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  LP steam 열교환기의 Stall 현상에 대한 질문 드립니다.
  글쓴이 : 휘혼   고유ID : clarose     날짜 : 18-12-17 14:01     조회 : 220    
안녕하세요
인터넷화학공학을 통해 많이 배우고 있는 엔지니어입니다.

일반적으로 Stall 현상은 LP steam 이 공급되는 열교환기에서 온도 contol을 통한 LPS CV의 Throttling을 통하여 LPS의 압력이 낮아지거나 후단의 LPC header의 압력이 너무 높아졌을경우 condensate가 빠져나가지 못해서 일어난다고 알고 있습니다.
그럴경우 CV를 좀더 열어서 Chest pressure를 높이거나 Vacuum Pump를 이용해 Condensate header의 압력을 낮추면 자연스럽게 문제가 해결된다고 알고 있습니다.
그런데 초저온 C1,C2,C3 등의 fluid들의 온도를 올릴때에 LP Steam을 사용하게 되면 Steam 이 Condensate로 변하는 것은 모자라 얼정도로 Subcooling이 일어나면서 Vacuum이 일어나게 되면 이정도의 해결책으로는 해결되지않는 현상이 발생한다고 하는데, 잘 이해가 가지 않습니다.
MTD suppression이라고도 칭한다는데 열교환기의 Over design이 매우 클경우에 Q=UAT 에서 일정한 heat balance Q 내에서 U값은 오히려 clean condition에서 크게 나타나고 일정한 A 에서 T가 줄어들수 밖에 없는데
이로인하여 MTD가 줄어들기 위해 Steam Pressure가 떨어지는 현상이 있다고 하는데 이런현상이 어떻게 발생하는건지 궁금합니다. 제가 알기로는 Pressure 가 떨어지면서 Temp.가 떨어지면서 MTD가 떨어지는 것으로 알고 있는데 위의 경우 heat balance에 의하여 MTD가 줄어들게 되고 거꾸로 이에 맞는 pressure가 형성이 된다고 하는데 제가 알고있던 현상과 반대로 일어나는 것이라 잘 이해가 되지 않습니다.
그런데 관련 내용을 찾던 중에 스테파노님의 다른질문에 대한 답변을 보면
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Steam의 Chest Pressure 압력은 스팀이 응축되고 있지 않으면 공급 스팀압력이 그래로 걸려있게 되지만 응축이 일어나고 있다면 Shell에 공급되는 Steam과 응축되는 Steam이 Balance를 유지하는 압력이 걸리게 됩니다.  따라서 Shell 측의 압력은 열전달 밸런스에 의해 결정되게 됩니다.    Reboiler 부하가 적게 걸린다면 Control Valve가 Steam 공급을 줄이기 위해 Valve를 Throttling해 주게 되는데 경우에 따라서는 Shell의 압력이 부분진공상태에 놓일 수도 있습니다.  
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비슷한 말씀을 하신적이 있는데
Steam이 자체적으로 friction에 의해 Pressure가 떨어지는 것이 아니라 Supply pressure 에서 Chest pressure로 어떻게 떨어질수 있는것인지 알고 싶습니다.
열교환기 Rating 프로그램에 의하면 실제 dP는 0.2 bar 정도 밖에 걸리지 않는데 실제로는 1.5 bar 정도의 압력강하가 나타나고 있습니다. 이정도의 압력이 형성된것이 단순히 많은 유량이 흘러서 dP에 의해 깍인것이 아니라 응축 되면서 갑자기 부분 vacuum 이 될수 있는 것인가요?
또 다른 답변해주신 내용을 보면,
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Steam 유량이  10t/h로 일정하다고 해도  응축되는 Steam측 압력이 높게 유지된다고하면 <Control Valve 전후 압력차>가 크기 때문에 Control Valve의 Valve Opening은 늘어나야 하지만  공급 Steam이 잘 응축된다면 Steam측 압력이 낮게 유지되기 때문에 Control Valve Position은 줄어듭니다.  압력차가 큰상태에서는 밸브를 줄여줘야 같은양의 스팀이 흘러가도록 해야 하기 때문입니다.
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라고 말씀하셨는데 이 부분에서 "공급 Steam이 잘 응축된다면 Steam측 압력이 낮게 유지된다"고 하셨는데 같은맥락의 말씀이신가요?
잘 응축이 된다면 응축되는 만큼 바로 steam이 흘러 들어와 압력을 맞춰주는 개념으로 알고 있는데 압력이 낮아진다고하셔서 잘 이해가 되지 않습니다.
두서없이 질문드려서 죄송합니다.
항상 많은 도움에 감사드립니다.

Stefano    18-12-17 17:50
(1) 연속공정으로 Steady State로 유지되는 Process에서 온도조절 PID Controller를 갖추어 Steam Heater를 사용하는 System에서는 연속적으로 Feed가 유입되고 흡열반응 혹은 증발현상 등이 일어나 일정한 부하가 걸리고 있다고 하면 System 설계자는 사용하는 Steam의 압력은 적절한 가열매체의 온도에 맞추어 일반 보일러에서 생산되는 저,중,고압 스팀(LP, MP, 혹은 HP Steam)을 선택하여 사용하도록 합니다. 

따라서 정상운전중에는 항상 Steam이 공급되고 있고 설정온도차와 전열면적으로 필요한 부하에 해당하는 에너지를 스팀 잠열로 공급하게 됩니다.  이 경우 Control Valve 입구에 공급되는 Steam은 포화스팀이어야 하고 Control Valve가 제어할 수 있는 차압을 유지하고 있도록 하며 응축되는 곳에서는 Trap을 통해 배출할 수 있는 절대적인 계기압력을 유지하고 있어야 합니다. 

그렇지 못하면 1) 진공이 걸려 응축수를 배출할 수 없거나  2)전열면적이 부족하여 공급스팀이 모두 응축되더라도 원하는 목표 전열량이 되지 못할 경우가 발생합니다.  이중 후자의 경우에는 전열면적이 부족하기 때문에 고압의 스팀을 사용함으로써 온도차를 늘이는 방법으로 해결해야 하는 경우에 해당하나,  설계압력이 뒤따르지 못하면 적용할 수가 없습니다.  또한 만일 진공이 걸려 응축수를 배출하지 못하는 경우라면 공급하는 스팀이 모두 응축되어 시스템의 설정온도유지에 지장이 없는 경우에 해당하지만 응축수가 배출이 되지 않기 때문에 연속운전이 불가능한 경우에 해당합니다.

(2) 잠깐 질문의 마지막 부분으로 돌아가서..
<"공급 Steam이 잘 응축된다면 Steam측 압력이 낮게 유지된다"고 하셨는데 같은맥락의 말씀이신가요?>

공급된 Steam의 양과 응축되는 Steam의 양이 같고 일정하게 유지되고 있다면 Steam Side의 압력은 일정하게 유지되고 온도도 일정하게 잘 조절되어 운전되는 상태에 해당합니다.  공급된 Steam의 압력은 Control Valve를 통과하면서 차압을 나타내고 응축기를 통과하면서 또다시 차압을 유지합니다.  이중 두번째 차압은 무시할 만하고 대체로 Control Valve의 차압이 그대로 유지되는 상태로 운전됩니다.    질문 답변에서 언급한 Steam측 압력은 Control Valve 후단의 압력이 그대로 낮게 유지되는 상태로 정상상태를 유지하는 경우에 해당하고 그 차압이 국부적으로 그대로 유지되고  응축수가 모여서 Trap을 통해 일정하게 배출되는 것을 설명한 것입니다. 

스팀이 공급되는데도 응축이 일어나지 않는 경우는 Steam측이 아니고 Process Fluid 측의 온도가 높아져서 가열부하가 중어든 경우에 해당하며  이 경우에는 TIC 제어기에 연결된 Steam 밸브가 거의 잠긴상태로 유지도는 경우이고 온도가 떨어집면 다시 Steam 공급량이 늘면서 압력이 유지되는 상태에 해당합니다.

공급Steam이 잘 응축되면 Steam이 응축되면서 가열하게 되고 자신의 부피가 줄어들기 때문에 압력은 줄어들게 되며 줄어든 압력은 다시 공급되는 스팀에 의해 어느 정도 낮아진 온도를 그대로 유지하게됩니다.  이상태를 설명한 것이지요.

(3) System상에서 문제가 되는 경우는 Steam이 공급되어도 압력이 떨어지지 않고 가열도 잘 되지 않는 경우와  Steam이 공급되면 너무 가열되고 Steam 공급이 되면 너무 과열되는 경우입니다.  전자의 경우 Steam 압력이 낮아 온도차가 적은 경우이거나 전열면적이 부족한 경우에 해당하고,  후자의 경우에는 부하에 비해 공급되는 Steam의 온도가 너무 높다거나 전열면적이 너무 큰 경우에 해당합니다.    전자의 경우에는 보다 높은 압력의 포화 Steam을 사용해야 하는 경우이고 후자의 경우에는 공급스팀의 압력을 낮추거나 공급 Steam의 압력을 낮추거나 전열면적을 줄여주어야 하는 경우에 해당합니다. 

(4) 이 질문은 위 (3)의 문제가 발생되는 경우에 해당하는 것을 봅니다.
Steam Heater의 경우 Steam의 계기 압력이 어느 정도 남아있어야 대기압 상태로 유지되는 Condensate 회수장치에 회수할 수가 있는데 진공상태가 유지되는 경우라면 Condensate를 배출시키기가 용이하지 않아서 운전에 어려움을 겪을 수도 있습니다.
 
이럴 때 가열기내에 압력이 걸린 상태에서는 Condensate를 일부러 많이 남겨두고 Condensate Level Controller를 사용하여 전전열면적을 늘이고 줄이는 방법으로 온도를 조절할 수 있습니다.    전열면적이 충분한 경우 이 방법이 가장운전하기 쉽습니다.

그러나 System에 Vacuum이 걸리는 경우라면 여러가지 어려움을 겪게 됩니다  첫번째 어려움은 응축수를 배출하기 어렵다는 것이고  두번째는  System에 진공이 걸려 Steam Control Valve의 전후 압력차가 출렁이는 바람에 해당 Control Valve로 온도조절하기가 어렵다는 것이지요. 

질문에서 압력이 낮아지는 것에 대해 의문을 가지고 있는 것으로 보입니다만,  정상상태에서 부하가 줄어든 경우,  초기 Start-up시 응축수의 배출이 안되는 경우(Condensate의 증기압이 너무 낮은경우),  비정상상태로 운전되는 기기에서 설정온도에 도달했을 경우에는  설정온도에 도달했기 때문에 Control Vaver가 거의 닫히게 됨에 따라 Steam이 공급되는 Chamber에 진공이 걸릴 수 있습니다.  이 때 온도의 Fluctuation이 발생할 수 있는데  Chamber의 압력이 진공상태라 Steam 공급이 원할해지지 않기 때문이지요.  Valve가열리면 마구 Steam이 흘러들어가고 Steam이 응축되면서 과열되고... 

(5) 연속공정 정상상태에서 운전되는 경우라도 열교환기에 Condensate의 액면을 조절함으로서 온도를 조절하는 방식의 "Cascade Control"을 사용하면 부하조절이 용이합니다.  Stem이 공급되어도 Chamber내에 부분 진공상태가 유지된다면 Vacuum Discharge Pump를 이용하여 응축수를 배출하는 방법을 사용해야 하기 때문에 전열면적이 과다한 경우라면 압력이 낮은 Steam으로 전환하여 절절한 Chamber 압력이 유지되도록 하는 것이 필요합니다.

(6) 정상상태에서 Steam 가열기가 진공이 걸린상태로 항상 운전이 되는 경우, 아니면 일부러 온도차를 낮게 유지하면서 정교환 가열이 필요한 경우라면 진공상태에서 응축수를 배출하는 펌프를 사용하여 가열하게 되는데 이 때에는 응축수 배출펌프는 Water-seal Vacuum Pump를 사용하거나 Eductor를 사용하여 연속배출하면서 진공도를 조절함으로써 온도를 조절하는 방법을 사용합니다.    자주사용하는 방법은 아니지만 가열스팀의 절대압력이 대기압보다 낮은경우의 가열에 사용할 수 있습니다.

질문에 대한 답변이 되었는지 궁금하지만 이해되지 않은 부분이 있다면 추가 질문해 주세요.
휘혼 clarose   18-12-18 09:56
답변 감사드립니다.
현재 현장에서 문제가 되고 있는 사항에대해 조금더 자세히 말씀드리자면
문제의 열교환기는 프로필렌 히터로 -50도의 프로필렌을 20도까지 LP steam으로 히팅시킵니다.
CV를 지나서 4.5 barg까지 떨어진 뒤에 열교환기로 들어오게 되는데 150 의 LPC로 condensate header로 들어가게 되어있습니다.
간단한 heater라서 Contol은 steam inlet 쪽에 하나 있고 condensate control은 하지 않고 바로 트랩을 지나 header로 들어가게 됩니다.
그런데 header 가 열교환기 보다 대략 10m 가량 위에 올라가 있으나 평상시 압으로 보았을때 밀고 나갈수 있을 만큼이라 문제로 보지는 않았습니다.
여타의 열교환기와 마찬가지로 Clean condition일때의 Overdesign이 매우 큰 상황이었는데, Start-up을 하다보니
Condensate가 트랩을 통해 빠져나가지 못하고 막히는 현상이 발생되면서 아마도 Condensate가 tube 안에서 얼은것 같습니다.
그래서 LPS 의 CV를 control도 풀고 최대로 열어도 성능이 나지 않는 현상이 발생되었습니다.
더군다나 기존 PDS및 주입되는 LPS의 pressure는 4.5barg 가량인데 Condensate의 압력은 3.0barg 로 나타났으며,
왜인지 모를 엄청난 1.5 bar의 압력강하가(위의 질문에서 언급드렸듯이 계산된 actual dP는 0.2 bar) 일어났습니다.
스테파노님께서도 말씀해주셨듯이 "Control Valve를 통과하면서 차압을 나타내고 응축기를 통과하면서 또다시 차압을 유지합니다. 이중 두번째 차압은 무시할 만하고 대체로 Control Valve의 차압이 그대로 유지되는 상태로 운전됩니다."
CV는 Full open 상태로 차압이 일어나지 않아야 하는데 어디서인지 모를 차압으로 condensate 의 압력이 1.5bar 가 떨어진 3barg로 측정되었습니다.(추가적인 정보로 LPC header의 압력은 1 barg 정도 되며 header는 열교환기보다 10m 위에 위치하고 있습니다.)
이를 다른분께서는 MTD suppression 이라고 하여 heat balance를 맞추기위해서 steam의 pressure가 낮아진것이라 설명해주셨는데 저는 이부분이 잘 이해가 가지 않아서 질문드렸었습니다.
제 생각에는 모든 근본은 pressure 이고 pressure가 떨어짐에 의해서 sat.T가 줄어들어 MTD가 둘어든것이라 보는데, 그렇기 위해서는 pressure가 떨어지는 곳을 찾아야 하는데 아무리 생각해도 Pressure가 1.5bar가 급강할만한 곳이 없으며
합리적으로 의심할만한 곳이라고는 clean codition에서의 높은 U와 충분한 A로 인하여 steam이 순식간에 응축하여 vacuum이 걸려서 압력강하가 급강할수 있는 건지 여쭈어본것입니다.
그러다가 스테파노님의 다른 답변중에 chest pressure의 산정기준이 steam의 응축속도와도 연관이 있다고 하신글을 보아서
아 그러면 제가 의심한 포인트에서 1.5 bar의 압력강하가 일어난 것이 맞는지 궁금합니다.
만약 아니라면 도대체 그정도의 압력강하는 어디에서 일어나는 것인지도 궁금합니다.
항상 많은 가르침 감사드립니다.
스테파노 Stefano   18-12-18 13:13
(0) 추가 질문에 대해 결론부터 내리는 것이 성급할 수 있지만  궁금해 하는 부분 즉 <CV Full Open 상태에서 1.5 bar의 차압이 걸리고 있는가? >에 대해 먼저 답변을 하자면 그 열교환기가 나타내는 부하에서 공급되는 Steam과 응축되는 Steam의 양이 같고 유지되는 온도에서 Heat Balance가 맞아진 상태가 된 것입니다.    < 다른분께서는 MTD suppression 이라고 하여 heat balance를 맞추기위해서 steam의 pressure가 낮아진것이라 설명...>의 내용이 정확히 진단한 것입니다.   

(1) Steam Heater에 공급하는 Steam이 Control Valve를 통과하면서 나타내는 차압이 설계시 0.2 bar가 되고 그 때의 Valve Flow Coefficient를 기준으로 발주하여 설지되었다고 하더라도  실제 사용중에는 운전조건의 변화에 따라 해당 응축기내의 압력을 부하 변동에 따라 Controller가 추종제어 하기 때문에 당연히 Control Valve 전후의 압력차는 달라지는 것이 속성입니다. 

따라서 Control Valve의 Sizing이 완벽하지 않아도 Controller가 조절가능한 범위 안에서는 제대로 동작하는데 무리가 없는 경우가 대부분이지요.

(2) 추가 질문에서 <Control Valve가 Full Open 상태에서도 차압이 발생된다>는 상태는 공급되는 관과 밸브에서 최대유량의 Steam을 공급하였을때  공급되는 Steam가 응축되는 Steam의 양이 같다는 상황을 의미합니다.  그 상태가 지속되어도 문제가 없으면 그나마 다행이겠으나 그상태에서도 증발량이 부족하다면 그 원인을 찾아 보아야 하겠지요.  LPS 4.5 barg  Condensate력 3 barg의 압력이 유지되고 있다면 3barg의 압력과 온도에서 공급되는 Steam의 양과 응축되는 Steam의 양이 동적으로 같게 유지되고 있는 상태임을 알 수 있습니다. 

(3) 그러나 Steam Control Valve를 수동으로 완전히 열고도 증발기 성능이 나타나지 않는 경우라면 짐작하고 있다시피 Condensate가 생성되지 않고 또한 배출되고 있지도 않는 것으로 보입니다.  Chamber의 압력이 3 bar 인데도 배출되지 않고 있다면 아마 Condensate가 빙결되어있는 상태로 보입니다.

(4) LPG Vaporizer의 빙결 문제는 항상 우려되기 때문에 응축수의 온도가 결코 100℃ 이하로 유지 되지 않도록 해야 할 필요가 
있습니다.  빙결방지를 위해 저온열매체를 사용하거나 많은 양의 온수를 순환하여 사용하도록 하거나 대기를 이용하되 서리가 생기지 않도록 하는 방법을 사용함으로써 에너지를 절감하면서 빙결문제를 해결하는 방향으로 기술이 전개된 것으로 봅니다만...

(5) 우선 문제의 Vaporizer의 Condensate Collection Header에 문제가 있습니다  Condensate를 밀어올려 배출할 수 있는 압력이 유지되고 있다고 해도  만일 Condensate가 국부적으로 응축되어 출구를 막아버린다면  기능을 완전히 상실해 버리기 때문입니다.    Condensate가 Vaporizer에 남아있게 되면 Subcooling이 일어나 100℃이하로 떨어져 빙결될 수 있습니다.

따라서 Condensate Header 높이를 Vaporizer Bottom보다 낮게 옮겨 설치하고  배출되는 Condensate의 온도를 모니터링하여 온도가 낮아지는 경우 LPG 공급을 차단하는 안전장치가 필요하다고 봅니다.  상용설비에 반드시 Vaporizer 출구에 LPG가 Carry Over되거나 Condensate 온도가 떨어지면 LPG를 차단함으로써 빙결을 방지하도록 되어야 하겠지요.

Condensate는 내부에 머물러 있을 경우 Subcooling 될 수 있지만  응축이 일어나고 있는 응축액은 계속하여 Steam과 접촉하고 있어서 Subcooling 현상이 거의 일어나지 않습니다.  따라서 우선적으로 Condensate를 Vaporizer 내부에 머물지 않도록 Line을 수정하는 것이 급선무로 보입니다.
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