[논문]납사열분해 가스분리공정에서의 Petlyuk Column 설계

이주영

doi:10.7842/kigas.2020.24.1.17

납사열분해 가스분리공정에서의 Petlyuk Column 설계
Design of Naphtha Cracker Gas Splitter Process in Petlyuk Column 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.1, 2020년, pp.17 - 22

초록
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Naphtha Cracker Gas Splitter Unit 공정은 증류공정에서 얻어지는 경질납사(Light Naphtha)를 Furnace에서 열분해하여 나오는 유분을 각각 끓는점 차이에 따라 메탄, 에틸렌, 프로필렌 반제품등으로 순차적으로 분리한다. 이런 전통적인 분리방법은 2성분을 분리하는 증류탑을 연속으로 설치하여 생산한다. 이러한 분리방법은 Reboiler에서 발생하는 에너지가 증류탑 내부의 성분들을 분리하는 데 사용된 후 증류탑 상부 Condenser에서 응축열로 버려지기 때문에 에너지 낭비가 큰 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 납사 열분해공정내의 가스분리공정의 2개의 증류탑을 Petlyuk Column으로 설계하였다. 증류탑내 조성분포가 평형관계만으로 계산되는 이상단수 효율하에서 stage to stage 계산방법으로 구조적 설계를 하였고 일반 증류탑과 비교한 결과 제시된 Petlyuk Column의 설계방법이 기존의 설계 방법인 3-Column 모델법보다 설계 시간이 단축될 뿐만 아니라 증류탑내의 Liquid의 조성분포를 평형증류 조성곡선과 유사하도록 설계함으로써 에너지 효율측면에서도 효율적임을 증명하였다. 또한 같은 tray 단수하에서 Petlyuk Column은 일반 증류탑 대비 12.1% 에너지가 절약되어 국내 총생산량 기준할 때 하루 4,400만원 비용 절감을 가져오고 추가로 Condenser 및 Reboiler 사용량 감소에 따른 초기 투자비도 절감됨을 알 수 있었다. 12.1% 에너지가 절약될 뿐만 아니라 Condenser 및 Reboiler 사용량 감소에 따른 초기 투자비도 절감됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Light Naphtha is distillated from crude oil unit and separated into the methane, ethylene and propylene by boiling point difference in sequence. This separation is conducted using a series of binary-like columns. This separation method is known that the energy consumed in the reboiler is used to separate the heaviest components and most of this energy is discarded as vapor condensation in the overhead cooler. In this study, the first two columns of the separation process are replaced with the Petlyuk column. A structural design was exercised by the stage computation with ideal tray efficiency in equilibrium condition. Compared with the performance of a conventional system of 3-column model, The design outcome shows that the procedure is simple and efficient because the composition of the liquid component in the column tray was designed to be similar to the equilibrium distillation curve. The performance of the new process indicates that an energy saving of 12.1% is obtained and the cost savings of 44 million won per day based on gross domestic product is reduced under same total number of trays and the initial investment cost is saved.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic of a Petlyuk Column.
그림 Fig. 2. Liquid composition profile in minimum trays.
표 Table 1. The Result of structural design
그림 Fig. 3. Schematic of a Petlyuk Column in Naphtha Cracker Splitter Unit.
표 Table 2. Compositions of feed and products
표 Table 3. Operating Conditions of Petlyuk Column
그림 Fig. 4. Liquid Composition profile in Petlyuk Column.
그림 Fig. 5. Schematic of a Conventional Naphtha Cracker Gas Splitter Unit
그림 Fig. 6. Liquid Composition Profile of a Conventional Naphtha Cracker Gas Splitter Unit.
표 Table 4. Operating Condition of a Direct Sequence System

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

문제 정의

[8] 3-Column 방식은 설계를 쉽게 하기 위하여 main column을 2개의 탑으로 구성하여 2개의 탑간의 연결단을 shortcut method를 사용한 많은 반복 계산으로 구하는 데 이런 방법은 시간이 많이 소요될 뿐 아니라 나온 결과치가 최적 결과임을 다시 규명해야 하는 어려움이 있어 설계 도구로 사용되는 것이 충분하지 않는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 납사 열분해가스분리공정에 대해 국내 Y.H Kim 교수가 제안한 평형증류 곡선법 방식의 구조적 설계방법을 이용하여 설계하는 방법을 제시한다.[9] 또한 이를 Aspen HYSYS 공정모사기를 이용하여 설계하고 기존의 증류 방식으로 운전하는 공정과 비교하여 에너지 절감 효과를 비교한다.

가설 설정

첫째 Total Reflux 운전상태로 가정해서 최소평형단수를 구하고, 실제 증류단수는 최소 평형단 수를 2배로 하여 계산한다.[8]

제안 방법

이때 Main Column에서 Prefractionator으로 이동되는 Vapor(V2)와 Liquid(L2) 유분은 각각 Reboiler와 Condenser 역할를 하므로 Prefractionator에서 Reboiler와 Condenser는 설치할 필요가 없으며 이로 인해 동력비용 절감이 가능하다. Petlyuk Column은 Prefractionator과 Main Column으로 구성되며 탑의 평형단수와 두 탑간의 연결단 위치, Feed 위치 및 Main Column의 Intermidiate 유분 Tray 위치를 결정 하기 위해서 단 한번의 계산으로 설계가 가능한 평형증류곡선법이라는 구조적 설계법을 아래와 같은 방법으로 수행한다.
이렇게 하여 상부 및 하부 단수의 합이 Main Column의 전체단수이고, 중간제품의 배출단수는 상부와 하부단수로부터 구해진다. Prefractionator과 Main Column의 연결단의 위치는 두 탑의 조성분포를 비교해서 가장 근사한 Tray끼리 연결시켜 구한다. 이런 절차를 통해 FTCDC의 설계를 위한 단수가 결정된다.
H Kim 교수가 제안한 평형증류 곡선법 방식의 구조적 설계방법을 이용하여 설계하는 방법을 제시한다.[9] 또한 이를 Aspen HYSYS 공정모사기를 이용하여 설계하고 기존의 증류 방식으로 운전하는 공정과 비교하여 에너지 절감 효과를 비교한다.
납사 열분해공정의 열분해 설비인 Furnace로부터 나오는 유분에는 여러 성분들이 있는 데 이를 끓는점이 낮은 제품인 메탄과 에틸렌을 분리하여 제품으로 생산하는 공정인 납사열분해 가스분리공정을 Petlyuk Column 방식으로 설계하고자 한다. 성분의 수는 14개이지만 비점과 함량에 따라 메탄을 포함한 Light 혼합물, 에틸렌을 포함한 Intermidiate 혼합물, 프로필렌을 포함한 나머지 Heavy 혼합물의 3가지로 분류한다.
다성분 평형증류 곡선에 맞는 증류방식으로 에너지 효율이 높은 그림1의 Petlyuk Column 방식으로 Light 성분인 메탄과 Inetrmidiate 성분인 에틸렌을 각각 분리하는 납사열분해공정의 가스 분리공정을 설계한다. Petlyuk Column으로 운전할 경우 분리 효율이 높기 때문에 동력비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 증류탑의 Reboiler와 Condenser로 사용하는 열교환기의 Duty도 줄일 수 있어 초기 투자비도 절감이 가능하다.
둘째 Prefractionator 조성분포를 구하기 위해서 Feed 원료 조성을 Feed 투입단 액체 조성으로 하고 그 보다 1단 위쪽은 원료의 조성과 평형을 이루는 증기의 조성을 그 단의 액체조성으로 한다. 동일방법으로 1단씩 위로 조성을 계산해간다.
석유화학에서 대량으로 생산되는 Naphtha Cracker 유분을 용도별로 분리 생산하는 공정을 Petlyuk Column을 사용하는 에너지 절감 공정으로 대체하는 방안을 제시하였다. 본 설계를 위하여 평형 증류 곡선법을 활용하였고 설계는 Aspen HYSYS 라는 화학공정모사소프트웨어를 사용하였다.
셋째 Main Column의 조성분포는 Prefractionator과 같은 방법으로 Intermidiate 제품 규격을 기준으로 상부 및 하부로 계산한다. 상부는 Light제품의 규격이 만족할 때까지 한 단계씩 계산하고 하부는 Heavy제품의 규격이 만족할 때까지 차례대로 구한다.
가장 끓는점이 낮은 Light제품은 주성분이 메탄으로 가열로 연료로 사용되며, Intermidiate 제품은 주성분이 에틸렌으로 폴리에틸렌 공정의 원료로 사용된다. 표 2에 나열된 가스분리공정의 원료 및 제품규격을 만족하기 위해서 상업용 공정모사기인 Aspen HYSYS로 반복 모사하였다. 요구되는 제품 규격을 만족하는 범위내에서 에너지 사용량이 최소가 되는 운전 조건을 표3에 보였다.

이론/모형

Petlyuk Column으로 맨 처음 설계한 이는 Smith교수로 3-Column 방식을 사용하였다.[8] 3-Column 방식은 설계를 쉽게 하기 위하여 main column을 2개의 탑으로 구성하여 2개의 탑간의 연결단을 shortcut method를 사용한 많은 반복 계산으로 구하는 데 이런 방법은 시간이 많이 소요될 뿐 아니라 나온 결과치가 최적 결과임을 다시 규명해야 하는 어려움이 있어 설계 도구로 사용되는 것이 충분하지 않는 것으로 알려져 있다.
석유화학에서 대량으로 생산되는 Naphtha Cracker 유분을 용도별로 분리 생산하는 공정을 Petlyuk Column을 사용하는 에너지 절감 공정으로 대체하는 방안을 제시하였다. 본 설계를 위하여 평형 증류 곡선법을 활용하였고 설계는 Aspen HYSYS 라는 화학공정모사소프트웨어를 사용하였다. 제시된 설계 방식으로 새로운 납사 열분해의 가스분리공정을 구성할 수 있었으며 새로운 \Petlyuk Column을 사용하면 기존의 증류탑에 비해 12.

성능/효과

여기서 얻은 수치는 파일럿 플랜트에서 실험한 수치는 아니지만 전 세계 엔지니어링 회사에서 사용하는 Aspen HYSYS 공정 모사소프트웨어의 신뢰도를 감안하면 실제 공정에 적용 시 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 동일 원료를 그림5의 기존 증류탑 장치로 처리하였을 때 필요한 에너지 양은 첫 번째 증류탑에서 8.50 Gkcal/hr, 두 번째 증류탑에서는 10.44 Gkcal/hr 가 필요하나 Petlyuk Column을 사용할 경우 16.65 Gkcal/hr가 필요해 12.1%의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 국내 에틸렌 제품 하루 생산량이 25,000톤이므로 국내 총 생산을 기준할 때 하루의 에너지 절감 비용은 4,400만원, 년 160억에 상당한다.
이들 둘 사이의 거리가 매우 짧은 것은 원료 공급단에서 Mixing 현상이 많이 일어나지 않는다는 것을 의미하며 Petlyuk Column의 운전 효율이 높은 것도 Mixing현상이 적기 때문이다. 따라서 Petlyuk Column이 동일한 원료를 도입하여 동일한 제품을 생산하면서도 기존의 증류방식에 비해 적은 에너지를 사용한다는 것을 알 수 있다. Petlyuk Column의 운전은 원료를 시간당 7,303 kgmole 씩 Prefractionator 9단에 공급하고 Main Column의 76번째의 단으로부터 시간 당 1,720 kgmole 씩 증기를 유출하여 Prefractionator의 하부로 공급한다.
즉 동일 원료, 동일 제품 규격을 만족하면서 비교한 결과 Petlyuk Column이 기존 증류탑에 비해 에너지 사용량이 적다는 것을 알 수 있다. 여기서 얻은 수치는 파일럿 플랜트에서 실험한 수치는 아니지만 전 세계 엔지니어링 회사에서 사용하는 Aspen HYSYS 공정 모사소프트웨어의 신뢰도를 감안하면 실제 공정에 적용 시 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 동일 원료를 그림5의 기존 증류탑 장치로 처리하였을 때 필요한 에너지 양은 첫 번째 증류탑에서 8.
본 설계를 위하여 평형 증류 곡선법을 활용하였고 설계는 Aspen HYSYS 라는 화학공정모사소프트웨어를 사용하였다. 제시된 설계 방식으로 새로운 납사 열분해의 가스분리공정을 구성할 수 있었으며 새로운 \Petlyuk Column을 사용하면 기존의 증류탑에 비해 12.1%의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있고 이는 국내 총생산량을 기준할 때 하루 약 4,400만원의 비용 절감이 가능하다.
o로 표시한 것은 Demethanizer 내부액의 평형 조성, +로 표시한 것이 Deethanizer 내부액의 평형 조성, * 로 표시한 것은 Demethanizer Feed(F) 조성분포이다 이렇게 조작하여 얻은 제품의 조성은 표2에 제시된 제품의 조성과 동일하다. 즉 동일 원료, 동일 제품 규격을 만족하면서 비교한 결과 Petlyuk Column이 기존 증류탑에 비해 에너지 사용량이 적다는 것을 알 수 있다. 여기서 얻은 수치는 파일럿 플랜트에서 실험한 수치는 아니지만 전 세계 엔지니어링 회사에서 사용하는 Aspen HYSYS 공정 모사소프트웨어의 신뢰도를 감안하면 실제 공정에 적용 시 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Furnace란 무엇인가?	납사 열분해공정의 열분해 설비인 Furnace로부터 나오는 유분에는 여러 성분들이 있는 데 이를 끓는점이 낮은 제품인 메탄과 에틸렌을 분리하여 제품으로 생산하는 공정인 납사열분해 가스분리공정을 Petlyuk Column 방식으로 설계하고자 한다. 성분의 수는 14개이지만 비점과 함량에 따라 메탄을 포함한 Light 혼합물, 에틸렌을 포함한 Intermidiate 혼합물, 프로필렌을 포함한 나머지 Heavy 혼합물의 3가지로 분류한다.
	납사 열분해공정 등에서 나오는 가스유분을 분리하는 전통적인 방법이 동력비용이 매우 큰 이유는 무엇인가?	즉 첫번째 증류탑에서 가장 저비점성분인 주성분이 메탄인 C1 성분을 분리하고 두 번째 증류탑의 상부와 하부에서 각각 에틸렌이 주성분인 C2 성분과 프로필렌이 주성분인 C3 성분을 분리하는 2탑 방식이다. 이 방법은 현재 석유화학공장을 설계하는 일반적인 증류 설계방법으로 증류탑마다 각각Condenser와 Reboiler를 운영하기 때문에 동력비용이 매우 큰 것으로 알려져 있다.[1,2] 그 이유는 한 개의 증류탑에서 한 개의 제품만을 독립적으로 운전하여 Reboiler에서 사용되는 에너지가 증류탑 상부 Condenser에서 응축열로 버려지기 때문이다. 현재 석유화학공장에서 운전되고 있는 일반 증류탑의 운전비용이 큰 근본적인 이유는 증류탑 Internal Tray의 조성분포가 다성분 평형증류 조성곡선과 많은 차이를 가지기 때문인데 이는 원료 유분이 증류탑 내부로 들어왔을 때 발생하는 Irreversible Mixing 현상과 원료 유분 중 중간 비점 성분의 Re-Mixing 현상으로 인해 증류탑의 조성분포가 평형증류 조성곡선과 맞출 수 없는 요인으로 작용하여 열역학적으로 분리효율을 감소시킨다.
	Petlyuk column이 기존의 증류방식에 비하여 월등한 에너지절감이 가능한 이유는 무엇인가?	현재 석유화학공장에서 운전되고 있는 일반 증류탑의 운전비용이 큰 근본적인 이유는 증류탑 Internal Tray의 조성분포가 다성분 평형증류 조성곡선과 많은 차이를 가지기 때문인데 이는 원료 유분이 증류탑 내부로 들어왔을 때 발생하는 Irreversible Mixing 현상과 원료 유분 중 중간 비점 성분의 Re-Mixing 현상으로 인해 증류탑의 조성분포가 평형증류 조성곡선과 맞출 수 없는 요인으로 작용하여 열역학적으로 분리효율을 감소시킨다. [3,4,5,6] 하지만 Petlyuk column 경우 탑 Tray에서의 액의 조성분포가 다성분평형증류 곡선과 유사하여 증류탑 내부에서의 스트림의 혼합이 최소가 되어 분리 효율을 최대로 할 수 있어 기존의 증류방식에 비하여 월등한 에너지절감이 가능하다.

참고문헌 (10)

R.Smith, "Chemical process design, McGraw-Hill Book Co., N. Y., (1995)
W.D. Seider , J. D. Seader and D.R. Lewin, Process design principle, John Wiley & Sons, Inc., N. Y., (1999)
Y. H. Kim, "Structural design of extended fully thermally coupled distillation columns," Ind. Eng. Chem. Res., 40, 2460-2466, (2001)

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Y. H. Kim, "Structural design and operation of a fully thermally coupled distillation column," Chem. Eng. J., 85, 289-301, (2002)

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Kim,Y. H., "An Alternative Structure of a Fully Thermlly Coupled Distillation Column for Improved Operability", J. Chem. Eng., 36, 1503, (2003)

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J.Y.Lee, Y.H.Kim, K.S.Hwang, "Design of Gas Concentration Process with Thermally Coupled Distillation Column Using HYSYS Simulation" Korean J. Control, Automation and Systems Engineering, 8(10), 842-846 (2002)

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Glinos, K. and Malone, M. F., "Optimality Regions for Complex Column Alternatives in Distillation System", Chem. Eng. Res. Des., 66(3), 229, (1988)
Triantafyllou, C. and Smith, R.; "The Design and Optimisation of Fully Thermally Coupled Distillation Columns," Trans IChemE, 70(A), 118-132, (1992)
Kim, Y. H., M. Nakaiwa and K. S. Hwang.; "Approximate Design of Fully Thermally Coupled Distillation Columns," Korean J. Chem. 19, 383-390, (2002)

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J.D. Seader and E. J. Henley, Separation process principles, John Wiley & Sons, Inc., N.Y., (1998)

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].

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