에너지 절약을 위한 분별증류공정의 개장 및 재설계에 관한 연구

이재천, 진상화, 김인원

건국대학교 화학공학과

A Study on Retrofitting and Redesign

of Fractionation Unit for Energy Conservation

Jae-Cheon Lee, Sang-Hwa Jin, In-Won Kim

Dept. of Chemical Engineering, Konkuk University

Ⅰ. 서  론

최근의 지속적인 원유가 상승은 에너지 소비를 줄이기 위하여 많은 공장이 기존 설계방법과 현재 조업조건을 재평가하게 만든다. 증류탑은 공장에서 에너지 소비가 가장 높으므로 개장과 재설계를 통한 에너지 절약 효과가 크게 될 것이다. 본 연구에서는 BTX공장의 분별증류공정을 대상공정으로 정적모사와 case study를 통하여 에너지 소비를 줄일 수 있는 조업조건과 설계값을 구하였고, 에너지 소비가 줄어듦을 확인하였다.

Ⅱ. 본  론

증류공정의 모델링 및 모사

증류공정은 화학공정의 대표적인 공정으로 원료의 끓는점 차이를 이용하여 고순도의 제품을 생산하는 공정이다. MESH식이라 불리는 기본 수지식과 상태방정식을 이용하여 탑 내의 기-액 흐름과 조성, 온도등을 계산한다. 증류탑을 계산하는 여러 방법 중에서 이론적으로 단을 정의하기 어렵거나 단의 효율을 예측하기 어려울 때 반응속도와 물질이동에 근거한 방법으로 잘 알려진 inside - out algorithm(Boston-Sullivan, Russell)을 이용하였고, 엔탈피와 K값의 계산에 필요한 상태방정식은 PR(Peng-Robinson)식을 이용하였다.

대상공정의 정적모사

공정모사에 사용될 성분은 공장 실험실 분석 데이터를 기초하여 결정하였다. 대상공정의 PFD는 Fig. 1과 같다. 원료는 벤젠(Light-key)과 톨루엔(Heavy-key)이 key component인 벤젠탑에서 분리되어 탑 상에서는 99.95% 이상인 고순도의 벤젠 제품이 얻어지고, 탑하 생성물은 톨루엔탑의 원료가 된다. 여기서는 톨루엔과 에틸벤젠이 key component가 되어 탑상에서 99.5% 이상의 톨루엔 제품이 얻어지고, 탑하 생성물은 자일렌탑의 원료가 되어 자일렌 혼합물과 C9+ 방향족으로 분리된다.

에너지 소비의 변화

증류탑에서 에너지 소비는 재비기와 응축기에서 일어나며, 이것의 변화는 여러 가지 원인에 의한 것이다. 원료 조성이나 외부 온도의 변화는 단순한 제어방법으로 조절할 수 없는 요인들이고, 원료의 유량이나 환류비, 제품의 조성, 제품의 회수율 등은 증류탑 제어에서 직접적으로 또는 간접적으로 제어할 수 있는 요인들이다. 설계 단계의 요인으로 원료 도입단과 탑의 단수 등이 있다. 이러한 요인들은 설계자나 조업자에 의해 결정될 수 도 있지만 그렇지 못한 경우도 많다. 따라서 제어가 불가능한 요인들의 예상 변화 범위 안에서 나머지 설정 또는 제어 가능한 요인들을 에너지 소비를 줄일 수 있는 방향으로 결정한다면 에너지 소비를 최소화하는 설계변수와 조업변수를 정할 수 있을 것이다.

Ⅲ. 결과 및 토론

모사모델의 신뢰도

Fig. 2는 모사 결과인 각 탑의 온도 분포를 실제 공정의 데이터와 비교한 것으로 톨루엔탑의 경우 거의 일치함을 보인다. 벤젠탑은 정류부와 회수부의 중간 부분에서 5∼6℃ 정도의 오차를 가지며, 자일렌탑의 탑하에서는 4℃ 정도의 오차를 보인다. 동적 거동에 의해 얻어지는 데이터는 여러 가지 측정 가능한 요인과 측정 불가능한 요인들에 의해 결정되는 것이므로 이러한 요인들이 일정값으로 설정된 정적모사와의 오차는 당연한 것이며, 재비기의 열량변화와 탑상 제품의 유량 등의 외란을 이용하여 온도 민감도 분석을 해본 결과, 오차가 많이 발생하는 부분이 탑 내에서 온도 민감도가 높은 부분임을 확인하였으므로, 이 모사 모델을 정적상태에서 충분한 신뢰도를 가진다.

원료 유량과 조성의 변화

세 개의 증류탑으로 이루어진 분별증류공정의 에너지 변화를 살펴보는데 있어서, 각각의 탑을 분리한 단일탑에 대하여 에너지 변화를 해석한 후 연결된 세 탑의 에너지 변화를 해석하였다. 각각의 단일탑은 각 탑의 key component로 된 2성분계로 하였고, 기본 설계값은 Table 1과 같이하여 실제 공정과 조업조건이 같게 하였다. 원료 유량이 증가할수록 세 탑 모두 에너지 소비가 많아졌고, light key의 조성이 증가할수록 에너지 소비는 줄어들었다. 분별증류공정에서 원료 유량의 영향은 단일탑과 동일하게 유량이 증가할수록 에너지 소비도 많아졌다. 그러나, 원료 조성은 4성분계이므로 2성분계인 단일탑보다 복잡하게 영향을 미친다. 벤젠탑에 도입되는 원료의 조성은 톨루엔탑과 자일렌탑의 원료 유량과 밀접한 관계를 가진다. 4성분중 2성분의 조성을 일정값으로 두고 나머지 2성분중 하나는 독립적으로 조성을 변화시키고 나머지 하나는 종속적으로 조성이 변하게 하여 각 탑의 에너지 변화를 살펴보았다. 일정 유량의 원료벤젠의 조성이 증가하고, 톨루엔이 감소하는 경우, 벤젠탑은 light key 조성의 증가로 에너지 소비가 감소하고, 톨루엔탑은 도입원료가 감소하여 에너지 소비가 줄어들지만 light key인 톨루엔의 조성도 감소하므로 이것은 에너지 소비를 증가시킨다.

제품순도 제어방법

증류탑의 목적인 고순도의 제품을 회수하는데 있어서 제품 순도 제어 방법에 따른 에너지 소비의 변화를 알아보았다. 이것은 원료 유량변화에 대한 Dual composition control(DCC)의 동적 제어시스템의 불안정성과 제어시스템에 필요한 추가적인 투자비 상승의 문제를 동시에 해결할 수 있다. Fig. 3은 벤젠탑에 대한 것으로 원료 조성이 정해질 경우, DCC를 대신할 수 있는 reflux to feed ratio fixed control(R/F)과 vapor boilup to feed ratio fixed control(V/F)중에서 에너지 소비가 적은 제어방법을 선택할 수 있게 하며, 실제 원료의 벤젠 조성이 45∼55 vol%이므로 벤젠탑의 경우는 V/F fixed control이 더 유리하게 된다.

제품순도의 변화

탑의 제품순도를 변화시켰을 때 에너지 소비의 변화를 알아보았다. 이것은 원하는 제품순도에 있어서 최소의 에너지 소비값을 알 수 있으며, 조업 중인 공정의 에너지 소비량을 측정할 수 있는 기준이 될 수 있다. 이 값들은 탑의 key components의 상대휘발도와 제품의 순도, 원료의 조성, 탑의 운전조건 등에 의해 결정된다. 이와 같은 정보들은 에너지 소비를 최소화하는 운전 조건을 찾거나, 제어전략을 구성할 때 많은 도움을 제공할 것이다. Fig. 4는  2성분계로 구성된 세 탑의 제품과 원료조성을 변화시켰을 때 얻어지는 V/F와 R/F값을 나타낸다. 상대 휘발도가 높을수록 제품순도 변화에 대하여 V/F나 R/F값의 변화가 적고, 상대휘발도가 낮을수록 그 반대의 결과를 나타낸다.

원료도입단의 변화

원료도입단의 변화에 따른 에너지 소비를 알아보았다. 최적 원료 도입단은 원료의 조성과 제품의 순도 등에 의하여 변할 수 있다. Fig. 5는 벤젠탑의 경우로 원료 조성과 원료 도입단을 변화 시켰을 때 에너지 소비와 직접관계가 있는 V/F값의 변화를 나타낸다. 실제 원료 조성이 45∼55%임을 감안할 때, 벤젠탑의 최적 원료 도입단은 40단이다. 톨루엔탑과 자일렌탑에서도 에너지 소비를 최소로하는 원료도입단은 기존의 도입단과 다른 결과를 나타내었다. 이러한 결과로 벤젠탑과 톨루엔탑, 자일렌탑은 각각 10.2%, 13.2%, 25.2%의 재비기 소비 열량을 줄일 수 있었다. 또한, 분별증류공정에 적용하여 전체공정의 hot steam을 17.8%, cooling water를 12.2% 줄일 수 있었다.

Ⅳ. 결  론

에너지 절약의 관점에서 BTX공장의 분별증류공정에 대하여 개장, 재설계에 대한 연구를 하였다. 본 연구에서는 실제 공정의 데이터를 바탕으로 상용모사기를 이용하여 연구를 수행하였으며, 정적모사 결과는 실제 데이터와 잘 맞았고, 원료 도입단을 바꾸었을 때 얻어진 대상공정의 약 15% 에너지 절약은 전체 조업비용을 줄이는데 중요한 부분을 차지할 것이다. 또한 제품 순도 제어방법은 에너지 소비와 동적 안정성 문제가 동시에 고려된 결과로 제어전략을 수립하는데 있어 좋은 정보를 제공할 것이다.

감  사

본 연구는 한국과학재단의 특정기초연구과제(98-0502-06-01-3)로서, 귀 재단의 연구비 지원에 의해 이루어졌으므로 이에 감사드립니다.

참고문헌

[1] Luyben, W.L., "Steady-State Energy Conservation Aspects of Distillation

Column Control System Design," Ind. Eng. Chem., Fundam., 14(4)

321-325(1975).

[2] HYSYS Reference Manual, Vol. 1-2, Hyprotech, Canada, 1997.

[3] Warren, D.S., J.D. Seader and R.L. Daniel, Process Design Principles.

Synthesis, Analysis, and Evaluation, John Wiley & Sons, 1999.

Fig. . Process flow diagram of benzene column, toluene column, and xylene column.

Fig. . Comparison of real temperature data of each column and simulated profiles.

Fig. . Energy requirements of the benzene column for three different control systems.

R/F ratio (solid-line), V/F ratio (dash-line).

Fig. . V/F and R/F ratios of three columns for constant product purities.

Table . Summery of conditions of models used in this study.

	Applied unit	Design data
		Total tray	Feed tray	Pressure (kg/cm2-gauge)
Single Column	Benzene column	75	48	0.03∼0.45
	Toluene column	70	41, 48	3.42∼3.92
	Xylene column	47	26, 30	0.35∼0.45
Fractionation Unit	Benzene column	75	48	0.03∼0.45
	Toluene column	70	41, 48	3.42∼3.92
	Xylene column	47	26, 30	0.35∼0.45

Fig. . V/F ratios for various feed trays of the benzene column.