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문제 정의
- 있다. [9], 본 연구에서는 이러한 분리벽형 증류탑을 폴리실리콘 정제과정에 적용하는 방법을 제안하고, 에너지 소비 정도와 장치비용에 대한 경제성 평가를 통해 기존의 폴리실리콘 정제공정과 비교해 보고자 한다.
- 이러한 불순물을 제거하고 6N이나 9N의 고순도로 TCS를 분리하기 위한 정제공정에서는 Figure 4에서와 같은 순차적으로 배열된 5기의 증류탑이 사용되는데 증류공정의 특성상 많은 양의 에너지가 소비된다. 이미 TCS 정제공정에서 소비되는 에너지를 절감하기 위한 여러가지 연구들이 시도되 었지만 [7, 8, 11] 본 연구에서는 기존 TCS 정제공정에 사용되고 있는 일반 증류탑에 대해 증류탑 내부에 분리벽이 있는 분리 벽형 증류탑을 대체 적용하는 방법에 주안점을 두어 연구하였으며, 화학적인 반응을 이용해 불순물을 제거하는 방법이 아닌 증류탑의 구조적인 변경을 통한 TCS 정제공정에서의 에너지 절감을 달성하고자 한다.
제안 방법
- TCS 정제공정에서 사용되는 5기의 일반 증류탑 중 재혼합 현상이 나타나고 재비기의 에너지 소모가 심한 1st column과 2nd column 에 대하여 분리벽형 증류탑으로 대체 적용하였다. 기존의 공정과 분리벽형 증류탑이 적용된 공정에 대한 각각의 전산모사를 통해 TCS 정제과정에서 소모되는 에너지를 비교했다.
- Ist column과 2nd column 외의 다른 증류탑은 기존 TCS 정 제 공정 구도를 그대로 유지하였다. 공정모사 프로그램에서 분리 벽형 증류탑을 직접적으로 모사할 수 없기 때문에 분리벽형 증류탑과 동일한 열적흐름을 보여주는 Petlyuk 증류탑(Figure 2) 구성을 활용하였다. 예비분리기와 주분리기를 각각 설계하여 내부 흐름을 연결함으로써 분리벽형 증류탑의 내부흐름(Figure 7)을 모사하는 방법을 이용하였다{14].
- 적용하였다. 기존의 공정과 분리벽형 증류탑이 적용된 공정에 대한 각각의 전산모사를 통해 TCS 정제과정에서 소모되는 에너지를 비교했다. 전산모사 결과 TCS 정제공정에서 일반 증류탑을 사용하는 것에 비해 분리벽형 증류탑을 적용하는 것이 증류 과정에서 소비되는 에너지를 약 61% 까지 절감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 제거되고 탑의 하부로는 액체 STC 및 분자량이 큰 불순물이 분리되며 탑의 중간 부분에서 TCS를 얻을 수 있다. 대체된 분리벽형 증류탑에서는 탑 중간생산물의 TCS 회수율과 순도가 기존 공정과 일치하도록 모사하였으며, 압력은 불순물 가스 성분의 응축을 위하여 기존 공정 Ist column의 압력과 같은 6.6 atm으로 설계하였다. Ist column과 2nd column 외의 다른 증류탑은 기존 TCS 정 제 공정 구도를 그대로 유지하였다.
- 같으나 차이가 있다면 증류탑 내부에 들어가는 분리벽의 가격을 산정해 주어야 한다는 것이다. 분리벽의 가격은 수직 탑의 가격을 이용해 예비분리기 크기만큼의 분리벽이 존재하는 것으로 간주하여 수직탑의 겉넓이를 분리벽이 필요한 면적으로 비 례하여 계산하였다. 그 외 단의 종류는 bubble cap, 단의 간격은 0.
- 앞에서 TCS 정제공정을 모사한 결과를 기본으로 하여 Is' column과 2nd column을 하나로 통합하여 하나의 분리벽형 증류탑으로 대체할 수 있도록 설계하였으며, 그 구도를 Figure 6 에 나타내었다. 분리벽형 증류탑으로 crude TCS가 유입되며 탑 상부로부터 수소 및 소량의 DCS와 HC1 로 이루어진 저비점 불순물 가스가 주로 분리 .
- 하지만 분리벽형 증류탑을 실제 TCS 정제공정에 적용하기 위해서는 에너지 효율뿐만 아니라 초기 투자비용에 대해서도 비교해 볼 필요가 있다. 여기서는 증류탑의 비용을 산출함에 있어 비용에 큰 영향을 주는 요소인 탑(vessel), 단(tray), 응축 7](condenser), 재비기(reboiler)의 4개 주요 장치의 가격을 기준으로 하여 투자비용을 분석하였다.
- HYSYS의 LK(Light Key) 와 HK(Heavy Key)를 기준으로 증류탑을 설계하는 Shortcut 방법을 통해 Figure 8 과 같은 구조로 증류탑을 배치한 후 예비분리기와 주분리기의 각 단수와 원료 유입 단 및 측면 흐름 유출 단 위치를 구하였다. 예비분리기는 재비기와 응축기가 없는 일반 분리기를 사용하였고 주분리기는 재비기와 부분 응축기가 각각 1개씩 있는 증류탑을 사용하였다.
- 공정모사 프로그램에서 분리 벽형 증류탑을 직접적으로 모사할 수 없기 때문에 분리벽형 증류탑과 동일한 열적흐름을 보여주는 Petlyuk 증류탑(Figure 2) 구성을 활용하였다. 예비분리기와 주분리기를 각각 설계하여 내부 흐름을 연결함으로써 분리벽형 증류탑의 내부흐름(Figure 7)을 모사하는 방법을 이용하였다{14]. HYSYS의 LK(Light Key) 와 HK(Heavy Key)를 기준으로 증류탑을 설계하는 Shortcut 방법을 통해 Figure 8 과 같은 구조로 증류탑을 배치한 후 예비분리기와 주분리기의 각 단수와 원료 유입 단 및 측면 흐름 유출 단 위치를 구하였다.
- 증류탑에서 에너지가 소비되는 부분은 응축기와 재비기, 두 부분이지만, 여기에서는 각 증류탑의 재비기에 소요되는 에너지만을 비교하였다. 5기의 각 증류탑으로부터 계산된 재비기의 에너지 소모량을 Table 4 에 나타내었다.
대상 데이터
- 6에 나타낸 바와 같다. 탑의 재질은 SUS316을 사용하는 것으로 하였다.
이론/모형
- TCS 정제공정에 대한 전산모사를 위해서 Aspen HYSYS V7.1 을 사용하였다. 1st column으로 유입 되는 원료는 Table 1과 같으며 앞에서 설명 했던 crude TCS를 제조하는 방법 중 수염화반응을 통해 생성되는 물질을 기준으로 구성하였다.
- 1st column으로 유입 되는 원료는 Table 1과 같으며 앞에서 설명 했던 crude TCS를 제조하는 방법 중 수염화반응을 통해 생성되는 물질을 기준으로 구성하였다. 증류탑 내부 흐름에서의 기-액 평형계산을 위해서 NRTL 식을 이용하였다.
성능/효과
- Table 4에서 나타난 일반 증류공정 배열의 재비기 에너지 소모 중 1st column과 2nd column의 재비기에서 소모된 에너지의 합은 11.50 MW 이었으므로 TCS 정제공정 에서 기존의 일반 증류탑을 분리벽형 증류탑으로 대체하여 사용할 경우 약 61%의 에너지 절감효과를 얻을 수 있음을 전산모사를 통해 확인할 수 있었다.
- 기존의 TCS 정제공정을 전산모사 한 결과 ls, columne 증류탑 내부에서 TCS의 재혼합 협상이 일어나고 전체 재비기의에너지 소모량의 약 77%를 차지해 에너지 소모가 다른 증류탑에 비해 크다. 따라서 Is‘ column과 2nd column를 통합하여 하나의 분리벽형 증류탑으로 만든다면 재혼합 현상이 일어나는 것을 방지하여 분리과정에서의 소요 에너지를 절감할 수 있을 것으로 예상된다.
- 전산모사 결과 TCS 정제공정에서 일반 증류탑을 사용하는 것에 비해 분리벽형 증류탑을 적용하는 것이 증류 과정에서 소비되는 에너지를 약 61% 까지 절감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 장치 가격에 대한 경제성분석 결과에서도 일반 증류탑을 사용하는 것에 비해 분리벽형 증류탑을 적용하는 경우에 약 58%를 절감할 수 있는 것으로 확인되었다. 이와같이 TCS 정제공정에서의 분리벽형 증류탑을 대체 적용한다면 TCS 생산원가 절감에 상당부분을 기여할 수 있을 것으로 예상되며 추가적인 최적화가 수행된다면 더 많은 에너지를 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이 표에서 볼 수 있듯이 1st column 재비기의 에너지 소모량이 전체의 7792를 차지해 다른 증류탑의 재비기 에너지 소모량에 비해 상당히 큰 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 기존의 공정과 분리벽형 증류탑이 적용된 공정에 대한 각각의 전산모사를 통해 TCS 정제과정에서 소모되는 에너지를 비교했다. 전산모사 결과 TCS 정제공정에서 일반 증류탑을 사용하는 것에 비해 분리벽형 증류탑을 적용하는 것이 증류 과정에서 소비되는 에너지를 약 61% 까지 절감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 장치 가격에 대한 경제성분석 결과에서도 일반 증류탑을 사용하는 것에 비해 분리벽형 증류탑을 적용하는 경우에 약 58%를 절감할 수 있는 것으로 확인되었다.
- 지금까지의 전산모사 실험을 통해 TCS 정제공정에서 기존의 일반 증류탑을 사용하는 것에 비해 분리벽형 증류탑을 적용하는 것이 더 나은 에너지 효율을 가지는 것으로 확인되었다. 하지만 분리벽형 증류탑을 실제 TCS 정제공정에 적용하기 위해서는 에너지 효율뿐만 아니라 초기 투자비용에 대해서도 비교해 볼 필요가 있다.
- 표에서 볼 수 있듯이 기존의 TCS 정제공정에 사용되던 Ist column과 2nd column의 장치비용이 $6, 146, 000이고 대체 적용한 분리벽형 증류탑의 장치비용은 $2, 585,000 으로써, 분리 벽형 증류탑의 장치 가격이 기존의 증류탑에 비해 약 58% 더 저렴하게 되어, 분리벽형 증류탑이 운전비용뿐만 아니라 투자 비용 면에서도 상당한 장점을 가지고 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 비해 크다. 따라서 Is‘ column과 2nd column를 통합하여 하나의 분리벽형 증류탑으로 만든다면 재혼합 현상이 일어나는 것을 방지하여 분리과정에서의 소요 에너지를 절감할 수 있을 것으로 예상된다.
- 또한 장치 가격에 대한 경제성분석 결과에서도 일반 증류탑을 사용하는 것에 비해 분리벽형 증류탑을 적용하는 경우에 약 58%를 절감할 수 있는 것으로 확인되었다. 이와같이 TCS 정제공정에서의 분리벽형 증류탑을 대체 적용한다면 TCS 생산원가 절감에 상당부분을 기여할 수 있을 것으로 예상되며 추가적인 최적화가 수행된다면 더 많은 에너지를 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
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