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  부피 유량계를 사용하는 이유
  글쓴이 : 화공엔지니…   고유ID : realize7102     날짜 : 18-09-13 10:18     조회 : 843    
안녕하세요, 화공업계에서 종사중인 엔지니어입니다.
늘 좋은 답변으로 도움 얻고 있어 감사드립니다.
직업 특성상 다양한 공장을 주로 다니게 되는데 유독 정유업계의 경우는 대부분의 유량계가 부피유량계로
설치가 되어있는 것에 어떤 특별한 이유가 있는지 알고 싶습니다.
Feedstock과 Product가 대부분 배에 선적해서 Barrel 단위로 들어오기 때문에 입고 및 출고에서 Barrel 단위를
쓰는 것과 역사적인 이유로 feed 라인과 product라인을 BPSD(Barrel Per Stream Day)로 쓰는 것은 이해가 되는데
DCS로 들어오는 대부분의 flow indicator를 부피 유량으로 사용하는 특별한 이유가 있다면 설명해주시면
감사하겠습니다.

Stefano    18-09-13 11:35
(1) 예로부터 물질의 양을 측정하는 방법은 부피와 무게가 사용되어 왔습니다.  각 나라의 시장에서 흔히  곡식이나 술등의 거래량을 <되>나 <말>  혹은 <통(Barrel)> 단위 부피로 '되'거나(양을 측정하거나) 부피로 재기 어려운 경우 저울을 사용하여 무게를 '재'는 방법이 사용되어 왔겠지요. 

그러나 흐르고 있는 물질의 양을 재는 방법으로는 부피유량을 재는 방법이 가장 손쉽고 측정장비가 저렴하기 때문에 오래전부터 부피유량계가 대부분 사용됩니다.  질량유량계는 20세기 이후 개발되었고 가격이 비싼 터라 설치비용이 높아 업체간 제품이나 유틸리티 거래용 유량계 등에 주로 사용 됩니다. 

(2) 정유공장 물질수지 

질량을 측정하여 계량하면 더욱 정확하게 물질수지를 만들 수 있겠지만 전통적으로 정유분야에서는 주로 부피를 기준으로 물질수지도 작성해 오고 현재시점에서도 전공장 연간 물질수지도 부피로 나타내고 있습니다.  심지어 정유부생가스  수소나 메탄 유화수소 등의 양도 이들이 취급(발생)되는 공정의 특정 유분으로 환산해서 부피로 나타내기도 합니다. 

따라서 설령 질량유량을 얻었다고 해도 다시 부피유량으로 밸런스를 맞추어 주어야 할 필요가 있기 때문에 부피유량에 집착하게 되겠지요.  정유공장의 연간 생산량은  연간판매량 + 연말 재고량 - 연초재고량 으로 계산하는데 각 제품들의 양은 한결같이 Barrel 단위로 나타내서 정리합니다.    질문에 대한 답이 그래서 그렇습니다.

(3) Barrel 단위를 m^3, L 또는 ft^3 단위로 나타내도 좋으련만...

오로지 그들(?) 만의 전통은 현재까지 이어지고 있습니다.  그런데 신기하게도 따라서 부피를 무게로 환산하기 위한 밀도의 단위는 lb/bbl 단위를 사용하지 않고 lb/gal 단위를 주로 사용합니다.  그러니 무게단위도 부피로 일일이 환산하는 것도  만만치 않은 일로 보입니다. 

정유분야에서 미터법으로 통일되려면 앞으로도 100년이상 필요할 것으로 보입니다.  특히 입김이 드센 석유강국 미국의 보수적 사고가 팽배한 정유분야를 고려하면 그 이상 걸릴수도 있습니다.
     
화공엔지니… realize7102   18-09-13 17:02
늘 좋은 답변 감사드립니다.
추가로 궁금한 사항이 있어 질문드립니다.
역시나 강대국에 대한 역사적인 이유 때문에 부피유량을 쓰는 것 같은데요.

(1) 물질 수지식은 말 그대로 mass balance를 세우는 것인데 부피로 물질수지를 나타낸다 함은
    부피를 해당하는 밀도로 계산하여 질량으로 환산한 뒤, 수지식을 세운다는 말씀이신지요?
(2) 그렇다면 이때 사용하는 부피는 Standard Volume Flow Rate을 이용하는 것이 맞나요?
(3) 제가 생각하는 부분이 맞다면 정유공장은 모두 혼합물이기 때문에 각 물질들의 밀도를 찾기는 힘들어보이는데
    구입해오는 원유를 base로 미리 구해놓은 각각의 product 들의 밀도를 사용해서 환산을 하는것인지요?

미리 감사의 말씀 드립니다.
Stefano    18-09-13 19:48
(A1) 일반 화학공장(석유화학포함)에서는 질량밸런스를 취하는데  정유회사만 유독 
모든 정유 제품을 액상으로 환산하여 부피 밸런스를 맞추는 방법을 사용합니다. 

예를 들어 원유 100만 배럴을 들여 처리해서 모두 제품으로 만들어 낸다면 각 제품이나 부산물 등의 부피를 모두 합하면 100만 밸럴이 되도록 맞추는 방식이지요.  단 표준상태의 기체가 아니라 표준(상온) 상태의 밀도를 감안한 액체 부피로 나타내지요.

(2) 기체의 경우
수소의 경우는 나프타로 환산하거나  유황은 Molten Sulfur로 나타내거나 유화수소로 환산해서 다시 머캡탄 등으로 나타내는데 질량으로 나타내는 것이 아니라 온통 배럴단위의 부피로 나타내서 물질수지를 맞추는 방법입니다.


(3) 환산방법
액상의 경우에는 대체로 밀도를 알고 있어서 기준온도에서의 밀도를 고려한 부피로 나타내면 되는데 액상물질을 혼합한 경우 혼합전의 부피와 혼합후의 부피가 달라지지 않는다고 가정하고 부피단위 물질수지를 산출하면 되고, 

기체의 경우,
기체의 부피를 액상 부피로 환산하는 방법에 대해 필자도 궁급한데... 추측컨데(예를들어)  n-Hexane 92 g  1몰중에 수소 14g 7몰이 들어있는데 수소  7몰(14g)은 n-Hexane 전체량 (부피)의 (14/92)라고 환산할 것으로 봅니다.    만일 그렇다면 생산된 수소  몰수를 알면 이를 무게로 환산하고 n-Hexane의 밀도로 나누어 n-Hexane 부피로 계산한 다음 이중 14/92에 해당하는 부피의 n-Hexane으로  나타내면  생산된 수소는 (n-Hexane 액상부피처럼) 몇 bbl이라고 환산해서 나타낼 수 있겠지요..

어쨌거나 중간에 어떤 방법을 사용하건 결국에는 기체 부피가 아닌 액체부피로 환산해 내야 할 것입니다. 
(정유 표준제품의 표준 밀도는 정해져 있고 기체나 LPG, Pitch 등의 제품에 대해서도 세부 방법은 자세히 모르겠지만 정유 공장에서 각각 제품별로 환산해 내는 수치를 보유하고 있는 것으로 알고 있습니다.)

과연 그런지....정유공장에 계신 분이 직접 보충설명해 주셨으면 좋겠습니다.

(4) 혼합물의 밀도

정유제품은 필요에 따라 혹은 구매자의 요구사양이나 사용처의 규격에 따라 Blending을 하여 생산해 내는데 일반적으로는 각 제품을 혼합할 경우 혼합밀도가 Linear하다 즉 혼합전과 후는 같다고 보지만  필요에 따라서 사용하기 위해 정확히 추정해 계산해 낼 수 있는 프로그램이 개발되어 사용되는 것으로 기억하고 있습니다.
이종석 chemtech   18-09-17 11:24
정유사의 경우 라이센스로 부터 베이직을 받아 그대로 공장을 건설 하였고 그러다 보니 원료를 BPD (배럴/일), 로
유량은 Sm3/h 로 사용을 하며 가스는 Nm3/h로 사용을 하고있는 실정 입니다. 관행으로 보시면 되겠습니다.

원유정제 공장에 대한 각종 물성계산을 할수 있는 자료는 여러가지가 있으며 대표적인 것으로
TECHNIP 의 PETROLEUM REFINING-I,II,III 라는 문헌이 있으며 이를 참고 하시면 각종 물성을 계산할수가 있습니다
또한 EPCON API TECHNICAL DATA BOOK 이라는 프로그램으로 물성을 구할수 있습니다

최근에는 정유사들이 공정개선등 필요시 수동으로 계산은 한계가 있으므로 실제로 조성을 넣어 계산할수 밖에 없으며
따라서 대부분 정유사들의 공정개선등을 이유로 공정모사를 해서 보유하고 있으며 이를 활용해서 각종 공정개선 업무를
하고 있습니다.

예를들어 하기처럼 각각의 조성을 입력하여 공정모사를 수행해서 물질수지 나 장치의 성능개선 업무를 합니다

    1  H2O                1318.627      1.299  1319.928    -0.001    0.00
    2  NH3                    6.469      1.125      7.593      0.000    0.00
    3  H2S                  148.245    24.602    172.847      0.000    0.00
    4  H2                  3036.229  -161.372  2875.778    -0.922    -0.03
    5  C1                  354.940      5.969    360.966    -0.057    -0.02
    6  C2                  121.331      2.406    123.763    -0.025    -0.02
    7  C3                    53.620      2.365    55.991    -0.006    -0.01
    8  IC4                  16.140      0.769    16.910    -0.001    0.00
    9  NC4                  15.799      0.805    16.605    -0.001    0.00
    10  IC5                    8.671      0.472      9.143      0.000    0.00
    11  NC5                    7.497      0.472      7.969      0.000    0.00
    12  FFNBP122            152.465    -50.822    101.643      0.000    0.00
    13  FFNBP148            556.636  -185.545    371.090      0.000    0.00
    14  FFNBP169            966.607  -322.202    644.405      0.000    0.00
    15  FFNBP191            824.940  -274.980    549.960      0.000    0.00
    16  FFNBP215            625.101  -208.367    416.734      0.000    0.00
    17  FFNBP238            562.161  -187.387    374.774      0.000    0.00
    18  FFNBP260            382.472  -127.491    254.981      0.000    0.00
    19  C1NBP57              122.499      9.488    131.988      0.000    0.00
    20  C1NBP74              115.885      9.366    125.251      0.000    0.00
    21  C1NBP91              102.873      9.456    112.329      0.000    0.00
    22  C1NBP107              90.610    10.503    101.113      0.000    0.00
    23  C1NBP125              83.870    12.783    96.652      0.000    0.00
    24  C1NBP139              88.513    15.849    104.362      0.000    0.00
    25  C1NBP149            871.918    167.271  1039.189      0.000    0.00
    26  C1NBP163            979.886    196.700  1176.586      0.000    0.00
    27  C2NBP175            813.674    166.553    980.227      0.000    0.00
    28  C2NBP188            768.271    159.003    927.274      0.000    0.00
    29  C2NBP201            642.862    133.967    776.829      0.000    0.00
    30  C2NBP214            551.108    115.430    666.538      0.000    0.00
    31  C2NBP227            496.468    104.386    600.854      0.000    0.00
    32  C2NBP240            479.834
스테파노 Stefano   18-09-17 14:19
나열한 숫자들이 무엇을 의미하고 단위들은 무엇인지 보충 설명 부탁합니다.
이종석 chemtech   18-09-17 14:40
상기의 데이터는 COMPONENT를 입력하는 예를 보여준 것으로 2~4열은 Kg-mole/h 5~6 열은 Deviation % 와 Deviation Fraction 입니다. 2열은 Feed, 3열은 +Reaction, 4열은 Product 합계를 나타 냅니다
스테파노 Stefano   18-09-18 08:09
해당 Stream이 제품인 경우 제품의 밀도와 전체의 양(bbl 단위)을 나타낸 데이터를 보여주시면 좋겠습니다.
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