Kettle Type Reboiler Diameter 검토

Kettle type Reboiler의 특성상 전량 vapor를 generation하여 column으로 공급해야 함에 따라 liquid carry over를 최소화해야 system reliability를 극대화할 수 있다. 따라서 설계의 최적화를 위해 적절한 entrainment ratio유지, inlet/outlet nozzle의 위치, 적절한 shell sizing이 필요하다.

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Kettle reboiler는 pool boiler라고도 하며 다른 type의 reboiler에 비해 process flow fluctuation에서도 적용이 가능하며 heat flux가 큰 편이다. 반면 운전 특성상 process side의 fouling경향이 크다.

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Kettle type은 냉동 loop에도 적용이 되며 chiller라는 이름으로 사용하여 process side의 온도를 냉매의 증발을 통해 낮추게 된다. 이 때 증발된 냉매에 liquid carry over가 발생되면 냉동 compressor에 damage를 줄 수 있어서 liquid level control도 중요하다.

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Kettle reboiler의 shell은 충분한 크기로 설계하여 액체를 disengagement하여 vapor만 overhead nozzle을 통해 나가도록 해야 한다. 그럼에도 불구하고 실제 공정에서는 약간의 액체가 droplet 형태로 딸려 나갈 수 있어서 이마저도 허용되지 않는 공정에서는 demister를 고려할 수 있다.

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Separator sizing에는 보통 Souders-Brown equation을 사용하며, 허용 vapor velocity 이상에서는 액체 droplet이 분리된 기체에 동반될 수 있다는 의미이다. 이 식의 vapor velocity factor인 entrainment coefficient는 일반적으로 0.098~0.29ft/s이며, 이는 밀도에 대한 표면장력의 비율 및 비말동반의 최대 허용치 기준이다.

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kettle type exchanger

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​과거에 많이 적용했던 실험식으로는​

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​아울러 kettle이나 horizontal thermosyphon reboiler의 경우 longitudinal flow distribution이 매우 중요하며, 이에 대해 특정 L/D 이상에서는 liquid, vapor nozzle 수가 증가되어야 한다. Rule of thumb에 따르면 liquid vapor nozzle 수는 L/5D이다. (D는 tube bundle 직경임)

installed kettle type exchanger

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​미세한 액체 입자가 vapor에 딸려 가지 않도록 tube bundle위 disengaged space가 필요하며, 실제 vapor 속도가 최대 허용 가능한 속도보다 작도록 kettle diameter가 결정된다.

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Kettle exchanger는 bubble point와 dew point차가 11도가 넘는 wide boiling process에는 적용하지 않음.​

 

​Entrainment ratio (kg of liquid / kg of vapor)를 기준으로 계산된 kettle diameter는 bundle diameter의 1.4~3배의 범위이며, bundle diameter보다 적어도 10”는 커야 함. Kettle diameter계산시 ​bundle위의 froth 높이는 5”를 가정한다.​

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​무차원인 Entrainment ratio, E는 0.005~0.05의 범위이며, 보통은 0.01을 적용함. 하지만 compressor로 공급되는 가스가 vaporizer로부터 발생된 증기 entrainment ratio의 경우 더 낮은 값을 설정하여 충분한 vapor공간을 제공해야 함. Steam generator의 경우 더 severe하여 일반적으로 0.001을 적용함. 이와 유사한 정의가 속도 단위인 entrainment coefficient, K로서 아래와 같다. (HTRI takes entrainment ratio 0.01 by default if unspecified.)

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​bundle위의 액체 높이는 일반적으로 50mm이지만, 아민과 같이 froth가 심할 경우 150mm를 고려함. frothing때문에 액체표면은 안정적이지 않아 kettle sizing시 액체 높이에 보통 75mm를 더하며, Xist는 tube bundle위 액체 froth 높이를 127mm고려함​.

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Single liquid phase인 경우 feed nozzle은 bottom에 놓이며, sub-cooled liquid가 vapor공간으로 들어갈 경우 vapor의 빠른 부피 수축으로 인해 vacuum/hammering이 발생되므로 bottom 및 heat source가까이 위치한다. Two phase feed인 경우 bottom이 아닌 vapor space나 shell의 side로 도입하여 안정적인 액위를 유지하도록 함.​

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​Tube bundle을 따라 uniform flow distribution을 위해 Vapor outlet nozzle 개수는 kettle diameter를 고려하여 결정하되 rule of thumb으로 bundle dimension으로 초기 assume한다. 즉, vapor outlet nozzle 개수는 L/5D로 고려함.

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​Bundle diameter와 kettle diameter의 gap은 12”보다 커야 하며, vacuum운전일 경우 liquid level와 shell top은 12”이상이어야 한다. (일반적으로는 10"이상) 아울러 top tube centerline에서 shell top까지의 거리는 kettle shell diameter의 40%보다 커야 한다. (suggested by Palen) Liquid level은 entrainment를 최소로 하기 위해 tube top보다 2” 이하이어야 하며, 일반적으로 1~2 tube row를 liquid level위에 고려하여 liquid mist나 droplet을 증발시킨다. (이 경우 vapor space는 300mm 이상임)

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spreadsheet를 이용한 간단한 검증

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다른 방식으로서 heat flux를 이용할 경우,

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​vapor space volume을 이용할 경우, (V: Vapor space volume)

대기압 이상일 경우 오른쪽 term에 아래식을 곱한다. (0.5~5barA 범위내)

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최소 vapor volume (By Palen)

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​Souders-brown equation에 따라 아래와 같이 적용하며, entrainment coefficient K는 0.03~0.09m/s 범위이다.

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​feed nozzle size는 Rho V2가 1,000Pa이하가 되도록 결정하고, vapor velocity는 outlet에서 Rho V2가 3,750Pa이하가 되도록 하되, 최대 30m/s이하가 되도록 설계한다.

 

 

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