용매를이용한ipa 탈수를위한추출증류공정에 서용매로써eg과dmso ... ·...

용매를 이용한 IPA 탈수를 위한 추출증류공정에서 용매로써 EG과 DMSO에 대한 2기 증류배열과서 용매로써 EG과 DMSO에 대한 2기 증류배열과

3기 증류배열 사이의 에너지 소비 비교

조 정호조 정호공주대학교 공과대학 화학공학과

화학공정연구실

목차

1. 연구소개

2. 원료조성 및 조건

3. 열역학 모델식 선정열역학 모델식 선정

4. 실험데이터와 NRTL 계산결과의 비교

5. 전산 모델링 결과

6 결론6. 결론

2

Introduction

1.0

Experimental Data 1E i t l D t 2

IPA / Water System

on o

f IP

A

0 6

0.8

Experimental Data 2Calculated equilibrium

반도체 공정에서고순도 이소프로필알콜

많은 양의 IPA 폐

or m

ole

fract

io

0.4

0.6

상평형 선도에 나타내어 있듯이 IPA와 Water는68mole%(88wt%) 근처에서공비점을 형성합니다

반도체 공정에서불순물 제거

고순도 이소프로필알콜(iso-proply alcohol, IPA)

을 사용

많은 양의 IPA 폐수용액이 발생

Vap

o

0.2

일반적인 증류를 통해서 폐IPA 수용액으로부터 거의 순

공비점을 형성합니다68 Mole %

101.325 kPa Using DMSO or EG as a Solvent

Liquid Mole fraction of IPA0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0IPA 수용액으로부터 거의 순수한 IPA를 얻는 것은 불가능합니다

High purity IPA

57wt% IPA

extractive distillation process

Solvent

Reference : Experimental data 1 : Wilson, A., and E. L. Simons. Ind. Eng. Chem., vol 44 pp. 2214-2219, 1952Experimental data 1 : Davalloo P., Iran. J. Sci. Technol., 1,279(1971).

3

Feedstock Conditions

Stream Number 1

Stream Name Feed

Temperature (℃) 50p

Pressure (kPa) 250.00

Vapor Mole Fraction 0 00Vapor Mole Fraction 0.00

Total Molar Rate (kmol/hr) 99.83

Total Mass Rate (kg/hr) 3,000.00

kg/hr wt%

IPA 1,716.00 57.2

WATER 1,284.00 42.8

4

Product Specifications & Utility Conditions

Product Specifications ValueProduct Specifications Value

IPA Purity > 99.70 wt%

IPA Yield > 99%

Solvent Content in IPA Product < 1ppm by weight

IPA Content in Waste Water < 500 ppm by weight

Utilit C diti V lUtility Conditions Value

MP Steam 180 ℃ Saturated

Cooling water supply & return temperature 32 ℃ / 40 ℃

5

Proper Thermodynamic Model Selection

The selection of proper thermodynamic model is very important to the design f hi hl id l tof highly non-ideal system.

GG

kkj

lljljl

ijj kkj

ijj

kki

jjjiji

i xG

Gx

xGGx

xG

xG

ln

kkk

ba ij

ijij T

aijij

ijijijG exp ijijij p

6

NRTL Binary Interaction Parameters

ijbijajia jib jic

ijc jia jib jic

7

Experimental VLE for IPA-H2O and NRTL Plot

Experimental data at 1 atm for IPA-water binary system and its prediction with NRTL model

375e

(K)

370Experimental VLE for IPA-H2O at 1atmNRTL Plot

pera

ture

360

365

그 결과 실험 결과를 매우 근사하게 추산하는 것을 알 수있었습니다

Tem

355

M l F ti f IPA0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

350

Mole Fraction of IPA

8

Experimental VLE for H2O-DMSO and NRTL Plot

Experimental data at 0.46 atm for Water-DMSO binary system and its prediction with NRTL model

460

Experimental VLE for H2O-DMSO at 0.46 atm

e (K

)

420

440p

NRTL Plot

mpe

ratu

re

400

Tem

360

380

Mole Fraction of H O0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

340

Mole Fraction of H2O

9

Experimental VLE for H2O-EG and NRTL Plot

Experimental data at 0.13 atm for Water-EG binary system and its prediction with NRTL model

420

H 2O -E G E xperim enta l D a ta_0 .13 a tmN R T L P lo t

e (K

)

380

400

empe

ratu

re

360

380

T

340

M o le fraction o f H 2O0.0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0

320

10

2

Experimental VLE for IPA-DMSO and NRTL Plot

Experimental data at 0.065 atm for IPA-DMSO binary system and its prediction with NRTL model

400

Experimental VLE for IPA-DMSO at 0.065 atmNRTL Pl t

e (K

)

360

380 NRTL Plot

mpe

ratu

re

340

Tem

300

320

Mole Fraction of IPA0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

280

Mole Fraction of IPA

11

Experimental VLE for IPA-EG and NRTL Plot

Experimental data at 1 atm for IPA-EG binary system and its prediction with NRTL model

460

480

IP A -E G E xperim enta l D a ta_1 a tmN R T L P lo t

(K) 440

460

empe

ratu

re

400

420

Te

360

380

M o le fraction o f IP A0.0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0

340

12

M ole fraction o f IP A

IPA Dehydration Using Two-Column Configuration

99.70 wt%

T02 T03

13

IPA Dehydration Using Two-Column Configuration

Flow sheet drawing for a two-column configuration using PRO/II with PROVISION version 9.1

14

Two-column Stream Summary (EG)

Stream Number 1 2 6 8

Stream Name T02 Feed T02 Top(IPA Product)

T03 Top(Waste Water)

T03 Bottom(Solvent)

Temperature (℃) 20.00 45.00 55.22 150.06

Pressure (kPa) 250.00 103.00 16.00 250.00Pressure (kPa) 250.00 103.00 16.00 250.00

Vapor Mole Fraction 0.00 0.00 0.00 0.00

Total Molar Rate kmol/hr 99.83 28.83 71.00 108.99

Total Mass Rate kg/hr 3,000.00 1,720.24 1,279.76 6,763.11Total Mass Rate kg/hr 3,000.00 1,720.24 1,279.76 6,763.11

Comp. Flow Rate (kg/hr) kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr

IPA 1,716.00 1,716.00 0.40 0.00

WATER 1,284.00 5.16 1,278.84 0.68 , ,

EG 0.00 0.00 0.00 6,762.44

Comp. Composition (wt%) wt% wt% wt% wt%

IPA 57.20 99.70 0.03 0.00

WATER 42.80 0.30 99.97 0.01

EG 0.00 0.00 0.00 99.99

15

Two-column Stream Summary (DMSO)

Stream Number 1 2 6 8

Stream Name T02 Feed T02 Top(IPA Product)


T03 Bottom(Solvent)

Temperature (℃) 20.00 45.00 55.25 150.06

Pressure (kPa) 250.00 103.00 16.00 250.00Pressure (kPa) 250.00 103.00 16.00 250.00

Vapor Mole Fraction 0.00 0.00 0.00 0.00

Total Molar Rate kmol/hr 99.83 28.83 71.00 56.29

Total Mass Rate kg/hr 3,000.00 1,720.51 1,279.49 4,396.59Total Mass Rate kg/hr 3,000.00 1,720.51 1,279.49 4,396.59

Comp. Flow Rate (kg/hr) kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr

IPA 1,716.00 1,715.35 0.65 0.00

WATER 1,284.00 5.16 1,278.84 0.44 , ,

DMSO 0.00 0.00 0.00 4,396.15

Comp. Composition (wt%) wt% wt% wt% wt%

IPA 57.20 99.70 0.05 0.00

WATER 42.80 0.30 99.95 0.01

DMSO 0.00 0.00 0.00 99.99

16

Comparison of Two-column Configurations

Items Two-columns(EG) Two-columns(DMSO)Items Two columns(EG) Two columns(DMSO)

Condenser duty of T02 0.9656x106 kcal/hr 0.9654x106 kcal/hr

Condenser duty of T03 2 1573x106 kcal/hr 2 1850x106 kcal/hrCondenser duty of T03 2.1573x10 kcal/hr 2.1850x106 kcal/hr

Total 3.1229x106 kcal/hr 3.1504x106 kcal/hr

6Reboiler duty of T02 1.5648x106 kcal/hr 1.3303x106 kcal/hr

Reboiler duty of T03 2.0538x106 kcal/hr 2.0851x106 kcal/hr

Total 3.6186x106 kcal/hr 3.4154x106 kcal/hrSolvent circulation rate 6,766 kg/hr 4,396 kg/hrCooling water consumption 390 ton/hr 394 ton/hrCooling water consumption 390 ton/hr 394 ton/hrSteam consumption 7,518 kg/hr 7,096 kg/hr

17

IPA Dehydration Using Three-Column Configuration

99.70 wt%

< 500ppm IPA Bottom Temperature < 160oC

pp

18

IPA Dehydration Using Three-Column Configuration

Flow sheet drawing for a three-column configuration using PRO/II with PROVISION version 9 1PROVISION version 9.1

19

상제품에서 순 ( )추출증류탑에서 추출용매(DMSO)의 유량에 따른 추출증류탑 탑상제품에서 IPA순도(wt%)

Top 100.0

n C

olum

n T

99 0

99.5순도 99.7wt%를 얻기 위한 DMSO용매유입량은 약 3,000kg/hr정도 되어야 함

Dis

tilla

tion

98.5

99.0

이때, Heat Duty는 1.1671×106 Kcal/hr

유입량은 약 , g/ 정 되어야 함

t Ext

ract

ive

97.5

98.0

% o

f IP

A a

t

96 5

97.0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Mas

s %

96.0

96.5

Mass flow rate of DMSO Solvent (kg/hr)

20

품에서 순 ( )추출증류탑에서 추출용매(EG)의 유량에 따른 추출증류탑 탑상제품에서 IPA순도(wt%)

Top 100.0

n C

olum

n T

99 0

99.5순도 99.7wt%를 얻기 위한 EG 용매 유입량은 약 4,000kg/hr정도 되어야 함

Dis

tilla

tion

98.5

99.0

이때, Heat Duty는 1.3093×106 Kcal/hr

입량은 약 , g/ 정 되어야 함

t Ext

ract

ive

97.5

98.0

% o

f IP

A a

t

96 5

97.0

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Mas

s %

96.0

96.5

Mass flow rate of EG Solvent (kg/hr)

21

pp pReboiler heat duty of Concentrator, Extractive Distillation Column and Stripper vs. IPA wt% of concentrator top

농축기 상부에서의 IPA순도(wt%)에 따른 농축기와 추출탑 그리고 용매 재생탑의 재비기heat duty 변화량을 나타낸 결과입니다.

Using DMSOIPA wt%

22

pp pReboiler heat duty of Cocentrator, extractive distillation Column and Stripper vs. IPA mass% of concentrator top

Using EG

IPA wt%

23

pTotal Reboiler heat duty in extractive distillation process vs. IPA wt% of concentrator top

DMSO의 경우 농축기 상부에서의 IPA순도(wt%)가 84.4wt%일 때, 총 재비기 heat

EG의 경우에는 농축기 상부에서의 IPA순도(wt%)가 84.5wt%일 때, 총 재비기 heat

duty 값이 가장 낮은 것을 알 수 있습니다. duty 값이 가장 낮은 것을 알 수 있습니다.

Using EGUsing DMSO

24

용매 회수탑 하부의 온도가 160℃가 되기 위한 용매 회수탑 하부(재비기) 압력

DMSO의 경우 용매 회수탑(T3) 하부의 온도가 160℃가 되기 위한 재비기 압력은 43.01

EG의 경우 용매 회수탑(T3) 하부의 온도가160℃가 되기 위한 재비기 압력은 29.62 kPa

180 0180.0

kPa정도 됩니다. 정도 됩니다.

170.0

175.0

180.0

170 0

175.0Using EGUsing DMSO

erat

ure

(o C)

160.0

165.0

erat

ure

(o C)

160 0

165.0

170.0

Tem

pe150.0

155.0

Tem

pe

155.0

160.0

10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0140.0

145.0

30.0 40.0 50.0 60.0 70.0145.0

150.043.01 kPa 29.62 kPa

Bottom Pressure of Solvent Recovery Col.(kPa)Bottom Pressure of Solvent Recovery Col.(kPa)

25

Three-column Stream Summary(EG)

Stream Number 2 5 6 9 10

T02 Top T03 Top T03 BottomStream Name T01 Feed T01 Top

T02 Top(IPA Product)


T03 Bottom(Solvent)

Temperature (℃) 66.22 45.00 45.00 45.00 160.00

Pressure (kPa) 250.00 105.00 103.00 25.62 29.62

Vapor Mole Fraction 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Total Molar Rate kmol/hr 99.83 46.01 28.83 17.18 64.74

Total Mass Rate kg/hr 3,000.00 2,030.20 1,720.52 309.67 4,017.43Total Mass Rate kg/hr 3,000.00 2,030.20 1,720.52 309.67 4,017.43

Comp. Flow Rate (kg/hr) kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr

IPA 1,716.00 1,715.52 1,715.36 0.15 0.00

WATER 1 284 00 314 68 5 16 309 52 0 40WATER 1,284.00 314.68 5.16 309.52 0.40

EG 0.00 0.00 0.00 0.00 4,017.03

Comp. Composition (wt%) wt% wt% wt% wt% wt%

IPA 57.20 84.50 99.70 0.05 0.00

WATER 42.80 15.50 0.30 99.95 0.01

EG 0.00 0.00 0.00 0.00 99.99

26

Three-column Stream Summary(DMSO)

Stream Number 2 5 6 9 10

T02 Top T03 Top T03 BottomStream Name T01 Feed T01 Top

T02 Top(IPA Product)


T03 Bottom(Solvent)

Temperature (℃) 66.20 45.00 45.00 45.00 160.04

Pressure (kPa) 250.00 105.00 103.00 27.01 43.01

Vapor Mole Fraction 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Total Molar Rate kmol/hr 99.83 46.15 28.83 17.32 38.44

Total Mass Rate kg/hr 3,000.00 2,032.60 1,720.52 312.08 3,002.46Total Mass Rate kg/hr 3,000.00 2,032.60 1,720.52 312.08 3,002.46

Comp. Flow Rate (kg/hr) kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr

IPA 1,716.00 1,715.52 1,715.36 0.16 0.00

WATER 1 284 00 317 09 5 16 311 92 0 30WATER 1,284.00 317.09 5.16 311.92 0.30

DMSO 0.00 0.00 0.00 0.00 3,002.16

Comp. Composition (wt%) wt% wt% wt% wt% wt%

IPA 57.20 84.40 99.70 0.05 0.00

WATER 42.80 15.60 0.30 99.95 0.01

DMSO 0.00 0.00 0.00 0.00 99.99

27

Comparison of Three-column Configurations

Items Three-columns(EG) Three-columns(DMSO)

Condenser duty at T01 0.6446x106 kcal/hr 0.6410x106 kcal/hrCondenser duty at T01 0.6446x10 kcal/hr 0.6410x10 kcal/hr

Condenser duty of T02 0.9655x106 kcal/hr 0.9655x106 kcal/hr

C d d f T03 0 5735 106 k l/h 0 5466 106 k l/hCondenser duty of T03 0.5735x106 kcal/hr 0.5466x106 kcal/hr

Total 2.1476x106 kcal/hr 2.1522x106 kcal/hr




Total 2.4649x106 kcal/hr 2.3310x106 kcal/hrSolvent circulation rate 4,017 kg/hr 3,002 kg/hrCooling water consumption 268 ton/hr 269 ton/hrSt ti 5 120k /h 4 843 k /h

28

Steam consumption 5,120kg/hr 4,843 kg/hr

결론

2기 배열에서 IPA 99.7wt% 정제를 위해 필요한 추출용매의 순환 유량은 DMSO 용매를 사용한 경우 4,396 kg/hr 였으며 EG 용매를 사용한 경우 6,763 kg/hr로DMSO에 비해 53 8%정도 더 소요되는 것으로 계산되었다DMSO에 비해 53.8%정도 더 소요되는 것으로 계산되었다.

3기 배열에서 IPA 99.7wt% 정제를 위해 필요한 추출용매의 순환 유량은 DMSO 용매를 사용한 경우 3,002 kg/hr 였으며 EG 용매를 사용한 경우 4,018 kg/hr로DMSO에 비해 33.8%정도 더 소요되는 것으로 계산되었다.

2기 배열에서 DMSO 용매를 사용한 경우가 EG를 사용한 경우에 비해 재비기 HeatDuty가 5.6%정도 더 적게 소요되는 것으로 계산되었다.

3기 배열에서 DMSO 용매를 사용한 경우가 EG를 사용한 경우에 비해 재비기 HeatDuty가 4.9%정도 더 적게 소요되는 것으로 계산되었다.

3기 배열에서 DMSO 추출 공정의 경우 IPA 순도가 84.4 wt%일 때 재비기 HeatDuty는 2.312×106 kcal/hr로 최소화 되었으며, EG의 경우는 IPA 순도가 84.5

%일 때 재비기 H D 가 2 432 106 k l/h 로 최소화됨을 알 수 있었다wt%일 때 재비기 Heat Duty가 2.432×106 kcal/hr로 최소화됨을 알 수 있었다.29

감사합니다.

30

용매를이용한ipa 탈수를위한추출증류공정에 서용매로써eg과dmso ... ·...

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