Tray 종류별 특징과 설계 기준 (Sieve, Valve, Bubble Cap)

Tray 종류별 특징과 설계 기준 (Sieve, Valve, Bubble Cap)

플랜트 증류탑(Distillation Column)이나 기타 분리탑에서 가장 일반적으로 사용되는 내장재는 Tray(접촉판)이다. Tray는 기체와 액체가 접촉하며 물질전달이 일어나는 물리적 장치로, 운전 조건, 조성, 부하 특성에 따라 구조와 성능이 크게 달라진다.

Tray 종류는 크게 Sieve Tray, Valve Tray, Bubble Cap Tray로 분류되며, 각각의 구조적 차이와 장단점을 정확히 이해하는 것이 설계의 기본이다.

1. Sieve Tray (타공판 트레이)

1.1 구조 및 원리

Sieve Tray는 일정 크기의 원형 또는 타원형 구멍(hole)이 배열된 평판 형태의 Tray이다. 구멍을 통해 기체가 분출되며 액체와 접촉하게 된다.

1.2 특징

• 구조가 단순하고 제작 단가가 낮음
• 부식이나 막힘이 적은 깨끗한 유체에 적합
• 기체 유속이 너무 낮으면 Weeping(누수) 현상 발생
• 부하 유연성(Turn-Down Ratio)이 낮은 편

1.3 설계 기준

• Hole Diameter: 3~12 mm
• Tray Spacing: 일반적으로 450~600 mm
• Open Area: 5~15%
• Weep Point 설계 중요 – 최소 기체 유속 고려

2. Valve Tray (밸브 트레이)

2.1 구조 및 원리

Valve Tray는 Tray에 삽입된 작은 금속 디스크(Valve)가 기체 압력에 따라 자동으로 열리고 닫히는 구조이다. 디스크는 고정형(Fixed), 유동형(Floating), 리프팅형(Lifting) 등으로 나뉜다.

2.2 특징

• 기체 유속에 따라 개도 면적이 자동 조절되어 운전 유연성이 높음
• Weeping 및 Dumping에 대한 저항성이 우수함
• 기체/액체 분산 균일성 높아 효율 좋음
• Sieve Tray에 비해 구조 복잡 → 제작비용 상승

2.3 설계 기준

• Valve Type: Floating, Fixed, Multi-opening 등
• Valve Density: 10~40개/ft²
• Tray Spacing: 일반적으로 450~600 mm
• Turn-Down Ratio: 4:1 ~ 5:1 이상 가능

3. Bubble Cap Tray (버블캡 트레이)

3.1 구조 및 원리

Bubble Cap Tray는 Tray에 슬릿이 있는 캡이 고정되어 있으며, 기체가 리저버를 통과해 슬릿을 통해 액체와 접촉한다. 기포가 액층에서 분산되어 접촉시간이 길다.

3.2 특징

• 액체 유속이 낮고, 기체 압력이 낮은 조건에서도 안정적으로 작동
• 초기 비용이 매우 높고 구조가 복잡함
• 정밀분리나 부하 변동이 큰 공정에 적합
• 최근에는 경제성과 유지보수 문제로 사용 빈도 감소

3.3 설계 기준

• Cap Diameter: 2” ~ 6”
• Tray Spacing: 최소 600 mm 이상 권장
• Pressure Drop: 상대적으로 높음
• Turn-Down Ratio: 10:1 이상 확보 가능

4. Tray 선택 시 고려사항

• 기체 및 액체의 유량 및 물성 (밀도, 점도)
• 공정 목적: 일반 증류, 정밀분리, 흡수 등
• 부하 변동성: 부하가 일정한 경우 Sieve, 유연성이 필요한 경우 Valve
• 설치 공간 및 유지보수성
• 예산 및 장비 수명

결론

Tray는 단순한 구조물처럼 보일 수 있지만, 기체-액체 접촉 효율, 유체분포 균일성, 압력 손실, 운전 유연성 등 다양한 요소에 영향을 미친다. 설계자는 공정조건에 따라 적절한 Tray를 선정해야 하며, 각 Tray의 성능 곡선(Entrainment, Weep Rate, Pressure Drop 등)을 근거로 최적화를 수행해야 한다.

올바른 Tray 선택은 컬럼의 성능뿐 아니라, 장기적인 운전 안정성과 유지보수 비용에도 큰 영향을 준다.