화학 공장에서 플레어 시스템은 공장의 안전에 지대한 영향을 주는 아주 중요한 요소이다. 만약, 플레어 시스템이 필요보다 작게 설계 된다면, 위급 상황 발생 시 끔찍한 사고를 유발할 수 있다. 반면, 플레어 시스템이 필요보다 크게 설계하게 된다면 공장을 건설하는데 드는 비용의 증가를 피할 수가 없게 된다. 따라서, 산업계에서는 적절한 플레어 시스템의 설계를 위해 정확한 플레어 배출량을 예측하고자 오랫동안 노력해왔다. 미국석유협회에서는 플레어 배출량 계산을 위한 가이드라인을 제시하였고, 많은 설계 회사들은 정상상태 열 및 물질 수지식을 이용한 방법을 개발하여 플레어 배출량을 예측해 왔다. 하지만, 이러한 방법들은 많은 보수적인 가정들 하에 플레어 배출량을 계산하여 필요보다 크게 설계, 막대한 비용을 초래할 수 있다. 본 연구에서는 기존 방법들이 가지는 문제들을 해결하기 위해 공정제어가 포함된 동적 모사를 통해 플레어 배출량을 계산하는 새로운 절차를 제시하였고, 이 절차에 따라 에탄 분리탑의 배출량을 성공적으로 예측함으로써 절차의 효용성을 증명하였다.
화학 공장에서 플레어 시스템은 공장의 안전에 지대한 영향을 주는 아주 중요한 요소이다. 만약, 플레어 시스템이 필요보다 작게 설계 된다면, 위급 상황 발생 시 끔찍한 사고를 유발할 수 있다. 반면, 플레어 시스템이 필요보다 크게 설계하게 된다면 공장을 건설하는데 드는 비용의 증가를 피할 수가 없게 된다. 따라서, 산업계에서는 적절한 플레어 시스템의 설계를 위해 정확한 플레어 배출량을 예측하고자 오랫동안 노력해왔다. 미국석유협회에서는 플레어 배출량 계산을 위한 가이드라인을 제시하였고, 많은 설계 회사들은 정상상태 열 및 물질 수지식을 이용한 방법을 개발하여 플레어 배출량을 예측해 왔다. 하지만, 이러한 방법들은 많은 보수적인 가정들 하에 플레어 배출량을 계산하여 필요보다 크게 설계, 막대한 비용을 초래할 수 있다. 본 연구에서는 기존 방법들이 가지는 문제들을 해결하기 위해 공정제어가 포함된 동적 모사를 통해 플레어 배출량을 계산하는 새로운 절차를 제시하였고, 이 절차에 따라 에탄 분리탑의 배출량을 성공적으로 예측함으로써 절차의 효용성을 증명하였다.
A flare system is a very important system that crucially affects on the process safety in chemical plants. If a flare system is designed too small, it cannot prevent catastrophic accidents of a chemical plant. On the other hand, if a flare system is designed too large, it will waste resources. There...
A flare system is a very important system that crucially affects on the process safety in chemical plants. If a flare system is designed too small, it cannot prevent catastrophic accidents of a chemical plant. On the other hand, if a flare system is designed too large, it will waste resources. Therefore, reasonable relief load estimation has been a crucial issue in the industry. American Petroleum Institute (API) suggests basic guidelines for relief load estimation, and a lot of engineering companies have developed their own relief load estimation methods that use an unbalanced heat and material method. However, these methods have to involve lots of conservative assumptions that lead to an overestimation of relief loads. In this study, the new design procedure for a flare system based on dynamic simulation was proposed in order to avoid the overestimation of relief loads. The relief load of a deethanizer process was tested to verify the performance of the proposed design procedure.
A flare system is a very important system that crucially affects on the process safety in chemical plants. If a flare system is designed too small, it cannot prevent catastrophic accidents of a chemical plant. On the other hand, if a flare system is designed too large, it will waste resources. Therefore, reasonable relief load estimation has been a crucial issue in the industry. American Petroleum Institute (API) suggests basic guidelines for relief load estimation, and a lot of engineering companies have developed their own relief load estimation methods that use an unbalanced heat and material method. However, these methods have to involve lots of conservative assumptions that lead to an overestimation of relief loads. In this study, the new design procedure for a flare system based on dynamic simulation was proposed in order to avoid the overestimation of relief loads. The relief load of a deethanizer process was tested to verify the performance of the proposed design procedure.
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문제 정의
기존의 연구들이 start-up시나 임의로 가정한 상황하에서 플레어 용량 예측을 수행한 반면, 이 새로운 절차는 발생 가능한 모든 플레어 배출 시나리오를 공정제어가 포함된 동적 모사를 통해 수행하여 최악의 시나리오를 선정하는 방법을 제시하고 있다. 과거에는 이러한 방법이 컴퓨터 및 범용 소프트웨어 성능의 한계로 인해 불가능하다고 여겨졌지만, 체계적인 접근을 통해 이를 해결할 수 있음을 이번 연구를 통해 증명하고자 하였다.
지금까지, 플레어 용량 예측 절차에 대해 논의하였다. 기존의 정상 상태 열 및 물질 전달식을 이용한 플레어 용량 예측 절차와 본 연구에서 새롭게 제시한 플레어 용량 예측 절차에 대해 설명하였다. 다음 장에서는 새롭게 제시된 플레어 용량 예측 절차에 따라 에탄 분리탑의 플레어 용량 예측을 수행하였다.
이처럼 그 동안의 연구들은 대부분 동적 모사를 이용한 화학 공정의 정밀한 모사와 운전 전략 수립 또는 설계 검증에 초점이 맞추어져 있으며, 플레어 용량 예측에 대한 연구 역시 동적 모사를 이용한 플레어 예측이 가능하다는 수준의 방법론을 제시할 뿐, 플레어 용량 예측에 관한 체계적인 절차를 제시하지 못하고 있다. 따라서, 본 연구는 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 플레어 용량 예측에 관한 체계적인 절차를 제안함으로써 효율적인 플레어 시스템 설계에 도움을 주고자 하였다. 또한, 에탄 분리탑의 플레어 용량 예측을 제안된 절차에 따라 수행함으로써 절차의 효용성을 증명하였다.
지금까지, 플레어 용량 예측 절차에 대해 논의하였다. 기존의 정상 상태 열 및 물질 전달식을 이용한 플레어 용량 예측 절차와 본 연구에서 새롭게 제시한 플레어 용량 예측 절차에 대해 설명하였다.
제안 방법
플레어 배출 시나리오의 모사를 위해, 먼저 에탄 분리탑의 모델을 정상 운전 상태로 만들었다. 그 후, Dynsim 5.0에 내장된 시나리오 기능을 이용하여 플레어 배출 시나리오를 구현하였다. 그 결과는 Fig.
기존의 정상 상태 열 및 물질 전달식을 이용한 플레어 용량 예측 절차와 본 연구에서 새롭게 제시한 플레어 용량 예측 절차에 대해 설명하였다. 다음 장에서는 새롭게 제시된 플레어 용량 예측 절차에 따라 에탄 분리탑의 플레어 용량 예측을 수행하였다. 비교를 위해, 기존의 정상상태 열 및 물질 전달식을 이용한 플레어 용량 예측 절차에 따른 플레어 용량 예측 결과도 같이 제시하였다.
본 연구에서는 기존에 사용되던 정상상태 열 및 물질 수지식을 이용한 플레어 시스템 디자인 절차 대신, 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 새로운 플레어 시스템 디자인 절차를 제안하였고, 절차의 효용성을 검증하기 위해 에탄 분리탑의 플레어 배출량 예측을 제안된 디자인 절차에 따라 수행하였다. 그 결과 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용하여 플레어 배출 시나리오에 따른 플레어 배출량 예측을 성공적으로 수행할 수 있음을 증명하였다.
다음 장에서는 새롭게 제시된 플레어 용량 예측 절차에 따라 에탄 분리탑의 플레어 용량 예측을 수행하였다. 비교를 위해, 기존의 정상상태 열 및 물질 전달식을 이용한 플레어 용량 예측 절차에 따른 플레어 용량 예측 결과도 같이 제시하였다.
공정제어가 포함된 동적 모사를 통한 최악의 시나리오 선정은 Table 3에 나열된 시나리오를, 구축된 모델을 이용하여 모사한 뒤, 에탄 분리탑 상부의 압력 밸브를 통해 배출되는 유량을 확인함으로써 이루어질 수 있다. 플레어 배출 시나리오의 모사를 위해, 먼저 에탄 분리탑의 모델을 정상 운전 상태로 만들었다. 그 후, Dynsim 5.
대상 데이터
에탄 분리탑은 주로 Natural Gas Liquid (NGL) 회수 공정에서 많이 볼 수 있으며, NGL에서 에탄을 탑 상부로 회수하는 것을 주요 목적으로 한다[14]. 이 연구에서 사용된 분리탑은 분리탑으로 들어오는 에탄의 99 mol% 이상을 탑 상부의 제품으로 회수하는 것을 목표로 디자인 되었다. 분리탑으로 들어오는 유량은 분리탑 전단에 설치된 유량 제어기가 제어하며, 탑 상부로 나가는 제품의 흐름은 overhead receiver의 압력으로 제어한다.
성능/효과
1)공정 설계 엔지니어(Process Engineer)가 해당 공장 또는 공정에 친숙하며 깊은 지식을 가지고 있어야 함.
2) 최악의 시나리오 선정을 위해 계산 과정을 검토하는 것이 용이하다.
3) 범용 소프트웨어를 이용하므로 플레어 배출 용량 계산 과정에 대한 사업주의 신뢰를 얻기가 쉽다.
결국, 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 플레어 배출량 계산은 설계 엔지니어가 기존에는 고려할 수 없던 많은 요소들을 계산에 반영함으로써 좀 더 합리적이고 정교한 결과 값을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 비록 정상상태 열 및 물질 수지식을 이용한 방법에 비해 시간 소모는 많으나, 그 결과로 불필요하게 플레어 시스템이 크지는 것을 막는다면 이는 경제적으로 훨씬 이득이 될 수 있다.
정상상태 열 및 물질 수지식을 이용한 방법과 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 방법의 차이를 명확히 하기 위해 각각의 결과 값을 Table 5에 나타내었다. 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 플레어 용량 예측 결과, 최악의 사나리오는 Vapor Outlet Blocked이며 플레어 배출량은 86,195 kg/hr이다. 나머지 시나리오에서는 에탄 분리탑의 압력은 상승했지만, 플레어 배출이 이루어지지는 않았다.
본 연구에서는 기존에 사용되던 정상상태 열 및 물질 수지식을 이용한 플레어 시스템 디자인 절차 대신, 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 새로운 플레어 시스템 디자인 절차를 제안하였고, 절차의 효용성을 검증하기 위해 에탄 분리탑의 플레어 배출량 예측을 제안된 디자인 절차에 따라 수행하였다. 그 결과 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용하여 플레어 배출 시나리오에 따른 플레어 배출량 예측을 성공적으로 수행할 수 있음을 증명하였다. 그뿐만 아니라, 공정 제어가 포함된 동적 모사를 이용한 플레어 배출량 예측이 정상상태 열 및 물질 수지식을 이용한 기존의 방법보다 더 적은 예측값을 나타냄을 알 수 있었다.
먼저, Cassata 등은 분리탑의 플레어 용량 예측을 위해 동적 모사(dynamic simulation)을 적용하였다[5]. 그 결과 동적 모사를 이용하여 프로판(Propane) 분리탑의 플레어 용량 예측을 성공적으로 수행할 수 있음을 증명하였다. 또한, Luyben 그리고 Lee 등은 복잡한 화학 공정을 동적 모사를 통해 성공적으로 모사할 수 있음을 증명하였고[6,7], Patel 등은 화학 공장의 디자인 및 설계 그리고 비정상상태의 진단을 위해 동적 모사가 활용될 수 있음을 보여 주었다[8,9].
그 결과 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용하여 플레어 배출 시나리오에 따른 플레어 배출량 예측을 성공적으로 수행할 수 있음을 증명하였다. 그뿐만 아니라, 공정 제어가 포함된 동적 모사를 이용한 플레어 배출량 예측이 정상상태 열 및 물질 수지식을 이용한 기존의 방법보다 더 적은 예측값을 나타냄을 알 수 있었다.
따라서, 본 연구는 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 플레어 용량 예측에 관한 체계적인 절차를 제안함으로써 효율적인 플레어 시스템 설계에 도움을 주고자 하였다. 또한, 에탄 분리탑의 플레어 용량 예측을 제안된 절차에 따라 수행함으로써 절차의 효용성을 증명하였다.
다행스럽게도 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 플레어 배출량 계산에 대해서 미국석유협회도 API STD 521을 통해 그 가능성을 인정하고 있다. 비록, 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 플레어 시스템 설계가 시간 소모가 기존 방법에 비해 크고 모델링에 숙련된 인력이 필요하다는 단점이 있지만, 본 연구 결과에서 보듯이 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용하여 플레어 배출량 계산 결과를 줄일 수 있는 여지가 많다.
하지만, 지금은 컴퓨터 및 공정제어가 포함된 동적 모사 기술의 발전으로 플레어 배출 상황 발생 시 제어기의 동작이 어떻게 이루어질지 예측할 수 있다. 연구 결과에서 보듯이, 공정 제어가 포함된 동적 모사를 이용한 플레어 배출량 계산 결과, 정상상태 열 및 물질 수지식을 이용한 결과에 비해 약 57% 가량 줄어든 값을 얻을 수 있었다.
후속연구
따라서 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 결과만을 가지고 플레어 시스템을 지나치게 작게 설계한다면, 해당 공정의 안전에 큰 지장을 초래할 수 있다. 그러므로 본 연구의 내용을 실험으로 뒷받침할 수 있는 후속 연구가 이루어진다면, 그 결과는 공정 설계 엔지니어에게 매우 유용할 것이다.
하지만 공정제어가 포함된 동적 모사를 이용한 본 연구의 결과는 실험 등을 통해 충분히 검증된 뒤에 설계에 적용되어야 한다. 앞에서 언급하였듯이, 플레어 시스템은 화학 공장의 사고를 막을 수 있는 대표적인 물리적 보호 장치로 화학 공장의 안전에 매우 중요한 역할을 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화학 공장에서 플레어 시스템의 크기가 어떻게 설계되느냐는 공장의 안전에 어떤 영향을 미치는가?
화학 공장에서 플레어 시스템은 공장의 안전에 지대한 영향을 주는 아주 중요한 요소이다. 만약, 플레어 시스템이 필요보다 작게 설계 된다면, 위급 상황 발생 시 끔찍한 사고를 유발할 수 있다. 반면, 플레어 시스템이 필요보다 크게 설계하게 된다면 공장을 건설하는데 드는 비용의 증가를 피할 수가 없게 된다. 따라서, 산업계에서는 적절한 플레어 시스템의 설계를 위해 정확한 플레어 배출량을 예측하고자 오랫동안 노력해왔다.
플레어 시스템은 어떻게 구성되어 있는가?
따라서, 화학 공장은 다양한 장치에 의해 보호되고 있으며, 그 중 플레어 시스템은 화학 공장을 비정상 상태의 위험으로부터 보호하기 위한 대표적인 물리적 장치이다. 플레어 시스템은 안전밸브, 플레어 배관, 플레어 knock-out drum, 플레어 stack, 버너 등으로 구성되어 있으며 화학공장의 기기에서 발생 가능한 비이상적인 압력 상승을 해소하여 공장을 폭발의 위험으로부터 방지하는 역할을 한다.
플레어 시스템의 역할은 무엇인가?
따라서, 화학 공장은 다양한 장치에 의해 보호되고 있으며, 그 중 플레어 시스템은 화학 공장을 비정상 상태의 위험으로부터 보호하기 위한 대표적인 물리적 장치이다. 플레어 시스템은 안전밸브, 플레어 배관, 플레어 knock-out drum, 플레어 stack, 버너 등으로 구성되어 있으며 화학공장의 기기에서 발생 가능한 비이상적인 압력 상승을 해소하여 공장을 폭발의 위험으로부터 방지하는 역할을 한다.
참고문헌 (14)
Jang, N., Dan, S., Shin, D., Lee, G. and Yoon, E. S., "The Role of Process Systems Engineering for Sustainability in the Chemical Industries," Korean Chem. Eng. Res., 51(2), 221-225(2013).
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Mofrad, S. R., "Tower Pressure Relief Calculation," Hydrocarbon Processing, 87(9), 149-159(2008).
Smith, D. and Burgess, J., "Relief Valve and Flare Action Items: What Plant Engineers Should Know," Hydrocarbon Processing, 91(11), 41-46(2012).
Cassata, J. R., Dasgupta, S. and Gandhi, S. L., "Modeling of Tower Relief Dynamics," Hydrocarbon Processing, 72(10), 71-76(1993).
Luyben, W. L., Plantwide dynamic simulators in chemical processing and control, Marcel Dekker, Inc., New York, NY(2002).
Lee, C. J., Lim, Y. and Han, C., "Operational Strategy to Minimize Operating Costs in Liquefied Natural Gas Receiving Terminals Using Dynamic Simulation," Korean J. Chem. Eng., 29(4), 444-451(2012).
Patel, V., Feng, J., Dasgupta, S., Ramdoss, P. and Wu, J., "Application of Dynamic Simulation in the Design, Operation, and Troubleshooting of Compressor System," The thirty-sixth turbomachinery symposium, September, Houston, TX(2007).
Patel, V., Feng, J., Dasgupta, S. and Kramer, J., "Use of Dynamic Simulation in the Design of Ethylene Plants," The 20th Ethylene Producers' Conference, April, New Orleans, LA(2008).
Singh, A., Li, K., Lou, H. H., Hopper, J. R., Golwala, H., Ghumare, S. and Kelly, T., "Flare Minimisation Via Dynamic Simulation," Int. J. Environment and Pollution, 29, 19-29(2007).
Xu, Q., Yang, X., Liu, C., Li, K., Lou, H. H. and Gossage, J. L., "Chemical Plant Flare Minimization via Plantwide Dynamic Simulation," Ind. Eng. Chem. Res., 48, 3505-3512(2009).
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