Gas Dehydration 이란 우리말로 직역하면 "가스 탈수"를 말합니다. 탈수는 특정 물질 안의 물(수분)을 제거하는 것을 말하지요. 따라서 Gas Dehydration 의 정의는 특정 혼합 Gas 성분 안의 물(수분)을 제거하는 공정을 말합니다. 물은 우리에게 없어서는 안될 물질이지만 특정 목적의 Gas 에 혼합된 상태일 경우 상당한 양의 수증기를 포함하고 있습니다. 예를 들면 판매 목적의 천연가스와 판매 물질의 경우 이를 저온 상태에서 수증기로 포화됩니다. 다시 말해 저온 가스로 특정 물질 만 콕 짚어 처리하기 위해서는 이물질로 분류되는 물(수분)을 제거해야 하는 것이지요. 탈수 공정에서 나오는 용어 중에 하나가 바로 Hydrates 입니다. 우리말로 "수화물" 이라고 하며 물이 다른 물질과 결합하여 생긴 화합물로 정의하는데요,
이러한 Hydrates 가 특정 공정 내에서 발생할 경우에는 공정의 처리량과 흐름에 문제를 야기할 수 있습니다. 물의 가스 상태인 수증기 또한 가스 흐름에 있어서 긍정적인 효과를 불러올 수 없기 때문에 불순물로 취급되는 것이지요. 왜냐하면 수증기나 수분은 특정 가스를 생산하는 공정내에 포함되어 있을 경우 공정에서 특정 가스를 냉각하는 과정에서 화합물을 형성하고 침전될 수 있는 고체 상태로 변경되며, 이는 배관 라인에 고착되어 유체의 흐름을 방해하거나 액체 상태가 되었을 때는 부식을 초래하기 때문입니다. 탈수 공정 전에는 천연 가스내에 물이 액체, 수증기 상태로 존재합니다.
탈수 공정 목적
수송관내의 수화물 형성을 방지
부식 방지
판매 목적의 가스의 이슬점 요건을 충족
플랜트 산업의 대표 표준물질인 물이 이렇게 불순물 취급을 받는 것은 가스 탈수 공정이 대표적이라 할 수 있습니다.
가스 탈수 공정은 크게 3가지 단계로 분류 할 수 있습니다.
- 응축수 및 물 제거, - 특정 가스의 분류 - 기타 불순물(이산화 탄소, 황산) 가스 제거
공정 내에서 발생한 수분은 추출돼서 간단하게 처리가 가능하지만 수증기를 제거하는 과정은 간단하지가 않습니다. 이를 위해서 흡착 및 흡수를 사용하게 되며 글리콜(Glycol) 을 사용합니다. 탈수 공정의 대표 주자인 글리콜은 안정적이며 재생이 가능, 비용 또한 경쟁력을 갖고 있는 물질입니다. 아래 4가지 글리콜 중에서도 TEG 는 사용 비중이 높은 것으로 비등점과 증발 손실이 낮고 운영 비용이 낮다는 장점을 갖고 있습니다.
TEG : 트리에틸렌 글리콜
EG : 에틸렌 글리콜
DEG : 디틸렌 글리콜
TREG : 트리에틀렌 글리콜
Gas Dehydration 공정의 이해
아래 그림은 Gas Dehydration 의 개략적인 흐름도 입니다. 이를 통해서 전체 공정의 Mainstream 살펴보겠습니다.
Gas Dehydration PFD - 출처 DXP
** PFD의 흐름은 좌측 터 우측입니다.
Wet Gas In 이라고 적혀 있는 Feed Line 을 통해서 Gas 가 들어옵니다. 그럼 바로 만나는 곳이 Glycol Contactor 라고 하는 탑 내부 입니다. 탑 내부에는 스크러버(Scrubber) 가 단계별로 구성되어 있고 이곳을 통해서 우선적으로 액체 성분을 제거 하게 됩니다. 스크러버는 증류탑과 비슷한 원리로 매쉬망을 특정 가스만 통과하고 액체 상태의 물은 탑 상부까지 이동하는 게 어렵기 때문에 아래로 모이게 되고 이는 탑 하부의 챔버(Chamber) 에 축적됩니다. 일정이상 모이게 되면 이를 감지한 후 Valve 를 열어서 방출하게 되는 것이지요. 이것으로 일차적인 수분(액체)의 제거를 완료 하였습니다. 다음으로 액체 성분이 아닌 수증기 형태의 수분은 가스와 함께 탑 상부로 올라가면서 스크러버에서 글리콜을 만나 흡수(탈수)됩니다. 탑 최 상단에서는 완전히 탈수된 Gas 가 후 공정으로 이송하게 됩니다. (그림에서 Dry gas out) 그리콜은 그림의 우측에 보면 Surge Drum 이라는 곳이 있는데 글리콜이 유입된 후 냉각기에서 냉각돼서 접촉 효율을 올립니다. 이후에 아래쪽의 펌프를 통해서 Glycol contactor 탑으로 보내지게 되는 것이지요.
탈수 공정은 증류탑의 원리와 비슷하게 스크러버를 층층이 두고 글리콜과 접촉을 통해 탈수 후 정제된 가스만 탑 최상단을 통해서 배출하는 것을 주요 흐름이라 할 수 있습니다.
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