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연속증류

Continuous distillation
이미지 1: 일반적인 산업용 증류 타워
그림 2: 정유소용 원유 진공 증류기둥

증류의 한 형태인 연속 증류는 혼합물이 공정에 지속적으로 (중단 없이) 공급되고 분리된 분수는 연속적으로 출력 스트림으로 제거되는 지속적인 분리다. 증류란 액체 사료 혼합물을 선택적 비등(또는 증발)과 응결에 의해 성분이나 분수로 분리 또는 부분 분리하는 것을 말한다. 이 공정은 최소 두 개의 출력 분율을 생산한다. 이러한 분수는 적어도 하나의 휘발성 증류 분수를 포함하는데, 이 분수는 끓여서 액체에 응축된 증기로서 별도로 포획된 증기로서 포획된 증기로서 포획된 증기로서 포획된 증기로서, 실질적으로 항상 바닥(또는 잔여물) 분수를 포함하며, 이것은 응축된 증기로서 별도로 포획되지 않은 가장 휘발성이 적은 잔류물이다.

연속 증류 방법으로는 배치 증류 방법이 있는데, 여기서 혼합물을 증류 시작 시 유닛에 첨가하고 증류 분수는 증류하는 동안 시간(연속)에 순차적으로 추출하며, 나머지 바닥 분율은 마지막에 제거한다. 각 증류 분수는 서로 다른 시간에 추출되기 때문에 일괄 증류에는 하나의 증류수 출구점(위치)만 필요하며 증류수는 단지 분수집합용기인 다른 수신기로만 전환할 수 있다. 소량 증류할 때 일괄 증류하는 경우가 많다. 연속 증류에서는 각 분수 스트림을 작동 내내 동시에 취하므로, 각 분수에 대해 별도의 출구 지점이 필요하다. 실제로 복수의 증류 분수가 있는 경우 증류수 출구점은 분류기둥의 다른 높이에 위치한다. 밑단 분수는 증류기둥이나 단위의 바닥에서 채취할 수 있지만, 기둥의 하단에 연결된 재보일러에서 채취하는 경우가 많다.

각 분수는 하나 이상의 성분(화학 화합물의 유형)을 포함할 수 있다. 원유 또는 유사한 공급 원료를 증류할 때 각 분수는 유사한 변동성 및 기타 특성을 가진 많은 성분을 포함한다. 소규모 또는 실험실 연속 증류도 가능하지만, 대부분 대규모 산업 공정에서 연속 증류를 사용하는 경우가 많다.

산업적용

증류는 화학공학의 단위 작업 중 하나이다.[1][2] 연속 증류는 많은 양의 액체를 증류해야 하는 화학 공정 산업에서 널리 사용된다.[3][4][5] 천연가스 가공, 석유화학 생산, 석탄타르 가공, 주류 생산, 액화 공기 분리, 탄화수소 용제 생산, 칸나비노이드 분리, 유사 산업 등이 그러한 산업이지만 석유 정제소에서는 적용 범위가 가장 넓다. 그러한 정유회사에서 원유 공급원료는 매우 복잡한 다단성분 혼합물로서 반드시 분리되어야 하며 순수 화학성분들의 수율은 기대되지 않으며, 비교적 작은 범위의 끓는점 내의 화합물 그룹만을 분수라고 한다. 이러한 분수는 분수 증류 또는 분수라는 용어의 기원이다. 이러한 분수의 구성요소를 제품 요구 사항과 경제성에 기초하여 더 이상 분리할 가치가 없는 경우가 많다.

산업용 증류는 일반적으로 직경이 약 65cm에서 11m, 높이가 약 6m에서 60m 이상인 "변질탑" 또는 "변질기둥"으로 알려진 대형 수직 원통기둥(이미지 1과 2 참조)에서 수행된다.

원리

주요 기사: 증류
그림 3: 연속이진분수증류탑의 화학공학 개략도. 이항 증류는 사료 혼합물 흐름을 두 개의 분수로 구분한다. 하나는 증류수와 다른 하나는 바닥 분율이다.

연속 증류 원리는 일반 증류 원리와 같다. 액체 혼합물을 가열하여 끓으면 액체 위의 증기의 구성이 액체 구성과 다르다. 만약 이 증기가 분리되어 액체로 응축된다면, 그것은 원래의 혼합물의 낮은 끓는점 성분에서 더 풍부해진다.

이것은 연속 증류란에서 일어나는 일이다. 혼합물을 가열하여 증류기둥에 넣는다. 기둥에 들어가면 피드가 아래로 흐르기 시작하지만 그 일부인 비등점이 낮은 성분은 기화하여 상승한다. 그러나 상승함에 따라 냉각되고 그 일부가 증기로 계속 상승하는 동안, 그 중 일부는 다시 하강하기 시작한다.

그림 3은 피드 스트림을 오버헤드 증류 제품과 바텀 제품인 두 개의 분수로 분리하기 위한 간단한 연속적인 부분 증류 타워를 보여준다. '가장 가벼운' 제품(비등점이 낮거나 변동성이 가장 높은 제품)은 기둥 위쪽에서, '가장 무거운' 제품(아래, 가장 높은 비등점을 가진 제품)은 기둥 아래쪽에서 빠져나간다. 오버헤드 스트림은 수냉식 또는 공냉식 콘덴서를 사용하여 냉각 및 응축할 수 있다. 바닥 재보일러는 증기 가열식 또는 열유 가열식 열 교환기 또는 가스 또는 석유 연소 용해로일 수 있다.

연속 증류에서 계통은 안정된 상태 또는 대략적인 안정 상태로 유지된다. 안정상태란 공정과 관련된 수량이 운전 중 시간이 경과해도 변하지 않는다는 것을 의미한다. 그러한 일정한 양은 공급 입력 속도, 출력 스트림 속도, 냉난방 속도, 환류 비율, 그리고 모든 지점(위치)의 온도, 압력 및 구성을 포함한다. 공급, 가열, 주변 온도 또는 응축의 변화로 인해 공정이 방해되지 않는 한, 일반적으로 안정된 상태를 유지한다. 이는 최소의 (쉽게 계측할 수 있는) 감시량과는 별개로 연속 증류(internal graphy)의 주요 매력이기도 하다. 공급률과 사료 조성이 일정하게 유지된다면 제품율과 품질도 일정하다. 조건의 변동이 발생하더라도, 현대적인 공정 제어 방법은 일반적으로 연속적인 공정을 다시 다른 안정된 상태로 점진적으로 되돌릴 수 있다.

연속 증류 장치는 연속적으로 사료 혼합물을 공급받으며 일괄 증류처럼 한꺼번에 채워지지 않기 때문에 연속 증류 장치는 일괄 충전을 위해 상당한 양의 증류 냄비, 용기 또는 저장소가 필요하지 않다. 대신 혼합물을 실제 분리가 발생하는 기둥에 직접 공급할 수 있다. 기둥을 따라 공급 지점의 높이는 상황에 따라 달라질 수 있으며 최적의 결과를 제공하도록 설계되어 있다. McCabe- 참조도벽법.

연속 증류는 종종 부분 증류로, 진공 증류 또는 증기 증류일 수 있다.

설계 및 운영

증류기둥의 설계 및 작동은 사료와 원하는 제품에 따라 달라진다. 간단한 이진 성분 피드, McCabe-와 같은 분석 방법 제공도벽법[5][6][7] 또는 펜스케 방정식을[5] 사용하여 설계를 지원할 수 있다. 다중 구성 요소 피드의 경우 컴퓨터 시뮬레이션 모델은 설계와 후속 조작에 모두 사용된다. 모델링은 또한 원래 증류 장비가 설계한 것 이외의 혼합물의 증류를 위해 이미 세워진 기둥을 최적화하기 위해 사용된다.

연속 증류 컬럼이 작동 중일 때는 사료 구성, 작동 온도, 제품 구성의 변화를 면밀히 감시해야 한다. 이 작업들 중 다수는 고급 컴퓨터 제어 장비를 사용하여 수행된다.

컬럼 피드

그 기둥은 다양한 방법으로 공급될 수 있다. 만약 피드가 증류기둥 압력보다 높은 압력의 선원에서 나온 것이라면, 그것은 단순히 기둥에 파이프로 연결된다. 그렇지 않으면 피드를 펌핑하거나 칼럼으로 압축한다. 사료는 과열된 증기, 포화 증기, 부분적으로 기화된 액체-증기 혼합물, 포화 액체(즉, 기둥의 압력에서 끓는 지점에 있는 액체) 또는 과냉된 액체일 수 있다. 만일 사료가 기둥 압력보다 훨씬 높은 압력의 액체고 기둥 바로 앞의 압력 방출 밸브를 통해 흐른다면, 즉시 팽창하여 부분적인 플래시 기화를 거치게 되어 증류기둥으로 들어가면서 액체 증발 혼합물이 나오게 된다.

분리 개선

그림 4: 공급 혼합물 스트림을 4개의 증류액과 1개의 바닥 분수로 구분하는 연속 분수 증류탑의 화학공학 개략도

대부분 유리로 만들어진 소형 단위는 실험실에서 사용할 수 있지만 산업단위는 '기울기둥' 또는 '기울기둥'으로 알려진 대형, 수직, 강철 용기(이미지 1과 2 참조)이다. 분리 개선을 위해 일반적으로 탑 내부에 이미지 5와 같이 수평판이나 트레이가 제공되거나 기둥에 패킹 자재가 박혀 있다. 증류에 관여하는 기화에 필요한 열을 공급하고 또한 열 손실을 보상하기 위해 재보일러에 의해 기둥 하단에 열을 가장 많이 첨가하고, 외부적으로 응축된 상단 제품 액체를 환류로 재활용하여 상단 제품의 순도를 향상시킬 수 있다. 증류기둥은 용도에 따라 이미지 4와 같이 기둥 길이까지의 간격을 두고 액체 출구를 가질 수 있다.

환류

대규모 산업분할탑은 환류를 이용해 보다 효율적인 제품 분리를 이뤄낸다.[3][5] 환류란 증류탑에서 나오는 응축된 오버헤드 액체 제품의 부분을 말하며, 이미지 3과 4에서와 같이 주탑 상부로 반환된다. 주탑 내부에는 하류 역류 액체가 상류하는 증기의 냉각과 부분적인 응결을 제공하여 증류탑의 효능을 높여준다. 역류량이 많을수록 탑이 사료의 높은 비등 성분과 낮은 비등도를 분리하는 것이 좋다. 기둥 하단에 재보일러로 가열하고 기둥 상단의 응축 역류로 냉각하는 균형은 기둥 높이를 따라 온도 구배(또는 점진적인 온도 차이)를 유지하여 공급 혼합물을 분류하는데 좋은 조건을 제공한다. 탑의 한가운데에 흐르는 환류를 펌프러운드라고 한다.

역류 변경(사료 및 제품 인출의 변화와 결합)은 작동 중 연속 증류 기둥의 분리 특성을 개선하는 데 사용될 수 있다(플레이트나 트레이를 추가하거나 패킹을 변경하는 것과는 대조적으로, 최소한 상당한 다운타임이 필요하다).

플레이트 또는 트레이

그림 5: 버블 캡 트레이가 있는 2진수 부분 증류탑의 단면도. (확대 트레이 이미지는 이론 플레이트를 참조하십시오.)

증류탑(이미지 3과 4와 같은)은 다양한 증기 및 액체 접촉 방법을 사용하여 필요한 평형 단계 수를 제공한다. 그러한 기기는 일반적으로 "플레이트" 또는 "트레이즈"[8]로 알려져 있다. 이 접시나 쟁반들은 각각 다른 온도와 압력에 있다. 주탑 바닥의 단계는 압력과 온도가 가장 높다. 타워에서 위로 올라가면, 압력 및 온도는 이어지는 각 단계에 따라 감소한다. 주탑의 각 공급 구성 요소에 대한 증기-액체 평형은 각 단계의 서로 다른 압력 및 온도 조건에 고유한 방식으로 반응한다. 즉 각 단계에서 각 성분의 증기 및 액체 단계에서 다른 농도를 설정하며, 이는 성분의 분리를 초래한다. 일부 예제 트레이는 이미지 5에 묘사되어 있다. 두 쟁반에 대한 보다 상세하고 확대된 이미지는 이론판 기사에서 볼 수 있다. 리보일러는 종종 추가적인 평형 단계로 작용한다.

각 물리적 트레이 또는 플레이트가 100% 효율적이라면, 주어진 분리에 필요한 물리적 트레이의 수는 평형 단계 또는 이론적 플레이트의 수와 같을 것이다. 그러나, 그것은 매우 드물다. 따라서 증류 칼럼은 필요한 이론적 증기-액체 평형 단계 수보다 더 많은 플레이트를 필요로 한다.

포장

증류기둥의 분리를 개선하는 또 다른 방법은 트레이 대신 포장재를 사용하는 것이다. 이는 (판이나 트레이와 비교할 때) 기둥에 걸쳐 낮은 압력 강하의 이점을 제공하며, 진공 상태에서 작동할 때 이점이 있다. 증류탑이 트레이 대신 패킹을 사용하는 경우 필요한 이론 평형단계의 개수를 먼저 결정한 다음 이론 평형단위에 해당하는 패킹 높이(HETP)도 결정된다. 필요한 총 포장 높이는 HETP를 곱한 이론적 단계 수입니다.

이 포장 재료는 Raschig 링과 같은 랜덤 덤프 포장 또는 구조화된 판금일 수 있다. 액체는 포장 표면을 적시는 경향이 있고 증기는 질량이 전달되는 이 젖은 표면을 통과한다. 모든 트레이가 별도의 증기-액체 평형을 나타내는 기존의 트레이 증류와는 달리, 포장된 칼럼의 증기-액체 평형 곡선은 연속적이다. 그러나, 포장된 기둥을 모델링할 때, 더 전통적인 트레이와 관련하여 포장된 기둥의 분리 효율을 나타내는 많은 이론적 플레이트를 계산하는 것이 유용하다. 다른 모양의 패킹은 다른 표면적과 패킹 사이의 보이드 공간을 가지고 있다. 이 두 가지 요인은 모두 패킹 성능에 영향을 미친다.

무작위 또는 구조화된 패킹의 성능에 영향을 미치는 패킹 형태와 표면적 외에 또 다른 요인은 패킹 베드로 들어가는 액체 및 증기 분포다. 주어진 분리에 필요한 이론적 단계 수는 특정 증기 대 액체 비를 사용하여 계산한다. 액체와 증기가 포장된 침대로 들어갈 때 피상적인 주탑 영역에 고르게 분포되지 않으면, 포장된 침대에서 액체 대 증기 비율이 정확하지 않고 필요한 분리가 이루어지지 않는다. 포장이 제대로 되지 않는 것 같다. 이론판(HETP)에 해당하는 높이가 예상보다 클 것이다. 문제는 포장 자체가 아니라 포장된 침대로 들어가는 액체의 잘못된 분배다. 액체의 분배가 증기보다 더 자주 문제가 된다. 포장된 침대로 공급과 환류를 도입하는 데 사용되는 액체 배급자의 설계는 포장 작업을 최대한 효율적으로 수행하기 위해 매우 중요하다. 액상분배기의 유효성을 평가하는 방법은 참고문헌에서 찾을 수 있다.[9][10]

오버헤드 시스템 배치

이미지 4와 5는 물이나 공랭을 사용하여 액체 제품으로 완전히 응축된 오버헤드 스트림을 가정한다. 그러나, 많은 경우에, 탑 오버헤드가 완전히 응축되지 않고 환류 드럼은 반드시 통풍 가스 배출구를 포함해야 한다. 그러나 다른 경우에는, 공급 하천에 약간의 물이 포함되어 있거나 증류탑(정유소의 원유 증류탑의 경우)에 일부 증기가 주입되기 때문에 오버헤드 하천에도 수증기가 있을 수 있다. 이 경우 증류제품이 물에 불용성인 경우 환류드럼에는 응축액 증류상, 응축수상, 응축불가스가 포함될 수 있으므로 환류드럼에도 물 배출구가 있어야 한다.

다단원 증류

주로 원유정제에 사용되는 분절증류 외에, 다단성분 혼합물은 일련의 증류기둥, 즉 증류열차를 이용하여 그들의 단일 성분을 정화하기 위해 보통 처리된다.

증류열차

증류 열차는 연속 또는 병렬로 배열된 증류 열로 정의되며, 그 목적은 다중 혼합물 정화다.

프로세스 강화 대안

분할 벽 기둥 단위는 증류와 관련된 가장 일반적인 공정 내진 단위다. 특히 열역학적으로 등가성이 입증된 것은 페트류크 구성의[11] 단일 컬럼 쉘에서의 배열이다.[12]

예

원유의 연속 증류

석유 원유는 파라핀, 나프테인, 아로마틱스 등 수백 가지 탄화수소 화합물과 유기황 화합물, 유기질소 화합물, 페놀 등 산소를 함유한 탄화수소 등을 함유하고 있다. 원유는 일반적으로 올레핀을 함유하지 않지만, 석유 정제소에서 사용되는 많은 공정에서 형성된다.[13]

원유분수기는 단일 비등점을 가진 제품을 생산하는 것이 아니라 비등 범위를 가진 분수를 생산한다.[13][14] 예를 들어, 원유분수기는 "나프타"라고 불리는 오버헤드 분수를 생성하는데, 이것은 유황을 제거하기 위해 촉매성 탈황기를 통해 추가로 처리된 후 가솔린 성분이 되고, 탄화수소 분자를 옥탄 등급 값이 더 높은 더 복잡한 분자로 개혁하기 위한 촉매 개혁기가 된다.

나프타 컷은, 그 분수라고 불리는, 많은 다른 탄화수소 화합물을 포함하고 있다. 따라서 초기 비등점은 약 35 °C이고 최종 비등점은 약 200 °C이다. 분류기둥에서 생산되는 각 절단은 비등 범위가 다르다. 머리 위 아래 어느 정도 떨어진 곳에서는 다음 절삭이 기둥 옆쪽에서 빠져나와 보통 등유 절삭이라고도 하는 제트 연료 절삭이다. 절삭의 비등 범위는 초기 비등점 약 150 °C에서 최종 비등점 약 270 °C까지이며, 다양한 탄화수소를 포함하고 있다. 다음 절단은 타워 아래쪽으로 약 180°C에서 약 315°C까지 끓는 범위로 절단된 디젤 오일이다. 증류 분리가 완벽히 날카롭지 않기 때문에 어떤 절삭과 다음 절삭 사이의 비등 범위가 겹친다. 그 후에 무거운 연료 오일이 끊어지고 마침내 매우 넓은 끓는 범위를 가진 바닥의 제품이 나온다. 이 모든 삭감은 이후의 정제 과정에서 더 많이 처리된다.

대마초 농축액의 연속 증류

대마초 농축액을 증류하기 위한 대표적인 적용은 부탄 해시 오일(BHO)이다. 단경로 증류법은 거주시간이 짧아 농축액에 대한 열응력을 최소화할 수 있어 인기 있는 방법이다. 순환, 낙상막 및 칼럼 증류 등과 같은 다른 증류 방법에서는 반드시 적용해야 하는 장기 거주 시간 및 고온으로 인해 농축액이 손상될 수 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ Editors: Jacqueline I. Kroschwitz and Arza Seidel (2004). Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology (5th ed.). Hoboken, New Jersey: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-48810-0.CS1 maint: 추가 텍스트: 작성자 목록(링크)
  2. ^ McCabe, W., Smith, J. and Harriott, P. (2004). Unit Operations of Chemical Engineering (7th ed.). McGraw Hill. ISBN 0-07-284823-5.CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  3. ^ Jump up to: a b Kister, Henry Z. (1992). Distillation Design (1st ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6.
  4. ^ King, C.J. (1980). Separation Processes (2nd ed.). McGraw Hill. ISBN 0-07-034612-7.
  5. ^ Jump up to: a b c d Perry, Robert H.; Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
  6. ^ Beychok, Milton (May 1951). "Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram". Chemical Engineering Progress.
  7. ^ Seader, J. D.; Henley, Ernest J. (1998). Separation Process Principles. New York: Wiley. ISBN 0-471-58626-9.
  8. ^ 버블 캡 및 기타 트레이 유형 사진(Raschig Gmbh의 웹사이트)
  9. ^ 무작위 포장, 증기 및 액체 분포: 상업용 포장 타워 내 액체 및 가스 분포, 무어, F, 루코베나, F, 화학 플랜트 & 프로세싱, 에디션 유럽, 1987년 8월, 페이지 11-15
  10. ^ 구조화된 포장, 액체 분배: 새로운 액체 분배기 품질 평가 방법, 슈피겔, L, 화학 엔지니어링 및 처리 45(2006), 페이지 1011-1017
  11. ^ Kiss, Anton Alexandru (2013). Advanced distillation technologies : design, control, and applications. ISBN 9781119993612.
  12. ^ Madenoor Ramapriya, Gautham; Tawarmalani, Mohit; Agrawal, Rakesh (August 2014). "Thermal coupling links to liquid-only transfer streams: A path for new dividing wall columns". AIChE Journal. 60 (8): 2949–2961. doi:10.1002/aic.14468.
  13. ^ Jump up to: a b Gary, J.H.; Handwerk, G.E. (1984). Petroleum Refining Technology and Economics (2nd ed.). Marcel Dekker, Inc. ISBN 0-8247-7150-8.
  14. ^ Nelson, W.L. (1958). Petroleum Refinery Engineering (4th ed.). McGraw Hill. LCCN 57010913.

외부 링크