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  복수회수시스템 에서의 문제와 해결방안
  글쓴이 : 나형식   고유ID : cjswo0801     날짜 : 18-10-27 00:07     조회 : 267    
   그림.png (176.2K), Down : 8, 2018-10-27 00:07:26
안녕하세요. 프로젝트를 진행중인 화학공학도 입니다. 전공책과 구글링을 통하여도 전문적인 지식을 찾기가 어려워 여기 고수님들께 조언을 구하고 싶습니다. 
 [[[
 A공장 에서는 10kgf/cm2 을 공정 열원으로 사용하고 있으며, steam condensate 회수 시스템을 운영하고 있습니다.
응축수(steam condensate)의 흐름은 Steam 사용처 trap 후단에 flash drum을 두고 기상은 감압밸브(PCV)를 거쳐 저압스팀으로 사용하고 액상은 액면조절기(LCV) 를 두고 condensate cooler 을 거쳐 DW TANK 로 갑니다.
응축수 배관은 3.2kgf/cm2  147'C 이며 물 배관은 3kgf/cm2 143'C 입니다.
이때 두가지 문제가 발생합니다.
 1) Condensate flash drum 후단의 cooler 에서 water Hammer 현상이 발생
 2) DW(Demineralized water) Tank 에서는 재증발 증기가 발생                 ]]]
 
이 두가지 문제의 발생원인과 해결방안을 찾는것이 프로젝트의 과제입니다.
첨부한 파일에 이 복수 회수 시스템의 그림이 있습니다. (문제의 글은 제가 복수회수 시스템의 개략도를 보고 해석하여 적어본 것입니다. 주어진 정보는 그림의 개략도가 전부입니다.)
우선 첫번째로 제가 여기 인터넷화학공학 질의응답 게시판을 공부한 결과
hammering 은 수증기가 찬물과 직접 만나게 되면 해머링현상이 발생하고 그 이유는 부피가 큰 수증기가 순식간에 물의 부피로 줄어들면서 압력충격을 주기 때문이란것을 알았습니다. 허나 위 상황에서 응축수 배관은 3.2kgf/cm2  147'C 의  수증기로 보여지고 물 배관은 3kgf/cm2 143'C 의 조건이며 마찬가지로 고온의 수증기로 보여집니다. 그렇담 cooler에서  hammering이 왜 생기는지도 모르겠으며, cooler가 4'C의 온도를 떨어뜨리기 위해 존재하는것인지 아님 다른이유가 있는지도 궁금합니다.
그리고 flash pump 에서 고압의 응축수가 기상은 감압밸브를 거쳐 저압스팀으로 사용되고 액상이 trap 을 통해 응축수 배관으로 가는것일 텐데 그때의 조건이 3kgf/cm2 143'C 의 수증기 기체 인 것도 이해가 힘듭니다.(문제에선 수증기란말이 없었으나 3kgf/cm2 143'C 의 조건하에 수증기표를 본 결과 수증기라 판단하였습니다.)
마지막으로 dw tank 에서 증기 발생은 원인과 해결방안 둘다 전혀 감을 못잡겠습니다.
고수님들 그리고 스테파노님 부탁드리겠습니다. 감사합니다.

스테파노 Stefano   18-10-28 21:49
(1)현재의 시스템은 Water Hammering을 피할 수 없는 설계에 해당합니다. 
왜냐하면  Condensate Drum으로부터 LCV를 통해 배출e되면서 Flashing 되면서 Steam이 발생하고 이 Steam이 Cooler를 거치면 갑작스런 응축이 일어날 수 있기 때문입니다.

Steam이 발생되지 않으려면 Flashing 이후의 압력에서 Condensate의 온도가 비점을 넘지 말아야 하는데 PCV를 통과하는 응축수가 147도에서 배출될 때 우선 먼저 응축이 일어나고 그리고 나서야 온도가떨어지게 되는데  순간적으로 응축현상이 나타나기 때문에 Hammering이 일어나는 것이지요.

(2) 3.2 kgf/cm2g(KG)에서 147℃ 인 응축수가 가진 전체 엔탈피값은 PCV를  통과해서 감압하면서 생성되는 저압 수증기와 저압 응축수가 가진 엔탈피의 합과 같습니다.  여기서 생성되는 저압수증기가 응축하면서 Mammering이 일어나는 것이지요.

(3) 10 KG Steam Condensate Drum의 압력은 분명히 3.5KG 이상의 압력을 나타내고 있을 터인데  이 응축수는 Condensate Drum 압력에서 포화수증기가 됩니다.    이 압력에서 응축수의 압력은 포화온도가 된다는 의미입니다.

이 응축수가  LCV를 거쳐 나와 3.2KG 147℃라는 이야기 인데 LCV를 거쳐나오면 응축수와 수증기의 혼합물 상태로 배출됩니다. 그림에 있는 냉각기를 거치며  3KG 143도로 온도가 낮아져도  DW 밸브를 거치면 대기압상태로 압력이 떨어지면서 다시 Flash Steam이 발생되어 DW 드럼 상부로 배출되는 것이지요.

(4) 고압의 포화응축수를 Flashing 시켰을 때 생성되는 저압의 수증기와 응축수의 양을 계산하는 방법은 이곳을 참고하세요.

http://www.chemeng.co.kr/site/bbs/board.php?bo_table=vqna&wr_id=31576&sca=&sfl=wr_subject%7C%7Cwr_content&stx=flashing+&sop=and

(5) 첨부된 Sketch 상에서 개선하려면 냉각기를 LCV 전단에 옮기고 냉각후 온도가 100도 이하가 되도록 해야 합니다.
이종석 chemtech   18-10-29 10:22
질문자 께서 질문하신 내용대로 3.2kg/cm2 147도는 응축수가 아닌 기체상태 입니다
3.2kg/cm2의 포화온도는 145도 입니다. 따라서 아마도 온도가 잘못 표기된 것으로 보이네요

그림에서 보듯이 3.5kg/cm2 의 응축수가 LCV를 거치면서 3.2kg/cm2로 0.3kg/cm2의 차압이 발생이 되었으므로
압력이 낮아지면서 재증발 증기가 발생되어 2 phase가 되며 이것을 냉각하니 Hammering이 발생되는 것은
당연한 조건으로 보입니다

응축수 시스템의 LCV 는 차압이 생기면 재증발되어 문제가 발생되므로 반드시 min. 차압으로 설계를 해야 하는데
그렇게 하지않고 0.3kg/cm2의 차압이 생긴것이 근본적 문제 입니다.
LCV를 교체하지 않는한 이 문제는 어려울 것으로 보이며...
열교환기의 위치는 DW 탱크 입구로 가져가면 이 문제가 해결될수 있으나 DW 탱크 직전 상부에 설치가 가능할지
모르겠네요

3kg/cm2의 응축수가 대기압의 DW 탱므로 유입되므로 압력이 낮아지면서 재증발되어 증기가 많이 발생되는
것은 당연한 것 입니다

따라서 Hammering 방지를 위해서는 LCV의 교체 또는 열교환기의 위치이동, DW 탱크의 증기발생을 없애려면
냉각온도를 143도가 아닌 90도 이하로 낮추면 되겠지요
그러나 냉각의 경우 증기생성은 없는 대신 경제성이 문제가 되겠지요.......
경제성 검토가 필요한 사항 입니다.
chemic    18-10-29 20:07
L사 인턴 채용에 제시된 과제와 문제가 동일한 것 같은데, 어디에서 진행하는 프로젝트인지 궁금합니다.
     
나형식 cjswo0801   18-10-30 00:32
L사 인턴 채용에 제시된 과제가 맞습니다. 혼자 공부를 하다 어려운점이 있어 글을 게시했습니다. 혹시 문제가 된다면 삭제하겠습니다.
이종석 chemtech   18-10-30 09:54
스팀을 공급하는 콘트롤 밸브 와 응축수를 배출하는 콘트롤 밸브의 차압은 min. 으로 설계해야 합니다
액체 LCV일 경우 중력으로 배출되는 경우도 그렇구요
즉 차압이 거이 생기지 않도록 설계해야 한다는 의미 입니다 실제로 저는 그렇게 설계를 합니다.

스팀의 경우 콘트롤 밸브에서 차압이 많이 생기면 압력이 낮아져 스팀의 공급온도가 낮아지게 되며
응축수의 경우에는 위의 예처럼 차압이 많이 생기면 재증발 증기가 발생되어 2 phase가 되기 때문에
여러가지 문제를 야기하기 때문에 그렇게 설계를 하는것 입니다

스테파노님의 의견처럼 LCV 전단에 COOLER를 옮기고 100도 이하로 냉각하면 역시 문제가 해결 됩니다
이미 COOLER에서 100도 이하로 낮아졌으므로 이후 LCV에서 차압이 생겨도 재증발 증기는 발생되지
아니 합니다
Stefano    18-10-30 11:13
(1) 고온의 응축수는 그 온도에서의 증기압에 해당하는 압력을 나타내는데 감압 시 반드시 Flashing에 의해 감압된 압력에서의 포화증기와 포화응축수로 변합니다.  이 때 생성되는 증기량을 계산하는 방법을 이전 답글 (4)에 설명하였으므로 참고하세요.

(2) 반면,  LCV를 지나기전 Condensate를 100도 이하로 냉각시켜 대기압 100℃의 Steam이 가진 Enthalpy값 이하가 되도록 하면  어떠한 LCV를 통해 배출해도 Hammering 현상이 전혀 나타나지 않습니다.  (1)에 안내된 방법에 따라 계산해보면 알 수 있듯이 Enthalpy 값이 작으면  감압해도 발생되는 Steam이 생기지 않기 때문이지요. 

(3) DW Drum에서 발생되는 Steam은 대기가 Drum으로 유입된 후 포화공기 이상으로 습도가 높아진 공기가 다시 배출되면서 발생되는 백연현상인데 과포화된 스팀이 응축되어 생성되는 구름과 같은 현상입니다.  이를 방지하기 위해서는 대기압상태에서 유출되는 미량의 Steam을 잡아주기 위해 Deaerator의 Vent Column과 같은 Scrubber를 두는 것이 좋습니다. 

이렇게 하면 Vent 되는 Steam을 포집할 수 있을 뿐 만 아니라 비록 미량이기는 하지만 Steam이 가진 잠열을 회수하는 역할도 하기 때문입니다.

(4) 위의 (2)에서 설명한 냉각방법을 사용하지 않고 LCV 후단 Two-phase  (Steam * Condensate)를 모두 DW Drum으로 보내고 DW Drum에서 Vent Steam을 (3)에서 설명한 방법과 같이 Cold DW로 잡아주는 방법이 바로 "Deaerator"의 원리입니다.  Deaerator의 초기 운전을 위해서 혹은 Flashing 되는 Steam이 부족할 경우에는 LP Steam을 추가로 넣어 줍니다. 

상세한 사항은 <Deaerator>라는 키워드로 자료를 차아보면 도움이 될 것입니다 .

(P.S. 본 게시물 관련 질문은 특정회사의 과제 해결을 위한 의도적 목적으로 올린 것이 아니라고 판단됩니다.  또한 이 게시판은 특정회사의 이미 노출된 정보를 보호할 아무런 보호장치를 가지고 있지 않기 때문에 기밀보호나 책임이 없음을 밝힙니다.  ~ 인터넷화학공학 웹마스터)
cjswo0801    18-10-30 11:44
원글은 문제의 여지가 있어 2시간후 삭제하겠습니다. 적어주신 답변에 대한 질문은 부분별로 다시 게시글을 작성하겠습니다.
상세히 답변 적어주신 스테파노님, 이종석님께 감사드리며 분란의 여지를 만든점 다시한번 사과드립니다. 감사합니다.
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