공정설계에서 실수하기 쉬운 플래시와 이상류(二相流)

플래시와 이상류(二相流)

​공정설계에서 실수하기 쉬운 플래시와 이상류(二相流)

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다음의 내용은 ComtecQuest 의 홈페이지에 게재한 기사를 인용하고 있으며, 공정 설계(Process Design)에서 실수하기 쉬운 두 상류(二相流) 문제에 대해 말하고 있습니다.

"플래시 현상이 가져 오는 문제"

이 플래시 현상에 대해 쓰디쓴 기억이 있습니다. 1984 년 당시 메탄올 플랜트의 시운전에 입회했을 때의 일이었습니다.
이 플랜트는 수증기 개질공정, 합성가스 압축공정, 메탄올 합성공정, 메탄올 증류공정 및 여러 용역시설 및 부대설비로 구성되어있었습니다. 이 수증기 개질공정은 여러 분리조가 설치되어 있으며, 압력 범위는 1.5 ~ 1.7 MPaG이었습니다. 이러한 응축수는 중간에 합류 해 CO2 방산탑까지 배관을 통해 전달(送出)되고 있었습니다. 그러나, 회수를 시작했는데, 중간 배관이 흔들리기 시작해서 배관 서포트가 깨지는 사태가되어, 시운전을 계속 할 수가 없게 되었습니다. 또한, 방산탑 압력은 약간 대기압보다 높고, 합류 후의 응축수 온도는 120 ℃에서 150 ℃의 범위였습니다.

이 문제의 원인은 배관에서의 압력 손실로 응축수 압력이 응축수 온도 120 ~ 150 ℃에 해당하는 포화 압력 0.10 ~ 0.38MPaG 이하로 되었기 때문에 플래시 현상이 발생하여, 이송중에있는 응축수가 물 과 수증기로 분리하여 이상류(二相流)가 된 것입니다.

원래의 원인은 분리조(分離槽) 및 방산탑(放散塔) 사이의 압력 저하를 고려하지 않고, 액체 상태의 물로서 배관의 크기를 결정한 것입니다. 항구적인 대책으로서는 이상류(二相流)를을 고려하여 배관 사이즈를 크게 하는 등의 재검토 정도였지만, 배관 재료가 스테인리스 강이었던 것도 있어 현지에서 신속하게 준비/제공 할 수 없었습니다. 그래서 급한대로 방산탑(放散塔) 입구와 배관 사이에 오리피스(ORIFICE)를 설치하여, 배관 도중에 포화 압력 이하로 저하되지 않도록 했습니다. 이에 따라 배관의 진동이 딱 진정되어, 무사히 시운전을 계속할 수 있었습니다.

이렇게 회수된 응축수 온도가 100 ℃ 이상인 경우에는, 배관도중에의 플래시 현상을 고려해야 합니다.

어느 정도의 비율로 가압수(加圧水)가 물과 수증기로 분리하는지는, 플래시 전의 물의 온도 Tin 과 압력 Pin 및 압력 Pout 을 어디까지 낮출 것 인가로 자동적으로 정해집니다.

여기서부터는 게재되지 않은 내용이지만, 이상류(二相流)의 물과 수증기의 비체적(比体積) (단위 질량 근처의 체적)가 크게 다른 것도 기억해 둘 필요가 있습니다. 예를 들어 앞의 120 ℃ 와 150 ℃에서의 물과 수증기의 비체적(比体積)을 비교하자면,

120 ℃ 물 0.001060m3 / kg 수증기 0.8913m3 / kg

150 ℃ 물 0.001091m3 / kg 수증기 0.3925m3 / kg

즉, 120 ℃에서 물과 수증기의 비체적의 비율은 1 : 840,  150 ℃에서의 비율은 1 : 360입니다. 일례로 충분히 가압된 150 ℃의 응축수 100kg이 약 0.2MPa (120 ℃에서의 포화 압력)에서 플래시 하면, 발생하는 포화 수증기의 양은 5.8kg, 나머지 94.2kg이 포화수로 분리 됩니다. 그러면 수증기의 부피(체적)는 5.8 kg × 0.8913 m3/kg = 5.2 m3, 물의 부피는 94.2kg × 0.001060m3/kg = 0.010m3 이 됩니다.

즉, 플래시 후의 수증기의 질량 비율은 불과 5.8 %에 비해, 부피의 비율은 99.9 %로 대부분이 수증기로 점유하게 됩니다. 플래시 후의 상태는 물과 수증기의 이상류(二相流)입니다 만, 실제로는 수증기가 대부분을 차지하는 기상류(気相流)라고 해도 좋을 정도입니다. 덧붙여서 플래시 전의 응축수의 부피는 100kg × 0.001091m3/kg = 0.11m3이므로 플래시에 의해 체적이 약 50 배로 팽창하게 됩니다. 이것이 플래시에 의한 진동과 소음 등을 가져오는 주된 원인 중 하나입니다.​

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