액체 및 천연가스 샘플링 시스템에서 최적 노즐 배치 전문가 가이드

액체 및 천연가스 샘플링 시스템에서 노즈를 배치하는 방법

카림 마라즈(Karim Mahraz)

액체 또는 가스 샘플링 시스템에서 노즐은 분석기에 샘플을 공급하기 위해 탭 위치에서 사용됩니다. 이 노즐의 적절한 배치, 위치, 방향은 시의적절하고 정확한 분석 측정을 보장하는 데 필수적이므로 올바르게 해야 합니다. 잘못된 노즐 배치는 분석 지연, 샘플 오염, 부정확한 결과를 초래할 수 있습니다.

이상적으로는 샘플링 시스템 엔지니어가 파이핑 레이아웃과 심지어 공정 용기 설계를 지시하여 노즐이 적절히 위치하도록 해야 합니다. 그러나 종종 엔지니어는 기존 회로도와 작업해야 합니다. 노즐이 적절히 위치하거나 방향이 지정되지 않았더라도 말입니다. 아래에서 액체 및 가스 샘플링 시스템 모두에 대해 노즐을 위치시키고 구성하는 임무를 맡은 엔지니어들을 위한 중요한 고려사항을 검토하겠습니다. 또한 자격을 갖춘 분석기 엔지니어, 공정 엔지니어 및 화학자, 구성 요소 공급업체를 설계의 다양한 단계에 참여시켜 모든 변수가 고려되도록 권장합니다.

노즐 위치 선택

노즐은 일반적으로 메인 공정 라인에서 분기되므로 더 짧은 길이와 더 작은 직경을 가집니다. 종종 프로브를 수용하는데, 가장 단순한 형태에서는 공정 유체로 돌출되어 분석을 위해 액체 또는 가스의 연속적인 흐름을 인출하는 금속, 유리 또는 세라믹 주둥이입니다.

파이프라인이나 용기에서 노즐을 어디에 배치할지 결정할 때, 공정 유체가 철저히 혼합된 위치를 선택하여 샘플이 공정 조건을 정확하게 반영하도록 하십시오. 가능하다면 공정 라인에 인라인 정적 믹서를 설치하십시오. 그것이 옵션이 아니라면 펌프 토출, 유량 오리피스 또는 파이핑 엘보 같은 유도된 난류 지점 하류에 탭을 위치시키십시오. 난류는 샘플링 전 공정 유체를 혼합하는 데 도움이 됩니다.

난류 소스 바로 뒤에 샘플링 탭을 배치하는 것은 좋은 관행이 아닙니다. 난류는 압력 변동과 와류를 일으킬 수 있는데, 이는 분석 측정에 영향을 줄 수 있습니다.

가스 샘플링

마지막 흐름 교란으로부터 최소 두 파이프 직경 하류에 탭을 배치하는 것이 좋습니다. 미국 환경보호청(EPA)은 이 관행을 권장합니다. 수동 스택 가스 샘플링을 위해 두 위치를 허용합니다:

1. 최소 8 스택 또는 덕트 직경 하류 및 모든 흐름 교란으로부터 2 직경 상류; 또는
2. 최소 2 스택 또는 덕트 직경 하류 및 모든 흐름 교란으로부터 0.5 직경 상류.

EPA는 첫 번째 위치를 이상적으로 간주합니다. 첫 번째 규칙을 충족할 수 없는 경우, EPA 지침은 성층화 가능성을 방지하기 위해 추가 샘플링 포인트를 요구합니다.

액체 샘플링

파이프라인 샘플링의 경우, 마지막 흐름 교란으로부터 최소 두 파이프 직경 하류에 탭을 위치시키십시오—유량 측정 요소를 방해하지 않는 곳이면 어디든. 그러나 공정 유체가 버블 포인트에 가까운 액체인 경우 더 보수적으로 하는 것이 현명합니다. 샘플에 기포가 들어가는 것을 피하려면 상류에 최소 5 파이프 직경의 맑은 직선 파이프와 하류에 2 직경이 있는 곳에 탭을 위치시키십시오.

증기 샘플링

샘플링되는 스트림이 이슬점 온도에서 또는 근처의 증기일 때 탭 위치는 더 중요해집니다. 흐름 교란 근처의 압력 지점에서 일부 응축이 발생할 수 있습니다. 가스 샘플에 액체 응축물이 포함되는 것을 원하지 않습니다. 이 잠재력을 최소화하기 위해 유럽 표준(ISO 10715 1997, 13)에서는 천연가스 측정을 위해 샘플링 탭이 마지막 흐름 교란으로부터 최소 20 파이프 직경 하류에 있어야 한다고 요구합니다. 관련 미국 표준(API MPMS 14.1 2006, 15)은 최소 5 파이프 직경을 요구합니다. 파이프에 서모웰 같은 다른 프로브가 포함된 경우, 샘플링 프로브는 서모웰 직경의 최소 5배 거리에서 위치해야 합니다.

등속 샘플링(아이소키네틱 샘플링)에는 더 큰 분리가 필요합니다. 이는 프로브 내 유속이 공정 라인의 유속과 일치하도록 요구합니다. 예를 들어 포화 증기의 경우 관련 미국 표준(ASTM D1066)은 샘플링 탭이 흐름 교란으로부터 최소 35 파이프 직경 하류 및 4 파이프 직경 상류에 있을 것을 권장합니다. 이 분리가 달성하기 어려울 수 있으므로 ASTM은 비준수 위치가 상류 대 하류 거리의 9:1 비율을 유지할 것을 제안합니다.

노즐 구성

설계 단계로 이동하면 노즐 설계(방향 포함)가 프로브의 니즈에 크게 의존한다는 것을 알 수 있습니다. 노즐, 따라서 프로브 위치와 방향은 공정 스트림 내 입자가 분석에 미치는 영향에 영향을 줄 수 있습니다. 올바른 노즐과 프로브 배치는 입자가 프로브에 들어가 샘플을 오염시키거나 수집되어 결국 프로브를 차단할 가능성을 최소화할 수 있습니다.

노즐을 구성하는 가장 간단한 방법은 파이프라인에 암나사 보스를 용접하고 관통 구멍을 뚫는 것입니다. 먼저 파이프라인에 보강 플레이트를 용접하십시오(벽이 충분히 두껍지 않은 경우). 다음으로 사용할 나사산 프로브 또는 밸브를 수용할 보스 크기를 선택하십시오. 또 다른 접근 방식은 수나사 파이프 니플을 라인에 용접하는 것입니다.

물론, 이 두 가지 단순한 방법은 공정 엔벨로프에서 나사 조인트를 금지하는 공정 파이핑 사양을 충족하지 못할 것입니다. 이러한 제약에 직면하면 니플에 밸브를 용접하거나 플랜지 파이프 노즐을 대신 사용할 수 있습니다.

가스 스트림 탭핑

가능할 때마다 공정 가스 샘플링을 위해 수평 파이프를 선택하십시오. 수평 방향은 노즐을 수직으로 할 수 있게 합니다. 또한 길고 직선적인 런을 찾기 쉽습니다. 노즐을 라인 상단에 배치하여 먼지나 액체가 공정 파이프로 다시 떨어지도록 하십시오. 공정 가스가 깨끗하고 건조하다면 수평 파이프 측면에서 가스 노즐을 배치할 수 있습니다. 그러나 가스 흐름이 프로브에서 난류가 아닐 수 있으므로 고체 입자가 빠져나가 프로브를 차단할 수 있기 때문에 더러운 샘플에는 그러한 수평 프로브 방향을 피하십시오.

수직 가스 파이프라인의 수평 노즐에도 동일한 차단 우려가 적용됩니다. 경사 노즐은 혼입된 액체나 고체가 공정으로 다시 떨어지도록 허용합니다. 이 기능은 액체 제거에는 잘 작동하지만 고체에는 작동하지 않을 수 있습니다. 고체가 프로브에 달라붙을 수 있기 때문입니다.

수직 스택의 경우 노즐은 수평 또는 약간 경사져 있어야 하며 훨씬 더 커야 합니다—특수 프로브를 수용할 크기로. 여기에서 노즐 위치는 가스 온도에 기반합니다: 너무 뜨겁지 않아야(재료 비용이 합리적이도록) 하지만 산 이슬점 온도 위(황산이 프로브에서 응축되지 않도록). 스택 가스 모니터링의 경우 노즐에서의 최적 가스 온도는 완전 연소를 보장하기 위해 600°C(1,112°F)보다 약간 높습니다.

응축물 방울을 포함할 수 있는 공정 증기 흐름에서 샘플링할 때(포화 증기 시스템 등), 선호되는 탭 위치는 길고 하향 흐르는 공정 파이프입니다. 그러나 항상 라인 압력을 확인하십시오. 다운 라인은 종종 공정 펌프의 흡입 측에 연결되어 저압에서 작동할 수 있습니다. 저압 소스는 플레어로 배출될 가스 샘플에는 좋지만 패스트 루프를 통해 공정으로 반환하려는 샘플에는 좋지 않습니다. 패스트 루프가 있는 경우 공정 펌프 토출에서 샘플링하고 가스를 흡입 측으로 반환하는 것이 좋습니다.

액체 스트림 탭핑

상향 흐르는 수직 파이프라인은 액체 샘플링 노즐에 종종 최적의 위치입니다. 파이프가 가득 차 있음을 확신할 수 있기 때문입니다. 이 설정에서는 수평 노즐을 선택하십시오. 진동할 가능성이 적은 더 짧은 프로브를 허용하기 때문입니다. 프로브 내 흐름이 확실히 난류이므로 프로브 내 고체 침전을 배제하기 때문에 수평 노즐은 액체 샘플에 적합합니다.

탭 위의 파이핑에 있는 액체 헤드는 탭에서의 공정 액체가 버블 포인트 위에 있도록 보장하는 약간의 추가 압력을 제공합니다. 추가 압력은 샘플 이송에도 도움이 됩니다. 하향 흐르는 수직 공정 파이프에서 액체 샘플링은 피하십시오—라인이 가득 차 있다는 보장이 없습니다.

수평 라인에서 액체 스트림 샘플링은 위험합니다. 공정 파이프가 가득 차 있지 않을 수 있어 2상 샘플이 발생할 수 있기 때문입니다. 공정 파이프가 수평 런 후 상향으로 꺾이면 라인이 가득 차 있음을 확신할 수 있습니다. 하향으로 꺾이면 수평 구간이 흐르는 액체 층 위에 갇힌 정적 가스 층을 가질 수 있습니다.

전통적인 지혜는 액체 탭이 항상 수평 공정 라인 측면에 있어야 한다고 말합니다. 이는 프로브 없이 샘플링할 때 좋은 조언입니다. 라인 측면의 노즐에서 샘플링하면 파이프 상단의 혼입 증기나 하단의 슬러지 추출 위험을 줄입니다.

실제로 프로브를 사용하여 라인 중앙까지 도달하는 것이 보통 더 좋습니다. 프로브를 사용할 때 방향은 덜 중요합니다. 보통 라인 상단의 수직 노즐이 선호되는데, 무거운 고체가 공정 파이프로 다시 떨어지도록 허용하기 때문입니다. 일반적으로 노즐은 수평 파이프 하단에 있어서는 안 됩니다. 고체가 거기에 떨어져 샘플 조절을 더 어렵게 만들기 때문입니다. 기존 하단 노즐을 사용해야 한다면 파이프 직경의 중앙 1/3까지 도달하는 프로브를 설치하십시오.

최종 탭 위치 확정 전

최종 탭 위치에 정착하기 전에 프로브 선택이 노즐의 방향과 직경, 엔드 피팅을 결정한다는 것을 기억하십시오. 프로브를 선택한 후 선택한 위치를 다시 방문하여 설치 및 유지보수 작업을 위한 사용 가능한 물리적 공간을 확인하십시오. 노즐 제작, 공정 격리 밸브 유지보수, 프로브 인출을 위한 충분한 클리어런스가 있는지 확인하십시오. 접근성과 조명도 고려하십시오. 단순 탭과 파이프 프로브는 작은 플랫폼과 사다리만 필요할 수 있지만, 필드 스테이션은 전체 플랫폼과 조명이 필요합니다.

노즐 배치 및 샘플링 시스템 설계에 대한 더 심층적이고 개인화된 교육 지원을 원하시면 지역 스웨즈락 영업 및 서비스 센터에 문의하십시오.