게시판 > 질답게시판 > Gas tank purge에 대해 문의드립니다.

스테파노 Stefano

08-08-20 00:29

(1) 연속 Purging 방법
용적 V m3인 용기의 초기 농도 Co m%의 LP Gas를 질소를 사용하여 유량 v m3/min의 속도로 불어낼 때 탱크내에서 질소와 LP Gas가 균일하게 혼합된다고 보고 농도 C가 될 때까지 걸리는 시간 및 이때 소요되는 질소의 총량 계산 방법

용기 부피: V m3
질소공급유량 : v m3/min
초기농도: Co m%
최종농도: C m%
시간 증가: dt min

물질수지: 탱크를 빠저나오는 순성분 LP 가스유량 = C*v dt ....(1)
탱크내에서 LP Gas가 줄어드는 양 = -V*dC...............(2)
위에서 (1)과 (2)는 같아야 하므로 C v dt = -V dC.....................\(3)

위의 (3)식을 C=Co~C, t=0~T 까지 적분하면
T= ∫ dt = (-V/v)∫dC/C = (-V/v)ln C/Co.....................................(4)

Co=100 m%이고 C= 1 m%라면
T = (-V/v) ln 0.01 = (-V/v) (-2) ln 10 = 4.606 (V/v) 분 걸립니다.
V와 v를 대입하면 소요시간이 계산되고
총 N2 소요량= v*T m3.............................................................(5)이 될 것입니다.

(2) Pressure Purging
위의 경우는 완전 혼합을 가정한 것인데 만일 질소를 사용하여 절대압력 P기압 까지 가압하고 배출하고 다시 P기압까지 가열하여 Purging 하는 경우

1회 충전 소요 질소량대(기압상태의N2 부피) = {(P-1)기압/1기압}*용기부피V.....(6)
1회 압력상승후 배출했을 때의 LP Gas 농도 = Co*(1/P)................................(7)
n번 질소 압축 충전후 농도 Cn = Co * (1/P)^n ...........................................(8)

n번 같은 압력으로 질소 압축충전후 농도가 C보다 작아야 하므로 하므로

Cn < C ---> Co*(1/P)^n<C 따라서 (1/P)^n <C/Co -n ln P ≤ C/Co
따라서 반복횟수 n ≥ (C/Co)/ln P .............................................................(9)
이 때 소요되는 질소의 양 ≥ n * (P-1)*V ....................................................(10)

위의 2가지의 경우에서 필요한 질소의 양을 (5)식과 (10)식으로 계산해서 비교해 보세요.
또 같은 양의 질소를 가지고 같은 효과를 가지려면 절대압력 P를 얼마로 압축해야 하나요?

(3) 질소량을 줄이기 위한 실제 공정 개선 방법
LP Gas는 질소보다 무겁기 때문에 탱크 상부에서 N2를 불어넣고 탱크 바닥에서 빼내는 것이 효과적입니다.
아주 서서히 거의 혼합되지 않는 속도로 천천히 질소를 넣어주면 이상적 상태라면 Co~C까지 낮추는데
용기부피의 {(Co-C)/Co}배 즉 (Co-C)/C * V의 부피만 필요할 것입니다.

실제로는 질소가 LP가스와 섞이게 되고 또 투입속도를 아주 느리게 할 수 없을 것이므로 이보다 몇 배의 질소가 필요할 것입니다.

어쨌거나 Purging 방법을 개선하려면 배출가스를 Tank 바닥에서 빼 주어야 합니다. 배출가스를 분석해서 원하는 농도에 이를 때까지 불어내는 방법을 찾아 소요되는 시간을 경험적으로 찾아내는 것도 하나의 방법입니다.

(1) 연속 Purging 방법
용적 V m3인 용기의 초기 농도 Co m%의 LP Gas를  질소를 사용하여 유량 v m3/min의 속도로 불어낼 때 탱크내에서 질소와 LP Gas가 균일하게 혼합된다고 보고 농도 C가 될 때까지 걸리는 시간 및 이때 소요되는 질소의 총량 계산 방법

용기 부피:  V m3
질소공급유량 : v m3/min
초기농도:  Co m%
최종농도:  C  m%
시간 증가: dt  min

물질수지:    탱크를 빠저나오는 순성분 LP 가스유량 = C*v  dt  ....(1)  
                 탱크내에서 LP Gas가 줄어드는 양  = -V*dC...............(2)
위에서 (1)과 (2)는 같아야 하므로    C v dt = -V dC.....................\(3)

위의 (3)식을 C=Co~C, t=0~T 까지 적분하면 
T= ∫ dt = (-V/v)∫dC/C = (-V/v)ln C/Co.....................................(4) 
 
Co=100 m%이고 C= 1 m%라면   
T = (-V/v) ln 0.01 = (-V/v) (-2) ln 10 = 4.606 (V/v) 분 걸립니다. 
V와 v를 대입하면 소요시간이 계산되고  
총 N2 소요량= v*T m3.............................................................(5)이 될 것입니다.

(2) Pressure Purging
위의 경우는 완전 혼합을 가정한 것인데 만일 질소를 사용하여 절대압력 P기압 까지 가압하고 배출하고 다시 P기압까지 가열하여 Purging 하는 경우

1회 충전 소요 질소량대(기압상태의N2 부피) = {(P-1)기압/1기압}*용기부피V.....(6)
1회 압력상승후 배출했을 때의 LP Gas 농도   =  Co*(1/P)................................(7)
n번 질소 압축 충전후 농도  Cn =  Co * (1/P)^n  ...........................................(8)

n번 같은 압력으로 질소 압축충전후 농도가  C보다 작아야 하므로 하므로

Cn < C  --->     Co*(1/P)^n<C     따라서   (1/P)^n <C/Co      -n ln P ≤ C/Co
따라서   반복횟수 n ≥ (C/Co)/ln P  .............................................................(9)
이 때 소요되는 질소의 양 ≥  n * (P-1)*V  ....................................................(10)

위의 2가지의 경우에서 필요한 질소의 양을 (5)식과 (10)식으로 계산해서 비교해 보세요.  
또 같은 양의 질소를 가지고 같은 효과를 가지려면 절대압력 P를 얼마로 압축해야 하나요?

(3) 질소량을 줄이기 위한 실제 공정 개선 방법           
LP Gas는 질소보다 무겁기 때문에 탱크 상부에서 N2를 불어넣고  탱크 바닥에서 빼내는 것이 효과적입니다. 
아주 서서히 거의 혼합되지 않는 속도로 천천히 질소를 넣어주면  이상적 상태라면 Co~C까지  낮추는데 
용기부피의 {(Co-C)/Co}배 즉   (Co-C)/C * V의 부피만 필요할 것입니다.

실제로는 질소가 LP가스와 섞이게 되고 또  투입속도를 아주 느리게 할 수 없을 것이므로 이보다 몇 배의 질소가 필요할 것입니다.

어쨌거나  Purging 방법을 개선하려면 배출가스를 Tank 바닥에서 빼 주어야 합니다.   배출가스를 분석해서 원하는 농도에 이를 때까지 불어내는 방법을 찾아 소요되는 시간을 경험적으로 찾아내는 것도 하나의 방법입니다.

까르페디엠 encyclo

08-08-20 14:06

case별로 상세하게 설명해주셔서 감사합니다.

몇가지 궁금한 점이 있습니다.

(6)번 수식의 1기압은 탱크 내 압력인지요? 아니면 기준 대기압인지요?

(9)번 수식 바로 윗 줄에 "따라서" 이후에 나오는 수식에 ln을 씌워준거 같은데요...

양변에 ln을 씌워줘야 되는게 아닌지요? 그리고 부등호가 왜 "<"이 "=<"으로 바뀌었는지요?

기본적인 건데 이해가 안가서 질문 드립니다. ^^

Stefano

08-08-20 14:45

(1) (6)번 수식에서 1기압은 대기압상태의 탱크에 질소를 넣을 때 필요한 질소의 부피를 대기압상태의 질소부피로 환산하기 위한 것입니다.

탱크내 압력 1기압-->탱크부피 만큼의 질소를 탱크에 주입하면-->2기압이 되는데 이 때 필요한 질소는 탱크부피와 같습니다. 탱크부피와 같은 대기압상태의 부피에 해당하는 질소를 탱크에 주입하여 2기압으로 올리자면 주입하는 질소의 압력은 더욱 높은 압력으로 주입해야 하지요.

(2) 지적하신대로 식에서 ln이 빠졌고 부등호는 처음부터 ≤ 기호를 썼어야 했습니다. 또, 이제보니 부호도 빠뜨렸군요.
아래와 같이 바로잡습니다.

Cn ≤ C ---> Co*(1/P)^n≤C 따라서 (1/P)^n ≤C/Co, -n ln P ≤ ln(C/Co), n ln P ≥ ln(Co/C)
따라서 반복횟수 n ≥ ln (Co/C)/ln P .............................................................(9)
이 때 소요되는 질소의 양 ≥ n * (P-1)*V ....................................................(10)

까르페디엠 encyclo

08-08-20 15:29

계산해보니 아래와 같이 나왔습니다.

1. Co=100, C=1, V=40, v=1로 했을 때... (질소유량은 임의로...)

2. 탱크 압력은 대기압 상태로 하고 질소를 4atm까지 가압하여 대기압 상태까지 불어낼 때...

Case별 질소 소요량은...

Case 1) 184m3, 소요 시간은 184min, 질소 유량이 클수록 시간은 단축됨.

Case 2) 399m3, 3.3회 이상, 충전하는데 걸리는 시간 399min... 1atm까지 vent하는 시간은 고려안함.

Case 3) 39.6m3, 시간은 질소유량을 0.1m3/min으로 잡으면 396min...

이렇게 나옵니다.

Case 1,2는 완전혼합을 가정했을 때의 값이고, Case 3은 혼합이 안되었을 때의 값입니다.

제 생각엔 Case 1과 3을 병행해서... 탱크하부 밸브를 열어 stack으로 line up한 상태에서

질소유량은 1번보다는 작게 3번 case보다는 약간 높게 잡아서 퍼지하면

시간이 어느정도 단축되고 질소와 혼합이 적게 이루어진다면 질소량도 적게

소요될 것으로 생각됩니다.

지금까지 계속 Case 2로 시행했는데 타케이스보다 시간도 오래 걸리고 질소가 많이 소요되네요.

소중한 정보 감사합니다.^^

Stefano

08-08-20 21:31

"제 생각엔 Case 1과 3을 병행해서... 탱크하부 밸브를 열어 stack으로 line up한 상태에서
질소유량은 1번보다는 작게 3번 case보다는 약간 높게 잡아서 퍼지하면
시간이 어느정도 단축되고 질소와 혼합이 적게 이루어진다면 질소량도 적게
소요될 것으로 생각됩니다. "

필자가 기대했던 답변 바로 그대로입니다. 결론을 얻게 되었으니 필자도 기분이 좋습니다.

(다른 분들도 이렇게 힌트만 줘도 스스로 계산해 보고, 필자가 틀린 것도 지적해 주고, 또 답글을 올려준다면 얼마나 좋겠습니까?)

까르페디엠 encyclo

08-08-21 11:30

스테파노님의 노고에 비하면 아무것도 아닙니다.

앞으로도 많은 도움 부탁드립니다^^

김승겸 ksk7492

13-06-08 13:00

수고 많으십니다.

purge때문에 글을 찾아 읽던 중 입니다. 좋은 정보에 감사드립니다.

그런데 한가지 문의드릴 점은, 퍼지를 위한 질소가스의 온도, 압력은 관계 없는지요?

Nm3으로 변환하려 하니 좀 어렵습니다.