게시판 > 질답게시판 > HX 설계질문입니다.

스테파노 Stefano

14-11-29 00:08

(1) Reboiler에서 Cold Stream은 증발이 일어나고 Hot Stream은 응축이 일어나고 있는 상황입니다. Steam은 공급온도와 응축온도가 같다고 하면 출구온도과 200도가 될 것입니다. Reboiler에서 Steam 의 Subcooling은 대부분 고려하지 않습니다. 따라서 Steam은 200도로 배출된다고 보면 됩니다. Steam 온도를 더 낮게 유지하도록 하는 것은 기대하지 않습니다. 주로 잠열이 전달되기 때문에 현열은 무시되지요.

(2) Cold Stream의 경우에도 Bottom의 성분이 거의 일정하다고 한다면 Reboiler 입구와 출구의 온도가 거의 같습니다. 여기서는 176~179도 밖에 되지 않습니다. 물론 이 온도에서 모두 증발되는 것은 아니고 보통 10~20% 정도만 증발하게 됩니다. 증발이 완전히 일어나지 않기 때문에 온도변화도 거의 없다고 보면 됩니다.

이 Reboiler의 위치별 온도차는 대략 22.5도로 일정합니다. 모두 증발, 응축의 상변화를 일으키고 있기 때문에 Subcooling 및 Superheating은 거의 일어나지 않지요. 따라서 최적의 Approach를 언급할 상황이 아니지요.

haha0912 haha0912

14-11-30 11:02

스테파노님, 답변감사합니다.

결론적으로는 reboiler에서 steam은 상변화에 의한 잠열로 운전된다는 것을 배웠습니다.
하지만 Bottom의 정해진 성분에서 176도에서 액체이며 reboiler 후 179도에서 97%정도가 기체 (boil-up),
3%액체로 되어 product가 되어 배출됩니다.
여기서 궁금한 점은 steam의 vapor fraction=1 (증기)가 모두 vapor fraction=0 액체로 되는지 궁금합니다.
200도의 기체가 200도의 액체로 모두 되지는 않을 듯 싶은데, 보통 상업화되고 있는 증류탑의 reboiler에서
steam의 몇 %정도가 액체로 응축되는지 너무나 궁금합니다.

또한, condenser에서 증류탑 top에서 113도의 기체가 product 53도가 된다고 할 때
C.W의 경우 32도에서 43도 정도로 reboil와는 다르게 상변화 없이 온도변화가 있도록 하는 것인데,
이 떄 C.W양이 시간당 500ton/h 필요합니다. 증류탑 top에서 온도차가 크기 때문에
그 만큼의 C.W가 많이 필요할 것이라는 예상이 들지만 생각보다 너무 많이 드는 것 같습니다.
이때에 저는 어떻게 판단하면 되는지요? 과연 C.W를 사용가능할 지 의문사항이 듭니다.

감사합니다.

스테파노 Stefano

14-11-30 12:38

(0) Process Fluid Side (공정물질 측)이 176도에서 송급되어 179도에서 기-액 혼합물로 배출되면서 (몰기준 비율로) 기상이 3%, 액상이 97%이지만 일단 액이 끓기 시작한 것이므로 배출되는 기-액 혼합물의 온도가 바로 배출되는 액상성분의 비점이 되는 것이고 그 온도에서 그 액상 성분과 평형을 이루는 기상의 물질은 바로 3%에 해당하는 기상의 혼합물이 됩니다.

참고로.. 기상의 비율이 많아지면 액상, 기상 각각의 성분농도도 달라집니다.

(1) 공급되는 Steam은 모두(100%) 응축이 일어나고 응축이 일어나지 않으면 Steam이 더 이상 공급되지 않습니다. 대부분의 증류탑에 공급하는 Steam의 공급조절밸브는 필요한 증발량만큼만 공급되도록 되어 있고 더이상 공급되지 않도록 시스템이 설계됩니다.

참고로.. Reboiler 출구의 Vapor 유량이 많아지면 그에 비례하여 Steam의 공급량이 많아집니다.
실제로 소요되는 Steam 공급량은 대략, (Vapor 몰유량)*(몰기준 공정물질증발잠열)/(스팀의 증발잠열)로 계산됩니다.

(2) <증류탑 top에서 온도차가 크기 때문에 그 만큼의 C.W가 많이 필요할 것이라는 예상이..> 이러한 인식은 잘못입니다.
증류탑 Top에서 냉각수부하가 큰 이유는 증발되어있던 기상의 공정물질을 응축시키기 위해 "증발잠열"을 제거하기 때문입니다.

예를 들어 113도의 톨루엔 증기가 응축(Condensing)후 과냉(Subcooling)되는 경우를 예를들면..
응축열은 77.3%,
과냉열은 22.7%
전체 응축기 냉각수부하 100%

와 같이 구성됩니다.

(3) 질문에서.. CW의 유량이 "생각보다 너무 많이 드는 것"같다는 판단근거가 궁금합니다. 또 혹시 CW를 사용하지 못한다면 어떤 대안이 있는지에 대해서도 답글 바랍니다.

haha0912 haha0912

14-11-30 13:08

스테파노님, 바쁜 와중에 답변 감사합니다.

C.W에 대하여 부가적인 설명을 빠트려 죄송합니다.
현재 증류탑은 top의 pressure가 0.1 bar로 진공상태입니다.
4개의 성분 중 가장 B.P가 낮은 것이 water로서 top에서 113도였다가 product로 나가면서 온도가 떨어질 것이라
판단이 됩니다.

결론적으로는 진공상태의 증류탑이므로 그만큼 C.W 양이 많이 필요할 것 같습니다.
스테파노님 질문은 저도 고민스러운 사안이라 아직 생각을 하지 못하였습니다. 조언 한번 부탁드립니다.

* 증류탑 top에서 냉각수부하가 큰 이유는 증발되어있던 기상의 공정물질을 응축시키기 위해 증발잠열을 제거하기 때문이다:
라는 말씀에서 증발잠열의 개념은 기화시킬 때 필요한 열인데, 서적을 통하여 개념은 이해하겠는데
제가하기 때문이다,,라는 말을 이해할 수가 없습니다.

또한, Condenser나 Reboiler에서 utility의 C.W나 steam의 경우 pressure drop을 얼마정도가
가장 흔히 사용되고 있는지요?
이것외에 process fluid side의 pressure drop도 고민이 됩니다.

ps. 열교환기에서 온도가 올라가면 전열면적은 작아지지만 압력이 올라가고 그에 따른 단가도 올라가는 것으로 알고 있습니다. 여기서 온도가 올라가면 잠열이 줄어든다는 말이 게시판 글에 있던데, 기초가 아직 많이 부족한 듯합니다. 간단한 설명 부탁드립니다.

감사합니다.

스테파노 Stefano

14-12-03 15:21

(1) <진공상태의 증류탑이므로 그만큼 C.W 양이 많이 필요할 것 같습니다. > 이 말중에 CW양이 많다 적다의 판단기준이 "진공상태 증류탑"이라는 이야기 인데 이 말의 뒤에 숨긴 이야기가 궁금합니다. 진공상태라서 냉각수로 냉각하기에는 Vapor온도가 너무 낮아 냉각수와의 온도차가 크지 않아 순환시켜야 할 냉각수의 량이 많아진다는 뜻이겠지요?

Q= m * Cp * Δt ===> m = Q /(Cp * Δt) ...............(1)

(2) <<증발되어있던 기상의 공정물질을 응축시키기 위해 증발잠열을 제거하기 때문...>> 이 말에서 "증발잠열을 제거"라는 말을 다른 말로 고쳐쓰면... "증발잠열을 빼앗으면"으로 고치면 됩니다.

(액체 상태) + (증발잠열) = (기체상태) ........................(2a) 이 식의 좌변에 있는 "(증발잠열)"을 우변으로 옮기면 다음 (2b)의 수식이 되는데 이를 말로 표현한 것이 <<......>> 입니다.

(액체 상태) = (기체상태) - (증발잠열) .........................(2b) "기체상태"에서 증발잠열을 빼앗으면(제거하면) "액체상태"가 됩니다.
참고로...증발잠열의 절대값은 응축잠열의 절대값과 정확히 같습니다. 끓는 온도에 도달한 액체에 증발잠열을 가하면 기체가 되고 포화증기에서 증발잠열(=응축잠열)을 제거하면 끓는 온도에서의 액체로 응축이 일어납니다. 엄밀하게는... 위의 (2a, 2b) 식에서의 기체상태, 액체상태는 모두 끓는점(=응축점)에서의 포화증기 혹은 포화액체라고 해야 정확한 표현이 됩니다.

(3) Shell & Tube Heat Exchanger 에서 Typical Pressure Drop은 Utility나 Process Fluid 구분하지 않고 압력차는..

Shell Side 20~40 kPa (0.2~0.4 kg/cm2, 3~6 psi),
Tube Side 40~70 kPa(0.4~0.7 kg/cm2, 4~10 psi) 정도입니다. 압력에 따라 이 범위를 벗어나는 경우도 많습니다만 대체로 그렇습니다,

Condenser의 경우라면 Inlet (Absolute) Pressure의 약 10%를 압력손실로 봅니다. 이중 Tube Bundle의 손실이 약 40% 정도이고 나머지의 대붑분은 U-turn, Nozzle, Impingement Plate 등에서의 손실입니다.

(4) < ps. 열교환기에서 온도가 올라가면 전열면적은 작아지지만 압력이 올라가고 그에 따른 단가도 올라가는 것으로 알고 있습니다. > 여기서의 "온도가 올라가면..."이 아니라 "온도차가 늘어나면"이 되어야 맞는 판단입니다. "단가"는 무엇을 언급하는지 불분명합니다. 혹시 열교환기 가격이라고 생각했다면 잘못입니다. 전열면적이 줄어들면 설계압력은 약간 높아지지만 열교환기 가격은 낮아지는 것이 일반적입니다.

(5) <여기서 온도가 올라가면 잠열이 줄어든다는 말이 게시판 글에 있던데, ...> 맞습니다. 이 내용은 이곳 게시판에서 서너번 반복했었던 기억이 있습니다.

모든 액체는 온도가 올라가면서 증발잠열이 작아집니다. 수증기표나 어떤 물질의 엔탈피도표를 찾아보면 알 수 있듯이 온도가 올라가면 잠열의 크기가 점점 줄어듦을 알 수 있습니다.

물의 증발잠열을 살펴보면 상압 100℃에서 539 kcal /kg인데 온도 200℃에서는 463, 300℃에서는 335, 350℃에서 213로 줄어들다가 임계온도 374.15℃에서는 0 kcal/kg이 됨을 알 수 있습니다.

여기서 "온도가 올라간다"는 말은 바로 "끓는 점이 올라간다"는 말을 의미하고 끓는점이 임계점(액체로 존재할 수 있는 최고의 온도)에 도달하면 증발잠열은 사라집니다. 임계온도 이상에서는 기체로 존재할 수 없기 때문에 증발이라는 현상자체가 없는 것이지요.

Q= m * Cp * Δt  ===>    m = Q /(Cp * Δt) ...............(1)

(2) <<증발되어있던 기상의 공정물질을 응축시키기 위해 증발잠열을 제거하기 때문...>> 이 말에서 "증발잠열을 제거"라는 말을 다른 말로 고쳐쓰면... "증발잠열을 빼앗으면"으로 고치면 됩니다.

(액체 상태) + (증발잠열) = (기체상태) ........................(2a)  이 식의 좌변에 있는 "(증발잠열)"을 우변으로 옮기면 다음 (2b)의 수식이 되는데 이를 말로 표현한 것이  <<......>> 입니다.

(액체 상태)  = (기체상태) - (증발잠열) .........................(2b)  "기체상태"에서 증발잠열을 빼앗으면(제거하면) "액체상태"가 됩니다.
참고로...증발잠열의 절대값은 응축잠열의 절대값과 정확히 같습니다.   끓는 온도에 도달한 액체에 증발잠열을 가하면 기체가 되고 포화증기에서 증발잠열(=응축잠열)을 제거하면 끓는 온도에서의 액체로 응축이 일어납니다.   엄밀하게는... 위의 (2a, 2b) 식에서의 기체상태, 액체상태는 모두 끓는점(=응축점)에서의 포화증기 혹은 포화액체라고 해야 정확한 표현이 됩니다.

(3) Shell & Tube Heat Exchanger 에서 Typical Pressure Drop은 Utility나 Process Fluid 구분하지 않고 압력차는..

Shell Side 20~40 kPa (0.2~0.4 kg/cm2, 3~6 psi), 
Tube Side 40~70 kPa(0.4~0.7 kg/cm2, 4~10 psi) 정도입니다.  압력에 따라 이 범위를 벗어나는 경우도 많습니다만 대체로 그렇습니다,

Condenser의 경우라면 Inlet (Absolute) Pressure의 약 10%를 압력손실로 봅니다.   이중 Tube Bundle의 손실이 약 40% 정도이고 나머지의 대붑분은 U-turn, Nozzle, Impingement Plate 등에서의 손실입니다.

(4) < ps. 열교환기에서 온도가 올라가면 전열면적은 작아지지만 압력이 올라가고 그에 따른 단가도 올라가는 것으로 알고 있습니다. > 여기서의 "온도가 올라가면..."이 아니라 "온도차가 늘어나면"이 되어야 맞는 판단입니다.   "단가"는 무엇을 언급하는지 불분명합니다.  혹시 열교환기 가격이라고 생각했다면 잘못입니다.  전열면적이 줄어들면 설계압력은 약간 높아지지만 열교환기 가격은 낮아지는 것이 일반적입니다.

(5) <여기서 온도가 올라가면 잠열이 줄어든다는 말이 게시판 글에 있던데, ...> 맞습니다.  이 내용은 이곳 게시판에서 서너번 반복했었던 기억이 있습니다.

모든 액체는 온도가 올라가면서 증발잠열이 작아집니다.  수증기표나 어떤 물질의 엔탈피도표를 찾아보면 알 수 있듯이 온도가 올라가면 잠열의 크기가 점점 줄어듦을 알 수 있습니다.

물의 증발잠열을 살펴보면 상압 100℃에서 539 kcal /kg인데 온도 200℃에서는 463,   300℃에서는 335,  350℃에서 213로 줄어들다가 임계온도 374.15℃에서는 0 kcal/kg이 됨을 알 수 있습니다.

여기서 "온도가 올라간다"는 말은 바로 "끓는 점이 올라간다"는 말을 의미하고 끓는점이 임계점(액체로 존재할 수 있는 최고의 온도)에 도달하면 증발잠열은 사라집니다.  임계온도 이상에서는 기체로 존재할 수 없기 때문에 증발이라는 현상자체가 없는 것이지요.