분별 증류
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1. 개요
분별 증류는 혼합물을 구성하는 물질의 끓는점 차이를 이용하여 분리하는 기술이다. 이 기술은 유기 물질을 분리하는 데 중요한 역할을 했으며, 자비르 이븐 하이얀의 저술에서 그 중요성이 강조되었다. 분별 증류는 실험실 규모에서부터 산업 규모에 이르기까지 다양한 형태로 사용되며, 원유 정제, 석유화학, 천연 가스 처리, 공기 분리 등 다양한 산업 분야에서 핵심적인 분리 기술로 활용된다. 산업용 분별 증류탑은 크고 수직적인 원통형 탑으로 설계되며, 리플럭스를 통해 분리 효율을 높인다. 분별 증류탑의 설계는 공정 설계와 기계 설계의 두 단계로 이루어지며, 트레이 탑과 충전 탑이 주요 유형으로 사용된다.
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| 분별 증류 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 분리 공정 |
| 분리 기반 | 끓는점 |
| 작동 원리 | |
| 적용 분야 | 정유 공장 화학 공업 |
| 사용 | 액체 혼합물 분리 |
| 설명 | 액체 혼합물을 구성 성분으로 분리 |
| 공정 | 액체를 가열하여 증기를 생성하고, 증기를 응축하여 분리 |
| 상세 정보 | |
| 역사 | 18세기 |
| 발명가 | 타데우시 안드제이 제플 |
| 관련 | 단증류 |
2. 역사
9세기 이슬람 연금술사 자비르 이븐 하이얀의 저술에서 유기 물질의 분별 증류가 중요한 역할을 했다. Kitāb al-Sabʿīn는 크레모나의 제라르(1114년경~1187년)에 의해 Liber de septuagintala라는 제목으로 라틴어로 번역되었다.[1] 자비르의 동물, 식물, 광물(덜하지만) 물질의 분별 증류 실험은 원래 아랍어 작품이었으며, 아비세나의 저서로 잘못 알려진 De anima in arte alkimiaela의 주요 내용이었다. 이는 라틴어로 번역되어 로저 베이컨(1220년경~1292년)에게 가장 중요한 연금술 자료가 되었다.[2]
2. 1. 이슬람 연금술
9세기 이슬람 연금술사 자비르 이븐 하이얀의 저술에서 유기 물질의 분별 증류가 중요한 역할을 했다. 예를 들어, Kitāb al-Sabʿīn는 크레모나의 제라르(c. 1114–1187)에 의해 Liber de septuagintala라는 제목으로 라틴어로 번역되었다.[1] 자비르의 동물, 식물, 광물(덜하지만) 물질의 분별 증류 실험은 원래 아랍어 작품으로, 아비세나의 저서로 잘못 알려진 De anima in arte alkimiaela의 주요 내용이었으며, 이는 라틴어로 번역되어 로저 베이컨에게 가장 중요한 연금술 자료가 되었다.[2]2. 2. 중세 유럽 연금술
9세기 이슬람 연금술사 자비르 이븐 하이얀의 저술에서 유기 물질의 분별 증류는 중요한 역할을 했다. 예를 들어, Kitāb al-Sabʿīn는 크레모나의 제라르 (1114년경~1187년)에 의해 Liber de septuagintala라는 제목으로 라틴어로 번역되었다.[1] 자비르의 동물, 식물, 그리고 광물(덜하지만) 물질의 분별 증류 실험은 원래 아랍어 작품으로, 아비세나의 저서로 잘못 알려진 De anima in arte alkimiaela의 주요 내용이었으며, 이는 라틴어로 번역되어 로저 베이컨 (1220년경~1292년)에게 가장 중요한 연금술 자료가 되었다.[2]2. 3. 현대의 발전
유기 물질의 분별 증류는 9세기 이슬람 연금술사 자비르 이븐 하이얀의 저술에서 중요한 역할을 했다. 예를 들어, Kitāb al-Sabʿīn는 크레모나의 제라르 (1114년경~1187년)에 의해 라틴어로 번역되어 Liber de septuagintala라는 제목으로 출판되었다.[1] 자비르의 동물 및 식물 물질, 그리고 덜하지만 광물 물질의 분별 증류 실험은 원래 아랍어 작품으로, 아비세나의 저서로 잘못 알려진 De anima in arte alkimiaela의 주요 내용이었으며, 이는 라틴어로 번역되어 로저 베이컨 (1220년경~1292년)에게 가장 중요한 연금술 자료가 되었다.[2]3. 분별 증류의 원리
분별 증류는 끓는점 차이를 이용하여 혼합물을 분리하는 방법이다. 원유를 분별 증류하면 석유 가스, 휘발유, 나프타, 등유, 경유, 윤활유, 중유, 찌꺼기 등의 순서로 증류된다.[3][4]
물과 에탄올 혼합물을 예로 들어보면, 에탄올은 78.4°C에서 끓고 물은 100°C에서 끓는다. 혼합물을 가열하면 휘발성이 강한 에탄올이 증기에 더 많이 농축된다. 그러나 에탄올과 물은 공비 혼합물을 형성하여 78.2°C에서 끓기 때문에, 순수한 에탄올을 얻기 위해서는 추가적인 정제 과정이 필요하다.
분별 증류 장치는 둥근 바닥 플라스크에 혼합물과 비등석을 넣고, 플라스크 위에 분별 증류 컬럼을 설치한 후, 컬럼 상단에 냉각기를 연결한다. 플라스크를 가열하면 증기가 컬럼을 따라 올라가면서 온도 기울기가 형성되고, 컬럼 내 트레이에서 응축과 증발을 반복하며 휘발성이 높은 성분이 컬럼 상단에 모인다. 컬럼 상단의 증기는 냉각기에서 액화되어 수집된다.
실험실 규모에서는 유리 튜브 안에 유리 나선형 팩킹이 채워진 분별 컬럼을 사용하며, 컬럼을 보정하여 이론 단의 수를 정량화할 수 있다. 분별 효율을 높이기 위해 환류 분할기를 사용하기도 하며, 일반적인 환류 비율은 4:1 정도이다.
정유 공장, 석유화학 및 화학 공장, 천연 가스 처리 및 공기 분리 공장에서는 대규모 분별 증류가 이루어진다.[3][4] 산업용 증류탑은 크고 수직인 원통형 탑으로, 리플럭스를 사용하여 분리 효율을 높인다. 또한, 트레이 대신 라시히 링과 같은 충전재를 사용하기도 한다.
분별 증류는 공기 분리를 통해 액체 산소, 액체 질소, 고농도 아르곤을 생산하거나, 클로로실란 증류를 통해 고순도 실리콘을 생산하는 데에도 사용된다.
3. 1. 실험실 규모의 분별 증류
실험실 규모의 분별 증류는 알코올 램프, 둥근 바닥 플라스크, 냉각기 등 일반적인 실험실 유리 기구 및 장치를 사용하여 이루어진다. 분별 증류 컬럼은 단일 용도로 사용하기도 한다.분별 증류는 이론적으로 다음과 같이 작동한다. 일반적인 실험실 분별 컬럼은 유리 튜브 형태로, 내부에 유리 나선형 팩킹이 채워져 있다. 컬럼은 알려진 혼합물 시스템을 증류하여 이론 단의 수로 정량화하여 보정할 수 있다. 분별 효율을 높이기 위해 환류 분할기를 사용하여 응축액을 컬럼으로 되돌려 보내기도 하며, 일반적인 환류 비율은 4:1 정도이다.
진공 증류 시스템은 감압 상태에서 작동하여 물질의 끓는점을 낮추는 방식으로 사용되기도 한다.
3. 1. 1. 장치 구성
실험실에서 분별 증류는 실험실 유리 기구와 장치를 사용하며, 여기에는 일반적으로 알코올 램프, 둥근 바닥 플라스크, 냉각기, 그리고 단일 용도의 분별 증류 컬럼이 포함된다.예를 들어 물과 에탄올 혼합물을 증류하는 경우를 생각해 보자. 에탄올은 78.4°C에서 끓고, 물은 100°C에서 끓는다. 따라서 혼합물을 가열하면 휘발성이 더 강한 에탄올이 증기에 더 많이 농축된다. 일부 혼합물은 공비 혼합물을 형성하는데, 이 경우 혼합물은 두 성분 중 어느 것보다 낮은 온도에서 끓는다. 예시에서 에탄올과 물의 혼합물은 78.2°C에서 끓으며, 순수한 에탄올보다 더 휘발성이 높다. 이 때문에 에탄올-물 혼합물의 직접 분별 증류만으로는 에탄올을 완전히 정제할 수 없다.
장치는 그림과 같이 조립된다. 혼합물은 둥근 바닥 플라스크에 비등석 (또는 자력 교반을 사용하는 경우 테플론 코팅된 자력 교반 막대)과 함께 넣고, 분별 증류 컬럼을 상단에 장착한다. 열원은 플라스크 바닥에 설치한다. 플라스크에서 멀어질수록 컬럼에 온도 구배가 형성되어 상단이 가장 차갑고 하단이 가장 뜨겁다. 혼합된 증기가 온도 구배를 따라 상승하면 일부 증기가 응축되고 다시 증발한다. 증기가 응축되고 증발할 때마다 증기에서 휘발성이 더 강한 성분의 조성이 증가한다. 이는 컬럼 길이를 따라 증기를 증류하며, 결국 증기는 휘발성이 더 강한 성분(또는 공비 혼합물)으로만 구성된다. 증기는 컬럼 내부의 트레이라고 하는 유리 플랫폼에서 응축되어 아래의 액체로 다시 흘러 들어가 환류 증류액을 생성한다. 울, 알루미늄 호일 또는 진공 자켓과 같은 절연체로 컬럼 외부를 절연하면 효율성이 향상된다. 가장 뜨거운 트레이는 바닥에, 가장 차가운 트레이는 상단에 있다. 정상 상태 조건에서 각 트레이의 증기와 액체는 ''평형'' 상태에 있다. 혼합물의 휘발성이 가장 강한 성분은 컬럼 상단에서 기체로 배출된다. 컬럼 상단의 증기는 냉각기로 들어가 응축될 때까지 냉각된다. 더 많은 트레이를 추가하면 분리가 더 순수해진다. 처음에는 응축액이 공비 조성에 가깝지만, 에탄올의 상당 부분이 배출되면 응축액은 점차 물이 풍부해진다. 이 과정은 혼합물에서 모든 에탄올이 끓어 나올 때까지 계속되며, 온도계에 나타나는 급격한 온도 상승으로 확인할 수 있다.
일반적인 실험실 분별 컬럼은 (종종 진공 자켓이 있고, 때로는 내부적으로 은도금된) 간단한 유리 튜브이며, 직경의 작은 유리 나선형으로 채워진다. 이러한 컬럼은 알려진 혼합물 시스템의 증류를 통해 컬럼을 이론 단의 수로 정량화하여 보정할 수 있다. 분별을 개선하기 위해 장치는 환류 분할기(환류 와이어, 가고, 자력 스윙 버킷 등)를 사용하여 컬럼으로 응축액을 반환하도록 설정된다. 전형적인 분별은 약 4:1의 환류 비율(4개의 응축액 반환 부분 대 1개의 응축액 배출 부분)을 사용한다.
실험실 증류에서는 여러 유형의 냉각기를 일반적으로 찾을 수 있다. 리비히 냉각기는 단순한 수조 내의 직선 튜브이며, 가장 간단하고 저렴한 형태의 냉각기이다. 그레이엄 냉각기는 수조 내의 나선형 튜브이고, 알린 냉각기는 내부 튜브에 일련의 크고 작은 수축부가 있어 증기 성분이 응축될 수 있는 표면적을 증가시킨다.
대체 설정으로 3개 또는 4개의 수신 실험실 플라스크를 냉각기에 연결하기 위해 여러 개의 출구가 있는 증류 수신 플라스크("카우" 또는 "피그"라고 함)를 사용할 수 있다. 카우 또는 피그를 돌리면 증류액을 선택한 수신기에 연결할 수 있다. 이러한 유형의 장치는 공기 민감성 화학 물질의 경우 불활성 분위기 하에서 또는 감압 하에서 증류할 때 유용하다. 퍼킨 삼각기는 이러한 상황에서 자주 사용되는 대안적인 장치이며, 수신기를 시스템의 나머지 부분으로부터 격리할 수 있지만 각 분획에 대해 단일 수신기를 제거하고 다시 부착해야 한다.
진공 증류 시스템은 감압 상태에서 작동하므로 물질의 끓는점을 낮춘다. 그러나 비등석은 감압 상태에서는 효과가 없다.
3. 1. 2. 에탄올-물 혼합물의 분별 증류
예를 들어 물과 에탄올의 혼합물을 분별 증류하는 경우를 생각해 보자. 에탄올은 78.4°C에서 끓고, 물은 100°C에서 끓는다. 따라서 혼합물을 가열하면 가장 휘발성이 높은 성분인 에탄올이 액체에서 나오는 증기에 더 많이 농축된다. 일부 혼합물은 공비 혼합물을 형성하는데, 이 경우 혼합물이 두 성분 중 어느 것보다 낮은 온도에서 끓는다. 이 예에서 에탄올과 물의 혼합물은 78.2°C에서 끓으며, 순수한 에탄올보다 더 휘발성이 높다. 이러한 이유로 에탄올-물 혼합물의 직접 분별 증류만으로는 에탄올을 완전히 정제할 수 없다.장치는 그림과 같이 조립한다. (이 그림은 연속 장치가 아닌 배치 장치를 나타낸다.) 혼합물은 둥근 바닥 플라스크에 몇 개의 비등석 (또는 자력 교반을 사용하는 경우 테플론 코팅된 자력 교반 막대)과 함께 넣고 분별 증류 컬럼을 상단에 장착한다. 분별 증류 컬럼은 열원을 플라스크 바닥에 설치한다. 플라스크에서 거리가 증가함에 따라 컬럼에 온도 구배가 형성된다. 즉, 상단이 가장 차갑고 하단이 가장 뜨겁다. 혼합된 증기가 온도 구배를 따라 상승하면 일부 증기가 온도 구배를 따라 응축되고 증발한다. 증기가 응축되고 증발할 때마다 증기에서 더 휘발성이 높은 성분의 조성이 증가한다. 이는 컬럼 길이를 따라 증기를 증류하며, 결국 증기는 더 휘발성이 높은 성분(또는 공비 혼합물)으로만 구성된다. 증기는 컬럼 내부의 트레이라고 하는 유리 플랫폼에서 응축되어 아래의 액체로 다시 흘러 들어가 환류 증류액을 생성한다. 분별을 얻기 위해 필요한 가열 및 시간 측면에서 효율성은 울, 알루미늄 호일 또는 가급적 진공 자켓과 같은 절연체로 컬럼 외부를 절연함으로써 향상될 수 있다. 가장 뜨거운 트레이는 바닥에 있고 가장 차가운 트레이는 상단에 있다. 정상 상태 조건에서 각 트레이의 증기와 액체는 ''평형'' 상태에 있다. 혼합물의 가장 휘발성이 높은 성분은 컬럼 상단에서 기체로 배출된다. 컬럼 상단의 증기는 냉각기로 들어가 응축될 때까지 냉각된다. 더 많은 트레이를 추가하면 분리가 더 순수해진다(열, 흐름 등의 실제적인 제한이 있음). 처음에는 응축액이 공비 조성에 가깝지만, 에탄올의 상당 부분이 배출되면 응축액은 점차 물이 풍부해진다. 이 과정은 혼합물에서 모든 에탄올이 끓어 나올 때까지 계속된다. 이 시점은 온도계에 나타나는 급격한 온도 상승으로 인식할 수 있다.
일반적인 실험실 분별 컬럼은 (종종 진공 자켓이 있고, 때로는 내부적으로 은도금된) 간단한 유리 튜브이며, 작은 유리 나선형 팩킹으로 채워진다. 이러한 컬럼은 알려진 혼합물 시스템의 증류를 통해 컬럼을 이론 단의 수로 정량화하여 보정할 수 있다. 분별을 개선하기 위해 장치는 일부 종류의 환류 분할기(환류 와이어, 가고, 자력 스윙 버킷 등)를 사용하여 컬럼으로 응축액을 반환하도록 설정된다. 전형적인 신중한 분별은 약 4:1의 환류 비율(4개의 응축액 반환 부분 대 1개의 응축액 배출 부분)을 사용할 것이다.
실험실 증류에서는 여러 유형의 냉각기를 일반적으로 찾을 수 있다. 리비히 냉각기는 단순한 수조 내의 직선 튜브이며, 가장 간단하고 (상대적으로 저렴한) 형태의 냉각기이다. 그레이엄 냉각기는 수조 내의 나선형 튜브이고, 알린 냉각기는 내부 튜브에 일련의 크고 작은 수축부가 있어 증기 성분이 응축될 수 있는 표면적을 각각 증가시킨다.
대체 설정은 3개 또는 4개의 수신 실험실 플라스크를 냉각기에 연결하기 위해 여러 개의 출구가 있는 증류 수신 플라스크("카우" 또는 "피그"라고 함)를 사용할 수 있다. 카우 또는 피그를 돌리면 증류액을 선택한 수신기에 연결할 수 있다. 증류 과정에서 수신기를 제거하고 교체할 필요가 없기 때문에, 이러한 유형의 장치는 공기 민감성 화학 물질의 경우 불활성 분위기 하에서 또는 감압 하에서 증류할 때 유용하다. 퍼킨 삼각기는 이러한 상황에서 자주 사용되는 대안적인 장치이며, 수신기를 시스템의 나머지 부분으로부터 격리할 수 있지만 각 분획에 대해 단일 수신기를 제거하고 다시 부착해야 한다.
진공 증류 시스템은 감압 상태에서 작동하므로 물질의 끓는점을 낮춘다. 그러나 비등석은 감압 상태에서는 효과가 없다.
3. 2. 산업 규모의 분별 증류
분별 증류는 정유 공장, 석유화학 및 화학 공장, 천연 가스 처리 및 공기 분리 공장에서 사용되는 가장 일반적인 분리 기술이다.[3][4] 대부분의 경우 증류는 연속 증류의 정상 상태에서 작동한다. 새로운 공급물은 항상 증류탑에 추가되고 생성물은 항상 제거된다. 공급물, 열, 주변 온도 또는 응축의 변화로 인해 공정에 장애가 발생하지 않는 한, 추가되는 공급물의 양과 제거되는 생성물의 양은 일반적으로 동일하다. 이를 연속 정상 상태 분별 증류라고 한다.산업용 증류는 일반적으로 "증류탑" 또는 "분별탑"이라고 하는 크고 수직적인 원통형 탑에서 수행된다.
산업적 용도에서는 특히 진공 상태에서 작동하는 경우와 같이 탑 전체의 압력 강하가 낮아야 할 때 트레이 대신 탑에 충전재를 사용하는 경우가 있다. 이 충전재는 라시히 링 또는 구조 충전재와 같은 임의 충전재일 수 있다. 일반적인 제조업체는 Koch, Sulzer 및 기타 회사이다. 모양이 다른 충전재는 서로 다른 표면적과 다공성을 가지고 있다. 이 두 가지 요인은 충전재 성능에 영향을 미친다.
분별 증류는 또한 공기 분리에 사용되어 액체 산소, 액체 질소 및 고농도의 아르곤을 생성한다. 클로로실란의 증류는 반도체로 사용하기 위한 고순도 실리콘의 생산을 가능하게 한다.
3. 2. 1. 증류탑의 구조
산업용 증류는 주로 "증류탑" 또는 "분별탑"이라고 불리는 크고 수직인 원통형 탑에서 이루어진다. 이 탑의 지름은 약 0.65m에서 6m이며, 높이는 6m에서 60m 이상이다.[3][4] 증류탑에는 탑을 따라 액체 배출구가 있어 끓는점이나 끓는점 범위가 다른 여러 분획 또는 생성물을 추출할 수 있다. 탑 내부의 제품 온도가 높아짐에 따라 서로 다른 제품이 분리된다. 끓는점이 가장 낮은 "가벼운" 제품은 탑 상단에서 나오고, 끓는점이 가장 높은 "무거운" 제품은 탑 하단에서 나온다.
대규모 산업용 탑은 리플럭스를 사용하여 제품을 더 완벽하게 분리한다.[5] 리플럭스는 증류탑 상부에서 응축된 액체 생성물의 일부를 탑 상부로 다시 돌려보내는 것을 말한다. 탑 내부에서 아래로 흐르는 리플럭스 액체는 위로 흐르는 증기를 응축시켜 냉각을 제공함으로써 증류탑의 효율을 높인다. 주어진 이론 단 수에서 리플럭스가 많을수록 끓는점이 낮은 물질과 높은 물질의 분리가 더 잘 이루어진다.
산업용에서는 트레이 대신 라시히 링과 같은 충전재를 사용하는 경우도 있다. 액체는 충전재 표면을 적시는 경향이 있고, 증기는 이 젖은 표면을 통과하면서 물질 전달이 일어난다. 충전탑의 기액 평형 곡선은 연속적이다.
3. 2. 2. 원유 분별 증류
정유 공장에서 원유를 분별 증류하여 탄화수소의 끓는점 차이를 이용해 유용한 물질(또는 분획)을 분리한다. 끓는점이 높은 원유 분획은 다음과 같은 특징을 가진다.원유를 분별 증류하면 석유 가스, 휘발유, 나프타, 등유, 경유, 윤활유, 중유, 찌꺼기 등의 순서로 증류된다.[3][4]
4. 산업적 응용
분별 증류는 산업 현장에서 다양하게 활용되며, 특히 정유 산업에서 그 중요성이 크다.
4. 1. 정유 산업
원유를 분별 증류하면 석유 가스, 휘발유, 나프타, 등유, 경유, 윤활유, 중유, 찌꺼기 등의 순서로 증류된다.5. 산업용 증류탑 설계
산업용 증류탑 설계 및 작동은 공급물과 원하는 제품에 따라 달라진다. 단순한 이성분 공급물은 McCabe–Thiele 방법[4][6][7] 또는 Fenske 방정식[4]과 같은 분석적 방법을 사용할 수 있다. 다성분 공급물은 시뮬레이션 모델을 사용한다.
증류탑에 사용되는 기체-액체 접촉 장치(플레이트 또는 트레이)의 효율은 일반적으로 이론적인 효율의 평형 단보다 낮다. 따라서 이론적인 기체-액체 평형 단의 수보다 더 많은 플레이트가 필요하다.
리플럭스(reflux)는 탑으로 반환되는 응축된 상단 생성물의 일부를 말하며, 아래로 흐르는 리플럭스는 위로 흐르는 증기를 응축하는 데 필요한 냉각을 제공한다. 내부 리플럭스와 상단 생성물의 비율인 리플럭스비는 증류 생성물의 효율적인 분리에 필요한 이론적인 단수와 반비례 관계에 있다.
분별 증류탑은 필요한 분리를 효율적으로 달성하도록 설계되며, 일반적으로 공정 설계와 기계 설계의 두 단계로 이루어진다. 분별탑의 기계 설계는 간단하지 않으며, 탑 내부 구조의 효율적인 선택과 컬럼 높이 및 직경의 정확한 계산을 위해서는 많은 요소를 고려해야 한다.
정유 산업에서 분별탑 설계 및 작동은 여전히 대부분 경험적인 방식으로 수행된다. 그러나 최근 몇 년 동안 분별 증류를 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 컴퓨터 지원 설계 절차를 개발하기 위한 상당한 연구가 수행되었다.[8]
5. 1. 공정 설계
McCabe–Thiele 방법[4][6][7] 또는 Fenske 방정식[4]과 같은 분석적 방법은 단순한 이성분 공급물의 증류탑 설계 및 작동에 사용될 수 있다. 다성분 공급물의 경우에는 시뮬레이션 모델이 설계 및 작동에 모두 사용된다.증류탑에 사용되는 기체-액체 접촉 장치(플레이트 또는 트레이)의 효율은 일반적으로 이론적인 효율의 평형 단보다 낮다. 따라서 증류탑에는 이론적인 기체-액체 평형 단의 수보다 더 많은 플레이트가 필요하다.
탑으로 반환되는 응축된 상단 생성물의 일부인 리플럭스는 아래로 흐르며 위로 흐르는 증기를 응축하는 데 필요한 냉각을 제공한다. 내부 리플럭스 대 상단 생성물의 비율인 리플럭스비는 증류 생성물의 효율적인 분리에 필요한 이론적인 단수와 반비례 관계에 있다.
분별 증류탑은 필요한 분리를 효율적으로 달성하도록 설계된다. 분별 컬럼의 설계는 일반적으로 공정 설계와 기계 설계의 두 단계로 이루어진다. 공정 설계에서는 리플럭스비, 열 리플럭스 및 기타 열 부하를 포함한 필요한 이론 단수 및 흐름을 계산한다. 기계 설계에서는 탑 내부 구조, 컬럼 직경 및 높이를 선택한다.
분별탑의 기계 설계는 간단하지 않으며, 탑 내부 구조의 효율적인 선택과 컬럼 높이 및 직경의 정확한 계산을 위해 공급 부하 크기 및 특성, 사용된 증류탑 유형 등 많은 요소를 고려해야 한다.
사용되는 증류탑의 주요 유형에는 트레이 탑과 충전탑이 있다. 충전탑은 일반적으로 부식성이 있거나 온도에 민감하거나 압력 강하가 중요한 진공 서비스에 사용되는 더 작은 탑과 부하에 사용된다. 반면 트레이 탑은 액체 부하가 높은 더 큰 탑에 사용되며, 1820년대에 처음 등장했다. 트레이 탑은 대부분의 정유 공정에서 주로 석유 정제의 여러 단계에서 석유 분획을 분리하는 데 사용된다.
정유 산업에서 분별탑의 설계 및 작동은 여전히 대부분 경험적인 방식으로 수행된다. 석유 분별 컬럼 설계에는 통상적으로 수많은 차트, 표 및 복잡한 경험식이 사용된다. 그러나 최근 몇 년 동안 분별 증류를 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 컴퓨터 지원 설계 절차를 개발하기 위한 상당한 연구가 수행되었다.[8]
5. 2. 기계 설계
분별 증류탑의 설계 및 작동은 공급물과 원하는 제품에 따라 달라진다. 단순한 이성분 공급물의 경우, McCabe–Thiele 방법[4][6][7] 또는 Fenske 방정식[4]과 같은 분석적 방법을 사용할 수 있다. 다성분 공급물의 경우, 시뮬레이션 모델을 설계 및 작동에 모두 사용한다.또한 증류탑에 사용되는 기체-액체 접촉 장치(''플레이트'' 또는 ''트레이''라고 함)의 효율은 일반적으로 이론적인 100% 효율의 평형 단보다 낮다. 따라서 증류탑은 이론적인 기체-액체 평형 단의 수보다 더 많은 플레이트가 필요하다.
내부 리플럭스 대 상단 생성물의 비율인 리플럭스비는 증류 생성물의 효율적인 분리에 필요한 이론적인 단수와 반비례 관계에 있다. 분별 컬럼의 설계는 일반적으로 공정 설계, 기계 설계의 두 단계로 이루어진다. 공정 설계의 목적은 리플럭스비, 열 리플럭스 및 기타 열 부하를 포함한 필요한 이론 단수 및 흐름을 계산하는 것이다. 반면에 기계 설계의 목적은 탑 내부 구조, 컬럼 직경 및 높이를 선택하는 것이다.
대부분의 경우, 분별탑의 기계 설계는 간단하지 않다. 탑 내부 구조의 효율적인 선택과 컬럼 높이 및 직경의 정확한 계산을 위해서는 많은 요소를 고려해야 한다. 설계 계산과 관련된 몇 가지 요소에는 공급 부하 크기 및 특성, 사용된 증류탑 유형 등이 있다.
사용되는 두 가지 주요 유형의 증류탑은 트레이와 충전탑이다. 충전탑은 일반적으로 부식성이 있거나 온도에 민감하거나 압력 강하가 중요한 진공 서비스에 사용되는 더 작은 탑과 부하에 사용된다. 반면에 트레이 탑은 액체 부하가 높은 더 큰 탑에 사용된다. 트레이 탑은 1820년대에 처음 등장했다. 대부분의 정유 공정에서 트레이 탑은 주로 석유 정제의 여러 단계에서 석유 분획의 분리에 사용된다.
정유 산업에서 분별탑의 설계 및 작동은 여전히 대부분 경험적인 방식으로 수행된다. 석유 분별 컬럼의 설계에 관련된 계산은 통상적으로 수많은 차트, 표 및 복잡한 경험식을 사용해야 한다. 그러나 최근 몇 년 동안 분별 증류를 위한 효율적이고 신뢰할 수 있는 컴퓨터 지원 설계 절차를 개발하기 위한 상당한 양의 연구가 수행되었다.[8]
5. 3. 트레이 탑과 충전 탑
사용되는 두 가지 주요 유형의 증류탑은 트레이와 충전탑이다. 충전탑은 부식성이 있거나 온도에 민감하거나 압력 강하가 중요한 진공 서비스에 사용되는 더 작은 탑과 부하에 주로 사용된다. 반면에 트레이 탑은 액체 부하가 높은 더 큰 탑에 사용된다. 트레이 탑은 1820년대에 처음 등장했다. 대부분의 정유 공정에서 트레이 탑은 주로 석유 정제의 여러 단계에서 석유 분획의 분리에 사용된다.6. 대한민국에서의 분별 증류 기술 현황
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참조
[1]
서적
Jâbir ibn Hayyân: Contribution à l'histoire des idées scientifiques dans l'Islam. I. Le corpus des écrits jâbiriens. II. Jâbir et la science grecque
Institut Français d'Archéologie Orientale
[2]
서적
Instruments and Experimentation in the History of Chemistry
MIT Press
2000
[3]
서적
Distillation Design
McGraw-Hill
[4]
서적
Perry's Chemical Engineers' Handbook
McGraw-Hill
[5]
웹사이트
Reflux drum
https://www.alutal.c[...]
2020-09-18
[6]
간행물
Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram
1951-05
[7]
서적
Separation Process Principles
Wiley
[8]
서적
Matlab: Applications for the Practical Engineer
Sciyo
2014
[9]
뉴스
http://www.donga.com[...]
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