KR102464360B1 - The dehydration apparatus for organic solvent using membrane - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분리막을 이용한 유기용제 탈수장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게 설명하면 유기용제 공정인자 산출하기 위하여 유기용제를 사용하여 제올라이트 분리막의 탈수 성능평가를 통해 유기용제의 최적의 온도 조건을 도출하고 이를 통해 탈수 평가에 효율적인 제올라이트 분리막의 면적을 산출하여 최적화 운전 온도 조건을 설정하여 제올라이트 분리막 모듈을 통해 유기용제의 투과증발에 의한 투과플럭스와 선택도에 따라 제올라이트 분리막의 탈수 평가 성능을 확인하여 유기용제의 정화, 회수를 위한 에너지 절감형 분리 공정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an organic solvent dehydration apparatus using a separation membrane, and in more detail, the optimum temperature condition of the organic solvent is derived through the dehydration performance evaluation of the zeolite separation membrane using the organic solvent to calculate the organic solvent process factor, and this By calculating the area of the zeolite separation membrane that is effective for dehydration evaluation through It relates to an energy-saving separation process device for purification and recovery.
또한, 본 발명은 유기용제에서 물을 분리하여 보다 고순도의 유기용제를 얻을 수 있도록 하는 과정에서 제올라이트 분리막 모듈을 사용하여 보다 고순도의 유기용제의 탈수장치 및 그 방법을 제안할 수 있도록 하기 위하여 개발된 분리막을 이용한 유기용제 탈수장치에 관한 것이다.In addition, the present invention was developed to be able to propose a dehydration apparatus for a higher purity organic solvent and a method therefor using a zeolite separation membrane module in the process of separating water from an organic solvent to obtain a higher purity organic solvent. It relates to an organic solvent dehydration device using a separation membrane.
제올라이트(Zeolite)는 결정구조 내에 마이크로 기공을 포함하는 규산알루민산(Aluminosilicate) 광물로써, SiO2 일부가 Al2O3에 의해 치환되고 전기중성을 유지하기 위해 Na, K, Ca 등 알칼리금속 또는 알칼리토금속 이온을 포함하는 물질이다.Zeolite is an aluminosilicate mineral containing micropores in its crystal structure, in which a part of SiO 2 is substituted by Al 2 O 3 and an alkali metal or alkali such as Na, K, Ca, etc. to maintain electrical neutrality. A substance containing earth metal ions.
이와 같은 제올라이트는 산업적으로 촉매, 흡착제, 이온교환제 등으로 널리 사용되고 있는데, 최근 판형 또는 관형 다공성 α-Al2O3 또는 스테인레스 스틸(Stainless Steel) 지지체 표면에 제올라이트 분리층을 코팅하여 제올라이트 분리막을 제조하고 있다.Such zeolite is widely used industrially as a catalyst, adsorbent, ion exchanger, etc. Recently, a zeolite separation membrane is manufactured by coating a zeolite separation layer on the surface of a plate or tubular porous α-Al 2 O 3 or stainless steel support. are doing
이와 같은 제올라이트 분리막은 에너지, 환경, 화학, 생명의학 분야 등에서 유효물질 분리 공정에 사용되거나, 촉매와 혼성화하여 유효물질 합성을 증진시키는 막반응 공정에 널리 이용되고 있으며, 그 활용이 증가되고 있어 많은 주목을 받고 있다.Such a zeolite separation membrane is widely used in the separation process of active substances in the fields of energy, environment, chemistry, biomedical science, etc., or in the membrane reaction process that promotes the synthesis of active substances by hybridizing with catalysts, and its utilization is increasing. are receiving
또한, 제올라이트 분리막은 제올라이트 분리층의 결정상 종류에 따라서 LTA, MFI, FAU 제올라이트 분리막 등으로 분류될 수 있다.In addition, the zeolite separation membrane may be classified into LTA, MFI, FAU zeolite separation membranes, etc. according to the type of crystal phase of the zeolite separation layer.
물/에탄올 분리에 사용되는 분리막으로는 여러 가지가 있으나, 그 중에서도 에탄올의 정제를 위한 탈수를 위해서는 친수성이 좋은 분리막들이 많이 제조되어 사용되어 왔다.There are various types of separation membranes used for water/ethanol separation. Among them, many separation membranes with good hydrophilicity have been manufactured and used for dehydration for purification of ethanol.
일반적으로 에탄올은 각종 식물을 이용하여 먼저 당을 추출하고 이를 발효과정을 거치면 생산되는 것으로 최초 생산된 에탄올의 농도는 보통 25% 내외이며 이후 가열과정에 의하여 증류를 하면 95 ~ 96%의 농도를 가진 에탄올을 생산할 수 있다.In general, ethanol is produced by first extracting sugar using various plants and then fermenting it. The concentration of initially produced ethanol is usually around 25%, and after distillation by heating, it has a concentration of 95 to 96% Ethanol can be produced.
하지만 산업 현장에서는 보다 고순도의 에탄올을 필요로 하는 경우가 많으며 고순도의 에탄올을 얻기 위한 한 방법으로 막 분리법은 물은 투과하나 에탄올은 투과하지 못하는 막을 이용하여 탈수 즉 물을 분리하여 고순도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하는 방법이다.However, in industrial sites, more high-purity ethanol is often required, and as a method to obtain high-purity ethanol, the membrane separation method uses a membrane that is permeable to water but not permeable to ethanol, that is, dehydration, that is, water is separated to obtain high-purity ethanol. way to make it happen.
이에 대한민국특허등록 제10-1282237-0000호 (2013년06월28일) "NaA 제올라이트 분리막을 이용한 물/에탄올 분리 방법"에서는 선택도가 높고 플럭스가 낮은 1단계 모듈에 의하여 95 ~ 97%의 농도를 가지도록 탈수하고 그 다음에는 선택도가 낮고 플럭스가 높은 2단계 모듈에 의하여 97 ~ 100%의 농도를 가지도록 탈수하는 다른 성질의 분리막 모듈을 각각 통과하도록 하여 물과 에탄올을 분리하는 발명을 제안하였다.Accordingly, in the Republic of Korea Patent Registration No. 10-1282237-0000 (June 28, 2013) "Water/ethanol separation method using a NaA zeolite membrane", a concentration of 95 to 97% is achieved by a one-step module with high selectivity and low flux. We propose an invention that separates water and ethanol by passing each membrane module with different properties, which is dehydrated to have did.
하지만 서로 다른 성질의 분리막을 준비하는데 불편함이 있으며 유입되는 에탄올의 양과 압력에 따라 탈수 효과에서 큰 차이를 가져오기 때문에 용량을 늘이기 위하여 증설이 필요하지만 이 경우에도 두 가지의 분리막을 이용하여 설치해야 하므로 불편함이 있는 것이다.However, it is inconvenient to prepare membranes with different properties, and since there is a big difference in the dehydration effect depending on the amount and pressure of the ethanol introduced, it is necessary to expand the capacity to increase the capacity. So there is discomfort.
따라서, 본 출원인은 유기용제에서 물을 분리하기 위해 제올라이트 분리막 모듈을 통해 최적의 온도 조건 및 분리막의 면적을 설정하여 제올라이트 분리막 모듈을 통한 탈수 평가 성능을 확인하고자 한다.Therefore, the present applicant intends to confirm the dehydration evaluation performance through the zeolite separation membrane module by setting the optimal temperature conditions and the area of the separation membrane through the zeolite membrane module to separate water from the organic solvent.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 그 목적은 제올라이트 분리막 모듈을 통해 유기용제의 투과증발에 의한 투과플럭스와 선택도에 따라 제올라이트 분리막의 탈수 평가 성능을 확인하여 유기용제의 정화, 회수를 위한 에너지 절감형 분리 공정 장치를 개발하는 것에 있다.The present invention was developed to solve the above problems, and the purpose is to purify the organic solvent by checking the dehydration evaluation performance of the zeolite membrane according to the permeation flux and selectivity by pervaporation of the organic solvent through the zeolite membrane module. , to develop an energy-saving separation process device for recovery.
또한, 본 발명은 유기용제 공정인자 산출하기 위하여 유기용제를 사용하여 제올라이트 분리막의 탈수 성능평가를 통해 유기용제의 최적의 온도 조건을 도출하고 이를 통해 탈수 평가에 효율적인 제올라이트 분리막의 면적을 산출하여 최적화 운전 온도 조건을 설정하여 제올라이트 분리막을 통해 유기용제의 탈수 효능 및 결과를 도출하는데 있다.In addition, the present invention derives the optimal temperature condition of the organic solvent through the dehydration performance evaluation of the zeolite separation membrane using the organic solvent to calculate the organic solvent process factor, and through this, calculates the area of the zeolite separation membrane effective for dehydration evaluation. It is to derive the dehydration efficacy and results of the organic solvent through the zeolite membrane by setting the temperature conditions.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 분리막을 이용한 유기용제 탈수장치는 유기용제가 투입되는 투입구가 구비되어 투입구를 통해 투입된 유기용제를 내부 교반기를 통해 교반하고, 일측에 용기의 내부 압력을 확인하는 압력계(PG1)를 통해 압력이 5bar를 초과할 때 기체를 외부로 노출시켜 압력을 낮춰주는 안전밸브가 구비되고, 유기용제의 용액을 냉각시키기 위해 냉각장치를 거친 냉각수가 유입되는 냉각수 유입부(cw)와 냉각수 토출부(drain)가 구비되고, 냉각장치의 동작에 따라 냉각수의 순환이 원할한지를 확인하고 온도조절장치에 설정된 용기의 내부 온도가 100℃가 유지되도록 온도센서가 구비되는 Feed 탱크, 상기 Feed 탱크와 배관으로 연결되어 내부에 알루미나계 원료, 실리카계 원료 및 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)을 물에 녹인 수용액에 수산화알칼리금속 수용액 및 수산화알칼리토금속 수용액을 첨가, 혼합하고 숙성하여 수열용액(Hydrothermal Solution)이 되면 수열합성기에 넣고 수열용액 내에 분리막 성장을 위한 다공성 지지체를 담지시키고 수열처리하여 이온교환된 제올라이트 분리층이 다공성 지지체의 표면에 형성되는 730mm 길이의 제올라이트 분리막이 원통형으로 복수 개가 제올라이트 분리막 튜브의 여러 묶음으로 내장되고, 유입된 유기용제에 따른 제올라이트 분리막 튜브의 내부 압력을 측정할 수 있는 압력계가 구비되고, 일측으로는 유기용제 공급관로의 분기된 일 끝단이 Flexible SUS의 배관과 연결되어 Feed 탱크와 순환구조를 갖는 분리막 모듈, Feed 탱크와 분리막 모듈과 순환구조를 갖는 배관 일측에서 Feed 탱크, 분리막 모듈의 전단 배관 및 분리막 모듈 후단 배관 내 용액의 온도를 각각 측정하는 온도센서가 구비되고, Feed 탱크에 유입되어 교반기 통해 교반된 유기용제가 배관을 따라 분리막 모듈로 유입, 순환될 때 순환되는 유기용제의 유량값을 확인하기 위해 Feed 탱크와 분리막 모듈 사이에 유량계(Flowmeter)가 구비되고, Feed 탱크 내 유기용제에 따른 내부 압력 확인, 배관을 따라 분리막 모듈의 압력 확인을 위해 Feed 탱크와 분리막 모듈이 연결된 배관 사이의 일측에 구비되어 펌핑 동작을 통해 유기용제의 순환이 이루어지도록 하는 유량펌프을 구비하고, 상기 분리막 모듈의 투과증발 측정을 위해 분리막을 통해 투과된 투과물을 포집하는 진공트랩(Vacuum Trap), 진공트랩을 급속냉각시키는 액체질소트랩(Liquid N2 Trap)의 두 트랩과 분리막 모듈이 연결되고, 상기 진공트랩 후단에서 연결되어 분리막 모듈의 내부를 진공상태가 되도록 동작하는 진공펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an organic solvent dehydration apparatus using a separator according to an embodiment of the present invention is provided with an inlet through which the organic solvent is input, and the organic solvent introduced through the inlet is stirred through an internal stirrer, and the A safety valve is provided to lower the pressure by exposing the gas to the outside when the pressure exceeds 5 bar through the pressure gauge (PG1) that checks the internal pressure. A coolant inlet (cw) and a coolant outlet (drain) are provided, and the temperature sensor checks whether the circulation of the coolant is smooth according to the operation of the cooling device and maintains the internal temperature of the container set in the temperature control device at 100°C. The provided feed tank, connected to the feed tank and the pipe, an aqueous alkali metal hydroxide solution and an alkaline earth metal hydroxide aqueous solution are added, mixed and aged in an aqueous solution in which an alumina-based raw material, a silica-based raw material, and sodium hydroxide are dissolved in water. When it becomes a hydrothermal solution, it is put into a hydrothermal synthesizer, a porous support for membrane growth is supported in the hydrothermal solution, and an ion-exchanged zeolite separation layer is formed on the surface of the porous support by hydrothermal treatment. A plurality of zeolite membrane tubes are built in bundles, and a pressure gauge capable of measuring the internal pressure of the zeolite membrane tube according to the introduced organic solvent is provided. A temperature sensor that measures the temperature of the solution in the feed tank, the front end of the separation membrane module, and the rear end of the separation membrane module from one side of the separation membrane module connected to the pipe and having a feed tank and circulation structure, the feed tank and the separation membrane module and one side of the pipe having a circulation structure. is provided, and a flow meter (Flow) between the feed tank and the separation membrane module is provided to check the flow rate value of the circulating organic solvent when the organic solvent introduced into the feed tank and stirred through the agitator flows into and circulates along the pipe to the separation membrane module. meter) is provided, and it is provided on one side between the pipe to which the feed tank and the separation membrane module are connected to check the internal pressure according to the organic solvent in the feed tank and the pressure of the membrane module along the pipe, so that the circulation of the organic solvent through the pumping operation is A vacuum trap for collecting permeate that has passed through the separation membrane for measuring pervaporation of the membrane module, and a liquid nitrogen trap for rapidly cooling the vacuum trap. The two traps and the separation membrane module are connected, and it is connected at the rear end of the vacuum trap, and it is characterized in that it comprises a vacuum pump that operates so that the inside of the separation membrane module is in a vacuum state.
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상술한 바와 같이 본 발명에 따른 분리막을 이용한 유기용제 탈수장치는 유기용제 공정인자 산출하기 위하여 유기용제를 사용하여 제올라이트 분리막의 탈수 성능평가를 통해 유기용제의 최적의 온도 조건을 도출하고 이를 통해 탈수 평가에 효율적인 제올라이트 분리막의 면적을 산출하여 최적화 운전 온도 조건 설정을 통해 유기용제의 투과증발에 의한 투과플럭스와 선택도에 따라 제올라이트 분리막의 탈수 평가 성능을 확인하여 유기용제의 정화, 회수를 위한 에너지 절감형 분리 공정 장치를 제공할 수 있다.As described above, in the organic solvent dehydration apparatus using the separation membrane according to the present invention, the optimum temperature condition of the organic solvent is derived through the dehydration performance evaluation of the zeolite separation membrane using the organic solvent to calculate the organic solvent process factor, and through this, the dehydration evaluation Energy-saving type for purification and recovery of organic solvents by calculating the area of an efficient zeolite separation membrane in Separation process equipment may be provided.
도 1은 본 발명의 유기용제 수거를 위한 분리막을 이용한 유기용제 탈수장치의 구성을 도시한 개념도
도 2는 도 1에 따른 분리막 모듈의 배치 예를 나타낸 개념도
도 3은 도 1의 유기용제 탈수장치를 통해 구비된 제올라이트 분리막의 상태 이미지 사진
도 4는 도 1의 유기용제의 투과증발에 의한 Feed, 투과부 농도 변화상태 그래프
도 5는 도 1의 유기용제의 투과증발에 의한 투과 플럭스 및 선택도 변화상태 그래프
도 6은 도 1의 제올라이트 분리막의 성능평가에 따른 투과증발에 의한 Feed, 투과부 농도 변화상태 그래프
도 7은 도 1의 제올라이트 분리막의 성능평가에 따른 투과증발에 의한 투과 플럭스 및 선택도 변화상태 그래프
도 8은 본 발명에 따른 탈수 평가를 위한 유기용제의 제올라이트 분리막을 이용한 유기용제 투과증발 장치의 구성도
도 9는 도 8에 따른 제올라이트 분리막의 온도별 투과증발 거동의 Feed의 농도 변화와 투과부의 물 농도 변화 그래프
도 10은 도 8에 따른 제올라이트 분리막 탈수 성능평가의 투과플럭스 및 선택도 변화상태 그래프
도 11은 도 8에 따른 유량별 투과증발 거동의 유기용제의 농도변화 및 투과부의 물 농도변화 그래프
도 12는 도 8에 따른 제올라이트 분리막 탈수 성능평가의 투과증발에 의한 투과플럭스 및 선택도 1 is a conceptual diagram showing the configuration of an organic solvent dehydration device using a separation membrane for collecting organic solvents of the present invention;
2 is a conceptual diagram illustrating an arrangement example of the separation membrane module according to FIG. 1
Figure 3 is a state image photograph of the zeolite separation membrane provided through the organic solvent dehydration device of Figure 1;
4 is a graph showing the change state of the feed and the permeation part concentration by pervaporation of the organic solvent of FIG. 1;
5 is a graph showing a change state of permeation flux and selectivity by pervaporation of the organic solvent of FIG. 1;
Figure 6 is a graph of the state of change in feed and permeate concentration by pervaporation according to the performance evaluation of the zeolite separation membrane of Figure 1;
7 is a graph showing the change in permeation flux and selectivity by pervaporation according to the performance evaluation of the zeolite separation membrane of FIG. 1;
8 is a block diagram of an organic solvent pervaporation apparatus using a zeolite separation membrane for organic solvents for dehydration evaluation according to the present invention;
9 is a graph showing the change in the concentration of the feed and the change in the concentration of water in the permeate part of the pervaporation behavior by temperature of the zeolite separation membrane according to FIG. 8;
10 is a graph showing changes in the permeation flux and selectivity of the zeolite membrane dewatering performance evaluation according to FIG.
11 is a graph showing the change in concentration of organic solvent and change in concentration of water in the permeate portion of pervaporation behavior according to flow rate according to FIG. 8;
12 is a permeation flux and selectivity by pervaporation of the zeolite membrane dewatering performance evaluation according to FIG. 8
이에 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.Accordingly, the configuration of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily understand and reproduce with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 유기용제 탈수장치의 구성을 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1에 따른 유기용제 탈수장치의 제올라이트 분리막 모듈의 배치 구조를 도시한 것으로서, 첨부된 도 1 내지 도 2를 참조하면, 유기용제 탈수장치는 크게 공급관로(1), 분리막모듈(2), 물 배출관로(3) 및 수거관로(4)로 구성된다.1 is a conceptual diagram showing the configuration of an organic solvent dewatering apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is an arrangement structure of a zeolite separation membrane module of the organic solvent dewatering apparatus according to FIG. Referring to, the organic solvent dewatering device is largely composed of a supply pipe (1), a separation membrane module (2), a water discharge pipe (3), and a collection pipe (4).
보다 구체적으로, 유기용제를 선택적으로 물을 투과시키는 제올라이트 분리막을 통하여 물을 분리하여 고순도의 유기용제를 얻기 위하여 제올라이트 분리막을 이용한 유기용제 탈수장치는 유기용제 공급관로(1)는 내부에 유기용제가 저장되어 있는 유기용제 공급탱크(11)에서 제1 펌프(12)에 의하여 유기용제가 공급되면 복수 개의 경로로 분기하여 공급되도록 하되 각각의 분기된 경로에 제1 밸브(13)를 구비한다. More specifically, the organic solvent dehydration device using a zeolite separation membrane to obtain a high-purity organic solvent by separating water through a zeolite separation membrane that selectively transmits water through an organic solvent is an organic solvent
제올라이트 분리막은 복수개의 분리막 모듈(2)로 구성되는데, 분리막 모듈(2)은 내부에는 알루미나계 원료, 실리카계 원료 및 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)을 물에 녹인 수용액에 수산화알칼리금속 수용액 및 수산화알칼리토금속 수용액 중 하나 이상을 첨가하고, 혼합하고 숙성하여 수열용액(Hydrothermal Solution)이 되면 수열합성기에 넣고 상기 수열용액 내에 분리막 성장을 위한 다공성 지지체(21)를 담지시키고 수열처리하여 이온교환된 제올라이트 분리층(22)이 상기 지지체의 표면에 형성되도록 하여 원통형으로 제조되는 복수 개의 LTA 제올라이트 분리막 튜브가 여러 묶음으로 내장되고, LTA 제올라이트 분리막 튜브의 내부 진공압을 측정할 수 있는 압력계(23)를 형성하며, 일측으로는 유기용제 공급관로(1)의 분기된 일 끝단이 연결되도록 구성된다.The zeolite separation membrane is composed of a plurality of separation membrane modules (2), and the separation membrane module (2) is an aqueous solution of an alumina-based raw material, a silica-based raw material, and sodium hydroxide dissolved in water, an aqueous alkali metal hydroxide solution and an alkaline earth metal hydroxide solution. When one or more of the aqueous solution is added, mixed and aged to become a hydrothermal solution, it is put in a hydrothermal synthesizer, a
또한, 상기 물 배출관로(3)는 상기 분리막 모듈(2)의 얍력계(23)의 반대 방향의 LTA 제올라이트 분리막 튜브 내부와 연결되어 연장된 후 각각의 분리막 모듈(2)과 연결된 경로가 합쳐져 연결되는데, 이는 복수 개의 분리막 모듈(2)에 의하여 물이 분리되면 상기 분리막 모듈(2)의 얍력계(23)의 반대 방향의 LTA 제올라이트 분리막 튜브 내부와 연결되어 연장된 후 각각의 분리막 모듈(2)과 연결된 경로가 합쳐져 연결되는 물 배출관로(3)를 통하여 물은 배출된다.In addition, the
상기 유기용제 수거관로(4)는 상기 분리막 모듈(2)의 유기용제 공급관로(1)와 연결된 타측에 끝단이 연결되고 제2 밸브(41)를 거쳐 각각의 분리막 모듈(2)과 연결된 경로가 합쳐진 후 제3 밸브(42)를 거쳐 유기용제 저장탱크(43)와 연결되는데 이는 상기 분리막 모듈(2)의 유기용제 공급관로(1)와 연결된 타측에 끝단이 연결되고 제2 밸브(41)를 거쳐 각각의 분리막 모듈(2)과 연결된 경로가 합쳐진 후 제3 밸브(42)를 거쳐 유기용제 저장탱크(43)와 연결되는 유기용제 수거관로(4)를 통하여 유기용제가 수거된다.The organic
상기 유기용제 수거장치의 구성을 구비된 수열합성이 완료된 제올라이트 분리막에 대하여 전자주사 현미경을 이용하여 미세구조를 분석한 결과 첨부된 도 3의 결과와 같이 파면에서는 6 ~ 7㎛ 두께의 분리막 층이 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 표면에 균일한 분리층이 형성되고 표면에서 제올라이트 분리막의 결정층이 도입되고, 치밀한 중간층이 존재하는 것을 확인할 수 있다.As a result of analyzing the microstructure of the hydrothermal synthesis-completed zeolite separation membrane provided with the organic solvent collection device using an electron scanning microscope, as shown in the attached FIG. It can be confirmed that a uniform separation layer is formed on the surface, a crystalline layer of a zeolite separation membrane is introduced from the surface, and it can be confirmed that a dense intermediate layer is present.
이에 제올라이트 분리막의 Feed 및 투과물의 농도를 통해 성능평가를 실시한 결과 첨부된 도 4에 도시된 바와 같이 Batch type의 투과증발 장치를 통해 함수 에탄올의 탈수 성능평가를 통해 분리막의 성능을 측정한 결과 Feed와 투과물의 농도는 Metrohm사의 Karl-fisher 수분측정기(890 Titando)를 이용하여 하기의 선택도와 투과플럭스 계산식을 통해 분석된 농도와 투과물의 중량으로 계산하였다.Therefore, as a result of performing performance evaluation through the concentration of feed and permeate of the zeolite separation membrane, as shown in FIG. 4 attached, the performance of the separation membrane was measured through the dehydration performance evaluation of hydrous ethanol through a batch type pervaporation device. Feed and The concentration of the permeate was calculated by using the Karl-fisher moisture meter (890 Titando) of Metrohm, and the concentration and the weight of the permeate analyzed through the following selectivity and permeate flux calculation formulas.
상기 수치식을 기초로 하여 선택도와 투과플럭스 계산을 통해 분석된 농도와 선택도, 투과물 중량을 고려하여 제올라이트 분리막 성능 평가는 온도 100℃의 조건하에서 730mm 길이의 제올라이트 분리막을 이용하였으며, 10L batch system에서 평가한 결과 도 4에 도시된 바와 같이 100℃ 투과증발 거동의 Feed 에탄올의 농도 변화와 투과부의 물 농도 변화를 나타내었다.Based on the above numerical formula, in consideration of the concentration, selectivity, and permeate weight analyzed through selectivity and permeate flux calculation, zeolite membrane performance evaluation was performed under the condition of a temperature of 100 ° C. A 730mm long zeolite membrane was used, 10L batch system As a result of evaluation in FIG. 4 , it showed a change in the concentration of feed ethanol and a change in the concentration of water in the permeate portion of the 100° C. pervaporation behavior.
즉, 제올라이트 분리막의 함수에탄올 탈수 평가 성능은 최초 농도 29.16%의 물이 포함된 에탄올 혼합용액을 34시간 동안 투과증발을 유지하여 최종 유기용제 순도 99.0% 이상 수분함량 0.5%의 농도로 탈수되었고, 투과부에서의 물의 농도는 최대 99.90%에서 최소 97.50%으로 측정되었다. That is, the hydrous ethanol dehydration evaluation performance of the zeolite membrane was dehydrated to a concentration of 0.5% water content of 0.5% or more with a final organic solvent purity of 99.0% or more by maintaining pervaporation of an ethanol mixed solution containing water with an initial concentration of 29.16% for 34 hours, and the permeation part The concentration of water was measured from a maximum of 99.90% to a minimum of 97.50%.
이는 첨부된 도 5에 도시된 바와 같이 제올라이트 분리막의 투과플럭스 성능은 최대 4.79kg/㎡hr의 높은 투과플럭스를 보였으며, 선택도 또한 초기 안정화 단계를 거치고 나서 투과부 농도가 99.90% 유지하는 경향을 보여 평균 선택도 8,934 의 우수한 성능을 나타내어 99.0% 이상의 회수율을 확인하였다.As shown in the attached FIG. 5, the permeation flux performance of the zeolite membrane showed a high permeation flux of up to 4.79 kg/
상기의 제올라이트 분리막 성능평가에 따라 유기용제인 에탄올 Lab. scale 성능 평가를 수행하였는데, 상기 제올라이트 분리막를 이용하여 Batch type의 투과증발 장치를 사용하여 성능 평가를 진행함에 있어서, 유기용제 성능 평가 조건은 함수에탄올을 사용하고 제올라이트 분리막의 성능 평가시 온도 100℃의 조건하에서 730mm 길이의 제올라이트 분리막을 이용하여 동일한 조건으로 실시하였다. 그 결과 도 6에 도시된 바와 같이 100℃ 투과증발 거동의 Feed 에탄올의 농도 변화와 투과부의 물 농도 변화를 나타내었다.According to the performance evaluation of the zeolite separation membrane, the organic solvent ethanol Lab. The scale performance evaluation was performed, and in the performance evaluation using the batch type pervaporation device using the zeolite membrane, the organic solvent performance evaluation condition was hydrous ethanol and the temperature of 100 ° C. when evaluating the performance of the zeolite membrane. It was carried out under the same conditions using a zeolite separation membrane having a length of 730 mm under the same conditions. As a result, as shown in FIG. 6, the change in the concentration of Feed ethanol and the change in the concentration of water in the permeate portion of the 100° C. pervaporation behavior were shown.
즉, 유기용제의 제올라이트 분리막의 함수 에탄올 탈수 평가 성능은 최초 농도 11.73%의 물이 포함된 유기용제를 52시간 동안 투과증발을 유지하여 최종 유기용제 순도 99.0% 이상 수분함량 0.2%의 농도로 탈수되었고, 투과부에서의 물의 농도는 최대 99.90%에서 최소 93.50%으로 측정되었다. 이는 첨부된 도 7에 도시된 바와 같이 유기용제 제올라이트 분리막의 투과플럭스 성능은 최대 2.16kg/㎡hr의 투과플럭스를 보였고, 평균 선택도 3,495의 성능으로 나타났다.That is, the hydrous ethanol dehydration evaluation performance of the organic solvent zeolite membrane was dehydrated to a concentration of 0.2% water content of 0.2% or more with a final organic solvent purity of 99.0% or more by maintaining pervaporation of an organic solvent containing water with an initial concentration of 11.73% for 52 hours. , the concentration of water in the permeate part was measured from 99.90% to a minimum of 93.50%. As shown in FIG. 7, the permeation flux performance of the organic solvent zeolite separation membrane showed a maximum permeation flux of 2.16 kg/
첨부된 도 8은 본 발명에 따른 탈수 평가를 위한 유기용제의 제올라이트 분리막을 이용한 유기용제 투과증발 장치의 구성도를 나타내는데, 이는 유기용제의 제올라이트 분리막을 이용한 에탄올 탈수 평가를 기초 투과증발 분리막의 성능을 확인하기 위한 구성으로서, 투과증발 장치는 크게 분리막 모듈(2), 유량펌프(7), 트랩(8) 및 Feed 탱크(10)로 구성되고, 각 구성이 배관(6)을 통해 연결되어 유체의 흐름, 장치의 안전 여부를 확인하여 탈수평가를 위한 계측장치와 연동되어 동작한다.8 is a diagram showing the configuration of an organic solvent pervaporation apparatus using an organic solvent zeolite separation membrane for dehydration evaluation according to the present invention, which shows the performance of a pervaporation membrane based on ethanol dehydration evaluation using an organic solvent zeolite separation membrane As a configuration for checking, the pervaporation device is largely composed of a separation membrane module (2), a flow pump (7), a trap (8), and a feed tank (10), and each configuration is connected through a pipe (6) so that the It operates in conjunction with the measuring device for dehydration evaluation by checking the flow and safety of the device.
보다 세부적으로 그 구성을 살펴보면, 유기용제 탈수평가를 확인하기 위해 Feed 탱크(10)의 일측에 구비된 투입구를 통해 유기용제가 투입되면 투입된 용액이 용기 내 Feed 탱크(10)의 교반기(17)에 의해 교반하게 되는데, 이때 Feed 탱크(10)의 압력이 5bar를 초과할 때 기체를 외부로 노출시켜 용기의 압력을 낮춰주기 위해 안전밸브(5)가 Feed 탱크(10) 일측에 구비된다.Looking at the configuration in more detail, when the organic solvent is input through the inlet provided on one side of the
Feed 탱크(10)는 배관(6)과 연결되어 분리막 모듈(2)과 순환구조를 가지는데, 순환구조를 갖는 배관(6) 일측에 Feed 탱크(10), 분리막 모듈(2)의 전단 배관, 분리막 모듈(2)의 후단 배관 내의 용액의 온도를 측정하는 온도센서(3)가 구비된다.The
Feed 탱크(10)에 유입되어 교반기 통해 교반된 에탄올이 배관(6)을 따라 분리막 모듈(2)로 유입, 순환될 때 순환되는 유기용제의 유량값을 확인하기 위해 Feed 탱크(10)와 분리막 모듈(2) 사이에 유량계(Flowmeter)(4)가 구비되고, In order to check the flow rate value of the organic solvent that is circulated when ethanol introduced into the
Feed 탱크(10) 내부의 압력과 유입된 유기용제에 따른 분리막 모듈(2)의 압력을 확인하기 위한 압력계(23)가 각각 구비되는데, Feed 탱크(10) 내 유입되는 유기용제 에탄올에 의한 탱크 내부 압력을 확인하고, 배관(6)을 따라 연결된 유량펌프(7)에 의하여 분리막 모듈(2)로 순환되는 유기용제의 순환 동작이 이루어지도록 각각 구비된다.A
이때, 상기 유량펌프(7)는 Feed 탱크(10)와 분리막 모듈(2)이 연결된 배관(6) 사이의 일측에 구비되어 각 구성의 장치 유기용제 에탄올의 순환을 위한 펌핑 동작을 하게 된다.At this time, the
또한, Feed 탱크(10) 내의 유기용제의 용액을 냉각시키기 위해 냉각장치(도면 미도시)를 거친 냉각수가 유입되는 냉각수 유입부(cw)와 냉각수 토출부(drain)가 밸브 구동에 따라 동작되도록 구성된다. In addition, in order to cool the solution of the organic solvent in the
상기 분리막 모듈(2)의 분리막 투과증발 측정을 위해 분리막 모듈(2)의 내부를 진공상태가 되도록 동작하는 진공펌프(9)가 진공트랩 및 액체질소 트랩으로 구비된 트랩(8)과 연결되어 트랩으로 투과되는 투과물을 포집하는 진공트랩과 진공트랩의 진공상태 유지를 위한 진공펌프(9)가 구동되게 된다.In order to measure the membrane pervaporation of the membrane module (2), a vacuum pump (9), which operates to make the inside of the membrane module (2) in a vacuum state, is connected to the trap (8) provided as a vacuum trap and a liquid nitrogen trap. A vacuum trap for collecting the permeate that permeates through the air and a
한편 상기 진공트랩(Vacuum Trap)은 분리막을 통해 투과된 투과물을 포집하는 장치이고, 액체질소트랩(Liquid N2 Trap)은 진공트랩을 급속냉각시켜주는 기능을 수행한다.Meanwhile, the vacuum trap is a device for collecting the permeate that has passed through the separation membrane, and the liquid nitrogen trap performs a function of rapidly cooling the vacuum trap.
또한, Flexible SUS 배관은 분리막 모듈(2)과 연결되도록 플렉시블한 스테인 재질의 배관으로 구비된다.In addition, the flexible SUS pipe is provided as a pipe made of a flexible stain material to be connected to the membrane module (2).
상기의 구성을 통해 Feed 탱크(10)로부터 공급되는 유기용제인 함수 에탄올은 유량펌프(7), 유량계(71)를 거쳐 투과증발 분리막 모듈(2)로 공급되고, 분리 공정후 배출된 여액은 배관(6)을 통해 다시 Feed 탱크(20)로 되돌아오는 순환구조로 동작한다. 투과증발은 승온된 상태에서 반응이 진행되므로 분리막 모듈(2)의 전 후단에 온도센서(61,63)를 설치하여 온도 유지상태를 확인하며 승온에 따라 반응기 내부의 압력이 증가하면 안전밸브(5)를 이용하여 승온에 의한 과압에 대비할 수 있다.Hydrous ethanol, which is an organic solvent supplied from the
한편 상기 분리막 모듈(2)은 클램프(도면 미도시)로 고정되는 구조로써 분리막 모듈의 길이, 외경에 따라 유동적으로 적용할 수 있다. On the other hand, the
상기의 구성을 따라 탈수 평가를 위한 유기용제의 제올라이트 분리막을 이용한 유기용제 투과증발 장치의 동작절차를 살펴보면, 투입구를 통해 Feed 탱크(10)로 유기용제를 투입되면, 유량펌프(7)가 구동되어 장치 내 순환되는 유기용제의 유량을 유량계(Flowmeter)(71)를 통해 확인하고 이를 조절하게 된다.Looking at the operation procedure of the organic solvent pervaporation device using the organic solvent zeolite separation membrane for dehydration evaluation according to the above configuration, when the organic solvent is introduced into the
이때, 냉각장치(Chiller)(도면부호 미도시)를 작동시켜 냉각수의 순환이 원활한지를 확인하고, Feed 탱크(10)의 온도가 100℃가 되도록 온도조절장치(도면 미도시)를 통해 설정하는데, 이때 Feed 탱크(10)와 연동된 온도센서(15)와 배관을 통해 장치 내 순환구조를 갖는 배관 일측에 구비된 온도센서(61,63)을 통해 온도를 측정하는데 본 장치는 세구간에서의 온도측정센서를 통해 온도를 확인하게 된다.At this time, the cooling device (Chiller) (not shown) is operated to check whether the circulation of the cooling water is smooth, and the temperature of the
Feed 탱크(10) 내 용액의 온도가 목표점에 도달하는 동안 장치내의 용액의 누수여부를 확인하게 되는데, 이때, 누수여부는 Feed 탱크(10), 분리막 모듈(2), 유량펌프(7), 배관 등을 점검, 확인하게 된다.While the temperature of the solution in the
한편, 압력계(PG1, PG2)를 통해 Tank 내부 압력을 확인하고, 저울을 사용하여 실험 전 진공트랩의 중량을 측정한다.On the other hand, check the internal pressure of the tank through the pressure gauges (PG1, PG2), and measure the weight of the vacuum trap before the experiment using a scale.
분리막 모듈(2) 후단에 진공트랩 및 액체질소트랩로 구성된 각 트랩(9)을 연결한 후 액체질소트랩에 액체질소를 채우고, 진공트랩 후단에 진공펌프(9)를 연결한 후 구동시켜 분리막 모듈(2)의 투과증발 실험을 수행한다.After connecting each
투과증발 실험 후 진공트랩의 중량을 측정하고, 투과플럭스를 산출하는데 투과된 용액이 진공트랩에 포집한다. 이때, 액체질소에 의해 얼려진 투과부 용액을 녹인 후 수분측정기로 수분 농도를 측정한다.After the pervaporation experiment, the weight of the vacuum trap is measured, and the permeated solution is collected in the vacuum trap to calculate the permeation flux. At this time, after dissolving the frozen permeate solution by liquid nitrogen, the moisture concentration is measured with a moisture meter.
상기의 구성 및 장치를 통해 장치내 유기용제 공정인자를 산출하기 위하여 유기용제를 사용하여 제올라이트 분리막(2)의 탈수 성능평가를 실시함에 있어, 먼저 장치 내 유기용제 운전 90℃, 100℃, 110℃의 조건을 최적화하고 730mm 길이의 제올라이트 분리막(2)으로 진행하였다.In performing the dehydration performance evaluation of the
유기용제의 제올라이트 분리막의 온도별 투과증발 거동에서 Feed의 농도 변화와 투과부의 물 농도 변화에 따른 탈수 평가 성능은 첨부된 도 9에 도시된 바와 같이 90℃에서 제올라이트 분리막 유기용제 탈수 평가는 최초 농도 13.31%의 물이 포함된 유기용제를 20시간 동안 투과증발을 유지하여 최종 유기용제 순도 수분함량 0.2% 미만의 농도로 탈수되었고, 투과부에서의 물의 농도는 최대 99.70%에서 최소 94.50%으로 측정되었다. The dehydration evaluation performance according to the change in the concentration of the feed and the change in the water concentration in the permeate part in the pervaporation behavior for each temperature of the zeolite separation membrane of the organic solvent is as shown in the attached FIG. The organic solvent containing % of water was dehydrated to a concentration of less than 0.2% of the final organic solvent purity by maintaining pervaporation for 20 hours, and the concentration of water in the permeate part was measured from a maximum of 99.70% to a minimum of 94.50%.
100℃에서 제올라이트 분리막 유기용제 탈수 평가는 최초 농도 10.03%의 물이 포함된 유기용제를 8시간 동안 투과증발을 유지하며 투과부에서의 물의 농도는 최대 99.80%에서 최소 89.10%으로 측정되었고, 최종 유기용제 순도 수분함량 0.2% 미만의 농도로 탈수된 것을 확인할 수 있었다.The organic solvent dehydration evaluation of the zeolite membrane at 100°C maintained pervaporation of the organic solvent containing water with an initial concentration of 10.03% for 8 hours, and the concentration of water in the permeate part was measured from a maximum of 99.80% to a minimum of 89.10%, and the final organic solvent It was confirmed that the water was dehydrated to a concentration of less than 0.2% of pure water content.
또한, 110℃에서는 최초 농도 9.57%의 물이 포함된 유기용제를 8시간 동안 투과증발을 유지하여 최종 유기용제 순도 수분함량 0.2% 미만의 농도로 탈수 평가 진행하며 투과부에서의 물의 농도는 최대 99.70%에서 최소 92.90%으로 측정되었다.In addition, at 110°C, pervaporation of the organic solvent containing water with an initial concentration of 9.57% is maintained for 8 hours, and dehydration evaluation is carried out to a concentration of less than 0.2% of the final organic solvent purity and moisture content, and the concentration of water in the permeation part is up to 99.70% at least 92.90%.
이때, 제올라이트 분리막 탈수 성능평가의 투과플럭스 및 선택도는 첨부된 도 10에 도시된 바와 같이 90℃에서 진행되었던 탈수 성능평가의 투과플럭스 성능은 평균 0.56kg/㎡hr(Max. 2.29kg/㎡hr)로 확인되었고, 평균 선택도 3,344의 성능을 나타내고, 100℃에서의 유기용제 탈수 성능평가의 투과플럭스 성능은 평균 1.06kg/㎡hr(Max. 2.96kg/㎡hr)과 평균 선택도는 평균 3,009의 성능을 확인하였고, 110℃에서의 유기용제 탈수 성능평가의 투과플럭스 성능은 평균 0.95kg/㎡hr(Max. 3.30kg/㎡hr) 투과플럭스와 3,420의 평균 선택도를 확인할 수 있었다. At this time, the permeation flux and selectivity of the dewatering performance evaluation of the zeolite membrane was 0.56kg/m2hr on average (Max. 2.29kg/m2hr) ), and shows an average selectivity of 3,344, the permeate flux performance of the organic solvent dewatering performance evaluation at 100 ° C. was 1.06 kg/m hr (Max. 2.96 kg/m hr), and the average selectivity was 3,009. was confirmed, and the permeation flux performance of the organic solvent dehydration performance evaluation at 110° C. was 0.95 kg/m hr (Max. 3.30 kg/m hr) permeation flux and the average selectivity of 3,420.
이후, 운전온도 조건을 최적화하여 탈수 평가를 진행을 위해 높은 투과플럭스와 선택도 결과를 반영하여 운전온도는 100℃로 선정하였다. Thereafter, the operating temperature was selected as 100°C by reflecting the results of high permeation flux and selectivity for dehydration evaluation by optimizing the operating temperature conditions.
유기용제 정제장치 운전은 온도가 중요한 공정인자 중 하나이지만 분리막 모듈 내 유입량도 중요한 공정인자로서 유기용제를 제올라이트 분리막를 이용하여 성능 평가를 진행하였으며, Batch type의 투과증발 System를 사용하여 성능을 평가하였다. Although temperature is one of the important process factors for organic solvent purification equipment, the amount of inflow into the membrane module is also an important process factor. The performance was evaluated using a zeolite membrane for organic solvents, and the performance was evaluated using a batch-type pervaporation system.
유기용제 성능 평가 조건은 유기용제를 제올라이트 분리막의 성능 평가 조건과 동일하게 진행되었으며, 유기용제 제올라이트 분리막의 성능 평가는 유량조건에서 730mm 길이의 제올라이트 분리막을 이용하여 유량별 투과증발 거동의 유기용제의 농도 변화와 투과부의 물 농도 변화는 첨부된 도 11과 같이 확인하였다.The organic solvent performance evaluation condition was conducted in the same way as the performance evaluation condition of the organic solvent zeolite separation membrane, and the organic solvent zeolite separation membrane performance evaluation was conducted using a 730mm long zeolite separation membrane under the flow rate condition. The change and the change in the water concentration of the permeate part were confirmed as shown in FIG. 11 attached.
즉, 모듈내 유입유량 공정조건 산출을 위한 유기용제 제올라이트 분리막의 탈수 평가 성능은 첨부된 도 11에 도시된 바와 같이 먼저 유량 1L/min에서 실행한 결과 제올라이트 분리막 유기용제 탈수 평가는 최초 농도 9.77%의 물이 포함된 유기용제를 7시간 동안 투과증발을 유지하여 최종 유기용제 순도 수분함량 0.54% 농도로 탈수되었고, 투과부에서의 물의 농도는 최대 99.50%에서 최소 94.80%으로 측정되었다. That is, the dehydration evaluation performance of the organic solvent zeolite separation membrane for calculating the inflow flow rate process conditions in the module was first performed at a flow rate of 1 L/min as shown in the attached FIG. The organic solvent containing water was dehydrated to a final organic solvent purity and moisture content of 0.54% by maintaining pervaporation for 7 hours, and the concentration of water in the permeate portion was measured from a maximum of 99.50% to a minimum of 94.80%.
유량 2L/min에서 제올라이트 분리막 유기용제 탈수 평가는 최초 농도 10.03%의 물이 포함된 유기용제를 8시간 동안 투과증발을 유지하며 투과부에서의 물의 농도는 최대 99.80%에서 최소 89.10%으로 측정되었고, 최종 유기용제 순도 수분함량 0.2% 미만의 농도로 탈수된 것을 확인하였다.The organic solvent dehydration evaluation of the zeolite membrane at a flow rate of 2L/min maintained pervaporation of the organic solvent containing water with an initial concentration of 10.03% for 8 hours, and the concentration of water in the permeate part was measured from a maximum of 99.80% to a minimum of 89.10%, and finally It was confirmed that the organic solvent was dehydrated to a concentration of less than 0.2% of purity and moisture content.
마지막으로, 유량 3L/min 에서 최초 농도 9.89%의 물이 포함된 유기용제를 8시간 동안 투과증발을 유지하여 최종 유기용제 순도 수분함량 0.2% 미만의 농도로 탈수 평가 진행하며 투과부에서의 물의 농도는 최대 99.70%에서 최소 91.50%으로 측정되었다.Finally, at a flow rate of 3L/min, pervaporation of the organic solvent containing water with an initial concentration of 9.89% is maintained for 8 hours to evaluate the final organic solvent purity and moisture content of less than 0.2%. It was measured from a maximum of 99.70% to a minimum of 91.50%.
즉, 그 결과 도 12에 도시된 바와 같이 투과증발에 의한 투과플럭스와 선택도는 유기용제 제올라이트 분리막 탈수 성능평가의 투과플럭스 및 선택도를 나타내었다. 보다 구체적으로 유량 1L/min에서 진행되었던 탈수 성능평가에서의 투과플럭스 성능은 평균 0.91kg/㎡hr(Max. 2.20kg/㎡hr)를 보였으며, 평균 선택도 3,887의 성능을 나타내고, 유량 2L/min에서의 유기용제 탈수 성능평가는 평균 1.06kg/㎡hr(Max. kg/㎡hr)의 투과플럭스와 평균 3,009의 선택도로 나타났으며, 유량 3L/min에서는 평균 0.90kg/㎡hr(Max. 3.00kg/㎡hr) 투과플럭스와 4,774의 평균 선택도를 확인할 수 있었다.That is, as a result, as shown in FIG. 12 , the permeation flux and selectivity by pervaporation showed the permeation flux and selectivity of the organic solvent zeolite separation membrane dewatering performance evaluation. More specifically, the permeate flux performance in the dehydration performance evaluation conducted at a flow rate of 1 L/min showed an average of 0.91 kg/m hr (Max. 2.20 kg/m hr), an average selectivity of 3,887, and a flow rate of 2 L/ The organic solvent dehydration performance evaluation at min showed an average permeation flux of 1.06 kg/m hr (Max. kg/m hr) and selectivity of an average of 3,009, and at a flow rate of 3 L/min, an average of 0.90 kg/m hr (Max. kg/m hr). 3.00kg/m2hr) permeation flux and an average selectivity of 4,774 were confirmed.
상기의 절차에 따라 본 발명의 제올라이트 분리막을 이용한 유기용제의 탈수방법은 유기용제 정제장치를 통한 공정인자를 산출을 위해 제올라이트 분리막을 사용하여 여러 조건으로 탈수 성능 평가를 진행한 결과, 유기용제 탈수장치는 공정인자 중 운전온도, 모듈당 유입유량 조건을 산출하였는데, 이는 운전온도는 높은 투과플럭스와 선택도, 운전시 유기용제 정제장치의 안정성을 고려하여 100℃로 선정하였으며, 모듈당 유입유량도 투과플럭스와 선택도를 고려하여 2L/min으로 선정하였다. According to the above procedure, in the organic solvent dehydration method using the zeolite separation membrane of the present invention, the dehydration performance was evaluated under various conditions using the zeolite separation membrane to calculate the process factors through the organic solvent purification apparatus. As a result, the organic solvent dehydration apparatus calculated the operating temperature and the inflow flow rate per module among the process factors, which was selected as 100℃ considering the high permeate flux and selectivity, and the stability of the organic solvent purification device during operation. Considering the flux and selectivity, 2L/min was selected.
그 결과 분리막 모듈 기반의 유기용제 정제장치의 분리막 모듈 기반의 제올라이트 분리막의 유기용제 80wt% 조건에서 물투과플럭스의 성능이 최대 2.5kg/㎡ hr, Water/유기용제 선택도 2,000 이상의 우수한 성능이 도출됨을 확인할 수 있었다.As a result, it was found that the performance of the water permeation flux up to 2.5kg/
1 : 유기용제 공급관로
11 : 유기용제 공급탱크 12 : 제1 펌프
13 : 제1 밸브
2 : 분리막 모듈
21 : 다공성 지지체 22 : 제올라이트 분리층
23 : 압력계
3 : 물 배출관로
4 : 유기용제 수거관로
41 : 제2 밸브 42 : 제3 밸브
43 : 유기용제 저장탱크
5 : 안전밸브
6 : 배관
61, 63 : 온도센서
7 : 유량펌프
71 : 유량계
8 : 트랩
9 : 진공펌프
10 : 탱크
15 : 온도센서(T1) 17 : 교반기
19 : 밸브1: organic solvent supply pipe
11: organic solvent supply tank 12: first pump
13: first valve
2: Separator module
21: porous support 22: zeolite separation layer
23: pressure gauge
3: water discharge pipe
4: organic solvent collection pipe
41: second valve 42: third valve
43: organic solvent storage tank
5: safety valve
6: plumbing
61, 63: temperature sensor
7: flow pump
71: flow meter
8 : trap
9: vacuum pump
10 : tank
15: temperature sensor (T1) 17: stirrer
19: valve
Claims (4)
상기 Feed 탱크(10)와 배관(6)으로 연결되어 내부에 알루미나계 원료, 실리카계 원료 및 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)을 물에 녹인 수용액에 수산화알칼리금속 수용액 및 수산화알칼리토금속 수용액을 첨가, 혼합하고 숙성하여 수열용액(Hydrothermal Solution)이 되면 수열합성기에 넣고 수열용액 내에 분리막 성장을 위한 다공성 지지체(21)를 담지시키고 수열처리하여 이온교환된 제올라이트 분리층(22)이 다공성 지지체(21)의 표면에 형성되는 730mm 길이의 제올라이트 분리막이 원통형으로 복수 개가 제올라이트 분리막 튜브의 여러 묶음으로 내장되고, 유입된 유기용제에 따른 제올라이트 분리막 튜브의 내부 압력을 측정할 수 있는 압력계(23)가 구비되고, 일측으로는 유기용제 공급관로(1)의 분기된 일 끝단이 Flexible SUS의 배관과 연결되어 Feed 탱크(10)와 순환구조를 갖는 분리막 모듈(2),
Feed 탱크(10)와 분리막 모듈(2)과 순환구조를 갖는 배관(6) 일측에서 Feed 탱크(10), 분리막 모듈(2)의 전단 배관 및 분리막 모듈(2) 후단 배관 내 용액의 온도를 각각 측정하는 온도센서(61,63)가 구비되고,
Feed 탱크(10)에 유입되어 교반기 통해 교반된 유기용제가 배관(6)을 따라 분리막 모듈(2)로 유입, 순환될 때 순환되는 유기용제의 유량값을 확인하기 위해 Feed 탱크(10)와 분리막 모듈(2) 사이에 유량계(Flowmeter)(71)가 구비되고,
Feed 탱크(10) 내 유기용제에 따른 내부 압력 확인, 배관(6)을 따라 분리막 모듈(2)의 압력 확인을 위해 Feed 탱크(10)와 분리막 모듈(2)이 연결된 배관(6) 사이의 일측에 구비되어 펌핑 동작을 통해 유기용제의 순환이 이루어지도록 하는 유량펌프(7)을 구비하고,
상기 분리막 모듈(2)의 투과증발 측정을 위해 분리막을 통해 투과된 투과물을 포집하는 진공트랩(Vacuum Trap), 진공트랩을 급속냉각시키는 액체질소트랩(Liquid N2 Trap)의 두 트랩(8)과 분리막 모듈(2)이 연결되고, 상기 진공트랩 후단에서 연결되어 분리막 모듈(2)의 내부를 진공상태가 되도록 동작하는 진공펌프(9)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용한 유기용제 탈수장치. An inlet into which the organic solvent is input is provided, and the organic solvent introduced through the inlet is stirred through the internal stirrer 17, and when the pressure exceeds 5 bar through the pressure gauge (PG1) that checks the internal pressure of the container on one side A safety valve (5) for lowering the pressure by exposing it to the outside is provided, and a cooling water inlet (cw) and a cooling water outlet (drain) into which the cooling water that has passed through the cooling device is introduced to cool the organic solvent solution is provided, Feed tank 10 equipped with a temperature sensor 15 to check whether the circulation of cooling water is smooth according to the operation of the cooling device and to maintain the internal temperature of the container set in the temperature control device at 100 ° C;
It is connected to the feed tank 10 and the pipe 6, and an aqueous alkali metal hydroxide solution and an alkaline earth metal hydroxide aqueous solution are added and mixed in an aqueous solution in which an alumina-based raw material, a silica-based raw material and sodium hydroxide are dissolved in water. When it is aged to become a hydrothermal solution, it is placed in a hydrothermal synthesizer, the porous support 21 for membrane growth is supported in the hydrothermal solution, and the ion-exchanged zeolite separation layer 22 is placed on the surface of the porous support 21 by hydrothermal treatment. A plurality of zeolite separation membranes having a length of 730 mm to be formed are cylindrical and are built into several bundles of zeolite membrane tubes, and a pressure gauge 23 capable of measuring the internal pressure of the zeolite membrane tube according to the introduced organic solvent is provided, and on one side One branched end of the organic solvent supply pipe (1) is connected to the flexible SUS pipe, and the separation membrane module (2) has a feed tank (10) and a circulation structure;
The temperature of the solution in the feed tank 10, the front end of the separation membrane module 2 and the rear end of the separation membrane module 2 is measured from one side of the feed tank 10, the separation membrane module 2, and the pipe 6 having a circulation structure. Temperature sensors 61 and 63 for measuring are provided,
When the organic solvent that is introduced into the feed tank 10 and stirred through the stirrer flows into and circulates into the separation membrane module 2 along the pipe 6, the feed tank 10 and the separation membrane are used to check the flow rate of the circulated organic solvent. A flowmeter (71) is provided between the modules (2),
One side between the feed tank (10) and the pipe (6) to which the separation membrane module (2) is connected to check the internal pressure according to the organic solvent in the feed tank (10), and to check the pressure of the membrane module (2) along the pipe (6) and a flow pump (7) provided in the to circulate the organic solvent through a pumping operation,
Two traps (8): a vacuum trap for collecting permeate that has passed through the separation membrane, and a liquid nitrogen trap for rapidly cooling the vacuum trap for measuring pervaporation of the membrane module (2) An organic solvent using a separation membrane, characterized in that it comprises a vacuum pump (9) connected to the separation membrane module (2) and connected at the rear end of the vacuum trap to put the inside of the separation membrane module (2) into a vacuum state. dehydrator.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210189042A KR102464360B1 (en) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | The dehydration apparatus for organic solvent using membrane |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013240795A (en) * | 2013-07-22 | 2013-12-05 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Dewatering system and method for dewatering |
| WO2017204254A1 (en) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | 三菱ケミカル株式会社 | Dehydration system for aqueous organic compounds, operation method therefor, and dehydration method |
| KR20210000410A (en) * | 2019-06-25 | 2021-01-05 | 주식회사 앱스필 | Dehydration process system using pervaporation mechanism |
-
2021
- 2021-12-27 KR KR1020210189042A patent/KR102464360B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013240795A (en) * | 2013-07-22 | 2013-12-05 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Dewatering system and method for dewatering |
| WO2017204254A1 (en) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | 三菱ケミカル株式会社 | Dehydration system for aqueous organic compounds, operation method therefor, and dehydration method |
| KR20210000410A (en) * | 2019-06-25 | 2021-01-05 | 주식회사 앱스필 | Dehydration process system using pervaporation mechanism |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. NaA 제올라이트 분리막을 이용한 물/에탄올 분리 방법(METHOD FOR SEPARATING WATER/ETHANOL MIXTURE USING NaA ZEOLITE MEMBRANE)(특허등록번호 제10-1282237호) |
| 2. LTA 제올라이트 분리막 및 그 제조 방법(LTA ZEOLITE COMPOSITE MEMBRANES AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME)(특허등록번호 제10-1128358호) |
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