소개

분리 공정은 화학 산업에서 매우 중요한 요소입니다. 올레핀/파라핀 분리는 플라스틱 생산에 있어 산업적으로 가장 관련성이 높은 분리 공정 중 하나입니다. 전 세계적으로 매년 1억 5천만 미터톤의 에틸렌과 1억 3천만 미터톤의 프로필렌이 생산됩니다. 압력 스윙 흡착, 막 분리, 극저온 증류는 플라스틱 생산을 위해 파라핀에서 올레핀을 분리하는 데 사용할 수 있는 세 가지 방법입니다.

극저온 증류는 에탄과 에틸렌을 분리하는 데 가장 자주 사용되는 방법입니다. 극저온 증류는 끓는점의 차이에 따라 에탄과 에틸렌을 분리합니다. 에탄의 끓는점은 -89°C이고 에틸렌의 끓는점은 -103.7°C입니다. 이러한 끓는점의 유사성으로 인해 극저온 증류를 통한 에탄과 에틸렌 분리는 비용이 매우 많이 들며, 일반적으로 필요한 에틸렌의 순도를 얻기 위해 증류탑에 수백 개의 트레이가 필요합니다.

멤브레인 기반 에탄 및 에틸렌 분리는 극저온 증류보다 작은 규모로 수행됩니다. 에탄과 에틸렌은 크기와 모양이 비슷하기 때문에 분리가 어렵습니다. 두 가스를 성공적으로 분리하려면 큰 압력 구배가 필요합니다. 또한 멤브레인의 분리 성능은 증류탑에서 생산할 수 있는 것과 동일한 순도의 에틸렌을 얻을 수 없습니다. 따라서 일반적으로 원하는 순도를 달성하려면 추가 처리가 필요합니다.

압력 스윙 흡착과 같은 흡착 기반 분리는 에탄과 에틸렌 분리의 최종 방법입니다. 압력 스윙 흡착은 극저온 증류에 비해 에탄에서 에틸렌을 분리하는 데 필요한 에너지가 적습니다. 그러나 막 분리와 마찬가지로 한 번에 원하는 순도를 달성하기 어렵기 때문에 여러 개의 흡착 컬럼이 필요합니다. 그럼에도 불구하고 에탄과 에틸렌의 흡착 기반 분리 성능을 개선하기 위해 새로운 소재가 지속적으로 연구되고 있습니다.

실험적

에탄-에틸렌 흡착 분리 실험에는 분자 체 5A를 사용했습니다. 분석 전에 MS 5A를 100°C에서 1시간 동안 헬륨 흐름으로 활성화한 다음 300°C에서 10시간 동안 추가로 가열했습니다. 그런 다음 샘플을 실온으로 식힌 후 획기적인 측정을 시작했습니다.

25°C 및 대기압에서 헬륨(15ccm) 운반 기체에서 에탄(2ccm)과 에틸렌(2ccm)의 등전 유량을 사용하여 돌파를 수행했습니다. 획기적인 측정의 시작을 결정하기 위해 추적 가스로 아르곤(1 sccm)을 사용했습니다. 측정된 출구 농도가 평형에 도달하면 실험이 완료된 것으로 간주했습니다. 돌파 후, 샘플을 헬륨 흐름 하에서 20분 동안 퍼지한 후 100°C로 가열하여 흡착된 에탄 또는 에틸렌을 모두 제거했습니다. 각 사이클 전에 완전히 활성화된 상태에서 총 세 번의 돌파 측정이 수행되었습니다.

결과

분자 체 5A에서 세 가지 에탄-에틸렌 흡착 실험의 획기적인 곡선은 아래 그림 1에 나와 있습니다.

세 측정값은 모두 일치했으며 에탄(약한 흡착제)과 에틸렌(강한 흡착제) 사이의 경쟁 흡착과 일치하는 피크 모양을 보였습니다. 에탄 롤업은 돌파 곡선에서 분명하게 나타나며 상당량의 에탄이 에틸렌의 흡착에 의해 대체됩니다. 흡착된 에탄의 평형량은 약 0.3mmol/g, 흡착된 에틸렌의 평형량은 약 1.9mmol/g으로 세 측정에서 선택도는 5.5 - 6.5 사이였습니다.

돌파 실험에서는 아르곤(추적 기체)이 먼저 돌파한 다음 에탄이 그 뒤를 따릅니다. 에탄이 돌파하면 출구 가스의 농도가 변하기 때문에 아르곤 농도가 떨어집니다. 실험을 시작할 때는 아르곤과 운반 기체인 헬륨만 질량 분석기로 흐릅니다. 에탄이 돌파하면 아르곤, 헬륨, 에탄이 모두 질량 분석기에 도달합니다. 처음에는 롤업으로 인해 출구 에탄 농도가 공급 농도보다 높습니다. 에탄 농도는 에틸렌이 포화 상태에 도달한 후 공급 농도로 떨어집니다. 이때 모든 종은 평형에 도달하고 획기적인 실험이 완료됩니다. 아래 표 1은 에탄과 에틸렌의 평형 흡착량과 세 가지 실험 모두에 대한 선택도를 보여줍니다.

결론

분자 체 5A는 에탄에서 에틸렌을 분리하는 데 효과적인 흡착제로, 이 획기적인 연구에서 선택도가 약 6.5에 달했습니다. 또한 에틸렌 평형 흡착량은 1.9 mmol/g으로 확인되었습니다.