증류탑

3. 산업 규모의 분별 증류

분별 증류는 화학 공학의 단위 조작 중 하나로,^[1][2] 대량의 액체를 증류해야 하는 화학 공정 산업에서 널리 사용된다.^[3][4][5] 석유 처리, 석유화학 생산, 천연 가스 처리, 콜 타르 처리, 양조, 액화 공기 분리, 탄화수소 용매 생산 등에 쓰이며, 특히 정유 공장에서 가장 널리 사용된다. 원유는 복잡한 다성분 혼합물이어서 분리해야 하는데, 이 때 분별 증류가 사용된다. 일반적으로 순수한 화학 화합물보다는 비교적 좁은 범위의 끓는점을 가진 화합물 그룹, 즉 "분획"을 얻는 것이 목적이다.

증류는 가장 일반적이고 에너지 집약적인 분리 공정 중 하나이다. 분별 증류탑의 높이와 직경, 높이 대 직경 비율, 구성 재료에 따라 분리 효율이 달라진다.^[6] 일반적인 화학 공장에서 전체 에너지 소비량의 약 40%를 증류가 차지한다.^[7] 산업용 증류는 보통 직경 65cm ~ 6m, 높이 6m ~ 60m 이상의 대형 수직 원통형 컬럼(증류탑)에서 수행된다.

산업용 증류는 크게 '''회분식 증류'''(배치식 증류)와 '''연속식 증류'''로 나뉜다. 회분식 증류는 소량 처리에 적합하며, 증류탑 하부의 증류솥에 원료를 투입하여 가열한다. 대량 처리에는 연속식 증류가 사용되는데, 가열기로 기화된 원료를 증류탑 중간에 넣고, 탑 꼭대기에서는 휘발성이 높은 성분, 바닥에서는 휘발성이 낮은 성분을 얻는다.

모든 증류에서 응축기는 리비히 냉각기와 같은 이중관식 열교환기나 다관 원통형 열교환기가 사용된다.

정제를 위해서는 정류가 필요하다. 정류탑은 기액 접촉 면적을 크게 하기 위한 구조로 되어 있으며, 탑 상부에서 유출된 액체의 일부를 탑 내부로 되돌리는 '''환류 밸브'''가 설치되어 있는 것이 일반적이다. 정류탑은 크게 '''단탑'''과 '''충전탑'''으로 분류된다.

3. 1. 산업용 분별 증류탑의 작동 원리

3. 2. 산업용 분별 증류탑의 종류

• 최대 기상 유량: 상승하는 기상의 요구 흐름이 커지면 탑의 직경(엄밀히는 탑 면적에서 다운커머 면적을 뺀 면적)도 커진다. 단, 선반(트레이) 간격을 크게 하는 등으로 어느 정도 억제할 수 있다.
• 최소 기상 유량: 상승하는 기상의 요구 흐름이 작아지면 선반(트레이)의 개공부에서 액체 누출이 일어나 충분한 기액 접촉이 이루어지지 않게 된다. 단상의 액상 흐름, 기상 흐름의 편류를 유발하여 좋지 않다. 필요에 따라 개공부에 굴뚝 모양의 통(라이저)이 부착된 선반(버블 캡 트레이)을 채용한다.
• 최대 액상 유량: 하강하는 액상의 요구 흐름이 커지면 필요한 다운커머 면적도 커진다. 상대적으로 액상 유량이 큰 경우에는 해당 단에 여러 개의 다운커머를 설치하고(다중 패스 설계), 상부 웨어의 총 길이를 크게 하여 액상의 월류 높이를 억제하여 단상에 적정한 액체 유지 높이를 실현한다.
• 최소 액상 유량: 하강하는 액상의 요구 흐름이 작아지면 선반(트레이)의 미세한 기울기나 제작 오차가 다운커머 상부 웨어의 길이 방향의 액상 월류량에 균일성을 유지할 수 없게 되어 단상 액상 흐름의 편류, 나아가 기상 흐름의 편류도 유발하여 좋지 않다. 톱니 모양으로 절개한 노치 웨어 등을 채용하여 문제 해결을 한다.
• 허용 압력 손실: 선반(트레이)의 총 개공 면적이 너무 작으면 기상 통과 유속이 커져 이를 사이에 둔 상하 공간의 차압이 너무 커지는 결과를 낳는다. 선반(트레이) 간격이 작은 경우에는 비말 동반의 악영향도 발생한다. 다운커머 상부 웨어의 액상 월류 높이, 적정한 액체 유지 높이도 함께 검토한다.
• 다운커머: 선반(트레이)의 기상 흐름을 방해하지 않고, 일부 기포를 말아 넣으며 유입되는 액상 위주의 흐름을 안정시키고, 여유를 갖고 기상 분리하여 액상만을 아래 단으로 보내는 구조를 확인한다.
• 제작·조립: 선반(트레이)은 선반탑에 부착된 맨홀에서 사람이 직접 반입한다(소구경은 제외). 따라서 부품의 분할 계획, 조립 시의 작업성 검토도 중요해진다.

3. 3. 산업용 분별 증류탑 설계 및 운전

4. 회분식 증류와 연속식 증류

산업적으로 수행되는 증류는 '''회분식 증류'''(배치식 증류)와 '''연속식 증류'''로 분류할 수 있다.

회분식 증류에서는 증류탑의 하부가 증류솥이 되어 여기에 원료를 투입한다. 가열은 증류솥을 직접 가열 수증기나 오일로 가열하는 방법과, 증류솥에서 액체의 일부를 리보일러라고 하는 가열 장치로 보내 가열하여 증류솥으로 되돌리는 방식이 있다. 회분식 증류는 한 번에 증류솥 용적의 양밖에 처리할 수 없기 때문에 비교적 소량의 처리에 사용된다.

대량의 처리를 수행하는 경우에는 연속식 증류가 수행된다. 이 경우에는 가열기로 기화된 원료를 증류탑의 중간에 도입한다. 증류탑의 꼭대기에서는 휘발성이 높은 성분에 풍부한 유출액이 얻어지고, 바닥에서는 휘발성이 낮은 성분에 풍부한 캔출액이 얻어진다. 유출액과 캔출액을 합한 양이 공급한 원료와 동일한 양이 되도록 함으로써 증류탑은 정상 상태가 된다.

응축기는 모든 증류에서 리비히 냉각기와 같은 이중관식 열교환기나 다관 원통형 열교환기가 사용된다.

일단 액체에서 증발한 기체가 증류탑 내에서 응축하여 액체가 되는 일 없이 유출하는 증류를 단순 증류라고 한다. 연속식 단순 증류는 '''플래시 증류'''라고도 불린다. 내부가 중공인 증류탑을 사용하는 경우, 그 증류는 거의 단순 증류로 간주할 수 있다. 단순 증류에서는 분리 능력이 낮기 때문에 화학 공업에서는 정제보다 용매의 회수에 사용된다. 또한 양조주에서 증류주를 만드는 공정은 거의 단순 증류로 간주할 수 있다.

정제를 위해서는 정류가 수행된다. 정류를 수행하기 위한 증류탑(정류탑)은 기액 접촉 면적을 크게 하기 위한 궁리가 되어 있다. 또한 기액 접촉을 충분히 일으키게 하기 위해 탑의 꼭대기에서 유출된 액체의 일부를 탑 내로 되돌리는 '''환류 밸브'''가 설치되어 있는 것이 보통이다. 정류탑은 크게 '''단탑'''과 '''충전탑'''으로 분류된다. 정류탑의 성능은 이론 단수에 의해 평가된다.

참조

_[1] 서적 Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Wiley-Interscience
_[2] 서적 Unit Operations of Chemical Engineering McGraw Hill
_[3] 서적 Distillation Design McGraw-Hill
_[4] 서적 Separation Processes McGraw Hill
_[5] 서적 Perry's Chemical Engineers' Handbook McGraw-Hill
_[6] 웹사이트 Distillation Columns http://www.brewhaus.[...] 2015-08-04
_[7] 서적 Elementary Principles of Chemical Processes Wiley
_[8] 간행물 Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram 1951-05
_[9] 서적 Separation Process Principles Wiley