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  공정 형상 해석에 대한 요청
  글쓴이 : comchem   고유ID : comchem     날짜 : 17-09-06 16:48     조회 : 1248    
안녕하세요? 항상 많은 배움을 얻어 감에 감사 드립니다.
문의 드리고자 하는 공정은 연속식 공정이며, steam jacketed vessel 2종의 혼합물을 투입하여 그 중 저비점 물질을 vapor로 분리하게끔 되어있습니다. 분리된 vapor vapor dome을 통하여 후단부에 연결되어있는 냉각기를 통하여 응축됩니다. 전체 공정의 흐름 상 vessel의 압력을 열교환기에서 제어 하게끔 되어 있습니다.
현장에서는 vessel 내부 온도가 jacket steam 온도 및 양이 충분 함에도 불구하고 원하는 온도까지 이르지 못함에 대한 원인을 vessel 내부에 많은 양의 vapor가 발생하며  vapor vessel 벽면에서의 열전달을 방해 하기 때문인 것으로 생각하여 vessel 내부의 교반기 효율을 문제시 합니다. 이와는 달리 제 생각에는 vessel의 압력이 후단부의 응축기에 의해 제어되며, 제어된 압력이 vessel 내부의 binary VLE 상의 온도 이므로 올라가지 않으며, 온도를 올리기 위해서는 vessel 내부의 압력을 조정해야 한다는 생각입니다.
이에 대한 판단을 부탁 드리며 아울러 이해를 높일 수 있는 설명 역시 부탁 드립니다.
감사합니다.      


스테파노 Stefano   17-09-06 19:42
(0) 우선.. 2개의 물질이 혼합된 액을 분리하기 위해 사용하는 장치로 보이는데 두 물질이 모두 쉽게 증발되는 물질이라고 한다면 현재하용하고 있는 장치는 분리 효율이 높지 않은 장치에 해당한다는 것을 미리 설명해 둡니다.

(1) 용기 내부의 온도가 올라가지 않음은 증발되는 액이 아직 끓는 온도까지 도달하지 않았기 때문입니다.  액이 증발하고 있으면 온도는 공급열이 대부분 증발열에 사용되기 때문에 액이 모두 증발하지 않는 한 온도는 크게상승하지 않습니다. 

한가지 성분의 액의 예를 들어보면 물을 가열하면 온도가 서서히 상승하는데 비점 100도에 도달하는 순간 온도는 더이상 상승하지 않고 물은 계속 증발하는 현사이 나타납니다.  이런 현상과 비슷한데 순성분 물질인 모두 증발될 때까지 온도는 비점에 머무르게 됩니다. 

두가지 성분의 경우 예를들어 메탄올50% 과 물50%가 섞인 액의 경우 온도를 가열하면 서서히 온도가 상승하면서 증기 발생량이 많아집니다.  처음발생되는 증기는 비점이 낮은 메탄올이 주로 증발하기 시작하겠지만 혼합물의 비점(대략 82.5도)에 도달하면 온도 상승이 크게 줄어듧니다.  메탄올이 많이 섞인 증기가 발생되면서 끓기 때문이지요.

메탄올이 상대적으로 많이 증발되어 날아가게 되면 점점 액의 비점은 올라가 물만 남게되면 100도까지 올라가지요.

(2) 질문에서 증기가 잘 발생되고 있는데 온도가 안올라간다는 뜻인지, 전열량면적이 부족하여 온도가 잘 올라가지 않는다는지,  증발량 절대량이  부족하다는지,  정확히 알 수 없지만

교반기 효율(?)을 문제삼는 것은 촛점이 벗어난 이야기 입니다.  액이 증발되는 공정에서는 교반기가 없어도 액의 표면에서 생성되는 기포로 인하여 교반은 아주 잘 일어나고 열절달 계수도  단순 액가열시보다 3~4배 정도 커서 교반기가 필요없을 정도일 것입니다.

Vapor가 Vessel의 벽을 가로막아 열전달이 안된다는 것도 적당한 판단이 아닙니다.  액이 접한곳에서 대부분의 열전달이 일어나지 Vapor가 접한 부분에서는 열전달계수가  1/10 정도도 안됩니다.  따라서  열전달이 필요하다면 액이 벽면을 많이 적시고 있도록 해야 하지요.

(3) 질문에서 언급한 <vessel의 압력이 후단부의 응축기에 의해 제어되며, 제어된 압력이 vessel 내부의 binary VLE 상의 온도 이므로 올라가지 않으며...> 라고 설명한 부분은 맞는 말이나 그 뒤에 언급한

<온도를 올리기 위해서는 vessel 내부의 압력을 조정해야 한다...>의 부분에서 <내부의 압력 조정>이 <압력의 상승>이 되면 맞지만  <(열전달량을 늘이기 위해) 압력을 낮춘다>고 하면 틀린 말이 됩니다. 

(4) VLE 평형에 의해 압력이 걸리면 내부 액의 증발온도가 높아지기 때문에 온도를 올릴 수 있지만 이 답글에서 필자가 강조하고 싶은 사항은 바로 '<온도만이 능사가 아니라는 것>'입니다. 

시스템의 압력을 높이면 가열매체와 Vessel내 온도차가 줄어들어 전열량이 줄어드는 것은 사실입니다. 

그러나 이는 설계시 시스템압력을 결정할 때의 상황이지 일단  설계조건이 해당압력으로 설정된 상황이라면 시스템압력에서 액이 끓을 수 있도록 가열매체의 온도를 높이거나 전열면적을 높이는 방법으로 해결해야 할 사항이지  운전압력을 설계치 이하로 낮출 하등의 이유가 없습니다. 

(5) 결론적으로 언급하자면..
공장에서 논쟁을 하고는 있지만  핵심들이 벗어난 사항을 언급하고 있습니다.  문제의 시발점으로 돌아가 상황을 살펴봐야 합니다. 

서두에 언급했지만.. 해당 기기는 저비점 물질과 고비점 물질이 섞여있는 혼합물을 각각의 성분으로 분리하고자 하는 목적에 부합되지 않은 (잘못 설계된) 기기에 해당합니다.    해당기기는 증류탑으로 말하자면 1개의 단만의 효과만 가지고 분리되는 장치입니다.    순도도 도달할 수 없고 그러다 보니 처리량도 따라갈 수 없을 것입니다.  순도가 낮아 Distillate를 환류하려면 Column의 단위로 환류액을 보내주어야 하는데 여기서는 Vessel Bottom으로 되돌릴 수 밖에 없는데 순도가 낮다면 무한히 환류량이 늘어남으로 인하여 처리량이 따라갈 수가 없게 되는 장치이지요. 

처리량이 부족하니까 내부 온도가 올라가서 쉽게 저비점 성분이 증발되어 나와 주었으면 좋겠으나  온도가 올가가면 고비점 물질도 함께 증발되어 상부로 나올 수 있기 때문에  온도가 올라가는 것은 결코 바람직하지 않습니다.  현장에서 많은 사람들이 <온도>를 올려야  될 것으로 판단하고 있는 것으로 보이는데 전~혀 도움이 되지 않는 생각입니다. 

해당장치는 오히려 압력을 낮추어 증발온도를 낮춤으로써 1) 저비점 물질이 (상대적으로) 더 쉽게 증발되어 나오도록 하고  2) 증발온도가 낮아지기 때문에 가열스팀과 내부액의 온도차가 늘어나 (미미하지만) 전열량이 늘아나는 효과를 기대하는 것이 더 나은 것이지 (압력을 올림으로써) 증발온도를 높이는 것은 전혀 전혀 도움이 될 수 없습니다. 

(6) 그렇다고 해서 이는 정답에 해당되지 않습니다. 

두 물질을 효과적으로 분리하고자 한다면 단 몇단이 되더라도 Column을 사용하여 Multi-Stage의 분리효과를 꾀해야 답이 됩니다.    이의 해결을 위해서는 미약하나며 개선되도록 할 수 있는 방법이 두가지가 있습니다. 

(Case A) 상부로 올라가는 Vapor Line에 Packing을 채우고 일부의 응축액을 환류시켜 적셔주도록 하거나
(Case B) 상부로 올라가는 Vapor Line에 (Partial Condensing을 위한) Cooling Coil을 삽입하는 것입니다.  그러나
(Case C) 상부로 올라가는 Vapor Line 위치에 별도의 Column을 추가로 달아두는 것이 근본적인 해결책이 됩니다.

이중 A는 환류액량을 조절하여 Reflux를 조절하는 방식이고 B는 Partial Condenser에 공급되는 Cooling Water의 유량을 조절함으로써 환류량을 조절하는 방법에 해당합니다. 

필자라면 당장 Case C를 위하여 Column Simulation을 해보고 분리효과를 판단하면서 소요유틸리티(스팀)사용량을 기존방법과 비교해 봐서  연간 스팀 절감량이 커서 투자효과가 좋다는 결론을 얻어 경영층에 제안 품의해서 설치공사로 돌입하는 것을 추진하겠습니다. 

엔지니어는 판단이 정확해야 하고 <대충 그럴것이다> 라는 판단근거 만으로는 <설득력>을 얻을 수 없습니다.  엔지니어들에게 가장 화나게 하는 일은 <근거없는 주장>을 펴면서 <고집>을 피우며 <경험답>을 <말빨>로 펴는 것을 접하는 일인데...  그럴때 일수록 <싸우려 들지 말고>  <차분하게(Cool Head)> 그리고 <명확한 이론적 실질적 근거>를 바탕으로 대응하여야 합니다.   

요즘 북한의 김정은이 육중한 배를 앞으로 내밀면서 주장하는 바와 미국의 트럼프가 주둥이를 사각형 문어입처럼 내밀고 상대방을 손가락질 하면서 떠들어 대는 모습을 보면... 이는  영화에서나 볼 수 있는 장면들과 같습니다.  수준이 같다고나 할까...

형편이나 논리도 맞지 않고, 실력이나 자원도 뒤따르지 않으며, 국제적 여론이나 평화를 추구하는 인류의 본심조차 저버리고 행동하는 저들을 보고 있노라면 정말 화가 치미는데...    국민한사람 한사람들이 저들에 휩쓸리지 말고 명석한 두뇌로 현명한 판단을 가지고 못된 정치인들을 응징할 수 있어야 그들의 밥(?)이 되지 않습니다. 

(7) 마지막으로..
근본적 해결책은 <분리 Column과 환류 System을 갖추는 일>일 것입니다.
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