기액분리기(Knock-out drum) 설계

기액분리기(Vapor–liquid separator)는 산업현장에서 두가지 이상의 상(Phase)을 가지고 있는 혼합물을 분리할 때 사용하는 장치이다.

기액분리기는 flash drum, breakpot, knock-out drum, knock-out pot, compressor suction drum, suction scrubber, compressor inlet drum,vent scrubber 등으로 불리워진다.

 

기액분리기(Knock-out drum) 설계

 

기액분리기는 다음 그림과 같이 수직형(Vertical) 및 수평형(Horizontal) 2 types이 있다.

 

Source : en.wikipedia.org/	source : plant-engineering.tistory.com/287

 

KOSHA GUIDE에서 제안한 플레어스택 전단 KO Drum 설계

 

효과적인 기액 분리를 위한 플레어스택의 입구측에 설치되는 KO Drum의 용량은 다음 절차에 따라 결정한다.

 

 

1. 제1단계

● 300～600 μm의 액체방울이 KO Drum에서 수직으로 떨어져 기액이 분리되는 강하속도(Dropout velocity, Uc)를 계산한다.

Uc= 1.15[gD(ρL-ρv )/(C×ρv )] ^ 0.5 ------------------(1)

여기서, Uc : 강하속도, m/sec

g : 중력가속도, 9.8m/sec2

D : 액체방울의 지름, m

ρL : 액체밀도, ㎏/㎥

ρv : 기체밀도, ㎏/㎥

C : 강하상수

● 강하상수 (C) 값은 다음 <그림 1>에서 C(Re)²을 계산하여 얻는다.

 

< 그림 1> 강하상수, C 결정

 

2. 제2단계

● KO Drum의 액체 체류량은 다음과 같이 계산한다.

VL= VL1 + VL2 × 30(min)/ 60(min /hr) --------------------------(2)

여기서, VL : KO Drum의 액체 체류량, ㎥

VL1 : 설비에서 배출되는 액체량, ㎥

VL2 : 안전밸브 등의 배출물에 포함되어 있는 액체량, ㎥/hr

 

 

3. 제3단계

● KO Drum의 액체 체류량이 KO Drum 부피의 0.5가 되고, KO Drum의 안지름(Di)과 길이(L)의 비가 1 : 3 정도가 되도록 안지름과 길이를 가정한다.

 

4. 제4단계

● KO Drum의 안지름을 기준으로 횡단면적(Cross-sectional area, AT)을 다음과 같이 계산한다.

AT = πDi^2/4 [㎡] -------------------------------------------(3)

 

5. 제5단계

● KO Drum에서 액체가 차지하고 있는 횡단면적(AL)을 다음과 같이 계산한다

AL = VL/L [㎡] ---------------------------------------------(4)

 

6. 제6단계

● 안전밸브 등에서 플래어헤더를 통하여 KO Drum으로 인입되는 배출물질중 기체가 흐를 수 있는 횡단면적(AV)을 다음과 같이 계산한다.

AV = AT - AL [㎡] -----------------------------------------(5)

 

7. 제7단계

● 기체가 흐를 수 있는 횡단면적을 기준하여 기체공간의 수직높이( hv , m)를 계산한다.

 

8. 제8단계

● 제 1단계의 액체 강하속도와 제 7단계의 기체공간의 수직높이를 이용하여 액 체의 강하시간(θ, sec)을 다음과 같이 계산한다.

θ = hv / Uc ----------------------------------------(6)

 

9. 제9단계

● 동일한 배출원인에 의하여 안전밸브 등에서 동시에 배출될 수 있는 최대 배출 용량중의 기체의 양과 제 6단계의 기체의 횡단면적을 기준하여 기체의 속도 (Uv)를 다음과 같이 계산한다.

Uv = Vv/Av --------------------------------------------(7)

여기서, Uv : 기체속도, m/sec

Vv : 최대 배출용량중의 기체의 양, ㎥/sec

 

10. 제10단계

● 액체강하 시간과 기체속도를 기준하여 배출물질 중의 기체와 액체를 분리하는데 필요한 KO Drum의 최소 길이(Lmin, m)를 다음과 같이 계산한다.

Lmin = Uv x θ ------------------------------------------(8)

 

11. 제11단계

● 필요한 KO Drum의 최소 길이와 제 3단계에서 가정한 KO Drum의 길이를 비교한다. 이때 KO Drum의 최소 길이 Lmin이 가정한 KO Drum의 길이 L보다 작을 때는 L을 KO Drum의 길이로 한다. 그러나 KO Drum의 최소 길이 Lmin이 가정한 KO Drum의 길이 L보다 클 경우는 다시 안지름과 길이를 가정하여 위와 같은 계산절차를 반복한다.

 

일반적인 KO Drum 설계

 

다음은 다른 문헌에서 제안한 설계자료이다.

 

KO Drum 설계 기준

 

● 수직, 수평형의 하중계수(Load factor) 는 일반적으로 0.3~0.35 ft/sec. (0.09 m/sec~0.107 m/sec) 를 고려한다.

● 용기의 직경이 결정되고 이를 표준 직경으로 반올림 할 때 설계 하중은 0.25~0.3ft/sec.의 Load factor 로 고려할 수 있다.

● 수직 상향류 KO Drum의 설계 시 Load factor 는 0.2~0.35 ft/sec.를 고려한다.

● 0.2ft/sec. 이하의 Load factor 적용시 미스트 제거기(Mist eliminator)의 크기를 조절해야 한다.

● 수평형(Horizontal knockout drum) 의 경우 0.35 ft/sec. load factor를 기준으로 한다.

● 미스트 제거기와 배출부의 거리는 1/2D 간격을 유지한다.

● Liquid level 과 Inlet nozzle 중심과의 거리는 1/2D 간격을 유지한다.

● Inlet nozzle 중심과 미스트 제거기 하부와의 간격은 1D를 유지한다.

 

 

 

하중계수(Load factor)로 부터 KO Drum 크기 결정

 

● KO Drum과 같은 분리 용기의 주요 설계 변수는 하중 인자로서 이를 유도하기 위한 공식은 사우더스-브라운 방정식 (Souders-brown equation) 을 사용한다.

k계수인 속도는 KO Drum의 플럭스 단면적을 도출할 때 사용하며 일반적으로 0.3~0.35 ft/sec.(0.09 m/sec~0.107 m/sec.) 를 적용한다.

 

● 하중계수(Load factor) 계산식

 

 

이를 이용한 실제 계산 사례에 대한 것은 추후 포스팅할 예정이다.

 

 

결론

Knockout drum은 Vapor-liquid separator 의 다른 호칭이며 주요 목적은 특정 공정상에서 발생하는 2가지 이상의 상(phase)을 분리하여 Downstream 에 미치는 영향을 최소화하기 위한 목적을 갖고 있다.

 

Flare gas, 증기 steam 과 같은 공정에 사용하며 수직/수평형으로 기능이 나뉜다.

 

Load factor 는 Knockout drum 설계의 가장 기본적인 설계 인자이며 0.09 m/sec~0.107 m/sec 를 고려한다.

설계 시에는 내부 유체의 유동성에 의한 유효성 확보를 위해 최소 공간이 유지되어야 한다는 점이 중요하다.

 

미스트 Eliminator 는 패드, 와어이, 베인 형식이 있으며 작은 미립자를 포집하는 Eliminator 일수록 오염도에 취약하며 압력 손실을 수반한다는 점을 기억해야한다.

 

 

Reference : 1. en.wikipedia.org/wiki/Vapor%E2%80%93liquid_separator

                2. KOSHA GUIDE D-36-2014 (플래어시스템의 공정설계에 관한 기술지침)

                3. http://sadboxabc.blogspot.com/2020/03/knockout-drum.html