트레이탑 비말동반 (Entrainment in Tray Columns)

한 줄 정의: 트레이탑에서 상승하는 기체가 액체 방울을 함께 끌고 올라가 상부의 다음 트레이로 옮겨 놓는 현상으로, 분리 효율을 떨어뜨리는 원인이 됩니다.

쉽게 풀면

선풍기 앞에 놓인 분무기에서 물방울이 바람에 날려 엉뚱한 곳까지 튀어가는 것을 상상해 보면 됩니다. 트레이탑에서는 기체가 트레이 위의 액체를 뚫고 올라가면서 작은 물방울들을 함께 튀어 오르게 만드는데, 이 방울들이 위쪽 트레이까지 함께 실려 올라가는 현상을 비말동반이라고 합니다. 이렇게 되면 아래쪽 트레이의 덜 정제된 액체가 위쪽의 더 정제된 액체와 섞여버려서, 마치 일부 물질이 거꾸로 역류하는 것과 비슷한 효과를 냅니다.

왜 중요한가

비말동반은 순도가 낮은 아래쪽 액체 성분이 순도가 높은 위쪽으로 옮겨가는 역혼합을 유발하여 트레이탑의 전체 분리 효율을 떨어뜨립니다. 이 때문에 트레이 설계와 운전 속도를 정할 때는 비말동반을 허용 가능한 수준 이하로 억제하는 것이 핵심적인 고려 사항입니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"Excessive entrainment at high vapor velocities reduced the effective tray efficiency of the distillation column."

높은 증기 속도에서의 과도한 비말동반이 증류탑의 실질적인 트레이 효율을 떨어뜨렸다는 뜻입니다.

"An entrainment correlation was used to estimate the maximum allowable vapor load before flooding."

범람이 시작되기 전 허용 가능한 최대 증기 부하를 추정하기 위해 비말동반 상관식을 사용했다는 의미입니다.

조금 더 깊게 보면

비말동반의 정도는 트레이 간격, 증기 속도, 액체의 물성 및 표면장력에 크게 영향을 받으며, 증기 속도가 높아질수록 급격히 증가하다가 결국 범람으로 이어지는 경향이 있습니다. 다양한 경험적 상관식이 비말동반량을 예측하는 데 사용되며, 이는 트레이탑의 최대 처리 용량을 결정하는 요인 중 하나로 다뤄집니다.

주의할 점

비말동반은 완전히 제거할 수 있는 현상이 아니라 운전 조건과 트레이 설계로 관리하는 대상이며, 지나치게 트레이 간격을 넓혀 비말동반을 줄이려 하면 탑의 전체 높이와 건설비가 함께 증가한다는 상충 관계가 있습니다.