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  반응물 이송펌프 문의
  글쓴이 : 석유화학엔…   고유ID : grape808     날짜 : 19-11-19 15:53     조회 : 129    

안녕하십니까.

석유화학공장에 근무하고 있는 엔지니어 입니다.

Pump 최적화 검토를 진행하고 있으면 제 머리로는 이해가 안되는 부분이 있어 문의 드립니다. 선배님들의 고견 부탁드립니다

하기 그림과 같이 Pump A(Feed 공급 펌프), B(반응물 순환펌프) 가 설치되어 있으며, Vessel A는 반응기로 Liquid Full인 상태 입니다. 반응물은 대부분 반응기로 돌아가며(16inch), 일부 반응물은 3inch Branch 배관으로 이동하여 후단 공정으로 이송됩니다.

질문사항

1. 반응기 후단 Mixer(최고층부 설비)까지 반응물을 이송시키는 펌프가 어떤 펌프인가요?

  • 저의 의견은 Pump B(반응물 순환펌프) Mixer(최고층부)까지 이송하는 펌프로 생각하는데, 임원 분들은 Pump A(Feed 공급 펌프) Mixer까지 반응물을 이송시키는 펌프로 생각합니다. (해당 반응기가 Liquid Full인 상태로 운전되기에 반응물 운송 펌프를 Pump A라고 생각하심)

 2. Pump Impeller Size Down을 검토하려고 하는데 어떤 펌프를 어떻게 진행해야 하나요?

  • Pump A가 반응물 이송 펌프라면 Hydraulic을 어떻게 진행되어야 하는지 모르겠습니다. 중간에 Liquid Full Vessel A(반응기) Pump B(반응물 순환펌프)가 있어 Pump A부터 Mixer(최고층부)까지 어떻게 장치 D.P를 계산하여 Pump A의 적절한 Impeller Size을 구해야 하는지 문의 드립니다.

  • Pump B가 반응물 이송 펌프라면 Hydraulic을 계산할 수 있고 계산이 되었습니다

 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.


마고르 33dhkstn   19-11-19 17:11
1) pump B 입니다. A면 B가 필요없지 않을까요.
2) 계산된 pump B로 진행하시면 될 것 같습니다.
수고하세요
     
석유화학엔…    19-11-20 10:05
답변 달아주셔서 감사합니다.
저도 답변과 같이 생각하는데 이 내용을 어떻게 임원진을 설득해야 할지 어렵네요.
고맙습니다.
Stefano    19-11-20 10:58
(0) 그림상으로 살펴보면
Pump A는 Vessel A에 일정한 액면(혹은 유입 유량)을 유지하기 위한 목적으로 사용되는 펌프이고  Pump B는 반응물을 VesselA에 순환하기 위한 목적의 Pump입니다. 

(1) Vessel A가 만일 압력이 걸려있지 않다면 Pump B가 3" Line을 통하여 Mixer 위치로 Pumping 해서 올려보낼 수 없습니다.  왜냐하면 반응기 순환 펌프 (Pump B)에의해 반응혼합물이 순환되고 있는 과정에서 VesselAl로 흘러가는 16" Line에 의해 배출압력이 거의 걸리지 않게 됩니다.  따라서 이럴 경우 PumpB의 배출압력이 아무리 높더다도 3"로 분기되는 곳에서는 압력이 거의 걸리지 않게되어 Mixer로 올려보낼 수 있는 압력이 될 수 없습니다. 

그러나 만일 16"관에서 3"관으로 분기되고난 16"관에 만일 저항을 줄 수 있는 Restriction Orifice라든가 Valve가 달려있다고 한다면 분기점에서 압력이 나타나기 때문에 이를 3"관을 통해 Mixer로 보낼 수 있습니다.  그리되어 있지않고 Vessel A에도 압력이 걸려있지 않다면  절대로 Pump B를 이용하여 Mixer로 Liquid를 올려 보낼 수가 없습니다.

(2) Vessel A 반응기가 Liquid Full인 상태라고 한다면 (Pump A의 배출액, 촉매용액, 반응기 순환액등) 여러 액의 흐름에 의해 압력 Fluctuation이 발생할 요소가 있기 때문에 반드시 Vessel A에는 기상부분(이를 흔히 "Disengaged Zone"이라고 말합니다)을 두어 이들 압력 Pulse를 완충할 수 있도록 해 주어야 합니다. 

이 Vessel에 (완충된 상태의)압력이 4KG로 걸려있게 되면 이 압력이  16"반응기 순환관에도 압력을 유지하면서 순환반응액의 일부를 Mixer로 올려보낼 수 있습니다. 

이럴 경우에는 Pump A가 반응기(Vessel A) System 전체에 압력을 4KG가 걸릴 수 있도록 유지하는 역할을 하게되는 것이고 이 순환액의 일부를 Mixer로 순환할 수 있게 하기도 합니다.

(3) 필자의 결론은
위의 (1),(2)의 경우를 보면 Pump A가 Mixer로 공급하는 역할을 한다고 봐야 합니다.  그 이유는 바로 이렇습니다.

1) Pump B가 반응기 순환관 16"에서 3"로 분기된 후  Mixer로 액을 보낼 수 있으려면 16" Line에 RO나 밸브를 달아두어야 하는데  이 큰 관에 이들을 달아두는 것이 효과적일 수가 없습니다.  16"관은 3"관에 비하여 아주 큰 관이기 때문입니다. 

2) Vessel A(반응기)에 압력이 약간만 걸려 있으면 반응액을 순환관 어느 위치에서나 Mixer로 앨을 보낼 수 있습니다.  심지어  (별로 좋은 방법은 아니지만) Pump B의 Suction에서 Mixer에 연결되어 있으면 액이 이송될 수 있습니다.

3) Vessel A에 System압력이 유지된다면 Mixer로 연결시키는 관을 기상에서만 연결하지 않으면 액을 Mixer로 충분히 보낼 수 있습니다.  이럴경우 Pump B는 역할과는 전연 무관합니다.

(4) 결론적으로...
1) 임원진의 생각이 맞습니다. 
2) Pump B에 이송능력을 부여하려면 16"관에 RO혹은 밸브를 달아두어야 합니다. 
3) Vessel A(반응기)에는 액이 완전히 차 있지 않아도 됩니다.  액이 완전히 채워져 있으면 압력출렁임으로 인하여 운전할 수 없고 심하면 시스템의 취약한 부분에서 파손될 수 있습니다. 
4) Pump A Hydraulic은  Pump A 유량을 Vessel A의 압력으로 올려주는 역할을 해야 하고 이 압력은 액을 Vessel A액면에서 Mixer위치까지의 Head차와 Surge Drum B의 압력 및 3"배관에서 나타내는 압력손실을 더한 값보다는 반드시 커야 합니다.  여기에 유량조절을 위한 여유압력이 더 필요하지요.

Vessel A의 압력 = Vessel B의 압력 + Vessel A 액면~Mixer 간 Head차(압력) + 3" 배관의 압력손실 + 약간의 여유치....(1)

5) Pump B에 이송능력을 기대 혹은 부여하는 것은 포기하는것이 옳습니다.

Pump B 의 차압 은 순환관 압력손실 + 열교환기 압력손실 ........................(2)  Mixer 높이는 무관
     
석유화학엔… grape808   19-11-20 11:41
스테파노님 답변 주셔서 감사합니다.
이해가 안되는 부분이 있어 추가 질문 드립니다.

(4)-4) 답변 부분이 잘 이해가 되지 않습니다. 현재 Vessel A와 B는 동압으로 운전되고 있습니다. (4KG)
(1)의 공식이 성립이 안되는데 어떻게 이해 해야하는지 문의 드립니다. 
또한, Pump A Hydraulic과 관련하여 공식이 아래와 같은지 문의 드립니다.

- Pump A의 필요양정 = Vessel A 액면~Mixer 간 Head차(압력) + 3" 배관의 압력손실 + Pump A 후단 Control Valve 압력손실+여유치, 즉 Pump A 후단 압력 - Mixer (최상부) 압력이 Pump A의 양정이 되는지 문의 드립니다.

(4)-5) Pump B는 단순히 반응물 순환 목적으로 Hydraulic 계산 시 아래와 같은지 문의 드립니다.
Pump B의 필요양정= 순환관 압력손실+열교환기 압력손실+ Pump Center Line~반응기 순환관 Head차(압력)으로 계산되는지 문의 드립니다.

감사합니다.
스테파노 Stefano   19-11-20 11:58
(1) Vessel B의 압력은 Vessel A에서 이송되는 액에 의해 압력이 유지되어야 하기 때문입니다.
B의 압력이 높다면 액을 펌핑해서 보낼 수가 없잖아요.

(2) Vessel A와 B가 동압으로 운전된다는 의미가 액이 이송되어나타내는 운동에너지가 압력으로 나타난다는 뜻일 터인데 그리 압력을 측정하는 기기는 Pitot Tube같은 계장기기에는 일부 있을 수 있지만 그리 압력을 측정하면서 운전되는 공정기기는 존재하지 않을 것입니다. 

(3) Pump A의 필요양정은 아래와 같이 계산되고

Pump A의 필요양정(압력) = Vessel A의 압력 + Surge Drum~Vessel A간 액면차(압력) + Pump 흐름도관에서의 전체 압력손실 + Control Valve의 압력손실 + 여유치 ...........(1a)

위의 Vessel A의 압력은 다시 앞선 답글의 (1)식과 같음으로 이를 대입하면

Pump A의 필요양정(압력) = {Vessel B의 압력 + Vessel A 액면~Mixer 간 Head차(압력) + 3" 배관의 압력손실 + 약간의 여유치}  +  {Surge Drum~Vessel A간 액면차(압력) + Pump 흐름도관에서의 전체 압력손실 + Control Valve의 압력손실 + 여유치}
=  {Vessel B의 압력 + Vessel A 액면~Mixer 간 Head차(압력) + 3" 배관의 압력손실 } +  {Surge Drum~Vessel A간 액면차(압력) + Pump 흐름도관에서의 전체 압력손실 + Control Valve의 압력손실 } + 여유치 .........(1b)

와 같이 되어야  Vessel A에 유량이 흘러들어갈 수 있고 또 이 압력에 의해 Vessel B의 압력을 이기고 Head와 차압손실을 이기고 이송이 가능해 집니다.

(4) 맞습니다.  순환관이 하부 노즐에서 Vessel A의 Vapor Zone으로 흘러들어갈 경우라면 이 Head 차이도 더해 주어야 하지요 .  그러나 Vessel A의 액면에 연결된 노즐에 순환되는 경우(액이 가득찬 경우도 해당함.)라면 액면의 Head 차이는 없습니다. 

그리고 다시 반복하자면... Pump B의 Hydraulic 계산에 Mixer의 높이나 3"배관 압력손실 및 Vessel B의 압력은 전연 무관합니다.
     
석유화학엔… grape808   19-11-21 09:43
스테파노님 친절한 답변 감사합니다.

답변들을 5번 꼼꼼히 읽어보았는데 몇 가지 사항이 이해가 안되어 문의 드립니다.

1. 압력 측정은 각 Vessel A(반응기) 및 Surge Drum B 상부에 PT가 있어 DCS에서 확인이 가능합니다.
    실제 Surge Drum B 압력이 Vessel A 압력과 동압 또는 큰데 불구하고, 반응물은 Surge Drum B로 흐름이 발생합니다.
    알려주신 이론과 실제와 차이가 발생되는 이유가 정확히 모르겠습니다.
    - 그림에는 그리지 않았지만 순환 배관 16"에서 3"로 분기된 후 16" 배관에 Stactic Mixer(장치 DP 0.3KG)가 있습니다. 해당 장치가 16" Line에 RO나 밸브 역활을 하여 Pump B가 운송역활이 되는지 궁금합니다. (Stactic Mixer가 반응물 흐름에 큰 영향을 미치지 않을거라 생각하여, 중요시 생각하지 않았는데 흐름을 방행하는 장치여서..기입합니다. 사전에 정보를 드리지 못해 죄송합니다. 그림 수정이 안되어 해당 게시물에 답글로 수정된 그림 올렸습니다.)
 
2. Pump B (반응물 순환 펌프)의 Hydraulic 계산을 실시 했는데 실제 데이터와 1.5KG 차이가 발생 했습니다.
    Branch 되는 3" 배관으로 일부 압력이 빠져나가 오차가 발생되는지 문의 드립니다.
    - Pump B 토출압력(10.5KG) - 최고층부 도달압력(4KG, 반응기 돌아가는 16"  Inlet Line=반응기 압력)= 6.5KG (측정값)
    - 순환 배관의 장치 압력 손실(4KG, 열교환기)+16" 배관압력 손실(0.6KG)+위치압력 손실(0.4KG, Vapor Zone으로 Inlet Line 가정)= 5KG (계산값)

3. Pump A의 필요양정에서 Pump 흐름도관에서 전체 압력 손실이란게 16" 배관 압력 손실을 포함되는 지 문의 드립니다.
    -Pump A Dischage To Vessel A 4" 배관손실+16" 순환배관 손실+3" (16"->3" Branch) 배관손실=Pump 흐름도관 전체 압력 손실??


참고로 Pump A(반응기 Feed 펌프, 60m3/hr)는 Pump B(반응기 순환 펌프, 1600m3/hr) 대비 매우 작은 펌프 입니다.
괜찮으시면 유선으로 인사드리고 문의 드리고 싶습니다. 문자 주시면 감사하겠습니다. 감사합니다.
전화 번호 : 010-2471-0017
스테파노 Stefano   19-11-21 23:16
(1)3" 분기된 후 배관에 저항을 줄 수 있는 Static Mixer가 있으면 분기점 부분에 정압이 나타날 수 있고 이 압력이 Mixer 쪽으로 흘러갈 수 있는 압력을 나타낼 수 있습니다.  이 압력은 Vessel A의 압력을 포함합니다.  만일  Vessel A와 B의 압력이 같은상태에서 Static Mixer의 차압이 0.3 KG라고 한다면  분기점에서의 압력은  Vessel B측으로  물을 3 m 정도 품어올릴 수 있는 압력은 됩니다.    그렇지만 필요한 유량만큼 흘려 보낼 수 있으려면  그유량에서  3"배관의 차압과 Vessel B의 압력 만큼 더 s,높은 압력이 필요합니다.  단순히 흘러가도록 할 수 있는것과 필요유량을 펌핑할 수 있다는 것은 별개의 이야기입니다.    아래는 모든 압력밸런스 라인을 망라한 관계식입니다.

Pump A Suction  압력 = Surge Drum 압력 + Surge Drum 액면 펌프흡입노즐간 정압 - Pump Suction Line 차압(압력손실)
Pump A Discharge 압력 = Pump Suction A 압력 +  Pump A 배출관 압력손실(차압)+ Vessel A 압력
Vessel A압력  = Vessel B의 압력 (가정)
Pump B Suction 압력 = Vessel A압력 + Suction Head차 -Suction Pressure Drop
Pump B Discharge Pressure= Pump B Suction 압력+ Pump Suction Line Head (VesselA 와 Pump간 정압)+16"배출관 차압+16"Static Mixer 차압
16" Static Mixer 입구압력 = Vessel A압력 - 16" Static Mixer 차압
16" Static Mixer 입구압력 =16" Mixer ~배관분기점간의 정압+분기점~Mixer간 Head차압+Mixer차압+Vessel B의 압력

(2)  Pump B의 흡입측 압력(Ps)에 펌프가 만들어낼 수 있는 차압을 더하면 펌프 배출압력(Pd)이 되는데 이 압력은 순환관배출관의  차압과 Static Mixer의 차압과 평형을 이루는 압력과 같아집니다.  더 이상의 압력은 걸리지도 않습니다.

Vessel A와 Vessel B의 압력이 같다면  0.3 KG로 3m정도 품어올릴 수 있고 필요유량을 위한 추가 압력손실을 필요로 한다는 것이지요.    이 순환관의 분기점에서의 압력이 어느정도 되어야 (1)에서 필요한 유량을 보낼 수 있는 것이고 Vessel A와 Vessel B간의 액면차에 의한 정압차 이상이 되지 않으면 흐름자체가 형성되지 않습니다.

(3)<Pump B (반응물 순환 펌프)의 Hydraulic 계산을 실시 했는데 실제 데이터와 1.5KG 차이가 발생 했습니다.>
=> 순환관 차압에 열교환기 차압이 포함되어야 합니다.  계산착오가 있다거나 고려하지 않은 압력와 열교환기 차맙+순환관 차압이 1.5 kg/cm2라는 이야기이지 차압에 절대 대기압은 포함되지 않습니다. 

< Branch 되는 3" 배관으로 일부 압력이 빠져나가 오차가 발생되는지 문의 드립니다>
=> 3"배관에 압력이 빠져나가는 량의 크기는 3"관 배출관에 걸리는 전체 압력차과 같습니다.  빠져나간 유량만큼 줄어든 유량이 16" Static Mixer 차압으로 나타납니다. 

< Pump B 토출압력(10.5KG) - 최고층부 도달압력(4KG, 반응기 돌아가는 16"  Inlet Line=반응기 압력)= 6.5KG (측정값)>
=>Pump B토출압력이 10.5 kgf/cm2 걸리고 잇다는 것은 배출측배관 압력손실+열교환기 압력손실+16"Static Mixer의 압력차에 사용되고 게다가 Vessel B의 압력도 포함됩니다. 

Vessel A와  Pump B,  순환관 내에 Vessel A의 기상압력이 모두 걸리게 되고 게다가 Vessel A의 액면에서 점검하는 곳까지의 정압차가 더해져서 나타납니다.  압력차와 절대압력을 구별하여야 합니다. 

<순환 배관의 장치 압력 손실(4KG, 열교환기)+16" 배관압력 손실(0.6KG)+위치압력 손실(0.4KG, Vapor Zone으로 Inlet Line 가정)= 5KG (계산값)>
=>순환배관의 압력손실이 4 kgf/cm2 라는 것은 엄청나게 큰 압력차입니다.  계산에 오류가 있을 것입니다.
위치압력손실은 순환배관 에서 나타날 수 없습니다  액에 걸리는 정압과  차압을 구별해야 합니다.  순환관에는 위치압력손실이 발생하는 것이 아니라 Vessel A의 압력에 Vessel A~순환관 임의의 위치까지의 높이차에 의한 정압이 더해지고 있습니다.

(4) <Pump A의 필요양정에서 Pump 흐름도관에서 전체 압력 손실이란게 16" 배관 압력 손실을 포함되는 지 문의 드립니다.>
=> Pump A의 필요양정은 (Vessel A압력 - Surge Drum 압력)+(Suge Drum~Vessel A 투입노즐간 정압차)+ (Pump Suction~Discharge간) 압력손실이면 됩니다. 

수없이 반복하여 언급하고 있지만  Pump A의 양정과 16"순환배관 압력손실과는 "전혀"무관합니다.
<Pump A Dischage To Vessel A 4" 배관손실+16" 순환배관 손실+3" (16"->3" Branch) 배관손실=Pump 흐름도관 전체 압력 손실??>
=> Pump A Discharge압력은 Vessel A의 압력유지에 사용되고 Pump B가 가동되지 않는 상황에서 16" 배관에 3"배관에 흐르는 유량이 흐를때 16"배관에 걸리는 차압이 더 걸릴 수 있고 Vessel B의 압력에다 3"배관에 흐르는 배관의 차압과  Mixer높이에 따른 정압차에 사용되며 그이상의 압력이 걸릴 필요가 없습니다.  16"배관에 3"배관유량이 흐른다면 압력차는 거의 없습니다.
3"배관에 필요유량을 흐르게 할 경우 16"에 16"배관 유량이 흐를 필요는 전혀 없습니다.

(5) Pump 유량차가 더 나더라도 Pump A가 필요로 하는 유량은 Pump B의 유량이나 차압은 전연 관련이 없습니다.
압력과 정압 및 정압차를 혼동해서 시스템을 이해하면 안됩니다.  맥주병 상부의 압력과 맥주병 바닥의 압력은 다르다는 것이 정압차가 있다는 것을 말하는 것이고 맥주병을 따지 않고 흔들었을 때 맥주가 출렁이는 것은 액의 흔들리는 차압정도만으로 일어나는 미세압려차로 인해 나타나는 현상이고 맥주병을 딸 때 펑하고 나는 소리는 내부압력이 걸려있었다는 것을 의미합니다.  이들셋은 닫힌 계에서 함께 일어나는  현상입니다.    시스템의 압력, 정압, 압력차에 대해 혼동하고 있으면 시스템을 전혀 이해할 수 없습니다.

시스템 이해가 혼동스러울 때 혼자 몽상에 빠져 헤어나지 못하는 것보다 주변 동료 혹은 선배엔지니어 들의 도움으로 이해해 보려는 혜안이 필요한다고 봅니다.
스테파노 Stefano   19-11-25 12:12
Pump B 가 반응액을 순환시키고 있고 이 16"순환관에서 3" 이송관으로 분기되어 Vessel B로 이송하는 것으로 라인이 연결되어 있어서 혼동스러워 보이는데  Pump B는 Vessel A 내에서 혼합해주는 교반기 역할만 하고 있다고 간주해 보면 간단히 이해될 수 있습니다.

Vessel A와 Vessel B 간 압력차가 없다고 하면 액이 스스로 중력장을 이기고 올라갈 수가 없지요.  따라서..
Pump A는 System 압력상으로는 Surge Vessel A~Surge Vessel B간의 압력차를 만들어낼 수 있어야 하고
Pump A Suction, Discharge Line,  16"관의 일부(3" 분기후 Vessel A로 연결된관)에서의 차압,  3" 상승관에서의 차압
Static Mixer 차압을 이겨낼 수 있어야 합니다.  이들  각 구간별 배관경과 유량에 따른 차압을 계산하여 더해 주면 됩니다.
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