플랜트의 핵심 기기인 증류탑은 다양한 산업 분야에서 필수적인 역할을 합니다. 이 글에서는 증류탑이 어떻게 사용되는지, 그리고 그 중요성에 대해 알아보겠습니다.
“증류탑 원리와 증류탑 tray 그리고 증류탑 설계” 내용의 포스팅은 하기 클릭버튼을 누르시면 확인 가능합니다. : 클릭
1. 증류탑이란 무엇인가요?
증류 컬럼은 가열 및 냉각 과정을 사용해 두 개 이상의 혼합 성분(액체와/또는 기체)을 각각 분리하거나 원래 상태로 분리합니다. 즉, 이 과정은 혼합된 액체 성분을 그들의 끓는점 사이 온도로 가열하여, 낮은 온도에서 액체를 증발시켜 분리하는 방식으로 이루어집니다.
2.1 증류의 역사
증류 공정은 가장 오래되고 일반적으로 사용되는 분리 및 정제 방법 중 하나입니다.
이의 역사적 근원은 5000년 이전, 메소포타미아, 로마, 아랍, 중국, 인도, 바빌로니아에서 향수와 알코올의 증류 증거가 아카드 판에 기록된 곳까지 거슬러 올라갑니다. 중세 시대와 19세기 산업 혁명을 거치며 더 현대적인 애플리케이션이 개발되었습니다.
- 증류는 석유화학 제품을 생산하는 가장 중요하고 오래된 방법입니다.
- 현재 증류 기계에 전체 지출의 30%가 사용되고 있습니다.
- 공장 에너지의 70%가 증류 공정에 의해 사용됩니다.
- 다른 산업 공정에서 나온 원료로부터 부산물을 재생산합니다.
이는 증류가 산업적으로 매우 중요하며 에너지 및 비용 집약적인 과정임을 보여줍니다.
2.2. 석유 정제 과정에서 사용되는 분별 증류탑
석유 정제 과정에서 사용되는 분별 증류탑의 개략적인 도식을 보여주고 있습니다. 분별 증류탑은 다양한 끓는점을 가진 원유의 성분들을 분리하는 데 사용됩니다. 이 과정은 원유를 가열하여 서로 다른 온도에서 끓어오르는 각 성분을 분리합니다. 도표는 아래와 같은 특징을 설명합니다:
- 로(Furnace): 원유가 처음으로 들어가서 가열되는 곳으로, 도식에서는 가장 하단에 위치하고 있으며, 온도는 약 350°C입니다.
- 원유(Crude Oil): 가열된 원유는 탑으로 들어가서 여러 성분으로 분리되기 시작합니다.
- 가스 흐름(Flow of Gas): 가열된 원유에서 증기 형태로 변한 성분들이 상승합니다.
- 액체(Liquid): 탑의 각 수준에서, 더 높은 온도에서 끓는 액체 성분들은 아래쪽으로 흐릅니다.
- 트레이(Tray): 각 층에는 증기가 상승하고 액체가 내려오는 것을 조절하는 트레이들이 있습니다.
- 밸브(Valve): 트레이에서 액체와 가스의 흐름을 조절하는 밸브들이 있습니다.
탑에서 분리되는 성분들은 다음과 같습니다:
- 가스(Gases): 프로판과 같은 성분들이 포함되며, 이들은 40°C 미만에서 끓습니다.
- 나프타(Naphtha): 60–100°C 범위에서 끓는 성분으로, 연료와 화학 원료로 사용됩니다.
- 케로신(Kerosene): 175–325°C 범위에서 끓으며, 연료와 조명유로 사용됩니다.
- 디젤 오일(Diesel Oil): 250–350°C 범위에서 끓습니다.
- 윤활유(Lubricating Oil): 300–370°C 범위에서 끓습니다.
- 연료유(Fuel Oil): 370–600°C 범위에서 끓으며, 난방이나 발전 등에 사용됩니다.
- 잔사(Residue): 예를 들어 아스팔트와 같이 600°C 이상에서 끓는 무거운 성분들이며, 증류탑의 가장 하단에서 추출됩니다.
이 과정의 상단에서는 냉각기를 사용하여 증기를 다시 액체 상태로 응축시키며, 이 액체는 다시 탑으로 리플럭스되거나 제품으로 채취됩니다. 이러한 과정을 통해 원유로부터 다양한 상업적 가치를 가진 성분들이 분리됩니다.
3. 증류탑 유형
‘batch (회분식)’ column 과 ‘continuous (연속식)’ column 같은 여러 증류탑 설계가 있습니다. 기본적인 batch column은 투입된 공급물을 전체적으로 증류(distillation)한 다음, 다른 공급물을 Column에 추가해 순차적으로 처리합니다. 연속 컬럼은 입력 및 출력 스트림이 지속적이어서 더 높은 처리량을 지원하며, 유지보수나 수리가 필요하지 않는 한 공정이 중단되지 않습니다.
두 종류의 컬럼은 여러 액체/기체 성분의 분리에 특정 용도가 있으며, 둘 다 증류 공정을 용이하게 하기 위해 다양한 복잡성과 관련 장비를 통합합니다.
여기서 잠깐!) 화학공학에서 사용하는 “컬럼(column)”의 의미는?
화학공학에서 사용하는 “컬럼(column)” 용어는 데이터 테이블에서 사용되는 용어와는 다른 의미를 가집니다. 데이터에서 ‘컬럼’은 ‘행(row)’의 반대되는 개념으로 세로 줄을 의미하지만, 화학공학에서의 ‘컬럼’은 기능적이고 기계적인 맥락에서 사용됩니다.
- 수직 구조:
- 증류 컬럼은 길고 원통형의 탑입니다. 이 수직 설계는 증류에 필요한 열역학적 및 중력적 상호작용을 효율적으로 관리하는데 도움을 줍니다. 여기서 열과 질량 전달이 상승하는 증기와 하강하는 액체 사이에서 효과적으로 일어납니다.
- 내부 구성요소:
- 컬럼 내부에는 증기(상승)와 냉각액(하강) 사이의 밀접한 접촉을 용이하게 하는 구조화된 포장재 또는 트레이가 설치되어 있습니다. 이러한 내부 구조는 수직으로 쌓여 있으며, 다양한 단계의 증기와 액체 사이의 연속적인 상호작용에 필수적입니다.
- 기능적 함의:
- 수직 방향은 중력을 실용적으로 활용하는데 도움을 줍니다. 이는 더 무거운 구성요소가 응축되어 리보일러(Reboiler) 쪽으로 다시 내려가고, 더 가벼운 구성요소는 컨덴서(Condenser) 쪽으로 상승하도록 합니다.
- ‘컬럼’이라는 용어는 화학 물질의 수직 이동 및 변형을 촉진하는 장치의 역할을 강조합니다.
- 개념적 명확성:
- ‘컬럼’ 용어 사용은 재료가 이 구조 내에서 어떻게 상하로 움직이며 변화하는지 시각적 및 개념적으로 이해하는데 도움을 줍니다.
4. 증류탑의 구조와 기능:
증류탑은 화학공정에서 중요한 역할을 하는 장비로, 두 가지 이상의 성분을 포함한 혼합물로부터 원하는 순도의 제품을 얻기 위해 사용됩니다. 다음은 증류탑의 구조와 각각의 기능에 대한 자세한 설명입니다.
4.1. 증류탑의 구조:
이러한 유형의 컬럼을 분별 증류 컬럼이라고 하며 컬럼 내 여러 수준의 여러 구성 요소(액체 또는 기체)를 제거/분리할 수 있도록 지원합니다.
- 탑체(Tower Body):
- 이는 증류탑의 주요 구조로, 대개 수직으로 긴 원통형입니다. 탑체 안에서는 증기와 액체가 접촉하며 성분이 분리됩니다.
- Trays 또는 충전재(Packing):
- Trays: Trays은 탑 내부에 수평으로 설치된 일종의 단이며, 액체와 증기의 접촉 면적을 늘리기 위해 사용됩니다. 액체는 각 Trays에서 아래로 흘러내리며, 증기는 위로 올라가면서 성분이 분리됩니다.
- 충전재(Packing): 충전재는 작은 단위의 재료들을 탑 안에 채워 넣는 것으로,Trays을 대체할 수 있는 구조입니다. 충전재를 통해 액체와 증기의 접촉 효율을 높입니다.
- 리플럭스 드럼(Reflux Drum):
- 탑 꼭대기에서 응축된 액체를 임시로 저장하는 용기입니다. 이 액체는 부분적으로 다시 탑으로 되돌려져 리플럭스로 사용됩니다.
- 컨덴서와 리보일러(Reboiler):
– 컨덴서: 증류탑 상부에서 나오는 증기를 응축시키는 장치입니다.
– 리보일러: 증류탑 하부에서 액체를 다시 가열하여 증기로 만들어 탑으로 보내는 장치입니다.
4.2. 증류탑의 주요 부품들의 추가설명
액체/기체 상 분리가 일어나는
① Column(농축(enriching)
② 스트리핑(Stripping) 섹션
③ Reboiler(열교환기_heat exchanger – *관련 설명 글 클릭)는 분리(증류) 공정이 진행될 수 있도록 컬럼 입력 피드(액체)를 부분적으로 기화시키기 위해 열 에너지를 제공합니다.
입력된 공급은 칼럼 중앙으로 흘러들어가 Stripping 섹션을 통해 베이스로 내려간 후 리보일러로 들어가 공급액을 가열하여 공급 증기를 생성합니다(증발을 통해). 이 공급 증기는 대류에 의해 칼럼을 통해 위로 이동하여 공급 성분 분리 과정을 계속합니다.
④ 응축기 (Condenser) – 분리되고 농축된 공급 증기가
⑤ 환류 드럼 (Reflux Drum)으로 들어가기 전에 컬럼 상단에서 냉각 및 응축됩니다.
환류드럼(reflux drum)은 응축된 공급 증기(액체)를 모아서 아래와 같이 2개의 스트림으로 분할하는 역할을 합니다.
환류드럼(reflux drum)은 컬럼 상단으로 피드백되는 액체(reflux)를 재활용하여 증류액을 더욱 농축 및 정제할 수 있습니다.
이러한 공정을 보다 효율적으로 만들기 위해, 증류 컬럼은 통상적으로 컬럼 내부에 일련의 적층된 플레이트 (Plate) 또는 트레이 (Tray)를 구비합니다.
이러한 플레이트는 액체/증기 접촉 표면적 및 따라서 공급 액체 증발 공정 효율을 향상시키기 위해 원형 천공(circular perforations), 및/또는 주름진 금속 패킹을 구비합니다.
4.3. 리플럭스란 (Reflux)?
리플럭스(reflux)는 증류 과정에서 사용되는 용어로, 증류탑의 상단에서 응축된 액체를 일부 다시 탑의 상부로 되돌려 보내는 것을 말합니다. 이 되돌려진 액체는 증류탑 내부를 통해 다시 내려오면서 상승하는 증기와 열과 물질을 교환하게 되는데, 이 과정에서 혼합물의 더 나은 분리와 정제 효과를 얻게 됩니다.
즉, 리플럭스는 증류탑의 효율을 높이고 원하는 구성 성분의 순도를 개선하는 데 중요한 역할을 합니다. 리플럭스의 양을 조절함으로써 제품의 순도와 증류의 효율을 제어할 수 있습니다. 많은 리플럭스는 더 높은 순도의 제품을 생성하지만 더 많은 에너지를 소모하고, 적은 리플럭스는 에너지 효율성을 높이지만 순도가 떨어질 수 있습니다.
4.3.1 리플럭스 환류율이란?
리플럭스 환류율은 증류 과정에서 증류탑의 효율과 제품의 순도를 결정하는 중요한 변수 중 하나입니다. 이 비율은 증류탑 상단에서 응축된 액체 중 일부를 탑으로 다시 반환하여 내려보내는 양과 제품으로 취하는 액체의 양의 비율로 정의됩니다. 즉, 리플럭스 환류율은 탑으로 되돌아가는 액체와 취출되는 액체 사이의 비율을 나타내며, 이는 증류 과정의 효율과 제품 순도에 직접적인 영향을 미칩니다.
리플럭스 환류율의 중요성
- 증류 효율 향상: 높은 리플럭스 환류율은 증류탑 내에서 더 많은 액체와 증기 사이의 접촉을 촉진하여 분리 효율을 향상시킵니다. 이는 더 순수한 제품을 생산하는 데 도움이 됩니다.
- 제품 순도 개선: 리플럭스를 증가시키면 증류탑 상단에서 더 순수한 성분을 얻을 수 있습니다. 리플럭스가 많으면 증류탑의 정류 섹션에서 더 많은 불순물이 제거되기 때문입니다.
- 에너지 효율성: 리플럭스 환류율을 최적화하면 필요 이상의 에너지 사용을 줄이면서 원하는 제품의 품질을 유지할 수 있습니다. 너무 높은 리플럭스는 에너지 낭비를 초래할 수 있으므로, 경제적인 운영을 위해 적절한 환류율을 유지하는 것이 중요합니다.
리플럭스 환류율 계산
리플럭스 환류율 R은 다음과 같은 식으로 계산할 수 있습니다:
여기서:
- L은 탑으로 다시 보내지는 리플럭스의 양 (몰 단위 또는 체적 단위)
- D는 탑에서 취출되는 증류물의 양
리플럭스 환류율 조절
- 최소 리플럭스 비율: 증류탑에서 효율적인 분리를 달성하기 위해 필요한 최소 리플럭스 양을 결정합니다. 이는 실험적으로 또는 시뮬레이션을 통해 결정할 수 있습니다.
- 최대 리플럭스 비율: 경제적인 운영을 고려하여 최대 리플럭스 환류율을 결정합니다. 너무 높은 리플럭스는 에너지 비용을 증가시키고, 운영 비용을 상승시킬 수 있습니다.
리플럭스 환류율의 조정은 증류탑의 설계 및 운영에서 중요한 역할을 하며, 이는 전체 공정의 경제성 및 효율성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 이를 통해 최적의 공정 조건을 설정하고, 원하는 제품의 품질을 확보하며, 에너지 소비를 최소화하는 것이 중요합니다.
4.4. Conventional Tower
이 이미지는 증류탑의 다양한 섹션과 그 기능을 설명하고 있습니다. 증류탑은 일반적으로 두 주요 섹션으로 나눌 수 있습니다: 정류 섹션과 스트리핑 섹션입니다.
- 정류 섹션(Rectifying section):
- 이 섹션은 증류탑에서 급류(feed) 지점 위에 위치합니다.
- 무거운 성분들이 이 섹션에서 증기로부터 응축(condensed)됩니다. 즉, 증기 상태의 혼합물에서 무거운 성분이 액체 상태로 바뀌어 분리됩니다.
- 스트리핑 섹션(Stripping section):
- 이 섹션은 급류 지점 아래에 있습니다.
- 가벼운 성분들이 이 섹션에서 액체로부터 스트리핑(stripped out)되어 분리됩니다. 이 과정에서 더 낮은 끓는점을 가진 성분들이 증기 형태로 분리되어 올라갑니다.
- 리플럭스(Reflux):
- 탑의 상단에서 응축기를 통해 나온 액체가 탑 꼭대기로 다시 반환됩니다.
- 리플럭스 비율은 컬럼으로 되돌아가는 액체의 양과 제품으로 제거되는 액체의 양의 비율로 정의됩니다. 리플럭스는 증류 과정의 효율성을 높이기 위해 사용됩니다.
증류탑의 운영에서 이 세 섹션 모두 중요한 역할을 하며, 각각의 섹션은 혼합물의 다른 성분들을 분리하여 순수한 형태로 얻는 데 필수적입니다.
5. 결론
증류탑은 화학공정, 석유 정제, 음료 제조 등 다양한 산업 분야에서 중추적인 역할을 하는 핵심 장치입니다. 이러한 장치를 통해 우리는 다양한 물질을 효율적으로 분리하고 순화하여 고부가가치 제품을 생산할 수 있습니다. 증류 과정은 그 자체로 복잡하며 많은 에너지를 요구하지만, 이를 통해 얻을 수 있는 경제적 및 환경적 이점은 상당합니다.
앞으로도 지속 가능한 공정 개선과 에너지 효율성 증대를 통해 증류 기술은 더욱 발전할 것입니다. 이는 산업의 경쟁력을 높이고, 자원을 보다 효과적으로 사용하여 환경적 발자국을 줄이는 데 기여할 것입니다. 증류탑의 역할과 중요성은 앞으로도 여러 산업에서 계속해서 강조될 것이며, 이에 대한 연구와 기술 개발은 끊임없이 이루어질 것입니다.