 용매와 잔류 성분은 하층부를 통해 배출됩니다. 이후 재생 과정을 통해 용매를 회수하여 재사용합니다.

재활용 품질이 중요한 이유는 잔류수나 축적된 불순물이 추출 컬럼으로 유입되는 용매의 조성에 변화를 일으켜, 의도된 상대적 휘발성 효과를 저하시킬 수 있기 때문입니다.

컬럼 내부 구조는 엔트레인어 시스템과 일치해야 합니다.

열역학적 타당성은 분리가 가능한지 여부를 결정합니다. 컬럼 내부 구조는 실제 증기 및 액체 부하 조건에서 필요한 물질 전달이 이루어질 수 있는지 여부를 결정합니다.

엔트레이너를 첨가하면 점도, 표면 장력, 밀도, 액체 순환 및 증기 이동에 변화가 생길 수 있으므로, 내부 구조는 실제 3원계 또는 다성분 계의 물성과 유동 프로파일을 바탕으로 평가해야 한다.

컬럼을 따라 액체 및 기체 부하가 변화한다

추출 증류에서 상단 부근에 용매를 추가하면 컬럼의 상당 부분을 통과하는 액체 유량을 증가시킬 수 있습니다. 액체 부하가 높아지면 압력 강하가 증가하고, 플러딩 여유도가 감소하며, 유압 용량을 확보하기 위해 필요한 직경이 커질 수 있습니다.

반면, 공용점 시스템에서는 엔트레이너가 상부 시스템에 관여하기 때문에 상당한 양의 증기 및 환류 순환이 발생할 수 있다. 따라서 컬럼 용량, 응축기 부하 및 엔트레이너 재순환량은 상호 연관된 설계 변수가 된다.

따라서 용매 대 원료 비율과 운반제 순환은 분리 성능과 유압 용량 양쪽 모두를 고려하여 최적화되어야 한다.

점도는 더 우수한 열역학적 특성을 상쇄할 수 있다

추출용 용매는 액상 점도를 높이는 동시에 상대적 휘발성을 향상시킬 수 있다.

점도가 높아지면 확산 계수와 액막질량전달이 감소할 수 있습니다. 충진탑의 경우, 점도가 높아지면 습윤 및 액체 분포에도 영향을 미칠 수 있으며, 트레이탑의 경우 혼합 상태와 유효 단 효율에 변화가 발생할 수 있습니다.

이는 평형 선택성이 향상되었다고 해서 반드시 실제 컬럼 성능이 그에 상응하는 수준으로 향상되는 것은 아니라는 것을 의미합니다.

트레이와 포장은 각기 다른 운영 요건을 충족합니다.

구조화 충전재는 낮은 압력 강하와 높은 유효 질량 전달 면적을 제공하며, 이는 압력 강하나 열 노출을 제한해야 할 때 유용합니다. 이 충전재의 성능은 적절한 액체 분배와 습윤 상태에 달려 있습니다.

트레이는 단계적인 기액 접촉을 가능하게 하며, 다양한 산업 분야에서 운영 안정성을 제공할 수 있습니다. 무작위 충진재 역시 그 용량, 압력 강하 및 물질 전달 성능이 유체 시스템에 부합하는 경우 적합할 수 있습니다.

따라서 내부 구조는 트레이나 충전재에 대한 일반적인 선호도보다는 예상되는 유압 조건과 유체 특성에 따라 선정되어야 한다.

사료 공급 위치와 이송 장치의 배치가 중요하다

추출용 용매는 일반적으로 주 혼합물 공급원 상단에 주입되어, 추출 구간 전체에 걸쳐 충분한 용매 농도가 유지되도록 합니다.

용매 공급 위치를 너무 낮게 설정하면 유효 접촉 영역이 줄어듭니다. 용매 순환량을 늘리는 것으로는 일정 수준까지만 이를 상쇄할 수 있는데, 이는 추가적인 액체 부하와 재생 작업량이 증가함에 따라 분리 효율의 증가분을 상쇄할 수 있기 때문입니다.

따라서 공급 단계, 용매 공급 위치 및 용매 대 공급물 비율은 함께 최적화되어야 한다.

회복 훈련은 겉보기에는 좋은 훈련 선택도 뒤집을 수 있다

1차 탈수 컬럼만을 기준으로 한 에너지 비교는 오해를 불러일으킬 수 있습니다. 관련 경계 조건에는 탈수, 엔트레이너 회수 또는 용매 재생, 응축, 냉각, 재순환 조건 조정, 그리고 각 리보일러에 필요한 증기량이 포함됩니다.

휘발성이 높은 공비 혼합물 운반제는 상당한 기화 및 응축 부하를 유발할 수 있다. 고비점 추출 용매는 운반제의 기화를 줄여주지만, 필요한 에너지의 일부를 용매 재생 과정으로 전가시킬 수 있다.

발표된 에탄올 탈수 비교 연구 결과는 이러한 시스템 의존성을 잘 보여줍니다. 에틸렌글리콜을 이용한 추출 증류는 일부 공비 조건에 비해 에너지 및 경제적 이점을 보였으나, 그 결과는 운반체의 종류, 원료 조성, 목표 순도, 작동 압력, 유틸리티 가격, 열 통합 방식에 따라 달라집니다.

포괄적인 비교에는 다음 사항이 포함되어야 합니다:

• 리보일러 및 응축기의 처리량과 증기 수위
• 엔트레이너 또는 용매 순환
• 회수 효율 및 재활용 순도
• 컬럼 치수 및 부속 장비
• 열 통합 기회
• 엔트레인어 메이크업 및 손실
• 자본 비용 및 운영 비용

따라서 1차 열교환기의 열 부하가 가장 낮다고 해서 총 공정 비용이 가장 낮아지는 것은 아닙니다.

공비 증류 대 추출 증류: 어떤 방식이 공정에 적합할까?

열역학적 요인과 회복 요건을 종합적으로 평가하면 경로 선택이 더 명확해집니다.

공정 조건	검토해 볼 만한 경로
유리한 이종 공비 및 상분리	공비 증류
디캔터를 이용한 엔트레인러 회수의 실용적 방법	공비 증류
휘발성 운반 가스는 안전하게 격리 및 재활용될 수 있다	공비 증류
선택성이 매우 높고 비교적 비휘발성인 용매를 구할 수 있다	추출 증류
상부에서는 낮은 엔트레이너 농도가 필요합니다.	추출 증류
용매는 효율적으로 재생할 수 있다	추출 증류
유동은 상당한 수력학적 제약을 초래한다	두 통합 경로를 비교해 보세요
회수가 공정 에너지의 주를 이룬다	전체 공정 흐름도 비교하기
이 제품에는 잔류 운반체에 대한 엄격한 제한 기준이 적용됩니다.	두 가지 모두에 대한 오염 및 회수율을 평가한다

원료 조성, 최종 물의 품질 기준, 상 거동, 유틸리티, 안전 제약 조건 및 후공정 순도 요건이 비교 기준을 구성해야 합니다. 특정 용매-물 시스템에서 유리한 공정 경로가 다른 시스템에서도 여전히 유리할 것이라고 가정해서는 안 됩니다.

시범 생산에서 상용 생산으로 규모를 확대할 때 어떤 변화가 일어나는가?

공정 시뮬레이션에서 수렴되는 공정 흐름도가 있다고 해서, 그것이 검증된 산업용 용매 탈수 공정이라고 할 수는 없다.

NRTL과 같은 활동 계수 모델은 적절한 상호작용 매개변수가 주어지면 비이상적인 혼합물을 잘 표현할 수 있다. 또한, 이질적 공비계에서는 증기-액체 분리 및 액체-액체 상분리가 재순환 구조에 영향을 미치기 때문에 VLE와 VLLE를 모두 신뢰할 수 있게 표현해야 한다.

그런 다음, 규모 확대 단계에서는 예측된 평형 성능이 실제 유압 및 물질 전달 조건 하에서도 달성 가능한지 확인해야 합니다. 중요한 검증 분야는 다음과 같습니다:

• 사료 성분 및 수분 함량의 변동성
• 엔트레인의 순도, 재순환 조성 및 손실
• 실제 용매 대 원료 또는 운반제 순환 요구량
• 트레이 효율 또는 포장 분배 성능
• 압력 강하, 수력 용량 및 침수 여유량
• 해당되는 경우 디캔터에서의 상분리
• 용매에 의한 분해 및 재활용 과정에서 발생하는 불순물 축적
• 시작, 종료 및 프로세스 제어 동작
• 장기적인 회복 루프 안정성

시범 테스트는 상 행동, 물리적 특성 데이터 또는 물질 전달 성능이 아직 불확실한 경우에 특히 유용합니다. 이를 통해 상업적 적용을 위해 컬럼 직경, 내부 구조, 열교환기 및 회수 시스템을 확정하기 전에 시뮬레이션 가정을 검증할 수 있습니다.

결론

공비 증류 및 추출 증류 단순히 1차 분리 메커니즘만으로 비교하기보다는 통합 용매 정제 시스템으로서 비교해야 합니다. 엔트레이너의 거동은 평형 분리뿐만 아니라 순환, 컬럼 유체 역학, 회수 구성, 유틸리티 수요 및 오염 위험까지 결정합니다.

도겐 용매 탈수 프로젝트에 있어 엔트레이너 평가, 분리 공정 개발, 컬럼 구성 및 파일럿 단계에서 상용 단계로의 규모 확대를 지원할 수 있습니다.