게시판 > 질답게시판 > 탱크 내부 열원 가열 시 상부 vent량 계산

스테파노 Stefano

16-07-07 19:53

(1) 무수말레인산(Maleic Anhydride, MA)의 증기압이 대기압에 도달하지 않기 때문에 끓어올라 배출되는 것이 아니라 질문에서 계산하는 방식으로 계산할 수가 없습니다. (질문에서의 증발량은 비점에 도달한 후 가열속도에 따라 증발되는 양을 계산하는 경우에 적용합니다.)

(2) MA는 승화성이 있기 때문에 비점에 도달하지 않더라도 승화되어 배출되는 성질을 가지고 있을 것이므로 밀봉한 상태로 유지되면 배출되는 량은 없다고 보면 될 것입니다. 대신 질소로 밀봉하여 두는 것이 안전하겠지요.

(3) 만일 질소를 대기압 상태로 연속적으로 공급한다고 하면 질소에 MA가 포화되어 배출된다고 가정하면 최대농도로
질소 764 torr, MA 96 torr 즉 배출가스중 MA 비율이 부피(몰) 기준으로 12.6% 포함된다고 보면 될 것입니다.

질소 투입몰수 N kg-mole을 알면 배출 MA량은 96/764 kg-mole이 배출된다는 계산이 나옵니다.

(3) 그러나...MA 손실이 발생하기도 하고 승화되는 MA가 배출관에 쌓여 막힐 수도 있기 때문에 MA 취급시만 질소를 넣어주는 방법을 사용하고 그렇지 않을 경우 밀봉상태를 유지하며 배출관은 주기적으로 승화되어 쌓여있는 MA를 액으로 씻어줄 수 있도록 하는 방법이 안전할 것입니다.

(4) 가열원이 없어도 승화되는 물질도 저장온도에서의 증기압으로부터 계산하는것을 사용합니다. 이런 물질들은 Loss방지를 위해 탱크를 밀봉해 두는 것이 손실방지, (막힘, 인화, 폭발 등)사고방지, 변질방지를 위해 취해야할 방법이지요.

까르페디엠 encyclo

16-07-08 12:53

스테파노님 답변 감사드립니다^^
추가로 문의드립니다~
(1) 제가 간과했던 것 같습니다.
(2) 제가 잘 모르고 있는 것인지일 수도 있는데 승화는 고상<--> 기상의 개념이 아닌지요?
그리고 내부에 물이 일부 포함되어있어 100℃에서 끓는다면 밀봉 시 문제가 생기지 않을까요?
참고로 저장품은 내부에 계속 저장하지 않고 이물이 조금 함유되어있어 정제탑으로 보내어 재증류하고 있습니다.
(3) 분압법칙에서 질소 760, MA 96으로 하면 96/(760+96)으로 계산하는 것이 맞는지요 아니면 96/760으로 계산해야 하는지요?

스테파노 Stefano

16-07-08 15:07

A2) 맞습니다. 승화현상은 고상에서 직접시화되는 현상을 말합니다. 그러나 승화성질을 가진 물질은 액상의 보관중에도 액의 온도가 비점이하에서도 확산증발되어 날아가는 현상이 강하게 나타납니다. 이를 설명했던 것입니다.

MA의 융점과 비점이 각각 53도, 202도 정도인데 수분이 포함되어 있다고 해도 물의 끓는 온도에 도달하지 않는 한 압력이 크게 상승하는 일은 없습니다. 대신 액이 꽉채워져 빈 공간이 없는 상태에서 열팽창하는 현상이 일어나는 경우에는 아주 큰 압력상승이 일어나 용기가 파손될 수 있습니다.

수분이 포함된 MA는 용융 혹은 증발하여 수분을 제거하는데 증류방법으로 정제하는 군요.

A3) 취급온도에서 혼합물 전체의 압력이 대기압 760 mmHg라면 이중 96 mmHg가 MA이고 664 mmHg가 질소의 분압을 나타낼 것입니다. (이전 답글에서 질수 분압을 764 mmHg 잘못적었는데 이는 664 mmHg가 맞습니다. )

여기에 순수질소를 계속 불어 넣어주면 질소와 MA의 혼합뭄이 배출되어 나오게 되는데 혼합물의 농도중 질소는 87.37 m%, MA는 12.63 m%가 되기 때문에...

질소 87.37 mole당 MA 12.63 mole이 손실되겠지요. 따라서 질소투입유량이 N kg-mole이면 MA Loss는 (N * 96/664) kg-mole로 계산됩니다 (이전답글에서 96/764라고 잘못적었는데 이는 96/664 kg-mole ( = 0.1446 kg-mole MA/ kg-mole N2)가 맞는 수치입니다. )

(MA증기압 96 mmHg만 나타내고 있는 용기에 질소를 주입하여 대기압으로 만들면 MA분압 96 torr, 질소분압 664 torr가 됩니다. 그러나 만일 순수질소만 채워져 760 mm를 나타내고 있는 용기에 액상 MA를 주입하면 질소분압에 액의 증기압 96 torr가 더해져서 856 torr로 올라갑니다. 이때 나타내는 분압은 질소 760 torr MA 96 torr가 되지요. 엄밀한 계산으로는 주입한 액의 부피에 의한 영향에 의해 질소의 분압이 조금더 올라갑니다.)

A2) 맞습니다. 승화현상은 고상에서 직접시화되는 현상을 말합니다.   그러나 승화성질을 가진 물질은 액상의 보관중에도 액의 온도가 비점이하에서도 확산증발되어 날아가는 현상이 강하게 나타납니다.    이를 설명했던 것입니다.

MA의 융점과 비점이 각각 53도, 202도 정도인데 수분이 포함되어 있다고 해도 물의 끓는 온도에 도달하지 않는 한 압력이 크게 상승하는 일은 없습니다.   대신 액이 꽉채워져 빈 공간이 없는 상태에서 열팽창하는 현상이 일어나는 경우에는 아주 큰 압력상승이 일어나 용기가 파손될 수 있습니다.

수분이 포함된 MA는 용융 혹은 증발하여 수분을 제거하는데 증류방법으로 정제하는 군요.

A3) 취급온도에서 혼합물 전체의 압력이 대기압 760 mmHg라면 이중  96 mmHg가 MA이고 664 mmHg가 질소의 분압을 나타낼 것입니다.    (이전 답글에서 질수 분압을 764 mmHg 잘못적었는데 이는 664 mmHg가 맞습니다. )

여기에 순수질소를 계속 불어 넣어주면  질소와 MA의 혼합뭄이 배출되어 나오게 되는데 혼합물의 농도중 질소는   87.37 m%, MA는 12.63 m%가 되기 때문에...

질소 87.37 mole당 MA 12.63 mole이 손실되겠지요.     따라서 질소투입유량이 N kg-mole이면   MA Loss는   (N * 96/664) kg-mole로 계산됩니다    (이전답글에서   96/764라고 잘못적었는데  이는  96/664 kg-mole ( =  0.1446 kg-mole MA/ kg-mole N2)가 맞는 수치입니다. )

(MA증기압 96 mmHg만 나타내고 있는 용기에 질소를 주입하여 대기압으로 만들면 MA분압 96 torr, 질소분압 664 torr가 됩니다.  그러나 만일 순수질소만 채워져 760 mm를 나타내고 있는 용기에 액상 MA를 주입하면 질소분압에 액의 증기압 96 torr가 더해져서  856 torr로 올라갑니다. 이때 나타내는 분압은 질소 760 torr MA 96 torr가 되지요.    엄밀한 계산으로는 주입한 액의 부피에 의한 영향에 의해 질소의 분압이 조금더 올라갑니다.)

까르페디엠 encyclo

16-07-08 17:04

답변 감사드립니다. 승화의 의미 이해했습니다.

그리고 운전 상황을 말씀드리면 제품 샘플 전 노즐 Flushing 용도로 Drain한 것을 버리지 않고 통에 모아놓았다가 회수탱크의 맨홀을 연 후(이때 대기공기가 들어갑니다.) 비워넣고 맨홀을 닫은 후 스팀코일로 저압스팀(2kgf/cm2g)을 넣어서 녹인 후 펌핑하여 Crude MA 탱크로 이송하고 이 탱크에서 증류탑으로 보내어 탈수하는 과정을 거칩니다.
회수탱크의 고상 MA를 스팀으로 간접적으로 녹이면 고상에서 액상으로 바뀌고 일부 기화(or 승화)하는 현상이 발생하겠지요...
MA는 액상으로 바뀌고 내부에 일부 포함된 물은 100℃에서 증발한 후 용융액은 133℃까지 포화증기 온도까지 올라갈 것으로 생각되는 데 실제로도 그런지 탱크 내에 온도계가 없어서 확인이 어렵습니다.

Q1. 사양서 상으로 탱크 내부 운전/설계온도가 80/100℃로 되어있는데 MA를 녹인 후 스팀을 잠그면 문제가 없겠지만 스팀이 계속 공급되면 비점까지 올라가지 않을지요?
탱크는 2m3(ID1200x1800H, Shell Design P/T=F.L /100℃) 짜리로 약 30~50% 레벨 정도까지 용융액이 찹니다.

Q2. 이 상황에서 탱크 내 물이 없다고 가정하면 맨홀을 닫고 운전해도 특별한 문제가 없을지요?

스테파노 Stefano

16-07-08 17:54

(1) 회수한 MA를 Tank에 넣을 때 Manhole을 열고 투입하지 말고 벽을 타고 흘러내리도록 하는 노즐을 이용하면 될 터인데... 노즐이 없는 모양이지요 ? 없다면 맨홀에 노즐을 추가하여 달아두어도 되지 않나요?
(Acetic Anhydride, MA, Phthalic Anhydride 등) Organic Anhydride Powder는 폭발 위험이 있기 때문에 취급에 주의해야합니다. 만약 분체를 취급한다면 반드시 질소를 이용하여 이송해야 할 것으로 봅니다.

(2) MA를 스팀코일로 간접용해하는 것으로 보입니다. 고체를 직접 Steam Coil로 용해하는 것 보다 용융된 MA에 고체를 넣으면서 저어주면 더 쉽게 용해될 것입니다. MA중에 물의 함량이 많지 않으면 모두 증발되어도 기상에서 압력을 나타나지도 않을 것입니다.

MA의 비점이 202도이므로 그 온도가 되어야 계기압이 올라가기 시작하므로 압력은 없다고 봐야 합니다. 133도라고 해도 증기압은 나타나지만 760 torr에서 증기압을 뺀 부분 만큼은 공기로 채워지게 됩니다. 압력이 나타나지 않는다는 이야기지요. (용기내에 순수 MA만 들어있다면 용기내에 진공이 걸린다고 봐야 합니다. )

(QA1) 탱크의 Vessel의 운전/설계온도가 80/100 이라고 하면 이는 물을 끓이는 정도의 데이터 해당합니다. 설계자가 잘못된 값을 적용한 것으로 보입니다.

Tank 내에 Heating Coil이 들어있고 저압스팀(포화온도 예를 들어 150도)으로 내용물을 가열하도록 되어 있고 내용물이 그 이상의 온도에서도 증발되지 않으므로 가열매체의 최고온도까지 상승할 수 있습니다. 133도뿐 만 아니라 150도까지 올라갈 수 있을 것이므로 그런 경우라면 스팀의 최고온도가 150도라고 보고 설계온도를 최고운전온도보다 적어도 15도 이상 높다고 보면 Tank의 (정상)운전온도는 133도, 그리고 설계온도는 165도 정도로 설정했어야 합니다.

앞서 설명한대로 그 탱크내 MA의 운전 온도가 133도라고 해도 계기압력은 나타나지 않습니다. Steam이 Full로 공급되어도 압력이 나타나지 않습니다. 또한 증기압이 대기압까지 오르지도 않을 것이므로 끓어오르지도 않고 뜨거운 액상에서 (끓지 않는 승화성) 증기만 나타낼 뿐입니다.

스팀의 압력이 202도를 초과하는 고압인 경우라면 MA가 끓어오르기 시작하고 압력이 나타나기 시작할 것이나 설치된 탱크는 대기압에서 액만 채운상태에 견디는 정도의 설계압력으로 되어 있습니다.

(QA2) MA무수물에 수분량이 아주 미미할 것이므로 맨홀을 닫고 운전해도 지장없을 것입니다. 아니, 이런경우 (공기유입을 제한하기 위한) 안전을 위하여 Manhole은 닫아두고 운전하는 것이 안전합니다. 설령 압력이 걸린다고 해도 Cover가 열리도록 Handhole Cover나 Manhole Cover의 Bolt를 채워두지 않으면 안전하잖아요.

승화성이 있는 물질을 취급하는 압력탱크의 경우 PSV를 달아두면 입구가 막히는 경우가 있으므로 Vent Hatch나 Rupture Disc로 Vessel을 보호하는 것이 안전합니다. 여기서는 그럴 필요조차 없지요.

(2) MA를 스팀코일로 간접용해하는 것으로 보입니다.  고체를 직접 Steam Coil로 용해하는 것 보다 용융된 MA에 고체를 넣으면서 저어주면 더 쉽게 용해될 것입니다.  MA중에 물의 함량이 많지 않으면 모두 증발되어도 기상에서 압력을 나타나지도 않을 것입니다.

MA의 비점이 202도이므로 그 온도가 되어야 계기압이 올라가기 시작하므로 압력은 없다고 봐야 합니다.   133도라고 해도 증기압은 나타나지만 760 torr에서 증기압을 뺀 부분 만큼은 공기로 채워지게 됩니다.   압력이 나타나지 않는다는 이야기지요.   (용기내에 순수 MA만 들어있다면 용기내에 진공이 걸린다고 봐야 합니다. )

(QA1) 탱크의 Vessel의 운전/설계온도가 80/100 이라고 하면 이는 물을 끓이는 정도의 데이터 해당합니다.  설계자가 잘못된 값을 적용한 것으로 보입니다.

Tank 내에 Heating Coil이 들어있고 저압스팀(포화온도 예를 들어 150도)으로 내용물을 가열하도록 되어 있고 내용물이 그 이상의 온도에서도 증발되지 않으므로 가열매체의 최고온도까지 상승할 수 있습니다.   133도뿐 만 아니라 150도까지 올라갈 수 있을 것이므로 그런 경우라면 스팀의 최고온도가 150도라고 보고  설계온도를 최고운전온도보다 적어도 15도 이상 높다고 보면 Tank의 (정상)운전온도는 133도, 그리고 설계온도는 165도 정도로 설정했어야 합니다.

앞서 설명한대로 그 탱크내 MA의 운전 온도가 133도라고 해도 계기압력은 나타나지 않습니다.  Steam이 Full로 공급되어도 압력이 나타나지 않습니다.  또한 증기압이 대기압까지 오르지도 않을 것이므로 끓어오르지도 않고 뜨거운 액상에서 (끓지 않는 승화성) 증기만 나타낼 뿐입니다.

스팀의 압력이 202도를 초과하는 고압인 경우라면 MA가 끓어오르기 시작하고 압력이 나타나기 시작할 것이나 설치된 탱크는 대기압에서 액만 채운상태에 견디는 정도의 설계압력으로 되어 있습니다.

(QA2) MA무수물에 수분량이 아주 미미할 것이므로 맨홀을 닫고 운전해도 지장없을 것입니다.  아니, 이런경우 (공기유입을 제한하기 위한) 안전을 위하여 Manhole은 닫아두고 운전하는 것이 안전합니다. 설령 압력이 걸린다고 해도 Cover가 열리도록  Handhole Cover나 Manhole Cover의 Bolt를 채워두지 않으면 안전하잖아요.

승화성이 있는 물질을 취급하는 압력탱크의 경우 PSV를 달아두면 입구가 막히는 경우가 있으므로 Vent Hatch나 Rupture Disc로 Vessel을 보호하는 것이 안전합니다.   여기서는 그럴 필요조차 없지요.

까르페디엠 encyclo

16-07-12 13:25

자세한 설명 감사드립니다~^^
밀폐형으로 했을 때
혹시나 모를 압력 상승(우천 시 샘플 통에 물이 함유되어 있는 상태로 투입하는 등 물이 유입될 경우) 시 대처하거나
펌핑하여 이송 시 내부 Vacuum 해소 방안으로 Seal leg를 설치하는 것이 어떨지요?
seal leg를 통해 외부로의 MA gas 악취 방출을 막고 펌핑 시 Vacuum도 해소할 수 있을지 의문입니다.
seal leg 설치가 가능하다면 설계 시 고려해야 할 사항이 있을지요?
- 증기압이 96mmHg라면 0.1kgf/cm2g 정도인데... seal leg 높이를 2m 정도로 하면 될지...
Vacuum 시도 고려해야 될 것 같은데... 양압과 음압을 모두 만족할 수 있는 seal leg 높이를 얼마로 설정해야 할지요
아니면 귀찮더라도 펌핑으로 음압이 걸릴 때마다 상부 맨홀을 open해줘야 할지요?

스테파노 Stefano

16-07-12 14:47

(1)대기압을 초과하지 않는 증기압은 실제 계기압으로 나타나지 않으므로 걱정할 필요는 없습니다.

(2) Vacuum Breaking 한다고 해도 Vacuum이 완전히 걸린상태에서 Vacuum을 해소시키는 것이 아니기 때문에 최고의 진공상태를 우려할 필요도 없습니다.

<제안> 조그만 용기를 만들되 용기내를 두개의 칸으로 나누고 중간칸막이는 하부를 톱니 모양으로 산을 만들어두고 그 안에 증발이 잘 되지 않는 Silicone Oil이나 Glycerine 등의 액을 담아 톱니가 완전히 잠기는 정도로 유지해두고 용기 상부의 한쪽편은 Tank에 한쪽편은 대기방출 Goose Neck로 연결 해두면 자연히 운전(충전, 배출)과정에서 압력, 진공이 동히 해소 될 것입니다. 수분오염을 방지하기 위해 주기적으로 혹은 미량의 질소를 Tank에 불어넣어 주는 것이 좋을 것입니다.

까르페디엠 encyclo

16-07-14 09:00

(1) 대기압 상태에서 맨홀을 닫고 130도까지 가열하면 그 온도에서의 증기압 만큼 부피는 차지하나 압력은 그대로 대기압이라는 말씀인지요?
(2) 밀폐상태에서 이송 시 탱크에 Vacuum이 걸려서 이송이 잘 안되는 문제가 생길 수 있지 않을지요?

<제안> 감사드립니다.
제안 부분을 인터넷에 찾아봤는데 자료가 잘 없어서요... 혹시 참고할만한 싸이트가 있을지요?

스테파노 Stefano

16-07-15 13:34

(1) 엄밀하게는 증기압과 공기의 분압이 합해진 만큼이 전체의 절대압으로 나타납니다. 그러나 대기압상태에서 Vent가 약간열린상태에서는 증기압과 공기분압을 합해도 대기압에 해당합니다.

(2) 액을 배출할 때에는 Vacuum을 해소해야 이송이 가능합니다.

(3) 제안부분은 다른 곳에서 참고할 필요 없습니다. 필자 제언한대로 직접 만들어 사용하면 됩니다. 공기유입을 방지하기 위해서 Pumping시 미량의 질소를 넣어주면 공기를 완전히 차단할 수 있습니다.

까르페디엠 encyclo

16-07-22 12:31

도움주셔서 감사드립니다.^^