용매 재순환 루프는 용매 소비량을 줄이고 흡수탑 운전을 안정적으로 유지하기 위해 사용됩니다. 가스 흡수 파일럿 플랜트에서는 가스가 상승하는 동안 용매가 충전탑 또는 트레이탑을 따라 하강하며, 용해성 오염물질을 액상으로 이동시킵니다. 용매가 풍부해진 출구 스트림은 일반적으로 재생된 후 흡수탑으로 되돌아가며, 퍼지, 동반, 증발 또는 샘플링으로 손실된 용매는 새 보충 용매로 대체됩니다.

핵심 회계 원칙은 내부 재순환 유량과 외부 유량을 구분하는 것입니다. 재순환 스트림은 개별 단위의 물질수지에 나타나지만, 외부 공정 경계를 통과하지 않으므로 전체 공정 물질수지에서는 상쇄됩니다.

흡수 파일럿 플랜트에서 용매를 재순환하는 이유

원료 소비량 감소

재순환 루프를 사용하면 대부분의 용매가 탑을 한 번 통과한 후 폐기되지 않고 반복적으로 순환할 수 있습니다.

이는 용매가 고가이거나 유해하거나 폐기 전에 처리가 필요한 경우 특히 중요합니다. 파일럿 플랜트는 재순환을 통해 대형 산업 공정의 용매 경제성을 모사합니다.

제어된 용매 농도 유지

흡수 성능은 용매의 조성과 유량에 따라 달라집니다. 재생된 용매를 되돌려 보내면 탑 내 운전 조건을 비교적 일정하게 유지할 수 있습니다.

재순환이 없으면 대량의 새 용매를 공급하지 않는 한 용매 조성과 재고량이 계속 변합니다. 그러면 탑 성능을 일관되게 평가하기가 더 어려워집니다.

용매 재생 지원

많은 시스템에서 흡수탑을 떠나는 액체에는 포집된 오염물질이 포함되어 있습니다. 스트리핑, 증류 또는 기타 분리와 같은 후단 재생 단계에서는 오염물질의 상당 부분을 제거하여 흡수탑으로 되돌릴 수 있는 용매를 생성합니다.

예를 들어, 용매는 탑에서 황화수소 또는 암모니아를 흡수한 후 재생 과정에서 이를 방출할 수 있습니다. 재생된 액체가 재순환 스트림이 됩니다.

파일럿 규모의 경제성 개선

파일럿 플랜트는 상업 시설과 동일한 규모의 경제를 항상 누릴 수 있는 것은 아닙니다. 재순환은 새 용매 수요, 폐기물 발생량 및 운전 비용을 줄이는 동시에 제한된 용매 재고로 장시간 실험을 수행할 수 있게 합니다.

또한 이 루프는 용매 회수, 보충 요구량, 불순물 축적 및 정상상태 운전에 대한 실무 경험을 제공합니다.

물질수지 경계 정의 방법

흡수탑 경계

흡수탑만 고려할 때는 유입 가스와 유입 액체를 유입 스트림으로, 처리 가스와 농축 액체를 유출 스트림으로 정의합니다.

전체 물질수지는 다음과 같습니다.

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

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

여기서 (G)와 (L)은 일관된 질량 기준 또는 몰 기준으로 나타낸 기체 및 액체 스트림의 유량입니다.

오염물질 물질수지

흡수되는 성분 (A)에 대한 성분 물질수지는 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}} ]

여기서 (y_A)는 (A)의 기상 분율이고, (x_A)는 액상 분율입니다. 두 값은 모두 몰분율 또는 질량분율 중 하나로 일관되게 정의해야 합니다.

액체에 흡수된 양은 일반적으로 다음과 같이 나타냅니다.

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

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

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

이는 액체 공급물에 (A)가 무시할 수 있을 정도로 적게 포함되어 있을 때 적용됩니다. 용매에 이미 (A)가 포함되어 있다면 액체 유입항도 포함해야 합니다.

용매 물질수지

비반응성 용매 (S)에 대한 흡수탑 물질수지는 다음과 같습니다.

[ \dot m_{S,\text{in}}

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

단, 흡수탑 내부에서 용매 증발, 동반, 반응 또는 기타 손실이 없어야 합니다.

실제 파일럿 플랜트에서는 이러한 손실이 상당할 수 있으므로 보충 용매 스트림이 필요할 수 있습니다.

공정 물질수지에서 재순환이 나타나는 방식

혼합기 물질수지

새 보충 용매와 재생된 재순환 용매는 흡수탑에 들어가기 전에 혼합됩니다.

[ L_{\text{makeup}}+L_{\text{recycle}}

L_{\text{absorber,in}} ]

용매 성분 (S)에 대해서는 다음과 같습니다.

[ L_{\text{makeup}}x_{S,\text{makeup}} + L_{\text{recycle}}x_{S,\text{recycle}}

L_{\text{absorber,in}}x_{S,\text{in}} ]

이 방정식은 탑으로 유입되는 용매의 유량과 조성을 결정합니다.

재생 물질수지

흡수탑을 떠나는 농축 액체는 재생 구역으로 유입됩니다. 단순화한 전체 물질수지는 다음과 같습니다.

[ L_{\text{rich}}

L_{\text{regenerated}} + L_{\text{regenerator losses}} + L_{\text{purge}} ]

이에 대응하는 오염물질 물질수지에는 재생 상부 생성물 또는 스트리핑 스트림으로 제거되는 오염물질이 포함됩니다.

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

\dot n_{A,\text{regenerated}} + \dot n_{A,\text{overhead}} + \dot n_{A,\text{losses}} ]

정확한 항은 재생 단계가 스트리퍼, 증류탑, 플래시 또는 다른 장치로 모델링되는지에 따라 달라집니다.

전체 공정 경계

경계가 흡수탑, 재생 장치, 혼합기 및 재순환 배관을 모두 둘러싸는 경우 재순환 스트림은 내부 스트림입니다. 회계상 동일한 항으로 경계에 들어오고 나가므로 상쇄됩니다.

전체 정상상태 물질수지는 외부 스트림만을 기준으로 합니다.

[ \text{External inputs}

\text{External outputs} ]

오염물질에 대해서는 일반적으로 다음을 의미합니다.

[ \text{Contaminant in with feed gas} + \text{Contaminant in with makeup}

\text{Contaminant out in treated gas} + \text{Contaminant recovered or purged} + \text{Contaminant in other losses} ]

오염물질은 흡수되었다고 해서 단순히 사라지는 것이 아닙니다. 오염물질은 기상에서 용매로 이동하며, 결국 재생 생성물, 퍼지, 폐기물 스트림, 처리 가스 또는 축적된 재고를 통해 시스템 밖으로 나가야 합니다.

보충 및 퍼지 스트림이 중요한 이유

보충은 불가피한 손실을 대체합니다

액체 퍼지, 가스 동반, 증발, 장치 배출, 샘플링 또는 재생 손실을 통해 시스템을 떠나는 용매를 보상하기 위해 새 용매가 추가됩니다.

정상상태에서는 보충 유량이 대략 순 용매 손실을 대체합니다.

[ L_{\text{makeup}} \approx L_{\text{purge}} + L_{\text{evaporation}} + L_{\text{entrainment}} + L_{\text{other losses}} ]

추가 공정 스트림을 통해 용매가 유입되거나 유출되는 경우에는 등식에 대한 조정이 필요할 수 있습니다.

퍼지는 불순물 축적을 방지합니다

폐쇄형 용매 루프에는 비휘발성 불순물, 분해 생성물 또는 불완전하게 재생된 오염물질이 축적될 수 있습니다. 이러한 물질이 시스템 밖으로 나가지 않으면 재고량은 시간이 지남에 따라 증가합니다.

퍼지는 순환 액체의 일정 부분을 제어하여 제거합니다. 이후 보충 용매가 원하는 총 유량과 조성을 회복합니다.

정상상태에서는 순축적이 없어야 합니다

어떤 성분 (i)에 대해서도 일반적인 물질수지는 다음과 같습니다.

[ \text{Input}_i-\text{Output}_i

\text{Accumulation}_i ]

정상상태에서는 다음과 같습니다.

[ \text{Accumulation}_i=0 ]

이 조건은 불순물에 특히 중요합니다. 계산된 유입량이 유출량보다 많으면 주 용매 유량이 일정해 보이더라도 루프는 정상상태가 아니며 해당 성분이 축적되고 있는 것입니다.

실무적인 물질수지 순서

측정된 유량으로 시작하기

가스 유량, 용매 유량, 보충 유량, 재순환 유량, 퍼지 유량 및 관련 출구 스트림을 측정하거나 추정합니다. 전체 계산에서 질량 유량 또는 몰 유량 중 하나의 기준을 일관되게 사용합니다.

변환 없이 질량분율과 몰분율을 혼용하는 것은 흔한 오류의 원인입니다.

흡수탑 물질수지 계산

먼저 가스에서 액체로 이동한 오염물질을 계산합니다.

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

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

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

그런 다음 이 값을 액체 스트림이 운반하는 오염물질 증가량과 비교합니다.

재생 구역 물질수지 계산

흡수된 오염물질 중 재생 상부 생성물 또는 생성물 스트림으로 빠져나가는 양과 재순환 용매에 남아 있는 양을 결정합니다.

재생된 용매에도 일부 오염물질이 남아 있을 수 있으므로, 완전히 순수한 재순환 스트림이라고 가정하면 비현실적인 결과가 나올 수 있습니다.

혼합기 물질수지 계산

보충 스트림과 재순환 스트림을 사용하여 흡수탑으로 유입되는 조성을 계산합니다. 이 단계는 용매 손실 계산과 실제 탑 운전 조건을 연결합니다.

전체 루프 확인

마지막으로 외부 공정 경계를 그리고 전체 물질수지에서 모든 내부 재순환 항을 제거합니다. 외부 물질수지는 예상되는 측정 불확도 범위 내에서 수지적으로 일치해야 합니다.

각 장치 주위의 물질수지는 일치하지만 전체 물질수지가 맞지 않는 경우, 누락된 퍼지, 측정되지 않은 손실, 일관되지 않은 기준 또는 잘못된 스트림 조성이 원인일 수 있습니다.

절충 사항 이해

재순환율이 높으면 용매 사용량은 줄지만 루프가 복잡해집니다

재순환율이 높으면 새 용매 수요가 감소하지만, 펌프, 재생 장비, 제어 계측기 및 추가 배관이 필요합니다.

또한 체류 시간이 증가하고 공정이 점진적인 불순물 축적에 더 민감해질 수 있습니다.

재순환이 용매 품질의 일정성을 보장하지는 않습니다

용매 조성은 재생 효율, 퍼지율, 오염물질 부하 및 용매 열화에 따라 달라집니다. 오염된 스트림을 재순환하면 흡수 용량이 점차 감소할 수 있습니다.

따라서 재순환 스트림은 유량뿐만 아니라 조성으로 특성화해야 합니다.

퍼지는 불순물 제어를 개선하지만 유용한 물질을 낭비합니다

퍼지량이 많을수록 불순물을 더 효과적으로 제거할 수 있지만, 그렇지 않으면 회수할 수 있는 용매와 흡수된 오염물질까지 제거될 수 있습니다.

따라서 퍼지율은 용매 회수, 불순물 제어 및 운전 안정성 사이의 절충점입니다.

시동 중에는 정상상태 가정이 적용되지 않을 수 있습니다

시동, 정지 또는 운전 조건 변경 중에는 용매와 오염물질의 재고량이 변합니다. 따라서 축적 항을 0으로 설정할 수 없습니다.

루프가 안정적인 운전 조건에 도달할 때까지 과도상태 물질수지가 필요합니다.

목표에 맞는 선택

조사하려는 질문에 맞게 물질수지 구조를 사용하여 분석 범위를 설정합니다.

주요 관심사가 용매 소비량인 경우: 전체 재순환 시스템을 둘러싸고 퍼지, 증발, 동반 및 기타 용매 손실로부터 새 보충 용매량을 계산합니다.
주요 관심사가 흡수탑 성능인 경우: 흡수탑을 별도로 계산하고 가스 및 액체 스트림에서 유입되는 오염물질과 유출되는 오염물질을 비교합니다.
주요 관심사가 용매 품질인 경우: 퍼지 스트림과 함께 오염물질, 용매 및 비휘발성 불순물에 대한 성분 물질수지를 포함합니다.
주요 관심사가 규모 확대인 경우: 단일 통과 흡수와 전체 회수율을 모두 추적하고, 재순환이 용매 조성과 유효 공정 운전 조건을 변화시킨다는 점을 고려합니다.
주요 관심사가 데이터 검증인 경우: 먼저 장치별 물질수지를 수행한 다음, 내부 재순환 스트림을 상쇄한 후 전체 공정 물질수지가 일치하는지 확인합니다.

재순환 루프는 추가적인 공급원이나 배출원이 아니라 내부 순환 경로로 이해하는 것이 가장 적절합니다. 그 이점과 손실은 성분 물질수지를 신중하게 정의할 때 명확해집니다.

요약 표:

주제	핵심 내용
용매 재순환	새 용매 소비량을 줄이고 안정적인 흡수탑 운전을 지원함
흡수탑 물질수지	오염물질 이동을 포함하여 가스 및 액체의 유입 및 유출 스트림을 계산함
내부 재순환	개별 장치의 물질수지에는 나타나지만 전체 공정 물질수지에서는 상쇄됨
보충 용매	퍼지, 증발, 동반, 배출 및 샘플링으로 손실된 용매를 대체함
퍼지 스트림	용매 루프 내 불순물 및 분해 생성물의 축적을 제어함
재생	흡수된 오염물질을 제거하고 사용 가능한 용매를 흡수탑으로 되돌림
정상상태 확인	각 성분의 순축적이 0인지 확인함
권장 방법	먼저 개별 장치의 물질수지를 계산한 다음 전체 외부 스트림 물질수지가 일치하는지 확인함

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