본 연구에서는 아세트산(acetic acid)과 에탄올(ethanol)이 반응하여 에틸아세테이트(ethyl acetate)와 물(water)을 생성하는 에스테르화반응(esterification)에 대해 세 종류의 증류구조에 대하여 설계 및 조업 변수의 최적성을 조사하였다. 설계 및 조업 변수로 탑상제품 유속(distillate rate), 공급단의 위치, 환류비, 액체 holdup 등이 제품의 순도와 전환율과 같은 반응증류탑 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 이와 같은 설계 및 조업 변수는 반응의 유형, 원료공급의 형태 및 증류구조에 따라 그 미치는 영향이 다르게 나타났다. 즉 A+B=C+D와 같은 반응 형태에서 반응물의 상대휘발도가 인접하지 않은 경우, 즉 상대휘발도 순에서 반응물들 사이에 제품이 끼어있는 경우, 단일 공급인 경우에 전환율은 탑상제품 유속에 대해서는 최적점이 없고, 환류비에 대해 최적점을 보여주었다. 분할 공급인 경우에는 탑상제품 유속과 환류비에 대해 최적점을 보여주었다. 반면에 반응물의 상대휘발도가 인접한 경우에는 최적점이 없는 것으로 나타났다. 또한 반응물이 분할 공급된 경우, 다른 구조들에 비해 이와 같은 변수들의 변화에 대해 덜 민감한 것을 볼 수 있었다. 광범위한 모사를 통하여 최종목표인 고순도 제품과 높은 전환율을 얻기 위한 최적조업조건과 반응증류 구조에 대한 지침을 제시하였다.

In this study, we have searched optimized design and operating conditions of three reactive distillation structure for the esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water. Effects of the distillate rate, feed location of the reactants, reflux ratio, and liquid holdup as design and operation variables on the performance of the reactive distillation were examined. Design and operation variables like these had different effects on the performance according to reaction type, feed location of the reactant, and distillation configuration. In the reaction type of A+B=C+D, when the reactants were not adjacent to middle components in relative volatility, conversion had an optimum point for distillate rate and reflux ratio. However, there was no optimum point in conversion when reactants were adjacent middle components. When the reactant was fed by split mode, the performance was less sensitive to the change of these variables than the other schemes. We here present guidelines for the optimum operating condition and the best scheme for the reactive distillation process.

Reactive Distillation Esterification Optimization Single Feed Split Feed Complex Distillation Process

Melles S, Grievink J, Schrans SM, Chem. Eng. Sci., 55(11), 2089 (2000) 
Lee JW, Hauan S, Westerberg AW, AIChE J., 46(6), 1218 (2000) 
Scenna NJ, Ruiz CA, Benz SJ, Comput. Chem. Eng., 22(S), 719 (1998) 
Seader JD, Henley EJ, "Separation Process Principles," John Wiley & Sons. Inc., New York (1998)
Bock H, Wozny G, Gutsche B, Chem. Eng. Prog., 36, 101 (1997) 
Simandl J, Svrcek WY, Comput. Chem. Eng., 15, 337 (1991) 
Bock H, Jimoh M, Wozny G, Chem. Eng. Technol., 20(3), 182 (1997) 
Monroy-Loperena R, Alvarez-Ramirez J, Ind. Eng. Chem. Res., 39(2), 378 (2000) 
Balasubramhanya LS, Doyle III FJ, J. Process Control, 10(2-3), 209 (2000) 
Ismail SR, Pistikopoulos EN, Papalexandri KP, Chem. Eng. Sci., 54(13-14), 2721 (1999) 
Subawalla H, Fair JR, Ind. Eng. Chem. Res., 38(10), 3696 (1999) 
Luo HP, Xiao WD, Chem. Eng. Sci., 56(2), 403 (2001) 
Nijhuis SA, Kerkhof FPJM, Mark ANS, Ind. Eng. Chem. Res., 32, 2767 (1993) 
Jacobs R, Krishna R, Ind. Eng. Chem. Res., 32, 1706 (1993) 
Han MW, Kim HY, Park SW, HWAHAK KONGHAK, 30(5), 517 (1992)
Aspen Plus User Guide, Version 10.1, Aspen Techology, Inc.