게시판 > 질답게시판 > Side-exchangers에 관한 질문입니다.

스테파노 Stefano

15-02-02 19:56

(A1) 일반적인 증류탑에서는 Rectifying Section(Feed 단보다 위에 놓은 부분)과 Stripping Section(Feed 단보다 아래에 놓인 부분)이 한 몸체로 되어 있고 압력이 약간 높은 부위에 위치한 Reboiler에는 Steam과 같은 가열매체, 상부 압력이 약간 낮은 부위에 위치한 응축기에서는 냉각수와 같은 냉각매체를 사용하여 가열하고 냉각하기 때문에 에너지 절감과는 거의 관련이 없는 셈이지만,

언급하고 있는 증류탑은 Rectifying 부분(고압부분)과 Stripping 부분(저압부분)을 분리하여 압력이 서로 다르게 운전되도록 하고 Stripping Section에서 증발되어 올라오는 증기를 고압상태로 운전되는 Rectifying Section에 공급하기 위해 압축하여 보내줌으로써 Reboiler에서 증발되어 상승하는 증기의 흐름처럼 보내주도록 운전합니다. 이 증기는 Rectyfying Section을 상승하면서 여러 단을 통과하면서 기액접촉을 거치다가 Stripping Column에서 흘러내려오는 액상과 Rectifying Section내 Side Exchanger에서 간접접촉 열교환하면서 (잠열을 내놓고)응축되어 Rectifying Section의 Reflux(즉 Condensr) 역할을 하게 됩니다. 동시에 Stripping Column에서 흘러내려왔던 액은 (잠열을 받아들여) 증발되어 Stripping Column의 Reboiler 역할을 하게 됩니다.
질문에서 <단순히 Distillation 자체의 에너지를 다시 Reboiler에 넣어줘서 최초 Reboiler의 에너지 자체를 줄인다? >라는 표현을 사용하였는데 정확하게 표현하자면 다음 두가지료 요약됩니다.

a) "Stripping Section에서 상승하는 증기를 (압축하여) Rectifying Section의 증기로 보내주고 Rectifying Section의 상부에서 응축되어 Reflux 될 때 내놓은 "증기의 잠열"을 Stripping Section에서 흘러내려오는 액을 증발시키는데 사용한다" <--이 열교환은 Rectifying Section 상부에 위치한 Side Exchanger가 담당.

b) "Rectifying Sectiong 상부의 (잠열을 포함하고 있는) 증기는 Stripping Section의 하부로 흘러내려오는 액을 증발시키는데 (증기의 잠열을) 사용함으로써 Stripping Section의 Reboiler역할을 한다" <----이 열교환은 Stripping Section 하부에 위치한 Side Exchanger가 담당

(A2) 두번째 질문에서 <HIDIC는 원래 Rectifying 부분이 저압이고, Stripping 보다 온도가 낮은데, 이를 고압으로 변경해주어 Stripping보다 온도를 높여 Thermo-siphon 효과로 온도 전달을 하는것이라고 개괄적으로 그렇게 이해..> 의 부분에서 <..Stripping보다 온도를 높여 Thermo-siphon 효과로 온도 전달을 하는것..>이 아니고...

"Stripping Section은 압력이 낮은데 Stripping Column에서 흘러내리는 Liquid Stream을 밖으로 꺼낸다음 고압상태로 운전되는 Rectifying Section의 상부열교환기에서 열교환함으로써 흘러내린 액이 (별도의 펌프동력없이) Thermo-siphon 효과만으로 순환되면서 증발되어 기-액 혼합물 상태로 Stripping Section의 하부에 흘러들어가면서 기-액이 분리 되기 때문에 Reboiler 역할을 하고 있다는 것"이라고 해야 정확한 표현입니다.

(3) 이러한 원리는 이미 공기분리 공장에서 이용되어 오고 있던 기술인데 공기분리 탑에서는 Upper Column, Lower Column으로 나누어 불리우고 있습니다.

증류탑으로 치면 Upper Column은 Rectifying Section이고 Lower Column은 Stripping Section 이지만 증기의 잠열을 이용하기 위하여 두 Section을 분리해 두고 위-아래 반대로 만들어 둔 것입니다.

여기서 놓지지 말아야 할 핵심적인 사항은 증발되는 증기의 잠열을 단순히 냉각수로 제거하여 버리는 것이 아니고 "압축"하여Rectifying Column 내에서 응축하게 함으로써 "증기가 가진 잠열"을 버리지 않고 사용하는 것이고 또한 압력이 높은 Rectifying Column의 상부 증기는 Stripping Column Side Exchanger에서 응축되면서 증발잠열을 공급하여 Reboiler의 부하를 줄여준다는것입니다.

언급하고 있는 증류탑은 Rectifying 부분(고압부분)과 Stripping 부분(저압부분)을 분리하여 압력이 서로 다르게 운전되도록 하고 Stripping Section에서 증발되어 올라오는 증기를 고압상태로 운전되는 Rectifying Section에 공급하기 위해 압축하여 보내줌으로써 Reboiler에서 증발되어 상승하는 증기의 흐름처럼 보내주도록 운전합니다.    이 증기는 Rectyfying Section을 상승하면서 여러 단을 통과하면서 기액접촉을 거치다가  Stripping Column에서 흘러내려오는 액상과 Rectifying Section내 Side Exchanger에서 간접접촉 열교환하면서 (잠열을 내놓고)응축되어 Rectifying Section의 Reflux(즉 Condensr) 역할을 하게 됩니다.  동시에 Stripping Column에서 흘러내려왔던 액은 (잠열을 받아들여) 증발되어 Stripping Column의 Reboiler 역할을 하게 됩니다.   
질문에서 <단순히 Distillation 자체의 에너지를 다시 Reboiler에 넣어줘서 최초 Reboiler의 에너지 자체를 줄인다? >라는 표현을 사용하였는데 정확하게 표현하자면 다음 두가지료 요약됩니다.

a) "Stripping Section에서 상승하는 증기를 (압축하여) Rectifying Section의 증기로 보내주고 Rectifying Section의 상부에서 응축되어 Reflux 될 때 내놓은 "증기의 잠열"을  Stripping Section에서 흘러내려오는 액을 증발시키는데 사용한다" <--이 열교환은 Rectifying Section 상부에 위치한 Side Exchanger가 담당.

b) "Rectifying Sectiong 상부의 (잠열을 포함하고 있는) 증기는 Stripping Section의 하부로 흘러내려오는 액을 증발시키는데 (증기의 잠열을) 사용함으로써 Stripping Section의 Reboiler역할을 한다" <----이 열교환은 Stripping Section 하부에 위치한 Side Exchanger가 담당

(A2) 두번째 질문에서 <HIDIC는 원래 Rectifying 부분이 저압이고, Stripping 보다 온도가 낮은데, 이를 고압으로 변경해주어 Stripping보다 온도를 높여 Thermo-siphon 효과로 온도 전달을 하는것이라고 개괄적으로 그렇게 이해..>  의 부분에서 <..Stripping보다 온도를 높여 Thermo-siphon 효과로 온도 전달을 하는것..>이 아니고...

"Stripping Section은 압력이 낮은데 Stripping Column에서 흘러내리는 Liquid Stream을 밖으로 꺼낸다음  고압상태로 운전되는 Rectifying Section의 상부열교환기에서 열교환함으로써  흘러내린 액이 (별도의 펌프동력없이) Thermo-siphon 효과만으로 순환되면서 증발되어 기-액 혼합물 상태로 Stripping Section의 하부에 흘러들어가면서 기-액이 분리 되기 때문에 Reboiler 역할을 하고 있다는 것"이라고 해야 정확한 표현입니다.

(3) 이러한 원리는 이미 공기분리 공장에서 이용되어 오고 있던 기술인데 공기분리 탑에서는 Upper Column, Lower Column으로 나누어 불리우고 있습니다.

증류탑으로 치면 Upper Column은 Rectifying Section이고 Lower Column은 Stripping Section 이지만 증기의 잠열을 이용하기 위하여  두 Section을 분리해 두고 위-아래 반대로 만들어 둔 것입니다.

여기서 놓지지 말아야 할 핵심적인 사항은 증발되는 증기의 잠열을 단순히 냉각수로 제거하여 버리는 것이 아니고 "압축"하여Rectifying Column 내에서 응축하게 함으로써 "증기가 가진 잠열"을 버리지 않고 사용하는 것이고 또한 압력이 높은 Rectifying Column의 상부 증기는 Stripping Column Side Exchanger에서 응축되면서 증발잠열을 공급하여 Reboiler의 부하를 줄여준다는것입니다.

태밍 taming

15-02-03 09:40

스테파노님 바쁘신 와중에 답변 해주셔서 너무 감사드립니다.
몇번을 읽어본 뒤에 궁금한 사항이 있어서 다시 질문 드리고자 합니다.

위의 답변중 (A1)의 a)에서 말씀하신 Rectifying Section 상부에 위치한 Side Exchanger의 역할이 Stripping Section의 액에게 잠열을 전달함으로써, Reboiler의 부하를 줄여주는 것으로 이해했습니다.(때문에 잠열을 그냥 버리지 않아 에너지 절감 효과가 일어나는 것이라고 이해했습니다.)

그런데 b)에서 말씀하신 부분이 처음에는 a)와 마찬가지로 중복이라고 생각하여 이해가 잘 안되었는데, 제가 생각하고 이해한 결과로는 Rectifying Section의 Side Exchanger에서 잠열을 전달하고, 남은 잠열(?)을 가지고 있는 Rectifying Section 상부의 위치한 증기들을 Condenser로 바로 응축하는 것이 아니라 Stripping Section "내부" 에서 흘러내려가는 액과 다시 열교환 시켜줌으로써(Stripping Section의 Side Exchanger를 이용) "a)와 마찬가지로 Reboiler의 부하를 줄여주는 것이다." 라고 이해하였습니다.
제가 이해한 것이 맞는 것인지 궁금합니다.

(A2)에서는 제가 잘못 생각한 부분을 바로잡아 주셔서 감사합니다.

그리고 추가 질문사항이 있습니다.
Side Exchanger를 이용하여 그냥 버리게 되는 잠열들을 이용하여 에너지 절감효과를 얻을 수 있다고 보여지는데, 그러면 Side Exchanger를 그림처럼 단순히 2개만 설치하는 것이아니라, 여러개의(공장에 따라 최적의 갯수는 존재하겠지만) Side Exchanger를 설치할 수 있을까요?

이상입니다. 항상 자세히 답변해주셔서 감사합니다. ㅠㅠ 고맙습니다! 즐거운 하루 되세요!

스테파노 Stefano

15-02-03 13:58

(1) a) 부분 이해도 맞고 b)부분의 이해도 맞지만 뉴앙스가 조금다릅니다.
<Rectifying Section의 Side Exchanger에서 잠열을 전달하고, 남은 잠열(?)>부분에서 "남은 잠열"이 아니고 증류탑 상부에서 (기-액 평형 유지후) 배출되는 증기제품의 잠열을 이용하여 Stripping Section의 Side Exchanger를 이용하려 Stripping Section내부에서 흘러내리는 액을 증발시켜 줌으로써 Reboiler의 부하를 줄여주는 것이라고 해야 정확한 표현입니다.

(2) 원래 일반증류탑에서는 Rectifying Section의 Overhead Vapor의 온도가 Column 내 Vapor 온도중에서 가장 낮기 때문에 이를 다른 열원으로 사용하지 못하고 Overhead Condenser에서 냉각수로 냉각하여 열을 버리는 것이 상례였으마, Rectifying Section의 압력을 Stripping Section의 압력보다 높게 유지함으로써 Overhead Vapor로 배출되는 제품의 증기가 가진 잠열을 버리지 않고 이용한다는 것이 욧점입니다.

(3) 있습니다. 아래의 두가지 조건을 만족하면 몇개라도 가능할 것입니다.
i) 가장 중요한 조건은 열전달이 일어날 수 있는 온도차가 어느정도 유지될 수 있어야 가능하다는 것. ΔT >>0 ...(1)
ii) 절감비용 > 감가상각비+운전비(동력비)+보수정비비.....(2)

필자의 판단으로는 온도차는 클수록 전열면적이 줄어들고 전력단가에 크게 의존하겠지만 (2)식을 만족할 수 있으려면 최소한의 온도차는 아마 20~30℃정도는 되어야 하지 않을까 생각됩니다.

태밍 taming

15-02-03 16:44

스테파노님 답변 감사합니다. 계속 고민했던 문제가 해결되었습니다.
친절하게 답변해주셔서 다시한번 감사드립니다! 즐거운 하루 되시기 바랍니다!

태밍 taming

15-02-04 14:45

Study 중 추가 질문사항이 발생하였습니다.ㅠㅠ

(Q1) 1. 기존 단일 Column의 OVHD Vapor를 압축하여 Reboiler의 열원으로 사용하였을 때와 위에서 말씀드린 2. 두개의 Section으로 나누고 Side Exchanger를 사용할 때, 두가지의 압축비를 비교하려고 합니다. 관련 논문의 실험데이터가 있으면 좋겠지만, 아무리 찾아봐도 없는 현실이여서... 어떤게 더 효율적인지 궁금하는데, Study의 방향을 잡아주셨으면 좋겠습니다.
(위에서 말씀드린 Side Exchanger를 활용한 Column의 정확한 명칭이라고 알려주시면 감사하겠습니다..ㅠㅠ 제가 알아본바로는 "비단열형 증류탑" 이것이 Side Exchanger를 활용한 Column인거 같은데 맞나요???)

(Q2) Column을 Feed 기준으로 2개의 Section으로 나누는 것이 기존 단일 Column보다 효율적인지를 알아보려고 합니다.에너지 절감 측면에서는 당연히 전자의 것이 좋을 것 같으나, 설치 비용이나 Distillation 효율 측면에서는 후자 것이 더 좋을 것 같아서 궁금합니다. Side Exchanger를 사용 할 경우, 탑 내의 Fluid의 잠열이 단일 Column에 비해 작기 때문에 자칫 Product의 결과가 원하는 값에 도달하지 못할 수 있어 효율측면에서 떨어지지 않을까 생각됩니다.

실험 데이터의 근거로 위의 답변을 정확히 얻을 수 있을 것 같지만... 저의 검색 능력의 한계인 것 같아... 어떤 방식으로 이 문제들을 접근해야 하는지에 대한 방향을 혹시 잡아주실 수 있을까 해서 질문드립니다.

이상입니다. 즐거운 하루 되시기 바랍니다!

스테파노 Stefano

15-02-05 00:05

(A1) 증류탑 상부의 증기를 압축하여 Reboiler에 사용하는 예는 Multi-effect Evaporator에서 사용하는 방법과 유사합니다. 증발된 증기를 압축하여 가열원으로 사용하도록 하는데 이 경우에는 Ejector 를 사용하는 TVR 방식과 Compressor를 사용하는 MVR 방식으로 구분되어 있지요.

증류탑에서 사용하는 경우도 직접 증기를 압축하는 방법과 Heat Pump원리로 다른 열매체를 사용하는 경우도 있습니다.

"비단열혈 증류탑"은 Wall에서 열손실에 의해 내부 Reflux 효과를 갖도록 하는 것 아닙니까? 이는 기본적으로 열손실을 동반하할 뿐 만 아니라 계절적으로 운전조건이 크게 달라질 것으로 봅니다만..

(A2) 온도에 따라 잠열의 크기 차이는 약간 있겠지만 이는 주제와 약간 벗어난 사항입니다. 에너지를 절감하는 목적으로 사용함으로써 Reboiler의 부하를 줄여주고 냉각수로 버리는 열량을 줄여주는 효과가 있다고 해서 Reboiler와 Condenser가 필요없는 것은 아닙니다.

접근하는 방법은 바로 증류탑을 두개로 나누고 Side Reboiler를 두고 Column Simulation으로 Utility 절감 효과를 알아보면 될 것입니다.