현재 운전되고 있는 스티렌 모노머 생산 공정의 탈수소화 반응기의 경우 가장 중요한 문제는 바로 스티렌 모노머의 생산량의 최대화. 현재 공정 자체의 스티렌 모노머 소비량보다 생산량이 더 부족하여, 부족분을 외부에서 구입하고 있으나, 생산비보다 구입비가 비싸기 때문에 자체 생산량의 증대가 시급하다. 그러나 현재의 공정은 생산을 증가시킴에 있어, 에너지와 촉매 효율이라는 두 가지 문제가 함께 공존하고 있다. 현재 조업에서는 고온 스팀을 탈수소화 반응의 에너지원으로 이용하고 있기 때문에, 에너지 비용은 원료비를 제외한 운전 비용의 50% 정도를 차지하고 있다. 이러한 에너지 비용은, 조업 조건을 약간 개선하여 ...
현재 운전되고 있는 스티렌 모노머 생산 공정의 탈수소화 반응기의 경우 가장 중요한 문제는 바로 스티렌 모노머의 생산량의 최대화. 현재 공정 자체의 스티렌 모노머 소비량보다 생산량이 더 부족하여, 부족분을 외부에서 구입하고 있으나, 생산비보다 구입비가 비싸기 때문에 자체 생산량의 증대가 시급하다. 그러나 현재의 공정은 생산을 증가시킴에 있어, 에너지와 촉매 효율이라는 두 가지 문제가 함께 공존하고 있다. 현재 조업에서는 고온 스팀을 탈수소화 반응의 에너지원으로 이용하고 있기 때문에, 에너지 비용은 원료비를 제외한 운전 비용의 50% 정도를 차지하고 있다. 이러한 에너지 비용은, 조업 조건을 약간 개선하여 에너지 효율을 높이는 것만으로도 큰 비용 절감 효과를 볼 수 있다. 또한, 나머지 운전 비용의 대부분을 촉매구입비가 차지 하고 있기 때문에, 촉매의 효율을 높일 수 있는 운전 조건에 대한 연구도 매우 필요하다. 현 조업에서 대부분의 스티렌 모노머 공정은 단열 방사 흐름 반응기에 의해 스티렌을 생산하고 있다. 그러나, 방사 흐름 반응기의 복잡한 기하 구조와 고온 반응이라는 실험상의 어려움 때문에 대부분의 반응기의 수학적 모델링에 대한 연구 plug-flow 반응기에 초점이 맞추어져 있었다. 본 연구에서는 촉매 비활성화 모델을 포함한 단열 방사 흐름 탈수소화 반응기의 수학적 모델이 구축되었으며, 운전 변수의 민감도 분석을 통하여 최대의 효율을 낼 수 있는 새로운 조업 조건이 개발되었다. 많은 문헌에 반응 속도식에 이용되는 파라미터들이 제시되어 있으나, 실제 공정에서 이용되는 촉매나 운전 조건이 문헌과는 많은 차이가 있다. 모델의 반응 속도식의 계수들과 촉매 비활성도에 관계된 계수를 구하기 위하여 조업 데이터를 이용한 파라미터 튜닝을 수행하였다. 튜닝 결과는 실제 공정 데이터와 약 2%의 상대 오차를 가지면서 잘 맞는 것을 볼 수 있었다. Steam-to-oil (hydrocarbon) ratio (S/O ratio), load, 두 번째 반응기 조업 온도(Tmid)는 스티렌의 생산 속도와 에틸 벤젠의 전환율에 영향을 미치는 가장 중요한 조업 변수로 알려져 있다. 각 변수들에 대한 민감도 분석 결과, S/O ratio와 Tmid의 증가는 에틸 벤젠의 전환율과 스티렌의 생산량을 모두 증가시키며, load의 증가는 전환율은 감소시키지만 생산량은 증가시키는 것을 볼 수 있었다. 분석 결과를 비교해 보면, Tmid를 변화시키는 경우가 스티렌 모노머의 생산량을 증가시키는 데에 가장 효율적인 것을 알 수 있었다. 민감도 분석 결과를 바탕으로 촉매의 효율을 최대화할 수 있는 새로운 조업 조건이 개발되었다. 몇 가지 경우에 대한 테스트결과, 운전 기간 동안에 Tmid를 최대로 유지하는 것이 운전비 상승 대 생산량 증가비가 가장 높은 것으로 나타났다. 이상의 연구를 통하여 에틸 벤젠 탈수소화 반응기의 모델을 만들어 새로운 운전 조건들을 비교하여보았으며, 그 결과로 현재 공정의 문제를 해결할 수 있는 조업 조건이 개발되었다. 개발된 모델을 이용하면, 조업 변수들의 영향을 정량적으로 살펴 볼 수 있으며, 온라인 최적화에서도 반응기 모델로서 이용될 수 있을 것이다.
현재 운전되고 있는 스티렌 모노머 생산 공정의 탈수소화 반응기의 경우 가장 중요한 문제는 바로 스티렌 모노머의 생산량의 최대화. 현재 공정 자체의 스티렌 모노머 소비량보다 생산량이 더 부족하여, 부족분을 외부에서 구입하고 있으나, 생산비보다 구입비가 비싸기 때문에 자체 생산량의 증대가 시급하다. 그러나 현재의 공정은 생산을 증가시킴에 있어, 에너지와 촉매 효율이라는 두 가지 문제가 함께 공존하고 있다. 현재 조업에서는 고온 스팀을 탈수소화 반응의 에너지원으로 이용하고 있기 때문에, 에너지 비용은 원료비를 제외한 운전 비용의 50% 정도를 차지하고 있다. 이러한 에너지 비용은, 조업 조건을 약간 개선하여 에너지 효율을 높이는 것만으로도 큰 비용 절감 효과를 볼 수 있다. 또한, 나머지 운전 비용의 대부분을 촉매구입비가 차지 하고 있기 때문에, 촉매의 효율을 높일 수 있는 운전 조건에 대한 연구도 매우 필요하다. 현 조업에서 대부분의 스티렌 모노머 공정은 단열 방사 흐름 반응기에 의해 스티렌을 생산하고 있다. 그러나, 방사 흐름 반응기의 복잡한 기하 구조와 고온 반응이라는 실험상의 어려움 때문에 대부분의 반응기의 수학적 모델링에 대한 연구 plug-flow 반응기에 초점이 맞추어져 있었다. 본 연구에서는 촉매 비활성화 모델을 포함한 단열 방사 흐름 탈수소화 반응기의 수학적 모델이 구축되었으며, 운전 변수의 민감도 분석을 통하여 최대의 효율을 낼 수 있는 새로운 조업 조건이 개발되었다. 많은 문헌에 반응 속도식에 이용되는 파라미터들이 제시되어 있으나, 실제 공정에서 이용되는 촉매나 운전 조건이 문헌과는 많은 차이가 있다. 모델의 반응 속도식의 계수들과 촉매 비활성도에 관계된 계수를 구하기 위하여 조업 데이터를 이용한 파라미터 튜닝을 수행하였다. 튜닝 결과는 실제 공정 데이터와 약 2%의 상대 오차를 가지면서 잘 맞는 것을 볼 수 있었다. Steam-to-oil (hydrocarbon) ratio (S/O ratio), load, 두 번째 반응기 조업 온도(Tmid)는 스티렌의 생산 속도와 에틸 벤젠의 전환율에 영향을 미치는 가장 중요한 조업 변수로 알려져 있다. 각 변수들에 대한 민감도 분석 결과, S/O ratio와 Tmid의 증가는 에틸 벤젠의 전환율과 스티렌의 생산량을 모두 증가시키며, load의 증가는 전환율은 감소시키지만 생산량은 증가시키는 것을 볼 수 있었다. 분석 결과를 비교해 보면, Tmid를 변화시키는 경우가 스티렌 모노머의 생산량을 증가시키는 데에 가장 효율적인 것을 알 수 있었다. 민감도 분석 결과를 바탕으로 촉매의 효율을 최대화할 수 있는 새로운 조업 조건이 개발되었다. 몇 가지 경우에 대한 테스트결과, 운전 기간 동안에 Tmid를 최대로 유지하는 것이 운전비 상승 대 생산량 증가비가 가장 높은 것으로 나타났다. 이상의 연구를 통하여 에틸 벤젠 탈수소화 반응기의 모델을 만들어 새로운 운전 조건들을 비교하여보았으며, 그 결과로 현재 공정의 문제를 해결할 수 있는 조업 조건이 개발되었다. 개발된 모델을 이용하면, 조업 변수들의 영향을 정량적으로 살펴 볼 수 있으며, 온라인 최적화에서도 반응기 모델로서 이용될 수 있을 것이다.
Currently, this plant has an online optimizer but it is not used. The first reason is that they follow only the operating condition of the catalyst vender. The second one is that the existing optimizer has the black-box reactor model of the plant before scale-up. This work can offer the rigorous rea...
Currently, this plant has an online optimizer but it is not used. The first reason is that they follow only the operating condition of the catalyst vender. The second one is that the existing optimizer has the black-box reactor model of the plant before scale-up. This work can offer the rigorous reactor model for this optimizer and it can be applied to the current operation. In addition, this plant has the problem of consuming large amount of energy. The energy cost of this process is about 8% of the total operating cost including raw material. This is because the reaction heat is supplied by the large amount of high-pressure steam. If this cost is decreased by 1% from the current operation, this can save $100,000/yr. From the cost point of view, the total cost depends heavily on the catalyst run-length. The catalyst cost is $3,000,000/yr. If a new operation policy is developed and the catalyst run-length is increased by 1 month, the cost saving will be $120,000/yr. The most important problem for this plant is the maximization of the styrene monomer productivity. The production rate falls short of the demand. The current demand is 430,000 ton/yr but the production is only 370,000 ton/yr. This reduces the potential profit because they consumed all the products in their plants but the purchase price is higher than the production cost. In this study, a mathematical model was developed for an adiabatic radial-flow styrene monomer reactor based on the chemical kinetics. This model was analyzed via computer simulation to examine important decision variables. Optimization performance was measured in terms of catalyst utilization. Finally, new operating strategies were proposed to maximize the catalyst utilization.
Currently, this plant has an online optimizer but it is not used. The first reason is that they follow only the operating condition of the catalyst vender. The second one is that the existing optimizer has the black-box reactor model of the plant before scale-up. This work can offer the rigorous reactor model for this optimizer and it can be applied to the current operation. In addition, this plant has the problem of consuming large amount of energy. The energy cost of this process is about 8% of the total operating cost including raw material. This is because the reaction heat is supplied by the large amount of high-pressure steam. If this cost is decreased by 1% from the current operation, this can save $100,000/yr. From the cost point of view, the total cost depends heavily on the catalyst run-length. The catalyst cost is $3,000,000/yr. If a new operation policy is developed and the catalyst run-length is increased by 1 month, the cost saving will be $120,000/yr. The most important problem for this plant is the maximization of the styrene monomer productivity. The production rate falls short of the demand. The current demand is 430,000 ton/yr but the production is only 370,000 ton/yr. This reduces the potential profit because they consumed all the products in their plants but the purchase price is higher than the production cost. In this study, a mathematical model was developed for an adiabatic radial-flow styrene monomer reactor based on the chemical kinetics. This model was analyzed via computer simulation to examine important decision variables. Optimization performance was measured in terms of catalyst utilization. Finally, new operating strategies were proposed to maximize the catalyst utilization.
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