교육용 파일럿 플랜트 장비에서 물질 수지를 평가할 때 개방형 및 폐쇄형 시스템 경계는 어떻게 정의됩니까?

개방형 시스템은 정의된 분석 기간 동안 물질이 경계를 통과할 수 있는 반면, 폐쇄형 시스템은 그렇지 않습니다. 파일럿 플랜트 물질 수지를 계산하려면 연구 중인 장비나 공정 섹션 주위에 경계를 설정한 다음, 그 경계를 가로지르는 물질 흐름만 계산하십시오. 흡수탑, 열교환기, 연속 반응기와 같은 연속식 장비는 일반적으로 개방형으로 취급하며, 배치식 믹서와 밀폐된 배치 반응기는 일반적으로 폐쇄형으로 취급합니다.

시스템 경계는 어떤 흐름이 물질 수지에 포함될지를 결정합니다. 개방형 시스템 수지는 입구 및 출구 유량을 사용하며, 폐쇄형 시스템 수지는 지정된 시간 간격 동안 처음에 존재하는 총 질량, 축적량, 반응 또는 변환량을 추적합니다.

시스템 경계의 의미

경계는 제어 체적을 정의합니다

시스템 경계는 분석 중인 장비, 공정 단위 또는 전체 플랜트 주위에 그려진 가상의 표면입니다.

물질 수지에는 해당 표면을 가로지르는 모든 물질 흐름이 포함됩니다. 내부 환류, 순환 또는 트레이 간 흐름과 같이 경계 내부에 완전히 머무르는 흐름은 해당 경계에 대한 외부 입력이나 출력이 아닙니다.

경계는 분석적 선택입니다

동일한 파일럿 플랜트라도 서로 다른 경계를 사용하여 분석할 수 있습니다. 전체 증류 조립체 주위의 경계는 전체 수지를 생성하는 반면, 리보일러나 응축기 주위의 경계는 국부적인 수지를 생성합니다.

올바른 경계는 질문의 의도와 사용 가능한 측정값에 부합하는 것입니다.

열과 일은 물질 흐름이 아닙니다

열과 일은 개방형 또는 폐쇄형 시스템 경계를 통과할 수 있지만, 질량 흐름으로 포함되지는 않습니다.

유틸리티 흐름이 공정 물질과 물리적으로 혼합되지 않는 한, 이는 물질 수지가 아닌 에너지 수지와 관련이 있습니다.

개방형 시스템 경계 정의 방법

물질은 입구와 출구를 통해 통과합니다

흐름 시스템 또는 제어 체적이라고도 하는 개방형 시스템은 작동 중에 물질이 들어오고 나가는 것을 허용합니다.

일반적인 통과 흐름에는 선택된 경계를 가로지르는 공급, 제품, 퍼지, 벤트, 드레인 및 재순환 흐름이 포함됩니다.

연속식 파일럿 장비는 일반적으로 개방형입니다

가스 흡수탑, 열교환기, 연속 교반 탱크 반응기, 증류탑, 펌프 및 압축기는 일반적으로 개방형 시스템으로 취급됩니다.

이러한 장치의 경우 수지는 일반적으로 질량 유량 측면에서 작성됩니다:

[ \text{축적량} = \text{유입 질량} - \text{유출 질량} + \text{생성량} - \text{소모량} ]

정상 상태의 비반응 공정의 경우 축적량은 0이므로 다음과 같습니다:

[ \text{총 유입 질량 유량} = \text{총 유출 질량 유량} ]

성분 수지가 더 유용할 수 있습니다

총 질량 수지는 성분이 어떻게 분포되는지 보여주지 않고도 질량이 보존됨을 보여줄 수 있습니다.

예를 들어, 에탄올 증류 장치는 총 유량 수지뿐만 아니라 에탄올과 물에 대한 성분 수지가 필요합니다. 정상 상태에서:

[ \dot{m}{\text{공급}} = \dot{m}{\text{유출물}}+ \dot{m}_{\text{바닥생성물}} ]

해당 에탄올 수지는 각 흐름의 에탄올 분율을 추적합니다.

내부 흐름은 전체 경계에서 제외됩니다

경계가 탑, 응축기 및 리보일러를 모두 포함하는 경우, 내부 증기, 액체 및 환류 흐름은 경계를 통과하지 않습니다.

따라서 분리 메커니즘에 필수적이라 하더라도 전체 물질 수지에서는 제외됩니다.

폐쇄형 시스템 경계 정의 방법

공정 물질이 경계를 통과하지 않습니다

폐쇄형 시스템은 선택된 작동 기간 동안 고정된 양의 물질을 포함합니다.

밀폐된 배치 반응기나 배치 혼합 탱크는 경계를 가로지르는 공급, 제품 인출, 벤트, 누출 또는 드레인이 없을 때 폐쇄형으로 취급됩니다.

배치식 장비는 시간 간격이 필요합니다

입구 또는 출구 유량이 없기 때문에 수지는 두 시점에서의 시스템 내부 물질을 비교합니다.

비반응 폐쇄형 시스템의 경우:

[ m_{\text{초기}} = m_{\text{최종}} ]

물질이 축적되거나 소모되거나 반응을 통해 생성되는 경우, 적절한 성분 수지에 이러한 효과를 포함해야 합니다.

폐쇄형이라고 해서 아무것도 변하지 않는 것은 아닙니다

폐쇄형 시스템은 온도 변화, 압력 변화, 혼합, 상 변화, 열 전달 또는 축 일을 경험할 수 있습니다.

정의된 경계를 가로지르는 물질이 없는 한 질량 측면에서는 폐쇄된 상태로 유지됩니다.

배치식 장비가 자동으로 폐쇄형인 것은 아닙니다

공급 추가, 가스 벤트, 샘플링 라인 또는 제품 인출이 있는 배치 반응기는 해당 기간 동안 완전히 폐쇄된 것이 아닙니다.

이 경우 해당 흐름을 물질 수지에 포함하거나, 폐쇄형 시스템 가정의 타당성을 확보하기 위해 작동 간격을 재정의하십시오.

다중 단위 파일럿 플랜트의 경계 선택

플랜트 전체 결과를 위해 전체 경계를 사용하십시오

전체 파일럿 플랜트 주위의 경계는 외부에서 들어오는 흐름과 외부 환경으로 나가는 흐름만 포함합니다.

믹서, 반응기, 분리기 및 저장 탱크 사이의 상호 연결 흐름은 내부적인 것이며 전체 수지에서 상쇄됩니다.

이 접근 방식은 총 회수율, 전체 수율 및 플랜트 전체의 물질 손실을 확인하는 데 유용합니다.

단위 성능을 위해 하위 시스템 경계를 사용하십시오

장비 하나 주위의 경계는 해당 장비의 국부적인 거동을 분리합니다.

예를 들어, 증류탑 주위의 경계는 응축기와 리보일러가 경계 내부인지 외부인지에 따라 공급, 유출물, 바닥생성물, 환류 및 보일업 흐름을 포함할 수 있습니다.

선택된 경계에 따라 측정하고 포함해야 할 흐름이 결정됩니다.

혼합 및 분리를 위해 접합부 경계를 사용하십시오

혼합 지점 주위의 작은 경계를 사용하면 결합된 출구를 여러 입구 흐름과 연관시킬 수 있습니다.

분리기 주위의 경계는 하나의 입구를 여러 출구와 연관시킵니다. 이러한 국부적 수지는 전체 흐름도를 한 번에 계산하는 것보다 종종 더 간단합니다.

자유도 확인을 수행하십시오

하위 시스템을 풀기 전에 미지 흐름의 유량과 조성을 계산하고 사용 가능한 독립 방정식과 비교하십시오.

잘 설정된 계산은 사양, 측정값 및 물질 수지 방정식이 포함된 후 일반적으로 자유도가 0이 됩니다.

교육용 장비에 정의 적용하기

배치식 혼합 탱크

밀폐된 배치 혼합 탱크의 경우, 혼합 기간 동안 탱크와 그 내용물 주위에 경계를 그리십시오.

공급, 드레인, 샘플링 또는 벤트가 경계를 통과하지 않는다면 폐쇄형 시스템 수지를 사용하고 혼합 전후의 총 질량 또는 성분 질량을 비교하십시오.

연속식 흡수탑

가스 흡수탑의 경우, 탑 주위에 경계를 그리고 가스 입구, 가스 출구, 액체 용매 입구 및 액체 출구를 식별하십시오.

이러한 통과 흐름은 개방형 시스템의 총 수지 및 성분 수지의 기초가 됩니다.

연속식 증류 장치

전체 분리 성능을 위해 탑, 상부 응축기 및 리보일러를 하나의 단위로 묶어 경계를 그리십시오.

외부 물질 흐름은 일반적으로 공급, 유출물 및 바닥생성물입니다. 내부 환류와 보일업은 경계를 통과하지 않으므로 이 전체 수지에서 제외됩니다.

열교환기

열교환기는 공정 유체가 연속적으로 들어오고 나갈 때 개방형 시스템입니다.

고온 측과 저온 측의 물질 흐름은 각각 경계를 통과하며, 흐름 간의 열 전달은 물질 흐름으로 취급되지 않고 에너지 수지에서 처리됩니다.

트레이드오프 이해하기

더 큰 경계는 전체 수지를 단순화합니다

여러 연결된 단위를 포함하면 내부 흐름이 전체 수지에서 제거됩니다.

단점은 개별 단위의 성능을 숨기게 되어 손실, 누출 또는 분리 비효율성이 어디에서 발생하는지 파악하기 어렵게 만든다는 것입니다.

더 작은 경계는 더 많은 세부 정보를 제공합니다

단위 수준의 경계는 국부적인 조성, 전환율, 회수율 및 축적량을 드러냅니다.

또한 더 많은 미지 흐름을 생성하며 더 많은 계측, 측정 및 방정식이 필요합니다.

정상 상태를 잘못 식별할 수 있습니다

연속식 장치가 자동으로 정상 상태인 것은 아닙니다. 시작, 종료, 탱크 채우기, 농도 변화 및 변동하는 공급 조건은 축적을 생성합니다.

축적량이 0이 아닐 때 입구와 출구 유량이 반드시 같은 것은 아닙니다.

유틸리티는 올바르게 분류되어야 합니다

냉각수, 가열 증기 및 냉매는 공정 물질과 혼합되지 않을 때 일반적으로 에너지 수지에 속합니다.

유틸리티가 공정으로 들어오는 경우(예: 제품으로 응축되는 증기)에는 공정 질량 흐름으로서 물질 경계를 통과하므로 포함되어야 합니다.

누출과 샘플은 가정을 무효화할 수 있습니다

밀폐된 것으로 간주되는 배치 장치도 누출, 벤트 또는 샘플 포트를 통해 질량을 잃을 수 있습니다.

교육용 실험에서는 장비를 이상적인 폐쇄형 시스템 모델에 억지로 맞추기보다는 이러한 경로를 명시적으로 문서화해야 합니다.

파일럿 플랜트에 적용하는 방법

다음 절차는 교육용 물질 수지 작업을 위한 신뢰할 수 있는 시작점을 제공합니다:

• 주요 초점이 연속식 장치의 처리량인 경우: 장비 주위에 경계를 그리고 모든 입구와 출구를 나열한 다음, 축적이 무시할 수 있음을 확인한 후에만 정상 상태 유량 수지를 사용하십시오.
• 주요 초점이 밀폐된 배치 작업인 경우: 시작 시간과 종료 시간을 정의하고, 공정 물질이 경계를 통과하지 않음을 확인한 후, 초기 및 최종 총량 또는 성분량을 비교하십시오.
• 주요 초점이 전체 플랜트 회수율인 경우: 모든 연결된 단위를 하나의 경계에 포함하고 외부 공급, 제품, 폐기물, 퍼지 및 벤트 흐름만 포함하십시오.
• 주요 초점이 개별 장비 성능인 경우: 선택된 단위를 분리하고 관련 재순환 또는 바이패스 흐름을 포함하여 국부 경계를 통과하는 모든 흐름을 포함하십시오.
• 주요 초점이 분리 효율인 경우: 총 질량 유량에만 의존하지 말고 에탄올과 물과 같은 종에 대한 성분 수지를 사용하십시오.
• 주요 초점이 방어 가능한 계산인 경우: 미지 유량이나 조성을 풀기 전에 자유도 확인을 완료하십시오.

명확하게 그려진 경계는 복잡한 파일럿 플랜트를 관리 가능하고 측정 가능한 물질 수지 문제로 바꿔줍니다.

요약 표:

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