KR100433826B1 - 추출법과 증류법을 병용한 용제회수 방법 - Google Patents

Abstract

추출법과 증류법을 병용한 용제회수방법이 개시된다. 그러한 용제회수방법은 물보다 비중이 높은 추출용매와 용제가 함유된 폐수를 추출탑에 유입시켜 추출에 의하여 추출액은 하부로 배출하고, 추잔액은 상부로 배출하는 추출단계와, 상기 추출탑을 거친 추출액을 증류탑에 유입시켜 증류시킴으로서 추출용매는 상부로 배출하고, 용제는 하부로 분리하는 증류단계와, 상기 증류탑에서 분리된 용제를 정제탑에 유입시켜 정제하여 회수하는 정제단계와, 그리고 상기 추출탑에서 배출되는 추잔액에 함유된 추출용매와 증류탑에서 발생된 추출용매를 회수하여 추출용매탱크에 저장하는 추출용매회수단계를 포함한다.

Description

추출법과 증류법을 병용한 용제회수 방법{SOLVENT RECOVERY FACILITY BY THE COMBINATION OF EXTRACTION AND DISTILLATION}

본 발명은 수용성 용제가 다량 함유된 폐수(수용성 폐용제)로부터 용제를 회수하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용제 회수율을 높이면서 용제회수에 사용되는 에너지를 최소화 할 수 있는 용제회수방법에 관한 것이다.

일반적으로 유기 용제는 여러 산업 분야에서 제품의 가공·생산을 위해 널리 사용된다. 특히 합성피혁, 합성 섬유 제조 공정에서는 원료로 사용되는 폴리우레탄수지의 용제로 디메틸 포름아미드(DMF;Dimethyl Formamide; 이하, DMF), 디메틸 아세트아미드(DMAC;Dimethyl Acetamide; 이하, DMAC)등이 사용되며 원가 절감 및 환경 보전을 위해서도 사용된 유기 용제는 회수하여 다시 사용할 필요가 있다.

일예로 습식 폴리우레탄 합성피혁 제조공정에서 사용된 DMF 용제는 물로 세정되며 세정수 속에 DMF가 녹아 폐수로 배출된다. 이 폐수 중의 DMF(약 15% 함유)는 지금까지 증류법으로 재생 회수되어 왔다.

도1 에는 이러한 증류법에 의한 용제 회수방법이 도시된다. 도시된 바와 같이, 증류법에 의한 용제회수 시스템은 제1 및 제2 증류탑(1,2), 그리고 정제탑(3)으로 이루어진다.

이러한 용제 회수 시스템에 있어서, 폐수가 상기 제1 증류탑(1)으로 유입되면 폐수중의 용제 DMF는 물과 반응하여 가수분해 반응을 일으키므로 개미산이 필수적으로 생성되며, 이러한 개미산은 DMF와 공비 혼합물을 만들게 된다. 따라서, 제2 증류탑(2)에서 공비 혼합물을 처리하며, 처리된 공비 혼합물은 최종적으로 정제탑(3)으로 공급되어 용제를 분리하게 된다.

그러나, 이러한 증류법에 의한 용제 회수 방법은 증류를 위해 열원이 필요하며 증발잠열이 높은 물을 증발시키기 위한 에너지 소모가 많은 문제점을 가지고 있다.

또한, 고온에서 증류탑이 운전되므로 물과 용제가 반응하는 가수 분해 반응이 일어나는 경우, 일부 용제가 분해되어 부산물이 생성되기 때문에 회수율이 떨어지고 제품의 순도가 떨어지는 문제점이 있다.

그리고, 다량의 물(약 85% 함유)을 증류법에 의해 분리하므로 에너지 소비가 많은 결점을 가지고 있는데, 이를 개선하기 위하여 제1증류탑에서 나온 증기를 제2증류탑의 재가열 열원으로 사용하는 2중 효용 증류법이 주로 적용되어 에너지 소비를 줄여주고 있으나 대략 15% DMF 폐수 1톤을 처리하는데 1.1톤 정도의 스팀을 사용하여야 하므로 에너지 절약 측면에서 볼 때 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 용제와 물의 가수분해 반응에 의한 부산물의 생성을 억제하여 회수율을 높이고, 에너지 사용량을 대폭 줄일 수 있는 용제 회수 방법을 제공하는데 있다.

도1 은 종래기술에 따른 용제 회수 공정을 설명하기 위한 도면.

도2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용제 회수 방법을 설명하기 위한 도면.

도3 은 용제를 회수하는 과정을 단계별로 도시하는 순서도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 물보다 비중이 높은 추출용매와 용제가 함유된 폐수를 추출탑에 유입시켜 추출에 의하여 추출액은 하부로 배출하고, 추잔액은 상부로 배출하는 추출단계; 상기 추출탑을 거친 추출액을 증류탑에 유입시켜 증류시킴으로서 추출용매는 상부로 배출하고, 용제는 하부로 분리하는 증류단계; 상기 증류탑에서 분리된 용제를 정제탑에 유입시켜 정제하여 회수하는 정제단계; 그리고 상기 추출탑에서 배출되는 추잔액에 함유된 추출용매와 증류탑에서 발생된 추출용매를 회수하여 추출용매탱크에 저장하는 추출용매회수단계를 포함하는 용제회수방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 추출탑과 증류탑의 사이에 디켄터를 구비함으로써, 상기 추출탑의 하부로부터 배출된 추출액에 함유된 물을 걸러서 상기 추출탑으로 복귀시키고 추출용매와 용제만을 상기 증류탑으로 유입시킨다.

상기 추출탑과 상기 추출용매탱크의 사이에 탈거탑을 구비함으로써, 상기 추출탑의 상부로부터 배출된 추잔액에 함유된 추출용매를 스팀으로 탈거시켜 상기 추출용매탱크로 유입시킨다.

상기 탈거탑에 일체로 연결되어 상기 탈거탑으로부터 배출되는 물의 온도를 낮추어서 외부로 배출시키는 이코노마이저를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용제 회수 방법을 상세하게 설명한다.

도2 및 도3 에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제시하는 용제 회수방법은 물보다 비중이 높은 추출용매를 사용하여 추출에 의하여 물을 제거하는 추출단계 (S100)와, 상기 추출단계(S100)를 거친 추출액을 증류하여 용제를 분리하는 증류단계(S200)와, 분리된 용제를 정제하여 회수하는 정제단계(S300)를 포함한다. 그리고, 상기 추출단계 및 증류단계(S100,S200)에서 발생된 추출용매를 회수하는 추출용매회수단계(S400)를 추가로 포함한다.

상기 추출단계(S100)에 있어서는, 먼저 추출용매와 수용성 폐용제가 함유된 폐수를 추출탑(10)에 유입시킨다. 이때, 상대적으로 비중이 큰 추출용매는 추출탑 (10)의 상부로 유입시키고 비중이 작은 폐수는 추출탑(10)의 하부로 유입시키는 것이 좋다.

그러면, 유입된 폐수의 비중은 1정도이고 추출 용매의 비중은 1.36 정도이므로 비중차이로 인하여 추출탑(10)에서 추출 용매는 상부(11)에서 하부로 이동하고 반대로 폐수는 추출탑(10) 하부(12)에서 상부(11)로 이동한다. 이렇게 하면 폐수와추출 용매간에는 추출탑(10) 내부에서 추출에 의하여 물질 이동이 일어난다.

즉, 폐수 중의 용제 DMF는 추출 용매 쪽으로 이동하여 추출 용매와 함께 추출탑(10)의 하부(12)로 이동하면서 배출된다. 이때, 이 액을 추출액이라고 정의한다. 그리고, 폐수 중 용제가 제거된 물은 추출탑(10)의 상부(11)로 배출되게 되는데 이 액을 추잔액이라고 정의한다.

상기 과정에서, 추출 용매의 선택이 매우 중요한데, 추출용매는 원할한 추출이 가능하도록 물에 대한 용해도가 매우 낮은 동시에 회수하고자 하는 용제에 대한 용해도는 높아야 한다. 또한, 추출공정에서의 액액상 분리가 잘 되도록 물보다 비중이 5% 이상 높아야 한다. 그리고, 증발잠열이 물의 증발잠열(상압 100℃에서 539 kcal/kg)보다 훨씬 적어야 한다.

이러한 조건을 고려할 때, 추출용매로 메틸렌클로라이드가 가장 적합하다. 메틸렌클로라이드는 비중이 1.36이고, 증발열이 79 kcal/kg이다.

이와 같이 추출탑(10)의 하부로부터 배출된 추출액은 디켄터(13)로 유입된다. 상기 디켄터(13)로 유입된 추출액은 소량의 추잔액 즉, 물을 함유하게 되는데 상기 디켄터(13)에서 추출액과 물이 서로 분리된다. 그리고, 분리된 물은 다시 추출탑(10)으로 복귀하며, 물이 제거된 추출액은 증류탑(14)으로 공급된다.

상기한 바와 같이 추출단계(S100)가 완료되면, 증류단계(S200)가 진행한다. 즉, 추출액이 증류탑(14)에 유입되며, 상기 증류탑(14)에서 추출액은 증류법에 의하여 추출 용매(메틸렌클로라이드)와 유기용제(DMF)로 분리된다. 그리고, 분리된 추출용매는 증류탑(14)의 상부(15)로, 유기용제(DMF)는 증류탑(14)의 하부(16)로이동한다.

상기한 바와 같이 증류단계(S200)후, 정제단계(S300)가 진행한다. 상기 정제단계(S300)에 있어서는, 증류탑(14)에서 처리된 유기용제가 정제탑(17)으로 공급된다. 그리고, 상기 정제탑(17)에서 회수 용제를 최종적으로 다시 한 번 정제시켜 불순물을 제거하고 회수 용제를 제품으로 얻는다.

한편, 상기 추출단계(S100) 및 증류단계(S200)에서는 추출탑(10)의 상부(11)로 추잔액과 함께 추출용매가 소량 배출되고, 증류탑(14)의 상부(15)로부터는 추출용매가 증류액으로 배출되는데, 이러한 추출용매를 회수하기 위한 추출용매회수단계(S400)가 상기 공정에 추가로 구비된다.

상기한 바와 같이, 상기 추출탑(10)의 상부(11)에서는 추잔액이 배출되며, 이러한 추잔액은 이코노 마이저(18)를 거쳐 탈거탑(19)으로 공급된다. 그리고, 이 탈거탑(19)에서 추잔액에 함유된 미량의 추출 용매(메틸렌클로라이드)가 스팀에 의해 탈거되어 추잔액으로부터 분리된다.

즉, 상기 탈거탑(19)의 하부에 스팀을 주입하여 소정 온도로 가열하면 상기 탈거탑(19)의 내부에 공급된 추잔액은 온도가 올라가고, 이 과정에서, 추잔액에 함유된 미량의 추출용매는 기화됨으로써 탈거탑(19)의 상부(20)로 배출된다.

그리고, 탈거탑(19)의 상부(20)로 배출된 추출용매는 냉각 응축됨으로써 추출 용매탱크(22)로 회수된다. 이때, 추출용매가 제거된 물은 탈거탑(19)의 하부 (21)로 이동한다.

또한, 상기 증류탑(14)의 상부(15)로 배출된 추출용매는 마찬가지로 냉각 응축되어 상기 추출용매탱크(22)로 이송되어 저장됨으로써 회수된다.

상기한 바와 같이, 종래의 증류법에 의한 용제회수방법과 본 발명의 추출법과 증류법을 병용한 용제회수방법의 효율적인 차이를 다음 표에 의하여 비교하였다. 표예에서 보듯이 본 발명에 의한 추출법과 증류법을 병용한 용제 회수 방법이 종래의 증류법에 의한 용제 회수 방법보다 DMF 회수율, 제품의 순도, 에너지 사용량, 시설 투자비 등 여러 가지 항목에서 성능이 우수함을 알 수 있다.

표

항 목	추출법 + 증류법 (본 발명)	증류법 (종래기술)
DMF 회수율	＞ 99 %	98 %
회수 DMF(제품) 순도	99.98 %	99.95 %
스팀 사용량(*)(DMF 폐수 1톤당)	0.5 톤	1.1 톤
시설 투자비(**)	80 %	100 %

* DMF 폐수 중 DMF 농도 : 15 wt%

** DMF 폐수 기준 3 MT/h 처리 능력의 설비 기준

이상과 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용제회수방법은 먼저 추출법을 적용하여 추출용매 쪽으로 회수하고자 하는 용제를 추출시킨 다음, 증발잠열이 물보다 훨씬 낮은 추출용매와 용제를 증류법으로 분리시켜 회수하므로 소요 에너지를 대폭 줄일 수 있고 부산물의 발생을 억제시키는 장점을 가진다.

또한, 기존의 증류법에 의한 회수 설비와 비교할 때 스팀 사용량을 50% 이하로 줄이고, 증류탑에서의 용제 가수 분해 반응에 의한 부산물 발생을 원천적으로 제거하므로 제품의 품질이 좋아지며 부산물 제거를 위한 정제 설비를 생략할 수 있으므로 투자비를 20% 정도 절감할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 물보다 비중이 높은 추출용매와 용제가 함유된 폐수를 추출탑에 유입시켜 추출에 의하여 추출액은 하부로 배출하고, 추잔액은 상부로 배출하는 추출단계;

   상기 추출탑을 거친 추출액을 증류탑에 유입시켜 증류시킴으로서 추출용매는 상부로 배출하고, 용제는 하부로 분리하는 증류단계;

   상기 증류탑에서 분리된 용제를 정제탑에 유입시켜 정제하여 회수하는 정제단계; 그리고

   상기 추출탑에서 배출되는 추잔액에 함유된 추출용매와 증류탑에서 발생된 추출용매를 회수하여 추출용매탱크에 저장하는 추출용매회수단계를 포함하는 용제회수방법.
2. 제1 항에 있어서, 상기 추출탑과 증류탑의 사이에 디켄터를 구비함으로써, 상기 추출탑의 하부로부터 배출된 추출액에 함유된 물을 걸러서 상기 추출탑으로 복귀시키고 추출용매와 용제만을 상기 증류탑으로 유입시키는 용제회수방법.
3. 제1 항에 있어서, 상기 추출탑과 상기 추출용매탱크의 사이에 탈거탑을 구비함으로써, 상기 추출탑의 상부로부터 배출된 추잔액에 함유된 추출용매를 스팀으로 탈거시켜 상기 추출용매탱크로 유입시키는 용제회수방법.
4. 제3 항에 있어서, 상기 탈거탑에 일체로 연결되어 상기 탈거탑으로부터 배출되는 물의 온도를 낮추어서 외부로 배출시키는 이코노마이저를 포함하는 용제회수방법.