증류탑(Distillation Column)의 기본 구조와 원리

증류탑(Distillation Column)의 기본 구조와 원리

증류탑(Distillation Column)은 화학공정에서 가장 널리 사용되는 혼합물 분리 장치 중 하나로, 주로 끓는점 차이를 이용하여 구성 성분을 분리하는 역할을 한다. 석유화학, 정밀화학, 가스처리 플랜트 등에서 핵심적인 장비로 적용되며, 설계와 운전 원리를 이해하는 것이 플랜트 엔지니어에게는 필수적이다.

1. 증류 원리 개요

증류(distillation)는 서로 다른 끓는점을 가진 성분들이 기화와 응축 과정을 반복하며 상부로 이동함에 따라 고휘발성 성분은 Top 제품으로, 저휘발성 성분은 Bottom 제품으로 분리되는 원리이다.

• 상향 흐름: 가열된 증기(Vapor)가 아래에서 위로 상승
• 하향 흐름: 응축된 액체(Liquid)가 위에서 아래로 하강
• 기-액 접촉: Tray나 Packing을 통해 두 상이 접촉하며 평형 상태를 이루는 것이 핵심

2. 주요 구성 요소

① Column Shell (탑 본체)

기체와 액체가 상승 및 하강하는 공간이며, 내부에는 Tray 또는 Packing이 설치되어 있다.

② Internals

• Tray Type: Sieve, Valve, Bubble Cap 등이 있으며 일정 간격으로 설치
• Packed Type: Random Packing 또는 Structured Packing이 적용되며, 낮은 압력손실에 유리

③ Feed Inlet (공급지점)

Feed는 보통 Column 중앙 근처에 투입되며, Tray 번호로 위치 지정 (예: Feed @ Tray 12)

④ Reboiler (보일러)

Bottom의 액을 부분 증발시켜 Column 하부에서 재기화 시킴. 일반적으로 Shell & Tube 방식이 사용됨.

⑤ Condenser (응축기)

상부로 올라온 증기를 응축시켜 액상 제품 또는 일부를 Reflux로 Column 상단에 환류시킨다.

⑥ Reflux Drum (수평 저장조)

Condensate의 저장, 분배 역할을 하며, Reflux 비율 제어를 위한 핵심 설비이다.

3. 기-액 평형 및 이론단수

각 Tray 또는 Packing Layer에서 이루어지는 기-액 접촉은 이론적으로 완전한 평형이 이루어진다고 가정한다. 이러한 이상적인 분리 단위를 이론단수(Theoretical Stage)라 하며, 실제 장비에서는 Tray Efficiency를 고려하여 Tray 수를 결정한다.

Key 개념:

• Reflux Ratio: 상부 응축액 중 얼마를 다시 Column에 되돌릴지 결정하는 비율
• Minimum Reflux: 분리가 가능한 최소한의 Reflux 비
• McCabe-Thiele Method: 이론단수 계산을 위한 대표적인 설계 도구

4. 상부/하부 제품 구성

• Overhead Product: 경질 성분이 집중, Condenser → Reflux Drum → Product
• Bottom Product: 비휘발 성분, Reboiler에서 Heating 후 일부 순환

5. 운전 시 주의사항

• Column 압력과 온도는 상호 연관되어 설계됨 (압력증류 vs 진공증류)
• Reflux Ratio가 낮으면 제품 순도 저하, 높으면 에너지 낭비
• Flooding, Weeping 등 내부 유동 이상 현상 주의

결론

증류탑은 물리적 상분리 장치 중에서도 가장 복잡한 유체거동이 일어나는 장비이다. 기본 구조와 작동 원리를 명확히 이해하면, 추후 Column의 설계, 시운전, 트러블슈팅에서 큰 장점을 가진다.

Tray 종류, Reflux 설정, Reboiler 선택 등은 모두 공정 조건, 목적 제품 순도, 에너지 효율에 따라 달라지므로 전체 시스템과 연계한 설계적 판단이 중요하다.