에탄올 탈수용 분자체 흡착층의 설계

기체와 액체의 경우, 분자 체는 탁월한 흡착제 역할을 합니다. 특정한 구조로 활성화된 분자 체는 다양한 시스템에서 원치 않는 기체 또는 액체 오염 물질을 효과적으로 제거하는 데 도움을 줍니다. 또한 기체나 액체를 분자 크기에 따라 분류할 수도 있습니다. 부피 기준 95.6%의 공비 임계값 이상에서 에탄올을 증류할 때, 분자 체는 중요한 역할을 합니다. 이를 활용하여 합성 분자체, 이제 개선된 기술을 통해 이 아제오트로픽 한계점보다 더 높은 온도에서도 에탄올 탈수 공정을 수행할 수 있게 되었다.

이제 에탄올 탈수용 분자체 흡착층 설계에 대한 상세한 분석을 단계별로 살펴보겠습니다. 그럼 시작해 봅시다!

에탄올 탈수 공정에서 분자 체층의 활용

분자 체층이란 무엇인가?

그 인공 제올라이트 물질 정확하고 균일한 구조와 크기를 가진 기공을 가진 물질을 분자 체라고 합니다. 이로 인해 분자 체는 분자 크기와 투과성 특성에 따라 기체와 액체를 흡착할 수 있습니다. 제올라이트는 자연에서 발견되는 투과성이 매우 높은 결정질 고체로, 알루미노실리케이트 화학적 계열에 속합니다.

3A, 4A, 5A 및 13X는 분자 체의 4가지 주요 분류입니다. 분자 체의 기공 크기는 유형에 따라 결정되며, 이 유형은 분자의 합성 방식에 따라 결정됩니다. 분자 체는 기공의 유효 직경보다 작은 기체 또는 액체 분자를 용해시키고, 기공보다 큰 분자는 배제하는 방식으로 작동합니다.

에탄올 탈수 과정에서 분자 체의 역할은 무엇인가요?

기존의 에탄올 증류 방식으로는 에탄올 순도를 약 96%까지만 달성할 수 있으며, 나머지 4%는 물로 구성되는데, 이는 에탄올이 물과 혼합될 때 생성되는 공비 혼합물 때문입니다. 연료 등급으로 인정받기 위해서는 에탄올을 최소 99.9%까지 탈수해야 합니다. 이러한 순도를 달성하기 위해, 3 옹스트롬 크기의 구멍을 갖도록 특별히 제작된 3A 분자체(molecular sieve)를 사용하여 물 분자를 흡착시키는 한편, 더 큰 에탄올 분자는 배제합니다. 이 절차를 효율적으로 흡착 경쟁이 없기 때문에, 에탄올을 연료 등급으로 분류될 수 있는 필요한 순도 수준까지 탈수 처리합니다.

~ 동안 생산 절차, 두 분자 체 입자 모두에서 기공의 직경을 세심하게 조절합니다. 기공의 크기를 제어하기 위해 입자 내에서 나트륨, 칼슘, 칼륨 이온을 교환할 수 있습니다. 이를 통해 기체 및 액체 분자가 선택적으로 흡착될 수 있습니다. 주차장을 예로 들어 보겠습니다. 차량의 높이는 7피트이지만, 주차장 천장의 높이는 6피트 8인치에 불과합니다. 아무리 애를 써도 차를 주차장에 넣을 수 없을 것입니다. 분자 체의 구멍에 입자가 흡착되는 원리도 이와 같습니다.

에탄올 탈수 공정에 사용되는 일반적인 분자체 유형

다양한 상업적 및 식품 용도에서 분자 체 탈수 공정은 높은 순도를 요구합니다. 에탄올 건조에 가장 효과적인 분자 체 유형은 3A형입니다. 에탄올 탈수 공정 중 수분을 함유한 에탄올 증기는 분자 체층을 통과하게 됩니다. 초기 단계에서 증기가 체층을 통과할 때, 물은 흡착제 구조의 기공에 흡수됩니다. 이 흡착 과정은 증기의 잠재적 수분 흡착 용량이 모두 채워지거나 분자체가 포화 상태에 이를 때까지 계속됩니다.

수분은 습한 에탄올 증기에서 활성 분자체로 이동하며, 이 과정에서 수분 함량이 유입 시보다 유출 시에 낮아지는 영역을 통과합니다. 이 주요 이행 구역에는 탈수 이동을 위한 활성층 하나와 재생용 활성층 하나가 각각 마련되어 있습니다. 강력한 게이트 및 자동화 기술 활용, 한 침대에서 다음 침대로의 이동이 처리되고 관리됩니다. 순수 에탄올은 분자 체를 사용하여 수분을 제거한 후 자동차 연료 및 기타 용도로 사용할 수 있습니다.

분자체는 얼마나 사용해야 할까요? 

분자체는 자체 질량의 약 20%~25%에 해당하는 양의 수분을 흡수할 수 있습니다. 탈수 과정을 진행할 때는 예상되는 유기 용매 양의 3~4배에 해당하는 분자체를 붓고, 약 24시간 동안 가끔씩 흔들어 주십시오. 

에탄올 탈수용 분자체층의 가장 효과적인 설계

분자 체 메커니즘의 설계와 기능은 여러 요인의 영향을 받습니다. 오염 물질의 흡착 용량은 해당 물질의 작동 온도와 분압, 그리고 분자 체의 종류(3A, 4A, 5A, 13X)에 따라 결정됩니다. 유량 및 압력 저하 한계는 흡착 용량과 함께 최적의 유동 패턴, 질량 전달 동역학, 그리고 이에 따른 용기 설계를 결정하는 데 있어 매우 중요한 요소입니다.

용기의 크기는 분자체 기공의 크기는 물론, 흡착제 층의 배열 방식(흡착제 두께에 따라 결정되며, 거대 과립, 소형 과립 또는 혼합층으로 구성됨)의 영향도 받습니다. 압력 강하와 유량 분산, 그리고 재생 활성 요구량은 선택된 직경 대 높이 비율에 따라 달라집니다.

두 가지가 있습니다 탈수 장치의 설계 방안: 수화 에탄올 원료의 매개변수와 알코올 증류 설비의 가용성을 고려하여, 통합형 또는 독립형 설계를 채택한다.

1. 통합 설계

일체형 증기 원료 탈수 장치는 증류 시스템에 연결되어 있으며, 정류탑에서 직접 공급되는 수소화 에탄올 증기를 받아들입니다. 퍼지 스트림이라고도 하는 재생 유량은 에탄올 회수를 위해 증류 공정으로 재유입됩니다.

분리된 장치와 비교했을 때, 가장 두드러진 점은 통합 시스템의 이점 에너지 사용량이 크게 감소합니다. 보겔부쉬의 혁신적인 고효율 열 통합 기술은 건조 공정을 증류·정제·증발 시스템과 결합하여 운영 비용을 대폭 절감합니다.

공급을 위해서는 0.5 barg의 최소 압력이 필요합니다.

2. 독립형 설계

비축 과정에서 발생한 수분 함유 에탄올 액체는 독립형 액체 공급 장치를 사용하여 건조됩니다. 건조 설비. 아주 작은 재순환 컬럼에서 수화 에탄올이 증발됩니다. 퍼지 스트림이라고도 하는 재생 채널은 에탄올을 추출하기 위해 재순환 챔버로 연결됩니다.

원료 및 유틸리티 매개변수를 고려하여 열회수 시스템을 적절히 설계하면 에탄올 건조실의 전력 소비를 줄일 수 있다.

절차의 원칙

분자 체 탈수 과정에서 사용되는 흡착 기술은 다음과 같습니다. 합성 제올라이트, 즉 부서지기 쉽고 기공률이 높은 물질입니다. 이 방법은 제올라이트가 물에 대해 갖는 흡착력이 압력에 따라 변화한다는 사실에 기반을 두고 있습니다. 제올라이트의 물 함유량은 유입되는 물의 분압에 의해 결정되며, 이는 힘을 조절함으로써 변경할 수 있습니다.

압력 변동 흡착 공정(PSA)

분자 체층에 과열 증기가 주입되기 때문에 응결 현상이 발생하지 않습니다. 에탄올 증기가 분자 체층을 통과하는 동안, 증기는 제올라이트의 기공 속으로 흡수됩니다.

분자체 층이 물에 흠뻑 젖어 누출이 임박했을 때는 반드시 재활성화해야 합니다. 즉, 제올라이트에 가해지는 압력을 낮춤으로써 제올라이트 표면의 물을 제거해야 합니다.

A 압력 변동 흡착 일정한 생산량을 유지하기 위해 두 개의 분자체 베드를 갖춘 설비가 사용됩니다. 한 베드는 탈수 과정을 거치는 동안, 다른 베드는 진공 상태에서 재생됩니다. 활성화 과정 전반에 걸쳐 베드 내 압력이 낮아지며, 탈착된 물은 다른 건조 베드에서 배출되는 증기와 함께 베드 밖으로 빠르게 배출됩니다. 이렇게 배출되거나 재생된 유체는 용해된 후 펌프를 통해 증류소로 이송되어 에탄올을 추출하는 데 사용됩니다.

전체 절차가 자동화되어 있습니다.

탈수 장치의 성능을 높이는 방법

분자 체 공정의 개선

• 흡착 최적화 원리 1: 이상적인 온도와 압력

흡착의 두 가지 주요 기본 원리에 근거할 때, 설비는 가능한 한 최대 압력과 최저 온도에서 가동되어야 한다는 점이 불가피합니다. 작동 온도를 선정할 때는 이것이 기상 공정이라는 점을 염두에 두어야 합니다. 즉, 공급 통로는 어느 지점에서도 상 변화를 겪을 수 없습니다. 결과적으로, 사용할 수 있는 최저 온도는 바로 그 온도보다 약간 높은 수준입니다. 단계 전환의 기점. 시스템이 견딜 수 있는 최대 압력과 이용 가능한 과열량에 따라 이 메커니즘의 한계가 결정된다.

최대 압력은 용기, 배관 및 밸브의 정격에 따라 결정됩니다. 에탄올/물 용액의 비등점은 최저 온도를 결정합니다. 대부분의 설계는 약 95%의 에탄올을 포함하는 물/에탄올 공비 혼합물을 기준으로 합니다. 실제로 대부분의 플랜트는 공비 혼합점 이하에서 운영되며, 에탄올 농도는 90%까지 낮아질 수 있습니다. 어떤 조합이든 실제 비등점을 반드시 확인해야 합니다. 물질이 기체 상태를 유지하도록 보장하기 위해, 유입 증기 온도는 50°F 또는 10°C의 과열도로 설정해야 합니다.

이러한 요인들을 평가함으로써 최대 흡착을 위한 최적의 조건을 정확히 파악할 수 있다.

동일한 등온법을 사용하여 재생에 대한 최대 설정을 산출하십시오. 고정된 온도에서 용기 내에서 달성 가능한 최대 진공도를 확보해야 합니다. 작동 용량은 다음과 같이 정의됩니다. 역량상의 차이 가능한 한 가장 높은 압력과 상상할 수 있는 가장 낮은 압력 사이의 일정 온도에서.

• 흡착 최적화 원리 2: 작업 용량

모든 분자 체에는 사양서가 반드시 첨부되어야 하며, 여기에는 정적 수분 용량이 명시되어 있어야 합니다. 모든 결합형 3A 체 비드는 질량 기준으로 18~22%의 정적 수분 용량을 가지기 때문에, 이는 실제 작동 용량에 미미한 영향을 미칩니다.

분자 체의 고정 부피는 그 순도를 나타내는 일반적인 지표로 유용하지만, 기능 용량이 가장 성능에 필수적. 일정한 온도에서 두 가지 작동 압력(흡착 압력과 활성화 압력) 간 분자체 수분량의 차이를 ‘작동 용량’이라고 한다.

질량 전달 영역은 루프의 흡착 또는 재생 단계 전반에 걸쳐 물이 분자체에 의도적으로 흡착되거나 용출되는 영역이다. 가설적으로, 물질 전달 영역은 침상의 직경 전체를 균일하게 이동하는 구형 웨이퍼 형태인 “플러그 흐름(plug flow)”과 유사한 모양을 띤다. 실제로는 증기의 분산과 용기 벽면에 가해지는 마찰이 모두 물질 전달 영역을 형성한다. 분자 체의 성능을 최대한 활용하기 위해서는 적절한 증기 분산을 위한 올바른 분산이 필수적이다.

근로 능력에 영향을 미치는 요인

1. 지정된 조건과 압력 하에서, 온도 조절 장치는 증기 상을 지속적으로 유지해야 합니다. 액체가 비드 외부에 장벽을 형성하기 때문에, 이상 순환 과정에서 액체가 결정 접합부로 이동하는 물질 전달이 방해받습니다. 액체의 표면 장력으로 인해, 액체 상태로 응축된 물이 재기화를 통해 제거되기 어렵습니다.
2. 흡입구에서의 증기 분산. 질량 전달 영역의 대칭성과 속도.
3. 일정한 온도에서 흡착제 압력과 재생 흡입 압력 간의 차이를 최대한 크게 유지해야 한다.
4. 3A 분자체에 적합한 크기.
5. 사양서 외에도 평가서 샘플을 요청하십시오. 여러 제조사의 분자 체 제품을 비교해 보십시오. 모든 제품이 동일하게 제조된 것은 아니므로 성능도 제각각입니다. 압축 강도, 내마모성, 입자 크기 분포, 기술적 전문성 등의 특성을 확인하십시오.

그 밖의 고려 사항

산업용 에탄올 생산 공정은 분자체에 크게 의존하고 있습니다. 분자체를 통해 에탄올을 95% 순도에서 연료 첨가제로 사용하기에 필요한 약 99.9% 순도까지 건조시킬 수 있습니다. 에탄올 탈수 설비에 사용되는 분자체는 에탄올 공장의 다른 모든 공정과 마찬가지로 각별한 주의가 필요합니다. 예방적 유지보수, 작업 과정 중의 주의 사항과 비드, 용기 또는 시트에 장기적인 손상을 초래할 수 있는 요인에 대한 지식은 모두 필수적입니다. 최대 10년에 이르는 길고 지속 가능한 수명을 보장하기 위해서는 체 비드에 대한 선제적인 모니터링과 유지보수가 필요합니다. 

분자체 비드가 어떻게 탈수되는지 이해하고 몇 가지 간단한 지침을 따르면 비드의 수명을 더 오래 유지하는 데 도움이 됩니다. 이를 염두에 두고 다음 사항을 준수해 주십시오:

1. 시트나 침대가 젖지 않도록 주의하십시오. 

컨테이너로 유입될 때 및 작동 중에는 공정 유체가 기체 상태로 유입되고 유지되도록 각별히 주의해야 합니다. 기체가 다시 액체로 응축될 경우, 이는 다음 사항에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 질량 전달 역학 용기 안팎으로 물이 유입 및 유출되어, 결과적으로 작동 용량이 감소하고 비드에 손상이 발생할 수 있습니다. 물의 뚜렷한 응집성 때문에, 액상 공정 유체가 에탄올 탈수층에 도달하면 물이 각 비드 위에 층을 형성하여, 사실상 비드를 액화된 물 속에 잠기게 할 수 있습니다. 액체 상태의 물로 덮인 비드 때문에, 목표하는 순수 에탄올 제품 유체에서 기상 오염물질(물)의 흡착이 지연되거나 완전히 차단됩니다.

탈수 공정의 어느 단계에서든 액상 분자가 발생하지 않도록 하기 위해서는, 응축 온도보다 50 °F 높은 과열도를 가진 최대 압력의 공급 유동을 확보하고 유지해야 합니다. 이상적인 과열 온도는 50 °F로, 이는 증기가 액상으로 되돌아가는 것을 방지하기에 충분히 높은 동시에, 용기 내 체 비드의 작동 용량을 현저히 저하시키지 않을 정도로 충분히 낮은 수준입니다. 작동 용량은 작동 온도에 비례합니다. 고온에 노출된 비드는 작동 용량이 낮아지므로, 공정 전반에 걸쳐 과도한 열이 발생하는 것도 바람직하지 않습니다. 또한, 특히 혹독한 추위가 이어지는 겨울철에는 공급 유류에서 냉점이나 통제되지 않은 온도 변동을 방지하기 위해 용기와 배관을 적절히 단열하는 것이 매우 중요합니다.

2. 임계 속도를 초과하지 않도록 하십시오

탈수 장치와 그 내부의 체 구슬을 보호하기 위해서는 임계 속도를 피해야 합니다. 공정 내 각 기계는 손상을 입히지 않고 견딜 수 있는 최대 압력 한계가 있습니다. 공장의 증기 유량이 지나치게 높을 경우, 증기 속도가 임계 속도 한계를 초과하여 비명 소리나 고음의 쌕쌕거리는 소리와 같은 소음이 발생할 수 있습니다. 임계 속도를 초과하면 비드가 산산조각 나거나 파손될 수 있으며, 이로 인해 추가적인 분진이 발생하고 주변 장치의 보충 필요성이 증가하며 전반적인 가동 능력이 저하될 수 있습니다. 결국 생산성을 회복하기 위해 장비를 완전히 교체해야 할 수도 있습니다.

3. 침대를 튕겨서는 안 됩니다

레비 팽창을 방지하기 위해서는 각 시스템별로 정의된 유동화 속도를 초과하지 않도록, 유동층 내의 속도를 적절하게 조절하여 엄격히 유지해야 합니다. 비드 직경, 유량, 증기 밀도, 용기 압력 및 유입 유체 온도는 모두 유동화 속도에 영향을 미칩니다. 비드가 증기 거품 위에 떠서 공중에 매달려 있을 때, 즉 유동화라고 하는 현상이 일어날 때 레비 팽창이 발생합니다. 비드들이 유동화되면 서로 마찰을 일으켜 심각한 마모, 분진 발생 및 파손을 초래할 수 있습니다.

그 결과, 파손된 비드가 중량 전달 영역을 통해 베드를 통과하게 되어 불규칙하고 조기적인 돌파, 악순환, 그리고 반복적인 파괴를 초래할 수 있습니다. 밸브가 걸리거나 용기에 부적절한 압력이 가해져 압력이 급격히 변동할 경우, 즉각적인 유동화, 즉 용기 내 체 비드의 실제적인 튀어오름이 유발될 수 있습니다. 이를 흔히 ‘팝콘 현상’이라고 부릅니다.

다양한 에탄올 탈수 장치의 성능에 대해 더 자세히 알고 싶으시다면, 저희 회사인 Jalon과 같은 분자 체 전문가에게 문의해 보시기 바랍니다. 전문가들은 분자 체에 대해 처음에는 몰랐던 부분들을 파악할 수 있도록 도와줄 뿐만 아니라, 실수를 방지하는 데에도 큰 도움이 될 것입니다. 효과와 성공률을 높이기 위해, 체크 밸브가 제대로 작동하는지 정기적으로 점검하고, 팀 워크숍을 개최하며, 적절한 가압 설정에 대한 지속적인 교육을 장려하고, 정기적인 점검의 이점을 강조하십시오.

4. 오염 방지

수용성 포도당과 같은 저분자량 탄수화물 및 푸젤 오일은 에탄올 탈수 설비의 운영 능력을 상당히 저해할 수 있습니다. 탄수화물은 공정 유동에 남아 있는 수용성 포도당으로부터 유래하며, 다른 오염 물질과 함께 미셀 복합체 형태로 존재하다가 이후 여과층으로 이동합니다. ‘코킹(coking)’이라고 알려진 이 과정에서, 이러한 오염 물질들은 분자 체 비드의 표면에 부착되어 코크스, 즉 탄화된 탄수화물 층을 형성합니다.

코크스는 비드 표면에 어두운 반점으로 나타나며, 결국 표면 전체를 덮는 층을 형성하여 비드를 검게 만들 수 있습니다. 코크스 코팅은 증기가 각 비드 내부의 미세 채널로 유입되는 것을 차단하여, 분자체 입자가 수분을 흡수하지 못하게 함으로써 작동 성능과 효율이 현저히 저하됩니다.

증발기와 탈수 장치 사이에 데미스터 패드나 응집 분리기를 설치하는 것이 탄화수소(포도당, 연료 및 기타 불순물)를 줄이는 가장 간단한 방법입니다. 이러한 필터는 기본적으로 스틸 울 시트로, 증기 흐름이 통과할 때 오염 물질을 포집하여 정화합니다. 코크 발생을 대폭 줄이고 용기 내부의 가동 용량 및 중량 전달률을 유지하기 위해서는, 선제적인 유지보수 담당팀이 설치 후 필터 하단의 배수구를 점검하고 필요에 따라 수리해야 합니다. 

5. pH 수치를 주의 깊게 관찰하십시오

3옹스트롬 분자 체(3A 분자 체)는 특히 에탄올의 탈수 처리를 위해 개발되었으며, 직경이 대략 3옹스트롬인 결정 기공을 가지고 있습니다. 물 분자의 직경이 약 2.8옹스트롬이고 에탄올 분자의 직경이 약 3.6옹스트롬인 점을 고려할 때, 이 분자 체는 에탄올 합성에 적합합니다. 물 분자는 3A 결정체를 통과하여 포집될 수 있지만, 에탄올 분자는 크기가 너무 커서 흡착되지 못하고 튕겨 나갑니다.

분자체 비드가 높은 pH 환경에 노출되면 이온 교환이 일어나 3A 분자체 결정이 4A 또는 그 이상의 분자체 결정으로 변환되며, 이로 인해 물 외에도 에탄올 분자가 흡착되어 흡착 용량이 감소하게 됩니다.

pH가 너무 낮은 공급 유체에 노출될 경우, 체 비드는 분해되거나 응집됩니다. 이온 이동이나 비드 융합을 방지하기 위해서는 공급 유체의 pH를 4.5~9.0 범위로 유지해야 합니다. 기술자는 예방 정비 시 황산이나 가성소다(수산화나트륨)와 같은 CIP(현장 세척)용 화학 물질이 완전히 헹궈져 체 용기를 통과하지 않도록 각별히 주의해야 합니다.

결론

분자 체는 대부분의 제조 공정의 핵심에 위치하며, 이 게시물에서 볼 수 있듯이 에탄올을 비롯한 대부분의 제조 산물의 순도를 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 사용되는 분자 체의 효율성도 중요하지만, 품질 역시 염두에 두어야 합니다. 시장에는 많은 공급업체가 있지만, 오직 Jalon 지불한 금액에 걸맞은 품질을 보장합니다. 문의하기 저희는 최고 품질의 분자 체를 기꺼이 공급해 드리겠습니다. 단기 및 장기 수요 모두 충족시킬 수 있으므로 납기 일정에 대해 걱정하실 필요가 없습니다. 무엇보다도, 저희는 전 세계로 제품을 배송합니다.