디메틸에테르(DME) 정제용 증류탑 설계 사례

디메틸에테르(DME) 정제용 증류탑 설계 사례

디메틸에테르(DME, Dimethyl Ether)는 LPG 대체연료, 추진제, 냉매 전구체 등으로 활용되는 휘발성이 높은 화합물이다. DME는 합성 이후, 반응 미전환물 및 불순물로부터 고순도 정제가 필요하며, 이 과정에서 핵심 장비는 증류탑(Distillation Column)이다.

본 글에서는 실제 DME 분리공정에서의 증류탑 설계 사례를 기반으로, 공정 조건, 주요 설계 인자, 제품 순도 확보 전략 등을 정리한다.

1. 분리 대상 물질 및 특성

성분	끓는점 (°C)	비고
DME	-24.9	주성분 (Top Product)
메탄올	64.7	반응 잔류물
물 (H₂O)	100.0	불순물
고비점 부산물	100°C 이상	하부에서 제거

끓는점 차이를 이용해 DME는 Column 상부에서 분리되며, 메탄올과 물은 하부로 배출된다.

2. 설계 목표 및 운전 조건

• 목표: DME 99.95% 이상 순도 확보
• Feed 구성: DME 80%, MeOH 15%, Water 및 기타 5%
• 탑 압력: 10~12 barG (냉각수 응축 온도 대응)
• Reflux Ratio: 1.5~2.5 (에너지-순도 균형 고려)

3. 주요 설계 인자

• Tray 수: 25~35 stages (효율 70% 가정 시)
• Tray Type: Valve Tray 또는 Sieve Tray
• Reboiler: Kettle Type, 열매체(Hot Oil 또는 Steam) 사용
• Condenser: Partial Condenser, 수평형 Shell & Tube

실제 설계에서는 Aspen Plus 또는 HYSYS를 통해 Tray 수와 Feed Stage를 최적화하며, Top 제품의 DME Loss를 최소화하고 Bottom Purity를 유지하는 것이 핵심 전략이다.

4. 운전 전략 및 문제 대응

① Top Loss 제어

• Reflux Ratio가 너무 낮을 경우 DME 순도 하락
• Top 압력 과상승 시 Condenser 부하 증가 → 냉각수 온도 관리 필요

② Bottom Quality 확보

• 과도한 Reboiler Duty 시 메탄올 증기 누출 우려 → Fractionation 주의
• Bottom 수분 농도 상승 시 연속 배출 조건 설정

③ Startup 시 주의점

• 초기 불안정 시 Top 성분 과손실 가능 → Reflux Line 개방 조건 점검
• Column 내부 예열 단계에서 급격한 증기 유입 방지

5. 안전 및 제어 고려사항

• DME는 인화성이 높아, 탑 상부 N₂ Purge 필요
• 탑 압력 제어(PCV)는 Condenser와 연계하여 조절
• Overhead Vapor Load에 따른 Relief Valve 설정 필요

결론

DME는 끓는점이 낮고 인화성이 높기 때문에, 증류 설계 시 에너지 효율과 안전성이 모두 중요한 요소로 작용한다. Column 구성과 Reflux Ratio 설정, 탑 압력 최적화는 제품 품질과 공정 안정성의 핵심 변수이다.

실무에서는 수율과 에너지 비용 간 Trade-off를 검토하고, 정밀한 Tray 수 계산 및 운전 조건 튜닝을 통해 목표 순도를 달성해야 한다.