KR100852322B1 - 넓은 농도 범위에 사용할 수 있는 흡착등온식을 도입한유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡착등온식을 사용하는 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법에 관한 것으로서, 상세하게는, 흡착등온식의 흡착평형상수가 흡착상의 농도 함수 형태인 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법에 관한 것이다.

Description

넓은 농도 범위에 사용할 수 있는 흡착등온식을 도입한 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법{A SIMULATION METHOD USED AN AVAILABLE ADSORPTION ISOTHERM IN A WIDE CONCENTRATION RANGE FOR A SIMULATED MOVING BED ADSORPTIVE SEPARATION PROCESS}

본 발명은 흡착등온식을 사용하는 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법에 관한 것으로서, 상세하게는, 흡착등온식의 흡착평형상수가 흡착상의 농도 함수 형태인 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법에 관한 것이다.

상업적으로 사용되는 파라-자일렌 분리 공정은 SMB법(UOP사의 파렉스(Parex) 공정, IFP사의 엘룩실(Eluxyl) 공정)과 결정화법에 의한 공정으로 대별된다. 최근에는 이 두 가지 방법을 적절히 결합하여 사용하는 공정도 소개된 사례가 있다.

SMB법에 의한 파라-자일렌 분리공정은 다단으로 구성된 흡착챔버의 각 단마다 위치하는 밸브의 개폐를 주기적으로 제어하여 흡착제와 유체가 마치 향류 접촉하고 있는 것과 같은 효과를 거둠으로써 연속식으로 자일렌 이성질체를 효과적으로 분리하는 공정이다.

도 1에는 개략적인 파렉스 공정이 나타나 있으며, 도 1에 도시한 바와 같이, 파렉스공정은 흡착챔버(1, 2) 내에 베드가 다층으로 구성되며, 각 베드에는 흡착제가 충전되어 있다. 본 발명에 있어서, 유사 이동층 분리 장치의 흡착챔버(1, 2) 내의 각 베드는 베드 라인(bed line)(B1~B24)을 통해 로터리 밸브(rotary valve)(3)에 연결되어 있다. 베드의 개수는 통상적으로 각 챔버 별 12개, 총 24개를 사용한다.

파렉스 공정의 로터리 밸브(3)는 유체 혼합물 유입 포트(32), 라피네이트 유출 포트(33), 탈착제 유입 포트(34), 추출물 유출 포트(35) 및 2차 세척제(secondary flush) 유입 포트(36)와 같이 3개의 유입 포트와 2개의 유출 포트 각각을 베드 라인(B1~B24)에 연결시켜 준다. 로터리 밸브(3)의 상세한 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 실시할 수 있는 것이다.

파렉스 공정의 라피네이트 칼럼(4)은 라피네이트 유출 포트(33)를 통해 인출된 라피네이트를 다시 제1 분리기를 통해 분리해내고, 일부를 다시 탈착제로서 탈착제 유입 포트(34)로 돌려보낸다.

파렉스 공정의 추출물 칼럼(5)은 추출물 유출 포트(35)를 통해 인출된 추출물을 다시 제2 분리기를 통해 분리해내고, 일부를 다시 탈착제로서 탈착제 유입 포트(34)로 돌려보낸다.

파렉스 공정은 두 개의 긴 흡착챔버(1, 2)를 여러 개의 베드(Bed 1~24)로 분할하여 서로 직렬로 연결하여 구성한다. 파렉스 공정과 같은 유사 이동층 흡착 분리 공정에서는 실제로 고정상의 흐름이 없으며, 일정시간의 스위칭 간격에 따라 탈착제(desorbent), 추출물(extract), 유체 혼합물(feed), 라피네이트(raffinate), 2차 세척제(secondary flush), 라인 세척제 등의 유입 및 유출 포트 위치를 이동상이 흐르는 방향으로 변화시키면, 각 포트를 중심으로 칼럼이 상대적으로 이동상이 흐르는 방향의 반대 방향으로 놓이게 된다. 이렇게 가상의 고정상의 흐름을 만들어 이동상과 향류 흐름을 모사할 수 있다. 고정상으로 사용되는 흡착제는 상기 베드 내에 충전된다.

상기 탈착제, 추출물, 공급물 및 라피네이트의 각 포트(32, 33, 34, 35)의 위치를 연속적으로 이동시킬 수 없지만, 도 1에서와 같이 베드 라인(B1~B24)을 설치하여 로터리 밸브(3)를 통해 일정 스위칭 타임(switching time) 간격을 주어 주기적으로 각각의 흐름을 이웃한 라인으로 이동시켜 줌으로써 거의 같은 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 유체 혼합물 유입 포트를 통해 주입된 물질 중 흡착력이 약한 물질은 이동상을 따라 라피네이트 유출 포트로 나오게 되며, 흡착력이 강한 물질은 흡착챔버(1, 2)의 각 베드(Bed 1~24) 내에서 흡착제에 흡착되어 일정시간의 스위칭에 따라 상대적으로 칼럼이 움직이게 되므로 추출물 유출 포트(35)로 나오게 되는 원리를 이용한다.

파렉스 공정은 그 특성상 원료 및 탈착제의 주입 및 추출물, 라피네이트의 배출이 모두 동일 배관을 통해서 이루어진다. 흡착챔버와 로터리 밸브를 연결하여 주는 이 배관이 베드 라인(B1~B24)이며, 흡착챔버의 베드 개수만큼 존재한다. 유사 이동층 흡착 분리 장치의 운전 절차에 따르면 어느 특정 배관은 원료 주입용(도 1의 경우에는 B1 라인이 사용 중인 상태)으로 사용된 후, 일정한 시간 경과 이후에 최종 제품의 배출용으로 사용되게 된다. 이때 스위칭 타임 동안 배출되는 최종 제품 중 초기 제품은 배관 내에 채워져 있던 원료가 섞여 나오므로 최종 제품의 순도를 다소 떨어뜨리게 된다. 이를 방지하기 위한 조치로서 라인 세척과 2차 세척이라는 절차가 추가되었다. 라인 세척이란 탈착제가 주입되는 베드의 바로 아래 베드로부터 소량의 흡착챔버 내의 액체를 끌어 와(도 1의 경우에는 B12 라인이 사용 중인 상태) 원료 주입에 사용되었던 배관을 통하여 다시 흡착챔버 내부로 돌려 보냄으로써(도 1의 경우에는 B23 라인이 사용 중인 상태) 배관 내부를 씻어 주는 절차이다. 도 4의 농도분포 곡선으로부터도 알 수 있듯이 라인 세척에 사용되는 액체는 순수한 탈착제가 아니라 약간의 다른 액체 성분이 포함되어 있으므로, 다시 한 번 이 배관을 씻어 주기 위해서 2차 세척 절차가 추가된다. 2차 세척 절차는 최종 제품을 배출하기 직전에 순수한 탈착제를 해당 배관을 통해서 흡착챔버 내부로 주입하여 배관 내부를 최종적으로 씻어 주는 절차이다(도 1의 경우에는 B16 라인이 사용 중인 상태). 이와 같은 세척 방법은 기본적으로 탈착제는 추출물에 섞여도 최종제품을 얻기 이전에 증류 공정을 거치면서 쉽게 분리되기 때문에 문제가 되지 않는다는 전제를 바탕으로 한다.

도 1에서 각 베드 라인 중 화살표가 있는 실선은 현재 사용 중인 베드 라인을 의미하고, 화살표 없이 점선으로 표현된 것은 현재 사용 중이지 않는 베드 라인을 의미한다.

각 베드는 액체의 흐름 분포를 균일하게 하기 위해서 특별하게 제작된 그리드로 구분되는데, 도 2a 및 도 2b에 그리드가 개략적으로 나타나 있다. 그리드는 두 겹의 스크린(screen)으로 되어 있어 액상의 유체만 통과시킴으로 흡착 베드의 격막 역할을 수행하며, 파이 모양의 24개 조각으로 되어 하나의 층을 구성한다. 원료의 출입통로인 베드 라인은 흡착챔버 내 유체의 유입 및 유출 경로이며, 흡착챔버과 로터리 밸브를 연결하고, 그리드의 두 겹의 스크린 사이에 연결되어 있다.

일반적으로, 파라-자일렌(para-xylene) 상업공장의 유사 이동층 흡착 분리 공정의 경우, 적정 수준 이상의 제품 순도를 확보하면서 생산성을 극대화하는 운전조건의 최적화는 대단히 어렵다고 할 수 있기 때문에, 이러한 문제점을 극복하기 위해서 공정 모사 방법을 활용하여 흡착챔버의 성능을 예측할 수 있는 기술을 적용하는 것이 바람직하다. 파라-자일렌 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법 구축에 있어서 가장 핵심적인 부분은 적절한 흡착등온식의 탑재라고 할 수 있다. 특히 도 3의 흡착챔버 축방향 농도분포에서 제시한 바와 같이, 파라-자일렌 유사 이동층 흡착 분리 공정의 경우, 여러 가지 다양한 성분들이 존재하고 각 성분별로 넓은 농도 범위를 갖는 시스템에 있어서는, 다중 성분에 대해서 잘 맞으면서 넓은 농도 범위에 걸쳐서 적절하게 예측할 수 있는 흡착등온식의 채택이 대단히 중요하다.

종래에는 다중성분의 흡착등온식으로서 도 4와 같은 단일 성분의 흡착등온식을 단순 결합한 형태의 연장흡착등온식(extended adsorption isotherm) 형태의 흡착등온식이 사용되었으나, 이와 같은 연장흡착등온식은 다중 성분에 대해서 잘 맞으면서 넓은 농도 범위에 걸쳐서 적절하게 예측할 수 있어야 한다는 파라-자일렌 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법에 사용되는 흡착등온식으로서는 부적합하여, 종래의 흡착등온식을 탑재한 파라-자일렌 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법으로는 정확한 흡착챔버의 성능 예측 결과를 제시하는 것이 거의 불가능하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법에 사용되던 종래의 흡착등온식을 개선하여, 더 정확한 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법은, 흡착등온식을 사용하는 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법에 있어서, 상기 흡착등온식의 흡착평형상수가 다음의 식 (1)로 나타내어지는 것을 특징으로 한다:

(1)

여기에서 K는 흡착평형상수(K_{i , 0}는 i성분 단독의 흡착평형상수), ω는 상호작용 에너지, q^*는 흡착량이다.

흡착등온식은 일정한 온도에서 흡착제의 흡착능력을 표현한 식으로서, 흡착평형상태에서 특정성분의 흡착량 q_i ^* 및 액상농도 C_i의 관계식으로 표현된다. 일반적으로 프로인틀리히(Freundlich) 흡착등온식, 랭뮤어(Langmuir) 흡착등온식이 주로 사용된다.

이하에서는, 랭뮤어 흡착등온식을 사용하여 본 발명을 설명하나, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

랭뮤어 흡착등온식은 다음의 식 (2)로 표시할 수 있다.

(2)

여기에서, q_mi ^* 는 i성분의 최대흡착량이며, K는 흡착평형상수이다.

상기 랭뮤어 흡착등온식에 있어서, 종래에는 K_i는 상수로서 취급되어 왔으나, 본 발명에서는 다중성분 흡착계에 있어서, 흡착평형상수는 상수 형태가 아니라, 흡착상에서의 다른 성분들의 농도에 영향을 받을 것에 착안하여, 상기 식 (1)에 나타난 바와 같이, 흡착평형상수를 흡착상의 다른 성분들의 농도의 함수 형태로 표현하였다.

이하 실시예에 의해 본 발명을 상세하게 설명하나, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예

도 1에 나타난 바와 같은 구성을 갖는 흡착장치를 통해, 하기 표 1의 기재된 바와 같이, 파라-자일렌과 PDEB의 농도변화에 따른 흡착량의 변화를 측정하였다.

[표 1]

농도(중량%)		흡착량(g/g흡착제)
파라-자일렌	PDEB	파라-자일렌	PDEB
0	37.72	0	0.14023
10.82	25.85	0.02298	0.11818
20.16	16.54	0.05711	0.08363
28.25	8.33	0.09966	0.04153
37.02	0	0.13719	0

상기 측정한 실험 데이터를 근거로, 본 발명에 따른 흡착평형상수를 구하여, 이중성분 흡착등온식에 대입하여 상기 흡착실험을 모사하였다. 여기에서, 파라-자일렌과 PDEB의 최대 흡착량은 상기 실험 데이터와 같고, K_PX = 2.6211L/g, K_PDEB = 6.4733L/g, ω_{PX , PDEB} = 0.7, ω_{PDEB , PX} = 6.9이다.

상기 실험 데이터와 본 발명에 따른 모사 결과를 비교한 그래프를 도 5에 나타내었다.

비교예

종래의 흡착평형상수(즉, ω_{PX , PDEB} = 0, ω_{PDEB , PX} = 0)를 적용한 것을 제외하고는, 실시예1과 동일한 조건으로 표 1에 나타난 흡착실험을 모사하였다. 상기 실험데이터와 비교예에 따른 모사 결과를 비교한 그래프를 도 6에 나타내었다.

도 5를 살펴보면, 넓은 농도 범위에 걸쳐 모사결과가 실험데이터와 거의 일치함을 알 수 있는 반면, 도 6을 살펴보면 좋지 못한 모사 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.

본 발명의 모사방법은 다중 성분계에서도 충분히 적용할 수 있는 바, 본 발명의 흡착평형상수를 흡착상의 농도의 함수 형태로 하는 것을 특징으로 하는 흡착등온식을 파라-자일렌 분리를 위한 액상 유사 이동층 흡착분리공정의 모사 방법에 적용하면 분리코자 하는 각 성분의 넓은 농도 범위에 걸쳐서 신뢰도 있는 모사 결과를 제공함으로써 적정 수준 이상의 제품 순도를 확보하면서 생산성을 극대화하는 운전조건 최적화를 이룰 수 있다.

도 1은 본 발명의 대상 시스템인 유사 이동층 흡착 분리 공정 장치의 개략도이다.

도 2a 및 도 2b는 흡착챔버 그리드 구조의 개략도이다.

도 3은 파라-자일렌 유사 이동층 흡착 분리 공정 흡착챔버의 전형적인 축방향에 따른 각 성분 별 농도분포를 도시한 그래프이다.

도 4는 단일 성분의 흡착등온식을 구하기 위한 실험데이터를 도시한 그래프이다.

도 5는 이중 성분의 흡착등온식을 구하기 위한 실험데이터와 본 발명에 따른 개선된 흡착등온식에 의한 모사 결과를 비교하여 도시한 그래프이다.

도 6은 이중 성분의 흡착등온식을 구하기 위한 실험데이터와 종래 기술에 의한 흡착등온식에 의한 모사 결과를 비교하여 도시한 그래프이다.

Claims (3)

1. 흡착등온식을 사용하는 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법에 있어서, 상기 흡착등온식의 흡착평형상수가 다음의 식 (1)로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법:

   (1)

   여기에서 K는 흡착평형상수(K_{i , 0}는 i성분 단독의 흡착평형상수), ω는 상호작용 에너지, q^*는 흡착량이다.
2. 제1항에 있어서, 상기 흡착등온식은 랭뮤어 흡착등온식인 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 유사 이동층 흡착 분리 공정은 파라-자일렌의 분리를 위해 사용되는 것임을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정의 모사 방법.