분리벽형 증류탑의 구조 설계 및 분리 특성 연구
이승현·이문용† 영남대학교디스플레이화학공학부
712-749 경북경산시대동 214-1 (2006년 11월 18일접수, 2006년 12월 14일채택)
The Study of Structure Design for Dividing Wall Distillation Column
Seung Hyun Lee and Moon Yong Lee†
School of Chem. Eng. & Tech, Yeungnam University, 214-1, Dae-dong, Kyungsan, Kyungpook 712-749, Korea (Received 18 November 2006; accepted 14 December 2006)
요 약
분리벽형증류탑의구조설계를위한 shortcut 방법으로서기존의 Fenske-Underwood 식을 3기일반증류탑배열에
확장적용하는방법을제안하였다. 제안된방법으로초기설계단계에서분리벽형증류탑의공급단위치, 분리벽구간,
중간제품생산단의위치를간편하면서도효과적으로결정할수있는것을확인하였다. 제안된방법에의하여구조설
계가이루어진분리벽형증류탑과기존의연속 2기증류공정간의분리효율을비교하기위해 HYSYS를사용하여다
양한원료조건에대하여전산모사실험을수행하였다. 그결과제안된분리벽형증류탑이기존연속 2기증류공정대
비 16％에서 65％까지에너지를절약할수있음을확인하였다. 또한분리벽형증류탑에의한분리성능향상정도는
중간비점물질의조성에크게의존하며중간비점조성이우세할수록유리함을확인하였고, 최적에너지분포영역경
향은원료혼합물의 ESI 값에의하여결정됨을알수있었다.
Abstract −This paper proposed a shortcut method for the structure design of dividing wall column based on the Fen- ske-Underwood equation by applying it on three conventional simple column configuration. It is shown that the pro- posed shortcut method can design the column structure including the feed tray, dividing wall section, and side-stream tray in a simple and efficient way in the initial design stage. Simulation study using HYSYS to compare the energy sav- ing performance between the conventional sequential two column system and the dividing wall column designed by the proposed method shows that the proposed dividing wall column system saves from 16％ to 65％ more over the con- ventional one. It is also illustrated that the degree of energy saving improvement by the divided wall column mainly depends on the composition of intermediate component while the optimal energy consumption pattern to internal flow distribution on the dividing wall section is characterized by the ESI factor of the feed mixture.
Key words: Dividing Wall Column, Internal Flow, Structure Design, Energy Saving, Thermally Coupled Distillation
1. 서 론
증류산업현장에서 3성분분리를위한공정은대부분연속 2기 증류탑구조를사용하고있다. 그러나이공정은제품생산물의조
성은쉽게제어할수있는반면, 첫번째증류탑내에서중간비점 물질의재혼합과정이일어나게된다. 이는증류탑에서의열역학적 효율을떨어뜨리는주요요인이되어에너지를불필요하게추가로 소비하는결과를가져온다. 이러한문제점을개선하기위하여새로
운증류구조에대한많은연구가진행되어왔으며[1-4] 열통합구
조에의하여분리효율을향상시키고자하는대표적인예로서 Fig. 1
과같이 Petlyuk 증류탑구조를들수있다[5-9]. Petlyuk 증류탑은
예비분리기와주분리기를열적으로통합된구조로배열함으로써저 비점물질과고비점물질을 1차적으로예비분리기에서분리한다음,
예비분리기의탑정부분과탑저부분이주분리기의공급단으로각 각유입되어주분리기에서저비점, 중간비점, 고비점물질을각각
분리하게된다. 이러한구조는 Petlyuk 증류탑내의증류곡선이평
형증류곡선과유사하게되어에너지효율을높게만든다. 하지만공 정의설계및운전이용이하지않고특히탑내의압력균형을맞
추기어렵다는문제점이존재한다. 이러한 Petlyuk 증류탑이가지는
제한점을개선하기위하여분리벽형증류탑(DWC: dividing wall
column)이제안되었다[10-12]. 분리벽형증류탑은 Petlyuk 증류탑과 열역학적관점에서는유사하나구조적인관점에서탑내에분리벽 을설치함으로써 Petlyuk 증류탑의예비분리기를주분리기내부에
통합시킨형태이다. 이러한구조는 Petlyuk 증류탑의예비분리기와
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
주분리기간의압력균형의어려움과이로인한운전상의어려움 을자연스럽게해소해줌으로써운전이용이하게되고, 또한 2기의
증류탑이하나로통합되어투자비용도대폭절감될수있다는큰 장점을가지게된다.
이러한장점에도불구하고실제산업현장에서는분리벽형증류탑 이아직많이보급되어있지못한실정이다. 이에대한중요한이유
중의하나로서 Petlyuk 증류탑과는달리분리벽형증류탑은설계가
정해지면내부순환흐름량을조절할수없는구조적특성으로인하 여운전조건변동에대한유연성이떨어지므로이를위해설계단 계에서정확한모사와구조결정이필요하다는문제가있다. 현재
분리벽형증류탑의구조및제어에대하여많은연구가이루어지고 있지만아직도분리벽형증류탑에서공급단의위치와분리벽구간 설정그리고중간비점물질의생산단위치등의구조에대한초기 선정을위한간편하면서도적절한방법은매우제한되어있는상황 이다. 또한최적의기본설계수행을위해서는분리벽형증류탑의 적용에의한에너지효율향상정도와분리벽형증류탑의실제적 구현에서의한계요소인예비분리기와주분리기간의내부유량분 포패턴과주요설계인자간의관계에대한연구가중요하다.
본연구에서는분리벽형증류탑의구조설계를위하여간단한
shortcut 방법으로분리벽구간과공급단및생산단의위치를쉽게
결정할수있는방법을제안하고공급혼합물의조성과상대휘발도 에대한분리벽형증류탑의설계특성간의관계를연구하였다.
2. 분리벽형 증류탑 구조 설계
분리벽형증류탑의구조는 Fig. 2와같이나타낼수있다. 분리벽
형증류공정이일반적인연속 2기증류공정보다에너지가적게소
요되는이유는구조적차이로해석할수있다. 분리벽형증류탑에
서는예비분리기에서고비점물질과저비점물질의분리로인해액 체조성이평형증류곡선과거의일치하게되고재혼합(remixing) 효 과가억제되게되어분리를위한열역학적효율이좋아지게된다.
이러한분리벽형증류탑에서예비분리기의효율성을감안하여최 적의분리벽구간을설계할때예비분리기와주분리기와의액체조 성에대한평형증류곡선방법등으로분리벽구간을정하여이론단 수및환류량등을구하는방법이연구되고있지만본연구에서는
Fenske-Underwood 식을이용하여이론단수및환류량을구하는방
법을제시하였다.
Fig. 2에보인분리벽형증류탑의구조는크게 4부분으로나눌수
있다. 원료공급단이유입되는예비분리기부분, 주분리기의분리벽 상부부분, 주분리기의분리벽하부부분그리고주분리기의분리 벽부분으로나눌수있다. 예비분리기로유입되는 3성분은저비점
과고비점물질을기준으로분리되고예비분리기의탑정부분은저 비점물질과중간비점물질, 그리고탑저부분은중간비점물질과 고비점물질이포함되게된다. 이렇게분리된혼합물들은분리벽끝 단에의해다시분리되는데분리벽상부부분에서는저비점물질과 중간비점물질이다시분리되고분리벽하부부분에서는중간비점 물질과고비점물질이분리되는구조로되어있다. 이러한분리벽 형증류탑의구조에해당되는일반증류탑배열을개념적으로표현 하면 Fig. 3과같이나타낼수있다.
이배열에서 1st column은분리벽형증류탑의예비분리구간에
해당되며 2nd column과 3rd column에서의탑정및탑저생산단사
이의 부분은분리벽형증류탑에서의주분리기의 Rectifying 및
Stripping 부분에각각해당된다. 이는분리벽형증류탑에서원료의
공급단위치와분리벽구간의위치, 그리고중간비점물질생산단
의위치를 Fig. 3과같은구조로연관지을수있는것을알수있다.
한편분리벽형증류탑에서는 Fig. 2와같이분리벽에의한액상 분기흐름과기상분기흐름이존재하게되는데이는 Fig. 3에서 1st
column의관점에서보면공급흐름이 3개이어야한다. 그러나
shortcut 방법에의한구조설계에서는예비분리기로유입되는액상
Fig. 1. A schematic diagram of Petlyuk column.
Fig. 2. A schematic diagram of a dividing wall column.
분기흐름은 1st column의환류량으로해석할수있고예비분리기로 유입되는기상분기흐름은 1st column의재비량과같게된다. 따라
서 Fig. 3의 1st column의단수를구할때분리벽형구조에서예비
분리기로유입되는액상흐름에대한고려사항은 1st column의환
류량과개념적으로동일하게되므로제안된방법으로설계를적용
할수있다. Fig. 3의단순증류탑배열구조는 Fig. 2의분리벽형증
류탑과비교하여열통합이적용되지않은상태이므로전체적인에 너지소모량에서의차이를보이게되나원료투입단, 분리벽구간,
생산단위치등의구조적관점에서는유사한특성을보이게된다.
이러한원리를바탕으로분리벽형증류탑의구조관련주요변수
들을 Fenske-Underwood 식을이용하여구할수있다. 본연구에서
는구조설계를위하여앞서설명한 Fenske-Underwood 식을이용
하는 HYSYS 모사도구의 shortcut 방법을사용하였다. 모사실험의
원료혼합물은 alkane 계열중 n-Pentane, n-Hexane, n-Heptane을 사용하였으며공급원료의조건은기상으로 1atm, 45 kmol/h로유
입되도록하였다. 또한 3기증류탑모두상압에서운전되도록하였 으며생산제품의순도는각각 99 mol％, 94 mol％, 99 mol％로정 하여모사하였다.
구조설계를위한 HYSYS의 shortcut 모사실험은 Fig. 4의흐름도 로수행하였다. n-Pentane(40 mol％), n-Hexane(20 mol％), n-Heptane (40 mol％) 경우에대한모사실험결과예를 Table 1에나타내었다.
Fig. 4에보인증류탑배열을기반으로단수를결정할때 A-C 증
류탑(1st column)에서 탑저에 존재하는 light key component(n- Pentane)와탑정에존재하는 heavy key component(n-Heptane)의몰
분율은각각 0.01로설정하였다. 이는저비점 A와고비점 C가분리
벽구간에서거의완전하게분리될때가장좋은에너지효율을얻
을수있다는사실에근거한다. 그리고 A-B 증류탑(2nd column)과
B-C 증류탑(3rd column)의 light 및 heavy key component는최종
생산물의순도에맞게각각선정하였다.
Table 1의결과를바탕으로분리벽형증류탑의예비분리기의단
수와주분리기의단수는각각 1st column의단수 7단, 2nd column
과 3rd column의단수합인 31단으로설정된다. 이때원료의공급
단은분리벽구간중 4단으로유입되고주분리기에서분리벽상단
부분의위치는 2nd column의공급단인 6단이되며분리벽하단부
분의위치는 2nd column의총단수와 3rd column의공급단위치의
합인 25단이 된다. 또한중간비점물질의생산단의위치는 2nd column의단수인 15단에해당된다.
구해진단수를이용하여 HYSYS로분리벽형증류탑을모사한흐
름도를 Fig. 5에나타내었다. HYSYS 모사도구는예비분리기가주
분리기탑내에통합된구조를제공하지않기때문에열역학관점
에서동일한 Petlyuk 증류탑구도를이용하여모사실험을하였다.
Fig. 3. A simple column configuration equivalent to DWC.
Fig. 4. Process flow diagram for shortcut application in HYSYS.
Table 1. Main structure of equivalent simple column configuration 1st column 2nd column 3rd column
No. of tray 7 15 16
Feed stage 4 6 10
*The actual reflux ratio is set as double as the minimum reflux ratio.
Fig. 5. Process flow diagram of DWC in HYSYS.
이때분리벽형증류탑에서분리벽을통한열전달은단열로가정
하였고 Fig. 2의액상분기흐름과기상분기흐름중예비분리기로
유입되는액상및기상내부순환흐름량은 Fig. 5의 Pre-Liq_Flow,
Pre-Vap_Flow로각각표현하였다. 3. 결과 및 고찰
분리벽형증류탑에서분리벽양측, 즉예비분리기와주분리기로 유입되는내부순환흐름량분포는전체시스템의분리성능과에 너지소비에가장큰영향을미칠뿐아니라분리벽탑의구현용이 성을결정짓는중요한설계변수이다. 본연구에서는예비분리기에 유입되는액상및기상내부순환흐름량을최적화변수로설정한
뒤광범위한변수구간에대해 case-study를실행하였으며그결과
는 Fig. 6과같다.
Fig. 6에서보는바와같이총소요에너지를최소로해주는최적
의액상및기상내부순환흐름량이명확히존재하며내부순환흐 름량에따라전체에너지소요량이상당한영향을받는다는사실을 알수있다. 예를들면예비분리기로유입되는기상내부순환흐름
량이 24 kmol/h, 액상내부순환흐름량이 51 kmol/h 일때에너지
소비량이 1.613×106kJ/h로가장낮았는데탐색구간범위에서가장
높았던에너지소비량은 2.184×106kJ/h나되어전체에너지소요량
에미치는변동폭이매우컸다.
이러한내부순환흐름에따라최적의에너지분포영역이나타 나는이유는다음과같이설명될수있다. 예비분리기에서의기상 및액상내부순환흐름의증가는예비분리에서의분리성능향상 을가져오게되어주어진순도의생산물분리를위한주분리기의 내부환류량을감소시키는효과를불러오게된다. 그러나한편으로 예비분리기에서의내부순환흐름의증가는물질수지에의하여직 접적으로는주분리기의내부흐름량증가를유발하므로이의응축 과재비를위한유틸리티부하증가효과도가져오게된다. 이두
가지효과는서로경쟁적으로일어나기때문에내부순환흐름량이 증가한다고할때, 어느조건까지는순환량증가에따른분리성능 향상효과가우세하다가그조건이후에는주분리기내부흐름량을 증가시키는효과가우세해지게되며결국내부순환흐름의총량 에따른최적점이나타나게된다.
Table 2에연속 2기증류탑을사용하였을때소요되는에너지양
과최적순환흐름조건에서의분리벽형증류탑의에너지효율성을 비교하였다. 실험모사를위하여연속 2기증류탑의단수및환류
량은앞에서제시한분리벽형증류탑의 shortcut 방법과동일하게
Fenske-Underwood 식을이용하여구현하였으며공정한비교대상
을위해공급혼합물의조건과생산제품의조성그리고탑의운전 압력등은동일하게설정하였다.
Table 2에서보는바와같이분리벽형증류탑이연속 2기증류공
정과비교하여 34％정도의에너지절감효과를거두고있는것을 알수있다. 이는연속 2기증류탑에서일반적으로나타나는재혼 합효과의제거와예비분리기의증류곡선이탑내의평형증류곡 선과유사하여전환류상태에서운전되는것과동일한효과를얻기
때문이다. 제안된 shortcut 방법으로구한분리벽형증류탑에서의조
성분포를 Fig. 7에나타내었다.
Fig. 7(a)를보면저비점물질과고비점물질의분리가중간비점
물질의재혼합현상없이잘이루어져있는것을확인할수있다.
또한 Fig. 7(b)에서중간비점물질의조성분포가 side-stream 단에서
최대인것을확인할수있다. 이는제안한 shortcut 방법이분리벽형
증류탑의구조설계방법에대해적합하다는것을보여준다.
분리벽형증류탑의분리특성은원료공급물의성상과밀접한관
Fig. 6. The energy consumption by internal flow distribution.
Table 2. Structure and energy consumption of conventional sequential column process and DWC
Pri-column Sec-column DWC
No. of tray 14 13
Feed stage 7 7
Reflux ratio 2.732 1.120
Reboiler Duty(kJ/h) 1.463e006 0.9964e006 1.613e006
계가있으며이러한정보는분리벽형증류탑의기본설계에매우 유용하다. 분리벽형증류탑의분리특성과원료공급물성상간의
관계를파악하기위하여다양한 alkane 계열의혼합물을대상으로
원료조성과분리용이성을기준으로 Table 3과같이 9가지경우에
대하여연속 2기증류탑과분리벽형증류탑의분리특성을비교분 석하였다.
모사연구를위하여각공급혼합물의조건은 1 atm, 45 kmol/h로
동일하게설정하였고생산물의순도는각각 99 mol％, 94 mol％,
99 mol％로고정하였다. 연속 2기증류탑과분리벽형증류탑의구
조설계는제안된 shortcut 방법으로동일한조건하에구하였다. Table 3
에서 ESI 지표는αAB/αBC로정의되며 A-B 혼합물과 B-C 혼합물의 상대분리용이성을의미한다. 예를들어, ESI < 1 이면 A-B를분리
하는것이 B-C를분리하는것보다어려움을뜻하게된다.
Table 4에서확인할수있듯이분리벽형증류탑을사용하면모든
경우에대하여일정량의에너지효율향상을거둘수있으나그효 율향상정도는원료혼합물의성상에따라최소 16％, 최대 65％ 정도의상당한폭으로변함을알수있다. 공급혼합물중의고비점, 중 간비점, 저비점물질의조성조건에따른분리벽형증류탑의효율
을살펴보면중간비점물질 B의조성이커질수록분리벽형증류탑 적용에따른기존대비에너지절감효과가증가된다는것을알수 있다. 이것은분리벽형증류탑에서의에너지효율향상이주로중 간비점물질의재혼합현상을억제함으로써얻어진다는사실과부 합된다.
원료혼합물의 ESI에따른영향을살펴보면, ESI 지표값이 1 에
가까울수록에너지절감효과가커짐을확인할수있다. 이는공급 혼합물이예비분리기에유입되면저비점물질과고비점물질을기 준으로분리되고분리벽양끝단에서중간비점물질을기준으로저 비점물질과고비점물질이분리되므로 αAB와αBC에대한비가 1
에가까워야분리벽형증류탑의구조에적합한조건이기때문이다.
요약하면, 공급혼합물의중간비점물질의함유량이크면서 ESI 값
이 1에가까울수록분리벽형증류탑적용시많은에너지절감이
익을얻을수있음을알수있다.
한편, 분리벽형증류탑구현의용이성관점에서볼때, 예비분리 기와주분리기로들어가는액상흐름비와기상흐름비가각각 1에 가까울때가가장이상적인데이는 F2-M1 case가이에해당된다고
볼수있다. 또한비대칭구도의분리벽설치가허용된다면최적의 액상흐름비와기상흐름비가서로같을수록바람직하게되는데이
경우에도 F2-M1 case가가장적절한것으로보여진다. 분리벽이
대칭적으로설치되어야하는경우에는기상흐름비가 1에가까워야
한다는제약조건이있게된다. 그러나액상흐름비는분배기에의
Fig. 7. (a) Composition profile in prefractionator (b) Composition pro- file in Mainfractionator.
Table 3. Feed condition of ternary mixture for case study
F1 F2 F3
ESI = 1.04M 1
A: n-pentane
A : 0.4 B : 0.2 C : 0.4
A : 0.33 B : 0.33 C : 0.33
A : 0.2 B : 0.6 C : 0.2 B: n-hexane
C: n-heptane ESI = 1.86M 2
A: n-butane B: i-pentane C: n-pentane ESI = 0.47M 3
A: i-pentane B: n-pentane C: n-hexane
*ESI (ease of separability index)
Table 4. Comparison of energy consumption in conventional sequential column process and DWC
2-TOP(106kJ/h) DWC(106kJ/h) Energy Saving(％) Liquid Split(Pre/Main) Vapor Split(Pre/Main)
F1 M1 2.46 1.61 35 1.6 0.9
M2 5.36 4.49 16 0.3 0.1
M3 5.29 3.60 32 0.4 0.2
F2 M1 2.64 1.27 52 1.3 0.9
M2 6.02 4.38 27 0.3 0.1
M3 5.77 3.71 36 0.3 0.2
F3 M1 3.28 1.14 65 0.7 0.4
M2 5.87 3.65 38 0.3 0.1
M3 5.47 3.11 43 0.5 0.3
하여어느정도유연하게조절될수있다. 따라서이경우 F1-M1과
F2-M1 case가적절하다고볼수있다.
공급혼합물경우에대한예비분리기로의액상및기상흐름에
따른소요에너지분포를 Fig. 8에보였다. 그림에서동일한 ESI값
을가지는원료혼합물에대해서는유사한소요에너지분포경향
을보임을알수있다. ESI 값이 1에가까운원료혼합물의경우(즉
M1) 최적액상및기상흐름부근에서의에너지소모정도의변화
가작은반면, ESI < 1(즉 M3)의경우매우급격한에너지소모량
변화를보이고있다. 이는 M2의경우분리벽형증류탑의설계에서 의오차에대하여성능유지를위한마진확보가용이하다는장점 을가지는반면, M3의경우설계오차에따른성능저하가심각할 수있다는적용상의문제점을가질수있음을의미한다.
4. 결 론
분리벽형증류탑의초기설계단계에서의구조결정을위하여분 리벽형증류탑의구조에근접한 3기의일반증류탑배열구조에대 하여 Fenske-Underwood 방법을적용하는 shortcut 방법을제안하였
다. 제안된방법으로설계된분리벽형증류탑의탑내혼합물조성분 포를확인한결과구조설계의적합성을확인할수있었다. 원료혼
합물조성과분리용이성을기준으로설계된원료혼합물그룹에대 하여분리벽형증류탑의구조설계를수행한결과연속 2기증류공
정에비해최대 65％정도의에너지절감효과를얻을수있음을확 인하였다. 분리벽형증류탑의적용에따른분리성능향상효과는중
간비점물질의조성이클수록또는 ESI 값이 1에가까울수록커짐을
알수있었다. 한편최적에너지분포경향은공급혼합물의조성보
다는 ESI 값에따라최적분포경향이결정된다는것을알수있었다.
감 사
이과제는에너지관리공단의 2006 에너지자원기술개발과제에의 하여지원되었습니다.
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