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  pH조정에 필요한 약품량과 소요되는 시간 문의입니다.
  글쓴이 : 호비   고유ID : pck740     날짜 : 17-04-27 10:53     조회 : 1862    
반갑습니다.
인터넷화학공학의 관련 게시물들을 보고 Utility 산정을 하던 중 제목과 같은 내용을 산정하였으나 맞는지 틀린지 궁금하여 문의드립니다.
항상 친절한 답변을 해주셔서 저도 용기를 내어 문의드리게 되었습니다.
검토 부탁드립니다. 내용은 아래와 같습니다.
<아 래>

1.  pH7인 수조에 NH3가스 주입 후 pH11로 변화될 때의 소요시간

      - NH3 주입량 : 11.263kg/hr

      -수조용량 : 18

  1) pH7 에서 pH11로 변화될 때 소요시간

     pH11 = pOH3, [OH-] = 1.0 × 10^-3 kg-mol/

    필요한 NH3의 몰수 : 18× 1.0 × 10^-3 kg-mol/= 0.018kg-mol NH3

     NH3 투입속도 : 11.263kg/hr

   소요시간 : 0.018kg-mol NH3 / 11.263kg/hr = 0.001598hr or 0.09min or 5.7sec

 2) pH11인 폐수를 pH9로 중화하는데 필요한 H2SO4량 및 소요시간

    (1)H2SO4

       pH11 = pOH3       [OH-] = 10^-3 = 1.0 × 10^-3

       pH9 = pOH5         [OH-] = 10^-5 = 1.0 × 10^-5 = 0.01 × 10^-3


       중화해야 될 [OH-] = (1-0.01) × 10^-3 = 0.99 × 10^-3 

      중화하는 산의 양은 같은 당량이 필요하므로 0.99 × 10^-3 NORMAL = 0.495 × 10^-3 mol/L


      수조량 = 18= 18 × 10^3L

        중화에 필요한 H2SO4의 양은 18 × 10^3L × 0.495 × 10^-3 mol/L = 8.91mol 9 × 98g = 882g

        H2SO4의 농도 50%, 비중(1.399) 이므로 882g × 100/50 = 1764g

         1.764kg / 1.399kg/L = 1.26L

    (2)소요시간

        H2SO4 공급 펌프 사양 : ex) 1000ml/min 가정 :1260ml / 1000ml/min = 1.26min


2. pH7인 수조에 HF,Hcl가스 주입 후 pH2.2로 변화될 때의 소요시간

   - HF 주입량 : 0.442kg/hr

   - Hcl 주입량 : 0.81kg/hr

   - 수조용량 : 18

  1) pH7 에서 pH2.2로 변화될 때 소요시간

     pH2.2 = [H+] = 10^-2.2 = 6.3 × 10^-3 kg-mol/

     필요한 HF, Hcl의 몰수 : 18× 6.3 × 10^-3 kg-mol/= 0.1134kg-mol NH3

     HF 투입속도 : 0.442kg/hr

     Hcl 주입량 : 0.81kg/hr

     소요시간 : 0.1134kg-mol NH3 / (0.442+0.81)kg/hr = 0.09hr or 5.4min

2) pH2.2인 폐수를 pH5로 중화하는데 필요한 NaOH량 및 소요시간

  (1) NaOH소모량

      pH2.2 = [H+] = 10^-2.2 = 6.3 × 10^-3

      pH5 = [H+] = 10^-5 = 1.0 × 10^-5 = 0.01 × 10^-3

      중화해야 될 [H+] = (6.3-0.01) × 10^-3 = 6.29 × 10^-3

      중화하는 염의 양은 같은 당량이 필요하므로  6.29 × 10^-3 NORMAL = 6.29 × 10^-3mol/L

 

     수조량 = 18= 18 × 10^3L

     중화에 필요한 NaOH의 양은 18 × 10^3L × 6.29 × 10^-3mol/L = 113.22mol

      113 × 40g = 4520g


     NaOH의 농도 25%, 비중(1.285)이므로   4520g × 100/25 = 18080g

     18.080kg / 1.285kg/L = 14L

   (2)소요시간

     NaOH 공급 펌프 사양: ex) 1000ml/min 가정

      14000ml / 1000ml/min = 14min

- 감사합니다.-


스테파노 Stefano   17-04-27 19:09
A1-1)  <소요시간 : 0.018kg-mol NH3 / 11.263kg/hr = 0.001598hr or 0.09min or 5.7sec >   
      => 수식에서 단위 맞지 않습니다.

A1-2)  <0.99 × 10^-3 NORMAL>
      => Normal(lity)는 농도의 단위입니다.  당량은 "eqivalent (또는 g-equivalent)"라고 나타냅니다.

      <... 8.91mol ≒ 9 × 98g = 882g>
      => 계산 중간에 유효숫자를 조정하는 것은 감점의 대상입니다.  최종단계에서 유효숫자를 조정하도록 하세요.

      <...H2SO4 공급 펌프 사양>
      => "펌프 용량"이라고 나타내도록 하세요.  사양은 일본어입니다.  가급적 우리말을 사용하도록 하세요.

A2-1) /A2-2) < pH2.2 = [H+] = 10^-2.2 = 6.3 × 10^-3 kg-mol/㎥>
      =>이 수식은 맞지 않습니다    pH = -log [H+]= 2.2 ,    [ H+] = 10^-2.2  kg-mol H/m^3 이렇게 나누어 써야 합니다.

        =>pH 7에서 pH 2.2까지 중화하려면 pH 7에서의 수소농도와 pH 2.2에서의 수소농도차로 계산해야 맞습니다. 만일  pH 7에서의 H+농도를 무시했다면 그리했다고 분명히 밝혀야 합니다.

      <필요한 HF, Hcl의 몰수 : 18㎥ × 6.3 × 10^-3 kg-mol/㎥ = 0.1134kg-mol NH3>
        => 왜 갑자기 NH3가 출현했나요? 

        <소요시간 : 0.1134kg-mol NH3 / (0.442+0.81)kg/hr = 0.09hr or 5.4min>
        =>단위 계산이 전혀 맞지 않습니다.
호비 pck740   17-04-28 09:29
답변 잘 받았습니다. 감사합니다.

A1-1)과 A2-1) 에서 단위 맞추는 과정을 알고 싶습니다.
스테파노 Stefano   17-04-28 12:05
(1) 전체량을 유량으로 나누면 소요시간이 나오는데 여기서의 양에 해당하는 단위가 맞아야 분모분자가 상쇄되어 시간만 남게되지요.   

A1-1)에서 kg-mol을 kg으로 환산하여 나누든지  kg을 kg-mol로 환산하여 나누는 방법으로 답글을 올려보세요.

(2) A2-1)에서도 동일한 오류를 범하고 있습니다.    특히  0.442 kg HF와 0.81 kg HCl을 아무 거리낌 없이 더한다는 것이 놀랍습니다.   

투입하는 HF와 HCl의 무게가 중요한 것이 아니라 [ H+] 몰수가 작용하기 때문에  필요한 전체 [H+] 몰수를 알면 이를 공급하는 각각의 [H+] 유량으로 나누어야 소요시간이 계산 되잖아요?  여기서도 정정한 계산을 올리도록 하세요.
호비 pck740   17-04-28 16:36
답글 올려드립니다.
(1) 답글
    A1-1) kg-mol을 kg으로 환산 : kg-mol x 분자량 = kg
              소요시간 : 0.018kg-mol NH3 x 17kg/mol / 11.263kg/hr = 0.027hr

(2) 답글
    A2-1) 소요시간 : 0.1134kg/mol HF x 20kg/mol HF / 0.442kg/hr = 5.13hr
                              0.1134kg/mol Hcl x 36.5kg/mol Hcl / 0.81kg/hr = 5.11hr

*질의 : A2-1의 소요시간은 각각으로 계산되어 지나요? 합쳐서 계산될 순 없나요?
스테파노 Stefano   17-05-02 13:36
(A1-1)  단위계산
소요시간 : 0.018kg-mol NH3 x 17kg/mol / 11.263kg/hr = 0.027hr  <==  NH3가 갑자기 사라져 버렸습니다. 

이런 계산은 아래와 같이하면 투명해 집니다. 
(전체소요량  0.018 kg-mol NH3) ÷ (NH3 투입유량  (11.26/17) kg-mole NH3/h) =  0.027 h  ...............(1a)  또는

(전체소요량  0.018 kg-mol NH3 * 17 kg-NH3/kg-mol) ÷ (NH3 투입유량  (11.26 kg NH3/h) = 0.027 h ....(1b)  이렇게 계산하는 습성을 들이세요.  약분하면 적확히 시간만 남지요.

(A2-1)  HF를 투입하면 5.13h  HCl을 투입하면 5.11h 가 구해졌다면 두개를 한번에 투입하면 얼마가 됩니까?  5.13h + 5.11h = 10.24h가 되는 것은 아닙니까?  단위가 비슷하다고 마구 합하면 이런 계산이 됩니다.  의미를 정확히 알고 사용해야 하지요

전체 [H+] 소요량 = {10^(-2.2)  - (10^(-7) } kg-mole [H+] /m3 * 18 m3 = 0.1134 kg-mole [H+]

HF투입 [H+]  유량 =  (0.442 kg HF/h) / (20 kg HF/kg-mole HF) *( kg-mole [H+]/kg-mole HF) =  0.0221 kg-mole [H+]/h
HCl투입 [H+] 유량 =  (0.81 kg HCl/h) / (36.5 kg HCl/kg-mole HCl) * ( kg-mole [H+]/kg-mole HCl0 = 0.0222 kg-mole [H+]/h

따라서 두물질 동시 투입 시 소요시간
= 0.1134 kg-mole [H+]/{ 0.0221 kg-mole [H+]/h+0.0222 kg-mole [H+]/h} = 2.56 h  or 153.6 min
 
사과 5개와 귤 5개는 서로 더할 수가 없습니다.  각각의 값이 500원 1000원이면 전체의 가격은 1500원처럼 단위가 같아야 더할 수 있지요.
호비 pck740   17-05-10 16:57
단위계산을 이해하는데 도움이 많이 되었습니다. 아울러 올바른 우리말도 알려주셔서 감사합니다.

처음 질문드렸던 A1-2)에서 pH11인 폐수를 pH9로 중화하는데 필요한 H2SO4양의 계산은 옮은지 문의드립니다.
정정한 계산입니다.
    pH11 = pOH3,      [OH-] = 10^-3 = 1.0 × 10^-3
    pH9 = pOH5,        [OH-] = 10^-5 = 1.0 × 10^-5 = 0.01 × 10^-3

    중화해야 될 [OH-] = (1-0.01) × 10^-3 = 0.99 × 10^-3

    중화하는 산의 양은 같은 당량이 필요하므로  0.99 × 10^-3g-eq = 0.495 × 10^-3g-eq
 
    수조량 = 18㎥ = 18 × 10^3L,    중화에 필요한 H2SO4의 양은 18 × 10^3L × 0.495 × 10^-3 g-eq/L = 8.91g-eq
 
    8.91g-eq × 98g = 873.18g

    H2SO4의 농도 50%, 비중(1.399) 이므로 873.18g × 100/50 = 1746.36g

    1.74636kg ÷ 1.399kg/L = 1.248L

감사합니다.
스테파노 Stefano   17-05-10 19:53
(1) <중화하는 산의 양은 같은 당량이 필요하므로  0.99 × 10^-3g-eq = 0.495 × 10^-3g-eq>  <==이런 에러를 점검해달라는 것은 아니겠지요?

(2) [OH-]의 단위도 단순히 숫자만 사용하지 말고 단위를 붙이도록 하세요.

(3) OH- 당량과 동일한 H+ 당량으로 중화가 일어나며  1 g- eq H2SO4 = 48 g.  1 g-mole H2SO4 = 2 g-eq H2SO4  = 98 g 임을 계산에 적용하는 과정이 불명확합니다.  (당량과 몰을 혼동하고 있는듯합니다. )

당량수가 구해졌으면 <당량당 질량>를 곱하면 순수한 황산 필요량이 질량으로 환산하면 되고 몰수가 구해졌으면 <몰당 질량>을 사용하면 되겠지요.

(4) 필요한 순수 황산의 양이 8.91 g-mole로 계산되었으면 

Pure H2SO4 필요랼  = 8.91 g-mole H2SO4 * (98 g/ g-mole H2SO4) = 873.19 g-H2SO4 와 같이 계산하면 됩니다.
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