전산모델링을 통한 투과증발-촉진 에스테르화 반응에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 불과 함께 에스테르화 반응물 및 생성물 일부가 친수성 막을 투과하는 비완전 분리를 고려한 투과증발-촉진 에스테르화 반응모델을 확립하였으며, 이 모사모델에 막 분리 효율 및 물 제거능력을 설명하는 항들을 포함시킴으로써 막 투과분리가 에스테르화 반응에 어떻게 영향을 끼치는가를 공정모사를 통해서 체계적으로 살펴보았다. 모사결과 막을 통한 비완전 분리 즉, 분리막을 통한 반응물의 투과는 역반응을 유발시켜 전체 반응을 지연시키며 그 결과 반응 전 환율은 투과증발 공정을 사용하지 않은 반응보다는 높으나 물에 대한 완전한 투과선택도를 갖는 투과증발 공정을 사용하는 반응시스템보다는 낮음을 알 수가 있었다. 반응 시스템 내에서 장착된 막을 통한 투과로 인한 반응부피의 변화가 반응 속도에 끼치는 영향을 살펴보았는데 반응 초기에는 반응물 농축효과가 지배적이어서 반응을 촉진시키며, 반응이 진행되어 생성물이 형성됨에 따라 생성물 농축효과가 점점 중요해지고 이 효과가 반응의 속도를 감소시킴을 알 수가 있었다. 에스테르화 반응공정 중에 투과증발공정을 적용하는 시점에 따라 반응속도, 반응 전화율이 달라짐을 공정모사를 통해 관찰하였다. 반응 모델 식으로부터 분리막의 성능과 반응 인자들 간의 상관관계는 확립하고 이 상관관계를 주어진 막 분리능력 하에서 반응 인자 조건 설정, 혹은 주어진 반응조건 하에서 막 분리능력을 설계하는 도구로 사용할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A parametric study on pervaporation-facilitated esterification was performed by using a practical model based on non-perfect separation through membrane which is not perfectly permselective to water. Thus, membrane selectivity as well as membrane capability to remove water should be taken into account in establishing the simulation model to explain how the membrane separation influence the esterification reaction process. It was shown by simulation that in the reaction systems with non-perfect separation, the permeation of reactants which are acid or/and alcohol retards the reaction by inducing the backward reaction so that reaction conversion curve is located between a reaction system coupled with pervaporation process having a perfect permselectivity to water and a reaction system without pervaporation process. The volume change of reaction system occurs as a result of the permeation through the membrane. The reaction volume change which can be characterized by the reaction ratio of rψ to rψ=1 affects reaction kinetics by concentrating reactants and products, respectively, with different extent with time; reactant-concentrating effect is dominant during the initial stage of reaction, resulting in facilitating the reaction, and then product-concentrating effect is exerted more on reaction, causing to slow down the reaction. When pervaporative dehydration is applied to the reaction system plays an important role in the reaction as well. The effect of timing to impose pervaporation on reaction system affected the reaction kinetics in terms of reaction rate and reaction conversion. A relationship was derived to explain membrane unit capacity and reaction parameters that will be used as a design tool to determine membrane unit capacity at a given reaction conditions or reaction parameters at a membrane unit capacity.