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  Column 내 차압에 대해 질문 드립니다.
  글쓴이 : 카츠   고유ID : hobbits01     날짜 : 19-09-10 05:21     조회 : 263    
안녕하세요. 인터넷화학공학에서 많은 정보를 얻고있는 저년차 오퍼레이터입니다.
Column내 차압에대해 공부를 하다가 몇가지 의문점이 생겨 글을 올리게 되었습니다.

Q1) Column내 차압의 정의를 아래에 정리해보았습니다.
제가 이해하고 있는 바가 맞는 지 검토 부탁드리겠습니다.

<Column내 Vapor는 Tray와 Tray Deck에 차있는 Liquid를 통과하면서 기,액 접촉에 의해 Mass Transfer가 일어난다.이 원리로 Column이 증류탑으로써 역할을 하게 된다.
때문에 Vapor가 Tray 한 단을 거칠 때마다 압력강하가 발생하며, 이 때 발생되는 압력강하는 Vapor가 Tray Hole을 통과할 때 강하되는 압력(Dry Tray Pressure Drop)과 Tray Deck 내 Liquid를 통과할 때 강하되는 압력(Hydraulic Pressure Drop)의 합과 같다.
덧붙여 말하자면 우리가 통상적으로 말하는 Column내 차압은 모든 Tray에서 강하된 압력의 합이다.
즉, 모든 Tray에서 강하된 압력의 합=(Reboiler에서 발생된 압력-Condenser 입구의 압력)이다.>

Q2) 본 게시판에서 Column내 차압 증가의 여러가지 원인 중 증기유량의 증가와 Reflux의 증가를 꼽던데, 어떤 과정으로 차압증가까지 도출되는 지 궁금합니다.
제 짧은 생각으로 '증기 유량이 많아지면 Column의 Top과 Bottom 모두 압력 증가가 있어 결국 dP는 똑같을 것 같다'라는 상반된 생각이 들어 여쭙습니다.

Q3)증기유량의 증가가 Column내 차압 증가와 연관이 있다면, Column Bottom Temp'를 상승 시키는 것만으로도 dP를 증가 시킬 수 있나요?

Q4)현업에서 Column내 차압이 Target까지 증가하면 Column 개방 청소를 하고 있습니다. 실제로 확인하면 Tray에 Fouling이 많이 되어있습니다. 이와 같은 상황에서 dP증가는 Vapor가 Tray Hole을 통과할 때 강하되는압력(Dry Tray Pressure Drop)만 고려해도 될까요?
Tray Deck 내 Liquid를 통과할 때 강하되는 압력(Hydraulic Pressure Drop)을 고려 하지 않는 이유는 'Column 내 Liquid와 Vapor 순환량이 많든 적든 간에 Tray Deck의 Liquid는 Weir를 넘는 Level을 항상 유지 할 것 같다,는 생각이 들어서입니다.

Q5)공정가동, 공정정지, Flooding, Weeping 같은 비정상 운전 외에 Normal 운전 중에 Tray Deck의 Liquid Level이 변화하는 경우가 있나요? Design 내 적정 범위에서의 Feed, Reflux, Bottom Temp'변화로 Tray Deck Level의 변화가 있는 지 궁금합니다.

답변 미리 감사드립니다!

스테파노 Stefano   19-09-11 15:39
증류탑 내에서의 유체의 흐름 중 차압에 영향을 주는 요소는 증기의 흐름에 저항을 주는 요인에 의해 결정이 됩니다.  액상 유체의 흐름은 탑 내에서 중력의 작용과 Down Comer에 걸리는 액면 높이, Weir의 폭, Bubble Cap 배열 등에 의해 복합적으로 결정됩니다. 

A1) 흔히 증류탑의 차압은 Dry Tower Pressure Drop에 Liquid 사이를 흐르는 Vapor의 차압을 더하여 계산하는 것으로 모델수식들이 되어있습니다.  그러나  각 단에서의 액면의 높이와 액층의 기포비율 등에 따라 차압이 달라지고 증기의 흐름 방향이 바뀔때 마다 압력손실이 발생하기 때문에 매우 복잡한 계산을 필요로 합니다.  충전탑과 같은 경우에는 Liquid 흐름에 의해 줄어드는 증기흐름 단면의 영향이 크기 때문에 액상 Loading을 일정하게 해두고 증기흐름에 따라 Pressure Drop을 계산하는 방법을 취합니다. 

Sieve Tray의 경우만 해도 Dry Tower라면 각단 Tray Orifice 통과시 압력손실과 액면속을 증기가 흘러나갈 때의 압력손실을 더하여 계산하면 되겠지만  Bubble이 들어있는 액상에서의 차압도 나타나지만 액방울이 흘러내리는 공간에서 기상의 흐름저항에 의한 차압도 나타나기 때문에 엄밀하게는 액상의 차압효과만으로 차압이 계산된다고 간주할 수는 없습니다. 

A2) Column Load가 늘어나거나 Reflux를 늘이게 되면 증기, 액의 유량이 늘어나 유체흐름공간에서 증기와 액의 유체흐름 단면이 늘어나고 각 단에서 기포를 포함하는 액의 높이가 늘어나게 되어 차압이 유량의 제곱비 이상으로 상승합니다.    질문에서< '증기 유량이 많아지면 Column의 Top과 Bottom 모두 압력 증가가 있어 결국 dP는 똑같을 것 같다'..>라는 의견은 실제 상황과는 맞지 않습니다.

A3) Column의 Bottom 온도를 상승시키면 증기부피가 늘어나게 되어 차압이 함께 증가될 것입니다.  Bottom에서도 기-액 평형이 일어나고 있으므로 온도를 상승시키려면 (동일 성분함량에서) 압력도 물론 함께 올라가게 될 것입니다.

A4) Tray 내에서 Fouling이 일어나게 되면 액의 통로와 증기의 통로를 부분적으로 가로막게 되어 탑의 차압이 증가하게 됩니다.  이로인하여 물론 액의 흐름도 지장을 받겠지만 액으 흐름을 쉽게 측정하기는 어렵습니다.  그러나 증기흐름에 의한 차압증가 현상만으로도 Fouling정도를 경험적으로 알아낼 수 있을 것입니다.  Weir의 길이는 거의 일정하기 때문에 Weir를 넘쳐흐르는 유량은 Fouling 여부에 관련이 거의 없을 수 있지만 Packed Column과 같은 경우 Fouling이 심하면 액과 증기의 흐름도 원할하지 않을 뿐더러 단위체적당 표면적도 크게 줄어들어 단효율이 줄어드는 효과를 나타냅니다.  Bubble Cap이나 Valve Tray와 같은 경우라고 해도 고체표면에 고형분, 결정, 이물질 등이 쌓이게 되면 액의 흐름 단면이 커지고 단 체류시간이 짧아지게 되면 기-액 평형 도달비율(단효율에 해당)도 떨어질 것이므로 Fouling이 잦은 Column의 경우 적응성이 좋은 Tray형태를 선정해야 할 것입니다.

A5) 운전중 Liquid Loading이 늘어나는 대표적인 예가 Foam 형성의 경우입니다.  기포가 잘 깨지지 않고 액면을 상승하게 되면 탑내 차압이 급격이 늘어나  Flooding에 의해 단효율이 크게 떨어집니다.  이런 현상이 잦은 Column이라면 차압기록계를 항상 모니터링 해야 합니다.

정상운전 도중, Load증가, Reflux 증가, 압력(온도)상승, 저비점 성문 증가,  Foam 발생 등이 일어나면 차압이 증가하고 각 단의 Liquid Loading도 함께 늘어나게 됩니다.    차압이 수직상승하였더면 공장은 정지해야 하고 차압이 상승하는 경향이 있을 경우 우선 Load(Feed)를 줄여서 긴급조치한 후 다시 정상 Load로 올려주어야 합니다.
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