게시판 > 질답게시판 > 회수타워 운전 상부 Reflux 문의

Stefano

18-12-26 18:55

MC, Methanol, HCl, 물이 함께 섞여있는 혼합물을 분리하기 위해 Stripping용 Steam을 Column 하부에 직접주입하여 Top으로 원하는 물질을 분리하고 Bottom으로는 폐수만 남도록 하기 위한 목적으로 운전하는 것 같습니다.

시스템 설명은 대충되어 있고 상부온도를 낮게 유지하기 위해 Reflux 유량을 늘였더니 원하는대로 상부온도가 떨어졌습니다.
그리고 뭔가 다른 결과를 얻었다고는 하지만 질문의 핵심이 명확하지 않습니다.

Column의 운전원리와 목적이 무엇이고 궁금한 사항이 구체적으로 무엇인지 보충설명하여 질문바랍니다.

코코봉봉 kkbrkd1

18-12-27 08:10

Column의 운전원리는 끓는점 차를 이용해 상부로는 MC와 메탄올 그리고 약간의 물을 회수하고
하부로는 HCl 용액만 폐수로 보냅니다.
말씀하신대로 30m 높이의 패킹 타워로 하부에서 steam Stripping하여 분리합니다.

궁금한사항은 동일 feed, steam에서 상부 온도가 전보다 떨어졌을때(108도 → 93도)
Reflux 유량이 주는 일이 가능한가 입니다.
상부 조성이 바뀌었다 하더라도 기존 메탄올 50%/물 50%, 현재 메탄올 85%/물 15%인데
Reflux 유량이 줄었습니다.

Stefano

18-12-27 11:10

(1) 일반적으로 증류탑 상부의 온도는 Reflux 액과 상승하는 증기간의 기-액 평형으로 인하여 정해집니다. 따라서 Reflux를 늘여 저비점 물질의 성분 농도를 높여주면 온도는 내려갑니다. Reflux Ratio를 줄이면 저비점 농도가 낮아지고 고비점 농도가 높아져 상부온도가 올라가게 되지요.

(2) 질문 내용이 <상부 온도가 떨어졌는데도 왜 Reflux Ratio가 줄었는 가?>라는 질문인데

정상운전상태에서 상부온도가 떨어졌다는 의미는 (Reflux Ratio 고려하지 않아도) 저비점 농도가 높아졌다는 의미가 됩니다. 따라서 상부온도가 떨어져 Reflux Ratio를 줄여 운전해도 Column 성능에 문제가 없이 운전되고 있는 상태가 됩니다.

조건 변경후 Methanol 성분 농도가 높아졌기 때문에 Column 성능이 크게 개선된 상태에 해당합니다. 지극히 정상인 것이지요.
따라서 <<상부 온도가 떨어졌는데도 왜 Reflux Ratio가 줄었는 가?>의 질문의 인과관계 순서를 바꾸어 질문하자면 <Reflux Ratio를 줄였는데도 상부온도가 떨어질 수 있는가?> 라는 질문이 되는 것이고 이에대한 필자의 답은

<그간 Reflux Ratio를 너무 높게 운전해 왔었던 것 같다> 와 <Reflux Ratio를 줄여 운전하여도 성능에 지장이 없다면 더 줄일수 있는지 최적점을 찾아야 할 것 같다>라는 답변입니다.

(3) 여기서 중요한 요소는 <현 Stripping Column의 Reflux Ratio를 무엇이 Control 하고 있느냐>는 것입니다. Reflux Ratio는 당연히 Column Overhead 성분을 맞추기 위해서 유지해야 할 요소인데 흔히 <Top 저비점 성분>이 아니고 <Column Top 온도>를 맞추기 위해 조절하는 방법으로 되어 있는 경우가 많습니다.

추측하건데 <Column Top온도가 떨어지면 Reflux를 줄이도록 제어계가 설계된 것> 같아보입니다. 반드시 확인해 보세요. 만일 그렇다면 너무나도 당연히 그런 현상이 나타나겠지요.

(4) Column Top의 성분농도가 아주 중요한 경우에는 Distillate의 저비점 농도를 분석해 봐서 Reflux 유량을 조절하는 방법을 사용하는데 미세한 저비점 성분의 변화에도 큰 관심을 가져야하는 정제탑같은 경우에는 (관심을 두는 저비점 농도 변화 구간에서는) Top 상부의 온도가 큰 차이를 보이지 않아서 (온도조절 방식으로 운전하기 어렵고) Reflux Ratio를 고정으로 운전하도록 유량을 고정하여 운전하게 됩니다.

그러나 질문과 관련된 System은 일반적인 증류탑과는 달리 Bottom에 잔류하는 저비점 물질 제거용 Stripper로 운전되기 때문에 Bottom의 성분 농도가 더욱 중요할 뿐만 아니라 질문의 System처럼 Bottom으로 유효물질의 손실이 일어나지 않고 폐수처리 부하를 줄여주는 목적으로 사용됩니다. 따라서,

Reflux에 의한 Top 온도나 Top Distillate의 성분도 중요하겠지만 Bottom 잔류 성분의 양이 더욱 중요한 Column이 됩니다 .

(5) 특히 해당 Column에서 MC가 Noncondensable 성분으로 작용하고 있는 경우에는 Top Condenser가 Partial Condensing으로 운전되고 있어서 Reflux Ratio 뿐만 아니라 Stripping Steam을 늘이고 줄임에 따라 Column Top의 온도도 크게 흔들리는 속성을 가지고 있습니다.

Partial Condenser는 일부 성분이 응축되지 않고 Condenser를 빠져 나가도록 운전되는 열교환기입니다. 따라서 운전조건이 Total Condenser에 비하여 온도 변동폭이 훨씬 큽니다. Condenser 는 CW로 운전되지만 여기서 빠져 나가는 MC는 냉동수를 사용해서 회수해야 하겠지요. Reflux Ratio를 고정해서 운전할 때 Total Condenser의 경우 Reboiler Steam을 늘이면 Reflux 유량도 이에 비례하여 증가하지만 Partial Condenser의 경우에는 비례하지 않습니다. 큰 차이이지요.

(6) 결론적으로 ..
Stripper의 운전 온도 조절은 Stripping Steam의 양이나 Reflux Ratio의 조정으로 이루어 지는데 Column 성능을 모니터링 해가면서 Stripping Steam을 최소로 유지하는 것을 더 찾아 연구할 필요가 있다고 봅니다.

(1) 일반적으로 증류탑 상부의 온도는 Reflux 액과 상승하는 증기간의 기-액 평형으로 인하여 정해집니다.   따라서 Reflux를 늘여 저비점 물질의 성분 농도를 높여주면 온도는 내려갑니다.    Reflux Ratio를 줄이면 저비점 농도가 낮아지고 고비점 농도가 높아져 상부온도가 올라가게 되지요.

(2) 질문 내용이 <상부 온도가 떨어졌는데도 왜 Reflux Ratio가 줄었는 가?>라는 질문인데

정상운전상태에서 상부온도가 떨어졌다는 의미는 (Reflux Ratio 고려하지 않아도) 저비점 농도가 높아졌다는 의미가 됩니다. 따라서 상부온도가 떨어져  Reflux Ratio를 줄여 운전해도 Column 성능에 문제가 없이 운전되고 있는 상태가 됩니다.

조건 변경후 Methanol 성분 농도가 높아졌기 때문에 Column 성능이 크게 개선된 상태에 해당합니다.   지극히 정상인 것이지요.
따라서   <<상부 온도가 떨어졌는데도 왜 Reflux Ratio가 줄었는 가?>의 질문의 인과관계 순서를 바꾸어 질문하자면  <Reflux Ratio를 줄였는데도 상부온도가 떨어질 수 있는가?> 라는 질문이 되는 것이고  이에대한 필자의 답은

<그간 Reflux Ratio를 너무 높게 운전해 왔었던 것 같다> 와  <Reflux Ratio를 줄여 운전하여도 성능에 지장이 없다면 더 줄일수 있는지 최적점을 찾아야 할 것 같다>라는 답변입니다.

(3) 여기서 중요한 요소는 <현 Stripping Column의 Reflux Ratio를 무엇이 Control 하고 있느냐>는 것입니다.   Reflux Ratio는 당연히 Column Overhead 성분을 맞추기 위해서 유지해야 할 요소인데 흔히 <Top 저비점 성분>이 아니고 <Column Top 온도>를 맞추기 위해 조절하는 방법으로 되어 있는 경우가 많습니다.

추측하건데 <Column Top온도가 떨어지면 Reflux를 줄이도록 제어계가 설계된 것> 같아보입니다.  반드시 확인해 보세요.  만일 그렇다면 너무나도 당연히 그런 현상이 나타나겠지요.

(4) Column Top의 성분농도가 아주 중요한 경우에는 Distillate의 저비점 농도를 분석해 봐서 Reflux 유량을 조절하는 방법을 사용하는데 미세한 저비점 성분의 변화에도 큰 관심을 가져야하는 정제탑같은 경우에는 (관심을 두는 저비점 농도 변화 구간에서는) Top 상부의 온도가 큰 차이를 보이지 않아서 (온도조절 방식으로 운전하기 어렵고) Reflux Ratio를 고정으로 운전하도록 유량을 고정하여 운전하게 됩니다.

그러나 질문과 관련된 System은 일반적인 증류탑과는 달리 Bottom에 잔류하는 저비점 물질 제거용 Stripper로 운전되기 때문에 Bottom의 성분 농도가 더욱 중요할 뿐만 아니라 질문의 System처럼 Bottom으로 유효물질의 손실이 일어나지 않고 폐수처리 부하를 줄여주는 목적으로 사용됩니다.  따라서,

Reflux에 의한 Top 온도나 Top Distillate의 성분도 중요하겠지만 Bottom 잔류 성분의 양이 더욱 중요한 Column이 됩니다 .

(5) 특히 해당 Column에서 MC가 Noncondensable 성분으로 작용하고 있는 경우에는 Top Condenser가 Partial Condensing으로 운전되고 있어서 Reflux Ratio 뿐만 아니라 Stripping Steam을 늘이고 줄임에 따라 Column Top의 온도도 크게 흔들리는 속성을 가지고 있습니다.

Partial Condenser는 일부 성분이 응축되지 않고 Condenser를 빠져 나가도록 운전되는 열교환기입니다.   따라서 운전조건이 Total Condenser에 비하여 온도 변동폭이 훨씬 큽니다.   Condenser 는 CW로 운전되지만 여기서 빠져 나가는 MC는 냉동수를 사용해서 회수해야 하겠지요.   Reflux Ratio를 고정해서 운전할 때 Total Condenser의 경우 Reboiler Steam을 늘이면 Reflux 유량도 이에 비례하여 증가하지만 Partial Condenser의 경우에는 비례하지 않습니다.   큰 차이이지요.

(6) 결론적으로 ..
Stripper의 운전 온도 조절은 Stripping Steam의 양이나 Reflux Ratio의 조정으로 이루어 지는데 Column 성능을 모니터링 해가면서 Stripping Steam을 최소로 유지하는 것을 더 찾아 연구할 필요가 있다고 봅니다.

낭만고양이 kornight

18-12-29 10:55

타워 상부의 저비점 물질 농도가 증가했는데(성능 상승), Reflux Rate가 줄어들어서 이게 가능한가? 라는 물음인 것 같습니다.
이때는, Reflux Rate 보다도 Ratio를 확인하심이 좋겠습니다.

Reflux Ratio 가 증가할 때에 타워 상부의 온도가 낮아지면서 고비점 물질이 쳐지게 되며,
동시에 타워 상부 유량이 줄어들게 됩니다.

따라서, 질문자님의 시스템상에서 조치 전 후로 제품 회수량 변화와 Raflux Ratio를 비교해 보시고,
동시에 Reflux Rate Control이 어떻게 되는지도 확인해 봐야 합니다.

변화했다 라고 표현하신 것을 보면 타워 상부 온도에 cascade로 control하는 것으로 추정되는데
또 초기 조치를 유량을 늘려줬다... 라고 하신걸 보면 flowrate를 manual 로 set point 주신 것으로 보이니
온도 control이랑은 또 안맞구요.

안정된 steady state 상태에서야 온도-유량 cascade control이나 flowrate control이나 별 다를게 없어보이지만,
steady state로 가는 과정 자체는 set point 주고 feedback 반영하는게 상당히 다르므로 control system이 어떻게
구성돼있는지도 같이 확인할 필요는 있겠습니다.