탑 압력 조절 방법

정기적으로 책상과 책장을 정리하면, 좋은 정신 상태를 유지할 수 있어 일의 효율성이 높아집니다.

증류 작업의 기본 지식 1. 상과 상평형이란 무엇인가: 답: 상이란 시스템 내에서 동일한 물리적 특성과 화학적 특성을 가진 균일한 부분을 말하며, 서로 다른 상들 사이에는 보통 상계면이 존재하여 각각의 상을 분리해 줍니다.시스템의 상의 수는 물질의 양과 무관하다.물과 얼음이 섞이면, 물은 액상이고 얼음은 고상입니다.일반적으로, 물질은 증류탑 내에서 기체와 액체의 두 상태를 가집니다. 일정한 온도와 압력 하에서, 물질 시스템에 두 개 이상의 상이 존재할 경우, 각 상에 있는 물질의 양과 각 성분들이 각 상에서 가지는 농도가 시간에 따라 변하지 않는다면, 우리는 그 시스템을 평형 상태라고 합니다.평형 상태에서도 물질은 계속 움직이고 있지만, 각 상의 양과 구성 성분들의 농도는 시간에 따라 변하지 않습니다. 조건이 변하면 새로운 상평형이 형성되므로, 상평형은 정지된 것이 아니라, 움직이는 상대적인 개념입니다.예를 들어, 증류 시스템에서 증류탑의 탑판 위에서 온도가 높은 기체와 온도가 낮은 액체가 서로 접촉할 때 열전달과 물질전달이 일어나며, 그 결과 기체는 부분적으로 응축되고 생성된 액상에서 고비점 성분의 농도가 계속 증가한다.탑판 위의 액체 부분이 기화되면서, 생성된 기상 내의 저끓점 성분의 농도가 계속 증가한다.하지만 이러한 열전달 및 물질전달 과정은 끝이 없는 것은 아닙니다. 기체와 액체의 두 상이 평형 상태에 도달하면, 각 성분들의 두 상 내에서의 농도는 더 이상 시간에 따라 변하지 않습니다. 2、포화 증기압이란 무엇인가? 답: 일정한 온도에서, 같은 물질의 액체(또는 고체)와 평형 상태에 있는 증기가 만들어내는 압력을 포화증기압이라고 하며, 이 값은 온도가 상승함에 따라 증가합니다.잘 알려져 있듯이, 컵에 담긴 물은 계속 증발하기 때문에 점점 줄어들게 됩니다.순수한 물을 밀폐된 용기에 넣고 그 위의 공기를 빼버리면, 물이 계속 증발함에 따라 물 표면 위의 기체 압력, 즉 물의 증기가 가지는 압력도 점점 커집니다.하지만 온도가 일정할 때, 기상의 압력은 특정한 값으로 안정되며, 이때의 압력을 그 온도에서의 물의 포화 증기압이라고 합니다. 주목해야 할 점은, 기체 압력의 값이 포화증기압의 값에 도달했을 때에도 액체상의 물 분자들은 계속해서 기화하고, 기체상의 물 분자들도 계속해서 액체로 응축된다는 것입니다. 다만 물의 기화 속도가 수증기의 응축 속도와 같기 때문에 액체의 양은 줄어들지 않고 기체의 양도 증가하지 않으며, 기체와 액체는 평형 상태에 이르게 됩니다.따라서, 액체 순물질의 증기가 가지는 압력이 그 포화증기압일 때, 기체와 액체 두 상은 상평형에 도달하게 됩니다. 3. 정제란 무엇이며, 정제의 원리는 무엇인가? 답: 액체 혼합물을 여러 번 부분적으로 기화시킨 뒤, 생성된 증기를 다시 여러 번 부분적으로 응축시켜 혼합물을 원하는 구성 성분들로 분리하는 과정을 증류라고 합니다. 왜 액체 혼합물을 여러 번 부분적으로 증발시키고 동시에 여러 번 부분적으로 응축시킴으로써 순수하거나 비교적 순수한 성분들로 분리할 수 있을까요?단일 증발 및 응축 과정에서, 액체 혼합물을 구성하는 성분들의 끓는점이 서로 다르기 때문에, 특정 온도에서 일부가 증발할 때 낮은 끓는점을 가진 성분들은 쉽게 기화되므로 기상에서의 농도가 액상보다 높아집니다. 반면, 높은 끓는점을 가진 성분들의 경우는 액상에서의 농도가 기상보다 높아집니다.이로써 기체와 액체의 두 상의 조성이 변하게 됩니다.일부 증발된 증기를 부분적으로 응축시킬 때, 높은 끓는점을 가진 물질들은 응축되기 쉬우므로 응축액 내의 그러한 물질들의 농도가 기체 상태보다 높아집니다. 반면, 낮은 끓는점을 가진 물질들의 경우에는 응축된 기체 내의 농도가 응축액 내의 농도보다 높아집니다.이와 같이 일부 증발과 일부 응축을 거쳐, 혼합액의 각 성분 농도가 변화함으로써 초기 분리가 이루어집니다.이런 식으로 여러 번 반복하면, 결국 액상에는 고비점 성분들만 남고, 기상에는 저비점 성분들만 남게 됩니다.이로부터 여러 번의 부분 증발과 여러 번의 부분 응축을 동시에 진행하면, 혼합물을 순수하거나 비교적 순수한 성분들로 분리할 수 있다는 것을 알 수 있다. 액체가 기화하려면 열을 흡수해야 하고, 기체가 응축되려면 열을 방출해야 합니다.열을 효율적으로 활용하기 위해, 기체가 응축될 때 방출되는 열을 액체가 기화할 때 사용할 수 있습니다. 즉, 기체와 액체의 두 상이 직접 접촉함으로써 열전달과 동시에 물질전달도 이루어지는 것입니다.이러한 요구사항을 충족시키기 위해, 실제로는 이러한 여러 차례의 부분 증발과 부분 응축 과정이 역류 작용이 일어나는 판형 장비 내에서 이루어집니다.소위 역류란, 액체가 가열되면서 발생하는 온도가 높은 기체가 아래에서 위로, 증발탑 꼭대기에서 응축으로 인해 생성된 온도가 낮은 역류 액체(저끓는점 성분이 풍부함)와 반대 방향으로 흐르는 것을 말합니다.탑 내에서 일어나는 열전달 및 물질전달 과정은 다음과 같다. 1) 기체와 액체의 두 상이 서로 열을 교환하며, 부분적으로 증발된 기체 혼합물에 포함된 열을 이용하여 부분적으로 응축된 액체 혼합물을 가열한다；2) 기체와 액체의 두 상은 열교환과 동시에 물질 교환도 이루어진다.온도가 낮은 액체 혼합물이 온도가 높은 기체 혼합물에 의해 가열되어 두 부분으로 증발한다.이때, 증발 능력의 차이로 인해(저비등점 물질은 증발 능력이 높고, 고비등점 물질은 증발 능력이 낮음), 저비등점 물질이 고비등점 물질보다 더 많이 증발합니다. 그 결과, 저비등점 성분들이 액상에서 기상으로 전환되며, 기상 내에서는 쉽게 증발하는 성분들의 농도가 높아집니다；마찬가지로, 온도가 높은 기상 혼합물은 온도가 낮은 액상 혼합물을 가열함으로써 자신도 부분적으로 응축되며, 증발능력의 차이로 인해 고비점 성분들이 기상에서 액상으로 전환되어 액상 내의 난증발성 성분들의 농도가 높아진다. 증류탑은 여러 개의 탑판으로 구성되어 있으며, 탑의 가장 윗부분을 탑정이라 하고, 가장 아랫부분을 탑부라 합니다.탑 내의 한 개의 트레이에서는 부분 증발과 부분 응축이 한 번만 일어납니다. 트레이의 수가 많아질수록 부분 증발과 부분 응축이 더 자주 일어나고, 그에 따라 분리 효과도 더욱 좋아집니다. 전체 증류 과정을 거쳐 최종적으로 탑 꼭대기에서는 고순도의 휘발성 성분이 얻어지고, 탑 바닥에서는 주로 비휘발성 성분이 얻어집니다. 4. 결로점이란 무엇인가요? 답: 기체 혼합물을 압력이 일정한 상태에서 냉각시키면, 특정 온도에 도달했을 때 처음으로 생성되는 아주 작은 액적이 있습니다. 이 온도를 해당 혼합물의 지정된 압력 하에서의 이슬점 온도라고 하며, 간단히 이슬점이라고 합니다.이슬점 온도에 있는 기체를 포화기체라고 합니다.증류탑 꼭대기에서 증발하는 기체의 온도는 바로 이슬점 온도입니다.주목할 점은, 첫 번째 야지는 순수한 성분이 아니라, 증류 시 이슬점 온도에서 기상과 평형을 이루는 액상으로, 그 조성은 상평형 관계에 의해 결정된다는 것입니다.이로부터, 구성 성분이 다른 기체 혼합물의 경우 트랩의 이슬점도 다르다는 것을 알 수 있다. 5. 포인트란 무엇인가요? 답: 액체 혼합물을 특정 압력 하에서 특정 온도까지 가열했을 때, 액체 내에 처음으로 생기는 아주 작은 기포가 나타나는 온도를, 그 액체의 해당 압력 하에서의 비등점이라고 합니다. 간단히 비등점이라고도 합니다.포화점 온도에 있는 액체를 포화액체라고 하며, 이는 증류탑의 보일러 온도입니다.명확히 해두어야 할 점은, 이 첫 번째의 매우 작은 기포도 순수한 성분이 아니라는 것입니다. 그 구성 역시 상평형 관계에 의해 결정됩니다. 6. 끓는점이란 무엇인가요? 답: 순수한 액체의 포화증기압이 외부 압력과 같아질 때 액체는 끓게 되는데, 이때의 온도를 해당 액체가 지정된 압력 하에서의 끓는점이라고 합니다.순수 물질의 끓는점은 외부 압력의 변화에 따라 달라집니다.외부 압력이 증가하면 끓는점이 상승하고, 외부 압력이 감소하면 끓는점이 하강합니다.순수 물질의 경우, 일정한 압력 하에서는 거품점, 이슬점, 끓는점이 모두 같은 값이 됩니다. 7 잠열이란 무엇인가? 답: 단위 무게당 순수 물질이 상변화를 일으킬 때(화학 반응이 없는 조건에서 물질의 상태가 변하는 것을 상변화라고 합니다.물이 얼음으로 변하거나 수증기가 물로 변하는 것과 같은 것을 상변화 과정이라고 합니다.) 과정에서 흡수하거나 방출되는 열을 잠열이라고 합니다.예를 들어, 1킬로그램의 물이 액체 상태에서 가열되어 수증기가 되는 과정에서 흡수하는 열을 물의 증발잠열이라고 하며, 통상적으로 그 단위는 칼로리/킬로그램입니다.주목할 점은, 상변화 시 온도와 압력이 모두 변하지 않는다는 것입니다. 그렇지 않으면 잠열이라고 할 수 없습니다.따라서 잠열 값에 대해 언급할 때는 어떤 온도와 압력 하에서 어떤 상변화 과정이 일어나는지를 명시해야 합니다.예를 들어, 1킬로그램의 물이 760밀리미터 수은 기압과 100도 섭씨 온도에서 증발할 때, 그 증발 잠열은 539.6칼로리입니다.반대로, 이 조건에서 수증기가 응축되면서 방출되는 열을 응축 잠열이라고 하며, 그 값은 위와 같습니다.혼합물의 잠열은 실측하거나 계산할 수 있으며, 그 값의 크기는 성분의 특성뿐만 아니라 성분의 함량에도 영향을 받아 고정된 값이 아닙니다. 8. 유열이란 무엇인가요? 답: 순수 물질이 상변화나 화학반응이 일어나지 않는 조건에서 온도 변화에 따라 흡수하거나 방출하는 열량을显热라고 합니다. 9. 리플러스 비율이란 무엇인가요? 답: 정제 과정에서 혼합액이 가열되면서 생성된 증기는 탑 꼭대기에서 배출되어 탑 꼭대기의 응축기로 들어갑니다.증기는 여기서 액체로 응축(또는 부분적으로 응축)되며, 그 중 일부 응축액이 탑 꼭대기로 돌아가서 탑판을 따라 아래로 흐르는데, 이 액체를 환류액이라고 합니다；탑 꼭대기에서 다른 부분의 응축액(또는 미응축 증기)을 채취하여 제품으로 사용한다.환류비란 환류액의 양과 추출된 액체의 양 사이의 무게 비율을 말하며, 보통 R로 표시됩니다. 즉, R=L/D입니다. 여기서 R은 환류비이고, L은 단위 시간당 증류탑 상부에서 나오는 환류액의 양으로, 단위는 킬로그램/시간입니다. D-단위 시간당 탑꼭대기에서 채취되는 저장량, 킬로그램/시간. 10. 최소 회수율이란 무엇인가요? 답: 규정된 분리 정밀도 요구 조건 하에서, 즉 탑 꼭대기와 탑 바닥에서 얻어지는 성분이 일정할 때, 리플루스 비율을 점차 줄이면 이때 소위 이론적 판수가 점차 증가합니다.리플루스 비율이 특정 값에 도달하면, 필요한 이론적인 탑의 수는 무한대로 증가합니다. 이러한 리플루스 비율의 값이 바로 해당 분리 작업을 완료하기 위한 최소 리플루스 비율이 됩니다.일반적인 운전 시의 실제 환류비는 최소 환류비의 1.3~2배로 설정한다. 11. 전환류란 무엇인가요? 답: 정류 작업에서 탑의 공급을 중단하고, 탑 바닥에서 나오는 물질과 탑 꼭대기에서 나오는 물질을 모두 회수액으로 사용하는 방식을 전회수라고 합니다.전환류 운전은 대부분 증류탑의 가동 초기에 사용되거나, 생산이 정상적이지 않을 때 증류탑의 자생 순환 운전에 활용됩니다. 12. 가장 적절한 회류비는 어떻게 결정되나요? 답: 고정 분리 요구 사항이 있는 공정의 경우, 리플러스 비율을 줄이면 운영 비용(주로 탑 바닥의 가열 에너지와 탑 꼭대기의 냉각 에너지에 반영됨)이 감소하고, 필요한 탑판의 수는 증가하여 탑에 드는 투자 비용도 늘어납니다；반대로, 리플류 비율을 높이면 탑판 수는 줄어들지만 운영 비용은 증가한다.따라서 설계 시에는 투자 비용과 정기적인 운영 비용의 합이 특정 경제적 조건 하에서 최소가 되도록 가장 적절한 리플로우 비율을 선택해야 하며, 이때의 리플로우 비율을 최적의 리플로우 비율이라고 합니다.가장 적절한 환류비는 최소 환류비의 1.3~2배로 설정한다. 13. 정류탑의 압력 강하란 무엇인가? 답: 소위 정류탑의 압력 강하란, 평소에 말하는 탑바닥과 탑꼭대기의 압력 차를 의미합니다.판형 탑의 경우, 탑판 압력강하는 주로 세 부분으로 구성되는데, 즉 건판 압력강하, 액층 압력강하, 그리고 액체 표면장력을 극복하기 위한 압력강하입니다.탑 바닥과 탑 꼭대기의 압력 차는 전체 탑의 각 탑판에서 발생하는 압력 강하의 합입니다. 소위 건판 압력 강하란, 정류탑 내에서 상승하는 기체(또는 증기)가 액체가 없는 탑판을 통과할 때 발생하는 압력 강하를 말합니다；가스가 각 탑판 위의 액체층을 통과할 때 발생하는 압력 강하를, 액체층 압력 강하라고 합니다；기체가 액체의 표면 장력을 극복할 때 발생하는 압력 강하를 액체 표면 장력 압력 강하라고 한다. 고정된 타워의 경우, 정상적인 작동 시 타워의 압력 강하는 주로 상승하는 기체의 유속에 따라 변합니다. 경험상 타워의 압력 강하는 기체 유속의 제곱에 비례하는 것으로 나타납니다. 14. 공탑속도란 무엇인가?그것은 공기의 속도와 어떤 관계가 있나요? 답: 공탑 속도란 단위 시간당 증류탑 내에서 상승하는 증기의 부피와 탑의 단면적의 비율을 말하며, 즉 탑 내에서 상승하는 증기가 단위 시간 동안 이동하는 거리를 의미합니다.단위는 m³/초입니다.미터 2 또는 미터/초.공식은 다음과 같습니다: W=VsAa. 여기서 W는 공탑 속도이며, 단위는 미터/초입니다； Vs—상승하는 증기의 부피 유량, m³/초； Aa—탑의 총 단면적, m2. ∵Aa=0.785D² (D는 탑의 내경, 단위: 미터) ∴ W=Vs/0.785D² 기포 속도란 단위 시간당 기포 통로를 통과하는 상승 증기의 부피와 기포 통로의 총 단면적의 비율을 말합니다. 즉, 상승하는 기체가 기포 통로를 통과할 때의 유속이며, 단위는 m³/초입니다.미터/초 또는 m/s. 공식: W구멍 = Vs/AT. 여기서: W구멍은 구멍의 속도로, 단위는 미터/초입니다； AT—승기공도의 총 단면적, m². 상승 기공의 총 단면적은 탑판의 개구율에 의해 결정되므로, 개구율을 Φ라고 하면 다음과 같은 식이 성립합니다: W공 = Vs/0.785D²Φ = W/Φ. 공탑 속도는 정제 공정에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다.이미 확정된 탑의 경우, 허용 범위 내에서 공탑 속도를 높이면 탑의 생산 능력을 향상시킬 수 있다.공탑의 속도가 일정 한계에 이르면, 기체와 액체의 두 상은 탑판에서의 접촉 시간이 너무 짧아지고 심각한 안개 현상이 발생하여 탑의 정상적인 작동이 방해받습니다.일반적으로 안개방울 혼입량이 10% 이하가 되도록 공탑속도를 결정하는데, 이를 최대 허용 속도라고 합니다. 공탑의 속도가 너무 낮으면 가스가 구멍을 통과하는 데 어려움이 생기며, 상층의 탑판에 있는 액체를 지탱할 수도 없습니다. 그 결과 탑판 위의 액체가 상승하는 기체를 통해 하층의 탑판으로 역류하게 되는데, 이러한 현상을 액체 누출이라고 합니다.누출이 심할 경우, 증류탑의 분리 효율이 저하되며, 특히 체판탑, 부유밸브탑, 혀형탑의 경우 더욱 그렇습니다. 15. 탑의 개구면적이란 무엇인가요? 개구율은 어떻게 결정되나요? 답: 증류탑 내에서는 아래에서 위로 올라가는 증기와 위에서 아래로 내려가는 액체가 흐르며, 이들은 각 층의 탑판을 동시에 통과해야 합니다.가스가 탑판의 통로를 통과하는 것을 상기공 통로라고 하며, 상기공 통로의 총 단면적은 각 탑판의 개구부 면적과 같습니다.부유밸브 탑의 개구 면적은 모든 부유밸브 구멍의 단면적의 합계입니다. 개구부 단면적의 선정은 생산 부하의 크기와 허용되는 증기의 속도에 따라 결정됩니다.일반적으로 말하는 개구율이란, 선택된 개구부의 면적과 빈 탑의 총 단면적의 비율을 의미하며, 이를 Φ로 표시합니다. 즉, Φ = AT/Aa × 100%입니다. 여기서 Φ는 개구율이고, AT는 개구부의 총 단면적(제곱미터)이며, Aa는 빈 탑의 총 단면적(제곱미터)입니다. 때로는 탑 내의 각 판이나 구간별로 다른 가스 부하에 맞추기 위해, 설계 시 서로 다른 개구율을 선택할 수도 있습니다.개구율에 따라 전질 효율도 달라집니다.또한, 개공률은 탑의 처리 능력에도 큰 영향을 미칩니다.동일한 탑 직경에서 처리 능력은 개구율이 증가함에 따라 비례적으로 향상된다；동일한 처리 능력을 기준으로 할 때, 개공률이 증가하면 타워 직경을 줄일 수 있으므로, 개공률은 설계 시 중요한 지표 중 하나입니다. 16. 액체 흘러넘침이란 무엇인가요? 답: 증류 작업 중에 하단 층의 액체가 상단 층으로 넘쳐흘러서 증류탑의 정상적인 작동을 방해하는 현상을 액체 역류라고 합니다. 액포가 발생하는 원인은 주로 탑 내부에서 상승하는 증기의 속도가 너무 빠르어, 허용되는 최대 속도를 초과하기 때문입니다.또한 증류 공정에서는 액체 부하가 너무 많아져 오버플로우 파이프 내의 액면이 상승하여, 위쪽과 아래쪽의 탑판에 있는 액체들이 서로 연결되어 탑의 정상적인 작동이 방해받는 현상도 자주 발생합니다. 이 역시 액체 침투의 한 형태입니다.위의 두 가지 현상은 모두 액포화에 속하지만, 그 원인은 다릅니다. 17. 안개성 슬러지란 무엇인가? 답: 안개형 부유물이란 기체가 하층 탑판에서 상층 탑판으로 운반하는 액체 안개 방울을 말합니다.질량 전달 과정에서 다량의 안개 방울이 섞이게 되면, 탑 꼭대기로 올라가서는 안 되는 중질 성분들이 제품에 섞이게 되어 제품의 품질이 저하됩니다. 동시에 질량 전달 과정에서의 농도 차이도 감소하여 탑판 효율이 떨어지게 됩니다.주어진 탑의 경우, 허용되는 최대 안개 유입량이 가스의 상승 속도를 결정합니다. 안개 형태의 물질이 함께 운반되는 양에 영향을 미치는 요인은 많은데, 예를 들어 탑판 간격, 공탑 속도, 웨지의 높이, 액체의 흐름 속도, 그리고 물질의 물리화학적 특성 등이 있습니다.동시에 다음과 같은 점도 지적해야 합니다. 즉, 안개 입자의 운반량은 포집 장치의 구조와도 매우 밀접한 관련이 있습니다.안개 입자의 운반량에 영향을 미치는 요인은 많지만, 가장 주요한 요인은 공탑 속도와 두 탑판 사이의 기체-액체 분리 공간입니다.고정된 타워의 경우, 안개 방울 포집량은 주로 빈 타워 속도가 증가함에 따라 커진다.하지만, 탑판 간의 거리를 늘려 분리 공간을 확대하면, 그에 따라 공탑 속도도 증가합니다. 18. 액체 누출이란 무엇인가요? 답: 탑판 위의 액체가 상승하는 가스 통로를 통해 아래층 탑판으로 역류하는 현상을 누설이라고 합니다.증류 공정에서, 상승하는 기체가 탑판 위의 액체층을 통과할 만한 에너지를 갖지 못하고, 오히려 액체층이 가진 위치에너지보다 낮은 경우, 액체를 지탱할 수 없어 누출이 발생합니다. 공탑 속도가 낮을수록 누출이 심해집니다.그 결과, 일부 액체가 탑판에서 상승하는 기체와 접촉하지 않은 채 아래쪽 탑판으로 흘러내리게 되며, 액체에 남아 있어서는 안 될 저비등점 성분들이 증발하지 못해 탑판의 효율이 떨어지게 됩니다.따라서, 타워 플레이트가 적절히 작동하기 위한 최소 공탑 속도는 액체 누설량에 의해 제한되며, 정상 운전 시 타워 플레이트의 누설량은 플레이트 위에 있는 액체량의 10%를 초과해서는 안 됩니다.누설량의 크기도 탑판 성능을 평가하는 특성 중 하나입니다.체판, 부유밸브 탑판, 혀형 탑판은 탑 내부의 상승 기체 속도가 낮을 경우 누설이 발생하기 쉽습니다. 19. 운영 유연성이란 무엇인가? 답: 작동 유연성이란 상승하는 기체 속도의 최소 허용값(부하 하한)부터 최대 허용값(부하 상한)까지의 범위를 말합니다.상승 기체 속도가 이 범위 내에서 변동할 때, 정류탑은 일정한 분리 효과를 유지하며 정상적으로 작동할 수 있다. 앞서 언급했듯이, 증류탑의 부하 상한선은 상승하는 증기에 포함된 액적의 양이 증기 유량의 10%를 초과하지 않는다는 조건에 의해 결정됩니다；부하 하한은 탑판상의 액체 누출량이 액체 유량의 10%를 초과하지 않도록 하는 것을 기준으로 합니다. 일반적으로, 부유밸브 탑의 운전 유연성이 가장 높으며, 일부 실험에 따르면 부하 상한과 부하 하한의 비율은 7~9 정도에 이를 수 있다. 버블 캡 탑이 그 다음이고, 스크린 플레이트 탑은 가장 낮다.주의해야 할 점은, 상승하는 기체의 속도가 변하면 탑판의 효율도 변하게 되며, 이로 인해 분리 효과에도 변화가 생긴다는 것입니다. 20. 역혼합 현상이란 무엇인가? 답: 강하관이 있는 탑판에서는 액체가 탑판을 가로질러 기체와 엇갈리게 흐르며, 액체 내의 휘발성 성분의 농도는 흐름 방향에 따라 점차 낮아집니다.하지만 상승하는 기체가 탑판에서 액체로 인해 소용돌이를 형성할 때, 농도가 높은 액체와 농도가 낮은 액체가 섞이게 되어, 액체의 흐름 방향에 따른 농도 변화가 깨지게 됩니다. 이러한 현상을 역혼합 현상이라고 합니다.역혼합 현상은 분리 효과의 저하를 초래할 수 있습니다. 역혼합 현상의 발생은 체류 시간, 액체의 흐름 상태, 유로의 길이, 탑판의 수평도, 수력 점도 등과 같은 많은 요인들의 영향을 받습니다. 21. 물질수지란 무엇인가? 증류 작업에서 물질수지의 의미는 무엇인가? 답: 물질수지는 질량불변 및 변환보존법칙이 화학공학에 적용된 것이다.어떤 생산 과정에서든, 무게 기준으로 볼 때, 원료의 전환량은 제품의 생성량과 원료의 손실량의 합이 되어야 합니다. 물질수지를 통해 원료가 제품으로 전환되는 과정과 손실량의 크기를 알 수 있어, 개선 방안을 모색하는 데 도움이 됩니다.물질수지는 전체 공정이나 그 공정의 특정 단계에도 마찬가지로 적용됩니다；참여하는 모든 물질에 대해 계량할 수 있으며, 임의의 성분에 대해서도 계량할 수 있다. 운영 과정에서 언제든지 정류탑의 물질 균형 상태를 파악하는 것은 운영원에게 있어 가장 기본적이고 필수적인 요구사항입니다.물질 균형을 제대로 관리하지 못하면, 하나는 투입량이 많고 채취량은 적은 경우입니다；다른 하나는 투입량은 적고, 채취량은 많은 경우입니다.이 두 가지 상황 모두 정상적인 작동이 아니며, 제품의 품질과 양에 영향을 미칩니다. 따라서 정류탑이 최적의 조건에서 작동하도록 하고, 제품의 품질과 양을 향상시키며, 에너지 소비를 줄이고 가공 손실을 감소시키기 위해, 실제 운영 과정에서는 반드시 물질 수지를 정기적으로 계산하여 운전 조건을 조절해야 합니다. 22. 가장 적절한 공급판의 위치는 무엇인가요? 답: 가장 적절한 공급판의 위치란, 동일한 이론적 판 수와 같은 운전 조건 하에서 최대의 분리 능력을 보이는 공급판의 위치, 혹은 같은 운전 조건 하에서 필요한 이론적 판 수가 가장 적은 공급판의 위치를 말합니다. 화학 산업에서는 대부분의 증류탑에 두 개 이상의 공급판이 설치되어 있으며, 공급판의 위치는 공급되는 원료의 조성이 변화하는 것을 바탕으로 조절됩니다.공급물의 성분 중 가벼운 키 컴포넌트의 비율이 정상 작동 시보다 낮을 경우, 증류 단계에서의 판의 수를 늘리기 위해 공급판의 위치를 아래로 이동시켜야 합니다. 이를 통해 증류 단계의 분리 능력을 향상시킬 수 있습니다.반대로, 공급판의 위치를 위로 올리면 승화단의 판 수를 늘려 승화단의 분리 능력을 향상시키는 것입니다. 요약하자면, 공급판에 공급되는 성분들 중 가벼운 키성분의 함량은 정류단의 가장 아래쪽 탑판에 있는 가벼운 키성분의 함량보다는 적어야 하며, 반면에 흡수단의 가장 위쪽 탑판에 있는 가벼운 성분의 함량보다는 크어야 합니다.이렇게 하면 공급된 물질이 탑 내부의 각 층에 있는 물질 구성을 손상시키지 않아, 안정적인 운전이 유지됩니다. 23. 탑판 효율이란 무엇인가? 답: 증류탑의 실제 운전 과정에서는 물질 전달에 걸리는 시간과 물질 전달 면적의 한계로 인해 기체와 액체가 평형 상태에 도달할 수 없습니다. 즉, 탑판 내의 증기에 포함된 저끓점 성분의 농도는, 액체와 평형을 이룰 때의 증기에 포함된 저끓점 성분의 농도보다 낮습니다. 따라서 실제 탑판의 효과는 이론적인 탑판의 효과에 비해 항상 떨어집니다.이 개념에 따라, 탑판 효율은 이론적인 탑판 수와 실제 탑판 수의 비로 표현될 수 있다. 탑판 효율에 영향을 미치는 요인은 주로 다음과 같습니다: (1) 기상과 액상의 교환 속도；(2) 탑판상의 기체와 액체의 혼합 정도；(3) 상승하는 증기가 하위 탑판으로 끌고 들어가는 액체 안개 방울의 양과 탑판에서 누출되는 액체의 양. 위의 세 가지 요인은 또한 탑판의 설계와 배치, 운전 조건, 그리고 처리되는 물질의 물리적 특성 등의 영향을 받습니다.타판의 설계 및 배치에는 타판의 기하학적 치수, 타판 간격, 오버플로 웨이브 높이, 개구율, 통기공의 배열 등이 포함된다.운전 조건에는 상승 증기 속도, 탑판 위에서의 액체 체류 시간, 온도 및 압력 등이 포함됩니다.처리할 물질의 물리적 특성에는 상대 휘발도, 증기와 액체의 점도 및 비중, 확산 계수, 표면 장력 등이 포함됩니다.덧붙여서, 물질의 물리적 특성은 탑 내의 작동 온도와 압력에 따라 달라집니다. 생산 과정에서 타워 플레이트의 형태를 선택할 때, 타워 플레이트는 다음 요구사항을 충족해야 합니다. (1) 플레이트 효율이 높아야 함；(2) 생산 능력이 크며, 즉 허용되는 기상 및 액상 부하가 모두 높아서 크기가 작은 탑도 더 큰 생산 과제를 수행할 수 있다；（3） 조작이 안정적이며 조작 유연성이 좋음；（4）경제적이고 내구성이 좋으며, 강철 소모량이 적음；(5) 조작 및 점검이 용이함. 24. 충전재의 등가 높이란 무엇인가요? 답: 충전재의 등가 높이는 충전재의 등판 높이라고도 합니다.한 개의 이론단에서의 분리 정도에 필요한 충전물의 높이로서, 한 개의 이론탑단의 작용과 동등한 충전물의 높이라고도 할 수 있다. 25. 충전제의 스프레이 밀도란 무엇인가요? 답: 충전제의 스프레이 밀도는 액체의 질량 속도라고도 합니다.시간당 평방미터당 타워 단면에 분사되는 액체의 킬로그램 질량 수. 26. 충전층의 유지량이란 무엇인가? 답: 충전층을 운영할 때, 충전재의 틈새와 표면에 축적되는 액체의 양을 유지량이라고 하며, 그 표시 단위는 (m3의 액체 / m3의 탑 부피)입니다.유지량은 두 부분으로 나눌 수 있습니다: (1) 정지 유지량: 충전탑의 액체 분사가 중단되고 물방울이 떨어지는 것도 멈춘 후 탑 내에 남아 있는 액체의 양을 정지 유지량이라고 합니다.순수 보유량은 충전제의 특성과 액체의 성질에만 달려 있으며, 액체 분사량과는 관련이 없습니다. (2) 유동량: 충전탑의 액체 분사가 중단된 후 배출되는 액체의 양을 유동량이라고 합니다.동적 유량은 충전제 및 액체의 특성과 관련이 있을 뿐만 아니라, 액체의 분사 밀도와도 관련이 있지만, 캐리오버 포인트 이하에서는 기체 속도와는 무관합니다.정지 보유량과 동적 보유량의 합이 바로 총 보유 액량입니다. 27. 충전탑이란 무엇인가요?장점과 단점이 무엇인가요? 답: 충전탑은 탑 내부에 일정 높이만큼 충전물을 채워넣은 것으로, 기체와 액체가 연속적으로 접촉하는 질량전달 장치에 해당합니다.탑 내부의 상승하는 증기는 충전재의 기공을 통해 아래에서 위로 흐릅니다；탑 꼭대기에 남은 액체는 충전재 표면을 따라 위에서 아래로 흐릅니다.기체와 액체의 두 상 사이의 물질 및 열의 전달은, 충전재 표면에 얇은 액막이 형성되는 것을 통해 이루어진다. 패킹 타워의 두드러진 장점은 유체 흐름에 대한 저항이 적고, 구조가 간단하며, 사용되는 강철의 양이 적어 비용이 저렴하다는 것입니다. 또한 설치 및 점검이 용이하며, 패킹은 내식성이 있는 재료로 만들기도 쉽습니다. 28. 충전제를 사용할 때 어떤 요구사항들이 있나요? 답: 우선, 충전재와 탑벽 사이의 틈은 충전재층 중간의 틈보다 크기 때문에 액체가 탑벽 쪽으로 쉽게 흘러가어 물질 전달 효율에 영향을 미칩니다. 이를 일반적으로 변벽 효과라고 합니다.과거에는 충전제 직경이 클수록 경벽 효과가 더 심해진다고 여겨졌습니다.일반적인 충전탑의 경우, 탑의 직경 D와 충전재의 직경 d의 비율이 10:1보다 커야 합니다.고탑의 경우 측벽 효과가 더 심각하므로, 이 문제를 해결하기 위해 보통 단계적으로 충전하거나 액체를 재분배하는 방법을 사용한다.일반적으로 충전물을 채우는 높이 H와 충전탑 직경의 비율은 2~6이 적절합니다. 둘째, 충전제의 순서에도 요구사항이 있습니다.D/d가 8보다 클 때는 충전재를 깔끔하게 배열하는 것이 가장 좋습니다.충전재가 엉망으로 쌓여 있을 때는 먼저 장비에 물을 넣은 다음, 충전재를 물 속에 넣어야 합니다. 그렇지 않으면 충전재가 부서져 막히는 문제가 생길 수 있습니다. 충전재를 모두 넣은 후에는 다시 물을 빼내면 됩니다. 셋째, 충전탑이 정지된 후에는 충전재의 파손 및 오염 상태를 확인하고 세척 또는 교체 여부를 결정해야 한다. 29. 플로트 밸브 타워 플레이트의 구조는 어떻게 되나요?어떻게 작동하나요? 답: 플로트 밸브 탑은 우리나라에서 지난 10여 년간 널리 사용되어 온 새로운 형태의 공업용 물질전달 장치입니다.현재 그것은 석유화학 분야에서 널리 사용되고 있으며, 만족스러운 결과를 얻고 있습니다. 플로트 밸브 탑의 구조는 비교적 간단하며, 주요 구성 요소로는 액받이판, 하강관, 오버플로우 웨이브, 플로트 밸브, 그리고 탑판이 있습니다. 30. 플로트밸브 타워플레이트의 장단점은 무엇인가요? 답: 플로트밸브 타워플레이트는 버블캡 타워플레이트와 다공성 타워플레이트의 장점을 모두 갖추고 있으며, 그 단점들도 개선되었습니다.버블 캡 트레이는 틈새 개구부가 고정되어 있기 때문에 증기 부하 변동에 대한 적응 성능이 좋지 않습니다.기류 속도가 낮으면 기체와 액체의 접촉이 원활하지 않고, 기류 속도가 높으면 증기가 액체를 밀어내기 쉽다.다공성 탑판은 구조가 단순하고 처리 능력이 높지만, 조작의 유연성은 비교적 낮습니다. 플로트 밸브 탑의 경우, 밸브 판의 개도는 증기 속도에 따라 변합니다.저기류 상태에서는 밸브 판이 중력에 의해 자동으로 아래로 내려가 누출을 줄입니다.따라서 부유밸브 탑은 효율이 높고 조작의 유연성이 크어 공급량의 변화에 잘 적응할 수 있습니다. 실험 결과에 따르면, 그 최대 부하와 최소 부하의 비율은 7~9 정도에 달할 수 있습니다.플로트 밸브 탑은 구조가 간단하고 자유 단면적이 크며, 제작 비용은 버블 캡 탑보다 12~15% 낮고 처리 능력은 버블 캡 탑판보다 약 20~40% 향상됩니다.부유 밸브 탑판의 증기는 수평 방향으로 액체층에 주입되므로, 기체와 액체의 혼합이 잘 이루어지고, 안개 같은 물방울이 적게 발생하며, 접촉 시간도 길어집니다. 그 결과, 물질 전달 효율이 높아져, 버블 탑판에 비해 15% 더 효율적입니다. 플로트 밸브 타워 플레이트의 주된 단점은 증기가 상승하는 증기 구멍의 주변으로 분출되면서 여전히 액체의 역혼합이 일어나므로 물질전달 효율이 떨어진다는 점입니다.또한, 밸브 플레이트가 쉽게 끼이거나 녹슬거나 달라붙어서 열리는 데 영향을 줍니다. 31. 탑의 높이와 직경은 생산량과 품질에 어떤 영향을 미치나요? 답: 탑의 직경은 주로 생산 능력에 영향을 미치고, 탑의 높이는 주로 제품의 순도에 영향을 미칩니다. 타워 직경과 생산능력의 관계는 다음 식으로 설명할 수 있다. D=（v/0.785w）1/2
여기서 D는 탑의 직경으로, 단위는 미터입니다； v----탑 내 증기의 부피 유량, m³/초
w----공탑 내 유속, m/초. 일정한 타워의 경우, 빈 타워 유속에는 일정한 제한이 있습니다.일정한 빈탑 속도에서, 탑 내 증기의 체적 유량이 클수록 필요한 탑 직경도 커진다；마찬가지로, 탑의 직경이 클수록 탑 내부에서 허용되는 증기 부하도 커지며, 이는 곧 생산 능력이 증가한다는 것을 의미합니다. 따라서 탑의 직경은 생산 능력에 영향을 미치는 주요 요소입니다. 탑의 높이는 판 효율과 판 간격이 결정되면 실제 탑판 수에 의해 결정됩니다.그리고 실제 탑판 수는 최소 이론 탑판 수에 의해 결정됩니다.최소 이론적 탑판 수가 많을수록, 실제 탑판 수도 많아집니다. 탑의 직경과 높이가 생산에 미치는 영향은 변증법적이며, 분리해서 볼 수 없다.예를 들어, 탑의 높이를 높이면 리플러스 비율을 줄일 수 있어 생산 능력이 향상됩니다；탑의 직경을 늘리면 리플러스 비율을 높일 수 있어, 탑의 높이를 낮추는 효과를 얻을 수 있다. 32. 정류 작업에 영향을 미치는 요인들은 무엇인가요? 답: 장비의 문제를 제외하고, 정류 작업 과정에 영향을 미치는 주요 요인들은 다음과 같습니다: 탑의 온도와 압력(탑 꼭대기, 탑 바닥, 그리고 특별한 의미를 가진 일부 탑판 포함)；공급 상태；공급량；공급 원료 조성；공급 온도；탑 내부의 증기 상승 속도와 증발 탱크의 가열량；회류량；탑 꼭대기 냉각제 양；탑 꼭대기에서의 채취량과 탑 바닥에서의 채취량.탑의 조작이란 탑 꼭대기와 바닥의 제품 구성 요구사항에 따라 이러한 여러 영향 요인들을 조절하는 것입니다. 33. 정류탑의 운전 압력이 변하면 정류 공정에 어떤 영향을 미칠까요? 답: 탑의 설계와 운전은 모두 일정한 압력 하에서 이루어집니다. 따라서 일반적인 정류탑에서는 먼저 압력을 일정하게 유지해야 합니다.탑 압력의 변동은 탑의 운전에 다음과 같은 영향을 미칩니다. (1) 제품 품질 및 물질 균형 고려 시, 운전 압력을 변경하면 각 탑판에서의 기체-액체 상의 평형 조성이 변하게 됩니다.압력이 증가하면 기상의 중질 성분이 감소하고, 그에 따라 기상의 경질 성분의 농도가 상승한다；액상에서 경성분의 함량이 증가함과 동시에 기액상의 중량비도 변화하여, 액상량은 증가하고 기상량은 감소합니다.총결과는 다음과 같습니다: 탑 꼭대기 분획의 경성분 농도는 증가하지만, 그 양은 상대적으로 감소합니다；냄비 내 액체의 가벼운 성분 농도가 증가하고, 냄비 내 액체의 양도 증가한다.마찬가지로, 압력이 낮아지면 탑 꼭대기에서 나오는 분획의 양이 증가하고, 경질 성분의 농도는 감소합니다；냄비 내 액체의 양이 줄어들고, 가벼운 성분의 농도도 낮아집니다.정상적인 운전 시에는 일정한 압력을 유지해야 하지만, 운전이 정상적이지 않아 탑 꼭대기의 제품 내 중질 성분의 농도가 증가할 경우, 적절히 운전 압력을 높여 제품의 품질을 보장할 수 있습니다. 하지만 이 경우 액상에서의 경질 성분의 손실이 증가합니다. (2) 성분 간의 상대 휘발도: 압력이 증가하면 성분들 간의 상대 휘발도가 낮아지고, 그 결과 분리 효율도 떨어집니다. 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. (3) 탑의 생산 능력 변화: 압력이 증가하고 성분들의 비중이 커지면, 탑의 처리 능력도 증가한다. (4) 탑 압력의 변동은 온도와 조성 간의 상관관계를 혼란스럽게 만든다.우리는 작업 시 제품의 품질을 측정하는 간접적인 기준으로 온도를 자주 사용하지만, 이는 탑 내 압력이 일정할 때에만 정확합니다.탑의 압력이 변하면, 혼합물의 이슬점과 거품점도 변하게 되고, 그로 인해 전체 탑의 온도 분포도 변합니다. 또한 온도와 제품 품질 간의 관계도 변하게 됩니다. 위의 분석을 통해 알 수 있듯이, 작동 압력을 변경하면 전체 탑의 작동 상태가 변하게 됩니다. 따라서 정상적인 운전 시에는 일정한 압력을 유지해야 하며, 탑의 정상적인 운전이 방해받을 때에만 위의 분석에 따라 공정 지표가 허용하는 범위 내에서 탑의 압력을 적절히 조절할 수 있습니다. 정제 공정에서는 공급량, 공급물의 조성 및 온도의 변화, 탑 바닥의 가열 증기량의 변화, 재순환량과 재순환 온도의 변화, 탑 꼭대기의 냉매량의 변화, 그리고 탑 판의 막힘 등이 모두 탑 내 압력의 변동을 유발할 수 있다는 점에 주의해야 합니다. 이러한 상황에서는 먼저 압력 변동의 원인을 분석하여 신속하게 대응함으로써 공정이 정상적으로 작동하도록 해야 합니다. 34. 공급 상태가 정제 작업에 어떤 영향을 미칩니까? 답: 공급 상황은 다섯 가지가 있습니다 (1) 냉공급；(2) 포인트 공급；(3) 기액 혼합 공급；(4) 포화 증기 공급；(5) 과열된 증기 공급.분석을 용이하게 하기 위해, 1kg의 분자당 포화 증기가 되는 데 필요한 열량을 δ로 정의합니다. δ는 1kg의 분자당의 기화 잠열입니다. 위 식에서 알 수 있듯이, 차가운 상태의 원료를 사용할 때는 δ>1이며, 거품점 온도에서 원료를 사용할 때는 δ=1입니다. 기체와 액체가 혼합된 상태의 원료를 사용할 때는 δ=0입니다