자동로그인
컨텐츠 | contents
일반게시판
Q&A게시판
공학 S/W
스터디 | study
단위환산
농도계산
일반화학
화공일반
화공실무

   
  Propylene Ball Tank에 달려있는 Evaporator 동작 목적에 대해
  글쓴이 : 낭만고양이   고유ID : kornight     날짜 : 19-11-29 09:51     조회 : 58    
Propylene Ball Tank BTM의 Liquid가 Evaporator(Vertical Type Heat Exchanger)로 들어가서 Low Pressure STM에 의해 증발되어 Vapor가 다시 Ball Tank로 연결돼 있는 구조 입니다.
 
이때, 제가 이해하기로는 Evaporator의 역할은 Saturated Condition의 Tank 내부로 고온의 Propylene Vapor를 공급해서 Tank의 Vapor Space를 유지하고 대기온도에 따른 Saturated Condition 보다 압력을 높게 유지하기 위함으로 판단 됩니다.
 
헌데, Propylene을 대기온도에 따른 Saturated 압력보다 높게 유지하려면 이상적으로는 Propylene Tank에 Coil등을 꽂아서 자체의 온도를 높여줘야 할텐데, 그렇게 하지 않고 Hot Vapor만 공급해서 높은 압력을 유지하는 것은 아래의 장점이 있다고 판단 됩니다. 이 판단이 맞는지 알려주시면 감사하겠습니다.
 
1. Coil등을 꽂아서 Tank 내 Liquid+Vapor 모두의 온도를 올리는 것보다 Vapor의 온도만 올려서 공급하는 것이 에너지를 더 적게 쓸 수 있음. (Vapor온도가 높으면 일단 고압 유지가 가능하고 Liquid까지 가열하지 않아도 되므로)
 
2. Tank를 여러개 사용할 경우, Service 되는 Tank에만 Hot Vapor Line을 연결하여 Service하면 되므로 Evaporator 1기로 여러개의 Tank에 대응 가능 = 설비비 감소
 
단, 이 경우 고온의 Hot Vapor와 저온의 Liquid 사이에 계속 열교환이 일어나서 Vapor 온도가 낮아지며, 또한 Evaporator에서 Tank까지의 Line에서 오는 열손실 등이 있으므로 Evaporator는 계속적으로 가동해줘야 할 것으로 보이지만 전체적인 열량 소모는 Tank 내부에 Coil을 운전하거나, Propylene을 뜨거운 상태로 저장하거나 하는 것보다 적을 것 같습니다.

스테파노 Stefano   19-11-29 12:18
(A0)  답변을 효과적으로 하기 위해  질문에 대한 직답을 먼저 올려둡니다.  < > 부분은 질문을 인용한 부분이고 =>표시 이후가 그에 대한 답변입니다.  구체적으로 문제의 핵심을 나누어 답하는 것이 이해에 도움이 될 것으로 봅니다.

<..Evaporator의 역할은 Saturated Condition의 Tank 내부로 고온의 Propylene Vapor를 공급해서 Tank의 Vapor Space를 유지하고 대기온도에 따른 Saturated Condition 보다 압력을 높게 유지하기 위함으로 판단 ..>
=> 이는 아래의 답변 (A1항)에서 자세히 설명해 둡니다.

<..이상적으로는 Propylene Tank에 Coil등을 꽂아서 자체의 온도를 높여줘야 할텐데, 그렇게 하지 않고 Hot Vapor만 공급해서 높은 압력을 유지..>
=>고압탱크 내부(혹은 외부)에 Coil을 두어 시스템을 복잡하게 하는 것은 결코 바람직하지 않습니다.  고압장치는 될수 있는대로 단순한 내, 외부 구조가 되어야 제작실수를 방지할 수 있고 국부집중 Stress를 방지할 수 있기 때문입니다. 

그러나 이 시스템에서 내부코일 삽입시 더 문제되는 것은 다음 두가지 이유입니다. 

1) 내부의 가열부하가 줄어들었을 때(즉 액을 배출하지 않고 있는 상태) 코일에 공급되는 스팀이 계속 공급되다면 액의 온도가 줄곳 상승하여 액의 증기압 상승으로 인해 압력이 설계압력 이상으로 크게 올라갈 수 있습니다.   

Ball Tank의 대개 설계온도는 대략 -50 ~+60℃ 내외에서 설계되는데  LP Steam에 의해 액의 온도가 설계온도 이상으로 상승하게 되면 액의 증기압으로 인해 설계압력을 초과할 수 있습니다.  따라서 가열코일을 내부에 두지 않는 것이 만일의 상황에서 잘못 가열되는 것을 방지하는 것이 됩니다.

2) 내부에 Steam 가열기를 두었다가 액의 온도가 영하로 떨어지면 응축수분의 동결로 코일이 파손될 우려도 있습니다.  동파되면 Steam으로 고압의 프로판이 유출되는 사고가 발생할 수 있지요.  이런 이유로 설령 Coil을 삽입한다고 해도 직접가열은 불가하고 간접가열에 의한 열매를 사용한 코일이 사용되어야 합니다.   

(A1)  <..Liquid+Vapor 모두의 온도를 올리는 것보다 Vapor의 온도만 올려서 ..>
=>Liquid를 가열하여 온도를 높이려는 의도가 아니고 액의 일부를 증발시켜 그 늘어난 증기부피를 Ball Tank에 채워줌으로써 Tank내에 어느정도 압력을 유지하도록 해 주어서 액이 배출될 수 있도록 하기 위함입니다.  Vaporizer의 압력이 일정하게 유지되는 한, 액의 일부를 배출하여 가열해도 증발하는 온도는 기-액의평형에 의해 온도는 변함이 없습니다.   

 <.. Vapor의 온도만 올려서 공급하는 것이...>
=>앞서 설명한 것처럼 온도를 올리는 목적이 아니고 액을 증발시키기 위한 것이고 이 증발된 증기를 Tank에 되돌려 보냄으로써 액의 배출에 따른 Tank내 압력저하를 증기부피로 보상해 주기 위함입니다. 

만일 액이 배출됨에 따라 기상의 부피가 늘어나면서 압력이 낮아지면 프로필렌의 일부가 증발하게되고 증발하게되면 스스로 액의 온도가 떨어지고 그에따라 탱크의 압력이 점점 더 낮아지면 액의 배출유량이 크게 줄어들거나  부분진공이 걸려 액의 배출이 불가능해 질 수도 있습니다. 

또한.. 증기 온도가 Tank 액의 온도보다 높다고 하면 증기가 Tank 내에서 급냉되어 일종의 Knocking현상에 의해 압력충격을 유발할 수 있으므로 고온증기로 되돌려 보내서는 안됩니다.  따라서 "Hot Vapor"라는 용어는 적어도 이 시스템에서는 적절하지 않습니다. 

<.. 에너지를 더 적게 쓸 수 있음. (Vapor온도가 높으면 일단 고압 유지가 가능하고 Liquid까지 가열하지 않아도 되므로)..>
=> Vapor의 온도상승을 위한 현열공급 에너지가 잠열에너지보다 낮다고 판단해서 Vapor 온도를 높이려는 것은 앞선 설명처럼 적당하지 않고 설령 온도를 높이려고 한다면 Vapor Superheater가 추가로 필요하지 Vaporizer만으로는 불가능하지요. Vaporizer는 Isothermal 상태로 운전되는 기기에 해당합니다.

(A2) <..Evaporator 1기로 여러개의 Tank에 대응 가능 = 설비비 감소>
=>아주 적절한 표현이고 정확한 판단입니다.  여러개의 Vaporizer를 둘 필요가 없습니다.  증발된 증기도 한번에 어려 탱크에 연결해 두면 자동적으로 균일한 압력을 유지할 수도 있습니다.  Evaporator Suction Header를 한데 묶어두면 Tank 액면까지도 균일하게 유지할 수 있습니다.


위의 내용을 일괄하여 전체를 한마디로 요약하여 답하자면... 내부에서 자체 증발해야 하는 양(=배출된 액의 부피) 만큼의 (같은 온도 상태의) 증기를 공급하는 목적으로 사용됩니다.

***<P.S.> 엔지니어가 갖추어야 할 기본습관  ***

이 질문을 올리고 있는 낭만고양이 님처럼...현장에서 항상 시스템에 대해 의문을 가지고 "왜 그리 설계되었는가 ?"라고 스스로 질문해 보고 그에 대해 논리를 정리해 나가는 습성은 엔지니어들에게 바람직한 아주 좋은 습관, 기본소양입에 해당합니다.

이런 접근법으로 적어도 신입초년생이라고 할지라도 수년간 근무하다 보면 아주 귀중한 현장근무 경험을 축적함으로써 고급엔지니어로 발돋움 할 수 있고 무엇보다도 공정 설계원리에 대한 기본철학에 대해 일가견을 가질 수 있습니다. 

그리고 나서 공정트러블 문제해결방법과 공정 시스템 해석능력을 갖추게 되면 세계최고수준의 엔지니어로 성장할 수 있습니다.  반드시 엔지니어가 아니라고 해도 꾸준히 스스로 질문해 보고 자기성찰을 게을리 하지 않는 사람은 반드시 크게 성장할 수 있습니다.     

좋은 회사에 취직을 했는데도 단순히 시간만 경과(?)하는 근무태도로는 20~30년 근무해 본들 중급엔지닝어 정도의 지식 습득에 불과하고 선무당이 사람잡는다고 고지식하고 어정쩡한 기술지식들을 잘못 후배들한데 전수하는 바람에 기술의 본질에 접근할 수 없고 선임자들의 지적능력수준을 능가할 수 없는 상태로 전락하고 말게 됩니다.
     
낭만고양이 kornight   19-11-29 15:45
답변 감사드립니다.
Tank 내부 압력을 Saturated Condition보다 올리려고 하는게 아니라, 그냥 Drain되는 Liquid로 인한 Space 만큼 보상을 해줘서 추가적인 온도-압력 하락을 방지하는 목적이었군요. 설치 목적을 잘못 알고있는 상태에서 고민을 하다보니 엉뚱한 답을 찾았습니다.

한 가지 의아한 부분은, Vaporizer Datasheet를 보면 Propylene Outlet측의 Operation 온도가 150도로 설정이 돼있다는 것입니다. 이때문에 단순히 상변화만 발생시키는게 아니라 Superheated Vapor Propylene을 만드는 장치라고 판단을 했는데, 스테파노님 말씀처럼 가압이 아닌, Liquid Drain에 따른 체적 보완을 통한 온도-압력 하락 방지 목적이라면 잘못 기재가 돼있는 부분이겠네요.

현장에서 동절기 Tank 압력이 낮아지면 Pump Cavitation과 이송불가 문제가 생길 수 있다고, N2 Pressurizing등이 필요하다고 하여서 봤더니, Pump 자체에 NPSHr이 작고 Tank LLL에서 이미 NPSHa가 충분하며, Min. Flowrate에서 Head Performance가 충분해서 그럴리가 없는데... 하다가 Vaporizer가 혹시 Pressurizing을 해야 하는데 제대로 안돌아가서 그런건가? 싶은 생각에 질문을 하게 되었습니다.

감사합니다.
스테파노 Stefano   19-11-29 16:32
Vaporizer 운전압력, 설계압력을 조사해 보도록하세요,  기-액 평형으로 증발이 일어나고 있다면 그 온도에서의 증기압으로 배출될 것입니다.  150도라고 하면 Propylene의 임계온도(92℃)를 훨씬 초과하는 온도에 해당하고 이 온도로 탱크에 증기가 주입된다면 Ball Tank 액이 계속해서 가열되어 압력이 크게 상승될 우려가 있습니다.  문제가 심각해질 수 있습니다. 

Propylene Outlet 온도라면 잘못 기재된 것이고  이는 아마 Condensate 배출온도를 잘못 기재한 것으로 보입니다.  Tank 배출Pump의 배출량에 문제가 있다면 Ball Tank의 내부 압력을 확인해 보도록 하세요.  만일 압력이 낮다면 해당 증발기 스팀량을 늘여서 증발량을 늘여줘야 할 것입니다.
     
낭만고양이 kornight   19-11-29 17:17
제가 봤을 땐 사실 아무런 문제도 없는데, 운전 부서에서 NPSHa에 대해서 잘못 이해하여 Tank 압력을 NPSHa에 연관지어 생각한 것 같습니다. Pump 배출량도 사실은 문제가 없고, 배출 압력도 Propylene 접수측 Feed Flowrate Control Valve Opening에 충분한 여유가 있어서 동절기 Tank 압력이 더 내려가도 문제가 없어 보입니다.

Tank 온도도 외부 온도와 거의 동일하기 때문에 증발기 증발량도 문제가 있는건 아닌 것으로 보이구요.

답변 감사드립니다.
스테파노 Stefano   19-12-02 19:48
Propylene의 비점이 -48℃ 정도이기 때문에 상온에서도 탱크내 압력이 있다고 해도 동절기 온도가 낮을 경우 압력이 낮아져서
프로필렌 공급펌프의 차압 여하에 따라 배출압력이 부족하거나 충분한 유량을 공급하지 못할 수도 있지않나 생각됩니다. 
Antoine Equation으로 개략 계산해 보면 0도에서 25도까지 증기압이 2배가량 차이가 납니다. 

이따금씩.. 냉동기 시스템의 경우에도  온도가 너무 떨어지면 Expansion Valve의 액냉매유량이 줄어들어 제동능력이 떨어지는 현상이 나타나기도 합니다.  이럴때는 Hot Bypass를 이용하여 Expansion Valve 앞 압력을 높여주어서 해결할 수 있는데 

본 시스템에서도 증기를 Ball Tank에 넣어주는 역할은 냉동기에서 Hot Bypass를 열어줌으로써 팽창변에서 차압이 너무 떨어지지 않도록 방지해주는효과를 나타낼 수 있습니다.  시스템에 문제가 없으면 다행이겠으나 동계절 온도저하로인한 액공급 유량 혹은 압력강하 현상이 발생한다면 Evaporator 부하를 늘여줌으로써 <냉동기의 Hot Bypass와 같은 효과로> 해결할 수 있을 것입니다.     

온도에 따른 포화증기압(대략)
t℃    -10    -0      10    15    20    25
bara  4.3  5.9    7.8    9.0  10.2  11.6
코멘트입력
   

Copyright 1999.07.10-Now ChemEng.co.kr & 3D System Engineering. (mail : ykjang@naver.com, call 010-4456-8090)