분석 계장 시스템 시간 지연 마스터하기: 정확한 측정 및 완화 전략

분석 계장 시스템에서 시간 지연 이해 및 측정

카림 마흐라즈(Karim Mahraz)

샘플 시스템의 시간 지연은 공정 분석기로부터 부적절한 결과가 나오는 가장 흔한 원인입니다. 공정 측정은 순간적이지만 분석기 응답은 그렇지 않습니다. 탭에서 분석기까지 항상 시간 지연이 존재합니다. 아래 이미지에 나타난 분석 계장(AI) 시스템의 다음 섹션들에서 시간 지연 가능성이 존재합니다: 공정 라인, 탭 및 프로브, 필드 스테이션, 이송 라인, 샘플 컨디셔닝 시스템, 스트림 스위칭 시스템, 분석기.

시스템 구성도

시간 지연이 누적된다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 공정 라인에서 분석기까지 유체가 이동하는 데 걸리는 총 시간으로, 최종 분석에 필요한 시간도 포함됩니다. 예를 들어 가스 크로마토그래프가 샘플 분석에 5분이 걸린다면, 그 5분은 샘플 컨디셔닝 시스템과 스트림 스위칭 시스템 지연뿐만 아니라 이송 라인, 필드 스테이션, 탭, 프로브 지연에도 더해져야 합니다. 이 소계는 모니터링 대상 공정 유닛에서 탭까지 유체 이동 시간에 다시 더해져야 합니다. 모니터링 대상 공정 유닛부터 분석기까지의 총 시간이 중요합니다.

불행히도 시간 지연은 종종 과소평가되거나 고려되지 않거나 오해됩니다. 많은 경우 시간 지연은 분석기 전문가와 기술자에게 보이지 않는데, 이들은 샘플을 분석기에 적합하게 만드는 데 집중합니다. 분석기 전문가는 분석 측정이 순간적이라고 가정할 수 있습니다. 그러나 샘플링 시스템은 종종 1분 응답이라는 산업 표준을 달성하지 못해 시간 지연의 충분한 기회를 만듭니다. 긴 사이클 시간에도 시간 지연 최소화는 항상 최선이지만, 산업 표준을 초과하는 지연이 반드시 문제는 아닙니다. 공정 엔지니어가 공정 역학에 기반해 허용 가능한 지연 시간을 결정해야 합니다.

시간 지연은 시스템 설계자의 기대를 초과할 때 문제가 됩니다. 시간 지연에 대한 잘못된 추정이나 가정은 열등한 공정 제어로 이어집니다. 시간 지연 원인을 이해하고 합리적 오차 범위 내에서 지연을 계산하거나 근사하는 법을 배우면 지연을 줄이고 전반적인 시스템 응답성을 개선할 수 있습니다.

공정 라인, 탭, 패스트 루프, 이송 라인 배치를 통한 최대 효과

시간 지연을 줄이려면 일반적으로 탭을 분석기 최대한 가깝게 배치하는 것이 가장 좋지만, 항상 가능한 것은 아닙니다. 탭은 드럼, 탱크, 데드 레그, 정체 라인, 중복 또는 노후 장비(유량 개선을 위해 제거해야 함) 등 지연 원인 업스트림에 위치해야 합니다. 경우에 따라 앞서 언급한 변수로 탭 위치를 분석기 근처로 지정할 수 없습니다. 탭이 분석기에서 멀리 떨어져 있다면 패스트 루프를 사용해 유체를 분석기에 빠르게 전달하는 것이 권장됩니다. 제대로 설계되면 패스트 루프 유량은 분석기 라인 유량보다 훨씬 빠릅니다.

압력 낮추기로 시간 지연 감소

가스와 함께 사용될 때 필드 스테이션은 이송 라인이나 패스트 루프 압력을 낮추는 수단입니다. 동일한 유량에서 이송 라인 시간 지연은 절대 압력 감소에 정비례해 줄어듭니다. 압력이 절반이면 시간 지연도 절반입니다. 필드 스테이션은 탭 최대한 가깝게 위치해야 합니다. 압력을 더 빨리 낮출수록 좋습니다.

액체 샘플의 경우 필드 스테이션 레귤레이터는 사용하지 않습니다. 기포 형성을 피하기 위해 액체를 고압으로 유지하는 것이 더 좋습니다. 액체 샘플이 가스로 분석될 때 필드 스테이션에서 기화 레귤레이터를 사용할 수 있습니다. 그러나 이는 상당한 시간 지연을 초래합니다. 유체가 액체에서 기체로 변하면 부피가 급격히 증가합니다. 증가율은 액체 분자량에 따라 달라집니다.

일반적으로 레귤레이터 이후 측정된 증기 유량은 기화 레귤레이터 이전 액체 유량의 300배 이상입니다. 예를 들어 증기 유량 500 cm³/min이면 액체 유량은 2 cm³/min 미만일 수 있습니다. 따라서 액체가 1/4인치 튜빙 10피트를 통과하는 데 25분이 걸립니다. 이 시간을 줄이려면 레귤레이터 이전 튜빙 부피를 줄여야 합니다. 예를 들어 1/8인치 튜빙 1피트만 있으면 액체가 레귤레이터에 도달하는 데 30초만 걸립니다. 여기에 프로브 시간 지연을 더해야 합니다. 프로브가 좁을수록 응답이 빠릅니다.

더 빠른 응답을 얻는 또 다른 방법은 패스트 루프 필터 후 레귤레이터를 배치하고 두 번째 액체 패스트 루프로 양호한 액체 유량이 기화 레귤레이터까지 지속되도록 하는 것입니다. 목표는 기화 레귤레이터로 가는 느리게 움직이는 액체 부피를 최소화하는 것입니다.

스트림 스위칭

가능한 한 시간 지연을 피하려면 스트림 스위칭 어셈블리가 빠르게 작동해 기존 샘플 물질을 신속히 퍼지하면서 새 스트림을 분석기로 이동시켜야 합니다. 더블-블록-앤-블리드(DBB) 밸브 구성은 기존 구성품이나 미니어처 모듈러 설계로 오늘날 이용 가능하며, 최소 데드레그와 누설 밸브로부터의 교차 스트림 오염 없이 스트림을 전환하는 수단을 제공합니다.

전통적인 DBB 구성은 아래 다이어그램에 보이는 캐스케이딩 DBB입니다. 캐스케이딩 DBB는 티 피스 대신 두 번째 블록 밸브를 사용해 데드레그를 제거합니다.

DBB 캐스케이딩 구성을 사용할 때 유동 경로를 고려해야 합니다. 이 구성은 압력 강하와 느린 유동을 초래할 수 있기 때문입니다. 압력 강하는 제품의 Cv(유량 계수)를 조회해 추정할 수 있으며, 이는 유동 저항 척도입니다. Cv가 낮을수록 압력 강하가 커져 유량이 낮아집니다.

DBB 캐스케이딩 구성에서 주 스트림(스트림 1)은 과도한 압력 강하를 일으키지 않지만 스트림 2, 스트림 3 등은 점점 더 많은 압력 강하와 더 긴 유동 경로를 만들어 아웃렛까지 점점 더 긴 이동 시간을 초래합니다. 결과는 서로 다른 스트림으로부터 일관되지 않은 전달 시간으로, 모든 스트림에 일관된 퍼지 시간 설정을 어렵게 만듭니다.

통합 유동 루프를 가진 DBB 구성(아래 다이어그램 참조)은 DBB 캐스케이딩 구성의 모든 이점을 제공하면서 모든 스트림에서 일관되게 최소 압력 강하를 보장합니다. 각 스트림의 Cv(따라서 각 스트림의 전달 시간)는 동일합니다. Cv 0.3 구성품은 Cv 0.1 구성품의 1/3 압력 강하를 유발합니다.

샘플 컨디셔닝 시스템

샘플 컨디셔닝 시스템은 샘플을 여과하고, 올바른 상에 있는지 확인하고, 압력, 유량, 온도를 조정해 분석을 준비합니다. 작은 폼 팩터로 이 작업을 위해 게이지, 레귤레이터, 면적 유량계, 유량 컨트롤러, 체크 밸브, 제어 밸브, 볼 밸브 등 많은 소형 구성품을 사용합니다. 미니어처 모듈러 구성품도 좁은 공간을 위한 콤팩트 솔루션으로 자주 사용됩니다. 이 탑 마운트 구성품은 New Sampling/Sensor Initiative(NeSSI)에 따라 ANSI/ISA 76.00.02 표준으로 제조됩니다. 스트림 스위칭 밸브와 마찬가지로 내부 부피보다 압력 강하가 더 중요합니다. 구성품 선택 시 제조업체가 제공하는 Cv를 비교하십시오.

샘플 컨디셔닝 시스템에 사용되는 필터, 녹아웃 팟, 응집 필터 같은 다른 구성품은 들어오는 샘플이 기존 샘플과 혼합되게 해 상당한 시간 지연을 유발할 수 있습니다. 필터나 녹아웃 팟을 비워 기존 샘플 95%가 사라지도록 해 시간 지연을 개선하십시오. 불행히도 이는 구성품 부피의 3배가 필요합니다. 이는 아래 다이어그램과 같이 입구와 출구가 인접하다고 가정할 때입니다.

다이어그램과 같이 입구와 출구가 구성된 필터를 고려해 보십시오. 유량이 100 cm³/min이고 필터 부피가 100 cm³이면 기존 샘플 95%가 플러시되는 데 3분이 걸립니다. 따라서 이 AI 시스템의 시간 지연 계산에 3분을 추가해야 합니다. 이 공식은 공정 라인 혼합 볼륨에도 적용될 수 있습니다.

분석기

일반적으로 가스 크로마토그래프는 샘플 분석에 5~10분이 걸립니다. 적외선 및 자외선 분석기는 훨씬 빠르게 작동해 몇 초 내 분석을 완료합니다. 분석기 전문가, 기술자, 엔지니어는 분석기가 샘플 처리하는 데 필요한 시간을 알아야 합니다. 이 시간은 위에서 논의한 탭부터 분석기까지 총 시간 지연 추정에 더해집니다.

결론

설명한 도구로 계산된 총 시간 지연은 합리적 오차 범위 내 추정치를 제공해야 합니다. 모니터링 대상 공정부터 분석기까지 총 시간이 중요하며, 이 지연을 구성하는 모든 구성품을 총계에 더해야 함을 기억하십시오. 시간 지연은 분석기 전문가의 면밀한 검토가 필요한 문제입니다. 샘플 시간에 대한 잘못된 가정, 특히 프로브나 필드 스테이션 기화 레귤레이터 같은 전형적인 문제 지점에 대한 가정은 분석기 전문가의 모든 노력을 헛되이 하고 분석기를 무효화할 수 있습니다. 분석기 전문가는 유체 시스템 공급업체 또는 컨설턴트와 협력해 탭 위치, 패스트 루프 설정, 적절한 튜빙 직경, 스트림 스위칭 구성 등에 대한 지능적 선택으로 시간 지연을 개선할 수 있습니다.