게시판 > 질답게시판 > 증류탑의 효율모델에 관하여,,,

스테파노 Stefano

11-04-22 22:02

(1) Distillation Column의 이론단수와 실제단수와의 차이가 발생하는 것은 Equimolar Flow를 가정해서 오는 것도 있겠지만 실제적으로는 한정된 접촉면적과 한정된 접촉시간 내에서 평형에 도달할 수 없기 때문에 발행하는 것이고 Column 내의 Channelling 현상과 상분리가 어정쩡한 물질의 흐름에 의한 Back-mixing 효과등에 의해 효율이 떨어지는 것이겠지요.

질문에서는 Efficiency의 이론적 추정방법과, 실제데이터로부터 추정하는 회귀분석모델을 명확히 구분하지 않고 있는것으로 생각됩니다.

(2) Equimolar Flow라는 의미가 저비점 1몰 증발되면 고비점 1몰 응축된다는 것을 의미하지만 성분의 양이 정확하고 정확한 증발잠열을 고려한다면 계산오차를 줄여서 계산할 수 있고 실제로 Process Simulator 들이 Short-cut이 아닌 Rigorous Calculation을 수행할 때에는 이 계산오차는 (거의)없다고 봐도 될 것입니다.

(3) 문제는 이론단수로부터 실제 필요한 단수를 계산기 위해 적용할 Overall-Tray Efficiency입니다. Tray Efficiency를 이론적으로 추정하는 수식들에대한 연구는 AIChE의 연구비 지원으로 수도없이 많고 AIChE 모델등이 나와 있지만 한마디로 언급하자면..효율들이 80%이상으로 실제 60~70%보다는 너무 높게 나옵니다.

이들 연구들은 실험실에서 연구한 결과로부터 얻어진 것들일 것으로 봅니다. 실험실에서 소형 Glass Column을 이용해서 증류해보면 아주 높은 효율로 증류되어 나오는 것을 경험할 수 있습니다. 그러나 단편적 실험에서 얻어지는 탁상공론들은 실제와 너무도 동떨어진 수치를 논하기 때문에 Professional 세상에는 적용할 수가 없습니다.

(4) 반면, 질문에서 언급한 "Drickamer-Bradford 상관관계, O'Connell 상관관계" 등의 단효율 추정방법은 이론적 바탕은 약하지만 실제의 공장에서 얻어진 데이터를 바탕으로 추정하는 회귀분석 모델들입니다. 전자는 Refinery Column의 실제 운전데이터에 바탕을 두었고 후자는 Refienery의 Hydrocarbon이외의 물질들의 실제데이터도 포함시킨 것이라고 합니다. 따라서 전자는 정유제품 분리에는 잘 맞겠지만 다른 전반적인 물질에 대해서는 적용하기 어렵겠지요.

질문에서는 Efficiency의 이론적 추정방법과, 실제데이터로부터 추정하는 회귀분석모델을 명확히 구분하지 않고 있는것으로 생각됩니다.

(2) Equimolar Flow라는 의미가 저비점 1몰 증발되면 고비점 1몰 응축된다는 것을 의미하지만 성분의 양이 정확하고 정확한 증발잠열을 고려한다면 계산오차를 줄여서 계산할 수 있고 실제로 Process Simulator 들이 Short-cut이 아닌 Rigorous Calculation을 수행할 때에는 이 계산오차는 (거의)없다고 봐도 될 것입니다.

(3) 문제는 이론단수로부터 실제 필요한 단수를 계산기 위해 적용할 Overall-Tray Efficiency입니다.  Tray Efficiency를 이론적으로 추정하는 수식들에대한 연구는 AIChE의 연구비 지원으로 수도없이 많고 AIChE 모델등이 나와 있지만 한마디로 언급하자면..효율들이 80%이상으로 실제 60~70%보다는 너무 높게 나옵니다.

이들 연구들은 실험실에서 연구한 결과로부터 얻어진 것들일 것으로 봅니다.  실험실에서 소형 Glass Column을 이용해서 증류해보면 아주 높은 효율로 증류되어 나오는 것을 경험할 수 있습니다.  그러나 단편적 실험에서 얻어지는 탁상공론들은 실제와 너무도 동떨어진 수치를 논하기 때문에 Professional 세상에는 적용할 수가 없습니다.

(4) 반면, 질문에서 언급한 "Drickamer-Bradford 상관관계, O'Connell 상관관계" 등의 단효율 추정방법은 이론적 바탕은 약하지만 실제의 공장에서 얻어진 데이터를 바탕으로 추정하는 회귀분석 모델들입니다.  전자는 Refinery Column의 실제 운전데이터에 바탕을 두었고 후자는 Refienery의 Hydrocarbon이외의 물질들의 실제데이터도 포함시킨 것이라고 합니다.  따라서 전자는 정유제품 분리에는 잘 맞겠지만 다른 전반적인 물질에 대해서는 적용하기 어렵겠지요.

아우라공장 subi9999

11-04-26 14:39

상세한 답변 감사드립니다.

추가적으로 질문을 하나 드려도 될지 모르겠네요. ^^;

그렇다면 실제적으로 Overall-Tray Efficiency 를 구할 때에는 어떻게 하는지요?

제 말은, 탑을 실제로 설계하기 위해서는 이론적인 단수에 대해 효율을 곱해서 실제 사용할 단수를 결정하잖아요.

그런데 Murphree식에서 보면 [y(i,n+1)-y(i)]/[y(i,n+1)-y(*i)]로 구하잖아요.

실험이나 실제의 탑에서 vapor의 조성을 모르면 효율을 구하지 못하는거 같은데,

실제 설계시에는 실제 단수를 어떻게 추정하는지에 대한 방법이 궁금합니다.

이론과 실제에서 오는 괴리감이 들어서요. 적당한 질문인지는 모르겠지만, 부탁드립니다.

스테파노 Stefano

11-04-26 15:22

인터넷 게시판 등에서 글 올릴 때 불필요한 빈줄을 없애고 주제를 바꿀경우에만 빈줄을 사용하는 습관을 들이도록 하세요.

Column의 전체 효율을 정의하자면.. 다음과 같고..
(Overall Tray Efficiency) ≡ (Theoretical Number of Plates)/(Actual Number of Plates)....(1)

위의 식으로부터 실제단수를 구하는데
(Actual Number of Plates)=(Theoretical Number of Plates)/(Overall Tray Efficiency)....(2)

"효율"은 경험적인 값을 적용합니다. 실제는 이론과는 동떨어진 것이지만 이론값을 기준으로 한 척도를 사용합니다. 실제의 성능이 이론값에 미치지 못하는 이유는 "한정된 자원"을 이용해야만 하기 때문입니다. 이 "한정된"이라는 용어를 사용하는 이유는 (무한대의 시간이 아니고) 정해진 시간과 (무한대의 접촉면적이 아니고) 한정된 접촉면적 내에서 전달현상이 일어나야 하기 때문입니다.

아우라공장 subi9999

11-04-26 16:24

답변 감사드립니다. 경험적인 값으로 적용하지 못한다는 말씀이시군요.
마지막으로 질문 하나만 더 하겠습니다. 이제 남은 궁금증은 이 것입니다.

Q. 현재 각 공장에 만들어져있는 정류탑의 설계는 이전의 경험적인 값들을 이용하여, 실제 단수를 대략적으로 설정하여 만들어 진 것인가요? 아니면 작은 scale의 실험을 통해 비율적으로 늘려서 설정된 값인가요?

우문에 현답을 해주셔서 감사합니다. 마지막 질문 부탁드릴께요.

스테파노 Stefano

11-04-28 21:13

(0) 정해진 제품 규격에서 Column의 단수와 Reflux Ratio(RR)와 상호 관련이 있습니다. 에너지 가격이 낮으면 RR을 높이고 단수효를 작게 하겠지만 에너지 가격이 올라가면 RR를 줄이고 단수를 높이는 것이 경제적입니다. 사업초기에 에너지 가격을 예측하여 최적조건을 논하고 공정기술 평가시 원료 원단위 뿐 만 아니라 에너지 원단위 평가지표를 포함시키는 것은 바로 이 때문입니다.

(1) 실험치를 적용하여 Scale-up을 하되 기술 상업화 초기에는 여유치를 많이 주고 (고쳐 말하면 낮은 효율이 얻어질 것이라고 가정하고 널널하게) 단수를 정하여 제작하지만, 점차로 실제 공장에서 얻어지는 운전 데이터가 얻어지고 나면 자신감이 생겨서 여유치를 점점 낮추어 갑니다.

(2) 어떤 기술이든지 처음에는 여유치가 많도록 설계하지만 점차 기술이 안정화되고 원숙해 지면 더이상 개선의 여지가 별로 엿보이지 않는 것처럼 보이는 상태의 기술로 가다듬어 집니다. 공정기술이 원숙해 지려면 Reference Plant가 많아야 합니다.

(3) 공정전문가들은 이런 공정기술을 "Saturated Technonology"라고 부르는데 뉴앙스는 다음의 두가지를 내포하고 있습니다.
1) 경쟁력이 떨어지는 낡은 기술
2) 공장의 Scale-up이 용이하고 상업화 과정에서 위험이 거의 없는 완벽한 기술

만일 경쟁되는 새로운 기술을 개발한 Licensor라면 상대기술을 1)이라고 매도할 것이지만 공정이 유사하다면 2)로서 경쟁을 하고 Reference Plant가 몇개나 되는지 자랑하면서 기술의 차별화를 강조합니다.

아우라공장 subi9999

11-04-29 10:35

답변 너무 감사드립니다. 정말 모르는게 없으신듯해요! 아직 학생의 신분이지만 너무 많은 도움을 얻는 것 같습니다.
감사드립니다. ^^