게시판 > 질답게시판 > 열교환기내, 상변화에 따른 압력 문의

ㅇㅇ	21-07-02 15:19

압력이 아닌 유속이 증가합니다. 물질이 이동함에 따라 압력이 증가한다면 물질을 이동시키는 구동력이 무엇일지 생각해보세요.

스기아빠 cross7941

21-07-06 13:12

죄송합니다만, 배움이 짧아선지 이해가 잘 안됩니다. 정압은 그대로인데, 동압이 증가한다는 말씀이신지요?? 물질을 이동시키는 구동력은 LNG를 열교환기로 이송하는 펌프의 토출압력이라고 생각합니다만...

Stefano

21-07-07 13:05

(1) 유체의 흐름은 반드시 전체(정압+동압)의 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되어 있습니다. 흘러가려는 방향으로 압력이 높아진다면 흐름이 계속되는 것은 불가능합니다.

(2) LNG를 펌프로 가압하여 300 bar로 승압된 후 LNG 기화기에서 기화시키려 한다면 기화기 후단에서 압력이 낮아지거나 가열함으로서 온도가 높아져야 할 것입니다. 기화기 후단에서 펌프에 의해 공급되는 압력보다도 높은 "<추가적인 압력>"이 생긴다면 펌프를 통해 LNG를 계속해서 공급할 수가 없게 됩니다.

<추가적인 압력>이라는 것에 대해 먼저 설명바랍니다.

(3) LNG의 성분인 CH4의 임계압력은 -82.44℃ 입니다 . 이 이하의 저온에서는 액상으로 존재할 수 있습니다. 그러나 그 이상의 온도에서는 액상으로 존재할 수 없습니다. 만일 이 온도이하의 메탄 즉 -163℃ 정도의 액상메탄을 펌프로 가압하여 300 barg로 어느 용기에 담아두었다가 온도가 올라가게 되면 액의 팽창, 기화에 의해 압력이 올라갈 수 있습니다. 말하자면 초임계상태가 되는데 그리되면 더 이상 그 용기속으로 추가 액상의 메탄을 주입할 수 없게 됩니다. 펌프 배출압력보다 더 높기 때문이지요.

(4) 여기서 그용기 내에서의 추가압력은 액의 온도가 올라가 초임계상태로 됨에 따라 기체법칙에 의한 P-V-T의 관계식에 의해 그 용기에 들어있는 CH4몰수에 의해 나타내는 압력에 의해 P=z n R T/V의 수식으로 계산되는 압력이 됩니다.

만일 이 값이 펌프 배출압력보다 높아진다면 펌프는 더이상 그 용기속으로 액을 주입할 수 없습니다 . 그 압력보다 더 높은 압력으로 밀어넣어 주어야 한다는 뜻입니다ㅣ .

스기아빠 cross7941

21-07-13 09:40

제가 설명이 모자란 듯 합니다. 일단 LNG 펌프가 300바까지 가압한다고 하지만, 계속 토출압이 300바라는 얘기는 아니고 300바까지 가압이 가능하다고 봅니다. 다시 묘사하면 LNG탱크의 액압은 2바, 이를 펌프로 이동 가압해서 기화기에서 0도로 기화한 후, 후단의 축압기(압력탱크)에 축적시키는 것입니다. 축압기 초기 압력은 100바입니다. 이를 일정한 양(예를들어 1kg/sec)의 양을 펌프로 가압해서 100바부터 착실하게 NG로 전환하여 용기에 쌓아가는 겁니다. 근데 모 기관의 박사라는 분이 이 부분에서 만약 100바로 LNG를 가압/기화해서 용기에 넣으면 100바 이상으로 어마어마하게 압력이 높아질거다. 그 이유는 상변화가 일어나기 때문이다. 라는데.... 현장에서 볼 땐 "어마어마"한 압력의 상승이 보이지 않습니다. 또한, 이는 수소충전소 개발과 연결되는데 액화수소를 800바까지 가압해서 기화한 후, 용기에 담으려니 후단 용기에서 800바보다 어마어마하게 높아져서 용기가 터질거라고 말합니다. 근데 제가 이부분을 수긍도 이해도 못하는 겁니다. 실제 현장에서는 안 터지니까요. 이걸 좀 이론적으로 설명이 안되서 답답한 겁니다.

Stefano

21-07-20 04:20

(0) 이전 답글에서 <LNG(CH4)의 임계압력을 -82.44℃ >라고 잘못 설명했는데 <임계압력>은 46.1 bar이고 <임계온도>가 -82.44℃(190.6K)이지요.

(1) 저온 저압 Liquid 상태의 LNG를 펌프로 가압한 후 기화기에서 0도로 기화시켜 압력탱크(초기압력 100 barg)에 기상을 주입하는 경우 압력은 계속상승하여 최대 300 barg까지 상승시킬 수 있겠지요. 그 이상의 압력을 상승시킬 수 없는 이유는 Pump의 최대 Boosting Pressure 때문입니다.

이미 증발되었던 증기는 다시 상변화를 일으킬 이유가 없습니다. 또한 LNG의 온도가 임계온도 -82.44℃ 이상에서는 액상은 존재하지 않습니다. 액상이 없는데 상변화를 일으킬 수는 없겠지요.

(2) 만일 보유하고 있는 펌프의 배출압 성능이 1000 barg 까지 올릴 수 있고 압력탱크가 그 압력까지 견딜 수 있다면 1000 barg 까지도 올릴 수 있도록 주입이 가능할 것입니다. 그 때 저장된 탱크내 LNG 몰수는 앞선 답글에 설명한 것처럼 다음 수식으로 계산할 수 있습니다. "어마어마"가 얼마를 의미하는지 알 수 없지만 여기서는 1000 barg의 압력까지 올라갈 수 있지요,

n = P*V/(z*R*T) .....(1) P, T = 절대온도, 압력, V=용기내용적, R=이상기체 상수, z=압축인수(Compressibility of Gas)

이 때 그 압력탱크에 저장되어 있는 LNG의 상태는 액상이 아니고 기상도 아닌 <초임계상태 유체>입니다.
<초임계 유체>는 <임계온도보다 높은 온도에서 임계압력 이상으로 압축되어 있는 가스>를 말합니다. 초임계유체는 <물렁물렁한 액체>정도로 상상하면 되지만 액체는 분명 아닙니다.

참고로... 임계온도보다 낮은 온도에서 액의 증기압보다 낮은 유체는 <증기>이고 임계온도보다 낮은 온도에서 액의 증기압보다 높은 유체는 <액체>이며, 임계온도보다 높고 임계압력보다 낮은 유체는 <기체>입니다. 임계온도보다 낮고, 융점보다 낮은 물질은 유체가 아니고 <고체>입니다.

(3) 만일 압력탱크가 <어마어마한 압력>에 견디고 펌프가 <어마어마한 압력>보다 높은 압력으로 펌핑해 낼 수 있으면 그 압력까지 주입이 가능하면 그때 그 용기에 들어있는 LNG의 질량을 계산하려면 다음 수식으로 계산할 수 있습니다.

W = n*M ......(2) M=LNG 분자량, W=용기내 LNG 질량, n = 용기내 LNG 몰 수 (1)식의 n

(4) 질문에서 언급한 모 기관의 박사님의 생각(설명)은

증발되지 않은 저온의 액상 LNG가 압려용기에 (빈공간없이) 가득 채워진 후 온도가 상승하여 0도 혹은 상온으로 올라가게되면 액의 팽창으로 인하여 압력이 크게 즉 <어마어마하게> 올라갈 것이라는 것을 언급하신 것입니다. 용기내 빈공간이 없고
용기가 팽창하지 않는다면 지극히 맞는 말이지요.

그러나 용기가 팽창할 수 있다면 용기가 팽창될때 용기 재질이 견딜 수 있는 평형압력까지 상승할 수 있습니다. 액팽창으로 용기가 견딜 수 있는 압력이상으로 액의 부피가 늘어나면 용기는 파손됩니다.

그런데 액의 팽창부피만 흡수할 수 있는 빈 공간이 들어있다면 그 때 표현한 <어마어마한 압격>까지는 상승하지 않고 다음 수식으로 계산되는 압력으로 상승합니다. (단 용기 팽창부피 무시)

P = (z*n*R*T)/V .......................(3)

(0)  이전 답글에서 <LNG(CH4)의 임계압력을 -82.44℃ >라고  잘못 설명했는데  <임계압력>은 46.1 bar이고 <임계온도>가 -82.44℃(190.6K)이지요.

(1) 저온 저압 Liquid 상태의 LNG를 펌프로 가압한 후 기화기에서 0도로 기화시켜 압력탱크(초기압력 100 barg)에 기상을 주입하는 경우 압력은 계속상승하여 최대 300 barg까지 상승시킬 수 있겠지요.   그 이상의 압력을 상승시킬 수 없는 이유는 Pump의 최대 Boosting Pressure 때문입니다.

이미 증발되었던 증기는 다시 상변화를 일으킬 이유가 없습니다.   또한  LNG의 온도가 임계온도 -82.44℃ 이상에서는 액상은 존재하지 않습니다.  액상이 없는데 상변화를 일으킬 수는 없겠지요.

(2) 만일 보유하고 있는 펌프의 배출압 성능이 1000 barg 까지 올릴 수 있고  압력탱크가  그 압력까지 견딜 수 있다면 1000 barg 까지도 올릴 수 있도록 주입이 가능할 것입니다.    그 때 저장된  탱크내 LNG 몰수는 앞선 답글에 설명한 것처럼 다음 수식으로 계산할 수 있습니다.    "어마어마"가 얼마를 의미하는지 알 수 없지만  여기서는  1000 barg의 압력까지 올라갈 수 있지요,

n =  P*V/(z*R*T) .....(1)    P, T = 절대온도, 압력, V=용기내용적, R=이상기체 상수, z=압축인수(Compressibility of Gas)

이 때 그 압력탱크에 저장되어 있는 LNG의 상태는 액상이 아니고 기상도 아닌  <초임계상태 유체>입니다.   
<초임계 유체>는  <임계온도보다 높은 온도에서 임계압력 이상으로 압축되어 있는 가스>를 말합니다.  초임계유체는 <물렁물렁한 액체>정도로 상상하면 되지만 액체는 분명 아닙니다.

참고로... 임계온도보다 낮은 온도에서 액의 증기압보다 낮은 유체는 <증기>이고  임계온도보다 낮은 온도에서 액의 증기압보다 높은 유체는 <액체>이며, 임계온도보다 높고 임계압력보다 낮은 유체는 <기체>입니다.    임계온도보다 낮고, 융점보다 낮은 물질은 유체가 아니고 <고체>입니다.

(3) 만일 압력탱크가  <어마어마한 압력>에 견디고  펌프가 <어마어마한 압력>보다 높은 압력으로 펌핑해 낼 수 있으면 그 압력까지 주입이 가능하면  그때 그 용기에 들어있는 LNG의 질량을 계산하려면  다음 수식으로 계산할 수 있습니다.

W =  n*M  ......(2)  M=LNG 분자량,  W=용기내 LNG 질량, n = 용기내 LNG 몰 수 (1)식의 n

(4) 질문에서 언급한 모 기관의 박사님의 생각(설명)은

증발되지 않은 저온의 액상 LNG가  압려용기에 (빈공간없이) 가득 채워진 후  온도가 상승하여 0도 혹은 상온으로 올라가게되면 액의 팽창으로 인하여 압력이 크게 즉 <어마어마하게> 올라갈 것이라는 것을 언급하신 것입니다.   용기내 빈공간이 없고
용기가 팽창하지 않는다면 지극히 맞는 말이지요.

그러나 용기가 팽창할 수 있다면 용기가 팽창될때 용기 재질이 견딜 수 있는 평형압력까지 상승할 수 있습니다.  액팽창으로 용기가 견딜 수 있는 압력이상으로 액의 부피가 늘어나면 용기는 파손됩니다.

그런데 액의 팽창부피만 흡수할 수 있는 빈 공간이 들어있다면 그 때 표현한 <어마어마한 압격>까지는 상승하지 않고 다음 수식으로 계산되는 압력으로 상승합니다.   (단 용기 팽창부피 무시)

P = (z*n*R*T)/V  .......................(3)

Stefano

21-07-20 09:39

<액팽창에 의한 용기내 압력상승>

앞의 답글 내용 (4)중 액이 용기내 빈공간없이 가득 채워진 후, 온도상승에 의해 상승하는 압력에 관해서는 아주 오래전 이곳 게시판에서 다룬적이 있습니다. 이를 참고하세요. (용기벽의 인장응력과 부피팽창율 간의 평형)

http://www.chemeng.co.kr/site/bbs/board.php?bo_table=vqna&wr_id=50556&sca=&sfl=wr_subject%7C%7Cwr_content&stx=%BE%D7%C6%D8%C3%A2+%BE%D0%B7%C2&sop=and