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  Distillation column의 Total, Partial vapor에 대한 질문
  글쓴이 : Kininarima…   고유ID : dlwndnjs1995     날짜 : 18-08-23 18:05     조회 : 438    
안녕하세요. Aspen Plus를 이용하여 공정설계 도중, 증류탑에 관하여 여쭤보고자 합니다.
탑상부로 나가는 물질을 열교환 시키려면 액체상태로 존재해야하므로  column의 condenser를 통해 냉각시켜야합니다.
이때 column의 condenser상태를 total상태로 지정하면 액체상태로 빠져나가고, partial vapor상태로 지정하면 기체상태로 빠져나가야 하는것은 당연한 내용입니다.

제가하는 설계내용중에 C3(3%),I-C4(96%),N-C4(1%)의 경우 7.3Kg/cm^2 G(게이지바), 57℃상태에서는 무조건 기체상태로 존재해야 맞습니다.
Total상태 지정하였을 때, 57℃ 액체상태로 나가는 것은 어떻게 해석을 해야하는지요?


Stefano    18-08-23 18:38
(1) Total or Partial Condenser
Condenser의 경우 Total Condenser, Partial Condenser 중에서 선택할 수 있고 후자를 선택한경우 Partial Condenser의 경우 Vapor로 내보내는 양을 결정해 주어야 하지요.  기체상태로 나가는 양에 따라 Condenser 출구의 온도가 달라지고 또한 성분농도도 달라집니다.  Bubble Point가 달라짐에따라 평형조건이 달라지기 때문이지요. 
(공정모사기를 사용하여 실제로 달라지는 현상을 발견할 수 있습니다. )

(2) 지정 온도-압력에서 혼합물의 상태
질문내용으로 봐서 언급한 물질의 농도에서 기체도 있고 액체도 있다는 이야기가 되는데  만일 그렇다면 그 물질은 기-액 평형상태에 있는 것이고  그 물질은 기상과 액상에서의 농도가 서로 다른 상태로 평형에 존재함을 의미합니다. 그 온도, 압력에서 Stream Data를 알아보고 기상과 액상의 몰분율이 각각 얼마인지 확인해 보도록 하세요.

57도에서 Vapor는 일부분 미응축상태로 배출되고 같은 온도 57도에서 액상으로 배출되는 상태라는 것인데.. 과연그런지 Stream Data를 알아보세요. 

(3) 비점에서의 Vapor -Liquid 비율...
만일 7.3 KG에서의 비점이 정확히 57.00도 라고 한다면  56.99도에서는 100%액체, 57.01도에서는 100% 증기가 되고 57℃에서는  Enthalpy 값이 정해져야 정확히 Vapor, Liquid 비율이 정해집니다.  혹시 이런상태가 아닌지 확인해 보세요.
Kininarima… dlwndnjs1995   18-08-24 12:55
빠른 답변 감사드립니다.

Total과 Partial에 대한 내용을 읽고, 스테파노님의 말씀을 들으니 이해했습니다.
실제로 탑상부 성분을 7.3게이지바에서 비점을 확인해보니 56.5도 이상에서 vapor frac이 생기기 시작함을 알수 있었습니다.


몇가지 더 여쭤볼게있습니다.

condenser에서 Both reflux and liquid distillate are subcooled 랑 only reflux is subcooled라는 것이 있습니다.
해석그대로 reflux랑 distill stream 둘다 지정온도로 내릴것인가, reflux stream 만 지정온도로 내릴것인가 하는 내용입니다.
증류탑에 대한 구체적인 지식이 부족하다보니 어떤식으로 둘다 냉각시키고 한곳만 냉각시키는지 상상이 안갑니다.
condenser를 거쳐간 믈질은 모두 지정된 온도로 내려가고 저장탱크에서 reflux되거나 top flow로 나가게 되는데요. only reflux is subcooled의 경우, reflux는 냉각시키고 top flow로 나가는 물질은 탑상부의 온도를 유지해서 나가는 것이 어떤식으로 공정이 진행되는지 궁금하며,
condenser를 지나는 물질이 vapor일 경우 저장탱크에 기체상태로 저장할 수 있느지 궁금합니다.
 
항상 부족한 지식을 채워주시느라 고생 많으십니다!! 감사합니다!!
Stefano    18-08-24 21:11
(1) Internal Reflux
증류탑의 Overhead Condenser이 경우 냉각 Duty는 대부분 Condensing을 위한 잠열에 해당합니다.  그러나 실제로 Sub-Cooling이 된다고 해도 그 열량은 그리 큰 부분은 아니라서 Saturated Condensate를 Reflux 시켜주어도 운전상 큰 차이는 없지만 약간의 Sub-cooling을 해주어 Reflux 시켜주면 Reflux Ratio를 늘여주는 효과를 나타내기 때문에 Reflux 온도는 약간의 Subcooling을 해서 넣어줍니다. 

그러나 Subcooling 정도를 정확히 조절해 주려면 Condensate가 Condenser에 머물면서 Subcooling 되도로 액의 일부가 Tube에 잠겨 있는 상태의 Flooded Condenser 로 만들어 주던가, 충분히 Subcooling이 될 수 있도록 해주거나,  별도의 Condensate Subcooler를 두고 나머지는 Cooling Medium Flow를 조절하여 Reflux 온도를 맞추어 주어야 하겠지요. 

Reflux의 Subcooling을 많이 해주면 Column 상부에서 Reflux 유량을 늘여주는 효과를 나타냅니다.  상세한 내용에 관해서는 이곳 게시판에서도 여러번 언급한 적이 있기 때문에 이 주제의 키워드로 찾아보세요.

(2) Only Reflux is Subcooled라는 것은 문자 그대로 Reflux만 약간의 Sub-Cooling을 해주고 나머지 Distillate Fraction은 완전히 (제품 저장탱크 온도로) 낮추어 주는 것을 말하는데  전자는 Main Condenser에서 그리해주고 후자는 (Reflux를 제외한) 별도의 Distillate의 Cooler (이를 보통 "Distillate Subcooler", "Trim Cooler", "Product Sub Cooler" 등으로 부릅니다. )를 두는 방법입니다.  열교환기 Duty를 얼마로 할 것인가, 그리고 필요시 열교환기를 어떤 형태로 할 것인가를 묻는다고 봐야 하겠지요.

Process Simulator는 물질의 성분과 유량과 온도, 엔탈피 등을 기준으로 열량을 자동으로 계산해 냅니다. 

(3) Partial Condenser

Condenser의 Vapor 입구는 100% 포화 증기가 흘러들어오고 Condens의 Tube표면을 지나면서 Condensate가 응축되기 시작하는데 응축이 되면서 부피는 점점 줄어들어 출구 쪽에서는 Vapor가 모두 응축되면 Total Condenser이고 Nocondensable Gas가 섞여있다거나  가장 저비점 물질이 미처 응축되지 않은 상태로 빠져 나간다면 이것이 바로 Partial Condenser가 됩니다.

Condenser 내에서도 기-액의 비율이 다르듯이 위치마다 온도가 미세한 차이를 나타냅니다.

따라서 Condenser의 Vapor 유속은 입구부분이 가장 빠르고 출구부분은 0 (total Condenser 인 경우)이거나 가장 느리므로 Condenser Baffle Space도 그에 따라 달라집니다.  만일 Vapor가 배출된다면 압축냉각하여 액상으로 저장하여야 할 것입니다.  본 질문과 관련된 성분의 경우라면 다시 압축, 냉각하여 LPG Ball tank에 저장해 두어야 하겠지요.  양이 아주 작다면 보일러에 보내 태워 연료로 사용할 수 있습니다.

(4) 질문의 성분을 기준으로 Total Condenser로 선택한 후 Overhead Product의 Spec을 정하여 Simulation 하게되면  Condenser 온도가 꽤 낮은 온도가 얻어질 것입니다.