공정 분석기 시스템 교육에서 가장 흔히 드러난 5가지 사실: 50년에 대한 회고

공정 분석기 시스템 교육에서 가장 흔히 드러난 5가지 사실

샘플링 시스템 전문가 겸 강사 Tony Waters

공정 분석기 샘플링 시스템은 공장에서 가장 까다로운 시스템 중 하나입니다. 이 시스템은 설계하기 어려울 뿐만 아니라 정확하게 작동하기도 어렵습니다. 이 시스템의 한 부분을 약간 고친다면 결국 다른 부분을 크게 고쳐야 할 수도 있습니다. 이런 점을 볼 때 스웨즈락이 공정 분석기 샘플링 시스템 (PASS: Process Analyzer Sampling System) 교육 과정 동안 집중력이 좋은 수강생들로부터 여러 가지 좋은 질문을 받는 건 당연한 일이죠. 저는 지난 50년 동안 강사 일을 하면서 학생들이 다양한 통찰을 경험하는 걸 지켜봤습니다. 이제부터 들려 드릴 이야기는 제가 수년간 만난 공정 분석기 시스템 수강생들이 보여준 최고의 5가지 “대박(aha)” 사건들입니다.

"시간 지연이 예상보다 깁니다”

대부분의 수강생들은 분석 계장 시스템의 시간 지연을 처리하는 일의 중요성을 생각하지 않다가, 일부 분석기 측정값을 매우 늦게 수신한다는 점에 놀라버리는 일이 많습니다. 업계 표준에 따르면 샘플 투입부터 판독값 확보까지 걸리는 응답 시간은 약 1분입니다. 이처럼 짦은 시간은 공정 조건에 근접한 실시간 판독값을 제공하며, 여러분은 이를 통해 즉각 조정을 수행하고 제품 낭비를 최소화할 수 있습니다.

그러나 어떤 경우에는 분석기가 공정 탭으로부터 불과 몇 피트 떨어진 곳에 설치되어 있는데도 판독값 확보까지 걸리는 시간이 길어질 수 있습니다. 이러한 지연은 지연된 시간이 샘플링 시스템 설계자의 예상치를 초과하는 경우 문제가 됩니다. 시간 지연을 잘못 예측하거나 가정하면 공정 제어가 불충분하게 이루어질 수 있습니다.

시간 지연을 단축할 단 하나의 방법은 시스템 설계를 조정하는 것입니다. 당사의 공정 분석기 시스템 교육에 포함된 실습을 통해 일반 샘플링 시스템에서 나타나는 시간 지연을 계산해 보겠습니다. 이 실습의 초기 설계에서는 무려 5시간이 넘는 시간 지연이 발생했군요. 하지만 시스템에서 몇 군데를 신속히 수정하고 나면 이러한 지연이 업계 표준치인 1분으로 감소하게 됩니다. 수강생들은 이러한 과정에 놀라움을 표하며 본인들의 시설로 복귀해 이를 그대로 실행할 수 있습니다.

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"제 샘플이 공정 조건을 대표하지 못할 수 있습니다”

시간 지연은 샘플 판독값의 “대표성”에 영향을 미치기 때문에 수정해야만 하는 매우 중요한 문제입니다. 즉 시간 지연은 분석기 판독값을 얻는 시점에 샘플이 공정 라인 내 유체를 대표하는 정도를 반영합니다. 예를 들어, 공정 분석기 시스템에서 5시간 이상의 지연이 발생했다고 가정해 봅시다. 부정적인 판독값이 발생하면 시스템 운영자는 품질 이슈를 시정하고 이 문제가 해결되었다고 생각할 겁니다. 하지만 이 운영자가 판독이 5시간 넘게 지연된 사실까지 알아챘을 가능성은 낮습니다. 이처럼 지연된 시간 동안 다량의 불량 제품이 시스템을 통과하여 이미 고객에게 배송되었을 수도 있습니다.

심지어 적절한 샘플을 확보하고 시간 지연을 제한하는 경우에도, 샘플링 시스템의 설계 때문에 샘플이 대표성을 띠지 못하게 될 수 있습니다. 예를 들자면 공정 분석기 시스템의 데드레그 또는 데드 스페이스가 새 샘플에 영향을 미칠 수 있는 오래된 샘플을 잡아 가둠으로써, 실시간 공정 조건에 일치하지 않는 혼합 샘플이 만들어질 수 있습니다.

누설로 인해 샘플이 오염될 수도 있습니다. 이러한 누설은 샘플링 시스템 자체에서 발생하는 누설이 아니라, 주변 공기로부터 시스템으로 들어오는 누설입니다. 예컨대 100psia에서 100% 질소가 함유된 시스템으로 산소가 누설될 수 있는데, 이는 시스템 외부에 존재하는 산소의 분압이 시스템 내부에 존재하는 산소의 분압보다 크기 때문입니다. 이런 누설은 예기치 못한 주변 공기 오염을 방지하기 위해 샘플링 시스템의 분압을 높여 해결할 수 있습니다.

“코어레서에 더욱 집중해야 합니다”

샘플 컨디셔닝 교육 시 대부분의 참석자는 코어레서가 가스 샘플로부터 액체를 분리 및 제거하는 데 사용되는 장치라고 생각합니다. 이는 어느 정도 맞는 말입니다만, 이런 믿음은 액체가 에어로졸 형태로 유지되는 경우에만 옳습니다. 에어로졸은 다양한 가스 샘플 내에 존재하는데 이는 사이클론 분리기 또는 중력식 분리기 같은 가속 장치가 액체 방울을 분리할 수 없기 때문입니다. 샘플링 시스템 내에 설치되는 코어레서는 작은 방울들을 합쳐 큰 방울로 만들어낸 다음, 이러한 방울을 중력으로 보다 쉽게 분리할 수 있습니다.

수강생들은 2가지 조건이 일반적으로 코어레서의 효율을 떨어뜨린다는 사실을 알고서 놀라게 됩니다. 첫 번째로, 유리 액체(즉 에어로졸이 아닌 액체)는 액체 방울의 방대한 크기 때문에 거의 분리되지 않은 상태에서 정확히 코어레서로 흘러갑니다. 두 번째로, 코어레서를 통과하는 유량이 지나치게 많아지면 미세한 에어로졸 방울이 코어레서 엘리먼트를 통과하면서 유량 경로에서 제거되지 않게 됩니다. 이 두 가지 상황 모두 에어로졸 방울이 분석기에 도달할 가능성을 높이고, 판독값의 신뢰성을 줄여 코어레서를 무용지물로 만듭니다.

“액체를 증발시키면 문제가 될 수 있습니다”

많은 수강생들은 액체 샘플을 증발시키는 일이 쉽다고 생각합니다만, 여기서 여러 가지가 잘못될 수 있습니다. 이 작업의 목표는 액체의 압력을 급속히 떨어뜨려 액체를 즉시 증기 상태로 변환하는 것입니다. 그러나 샘플 전체를 증기로 바꾸지 않고, 대신 증발과 기화를 조합한다면 의도와 달리 샘플이 분리될 수도 있습니다. 샘플이 분류되어 버리면 더 이상 분석에 적합하지 않습니다.

이런 상황에서는 가벼운 가스 분자가 먼저 증발하고 분석기까지 하향 이동하는 반면, 무거운 분자는 액체 단계에 계속 머무르게 됩니다. 그 결과 분석기에 도달하는 샘플은 더 이상 공정 라인에서 뽑은 제품을 정확하게 대표하지 않게 됩니다. 증발 과정에서 어떤 일이 발생하는지를 이해하고 분석 시스템 내 증발을 관리하는 방법을 자세히 배운다면 향후 이런 상황이 생기는 것을 방지할 수 있습니다.

"응축은 까다로운 문제지만 이를 해결하는 건 간단합니다”

응축은 아마도 가스 샘플에서 발생하는 가장 흔한 문제일 겁니다. 수강생들은 가스가 얼마나 빨리 냉각되는지(그리고 액체가 얼마나 늦게 냉각되는지) 알게 되면서 놀라워합니다. 하지만 이들은 응축이 발생할 수 있는 상황에서 이를 막기 위해 어느 정도의 온도가 필요한지 쉽게 예측할 수 있다는 사실을 배움으로써 기뻐하기도 합니다.

가능한 한 탭과 가까운 곳에 배치되어야 하는 필드 스테이션 내에서 가스 샘플의 압력을 낮추는 시스템에 대해 생각해 보십시오. 기억해야 할 점은 거의 모든 가스가 압력 저하(줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)로 알려진 현상) 과정에서 열을 잃는다는 점입니다. 압력 저하 정도가 미미하면 응축의 발생에 대한 걱정 없이 간단한 감압 레귤레이터를 사용할 수 있습니다. 그러나 가스 압력이 크게 떨어지면 막대한 열 손실로 인해 응축이 발생합니다. 가스 온도가 이슬점 온도에 가까워지면 이러한 응축이 발생할 가능성이 훨씬 높아집니다.

공정 분석기 샘플링 시스템 설계는 끝없는 발견의 여정입니다. 언제나 새롭게 밝혀내야 할 부분이 나옵니다. 샘플링 시스템에 50년이 넘는 경험을 보유한 저마저도 아직 여러 가지를 배워 나가고 있으며, 종종 저만의 “대박(aha)” 사건이 생기기도 합니다. 기술을 강화하고 더 배워 나가야 할 것이 무엇인지 알아내려면 교육을 받는 것이 매우 중요합니다. 필드에 나가 있는 순간이라 해도, 모두를 위한 더욱 정확하고 신뢰할 수 있는 공정 분석기 시스템 판독의 영감이 될 수 있는 나만의 통찰을 경험하는 순간이 찾아올 수 있습니다.

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저자 정보

Tony Waters는 업계 전문가이자 스웨즈락의 컨설턴트입니다. 공정 분석기와 그 샘플링 시스템에서 50년이 넘는 경험을 보유한 Tony는 분석기 제조사, 최종 사용자, 그리고 시스템 통합자를 위한 엔지니어링 및 마케팅 관련 역할을 맡아 일해 왔습니다. Tony는 공정 산업에 전문 분석기 서비스를 제공하기 위한 회사 3곳을 설립했으며, 정제 시설 및 화학 플랜트에 대한 공정 분석기 적용의 전문가입니다.