분석 기기 시스템의 시간 지연 이해 및 측정

분석 기기 시스템의 시간 지연 이해 및 측정

카림 마라즈

샘플 시스템의 시간 지연은 공정 분석기의 부적절한 결과를 초래하는 가장 일반적인 원인입니다. 공정 측정은 즉각적이지만 분석기 응답은 그렇지 않습니다. 탭에서 분석기까지 항상 시간 지연이 있습니다. 시간 지연의 가능성은 분석 기기(AI) 시스템의 다음 섹션에 존재하며 아래 이미지에 표시되어 있습니다. 공정 라인, 탭 및 프로브, 현장 스테이션, 운송 라인, 샘플 컨디셔닝 시스템, 스트림 스위칭 시스템 및 분석기.

시간 지연은 누적된다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 총 시간으로 구성됩니다. 최종 분석에 필요한 시간을 포함하여 유체가 공정 라인에서 분석기로 이동하는 데 걸립니다. 예를 들어, 가스 크로마토그래프가 샘플을 분석하는 데 5분이 걸린다면 샘플링 컨디셔닝 시스템 및 스트림 스위칭 시스템의 시간 지연뿐만 아니라 운송 라인, 현장 스테이션의 시간 지연에도 5분이 추가되어야 합니다. , 탭하고 탐색합니다. 그런 다음 이 소계는 유체가 모니터링 중인 프로세스 장치에서 탭으로 이동하는 데 걸리는 시간에 더해야 합니다. 모니터링되는 프로세스 단위에서 분석기에 이르는 총 시간입니다. .

불행히도 시간 지연은 종종 과소 평가되거나 설명되지 않거나 오해됩니다. 많은 경우 시간 지연은 분석기에 적합한 샘플을 만드는 데 집중하는 분석기 전문가와 기술자에게 보이지 않습니다. 분석기 전문가는 분석 측정이 즉각적이라고 가정할 수 있습니다. 그러나 샘플링 시스템은 종종 1분 응답이라는 업계 표준을 달성하지 못하여 시간 지연의 여지가 충분합니다. 긴 주기의 경우에도 시간 지연을 최소화하는 것이 항상 가장 좋지만 산업 표준을 초과하는 지연이 반드시 문제가 되는 것은 아닙니다. 프로세스 엔지니어는 프로세스 역학을 기반으로 허용 가능한 지연 시간을 결정해야 합니다.

시간 지연은 시스템 설계자의 기대치를 초과할 때 문제가 됩니다. 시간 지연에 대한 잘못된 추정이나 잘못된 가정은 열등한 공정 제어를 초래합니다. 시간 지연의 원인을 이해하고 합리적인 오차 범위 내에서 지연을 계산하거나 근사하는 방법을 배우면 지연을 줄이고 전체 시스템 응답성을 향상시킬 수 있습니다.

최대 효율성을 위한 공정 라인, 탭, 고속 루프 및 운송 라인 배치

시간 지연을 줄이기 위해 항상 가능한 것은 아니지만 일반적으로 분석기에 가장 가까운 탭을 찾는 것이 가장 좋습니다. 탭은 드럼, 탱크, 데드 레그(dead leg), 정체된 라인 또는 중복되거나 구식 장비(흐름 개선을 위해 제거해야 함)와 같은 지연 원인의 상류에 위치해야 합니다. 경우에 따라 앞서 언급한 변수로 인해 공정 분석기 근처에서 탭의 위치를 ​​지정할 수 없습니다. 탭이 분석기에서 멀리 떨어져 있는 경우 분석기에 유체를 빠르게 전달하기 위해 빠른 루프를 사용하는 것이 좋습니다. 적절하게 설계된 경우 빠른 루프의 흐름은 분석기 라인을 통한 흐름보다 훨씬 빠릅니다.

시간 지연을 줄이기 위한 압력 감소

가스와 함께 사용하는 경우 현장 스테이션은 운송 라인 또는 고속 루프의 압력을 줄이는 수단입니다. 동일한 유량이 주어지면 운송 라인의 시간 지연은 절대 압력 감소에 정비례하여 감소합니다. 압력이 절반이면 시간 지연이 절반입니다. 현장 스테이션은 가능한 한 수도꼭지에 가깝게 위치해야 합니다. 압력은 빠를수록 좋습니다.

액체 샘플의 경우 조절 필드 스테이션이 사용되지 않습니다. 기포 형성을 피하기 위해 액체를 고압으로 유지하는 것이 좋습니다. 액체 샘플을 기체로 분석할 때 현장 스테이션에서 기화 조절기를 사용할 수 있습니다. 그러나 이로 인해 상당한 시간 지연이 발생합니다. 유체가 액체에서 기체로 변화함에 따라 부피가 급격히 증가합니다. 증가 속도는 액체의 분자량에 따라 달라집니다.

일반적으로 조절기 이후의 측정된 증기 흐름은 기화 조절기 이전의 액체 흐름의>300배가 됩니다. 예를 들어, 500cm3/min의 증기 흐름에서 액체 흐름은 2cm3/min 미만일 수 있습니다. 따라서 액체는 1/4인치 튜브의 10피트를 통과하는 데 25분이 걸립니다. 이 시간을 줄이려면 조절기 앞에 있는 튜빙의 부피를 줄여야 합니다. 예를 들어, 1피트의 1/8인치 튜브만 있으면 액체가 조절기에 도달하는 데 30초밖에 걸리지 않습니다. 그러나 이때까지 프로브에 시간 지연을 추가해야 합니다. 프로브가 좁을수록 응답이 빠릅니다.

더 빠른 응답을 얻는 또 다른 방법은 기화 조절기를 분석기 위치에 더 가깝게 배치하는 것입니다. 두 번째 액체 고속 루프가 있는 고속 루프 필터 뒤에 조절기를 설치하여 기화 조절기까지 양의 흐름이 계속되도록 합니다. 목표는 조절기로 가는 느리게 움직이는 액체 부피를 최소화하는 것입니다.

스트림 전환

가능한 한 많은 시간 지연을 방지하려면 스트림 전환 어셈블리가 빠르게 작동해야 하며 새 스트림을 분석기로 이동하는 동안 오래된 샘플 물질을 신속하게 제거해야 합니다. 오늘날 기존 구성 요소 또는 소형 모듈식 설계에서 사용할 수 있는 DBB(더블 블록 앤 블리드) 밸브 구성은 교착 상태를 최소화하고 누출 밸브로 인한 교차 스트림 오염 없이 스트림을 전환하는 수단을 제공합니다.

기존 DBB 구성은 아래 다이어그램에서 볼 수 있는 계단식 DBB입니다. 캐스케이딩 DBB는 티 피스 대신 두 번째 블록 밸브를 사용하여 교착 상태를 제거합니다.

DBB 캐스케이딩 구성을 사용할 때 이 구성은 압력 강하 및 느린 흐름으로 이어질 수 있으므로 흐름 경로를 고려해야 합니다. 압력 강하는 흐름에 대한 저항의 척도인 제품의 Cv를 조회하여 추정할 수 있습니다. Cv가 낮을수록 압력 강하가 커져서 더 낮은 유속이 발생합니다.

DBB 캐스케이딩 구성에서 기본 스트림인 스트림 1은 과도한 압력 강하를 일으키지 않지만 스트림 2, 스트림 3 등은 압력 강하의 양을 증가시키고 흐름 경로를 더 길게 만들어 출구까지의 이동 시간을 점진적으로 연장합니다. . 결과적으로 다른 스트림의 전달 시간이 일관되지 않아 모든 스트림에 대해 일관된 제거 시간을 설정하기 어렵습니다.

아래 다이어그램에 표시된 통합 흐름 루프가 있는 DBB 구성은 DBB 계단식 구성의 모든 이점을 가능하게 하는 동시에 모든 스트림에서 일관되게 최소 압력 강하를 보장합니다. 각 스트림의 Cv(따라서 각 스트림의 전달 시간)는 동일합니다. Cv가 0.3인 구성 요소는 Cv가 0.1인 구성 요소에 비해 1/3의 압력 강하가 발생합니다.

샘플 컨디셔닝 시스템

샘플 컨디셔닝 시스템은 샘플을 필터링하고 올바른 위상에 있는지 확인하고 압력, 흐름 및 온도를 조정하여 분석을 위해 샘플을 준비합니다. 이를 소형 폼 팩터에서 수행하기 위해 시스템은 게이지, 조절기, 가변 면적 유량계, 유량 컨트롤러, 체크 밸브, 제어 밸브 및 볼 밸브를 포함하여 비교적 작은 구성요소를 많이 사용합니다. 종종 소형 모듈식 구성 요소는 좁은 공간을 위한 소형 솔루션으로도 사용됩니다. 이러한 상단 장착 구성 요소는 NeSSI(New Sampling/Sensor Initiative)에 따라 ANSI/ISA 76.00.02 표준에 따라 제조됩니다. 스트림 전환 밸브와 마찬가지로 내부 용적은 압력 강하만큼 중요하지 않습니다. 부품을 선택할 때 제조사에서 제공하는 Cv를 비교해야 합니다.

필터, 녹아웃 포트 및 병합 필터와 같은 샘플 컨디셔닝 시스템에 사용되는 기타 구성 요소는 들어오는 샘플이 오래된 샘플과 혼합될 수 있기 때문에 상당한 시간 지연을 유발할 수 있습니다. 필터 또는 녹아웃 포트를 제거하여 기존 샘플의 95%가 사라지도록 시간 지연을 개선합니다. 불행히도 이것은 구성 요소의 3배의 부피가 필요합니다. 아래 그림과 같이 입구와 출구가 인접해 있다고 가정합니다.

다이어그램에 구성된 입구와 출구가 있는 필터를 고려하십시오. 유속이 100cm3/min이고 필터의 부피가 100cm3인 경우 기존 샘플의 95%가 플러시되는 데 3분이 걸립니다. 따라서 정확한 샘플을 보장하기 위해 이 AI 시스템의 시간 지연 계산에 3분이 추가되어야 합니다. 이러한 동일한 공식이 공정 라인의 혼합 부피에 적용될 수 있습니다.

분석기

일반적으로 가스 크로마토그래프는 샘플을 분석하는 데 5~10분이 걸립니다. 적외선 및 자외선 분석기는 훨씬 빠르게 작동하여 몇 초 안에 분석을 완료합니다. 분석기 전문가, 기술자 또는 엔지니어는 분석기가 샘플을 처리하는 데 필요한 시간을 알고 있어야 합니다. 이 시간은 탭에서 분석기를 통과하는 총 시간 지연에 대해 위에서 논의한 추정치에 추가됩니다.

결론

설명된 도구로 계산된 총 시간 지연은 합리적인 오차 범위 내에서 추정치를 제공해야 합니다. 모니터링되는 프로세스에서 분석기까지의 총 시간이 중요하며 이 지연을 구성하는 모든 구성 요소를 총계에 추가해야 한다는 점을 기억하십시오. 시간 지연은 분석기 전문가의 면밀한 조사가 필요한 문제입니다. 특히 현장 스테이션의 프로브 또는 기화 조절기와 같은 일반적인 문제 지점의 경우 샘플 시간에 대한 잘못된 가정은 모든 분석기 전문가의 노력을 약화시키고 분석기를 비효율적으로 만들 것입니다. 분석기 전문가는 유체 시스템 공급자 또는 컨설턴트와 협력하여 탭 위치, 빠른 루프 설정, 적절한 튜브 직경 및 스트림 전환 구성과 관련하여 구성 요소 및 구성에 대해 지능적으로 선택하여 시간 지연을 개선할 수 있습니다.