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  Back pressure, Pressure loss, Compressor discharge pressure 상관 관계
  글쓴이 : 까르페디엠   고유ID : encyclo     날짜 : 19-03-28 12:16     조회 : 162    
1. Back pressure와 Pressure loss의 상관 관계에 대해서 궁금합니다.
Pressure loss로 인해 Back pressure 압력이 결정될 것이고 동일한 의미일 것 같은데 확실한 상관관계를 모르겠네요.

2. Process air를 반응기로 서비스할 수 있는 Compressor의 기존 설비 노후로
신규 Compressor를 출구 압력을 현재보다 높게 Design하였습니다.
현재 Compressor는 설계보다 낮게 Desing되어서 여름철에 Surging 현상으로 load를 낮추어 운전하고 있어서
출구 유량과 압력 모두 현재보다 높게 Design하였습니다.
Compressor는 Integrally geared single stage turbo compressor입니다.
만약에 압축기 후단 반응기 및 후단 공정의 Pressure loss와 Back pressure(대기압)가 동일하고
유량을 기존과 동일하게 공급한다면 Compressor 출구 압력도 낮아져서 반응기 입구 압력이 기존과
동일하게 유지되는 결과가 나타날까요?
아니면 압력은 동일하게 유지되고 후단공정의 압손이 동일하여 최종 off gas 압력이 올라갈까요?
반응기 촉매 Vendor에서는 후단공정의 압손이 동일하면 Compressor 출구 압력이 높아도
반응기 입구 압력은 기존과 동일하게 운전될거라고 하는데 이해가 안돼서요..

감사합니다.

스테파노 Stefano   19-04-02 10:43
(1) 장치내의 압력..
기상으로 운전되는 연속 공정장치에 필요한 압력을 유지하기 위해서는 그 공정장치내에 존재하는 기체의 양이 일정하게 들어있어야 합니다. 

그 공정장치내에서는  이상기체법칙에 의한 압력이 유지됩니다.    P * V = n * R * T -->  P =  n* R * T / V  .....(1)
R(이상기체상수), T(장치내 절대온도), V(장치의 부피) 가 상수라면  압력은 단순히 n (장치내 존재하는 몰수)에만 관계됩니다.

(2) 질문으로 돌아가서..
공정장치내에 존재하는 기체의 양은  유입량과 유출량에 의해 결정되는데 유입량과 유출량이 같다면 용기내 몰수변화는 없기 때문에 일정압력이 유지될 수 있습니다.  유입량은 Compressor로부터 조절밸브를 통해 조절할 수 있고  유출량은 Back Pressure Control Valve에 의해 조절할 수 있는데  유량을 조절할 것인가 장치내 압력을 조절할 것인가는 운전자의 선택에 해당합니다.  반응기에서 소모되고 생성되는 몰수에 차이가 있을 경우라면 이의 영향도 포함됩니다.

(3) <Compressor를 고압 공급용으로 교체했을 때,  반응기의 압력에 변화가 있는가 없는가?>에 대해 문의하였는데  질문에서 사용되고 있는 방법은 반응기측 Back Pressure Controller에 의한 반응기의 압력조절방식에 의하기 때문에 그 Controller의 설정압력을 변화시키지만 않았다면 압력은 그대로 유지될 것입니다.

이해가 안됐다고 질문한 부분이 이런 이유에서입니다.  질문과 관련된 반응기 압력은 반응기 압력조절밸브가 맡고 있기 때문이지요.

(4) 반응기의 압력, 전환율 변화..
만일...반응기의 압력이 일정하게 유지되고 있을 때 Compressor로부터 반응기에 보내주는 가스 유입량을 늘여주는 경우, 반응기에 흘들어가는 유량이 늘고, 반응기 출구 압력조절밸브에 의해 반응압력이 유지되고 있다고 하면  흘러들어온 유량이 늘게 됨에 따라 반응이 덜 된 상태로 반응물이 반응기를 빠져나갈 수 있습니다. 

이 경우.. 반응압력은 그래도 유지되지만 반응전환율은 떨어지기 되지요.  반응기의 전환율은 반응기에 체류하는 시간에 관련되기 때문에 투입되는 가스가 반응기에 머무는 시간을 점검해 볼 필요가 있습니다.    만일 원하는 전환율이 얻어지지 않을 경우 투입량을 줄여야 합니다.  동일유량에서 반응속도를 늘여주기 위해서는 반응온도를 높여주어야 하기도 합니다.
까르페디엠 encyclo   19-04-02 11:52
답변 감사드립니다.
추가로 문의드립니다.

(a) 대략적인 공기 흐름은...
'흡입-압축기-제어밸브-반응기-가스냉각 및 제품회수-폐가스소각-최종대기방출' 입니다.
반응기 전단에서 기존과 동일유량으로 Control할 예정이며 반응기 후단에는 제어밸브가 없습니다.
이 경우 반응기 촉매 및 후단 기기들 전체를 제어밸브 역할(개도 동일)로 보고 생각하면 되는 건지요?

(b) 신규 압축기 출구 압력이 기존보다 높게 설계되어 온도도 10도 이상 올라갑니다.
Normal 운전 유량은 기존과 동일하게 하고 Rated capacity는 5% 정도 안전율 적용했습니다.
압축기 자체 보호는 유량, 압력에 따라 자체 서징 방지 PLC 프로그램에 따라 보호되고 있습니다.
만약 (a)항이 맞고 따라서 압력이 기존과 동일하게 된다면 반응기 입구 공기 온도는 어떻게 보아야 할지요?
압력이 떨어짐에 따라 온도도 떨어지는게 맞는지 아니면 온도는 그대로 유지되어 또다른 변수로 보고
압력 변화를 다시 검토해야 하는지요?
아니면 애초에 반응기 및 후단의 조건들이 기존과 동일하므로 압축기 설계압력도 동일하게 적용해야 할지,
혹은 반응기 전단이 아닌 후단에 유량조절 밸브를 달아야 할까요?

설계의 궁극적인 의도는 반응기에 공급하는 공기의 모든 조건은 동일하게 유지하면서 기존 압축기의 문제인
여름철에 서징에 의해 반응기를 제 부하로 운전하지 못하는 증상을 개선하여 압축기를 설계하는 것입니다.
스테파노 Stefano   19-04-04 10:12
(Aa) 반응기 출구 제어밸브가 없으면 반응기의 압력 조절은 불가합니다.  반응기 압력은 질문 후반부에에서 언급한 바와 같은 현상이 일어납니다.  즉  <출구에 연결된 여러 장치와 배관, 밸브, 등에서 걸리는  <흐름저항(압력차)>를 나타낼 때의 <유량>으로 배출되고 있을때 <출구압력>에다  이 <흐름저항(압력차)>를 더한 값으로 유지됩니다 

(반응기 압력) = (출구압력)+(반응기 출구에서 걸리는 차압)  ............(1)

(Ab) 반응기 입구 온도는 압축기 출구의 ,냉각기 (혹은 가열기)>에 의해 (조정)결정된 온도로 공급이 될 터인데  <냉각기(혹은 가열기)>가 설치되어 있지 않는 경우 Compressor 출구온도로 공급되겠지요.  단열압축시 가스 압축시에는 온도가 상승하지만 압축기에서 열손실 혹은 Casing 냉각수등에 의해 냉각되는 효과로 인하여 단열압축시 상승하는 온도보다는 낮은 온도로 상승하는 것이 일반적입니다.  (이 상태를 "Polytropic" Compression 라고 합니다.) 

압축된 가스가 감압기를 거치면서 압력이 떨어지면 다시 온도가 떨어지는데  이는 단열팽창에 의한 냉각효과에 기인합니다.  압력변화폭이 그리 크지 않으면 온도차도 그만큼 크게 나타나지 않습니다.   

(Ac) 반응기에 일정한 유량으로 반응원료가 도입되고,  온도와 압력이 유지되며,  그 조건에서 반응속도가 원하는 전환율과 선택도를 나타내도록하기 위해서는  아래의 세가지는 필수적으로 필요합니다.

(1) Feed 유량조절기
(2) 반응온도 조절기 (가열 혹은 냉각기)
(3) 반응기 압력조절기 (Back-Pressure Regulator)

이들 조절기에 의해 유량, 온도, 압력이 조절되는 조건에서  <기대하는 반응이 일어나고 있는가?>를 점검하는 것이 반응실험연구에 해당합니다.  온도, 압력, 유량이 조절되지 않는 반응기는  운전할 수 없으며  일정온도, 압력, 유량이 유지되는 조건에서 어떤 촉매를 사용하는 것이 좋은가? 어느 온도, 압력, 농도가  가장 적절한가를 찾아낼 수 있으며  그렇지 않으면 아무런 일도 할 수 없지요.

(Ad) 현재 사용하는 반응기에서 유량조절이 문제인가 압력유지가 문제인가?  궁금하기도 하지만 
i) (예전에 사용하던 압축기가 압력을 유지하지 못함으로써 반응기 압력이 낮아 졌는데도  <반응이 잘 일어나고 있었다>고 하면  반응기 처리용량에는 문제가 없었을 터이고   
ii) <반응은 잘 일어나고 있었지만 압력유지가 어려웠었다>고 한다면 반응은 잘 일어나고 있었기 때문에 (Compressor 용량에 맞추어)부하만 줄여 운전해도 되었을 것이며
iii) <반응압력이 떨어졌는데도 반응에 문제가 없었다면>  압축기 용량을 늘여 생산규모를 늘일 수 있었다는 이야기입니다

질문에 설명되지 않은 내용들이 많아서 진정으로 문제가 되는 것이 정확히 무엇인지 추측하는 것은 어려운 일입니다.
따라서 시스템 설명을 정확히 해야만  정확한 진단을 내릴 수 있습니다.    의사는 환자가 솔질해져야 병의 정확한 진단이 가능하지요.
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