게시판 > 질답게시판 > 응축기 전열면적에 관해

Stefano

09-12-14 11:50

(1) 증발기에서 증발되는 증기 (질문에서 "가스"라는 용어를 사용했는데 이는 옳지 않습니다. 가스는 응축기 온도에서 응축될수 없는 유체입니다. 응축할수 있는 최고의 온도보다 높은 온도에 존재하는 유체가 바로 가스라는 이야기 이지요.)의 온도가 높다는 의미는 i)포화온도보다도 높은 온도고 과열되어있다거나 ii)증발기 압력이 높아 포화온도가 높은 경우로 나누어 볼 수 있는데 과연 어떤 상태인지 확인 바랍니다.

(2) 이중 i)의 경우에는 포화온도로 증기를 냉각시켜주기 위한 "현열"이 더 필요하고 또한 과열증기의 효과로 "열전달계수"가 감소되어 전열면적이 늘어나게 됩니다. 즉 Desuperheating Area와 Condensing Area가 필요한데 전자에 해당하는 면적이 더 필요하지요.

(3) ii)의 경우에는 LMTD가 증가될 뿐 만 아니라 증발잠열도 작아져서 응축열 부하가 줄어들게 됩니다. 따라서 전열면적이 줄어들게 되지요.

Stefano

09-12-14 12:07

두번째 질문에서 산세정은 배관용접 공사 후 배관의 녹과 이물질들을 제거할 목적으로 사용되지만 산으로 씻어주었다고 해서 부식방지를 해주는 것은 아닙니다. 또 산세정은 아주 묽은 산으로 단시간 해주어야 합니다. 그렇지 않으면 관을 부식시켜 관벽을 얇게할 우려가 있습니다.

금속의 표면은 일반적으로 산화물질이 덮고 있는데 그 산화물질의 치밀성, 기계적강도, 관애 유체와의 반응성에 따라 부식으로부터 보호될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다.

철의 경우 붉은 녹에 해당하는 Fe2O3는 치밀도가 떨어지며 약간의 유체흐름에 의해서도 피막이 벗겨지는데 Fe3O4형태의 흑색 산화피막은 치밀하고 녹이 형성되는 것이 억제됩니다. Cr, Ni, 등의 산화피막도 치밀하고 잘 부식되지 않습니다. 이 표면 산화물이 손상되면 관내 부식이 증가할 우려가 있기 때문에 관의 세정시 주의해야 합니다.

산세정 자체가 부식방지하는 것이 아니고 산세정 후 부식방지를 위한 처리를 하거나 아니면 산세정과 동시에 부식방지 역할을 하는 청관제를 사용해야 할 것입니다.

섯부른 산세정은 배관을 손상시킬 수 있으므로 믿음있는 전문업체의 도움을 받도록 하세요.

노른자 shalom1201

09-12-15 15:05

답변 감사합니다. 큰 도움이 되었습니다.

추가로 한가지 더 질문이 있습니다..
Batch식 증류설비를 설치하려고 하는데
1 Batch 용량은 약 65m3이며 물질의 비중은 1.01입니다.

기존의 방식은 증류탑에서 펌프를 이용한 강제 순환 방식으로 증류를 하였으나
물질이 점도도 크지 않으며 fouling유발할 물질도 없고 하여
자연순환 방식으로 증류를 하려고 합니다.

batch 방식이어서 증류조 vessel의 용량이 65m3라 vessel 크기가 조금 큰편이 아닌가 생각합니다.
그래서 자연 순환시 증발기가 vessel 하부에 위치하게 되므로 vessel 하부에 위치한 증발기에서
vessel 상부, 즉 column하부까지 액을 밀어 올릴 수 있을지가 의문입니다.

즉, 질문의 요지는
65m3 batch식 증류설비에서 자연순환 방식을 선택해도 괜찮은지이며 (충분히 밀어올릴수 있는지)
만약 가능하다면 어떤Type의 증발기 및 Vessel을 선택해야 하는지 궁금합니다.

Stefano

09-12-15 22:11

(1) 먼저.. 액을 단순히 증발(Evaporation)시키고자 하는 것인지 아니며 증발된 증기를 Column에 보내서 증류(Distillation)하고자 하는지 궁금합니다. 분리 정제시키고자 하는 물질이 무엇인지 소개도 함께 해 주세요.

(2) Vessel 옆에 Reboiler식 열교환기를 둔다면 Vertical 형을 두는 것이 순환에 좋을 것인데 액이 Reboiler에 들어와 기-액 혼합물로 되어 다시 Vessel로 들어간 후 Condenser에 연결되어 응축만 한다고 하면 증발된 증기를 압축하여 다시 Reboiler의 가열 매체로 사용하는 방법도 있습니다. 증류탑을 둔다고 해도 이 방법을 사용하면 에너지가 크게 절감되지요..

(3) 구체적인 방법은 나중에 자세히 설명하도록 하고 우선 (1)에 대한 설명을 먼저 답글로 올여주세요.

노른자 shalom1201

09-12-16 10:07

네. 그럼 자세한 설명을 하자면

(1) batch식 증류 설비를 검토하고 있으며 증류조(vertical cylindircal vessel) 상부에 column이 부착되어 있어서 증류조에서 Reboiler를 거쳐 기액 혼합액이 Column최하부로 유입되어 증기는 Column으로 유입되어 column을 거쳐 응축기에서 응축되어 회수되며, 증발이 안된 액체는 증류조로 회수되는 방식입니다.
증류하고자 하는 물질은 LCD 패널 제조에 사용되는 알콜계,아민계 Solvent 혼합물로 Solvent에 혼합된 수분 및 metal류 불순물을 제거하는 공정입니다.

(2) stefano님의 답변을 듣고 궁금한 점이 생겼습니다.
보통 증류설비시 column을 거친 증기를 냉각수를 이용하여 응축하는데, 증류시 원료를 끓는점까지 올려야 하므로
응축기 전단에 pre-heater를 사용해 원료 온도를 높이고 응축에 사용될 냉각수 부하도 줄일 수 있을 거 같은데
그렇게 사용하는 곳이 거의 없는 듯 합니다. (일반 공정도를 보면 대부분 없습니다.)
reboiler로 투입되는 원료 온도를 높여도 충분히 에너지 손실을 줄일 수 있을 것 같은데 왜 그렇게 사용하지 않는지
궁금합니다.

스테파노 Stefano

09-12-17 11:55

(1) 혼합물로부터 하나의 증류탑(Column)의 증류탑을 사용해서 분리할 수 있는 물질은 하나 뿐입니다. 수분과 금속류 분순물을 Bottom으로 그리고 나머지는 모두 Top Distillate로 얻으려는 것으로 보입니다. 그런데 금속류가 수용성 금속염인지 금속조각인지 모르겠으나 금속조각류라면 여과시킨 다음 증류탑에 투입하는 것이 장치운전 중 어려움을 해소할수 있습니다.

(1) Vertical Cylindrical Vessel이 Reboiler역할을 하도록 하려면 내부에 Coil을 삽입하거나 Jacket로 가열하는 방법이 있으나 전열면적이 부족하다면 열교환기식 Reboiler를 두어야 할 것입니다. 점도가 높지 않으면 자연순환식 Vertical Reboiler나 Kettle식 Reboiler를 사용하면 될 것 같습니다.

(2) 현재까지 사용되어온 증류탑은 주로 Reboiler에 Steam을 사용해 가열하고 Condenser에서는 Cooling Water를 사용해서 냉각하는 방식이 사용되어 왔습니다. 전세계 에너지 가격이 점점 높아져 앞으로는 이런 "Conventional" 증류탑은 2020년 정도면 완전히 사라질 것입니다.

증류탑 상부로 증류되어 나오는 Vapor가 가진 잠열을 그냥 냉각수로 냉각시키고 냉각수는 일부 증발시켜 수증기로 대기중으로 내버릴 그런 낭비는 앞으로는 사라지게 될 것이라는 이야기 입니다. 실제로 그런 움직임이 1,2차 에너지 파동을 겪은 후 더욱 에너지 절감 공정에 관해 연구되고 실용화에 적용되고 있습니다 . 이론적으로 이미 확립되어 있는 데 널리 상용화 되지 않았던 Heat Pump 원리는 증기를 압축시켜 Reboiler에 사용하도록 하는 것인데 농축장치에 이미 사용되어오고 있습니다.

초기 투자비는 높지만 운전경비를 획기적으로 줄이려면 Vapor의 잠열이나 Distillate의 현열을 이용해서 Feed를 가열하거나 Vapor를 압축해서 Reboiler에서 가열매체로 사용합니다. 현재까지의 일반 공정도에서는 좀처럼 보기 어려웠었겠지만 Multi-effect Evaporator 등에 이미 사용하여오고 있고 증류탑에서도 사용되고 있습니다.

(3) 쉽게 적용하지 않았던 이유는 (1) Overhead Vapor를 응축시키는데 냉각시켜야 할 열량은 Feed를 예열하기에는 너무 큰 이유가 있고 (2) Driving Force를 의미하는 온도차가 낮았기 때문이지요. (Column Top의 Vapor의 온도는 Reboiler 온도보다 낮아서 사용할 수 없기 때문에 Vapor를 압축하여야 겨우 Reboiler 온도보다 높일 수 있습니다.) (3)그리고 Vapor를 압축할 때 잘못하면 압축기 내에서 응축이 일어나 압축기가 파손될 우려도 있고 온도가 올라갈 우려도 있기 때문입니다. (4) 앞의 2가지 문제를 해결하기 위해 다른 (Freon 같은)Fluid Medium을 사용해서 사용해야 하는데 돈이 든다는 이야기 입니다. 그러지 않아도 열교환기나 압축기 등이 더 설치되어야 하므로 초기 투자비가 높겠지요.

그러나 앞으로 에너지 소모가 적은 시스템을 설치하지 않으면 안되는 시대가 다가오고 있습니다. 엔지니어는 항상 새로운 기술에 눈뜨고 있어야 하지 대학시절 잠깐 배운 실력만을 울궈 먹다(?)간 40도 못되어 쓸모없는 폐인이 되어 버립니다.

(1) Vertical Cylindrical Vessel이 Reboiler역할을 하도록 하려면 내부에 Coil을 삽입하거나 Jacket로 가열하는 방법이 있으나 전열면적이 부족하다면 열교환기식 Reboiler를 두어야 할 것입니다.  점도가 높지 않으면 자연순환식 Vertical Reboiler나 Kettle식 Reboiler를 사용하면 될 것 같습니다.

(2) 현재까지 사용되어온 증류탑은 주로 Reboiler에 Steam을 사용해 가열하고 Condenser에서는 Cooling Water를 사용해서 냉각하는 방식이 사용되어 왔습니다.   전세계 에너지 가격이 점점 높아져 앞으로는 이런 "Conventional" 증류탑은 2020년 정도면 완전히 사라질 것입니다.

증류탑 상부로 증류되어 나오는 Vapor가 가진 잠열을 그냥 냉각수로 냉각시키고 냉각수는 일부 증발시켜 수증기로 대기중으로 내버릴 그런 낭비는 앞으로는 사라지게 될 것이라는 이야기 입니다.  실제로 그런 움직임이 1,2차 에너지 파동을 겪은 후 더욱 에너지 절감 공정에 관해 연구되고 실용화에 적용되고 있습니다 .   이론적으로 이미 확립되어 있는 데 널리 상용화 되지 않았던 Heat Pump 원리는 증기를 압축시켜 Reboiler에 사용하도록 하는 것인데 농축장치에 이미 사용되어오고 있습니다.

초기 투자비는 높지만 운전경비를 획기적으로 줄이려면 Vapor의 잠열이나 Distillate의 현열을 이용해서 Feed를 가열하거나 Vapor를 압축해서 Reboiler에서 가열매체로 사용합니다.  현재까지의 일반 공정도에서는 좀처럼 보기 어려웠었겠지만  Multi-effect Evaporator 등에 이미 사용하여오고 있고 증류탑에서도 사용되고 있습니다.

(3) 쉽게 적용하지 않았던 이유는 (1) Overhead Vapor를 응축시키는데 냉각시켜야 할 열량은 Feed를 예열하기에는 너무 큰 이유가 있고 (2) Driving Force를 의미하는 온도차가 낮았기 때문이지요.   (Column Top의 Vapor의 온도는 Reboiler 온도보다 낮아서 사용할 수 없기 때문에 Vapor를 압축하여야 겨우 Reboiler 온도보다 높일 수 있습니다.)  (3)그리고 Vapor를 압축할 때 잘못하면 압축기 내에서 응축이 일어나 압축기가 파손될 우려도 있고 온도가 올라갈 우려도 있기 때문입니다. (4) 앞의 2가지 문제를 해결하기 위해 다른 (Freon 같은)Fluid Medium을 사용해서 사용해야 하는데 돈이 든다는 이야기 입니다.  그러지 않아도 열교환기나 압축기 등이 더 설치되어야 하므로 초기 투자비가 높겠지요.

그러나  앞으로 에너지 소모가 적은 시스템을 설치하지 않으면 안되는 시대가 다가오고 있습니다.   엔지니어는 항상 새로운 기술에 눈뜨고 있어야 하지 대학시절 잠깐 배운 실력만을 울궈 먹다(?)간 40도 못되어 쓸모없는 폐인이 되어 버립니다.

노른자 shalom1201

09-12-17 15:56

stefano님의 조언 감사합니다. 늘 공부하는 engineer가 되어야겠군요.

답변주신 것에 참고로 설명을 덧붙이자면

(1)에서 메탈이란 것은 금속조각이 아니라 수용성 금속이온입니다. 그리고 하나의 증류탑에서 하나의 물질만을
분리할 수 있으므로 끓는점이 가장 낮은 수분을 1차로 증류하여 따로 회수하고 그다음 우리가 회수하고자 하는
Solvent를 회수합니다. 목표로한 회수량을 회수하면 운전을 종료하고 나머지 잔량, 즉 끓는점이 가장 높은 metal
물질이 포함된 잔액을 폐액탱크로 보내고 다시 새원료를 투입하여 운전하는 batch식 운전입니다.

현재는 점도가 낮은데도 증류조(vessel) 에서 펌프를 이용해 리보일러로 보내어 기액 혼합물을 만들어 증기는
칼럼으로 보내고 액체는 증류조로 되돌아 오는 방식인데 증류조 부피가 약 65m3이고 높이가 약 6m 정도 되는데
연속식은 충분히 가능한데 batch식이어도 펌프 없이 자연순환 증류가 가능할 지 궁금합니다.

증류조 아래에 리보일러를 설치하고 중력으로 액이 리보일러로 유입되는데 그러면 리보일러에서 증기로 나오는
배관이 증류조 상부와 연결되어 동압이 되기 때문에 리보일러에 액이 가득차 리보일러 증기 배출배관, 즉 칼럼 하부
로 연결되는 배관과 동일 수면으로 액이 가득차서 결국 캐틀식이나 다름없을 것 같습니다.

따라서 batch 식이라면 캐틀 내부에 액이 일정하게 유지되는 연속식이 아닌 점점 액이 감소하는 batch 식이라
자연순환 증류가 불가능할 것 같다는 게 제 생각입니다.

스테파노 Stefano

09-12-18 15:47

(1) Thermo-siphon Reboiler는 Column Sump의 액이 Reboiler 하부로 유입되어 Reboiler에서 일부 Vapor로 되고 나머지는 Liquid로 남아 Two-phase 상대로 Column Sump로 유입됩니다. Sump에 들어오면 Vapor-Liquid가 분리되어 Vapor만 Column 으로 상승하게 됩니다.

(2) 질문의 핵심은 이 Vessel이 Column Sump 역할을 하도록 하고 Reboiler를 두었을 때 액면이 낮아지면 액의 순환이 이루어질 수 있을까? 라는 내용일 것으로 봅니다.

이에 대한 답변은 다음 세가지입니다.
1) Reboiler는 Thermo-siphon Flow가 이루어지도록 Sump의 액면과 Reboiler의 출구 액면의 높이가 같아지도록 해야 합니다. Reboiler 출구에서 Vapor만 배출되도록 해서는 액의 순환은 이루어지지 않기 때문에 Reboiler 출구 액면이 Sump 액면에 완전히 잠겨있어야 된다는 뜻이지요.

Circulation Rate는 Sump와 Reboiler 내부의 Density 차에 의해 자연히 결정됩니다. 점도가 높지 않으면 펌프를 사용하지 않아도 자연순환이 이루어지지만 Sump와 Reboiler 액면이 따로 따로 분리된채로 있을 경우에는 Reboiler 출구는 Vapor만 흘러나가게 되어 액의 순환은 이루어지지 않습니다.

액의 순환원리는 다음의 압력(Head) Balance로 나타냅니다.
액의 순환 유량조건에서의 Thermo-siphon Loop에 걸리는 전체의 압력차(Head Loss) = Sump측과 Reboiler측 Density 차에 의한 압력차(Head Differencw)

2) Reboiler의 표면은 액에 완전히 잠겨 있어야 합니다. Kettle식 Reboiler에서 Weir를 두는 이유가 액이 완전히 잠기도록 하기 위함이지요. 그렇지 않으면 Reboiler 표면에서 과열현상과 Film Boiling 현상이 일어나 열분해 혹은 변질이 일어나 Fouling이 심해지고 열전달 계수가 크게 줄어들게 됩니다.

3) Two-phase 액의 순환이 잘 이루어지지 않으면 열전달 계수는 크게 줄어들게 됩니다.

(3) 따라서 Batch식으로 운전되려면 Liquid 액이 최소가 될 때에도 Reboiler는 완전히 액에 잠길 뿐 만 아니라 Reboiler 배출관이 Vessel 액면 이하에 잠길 수 있도록 해 주어야 합니다.

(4) 운전방식이 저비점으로부터 고비점 순으로 분리해 내고 고비점 물질을 최종적으로 배출하는 방법으로 운전된다고 해도 원료를 연속적으로 투입하면서 저비점 물질부터 분리해 낼 수 있습니다.

그러나 증류되어 나오는 증기의 순도유지를 위해서는 환류비를 늘여가다가 성분이 바뀔때 환류비를 최대로 늘여주지 않으면 증류제품 성분의 순도를 맞출 수가 없습니다. 이럴 때 환류비를 무한증가시키는 것 보다는 증류되어 나오는 물질이 바뀔 때 순도가 떨어지는 부분은 따로 받아두고 모아서 다시 증류하는 것이 경제적일 것입니다. 여러 성분이 혼합되어 있다면 중간증류품을 각각 모아두기 어려운 경우도 있으므로 1) 성분의 함량 2)요구순도 등을 고려하여 최적점을 찾을 필요가 있습니다.

(5) Kettle 식 Reboiler인 경우에 액이 Weir를 넘쳐흘러 다시 Vessel에 흘러가도록 하면 액에 완전히 잠길수 있는Vercical Thermo-siphon 만큼의 액의 흐름이 보장되지는 않지만 어느 정도 액의 흐름이 이루어질 수 있습니다. 액의 순환이 잘 이루어지도록 하려면 기-액 혼합물 상태로 Reboiler를 떠나도록 해야합니다. Vessel 따로 Reboiler 따로 액면만 유지되는 상태라면 액의 순환이 거의 되지 않는 상태로 운전되기 때문에 전열효율이 떨어집니다.

(2) 질문의 핵심은 이 Vessel이 Column Sump 역할을 하도록 하고 Reboiler를 두었을 때 액면이 낮아지면 액의 순환이 이루어질 수 있을까?  라는 내용일 것으로 봅니다.

이에 대한 답변은 다음 세가지입니다.  
1) Reboiler는 Thermo-siphon Flow가 이루어지도록 Sump의 액면과 Reboiler의 출구 액면의 높이가 같아지도록 해야 합니다.  Reboiler 출구에서 Vapor만 배출되도록 해서는 액의 순환은 이루어지지 않기 때문에 Reboiler 출구 액면이 Sump 액면에 완전히 잠겨있어야 된다는 뜻이지요.

Circulation Rate는 Sump와 Reboiler 내부의 Density 차에 의해 자연히 결정됩니다.   점도가 높지 않으면 펌프를 사용하지 않아도 자연순환이 이루어지지만 Sump와 Reboiler 액면이 따로 따로 분리된채로 있을 경우에는 Reboiler 출구는 Vapor만 흘러나가게 되어 액의 순환은 이루어지지 않습니다.

액의 순환원리는 다음의 압력(Head) Balance로 나타냅니다.  
액의 순환 유량조건에서의 Thermo-siphon Loop에 걸리는 전체의 압력차(Head Loss) = Sump측과  Reboiler측 Density 차에 의한 압력차(Head Differencw)

2) Reboiler의 표면은 액에 완전히 잠겨 있어야 합니다.  Kettle식 Reboiler에서 Weir를 두는 이유가 액이 완전히 잠기도록 하기 위함이지요.   그렇지 않으면 Reboiler 표면에서 과열현상과 Film Boiling 현상이 일어나 열분해 혹은 변질이 일어나 Fouling이 심해지고 열전달 계수가 크게 줄어들게 됩니다.

3) Two-phase 액의 순환이 잘 이루어지지 않으면 열전달 계수는 크게 줄어들게 됩니다. 
 
(3) 따라서 Batch식으로 운전되려면 Liquid 액이 최소가 될 때에도 Reboiler는 완전히 액에 잠길 뿐 만 아니라 Reboiler 배출관이 Vessel 액면 이하에 잠길 수 있도록 해 주어야 합니다.

(4) 운전방식이 저비점으로부터 고비점 순으로 분리해 내고 고비점 물질을 최종적으로 배출하는 방법으로 운전된다고 해도 원료를 연속적으로 투입하면서 저비점 물질부터 분리해 낼 수 있습니다.

그러나  증류되어 나오는 증기의 순도유지를 위해서는 환류비를 늘여가다가 성분이 바뀔때 환류비를 최대로 늘여주지 않으면 증류제품 성분의 순도를 맞출 수가 없습니다.   이럴 때 환류비를 무한증가시키는 것 보다는 증류되어 나오는 물질이 바뀔 때 순도가 떨어지는 부분은 따로 받아두고 모아서 다시 증류하는 것이 경제적일 것입니다.   여러 성분이 혼합되어 있다면 중간증류품을 각각 모아두기 어려운 경우도 있으므로 1) 성분의 함량 2)요구순도 등을 고려하여 최적점을 찾을 필요가 있습니다.

(5) Kettle 식 Reboiler인 경우에 액이 Weir를 넘쳐흘러 다시 Vessel에 흘러가도록 하면 액에 완전히 잠길수 있는Vercical Thermo-siphon 만큼의 액의 흐름이 보장되지는 않지만  어느 정도 액의 흐름이 이루어질 수 있습니다.   액의 순환이 잘 이루어지도록 하려면 기-액 혼합물 상태로 Reboiler를 떠나도록 해야합니다.   Vessel 따로 Reboiler 따로 액면만 유지되는 상태라면 액의 순환이 거의 되지 않는 상태로 운전되기 때문에 전열효율이 떨어집니다.

노른자 shalom1201

09-12-19 10:08

네..많은 도움이 되었습니다. stefano님 감사합니다.