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  가압시 필요 기체량 계산 문의드립니다.
  글쓴이 : 고구마문   고유ID : gogumamun     날짜 : 17-03-07 14:24     조회 : 1732    
안녕하세요 스테파노님!
 
체적이 12.4 m3 의 반응기에 질소를 투입하여 가압하는데 걸리는 질소량 계산과정이 궁금합니다.
 
12.4 m3 의 반응기가 0 kg/cm2G 에서 5 kg/cm2G 까지 가압되는데 필요한 질소량 계산하면
 
 
* 계산 유량
 
 ((12.4m3 * (5+1.0332 kg/cm2)) / (0+1.0332kg/cm2 ) =  72.4 m3   ----------------(1)
 
 
* 공정의 실제 질소 투입량
 
질소 200 Nm3/hr 의 유량으로 약 11분간 가압하면  압력이 0 kg/cm2G 에서 5 kg/cm2G 로 상승됩니다.
 
200 Nm3/hr 의 유량으로 11분가압하는데 사용한 질소량
 
(200Nm3/hr) / (60분) * (11분) = 약 36.67 Nm3 ----------------(2)
 
(1) 에서 계산한 값과 (2)의 실제 유량이 차이가 나는데 (1)에서의 계산 과정이 잘못된것일까요?
 
반응기 내부는 비어있고 반응기 외벽은 전체적으로 약 130도 가량의 hot water 흐르도록 Jarket 이 구성되어 있습니다.
 
약 15도의  질소가 반응기 내부로 들어가 온도가 상승하여 부피가 팽창하는 것도 고려해야 하는것인가요?

스테파노 Stefano   17-03-08 13:15
(1)식으로 계산한 것은 용기가 완전히 비워져 있는 상태 (즉 용기가 진공인 상태에서) 질소를 채운다고 했을 때 필요한 질소의양에 해당하고

(Case A): 따라서 용기내의 온도가 0도라고 보면 계산된 72.4 m3의 부피는 전체 표준상태부피로 72.4 Nm3가 되는 것이고 이중 미리 질소(혹은 공기)로 채워져 있었던 부피는 12.4 Nm3을 제외하면 압력을 올리기 위해 필요한 추가 질소는 60 Nm3가 되는 것이고 

(Case B): (2)식으로 계산한 것은 초기 용기 내부의  공기 존재여부와 관계없이 <추가로 들어간 표준상태의 질소의 부피>만을 계산한 값입니다.  미리 들어가 있는 공기(혹은 질소)의 양은 계산되어 있지 않는 수치입니다.  정확히 추가로 투입한 질소부피가 36.67 Nm3이라고 하면 이미 용기내에 질소(혹은 공기)가 미리 들어있었다는 이야기 인데 올라간 압력이 맞지 않습니다. 
 
투입전 용기내의 온도가 0도이고 12.4 Nm3의 부피가 미리 들어있었을 때 추가 투입후에는 전체 표준상태 부피로 49.07 Nm3가 되었을 때 나타낼 수 있는 압력을  대기압으로 환산하면 49.07/12.4 = 3.957기압(절대)가 될 것이므로 계기압 2.957 기압(계기) 즉 3.055 kgf/cm2 G를 나타날 것입니다.  만일 그 온도에서 측정한 압력이 5 kgf/cm2 G를 나타냈다면 그 압력계는 고장임에 틀림없습니다.   

(Case C): 위의 (2)번째 방법으로 질소를 투입하고 나서 49.07 Nm3의 기체 전체의 온도를 130도로 승온시켰다고 하면 72.45 m3로 늘어날 것이고 그 때의 도달 압력은 72.45/12.4 = 5.84 기압(절대) = 6.03675 kgf/cm2 abs가 될 것이고 계기압으로는 5.0036 kgf/cm2 G를 나타낼 것입니다 .

(Case D) 만일 투입전 용기내 온도가 130도이고 추가두입한 질소만 0도였다면 계기압 증가는 투입한 질소에 의해서만 올라갈 것이므로  온도상승에 의한 계기압 상승은 36.67*(273.15+130)/273.15 /14.2 = 3.8 기압(계기) = 3.938 kgf/cm3 G 의 압력으로 상승될 것입니다 

결론적으로  초기상태의 온도가 0도라고 가정할 때
(1)의 경우 대기압상태의 용기에 <추가투입된 질소의 량은 60 Nm3>에 해당하고 (2)의 경우 36.67 Nm3라면 <온도변화없이 나타내는 압력은 3.055 kgf/cm2 G가 되어야> 맞습니다.  즉 압력계가 틀렸다는 결론입니다. 

질소투입전 용기내 온도가 0도이고 대기압 상태일 때 0도의 질소를 투입한 후 온도가 130도로 올라갔다면 계기압으로 5.0036 kgf/cm2 G를 나타내게 될 것입니다.  어느정도 압력이 엊비슷하게 나타타는듯 하지요

그러나 용기내의 온도가 미리 130도이고 미리 질소(혹은 공기)가 채워져 있는 상태에서는 0도의 질소36.67Nm3 추가 투입했다고 해도 압력은 3.938 kgf/cm2 G정도로 밖에 올라가지 않습니다.

추정컨데 실제 상황은 Case C의 경우와 유사합니다.
     
고구마문 gogumamun   17-03-08 14:28
명쾌한 답변 감사드립니다. 꾸벅
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