게시판 > 질답게시판 > 증류탑에서 Reboiler duty와 Condenser duty에 대한 질문입니다.

스테파노 Stefano

13-07-24 20:38

(1) Feed, Distillate, Bottoms의 품질규격과 유량, 온도가 동일하다고 하면
물질수지와 열수지는 맞아야 하므로
F=D+B ...........................................(1) MB
Hf + (Qh - Qc) = Hd + Hb) ................(2) HB

Hf=hf*F, Hd=hd*D, Hb= hb*B, Qh, Qc는 모두 절대값으로 보면 Qc는 냉각수가 가져가는열, Qh는 Steam이 내놓는 열이 됨

따라서 열수지상으로는 Qh - Qc = (Hd+Hb) - Hf ....(3)이 되는데 Hd, Hb, Hf가 변함없는 상수라고 하면 Qh-Qc는 일정한 값이 됩니다. 즉 Qh-Qc=상수

이의 의미는 Qh가 늘면 Qc도 함께 늘게 된다는 의미가 됩니다.

(2) 이제 질문으로 돌아가서 Feed 단이 달라지면 분리효과가 달라져서 동일 품질을 얻으려면 Reflux Ratio가 달라지게 되고 그에 따라 냉각수와 Steam의 양도 달라지는데 Steam의 양은 Reflux Ratio와 1차수식으로 증가하게 됩니다.

Steam 량 = (비례상수) * (Reflux Ratio) + (상수) .....(4)

최소의 Steam량만 구해내면 Qc의 절대값 크기도 동시에 최소가 될 것입니다.

(3) 결국 원하는 조건은 (4)식에서의 Reflux Ratio를 얼마로 취하는가에 달려 있습니다. 결국 문제는 Reflux Ratio가 최소가 되는 Feed단만 찾아내면 됩니다.

Utility 비용은 결국 Steam의 비용과 냉각수의 비용이 되는데 Steam열량은 냉각수 열량과 비례하기 때문에 Steam 사용량만 정해지면 전체 Utility 비용도 그에 비례해서 정해집니다.

결론적으로 Qh-Qc의 값이 일정한 계에서 절대값(Qh)을 최소로 하는 것은 바로 {절대값(Qh)+절대값(Qc)}가 최소가 되는 점을 찾는 문제와 같아집니다.

하프하프하… dlwkd1025

13-07-25 01:09

제가 놓치고 있던 부분이
원하는 distillate와 bottom product의 온도 spec을 설정하지 않고, reflux ratio를 3으로 두고 그냥 모사기만 돌렸던 부분이었습니다. 충분한 생각없이 설정값만 바꿔서 모사기를 막 돌리니 무엇이 문제인지 감을 못잡고 있었습니다.

조언을 바탕으로 condenser에서 subcooled 되도록 설정해, distillate의 온도를 정한 후 모사프로그램을 돌렸더니,Qh-Qc값은 공급단에 상관없이 일정했고, Feed에 따른 reflux ratio에 따라 duty가 공급단이 2단일 때에 3000M*kcal/h 였던 reboiler duty가 공급단이 7단일 때에 9M*Kcal/h로 엄청나게 줄어드는 기적을 보았습니다.

한가지 궁금한 점은 만일 응축하여 얻은 distillate가 최종 product가 아니라 A/B 혼합물이어서 또 다른 증류가 필요하다고 가정하고, 또한 다음 증류탑에서 원만한 분리를 위해 A/B혼합물의 온도를 떨어뜨려야 하는 상황이라면
1. 응축할 때 subcooled로 하여 A/B 혼합물을 원하는 온도까지 떨어뜨린다.
2. bubble point로 응축하고, 차후 열교환기를 통해 온도를 떨어뜨린다.

이 두가지 방법을 생각해 봤습니다.
1번의 경우에는 환류의 온도를 떨어뜨려서 internal reflux 효과가 기대됩니다.
(하지만, 에탄올 공비증류를 위한 concentrator 같은 경우에는 이득이 없을거 같은 느낌이 듭니다. 이미 증류탑이 완성되어 단수를 바꿀 수 없는 상황이고, entrainer없이 공비점 이상의 순도는 얻을 수 없으므로)
2번의 장점은 잘 모르겠습니다.

이번 case는 이미 단수가 정해진 상태에서의 최소 duty를 구하는 것이었는데.
갑자기 단수가 안정해지지 않은 상태에서, 엔지니어링처럼 증류탑을 설계하는 과정에서 최소 duty는 어떤식으로 해야하는지 궁금하네요!!! 공부하고 곧 이 주제로 찾아 뵙겠습니다. 스테파노님 덕분에 화학공학이 더 재밌어지는거 같습니다.
감사합니다 ^^

제가 놓치고 있던 부분이 
원하는 distillate와 bottom product의 온도 spec을 설정하지 않고, reflux ratio를 3으로 두고 그냥 모사기만 돌렸던 부분이었습니다. 충분한 생각없이  설정값만 바꿔서 모사기를 막 돌리니 무엇이 문제인지 감을 못잡고 있었습니다.

조언을 바탕으로 condenser에서 subcooled 되도록 설정해, distillate의 온도를 정한 후 모사프로그램을 돌렸더니,Qh-Qc값은 공급단에 상관없이 일정했고, Feed에 따른 reflux ratio에 따라 duty가 공급단이 2단일 때에 3000M*kcal/h 였던 reboiler duty가 공급단이 7단일 때에 9M*Kcal/h로 엄청나게 줄어드는 기적을 보았습니다.

한가지 궁금한 점은 만일 응축하여 얻은 distillate가 최종 product가 아니라 A/B 혼합물이어서 또 다른 증류가 필요하다고 가정하고, 또한 다음 증류탑에서 원만한 분리를 위해 A/B혼합물의 온도를 떨어뜨려야 하는 상황이라면 
1. 응축할 때 subcooled로 하여 A/B 혼합물을 원하는 온도까지 떨어뜨린다.
2. bubble point로 응축하고, 차후 열교환기를 통해 온도를 떨어뜨린다.

이 두가지 방법을 생각해 봤습니다.
1번의 경우에는 환류의 온도를 떨어뜨려서 internal reflux 효과가 기대됩니다.
(하지만, 에탄올 공비증류를 위한 concentrator  같은 경우에는 이득이 없을거 같은 느낌이 듭니다. 이미 증류탑이 완성되어 단수를 바꿀 수 없는 상황이고,  entrainer없이 공비점 이상의 순도는 얻을 수 없으므로)
2번의 장점은 잘 모르겠습니다.

이번 case는 이미 단수가 정해진 상태에서의 최소 duty를 구하는 것이었는데.
갑자기 단수가 안정해지지 않은 상태에서, 엔지니어링처럼 증류탑을 설계하는 과정에서 최소 duty는 어떤식으로 해야하는지 궁금하네요!!! 공부하고 곧 이 주제로 찾아 뵙겠습니다. 스테파노님 덕분에 화학공학이 더 재밌어지는거 같습니다.
감사합니다 ^^

스테파노 Stefano

13-07-26 20:37

공정모사기에서 공정변수를 독립적으로 단계별로 변화시켜 가면 결과적으로 변화되는 공정종속변수의 변화를 알아볼 수 있습니다. 이는 "Case Study" 기능에서 자동으로 수행해 볼 수 있는데

만일 이 기능이 없는 경우라면 제품 품질을 고정해 두고
바꾸고자하는 공정변수, 여기서는 Feed 단수, 를 하나씩 변화시켜가면서 원하는 제품 품질이 얻으지는최소의 환류비에서의 Reboiler Duty를 계산해 낸다음 Feed 단과 Reflux Ratio 및 Reboiler Duty의 상관도표를 구해보면 경향을 알 수 있습니다.