KR102384964B1 - 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치 및 이 장치를 이용한 부탄올의 분리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 목질계 및 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 추출/증류 복합 공정에서 1-헵탄올 추출용매를 사용하여 부탄올을 추출하는 것을 특징으로 하는 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치 및 이 장치를 이용한 부탄올의 분리방법에 관한 것으로, 추출 및 증류에 의해 목질계 및 해양 바이오매스로부터 부탄올의 분리조작 시 소비되는 에너지의 절감 효율이 높은 것을 특징으로 하는 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높고, 분리조작 시 소비되는 에너지의 소비가 적어 경제적인 효과가 있다.
Description
본 발명은 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치 및 이 장치를 이용한 부탄올의 분리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 목질계 및 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 추출/증류 복합 공정에서 1-헵탄올 추출용매를 사용하여 부탄올을 추출함으로써, 분리되는 부탄올의 농도 및 분리 효율이 높고, 부탄올의 분리조작 시 소비되는 에너지의 절감 효율이 높은 것을 특징으로 하는 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치 및 이 장치를 이용한 부탄올의 분리방법에 관한 것이다.
목질계 및 해양 바이오매스로부터 분리한 바이오에탄올은 그동안 재생 가능한 액체 공급원 중에서 매우 인기 있는 자동차 연료로 알려져 왔지만 바이오에탄올의 대체 가능한 연료로서 비특허문헌 1에 바이오부탄올의 에너지 함량이 바이오에탄올보다 높고 공연비가 가솔린과 유사하여 현재의 자동차 엔진 및 연료 처리 인프라와의 호환성을 보장하는 것으로 연구결과가 발표된 바 있다.
목질계 및 해양 바이오매스로부터 바이오부탄올을 분리하는 기술로서, 특허문헌 1에 도 1로 도시한 바와 같이 공정을 거쳐 바이오매스 유래 단당류 화합물을 발효하여 생성시킨 n-부탄산 발효액으로부터 분리정제한 n-부탄산 정제액을 루테늄계 촉매 또는 구리계 촉매 상에서 기상 수소화 반응에 의해 고순도 부탄올을 제조하는 공정이 알려져 있고, 특허문헌 2에 도 2로 도시한 바와 같이 공정을 거쳐 비셀룰로오스계 바이오매스를 발효조(F1)에서 발효시켜 부탄올을 포함한 발효 브로스를 용매추출유닛(MSE1)에서 추출용매로서 2,6-디메틸-4-헵탄올을 사용하여 부탄올을 추출하는 기술이 알려져 있다.
바이오부탄올은 바이오에탄올보다 자동차 연료로 사용하기에는 기술적 이점이 있음에도 불구하고 부탄올이 저함량인 목질계 및 해양 바이오매스로부터 바이오부탄올을 분리하려면 휘발성이 낮기 때문에 바이오에탄올의 분리 시 보다 더 많은 에너지가 필요로 하며, 특히 목질계 및 해양 바이오매스 공급물은 아세톤, 부탄올, 에탄올 성분이 혼합되어 함유된 ABE 발효 생성물로서, 최대 90 중량%의 물을 함유하므로 물과 섞여 있는 아세톤과 에탄올로부터 부탄올을 분리하기 위해서는 보다 복잡한 공정이 추가되어야 하는 문제점이 있다.
한편, 상기에서 설명한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 추출 증류 공정에 의해 부탄올을 분리하는 방법을 살펴보면, 비특허문헌 2에 기존의 증류는 부탄올 회수에 많은 에너지가 필요하기 때문에 올레일 알코올, 1-옥탄올, 1-도데칸올 및 2-에틸-1-헥산올과 같은 용매 추출제를 사용하여 추출 또는 부탄올 액액분리가 정제 공정에 사용되는 기술로 알려져 있지만, 상기와 같은 종래의 부탄올 분리장치를 이용하여 부탄올 추출 분리하는 방법은 추출용제를 사용하여도 물의 제거가 충분하지 못하므로 증류탑의 부하가 매우 커서 공정에서 다량의 에너지를 사용하게 되고 이에 따라 분리공정의 운전 경비가 많이 소요되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명자는 상기와 같은 문제점들을 개선하고자 추출 용제에 의한 부탄올의 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치 및 이 장치를 이용한 부탄올의 분리방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
Organosolv pretreatment of rice straw for efficient acetone, butanol, and ethanol production [H. Amiri, K. Karimi, H. Zilouei, Bioresour. Technol.2014, 152, 450-456.]
Biobutanol - An impending biofuel for future: A review on upstream and downstream processing tecniques [B. Bharathiraja, J. Jayamuthunagai, T. Sudharsanaa, A. Bharghavi, R. Praveenkumar, M. Chakravarthy, D. Yuvaraj, Renew. Sust. Energy Rev.2017, 68, 788-807.]
상기와 같은 문제점들을 개선하기 위한 방안으로, 본 발명은 목질계 및 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 추출탑에서 추출용제를 이용하여 다량으로 혼합된 물을 분리함으로써, 추출 및 증류에 의해 목질계 및 해양 바이오매스로부터 부탄올의 분리조작 시 소비되는 에너지의 절감 효율이 높은 것을 특징으로 하는 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치 및 이 장치를 이용한 부탄올의 분리방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치는 탑 내에 유입되는 원료(F)를 순환 추출용매(SR)로 추출하여 생성물(P)과 부산물(Sp) 및 순환 추출용매(SR)가 혼합된 혼합물(C1)을 상부단에서 분리하고, 폐액(Ww)과 부산물(Sp)이 혼합된 혼합물(C4)을 하부단에서 분리하는 추출탑(Ex); 상기 추출탑(Ex)의 상부단으로부터 이송되어 탑내로 유입되는 혼합물(C1)을 증류하여 생성물(P) 및 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C2)을 탑정에서 분리하고, 순환 추출용매(SR)를 탑저에서 분리하는 제1 증류탑(DC I); 상기 제1 증류탑(DC I)으로부터 이송되어 탑내로 유입되는 혼합물(C2)을 증류하여 생성물(P)을 탑저에서 분리하고, 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C3)을 탑정에서 분리하는 제2 증류탑(DC Ⅱ); 별도로, 상기 추출탑(Ex)의 하부단으로부터 이송되어 탑내로 유입되는 혼합물(C4)을 증류하여 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C5)을 탑정에서 분리하고, 폐액(Ww)을 탑저에서 분리하는 제3 증류탑(DC Ⅲ); 상기 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로부터 이송되어 탑내로 유입된 혼합물(C5)과 상기 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로부터 이송되어 탑내로 유입된 혼합물(C3)을 증류하여 제1 부산물(Sp I)을 탑정에서 분리하고, 제2 부산물(Sp Ⅱ)이 함유된 혼합물(C6)을 탑저에서 분리하는 제4 증류탑(DC Ⅳ); 및, 상기 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로부터 이송되어 탑내로 유입된 혼합물(C6)을 증류하여 제2 부산물(Sp Ⅱ)을 탑정에서 분리하고, 순환액(RL)을 탑저에서 분리하는 제5 증류탑(DC Ⅴ); 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 증류탑(DC Ⅱ)의 탑저에서 분리되는 생성물(P)은 부탄올이고, 상기 제4 증류탑(DC Ⅳ)의 탑정에서 분리되는 제1 부산물(Sp I)은 아세톤인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제5 증류탑(DC Ⅴ)의 탑정에서 분리되는 제2 부산물(Sp Ⅱ)은 에탄올이고, 상기 제5 증류탑(DC Ⅴ)의 탑정에서 분리되는 순환액(RL)은 추출탑(Ex)으로 재순환되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리방법은 추출탑(Ex) 내에 유입되는 원료(F)를 순환 추출용매(SR)를 이용하여 폐액(Ww)이 주성분인 혼합물(C4)을 하부단에서 분리하고, 생성물(P)과 부산물(Sp) 및 순환 추출용매(SR)가 혼합된 혼합물(C1)을 상부단에서 추출하는 추출단계(P100); 상기 추출탑(Ex)의 상부로부터 이송되어 제1 증류탑(DC I) 내로 유입된 상기 혼합물(C1)을 증류하여 탑저에서 순환 추출용매(SR)를 분리하여 추출탑(Ex)으로 이송하고, 생성물(P) 및 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C2)을 탑정에서 분리하여 다음 공정으로 이송하는 제1 증류단계(P200); 상기 제1 증류탑(DC I)으로부터 이송되어 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내로 유입된 상기 혼합물(C2)을 증류하여 생성물(P)을 탑저에서 외부로 분리하고, 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C3)을 탑정에서 분리하여 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로 이송하고, 제2 증류단계(P300); 별도로 상기 추출탑(Ex)의 하부로부터 이송되어 제3 증류탑(DC Ⅲ) 내로 유입된 상기 혼합물(C4)을 증류하여 폐액(Ww)을 탑저에서 외부로 분리하고, 별도로 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C5)을 탑정에서 분리하여 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로 이송하는 제3 증류단계(P400);
제4 증류탑(DC Ⅳ) 내에 유입된 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로부터 이송된 혼합물(C3)과 상기 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로부터 이송된 혼합물(C5)을 증류하여 탑정에서 제1 부산물(Sp I)을 외부로 분리하고, 제2 부산물(Sp Ⅱ)이 함유된 혼합물(C6)을 탑저에서 분리하여 제5 증류탑(DC Ⅴ)으로 이송하는 제4 증류단계(P500); 및, 상기 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로부터 이송되어 제5 증류탑(DC Ⅴ) 내로 유입된 상기 혼합물(C6)을 증류하여 탑정에서 제2 부산물(Sp Ⅱ)을 탑정에서 외부로 분리하고, 순환액(RL)을 탑저에서 분리하여 추출탑(Ex)으로 이송하여 순환시키는 제5 증류단계(P600); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 추출단계(P100)에서, 원료(F)는 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물이고, 순환 추출용매(SR)는 1-헵탄올이고, 생성물(P)은 부탄올, 제1 부산물(Sp I)은 아세톤, 제2 부산물(Sp Ⅱ)은 에탄올인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 추출 및 증류에 의해 목질계 및 해양 바이오매스로부터 부탄올의 분리조작 시 소비되는 에너지의 절감 효율이 높은 것을 특징으로 하는 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높고, 분리조작 시 소비되는 에너지의 소비가 적어 경제적인 효과가 있다.
도 1, 2는 종래의 방법에 의해 바이오매스로부터 발효 공정에 의해 바이오부탄올을 분리하는 공정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 추출 및 증류 공정에 의해 목질계 및 해양 바이오매스로부터 바이오부탄올을 분리하는 공정을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 목질계 및 해양 바이오매스로부터 바이오부탄올을 분리하는 공정을 설명하기 위한 공정블럭 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 추출 및 증류 공정에 의해 목질계 및 해양 바이오매스로부터 바이오부탄올을 분리하는 공정을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 목질계 및 해양 바이오매스로부터 바이오부탄올을 분리하는 공정을 설명하기 위한 공정블럭 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하고 있다. 한편, 각 도면 및 상세한 설명에서 일반적인 부탄올 분리공정 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 그리고 본 발명은 부탄올을 분리 공정설계 결과를 제시하고, 종래의 공정과 비교하여 아래의 내용과 같이 설명하고자 한다.
본 발명의 명세서에 기재된 용어 중 원료(F)는 부탄올, 아세톤, 에탄올 및 물이 혼합된 혼합물이고, 생성물(P)은 주성분인 부탄올과 소량의 추출용매인 1-헵탄올이 혼합된 혼합물이며, 제1 부산물(Sp I)은 주성분인 아세톤과 소량 성분인 에탄올 및 물이 혼합된 혼합물이며, 제2 부산물(Sp Ⅱ)은 주성분이 에탄올과 소량 성분아세톤 및 물이 혼합된 혼합물이며, 순환액(RL)은 주성분인 부탄올과 소량 성분인 에탄올과 1-헵탄올과 다량의 물이 혼합된 혼합물이며, 폐액(Ww)은 다량의 물에 소량의 아세톤 및 에탄올이 혼합된 혼합물이지만 본 발명의 명세서의 기재 내용에서 문맥의 흐름이 자연스럽도록 하기 위해 상기의 혼합물들을 각각 원료(F), 생성물(P), 제1 부산물(Sp I), 제2 부산물(Sp Ⅱ), 순환액(RL) 및 폐액(Ww)이라 명명한다.
그리고 본 발명의 명세서에서 '탑정' 및 '탑저'라 함은 '탑의 윗면' 및 '탑의 아랫면'을 각각 의미하며, '상부단' 및 '하부단'이란 탑 내부에 구성된 단들 중에서 탑의 윗 부분 또는 아랫 부분에 해당되는 부분을 의미하고, '중간단'이란 상부단과 하부단 사이에 위치하는 탑의 중간 부분에 위치하는 단을 의미한다.
참고로, 본 발명에 따른 부탄올 분리장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 추출탑(Ex)의 상부에 응축기가 설치되고, 제1 증류탑(DC I) 내지 제5 증류탑(DC Ⅴ)의 상부에는 응축기, 하부에는 재비기가 각각 설치되어진다.
본 발명에 따른 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치(이하, '부탄올 분리장치'라 한다)는 도 3에 도시된 바와 같이, 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물로서, 부탄올, 아세톤, 에탄올 및 물이 혼합된 혼합물을 원료(F)로 사용함에 따라 생성물(P)인 부탄올과 부산물(Sp I)인 아세톤과 에탄올의 3 성분을 각각 분리함에 따라 1개의 추출탑(Ex) 및 5개의 증류탑인 제1 증류탑(DC I) 내지 제5 증류탑(DC Ⅴ)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 상기 추출탑(Ex) 및 제1 증류탑(DC I) 내지 제5 증류탑(DC Ⅴ)에 대하여 구체적으로 설명하면 아래의 내용과 같다.
추출탑(Ex)은 탑 내에 유입되는 원료(F)를 순환 추출용매(SR)로 추출하여 생성물(P)과 부산물(Sp) 및 순환 추출용매(SR)가 혼합된 혼합물(C1)과 폐액(Ww)과 부산물(Sp)이 혼합된 혼합물(C4)을 분리하는 탑으로, 상부단으로 원료(F) 및 순환액(RL)이 탑 내로 유입되고, 하부단으로 순환 추출용매(SR)가 탑 내로 유입되는 구조의 탑이다.
본 발명에 적용하는 원료(F)는 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물로서, 부탄올, 아세톤, 에탄올 및 물이 혼합된 혼합물이고, 순환 추출용매(SR)는 1-헵탄올이며, 부탄올의 분리장치 내를 순환하는 순환액(RL)은 주성분인 부탄올과 소량 성분인 에탄올과 1-헵탄올과 다량의 물이 혼합된 혼합물이다.
따라서, 추출탑(Ex)은 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물의 원료(F)를 순환 추출용매(SR)를 이용하여 탑의 상부단에서 생성물(P) 및 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C1)을 추출하여 제1 증류탑(DC I)으로 이송하고, 탑의 하부단에서 다량의 폐액(Ww)과 소량의 부산물(Sp)이 혼합된 혼합물(C4)을 분리하여 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로 이송하는 작용을 한다.
제1 증류탑(DC I)은 상기 추출탑(Ex)으로부터 이송되어 탑내의 중간단으로 유입된 생성물(P) 및 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C1)을 증류하여 탑정에서 생성물(P)과 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C2)을 분리하여 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로 이송하고, 탑저에서 순환 추출용매(SR)를 분리하여 추출탑(Ex)으로 재순환시키는 작용을 한다.
이때, 추출탑(Ex)으로 재순환되는 순환 추출용매(SR)는 생성물(P)의 생성 시에 부탄올과 함께 1-헵탄올이 소량 혼합되어 분리되므로 부탄올 분리장치 내를 순환하는 순환 추출용매(SR)의 순환량에 손실이 발생되므로, 이를 보충하기 위해 순환 추출용매(SR)가 추출탑(Ex)으로 재순환되는 과정에서 손실되는 순환 추출용매(SR)의 손실량에 대응되는 양의 보충 추출용매(Mu)를 공급하여 순환 추출용매(SR)의 손실량을 채워준다.
제2 증류탑(DC Ⅱ)은 상기 제1 증류탑(DC I)으로부터 이송되어 탑내의 중간단으로 유입된 생성물(P) 및 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C2)을 증류하여 탑정에서 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C3)을 분리하여 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로 이송하고, 탑저에서 생성물(P)을 분리하는 작용을 한다.
상기 제2 증류탑(DC Ⅱ)에서 분리되는 생성물(P)은 생성물(P)은 주성분인 부탄올과 소량의 추출용매인 1-헵탄올이 혼합된 혼합물이다.
한편, 제3 증류탑(DC Ⅲ)은 상기 추출탑(Ex)으로부터 이송되어 탑내의 중간단으로 유입되는 폐액(Ww)과 부산물(Sp)이 혼합된 혼합물(C4)을 증류하여 탑정에서 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C5)을 분리하여 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로 이송하고, 탑저에서 다량의 물에 소량의 아세톤 및 에탄올이 혼합된 혼합물인 폐액(Ww)을 분리한다.
제4 증류탑(DC Ⅳ)은 탑 내의 중간단으로 유입되는 상기 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로부터 이송된 혼합물(C5)과 상기 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로부터 이송된 혼합물(C3)을 증류하여 탑정에서 제1 부산물(Sp I)을 분리하고, 탑저에서 제2 부산물(Sp Ⅱ)이 함유된 혼합물(C6)을 분리하여 제5 증류탑(DC Ⅴ)으로 이송하는 작용을 한다.
이때 제4 증류탑(DC Ⅳ)에서 분리되는 제1 부산물(Sp I)은 주성분인 아세톤과 소량 성분인 에탄올 및 물이 혼합된 혼합물이다.
그리고 제5 증류탑(DC Ⅴ)은 상기 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로부터 이송된 혼합물(C6)을 증류하여 탑정에서 제2 부산물(Sp Ⅱ)을 분리하고, 탑저에서 순환액(RL)을 분리시켜 추출탑(Ex)으로 순환시키는 작용을 한다.
상기 제5 증류탑(DC Ⅴ)에서 분리되는 제2 부산물(Sp Ⅱ)은 주성분이 에탄올과 소량 성분아세톤 및 물이 혼합된 혼합물이며, 순환액(RL)은 주성분인 부탄올과 소량 성분인 에탄올과 1-헵탄올과 다량의 물이 혼합된 혼합물이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부탄올의 분리장치를 사용하여 부탄올을 분리하는 방법을 첨부된 도면인 도 3 및 도 4를 중심으로 구체적으로 설명하면 아래의 내용과 같다.
본 발명에 따른 각 공정들의 구성 장치 및 화합물들에 대한 설명은 상기 부탄올의 분리장치의 설명시 상세히 설명하였으므로, 아래에서는 각 공정들의 구성장치와 화합물 및 혼합물에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 부탄올의 분리 방법은 추출단계(P100) 및 제1 증류단계(P200) 내지 제5 증류단계(P500)로 이루어진다.
추출단계(P100)는 추출탑(Ex) 내에 유입된 원료(F)를 순환 추출용매(SR)를 이용하여 물(Ww)이 주성분인 혼합물(C4)을 분리하고, 생성물(P)과 부산물(Sp) 및 순환 추출용매(SR)가 혼합된 혼합물(C1)을 추출하는 단계이다.
제1 증류단계(P200)는 상기 추출탑(Ex)의 상부로부터 이송되어 제1 증류탑(DC I) 내로 유입된 상기 혼합물(C1)을 증류하여 순환 추출용매(SR)를 분리하여 추출탑(Ex)으로 이송하고, 생성물(P) 및 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C2)을 분리하여 다음 공정으로 이송하는 단계이다.
이때, 상기 제1 증류단계(P200)는 생성물(P) 및 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C2)의 분리와 동시에 탑저로부터 분리되는 순환 추출용매(SR)가 추출탑(Ex)로 순환되어진다.
제2 증류단계(P300)는 상기 제1 증류탑(DC I)으로부터 이송되어 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내로 유입된 상기 혼합물(C2)을 증류하여 생성물(P)을 외부로 분리하고, 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C3)을 분리하여 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로 이송하는 단계이다.
제3 증류단계(P400)는 별도로 상기 추출탑(Ex)의 하부로부터 이송되어 제3 증류탑(DC Ⅲ) 내로 유입된 상기 혼합물(C4)을 증류하여 물(Ww)을 외부로 분리하고, 부산물(Sp)이 함유된 혼합물(C5)을 분리하여 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로 이송하는 단계이다.
제4 증류단계(P500)는 제4 증류탑(DC Ⅳ) 내에 유입된 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로부터 이송된 혼합물(C3)과 상기 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로부터 이송된 혼합물(C5)을 증류하여 탑정에서 제1 부산물(Sp I)을 외부로 분리하고, 제2 부산물(Sp Ⅱ)이 함유된 혼합물(C6)을 분리하여 제5 증류탑(DC Ⅴ)으로 이송하는 단계이다.
제5 증류단계(P600)는 상기 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로부터 이송되어 제5 증류탑(DC Ⅴ) 내로 유입된 상기 혼합물(C6)을 증류하여 탑정에서 제2 부산물(Sp Ⅱ)을 외부로 분리하고, 순환액(RL)을 분리하여 추출탑(Ex)으로 이송하여 순환시키는 단계이다.
이때, 상기 제5 증류단계(P600)는 탑정에서 제2 부산물(Sp Ⅱ)이 분리되는 동시에 탑저로부터 분리되는 순환액(RL)DL 추출탑(Ex)로 재순환되어진다.
상기에서 설명드린 바와 같이, 본 발명에 따른 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치 및 분리방법은 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 추출 분리 기술을 적용하여 추출탑에서 추출용매를 이용하여 해양 바이오매스 개질반응 생성물에 함유된 대량의 물을 저비용으로 효율적으로 제거하여 부탄올을 분리함으로써, 부탄올의 분리 효율이 높고, 분리조작 시 소비되는 에너지의 소비가 적어 경제적인 효과가 있다.
이하 본 발명에 따른 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리방법을 하기의 실시 예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 하기의 실시 예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니다.
1. 원료(F)의 조성
본 실시 예에서 사용되는 원료(F)는 아래 [표 1]에 기재된 내용의 목질계 또는 해양 바이오매스 생성물을 사용하였다.
| 항목 | 조성(kg/h) |
| 아세톤(Acetone) | 450 |
| 에탄올(EtOH) | 90 |
| 물(Water) | 7,600 |
| 부탄올(BuOH) | 1,860 |
2. 추출증류를 이용한 부탄올의 분리
본 실시예는 상기 1의 조건을 갖는 원료(F)인 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 사용하고, 도 3에 도시된 바와 같은 부탄올의 분리장치에서 원료(F)로부터 추출용매는 1-헵탄올(HeptOH)을 사용하여 부탄올을 분리시켰다.
아래 [표 2]는 본 발명에 따른 부탄올의 분리장치의 공정설계 결과를 제시하였다.
그리고, 원료(F)의 조성과 함께 부탄올을 생산하기 위해서는 장치의 운전조건을 계산하였다. 운전조건을 계산하기 위하여 아래 [표 2]의 내용과 같은 추출탑(Ex) 및 제1 증류탑(DC I) 내지 제5 증류탑(DC Ⅴ)으로 이루어진 부탄올의 분리장치에 여러 가지 운전조건을 사용하였을 때의 증류계산을 반복 실시하여 요구되는 제품을 생산하면서 에너지 사용이 가장 적은 조건을 찾았다. 이러한 계산을 위해 본 발명에서는 상업용 계산 프로그램인 아스펜플러스(Aspen Plus)를 사용하였으며 아래 [표 2]의 운전조건에서 요구되는 생성물이 얻어진다
| 구분 | 추출탑 | 제1 증류탑 | 제2 증류탑 | 제3 증류탑 | 제4 증류탑 | 제5 증류탑 |
| 구 조 | ||||||
| 단수 | 12 | 23 | 28 | 13 | 36 | 30 |
| 원료(F) | 1 | 11 | 14 | 6 | 16 | 13 |
| 추출용매(SR) | 12 | - | - | - | - | - |
| 순환액(RL) | 2 | - | - | - | - | - |
| 조작 변수 | ||||||
| 압력(MPa)- top | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 온 도 (℃) | ||||||
| 상부 | 25 | 86.8 | 81.2 | 59.9 | 55.8 | 78.2 |
| 하부 | 25 | 177.4 | 119.9 | 100.8 | 90.5 | 93.6 |
| F(kg/h) | 10,000 | 4,312 | 3,385 | 7,934 | 1,843 | 1,390 |
| SR(kg/h) | 927.3 | - | - | - | - | - |
| Mu(kg/h) | 0.3 | - | - | - | - | - |
| R(kg/h) | 1,317 | - | - | - | - | - |
| 생성물 (kg/h) | ||||||
| 상부 | 4,310 | 3,385 | 1,525 | 317 | 453 | 72.7 |
| 하부 | 7,934 | 927 | 1,860 | 7,617 | 1,390 | 1,317 |
| 환류유량(kg/h) | - | 4,063 | 140 | 1,095 | 2,174 | 2,217 |
| 증기유량(kg/h) | - | 3,524 | 2,180 | 517 | 632 | 1,593 |
| 냉각용량(MW) | - | -0.98 | -0.53 | -0.28 | -0.32 | -0.59 |
| 가열용량(MW) | - | 0.39 | 0.35 | 0.32 | 0.24 | 0.60 |
| 회수열용량(MW) | -0.12 | 0.94 | 0.21 | 0.65 | 0.09 | |
| 원료 조성 (mass frac.) | ||||||
| 부탄올/에탄올 | 0.186 | 0.6028 | 0.7678 | 0.006 | 0.0419 | 0.0553 |
| 생성물 | 탑정 | 탑정 | 탑저 | 탑정 | 탑정 | 탑정 |
| 부탄올/에탄올 | 0.6028 | 0.7678 | 0.9998 | 0.0839 | 0.0553 | 0.9216 |
본 발명에 따른 부탄올 분리공정의 투자와 운전비용에 대한 경제성 평가를 다음 절차를 이용하여 계산하였다. 분리시스템의 비용은 탑과 관련설비의 제작비와 운전경비로 구성된다. 공정 운전은 하루 24시간, 1년에 330일 운전하는 것을 기준으로 하였다. 아래 [표 3]에는 본 발명에 따른 부탄올 분리장치에 대한 계산된 설비비와 운전경비에 대한 경제성 평가에 대하여 나타내었다.
| 구분 | 추출탑 | 제1 증류탑 | 제2 증류탑 | 제3 증류탑 | 제4 증류탑 | 제5 증류탑 |
| 투자비 | ||||||
| 컬럼 | 0.119 | 0.413 | 0.122 | 0.048 | 0.134 | 0.139 |
| 내부단 | 0.006 | 0.007 | 0.006 | 0.002 | 0.006 | 0.007 |
| 냉각기 | - | 0.214 | 0.144 | 0.093 | 0.104 | 0.154 |
| 재비기 | - | 0.062 | 0.058 | 0.054 | 0.045 | 0.082 |
| 중간가열기/냉각기 | 0.055 | 0.110 | 0.041 | 0.086 | 0.024 | - |
| 소계 | 0.18 | 0.806 | 0.371 | 0.283 | 0.313 | 0.242 |
| 합계 | 2.195 | |||||
| 운전 비용 | ||||||
| 증기비용 | - | 0.145 | 0.130 | 0.119 | 0.089 | 0.224 |
| 냉각수 비용 | - | 0.013 | 0.007 | 0.004 | 0.004 | 0.008 |
| 소계 | - | 0.158 | 0.137 | 0.123 | 0.093 | 0.232 |
| 합계 | 0.743 | |||||
상기 [표 3]의 내용에 의하면, 본 발명에 따른 부탄올 분리장치의 운전비용은 부탄올 분리장치의 통상적인 내구연한 20년 이상인 점을 고려할 경우 경제적인 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치 및 이 장치를 이용한 부탄올의 분리방법을 설명하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
Ex : 추출탑 DC I : 제1 증류탑
DC Ⅱ : 제2 증류탑 DC Ⅲ : 제3 증류탑
DC Ⅳ : 제4 증류탑 DC Ⅴ : 제5 증류탑
F : 원료 SR : 순환 추출용매
RL : 순환액 P : 생성물
Sp : 부산물 Sp I : 제1 부산물
Sp Ⅱ : 제2 부산물 Mu : 보충 추출용매
Ww : 폐액
DC Ⅱ : 제2 증류탑 DC Ⅲ : 제3 증류탑
DC Ⅳ : 제4 증류탑 DC Ⅴ : 제5 증류탑
F : 원료 SR : 순환 추출용매
RL : 순환액 P : 생성물
Sp : 부산물 Sp I : 제1 부산물
Sp Ⅱ : 제2 부산물 Mu : 보충 추출용매
Ww : 폐액
Claims (10)
- 탑 내에 유입되는 원료(F)인 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 순환 추출용매(SR)인 1-헵탄올로 추출하여 생성물(P)인 부탄올과 부산물(Sp)인 아세톤과 에탄올 및 순환 추출용매(SR)인 1-헵탄올이 혼합된 혼합물(C1)을 상부단에서 분리하고, 폐액(Ww)과 부산물(Sp)인 아세톤과 에탄올이 혼합된 혼합물(C4)을 하부단에서 분리하는 추출탑(Ex);
상기 추출탑(Ex)의 상부단으로부터 이송되어 탑내로 유입되는 혼합물(C1)을 증류하여 생성물(P)인 부탄올 및 부산물(Sp)인 아세톤과 에탄올이 함유된 혼합물(C2)을 탑정에서 분리하고, 순환 추출용매(SR)인 1-헵탄올을 탑저에서 분리하는 제1 증류탑(DC I);
상기 제1 증류탑(DC I)으로부터 이송되어 탑내로 유입되는 혼합물(C2)을 증류하여 생성물(P)인 부탄올을 탑저에서 분리하고, 부산물(Sp)인 아세톤과 에탄올이 함유된 혼합물(C3)을 탑정에서 분리하는 제2 증류탑(DC Ⅱ);
별도로, 상기 추출탑(Ex)의 하부단으로부터 이송되어 탑내로 유입되는 혼합물(C4)을 증류하여 부산물(Sp)인 아세톤과 에탄올이 함유된 혼합물(C5)을 탑정에서 분리하고, 폐액(Ww)을 탑저에서 분리하는 제3 증류탑(DC Ⅲ);
상기 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로부터 이송되어 탑내로 유입된 혼합물(C5)과 상기 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로부터 이송되어 탑내로 유입된 혼합물(C3)을 증류하여 제1 부산물(Sp I)인 아세톤을 탑정에서 분리하고, 제2 부산물(Sp Ⅱ)인 에탄올이 함유된 혼합물(C6)을 탑저에서 분리하는 제4 증류탑(DC Ⅳ); 및,
상기 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로부터 이송되어 탑내로 유입된 혼합물(C6)을 증류하여 제2 부산물(Sp Ⅱ)인 에탄올을 탑정에서 분리하고, 순환액(RL)을 탑저에서 분리하는 제5 증류탑(DC Ⅴ);
으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 증류탑(DC I)의 탑저에서 분리되는 순환 추출용매(SR)는 추출탑(Ex)으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제5 증류탑(DC Ⅴ)의 탑정에서 분리되는 순환액(RL)은 추출탑(Ex)으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리장치.
- 추출탑(Ex) 내에 유입되는 원료(F)인 목질계 또는 해양 바이오매스 개질반응 생성물을 순환 추출용매(SR)인 1-헵탄올을 이용하여 폐액(Ww)이 주성분인 혼합물(C4)을 하부단에서 분리하고, 생성물(P)인 부탄올과 부산물(Sp)인 아세톤과 에탄올 및 순환 추출용매(SR) 1-헵탄올이 혼합된 혼합물(C1)을 상부단에서 추출하는 추출단계(P100);
상기 추출탑(Ex)의 상부로부터 이송되어 제1 증류탑(DC I) 내로 유입된 상기 혼합물(C1)을 증류하여 탑저에서 순환 추출용매(SR)인 1-헵탄올을 분리하여 추출탑(Ex)으로 이송하고, 생성물(P)인 부탄올 및 부산물(Sp)인 아세톤과 에탄올이 함유된 혼합물(C2)을 탑정에서 분리하여 다음 공정으로 이송하는 제1 증류단계(P200);
상기 제1 증류탑(DC I)으로부터 이송되어 제2 증류탑(DC Ⅱ) 내로 유입된 상기 혼합물(C2)을 증류하여 생성물(P)인 부탄올을 탑저에서 외부로 분리하고, 부산물(Sp)인 아세톤과 에탄올이 함유된 혼합물(C3)을 탑정에서 분리하여 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로 이송하는 제2 증류단계(P300);
별도로 상기 추출탑(Ex)의 하부로부터 이송되어 제3 증류탑(DC Ⅲ) 내로 유입된 상기 혼합물(C4)을 증류하여 폐액(Ww)을 탑저에서 외부로 분리하고, 별도로 부산물(Sp)인 아세톤과 에탄올이 함유된 혼합물(C5)을 탑정에서 분리하여 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로 이송하는 제3 증류단계(P400);
제4 증류탑(DC Ⅳ) 내에 유입된 제2 증류탑(DC Ⅱ)으로부터 이송된 혼합물(C3)과 상기 제3 증류탑(DC Ⅲ)으로부터 이송된 혼합물(C5)을 증류하여 탑정에서 제1 부산물(Sp I)인 아세톤을 외부로 분리하고, 제2 부산물(Sp Ⅱ)인 에탄올이 함유된 혼합물(C6)을 탑저에서 분리하여 제5 증류탑(DC Ⅴ)으로 이송하는 제4 증류단계(P500); 및,
상기 제4 증류탑(DC Ⅳ)으로부터 이송되어 제5 증류탑(DC Ⅴ) 내로 유입된 상기 혼합물(C6)을 증류하여 탑정에서 제2 부산물(Sp Ⅱ)인 에탄올을 탑정에서 외부로 분리하고, 순환액(RL)을 탑저에서 분리하여 추출탑(Ex)으로 이송하여 순환시키는 제5 증류단계(P600);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 1-헵탄올 추출에 의한 분리 효율이 높은 부탄올 분리방법. - 삭제
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2021
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