분리 공정의 종류와 기술 실무 (4) - Dividing Wall Distillation

Dividing Wall Distillation(DWD, 분할벽 증류탑) 은 하나의 증류탑 내부에 물리적 분할벽(Dividing Wall)을 설치하여, 다성분(주로 3성분) 혼합물을 단일 탑에서 고효율로 분리하는 기술입니다. 기존 2기 이상의 증류탑을 대체하면서도 에너지 소비를 20~30% 이상 절감할 수 있어, 정유·석유화학·정밀화학 산업에서 상업적으로 확산되고 있습니다.

 

본 글에서는 원리 → 구조 → 열역학/물질수지 기반 해석 → 실무 설계 고려사항 → 운전 및 제어 전략 순으로 정리합니다.

 

Dividing Wall Distillation은 2개 이상의 Column을 1개로 하되, 분할벽을 설치하여 에너지 소비를 20~30%이상 절감 할 수 있습니다.

 

1. 왜 Dividing Wall Distillation인가?

3성분 혼합물 A/B/C를 분리한다고 가정해 보겠습니다.

 

기존 방식:

• 1차 탑: A와 (B+C) 분리
• 2차 탑: B와 C 분리

👉 탑 2기 + Reboiler 2개 + Condenser 2개 필요
👉 열에너지 중복 사용 발생

 

DWD는 이를 하나의 탑에서 수행합니다.

 

 

2. 기본 원리 – Petlyuk Arrangement의 상용화

DWD는 이론적으로 Petlyuk Column 구조에서 유래했습니다.

핵심은 다음입니다.

• 공급 원료를 탑 중앙에 투입
• 내부 분할벽이 상·하부 영역을 물리적으로 분리
• 한쪽은 예비 분리(pre-fractionation)
• 다른 쪽은 정밀 분리(main column)

결과적으로 내부에서 두 개의 증류가 동시에 진행됩니다.

 

 

3. 열역학 및 물질수지 관점

전체 물질수지

$$ F = D_A + D_B + D_C $$

 

각 성분 수지:

$$ F z_i = D_A x_{A,i} + D_B x_{B,i} + D_C x_{C,i} $$

DWD의 핵심은 열통합(Internal Heat Coupling) 입니다.

• 하나의 Reboiler
• 하나의 Condenser
• 내부 에너지 재활용 극대화

일반 2기 시스템 대비 Reboiler Duty가 감소합니다.

 

 

4. 구조적 특징

① Internal Dividing Wall

• 탑 내부 중앙에 설치
• 상부와 하부 모두 분리
• 액상 및 기상 흐름을 선택적으로 분배

② Vapor & Liquid Split Ratio

설계의 핵심 변수:

• 기상 분배 비율
• 액상 분배 비율

이 분배 비율이 잘못 설정되면 성능이 급격히 저하됩니다.

 

 

5. 일반 증류와의 비교

구분	일반 2기	증류 DWD
탑 수	2기	1기
Reboiler	2개	1개
Condenser	2개	1개
에너지 소비	높음	20~30% 절감
CAPEX	높음	초기 설계 복잡

 

 

6. 실무 설계 관점에서의 핵심 고려사항

1️⃣ Feed 위치 최적화

• 예비 분리 구간과 정밀 분리 구간의 균형 필요
• 상대휘발도 기반 단수 계산 필수

상대휘발도:

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

2️⃣ Vapor/Liquid Split 민감도 분석

DWD는 일반 증류보다 제어 민감도 매우 높음

• Split Ratio ±2~3% 변화 → 순도 급변 가능
• Dynamic Simulation 권장

3️⃣ Hydraulic Design

• Dividing Wall 주변 유동 불균형 가능성
• Maldistribution 방지 설계 필요
• Tray 또는 Structured Packing 선택 중요

4️⃣ 제어 전략

일반 증류보다 제어 변수 증가:

• 상부 조성
• 중간 제품 조성
• 하부 조성
• Split Ratio 제어

Model Predictive Control(MPC) 적용 사례 증가 중입니다.

5️⃣ 운전 안정성

• Start-up 절차 복잡
• 정상상태 도달 시간 길어짐
• 조성 변화에 민감

 

7. 산업 적용 사례

① 방향족 분리 (BTX)

• Benzene / Toluene / Xylene 분리
• 대규모 석유화학 플랜트 적용

② 산소화합물 분리

• 프로필렌 옥사이드
• 알코올 계열 정제

③ 바이오 연료 공정

• 3성분 이상 혼합물 분리

 

8. 에너지 절감 효과의 본질

에너지 절감의 이유는 다음과 같습니다.

 

✔ 열교환 중복 제거
✔ 중간 재증류 과정 제거
✔ 내부 열통합 극대화

 

열역학적으로는 엔트로피 생성 최소화 방향과 일치합니다.

 

 

9. DWD는 에너지 최적화 시대의 증류 기술입니다

Dividing Wall Distillation은 단순히 탑을 줄이는 기술이 아니라,

 

✔ 열역학 최적화
✔ 내부 열통합 극대화
✔ CAPEX/OPEX 동시 절감
✔ 고난도 제어 전략

 

이 네 요소가 결합된 고급 분리 기술입니다.

 

특히 에너지 비용과 탄소배출 저감이 중요한 현재 산업 환경에서, DWD는 기존 증류를 대체하는 핵심 솔루션으로 자리 잡고 있습니다.