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  펌프 Discharge 유량 변화에 따른 후단 용기에서의 압력 변화
  글쓴이 : 히치호크   고유ID : dltkddbs1002     날짜 : 20-02-04 16:26     조회 : 292    
안녕하세요,
석화사 현업에 종사하며, 잘 풀리지 않는 문제에 대해 항상 좋은 답을 얻어가고 있습니다.
 
최근 아래와 같은 현상이 일어나는 부분에 대한 해석에 어려움을 겪고 있습니다.
 
1. Pump Discharge 압력은 유지되는 조건에서 유량이 기존 100%에서 80%가량으로 감소
   (이송 유체는 몇가지 물질이 섞인 Mixture임)
2. Pump Discharge 에 △P를 유발하는 설비로, Orifice Type 유량계, 열교환기, Control Valve가 순차적으로
   설치되어 있음
3. Control Valve 후단에는 CSTR 반응기가 있으며, Pump Discharge 유량을 80%로 감소시켰지만,
    CSTR 반응기의 Level은 60%수준으로 유지시키며, CSTR 온도도 유지하였음, CSTR에서 Mixture는
   발열반응이 일어남.
 
이 상황에서 CSTR 반응기 상부에 설치된 압력계의 값이 감소하였습니다.(기존 대비 약 70%)
 
유량이 줄어들면, 그로인해 Orifice, 열교환기, Control Valve에서의 △P 손실도 줄어들어 CSTR의 압력이 올라가며 CSTR Vent Valve(PIC Control) Opening이 증가할 것으로 예상했는데, 반대의 현상이 일어났습니다.
 
CSTR 내부 온도를 외부 열원을 이용하여 일정하게 유지시켰기 때문에, 해당 온도에서 Liquid의 증기압이 감소하지는 않았을 것 같습니다.
 
제가 생각하는 예상원인은, 아래 두가지 입니다.
1. Mixture의 조성변화로 인한 증기압 변화
2. Mixture가 CSTR에서 발열반응을 하는데, Load가 100% -> 80% 로 줄어들며, 발생되는 열에너지의 감소
   : Load는 줄어 확보할 수 있는 발열에너지는 줄었지만 CSTR Level을 유지하였기때문에, 온도가 떨어질 수
    있어 CSTR 외부의 Hot Oil Jacket을 이용하여 온도를 보상하였기 때문에, 이 부분은 가능성이 낮아보임
 
예상원인 둘 다 정답이 아닌 것 같은데,
어떤 부분을 확인해봐야 할지 알려주시면 많은 도움이 될 것 같습니다.
 
항상 감사합니다.
 
 

스테파노 Stefano   20-02-06 13:24
(1) 질문을 대략 간추려 요약하자면..
CSTR 반응기에 액상원료를 사용하여 발열반응을 일으키는 반응기에서 유량이 줄었는데도(a) 반응기 온도는 유지되고 있고 (b)반응기 상부에 설치된 압력계가 내려갔고  (3) Vent Valve Opening이 줄어 들었다는 현상을 발견하고  그 원인을

i) 반응혼합물 조성변화에 의해 압력 감소
ii) 반응열 감소에 의한 열량축소

이 두가지 중의 하나 일 것으로 추측하고 있습니다

(2) 예상되는 답을 먼저 설명하자면.. 

가) 해당시스템에서 펌프 유량이 유지되더라도 후단에 연결되어 있는 Control Valve의 동작에 의한 유량조절 효과로 펌프의 배출압력은 동일 할 수 있습니다.  (3)항의  가)현상의 이유 참조

나)  반응이 기-액 반응인 경우라면 반응기 온도를 일정하게 유지했다고 해도 반응기 압력이 낮아졌다면 반응속도는 달라질 것이므로 반응조건 (Phase, 압력, 온도, 농도 등)을 모두 확인해 봐야 합니다.  (3)항의 나)의 이유 참조   

다) 반응기의 액면이 줄어들어 들었다면 반응온도가 일정하게 유지하도록 조절했다고 해도, 흐름 반응기에서 반응혼합물이 체류하는 시간이 다르다면  반응기 내의 전환율은 달라질 수 있습니다.  (3)항의 다)의 이유 참조   

라) 따라서 반응기 압력의 저하는 결국 질문에서 예상하는 원인 <1. Mixture의 조성변화로 인한 증기압 변화>와 유사한 원인으로 귀결됩니다.    그 이유는  (3)항의 라)의 이유를 참조하세요.

마 ) 반응기 출구에 달려있는 PIC Control Valve의 Opening이 줄어(즉 열림이 줄어)드는 현상은 시스템 압력감소로 인한 제어기 본연의 소임을 다하고 있는 것입니다.  이 압력조절 밸브는 System 압력이 올가가면 더열어주고 압력이 떨어지면 닫아주는 "Back Pressure Regulating Valve"이기 때문입니다. 

(3) 위의 (2)의 상세이유

가)의 이유:  Pump 배출압력은 후단에 연결된 부품이나 시스템의 조건에 따라 달라지며 유량으로 정해지는 것이 아닙니다.  유량을 줄이기 위해 Control Valve가 전후 차압을 조절하여 조절하고 있다면 Control Vale 전단 (즉 Pump 배출측 압력)의 압력이 정해집니다.  (반응기 압력이 일정하다고 할 때 반응기 투입 공급유량을 줄이기 위해 Control Valve가 닫히고 있다면  Cv값이 줄어들면서 차압이 늘이게 되면 Pumping 유량은 줄고 배출압력은 늘어날 것입니다.)

나)의 이유:  반응속도를  반응기 압력의 함수로 나타내고 있는지 확인해 보도록 하세요.  기-액 반응일 경우 반응기 압력이 변동되면 액상에 용해되는 가스 농도가 달라져서 반응속도가 달라질 것입니다.    액상반응이라고 하면 주로 액상온도, 농도에 관련되겠지요. 

다)의 이유:  모든 조건이 동일하다고 하여도 흐름반응기는 반응기 체류시간에 다라 전환율이 달라집니다.  체류시간은 반응원료가 제품으로 전환되기 위해 반응기에 머무르는 시간인데 체류시간이 줄어들면 반응이 덜 일어나게 되겠지요.

라) 필자의 판단으로는 a)반응기 온도가 유지되고 있는 상황에서 b)반응기 압력이 하락함에 따라 c) Vent Valve (Back Pressure Regulator)가 닫혔는데도  압력이 떨어져서

d) 반응기 전환율이 떨어졌고 더구나 e) 반응기 액면조차 낮게 유지되는 바람에 f) 반응기 체류시간이 부족해졌고 이로 인하여 g)전환율이 떨어짐에 의해 반응기 조성이 달라졌기 때문이라고 봅니다. 

그러나 여기서 추가로 덧붙여 이야기 할 사항은...  반응기 압력이 떨어져 배압조절용 PIC가 달려있는데도 반응기 압력이 유지되지 않고 있다는 사실입니다.    해당 PIC 제어밸브는 반응기 온도나 체류시간, 반응기성분등에 의해 작동하는 밸브가 아니라 단지 반응기 압력에 따라 동작하는 밸브인데  제기능을 못하고 있는 것으로 추전됩니다.

(4) 전반적으로 다음 사항을 확인해 봐야 합니다.  (우선순위 순서)

1) 반응기 압력조절밸브의 기능 이상유무 확인  (압력이 떨어져 밸브가 닫히고 있는데도 반응기 압력이 유지되지 않고 있음.)
2) 반응기 액면조절밸브의 설정 기준 (반응기 체류시간과 관련하여 액면이 설정되어야 할 터인데 그원칙이 지켜지고 있는가 확인 필요.)
3) 반응조건이 변경되었을 때 반응 혼합물의 분석 필수 (온도는 동일하다고 해도 유량, 압력, 체류시간이 달라졌기 때문에 반응혼합물 농도가 분명히 달라졌을 것이므로 반응기 성능을 점검해 볼 필요가 있음.)

P.S. <석화사>.... 자주 쓰이지 않는 이런 귀한(?) 약어는 그러나 아쉽게도 일반 회원들과 대중이 잘 인지 못합니다. ^^  게시글에서 처음 나오는 약어라면 반드시 풀어쓴다음 사용하도록 이곳 게시판이 탄생될 무렵부터 회원들에게 요청드렸었습니다.  답글에서라도 풀어서 써 주세요.
히치호크 dltkddbs1002   20-02-10 10:25
스테파노님,

알기 쉽게 설명해주셔서 감사드립니다.

이해가 안가던 부분이 어느정도 해결이 된 것같습니다.

얼마 후 100% Load로 운전계획이 있는데, 그때 운전상황을 보며 확인할 부분이 있는것 같습니다.

 P.S <석화사>는 석유화학회사를 뜻합니다, 직장에서 자연스럽게 해당 단어를 쓰다보니 게시판에도 약어를 사용하는
    실수를 했네요 ^^;
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