압축 가스: CO2 및 H2O 혼합물 압축의 위험
엔지니어링 분야에서 가스 혼합물 압축은 관련 가스의 속성과 거동에 대한 심층적인 이해가 필요한 일반적이면서도 복잡한 프로세스입니다. 오늘 우리는 이산화탄소(CO2)를 물(H2O)과 혼합할 때의 압축에 대한 구체적인 사항을 살펴볼 것이며, 이 시나리오에서는 고유한 과제와 위험이 있습니다.
CO2의 특성
CO2 는 무취의 투명한 기체로, 주변 공기보다 무겁습니다.
상온(20°C)과 압력(1bar)에서는 기체로 존재하지만 물과 결합하면 그 특성이 달라집니다. H2O 농도가 2.33% vol을 초과하면 물이 응축되어 액체 방울을 형성하기 시작합니다.
예를 들어, 고온의 포화 가스 혼합물이 압축 후 인터쿨러 또는 애프터쿨러로 냉각되는 경우에도 H2O 기체의 응축이 발생합니다.
액체 H2O가 존재할 때 혼합물은 탄산(H2CO3)을 형성하며, 이는 CO2, 액체 H2O 및 HCO3 이온 사이의 평형을 이룹니다. 이러한 평형은 CO2 의 분압에 의해 영향을 받으며, 이는 기체로 남아 있거나 응축수에서 HCO3 이온으로 변환되는 CO2의 양을 결정합니다.
HCO3 이온이 더 많이 용해될수록 응축수는 더 산성화됩니다.
관련된 산성 위험
CO2와 H2O 혼합물을 압축할 때 발생하는 주요 위험은 산의 형성에 있습니다. CO2 가 물에 닿으면 탄산이 형성되며, 이는 압축 챔버 또는 응축이 발생할 수 있는 모든 위치에서 사용되는 재료에 부식 효과를 일으킬 수 있습니다.
따라서 컴프레서 및 관련 부품 제작에 스테인리스 강을 사용하는 것이 중요합니다. 스테인리스 강은 압축 및 냉각 과정에서 형성되는 산의 부식 특성에 대한 저항성을 제공하여 기계의 내구성과 신뢰성을 보장합니다.
스테인리스 강
스테인리스 강은 주로 크롬의 존재로 인해 내부식성으로 유명합니다. 정의에 따라 스테인리스 강은 중량 대비 크롬 함량이 최소 10.5% 이상이어야 합니다. 스테인리스 강의 내부식성은 니켈, 몰리브덴, 질소, 티타늄과 같은 다른 합금 원소를 첨가하여 더욱 향상될 수 있습니다.
예를 들어, 일반적인 유형인 AISI 304L 스테인리스 강은 크롬 18.111%와 니켈 8.074%를 함유하고 있어 항복 강도 351N/mm², 인장 강도 619N/mm²로 우수한 내부식성과 기계적 특성을 제공합니다. 또한 탄소 함량이 낮아 용접 후 간섭식 부식을 방지하는 데 도움이 됩니다.
이러한 특성으로 인해 스테인리스 강은 내구성과 위생이 가장 중요한 의료, 식품 가공 및 건설 산업을 비롯한 다양한 응용 분야에 이상적인 소재입니다.
관련된 액체 위험
가스 혼합물에서 H2O가 포함될 때 고려해야 할 두 번째, 그리고 동등하게 중요한 위험은 압축 전에 액체 방울이 형성되는 것과 관련이 있습니다. 이러한 액체 방울은 기체에 비해 압축성이 훨씬 낮습니다. 체적 컴프레서의 압축 챔버에 들어갈 때 압축하는 데 필요한 힘은 가스 컴프레서의 설계 범위를 훨씬 초과할 수 있습니다.
이로 인해 크랭크축 고장, 피스톤 로드 손상 또는 기타 기계적 고장이 발생할 수 있습니다.
습한 CO2, 특히 포화된 CO2 의 압축과 관련된 위험을 완화하려면
흡입구 분리기 사용이 필수적입니다.
- 이 장치는 액체 상태의 물이 압축 챔버로 들어가는 것을 방지하여 실린더, 밸브 및 피스톤이 손상되지 않도록 보호합니다.
- 또한 까다로운 응용 분야에서 가스 컴프레서의 안정적인 작동을 보장합니다.
관련된 열 위험
고려해야 할 또 다른 측면은 가스 혼합물의 비열입니다. 비열은 가스 온도를 변화시키는 데 필요한 에너지의 양을 나타냅니다. 동일한 양의 주변 공기 또는 순수 CO2를 압축하면 동일한 출구 압력에서 가스 온도가 달라집니다.
압축 공정 및 관련 냉각 요구 사항을 미세 조정하여 온도 변화와 관련된 위험을 방지하려면 이 속성을 철저히 이해해야 합니다.
적절한 크기의 인터쿨러와 애프터쿨러를 사용하면 컴프레서를 가장 효율적으로 작동시키고 운영 비용을 최소화할 수 있습니다.
결론
CO2 및 H2O 혼합물을 압축하는 것은 관련 가스의 특성을 존중해야 하는 작업입니다.
스테인리스 강과 같은 적절한 재료를 사용하고 흡입구 분리기와 같은 안전 조치를 통합함으로써 엔지니어는 위험을 효과적으로 관리하고 안전하고 효율적인 운영을 보장할 수 있습니다.