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Aspen HYSYS를 이용한 나프타 분리공정의 Petlyuk Distillation Column 설계
Design of Naphtha Splitter Unit with Petlyuk Distillation Column Using Aspen HYSYS Simulation 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.2, 2018년, pp.21 - 27  

이주영 (울산과학대학 환경화학공업과)

초록
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나프타분리공정은 원유에서 증류 공정에 의해 얻어지는 풀레인지납사(Full Range Naphtha)를 원료로 하여 끓는점 차이에 의해 각각 경질납사, 중질납사 및 등유 반제품으로 순차적으로 분리한다. 이러한 전통적인 분리 방법은 2성분을 분리하는 Column을 연속으로 설치하여 생산한다. 이러한 분리방법은 리보일러에서 소비되는 에너지가 증류탑 내부 고비점 성분을 분리시키는 데 사용되고 이 에너지의 대부분은 탑정의 냉각기에서 응축열로 버려지게 때문에 에너지 낭비가 큰 것으로 알려져 있다 본 연구에서는 납사분리공정의 2개의 Column을 Petlyuk Column으로 설계하였다. 탑내 조성분포가 평형관계만으로 계산되는 이상적 단수 효율 하에서 stage to stage 계산방법으로 구조적 설계를 하였고 일반 증류탑과 비교한 결과 제시된 Petlyuk Distillation Column의 설계 방법이 기존의 3-column 모델법보다 설계 시간이 단축될 뿐만 아니라 증류탑내의 액의 조성분포를 평형증류 조성곡선과 유사하도록 설계함으로써 에너지 효율 측면에서도 효율적임을 입증하였다. 또한 같은 tray 단수하에서 Petlyuk Column은 일반 증류탑 대비 약 12.3% 에너지가 절약될 뿐만 아니라 초기 투자비도 절약됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

FRN (Full range Naphtha) is distilled from crude oil in a Naphtha Splitter Unit and is separated into the Light Straight Naphtha, Heavy Naphtha, and kerosene according to the boiling point in sequence. This separation is conducted using a series of binary-like columns. In this separation method, the...

주제어

#Petlyuk Column   #Naphther Splitter Process   #Aspen HYSYS   #Energy saving   #Process simulation  

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

제안 방법

  • 납사분리공정에서 원료인 풀레인지 납사(Full Range Naphtha)는 표준 끓는점 NBP[42℃]∼NBP[180℃]범위에 있으며 20개 NBP 구간으로 분석하였다.
  • 원료 유분의 NBP구간은 20개이지만 비점과 함량에 따라 경질납사제품인 저비점 혼합물, 중질납사제품인 중간비점 혼합물, 나머지 kerosene 반제품으로 사용되는 고비점 혼합물의 3가지로 분류한다. Petlyuk column은 그림1에서와 같이 전처리탑과 주탑을 vapor/liquid flow로 연결하여 통합된 구조로 배열되는 데 이 전처리탑 상부로부터 저비점 유분과 중간 정도의 중간비점 유분이 Vapor형태로 주탑으로 이동되고, 나머지의 중간 비점 유분과 고비점 유분은 전처리탑의 하부에서 Liquid형태로 주탑으로 이동된다.
  • 이 Feed유분을 Petlyuk column을 사용하여 NBP[42℃]∼NBP[64℃] 구간 범위인 경질납사 제품, NBP[64℃]∼NBP[151℃] 구간 범위인 중질납사 제품, NBP[151℃]∼NBP[180℃] 구간 범위인 kerosene 반제품으로 각각 분리하고자 한다.
  • 증류탑내 액의 조성분포가 평형증류 조성곡선과 유사하면 탑내에서 의 탑효율을 극대화 할 수 있으므로 국내의 Kim교수팀이 다성분 평형증류곡선을 이용한 구조적 설계방법을 제시하였고,[9] 본 연구에서는 이 설계법을 이용하여 석유 공정에서 경질납사와 중질납사를 주 제품으로 생산하는 납사 분리 공정을 Petlyuk column으로 설계한다. 이를 위해 상용 석유화학공정모사기인 Aspen HYSYS Software를 이용하여 모사하고 Petlyuk column의 동력사용량 및 설비비를 기존 증류탑과 비교하여 에너지 절감효과를 검토한다.
  • 정유공정에서 대량으로 처리되는 FRN유분을 용도별로 분리 생산하는 공정을 Petlyuk column을 사용하는 공정으로 대체하는 방안을 제시하였다. 기존의 Petlyuk column 연구 경우 대상공정의 원료 및 제품 규격이 성분으로 표시되는 화학공정에 많이 적용되었으나 TBP (True Boiling Point) 분석을 통한 비점 범위로 원료 및 제품의 규격이 표시되는 공정에 대해서는 많이 적용되지 않았다.
  • Petlyuk column 설계에 관한 연구는 3-column모델을 이용한 Smith교수팀의 연구[8]가 처음이다. 증류탑내 액의 조성분포가 평형증류 조성곡선과 유사하면 탑내에서 의 탑효율을 극대화 할 수 있으므로 국내의 Kim교수팀이 다성분 평형증류곡선을 이용한 구조적 설계방법을 제시하였고,[9] 본 연구에서는 이 설계법을 이용하여 석유 공정에서 경질납사와 중질납사를 주 제품으로 생산하는 납사 분리 공정을 Petlyuk column으로 설계한다. 이를 위해 상용 석유화학공정모사기인 Aspen HYSYS Software를 이용하여 모사하고 Petlyuk column의 동력사용량 및 설비비를 기존 증류탑과 비교하여 에너지 절감효과를 검토한다.
  • 따라서 전처리탑과 주탑의 단수, 두 탑의 연결 단수, 전처리 탑의 원료 공급단, 주탑의 중간비점 제품의 배출단 결정을 하기위해 기존 설계방법은 주탑과 전처리탑의 연결stream의 조성을 수많은 반복 계산으로 구한다. 하지만 이 연구에서는 제품의 조성이 이상적인 단 효율을 가정 한 평형증류곡선법을 사용, 단 한번의 계산으로 전환류 상태의 주탑 내부의 조성분포를 계산하여 Petlyuk column을 설계한다. [9]Petlyuk column 의 구조적 설계를 위한 정보와 운전에 필요한 운전변수들을 선정하기 위해서는 자유도 분석이 필요하다.

대상 데이터

  • [9]Petlyuk column 의 구조적 설계를 위한 정보와 운전에 필요한 운전변수들을 선정하기 위해서는 자유도 분석이 필요하다. 본 연구에서는 6개의 구조적 변수와 4개의 운전변수로 이루어진 총 10개의 자유도가 표1에 분석되었다. Petlyuk 구조적 설계방법은 다음과 같이 실시한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
나프타분리공정은 어떤 방법을 사용하는가? 나프타분리공정에서 나오는 나프타유분을 분리하는 방법은 일반 증류탑과 유사하게 한 개의 탑에서 한가지 유분이 분리되는 방법을 사용하고 있다. 나프타분리공정 은 원료로 풀레인지 납사(FRN, Full Range Naphtha)를 사용하여 경질납사(LSR, Light Straight Run Naphtha), 중질납사(Heavy Naphtha) 및 등유 반제품(kerosene)로 분리되며, 이성분 증류탑과 유사하게 한 개의 탑에서 한 가지 성분씩 분리하는 방법을 사용하고 있다. 첫 번째 증 류탑의 상부제품으로 경질납사(TBP 범위 : 42∼64℃)를 분리하고 두번째 증류탑의 상부와 하부에서는 각각 중 질납사(TBP 범위 : 64∼151℃), 등유(Kerosene, TBP 범위 : 151∼180℃) 반제품으로 분리하는 2탑 방식이다.
나프타분리공정의 원료로 무엇이 사용되는가? 나프타분리공정에서 나오는 나프타유분을 분리하는 방법은 일반 증류탑과 유사하게 한 개의 탑에서 한가지 유분이 분리되는 방법을 사용하고 있다. 나프타분리공정 은 원료로 풀레인지 납사(FRN, Full Range Naphtha)를 사용하여 경질납사(LSR, Light Straight Run Naphtha), 중질납사(Heavy Naphtha) 및 등유 반제품(kerosene)로 분리되며, 이성분 증류탑과 유사하게 한 개의 탑에서 한 가지 성분씩 분리하는 방법을 사용하고 있다. 첫 번째 증 류탑의 상부제품으로 경질납사(TBP 범위 : 42∼64℃)를 분리하고 두번째 증류탑의 상부와 하부에서는 각각 중 질납사(TBP 범위 : 64∼151℃), 등유(Kerosene, TBP 범위 : 151∼180℃) 반제품으로 분리하는 2탑 방식이다.
2탑 방식의 문제점은 무엇인가? 첫 번째 증 류탑의 상부제품으로 경질납사(TBP 범위 : 42∼64℃)를 분리하고 두번째 증류탑의 상부와 하부에서는 각각 중 질납사(TBP 범위 : 64∼151℃), 등유(Kerosene, TBP 범위 : 151∼180℃) 반제품으로 분리하는 2탑 방식이다. 이 방식은 현재의 석유화학 공정에서 일반적인 분리방법으로서 리보일러에서 소비되는 에너지가 증류탑 내부 고비점 성분을 분리시키는 데 사용되고 이 에너지의 대부분은 탑정의 냉각기에서 응축열로 버려지게 때문에 에너 지 낭비가 큰 것으로 알려져 있다.[1,2]일반 증류탑 분리 방식에서 에너지 소비가 큰 근본적인 이유는 첫번째 탑에서 중간비점의 성분의 재혼합(Re-Mixing)현상이 발생하여 성분 분리 효율에 영향을 미치는 것과 원료 조성과 탑내부의 원료단에서의 액체조성과의 차이 때문에 발생하는 것으로 알려져 있다[3,4].
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