증류탑 bottleneck troubleshooting

생산현장에서 가끔씩 column 용량 제약으로 feed량을 늘릴 수 없다라는 문의가 제기되곤 하지만, 원인이 무엇인지 깊은 고민을 하지 않고 눈에 보이는 결과만으로 판단을 하곤 한다.

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증류탑 용량 제약은 의외로 간단한 곳에서 발생될 수 있다. 예를 들어 condenser 청소나 back flushing을 수년 동안 하지 않았다거나 tray가 plugging되어 물청소가 필요한 경우이다. 이처럼 용량 제약은 설계적인 문제보다는 오히려 유지 관리의 문제가 훨씬 더 많다.

 

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기존 증류탑의 flooding을 해석하는 방법으로 column을 통한 overall pressure drop을 확인, 탑저온도를 유지시킨 상태에서 환류량을 증가시키거나 환류비를 조절함에 따라 변화하는 트레이간의 압력강하를 조사하고, 탑정 제품의 heavy성분 조사를 통해 환류비에 대한 압력강하와 조성간의 관계를 확인한다.

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Downcomer back-up (liquid flood): 환류비가 증가하여 downcomer에서 액체 흐름을 감당할 수 없어서 flooding이 발생하며 tray deck 액체 높이까지 downcomer 액위가 증가하기 시작함.

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Jet flooding (vapor flood): tray간 비말동반 (entrainment)이 심해져 heavy 성분이 탑정으로 올라가게 되며 이는 설계당시 bubbling area가 vapor rate에 비해 너무 적은 경우이거나 운전시 bubbling area 대비 과도한 vapor rate로 운전하는 경우이다.

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Downcomer back-up문제를 해결하기 위해 downcomer area를 키우면 반대급부로 bubbling area가 줄어들게 되어 jet flooding가능성이 높아지므로 제작도면을 자세히 검토하여 active area의 마진을 확인해야 한다.

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Jet flooding이 발생하면 tray간 차압을 낮추기 위해 active area를 키우거나 deck의 액체 level을 낮춰야 하며, 이를 위해 tray outlet weir 높이를 낮추거나 pass수를 늘려 deck을 통해 흐르는 액체의 level을 낮출 수 있다. ​tray의 pressure drop을 줄이면 downcomer back-up도 줄어들게 되며, tray type을 venturi orifice type valve tray로 차압이 적게 걸리는 tray type으로 변경하는 것도 방법이다.

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그리고 제작도면상 tray deck에 추가적으로 tray를 설치할 수 있는 여유 공간이 있을 수 있으므로 이를 확인하여 valve tray를 설치하면 bubbling area를 키울 수 있다.

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증류탑 용량 문제는 reboiler에 기인할 수도 있다.

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Thermosyphon reboiler에서 일어나는 일반적인 문제가 reboiler를 통한 액체의 순환량 감소에 따른 vapor load의 감소이다.

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리보일러 순환량이 감소하는 증거로는 출구온도 증가로 확인이 가능하며, 순환량 감소 원인으로는 reboiler shell side의 tube bundle이 많이 막혀 있거나 draw-off pan이 새는 경우이다. Draw-off pan이 새는 것을 확인하기 위해서 start-up line을 열어 탑저 액위를 최대로 채워 draw-off pan까지 차서 많은 유량이 흘러 출구온도가 떨어지면 draw-off pan이 leak되었다는 의미일 수 있다.

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만약 출구 온도 변화가 없다면 draw-off pan의 leak문제가 아니며 shell side plugging의 의심이 되고, reboiler inlet valve가 있다면 이를 50% 잠글 때도 출구 온도가 거의 증가하지 않을 경우, 원래가 많이 막혀 있어서 valve 개폐와 무관하게 흐름이 적다는 것임을 짐작할 수 있다.

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또 다른 용량 제약 문제로 리보일러 응축수 배출문제이며 steam side에 control valve가 있을 경우 이는 전열면적 control이 아닌 LMTD control이기 때문에 만약 condensate를 인위적으로 제거했을 때 duty가 증가하여 column온도가 오르거나 control valve가 닫히면 이는 condensate축적에 의한 열용량 감소가 원인이다.

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condensate축적은 condensate 배압이 증가하였거나 steam trap이 고장났거나 스팀 inlet valve가 과도하게 잠기게 되면 응축수가 쉽게 배출되지 않아 전열면적의 일정 부분을 응축수가 차게 되어 그만큼 용량 제한이 있게 된다. 해결 방법으로는 응축수 collection drum을 설치하여 액위 제어를 하면 정상운전 회복이 가능하다.

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Inner loop인 slave loop는 PC12, FC7이며 이들은 outer loop인 master loop TC208, LC8의 control을 따른다. Cascade를 고려하는 이유는 외란에 대처하여 외란의 영향을 최소화하기 위함이며 결국 제어 loop가 더 빠르고 안정적이며 좀 더 linear response가 가능하게끔 한다.

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외란은 process에서도 야기될 수 있고 utility로부터 야기될 수도 있다. process외란으로는 조성 변경이나 process 유량 변경이 될 수 있고, utility외란으로는 스팀 header압력 변경이나 condensate배압 변경이 될 수 있다. 위 시스템에서 스팀압력이 변경되거나 column 조성이 변경되거나 condensate배압이 변경되거나 도입량이 변경될 경우 TC208이나 LC8 control loop는 매우 unstable해질 것이다.

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Cascade loop의 전제조건으로 inner loop는 outer loop에 비해 response가 매우 빨라야 한다. 위의 경우처럼 압력이나 유량 제어 loop가 매우 빠르다.

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다만 cascade는 추가되는 계기로 인해 투자비는 증가하지만 전체적인 시스템 안정성을 통한 제품 성능을 만족하도록 운전되므로 그 이상의 효과가 있다. 다만 LC13처럼 직접 제어하는 경우 증류탑 조성 변화나 스팀 압력 변화, 스팀 유량의 변화 혹은 condensate 배압과 같은 외란의 변화가 일어날 경우 level control에 영향을 주게 된다.

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하지만 이 경우 cascade 대신 direct control을 적용한 이유는 액위 변화나 condensate 배압 변경은 실제 process performance에 직접 영향이 없기 때문에 굳이 cascade를 적용하지 않는다. 따라서 실제 운전상 직접 제어를 하여 system stability에 문제가 일어날 경우 cascade를 고려해 보는 것도 troubleshooting의 한 방법이다.

 

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아울러 응축수 배관으로 스팀이 새어 나가 column온도가 떨어지는 경우로 이를 해결하기 위해 응축수 배출배관의 밸브를 약간 잠그고 condensate seal을 만들면 스팀이 더 이상 새어 나가지 않아 정상운전으로 회복할 수 있으며 본질적으로는 응축수 seal drum을 고려한다.

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Overhead condenser 문제를 야기하는 원인들로는 hot vapor bypass control valve, condenser CW back flushing, water velocity, air cooler, air recirculation, condensed liquid draining, non-condensable gas 존재 등이다.

 

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condenser 관내부의 물의 속도가 감소하면 관내부의 fouling 진행 속도는 급격히 증가하게 되므로, 냉각수로 인한 fouling을 줄이기 위해 냉각수는 최소 1m/s이상 속도를 유지해야 한다. 만약 냉각수 유속이 매우 낮다면 추후 shutdown하여 tube side pass수를 늘리는 것도 검토해야 한다.

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fouling이란 냉각수 중에 들어 있는 mud나 Fe, Si, Mn, Cr등의 불용성 부유 물질들이 유속이 낮은 부분에서 침강, 퇴적되어 열전달 효율을 저하시키거나 냉각수의 흐름을 저해하고 또한 퇴적 하부에 국부 부식을 유발하는 현상이다.

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위 그림은 전열면적의 30%정도가 응축물에 잠겨 있어 duty가 그만큼 감소하고, 잠겨 있는 부분은 sub-cooling이 되어 습기가 많고 따뜻한 날에 그 주변 표면이 대기중 습기가 응축되므로 대략 액위를 파악할 수 있다. 또한 손으로 만질 때 현저히 온도 차이가 나는 부분의 선을 이어서 액위 높이를 판단할 수 있다. 아울러 탑정 응축기 상부에 비응축 가스가 존재시 그만큼 열전달 면적이 감소하여 냉각효율이 저하되므로 주기적으로 venting을 해야 한다.

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위 경우 condenser내부의 액위는 column압력과 reflux drum과의 압력 차이에 의해 유지되며 이는 hot vapor bypass valve를 통해 구현이 된다. 즉, column overhead의 압력이 증가하면 더 많은 전열면적을 확보해야 하므로 결국 condenser내부 액체 level을 낮추어야 하므로 P2의 압력이 줄어야 하고 이는 hot vapor bypass valve가 더 closing되어야 한다. 즉, column 압력이 올라가면 hot vapor bypass valve는 closing된다.

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냉각수 출구온도가 설계온도보다 낮을 때는 열교환이 잘 되지 않는다는 의미이므로 back flushing을 수행하되 공정에 충격을 주지 않도록 주의한다. 바닷물이나 냉각수에 딸려오는 이물질이 condenser에 달라붙어 냉각수의 흐름을 저해하거나 열전달 효율을 감소시키므로 T/A전까지 주기적으로 back flushing을 해야 한다.

 

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Air cooler의 주요 concern으로 공기의 순환이며, 주어진 duty에 대해 공기 입구와 출구의 온도를 측정하면 흐르는 공기의 양을 계산할 수 있으며, 이 양과 설계값을 비교한다. Fan motor의 전류 측정값과 설계값을 비교한다. 열전달 효율의 감소로 ​Fan pitch를 증가시켰는데도 응축이 잘 되지 않는다면 팬을 교체하거나 전류의 한계로 모터를 교체해야 할 수 있다.

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공기 입구측 평균 온도와 대기온도를 비교해 보면 공기 재순환이 일어나고 있는지 알 수 있어서, 이로 인한 열효율 감소를 없애기 위해 주변 air cooler로부터 더운 공기가 유입되지 않도록 초기 배치시 고려가 되어야 한다.

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