게시판 > 질답게시판 > 저장탱크에 N2를 purgy할 경우 대기로의 원료배출량 저감율

스테파노 Stefano

17-08-30 18:06

(0) 싸이트 관리를 잘해보고자 하지만.. 여러가지 미흡한 점이 많습니다. 많은 애정과 관심을 가져 주시고 주변에도 소개하여 주시기를 부탁드립니다.

(1) 일반적으로 액상원료를 저장하는 저장탱크들은 완전 밀봉상태로 운전되는 것이 아니고 주로 대기압 상태로 유지되는데 취급물질을 Loading & Unloading하는 과정에서 Tank내의 공기의 유입 유출시 공기에 실려 원료가 동반손실되는 것이 필연적입니다.

탱크에 액의 부피 V를 일정기간동안에 몇회씩 채웠다 빼내는 경우 액의 부피에 해당하는 기체부피가 배출되고 이로 인해 손실되는 원료는 증기압으로부터 산출할 수 있습니다.

일정기간 V m^3씩 N회 액의 유입, 유출이 있었다면 배출된 기체부피는 N*V m3이 되고 이중에 원료의 증기는 액의 증기압만큼 포함되어 배출된다고 가정할 수 있습니다. (포화증기압 이상으로 원료가 공기에 섞이지는 않습니다.)

i) 온도T, P상태로 일정기간동안에 배출되는 액증기 포화공기 배출량(부피)= (N 회/기간)*(V m3/회) = N*V (m3/기간) ..(1)
ii) 배출공기중 포함된 액증기의 부피분율(몰분율) = (x, 액의 증기압, mmHg)/(대기압, 760 mmHg) = x/760 ..................(2)

따라서 위의 두식으로부터 일정기간동안 N회 액유입, 유출이 발생하는 경우 손실되는 원료액의 양(질량)을 계산해 낼 수 있습니다.

iii) T, P상태에서 액증기로 포화된 공기의 배출량 총 몰수 n = P* (N*V)/R*T .......(3)
iv) 이중 순수 액증기만의 몰수 = n * (x/760) ...................................................(4)
v) 일정기간에 손실되는 순수 원료의 질량 = n* (x/760) * M ...............................(5)

이 마지막식에 (3)식의 n을 대입하면 인용한 수식이 얻어집니다 주의할 점은 (3)식에서 사용하는 R값은 P, V, T의 단위에의해 좌우 됩니다. (R 값은 "화공실무 게시판 게시물 #161을 찾아보면 알 수 있지요.)

(2) 온도변화에 따른 Tank의 호흡(Breathing)에의한 배출량의 계산식의 근거는 어디서 비롯되었는지 알 수 없습니다. (혹시 그 근거가 명시되어 있다면 인용 바랍니다.) 아마 API 협회에서 연구비를 주고 대학이나 연구소에서 실험적으로 알아낸 수식인 것으로 보이지만.. 그 타당성은 글쎄요.... 별로 믿음이 가지 않습니다. 왜냐하면 탱크의 직경, 절대온도, 압축인자, 등에 따라 달라지는 양상으로 보나 a, b라는 상수가 어찌되는지에 대해 의문이 남고, 또 어느 지역 어느 기후조건에 설치된 Tank인지도 알 수 없기 때문이지요.. 미국 50개주를 Sampling해서 만들어 졌다고 하면 미국에서만 통용되는 수식일 수도 있습니다.

필자의 생각으로 다듬는다면..

Tank내의 기상 부피가 얼마인가가 가장 큰 변수일 것이고
절대온도차가 얼마나 달라질 것인가가 두번째 영향요소가 될 것이고,
언제 채우고 언제 비우느냐에도 영향을 받을 것이며, 어느 기간동안 발생하는 손실인가도 관심사항이고..
온도에 따른 기상증기 부피변화 영향 뿐 만 아니라 앞선 (1)의 주제에서 다뤘던 것처럼 기상중 액증기 함량에 영향을 직점주는 증기압 변화도 영향을 줄 것이므로 큰 요소에 해당합니다.

다른 요소의 영향이 없다고 보고 매일 Tank내 기상 부피의 온도변화에 따른 호흡가스에 따른 영향만 고려한다면
온도변화에 의한 손실량(질량, w)= (대기압 P), 질량 (탱크내 기상부피 비율 α) * (탱크 Gross Volume, V)/(R*T) * (온도변화비율, ΔT/(T)) * (액의 몰분율, x/760) * (분자량 M) ...............(6)

(3) 질문에서 <N2 Purge("purgy" 는 typo.)할 경우 대기로의 원료배출량 저감율..>이라고 적혀 있는데 N2를 Sealing Gas로 사용하는 경우라면..

N2의 온도와 압력은 대기상태의 공기의 온도와 압력과 같다고 간주되기 때문에 계산방법은 동일하다고 보면 될 것입니다.

(4) 그러나 만일 Tank를 N2로 불어내고 있는 경우라면..
질소가 배출되면서 액의 증기가 동반되는 손실을 추정해 봐야 하는데 N2의 양을 알고 있다고 해도 N2에 포함되는 액의 증기함량을 알 수 없어 계산이 안됩니다. 탱크내 기상 공간을 N2로 채우고 충분한 시간이 경과되었다고하면 그 온도에서 액의 증기압으로 포화되어 있다고 가정할 수 있으나 그렇지 않다면 액증기 함량을 알 수 없습니다.

불필요하게 N2로 Tank를 Purging 해야 할 필요는 없을 것이나, 만일 부득이 연속적으로 N2로 불어낸다면 Scrubber로 배출되는 가스중 증기함량은 낮다고 하더라도 계속되는 Purge N2로 인하여 원료 손실은 크게 늘어나게 될 것입니다.

N2 Purging시 공기중 증기 농도는 <포화도>를 모르기 때문에 알 수 없는 것이지요. 따라서 포화도를 가정하지 않으면 계산방법은 없다고 봐야 합니다.

(0) 싸이트 관리를 잘해보고자 하지만.. 여러가지 미흡한 점이 많습니다.   많은 애정과 관심을 가져 주시고 주변에도 소개하여 주시기를 부탁드립니다.

(1) 일반적으로 액상원료를 저장하는 저장탱크들은 완전 밀봉상태로 운전되는 것이 아니고 주로 대기압 상태로 유지되는데 취급물질을 Loading & Unloading하는 과정에서 Tank내의 공기의 유입 유출시 공기에 실려 원료가 동반손실되는 것이 필연적입니다.

탱크에 액의 부피 V를 일정기간동안에 몇회씩 채웠다 빼내는 경우 액의 부피에 해당하는 기체부피가 배출되고 이로 인해 손실되는 원료는 증기압으로부터 산출할 수 있습니다.

일정기간  V m^3씩 N회 액의 유입, 유출이 있었다면 배출된 기체부피는  N*V m3이 되고 이중에 원료의 증기는 액의 증기압만큼 포함되어 배출된다고 가정할 수 있습니다.  (포화증기압 이상으로 원료가 공기에 섞이지는 않습니다.)

i) 온도T, P상태로 일정기간동안에 배출되는 액증기 포화공기 배출량(부피)= (N 회/기간)*(V  m3/회) = N*V (m3/기간) ..(1)
ii) 배출공기중 포함된 액증기의 부피분율(몰분율) = (x, 액의 증기압, mmHg)/(대기압, 760 mmHg) = x/760 ..................(2)

따라서 위의 두식으로부터 일정기간동안 N회 액유입, 유출이 발생하는 경우 손실되는 원료액의 양(질량)을 계산해 낼 수 있습니다.

iii) T, P상태에서 액증기로 포화된 공기의 배출량 총 몰수   n  = P* (N*V)/R*T .......(3)
iv) 이중 순수 액증기만의 몰수 = n * (x/760) ...................................................(4)
v) 일정기간에 손실되는 순수 원료의 질량 = n* (x/760) * M ...............................(5)

이 마지막식에 (3)식의 n을 대입하면 인용한 수식이 얻어집니다    주의할 점은 (3)식에서 사용하는 R값은 P, V, T의 단위에의해 좌우 됩니다.     (R 값은  "화공실무 게시판 게시물 #161을 찾아보면 알 수 있지요.)

(2) 온도변화에 따른 Tank의 호흡(Breathing)에의한 배출량의 계산식의 근거는 어디서 비롯되었는지 알 수 없습니다.   (혹시 그 근거가 명시되어 있다면 인용 바랍니다.) 아마 API 협회에서 연구비를 주고 대학이나 연구소에서 실험적으로 알아낸 수식인 것으로 보이지만..   그 타당성은  글쎄요....  별로 믿음이 가지 않습니다.   왜냐하면  탱크의 직경, 절대온도, 압축인자, 등에 따라 달라지는 양상으로 보나 a, b라는 상수가 어찌되는지에 대해 의문이 남고, 또  어느 지역 어느 기후조건에 설치된 Tank인지도 알 수 없기 때문이지요..  미국 50개주를 Sampling해서 만들어 졌다고 하면 미국에서만 통용되는 수식일 수도 있습니다.

필자의 생각으로 다듬는다면..

Tank내의 기상 부피가 얼마인가가 가장 큰 변수일 것이고
절대온도차가 얼마나 달라질 것인가가 두번째 영향요소가 될 것이고, 
언제 채우고 언제 비우느냐에도 영향을 받을 것이며,  어느 기간동안 발생하는 손실인가도 관심사항이고..
온도에 따른 기상증기 부피변화 영향 뿐 만 아니라 앞선 (1)의 주제에서 다뤘던 것처럼  기상중 액증기 함량에 영향을 직점주는 증기압 변화도 영향을 줄 것이므로 큰 요소에 해당합니다.

다른 요소의 영향이 없다고 보고 매일 Tank내 기상 부피의 온도변화에 따른 호흡가스에 따른 영향만 고려한다면 
온도변화에 의한 손실량(질량, w)= (대기압 P), 질량 (탱크내 기상부피 비율 α) * (탱크 Gross Volume, V)/(R*T) *  (온도변화비율, ΔT/(T))  * (액의 몰분율, x/760) * (분자량 M) ...............(6)

(3) 질문에서 <N2 Purge("purgy" 는 typo.)할 경우 대기로의 원료배출량 저감율..>이라고 적혀 있는데 N2를 Sealing Gas로 사용하는 경우라면..

N2의 온도와 압력은 대기상태의 공기의 온도와 압력과 같다고 간주되기 때문에 계산방법은 동일하다고 보면 될 것입니다.

(4) 그러나 만일 Tank를 N2로 불어내고 있는 경우라면.. 
질소가 배출되면서 액의 증기가 동반되는 손실을 추정해 봐야 하는데 N2의 양을 알고 있다고 해도 N2에 포함되는 액의 증기함량을 알 수 없어 계산이 안됩니다.    탱크내 기상 공간을 N2로 채우고 충분한 시간이 경과되었다고하면 그 온도에서 액의 증기압으로 포화되어 있다고 가정할 수 있으나 그렇지 않다면 액증기 함량을 알 수 없습니다.

불필요하게 N2로 Tank를 Purging 해야 할 필요는 없을 것이나,  만일 부득이 연속적으로 N2로 불어낸다면 Scrubber로 배출되는 가스중 증기함량은 낮다고 하더라도  계속되는 Purge N2로 인하여 원료 손실은 크게 늘어나게 될 것입니다.

N2 Purging시 공기중 증기 농도는 <포화도>를 모르기 때문에 알 수 없는 것이지요.  따라서 포화도를 가정하지 않으면 계산방법은 없다고 봐야 합니다.