증류 (Distillation)

1. 증류(Distillation)

  증류는 액체 혼합물을 각 성분의 비점 차이를 이용하여 각각의 성분으로 분리하는 조작을 말한다. 증류에는 환류(Reflux)를 하지않는 단순 증류와 환류에 의해 기체와 액체의 역류 접촉을 반복하게 하고 두 종류 이상의 휘발성 성분을 분류하는 정류(Fractionation)가 있다. 정류장치는 단으로 이루어진 Tower와 Condenser, Reboiler로 이루어진다.

 

2. 정류(Fractionation)

 단증류에서는 외부로부터 열을 공급해야 하지만 증기가 응축할 때는 반대로 열을 방출한다. 따라서 증류되는 액체와 분축시키는 증기를 혼합하면 열을 주고받는 현상이 일어나 증기에서는 끓는점이 낮은 성분이, 액체에서는 끓는점이 높은 성분이 많아진다.

 이와 같은 접촉 혼합장치 몇 개를 연속적으로 설치하고 한쪽 끝에서는 증기, 다른 쪽 끝에서는 액체를 보내면 증기에는 휘발하기 쉬운 성분이, 액체상에는 휘발하기 어려운 성분이 농축한다. 대부분의 공업적인 증류는 이와 같은 정류이다.

Distillation System

 

 

접촉 혼합장치를 여러 단 거듭하면 높은 탑 모양이 되는데 이를 정류탑 또는 증류탑이라고 한다. 여기에 증기원으로서 리보일러와 응축기가 포함되면 정류장치가 된다.

 보통은 응축기에서 나오는 액체도 대부분은 탑으로 환류시키고, 일부만을 유출액으로 뽑아낸다. 석유공업에서 분리하는 대부분의 혼합 액체는 다중 성분의 혼합물로 두가지 이상의 제품흐름을 나눠 줄 필요가 있다.

 이들 혼합액체 성분들을 유분(Fractions)이라고 하며, 이들을 분리하는 것을 정류(Fractionation)이라고 한다.

 

3. 증류의 원리

 증류탑(Distillation Column)의 주요 설비로는 Column, Reboiler, Condenser, Distillation Drum 등으로 구성되어 있다.

분리조작을 하는 각 단계는 판(Plate) 또는 트레이(Tray)라고 하는 금속 선반으로 Tray의 다공 홀을 통하여 증기를 올려 보내고 액체는 탑의 Tray부터 다음 Tray아래로 흘러내려 간다. 액체가 흘러내려가는 통로를 DownComer라고 하며, DownComer는 액체가 한 Tray로부터 다음 Tray로 흘러갈 수 있는 역할을 해준다. 

 

증류탑(Tower)에서 혼합 액체 원료는 Stripping Section의 Feed부로 도입되고 DownComer를 통하여 모든 Tray 상을 거쳐 탑의 하부로 흘러내리며 Reboiler에서 혼합액체에 열을 가한다. 

 

Reboiler에 의해서 혼합액체에 가해진 열은 액체를 증발시켜 주고, 이 증기는 Column의 상부로 올라가게 된다. 뜨거운 증기는 Tray 상을 거쳐 기포상태로 통과하여 Tray 상의 액체를 증발하게 하고, 한단의 Tray를 통과한 증기는 똑 같은 방식으로 다음 Tray를 거쳐 상승하게 된다. 혼합 액체 원료가 증류탑으로 도입된 후, 액체 부분은 거의 탑하부까지 내려가 Reboiler로 들어가게 되며 이 액체는 일부가 증발되고 Reboiler에서 나온 증기는 증류탑으로 들어가 위로 올라간다. 각 Tray에서는 무거운 성분의 일부가 응축되어 밑단의 Tray로 흘러내려 가고 응축되지 않는 증기분은 계속하여 탑의 상부로 올라가게 된다. 탑 상부에서의 증기는 Condenser에서 응축하여 액체 상태로 되고 일부는 환류되고 일부는 제품으로 생산된다. 환류(Reflux)는 각 Tray상의 온도를 조절하고 Tray와 Tray사이에서 연속되는 응축 및 증발의 효율을 높이기 위해 응축 증기의 일부를 다시 Column으로 보내는 것을 말한다.

  증류탑 내에서는 이러한 과정이 연속적으로 일어나는 연속공정이다. 각 증류탑별로 요구하는 제품의 생산 규격에 따라 장치 및 설비로 제작되어 있으며 제품의 Spec에 맞게 설계되어 운전 조건을 설정해 제품을 생산한다.