2.2.2 콘덴서 모드
많은 진공 공정(건조, 증류)에서 엄청난 양의 증기가 배출되 고 펌프 다운 되어야 합니다. 게다가 상당량의 누출 공기가 커다란 용기 속으로 침투하고, 기화 또는 건조 중인 이런 물 질들이 구멍 속에 들어 있거나 용액 속에 용해된 추가 공기를 배출합니다.
건조 과정에서 증기는 항상 충분한 수증기 용량을 가진 진공 펌프에 의해 대기압에 반하여 변위된 다음 그곳에서 응축될 수 있습니다. 하지만 이 과정은 다음과 같은 단점이 있습니 다.
- 펌프가 무척 커야 한다.
- 증기와 혼합되면 펌프에서 많은 양의 오일 분무를 일으키 는 거대한 양의 기체 밸러스트 공기가 혼입된다.
- 수증기와 오일 분무로 인한 응축물을 처리해야 하는데, 처 리 비용이 많이 든다.
증류 과정은 콘덴서로 조작하며, 물체는 연결된 진공 펌프를 통하여 가능한 한 응축 증류액을 잃지 말아야 합니다.
시간 당 10 kg의 물을 증발시키는 열에 의해 충분한 에너지가 공급되고 건조할 재료를 포함한 진공실 또는 수용기를 생각 해봅시다.
그림 2.3: 건조 시스템(도해)
또한 시간 당 0.5 kg의 공기가 배출됩니다. 진공실의 압력은 10 hPa 미만이어야 합니다. 그림 2.3의 펌핑 스테이션은 건 조에 사용되며, 콘덴서의 사용을 통하여 증기를 비용 효율적 으로 응축합니다.
건조할 물질(2)은 진공실(1)에서 가열됩니다. 루츠 펌프(3)는 증기/공기 혼합물을 콘덴서(4)로 배출하고, 콘덴서에서는 증 기의 대부분이 응축됩니다.
콘덴서는 물로 냉각됩니다. 25°C에서의 응축 물은 30 hPa 압력의 수증기와 균형을 이룹니다. 추가 진공 펌프(5)는 소 량의 수증기로 공기 함유량을 배출하고 대기압에 반하는 혼 합물을 배출합니다. 첫 번째 단계로, 진공실의 기체 흐름을 다음과 같이 계산합니다. $Q=p_{vc} \cdot S_1$
이상적인 기체 법칙은 공식 1-15를 따르므로, 다음과 같은 공 식을 얻을 수 있습니다.
\[Q=p_{vc} \cdot S_1 = \frac{R \cdot T}{t} \cdot \left( \frac{m_{water}}{M_{water}} + \frac{m_{air}}{M_{air}} \right)\]
공식 2-11: 증기 배출을 위한 기체 처리량
| $T$ | 유입 기체 온도 | [K] |
| $R$ | 일반 기체 상수 | [kJ kmol-1 K-1 |
| $t$ | 시간 | [s] |
| $p_{vc}$ | 진공실의 압력 | [Pa] |
| $m_{water}$ | 수증기 질량 | [kg] |
| $M_{water}$ | 물의 몰 질량 | [kg mol-1] |
| $m_{air}$ | 공기 질량 | [kg] |
| $M_{air}$ | 공기의 몰 질량 | [kg mol-1] |
실제 경우,
| $T$ | 유입 기체 온도 | 300 K |
| $R$ | 일반 기체 상수 | 8.314 kJ kmol-1 K-1 |
| $t$ | 시간 | 3600 s |
| $p_{vc}$ | 진공실의 압력 | 1000 Pa |
| $m_{water}$ | 수증기 질량 | 10 kg |
| $M_{water}$ | 물의 몰 질량 | 0.018 kg mol-1 |
| $m_{air}$ | 공기 질량 | 0.5 kg |
| $M_{air}$ | 공기의 몰 질량 | 0.0288 kg mol-1 |
12 Pa m3 s-1 의 공기와 385 Pa m3s-1 의 수증기를 합쳐 총 397 Pa m3s-1 에 대한 기체 처리량을 구합니다. 1000 Pa의 유입구 압력 $p_{vc}$ 로 나누면 0.397 m3s-1 또는 1429 m3h-1 의 펌프 속도 $S_1$ 을 구할 수 있습니다.
콘덴서를 비울 때 부분 공압이 30 %, 즉 최대 12.85 hPa를 초 과해서는 안 됩니다. 그 결과는 다음과 같습니다.
$S_2=\frac{Q_{air}}{0.3 \cdot p_{air}}$
12 Pa m3 s-1 의 공기와 1285 Pa의 압력에 대한 기체 처리량 으로 0.031 m3 s-1 또는 112 m3 h-1 의 펌프 속도 $S_2$ 를 구할 수 있습니다.
따라서 배압 펌프로 Hepta 100 나사 펌프를 선택합니다. 펌 프 속도가 계산된 속도보다 조금 더 낮기 때문에 이 펌프는 약간 더 높은 부분 공압에 도달합니다. 그리고 루츠 펌프로 다음 값을 가진 Okta 2000을 선택합니다.
| $S_0$ | 2065 m³ h-1 |
| $\Delta p_d$ | 과류 밸브에서 35 hPa 차압 |
| $K_0$ | $p_v$= 43 hPa 일 때 28 |
공식 2-7에 따라 유입구 압력 $p_a$ 를 1000 Pa로 추산하여 $S_1$ 을 계산합니다.
$S=S_0 \cdot \left[ 1- \frac{1}{K_0} \left( \frac{p_v}{p_a} -1 \right) \right]$
0.506 m3 s-1 또는 1.822 m3 h-1 의 펌프 속도 $S_1$ 을 구할 수 있습니다.
$p_a=\frac{Q}{S_1}
와 785 Pa의 $p_a$ 값으로 건조실의 유입구 압력을, 공식 2-7에 서 이 수치를 다시 한 번 사용하여 유입구 압력 $p_a$ = 823 Pa에 대한 정확한 펌프 속도 $S_1$ = 1.736 m³ h-1 에 도달합니다.
응축해야 할 증기량 10 kg h-1 을 콘덴서로 계산합니다. 응축 표면 면적에 다음 공식이 적용됩니다.
\[A_k= \frac{Q_{water} \cdot m_{water}}{t \cdot \Delta T_m \cdot k} \]
공식 2-12: 응축 표면 면적의 계산
| $A_k$ | 응축 표면 면적 | [m2] |
| $Q_{water}$ | 특정한 증발 엔탈피 | [Ws kg-1] |
| $m_{water}$ | 수증기 질량 | [kg] |
| $\Delta T_m$ | 증기와 응축 표면 사이의 온도차 | [K] |
| $k$ | 열 투과 계수 | [W m-2 K-1] |
실제 경우,
| $Q_{water}$ | 2.257 ⋅ 106 Ws kg-1 |
| $m_{water}$ | 10 kg |
| $t$ | 3600 s |
| $\Delta T_m$ | 60 K |
| $k$ | 400 W m-2 K-1 |
$A_k$ 0.261 m2 의 응축 표면 면적을 구할 수 있습니다.
증기는 콘덴서로 가는 도중에 재냉각되기는 하지만 실제 단열 압축을 통하여 100 K 이상으로 가열됩니다. 그래서 $\Delta T_m$ = 60 K라는 가정은 상당히 설득력이 있습니다. 열 투과 계수 $k$ [20] 는 불활성 기체의 농도가 증가함에 따라 상당량 감소하고, 그 결과 응축 표면 면적이 더 커집니다. 거꾸로 불 활성 기체의 농도가 감소하면 더 큰 배압 펌프 및 더 작은 응 축 표면 면적으로 작업이 가능합니다. 누출율이 작다 해도 역 시 불활성 기체의 농도를 증가시키므로 특별한 주의를 기울 여야 합니다.
더 상세한 기술 세부사항은 특별 문헌 [21]에서 볼 수 있습 니다.
그림 2.4: 증기 응축을 위한 루츠 펌핑 스테이션
완료하려면 건조 공정의 전체 시퀀스를 다시 생각해봐야 합 니다. 평형 압력은 초기에 건조실에서 발생하는데, 이는 증발 되고 있고 또 물질을 가열하여 건조함으로써 일어나는 물의 부피와 루츠 펌프의 체적 유량율로 인한 것입니다.
루츠 펌프는 수증기를 콘덴서 속으로 밀어 넣고, 거기서 수 증기가 응축됩니다. 그곳에서는 층류 흐름이 우세하기 때문 에 증기 흐름이 건조되어야 할 물질이 배출한 불활성 기체를 콘덴서 속으로 밀어 넣습니다.
배압 펌프가 중단될 경우 전체 응축 공정은 빠르게 중단됩니 다. 왜냐하면 증기가 탈착을 통하여 응축 표면 면적에만 도달 할 수 있기 때문입니다. 건조 공정이 진행되면서 증기의 부피 는 줄어들고 콘덴서에서 응축되는 양이 더 적어집니다. 하지 만 불활성 기체의 농도가 줄어들면 배압 펌프에 의해 추출된 증기의 농도가 더 커지는 경향이 있습니다. 콘덴서의 증기압 이 농도 한계 밑으로 떨어지면 응축물은 다시 증발하기 시작 합니다. 응축물이 밸브를 경유하여 응축물 저장 용기로 배수 될 경우엔 이런 현상이 방지되고, 증기압이 응축 압력 아래로 떨어지면 이 밸브가 잠깁니다.
커다란 증류 시스템의 경우 배압 펌프의 펌프 속도는 응축률 에 기초하여 규제되어야 합니다. 예를 들어 이런 것은 저장용 기에서 배출된 응축물의 양을 균일하게 방출하는 주입 펌프 의 도움으로 이루어질 수 있습니다. 저장 용기의 농축물 수준 이 주어진 수준 아래로 떨어지면 배압 펌프의 유입구 밸브가 열리고 콘덴서에 모인 불활성 기체가 배출됩니다. 응축률은 이제 다시 증가하고, 응축물 수준이 증가하고 배압 펌프의 유 입구 밸브가 다시 잠깁니다. 이런 배열은 응축률이 너무 낮을 때에만 시스템이 환기되고 오직 미미한 양의 응축물만 사라 짐을 의미합니다.
요약
증기를 배출할 때(건조, 증류) 콘덴서가 주요 펌프 효과를 제 공할 수 있습니다. 압력 및 온도 조건에 따라 한 개 또는 두 개의 콘덴서를 사용할 수 있습니다(그림 2.4 참조). 루츠 펌 프와 배압 펌프 사이에 있는 콘덴서가 더 효과적입니다. 왜냐 하면 증기는 더 높은 온도와 더 높은 압력에서 콘덴서로 유입 되고, 작은 배압 펌프는 오직 소량의 증기만을 환기하기 때문 입니다. 증류 시 배압 펌프의 펌프 속도를 조절하면 응축물 손실을 최소화할 수 있습니다.
위에 언급한 이론적 원칙들은 루츠 펌핑 스테이션을 구성하 는 데에 자주 사용됩니다. 그림 2.5는 해저 케이블 생산에 사 용되는 종이 물질의 잔류 습기를 줄이기 위한 진공 솔루션을 보여줍니다. 사전 복수기(그림에 없음)는 높은 공정 압력의 1 차 건조 과정에서 주로 수증기를 응축합니다. 중간 복수기는 다운스트림 BA 501 회전 날개 펌프를 보호하고 2차 건조 과 정에서 주로 수증기를 응축합니다.
그림 2.6은 변압기 건조에 사용된 루츠 펌핑 스테이션을 보 여줍니다. 중간 복수기는 다운스트림 BA 501 회전 날개 펌프 의 수증기 용량을 초과하지 않을 정도로 사용된 물질의 잔류 습기를 줄입니다.
그림 2.5: 증기 응축을 위한 루츠 펌핑 스테이션
그림 2.6: 변압기 건조를 위한 루츠 펌핑 스테이션
