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  Gas phase Reacor 압력 Control 질문
  글쓴이 : Orangekim   고유ID : wnghd4560     날짜 : 23-08-12 20:16     조회 : 1260    
안녕하세요
학부 시절부터 인터넷 화학공학을 통해 많은 도움을 받았던 엔지니어입니다.
 
우선 저희 공정은 Gas Phase Reactor (온도 70~75도, 압력 11~13 kgf/cm2) 에서 에틸렌, 프로필렌은 공중합하여 Block copolymer를 생산하고 습니다.
 
Q. 운전 중 압력이 오르게 되면 Gas Phase Reactor의 Outlet Valve Opening 값을 줄여주면서 Reactor 내 Powder Level을 올려주면서 압력을 내리는 운전을 하고 있습니다.
 
Level을 올리면 Reactor 내 Gas가 차지할 수 있는 Volume이 감소하는데 압력이 왜 내려가는지 이해가 되지 않아서 질문 드립니다.

스테파노 Stefano   23-08-13 00:29
(0) 필자도 과거 고분자 합셩연구 경험을 가지고는 있지만 질문의 Key Word인 Gas Phase (Polymerization) Reactor에 대해서는 전혀 경험을 가지고 있지 않아서 필자의 답글이 얼마만큼 도움이 될 지 모르겠습니다.  대신 Fludized Bed Reactor나 Circulating Loop Reactor 관련 반응공학적 측면에서 답변을 올려봅니다. 

(1) Gas Phase Polymerization은 생성되는 활성을 유지하고 있는 고분자의 Active Center(Radical) 에 Momomer가 결합하면서 중합도가 늘어나는 아주 복잡한 반응이고 특히 반응기 내에는 Monomer들 뿐 만 아니라 Dimer, Trimer, ..등 아주  다양한 중간물질과 함께 넓른 분자량 분포를 가지는 Oligomer와 Polymer 성분이 반응기 내에 존재하기 때문에  Gas Phase라고 하지만  실제로는  기상 ,  저비점 액상, 고비점 증기상, Oil 상,  Glass와 유사한 고상의 물질이 혼합물 상태로 들어있을 것으로 판단됩니다.

이러한 반응기를 실제로 실용적 사용하여  적절한 중합도를 가지는 제품으로 생산하는 상용공장에 쓰이고 있다는 것이 대단한 기술이라고 봅니다.     

(2) 질문으로 돌아가서.. 
해당 반응기의 압력조절을 위하여 반응기 Gas Phase 출구의 밸브 개도율을 줄여주는 방법(Opening 값을 낮추는 것)으로 압력을 낮추는 것으로 설명되어 있는데..

 현재 구성되어 있는 압력조절 방식은 <반응기내 압력을 감지하여 반응기 출구의 배출되는 밸브를 조절하는 "Back-Pressure Regulation" 형태로 보입니다.  이 방법은 반응기 압력이 상승할 때 배출밸브를 더 열어주는 방법으로 동작합니다. 

 그러나  질문에서 설명하는 내용은 압력이 상승할 때 배출밸브(Outlet Valve)를 닫아주는 방식으로 설명되어 있습니다.  (과연 그런지 확인해 봐야 하겠습니다.  해당밸브는 Back Pressure Regulation 방식과는 반대로 동작하고 있기 때문입니다.)

(3) 또한...
Outlet Valve Opening값을 줄여주면 Reactor Powder Level이 상승하게되고 동시에 압력이 떨어지는 것으로 운전되는 것으로 설명되어 있습니다.

흔히 사용하는 Gas Phase  Reactor의 압력조절 방식은.. 
 1) 반응기 압력이 낮은 영역에서는 Feed Gas Flow Valve를 조절(즉 반응기 압력이 높으면 Feed Gas 유량을 줄여주고 압력이 떨어지면 Feed Gas 유량을 늘여주는 방법으로 운전)하고 

 2) 반응기 압력이 높은영역에서는 반응기 출구에 설치되는 Back Pressure Control Valve를 조절 (즉 반응기 압력이 높아지면 배출밸브를 열어주고 반대로 압력이 떨어지면  배출밸브를 닫아주는 방법이 사용)됩니다. 

(4) (필자가 추정하는) 반응기 운전 조절과 관련한 내용으로
각 1) Feed (Monomer Ethylene , Propylene 및 촉매)의 공급은 (생산량 부하에 따라) 유량조절 방식으로 운전되고,  Recycle Gas Blower 는  순환가스 압력손실만 보충해주는 방법으로 운전되며,  반응기 Powder 액면은 Powder 배출밸브(Trickle Valve)로 조절되며, 반응기 압력은 (반응기 압력을 감지하여)앞서 언급한 Reactor Gas Phase Outlet Valve (혹은 Recycle Gas Outlet Valve) 로 조절할 것으로 봅니다.

(5) 또한 Reactor Powder Level에 관한 사항으로
중합 반응기의 Powder Level이라 함은 Fludizing Powder Bed 액면일 터인데 반응기 Powder Level이 높아졌다는 이유가 Bed의 Porosity(Bed내 Gas 부피비율)가 늘어나기 때문일 터인데  <반응기 압력이 높아질 때인가> 아니면  <반응기 압력이 낮아져 Gas 부피유량이 늘어날 때인가> 확인바랍니다.    질문에서는  이중 전자의 이유로 Level이 높아지는 것으로 설명되어 있는데 일반적인 유동층 Bed와 특성이 달라보이기 때문입니다.

유동층내 압력이 일정할 때 유동층 Bed Top Level이 상승하는 경우는 보통 Bed내 (절대적 Mass  Flow 증가에 의한)부피유량이 늘어나 Bed 평균밀도가 감소할 때이거나  유동층내 압력이 떨어져 Bed 통과 Gas의 (압력감소로 인한 상대적)부피유량이 늘너날 때라고 판단됩니다.   

해당 반응기의 유량,  Level. (특히)압력조절 계통에 대해 조사해 본 후 추가질문 바랍니다.
   

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