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  질소 온도 변화 관련 문의
  글쓴이 : 서짬뽕   고유ID : arahan85     날짜 : 19-12-04 01:40     조회 : 159    
안녕하세요 요근래 자주 질문 드리네요.

다름이 아니라 압력 변화에 따른 질소 온도 변화에 대해 문의 드립니다.
1" 배관을 통해 400degC, 30kg/cm2g, 5,000Nm3/hr 조건의 질소가
ID 2,000mm, Height 9,000mm의 반응기로 공급되며 해당 반응기가 약 1kg/cm2g로 유지 될 수 있도록
대기로 Vent하고 있다면 반응기에서 질소 온도는 어떻게 계산될 수 있나요?

답변을 위해 추가로 필요한게 있으시면 알려주세요. 감사합니다.

스테파노 Stefano   19-12-06 21:32
(1) 초기에 반응기에 들어있는지 가스를 불어내면서  치환하게 될 것이고  반응기 내를 모두 치환하고 나서는 30 kg/cm2의 압력이 단열팽창하면서 1 kg/cm2g 로 압력이 떨어진 후에는 그 온도가 유지되면서 지속적으로 배출될 것입니다.

(2) 만일 반응기내의 가스가 주입되는 질소와 균일하게 섞이고 섞인상태의 공기-질소 혼합물이 배출된다면  Dynamic 상태로 어느정도 유지되면서 온도가 서서히 상승하다가  시간이 지속되면  앞서 설명한 단열팽창 온도가 유지될 것입니다.

(3) 30 kg/cm2 g의 질소가 반응기에 들어올 때는 주입밸브나 노즐에서 Sonic Velocity상태로 유입될 것이므로 5000Nm3/h의 유량을 약 15  kg/kcm2되는 압력에서 노즐단면적을 통해 음속으로 배출되는 것으로 공급하면 됩니다. 

이후 반응기의 압력이 1 kg/cm2g로 유지되도록 한다면 Vent Line을 통하여 유입되는 유량동일한 유량이 흘러나갈 수 있도록 배출뱀르를 조절해 두어야 할  것입니다 .  반응기에서 대기압으로 배출될 경우 차압을 기준으로 유입유량이 배출되도록 하면 되는데  30 KG에서 약 15 KG로 압력이 떨어질때 온도 강하가 일어나면서 달열냉각이 일어나고 계속해서 1k KG로 압력이 떨어질 경우
스테파노 Stefano   19-12-09 16:40
(1) 15 KG에서의 질소가스의 음속(VOS)

30KG에서 15 KG로 갑압시 온도변화,  T2= T1*(P2/P1)^(1-1/γ) .....(1)  γ=Isentropic exponent =1.4 ....(1)
단열팽창후 T2,P2에서의 질소의 음속 = VOS of N2 = 360 m/s (추정값)
Nozzle 통과시 질소의 밀도 =  ρ = P*M/R*T  ....(2)

Orifice 통과 유량 = 5000 Nm3/h = A*(VOS of N2 at Nozzle Outlet Condition) * (Density of N2 at Nozzle Condition) *(22.414/28.0)  .................(3)  이를 22.414 Nm3으로 나투면 N2 몰유량이 됨.

노즐 통과후 다시 대기압가까이 감압되고나면 다시 온도가 크게 떨어져 40~50 (t3로 가정)도 정도로 온도가 떨어질 것입니다.

(2) Reactor에 질소가 유입될 경우 반응기내에서 완전혼합 된 후 동일 유량으로 배출된다고 가정 (반응기 내 가스 누적없다고 가정)하고 온도변화 추정

반응기 초기 질소 몰수 = No,  Nm3
반응기 유입 질소 유량 = 5000 Nm3/h = ni  = no = 유출유량

질소 유입온도 = t3
반응기 초기 온도 = to
반응기 배출온도 = t (시간에 따른 변수)
질소 몰 비열 = Cpm

에너지밸런스:    (반응기 유입열, ni * Cpm * t3) - (반응기 유출열, no * Cpm * t )  =  No * Cpm  * dt/dΘ  ....(4)
위의 4식을 적분하면 Θ 시간동안 온도변화를 수식으로 얻을 수 있습니다.
서짬뽕 arahan85   19-12-13 03:44
질문 올리고 답변을 기다리다가 잠시 잊고 지냈었네요.. 답변 감사합니다.
위 경우에서 설명해 주신대로 계산할 때 Nm3를 각 조건의 실제 부피로 변환해서 계산해야 되는 건가요?
그렇다면 반응기 유출열을 계산하기 위한 부피는 일차적으로 일정 온도를 가정하고 계산해야 되는 것으로 보이는데요..
스테파노 Stefano   19-12-16 15:11
기체의 유량은 항시 온도 압력을 지정하고 계산해야 합니다.  만일 온도조건이 표준상태가 아니라면 표준상태의 부피로 고쳐서 Nm3 단위로 나타내고 보면 가스량을 몰수로 계산할 수 있고 또 분자량을 알면 질량도 알수 있기 때문에 예제의 문제에서도 표준상태의 부피가 용기내에 들어있다고 환산해서 나타낸 것입니다. 

유입되는 유량도 Nm3/h단위로 나타냈기 때문에 단위를 통일했다고 보면 됩니다.  만일 질소유량이 질량단위로 나타냈었다면 반응기내의 질소량도 kg 단위로 나타낼 수도 있습니다.    반응기 내의 질소의 양을 질량으로 알아내려면 우선 표준상태부피로 환산하고  여기에  (분자량 kg/kg-mole)/(22.414 Nm3/kg-mole)을 곱하면 질량으로 환산할 수 있지요.
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