몇 가지 용기형 장비의 온도 제어 방안 및 응용

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이 게시물은 마지막으로 yunrun이 2019-7-31 19:19에 수정했습니다. 탱크형 장비의 온도 제어란, 간단히 말해 원료의 온도를 원하는 수준으로 높이거나 낮추는 과정을 조절하는 것입니다. 이 글에서는 여러 가지 탱크형 장비의 온도 제어 방법들의 장단점을 비교 분석하여, 탱크형 장비의 온도 제어에 참고자료를 제공합니다. 탱크형 장비에서 물질의 온도를 조절하는 방법에는 일반적으로 몇 가지가 있습니다: ① 가열 또는 냉각 매체를 물질과 직접 접촉시키는 방법；②탱크의 재킷을 통한 열전달；③열교환기를 사용합니다.온도 조절 과정에서 온도 제어기는 온도 센서가 전달하는 온도 신호를 바탕으로 가열 또는 냉각 매체의 공급 시간과 강도를 조절함으로써 탱크 내 물질의 온도를 제어하여 공정의 요구사항을 충족시킵니다.일반적으로 어떤 온도 제어 방식을 채택할지는 탱크류 설비의 구조, 공정 조건, 그리고 투자 비용에 따라 결정됩니다.창휘 계측기는 참고하실 수 있도록 일반적인 탱크류 장비의 온도 제어 방안 몇 가지를 소개합니다. 1. 탱크의 재킷에 가열 또는 냉각 매체를 공급하는 온도 제어 시스템. 이 시스템은 간벽식 열교환 원리에 따라 설계되었으며, 그 특징은 뜨거운 유체와 차가운 유체가 고체 벽에 의해 분리되어 있고, 열이 고체 벽을 통해 전달된다는 점입니다.이 설계에서는 증기와 냉매가 직접 재킷으로 공급되며, 탱크 내 물질의 온도와 다르기 때문에 탱크 벽을 통해 열이 전달되어 물질의 온도가 상승하거나 하강합니다.이 시스템은 증기나 냉매를 공급하는 시간과 강도를 조절함으로써, 탱크에 저장된 물질의 온도를 제어합니다.탱크의 재킷에 가열 또는 냉각 매체를 공급하는 온도 제어 시스템은 용액 조제 탱크와 원료 저장 탱크, 그리고 일부 반응 탱크의 온도 제어에 널리 사용됩니다. ①냉매가 재순환되지 않는 온도 제어 시스템 냉매가 재순환되지 않는 온도 제어 시스템은 그림 1과 같으며, 물질에 온도 제어가 필요하지 않을 경우, 재킷 내부에 증기나 냉매가 공급되지 않습니다.탱크 내의 물질을 가열하거나 고온 상태를 유지해야 할 때, 증기는 재킷의 상부에서 들어옵니다. 온도가 낮은 탱크 벽에 닿으면 증기는 열을 방출하며 액체로 변합니다. 그리고 중력에 의해 벽면을 따라 흘러내리면서, 동시에 열이 탱크 벽을 통해 탱크 내의 물질로 전달되어 그 물질의 온도가 상승하거나 고온 상태가 유지됩니다.온도 제어가 끝나면 증기 공급을 중단하고, 재킷 상부에서 압축공기를 공급하여 재킷 내에 남아 있는 증기와 응축수를 제거합니다. 완전히 제거된 후에는 압축공기 공급도 중단합니다.탱크 내의 물질을 냉각하거나 저온 상태를 유지해야 할 때, 냉매는 재킷의 하부 인터페이스를 통해 주입됩니다. 온도가 높은 탱크 벽에 닿으면 냉매는 열전달을 통해 열을 흡수하며, 냉매가 계속해서 주입되고 배출됨에 따라 물질의 온도가 낮아집니다.냉각 과정이 끝나면, 냉매의 공급을 중단합니다. 그런 다음 재킷 상부에서 압축공기를 주입하여 재킷 내에 남아 있는 냉매를 배출관으로 불어내고, 완전히 제거된 후에는 압축공기 공급도 중단합니다.절연관로에는 안전밸브를 설치하여 절연관의 압력이 과도하게 상승해 사고가 발생하는 것을 방지해야 합니다.탱크 내부에는 온도 센서를 설치하여 물질의 실시간 온도를 모니터링해야 합니다.절연층 응축수 배출구에는 응축수가 원활하게 배출될 수 있도록 스트레이너 밸브를 설치해야 합니다.온도 제어의 정밀도를 고려하여, 재킷 내부로 증기나 냉매가 유입되는 시간과 강도를 제어하기 위해 온도 조절기를 사용해야 하며, 물질의 실시간 온도에 따라 즉각적으로 피드백 조절을 수행해야 합니다.냉매가 재순환되지 않는 온도 제어 시스템은 제약 산업에서 물을 냉각 매체로 사용하는 용액 조제 탱크와 원료 저장 탱크, 그리고 일부 반응 탱크의 온도 제어에 널리 사용됩니다. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310102131689.png 그림 1 냉매가 재순환되지 않는 온도 제어 시스템 ② 냉매가 재순환되는 온도 제어 시스템 운영 비용을 절감하거나 오염물질을 줄이기 위해 냉매를 가능한 한 많이 재사용해야 할 경우, 열교환 후 남은 냉매는 그대로 배출되는 것이 아니라 재순환 파이프를 통해 모두 회수됩니다.냉매 재순환의 온도 제어 시스템은 그림 2와 같으며, 이 방식은 적절한 위치에 냉매 재순환 파이프를 추가했습니다.물질의 온도 상승 및 유지 과정의 제어는 냉매가 역류하지 않는 온도 제어 시스템과 동일합니다.온도 제어가 끝나면 냉매의 공급을 중단하고, 재킷 상부에서 압축공기를 주입하여 내부에 남아 있는 냉매를 리턴 파이프라인으로 불어내어 회수합니다.제약 생산에서 탱크류 장비의 냉각 매체로 물 대신 에틸렌글리콜 등의 용액을 사용할 경우, 이 설계 방안을 적용할 수 있습니다. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310112086229.png 그림 2 냉매 재순환을 위한 온도 제어 시스템 2. 가열 또는 냉각 매체를 직접 탱크 내부로 공급하는 온도 제어 시스템 가열 또는 냉각 매체를 직접 탱크 내부로 공급하는 온도 제어 시스템의 원리는 혼합식 열교환 방식입니다. 이 방식의 특징은 뜨거운 유체와 차가운 유체가 탱크 내에서 직접 섞이면서 열교환이 이루어진다는 점입니다.이 설계에서는 증기와 냉매가 탱크 내로 주입되어 재료와 직접 혼합되면서 열이 전달되어, 재료의 온도를 상승시키거나 유지시킵니다.절연관 온도 제어 방식에 비해, 이 설계는 열전달 계수와 열교환 면적이 모두 크게 증가하여 열전달 속도가 빠르고 장비가 간단하다는 장점이 있다.시스템은 증기나 냉매를 공급하는 시간과 강도를 조절함으로써, 탱크 내의 물질 온도를 제어합니다.그러나 이 시스템의 가열 또는 냉각 매체는 재료와 직접 접촉하기 때문에, 해당 매체가 재료에 부정적인 영향을 미치지 않는지 확인하기 위한 위험 평가가 필요합니다. 가열 또는 냉각 매체를 탱크 내부로 직접 공급하는 온도 제어 시스템은 그림 3과 같으며, 재료에 온도 제어가 필요하지 않을 경우 탱크 내부에 증기나 냉매가 공급되지 않습니다.탱크 내의 물질을 가열하거나 고온 상태를 유지해야 할 때, 증기가 증기 인터페이스를 통해 주입됩니다. 온도가 낮은 물질과 접촉하면 증기는 열을 방출하며 액체로 응축되어 물질의 온도를 높이거나 고온 상태를 유지시킵니다. 동시에 응축된 물은 탱크 내에 남아 물질과 섞입니다.가열이 끝나면 증기 공급을 중단합니다.탱크 내의 물질을 냉각하거나 저온 상태를 유지해야 할 때, 냉매가 냉매 공급면에서 주입됩니다. 온도가 높은 물질과 접촉하면 냉매는 열을 흡수하여 물질의 온도를 낮추거나 저온 상태를 유지시킵니다. 동시에 냉매는 탱크 내에 남아 있으면서 물질과 혼합됩니다.온도가 내려간 후에는 냉매 공급을 중단합니다.증기의 응축수와 냉매가 주입된 후에는 모두 탱크 내에 남아 있기 때문에, 이 방식을 이용해 온도를 조절할 때는 원하는 온도 조절 효과를 얻기 위한 증기와 냉매의 추가량을 고려해야 합니다.이 시스템은 제어 정밀도가 그다지 중요하지 않으며 온도에 민감하지 않은 물질의 온도 제어, 그리고 일부 폐기물을 무력화하기 위한 처리 탱크의 온도 제어에 사용될 수 있습니다.예를 들어, 재조합 단백질 의약품 원액을 생산하는 공정에서 발생하는 세균이 포함된 폐액을 무활성화시키는 탱크에 이 온도 제어 시스템을 적용할 수 있습니다. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310123583701.png 그림 3: 가열 또는 냉각 매체를 직접 탱크 내부로 공급하는 온도 제어 시스템. 3. 온도 제어 회로를 통해 재킷을 이용해 간접적으로 온도를 제어하는 온도 제어 시스템. 이 온도 제어 시스템의 원리는 간접 열교환 방식이며, 재킷, 파이프라인, 펌프, 열교환기, 온도 조절기, 온도 센서 등으로 구성된 온도 제어 회로가 필요합니다.온도 제어 회로에는 열매체가 가득 차 있으며, 펌프의 작동에 의해 계속 순환합니다. 이 열매체는 재킷을 통과하면서 탱크 벽과 물질 사이에서 열교환을 일으켜, 탱크 내의 물질의 온도를 상승시키거나 유지시킵니다.열매체는 물이 될 수도 있고, 열전도유 등이 될 수도 있습니다.시스템은 열교환기를 통해 열매체의 온도를 조절하며, 재킷의 간벽식 열교환을 통해 탱크 내 물질의 온도를 제어합니다.시스템에는 열매체를 교체하고 보충하기 위한 밸브가 설치되어야 하며, 회로 내의 열매체 압력을 안정적으로 유지하기 위해 팽창탱크나 팽창홀도 설치되어야 합니다. 온도 제어 회로를 통해 재킷을 이용해 간접적으로 온도를 제어하는 온도 제어 시스템은 그림 4와 같습니다. 물질에 온도 제어가 필요하지 않을 경우, 온도 제어 회로는 작동하지 않거나, 온도 제어 없이도 작동할 수 있습니다.탱크 내의 물질을 가열하거나 고온 상태를 유지해야 할 때, 온도 제어 회로 내의 열 운반체가 가열되어 그 열이 재킷을 통해 탱크 벽을 거쳐 탱크 내의 물질에 전달되어, 물질의 온도가 상승하거나 고온 상태가 유지됩니다.탱크 내의 물질을 냉각하거나 저온 상태를 유지해야 할 때, 온도 제어 회로 내의 열 운반체가 냉각되고, 그 후 저온 상태의 열 운반체가 재킷을 통과하면서 탱크 벽을 통해 탱크 내 물질의 열을 빼내어 물질의 온도를 낮추거나 저온 상태를 유지시킵니다.온도 제어가 끝나면, 온도 제어 회로 내의 펌프 작동이나 열 매체의 온도 제어를 중단함으로써 재료의 온도 제어도 중단됩니다.필요한 경우, 회로에 압축공기 연결구를 설치하여 전체 회로나 재킷 부분을 청소할 수도 있습니다.탱크 내 물질의 온도는 재킷 내에 있는 열매체를 통해 제어되며, 이 열매체는 온도 제어 회로의 열교환기에 의해 조절됩니다. 이 과정에서 두 번의 벽면 간 열교환이 이루어지기 때문에 열교환 효율은 그다지 높지 않습니다. 하지만 이 시스템은 높은 온도 제어 정밀도를 실현할 수 있습니다.이 시스템은 온도 제어 회로가 원료와 직접 접촉하지 않기 때문에, 구성 부품의 선정 시 위생 설계 요구사항을 충족할 필요가 없어 건설 비용이 낮습니다.온도 제어 회로를 통해 재킷을 이용해 간접적으로 온도를 제어하는 온도 제어 시스템은, 온도의 정밀도가 높게 요구되고 장시간 동안 일정한 온도를 유지해야 하며, 또한 반응물이 격렬하게 혼합되는 것을 피해야 하는 제약 생산 공정에 사용됩니다. 예를 들어, 혈액 제제 생산 과정에서 사용되는 파스퇴르 멸균 탱크나 S/D 멸균 탱크와 같은 경우에 이러한 온도 제어 시스템을 활용할 수 있습니다. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310135175535.png 그림 4: 온도 제어 회로를 통해 재킷을 이용해 간접적으로 온도를 제어하는 온도 제어 시스템. 4. 온도 제어 회로를 통해 탱크 내부에서 직접적으로 온도를 제어하는 온도 제어 시스템. 온도 제어 회로를 통해 탱크 내부에서 직접적으로 온도를 제어하는 방식은 간접 열교환 방식입니다. 이 온도 제어 시스템은 온도 제어 회로와 탱크와 같은 장비들로 구성된 순환 시스템입니다. 온도 제어 회로는 파이프, 펌프, 열교환기, 계측기 등으로 구성됩니다.물질은 탱크와 같은 장비에 저장되어 있으며, 펌프를 통해 온도 제어 회로 내에서 지속적으로 순환합니다. 열교환기를 통과할 때 가열되거나 냉각된 후 다시 탱크로 돌아와 다른 물질들과 혼합됩니다. 탱크 내의 온도 센서가 신호를 보내어 열교환기로 공급되는 증기나 냉매의 공급 시간과 강도를 조절함으로써 물질의 온도를 제어할 수 있습니다. 온도 제어 회로를 통해 탱크 내부의 온도를 직접 제어하는 온도 제어 시스템은 그림 5와 같습니다. 물질에 온도 제어가 필요하지 않을 경우, 온도 제어 회로는 작동하지 않거나, 제한된 방식으로만 작동할 수 있습니다.탱크 내의 물질에 온도 조절이 필요할 때는 회로 내의 펌프를 가동하여 물질이 탱크 및 온도 조절 회로 내에서 순환하도록 합니다. 물질은 열교환기를 통과하면서 가열되거나 냉각된 후 다시 저장탱크로 돌아가 다른 물질들과 혼합된 뒤 다시 회로로 들어갑니다. 이러한 반복적인 순환을 통해 물질의 온도를 적절한 수준으로 조절하거나 유지할 수 있습니다.이 설계 방식에서는 탱크 내의 물질 온도가 열교환기를 통해 직접 가열되거나 냉각됩니다. 이 과정에서는 단 한 번의 벽면을 통한 열교환이 이루어지기 때문에 열교환 효율이 높습니다. 또한 이 시스템은 높은 온도 제어 정밀도도 실현할 수 있습니다.이 설계에서는 원료가 온도 제어 회로 내에서 순환해야 하므로, 이 시스템에서 원료와 접촉하는 모든 부분은 GMP의 관련 요구사항을 충족해야 합니다. 이는 의약품의 품질에 어떠한 악영향도 미쳐서는 안 되기 때문입니다. 그로 인해 건설 및 유지보수 비용이 증가하게 됩니다.온도 제어 회로를 통해 탱크 내부의 온도를 직접 제어하는 이 온도 제어 시스템은, 여러 곳에 동시에 물질을 공급해야 하며, 높은 온도 조건이 요구되고 격렬한 혼합에도 견딜 수 있는 물질들을 중앙 집중적으로 저장해야 하는 시스템에 적합합니다. 예를 들어, 제약용 수 공급 시스템이나 혈액제제 생산 과정에서 사용되는 저온 에탄올 시스템의 온도 제어에 활용됩니다. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310152492161.png 그림 5 온도 제어 회로를 통해 탱크 내부의 온도를 직접 제어하는 온도 제어 시스템의 응용 분석. 다양한 생산 공정에 따라 물질의 온도 제어 요구사항이 달라지므로, 설계자는 각각의 작동 조건에 맞는 적절한 설계 방안을 선택해야 합니다.위에서 언급한 몇 가지 설계 방안은 기본적인 설계 방안들입니다. 실제 응용 시에는 특정 설계 방안을 단독으로 사용할 수도 있고, 특정 설계 방안을 단순화시키거나 여러 설계 방안을 조합하여 사용할 수도 있습니다. 다음은 몇 가지 대표적인 적용 방안입니다: ① 용액 저장 탱크 일반적인 용액 저장 탱크의 경우, 보통 냉각 기능만 필요하며 온도가 규정된 수준 이하로 유지되면 됩니다. 이러한 경우에는 가열 또는 냉각 매체를 직접 재킷에 공급하는 온도 제어 시스템을 단순화하여, 냉각 기능만 유지하면 됩니다. 자세한 내용은 그림 6을 참조하십시오. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310157545181.png 그림 6: 냉각 기능만 필요한 용액 저장탱크의 온도 제어 방식 ② 생물학적 폐기물 멸균 탱크: 생물학적 폐기물 멸균 탱크는 가열 또는 냉각 매체를 탱크 내부로 직접 공급하는 온도 제어 시스템과, 가열 또는 냉각 매체를 재킷 내부로 직접 공급하는 온도 제어 시스템의 특징을 결합하여 설계될 수 있습니다. 즉, 증기를 탱크 내부로 공급하여 혼합 가열을 하고, 냉매는 재킷 내부로 공급하여 간접적으로 냉각을 시키는 방식입니다. 이렇게 하면 폐기물의 멸균 속도가 빨라지고, 한 번에 처리할 수 있는 폐기물의 양도 증가합니다. 자세한 내용은 그림 7을 참조하십시오. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310201461155.png 그림 7: 직접 가열 및 간접 냉각 방식을 이용한 생물학적 폐기물 멸균 탱크의 온도 ③ 공정이 복잡한 탱크형 장비의 경우, 발효탱크와 같이 배지가 온도에 민감하지 않은 경우에는, 가열 또는 냉각 매체를 직접 사용하여 재킷 내부의 온도를 조절하는 방식과, 온도 제어 회로를 통해 재킷의 온도를 간접적으로 조절하는 방식을 함께 사용할 수 있습니다. 자세한 내용은 그림 8을 참조하십시오.온도 제어 회로에 증기와 냉매의 연결구를 추가하여, 배지를 멸균할 때 가열 또는 냉각 매체를 직접 재킷 내부로 공급하는 온도 제어 시스템을 활용함으로써 열교환 효율을 높이고 공정 시간을 단축합니다.발효 배양 시에는 온도 제어 회로를 통한 재킷 간접 온도 제어 방식의 온도 제어 시스템을 사용하여 배양 온도의 안정성과 정확성을 확보함으로써, 생산이 정해진 공정에 따라 엄격하게 진행되도록 합니다. http://yunrun.com.cn/upload/201907/31/201907310209083062.png 그림 8 배지의 신속한 멸균 및 발효 과정에서의 정밀한 온도 제어를 위한 발효탱크의 온도 제어 설계. 탱크 장비의 온도 제어는 위에 언급된 조건들 외에도 많은 다른 조건들이 존재합니다.탱크류 장비의 온도 제어 시스템 공학 설계를 수행할 때에는, 생산 공정의 요구사항을 충족시키는 동시에 건설 비용과 규제 요건도 종합적으로 고려하여, 다양한 요구사항을 만족시킬 수 있는 온도 제어 시스템을 설계해야 합니다.글에 언급된 여러 온도 제어 시스템의 설계 방안과 운영 방식은 실제 생산 과정에서 좋은 성과를 거두었으며, 동시에 이러한 제어 방안들은 온도 제어 방안을 설계할 때 참고 자료로 활용될 수 있다. 작성자: 엄류준 출처: 기술문고 yunrun.com.cn/tech/