게시판 > 질답게시판 > Tower Reflux Subcooling 온도하락에 따른 Steam량 감소

스테파노 Stefano

08-08-25 22:19

(1) Reflux 유량의 결정
Reflux를 하는 이유는 Top Product에 고비점 물질이 따라나오는 것을 방지하기 위함이며 Reflux 온도가 일정할 경우 Reflux 유량이 증가하면 Top Product의 순도는 증가합니다.

따라서 일정한 Reflux 온도에서 불필요한 Reflux의 증가는 Energy 손실(Reboiler의 가열부하증가)을 가져오기 때문에 Reflux 유량을 줄이거나 늘이려면 반드시 Top Product의 Quality를 점검하면서 조정해야 합니다.

(2) Subcooled Reflux
Reflux의 온도는 Overhead Pressure에서 Bubble Point보다 약간 낮은 정도면 가장 알맞지만 과냉온도에서 여유가 많으면운전중 성분의 변화, Cooling Water Temperature 변화, Column Pressure의 변화에 따라서도 Column Top Product Quality를 유지하기가 쉽습니다.

Reflux 온도를 낮추면 같은 Reflux Ratio라고 하여도 Reflux를 늘여준 효과 즉 "Internal Reflux" 효과를 나타내게 됩니다
Interanl Reflux 효과는 과냉온도 1도마다 (비열)/(증발잠열)의 Reflux유량 증대로 나타납니다.

(3) 질문의 경우처럼 정상 운전온도보다 낮은 Reflux 운전온도로 운전된다면... (Q1-1에 대한 답변)

(과냉에 의한 Reflux 증가 효과, 유량단위) = (정상운전시 Reflux 의 유량) * (실제과냉온도-기준과냉온도)*비열/증발잠열 .........(1)와 같은 유량이 더 Reflux 되고 있다고 간주하면 됩니다.

그렇다고 해서 Reflux를 너무 줄이면 Column에서의 접촉이 불량해지고 효율이 떨어질 수 있으며 Packed Column인 경우 Minimum Wetting Rate 이하로 운전될 우려가 뒤따릅니다.

따라서 과다상태가 아닌 적절한 Reflux와 불필요한 Subcooling이 아닌 적절한 Subcooling 유지가 운전기술의 핵심이 됩니다.

(4) Overhead Subcooling을 줄이면...(Q2에 대한 답변)
Reboiler의 Duty가 따라서 줄어들기 때문에 Energy 소요량은 줄어들지만 (3)항에서 설명한 경우와 같이 다성분계에서 Bubble Point보다 높게 유지되는 경우가 발생할 수가 있고 이로인해 Top Quality가 떨어지는 경우가 뛰따르게 됩니다.

Basic Design 상에 70도로 되어 있고 실제 운전은 34도 정도로 운전되어야 Top Quality가 유지된다면...
이는 Bubble Point가 70도 보다 높게 (잘못) 설계되어있거나 Minimum Reflux Ratio가 꽤 높게 되어 있다는 것을 의미합니다. Column Design상 단수가 모자라는 경우 Reflux Ratio가 늘어나거나 과냉정도를 늘일 수 밖에 없습니다. 대체로 순성분이 Top 제품으로 생산되는 경우 Column Top 1~3단 에서는 성분농도나 온도의 Profile이 수평인 상태로 유지되는 것이 Qualtity 유지에 필수적 요소입니다.

(5) O/H 온도를 올려서 에너지 절감한 사례... 그렇지 않은 경우
Top Product가 단일 성분인 경우 Column 단수에 여유가 많으면 Reflux를 과다하게 하지 않고 또 Reflux 온도를 과다하게 냉각하지 않으면 이는 바로 Reboiler Duty 절감과 직접 결부됩니다.

그러나 Column 내부의 Rectifying Section에서의 Temperature Profile을 일정하게 유지하는 상태에서 Reflux를 줄이거나 과냉온도를 줄이여야 하지, 단순히 Reflux 온도를 높이는 것은 에너지 절감하려다 Top Product가 Off-spec로 얻어질 수 있기 때문에 (빈대잡기위해 초가집 불태우는 경우과 같은 경우도 있어서) 주의해야 합니다. 앞뒤를 가리지 않고 No-Risk-No-Gain이라는 말을 주장하는 것은 옳지 않습니다. 통계적 데이터에 바탕을 둔 철저한 검증은 Risk라고 간주되지 않습니다.

(6) <Q3: 혹시 Receiving Drum의 크기가 작아서 Holding Time의 문제점 때문에 본 경우가 생길 수도 있습니까?>
Reflux Drum의 크기는 Reflux Pump의 안전운전에 필요한 최소의 필요한 크기면 됩니다. Holding Time이 커지면 안전하지만 Inventory가 늘어나고, 장치크기가 늘어나 투자비가 늘어나 비용경제적이지 못할 수도 있고 Off-spec 발생시 On-spec화 소요시간이 늘어날 수도 있기 때문에 굳이 크게 할 필요는 없습니다. 대체적인 Reflux Drum의 HLL-LLL 간 최저 Holding Time은 5분 정도입니다.

(7) 결론적으로..
과냉정도를 줄이는 것(즉 Subcooled Temperatur를 높이는 것)은 Qualiy를 유지하는 조건범위내에서는 Reboiler Duty를 줄이는 것과 직결 되지만 Product Quality 유지와 운전의 편의성을 고려한 상태에서 시행되어야 합니다.

(1) Reflux 유량의 결정
Reflux를 하는 이유는 Top Product에 고비점 물질이 따라나오는 것을 방지하기 위함이며 Reflux 온도가 일정할 경우 Reflux 유량이 증가하면 Top Product의 순도는 증가합니다.

따라서 일정한 Reflux 온도에서  불필요한 Reflux의 증가는 Energy 손실(Reboiler의 가열부하증가)을 가져오기 때문에 Reflux 유량을 줄이거나 늘이려면 반드시 Top Product의 Quality를 점검하면서 조정해야 합니다.

(2) Subcooled Reflux
Reflux의 온도는 Overhead Pressure에서 Bubble Point보다 약간 낮은 정도면 가장 알맞지만 과냉온도에서 여유가 많으면운전중 성분의 변화, Cooling Water Temperature 변화, Column Pressure의 변화에 따라서도 Column Top Product Quality를 유지하기가 쉽습니다.

Reflux 온도를 낮추면  같은 Reflux Ratio라고 하여도 Reflux를 늘여준 효과 즉 "Internal Reflux" 효과를 나타내게 됩니다 
Interanl Reflux 효과는  과냉온도 1도마다  (비열)/(증발잠열)의 Reflux유량 증대로 나타납니다.

(3) 질문의 경우처럼 정상 운전온도보다 낮은 Reflux 운전온도로 운전된다면... (Q1-1에 대한 답변)

(과냉에 의한 Reflux 증가 효과, 유량단위) = (정상운전시 Reflux 의 유량) * (실제과냉온도-기준과냉온도)*비열/증발잠열 .........(1)와 같은 유량이 더 Reflux 되고 있다고 간주하면 됩니다.

그렇다고 해서 Reflux를 너무 줄이면 Column에서의 접촉이 불량해지고 효율이 떨어질 수 있으며 Packed Column인 경우 Minimum Wetting Rate 이하로 운전될 우려가 뒤따릅니다.

따라서 과다상태가 아닌 적절한 Reflux와  불필요한 Subcooling이 아닌 적절한 Subcooling 유지가 운전기술의 핵심이 됩니다.

(4) Overhead Subcooling을 줄이면...(Q2에 대한 답변)
Reboiler의 Duty가 따라서 줄어들기 때문에 Energy 소요량은 줄어들지만  (3)항에서 설명한 경우와 같이 다성분계에서 Bubble Point보다 높게 유지되는 경우가 발생할 수가 있고 이로인해 Top Quality가 떨어지는 경우가 뛰따르게 됩니다.

Basic Design 상에 70도로 되어 있고 실제 운전은 34도 정도로 운전되어야 Top Quality가 유지된다면...
이는 Bubble Point가 70도 보다 높게 (잘못) 설계되어있거나 Minimum Reflux Ratio가 꽤 높게 되어 있다는 것을 의미합니다.   Column Design상 단수가 모자라는 경우 Reflux Ratio가 늘어나거나 과냉정도를 늘일 수 밖에 없습니다.   대체로 순성분이 Top 제품으로 생산되는 경우 Column Top 1~3단 에서는 성분농도나 온도의 Profile이 수평인 상태로 유지되는 것이  Qualtity 유지에 필수적 요소입니다.

(5) O/H 온도를 올려서 에너지 절감한 사례... 그렇지 않은 경우 
Top Product가 단일 성분인 경우 Column 단수에 여유가 많으면 Reflux를 과다하게 하지 않고 또 Reflux 온도를 과다하게 냉각하지 않으면 이는 바로 Reboiler Duty 절감과 직접 결부됩니다.

그러나 Column 내부의 Rectifying Section에서의 Temperature Profile을 일정하게 유지하는 상태에서 Reflux를 줄이거나 과냉온도를 줄이여야 하지, 단순히 Reflux 온도를 높이는 것은 에너지 절감하려다 Top Product가 Off-spec로 얻어질 수 있기 때문에 (빈대잡기위해 초가집 불태우는 경우과 같은 경우도 있어서) 주의해야 합니다.   앞뒤를 가리지 않고 No-Risk-No-Gain이라는 말을 주장하는 것은 옳지 않습니다.   통계적 데이터에 바탕을 둔 철저한 검증은 Risk라고 간주되지 않습니다.

(6) <Q3: 혹시 Receiving Drum의 크기가 작아서 Holding Time의 문제점 때문에 본 경우가 생길 수도 있습니까?>
Reflux Drum의 크기는 Reflux Pump의 안전운전에 필요한 최소의 필요한 크기면 됩니다.   Holding Time이 커지면 안전하지만  Inventory가 늘어나고, 장치크기가 늘어나 투자비가 늘어나 비용경제적이지 못할 수도 있고  Off-spec 발생시 On-spec화 소요시간이 늘어날 수도 있기 때문에 굳이 크게 할 필요는 없습니다.   대체적인 Reflux Drum의 HLL-LLL 간 최저 Holding Time은 5분 정도입니다.

(7) 결론적으로..
과냉정도를 줄이는 것(즉 Subcooled Temperatur를 높이는 것)은 Qualiy를 유지하는 조건범위내에서는 Reboiler Duty를 줄이는 것과 직결 되지만  Product Quality 유지와 운전의 편의성을 고려한 상태에서 시행되어야 합니다.

romanus soongu99

08-08-28 17:16

바쁘신와중에도 상세한 답변 주셔서 고맙습니다. 스테파노님.

저도 답변을 받고, 한동안 생각을 많이 해봤습니다.

추가 질의가 있습니다.

스테파노님 말씀대로 본 Tower는 최소환류비가 많이 높게 설계된것 같습니다. (설계자가 Tower 단수를 최소한으로 줄인 듯 하네요. 그리고 본 타워는 Packing(슐처) Tower입니다.

대학학부시절 단위조작 및 Simulation 시간에 제품이 O/H로 관출 기준으로 환류비는 통상 3:1로 놓고 설계를 했던 것으로 기억이 납니다.

그래서 저도 simulation 할때는 환류비는 3:1로 놓고 이론단수를 정해서 상하부 원하는 Spec 만큼 단수를 다시 올리던지, 감압, 가압을 하던지, 환류비를 조절합니다. (물론 이게 맞는 방법인지는 잘 모르겠습니다. 정식으로 교육을 받을 기회가 없어서)

Q4. Tower 단수 / 환류비 상관관계는 그 Tower의 성격에 따라 다릅니까? (제품탑, 농축탑, 공비탑, 추출탑 등)
투자비 면도 고려되지만, 고유의 환류비가 있는것인지?

Q4-1) Packing Tower도 같은 경향인지요?

스테파노 Stefano

08-08-30 00:33

Q4: Tower 단수 / 환류비 상관관계는 그 Tower의 성격에 따라 다릅니까? (제품탑, 농축탑, 공비탑, 추출탑 등)
A4: Tower의 단 수효는 상대적 Volatility와 관련이 있으며 비점차가 크면 줄어들고 작으면 늘어나게 됩니다. Minimum Number Stage는 Top과 Bottom의 성분농도와 상대휘발도로부터 추정할 수 있는 "Fenske Equation"으로부터 구할 수 있으며 이곳 게시판 어딘가에 올려놓는 적이 있습니다. 검색창에서 찾아보도록 하세요.

단수와 환류비는 반비례 관계가 있습니다. 상대휘발도가 높으면 단수효와 환류비가 줄어들고 낮으면 늘어납니다.
단수가 커지면 환류비가 줄어들고 그 반대로 단수가 늘어나면 환류비가 줄어들게 됩니다. 단수가 늘면 투자비가 늘고 환류비가 늘면 운전비가 증가합니다. 결국 최적의 단수효와 환류비가 존재한다는 것이 됩니다.

저품탑, 농축탑 공비탑 등은 모두 증류의 원리에 의해 가동되는 것이기 때문에 휘발도에 의해 정해지는 속성을 가지지만 추출답은 물질간의 친화력과 분배율에 의해 단수효와 용매 순한율이 정해집니다.

Q4-1. Packed Tower 도 같은 성향??
A4-1. Tower 형태만 다를 뿐 경향은 같습니다. Packed Tower의 경우 Minimum Wetting Rate에 가까워지면 증류효율이 크게 떨어져서 단수가 늘어나고 단수효를 늘이면 환류량이 줄어듭니다.

Column의 단 수효와 Reflux Ratio와의 관계도표나 관계수식은 여러가지가 있는데 그중 Gilliland도표와 Erbar-Maddox 도표가 있습니다. 이들 도표는 환류비와 단수를 최소환류비와 최소 단수효로 각각 나눈 값들 사이의 관계식 혹은 도표로 나타내고 있는데 Distillation 관련 서적이나 인터넷에서 찾아볼 수 있습니다.

Stefano

08-08-30 22:21

Q2에 대한 부연설명을 곁들이자면..

Hydrocarbon의 경우 비열은 약 0.4 잠열이 80 kcal/kg 정도이라고 하면
포화온도에 있는 Distillate Reflux 1 kg은 Subcooling 온도 80/0.4=200도와 같기 때문에 Subcooling 효과가 크게 나타나 보이지는 않습니다. 그러나 Multicomponent의 경우 Bubble Point를 낮춤으로써 순도를 높여주게 되고 이로써 추가로 Reflux를 줄일 수 있다면 그만큼 에너지 절감이 이루어 질 것이라는 것이지요.

원하는 순도 이상의 Top Product를 얻고 있는데도 과잉 Reflux를 하고 있지 않은지 이것에 더욱 신경을 써야 할 일입니다. 예를 들어 99.9 % 의 순도면 되는데 99.99%의 순도를 얻으려 Reflux가 2배~3배 늘어냐 있다고 하면 Reflux 유량을 반드시 재고해 보아야 할 일입니다.

결론적으로 Subcooling도 고려해봐야 하지만 불필요한 과잉 Reflux가 일어나고 있는지 점검해 봐야 합니다.