‘차세대 기술’ 분리벽형 증류탑이란? [우리가 몰랐던 과학 이야기] (141)

 
우리 일상과 산업에서 일반적으로 사용하는 모든 에너지와 생활 용품, 자동차, 전자기기 등은 대부분 석유화학 제품들을 포함하고 있는데요. 우리의 삶과 떼래야 뗄 수 없는 석유화학 제품들을 만들기 위해서는 가장 먼저 원유를 종류별로 분리하는 과정을 거쳐야 하는데요. 바로 원유를 분리하는 데 쓰이는 것이 바로 증류탑입니다. 

증류탑은 내부구조에 따라 에너지 이용량을 절감해 효율을 높일 수 있는데요. 그 중에서도 분리벽형 증류탑(DWC·Dividing Wall Column)은 기존보다 높은 에너지 효율에 힘입어 차세대 기술의 집합체로 각광받고 있습니다. 에너지 효율을 높여 비용을 절감하게 해주는 DWC란 어떤 것인지 알아보도록 하겠습니다. 

◆증류(Distillation)란?

출처=런어바웃에어닷컴(learnaboutair.com)

 
증류란 서로 다른 끓는점을 가진 액체 혼합물을 분리하는 것입니다. 

원유를 증류탑에 넣고 열을 가하면 비점에 따라 성분들을 분리할 수 있는데요. 이 과정을 거치면 LPG(액화석유가스)와, 휘발유, 나프타, 등유, 경유, 중유로 분리가 되기 때문에 증류는 석유화학 산업에서 가장 중요한 공정이라고 할 수 있습니다.

◆증류공정의 종류

1 연속 2기 증류탑 

출처=화학공학소재연구정보센터(www.cheric.org)

 
일반적으로 원유로부터 제품을 분리하기 위해 연속 2기 증류탑 구조를 활용하고 있는데요. 이는 제1탑에서 가장 저비점의 성분을 분리하고, 2탑에서 중비점과 고비점 성분을 분리하는 2기 탑 방식입니다. 

이 공정은 제품 생산물의 조성은 쉽게 제어할 수 있다는 장점이 있지만, 첫번째 증류탑 내에서 중간비점 물질의 재혼합 과정이 일어나 열역학적 효율을 떨어뜨려 에너지를 불필요하게 소비하게 한다는 단점이 있습니다. 

◆페트류크 증류탑

출처=리서치게이트(researchgate.net)

 
페트류크(Petlyuk) 증류탑은 연속 2기 방식의 문제를 개선한 구조인데요. 예비 분리기와 주 분리기를 열적으로 통합된 구조로 배열합니다. 저비점과 고비점 물질을 1차 예비 분리기에서, 다음 주 분리기에서도 처리하는 방식입니다.

이 구조는 공급단으로 유입된 혼합물을 미리 분리해주기 때문에 기존 연속 증류탑의 재혼합 과정이 사라집니다. 재혼합물을 분리하는데 소비되는 에너지를 감소시켜 효율을 높일 수 있습니다. 하지만 공정설계와 운전이 용이하지 않고, 탑 내 압력 균형을 맞추기 어렵다는 문제점이 있습니다. 

3 분리벽형 증류탑

출처케미칼프로세싱닷컴(chemicalprocessing.com)

 
DWC는 페트류크 증류탑과 열역학적 관점에서 비슷합니다. 탑 내에 분리벽을 설치해 예비 분류기를 주 분리기 내부에 통합시킨 구조를 지니고 있습니다.

예비 분류기와 주 분리기 간의 압력 균형을 맞추고 운전을 용이하게 할 뿐만 아니라 2기의 증류탑이 하나로 통합되어 비용을 줄일 수 있다는 장점을 지니고 있습니다.  

◆분리벽형 증류탑과 에너지 효율

분리벽형 기술이 적용된 울산 공장 VA(아세트산비닐·Vinyl Acetate) 회수 증류탑. 출처= 한화솔루션

 
DWC는 기존의 연속 증류 공정보다 구조적인 차이로 에너지 사용량을 통상 20~40% 줄일 수 있습니다. 아울러 기존 설비의 40~50%를 이 구조로 대체할 수 있기 때문에 차세대 증류 공정으로 주목받고 있습니다. 

DWC는 1980년대 중반부터 상용화 연구가 본격 진행되어 선진국에서 집중 개발하고 있는데요. 한화솔루션의 울산 및 전남 여수 공장은 각각 VA(아세트산비닐·Vinyl Acetate) 회수와 TDA(톨루엔디아민·Toluenediamine) 분리 설비에 DWC를 적용해 각각 연 5억8000만원과 4억원의 에너지 비용을 절감하고 있습니다. 

앞으로도 한화솔루션은 에너지 절감을 통해 온실 가스를 감축하고 지구 환경 보호에 앞장서도록 하겠습니다.

한화솔루션 블로거