증류탑(Distillation Column) 구성 및 운전

증류탑(Distillation Column) 설비는 탑체(Shell)와 운전에 필요한 부속 장치(Auxiliary Equipment)들로 구성되어 있고, 이의 운전은 기체와 액체의 상평형을 제어하는 정밀한 공정으로 안정적인 분리 효율을 유지하기 위해 공급 제어, 환류 조절, 압력 관리가 핵심이다.

 

 

 

증류탑(Distillation Column) 구성 및 운전

증류탑(Distillation Column) 설비 구성

증류탑(Distillation Column) 설비는 기-액 접촉을 통해 성분을 분리하는 탑체(Shell)와 운전에 필요한 부속 장치(Auxiliary Equipment)들로 구성된다. 효율적인 분리를 위해 각 장치는 유기적으로 연결되어 물질과 에너지를 순환시킨다.

1. 증류탑 본체 (Column Shell)

증류가 실제로 일어나는 수직 원통형 구조물로, 내부 구조에 따라 크게 두 가지로 분류한다.

• 트레이(Tray, 단): 일정한 간격으로 설치된 판 위에서 액체와 기체가 접촉한다. 캡(Cap), 밸브(Valve), 시브(Sieve) 등 다양한 형태가 있다.
• 충전물(Packing): 탑 내부를 불규칙하거나 규칙적인 충전재로 채워 표면적을 넓힌다. 압력 손실(ΔP)을 줄여야 하는 감압 증류에 유리하다.
• 급공판(Feed Plate): 원료(Feed)가 유입되는 위치로, 원료의 상태(액체, 기체, 혼합물)에 따라 높이를 결정한다.

 

 

2. 상부 부속 장치 (Overhead System)

탑 상부로 나오는 저비점 성분의 증기를 처리하고 제품으로 회수하는 설비이다.

• 응축기(Condenser): 탑 꼭대기(Top)에서 나오는 증기를 냉각수와 열교환시켜 액체로 응축한다.
• 환류 드럼(Reflux Drum): 응축된 액체를 일시적으로 저장하며, 불응축 가스를 분리한다.
• 환류 펌프(Reflux Pump): 응축액의 일부를 다시 탑 상부로 되돌려 보내(환류, Reflux) 분리 효율을 높이고, 나머지는 제품(Distillate)으로 인출한다.

 

 

3. 하부 부속 장치 (Bottom System)

탑 하부로 내려온 고비점 성분의 액체를 재가열하고 최종 제품을 배출하는 설비이다.

• 재가열기(Reboiler): 하부 액체에 열을 가해 다시 기화시켜 탑 내부로 증기를 공급한다. 이는 증류에 필요한 상승 증기(Vapor)의 원동력이 된다.
• 하부 제품 냉각기(Bottom Cooler): 하부에서 배출되는 고온의 제품(Bottoms)을 저장소로 보내기 전 적절한 온도로 냉각한다.
• 액위 조절기(Level Controller): 재가열기 및 탑 하부의 액체 수위(Lᵦ)를 일정하게 유지하여 펌프의 공동 현상(Cavitation)을 방지한다.
• 하부 제품 이송 펌프(Bottoms Pump): 탑 저부에 고인 액체를 추출하여 냉각기(Cooler)를 거쳐 저장소로 보낸다. 이때 액위 조절기(LC)와 연동하여 탑 하부의 액위(Lᵦ)를 일정하게 유지한다.
• 재가열기 순환 펌프(Reboiler Circulation Pump): 강제 순환식 재가열기(Forced Circulation Reboiler)를 사용하는 경우, 액체를 강제로 재가열기로 밀어 넣어 기화시킨 후 다시 탑으로 보낸다. (자연 순환식인 써모사이폰(Thermosiphon) 방식은 펌프 없이 밀도 차를 이용한다.)

 

 

4. 지지 구조 및 부가 설비

• 스커트(Skirt): 탑 전체 무게를 지탱하는 하부 지지 구조물이다.
• 맨홀(Manhole): 유지보수 및 내부 트레이 청소를 위한 출입구이다.
• 단열재(Insulation): 열 손실을 방지하고 에너지 효율을 높이기 위해 탑 외벽을 감싼다.

 

 

주요 공정 계통 및 변수

각 설비의 유기적 관계는 다음과 같은 유량과 관계식으로 정의된다.

• 환류비(Reflux Ratio): R = L / D (L: 환류 유량, D: 유출액 유량)
• 재기화비(Boil-up Ratio): Vᵦ / B (Vᵦ: 상승 증기량, B: 하부 제품량)
• 압력 제어: 탑 상부 압력(Pₜ)은 응축기의 냉각 성능이나 추기(Venting)를 통해 조절한다.

 

 

주요 운전 단계 및 방법

운전 시작(Start-up)부터 정상 상태(Steady State) 유지까지의 표준 절차를 따른다.

1. 초기 가동 및 환류 제어

• 예열(Preheating): 급격한 열팽창으로 인한 탑 내부 구조물(Trays, Packing)의 손상을 방지하기 위해 공급 원료를 서서히 가열한다.
• 전환류 운전(Total Reflux): 초기 가동 시 상부 제품을 인출하지 않고 모두 탑으로 되돌려 내부 액체 조성을 평형 상태로 유도한다.
• 환류비(Reflux Ratio) 조절: 환류비 R = L / D를 조절하여 제품의 순도를 제어한다. R이 증가하면 순도는 높아지지만 재가열기(Reboiler)의 에너지 소비가 증가한다.

2. 열 수지 및 물질 수지 제어

• 재가열기(Reboiler) 부하: 하부 온도(Tᵦ)를 모니터링하여 증발량을 조절한다. 하부 액체 중 저비점 성분이 과다하면 가열량을 높인다.
• 응축기(Condenser) 부하: 상부 증기(Vapor)를 냉각시켜 액체로 전환한다. 냉각수 유량을 조절하여 상부 압력(Pₜ)과 온도(Tₜ)를 유지한다.

 

 

운전 시 주의사항 및 이상 현상

공정 불안정은 분리 효율 저하 및 설비 손상을 야기하므로 다음 현상을 주의 깊게 감시한다.

1. 플러딩 (Flooding)

• 현상: 증기 속도가 너무 빨라 하강하는 액체를 밀어 올리면서 탑 내부 액체 적체량이 급증하는 현상이다.
• 징후: 탑 상하부 압력 강하(ΔP)의 급격한 상승, 분리 효율의 급격한 저하.
• 대처: 원료 공급량(F)을 줄이거나 재가열기 가열량을 감소시켜 증기 속도를 늦춘다.

2. 위핑 (Weeping)

• 현상: 증기 속도가 너무 느려 액체가 트레이 구멍을 통해 아래로 그냥 흘러내리는 현상이다.
• 징후: 기-액 접촉 불량으로 인한 분리 성능 저하.
• 대처: 가열량을 늘려 증기 발생량을 확보하거나 공급 유량을 조절한다.

3. 비말 동반 (Entrainment)

• 현상: 빠른 속도의 증기가 액체 방울을 상부 트레이로 끌고 올라가는 현상이다.
• 징후: 고비점 성분이 상부 제품으로 혼입되어 제품 순도가 떨어진다.

 

 

안전 및 유지관리 수칙

• 압력 관리: 설정 압력을 초과하지 않도록 압력 조절 밸브(PV)와 안전 밸브(PSV)의 작동 상태를 상시 확인한다.
• 펌프 캐비테이션(Cavitation): 하부 액체 수위(Level)가 너무 낮아지면 펌프에 기포가 유입되어 손상을 줄 수 있으므로 Lᵦ를 일정하게 유지한다.
• 비상 정지(Emergency Shut-down): 전력이나 냉각수 공급 중단 시 가열원을 즉시 차단하고 시스템을 안전한 상태로 격리(Isolation)한다.