증기 압력 곡선의 상평형도 활용하기

증기 압력 곡선의 상평형도 활용하기

화학 실험실에서 주로 사용하는 상평형도는 샘플 분석을 다루는 기계 엔지니어와 플랜트 매니저에게도 굉장히 유용합니다. 일부 분석 시스템에서는 액체 샘플을 반드시 기화시켜 분석하기 전에 가스로 변환해야 합니다. 기화는 기본적으로 온도, 압력, 유량의 균형이 맞았을 때 발생하는 현상이며, 엔지니어는 증기 압력 곡선 –상평형도’를 활용해 고유한 재질 및 화학 조성의 변화를 유추할 수 있습니다.

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아래의 도표는 가상의 가스 혼합물(펜탄 내 헥산 20% 혼합)의 상평형도입니다. 버블점(파란색 선) 위에 있는 샘플은 전부 액체 상태입니다. 기화기에 들어가는 시점에서 샘플은 액체 상태여야만 합니다. 이슬점(금색 선) 밑에 있는 샘플은 ’모두 증기입니다. 기화기에서 빠져나오는 샘플은 전부 증기여야만 합니다.

버블점과 이슬점 선 사이는 “노고존(No-go-zone)”입니다. 노고존은 샘플의 끓는 범위를 말합니다. 여기서 혼합물은 일부는 액체, 일부는 증기인 두 단계로 나뉩니다. 샘플이 노고존에 위치하면 혼합물이 분류되어 버리기 때문에, 더는 분석에 적합한 상태가 아니게 됩니다. 기화의 목적은 샘플이 노고존의 액체 측에서 증기 측으로 즉시 이동하도록 온도, 유량, 압력을 설정하는 것입니다. 고순도 또는 초고순도 샘플은 끓는 범위 또는 노고존에 들어갈 확률이 적은데, 그 이유는 버블점과 이슬점의 선이 서로 겹쳐져 있거나 두 점 사이의 폭이 매우 좁기 때문입니다.

즉 고순도 또는 초고순도 샘플은 증발이나 기화 중 어떤 상태이든 상관없이 같은 조성의 증기로 변환합니다. 이렇듯 순도가 높은 일부 산업용 샘플은 증기로 변환하는 작업이 매우 쉽습니다. 반면, 끓는 범위나 노고존이 매우 넓은 샘플은 성공적으로 기화하는 것이 매우 어렵습니다. 이런 샘플은 노고존을 거치지 않고 액체에서 증기로 변환할수가 없기 때문입니다. 이때 샘플의 분류를 막기 위해 변수를 조정하는 것도 쉽지 않습니다.

위의 도표에서 볼 수 있듯이, 버블점과 이슬점 사이의 띠가 매우 좁은 샘플은 올바르게 설정하기만 하면 효율적으로 노고존을 건너뛰어 증기로 바뀔 수 있습니다. 반대로 상평형도에서 띠가 매우 넓으면 아주 조심해도 소용이 없습니다.

온도, 압력 유량 설정

위의 펜탄 내 헥산 20%를 나타내는 상평형도를 계속해서 예로 들었을 때 기화를 성공적으로 완료하기 위해서는 입력값을 능숙하게 설정해야 합니다. 보통, 흡입구의 입력값을 고압 및 저온으로 설정합니다. 반대로 토출구는 고온 및 저압으로 설정합니다. 이 설정값에는 최고와 최저의 한도가 존재하긴 하지만, 이를 하나하나 제어하는 것이 쉽지는 않습니다.

1. 기화기의 흡입압 결정

기화기가 샘플 탭에 가까이 위치한 경우,—흡입압은 곧 공정 압력이 되며 이 값은 고정되어 있습니다. 위의 도표를 보면 압력은 4바입니다. 압력은 높을수록 더 좋은데, 이는 기화기가 들어오는 액체를 끓이지 않으면서 온도를 높게 유지할 수 있기 때문입니다.

2. 흡입구 온도 설정

흡입구 온도를 설정하는 목적은 두 가지가 있습니다. 첫 번째 목적은 샘플이 충분히 낮은 온도를 유지해, 전부 액체 상태로 기화기로 들어오게 하는 것입니다. 다이어그램을 보면 4바의 버블점은 88°C입니다. 샘플 분별을 예방하려면, 노고존을 피해 88°C에서 충분히 떨어진 온도로 설정하는 것이 가장 좋습니다. 예를 들어 80°C로 온도를 설정하면 안전합니다.

두 번째 목적은 샘플이 전부 증기 상태가 되도록 온도를 충분히 높게 유지하여고—기화기에서 증기만 빠져나가도록 하는 것입니다. 샘플이 기화될 때 에너지 보존의 법칙에 따라 온도는 떨어집니다. 출구에서 샘플의 온도는 압력이 감소하더라도 노고존에 떨어지지 않을만큼 충분히 높아야 합니다. 다이어그램을 보면 압력 저하 후 증기 온도는 60°C—이며,이 온도는 이슬점의 증기 측에 해당합니다.

3. 토출압 설정

토출압은 이슬점 선 밑으로 압력을 줄이기 위해 설정합니다. 위의 도표를 보면 토출압이 1.5바로 설정되어 있습니다. 토출압이 조금이라도 높으면 샘플은 전부 기화되지 못하고 분류되어 버릴 것입니다.

4. 적절한 유량 설정

유량은 기화기가 아닌 밸브와 로타미터에서 추후에 설정합니다. 샘플링 시스템은 샘플을 분석기로 빠르게 전송하기 위해 높은 증기 유량을 필요로 합니다. 그러나, 높은 유량은 문제가 될 수 있습니다. 그 이유는 샘플을 기화시키는 데 더 많은 열이 필요하기 때문입니다. 다시 말해서 유량이 높으면 기화 과정 중에 온도가 더 크게 떨어집니다. 도표에서 보라색 선은 온도 강하를 나타냅니다. 유량이 증가할수록 온도는 급격히 떨어집니다.

온도 저하에 영향을 미치는 또 다른 변수는 기화기의 열전달 기능입니다. 일부 기화기는 샘플에 열을 좀 더 효율적으로 전달하도록 설계되었습니다. 액체 샘플이 기화될 때 온도가 떨어지면, 샘플은 주변을 둘러싼 스텐레스강에서 열을 끌어옵니다. 요점은 기화기가 얼마나 효율적으로 샘플이 끌어가는 열을 대체할 수 있느냐입니다. 샘플이 더 많은 열을 끌어올수록 기화 과정에서 온도는 더 적게 떨어집니다. 기화기의 표면을 만지면 뜨겁지만, 내부의 정중앙은 차가운 경우가 있는데, 이’는 기화된 샘플이 다량의 열을 빼앗아 기화기가 유지해야 할 충분한 에너지를 전달하지 못하기 때문입니다. 이 때 최고의 방법은 유량을 줄이는 것입니다.

도표의 온도 저하는 유속과 기화기의 열전달력에 따라 생길 수 있는 현상입니다. 좋은 품질의 기화기로 저유속을 유지하면 도표의 선은 좀 더 수직으로 움직일 것입니다. 아쉽지만 상평형도에서 온도 저하의 위치를 정확하게 계산하기란 쉽지 않고, 이름이 알려진 소프트웨어 프로그램을 사용해보아도 마찬가지입니다. 따라서 기화 과정에서는 근사치를 사용합니다. 경험에 비추어볼 때 샘플’이 분석기로 이동하는 시간이 허용되지 않을 정도로 지연시키지 않으려면 유속을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 좋습니다. 처음부터 고유량으로 설정하는 것보다 저유량으로 시작해서 점차 증가시켜 실험하는 것이 좋습니다.

증기 압력 곡선의 상평형도를 활용한 분석 계장 및 샘플링 시스템 모범 사례에 관해 추가 도움이 필요하시면, 스웨즈락 판매 및 서비스 센터로 문의하시기 바랍니다.

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