게시판 > 질답게시판 > Reboiler에 대해 질문드립니다.

스테파노 Stefano

23-05-31 02:54

A1) 연속운전되는 Reboiler는 Control Valve가 항상 일정부분 열린상태로 운전되기 때문에 Reboiler의 Steam측 압력은 거의 일정한 압력을 유지하게 되고 그때의 Steam의 온도와 Process Fluid간의 온도차에 의한 열교환이 일어나게 됩니다. 이렇게 운전되고 있을 때의 Control Valve의 전후 압력차는 0.5~1.0 kgf/cm2 정도 밖에 되지 않을 것입니다.

Data Sheet는 Normal Duty에 약 10~20%의 Duty 값 혹은 Surface Area를 확보하라고 되어 있을 것이고 만일의 경우 Full Load 상태로 운전해야 할 경우라면 Control Valve가 Full Open 상태로 운전되어 공급되는 Steam의 압력상태에서 열교환이 일어나게 할 수도 있습니다.

A2) 실제 운전에서는 Control Valve가 완전히 닫히거나 열린상태로 운전되는 경우는 없고 Control Valve를 통과하면서 약간의 감압이 일어나면서 과열스팀이 되는 경향이 있기는 하지만 그 과열정도는 무시할 만한 수준에 불과합니다.

A3) Steam Trap은 Trap Type에 따라 단속적으로 운전되기도 하고 연속운전이 되기도 하는데 Reboiler 용으로 사용하는 경우에는 주로 Ball Trap, Bucket Trap, 혹은 Trap이 아닌 Level Control 기능이 부가된 Condensate Pot를 사용하기 때문에 연속배출이 되고 있다고 보면 됩니다. Steam 배관의 응축수 제거나 Steam Tracing 등 Trap 수효가 많은 경우에는 Disc Trap이 많이 사용되는데 이런 Trap은 응축수 온도가 떨어질때만 열리는 형식이기 때문에 기본속성이 On-off 상태로 운전됩니다.

A4) Steam Trap 후단의 압력손실 계산은 Condensate가 Trap이나 Control Valve를 거치면서 Flashing 되어 배출되기 때문에 Two-Phase Flow 계산이 필요합니다. Flashing 계산은 후단의 압력을 가정하여 계산해야 하는데 Deaerator나 Condensate Drum에 연결되어 있고 이들 드럼에 Pressure가 걸려있을 경우 걸리는 Back Pressure가 Condensate에 걸려 압력이 정해집니다.
Two-phase Flow 계산방법을 찾아 보세요.

Reboiler의 Load가 아주 낮은 경우라든가 Surface Area가 과다한 경우 Control Valve가 많이 닫힌상태로 운전이 되고 또한 Condensate Collection Drum까지의 거리가 먼 경우 Condensate가 Trap를 거쳐 잘 배출되지 않을 수도 있는데 이런경우 Condensate Collection Pot를 따로 Reboiler 가까운 곳에 설치하고 별도의 Condensate Pump를 설치해야 할 경우도 있습니다.
Condensate 배관은 Trap이 항상 열려있다고 가정하고 연속운전을 가정하며 최대의 유량을 기준으로 결정해야 합니다.

Condensate Trap 전후의 압력차는 Reboiler의 Steam 압력, Trap 전단 Condensate Level, 그리고 Trap 전후 차압, Trap 후단 배관의 Two Phase Flow 차압에 의해 결정되는데 Steam Trap Vendor의 Catalog에는 Condensate 온도, 차압에 따라 Trap 크기를 정할 수 있는 Chart가 마련되어 있습니다.

Steam 관련 부품 전문메이커인 <Spirax-Sarco> 사의 Catalog 나 매뉴얼에 Steam과 Condensate 배관설계나 부품 선정관련 자료가 잘 나와 있으므로 해당업체의 Site에서 자료를 받아 참고하도록 하세요.

Data Sheet는 Normal Duty에 약 10~20%의 Duty 값 혹은 Surface Area를 확보하라고 되어 있을 것이고  만일의 경우 Full Load 상태로 운전해야 할 경우라면 Control Valve가 Full Open 상태로 운전되어 공급되는 Steam의 압력상태에서 열교환이 일어나게 할 수도 있습니다.

A2) 실제 운전에서는 Control Valve가 완전히 닫히거나 열린상태로 운전되는 경우는 없고 Control Valve를 통과하면서 약간의 감압이 일어나면서 과열스팀이 되는 경향이 있기는 하지만 그 과열정도는 무시할 만한 수준에 불과합니다.

A3) Steam Trap은 Trap Type에 따라 단속적으로 운전되기도 하고 연속운전이 되기도 하는데 Reboiler 용으로 사용하는 경우에는 주로  Ball Trap, Bucket Trap, 혹은 Trap이 아닌 Level Control 기능이 부가된 Condensate Pot를 사용하기 때문에 연속배출이 되고 있다고 보면 됩니다.    Steam 배관의 응축수 제거나 Steam Tracing 등 Trap 수효가 많은 경우에는 Disc Trap이 많이 사용되는데 이런 Trap은 응축수 온도가 떨어질때만 열리는 형식이기 때문에 기본속성이 On-off 상태로 운전됩니다.

A4) Steam Trap 후단의 압력손실 계산은 Condensate가 Trap이나  Control Valve를 거치면서 Flashing 되어 배출되기 때문에 Two-Phase  Flow 계산이 필요합니다.   Flashing 계산은 후단의 압력을 가정하여 계산해야 하는데 Deaerator나 Condensate Drum에 연결되어 있고 이들 드럼에 Pressure가 걸려있을 경우 걸리는 Back Pressure가 Condensate에 걸려 압력이 정해집니다. 
Two-phase Flow 계산방법을 찾아 보세요.

Reboiler의 Load가 아주 낮은 경우라든가 Surface  Area가 과다한 경우 Control Valve가 많이 닫힌상태로 운전이 되고 또한 Condensate Collection Drum까지의 거리가 먼 경우 Condensate가 Trap를 거쳐 잘 배출되지 않을 수도 있는데  이런경우 Condensate Collection Pot를 따로 Reboiler 가까운 곳에 설치하고 별도의 Condensate Pump를 설치해야 할 경우도 있습니다.   
Condensate 배관은 Trap이 항상 열려있다고 가정하고 연속운전을 가정하며 최대의 유량을 기준으로 결정해야 합니다.

Condensate Trap 전후의 압력차는 Reboiler의 Steam 압력, Trap 전단 Condensate Level, 그리고  Trap 전후 차압, Trap 후단 배관의 Two Phase Flow 차압에 의해 결정되는데   Steam Trap Vendor의 Catalog에는 Condensate 온도, 차압에 따라  Trap 크기를 정할 수 있는 Chart가 마련되어 있습니다.

Steam 관련 부품 전문메이커인 <Spirax-Sarco> 사의 Catalog 나 매뉴얼에 Steam과 Condensate 배관설계나 부품 선정관련 자료가 잘 나와 있으므로 해당업체의 Site에서 자료를 받아 참고하도록 하세요.

파르데스 dynast

23-06-14 06:52

스테파노님 감사합니다!! 항상 많은 도움 받고 있습니다.
주신 얘기를 토대로 Reboiler의 운전 Scheme에 대해 다시 한번 정리해보았습니다.

1. Column Bottom 온도 Setting Value가 올라가면, Controller에 따라 Reboiler Steam 공급 Control Valve의 Opening이 증가합니다. (TIC Controller라고 할 경우)
2. Steam Control Valve의 Opening 증가에 따라 Valve의 Cv값이 증가합니다.
3. Cv값의 증가에 의해 전체적인 스팀 유량은 증가합니다. (Q=Cv*√△P/G)
4. 스팀 유량 증가에 따라 Control Valve 후단의 스팀 압력(열교환기 내부 압력)은 증가하고 Control Valve의 차압은 감소하나, 전체적인 유량은 증가합니다.
5. 이제 열교환기는 증가한 "열교환기 내부 스팀 압력에 의한 포화온도"와 증가한 "스팀 유량"의 영향으로 증가한 Heat Duty를 만족할 수 있게 됩니다. (Q=U*A*LMTD, 포화온도증가는 LMTD증가에 기여, 스팀유량은 U값에 기여)

Q1) 제가 위에서 이해한 흐름이 맞다고 한다면 4번에서 유량 증가에 따른 열교환기 내부 압력의 상승 원리가 이해가 가지 않습니다. 유량 증가에 따라 열교환기부터 Trap까지의 Pressure loss가 증가했기 때문에 Pressure가 Built-up되었기 때문인가요?
Q2) 스테파노님의 A1)에서 Control Valve 차압이 0.5~1.0kgf/cm2 정도가 될 것이라고 하셨는데 저희 공장에 스팀 Header는 10kgf/cm2g, 열교환기 내부 압력은 5kgf/cm2g로 △P가 5kg/cm2인 열교환기가 있습니다. 이는 저압 스팀이 없어 공장 내에 그 다음으로 높은 압력인 10kgf/cm2g Steam Header를 사용한 것으로 보이며 특수한 경우에 해당하는지 궁금합니다.

Stefano

23-06-14 21:16

AA1) Control Valve의 열림이 증가하면 Steam 유량이 증가하게 되고 Reboiler의 Steam Side의 압력이 높게 유지되는 상태에서 Steam의 응축이 일어나게 됩니다. Control Valve의 열림정도가 늘어나면 Control Valve 전후의 차압은 줄어들고 Reboiler내 Steam Side은 높게 유지되기 때문입니다. Steam Trap 후단의 압력은 이 응축압력에 거의 영향이 없습니다.

AA2) Control Valve의 차압은 Steam 공급압력과 유량과의 관계를 유지하기 위한 수준에서 자동적으로 정해지는데 질문에서처럼 차압이 큰 상태로 운전될 수도 있고 그리 드문일은 아니지만 차압이 큰 상태에서 밸브가 거의 닫힌상태로 운전되는데 그리되면 소음이 증가하고 Steat와 Valve Plug의 마모가 심해집니다. 이를 방지하려면 미리 Control Valve 앞에 감압밸브를 달아두거나 Orifice를 달아둠으로써 Control Valve 전후의 차압을 줄여주는 것이 소음과 마모저감과 수명연장에 도움이 됩니다. 차압이 극심한 경우라면 미로형 Orifice를 달아두기도 합니다.

파르데스 dynast

23-06-17 09:33

열교환기의 chest pressure가 Dynamic Equilibrium에 의해 정해지는 메카니즘이 잘 와닿지 않습니다. (http://chemeng.co.kr/site/bbs/board.php?bo_table=vqna&wr_id=80378&sca=&sfl=wr_subject&stx=chest&sop=and)를 보아도 잘 이해가 가지 않네요. Control valve보다는 열교환기 Shell Side의 Chest Pressure 관점에서만 질문드리고 싶습니다.

Q1) 열교환기 부하 증가로 Control Valve가 열리면 열교환기 Chest 압력은 증가하나요? 아니면 동일한가요? 아니면 여러 Dynamic Equilibrium을 고려할 때 그때그때 다르다고 봐야 하나요? LMTD를 증가시켜야 하니 Chest 압력은 무조건 증가해야 할 것 같은데 확신이 들지 않습니다. 스팀 유량 증가에 따른 U값 증가의 영향은 있겠지만 LMTD에 비해서는 그리 크지 않은 걸로 알고 있습니다.

Q2) 만약 Q1에서 chest 압력이 증가한다면, 이를 유발하는 것은 스팀 인입 유량의 증가인가요?

Q3) 스팀 유량을 증가시킬 때 Chest에 머무는 스팀의 몰수 n은 동일한가요 아니면 증가하나요? 스팀이 증가해도 빠져나가는 응축수의 량도 같은 만큼 증가한다면, n은 동일할 것 같기도 합니다. (열교환기가 다시 평형에 이르면 dn/dt=0이라는 것은 이해하고 있습니다) Steady state라고 하면, n이 증가한다고 하는 것도 잘 잘 이해가 가지 않습니다.

Q4) 만약 스팀 유량이 늘어나더라도 Q3)에서처럼 n이 동일하다면 chest pressure가 어떻게 증가할 수 있는 것인지 잘 이해가 가지 않습니다.

제가 잘못 개념을 잡고 있는 부분이 있다면 가르침 부탁드립니다.