SMB (Simulated Moving Bed) 이해

 

PX SMB(Para-xylene Simulated Moving Bed) 공정은 Mixed Xylenes 원료에서 고순도의 파라자일렌 (p-Xylene, PX)을 연속적으로 분리·정제하는 석유화학 산업의 핵심 기술이다. 유사이동층(Simulated Moving Bed) 흡착분리 공정이라고도 하며, 파라자일렌에만 선택적으로 결합하는 흡착제를 사용하여 높은 효율로 PX를 얻어내는 기술이다.

 

분리 대상은 혼합 자일렌 (파라자일렌, 메타자일렌, 오쏘자일렌, 에틸벤젠 등)으로 99.7% 이상 (주로 99.9%)의 고순도 파라자일렌을 회수하며, 회수율은 97% 이상을 달성할 수 있다. 흡착제로는 주로 바륨(Barium) 또는 포타슘(Potassium)이 이온 교환된 X형 제올라이트를 사용하여, 파라자일렌을 선택적으로 흡착하며, 실제로는 고정된 흡착탑(고정상)을 사용하지만, 밸브 전환을 통해 마치 흡착제(고체)가 원료(액체)와 반대 방향으로 이동하는 것처럼 만들어 연속적인 흡착/탈착을 유도한다.

 

파라자일렌(PX), 메타자일렌(mX), 오쏘자일렌(oX)은 비점 차이가 너무 작아 일반적인 증류 방식으로는 고순도 분리가 매우 어렵다. 따라서 끓는점 대신 분자 구조의 차이를 이용, 흡착제를 통해 분리하는 SMB 방식이 상업적으로 널리 쓰이고 있다. 

 

SMB 공정으로 생산된 파라자일렌은 폴리에스테르 섬유, PET병, 필름 등을 만드는 핵심 원료인 테레프탈산(PTA) 생산에 사용되며, PX를 생산하는 상업화된 SMB 공정으로 24개의 흡착탑을 사용하는 UOP Parex Process가 대표적이며 이외에도 IFP Eluxyl, Toray Aromax 등이 있다.

 

이 공정은 석유화학, 정밀화학 뿐만 아니라 생물공학, 제당, 제약 등 다양한 산업 분야에서 혼합물을 분리하는 데 응용되고 있다.

 

 

PX 생산 공정에서 SMB(Simulated Moving Bed, 유사 이동층)의 핵심 운전 원리는 고체 흡착제는 가만히 두고, 원료가 들어오는 입구와 제품이 나가는 출구의 위치를 강제로 옮겨서 마치 흡착제가 움직이는 듯한 효과를 내는 것이다.

 

가장 효율적인 분리는 고체 흡착제와 액체 원료가 서로 반대 방향으로 흐르는 진정한 이동층(True Moving Bed) 방식이다. 하지만 실제로 거대한 고체 입자를 계속 순환시키는 것은 물리적으로 매우 어렵기 때문에, SMB는 이를 밸브 조작으로 흉내내는 것이다.

여러 개의 흡착 베드(보통 24개 전후)가 직렬로 연결되어 있으며 로터리 밸브(Rotary Valve)가 일정 시간마다 시계 방향으로 한 칸씩 돌아가며 원료 주입구와 제품 배출구의 위치를 이동시킨다. 이 위치 이동 속도를 조절하면, 액체의 흐름보다 흡착제가 상대적으로 반대 방향으로 움직이는 것과 같은 효과가 발생하여 파라자일렌(PX)을 연속적으로 분리할 수 있다.

 

전체 공정은 밸브 위치에 따라 크게 4개의 구역으로 나뉜다. 먼저 Adsorption Zone (흡착 구역)은 원료(Mixed Xylene)가 들어와 PX가 흡착제에 달라붙고, 나머지는 흘러 나간다. 두 번째로 Purification Zone (정제 구역)에서는 흡착제에 묻은 불순물을 씻어내어 PX의 순도를 높이며 세번째 zone인 Desorption Zone (탈착 구역)에서는 탈착제(Desorbent)를 넣어 흡착되어 있던 PX를 떼어내 제품(Extract)으로 회수하며 마지막 zone인 Regeneration Zone (재생 구역)에서는 흡착제를 다시 사용할 수 있도록 깨끗하게 비우는 단계이다. 보통 24개의 베드를 4개 구역(흡착, 정제, 탈착, 재생)에 몇 개씩 배분할지 결정하며 예를 들어 5-8-7-4와 같이 배치한다.

 

운전원은 주로 다음 세 가지 운전변수를 조절하여 제품의 순도와 회수율을 관리한다. 먼저 Feed/Desorbent Flow이며 원료와 탈착제의 유량 비율을 조절하며, 로터리 밸브가 한 칸 넘어가는 switch 시간을 조절하고, 시스템 내부 각 구역에서 순환하는 액체의 유량인 recycle flow를 조절한다.

 

PX(파라자일렌) 생산을 위한 SMB(Simulated Moving Bed) 설계는 복잡한 동적 평형을 다루는 과정으로, 단순히 장치를 만드는 것이 아니라 화학적 흡착 특성과 물리적 흐름 제어를 최적화하는 것이 핵심이다.

흡착제(Adsorbent)로는 PX에 대한 선택도가 높은 특수 제올라이트(예: Honeywell UOP의 ADS-47)를 선정하며, 입자 크기와 기공 구조는 확산 속도와 압력 손실에 직접적인 영향을 미친다. 그리고 탈착제(Desorbent)는 흡착된 PX를 효과적으로 밀어낼 수 있는 물질(주로 PDEB나 톨루엔 등)을 정한다.

설계를 단순화하기 위해 고체와 액체가 실제로 반대로 흐른다고 가정한 TMB (True Moving Bed) 모델로 초기 값을 계산하고 성분 간의 흡착 평형 관계를 보여주는 Adsorption Isotherm (흡착 등온선)을 통해 성분별 거동을 예측한다.

 

하드웨어 설계 (Hardware Engineering)로는 고압과 고온(약 180℃, 9 bar)을 견딜 수 있는 Adsorbent Chamber를 설계하고 수많은 배관을 정확한 시간에 열고 닫는 정밀 제어 시스템인 Rotary Valve (또는 유량 제어 시스템)을 설계한다. 예를 들어 UOP의 ACCS이다.

 

실험실 규모(Lab)에서 시작하여 Pilot Plant 시운전을 거쳐 상업용 플랜트로 scale-up을 하면서 최근에는 에너지 절감을 위해 분리와 반응(이성화)을 결합한 SMBR(Simulated Moving Bed Reactor) 설계 연구도 활발하다.

PX SMB 공정의 운전은 수많은 밸브가 정밀하게 맞물려 돌아가는 시퀀스 제어의 정수이며 크게 4단계로 구분된다.

 

준비 및 가온 단계 (Warm-up)로서 먼저 흡착탑과 배관 내 공기를 제거하고 탈착제(Desorbent)를 가득 채우고, 급격한 열팽창으로 인한 흡착제 손상을 막기 위해 시간당 일정 온도로 서서히 온도를 올린다. 로터리 밸브를 구동하기 전, 내부 순환 펌프를 통해 유체 흐름이 안정적인지 확인한다.

 

초기 기동 단계 (Startup)에서는 밸브 시퀀스를 가동하여 로터리 밸브(또는 개별 제어 밸브 시스템)를 작동시켜 Step Time (Switch Time)에 맞춘 흐름 전환을 시작한다. 그리고 시스템이 안정화되면 원료인 혼합 자일렌(Mixed Xylene)을 서서히 투입하고, 내부 농도 분포 (Profile)가 형성될 때까지 대기하되 초기에는 제품의 순도가 낮으므로 Off-spec 탱크로 보낸다.

 

정상 운전 단계 (Normal Operation)에서 운전원은 이른바 삼각형 이론에 기반한 4개 구역의 압력과 유량을 모니터링한다. 각 구역(Adsorption, Purification, Desorption, Regeneration)의 유량비를 목표치에 맞게 유지하고 샘플링 시스템(Apparite 등)을 통해 흡착탑 내부의 성분 분포가 설계된 곡선을 그리는지 확인하며 실시간 분석기를 통해 PX 순도(99.7%이상)와 추출물(Extract) 내 탈착제 농도를 체크한다.

 

비정상 및 정지 단계 (Shutdown)에서는 유량 급변이나 밸브 고장 시 흡착제 층(Bed)의 압력차(Delta P)가 커져 흡착제가 깨지지 않도록 즉시 원료를 차단하는 긴급 정지(ESD)를 하고 정지 전 시스템 내 잔류 원료를 탈착제로 flushing하여 고체 흡착제의 오염을 방지한다.

 

운전의 핵심 팁으로 SMB는 압력 제어가 매우 중요하여 내부 압력이 급격히 변하면 흡착제가 가루가 되어 성능이 급격히 저하되므로, control valve와 같은 정밀한 압력 조절 장치의 상태를 상시 점검해야 한다.

 

PX SMB 공정은 고온·고압의 가연성 액체를 다루며, 특히 고가의 흡착제(Adsorbent) 보호가 공정의 경제성과 직결된다. 설계 및 운전 시 반드시 준수해야 할 안전 주의사항은 다음과 같다.

 

SMB의 핵심인 제올라이트 흡착제는 물리적 충격에 약하다. 펌프 기동이나 정지 시 유량을 급격히 바꾸면 수격 작용(Water Hammer)으로 흡착제가 깨져 가루(Fine)가 되므로 급격한 유량 변화는 피해야 한다. 또한 각 베드 사이의 압력 차이를 실시간 감시하여, 기준치 이상 상승 시 즉시 조치해야 한다. 

거대한 흡착 챔버는 온도 변화에 민감하여 설계된 승온/강온 속도(보통 시간당 20~40℃)를 무시하면 설비의 용접 부위가 파손되거나 내부 구조물이 변형될 수 있어서 열팽창 및 열충격 관리를 해야 한다.

 

로터리 밸브가 단 1초라도 오작동하거나 위치가 어긋나면 전 공정의 농도 분포가 깨질 수 있다. 이는 즉각적인 Off-spec(불량품) 발생으로 이어지므로 정기적인 유압 시스템 점검을 통해 로터리 밸브의 기계적 신뢰성을 유지해야 한다. 

자일렌과 탈착제는 인화점이 낮은 가연성 물질이고 고온(180℃ 내외)에서 운전되므로 작은 누출도 대형 화재로 번질 수 있다. 기밀성 유지와 가스 감지 시스템 등을 통해 누출을 상시 감시해야 한다. 그리고 유체의 흐름 속도가 빠르므로 배관 내 정전기 축적을 방지하기 위한 접지 설계를 해야 한다.

 

원료에 포함된 수분이나 특정 화합물은 흡착제의 수명을 영구적으로 단축시킬 수 있어서 전처리 공정(Clay Filter 등)의 정상 작동 여부를 엄격히 관리해야 한다. 

 

상업적 PX(Para-xylene) SMB(Simulated Moving Bed, 유사이동상) 분리는 제올라이트 흡착제를 채운 다수의 컬럼을 직렬 연결하고 흡착제와 원료 흐름을 주기적으로 교대하여, 혼합 자일렌(MX)에서 PX를 연속적으로 추출하며, 흡착제의 이동을 밸브 스위칭으로 구현한다.

 

실제 흡착제(고체)를 이동시키는 대신, 고정된 컬럼 내에서 입구(Feed, Desorbent)와 출구(Extract, Raffinate) 포트를 일정한 시간 간격으로 회전(Switching)시켜 흡착제가 원료 흐름 반대 방향으로 이동하는 효과를 낸다. 제올라이트 흡착제가 PX(파라-자일렌)에 대해 높은 선택성을 가져, 혼합 자일렌 중 PX를 우선적으로 흡착(Extract)하고, 나머지 자일렌(MX, OX, EB)은 흡착되지 않고 통과(Raffinate)하는 차이를 이용한다. 배치(Batch)식 컬럼 크로마토그래피와 달리 24시간 연속 운전되어 생산성이 높고, 용매(Desorbent) 사용량을 줄여 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 

대표적인 상업적 탈착제로는 파라-디에틸벤젠(p-DEB), 톨루엔, 벤젠 등이 있으며, 주로 흡착제(제올라이트 BaX, KY 등)와 조합하여 사용된다. SMB 시스템에서 탈착제는 흡착된 파라자일렌(PX)을 흡착제 층으로부터 떼어내어 추출물(Extract)로 회수하고, 다시 흡착제를 재생하는 역할을 한다. SMB 기술은 석유화학 산업에서 고순도 PX를 얻기 위해 필수적인 연속 분리 기술로, 흡착제와 탈착제의 친화력 차이를 이용한다.

Discovery of novel zeolites and multi-zeolite processes for p-xylene separation using SMB chromatigraphy

 

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