분석 계장(Analytical Instrumentation)에서 시간 지연을 측정하는 방법

분석 계장(Analytical Instrumentation)에서 시간 지연을 측정하는 방법

공정 분석기의 분석 결과가 부정확한 가장 흔한 이유는 샘플링 시스템에서 시간 지연이 발생하기 때문입니다. 공정 측정은 즉시 결과를 확인할 수 있지만 분석기는 그렇지 않습니다. 탭에서 분석기까지 샘플이 이동하는 동안 항상 시간 지연이 발생합니다. 잠재적인 시간 지연은 아래의 그림에서 볼 수 있듯이, 분석 계장 시스템의 주요 부분 즉, 공정 라인, 탭, 프로브, 필드 스테이션, 이송 라인, 샘플 컨디셔닝 시스템, 스트림 스위칭 시스템, 분석기 등에서 모두 발생할 수 있습니다.

샘플링 시스템 교육을 통한 개선 방법

시간 지연은 누적되어 나타난다는 것을 이해해야 합니다. 이는 유체가 공정 라인을 거쳐 분석기로 이동하고, 최종 분석을 획득할 때까지 걸리는  총 시간을  의미합니다. 이를테면, 가스 크로마토그래프(Gas chromatograph)에서 샘플을 분석하는 데 5분이 걸린다면, 샘플링 컨디셔닝 시스템과 스트림 스위칭 시스템에서 발생하는 시간 지연뿐 아니라, 이송 라인, 필드 스테이션, 탭, 프로브에서 발생하는 시간 지연에도 반드시 이 5분을 더해야 합니다. 또한 이렇게 합산한 시간에, 모니터링 공정 단위(process unit)에서 탭까지 유체가 이송되는 시간을 더해야만 합니다. 이것이 바로 모니터링되는 공정 단위에서 분석기에 도달하는 총 시간을 계산하는 방법입니다.

시간 지연은 누적되어 나타난다는 것을 이해해야 합니다. 이는 유체가 공정 라인을 거쳐 분석기로 이동하고, 최종 분석을 획득할 때까지 걸리는 총 시간을 의미합니다. 이를테면, 가스 크로마토그래프(Gas chromatograph)에서 샘플을 분석하는 데 5분이 걸린다면, 샘플링 컨디셔닝 시스템과 스트림 스위칭 시스템에서 발생하는 시간 지연뿐 아니라, 이송 라인, 필드 스테이션, 탭, 프로브에서 발생하는 시간 지연에도 반드시 이 5분을 더해야 합니다. 또한 이렇게 합산한 시간에, 모니터링 공정 단위(process unit)에서 탭까지 유체가 이송되는 시간을 더해야만 합니다. 이것이 바로 모니터링되는 공정 단위에서 분석기에 도달하는 총 시간을 계산하는 방법입니다.
이렇게 중요한 시간 지연을 과소평가하여 굳이 확인하지 않을 때도 많고, 잘못 이해하는 경우도 많습니다. 분석기 전문가와 기술자 대부분은 시간 지연을 크게 신경 쓰지 않고, 분석기에 적합한 샘플을 만드는 데만 급급합니다. 분석기 전문가들은 분석기 측정값이 즉각적이라고 생각하겠지만, 샘플링 시스템에서 산업 표준인 1분 반응을 달성하지 못할 때도 많으며, 시간 지연은 언제든지 발생할 수 있습니다. 장기적으로도 시간 지연은 무조건 최소화해야 하지만, 산업 표준을 한참 초과하는 시간 지연이 반드시 문제가 되는 것은 아닙니다. 공정 엔지니어는 공정 역학에 따라 허용 가능한 지연 시간을 판단해야만 합니다. 

시간 지연은 시스템 설계자의 기대치를 초과하면 문제가 됩니다. 샘플링 시스템에서 시간 지연을 잘못 예측하거나 가정하면 공정 제어가 저품질로 이어질 수 있습니다. 시간 지연의 원인을 파악하고 합리적인 오차 범위 내에서 지연 시간을 계산하거나 근사치를 내면, 시간 지연을 줄일 수 있고 전반적인 시스템 반응을 개선할 수 있을 것입니다.

최대 효율성을 위한 공정 라인, 탭, 패스트 루프, 이송 라인 배치

시간 지연을 줄이려면 탭을 분석기에 가장 가깝게 배치하는 것이 제일 좋지만, 이 방법이 항상 가능하지는 않습니다. 탭은 드럼, 탱크, 데드레그(Dead legs), 정체된 라인 혹은 불필요하거나 너무 오래되어 유량 개선을 위해 제거해야 하는 장비 등 시간 지연을 발생시키는 요소 상단 측에 배치해야 합니다.  때로는 앞에 언급한 변수로 인해 탭 위치를 공정 분석기 근처에 배치하지 못하는 경우도 있습니다. 만약 탭이 분석기와 너무 멀리 떨어져 있으면, 분석기에 유체를 빠르게 전달할 수 있는 패스트 루프를 사용할 수 있습니다. 올바르게 설계되었다면 패스트 루프의 유속은 분석기 라인을 통과하는 유속보다 훨씬 빠를 수 있습니다.

감압을 통한 시간 지연 감소

가스를 사용하는 경우, 필드 스테이션은 이송 라인 혹은 패스트 루프에서 압력을 낮추는 역할을 합니다. 동일한 유량이 주어졌을 때 이송 라인에서 발생하는 시간 지연은 절대 압력 감소에 정비례하여 감소합니다. 즉, 압력이 절반이 되면 시간 지연을 절반으로 줄일 수 있습니다. 필드 스테이션(field station)은 가능한 탭에 가까이 배치해야 합니다. 압력은 빨리 떨어질수록 더 좋기 때문입니다.

액체 샘플의 경우에는 압력 조절을 위해 필드 스테이션을 사용하지 않습니다. 거품 생성을 방지하기 위해 액체를 고압으로 유지하는 것이 좋기 때문입니다. 액체 샘플을 가스 샘플로 분석한다면, 필드 스테이션에 기화 레귤레이터를 사용할 수 있습니다. 단, 이는 상당한 시간 지연을 초래할 것입니다. 유체가 액체에서 가스로 변하면 부피가 극적으로 증가합니다. 이 증가율은 액체의 분자 무게에 따라 달라집니다.

일반적으로 레귤레이터를 거친 후 증기 유량은 기화 레귤레이터를 거치기 전의 액체 유량보다 300배 이상으로 측정됩니다. 이를테면, 증기 유량이 분당 500cm3일 때 액체 유량은 분당 2cm3보다 적을 것입니다. 따라서 액체는 길이가 3 미터인 1/4 인치 튜빙을 통과하려면 25분이 소요될 것입니다. 이 시간을 감축하려면 레귤레이터에 연결되는 튜빙의 부피를 감소시켜야만 합니다. 이를테면, 30CM 길이 1/8 인치 튜빙만 되어도 액체가 레귤레이터에 도달하기까지 30초밖에 걸리지 않을 것입니다. 다만, 이 시간에 프로브에서 지연되는 시간도 포함해야 합니다. 프로브가 가늘수록 반응은 더 빠릅니다.

더 빠른 반응 시간을 확보하는 또 다른 방법은 기화 레귤레이터를 분석기 위치와 가깝게 배치하는 것입니다. 레귤레이터를 두 번째 액체 패스트 루프 필터 다음에 배치하면, 빠른 유속이 기화 레귤레이터까지 계속될 수 있습니다. 그 목적은 레귤레이터로 느리게 이동하는 액체의 부피를 최소화하는 데 있습니다.

스트림 스위칭(Stream switching)

시간 지연을 최대한 방지하려면, 스트림 스위칭(Stream switching) 조립체를 통해 오래된 샘플을 빠르게 제거하는 동시에 새로운 스트림을 분석기로 빠르게 보내야만 합니다. 현재 일반 부품 및 소형 모듈식 설계로 제공되는 더블 블록앤블리드(DBB, Double-block-and-bleed) 밸브 구성은 데드레그를 최소화하고 밸브 누설로 인한 스트림 교차 오염(Cross-stream contamination) 없이 스위칭 스트림의 역할을 수행합니다.

기존의 DBB 구성은 아래의 그림과 같이 직렬 방식이었습니다. 직렬 DBB는 티(Tee) 대신 두 번째 블록 밸브를 사용하여 데드레그를 제거합니다.

DBB 직렬 구성을 사용하면 압력 강하와 느린 유속이 발생하기 때문에 유로를 고민해봐야 합니다. 압력 강하는 유량  측정계수인 제품의 Cv를 통해 추정해볼 수 있습니다. Cv가 낮을수록 압력 강하는 더 커져, 결국 낮은 유량을 초래합니다.

DBB 직렬 구성에서 첫 번째 스트림인 스트림 1에서는 과도한 압력 강하가 발생하지 않지만, 스트림 2 및 스트림 3으로 넘어갈수록 압력 강하가 증가하고 유로가 계속해서 길어지며, 출구까지 걸리는 시간이 점차적으로 더 늘어나게 됩니다. 이 결과로 스트림마다 균일하지 않은 이송 시간이 발생하고, 모든 스트림에 일관된 퍼지(Purge) 시간을 설정하기가 어려워집니다.

아래의 도표에서 볼 수 있듯이, 통합 유량 루프의 DBB 구성은 DBB 직렬 구성의 모든 장점을 확보하는 동시에 스트림 전체에 걸쳐 압력 강하를 최소한으로 유지합니다. 각 스트림의 Cv와 마찬가지로 이송 시간 또한 동일해집니다. 0.3 Cv의 부품은 0.1 Cv의 부품보다 압력 강하를 1/3만 초래할 것입니다.

샘플 컨디셔닝 시스템

샘플 컨디셔닝 시스템은 샘플을 여과하고 적절한 상을 확보하며 압력, 유량, 온도를 조정하여 분석에 적합한 상태로 준비합니다. 시스템은 좁은 공간에서 이 작업을 전부 수행하기 위해 게이지, 레귤레이터, 면적식 유량계(Area flowmeters), 유량 제어기, 체크 밸브, 제어 밸브, 볼 밸브 등 비교적 작은 부품들로 이루어져 있습니다. 소형 모듈식 부품 또한 주로 좁은 공간에 적합한 솔루션이 될 수 있습니다. 이런 모듈식 부품들은 새로운 샘플링 및 센서 이니시어티브(New Sampling/Sensor Initiative, NeSSI)에 따른 ANSI/ISA 76.00.02 표준으로 제조됩니다. 스트림 스위칭 밸브가 있으면 내부 체적은 압력 강하만큼 중요한 문제가 아닙니다. 부품을 선택하기 전에 제조업체가 명시한 Cv를 비교해봐야 합니다.

샘플링 컨디셔닝 시스템에서 필터, 녹아웃 포트(Knockout pot), 코어레싱 필터(Coalescing filter) 등의 기타 부품은 새로운 샘플과 오래된 샘플의 혼합을 허용하여 상당한 시간 지연을 초래할 수 있습니다. 필터나 녹아웃 포트를 세정하여 오래된 샘플을 95% 제거하면 시간 지연을 개선할 수 있습니다. 하지만 이는 부품 체적의 3배를 필요로 합니다. 아래의 도표와 같이 입구와 출구가 인접하다고 가정합시다.

도표에 있는 입구와 출구에 필터가 있다고 생각해보십시오. 유량이 분당 100cm³이고 필터 체적이 100cm³일 때, 오래된 샘플의 95%가 씻겨 나가는 데는 3분이 걸릴 것입니다. 따라서 이 분석 계장 시스템에서 정확한 샘플을 확보하려면 시간 지연을 계산할 때 3분을 합산해야 합니다. 공정 라인에서 혼합 체적(mixing volumes)에도 이와 같은 공식을 적용할 수 있습니다.

분석기

일반적으로 가스 크로마토그래프는 샘플을 분석하는 데 10분이 걸립니다. 이보다 더 빠른 적외선 및 자외선 분석기는 단 몇 초 만에 분석을 완료할 수 있습니다. 분석기 전문가, 기술자, 엔지니어는 분석기가 샘플을 분석하는 데 소요되는 시간을 파악하고 있어야 합니다.  이 시간을 위에서 언급한 탭에서 분석기까지 걸리는 총 지연 예상 시간에 합산해야 합니다.

결론

위에서 언급한 도구를 활용하여 계산한 총 지연 시간은 합리적인 오차범위 내에서 추정치를 제공해야 합니다. 이는 모니터링되는 공정에서 목표한 분석기까지 걸리는 총 시간이며, 모든 부품에서 발생하는 시간 지연 역시 총합에 합산해야 합니다. 시간 지연은 분석기 전문가가 철저하게 신경써야 합니다. 필드 스테이션에서, 특히 문제가 흔히 발생하는 프로브나 기화 레귤레이터에서 샘플 시간을 제대로 측정하지 않으면, 분석기 전문가의 노력이 물거품이 되고 분석기가 무용지물이 됩니다. 분석기 전문가는 유체 시스템 제공자 혹은 자문가와 협력하면 탭의 위치, 패스트 루프 설정, 적합한 튜빙 직경, 스트림 스위칭 구성 등 부품 및 구성을 슬기롭게 선택하여 시간 지연을 개선할 수 있습니다.

샘플링 시스템 교육을 통한 개선 방법