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  condensable gas 포함시 응축 유량 계산
  글쓴이 : 이동건   고유ID : 이동건     날짜 : 38-11-01 00:00     조회 : 6851    
.acetic acid : 100 kg/hr
 H2O        : 150 kg/hr
 N2          : 300 kg/hr 인 vapor(at T= 140℃,P=15kg/cm2 G)에서

 온도(T=120℃,동압)까지 냉각 될때 어느 정도가 응축 되는지 알려면
 어떻게 계산해야 되는지 궁금합니다.
 

Stefano Stefano   39-08-02 00:00
같은 압력에서도 온도가 내겨가면 어느땐 응축이 일어나지 않고 어느 땐  응축이 일어나는지 먼저 답글로 설명해 주세요.
이동건 이동건   39-08-02 00:00
온도가 내려가면 응축은 일어 날것이라고 생각됩니다. 같은 조건(at T=140,P=15kg/cm2 G ,acetic acid,H2O,N2)가 inlet유량:97,895kg/hr 들어갔을때 outlet(at T= 70℃,P=15kg/cm2 G)에서는 Vapor : 80,665kg/hr , Liquid: 17,229 kg/hr가 나왔습니다.

따라서 제가 알고자 하는것은 온도 120℃에서는 얼마의 Liquid가 생성 되는지를 통해서 이 20℃의 온도차에서 얻을 수 있는 Heat Duty를 알고자 합니다.
이 혼합물의 outlet 각성분의 at T=120℃에서의 증기압을 통해( Pacetic acid = P*Yacetic acid) 분압을 알수 있고 또한 증기 조성을 알 수 있습니다. 하지만N2성분에 대해서는 이런 방법이 곤란합니다.
Stefano Stefano   39-08-02 00:00
1) 온도가 내려가더라도 그 온도에서 각 성분의 분압이 포화증기압을 넘지 않는 경우 전혀 응축이 일어나지 않습니다.  또 임계점을 넘는 온도에서는 액체상태로 존재할 수 없습니다.  질소는 임계점을 초과하고 있기 때문에 (임계점 온도이하로 충분히) 온도를 낮추지 않으면 응축하지 않기때문에 미응축가스로 작용합니다. 
(2) 각 성분의 포화증기압은 순성분의 증기압을 말합니다. 질소의 경우 (질소의 임계온도보다 높은) 그 정도의 온도에서는 가스로만 존재하기 때문에 응축을 고려할 필요가 없습니다

또 분압은 전체의 압력에 각 성분의 몰분율을 곱한 값으로 구할 수 있습니다. 
 Pi = P * Xi,  i=1,2,3 for N2, AA, H2O; P=전체압력 (절대압력)
 i 성분의 몰분율 Xi = ni/n, 
 n = (기상에서의)전체의 몰수= ∑ni
 ni = (기상에서의)i 성분의 몰수 = (i성분 질량)/(i성분의분자량)
           
이렇게해서 구한 분압이 포화증기압을 상회하면 포화증기압에 해당하는 량만 기상에 존재하고 나머지는 모두 응축해 버립니다.

(3) 따라서 성분의 함량과 120도와 140도에서의 초산과 물의 증기압을 먼저 알아두고 각 성분의 분압을 그 성분의 포화(즉 순성분)증기압과 비교해 볼 필요가 있습니다. 
(4) 다음 성분의 순성분증기압(즉 포화증기압)자료를 찾아보세요
120도에서의 물의 증기압: _______(절대압)       
120도에서의 초산의 증기압:______(절대압)

140도에서의 물의 증기압: _______(절대압)       
140도에서의 초산의 증기압:______(절대압)


(5) 질소, 초산, 물의 분자량으로부터 140도일 경우 각 성분의 몰 수는 얼마가 되는지 계산하세요.
 질소(분자량=  ):     
 초산(분자량=  ):
 물 (분자량 =  ):
이로부터 전체의 몰수는 =
 질소의 몰분율, X1 =
 초산의 몰분율, X2 =
 물의 몰분율, X3 =


(6)초기 즉 140도 일때 윗 성분이 모두 기상으로 존재한다면 각성분의 분압들은 각각 얼마가 되는가?
 질소 분압= P1 =
 초산 분압= P2 =
 물의 분압= P3 =

우선 140도 일때 각성분의 분압이 각각의 순성분 증기압을 초과하는지 먼저 점검해 보세요.

그리고 나서 12도에서도 같은 방법으로 점검해 보세요.  순성분 증기압을 초과 하는 량은 모두 응축되어 액체로 될 것입니다  우선 윗 사항을 먼저 조사해 보세요.  필요한 열량 계산은 나중에 계산하면 됩니다.  질소는 응축되지 않을 것이므로 증기압과 비교할 수 없습니다.

그리고 나서 재질문을 하세요.
이동건 이동건   39-08-02 00:00
(1) 다음 성분의 순성분증기압(즉 포화증기압)자료를 찾아보세요
120도에서의 물의 증기압  : 1489 mmHg       
120도에서의 초산의 증기압: 809.8 mmHg

140도에서의 물의 증기압  : 2711.2 mmHg       
140도에서의 초산의 증기압: 1427.3 mmHg


(2) 질소, 초산, 물의 분자량으로부터 140도일 경우 각 성분의 몰 수는 얼마가 되는지 계산하세요.
 질소(분자량= 28): 75000/28=2678.57 mol     
 초산(분자량= 60): 11000/60=183.33 mol
 물 (분자량 = 18): 6100/18 =338.88 mol
이로부터 전체의 몰수는 = 3200.79 mol
 질소의 몰분율, X1 = 0.8368
 초산의 몰분율, X2 = 0.0527
 물의  몰분율, X3 = 0.1058


(3)초기 즉 140도 일때 윗 성분이 모두 기상으로 존재한다면 각성분의 분압들은 각각 얼마가 되는가?
  전압 P=11034 mmHg
 질소 분압= P1 = 9233.25 mmHg
 초산 분압= P2 = 581.5  mmHg
 물의 분압= P3 = 1167.39 mmHg
 
110도에서의 물의 증기압:  1074.4 mmHg       
110도에서의 초산의 증기압:594.3 mmHg

105도에서의 물의 증기압: 906 mmHg       
105도에서의 초산의 증기압:505.5 mmHg

◆순성분 증기압을 초과 하는 량은 모두 응축되어 액체로 될 것입니다--> 순수분 증기압이 100 mmHg 이고 분압이 150 mmHg 이라고 가정하면 50mmHg 정도가 응축 된다는 말이죠? 이해가 잘 안됨.

그럼 위에서는(at 120℃) outlet 흐름은 응축이 안된다는 말입니까? 약 110℃정도에서 응축이 일어난다는 말인것 같은데...

3성분의 dew point,bubble point도 알아 봐야 하는건가요?
acetic acid의 dew point 계산(K value 이용)에서는 약 134℃정도 나오는것 같은데...
답변 부탁드립니다.
Stefano Stefano   39-08-02 00:00
(1) 우선(참고삼아) 140도에서 혼합물이 균일한 기상으로 존재하는 지 점검해 보면
    전체압력: 11034  torr(=mmHg)
    질소분압  9233  torr .....이는 미응축가스
    초산분압    581.5 tor .....이값이 증기압 1427 torr보다 작음.  따라서 미응축
    물 분압    1167.4 torr....이값이 2711.2 torr 보다 작음. 따라서 미응축
    ==>140도에서는 X1,X2,X3가 섞여 있어도 응축되지 않음

(2) 마찬가지로 120도에서
    초산분압  581.5 torr는 120도에서의 증기압 809.8보다 작음. 따라서 미응축
    물 분압  1167.4 torr는 “    ”  1489 torr 보다 작은. 따라서 미응축

(3) 만일 온도가 더 내려가면 (순성분)증기압이 떨어지고 이에 따라 물또는 초산의 응축이 일어나게 될 것임.

우선 물이 응축되기 시작하는 온도는 물의 증기압이 1167.4 torr가 되는 온도가 될 것임
이온도에서 초산이 먼저 응축되지 않는가 점검해 본다

만일 온도가 더 내려가 응축이 시작되면 기상성분 함량(농도)이 달라지게 될 것이며
이 때 응축되지 않고 기상에 존재하는 물과 초산과 량을 계산해 보고 각 분압의 합이 시스템 압력과 같아지는 농도를 계산해 보고 초기의 량으로부터 기상에 남아있는 량을 빼면 응축되는 량을 계산 할 수 있습니다.

(4) 계산하는 방법은 
    1) 온도를 변화시키면서 2) 각성분의 포화증기압 찾아냄 3) 어느 성분의 포화증기압을 분압으로 하는 량이 기상에 존재할 수 있는 최대의 농도가 됨. 이를 계산해서 X1' X2', X3'를 계산해 낸다.  4)질소는 응축하지 않은 채로 기상에 남아 있기 때문에 비례적으로 포함된 초산과 물의 몰 수 (여기서는 kg 단위를 사용하므로 kg-mol로 나타낸다.)
5) 초기(즉 140도에 있을 때)에 포함되어 있는 량에서 기상에 존재하는 물과 초산의 량을 빼면 응축한 물과 초산의 량이 구해진다.
6) 응축을 하기 위해서 온도를 낮추기 위한 현열을 X1,X2,X3 함량을 기준으로 140도에서 냉각시킨 온도에 이를 때 까지의 현열을 먼저 구하고 여기에다 물과 초산의 응축잠열을 냉각후 온도에서의 잠열로부터 구해 더하면 전체의 냉각부하를 계산 할 수 있다.
(모든 단위는 kg-mol/h, 비열도 kcal/kg-mol/C, 잠열은 kcal/kg-mol 단위로 그리고 열부하는 kcal/h 단위로 계산한다.)       

힌트는 모두 설명했으므로 직접 계산해보고 답글로 올려보세요.  점검해 보겠습니다.
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