[분리공정] 8. Column Distillation - Distillation Cascade 소개

지난 포스팅까지는 Flash Distillation에 대해서 다뤘습니다.

Flash Distillation은 하나의 큰 flash drum을 통해서 분리를 하는 것인데, 단점이 하나 있습니다.

분리를 많이 못시키는 점이죠!

그래서 이러한 단점을 보완시키기 위해서 나온 것이 바로!! Column Distillation입니다.

Column Distillation을 하는 방법은 feed가 들어와서 한 번만 분리가 되는 것이 아니라 여러 단(stage)을 거쳐서 분리가 되기 때문에 좀 더 순물질을 걸러내는 데 좋겠죠?! 이렇게 여러 stage로 있는 것을 distillation cascade라고도 부릅니다.

이번 포스팅에서는 이 Distillation Cascade가 어떻게 발전했는지를 다뤄보겠습니다.

가장 먼저 우리가 생각할 수 있는 방식을 그림으로 표현해 볼게요.

(Cascade of flash chambers, P1>P2>P3>P4)P5)

아마 이런식으로 생각할 수가 있겠죠?? 근데 이렇게 분리를 하면 문제점은 별로 없지만, 너무 많은 중간 물질(intermediate product)이 나오니 저걸 처리해주는게 좋아보여요. 저걸 새로운 drum을 추가해서 분리를 하는 것은 돈이 많이 낭비될 것이기 때문에 비효율적이라고 할 수 있겠습니다. 따라서 이런 것을 보완하여 나온 것이 바로 아래 그림입니다.

(Countercurrent cascade of flash chambers, P1>P2>P3>P4)P5)

중간에 밖으로 나가는 물질을 처리하지 않아도 되기 때문에 훨씬 깔끔하고, 위와 아래로만 분리된 물질을 얻을 수 있습니다. 이렇게 countercurrent한 방법을 쓰면 V1과 L5가 거의 pure하게 얻어질 수 있다고 합니다. 

하지만 이 방법도 경제적으로 봤을 때 좋지 않습니다. 그 이유는 그림에서 보이는 것처럼 나비넥타이 모양으로 되어있는 compressor가 많이 필요하기 때문이에요. 이게 왜 필요하냐면 각 stage별로 압력이 다르기 때문인데 위로 갈수록 압력이 높아져서 액체 상태의 중간물질을 아래 stage로 내리려면 압력을 내려줘야 하기 때문이죠. 근데 이게 많이 비싸다고 합니다 ㄷㄷ. 그래서 일정 압력에서 온도를 변화시키는 방법을 생각해줄 수 있겠죠. 즉 P1이 가장 높고, P5가 가장 낮았으면 온도로 바꿨을 때에는 T1이 가장 낮고, T5가 가장 높도록 해줘야 되겠죠?

여기서 우리가 생각할 수 있는게 낮은 끓는점을 가진 more volatile component는 위 stage로 갈수록 농도가 높아질텐데 어차피 끓는점이 낮기 때문에 온도를 따로 높일 필요가 없습니다. 여기서 중간 단계에 있는 물질들이 stage를 움직일 때 온도를 변화시켜 줘야 하기 때문에 reboiler(재비등기)와 condenser(응축기)를 사용해주어야 겠죠. 그렇게 해서 만든 방법이 아래 그림과 같습니다.

(Countercurrent cascade of flash chambers with intermediate reboilers and condensers, P=constant; T1<T2<T3<T4<T5)

여기서 이제 모든 stage에서 liquid와 vapor의 flow rate을 control하기 쉽게 만들도록 아래에 그림처럼 양 끝에 물질들을 되돌립니다.

(Countercurrent cascade of flash chambers with reflux and boilup, P=constant; T1<T2<T3<T4<T5)

이 그림에서 L0는 Reflux라고 하고, V6는 Boilup이라고 합니다. 이 두 개념은 앞으로 많이 쓰일 개념이니 눈여겨 봐두는게 좋겠죠?

이제 마지막 단계입니다!! (아 그림그리는거 너무 힘들어 ㅋㅋㅋ)

이번엔 뭐가 경제적으로 문제가 될것같아 보이나요?? 솔직히 눈에 보이실만하죠 이제는? ㅋㅋ

중간중간에 있는 condenser와 reboiler가 참 많죠? 이거 다 설치하려면 돈 꽤나 들겠어요. 이렇게 condenser와 reboiler를 이용하지 않고, 서로 열을 교환시키는게 더 좋지 않을까요? 그래서 나온 방법이 heat exchanger를 통해 온도를 교환시키도록 하는겁니다. 예를들면 V3는 온도가 높을 것이고, L2는 온도가 낮을텐데 이 둘의 열을 교환시키게 하면 L2는 V3에 의해 온도가 올라갈 수 있을 것이고, V3는 L2에 의해 온도가 낮아질 수 있겠죠? 이것을 그림으로 표현한게 바로 아래 그림입니다.

(Countercurrent cascade with intermediate heat exchangers)

물질들이 1 mol당 기화되기 위해 필요한 열과 1mol당 액화되기 위해 필요한 열은 같기 때문에 이 그림에서 1mol의 vapor는 1mol의 liquid를 기화시킬 수 있겠습니다.

이렇게 heat exchanger를 다 덧대어 놓는 방법도 있지만 직접 liquid와 vapor가 닿도록 만들수도 있겠죠? 

Finally !! 이런식으로 vapor와 liquid가 직접 닿게 하여 distillation cascade를 만드는 방식을 채택하게 됩니다. 바로 아래와 같이 말이죠!

위 그림과 같이 우리가 최종적으로 도달한 Distillation cascade가 간단한 그림으로 나타내어질 수 있겠고, 화학공장 같은 곳에 가셔서 보시면 아래의 그림과 같이 큰 탑이 세워져 있는 걸 보실 수 있는데 저게 바로 distillation column입니다. 저 안에서 분리가 일어나고 있는 것입니다!!

이제 Column Distillation 을 할 준비가 완료된 것 같아요! 다음 포스팅에서는 이 Column Distillation의 바깥 balance(External Balance)를 살펴보도록 하겠습니다.

주의!! > Reflux와 Boilup은 Recycle과는 다릅니다!!

Reflux와 Boilup의 경우에는 phase를 바꾼 후에 "Same stage"로 이동하는 것이지만, Recycle의 경우에는 "feed"로 되돌려 보내는 것을 말하기 때문에 둘은 엄연히 차이가 있음을 알 수 있습니다. Recycle은 아마 제가 앞으로 반응공학을 쓸 때 나올 것 같습니다!

그림출처 

http://www.mycheme.com/distillation-column-internals/

https://en.wikipedia.org/wiki/Fractionating_column

(+ 노가다)