Liquid ring vacuum pump 이해

Introduction

주로 valuable solvent, VCM recovery나 vacuum distillation, drying, evaporation 혹은 flare gas recovery에 사용하며 그 밖에도 chlorine compression, hydrogen compression, hydrocarbon compression, toxic, explosive, corrosive환경에도 적용하고, 증기나 습한 가스를 압축하되 압축을 위해 liquid가 sealant로 주입이 되므로 liquid ring compressor (pump)라고 한다. 이처럼 다용도로 활용되며 wet load를 처리하고 1”HgA의 압력에서도 운전이 된다.

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주로 sealing유체로 물을 사용하므로 수봉식 진공 펌프 혹은 일반적으로는 액봉식 진공펌프라고 하며 이 펌프는 케이싱 내에서 물을 선회시켜 펌프작용을 하며, 흡입기체에 포함된 물, 수용액, 오일 등의 액체 또는 분체에 대해서도 고장의 염려가 없는 이점이 있으며 여러 분야에서 광범위하게 사용된다.

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Operating principle and general feature

Oval casing 내부의 임펠라는 casing과 편심 (eccentric)된 위치 (offset rotor)에 탑재되어 있다. rotor가 회전하면서 casing내 질량이 큰 물은 원심력에 의해 케이싱 내벽에 일정한 두께로 liquid ring이 형성되며 이 liquid ring 내벽과 impeller blade에 의해 생긴 chamber 공동 (void or cavity)의 용적에 의해 inlet port를 통해 가스가 유입된 후 chamber내 trapping되어 회전위치에 따라 용적이 주기적으로 변하면서 기체를 압축하며 discharge port를 통해 배출된다. 압축이 진행되면서 압축열이 liquid ring에 전달이 되며 일정 온도 유지를 위해 liquid ring에 external seal fluid liquid를 연속적으로 주입하여 이 액체는 압축열을 absorbing하고 압축된 vapor와 함께 separator로 나간다.

 

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Casing과 impeller사이의 틈에 밀봉액을 사용해서 가스를 흡입, 팽창, 압축 및 배기하는 진공펌프이며, 이 때 feed조건 중 water vapor뿐만 아니라 vacuum조건에서 응축할 수 있는 다른 조성이 얼만만큼 있는지가 설계에 매우 중요하다. 압축과정에서 이러한 가스의 응축이 일어나 밀봉액의 온도가 올라가며 오염도 발생하고 응축액의 증기압에 의해 진공도 잘 걸리지 않게 된다. Liquid ring vacuum pump는 흡입시 액체의 증기압 가까이 도달하면 진공을 더 이상 걸 수가 없으며 계속 운전시 그 액체가 증발하여 배출되기 때문에 진공이 전혀 걸리지 않게 된다. 따라서 sealing liquid의 냉각이 중요하며, sealing liquid내 저비점 물질들이 응축되어 섞여 있을 경우 주기적으로 drain 및 fresh liquid를 make-up해주어야 한다.

 

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LRVP의 특징으로는 다음과 같다. 수명이 길고 유지관리가 적고, 맥동이 낮으며 마모가 적다. 가연성 가스나 부식성 가스에도 적합하며 소음이나 진동이 낮고 마찰이 낮으며 안정적인 운전이 가능하다. sealant로 cooling을 하므로 압축열이 연속적으로 제거되어 운전온도 상승이 낮다. 포화가스나 액체가 carry over된 가스도 처리하며 재질 선정이 용이하고 마찰이 없어 분체에 의한 고장이 없다.

 

 

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또한 압력 fluctuation이 거의 없이 상당히 안정적인 가스흐름을 제공하고 Weight당 capacity가 높고 footprint가 작다. maintenance측면에서 back pullout이 가능하여 연결된 배관이나 service liquid connection의 분리가 요구되지 않는다.

 

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Liquid ring compressor는 운전 특성상 feed gas내 적당한 양의 liquid를 처리할 수 있지만 이로 인해 liquid ring compressor가 처리할 수 있는 capacity가 줄어들 수 있으며 required power가 증가될 수 있다. 따라서 일반적으로 들어오는 가스 volume flow의 1~2%이내로 liquid flow를 제한해야 하며 incoming liquid가 continuous라면 seal fluid는 그만큼 줄여서 recirculation시킨다. 하지만 많은 양의 liquid가 들어올 경우에는 separator를 liquid ring compressor 전단에 설치하여 excess liquid를 제거해야 한다.

 

 

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Broad Applicability

Seal fluid로서 물이 가장 많이 사용되고 그 다음 oil을 많이 사용하지만 process와 compatible해야 하고 vapor pressure만 적합하다면 제3의 유체를 사용할 수도 있다. vacuum이나 건조 공정을 통해 handling하기 어려운 vapor를 generation하는 경우 동일 유체의 liquid를 seal fluid로 사용, CW로 충분히 온도를 낮추고 (vapor pressure를 낮추고) 설계치의 vacuum을 유지하여 vapor를 압축한다.

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Vacuum 공정에서 ring liquid의 vapor pressure는 원하는 vacuum 정도를 제한할 수 있다. Vacuum정도가 ring liquid의 vapor pressure로 접근할수록 liquid로부터 많은 양의 vapor가 생성되어 vacuum capacity를 감소시켜 system 효율이 감소하게 된다. 일반적으로 공기와 15도 이하의 물을 사용할 때 single stage는 0.06barA vacuum을, two stage는 0.03barA 이하의 vacuum을 생성할 수 있다. 아울러 discharge pressure의 경우 single stage는 6barg이하까지 압축이 가능하고 two stage는 16barg까지 압축할 수 있다. 대부분의 vendor가 위 조건으로 standard performance curve를 만든다.

 

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Lubrication

윤활과 냉각을 동시에 수행하여 베어링을 보호하거나 열을 제거하며 smooth operation이 되도록 도와주고 component간의 마모를 줄여준다. 온도도 왕복동 type의 온도보다도 낮아 보통 90도 이하이다. 고온 가스 유입이나 기계 malfunction으로 인해 온도가 올라갈 경우 합성 오일을 분해하여 carbon과 varnish (도료, 막) deposit을 야기한다.

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Flare gas recovery처럼 HC compressor인 경우 일부 무거운 성분들은 cooling water jacket근처의 cold place에서 응축을 하여 윤활유를 희석시킬 수 있다. 이 경우 점도가 낮아져 베어링 윤활 기능이 떨어지며, 가스가 acid할 경우 윤활유를 오염시키거나 acid fume에 노출된다. 베어링 트러블은 점도가 너무 낮거나 slug 혹은 dirty가 있을 때 발생되며 보통 ISO 46를 많이 사용하고, 운전온도 90도 이하에서 점도 index는 100를 넘어야 한다.

 

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Flare Gas Recovery

Flare waste gas를 fuel이나 다른 목적으로 회수를 하여 emission이나 fuel gas비용을 줄일 수 있다. Flare gas내에는 droplet뿐만 아니라 dust나 dirt particle도 포함하며 가스와 seal liquid의 매우 친밀한 접촉을 통해 거의 등온 압축이 가능하고 아울러 wet process stream이나 fouling service에도 사용이 가능하다.

 

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Detailed Operating Concept

Check valve는 start-up이나 shut down시의 가스의 역류를 방지하며 시스템내 압력손실을 최소화하기 위해 low pressure drop type check valve를 선정하고 일반적으로 butterfly type check valve가 이에 적합하다.

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100mmHgA이하일 경우 suction pressure control이나 anti-cavitation방법이 요구되고 가장 간단한 방법이 globe valve와 같은 manual bleed valve이며 vacuum relief valve의 suction pressure가 spring에 반대로 작용하여 load가 줄어 과도한 vacuum이 형성되면 diaphragm을 아래로 당기며 공기가 들어와 cavitation을 방지하지만, suction pressure를 정확히 제어하지는 못한다. 대기압이 set point에 영향을 주므로 주기적인 adjustment가 필요하다. 그래서 압력 제어를 위해 후단 separator로부터 non-condensable gas를 recycle하여 suction 압력을 유지한다.

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전단의 vacuum gauge는 가장 정확한 device는 아니지만 전단의 vacuum level을 roughly 알 수 있으며 시스템을 test하거나 troubleshooting시에는 좀 더 정확한 U tube manometer나 calibrated electronic pressure transmitter를 사용할 수 있다.

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Liquid ring compressor는 gas와 seal liquid를 배출하여 separator에서 원심력과 중력에 의해 각각 분리가 일어난다. Seal liquid는 가압, 냉각후 다시 liquid ring pump로 공급되며 separator내에는 항상 액위를 육안으로 확인할 수 있도록 level gauge가 설치되어야 한다. 물과 같이 위험물이 아닌 경우에는 tubular glass gauge가 사용될 수 있고, 유체가 flammable이거나 hazardous일 경우 breakage로부터 보호기능이 우수한 reflex gauge type을 사용해야 한다.

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Liquid ring compressor는 wet 혹은 condensable load를 다루며 vapor중 일부 heavy한 성분은 casing내에서 응축될 수 있고 이는 separator로 배출되어 excess level이 되므로 overflow를 고려한다. 아울러 일정 액위를 유지하기 위해 make-up도 고려한다. Remote control이 필요할 경우 level transmitter와 control valve 그리고 emergency를 대비하여 level switch와 on off valve를 고려한다.

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Separator의 make-up과 overflow외에 recirculated seal line에도 manual drain과 make-up을 고려하여 초기 system filling시 사용하거나 운전중 make-up이 필요할 경우 이용할 수 있다. Seal fluid를 control하기 위해 manual globe valve를 고려하고 후단에 compound gauge도 설치한다.

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Seal liquid가 충분하게 circulation되지 않는다면 vacuum 형성이 충분하지 못하고 capacity의 감소 및 cavitation도 발생할 수 있다. 따라서 low flow alarm이 고려되며 pump가 없는 자체 circulation system인 경우 유량계의 pressure drop을 최소화하기 위해 thermal dispersion flow switch가 사용될 수 있다. 육안으로 확인을 위해 sight glass indicator나 rotameter가 사용될 수 있다. 압축이나 마찰, 응축과정의 열을 제거하기 위해 seal cooler가 고려된다. Close temperature approach인 경우 plate type이 적합하며 CW가 available하지 않다면 air cooling방식을 적용한다. Seal liquid의 온도가 vacuum에 직접 영향을 주므로 온도를 측정하여 설계값과 비교한다.

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Liquid ring compressor는 shaft seal flush가 필요하다. Packing gland이든 mechanical seal이든 seal을 냉각하고 윤활하기 위해 flushing을 위한 clean fluid가 필요하다. Packing gland인 경우 flushing fluid가 stuffing box로 들어가 gland를 통해 분산이 되어 윤활과 냉각을 한 후 dripping된다. Single mechanical seal인 경우 flushing liquid가 seal face를 윤활 및 냉각을 한 후 liquid ring pump속으로 들어 감에 따라 두 유체는 서로 compatible해야 하며 일반적으로 동일 유체를 적용한다. water vapor를 포함한 가스일 경우 물이 가장 적합하며 그 외의 경우에는 압축되는 가스 조성을 확인하여 seal fluid를 결정해야 한다. 이 때 service liquid의 밀도, 점도, 증기압, service liquid내 가스의 용해도가 매우 중요하다. Double mechanical seal인 경우 flushing liquid가 seal사이의 cavity로 들어가 분리된 connection을 통해 나오므로 두 유체간 혼합이나 접촉이 없으며​ 일반적으로 물을 가장 많이 사용한다.

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Seal fluid line에 clogging이 발생시 seal fluid공급이 줄어들어 liquid ring compressor운전에 큰 영향을 줌에 따라 process가 dirty하다면 strainer를 추가해야 하며 pump가 없는 시스템일 경우 strainer는 make-up line에만 고려한다.

 

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