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  왕복동 압축기 및 컬럼 운전 관련 질문드립니다.
  글쓴이 : 루피   고유ID : bottleway     날짜 : 23-09-25 18:00     조회 : 878    
안녕하세요, 이곳에서 많은 가르침 받아가며 업무 진행하고있는 엔지니어입니다
증류탑 상단 cooler 에서 배출되는 미응축가스를 타 line으로 이송하여 회수하고자 압축기를 설치하였는데, 정상운전이 어려워 가동을 멈춘채로 오랜시간 공정을 운전하고 있습니다. (미응축가스는 flaring중)
해당 압축기를 재가동하고자 과거 운전당시 상황을 살펴보며 검토를 진행중인데 궁금한점이 있어 질의드리고자 합니다.

1. 현재상황 및 문제점
- 컬럼 압력은 미응축가스 배출량을 조절하며 제어하고있으며, 이로인해 가스 유량이 불규칙함
- 압축기는 왕복동 압축기로 2-step 0-100% 압축기이며, 과거 운전시에 압축기를 가동하면 전단 컬럼 압력 및 유량에 hunting이 심하게 발생하여 정상운전 불가
- 압축기 후단 압력을 제어하도록 일부를 압축기 전단으로 recycle 하는 line이 있으나 밸브를 열 경우 컬럼압력이 상승하여 밸브 닫고 운전했었음

2. 생각해본 이유
- 압축기 인입 유량 불규칙 -> 압축기 성능에 영향 -> 압축기 이상운전 -> 컬럼 압력에 영향 

3. 해결방안
압축기 인입 유량을 일정량으로 유지하도록 가스를 recycle 시키며  압축기 전단의 압력을 제어하는 방안에대해 검토해보고 있습니다.
압축기 전단 압력을 제어하고자 한 이유는 압축기에 들어가는 압력과 유량을 일정하게 제어한다면 압축기 운전이 안정적으로 이루어지지 않을까? 라는 생각에서 이구요,

궁금한점은 다음과 같습니다.
1) 제가 생각한 운전실패 이유가 타당한지? 정상운전이 되지 않았던 다른 이유가 있을지?
2) recycle 밸브를 열고 운전할경우 왜 컬럼 압력이 올라갔을지?
3) 압축기 후단압력 제어를 압축기 전단압력 제어로 바꾸었을 때의 효과, 전단 컬럼압력제어에 줄 영향이 어떨지?
에 대한 스테파노님의 가르침을 듣고싶습니다.
감사합니다.

스테파노 Stefano   23-09-28 22:06
A1) 일반적으로 증류탑 상단 응축기로부터 배출되는 증기는 저비점 물질 증기이고 증류탑 압력에서 포화된 증기에 해당합니다.
여기서 <포화증기>라 함은 온도가 일정하다고 해도 압력을 더 높이면 응축액이 더 생성된다는 의미를 내ㅊ포합니다.

따라서 증기를 회수하고자 하면 압력조절밸브 후단에서 응축시켜 액상으로 회수한 다음 펌프를 이용하여 회수하고자 하는 곳으로 이송하는 방법을 사용해야 합니다.

포화증기를 압축기로 가압하는 것으로 시스템이 설계되어 있다면 이는 잘못입니다.  더구나 그 압축기가 왕복(혹은 왕복동)식 압축기로 되어 있는 경우 압축기 내에서 액이 응축함으로써 씰린더 블럭이마 Block Cover, 등이 파손될 우려가 있습니다.

혹시 현 Compressor 내에서 Knocking 현상이 일어나고 있다면 바로

A2) Compressor Bypass Valve(Recycle Valve)를 열었을 경우 고압측 압력이 저압측(Column 측)으로 오히려 역류되어 압력이 크게 흔들릴 수 있습니다.  Compressorer가 정상적으로 운전되고 있다고 하여도 이 Bypass Valve를 열게 되면 시스템압력을 정상상태로 유지할 수 없을 것입니.  컴프레서 후단으로부터 압력조절밸브 전단으로 연결된 경우라면 더더구나 압력조절기능은 사라집니다.

A3) 이 공정에서의 증류탑 압력제어 방법은 여러가지 고려할 수 있겠지만 앞서 설명한 증기 압축시 발생되는 문제로 압축기와 연관지어 제어하도록 하는 것은 적당한 방법이 아니라고 봅니다.  대신

Condenser Cooling Medium Flow Control,  Condenser Bypass & Vent Flow Control,  Condenser Surface Area(Flooded Liquid Level) Control, 등을 Pressure Control 하단에 연결하는 Cascade Control 방식을 취하는 것이 옳은 방법일 것입니다.

Vapor를 회수할 목적이라면 앞선 설명처럼 Vent Gas Condenser를 이용하여 액상으로 회수하는 것이 권장됩니다

A4) 다른 방법을 선택할 수 없는 경우라면 Compressor 전단에 Pressure Control Valve를 달아두고 Compressor 입구에  Buffer Drum을 두고 N2와 같은 Noncondensable Gas를 주입하여 Conpressor에 흡입되도록 하는 것을 고려해 볼 수 있습니다.  이 경우 N2가 혼합되어 있어 Vapor 회수율이 떨어지겠지만 Compressor의 Knocking 등의 문제는 어느정도 경강될 것으로 봅니다.
루피 bottleway   23-10-06 11:24
답변감사드립니다

실제로 압축기를 운전해본 경험이없어 상황이 그려지지않아 추가적으로 질문 드리고자 합니다.

Q1(A1) Aspen과 같은 상용모사기에서 포화상태의 증기를 압축할 경우 vapor fraction이 1인 상태로 온도가 올라가는 식으로 계산이 되어 응축할 것이라고 생각하지는 않았습니다. 실제로 기체를 증기압 이상의 압력으로 압축을 할경우 온도가 일정온도 이상으로 올라가지않고 응축하는 현상이 발생하는지 or 응축하지않고 계속 온도가 올라가기도 하는지 궁금합니다.

Q2(A2) 제가 현재 압축기 설비의 구성을 보다 자세하게 말씀드렸어야 하는데, 혼동을 드렸을것 같아 미리 죄송합니다.
현재 공정구성은 응축기 - (컬럼압력제어) - buffer drum - 압축기 - 압축가스 냉각 - Drum (상단으로 gas 회수) 의 구성입니다. recycle line은 buffer drum으로 연결 되어있구요, 이러할 경우에도 버퍼드럼으로 넣어준 recycle gas가 응축기쪽으로 역류할 수 있을까요? 만약 이떄도 역류한다면, 역류하지 않도록 recycle line을 구축할 수 있는 방안이 있을지 궁금합니다.
스테파노 Stefano   23-10-11 03:38
(A1) 포화상태에서의 증기는 해당온도와 압력에서 증기상태이고  그 조건에서 기-액의 평형을 이루고 있는 조건입니다.  따라서  압력이 올라가면 응축하면서 잠열을 방출하면서 응축하게 되므로  포화증기를 압축하면 온도가 크게 상승하게 되는데 이때 압축기 실린더나 피스톤에서 방열이 되면 응축하게 되고 이로 인하여 압축기 Knocking 현상을 일으키게 됩니다.

이 현상이 심하면 실린더 파손이 일어나거나 Overhead Gasket의 파손 또는 피스톤의 휨 또는 부러짐등의 손상이 일어나기 때문에 포화증기를 왕복식 압축기로 설계하지 않는 것은 일반적 상식이지요.  압 축기내 실제 운전조건에서 상변화를 일으키지 않음이 반드시 확인되어야 합니다.

(B1) 정상흐름 혹은 역류의 여부는 연결된 도관을 통해 압력이 어느쪽이 더 높은지,  Check Valve가 달려있는지,  압축기 Suction  및  Discharge Valve Plate처럼  Check Valve역할을 하는 부품이 있는지 확인해 보면 흐름여부는 아주 쉽게 판단이 가능합니다.

이를 염두에 두고 질문에서 연결된  "Recycle  Line"을 세밀하게 점검해 보세요.  유체는 반드시 압력이 높은곳에서 낮은쪽으로 흐르고 압력이 같으면 중력장을 기준으로 높이가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르게 되어있습니다.
   

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