게시판 > 질답게시판 > Column reflux rate와 Top temperature와의 관계

스테파노 Stefano

23-07-27 11:39

A1) Feed(성분과 유량및 온도/압력)는 변동이 없고 Reflux 온도와 (특히)Column 압력도 일정하게 유지되는 상태에서 Reflux Ratio Control에 의해 Reflux Rate가 정해지는 시스템이라고 가정합니다.

이때 Reflux Ratio를 늘여 Reflux Flow가 증가하게 되면 Column Top에서 Vapor Liquid Equilibrium(VLE)평형에 의해 Vapor 중의 고비점 성분함량이 미세하게 나마 줄어들게 되고 이로인해 VLE 평형온도는 순도가 높아진 Top Distillate 온도는 순수 저비점 증발온도에 더 가까이 다가가 Top Distillate 온도는 낮아지게 됩니다. 그러나 압력일 일정한 상태에서 고순도 영역의 VLE 평형온도차이는 감지하지 못할 정도로 온도차이를 보이게 되므로 온도가 낮아졌다고 느낄 수 없을 정도입니다.

Reflux Ratio에 대해 보충설명하자면..
Reflux Ratio와 Rate가 증가하게 되면 Column 하부로 내려오는 Liquid Rate도 늘어나게 되는데 Column의 Control System에 따라 자동적으로 Reboiler 공급열량을 늘어나게 되는데 만일 Reboiler 전열 능력이 부족하다면 Column Bottom 액위가 올라가고 Bottom Level Controller가 자동적으로 Bottom 성분을 배출할 것이므로 Bottom 성분에는 저비점 성분이 남아있는 상태로 배출되기 때문에 Top Distillate 저비점 순도는 높아졌는데도 Bottom 고비점 성분의 순도가 떨어집니다. 저비점 수율은 낮아지게되지요.

만일 Reboiler 능력이 충분한 경우라면 Top Distillate 성분과 수율도 늘어나고 Bottoms Product 순도와 수율도 함께 늘어납니다. 단지.. 이를 위한 부담은 Energy 소요량이 늘어난다는 것입니다.

A2) 질문 내용처럼 Top온도 감소 맞습니다. A1에 이어 반복하지만 Reflux 증가에 따라 Top 성분의 변화가 미세하게 있을경우라도 온도변화를 감지하지 못할정도가 됩니다.

질문에서 Reflux Ratio 변동없이 Reflux Rate를 늘였다는 이야기는 Reflux Control 되는 Column에서 부하가 늘었다는 의미인데 위의 A1에 설명했듯이 Reboiler의 능력이 충분하여 Reflux Ratio를 유지할 수 있다면 예전의 Top / Bottom 순도가 얻어지지만 Reboiler 능력이 부족한경우라면 Top 순도는 유지된다해도 저비점 수율이 떨어지고 Bottom 고비점 성분에 저비점 함량이 많아져 순도는 떨어집니다.

그러나 Feed를 늘여갈 때 Reflux Ratio를 유지하지 못하는 경우에는 Top/Bottom 성분 순도와 수율을 만족시키지 못하는 한계가 나타나는데 그 조건은 그 Column System의 허용 운전한계가 됩니다. 이 때에는 Top의 온도와 압력이 동시에 상승하게 되고 (순도, 수율문제로 인하여) 증류공정의 지속운전이 불가해 집니다.

A3) Top Overhead Vapor의 온도는 Column Top 압력에서 Top Distillate의 액상과 기상의 평형온도가 됩니다. Column이 정상 운전조절되고 있을 때 순도변화에 따라 온도차가 크게 나지 않는 다는 것을 설명한 것입니다.

따라서 Top Vapor 온도를 보고 Reflux Ratio를 조절하는 것은 적절하지 않습니다. 온도변화가 크지 않은 상태에서 Reflux Ratio를 조절하게 하거나 Reflux Rate를 조절하는 방식은 시스템이 불안정합니다. 온도조절하려면 Column Top이 아니라 Colum Top 한참아래 1/3 단 정도의 언저리에서 온도감지기를 둬야합니다. Top에서는 온도차이가 거의 없어서 온도차에 비례하는 제어방법을 사용할 수가 없지요.

P.S. 증류탑 제어방법에 대해 아주 훌륭한 참고서적이 있습니다. 이미 AICHE로부터 화공분야에서 훌륭한 저술로 상을 받았던 CF Braun사 Henry Z. Kister가 지은 "Distillation Design", "Distillation Operation(Ch. 16~19.)"을 찾아보세요.

https://www.google.com/search?gs_ssp=eJzj4tTP1TfIMDJOsTRg9BLOziwuSS1SSAFSmTk5iSWZ-XkAnkoKyQ&q=kister+distillation&oq=Kister+Di&aqs=chrome.1.0i355i512j46i512j69i57j46i512l2j0i22i30l5.1070526723j0j15&sourceid=chrome&ie=UTF-8

A1)  Feed(성분과 유량및 온도/압력)는  변동이 없고 Reflux 온도와 (특히)Column 압력도 일정하게 유지되는 상태에서 Reflux Ratio Control에 의해 Reflux Rate가 정해지는 시스템이라고 가정합니다.

이때 Reflux Ratio를 늘여 Reflux Flow가 증가하게 되면 Column Top에서 Vapor Liquid Equilibrium(VLE)평형에 의해 Vapor 중의 고비점 성분함량이 미세하게 나마 줄어들게 되고 이로인해 VLE 평형온도는 순도가 높아진 Top Distillate 온도는 순수 저비점 증발온도에 더 가까이 다가가 Top Distillate 온도는 낮아지게 됩니다.   그러나 압력일 일정한 상태에서 고순도 영역의 VLE 평형온도차이는 감지하지 못할 정도로 온도차이를 보이게 되므로 온도가 낮아졌다고 느낄 수 없을 정도입니다.

Reflux Ratio에 대해 보충설명하자면..
Reflux Ratio와 Rate가 증가하게 되면 Column 하부로 내려오는 Liquid Rate도 늘어나게 되는데 Column의 Control System에 따라 자동적으로 Reboiler 공급열량을 늘어나게 되는데 만일 Reboiler 전열 능력이 부족하다면 Column Bottom 액위가 올라가고 Bottom Level Controller가 자동적으로 Bottom 성분을 배출할 것이므로 Bottom 성분에는 저비점 성분이 남아있는 상태로 배출되기 때문에 Top Distillate 저비점 순도는 높아졌는데도 Bottom 고비점 성분의 순도가 떨어집니다.   저비점 수율은 낮아지게되지요.

만일 Reboiler 능력이 충분한 경우라면 Top Distillate 성분과 수율도 늘어나고  Bottoms Product 순도와 수율도 함께 늘어납니다.  단지.. 이를 위한 부담은 Energy 소요량이 늘어난다는 것입니다.

A2) 질문 내용처럼 Top온도 감소 맞습니다.  A1에 이어 반복하지만 Reflux 증가에 따라 Top 성분의 변화가 미세하게 있을경우라도 온도변화를 감지하지 못할정도가 됩니다.

질문에서 Reflux Ratio 변동없이 Reflux Rate를 늘였다는 이야기는 Reflux Control 되는 Column에서 부하가 늘었다는 의미인데  위의 A1에 설명했듯이 Reboiler의 능력이 충분하여 Reflux Ratio를 유지할 수 있다면 예전의 Top / Bottom 순도가 얻어지지만  Reboiler 능력이 부족한경우라면  Top 순도는 유지된다해도 저비점 수율이 떨어지고 Bottom 고비점 성분에 저비점 함량이 많아져 순도는 떨어집니다.

그러나 Feed를 늘여갈 때 Reflux Ratio를 유지하지 못하는 경우에는 Top/Bottom 성분 순도와 수율을 만족시키지 못하는 한계가 나타나는데  그 조건은 그 Column System의 허용 운전한계가 됩니다.   이 때에는 Top의 온도와 압력이 동시에 상승하게 되고 (순도, 수율문제로 인하여) 증류공정의 지속운전이 불가해 집니다.

A3)  Top Overhead Vapor의 온도는 Column Top 압력에서 Top Distillate의 액상과 기상의 평형온도가 됩니다.   Column이 정상 운전조절되고 있을 때 순도변화에 따라 온도차가 크게 나지 않는 다는 것을 설명한 것입니다.

따라서 Top Vapor 온도를 보고 Reflux Ratio를 조절하는 것은 적절하지 않습니다.  온도변화가 크지 않은 상태에서 Reflux Ratio를 조절하게 하거나 Reflux Rate를 조절하는 방식은  시스템이 불안정합니다.   온도조절하려면 Column Top이 아니라 Colum Top 한참아래 1/3 단 정도의 언저리에서 온도감지기를 둬야합니다.   Top에서는 온도차이가 거의 없어서  온도차에 비례하는 제어방법을 사용할 수가 없지요.

P.S. 증류탑 제어방법에 대해 아주 훌륭한 참고서적이 있습니다.  이미 AICHE로부터 화공분야에서 훌륭한 저술로 상을 받았던 CF Braun사 Henry Z. Kister가 지은 "Distillation Design", "Distillation Operation(Ch. 16~19.)"을 찾아보세요.

https://www.google.com/search?gs_ssp=eJzj4tTP1TfIMDJOsTRg9BLOziwuSS1SSAFSmTk5iSWZ-XkAnkoKyQ&q=kister+distillation&oq=Kister+Di&aqs=chrome.1.0i355i512j46i512j69i57j46i512l2j0i22i30l5.1070526723j0j15&sourceid=chrome&ie=UTF-8

파르데스 dynast

23-07-31 09:46

감사합니다. Distillation Operation 책자도 읽어보려 합니다. 책에도 Top과 Bottom측은 보통 조성에 따른 온도 민감도가 크지 않다는 내용이 나오네요