Liquid-Liquid Settlers

Liquid-Liquid Settlers

Settling tanks 는 밀도차를 이용하여 비혼합성 액체를 분리하는데 사용된다. 무거운 액체의 방울은 중력에 의해 가벼운 액체로부터 떨어지려는 경향이 있으며, 이를 이용하여 분리된다. 무거운 액체 방울은 중력과 frictional drag force 가 균형을 이룰 때까지 가속되며, 이점 이 후에는 일정한 속도로 가벼운 유체로부터 분리 된다. 이를 terminaloffree-settlingvelocity라 한다.

이와 유사한 메커니즘이 무거운 액체로부터 가벼운 액체 방울의 분리에 적용된다. 이 때 방울의 운동 방향은 상향 (upward)이며, 중력 대신 부력이 작용한다.

Settler에서의 분리를 원활히 하기 위해서는 액체 방울이 분리되는 시간보다 hole-up 시간이 더 길어야 한다. Horizontal drums 은 vertical drum 보다 higher hold-up time / settling time ratio 를 갖는다. 따라서, settling tanks 는 통상 horizontal drums을 사용한다.

 

Design Principles

① Settler의 목적은 효과적인 liquid-liquid separation이며, surge volume을 제공하지는 않는다. Liquid-liquid settler를 설계한 후, surge volume은 baffles 등의 arrangement 를 통하여 얻을 수 있다..

 

② Liquid-liquid settling operations에 적용되는 일반적인 입자 크기에 대해, Stokes Law에 기초한 아래식으로부터 입자들의 free-settling velocity를 구할 수 있다.

 

V settling = Ks (ρh – ρl)/μc, but not to exceed 10 in/min

 

Where ρh = Density of heavy liquid phase, lb/ft3

ρl = Density of light liquid phase, lb/ft3

μc = Viscosity of continuous phase, centipoises

 

만일 주어진 dispersed liquid phase에서 최소 입자 크기가 알려져 있으면, 다음 식을 사용할 수 있다.

 

Ks = 1.321 (104)d2

 

Where d is the particle size in inches.

 

일반적으로 d 가 available하지 않기 때문에, 아래의 표로부터 Ks를 선택하여 사용할 수 있다.

 

LIGHT PHASE	HEAVY PHASE	ASSUMED MINIMUM DROPLET SIZE	Ks
Hydrocarbons Sp.gr.@60°F < 0.85	Water or Caustic	0.005 in. = 127 microns	0.333
Hydrocarbons Sp.gr.@60°F > 0.85	Water or Caustic	0.0035 in. = 89 microns	0.163
Water	Furfural
MEK	Water
Sec-butyl alcohol	Water
Methyl isobutyl ketone	Water
Nonyl alcohol	Water

③ Settler는 each continuous liquid phase에서의 residence time, θ, 가 settling time, t, (needed by the droplets of the dispersed liquid to settle out) 보다 크게 설계되어야 한다. 따라서, 아래 그림으로부터,

θl > tl = 12hl / Vl, minutes

θh > th = 12hh / Vh, minutes

 

Where Vl and Vh are the settling velocities in the light and heavy phases, the settling height, hl and hh, are in feet.④

 

Recommendable L/D ratio는 첨부 Table 1 을 참조.

 

 

2) Limitations

위에서 언급된 Principles은 다음의 경우에는 적용할 수 없음.

 

Total flow 의 2% 보다 작은 액상이 전체적으로 잘 섞어있을 때

Density difference 가 heavy liquid density 의 10% 보다 작을 때

Foaming 경향이 클 때.

 

이와 같은 경우는 다른 분리 장치를 고려해야 된다.

 

예제) 80 wt%는 aromatic이고 나머지는 물인 50,000 lb/hr의 steam이 aromatic을 분리하기 위해 100°F 대기압으로 settling 드럼에 공급된다. Horizontal settler로 드럼을 설계하라. Flow condition에서의 physical property는

 

Aromatic phase: ρl = 53.0 lb/ft3, Water : ρh = 62.0 lb/ft3

μl = 0.550 cp, μh = 0.682 cp

 

1) Preliminary design data:

wl = 0.80(50,000) = 40,000lb/hr

wh = 50,000-40,000 = 10,000lb/hr

ρl = 53.0 lb / ft3(34.8°API) μl = 0.550 cp

ρh = 62.0 lb / ft3 μh = 0.682 cp

Ks = 0.333

 

2) Volumetric liquid rates:

Ql = 40,000 / [(60)(53.0)] = 12.58ft3/min

Qh = 10,000 / [(60)(62.0)] = 2.69ft3/min

 

3) Settling velocities:

Light phase: Vl = 0.333(62.0-53.0)/0.550 = 5.45inches/min

Heavy phase: Vh = 0.333(62.0-53.0)/0.682 = 4.39inches/min

Both values satisfy: V settling < 10 inches/min

 

4) A preliminary drum diameter may be estimated from the expression

D = 2.3 [(Ql2+Qh2)/(QlVl+QhVh)]1/2, ft,

where Q is in ft3/min and V in inches/min.

assuming L/D = 3.

Then D = 3.30 ft

L = 3(D) = 3(3.30) = 9.90 ft

Rounding off,

D = 3.5 ft

L = 10.0 ft

L/D = 2.86 This is O.K.

 

5) Determine the settling heights of the light and heavy phases.

For th eheavy liquid phase,

hh = D x Qh / (Ql + Qh)

= 3.5 x 2.69 / (12.58 + 2.69) = 0.62 ft

Then according to the recommended value,

hh = 1ft(minimum height)

and hl = D – hh = 3.5 - 1.0 = 2.5ft = 30inches

 

6) Check that the settling times( do not exceed the residence times)

tl = 12hl / Vl = 12(2.5) / 5.45 = 5.5minutes

th = 12hh / Vh = 12(1.0) / 4.39 = 2.73minutes

From Table 2 for hh / D = 12 / 42 = 0.286,

Ah / A = 0.236 and Ah = 0.236(π / 4) (3.5)2 = 2.27 ft2

Then θh = Ah x L / Qh = 2.27(10) / 2.69 = 8.84minutes

therefore θh > th

Then Al = A - Ah = 9.62-2.27 = 7.35ft2

and θl = Al x L / Ql = 7.35(10) / 12.58 = 5.84minutes

therefore θl > tl

 

7) Final Dimensions : D = 3.5 ft

L = 10.0 ft

L/D = 2.86

hl = 30 inches

hh = 12 inches