분야
hwp2. 1년에 5.510 kg의 ‘67% Cl’ CPVC를 제조하고자 한다. 공장이 1년에 310일
가동된다고 가정하고 필요한 10 wt% 슬러리, 흡수장치로 공급하여야 할 Cl(g) 및 염소화 반응기에서 생산되는 HCl의 양을 kg/h 단위로 계산하라. (염소 흡수장치와 염소화 반응기로 이루어진 계에 대하여 물질수지를 수립하라.)
3. 염소의 증기압 데이터는 다음과 같다.
4. 위 데이터를 사용하여 25C 하에서 염소의 PVC와 물에 대한 수정된 Henry 법칙의 계수 와 를 구하라. 용해도 데이터를 우선 plot하여 Henry 법칙의 타당성 여부를 확인한 다음 최소자승법을 적용하라.
5. 흡수장치 flowchart에는 7개의 미지수m와 m는 문제 3에서 이미 결정됨)가 존재한다. Vapor space의 염소와 수증기의 양은 일정하기 때문에 정상상태의 물질수지와는 무관함을 유의하면서 미지수의 값을 결정하기 위한 7개의 식을 열거하라. 시행착오법이나 수학 package 또는 spreadsheet를 사용하여 지수들의 값을 구하라.
6. 문제 6에서 얻은 수용액상에 용해된 염소의 몰분율(x)과 Raoult의 법칙을 사용하여 기상의 염소의 분압을 구하라. 문제 6에서 계산한 염소 분압이 정확한 값이라 가정할 때 오차는 몇 %인가? 오차가 생긴 이유는 무엇인가?
7. 흡수장치는 전 부피의 70%가 슬러리, 30%가 기체상으로 이루어져 있다. 슬러리의 평균 체류시간(mean residence time; 슬러리 부피를 배출되는 슬러리의 부피속도로 나눈 값이 12 min이라 할 때 문제 6의 결과 및 아래 specific volume 데이터를 사용하여 슬러리와 vapor space 및 흡수장치의 총 부피(m)를 각각 구하라.
8. 기상이 이상기체라 가정하고 염소 흡수장치에 들어있는 염소의 질량(kg)을 추정하라. (Hint: 슬러리 임의 질량을 basis로 하여 기준량의 슬러리가 점유하는 부피와 그속에 들어 있는 염소 질량을 계산한 뒤 문제 8에서 계산한 슬러리 실제 부피로 환산하고 기상에 존재하는 염소량을 추가한다.)
9. 반응기(reactor)의 길이는 중요한 설계 인자이다. 반응기가 너무 짧거나 길 경우의 단점은 무엇인가?
10. HCl은 물에는 매우 잘 용해되지만 CPVC에는 녹지 않는다. 반응기에서 유출되는 수용액 상의 pH를 추정하라. 수용액의 밀도는 1.005 g/cm이고 HCl은 H와 Cl로 완전 해리한다고 가정하라.
11. Reactor centrifuge는 반응기에서 배출되는 슬러리를 wetcake(90wt% CPVC)와 폐액(HCl)으로 분리한다. wetcake와 폐액의 질량 유속(kg/h) 및 폐액의 조성(질량분율)을 계산하라.
12. Reactor centrifuge에서 배출되는 wetcake는 resin neutralizer로 이송된다. jacket 방식의 반응기인 수지 중화장치에서는 HCl이 약 알칼리인 NaHCO에 의해 중화되는 다음 반응이 일어난다.
13. CPVC는 고온 하에서는 강산과 강알칼리에 매우 취약하다. 고가의 내부식성 재질을 사용하지 않는 한 산은 공정 장치들을 부식시키며 고체 함유량이 높은 슬러리 수용액은 펌핑이 어렵다. wetcake가 수지 중화장치 대신에 건조기로 직접 공급되지 않는 이유는 무엇이겠는가? 중화반응 시에 NaHCO를 사용한 까닭은 무엇이겠는가? 중화장치로 물(60C)을 추가 공급한 이유는 무엇이겠는가?
14. 10 wt% NaHCO 수용액 (비중 1.08)은 매 batch마다 NaHCO 분말 두 포대
(50 lb NaHCO/포대)를 탱크 속에서 물에 용해시켜 제조한다. 회분식 용해탱크는
용량의 80%까지만 용액으로 채워진다. 제조된 용액은 feed drum으로 이송된 뒤 수지
중화장치로 연속적으로 펌핑된다. 한 batch의 용액을 제조하여 feed drum으로 이송하고
다음 번 batch를 위하여 탱크를 세척할 때까지 작업자 한 명이 4시간의 작업을 수행한다.
feed drum은 2.5일 분의 용액을 저장할 수 있다.
(a) feed drum의 부피(), 매 batch 당 제조되는 용액의 부피() 및 용해 탱크의 적정
부피()를 계산하라.
(b) 공정의 요구사항을 충족하는데 필요한 용해 탱크의 최소 부피는 얼마인가?
용량에 관계없이 한 batch의 용액을 만들기 위해서는 4시간이 소요되고 탱크는 용량
의 80%까지만 채운다고 가정하라. 보다 큰 용량의 탱크를 사용할 경우의 이점은
무엇인가?
(c) 작업자가 한 batch의 용액을 feed drum으로 이송한 직후에 용해 탱크의 교반장치가 파손되어 수리하기까지 32시간이 필요하다고 가정하자. feed drum 속에는 방금 이송 된 용액을 포함하여 2일 분의 용액만 들어있다고 가정할 때 교반장치 수리 후 feed drum에 48시간 분의 용액이 채워질 때까지 걸리는 시간은 얼마인가? 위 (b)에서 계 산된 최소부피의 탱크가 사용되었다면 어떤 상황이 발생하였겠는가?
15. NaCl 수용액에 15 wt%의 CPVC가 들어 있는, 수지 중화장치에서 유출되는 슬러리는 product centrifuge를 지나면서 두 흐름으로 분리된다. wetcake는 90 wt%의 CPVC 및 10 wt%의 용액으로 구성되며 유출액체는 유입용액에 들어있던 나머지 성분들을 함유하고 있다. 원심분리기에서 배출되는 두 흐름의 질량 유속(kg/h)을 계산하라.
16. 폐액 중화장치에서는 reactor centrifuge에서 wetcake로부터 분리된 염산과 수지 중화
장치에서 생성된 CO가 NaOH(10 wt%), NaCl 및 NaCO가 용해되어 있는 수용액에
의해 중화된다.
17. 22C의 액체 염소가 염소 기화기로 연속적으로 펌핑되고 있다. 기화가 진행되면서 염소는 온도가 하강한다. 염소의 증발잠열 290 kJ/kg와 염소 증기의 열용량 0.48kJ/kgC을 사용하여 다음을 구하라.
18. 기화기에서 유출되는 염소는 단열 팽창밸브(adiabatic expansion valve)를 통과하면서 압력이 640 mmHg 하강하고 온도가 3C로 떨어진다. 염소는 그 후 열교환기를 거치면서 온도가 25C로 상승되어 염소 흡수장치로 유입된다. 문제 18에서 주어진 대략적인 열용량 값을 사용하여 열교환기 속에서 염소 증기로 전달되어야 할 열량(kJ/h)을 계산하라.
19. 염소 흡수장치에서 배출되는 흐름(25C)은 염소화 반응기로 유입되기 전에 50C로 가열되어야 한다. PVC의 열용량이 1.2 kJ/kgC이고 PVC 및 물에 용해된 염소의 열용량이 0.96 kJ/kgC일 때 예열기(reactor preheater) 속의 슬러리로 전달되어야 할 열량(kJ/h)은 얼마인가?
20. 염소화 반응기로 유입되는 슬러리의 온도는 50C이고 생성물은 65C로 배출된다. 반응시 발생된 대부분의 열은 반응기를 에워싸고 있는 jacket 속을 흐르는 냉각수로 전달된다. 냉각수는 15C로 유입되어 45C로 유출된다.
21. 폐액 중화장치로 공급될 가성소다 용액 batch들은 NaOH makeup tank에 순환된
혼합염 용액(25C)을 채우고 고체 NaOH 알갱이(25C)를 공급한 뒤 교반하면서
NaOH를 용해시키는 방식으로 제조한다. NaOH가 물에 용해될 때는 많은 열이
발생한다. batch의 온도가 너무 높아지는 것을 방지하기 위하여 makeup tank 주변의
jacket로 15C의 냉각수가 즉시 펌핑된다. 4시간이 경과되면 용해과정은 종료된다......
22. Product centrifuge를 떠나는 CPVC wetcake(80C, 1 atm)는 회전건조기(수평면 기준
35 기울어진 회전 원통)의 높은 쪽 끝으로 공급된다. 27C, 1 atm, 60% 상대습도인
fresh air는 건조기로부터 순환되는 공기와 단열 혼합되고 이 공기는 furnace에서
가열된 후 건조기의 낮은 쪽 끝으로 공급된다. 즉 wetcake와 공기는 반대방향으로
이동하며 wetcake로부터 수분이 증발된다. ....
23. 마른 공기 furnace에서는 메탄(92.5 mol%), 에탄(4.8%) 및 프로판(2.7%)으로 이루어진
천연가스가 20% 과잉공기에 의해 연소된다. 연료는 furnace로 25C에서 공급되며
유입공기의 조건은 27C, 1 atm, 상대습도 60%이다.......
24. 수년간의 연구 끝에 회사는 염소 함량이 70 wt%인 새로운 등급의 CPVC를 개발
하였다. 개발된 물질은 난연성이고 연화점이 높아 용도가 매우 다양한 것으로
판명되었다. 이에 따라 회사에서는 원료인 PVC의 일부를 70% Cl CPVC 제조에
사용함으로써 두 종류의 CPVC(67% Cl 및 70% Cl)를 생산, 판매하는 가능성을 검토
하고 있다. ......
(풀이과정.)
basis : 100kg Slurry (문제에서 주어짐)
⇒ PVC : 10kg , H2O : 90kg / XP : 0.1326, Xa : 0.0495
․ Slurry중 PVC의 조성이 0.1, H2O의 조성이 0.9이므로 PVC : 10kg, H2O : 90kg이 된다.
․ XP, Xa의 값은 문제 6번에서 이미 구한 값이다.
① 액상에서 의 질량 구하기
⇒ XP 는 PVC에 녹아있는 의 분율이고, 우리가 아는 값은 PVC의 질량이기 때문에 PVC
의 질량을 PVC의 분율로 나눠주어 Polymer(PVC +)의 전체 질량을 구한후 의
분율을 곱해주어서 PVC에 녹아있는 을 구해준다.
H2O에 녹아있는 의 질량 또한 위와 같이 구하면 된다.
