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  Crude desulter system 관련 질문
  글쓴이 : 핑크솔트   고유ID : oldironold     날짜 : 18-08-19 23:59     조회 : 558    
안녕하십니까.
 
Crude desulter system 관련 궁금한 사항이 있어서 질문 드립니다.
 
 
아래와 같은 시스템 구성이 일반적인 것으로 알고 있습니다.

1) Diluting : Crude + Fresh water + Agent
2) Mixing device
3) Desalter
 
 
궁금한 사항은,

1) Diluting의 목적이 crude내에 존재하는 salt 등의 water soluble impurities를 제거하기 위함인데,
    추가로 넣어주는 Agent에 대해 찾다보니 demusifier라고 나온 자료도 있고, emulifier라는 자료도 있어서 헷갈리네요.
    개인적으로는 emulsion 형태로 만든 후 후속 공정에서 분리를 하는 원리로 emulsifier를 넣는 것이 맞을 것 같다는 생각인데요
    case by case인지? 어떤 원리로 이 과정에서 demusifier or emusifier를 주입하는지 궁금합니다.
 
2. Mixing의 목적이 Desalter 전단에서 혼합액의 용해도를 높이기 위한 것이며
    그 device로는 globe valve를 주로 사용하는 것으로 알고 있습니다.
    교반기가 아닌 globe valve만으로 원하는 mixing 효과를 충분히 얻을 수 있는 것인지?
    교반기 설치시 발생할 수 있는 pressure drop을 줄이기 위한 선택인 것인지?
    Globe valve의 어떤 특성때문에 mixing device로 사용되는 것인지 궁금합니다.
 
3. Desalter type 선정 기준 (Electrical / Chemical / ETC)
    플랜트는 달라도 crude desulter system에서 분리하고자 하는 대상은 비슷하기 때문에
    어떤 경우에 어떤 type의 desalter를 선택하는지 궁금합니다.

이종석 chemtech   18-08-20 10:08
1) 통상적으로 Demulsifire 라고 하며 Crude Oil 중에는 NaCl, CaCl2, MgCl2 같으 불순물들이 포함되어 있으며
    Demulsifire /Chemical Injection을 하고, 각종 광물질들을 높은 가수분해를 온도를 가지고 있으므로 이를 제거
    하지 않으면 가열로 에서 가수분해 되어 Hot Spot등을 유발하는 문제가 발생 되므로
    이후 가열한후 Water를 투입하여 Emusion 형태를 Emulsion Breaking 화 하여 Mixing 용해시켜 제거 하는 원리 입니다

2) 오일플랜트 들의 경우 대부분 설계상 Globe Valve를 Mixing 장치를 이용 하는데요 플랜트 운전상에서 증명이 된
    장치이니 Mixing에 충분한 것이지요 통상은 Line Mixer를 거친후 Valve Mixer를 통해 효율을 높입니다
    기타 교반기 형식의 경우에는 Mixing 효율이 밸브에 비해 훨씬더 좋지만 밸브만 가지고 Mixing해도
    문제가 없기때문에 밸브믹싱을 하는 것으로 알고 있습니다
    Glove Vlave를 사용하는 이유는 밸브 차압을 조절해야 하는데 유량을 조절하는 밸브가 게이트 밸브나 볼밸브 등에
    차압을 조절하는데에 훨씬 유리하기 때문 입니다
    Mixing 원리는 Induced Shearing Force 라고 하는데요 밸브차압을 가능한 높게하면 밸브에서 유도 전단력이 생기며
  이로인해 Mixing이 되는 원리 이지요

3) Crude Oil Plant의 경우에는 전기타입으로 설계가 되어 있는데 다른 화학, 석유화확 공장 등에서는 원심분리기를 많이
    사용 합니다
    Desalter 에서는 에멀전이 높은 전압전기장에 의해 파과되며 전기장 Coalescer에 의해 물방울들이 점점커져 하부로
    가라않게 되어 물층을 분리하는 형태로 운전이 됩니다
    Desalter의 타입의 결정은 분리해야할 물의 양이 얼마인지 물층과 오일층의 비중차이가 큰지 부식성이 있는지 등등
    상황에 맞게 설계를 하면 됩니다
핑크솔트 oldironold   18-08-20 13:12
답변 감사합니다.
 
Demuisifier를 주입해서 emulsion breaking을 시키는 것이 맞다면
굳이 왜 그 후단에서 mixing을 시키는지 이해가 잘 되지 않는데 아래와 같이 이해하면 될까요?

1) Crude에 emusion 형태로 존재하던 불순물을 Demulsifier를 이용해 crude로부터 분해시킨 후
2) Mixer를 통해 이 불순물을 fresh water에 용해시킨다.

즉, 불순물을 Crude에서 분리시킨 후 fresh water에 녹이기 위함.
이종석 chemtech   18-08-20 13:36
Crude Oil 중의 불순물들이 미량이라서 분산되어 있으며 따라서 물을 넣고 잘 혼합하면
분산되어 있는 미립자들이 물과 만나 잘 녹게하기 위해 혼합시키는 것 입니다
단순히 물만 첨가해서는 분산되어 있는 미립자가 물과 만나야 하는데 물과 잘 만나려면
잘 혼합야 하겠지요 그래야만 효율이 그만큼 높아지는 것 이지요
즉 물과 분산되어 있는 불순물과 잘 만나도록 Mixing을 해서 용해 시킨후 분리한다고 생각하면 되겠지요
추출의 원리를 생각 하시면 쉽게 이해가 되실것 입니다
추출탑에 보면 교반해서 잘 섞은후 분리하는 방법이나 충진제가 있어서 접촉면적을 높여 분리하는 방법
등과 동일한 원리 입니다
스테파노 Stefano   18-08-21 15:33
(0) Desalting of Crude Oil
Crude Oil의 Desalting 장치는 문자그대로 해석하자면 Crude Oil속에 들어있는 염분을 제거하는 목적으로 사용되는 것입니다. 그러나 Crude Oil 속에 NaCl, CaCl2, MgCl, Na2SO4 등의 고체입자 상태로 분산되어 있는 것들에 물을 투입, 혼합하여 이들을 녹여내어 제거하는 것이 아닙니다. 

Crude Oil 속에 액상의 물이 분산되어 있고 여기에 염분이 녹아있는 형태로 들어있으며 분산형태 구분이 명확하지 않지만 일부는 미세수용액 Suspension 형태로 혹은 보다 안정적인 Emulsion 형태로 포하되어 있다고 합니다.  Desalting 공정은 여기에 물과 약품을 넣어 혼합해 주고 정치하여 추가투입한 물과 함께 염분을 제거하는 원리로 운전되며 유-수 분리가 더 잘 되도록 고정전압을 걸어 주는 방법이 이용됩니다. 

(Oil은 전도성이 없어 고전압에도 전류를 통과시키지 못하지만 분산되어 있는 액적 속에는 이온화된 염분성분이 들어있어서 전기장 안에서 액적들이 전하를 잃고 잘 응집되어 상분리가 잘일어나 Settler의 크기가 줄어듦니다. ) 

(Desalting 전에 Crude Oil과 Water를 가열하여 주는 목적은 Crude Oil의 점도를 낮게 함으로써 유동이 잘 일어나도록 함으로써 액적의 이동속도와 물질 전달 속도를 높여줄 뿐 만 아니라 Crude Oil의 밀도도 떨어뜨려 물과의 밀도차를 늘여주어서 정치시간을 줄일 수 있습니다. )

(A1) Chemical Agent
Desalting에 사용하는 약품의 성분들은 약품 Vendor들의 Formulation Know-How 인데다 사용해오던 약품을 사용자가 임으로 바꾸려고 마 음먹기가 어렵기 때문에 예전부터 잘 알려져 있지 않습니다.    그러나 이미 50~60년 전 혹은 그 이전부터 사용해 오던 약품들이 아마도 현재까지 사용되고 있으리라고 판단됩니다.

사용하는 약품의 종류와 농도범위는 Crude Oil의 원산지에 따라 제각각 다를 것으로 보이는데  마침 Petroleum Refinery Engineering (W.L.Nelson, 4th ed. pp 265 ff)에서 찾아 볼 수 있습니다.
  i) Fatty Acids partly or wholly saponified with NH3....35~48%
  ii) Oil-soluble Sodium sulfonates....13~31%
  iii) Water-soluble Solvents, Alcohols..10~20%
  iv) Oil-soluble Solvent, Kerosene, Naphtha, Cresol...4~25%
  v) Inorganic Sulfates, Sodium Sulfate, Sodium Sulfite ...1~2%

약품의 농도범위는 그렇다 치더라도 물에 희석하여 Dosing하는 농도도 제각각일 것으로 생각됩니다.
위의 약품 목록중  i), ii)는 Emulsification 기능이 있는 물질(즉 계면활성제)들이고 나머지 iii)~v)는 Demulsifying 기능을 가진 물질들입니다.  원유에 일정량의 물을 넣어 pH를 재보고  필요에 따라 위의 약품 종류를 선택할 수 있는 내용이 그 책에 서술되어 있습니다. 

상식적으로 판단해 보면...원유와 물을 잘섞이도록 하려면 Emulsifying 기능이 있는 물질이 필요할 것이고,  상분리를 위해서라면 Demulsifying 기능이 있는 물질을 넣어 주어야 할 것이므로  필요에 따라 약품의 종류를 나누어 Injection Point를 정할 수 도 있을 것 같습니다. 

(A2) Mixing 목적의 Globe Valve
Mixing 혹은 Emulsifying 만을 목적으로 한다면 Static Mixer나 In-line Emulsifier를 사용해야 하겠지만 단순히 Glove Valve를 사용하게 된 사연이 분명히 있을 터인데  필자의 판단은 Mixing 보다는 (Mixing 효과는 조금 떨어지더라도) 후단의 상분리 효과에 영향을 덜 주기 위하여 그리됐을 것으로 봅니다.    Globe Valve 혹은 (이 보다는 압력차 보상이 편리한) Globe Type Control Valve를 찾아낸 것도 운전 Know-how ("Simple is Beautiful")에서 얻어진 결과일 것입니다.  전기식 Settle를 사용한다면 다시 Static Mixer도 되돌아 갈 수도 있고 약품사용량 절감 목적으로 In-Line-Emulsifier를 재탐색 해보는 것도 가능하리라고 봅니다.

(A3) Desulting Type
Crude 정제기술도 아주 오래되었기 때문에 Desalter도 거의 표준화 되었을 것으로 보입니다만,  가열기, 혼합기(Valve), Settler 2단에 2단 분리액을 1단으로 순환사용하는 방법등을 고려하여 약품 및 폐수 사용량, 유틸리티 소요량 등이 검토되어야 하겠지요.
이종석 chemtech   18-08-21 17:16
Crude Oil 의 Desalter 관련하여 보충설명을 드리면 Desalter를 거치기 전에 Crude Oil 에는 다음과 같이 여러가지
첨가제를 투입 합니다
  - Humidifying Agent
  - Asphalt Dispersant
  - Demulsifier Agent
  - Soda Solution (NaOH)
이후  열교환기들을 거쳐 가열이 되며 Desalter 전단에서 물을 투입 하고 Mixing Valve (Globe Valve)를
통과 하면서 Crude Oil 과 각종 첨가제 그리고 물이 잘 혼합되도록 최대한 차압이 많이 걸리도록 Mixing Valve를
조절 합니다. 이 밸브는 혼합이 목적 이라서 Mixing Valve라고 부릅니다.
물과 오일이 잘 혼합되도록 해서 오일중에 분산되어 있는 염분과 반응된 염화물들을 물에 잘 녹게한 다음 이후 Desalter
에서 물과 Oil을 분리하는 것 입니다

예를 들면 CaCl2, MgCl2는 높은 온도에서는 물과 반응하면 HCl 이 생겨 부식문제가 발생하므로 NaOH를 이용해서 염소분
의 함량이 최소가 되도록 NaOH 용액을 투입 합니다
Stefano    18-08-21 18:47
질문에 대한 답들은 항상 원래의 질문 주제에 충실하게 해주는 것이 필요할 것입니다.

앞선 답글에서 소개한 약품들이 방금 언급하는 목적의 약품들일 것이지만,  NaOH의 경우는 pH 조절에 의한 용해효과, 부식성이 큰 Free Acid나 Naphthenic Acid 등을 수용성 물질로 전환해 주기 위한 목적으로 사용될 것이며,  Desalter의 온도가 아주 높은 온도가 아니기 때문에 CaCl2나 MgCl2제거 목적으로 사용되지는 않는 것으로 보입니다.  확인해 보세요.
이종석 chemtech   18-08-22 09:15
원유는 Desalting후 Pre-flashing 과정을 거친후 가열로에서 기열이 되는데 이때 운전온도가 고온인 관계로
염화물이 들어 있으면 HCL 이 생겨 심각한 부식을 초래 합니다
따라서 사전에 염화물을 제거해야 하지요 Desalter 의 운전 온도는 141도 로 온도가 아주 낮은것은 아닙니다
그래서 NAOH를 이용해 염화물을 제거하는 과정이 필요한 것 입니다 CaCl2를 비롯해서
고온에서 2NaCl + H2O = 2HCl + Na2O
              MgCl2 + H2O = 2HCl + MgO 식의 이러한 반응으로 HCl 이 생기며 따라서 Crude Charge Furnace 로의
염화물이 유입 되어서는 않됩니다 이러한 이유로 NaOH를 Injection 하여 염화물의 농도를 낮게 유지 합니다
이러한 내용은 Desalter의 엔지니어링 매뉴얼에도 있는내용 입니다
Stefano    18-08-22 10:03
Manual에 설명된 내용, 즉 염화물들을 제거하여 농도를 낮게 유지해야 한다는 내용과,  이를 위해 NaCl이나 MgCl2 등을 제거하기 위한 Desalter의 목적, 기능을 설명한 것은 맞는 내용이지만,  인용한 반응식들이 Desalting 과정에서 일어나는 화학반응식을 설명한 것은 아니겠지요. 

대신.. 매뉴얼의 내용은 인용한 반응식들이 Down Stream 어딘가 원유 정제처리과정에서 아주 고온에 노출시 (이들 물질이 남아있다면) 부분적으로 발생할 수 있는 반응이라서 이를 방지하기 위해 (이들 염분성분들이 포함되지 않도록 Desalter에서 미리) 제거해야 할 이유를 설명하기 위해 한 것으로 봅니다.
     
핑크솔트 oldironold   18-08-23 10:58
두분 모두 답변 감사합니다.
항상 궁금했던 것보다 더 많은 고민을 할 수 있게 생각의 틀이 확장되는 것을 느낍니다.

2) Mixing valve 관련 추가질문이 있는데
Single or Double ported globe valve를 사용할 수 있는 것 같습니다.
각각 아래와 같은 특성이 있는 것 같은데요.
 - Single : 싸고 운전이 간단하지만 even distribution을 위한 premixing이 필요하고 dilution water가 많이 필요함
 - Double : Premixing이 필요없고, pressure drop이 작지만 상대적으로 비싸고 tight shut-off가 불가함.
Simple is Beautiful이니 주로 Single 타입이 사용되겠죠?
Double 타입은 비싸고 tight shut-off가 불가해서 잘 쓰지 않는 것인지? Mixing valve에서 허용할 수 있는 pressure drop이 낮은 경우에만 선택하는지?

사실 추가질문은 공정보다는 제어적인 내용인 것 같네요, 넓은 아량 부탁드립니다.
Stefano    18-08-23 18:20
Mixing 목적으로 사용하는 Globe Valve의 차압이 큰경우 Valve 바로 뒤 출구(Vena Contracta)부분에서 증기압보다 압력이 낮아지면  국부적 Flashing 현상이 나타나 소음과 마모문제가 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위한 Seat Type을 선정하는 것이 좋을 것입니다. 

자동밸브를 사용하여 Load변화에 따라 밸브 Opening을 조절해 줌으로써 해결하면 될 것입니다.  Control Valve의 경우 Tight Shut-off을 요구하지는 않으므로 문제될 것이 없습니다.  (Tight Shut-off이 요구되는 경우 별도http://www.chemeng.co.kr/site/skin/board/basic/img/ok_btn.gif의 On-Off Valve를 두는 것이 일반적입니다.)

그 자동밸브의 차압이 너무 낮으면 혼합이 불량해 질 것이고 너무 높으면 소음 마모등의 문제가 발생할 것이므로 설치된 시스템에 따라 적절한 범위를 경험적으로 찾아내면 될 것입니다.
     
핑크솔트 oldironold   18-08-27 07:26
답변 감사합니다!!!
좋은 한주 되십시오.
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