KR20100092396A - 분리벽형 증류탑 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리벽형 증류탑에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리벽이 구비된 주탑을 포함하는 분리벽형 증류탑에 있어서, 상기 주탑은 상기 분리벽으로 양분된 예비분리영역 및 주분리영역 간의 압력균등화 수단을 구비한 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑에 관한 것이다. 본 발명의 분리벽형 증류탑은 분리벽을 기준으로 양분된 두 영역 간의 압력강하가 균등하여 운전이 보다 용이하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Description

분리벽형 증류탑{DIVIDING WALL COLUMN}
본 발명은 분리벽형 증류탑에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리벽이 구비된 주탑을 포함하는 분리벽형 증류탑에 있어서, 상기 주탑은 상기 분리벽으로 양분된 예비분리영역 및 주분리영역 간의 압력균등화 수단을 구비한 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑에 관한 것이다.
원유(Crude Oil) 등과 같은 각종 원료물질은 통상적으로 수많은 화학물질의 혼합물인 경우가 많아 그 자체로 산업에 이용되는 것은 드물고 각각의 화합물로 분리된 후 사용되는 것이 보통이다. 혼합물을 분리하는 화학공정 중 대표적인 것이 증류공정이다.
통상적으로 증류공정은 고비점 성분과 저비점 성분을 양분하므로, 분리하고자 하는 혼합물의 성분 개수(n)보다 하나 적은 개수(n-1)의 증류탑을 사용하게 된다. 즉, 종래의 증류산업 현장에서 3성분 혼합물의 분리를 위한 공정은 대부분 연속 2기의 증류탑 구조를 사용하고 있다.
3성분 혼합물의 분리를 위한 종래의 증류공정은 도 1에 도시한 것과 같다.
종래의 공정은 제1탑(11)에서 가장 저비점 성분(D)을 분리하고, 제2탑(21)에서 중비점 성분(S)과 고비점 성분(B)을 분리하는 2탑 방식이다. 이 경우 첫번째 컬럼의 하부 영역에서 중비점(S) 성분의 재혼합 현상이 발생하는 것이 일반적이다.
상기한 종래의 공정은 제품 생산물의 조성은 쉽게 제어할 수 있는 반면, 첫 번째 컬럼 내에서 중비점 성분의 재혼합 과정이 일어나게 되며, 이는 증류탑에서의 열역학적 효율을 떨어뜨리는 주요 요인이 되어 에너지를 불필요하게 추가로 소비하는 결과를 가져온다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 새로운 증류 구조에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 열통합 구조에 의하여 분리 효율을 향상시키고자 하는 대표적인 예로 도 2와 같은 Petlyuk 증류탑 구조를 들 수 있다. Petlyuk 증류탑은 예비분리기(12)와 주분리기(22)를 열적으로 통합된 구조로 배열함으로써 저비점 성분과 고비점 성분을 1차적으로 예비분리기에서 분리한 다음, 예비분리기의 탑정 부분과 탑저 부분이 주분리기의 공급단으로 각각 유입되어 주분리기에서 저비점, 중비점, 고비점 성분을 각각 분리하게 된다. 이러한 구조는 Petlyuk 증류탑 내의 증류곡선이 평형증류곡선과 유사하게 되어 에너지 효율을 높게 만든다. 하지만 공정의 설계 및 운전이 용이하지 않고, 특히 증류탑 내의 압력 균형을 맞추기 어렵다는 문제점이 존재한다.
이러한 Petlyuk 증류탑이 가지는 제한점을 개선하기 위하여 분리벽형 증류탑(DWC: Dividing Wall Column)이 제안되었다. 분리벽형 증류탑은 Petlyuk 증류탑과 열역학적 관점에서는 유사하나 구조적인 관점에서 탑 내에 분리벽을 설치함으로써 Petlyuk 증류탑의 예비분리기를 주분리기 내부에 통합시킨 형태이다. 이러한 구조는 Petlyuk 증류탑의 예비분리기와 주분리기 간의 압력 균형의 어려움과 이로 인한 운전상의 어려움을 자연스럽게 해소해 줌으로써 운전이 용이하게 되고, 또한 2기의 증류탑이 하나로 통합되어 투자 비용도 대폭 절감될 수 있다는 큰 장점을 가지게 된다.
분리벽형 증류탑은 운전 용이성 측면에서 분리벽으로 양분되는 두 영역의 액체 분배비(liquid split ratio)를 1 : 1 로 유지하는 것이 바람직하다.
그러나, 이론과 달리 실제적으로 증류탑을 운전하게 되면 액체 분배비를 1 : 1 로 유지하는 것이 쉽지 않다. 즉, 이론에서와 같은 동일 비율로 탑상부에서 액체가 공급될 경우 예비분리영역의 특정영역에서는 feed 공급량과 만나 전체 액체량이 증가하고, 반면에 주분리영역의 특정영역에서는 측류로 제품을 뽑기 때문에 전체 액체량이 감소한다. 다시 말해, 액체 수력학(liquid hydraulic)측면에서 예비분리영역과 주분리영역에서 유량 차이가 발생하고, 이로 인해 예비분리영역 내 압력강하와 주분리영역 내 압력강하 차이가 발생하는 것이다.
따라서, 이론과 달리 원하는 기체 분배비(vapor split ratio)로 운전이 되지 않는 문제가 발생한다. 이 경우, 압력강하가 작은 영역으로 대부분의 기체가 흐르게 된다. 수력학 측면에서 이를 해결하기 위해 벽면의 위치를 정가운데가 아닌 측면으로 치우치게 설계할 수 있으나, 제작 및 설치상 어려움이 있다.
이에, 본 발명은 예비분리영역과 주분리영역의 압력강하의 균등한 유지를 통해 액체/기체 흐름을 원활하게 하여 운전이 용이한 분리벽형 증류탑을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
분리벽이 구비된 주탑을 포함하는 분리벽형 증류탑에 있어서, 상기 주탑은 상기 분리벽으로 양분된 예비분리영역 및 주분리영역 간의 압력균등화 수단을 구비한 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑을 제공한다.
또한, 상기 수단은 압력강하 조절용 컬렉터 트레이, 또는 탑정 구역의 최하단 트레이와 이격된 분리벽 중 적어도 하나인 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑을 제공한다.
또한, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 상부 유출 구역 또는 탑저 구역 중 적어도 한군데 이상, 또는 상기 상부 유출 구역 최하단 또는 상기 탑저 구역 최상단 중 적어도 한군데 이상에 구비되는 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑을 제공한다.
또한, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 10 ~ 30㎜ 크기의 노즐을 포함하는 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑을 제공한다.
또한, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 상기 트레이 단면적의 10 ~ 30% 범위의 상승면적을 가지는 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑을 제공한다.
또한, 상기 분리벽의 이격거리는 상기 탑정 구역의 최하단 트레이와 바로 다음 컬럼 인터널 간 거리의 10 ~ 90% 범위, 더욱 바람직하게는 30 ~ 60 범위인 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑을 제공한다.
또한, 상기 예비분리영역과 상기 주분리영역의 전체 압력강하 차이는 1 mmHg 이하임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑을 제공한다.
또한, 상기 예비분리영역과 상기 주분리영역의 유체 분배는 균등하게 이루어지는 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑을 제공한다.
본 발명의 분리벽형 증류탑은 분리벽을 기준으로 양분된 두 영역 간의 압력강하가 균등하여 운전이 보다 용이하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 3성분 혼합물의 분리를 위한 종래의 증류공정의 개략도.
도 2는 Petlyuk 증류탑 구조를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 분리벽형 증류탑의 구조를 나타낸 개략도.
도 4는 비교예를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 실시예를 나타낸 개략도.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은,
분리벽이 구비된 주탑을 포함하는 분리벽형 증류탑에 있어서,
상기 주탑은 상기 분리벽으로 양분된 예비분리영역 및 주분리영역 간의 압력균등화 수단을 구비한 것임을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서 압력 균등이란 수치상으로 완벽한 압력 균등을 의미하는 것이 아닌 실질적 압력 균등을 말한다. "실질적 압력 균등"은 "양 영역 간의 압력차이가 공정 흐름에 영향을 크게 미치지 않을 정도로 같음"을 의미하는 것으로서, 바람직하게는 압력강하 차이가 1 ㎜Hg 이하인 것을 말한다.
본 발명 일실시예의 분리벽형 증류탑의 개략적 구조를 도 3 에 도시하였고, 본 발명 일실시예의 주탑의 구조를 도 5에 도시하였다. 이하, 일실시예를 들어 본 발명을 설명한다.
본 발명 일실시예의 증류탑은 주탑 이외에 응축기(31) 또는/및 재비기(41)를 포함할 수 있다.
상기 응축기는 가스 상태의 혼합물의 기화열을 빼앗아 응축시키는 장치로서, 종래 화학공학 장치에 사용되는 응축기를 비제한적으로 사용할 수 있다.
상기 재비기는 액체 상태의 혼합물에 기화열을 제공하여 기화시키는 장치로서, 종래 화학공학 장치에 사용되는 재비기를 비제한적으로 사용할 수 있다.
상기 주탑(1)은 크게 6 부분의 구역으로 구획될 수 있다.
탑정 구역(100)은 분리벽이 없는 주탑의 상부의 영역을 말한다.
상부 공급 구역(200)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고 유입물(원료) 흐름보다 상부에 위치하는 서브영역이다.
상부 유출 구역(300)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유출물 흐름보다 상부에 위치하는 서브영역이다.
하부 공급 구역(400)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유입물 흐름보다 하부에 위치하는 서브영역이다.
하부 유출 구역(500)은 분리벽에 의해 일면이 구획되는 영역이고, 유출물 흐름보다 하부에 위치하는 서브영역이다.
탑저 구역(600)은 분리벽이 없는 주탑의 하부 영역을 말한다.
또한, 상기 주탑은 크게 2 부분의 영역으로 나누어질 수 있다.
상기 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역은 종래 공정(2기의 증류탑을 연속으로 사용하는 공정)의 예비분리기와 유사한 역할을 하므로, 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역을 통칭하여 예비분리영역이라 할 수 있다.
상기 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역은 종래 공정(2기의 증류탑을 연속으로 사용하는 공정)의 주분리기 역할을 하므로, 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역을 통칭하여 주분리영역이라고 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 주탑은 충전물(packing)을 포함하는 충전탑인 것을 사용할 수 있다. 충전탑은 탑체(塔體)에 고정된 다공판 또는 격자형 받침 트레이가 있고, 그 위에 적당한 높이의 층으로 충전물(packing)이 채워져 충전배드(packing bed)가 형성되고, 통상적으로 액분배기(liquid distributor)가 충전배드들의 사이에 위치하게 된다. 충전물은 표면적이 넓고 통기성이 있는 고체로 이 충전층 내에서 기액접촉이 일어나 증류조작이 행해진다. 충전물의 재료로는 도자기, 그라파이트, 메탈(metal) 등이 사용된다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 분리벽으로 양분된 예비분리영역 및 주분리영역 간에 실질적으로 압력을 균등하게 하는 수단은 압력강하 조절용 컬렉터 트레이 또는/및 상기 탑정 구역의 최하단 트레이와 이격된 분리벽인 것을 사용할 수 있다.
상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 증류공정 이론단수 산출법(본 발명에 있어서, 증류공정 이론단수 산출법은 당해 기술분야에 알려진 통상의 방법을 비제한적으로 사용할 수 있다.)에 의해 구해지는 단의 구성에 사용되는 컬렉터 트레이 이외에, 압력강하 조절을 목적으로, 추가적으로 더 구비되는 컬렉터 트레이를 말한다(통상적으로 컬렉터 트레이는 측류유출(side-draw)을 목적으로 액분배(liquid distribution)을 위해서, 액을 모아주는 역할을 하는 장치로서, 당해 기술 분야에 널리 알려진 장치이다).
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 상기 상부 유출 구역에 구비될 수 있다. 상기 상부 유출 구역은 유출중간단(NR2)이 하부에 있으므로, 예비분리영역에 비해 상대적으로 압력강하 정도가 더 약하게 될 수 있다. 즉, 유출중간단(NR2)에서는 액체량이 적어지므로 압력강하 정도가 더 약하게 될 수 있다.
따라서, 이 부분에 추가적인 컬렉터 트레이를 설치하여 추가적인 압력강하를 유발시킬 수 있다. 특히, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 상기 상부 유출 구역 최하단(즉, 유출중간단(NR2)의 바로 위)에 구비되는 것이 압력강하 정도를 예측·조절하는 측면에서 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 상기 탑저 구역에 구비될 수도 있다. 도 3에 예시한 것과 같이, 분리벽을 중심으로 예비분리영역과 주분리영역 사이의 기체성분 물질 교환이 상기 탑저 구역을 통해서 일어나는데 탑저 구역에 압력강하 조절용 트레이를 설치하여 압력강하 정도를 조절할 수 있는 것이다(도 5 참조). 특히, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 상기 탑저 구역 최상단에 구비되는 것이 압력강하 정도를 예측·조절하는 측면에서 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 10 ~ 30㎜ 크기의 노즐을 포함하는 것이 바람직하다. 10mm 미만의 경우 유속이 증가되어 압력강하가 매우 크게 되고, 이에 따라 액분배기(liquid distributor)에서 공급되는 액체를 균일하게 분배시키는데 어려움이 있을 수 있다. 반면에 30mm 초과일 경우에는 액위(liquid level)가 적정 수준을 넘어가게 되고, 이로 인해 전체적인 압력 조절이 불가능해질 우려가 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 트레이 단면적의 10 ~ 30% 범위의 상승면적(rise area)을 가지는 것이 바람직하다. 10% 미만으로 적용될 경우 압력강하가 크게 증가되고, 30% 초과시 압력강하가 줄어들어 전체적인 압력 조절이 어려워진다.
또한, 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 분리벽은 상기 탑정 구역의 최하단 트레이와 이격되어 있는 것임을 특징으로 한다. 통상적으로는, 상기 분리벽이 상기 탑정 구역의 최하단 트레이와 접하여 예비분리영역과 주분리영역을 나누게 되는데 이럴 경우, 예비분리영역과 주분리영역 사이에 물질교환이 원활하지 않아 압력 균등 측면에서 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 탑정 구역 최하단 트레이와 상기 분리벽을 이격시켜 압력균등을 도모하고자 하는 것이다.
특히, 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 분리벽의 이격거리는 상기 탑정 구역의 최하단 트레이와 바로 다음 컬럼 인터널(column internal) 간 거리(d)의 10 ~ 90% 범위인 것이 바람직하다. 여기에서 "탑정 구역의 최하단 트레이" 란 탑정 구역의 최하단을 구성하는 컬렉터 트레이, 충전배드(packing bed), plate 등을 말하고, "바로 다음 컬럼 인터널" 이란 상기 탑정 구역의 최하단 트레이 바로 아래 위치하는 충전배드(충전탑의 경우) 또는 plate(선반탑의 경우)를 말한다. 예를 들어, 충전탑에 있어서는 최상부 충전배드의 최하단과 그 바로 아래 충전배드의 최상단 간 거리의 10 ~ 90%가 될 수 있다. 10% 미만일 경우 압력 균등 역할이 미비하고, 90% 초과할 경우 액위(liquid level) 유지에 불리하며 예비분리영역과 주분리영역으로 공급되는 reflux split의 제어가 어려울 수 있다. 더욱 바람직한 이격거리는 30 ~ 60% 범위인 것이다.
상기 주탑은 적어도 1개의 유입점 및 적어도 3개의 유출점을 갖는다.
원료(F)가 상기 주탑의 상부 공급 구역 및 상기 하부 공급 구역이 접하는 유입중간단(NR1)으로 유입되고, 저비점 성분(D)은 상기 탑정 구역에서 유출되고, 고비점 성분(B)은 상기 탑저 구역에서 유출되고, 중비점 성분(S)은 상기 상부 유출 구역 및 상기 하부 유출 구역이 접하는 유출중간단(NR2)으로 유출된다.
분리벽형 증류공정이 종래의 연속 2기 증류공정보다 에너지가 적게 소요되는 이유는 구조적 차이로 해석할 수 있다. 분리벽형 증류탑에서는 분리벽에 의해 나누어진 공간이 예비분리기의 역할을 하므로 고비점 성분과 저비점 성분의 분리로 인해 액체 조성이 평형증류곡선과 거의 일치하게 되고 재혼합(remixing) 효과가 억제되어 분리를 위한 열역학적 효율이 좋아지게 된다.
상기 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역은 종래 공정의 예비분리기와 유사한 역할을 한다(즉, 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역을 통칭하여 예비분리영역이라고 할 수 있다). 예비분리영역으로 유입되는 3성분은 저비점 성분과 고비점 성분으로 분리된다. 상기 예비분리영역에서 분리된 저비점 성분과 고비점 성분의 일부는 탑정 구역 및 탑저 구역으로 유입되고, 일부는 다시 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역으로 유입되어 재증류 된다.
상기 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역은 종래 공정의 주분리기 역할을 한다(즉, 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역을 통칭하여 주분리영역이라고 할 수 있다). 상기 주분리영역의 분리벽 상부 부분에서는 주로 저비점 성분과 중비점 성분으로 분리되고, 하부 부분에서는 주로 중비점 성분과 고비점 성분이 분리된다.
저비점 성분은 주탑의 탑정 구역과 응축기를 거친 후 일부는 저비점 제품(D)으로 생산되고, 그 나머지는 액상 유량(LD)으로 다시 주탑의 탑정 구역으로 환류되며, 고비점 성분은 주탑의 탑저 구역과 재비기를 거친 후 일부는 고비점 제품(B)으로 생산되고, 그 나머지는 기상 유량(VB)으로 다시 주탑의 탑저 구역으로 환류되어진다.
분리벽이 있는 열복합 증류탑 시스템의 설계는 기존의 열복합형 증류탑의 설계를 기초로 하며 최소단 탑 설계에 기초를 두고 있다. 증류탑의 효율은 탑내 증류단의 액체조성 분포가 평형증류곡선과 유사할 때 최대가 되므로 우선 전환류 조작으로 증류탑이 운전된다고 가정하여 최소단 증류시스템을 설계하였다. 즉, 원료공급단에서의 액체조성과 원료의 조성이 같다고 가정하고 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역을 설계하며, 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역은 중비점 제품의 농도를 시작으로 계단식 평형조성 설계법에 의해 탑중간에서 상부로 탑내의 액체조성을 계산하고 다시 주분리기의 역할을 하는 하부 유출 구역을 중간비점 제품의 농도를 시작으로 탑중간에서 탑저로 평형조성 계산법에 의해 계단식으로 탑내의 액체조성을 차례차례 계산하였다. 이렇게 얻어진 액체조성의 분포로부터 원료공급단과 제품의 조성을 가지는 단의 수를 헤아리면 예비분리기의 역할을 하는 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역, 및 주분리기 역할을 하는 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역 단수를 각각 알아낼 수 있다. 여기서 얻어진 탑의 단수는 이론단수로서, 이상적인 단수이기 때문에 실제 탑에서 단수는 통상의 설계기준에 따라 이론단수의 80 내지 145%로 하는 것이 바람직하다. 상기 산출되어진 이론단수의 80% 미만일 경우 예비분리영역에서 저비점과 고비점 성분의 분리가 잘되지 않을 수 있고, 145% 초과일 경우 최소환류비 영역이므로 에너지 절감 효과가 더 이상 증가되지 않으며, 투자비만 증가되므로 바람직하지 않다.
그리고 상기 주탑의 내부에 설치되는 분리벽의 길이는 각각 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역 또는 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역의 증류곡선에 따라 산출된 단수에 따라 그 길이가 결정되어진다.
이러한 분리벽형 증류탑에서 최적의 분리벽 구간을 설계할 때 예비분리영역과 주분리영역과의 액체 조성에 대한 평형증류 곡선방법 등으로 분리벽 구간을 정하여 이론단수 및 환류량 등을 구하는 방법은 다양하지만, 본 발명에서는 Fenske-Underwood 식을 이용하여 이론단수를 구하였다(Fenske-Underwood 식은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 식이다).
상기 분리벽의 길이는 증류곡선에 의해 산출되어지는 상기 탑정 구역, 상기 상부 공급 구역, 상기 하부 유출 구역 및 상기 탑저 구역 전체 이론단수의 30 내지 85% 범위 이내인 것이 바람직하다. 30% 미만일 경우 예비분리영역에서 저비점 성분 일부가 하부로 처져 주분리기의 제품으로 포함될 우려가 있고, 85% 초과일 경우 컬럼 내부에서 저비점/중비점 성분의 액상/기상 및 중비점/고비점 성분의 액상/기상의 원활한 평형흐름을 유지하기 어려워 컬럼 제작상 문제가 있을 수 있다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 것은 아니다.
실시예 1
적용한 충전물의 비표면적은 250㎡/㎥ 이상, 공극률은 0.98 이상이고, 재질은 메탈(metal)이었다. 충전탑의 HETP(Height Equivalent of a Theoretical Plate)는 450mm 이하이다(탑높이는 일반적으로 이론단수와 한 개 이론단의 상당높이로 계산된다). 충전층의 높이는 위치 및 역할에 따라 1000 ~ 7000㎜ 범위로 제작하여 설치하였다.
도 5에서와 같이 상부 유출 구역 최하단 및 탑저 구역 최상단에 각각 압력강하 조절용 컬렉터 트레이를 설치하였다(총 2개). 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 노즐크기 25㎜, 상승면적은 단면적 대비 25%인 것이었다. 2개의 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 노즐크기 및 상승면적이 동일한 것이었다.
또한, 분리벽은 탑정 구역의 최하단 트레이(컬렉터 트레이)와 바로 다음 컬럼 인터널(충전배드) 간 거리(d)의 50% 이격되게 설계하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 조건으로 증류탑을 설계 제작하였다. 다만, 상부 유출 구역 최하단에 구비된 압력강하 조절용 컬렉터 트레이의 노즐크기 15㎜, 상승면적은 20%인 것이었고, 탑저 구역 최상단에 구비된 압력강하 조절용 컬렉터 트레이의 노즐크기 10㎜, 상승면적은 20%인 것이었다.
비교예
적용한 충전물의 비표면적은 250㎡/㎥ 이상, 공극률은 0.98 이상이고, 재질은 메탈(metal)이었다. 충전탑의 HETP(Height Equivalent of a Theoretical Plate)는 450mm 이하이다(탑높이는 일반적으로 이론단수와 한 개 이론단의 상당높이로 계산된다). 충전층의 높이는 위치 및 역할에 따라 1000 ~ 7000㎜ 범위로 제작하여 설치하였다.
도 4와 같이 비교예는 별도의 압력강하 조절용 컬렉터 트레이를 구비하지 않았고, 분리벽 역시 이격시키지 않았다.
실험예 - 압력강하 실험결과
본 발명에서 제안한 증류탑의 성능을 검증하기 위해 상기 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예에 설계된 증류탑을 운전·실시하였다. 증류탑의 운전상태가 정상상태(steady state)에 도달했을 때 압력강하 정도를 측정하였다. 결과는 하기 표 1과 같았다.
비교예 실시예1 실시예2
예비분리영역 주분리영역 예비분리영역 주분리영역 예비분리영역 주분리영역
충전배드#2위의 액분배기 0.059 0.012 0.059 0.112 0.059 0.112
충전배드#2 0.159 0.525 0.159 0.525 0.159 0.525
충전배드#3위의 액분배기 0.142 0.115 0.142 0.115 0.142 0.115
충전배드#3 3.016 2.134 3.016 2.134 3.016 2.134
압력강하 조절용 컬렉터 트레이 - - - 0.112 - 0.569
충전배드#4위의 액분배기 0.179 0.114 0.179 0.114 0.179 0.114
충전배드#4 0.843 0.440 0.843 0.440 0.843 0.440
압력강하 조절용 컬렉터 트레이 0.177 - 0.177 0.112 0.177 0.566
전체 압력강하 4.575 3.340 4.575 3.664 4.575 4.575
압력차(△P) 1.235 0.911 0
* 압력단위 : ㎜Hg
상기 표 1의 실험결과에서 알 수 있는 듯이, 본 발명에 따른 증류탑은 예비분리영역과 주분리영역의 압력차이가 비교예에 비해 적음을 알 수 있다. 이를 통해서, 본 발명의 증류탑이 종래의 증류탑에 비해 운전이 보다 용이하게 이루어질 수 있음을 알 수 있다.
1 : 주탑
11 : 제1탑 21: 제2탑
12: 예비분리기 22 : 주분리기
31: 응축기 41: 재비기
51: 분리벽
100 : 탑정 구역 200 : 상부 공급 구역
300 : 상부 유출 구역 400 : 하부 공급 구역
500 : 하부 유출 구역 600 : 탑저 구역
NR1 : 유입중간단 NR2 : 유출중간단
F : 원료(피드) B : 고비점 성분
D : 저비점 성분 S : 중비점 성분
L : 액분배기 P : 충전배드
LD : 환류액(reflux split) C : 압력강하 조절용 컬렉터 트레이
d : 탑정 구역의 최하단 트레이와 바로 다음 컬럼 인터널 간 거리

Claims (9)

  1. 분리벽이 구비된 주탑을 포함하는 분리벽형 증류탑에 있어서,
    상기 주탑은 상기 분리벽으로 양분된 예비분리영역 및 주분리영역 간의 압력균등화 수단을 구비한 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수단은 압력강하 조절용 컬렉터 트레이, 또는 탑정 구역의 최하단 트레이와 이격된 분리벽 중 적어도 하나인 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 상부 유출 구역 또는 탑저 구역 중 적어도 한군데 이상, 또는 상기 상부 유출 구역 최하단 또는 상기 탑저 구역 최상단 중 적어도 한군데 이상에 구비되는 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 10 ~ 30㎜ 크기의 노즐을 포함하는 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 압력강하 조절용 컬렉터 트레이는 상기 트레이 단면적의 10 ~ 30% 범위의 상승면적을 가지는 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 분리벽의 이격거리는 상기 탑정 구역의 최하단 트레이와 바로 다음 컬럼 인터널 간 거리의 10 ~ 90% 범위인 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 분리벽의 이격거리는 상기 탑정 구역의 최하단 트레이와 바로 다음 컬럼 인터널 간 거리의 30 ~ 60% 범위인 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예비분리영역과 상기 주분리영역의 전체 압력강하 차이는 1 mmHg 이하임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예비분리영역과 상기 주분리영역의 유체 분배는 균등하게 이루어지는 것임을 특징으로 하는 분리벽형 증류탑.
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