모노에틸렌 글리콜 생산 공정의 정상상태 모사 및 최적화 연구 …ethylene...
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공 사 청
에틸 리 생산 공 상상태 사
연
Steady-state simulation and optimization of
monoethylene glycol production process
2008 2 월
원
공 과( 공 공)
태
공 사 청
에틸 리 생산 공 상상태 사
연
Steady-state simulation and optimization of
monoethylene glycol production process
2008 2 월
지도 수 택
사
3
태 사
2008 2 월
주심
심
원
i
약
Ethylene glycol (EG) 공 에 생산 는
생산 다. Ethylene glycol 공 에 는 ethylene oxide (EO),
monoethylene glycol (MEG), diethylene glycol (DEG), triethylene
glycol (TEG) 등 주 생산 다.
본 연 에 업 수 게 EO/EG 공 EO,
MEG, DEG, TEG 생산 공 과 달리 EO
MEG 만 생산 수 도 EG selectivity 상시킨
공 재 base case package 보다 15% 계 공 다.
공 사 고 는 공 에 사 는 든
질들 상평 에 보 다. 본
연 에 는 고 고압 EO/EG 공 상상태 사 여
상평 에 열역 NRTL-RK 식 고 식에
는 parameter 에 연 수 다.
Monoethylene glycol 공 에 참여 는 14 가지 질
루어지는 91 개 2 계 에 상 사 Aspen plus
(version. 2006) 에 내 parameter 는 그 사 고
parameter 가 내 어 지 않는 계 경우에는 헌에 는
ii
상평 data 가 보고 어 는 계에 regression
고 그러 data 가 재 지 않는 계에 는 Aspen
properties(ver. 2006) 사 여 산 다 게
parameter 들 알아보 실 공 상상태
사 고 그 결과 비 여 실 공 과 상상태 사 결과가
거 다.
상 사 Aspen plus (Version. 2006) 여
monoethylene glycol 공 에 상상태 사 수 후, 공 에
미 는 민감도가 큰 변수 사 에 내 sensitivity analysis
능 사 여 사 후, 공 total duty 는
수 고 Aspen plus 내에 내 어 는 optimization
능 여 업 수 다.
각 도 압 등 operating condition 는
parametric optimization 과 탑 단수 열 등에
structural optimization 동시에 수 다. 또 , 공
여 optimal operation point 가 동 생 는 열 실
지 새 운 optimal operation point 찾는
시 다.
iii
Abstract
Ethylene glycol is one of the important products in the
petrochemical industry. In the conventional ethylene glycol process,
MEG is produced together with DEG, TEG and EO. In this study, the
improved EG process that shows high selectivity of MEG was
simulated about 15% capacity expansion of existing plant.
To simulate and optimize the process correctly, it is
essential to be provided with accurate physical and thermodynamic
properties of all components involved in the process, especially
accurate information related to vapor-liquid equilibrium. The
research was, therefore, conducted to choose the proper
thermodynamic model and to predict the parameters required.
The NRTL-RK equation was chosen as a thermodynamic
model. Among 91 binary interaction parameters requires for the 14
components participated in the process, the binary interaction
parameters built in Aspen Plus (Ver. 2006) were used as provided.
The missing interaction parameters were estimated through
iv
regression of the VLE data in the literature, and for systems with
no VLE data available, were estimated by Aspen properties (ver.
2006). The accuracy to parameters obtained was confirmed by
excellent steady-state simulation of the actual process.
Subsequent to the simulation of the steady-state MEG
process using Aspen Plus (Ver. 2006), highly sensitive variables of
the process were researched and adequate variables were chosen
using sensitivity analysis tool. An objective function was defined
aiming at minimizing the total duty of the process and the
optimization was carried out using the optimization tool based on
the successive quadratic programming in the simulator.
The operating parameters such as temperature and pressure
of each equipment and the structural parameters like theoretical
plate number of distillation tower, and installation of heat
exchanger were optimized simultaneously. In addition, a method of
finding new optimal operation point was suggested in the case of
change in optimal operation point due to the expansion of the
chemical plant capacity.
v
차
약 …………………………………………………………… i
Abstract ………………………………………………………… iii
차 …………………………………………………………… v
List of Tables ………………………………………………… viii
List of Figures …………………………………………………… xi
1 ………………………………………………………1
2 상 공 고찰
2.1 에틸 리 (Ethylene glycol) ……………………… 9
2 .2 EO/EG & MEG 생산공 ………………………… 9
2 .2 .1 EO react ion ……………………………10
2 .2 .2 EO recovery ……………………………10
2 .2 .3 CO 2 remova l ……………………………12
2 .2 .4 LE remova l ……………………………12
2 .2 .5 EG react ion ……………………………13
2 .2 .6 MEG pur if icat ion ………………………14
2.3 MEG 생산공 ………………………… 15
vi
3 공 사
3.1 공 사 ………………………………………18
3.2 상상태 사 : Aspen PlusTM ……………………20
3 .3 공 사에 열역 ………………20
4 열역 에 상평 계산
4.1 /액 상평 …………………………………………… 24
4.1.1 열역 ……………………………………24
4 .1 .2 Red l ich-Kwong(RK) 식 ……………………25
4.1.3 Non Random Two-Liquid (NRTL) 식……………28
4.2 상평 계산 ……………………………………………29
4.2.1 NRTL-RK 상 라 ………………29
4.2.2 P-xy diagram ……………………………39
5 상상태 공 사 수
5.1 Entire process flow diagram 사 …………………46
5 .2 사 ………………………………………47
5.3 탑 계 …………………………………………50
5.4 체 MEG 생산 공 상상태 사 ………………54
vii
6 공 수
6.1 공 커니 ………………………………56
6.2 개개 탑 민감도 사 ……………………………58
6.3 CO2 removal section ………………………68
6.4 EO recovery section ………………………71
7 결 ……………………………………………………76
참고 헌 ……………………………………………………………78
viii
List of Tables
Table 1. Index related to energy by years in Korea……………… 5
Table 2. The trends for energy consumption in Korea…………… 6
Table 3. The energy consumption in 2005 and 2006 by industries in
Korea ………………………………………………………… 7
Table 4. Typical processes modeled with a process simulator
[5]………………………………………………………… 22
Table 5. Thermodynamic models for physical properties [5]
……………………………………………………………… 23
Table 6. K-value calculation methods [6]…………………25
Table 7. A distribution chart of NRTL-RK binary interaction
parameters for 91 systems in the MEG production process
……………………………………………………………… 31
Table 8a. Generated NRTL binary interaction parameters for systems
in the MEG production process ………………………… 32
Table 8b. Generated NRTL binary interaction parameters for systems
in the MEG production process ………………………… 33
Table 8c. Generated NRTL binary interaction parameters for systems
in the MEG production process ………………………… 34
ix
Table 8d. Generated NRTL binary interaction parameters for systems
in the MEG production process ………………………… 35
Table 9a. Generated RK binary interaction parameters for systems in
the MEG production process …………………………… 36
Table 9b. Generated RK binary interaction parameters for systems in
the MEG production process …………………………… 37
Table 9c. Generated RK binary interaction parameters for systems in
the MEG production process …………………………… 38
Table 10. Vapor-liquid equilibrium data for the nitrogen (1)-methane
(2) system at 122.04K[15] …………………………… 40
Table 11. Vapor-liquid equilibrium data for the carbon dioxide (1)-
ethane (2) system at 250K[12] ………………………… 41
Table 12. Vapor-liquid equilibrium data for the ethylene (1)- carbon
dioxide (2) system at 273.16K[11]……………………… 42
Table 13. Vapor-liquid equilibrium data for the ethylene (1)-ethane
(2) system at 263.15K[20] …………………………… 43
Table 14. Conversion, selectivity and operating condition of the
reactions……………………………………………………49
Table 15. Sensitive variables of the CO2 removal section ………… 66
Table 16. Sensitive variables of the EO recovery section ……… 67
Table 17. Result of the CO2 removal section optimization ……… 70
x
Table 18. Operating condition of the optimized CO2 removal section
……………………………………………………………… 70
Table 19. Result of the EO recovery section optimization………… 74
Table 20. Operating condition of the optimized EO recovery section
……………………………………………………………… 75
xi
List of Figures
Fig. 1. Production and Consumption of Crude Oil in China ……........…… 5
Fig. 2. Steps in the study of MEG production process simulation and
o p t i m i z a t i o n … … … … … … … … . … . . … … … . . … … 8
Fig. 3. Simplified block diagram for the EG production process [4]. ….. 10
Fig. 4. Simplified flow diagram for the EO reaction and recovery section [4].
……………………………………………………….…… 11
Fig. 5. Simplified flow diagram for the LE removal and EO purification
sect ion [4] …………………………………….………….13
Fig. 6. Simplified flow diagram for the reaction and recovery section [4]
……………………………………………………….………...…14
Fig. 7. Difference between real process and simulation [6] ..…..……..… 19
Fig. 8. Experimental and predicted P-xy diagrams for the N2 (1)-C2H4 (2)
system at 122K [15] .…………………….………………………44
Fig. 9. Experimental and predicted P-xy diagrams for the CO2 (1)-C2H6 (2)
system at 250K [12] ….………………………..……….……………44
Fig. 10. Experimental and predicted P-xy diagrams for the C2H4 (1)-CO2 (2)
system at 273.16K [11] ………………………………....….….. 45
xii
Fig. 11. Experimental and predicted P-xy diagrams for the C2H4 (1)-C2H6 (2)
system at 263.15K [20] …………...………………………….… 45
Fig. 12. Block diagram of the MEG Production process ……………….… 46
Fig. 13. Operation of EO reactor .…………………………........…………50
Fig. 14. No. of trays & operating cost vs. reflux ratio [34]……….………53
Fig. 15. Operation of CO2 absorber ……………………………………... 53
Fig. 16. Process flow diagram of the CO2 absorber ………………….…. 59
Fig. 17. Temperature profile of the CO2 absorber ………………………62
Fig. 18. Change of duty according to the change of top feed temperature in
CO2 absorber ………………………...…………..…………… 62
Fig. 19. Change of duty according to the change of bottom feed temperature
i n C O 2 a b s o r b e r … … … … … . … … … … … … … … … 6 3
Fig. 20. Change of duty according to the change of operating pressure in CO2
absorber …………………………………………………63
Fig. 21. Change of duty according to the change of top feed stage in CO2
absorber …………………….……..…………….…….…… 64
Fig. 22. Change of duty according to the change of bottom feed stage in CO2
a b s o r b e r … …… … …… … …… …. … ……… … … …… 6 4
Fig. 23. Process flow diagram of the CO2 removal section ……...…….69
Fig. 24. Process flow diagram of the EO recovery section ……….... 73
1
1
사 에 원 에 지 사업 실생 과
가지고 다. 지만 계 원 고갈 ,
, 원 가격 폭등 여 에 지에
가 미 심사 고 다. 특 Fig. 1에 같
새 게 고 는 BRIC’s 등 개 도상 들 에 지 량
시간 에 라 수 가 고 는 다. 러
상 에 재 각 안 에 지 보 약에
아 지 않고 에 지 도가 우리 라에 도
에 지 약에 가 차원에 매우 다.
Table 1 우리 라에 사 는 에 지 사 량과 에 지 수 량
타낸 다.
Table 2 Table 3 에 보듯 재 우리 라 에 지 비
경 보 산업 야에 체 에 지 비량 50% 비
에 특 에 지 가 큰 산업 산업 에
사 는 에 지 약 45% 사 고 다. 민 에
비 는 에 지 20% 상 산업에 사 고 는
것 다.
2
라 재 산업 야에 는 에 지 감에 연 가 창
진 고 다. 에 지 감에 연 에 가
연 가 다.
는 operating condition ,
순 등 변경시 수 생 수 게 주는 업 다[1].
업 가 는 에 지 감 룰 수 게 주고 업
에 는 경 득 가 다 수 에 재 많
연 가 진 고 다.
공 에 같 큰 규 공 에 술 크게
가지 슈에 도 었다. 규 공 비 과
복 특징 가지고 다. , 리 , 틸리티 비 등
여러 들 규 공 매우 많 운 변수가
재 각 변수간 복 상 계가 재 다. 또 원료
에 지원 단가 등처럼 경 경 지 변 에 러
많 변수 엔지니어들 고 여 짧 시간에 운 건
찾아내어 운 는 것 가능 다. 또 다 슈는
비 과 다. 공 과 같 규 가 큰
공 에 운 비 매우 크 에 % 과만 어도 그것에
감액 시스 도 는 비 보다
크 다[2].
3
MEG 는 산업에 생산 는 가 생산
1860 Wurtz 에 ethylene oxide(EO) 수 에
ethylene glycol 생 수 다는 것 처 알 진 후 약
동안 polyester, PET, 동액 원료가 었다[3]. 라 본
에 는 monoethylene glycol 생산 는 공 상
Fig.2 차에 라 업 진 다.
공 사 고 는 공 에 사 는 든
들 상평 에 보가 지만 재
러 보는 상당 실 다. 라 본 연 에 는 EO/EG
공 상상태 사 수 에 앞 공 거동 게
는 열역 과 공 에 참여 는 든 들
parameter 에 연 수 다.
본 연 에 상 공 업 수
당공 개개 에 라 section 누고 각 section 별
수 다. 에 는 경 주는
변수 사 결과 운 건에
많 운 건 게 므 그에 운 비 변
운 어 움 생 고, 도 쉽게 지
못 다. 결 공 규 수
변수 는 안 고 다. 공 에
4
가 많 에 지 사 는 개별 column 과 그 주변 들에
민감도 사 수 여 공 에 많 주는 민감 변수
알아내었다.
러 연 결과 탕 체 MEG 공 상상태
사 여 그 결과 실 공 운 는지
민감도 사 통 알아낸 민감 공 변수 여
당 공 heat duty 가 얼마 감 는지 알아보았다.
본 연 결과는 열역 상평 거동 과
탑 revamping, 공 에 안 라는
에 큰 가진다.
5
Fig. 1. Production and Consumption of Crude Oil in China.
Ref. : CEO Information (No. 524), Oct. 26, 2005, SERI
Table 1. Index related to energy by years in Korea
구분 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
에너지 사 량 19,678 27,553 43,911 56,296 93,192 150,437 192,887 228,622
1 인당 에너지소비 0.61 0.78 1.15 1.38 2.17 3.34 4.10 4.73
국내 수급량 10,333 11,397 12,491 17,579 24,520 21,593 32,644 43,909
에너지 수입량 9,345 16,156 31,420 38,717 68,673 128,844 160,243 184,713
석유수입량 62,702 105,119 182,105 189,190 356,348 677,210 742,557 761,080
에너지 수입비중 47.5 58.6 71.6 68.8 73.7 85.6 83.1 80.8
석유의 비중 47.2 56.8 61.1 48.2 53.8 62.5 52.0 44.4
( 료: 에 지 경 연 , 2005 도 에 지 사 결과 췌)
6
Table 2. The trends for energy consumption in Korea
년도 부문 소비량 합계 석유 의존도(%)
산업 36,150 55.4
가정상업 21,971 40.4
수송 14,173 99.4
공공,기타 2,812 80.9
1990
계 75,106 60.3
산업 62,946 58.5
가정상업 29,451 59.9
수송 27,148 99.5
공공,기타 2,416 58.9
1995
계 121,961 68.0
산업 83,912 57.4
가정상업 32,370 41.7
수송 30,945 99.4
공공,기타 2,625 43.4
2000
계 149,852 62.5
산업 94,366 53.9
가정상업 36,861 25.6
수송 35,559 98.4
공공,기타 4,068 34.2
2005
계 170,854 56.6
( 료: 에 지 경 연 , 2005 도 에 지 사 결과 췌)
7
Table 3. The energy consumption in 2005 and 2006 by industries in
Korea
2005 4/4 분기 2006 4/4 분기 업종
구성비 구성비
계 24,425 100 25,346 100
식품 담배 411 1.7 388 1.5
섬유 621 2.5 554 2.2
목재 47 0.2 46 0.2
제지 인쇄 476 1.9 447 1.8
석유화학 10,922 44.7 11,588 45.7
요업 1,417 5.8 1,568 6.2
1 차 금속 4,530 18.5 4,722 18.6
- 철강 4,496 18.4 4,689 18.5
- 비철금속 34 0.1 33 0.1
조립금속 1,647 6.7 1,665 6.6
기타제조 2,633 10.8 2,530 10
제조업
제조업 계 22,704 93 23,508 92.7
농림 어업 975 4 995 3.9
광업 49 0.2 54 0.2
건설업 698 2.9 788 3.1 비제조업
비제조업 계 1,722 7 1,838 7.3
( 료: 에 지 리공단, 2006 도 4/4 에 지 비통계 췌)
8
Fig. 2. Steps in the study of MEG production process simulation and
optimization.
9
2 상 공 고찰
2.1 Ethylene glycol
Ethylene glycol(EG) PET 원료 사 동액, 리
린 , ( 산비닐계 수지), 내 등에 사 는 것
, 알 산 리 과도 , 에 에는 약간
겐 탄 수 에 에는 지 않는다. 산동, 염 슘,
산수 등 시킨다. EG는 고압, 고 에 ethylene
oxide 수 시 다. 또 EG는 생 Monoethylene
glycol(MEG), Diethylene glycol(DEG), Triethylene glycol(TEG)
생산 다[3].
2.2 EO/EG & MEG 생산공
재 주 는 EG 생산공 고순도 ethylene oxide
(EO) MEG, DEG, TEG 같 고순도 EG 생산 다[4]. 공
Fig. 3과 같 7개 공 루어 각 당 공
들 결 에 생산 생 다.
10
Fig. 3. Simplified block diagram for the EG production process [4].
2.2.1 EO reaction
EO reaction 산 에틸 주 어
매 에 고순도 EO 생 는 공 다.
미량 탄 주 미 에틸 과 산 는 리사 클 어 재
사 다. 게 생 EO는 그 체 사 도
EG 생산 원료 사 도 다.
2.2.2 EO recovery
EO recovery EO reactor에 생산 상 EO는
11
순 거 는 EO absorber에 에 수 고 는 탑 단
리 다. EO stripper 연결 어 탑상 에 고순도
EO 수 다. 또 EO absorber에 리 순 quench
bleed stripper quench bleed flasher 통 리 어 거 다.
Fig. 4는 EO reaction과 EO recovery 공 개략도 다.
Fig. 4. Simplified flow diagram for the EO reaction and recovery
section [4].
12
2.2.3 CO2 removal
CO2 removal 에 는 드 들어 에틸 과 산
생 EO 에 생 CO2 거 는
공 다. 생 CO2 는 리사 클 는 고 탄산 수 액에
CO2 absorber에 수 어 탄산수 생 고 CO2 거
다. 또 생 탄산수 수 액 CO2 stripper에 다시 CO2
탄산 수 액 리 어 탄산 수 액 CO2 absorber
리사 클 고 다시 리 CO2는 ethylene carbonate(EC) 생
는 에 재사 다.
2.2.4 LE removal
LE(Light-end) removal 에 는 EO stripper 상 리
상 EO condenser 통 액 시킨 후 EG
드 사 EG reaction 다. 또 미
처 액 지 않 상 EO는 EO recovery 리사 클
어 재사 다.
13
Fig. 5. Simplified flow diagram for the LE removal and EO purification
section [4].
2.2.5 EG reaction
EG reaction EO는 CO2 removal CO2 stripper
통 리 CO2 여 EG reaction 간 질 EC 생
다. 생 EC는 과 께 가수 여 EG CO2가 생 다.
여 재생산 CO2 다시 리사 클 어 EC reaction에
참여 다.
EO/EG 공 에 EG EO CO2, 드
공 고 순차 MEG, DEG, TEG가 생 다. 지 지 경쟁
14
selectivity 는 에 참여 는 과 EO 양
여 원 는 selectivity 다. 지만 새 운 매
개 여 99% 상 selectivity 가지는 MEG 공
새 개 었다. 시 에 heavy glycol보다 MEG
사 량 월등 게 많 에 MEG 생산량 늘어 수 수
가 개 수 EO/EG 공 에 생산 는 mixed
EG 개개 MEG, DEG, TEG 리 는 비 수 다.
Fig. 6. Simplified flow diagram for the reaction and recovery section [4].
15
2.2.6 MEG purification
MEG purification 에 는 생 MEG 주 DEG
heavy glycol, 그리고 에 사 매 수 액 리
는 공 다. 공 MEG purification column에 탑상 MEG
heavy glycol 리 고 탑 는 EC-EG reaction에 사
매 수 액 다시 EC reactor 리사 클 시킨다. 또 탑상
glycol 들 MEG recycle column 통 리 여 순수
MEG 생 는 공 다.
2.3 MEG 생산 공
공 에 원료 주 는 에틸 과 산 는 포 매
께 약 230-270°C 도에 여 EO 생 다.
EO reaction
C2H4 + 1/2 O2 EO + 24.7 kcal/gmole
상에 어 고 열 다. EO
경쟁 고 비 택 side-reaction 산 탄 생
다.
16
EO side-reaction
C2H4 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O + 320 kcal/gmole
또 생 EO는 산 산 탄 격 산
량 아 트알 드 질 다.
Side-reaction 생 산 탄 는 S-882 매 가진
탑 안에 공 에 주 는 탄산 수 액과 여 탄산
수 생 거 다. 생 탄산수 수 액 다
탑에 다시 CO2 탄산 수 액 리 어 탄산
수 액 재사 고 다시 리 산 탄 는 ethylene
carbonate(EC) 생 는 에 사 다.
CO2 removal reaction
CO2 + K2CO3 + H2O 2 KHCO3 + 6.4 kcal/gmole
앞 에 생 EO는 균 계 매가 들어 는 EG reactor
통 selcectivity 가지는 2단계 거쳐 액상 MEG
생산 다. 첫 째 단계는 EO 탄산수 슘 수 액에 리
산 탄 열 (24kcal/gmole) EC 생 다. 째
EC 열 가수 (-2kcal/gmole) 과량
MEG 산 탄 가 생 다. 째 에 생 산 탄
17
는 첫 째 리사 클 어 새 운 EC 만드는 재사 다.
H2C CH2
O
+ CO2
H2C CH2
C
O
=
O O
H2C CH2
C
O
=
O O
+ H2O HO-CH2-CH2-OH + CO2
Ethylene Carbonate (EC) reaction
Ethylene Carbonate (EC) hydrolysis
H2C CH2
O
H2C CH2
OO
+ CO2
H2C CH2
C
O
=
O O
C
O
=
O O
H2C CH2
C
O
=
O O
C
O
=
O O
+ H2O HO-CH2-CH2-OH + CO2
Ethylene Carbonate (EC) reaction
Ethylene Carbonate (EC) hydrolysis
EO/EG 공 에 는 생 MEG가 미
EO 결 여 heavy glycols(주 DEG) 다. 지만 MEG
생산 공 에 는 미 EO EO recovery 수
heavy glycols 2차 억 다.
EO + H2O HO-C2H4-OH (MEG) + 22 kcal/gmole
MEG + EO HO-C2H4-O-C2H4-OH (DEG) + 25 kcal/gmole
18
3 공 사
3.1 공 사
공 사 (General Purpose Chemical Process
Simulator)란 공 열역 과 그리고 수식들
결 수 는 알고리 산 여 컴퓨 드웨어 여 실
공 에 어 는 상 사 는 트웨어 다[5]. 런
공 사 는 실 공 에 , 량 운 건
만 주어지 실 공 가동 지 않고 실 거 사 결과 값
얻 수 뿐 아니라 실 공 에 쉽게 수 없는 변수
결 여 짧 시간과 비 결과 얻
수 다. 재 상업 공 사 는 Aspen Tech사
Aspen Plus, SimSci사 PRO/II, Chemshare사 Design II 계
가 많 고 다[6]. 같 사 들 우수
사 능 타낼 수 는 것 내 에 열역 과 그리고 알고
리 어 다. database에는 순수
1,500~2,000개 도 료 3,000~4,000여 계 매개변
수 포 고 , 상태 식과 동도 계수 등 60여 가지
열역 어 다.
19
Fig. 7. Difference between real process and simulation [6].
Fig. 7 실 공 과 공 사 개 차 도식
것 다. 상 사 가 는 공 는 원 공
, 가스처리공 , 생산, 그리고 생산공 등 ,
단 공 는 , 브, , 공 , 공 ,
그리고 고체처리공 결 , 원심 리 , 건 등
사 수 다. 같 공 사 수 새 운 공 또는
공 업 건 진단, 공 라 링과 수
Reality
Feed
Energy
Physical
Process Products
Mathematics
Data Describing Feed
Data Describing Energy
Physical
Process Products
20
수 고 엔지니어 과 훈 에도 수 다. Table 4는
상 사 사 는 공 들 시 고 Table 5는
과 상평 계산에 는 열역 들 시 다.
3.2 상상태 사 : Aspen PlusTM
Aspen Technology사에 개 Aspen PlusTM 공 사
는 상상태 사 약 1,500개 상 순수 스
가 내 어 고, 약 10,000여 계에 매개변수가 내
어 , 약 60여 개 열역 식(EOS, LACT, Special
package)과 60여 개 단 사 수 는 듈 내
어 다[6]. 본 연 에 는 체 공 개 단 듈 누어
각 듈별 씩 수 시 가는 식 , 수 매우
고 값 계산 매우 순차 근 식 (Sequential
Modular Approach) 여 개 Aspen PlusTM(Ver. 2006)라
는 사 사 다.
3.3 공 사에 열역
공 사 는 열역 식 계산 는 , 상공
실 근 게 사 는 열역
21
다. 열역 식 는 어 는 Default Option
없 므 엔지니어가 공 사 에 내 어 는 열역 식
들 상공 에 게 지 않는다 못 수 결과 얻
것 체 계산 거 sizing 는 어 큰
수 다.
22
Table 4. Typical processes modeled with a process simulator [5]
Refining Gas Processing Petrochemicals Chemicals
Atmospheric crude
distillation
Amine sweetening Aromatics
separation
Ammonia
synthesis
crude preheating
Cascade refrigeration
C3 splitter
Azeotropic &
extractive
distillation
Coke fractionator Compressor train Cyclohexane plant Crystallization
Deisobutanizer Deethanizer &
demethanozer
Ethylene
fractionator
Dehydration
FCC main
fractionator
Expander plant MTBE separation Inorganic
processes
Gas plant Gas dehydration Naphthalene
recovery
Liquid-liquid
extraction
Gasolin&naphtha
stabilizer
Hydrate
formation/inhibition
Olefin production Phenol distillation
Naphtha
splitter&stripper
Multistage letdown Oxygenate
production
Solids handing
Shift&methanator
reactors
Platform operation Propylene
chlorination
Polymer modeling
Sour water stripper Refrigeration loop
Sulfuric&HF acid
alkylation
Turbo-expander
optimization
Vacuum column
23
Table 5. Thermodynamic models for physical properties [5]
Refining/Oil & Gas/Petrochemical Petrochemical/Chemical
Soave-Redlich-Kwong UNIFAS
Peng-Robinson UNIWAALS
Huron-Vidal mixing rule UNIQUAC
Kabadi-Danner mixing rule NRTL-8 coefficient form
Panagiotopoulos & Reid mixing rule Wilson
SIMSCI mixing rule Van Laar
Temperature dependent Kij Margules
Lee-Kesler Regular solution model
Grayson-Streed Flory-Huggins
Braun K10 Acid dimerization
Ideal methods Henry’s law for non-condensibles
BWRS Henry’s law for dilute aqueous systems
Chao-Seader Three phase equilibrium
Costald Heat of mixing
Steam tables Hayden-O’Connell
Free-water decant Electrolyte model
Lee-Lesler-Ploecker
24
4 열역 에 상평 계산
4.1 /액 상평
4.1.1 열역
본 /액 상평 계식 식 (4.1.1-1) 같 다.
( , , ) ( , , )v li i i if T P y f T P x= (4.1.1-1)
식(4.2.1-1)에 상과 액상 중 i 퓨개시
티가 같 평 립 다. 여 에 액상 상과 액상 퓨개
시티 상태방 식 계산 는 상태방 식(EOS)
근법(One model approach)과 상 퓨개시티는 상태방 식 지
만 액상 퓨개시티 동도 계수에 계산 는 액체 동도 계
수(AC) (Two model approach) 다.
상태 식 근 주 탄 수 계열 -액 상평 산에
사 고 액체 동도 계수 는 근 시스 압 낮
거 간 도 압 에 액상 비 상 큰 계에 수
는 식 다.
에는 근 여 평 산 수 없는 계도
많 다. 들어 원 공 상압 탑 감압 탑
사에 사 는 열역 계식 BK10 GS 등 들 수 는
25
런 식 경에 탕 고 개 식 라 보다는
주어진 상평 게 산 는 것에 맞 식 므
Generalized Correlations 라고 다.
Table 6 열역 식 타낸 것 다.
Table 6. K-value calculation methods [6]
Category Models
Ideal Raoult’s law
Equation of State Van der waals, RK, SRK, PR, Alpha
Function, Mixing rule
Liquid Activity One Constant Margules ,Van Laar,
Wilson, NRTL, UNIQUAC,
Generalized Correlations BK10, GS
4.1.2 Redlich-Kwong(RK) 식
1949 에 Redlich Kwong 다 과 같 van der Waals 식보
다 순수 체 압 산과 도계산에 어 개
상태 식 개 다.
)(
/
bVV
Ta
bV
RTP
+-
-= (4.1.2-1)
Redlich-Kwong식 van der Waals 식에 비 여 2V
)( bVV + 변 시킴 액체 도 계산에
26
간 상 a 도 곱근에 비 도 Ta /
꾸어 체 압 산 개 다. Redlich-Kwong식
PRO/II에 는 재 사 지는 않지만 ASPEN PLUS에 는 액체
동도 계수 식과 께 사 고 는 식 다.
Redlich-Kwong 상태 식도 매개변수 a b 결 수 다.
식 우변 통 여 에 리 식(4.1.2-2) 같
다. 식(4.1.2-2) 계 에 시킨 식 식(4.1.2-3)과 같다
0)(5.0
2
5.0
23 =---+-PT
abVb
P
bRT
PT
aV
P
RTV (4.1.2-2)
033)( 32233 =-+-=- cccc VVVVVVVV (4.1.2-3)
식 계 에 같 값 가지는 식 므 그 계수들
비 보 다 과 같다.
3cC
c
RTV
P= (4.1.2-4)
2 2
0.53c
c
c c c
bRTab V
PT P- - = (4.1.2-5)
3
0.53 c
c c
abV
PT= (4.1.2-6)
식 연립 여 리 여 얻 삼차 식 b에
27
어 리 아래 같 매개변수 a b 값 게 다.
2 2.5
0.427480 c
c
R Ta
P= (4.1.2-7)
0.086640 c
c
RTb
P= (4.1.2-8)
런 상태 방 식 액 상평
게 산 는 mixing rule 사 야 다. Mixing rule 란
상태방 식 여 다 계 a b값 나타내
것 귀 통 실험 상평 편차
는 ijk 라는 계 상 라 도 식 다. Redlich-
Kwong 식에 사 는 mixing rule van der Waals one fluid
mixing rule 식 (4.1.2-9)~(4.1.2-11)과 같다.
(1 )ij i j ija a a k= - (4.1.2-9)
(1 )i j i j iji j
a x x a a k= -åå (4.1.2-10)
i ii
b x b=å (4.1.2-11)
러 ijk 값 도 다 계 에 상태방
식 상태 원리 계 보 고 상평 산
개 는 과가 다[6].
28
4.1.3 Non Random Two-Liquid (NRTL) 식
Wilson식 액/액 상 리가 어나는 계에는 수 없는 단
극복 1968 Renon과 Prausnitz에 NRTL식
안 었다. NRTL 도 갖는 액 도
(Partial Miscibility) 갖는 액에 사 수 고 다 계 상평
각각 계 상 라 만 산 수 는
다.
m 루어진 다 액에 NRTL 과 Gibbs에
지 식 다 과 같 다.
1
1
1
m
ji ji jE mj
i mi
li ll
G xg
xRT
G x
t=
=
=
=å
åå
(4.1.3-1)
Where ji
ji ji
ba
Tt = + (4.1.3-2)
exp( )ji ji jiG a t= - , ji ija a= (4.1.3-3)
식들 도 NRTL식 동도 계수 식(4.1.3-
4) 같다.
1 1
1
1 1 1
ln
n n
ji ji j kj kj knj j ij k
i ijn n nl
ji l li l li jl l l
G x G xx G
G x G x G x
t t
g t= =
=
= = =
é ùê úê ú= + -ê úê úë û
å åå
å å å (4.1.3-4)
29
식들에 ijg 값 i j- 간 특 에 지 나타내는
것 매개변수 ija 는 편재 (Nonrandomness) 보
여 도 라 경우 0에 당 다.
라 NRTL식 ijG , jiG , ija 게 3개 매개변수 갖는다. 여
번째 매개변수 ija 는 보통 /액 평 계 경우에는 0.3 액/
액 평 계 경우에는 0.2 사 다.
4.2 상평 계산
4.2.1 NRTL-RK 상 라
EOS 계에 다 계 는 규
(Mixing rule) 야 지만 NRTL식 규 없 다
계 수 고, 비 상 강 시스 에 수 다.
라 본 연 에 는 열역 NRTL-RK 사 다.
재 공 에 참여 고 는 14 들
/액 평 거동 게 는 NRTL
binary system에 라 91 과 mixing rule에 RK식
계 상 라 91 다. 지만 사 는 공
사 ASPEN properties 내에 내 어 는 계 라 는
30
재 8 만 재 고 는 실 다. 라 공 사 수
는 헌[8-31]에 는 VLE data 28개 계
NRTL-RK 상 라 값 regression 고 헌에
지 않 지 에 는 Aspen Properties에 내 어 는
PCES(Property Constant Estimation System) 통 여
NRTL-RK 상 라 estimation 다. PCES는
UNIFAC 여 general formula functional group등에
보 통 열역 는 다.[7]
Table 7 NRTL 계 라 포도 고
Table 8a~9c 는 진 binary system 에
NRTL-RK 상 라 값 계산 것 다. 5 에
공 사 수 NRTL 라 값 사 다.
31
Table 7. A distribution chart of NRTL-RK binary interaction parameters for 91 systems in the MEG production process
MEG DEG TEG EO N2 O2 H2O EC CH4 C2H4 C2H6 CO2 H2 ACAL
MEG Aspen Esti. Esti. Esti. Esti. Aspen Esti. Reg. Esti. Esti. Reg. Esti. Esti.
DEG Aspen Esti. Esti. Esti. Aspen Esti. Esti. Esti. Esti. Reg. Esti. Esti.
TEG Esti. Esti. Esti. Reg. Esti. Reg. Esti. Reg. Reg. Esti. Esti.
EO Esti. Esti. Aspen Esti. Esti. Esti. Esti. Esti. Esti. Aspen
N2 Reg. Reg. Esti. Reg. Reg. Reg. Reg. Reg. Esti.
O2 Esti. Esti. Esti. Esti. Esti. Reg. Esti. Esti.
H2O Esti. Reg. Reg. Reg. Aspen Esti. Aspen
EC Esti. Esti. Esti. Esti. Esti. Esti.
CH4 Reg. Reg. Reg. Reg. Esti.
C2H4 Reg. Reg. Reg. Esti.
C2H6 Reg. Reg. Esti.
CO2 Reg. Esti.
H2 Esti.
32
Table 8a. Generated NRTL binary interaction parameters for systems in the MEG production process
(ACAL: Acetaldehyde TEG: Triethylene glycol DEG: Diethylene glycol MEG: Monoethylene glycol EO: Ethylene oxide EC: Ethylene
33
Table 8b. Generated NRTL binary interaction parameters for systems in the MEG production process
(ACAL: Acetaldehyde TEG: Triethylene glycol DEG: Diethylene glycol MEG: Monoethylene glycol EO: Ethylene oxide EC: Ethylene
34
Table 8c. Generated NRTL binary interaction parameters for systems in the MEG production process
(ACAL: Acetaldehyde TEG: Triethylene glycol DEG: Diethylene glycol MEG: Monoethylene glycol EO: Ethylene oxide EC: Ethylene
35
Table 8d. Generated NRTL binary interaction parameters for systems in the MEG production process
(ACAL: Acetaldehyde TEG: Triethylene glycol DEG: Diethylene glycol MEG: Monoethylene glycol EO: Ethylene oxide EC: Ethylene
36
Table 9a. Generated RK binary interaction parameters for systems in the MEG production process
(ACAL: Acetaldehyde TEG: Triethylene glycol DEG: Diethylene glycol MEG: Monoethylene glycol EO: Ethylene oxide EC: Ethylene
37
Table 9b. Generated RK binary interaction parameters for systems in the MEG production process
(ACAL: Acetaldehyde TEG: Triethylene glycol DEG: Diethylene glycol MEG: Monoethylene glycol EO: Ethylene oxide EC: Ethylene
38
Table 9c. Generated RK binary interaction parameters for systems in the MEG production process
(ACAL: Acetaldehyde TEG: Triethylene glycol DEG: Diethylene glycol MEG: Monoethylene glycol EO: Ethylene oxide EC: Ethylene
39
4.2.2 P-xy diagram
/액 평 는 도에 P-xy diagram과 압
에 T-xy diagram 타낼 수 에 본 연 에 는
Aspen properties에 내 어 는 라 헌 상 /액 평
regression 91개 계에 P-xy diagram
보았다.
또 91개 계 /액 평 여 P-xy
diagram 고 진 NRTL 식과 RK 식 라 여
수 는 P-xy diagram 비 다. Table 10~13 헌 상
에 재 는 /액 평 Fig. 8~11 /액 평
NRTL 식과 RK 식 사 여 얻 P-xy diagram 타낸
것 다.
/액 평 P-xy diagram 과 진 라
P-xy diagram 비 결과 진 라 값 비
게 /액 평 다. 여 진
라 는 5 에 공 사 수 NRTL-RK
라 값 사 다.
40
Table 10. Vapor-liquid equilibrium data for the nitrogen (1)-methane (2)
system at 122.04K [15]
T (K) P (atm) X1 Y1
122.04 2.18 0 0
122.04 2.76 0.016538 0.19633
122.04 3.40 0.03514 0.3466
122.04 5.10 0.086024 0.5588
122.04 6.79 0.1411 0.6655
122.04 13.61 0.4283 0.8411
122.04 19.37 0.7093 0.91093
122.04 20.43 0.7524 0.92247
122.04 21.16 0.7837 0.93085
122.04 24.08 0.8962 0.95888
122.04 25.85 0.95136 0.97851
122.04 27.09 0.98804 0.99464
122.04 27.41 1 1
41
Table 11. Vapor-liquid equilibrium data for the carbon dioxide (1)-ethane
(2) system at 250K [12]
T (K) P (atm) X1 Y1
250 12.85 0 0
250 14.23 0.0444 0.1115
250 15.68 0.1035 0.2226
250 16.93 0.168 0.3009
250 18.04 0.2245 0.3697
250 19.23 0.3083 0.4447
250 20.03 0.398 0.5056
250 20.56 0.4692 0.5522
250 20.99 0.599 0.6265
250 21.07 0.69 0.6802
250 20.8 0.7908 0.7467
250 19.99 0.8829 0.8217
250 19.4 0.926 0.8696
250 18.51 0.9701 0.9378
250 17.62 1 1
42
Table 12. Vapor-liquid equilibrium data for the ethylene (1)- carbon dioxide
(2) system at 273.16K [11]
T (K) P (atm) X1 Y1
273.16 34.303 0 0
273.16 35.53 0.039 0.056
273.16 36.87 0.089 0.125
273.16 38.35 0.155 0.202
273.16 39.68 0.226 0.273
273.16 40.92 0.316 0.355
273.16 42.07 0.433 0.458
273.16 42.62 0.526 0.539
273.16 42.81 0.594 0.598
273.16 42.85 0.667 0.666
273.16 42.83 0.684 0.681
273.16 42.58 0.725 0.721
273.16 42.59 0.754 0.751
273.16 42.19 0.817 0.809
273.16 41.66 0.884 0.878
273.16 40.88 0.952 0.95
273.16 40.387 1 1
43
Table 13. Vapor-liquid equilibrium data for the ethylene (1)-ethane (2)
system at 263.15K [20]
T (K) P (atm) X1 Y1
263.15 18.34 0 0
263.15 19.06 0.0462 0.0706
263.15 20.48 0.1446 0.2036
263.15 22.03 0.2561 0.3324
263.15 23.96 0.3982 0.4823
263.15 26.82 0.6138 0.6814
263.15 29.1 0.7894 0.832
263.15 29.86 0.8476 0.8777
263.15 31.05 0.9392 0.9516
263.15 31.94 1 1
44
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0
5
10
15
20
25
30
Pre
ssu
re (
atm
)
Mole fraction of N2
Vapor (Experimental) Liquid (Experimental) Vapor (predicted) Vapor (predicted)
Fig. 8. Experimental and predicted P-xy diagrams for the N2 (1)-C2H4 (2)
system at 122K [15].
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
12
14
16
18
20
22
Pre
ssu
re (
atm
)
CO2 Mole fraction
Vapor (Experimental) Liquid (Experimental) Vapor (predicted) Vapor (predicted)
Fig. 9. Experimental and predicted P-xy diagrams for the CO2 (1)-C2H6 (2) system
at 250K [12].
45
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
34
36
38
40
42
44
Pre
ssu
re (
atm
)
Mole fraction of C2H
4
Vapor (Experimental) Liquid (Experimental) Vapor (predicted) Vapor (predicted)
Fig. 10. Experimental and predicted P-xy diagrams for the C2H4 (1)-CO2 (2)
system at 273.16K [11].
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
18
20
22
24
26
28
30
32
34
Pre
ssu
re (
atm
)
Mole fraction of C2H
4
Vapor (Experimental) Liquid (Experimental) Vapor (predicted) Vapor (predicted)
Fig. 11. Experimental and predicted P-xy diagrams for the C2H4 (1)-C2H6 (2)
system at 263.15K [20].
46
5 상상태 공 사 수
5.1 Entire process flow diagram 사
본 연 에 사 MEG 공 체 도는 Fig. 12
같다.
Fig. 12. Block diagram of the MEG Production Process.
공 크게 EO reaction section, EO recovery section, CO2
removal section, LE removal section, EG reaction section, MEG
purification section 6개 section 누어진다. 질
에틸 과 산 고 EO reaction section 에 EO 생 다. 생
47
EO는 EO recovery section 거쳐 LE removal section에 순
거 다. 미 에틸 과 산 는 다시 EO reaction
section 리사 클 어 다시 EO reaction에 참여 고 그 과 에
생 CO2는 CO2 removal section에 탄산 수 액
과 여 리 다. EG reaction section 에 는 앞 에 생
EO , 그리고 CO2 removal section에 수 CO2 2단계
통 고순도 MEG 생 다.
5.2 사
본 연 MEG 공 에는 상상태 사 Aspen Plus
RStoic(Stoichiometric reactor) 사 다.
양 과 차수는 알 고 도에 보가
알 지 않 사 는 도, 압 , vapor fraction,
heat duty 개 결 주고 식과 fixed
conversion 결 주 양 비 여 계산 다.
본 연 에 는 실 공 운 탕 만들어진
stream table 여 고 내었다. 상(phase)
에 에틸 과 산 EO가 는 과 EO
side-reaction 상 , CO2 removal reaction과 EC reaction,
EC hydrolysis reaction 액상 다.
48
EO/EG 공 식 식(5.2-1)~(5.2-5) 같다.
상
C2H4 + 1/2 O2 EO (5.2-1)
C2H4 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O (5.2-2)
액상
CO2 + K2CO3 + H2O 2 KHCO3 (5.2-3)
+ CO2 (5.2-4)
+ H2O HO-CH2-CH2-OH + CO2 (5.2-5)
MEG 에 첫 째 에 는 EO 는
식(5.2-1) 식(5.2-2) 과 경쟁 어 고 탑에
는 식(5.2-3) 어 다. 째 에 MEG 는
식(5.2-4) (5.2-5) series reaction 어 다.
들 내에 어 는 고 과 operating
condition 공 운 참고 상상태 사
료 다.
과 택도 는 다 과 같다.
49
Reactor Conversion=
Reactor
내에 반 비 반 몰수
에공 반 몰수
Selectivity=
Reactor ( )
원 는 반 반 몰수
내에 비 반 반 몰수
식(5.2-1) 식(5.2-5)에 각각 계
산 결과는 Table 14에 시 다..
Table 14. Conversion, selectivity and operating condition of the
reactions
Reaction Conversion Selectivity Temperature Pressure
5.2.1-1 38% (O2) 83.4% 267.4°C 16.1 bar
5.2.1-2 7.5% (O2) 16.6% 267.4°C 16.1 bar
5.2.1-3 68.5% (K2CO3) 100% 73°C 19.2 bar
5.2.1-4 99.99% (EO) 100% 136°C 21.2 bar
5.2.1-5 99.44% (EC) 99.99% 150°C 3.0 bar
Fig. 13 EO 타낸 것 다.
50
Fig. 13. Operation of EO reactor.
5.3 탑 계
란 에 리 고 는 들 간 상 도
차 여 상 도가 탑 상 에 얻어내
고 상 도가 낮 탑 에 얻어내는 리
다. 다 탑 계 는 과 타낸 것 다. [6]
1. 탑에 주 는 원료 에 feedstock 결 다.
2. 리 고 는 들 product spec. 다.
3. 타 결 다.
4. 탑 사 열역 식 결 다.
51
5. 리에 단수 비 결 다.
6. 통 단수 다.
7. 탑 계산 통 실 단수 결 다.
Aspen Plus에 탑 shortcut simulation(DSTWU model)
여 단수, 비, tower 단수, feed단
그리고 재비 열량 등 계산 고, 러
rigorous simulation(RadFrac model) 수 다. Fig. 14는 탑
계 DSTWU model 여 비 단수 그리고 운
비 계 타낸 것 다.
보통 탑에 비가 가 탑 단수는 어든다.
지만 비가 가 재비 열량 가 다[33].
리에 단수 가는 공 비 가 래 고
재비 열량 가는 공 운 비 가 래 다.
라 , 비 단수 사 간 지 에
비 는 비 단수가 재 것 다.
Fig. 14 보 비 단수는 비 계에 알 수
고, 비 ‘Utility cost’는 비 계에 알 수 다. 앞
그래 것 공 비 고 곡 만
는 지 에 비가 비 는 비가 다.
52
러 공 에 사 는 탑 단수 비
고 사 다. 수탑 경우에는 비가 사 지 않 에
실 공 크 에 단 결 고
여 단수 산 다. 단 는 0.6m 가 다.
53
Fig. 14. No. of trays & operating cost vs. reflux ratio [34].
Fig. 15. Operation of CO2 absorber.
0 2 4 610
20
30
40
50
60
70
80
RRATIO vs NTary RRATIO vs Utility
Raflux Ratio
Nu
mbe
r o
f S
tag
es
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Utility
Co
nsu
mp
tion
s
CO2 absorber
54
5.4 체 MEG 생산 공 상상태 사
본 연 에 사 MEG 생산 공 12개 탑과 5개
, 44개 4개 샤, 39개 flash drum과 6개 tank,
52개 열 거 생산공 다. 게 많
게 사 공 section별 누어 사
그 결과 연결 다. 러 공 사가
는 크게 가지 다.
첫 째 는 앞 4 에 낸 NRTL-RK 라 가 실
공 상거동 얼마 게 는 지 는 것 다. 3
에 NRTL-RK 라 가 지 않다 실 공 운
게 사 수 없 결과에도 많 미 게 다.
라 라 각각 section
사 고 연결 결과가 실 공 운 얼마 는
지 다. 러 체 공 상상태 사 수
후 실 공 운 비 본 결과 실 공 운
각 stream 량 비 평균 96.8%, 각 stream 도 비 평
균 91.5%, 각 stream 압 비 평균 93.2%, 는 것
다. 또 각각 리 에 수 key-component들 리 역
시 거 다. 러 공 사 결과 3 에
NRTL-RK 계 라 가 실 공 상거동 거 게
55
다는 사실 다.
각 section별 공 사 수 째 는 수
는 간에 상상태 사 결과 알 다.
실 상공 basic design보다 EO reaction section, EO recovery
section, CO2 removal section, LE removal section 약 15%
공 다. Basic design에 는 운 건과 가진 공
지만 여 운 건과 변경
생 다. 라 EO reaction section, EO recovery section, CO2
removal section, LE removal section에 debottlenecking 아
닌 새 운 운 건과 알아내 여 업
진 고 다. 공 운 결과 실 공 운
비 연 에 는 각 section별 공 사 수
다.
56
6 공 수
6.1 공 커니
상 공 는 커니 우는
것 다. 그 는 공 는 에 라
수 건, 변수 등 든 값들 변 다.
본 연 에 는 헌상에 는 [2,35~45]들
참고 여 당 공 에 가 CO2 removal section 과 EO
recovery section 고 는 7 개 탑과 그 주 에
는 에 지 는 것 에 에
알맞 수 건 수립과 러 건에 는
변수 여 각각 탑과 그 주변 들
에 지 량에 민감 미 는 운 변수 민감도 사
통 낸 후 각각 section 에 당 공 변수 여
업 수 다.
공 수는 식 (6.1-1) 다.
int . .1
( )L
i opt ii
Maximize EC EC=
-å (6.1-1)
57
결과는 본 질 에 지 수지 만 야
, 공 에 악 업 역 내에 결 도
식 (6.1-2)~(6.1-5) 약 건 다. 약 건 min 과
max 공 운 시트 안에 다.
알고리 는 Aspen plus(ver.2006)에 내
SQP(Successive Quadratic Programming) 사 다.
(1) 에 지 수지
. . 0input i output iF F- =å å (6.1-2)
(2) 각 unit 운 도
, ,i Min i i MaxT T T£ £ (6.1-3)
(3) 각 unit 운 압
, ,i Min i i MaxP P P£ £ (6.1-4)
(4) 각 unit 에 는 stream
, ,i Min i i Maxf f f£ £ (6.1-5)
58
여 에 ,
i = Number of unit
j = Number of stream
k = Component
F = Flow rate (kmol/hr)
f = fraction
T = Temperature
P = Pressure
( , , , )EC g T P f spec= = Energy consumption per hour (Gcal/hr)
타낸다.
6.2 개개 탑 민감도 사
CO2 absorber 민감도 사
CO2 absorber는 탑 아래 식과 같 CO2
수 는 포 다.
CO2 + K2CO3 + H2O ------à 2 KHCO3
재 탑 reaction zone 탑 체에 어 다고
가 다. Fig. 16 민감도 사 수 CO2 absorber
PFD 다.
59
Fig. 16. Process flow diagram of the CO2 absorber.
재 CO2 absorber는 수탑 에 여
생 는 에 지 고 그 내 에 는 에 지는
없다. 지만 수탑 주변 에 계 에 지가 사 고
에 본 연 에 는 민감도 사 수 수탑과
주변 든 들 에 지 량에 주는 변수들
찾아보았다.
재 PFD상에 수탑에 들어가는 203과 206 stream,
수탑에 가는 204 207 stream에는 실 공 operating
condition과 같 건 운 는 가상 heater 다.
러 가상 heater 첫 째 는 수탑 들어가는
feed stream 도, 압 게 고, 각 heater 는
stream들 운 건 변 에 라 께 변 는 엔탈
60
값 쉽게 다. 째 는
에 지 량 감 다 에 지 량 가 는
커 링(decoupling) 상 지 다. 각각 product
stream들에 heater 후 민감도 사 수
수탑에 생산 는 도압 실 공 운 건
보 변수간에 복 상 계 가지는 규
공 에 어 변수 여 특 에 지 량
생 수 는 커 링 지 다.
민감도 사 수 재 동 고 는 실 공
운 건 탕 공 사 그 계산 CO2
absorber 주변 들 duty는 66.04Gcal/hr 다. 재
operating condition 다 과 같다.
C1 : T = 66.4°C, P = 18.7 Kg/sqcmg
C2 : T = 72.6°C, P = 23.4 Kg/sqcmg
201C : T = 40°C, P = 18.4 Kg/sqcmg
203C-B : T = 100°C, P = 18.1 Kg/sqcmg
203C-A : Hot stream outlet T = 72.6°C (207 stream)
202C : Hot stream outlet T = 76°C (203 stream)
61
CO2 absorber
단수 :40
FEED stage : 203 stream -à 40 (on-stage)
206 stream -à 1 (on-stage)
Column pressure : Top pressure : 18.4 Kg/sqcmg
Column pressure drop : 0.1 Kg/sqcm
게 사 결과 탕 여러 공 변수들
민감도 사 수 다.
Fig. 17 CO2 absorber내 도 타낸 그래 고 Fig.
18~22는 민감도 사 통 낸 CO2 absorber duty에 민감
미 는 변수 CO2 absorber duty 상 계 타낸
그래 다.
62
0 10 20 30 40
-40
-20
0
20
40
60
Te
mpe
ratu
re (
oC
)
Number of stage
Fig. 17. Temperature profile of the CO2 absorber.
40 60 80 100 120 140
60
70
80
90
100
110
120
130
To
tal duty
(G
cal/hr)
Top feed temperature variable (oC)
Fig. 18. Change of duty according to the change of
top feed temperature in CO2 absorber.
63
20 40 60 80 100 120 140
65.6
65.7
65.8
65.9
66.0
66.1
66.2
66.3
66.4
66.5
To
tal d
uty
(G
cal/h
r)
Bottom feed temperature variable (oC)
Fig. 19. Change of duty according to the change
of bottom feed temperature in CO2 absorber.
5 10 15 20 25 30
62
64
66
68
70
72
74
76
78
80
Tota
l du
ty (
Gca
l/hr)
Column operating pressure variable (bar)
Fig. 20. Change of duty according to the change
of operating pressure in CO2 absorber.
64
0 2 4 6 8 10 12
61
62
63
64
65
66
To
tal du
ty (
Gca
l/hr)
Top feed stage variable
Fig. 21. Change of duty according to the change
of top feed stage in CO2 absorber.
0 10 20 30 40
46
48
50
52
54
56
58
60
62
64
To
tal d
uty
(G
cal/h
r)
Bottom feed stage variable
Fig. 22. Change of duty according to the change of
bottom feed stage in CO2 absorber.
65
변수들 CO2 absorber 주변 에 사 는 에 지
량에 변 주는 들 다. 결과 CO2 absorber에
주는 는 탑 상 에 들어 는 feed 도 탑
운 압 , feed 단수 등 변수가 탑과 탑 주 체 사 는
에 지에 큰 미 는 변수 다.
같 7개 탑에 민감도 사
수 다. Table 15~16. 는 7개 탑 에 지 량에 민감
미 는 변수 다.
66
Table 15. Sensitive variables of the CO2 removal section
Section Equipment Variable
CO2 absorber Top feed temperature
CO2 absorber Bottom feed tamperature
CO2 absorber Operating pressure
CO2 absorber Top feed stage
CO2 absorber Bottom feed stage
CO2 stripper Top feed temperature
CO2 removal CO2 stripper Bottom feed tamperature
CO2 stripper Top feed pressure
CO2 stripper Bottom feed pressure
CO2 stripper Operating pressure
CO2 stripper Operating pressure drop
CO2 stripper Reflux ratio
CO2 stripper Distillate vapor fraction
CO2 stripper Bottom feed stage
67
Table 16. Sensitive variables of the EO recovery section
Section Equipment Variable
EO absorber Top feed temperature
EO absorber Bottom feed tamperature
EO absorber Bottom feed pressure
EO absorber Operating pressure
Recycle drum Operating temperature
Recycle drum Operating pressure
Product cooler Operating temperature
Product cooler Operating pressure
EO stripper Top feed temperature
EO stripper Bottom feed tamperature
EO stripper Top feed pressure
EO recovery EO stripper Operating pressure
EO stripper Operating pressure drop
EO stripper Top feed stage
Quench stripper Top feed temperature
Quench stripper Operating pressure
Quench stripper Operating pressure drop
Quench flasher Top feed temperature
Quench flasher Operating pressure
Residual absorber Top feed temperature
Residual absorber Middle feed temperature
Residual absorber Middle feed pressure
68
6.3 CO2 removal section
CO2 removal section CO2 absorber CO2 stripper 개
탑 어 다. 개 탑 생산 EO
생 CO2 리 여 다 공 달 주는 역 수 는
section 다. 앞 민감도 사에 공 에 지 에
민감 미 는 변수들 여 공 에 사 는 에 지
는 업 수 다. 또 CO2 absorber
1단 들어 feed가 1단과 10 단 누어 들어 고
CO2 stripper 경우 든 feed가 2단 들어 도
계 다. 또 splitter 여 량에도 변 수 도
계 다.
Fig. 23 CO2 removal section PFD 고 Table 17 CO2
removal section 결과 다. 결과 탕 CO2
removal section에 사 각 시간당 에 지 사 량
값들 계산 total duty 타내었다. 각 에
사 는 시간당 에 지 량 단 는 Gcal/hr 다.
CO2 removal section 수 결과 basic design에
사 는 체 에 지 량 108.264Gcal/hr에 91.619Gcal/hr
약 15.4% 도 에 지 감 과가 생 는 것 다. Table
18 수 후 게 각 운 건 다.
69
Fig. 23. Process flow diagram of the CO2 removal section.
70
Table 17. Result of the CO2 removal section optimization
Table 18. Operating condition of the optimized CO2 removal section
Variable Units Previous
value Final value
CO2 absorber top feed stage 1 10
CO2 absorber bottom feed stage 31 20
Preheater cold side temperature C 72.6 87.1
Carbonate flasher temperature C 101.4 113.47
CO2 condensate pump C 45 49.3
CO2 absorber operating pressure BAR 19.0575 60
CO2 stripper operating pressure BAR 1.993915 1.3
CO2 stripper Distillate vapor
fraction 0.4142 0.85
Duty (Gcal/hr) Basic case Optimization
Variable Initial value Final value
H2O drum 5.42325 7.30672
Carbonate flasher 45.001627 41.606306
CO2 vent drum 0.294279 0.307381
Preheater 14.932443 4.169412
Carbonate exchanger 16.41297 16.41297
CO2 condensate pump 0.077212 2.631814
CO2 stripper reboiler 18.49501 11.55389
CO2 stripper condenser 7.62737 7.63053
Total duty 108.264161 91.619023
71
6.4 EO recovery section
EO recovery section ethylene과 산 생 EO
수 공 EO absorber EO stripper, Quench
bleed stripper Quench bleed flasher, Residual absorber 다 개
연결 탑 공 고 다. 다 개 탑
생산 EO H2O, C2H4 리 여 산 MEG 생
다 공 달 는 역 수 는 section 다. 앞 민감
도 사에 공 에 지 에 민감 미 는 변수
들 여 공 에 사 는 에 지 는 업
수 다. 또 EO stripper 탑 주 는 들어 는 stream
feed 단 8단에 25단 변 시키고 Quench bleed
flasher 들어 는 14K-steam feed 단수 8단에 1단 수
다.
Fig. 24는 EO recovery section PFD 고 Table 19는 EO
recovery section 결과 다. 결과 탕 EO
recovery section에 사 각 시간당 에 지 사 량
값들 계산 total duty 타내었다. 각 에
사 는 시간당 에 지 량 단 는 Gcal/hr 다.
EO recovery section 수 결과 basic design에
사 는 체 에 지 량 228.207Gcal/hr 에 219.756
72
Gcal/hr 약 3.7% 도 에 지 감 과가 생 는 것
다. Table 20. 수 후 게 각
운 건 다.
CO2 removal section과 EO recovery section에 민감
변수들 여 업 수 결과 CO2 removal
section에 약 15.4%, EO recovery section에 3.7% 에 지
량 감 다. section 에 지 량 336.471 Gcal/hr
에 311.375 Gcal/hr 약 7.5% 에 지 감 과 얻었다.
73
Fig. 24. Process flow diagram of the EO recovery section.
74
Table 19. Result of the EO recovery section optimization
Duty (Gcal/hr) Basic case Optimization
Variable Initial value Final value
Recycle drum 4.611381 1.77121
EO stripper reboiler 39.830086 38.634479
Quench stripper reboiler 1.136429 0.947125
Quench flasher 10.499996 10.400482
Product cooler 15.517572 12.845462
EO stripper exchanger 133.345 132.04905
Stripper condenser 14.6477 14.6897
EO surge drum 3.50252 3.49556
EG feed pump 0.060682 0.060682
Gas suction drum 0.387825 0.387825
Absorber bottom pump 0.9002 0.706
Stripper chiller 3.70209 3.70209
Recycle cooler 0.06607 0.06607
Total duty 228.207551 219.755735
75
Table 20. Operating condition of the optimized EO recovery section
Duty (Gcal/hr) Basic case Optimization
Variable Initial value Final value
EO stripper middle feed stage 25 8
Quench stripper bottom feed stage 1 8
Recycle pump temperature 49 52.68419
Recycle pump pressure 16.115 6.238775
Product cooler temperature 56.1 55.77345
EO stripper exchanger temperature 101 101.8713
EO absorber operating pressure 15.50748 16.44928
EO stripper operating pressure 1.79778 1.923893
EO stripper operating pressure drop 0.1471 0.004035
Quench stripper operating pressure 1.35648 0.1
Quench stripper operating pressure drop 0.0784 0
Lesidual absorber operating pressure 1.3859 0.37
76
7 결
본 연 에 는 근 에 지 에 심 아진 시 에
다량 에 지 는 공 에 다양
여 에 지 는 업 수 고, 공 에
민감 미 는 변수 찾아 업 건 찾아내었다.
상상태 사 수 열역 는 NRTL-RK
다. Non-ideal chemical system 에 수 고,
다 계 가능 NRTL 사 여 액상
순수 압 산과 도계산에 상 체
상태 식보다 가지는 RK 여 고 ,
고압 운 는 공 에 상 상평 거동 다.
Aspen plus 에 내 어 지 않는 계 라 에 는
헌상 /액 평 고 regression 고 각 들
여 NRTL-RK 상 라 값들 다.
값들 여 상상태 사 수 결과 실 공 운
거 고, 진 계 라 가
실 공 상평 거동 게 는 것 다.
MEG 생산 공 상상태 사 수 여 상
공 6 개 section 리 고 각각 공 사 수 후
77
당 section 들 연결 다. 공 에 참여 는
사 여 각 들 conversion 계산 고 진
운 건 탕 Aspen plus 에 내 Rstic. 사 여
상상태 사 수 다. 12 개 탑 사 공
운 탑 specification, shortcut simulation 등
여 tower 계 얻었
Aspen plus 에 내 Radfrac. 사 여 탑
상상태 사 수 다.
MEG 생산 공 고 는 CO2 removal section 과 EO
recovery section 수 각 section 탑과
그 주변 에 민감도 사 수 여 공 에 사 는
에 지에 민감 변수 고 여 에 지
사 는 공 운 건 찾아내었다. 연 결과, 공
운 변수 CO2 removal section 과 EO recovery
section 에 약 7.5% 에 지 감 과 얻었
운 건 찾아냈다.
본 연 에 는 당공 에 업 수
공 에 참여 는 들 열역 보 시 고 다양
안 다 공 들 에 지 감
안 것 다.
78
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85
감사의
2 년이라는 시간 동안 족한 저에게 많은 격 을
주신 들께 심으 감사의 말씀 전합니다.
먼저 난 2 년간 제가 연 자의 을 르게 걸을 수
있 심한 가르침을 아끼 않으시고 저에게 넓은
상을 보여주 은사 정 택 수님께 심심한 감사의 말씀을
립니다. 학문뿐이 아니라 수님께 제자에게 몸 보여주
상을 살아가는 마음가 을 잊 않고 졸업 이 에
정 하겠습니다. 쁘신 에 저의 논문을 하게
해주신 안 승 수님과 장윤 수님께 감사의 말씀을
립니다. 또한 저에게 많은 가르침을 주시고 아껴주신
인하 학 학공학과 모든 수님께 존경의 뜻을 표합니다.
언제나 저의 실험이나 연 를 주신 고동윤 조 님께 감사의
말씀을 립니다.
난 2 년간 공정 공학 연 실에 제가 연 를 하면 많은
을 았 님, 동 , 님들께 감사의 말씀 립니다.
같은 실험실에 언제나 저의 연 에 을 주 이 ,
그리고 언제나 어 문제든 해결해 주시는 정식이 , 그리고
학 에 들 싶게 적응할 수 있 재 , 정수 ,
86
, 정윤이 , 재경이 모 에게 감사를 전합니다. 언제나 힘이
어 주었고 함께 졸업을 하게 저의 동 모 에게 축하
고마 을 전합니다. 저에게 언제나 을 주시고 응 해주
모든 들께 감사의 뜻을 전합니다.
마 막으 저를 이 상에 태어나 제가 하고 싶은 일을 할
수 있게 해 주시고 언제나 저에 한 믿음과 사랑으 이끌어주신
아 , 어머니, 언제나 저보다 어른스러 동생 민정이, 난
2 년간 언제나 저에게 힘이 어 주었 은숙이에게 감사의
말씀을 전합니다. 어머니, 아 언제나 건강하 . 이제 제가
어머니, 아 의 팀목이 겠습니다.
많이 족하 만 난 학 4 년과 사과정의 결과물인 이
논문을 상에 가장 사랑하는 모님과 존경하는 정 택
수님께 칩니다.
2008 년 겨 어느날
공정공학 연 실에
태