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  Reaction 의 Vent 계산
  글쓴이 : 윤이아빠   고유ID : ghostman23     날짜 : 20-05-18 23:03     조회 : 91    
안녕하세요,
궁금한점이 있을 때마다 많은 도움을 받고 있어 늘 감사 드립니다.
저는 ABS 공장에서 근무하고 있으며 기존 PFD 의 값에 대한 근거가 없어서 개정을 검토하고 있습니다.
(공장이 20~30년되어 자료가 많이 부족한 상황 임)
ABS 공정은 Batch 공정과 연속공정이 있으며 Reaction 중에 발생되는 Vent 계산을 어떻게 진행하면 될지 계속 고민하다가 이렇게 글을 남기게 되었습니다.
 - Batch 공정은 크게 Basic polymerization (1,3 butadiene + Styrene + 부재료) 과 Graft polymerization (Discharge
   된 Basic polymer + Styrene + Acrylonitrile) 으로 진행되며 각각 Overhead condenser 가 있습니다.
 - 연속공정은 SAN 이라고 하여 Styrene + Acrylonitrile 로써 운전되고 있으며 Overhead condenser 가 있습니다.
Simulation program 을 사용하면 좋겠지만 반응속도식 등 정보가 많이 부족하여 직접 계산해보려고 합니다.
Batch 의 경우 Reciepe의 Main raw material 의 총량과 운전 온도, 압력을 활용하여 100% 정확하지는 않더라도 계산해보려고 하는데 방법이 도무지 떠오르지가 않아서 이렇게 선배님들께 조언을 구합니다.
감사합니다. 

스테파노 Stefano   20-05-20 07:05
(1) Batch, Semi-batch 반응기 물질수지

Batch 반응기에서는 반응원료 투입후 일정시간 경과에도 전환되지 않은 양을 계산하면 물질수지에 의해 미반응 물질의 양을 계산할 수 있습니다.  중합반응의 경우 미반응 물질은 주로 Monomer로 반응 후 저비점 기상 물질 배출량이 될 것입니다.

  F = P  + R  ..........(1)  F=Feed,  P= Product, R=Remnant,  as mole or mass unit

중합반응에 의해 Oligomer (Dimer, Trimer, Tetramer,...)등이 생성되더라도 Reaction Kinetics 계산에 의해 생성량을 알고 있으면 Polymer 액상(P)으로부터 기상으로 분리되어, 배출된다고 가정하여 계산하면 (1)식의 R값을 계산할 수 있습니다.  그러나 사실상 그 계산은 투입물질의 종류에 비해 생성물질의 수효가 많아 계산이 아주 복잡합니다.  (대부분의 화학촉매의 반응이 촉매의 활성에 따라 반응속도가 크게 달라질 뿐만  아니라 중합반응의 경우 Free-radical 반응 메카니즘이 아주 더욱 복잡해서 그렇지요.)

만일 복잡한 Reaction Model을 모르더라도 실험(혹은 경험)적으로 일정시간 반응후 전환율을 알고 있다면 반응에 참여하지 않는 물질을 간단히 잔존물로 계산할 수 있습니다.  복잡한 모델을 단순화 시키는 가장 단순한 방법입니다.

  R =  F*(1-X) ...........(2)  X = Fraction converted,

(2) Continuous Reaction Model

연속 중합반응기의 경우라면 반응기 내에 항상 일정한 양의 Oligomer, Polymer가 존재하고 투입하는 Monomer의 속도에 따라 반응이 진행됨으로써 정상상태(Steady-State)가 유지되고 있다고 가정하면 반응에 의해 Feed가 소모되거나 배출된다고 간주할 수 있습니다.

  F = ∫ f dt =∫e dt ...............(3)  f= Feed Rate, e = Effluent Rate,  t=time
  e = p + r ..........................(4)  p= Product (Poliymer) Rate, r= Remnant(Momer, Oligomer,..) Rate,  mass (or mole-equivalent) basis

연속반응에 의해 생성되는 물질은 연속으로 배출되고 있어서 반응기 내에는 항상 일정할 각 성분에 해당하는 몰 혹은 질량이 유지되고 있고, 각 성분의 농도변화없이 (n-1)개 중합체가 Monomer와 반응하여 n개 중합체를 생성하면서 중합도가 일정하게 유지되고 각 성분의 농도변화는 없습니다. 

 dCi/dt = 0  .........................(5)  Ci = i  성분 농도

반응기에서 기상으로 배출되는 양은 없다고 보고 (각 성분의 농도 Ci를 알고있는) 반응혼합액으로 배출되는 액상을 감압하여 Flashing 되어 기상으로 되는 양을 계산하면 Recycle량 혹은 Purging(Vent)량을 추정할 수 있습니다.

(3) Reaction Kinetics..

한종류의 만으로도 반응속도를 예측하기 어려운데 (BD, SM, AN) 3종의 모노머가 Graft 중합을 일으키는 반응기는 더욱 복잡할 것입니다.  이미 수많은 자료들이 존재하기 때문에 이들 중 적절한 자료를 찾아내는 것은 별개의 과제로 봅니다
윤이아빠 ghostman23   20-05-20 21:55
정성스러운 조언 감사드립니다.
주신 답변 중 연속반응 관련 반응 혼합이라고 하신 부분이 잘 이해가 되지 않아서요.
저희 공장에서는 연속반응기에서 만들어진 폴리머를 기어펌프로 이송하면서  잔류 모노머를 회수하기 위한 리사이클 공정이 있는데 그 부분을 말씀하시는 건가요? 해당공정은 진공으로 운전 중 입니다.
Stefano    20-05-20 22:41
반응 혼합물은 Polymer, Monomer, Dimer, Trimer,.. 등을 언급한 것이고 반응후 분리, 순환 과정에서 액상으로 나오는 성분과 기상으로 나오는 성분으로 구별될 것입니다.  올리고머 분리 순환을 위해서 진공을 걸어주는 이유는 비점이 높기때문이지요.  이들을 포함한  혼합물을 말합니다.
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