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  pump around와 reboiler , condenser duty와의 관계에 대한 질문입니다.
  글쓴이 : 엔지니어복   고유ID : mygusrb369     날짜 : 17-04-16 22:20     조회 : 1984    
   CDU.jpg (325.5K), Down : 23, 2017-04-17 08:28:05

안녕하세요 저는 국내 모 대학교 석사 1학기 학생입니다.
다름이 아니라 CDU process를 공부하던 중에 의문이 생겨서 질문드리게 되었습니다.
제가 보고 있는 책에 CDU는 Reboiler 없이 Heater를 통해 feed를 가열하고 over head condenser와 pump around로 reflux를 해주는 형태입니다.

또한 pump around를 통해 feed가 heater로 가열되기 전 예열해주고 있습니다.

여기서 드는 의문이

1. pump around를 통해 feed를 예열하고 온도가 낮아진 stream이 column으로 다시 들어가는데, 만약 pump around가 없을 때와 비교하여 액체의 양은 늘어나고 기체의 양은 줄어드는 것인가요?

2. 액체의 양이 늘어나고 만약 reboiler가 존재한다면 reboiler duty는 증가하고, 반대로 증기의 양은 줄어드므로 condenser duty는 줄어드는 것인가요?

3. 액체의 양이 늘어나고 증기의 양이 줄어든다면 Reboiler가 존재하지 않으므로 탑 상에서의 온도 탑 하부에서의 온도가 바뀌어 각 product의 조성도 바뀌는 것인가요?

4. 책에는 "By using pump-around reflux at lower points in the column, the heat transfer temperatures are higher, and a higher fraction of the heat energy can be recovered by preheating the feed" 라는 대목이 있습니다.

이 문장의 뜻은 알겠지만, heat recovery 라는 개념이 무슨 의미인지 궁금합니다.

에너지 수지의 관점에서 feed를 예열하는 것은 결국 원래 column 내부에 존재했던 열에너지를 빼내서(pump around) feed를 예열하는 것에 쓴 것이므로 feed를 예열하지 않았다면 그만큼의 reboiler duty가 saving 되는 것이 아닌지 혼란스럽습니다. (탑 상과 하부의 Product 조성이 pump around가 없을 경우와 비교하여 동일하다고 가정했을 때)


이상입니다. 아직 부족하고 모르는 것이 많은 학생입니다. 많이 가르쳐 주시면 감사하겠습니다.
PFD를 파일로 첨부하였습니다. 참고해주시기 바랍니다.

龍鳳 yongbong   17-04-17 14:15
아는 한도내에서 답변을 해 보겠습니다.

답변-1) 맞습니다. 액체의 양은 늘어나고, 기체의 양은 줄어듭니다.
답변-2) Reboiler는 없으니 논외로 하고, 증기의 양이 줄어들게 되므로, Condenser Duty가 줄어 듭니다.
답변-3) Product의 조성은 원하는 Target에 맞추어서 Column Design을 하겠죠...
          다만, 결과적으로 P/A가  없던 것과 비교해서 Column Dia는 줄어 들지만, 전체 단수는 늘어나게 됩니다.
답변-4) P/A가 없다면 없는만큼의 Duty가 모두 Condenser에 집중되고, Feed를 데우는데 별도의 열원을 써야 하므로
          열회수(Heat Recovery)가 잘 안된다는 뜻입니다.

간혹, Column OVHD Vapor를 사용해서 직접 Feed를 데우는 경우도 있는데, Vapor라 Pipe size도 크고 다루기가 영 불편합니다.
기본적으로 P/A의 가장 큰 목적은 열회수이구요, 이를 위해서 Tray Efficiency를 다소 희생하게 됩니다.
     
엔지니어복 mygusrb369   17-04-17 16:10
답변 감사합니다!

한가지 더 궁금한 점은 P/A를 쓰면 Tray efficiency가 나빠지는 이유가 무엇인지 궁금합니다
          
龍鳳 yongbong   17-04-17 16:18
P/A는 아래쪽의 Heavy한 Liquid를 식혀서 무리하게 윗단으로 올리는 형태이므로 기껏 분리해 놓은 것을 다시 섞는 격입니다.
Separation Efficiency를 손상시키는 행위이죠...다만 단점보다 장점이 크니 사용하는 것이죠.
               
엔지니어복 mygusrb369   17-04-17 16:29
PA를 사용하여 상단에서 내려오는 액의 온도가 낮아져서 고비점 물질들은 탑 하부로, 저비점 물질들은 탑 상부로 더 많이 생산되지 않습니까?

그렇다면 저는 분리효율이 좋아질 것이라고 생각하는데,

이 상황과 말씀하시는 '분리 효율'은 관련이 없는 것인가요?
                    
龍鳳 yongbong   17-04-17 17:25
이해가 잘 안될 때는 조금 극단적인 경우를 생각해 보는 것이 좋을 듯 합니다.
Feed (C5 : 50%, C6 : 50%)인 Splitter가 있다고 가정해 보겠습니다.
Top Product C5 : 99%, Bottom Product C6 : 99%
현재 잘 돌아가고 있는 이 Splitter에서 맨 아랫단에 있는 Liquid를 식혀서, 맨 윗단에 넣어 준다고 상상을 해 보면
당연히 Top Product에 C6 함량이 높아지지 않을까요?

다시 말씀 드리지만, P/A를 빼는 부분과 다시 집어 넣는 부분 사이의 Tray들은 기껏 분리해 놓은 것을 억지로 다시 섞은 행위이기 때문에 분리효율이 좋을 리가 없죠.
스테파노 Stefano   17-04-17 14:59
(1)우선 질문순서로 단답을 먼저 해둡니다.

A1) Pump Around ("PA")가 없으면 상단에서 내려오는 액의 온도가 더 높아져서 고비점 물질들이 탑상부로 더 많이 생산될 것입니다.  상단으로 올라가는 증기가 늘고 하단으로 생산되는 액이 생산량이 줄어들게 되겠지요. 

A2) Reboiler가 있을 경우,  PA가 없다면 Reboiler의 Duty는 줄어들겠지요.  또한 증기의 양이 늘게 되어 Condenser의 양도 늘게 됩니다 . 

A3) 액의 양이 줄고 증기가 늘게 되면 탑 상부로 올라오는 고비점 성분의 함량이 늘게 되면 탑상부의 온도가 놀라갑니다.  이로 인하여 Distillate의 조성도 변하게 되지요. 

A4) PA는 CDU 탑에 공급하는 원료 Crude Oil을 가열하는데 이용되는데 PA 위치를 낮추게 되면 낮출수록 PA의 온도가 높아져 원료를 가열하는데 더 유리해 지므로 원료를 더 높은 온도로 가열하는 데 사용될 수 있습니다. 

보충설명하면... 올려놓은 공정도의 HEATER와 EXG "B" 이전에 설치된 PA/Feed 열교환기에서 Feed의 온도를 더 높일 수 있으면 EXG"B"를 거친 온도가 더 높아지게되고 이로 인하여 HEATER 에 사용하는 연료를 절감할 수 있게 됩니다. 

여기서의 "Heat Recovery"라는 의미는 고온 액상의 현열을 이용했다는 것을 의미하는데 이 열을 이용함으로써 Overhead Condenser를 통해 CW로 버려지는 열을 절감할 수 있다는 뜻이됩니다.   

(2) PA의 의의

PA에서 Feed를 가열하는데 사용하지 않았다면 대신 HEATER에서 어차피 더 가열해야 하기 때문에 여기서의 열량은 동인한 것으로 생각되겠으나  (이야기의 핵심에 생하는 사항이지만) 다른 한편으로는 PA에 의해 Reflux를 줄일수 있으므로  Main Condenser로 버려지는 열량을 줄일수 있기 때문에 "Reflux" 절감에 따른 Heat Loss를 줄이는 역할을 한다는 것이지요.

** PA는 Reflux의 온도를 더 낮게 유지하는 것과 같은 효과인데 이를 전문용어로 "Internal Reflux" 효과라고 합니다.  동일 Distillate의 품질을 생산하기 위해 필요한 최소의 양만 Reflux해 주는 것이 운전기술에 해당합니다.
엔지니어복 mygusrb369   17-04-17 16:20
스테파노님 답변 감사합니다!

그런데 (4)번 질문에 대한 의문점이 아직 남아있습니다. 제 질문을 다시 말씀드리자면

 만약 heater가 없고 reboiler가 있는 tower라면 PA를 통해 condenser duty가 절약되는 만큼 reboiler duty가 증가할 것이라는 게 제 소견입니다.

(물론 Reboiler의 열원인 steam과 condenser의 냉매(CW) cost가 달라 총 operating cost에서는 의미가 있을것 같습니다.)

과연 그렇다면 PA가 energy efficiency 측면에서 가치가 있는 것인지 궁금합니다.
스테파노 Stefano   17-04-17 19:25
(1) Reboiler를 두고 있는 Tower의 경우 단순히 현열을 다른 곳에 이용하고 줄어든 엔탈피를 Reboiler에서 공급한다고만 생각하면 열량은 동일한 것 같아보입니다.  (PA에서 제거한 현열을 Reboier에서 다시 가열해야 한다고만 생각하면 그런느낌이 들지요.)

그러나 PA를 이용해서 Side-draw 밑단으로부터 올라오는 고비점 물질들이 Overhead로 유출되지 않도록 "정류(Rectifying)"해주는 효과 때문에 Overhead Condenser의 부하를 경감시켜주는 것 때문에 동일 분리효과를 갖는 것이고

그 과정에서 Condenser에서의 냉각부하에 해당하는 CW로 그냥 버리는 열량을 Feed를 가열하는데 사용한다는 것을 의미합니다 .

(2) 이런 효과를 만일 일반적인 Tower의 Feed단 하부에서 일어나도록 하는 경우에는 "Stripping 효과"를 꾀하는 방법으로 Side Reboiler를 두는 것인데 잠열을 가진 다른 열원을 Side Draw Liquid를 증발시켜 되돌아 오도록 활룡하는 경우에는 Reboiler에서의 부하를 경감하는 효과를 나타냅니다.    (이 효과는 저비점 물질이 Bottom으로 유출되지 않도록 하기위한 것으로 그 부위에서 Saturated Vapor가 아닌 Superheated Vapor로 만들어 주는 경우에는 Stripping Steam을 사용하는 효과를 가지기도 하는데 열에 약한 물질들에 적용하기에는 적당하지 않습니다.)     

(3) 결론적으로 CDU는 Feed단이 맨 하단에 있는 셈이기 때문에 (1)의 Internal Reflux를 꾀함으로써 Reflux를 더 늘이지 않으면서 현열을 이용하는 역할을 하게 되는 것이지요.  PA로 Reflux Ratio가 줄어들었어도 현재의 Heater Duty로 분리 성능을 유지하는 것이며 이 과정에서 사용한 PA만큼의 열을 이용할 수 있었다는 것이 결론입니다
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