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문제 정의
- 여기서는 이러한 엑서지 개념을 이용하여 벤젠, 톨루엔, 자이렌 등의 방향족화합물을 생산하는 BTX 공정의 열역학적 해석을 통해 공정에서의 에너지 이용실태를 파악하고 그 개선방향을 모색하고자 하였다. 본 논문에서는 BTX 공정의 일부인 분별증류공정(Fractionation Unit)과 수소첨가알킬제거공정(Hydrodealkylation Unit: HDA)에 대하여 실시하였던 엑서지 해석의 방법, 내용 및 그 결과를 살펴보기로 한다.
- 여기서는 이러한 엑서지 개념을 이용하여 벤젠, 톨루엔, 자이렌 등의 방향족화합물을 생산하는 BTX 공정의 열역학적 해석을 통해 공정에서의 에너지 이용실태를 파악하고 그 개선방향을 모색하고자 하였다. 본 논문에서는 BTX 공정의 일부인 분별증류공정(Fractionation Unit)과 수소첨가알킬제거공정(Hydrodealkylation Unit: HDA)에 대하여 실시하였던 엑서지 해석의 방법, 내용 및 그 결과를 살펴보기로 한다.
제안 방법
- BTX 공정의 주원료인 열분해가솔린이 매우 많은 화합물의 혼합체이기 때문에 계산 결과를 실제 조업자료와 맞추기 위하여 62개의 대표 물질을 조합하여 물성치를 조절하였다[7].
- 계산된 각 흐름들의 엑서지 값으로부터 각 단위장치들의 엑서지 수지를 확립하였는데 각 장치에서의 엑서지 손실값은 장치에 투입되는 모든 종류의 흐름들이 갖는 엑서지 값의 합으로부터 장치에서 유출되는 모든 흐름들이 갖는 엑서지 값의 합을 뺌으로써 계산하였다.
- 공정 모사를 통해 얻어진 각 공정 흐름의 유량, 조성, 온도, 압력, 엔탈피, 엔트로피 등의 값과 유틸리티 흐름들의 Heat Duty 정보로부터 각 흐름이 갖는 엑서지 값이 계산되었다. 분별증류공정과 수소첨가알킬제거공정은 증류 및 화학반응에 의한 화합물의 조성 변화가 매우 크기 때문에 엑서지 계산에 있어서 화학적 엑서지가 매우 중요한 역할을 한다.
- 엑서지 개념을 이용하여 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정에 대한 열역학적 해석을 실시하였다. 공정을 구성하는 각 흐름의 엑서지 값은 실제 공정 조업자료를 바탕으로 한 전산모사의 결과로부터 계산하였다. 각 단위공정에서의 엑서지 수지를 바탕으로 공정을 이루는 모든 부분에서의 엑서지 손실을 정량화할 수 있었다.
- 벤젠 증류탑이 열역학적으로 가장 취약한 단위공정이라는 것을 알 수 있었다. 물질 엑서지 손실은 Heavy End와 C9～C10 흐름에 의하여 발생하며 이들 흐름은 다시 상위공정인 수소첨가공정과 추출공정에서 기인함을 확인하였다. 엑서지 해석을 통한 손실의 정량화 작업을 통해 손실의 종류, 크기 및 원인을 파악할 수 있었으며 그 방지책을 제시할 수 있었다.
- 구동 엑서지 손실은 엑서지 수지를 세우는 시스템의 경계에 따라 각 단위장치뿐 아니라 서로 연결되어 있는 일련의 장치군, 더 나아가 공정 전체에 대하여 그 크기를 계산할 수 있다. 본 논문에서는 각 단위장치에서의 구동 엑서지 손실을 먼저 구하고 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정을 구성하는 모든 단위장치에서의 구동 엑서지 손실값을 합함으로써 공정 전체의 구동 엑서지 손실의 크기를 계산하였다. 공정 전체의 구동 엑서지 손실의 크기는 129 GJ/hr임을 알 수 있었다.
- 엑서지 개념을 이용하여 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정에 대한 열역학적 해석을 실시하였다. 공정을 구성하는 각 흐름의 엑서지 값은 실제 공정 조업자료를 바탕으로 한 전산모사의 결과로부터 계산하였다.
- 물질 엑서지 손실은 Heavy End와 C9～C10 흐름에 의하여 발생하며 이들 흐름은 다시 상위공정인 수소첨가공정과 추출공정에서 기인함을 확인하였다. 엑서지 해석을 통한 손실의 정량화 작업을 통해 손실의 종류, 크기 및 원인을 파악할 수 있었으며 그 방지책을 제시할 수 있었다.
- 각 단위공정에서의 엑서지 수지를 바탕으로 공정을 이루는 모든 부분에서의 엑서지 손실을 정량화할 수 있었다. 엑서지의 손실은 구동 엑서지 손실과 물질 엑서지 손실로 구분하여 각각 정량화하였다. 공정의 구동에 필요한 구동 엑서지 손실은 물질 엑서지 손실에 비해 작았으며 대부분의 손실이 증류탑에서 발생함을 확인하였다.
- 물질 엑서지 손실은 각 단위장치에서 확립한 엑서지 수지의 시스템 경계를 해석의 최종 단위까지 확장함으로써 얻을 수 있다. 여기서는 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정을 구성하는 각 단위장치에서의 엑서지 수지를 모두 합하여 공정 전체에서의 엑서지 유입 및 유출을 관찰함으로써 공정으로부터 손실되는 물질 엑서지의 크기를 구하였다. 이 경우 이웃하는 장치들의 엑서지 수지가 합해지고 각 장치에서의 구동 엑서지 손실값 역시 합해진다.
대상 데이터
- 모든 계산은 상위 공정인 수소첨가공정에 투입되는 열분해가솔린 415 kg-mole/hr 및 수소 398 kg-mole/hr 등을 기준으로 실시되었다. 계산에 필요한 물성치는 Reid 등[8]과 ASPEN PLUS의 데이터베이스[9]로부터 획득하였다. 물성치의 계산에는 정유 및 석유화학 응용 계산에 많이 이용되는 Peng-Robinson 상태방정식을 이용하였다.
- 본 논문의 해석 대상인 BTX 공정은 나프타 분해공정의 부산물인 열분해가솔린(Pyrolysis Gasoline)을 주원료로 한다. 이러한 BTX 공정은 Figure 1에서 볼 수 있듯이 수소첨가(Hydrotreating), 추출(Extraction), 분별증류(Fractionation) 및 수소첨가알킬제거(Hydrodealkylation) 공정의 4부분으로 구성되어있다.
이론/모형
- 전산모사를 위한 기본 데이터는 실제 상용공정의 조업자료가 이용되었으며 전산모사에는 상용 정상상태모사기인 ASPEN PLUS를 이용하였다.
- 계산에 필요한 물성치는 Reid 등[8]과 ASPEN PLUS의 데이터베이스[9]로부터 획득하였다. 물성치의 계산에는 정유 및 석유화학 응용 계산에 많이 이용되는 Peng-Robinson 상태방정식을 이용하였다. Table 1은 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정의 전산모사에 이용되었던 주요 단위공정의 매개변수의 값을 정리한 것이다.
- 이러한 이유로 본 연구에서는 엑서지의 값을 물리적 엑서지와 화학적 엑서지의 합으로 계산하였으며 이 계산에는 위의 식 (1)과 (2)가 이용되었다. 화학적 엑서지를 계산하는데 있어서 Szargut 등[6]의 자료를 이용하였으며 공정의 각 흐름이 갖는 엑서지 값은 실제공정의 조업자료를 이용하여 실시된 공정모사의 결과를 바탕으로 Hinderink 등[10]의 방법을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 공정을 구성하는 각 흐름의 엑서지 값은 실제 공정 조업자료를 바탕으로 한 전산모사의 결과로부터 계산하였다. 각 단위공정에서의 엑서지 수지를 바탕으로 공정을 이루는 모든 부분에서의 엑서지 손실을 정량화할 수 있었다. 엑서지의 손실은 구동 엑서지 손실과 물질 엑서지 손실로 구분하여 각각 정량화하였다.
- 본 논문에서는 각 단위장치에서의 구동 엑서지 손실을 먼저 구하고 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정을 구성하는 모든 단위장치에서의 구동 엑서지 손실값을 합함으로써 공정 전체의 구동 엑서지 손실의 크기를 계산하였다. 공정 전체의 구동 엑서지 손실의 크기는 129 GJ/hr임을 알 수 있었다.
- 엑서지의 손실은 구동 엑서지 손실과 물질 엑서지 손실로 구분하여 각각 정량화하였다. 공정의 구동에 필요한 구동 엑서지 손실은 물질 엑서지 손실에 비해 작았으며 대부분의 손실이 증류탑에서 발생함을 확인하였다. 벤젠 증류탑이 열역학적으로 가장 취약한 단위공정이라는 것을 알 수 있었다.
- Table 1은 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정의 전산모사에 이용되었던 주요 단위공정의 매개변수의 값을 정리한 것이다. 공정의 전산모사를 통해 공정을 이루는 각 흐름들의 유량, 조성, 온도, 압력, 엔탈피 및 엔트로피 값을 얻었으며 여러 유틸리티 흐름들의 Heat Duty 또한 얻을 수 있었다.
- 공정의 구동에 필요한 구동 엑서지 손실은 물질 엑서지 손실에 비해 작았으며 대부분의 손실이 증류탑에서 발생함을 확인하였다. 벤젠 증류탑이 열역학적으로 가장 취약한 단위공정이라는 것을 알 수 있었다. 물질 엑서지 손실은 Heavy End와 C9～C10 흐름에 의하여 발생하며 이들 흐름은 다시 상위공정인 수소첨가공정과 추출공정에서 기인함을 확인하였다.
- 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정의 엑서지 해석의 결과로부터 물질 엑서지 손실의 크기는 구동 엑서지 손실의 약 2.5배에 달함을 알 수 있었다. 이는 물질 엑서지 손실을 줄이는 것이 구동 엑서지 손실을 줄이는 것보다 에너지의 효율적인 이용에 있어서 더욱 효과적임을 의미한다.
- 앞에서 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정으로부터 발생하는 구동 엑서지 손실의 60%가 5개의 증류장치로부터 기인하며 증류공정에서의 에너지 이용 효율 증대가 다른 단위공정에서의 그것에 비해 공정 전체에 미치는 영향이 크다는 것을 보았다. 증류공정에서의 큰 구동 엑서지 손실은 증류공정을 통해 열에너지 형태의 엑서지가 화합물의 화학적 엑서지로 변환되는 과정에서 많은 양의 엑서지가 손실됨에 따른 것으로 판단된다.
- 이들 5개의 장치는 모두 증류탑들로서 특히 벤젠 증류탑에서의 구동 엑서지 손실이 전체의 25%로서 가장 크다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 먼저 각각의 증류탑에 대한 보다 엄밀한 조업상태 감시 및 최적제어를 통해 각 증류탑에서의 손실 최소화를 꾀할 수 있을 것이다. 기존 증류탑의 설계 및 운전 방식은 원하는 분리생성물의 농도를 보장하는 것을 그 최적화의 기준으로 삼았으나 공정시스템 기술의 발전과 더불어 과거의 기준을 만족하면서도 공정에서의 엑서지 이용효율을 최대화시킬 수 있는 다변수최적화(Paleto Optimization) 기술을 도입할 수 있을 것이다. 또한 핀치기술 등을 이용하여 증류탑 상호간에, 나아가 전체 공정을 구성하는 다른 단위공정과의 사이에 교환, 대체할 수 있는 에너지의 양을 최대화하여 증류공정에서 발생하는 손실을 줄일 수 있을 것이다.
- 더욱이, 에너지 이용효율이 높다는 것이 환경에 미치는 영향이 작다는 것을 고려한다면 에너지 소비 및 그에 따른 환경 영향을 줄이는데 미치는 엑서지 해석의 효과를 이해할 수 있을 것이다[1]. 이러한 이유로 지난 30년간 엑서지 개념을 이용한 시스템의 열역학적 해석이 급격히 늘어났다.
- 기존 증류탑의 설계 및 운전 방식은 원하는 분리생성물의 농도를 보장하는 것을 그 최적화의 기준으로 삼았으나 공정시스템 기술의 발전과 더불어 과거의 기준을 만족하면서도 공정에서의 엑서지 이용효율을 최대화시킬 수 있는 다변수최적화(Paleto Optimization) 기술을 도입할 수 있을 것이다. 또한 핀치기술 등을 이용하여 증류탑 상호간에, 나아가 전체 공정을 구성하는 다른 단위공정과의 사이에 교환, 대체할 수 있는 에너지의 양을 최대화하여 증류공정에서 발생하는 손실을 줄일 수 있을 것이다.
- 이러한 구동 엑서지의 손실을 줄이는 방안으로서 다음 두 가지를 생각할 수 있을 것이다. 먼저 각각의 증류탑에 대한 보다 엄밀한 조업상태 감시 및 최적제어를 통해 각 증류탑에서의 손실 최소화를 꾀할 수 있을 것이다. 기존 증류탑의 설계 및 운전 방식은 원하는 분리생성물의 농도를 보장하는 것을 그 최적화의 기준으로 삼았으나 공정시스템 기술의 발전과 더불어 과거의 기준을 만족하면서도 공정에서의 엑서지 이용효율을 최대화시킬 수 있는 다변수최적화(Paleto Optimization) 기술을 도입할 수 있을 것이다.
- 이러한 방식으로 물질 엑서지 손실의 원인이 되는 흐름의 원인 제공자를 공정의 최상위 부분까지 추적하여 밝힐 수 있는 것이 엑서지 해석이 갖는 장점 가운데 하나이다. 손실의 정확한 위치와 근원을 밝힐 수 있는 이러한 엑서지 해석 방법과 공정 각 부분에서의 모든 정량적 자료를 추적할 수 있도록 하는 공정 모사 기술을 연계한다면 보다 근원적인 손실예방책을 마련할 수 있을 것이다.
- 이 두 경우를 고려할 때 분별증류 및 수소첨가알킬제거 공정에서의 실질적인 물질 엑서지 손실의 크기는 102 GJ/hr로 감소하게 되어 그 크기는 구동 엑서지 손실의 그것보다 작아질 수 있다. 이 경우 물질 엑서지 손실은 주로 Heavy End와 C9～C10 흐름에 의해 발생하며, 이러한 사실은 향후 이들 물질들을 이용할 수 있는 계획을 세우는데 많은 도움을 줄 수 있을 것이다. 이와 같이 엑서지 해석의 결과를 바탕으로 공정으로부터 유출되는 모든 물질 흐름들에 대하여 회수 재사용 및 다른 용도로의 사용방안을 마련할 수 있을 것이며 이를 통해 공정 전체의 손실을 방지할 뿐 아니라 에너지 이용 상태를 획기적으로 개선할 수 있을 것이다.
- 이와 같이 엑서지 해석의 결과를 바탕으로 공정으로부터 유출되는 모든 물질 흐름들에 대하여 회수 재사용 및 다른 용도로의 사용방안을 마련할 수 있을 것이며 이를 통해 공정 전체의 손실을 방지할 뿐 아니라 에너지 이용 상태를 획기적으로 개선할 수 있을 것이다. 이러한 분석을 통해 엑서지 해석이 산업생태학[11]의 개념을 공정의 설계 및 운전에 도입하는데 과학적 기초를 제공할 수 있음을 확인 할 수 있다.
- 이 경우 물질 엑서지 손실은 주로 Heavy End와 C9～C10 흐름에 의해 발생하며, 이러한 사실은 향후 이들 물질들을 이용할 수 있는 계획을 세우는데 많은 도움을 줄 수 있을 것이다. 이와 같이 엑서지 해석의 결과를 바탕으로 공정으로부터 유출되는 모든 물질 흐름들에 대하여 회수 재사용 및 다른 용도로의 사용방안을 마련할 수 있을 것이며 이를 통해 공정 전체의 손실을 방지할 뿐 아니라 에너지 이용 상태를 획기적으로 개선할 수 있을 것이다. 이러한 분석을 통해 엑서지 해석이 산업생태학[11]의 개념을 공정의 설계 및 운전에 도입하는데 과학적 기초를 제공할 수 있음을 확인 할 수 있다.
- 이 두 흐름에 의한 손실을 줄이기 위해서는 이들 흐름을 공정 내부 혹은 외부에서 적절히 이용할 수 있는 방안을 찾거나 그 발생을 근본적으로 차단해야 할 것이다. 전자의 경우 앞서 설명한 산업생태학적 접근을 통해 그 해결책을 마련할 수 있을 것이며 후자의 경우 기존의 공정시스템기술적 접근 방식으로 그 해결책을 마련할 수 있을 것이다. Figure 4는 Heavy End와 C9～C10 흐름이 솔벤트 칼럼에서 발생함을 보이고 있다.
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