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  산화에틸렌 증류탑 설계 열역학 모델
  글쓴이 : 신동아   고유ID : dj1965     날짜 : 19-06-06 02:10     조회 : 190    
안녕하세요. 공정설계를 하고 있는 화학공학부 학생입니다. 산화에틸렌 100mol/hr + 물 10,000mol/hr 를 증류탑을 통해 분리하고자 합니다. 열역학 모델에 따라 최소단수와 최소환류비가 정말 다르게 나오더라구요.
SR-POLAR 를 이용하면 최소환류비 0.71, 최소단수 7.36 정도가 나오고  NRTL을 이용하면 최소환류비가 2.78, 최소단수 80 정도가 나왔습니다. 모델들에 따라 결과가 이렇게 큰 차이가 나는게 정상인가요?
열역학 모델들에 따라 PENG ROBINSON , SRK 등등 많은 모델들이 있는데 산화에틸렌과 물의 2성분계 증류탑 설계를 할 때는 어떤 열역학 모델을 사용하는게 가장 정확한가요?
또한, 실제 공정에서 160단의 증류탑이 존재하나요?
아, 그리고 궁금한게 한가지 더 있습니다. 예를들어 증류탑이 10bar로 운전한다고 할 때, feed의 압력은 10bar와 동일해야 하나요? 아니면 상관이 없나요? 흡수탑과 같은 다른 tower도 마찬가지인가요?

자히우 Queanto   19-06-06 15:46
지나가다가 아는 만큼만 말씀드리겠습니다.

1. 열역학 모델의 설정
열역학 모델을 무엇으로 설정하느냐는 시뮬레이션 전체 결과의 신뢰성을 좌지우지 하는 중요한 단계입니다.
글쓴이 분께서 말씀해주신대로, 열역학 모델을 무엇으로 설정하느냐에 따라 결과가 아예 달라지기 때문입니다.
Aspen의 경우는 보통 도움말 기능을 통해 해당 물질들에 대해 사용되는 일반적이 열역학 모델을 추천 받을 수 있습니다만,
실제와 같은 결과를 얻기 위해서는 실제 공정의 데이터를 받은 후에, Parameter 튜닝을 통해 시뮬레이션과 실제 데이터 양상을
일치시키는 것이 먼저라고 할 수 있습니다.
하지만 학부과정에서 이와 같은 일은 거의 꿈 같은 일이고, 프로그램이 추천해주는 몇 가지 모델들과,
논문 검색을 통해 나오는 데이터들간의 비교를 통해 열역학 모델 설정 근거를 제시하는 정도라면 충분하다고 생각됩니다.

2. 160단의 증류탑이 실존하는지?
정확히 단정짓기는 어렵지만, 너무 많은 숫자라고 생각됩니다.
프로필렌-프로판 분리탑이 100단 가까이 된다고 들은 적은 있습니다.

3. 증류탑이 10 bar로 운전된다면, feed 압력은 10 bar 보다 조금 더 커야 탑 안으로 공급이 가능합니다.
낮을 경우 심각한 문제로 이어질 수 있습니다. 따라서 약간의 여유를 두고 조금 더 높은 압력으로 공급해야 합니다.
공정 사이사이 어느 곳에 펌프를 설치해야 할지 고려해 보시면 좋겠습니다.
     
신동아 dj1965   19-06-06 21:13
답변 감사합니다. 한가지만 더 질문드려도 될까요?
흡수탑이 30bar로 운전이 되고 출구 Liquid가 산화에틸렌과 물만 존재한다고 가정을 했을 때 그 흐름을 감압밸브로 10bar까지 낮추게 됩니다. 30bar에서 10bar까지 낮추는 과정이 가능한가요? 감압을 하면 20bar만큼의 액체들이 정체돼서 배관이 버틸 수 있는지 궁금합니다.
          
자히우 Queanto   19-06-06 21:34
*추가로 질문하신 것에 대한 답변은 순수 제 생각입니다*

10 bar로 감압해도 증기의 발생이 거의 없다면 액상의 부피 변화는 압력에 따라 크지 않기 때문에
충분히 버틸 수 있을 것 같습니다만,
만일 아니라면 감압 밸브 전단에 Buffer drum 등을 설치해서 해소해 줘야할 것 같습니다.
          
신동아 dj1965   19-06-06 23:32
액상이라 그럴 수 있겠군요. 감사합니다.
공정모사 중에 한가지 특이한 점을 발견했는데 흡수탑의 경우에는 feed의 압력이 흡수탑 운전압력보다 낮으면 모사가 불가능하다( 오류 : feed 압력이 흡수탑 운전압력보다 낮다.)고 뜨고, 증류탑의 경우에는  feed 압력이 증류탑의 운전압력보다 낮아도 모사가 가능하더라구요.. 이게 실제로 증류탑은 운전 압력보다 낮아도 feed를 넣을 수 있나요?
스테파노 Stefano   19-06-07 11:48
(1) 공정모사기에서 Physical Property Model을 어느 것을 선정하는가에 따라 결과가 크게 달라지는 것을 <자히우>님이 잘 설명해 주셨습니다.    특히 상평형 계산에서 크게 차이남을 알 수 있습니다.  결국,  자신의 실험데이터를 가지고 있고 이를 여러 Physical Model 수식을 적용해 봐서 가장 오차가 적은 것을 선택하여야 함을 발견할 수 있으리라 생각됩니다.  해외 Process Licensor들은 모두 이들 자료를 확보하고 있었고 Simulator Vendor와 협력 연구를 하는 것이 통례로 인식되고 있습니다.

(2) 상용 Propane-Propylene 분리탑의 경우 Propylene 순도와 Reflux Ratio에 따라 크게 달라질 수 있겠으나  이론단수로도 150단이 넘게 필요하고 대부분의 Polymer Grade (Min Purity 99.5%)를 생산하는 상용공장의 경우 Reflux Ratio 10임에도 200단이 넘을 것입니다. 상용 증류탑 중에서는 가장 단수가 많을 것이지요.  국내 초기 나프타열분해 공장에서 실제적용했던 단수효는 250단이 넘었던 것으로 기억합니다.  Propylene-Propane 분리는 특히 다른 대체 공정들이 아직 상용화 되지 않아서 석유화학공단에서 가장 높은 타워로 알려져 있지요. 

(3) Feed Mixture 압력 문제 
일단 압력이 낮으면 Feed 될 수 없고 액상이므로 압력이 꽤 별 문제없습니다.  압력이 낮은 곳으로 유입되는 순간 그 압력에 적응해 버릴뿐만 아니라 온도가 높다해도 액의 일부가 Flashing 되면서 증발하면서 Column 내 온도와 온도에 적응해 버리기 때문이지요.

증류탑에서는 Column 최 하단 Reboiler 증기가 발생되는 단에서의 압력이 가장 높고 Column Top으로 올라가면서 압력이 낮아지는데 일반적으로 <Column 압력>이라고 하면 Column Top에서의 압력을 말합니다.    Simulator에서도 Feed 압력과 Column Top에서의 압력만 비교해 봐서 Feed 압력이 그보다 높기만 하면 Column Simulation은 문제없이 돌아갑니다.   

그러나 실제로 Column Feed단에서의 압력이 20 barg 인데 Feed 압력이 이보다 낮다면 Feed 될 수가 없겠지요.    (1) Feed 압력이 Column Bottom의 압력보다 높고 (2) Feed 단 위치에서의 높이 만큼의 Head를 감안하고  (3) Feed Line의 압력차와  (4) Feed Control Valve의 차압을 더하고 압력변화를 감안한 약간의 여유치만 더해서 Feed 압력을 정하면 됩니다.

(4) 추가로...
그 이상의 액상 압력은 필요가 없고 설령 더 높다고 해도 큰 문제는 없고 에너지 낭비만 있을 뿐 별로 도움이 되지 못합니다.  일반적으로 Column 압력이 높아지면 증발온도가 올라가면서 잠열이 줄어들어 동일 Reflux Ratio라고 하더라도 Reboiler Duty가  줄어드는 경향이 있습니다.  또 Column 압력을 낮추어 주면 순도가 올라가는 경향이 있으나 Reboiler Duty는 올라가게 됩니다.  Heating Medium 사용가능성, Column Design Pressure, Puruty, 에너지 비용등을 고려하여 최적조건을 찾는 것이 중요합니다.
     
신동아 dj1965   19-06-14 20:51
많은 도움이 됐습니다. 답변 감사드립니다
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