The liquid-phase adsorptive separation of xylene isomers over X and Y zeolites was investigated in view of the sorption equilibria, the sorption kinetics, and the breakthrough behaviors in the packed colum.
In the sorption equilibria, the sorption selectivity was measured. Ion exchanged Y-zeolite with $K^+$ was found to be the most efficient for the separation of xylene isomers among the faujasite type zeolites. In the case of KY zeolite, the order of the sorption selectivity was p-xylene ＞ toluene ＞ m-xylene, while in the case of NaY zeolite, the order of the sorption selectivity was reversed. The sorption selectivity was found to depend upon the concentration of xylene isomer. This nonideality was explained in terms of the interaction between admolecules through the statistical thermodynamic approach. the selectivity of p-xylene against toluene and that of m-xylene against toluene were obtained by taking into account the interaction between the admolecules, and expressed as
$K^{p-xylene}_{toluene} = (3.53)_e^{(1.26)(θ_t-θ_p)}$
and
$K^{m-xylene}_{toluene} = (0.29)_e^{(0.2)(θ_t-θ_m)}$
where θ is the surface coverage.
This expression for the selectivities was used to describe the break through behaviors for the fixed bed column.
From the measurement of the sorption kinetics, the counter-diffusivities were calculated, and were in the range of $10^{-12} - 10^{-13}㎠/sec$. The activation energies and the pre-exponential factors for the counterdiffusion were also estimated from the data at different temperature. The activation energy for the p- and m-xylene system is greater than those of any other system. This is because the difference in the heat of adsorption between p- and m-xylene is the largest. The order of the counterdiffusivities serves to explain the intraparticle mass transfer resistance in the fixed bed.
For the separation of the xylene isomers in the packed column, the breakthrough curves were measured empirically, and their behaviors were analyzed through the mathematical modeling which includes the axial dispersion, the intraparticle diffusion, and the interfacial mass transfer.
A comparison has been made for the breakthrough behaviors between the models with and without considering the admolecular interactions. The former shows higher selectivities for xylenes over toluene at the exit of the fixed bed than the latter. This is expected because the average value of the selectivity for p-xylene over toluene is larger than the selectivity without the admolecular interaction taken into account.
The dispersion coefficient and the external mass transfer coefficient were estimated from the equation reported in the literatures. The overall mass transfer coefficients were estimated by correlating the breakthrough measurement with the model with the admolecular interactions included. Both adsorptive and desorptive processes were in good correlation with the model used.
크실렌 이성체가 KY 및 NaY 제올라이트에 의해서 액상분리되는 현상을 해석하기 위하여 흡착평형, 상호확산 그리고 고정층의 파과거동에 대하여 각각 실험 및 그 결과에 대해 해석하였다.
흡착평형에서는 흡착선택도를 측정하였다. 크실렌 이성체중 p-크실렌을 분리하기 위해서는 화우자사이트형 제올라이트중 $K^+$ 이온으로 이온교환된 Y제올라이트가 가장 좋음을 알 수 있었다. KY제올라이트의 경우 선택도는 p-크실렌＞톨루엔＞m-크실렌의 순서였는데 NaY제올라이트의 경우 그 반대로 나타났다.
또한 선택도는 크실렌 이성체의 농도에 따라 변하게 되는데 이를 흡착상의 상호간섭을 고려한 격자모델로서 해석하였다. 이로부터 톨루엔에 대한 p-크실렌 및 m-크실렌의 선택도는 다음과 같이 나타났다.
$K_{톨루엔}^{p-크실렌} = (3.53) e^{(1.26)(θ_t - θ_p)}$
그리고 $K_{톨루엔}^{m-크실렌} = (0.29) e^{(0.2)(θ_t - θ_p)}$
여기서 θ는 흡착분율을 나타낸다.
이와같이 상호작용을 고려한 선택도는 고정층에서의 파과거동을 해석하는데 사용되었다.
확산현상에서는 상호확산계수를 측정하였는데 그때의 값은 $10^{-12}~10^{-13}㎠/sec$로 나타났으며 각기 다른 온도에서 측정한 상호확산계수로 부터 그때의 활성화에너지를 구했다.
이때 p-와 m-크실렌의 경우 활성화에너지가 가장 크게 나타났는데 이는 p-와 m-크실렌의 흡착열의 차이 때문이다. 구하여진 상호확산계수 값들은 고정층에서의 물질전달저항을 설명하는데 사용되었다.
고정층을 이용한 크실렌 이성체의 분리현상을 해석하기 위하여 파과곡선을 실험적으로 측정하고 그 거동을 dispersion계수, 확산현상 및 물질전달 저항을 고려한 모델을 사용하여 해석하였다.
모델을 사용함에 있어서 흡착상의 상호간섭 현상을 고려할 경우나 그렇지 않을 경우를 비교하였다. 전자의 경우가 후자의 경우 보다 고정층 출구에서 크실렌 이성체가 톨루엔에 대해 높은 선택성을 보였는데 이는 전자의 경우 p-크실렌의 톨루엔에 대한 평균선택도의 값이 증가하기 때문이다.
dispersion계수와 외부에서의 물질전달저항은 문헌을 인용하였으며 상호간섭이 있는 경우의 모델을 계산한 결과를 실험치와 비교하여 가장 잘 일치했을때의 전체 물질전달저항 계수를 정하였다. 그 결과 흡착과정과 탈착과정 모두 모델과 실험치가 잘 맞음을 알 수 있었다.
