Dividing-wall column (DWC, 분리벽형 증류탑) 이해

​

​

Divided wall column은 3개 이상의 product에 대해 높은 효율로 분리하기 위해 증류탑에 dividing wall을 설치하여, 특정 구간을 두 부분으로 나누어 top, bottoms외에 sidecut을 분리할 수 있다.

​​

​

divided wall column과 conventional column은 둘 다 condenser, reboiler가 있지만, 차이점으로는 3개 이상의 multi component를 diveded wall columnm은 내부에 분리벽을 설치하여 하나의 column에서 각각의 성분으로 분리를 하지만 conventioal column은 최소 2개 column이 필요하다. 이러한 차이로 인해 divided wall column의 운전비나 투자비가 낮게 된다.

​

​

​

DWC는 series 혹은 parallel conventional column에 비해 에너지 요구량이 낮고 투자비나 space가 작다. 보통 conventional tower보다 20~30% 투자비가 작다. DWC는 기존 column을 revamping시 주어진 공간을 효율적으로 사용하는 집약적인 설계이다.

​

​

DWC는 simulation과 control에 대한 많은 자료들이 있으며, 이 기술은 매우 다양하여 표준 프로토콜을 develop하기가 쉽지 않다. 특히 가스 플랜트, 납사 스플리터, 리포메이트 스플리터에 많이 적용되어 왔다. benzene, cumene, DIPB를 분리시에도 DWC를 활용할 수 있다. Dividing wall을 어떻게 추가하느냐에 따라 두번째 column추가없이 side cut의 quality를 개선할 수 있다.

​

​DWC 벽 양쪽으로 액체와 기체를 적절하게 분배하기 위해 액체, 기체 분배 장치가 필요하다. 그래서 운전변화가 생길 경우 각각의 분배 비율을 조절한다. 액체분배장치는 액체 조절밸브를 이용하여 쉽게 분배비율을 조절할 수 있다. 분리벽 상부에서 전체 액체양은 동일하게 유지되므로 main fractionation측에 액체 양이 증가하면 pre-fractionation측에서 액체 양이 줄어들게 된다.

​

​

다만 기체 분배장치는 설계시 기체양에 맞추어 설계되고, 조절이 쉽지 않아 이로 인한 효율저하를 만회하기 위해 환류량과 reboiler 스팀 사용량을 증가해야 한다. 혹은 special design internal distributor를 사용하여 hydraulically distribution을 하여 액체, 기체 모두 원하는 비율로 조절할 수 있다.​

​

​1990년대에 BASF에서 NMP를 이용한 BD 추출 공정에 DWC 기술을 적용 및 test를 수행하였다. 즉 classic type은 1,3-BD로부터 더 가볍고 더 무거운 성분들을 분리하는 것이고, 두번째 type은 2개의 column이 dividing wall을 이용하여 하나의 column으로 combine하였다.

​

​

​

​Butadiene 기술

​BASF BD 기술은 solvent로서 NMP를 이용한다. NMP는 BD추출 공정에 사용되는 solvent중 독성치가 낮고 가장 안정적인 solvent이다. BASF 기술은 크게 3개 부분으로 구성되며, 첫 번째는 추출공정으로 BD와의 상대 휘발도가 가까운 성분들을 분리한다. 부탄이나 부텐은 첫 번째 추출 증류탑에서 raffinate로서 분리되고, C4 아세틸렌은 두번째 추출탑에서 분리된다. 두 번째 column은 conventional type으로 13-BD보다 가벼운 메틸 아세틸렌이 분리된다. 또한 13-BD보다 휘발도가 낮은 12-BD, 에틸아세틸렌, C5등은 세번째 distillation에서 분리된다.​

​

​세번째가 solvent degassing으로서 C4가 solvent로부터 분리된다. 이후 lean solvent와 대부분 C4 vapor는 다시 첫번째 추출탑으로 return한다. C4 acetylene이 포함된 약간의 stream이 degassing section에서 분리된다.

 

​

DWC 기술

​아래는 classic dividing wall distillation scheme을 보여주며, 이는 BD 추출 공정의 개념과 동일하고 DWC의 장단점은 아래와 같다.

장점	단점
에너지 소비가 낮음	증류탑 높이가 높음
투자비가 낮음	하나의 운전압력
설비수가 적어 유지관리비가 낮음	차압이 높음
열적 스트레스가 낮음	온도차이가 큼

 

​

​

​Mixing entropy에 따른 에너지 손실이 적고 하나의 feed point에 대해 two column system에 비해 혼합 entropy loss가 최소화되도록 설계하며, BASF BD공정은 이미 효율적인 heat recovery system이 있어서 전체적인 에너지 효율이 높다. 이에 따라 보다 낮은 에너지를 사용하는 DWC을 사용하므로 투자비도 줄일 수 있고 설비 단순화를 할 수 있다. 아래는 3개의 column으로 구성되며 Main Washer, Rectifier 그리고 Afterwasher로 배열되어 있다.​

​

​아래 그림은 동일한 시스템이지만 rectifier와 afterwasher를 결합한 DWC이며 결과적으로 column 하나를 줄이고 rectifier로 보내는 afterwasher bottoms pump를 없앨 수 있다.

​

​

​

아래는 BD plant의 conventional scheme이며 첫번째 column은 13BD로부터 프로핀 (메틸 아세틸렌)을 분리하고, 두 번째 column에서는 13BD로부터 12BD와 heavier를 분리한다.

​

​DWC를 이용하면 아래와 같고 설비 개수와 투자비를 줄일 수 있다.​

​

​전형적인 BD unit는 90~100여개 설비가 설치되며 DWC를 적용하므로서 엔지니어링 비용을 10% 정도 줄일 수 있고 설비비용도 5~8% 줄일 수 있다. 따라서 시공비용도 줄여 결과적으로 전체투자비를 5~8% 줄일 수 있다. 설비 개수가 줄어듬에 따라 유지관리비도 줄일 수 있다.

conventional column

 

Combined column을 적용하여 heat loss와 thermal stress를 줄일 수 있다. DWC를 적용하면 배관이 줄어들어 이를 통한 heat loss도 줄어든다. DWC는 wall을 기준으로 양 쪽이 동일한 압력에서 운전되므로 wall은 비압력 part임에 따라 얇아도 되며 wall에 용접되지 않아 thermal stress를 없앨 수 있다.

​시공하는데 큰 제약조건은 아니지만 증류탑 높이가 커질 수 있다. 아울러 column을 통한 차압이 크고 온도차이가 크다. Top pressure는 각각의 conventional column의 top pressure와 동일하며 DWC의 단수가 더 많아 차압이 크다. 즉 bottom의 압력이 증가하여 온도도 따라서 증가한다. 하지만 약간의 온도가 증가하여도 reboiler fouling에는 큰 영향을 주지는 않는다.

 

 

이러한 장점에도 과거에는 왜 많이 적용하지 않았을까? 그 이유는 하나의 증류탑내에서 설계변수를 최적화하기에 복잡하였다. 아래는 DWC의 여섯 개의 section과 11개의 변수를 보여준다. 최적화하기 위한 변수에 대해 시스템을 simulation하기 위해 보다 정밀한 접근이 필요하다. BASF는 pilot plant 및 lab 분석을 통해 simulation model을 검증하였다.

​

​

​

​

​

설계를 최적화하여 운전 신뢰도를 높이고 DWC의 단점을 최소화할 수 있다. DWC의 적용 범위는 아래와 같다. DWC 직경은 0.6~4m이고, 압력은 0.002~10bar이다. Purity는 ppb범위까지 가능하다. DWC를 최적화하여 BASF는 new BD공정을 개선하였고, 이는 에너지 절감 및 투자비 감소로 이어졌다. 이에 따라 경쟁력있는 BD추출 공정을 갖게 되었다.​

​

​

​

투자비와 운전비 (에너지비용)를 20~50% 절감할 수 있고, 공간을 효율적으로 활용할 수 있다. ternary mixture (예를 들어 BTX 분리)의 분리에 가장 효과적이다.​

​

​

overhead 부분에 설치된 divided wall이며 또다른 type의 DWC이다.​

​

​아래는 DWC installation과정이다.​

​

#DWC#divided_wall_column#분리벽형증류탑#sidecut#revamping#BASF#NMP#13BD#BTX