물질 수지는 향류 흡수기를 통과하는 암모니아, 불활성 가스 및 용매를 추적함으로써 적용됩니다. 입구 가스 유량, 암모니아 농도, 용매 유량 및 출구 조성은 총괄 수지 및 성분 수지에 사용되어 흡수된 암모니아의 양, 출구 흐름 속도, 용매 요구량 및 회수 효율을 결정합니다. 파일럿 플랜트에서는 이러한 계산 결과가 측정된 유량, 온도, 압력 및 조성 데이터와 비교 검증됩니다.

핵심 계산은 암모니아 수지입니다. 가스 및 액체 흐름으로 들어오는 암모니아의 양은 해당 흐름으로 나가는 암모니아의 양과 같아야 하며, 그 차이는 용매로 전달된 암모니아를 나타냅니다. 질소나 기타 불활성 운반체는 거의 흡수되지 않기 때문에, 이들의 유량은 출구 가스 속도를 계산하는 데 매우 신뢰할 수 있는 기준을 제공합니다.

물질 수지가 나타내는 것

향류 흡수 공정

암모니아 회수 컬럼에서 암모니아와 질소와 같은 불활성 운반체를 포함하는 가스 흐름이 바닥 근처에서 유입되어 위로 흐릅니다. 일반적으로 물 또는 수용액인 액체 용매는 상단 근처에서 유입되어 아래로 흐릅니다.

이러한 대향 흐름 배열은 컬럼의 대부분 구간에서 농도 구동력을 유지하며 가스상에서 액체상으로의 암모니아 전달을 촉진합니다.

수지 설정 방법

총괄 물질 수지

흡수기로 들어오고 나가는 가스 및 액체 흐름에 대한 정상 상태 총괄 수지는 다음과 같습니다:

[ G_{\text{in}} + L_{\text{in}}

G_{\text{out}} + L_{\text{out}} ]

여기서 (G)는 가스 질량 또는 몰 유량을 나타내고 (L)은 액체 질량 또는 몰 유량을 나타냅니다.

이 수지는 두 출구 유량을 모두 모를 때 유용하지만, 암모니아 전달에 따라 가스 및 액체 유량이 변하므로 주의해서 해석해야 합니다.

암모니아 성분 수지

암모니아 수지는 다음과 같습니다:

[ G_{\text{in}}y_{A,\text{in}} + L_{\text{in}}x_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{out}}x_{A,\text{out}} ]

이 식에서 (A)는 암모니아를 나타내고, (y_A)는 가스상 분율, (x_A)는 액체상 분율입니다.

유입되는 용매에 암모니아가 포함되어 있지 않으면 (x_{A,\text{in}}=0)이 되어 수지는 다음과 같이 단순화됩니다:

[ G_{\text{in}}y_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{out}}x_{A,\text{out}} ]

따라서 단위 시간당 흡수된 암모니아는 다음과 같습니다:

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

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

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

질량 기준 계산의 경우:

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

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

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

불활성 가스 수지

질소가 가스상에 그대로 남아 있다고 가정할 때:

[ \dot n_{N_2,\text{in}}

\dot n_{N_2,\text{out}} ]

이 타이 성분(tie-component) 수지는 암모니아가 제거됨에 따라 총 가스 유량은 감소하지만 질소 유량은 거의 일정하게 유지되기 때문에 유용합니다.

입구 질소 분율이 (y_{N_2,\text{in}})인 경우, 입구 질소 몰 속도는 다음과 같습니다:

[ \dot n_{N_2,\text{in}}

\dot n_{G,\text{in}}y_{N_2,\text{in}} ]

그러면 측정된 출구 질소 분율로부터 총 출구 가스 속도를 계산할 수 있습니다:

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

\frac{\dot n_{N_2,\text{out}}}{y_{N_2,\text{out}}} ]

출구 암모니아 속도는 다음에서 도출됩니다:

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

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

이 접근 방식은 총 가스 유량이 일정하다고 가정하는 것보다 종종 더 신뢰할 수 있습니다.

파일럿 플랜트 측정값 변환

가스 유량 및 조성

파일럿 플랜트에서는 일반적으로 가스 부피 유량, 압력, 온도 및 암모니아 농도를 측정합니다. 측정된 부피 유량은 적절한 가스 상태 방정식을 사용하여 몰 유량으로 변환해야 합니다:

[ \dot n_G

\frac{P\dot V}{ZRT} ]

여기서 (P)는 절대 압력, (\dot V)는 부피 유량, (T)는 절대 온도, (R)은 기체 상수, (Z)는 압축 인자입니다.

중간 압력에서 충분히 희석된 가스 흐름의 경우 (Z)는 1로 근사할 수 있습니다. 타워 온도나 압력이 크게 변할 때는 입구 및 출구 유량 측정값을 각각 보정해야 합니다.

액체 유량 및 암모니아 부하

액체 유량은 보정된 펌프, 계량 탱크, 유량계 또는 시간 경과에 따른 측정 부피로부터 결정됩니다. 액체 암모니아 농도는 화학 분석, 밀도 데이터, 적정법 또는 기타 검증된 조성 측정법을 통해 얻을 수 있습니다.

흡수된 암모니아가 용매에 질량을 더하기 때문에 액체 출구 속도는 증가할 수 있습니다. 용매가 증발하거나 물이 가스에 휩쓸려 나가는 경우(entrainment), 이러한 효과도 수지에 포함되어야 합니다.

평형 또는 경험적 관계

가스상 암모니아와 액체상 암모니아 사이의 측정되거나 예측된 관계는 계산의 두 번째 부분을 제공합니다. 간단한 표현은 다음과 같습니다:

[ y_A^* = f(x_A,T,P) ]

여기서 (y_A^*)는 액체 조성 (x_A)와 평형 상태에 있는 가스 조성입니다.

희석된 시스템의 경우 이 관계는 다음과 같은 선형 식으로 근사할 수 있습니다:

[ y_A^* = mx_A ]

평형 관계가 물질 수지를 대체하지는 않습니다. 이는 달성 가능한 출구 조성과 물질 전달의 구동력을 결정하는 데 필요한 상평형 정보를 제공합니다.

회수 성능 결정

암모니아 제거 분율

가스 흐름을 기준으로 한 암모니아 회수 또는 제거 분율은 다음과 같습니다:

[ \eta_A

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

백분율로 표현하면:

[ %,\text{removed}

100\eta_A ]

이 값은 가스에서 액체로 얼마나 많은 암모니아가 전달되었는지를 나타내지만, 결과가 평형, 물질 전달, 용매 속도 또는 작동 조건에 의해 제한되었는지 여부를 단독으로 식별하지는 않습니다.

용매의 암모니아 부하

단위 용매당 흡수된 암모니아는 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

[ \Delta X_A

X_{A,\text{out}}-X_{A,\text{in}} ]

용질이 없는 액체 비율을 사용한 일반적인 정의는 다음과 같습니다:

[ X_A=\frac{\dot n_A}{\dot n_{\text{solvent}}} ]

해당 가스 측 용질 비율은 다음과 같습니다:

[ Y_A=\frac{\dot n_A}{\dot n_{\text{inert gas}}} ]

일반적인 상 분율 대신 (X_A)와 (Y_A)를 사용하는 것이 종종 유리한데, 이는 암모니아가 전달되는 동안에도 불활성 가스와 용매 흐름이 거의 일정하게 유지될 수 있기 때문입니다.

용매 요구량

지정된 목표 출구 암모니아 농도에 대해 암모니아 수지를 재배열하여 필요한 용매 유량을 추정할 수 있습니다:

[ L_{\text{out}}x_{A,\text{out}}

G_{\text{in}}y_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{in}}x_{A,\text{in}} ]

결과는 가용한 용매 유량 및 평형 부하 용량과 비교됩니다. 용매 유량을 늘리면 일반적으로 흡수가 향상되지만, 수지와 평형 관계를 함께 고려해야 추가 용매가 유용한 개선을 제공하는지 판단할 수 있습니다.

컬럼 전체에 걸친 수지 사용

총괄 컬럼 분석

전체 흡수기 주변의 수지는 입구 및 출구 속도와 전체 암모니아 회수율을 결정합니다. 이는 파일럿 플랜트 데이터가 내부적으로 일관성이 있는지 확인하는 첫 번째 단계입니다.

이 계산은 건조한 불활성 가스 기준으로도 수행할 수 있으며, 암모니아 제거가 총 가스 유량을 크게 변화시킬 때 특히 유용합니다.

섹션별 또는 트레이별 분석

충전 컬럼(packed column)의 경우, 수지를 선택된 컬럼 섹션에 적용할 수 있습니다. 트레이 또는 단계 모델의 경우 각 단계에 대해 별도의 수지를 작성하여 해당 단계로 들어오고 나가는 가스 및 액체 조성을 연결합니다.

이러한 단계 수지는 평형 데이터와 결합하여 이상적인 단계 수, 전달 단위 요구량 또는 실제 충전물에 의해 달성된 평형 접근도를 추정하는 데 사용될 수 있습니다.

모델과 측정값 비교

가스에서 계산된 흡수 암모니아 양은 액체가 얻은 암모니아 양과 일치해야 합니다:

[ \dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}} \approx \dot n_{A,\text{liquid,out}}-\dot n_{A,\text{liquid,in}} ]

그 차이는 수지 폐합 오차(balance closure error)입니다. 상당한 불일치는 샘플링 오류, 측정되지 않은 용매 증발, 암모니아 누출, 휩쓸림(entrainment), 잘못된 유량 변환 또는 불활성 가스 거동에 대한 잘못된 가정을 나타낼 수 있습니다.

상충 관계 이해

일정 유량 가정

가스 유량을 일정하다고 처리하면 암모니아 제거가 총 가스 몰 유량을 감소시키기 때문에 오류가 발생할 수 있습니다. 이 가정은 암모니아가 충분히 희석되었거나 필요한 정확도가 제한적인 경우에만 합리적입니다.

불활성 가스 수지는 일반적으로 출구 가스 유량을 계산하는 더 나은 기준입니다.

평형 대 실제 성능

평형 데이터는 가스와 액체가 충분히 오래 접촉했을 때 도달할 수 있는 한계 조성을 설명합니다. 실제 충전 컬럼은 유한한 계면 면적, 불량한 젖음성, 채널링, 불균일한 분포 또는 불충분한 체류 시간으로 인해 그 한계보다 낮은 성능을 보일 수 있습니다.

물질 수지는 결과를 정량화할 수 있지만, 그 자체로 모든 물질 전달 제한을 진단할 수는 없습니다.

온도 효과

물 또는 수용액으로의 암모니아 흡수는 열을 방출할 수 있으며, 온도는 평형과 물질 전달 거동 모두에 영향을 미칩니다. 온도가 높으면 암모니아 용해도가 감소할 수 있으므로, 흡수기에서 상당한 온도 상승이 있을 때 등온 수지는 오해의 소지가 있을 수 있습니다.

강한 비등온 작동의 경우 에너지 수지를 추가해야 합니다:

[ \dot Q

\sum \dot n_{\text{out}}\hat H_{\text{out}}

\sum \dot n_{\text{in}}\hat H_{\text{in}} ]

그런 다음 열 부하를 사용하여 의도한 작동 조건을 유지하기 위해 냉각이 필요한지 평가합니다.

화학 반응 및 비이상적 거동

간단한 수지는 암모니아가 용매와 반응할 때도 유효하지만, 상평형 모델은 반응과 그에 따른 이온 종을 고려해야 합니다. 용매 화학이 중요할 때 암모니아 흡수를 순수하게 물리적인 것으로 처리하면 잘못된 평형 예측과 용매 용량 추정이 발생할 수 있습니다.

따라서 압력, 온도, 암모니아 농도 및 용매 조성은 적절한 평형 또는 경험적 데이터와 일치시켜야 합니다.

파일럿 플랜트에 적용하는 방법

물질 수지는 계산 프레임워크를 제공하며, 측정값과 평형 데이터는 흡수기가 예상대로 작동하는지 결정합니다.

주된 초점이 암모니아 회수라면: 입구 및 출구 암모니아 농도를 측정하고 암모니아 성분 수지를 사용하여 흡수 속도와 제거율을 계산하십시오.
주된 초점이 정확한 가스 유량 결정이라면: 불활성 질소 성분의 수지를 맞추고 출구 농도를 사용하여 총 출구 가스 몰 유량 및 부피 유량을 계산하십시오.
주된 초점이 용매 최적화라면: 암모니아 수지와 기-액 평형 관계를 결합하여 목표 출구 농도를 충족하는 데 필요한 용매 유량을 결정하십시오.
주된 초점이 컬럼 성능이라면: 전체 컬럼 주변에 수지를 적용하고, 데이터가 허용하는 경우 개별 섹션에 걸쳐 수지를 적용하여 평형 제한과 물질 전달 제한을 구분하십시오.
주된 초점이 신뢰할 수 있는 파일럿 플랜트 데이터라면: 실제 압력과 온도에 대해 유량을 보정하고, 액체 암모니아 부하를 측정하며, 가스에서 손실된 암모니아가 액체에서 얻은 암모니아와 일치하는지 확인하십시오.

잘 구성된 물질 수지는 파일럿 플랜트 측정값을 암모니아 회수, 용매 사용 및 흡수기 성능에 대한 설득력 있는 평가로 전환합니다.

요약 표:

수지 또는 지표	결정 내용	주요 기준
총괄 수지	총 입구 및 출구 가스/액체 유량	가스 및 액체 유량
암모니아 수지	흡수된 암모니아 및 출구 농도	입구 및 출구 암모니아 속도
불활성 가스 수지	암모니아 제거 후 정확한 출구 가스 유량	질소 또는 운반 가스 유량
회수 효율	암모니아 제거 백분율	입구 대 출구 암모니아
용매 부하	단위 용매당 흡수된 암모니아	액체 조성 변화
평형 관계	달성 가능한 출구 조성 및 구동력	온도, 압력 및 용매 화학
수지 폐합	데이터 품질 및 설명되지 않은 손실	가스 손실 대 액체 이득
에너지 수지	열 방출 및 온도 변화의 영향	흐름 엔탈피 및 열 부하

암모니아 회수 파일럿 플랜트 평가

가스 흐름에서 암모니아 회수를 위한 신뢰할 수 있는 데이터가 필요하십니까? LABPARK에 문의하여 귀하의 요구 사항에 맞춘 교육용 또는 직업 훈련용 단위 조작 파일럿 플랜트에 대해 논의하십시오. LABPARK는 화학 공학, 바이오 공정 및 생명 공학, 환경 및 수처리 응용 분야를 위한 파일럿 규모의 시스템으로 대학, 연구 기관 및 기업을 지원합니다.

당사의 가스 흡수 시스템은 귀하의 팀이 실제 작동 데이터를 사용하여 물질 수지, 불활성 가스 유량 측정, 용매 최적화, 평형 거동, 암모니아 제거 효율 및 컬럼 성능을 조사하도록 돕습니다. 교육, 연구, 공정 개발 및 운영자 교육을 지원하는 구성을 선택하도록 도울 수 있으며, 회수 성능 및 스케일업 결정을 평가하기 위한 명확한 근거를 제공합니다.