반응증류를 이용한 화학반응식 열펌프 시스템의 엑서지 분석

권용재, 정해권, 이화웅, 나병기, 정연수, 송형근

한국과학기술연구원

Exergy Analysis of the Chemical Reaction Heat Pump System using a Reactive Distillation

Yongchai Kwon, Hea-Kwon Jeong, Hwaung Lee, Byung-Ki Na,

Yonsoo Chung, Hyung Keun Song

Korea Institute of Science and Technology

서론

오늘날 석유, 천연가스, 석탄등 한 번 쓰고 난 후 회수할 수 없는 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 시스템을 개발하는 것은 매우 중요하다. 일반적으로 훌륭한 공정 설계란 공정중의 에너지 손실량이 최소가 되게 하는 것인데 많은 노력에도 불구하고 이 문제에 대한 진전은 그렇게 높지 않다. 대부분의 공장에서 사용하는 효율 분석은 공정중에 사용되는 엔탈피량을 유입되는 원료의 엔탈피량으로 나누는 것으로 공정의 효율을 분석하는 엔탈피 수지식에 근거한 해석을 사용한다. 이러한 분석은 단순하지만 여러 가지 단점을 가지고 있다. 실제로 가동되는 어떤 공정에서도 반응이나 열시스템을 구동시키는 에너지, 즉 유용한 에너지는 보존되지 않는다. 이러한 유용한 에너지량은 시스템으로 유입되기전의 원료의 상태에서 최대의 포텐샬을 가지고 있으며 공정이 진행될수록 점점 감소하게 된다. 일을 할 수 있는 포텐샬이 공정이 진행될수록 소모된다는 개념은 매우 중요하면서도 우리가 일반적으로 사용하는 에너지 정의와는 의미가 달라진다. 이렇게 달라진 새로운 에너지의 개념을 exergy, availability, 포텐샬 에너지 혹은 유용한 에너지라고 지칭한다.[1][2][3][4]

본 연구에서는 반응증류 공정을 채택한 열펌프 시스템에서 exergy분석을 통해 시스템 각 unit의 에너지 손실량을 계산하였고 손실이 가장 많은 unit인 흡열반응기의 조업변수를 변화시켜서 시스템 효율을 증가시켰으며, 아울러 가장 좋은 효율을 얻을 수 있는 조업조건을 알아내었다.

이론

1. 반응증류 공정 열펌프 시스템

2-프로판올/아세톤/수소 반응계 열펌프 시스템은 저온(90℃)에서 2-프로판올의 흡열 탈수소화 반응과 고온(200℃)에서 아세톤의 발열 수소화 반응을 이용하여 열을 고품위화시키는 장치이다. 본 시스템의 장치도는 Fig.1과 같고 크게 흡열반응기, 반응증류탑, 응축기, 열교환기, 발열반응기의 unit로 구성된다. 본 연구에서의 효율은 발열반응기로 유입되는 exergy값에서 발열반응기로부터 유출되는 exergy값을 뺀 값을 흡열반응기로 유입되는 외부 열량의 exergy값으로 나눈 것으로 정의하였다. 최적의 효율을 얻기위해 효율변화에 영향을 미치는 여러 조업 변수들을 변화시켰는데 효율에 영향을 미치는 조업변수들은 다음과 같다.

(1) 반응증류탑의 전체 단수

(2) 반응증류탑 각단의 촉매양

(3) 반응증류탑 feed단의 위치

(4) 환류비

2. Exergy 함수의 적용

정상상태 다성분계 흐름에서 total exergy는 크게 chemical exergy와 physical exergy의 합으로 얻을수 있다. chemical exergy는 공정중 순수한 상태의 성분들과 그 성분들의 대기조건 상태(reference condition)사이의 chemical potential차에 의해 구해지고 본 시스템의 성분인 2-프로판올, 아세톤, 수소의 chemical exergy값은 Sussman[5]이 구해놓은 값을  참조하였다. physical exergy는                  Fig.1 장치도              25℃의 기준온도로 정의되는 [eqn: T_0]                                                  와 가역공정에서 성분들의 실제상태조건[eqn: (T, P ~)]으로부터 기준조건[eqn: (T_0, P_0 ~)]까지 열역학적평형에 도달하기위해 얻을수 있는 최대일을 나타내며 일반적으로 다음과 같이 정의한다.

[eqn: Ex_phys = DELTA H -T_0 DELTA S]

위의 값을 얻기위해서는 시스템 각 unit의 입출구에서의 온도, 압력, mole fraction, 유량과 같은 열역학적 물성치를 알아야 하는데 이는 모사로부터 얻은 data를 참조하였다.[6][7]

Exergy 분석

위에서 언급한 네가지의 조업변수를 변화시킬때, 시스템 각 unit에서의 exergy loss분포중 한가지 경우를 나타낸 것이 Fig.2이다. 이와같은 경향은 본 연구에서 분석한 모든 경우에 대해 대체로 일치하였다. 흡열반응기에서 exergy loss가 가장 많이 발생하였고 효율을 증대시키기 위해서는 이러한 흡열반응기 exergy loss를 줄이는 것이 중요하다. 흡열반응기의 종속변수는 흡열반응시의 온도이고 조업변수 중에서는 증류탑 전체 단수의 변화와 환류비의 변화가 전체 효율에 미치는 영향이 가장 크다. 그래서 흡열반응기의 온도를 증가시키면서 환류비와 증류탑 전체 단수변화에 따른 효율을 살펴보았다. Fig.3은 흡열반응기 온도 변화와 환류비 변화에 따른 효율변화를 Fig.4는 그때의 흡열반응기 exergy         Fig.2 Exergy loss 분포      loss 분포를 나타낸 것이다. Fig.3에서 대       (전체단수:12단, Feed단:6단,     략적으로 효율은 흡열반응기 온도에 비례       한단의 촉매량:10g, 환류비:2.0)    하였으나 각 온도당 갑자기 효율이 증가하                                     는 환류비 조건이 있었고 이는 흡열반응기 exergy loss와 밀접한 관련이 있었다. 위 그림의 결과로서 흡열반응기 온도가 증가 할수록 대체로 환류비가 감소할수록 흡열반응기의 exergy loss는 감소하고 시스템은 좋은 효율을 가지게됨을 알 수 있다.

Fig.5는 흡열반응기 온도 변화와 반응 증류탑 전체 단수 변화에 따른 효율변화를 Fig.6은 그때의 흡열반응기 exergy loss 분포를 나타낸 것이다.  흡열반응기의 온도와 반응 증류탑 전체 단수가 증가할수록 효율은 증가하였고 흡열반응기 exergy loss는 반응 증류탑 전체 단수가 증가할수록 감소하였다. 특히 일정한 반응 증류탑 단수에서 흡열반응기의 온도를 증가시키는 것이 일정한 흡열반응기의 온도에서 반응 증류탑 단수를 증가시키는 것보다 유리하였다. 반응 증류탑 전체 단수가 증가할수록 흡열반응기 exergy loss는 감소하지만 효율에는 별 영향을 끼치지 안고 그러므로 반응 증류탑 단수를 늘리는 것 보다는 흡열반응기의 온도를 증가시키는 것이 훨씬 효율적임을 알 수 있었다.

결론

반응증류를 이용한 화학반응식 열펌프 시스템의 효율을 exergy로 분석해본 결과 엔탈피 수지식에 근거한 일반적인 해석과는 다르다는 것을 알 수 있었다. 우선 시스템을 이루고 있는 각 unit의 loss를 구할 수 있고 이를 통해 효율을 높이기 위해 어떤 장치를 개선시켜야 되는지를 알 수 있었다. 본 연구에서는 흡열반응기의 온도를 변화시키는 것이 일반적인 조업변수들을 변화시키는 것보다 유리함을 알 수 있었고 특히 환류비 변화에 대해서 최대 효율을 얻기위한 특정한 조업조건이 존재함을 알 수 있었다.

참고문헌

1. A.P. Hinderink, F.P.J.M. Kerkhof, A.B.K. Lee, J.De Swaan Arons and H.J. Van Der Kooi, Chem. Engng Sci. 20, 4693 (1996).

2. R. A. Gaggioli, P. J. Petit., CHEMTECH AUGUST, 496 (1977)

3. Noel de Nevers., CHEMTECH MAY, 396 (1982)

4. M. J. Moran, E. Sciubba., J. Eng. for Gas Turbines and Power, 285, 116    (1994)

5. M. V. Sussman., □Availability(Exergy) analysis□, 9, 35 (1980)

6. R.C. Reid, J.M. Prausnitz, B.E. Poling, □The Properties of GASES & LIQUIDS□ (1986)

7. 정해권, 석사학위논문 (1997)

Fig.3 흡열반응 온도, 환류비 변화에   Fig.4  흡열반응 온도, 환류비 변화에           따른 효율                             따른 흡열반응기 exergy loss           (전체단수:10단, Feed단:6단,      (전체단수:10단, Feed단:6단,                    한단의 촉매량:10g)                      한단의 촉매량:10g)

Fig.3 흡열반응 온도, 반응증류탑 단수   Fig.4 흡열반응 온도, 반응증류탑 단수        변화에 따른 효율                       변화에 따른 흡열반응기 exergy        (환류비:1.2, Feed단:6단,                  loss (환류비:1.2, Feed단:6단,

한단의 촉매량:10g)                     한단의 촉매량:10g)