과열 증기로 재비등기관을 가열하는 것이 합리적인가?

온도 차이가 크거나 온도가 높으면 공정 매체에 영향을 미치나요?

재비등기의 원리는 정류탑에 열원을 공급하여 탑 바닥의 물질 중 가벼운 성분들을 더욱 증발시키는 것입니다. 온도 차이가 클수록 무거운 성분들의 증발량이 많아져 정류 과정을 제어하기 어렵게 됩니다. 또한, 탑 바닥의 물질에 침전물이 포함되어 있을 경우, 온도가 너무 높으면 침전물이 생길 수 있습니다

일부 매체는 국부적인 과열로 인해 분해되거나 탄화되는 경우가 있는데, 이럴 때만 압력을 낮추고 온도를 내려서 포화 상태로 만들어야 합니다. 그렇지 않은 경우에는 굳이 그럴 필요가 없습니다.

제 생각에는 간접 가열이 가능할 것 같아요

가열되는 매체가 고온을 견딜 수 있다면 문제없을 것입니다(0.55MPA의 과열 증기는 보통 300도를 넘지 않습니다). 하지만 실제 운용 과정에서는 열교환기에 누수가 발생하기 쉽습니다.

포화증기와 과열증기 중에서 어느 쪽이 열교환 효과가 좋은지 확인해보세요

이 게시물은 2016년 11월 24일 06시 10분에 arpcd가 마지막으로 편집했습니다. 보아하니 글쓴이는 아직 초보자인 것 같습니다(게시물 끝부분에 그 이유가 나와 있습니다). 초보자가 겪는 문제들은 다음과 같이 설명할 수 있습니다: xx 본공장 산하의 xx 분공장에는 포화증기를 이용해 물질을 가열하는 재비터 E101이 하나 있습니다. 이 장치는 수직형 관형 열교환기로서, 가장 단순한 형태의 열교환기입니다. 현재 작동 상태도 정상이며 장비도 양호합니다. 이제 본공장에서 증기 배관망을 개선하고 있는데, 증기가 장거리를 이동하는 동안 응축수가 최대한 생기지 않도록 해서 증기 사용 효율을 높이기 위해 과열된 증기를 사용하기로 했습니다. 따라서 본공장의 기술개발실에서는 각 분공장들에 대해 자체적으로 사용하는 증기 장비들을 점검해달라고 요청했습니다.공장 전체의 개조에 맞춰, XX분공장 기술과에서는 E101에 대한 검증 계산을 수행해야 합니다. 즉, 동일한 압력 조건 하에서 기존에 사용되던 포화증기를 과열증기로 대체하는 것이 가능한지 여부를 확인해야 합니다에너지 소비, 공정 지표, 설비 안전 등의 요소를 평가하여, 기술개선 담당 부서가 후속 개선 작업을 계획할 수 있도록 합니다. 답을 얻으려면, 위에서 언급한 사례를 가상으로 만들어서 실제로 계산해보고 결론을 도출해보세요. 베테랑들의 경험은 어떻게 쌓이는 걸까요?계산한 거야....시나리오 시작: E101 열교환기 및 사용되는 증기의 파라미터는 다음과 같습니다. 현재 가동 중인 설비이므로 아래의 모든 파라미터는 실제 측정값입니다(이 점이 매우 중요합니다). 열교환 면적 F=40m², 총 열전달 계수 Kmax=500 W/m²·℃, 평균 열전달 온도차 T=50℃(중간 매체의 기화 온도는 112℃), 실제 운전 시 달성 가능한 최대 열부하 Qmax=1000kW；사용되는 증기는 0.55MPaG(표압)의 포화증기이며, 증기는 포화온도에서 응축됩니다. P=0.55MPaG, T=162℃이며, 비엔탈량 H=2760 kJ/kg, 정압비열 Cp=2.5129 kJ/kg·℃입니다. 포화수의 비엔탈량 H0는 685 kJ/kg이므로, 증기의 응축잠열 r=2760-685=2075 kJ/kg가 됩니다. 주어진 1000kW의 열부하 조건에서 증기 소비량은 W=1735 kg/h입니다. 그리고 당신은 연극의 주인공인 XX분공장의 기술자로서, 이 젠장할 E101이 과열된 증기를 사용할 수 있는지 확인하는 것이 당신의 임무입니다. 또한 에너지 소비량, 공정 지표, 장비의 안전성에 대해서도 평가해야 합니다. 이 모든 것이 바로 당신이 해야 할 일입니다.일을 제대로 완수하지 못하거나 잘 하지 못하면, 상사가 만족하지 않을 테고, 올해의 연말 성과 평가는 분명히 무효가 될 거예요!! 기술개선사무소의 전문가들이 제시한 과열증기의 파라미터는 다음과 같습니다: P=0.55MPaG, T=262℃, 과열도 100℃, 비엔탈피 H=2981 kJ/kg, 등압비열 Cp=2.1047 kJ/kg·℃, 포화수의 비엔탈피 H0=685 kJ/kg입니다. 이를 통해 과열증기가 포화수로 응축되는 과정에서 나타나는 현열과 잠열의 합은 r=2981-685=2297 kJ/kg가 됩니다. 에너지 소비, 공정 지표, 설비 안전이라는 세 가지 문제를 하나씩 살펴보겠습니다. 1. 에너지 소비: 계산이 간단합니다. 사용되는 과열증기가 모두 열교환기에서 응축되어 공정에 필요한 열부하 요구사항을 충족한다고 가정할 때, 소비되는 증기량 W=Q/r=1000*3600/2297=1567 kg/h가 됩니다. 기존에는 1735 kg/h가 소비되었으므로, 1735-1567=168 kg/h만큼 줄어들었으며 감소율은 9.7%로 거의 10%에 달합니다. 따라서 기존의 증기 배관 및 밸브들도 그대로 사용할 수 있습니다..리더가 듣고는, 오, 소모가 줄어들고 파이프 밸브도 재사용할 수 있다니, 정말 좋은 일이군요(죄송합니다, 리더님. 나쁜 소식은 보통 뒤에 말하거든요).. 2. 공정 지표: 먼저 E101의 열교환 면적이 충분한지 확인해야 합니다. 즉, 과열증기를 사용하는 E101의 열교환 면적이 공정 요구사항을 만족하는지 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 1에서 계산된 소비량 데이터는 무의미한 수치가 되고 맙니다. 과열된 증기가 사용되기 때문에, E101 내부에는 반드시 현열 단계와 잠열 단계가 존재합니다. 즉, 증기는 100℃의 과열 상태가 사라진 후에야 응축될 수 있으며, 이 과정은 262℃의 증기 → 162℃의 증기 → 162℃의 물이 되는 두 단계로 나뉩니다. 전자는 현열이고, 후자는 잠열입니다. 열부하가 1000kW로 동일하다면, 각 단계의 열부하를 계산해 보면 다음과 같습니다. 현열 단계의 경우, 262℃와 162℃라는 두 온도에서의 평균 등압 비열 Cp=(2.5129+2.1047)/2=2.3088 kJ/kg·℃입니다. 따라서 열부하 Q1=WCpt=1567×2.3085×100=361,842kJ/h=101kW가 되며, 이는 전체 열부하의 약 10%에 해당합니다； 잠열 단계: 간단합니다. 1000 – 101 = 899kW입니다. 유열 단계의 값을 빼주면 되며, 이는 전체 열부하의 90%에 해당합니다. 면적 계산도 간단합니다. 잠열 단계가 전체의 90%를 차지하며, 이 단계는 원래의 운전 조건과 동일하기 때문에 10%만 곱해주면 됩니다. 따라서 F = 40 × 90% = 36m²가 됩니다. 즉, 40m²의 열교환 면적 중 36m²는 잠열 단계에 사용되고, 나머지 4m²는 유열 단계에 사용됩니다. 그렇다면 262기압의 증기를 162기압의 증기로 변환하는 과정을 충족시킬 수 있을까요? 온열 단계의 계산도 그리 어렵지 않습니다. 전체 열전달 계수를 결정할 때는 약간의 경험이 필요합니다. 일반적으로, 기체 측의 열전달 계수는 매우 낮은 편입니다. 반면, E101의 경우 전체 열전달 계수가 500에 달하는 이유는 간단합니다. 한쪽에서는 증기가 응축되고, 다른 쪽에서는 포화 용액이 증발하기 때문입니다. 두 경우 모두 상변화 과정이 일어나므로 열전달 계수가 매우 높아집니다. 하지만 과열된 증기를 사용할 경우, 과열된 증기 측의 열전달 계수는 대략 수십 정도에 불과하며, 100을 넘기는 것은 어렵습니다. 전체 열전달 계수는 보통 더 낮은 쪽의 값에 의해 결정됩니다. 따라서 K=100으로 계산해도 괜찮습니다. 어차피 이건 예상치일 뿐이니까요. 시뮬레이션 결과가 잘 안 나와도 상관없습니다. 오차는 허용됩니다. 열부하는 알려져 있고, 총 열전달 계수는 100으로 추정했습니다. 나머지 온도차는 계산할 수 있습니다. 여기서는 평균 로그 온도차를 사용해야 합니다. 냉단의 온도차는 162-112=50℃이며, 열단의 온도차는 262-112=150℃입니다. 로그 온도차 T는 (150-50)/ln(150/50)=91℃가 됩니다. 주의할 점은, 온도차가 매우 중요하다는 것입니다. 이에 대해서는 나중에 자세히 설명하겠습니다. F=Q/(TxK)=101×1000/(91×100)=11m²입니다. 즉, 온열 교환 과정의 요구사항을 충족시키려면 11m²의 열교환 면적이 필요합니다. 따라서 과열된 증기를 사용하기 위해서는 11+36=47m²의 열교환 면적이 필요합니다. 하지만 E101의 경우에는 40m²에 불과하여, 이는 기술 개선을 담당하는 부서와 관리자들에게 큰 골칫거리가 되고 있습니다. 현재의 이 E101은 얼마나 큰 열부하를 감당할 수 있을까요? 11m²는 과열된 증기를 냉각시키는 데 사용되었으며, 남은 29m²에서 처리할 수 있는 열부하 Q2는 FxKxT = 29×500×50 = 725,000W = 725kW입니다. 즉, 과열된 증기를 사용한 후에는 기존의 E101이 최대로 처리할 수 있는 열부하는 Qmax = 101 + 725 = 826kW입니다(여기서 K값은 100으로 간주됩니다). 1000kW라는 공정 요구치와 비교하면, 부족한 비율은 1 – 826/1000 = 17.4%입니다. 다시 말해, 매체 측의 증발량은 82% 수준에 불과합니다. 이는 K값이 100일 때의 경우입니다. 일반적으로 이 K값은 100을 넘기 어렵습니다.. 리더가 무의식적으로 당신에게 묻는데, 증기를 더 세게 틀어도 되겠어요?누가 당신에게 1567kg/h의 유량만 사용하라고 정해놓았나요? 2000 kg/h로 사용해도 괜찮지 않나요?시간당 2톤의 증기라면 우리 분공장에서도 감당할 수 있어요. 돈은 문제가 아니에요.. 리더는 정말 세세한 것까지 신경 쓰는 사람이에요. 욕을 해도, 결국은 계산해야 하는 것들이 있죠. 이런 상황에서는 장비가 작동할 수 있는 최대 한계 조건을 설정할 수 있습니다. E101의 경우, 262기압의 증기가 162기압의 증기가 되고, 그 다음에 162기압의 물이 되는 것은 정상적인 상태입니다. 하지만 비정상적인 상태는 —— 과열된 증기가 전혀 응축되지 않고, 오직 명반열만으로 가열되는 경우입니다. 그렇다면 얼마나 많은 증기가 필요할까요? W=Q/(Cp.t)입니다. 여기서 Q는 주어진 1000kW이며, 비열은 2.3088 kJ/kg·℃로 가정합니다. 온도 차이는 얼마인가요?모르겠어요. 모를 경우에는 추정해볼 수는 있습니다. 과열된 증기의 과열도가 100℃라고 가정해보죠. 이것이 최대 온도 차이입니다. 증기가 응축되지 않으니, 얼마나 많은 과열된 증기가 필요한지 계산해보세요W=1000×3600/(2.3088×100)=15592 kg/h, 이것이 바로 시간당 15.6톤의 증기가 소모된다는 뜻입니다...이 값 맞나요?？Q=WCpt는 당신의 열량 계산식이지만, 동시에 Q=FKT이기도 합니다. 이는 교환기가 처리할 수 있는 Q의 한계를 나타냅니다. 유형열의 경우 Q에는 최대값이 존재합니다(E101에서 달성 가능한 최대 온도 차이는 262-112=150℃입니다). 따라서 Qmax=40×150×100=600kW가 되며, 이는 원래 E101의 1000kW에 비해 60%에 불과합니다. 이건 좋지 않습니다. 분명히 앞서 언급된 15.6톤/시간의 증기량은 모두 사용될 수 없습니다. 그만큼의 증기량을 공급해도 교환기는 감당할 수 없습니다. 40m²라는 면적도 마찬가지입니다. 마치 고속도로와 같아서, 최대 통행능력은 도로의 가장 좁은 부분을 기준으로 결정됩니다. 뒤쪽은 4차선이지만, 앞쪽은 가장 좁은 곳이 2차선에 불과합니다(40m²라는 면적). 속도 제한이 120km/h로 고정되어 있으므로, 통행능력도 그 정도에 불과합니다(증기의 흐름량에도 최대값이 있습니다). 설령 8차선이 있다 해도 기다려야 하며, 그 이상은 통과할 수 없습니다(증기량이 아무리 많아도 60%의 부하만 처리될 뿐입니다…)... 실제 계산은 WCpt = FKT라는 식을 세운 뒤 시차법을 사용해야 합니다. 왜냐하면 여기에는 증기 소비량인 W와 온도 차이인 t가라는 두 변수가 있기 때문입니다(t는 과열 증기의 온도 감소량이며, T는 열교환기의 로그 평균 온도 차이입니다. t가 결정되면 T도 결정됩니다). 따라서 시차법을 통한 계산이 필요합니다(한 방정식에 두 개의 미지수가 있으면 어떻게 풀어야 할까요?)수학 실력은 어때요?), 하지만 복잡한 시행착오법은 더 이상 필요 없습니다. 증기가 어떤 조건에서 작동하든, 응축되든 안 되든, 이 E101 장비는 기존의 1000kW라는 성능 요구사항을 충족시킬 수 없습니다. 과열된 증기가 응축될 때는 최대로 기존 성능의 82%까지만 발휘할 수 있으며, 과열된 증기가 응축되지 않을 경우에는 최대 60%까지만 가능합니다. 이것이 바로 공정 계산상의 한계값이며, 리더들이 당신에게서 듣고 싶은 답변입니다.돈이 문제가 아닌 당신의 상사에게 말해야 해요. 시간당 100톤의 증기를 공급해도 소용없다는 것을요. E101 구역의 면적도 그대로인데, 우리여기의고속도로는 두 차선밖에 없어서 부족합니다!설령 리더님께서 BMW X5를 타신다 해도, 카메라가 곳곳에 설치되어 있고 제한속도가 40km/h이며 구간 단속도 이루어지는 군도에서는 40km/h 이상으로 달릴 수 없지 않나요?(리더의 마음이 철렁했다. 나는 방금 교외에 있는 별장에 사는 애인에게 X5를 선물했는데, 이 녀석이 봤나?)돌아가서 그를 처리해!!줄거리가 더욱 고조됩니다!) 이제 왜 주어진 조건 중에 최대 열부하가 Qmax=1000kW인지 알겠죠?？실제로 가동되는 열교환기의 데이터는 설계 여유분이 있기 때문에 Qmax에 도달하기가 매우 어렵습니다. 다시 말해, 당신의 임무는 바로 그 여유분을 찾아내는 것입니다. 이해했나요? 오, 세상에, 우리가 가열하고 있는 것은 온도에 매우 민감한 물질이에요. 온도 차이가 너무 심해져서는 안 돼요......줄거리에 재미를 더할 수 있어요...... 3. 장비 안전: 마지막 문제로, E101의 실제 온도 차이는 50℃에 불과합니다. 일반적인 튜브-쉘형 열교환기의 경우, 냉온단의 온도 차이가 60℃를 초과하면 장비의 팽창 문제를 해결하기 위해 팽창조가 필요하지만, 현재의 E101에는 팽창조가 없습니다. 과열된 증기를 사용할 경우, E101의 재질 자체는 262℃의 온도까지 견딜 수 있지만, 팽창조가 없는 E101은 냉온단의 온도 차이가 100℃에 달하는 상황을 견딜 수 없습니다(열단 150℃, 냉단 50℃). 이러한 온도 차이로 인한 응력은 매우 심각합니다!장비에 엄청난 위험이 있습니다!!온도 차에 의한 응력에 대해 잘 모른다면, 장비 전문가에게 문의해 보세요. 만약 공장에 있다면 장비 기술자에게 물어보고, 100℃의 온도 차가 E101에 어떤 심각한 영향을 미칠 수 있는지 알아보는 것이 좋습니다.. 오, 우리의 열교환기는 최첨단형 신형 열교환기라서, 팽창조인트나 기타 오래된 부품들은 필요 없어요......장비 안전에는 문제가 없으니, 3번 항목은 생략하고, 줄거리도 조금 줄여도 됩니다...... 계산도 했고, 쓰기도 했으며, 과정에 대해서도 자세히 설명했는데, 결론과 제안도 내놓아야 하지 않나요?？ 계산 과정만으로도 결론을 내릴 수 있습니다. 과열된 증기를 사용하면 기존의 공정 부하를 감당할 수 없으며, 다시 말해 부하가 줄어들게 됩니다. 또한 장비 자체에도 큰 위험이 있습니다. 원래 설계된 온도 차이와는 너무 큰 차이가 생겨 발생하는 응력이 E101에 손상을 입힐 것입니다...리더는 얼굴에 그림자가 드리워졌나?？？？서두르지 마세요, 조언은 꼭 해드려야 하니까요.....예열된 증기를 사용한 경우, 현재의 E101은 열교환 면적이 부족하여 교체해야 하며, 재설계와 제작이 필요합니다. 그에 따른 비용도 매우 큽니다. 상사는 분명히 이것이 시간과 노력이 많이 드는 일이라고 말할 것입니다. 더 간단한 방법은 없을까요?네, E101에 들어가기 전에 온도를 낮추고 습도를 높이는 장치를 하나 추가하면 됩니다. 그렇게 하면 과열된 증기가 포화 상태가 됩니다. 온도를 낮추고 습도를 높이는 장치는 이미 잘 만들어진 제품들이 많으니, 그 중에서 하나만 구입하면 됩니다. 온도를 낮추는 데 필요한 물은 E101의 응축수에서 조금만 빼오면 됩니다.....리더의 눈이 반짝이기 시작했다. 이 젊은이의 말이 옳았다. 그의 말대로 하자. 연말에는 우수한 평가를 받아 성과급도 두 배로 주고, 2년 후에는 그를 주임으로 승진시키자. 기술 수준도 괜찮고, 말도 논리적이며 근거가 있다. 그냥 막연하게 말만 하는, 데이터도 없고 제안도 없으며 대책도 없는 믿을 수 없는 젊은이가 아니다. 앞으로 잘해낸다면 내 비서로 쓸 수 있을 것이다~~~~~~ 위가 시뮬레이션된 상황입니다......시나리오에서 가장 중요한 것은—주인공인 당신이 직접 계산을 해서 수치를 도출해야만 모든 가능성에 대해 기본적인 이해를 할 수 있다는 점입니다. 계산하지 않고서는 열교환 면적이 부족하다는 것을 어떻게 알 수 있겠습니까? 온도 차이가 91℃나 된다는 것을 어떻게 알 수 있겠습니까? 경험 많은 전문가들이 알려줄 수 있는 경험치는 바로——과열증기는 E101에서 현열 구간을 형성하게 되는데, 이로 인해 잠열 구간의 면적이 줄어들게 됩니다. 그 결과 E101의 면적이 부족해질 수도 있습니다. 또한 과열증기는 온도 차이를 더욱 크게 만들어 장비에 큰 위험이 생길 수 있습니다. 여기서 ‘아마도’, ‘가능성은 있다’라는 표현은, 계산을 해보지 않은 상태에서는 그들 역시 확신할 수 없다는 것을 은근히 알려주는 것입니다. 계산은 오직 당신만이 해야 하며, 전문가들은 대신 계산해주지 않습니다..면적이 왜 부족한가요?？위험은 또 어디에 있나요?？당신은 예외예요. 경험이 많은 사람들의 말이라면 3일 후면 잊어버릴 거예요. 3일 동안 기억하지 못한다면, 300일이 지나도 분명히 잊어버릴 거예요. 게다가 상사나 기술개선부 직원들이 물어보면 당신은 혼란스러워질 거예요. (상사나 기술개선부 직원들이 바보라고 생각하지 마세요. 자신이 정확한 답을 모르면 당연히 당황하게 되고, 결국 들통날 거예요!) 데이터를 제시할 수 없다면 그냥 “제 스승님이 그렇게 말씀하셨어요. 그분께 물어보세요.”라고만 말할 수밖에 없어요？상사는 분명 3초 안에 당신을 쫓아낼 거예요…. 원글 작성자가 초보인 이유는 아주 간단해요. 압력이 절대압인지 상대압인지조차 모르면서 포화증기압만 적었으니, 과열도는 얼마인지도 몰라요말하지 않을 건가요, 열교환기 파라미터가 뭔지?면적은 얼마인가요?운전 열부하는 얼마인가요?안 쓰면, 열교환기는 어떤 형태인가요?하늘만이 알겠지, 재료이 고온 차이를 견딜 수 있을까?모르겠어요.....질문이라면 우선 문제를 명확하게 설명하는 법을 배워야 해. 좀 더 진지하게, 초보자는 이 문제를 어떻게 생각하는지, 그리고 고민하는 과정에서 무슨 장애물이 있는지 말이야화학공학 원리를 배우지 않았거나, 계산하는 법을 모르거나, 아니면 계산하기 귀찮아서 그냥 선생님들께 조언을 구하는 거죠.....문제가 명확하지 않고, 생각의 흐름도 정리되지 않는데, 일을 어떻게 제대로 할 수 있겠는가?음식, 정말 형편없어....아니면 게으르다고 할 수 있어, 정말 게으르다.... 게으르지 마세요. 계산해 보세요. 그러면 당신도 전문가가 됩니다. 계산 과정은 매우 어렵지만, 열교환기의 파라미터를 이해하는 것도 마찬가지로 힘든 일일 수 있습니다.......물론 이런 계산에는 경험이 필요합니다. 그리고 그 경험을 쌓아가는 과정, 즉 계산하는 과정이 바로 초보자에서 베테랑으로 변해가는 과정입니다. 누구나 태어날 때부터 베테랑일 수는 없습니다.. 바로 옆에 몇 년 전 국어 선생님이 중학교 1학년 학생들을 위해 작성해 준 독서 감상문이 있어, 원글 작성자께 드립니다. 고문 원문 —— 《공총자·거위》: “우, 탕, 문, 무 그리고 주공은 부지런히 생각하고 열심히 일했으며, 어떤 이들은 팔이 부러지기도 하고, 어떤 이들은 등이 굽어지기도 했지만, 그들도 성인이었다.”” 선생님이 쓴 코멘트——“부지런히 생각한다”는 것은 당연히 “몸도 고생시킨다”는 뜻이에요. 힘들지 않고서 어떻게 ‘성인’이 될 수 있겠어요?