증기 압력 곡선: 기화 관련 상평형도

진공 압력 곡선 관련 상평형도(Phase Diagrams for Vapor Pressure Curves)

상평형도는 실험실 환경에서 화학자들이 주로 사용하지만, 샘플 분석을 다루는 기계공학자와 플랜트 매니저에게도 매우 유용한 도구입니다. 일부 분석 시스템에서는 액체 샘플을 분석하기 전에 반드시 기화를 통해 기체로 변환해야 합니다. 기화 프로세스는 기본적으로 온도, 압력, 유량 변수의 균형이 맞았을 때 발생하는 현상이며, 엔지니어는 상평형도의 증기 압력 곡선을 활용하여 고유한 재질 및 화학 조성에 따른 상 변화를 식별할 수 있습니다.– 이 상평형도 증기 압력 관계를 이해하는 것이 핵심입니다.

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증기 압력 곡선을 읽는 방법

가상의 기체 혼합물(펜탄 내 헥산 20%)을 전체 상평형도로 적용하는 예를 들겠습니다(아래 압력 그래프 참조). 샘플이 기포점(파란색 선) 위에 있다면 완전한 액체 상태입니다. 기화기에 들어가는 시점에서 샘플이 액체 상태를 유지해야 합니다. 샘플이 이슬점(금색 선) 아래에 있다면 완전한 증기 상태입니다. 샘플이 기화기에서 나올 때는 완전한 증기 상태여야 합니다.

기포점과 이슬점 선 사이는 “노고 존(No-go-zone)”입니다. 노고 존은 샘플의 끓는 범위를 나타냅니다. 여기서 혼합물은 일부는 액체, 일부는 증기인 두 가지 상입니다. 샘플이 노고 존으로 떨어지면 분류되므로 더 이상 분석에 적합한 상태가 아니게 됩니다. 기화의 목적은 샘플이 노고 존의 액체 측에서 증기 측으로 즉시 이동하도록 온도, 유량, 압력을 설정하는 것입니다. 고순도 또는 근순수 샘플에는 끓는 범위 또는 노고 존이 아주 작거나 없습니다, 그 이유는 기포점과 이슬점의 선이 서로 겹쳐져 있거나 거의 겹쳐 있기 때문입니다.

즉, 고순도 또는 근순수 샘플은 증발이나 기화 중 어떤 과정을 통해서도 같은 조성의 증기로 변환됩니다. 이 수준의 순도에 가까운 일부 산업용 샘플은 비교적 손쉽게 증기로 변환할 수 있습니다. 반면, 일부 샘플은 끓는 범위나 노고 존이 넓어서 손쉽게 기화시킬 수 없습니다. 그러한 샘플은 노고 존의 액체 측에서 증기 측으로 바로 변환할 수 있는 방법이 없습니다. 이 경우, 샘플의 분류를 막을 수 있도록 변수를 조정하는 것도 쉽지 않습니다.

위 증기 압력 그래프에서 볼 수 있듯이, 기포점과 이슬점 사이 띠가 매우 좁은 샘플은 올바르게 설정하기만 하면 효율적으로 노고 존의 액체 측을 건너뛰고 증기로 변환할 수 있습니다. 반대로 그래프에서 띠가 매우 넓으면 아주 조심해도 소용이 없습니다.

기화 프로세스에 적합한 온도, 압력, 유량 변수 설정

다이어그램에 있는 샘플(펜탄 내 헥산 20%)로 계속 작업할 때, 증기 압력 곡선의 안내에 따라 성공적인 기화 프로세스를 보장하려면 온도 제어, 압력 제어, 유량 제어에 필요한 입력을 능숙하게 설정해야 합니다. 보통, 입구에는 높은 압력과 낮은 온도가 필요합니다. 반대로, 출구에는 높은 온도와 낮은 압력이 필요합니다. 변수를 설정할 때 최고와 최저의 한도가 존재하며, 제한 요소를 모두 제어할 수도 없습니다.

1. 기화기의 입구 압력 계산

   기화기를 샘플 탭에 가까이 배치했다는 가정 하에, 입구 압력이 곧 공정 압력이며 이 값은 고정됩니다. 예시 다이어그램에서 압력은 4 bar입니다. 기화기가 유입되는 액체를 끓이지 않으면서 온도를 높게 유지할 수 있으므로 압력이 높을수록 바람직합니다.

2. 완전 기화에 필요한 입구 온도 설정

   입구 온도를 설정하는 목적은 두 가지입니다. 첫 번째는 샘플이 기화기에 유입될 때 완전한 액체 상태를 유지하기에 충분히 낮은 온도여야 하기 때문입니다. 예시 다이어그램에서, 4 bar의 기포점은 88˚C입니다. 샘플 분류를 방지하려면, 노고 존을 피해 88˚C에서 충분히 먼 반올림된 정수로 설정하는 것이 가장 좋습니다. 예를 들어 온도를 80˚C로 설정하면 안전합니다.

   두 번째 목적은 샘플이 기화기에서 나갈 때 완전한 증기 상태가 되도록 온도를 충분히 높게 유지하여 샘플을 완전히 변환하는 것입니다. 샘플이 기화될 때 에너지 보존의 법칙에 따라 온도가 떨어집니다. 압력 저하 후 샘플이 노고 존에 들어가지 않도록 출구에서 샘플 온도가 충분히 높아야 합니다. 예시 다이어그램에서, 압력 저하 후 증기 온도는 60˚C이며, 이 온도는 정확히 이슬점의 증기 측에 해당합니다.

3. 올바른 샘플 기화에 필요한 출구 압력 조정

   출구 압력을 설정할 때, 목표는 압력을 이슬점 선 아래로 낮추는 것입니다. 예시 다이어그램에서는 출구 압력이 1.5 bar로 설정되어 있습니다. 출구 압력이 이보다 조금이라도 높으면 샘플이 전부 기화되지 않고 분류됩니다.

4. 밸브와 가변 면적 유량계(Rotameter)를 사용한 유량 제어

   유량은 기화기가 아니라 후단에서 밸브와 가변 면적 유량계로 설정합니다. 샘플링 시스템에서는 샘플을 분석기로  빠르게 옮기려면 높은 증기 유량이 바람직합니다. 하지만, 샘플을 기화시키는 데 더 많은 열이 필요하게 되므로 높은 유량은 문제가 될 수 있습니다. 다시 말해서 유량이 높으면 기화 시점에 온도가 더 크게 떨어집니다. 예시 다이어그램에서 보라색 선은 온도 강하를 나타냅니다. 유량이 증가할수록 온도가 급격히 떨어집니다.

온도 저하에 영향을 주는 또 다른 변수는 기화기의 열전달 역량입니다. 일부 기화기는 샘플에 열을 더 효율적으로 전달할 수 있도록 설계됩니다. 액체 샘플이 기화되면서 온도가 떨어지면, 샘플이 주변을 둘러싼 스테인리스강에서 열을 끌어옵니다. 요점은 기화기가 얼마나 효율적으로 샘플로 흘러 들어가는 열을 대체할 수 있는가입니다. 샘플이 더 많은 열을 끌어올수록 기화 도중 온도가 더 적게 떨어집니다. 경우에 따라 기화기 외부를 만지면 뜨겁지만 내부 중심은 차가울 수 있으며, 이는 기화된 샘플이 다량의 열을 빼앗아 기화기가 온도를 유지하기에 충분한 에너지를 전달하지 못하기 때문입니다. 이때 최고의 해결책은 유량을 줄이는 것입니다.

요약하자면, 증기 압력 그래프에서 볼 수 있는 온도 강하는 유량과 기화기의 열전달 역량에 따라 생길 수 있는 현상입니다. 좋은 품질의 기화기로 낮은 유량을 유지하면 다이어그램의 선이 더 수직에 가까워집니다. 불행히도, 상평형도에서 정확한 온도 강하 위치를 손쉽게 계산할 수 있는 방법은 없습니다. 이와 같이 특별한 상평형도와 증기 압력 관계는 시판 중인 어떤 소프트웨어 프로그램으로도 생성할 수 없습니다. 따라서, 기화 프로세스에는 근사치(approximation)가 사용됩니다. 일반론적으로, 샘플이 분석기로 이동하는 시간을 허용 불가능한 수준으로 지연시키지 않으면서 유량을 최대한 낮게 유지해야 합니다. 처음부터 대유량으로 설정하는 것보다 낮은 유량부터 시작하여 점진적으로 올리면서 시험해보는 것이 좋습니다.

상평형도 증기 압력 곡선을 활용한 분석 계장 및 샘플링 시스템 모범 사례에 관해 추가적인 도움이 필요하다면, 현지 Swagelok 판매 및 서비스 센터에 문의하십시오.

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