대기각 배관의 원리와 실무: 진공 시스템에서 수봉을 안정적으로 유지하는 방법

화학 플랜트의 진공 시스템에서 수봉(水封)이 정상적으로 유지되는 것은 안전 운전의 기본 조건입니다.

이 기능을 단순하지만 확실하게 담당하는 장치가 바로 대기각(Atmospheric Leg) 입니다.

구조는 단순해 보이지만, 높이와 직경 산정이 적절하지 않으면 수봉이 깨져 공기가 유입될 수 있습니다. 본 글에서는 다음 내용을 실무 관점에서 정리합니다.

• 대기각의 작동 원리
• 설계 시 필요한 높이 계산
• 직경 및 탱크 체적 관계
• 스팀 이젝터 및 바로메트릭 콘덴서 적용 사례

단순한 장치일수록 기본 원리를 정확히 이해하는 것이 중요합니다.

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1. 대기각의 기본 원리

대기각은 진공 하에서 액주(液柱) 높이를 이용해 외부 공기 유입을 방지하는 장치입니다.

압력과 액주 높이의 관계는 다음과 같습니다.$$P_0 – P_1 = \rho g h$$P0​−P1​=ρgh

• $P_0$P0​ : 대기압 (101.3 kPaA)
• $P_1$P1​ : 시스템 압력 (최저 0 kPaA 근접)
• $\rho$ρ : 액체 밀도
• $g$g : 중력가속도
• $h$h : 액주 높이

물 기준으로 계산하면 약 10 m가 이론적 한계입니다.

따라서 완전 진공 조건을 가정할 경우 최소 10m 이상의 수두 확보가 필요합니다.

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2. 설계 시 고려사항

단순히 높이만 확보하면 되는 것은 아닙니다.

진공이 걸리면 관 내부 액체가 상승합니다. 이때에도 수봉이 유지되도록 초기 침적 깊이(dip depth)를 충분히 확보해야 합니다.

체적 균형식은 다음과 같습니다.$$\frac{\pi}{4} d_0^2 h_0 = \frac{\pi}{4} d_1^2 h_1$$4π​d02​h0​=4π​d12​h1​

• $d_0$d0​ : 수봉 탱크 직경
• $h_0$h0​ : 초기 침적 깊이
• $d_1$d1​ : 대기각 배관 직경
• $h_1$h1​ : 상승 액주 높이

탱크가 작을수록 액위 변동이 커지므로 설계에 주의해야 합니다. 또한 오버플로우 설계도 필수입니다.

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3. 적용 사례

(1) 1단 스팀 이젝터

스팀 이젝터 출구는 기액 혼합 상태입니다.
대기각은 응축수를 배출하면서 외기 유입을 차단합니다.

관경이 작으면 압력손실이 증가해 목표 진공도를 달성하지 못할 수 있습니다.
실무에서는 미스트 세퍼레이터를 함께 적용하는 경우가 많습니다.

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(2) 2단 스팀 이젝터

1단만으로는 진공 한계가 있어 다단 구성이 일반적입니다.

이젝터 전단에는 가급적 액체 유입을 최소화해야 합니다.

• 체적 부하 증가
• 재증발 가능성
• 성능 저하

따라서 1단 전단에 대기각을 설치하는 경우가 많습니다.

2단 전단에는 콘덴서 또는 기액 분리기를 설치하여 스팀 부하를 줄입니다.

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(3) 바로메트릭 콘덴서

바로메트릭 콘덴서는 직접 접촉식 콘덴서입니다.

공정 증기와 냉각수가 직접 접촉하므로 열전달 효율이 높습니다. 이 구조에서 대기각은 기액 분리와 수봉 유지 역할을 동시에 수행합니다.

순환수는 점차 온도가 상승합니다.

• 잠열
• 현열
• 용해열
• 펌프 일

유해 가스 흡수가 필요한 경우, 온도 상승은 흡수 효율 저하로 이어집니다.
따라서 순환 라인에 냉각 열교환기를 설치하는 것이 바람직합니다.

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■ 정리

• 대기각은 진공 시스템 수봉 유지의 핵심 장치이다.
• 최소 수두 확보와 직경 설계가 중요하다.
• 스팀 이젝터 및 바로메트릭 콘덴서에서 널리 사용된다.
• 단순한 구조지만 설계 미흡 시 진공 불안정 문제가 발생할 수 있다.

기본 원리를 이해하면 복잡한 문제를 예방할 수 있습니다.