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  증류탑 Reboiler에 대한 질문.
  글쓴이 : Kininarima…   고유ID : dlwndnjs1995     날짜 : 18-11-06 23:12     조회 : 87    
   Reboiler관련 질문.png (144.6K), Down : 7, 2018-11-06 23:12:48
안녕하십니까, 많은 이들의 지식을 충족시키느라 수고 많으십니다.

제가 공정모사(Aspen Plus)를 하다, Reboiler 설정에 On-Stage와 Above-Stage를 확인하였습니다.
뿐만 아니라 Feed 유입되는 것에도 On-Stage와 Above-Stage를 발견한 적이 있는데요.
이 두가지의 개념과 어떤 공정을 원하는 경우에 쓰이며, 이 두가지를 각각 비교했을 때 어떤 차이점을 가지는지 궁금합니다.

또한, Reboiler의 종류 중, Thermosiphon 형태가 있습니다.
이 Thermosiphon에는 Circulation without baffle, Circulation with baffle (Need enough liquid return), Circulation with auxiliary baffle 과 같이 3가지가 존재합니다.
이들이 어떤 공정에 쓰이며, 차이점이 무엇인지 궁금합니다.

감사합니다.

이종석 chemtech   18-11-07 11:37
ASPEN PLUS 의 REBOILER 설정중 ON-STAGE 라 함은 REBOILER에서 나와 COLUMN으로 유입될때  TRAY의 상부쪽이 아닌
TRAY 위로 가는것이 아닌 TRAY 하부쪽으로 유입 된다는 의미 이구요
ABOVE-STAGE는 REBOILER에서 나온것이 상부 TRAY (원하는 단으로 공급가능) 중 선택된 단으로 유입 된다는 의미 입니다.

REBOILER CONFIGRATION의 경우

1. CIRCULATION WITHOUT BAFFLE : DOWN COMER로 부터 액이 하부의 액면으로 그대로 유입되는 형태로 일반적인 경우
    적용되는 형태이며 하기의 2,3번 처럼 고비점과 저비점이 혼재하지 않는 경우에 적용됩니다

2. CIRCULATION WITH BAFFLE : DOWN COMER로 부터 액이 하부의 액면으로 유입되면 하부에 칸막이가 있어서 여기로
    일단 모인다음 액중의 고비점은 하부로 가라앉고 저비점은 상부쪽으로 즉 고비점과 저비점이 있는경우 하부는 고비점
    물질이 상부는 저비점 물질이 분포되어 저비점은 상부쪽에 있으므로 칸막이 하부에 HOLE을 뚫어 놓으면 하부쪽 고비점
    이 칸막이 왼쪽으로 가게되어 칸막이 오른쪽은 저비점과 고비점이 혼합되어 분포하고 칸막이 왼쪽에는 저비점이 없는
    고비점만 모이게 되는데 이를 BOTTOM PRODUCT로 빼내는 형태 입니다

3. CIRCULATION WITH AUXILIARY BAFFLE : 칸막이 오른쪽에 BAFFLE을 하나더 설치한 것으로 DOWN COMER에서 유입된
  칸막이 오른쪽에서 완전하게 고비점과 저비점으로 분리하여 저비점은 칸막이 왼쪽으로 OVERFLOW 시켜 이 얻어진
  액을 BOTTOM PRODUCT로 빼내는 형태 입니다

다시말해 2번은 저비점이 불순물이고 고비점이 제품인 경우이고 3번은 고비점이 불순물이고 저비점이 제품인 경우 이지요
Kininarima… dlwndnjs1995   18-11-07 12:01
빠른 답변 감사드립니다.

만약 하나의 공정에서 On-Stage 혹은 Above-Stage 을 사용하였을 때, 결과값에 어떤 차이점을 보이게 되나요?
이종석 chemtech   18-11-07 12:52
공정모사 프로그램 상에서는 단지 열발란스를 계산하는 것으로 차이는 없습니다
On-Stage 로 놓고 계산하시면 됩니다.

실제로 증류를 함에 있어서 리보일러의 증기를 답상부 단으로 보내는 경우는 경험하지 못 하였으나
다만 Crude Oil의 정제처럼 특수한 경우에는 중간단에서 Side Cut를 한후 이를 Flash 해서 증기를 탑상단으로
보내는 경우는 있습니다

그러나 Bottom의 Reboiler에서 발생된 증기를 탑의 상단 어느 단으로 보내지 않는것이 일반적 입니다
스테파노 Stefano   18-11-07 13:25
A1) Reboiler Effluent 혹은 Fresh Feed의 기- 액 성분에 Column내 어느 성분과 혼합되는가에 따라 구별하여 On-Stage, Above-Stage로 구분합니다.  Column내 평형계산 시 외부 Stream이 내부 Stream 어느 단의 기상 혹은 액상과 혼합되느냐를 알려주기 위한 방법으로 이 Option을 사용합니다.  Column 단에서 여유를 가지고 있기 때문에 Simulation 결과 차이를 못느끼는 것일 뿐 공정모사기는 이들 차이를 구별하여 계산하도록 한 것인데 실제 Option을 달리하여 계산하여 차이를 비교해 보면 알 수 있습니다.  열밸런스나 성분밸런스 상에서 미세한 차이, 그러나 Column 단수를 달리할 정도의 차이는 발견할 수 없을 것입니다. 

전자는 액상은 투입되는 단에서 1)윗단에서 내려오는 액, 2)Reboiler에 흘러들어가는액, 3)Bottom에서 배출하는 액(혹은 아랫단으로 내려가는 액)이 모두 균일하게 섞인 다음 기-액 분리가 일어난다고 계산하는 반면,

후자는 액상이 윗단에서 내려오는 액과 섞인 다음 기-액 평형을 거쳐 배출되는 것으로 계산합니다.

Simulator상에서는 기술적으로 기상이나 액상이 섞이는 경우 각 상별로 (국부 농도분산없이) 균일하게 혼합된다고 보고 계산할 수 밖에 없는데 농도의 불균일 분리효율 감소는 Tray Efficiency에 반영하는 방법으로 처리합니다.

A2) Column Sump를 열고 들어가 보았거나 Engineering Drawing등의 도면을 유심히 살펴본 독자는 명확히 구분하여 알 수 있겠지만 올려둔 그림과 같이 내부가 구획되어 있는 경우가 있는데 1)수직 Baffle이 없는 경우, 2)하나만 있는 경우, 3)2개가 있는 경우 3종류가 있는데,

2)의 경우 Reboiler가 하나의 독립된 단의 효과를 나타낼 수 있는 반면, 1)은 Reboiler 바로 윗단의 액과 Reboiler 출구액이 혼한되어 Bottom으로 배출될 수 있기 때문에 완전한 하나의 단효과를 나타내지 못합니다. 

그러나 2)의 경우 Bottoms의 액의 양이 적고 순환량이 적을 경우 Reboiler Tube Fouling이 심해지는 경향이 있어서 인위적으로 Bottom에 Light 성분이 포함되도록 해야 하기때문에 실제 운전상 Reboiler가 한단의 Tray Effect를 나타내지 못하는 상태로 운전함으로써 일부러 단효율을 떨어뜨려 운전할 수 밖에 없습니다.  이를 개선하기 위해 하부가 열려있는 중간 Baffle을 달아두고 Reboiler 순환은 그쪽 액만을 순환하도록 개선한 것이 3)에 해당합니다 .

참고로 올려놓은 3)의 그림에는 Column Reboiler Sump 내에서 마치 NT,  NT-1의 단효과를 나타내는 것으로 그려져 있지만  N-1에서 하나의 효과를 가질 것이라고 간주하는 것은 무리이고 실체의 기-액 평형은 Reboir의 Effluent에서 일어나는 일이기 때문에  3)의 경우라야 Reboiler가 한단의 효과를 나타낼 수 있도록 한 것이라고 봐야 합니다.

A3) 결론적으로
1)은 Reboiler가 제대로 1단의 효과를 나타내지 못하는 경우이고 2)는 일반적인 경우에 해당하나 Fouling 문제로 인위적으로 Light 성분을 Colum 하부까지 내려와 Bottom 성분에 함유하도록 하는 경우이고 3)의 경우 2)의 염려를 줄이고 Reboiler의 분리효과를 나타낼 수 있도록 한 경우라고 보면 됩니다.  Bottoms Flux가 작고, 점도가 큰 경우 Stripping을 충분히 해주는 것이 필요한 경우 3)의 Design이 많이 사용됩니다. 

Simulator에서 On-Stage 는 1)또는 2)의 Model로 계산하는 것이고 Above Stage의 경우는 3)의 Model로 계산하고 있다고 이해하면 될 것입니다 .
스테파노 Stefano   18-11-07 17:48
이종석님... 귀하의 답글을 보니 참으로 답답합니다.

(AA1) <현장에서는 정확한 원리를 모르고 도면도 잘못되고 잘못 설치된 경우는 사실상 허다 합니다 >
==>전혀 맞지 않는 말입니다.  증류탑 제작업체는 원리도 모르고 제작하는 일이 없으며,  대부분 제작도면의 검토와 감리를 기술수준이 높은 엔지니어링 회사가 맡고 있습니다.  따라서 어느 정도 명성을 가지고 있는 상세설계엔지니어링 없체라면 설계 제작 실수를 범할 수 없습니다.   

(AA1)  <.. 일정 정체시간을 가지게 되면 액레벨의 상부와 중간 하부의 밀도가 달라 집니다 즉 비중차이에 의해 고비점은 하부로 내려오며 저비점은  상층부로 모여 지지요..>
==> 고비점과 저비점이 비중차이로 분리될 수 있다면 에너지가 많이 사용되는 증류탑을 사용할 이유가 없습니다.  간단히 Centrifugal Decanter를 사용하면 되지요..    Column Bottom의 체류시간은 길어봤자 수분 정도이고 10분 이상을 초과하는 경우도 흔치 않습니다.  이렇게 짧은 시간에 상분리 되려면 기-액 분리의 속도에 해당하는데 하물며 고비점 저비점 화학물질이 섞여있는 혼합물이 위, 아래로 분리되다니요..  액-액 분리라면 물과 기름 정도의 특성차이로 체류시간 20~30분이면 되는 상분리 Settler로 분리하면 됩니다만 고비점 유분과 저비점 유분이라면 밀도차이로 쉽게 분리되지 않습니다.  설명이 부족하다면 실제사례를 조사해서 확인해 보도록 하세요

(AA2) Sump Baffle의 기능에 대해 잘못 이해하고 있는 업체가 있다면 그 업체에 설계와 제작을 맡길 이유가 없지요.
이종석 chemtech   18-11-12 10:12
이런쪽에 경험이 많이 없는듯 합니다 안타깝네요

실제로 현장에서는 BAFFLE 하단에 HOLE이 설치되어 있으며 기본원리를 다시한번 설명해 드리겠습니다

BAFFLE의 우측으로 탑상부에서 액에 내려와 액의 레벨이 형성이 되면 그액을 리보일러로 보내야 하는데요
이 경우 노즐이 VESSEL 안쪽의 액중으로 올라와 있어서 BAFFLE 우측의 바닥에서 PUMPING을 하는 것이
아니라 액의 중간에서 약간 위쪽것을 펌핑을 해서 리보일러로 보내지요

아마도 스테파노님 께서는 이렇게 설치된 것을 아마도 한번도 못 보셨으리라 생각 됩니다

상기와 같이 조작을 하게되면 증류탑에서 내려온 액에는 불순물이 포함되어 있으므로 액의 중간상부쪽
것을 리보일러로 보내면 하부는 고비점들만 모이고 그렇게 모인 고비점은 BAFFLE 하부의 HOLE을 통해
BAFFLE 좌측으로 보내지게 되며 리보일러를 통과한 액은 BAFFLE 죄측 상단에서 FALSH 되고 액은 BAFFLE
좌측으로 모이게 되지요

이렇게 함으로서 고순도의 제품을 얻을수가 있는것 이지요

조건에 따라 상황에 따라 반드시 상기와 같이 해야하는 경우도 있는것 입니다

일반적인 경우는 상기와 같이 하지 않아도 되지만 이렇게 함으로서 우측의 고비분은 하부로 모여지고
상층의 자비점을 리보일러로 보냄으로 인해 분리효과를 극대화 할수가 있는것 이지요
길어봤자 가 아니라 놀라운 효과를 발휘 합니다

실제로 BAFFLE 우측의 바닥, 중간, 상부 분석해보면 당연하게 조성이 다릅니다
하부는 고순도 위로 갈수록 저순도 이지요 당연한 이치 입니다
스테파노 Stefano   18-11-12 12:27
(0) Chemtech 이종석님의 글... 참으로 맞지도 않는 글을 이곳 게시판에서 반복적으로 올리고 있을 뿐 만 아니라 무례한 표현으로 인하여 읽기 거부하고 심기가 불편합니다.  이런 답글 쓰면서도 마음이 아주 답답합니다.   

바로 이전 글에서 오류를 지적하니까 즉시 살그머니 지워버리고는 아무런 설명도 없이 필자의 답글만 남아있어서 독자들이 무슨영문인지 모를 것 같습니다. 후배 엔지니어들이 귀하의 행실을 행여 본 받을까 참으로 걱정이 되는 행동을 하고 있습니다 . 

(1) Baffle 하단에 뚫린 작은 Hole은 Weep Hole입니다.  액을 모두 빼내거나 액면 높이를 맞추기 위한 Equalizing 역할도 하지요 실제로 이 조그만 구멍을 통해 흐르는 Flux는 무시할 만한 것입니다.   

(2) 고비점-저비점의 농도차이는 저비점이 증발하고 난 후라야 달라지는 것이지 바닥에 모인것이 고비점이고 중간에 떠있는 액은 저비점이라니요..  화공엔지니어라면 이런 엉뚱한 상상을 할 수 없습니다. 

Baffle로 나뉘어진 Compartment 내에서 흘러내리거나 오르거나 하면서도 농도는 전혀 변하지 않고 액이 다시 액표면으로 올라온 후 표면에서 저비점이 증발되고 난 후라야 농도가 차이가 나게 됩니다.  이런 현상을 전혀 이해하지 못하고 우측 Baffle 우측에 (비중차이로 인하여) 고비점이 모여 쌓이고 HOLE을 통해 고비점이 흘러간다고 착각하고 있습니다.   

필자가 단언컨데... Baffle에서 액이 내려와 다시 올라간 후 액 표면에서 일부 저비점이 증발하여 날아가기 전까지의 농도변화는 없습니다.  <실제로 BAFFLE 우측의 바닥, 중간, 상부 분석해보면 당연하게 조성이 다릅니다 >라고 주장하고 있는데 그 증거를 제시해 보세요.

(3) 화합물 용액이나 정유성분 혼합물의 경우에도 저장탱크에서 오래 보관하고 있을 경우 중력장에 의해 상부와 하부간에 농도차가 날 수 있습니다.  온도차가 남에 따라 액위 높이에 따라 밀도 차이가 나기도 합니다.  이를 방지하기 위해 혼합해주기도 합니다.  그러나 이런 현상은 액의 입출입이 거의 없는 상태에서 수개월 이상 보관시 나타나는 현상입니다.  또한 이는 대부분 밀도 차이만을 보이는 것이지 농도가 크게 차이나지는 않습니다.  중력장에 의해 불균일 성이 일어나는 것 보다는 화학포텐셜 영향이 커서 열역학적으로 균일 농도가 유지되는 쪽으로 평형이 기울어져 있기 때문입니다 .

이종석님은 중력장에서 미세한 농도차가 나는 이런 현상을 연상하여 답글을 쓰고 있는 것으로 보이는데 순환량이 큰 증류탑에서는 이런 현상은 나타나지 않습니다.  그래도 이를 주장하는 것은 초심 엔지니어들에게 잘못을 전달하는 일에 해당합니다.

(4) 필자가 귀하의 답글에서 수 많은 오류를 지적해오고 있습니다.  이제 그만... 독자들에게 잘못된 "이치"를  반복적으로 주장하는 일을 삼가해 주기를 간곡히 부탁합니다.  필자의 간곡한 부탁에도 수긍하거나 사과하지 못한다면  이 웹사이트의 운영방침에 따라 처리할 수 밖에 없습니다.
이종석 chemtech   18-11-12 13:32
본인이 최고라고 하는 생각 여전 하시네요
본 사이트의 운영자가 바뀌었나 보네요 스테파노님의 개인사이트 로군요
운영 방침에 따라 처리해 주세요

물론 이후 게시물을 올리지 않겠습니다 감사 합니다
스테파노 Stefano   18-11-12 16:13
이곳 싸이트는 10여년 전부터 필자가 운영해오고 있습니다. 그러나 귀하의 말처럼 본인 스스로 최고라고 생각하지 않습니다.    대신, 본인이 겪었던, 고민했던 일들에 대해 후배엔지니어들에게 궁금증을 풀어주려고 노력해 왔다고 자부하고 있습니다.

이종석님의 답글에 대해 지적한 것들은... 누가 봐도 맞지 않는 이야기를 마치 진실인 것처럼 꾸며 설명하고 있는 것에 대해 귀하의 답글의 오류를 정정한 것입니다.  이의 합리성에 대해서는 일반 독자들이 판단할 수 있을 것입니다.

앞으로도 게시물을 올리고 올리지 않고는 자유이겠지만,  계속 오류는 지적할 것입니다.  또한 논쟁을 위한 논쟁으로 대응하는 경우에는 접속을 제한하도록 하겠습니다.  ~ 스테파노 배상
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