DISTILLATION COLUMN 9

 

 

 

 

 

JET (OR ENTRAINMENT) FLOODING

Entrainment Flooding은 아래와 같이 Spray Entrainment Flooding과 Froth Entrainment Flooding으로 분류된다.

 

- Spray Entrainment Flooding : Liquid 유량이 적은 경우 Spray Regimes이 형성되며, Spray Regimes에서 Liquid는 Drop 상태로 존재한다. 이때 Vapor 속도가 증가하면서 Liquid Drop이 Tray 위쪽으로 Entrain되어 상부 Tray에 도달하면서 Flooding이 발생한다.

- Froth Entrainment Flooding : Liquid 유량이 많은 경우에 Froth Regimes이 형성되며 Vapor 속도가 증가하면서 Froth 높이도 증가된다. 낮은 Tray Spacing의 경우 Froth 표면에서의 Entrainment가 상부 Tray에 빠르게 도달하여 Flooding을 유발한다.

 

Tower 운전 시 Flooding 발생은 아래와 같은 증상으로부터 예측 할 수 있다.

 

- High Pressure Drop / Continuously Increasing Pressure Drop

- Reduced Bottom Rate (may be sudden)

- Loss of Column Mass Balance

- Poorer Separation Performance

- Narrowing Temperature Profile

 

FRI Design Practice에 의하면 Bubble Cap Tray와 Sieve Tray의 허용 가능한 Entrainment Rate는 다음과 같으며, 다음의 기준을 초과하여 Entrainment가 일어날 경우 Efficiency에 영향을 받는다.

 

Bubble Cap Tray: Max. 100 lbs/hr-sq.ft (488.23 kg/hr-sq.m)

Sieve Tray: Max. 25 lbs/hr-sq.ft (122.05 kg/hr-sq.m)

 

상기 기준에서 Active Area에서 Vapor Velocity는 FRI Program으로 예측 할 수 있으나 대부분의 Tray 제작 업체의 경우 자체 Program을 사용한 Hydraulic Rating 결과로 Tray Hydraulic Performance를 보증한다.

Tower 초기 설계 또는 Revamped Tower에서 적용되는 일반적인 Flooding % 기준을 Tray 제작 업체별로 Table 2-4에 정리하였다.

 

DOWNCOMER BACKUP FLOODING

Downcomer에서 Aerated Liquid 는 Tray Pressure Drop, Tray Liquid Height, Downcomer Apron 에서의 Friction Losses에 의해 Downcomer Backup을 일으킨다. Backup된 Aerated Liquid는 상부 Tray에 도달하여 Flooding을 유발한다.

 

 

13. DOWNCOMER AERATION

Downcomer에서 Aerated Liquid는 Downcomer Backup Flooding과 Downcomer Choke Flooding을 발생 시킨다. Downcomer Residence Time을 늘리면 Aerated Liquid중의 Vapor가 분리되어 Froth Height가 낮아지므로 Downcomer Flooding%를 낮출 수 있다.

14. DOWNCOMER CHOKE FLOODING

Downcomer에서 Aerated Liquid의 속도가 너무 빨라지면 Downcomer에서 Friction Losses가 증가되어 Aerated Liquid가 Downcomer를 통과하지 못하고 Backup된다. Backup된 Liquid는 상부 Tray에 도달하여 Flooding을 발생시킨다.

15. DE-RATING FACTORS

FRI Design Practices Vol. 5에 의하면 Tray 설계 시 원인에 따라 VLE Data, Physical Properties 및 Hydraulic Performance Calculation 등에 "Uncertainty"이 존재하게 되며 이에 따른 설계 Margin을 적용하기 위하여 다음과 같은 3가지 Factor를 고려하여야 한다.

 

- Foaming Factor : 유체의 Foaming 특성에 따른 설계 Margin이다.

- System Factor : Tray Hydraulic 설계를 위한 Equation 또는 Correlation은 Physical Property의 적용범위가 있으며, 이 범위를 벗어날 때 적용하는 설계 Margin 이다.

- Safety Factor : Equilibrium Stage 계산 시 VLE 데이터에 대한 신뢰도가 낮을 때 적용하는 설계 Margin이다.

 

상기 De-Rating Factor는 증류탑 및 흡수탑의 직경을 계산하는데 중요한 설계인자로 작용하나 과도하게 적용할 경우 필요이상으로 "Over Design"을 초래하게 되며 Tower Flexibility를 감소 시킬 뿐만 아니라 Tower Auxiliary를 Over Sizing하게 되므로 신중히 검토 되어야 한다.