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  증류탑으로 들어가는 feed 관련해서 문의드립니다.
  글쓴이 : 마동쓰   고유ID : com2356     날짜 : 17-04-27 14:42     조회 : 1848    
안녕하세요,
증류탑으로 들어가는 feed 관련해서 궁금한 점이 있어 문의드립니다.

(1) Feed의 경우 대부분 증류탑 bottom product와 열교환을 시키는 pre-heater가 존재하는 것으로 알고 있습니다. Pre-heat을 많이 할수록 reboiler duty는 줄어들게 될텐데, 보통 pre-heat을 어느 정도 수준까지 해주는지 궁금합니다. 제가 공부한 내용으로는 pre-heat의 정도는 rectifying section과는 큰 관련이 없고 stripping section과 밀접한 관련이 있으며, pre-heat가 증가할수록 reboiler duty는 작아져 dumping의 위험이 커집니다. 따라서 분리효율을 해치지 않는 선에서 pre-heat을 조절해야한다고 하는데 잘 와닿지가 않습니다. 또한, pre-heat을 많이 해주면 feed의 heat content가 달라질 것이며, 이에 따라 rectifying section도 영향을 받을 것이라 생각하는데 잘 이해가 되지 않습니다.

(2) Pre-heat을 많이 해줄 경우 feed의 액체가 기체로 일정 부분 상변화가 일어날 것입니다. 제 짧은 지식으로는 관 내의 액체에 증기가 발생하게 되면 two-phase flow로 흐르면서 상당히 불안정하다고 알고 있는데, 이런 경우도 감수해서 pre-heat을 해주는 것인지 궁금합니다.

많은 가르침 부탁드리겠습니다. 감사합니다.

스테파노 Stefano   17-04-27 16:46
(A1) 증류탑의 전체적 열수지를 살펴보면.. 투입액은 반드시  가열한 후 증발시켜야 하고 증발된 증기는 반드시 응축시켜야 제품을 얻을 수 있습니다.  또한 분리되는 제품의 성분 농도를 높이기 위하여 환류되는 액도 증발, 응축이 필요합니다. 

이 때 가열, 증발을 위한 예열을 위해 증류탑배출 Product와 열교환하면 할수록 그 만큼 전체 Reboiler에 투입하는 열량은 줄어듭니다 

Preheating은 Feed단의 온도와 가장 가까운 것이 제일 적당합니다.  최적의 Feed단은  Rectifying Section과 Stripping Section의 단 수효가 가장 작은 값이 나오도록 (설계시 정)할 수 있습니다.  운전중에는 Feed단을 조절할 수 없이 정해져 있기 때문에 고정 Feed단에서 최적의 Operation Line이 얻어질 수 있는 Feed 조건 (온도,Vapor 함량)을 찾아 운전하는 것이 필요합니다. 

Feed의 Enthalpy가 크면 Stripping 효과가 늘어나고 Rectifying 효과가 줄어들며 반대로 Enthalpy값이 작으면 Rectifying 효과가 늘어나고 Stripping 효과가 줄어드는효과가 있습니다.  이 주제에 관해서는 증류탑에서 "Feed Line (q-line) Equation" 이라는 키워드로 자료를 찾아보면 이해에 도움이 될 것입니다.

 (A2) Preheating은 문자그대로 Preheating이고 Vaporizing을 포함하지는 않습니다.  그러나 경우에 따라서는 Feed의 일부를 Vaporizing시켜 Vapor로 투입하거나 Two Phase로 투입하기도 합니다.  Two-Phase의 경우에는 그에 걸맞는 Line을 두면 되기 때문에 큰 문제를 야기시키는 것은 아닙니다.  Two-Phase가 문제된다면 필요에 따라 Vapor-Liquid Separator (Pre-falshing Drum)을 두고 Vapor와 Liquid를 별도로 투입할 수도 있습니다.
     
마동쓰 com2356   17-04-27 17:04
답변 감사합니다. 추가적인 질문이 있어 댓글 남기겠습니다.

(1) <증류탑의 전체적 열수지를 살펴보면.. 투입액은 반드시 가열해야 한다>라고 말씀하셨는데, 왜 그런 것인지 이유가 궁금합니다. 증류탑의 경우 heat input은 <Feed enthalpy+Reboiler duty>라고 생각하는데, Feed enthalpy가 없을 경우 reboiler duty만으로는 증류탑의 원활한 조작을 할 수 없어서 pre-heat이 필요하다는 것인지 궁금합니다.

(2) Feed line(q-line)에서 q의 값은 feed 상의 액상 분율이라고 알고 있습니다. 그렇다면 q값의 경우 feed가 들어가는 단을 먼저 정한 후 해당 온도, 압력에서 q의 값을 설정하는 것인지, 아니면 q의 값을 대략 설정한 후에 feed단을 설정하는 것인지 궁금합니다.

(3) Feed되는 단의 경우 운전 중이 아니라면 조작할 수 있도록 모든 단마다 feed가 들어갈 수 있도록 배관이 연결되어 있는지 궁금합니다.
스테파노 Stefano   17-04-27 19:37
(0) Enthalpy는 물질이 가진 고유열량이므로 Heat Duty 와 혼동해서는 안됩니다. 

(1) 상온의 액을 증류탑에 투입하여 증류제품을 얻는다고 한다면 이를  "가열해서 증발"시켜야 하고 이를 "응축"시켜야 제품이 얻어지는데  그래서 반드시 가열해야 되고  가열해야할 열량이 Heating Duty에 해당합니다 . 

Preheating을 하지 않는다고 증류가 되지않는 것은 아닙니다.  예열이 없는 경우 모두 Reboiler에서 가열해 주어야 하겠지요.
따라서 (예열량+Reboiler가열량)이 전체의 가열량에 해당합니다.

(2) 증류탑 설계시에는 q값이나 Feed 단을 맘대로 변경해 볼 수 있기 때문에 Feed의 성분을 이용하여 증류탑을 계산해보고 공정중 에너지이용하능한 자원을 검토해 보고 Feed를 어느 정도 예열가능하다는 것이 정해지면 이를 기준으로 Feed 단을 정해 줍니다.  Feed 단이 잘못되면 에너지 소요량이 늘어나기 때문에 최적 Feed 단을 결정합니다. 

처음 Feed단 결정시에는, 예비 공정모사에 의해 탑 내의 성분과 Feed 성분과 일치하는 곳에 Feed 단을 정해두지만 전체 공정의 틀이 정해지고 열교환네트워크등이 만들어 진 후 Feed 단이 적절한지 다시 점검해 보기 때문에 Feed단이 먼저 결정되고 나중에 최적의 Feed 단을 최적화 시행오차 방법으로 결정하는 것이 일반적입니다.  공저모사에서는 q-line을 계산해 주지 않으므로 대신 최적화시 소요되는 (열에너지등)자원량을 비교해서 Feed단을 결정합니다. 

(3) Feed의 성분이 크게 달라지는 경우에는 증류탑에서 Feed단을 여러개 달아두기도 하지만 그렇지 않으면 거의 1개의 Feed 단만을 사용하는 것이 일반적입니다.  운전중에는 Feed단을 바꿔가면서 가동하는 경우가 많지 않기 때문이지요.  또한 Feed를 여러개 두려면 Flange도 많이 달려야 하고 Valve도 많아지고, 배관량도 많아져서 제작설치비가 크게 늘어납니다.
     
마동쓰 com2356   17-04-27 20:18
Enthalpy를 혼동했네요. 또한, <투입액은 반드시 가열해야 한다>라고 말씀하신 내용을 제가 <pre-heat 해주어야 한다>라고 착각한 것 같습니다.

상세한 답변 감사합니다. 좋은 밤 되시길 바랍니다!
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