분별 증류(Fractional Distillation)

분별 증류(Fractional Distillation)는 서로 섞여 있는 액체 혼합물을 각 성분의 끓는점(Boiling Point) 차이를 이용하여 분리하는 화학 공정이다. 단순 증류(Simple Distillation)로 분리가 어려운 혼합물을 고순도로 분리하기 위해 채택한다.

 

 

 

분별 증류(Fractional Distillation)

분별 증류의 정의 및 원리

액체 혼합물을 가열하면 끓는점이 낮은 성분이 먼저 기화한다. 이때 분별 증류탑(Fractionating Column) 내부의 충전물(Packing)이나 단(Tray)을 통과하면서 기상과 액상 사이에 반복적인 기액 평형(Vapor-Liquid Equilibrium)이 일어난다. 이 과정에서 상대적으로 휘발도가 높은 성분은 상부로 올라가고, 휘발도가 낮은 성분은 응축되어 하부로 내려가며 정밀한 분리가 이루어진다.

 

<그림 1> 분별 증류 시스템 구성도 (Schematic Diagram of Fractional Distillation System) (출처: Shutterstock)

 

 

분별 증류의 채택 기준

단순 증류 대신 분별 증류를 채택해야 하는 주요 상황은 다음과 같다.

• 끓는점 차이가 작은 경우: 혼합 성분 간의 끓는점 차이가 약 25~30°C 이하로 작아 단순 가열만으로는 순수한 성분을 얻기 힘들 때 사용한다.
• 고순도 제품이 필요한 경우: 한 번의 기화와 응축만으로는 도달할 수 없는 높은 농도의 정제 화합물을 얻고자 할 때 채택한다.
• 다성분 혼합물의 분리: 세 가지 이상의 성분이 섞여 있어 각각의 온도 구간별로 여러 제품을 나누어 추출해야 할 때 필수적이다.

 

 

주요 용도 및 산업별 적용

산업 현장에서 분별 증류가 핵심적으로 사용되는 분야는 다음과 같다.

• 원유 정제 (Petroleum Refining): 원유를 가열하여 끓는점에 따라 가스(LPG), 가솔린(Gasoline), 등유(Kerosene), 경유(Diesel), 중유 등으로 분리한다.*
• 유기 용매 회수 (Solvent Recovery): 화학 반응 후 섞여 있는 메탄올, 에탄올, 아세톤 등의 유기 용매를 재사용하기 위해 고순도로 분리한다.
• 공기 분리 (Air Separation): 공기를 액화시킨 후 분별 증류를 통해 질소(N₂), 산소(O₂), 아르곤(Ar) 등을 생산한다.
• 주류 제조 (Distilled Beverage): 발효액에서 고농도의 알코올을 추출하여 위스키나 보드카 등을 제조할 때 사용한다.

 

 

공정 설계 시 고려 사항

분별 증류탑의 효율을 높이기 위해 다음의 변수를 제어한다.

• 환류비 (Reflux Ratio, R): 탑 상부에서 응축된 액체 중 일부를 다시 탑 내부로 되돌려 보내는 비율이다. R이 높을수록 분리 효율은 좋아지나 에너지 소비량(Reboiler Duty)이 증가한다.
• 이론단수 (Number of Theoretical Plates): 원하는 분리도를 얻기 위해 필요한 물리적인 평형 단계의 수이다. 끓는점 차이가 작을수록 더 많은 단수가 요구된다.