게시판 > 질답게시판 > Knockback condenser의 Flooding velocity 관련 질문

스테파노 Stefano

11-02-17 11:25

(0) 수직열교환기의 Tube측에 Vapor가 흐르도록 하고 증기를 응축히켜 다시 원래의 용기로 되돌려 보내는 응축기를 Knock Back Condenser라고 하는데 흔히 반응기의 Reflux Condenser로 많이 사용됩니다.

Reflux Condenser를 항상 이렇게 설치하는 것은 아니지만 응축액이 Subcooling 된 상태로 흘러내리면서 상승하는 증기와 접하기 때문에 열교환기 전열면적에서 충분히 여유가 확보되는 형태로 운전되기 때문에 정밀화학 공정장치등에서 흔히 사용되지요.

(1) 여기서의 Flooding의 의미는
Vertical Tube 하부로 올라오는 Vapor의 유속이 응축되어 다시 흘러내리는 액을 상부로 밀어올려 액이 흘러내리지 못하게 하는 Vapor의 유속을 말합니다.

증류탑에서도 Vapor의 유속이 증가하면서 Column의 압력이 증가하다가 어느 압력이 크게 상승하는 점이 나타나는데 이 점을 "Flooding Point" 이라고 하고 Flooding을 일으키는 Vapor Velocity를 "Flooding Velocity"라고 부르는 것과 같습니다. 그러나 실제로 Vapor Velocity와 Pressure Drop을 Plotting해보면 말과 같이 명확히 구분되는 "Point"가 나타나는 것이 아니고 Vapor와 Pressure Drop의 Log-Log Graph 상으로 Slope가 1/2이 직선이 유지되다가 Flooding Point 부근에 와서는 곡선으로 변하고 Vapor 유속에 따라 점전 기울기가 늘어나게 됩니다.

(2) 그 이유는
Flooding Point에 가까워지면서 Column내 Liquid의 Loading이 늘어나게되고 Vapor의 통과면적이 줄어듦에 따라 유속이 빨라지기 때문입니다. 증기유속이 어느 점을 지나면 액방울이 증기와 함께 날아가게 되는 점이 바로 "Flooding Point"인데 이 "점" 문자그대로 점과 같이 명확히 나타나지 않습니다. Tray나 Packing의 Type에 따라 달라지고, Liquid 유량에 따라서도 달라지고, 액의 표면장력과 점도에 따라서도 달라지게 됩니다.

이런 현상이 Knock Back Condenser에서도 나타나는데 HTRI, HTFS, 등이 이를 해설해 낼 수 있는 정도의 정교한 유체흐름 모사 도구가 아니고 간단한 Two-Phse Vapor-Liquid Flow 도구만으로 해석해 낸 정도의 결과치로 보이기 때문에 프로그램간의 차이는 별로 의미가 없습니다. 그 어느 것도 맞다 틀리다 평가할 수 있는 성질의 것이 아닙니다.

(3) 해결방법은...
Simulator로 계산해봤다고 온전히 신뢰할 수는 없습니다. 항상 계산의 오차는 존재합니다. 어느정도 오차를 허용하는것이 합리적인것이가 하는 문제만 남습니다.

실제의 현장에서는 공정장치에 사용해본 경험으로 봐서 문제가 되지 않았던 영역에 있다면 일단 안심이 됩니다. 그렇지 않다면 그 Risk를 해결하기 위해 다른 형태의 기기장치를 선정하거나 Flooding Velocity보다 "훨씬" 낮게 유지되도록 Tube의 수효를 늘여주면 됩니다. 여기서도 "훨씬"이라는 표현은 정성적인 이야기이지 정량적이지 않습니다.

질문에서의 계산값이 큰 차이를 보이고 있는 것은 아마 사용하는 Two-Phase Flow Model간의 차이, 액의 물성(특히 액의 밀도, 표면장력, 점도)의 차이에 기인할 것입니다. 그 어느 것도 완벽하지 않다는 것을 인식하고, "백문이 불여이견"이라고 이 장치로 돌려본 공장의 데이터를 이용하는 것이 좋습니다.

(0) 수직열교환기의 Tube측에 Vapor가 흐르도록 하고 증기를 응축히켜 다시 원래의 용기로 되돌려 보내는 응축기를 Knock Back Condenser라고 하는데 흔히 반응기의 Reflux Condenser로 많이 사용됩니다.

Reflux Condenser를 항상 이렇게 설치하는 것은 아니지만 응축액이 Subcooling 된 상태로 흘러내리면서 상승하는 증기와 접하기 때문에 열교환기 전열면적에서 충분히 여유가 확보되는 형태로 운전되기 때문에 정밀화학 공정장치등에서 흔히 사용되지요.

(1) 여기서의 Flooding의 의미는 
Vertical Tube 하부로 올라오는 Vapor의 유속이 응축되어 다시 흘러내리는 액을 상부로 밀어올려 액이 흘러내리지 못하게 하는 Vapor의 유속을 말합니다.

증류탑에서도 Vapor의 유속이 증가하면서 Column의 압력이 증가하다가 어느 압력이 크게 상승하는 점이 나타나는데 이 점을 "Flooding Point" 이라고 하고  Flooding을 일으키는 Vapor Velocity를 "Flooding Velocity"라고 부르는 것과 같습니다.  그러나  실제로 Vapor Velocity와 Pressure Drop을 Plotting해보면 말과 같이 명확히 구분되는 "Point"가 나타나는 것이 아니고 Vapor와 Pressure Drop의 Log-Log Graph 상으로 Slope가 1/2이 직선이 유지되다가 Flooding Point 부근에 와서는 곡선으로 변하고 Vapor 유속에 따라 점전 기울기가 늘어나게 됩니다.

(2) 그 이유는 
Flooding Point에 가까워지면서 Column내 Liquid의 Loading이 늘어나게되고 Vapor의 통과면적이 줄어듦에 따라 유속이 빨라지기 때문입니다.  증기유속이 어느 점을 지나면 액방울이 증기와 함께 날아가게 되는 점이 바로 "Flooding Point"인데 이 "점" 문자그대로 점과 같이 명확히 나타나지 않습니다.   Tray나 Packing의 Type에 따라 달라지고,  Liquid 유량에 따라서도 달라지고, 액의 표면장력과 점도에 따라서도 달라지게 됩니다.

이런 현상이 Knock Back Condenser에서도 나타나는데 HTRI,  HTFS, 등이 이를 해설해 낼 수 있는 정도의 정교한 유체흐름 모사 도구가 아니고 간단한 Two-Phse Vapor-Liquid Flow 도구만으로 해석해 낸 정도의 결과치로 보이기 때문에 프로그램간의 차이는 별로 의미가 없습니다.  그 어느 것도 맞다 틀리다 평가할 수 있는 성질의 것이 아닙니다.

(3) 해결방법은...
Simulator로 계산해봤다고 온전히 신뢰할 수는 없습니다.   항상 계산의 오차는 존재합니다.  어느정도 오차를 허용하는것이 합리적인것이가 하는 문제만 남습니다.

실제의 현장에서는 공정장치에 사용해본 경험으로 봐서 문제가 되지 않았던 영역에 있다면 일단 안심이 됩니다.  그렇지 않다면 그 Risk를 해결하기 위해 다른 형태의 기기장치를 선정하거나 Flooding Velocity보다 "훨씬" 낮게 유지되도록 Tube의 수효를 늘여주면 됩니다.   여기서도 "훨씬"이라는 표현은 정성적인 이야기이지 정량적이지 않습니다.

질문에서의 계산값이 큰 차이를 보이고 있는 것은 아마 사용하는 Two-Phase Flow Model간의 차이, 액의 물성(특히 액의 밀도, 표면장력, 점도)의 차이에 기인할 것입니다.   그 어느 것도 완벽하지 않다는 것을 인식하고,  "백문이 불여이견"이라고 이 장치로 돌려본 공장의 데이터를 이용하는 것이 좋습니다.

이정석 jslee

11-02-21 10:20

스테파노님, 상세한 답변 감사합니다.
있던 장치를 copy하는 것이 아니라 더 크게 새로 만드는 것이라서 걱정이 되어 문의드렸습니다.
저는 condenser 내의 flooding point를 생각할 때 boiling에서의 churn flow가 일어나는 flow reversal을 떠올려서, 응축시에도 유속(유량)증가시 급격한 유동변화가 일어나는 점이 있는건가 하고 막연히 생각했습니다.