게시판 > 질답게시판 > 가스 유량 측정시 열식 질량 유량계 사용 관련 질문이 있습니다.

스테파노 Stefano

21-05-06 22:20

(0) 언급한 Vendor의 해당 모델이 실험방법으로 유량을 측정하는지 먼저 조사해 보기바랍니다.

(1) 질문내용을 보면.. 챔버 내에 Sample을 넣고 가열하여 연소시키고 여기서 발생되는 가스의 유량을 측정하려고 하는 것인데
1)연소반응이 400도에서 일어나는지 2)연소반응이 공기나 산소 없이 일어날 수 있는지 3) 챔버로부터 유출되는 유량이라면 Chamber에 들어있던 물질의 연소속도가 영향을 줄 터인데 연소속도와 연소반응에 의해 배출되는 가스의 몰수에 관한 정보가 전혀 없어 보입니다. 또한 4) 매스실린저에 의해 포집되는 가스의 양을 측정하기 위한 압력과 온도도 정해지지 않은 듯 합니다.

결국 필자로서는 실험장치로 실험이 진행될 수 있을 것으로 여겨지지 않는다는 느낌이 듭니다.
정체되어 있는 물질이 연소반응에 의해 유출되는 가스가 배출된다고 하면 투입한 물질이 완전히 반응되어야 하고 연소반응이라면 조연제(공기나 산소)가 필요할 것이며, 잔량이 남거나 생성물이 다양한 물질의 혼합물로 발생된다고 하면 부피를 알아도 성분의 함량을 모르면 계산해 낼 수가 없기 때문에 이 방법에 의한 유량 측정은 불가능해 보입니다.

(2) 흔히 열식질량유량계는 흐르고 있는 유체에 값을 알고 있는 일정한 열량(q kcal/h)을 공급하면서 입출구 온도(t1,t2)를 측정하여 유량(m)을 구하는 방법을 사용합니다. 가한 열량은 주로 전력량과 전압으로 구하거나 저항과 전류로부터 계산된값이 사용되지요.

(투입열량 q kcal/h) = (몰유량 m kg-mole/h)* (몰비열 Cpm kcal/kg-mole/℃) * (온도차 t2-t1 ℃) ..........(1)

위의 (1)식은 연소반응과 같은 화학반응이 포함되지 않는 경우에 적용할 수 있는 수식이며 해당물질의 몰비열(Cpm)을 알고 있어야 몰 유량을 계산할 수 있으며 정확한 온도의 측정도 이루어져야 할 것이므로 만일 비열이 다르다면 측정물질의 비열환산계수가 사용되고 열손실량이 없도록 보온하거나 손실량 만큼 보상해 주어야 정확한 측정이 가능하겠지요. 이런 점에서 정확도가 떨어질 수 있지만 (1)의 방법에 의한 많은 변수에 비해 간단하기 때문에 측정오류가 훨씬 줄어들 것입니다.

(3) Chamber내에 일정량의 Ar 가스를 주입하고 (연소)반응을 측정했다고 하면 Ar이 시료와 반응하지 않아서 반응가스가 유출되지 않을 것이며 Chamber 내 Gas가 400℃로 가열될 때 열팽창으로 배출량을 제외한 량이 배출될 수 없을 것으로 보면 유출가스가 유량측정이 거의 되지 않는 것은 당연해 보입니다.

<Ar가스를 액체를 통과하도록 연속주입하면서 액체를 뚫고 지나갈 수 있는 조건>에 대해 문의하셨는데 Chamber로 투입하는 위치가 명확하지 않고, Ar을 투입하려는 의도가 궁금합니다. Chamber내의 물질을 Purging하려는 것인지 증발해서 배출하려는 것인지 연소가스와 함께 배출되는 량을 측정하려는 것인지? 알 수 없습니다.

(4) 유속과 단면적으로 유속을 구하려는 경우 해당 유량계는 Area식 (즉 Rotameter와 같은) 유량계가 사용되어야 할 것입니다.
이 경우에도 측정대상 가스의 물성을 알수 있어야 유속을 알수 있고 이로부터 유량이 측정되어야 하는데 측정기준유량에 관한 정보가 없어 보입니다.

실험하고자 하는 시스템의 실험목적과 유량측정 목적에 관한 보충 설명이 필요한 것 같습니다.

(0) 언급한 Vendor의 해당 모델이 실험방법으로 유량을 측정하는지 먼저 조사해 보기바랍니다.

(1) 질문내용을 보면..   챔버 내에 Sample을 넣고 가열하여 연소시키고 여기서 발생되는 가스의 유량을 측정하려고 하는 것인데
1)연소반응이 400도에서 일어나는지  2)연소반응이 공기나 산소 없이 일어날 수 있는지 3) 챔버로부터 유출되는 유량이라면 Chamber에 들어있던 물질의 연소속도가 영향을 줄 터인데 연소속도와 연소반응에 의해 배출되는 가스의 몰수에 관한 정보가 전혀 없어 보입니다.   또한 4)  매스실린저에 의해 포집되는 가스의 양을 측정하기 위한 압력과 온도도 정해지지 않은 듯 합니다.

결국 필자로서는 실험장치로 실험이 진행될 수 있을 것으로 여겨지지 않는다는 느낌이 듭니다. 
정체되어 있는 물질이 연소반응에 의해 유출되는 가스가 배출된다고 하면  투입한 물질이 완전히 반응되어야 하고 연소반응이라면 조연제(공기나 산소)가 필요할 것이며,  잔량이 남거나  생성물이 다양한 물질의 혼합물로 발생된다고 하면 부피를 알아도 성분의 함량을 모르면 계산해 낼 수가 없기 때문에 이 방법에 의한 유량 측정은 불가능해 보입니다.

(2) 흔히 열식질량유량계는 흐르고 있는 유체에 값을 알고 있는 일정한 열량(q kcal/h)을 공급하면서 입출구 온도(t1,t2)를 측정하여 유량(m)을 구하는 방법을 사용합니다.   가한 열량은 주로 전력량과 전압으로 구하거나  저항과 전류로부터 계산된값이 사용되지요.

(투입열량 q kcal/h) = (몰유량 m kg-mole/h)* (몰비열 Cpm kcal/kg-mole/℃) * (온도차 t2-t1  ℃) ..........(1)

위의 (1)식은 연소반응과 같은 화학반응이 포함되지 않는 경우에 적용할 수 있는 수식이며  해당물질의 몰비열(Cpm)을 알고 있어야 몰 유량을 계산할 수 있으며  정확한 온도의 측정도 이루어져야 할 것이므로  만일 비열이 다르다면 측정물질의 비열환산계수가 사용되고  열손실량이 없도록 보온하거나 손실량 만큼 보상해 주어야 정확한 측정이 가능하겠지요.    이런 점에서 정확도가 떨어질 수 있지만  (1)의 방법에 의한 많은 변수에 비해 간단하기 때문에 측정오류가 훨씬 줄어들 것입니다.

(3)  Chamber내에 일정량의 Ar 가스를 주입하고 (연소)반응을 측정했다고 하면  Ar이 시료와 반응하지 않아서 반응가스가 유출되지 않을 것이며   Chamber 내 Gas가 400℃로 가열될 때  열팽창으로 배출량을 제외한 량이 배출될 수 없을 것으로 보면  유출가스가 유량측정이 거의 되지 않는 것은 당연해 보입니다.

<Ar가스를 액체를 통과하도록 연속주입하면서 액체를 뚫고 지나갈 수 있는 조건>에 대해 문의하셨는데 Chamber로 투입하는 위치가 명확하지 않고,  Ar을 투입하려는 의도가 궁금합니다.    Chamber내의 물질을 Purging하려는 것인지 증발해서 배출하려는 것인지 연소가스와 함께 배출되는 량을 측정하려는 것인지?  알 수 없습니다.

(4) 유속과 단면적으로 유속을 구하려는 경우 해당 유량계는 Area식 (즉 Rotameter와 같은) 유량계가 사용되어야 할 것입니다.  
이 경우에도 측정대상 가스의 물성을 알수 있어야 유속을 알수 있고 이로부터 유량이 측정되어야 하는데  측정기준유량에 관한 정보가 없어 보입니다.

실험하고자 하는 시스템의 실험목적과  유량측정 목적에 관한 보충 설명이 필요한 것 같습니다.

하태규 wasp01

21-05-07 16:20

안녕하세요, 답변해주셔서 감사합니다. 제가 급하게 쓰느라 정돈되지 않은채로 적어 혼동을 드렸습니다.

(0) 해당 모델로 IN OUT된 가스의 양을 측정하는 것을 보고 샘플을 연소시켜 연소된 가스를 측정할 수 있을 것이라 생각하였습니다.

(1)
1) 연소반응은 400도에서 발생합니다. 가스가 나오지 않아서, 챔버의 덮개를 열어보니 가스가 다량 방출된 것을 확인하였습니다.
2) 연소반응은 공기나 산소 없이 발생할 수 없습니다. 연소시키려는 샘플은 페놀계 수지이며, 연소 후 공기 중 수소나 산소와 만나 탄화수소(CxHy) 및 일산화탄소가 발생합니다. 다만 연소하려는 샘플의 양이 미량이어서 챔버 내 잔존해있는 공기로 연소가 될 것이라 판단하였습니다.(연소될 샘플의 무게 약 5 g)
3) 챔버 내 리크가 없고 가스가 발생을 하면 가스가 빠져나갈 곳은 밸브가 열린 상부 배관을 통하여 빠져나갈 것이라 생각하였습니다.
4) 기체는 온도에 따라 부피가 달라짐을 고려하지 못하였습니다.

(2) 에서 답변 주신 내용에서 궁금한 점은 열식 질량 유량계는 혼합된 가스는 측정이 불가한지 궁금합니다.

(3)에 적은 내용은 연소반응은 아닙니다. 상기에 질문과 혼동을 드려 죄송합니다.
해당 실험의 목적은 뜨거운 액체가 고체와 만났을 때, 고체가 연소하면서 발생하는 조건입니다. 해당 조건에서 상부로 올라가려는 가스를 상부에 Ar 가스(5 L/min)를 퍼징시켜 다시 밑으로 내려가게 하고 싶은 것이 목적이었습니다.

(4) 측정대상 가스는 Ar 이고 볼 밸브를 통해 5 L/min의 유량이 공급됩니다. 해당 가스의 비중량은 14.2 kgf/m3 이며, SUS관의 내경은 5.3 mm 입니다.

답변해주셔서 감사합니다.

Stefano

21-05-08 00:16

(1)Chamber 내부를 대기압, 상온상태에서 밀봉하고 400도로 가열하여 연소시키려는 경우 Chamber 가열도중 내부의 공기는 (273+20)/(273+400) ≒43.5% 만 남고 나머지 약 56.5% 공기는 반응에 참여하지도 않고 달아나버릴 것입니다. 따라서 연소실험인 경우라면 공기를 공급하면서 CO2와 같은 연소반응의 생성성분의 양을 측정하는 방법으로 측정해야 실험의 신뢰성이 높아질 것입니다.

연소반응에서 공기의 양이 부족하면 H2O, CO2외에 탄화수소나 CO와 같이 불완전 연소 생성물이 발생된다면 반응진행정도를 판단하기는 더더욱 어려워질 것이므로 시스템 해석이 불가능해 질 수 있습니다.

(2) 페놀계 수지의 경우 불완전 연소에 의해 Tar나 Coke의 생성경향이 크기 때문에 (특히 산소가 부족한 상태라면) 연소반응 보다는 열분해 반응이 우선적으로 일어날 것으로 예상합니다.

(3) 시료는 가열도중 저온 열분해 생성물질의 증발에 의한 배출물질이 먼저 배출될 것이고 이어서 고온 열분해에 의해 저급탄화수소나 수소등이 발생될 터인데 400도 정도의 온도라면 완전연소나 완전열분해 반응 중 어느 것도 완전한 반응을 기대할 수 없을 것으로 봅니다. 해당 실험과 관련한 반응 메카니즘에 대해 더 조사해 볼 필요가 있다고 판단됩니다.

(4) 열식 질량계라고 해도 < 일정성분이 혼합된 상태>로 흘러가고 < 혼합비열자료>를 알고 있다면 정확히 측정할 수도 있지만 질문의 시스템에서는 열분해 혹은 연소반응의 진행 정도에 따라 배출되는 성분함량이 시간에 따라 계속 변하기 때문에 유량을 알아도 의미없는 데이타에 불과합니다.

(5) 질문의 (3)항의 실험조건에서 고온의 액체와 고온의 고체중 고체가 먼저 연소한다는 가정하에 실험하는 목적으로 조작하고 있는 것이겠지만 반응은 항상 액체나 고체의 표면에서 증발이 먼저일어나고 열분해 되면서 공기중 산소와 반응할 터인데 고체가 먼저 (열분해 되고) 증발된다는 가정은 적당하지 않은 것 같습니다. 고체보다 액체가 비점이 더 낮은 것이 일반적이고 열분해도 액체가 먼저 일어날 것으로 보기 때문이지요.

만일 실험장치에서 액체보다 고체의 연소반응이 일어난다고 한다면 석탄이나 무연탄 등이 타듯 <표면연소>가 일어나는 것일 터인데 400도 정도의 낮은 온도에서 기대하는 반응은 일어날 것으로 예상되지 않습니다.

(6) 설령 고체의 연소반응이 일어났다고 하더라도 연소생성물은 고온가스일 것이므로 밀도가 낮아져 상부로 확산되어 배출될 것이고 주입하려는 Ar은 온도가 낮아 밀도가 높을 것이므로 시료 표면을 밀봉함으로써 공기를 차단하는 효과를 나타낼 것으로
연상됩니다. (Ar 가스로 Purging 하려는 목적이 불분명합니다. 아마도 GC 분석용으로 사용하거나 밀봉용으로 사용하겠지요?)

Ar 가스를 사용하면서 가열한다면 공기를 차단하면서 가열하는 방법이 되기 때문에 연소반응보다는 열분해 반응(Pyrolysis)이 우선적으로 일어나는 상황이 연출될 것 같습니다.

(7) Ar가스의 양은 이미 5L/min로 알고 있는데 왜 다시 측정하려는 대상이 더욱 궁금해 집니다. 또한 사용가스의 비중량이 14.2 kgf/m3이라고 했는데 공급압력이 약 7 기압(계기압)이고 5L/min의 부피가 8기압일 때의 부피입니까? (Ar의 분자량은 39.95 이므로 표준상태 밀도는 39.95 kg/22,414 Nm3 = 1.782 kg/Nm3, 절대압력 8기압 정도 돼야 밀도는 14.25 kg/m3 입니다. )

가스사용량을 언급할때는 표준상태(0℃ 1기압)일때의 부피를 NL 혹은 Nm3 등으로 나타내면 혼동스럽지 않습니다.
해당가스의 밀도와 사용량 단위를 재확인해 보시기 바랍니다.

결론적으로 실험 목적(의도)와 방법, 실험 원리, 측정대상, 분석대상 등에서 의문점이 너무나 많습니다.

연소반응에서 공기의 양이 부족하면 H2O, CO2외에  탄화수소나 CO와 같이 불완전 연소 생성물이 발생된다면 반응진행정도를 판단하기는 더더욱 어려워질 것이므로 시스템 해석이 불가능해 질 수 있습니다.

(2) 페놀계 수지의 경우 불완전 연소에 의해 Tar나 Coke의 생성경향이 크기 때문에 (특히 산소가 부족한 상태라면) 연소반응 보다는 열분해 반응이 우선적으로 일어날 것으로 예상합니다.

(3) 시료는 가열도중 저온 열분해 생성물질의 증발에 의한 배출물질이 먼저 배출될 것이고 이어서 고온 열분해에 의해 저급탄화수소나 수소등이 발생될 터인데   400도 정도의 온도라면  완전연소나 완전열분해 반응 중 어느 것도 완전한 반응을 기대할 수 없을 것으로 봅니다.   해당 실험과 관련한  반응 메카니즘에 대해 더 조사해 볼 필요가 있다고  판단됩니다.

(4) 열식 질량계라고 해도 < 일정성분이 혼합된 상태>로 흘러가고 < 혼합비열자료>를 알고 있다면 정확히 측정할 수도 있지만 질문의 시스템에서는  열분해 혹은 연소반응의 진행 정도에 따라  배출되는 성분함량이 시간에 따라 계속 변하기 때문에  유량을 알아도 의미없는 데이타에 불과합니다.

(5) 질문의 (3)항의 실험조건에서 고온의 액체와 고온의 고체중 고체가 먼저 연소한다는 가정하에 실험하는 목적으로 조작하고 있는 것이겠지만  반응은 항상 액체나 고체의 표면에서 증발이 먼저일어나고 열분해 되면서 공기중 산소와 반응할 터인데 고체가 먼저 (열분해 되고) 증발된다는 가정은 적당하지 않은 것 같습니다.   고체보다 액체가 비점이 더 낮은 것이 일반적이고 열분해도 액체가 먼저 일어날 것으로 보기 때문이지요.

만일 실험장치에서 액체보다 고체의 연소반응이 일어난다고 한다면 석탄이나 무연탄 등이 타듯 <표면연소>가 일어나는 것일 터인데  400도 정도의 낮은 온도에서 기대하는 반응은 일어날 것으로 예상되지 않습니다.

(6) 설령 고체의 연소반응이 일어났다고 하더라도 연소생성물은 고온가스일 것이므로 밀도가 낮아져 상부로 확산되어 배출될 것이고 주입하려는 Ar은 온도가 낮아 밀도가 높을 것이므로 시료 표면을 밀봉함으로써 공기를 차단하는 효과를 나타낼 것으로
연상됩니다.   (Ar 가스로 Purging 하려는 목적이 불분명합니다. 아마도 GC 분석용으로 사용하거나 밀봉용으로 사용하겠지요?)

Ar 가스를 사용하면서 가열한다면 공기를 차단하면서 가열하는 방법이 되기 때문에 연소반응보다는 열분해 반응(Pyrolysis)이 우선적으로 일어나는 상황이 연출될 것 같습니다.

(7) Ar가스의 양은 이미 5L/min로 알고 있는데 왜 다시 측정하려는 대상이 더욱 궁금해 집니다.    또한 사용가스의 비중량이 14.2 kgf/m3이라고 했는데  공급압력이 약 7 기압(계기압)이고  5L/min의 부피가  8기압일 때의 부피입니까?   (Ar의 분자량은 39.95 이므로  표준상태 밀도는  39.95 kg/22,414 Nm3 =  1.782 kg/Nm3,    절대압력 8기압 정도 돼야  밀도는 14.25 kg/m3 입니다. )

가스사용량을 언급할때는 표준상태(0℃ 1기압)일때의 부피를 NL 혹은 Nm3 등으로 나타내면 혼동스럽지 않습니다.    
해당가스의 밀도와 사용량 단위를 재확인해 보시기 바랍니다.

결론적으로  실험 목적(의도)와 방법, 실험 원리, 측정대상, 분석대상 등에서 의문점이 너무나 많습니다.