1. 개요
주로 정유 공정(Oil refinery)에서, 원유(Crude oil)를 전처리[1]한 후에 각종 유분( 납사, 경유, 가솔린 등)을 서로간의 휘발성 차이(상대 휘발도 - relative volatility)를 이용해 분리해내기 위한 증류( 분별증류) 과정이 일어나는 탑을 의미한다. 이때, 혼합물인 Feed는 light한 유분은 상단에서, heavy한 유분은 하단에서 분리된다. 다만 이런 증류과정은 부가적인 흐름을 얻기위해 main column에 추가 설비를 설치할 때 가능한 것이고, 아래의 그림과 같이 일반적으로 증류탑만을 설명할 때는 top, bottom 흐름만 존재하는 simple distillation tower가 주로 이용된다.2. 구성 요소
2.1. 외부 구성 요소
모든 증류탑은 상단에 흐름을 기체상에서 액체상으로 전환하는 condenser(응축기)와 하단에 흐름을 액체상에서 기체상으로 전환하는 reboiler(재가열기)를 가진다. 증류탑의 상단에서 외부로 나오는 흐름은 Distillate(D)이라 하며, 하단에서 외부로 나오는 흐름은 Bottom(B)이라 한다. 이때 용도에 따라 condenser와 reboiler는 total(들어온 모든 흐름의 상을 변화), partial(일부 흐름의 상만 변화)라는 접두사가 붙을 수 있다.상단의 condenser 부는 condenser 뿐만이 아니라 reflux drum과 pump를 가지는데, reflux drum은 condenser에서 응축된 흐름이 잠시 저장되는 통을 의미하며, 다시 refulx시키거나 Overhead product로서 receiver에 전달하기 위해 액체 흐름에 에너지를 공급하고자 pump가 설치된다.
이외에도 그림에는 표시되어 있지 않으나, top, bottom 흐름 외에 side stream을 얻기위해 main column 주위에 다양한 부가적인 설비가 추가될 수 있는데, 실제 공정에서 사용하는 증류탑은 그림과 같은 simple한 증류탑이 아니라 수많은 side stream을 얻기위한 side stripper등의 sub-column이나 증류 도중에 열을 공급해주기 위해 side HX(Heat exchanger - 열 교환기) 등의 설비로 인해 복잡한 형태를 띤다.
2.2. 내부 구성 요소
일반적인 tray column의 경우에는 단수(층)를 나누기 위한 tray(plate) 들이 설치되어 있으며, liquid의 흐름은 weir라는 벽의 존재로 인해 제한받는다. 이 tray들은 종류에 따라 크게 3가지로 나뉘는데, 가장 값이 싸며 fouling[2]이 높고[3] 낮은 수준의 turndown[4]을 요구하는 흐름에는 sieve tray를 이용하고, 요구하는 turndown 수준은 높지만 fouling이 보다 낮은 경우에는 valve tray, 마지막으로 가장 가격은 비싸지만
그런데, 이런 tray column 대신에 인위적으로 tray로 단수를 구분하지 않고 packing material을 이용해서 packed column을 이용해 증류를 수행하는 증류탑도 존재한다.[6] 이럴 경우 이론단수의 구분은 필요하지 않게 되며, 인위적인 구분이 없기에 연속적인 증류가 가능해진다. 이경우 liquid는 위에서 아래로 packing material의 벽면을 따라 얇은 film을 형성하고, vapor는 아래에서 위로 이동하며 film의 계면(interface)에서 열전달이 일어나며 서로의 상이 변하게된다. 이 경우는 tray column과 달리 서로의 흐름이 정 반대이며, counter flow가 된다.[7]
3. 이론
3.1. 원리
증류는 혼합물(원유 등)에 있는 각 성분들의 상대휘발도 차이를 이용해 분리해내는 과정이다. 상대휘발도란 기준 성분(reference key)의 K값[8]으로 특정 물질의 K값을 나눈 값으로 나타난다. 주로 기준 성분은 HK(Heavy key)로 둔다. 이때, HK란 서로다른 BP[9]를 가진 물질들 중 가장 극명하게 액체상과 기체상으로 분리되는 key 쌍에서 무거운(BP가 높은) 성분을 지칭하는 것이며, 반대로 LK는 그중에 가벼운(BP가 낮은) 성분을 의미한다.혼합물은 binary mixture[10]가 아닌 이상 HK, LK 외에도 다양한 성분이 존재하며, HK보다 더 무거운 성분을 HHK(Heavier HK)라 하며 LK보다 더 가벼운 성분을 LLK(Lighter LK)라고 한다. 그러나 이론적으로 HK, LK 외의 성분은 중요치 않으며, 이 두가지 성분이 이론을 전개할 때 주요하게 사용된다.
3.2. McCabe–Thiele method
binary mixture를 feed로 가지는 증류탑의 설계에 사용되는 기본 이론으로 여러 가정을 기반으로 만들어졌으며, 그 가정으로부터 나오는 CMO(Constant molar overflow) 가설이 이론의 근간이다. 이것은 Downcomer로 내려가는 liquid 흐름의 양이 일정함을 가정하여 D나 B가 고정되는 경우 아래에서 위로 흘러가는 V(Vapor)의 양도 일정하다고 둘 수 있다는 것으로, 이를 이용해 이론이 전개된다.
Feed로 들어가는 단의 상단부를 정류부(Rectifying section)이라하고 하단부를 탈거부(Stripping section)이라 하는데, 정류부와 응축기를 포함한 mole balance를 LK를 기준으로 세울 경우 D에서의 LK 몰분율을 x(D), V의 LK 몰분율을 y(L)[11], L의 LK 몰분율을 x(L)라할 경우 D*x(D)+L*x(L)=V*y(L)라는 식을 세울수 있고, 여기서 y=(L/V)*x+(D/V)*x(D)라는 선의 방정식을 얻을 수있다. 이것을 정류부의 operating line이라고 하며 그림에서 초록색으로 표기된 부분이다.
마찬가지로 탈거부와 재가열기를 포함한 mole balance를 LK 기준으로 B, x(B), V'[12], y(L), L', x(L)를 이용해서 세우면 B*x(B)+V'*y(L)=L'*y(D)가 되며, 이것으로부터 y=(L'/V')*x-(B/V')*x(B)라는 탈거부의 operating line(그림에서 보라색으로 표시)를 알 수 있다.
파란색으로 표시된 부분은 Feed의 quality를 나타내는 q-line 으로서, Feed가 공급되는 층의 LK의 mole balance를 통해 구할 수 있는 선이다. Feed가 공급되는 층은 F*z(F)[13]+L*x(L)+V'*y(L)=L'*x(L)+V*y(L)의 식을 정리하여 (L'-L)*x=(V'-V)*y+F*z라는 식을 얻을 수 있다. 여기서 q 값을 'Feed 중에서 Liquid가 차지하는 비중' 으로 새로이 정의할 경우, 이 값은 (L'-L)/F 값과 같게되며 앞의 식에서 F를 양변에 나눌경우 qx=((V'-V)/F)*y+z가 된다. 여기서 LK만의 balance가 아니라 물질 전체의 balance를 세우게되면 (V'-V)=(L'-L)-F 가 되므로, 결국 앞의 식은 qx=(q-1)y+z로 나타나지며 결국 y=(q/(q-1))*x-(1/(q-1))*z라는 q선의 방정식을 얻을 수 있다. 이 선은 y와 x 값이 z로 같을때의 점[14]을 무조건 지나게 된다.[15]
그림에서 로그형태의 검은색 곡선으로 나타난 부분은 LK의 평형곡선(Equilibrium curve)이며 LK이기에 HK에 비해 휘발성이 더 강해 기체상에 더많은 비율이 존재하므로(즉, 기체상의 몰분율 y가 x보다 크므로) y=x 직선의 위에 나타나게 된다. 이제 설계값인 D에서 LK의 몰분율(그림에서 Distillate composition으로 나타나는 빨간선) 부터 시작해서 계단식으로 그림과 같이 나타내어 y=x와 계단형의 형태가 만나는 점이 B에서의 LK 몰분율(그림에서 Bottoms composition)보다 낮은 값으로 나타날 때까지 그림을 그렸을 때 계단의 수가 바로 이론 단수가 되고, q-line을 연장했을 때 만나는 계단을 Feed가 공급되는 단으로 결정할 수 있다는 것이 바로 McCabe–Thiele method이다.
[1]
원유는 흔히 심해 유정에서 채취되는데, 이런 원유에는 소금기가 많기에 탈염기(Desalter) 등을 거치며 증류탑의 Feed로서 활용하기 위한 처리가 필요하다. 이를 전처리라 한다.
[2]
영어로 막힘,오염이라는 의미로 표면에 오염물질이 부착되어 부식, 막힘같은 현상을 일으키는 것을 의미한다
[3]
구멍이 뚫린 다공판 형태로 비교적 단순한 seive tray 구조상 fouling에 강하다
[4]
정확히는 turndown ratio를 의미하는데 정상적인 운용시 발생하는 최대흐름(full scale flow)을 정상적인 운용시 발생하는 최소흐름(minimum scale flow)으로 나눈 비(ratio)를 의미한다.
[5]
이전 문서에는 대처가 용이하다고 서술되어 있으나 실제 bubblecap tray 구조상 내부 구조가 비교적 복잡하여 대처가 어렵다
[6]
가장 쉬운 예시로 증류 실험할 때 유리,세라믹 구슬을 가열하는 플라스크의 목에 연결된 관에 잔뜩 채워 넣는 것
[7]
쉽게 말해 액체는 아래로 기체는 위로 간다
[8]
K-value : 평형상태에서 특정 물질의 기체상 몰분율을 액체상 몰분율로 나눈 값.
[9]
Boiling point - 끓는점
[10]
2개 성분으로 이루어진 혼합물
[11]
기체상의 몰분율은 주로 y로 표현하고, 액체상의 경우는 x로 표현한다.
[12]
정류부의 V와 탈거부의 V'는 서로 다르다
[13]
Feed 내의 LK의 몰분율
[14]
그림에서 Feed composition으로 표현되는 빨간선과 파란선이 y=x 직선에서 만나는 점
[15]
x와 y에 z를 대입하면 쉽게 알 수 있다.