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  상압증류탑(CDU)의 운전에 대해 궁금한 것이 있습니다.
  글쓴이 : 502ysm   고유ID : 502ysm     날짜 : 19-11-04 20:46     조회 : 91    
안녕하십니까, 화학공학과 4학년 학부생이고 현재 취업 준비중인 학생입니다.
정유, 석유화학 산업에 취업을 준비하면서 증류탑에 대해 공부를 본격적으로 시작했는데 증류탑 설계와 운전 조건에 관련해서 궁금한 것이 생겨서 질문 올리게 되었습니다!
상압증류탑에서 제품 믹스를 조절하는 방법이 궁금합니다. 만약 납사, LPG의 가격이 낮아지고 등유, 경유의 가격이 올라가게 된다면 정유사에서는 납사, LPG의 생산을 줄이고 그만큼 등유, 경유의 생산을 늘려야할 것인데 어떤 방법으로 조절할 수 있을까요?
학부생인 제 수준에서 생각해본 바로는 상압증류탑은 분해반응이 아닌 그저 '분리'를 하는 것이므로 제품의 생산 비율은 정해져있으므로 생산 비율을 바꾸는 것은 불가능하다고 생각하는데 혹시 제품 믹스를 조절하는 방법이 있을까요?
또한 증류탑의 압력을 올리는 경우 제품 생산에 어떤 영향이 있을지 대략적으로 알고 싶습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다!

낭만고양이 kornight   19-11-05 12:02
1. 납사/가솔린/케로신 등 제품들은 순물질이 아니라 혼합물입니다. 즉, 혼합 범위를 조절해주면 약간의 물성은 달라질 지언정, 그럼에도 불구하고 여전히 차량이나 기타 목적에 맞게 사용될 수 있는 수준을 유지할 수 있습니다. 때문에 이 범위를 조절해서 Yield를 약간씩 조절 가능합니다. 약간씩이라고 함은, 크게 조절하면 도저히 목적물 원료로 쓸 수 없게 되기 때문입니다.
보통 distillation range를 조절해서 맞춰줍니다. 다만, LPG등은 어차피 가스로 빠지기 때문에 조절이 거의 불가능 합니다.

distillation range를 직접 조절하는 방법 외에도, cracking등 반응을 통해서 적극적으로 유분을 변환시키는 방법등도 사용하고 있으나 비용 측면에서 CDU에서 직접 조절하는 것 대비 불리합니다. 다만, CDU에서 개질/조절 불가능한 유분들을 고가치 유분으로 전환할 수 있기 때문에 사용됩니다.


2. 탑의 압력을 올리면 내부 유체의 끓는점이 올라갑니다. 그리고 타워의 역할은 유체를 끓여줘야 시작될 수 있으므로, 끓는점이 올라가면 그만큼 유체를 끓이기가 어렵게 됩니다. 경우에 따라서는 Heat Source를 변경해줘야 할 수 도 있습니다. 이론적으로야 물론 상변화에 필요한 잠열은 거의 변화가 없으므로 끓는점이 올라가더라도 사용되는 열량은 거의 변함이 없어야 하겠으나, 온도가 높을 수록 열효율도 떨어지고 열원도 적합하게 써줘야 하고, 경우에 따라서는 설비의 재질이나 두께도 변경해야 하고, 높은 온도를 다시 낮추는 데에도 많은 비용이 들어가게 되므로 다른 이유가 없다면 낮은 압력을 유지해서 끓는점을 낮춘 상태로 가동을 합니다.
     
502ysm 502ysm   19-11-05 14:07
답변 정말 감사드립니다!
깔끔하고 자세하게 설명해주셔서 이해가 잘 됐습니다! 그럼에도 불구하고 제 지식이 부족하여 아직 이해가 완전히 되지 않은 부분들이 조금 있어서 추가적으로 질문 드리겠습니다.
1. 말씀하신대로 석유 제품들이 혼합물이므로 윗 단의 제품들의 비율을 줄이고 아랫 단의 제품들을 늘릴 수 있다는 것은 이해가 됐습니다.
그러면 혹시 어떻게 하면 이 distillation range를 조절할 수 있을까요? 제가 생각해본 바로는 다음과 같습니다.

납사가 나오는 단에서의 condenser의 냉매의 유량을 늘림→그 단에서의 환류되는 액체의 온도가 낮아짐→그 단의 온도가 떨어짐→그 단에서의 고비점 성분이 증발하지 못하고 아랫 단으로 내려감→납사보다 경유, 디젤의 생산양이 높아짐

이렇게 distillation range를 조절하는 것이 맞는 방법일까요?

2. 인터넷 화학공학 Q&A게시판을 보던 중 탑의 압력을 올리면 상대휘발도가 떨어져 분리효과가 떨어진다는 답변을 보았는데 왜 압력을 올리면 상대휘발도가 떨어지는지 혹시 알 수 있을까요?
상대휘발도는 두 물질의 증기압력의 비인데 압력이 높아지면 두 물질의 증기압력의 차이가 점점 줄어들어서 그런걸까요?
Stefano    19-11-05 15:29
(1) 원유 상압 증류탑은 상압상태로 운전되기 때문에 탑 상부의 압력변화는 크지 않습니다.  증류탑의 상단으로부터 하단으로 내려감에 따라 비점 분포가 점점 높은 제품을 중간제품 배출라인(Side-draw Line)에서 뽑아내도록 되어 있는데 그 유량을 늘이면 해당제품의 수율이 늘어나게 됩니다. 

Side-dral Line을 많이 뽑아내게 되면 증류탑 하부에서 생산되는 량이 줄어들면서 고비점 성분의 양이 많아지게 되어 하부의 온도가 상승하게됩니다.  Top 상부의 유량도 줄게 되면 Condenser 부하도 줄어들 것입니다.   

제품 생산량이 달라지면 Distillation Range도 달라지게 되는데 제품 출하전에 혼합("Blending") 과정을 거치면서 규격에 맞추어 줍니다.   

(2) 압력에 따른 상대휘발도의 영향..

일반적으로 저비점 물질의 증기압은 압력이 낮을수록 가속적으로 비점이 낮아지고,  고비점 물질은 압력이 높아 질수록 비점이 가속적으로 높아지는 성질을 나타냅니다.  이로 인한 효과인데 압력이 낮아집면 상대적으로 저비점 성분의 비점이 더 낮아져 상대휘발도가 커지는 효과를 나타냅니다.    이는  저비점 물질일수록 임계온도가 낮아, 임계온도에 더욱 가까워질 수록 증발잠열이 급격히 줄어드는 열역학적 성질에 의해 나타나는 현상이라고 보면 될 것입니다.   

Ref.: http://en.citizendium.org/wiki/Relative_volatility
     
502ysm 502ysm   19-11-05 16:46
답변 감사드립니다!!
제가 궁금했던 것들이 모두 해결되었습니다. 항상 인터넷 화학공학을 이용하면서 많은 것을 배우고 있습니다!
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