게시판 > 질답게시판 > Column의 Design에 관한 질문

이정석

10-12-17 13:58

중간 물질을 분리하신다니 DWC(dividing wall column)이 떠오르는군요. 제가 답을 드리겠다는게 아니라, 누군가 답을 쓰시기 전에 저도 궁금한 참에 이슈를 만들어 보려고 댓글 답니다.

(Q1) 저도 항상 궁금해하던 것을 질문하셨네요. 생각에 A-B-C-D-E사이의 상대휘발도가 전부 같다면 h-cut first가 l-cut first보다 에너지가 많이 들 것 같네요. 전자는 A,B를 두 column 모두에서 탑정으로 보내야 한다고 생각해서 그렇게 봤습니다.근데 물이나 light, 혹은 염같은 것들이 있으면 또 달라질 것이라 생각됩니다. 단순히 에너지측면에서보다는 spec이 우선이란 생각이 드네요.

(Q2) 저희 회사에도 이성질체 분리하는 몇몇 column들이 나눠어서 설치되어 있는데 구조물의 안정성 때문에 100 m 제한을 가지고 설계했다고 들었습니다. Vapor 배관이 엄청나게 크죠.

(Q3) 저희는 하나로 모사했습니다만, MVR을 중간에 설치한 경우에는 나눠서도 했습니다. 필요에 의한 것이 아닐까 싶은데요...

장현수 jddast

10-12-17 14:41

관심을 가져 주셔서 감사합니다. 함께 논의하고 배우는게 이 사이트의 목적이니만큼 활성화가 되었으면 좋겠네요.

(Q1) 이정석님 말씀처럼 에너지측면에서 이득을 보고자하는 것은 당연히 spec.은 만족해야하는 것이 전제조건입니다. 우선 너무 복잡하니깐, some special components(물, 염...)을 제외하고 단순히 Hydrocarbons들의 분리만을 놓고 본다면, 이정석님 말씀처럼 Heavy-cut first가 좀더 에너지 측면에서는 많이 들겠다는 생각이 먼저 떠오릅니다. 이유는 상대적으로 가벼운 물질 (A,B)들의 응축을 유도하려면 저온이 필요하게되고, 2개 columns 모두에서 상대적으로 가벼운 물질들을 다루게 되니까요.

또 하나 의심이 드는 것은 MVR을 하는데는 두가지 방법 모두 상관이 없는 것인지.. 무엇인가 고려가 되지 않았을까 하는 생각때문입니다. 실제로 existing plant를 보면 Heavy cut first로 되어있는 경우를 보았구요. 만약 논의한대로 Light cut first를 하게되면 MVR도 문제없고, 에너지도 saving이 될것 같은데 왜 이렇게 설계를 했는지 도무지 판단이 서지 않습니다.

(Q3) 저도 그런 생각을 했습니다. MVR을 하게되면 압축된 고온.고압의 vapor가 reboiler로 들어갔다가 다시 응축된 액을 되돌려 오는데.. 공정모사기에서 하나의 column으로 하기에는 모사가 어려운 것 같습니다. 저는 제가 방법을 몰라서 못하는 것인지(하나의 column으로) 그것 또한 궁금한 것입니다.

또, 실제로 Basic을 해야한다면 이런 MVR이 적용된 columns은 어떻게 단수 및 환류비를 구해야 하는지도 궁금합니다. short-cut의 모사가 어려운 것 같더라구요.

스테파노 Stefano

10-12-20 19:29

(A1) ⓐABC//DE분리 후 AB//C분리 방법과 ⓑAB//CDE 분리 후 C//DE 분리방법의 비교
모든 개별 혹은 상대적 물성이 같다고 하면 방법의 차이는 별로 없어보이지만 AB, C, DE의 성분의 양에따라 MVR에 의한 열량을 충분히 공급할 수 있는지의 여부에 의해 크게 달라질 것으로 봅니다.

에너지 활용이 동일한 조건이라면 ⓑ의 방법이 최종적으로 제품이 Distillate로 생산되기 때문에 품질규격에서 문제가 없을 것입니다. 물론 ⓑ의 방법에서는 잔류하는 Light Ends의 Stripping을 위해 Stripper가 필요할 수도 있겠으나 ⓐ방법에서는 Product중에 Heavy 성분 혹은 증류중 생성되는 이물질의 누적으로 제품규격을 맞추기 위한 또다른 Heavy Purge Column이 필요할 것입니다. 실제의 공장에서 ⓐ의 방법을 취했다고 하면 제품규격이 별로 까다롭지 않을 것으로 보이나 만일 규격맞춤이 까다로울 경우라면 부대설비가 어떤지 확인해 보도록 하세요.

(A2) 단을 어떻게 나눌 것인지는
i) 액상 펌핑동력비 ii) Vapor Duct의 압력손실 증가에 따른 MVR의 동력비 증가 iii)(해당 Column 및 주변 설비용)구조물, Duct 및 배관, 계장, 등의 설치비 및 유지보수비 등을 고려해서 결정되어야 할 것이나 i)의 비용이 가장 큰 요소로 보입니다.

(A3) 공정모사 방법은 동일하지만
두개의 Column으로 나누는 경우 Light Ends 측은 Reboiler가 없는 Column, Heavy Ends 측은 Condenser가 없는 Column으로 정하여 함께 시뮬레이션을 하면 됩니다.

(A4) MVR이 적용된 Column이라고 해도 시설투자비는 더 높더라도 유틸리티비용을 최소화하기 위한 단수와 환류비가 결정되었을 것으로 봅니다. Process Licenser는 Front-Engineering 단계에서 여러 Case로 공정모사해보고 최적점을 찾아 기본설계서로 완성했다고 봅니다.

장현수 jddast

10-12-22 09:27

감사합니다.

(1) 만약 AB성분이 DE의 성분보다 월등히 많다면 MVR에 의한 열량을 충분히 Reboiler에 공급하기 위해 light성분인 AB를 먼저 분리하는 b방법(light-cut first)을 고려하라는 말씀이신것 같습니다. 그 반대라면 a방법이 고려되겠지요.

그렇다면 만약 양이 비슷하다면, 각 성분에 따른 MVR효율에 대해 생각해 보았습니다. 압축기 입장에서 입구압력(P1), 출구압력(P2)가 일정하다면, Isentropic Head는
H_is = [ {8.314 * Z_avg * T1} / { M * (k-1)/k } ] * [ {P2/P1}^(k-1)/k -1 ]
where, H_is=isentropic head, Nm/kg Z_avg = Average Compressibility factor
P=Pressure, kg/cm2A T1 = Inlet Temperature, K M=kg/mol
P1,P2,,M,T1은 동일하며, Isentropic Head는 Z와 k의 함수라고 할 수있습니다. Head가 낮을 수록 효율적이니깐 AB와 DE의 Z, k를 비교하여 Z값이 낮을 수록, k값이 높을 수록 좋다는 결론이 나옵니다.

압축기 온도변화 시각에선, T_change = T2-T1 = T1 * [ {P2/P1}^(k-1)/k -1] / N_is
where, T=temperature, K N_is=isentropic efficiency
출구의 온도가 높을 수록 reboiler에 줄수있는 MVR열량이 많다는 의미인 만큼, T_change를 올리기 위해서 k값이 높거나 isentropic efficiency가 낮을 수록 좋다는 결론입니다. Isentropic efficiency는 (=Isentropic work/Actual work)이니깐 efficiency를 낮추기 위해서는 Isentropic head를 낮추어야 한다는 위의 결론과 일맥상통한다고 생각이 됩니다.

물론, 압축기 Discharge Temperature Limitation을 고려해야하며, 온도상승에 의한 배관재질에 따른 초기투자비용은 무시한다고 가정해야 겠습니다. (오직 에너지 효율측면)

=> 최종결론으로, Heavy or Light cut first?
1) 상대적 성분의 양을 고려하여 MVR열량을 공급가능한지 확인
2) 양이 충분하며 Heavy와 Light성분의 양이 비슷하다면, MVR을 할 vapor의 k값이 높은, Z값이 낮게 되는 system
이라는 결론을 내려보았습니다. 어떻게 생각하시는지 궁금합니다.

(2) 실제공장 확인결과 a방법(Heavy cut first)을 사용하여 제품의 규격은 아래와 같습니다.
Light : 0.76% product : 99.2% Heavy : 0.03 %
로 Heavy가 별로 없는 까다로운 조건으로 판단이 됩니다. 그래서 부대설비를 확인해 보았지만, 제가 최초질문에서 설명했던 내용외에는 특별한 additional column이라든지 장치는 보이지가 않습니다.

확인되지 않은 X사가 작성한 자료에 의하면 "Light cut first(b)에 비해 Heavy cut first(a)방법이 Energy면에서는 효과적이면서(약 1.03MMkcal/hr) Recovery 효율차이는 없으나 product purity contol은 a방법이 용이하다." 라고 되어있습니다. Product purity control은 스테파노님께서 위에서 대답을 해주셔서 대략 감은 잡았으나 여전히 Energy saving이 어떻게 이뤄지는지에 대한 대답은 얻지 못한것 같습니다.

감사합니다.

(1) 만약 AB성분이 DE의 성분보다 월등히 많다면 MVR에 의한 열량을 충분히 Reboiler에 공급하기 위해 light성분인 AB를 먼저 분리하는 b방법(light-cut first)을 고려하라는 말씀이신것 같습니다. 그 반대라면 a방법이 고려되겠지요.

그렇다면 만약 양이 비슷하다면, 각 성분에 따른 MVR효율에 대해 생각해 보았습니다. 압축기 입장에서 입구압력(P1), 출구압력(P2)가 일정하다면,  Isentropic Head는 
           H_is = [ {8.314 * Z_avg * T1} / { M * (k-1)/k } ] * [ {P2/P1}^(k-1)/k  -1 ]     
  where, H_is=isentropic head, Nm/kg               Z_avg = Average Compressibility factor         
             P=Pressure, kg/cm2A                        T1 = Inlet Temperature, K               M=kg/mol
P1,P2,,M,T1은 동일하며, Isentropic Head는 Z와 k의 함수라고 할 수있습니다.  Head가 낮을 수록 효율적이니깐 AB와 DE의 Z, k를 비교하여 Z값이 낮을 수록, k값이 높을 수록 좋다는 결론이 나옵니다.

압축기 온도변화 시각에선, T_change = T2-T1 = T1 * [ {P2/P1}^(k-1)/k -1] / N_is
  where, T=temperature, K              N_is=isentropic efficiency
출구의 온도가 높을 수록 reboiler에 줄수있는 MVR열량이 많다는 의미인 만큼, T_change를 올리기 위해서 k값이 높거나 isentropic efficiency가 낮을 수록 좋다는 결론입니다. Isentropic efficiency는 (=Isentropic work/Actual work)이니깐 efficiency를 낮추기 위해서는 Isentropic head를 낮추어야 한다는 위의 결론과 일맥상통한다고 생각이 됩니다.

물론, 압축기 Discharge Temperature Limitation을 고려해야하며, 온도상승에 의한 배관재질에 따른 초기투자비용은 무시한다고 가정해야 겠습니다.  (오직 에너지 효율측면)

=> 최종결론으로, Heavy or Light cut first?
1) 상대적 성분의 양을 고려하여 MVR열량을 공급가능한지 확인
2) 양이 충분하며 Heavy와 Light성분의 양이 비슷하다면, MVR을 할 vapor의 k값이 높은, Z값이 낮게 되는 system
이라는 결론을 내려보았습니다. 어떻게 생각하시는지 궁금합니다.

(2) 실제공장 확인결과 a방법(Heavy cut first)을 사용하여 제품의 규격은 아래와 같습니다.
                      Light : 0.76%       product : 99.2%        Heavy : 0.03 %         
로 Heavy가 별로 없는 까다로운 조건으로 판단이 됩니다. 그래서 부대설비를 확인해 보았지만, 제가 최초질문에서 설명했던 내용외에는 특별한 additional column이라든지 장치는 보이지가 않습니다.

확인되지 않은 X사가 작성한 자료에 의하면 "Light cut first(b)에 비해 Heavy cut first(a)방법이 Energy면에서는 효과적이면서(약 1.03MMkcal/hr) Recovery 효율차이는 없으나  product purity contol은 a방법이 용이하다." 라고 되어있습니다. Product purity control은 스테파노님께서 위에서 대답을 해주셔서 대략 감은 잡았으나 여전히 Energy saving이 어떻게 이뤄지는지에 대한 대답은 얻지 못한것 같습니다.