기계장치설계

Packed column vs. Tray column

proteccon 2025. 1. 9. 14:23

Internal은 한번 설치하면 쉽게 access를 할 수 없고 turn down이나 feed유량 및 조성 변화에 대해 쉽게 조절할 수 없어서 이에 대해 설계단계에서 적절한 type을 선정하도록 type별 특징을 비교 검토해야 한다.

Plate (tray) column과 packed column의 주요 차이는 아래와 같다.

Packed Columns or Packed Tower
Plate Column or Tray Tower
주로 600mm 이하의 작은 column에 적용한다. (D<1m)
주로 상대적으로 직경이 크거나 이론단수가 큰 경우 적용한다. (D>1m)
Capacity가 작은 공정에 적용한다.
가스 및 액체의 폭넓은 유량에 적용한다.
부식성 유체에 적용한다. 값싼 세라믹 재질이나 부식 저항성이 높은 재질을 사용한다.
부식성 유체일 경우 경제성이 떨어진다.
Foaming service에 적합하다.
foaming service에 부적절하다.
Maintenance나 cleaning이 용이하지 않아 시간과 manpower가 많이 소모된다.
Plate deck에 maintenance hole을 설치하여 유지관리가 용이하다.
Stage당 차압이 낮아야 하는 vacuum tower에 적합하다.
tray에서의 차압이 커서 vacuum tower에 적절하지 않다.
Side stream이 필요할 경우 적절하지 않다.
Side stream이 있을 경우 적절하다.
contactor길이를 따라 물질전달이 일어나며 phase사이 어떠한 곳에서도 평형에 도달되지 않는다.
물질전달이 일어나는 stage사이에서 평형에 도달된다.
분리를 위해 HETP (Height Equivalent to Theoretical Plate)계산이 필요하다.
분리를 위해 이론단수를 계산한다.
시공이 용이하다.
시공이 복잡하다.
packing종류로는 Raschig rings, Pall rings, Berl saddles, Intalox saddles 등이 있다.
tray종류로는 sieve trays, bubble cap trays, valve trays가 있다.

Packed column versus Tray column


H.Z.Kister " Practical distillation technology"

 
 
 

Packed column

장점
단점
구조가 간단하다.
capacity가 작을 경우 적절하다.

Pressure drop이 낮다

Liquid hold-up이 작다.

부식성이 있거나 foaming이 있는 물질을 처리할 수 있다.

투자비가 낮다.

온도변화가 큰 곳에 적용할 수 있다. (heat sensitive material을 분리할 때, liquid hold-up이 작은 packed column을 적용한다.)
vacuum column에 적절하다. column bottom에서의 온도와 압력을 최소화하기 위해 column pressure drop을 줄이는 것이 매우 중요하다.
액상과 기상사이에 연속적인 접촉이 가능하다.
무게가 낮고 high capacity packing을 적용하여 packed column의 전체 무게를 줄일 수 있다.
G/L ratio의 운전범위가 넓은 경우 유연하지 못하다.

단면적당 증기 및 액체 유량의 범위가 넓은 경우 부적절하다.

channeling으로 인해 증기-액체의 분산이 잘 안될 수 있다. (mal-distribution)

deposit경향이 있는 dirty fluid에 부적절하다.

HETP와 HTU 예측이 부정확하다.
액체 유량이 낮을 경우 부적절하다.
Cooling arrangement를 적용하기 어렵다.
Side stream배출이 용이하지 못하다.
설치시 packing이 깨질 수 있다.

 

 

Plate (tray) column

 
장점
단점
Stage-wise 접촉을 하여 각 단마다 평형에 도달할 수 있다.
분리가 용이하다.

G/L ratio의 운전범위가 넓다.

solid가 deposit되거나 tray가 block-up되더라도 청소나 유지관리가 용이하다.

Side stream의 배출이 용이하다.

보다 큰 diameter로 scale up을 할 수 있다.

hydraulic이나 물질 전달 거동을 예측할 수 있다. (효율 예측이 정확하다.)

Slurry나 fouling service에 적용할 수 있다.

액체유량이 적은 경우에도 적용할 수 있다. (유량 범위가 넓다)
운전이 smooth하다.
cooling arrangement를 설치할 수 있다.
Pressure drop이 상대적으로 크다.

tray에서의 Induced agitation때문에 foaming이 일어날 수 있다.
Foaming fluid에 대해 performance가 감소한다. (anti foaming agent 필요)

tray마다 일정 액체가 체류하여 Liquid hold-up이 상대적으로 크다.

부식성 유체에 대해 고가의 부식 저항성 plate를 사용해야 하므로 비경제적이다.

Plate support 비용이 크다.

H.Z.Kister " Practical distillation technology"

 
 


tray spacing

 

 


tray pass

 


Plate columns

 

 

Plate (Tray)

 

Packed column with different packing

 

 

 

 

structured packing

 

 

Selection guide

Tray와 packing중 공정에 적합한 설계를 적용하기 위해서는 capacity, efficiency, pressure drop, fluid properties, hold-up, budget 등 factor를 검토해야 한다. 기본적인 선정 기준은 비용이지만 기술적 장단점에 따른 분석을 통해 선택할 수도 있다.

 

Plate column의 큰 특징으로 flooding없이 액체나 기체 유량의 넓은 범위에서 운전이 가능하다.

 

Plate column은 반복적인 mixing과 separation을 통해 분리효율이 높지만, packed column은 back mixing과 channeling의 가능성이 높아 효율이 감소될 수 있다.

Packed column에서 G/L의 mal-distribution으로 인해 운전의 신뢰도가 떨어진다.

 

Solid가 포함된 액체의 경우 plate의 청소나 유지관리가 용이하여 plate column을 적용한다.

 

Pump around systemplate column에 적절하다.

 

발열 혼합물인 경우 발열량 제거를 위해 cooling arrangement가 필요하며, 이 경우 plate column이 적절하다.

 

Foaming service일 경우 packed column을 적용한다.

 

Packed column의 차압이 낮아 vacuum service에 적절하다.

 

고온에 오랫동안 노출시 열화될 수 있는 온도 민감성 물질liquid hold-up이 작은 packed column을 적용한다.

typical fractionator parameter, GPSA, chapter19

기액 접촉을 위한 Tray column internal로는 sieve, valve, bubble cap 등이 있다. 반면 packed column의 packing은 크게 random, structured type이 있고, 이중 random packing은 Raschig ring, pall ring, berl saddle, intalox saddle이 있고, structured packing으로는 proprietary item들인 mellapak, flexi grid, sulzar type등이 있다.

 

 

Bubble cap tray는 올라오는 증기를 미세한 bubble이나 droplet형태로 액체속으로 분산시킨다. 증기유량이 낮을 때 기상을 통한 drainage인 weeping을 방지하지만, 비용이나 차압이 커서 잘 사용하지 않는다. 액체 및 증기 유량이 적을 경우에 적합한 type으로, turn down ratio가 클 경우 고려한다.

Sieve tray는 plate상 3~12mm hole이 있어서 올라오는 vapor가 이 곳을 통해 액체속으로 분산이 된다. Hole 전체 면적은 tray area의 5~15%를 차지하며, 구조가 간단하고 제작이 용이하며 비용이 저렴하여 요즘 많이 적용하고 있다. 동일한 유속에서 valve tray보다 entrainment가 높다.

 

 

Valve tray는 plate상 존재하는 hole위에 leg를 통해 이탈을 방지하면서 움직이는 cap이나 disc를 설치하여 가스 유량에 따라 cap이나 disc가 위, 아래로 움직이면서 운전이 되므로 turn down이 용이하다.

 

Tray tower는 V/L 물질전달을 위해 liquid hold-up을 제공하며 이를 위해 weir를 각 tray 끝부분에 설치하여 액체가 일정 높이를 유지한 채 tray를 통과하면서 아래에서 올라오는 증기와 접촉된다.

Packed tower는 부피당 접촉 면적이 큰 packing material을 설치하여 phase간 물질 전달을 한다. 액체가 내려가면서 올라오는 vapor와 packing surface에서 연속적인 접촉을 하여 stepwise로 운전되는 tray column과 다른 형태로 진행한다.

이 중 random packing의 하나인 Raschig ring은 최초 개발되었지만 이후 새로운 형태들의 packing이 더 낮은 차압 및 더 많은 단면적을 제공하고 있다. Structured packing은 비용은 높지만 random packing에 비해 더 많은 단면적 및 더 낮은 차압을 제공한다. 특히 저압 및 저유량의 공정에서 performance를 유지할 수 있다. Packing tower는 bed 상부에 liquid distributor가 설치되고 하부에는 support plate가 설치된다. 화학, 식품산업 및 환경분야에서 많이 사용된다.

 

 

Random packing을 적용하여 기액 분리를 위해 phase간 물질전달을 위한 접촉 면적을 늘려 분리를 용이하게 만든다. Random packing은 volume 대비 최대의 surface area를 제공하고 차압을 크게 줄일 수 있다. Random packing의 효율은 pressure drop, capacity, porosity등에 의존하며 packing 크기가 클 경우 효율은 저하되지만 capacity는 커진다. 반면 size가 작을 경우 효율은 커지지만 capacity는 줄어든다. Raschig rings과 Pall rings을 주로 사용한다.

Structured packing은 size가 큰 packing들의 일정한 분포를 제공한다. 얇고 주름진 metal sheet로 만들어지며 액체가 얇은 film으로 spreading하여 contact이 더 잘되어 분리효율을 높일 수 있다. 아울러 차압이 더 낮아 random packing보다 처리량이 더 크다. 예를 들어 천연가스 dehydration에서 structured packing을 사용한다.

Raschig ring은 tubular type으로서 직경과 길이는 거의 동일하다. Carbon steel이나 ceramic, plastic 등으로 만들어진다.

Pall ringCS외에도 304, 316L, Monel400, Hastelloy C276 등으로 만들어지며 크기도 16~50mm 범위에서 다양하다. Berl saddle은 차압이 낮고 효율이 높다. 기계적 강도가 높고 접촉면적이 크다. Metal parts가 적어 비용은 크지 않고 여러 size를 조합하여 효율 및 차압을 조절할 수 있다.

Column diameter initial estimation (Rule of thumb)

Heat factor: Q / d^2 = 350,000

Q: duty (Btu/h), d: diameter (ft)

General factor: (R+F) / d^2 = 250

Reflux/Feed flow (BPD), d: diameter (ft)

jet & downcoler flooding < 85%

downcomer backup of clean liquid < 40% of tray spacing plus weir height

downcomer exit velocity < 1.5ft/s

dry tray pressure < liquid 2" or <15% of tray spacing

total tray pressure drop < 0.1 psi per tray

weir load < 80gpm/ft for one pass, <120gpm/ft for two or more pass

head loss under downcomer of 0.06"~1"

weir height of 2"~3"

 

 

 

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