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  분리공정 관련해서 질문드리겠습니다.
  글쓴이 : 마동쓰   고유ID : com2356     날짜 : 17-03-02 13:33     조회 : 2059    
이전 글을 참고하다가 질문이 생겨서 글을 남깁니다.

(1) Reflux유량을 증가시키기 위해서는 단순히 펌프의 성능을 높이면 되는 것인지 궁금합니다.

(2) Reflux 유량 증가에 따라 'reflux drum 액면 유지 -> 증류탑 차압 증가 -> Feed 유량 감소' 라는 사이클이 잘 이해가 가지 않습니다. Drum 액면이라는 것은 이 상황에서만 유지하는 것인지 아니면 이 상황이 아니라도 유지하는 것인지 궁금하고 이에 따라 왜 증류탑의 차압이 증가하며 feed 유량이 감소하는지 궁금합니다.

(3) Reflux 온도를 낮게 하여 순도를 증가시킬 수도 있다고 하셨는데,
    이를 위해서 reflux되는 liquid를 추가적으로 냉각시켜 주는 것인지 궁금합니다.

(4) Stripping gas를 사용하는 방법의 경우 어떤 mechanism으로 bottom의 저비점 성분 양이 줄어드는지 궁금합니다.

(5) 증류탑에서 온도는 탑 하부로 갈수록 증가합니다. 이에 대해 이유를 생각해보다가 갑자기 정립이 안 되는 것 같아 질문남깁니다.
증류탑의 온도가 탑 상부에서 가장 낮은 이유? --> 탑 상부로 갈수록 저비점 물질의 농도가 높아져서 ---> 탑 상부로 갈수록 저비점 물질의 농도가 왜 높아지는 이유? --> ???? 여기서 갑자기 막힙니다.
논리순서가 잘 못 된 것인지... 단순히 리보일러가 제일 하단에 있기 때문이라고 생각해도 되는 문제인가요?

(6) 압력도 탑 하부로 갈수록 증가합니다. 이 이유도 (5)와 같은 이유라고 생각하는데 맞는지 궁금합니다.

(7) 증류탑의 원리는 더 정확하게 말하면 성분 간의 상대휘발도 차이라고 알고 있습니다. 왜 끓는점보다 상대휘발도라는 표현이 더 정확한지 궁금합니다.

(8) 'A Working Guide to Process Equipment'라는 책을 읽고 있습니다. 현재 Flooding 현상에 대해 보고 있는데, downcomer seal의 loss로 인해 flooding이 일어나는 경우가 있다고 나와있습니다. 여기서 downcomer seal의 loss가 무슨 뜻인지 궁금합니다. 추가 설명으로는 이 경우 outlet weir의 높이가 downcomer clearance보다 낮다고 합니다.

모르는 것을 배워가는 학생이라 질문이 너무 많더라도 이해해주시면 감사하겠습니다.

스테파노 Stefano   17-03-06 02:04
A1.  Reflux를 늘인다는 것은 Column에 환류되는 유량을 증가시키는 것이기 때문에 이미 설치된 펌프의 배출관에 달려있는 유량조절밸브를 더 열어주는 방법이 주로 사용됩니다.  한번 설치된 펌프의 성능을 운전중 마음대로 높이고 줄이고 할 수는 없지요.

A2. Reflux 유량을 늘이게 되면 증류탑의 내부에서 액의 흐름이 늘어나고 그에 따라 Reboiler에서 증발시켜 상승되는 증기가 늘어나 Column 내의 기체 유량이 늘어나 차압이 증가하게 됩니다.  차압이 너무 증가하게 되면 Feed되는 유량을 줄일 수 밖에 없는데 이를 설명한 것입니다.  Reflux Drum의 액면은 Reflux 유량과 달리 Distillate 배출량을 조절함으로써 조절되기 때문에 Reflux 유량과는 직접관련된 사항은 아닙니다.  Reflux를 갑자기 늘였을 때 순간적으로 Drum Level이 떨어져도 Distillate 배출밸브가 동작하여 액면을 유지해 줍니다.  원문에서 설명한 내용은  Reflux 과다 증가시에 처리량 감소를 설명한 것이 중점을 둔 것입니다.

A3. Condenser내에 액이 채워져 있는 상태로 운전되는 경우 액의 온도를 응축온도보다 더 낮게 냉각할 수도 있는데 이 경우에 해당하는 주제입니다.  이런 Condenser를 Flooded 상태로 운전된다고 하는데 그러지 않은 경우 Subcooling 하기가 어렵지요.

A4. Stripping Gas에는 저비점 성분이 들어있지 않기 때문에 기상의 저비점 성분의 분압을 낮추어 주는 효과를 낳습니다. 그로 인하여 액상에서 기상으로 물질전달이 더 자 일어나, Bottom 제품에 저비점 성분의 함량이 더 떨어집니다.    교과서 정독하여 읽어보도록 하세요.

A5. Column 내 같은 단에서 액이 존재할 때 저비점 물질이 먼저 증발하면 증기는 상부 단으로 올라가게 되고, 증발되지 않은 고비점 물질은 그 단 밑으로 흘러내리게 됩니다.  그로 인해 하부로 갈수록 고비점 물질이 많아지고 상부로 갈수록 저비점 물질이 많아지면 그에 따라 비점이 달라지는 것이지요. 

이는 중력장이 작용되는 곳에서 벌어지는 현상이고 우주공간처럼 무중력 공간에서는 상상할 수 없는 전혀 다른 양상이 벌어지겠지요.  따라서 무중력 공간에서는 원심력 등을 이용한 중력장 발생 장치를 사용해야 중류가 가능할 것입니다.

A6. Colum내의 증기는 압력차에 따라 압력이 높은곳에서 낮은곳으로 흐르고, 액은 중력장에 의해 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되어 있습니다. 

A7. 어느 한 물질을 증발시키는 경우라면 이것저것 따질 것 없이 휘발성이 좋은지 나쁜지 구별할 필요도 없이 압력에 따른 비등점만 관심가지면 됩니다.  그러나 두개의 성분이라면  어느 것이 비점이 얼마만큼 높은지 만으로는 상대적 분리효과를 추정하기는 어렵기 때문에 각각의 휘발도를 비교한 "상대휘발도"로 판단하게 됩니다.  상대휘발도에 따라 단수를 추정할 수 있지만 비점만으로는 불가능 합니다.  이론단수를 추정하는 방법을 알아보세요.

A8. Downcomer는 윗단에서 액이 Weir를 넘쳐 아랫단으로 흘러내려 Tray를 가로질러간 후 Weir(출구측 보에 해당)를 흘러가게 되도록 연결된 일종의 수직 통로입니다.  Downcomer로는 액만 흘러가도록 되어 있어야 하는데 Downcomer 하부가 액에 잠겨있지 않은 경우 증기가 Downcomer로 흘러가는 현상이 일어날 수 있는데  이부분 즉 Downcomer 하부가 액에 완전히 잠기도록 해주는 부분을 <Downcomer Seal>이라고 합니다.  설계상으로는 Downcomer 하부가 충분히 밀봉(Seal)되도록 되어 있어서 그런 현상이 거의 일어나지 않는데 액의 흐름에 비해 증기의 흐름이 과다한 경우 나타날 수 있습니다.
     
마동쓰 com2356   17-03-06 10:04
답변 정말 감사합니다. 추가적인 질문이 생겨 댓글 남기겠습니다.

(1) A2.에 대한 질문입니다. 저는 다음과 같이 이해했습니다.
[Reflux 유량을 갑자기 늘린다면 reflux drum의 level이 순간적으로 줄어들지만 이는 level control에 의해 distillate discharge valve가 닫히면서 다시 액면이 유지되게 됩니다. 이에 따라 distillate의 유량이 줄어들므로 feed 유량 또한 줄어들게 됩니다.]
제가 이해한 내용이 맞는지 궁금합니다.

(2) A6.에 대한 질문입니다. 증기는 압력차에 의해 탑의 상부로 올라가게 됩니다. 그렇다면 왜 탑의 상부는 압력이 낮고 탑의 하부는 압력이 높은지 이유가 궁금합니다. 당연한 얘긴데 이유를 생각하려니 쉽게 생각이 안 나네요. 저는 reboiler에서 공급된 증기가 단(tray)내에서 액체와 접촉하며 압력강하가 발생하기 때문이라고 생각했는데, 이는 탑상부-탑하부의 압력차가 있다는 전제가 깔려있는 것이라 명쾌히 답이 안 내려집니다.

(3) 그렇다면 downcomer의 제일 끝 부분에 <downcomer seal>이라는 부품이 따로 붙어있다고 생각하면 되는건지 궁금합니다.
스테파노 Stefano   17-03-06 11:19
AA1. 정상상태(Steady State)에 있었던 공장에서 운전중 순간적인 조건의 변화(Step Change)는 공정변수(Process Variable) 감지기(Sensor)에 의해 감지되고 갖춰진 제어계에서 설정치(Set Point)와 비교하여  오차(Error)를 해석하고 그 오차의 크기와 누적치, 추이 등을 판단하여 제어기(Controller)가 어떻게 조작할 것인가 출력(Output)을 내보내서 조작기(Control Element)를 동작시키고 그 동작 결과를 피드백 해 줍니다.    따라서 순간적인 유량이나 액면, 등과 같은 공정변수의 변화는 미리 각본대로 운전되는 것이고 또한 이들은 국부적으로 동작하게 되므로 우려(?)할 바는 아니고... 

질문에서의 논지는 시스템이 전체적으로 어떤 흐름으로 전개될 것인가 하는 매크로 시각에서 봐야 할 사항입니다. 
추가 질문에 대해 다시 보충설명하자면 Reflux가 늘면 Column내에서 순환되는 액과 증기의 유량이 늘어나기 때문에 Feed를 줄일 수 밖에 없고 결국 Distillate의 생성량이 줄어든 다는 것이지요.  공정의 순간적 국부적 변화보다 시스템 전체의 변화에 관심을 가져야 합니다.  따라서 Reflux를 급히 늘이지 말고 아주 서서히 꾸준히 늘여갔을 때 장치가 어떻게 운전될 것인 가를 생각해보면 됩니다.  액면이나 액면조절밸브를 염려할 필요없이 Column내 압력차가 늘어나 Flooding이 일어나면 운전자는 어떤조치를 해야할 것인가를 생각해 보세요.

AA2.  탑내의 흐름이 전혀 없다면 액은 Bottom에 머물러 있고, 증기는 그 위에 떠 있는 상태로 내부는 균일한 압력을 나타내게 될 것입니다.  흐름이 없기 때문이지요. 그런 Column은 냉장고속의 맥주병과 다름이 없습니다.  공기는 상부에 맥주는 바닥에 머물러 있지요. 

앞선 답글에서 설명했던대로, Column내에서는 증기와 액의 흐름이 존재하는데 증기는 압력차로, 액은 중력에 의해 흐름을 형성한다고 했습니다.  증기는 고압에서 저압측으로 흘러갑니다.  하부에서 상부로 흘러가기 때문에 하부의 압력이 높고 상부의 압력이 낮은 것이지요.  압력이 같다면 증기가 흐를 이유가 없습니다. 

탑 상부, 하부의 압력차가 있다는 것이 먼저가 아니고 증기가 하부에서 상부로 흘러가기 때문에 압력차가 생긴 것입니다.  달걀이 먼저냐 닭이 먼저냐와 같은 이야기 인데  압력차가 존재하기 때문에 흘러가기도 하고 흘러가기때문에 압력차가 생긴것이고도 하지면  곰곰히 생각해보면... 액을 끌여대야 증기가 발생하고 증기가 흘러가야 압력차가 나타났기 때문에 <흐름>이 <압력>보다 먼저라고 결론짔는 것이 안심입니다.

그러나 액은 다릅니다.  중력에 의해 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯 위에서 아래로 흘러내립니다.  액은 깊이(혹은 높이)에 따라 정압이 달라집니다.  깊은 바다속의 압력이 더 높은 것과 마찬가지지요.  액은 위에서 흘려주었기 때뭉에 흘러내린 것입니다.  위치에너지가 먼저고 흐름은 그에 의해 나타난 것이지요. (참고로.. 기체의 경우에도 위치에 따라 정압이 달라지는데 해수면에서의 공기의압력과 성층권에서의 공기압이 다른 것이 이유입니다.  증류탑과 같은 작은 기기에서는 기체의 위치별 정압차이는 없다고 간주되지요.). 

위치에너지의 생성은 지구가 태어날 때 생성된 것이라서... 중력장이 먼저고 흐름은 나중.. 필자가 갑자기 현기증이...^^

AA3. Seal 부품이 따로 있는 것이 아니고 윗단 Downcomer 하부 끝의 높이보다 Downcomer 상부 Weir선이 더 높게 유지해주는 것일 뿐입니다.  이곳[http://www.separationprocesses.com/Operations/POT_Chp02e.htm] 에는 <Downcomer Outlet Weir>가 그려져 있는데 Column 유효 단면을 줄이기 때문에 이를 사용하는 경우는 거의 없습니다.
마동쓰 com2356   17-03-06 12:41
답변 감사합니다.
AA1. 에서는 매크로 시각에서 다시 한 번 생각해보겠습니다. AA2.는 당연한 이치인데 헷갈리게 해드려 죄송합니다.

그리고 AA3.에서 올려주신 링크 잘 참고하였습니다. 여기서 downcomer 하부 끝의 높이가 downcomer 상부 weir보다 높게 유지해야 한다는 말이 잘 와닿지 않습니다.

(1) 여기서 downcomer 하부 끝의 높이라 하면 downcomer clearance라고 이해가 되는데 downcomer 상부 weir는 어느 부분인지 모르겠습니다. 바로 이전 tray의 outlet weir역할을 하는 부분을 말씀하시는 건가요? 그리고 높게 '유지'해준다고 하셨는데, 이미 설치되어 있는 downcomer를 어떻게 외란에 저항하여 '유지'하도록 만들어 주는지 잘 모르겠습니다. Downcomer의 위치를 변경할 수 있는건가요?

(2) 그리고 보내주신 링크의 downcomer outlet weir가 column 유효 단면을 줄이기 때문에 사용하는 경우가 없다고 하셨는데, 어느 부분을 말씀하시는 것인지 모르겠습니다. 죄송하지만 그림 번호를 알려주시면 제가 다시 한 번 살펴보겠습니다.
스테파노 Stefano   17-03-06 14:36
(1) 앗 실수...
<윗단 Downcomer 하부 끝의 높이보다 Downcomer 상부 Weir선이 더 높게 유지해주는 것>이라야 맞습니다. 이대로 고쳐두었습니다.

이는 Downcomer의 발끝이 액에 잠기도록 유지하기 위함인데 Tray에 너무 가까우면 액의 흐름저항이 커지고, 너무 작으면 증기가 Downcomer쪽으로 역류될 수 있기 때문에 제작시 경험치로 결정됩니다.  이 간극은 운전중에는 조절할 수 있는 방법은 없지만 액유량 너무 작을 때 역류될 수 있습니다 ..

(2) Downcomr Outlet Weir를 별도로 두면 Outlet Weir Bar 부분의 앞, 뒤에 Bubble Cap이나 Valve Tray들을 더 달아둘 수 있는 면적이 줄어든다는 이야기 입니다.  대체로 Outlet Weir가 없을 것이므로 무관하며 Downcomer 내려오는 경우에도 수직으로 내려오지 않고 끝이 벽쪽으로 다가선 모양으로 제작(http://gasprocessingnews.com/features/201502/troubleshoot-and-solve-a-gas-treater-downcomer-unsealing-problem-part-1.aspx 참조)하는데 이렇게 하는 이유도 유효 단면적(Effective Area)을 늘이기 위함입니다.
     
마동쓰 com2356   17-03-06 15:24
감사합니다.

(1) 그러면 'downcomer seal이라는 것이 어떤 부품이 아니라 downcomer의 하부 끝부분이 액체에 잠기도록 하는 것이며, 이는  downcomer의 하부 끝의 높이보다 outlet weir를 높게 제작해서 이루어 집니다. Outlet weir는 보통 2~3in인데(책에서 읽은 내용입니다) 이에 맞게 downcomer의 하부 끝 높이를 설정하며 보통 경험치에 맞게 제작합니다.' 라고 이해해도 되는 것인가요?

(2) Downcomer outlet weir가 어디에 설치된다는 말인지 궁금합니다. Inlet weir와는 다른 것인가요? 그리고 sealing의 경우 3번째 댓글에서 달아주신 링크에는 inlet weir를 설치하는 방법과 reservoir같은 공간을 따로 만드는 방법이 나와 있는데, 이 2가지 모두 tray에서 active area를 감소시켜 대체로 사용하지 않는다는 말로 이해해도 되는지 궁금합니다.
스테파노 Stefano   17-03-06 22:05
(A1) 맞습니다.
(A2) 단을 흘러 넘치는 Weir의 길이는 충분히 길어야 액이 Weir를 넘쳐흐르면서 Tray액면이 균일하게 유지해야 하기 때문에 어느 적당한 길이 이상이 되어야 합니다.  Weir을 넘쳐면 바로 Downcomer인데 하단 맨 끝 부분이 완전히(확실히) 잠기도록 추가로 막아두는 Weir를 두는 경우가 있는데 이곳 [https://www.google.co.kr/search?q=Tray+weir&biw=1486&bih=678&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjb57C_98HSAhUDNrwKHYsdBQgQ_AUIBigB#imgrc=-HY_mN2qZhJ9VM:] 도면의 왼쪽 도면에서와 같은 weir를 말합니다.  오른쪽 도면과 같이 그 부분이 약간 움푹내려가도록 할 수도 있습니다.

윗단에서 Downcomer를 거쳐 액이 흘러내려오는 통로는 상대적으로 단면이 작아도 되기 때문에 Bubble Cap등을 더 늘이기 위해  그 영역을 Active Area로 최대한 넓혀 사용합니다.  Bubble Cap의 수효가 많으면 많을 수록 Vapor 유속을 더 낮게 유지할 수 있어서 같은 직경의 탑에서 처리량이 더 늘어나기 때문입니다.
     
마동쓰 com2356   17-03-06 23:24
상세한 답변 감사합니다. 완전히 이해가 되었습니다. 좋은 밤 되시기 바랍니다.
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