Column Pressure Profile 설계 개념

Column Pressure Profile 설계 개념

증류탑(Column)의 운전에서 압력 분포(Pressure Profile)는 탑 내 물질전달, 증기-액 평형, 제품 순도, 에너지 요구량 등에 직결되는 중요한 설계 요소이다. 특히 진공 증류나 고정밀 분리를 요구하는 공정에서는, 탑 내에서 발생하는 압력 손실(ΔP)과 압력 변화 구배를 정확하게 예측하고 관리해야 한다.

본 글에서는 Tray 및 Packing Column의 ΔP 구성 요소와 함께, Column Pressure Profile의 설계 접근 방식을 정리한다.

1. Pressure Profile이란?

Column의 하부(Bottom)에서 상부(Top)까지 탑 내 압력이 점진적으로 감소하는 분포곡선을 의미한다. 이 압력 차는 다음 요소들에 의해 결정된다:

• Tray 또는 Packing의 마찰에 의한 ΔP
• 기체의 속도 및 밀도 변화
• 정수압 차이 (Liquid Holdup에 의한)

정확한 Pressure Profile을 설계하면:

• 기-액 평형 계산이 정확해짐
• Tray 효율 및 구성 최적화 가능
• Condenser/Reboiler 설계 연계 가능

2. Tray Column의 ΔP 구성

① Tray ΔP (Stage Pressure Drop)

• Tray 자체에서 발생하는 기체 마찰 손실 및 액체 Holdup에 의한 저항
• 일반적으로 2~5 mbar per tray 기준

② Downcomer Head Loss

• Tray 간 액체가 흐르며 생기는 수두 손실
• 보통 Tray ΔP에 포함되거나 별도로 계산

③ 누적 압력 손실 계산 예시

예) 30단, 3 mbar/stage 기준
→ 전체 ΔP ≈ 90 mbar = 0.09 bar
→ 탑 상부 압력이 1.5 bar라면, Bottom은 약 1.59 bar

3. Packed Column의 ΔP 계산

Packing은 Tray에 비해 압력 손실이 낮기 때문에, 진공 증류에 적합하다.

① ΔP 계산 방법

• Ergun Equation 또는 Vendor 제공 식 활용
• Random Packing: 약 0.1~0.3 mbar/m
• Structured Packing: 0.05~0.15 mbar/m 수준

② Liquid Maldistribution 영향

• Flow Channeling 발생 시 국소 ΔP 증가
• Distributor 성능 저하 → 압력 프로파일 왜곡

4. Top & Bottom 압력 설정 기준

① Condenser 연계

• Column Top 압력은 응축기의 냉각 온도에 맞춰 설정
• 응축 가능 온도 범위 내에서 최소 압력 확보

② Reboiler 설계 연계

• Bottom 압력은 끓는점에 맞게 설정
• ΔP 고려하여 필요한 Reboiler Duty 산정

③ 진공 Column의 경우

• 전체 ΔP를 0.05~0.15 bar 이하로 제한
• Top 압력이 매우 낮아, Gas Load 변화에 민감

5. 실무 설계 시 체크리스트

• ΔP 기준값: Tray vs Packing 차이 명확히 반영
• PCV 위치 설정: 상단 압력 유지 vs 하단 압력 유지
• Startup 시 ΔP 급상승 감지 루프 구축
• ΔP 초과 → Tray 파손, Entrainment 유발 가능성

결론

Column Pressure Profile은 단순한 압력차 계산이 아닌, 탑 전체의 기상 유동, 열역학 평형, 설비 연동 조건까지 포함하는 공정 설계의 핵심 변수이다.

Tray 수가 증가하거나 기체 부하가 클 경우에는 ΔP가 급격히 증가하므로, Top/Bottom 압력 조건을 명확히 설정하고 누적 압력 손실을 예측하여 Reboiler 및 Condenser와 연계된 운전 최적화가 필요하다.

진공 증류의 경우, ΔP 관리 실패는 분리 효율 저하뿐만 아니라 운전 불능 상태로도 이어질 수 있으므로, Packing 선택, 분배기 구조, 응축기 성능까지 통합적으로 고려해야 한다.