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  증류탑과 관련하여 질문이있습니다
  글쓴이 : kohs323   고유ID : kohs323     날짜 : 19-09-16 16:22     조회 : 201    
안녕하세요 화학공학을 전공하고있는 3학년 학생입니다.
제가 따로 공부를하다가  궁금한게 생겨서 질문을 남기게 되었습니다.

1. {낮은 압력(온도)에서 운전되면 증발기에 공급해야 할 열량은 늘어나게 됩니다.} 라는 말씀에 대해서 저의 얕은 지식으로는 낮은 압력에서는 끓는점이 낮아져 증발이 잘되는 것으로 알고있는데 그러면 공급해야할 열량이 적어도 되지않을까? 라고 생각했습니다. 제가 어떤 부분에서 잘못된 지식을 가지고있는지 여쭤보고 싶습니다.

2. 증류탑관련 질문들을 찾아보다가  스테파노 님께서 남기신 답변을 본적이 있습니다. 환류비 증가방법을 설명하시면서 1) Reflux Pump 유량증대 2)탑내부 온도감소 3) Reboiler 유량 증대 4) Vapor유량 증가 5)Condenser Cooling Medium 유량증대 6)  Reflux Drum 액맨유지 7) 증류탑 차압증가 8)Feed 유량감소  9)Top Product 유량감소 라고 답변을 달아주셨던 것을 보았습니다. 그중에 5번 condenser cooling medium 유량증대에 대해서 궁금한점이 있습니다. 제가 이해 하기로 condenser cooling medium은 냉각기에 냉각수를 흐르게 하는것으로 이해했습니다.
제가 학교에서 다단식 연속증류 실험을 했었는데 그때 냉각기에 아래쪽부터 물을 틀면 아무리 살살틀어도 냉각기에 물이 가득 채워진 다음에 물이빠지기 시작하므로 결국에는 항상 냉각기에 물이 가득 채워져있는것으로 보았습니다. condenser cooling 유량을 증가해도 냉각기 크기가 그대로여서 유량을 증가시키나 유량을 적게하나 어차피 냉각기는 물로 가득차 있으므로 환류비는 변화가 없고 상부에 모이는 제품의 순도도 같을거라고 생각을 했는데 혹시 제가 잘못생각하는게 있는지 여쭤보고싶습니다. 아직 학생이라 지식이 얕아서 많이 부족한 질문일수도 있지만 너그럽게 이해해주시면 감사드리겠습니다.   

마고르 33dhkstn   19-09-17 17:07
2. 보통 열교환기에서 열교환이 이루어 지는것으로 알고 있습니다. 열효율(Duty), 열이 교환된 값이라고 봐도될까요, Hot side와 Cold side는 Duty 값이 같아야 합니다.( 뜨거운게 3소모되면 차가운것도 3이 소모되야함) 여기서 Duty(kcal/hr)=유량(kg/hr) x 온도차이℃(각 side의 변화값) x 비열(kcal/kg℃) 입니다. 때문에 Vapor의 유량이 증가한다면 같이 열교환이 이루어지는 Cooling water의 유량도 증가 되어야 한다고 봅니다.
     
kohs323 kohs323   19-09-22 10:27
마고르님 답변 감사드립니다 ㅎㅎ
Stefano    19-09-19 00:07
A1) 낮은 압력에서 증발하는 것은 낮은온도에서 증발한다는 것과 같지만 증발잠열이 늘어납니다.  <증발이 잘된다>고 생각하는  것은 이중 낮은 온도에서 증발한다는 것을 상기하는 것이고 증발을 위한 열량은 고려하지 않은 사항입니다. 증발잠열이 작으면 증발이 잘된다고 생각할 수 있지만 증발온도가 낮을수록 증발잠열은 커집니다.  참고로...증발잠열은 온도가 올라가면 점점 줄어들어 임계온도에 도달하면 증발잠열은 0이 됩니다.

A2) 응축기에 냉각수가 가득채워져 흐르고 있을 때 유량을 늘이는 방법은 냉각수 밸브를 더 열어주는 것입니다.  냉각수 밸브가 완전히 열려있는 경우 냉각수 유량은 더 늘어날 수 없는데 이럴경우 냉각기 부하가 늘어나면 냉각수 출구의 온도가 올라가게 됩니다.

냉각기에서 제거되는 열량(Q)은 냉각수 유량(m)과 냉각수 비열(Cp) 및 냉각수 온도차(Δt)의 곱으로 계산되는데 이중 m이 불변한다면 Δt가 늘어나야 되기 때문이지요.  Q = m * Cp * Δt

환류비는 주로 환류량을 Distillate 생산량으로 나타내는데  환류비를 늘인다는 것은 Column으로 되돌려 보내는 양을 더 늘여준다는 것이고 Reflux를 늘였느데도 동일한 증류량을 생산하기 위해서는 그에따라서 Reboiler, Condenser의 부하가 늘여주어야 합니다. 

Reflux 밸브에 손대지 않았다면 환류비 변화는 없을 것이고 그에따라 제품 순도도 변함이 없을 것이라는 생각은 맞는 말입니다.
답변을 마치면서 풀리지 않는 궁금한 내용은 <Reflux를 늘여야 하는 이유>와 <증발기 압력을 바꾸려는 목적이 무엇인가> 입니다.

A3) (답변추가) 학교의 증류장치 실험에서 응축기의 밸브를 서서히 열어 냉각수를 모두 채우고 나서 밸브를 고정시켜두었을 때 <냉각수 유량변화가 없으므로> <환류비 변화가 없을 것 같다>라고 이해하고 있는데..
환류비 조절은 주로 <응축기에 응축된 액의 흐름비로 조절>하기 때문에 냉각수 흐름변화가 없어도 <Distillate 배출유량>기준 <Reflux 유량>의 비를 자동 혹은 수동으로 조절해 두면 <환류비, r >=<Reflux 유량, R>/<Distillate 유량, D>이 정해집니다.

이때 냉각수 밸브를 고정해 둔 상태이기 때문에 냉각수 유량변화는 없기 때문에

<응축기 냉각열 부하, Qc>=<응축잠열부하,  (r+1)*D*λ>+<응축액 과냉(현열)부하, (r+1)D*Cp*(Td-Tr)>........(1)

위의(1)식에 의한 냉각열을 냉각수가 제거해야 하므로
<응축기 냉각열 부하, Qc) = <냉각수유량, Mcw>*<냉각수 비열, Cp_cw>* <냉각수 (출구온도-입구온도), (to-ti) > ...(2)

열수지에 의해 (1)식의 값과 (2)식의 값이 같아야 하기 때문에  D와 Td가 일정하다는 조건에서 (Reflux 조절밸브를 이용하여) 만일 Reflux Ratio, r가 변화하도록 했다면 (1)식에서는 주로 환류온도(Tr)의 변화를 낳게 되고 (2)식에서는 냉각수 유량(Mc\w)과 냉각수 비열(Cp_cw)이 일정할 경우라면  (1)식에서 변화된 냉각수 출구온도로 나타날 것입니다.

이를 (1)식과 (2)식의 각각의 미분식으로 나타내면

ΔQc  =Δ{ (r+1)*D*λ + (r+1)*D*Cp*(Td-Tr) } =  (D*λ)*Δr + (D*Cp) Δ{(r+1)*(Td-Tr)}
= (D*λ)*Δr +(D*Cp)*{(Td-Tr)*Δr+(r+1)*(-ΔTr)}.......................(3)  D, Cp, Td는 상수라고 가정하고 미분한 값

ΔQc  = Mcw*Cp_cw*Δ(to-ti) = Mcw*Cp_cw*Δto ......................(4)  Mcw, Cp_cw, ti는 상수라고 가정하고 미분한 값

위의 (3) (4) 식이 같은 값이기 때문에  r값의 변화가 있을 경우 냉각수량 Mcw의 변화가 없더라도 Tr과 to의 변화를 계산해 낼 수 있을 것입니다.

또한 응축기와 관련 열전달 수식과도 관계가 있는데  열전달 수식과도 관련지으면..
냉각기 전열량, Qc = U * A * (LMTD)........................................(5)

여기서도 U, A를 상수라고 보고  ΔQc를 구해보면 
ΔQc  = U * A * Δ(LMTD) .......................................................(6)

결국 위의 (3),(4),(6)식을 하나로 묶으면..
 
ΔQc = (D*λ)*Δr +(D*Cp)*{(Td-Tr)*Δr+(r+1)*(-ΔTr)} = Mcw*Cp_cw*Δto = U * A * Δ(LMTD) ...(7)

위의 (7)식은 r값변화 시 공정운전변수의 변화가 이루어지는 관계식을 나타낸 것으로 (7)식을 만족하도록 공정이 안정화 됩니다.
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