증기압 곡선에 대한 위상 다이어그램 사용

증기압 곡선에 대한 위상 다이어그램 사용

Karim Mahraz, Swagelok 제품 관리자, 분석 기기

위상 다이어그램은 주로 실험실 환경의 화학자들에 의해 사용되지만 이러한 도구는 샘플 분석을 담당하는 기계 엔지니어와 공장 관리자에게 매우 유용할 수 있습니다. 일부 분석 시스템에서는 액체 샘플을 분석하기 전에 기화를 통해 기체로 변환해야 합니다. 기화는 본질적으로 온도, 압력 및 유량 변수 간의 균형을 유지하는 작업이며, 위상 다이어그램의 증기압 곡선을 통해 엔지니어는 별개의 재료 및 화학 화합물에 대한 상 변화를 식별할 수 있습니다.

계속 읽으면서, 펜탄에 20% 헥산의 가상 가스 혼합물이 완전한 위상 다이어그램으로 적용됩니다(아래 다이어그램 참조). 샘플이 기포점(파란색 선) 위에 있으면 완전히 액체 상태가 됩니다. 샘플은 증발기에 들어갈 때 액체 상태를 유지해야 합니다. 샘플이 이슬점(금색선) 아래에 있으면 모두 증기입니다. 샘플이 증발기를 떠날 때 샘플은 모두 증기여야 합니다.

기포점과 이슬점 선 사이가 "금지 구역"입니다. 이 영역은 샘플의 비등 범위를 나타냅니다. 여기에서 혼합물은 액체와 증기의 두 단계로 구성됩니다. 샘플이 금지 구역에 떨어지면 분류되어 더 이상 분석에 적합하지 않습니다. 기화의 목적은 샘플이 금지 구역의 액체 쪽에서 증기 쪽으로 즉시 건너뛰도록 온도, 흐름 및 압력을 설정하는 것입니다. 순수하고 거의 순수한 샘플의 경우 끓는 범위나 금지 구역이 거의 또는 전혀 없습니다. 기포점과 이슬점 선은 단순히 서로의 상단에 있거나 거의 비슷합니다.

순수하고 거의 순수한 샘플은 증발 또는 기화를 통해 동일한 조성의 증기로 전환됩니다. 일부 산업용 샘플은 이 수준의 순도에 접근하고 상당히 쉽게 변환됩니다. 반면에 일부 샘플은 비등 범위가 너무 넓거나 통과 금지 영역이 있어서 성공적으로 기화할 수 없습니다. 이러한 샘플이 이동 금지 구역의 액체 쪽에서 증기 쪽으로 건너뛸 수 있는 방법은 없습니다. 이 경우 분수를 피하기 위해 변수를 조작할 수 없습니다.

위에 표시된 다이어그램에서 기포점과 이슬점 사이의 밴드는 적절한 설정으로 샘플이 이동 금지 구역의 액체 쪽에서 증기 쪽으로 효과적으로 건너뛸 수 있을 만큼 충분히 좁습니다. 동시에 도표의 띠는 방심할 수 없을 정도로 넓다.

온도, 압력 및 유량 설정

다이어그램의 샘플(펜탄 중 20% 헥산)으로 계속 작업하면서 성공적인 증발을 보장하기 위해 입력을 능숙하게 설정해야 합니다. 일반적으로 입구에는 고압과 저온이 필요합니다. 반대로 출구에서는 고온과 저압이 필요합니다. 이러한 매개변수의 높낮이에 대한 제한이 있으며 모든 제약 조건을 제어할 수 있는 것은 아닙니다.

1. 기화기의 입구 압력 결정

고정된 입구 압력은 기화기가 샘플 탭 근처에 있는 경우 공정 압력입니다. 예제 다이어그램에서 해당 압력은 4bar입니다. 압력이 높을수록 유입되는 액체를 끓이지 않고 기화기가 온도를 더 높게 유지할 수 있기 때문에 더 좋습니다.

2. 입구 온도 설정

입구 온도를 설정할 때 두 가지 목표가 있습니다. 첫째, 온도는 샘플이 기화기에 들어갈 때 완전히 액체가 될 만큼 충분히 낮아야 합니다. 예제 다이어그램에서 4bar의 기포점은 88°C입니다. 분류를 방지하려면 금지 구역을 피하기 위해 88°C에서 충분히 멀리 떨어진 숫자를 선택하는 것이 가장 좋습니다. 안전한 예시 온도는 80°C일 수 있습니다.

두 번째 목표는 온도를 충분히 높게 유지하여 샘플의 완전한 플래싱에 기여하여 증기만 기화기에서 나가도록 하는 것입니다. 시료를 기화시키면 에너지 보존 법칙에 따라 온도가 떨어집니다. 샘플 온도는 압력 강하 후 샘플이 이동 금지 구역에 떨어지지 않도록 처음에 충분히 높아야 합니다. 예제 다이어그램에서 압력 강하 후의 증기 온도는 60°C이며 이슬점 선의 증기 측에 있습니다.

3. 출구 압력 설정

출구 압력을 설정할 때 목표는 압력을 이슬점 선 아래로 낮추는 것입니다. 예제 다이어그램에서 출구 압력은 1.5bar로 설정되어 있습니다. 출구 압력이 더 높으면 샘플이 완전히 증발하지 않고 분별됩니다.

4. 흐름 설정

흐름은 기화기가 아닌 밸브와 회전계에서 하류로 설정됩니다. 샘플링 시스템에서 높은 증기 흐름은 샘플을 분석기로 더 빠르게 이동시키기 때문에 바람직합니다. 그러나 고유량은 샘플을 기화시키는 데 더 많은 열이 필요하기 때문에 문제가 될 수 있습니다. 즉, 높은 흐름은 기화 시 온도 강하를 더 크게 만듭니다. 예제 다이어그램에서 보라색 선은 온도 강하를 나타냅니다. 흐름이 증가함에 따라 온도가 급격히 떨어집니다.

온도 강하에 영향을 미치는 또 다른 변수는 기화기의 열 전달 능력입니다. 일부 기화기는 열이 샘플로 더 효율적으로 전달되는 방식으로 구성됩니다. 액체 샘플이 증기로 변환되고 온도가 떨어지면 샘플을 둘러싼 스테인리스 스틸에서 열을 끌어옵니다. 중요한 문제는 기화기가 얼마나 효율적으로 열을 대체하고 샘플로 계속 흐르게 할 수 있는지입니다. 샘플이 끌어낼 수 있는 열이 많을수록 기화 중에 온도가 덜 떨어집니다. 어떤 경우에는 기화기가 만졌을 때 겉은 뜨겁지만 내부는 차가울 수 있습니다. 이는 기화된 샘플이 많은 양의 열을 끌어들이고 기화기가 이를 따라갈 만큼 충분한 에너지를 전달할 수 없기 때문입니다. 가장 좋은 해결책은 흐름을 줄이는 것입니다.

요약하면, 다이어그램에 시각화된 온도 강하는 기화기의 유량과 열 전달 능력의 곱입니다. 좋은 품질의 기화기와 낮은 유속으로 다이어그램의 선은 더 수직이 됩니다. 불행히도 위상 다이어그램 내에서 온도 강하의 정확한 위치를 계산하는 쉬운 방법은 없으며 알려진 소프트웨어 프로그램으로 생성할 수 없습니다. 결과적으로 기화에는 약간의 근사값이 포함됩니다. 일반적으로 분석기로의 샘플 이동 시간에 허용할 수 없는 지연을 일으키지 않고 유속을 가능한 한 낮게 유지하십시오. 초기에 높은 유량으로 시작하는 것보다 낮은 유량으로 시작하여 증가시켜 실험하는 것이 좋습니다.

위상 다이어그램 증기압 곡선을 사용한 분석 기기 및 샘플링 시스템 모범 사례에 대한 추가 도움이 필요하면 가까운 Swagelok 판매 및 서비스 센터에 문의하십시오.