증기 재압축기를 이용한 에탄올 증류

박종기, 조성철, 김종남, 주국택, 한상섭

한국에너지기술연구소, 분리공정연구팀

Ethanol Distillation Using Vapor Recompressor

J. Park, S. C. Cho, J. N. Kim, K. T. Chue, and S. S. Han

Separation Process Research Team, KIER

서론

증류공정은 정유, 석유화학, 정밀화학공업 등에서 가장 많이 사용되고 에너지 소비가 가장 많은 분리공정 중의 하나이다.  전통적인 증류공정에서는 재비기에서 열을 가하고 상응하는 양의 열을 응축기에서 제거하게 되는데, 이로 인하여 많은 에너지가 소비된다.  증류탑 탑정 증기의 온도는 재비기 내의 온도보다 낮지만 대부분 물질의 기화열이 수십도의 온도차이에 해당하는 현열보다 월등히 크므로 탑정증기의 엔탈피는 크게 낮지 않다.  보통의 증류탑에서는 이와 같이 높은 엔탈피 상태의 증기를 냉각수로 응축시키므로 증기의 응축열을 이용하지 못할 뿐만아니라 이를 제거하는데 비용이 든다.  탑정증기 직접 압축식 증기 재압축기를 장착할 경우 단열압축으로 인하여 승온된 증기를 재비기 내에서 응축하게 하면 증기의 응축열을 재이용하는 효과가 발생하여 에너지를 절감할 수 있다.  보통 증기 재압축기를 장착하여 에너지를 많이 절감할 수 있는 경우는 유사비점 혼합물 분리탑과 같이 탑정과 탑저의 온도차가 작아서 압축기에서 승온하여야 하는 온도폭이 작은 증류탑이다.  에탄올 농축, 에틸벤젠과 스타이렌의 분리 등의 경우가 이에 해당된다<1-3>. 본연구에서는 약10wt% 에탄올 수용액에서 에탄올을 농축하기 위한 증기 재압축 증류장치를 설치하고 실험을 실시하였다.  또한 기/액 상평형, 그리고 기상과 액상의 엔탈피 자료와 계산방법을 이용하여 증류탑의 거동을 전산모사하였으며 일반적인 증류탑과 증기 재압축 증류장치에서의 에너지 사용량을 상호 비교하였다.

에탄올 농축실험장치

본연구에서 사용한 증기 재압축 증류탑의 개략도를 [그림 1]에 나타내었다.  실험에 사용된 장치는 전환류로 운전되게 하였으며 탑의 직경은 15cm, 유효높이는 2m이고 충전물은 Norton사의 IMTP #15이다.  증기 압축기의 회전속도와 팽창밸브를 이용하여 증기의 유량과 압축비를 조절할 수 있다.  실험방법은 우선 재비기에 분리하고자 하는 혼합물을 장입하고 재비기 내에 설치된 초기 가동용 전기가열기를 이용하여 혼합물의 비점 가까이 가열한 후 압축기 입구에 설치된 예열기를 가동하고 압축기를 가동시킨다.  예열기를 가동하는 이유는 액적이 압축기로 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다.  압축기 가동과 동시에 압축기 출구에 설치된 배출밸브를 이용하여 탑 내에 존재하는 공기를 제거한다.  공기가 제거된 후 밸브를 닫으면 승온된 증기가 재비기의 열원으로 공급된다.  재비기에서 응축된 유출액은 팽창밸브를 통하여 온도가 하강하게 되고 이 것을 환류시킨다.  정상상태가 되면 탑정으로 환류되는 액체의 유량을 측정하고 농도분석용 시료를 취한 다음 각부의 온도 및 압력을 읽는다.

[그림 ] 실험용 전환류 증기 재압축 증류탑 개략도

증기 재압축기의 용량

증류공정에 도입할 증기 재압축기에서의 승온폭이 주어지면 작동유체의 물성에 의하여 압축비가 결정되고 압축기의 용량을 계산할 수 있다.  계에 가해진 일은 엔탈피 증가분과 같고 압축비가 주어지면 압축기 양단의 헤드(Hp)는 다음과 같이 표현된다.

[eqn: rm H_p = {{gamma eta_p} over {gamma - 1}}ZRT_1 LEFT [ LEFT ( p_2 over p_1 RIGHT )^{{gamma -1} over {gamma eta_p}} -1 RIGHT ]]	(1)

여기서 □는 작동유체의 등압비열과 등적비열의 비이고 □p는 폴리트로픽 프로세서의 효율이며 T1은 압축기 입구의 온도이고 Z는 작동유체의 압축계수, 그리고 p1과 p2는 각각 압축기 입구와 출국의 압력이다.  상기 (1)식과 탑정증기의 유량, 기계적손실, 모터 효율 등을 이용하면 압축기의 용량을 알 수 있다.

결과

보통 발효 에탄올의 농도는 10wt% 미만이다.  본연구에서는 재비기 내의 에탄올 농도를 10wt%로 하고 실험으로 탑정압력, 압축기 전후의 압력, 탑 각부의 온도, 탑정의 유량 및 농도 등을 측정하였다.  또한 측정된 탑정압력, 압축비 등과 같은 증류조건에 대하여 전환류 증류탑의 거동을 전산모사하였으며 증기압축기의 용량을 계산하였다.  충전물 공급업체가 제공한 HETP계산식에 의하면 물과 에탄올의 혼합물 분리에 적용할 경우 탑내 유효단의 수는 약 6단으로 나타났다.  단의 수를 변화시키면서 전산모사를 실시하였는데, 6단으로 하였을 때보다 5단으로 하였을 때 실험결과와 가장 잘 일치하여 실험치와의 비교는 5단으로 계산한 것으로 하였다.  유효단의 수가 예상치보다 작은 이유는 탑의 직경에 비하여 높이가 높아서 탑내 유체의 분포가 불균일하기 때문인 것으로 예상된다.  탑내의 온도분포에 대한 실험결과와 전산모사결과를 [그림 2]에 나타내었다.  [그림 2]에 표기된 실험치는 실험장치에 부착된 열전대의 탑의 유효높이에 대한 상대적인 위치를 나타낸 것이다.  그리고 단의 번호는 최상단을 1번단으로 하고 탑의 하단으로 갈수록 단의 번호가 증가하게 표기하였다.  탑의 최하단에 설치된 온도계에서 읽은 값이 두번의 실험결과 공히 계산치보다 낮게 나타났는데, 이는 탑하단의 빈공간에서도 기/액 접촉에 의한 분리효과가 발생하여 계산치보다 하단에서 에탄올이 많이 농축되었기 때문이다.  전반적으로 계산결과는 실험치와 잘 일치하는 것을 알 수 있다.  압축비에 따른 승온폭에 대한 실험결과와 해당되는 압축비로 계산한 승온폭을 <표 1>에 나타내었다.  <표 1>에 나타낸 승온폭 계산은 폴리트로픽 효율을 95%로 하였을 때의 값이다.  승온폭에 대한 계산치와 실험치가 9%이내의 오차범위에서 일치하는 것을 알 수 있다.  승온폭의 계산치보다 실험치가 조금 낮게 나타난 것은 주로 압축기 주위의 불완전 단열과 소량의 공기가 증기에 포함되기 때문이다.  실제 증기재압축기를 증류공정에 적용할 때 이와 같이 불완전 단열에 의한 열손실과 탑내에 존재하는 비응축성 가스에 의한 효율저감 등을 고려하여야 한다.

[그림 ] 탑내의 온도분포

<표 1> 승온폭에 대한 실험치와 계산치 비교

압축비 (실험치)	승온폭 (실험치, ℃)	승온폭 (계산치, ℃)	승온폭 계산오차 (%)
2.1	30.6	33.4	8.4
2.2	32.4	35.5	8.7

에너지 사용량 비교

증기 재압축 장치를 장착할 경우에 대한 효과를 알기 위하여 에탄올 농축탑에 대한 전산모사를 실시하였다.  전산모사는 실제 가동되고 있는 주정공장의 정제탑을 기준으로 한 것이다.  원료의 공급유량과 농도는 각각 381.7 kmol/hr(7283 kg/hr)과 11.3vol%(3.8 mol%)이고, 탑정 제품의 유량은 15.52 kmol/hr이며 Side stream의 유량은 1.73 kmol/hr이다.  탑내 평형단의 수는 22단, 공급단의 위치는 탑정에서 18번째단, Side stream의 위치는 16번째단이며 환류비는 3.5이다.  그리고 원료는 포화 액체로 공급된다.  에탄올 농축탑에 대한 전산모사결과를 <표 2>에 나타내었다.  <표 2>에 나타난 탑정과 탑저의 온도, 응축기 및 재비기의 에너지 사용량, 제품의 순도 등이 실제 운전치와 거의 일치하는 것을 확인하였다.  탑저온도가 상압에서 물의 비점보다 5℃이상 높은 이유는 증류탑 내의 감압에 의한 것이다.

<표 2> 에탄올 농축탑에 대한 전산모사 결과

탑정온도(℃)	78.26	탑저온도(℃)	105.72
응축기 용량(kJ/hr)	2,682,530	재비기 용량(kJ/hr)	2,966,470
탑정 에탄올 순도	86.3 mol%(96..vol%)

에탄올 농축탑을 고효율 충전탑으로 개수하고 탑정증기 직접압축식 증기재압축기를 장착할 경우 단의 수는 30단이 되고 환류비를 2.8로 줄여 운전하면 동일 유량과 동일 순도의 제품을 얻을 수 있는 것으로 계산되었다.  이 때는 탑내 감압이 적어서 탑저의 온도는 101.5℃가 되고 응축기 및 재비기의 용량은 각각 2,265,870kJ/hr와 2,546,290kJ/hr이다.  재비기 내의 전열온도차이를 10℃로 하였을 때 승온폭은 33.2℃가 된다.  폴리트로픽 효율을 95%, 모터의 효율을 70%, 기계적 손실을 10%로 하여 증기압축기의 용량을 계산한 결과 압축비는 2.1, 재비기내의 조건에서 증기의 응축열은 2,134,500kJ/hr이 되어 재비기에 추가해 주어야하는 열량은 411,800kJ/hr이다.  그리고 압축기의 용량은 236,800kJ/hr이다.  재비기에 추가해주어야 하는 열량은 증기의 응축열과 재비기에서 공급해주어야 하는 열량의 차이인데, 이는 원료가 포화액체로 공급되기 때문이다.  원료가 포화증기나 2상으로 공급되면서 증기의 분율이 많을 경우에는 보조 응축기가 필요하다.  스팀을 전기로 변환하는 효율을 33%로 하면 증기 재압축기를 장착한 증류탑의 사용 에너지는 1,068,800kJ/hr가 되어 기존 증류탑에 비하여 60%이상의 에너지를 절감할 수 있는 것으로 계산되었다.  즉, 고효율 충전탑과 증기 재압축기를 동시에 적용하면 에너지 절감효과가 증대되는 것을 알 수 있다.

결론

증류탑 탑정의 증기를 단열압축하여 승온된 증기를 재비기 내에서 응축시키면 증기가 보유하고 있는 잠열을 회수할 수 있으므로 일반적인 증류탑과 비교하여 많은 에너지를 절감할 수 있다.  탑내의 감압이 작고 탑정과 탑저의 온도차이가 크지 않는 증류탑에 증기 재압축 장치를 설치하면 많은 에너지를 절감할 수 있다.  에탄올 농축탑의 경우 기존의 Bubble-Cap Tray를 압력손실이 작은 고효율 충전탑으로 개수하고 증기 재압축기를 장착하면 약 60%의 에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

참고문헌

1.	Humphrey, J. L. and A. F. Seibert, CEP, March, 32-41, 1992.

2.	Becker, F. E. and A. I. Zakak, CEP, July, 45-49, 1985.

3.	조순행 외 57인, 공해저감 에너지공정 기술개발(석유화학공장), 한국에너지     기술연구소, 보고서 KIER-971260, 1997.