# 반도체 신너(PGMEA) 증류탑 측류 추출(Side-stream) 운전 방식 및 주의점

본 문서는 반도체 공정용 초고순도 PGMEA 정제 과정에서 사용되는 '측류 추출 방식(Side-stream Draw)'의 원리, 2기 직렬 탑 대비 단점, 그리고 정밀 운전을 위한 최우선 관리 항목에 대해 정리한 엔지니어링 가이드입니다.

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## 1. 측류 추출 운전 방식의 개요 및 목적

단일 증류탑에서 탑 상부(Top) 환류 라인 일부와 탑 하부(Bottom) 리보일러 유량 일부를 제거(Purge/Blowdown)하고, 탑 중간(Middle)에서 제품을 추출하는 이유는 **하나의 증류탑 내에서 PGMEA보다 끓는점이 낮은 물질(경비물)과 높은 물질(중비물)을 동시에 완벽히 분리**하기 위함입니다.

```
                  [ 탑 상부 (Top) ]
            --->  경비물 제거 (수분, 메탄올, PGME 등)
           |      (리플럭스 라인 일부 Purge)
           |
         |===|
         |   |
  Feed   |   | ---> [ 탑 중간 (Middle) ]
 ------> |   |      초고순도 PGMEA 제품 측류 추출 (Side-stream Draw)
         |   |
         |===|
           |
           |--->  [ 탑 하부 (Bottom) ]
                  중비물 제거 (DPGMEA, 금속 불순물, 중합물 등)
                  (열교환 유량 일부 Blowdown)
```

* **탑 상부(Top) 리플럭스일부 제거:** 수분, 메탄올, PGME 등 끓는점이 낮은 가벼운 불순물을 계 외로 배출하여 탑 내 농축 및 제품단으로의 하강을 차단합니다.
* **탑 하부(Bottom) 유량 일부 제거:** DPGMEA, 고분자 중합물, 금속 성분 등 끓는점이 높은 무거운 불순물을 배출하여 리보일러 파울링(Fouling)을 방지하고 기류를 통한 제품단 오염을 방지합니다.
* **탑 중간(Middle) 제품 추출:** 가벼운 물질과 무거운 물질이 모두 최소화된 탑 중간의 '최고 순도 구간(Sweet Spot)'에서 측류로 제품을 뽑아내어 반도체급 스펙을 만족시킵니다.
* **경제적 이점:** 2개의 증류탑을 직렬로 연결하는 대신 1개의 증류탑만 사용하여 설비 투자비(CAPEX) 및 에너지 비용(OPEX)을 극적으로 절감할 수 있습니다.

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## 2. 2개 탑 직렬 연결 방식 대비 단점

측류 추출 방식은 경제성이 우수한 반면, 기술적·운전 측면에서 다음과 같은 명확한 단점과 한계를 가집니다.

### ① 운전 및 제어의 극악한 난이도 (Process Coupling)
* **직렬 방식:** 1번 탑(경비물 제거)과 2번 탑(중비물 제거)의 제어 루프가 독립적입니다.
* **측류 추출 방식:** 모든 운전 변수가 하나로 복잡하게 얽혀 있습니다. 예를 들어, 상부 환류량을 미세하게 조정하더라도 탑 전체의 온도 및 조성 프로파일이 흔들려 중간 제품의 순도가 동시에 출렁이게 되므로 고도의 고급 공정 제어(APC)가 요구됩니다.

### ② 원료 조성 및 공급 조건 변화에 대한 취약성
* 증류탑 내부에서 순도가 가장 높은 '최적의 추출 지점'은 고정되어 있지 않고, 유입되는 원료의 불순물 농도 및 유량에 따라 위아래로 계속 이동합니다.
* 실제 운전 중에는 물리적인 추출단 배관 위치를 바꿀 수 없으므로, 피드(Feed) 조건이 조금만 흔들려도 경비물이나 중비물이 제품단으로 쉽게 유입됩니다.

### ③ 초고순도(Electronic Grade) 달성의 구조적 한계
* 탑 내부의 격렬한 기-액 접촉 과정에서 발생하는 미세한 액적 비산(Entrainment)이나 급격한 증기 흐름으로 인해, 경비물이나 중비물이 제품 측류에 미량 혼입될 위험이 늘 존재합니다.
* ppb(parts per billion) 단위의 극단적인 불순물 제어가 필요한 반도체 최고 등급 품질 관리에서는 안정성 면에서 직렬 방식보다 불리할 수 있습니다.

### ④ 운전 유연성(Turndown Ratio) 저하
* 시장 수요 감소 등으로 인해 공장 생산량을 낮추어 저부하(Low Load) 운전을 할 때, 탑 내부의 유체역학적 균형(기-액 밸런스)이 쉽게 깨집니다. 
* 기류 유속이 떨어지면 상부 불순물이 하강하고, 액체 흐름이 약해지면 하부 불순물이 축적되어 생산량을 줄였을 때 오히려 순도가 저하되는 역설적인 상황이 발생할 수 있습니다.

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## 3. 측류 추출 운전 시 최우선 제어 관리 항목 (우선순위)

단일 측류 추출탑의 운전 성패는 **"탑 내부의 온도 및 조성 프로파일을 설정된 제어 위치에 완벽하게 고정하는 것"**에 달려 있습니다.

### 1순위 | 감도 트레이(Sensitive Tray) 온도의 정밀 제어
* **개념:** 외부 외란에 의해 탑 내부 조성 분포가 흔들리는 것을 막기 위해, 온도가 가장 민감하게 변하는 특정 트레이(Tray)를 지정합니다.
* **조치:** 감도 트레이의 온도를 소수점 단위로 실시간 감시하고, 이 온도와 상부 환류량(Reflux) 또는 리보일러 열량을 연동(Cascaded Control)시켜 탑 전체의 온도 경계선이 위아래로 출렁이지 않도록 묶어두어야 합니다.

### 2순위 | 측류 추출량(Draw Rate)과 내부 물질 수지의 밸런스
* **개념:** 중간에서 제품을 지나치게 많이 뽑아내면(Over-draw), 제품단 아래쪽으로 내려가야 할 액체 환류량이 부족해져 상부의 경비물이 제품단으로 빨려 내려오게 됩니다.
* **조치:** 측류 추출량은 독립 제어하기보다 피드(Feed) 유량 및 상부 환류량과 일정 비율을 유지하도록 비율 제어(Ratio Control)를 적용해야 합니다.

### 3순위 | 피드(Feed) 조건의 외란 원천 차단
* **개념:** 유입되는 원료의 온도, 유량, 조성(수분 등)이 흔들리면 탑 내부 밸런스가 즉시 붕괴됩니다.
* **조치:** 증류탑 전단에 피드 예열기(Preheater)를 설치하여 입조 온도를 항시 일정하게 유지하고, 원료 탱크 내 조성을 균일화하는 완충(Buffering) 시스템을 철저히 관리해야 합니다.

### 4순위 | 물리적 비산(Entrainment) 및 플러딩(Flooding) 방지
* **개념:** 탑 내부의 증기 유속이 임계치를 넘으면 하부의 무거운 불순물(금속, 고분자 중합물)이 기류를 타고 튀어 올라와 제품을 오염시킵니다.
* **조치:** 제품 추출단 하부에 데미스터(Demister) 등 물리적 차단 장치를 점검하고, 탑 내부 차압(Delta P)을 모니터링하여 상한선을 엄격히 통제해야 합니다.


## 4. 데미스터(Demister)와 탑 내부 차압($\Delta P$, Delta P) 관리
 증류탑의 '호흡'을 관리하는 것과 같습니다. 증기가 너무 가쁘게 몰아치면(고차압) 액체를 머금고 위로 튀어 오르고, 너무 숨이 죽으면(저차압) 증류가 안 되니까요.특히 제품단 바로 아래에 있는 데미스터는 무거운 물질(금속, 고분자)이 제품에 튀어 들어가지 못하게 막는 '최후의 방어선'이기 때문에, 이 구간의 차압 관리는 제품 순도와 직결됩니다. 현업에서 이를 어떻게 구체적으로 관리해야 하는지 4가지 핵심 마일스톤으로 나누어 설명해 드릴게요.
 ### 1. 차압($\Delta P$) 관리를 위한 '기본 가이드라인' 수립
 * 차압은 단순히 "몇 $kPa$ 이하다"라고 고정해서 보면 안 됩니다. 탑 내부로 들어오는 가스 유량(Vapor Load)의 제곱에 비례해서 변하기 때문입니다.

 * 정상 운전 맵(Mapping) 작성: 공장 가동률(50%, 80%, 100%)에 따른 정상적인 차압 범위를 먼저 데이터화해야 합니다.
 * 구간별 차압계(DPT) 설치: 탑 전체 차압만 보면 어디가 막혔는지 모릅니다. [하부~측류 제품단] 구간과 [측류 제품단~탑 상부] 구간으로 나누어 차압을 측정해야 데미스터의 이상 여부를 정확히 짚어낼 수 있습니다.
 
 ### 2. '트렌드 분석'을 통한 데미스터 오염(Fouling) 감지
 PGMEA 증류탑 하부에는 고분자 중합물이나 미량의 금속 성분이 모입니다. 이게 데미스터에 야금야금 쌓이면 구멍이 막히기 시작합니다.
 * 장기 트렌드 감시: 피드(Feed) 유량과 리보일러 스팀 공급량이 3달 전과 완전히 같은데도 해당 구간의 차압이 야금야금 우상향하고 있다면, 데미스터가 막히고 있다는 강력한 신호입니다
 * .비산(Entrainment) 발생 징후: 데미스터가 막히면 그 좁아진 틈새로 증기 유속이 칼바람처럼 빨라집니다. 결국 액적을 찢고 위로 올려보내므로, 차압이 오르면서 중간 제품의 금속 성분(Metal)이나 중비물 농도가 같이 튄다면 데미스터 세정(Turnaround) 시점을 잡아야 합니다.
 
 ### 3. DCS 제어 루프 및 인터록(Interlock) 설정
 사람이 24시간 차압계만 볼 수 없으므로 시스템적으로 방어벽을 쳐야 합니다.
 * 차압-스팀 연동 제어 (Override Control): 탑 내부 차압이 관리 기준치(High Warning)에 도달하면, 리보일러로 들어가는 스팀 밸브를 강제로 조여서 증기 유량을 줄이도록 제어 루프를 짭니다.
 * 안전 인터록(HH-Interlock): 차압이 플러딩(Flooding, 액체가 탑 위로 역류하는 현상) 임계치까지 치솟으면(High-High), 즉시 리보일러 스팀을 차단(Trip)하여 탑 내부 트레이와 데미스터가 물리적으로 파손되는 것을 막아야 합니다.
 
 ### 4. 급격한 차압 상승 시 트러블슈팅 (현장 조치)
 만약 차압이 갑자기 튄다면 데미스터가 막힌 게 아니라 운전 조건의 급격한 변화(외란) 때문일 확률이 높습니다.
 
 * 리보일러 과열 확인: 스팀 밸브가 오작동하여 과하게 열렸는지 확인하고, 스팀 량을 줄여 증기 유속을 떨어뜨려야 합니다.
 
 * 피드(원료) 내 가벼운 물질(수분 등) 유입 확인: 원료에 수분이나 메탄올 같은 경비물이 평소보다 많이 섞여 들어오면 하부에서 격렬하게 끓어오르면서(Flash) 순간적으로 차압을 폭등시킵니다. 이때는 피드 유량을 줄이고 상부 Purge를 늘려야 합니다.
 
 💡 엔지니어링 팁데미스터 전후 차압이 정상 범위의 약 1.5배~2배를 넘어가기 시작하면, 증기가 액체를 밀고 올라가는 플러딩이 본격화됩니다. 이때부터는 중간에서 뽑는 PGMEA 제품의 색상이 탁해지거나(Color 튐) 금속 스펙이 깨지기 시작하므로, 품질 분석 주기(Sampling)를 좁혀야 합니다.

 