[학위논문]Aspen plus를 이용한 연료급 DME 분리공정의 최적화와 그에 대한 타당성 연구 Optimization of Separation Process for Fuel Grade DME Production using Aspen plus Simulation Module and its Suitability Study원문보기
1992년의 UN기후변화협약 및 1997년의 교토의정서 채택 등 지속적으로 엄격해지는 지구환경문제에 대한 국제적 규제에 대처하기 위하여 가솔린, 경유 등과 같은 기존 에너지를 대체할 수 있는 친환경적인 청정에너지로 DME가 주목받고 있다 DME는 기존의 디젤연료와 상응하는 열효율을 나타내면서도 기존의 가솔린과 디젤연료에 비해 질소산화물 방출이 휠씬 낮으며, 스모그 생성이 거의 없고 엔진 소음도 작다. 따라서 기존 국내 수송연료의 30% 이상을 차지하는 디젤 연료 및 LPG를 대체할 청정연료로 대량 활용될것으로 전망되어, 효율적이고 안정적인 대량시스템 구축에 관심이 모아지고 있다. CO₂, O₂, Steam 과 천연가스를 원료로 삼중개질반응( Tri- reforming)으로 제조한 수소 및 ...
1992년의 UN기후변화협약 및 1997년의 교토의정서 채택 등 지속적으로 엄격해지는 지구환경문제에 대한 국제적 규제에 대처하기 위하여 가솔린, 경유 등과 같은 기존 에너지를 대체할 수 있는 친환경적인 청정에너지로 DME가 주목받고 있다 DME는 기존의 디젤연료와 상응하는 열효율을 나타내면서도 기존의 가솔린과 디젤연료에 비해 질소산화물 방출이 휠씬 낮으며, 스모그 생성이 거의 없고 엔진 소음도 작다. 따라서 기존 국내 수송연료의 30% 이상을 차지하는 디젤 연료 및 LPG를 대체할 청정연료로 대량 활용될것으로 전망되어, 효율적이고 안정적인 대량시스템 구축에 관심이 모아지고 있다. CO₂, O₂, Steam 과 천연가스를 원료로 삼중개질반응( Tri- reforming)으로 제조한 수소 및 탄소산화물이 포함된 합성가스를 메탄올의 합성 및 탈수의 양자에 있어서 활성을 지니는 촉매의 존재 하에 반응시켜 DME(디메틸에테르), 메탄올 및 H2O과 함께 미 전환된 합성가스(H2, CO), CO₂가 혼합된 혼합물(Mixed DME Product)를 얻게 되는데 합성가스(H2/CO)로부터 디메틸에테르를 직접 제조하는 반응기에서는 DME 생성효율이 낮아 DME반응기에서 유출되는 혼합물에는 DME외에 상당량의 혼합물인 MeOH, H2O, CO₂ 및 미반응물(H2, CO), 불순물 등이 함유하여 대체연료로 사용할 수 있는 순도로 DME분리해야 한다. 따라서 본 연구에서는 이러한 혼합물로부터 97wt%순도의 연료급 DME를 경제적으로 분리해 낼 수 있도록 하기위한 연료급 DME 분리장치 및 공정 최적화를 목적으로 하고, 적용 타당성이 확인된 열역학 모델식을 AspenPlus를 이용해 모사결과를 도출해 내고, 그 운전조건으로 Plant 규모의 DME 분리장치를 운전하여 Product로 나온 DME 순도와 모사 결과로부터 나온 DME순도와 비교 검토를 하였다. 실험단계는 DME합성 반응기에서 유출되는 혼합물의 조성으로 유사하게 조제한 DME, MeOH, H2O, CO₂, CH4을 원료로 하여 제1반응기인 DME 흡수탑으로 이송하여 중 고압 운전조건하에서 메탄올을 이용하여 DME를 흡수함으로써 DME를 분리해내는 단계와 흡수탑 상부에서 유출되는 CH4과 CO₂의 기상류를 회수하는 단계, 그리고 흡수탑에서 흡수된 탑하부 물질(bottom Stream)을 제2반응기인 정제탑으로 이송하여 DME와 CO₂가 주성분인 탑상부 물질과 메탄올과 물이 주성분인 탑하부 물질로 분리시키는 단계, 여기서 탑상부 물질은(CO₂, DME) 다시 제 3반응기(Overhead Reflux Drum)에서 기상류(CO₂)와 액상류(DME)로 분리해 내고 액상류(DME)를 다시 제2반응기인 정제탑으로 재순환(reflux)시켜 90wt% 연료급 DME를 얻는 단계로 진행했다. 한편, 이러한 화학공정을 실제와 가장 근접하게 공정모사를 통해서 구현하기 위해서 필요한 것은 바로 올바른 열역학 모델식의 선정이다. 따라서 본 연구에서는 물, DME, 메탄올사이의 액상에서의 열역학적인 비이상성을 설명하기 위해서 Renon과 Prausnitz가 제안한 NRTL(Non Randon Two Liquid Mixture) 액체 활동도계수 모델식을 사용하였으며 Noncondesible supercritical gas들의 용매 성분에 대한 용해도 추산을 위해서 Henry's law option을 추가하였으며. 선정한 열역학 모델식의 적용 타당성 여부를 확인하기 위해서 문헌으로부터 실제 기-액 상평형(Vapor-Liquid Equilibrium) 실험 Data를 찾아 AspenPlus를 이용한 모사결과와 비교 검토하였다. 또한, 일산 50kg규모의 Pilot Plant의 실험결과와의 비교를 통해서 사용한 열역학 모델식의 타당성을 재차 확인하였다.
1992년의 UN기후변화협약 및 1997년의 교토의정서 채택 등 지속적으로 엄격해지는 지구환경문제에 대한 국제적 규제에 대처하기 위하여 가솔린, 경유 등과 같은 기존 에너지를 대체할 수 있는 친환경적인 청정에너지로 DME가 주목받고 있다 DME는 기존의 디젤연료와 상응하는 열효율을 나타내면서도 기존의 가솔린과 디젤연료에 비해 질소산화물 방출이 휠씬 낮으며, 스모그 생성이 거의 없고 엔진 소음도 작다. 따라서 기존 국내 수송연료의 30% 이상을 차지하는 디젤 연료 및 LPG를 대체할 청정연료로 대량 활용될것으로 전망되어, 효율적이고 안정적인 대량시스템 구축에 관심이 모아지고 있다. CO₂, O₂, Steam 과 천연가스를 원료로 삼중개질반응( Tri- reforming)으로 제조한 수소 및 탄소산화물이 포함된 합성가스를 메탄올의 합성 및 탈수의 양자에 있어서 활성을 지니는 촉매의 존재 하에 반응시켜 DME(디메틸에테르), 메탄올 및 H2O과 함께 미 전환된 합성가스(H2, CO), CO₂가 혼합된 혼합물(Mixed DME Product)를 얻게 되는데 합성가스(H2/CO)로부터 디메틸에테르를 직접 제조하는 반응기에서는 DME 생성효율이 낮아 DME반응기에서 유출되는 혼합물에는 DME외에 상당량의 혼합물인 MeOH, H2O, CO₂ 및 미반응물(H2, CO), 불순물 등이 함유하여 대체연료로 사용할 수 있는 순도로 DME분리해야 한다. 따라서 본 연구에서는 이러한 혼합물로부터 97wt%순도의 연료급 DME를 경제적으로 분리해 낼 수 있도록 하기위한 연료급 DME 분리장치 및 공정 최적화를 목적으로 하고, 적용 타당성이 확인된 열역학 모델식을 AspenPlus를 이용해 모사결과를 도출해 내고, 그 운전조건으로 Plant 규모의 DME 분리장치를 운전하여 Product로 나온 DME 순도와 모사 결과로부터 나온 DME순도와 비교 검토를 하였다. 실험단계는 DME합성 반응기에서 유출되는 혼합물의 조성으로 유사하게 조제한 DME, MeOH, H2O, CO₂, CH4을 원료로 하여 제1반응기인 DME 흡수탑으로 이송하여 중 고압 운전조건하에서 메탄올을 이용하여 DME를 흡수함으로써 DME를 분리해내는 단계와 흡수탑 상부에서 유출되는 CH4과 CO₂의 기상류를 회수하는 단계, 그리고 흡수탑에서 흡수된 탑하부 물질(bottom Stream)을 제2반응기인 정제탑으로 이송하여 DME와 CO₂가 주성분인 탑상부 물질과 메탄올과 물이 주성분인 탑하부 물질로 분리시키는 단계, 여기서 탑상부 물질은(CO₂, DME) 다시 제 3반응기(Overhead Reflux Drum)에서 기상류(CO₂)와 액상류(DME)로 분리해 내고 액상류(DME)를 다시 제2반응기인 정제탑으로 재순환(reflux)시켜 90wt% 연료급 DME를 얻는 단계로 진행했다. 한편, 이러한 화학공정을 실제와 가장 근접하게 공정모사를 통해서 구현하기 위해서 필요한 것은 바로 올바른 열역학 모델식의 선정이다. 따라서 본 연구에서는 물, DME, 메탄올사이의 액상에서의 열역학적인 비이상성을 설명하기 위해서 Renon과 Prausnitz가 제안한 NRTL(Non Randon Two Liquid Mixture) 액체 활동도계수 모델식을 사용하였으며 Noncondesible supercritical gas들의 용매 성분에 대한 용해도 추산을 위해서 Henry's law option을 추가하였으며. 선정한 열역학 모델식의 적용 타당성 여부를 확인하기 위해서 문헌으로부터 실제 기-액 상평형(Vapor-Liquid Equilibrium) 실험 Data를 찾아 AspenPlus를 이용한 모사결과와 비교 검토하였다. 또한, 일산 50kg규모의 Pilot Plant의 실험결과와의 비교를 통해서 사용한 열역학 모델식의 타당성을 재차 확인하였다.
Dimethyl Ether(DME) is a clean and economical alternative fuel which can be produced from various resources such as natural gas, coal or biomass through synthesis gas(CO + H2). The properties of DME are similar to those of LPG so that it can be mixed with LPG for various uses. An innovative separati...
Dimethyl Ether(DME) is a clean and economical alternative fuel which can be produced from various resources such as natural gas, coal or biomass through synthesis gas(CO + H2). The properties of DME are similar to those of LPG so that it can be mixed with LPG for various uses. An innovative separation process for the direct synthesis of DME from synthesis gas has been developed. Newly developed separation process is composed of a DME separation column and a DME absorption column. The DME absorption column is designed for DME to be absorbed by Methanol (98 vol%). The DME purification column has been composed of a reboiler, an overhead condenser, a packed separation column, and other necessary control units. The DME production rate was set at 50 kg/day with purity of 97wt% based on computer simulation using the Aspen plus program. The suitability study of the selected thermodynamic models were verified by experimental data from vapor-liquid equilibrium of DME and Methanol, DME and H2O, CO₂ and DME, CO₂ and Methanol, Methanol and H2O, and Methanol and CH4, found from various literatures and by comparison of simulation results using Aspen Plus. The DME purity obtained by manuevering plant-sized DME Separator was compared and analyzed with the DME purity replicated using previously selected thermodynamic model. The resulted product of DME has 96.7 mole% purity. There were some discrepancies between designed values and actually obtained values because of unknown factors. These unknown factors will be discovered as the steady state operation of the pilot plant is kept moving on the next step operation.
Dimethyl Ether(DME) is a clean and economical alternative fuel which can be produced from various resources such as natural gas, coal or biomass through synthesis gas(CO + H2). The properties of DME are similar to those of LPG so that it can be mixed with LPG for various uses. An innovative separation process for the direct synthesis of DME from synthesis gas has been developed. Newly developed separation process is composed of a DME separation column and a DME absorption column. The DME absorption column is designed for DME to be absorbed by Methanol (98 vol%). The DME purification column has been composed of a reboiler, an overhead condenser, a packed separation column, and other necessary control units. The DME production rate was set at 50 kg/day with purity of 97wt% based on computer simulation using the Aspen plus program. The suitability study of the selected thermodynamic models were verified by experimental data from vapor-liquid equilibrium of DME and Methanol, DME and H2O, CO₂ and DME, CO₂ and Methanol, Methanol and H2O, and Methanol and CH4, found from various literatures and by comparison of simulation results using Aspen Plus. The DME purity obtained by manuevering plant-sized DME Separator was compared and analyzed with the DME purity replicated using previously selected thermodynamic model. The resulted product of DME has 96.7 mole% purity. There were some discrepancies between designed values and actually obtained values because of unknown factors. These unknown factors will be discovered as the steady state operation of the pilot plant is kept moving on the next step operation.
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