컬럼(Column) 종류별 특징과 스펙(Spec') 분석

컬럼(Column) 종류별 특징과 스펙(Spec') 분석

 

 

 

1. 컬럼(Column)의 역할

  - 컬럼은 다양한 혼합물에서 원하는 성분을 분리하는 장치로, 석유화학 공정에서 필수적인 장비입니다. 

  - 특히, 끓는점 차이를 이용해 성분을 분리하는 증류 공정(Distillation Process)에서 핵심적인 역할을 합니다.

 

 

 

 

2. 컬럼의 종류

 

1) 증류탑(Distillation Column)
  - 가장 일반적인 컬럼으로, 끓는점 차이를 이용해 성분을 분리합니다.
  - 정유 공정이나 석유화학 제품 생산에서 핵심적인 역할을 함.
  - 내부에 트레이(Tray) 또는 **충전물(Packing)**을 사용하여 증기와 액체의 접촉 면적을 증가시킴.

 

2) 흡수탑(Absorption Column)
  - 기체 혼합물에서 특정 성분을 액체에 흡수시켜 분리하는 컬럼.
  - 예: **가스 스크러버(Gas Scrubber)**에서 사용.

 

3) 탈거탑(Stripping Column)
  - 액체에서 불필요한 기체 성분을 제거하는 역할.
  - 주로 용매 회수 공정이나 폐수 처리 공정에서 활용.

 

4) 추출탑(Extraction Column)
  - 용매를 이용하여 혼합물에서 특정 성분을 선택적으로 분리하는 장치.
  - 정유공정이나 석유화학 제품의 정제 과정에서 사용됨.

 

 

 

 

 

3. 컬럼(Column) 스펙 검토 항목

 

1) 설계 조건 및 운전 조건
  - 설계 압력(Design Pressure): 정상 운전 시 발생하는 압력보다 여유 있게 설정.
  - 설계 온도(Design Temperature): 최고/최저 운전 온도를 고려하여 설정.
  - 운전 압력(Operation Pressure): 실제 운전 중 컬럼 내부에서 유지되는 압력.
  - 운전 온도(Operation Temperature): 컬럼 내부에서 물질이 분리될 때의 온도.
  - 처리 용량(Capacity): 컬럼이 처리할 수 있는 물질의 양(단위: kg/hr, m³/hr).

 

2) 컬럼 구조 및 재질
  - 내경(Diameter, ID): 컬럼의 내부 직경.
  - 높이(Height): 컬럼의 전체 높이.
  - 두께(Thickness): 설계 압력과 온도에 따라 결정되는 두께.
  - 재질(Material):
    → 탄소강(Carbon Steel, CS): 일반적인 사용.
    → 스테인리스강(Stainless Steel, SS304, SS316): 부식 방지 필요 시.
    → 듀플렉스 스틸(Duplex Stainless Steel, DSS): 고온·고압·고부식 환경용.
    → 내부 라이닝(Lining): 부식성이 강한 물질 처리 시 적용.

3) 내부 구성 요소(Internals)
  - 트레이(Tray) 타입: 분리 효율과 유지보수를 고려하여 선택.
    → 버블캡 트레이(Bubble Cap Tray)
    → 시브 트레이(Sieve Tray)
    → 밸브 트레이(Valve Tray)

  - 충전물(Packing) 타입: 고효율 분리용.
    → 랜덤 충전물(Random Packing) (Raschig Ring, Pall Ring 등)
    → 구조 충전물(Structured Packing)

  - 분배기(Distributor): 액체 분배의 균일성 유지.
  - 디미스터 패드(Demister Pad): 미세한 액적(액체 방울) 제거.

4) 부속 장치 및 배관 연결
  - 리보일러(Reboiler): 컬럼 하단에서 액체를 가열하여 증기로 변환하는 장치.
  - 콘덴서(Condenser): 컬럼 상단에서 증기를 냉각하여 액체로 변환하는 장치.
  - 피드 노즐(Feed Nozzle): 원료 투입구 위치 및 크기.

  - 제품 배출구(Product Outlet):
    → 상부 제품(Top Product)
    → 하부 제품(Bottom Product)

  - 압력 방출 장치(Pressure Relief Device): 컬럼 내부 과압 방지.

5) 성능 및 운전 효율
  - 압력 강하(Pressure Drop): 컬럼 내부에서 압력 손실이 크면 운전 효율 저하.
  - 분리 효율(Separation Efficiency): 특정 성분의 순도를 고려한 설계.
  - 유동 패턴(Flow Pattern): 증기-액체 접촉 방식 최적화.

6) 유지보수 및 안전성
  - 점검구(Manhole, Inspection Port): 내부 점검 및 청소 용이성 확보.
  - 내부 코팅 및 라이닝(Lining): 부식 방지를 위한 추가 처리 여부.
  - 열팽창 고려(Thermal Expansion): 고온 운전 시 구조적 변형 방지.
  - 방폭 기준(Explosion Proof, EX): 화재·폭발 위험이 있는 환경에서의 안전성.

 

 

 

 

 

4. 컬럼의 주요 구성 요소

 

1) 트레이(Tray) 또는 충전물(Packing)
  - 증기와 액체가 효율적으로 접촉하여 분리가 잘 이루어지도록 함.
  - 트레이 방식: 단계적으로 분리가 이루어짐.
  - 충전물 방식: 연속적인 분리 효과.

 

2) 리보일러(Reboiler)
  - 컬럼 하단에서 액체를 가열하여 증기로 변환시킴.

 

3) 콘덴서(Condenser)
  - 컬럼 상단에서 증기를 응축하여 액체로 변환함.

 

4) 피드(Feed) 입구
  - 분리할 혼합물이 컬럼에 투입되는 지점.

 

5) 탑 제품(Top Product) 및 하단 제품(Bottom Product)
  - 분리된 성분이 컬럼 상단과 하단에서 각각 배출됨.

 

 

 

 

5. 컬럼의 적용 예시

 

  - 원유 정제 공정에서 가솔린, 디젤, 나프타 분리
  - 석유화학 공정에서 에틸렌, 프로필렌 생산
  - 가스 처리 공정에서 천연가스에서 불순물 제거
  - 환경 공정에서 공기 오염 물질 흡수 및 제거