Stefano Stefano   39-08-02 00:00 (0)NCC 공장의 개선은 다른 어느 화학공장에 비해 공정개선이 많이 이루어져 왔는데 그러다 보니 언제 건설했느냐에 따라 공정의 구성이 조금씩 달라져 있음을 알 수 있습니다. 5년이내의 짧은 기간에는 이런 개선이 눈에 잘 띄지 않지만 10년 단위로 눈여겨 보면 공정의 개선이 뚜렷이 나타납니다. (기회가 있다면 20~30년전 NCC Project Proposal에 나타나 있는 공정도와 원단위를 현재의 그것들과 서로 비교해 보는 것도 좋을 것입니다.) 특히 원유가 상승으로 인한 Naphtha 가격의 상승이라는 직접적인 원인 이외에도, Energy 가격 상승으로 인한 원인과, 제품간의 수요공급 수지에 따른 가격의 변동, 국내뿐만 아니라 NCC공장간의 경쟁, 등의 원인으로 기술의 개발은 주로 주제품 수율향상, 부산물 수율억제, 부산물의 순환이용 혹은 새로운 용도개발, 그리고 이 질문의 주제와 관련된 에너지 효율성 증대와 관련해서 이루어 졌습니다. 그러나 그것으로 끝나는 일이 아닙니다. 앞으로 또다시 10년, 20년 후에는 지금의 NCC공정도 크게 달라져 있을 것이며 어쩌면 원료조차 달라뎌져 있을지도 모릅니다. (필자가 처음 화학공장에 입사했을 당시에는 그 비싼 Naphtha를 연료로 사용하고 있었습니다. 지금이야 도저히 믿을 수 없는 일이겠지만 Methenol을 만드는데 정확히 50%는 공정원료로 사용되고 정확히 나머지 50%는 Syn Gas 제조용 Reformer 연료로 사용되었지요. 현재 메탄올 공장의 연료는 물론 원료조차 Naphtha는 대부분 천연가스로 바뀌었습니다.)    (1) 질문하신 QW의 폐열의 회수율 증대는 우선 QW가 지닌 절대량의 엔너지를 기준으로 판단하지 말고 QW의 온도를 이용해서 Heat를 요구하는 곳의 온도와 비교해서 이용할 수 있는지를 판단하면 됩니다. 그리고 나서 절대열량은 크지만 온도가 모자라는 경우 Column의 중간 Side Reboiler로 사용하는 방법, 또는 Heat Pump의 원리를 이용해서 다른 Heating Medium으로 Upgrade 해서 사용하면 됩니다.  (2) 폐열이나 다른 에너지 원을 이용해서 열을 소비하는 곳에 이용하는 예는 위(0)에서 설명한 바와 같이 무수히 많은 예가 있습니다.  실제 공장의 사례는 먼저 지은 NCC와 나중에 지은 NCC를 비교해 봐도 찾아볼 수가 있을 것입니다. 열교환 Network의 구성에 필요한 Pinch Technology는 1980년 초만 해도 크게 관심을 두는 이가 별로 없었는데 Oil Shock를 거치면서 두각을 나타내고 있고 지금은 웬만한 공정설계시에는 Otimizing 을 위한 핵을 구성하고 있습니다.  (3) QW를 이용함에 있어서 점검해 보아야 할 사항은 QW의 Quality가 Fouling을 많이 일으키는가 여부이며 순환방법은 문제가 없습니다.  가스를 압축하는 동력은 부피변화가 많기 때문에 신중해야 하지만 액체를 수송하는 동력은 회수하여 쓸 수 있는 열량에 비하면 완전히 무시할 수 있기 때문에 조금 멀리 떨어져 있어도 필요한 곳에 날라다 쓰더라도 득이 됩니다.  (4) C3-  Fractionator의 경우 상대 휘발도가 1.15정도가 되지 않아 Reflux Ratio가 커서 에너지를 많이 소요하고 있습니다. 또한 Column Top이나 Bottom의 온도차도 다른 Column에 비해 크지 않아 Vapor Compression, Internal Reflux효과 증대, Side Reboiler의 이용, 등의 방법으로 개선될 요소가 많습니다. (필자의 생각이지만..가까운 장래에 C3-/C3의 분리는 Olefin을 선택적으로 흡수하는 Extractive의 Distillation으로 바뀔 것으로 예상합니다.)    (5) C3-/C3분리 Column 뿐 만 아니라 일반적으로 Distillation Column에서 >운전중< 에너지를 줄이는 방법을 몇가지만 소개하면 다음과 같습니다. i) Product 순도를 과잉으로 높게 생산하지 말것 (불필요한 Reflux를 줄임, Reflux에 비례해서 에너지 소비가 증가)  ii) Column의 압력을 될수록 낮게 유지할 것 (Cooling Medium이 허용하는 한 Condenser의 압력을 낮추어 운전) iii) Feed 위치는 Feed성분이 Feed Tray 위치에서의 내부 성분과 맞도록 할것(Feed 위치가 여러개 있는 경우 Column Simulation을 통해 적절한 위치를 선택한다.) iv) Feed 온도는 Feed Tray 온도와 같거나 높게 유지할 것 (6) 위의 (5)의 경우는 이미 지어진 공장에서 System을 고칠 수 없는 입장에서 할 수 있는 일입니다. 만일 새로 공장을 지으려 한다고 할 때 Column에서의 에너지 절감 방법중 중요한 것을 나열하면 다음과 같습니다. i) Column Reflux Ratio와 Column 단수간에 타협이 필요한 경우 Reflux를 줄이고 Column 단수를 늘리는 방법을 택한다. (공장투자비는 한번에 끝나지만 에너지 가격은 내려가는 법이 없다.) ii) Column Feed는 필요시 Precolumn으로 기-액을 분리해서 Column에 투입(대부분 Feed Vapor와 Liquid 성분은 큰 성분 차이를 보이기 때문에 증기와 액을 분리해서 투입) iii) Column Vapor를 압축하여 (Bottom 혹은 Side)Reboiler 에너지로 사용한다. (냉매 대신 냉각수를 사용하는 응축기를 둘수도 있고 Vapor의 잠열을 Reboiler에 직접 활용할 수도 있다. 이런 경우에는 냉각부하와 가열부하가 동시에 줄어든다. 이를 위한 추가투자의 Pay-out는 1~3년, 에너지 가격이 오르면 1년 이내에 회수할 수도 있다.) iv) Feed중에 들어 있는 Light-ends와 Heavy-ends는 될수록 빨리 처분한다.(오래 끌고 다닐수록 Condenser와 Reboiler에 부담만 줄 뿐 이로움이 없다.) v) 제품 순도는 Product Column에서 중점적으로 높인다.(iv와 거의 같은 맥락이지만 제품순도를 위해 달리려면 몸을 가벼이 해야한다.) vi) Column내 Profile은 Top과 Bottom을 제외하곤 Linear하게 유지 한다.(Main Feed나 Side Feed 등의 온도와 성분이 Column 내부와 크게 다르다면 분리효율은 현격히 떨어진다.) vii) 3성분 이상을 취급하는 Column에서 Column 중간에서 Conc Peak가 발생되는 경우 Divided Wall Column을 사용하거나 별도의 Column을 두어 분리하도록 한다. 중요한 것들만 나열했는데 이미 잘 알고 계시는 내용일 것입니다.      (7) Simulation 결과는 (실제로 투자가 이루어지지 않아서) 쉽게 얻을 수 있지만 단순한 열수지 물질수지만으로 판단할 수 없는 복병을 이야기 해주지 않습니다. 전체공정을 공정모사해서 열수지가 정확히 맞아야 하는 것 이외에 다음의 >복병<이 도사리고 있는 경우가 많습니다. 검토할 때 특히 유념해야 할 사항입니다. i) 열교환기의 튜브 손상시 압력이 높은 쪽의 물질이 낮은 쪽으로 침투되었을 때 위험한 상황이 발생할 수 있는 요소 ii) 취급 물질의 물성이 까다로운 경우(독성, 부식성이 있는 경우. 온도 강하시 굳어버리거나 열교환기 Fouling이 큰 경우) 어려운 주제를 평소의 생각을 중점적으로 하여 대충 적어 봤는데 도움이 되었기를 바랍니다.    (0)NCC 공장의 개선은 다른 어느 화학공장에 비해 공정개선이 많이 이루어져 왔는데 그러다 보니 언제 건설했느냐에 따라 공정의 구성이 조금씩 달라져 있음을 알 수 있습니다. 5년이내의 짧은 기간에는 이런 개선이 눈에 잘 띄지 않지만 10년 단위로 눈여겨 보면 공정의 개선이 뚜렷이 나타납니다. (기회가 있다면 20~30년전 NCC Project Proposal에 나타나 있는 공정도와 원단위를 현재의 그것들과 서로 비교해 보는 것도 좋을 것입니다.) 특히 원유가 상승으로 인한 Naphtha 가격의 상승이라는 직접적인 원인 이외에도, Energy 가격 상승으로 인한 원인과, 제품간의 수요공급 수지에 따른 가격의 변동, 국내뿐만 아니라 NCC공장간의 경쟁, 등의 원인으로 기술의 개발은 주로 주제품 수율향상, 부산물 수율억제, 부산물의 순환이용 혹은 새로운 용도개발, 그리고 이 질문의 주제와 관련된 에너지 효율성 증대와 관련해서 이루어 졌습니다. 그러나 그것으로 끝나는 일이 아닙니다. 앞으로 또다시 10년, 20년 후에는 지금의 NCC공정도 크게 달라져 있을 것이며 어쩌면 원료조차 달라뎌져 있을지도 모릅니다. (필자가 처음 화학공장에 입사했을 당시에는 그 비싼 Naphtha를 연료로 사용하고 있었습니다. 지금이야 도저히 믿을 수 없는 일이겠지만 Methenol을 만드는데 정확히 50%는 공정원료로 사용되고 정확히 나머지 50%는 Syn Gas 제조용 Reformer 연료로 사용되었지요. 현재 메탄올 공장의 연료는 물론 원료조차 Naphtha는 대부분 천연가스로 바뀌었습니다.) (1) 질문하신 QW의 폐열의 회수율 증대는 우선 QW가 지닌 절대량의 엔너지를 기준으로 판단하지 말고 QW의 온도를 이용해서 Heat를 요구하는 곳의 온도와 비교해서 이용할 수 있는지를 판단하면 됩니다. 그리고 나서 절대열량은 크지만 온도가 모자라는 경우 Column의 중간 Side Reboiler로 사용하는 방법, 또는 Heat Pump의 원리를 이용해서 다른 Heating Medium으로 Upgrade 해서 사용하면 됩니다. (2) 폐열이나 다른 에너지 원을 이용해서 열을 소비하는 곳에 이용하는 예는 위(0)에서 설명한 바와 같이 무수히 많은 예가 있습니다. 실제 공장의 사례는 먼저 지은 NCC와 나중에 지은 NCC를 비교해 봐도 찾아볼 수가 있을 것입니다. 열교환 Network의 구성에 필요한 Pinch Technology는 1980년 초만 해도 크게 관심을 두는 이가 별로 없었는데 Oil Shock를 거치면서 두각을 나타내고 있고 지금은 웬만한 공정설계시에는 Otimizing 을 위한 핵을 구성하고 있습니다. (3) QW를 이용함에 있어서 점검해 보아야 할 사항은 QW의 Quality가 Fouling을 많이 일으키는가 여부이며 순환방법은 문제가 없습니다. 가스를 압축하는 동력은 부피변화가 많기 때문에 신중해야 하지만 액체를 수송하는 동력은 회수하여 쓸 수 있는 열량에 비하면 완전히 무시할 수 있기 때문에 조금 멀리 떨어져 있어도 필요한 곳에 날라다 쓰더라도 득이 됩니다. (4) C3- Fractionator의 경우 상대 휘발도가 1.15정도가 되지 않아 Reflux Ratio가 커서 에너지를 많이 소요하고 있습니다. 또한 Column Top이나 Bottom의 온도차도 다른 Column에 비해 크지 않아 Vapor Compression, Internal Reflux효과 증대, Side Reboiler의 이용, 등의 방법으로 개선될 요소가 많습니다. (필자의 생각이지만..가까운 장래에 C3-/C3의 분리는 Olefin을 선택적으로 흡수하는 Extractive의 Distillation으로 바뀔 것으로 예상합니다.) (5) C3-/C3분리 Column 뿐 만 아니라 일반적으로 Distillation Column에서 >운전중< 에너지를 줄이는 방법을 몇가지만 소개하면 다음과 같습니다. i) Product 순도를 과잉으로 높게 생산하지 말것 (불필요한 Reflux를 줄임, Reflux에 비례해서 에너지 소비가 증가) ii) Column의 압력을 될수록 낮게 유지할 것 (Cooling Medium이 허용하는 한 Condenser의 압력을 낮추어 운전) iii) Feed 위치는 Feed성분이 Feed Tray 위치에서의 내부 성분과 맞도록 할것(Feed 위치가 여러개 있는 경우 Column Simulation을 통해 적절한 위치를 선택한다.) iv) Feed 온도는 Feed Tray 온도와 같거나 높게 유지할 것 (6) 위의 (5)의 경우는 이미 지어진 공장에서 System을 고칠 수 없는 입장에서 할 수 있는 일입니다. 만일 새로 공장을 지으려 한다고 할 때 Column에서의 에너지 절감 방법중 중요한 것을 나열하면 다음과 같습니다. i) Column Reflux Ratio와 Column 단수간에 타협이 필요한 경우 Reflux를 줄이고 Column 단수를 늘리는 방법을 택한다. (공장투자비는 한번에 끝나지만 에너지 가격은 내려가는 법이 없다.) ii) Column Feed는 필요시 Precolumn으로 기-액을 분리해서 Column에 투입(대부분 Feed Vapor와 Liquid 성분은 큰 성분 차이를 보이기 때문에 증기와 액을 분리해서 투입) iii) Column Vapor를 압축하여 (Bottom 혹은 Side)Reboiler 에너지로 사용한다. (냉매 대신 냉각수를 사용하는 응축기를 둘수도 있고 Vapor의 잠열을 Reboiler에 직접 활용할 수도 있다. 이런 경우에는 냉각부하와 가열부하가 동시에 줄어든다. 이를 위한 추가투자의 Pay-out는 1~3년, 에너지 가격이 오르면 1년 이내에 회수할 수도 있다.) iv) Feed중에 들어 있는 Light-ends와 Heavy-ends는 될수록 빨리 처분한다.(오래 끌고 다닐수록 Condenser와 Reboiler에 부담만 줄 뿐 이로움이 없다.) v) 제품 순도는 Product Column에서 중점적으로 높인다.(iv와 거의 같은 맥락이지만 제품순도를 위해 달리려면 몸을 가벼이 해야한다.) vi) Column내 Profile은 Top과 Bottom을 제외하곤 Linear하게 유지 한다.(Main Feed나 Side Feed 등의 온도와 성분이 Column 내부와 크게 다르다면 분리효율은 현격히 떨어진다.) vii) 3성분 이상을 취급하는 Column에서 Column 중간에서 Conc Peak가 발생되는 경우 Divided Wall Column을 사용하거나 별도의 Column을 두어 분리하도록 한다. 중요한 것들만 나열했는데 이미 잘 알고 계시는 내용일 것입니다. (7) Simulation 결과는 (실제로 투자가 이루어지지 않아서) 쉽게 얻을 수 있지만 단순한 열수지 물질수지만으로 판단할 수 없는 복병을 이야기 해주지 않습니다. 전체공정을 공정모사해서 열수지가 정확히 맞아야 하는 것 이외에 다음의 >복병<이 도사리고 있는 경우가 많습니다. 검토할 때 특히 유념해야 할 사항입니다. i) 열교환기의 튜브 손상시 압력이 높은 쪽의 물질이 낮은 쪽으로 침투되었을 때 위험한 상황이 발생할 수 있는 요소 ii) 취급 물질의 물성이 까다로운 경우(독성, 부식성이 있는 경우. 온도 강하시 굳어버리거나 열교환기 Fouling이 큰 경우) 어려운 주제를 평소의 생각을 중점적으로 하여 대충 적어 봤는데 도움이 되었기를 바랍니다.

장영기 장영기   39-08-02 00:00 네, Stefano님 말씀대로 QW Fouling 여부와 각 공장의 차이점을 염두해 검토를 세부적을 해볼 예정입니다. 그리고 Distillation Tower에 대한 전체적인 말씀 많은 참고가 되었습니다. 네, Stefano님 말씀대로 QW Fouling 여부와 각 공장의 차이점을 염두해 검토를 세부적을 해볼 예정입니다. 그리고 Distillation Tower에 대한 전체적인 말씀 많은 참고가 되었습니다.