분리 공정의 종류와 기술 실무 (1) – Distillation Column(증류탑)

플랜트 산업에서 증류탑(Distillation Column) 은 가장 보편적이면서도, 동시에 가장 많은 에너지를 소비하는 분리 장치입니다.

 

정유·석유화학·가스·바이오·정밀화학 공정 전반에서 핵심 설비로 사용되며, 설계 정확도에 따라 수익성이 크게 달라집니다.

 

이번 글에서는 열역학 원리, 유체역학적 거동, 내부 구조, 설계 변수에 더해 실무 설계 및 Troubleshooting 관점에서 반드시 고려해야 할 사항까지 정리해 드리겠습니다.

 

이전 공직파 시리즈를 연재할 때, 증류에 대한 내용이 들어있지 않았습니다. 증류, 포괄적으로는 분리 공정인데, 따로 시리즈로 연재하는 것이 좋다고 판단되어 이번에 새롭게 시리즈로 작성합니다.

 

 

1. 증류의 기본 원리 – VLE와 상대휘발도

증류는 혼합물의 기–액 평형(VLE, Vapor-Liquid Equilibrium)과 성분 간 휘발도 차이를 이용하는 공정입니다.

1) 라울의 법칙

$$ P_i = x_i P_i^{sat} $$

 

총압:

 

$$ P = \sum x_i P_i^{sat} $$

 

이상용액에서 적용 가능하며, 실제 공정에서는 활동도 계수(γ)를 고려한 비이상성 모델(NRTL, UNIQUAC 등)을 사용합니다.

2) 상대휘발도 (Relative Volatility)

$$ \alpha_{A,B} = \frac{(y_A/x_A)}{(y_B/x_B)} $$

• α>1.5 이상 → 분리 용이
• α≈1 → 공비 가능성

👉 실무에서는 공정 압력 변경을 통해 상대휘발도를 조정하는 전략을 사용합니다.

 

 

2. 물질수지와 에너지수지

전체 물질수지

$$ F = D + B $$

성분 수지

$$ F z_F = D x_D + B x_B $$

리플럭스비

$$ R = \frac{L}{D} $$

• R ↑ → 분리도 ↑
• R ↑ → Reboiler Duty ↑

 

3. 증류탑 구조 – Tray vs Packed

1) Tray Column

• 단계별 평형 접근
• 고부하 대형 공정에 적합
• 운전 안정성 우수

2) Packed Column

• 압력강하 낮음
• 진공 운전에 적합
• 에너지 효율 우수

👉 고압가스 분리, 진공 잔사유 공정에서는 충전탑이 선호됩니다.

 

 

4. 유체역학 – 설계의 핵심 제약조건

Flooding

• 기상 속도 과다
• ΔP 급증
• 조기 shutdown 위험

Weeping

• 기상 속도 부족
• 접촉 효율 감소

F-factor:

$$ F = u\sqrt{\rho_V} $$

 

실제 설계는 Flooding 70~85% 수준에서 운전 여유 확보가 일반적입니다.

 

 

5. 실무 관점에서 반드시 고려해야 할 사항

이 부분이 현장 엔지니어와 단순 이론 학습자의 가장 큰 차이입니다.

1) 운전 압력 선정

압력은 다음을 동시에 결정합니다.

• 상대휘발도
• Reboiler Duty
• 응축기 냉각 가능 여부
• 재질 선택

예:

• 압력 ↑ → 응축 용이
• 압력 ↓ → 분리 용이

👉 냉각수 조건(여름철 Cooling Water 32~35℃)을 반드시 고려해야 합니다.

2) 에너지 통합 (Heat Integration)

증류는 플랜트 전체 스팀 사용량의 상당 부분을 차지합니다.

실무 검토 항목:

• LP Steam vs MP Steam 사용 가능성
• Condenser heat recovery
• Multi-effect distillation 적용 가능성

👉 초기 CAPEX보다 OPEX 절감이 더 중요할 수 있습니다.

3) Feed 상태 (q-value)

Feed 열상태는 단수와 에너지에 직접적 영향을 줍니다.

$$ q = \frac{\text{액상 몰수}}{\text{전체 몰수}} $$

• q > 1 → 과냉 액체
• q = 1 → 포화 액체
• 0 < q < 1 → 혼합상
• q = 0 → 포화 증기

실무에서는 Feed Preheater 적용 여부가 경제성에 큰 영향을 줍니다.

4) Tray Efficiency / Packing HETP

이론단수 ≠ 실제단수

 

Murphree Efficiency:

$$ E_M = \frac{y_{n} - y_{n+1}}{y_n^* - y_{n+1}} $$

 

실제 단수:

$$ N_{actual} = \frac{N_{theoretical}}{E} $$

 

👉 현장 Fouling, 액체 분포 불균형이 효율 저하의 주요 원인입니다.

5) 압력강하 관리

• 진공 공정에서 치명적
• Packing 선택이 핵심

진공 공정은 1~2 mbar 차이도 분리 효율에 영향 줍니다.

6) 재질 및 부식 문제

• 염화물 환경 → SCC 위험
• H2S 포함 → 황화 부식
• 유기산 → 내부 코팅 필요

재질 선정은 단순 온도/압력 문제가 아니라 조성 기반 부식 평가가 필수입니다.

7) Startup / Shutdown 리스크

증류탑 사고의 상당수는 정상운전이 아닌 Start-up 시 발생합니다.

확인사항:

• Level control tuning
• Reflux 확보 전 Reboiler 과열 금지
• Thermal shock 방지

 

6. Troubleshooting 관점 체크리스트

현상	가능 원인
상부 순도 저하	리플럭스 부족, Flooding
압력 상승	Tray fouling
Reboiler Duty 증가	Feed 조성 변화
Bottom 온도 이상	Steam 압력 변동

👉 공정 데이터 Trending 분석이 핵심입니다.

 

 

7. 증류탑은 설계가 아니라 “최적화”의 영역입니다

증류는 단순히 VLE 계산으로 끝나는 장치가 아닙니다.

 

✔ 열역학 이해
✔ 유체역학 안정성 확보
✔ 에너지 비용 최소화
✔ 부식 및 유지보수 고려
✔ Start-up 안정성 확보

 

이 다섯 가지를 동시에 만족해야만 경쟁력 있는 설계가 가능합니다.