분리 공정의 종류와 기술 실무 (6) - Absorption Column

Absorption Column(흡수탑) 은 기체 혼합물에서 특정 성분을 액체 용매에 선택적으로 용해시켜 제거하는 대표적인 기–액 분리 공정입니다. 석유화학, 정유, 가스 처리, 환경 설비(배출가스 처리)까지 폭넓게 사용되며, 특히 CO₂, H₂S, NH₃, VOC 제거 공정에서 핵심 장치로 자리 잡고 있습니다.

 

이번 글에서는 기본 원리 → 물질전달 이론 → 설계 계산식 → 장치 유형 → 실무 설계·운전 고려사항 → 산업 적용 사례 → 최신 기술 동향 순으로 정리해 드리겠습니다.

 

 

1. Absorption Column의 기본 원리

흡수는 다음과 같은 과정입니다.

기상(Gas phase)의 특정 성분이 액상(Liquid solvent)으로 이동하여 용해되는 현상

 

예시:

• 천연가스 중 CO₂ 제거
• 배출가스 중 SO₂ 제거
• 암모니아 회수 공정

핵심은 기–액 접촉 면적을 극대화하여 물질전달을 촉진하는 것입니다.

 

 

2. 물질전달 이론 (Two-Film Theory)

흡수는 기본적으로 물질전달 지배 현상입니다.

 

전달속도식:

 

$$ N_A = K_G a (P_A - P_A^*) $$

 

또는 액상 기준:

 

$$ N_A = K_L a (C_A^* - C_A) $$

 

여기서,

• \( K_G, K_L \) : 전체 물질전달계수
• \( a \) : 단위 부피당 접촉 면적
• \( P_A^*, C_A^* \) : 평형 조성

즉, 평형과의 차이(Driving Force)가 클수록 흡수 속도는 증가합니다.

 

 

3. 평형 관계 — Henry’s Law

희석계의 경우 Henry 법칙 적용:

$$ P_A = H C_A $$

Henry 상수 H가 작을수록 용해가 잘 됩니다.

👉 CO₂는 물보다 아민 용액에서 훨씬 잘 흡수됩니다.
👉 따라서 산업에서는 MEA, DEA 등의 화학 흡수제가 사용됩니다.

 

 

4. 흡수탑의 종류

① Tray Column (트레이탑)

• Bubble cap, Sieve tray 등
• 대형 플랜트에 적합
• 유지보수 용이

② Packed Column (충전탑)

• Random packing
• Structured packing
• 낮은 압력강하
• 고효율 접촉

최근에는 Structured Packing 적용 비율이 증가하고 있습니다.

 

 

5. 설계 접근 방법

흡수 설계는 크게 두 가지 방식이 있습니다.

1️⃣ 단계 이론 (Stage-wise Model)

이상단수 계산:

$$ Y_{n+1} = m X_n $$

McCabe-Thiele 방식으로 접근 가능.

2️⃣ 연속 모델 (Rate-based Model)

HTU–NTU 방식:

$$ Z = HTU \times NTU $$

• Z : 충전 높이
• HTU : 단위전달높이
• NTU : 전달단위수

실무에서는 Rate-based 모델이 더 정확합니다.

 

 

6. 실무 설계에서 반드시 고려해야 할 사항

Absorption Column은 단순해 보이지만, 실제 플랜트에서는 다음 요소가 매우 중요합니다.

1️⃣ 용매 선택

• 용해도
• 반응성 (Chemical vs Physical absorption)
• 재생 용이성
• 부식성
• 비용

예:

• CO₂ 제거 → MEA
• 고압 천연가스 → Selexol

2️⃣ 압력과 온도 조건

• 고압 → 물리 흡수 유리
• 저압 → 화학 흡수 유리
• 온도 상승 → 용해도 감소

열관리 설계 필수.

3️⃣ 압력강하 관리

• Flooding 방지
• Weeping 방지
• Gas velocity 최적화

압력강하 증가 시 에너지 비용 상승.

4️⃣ 부식 및 재질 선택

특히 CO₂ + H₂S 환경에서는:

• Carbon steel 부식
• Stainless steel 필요
• 내부 라이닝 적용

재질 선정은 CAPEX와 직결됩니다.

5️⃣ 재생 시스템 설계

흡수탑은 대부분 Regenerator와 한 세트입니다.

• Rich solvent → Regenerator
• Lean solvent → Absorber 재투입

재생 에너지 소비가 OPEX에 큰 영향.

 

 

7. 대표 산업 적용 사례

① 천연가스 정제 (Amine Gas Treating)

• CO₂ 제거
• H₂S 제거

② 배출가스 탈황

• SO₂ 흡수
• 환경 규제 대응

③ 암모니아 회수

• 비료 및 화학 공정

 

8. 경제성 및 에너지 관점

흡수 공정의 비용 구조:

• Pumping energy
• Regeneration steam
• Solvent makeup 비용

에너지 효율을 개선하려면:

 

✔ 열통합 설계
✔ 고효율 Packing 적용
✔ 최적 용매 농도 유지

 

 

9. 최신 기술 동향

① 고성능 Structured Packing

• 낮은 압력강하
• 높은 전달계수

② Advanced Solvent

• 저에너지 재생 아민
• 혼합 아민 기술

③ Carbon Capture 공정

탄소포집(CCUS) 기술에서 흡수탑은 핵심 장치입니다.

 

 

10. Absorption Column은 “환경과 에너지의 핵심 장치”입니다

Absorption Column은 다음 특성을 갖습니다.

 

✔ 기–액 물질전달 지배 공정
✔ 용매 선택이 성능 결정
✔ 재생 시스템과 통합 설계 필수
✔ 환경 규제 대응 핵심 기술

 

특히 탄소중립 시대에 CO₂ 포집 기술의 중심 장치로서 전략적 중요성이 더욱 커지고 있습니다.