공정향상을 위한 증류 강화기술과 연계된 반응증류 연구현황
2018-11-20
org.kosen.entty.User@2149693c
전영호(gulliver)
증류(distillation) 공정은 혼합용액의 성분들의 상대 휘발도(relative volatility)의 차를 이용하여, 성분들을 분리하는 것을 말하며, 특히 원유(crude oil)로부터 성분을 분리하는 정유 증류공정은 석유화학 공업의 주요분야이다. 또한, “정유 공장의 화공 엔지니어는 화공의 꽃이다”라는 말이 있듯이, 화학공학 분야에서 가장 중요한 공정 중의 하나라고 할 수 있다. 반응증류(reactive distillation, RD)는, 증류에 의한 분리와 화학반응이 동시에 일어나는 공정을 말하며, 다음과 같은 장점이 있다.
(1) 향류흐름을 위해 추가장치가 필요하지 않음
(2) 재순환을 위해 추가장치가 필요하지 않음
(3) 생성된 생성물이 증류를 통해 액상에서 제거 됨으로써 반응평형에 제한을 받지 않고
반응이 빠르게 일어나고, 100% 전환율(conversion)이 가능
(4) 반응장치와 분리장치를 하나의 장치로 만듬으로써 설치비를 획기적으로 저감시킴
(5) 반응열을 액상의 성분이 증발하는데 사용
(6) 증류공정만으로는 분리가 불가능한 공비혼합물(azeotrope)의 분리가 가능
반응증류는 고체 촉매를 사용하는 경우 촉매 증류(catalytic distillation)이라고도 한다. 이러한 반응증류는, 1920년대에 개발되어 공정 효율을 크게 개선시켰으며, 가장 성공적인 공정향상기술 중의 하나이다. 반응증류의 공정개선 효과를 가장 극적으로 보여주는 예가, Agreda와 Partin이 개발한 아세트산과 메탄올로부터의 메틸 아세테이트(methyl acetate) 생성 반응증류 공정이다 (그림1). 여기선 반응식은 MeOH + HOAc ↔ MeOAc + H2O 이며, 기존 공정은, 1개의 반응기와 일련의 9개의 증류탑으로 구성되는 데 비하여, Agreda와 Partin의 공정은 1개의 탑으로 구성되며, 이 탑 안에서, 증류, 반응, 추출증류(azeotropic distillation)을 모두 일어나게 하여서, 100% 전환율을 달성할 수 있었으며, 장치비와 운전비가 획기적으로 저감되었다.
그림 1. 아세트산과 메탄올로부터의 메틸 아세테이트 생성을 위한, 기존 공정(왼쪽)과 Agreda와 Partin의 반응증류 공정(오른쪽) (참고문헌3).
반응증류는 이렇게 여러 장점도 있지만, 반응과 증류의 반응조건이 겹쳐야 한다는 점, 활성도가 높고, 선택적이면서도, 충분히 오래가는 촉매를 사용해야 하는 제한사항이 있다. 한편, 증류공정과 관련하여, 여러 공정강화 기술들이 개발되었으며, 이러한 기술들과 반응증류 공정을 조합하면 공정 향상도가 배가될 것이다. 이러한 맥락에서, 본 보고서에서는, 그 중에서도, (1) 분리벽형 탑(dividing wall column, DWC), (2) 사이클 증류(cyclic distillation), (3) HiGee 증류(HiGee distillation)의 공정기술과 연계된 반응증류 공정에 대하여 그 특성과 장점, 한계점 등을 알아보았다.
(1) 향류흐름을 위해 추가장치가 필요하지 않음
(2) 재순환을 위해 추가장치가 필요하지 않음
(3) 생성된 생성물이 증류를 통해 액상에서 제거 됨으로써 반응평형에 제한을 받지 않고
반응이 빠르게 일어나고, 100% 전환율(conversion)이 가능
(4) 반응장치와 분리장치를 하나의 장치로 만듬으로써 설치비를 획기적으로 저감시킴
(5) 반응열을 액상의 성분이 증발하는데 사용
(6) 증류공정만으로는 분리가 불가능한 공비혼합물(azeotrope)의 분리가 가능
반응증류는 고체 촉매를 사용하는 경우 촉매 증류(catalytic distillation)이라고도 한다. 이러한 반응증류는, 1920년대에 개발되어 공정 효율을 크게 개선시켰으며, 가장 성공적인 공정향상기술 중의 하나이다. 반응증류의 공정개선 효과를 가장 극적으로 보여주는 예가, Agreda와 Partin이 개발한 아세트산과 메탄올로부터의 메틸 아세테이트(methyl acetate) 생성 반응증류 공정이다 (그림1). 여기선 반응식은 MeOH + HOAc ↔ MeOAc + H2O 이며, 기존 공정은, 1개의 반응기와 일련의 9개의 증류탑으로 구성되는 데 비하여, Agreda와 Partin의 공정은 1개의 탑으로 구성되며, 이 탑 안에서, 증류, 반응, 추출증류(azeotropic distillation)을 모두 일어나게 하여서, 100% 전환율을 달성할 수 있었으며, 장치비와 운전비가 획기적으로 저감되었다.
그림 1. 아세트산과 메탄올로부터의 메틸 아세테이트 생성을 위한, 기존 공정(왼쪽)과 Agreda와 Partin의 반응증류 공정(오른쪽) (참고문헌3).
반응증류는 이렇게 여러 장점도 있지만, 반응과 증류의 반응조건이 겹쳐야 한다는 점, 활성도가 높고, 선택적이면서도, 충분히 오래가는 촉매를 사용해야 하는 제한사항이 있다. 한편, 증류공정과 관련하여, 여러 공정강화 기술들이 개발되었으며, 이러한 기술들과 반응증류 공정을 조합하면 공정 향상도가 배가될 것이다. 이러한 맥락에서, 본 보고서에서는, 그 중에서도, (1) 분리벽형 탑(dividing wall column, DWC), (2) 사이클 증류(cyclic distillation), (3) HiGee 증류(HiGee distillation)의 공정기술과 연계된 반응증류 공정에 대하여 그 특성과 장점, 한계점 등을 알아보았다.