DISTILLATION COLUMN 3

< Physical Properties Range >

Physical Properties	Design Ranges	Remarks
Liquid Density	320 ~ 960 kg/cu.m
Vapor Density	0.04 ~ 128 kg/cu.m
Surface Tension	0.2 ~ 70 dyne/cm
Liquid Viscosity	0.035 ~ 1.6 centipoise

 

 

TRAY TYPES

 

일반적으로 Tray는 “Bubble Cap Tray”에서 “Sieve Tray”, “Sieve Tray”에서 “Valve Tray”, “Valve Tray”에서 “High Capacity Tray”로 발전하였다. 즉, 화학 공장 초기에는 소규모 용량에 적합하고 Efficiency가 좋은 Bubble Cap Tray가 사용되었으나 Riser, Bubble Cap 및 Slot Hole 등의 제작이 어렵고 비경제성 때문에 Capacity가 좋은 Sieve Tray가 개발되었다. 그러나 Sieve Tray는 Efficiency가 좋지 못하고 특히 Turndown Load에서는 Weeping등의 문제점이 야기되었다. 이때 Turndown Load에서도 Weeping 문제점을 해결할 수 있고 Efficiency가 Bubble Cap Tray와 유사한 Valve Tray가 개발되었다. Valve Tray는 지금까지 모든 분야에서 널리 사용되어왔고 Downcomer Section을 Modify하여 Capacity 및 Efficiency를 모두 증대 할 수 있는 High Capacity Tray가 개발되어 Column Revamping에 적용되고 있다.

1) Sieve Tray

Sieve Tray는 Vapor가 Hole을 통과하여 Liquid와 접촉하는 Type으로 Vapor Velocity가 낮으면 Weeping이 발생한다. 설계 인자는 Hole Arrangement, Hole의 개수 및 Hole Size이며, 각 Hole의 Size는 동일하다. Total Holes Area는 일반적으로 Tray Deck Area의 8~15%, Hole Diameter는 3~19mm로 설계한다. Total Holes Area가 8%이하인 경우 Liquid Channeling이 발생할 수 있으며, 15% 이상인 경우 Entrainment 또는 Weeping이 발생할 수 있다. Sieve Tray는 Turn Down이 Valve Tray, Bubble Cap Tray보다 낮은 단점이 있으나 Maintenance가 쉽고 가격이 싸다는 장점이 있다 (Fig. 2-2 a ).

2) Valve Tray

Valve Tray는 가장 널리 사용되는 Type으로써 Operating Range가 4~5 : 1정도이며, Efficiency와 Capacity가 Sieve Tray보다 높다. Valve Tray는 Plugging이 발생할 수 있으므로 Plugging 우려가 없는 Service가 적합하다 (Fig. 2-2 b).

3) Bubble Cap Tray

1960년대 이전에 많이 사용되었으나 현재는 Valve/Sieve Tray가 주로 사용된다. Bubble Cap Tray는 Loading Ranges (10:1)가 넓어 운전이 쉽고, 일정한 Liquid Holdup을 가지며, Leakage Rates가 낮은 장점이 있으므로 Liquid / Vapor Load가 낮은 경우에 적합하다. 하지만 가격이 비싸고 효율이 낮은 등의 단점이 더 많아 일반적인 Distillation에는 잘 사용하지 않고 주로 흡수탑 (Glycol Contactor)에 적용된다 (Fig. 2-2 c).

4) Chimney Tray

Tray Tower에서 Chimney Tray는 Intermediate Liquid Draw를 위해 사용된다. Chimney Tray는 Vapor Disengagement를 위한 충분한 Residence Time을 제공하며, Liquid Leakage를 최소화하는 등의 장점이 있으나 Pressure Drop이 크고 Tower Height를 증가시키는 등의 단점이 있다.

Tray Tower에서 Total Riser Area는 Total Area의 15~25%이며, Chimney Hat과 상부 Tray 사이의 Min. Spacing은 Min. 18" (450mm)로 설계된다. 또 Outlet Weir의 Top에서 Riser의 Top까지 거리는 Min. 6" (152.4mm)를 기준으로 한다.

Chimney Tray는 물질전달이 일어나는 Tray가 아니므로 Tray Numbering에는 포함될 수 있지만 Actual Tray Numbers에는 포함 하지 않는다 (Fig. 2-2 g).

5) Cartridge Tray

Cartridge Tray는 주로 Tower 직경이 760mm (30inch) 이하로 Manway 확보가 어려운 경우에 사용된다. 이 Type은 Tray를 외부에서 조립하여 Tower에 끼워 넣으며, Tower Wall에서의 Leakage를 최소화하기 위해 각 Tray에 Gasket이나 Sealing을 하는 경우가 많다. Bubble Cap, Sieve, Valve, Dual Flow Tray Type 모두 적용 가능하다 (Fig. 2-2 e).

Cartridge Tray를 설계할 경우 조립 및 유지 보수를 위해 Tower 상단 및 중간에 Flange를 제작해야 하므로 일반적인 Tray보다 비용이 많이 들고 설치 및 유지 보수가 어렵다.

Tower 직경이 작아서 (760mm이하) Cartridge Type으로 제작해야 할 경우, Diameter를 800mm로 증가시켜 General Type으로 변경할 것을 고려할 필요가 있다.

6) Multi-Downcomer Tray (MD Tray)

이 Tray는 Inlet Deck가 없이 Liquid가 Active Area에 직접 떨어지는 Type으로 주로 Sieve Hole이 뚫려 있으며, 짝수단과 홀수단이 90도로 어긋나도록 설치한다. UOP가 License를 갖고 있으며, Bubble Promoter로 체류시간을 단축시켜 용량을 증대 시킨다 (Fig. 2-2 f).

MD Tray는 Tray Efficiency가 Sieve Tray보다 작아서 Actual Trays가 증가되나 Tray Spacing(250~300mm)이 작으므로 Tower Height를 줄일 수 있다.

MD Tray는 국내 한발 매스테크 (HMT)사에서 제작이 가능하지만 UOP사의 Proprietary Item이므로 전적으로 UOP의 설계에 의존해야 하기 때문에 가격이 비싸다. 또한 향후 교체 시에도 UOP사를 통하여 구매해야 하므로 Cost Risk를 고려하여 선택하여야 한다.

MD Tray로 설계하면 다른 Conventional Valve Tray로 교체가 어렵기 때문에 초기 설계 시 신중히 선택해야 한다.

Tower Revamp 시 Conventional Tray를 MD Tray로 교체 함으로서 Capacity를 증가 시킬 수 있다.

7) Dual Flow Tray

이 Tray는 Downcomer가 없으며 Liquid와 Vapor가 Hole을 통하여 이동한다. 그러므로 Liquid Hold-Up Time이 짧고, 세정하기가 용이하므로 Fouling Services, Slurries, Corrosive Services에 가장 적합하다. 또한 다른 Tray Type보다 Tray Area가 넓으므로 Capacity가 크지만 효율은 다른 Type보다 떨어지므로 최종 공정에는 사용하지 않는다 (Fig. 2-2 d).