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1. 화학반응 공학 설계
1.1. 설계 문제
시간당 6000kg의 Benzene을 대기압 하에서 응축시키려고 하므로, 이에 적합한 열교환기를 설계해야 한다"" 주어진 조건으로는 Benzene이 shell side에서 응축되고 냉각수는 tube side로 흐르는 열교환기를 설계해야 한다"" 또한 냉각수의 유입 온도는 303K로 제시되었으므로 이 온도를 고려하여 열교환기를 설계해야 한다""
1.2. Aspen을 이용한 설계 과정
Aspen을 이용한 설계 과정은 다음과 같다.
BENZENE을 응축시키기 위해서는 BENZENE의 끓는점인 353.15K보다 조금 더 높은 온도로 증기를 투입해야 한다. 따라서 증기 온도를 약 360K로 설정하였다. 냉각수의 유량은 열전달 계수를 크게 하기 위해 5000kg/hr로 가정하였다.
열교환기의 종류는 다양한 Type 중 E-Type을 선정하였다. E-Type은 전열 효과가 크지만 압력 손실도 크다는 특징이 있다. 하지만 Single Tube pass를 통해 온도 교차가 있는 유체를 다룰 수 있어 일반적으로 가장 많이 사용되는 교환기 Type이다. E-Type의 장점은 청소가 용이하고 층류 운동에 유리하며 압력 손실대비 전열효과가 크고 가격도 저렴하다는 것이다.
튜브 재질로는 열전도율이 높고 강도가 높으며 내식성이 우수한 Carbon steel을 선택하였다. 튜브 외경은 가장 표준이 되는 19.05mm(0.75인치)를 사용하였다. 튜브 두께는 TEMA에서 권장하는 14AWG를 사용하였다. 튜브 길이는 가장 긴 6.10m로 하여 전열면적을 최대화하였다. 튜브 배열은 청소에 유리한 사각 배열 45°을 선택하였고, 튜브 피치는 Tube 외경의 1.25배인 23.81mm를 사용하였다.
Baffle은 전열 효과가 좋은 Segmental baffle을 사용하였고, Baffle 수는 5개로 하였다. Baffle Spacing은 Shell 직경의 1/5인 0.2를 사용하였다.
시뮬레이션 결과, 표준 값을 기준으로 한 열교환기 설계의 열효율은 95%이고, 가격은 약 19억 8천만원으로 측정되었다. 경제성을 높이기 위해 여러 가지 변수를 조정하여 재설계한 결과, 최종적으로 열효율 91%, 가격 약 19억 4,800만원의 설계를 얻을 수 있었다. 이는 열효율을 4% 포기하는 대신 약 3,150만원의 경제적 이득을 얻을 수 있는 것이다.
1.3. 안전성 및 반응성
화학반응공학 설계 시 안전성과 반응성에 유의해야 한다"화학반응공학 설계를 하면서 많은 위험성이 따르므로 안전성에 유의해야 한다"고 문서에 명시되어 있다. 우선 벤젠이라는 물질의 특성을 파악해야 한다. 벤젠은 격렬하게 중합반응하여 화재와 폭발을 일으킬 수 있고, 인화점이나 그 이상에서 폭발성 혼합물을 형성할 수 있다. 또한 가열 시 용기가 폭발할 수 있으며, 고인화성으로 열, 스파크, 화염에 의해 쉽게 점화된다. 누출물은 화재, 폭발 위험이 있고 실내, 실외, 하수구에서 증기 폭발 위험이 있다. 증기는 공기와 폭발성 혼합물을 형성할 수 있으며, 점화원까지 이동하여 역화할 수 있다. 이뿐만 아니라 증기는 자각 없이 현기증 또는 질식을 유발할 수 있고, 흡입 및 접촉 시 피부와 눈을 자극하거나 화상을 입힐 수 있으며 독성이 있을 수 있다. 따라서 열, 스파크, 화염, 고열로부터 벤젠을 멀리해야 하며, 보관 장소의 온도는 15~20℃, 습도는 70%가 이상적이다. 보관 장소 내 전기 모터나 용접 장비 같은 오존발생 장비가 없어야 하고, 유기 용매제나 산이 없어야 하며 직사광선, 강한 복사열, 자외선을 피해야 한다. 또한 외부 보관 시 육안으로 조임볼트의 윤활상태, 금속 입출구 상태, 전체 보호 상태를 확인해야 한다.
1.4. 결론 및 고찰
이 설계의 목표는 최대한의 효율과 경제성을 가진 열 교환기를 설계하는 것이었다. 열 교환기의 종류, 재질, 튜브 규격, 튜브 재질, 온도를 각각 최적으로 설정하여 효율과 경제성을 모두 잡도록 설계하였다. 그 결과 이상적인 설계인 효율 91%, 비용 19억 4,828만 1,995원을 찾았다. Aspen Plus라는 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 해봄으로써 수업의 내용을 적...
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