게시판 > 질답게시판 > 메탄올/물 분리 Column 운전 질문

Stefano

21-06-12 12:34

(0) 증류탑은 액을 증발시켜 저비점의 기상과 고비점의 액상으로 분리한 후, 상부로 올라가면서 분리된 기상으로부터 부분적으로 고비점성분은 액상으로 응축시켜 하부로 흘러내리게 하는 원리로 운전됩니다. 상부로 올라가면서 저비점 성분의 농도가 점점 올라가고 하부로 내려오면서 고비점 성분은 농도가 높아져 분리되지요.

이 때 증발된 증기를 응축하려면 냉각매체가 필요한데 냉각수로 냉각할 수 있으려면 가급적 높은 온도에서 응축되도록 하면 응축이 잘일어납니다. 따라서 응축온도를 높여주기 위해 증류탑의 압력을 높여 주는 것인데 응축온도가 높으면 응축기의 온도차가 늘어나서 전열면적이 줄어들게 됩니다.

(1) 상압에서 메탄올이 65도 정도에서 응축되는데 이를 85도 정도에서 응축되도록 하면 응축수 평균온도를 35도라고 가정하면
상압증류 시 Δt = 30℃ (=65-35) 일 때보다 Δt = 50℃ (=85-35)로 늘어납니다. 같은 열전달계수라고 가정하면 전열면적이 약 (1/30)에서 (1/50)로 줄어들게 될 것입니다. 응축기 전열면적이 40%나 줄어드는 셈이지요.

또한 압력이 높아지면 증기부피가 줄어들어 Column의 크기도 줄어들게 됩니다. 압력이 크게 차이 나지 않으면 증류탑 장치비도 줄어들겠지요.

(2) 그런데...
압력을 높이게 되면 Column Reboiler에서 증발되는 온도도 함께 올라가게 됩니다. 만일 증발 온도가 올라가면 가열매체의 온도가 함께 올라가야 하고 이로인해 고압스팀이나 직화식 가열기가 필요하게 될 수도 있습니다.

(3) 응축기와 리보일러를 함께 고려하여 종합적으로 가장 경제적인 증류온도를 찾아 결정하는 것이 최적화 기법에 해당합니다.
메탄올이나 아세톤 등과 같이 비점이 아주 낮은 물질들은 압력을 높임으로써 대부분의 잠열을 Cooling Water로 제거할 수 있도록 하고 응축되지 않는 증기는 냉동열로 제거하도록 합니다.

반면에 비점이 비교적 높은 물질을 증류하는 경우에는 Reboiler 온도가 너무 올라가지 않도록 진공도를 높여 상압의 증발온도보다 낮은 온도에서 증발하도록 하는데 이 경우에도 진공도를 너무 높이면 Condenser를 냉동냉매로 해야 할 경우도 나타나기 때문에 응축기에 가급적 Cooling Water를 사용할 수 있는 정도의 진공도를 유지하는 것이 경제적인 셈이지요.

(4) 상부 Vapor와 Reflux Liquid의 온도차가 60도가 나고 있다는 것은 응축(포화)온도 86도보다 60도 Subcooling된 26도로 Reflux하고 있다는 것인데....

이 온도로 운전하는것은 잘못으로 보입니다. Subcooling 온도를 보통 5도 정도로 한다고 보면 Reflux 적정온도는 80도 전후가 될 것으로 봅니다.

Vent Condenser에서 Vapor Loss를 줄이기 위해 Chilled Water를 사용하여 응축, 회수온도라면 수긍이 가지만 Reflux 26도라면 온도계 위치가 다른 곳이라던가 운전설정이 잘못된 것으로 보입니다. 재확인 하도록 하세요. 적정 순도유지에 불필요한 과다 Reflux는 낭비이기 때문입니다.

(0) 증류탑은 액을 증발시켜 저비점의 기상과 고비점의 액상으로 분리한 후, 상부로 올라가면서 분리된 기상으로부터 부분적으로 고비점성분은 액상으로 응축시켜 하부로 흘러내리게 하는 원리로 운전됩니다.  상부로 올라가면서 저비점 성분의 농도가 점점 올라가고 하부로 내려오면서 고비점 성분은 농도가 높아져 분리되지요.

이 때 증발된 증기를 응축하려면 냉각매체가 필요한데 냉각수로 냉각할 수 있으려면 가급적 높은 온도에서 응축되도록 하면 응축이 잘일어납니다.    따라서  응축온도를 높여주기 위해 증류탑의 압력을 높여 주는 것인데  응축온도가 높으면 응축기의 온도차가 늘어나서 전열면적이 줄어들게 됩니다.

(1) 상압에서 메탄올이 65도 정도에서 응축되는데 이를 85도 정도에서 응축되도록 하면 응축수 평균온도를 35도라고 가정하면 
상압증류 시 Δt =  30℃ (=65-35)  일 때보다     Δt =  50℃ (=85-35)로 늘어납니다.   같은 열전달계수라고 가정하면  전열면적이 약   (1/30)에서 (1/50)로 줄어들게 될 것입니다.  응축기  전열면적이  40%나 줄어드는 셈이지요.

또한 압력이 높아지면 증기부피가 줄어들어 Column의 크기도 줄어들게 됩니다.  압력이 크게 차이 나지 않으면 증류탑 장치비도 줄어들겠지요.

(2) 그런데... 
압력을 높이게 되면 Column Reboiler에서 증발되는 온도도 함께 올라가게 됩니다.   만일 증발 온도가 올라가면  가열매체의 온도가 함께 올라가야 하고 이로인해 고압스팀이나  직화식 가열기가 필요하게 될 수도 있습니다.

(3) 응축기와 리보일러를 함께 고려하여 종합적으로 가장 경제적인 증류온도를 찾아 결정하는 것이 최적화 기법에 해당합니다. 
메탄올이나 아세톤 등과 같이 비점이 아주 낮은 물질들은  압력을 높임으로써 대부분의 잠열을 Cooling Water로 제거할 수 있도록 하고 응축되지 않는 증기는 냉동열로 제거하도록 합니다.

반면에 비점이 비교적 높은 물질을 증류하는 경우에는 Reboiler 온도가 너무 올라가지 않도록  진공도를 높여 상압의 증발온도보다 낮은 온도에서 증발하도록 하는데  이 경우에도 진공도를 너무 높이면  Condenser를 냉동냉매로 해야 할 경우도 나타나기 때문에  응축기에 가급적 Cooling Water를 사용할 수 있는 정도의 진공도를 유지하는 것이 경제적인 셈이지요.

(4) 상부 Vapor와 Reflux Liquid의 온도차가 60도가 나고 있다는 것은  응축(포화)온도 86도보다  60도 Subcooling된 26도로 Reflux하고 있다는 것인데....

이 온도로 운전하는것은 잘못으로 보입니다.   Subcooling 온도를   보통 5도 정도로  한다고 보면  Reflux 적정온도는 80도 전후가 될 것으로 봅니다.

Vent Condenser에서 Vapor Loss를 줄이기 위해 Chilled Water를 사용하여 응축, 회수온도라면 수긍이 가지만 Reflux 26도라면 온도계 위치가 다른 곳이라던가   운전설정이 잘못된 것으로 보입니다.     재확인 하도록 하세요.   적정 순도유지에  불필요한 과다 Reflux는 낭비이기 때문입니다.

대산조아 libero0606

21-06-16 02:24

답변 감사합니다.

상부 Vapor, 냉각수의 온도 차이와 전열 면적의 관계는 이해했습니다!

우선 Column 의 Feed 는 물 2200kg/hr 에 메탄올 350kg/hr 정도입니다.

현장 확인해 보니, 상부 메탄올 Vapor 350kg/hr 가 일부는 Condenser 로 들어가서 27도 까지 과냉각되고, 나머지는 Bypass 하여 그대로 Reflux drum 에 Surge 됩니다. Reflux drum 온도는 50도였습니다. 하지만 Reflux pump suction 전에 상부 Vapor 와 조성이 거의 같은 25도의 메탄올 7ton/hr 이 합류하여 Reflux 는 약 1800kg/hr 에 26도로 Column 에 들어갑니다. 나머지 메탄올은 반응기로 보내집니다. (MTBE 를 생산하는 공정입니다.)

위와 같이 Reflux 를 위해 추가해주는 메탄올과, Reflux drum 에서 나오는 메탄올로 Balance 세워 보니 합류한 후의 온도는 26.1도로 온도계 값과 근사했습니다. 즉 Condenser 에서 과냉각이 발생함으로써 Reflux 온도가 낮아지는 것이 아니라 Fresh 메탄올의 합류 때문임을 인지했습니다..!

Column 운전 조건에 대한 최적화 기법을 공부해봐야겠습니다! 감사합니다.

Stefano

21-06-22 21:58

원인을 찾았다고 하니 다행입니다.

20세기아재 samui94

24-07-10 13:16

reflux 온도와 에너지 사용 관련