올바른 샘플 전처리(Preconditioning) 모듈을 선택하는 방법

올바른 샘플 전처리(Preconditioning) 모듈을 선택하는 방법

Randy Rieken

분석 샘플링 시스템에서 샘플을 분석할 때, 샘플이 분석기 가까이에 위치하는 샘플 컨디셔닝 시스템에 도달하기 전, 먼저 전처리가 필요한 경우가 있습니다. 이렇게 전처리가 필요한 경우, 적합한 샘플 전처리 모듈 선택이 필수입니다.

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전처리 모듈은 샘플의 현재 상(기체 혹은 액체)에 사용하는 샘플 이송 시스템의 유형에 따라 선택할 수 있습니다. 일반적으로 사람들은 다음 두 가지 설계 옵션의 샘플 전처리 모듈을 많이 사용합니다.

1. 탭에 가까이 설치하는 필드 스테이션 모듈 (Field station module)
2. 분석기에 가까이 설치하는 패스트 루프 모듈 (Fast-loop module)

샘플 이송 시스템

우선 샘플링 시스템에서 어떤 샘플 이송 시스템을 사용할지 결정해야 합니다. 분석 계장 애플리케이션에서는 일반적으로 두 가지 샘플 이송 시스템을 사용합니다.

단일 라인(Single-line) 시스템은 분석기 위치와 최종 배출 지점까지 샘플을 계속해서 이송시킵니다. 단일 라인 이송 시스템은 일반적으로 가스 샘플에 사용합니다. 가스 샘플이 샘플 이송 라인에 들어가기 전에 전처리해야 하는 경우, 대부분 필드 스테이션 모듈과 단일 라인 시스템을 함께 사용합니다.

반면 패스트 루프 시스템은 샘플을 분석기 위치까지 이송시키는데, 여기서 적은 유량만이 분석기를 통과하고 나머지는 공정 리턴 탭(process return tap)으로 돌아갑니다. 패스트 루프 시스템은 일반적으로 액체 샘플에 사용하지만, 기체화된 샘플을 안전하게 이송시키기 위해 사용할 때도 있습니다. 보통 패스트 루프 시스템에서는 샘플이 분석기 위치에 도달한 후 전처리하기 위해 패스트 루프 모듈을 사용합니다.

필드 스테이션 모듈 및 패스트 루프 모듈

샘플 이송 시스템을 결정하고 나면 반드시 이에 적합한 샘플 전처리 모듈을 선택해야 합니다. 필드 스테이션 모듈이나 패스트 루프 모듈 중에 선택할 수 있고, 둘 다 선택하지 않을 수도 있습니다. 이때 제일 먼저 해야 할 일은 샘플을 전처리하는 시점이 샘플 이송 라인에 들어가기 전(필드 스테이션 모듈)일지 또는 분석기 위치에 도착한 후(패스트 루프 모듈)일지 파악하는 것입니다. 하지만 이 두 가지를 모두 사용하는 경우는 거의 없습니다.

그림 1: 단일 라인 이송 시스템에 장착된 필드 스테이션 모듈

필드 스테이션 모듈은 샘플을 여과, 액체 샘플을 기화 혹은 가스 샘플의 압력을 감소시키는 장치를 포함하는 서브 조립체(subassemblies)로써 가능합니다. 위의 그림 1에서 볼 수 있듯이, 필드 스테이션 모듈은 샘플 이송 라인을 통과하기 전에 샘플을 전처리합니다. 필드 스테이션 모듈의 역할은 다음과 같습니다.

• 스트림(stream)에서 원치 않는 고체 혹은 액체 제거
• 샘플의 압력 혹은 온도 변경
• 기화 혹은 응축을 통해 샘플의 상태를 변경
• 캘리브레이션 가스(calibration gas) 유입을 허용

그림 2: 패스트 루프 시스템에 장착된 패스트 루프 모듈 

패스트 루프 모듈은 대부분 액체 샘플에 사용하지만, 요즘 들어 가스 샘플에도 점점 더 많이 사용하는 추세입니다. 패스트 루프 모듈은 유량을 제어하고 분석된 샘플을 여과하는 장치를 포함하는 서브 조립체 역할을 수행하는 것도 가능합니다. 그림 2를 통해 패스트 루프 모듈이 샘플이 분석기 위치에 도착한 후 전처리하는 과정을 볼 수 있습니다.

패스트 루프는 절대로 샘플을 필드에서 전처리하지 않기 때문에, 필드 스테이션은 필요치 않습니다. 패스트 루프 모듈은 적은 유량만을 분석기로 보내고 나머지 처리되지 않은 유량은 샘플 리턴 라인으로 돌려보냅니다.

액체 샘플 전처리 시 고려사항

액체 샘플은 대부분 패스트 루프 모듈에서 전처리 되는데. 그 이유는 액체가 폐기 혹은 처분하기에 매우 까다롭기 때문입니다. 샘플 폐기와 관련한 환경적 측면을 고려할 때, 패스트 루프 모듈은 잠재적으로 위험한 폐기물 문제를 해결해 줍니다. 또한 액체는 체적 유량 당 질량이 더 크기 때문에, 대부분의 가스 샘플보다 더 가치가 큽니다. 패스트 루프 모듈을 사용하면 전처리하지 않은 액체를 종종 샘플링 시스템으로 돌려보낼 수 있습니다.

가스 샘플링 전처리 시 고려사항

위의 설명과 같이 가스 샘플은 필드 스테이션 모듈이나 패스트 루프 모듈을 통해 전처리할 수 있습니다. 이때 일반적으로 필드 스테이션 모듈을 사용하며, 이는 가스 샘플을 전처리할 뿐 아니라 분석기 위치로 샘플을 이송하기 전 압력을 낮추는 역할도 합니다. 가스 압력을 감소시키면 이동 속도가 두 배 더 빨라지기 때문에, 응답 시간이 향상됩니다. 기체화된 샘플은 저압에서 이송해야 더 안전합니다.

하지만 고압을 유지해야 하는 상황도 존재합니다. 이는 전체 공정의 압력을 파악하기 위해 샘플을 측정하는 경우와 기체화된 샘플의 ppm 혹은 ppb 수치를 측정하기 위해 분석기에 고압의 샘플이 필요한 경우입니다. 이런 환경에서는, 특히 기체화된 샘플이 탄소나 황을 함유하고 있을 때 항상 폐기 문제를 고려해야 하며, 패스트 루프를 사용하여 대부분을 리턴 라인으로 돌려보내야 합니다.

샘플링 시스템과 샘플의 상태를 이해해야만 어떤 샘플 전처리 모듈이 작업에 적합한지 결정할 수 있습니다. 샘플의 대표성과 정확한 분석 결과를 일관되게 확보하는 방법은 스웨즈락의 프로세스 분석기 샘플링 시스템(PASS, Process Analyzer Sampling System) 서브시스템 교육 과정을 통해 확인하실 수 있습니다. 경력 있는 샘플링 시스템 엔지니어와 산업 전문가도 샘플 전처리 모듈과 같은 복잡한 시스템 서브 조립체에 대해 배울 수 있는 교육 과정입니다.

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