용매를 이용한 IPA 탈수를 위한 추출증류공정에 서 용매로써 EG과 DMSO에 대한 2기 증류배열과 서 용매로써 EG과 DMSO에 대한 2기 증류배열과
3기 증류배열 사이의 에너지 소비 비교
조 정호 조 정호
공주대학교 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 결론 6. 결론
Introduction
1.0
Experimental Data 1 E i t l D t 2
IPA / Water System
on of IPA
0 6 0.8
Experimental Data 2 Calculated equilibrium
반도체 공정에서 고순도 이소프로필알콜 많은 양의 IPA 폐
or mole fractio
0.4 0.6
상평형 선도에 나타내어 있듯 이 IPA와 Water는
68mole%(88wt%) 근처에서 공비점을 형성합니다
반도체 공정에서 불순물 제거
고순도 이소프로필알콜 (iso-proply alcohol, IPA)
을 사용
많은 양의 IPA 폐 수용액이 발생
Vapo
0.2
일반적인 증류를 통해서 폐 IPA 수용액으로부터 거의 순 공비점을 형성합니다
68 Mole %
101.325 kPa
Using DMSO or EG as a SolventLiquid Mole fraction of IPA
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.0 IPA 수용액으로부터 거의 순
수한 IPA를 얻는 것은 불가능
합니다
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, 1952
Experimental data 1 : Davalloo P., Iran. J. Sci. Technol., 1,279(1971).
Feedstock Conditions
Stream Number 1
Stream Name Feed
Temperature (℃) p 50
Pressure (kPa) 250.00
Vapor Mole Fraction 0 00
Vapor 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
Product Specifications & Utility Conditions
Product Specifications Value
Product 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 l
Utility Conditions Value
MP Steam 180 ℃ Saturated
Cooling water supply & return temperature 32 ℃ / 40 ℃
Proper Thermodynamic Model Selection
The selection of proper thermodynamic model is very important to the design f hi hl id l t
of highly non-ideal system.
G G
k kj l
lj lj l ij
j kj k
ij j k
ki j
j ji ji
i
G x
G x
x G
G x x
G
x
G
ln
kk k
a
ijb
ijij
ija
ij T
ij ij
G
ijij exp p
ij
ij
NRTL Binary Interaction Parameters
b
ija
ija
jib
jic
jic
ij
a
jib
jic
jiExperimental VLE for IPA-H 2 O and NRTL Plot
Experimental data at 1 atm for IPA-water binary system and its prediction with NRTL model
375
e (K)
370
Experimental VLE for IPA-H2O at 1atm NRTL Plot
per at ur e
360 365
그 결과 실험 결과를 매우 근사하게 추산하는 것을 알 수 있었습니다
Te m
355
M l F ti f IPA
0.0 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
Experimental VLE for H 2 O-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)
420440
p NRTL Plot
m peratur e
400
Te m
360 380
Mole Fraction of H O
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
340
Mole Fraction of H
2O
Experimental VLE for H 2 O-EG and NRTL Plot
Experimental data at 0.13 atm for Water-EG binary system and its prediction with NRTL model
4 2 0
H2O -E G E x p e rim e n ta l D a ta _ 0 .1 3 a tm N R T L P lo t
e (K) 3 8 0
4 0 0
emperature
3 6 0 3 8 0
T
3 4 0
M o le fra c tio n o f H2O
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0
3 2 0
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 atm NRTL Pl t
e (K )
360
380 NRTL Plot
m peratur e
340
Te m
300 320
Mole Fraction of IPA
0.0 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
Experimental VLE for IPA-EG and NRTL Plot
Experimental data at 1 atm for IPA-EG binary system and its prediction with NRTL model
4 6 0 4 8 0
IP A -E G E x p e rim e n ta l D a ta _ 1 a tm N R T L P lo t
(K)
4 4 0 4 6 0
e mperature
4 0 04 2 0
T e
3 6 0 3 8 0
M o le fra c tio n o f IP A
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0
3 4 0
M o le fra c tio n o f IP A
IPA Dehydration Using Two-Column Configuration
99.70 wt%
T02 T03
IPA Dehydration Using Two-Column Configuration
Flow sheet drawing for a two-column configuration using PRO/II with
PROVISION version 9.1
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 16.00 250.00
Pressure (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 6,763.11
Total 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
Two-column Stream Summary (DMSO)
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 55.25 150.06
Pressure (kPa) 250.00 103.00 16.00 250.00
Pressure (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 4,396.59
Total 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
Comparison of Two-column Configurations
Items Two-columns(EG) Two-columns(DMSO)
Items Two columns(EG) Two columns(DMSO)
Condenser duty of T02 0.9656x10
6kcal/hr 0.9654x10
6kcal/hr Condenser duty of T03 2 1573x10
6kcal/hr 2 1850x10
6kcal/hr Condenser duty of T03 2.1573x10 kcal/hr 2.1850x10
6kcal/hr
Total 3.1229x10
6kcal/hr 3.1504x10
6kcal/hr
Reboiler duty of T02 1.5648x10
66kcal/hr 1.3303x10
6kcal/hr Reboiler duty of T03 2.0538x10
6kcal/hr 2.0851x10
6kcal/hr
Total 3.6186x10
6kcal/hr 3.4154x10
6kcal/hr
Solvent circulation rate 6,766 kg/hr 4,396 kg/hr
Cooling water consumption
390 ton/hr 394 ton/hrCooling water consumption
390 ton/hr 394 ton/hrSteam consumption
7,518 kg/hr 7,096 kg/hrIPA Dehydration Using Three-Column Configuration
99.70 wt%
< 500ppm IPA
Bottom Temperature < 160
oC
pp
IPA Dehydration Using Three-Column Configuration
Flow sheet drawing for a three-column configuration using PRO/II with PROVISION version 9 1
PROVISION version 9.1
상제품에서 순 ( )
추출증류탑에서 추출용매(DMSO)의 유량에 따른 추출증류탑 탑 상제품에서 IPA순도(wt%)
T op
100.0n Colu mn T
99 0
99.5 순도 99.7wt%를 얻기 위한 DMSO용매
유입량은 약 3,000kg/hr정도 되어야 함
Distilla tio n
98.5 99.0
이때, Heat Duty는 1.1671×106 Kcal/hr 유입량은 약 , g/ 정 되어야 함
t Ex tr a c tive
97.5 98.0
% o f IPA a t
96 5 97.0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Mass %
96.0 96.5
Mass flow rate of DMSO Solvent (kg/hr)
품에서 순 ( )
추출증류탑에서 추출용매(EG)의 유량에 따른 추출증류탑 탑상제 품에서 IPA순도(wt%)
T op
100.0n Colu mn T
99 0
99.5 순도 99.7wt%를 얻기 위한 EG 용매 유
입량은 약 4,000kg/hr정도 되어야 함
Distilla tio n
98.5 99.0
이때, Heat Duty는 1.3093×106 Kcal/hr 입량은 약 , g/ 정 되어야 함
t Ex tr a c tive
97.5 98.0
% o f IPA a t
96 5 97.0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
Mass %
96.0 96.5
Mass flow rate of EG Solvent (kg/hr)
pp p
Reboiler 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 재비기
heat duty 변화량을 나타낸 결과입니다.
Using DMSO
IPA wt%
pp p Reboiler heat duty of Cocentrator, extractive distillation Column and Stripper vs. IPA mass% of concentrator top
Using EG
IPA wt%
p
Total 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 EG Using DMSO
용매 회수탑 하부의 온도가 160℃가 되기 위한 용매 회수탑 하부(재비기) 압력
DMSO의 경우 용매 회수탑(T3) 하부의 온도
가 160℃가 되기 위한 재비기 압력은 43.01 EG의 경우 용매 회수탑(T3) 하부의 온도가 160℃가 되기 위한 재비기 압력은 29.62 kPa
180 0 180.0
kPa정도 됩니다. 정도 됩니다.
170.0 175.0 180.0
170 0
175.0 Using DMSO Using EG
erature (o C)
160.0 165.0
erature (o C)
160 0 165.0 170.0
Tempe
150.0 155.0
Tempe
155.0 160.0
10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
140.0 145.0
30.0 40.0 50.0 60.0 70.0
145.0 150.0
43.01 kPa 29.62 kPa
Bottom Pressure of Solvent Recovery Col.(kPa) Bottom Pressure of Solvent Recovery Col.(kPa)
Three-column Stream Summary(EG)
Stream Number 2 5 6 9 10
T02 Top T03 Top T03 Bottom
Stream Name T01 Feed T01 Top T02 Top
(IPA Product)
T03 Top (Waste Water)
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 4,017.43
Total 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 40
WATER 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
Three-column Stream Summary(DMSO)
Stream Number 2 5 6 9 10
T02 Top T03 Top T03 Bottom
Stream Name T01 Feed T01 Top T02 Top
(IPA Product)
T03 Top (Waste Water)
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 3,002.46
Total 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 30
WATER 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
Comparison of Three-column Configurations
Items Three-columns(EG) Three-columns(DMSO)
Condenser duty at T01 0.6446x10
6kcal/hr 0.6410x10
6kcal/hr Condenser duty at T01 0.6446x10 kcal/hr 0.6410x10 kcal/hr Condenser duty of T02 0.9655x10
6kcal/hr 0.9655x10
6kcal/hr
C d d f T03 0 5735 10
6k l/h 0 5466 10
6k l/h
Condenser duty of T03 0.5735x10
6kcal/hr 0.5466x10
6kcal/hr
Total 2.1476x10
6kcal/hr 2.1522x10
6kcal/hr
Reboiler duty of T01 0.6537x10
6kcal/hr 0.6492x10
6kcal/hr Reboiler duty of T02 1.3093x10
6kcal/hr 1.1671x10
6kcal/hr Reboiler duty of T03 0.5019x10
6kcal/hr 0.5147x10
6kcal/hr
Total 2.4649x10
6kcal/hr 2.3310x10
6kcal/hr
Solvent circulation rate 4,017 kg/hr 3,002 kg/hr
Cooling water consumption
268 ton/hr 269 ton/hrSt ti
5 120k /h 4 843 k /hSteam consumption
5,120kg/hr 4,843 kg/hr결론
2기 배열에서 IPA 99.7wt% 정제를 위해 필요한 추출용매의 순환 유량은 DMSO 용 매를 사용한 경우 4,396 kg/hr 였으며 EG 용매를 사용한 경우 6,763 kg/hr로 DMSO에 비해 53 8%정도 더 소요되는 것으로 계산되었다
DMSO에 비해 53.8%정도 더 소요되는 것으로 계산되었다.
3기 배열에서 IPA 99.7wt% 정제를 위해 필요한 추출용매의 순환 유량은 DMSO 용 매를 사용한 경우 3,002 kg/hr 였으며 EG 용매를 사용한 경우 4,018 kg/hr로 DMSO에 비해 33.8%정도 더 소요되는 것으로 계산되었다.
2기 배열에서 DMSO 용매를 사용한 경우가 EG를 사용한 경우에 비해 재비기 Heat Duty가 5.6%정도 더 적게 소요되는 것으로 계산되었다.
3기 배열에서 DMSO 용매를 사용한 경우가 EG를 사용한 경우에 비해 재비기 Heat Duty가 4.9%정도 더 적게 소요되는 것으로 계산되었다.
3기 배열에서 DMSO 추출 공정의 경우 IPA 순도가 84.4 wt%일 때 재비기 Heat Duty는 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 있었다 wt%일 때 재비기 Heat Duty가 2.432×106 kcal/hr로 최소화됨을 알 수 있었다.