반응성 분할벽 증류 반응 증류와 분할벽 증류를 단일 장치에서 결합한 방식입니다. 핵심 장비는 반응성 분할벽 컬럼, 또는 RDWC.
반응 증류는 동일한 컬럼 내에서 화학 반응과 성분 분리를 동시에 수행합니다. 분할벽 증류는 컬럼에 수직 칸막이를 설치하여 중간 부분을 예비 분획 구역과 주 분리 구역으로 나눕니다.
이 구조는 기존의 예비 분별탑과 주 증류탑의 기능을 하나의 쉘 내에 통합하고 있습니다.
따라서 RDWC는 하나의 장치에서 반응, 예비 분리 및 생성물 정제를 수행할 수 있습니다. 이를 통해 별도의 반응기, 증류탑 및 중간 열교환기의 필요성을 줄여 에너지 효율을 높이고, 장비 설치 면적을 절감하며, 자본 비용을 낮추고, 공정을 단순화할 수 있습니다.
주요 장점으로는 다음이 있습니다:
- 반응 영역에서 생성물을 신속하게 제거
- 중간 비등점 성분의 역혼합 감소
- 증발 및 응축 단계의 반복 횟수 감소
- 외부 순환 및 중간 열교환에 대한 수요 감소
- 반응과 다성분 분리의 더욱 긴밀한 통합
달성 가능한 에너지 절감 효과는 고정된 것이 아닙니다. 이는 반응 시스템, 요구되는 제품 순도, 분리 난이도, 내부 증기 및 액체 분포, 그리고 비교 기준으로 삼는 기존 공정에 따라 달라집니다.
그림 1. 기존 증류탑에서 반응성 분할벽 탑으로의 개발 경로. 회색 영역은 반응 구역을 나타낸다.
그림 2. 반응성 분할벽 컬럼의 일반적인 구조와 반응 영역의 가능한 위치.
RDWC의 기본 구조
그림 3. 전형적인 반응형 분할벽 컬럼의 기본 구조. I: 공통 정류 구역; II: 예비 분획 구역; III: 주 분리 구역; IV: 공통 스트리핑 구역.
전형적인 중앙 격벽식 RDWC는 증류탑의 중앙부에 수직 격벽이 설치되어 있습니다.
이 칸막이 벽은 기둥의 중앙을 두 구역으로 나눕니다:
- 전처리 단계: 원료 투입 측에 위치하며, 원료 혼합물의 1차 분리를 담당한다
- 주요 분리 구간: 반대편에 위치해 있으며 제품의 추가 정제를 담당한다
분리벽의 상부와 하부 공간은 서로 연결되어 있습니다. 따라서 양쪽의 증기와 액체는 상부와 하부의 공통 구역을 통해 서로 교환될 수 있습니다.
공통 정류부
분리벽 위쪽 구역은 일반적인 정류 구역의 역할을 합니다. 양쪽에서 상승하는 증기가 이 구역에서 합쳐지면서, 가벼운 성분이 점차 농축된 후 상부 제품으로 배출됩니다.
일반 스트리핑 섹션
분리벽 아래쪽 구간은 공통 분리 구간으로 기능합니다. 양쪽에서 흘러내리는 액체가 이곳에서 합쳐지면서, 무거운 성분들이 점차 농축된 후 하층 제품으로 배출됩니다.
일반적인 3원 혼합물의 경우, 중간 비등점 성분은 대개 주 분리 구간에서 부산물로 분리되어 배출됩니다.
반응 영역의 위치
반응 구역은 다음 위치에 있을 수 있습니다:
- 전분리 구간
- 주요 분리 구간
- 공통 정류부
- 공통 스트리핑 구간
- 여러 섹션 동시 처리
적절한 위치는 반응물이 어디에 집중되는지, 필요한 반응 온도, 성분의 휘발성, 반응 속도, 촉매의 안정성, 그리고 생성물 회수 요건 등에 따라 달라집니다.
에틸 아세테이트 및 이와 유사한 시스템을 대상으로 한 실험실 및 파일럿 연구에서 안정적인 작동이 입증되었으며, 이는 해당 구성이 근본적인 공학적 실현 가능성을 갖추고 있음을 시사한다.
그림 4. 완전 열적 결합을 이룬 페틀류크(Petlyuk) 구성과 분할벽 컬럼 간의 구조적 동등성. PF: 전분별기; DC: 주 증류탑; DWC: 분할벽 컬럼; LIQ 및 VAP: 액상 및 기상 결합 유동.
반응성 분할벽 증류의 원리
RDWC를 통해 달성되는 공정 강화 효과는 주로 다음 두 가지 메커니즘에서 비롯됩니다:
- 반응과 분리가 동시에 일어납니다.
- 예분리 단계와 본 분리 단계 사이에서 열 에너지가 더 효율적으로 활용됩니다.
가역 반응의 경우:
반응 구역에서 생성물을 지속적으로 제거하면 평형이 생성물 형성 쪽으로 이동한다.
가벼운 제품은 컬럼 상단으로 이동할 수 있는 반면, 무거운 제품은 하단으로 이동할 수 있습니다. 중간 비등점의 제품은 측면 배출구를 통해 추출될 수 있습니다.
이러한 지속적인 분리는 반응 구역에 제품이 쌓이는 것을 방지합니다. 이를 통해 반응물의 전환율을 높이고, 재순환해야 하는 미반응 물질의 양을 줄일 수 있습니다.
그러나 이러한 공정 강화 효과는 몇 가지 조건이 충족될 때만 나타납니다:
- 필요한 반응 온도는 증류 온도 곡선과 호환되어야 합니다.
- 반응 속도는 주어진 액체 체류 시간 내에 충분히 높아야 한다.
- 구성 요소들은 적절한 기체-액체 평형 특성을 가져야 합니다.
- 촉매는 컬럼 작동 조건 하에서도 활성을 유지하고 기계적 안정성을 유지해야 한다.
- 반응 구역과 분리 구역에는 적절한 증기 및 액체 유량이 공급되어야 한다.
분리벽이 에너지 소비를 어떻게 줄이는가
분리벽의 또 다른 중요한 기능은 중간 비등점 성분의 불필요한 이동을 줄이는 것입니다.
기존의 2단 열교환 공정에서는 중간 성분이 제1 열교환기에서 기화되거나 응축된 후, 제2 열교환기에서 다시 분리될 수 있습니다. 이러한 반복적인 상변화는 리보일러와 응축기의 부하를 증가시킵니다.
예분리 구간은 중간 성분을 주 분리 구간의 적절한 영역으로 유도합니다. 이를 통해 반복적인 기화, 응축 및 혼합을 줄일 수 있습니다.
분리벽은 역혼합과 반복적인 상변화를 줄일 수는 있지만, 이를 완전히 제거할 수는 없다.
반응 영역을 형성하는 방법
RDWC에서는 두 가지 주요 촉매 방식, 즉 균질 촉매 반응과 비균질 촉매 반응이 사용됩니다.
균질 촉매 반응
균질 촉매 반응에서는 촉매가 액상 내에 직접 용해된다.
이러한 배치는 촉매와 반응물 간의 밀접한 접촉을 가능하게 합니다. 반응 속도는 대개 비교적 빠른 반면, 물질 전달 저항은 낮은 수준을 유지합니다.
그러나 촉매가 액체 생성물과 함께 컬럼 밖으로 배출될 수 있습니다. 이 경우 촉매를 분리, 회수, 중화 또는 폐기하기 위해 추가 공정이 필요할 수 있습니다. 또한 일부 균질 촉매는 설비의 부식 위험을 높일 수도 있습니다.
이러한 하류 공정 요구 사항들은 공정의 복잡성과 운영 비용을 증가시킬 수 있습니다.
이종 촉매 반응
이종 촉매 반응에서는 고체 촉매가 컬럼 내부에 고정되어 있습니다. 이는 다음과 같은 방식으로 설치될 수 있습니다:
- 촉매 입자
- 촉매 충전재
- 촉매 트레이
- 구조화된 촉매 모듈
촉매가 생성물과 함께 배출될 가능성이 적어, 촉매와 생성물의 분리가 더 용이합니다. 따라서 이러한 구조는 다양한 응용 분야에서 장기간의 연속 운전에 더 적합합니다.
촉매 충전 설계는 신중하게 이루어져야 합니다. 충전 밀도가 지나치게 높으면 기체 및 액체 흐름이 제한되어 분배 불균형, 과도한 압력 강하 또는 침수가 발생할 수 있습니다.
촉매 충전량이 부족하면 반응 용량이 충분하지 않아 전환율이 낮아질 수 있습니다.
디자인은 다음 요소들 간의 균형을 이루어야 합니다:
- 촉매 재고
- 액체 체류 시간
- 기체-액체 접촉
- 질량 전달 성능
- 반응 동역학
- 내부 유동 저항
- 압력 강하
- 홍수 여유폭
고정화 효소
고정화 효소는 지지체 기반 촉매 반응의 또 다른 형태입니다. 고정화 효소는 대개 높은 반응 선택성을 나타내며, 비교적 온화한 조건에서 작용합니다.
그러나 이러한 물질은 온도, 용매 조성, 수분 함량, 불순물 및 전단력에 민감할 수 있습니다. 따라서 이를 사용하려면 작동 환경을 보다 정밀하게 제어해야 합니다.
주요 RDWC 구성 방식
중앙 칸막이벽 구조가 가장 일반적입니다. 이 구조는 벽 위쪽에는 공통 정류 구역을, 아래쪽에는 공통 스트리핑 구역을 유지합니다.
분리 작업에 따라, 이 벽은 기둥의 상단 또는 하단까지 뻗어 있어 상부 분할벽 또는 하부 분할벽 구성을 형성할 수 있다.
각 배열 방식에 따라 서로 다른 열 결합 패턴과 제품 이송 경로가 형성됩니다. 선택 시 다음 사항을 고려해야 합니다:
- 구성 요소 분리 순서
- 반응 영역의 위치 (필수)
- 재가열기 및 응축기의 기능
- 내부 압력 강하
- 제품 순도
- 증기 및 액체 분배
- 동적 제어 가능성
그림 5. 일반적인 칸막이벽 배치: (a) 중앙 칸막이벽 배치; (b) 하단 칸막이벽 배치; (c) 상단 칸막이벽 배치.
반응 영역 위치에 따른 구성
RDWC는 반응 영역의 위치에 따라 분류할 수도 있습니다.
전분획-부반응
반응 구역은 예비 분별 측에 설치되어 있습니다. 이러한 배치를 통해 원료가 예비 분리를 거치는 동안 반응이 진행될 수 있습니다.
사전 분획 단계에서 반응에 필요한 조성 및 온도가 조성될 때 이 방법이 적합할 수 있습니다.
주 반응-분리-부반응
반응 구역은 주 분리 구간에 설치되어 있습니다. 휘발성 조건과 제품 추출 위치가 적절할 경우, 제품은 생성 직후 바로 정제될 수 있습니다.
양면 반응
반응 구역은 격벽의 양쪽에 설치되어 있습니다. 이러한 구성은 이용 가능한 반응 용적을 증가시키지만, 온도, 조성, 압력 강하, 반응 속도 및 기체-액체 분포 간의 상호작용을 더욱 강하게 만듭니다.
또한 통합 수준이 높기 때문에 설계와 제어가 더 어려워집니다.
그림 6. RDWC에서 나타나는 전형적인 반응 영역 배치: (a) 사전 분획 단계에서의 반응; (b) 주 분리 단계에서의 반응; (c) 양측에서 발생하는 반응. 회색 영역은 반응 영역을 나타낸다.
고급 RDWC 구성
공비 또는 상대 휘발성이 낮은 성분을 포함하는 시스템의 경우, 엔트레이너 또는 추출용매가 필요할 수 있다. 이러한 경우, 반응 증류를 추출식 분할벽 분리법과 결합할 수 있다.
복잡한 다성분 시스템의 경우 이중벽 또는 다중벽 구조를 채택할 수도 있다.
이러한 첨단 설계는 공정 통합 수준을 높여주지만, 동시에 다음 사항의 난이도도 높입니다:
- 증기 및 액체 분배
- 압력 강하 균형 조정
- 내부 장비 설계
- 기둥 제작
- 동적 공정 제어
- 시작 및 종료
- 고장 진단
그림 7. 고도로 통합된 반응성 분할벽 구조: (a) 반응성 추출형 분할벽 컬럼; (b) 반응성 이중 분할벽 컬럼. 추출형 구조는 상대 휘발성을 조절하고 공비 분리를 개선하기 위해 운반체를 도입한다. 이중벽 구조는 반응과 다성분 분리를 통합하기 위한 추가적인 내부 구역을 형성하지만, 동시에 기체-액체 분포, 압강 균형 및 공정 제어의 복잡성도 증가시킨다.
결론
반응식 분할벽 컬럼은 하나의 외피 내에 반응 구역, 분리 구역 및 내부 기체-액체 유동을 체계적으로 통합합니다.
이 기술의 잠재적 이점으로는 에너지 소비 감소, 변환율 향상, 제품 정제 효율 개선, 재순환량 감소, 장비 설치 공간 축소, 외부 열교환기 수 감소 등이 있습니다.
이러한 이점은 다음의 조건이 충족될 때만 얻을 수 있습니다:
- 반응 온도와 증류 온도가 양립 가능합니다.
- 반응 동역학이 이용 가능한 체류 시간과 일치한다.
- 기체-액체 평형 상태가 필요한 분리를 가능하게 합니다.
- 이 촉매는 컬럼 조건 하에서도 안정성을 유지합니다.
- 증기와 액체가 칸막이 벽 양쪽에 고르게 분포되어 있습니다.
- 압력 강하와 유량은 균형을 유지합니다.
- 이 통합 시스템은 정상 상태 및 과도 상태 모두에서 제어될 수 있다.
따라서 RDWC 기술은 단순히 [ ]에 칸막이 벽을 추가하는 것만이 아닙니다. 반응성 증류탑. 이를 위해서는 반응, 분리 공정, 촉매 배치, 내부 유체 흐름, 열 통합 및 제어 전략을 하나의 조화로운 시스템으로 설계해야 합니다.
