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학위논문 동서

2-프로판올 수용액을 포함한 다성분액- 액추출계의 상평위

정상훈

부산: 동아대학교 1998. -

xiv,165장: 삽도; 26cm. -

학위논문(박사)- 동아대학교 대학원 화학공학과 전공 1998년2월

영문초록 : Due to the rising cost of energy, new separation processes based on extraction are becoming more attractive than before. Thus, the need for calculating and predicting liquid-liquid equilibria(LLE) has very much increased. The purpose of this study is to determine and to describe LLE data for the ternary or quaternary systems containing 2-propanol aqueous solution at 25℃. The selection of the optimum solvent to separate 2-propanol from aqueous solution and the salt effect on ternary LLE are investigated and they are compared with ternary and quaternary LLE including binary solvents. In this work, the following results are obtained. 1. Ternary LLE and salt effect In order to systematically evaluate the effect of functional group in each solvent, a variety of solvents are selected, such as methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone of ketone group, ethyl acetate and butyl acetate of ester group, toluene and o-xylene of aromatic compound for ternary liquid-liquid extraction system. For the effect of salt addition into ternary LLE, 5% NaCl and 5% KF aqueous solutions substituted for water are also added. 1) The experimental binodal curves and tie-line data for solvent(1)- water or salt aqueous solution(2)-2-propanol(3) are determined and these are shown in Table 8 through 13, respectively. The thermodynamic consistency for experimental tie-line data is investigated using several correlation methods and those plots are shown in Figures 17 through 19. 2) The plait-point composition for ternary system containing water or 5% NaCl aqueous solution is calculated using Hand correlation method and the result is shown in Table 3. But solvent(1)-5% KF aqueous solution(2)-2-propanol(3) system is changes from type 1 to type 2, and so it does not have plait-point. 3) As 5% KF or 5% NaCl aqueous solution is substituted with water, the size of two phase region increases with salting-out effect. Especially, in case of KF addition, its range enlarges very wide and becomes type 2 form, in which two binaries, (1)-(2) and (2)-(3), are partially miscible. 4) The NRTL, UNIQUAC and modified UNIQUAC models are used to correlate the experimental results and to calculate the phase compositions of the ternary systems. The experimental data are fitted by NRTL model better than other models, and the phase composition error computed by root mean square deviation method is 0.9233 mol% for the NRTL model, 1.1978 mol % for the UNIQUAC model and 1.4638 mol % for the modified UNIQUAC model, respectively. 5) For the kind of solvent, distribution and selectivity for ternary system solvent(l)-water(2)-2-propan01(2) are increased in the order of o-xylene, toluene, butyl acetate, methyl isobutyl ketone, ethyl acetate and methyl ethyl ketone. Consequently, aromatic compound is more profitable than other solvent groups. 6) As the choice of salt, distribution and selectivity for ternary system solvent(1)-salt aqueous solution(2)-2-propanol(2) are increased in the order of 5% KF>5% NaCl>no salt. So, KF is better additive to improve extraction effect than NaCl. 2. Quaternary LLE The phase equilibria of quaternary liquid-liquid extraction system composed 2-propanol-water-binary solvent is investigated. MIBK-butyl acetate mixture, which has small difference over two phase region, and ethyl acetate-toluene mixture, which has relatively larger difference, are used as binary solvents. 1) Binodal curve, tie-line, distribution and selectivity for each quaternary system have been determined in order to investigate the effect of binary solvent for extracting 2-propanol from aqueous solution. 2) The distribution and selectivity for quaternary system toluene(1)- water(2)-2-propanol(3)-ethyl acetate(4) are increased with addition of toluene. 3) The distribution and selectivity for quaternary system butyl acetate(l)-water(2)-2-propano1(3)-methyl isobutyl ketone(4) are increased with addition of butyl acetate. 4) These experimental tie-line data are also compared with the values predicted by UNIFAC model. It is shown that UNIFAC model is capable of predicting the tie-line in these quaternary systems within an average root mean square deviation of 3.16 mol %. / 한글초록 : 추출은 고체 또는 액체원료에 적당한 용매를 첨가하여 원료 중의 특정성분에 대한 상호작용 에너지와 용해도를 이용하는 분리조작으로서 다양한 조건으로 운전이 가능하며 에너지 효율면에서도 유리하여 화학공업에서 증류, 흡수와 함께 상접촉에 의한 대표적 분리기술로 알려져 있다. 첨가되는 용매는 원용매와의 상호용해도가 작고 분리될 수 있는 2상 영역이 커야하며 분배계수의 비를 나타내는 이상분리계수가 1보다 클수록 유리하므로 액-액추출 분야에서는 추출성능을 향상시키기 위하여 다양한 실험을 통한 최적용매의 선정과 첨가제의 영향에 대하여 현재까지도 많은 연구가 진행되고 있다. 최근 에너지 비용의 상승에 따라 추출을 기본원리로 한 분리공정이 다양하게 개발되어 액-액평형에 대한 관심이 집중되고 있으며, 상접촉을 이용하는 분리장치 설계에 필수적인 상평형 데이터의 필요성이 증가되어 많은 연구결과들이 문헌을 통해 발표되고 있다. 그러나 현재까지 발표된 액-액평형 분야의 연구결과들은 주로 3성분계에 대한 것으로서 실제 화학공업에서 발생되고 있는 4성분 이상의 다성분계 액-액평형에 대한 실험결과는 매우 드물게 발표되고 있다. 본 연구에서는 폴리부타디엔의 중합과정에서 반응조절을 위한 용매로 사용된 2-propanol을 2-propanol-water 2성분계로부터 분리하기 위하여 용매를 첨가한 3성분 액-액추출계를 구성하였으며, 사용한 추출용매는 케론류로서 methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, 에스데르류로서 ethyl acetate, butyl acetate와 방향족 화합물로서 toluene, o-xylene을 선택하여 용매의 종류에 따른 상분리 거동을 검토하였다. 5% KF 및 NaCl수용액을 사용하여 염첨가에 대한 효과를 검토하였으며, 단일용매 뿐만 아니라 2-propanol 수용액에 toluene-ethyl aetate와 butyl acetate-methyl isobutyl ketone 혼합용매를 첨가한 4성분계에 대해서도 고찰하였다. 실험을 통한 용해도곡선과 평형조성 데이터들은 열역학적으로 건전함을 확인하였으며, 분배계수와 선택도를 계산하여 용매의 종류와 각 경우에 대한 분리특성을 고찰하였다. 또한 액-액평형 분야에서 가장 잘 알려진 NRTL과 UNIQUAC 모델의 파라미터를 추정하여 평형조성의 실험값과 계산값을 비교하였으며, 실험데이터 없이 단순히 계 내에 포함된 관능기의 종류와 수에 의해서만 평형조성을 예측할 수 있는 UNIFAC 모델의 적용 가능성도 검토하였다. 이상의 연구로부터 용매와 첨가제의 선택에 따른 3성분 및 4성분계의 평형조성을 비교, 고찰하였으며 연구결과를 상접촉에 의한 여러 가지 분리장치 설계의 기초자료로서 이용하고자 한다.

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