자동로그인
컨텐츠 | contents
일반게시판
Q&A게시판
공학 S/W
스터디 | study
단위환산
농도계산
일반화학
화공일반
화공실무

   
  Column simulation 질의
  글쓴이 : 증류탑엔지…   고유ID : sophistu88     날짜 : 18-02-06 01:10     조회 : 650    
안녕하세요. 2년차 Column internal vendor에서 근무하는 초보엔지니어 사원입니다. HYSYS랑 PRO II 를 PJT 할당 없이 혼자 매뉴얼이랑 webinar 혹은 youtube 동영상을 보면서 혼자 공부하고 있는데 좀 어렵네요. 다음과 같은 질문을 드리기 위해 글을 썼습니다.
 
1. Feed stream의 Pre-heater (or Pre cooler) heat exchanger의 온도설정기준
책에서 보니까 Column feed 주입시 온도가 Saturated liquid 의 상태여야만 Column에 필요한 duty가 가장 optimal하다고 나와있는데요. 그럼 사업주로부터 Feed data 받고 그 정보들로 Stream인풋하고 run시켜서 feed stream의 Phase 확인한 다음 (mixed 혹은 vapour) Bubble point의 온도로 설정하고 run 시키면 온도 구할수 있지 않습니까? 그럼 그 온도를 heat exchanger의 process stream out put 온도에 입력 및 적용하면 되나요? 만약 이게 아니면 Case study를 사용해서 Pre-heater의 최적점을 찾을 수 있을까요?
 
1-1. simulation 계산 logic 
보통 사업주에 의해 Btm Product 조성, Column top pressure에서 Pressure drop을 반영하면 자연스럽게 Btm 압력이 정해졌으니 당연히 온도도 정해지겠죠? 이때 정해진 온도에서는 Feed stream을 Maximum으로 Pre-heating 시킬 수 있는 Upper point(한계의 enthalpy) 있지 않나요..? 예를 들어 Feed stream의 saturated liquid point (temp.)가 100'C라고 하면 Bottom product는 100'C 까지 올릴 엔탈피가 없다는 상황인거죠... Pre-heating medium이 Process 가 아닌 Utility인 경우에는 Steam으로 pre-heating 하면 Steam generation에서 더 연료를 때면 되니까 문득 상관없이 수렴될 것 같은데 앞서 말한 경우가 궁금하네요.. 보통 Column Bottom에서 나오는 Process stream으로 pre-heating 시키더라고요.
 
이렇듯이 Bottom product의 온도가 불충분하다면 제 생각에는 온도를 더 올려주기 위해 Reboiler duty는 더 필요하게 되고요.... 시뮬레이션 프로그램이 이를 인식하고 자동으로 개선하기 위해 reboiler duty를 올려주나요 아니면 Specified 된 feed pre-heater의 온도는 수렴이 불가능하다 라고 안되게 나오나요? 그러면 Saturated liquid로 주입대신 sub-cooled로 넣거나 아니면 Reboiler 온도를 더올려야 하는데 온도르 올리는 경우에는 1.에서 말한 첫번째 문장과 모순이라고 생각합니다. 이에 대한 의견을 주시면 감사드리겠습니다.
 
2. Side reboiler 적용 기준
Side reboiler는 Main reboiler의 duty를 대신 부담하여 경제적인 요소를 경감해준다고 들었습니다. (물론 Side reboiler 아랫단으로는 분리 효율이 안좋아 진다는 단점이 생기지만 상대적으로 이점이 많아 사용한다는 기술적인 내용을 책에서 보았습니다.) 그럼 Main reboiler 의 열전달면적이나 duty의 특정 criteria나 수치를 넘는경우에 side reboiler를 사용하나요? Rule of thumb나 혹시 reboiler simulation design guide가 있나요?
 
3. Pump Around(P.A) line의 Cooler 온도 설정
PA되는 stream들을 델타 몇도로 떨어뜨려줘야하나요?
Utility 대신 Process stream(Column internal reflux stream)으로 Pre-heat train을 이뤄 heat integration을 통해 energy optimization한다고 들었습니다. 예를 들어 CDU공정을 들자면.. 에서 PA line에 들어간 Cooler 들을 Feed stream의 pre-heat train으로 사용하는걸로 배웠습니다.
 
4. 컬럼 단수 적용
제가 있는 회사의 현업 simulation engineer분들은 short cut 기능을 사용하지 않더라고요. Multicomponent system인 경우 단마다 상대휘발도의 편차가 크면 short cut 결과가 정확하지 않다는 건 알고 있습니다. 하지만 최적화 된 column 단수를 초기에 preliminarily 하게 알수있는 방법이 없을까요? McCabe 는 이성분계만 가능하니 이건 배제하겠습니다.
 
제가 지켜본 바로는 다른 Opex와 trade off되는건 배제하고 사업주의 required Product Spec에만 초점을 맞춰 보통 때려맞추기식? 으로 stage수를 선정하고 그 다음 reboiler duty나 기타사항들을 최적화 시키는 일련의 작업으로 진행하고요..  정유/석화 산업의 분리공정 reference data들이 풍부하니 보통 googling 해서 하는 것 같은데... 아무튼 제가 느낀 바로는 주먹구구식인 것 같습니다.
혹시 multicomponent system 에 대해서 단수 선정 하실 때 어떤 기준으로 최적화된 단수를 얻는지 팁을 얻을 수 있을까요?
 
지저분한 긴글 읽어주셔서 대단히 감사드립니다.

스테파노 Stefano   18-02-06 16:11
(A1) Column Feed Condition, Optimum Feed Tray

증류탑의 Feed Enthalpy를 높여주는 이유는 증류탑의 효율을 높이는 목적이라기 보다는 증류탑 Reboiler Duty를 줄이기 위함입니다.  효율에 영향을 미치지 않도록 하기 위해서는 Column내 조건과 동일한 기-액 평형 혼합물 상태로 Tray에 투입하는 것이 필요합니다. 

과냉되어 있다거나 과열된 상태로 Column 내에 공급되는 경우, 단과  Feed의 기-액 평형을 이루는 단과의 차이만큼의 단내에서는 평형을 벗어나 운전되는 속성을 가지기 때문에 그만큼 효율이 떨어질 수 있습니다.

최적 Feed Condition & Feed Tray No.를 찾아내려면 Feed를 위한 열량, Column Reboiler 열량, Condenser 냉각수 동력, Reflux Pump 동력 등을 위한 유틸리티비용과 그 조건에서 운전되는 기기장치에 해당하는 감가상각비를 더해서 비용 최소가 되는 점을 찾아내는 일입니다.  Total Cost Minimization 문제인데 운전제한 조건과 제품규격을 만족하는 범위, 그리고 다른 제한된 정보공간내에서 공정모사해 가면서 최적화를 풀어보면 됩니다.  Feed Enthalpy를 바꾸어 가면서 Total Cost를 비교해 보면 되는데 비용산출이 어려우면 유틸리티비용만으로 비교해 볼 수도 있습니다.   

A1-1) Feed Maximum Enthalpy

Feed를 기-액 혼합물로 투입하더라도 기-액 비율에 따라 Enthalpy는 달라집니다.  과열 증기로 투입하는 경우 과열증기가 표화장기가 될 때까지 이동하는Tray는 Stripping이 효과는 늘어나지만 기-액 평형에 크게 도움이 되지 않고 오히려 Column 단효율만 떨어집니다.   

Feed를 Bottom 포화온도 이상으로 올릴 필요도 없고 Bottom Product와 열교환하는 경우라면 그 온도 이상으로 Feed 온도로 올릴 수도 없습니다.       

따라서 해당 Column에서 Top/Bottom의 규격을 맞추기 위해서 더 필요한 열량은 Reboiler를 통해 공급합니다.  Simulator가 자동으로 계산해 냅니다.

(A2) Side Reboiler

Side Reboiller는 윗단에서 흘러 내려오는 액을 Column 중간에서 가열하여 Strippig을 해주는 역할을 Side Reboiler가 담당하고 있습니다.  Reboiler 전체 부피는 그만큼 줄어들고 Reflux는 더 늘겠지만 Column내 Side Reboiler 하부단에서 효율저하가 동반됩니다.  분리 효율이 줄어든 만큼의 분리효과를 내기위해 Reflux가 늘면 (Side Reboiler 열량보다는 작겟지만) 그 만큼 Reboiler 부하가 늘어날 것입니다. 

그럼에도 Side Reboiler를 사용하는 이유는 (Stripping 효과에 의해)그 밑단의 Product의 Flash Point를 낮추어 주는 효과를 가지고 있거나 Distillate의 수율을 더 늘일 수도 있고 Main Reboiler의 부하를 줄일 수 있기 때문일 것입니다.    추가 장치와 배관등이 설치되어야 하지만 어느 잇점이 있기때문에 두는 것이라고 봐야 하며 별도의 Guide나 표준이 있는 것은 아니지요.

(A3) Pump Around(PA) 온도차는 Pinch Analysis에 의해

PA 효과는 Internal Reflux 효과를 가지는데 액상이 가진 엔탈피를 다른 곳에 이용하는 것입니다. PA의 온도차는 이용하는 현열의 크기를 결정하는 변수가 됩니다.  PA온도차가 적더라도 유량이 아주 많은 CDU 공정에서 PA를 Feed Preheating 열량에 이용하게되는데 PA Return 온도는 피가열 Stream의 온도에 의해 제한됩니다.  피가열체가 가열열원 이상으로 가열되지는못하기 때문이지요.

CDU의 Preheating Network가 복잡한 이유는 PA Return 온도가 제한되어 있기 때문입니다.  공정설계에서는 전공정 열교환기의 Pinch Temperature Analysis를 통하여 가열원과 피가열원의 온도차 분석을 하여 PA Return 온도를 정합니다.  열교환을 위한 최소의 온도차를  5도 전후로 보고 열교환 Networ를 구성하는데 여기서도 Total Cost Minimizing 원칙에 의해 최적화 하게됩니다.

(A4) Short Cut Simulation (SCS)

현업 Engineer는 해당공정에 아마도, 이미 Know-how를 가지고 있기 때문에 SCS을 하지 않아도 Rigorous Column Silulation을 진행할 것입니다.  <때려맞추기식>이나 <주먹구구>로 Column 설계를 할 수 있는 엔지니어라면 뛰어난 엔지니어 입니다. 

유사한 공정실적을 가지고 있지 않은 System이라면 초기 SCS를 통하여 개략 Column 운전조건과 단 수효 Reflux를 알아내고 이로부터 전공장 분리Column과 열교환기 Network를 예비 공정도를 만들어 냅니다.  이 단계는 Conceptual Design(개념설계) 단계에 해당하고 개념설계 단계에서 열교환기 Network과 Column 조합을 만들어 내고 어느 정도 최적화가 된 상황에서 각 Column의 Rigorous Simulation을 통하여 Optimized PFD를 개발해 냅니다

새로운 공정을 개발해 내는 기술선은 모두 이런 개념설계를 수없이 반복하여 공정을 다듬어 왔기 때문에 다른 기술선과 경쟁할 수 있는 공정기술을 확보하고 있는 것입니다.    단순히 다른 기술선의 기술을 모방만하는 회사에서는 개념설계, 열교환기 Network, 공정최적화,  공장최적화 등의 업무는 필요없습니다.   

기술선의 <주먹구구>는 적어도 30년 이상의 기술축적이 있어야 가능한 일입니다.  옆에계신 선배엔지니어는 다른 참고기술을 모방하고 있거나  축적된 경험으로부터 SCS를 거치지 않고 바로 Rigorous Simulation을 하고 있는 것입니다. 

Column Internal Vendor들도 3가지 Group이 있는데 기술선과 공동으로 연구개발을 통하여 Column Internal을 개발해 내고 이를 상업화 해온 Column Vendor가 있고,  이미 가동되고 있는 공정의 실제 운전데이터를 많이 확보하고 축적된 경험으로부터 Internal을 제젝하여 공급하는 Vendor가 있으며,  단순히 이들 앞선 두 Vendor의 Copy 제품을 Data 없이 만들어 내는 Vendor가 나머지 하나에 해당합니다.

우리나라 Column Vendor들은 대부분 이들중 두번째 Group에 해당하고 Copy 제품업체들은 그 세번째 그룹에 해당할 것으로 봅니다.   

(5) Multicomponent  Stream의 단수 선정방법... 

따로 특별한 것이 없습니다.  Simple Column 하나에서는  Top 및 Bottom Product 두개의 제품밖에 분리해 낼 수 밖에 없기 때문에 모든 N개의 성분을 순수하게 분리하는데는 N-1개의 Column이 필요합니다. 

수없이 많은 성분을 가진 원유로부터  N개의 Column으로 생산해 낼 수 있는 제품의 수효는 N+1개에 불과합니다.  Crude Column에서는 N개의 Column을 Simulation 해보고 최적화된 Column을 수직으로 조합해 하나의 Crude Column으로 만들어 사용하는 것이며 이로부터 중간중간의 Side Reboiler나 PA가 탄생된 것이지요.  성분의 수효, 제품의 수효에 비례하여 최적화를 위한
작업이 무수히 늘어납니다. 

요즘의 PC 속도는 예전의 Workstation급 컴퓨터보다 빠르기 때문에 공정모사 소요시간이 아주 길지는 않지만 예전에는 PC로 밤새계산한 결과가 단순히 "Not Converged" 라는 메시지 내놓기 위해 PC가 혼자 밤을 새우는 경우가 많았지요. 

성분의 수효가 많은 경우 경험적으로 축적된 Column으로부터 시작하는 것이 쉽게 접근할 수 있는 방법이기 때문에 그리하는 것이지 방법을 몰라 그리하는 것은 아닐 것입니다.    기술선이 아닌 고객이 분리조건을 찾아내라는 요구는 하는 것은 가혹한 시련일 수 있습니다.  참고로 할 수 있는 시스템으로부터 출발할 수 있다는 것은 특별한 행운에 해당합니다.
증류탑엔지… sophistu88   18-02-11 10:53
답변감사드립니다. 덕분에 이해가 잘 되었습니다!
코멘트입력
   

Copyright 1999.07.10-Now ChemEng.co.kr & 3D System Engineering. (mail : ykjang@naver.com, call 010-4456-8090)