공정 분석기 정보: 라만 분석기

분석기 유형 정보: 라만 분석기

Mike Strobel, Swagelok 비즈니스 개발 매니저

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정확한 공정 분석은 모든 화학 플랜트와 정유 공장에서 필수적인 요소입니다. 효율성과 수익성을 최적 수준으로 유지하려면 공정 조건과 유체 조성을 실증할 수 있는 역량이 중요합니다. 공정 유체에 대한 정보가 심층적일수록, 적절한 제어로 이를 최적화할 수 있는 역량이 높아집니다.

이러한 이유로, 공정 분석기는 현대 플랜트에서 필수적인 도구입니다. 하지만, 공정 분석기에는 몇 가지 유형이 있으며, 각각 고유한 장점이 있습니다.

Swagelok이 다양한 유형의 분석기와 이상적인 애플리케이션을 설명하는 블로그 시리즈를 지속적으로 개발하고 있는 것도 이러한 이유 때문입니다. 먼저, 라만(Raman) 분광학을 사용하여 유체의 화학적 조성에 대한 상세한 정보를 제공하는 비교적 새로운 공정 분석기 유형인 라만 공정 분석기에 대해 알아보겠습니다.

분석 계장 알아보기

라만 분석기는 무엇이며 어떤 원리로 작동합니까?

라만 샘플 분석의 시각화.

1. 레이저가 샘플을 비춥니다
2. 라만 분석기가 레일리(Rayleigh) 광산란을 필터링하여 걸러냅니다
3. 라만 산란광이 측정을 위해 감지기에 입사됩니다
4. 라만 지문에 값이 할당됩니다

라만 분석은 액체, 고체 또는 기체 샘플의 화학적 조성에 대해 상세한 정보를 제공하는 비파괴 공정입니다. 조성을 알 수 없는 샘플을 비추는 데 적외선 또는 자외선 영역에 가까운 가시광선 단색 레이저가 사용됩니다. 광선이 물질의 분자를 자극하여 분자가 기저 진동 상태에서 가상 진동 상태로 이동하도록 만듭니다.

이 공정 도중, 빛의 탄성 산란과 비탄성 산란이 일어납니다. 탄성 산란 또는 레일리 산란이란, 방출되는 광자가 입사되는 광자와 같은 양의 에너지를 가지고 있음을 의미합니다. 비탄성 산란 또는 라만 산란은 두 가지 경우를 가리킵니다. 첫째는 분자가 가상 상태로 자극되고 빛에서 흡수한 에너지를 일부 보유하고 있는 경우입니다. 따라서, 방출된 산란광 광자는 입사되는 광자보다 약간 적은 에너지를 가지며 파장이 더 깁니다. 둘째는 이미 더 높은 진동 상태로 자극된 분자가 여기 후에 기저 상태로 돌아가는 경우입니다. 방출된 광자가 에너지를 획득하고 이제 파장이 더 짧아집니다.

광 산란 공정으로 생성되는 라만 스펙트럼은 흔히 샘플의 라만 지문이라고 표현됩니다. 사람의 지문과 마찬가지로, 각각의 라만 지문은 고유하며 측정 애플리케이션에 따라 생성된 수학적 모델을 기준으로 값이 할당됩니다. 모델은 실험실에서 사용자가 생성할 수 있지만, 대부분의 제조업체는 구현 시간을 단축하기 위해 이론적 모델을 생성합니다. 특히, 세심한 모델링과 적절한 모델 애플리케이션은 라만 측정의 정확도를 확보하는 데 필수입니다.

라만 분석기의 장점

라만 분광학은 공정 상태를 지속적으로 모니터링하는 데 효율적인 수단을 제공합니다. 이를 통해 초기 단계에서 화학적 조성을 검증함으로써 공정이 최적으로 가동됨을 보장할 수 있습니다. 잘 설계된 라만 시스템을 활용하면 분석 결과에 따라 거의 즉석에서 결정을 내릴 수 있으므로, 재작업과 낭비를 최소한으로 유지할 수 있습니다. 또한, 라만 분광학을 통해 완성품 또는 거의 완성된 제품을 모니터링하여 사양을 벗어난 제품의 재가공을 최소화할 수 있습니다.

라만 분석기는 샘플 컨디셔닝이 거의 또는 전혀 필요 없으므로, 시운전 비용과 지속적인 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.

더불어, 다음과 같은 운영상 장점도 있습니다.

• 샘플 컨디셔닝이 거의 또는 전혀 필요 없으므로, 시운전 비용과 지속적인 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다
• 샘플 이송 시간이 거의 필요 없으므로, 시간 지연이 크게 줄어들며 거의 실시간 분석이 가능합니다.
• 수동 캘리브레이션 필요 없음
• 수명 주기 전반에 걸쳐 최소한의 유지보수만 필요하므로, 다른 작업에 인력을 집중할 수 있습니다

시간 지연을 줄이는 방법 알아보기

라만 분석기의 단점

라만 분석기는 모델에 의존하여 측정 결과를 제공한다는 것이 가장 큰 단점입니다. 선형 회귀 분석에서 가스 혼합물 성분은 대개 손쉽게 구분할 수 있지만, 액체 분석은 훨씬 더 어렵습니다. 액체 모델의 개발에는 몇 달 또는 몇 년까지 걸릴 수 있으므로, 구현이 지연되고 더 많은 선행 비용이 필요할 수 있습니다.

또한, 라만 분광계는 다른 기술보다 감도가 낮으며, 일반적으로 수백 ppm(백만분율)까지만 측정할 수 있습니다. 이는 라만 분석이 정밀도가 부족할 수 있다는 의미이므로, 극도로 정밀한 측정이 필요한 일부 애플리케이션에는 이상적이지 않습니다.

라만 분석의 일반적인 애플리케이션

라만 분광계는 광범위한 공정 애플리케이션에 적합합니다.

가솔린 혼합.

라만 분광계는 가솔린 혼합 애플리케이션에서 상당히 효율적임이 검증되었습니다. 가솔린 혼합에서 라만 분광학을 사용하여 옥탄 등급, 끓는점, 리드(Reid) 증기압(RVP)을 모두 효율적으로 측정할 수 있습니다. 빠른 응답과 정확한 분석을 통해 작업자는 예를 들어 손실비용을 최소화하면서 최종 제품을 최적 옥탄 등급으로 유지할 수 있습니다.

쳔연가스 품질 측정

천연가스 내의 탄화수소 성분 함량은 미량에서 혼합물의 거의 100%까지 다양할 수 있습니다. 천연가스 혼합물 내에 있는 불활성 가스는 에너지 밀도를 떨어트릴 수 있으며, 따라서 가치가 낮아집니다. 라만 분광학은 기존 가스 크로마토그래피 방식처럼 성분 분리가 필요하지 않으므로, 천연가스 측정을 빠르고 정확하게 수행하는 데 적합한 선택입니다.

수첨 탈황 및 수첨 분해.

수소 산업은 이러한 정제 과정이 극도로 중요한 산업입니다. 라만 분광학은 전체 조성 분석이 필요할 때 적절한 솔루션입니다. 압력 스윙 흡착 장치 이후 실시간 라만 분석을 사용하면 최적이 아닌 제품이 다운스트림으로 유동하기 전에 수소를 적절히 제거할 수 있습니다. 또한, 라만 분광계는 다른 방식보다 더 높은 압력에서 일반적인 측정이 가능합니다. 이에 따라, 유체가 확관(Flare)이 아니라 공정으로 되돌아갈 확률이 높아지므로 운영 비용 절감에도 도움이 됩니다.

시추 탐사.

시추업체가 오일 및 가스 매장지를 찾을 때 시추 공정을 최적화하고 작업자 안전을 지원하는 일은 중요합니다. 시추 속도를 높이려면 가스 크로마토그래피와 같은 기존 측정 기술로는 달성할 수 없는 빠른 측정 응답이 필요합니다. 라만 분광계는 탄화수소와 비탄화수소 분자 모두를 동시에 측정할 수 있으므로, 추가적인 분석 계장의 필요성이 줄어듭니다.

이수검층(Mud logging).

이수검층(Mud logging)은 시추공 시추 도중 표면으로 밀려나온 파쇄석, 진흙, 가스를 측정하고 분류하는 작업입니다. 시추 공정을 최적화하고 가스의 폭발성 혼합물이 존재하지 않는지 확인하려면 진흙의 조성과 특성을 모니터링해야 합니다. 라만 분광계가 제공하는 지속적인 모니터링을 통해 효율을 높이고 작업자의 안전을 보전하는 데 도움이 되는 현명한 결정을 내릴 수 있습니다.

활용 사례: 정제 연료 가스

라만 분광계를 사용하여 일반적으로 천연가스와 회수된 확관(flare) 가스의 혼합물인 정제 연료 가스의 화학적 조성을 지속적으로 모니터링하는 사례를 고려해보겠습니다.

회수된 확관(flare) 가스의 조성에 따라 연료 가스의 품질이 빠르게 변화할 수 있으며, 이는 연료 가스 혼합물을 사용하는 장비의 비효율성을 유발합니다. 특히, 연료 가스 내의 수소 함량이 급변하면 보일러에서 연소 불안전성이 생길 수 있습니다.

라만 분석기는 연료 가스에서 수소 성분을 측정할 때 짧은 응답 시간을 제공하므로, 연료 가스 혼합물을 지속적으로 모니터링하며 신속하게 변경을 적용할 수 있어, 수소가 풍부한 연료 가스가 공정 장비에 도달하는 일이 최소화되며 공정 효율이 높아집니다.

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공정 분석 요구 사항은 사업 분야에 따라 고유하며, 라만 공정 분석기가 그러한 요구를 충족하는 한 가지 옵션이 될 수 있습니다. 이러한 종류의 시스템이 적절한 조합인지 확신하지 못하거나 더 심층적으로 알아보려면, Swagelok 전문가들과 더 자세히 논의하실 수 있습니다. Swagelok 전문가는 고객의 요구 사항을 평가하고, 공정 분석에 가장 효과가 뛰어난 위치를 결정하며, 고객 비즈니스에 가장 효율적인 유체 분석 기술을 안내할 수 있습니다.

Swagelok 참고 자료를 통해 시설 내 모든 부품의 샘플링 실무를 개선하는 방법에 대한 인사이트를 찾아내고, Swagelok 공정 분석기 시리즈에 대한 최신 소식을 볼 수 있습니다.

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