증류탑 설계 시 고려사항

 

증류(Distillation)라고 하는 것은 분리하고자 하는 성분들간의 끓는점 차이(좀 더 엄밀하게 말하면 상대 휘발도차)를 이용해서 혼합물 중에서 원하는 성분의 순도를 높이는 분리조작이다. 

금번에는 증류탑 내부 구성품 설계 가이드 및 성능 점검에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

증류탑 설계 시 고려사항

 

증류탑(Distillation columns or distillation towers)은 구성요소 및 Tray 구조, 다단(Trays)의 종류 및 특성 등에 대해서는 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/628

Distillation Column 구조

 

Distillation Column는 증류탑을 중심으로 예열기(Preheater), 재비기(Reboiler), 응축기(Condenser), Reflux Drum, 그리고 Pump의 기기가 조합으로, 이것들을 연결해주는 배관, 또는 합리적으로 운전하기 위한 계기 장치들로 구성되어 있다.

증류탑의 설계는 화학공학적 설계, 구조설계(재질선정, 두께, 상세설계), 계장, 배관등의 순이며, 화학공학적 설계는

① 단수, 탑의 조작조건 결정

② Tray 또는 장치형식의 결정

③ 증류탑의 주요 치수

이상과 같은 단계를 이행하는데는 다음과 같은 기초 Data가 필요하다

① 원료의 조성, 양, 상태

② 유출액 또는 탑저액의 조성

③ 각 성분의 물성, 기-액 평형, 밀도, 부식성, 반응성, Enthalpy, 점도 등

④ 원료 상태의 변동 폭

⑤ 그 외 Reboiler, Condenser에 사용되는 매체의 상황

 

본 포스팅에서는 증류탑 내부의 Internals에 대한 설계 가이드에 대해 아래와 같이 공유하고자 한다.

 

 

Tray 등 Internals Layout 설계

1) Downcomer

가. Type

Downcomer의 역할은 Bubbling Area를 흐르면서 Vapor와 Liquid가 혼합된 Liquid를 일정시간 동안 Downcomer Area에서 머무르게 하면서 Liquid에 혼합되어 있는 Vapor를 분리 시키는 것이다. Downcomer는 여러 가지 Type이 있으며, 적용범위는 아래와 같다.

a) Segmental Vertical Downcomer : 일반적으로 사용됨

b) Circular Downcomer : Low Liquid Rate일 때 이용하며 주로 Small Pilot-Scale Column 에 사용

c) Envelope Type : Low Liquid Rate에서 Segmental Type Downcomer가 너무 클 때 Min. Downcomer Width를 만족시키기 위해 사용

d) Slope Downcomer : High Liquid Rate or Foaming System과 같이 많은 DNCR Area가 요구될 때 DNCR의 Bottom쪽을 Slope시켜 Active Area를 증가시킬 목적으로 사용되며, Inlet Sump사용시도 사용한다. Downcomer Inlet Velocity는 Foaming정도에 따라 0.1～0.4 ft/sec이며 보통 Non-Foaming System 경우 0.4 ft/sec이다.

 

나. Clearance

상승하는 Vapor가 Downcomer Area로의 유입이 방지되도록 Vapor/Liquid의 Load에 따라 Clearance를 정한다. Clearance가 적을 경우 Under Downcomer의 Pressure Drop이 증가하여 Downcomer Backup이 증가되고 Clearance가 증가할 경우 Vapor가 Downcomer로 Bypass되어 Active Area에서 Vapor/Liquid Contact이 적어져 Tray의 Efficiency가 감소한다.

일반적인 Downcomer Clearance는 Outlet Weir Height보다 1/2" 낮게 한다.

 

< 표 1> Weir Height 및 Downcomer Clearance

 

단 간 격 (mm)	Weir Height (mm)	Downcomer Clearance (mm)
		액량이 보통이고 압력손실이 문제 없을 때	액량이 적고 압력손실이 문제 없을 때
550 이상 550 ～ 400 400이하	75 65 50 38 25	65 50 38 25 20 또는 15	25 25 25 25 20 또는 15

 

 

2) Inlet Weir & Inlet Sump

Inlet Weir는 Downcomer Seal을 위해 Downcomer Clearance를 더 이상 줄일 수 없을 경우와 Inlet Liquid Distribution을 좋게 하기 위해서 사용한다. 그러나 위의 두 기능은 Inlet Sump를 사용하여 경제적이고 효과적으로 성취할 수 있으며, 동시에 Downcomer Clearance를 높혀 Downcomer Backup을 줄이기 위한 목적으로 사용한다. Inlet Sump는 Impact Head를 제거하여 Tray Inlet에서의 Weeping을 감소시킬 수 있다. Inlet Weir는 Fouling Service 경우 Dirt, Polymer가 쌓이므로서 DNCR. Clearance를 감소시켜 DNCR. Backup을 증가시켜 Flooding의 원인이 되므로 이와 같은 경우에는 Inlet Weir의 설치는 바람직하지 않다.

 

3) Outlet Weir Height

Outlet Weir의 목적은 Liquid의 Equal Distribution과 Downcomer의 Sealing 및 Vapor와 Liquid의 Contact을 위하여 Tray Floor에 Liquid Layer를 형성시켜주는 목적으로 설치한다.

Outlet Weir Height는 Tray의 Space에 따라 일반적으로 아래와 같이 사용한다.

 

<표 2> Tray Space 별 Outlet Weir Height

 

Tray Space	Outlet Weir Height
24" 18" 12"	3" 2 1/2" 2"

* Vacuum Tower의 경우는 Low Pressure Drop을 위하여 1.5" - 3/4"를 사용한다.

 

 

4) Blocked Weir

Blocked Weir는 Tower Diameter에 따른 Min. DNCR. Width를 사용할 경우 Tower내 Liquid Flow Rate가 적어 Liquid Load가 5 GPM/ft (Outlet Weir)이하가 되어 Tower의 Levelness에 의해 Liquid의 Equal Distribution이 어려워질 경우 Outlet Weir의 일부를 Blocked 하여 Outlet에서 Crest Height를 높여주기 위해 사용한다. 또한, Vacuum Tower에서 Liquid Load에 비해 Vapor Load가 많아 Blowing 이 발생할 경우 Tray위의 Liquid Layer를 높여주기 위해서도 가끔 사용한다.

 

5) Hole과 Weir의 간격

일반적으로 Hole과 Weir의 간격은 2"이상으로 하며, 이 구역을 Calming Zone이라 부른다. Liquid Inlet쪽의 Liquid는 아래 방향으로의 Vertical Velocity를 갖고 있으므로 Calming Zone이 없이 그 지역에 Hole이 있다면 과다한 Weeping현상이 일어난다. Outlet쪽에서는 Froth로부터 Vapor가 Disengagement할 수 있도록 Calming Zone이 필요하다. 그러나 FRI의 최근 Report는 설계상 가능한 Inlet Weir와 Outlet Weir에 가까이 설치해도 Tray Performance에는 문제가 없다고 보고하고 있다.

 

6) Hole Pitch

Hole Pitch/Hole Diameter : 2～4.5로 설계하나 적정한 Ratio는 3이다. Close Pitch는 Vapor의 Channeling현상으로 Poor Vapor Distribution이 일어나며, Wide Pitch는 Liquid Channeling으로 Vapor와 Liquid Contact이 불충분하게 일어난다.

 

7) Number of Valves

일반적으로 Valves의 개수를 정할 경우 Valve Density (Num. of Valves/ft^2)를 사용하나 정확한 개수는 Valve Arrangement를 한 후 결정이 된다.

일반적으로 사용하는 Valve Density는 아래와 같다.

 

<표 3> Valve Density

 

Tower Diameter	Valve Density(Num. of Valves/ft^2)
1.5 ～ 4.0 4.5 ～ 7.5 8.0 ～ 11.5 12.5 and larger	10 11.5 12.5 13.5

Tray Rating시 Valve의 개수는 Hydraulic이 허용하는 한 되도록 적게 사용하는 방향으로 설계한다.

 

 

8) Derating Factor

가. Foaming Factor

Foaming은 비말동반을 일으키러나 강수관의 성능을 떨어뜨려 증류탑의 성능을 제한하기 때문에 가장 흔한 Derating Factor중의 하나이다. Foaming은 처리물질의 고유성질에 따라 많은 영향을 받으나 아래와 같은 경우에도 Foaming이 발생될 수 있다.

 

- Surface active agents

- Marangoni foam

- High liquid viscosity

- Partially miscible liquid

- Finely divided solids

- High molecular weight compounds

- Contaminated salt solution

 

<표 4> Foaming Factor 

 

Services

Foaming Factor

Non foaming, regular systems Fluorine systems, e.g.. BF3., Freon Hot carbonate regenerator Absorbers ( over 0 ℉ ) Absorbers ( below 0 ℉ ) Amine Contractor Vacuum towers Amine regenerator H2S Stripper Furfural fractionator Top Section of Absorbing Type Demethanizer/Deethanizer CO2 Absorber CO2 Regenerator Caustic Wash Sour water stripper Amine/glycol absorbers MEK unites Alcohol synthesis absorber Caustic regenerators Caustic regenerators, Foul Water, Sour Water Stripper Glycol contactor Glycol still in glycol systhesis gas Hot Carbonate Contractor Hot Carbonate Regenerator Oil Reclaimer

1.00 0.90 0.90 0.85 0.80 0.80 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.80 0.85 0.65 0.60 0.73 0.60 0.35 0.30 0.60 0.50 0.65 0.85 0.90 0.70

 

나. System Factor

고압시스템인 경우에는 증기밀도에 의해 탑의 성능이 제한을 받기쉬우므로 증기 밀도가 1.8 lb/ft^3

이상인 경우 다음 식에 의해 탑성능이 제한되는 것으로 한다.

 

 

다. Tray Spacing Factor

표준 Tray Spacing을 24"로 할 경우 이와 다른 Tray Spacing에 대해 상대적인 Tray 성능을 말한다.

<표 5> 상대적인 Tray 성능

Tray Spcing Inches	Vapor Density Less than 1.5	Vapor Density more than 1.5
12 15 18 21 24 27 30 36	0.65 0.75 0.84 0.92 1.00 1.073 1.142 1.22	0.65 0.75 0.84 0.92 1.00 1.06 1.12 1.15

 

 

성능(Performance) 점검

 

1) Pressure Drop

각 Tray에서의 Pressure Drop은 Outlet Weir Height에 의해 결정되는 Wet Pressure Drop과 Valve Hole을 통해 나아가는 Vapor에 의한 Dry Pressure Drop의 합으로 계산된다. 보통 0.08～0.15 psi정도로 한다.

 

2) Column Turndown Ratio (Flexibility)

Min. Loading과 Norm. Loading의 비이며 Valve<Bubble<Sieve Tray순으로 커진다. 보통 50～60%를 유지하나 다른 운전조작수단에 의해 Turndown조건을 유지할 수 있는 경우에는 고려대상에서 제외될 수있다.

 

3) 강수관 속도

 

최대 강수관 속도(Downcomer Velocity)는 강수관내에 기포발생이 없는 계의 경우 0.5 ft/sec보다 작아야 하며 기포발생이 심한 계는 0.2 ft/sec이하로 설계하는 것이 바람직하다.

 

 

4) 체류시간 ( Residence Time, RT)

강수관을 흐르는 유체는 기포 발생 정도에 따라서 생성된 거품이 부서지는데 충분한 체류시간(Residence Time) 이 필요하며 다음 식으로부터 최소 체류시간(RT,min)을 구할 수 있다.

 

유체가 설계된 강수관을 흐를 때 체류시간이 부족할 경우 기-액 접촉으로 생성된 포말높이가 점차 증가하여 과도한 압력강하를 유발시키고 강수관 플러딩(Downcomer Flooding)의 원인이 되므로 아래의 표와 같이 기포안정도(Foam Stability)에 따라 충분한 체류시간을 갖도록 설계하여야 한다.

<표 6> 기포안정도(Foam Stability)에 따른 체류시간

 

Foam Stability	Min. Residence Time	Typical Example
Low High Very High	3 ～ 4 5 ～ 8 7 ～ 10	Fractionators Oil Absorbers Amine, Glycol