(1) Steam Stripping & Stripping Steam
Stripping 이라는 단어는 껍질을 벗겨내는 일, 옷을 벗(기)는 일, 등을 이야기 하는데 화학공정에서는 가스나 증기를 사용해서 액상의 저비점 성분을 증발해 내는데 사용하는 공정을 말합니다. Stripping 공정에 사용하는 장치를 Stripper라고 하고 Stripping에 사용하는 이들 가스나 증기를 Stripping Medium 혹은 Stripping Agent라고 부릅니다.
Stripper는 단순히 액이 담긴 Drum을 사용하기도 하고 증류탑과 같은 Column을 사용하는데 다단으로 이루어진 증류탑의 경우가 당연히 효율이 좋습니다. 적은 양으로 많은 양을 증발시킬 수 있고 액은 상부에서 그리고 Stripping Agent는 탑의 하부로 불어 넣어줌으로써 Counter Current 형태로 운전할 수가 있기 때문입니다.
Steam Stripping은 액상의 혼합물에 Steam을 주입하여 특정성분 (주로 저비점 성분)을 Seam과 함께 증발해 나오도록 하는 공정을 말합니다. Stripping Steam은 Steam Stripping 공정에 사용하는 Steam을 말합니다. Stripping Steam은 주로 과열 Steam이 사용되지만 물속에 들어있는 성분의 제거 등에서는 포화스팀을 사용하기도 합니다.
(따라서 질문시 Steam Stripping의 원리라고 했어야 더 정확했었습니다.)
(2) Stripping Medium or Stripping Agent
Steam을 Stripper에서 사용하는 경우 Steam과 함께 공비점을 이루어 증발해 나오는 경우도 있으나 그렇지 않은 경우가 대부분입니다. 전자의 경우 응축액이 유분과 수분이 분리되는 경우도 있고 혼합물을 이루는 경우도 있습니다.
증발 및 응축된 응축액이 유분과 수분으로 분리되는 경우 분리가 용이해 지나 혼합물이 되면 Azeotripic Distillation이나 Extractive Distillation등의 복잡한 공정이 추가로 필요합니다.
Stripping 효과만을 따지자면 질소와 같은 가스를 사용하는 것이 액상에서의 Stripping이 잘 일어나지만 Vent Gas가 증기중에 포함되면 응축기에 부하가 많이 걸리기 때문에 부담이 되는 경우가 많습니다. 특히 VOC등이 질소와 함께 대기중으로 방출되면 공해처리 장치가 필요하거든요. 이에 반해 Steam은 응축기에서 응축되기 때문에 배출가스는 크게 줄어들게 됩니다. 공해문제가 없고 증발되는 물질이 가치가 별로 없다면 응축시키지 않고 대기중으로 방출할 수도 있습니다. 이런 경우라면 질소 같은 가스를 사용하여도 됩니다.
Stripping Agent로 H2, CH4, CO2 등도 사용되는데 저비점 탄화수소를 포함하는 경우 증발되어 나오는 증기를 보일러 연료로 사용하거나 Flare Stack에서 연소처리합니다.
(3) Steam Stripping의 이용
Steam Stripping은 다음의 경우에 이용됩니다.
1) 액상의 혼합물중 저비점 성분의 제거
2) 원유 정제시 제품중 (저비점 성분의 양을 낮추어) Flash Point를 높이는데 사용
3) Steam과 함께 공비혼합물을 이루어 배출하도록 함으로써 고비점 성분의 증발온도를 낮추는데 사용
4) 폐수 처리후 잔류하는 저비점 성분(주로 물보다 낮은 비점의 용제 성분등)의 제거에 사용
5) 액상(주로 물)에 용해되어 있는 Gas 성분(CO2, O2, 등)의 제거..Deaerator는 이 원리를 이용한 것.
6) 고비점 유분중 잔류 수분등의 제거에 이용.
(4) Steam Stripping의 원리
Steam Stripping에 사용하는 Stripping Steam의 역할을 알면 그 원리를 알 수 있습니다.
Stripping Steam은 액상과 평형을 이루고 있는 기상에서의 분압을 낮추어 줌으로써 액상에서 더 많은 성분이 기상으로 이동할 수 있도록 해줍니다. 원리는 같으나 표현 방법은 아래와 같이 달리할 수도 있습니다.
1) 농도차를 늘여줘서 물질전달 속도를 늘여줍니다.
(액상-->기상의 물질전달 속도) = (물질전달계수)*(평형농도 - 기상의 농도).................................(1)
의 물질전달 관계식에서 기상의 농도를 낮게 해주기 때문에 농도차가 늘어나 물질전달 속도가 늘어납니다.
2) 기상에서의 분압을 낮추어 줌으로써 액상에 용해되는 평형농도를 낮추어 줍니다.
(액상에 용해되는 가스의 농도)=(용해상수)*(기상에서의 분압)..................................................(2)
여기서 (용해상수)는 헨리상수의 역수이고 이 수식(2)는 바로 헨리의 법칙을 나타낸 것입니다. 이 식을 살펴보면 기상에서의 분압이 낮아지면 액상에 남는 가스의 농도가 비례적으로 줄어듧니다.
참고로 헨리상수가 크면 클수록 가스의 용해도는 줄어들게 됩니다. 바꿔 말하면 같은 몰농도를 용해시키기 위해서라면 헨리상수가 큰 기체는 작은 기체보다 더 높은 압력이 필요합니다.
3) 기-액 평형을 유지하고 있는 계에서 기상에서의 농도를 낮추면 더 많은 증기가 기상으로 이동하도록 평형이 옮겨갑니다.
(증기압의 총합)=(기상의 전체 압력) = Σ (각 순성분 증기압)*(각 성분의 액상 몰농도)...................(3)
위의 수식은 라울의 법칙을 나타내는 것인데 기상의 특정성분의 증기압이 낮아지면 액상에서의 특정성분의 농도가 줄어들어가는 쪽으로 평형이 이동합니다. 즉 액상에서 성분들이 기상으로 이동할 수가 있게 됩니다. 휘발성이 큰 물질들이 먼저 서둘러 기상으로 이동하겠지요.
