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  BTU 단순 증류 관련 질문이 있습니다.
  글쓴이 : 화학궁   고유ID : yoona4527     날짜 : 21-02-26 13:16     조회 : 73    
증류탑 처음 공부중입니다. 부족한 점이 많으니 이해 바랍니다.

HYSYS를 이용해서 BTU 단순 증류탑 설계하는 과제를 할 예정입니다.
최적 조성으로 B,T,X를 분리하는 것이 목적인데 제가 잘 이해한 것이 맞는지 봐주세요

(1) 이론단수, 실제단수, 탑 전체 단효율의 의미가 이게 맞나요?
이론 단수 : 계산을 통해서 구할 수 있는 이상적인 단수로 HYSYS를 이용하기 전에 McCabe-Thiele 작도법으로 구할 수 있습니다.
실제 단수 : HYSYS 모델링으로 설계했을 때 최적의 조성이 나오는 단수를 말합니다.
탑 전체 단효율 : 실제 단수에 대한 이론 단수의 비율입니다.

(2) 탑 전제 단 효율
실제 단수에 대한 이론 단수의 비율로 알고 있는데, 이게 의미하는게 뭔가요? 만약 실제 단수롸 이론 단수의 편차가 커서 단 효율이 낮아진다면, 그건 어떤 이유 때문이고 안좋은 결과인가요?

(3) HYSYS로 최적 조성구하는 접근법
우선 주어진 feed 조건으로 McCabe-Thiele 작도법을 이용해서 이론 단수를 구한 다음에, HYSYS에 설계된 증류탑에 이론 단수를 입력합니다. 원하는 조성이 나오지 않는다면 이론 단수 +-20단을 기준으로 study case하여 높은 조성을 갖는 단수를 선택합니다. 이 단수를 최적단수 즉 실제 단수라고 합니다.다음으로 탑 전제 효율을 구합니다.
-> 이렇게 최적 조성을 위한 최적 단수를 구하는 것이 맞나요?

Stefano    21-03-01 00:50
(A1) 개념이 잘못 인식된 것 같습니다.

증류탑의 이론단수는 각 단에서 기-액이 완전 평형을 이루고 있다고 가정하여 계산되는 단의 수효입니다.    예를들어  어느 단의 온도에서 평형을 이루고 있는 증기의 구성은 그 단 액의 혼합물 각성분의 포화증기압과 액상몰농도의 곱에 의해 결정되는 상태로 운전된다고 간주하여 결정되는 단의 수효에 해당합니다.

McCabe-Thiele의 도식적 방법에서 대표적인 물질을 기준으로 기-액 평형선과 Y=X 대각선 사이의 수평, 수직 이동조작에 의해 단의 수효를 얻을 때 X 농도의액에서 발생되는 증기는 기-액 평형 곡선에 이를 때까지 (수직이동 방향으로)증발한 다음 그 윗단에서 내려오는 액과 접촉하여 평형에 도달하여 (수평이동 방향으로) 완전 액화되면 각 단에서 효율 100%인 기-액 증류가 일어나게 되는 것입니다. 

반면 실제 단수는  설계자가 혹은 증류탑 제작자가 이론단수를 바탕으로 경험적으로 여유를 갖도록 이론단수를 "임의의 효율"로 나누어 얻어지는 단수효입니다.    여기서 "임의의 효율"은  마음대로 적용하는 효율을 의미하는것이 아니고  실제공장에서  운전이 용이하고 공정이상이 발생하지 않도록 여류를 갖도록 한 "정정 효율"에 해당합니다.

참고로..  효율을 너무 높게 정해놓으면 실제설치될 단수가 줄어들어 투자비가 절감되는 효과는 있겠으나  운전도중 증류탑 Tray 혹은 Packing에서 효율저하가 일어나게 되면  원하는 Distillate, Bottoms 성분으로 분리해 내기 어려워 별수없이  Reflux를 높여 운전하고 이로 인해  Load를 줄여야 하는 일이 발생됨으로써  오히려 에너지 상승, 생산성 저하,  운전조작의 어려움등이 항상 나타날 수 있게 됩니다.    투자비를 줄였다 하지만 운전비가 오히려 올라가고, 운전자가 힘들어 하게되는 원인이 된 것입니다.    따라서 경험적으로 적절한 효율을 단효율로 채택해야 하는데  Lab-->Pilot-->Mini-->Commercial Plant 실험을 거치면서 적절한 단효율을  공정Licencer가 찾아낸 것이고 Column Internal 기술이 발달하면서 불필요한 추가 여유치를 줄여가는 일들을 공정운전자와 공정개선 연구자들이 궁극적으로 찾아내야 할  효율이 바로 "실제 (적용해야할) 단효율"이 됩니다.

Process Simulator는 열역학적 물성예측 모델을 바탕으로 증류탑을 계산해 낼 수 있는 알고리즘을 내장하고 있는데  물성 모델이 같다면 동일 이론단수가 얻어지게 될 것입니다.  실제단수는  Simulator Runner가 "임으로 정한 단효율"에 의해 자동 계산돠되는 것이며  Simulator가 효율을 계한해 내는 것이 아닙니다.

증류탑 단효율을 예측하는 연구가 많이 있어서 효율예측 Library가 Simulator에 내장되어 있다면 이를 참고하여 사용할 수가 있지만 그렇다고 해서 이를 증류탑 Simulator가  계산해 내는 것은 절대 아닙니다. 

(A2)  <이론단수/단효율 = 실제단수> 가 되는데  이를 달리 적어보면 <단효율 = 이론단수/실제단수>입니다.  후자가 단효율에 대한 정의 식인 것이지요.   

이론단수에 비해 실제단수를 크게 늘였다면  단효율을 아주 낮게 취한 것이 됩니다.    (A1)에서 잠간 언급한 것 처럼  단효율을 낮게 하는 이유는  운전편의성과 유틸리티 절감, 안정적 운전 목적입니다. 

단에 여유가 거의 없는 경우 
1) Feed 조건이 달라지는경우 2)계절에 따라 냉각수 온도가 달라지는 경우 3) 단내에서 Channelling이 일너나는 경우,  4) Condenser나 Reboiler의 Fouling이 증가한한 경우 5) Tray내 Fouling이 증가하여 유속증가, 액-기 분배 및 접촉이 불량해 진 경우 등이 일어나면 순도가 저하되어 제품으로 할 수 없는 경우가 발생하게 됩니다.

운전자는 항상 제품 Spec 맞추기에 정신이 없고 틈만 나면 Load를 줄이거나 Reflux를 늘여 순도맞추기를 하다보면  에너지는 에너지 대로 사용하면서 공정장치에 정신을 빼앗겨서  잘못하면 안전하고나  공정사고로 이어질 위험이 내포됩니다.

따라서 적절한 여유치를 갖도고 하여 증류탑을 선정하게 됩니다.    Distillate 성분을 분석하여 품질을 평가할 수도 있겠지만 탑내의 압력이 일정하다면  Rectifying Section의 온도 Profile 만 보고도 순도를 예측할 수 있는데  Motoring Thermometer가 Top 맨 상부에 달려있다면  공정불량이 발생된 후 Top 온도가 상승되었음을 인지하게 됩니다.  이는  온도계 감지 위치 상부로 Column Top 여유단수효가 없는 경우와 같은 상황입니다.    효율 여유가 없다면  이런 상황과 같은일이 항상 벌어질 우려가 있지요. 

(A3) A2에서 언급했듯이 Hysys와 같은 Simulator라고 해서 효율을 계산할 수 있는 것이 아닙니다. 
증류탑 초기설계시  Short-Cut Simulation을 이용한다거나,  Mimimum No. of Trays 혹은 이전의 Column예에서 알고 있는 이론단수를 바탕으로 단 수를 정하여 증류탑 Simulation을 하는데  이미 경험적으로 적절한 단효율을 적용해서 실제 단수를 알아내면 됩니다. 

Column의 최적화는  투자비(감가상각비) + (유틸리티비) + (인건비) + ( 보수정비비) + (기타부대비용) 등의 합이 최저가 되는 단의 수효를 정하는 문제에 해당하는데  맨 앞 두개 요소의 주요비용을 위주로 최적화 하는 과정이리고 보면 됩니다.    투자비가 높다면 감가상각비가 그에 비례해서 올라가는 것이고  Reflux를 늘이게 되면  냉가수, 스팀, 전력 등의 비용이 늘어나는 거슬 고려하여 최적점을 찾아가는 것입니다. 

<원하는 조성>은 설계계산에 의해 계산되는 것이 아니고 <설계기준으로 정해둔 요소>에 해당합니다.    단모사하여 설계기준에 도달하지 못하면  단의 수효를 높이거나 Reflux를 늘여가야 합니다.    이론단수로 먼저 계산후  <적절한>  단효율을 적용하여 실제단수를 구하게 됩니다.
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