게시판 > 질답게시판 > 증류탑 재비기, 환류 질문입니다.

EngY jas502

17-04-20 11:01

안녕하세요 신입엔지니어입니다.
요즘 공부를 하고있는데 Detail한 이론은 부족하지만 제 생각도 정리하면서 써볼겸 답변을 남겨봅니다. 참고용으로만 봐주시고 정확한 답변은 다른 선배님들께서 해주실꺼라 믿고 용기내 답변달아봅니다. 제 답변에 틀린점이있다면 함께 코멘트부탁드립니다. 공부에 많은 도움이 될것 같습니다. 감사합니다.

A1) 원유 특성을 놓고 보시면 고비점 성분이란 한가지 성분이 아닌 다량의 성분들중 FEED inlet point에서 액체 또는 하부로 떨어지는 유분을 말하는 것같습니다.
그러므로 Reboiler로 들어가 나오는 증기들도 한가지 성분이 아닌 것이며, 탑 전체적으로 보았을 때 상대적으로 고비점유분들이 모여있는것으로 생각됩니다. 탑상부도 마찬가지 이구요.

A2) 환류를 시키는 목적에는 떨어져야할 고비점 성분이 올라가는 기체에의해 딸려올라가는걸 열전달을 이용해 끌어내려주어 분리시키는데 있다고 생각합니다. 제 생각에 물질전달이라는 개념보다는 열전달 개념으로 생각하는게 이해하기 쉽다고 생각됩니다.

龍鳳 yongbong

17-04-20 14:04

수고하십니다.
너무 위 문구에 집착하지 않으셔도 될 듯 합니다.

A1) 말씀하신 내용이 대체로 맞구요...Sharp Cut을 한다면 Reboiler Return 대부분이 Bottom Product 일테구요, Sharp Cut이 아니라면 다소 섞여 있겠지요..

A2) 순도가 높으면 물질의 이동이 그 다지 많지 않겠지만 (분리 측면에서 그렇지만, 동적으로는 이동이 있겠죠) 안 일어난다고 단정을 지을 수는 없겠습니다.

스테파노 Stefano

17-04-20 17:45

( 0) 증류탑 설명에서 밑줄 그은 부분의 설명은 초심자들에게는 전혀 도움이 되지 않고 오히려 혼란을 일으키는 전혀 불필요한 설명입니다. 따라서 이 부분은 오히려 삭제하고 관심을 두지 않는 것이 좋겠습니다. 대신 아래에 설명하는 분별증류(Fractional Distillation)의 원리를 이해하면 됩니다.

(1) 증류탑의 분리 원리

a. 두가지 성분이 섞여있는 물질(Feed)을 Retort에 담아두고 가열하면 증기가 발생하는데 이 증기중에는 저비점 물질과 고비점 물질이 섞여나오는데 이 증기를 응축하여 받아놓은 Evaporate Fraction(E1)액은 저비점 물질의 함량이 원래의 액속에 들어있는 농도보다 높습니다. 이 Evaporate Fraction은 b의 방법으로 다시 처리합니다. 이와함께 증발하지 않고 남아있는 Residual Fraction(R1) 액상에는 고비점 함량이 높아져 있습니다. 이 Fraction은 c.의 방법으로 처리합니다.

b. 앞서 받아놓은 Evaporate Fraction(E1) 을 다시 Retort에 넣고 앞선 방법과 같은 방법으로 증발 및 응축을 반복하여 Evaporate Fraction (E2)를 받아내면 E1보다 높은 저비점 함량을 가지게 됩니다. 여기서 증발되지 안은 Residual Fraction(R2)에는 고비점 물질의 함량이 더 높아져 있게 되는데 이 Fraction의 c의 방법으로 처리합니다. Evaporate Fraction을 계속하여 모아가면 E3, E4, E5...와 같이 무수히 늘어나는데 어느 정도 원하는 순도가 나오면 제품으로 합니다.

c. 위의 a, b, 에서 증발되지 않은 R1, R2, ...성분들을 다시 Retort에 넣고 끌이면 증기가 얻어지고 이를 응축하여 받아 놓은 Strippate Fraction(S1)에는 저비점 성분이 조금더 높아져 앞선 E1의 농도와 같다면 E1과 함께 섞어서 b의 과정을 거칩니다. 동시에 여기서도 Residual Fraction R1, R2....은 다시 c. 과정을 반복합니다. R3. R5.. 등의 Fraction이 늘어나면서 저비점성분 함량이 낮고 고비점 함량이 원하는 제품규격에 맞으면 이를 제품으로 합니다.

증류탑은 위의 각 하나하나의 Retort가 차곡차곡 수직으로 쌓아놓은 것에 해당합니다. Retort는 Evaporation 기능밖에 없어서 한단의 기-액의 평형을 거쳐 증기상과 잔류액상을 얻는 것에 불과하지만 단의 상부로 올라가면서 저비점 함량이 점점 높아지고 고비점 함량은 점점 줄어들게 되고 단의 하부로 내려가면서 고비점 함량이 점점 높아집니다.

그러기 때문에 증류탑은 초기에는 "Fractional (Evaporation 혹은) Distillation"이라고 불렀습니다. 나중에는 간단히 Distillation이라고 부르는 것이 일반화 되었지요.

(2) Q1 질문으로 돌아가서...
Distillate중에 고비점 함량이 "0" 이 되도록 하려면 무한대의 Reflux를 하거나 무한단수의 Rectifying 증류단이 필요합니다. 마찬가지로 Bottom 성분에도 저비점함량이 "0"이 되려면 무한대의 Stripping 증류단이 필요합니다.

상용 증류탑의 Distillate와 Bottom 제품에 각각 남아있는 고비점, 저비점 성분은 적당히 타협된 농도의 잔량에 맞추어져 있습니다. (완전 0 함량이 아니고 몇 ppm이냐 ppb냐로 정한 것이라는 뜻입니다. Commercial Product의 규격도 그 규격을 감안한 수지에 바탕을 두고 있습니다. 이 세상에 무엇이건... 완전 0는 없다고 보면 됩니다.)

(3) 질문 Q2로 돌아가서..
증류탑에서 Reflux가 없는 경우를 생각해보면 알 수 있습니다. Reflux를 없애면..

중간단에서 Feed로 들어온 성분들중 증기상이 상부로 올라오면 다시 그 윗단으로 윗단으로 증기상이 계속 올라오게 되고 결국 Condenser에 올라와 응축되게 되면 이는 Feed 단에서의 1단의 효과만 가진 장치로 전락하게 됩니다.
(마치, 임진왜란 때 왜적들이 부산에 쳐들어와 한양으로 진격하면서 전혀 조선군의 저항르 받지 않고 올라오는 양상과 완전히 닮은 양상이 벌어진 것이지요.)

반대로 Reflux를 하게되면..
아랫단에서 올라오는 증기와 접촉하게 되고 증기중에 들어있던 고비점 물질이 먼저 응축되면서 액상으로 되면서 잠열을 내놓고 하단으로 내려갑니다 반면 윗단에서 흘러내려오는 액중에 들어있는 저비점 물질은 이 잠열을 받아 (먼저 증발하여) 윗단으로 점점 올라갑니다. 이 현상이 바로 기-액 평형이며 이 과정에서 잠열을 교환하면서 고비점과 저비점이 제갈길로 가는 일이 벌어지는 것이지요. 기-액 접촉에서 순수하게 고비점만 응축되고 순수하게 저비점만 증발되는 것은 아닙니다. 탑의 상부로 올라갈 수록 저비점 성분의 증발-응축이 많아지고 탑의 하부로 내려갈 수록 고비점 성분의 증발-응축이 많아집니다.

Reflux 되는 액과 Condenser로 들어오는 Vapor의 성분은 같다고 해도 Reflux의 온도는 Overhead Vapor의 온도보다 불과 2~3도 혹은 그 이상 약간 Sub-cool된 상태이기 때문에 온도차에 의한 열교환이 반드시 일어납니다. 그 과정에서 바로 위에 설명한 열과 물질이동 현상이 일어나는 것이지요.

(4) 추가 설명을 곁들이면.. Feed 단을 기준으로
상부를 Rectifying Section, 하부를 Stripping Section이라고 칭하는데,
전자는 Distillate 성분에 남아있는 고비점 물질을 Reflux 액가 접촉하도록 하게 함으로써 저비점 <순도를 높이는 것> 목적으로 쓰이고,
후자는 Bottom 으로 흘러내려오는 고비점성분에 남아있는 저비점 물질을 Boiling-up Vapor와 접촉하게 함으로써 저비점 잔량을 낮추어 <저비점 손실을 줄이는 것> 목적으로 사용된다고 이해하면 정확합니다.

( 0) 증류탑 설명에서 밑줄 그은 부분의 설명은 초심자들에게는 전혀 도움이 되지 않고 오히려 혼란을 일으키는 전혀 불필요한 설명입니다.  따라서 이 부분은 오히려 삭제하고 관심을 두지 않는 것이 좋겠습니다.   대신 아래에 설명하는 분별증류(Fractional Distillation)의 원리를 이해하면 됩니다.

(1) 증류탑의 분리 원리

a. 두가지 성분이 섞여있는 물질(Feed)을 Retort에 담아두고 가열하면 증기가 발생하는데 이 증기중에는 저비점 물질과 고비점 물질이 섞여나오는데 이 증기를 응축하여 받아놓은 Evaporate Fraction(E1)액은 저비점 물질의 함량이 원래의 액속에 들어있는 농도보다 높습니다. 이 Evaporate Fraction은 b의 방법으로 다시 처리합니다.  이와함께 증발하지 않고 남아있는 Residual Fraction(R1) 액상에는 고비점 함량이 높아져 있습니다.  이 Fraction은 c.의 방법으로 처리합니다.

b. 앞서 받아놓은 Evaporate Fraction(E1) 을 다시 Retort에 넣고 앞선 방법과 같은 방법으로 증발 및 응축을 반복하여 Evaporate Fraction (E2)를 받아내면 E1보다 높은 저비점 함량을 가지게 됩니다.   여기서 증발되지 안은 Residual Fraction(R2)에는 고비점 물질의 함량이 더 높아져 있게 되는데 이 Fraction의 c의 방법으로 처리합니다.   Evaporate Fraction을 계속하여 모아가면 E3, E4, E5...와 같이 무수히 늘어나는데 어느 정도 원하는 순도가 나오면 제품으로 합니다.

c. 위의 a, b, 에서 증발되지 않은 R1, R2, ...성분들을 다시 Retort에 넣고 끌이면 증기가 얻어지고 이를 응축하여 받아 놓은 Strippate Fraction(S1)에는 저비점 성분이 조금더 높아져 앞선 E1의 농도와 같다면 E1과 함께 섞어서 b의 과정을 거칩니다.  동시에 여기서도 Residual Fraction R1, R2....은 다시 c. 과정을 반복합니다.  R3. R5.. 등의 Fraction이 늘어나면서 저비점성분 함량이 낮고 고비점 함량이 원하는 제품규격에 맞으면 이를 제품으로 합니다.

증류탑은 위의 각 하나하나의 Retort가 차곡차곡 수직으로 쌓아놓은 것에 해당합니다.   Retort는 Evaporation 기능밖에 없어서 한단의 기-액의 평형을 거쳐 증기상과 잔류액상을 얻는 것에 불과하지만 단의 상부로 올라가면서 저비점 함량이 점점 높아지고 고비점 함량은 점점 줄어들게 되고 단의 하부로 내려가면서 고비점 함량이 점점 높아집니다.

그러기 때문에 증류탑은 초기에는 "Fractional (Evaporation 혹은) Distillation"이라고 불렀습니다.  나중에는 간단히 Distillation이라고 부르는 것이 일반화 되었지요.

(2) Q1 질문으로 돌아가서... 
Distillate중에 고비점 함량이 "0" 이 되도록 하려면 무한대의 Reflux를 하거나 무한단수의 Rectifying 증류단이 필요합니다. 마찬가지로 Bottom 성분에도 저비점함량이 "0"이 되려면 무한대의 Stripping 증류단이 필요합니다.

상용 증류탑의 Distillate와 Bottom 제품에 각각 남아있는 고비점, 저비점 성분은 적당히 타협된 농도의 잔량에 맞추어져 있습니다.    (완전 0 함량이 아니고   몇 ppm이냐 ppb냐로 정한 것이라는 뜻입니다.   Commercial Product의 규격도 그 규격을 감안한 수지에 바탕을 두고 있습니다.  이 세상에 무엇이건... 완전 0는 없다고 보면 됩니다.)

(3) 질문 Q2로 돌아가서..
증류탑에서 Reflux가 없는 경우를 생각해보면 알 수 있습니다.  Reflux를 없애면..

중간단에서 Feed로 들어온 성분들중 증기상이 상부로 올라오면 다시 그 윗단으로 윗단으로 증기상이 계속 올라오게 되고 결국 Condenser에 올라와 응축되게 되면 이는 Feed 단에서의 1단의 효과만 가진 장치로 전락하게 됩니다. 
 (마치, 임진왜란 때 왜적들이 부산에 쳐들어와 한양으로 진격하면서 전혀 조선군의 저항르 받지 않고 올라오는 양상과 완전히 닮은 양상이 벌어진 것이지요.)  
  
반대로 Reflux를 하게되면.. 
아랫단에서 올라오는 증기와 접촉하게 되고 증기중에 들어있던 고비점 물질이 먼저 응축되면서 액상으로 되면서 잠열을 내놓고 하단으로 내려갑니다  반면  윗단에서 흘러내려오는 액중에 들어있는 저비점 물질은 이 잠열을 받아 (먼저 증발하여) 윗단으로 점점 올라갑니다.     이 현상이 바로 기-액 평형이며  이 과정에서 잠열을 교환하면서 고비점과 저비점이 제갈길로 가는 일이 벌어지는 것이지요.   기-액 접촉에서 순수하게 고비점만 응축되고 순수하게 저비점만 증발되는 것은 아닙니다.  탑의 상부로 올라갈 수록 저비점 성분의 증발-응축이 많아지고 탑의 하부로 내려갈 수록 고비점 성분의 증발-응축이 많아집니다.

Reflux 되는 액과 Condenser로 들어오는 Vapor의 성분은 같다고 해도 Reflux의 온도는 Overhead Vapor의 온도보다 불과 2~3도 혹은 그 이상 약간 Sub-cool된 상태이기 때문에 온도차에 의한 열교환이 반드시 일어납니다.  그 과정에서 바로 위에 설명한 열과 물질이동 현상이 일어나는 것이지요.

(4) 추가 설명을 곁들이면..  Feed 단을 기준으로 
상부를 Rectifying Section, 하부를 Stripping Section이라고 칭하는데, 
전자는 Distillate 성분에 남아있는 고비점 물질을 Reflux 액가 접촉하도록 하게 함으로써 저비점 <순도를 높이는 것> 목적으로 쓰이고,  
후자는 Bottom 으로 흘러내려오는 고비점성분에 남아있는 저비점 물질을 Boiling-up Vapor와 접촉하게 함으로써 저비점 잔량을 낮추어 <저비점 손실을 줄이는 것> 목적으로 사용된다고 이해하면 정확합니다.

thermo thermo9798

17-04-20 21:38

자세한 설명 정말 감사합니다.
위의 두 분도 많은 도움이 됐습니다. 감사합니다!

공밀레공밀… minsu090909

20-05-15 16:45

증류 기본 지식

공밀레공밀… minsu090909

20-05-15 16:46

증류탑 기본 지식