상 평형도 활용한 증기압 곡선 정확한 예측 및 기화 제어

상 평형도를 이용한 증기압 곡선 분석

카림 마라즈, 스웨즈락 제품 관리자, 분석 계장

상 평형도는 주로 실험실 환경의 화학자들이 사용하지만, 샘플 분석을 담당하는 기계 엔지니어와 플랜트 관리자에게도 놀랍도록 유용한 도구입니다. 일부 분석 시스템에서는 액체 샘플을 분석 전에 기화하여 기체로 변환해야 합니다. 기화는 온도, 압력, 유량 변수 사이의 균형 잡기이며, 상 평형도의 증기압 곡선을 통해 고유한 물질과 화학 화합물의 상 변화를 식별할 수 있습니다.

아래에서 펜테인에 20% 헥세인 혼합 가상의 기체 혼합물을 완전한 상 평형도(아래 다이어그램 참조)에 적용해 보겠습니다. 샘플이 버블 포인트(파란 선) 위에 있으면 완전히 액체 상입니다. 샘플은 기화기에 진입할 때 액체 상태를 유지해야 합니다. 샘플이 듀 포인트(금색 선) 아래에 있으면 완전히 기체 상태입니다. 샘플은 기화기를 떠날 때 완전히 기체여야 합니다.

버블 포인트와 듀 포인트 선 사이는 "노고 존(No-go zone)"입니다. 이 영역은 샘플의 끓는 범위를 나타냅니다. 여기서는 혼합물이 액체와 기체 두 상으로 공존합니다. 샘플이 노고 존에 진입하면 분별되어 분석에 적합하지 않게 됩니다. 기화의 목적은 온도, 유량, 압력을 설정해 샘플이 노고 존의 액체 측에서 기체 측으로 순간적으로 건너뛰게 하는 것입니다. 순수 또는 거의 순수한 샘플의 경우 끓는 범위나 노고 존이 거의 없습니다. 버블 포인트와 듀 포인트 선이 단순히 겹치거나 거의 겹칩니다.

순수 및 거의 순수한 샘플은 증발이나 기화 여부에 관계없이 동일한 조성의 기체로 변환됩니다. 일부 산업용 샘플은 이 수준의 순도에 접근해 비교적 쉽게 변환됩니다. 반면, 일부 샘플은 끓는 범위나 노고 존이 너무 넓어 성공적으로 기화할 수 없습니다. 그러한 샘플이 노고 존의 액체 측에서 기체 측으로 건너뛸 방법은 없습니다. 이 경우 변수를 조작해 분별을 피할 수 없습니다.

위 다이어그램에서 버블 포인트와 듀 포인트 사이의 밴드는 적절한 설정으로 샘플이 노고 존의 액체 측에서 기체 측으로 효과적으로 건너뛸 수 있을 만큼 충분히 좁습니다. 동시에 밴드가 충분히 넓어 부주의하면 안 됩니다.

온도, 압력, 유량 설정

다이어그램의 샘플(펜테인 중 20% 헥세인)을 계속 사용해 성공적인 기화를 위해 입력을 숙련되게 설정해야 합니다. 일반적으로 입구에서는 고압과 저온이 필요하고, 출구에서는 고온과 저압이 필요합니다. 이 파라미터들이 얼마나 높고 낮을 수 있는지에 한계가 있으며, 모든 제약 조건을 제어할 수는 없습니다.

1. 기화기 입구 압력 결정

입구 압력은 고정되어 있으며, 기화기가 샘플 탭 근처에 있는 경우 공정 압력입니다. 예시 다이어그램에서 이 압력은 4 bar입니다. 압력이 높을수록 기화기가 들어오는 액체를 끓이지 않고 더 높은 온도를 유지할 수 있어 유리합니다.

2. 입구 온도 설정

입구 온도 설정 시 두 가지 목표가 있습니다. 첫째, 샘플이 기화기에 진입할 때 완전히 액체 상태여야 하므로 온도는 충분히 낮아야 합니다. 예시 다이어그램에서 4 bar에서의 버블 포인트는 88°C입니다. 분별을 방지하기 위해 88°C에서 충분히 떨어진 둥근 숫자를 선택하는 것이 좋습니다. 안전한 예시 온도는 80°C입니다.

둘째, 샘플의 완전한 플래싱에 기여할 만큼 충분히 높은 온도여야 합니다. 즉, 기화 후 오직 기체만 기화기를 떠나게 해야 합니다. 샘플을 기화할 때 에너지 보존 법칙에 따라 온도가 떨어집니다. 초기 샘플 온도가 충분히 높아야 압력 강하 후 샘플이 노고 존에 빠지지 않습니다. 예시 다이어그램에서 압력 강하 후 기체 온도는 60°C로, 듀 포인트 선의 기체 측에 겨우 위치합니다.

3. 출구 압력 설정

출구 압력 설정 시 목표는 압력을 듀 포인트 선 아래로 낮추는 것입니다. 예시 다이어그램에서 출구 압력은 1.5 bar로 설정됩니다. 이 예시에서 출구 압력이 더 높으면 샘플이 완전히 기화되지 않고 분별됩니다.

4. 유량 설정

유량은 기화기가 아닌 하류의 밸브와 로타미터에서 설정됩니다. 샘플링 시스템에서 높은 기체 유량은 샘플을 분석기로 더 빠르게 이동시키므로 바람직합니다. 그러나 높은 유량은 문제도 일으킵니다. 샘플을 기화하기 위해 더 많은 열이 필요하기 때문입니다. 즉, 높은 유량은 기화 시 더 큰 온도 강하를 초래합니다. 예시 다이어그램에서 보라색 선이 온도 강하를 보여줍니다. 유량이 증가하면 온도가 급격히 떨어집니다.

온도 강하에 영향을 주는 또 다른 변수는 기화기의 열전달 능력입니다. 일부 기화기는 열이 샘플로 더 효율적으로 전달되도록 설계되어 있습니다. 액체 샘플이 기체로 변환되고 온도가 떨어지면 주변 스테인리스강에서 열을 끌어옵니다. 중요한 질문은 기화기가 얼마나 효율적으로 열을 보충하고 샘플로 계속 흐르게 할 수 있는가입니다. 샘플이 더 많은 열을 끌어올수록 기화 중 온도 강하가 적습니다. 어떤 경우에는 기화기 외부 만지면 뜨겁지만 내부는 차가운 경우도 있습니다. 기화된 샘플이 많은 열을 끌어오는데 기화기가 따라갈 만큼 충분한 에너지를 전달하지 못하기 때문입니다. 최선의 해결책은 유량을 줄이는 것입니다.

요약하면, 다이어그램에 시각화된 온도 강하는 유량과 기화기의 열전달 능력의 산물입니다. 품질 좋은 기화기와 낮은 유량으로 다이어그램의 선이 더 수직에 가까워집니다. 불행히도 상 평형도 내 온도 강하의 정확한 위치를 계산하는 쉬운 방법은 없으며, 알려진 소프트웨어 프로그램으로 생성할 수도 없습니다. 결과적으로 기화에는 어느 정도의 근사가 필요합니다. 경험상 샘플의 분석기 도달 시간이 허용 불가능하게 지연되지 않는 한 유량을 가능한 한 낮게 유지하세요. 처음부터 높은 유량으로 시작하기보다 낮은 유량으로 시작해 점차 늘려가는 것이 좋습니다.

상 평형도 증기압 곡선을 활용한 분석 계장 및 샘플링 시스템 모범 사례에 대한 추가 도움이 필요하면 지역 스웨즈락 영업 및 서비스 센터에 문의하세요.