[논문]비투멘 유체 분리를 위한 오일처리공정의 설계와 평가

정문; 이상준; 신흥식; 조은비; 황인주; 강춘형

doi:10.5293/kfma.2016.19.3.005

비투멘 유체 분리를 위한 오일처리공정의 설계와 평가
Design and Assessment of an Oil-treatment Process for Bitumen Separation 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.19 no.3, 2016년, pp.5 - 9

정문 (성진이앤티(주)) , 이상준 (성진이앤티(주)) , 신흥식 (성진이앤티(주)) , 조은비 (한국건설기술연구원 환경플랜트연구소) , 황인주 (한국건설기술연구원 환경플랜트연구소) , 강춘형 (전남대학교 응용화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this paper is to define criteria to be used as part of the engineering design for an oil sands plant equipped with the steam assisted gravity drainage process. In this effort, the oil treatment process of an oil sands plant on a pilot scale was focused for detailed investigation. The thermodynamic properties of the process fluid, which is mainly composed of bitumen and water, were estimated with the CPA model. The commercial tool aspen HYSYS was used for the analysis throughout this work along with the provided input data and some necessary assumptions. From the simulation results, the heat and mass balances for a 300 BPD plant were established in order to define standard data for its modular design. In particular, the basis of design for equipment size, heat transfer areas, capital cost and operation cost was extensively discussed.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

비캐나다 오일샌드현장에서 채취한 비투멘 샘플의 물성을 이용하여 결정한 pseudocomponent는 Table 1과 같다. 희석제는 납사로 가정했으며 납사와 물의 물성치는 Aspen HYSYS에 내장된 데이터베이스를 이용하였다.⁽⁸⁾

제안 방법

본 연구에서는 오일샌드 플랜트 설계기술을 확보하기 위해 증기주입 중력배출(Steam Assisted Gravity Drainage, 이하 SAGD) 방식의 오일샌드플랜트에서 오일처리공정의 모델링을 실시하였으며, 시뮬레이션을 통해 열, 물질수지를 계산했다.
오일샌드 SAGD 플랜트 모듈화 설계기술을 개발하기 위해 파일럿 규모의 300BPD 증기주입중력배출 방식 오일샌드플랜트의 오일처리 공정을 모사하였다. 이를 위해서 비투멘물성을 나타낼 수 있는 pseudocomponent를 결정하고 CPA모델을 이용하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 Fig. 1에서 점선으로 표시한 오일처리공정을 대상으로 공정모델링과 시뮬레이션을 실시하였다.
오일샌드는 10% 비투멘, 5% 물, 85% 모래 및 미세점토로 구성되어 있다. 비투멘은 무거운 탄화수소 계열이고 실온에서 거의 고체 상태로 존재하며, 17% 세튜레이트(saturate), 40% 방향족(aromatic), 26% 레진(resin), 17% 아스팔텐(asphaltenes)으로 구성되어 있다. 오일샌드 층이 지표에서 75 m 이내인 경우 채굴방식으로 생산하며, 200 m이상인 경우 증기를 이용한 인시추(in-situ) 방식으로 생산한다.
오일샌드 SAGD 플랜트는 오일처리공정, 오일제거공정, 수처리공정, 증기생산공정으로 구성되어 있으며, 일반적인 구성을 Fig. 1에 도시하였다.
오일샌드는 10% 비투멘, 5% 물, 85% 모래 및 미세점토로 구성되어 있다. 비투멘은 무거운 탄화수소 계열이고 실온에서 거의 고체 상태로 존재하며, 17% 세튜레이트(saturate), 40% 방향족(aromatic), 26% 레진(resin), 17% 아스팔텐(asphaltenes)으로 구성되어 있다.
이 공정 모델링 도구는 15,000개 이상의 화합물에 대한 물성 데이터베이스가 포함되어 있으며, 70여개의 열역학 모델식과 50여개의 장치를 모델링할 수 있는 라이브러리가 내장되어 있다. 또한 석유화학, 정유 등 화학공학 분야 공정 모델링에 광범위하게 적용되고 있으며, 모델링 결과에 대한 신뢰성을 확보하고 있다.

데이터처리

1) 오일샌드 SAGD 플랜트 오일처리공정 시뮬레이션을 통해 열/물질수지를 계산하고 주요장치의 설계기준 데이터를 도출했다.

이론/모형

오일샌드 SAGD 플랜트 오일처리공정 물성치 및 열/물질수지를 계산하기 위해 Cubic Plus Association(CPA)의 유체 물성 패키지를 이용했다.
오일샌드 SAGD 플랜트 오일처리공정의 모델링 및 시뮬레이션을 위해 공정모델링 도구 Aspen HYSYS를 이용하였다.
오일샌드 SAGD 플랜트 모듈화 설계기술을 개발하기 위해 파일럿 규모의 300BPD 증기주입중력배출 방식 오일샌드플랜트의 오일처리 공정을 모사하였다. 이를 위해서 비투멘물성을 나타낼 수 있는 pseudocomponent를 결정하고 CPA모델을 이용하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

성능/효과

2) 경제성을 분석한 결과, 1배럴의 오일을 생산하기 위해 오일처리 공정에서 소요되는 비용은 배럴당 $8.6이다.
Aspen HYSYS 내장된 경제성 분석도구를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 초기투자비용(capital cost)은 $1,263,500이며, 운전비용(operating cost)은 연간 $900,247이다. 그리고 장치구입비 $116,500, 장치설치비 $526,900이며, Table 3에 장치별 구입비 및 설치비용을 정리했다.
이를 바탕으로 연간 8000 hr 운전할 경우, 300BPD(barrel per day) 규모의 오일처리 공정에서 1배럴의 오일을 생산하는데 소요되는 비용은 $8.6임을 확인했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오일샌드 SAGD 플랜트의 4가지 공정별 정의와 특징을 설명하시오.	오일처리공정은 주로 오일과 물을 분리하는 공정이며, 가벼운 탄화수소인 희석제(diluent)를 주입하여 오일의 점도를 낮춰 오일의 유동성을 높인다. 오일제거공정은 오일처리 공정에서 분리된 물에 녹아있는 오일을 제거하는 공정이다. 수처리공정은 보일러에서 스케일, 부식을 방지하고 효율성을 높이기 위하여 불순물을 제거하는 공정이며, 과망간산칼륨, 수산화나트륨 등 화학물질을 사용하여 살균, 유기물분해, pH조정 등을 한다. 증기재생공정은 폐열을 회수하고 보일러를 통해 비투멘 회수에 필요한 증기를 생산한다.
	오일샌드는 어떻게 구성되어 있는가?	오일샌드는 10% 비투멘, 5% 물, 85% 모래 및 미세점토로 구성되어 있다. 비투멘은 무거운 탄화수소 계열이고 실온에서 거의 고체 상태로 존재하며, 17% 세튜레이트(saturate), 40% 방향족(aromatic), 26% 레진(resin), 17% 아스팔텐 (asphaltenes)으로 구성되어 있다.
	오일샌드 개발이 증가하는 이유는?	비전통자원의 매장량은 전통자원보다 더 많으며, 특히 오일샌드는 원유와 성질이 유사하여 전통자원의 원유 정제시설 등 기존시설을 이용할 수 있기 때문에 오일샌드 개발이 증가하는 추세이다. 세계적인 에너지 시장 변화에 따라 국내 기업들의 오일샌드플랜트 시장진입이 용이하도록 독자적인 국내기술 개발이 필요하다.

참고문헌 (9)

Peck, W., 2015, The Oil Sands Market Report 2015-2025, visiongain, London.
Cho, J. D., Kim, J. H., and Park, K. S., 2014, "Trend of the Unconventional Energy Resources," Econ. Environ. Geol., Vol. 47, No. 3, pp. 265-273.

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Alboudwarej, H., 2006, Highlighting Heavy Oil, Oilfield Review, Edmonton.
Bhattacharjee, S., 2010, Oil Sands, University of Alberta, Edmonton.
Arya, A., Solms, N., and Kontogeorgis, G. M., 2015, "Determination of asphaltene onset conditions using the cubic plus association equation of state," Vol. 400, No. 25, pp. 8-19.

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Kim, I. and Hartono, A., 2004, Calculation of Vapor-Liquid Equilibria for Methanol-Water Mixture using Cubic-Plus-Association Equation of State, NTNU, Trondheim.
Yeo, G. C., 2010, "Plant modeling, Applications of an engineering model under an operating environment," NICE, Vol. 28, No. 1, 32-36.
Oelke, H., 2011, Basis of design specification, Propak, Calgary.
Giacchettaa, G., Leporinia, M., and Marchettib, B., 2015, "Economic and environmental analysis of a Steam Assisted Gravity Drainage (SAGD) facility for oil recovery from Canadian oil sands," Applied Energy, Vol. 142, No. 15, pp. 1-9.

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