에스테르화 반응기가 부착된 증류탑의 동적모사

김미경, 박융호, 강신춘

한양대학교 화학공학과

Dynamic simulation of the distillation column

attached esterification reactor

Mi Kyung Kim,  Yeung Ho Park, Shin Choon Kang

Dept. of Chemical Engineering,  Hanyang University

Ⅰ.서론

대부분의 화학공정은 비선형이어서 공정간 상호작용이 매우 심하고, 공정조건의 변화에 매우 민감하다. 근래에는 공정 최적화를 위한 방안으로 recycle stream의 도입이나 각종 어려운 제어 알고리즘 등을 적용하고 있다. 이러한 공정들은 공정의 제어 알고리즘을 구성하는 방법에 따라 외란의 영향을 상쇄시켜 공정을 보다 빨리 안정화시킬 수 있게 된다.[1]

본 연구에서는 PET 제조 공정 중 에스테르화 반응기에 증류탑을 부착시킨 공정을 대상공정으로 택하여 모사하고, 공정의 외란 변화에 따른 동특성을 이용하여 공정을 최적화시킬 수 있는 제어 알고리즘을 찾아, 제어기 설계에 필요한 자료를 확보하고자 하였다. 에스테르화 반응은 대표적인 가역반응이므로 부산물인 물이 축적되면 전환률이 낮아질 수 있으므로 물의 제거가 필수적인 공정이다. 에스테르화 반응기와 물 제거용 증류탑과는 상호작용이 매우 심하기 때문에, 반응기에 외란이 있을 경우, 증류탑 운전에 많은 어려움이 있으며 물의 제거가 잘 이루어지지 않으면 반응에도 많은 영향을 미치게 된다. 이 문제를 알아보기 위해, 반응기와 증류탑의 동적 모사를 수행하여 공정의 동특성을 분석하여 운전을 보다 안정적으로 수행할 수 있는 방안을 찾아보았다. 정상상태모사에는 Aspen plus를 사용하였으며, 동적 모사에는 Aspen Dynamics를 사용하였다[2,4].

Ⅱ.이론

1. 에스테르화 공정

에스테르화 공정은 그림 1에서 보는 바와 같이 연속공정으로서 반응물인 TPA (terephthalic acid, Ec)와 EG(ethylene glycol, EG)가 direct esterification에 의해 Hydroxyl end-group(Eg)과 물을 생성시키며, 생성된 Eg는 polycondensation에 의해PET를 생성한다. 이 때 부반응에 의해 aldehyde, DEG, acid end group등이 생성된다. 역반응을 억제하기 위해 Water를 제거시켜야 하므로, Water 회수용 증류탑을 부착하는 것이 필요하다. 증류탑으로 들어오는 Feed는 대부분 EG와 Water로서 탑 상부에서 Water를 최대한 회수하는 것이 중요하다. Water 회수 후 탑 하부로는 EG가 다시 반응기로 recycle 되도록 하여야 한다[3].

Fig. 1. Esterification flow sheet.

2. 모사기를 이용한 공정모사

반응기의 모사에는 Aspen plus내의 RCSTR 모델을, 증류탑 모사는 RADFRAC 모델을 사용하였으며, 반응물과 생성물의 각 성분에 대한 물성은 모사기내의 physical property data bank의 UNIFAC를 이용하여 구하였고, PET의 물성은 Aspen plus의 PCES(Physical property Constant Estimation System)을 사용하여 구하였다[2]. 증류탑은 condenser만 있는 형태로서 반응기가 Reboiler역할을 하는 형태이다. 동적 모사의 초기 값은 정상상태모사 결과를 사용하였다. 외란으로 인한 공정의 동적 거동을 살펴보았으며, 어떠한 외란이 공정에 가장 큰 영향을 미치는지를 알아내어 그 때 공정을 제어할 수 있는 최적의 제어 알고리즘과 제어기 설계에 필요한 자료를 확보하고자 하였다.

III. 결과 및 토의

본 연구의 첫 단계로 우선 반응기와 연결된 증류탑에 대한 dynamic model을 만들어 그 특성을 살펴보았다. 외란 중 반응기나 증류탑 feed의 온도 및 조성의 변화가 있을 때, 탑 상부의 water 조성을 일정하게 유지하기 위한 제어 알고리즘을 선정하였다. 탑 상부의 조성을 일정하게 유지하기 위해서 온도 변화가 가장 급격히 나타나는 단(stage)의 온도를 제어하는 system을 구성하였다. 이때 제어 단의 온도 제어를 위해 reflux rate를 조절변수로 선정하였다. 그림 2는 증류탑으로 들어오는 feed의 조성이 1시간 이후 변하였을 때 제어 단의 온도 및 탑상부의 조성 변화를 나타낸 것이다. 그림 2의 (b)에서 제어 단의 온도는 다시 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 이것은 제어 단의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 controller를 사용하기 때문에 얻어진 결과이다. 그림 2의 (a)는 feed의 조성이 변한 후 탑상부의 조성이 새로운 정상상태에 도달하는 것을 보여주고 있다. 이것은 feed의 조성이 변하면 온도에 따른 기-액 평형이 바뀌어 탑 상부의 조성이 새로운 정상상태를 찾아가는 것으로 보여진다. 또한 feed의 조성이 일시적으로 변화하는 경우에는 탑 상부의 조성이 일시적으로 변하다가 다시 본래의 정상상태로 회복되는 것을 볼 수 있다. 이때 제어 단의 온도가 일정하게 유지되기 시작하면 탑 상부의 조성도 일정해 지는 것을 볼 수 있다(그림 3).  그림 4에서는 외란으로 feed의 온도를 변화시켰을 때 탑 상부의 조성과 제어 단의 온도를 나타낸 것이다. 이 결과에서도 그림 2와 마찬가지로 제어 단의 온도는 원래의 set point에 도달하지만 탑 상부 조성은 새로운 정상상태를 찾아가는 것을 볼 수 있다. 그림 5는 feed의 온도가 일시적으로 변화하였을 경우를 나타낸 것으로 feed의 온도가 변화되었을 때는 탑상부의 온도나 제어 단의 온도가 set point와 차이를 보이다 feed의 온도가 초기 조건과 같아진 후부터는 다시 원래의 정상상태로 되돌아가는 것을 볼 수 있다. 현재 에스테르화 반응기 모델을 만들고 증류탑과 결합하여 전체 공정모델을 만드는 중이며 앞으로 이 공정모델을 이용하여 정밀한 에스테르화 반응공정의 동특성을 조사하도록 할 것이다.

(a) composition of overhead product      (b)controlled stage temperature           (c) set point, stage temperature, reflux rate change

Fig. 2. Variation of upper tower composition and control plate

temperature according to feed composition step change.

(a) composition of overhead product      (b)controlled stage temperature           (c) set point, stage temperature, reflux rate change

Fig. 3. Variation of upper tower composition and control plate

temperature according to feed composition rectangular pulse change.

(a) composition of overhead product      (b)controlled stage temperature           (c) set point, stage temperature, reflux rate change

Fig. 4. Variation of upper tower composition and control plate

temperature according to feed temperature step change.

(a) composition of overhead product      (b)controlled stage temperature           (c) set point, stage temperature, reflux rate change

Fig. 5. Variation of upper tower composition and control plate

temperature according to feed temperature rectangular pulse change.

Ⅳ.결론

공정의 동적 모사를 통하여 외란 변화에 대처할 수 있는 안정적인 제어 방안을 구하였다. 각각의 외란이 공정에 어떠한 영향을 미치는지를 살펴보아 외란 발생 후 빠른 시간 내에 다시 공정을 안정화시키는 제어 알고리즘을 구성하고 그에 필요한 제어기 설계를 할 수 있다. 모사를 통해 얻은 자료를 이용하여 어떠한 제어 system이 가장 적절한 것인지를 판단하는 근거자료가 될 수 있다.

Ⅴ.참고문헌

1. 박융호, 계광수 □PET 제조공정의 전산모사 및 최적화 연구□.

Saitec vol.6, No.5, Oct 1994.

2. Aspen plus User Manual Ver 10.1.

3. K. Ravindranath & R. A. Marshelkar, Poly. Eng. Sci., 22, 610 (1982).

4. Aspen Dynamics User Guide Ver 10.1.