게시판 > 질답게시판 > Aspen HYSYS 사용 중 엔탈피와 관련된 질문

스테파노 Stefano

24-01-10 21:55

A1) Enthalpy는 어느 물질이 어느 온도, 압력, 상태가 정해졌을 때 지니고 있는 내부에너지 + 외부에너지의 합으로 구성됩니다. 내부 에너지는 온도만의 에너지 합수이고 외부에너지는 그 온도에서 외부와의 경계면에서 외부의 압력에 저항하는 압력과 그불질이 차지하고 있는 부피의 곱으로 나타나는 에너지 함수입니다.

내부에너지는 그물질을 구성하는 원소로부터 그물질이 생성되고 난 후 현상태에 놓이게 되었을 때 그 물질이 지니고 있는 에너지이므로 그 불질이 생설될때의 생성열을 포함하고 잠열. 현열 등을 외부(Surrounding)과 에너지 교환을 거치고 난 현 상태에서 지니고 있는 상태함수입니다. 상태함수라 함은 어느 경로를 거쳐왔더라도 최종상태가 같다면 같은 에너지 상태가 되는 열역학적 특성입니다.

내부에너지는 외부Surrouning과 접하여 열교환을 할 수 있고(온도차이가 있는경우) 외부와 Work를 주고받을 수도(압력차이가 있는 경우) 있습니다. 즉 그 물질의 열역학적 Potential은 온도와 압력의 높낮이 차이로 나타납니다.

A2) 그 물질만으로 화학변화가 일어나지 않는 상태에서 해당 물질의 온도를 높이고자하면 에너지를 필요로 하는데 높아진 온도에 의해 그불질의 여러 속성이 변할 수 있습니다. 1)부피면화없이 온도가 올라갈 수 있고 (정용비열에 올라간 온도를 곱한 열량이 전해지는경우) 2)압력이 변하지 않은 상태에서 온도가 올라갈 수가 있고(정압비열에 부피가 늘어나면서 온도가 올라갈 수도 있으며 3) 온도, 압력 변화없이 상이 변하여 부피변동이 일어날 수 있습니다 4) 온도, 압력변화없이 부피만 크게 늘어나는 경우 (증발이라는 상변화가 일어나는 경우)가도 있습니다. 5) 반대로 온도, 압력변화없이 부피만 크게 줄수도(응축과정) 5) 액상이나 기상에서 고상으로 급변할 수도 6)있습니다

질문 2)에서 해당 Stream의 초기 (계에 흘러들어올 때)에너지에서 말기 (계 밖으로 나갈때) 에너지 상태가 -124.4 MM kcal에서 -434.6 MMkcal로 줄어들었다면 계 외부로 에너지 이동이 일어난 것입니다. 압력이 일정한 상태에서의 T-H도표가 있다면 단위질량당 엔탈피 (Specific Enthalpy)로부터 그물질의 상태를 추정할 수도 있습니다.

엔탈피 값이 음수로 나타낸 상태인데 엔탈피의 절대값을 알수 없는 것 처럼 음수로 나나내고 있다고 해도 아무런 의미는 없습니다. 다만 에너지값이 늘어나는가 줄어드는 가에 따라 열역학적 변화를 일으키고 있다고 판단하면 되는데 같은 음수인 상태에서 절다값이 작아졌다는 의미는 외부로부터 에너지를 흡수하는 과정이 일어나고 있다는 것이고 "음수로 나나낸 절대값 자체의 의미는 없습니다. -124.4에서 -120.2 MMkcal 변화되었으니 4.2 MMkcal의 에너지가 늘어났는데 이열량을 질량유량 (286,260 kg/h = (-124.4 MMkcal/h)/(-434.6 kcal/kg)으로 나누어보면 kg당 14.67 kcal/h의 열량증가가 나타났습니다 비열이 1kcal/kg/℃ 이라면 온도가 고작 14.67 ℃ 정도 오른 정도로 보아 반응열치곤 너무 낮고 아마 예열용 열교환기를 통과한 것으로 보입니다.

음수엔탈피는 단순히 엔탈피의 절대값을 모르기 때문에 어떤 기준점을 기준으로 상대적 엔탈피 값을 나나낸 것일 뿐 의미심장한 수치를 나타내고 있는 것은 아닙니다ㅣ

A3) Gas Oil이라고 해도 증류점 분포에 따라 대략 C8~C18 정도 번위내의 성분들이 포함되어 있을 터인데 무수한 성분들을 제각각 성분농도로 나타냈을 리는 없을 것이므로 Simulator를 이용하여 성분을 ASTM D86등과 같은 방법으로 증류점 분포 성분을 사용했다고 하면 증류구간에 있는 대표성분을 기준으로 한 물성으로 나타낸 엔탈피 값을 나타냅니다. ASTM D86 뿐만 아니라 GC 분석결과치로부터 혼합물의 물성을 Formulationg 할 수 있는 기능도 내장되어 있습니다. UNIFAC-UNIQUAC 기술을 이용하여 Simulator는 분자구조를 이용한 물성을 기반으로 생성열도 추줄해 낼 수 있습니다. 대표성분이 예를 들어 n-C10 Paraffin구조의 Hydrocarbon 이라고 하면 그 성분에 해당하는 생성열을 기반으로 해당온도, 해당압력에서의 몰 엔탈피가 전체엔탈피의 일부분을 구성하게 됩니다.

Perry Handbook이나 열역학 서적에서 Thermodynamics Model 부분 <8th ed. Ch2-463ff. "Prediction & Correlation of Physical Properties, Google에서 <unifac+structure+builder> 키워드로 검색해 출력되는 자료를 참고하도록 하세요.

A1) Enthalpy는 어느 물질이 어느 온도, 압력, 상태가 정해졌을 때 지니고 있는 내부에너지 + 외부에너지의 합으로 구성됩니다.  내부 에너지는 온도만의 에너지 합수이고 외부에너지는 그 온도에서 외부와의 경계면에서 외부의 압력에 저항하는 압력과 그불질이 차지하고 있는 부피의 곱으로 나타나는 에너지 함수입니다.

내부에너지는 그물질을 구성하는 원소로부터 그물질이 생성되고 난 후 현상태에 놓이게 되었을 때 그 물질이 지니고 있는 에너지이므로 그 불질이 생설될때의 생성열을 포함하고 잠열. 현열 등을 외부(Surrounding)과 에너지 교환을 거치고 난 현 상태에서 지니고 있는 상태함수입니다.    상태함수라 함은 어느 경로를 거쳐왔더라도 최종상태가 같다면 같은 에너지 상태가 되는 열역학적 특성입니다.

내부에너지는 외부Surrouning과 접하여 열교환을 할 수 있고(온도차이가 있는경우) 외부와 Work를 주고받을 수도(압력차이가 있는 경우) 있습니다.  즉 그 물질의 열역학적 Potential은 온도와 압력의 높낮이 차이로 나타납니다.

A2) 그 물질만으로 화학변화가 일어나지 않는 상태에서  해당 물질의 온도를 높이고자하면 에너지를 필요로 하는데 높아진 온도에 의해 그불질의 여러 속성이 변할 수 있습니다.  1)부피면화없이 온도가  올라갈 수 있고  (정용비열에 올라간 온도를 곱한 열량이 전해지는경우)  2)압력이 변하지 않은 상태에서 온도가 올라갈 수가 있고(정압비열에 부피가 늘어나면서 온도가 올라갈 수도 있으며  3) 온도, 압력 변화없이 상이 변하여 부피변동이 일어날 수 있습니다  4) 온도, 압력변화없이 부피만 크게 늘어나는 경우 (증발이라는 상변화가 일어나는 경우)가도 있습니다.  5) 반대로 온도, 압력변화없이 부피만 크게 줄수도(응축과정) 5) 액상이나 기상에서 고상으로 급변할 수도  6)있습니다

질문 2)에서  해당 Stream의 초기 (계에 흘러들어올 때)에너지에서 말기 (계 밖으로 나갈때) 에너지 상태가  -124.4 MM kcal에서     -434.6  MMkcal로 줄어들었다면 계 외부로 에너지 이동이 일어난 것입니다.   압력이 일정한 상태에서의 T-H도표가 있다면 단위질량당 엔탈피 (Specific Enthalpy)로부터 그물질의 상태를 추정할 수도 있습니다.

엔탈피 값이 음수로 나타낸 상태인데 엔탈피의 절대값을 알수 없는 것 처럼 음수로 나나내고 있다고 해도 아무런 의미는 없습니다.  다만 에너지값이 늘어나는가 줄어드는 가에 따라  열역학적 변화를 일으키고 있다고 판단하면 되는데  같은 음수인 상태에서 절다값이 작아졌다는 의미는 외부로부터 에너지를 흡수하는 과정이 일어나고 있다는 것이고  "음수로 나나낸 절대값 자체의 의미는 없습니다.    -124.4에서 -120.2 MMkcal 변화되었으니  4.2 MMkcal의 에너지가 늘어났는데  이열량을 질량유량 (286,260 kg/h = (-124.4 MMkcal/h)/(-434.6 kcal/kg)으로 나누어보면    kg당  14.67 kcal/h의 열량증가가 나타났습니다     비열이  1kcal/kg/℃ 이라면 온도가 고작 14.67 ℃  정도 오른 정도로 보아 반응열치곤 너무 낮고 아마  예열용 열교환기를 통과한 것으로 보입니다.

음수엔탈피는 단순히 엔탈피의 절대값을 모르기 때문에 어떤 기준점을 기준으로 상대적 엔탈피 값을 나나낸 것일 뿐  의미심장한 수치를 나타내고 있는 것은 아닙니다ㅣ

A3) Gas Oil이라고 해도 증류점 분포에 따라 대략 C8~C18 정도 번위내의 성분들이 포함되어 있을 터인데 무수한 성분들을 제각각 성분농도로 나타냈을 리는 없을 것이므로 Simulator를 이용하여 성분을  ASTM D86등과 같은 방법으로 증류점 분포 성분을 사용했다고 하면 증류구간에 있는 대표성분을 기준으로 한 물성으로 나타낸 엔탈피 값을 나타냅니다.  ASTM D86 뿐만 아니라  GC 분석결과치로부터 혼합물의 물성을 Formulationg 할 수 있는 기능도 내장되어 있습니다.  UNIFAC-UNIQUAC 기술을 이용하여 Simulator는 분자구조를 이용한 물성을 기반으로 생성열도 추줄해 낼 수 있습니다.  대표성분이 예를 들어 n-C10 Paraffin구조의 Hydrocarbon 이라고 하면 그 성분에 해당하는 생성열을 기반으로 해당온도, 해당압력에서의  몰 엔탈피가 전체엔탈피의 일부분을 구성하게 됩니다.

Perry Handbook이나 열역학 서적에서 Thermodynamics Model 부분 <8th ed. Ch2-463ff.  "Prediction & Correlation of Physical Properties, Google에서 <unifac+structure+builder> 키워드로 검색해 출력되는 자료를 참고하도록 하세요.

여기저기요… agnes0806

24-01-11 11:03

감사합니다, 스테파노님.

말씀해주신 내용 중, "어떤 기준점을 기준으로 상대적 엔탈피 값을 나타낸다"에서의 기준은 Simulator마다 다른 것일까요? 혹은 범용적으로 쓰이는 기준점이 있는지요?

스테파노 Stefano

24-01-13 03:03

(1) 물리학과 열열학 등여러 국제학회에서 기준으로하고 있는 열열학적 기준온도는 표준대기압(이게 아니고 1 bar abs로 보임), 25℃에서의 모든 (동위원소 평균원자량을 기준으로한) 원소의 절대 엔탈피값을 0으로 정해두고 상태적 엔탈피 값을 통일해 두고 있는데 이에 따라 모든 Simulator Vendore들도 이를 따랐을 것으로 봅니다.

(2) 따라서 Simulator Vendor간 차이는 없다고 보는데 문제는 열열학적 기준온도는 물리학회 관련학회에서 정해놓은 기준온도에서 약간의 차이가 있는데 그 기준온도차이에 따라 변화되는 엔탈피를 기준온도가 변화될 때마다 수정하는 것이 아니기 때문에 Simulator간에 절대엔탈피쉬치값에서 차이가 있을 수 있습니다. 그러나 그차이는 (다른 계량오차에 비해서 아주)무시할 만한 것이기 때문에 문제삼는 일은 없습니다. 예를들어 표준원자량값이나 절대온도 Scale, 질량기준물질의 표준이 달라져도 화학적계산에 영향을 줄 정도는 아니라는 것이지요.

(3) 어느 물질의 절대엔탈피 값이 음수가 되는 원인은 25도에서 절대 엔탈피 값이 0인 원소들이 결합하여 발열반응을 일으켰다면 반응 후 25도로 온도를 낮추었을 때 생성한 물질의 엔탈피는 원소들의 엔탈피 값을 합한 값에서 발열량을 제외한 엔탈피 값이되기 때문에 그 물질의 엔탈피는 음수가 되는 것이고 엔탈피의 기준수치는 그물질 1 g-mole당의 엔탈피가 됩니다.

결론적으로 Simulator Vendor간 차이는 없고 열역학적 기준온도는 25℃ (이온도는 298.15K)를 기준으로 한 것이지만 국제계량물리학회의 기준온도, 온도스케일, 질량, 원자량, 에너지, 등이 달라져도 제때마다 Update 해 둔것이 아니라서 그에 따른 차이가 날 수는 있다고 봅니다. 물론 엔탈피 값들은 에너지의 절대량을 나타내는 것이 아니고 기준온도, 원자량, 등으로부터 대수 모델수식으로 나타내는 수식이나 수치라서 이들 모델수식이 달라지지 않는 한 달라지지는 않을 것입니다.

여기저기요… agnes0806

24-01-17 09:27

감사합니다, 스테파노님. 항상 큰 배움 받아 갑니다.