이번 포스팅에서는 증류탑의 작동 원리와 증류탑 tray의 종류에는 무엇이 있는지 그리고 증류탑 설계를 위해 고려해야할 사항과 설계 도구에는 무엇이 있는지 알아보겠습니다.
“증류탑이란? 증류탑 구조, 종류, 리플럭스란?” 의 내용은 다음 포스팅에서 확인 가능합니다: 클릭
1. 증류탑 원리 및 공정 흐름도
1.1. 영상 참조
1.2. 증류탑은 어떻게 작동합니까?
증류탑의 작동원리는 어떻게 될까?
증류탑 내에 설치된 중앙 공급 트레이는 증류 컬럼을 상단의 농축 섹션과 하단의 스트립 섹션으로 나눕니다.
이 트레이에 공급액 (원료)가 공급되면, 컬럼을 통해 아래로 흐르면서 각 트레이를 거치며 중력에 의해 다운커머(Downcomer)를 통해 아래 트레이로 이동합니다.
이 과정에서 원료의 휘발성 성분인 vapor는 상승하면서 증류되어 분리됩니다. 남은 액체는 컬럼의 바닥으로 모여 Reboiler (리보일러)로 돌아가고, 여기서 가벼운 성분이 다시 기화하여 컬럼을 통해 상승합니다.
이 증기는 컬럼의 상단으로 올라가면서 농축되고, 컬럼 트레이를 통해 접촉하면서 가벼운 베이퍼가 추출되어 더욱 농축됩니다. 컬럼의 바닥에서는 무거운(비휘발성) 원료 성분이 바닥 제품으로 분리됩니다.
1.3 증류탑 액체 및 Vapor 유동 경로
리보일러에서 재가열된 Vapor는 컬럼 베이스로 다시 유입되어 상승하면서 농축되어 내려오는 액체와 접촉합니다.
이 Vapor는 컬럼 상단을 통해 빠져나와 냉각 콘덴서로 들어가서 응축됩니다. 응축된 액체는 환류 드럼(reflux drum)이라는 용기에 저장됩니다.
환류 드럼에 저장된 액체의 일정 비율은 환류 비율(reflux ratio)에 따라 컬럼 상단으로 다시 순환되어, 상승하는 Vapor와의 접촉을 통해 더욱 농축되고 정화됩니다. 마지막으로, 콘덴서와 환류 드럼 시스템을 통해 냉각된 응축된 Vapor는 증류 과정을 통해 회수되는 컬럼의 최종 출력물, 즉 증류액(distillate)이 됩니다.
이 설명은 증류탑의 기본적인 작동 원리와 각 부분의 기능을 명확하게 설명해 주며, 공정 흐름도를 이해하는 데 도움을 줍니다. 증류탑은 복잡한 화학 공정의 핵심 장비로, 다양한 산업 분야에서 필수적으로 사용됩니다.
증류탑 내의 일반적인 온도 분포는 탑의 상단이 뜨겁고 하단이 시원하게 유지됩니다.
예를 들어, 두 가지 성분을 포함하는 원료 액체를 가진 간단한 공정에서, 탑의 하단 온도는 무거운 원료 성분의 끓는점보다 약간 낮게, 상단 온도는 가벼운 성분의 끓는점보다 약간 높게 유지됩니다.
이는 탑 내에서 증기와 액체의 균형을 만들기 위한 환경을 조성하려는 목적에서 입니다. 탑의 하단에서는 무거운 원료 성분이 액체로 남아 있어야 하며, 가벼운 성분은 가스 상태로 유지되다가 탑의 상단에 도달한 후, 콘덴서와 환류 드럼으로 들어가기 전까지 가스 상태를 유지합니다.
이러한 온도를 제어하기 위해 리보일러 열교환기의 온도를 조절하여 하단의 무거운 원료 성분의 온도를 제어하고, 환류 드럼의 ‘반환’ 유량(탑의 상단으로 다시 흐르는 유량)을 사용하여 상단의 가벼운 성분의 온도를 제어합니다.
1.4. 증류탑의 압력 구배
전체적으로 증류탑의 압력 구배는 하단에서 ‘높은’ 압력을, 상단에서 ‘낮은’ 압력을 가집니다. 이 구배는 원료 단계의 액체(입력)가 탑의 트레이 플레이트를 통해 아래로 내려가고, 상승하는 증기가 원료 액체를 통해 올라가는 것을 방해함으로써 결정됩니다.
1.5. 일반적인 증류 공정의 압력 조건
일반적으로, 정상 상태의 증류 공정에서는 컬럼의 압력 구배를 가능한 한 일정하게 유지하며, 리보일러의 온도와 환류 드럼의 유량을 사용하여 가벼운 성분과 무거운 성분의 스트림 조성을 제어합니다.
이 설명은 증류탑의 온도 및 압력 조건을 명확하게 이해하는데 도움을 줄 것입니다. 증류탑은 이러한 물리적 조건 하에서 효과적으로 성분을 분리하여, 각각의 성분이 적절한 상태로 추출되고 정제될 수 있도록 설계되었습니다.
2. 증류탑 Tray 종류 3가지
증류탑은 화학공정에서 가장 중요한 장비 중 하나로, 서로 다른 끓는점을 가진 혼합물을 분리하는 데 사용됩니다. 증류 과정의 핵심적인 부분은 트레이(tray) 라고 불리는 수평 섹션으로 구성된 내부 구조입니다.
이 트레이들은 각기 다른 방식으로 액체와 기체 사이의 최적의 접촉 면적을 제공하여 열전달과 물질전달을 효과적으로 일으키는 물리적 구조입니다.
따라서 트레이의 설계는 액체와 기체가 효과적으로 접촉하여 교환될 수 있는 열과 질량 전달을 효과적으로 이루어지게 하는 최적의 환경을 만들어내는 데 중점을 둡니다. 오늘은 증류탑에서 흔히 사용되는 세 가지 유형의 트레이에 대해 알아보겠습니다.
2.1. 버블 캡 트레이 (Bubble Cap Trays)
버블 캡 트레이는 전통적인 증류 탑 설계에서 자주 볼 수 있는 트레이 유형입니다. 이 트레이는 증기가 상승하고 캡을 통해 액체 속으로 버블을 형성하면서 기체와 액체 사이의 집중적인 접촉을 만들어냅니다. 각 캡에는 슬롯이나 구멍이 있어서 증기가 트레이 위에 있는 액체와 완전하게 접촉할 수 있게 합니다. 이러한 방식으로 기체와 액체는 혼합되고 질량 전달이 일어납니다.
액체는 상부 다운커머에서 트레이 위의 캡 너머로 흐르고, 아웃렛 위어(outlet weir)와 다운커머를 통해 아래 트레이로 이동합니다. 아웃렛 위어는 트레이 상의 액체의 높이, 즉 액체 두께를 유지하는 역할을 합니다. 버블 캡 트레이는 기체와 액체가 높은 수준으로 혼합되어야 하는 경우에 매우 적합하며, 다양한 운전 조건에서도 안정적인 성능을 발휘합니다.
버블 캡 트레이는 증류 탑 내에서 사용되는 중요한 구성 요소 중 하나로서, 고유한 장단점을 가지고 있습니다. 이 트레이 유형은 가스 또는 증기가 액체 풀을 통과하며 우수한 혼합 효과를 제공하는 것으로 잘 알려져 있습니다.
이는 가스와 액체 간의 질량 전달을 향상시켜 증류 효율을 높입니다. 또한, 버블 캡 트레이는 내장된 씰로 인해 저 가스 흐름 속도에서도 액체의 배수를 방지하고, 이는 트레이 작동 범위를 넓혀주는 요소입니다.
버블 캡 트레이는 액체와 거품이 위어 높이와 적어도 같은 깊이까지 트레이에 유지되도록 설계되었기 때문에, 낮은 증기 및 액체 속도에서도 운영할 수 있으며 우이핑(*weeping, 액체가 트레이를 통과하여 아래로 흘러내리는 현상)의 가능성이 거의 없습니다.
“Weeping”은 증류탑 내에서 사용되는 트레이에서 발생하는 현상으로, 증기 흐름율이 너무 낮아 트레이의 구멍을 통과하는 액체가 충분히 증기와 혼합되지 못하고 트레이를 통해 그대로 아래로 흐르는 것을 의미합니다.
즉, 트레이의 증기 흐름이 약해서 액체가 증기로 “버블링”되지 않고 트레이 아래로 떨어지게 되는 현상입니다. 이는 증류 탑의 효율성을 저하시킬 수 있으며, 특히 증류 과정에서 트레이의 역할은 증기와 액체 사이의 충분한 접촉을 통해 열과 물질 전달을 촉진하는 것이기 때문에 바람직하지 않습니다.
그러나 버블 캡 트레이의 단점도 분명합니다. 이러한 트레이는 트레이를 통한 높은 압력 구배를 필요로 하며, 이는 증류 탑의 에너지 효율성에 영향을 줄 수 있습니다. 또한 제작 비용이 시브 및 밸브 타입 트레이에 비해 높으며, 트레이 위에 더 많은 공간을 필요로 합니다.
이는 트레이 덱(deck)에서 개방 가능한 영역이 상대적으로 적다는 것을 의미합니다. 제조 과정에서도 더 많은 노동력과 재료가 필요하므로, 전반적인 제작 비용이 높아집니다.
이와 같은 특성 때문에 버블 캡 트레이는 특정 증류 작업에 매우 적합할 수 있지만, 모든 상황에 최적이라고는 할 수 없습니다. 증류 탑의 설계자나 운영자는 공정의 특정 요구 사항과 경제적 고려 사항을 기반으로 트레이 유형을 선택해야 합니다.
버블 캡 트레이는 뛰어난 혼합과 낮은 우이핑 위험이 필요한 증류 탑에 이상적이지만, 높은 압력 손실, 높은 제조 비용, 그리고 더 큰 공간 요구 사항 등을 고려해야 하는 상황에서는 다른 대안이 고려될 수 있습니다.
2.2. 시브 트레이 (Sieve Trays)
시브 트레이는 트레이의 표면에 일련의 구멍들이 뚫려 있는 구조를 가지고 있습니다. 이 구멍들을 통해 증기가 통과하면서 액체와 접촉하게 되는데, 이 접촉은 열과 질량 전달에 필수적인 기체-액체 반응을 촉진합니다.
시브 트레이는 그 구조가 단순하여 제작 비용이 낮고, 유지보수가 용이하며, 높은 가스 흐름 속도에도 견딜 수 있는 장점이 있습니다. 하지만, 과도한 가스 흐름 속도는 액체를 트레이에서 날려버릴 수 있으므로 주의가 필요합니다.
시브 플레이트는 가장 간단한 타입의 크로스-플로우 플레이트입니다. 이 트레이에는 작은 둥근 구멍들이 있고, 그 크기는 3/8인치에서 1인치까지 다양합니다.
이 구멍들은 트레이 덱에 뚫려 있습니다. 증기는 트레이 바닥에 있는 작은 구멍들을 통해 상승하며, 액체 속을 고르게 거품이 이루어지도록 합니다. 그 후 액체는 트레이 바닥을 따라 흐르고 위어를 넘어 다운커머를 통해 아래 트레이로 이동합니다.
장점:
시브 트레이는 디자인이 단순하며 비용이 버블 캡 트레이와 밸브 타입 트레이보다 저렴합니다. 이 트레이는 운영, 유지 보수 및 청소가 쉽습니다. 시브 트레이를 통한 압력 강하는 다른 트레이들에 비해 낮습니다.
단점:
시브 트레이는 증기-액체 간 확실한 봉인이 없기 때문에, 턴다운율 (가동 범위 내의 최소 흐름율)에서 성능이 떨어집니다.
그리고 흐름율이 낮을 때 액체가 구멍을 통해 ‘우이핑(weeping)’ 현상이 발생하여 트레이의 효율을 감소시킵니다. 시브 트레이에서 수직으로 배출되는 증기는 더 높은 거품 높이를 만들어내므로, 액체를 트레이에 붙잡아 둘 가능성을 증가시킵니다.
2.3. 밸브 트레이 (Valve Trays)
밸브 트레이는 그 이름에서 알 수 있듯이, 밸브라 불리는 움직일 수 있는 디스크를 사용하여 가스 흐름을 조절합니다. 이 디스크들은 가스의 압력에 의해 상승하거나 내려앉으며, 이를 통해 가스가 액체와 접촉하는 표면적을 조절합니다.
밸브 트레이는 운전 조건에 따라 자동으로 가스 흐름을 조절할 수 있는 능력 덕분에, 다양한 가동 범위를 가지며 더욱 유연한 운전이 가능합니다. 또한, 이 트레이는 쉽게 청소하고 유지할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.
각각의 트레이 유형은 특정한 증류 공정 요구사항과 운전 조건에 따라 장단점이 있으며, 이에 맞게 적절히 선택되어야 합니다. 이러한 트레이들의 올바른 설계와 운용은 증류 공정의 효율성을 결정짓는 중요한 요소입니다.
2.3.1.벨브 트레이 구조
밸브 트레이에는 증기 흐름에 따라 스스로 조절되는 들어 올릴 수 있는 캡이 달려 있습니다. 증기 흐름이 낮을 때 트레이 밸브나 캡은 닫혀 액체가 트레이에서 아래로 내려가는 것을 막습니다. 증기 흐름이 증가함에 따라 밸브는 올라가고, 증기가 흐를 수 있는 개방 영역도 커집니다.
2.3.2. 밸브 트레이 장단점
장점:
- 우이핑(Weeping) 현상의 가능성이 매우 낮습니다. 밸브 개방은 증기 흐름율에 비례하기 때문에 증기 흐름율이 낮을수록 개방도 적어집니다.
- 밸브 트레이는 유연성이 높아 다양한 흐름율과 급수 조성에서 사용할 수 있습니다.
- 증기 흐름율에 따라 증기 흐름을 위한 공간이 변하므로, 밸브 트레이는 시브 트레이보다 낮은 흐름율에서도 효율적으로 작동할 수 있으며, 증기 흐름율이 낮을 때 밸브가 닫힙니다.
- 밸브 트레이는 버블 캡 트레이보다 비용이 저렴하며 시브 트레이보다는 약간 비용이 더 듭니다.
- 밸브 트레이에서는 버블 캡 트레이보다 압력 강하가 낮습니다. 높은 증기 흐름율은 높은 차압을 의미합니다.
단점:
- 이동식 밸브 트레이는 증기 흐름율이 감소할 때 일부 밸브가 닫히기 시작하여 트레이의 유효 면적을 감소시킵니다.
- 이동식 밸브 트레이는 고정 밸브보다 오염물에 의한 찌꺼기가 더 잘 생기는 경향이 있습니다. 이는 오염물이 쌓일 수 있는 표면적이 더 많기 때문입니다. 이는 흙, 잔해, 다양한 형태의 부식 및 결로점 염 형성과 같은 심각한 조건에서 작동하는 컬럼에 대한 심각한 우려사항입니다.
- 밸브가 열리고 닫힐 때 밸브 다리가 오리피스 가장자리와 접촉할 수 있으며, 이는 침식을 일으키고 부식을 증가시킬 수 있습니다.
2.4. 증류탑 트레이 – 특성 비교 요약
| 트레이 종류 | 용량 | 효율성 | 단위 면적당 비용 | 유연성 | 비고 |
|---|---|---|---|---|---|
| 시브 | 중간에서 높음 | 높음. 다른 트레이와 같거나 더 높음. | 모든 트레이 중 가장 낮음. | 중간. 3:1까지 보통 달성 가능. | 대부분의 애플리케이션에 첫 번째 선택; 많은 설계 데이터가 있음. |
| 밸브 | 중간에서 높음; 시브 트레이와 같음. | 높음. 시브 트레이와 같음. | 중간. 시브 트레이보다 약 10% 더 높음. | 높음. 최대 5:1 가능. | 중간에서 심한 오염 서비스에는 추천하지 않음. |
| 버블 캡 | 중간에서 높음, 단 액체율이 높을 때는 중간에서 낮음. | 중간에서 높음. | 높음. 시브 트레이 비용의 최소 두 배. | 중간에서 낮음. 5:1이 조금 더 높을 수 있음. | 밸브 트레이의 오염이 문제가 될 수 있는 고유연성 필요시 사용. |
2.4.1. 트레이 종류별 요약
- 시브 트레이 (Sieve Tray):
- 가장 널리 사용되는 트레이 유형입니다.
- 저렴한 비용으로 제작됩니다.
- 사진에서 볼 수 있듯이, 많은 둥근 구멍들이 있는 평면 판 형태를 띠고 있으며, 이 구멍들을 통해 증기가 상승하여 액체와 접촉합니다.
- 밸브 트레이 (Valve Tray):
- 시브 트레이에 비해 용량이 더 우수합니다.
- 시브 트레이에 비해 약간 더 높은 비용이 듭니다.
- 오염물에 의한 찌꺼기가 발생하기 쉬운 서비스에는 추천되지 않습니다.
- 트레이 위에 설치된 이동 가능한 밸브 캡을 볼 수 있으며, 증기 흐름율에 따라 이 캡이 스스로 열리거나 닫힙니다.
- 버블 캡 트레이 (Bubble Cap Tray):
- 1950년대까지 표준으로 사용된 트레이 유형입니다.
- 높은 제조 비용이 듭니다.
- 유지 보수 및 검사가 어렵습니다.
- 탁월한 턴다운 성능을 제공합니다. 턴다운은 트레이가 다양한 증기 흐름율에서도 효과적으로 작동할 수 있는 능력을 말합니다.
- 사진에는 덮개가 달린 여러 개의 버블 캡이 있는 모습이 나타나 있으며, 이 버블 캡을 통해 증기가 상승하고 액체와 섞이게 됩니다.
3. 증류탑 설계
3.1. 증류탑 설계시 고려사항
증류탑을 설계할 때 고려해야 할 주요 요소와 단계는 다음과 같습니다:
3.1.1. 공정 요구 사항 정의
- 원료와 제품 사양: 처리해야 할 원료의 종류, 구성 및 양을 이해하고, 원하는 제품의 순도와 생산량을 명확히 합니다.
- 공정 조건: 증류를 위한 온도, 압력 및 기타 운영 조건을 설정합니다.
3.1.2. 기본 설계
- 공정 플로우 다이어그램(PFD): 증류탑을 포함한 전체 공정의 흐름도를 개발하여 입력 및 출력 스트림, 주요 장비 및 조작 변수를 명확히 합니다.
- 물질 및 에너지 균형: 전체 공정에 대한 물질 및 에너지 균형을 계산하여 장비의 크기 및 요구 에너지를 추정합니다.
3.1.3 증류탑 설계
- 탑의 크기 결정: 증류 탑의 높이와 직경을 결정하기 위해 전달 단위, 플로우 속도 등을 고려합니다.
- 내부 장비 설계: 트레이(Plate) 또는 포장재(Packing)의 종류와 배열을 결정합니다. 트레이의 경우, 트레이의 유형(예: 버블 캡, 시브 트레이) 및 트레이 당 단계를 결정합니다.
- 리플럭스 및 리보일러 설계: 적절한 리플럭스 비율을 설정하고, 리보일러를 통해 필요한 열량을 계산하여 증류 효율을 최적화합니다.
3.1.4. 시뮬레이션 및 최적화
- 프로세스 시뮬레이션: Aspen HYSYS, Aspen Plus, ChemCAD 등의 소프트웨어를 사용하여 증류 공정의 성능을 시뮬레이션합니다. 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하고 최적화할 수 있습니다.
- 경제성 평가: 설계된 증류탑의 경제성을 평가하여 제안된 설계가 경제적으로 실행 가능한지 확인합니다.
3.1.5. 상세 설계 및 제조 준비
- 기계적 설계: CAD 소프트웨어를 사용하여 증류탑의 상세 도면을 작성합니다. 이는 제조 및 조립에 필요한 상세 정보를 제공합니다.
- 안전 및 환경 검토: 증류탑의 안전성을 평가하고 환경 규제 준수 여부를 확인합니다.
3.1.6. 설치, 시운전 및 운영
- 설치: 설계에 따라 증류탑을 제조하고 설치합니다.
- 시운전: 증류탑을 시운전하여 설계된 성능을 달성하는지 확인합니다.
- 운영 및 유지보수: 증류탑의 운영을 모니터링하고 필요한 유지보수 작업을 수행하여 지속적인 최적의 성능을 보장합니다.
증류탑 설계는 복잡한 과정이며, 다양한 기술적, 경제적 고려 사항이 포함됩니다. 따라서 전문적인 지식과 경험을 갖춘 엔지니어링 팀과 긴밀히 협력하여 진행하는 것이 중요합니다.
3.2. 증류탑 설계 도구
증류탑을 설계하는 데 필요한 도구와 소프트웨어는 다음과 같습니다:
3.2.1. 프로세스 시뮬레이션 소프트웨어:
- Aspen HYSYS 또는 Aspen Plus: 이러한 시뮬레이션 소프트웨어는 증류 공정의 열역학적 및 물리적 특성을 모델링하고 최적화하는 데 사용됩니다. 이를 통해 공정 조건, 장비 사양 및 운영 변수를 시뮬레이션할 수 있습니다.
- ChemCAD와 Pro/II: 다양한 화학 공정을 시뮬레이션하기 위한 소프트웨어로, 증류 타워 설계에 필수적인 도구입니다.
3.2.2. CAD 소프트웨어:
- AutoCAD 또는 SolidWorks: 이러한 도구는 증류탑 및 관련 구조의 기계적 설계를 위해 사용됩니다. 이를 통해 정밀한 도면 및 3D 모델을 작성하여 제조 및 조립 과정을 지원합니다.
3.2.3. 데이터 수집 및 분석 도구:
- Microsoft Excel: 데이터 수집, 정리 및 분석에 널리 사용됩니다. Excel은 엔지니어링 계산, 성능 데이터 분석 및 결과 시각화에 유용합니다.
- MATLAB 또는 Python: 고급 데이터 분석, 수치 계산 및 시뮬레이션 작업에 사용됩니다. 이러한 도구는 복잡한 계산과 알고리즘을 효과적으로 처리할 수 있습니다.
3.2.4. 유체 역학 및 열전달 시뮬레이션 도구:
- ANSYS Fluent 또는 COMSOL Multiphysics: 유체 흐름 및 열전달을 시뮬레이션하여 증류탑의 내부 흐름 패턴과 온도 분포를 분석할 수 있습니다. 이는 설계의 효율성을 평가하고 개선점을 찾는 데 도움이 됩니다.
3.2.5. 데이터베이스 및 기술 문서 관리 시스템:
- SharePoint 또는 Google Drive: 프로젝트 관련 문서, 기술 도면, 시뮬레이션 결과 등을 관리하고 팀원 간의 협업을 용이하게 합니다.
이러한 도구들은 증류탑의 설계, 분석 및 최적화 과정을 지원하여 효율적이고 경제적인 운영을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.
4. 결론
증류탑은 화학적, 물리적 성질을 기반으로 하여 성분을 분리하는 데 결정적인 역할을 하는 플랜트 기기입니다. 이들의 효율적인 설계와 운영은 플랜트의 생산성과 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다.