공부중

단위조작 책에 있는 예제를 통해서 알아볼려고 해요.

판형 탑에서 공기와 섞여 있는 아세톤을 비휘발성 흡수유에 흡수시킬려고 해요.

들어가는 기체에는 아세톤이 30 mol% 이고, 

흡수유에는 아세톤이 섞여 있지 않아요.

공기 중에 있는 아세톤의 97%를 흡수시키고,

탑 bottom으로 나가는 농축액은 10 mol%의 아세톤을 갖게 할꺼에요.

평형관계식은 Ye=1.9xe 입니다.

가정 : 들어가는 기체 100 mol = Vb(공기와 섞여 있는 아세톤)

아세톤의 양 = 0.3 x 100 mol = 30 mol

공기의 양 = 100 mol - 30 mol = 70 mol

공기중에 있는 아세톤을 97% 흡수 시키므로 흡수 안되고 나가는 아세톤은 3%.

나가는 아세톤의 양 = 0.03 x 30 mol = 0.9 mol

나가는 공기와 아세톤의 양 = 70 mol + 0.9 mol = 70.9 mol

흡수된 아세톤의 양 = 30 mol - 0.9 mol = 29.1 mol

탑 bottom으로 나가는 농축액의 10 mol%가 아세톤 이므로 

농축액의 양 = 291 mol 

아세톤을 뺀 흡수유의 양 = 291 mol - 29.1 mol = 261.9 mol

위에 보이는 Operating line을 그리기 위해 

기체에 남아 있는 아세톤의 몰 수를 가정하여 탑 윗부분에서 아세톤의 수지식을 세워볼께요.

기체에 10 mol이 남이 있다면

10 mol 중에 나가는 아세톤의 양 0.9 mol 을 빼주면 9.1 mol이 나옵니다. 이건 흡수유가 가져 가겠죠.

흡수유중에 아세톤의 

이렇게 x,y 값을 가정하여 구하면 위의 그림과 같이 Operating line을 그릴 수 있어요.

이상단 수를 구해 보면 4.3 정도 되요. 0.3은 몰분율 l1/l2 를 해보면 대략 나와요.

4.3단이면 대략 5단이라고 봐야겠네요. 

Distillation의 최소이론단수 어떻게 쉽게 구할 수 있을까요?

Fenske Method는 total reflux에서 최소이론단수를 빠르게 추정할 수 있어요.

Nm = minimum number of theoretical stages in the column at total reflux

xLKD = mole fraction light key in the distillate 

xHKD = mole fraction heavy key in the distillate  

xLKB = mole fraction light key in the bottoms 

xHKB = mole fraction heavy key in the bottoms 

(αLK/HK)AVG = geometric average of the relative volatility of light key to heavy key at the distillate, feed, bottoms locations = (αD αF αB)^1/3

상대휘발도가 상수일 경우엔 feed 조건의 상대휘발도를 이용하여 위의 식을 사용해요.

식에서 Nm + 1 로 표기된 이유는 리보일러(Reboiler)를 고려한 거에요. 

예를들어 구한값이 8단인데 리보일러가 있으면 +1 을 해서 최소이론단수가 9단이 되는거고요.

만약에 total condenser도 있다면 +2가 되니까 10단이 되는거죠.

Petrochemical / Chemical Plant 에 열교환기들이 정말 많습니다. 

모양들도 제각각이고 사용처도 너무 다양합니다. 

그렇지만 한가지 똑같은게 있죠. 

열교환을 위한 장치라는거;; 하하;; 

이런 장치들은 1년에 한차례 청소도 해주고 보수 수리도 해야하죠. 

투자비를 뽑기 위해 오래토록 씁니다. 그러다보면 당연히 문제점들이 속속 들어나겠죠. 

그래서 준비한 이슈가 어떤문제가 생기면 이럴수도 있기 때문이다! 라는거에요;; 

Troubleshooting 이죠. 

열교환기 Troubleshooting 어떻게 진단 할까요?

1. 예상했던 것보다 압력손실이 더 적을때.

먼저 bypassing 흐름이 있는지 확인합니다. 

tube side의 경우, 플레이트 와 튜브시트 가스켓을 실험해 봅니다. 

또 corrosion(부식)이 생겼나 찾아보고 가스켓 문제 와 제조할때 결함이 있었나 찾아봅니다.

shell side의 경우, 부적절한 bundle sealing이 있나 보고, bundle seal strips를 검사 합니다. 

two-pass shell의 경우, 만약 long baffle을 용접하지 않았다면 유체가 bypassing 했을 수도 있습니다. 

leaf seal과 함께 쓰는 long baffle은 완벽하게 sealing 할 수 없고 그 부분에 damage를 얻을 수 있습니다. 

2. 예상했던 것보다 압력손실이 더 클때.

Venting이 잘 되고 있는지 확인 합니다. 특히 컨덴서(condenser)의 경우 제일 먼저 확인 합니다. 

fouling(오염)이 높은지 확인합니다.

start-up 할때 debris 가 있는지 확인 합니다. 

공정 stream 이 얼었나(freezing) 확인 합니다.   

two phase 의 경우 slug flow 인지 확인 합니다. 

제작에 결함이 있나 확인 합니다. 

3. Fouling(오염)이 있을때.

열 성능이 점진적으로 하락하는게 나타난다면 fouling을 검토해봐야 합니다. 

디자인 보다 더 적은 흐름이 있을때 디자인 조건 또는 작동 기간을 봤을때 차이가 있을 경우 열교환기를 작동시키는 history를 파악하여 확인 합니다. 

cooling water side에 fouling이 예상 된다면, 겨울철 동안에 cooling water 흐름이 줄어 들었는지 확인하면 됩니다.

4. Debris

특히 새로운 열교환기의 경우에 열교환기로 들어가는 부분에 있는 strainer를 확인해 봅니다. 

strainer가 없다면 돌이나 쓰레기, 장비, 장갑, 펜들 등등이 열교환기에 걸렸는지 확인해 봅니다.

5. 전열면적이 초과 할때.

대분분의 열교환기들은 오염되어진 조건에 맞추어 설계 되어 집니다. 

깨끗하게 작동되고 있을때 열교환기들은 너무 많은 열을 전달합니다. 

결과적으로 높은 온도나 freezing으로 인해 문제들이 생깁니다. 

이럴때 tube를 막아서 초과되는 전열면적을 줄일 수 있습니다. 

이때 쓰이는게 tapered metal plug인데 흔하게 사용됩니다. 

농도 환산 어떻게 계산해야 할까요?

농도 환산에 대해서 간략하게 정리를 해볼려고 합니다. 

분석할때 환산도 꼭 필요하겠죠?? 

1. %농도 → 몰농도(M) 

2. %농도 → 노르말농도(N) 

3. M농도 → N농도 

4. 용해도 → %농도 

소금물이 있어요. 

물에 소금을 넣어서 소금물을 만들죠. 

그러면 농도는 어떻게 될까요? 

김치를 만들때 적정한 농도의 소금물로 배추를 절이면 더 맛있겠죠? 

농도를 숫자로 표기할려면 어떻게 해야 할까요?? 

1. 백분율 농도

 백분율 농도에는 두가지 형태가 있어요.

 1) v/v %농도 : 용질부피 / 용액부피 * 100 [ℓ/ℓ]  → vol % 표시
 2) w/w %농도 : 용질무게 / 용액무게 * 100 [g/g]  → wt % 표시

  통상 %농도라 하면 주로 w/w%를 의미해요.

   밀도가 1g/ℓ경우 동일한 계산결과가 나와요.
   일반적인 물의 밀도 = 1 mg/cm3 = 1 g/mℓ = 1 kg/ℓ
  
   w/w %농도는 무게백분율이라 부르며, v/v %농도는 부피백분율이라고 칭하죠.

 * 참고 
 

   - 무게 (weight) : 물체에 작용하는 중력의 크기, 중량이라고도 한다.
   - 질량 (mass)   : 물체의 역학적 성질을 결정하는 물체 고유의 기본적인 양

2. ppm 농도 [parts per million]

 ppm 농도는 어떠한 용질 1mg이 용액 1,000,000 mg (즉 1 kg)중에 들어있는 농도를 말한다.
 (단, 비중이 1인 경우)
 
 X ppm 농도의 용액을 만들 경우  용질무게 X mg에다, 용질무게를 포함한 용액전체의 무게가 1 kg
 (=1,000,000 mg)이 되도록 용매를 넣어주어야 해요. (실험할때 헷갈리지 않게 조심해야줘;)
     
 미량분석의 정량범위, 검출한계 등을 수적으로 표현하는 단위로 ppm 농도와 %농도간의 환산문제을
 자주 실시하며, %는 백분율이므로 1/100이 1%가 되요. ppm은 백만분율이므로 1/1,000,000의 값이

 1 ppm 이 되죠.

 따라서 1 = 100% = 1,000,000 ppm 이며, 1% = 10,000 ppm 이에요.
 그러므로 % 농도를 ppm 단위로 고치려면 10,000 ppm/%를 곱해주어야 해요.
    
 * ppm 농도 = w/w %농도 * 10,000 [ppm/%]


3. ppb 농도 [parts per billion]

 수질오염도나 대기오염도를 나타내는 단위로 ppm 농도와 ppb 농도간의 환산문제을 자주 실시하며,
 일반적으로 ppb 농도를 1,000으로 나누면 ppm 단위의 농도가 된다.

 단순히 ppb은 1/10^9 을 표현해요.

 ppm 농도 = ppb 농도 * [1 ppm/1000ppb]


4. 몰농도 (Molarity : M)

 용액 1ℓ에 들어 있는 용질의 몰수를 말하며, M 또는 g-mol/ℓ로 나타냅니다.
 
 M = (w / Mw) * (1,000 / V)      
 w : 용질의 무게(g), Mw : 용질의 분자량(g/g-mol), V : 용액의 부피(mℓ)

 M = (10 * w/w %농도 * ρ) / Mw  
 Mw : 용질의 분자량(g/g-mol), ρ : 용액의 밀도(g/mℓ)

              
5. 몰랄농도 (Molality : m)

 용매 1 kg 중에 용해되어 있는 용질의 몰수(g-mol수), m으로 표시해요.
 단위는 [g-mol/kg], 주로 라울의 법칙이나 삼투압 측정 등에 이용됩니다.

 몰랄농도(Molality) = 용질의 g-mol수 / 용매 1 kg
 몰랄농도(Molality) = (w / Mw) / (S / 1000)
  w : 용질의 무게(g), Mw : 용질의 분자량(g/g-mol), S : 용매의 무게(g)


6. 노르말농도 (Normal : N)

 용액 1ℓ속에 녹아 있는 용질의 g-당량수로 나타내며, N으로 표시합니다.

 노르말농도 (N) = 용질 g-당량수 / 용액의 부피(ℓ)
 노르말농도 (N) = (w / E) * (1000 / V)
  w : 용질의 무게(g), E : 용질 1g 당량수(g/g-당량), V : 용액의 부피(mℓ)
 
   g 당량수 = 분자량 / (1분자중의 H+ 또는 OH- 수)

                   

7. 몰분율 (molar fraction)

 어떤 성분의 몰수와 전체 성분의 몰수와의 비를 말합니다.
 1,2,3,...i 성분이 각각  n1, n2, n3,...ni 몰씩 섞여진 혼합물로 구성되어 있다고 하면 혼합물의 총 몰수는
 
   N = n1 + n2 + n3 + ......ni
 
  i 성분의 몰분율은   Xi = ni/N
 
 각 성분의 몰분율을 모두 합하면 1이 됩니다.
 X1 + X2 + X3 + ....Xi =  n1/N + n2/N + n3/N+ .....ni/N 
 = (1/N)( n1 + n2 + n3+ ... + ni) = N/N = 1
  위와 같이 계산이 됩니다.


8. 몰백분율

 몰분율을 백분율로 나타낸 값.


9. 중량비   

 용질의 g수를 용매의 g수로 나눈 값.


10. 몰비

  용질의 몰수를 용매의 몰수로 나눈 값 .

National Fire Protection Association(NFPA)

방화ㆍ안전설비 및 산업안전 방지장치 등에 관한 국제 규격입니다. 

소방펌프를 설계할때 이 코드를 참조 했었는데 오래전 일이라 다시 

찾아볼려고 했는데 찾기가 쉽지 않네요. 

참조하시라고 목록 과 링크를 드립니다. 

National Fire Protection Association(NFPA) CODE는 

어떤 내용을 담고 있을까? 

링크 : http://www.nfpa.org/codes-and-standards/document-information-pages