솔벤트 증기 응축

지난달에는 증류기에서 솔벤트를 가열하는 걸 다뤘다. 이달에는 증류 공정의 나머지 반쪽, 응축(condensation)에 대해 알아본다.

솔벤트 증기 응축

1. 증류기 콘덴서

증류기 안의 솔벤트가 충분히 가열돼 증기가 되면, 뜨거운 솔벤트 증기가 라이더(riser)라 불리는 커다란 파이프를 타고 올라가 증류기 콘덴서로 간다. 증류기 콘덴서는 원통형 용기 안에 뱀처럼 꼬여 있는 코일이 들어있다. 이 코일은 증류기 콘덴싱 코일이며 그 안으로 차가운 액체가 흐른다. 이는 주로 물 또는 물-글리콜 혼합액이다. 이 액체를 냉각수(coolant)라고 부른다. 냉각수로 코일의 표면 온도를 차갑게 만들면 뜨거운 솔벤트 증기가 (목욕탕 거울에 김이 서리듯) 코일 표면에 액체로 맺히게 된다. 솔벤트 응축 과정에서 흔히 발생하는 문제는 응축액이 뜨거울 때 뜨는 에러 컨디션이다.

증류기 콘덴서의 성능은 다음 세 가지에 달려 있다.

▲ 콘덴서 코일로 지나가는 냉각수 압력
▲ 냉각수 온도
▲ 열전도 표면

이러한 변수를 이용해 증류 과정에서 발생하는 문제를 어떻게 해결하는지 알아보자.

증류기 콘덴서에서 발생하는 흔한 문제로 다음과 같은 것들이 있다.

1. 낮은 냉각수 압력 – 증류기 콘덴서에서는 냉각수 입구와 출구 사이에 적어도 15~30psi 차이가 있어야 한다. 압력 차가 충분하지 않으면, 냉각수 입구 온도는 괜찮은데, 콘덴서에서 나가는 냉각수 그리고 응축액이 너무 뜨겁게 된다.
2. 막힌 냉각수 거름망 – 일부 머쉰 중에는, 특히 증류기 콘덴서로 가는 냉각수 회로가 따로 있는 모델에는, 대개 거름망이 달려 있다. 이 거름망이 막히면, 뒤에서 언급한 물 조절 밸브 문제와 유사한 문제가 생긴다. 만일 응축 시 문제가 생기면, 일단 모든 액체 거름망을 살펴보는 게 현명하다.
3. 내부 스케일 – 증류기 콘덴싱 코일로 액체가 통과하다 보면 그 안에 스케일이 붙을 수 있다. 스케일이 생기면 냉각수 흐름이 방해받을 뿐 아니라 단열재 역할을 해 솔벤트 증기를 효율적으로 식힐 수 없게 된다. 그 결과 내려오는 솔벤트 양이 줄어들 뿐 아니라, 솔벤트가 응축액에 따라 오는 물과 분리가 잘 안 된다 (이것 역시 뒤에서 다룬다). 스케일 문제는 냉각수 입구와 출구 온도를 보면 알 수 있다. 증류가 한참 진행되고 있을 때 두 온도는 최소한 몇 도 이상 차이가 나야 한다. 만일 콘덴싱 코일에서 나가는 냉각수 온도가 실제로 뜨겁다면, 대개 물 조절 밸브 문제이거나, 거름망이 막힌 것이다. 코일 내 스케일은 그 안으로 스케일 제거제를 순환시키면 비교적 쉽게 제거할 수 있다.
4. 높은 냉각수 온도로 인한 작동 비효율 – 만일 냉각수 온도가 높으면 응축액 양이 줄뿐 아니라 온도 또한 높아진다. 이렇게 되면 워터 세퍼레이터에서 유수 분리가 잘 안 된다. 그 결과 솔벤트 내 수분 함량이 높아진다. 냉각수 온도는 입구 온도를 측정해 기계 매뉴얼에 나온 권장 온도와 비교하면 된다.
5. 물 조절 밸브 고장으로 인한 작동 비효율 – 증류 시스템은 대부분 증류기 콘덴서 물 조절 밸브(water modulating valve)라고 불리는 온도로 조절되는 밸브를 갖고 있다. 이 밸브는 증류기 콘덴싱 코일로 들어가는 냉각수 양을 조절해 물 낭비를 막고 응축액의 온도도 조절한다. 이 밸브는 기계에 따라 증류기 콘덴서 냉각수 관의 입구 또는 출구 쪽에 달려 있다. 이 밸브는 냉각수 온도가 오르면 더 크게 열려 더 많은 냉각수가 콘덴싱 코일을 식히게 한다. 만일 응축액 또는 냉각수 출구 온도가 너무 높다면, 그런데 냉각수 입구 온도는 OK라면, 십중팔구 이 밸브나 거름망이 막힌 것이다 (물 조절 밸브에 손대기 전에 냉각수 거름망부터 점검한다).
6. 막힌 증류기 콘덴서 입구 또는 증류기 콘덴서 코일 표면에 쌓인 불순물 – 드물지만, 특히 증류기가 한 번 끓어 넘쳤으면, 증류기 라이저 파이프 출구에 불순물이 쌓여 솔벤트 증기가 증류기 콘덴서로 들어오지 못할 수 있다. 드물지만 이렇게 되면, 증류 속도가 뚝 떨어졌는데, 콘덴서 냉각수 입구 온도도 정상이고, 출구 온도와 차이가 나지 않는다. 만일 막힌 정도가 심하다면 증류기 압력 방출 밸브가 열리면서 솔벤트 증기와 응축액이 밸브 주변에 고이게 된다. 증류기가 끓어 넘치면 또한 증류기 콘덴서 코일에 불순물이 쌓일 수 있다. 그러면 솔벤트 증기의 온도가 코일 표면으로 제대로 전달되지 못해 증류가 잘 안 된다. 이를 청소하려면 대개 콘덴서 하우징을 풀어야 한다.

자, 이달은 여기까지다. 다음 달에는 증류기 응축 시스템에 달린 안전장치를 알아본다.