이중층 유리 반응기용 고정밀 진공 압력(양압 및 음압) 제어 솔루션
1. 이중층 유리 반응기란 무엇입니까?
이중 유리 반응기는 이중 유리 구조로 설계되었습니다. 내부 층은 반응 용매에 넣어 교반 반응을 진행할 수 있으며, 중간 층은 다양한 냉온원(냉각액, 온수 또는 뜨거운 오일)을 통과시켜 주기적인 가열 또는 냉각 반응을 수행할 수 있습니다.
설정된 항온 조건 하의 밀폐된 유리 반응기에서, 필요에 따라 진공에서 약간의 양압 조건 하에 교반 반응을 진행할 수 있으며, 반응 용액의 환류 및 증류도 수행할 수 있습니다. 이는 현대 정밀화학 공장, 바이오 의약품 및 신소재 합성 분야에 이상적인 제조 설비입니다.
이중 유리 반응기는 다른 반응기들과 동일합니다. 진공 압력은 반응 과정에서 중요한 제어 변수입니다. 반응 과정에 따라 필요한 진공(음압) 또는 압력(양압) 값이 다를 수 있습니다.
그러나 현재 대다수의 유리 교반 탱크 반응기에서는 진공 압력의 정확한 제어에 심각한 결함이 여전히 존재하며, 이는 주로 다음과 같은 측면에서 나타납니다.
- 자동 제어 방식이 없고 대부분 진공 펌프의 작동과 수동 조작에만 의존하기 때문에 단순한 진공 환경을 개선할 수는 있지만 제어 수준에는 도달할 수 없습니다.
- 일부 진공 압력 제어기는 스위치 방식의 공기 흡입 제어 모드를 채택하고 있어 진공 압력이 크게 변동하며, 프로그램 제어에 도달하지 못하는 경우가 많습니다.
- 제어 방식이 단일 방식이라 진공도를 전체 범위(1Pa~0.1MPa)에서 제어하는 것이 불가능하고 특정 범위 내에서만 제어가 가능하다. 또한 대부분의 유리 교반 탱크 반응기는 미세 양압 공급 및 제어 기능을 갖추고 있지 않다.
- 많은 반응기에서는 펌핑 속도를 제어하기 위해 버터플라이 밸브나 볼 밸브를 사용합니다. 그러나 소형 유리 반응기의 경우, 특히 온도가 변할 때 버터플라이 밸브와 볼 밸브의 반응 속도가 너무 느려 진공 압력을 정확하게 제어하기 어렵습니다. 이러한 현상은 반응 과정에서 특히 두드러지게 나타납니다.
- 마찬가지로, 속도 조절이 가능한 진공 펌프도 반응기의 진공도를 제어하는 데 사용됩니다. 그러나 응답 속도가 느려 진공 압력이 크게 변동하는 문제가 있습니다. 또한, 펌핑 속도 조절만으로는 1기압에 가까운 저진공(고압) 범위만 제어할 수 있고, 더 높은 진공(저압) 범위를 제어하는 데는 한계가 있습니다.
- 많은 원자로는 가스(또는 액체) 부품에 대해 엄격한 요구 사항을 가지고 있어 위생적인(또는 식품 등급의) 밸브가 필요하지만, 현재 시판되는 대부분의 전기 제어 밸브는 이러한 특수 요구 사항을 충족하지 못합니다.
본 논문에서는 이중 유리 반응기에서 발생하는 상기 문제들을 해결하기 위해, 카오루(Kao Lu)의 비례 압력 조절기(PIR) 와 고정밀 이중 채널 PID 컨트롤러를 다양한 범위의 진공 게이지, 반응기, 진공 펌프, 그리고 양압 공기 공급원과 결합하여 폐루프 제어 시스템을 구성하는 완벽하고 완성도 높은 솔루션을 제시합니다.
상류와 하류(흡입구와 배기구)의 동시 제어를 위한 양방향 모드를 통해 진공 및 미세 양압의 전 범위에 대한 자동 프로그래밍 제어가 가능하며, 높은 제어 정확도를 달성하고 호스트 컴퓨터와 통신하여 중앙 제어를 구현할 수 있습니다.
2. 진공 압력(양압 및 음압, 고압 및 저압) 제어 방식
일반적으로 우리는 표준 대기압(절대압력 1Bar 또는 750 Torr)을 기준점으로 삼아, 표준 대기압보다 낮은 압력을 음압 또는 진공 환경으로, 표준 대기압보다 높은 압력을 양압 환경으로 규정합니다.
따라서 교반 반응기의 작동 환경 공기압 제어는 전형적인 진공 압력(양압 및 음압 또는 고압 및 저압) 제어 문제이다.
양압 및 음압 제어의 대표적인 방법은 동적 평형법이며, 그 원리는 그림 1에 나타나 있다.
동적 평형법의 핵심 원리는 제어 압력 용기 내의 공기 흡입구와 배출구가 특정 설정된 평형 상태에 도달하는 것입니다. 그림 1에서 검은색 화살표는 가스 흐름 방향을 나타내고, 빨간색 화살표는 전기 신호의 전송 및 방향을 나타냅니다.
이 중 고압 공기 공급원은 양압 공급원으로 사용되고, 진공 펌프는 공기 펌핑을 위한 음압 공급원으로 사용됩니다. 공정 조절기는 센서 신호를 수집하여 설정값과 비교함으로써 유입 및 유출 밸브의 개방량을 동시에 조절하여 유입 및 유출 유량이 균형 상태에서 설정값에 도달하도록 합니다.
진공 압력 제어에 동적 평형법을 사용하는 데에는 두 가지 주요 이점이 있습니다.
- 제어 범위가 매우 넓어 진공에서 양압에 이르기까지 연속적인 제어가 가능합니다.
- 이 시스템은 전 범위에 걸쳐 높은 제어 정밀도를 제공합니다. 고진공(저압) 범위에서 제어할 때는 배기 밸브 개방을 고정하고 흡기 밸브 개방을 조절합니다. 저진공 또는 약 양압 범위에서 제어할 때는 흡기 밸브 개방을 고정하고 배기 밸브 개방을 조절합니다.
3. 해결책
진공 압력 제어 장치는 주로 고압 공기 공급원, 카오루(Kao Lu)사의 진공 비례 압력 조절기 , 진공 압력 센서, PID 공정 조절기 및 진공 펌프로 구성됩니다.
- 고압 공기 공급원
고압 가스 공급원은 일반적으로 미세 양압 제어 공정에 설정된 압력보다 높은 고압 가스를 제공합니다. 가스 공급원은 일반적으로 고압 가스 실린더이며, 고압 가스 실린더는 감압 밸브를 통해 일정한 압력의 가스를 출력합니다.
이 고정 압력은 제어해야 하는 미세 양압보다 약간 높아야 합니다. 만약 반응기를 진공(음압) 범위에서만 제어하면 된다면 고압 가스 공급원이 필요 없고 대기를 직접 사용할 수 있습니다. - Kao Lu의 진공 비례 압력 조절기
카오루(Kao Lu) 의 진공 비례 압력 조절기는 전자식 니들 밸브를 포함하는 빠른 응답 속도의 전자식 조절 밸브입니다. 카오루의 진공 비례 압력 조절기는 소량 유량 조절에 적합합니다. 소형 이중 유리 반응기의 경우, 입구 및 출구 조절 밸브에 전자식 니들 밸브를 직접 사용할 수 있으며, 대용량 반응기의 경우 입구 밸브에 전자식 니들 밸브를 적용합니다.
Kao Lu 의 진공 비례 압력 조절기의 완전 개방 시간은 0.8초입니다. 빠른 응답 시간은 제어 정확도를 보장하는 중요한 요소 중 하나입니다. - 진공 압력 센서
센서는 반응 공정 전반에 걸쳐 진공 압력을 측정하는 데 핵심적인 역할을 하며, 센서의 측정 정확도는 반응기 온도 및 진공 압력 제어의 정확도와 공정 효율성을 결정짓는 중요한 요소입니다. 따라서 일반적으로 고정밀 용량형 진공 게이지를 사용하는 것이 권장됩니다.
진공 압력 범위 전체에 걸쳐 두 가지 규격(10Torr 및 1000Torr)의 정전 용량식 진공계는 저압(진공)부터 약양압(고압)까지의 전 범위를 기본적으로 측정할 수 있으며, 어떤 진공 압력에서도 0.25%의 측정 정확도를 보장합니다. 측정 범위에 따른 정전 용량식 진공계의 신호 출력은 일반적으로 0~10V DC 전압이며, 출력 전압은 진공도 측정값과 선형적인 관계를 나타냅니다.
일부 원자로에서는 진공 범위 측정에 피라니 게이지를 사용하지만, 피라니 게이지의 측정 오차가 비교적 크고, 이에 따른 출력 전압 신호는 진공도와 비선형적인 관계를 가지므로, 일반적으로 원자로 진공 압력 제어에는 높은 제어 정확도가 요구되지 않아 피라니 게이지는 측정에만 사용됩니다.
용량형 진공계의 양압 측정 능력은 매우 제한적이며, 피라니 게이지는 양압을 측정할 수 없다는 점에 특히 주의해야 합니다. 양압 제어가 필요한 경우에는 그에 상응하는 정확도를 갖춘 양압 센서가 필요합니다. - PID 프로세스 조절기
진공 압력 제어의 핵심은 공정 조절기이며, 이 조절기의 측정 정확도와 조정 정확도가 최종 진공 압력 제어 정확도를 결정합니다. 본 솔루션은 초고정밀 2채널 PID 공정 조절기를 사용하며, 두 개의 독립적인 채널을 통해 입구 밸브와 출구 밸브를 각각 조정합니다.
각 채널은 24비트 AD, 16비트 DA 및 배정밀도 부동소수점 연산으로 구성되어 최소 출력 백분율 0.01%를 달성할 수 있습니다. 이는 세계 최고 수준의 산업용 PID 레귤레이터 구성입니다. 또한, 이 전자식 레귤레이터는 ±1% 미만의 진공 압력 제어 정확도를 손쉽게 구현할 수 있습니다.
초고정밀 듀얼 채널 PID 공정 제어기는 강력한 기능을 제공합니다. PID 파라미터를 자동으로 조정할 수 있으며, 다양한 반응 공정에 맞춰 여러 개의 PID 파라미터 세트를 저장할 수 있습니다. 또한 MODBUS 표준 통신 프로토콜을 지원하여 중앙 제어 장치를 통해 여러 제어기를 제어할 수 있습니다. 장비와 함께 제공되는 컴퓨터 소프트웨어를 통해 PID 제어기의 원격 설정, 데이터 수집, 표시 및 저장이 가능하여 진공 압력 제어 시스템의 디버깅을 크게 간소화합니다.
4. 결론
요약하자면, 본 논문에서 제안하는 진공 압력 정밀 제어 솔루션은 이중층 유리 반응기에서 요구되는 진공 압력(양압 및 음압)의 정밀 제어뿐만 아니라 진공 압력 제어가 필요한 다양한 반응기 및 회전 장치에도 적용될 수 있다.
본 논문에서 설명하는 솔루션은 개별 구조의 진공 압력 제어 시스템입니다. 이 제어 시스템은 요구 사항 및 특정 반응기 설계에 따라 통합될 수도 있습니다. 전자 제어 밸브와 PID 레귤레이터가 하나의 계측기에 통합되어 있어 전체 반응기 배치 설계 및 키트 제작이 더욱 편리합니다.
Kao Lu의 진공 비례 압력 조절기 에 대한 자세한 내용은 당사 웹사이트 를 참조하십시오.