[논문]유틸리티 절감을 위한 미반응 스티렌 모노머 회수공정의 설계

봉주영; 나수진; 이광순

doi:10.9713/kcer.2017.55.1.54

유틸리티 절감을 위한 미반응 스티렌 모노머 회수공정의 설계
Process Design for Recovery of Unreacted Styrene Monomer for Utility Saving 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.1, 2017년, pp.54 - 59

봉주영 (롯데첨단소재 여수사업장) , 나수진 (서강대학교 화공생명공학과) , 이광순 (서강대학교 화공생명공학과)

초록
AI-Helper

ABS 중합공정 중 잔류 모노머 회수 공정의 유틸리티 사용량 절감을 위한 공정의 개선을 수행하였다. ABS 폴리머 생산 과정 중 잔류 모노머 회수 공정은 제품의 품질 향상을 위해 반드시 필요하다. 잔류 모노머의 회수를 위한 다양한 방식이 있으나, 본 연구에서 대상으로 한 것은 스팀 스트리핑 공정이다. 기존의 스팀 스트리핑은 많은 양의 스팀과 냉각수가 사용되고 있으나, 본 연구를 통해 유틸리티 사용을 절감하는 새로운 방안을 찾고자 하였다. 스트리핑 후 모노머와 함께 배출되는 스팀의 잠열을 진공상태의 수증기로 회수하고, 압축으로 온도를 상승시켜 스트리핑 스팀으로 재사용하도록 함으로써 스팀의 사용을 획기적으로 절감하였다. 또한 모노머 최종 회수 과정에서 발생되는 물을 모노머 응축에 냉각수로 활용함으로써 용수에 대한 사용량도 감소 시킬 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study for process design to curtail the utility consumption during residual styrene monomer recovery in an ABS polymerization process was carried out. Among different techniques for residual monomer recovery, the steam stripping is dominantly employed in industries. The existing process, however, consumes a large amount of utility (steam and cooling water), and this study focused on the design of a new process that can substantially spare the utility consumption. A new process was configured to utilize the latent heat of the stripping steam, which is condensed with the monomer using cooling water after exiting the stripper. The condenser was modified to use vacuum state water as coolant and to generate vacuum state steam using the latent heat of the stripping steam. The steam is injected to the stripper as the stripping steam after upgrading using a compressor. Through this modification, consumption of steam and also cooling water could be significantly reduced at some expense of electricity for compressor operation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존 공정의 HX1은 스팀-냉각수 열 교환이 이루어지는 것에 비해 개선된 공정에서는 스팀-스팀의 열 교환이 이루어지므로 열 교환면적을 줄일 수 있어 열 교환기 투자비용을 절감할 수 있을 것으로 보이지만 본 연구에서 설치 및 투자비용에 대한 자세한 기술은 하지 않도록 한다.
이러한 잔류 모노머 회수 공정에서 사용되는 많은 양의 유틸리티는 모두 제조비용에 포함되어 제품가격 상승의 원인이 된다. 따라서, 제품 원가 절감을 위해 공정에서 발생되는 열을 회수하여 재사용하고, 용수를 재활용하여 기존 공정에서 사용되는 냉각수의 사용을 절감하고자 하였다.

가설 설정

기존 공정에 비하여 냉각수의 사용량도 현저히 줄었으나, 압축기 가동을 위한 전기 사용이 필요하다. 설비는 HX2 및 압축기 설치가 신규로 요구되었고 이 때 압축기의 효율은 72%로 가정하였다.

제안 방법

(2) 증기의 응축 과정에서 응축열을 회수해서 만들어진 스팀을 스트리퍼에 재사용 하여, 스팀의 추가 공급 없이 운전할 수 있도록 했다.
제품의 원가개선을 목표로 ABS 중합공정 중 스티렌 모노머 회수공정의 유틸리티 사용량을 획기적으로 절감할 수 있는 공정 개선을 수행하였다. 공정 내에서 발생되는 용수와 열의 회수 및 재사용을 통해 기존의 품질 수준을 유지하면서 유틸리티 사용을 절감할 수 있는 방안을 찾았으며, 중요한 몇 가지 결과는 다음과 같다.
다섯째, HX1에서 열교환이 이루어진 저압 증기 스트림 6이 추가 가열 없이 압축기로 공급될 수 있도록 decanter에서 폐수로 처리되는 유량을 결정하였다.
[5-7] 그러나 분리막의 청소 및 교체 등의 운영상 문제점과 분리된 스팀의 공급량을 일정하게 유지하는 문제 등으로 기존 공정에 적용이 불가능한 것으로 판단되었다. 따라서, 열 통합을 이용한 에너지 회수 방법으로 공정에 대한 개선을 실시하였다.
이 과정에서 회수된 열의 낮은 압력과 온도로 인해 스트리퍼로 투입이 되지 못하는 것을 압축기를 이용해 투입 가능한 압력 및 온도 조건이 되도록 하였다. 또한, 공정에서 최종적으로 회수된 용수를 재활용하여 열 교환기에 서 모노머를 응축하기 위해 투입되는 냉각수를 대신 하도록 하고, 모노머가 충분히 응축될 수 있도록 공정의 전체적인 운전 압력과 decanter의 운전 압력을 변경하였다.
본 연구에서는 모노머 회수공정에서 스트리퍼 상부로 배출된 스팀과 모노머를 열 교환기에서 응축하는 동안 발생되는 열을 회수하여, 모노머를 포집하는 스트리퍼에 재사용함으로써 기존에 투입되던 스팀의 상당량을 대체할 수 있도록 했다. 이 과정에서 회수된 열의 낮은 압력과 온도로 인해 스트리퍼로 투입이 되지 못하는 것을 압축기를 이용해 투입 가능한 압력 및 온도 조건이 되도록 하였다.
일반적인 증류와 유사한 면이 있지만, 환류와 재비기가 없는 단순한 형태이다. 스트리퍼의 규격, 단의 종류 등 상세한 설계는 처리량 및 물질 조성 등에 맞추어 설계되었으나, 본 논문에 서는 상세 설계사양은 제시하지 않도록 한다.
본 연구에서는 모노머 회수공정에서 스트리퍼 상부로 배출된 스팀과 모노머를 열 교환기에서 응축하는 동안 발생되는 열을 회수하여, 모노머를 포집하는 스트리퍼에 재사용함으로써 기존에 투입되던 스팀의 상당량을 대체할 수 있도록 했다. 이 과정에서 회수된 열의 낮은 압력과 온도로 인해 스트리퍼로 투입이 되지 못하는 것을 압축기를 이용해 투입 가능한 압력 및 온도 조건이 되도록 하였다. 또한, 공정에서 최종적으로 회수된 용수를 재활용하여 열 교환기에 서 모노머를 응축하기 위해 투입되는 냉각수를 대신 하도록 하고, 모노머가 충분히 응축될 수 있도록 공정의 전체적인 운전 압력과 decanter의 운전 압력을 변경하였다.
2%의 일치를 보였다. 이로부터 스트리퍼에서의 열 손실을 무시할 만한 것으로 간주하여, 개선 공정에서의 열 수지를 계산하였다.
제품의 원가개선을 목표로 ABS 중합공정 중 스티렌 모노머 회수공정의 유틸리티 사용량을 획기적으로 절감할 수 있는 공정 개선을 수행하였다. 공정 내에서 발생되는 용수와 열의 회수 및 재사용을 통해 기존의 품질 수준을 유지하면서 유틸리티 사용을 절감할 수 있는 방안을 찾았으며, 중요한 몇 가지 결과는 다음과 같다.
중합공정 내 잔류 모노머 회수 공정에서 발생되는 열을 회수하고, 용수를 재활용 하여, 유틸리티 사용량 절감을 통해 제품의 원가를 개선할 수 있도록 공정을 새롭게 설계하였다.
현재 공정에 대한 분석결과를 바탕으로, Fig. 6과 같이 decanter에서 회수된 물을 이용하여 주 응축기 HX1 에서 응축열을 스팀으로 회수하고, 이 스팀을 스트리퍼에 공급함으로써, 유틸리티(스팀, 냉각수) 사용을 절감하는 공정을 제안하였다. 새롭게 제안된 공정은 모사를 통해 적용 가능여부와 개선효과를 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서 개선하고자 하는 공정은 ABS 폴리머 제조 공정의 한 부분이며 여기서 생산된 제품은 ABS 수지의 주 원료로 사용되며, 그 함량이 제품의 30~40%를 차지하는, ABS 수지의 원가 및 품질에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 원료이다. ABS 폴리머 생산 공정은 Fig.
0억원이다. 비용 개선효과의 계산을 위해서 사용된 각 유틸리티의 단가는 16년 3월 기준 공장에서 실제 적용되는 단가를 사용하였다.

이론/모형

현재 운영 중인 스트리퍼는 스팀 스트리핑 방식을 이용한 것이다. 스트리퍼의 설계 및 운전에 대한 연구는 비교적 많이 발표되어 있으며, 본 공정의 스트리퍼 및 내부 설계는 선행 연구를 참고하여 실시하였다[3,4].

성능/효과

(1) 스트리핑 과정에서 최종 회수된 물을 스트리퍼에서 배출된 증기의 응축 과정에 재사용함으로써, 기존에 사용되었던 냉각수의 사용을 절감했다.
(3) 공정 개선 전, 후의 모노머 회수율은 큰 차이 없이, 동일한 수준을 유지했다.
그리고 직접적인 유틸리티 절감 효과 외에, Table 4에 보인 것과 같이 용수 재활용으로 인한 폐수 처리 비용 절감이 약 2.2억원, 냉각수 공급을 위한 펌프 사용 전력비 절감효과 약 0.1억원으로, 연간 2.3억원의 추가적인 경비 절감효과도 기대할 수 있다.
넷째, 스트리퍼의 압력은 기존과 같이 0.18 bar를 유지한다. 이 압력에 의해 스트리퍼 운전온도가 결정되며, 이 온도는 스트리퍼 내 라텍스의 변형을 유발하지 않도록 설정된 것이기 때문이다.
6과 같이 decanter에서 회수된 물을 이용하여 주 응축기 HX1 에서 응축열을 스팀으로 회수하고, 이 스팀을 스트리퍼에 공급함으로써, 유틸리티(스팀, 냉각수) 사용을 절감하는 공정을 제안하였다. 새롭게 제안된 공정은 모사를 통해 적용 가능여부와 개선효과를 확인하였다.
셋째, 스트림 6이 스트림 2, 3과 적절한 온도차를 유지하며 포화 증기가 되도록 스트림 5, 6의 압력은 스트리퍼 압력 보다 낮게 유지한다. 이것을 위해 decanter 후단에 밸브를 설치하여 압력 강하를 유도하며, 스트림 6의 저압 증기를 스트리퍼에 투입할 수 있도록 압축기를 설치한다.
스트리퍼 feed 스트림과 하부 배출 스트림의 온도가 거의 동일하므로 라텍스를 제외하고 물과 모노머 그리고 스팀 엔탈피의 스트리퍼 유입량과 배출량을 비교한 결과 99.2%의 일치를 보였다. 이로부터 스트리퍼에서의 열 손실을 무시할 만한 것으로 간주하여, 개선 공정에서의 열 수지를 계산하였다.
이러한 유틸리티 사용량 감소를 통해, 스티렌 모노머 회수 공정에서 사용되는 유틸리티 비용이 기존 대비 6% 수준으로 절감되었으며, Excel을 이용한 공정 모사를 통해 전체적인 효과와 실제 공정에서의 적용 가능여부를 확인하였다.

후속연구

개선 공정은 기존 공정에서보다 냉각에 필요한 용수의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다. 더 나아가 HX2에서 냉각수 유량을 늘리는 대신 냉각 부하를 줄인다면 냉각 회수 및 냉각 후 재사용도 가능 할 수 있을 것이다. 냉각수 재사용이 이루어 질 경우 냉각수의 지속적인 공급이 필요 없게 되며 대신 냉각 탑의 설비와 전력 유틸리티 비용이 추가로 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스트리퍼의 운전 과정은 어떻게 되는가?	스트리퍼의 운전을 간단히 설명하면 다음과 같다. 스트리퍼 상부를 통해 반응기에서 생산된 라텍스 형태의 생성물이 공급되며, 하부에서 스팀을 공급하여 스트리퍼 내부에서 스팀과 생성물이 접촉, 미반응 모노머를 스팀과 함께 스트리퍼 상부로 회수한다. 이때 스트리퍼로 투입되는 스팀 양이 증가하면 모노머 회수율이 증가하나, 스팀 비용은 증가하게 된다.
	중국에 의한 국내 플라스틱 산업의 어려움 극복의 요구 조건은 무엇이 있는가?	또한, 중국의 상대적으로 낮은 인건비와 중동의 원재료 가격 경쟁력으로 인하여, 국내 플라스틱 산업은 많은 어려움을 겪고 있다. 이러한 어려움의 극복을 위하여 두 가지 방안이 요구되고 있는데, 하나는 특수한 기능을 갖춘 고부가 소재의 개발이고, 다른 하나는 기존 제품의 원가 경쟁력 확보이다. 특히 플라스틱 산업의 절대적인 점유율을 차지하고 있는 범용 제품의 경우 원가 경쟁력 확보가 매우 중요하여, 현장 중심의 원가개선의 노력이 치열하게 전개되고 있다.
	ABS 폴리머 제조비용의 비용 절감이 중요한 이유는 무엇인가?	본 연구에서 다룬 ABS 폴리머는 대표적인 범용 플라스틱으로 품질에 대한 진입장벽이 낮으며, 각 생산자 간 품질 차이가 크지 않아, 제품 경쟁력 확보를 위한 원가 개선이 중요시 된다. 현재 ABS 폴리머 제조비용 중 재료비와 인건비를 제외한 유틸리티 및 기타 제조비용 이 약 147,000 원/톤 수준으로, 원재료 가격에 대한 조정이 불가능한 상황에서 제품의 원가 개선을 위해서는 유틸리티 등의 제조 비용 절감이 매우 중요하다.

참고문헌 (7)

Brown, Wayne, et al., "Introducing Slurry Into Steam Stripping Vessel Chamber to Vaporize Dilute and Some Water, Introducing Steam to Vaporize Water, Removing Vapor and Slurry," U.S. Patent No.6,358,404(1992).
Xu Songlin, Jose Espinosa, Hector E. Salomone and Oscar A. Iribarren, "Operation of a Batch Stripping Distillation Column", Chinese J. of Chem. Eng., 9(2), 141-144(2001).

상세보기
Yng-Long Hwang, Gerrge E. Keller II, and James D. Olsson, "Steam Stripping for Removal of Organic Pollutants from Water. 1. Stripping Effectiveness and Stripper Design," Ind. Eng. Chem. Res., 31(7), 1753-1759(1992).

상세보기
Yng-Long Hwang, Gerrge E. Keller II, and James D. Olsson, "Steam Stripping for Removal of Organic Pollutants from Water. 2 VLE Data," Ind. Eng. Chem. Res., 31(7), 1759-1768(1992).

상세보기
Leland M. Vane, Franklin R Alvarez, "Membrane-assisted Vapor Stripping : Energy Efficient Hybrid Distillation-vapor Permeation Process for Alcohol-water Separation," J. Chem. Technol. Biotechnol., 83, 1275-1287(2008).

상세보기
Jacobs, Marc L., D. E. Gottschlich, and R. W. Baker, "Monomer Recovery in Polyolefin Plants," Petroleum Technology Quarterly, 132-135(1999).
P. Bernardo, E. Drioli, "Membrane Gas Separation Progresses for Process Intensification Strategy in the Petrochemical Industry," Petroleum Chemistry, 50(4), 271-282(2010).

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증