기체 흡수 파일럿 플랜트에서는 변하지 않는 운반 기체 성분을 추적하여 유량 변화를 계산합니다. 입구 체적 유량, 압력, 온도 및 조성을 이용해 불활성 기체 몰 유량을 결정한 다음, 동일한 불활성 기체 유량과 출구 조성을 사용하여 감소된 총 기체 유량을 계산합니다. 입구와 출구의 용질 몰 유량 차이가 흡수 속도입니다.

핵심 요점: 운반 기체는 수지 계산의 기준 성분입니다. 운반 기체가 흡수되거나 생성되지 않는다면 몰 유량은 일정하게 유지되며, 용해성 기체가 제거되면 총 기체 몰 유량과 체적 유량이 감소합니다.

물질수지의 기준 설정

기체 성분 식별

다음과 같이 정의합니다:

(A) = 제거되는 용해성 용질(예: 암모니아, 이산화황 또는 염화수소)
(I) = 불활성 운반 기체(예: 공기 또는 질소)
(G_{\text{in}}), (G_{\text{out}}) = 총 기체 몰 유량
(y_A), (y_I) = 기상 몰분율
(Q) = 기체 체적 유량

희석 기체 혼합물의 경우, 보고된 체적 분율은 일반적으로 몰분율로 간주합니다. 이상 기체에서는 동일한 온도와 압력에서 체적 분율이 몰분율과 같기 때문입니다.

일관된 기준 사용

다음 중 하나를 사용합니다:

몰수지에는 mol/s 또는 kmol/h, 또는
질량수지에는 kg/s 또는 kg/h.

온도와 압력을 보정하지 않고 실제 체적 유량과 표준 체적 유량을 혼용하지 마십시오. 또한 기체 법칙에는 절대 온도와 절대 압력을 사용해야 합니다.

기준 성분 선택

불활성 운반 기체는 일반적으로 흡수기 내부에서 양이 변하지 않으므로 가장 유용한 기준 성분입니다:

[ \dot n_{I,\text{in}}=\dot n_{I,\text{out}} ]

이 가정은 운반 기체가 흡수, 생성, 소비, 응축 또는 누출되지 않는 경우에만 유효합니다.

입구 기체 유량 계산

입구 체적을 총 몰 유량으로 변환

이상 기체의 경우 다음 식을 사용하여 입구 총 기체 몰 유량을 계산합니다:

[ \dot n_{G,\text{in}}

\frac{P_{\text{in}}Q_{\text{in}}}{Z_{\text{in}}RT_{\text{in}}} ]

여기서:

(P_{\text{in}}) = 절대 입구 압력
(Q_{\text{in}}) = 실제 입구 체적 유량
(T_{\text{in}}) = 절대 입구 온도
(R) = 기체 상수
(Z_{\text{in}}) = 압축성 계수. 중간 압력의 희석 기체에서는 일반적으로 1로 근사할 수 있음

유량계가 표준 체적 유량을 표시하는 경우에는 실제 탑 운전 조건 대신 해당 표준 압력과 온도를 사용합니다.

불활성 기체 유량 계산

입구 불활성 기체 몰분율이 (y_{I,\text{in}})인 경우:

[ \dot n_I

y_{I,\text{in}}\dot n_{G,\text{in}} ]

동등하게, 입구 용질 몰분율이 (y_{A,\text{in}})이고 기체가 용질과 불활성 운반 기체만 포함하는 경우:

[ y_{I,\text{in}}=1-y_{A,\text{in}} ]

따라서:

[ \dot n_I

(1-y_{A,\text{in}})\dot n_{G,\text{in}} ]

입구 용질 유량 계산

입구 용질 몰 유량은 다음과 같습니다:

[ \dot n_{A,\text{in}}

y_{A,\text{in}}\dot n_{G,\text{in}} ]

이 값을 출구 용질 유량과 비교하여 제거량을 결정합니다.

출구 기체 유량 계산

불활성 기체 수지 적용

불활성 운반 기체는 흡수기를 변하지 않고 통과하므로:

[ \dot n_{I,\text{out}}

\dot n_{I,\text{in}}

\dot n_I ]

출구 불활성 기체 몰분율이 (y_{I,\text{out}})으로 측정되었다면, 총 출구 기체 몰 유량은 다음과 같습니다:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{y_{I,\text{out}}} ]

기체가 불활성 운반 기체와 잔류 용질만 포함하는 경우:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{1-y_{A,\text{out}}} ]

이것이 핵심 계산입니다. 용질이 제거되므로 출구 총 몰 유량은 일반적으로 입구 총 몰 유량과 같지 않습니다.

출구 용질 유량 계산

측정된 출구 용질 농도를 사용하면:

[ \dot n_{A,\text{out}}

y_{A,\text{out}}\dot n_{G,\text{out}} ]

흡수되지 않는 다른 기체 성분이 존재하는 경우에는 완전한 출구 조성을 사용합니다:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{y_{I,\text{out}}} ]

불활성 기체 분율에는 건조 기체 또는 습윤 기체와 같이 측정에 사용된 실제 조성 기준이 반영되어야 합니다.

흡수된 용질 속도 결정

기상에서 용질이 생성되거나 반응으로 소비되지 않는다고 가정하면:

[ \dot n_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{in}}

\dot n_{A,\text{out}} ]

이에 해당하는 질량 흡수 속도는 다음과 같습니다:

[ \dot m_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{absorbed}}M_A ]

여기서 (M_A)는 용질의 분자량입니다.

제거 효율 계산

제거된 분율은 다음과 같습니다:

[ \eta_A

\frac{\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}}} {\dot n_{A,\text{in}}} ]

제거율(%)은 다음과 같습니다:

[ %,\text{removal}

100\eta_A ]

이는 세정탑의 성능을 평가하는 가장 직접적인 지표인 경우가 많습니다.

몰 유량 변화를 체적 유량 변화로 변환

출구 기체 법칙 사용

출구 총 몰 유량을 알게 되면 출구 탑 조건에서 출구 체적 유량을 계산합니다:

[ Q_{\text{out}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}Z_{\text{out}}RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]

이상 기체의 경우:

[ Q_{\text{out}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]

출구 체적은 입구 체적보다 클 수도 있고 작을 수도 있습니다. 용질 제거는 총 몰수를 감소시키는 반면, 온도 상승이나 압력 감소는 체적을 증가시키는 경향이 있습니다.

조성 효과와 조건 효과를 분리

체적 유량 변화에는 두 가지 원인이 있을 수 있습니다:

조성 효과: 흡수로 인해 총 기체 몰수가 변합니다.
열역학적 효과: 온도 또는 압력 변화로 기체 체적이 변합니다.

예를 들어 기체 몰 유량이 감소하더라도 탑 내부의 가열로 인해 측정된 체적 유량의 감소가 일부 상쇄될 수 있습니다.

입구와 출구 유량을 직접 연결

이상 기체 관계식을 결합하면 다음과 같습니다:

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}}{\dot n_{G,\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

비이상 기체의 경우 압축성 계수 비를 포함합니다:

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}}{\dot n_{G,\text{in}}} \frac{Z_{\text{out}}}{Z_{\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

이 식은 운반 기체의 몰 유량이 변하지 않더라도 입구와 출구 유량계가 서로 다른 체적 유량을 표시할 수 있는 이유를 명확히 보여줍니다.

액상 측 수지 완성

전체 탑에 대한 용질 수지 작성

정상 상태에서 용질 수지는 다음과 같습니다:

[ \dot n_{A,\text{gas,in}} + \dot n_{A,\text{liquid,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} + \dot n_{A,\text{liquid,out}} ]

유입 액체에 용질이 포함되어 있지 않다면:

[ \dot n_{A,\text{liquid,out}}

\dot n_{A,\text{gas,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} ]

이 결과는 기체 측에서 계산한 흡수 용질 속도와 일치해야 합니다.

용매 유량 고려

용매가 비휘발성이며 반응하지 않는 경우:

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} ]

그러나 실제 시스템에서는 물 또는 다른 용매가 기체로 증발할 수 있습니다. 용매 기화가 significant한 경우 용매 수지에 해당 손실을 포함해야 합니다:

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} + \dot n_{S,\text{gas,out}}

\dot n_{S,\text{gas,in}} ]

따라서 기체 조성이나 유량을 비교할 때 습윤 기체 보정이 필요할 수 있습니다.

운전 데이터가 그런 방식으로 보고될 때 질량분율 사용

액체 조성이 용질 질량분율 (w_A)로 보고되는 경우 액체 용질 질량 유량은 다음과 같습니다:

[ \dot m_{A,\text{liquid}}

w_A\dot m_{\text{liquid}} ]

정상 상태 흡수기에서는 액상 측 용질 증가량이 기체 측 용질 제거량과 같아야 합니다:

[ \dot m_{A,\text{liquid,out}}

\dot m_{A,\text{liquid,in}}

\dot m_{A,\text{gas,in}}

\dot m_{A,\text{gas,out}} ]

이는 액체 농도를 직접 측정하는 수성 암모니아, 산성 기체 세정 및 기타 시스템에서 특히 유용합니다.

탑 성능 해석

측정 조성을 평형과 비교

기체 흡수는 실제 기액 조건과 평형 상태의 차이에 의해 구동됩니다. 기액 평형 데이터는 운전 온도와 압력에서 기체 내 용질 분압과 액체 내 용질 농도의 관계를 나타냅니다.

희석 시스템의 경우 평형 관계는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

[ y_A^*=m x_A ]

여기서:

(y_A^*) = 평형 상태의 기상 용질 분율
(x_A) = 액상 용질 분율
(m) = 평형 기울기

물질수지는 제거된 용질의 양을 결정하고, 평형 관계는 탑에 충분한 물질전달 구동력이 있었는지 설명하는 데 도움이 됩니다.

운전선 관계 사용

정상 상태의 향류 흡수기에서는 용질 질량분율을 사용하여 단순화된 물질수지 관계를 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

[ \frac{w_{A,\text{gas,out}}-w_{A,\text{gas,in}}} {w_{A,\text{liquid,out}}-w_{A,\text{liquid,in}}}

-\frac{F_{\text{liquid}}}{F_{\text{gas}}} ]

음수 부호는 서로 반대되는 조성 변화를 나타냅니다. 즉, 기체에서는 용질이 감소하고 액체에서는 증가합니다.

높은 액체 대 기체 유량비는 일반적으로 더 큰 용매 용량과 강한 흡수를 제공하지만, 액체 순환량과 후단 유틸리티 요구량도 증가시킵니다.

상충관계 이해

총 기체 유량이 일정하다고 가정하지 않기

흡수 후 총 기체 유량을 일정하게 유지하면, 유량이 독립적으로 제어되거나 제거된 용질을 다른 기체 성분이 대체하지 않는 한 용질 수지가 잘못됩니다.

정확한 접근법은 불활성 운반 기체를 보존하고 출구 조성으로부터 총 출구 유량을 다시 계산하는 것입니다.

실제 유량과 표준 유량을 혼동하지 않기

유량계는 표준 조건에서의 (\mathrm{m^3/h})를 표시할 수 있지만, 탑은 다른 압력과 온도에서 운전됩니다. 수지 계산에 사용하기 전에 모든 측정값을 동일한 기준으로 변환하십시오.

이렇게 하지 않으면 장비가 정상적으로 운전되고 있어도 물질수지 오차가 매우 큰 것처럼 나타날 수 있습니다.

용매 증기와 응축 확인

기체에 유입된 수증기는 총 기체 몰수를 증가시키고, 응축은 기상 몰수를 감소시킵니다. 일부 시스템에서는 이러한 효과가 용질 제거량과 비슷한 수준일 수 있습니다.

가능하면 건조 기체 조성을 사용하거나 용매 증기를 성분 수지에 명시적으로 포함하십시오.

반응 및 열 효과 고려

일부 흡수 기체는 액체에서 반응합니다. 예를 들어 수성 시스템에서 암모니아나 염화수소가 반응할 수 있습니다. 반응이 전체 용질 수지를 무효화하지는 않지만, 평형, 액체 조성 및 흡수된 성분의 존재 형태에 영향을 미칩니다.

흡수는 상당한 열을 방출할 수도 있습니다. 탑 온도가 크게 변하는 경우에는 기체 체적 계산에 측정된 출구 온도를 사용하고, 에너지 수지를 통해 냉각 요구량을 별도로 평가하십시오.

수지 폐쇄율을 진단 지표로 활용

유용한 전체 점검식은 다음과 같습니다:

[ \text{Balance closure}

\frac{\text{input rate}-\text{output rate}} {\text{input rate}} ]

용질의 경우 액체 축적량 또는 흡수 속도는 예상되는 측정 불확도 범위 내에서 기체 측 감소량과 일치해야 합니다.

큰 불일치는 일반적으로 잘못된 유량 기준, 조성 측정 오류, 누출, 비정상 운전, 측정되지 않은 용매 증발 또는 잘못된 불활성 기체 가정을 나타냅니다.

파일럿 플랜트에 적용하는 방법

각 정상 상태 운전 조건에 대해 다음 순서를 사용하십시오:

물질수지 정확도가 주요 관심사인 경우: 입구 불활성 기체 몰 유량을 계산하고 이를 출구 불활성 기체 유량과 같게 설정한 다음, 측정된 조성을 사용하여 모든 총 유량과 성분 유량을 결정합니다.
기체 유량 변화가 주요 관심사인 경우: 입구 체적 유량이 변하지 않는다고 가정하지 말고, 출구 온도와 압력을 사용하여 (Q=\dot n ZRT/P)로 출구 체적을 다시 계산합니다.
용질 제거 효율이 주요 관심사인 경우: ((\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}})/\dot n_{A,\text{in}})을 계산하고 액체 내 용질 증가량과 비교하여 결과를 검증합니다.
용매 요구량이 주요 관심사인 경우: 용질 수지를 액체 조성 및 평형 데이터와 결합하여 용매 유량이 충분한 흡수 용량을 제공하는지 판단합니다.
신뢰성 있는 파일럿 플랜트 운전이 주요 관심사인 경우: 분리 성능을 해석하기 전에 건조 기체와 습윤 기체 조건, 압력 강하, 온도 변화, 용매 증발, 반응 및 전체 수지 폐쇄율을 확인합니다.

불활성 운반 기체를 기준 성분으로 사용하고 압력-온도-조성 데이터를 일관되게 적용하면, 흡수 성능과 기체 유량 변화를 모두 직접 계산하고 독립적으로 검증할 수 있습니다.

요약 표:

계산 항목	핵심 식 또는 방법	목적
입구 총 기체 유량	(\dot n_{G,in}=P_{in}Q_{in}/(ZRT_{in}))	입구 체적을 몰 유량으로 변환
불활성 운반 기체 유량	(\dot n_I=y_{I,in}\dot n_{G,in})	보존되는 기준 성분 설정
출구 총 기체 유량	(\dot n_{G,out}=\dot n_I/y_{I,out})	용질 제거 반영
흡수된 용질 속도	(\dot n_{A,absorbed}=\dot n_{A,in}-\dot n_{A,out})	용질 포집량 정량화
제거 효율	(\eta_A=(\dot n_{A,in}-\dot n_{A,out})/\dot n_{A,in})	흡수기 성능 측정
출구 체적 유량	(Q_{out}=\dot n_{G,out}Z_{out}RT_{out}/P_{out})	실제 기체 유량 변화 결정
액상 측 검증	액상 용질 증가량 = 기체 용질 제거량	물질수지 폐쇄율 확인

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