Column Set-up & Column Internals

Column Set-Up

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혼합물이 도입되어 상대휘발도 차이에 의해 상부로 overhead product (top product, distillate)와 하부로 bottom product (bottoms)로 분리된다.

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전형적인 column set-up은 아래 configuration과 같다. feed는 예열이 된 후 column으로 들어가며 bottom에서는 포화액체를 reboiler에서 스팀을 이용하여 포화증기를 만들어 다시 column으로 return된다. reboiler로 들어가는 액체의 일부는 증발되고 일부는 다시 liquid로 나와 feed를 예열하고 bottoms를 얻게 된다.

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vapor는 상부로 올라가 물질 및 열이 전달된 후 overhead vapor로 나와 condenser에서 응축이 된 후 accumulator에 저장이 된다. accumulator로부터 일부 액체는 distillate로서 overhead product를 얻게 되며 나머지 액체는 reflux로서 다시 column으로 return되어 아래로 내려가면서 tray 혹은 packing을 통해 uprising vapor와 contact이 된다.

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이러한 과정에서 vapor는 light 성분이 농축되며 liquid는 heavy성분이 농축이 된다. 일반적으로 feed tray를 기준으로 상부는 rectifying section이라고 하며 하부는 stripping section이라고 한다. tray에서의 V/L contact의 예를 아래와 같다.

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Column Internals

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V/L contact의 효율을 높여주는 packing이나 tray에 대한 분류는 아래와 같다.

 

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다음 internals에 대한 운전 원리 및 기능에 대해 좀 더 review가 필요하다. tray나 packing 사용에 대한 guideline도 정리하였다.

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Trays - Components, Types ( Sieve, Valve and Bubble Caps ) and Characteristics

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Packings - Random & Structured, characteristics

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Other Internals, e.g. liquid distributor, packing support, etc.

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Column main nozzles (inlet, outlet): top, intermediate, and bottom

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Sieve Tray

deck 아래에서 올라오는 vapor는 sieve (hole, perforation)를 통해 액체층을 통과하여 상부로 올라간다.

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sieve tray는 가장 간단한 type이며 moving part가 없어서 유지 관리가 용이하다. liquid seal이 없고 sieve를 통해 vapor가 올라감에 따라 hole을 통한 liquid의 loss를 효과적으로 방지한다. vapor유량이 적거나 liquid유량이 많아 tray내 liquid height가 증가할 경우에는 weeping이 발생될 수 있다.

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sieve tray의 전형적인 layout은 square이거나 equilateral triangular hole pitch이다. sieve size는 1/16"~1"이다. dirty service나 fouling, 부식적인 환경에서 hole size가 너무 작으면 막힐 수 있어서 과도한 pressure drop 및 flooding을 야기할 수 있다. 하지만 clean service에서는 hole size가 작을수록 turndown ratio가 높아 vapor flow가 적어도 tray weeping을 줄여 tray capacity를 높일 수 있다. 비용측면에서 hole size가 크면 punching 개수가 줄어들어 비용이 적게 든다.

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Tray Blanking

vapor loading이나 liquid loading이 변할 경우 column의 다른 section들에서는 weeping등을 방지하기 위해 hole area requirement가 다를 수 있다. 그래서 새로운 tray로 교체하는 대신 기존 tray의 일부 hole을 막아서 이를 만족시킬 수 있다.

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Valve Tray

flat perforation tray이며 각 hole에는 movable disk인 valve가 설치된다.

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perforation이나 disk는 원형이거나 사각 모양일 수 있다.

 

 

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vapor load에 따라 valve는 위 아래로 움직이며 normal flow에서는 valve가 중간 위치에 놓인다. low flow에서는 disk가 아래로 내려가 weeping을 방지한다. low vapor flow에서 지나친 opening이 되지 않도록 valve 자체는 적당하게 무거워야 한다. vapor flow가 증가할수록 disk는 수직으로 올라가며 최대 유량에서는 retaining leg나 cage에 의해 더 이상 올라가지 못하게 고정시킨다. vapor유량과 무관하게 opening이 지나치게 클 경우 weeping이 일어나 performance를 저하시킬 수 있다.

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dirty나 fouling service에서는 부식생성물이나 sludge가 build-up되어 valve가 stuck될 수 있어서 이 경우 tray opening are가 줄어 들어 flooding을 야기할 수 있다. valve tray는 sieve tray에 비해 operating range가 넓고 capacity가 더 크지만 가격이 비싸다.

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Bubble-Cap Tray

bubble-cap tray는 riser와 slotted cap으로 구성된다.

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가스는 riser를 통해 위로 올라와 cap아래에서 다시 아래 방향으로 흘러 cap 아래에 있는 slot을 통해 액체속으로 들어간다.

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bubble cap tray는 built-in liquid seal인 riser가 있어서 vapor유량이 적어도 liquid drainage를 방지한다. 즉, 가장 큰 장점으로 tray위에서 liquid를 holding하기 위해 올라오는 vapor의 일정 유속 이상으로 유지할 필요가 없다.

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비용이 고가이며 구조가 복잡하고 유지관리도 쉽지 않아 요즘은 sieve나 valve tray를 많이 사용한다. bubble cap tray의 경우 매우 낮은 유량의 vapor로 운전을 해야 할 경우 적용하며 혹은 분리나 화학 반응을 위해 적절한 체류시간이 필요하거나 모든 유량 범위에서 positive liquid seal이 필요할 경우 적용한다.

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Packed Columns vs. Plate Columns

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packing이 plate보다 약간 비싸지만 두 type의 column 비용 차이는 크지 않다. 최대의 효율로 운전하는 경우 두 column의 높이차이는 크지 않다.

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packed column을 고려하는 경우

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직경이 작을 경우 (600mm 이하)

부식환경에서도 packing에 대한 다양한 재질 선정 (플라스틱, 세라믹, 합금)

차압이 낮다 (진공 운전에 적합)

liquid entrainement가 낮고, ​liquid hold-up이 작아 열적으로 민감한 물질일 경우 적절함

foaming 경향이 높은 액체에 적합 (vapor에 의한 liquid의 agitation이 미미함)

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plate column을 고려하는 경우

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vapor / liquid loading이 변하는 경우

액체 유량이 낮은 경우

액체 체류시간이 높을 경우

청소가 용이하여 dirty service에도 사용 가능

온도 변화가 클 경우 열이나 기계적 stress로 packing을 cracking할 수 있어서 이 경우 tray를 적용함

발열반응이 일어나 column내부에 cooling coil을 설치해야 할 경우

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rule of thumb에 따르면 직경이 크거나 이론단수가 20 tray이상일 경우 plate를 사용한다.

 

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