4.1 HYSYS 프로그램의 시스템 해석 조건
4.1.2 시스템 주요 Unit Operation 해석 이론
(1) 압축기(compressor)
압축기의 운전효율은 실제 압축과정에서의 동력과 단열압축에서 동력의 비 율로 나타낸다. 단열압축 및 폴리트로픽(polytropic) 동력( )는 다음 식 (4.5)로 얻어진다.
×
(4.5) 여기서,
Volume exponent
Correction factor
Pressure of the inlet stream
Pressure of the outlet stream Density of the inlet stream
Molar flow rate of the inlet stream
Molecular weight of the gas체적지수(volume component) 은 등엔트로피 출력과 폴리트로픽 출력에 대 해 각각 다음 식 (4.6) 및 (4.7)과 같이 정의 된다.
ln
′
ln
(4.6)
여기서, ′는 입구 엔트로피에 상응하는 출구유체의 밀도
ln
ln
(4.7)
여기서, 는 출구유체의 밀도
보정계수(correction factor)는 다음 식 (4.8)로 계산된다.
′
′
(4.8)
여기서, 은 입구유체 엔트로피에 상응하는 출구유체 엔탈피, ′는 입구유 체의 엔탈피
압축기의 효율을 나타내는 단열효율()과 폴리트로픽효율()은 다음 식 (4.9)와 (4.10)로 계산된다.
(4.9)
×
×
× (4.10)
여기서 ,
Mass enthalpy Mass density
Polytropic exponent
Isentropic exponent
(2) 가열기 및 냉각기
HYSYS에서 가열기(heater)와 냉각기(cooler)는 기기의 상태보다는 공정 흐 름(process stream)에서 가열과 냉각에 요구되는 에너지를 계산하는데 유리하 다. 입구로 주어진 유체는 출구 측 조건으로 가열되거나 냉각되는데 이때 입 출구 차이만큼 엔탈피를 흡수하거나 배출하게 된다. 폐수동결농축처리시스템 의 경우 사용되는 가열기와 냉각기는 모두 브라인탱크에 내장되어 열교환이 이루어지므로 열 손실을 최소화할 수 있고 시스템 구성을 간단히 할 수 있다.
시스템의 해석에서도 기기의 상태 보다는 열에너지의 입출에 중점을 두고 계 산하였다. 가열기와 냉각기의 기본 모델에 적용되는 식은 다음 (4.11)과 (4.12) 이다.
(4.11)
(4.12)
여기서,
Process fluid flow rate Density
Enthalpy
Heater duty
Cooler duty
Volume shell or tube holdup(3) 열교환기
열교환기의 계산은 고온과 저온 유체의 에너지 밸런스에 기초하며, 일반적 으로 고온의 유체가 저온의 유체에 열교환기 용량만큼의 열량을 공급하게 된 다. 열정산(heat balance)식은 다음 식 (4.13)과 같다.
(4.13)여기서,
Fluid mass flow rate
Enthalpy
Heat leak
Heat loss열교환기를 통해서 전달되는 총열전달량(heat exchange duty)은 총열전달계 수, 열교환기의 전열면적, 대수평균온도차(Log Mean Temperature Difference, LMTD)에 의해 다음 식 (4.14)로 나타낼 수 있다.
(4.14)여기서,
Overall heat transfer coefficient
Surface area available for heat transfer
Log mean temperature difference
LMTD correction factor일반적으로, 기본 모델 열교환기에 적용되는 식은 다음과 같다.
(4.15)
튜브(tube) 측은,
(4.16)
여기서,
Shell fluid flow rate
Tube fluid flow rate Density
Enthalpy
Heat loss
Heat transfer from the tube side to the shell side
Volume shell or tube holdup(4) 펌프
펌프는 입구 측 유체에 압력을 증가시켜 이송하기 위해 사용된다. 펌프의 작동은 압축기의 작동과 유사하나 비압축성 유체에 적용된다. 펌프의 이상적 인 동력(ideal power, )은 다음 식 (4.17)의 표준펌프 방정식에 근거하여 계산한다.
×
(4.17)
여기서,
Pump outlet pressure
Pump inlet pressure
Flow rateLiquid density
펌프의 실동력(actual power,
)은 펌프의 효율식 (4.18)에서 정의된다.
× (4.18)
식 (4.17)과 (4.18)에서 펌프 운전에 필요한 실동력은 다음 식 (4.19)로 나타 낼 수 있다.
×
×
×(4.19)
실동력은 또한 입출구 유체의 열유량(heat flow) 차와 같다. 펌프의 효율이 100 % 보다 작은 경우 초과 에너지는 출구의 유체 온도를 상승시키게 된다.