구분 열

Fractionating column
기계사지아락(MSA)에서 제조한 아락 정유소의 거대 구분기둥

분류 컬럼 또는 분수 컬럼은 액체 혼합물을 증류할 때 휘발성 차이를 바탕으로 혼합물을 성분 부분 또는 분수로 분리하는 데 사용되는 필수 항목이다.분류 컬럼은 대규모 산업용 증류뿐만 아니라 소규모 실험실 증류에도 사용됩니다.

실험실 구분 열

그림 1: Liebig 콘덴서를 사용한 프랙셔널 증류 장치
실험실 설정의 Vigreux 열

실험실 구분 기둥은 휘발성이 매우 높은 액체 화합물의 기화 혼합물을 분리하는 데 사용되는 유리 기구 조각입니다.가장 일반적으로 사용되는 것은 Vigreux 기둥 또는 유리 비즈 또는 Raschig 링과 같은 금속 조각으로 채워진 직선 기둥입니다.기둥을 분리하면 혼합된 증기가 라울트의 법칙에 따라 다시 냉각, 응축 및 기화되도록 함으로써 혼합물을 분리하는 데 도움이 됩니다.응축-증발 사이클마다 증기는 특정 성분으로 농축됩니다.표면적이 넓을수록 더 많은 사이클이 가능해져 분리가 향상됩니다.이것은 Vigreux 열 또는 패킹된 분류 열의 근거입니다.회전대역 증류는 기둥 내에서 회전대역을 사용하여 상승하는 증기와 하강하는 응축수를 밀착시켜 보다 빠르게 평형을 달성함으로써 동일한 결과를 얻는다.

전형적인 분별 증류에서는 액체 혼합물이 증류 플라스크에서 가열되고, 그 결과 발생하는 증기가 분류 컬럼 위로 올라갑니다(그림 1 참조).증기는 칼럼 내부의 유리 스퍼(이론 트레이 또는 이론 플레이트)에서 응축되어 증류 플라스크로 돌아가 상승하는 증류액 증기를 역류시킵니다.가장 뜨거운 트레이는 기둥의 맨 아래에 있고 가장 차가운 트레이는 맨 위에 있습니다.정상 상태에서 각 트레이의 증기와 액체는 평형에 도달합니다.가장 휘발성이 높은 증기만이 꼭대기까지 가스 형태로 남아 있으며, 응축기를 통해 흐를 수 있습니다. 응축기는 증기가 액체 증류액으로 응축될 때까지 냉각시킵니다.더 많은 트레이를 추가하면 (열, 흐름 등의 실질적인 제한에 따라) 분리가 향상될 수 있습니다.

그림 2: 일반적인 산업 구분 열

산업 구분 열

부분 증류는 화학 [1][2]공학의 단위 작업 중 하나입니다.분류 기둥은 많은 양의 액체를 [3][4][5]증류해야 하는 화학 공정 산업에서 널리 사용됩니다.이러한 산업은 석유 가공, 석유 화학 생산, 천연 가스 가공, 콜타르 가공, 양조, 액화 공기 분리, 탄화수소 용제 생산 및 이와 유사한 산업이지만 석유 정제소에서 광범위하게 사용되고 있다.이러한 정유소에서 원유 공급 원료는 분리되어야 하는 복잡한 다성분 혼합물이며, 순수 화학 화합물의 산출량은 예상되지 않으며, 비교적 작은 범위의 끓는점 안에 있는 화합물 그룹(분율이라고도 함)만 있습니다.그것이 분수 증류 또는 분획이라는 이름의 유래이다.제품 요구사항과 경제성에 기초하여 이러한 분수의 구성요소를 더 이상 분리할 가치가 없는 경우가 많다.

증류는 가장 일반적이고 에너지 집약적인 분리 과정 중 하나입니다.분리 효과는 기둥의 높이와 직경, 기둥 높이 대 지름의 비율, 증류 기둥 자체를 구성하는 [6]재료에 따라 달라집니다.일반적인 화학 공장에서는 총 에너지 [7]소비량의 약 40%를 차지합니다.산업용 증류는 일반적으로 직경이 약 65cm에서 6m, 높이가 약 6m에서 60m 이상인 "증류탑" 또는 "증류탑"으로 알려진 대형 수직 원통형 기둥(그림 2 참조)에서 수행됩니다.

그림 3: 연속 구분 컬럼의 화학 공학 도식
그림 4: 분류 컬럼에 있는 일반적인 버블 캡 트레이의 화학 엔지니어링 개요

산업용 증류탑은 보통 연속적인 정상 상태에서 작동한다.급지, 열, 주변 온도 또는 응축의 변화에 의해 방해를 받지 않는 한, 보통 첨가되는 급지의 양은 제거되는 제품의 양과 같습니다.

리보일러에서 공급과 함께 칼럼으로 유입되는 열의 양은 오버헤드 콘덴서와 제품에 의해 제거되는 열의 양과 같아야 합니다.증류 칼럼에 유입되는 열은 중요한 작동 매개 변수이며, 칼럼에 과다 또는 불충분한 열을 추가하면 발포, 누수, 교란 또는 홍수가 발생할 수 있습니다.

그림 3은 공급 스트림을 하나의 증류액 분율과 하나의 바닥 분율로 분리하는 산업용 분화 컬럼을 보여줍니다.그러나 많은 산업용 분류 컬럼은 끓는 범위가 다른 여러 제품을 다성분 공급 스트림을 증류하는 컬럼에서 추출할 수 있도록 컬럼 상부에 간격을 두고 출구를 가지고 있다.끓는점이 가장 낮은 "가벼운" 제품은 컬럼의 상단에서 나오고 끓는점이 가장 높은 "가벼운" 제품은 하단에서 나옵니다.

산업용 구분 열은 제품을 [3][5]더 잘 분리하기 위해 외부 환류를 사용합니다.환류란 그림 3과 같이 압축된 가공액 제품 중 분류 컬럼의 상부로 되돌아오는 부분을 말한다.

칼럼 내부에서는 하류 환류액이 상류 증기의 냉각과 응축을 제공하여 증류탑의 효율을 높인다.더 많은 환류 및/또는 더 많은 트레이가 제공될수록 타워는 더 낮은 비등 재료와 더 높은 비등 재료를 더 잘 분리할 수 있습니다.

분류 컬럼의 설계 및 작동은 원하는 제품의 구성뿐만 아니라 사료 구성에 따라 달라집니다.McCabe와 같은 단순하고 2진수 구성 요소 피드, 분석 방법 -틸법[5][8][9] 또는 펜스케[5] 방정식을 사용할 수 있습니다.다중 성분 공급의 경우 시뮬레이션 모델은 설계, 운영 및 시공에 모두 사용됩니다.

버블 캡 "트레이" 또는 "플레이트"는 물리적 장치 유형 중 하나로, 산업용 분류 컬럼 내에서 상승하는 증기와 하강하는 액체 사이에 좋은 접촉을 제공하기 위해 사용됩니다.이러한 트레이는 그림 4와 그림 5에 나와 있습니다.

트레이 또는 플레이트의 효율은 일반적으로 이론적인 100% 효율적인 평형 단계보다 낮습니다.따라서 분류 컬럼은 거의 항상 이론적인 기액 평형 단계 수보다 더 많은 실제 물리적 플레이트를 필요로 한다.

그림 5: 버블 캡이 있는 트레이의 상세 내용을 나타내는 그림 4의 타워 구분 섹션
그림 6: 증류 컬럼 전체도

산업용도에서는 특히 진공상태에서 작동할 때처럼 칼럼 전체에 걸쳐 저압 강하가 필요한 경우 트레이 대신 칼럼에 패킹 재료를 사용하는 경우가 있습니다.이 포장재는 Raschig 링이나 구조화된 판금 등의 랜덤 덤프 포장(1~3인치 또는 2.5~7.6cm 폭)일 수 있습니다.액체는 패킹의 표면을 적시는 경향이 있으며 증기는 이 젖은 표면을 통과하여 질량 전달이 이루어집니다.다른 형태의 패킹은 패킹 사이의 표면적과 보이드 공간이 다릅니다.이 두 요인 모두 포장 성능에 영향을 미칩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Editors: Jacqueline I. Kroschwitz and Arza Seidel (2004). Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology (5th ed.). Hoboken, New Jersey: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-48810-0. {{cite book}}: author=범용명(도움말)이 있습니다.
  2. ^ McCabe, W., Smith, J. and Harriott, P. (2004). Unit Operations of Chemical Engineering (7th ed.). McGraw Hill. ISBN 0-07-284823-5.{{cite book}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  3. ^ a b Kister, Henry Z. (1992). Distillation Design (1st ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6.
  4. ^ King, C.J. (1980). Separation Processes (2nd ed.). McGraw Hill. ISBN 0-07-034612-7.
  5. ^ a b c d Perry, Robert H.; Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
  6. ^ "Distillation Columns". Brewhaus. Retrieved 4 August 2015.
  7. ^ Felder, R.; Roussea, W. (2005). Elementary Principles of Chemical Processes (3rd ed.). Wiley. ISBN 978-0-471-68757-3.
  8. ^ Beychok, Milton (May 1951). "Algebraic Solution of McCabe-Thiele Diagram". Chemical Engineering Progress.
  9. ^ Seader, J. D.; Henley, Ernest J. (1998). Separation Process Principles. New York: Wiley. ISBN 0-471-58626-9.

외부 링크