손끝에서 확인 가능한 사실: 증류 트레이 및 포장

Jul 09, 2023

2020년 3월 1일 | 스콧 젠킨스

산업용 증류탑은 트레이나 패킹을 사용하여 액체 혼합물의 성분을 원하는 순도로 분리할 때 증기-액체 접촉을 촉진합니다. 컬럼의 약 절반에는 전체적으로 트레이가 장착되어 있고 나머지 절반에는 패킹이 포함되어 있습니다. 이 한 페이지 분량의 참조 자료에서는 둘 사이의 차이점과 둘 중 하나에 적합한 프로세스 상황을 검토합니다.

액체 혼합물이 산업용 증류탑에서 가열됨에 따라 생성된 증기는 끓는점이 낮은(휘발성이 높은) 물질에 더 집중되는 반면, 액체는 끓는점이 높은 물질에 더 집중됩니다. 이 원리를 활용하여 증류탑은 혼합물의 성분을 분리할 수 있습니다. 기둥 내부를 가로질러 수평으로 배열된 금속 트레이 더미는 상승하는 증기가 위쪽으로 흐르는 동안 액체를 유지하도록 설계되었습니다. 트레이에는 증기가 컬럼을 통해 위쪽으로 흐를 수 있는 구멍과 응축된 액체가 아래쪽으로 흐를 수 있는 도관(하강관)이 있습니다(그림). 트레이는 위쪽으로 이동하는 증기와 아래쪽으로 이동하는 액체 사이의 긴밀한 접촉을 촉진하도록 설계되었습니다. 각 트레이는 원하는 농도(순도)에 도달할 때까지 증기와 액체가 컬럼의 다음 트레이로 이동하기 전에 분리의 일부를 수행합니다. 일반적인 유형의 트레이에는 버블 캡 트레이, 밸브 트레이 및 체 트레이가 포함됩니다.

증기-액체 접촉을 제공하는 개별 트레이의 스택 대신 증류 컬럼은 단위 부피당 큰 표면적을 제공하도록 설계된 충전재로 컬럼 내부를 채워 액체-증기 접촉을 촉진합니다. 액상이 탑을 통해 흐르면서 증기와 액체는 금속, 세라믹 또는 플라스틱 패킹의 표면에 지속적으로 접촉합니다. 패킹 타워는 일반적으로 무작위 패킹과 구조적 패킹이라는 두 가지 형태 중 하나입니다. 무작위 패킹은 기둥에 버려져 침전될 수 있는 표면적이 큰 작은 단위로 구성됩니다. 구조화된 포장은 구멍이 뚫린 금속, 플라스틱 또는 와이어 거즈의 골판지로 만들어지며 제자리에 고정됩니다. 구조화된 포장은 표면적 대 부피 비율이 높고 액체 확산을 극대화하도록 설계되었습니다. 동시에 흐름에 대한 낮은 저항을 유지하려고 노력합니다. 무작위 충전 타워와 구조적 충전 타워 모두 컬럼 상단에 액체 분배기가 필요하고 컬럼 하단에 패킹 지지판이 필요합니다.

트레이형 컬럼과 패킹형 컬럼에는 다음을 포함하여 주요 장점과 단점이 있습니다.

압력 강하. 트레이와 비교할 때 패킹과 관련된 가장 큰 장점은 압력 강하가 낮다는 것입니다. 이는 대기압 이하의 압력에서 작동하는 컬럼의 경우 특히 그렇습니다. 일반적으로 구조화된 패킹 베드 전체의 압력 강하는 전체 높이가 동일한 트레이 스택 전체의 압력 강하의 약 1/6입니다.

고압. 순수한 제품이 대상이 되는 고압 증류탑과 같이 포장이 덜 적용되는 상황이 있습니다. 트레이는 이러한 경우에 더 나은 성능을 발휘하며 부피 액체 대 증기 비율이 높은 컬럼에서 훨씬 더 예측 가능합니다.

오염. 파울링은 모든 컬럼 유형에서 어려운 문제입니다. 트레이를 사용하면 부품이 막혀 액체나 증기가 통과하는 능력이 상실될 수 있습니다. 패킹을 사용하면 액체 분배기가 막혀 분배가 최적이 아닐 수 있습니다. 구조화된 패킹은 무작위 패킹보다 오염되기 쉽습니다. 구조화된 패킹의 금속 시트가 촘촘하게 간격을 두고 있기 때문입니다.

개선. 시간이 지남에 따라 새로운 트레이 및 포장 형상을 개발하는 공급업체는 이러한 제품의 성능을 향상시켰습니다. 새로운 세대의 트레이, 무작위 패킹 및 구조화된 패킹을 사용하면 상대적으로 손쉬운 컬럼 개조로 컬럼 성능을 실질적으로 향상시킬 수 있습니다. 트레이로 패킹을 교체하는 경우는 대개 패킹 성능이 실망스럽기 때문입니다. 패킹이 트레이를 대체하는 경우 일반적으로 압력 강하 감소를 추구합니다.