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  분리공정 질문드립니다.
  글쓴이 : 마동쓰   고유ID : com2356     날짜 : 17-03-22 15:34     조회 : 2374    
   Tray efficiency q.PNG (77.4K), Down : 21, 2017-03-22 15:34:27
안녕하세요,
'A Working Guide to Process Equipment'라는 책을 읽던 중 질문이 생겨 글을 남깁니다.

1. 설명을 보면 Tray efficiency는 나가는 기체의 온도와 액체의 온도를 비교하면 된다고 합니다. 하지만 어떻게 해서 왼쪽 그림의 efficiency는 100%이고 오른쪽은 0%인지 모르겠습니다. 이해를 돕기위해 그림을 첨부했는데 설명부탁드리겠습니다.

2. 탑 내의 tray에서 total pressure drop은 dry tray pressure drop과 hydraulic pressure drop의 합입니다. Dry tray pressure drop은 증기가 sieve hole을 통과할 때의 마찰 손실이고, hydraulic pressure drop은 증기가 tray deck위의 액체와 접촉하면서 생기는 압력강하라고 알고 있습니다. 여기서 hydaulic pressure drop의 경우 증기가 액체와 접촉하니 압력이 강하한다는 것은 알겠는데, 정확히 어떤 메커니즘, 어떤 이유에서 압력이 강하하는지 궁금합니다.

3. 지름이 큰(6ft 이상) 증류탑에서 평평한 tray는 없다고 나와있습니다. 이를 out of level tray라고 명하고, 이에 따른 이유를 sagging이라고 하는데, sagging이 정확히 무슨 의미인지 모르겠습니다.

4. 책에서는 일반적으로 증류탑은 낮은 압력에서 운전되어야 한다고 나와있습니다. 압력을 낮게 운전하면 mass flow의 변화없이 tray를 통과하는 증기의 부피유량이 증가하며, 이에 따른 tray의 leaking이 줄어든다고 합니다. 그러나 제가 확인한 스테파노님의 답글에서는 증류탑 설계단계에서는 압력을 높게 설정하며, 높은 압력에서 분리 효율이 증가한다고 확인했습니다. 상반되는 내용이라 생각이 되는데 혹시 어떤 방식으로 이해해야 하는지 여쭤보고 싶습니다.

답변해주시면 감사하겠습니다.
좋은 하루 되세요.

스테파노 Stefano   17-03-23 16:52
(Ao) "분리공정 질문"이라는 반복되는 같은 제목으로 줄곧 질문하지만 말고 더 자세한 Key Word를 사용해서 질문하도록 하세요. 

(A1) 기-액 접촉해서 완전히 같은 온도가 된다면 100%이고 접촉했는데도 온도변화가 없으면 0%라는 것을 그림으로 그려둔 모양인데 이해하기 어렵게 그려놨습니다.  실제로 이렇게 극단 상황으로 운전되는 Column은 없습니다. 설명을 듣고 그림에 나타난 온도를 알아보세요.

(A2) 유체가 좁은 통로를 통과한다면 항상 압력강하가 일어납니다.  액이 채워져 있는 곳을 기체가 뚫고 올라갈 때 차압이 생긴다는 것이지요.

(A3) 필자도 이런 Sagging이라는 단어를 사용하는 것을 들어보지 못했습니다.  동사입니까 동명사입니까?  그 표현된 부분을 인용해 이곳에 올려 주거나  사전에서 찾아보세요.  아마 기울어져 있다든가 수평을 유지하지 못하고 있다고 표현해야 정확할 것이고 아마 그런 뜻일 것입니다.  Tray는 설치할 때 가급적 정밀한 수평을 맞추려고 하지만 완전한 수평유지는 어렵습니다.  어느 정도 허용되는 오차가 있을 뿐입니다. 

(A4) 증류탑이라고 압력이 낮은 압력에서 운전되라는 법은 없습니다. 압력이 낮으면 부피가 늘어나 장치가 커지게 되기도 하고 분리효과가 떨어지는 경우가 많습니다.    압력이 낮다고 Leak가 줄고 압력이 높다고 Tray Leak가 큰 것은 아닙니다. 

또 질문에서 언급하고 있는 Tray Leaking이 무엇을 의미하는지 보출설명해 주세요.
(대기중으로 가스가 새나간다는 것인지, Tray의 Weeping을 의미하는지... 그리 설명된 부분을 인용해서 올려주세요.)
새는 것을 방지하기 위해 압력을 낮춘다거나  새는것을 방지 새는 것을 무릅쓰고 압력을 올리는 것은 아닙니다.   

증류탑의 압력을 무조건 올릴 필요는 없지만 분리효율이 떨어지거나 Azeotrope를 형성할 때 압력을 높이면 분리효율이 상승한다는 것을 이전에 설명한 바 있습니다.     

결론적으로 <책에서는 일반적으로 증류탑은 낮은 압력에서 운전되어야 한다고 나와있습니다> 라고 했다는 참고서적은 잘못된 교재입니다.  필자는 이렇게 쓰여진 교재를 여지껏 본적이 없거든요.
마동쓰 com2356   17-03-23 17:26
답변 감사합니다.

(A0) 죄송합니다. 다음부턴 자세한 keyword로 작성하도록 하겠습니다.

(A1) 그럼 이상단(Ideal stage)의 정의와 비슷하게 tray를 나가는 액체와 증기가 평형 상태에 있는 것을 tray efficiency 100%라고 이해해도 무방한 것인지 궁금합니다.

(A3) Sagging을 책에 있는 그림으로 이해하기로는 Tray의 중앙 부분이 다른 부분에 비해 아래로 함몰되어 있는 것을 의미하는 것 같습니다. 사전적 의미로는 'sag=(가운데가)축 처지다' 입니다. 책에 있는 부분을 인용하면
'The common reason for out of levelness of trays is sagging of the tray decks. Sags are caused by pressure surges and sloppy installation.'입니다. 제가 궁금한 것은 탑을 운전중에 어떤 문제로 인해 tray의 중앙 부분이 아래로 함몰될 수 있는지 궁금합니다.

(A4) 제가 의미한 tray leaking은 tray weeping입니다. 인용하자면 답글이 너무 길어져서 제가 다시 한 번 생각해보도록 하겠습니다. 스테파노님께서 말씀해주신 내용에서 압력이 낮다고 tray leak가 줄고 압력이 높다고 leak가 큰 것이 아니라는 말은 어떤 의미인지 모르겠습니다. 본문에서 제가 말씀드린 mechanism이 항상 적용되는 것은 아니라는 말씀인가요?
龍鳳 yongbong   17-03-23 17:55
제가 생각하는 바를 조금 설명해 보겠습니다.

1번)

현재 Tray도, 아랫단도, 윗단도 당연히 Vapor/Liquid Equilibrium 인데,
아랫단에서 올라오는 Vapor와 현재단에서 올라가는 Vapor의 온도 변화가 없고, 윗단에서 내려오는 liquid와 아랫단으로 내려가는 liquid가 온도가 같다면 현재단은 아무것도 하지 않은 것이므로 조성의 변화도 없겠습니다.

Tray에서 조성의 변화가 없다는 의미로 Efficiency=0 라고 써 놓은 것으로 이해하시면 되겠습니다.

4번)

Column의 압력은 두 가지 관점에서 생각을 해야 하겠습니다.
압력이 낮아지면 Vapor/Liquid의 상대 휘발도가 증가하므로 당연히 분리가 잘 됩니다. 또한 Density 차이도 많이 나므로 Phisical separation도 효율이 좋아 집니다.
다만 Column의 Vapor Volume이 많이 필요하므로 Column이 커지는 단점이 있습니다.
     
마동쓰 com2356   17-03-23 21:16
답변 감사합니다.

1번에 대해선 이제 완벽히 이해가 되었습니다. 4번 내용은 제가 책에서 읽은 부분과 비슷한 내용을 말씀해주셨네요!
잘 참고하겠습니다. 다시 한 번 감사합니다.
스테파노 Stefano   17-03-23 18:08
AA1) Ideal Stage는 효율 100%에 해당하고 완전 기-액 평형에 도달한 상태로 운전되는 Tray입니다.

AA3) 운전중에 Pressure Surging이 일어난다면 Tray가 들려지는것이지 Tray가 쳐지는 것은 아닐것입니다.  초기에 설치할때 수평을 잘 맞추어 달라는 것이고 운전중 갑작스런 압력상승은 Flooding에 의한 차압증가현상에 기인합니다.  운전중 Foaming 현상이 일어나지 않도록 주의해야 하지요.  차압이 증가하면 중앙부분이 솟아오르는 경우가 대부분입니다.

AA4) <압력이 낮다고 tray leak가 줄고 압력이 높다고 leak가 큰 것이 아니라는 말은 어떤 의미인지 모르겠습니다>
==> 이말은 마동쓰의 이야기였습니다.
<압력을 낮게 운전하면 mass flow의 변화없이 tray를 통과하는 증기의 부피유량이 증가하며, 이에 따른 tray의 leaking이 줄어든다고 합니다>라고 인용해서 설면하고 있잖아요. 

 필자는 압력이 낮거나 높거나 관련없이 Column 및 Tray는 잘 제작 조립되어야 한다는것을 설명해오고 있습니다.
     
마동쓰 com2356   17-03-23 21:32
답변 감사합니다.

AA4) 제가 전제에 대한 설명을 부족하게 해서 그런 것 같습니다. 현재 tray weeping이 발생되고 있을 때, reboiler의 duty를 증가시키는 것 보다는 타워의 압력을 감소시키는 방법도 있다고 나와있습니다(단순히 Reboiler duty를 증가시킨다면 distillate에서 heavy component양이 증가하는 문제가 있으므로). 따라서 이 상황에서는 압력이 감소하면 weeping이 줄어든다는 것을 말씀드린 것입니다.

AA5) 압력과 관계없이 column 및 tray는 제대로 제작, 조립되어야 할 것입니다. 제가 궁금한 것은 위에 댓글 중 龍鳳님께서 말씀드린 것처럼 압력이 낮을 수록 상대휘발도 차이의 증가로 인해 분리 효율이 상승할 것이라는 내용을 책에서 읽었습니다(책에서는 예로 C3,C4,C5의 증기압-온도 diagram을 예로 들었습니다.) 하지만 이는 스테파노님께서 얘기하신 내용과 다소 상반된 내용인 것 같습니다. 이 경우가 일반적인 경우가 아니라서 그런 것인지 궁금합니다.
참고 내용:http://chemeng.co.kr/site/bbs/board.php?bo_table=vqna&wr_id=77036&sca=&sfl=wr_subject&stx=%C1%F5%B7%F9%C5%BE+%BE%D0%B7%C2&sop=and
가브리엘 hanaone111   17-03-24 02:46
AA3) 읽고계신 책은 화학공장의 기초적인 설비의 운전 원리등을 설명한 책입니다.
Distillation관련하여 추가적으로 궁금한 사항은 Kister의 Distillation 시리즈를 참고하시기 바랍니다.

Tray는 대부분 1단이 여러개의 Piece로 구성 되어있이며 이것들을 tower안에서 조립합니다. 여러개의 piece들은 주로 bolting으로 조립되는데 스테파노님께서 언급하신것처럼 잘 제작 및 조립하는것이 매우 중요합니다.
제작이 잘못되면, tray가 서로 잘 안맞아서 tray piece끼리 bolting hole이 서로 맞지 않거나, tower 와 고정시키는 부분(Support ring)과 맞지 않는등 여러가지 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 tray piece들끼리 서로 잘 결합되어야 하는데, 어떤 경우는 설계부터 이런점이 고려되지 않는 경우도 있습니다.
설치가 잘못되는 경우도 마찬가지 입니다. 설치후에는 반드시 수평 확인 작업을 통해 허용범위내로 제대로 설치되었는지 확인해야 합니다.
이러한 이유때문에, 책에서 언급한 "Level" tray는 Absolutely level이 된 완벽한 수평의 tray를 말한거고, 그런것은 현실에는 존재하지 않는다고 설명한것입니다. 특히 diamter가 큰 tower의 경우 tray중심 부분은 Tower외벽과 가까운 부분 보다는 조금 내려가 있을수도 있습니다.

운전중에 특히 start up시 flooding이 심하면, tray가 out-of-level이 되는것은 둘째치고, tray 다 날라갑니다. 이상해서 Open해보면, tray가 없어요. 공장 전문 용어로 "Tray 해먹었다" 라고 합니다.
Flooding은 온천에서 물이 지상으로 뿜어져나오는것을 생각하시면 이해가 쉽습니다. Geyser동영상을 찾아보세요. 아주 흡사합니다.
     
마동쓰 com2356   17-03-24 14:03
답변 감사합니다.

책에서는 볼 수 없는 내용을 잘 말씀해주셔서 큰 도움이 됐습니다. Flooding이 심할 경우 액체가 역류할 뿐만 아니라 tray가 날아갈 수도 있다는 내용이 흥미롭네요! 다시 한 번 감사합니다.
스테파노 Stefano   17-03-24 11:47
(1) 스테파노의 앞선 답글에 착오가 있었습니다.   

<증류탑의 압력을 높이면 분리효율이 좋아진다> 라는 표현은 맞지 않습니다.  반대로 설명되었습니다. 증류탑 압력을 높이게 되면 증발온도가 올라가지만 상대휘발도가 낮아지기 때문에 분리효율은 좋아집니다. 

따라서 <압력이 낮아질수록 상대휘발도가 커져서 분리효율이 좋아진다> 혹은 <압력이 높아질수록 상대휘발도가 작아져서 분리효율이 떨어진다> 라고 설명되었어야 합니다. 

참고로... Azeotrope를 형성하는 물질의 일부,  저비점 물질이 압력을 올리게 되면 고비점 물질과 증기압 역전이 되는 물질들이 있는데 이런 경우에는 증기압 역전되는 온도 이상으로 올릴 경우에만 분리효율이 좋아집니다.   

인용한 이곳 게시판의 글에도 착오가 있었습니다.  수정해 두었습니다.  (이곳 독자들에게 죄송합니다.)

(2) Tray Leaking 이 Weeping을 언급하고 있었다고 하더라도 이들이 운전압력과 관련된다는 것은 성립하지 않습니다.  Weeping현상은 Tray의 조립이 잘못되었거나 운전중 잘못된 변형으로 인해 Tray면의 밀봉부분이 새는 현상으로 그리되면 분리효율을 크게 떨어뜨릴 수 있습니다. 

Column 운전에서는 가브리엘님의 설명과 같은 Tray의 변형 현상이 일어나는 것을 가장 주의해야 하고 특히 초기시운전이나 Foaming 현상이 심한경우 특히 Column에 걸리는 Pressure Drop을 주의깊게 관창하면서 운전하고 만일 차압이 크게상승하는 경우라면 Feed 부하를 먼저 줄여둔 다음 Flooding 등의 문제를 해결해야 합니다.  그렇지 않으면 Packing이나 Tray가 날라갈 수도 있습니다. (Foam 현상이 심한 Packed Tower의 경우 Random Packing을 눌러주는 고정 Weight가 반드시 필요하지요.)
     
마동쓰 com2356   17-03-24 14:12
답변 감사합니다.

(2) 제가 책 내용에 대해서 이해한 바를 말씀드리겠습니다.
Tray에서 액체가 새는 weeping(dumping)현상이 일어나는 이유 중 하나는, 증기가 sieve hole을 통과하려는 힘보다 액체가 위에서 내려가려는 힘이 더 크기 때문입니다. 이 경우 reboiler의 duty를 증가시켜서 증기의 힘을 세게 해줄 수 있지만, 이 경우 distillate에서 heavy component의 농도가 증가한다는 문제가 있습니다. 다른 방법으로 타워의 압력을 낮춤으로써 증기의 부피 증가-->hole을 통과하는 증기의 속도 증가로 이어지는 방법을 이용할 수 있습니다(부피가 증가함에 따라 hole에서 증기의 속도가 증가하는 이유는 mass velocity가 일정할 때, 증기의 밀도가 감소하여 증기의 속도가 증가할 것이라고 이해했습니다).

따라서 운전 압력을 조절하여 weeping현상을 막을 수 있다는 결론을 내렸습니다. 혹시 이와 같은 내용이 틀린지 여쭤보고 싶습니다.
스테파노 Stefano   17-03-24 14:59
(1) Sieve Tray의 경우 Sieve Hole을 통해 Vapor만 흐르는 경우(구멍이 작은 대부분의 경우)와 Sieve Hole이 크고 Vapor와 Liquid가 향류로 함께 흐르는 경우(이런 경우는 흔하지 않음)가 있는데 후자의 경우 기본적으로 Hole을 통해 액의 Down Flow가 일어나기때문에 거론할 필요가 없습니다.  액은 Sieve Hole을 가로질러 Weir를 넘쳐흐르도록 되어 있는데 Vapor 유량이 아주 작은 경우 국부적으로 Weeping 현상이 나타날 수 있습니다. 

(2) Tray를 흐르는 Vapor의 차압은 액이 잠긴 깊이 이상이 되어야 흐를 수 있기 때문에 항상 매 Tray 당 차압이 발생합니다.  이로 인하여 탑상부와 하부의 압력차가 항상 존재하게 되지요.  운전압력을 늘이고 줄이고 문제가 아니고 차압이 크냐 작으냐에 따라 증기의 흐름이 달라지는데 압력이 낮아지면 증기부피가 늘어나 차압을 증가시킵니다.  증기의 선속도가 늘어나면 증기의 운동에너지가 늘어나 액적의 Flooding 현상을 일으키게 할 수 있습니다.     

(3) Weeping 방지는 적절한 Vapor유량의 유지에 의한 적절한 차압형성입니다.  운전압력을 낮춤으로써 방지되지 않는다는 이야기이지요.  Flooding이 되지 않는 상태이면서 Loading이 시작되는 조건에서 Mass Transfer가 가장 좋기 때문에 Column의 효율이 가장 높습니다.
     
마동쓰 com2356   17-03-24 15:42
(3) 제가 읽는 책의 내용과 스테파노님의 의견이 다소 상반되는 것 같아 혹시나 해서 더 정확한 내용을 말씀드리겠습니다.
증기의 차압이 2psi이고, tray 위의 액체에 의해서 생기는 압력이 3psi라면 force balance에 의해 액체가 hole 아래로 샐 것입니다. 이에 따라 tray efficiency에도 손실이 생길 것이라고 이해됩니다.
 Efficiency의 손실을 막기 위해서는 증기의 차압을 증가시켜야 하는데, 그 중 한 가지 방법으로 타워 운전압력을 낮춘다고 되어 있습니다. 타워의 운전압력을 낮추면 hole에서 증기의 선속도가 증가하고 차압 또한 증가하기 때문입니다.
 따라서 저는 책의 내용에 따라 'weeping현상 발생 -> 증기의 차압증가 필요 -> 운전압력 감소 -> 증기 선속도 증가 -> 증기의 차압 증가'라는 흐름으로 이해하였고, 타워의 운전 압력을 조절함에 따라 weeping을 막을 수 있다고 이해하였습니다.
 자세한 사항에 대해서는 제가 다시 한 번 이해해보도록 하겠습니다.

답변 감사합니다.
스테파노 Stefano   17-03-27 11:44
(1) Weeping의 방지는  마동쓰의 앞글에서 언급한 것처럼 각 단에서의 차압을 유지함으로써 이루어집니다. 
그러나 앞글에서는 <증기의 차압>이 필요해서 <운전압력을 감소>해야 하는 것으로 이해하고 있고,  <증기 선속도>를 늘여 <증기의 차압 증가>가 일어나는 것으로 이해하고 있는데  논리전개 순서상 앞뒤가 맞지 않는 이야기이고 또 이로 인해 Weeping이 방지되는 것도 아닙니다.

(2)증류탑의 <전체 차압>은 Column 맨 하단 Reboiler에서 발생시키는 증기의 압력으로부터 Condenser 입구의 증기의 압력차를 의미하고  각 단에서는 각단의 Local Hydraulic에 의해 나타나는 차압을 나타냅니다.  반면 <증류탑의 압력>은 Column 맨 상단 Condenser입구 증기의 압력을 언급합니다. 

각 단간 차압을 유지해야 하는데 그러기 위해서는 Column Reboiler 에서의 온도를 높여주거나 증발유량을 늘여 줌으로써 Bottom 압력을 높여주어야 하고 Colum의 부하가 어느정도 유지되도록 해야 합니다.  Weeping은 대부분 Feed 부하가 작을 때 이러나는데 부하가 작을 때는 Reflux를 늘여 Vapor 유량을 늘여주도록 해야합니다.

(3) 각 단간 필요한 차압을 유지하기 위해 Column (상부)운전압력을 낮추어 운전하는 방법도 고려할 수 있으나 이는 운전중에는 거의 불가합니다.  왜냐하면 Column의 Cooling Medium이 정해져 있어서 Column Top 운전압력은 거의 일정하게 유지하지 않으면 운전이 불가능합니다.  따라서 (Column Top) 운전압력의 변경은 Column 설계시에만 가능하지 운전중에는 불가능한 사항입니다  따라서  운전중에 <운전압력의 변경>은  Reboiler Vapor 유량증가로 해결할 수 밖에 없습니다. 

(4) 결론적으로 운전중 Weeping 방지를 위해서는1) (Column Top) 운전압력고정 하는 조건에서 2) Vapor유량을 유지하도록 하기위해서  3) Reflux를 늘여줌으로써 4) Reboiler Duty를 늘여 Vapor유량을 늘여주어야 합니다.  (압력을 줄여 증기선속도를 늘여 차압을 늘여주는 방법이 아닙니다.)
     
마동쓰 com2356   17-03-28 09:33
상세한 답변 감사합니다. 제가 잘못 이해하고 있는 부분이 많았네요.
좋은 하루 되시길 바랍니다!
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