[Perry's Handbook]연속증류운전1 - Complex Distillation파르데스 2018. 2. 2. 01:30
1. 증류란 서로 다른 온도, 압력, 조성 또는 상을 가지는 2개 이상의 zone을 형성하는 것을 말한다. 결과적으로 각 zone은 서로 다른 평형 상태를 가지기 때문에 zone마다 다른 조성을 가지게 된다. (증류 Column의 Column이란 말이 이 zone들을 일컫는 말이다.) 증류는 필연적으로 액체와 기체상을 함께 이용한다. 이 두 개의 상을 접촉시키기 위해 packing(random/structured), plate, trays등이 사용된다.
(다음과 같이 커다란 원통형 실린더에 Column들로 나누어져 있다.)
2. 분리하고자 하는 Feed 물질은 한개 이상의 포인트로 Feed되며, 기체와 액체의 중력차에 의해 기체는 각 Tray에서 액체와 접촉하면서 올라갈 때, 액체는 Column들을 연이어 폭포처럼 내려온다. 바닥에 내려온 액체는 reboiler에 의해 부분증발되어 다시 올라간다. 남은 바닥의 액은 다시 탑하부 product로 빠진다. 한편, 상부로 올라간 기체는 overhead condenser에 의해 응축되어 그 중 일부는 reflux(환류)되고, 나머지는 distillate로 빠져나온다. 전부 응축되지 않고 기체로 빠져나가는 경우도 있다.
3. 이런 일련의 과정으로 인해 Column내부는 tray 효율에 따라 어느 정도까지 열/압력/조성 평형에 도달한다. low boiler(비점이 낮은)성분은 기체상에 축적될 테고, high boiler는 액체상에 축적될 것이다. 최종적인 분리는 두 성분의 상대휘발도와, tray의 수, 그리고 기체 flow와 액체 flow의 비에 의해 정해지게 된다. Column에 Feed되는 단을 기준으로 위쪽은 정류부(rectifying section), 아래쪽은 탈거부(stripping section)라 부른다. multiple feed의 경우나 side stream이 있는 경우에는 이런 용어의 의미는 불명확해진다.
4. 최근까지도 증류의 energy나 mass-transfer 과정은 너무 복잡하다고 여겨졌으나, 1893년의 equilibrium-stage model이 나오면서 이런 어려움은 없어졌다. equilibrium-stage model이란, 기체상과 액체상이 열역학적으로 완전한 평형을 이루어 주어진 압력에서 온도와 조성을 알 수 있다는 것이다. 이런 완전한 평형을 이룬 column들로 이루어진 이론단을 기준으로 단효율을 이용해서 실제 단수로 환산하는 과정을 거친다. 단효율은 나중에 나올 rate-based model을 이용해서 구할 수 있다.
5. equilibrium-stage model에 의하면, 증류탑 설계는 3개의 step으로 나눌 수 있다.
1) 평형상태의 조성을 알 수 있는 열역학 data를 모은다.
2) 주어진 Top/BTM 조성을 달성하기위한 평형단수를 구하거나, 반대로 주어진 단수에서 달성할 수 있는 Top/BTM 조성을 계산한다.
3) 이론단수는 실제단수로 환산하고, column 직경을 결정한다. rate-based model을 이용하면 간단해진다.
6. 모든 증류는 열이나 일의 형태의 에너지 투입이 필요하다. (어떤 경우는 일의 형태로 투입하기도 한다.) 일반적인 증류탑에서는 보통 reboiler의 열에 의해 투입되고, 이 열은 상부의 condenser에서 제거된다. 이 과정은 회수과정이 없다면 많은 에너지의 투입과 낮은 열역학적 효율을 가진다. 이를 보완하기 위해 Complex-Distillation이 있다.
(a) Intercondenser가 있는 경우 (b) Heat pump를 이용한 Intercooler
(a) 증류탑의 Top과 BTM의 온도차이가 클 때 유용하다. interboiler는 reboiler의 부하를 덜어주고, intercondenser는 overhead condenser의 부하를 줄여준다.
(b) Heat pump를 이용해서 intercondenser의 에너지를 끌어와 interboiler로 가져온다. 이 과정은 일이 필요하다.
(c) 냉동기를 이용한 heat pump (d) 기체 압축을 이용한 heat pump
(e) BTM Flashing을 이용한 heat pump
Top과 BTM의 온도차이가 크지 않다면, (c), (d), (e)의 형태 모두 가능하며, 이런 형태는 외부와 reboiler와 condenser에서의 열전달 장치 대신 동력을 사용한다.
7. 다음과 같은 형태도 가능하다.
위의 scheme은 split-tower arrangement라 불리는데, Feed가 칼럼별로 같은 양만큼 쪼개진 형태다. (운전압력은 오른쪽으로 갈수록 점점 낮아짐) 적절한 운전압만 선택된다면, 이 형태는 overheat의 vapor가 그 오른쪽 저압 column의 reboiler 역할을 한다. 외부의 열은 첫번째 증류탑의 reboiler와 마지막 증류탑의 condenser에서만 필요하다. 따라서, utility의 사용량은 한개의 증류탑만 놓았을 때보다 1/N(N: 증류탑의 수)로 줄어들 것이다. 이런식으로 Wankat은 굉장히 여러개의 증류탑을 가진 system을 개발했고 에너지의 소모량이 상당히 절감된다.
다른 형태로는 위의 그림과 같이 column을 두개로 분리해, 두번째 column으로 들어가기 전에 압력을 높여서 들어가게 되면, rectifying section이 stripping section보다 압력이 높게 된다. (일반적으론 당연히 BTM쪽, stripping section쪽의 압력이 더 높다) 따라서 rectifying section쪽이 더 높은 온도를 가지게 되고, 이 열을 어떠한 형태로든 stripping section쪽으로 전달할 수 있다. 이런 기술은 SRV(secondary reflux and vaporization) 증류라고 불리며, reboiler와 overhead condenser의 utility사용을 획기적으로 줄여줄 수 있다.
8. 두 개보다 많은 다성분은 세 개 혹은 그 이상의 성분으로 분리되어야 한다.
세 성분 물질의 분리는 일반적으로 아래와 같은 형태가 가장 많이 사용된다.
물론 중간비점을 가지는 물질(ex. 3성분 중 2번째)의 양이 많거나, 높은 순도의 product를 얻지 않아도 될 때에는 아래와 같은 경우가 꼭 정답은 아닐 수 있다.
세 개의 성분일 때야 이렇게 두 가지 경우밖에 없다지만, 성분이 많아질 수록 경우의 수는 급속도로 많아진다. 예를 들어 5성분의 경우 14가지의 경우의 수가 있다. 아래의 그림은 그 14가지 경우 중 한가지이다.
9. 사실 우리의 주 관심사는 Thermally Coupled System이다. 다음과 같이 side-cut으로 흐름을 빼내 정류를 거치는 system도 생각해 볼 수 있다.
아래는 Petlyuk tower라 부른다. 주로 분리하고자 하는 물질의 비점이 큰 차이가 나지 않을 때의 에너지 투입량을 줄이기에 유용하다. 앞의 Column을 Prefractionator라 부르고, 두번째 Column이 있어 중간물질을 Side에서 빼내는 것이 가능하다.
Condenser와 Reboiler는 두번째 Column에만 있고, Prefractionator의 Condenser와 Reboiler는 두번째 Column에서 제공받는 형식이다. 마치 첫번째 Column이 두번째 Column에 기생하고 있는 듯한 형태가 아닌가?
10. 지금까지 증류의 기본 원리와 Complex Distillatoin의 형태를 알아보았다. 에너지의 Source로 열이 아니라 Heat pump(동력)를 이용하는 경우나 여러개의 Column들을 조합시켜 에너지 투입을 줄일 수 있는 System(Inter-condenser, split-tower arrangement) 등이 그 예이다.
