Part 36. 알코올 증기를 어떻게 회수할 것인가? — Condenser Design

1. 공정에서 빠져나가는 증기를 붙잡아야 한다

 

무알코올 맥주 생산 공정에서 알코올을 제거하는 설비를 설계했다고 가정해 보겠습니다.

 

앞선 공정에서 맥주에 포함된 알코올을 분리했습니다. 가열과 증발, 또는 다른 분리 기술을 통해 알코올을 포함한 증기 흐름을 만들어 냈습니다. 하지만 여기서 공정설계가 끝나는 것은 아닙니다.

 

증기로 분리된 알코올은 여전히 기체 상태입니다. 이를 그대로 배출한다면 회수할 수 있는 원료를 잃게 될 뿐만 아니라, 공정 조건에 따라 제품 손실과 배출 관리 문제까지 발생할 수 있습니다.

 

그렇다면 다음 단계에서는 무엇을 해야 할까요?

 

바로 증기를 냉각해 액체로 바꾸는 것입니다.

 

이 역할을 수행하는 장비가 응축기(Condenser)입니다.

 

응축기는 기체가 가진 열을 냉각 매체로 전달해 기체를 액체로 전환하는 열교환기입니다. 증기가 응축하는 과정에서는 단순히 온도를 낮추는 것뿐만 아니라, 기체에서 액체로 상이 변할 때 방출되는 잠열(Latent Heat)도 제거해야 합니다.

 

이번 글에서는 무알코올 맥주 생산 공정에서 알코올 증기를 회수하는 상황을 가정하고, 응축기의 열부하를 계산하는 방법부터 냉각수 유량과 열전달 면적을 추정하는 과정까지 살펴보겠습니다.

 

 

2. Condenser Design의 첫 번째 단계: 무엇을 응축할 것인가?

 

응축기를 설계하기 전에 가장 먼저 확인해야 할 것은 장비의 크기가 아니라 응축기로 들어오는 유체의 상태입니다.

 

같은 유량의 증기라도 유체의 종류, 압력, 조성, 입구 온도 및 출구 조건에 따라 필요한 열량이 달라지기 때문입니다.

 

예를 들어 순수한 에탄올 증기와 에탄올 및 수증기가 혼합된 증기는 서로 다른 설계 문제입니다.

 

순수 에탄올은 대기압에서 약 78.4℃의 정상 끓는점을 갖습니다. 따라서 대기압 부근에서 순수 에탄올 증기를 응축하는 단순한 상황에서는 이 온도를 기준으로 응축 구간을 이해할 수 있습니다. 다만 실제 에탄올-물 혼합물은 조성과 압력에 따라 기액평형 및 응축 온도가 달라집니다.

 

실제 설계에서는 다음 항목을 먼저 정리해야 합니다.

 

설계 항목	확인할 내용
유체 조성	에탄올, 물, 비응축성 기체 등의 조성
유량	정상 운전 및 최대 운전 시 증기 유량
입구 조건	온도, 압력, 기상 조성
출구 조건	목표 응축률, 액체 출구 온도, 잔류 증기 허용량
운전 압력	대기압, 가압 또는 진공 조건
냉각 매체	냉각수, 냉각수 순환계통 또는 냉각된 유체
운전 범위	기동, 정상 운전, 부하 변동 및 정지 조건

 

이러한 조건은 일반적으로 Design Basis와 Process Simulation 결과를 바탕으로 정리합니다.

 

특히 알코올 회수 공정에서는 응축기 출구에 증기가 얼마나 남아 있는지도 중요합니다. 액체를 일부 회수하는 것만으로 충분한지, 아니면 후단의 추가 회수 설비와 연결해 잔류 증기를 처리해야 하는지에 따라 설계 방향이 달라집니다.

 

 

3. 응축기에서는 얼마나 많은 열을 제거해야 할까?

 

응축기 설계의 핵심은 열부하(Heat Duty)를 계산하는 것입니다.

 

열부하는 일정 시간 동안 장비가 제거해야 하는 열량을 의미합니다. 응축기의 열부하가 결정되어야 냉각수 유량과 열전달 면적을 계산할 수 있습니다.

 

증기를 응축할 때 제거해야 하는 열은 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다.

 

첫 번째는 증기의 온도를 응축 조건까지 낮추는 데 필요한 열입니다. 이를 현열(Sensible Heat)이라고 합니다.

 

두 번째는 기체가 액체로 상변화 하면서 방출하는 열입니다. 이를 잠열(Latent Heat)이라고 합니다.

 

세 번째는 응축된 액체를 추가로 냉각할 때 제거하는 열입니다. 이 과정은 과냉각(Subcooling) 또는 액체 냉각 구간에 해당합니다.

 

따라서 증기가 과열 상태로 들어오고 응축 후 액체까지 냉각하는 경우에는 다음과 같이 열부하를 구분할 수 있습니다.

 

• 증기 냉각 구간: 입구 증기의 온도를 포화 또는 응축 시작 조건까지 낮춥니다.
• 응축 구간: 기체를 액체로 바꾸는 데 필요한 잠열을 제거합니다.
• 액체 냉각 구간: 응축된 액체를 목표 출구 온도까지 냉각합니다.

각 구간의 열량을 합산하면 전체 열부하를 구할 수 있습니다.

 

3-1. 현열 계산

온도가 변하는 유체의 현열은 비열을 이용해 계산할 수 있습니다.

 

\[ Q_{\mathrm{sensible}} = \dot{m} C_p \Delta T \]

 

여기서 각 변수는 다음을 의미합니다.

 

• \(Q_{\mathrm {sensible}}\): 현열 부하(W 또는 kW)
• \(\dot {m}\): 질량 유량(kg/s)
• \(C_p\): 정압 비열(kJ/kg·K)
• \(\Delta T\): 입구와 출구의 온도 차이(K)

질량 유량을 kg/h로 사용하는 경우에는 시간 단위에 맞춰 열량을 kJ/h로 계산한 뒤 kW로 변환해야 합니다.

 

3-2. 잠열 계산

응축 구간에서는 유체의 상변화 엔탈피를 사용합니다.

 

\[ Q_{\mathrm{latent}} = \dot{m}\Delta H_{\mathrm{cond}} \]

 

• \(Q_{\mathrm{latent}}\): 응축 잠열 부하
• \(dot{m}\): 응축되는 증기의 질량 유량
• \(\Delta H_{\mathrm{cond}}\): 해당 조건에서의 응축 엔탈피 차이

잠열은 물질의 종류와 온도, 압력에 따라 달라집니다. 따라서 실제 설계에서는 적절한 물성 데이터나 공정 시뮬레이션에서 얻은 엔탈피 차이를 사용해야 합니다.

 

에탄올의 물성 자료는 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 Chemistry WebBook에서 확인할 수 있습니다.

 

3-3. 전체 열부하

세 가지 구간이 모두 존재한다면 전체 열부하는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

 

\[ Q_{\mathrm{total}} = Q_{\mathrm{vapor\ cooling}} + Q_{\mathrm{condensation}} + Q_{\mathrm{liquid\ cooling}} \]

 

다만 모든 응축기가 세 구간을 반드시 갖는 것은 아닙니다. 입구 증기가 포화 상태이고 출구가 포화 액체라면, 주된 열부하는 응축 잠열입니다.

 

또한 에탄올과 물이 혼합된 증기에서는 응축 과정에서 조성이 계속 변할 수 있으므로, 단일한 응축 온도와 잠열만으로 전체 열부하를 정확하게 표현하기 어려울 수 있습니다.

 

 

4. 계산 예제: 에탄올 증기 100 kg/h를 응축한다면?

 

이제 간단한 계산 예제를 살펴보겠습니다.

 

응축기 설계 원리를 이해하기 위해 다음과 같은 가상 조건을 설정하겠습니다.

 

항목	가정 조건
응축 대상	순수 에탄올 증기
에탄올 유량	100 kg/h
응축 압력	약 1 atm
응축 온도	약 78.4℃
냉각수 입구 온도	20℃
냉각수 출구 온도	30℃

 

여기서는 순수 에탄올 증기가 응축 온도에서 포화 액체로 바뀌는 구간만 계산하겠습니다. 증기의 과열 제거와 응축액의 추가 냉각은 제외합니다.

 

4-1. 응축 열부하 계산

에탄올의 정상 끓는점 부근 기화 엔탈피는 약 38.6 kJ/mol 수준입니다. 분자량 약 46.07g/mol을 기준으로 환산하면 약 837 kJ/kg입니다. 실제 계산에서는 운전 조건에 해당하는 물성값을 사용해야 합니다.

 

따라서 잠열 부하는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

\[ Q_{\mathrm{latent}} = \dot{m}\Delta H_{\mathrm{cond}} \] \[ Q_{\mathrm{latent}} = 100 \times 837 = 83{,}700\ \mathrm{kJ/h} \] \[ Q_{\mathrm{latent}} = \frac{83{,}700}{3{,}600} \approx 23.25\ \mathrm{kW} \]

 

즉, 에탄올 100 kg/h를 해당 조건에서 응축시키기 위해서는 잠열만 고려해도 약 23.3 kW의 열을 제거해야 합니다.

 

여기서 중요한 점은 23.3 kW가 전체 응축기 설계 열부하가 아니라, 단순화된 응축 구간의 열부하라는 것입니다. 실제 장비에서는 추가 현열, 혼합물의 응축 거동, 열손실 및 설계 여유 등을 검토해야 합니다.

 

4-2. 필요한 냉각수 유량 계산

응축기에서 제거한 열은 냉각수로 전달됩니다. 냉각수의 열수지를 이용하면 필요한 유량을 계산할 수 있습니다.

 

\[ Q = \dot{m}_{w} C_{p,w} (T_{w,out}-T_{w,in}) \] \[ \dot{m}_{w} = \frac{Q} {C_{p,w}(T_{w,out}-T_{w,in})} \]

 

냉각수의 비열을 약 4.18 kJ/kg·K로 가정하고, 냉각수 온도를 20℃에서 30℃까지 높인다고 하겠습니다.

 

\[ \dot{m}_{w} = \frac{83{,}700} {4.18(30-20)} \] \[ \dot{m}_{w} \approx 2{,}004\ \mathrm{kg/h} \]

 

따라서 이론적인 냉각수 유량은 약 2.0 t/hr입니다.

 

이 값은 잠열 부하만을 기준으로 한 결과입니다. 실제 설계에서는 냉각수 온도 상승 제한, 오염에 따른 성능 저하, 유량 조절 범위 및 최대 운전 부하를 추가로 검토해야 합니다.

 

 

5. 응축기 면적은 어떻게 결정할까?

 

열부하를 계산했다면 다음 단계는 열전달 면적을 추정하는 것입니다.

 

열교환기의 기본 설계식은 다음과 같습니다.

 

\[ Q = U A \Delta T_{\mathrm{lm}} \] \[ A = \frac{Q}{U\Delta T_{\mathrm{lm}}} \]

 

여기서

• \(Q\): 열부하(W)
• \(U\): 총괄 열전달계수(W/m²·K)
• \(A\): 열전달 면적(m²)
• \(\Delta T_{\mathrm{lm}}\): 대수평균온도차(LMTD, K)

입니다. 이 식은 응축기뿐만 아니라 다양한 열교환기의 기본적인 열전달 면적 산정에 사용됩니다.

 

5-1. 대수평균온도차(LMTD)

응축기에서는 고온 유체와 저온 유체 사이의 온도 차이가 열교환기 길이에 따라 달라질 수 있습니다. 이를 반영하기 위해 대수평균온도차를 사용합니다.

 

역류(Counter-current Flow) 조건에서 양쪽 끝단의 온도 차이를 다음과 같이 정의할 수 있습니다.

 

\[ \Delta T_1 = T_{h,in}-T_{c,out} \] \[ \Delta T_2 = T_{h,out}-T_{c,in} \] \[ \Delta T_{\mathrm{lm}} = \frac{\Delta T_1-\Delta T_2} {\ln(\Delta T_1/\Delta T_2)} \]

 

순수 에탄올이 약 78.4℃에서 응축하고, 냉각수가 20℃에서 30℃로 가열되는 이상적인 등온 응축 구간을 가정하면 고온 측의 응축 온도는 거의 일정하게 유지됩니다.

 

따라서 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

\[ \Delta T_1 = 78.4-30=48.4\ ^\circ\mathrm{C} \] \[ \Delta T_2 = 78.4-20=58.4\ ^\circ\mathrm{C} \] \[ \Delta T_{\mathrm{lm}} = \frac{58.4-48.4} {\ln(58.4/48.4)} \approx 53.3\ \mathrm{K} \]

 

이 결과는 응축 온도가 일정하고 냉각수가 역류로 흐르는 단순화된 응축 구간에 대한 값입니다.

 

실제 응축기가 과열 증기 냉각, 혼합 증기 응축, 액체 과냉각을 모두 수행한다면 구간별로 열수지와 온도차를 검토해야 합니다. 다중 패스나 복잡한 유동 구조에서는 적절한 LMTD 보정계수 또는 구간별 계산이 필요할 수도 있습니다.

 

5-2. 열전달 면적 계산

이제 총괄 열전달계수 \(U\)를 가정하면 필요한 열전달 면적을 추정할 수 있습니다.

 

예제에서는 설명을 위해 다음 값을 가정하겠습니다.

 

• 열부하: 23.25 kW
• 총괄 열전달계수: 500 W/m²·K
• 대수평균온도차: 53.3 K

총괄 열전달계수는 유체 물성, 응축 방식, 유속, 장비 구조, 오염 및 열전달 저항에 따라 달라지므로, 500 W/m²·K는 특정 장비의 보증값이 아닌 계산용 가정입니다.

 

 

 

계산 결과, 이상적인 응축 구간에 필요한 면적은 약 0.87 m²입니다.

 

그러나 이 결과만으로 실제 응축기의 최종 면적을 확정해서는 안 됩니다. 실제 설계에서는 설계 열부하, 총괄 열전달계수의 근거, 오염 여유, 허용 압력강하, 제작 규격 및 운전 변동을 종합적으로 반영해야 합니다.

 

 

6. 어떤 종류의 응축기를 선택해야 할까?

 

열부하와 필요 면적을 추정했다면 다음으로는 장비 형식을 검토합니다.

 

응축기에는 다양한 형식이 있으며, 공정 조건과 유지보수 요구에 따라 선택이 달라집니다.

 

6-1. Shell and Tube Condenser

쉘 앤 튜브 응축기는 다수의 튜브와 쉘로 구성된 열교환기입니다. 한쪽 유체는 튜브 내부로, 다른 유체는 쉘 측으로 흐르도록 설계할 수 있습니다.

 

장점은 산업 현장에서 널리 사용되는 구조이며, 압력과 온도 조건에 맞춰 설계 범위를 조정할 수 있다는 점입니다.

 

다만 유체의 오염 특성, 세정 방법, 재질, 튜브 측과 쉘 측의 압력강하 및 응축액 배출 구조를 함께 검토해야 합니다.

 

6-2. Plate Heat Exchanger

판형 열교환기는 얇은 판 사이로 유체가 흐르도록 구성한 장비입니다. 구조에 따라 높은 열전달 성능과 비교적 작은 설치 공간을 확보할 수 있습니다.

 

하지만 응축 서비스에 적용할 때는 유체의 상변화 특성, 압력 조건, 채널 내 분배, 막힘 가능성 및 세정성을 확인해야 합니다. 모든 판형 열교환기가 모든 증기 응축 서비스에 적합한 것은 아닙니다.

 

6-3. Air-Cooled Condenser

공랭식 응축기는 냉각수 대신 공기를 이용해 열을 제거합니다. 냉각수 공급이 제한적인 현장에서 검토할 수 있습니다.

 

반면 외기 온도와 계절 변화가 성능에 영향을 주며, 필요한 열전달 면적과 설치 공간, 팬 동력 및 소음 등을 고려해야 합니다.

 

결국 응축기 형식은 단순히 열전달 면적이 작다는 이유만으로 결정할 수 없습니다. 공정 압력, 유체 조성, 냉각 매체의 가용성, 유지보수, 설치 환경 및 경제성을 함께 평가해야 합니다.

 

 

7. 실제 설계에서 놓치기 쉬운 사항

계산식으로 열부하와 면적을 구했다고 해서 응축기 설계가 끝나는 것은 아닙니다. 실제 설계에서는 다음 항목을 확인해야 합니다.

 

7-1. 비응축성 기체의 영향

응축기 유입 유체에 질소, 공기 등 비응축성 기체가 포함되면 열전달 성능이 저하될 수 있습니다. 기체 측의 물질전달 저항이 추가되기 때문입니다.

 

따라서 비응축성 기체의 유입량과 배출 경로, 진공 운전 여부 및 필요한 배기 설비를 검토해야 합니다.

 

7-2. 압력강하와 운전 압력

응축기 내부의 압력 강한 상류 공정의 운전 압력에 영향을 줄 수 있습니다. 특히 진공 상태에서 운전하는 분리 공정이라면 작은 압력강하도 전체 시스템 성능에 중요한 영향을 줄 수 있습니다.

 

응축기와 연결 배관, 밸브, 후단 회수 설비를 포함해 압력강하를 검토해야 합니다.

 

7-3. 응축액의 배출과 액체 체류

응축액이 장비 내부에 적절하게 배출되지 않으면 유효 열전달 면적이 감소하거나 유동 문제가 발생할 수 있습니다.

 

따라서 장비의 설치 방향, 배출 노즐, 배관 기울기, 액체 체류 가능성 및 후단 수집 용기의 운전 조건을 함께 검토해야 합니다.

 

7-4. 에탄올의 가연성과 배출 관리

에탄올은 가연성 물질이므로 증기 누출, 환기, 점화원 관리, 전기 설비의 적합성 및 배출 경로를 검토해야 합니다.

 

응축기에서 액체로 회수된다고 해서 모든 에탄올 증기가 완전히 제거되는 것은 아닙니다. 잔류 증기의 처리 방안과 후단 설비의 안전성도 확인해야 합니다.

 

또한 압력용기 및 열교환기 설계 코드, 적용 법규, 재질 적합성, 설계 압력과 온도, 보호장치 및 운전 절차를 프로젝트의 설계 기준에 맞춰 검토해야 합니다.

 

 

8. Condenser Design은 열수지에서 장비 선정까지 연결된다

 

이번 글에서는 알코올 증기를 회수하기 위한 응축기 설계의 기본 흐름을 살펴보았습니다.

 

첫 번째 단계는 응축 대상 유체의 조성, 유량, 압력 및 입출구 조건을 확정하는 것입니다.

 

두 번째 단계는 현열과 잠열을 구분해 열부하를 계산하는 것입니다.

 

세 번째 단계에서는 열수 지를 이용해 냉각수 유량을 추정하고, LMTD와 총괄 열전달계수를 이용해 열전달 면적을 계산합니다.

 

마지막으로 장비 형식, 압력강하, 비응축성 기체, 응축액 배출, 재질, 안전 및 유지보수 조건을 검토해야 합니다.

 

이 과정에서 기억해야 할 점은 계산 결과가 곧바로 최종 장비 사양을 의미하지는 않는다는 것입니다. 초기 계산은 설계 방향과 장비 규모를 추정하기 위한 출발점이며, 상세 설계에서는 실제 물성, 열전달 성능 및 운전 조건을 반영해 검증해야 합니다.

 

무알코올 맥주 공정에서 알코올을 분리하는 것만큼 중요한 일은 분리된 알코올을 어떻게 회수하고 관리할 것인지 결정하는 것입니다. 응축기는 그 연결고리 역할을 수행합니다.

 

다음 설계 단계에서는 응축된 액체를 어디에 저장하고, 어떻게 이송하며, 회수 공정을 안정적으로 운전할 것인지 살펴볼 수 있습니다.

 

공정설계는 장비 하나의 계산으로 끝나는 작업이 아닙니다. 각 장비의 열수지와 물질수지, 압력 조건, 운전 및 안전 요구사항을 연결해 하나의 공정 시스템으로 완성하는 과정입니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 4. Process Design — 맥주는 어떻게 무알콜이 되는가

 

• Part 28. 드디어 공정을 그리기 시작하다 - Process Concept
• Part 29. 맥주는 공장에서 어떻게 이동하는가 - Process Flow
• Part 30. 알코올을 어떻게 제거할 것인가 - Separation Process
• Part 31. 맥주의 성분은 어디로 이동하는가 - Material Balance
• Part 32. 열은 어디에서 들어오고 빠져나가는가 - Energy Balance
• Part 33. 실제 공정 조건을 계산하다 - Process Simulation
• Part 34. 장비의 크기는 어떻게 결정하는가 - Equipment Capacity
• Part 35. 열교환기는 얼마나 커야 하는가 - Heat Exchanger Sizing
• Part 36. 알코올 증기를 어떻게 회수할 것인가 - Condenser Design
• Part 37. 액체를 어떻게 이송할 것인가 - Pump Sizing
• Part 38. 진공은 어떻게 만들 것인가 - Vacuum System Design
• Part 39. 맥주를 어디에 저장할 것인가 - Tank Design
• Part 40. 공장을 세척하는 시스템 - CIP System
• Part 41. 공장에 필요한 Utility는 얼마나 되는가 - Utility Balance
• Part 42. 공정 전체를 한 장에 담다 - PFD 작성
• Part 43. Process Design을 하나의 공정도로 완성하다 - Design Review