체적 유량과 기체 밀도는 보존되는 기체 성분을 추적한 다음, 조성, 온도, 압력 및 비이상 거동을 보정하여 계산합니다. 증발기에서는 타이 성분이 일정하게 유지되는 동안 기화된 액체로 인해 전체 기체 몰수가 증가합니다. 흡수기에서는 흡수된 용질로 인해 전체 기체 몰수가 감소하는 동안 타이 성분이 일정하게 유지됩니다.

핵심 요점: 공기 중 질소와 같이 반응하지 않고 응축되지 않는 타이 성분을 선택하고, 그 몰 유량을 사용하여 입구와 출구 상태를 연결합니다. 각 상태에서 전체 몰 유량과 평균 분자량을 알면 기체 법칙으로 체적 유량을 계산하고, (\rho = PM/(ZRT))로 밀도를 계산할 수 있습니다.

기체 스트림 기준 설정

보존되는 타이 성분 선택

타이 성분은 몰 기준으로 변하지 않은 상태로 장치를 통과해야 합니다. 적합한 예로는 공기 스트림의 질소 또는 흡수, 응축, 증발되지 않고 반응으로 소비되지 않는 다른 불활성 기체가 있습니다.

타이 성분 (t)에 대해:

[ \dot n_{t,1}=\dot n_{t,2} ]

이 가정은 누출, 반응, 타이 성분의 유의한 용해 또는 기체와 함께 배출되는 미계상 고체나 액적이 없는 경우에만 유효합니다.

측정된 입구 체적을 몰 유량으로 변환

입구 체적 유량이 실제 입구 조건에서 측정된 경우:

[ \dot n_1=\frac{P_1\dot V_1}{Z_1RT_1} ]

입구 타이 성분 유량은 다음과 같습니다:

[ \dot n_t=y_{t,1}\dot n_1 ]

여기서:

• (\dot V)는 체적 유량,
• (P)는 절대 압력,
• (T)는 절대 온도,
• (Z)는 압축성 계수,
• (R)는 기체 상수,
• (y_t)는 타이 성분의 몰분율입니다.

중간 정도의 압력에서 희석 기체의 경우 (Z)는 대체로 1에 가까우므로 이상 기체 형태를 사용할 수 있습니다.

조성으로부터 출구 몰 유량 계산

출구 타이 성분 분율 사용

타이 성분의 몰 유량은 변하지 않으므로:

[ \dot n_2=\frac{\dot n_t}{y_{t,2}} ]

따라서 출구와 입구의 전체 몰 유량 비는 다음과 같습니다:

[ \frac{\dot n_2}{\dot n_1}

\frac{y_{t,1}}{y_{t,2}} ]

이 식은 온도와 압력의 영향과 독립적으로 조성 효과를 나타냅니다.

출구에서 타이 성분 분율이 감소하면 전체 기체 몰 유량은 증가합니다. 타이 성분 분율이 증가하면 전체 기체 몰 유량은 감소합니다.

출구 체적 유량 결정

출구 체적 유량은 다음과 같습니다:

[ \dot V_2= \frac{\dot n_2Z_2RT_2}{P_2} ]

이를 타이 성분 수지와 결합하면:

[ \boxed{ \frac{\dot V_2}{\dot V_1}

\frac{y_{t,1}}{y_{t,2}} \frac{Z_2}{Z_1} \frac{T_2}{T_1} \frac{P_1}{P_2} } ]

이상 기체 거동의 경우:

[ \boxed{ \frac{\dot V_2}{\dot V_1}

\frac{y_{t,1}}{y_{t,2}} \frac{T_2}{T_1} \frac{P_1}{P_2} } ]

온도는 켈빈 또는 랭킨으로, 압력은 절대 압력으로 표현해야 합니다.

각 상태에서의 기체 밀도 계산

평균 분자량 결정

각 기체 조성에 대해:

[ \overline M=\sum_i y_iM_i ]

여기서 (y_i)는 몰분율이고 (M_i)는 성분 (i)의 분자량입니다.

무거운 성분이 제거되거나 가벼운 성분이 추가되면 기체는 더 가벼워집니다. 예를 들어 수증기를 추가하면 일반적으로 건조 공기 스트림의 평균 분자량이 낮아지는 반면, 무거운 증기를 추가하면 평균 분자량이 증가할 수 있습니다.

기체 밀도 방정식 적용

기체 질량 밀도는 다음과 같습니다:

[ \boxed{ \rho=\frac{P\overline M}{ZRT} } ]

이상 기체의 경우:

[ \rho=\frac{P\overline M}{RT} ]

따라서 장치 전후의 밀도 비는 다음과 같습니다:

[ \boxed{ \frac{\rho_2}{\rho_1}

\frac{P_2}{P_1} \frac{\overline M_2}{\overline M_1} \frac{Z_1}{Z_2} \frac{T_1}{T_2} } ]

이 식은 세 가지 주요 효과를 구분합니다:

• 압력: 압력이 높아지면 밀도가 증가합니다.
• 온도: 온도가 높아지면 밀도가 감소합니다.
• 조성: 평균 분자량이 높아지면 밀도가 증가합니다.

질량 유량과 체적 유량의 관계

어떤 공정 위치에서든:

[ \dot m=\rho\dot V ]

따라서:

[ \dot V=\frac{\dot m}{\rho} ]

물질이 기체로 증발해 들어가거나 기체에서 흡수될 때 전체 기체 질량 유량은 반드시 일정하게 유지되지는 않습니다. 타이 성분의 질량 유량은 일정하게 유지되지만, 전체 기체 질량 유량은 이동한 성분에 따라 변합니다.

증발기에 방법 적용

추가된 증기 확인

증발기 또는 가습 장치에서는 액체 물질, 흔히 물이 기체상으로 들어갑니다. 건조 운반 기체가 보존된다면:

[ \dot n_{\text{dry},1}

\dot n_{\text{dry},2} ]

출구 수증기 유량은 다음과 같습니다:

[ \dot n_{\mathrm{H_2O},2}

y_{\mathrm{H_2O},2}\dot n_2 ]

입구 기체에 이미 수증기가 포함되어 있다면:

[ \dot n_{\mathrm{H_2O,evap}}

\dot n_{\mathrm{H_2O},2}

\dot n_{\mathrm{H_2O},1} ]

질량 기준 증발률은 다음과 같습니다:

[ \dot m_{\mathrm{H_2O,evap}}

\dot n_{\mathrm{H_2O,evap}}M_{\mathrm{H_2O}} ]

온도와 압력을 동시에 고려

수증기를 추가하면 전체 기체 몰수가 증가하는 경향이 있습니다. 그러나 출구 체적은 출구 온도와 압력에 따라 추가로 증가하거나 감소할 수 있습니다.

다음 식을 사용합니다:

[ \dot V_2= \dot V_1 \frac{y_{t,1}}{y_{t,2}} \frac{Z_2}{Z_1} \frac{T_2}{T_1} \frac{P_1}{P_2} ]

압력이 거의 일정할 때 따뜻한 출구는 일반적으로 더 큰 체적 유량을 갖지만, 조성과 압력의 영향도 반드시 포함해야 합니다.

습식 및 건식 기준을 일관되게 사용

흔히 발생하는 오류는 건식 기체 조성을 습식 기체 체적 유량과 혼합하여 사용하는 것입니다. 타이 성분 분율은 유량 측정에 사용된 것과 동일한 기준에 해당해야 합니다.

예를 들어 유량이 습식 기체 유량이라면 습식 기체의 타이 성분 몰분율을 사용합니다. 유량이 건식 기준으로 보고되었다면 수지를 적용하기 전에 기준을 변환해야 합니다.

흡수기에 방법 적용

운반 기체 유량 계산

기체 흡수기에서는 암모니아와 같은 가용성 성분이 기체에서 액체로 이동합니다. 불활성 운반 기체는 기체상에 남습니다:

[ \dot n_{\text{carrier},1}

\dot n_{\text{carrier},2} ]

입구 측정값으로부터:

[ \dot n_{\text{carrier}}

y_{\text{carrier},1} \frac{P_1\dot V_1}{Z_1RT_1} ]

출구 기체 유량 결정

출구 운반 기체 몰분율을 사용하면:

[ \dot n_2

\frac{\dot n_{\text{carrier}}}{y_{\text{carrier},2}} ]

암모니아가 제거되면 일반적으로 암모니아의 출구 몰분율은 감소하고 운반 기체의 분율은 증가합니다. 결과적으로 전체 출구 몰 유량은 입구 유량보다 낮아집니다.

흡수된 용질 계산

기체상 용질 제거율은 다음과 같습니다:

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

\dot n_{\text{solute},1}

\dot n_{\text{solute},2} ]

여기서:

[ \dot n_{\text{solute},1}=y_{\text{solute},1}\dot n_1 ]

[ \dot n_{\text{solute},2}=y_{\text{solute},2}\dot n_2 ]

흡수된 질량 유량은 다음과 같습니다:

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

\dot n_{\text{solute,absorbed}}M_{\text{solute}} ]

그 다음 출구 체적 유량은 입구 유량과 같다고 가정하지 말고 실제 출구 온도와 압력에서 계산해야 합니다.

표준 유량과 실제 유량을 올바르게 사용

실제 체적과 표준 체적 구분

실제 체적 유량은 운전 압력과 온도에서의 기체 체적을 의미합니다. 표준 체적 유량은 합의된 기준 상태에서의 체적 유량을 의미합니다.

동일한 몰 유량에 대해:

[ \frac{\dot V_2}{\dot V_1}

\frac{Z_2T_2P_1}{Z_1T_1P_2} ]

전체 몰 유량이 변하는 경우 조성 변화는 타이 성분 수지를 통해 별도로 처리해야 합니다.

수지 계산 전에 계기 판독값 변환

로타미터, 터빈 미터 및 유사한 계기는 실제 공정 조건이 아니라 보정 조건 또는 기준 조건에서의 체적을 보고할 수 있습니다. 물질 수지에서 이러한 판독값을 사용하기 전에 다음 사항을 확인하십시오:

• 판독값이 실제 체적인지 표준 체적인지 여부.
• 기준 온도와 압력.
• 보정에 사용된 기체 조성이 공정 기체와 일치하는지 여부.
• 계기에 압축성 또는 분자량 보정이 필요한지 여부.

상충 관계 이해

타이 성분 방법은 강력하지만 조건부임

이 방법은 선택한 타이 성분이 실제로 보존되는 경우에만 신뢰할 수 있습니다. 질소가 반응에 참여하거나 액체에 상당량 용해되거나 응축되거나 선택적으로 제거된다면 질소는 유효한 타이 성분이 아닙니다.

보존되는 성분이 없다면 측정된 입구 및 출구 조성과 모든 관련 상 이동률을 사용하여 전체 성분 물질 수지를 수행하십시오.

이상 기체 거동이 충분하지 않을 수 있음

이상 기체 방정식은 일반적으로 저압 기체 스트림에 적합하지만, 고압 또는 강한 비이상 혼합물에는 압축성 계수 (Z) 또는 더 적절한 상태 방정식이 필요합니다.

물을 포함하는 스트림은 포화점 부근에서 응축, 동반 비말 또는 비이상 증기 거동이 수지에 영향을 줄 수 있으므로 주의가 필요합니다.

조성 측정이 불확실성을 좌우할 수 있음

출구 전체 몰 유량은 다음과 같이 계산됩니다:

[ \dot n_2=\frac{\dot n_t}{y_{t,2}} ]

따라서 측정된 출구 타이 성분 분율의 작은 오차도 (y_{t,2})가 작거나 조성 변화가 클 때 상당한 오차를 초래할 수 있습니다.

기체 분석기, 유량계, 온도 센서 및 압력 센서는 동일한 시간 기준과 샘플링 위치를 사용하는지 확인해야 합니다.

압력 강하는 자동으로 무시할 수 없음

충전 흡수기와 증발기에서는 압력이 크게 변할 수 있습니다. 전체 장치에 하나의 압력을 사용하면 밀도와 체적 유량 계산이 모두 왜곡될 수 있습니다.

유체역학 계산에서는 국부적 또는 대표적인 압력과 온도 조건을 사용하고 장치 전반의 압력 강하를 고려하십시오.

목적에 맞는 방법 선택

대부분의 파일럿 플랜트 계산에는 다음 절차를 사용하십시오:

• 주요 관심사가 체적 유량 예측인 경우: 보존되는 타이 성분을 선택하고, 해당 성분의 몰분율로부터 입구 및 출구의 전체 몰 유량을 계산한 다음 압력, 온도 및 압축성 보정을 적용합니다.
• 주요 관심사가 기체 밀도인 경우: 전체 기체 조성으로부터 평균 분자량을 계산한 다음 국부 운전 조건에서 (\rho=P\overline M/(ZRT))를 사용합니다.
• 주요 관심사가 증발 또는 가습인 경우: 보존되는 건조 기체 유량과 입구 및 출구 증기 분율로부터 증기 몰 유량의 증가량을 결정합니다.
• 주요 관심사가 흡수 성능인 경우: 보존되는 운반 기체 유량을 사용하여 출구 전체 기체 유량을 결정한 다음 입구 및 출구 용질 몰 유량으로부터 용질 제거량을 계산합니다.
• 주요 관심사가 물질 수지의 정확도인 경우: 모든 유량 측정값을 일관된 실제 또는 표준 기준으로 맞추고 변화량을 계산하기 전에 타이 성분 가정을 확인합니다.

유효한 타이 성분과 일관된 상태 조건을 사용하면 조성 변화를 신뢰할 수 있는 체적 유량, 밀도 및 물질 수지 결과로 직접 변환할 수 있습니다.

요약 표:

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