[논문]증류탑 최적 설계를 위한 경험 법칙 제시 및 자동화

채현엽; 이종민; 정광섭

doi:10.9713/kcer.2020.58.4.550

증류탑 최적 설계를 위한 경험 법칙 제시 및 자동화
Heuristic Rules and Automation for Optimal Design of Distillation Column 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.58 no.4, 2020년, pp.550 - 564

채현엽 (서울대학교 공학전문대학원 응용공학과) , 이종민 (서울대학교 화학생물공학부) , 정광섭 (서울대학교 공학전문대학원)

초록
AI-Helper

증류탑은 경제적 효율성, 높은 신뢰성 및 자료 확보의 용이성으로 석유화학 공정 설계 시 화학 성분의 분리를 위해 적용되는 주된 기술 중 하나이다. 하지만, 기본적으로 에너지 소비 및 투자비가 높은 설비이기 때문에, 운전비와 투자비에 대한 Trade-Off 분석을 진행하여 가장 경제적인 증류탑 설계 진행이 필요하다. 본 연구에서는 가능한 많은 공정 엔지니어의 활용을 위해 대중적 공정 모사 프로그램인 Aspen Plus를 사용하여 검토를 진행하였다. 증류탑 최적화 진행시의 설계 변수를 정의하여 공정 엔지니어의 주관적인 판단에 의한 설계 품질의 편차를 최소화 하였으며, 불필요한 검토 과정 배제 및 체계적/효율적인 절차를 수립하여 설계에 소요되는 시간 및 인력 소요를 최소화 하였다. 또한, 증류탑 단수 최적화 검토시 투자비의 신뢰성 있는 산출을 위해 APEA (Aspen Process Economic Analyzers) 프로그램을 도입하고, APEA 사용에 대한 효율적인 방법에 대해서도 다방면으로 검토하여 최적화 절차를 수립하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Distillation columns are one of the main equipment used for the separation of chemical components in petrochemical process design. However, in spite of the efficient operation in wide range, and the advantage of data collection for equipment verification, the distillation columns are inherently known for high energy consumption and capital cost. Hence, the trade-off analysis needs to be done between investment cost and operation cost to develop the most economical distillation columns. This study was conducted using Aspen Plus, a popular process simulation program, in the pursuit of broad application by as many process engineers as possible. In this paper, design variables for optimization of distillation columns were defined to improve emphatically the design quality with reducing erratic practice of many engineers. In addition, by eliminating unnecessary reviewing step and establishing systematic and efficient procedures, the amount of time for design and human resources were minimized. Aspen Process Economic Analyzers (APEA) program was introduced in order to calculate the investment cost reliably, and the efficient systematic procedure for utilization of APEA was established.

주제어

표/그림 (27)

그림 Fig. 1. Typical optimal design procedure of distillation column.
그림 Fig. 2. NCC(Naphtha Cracking Center) process overall scheme and selected distillation column.
그림 Fig. 3. Comparison : shortcut vs rigorous method.
표 Table 1. Simultaneous optimization results of multi-feed stages (Deethanizer)
그림 Fig. 4. Propylene Fraction vs Objective Function (Deethanizer).
그림 Fig. 5. Column number of stage vs reflux ratio, energy (Deethanizer).
표 Table 2. Energy unit price (Deethanizer)
표 Table 3. Cases on how to use APEA
그림 Fig. 6. Aspen Plus & APEA manual linkage calculation method.
그림 Fig. 7. number of stages vs APEA calculation result (Deethanizer).
그림 Fig. 8. NQ Curve calculation result (Deethanizer).
그림 Fig. 9. Number of stages vs impact on changes in investment costs (Deethanizer).
그림 Fig. 10. Annual cost at operating cost 120% (Deethanizer).
그림 Fig. 11. Number of stages vs reflux ratio/tolerance (Deethanizer).
그림 Fig. 12. Relationship between design variable and objective function.
표 Table 4. Number of stages vs annual operation cost (Deethanizer)
표 Table 5. Optimum ratio of the actual number of stages to the minimum (Deethanizer)
표 Table 6. Effect of optimal feed ratio depending on number of stages
표 Table 7. Effect of optimal feed ratio depending on product spec'
표 Table 9. Sequence of design variable
표 Table 10. The result of iteration calculations for optimization
표 Table 8. Effect of optimal product spec' depending on number of stages
그림 Fig. 13. Flow chart for optimization of distillation columns - 1/2.
표 Table 11. Utilization tool summary in Aspen Plus
그림 Fig. 14. Flow chart for optimization of distillation columns - 2/2.
그림 Fig. 15. Number of stages vs annual cost & relative tolerance (Ethylene Fractionator).
그림 Fig. 16. Number of stages vs annual cost & relative tolerance (Debutanizer).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	증류탑은 어떤 기술인가?	증류탑은 경제적 효율성, 높은 신뢰성 및 자료 확보의 용이성으로 석유화학 공정 설계 시 화학 성분의 분리를 위해 적용되는 주된 기술 중 하나이다. 하지만, 기본적으로 에너지 소비 및 투자비가 높은 설비이기 때문에, 운전비와 투자비에 대한 Trade-Off 분석을 진행하여 가장 경제적인 증류탑 설계 진행이 필요하다.
	경제적인 증류탑 설계를 위해서는 어떤 분석이 진행되어야 하는가?	경제적 효율성으로 증류탑이 많이 적용됨에도 불구하고, 기본적으로 증류탑은 에너지 소비 및 투자비가 굉장히 높은 설비이다. 따라서, 투자비와 운전비(에너지)에 대한 Trade-Off 분석을 진행하여 가장 경제적인 증류탑 설계를 진행하여야 하지만, 체계적인 최적화 절차를 보유하고 있지 않은 대부분의 회사에서는 검토에 필요한 절차를 누락하거나 불필요한 검토 진행으로 소중한 인력을 낭비하는 등 비효율적인 검토를 진행하는 경우가 많다. 또한, 공정 엔지니어의 주관적인 판단에 의한 검토 진행으로 담당자별 검토 결과 및 기본설계 성과품에 차이가 발생하고, 이 설계 결과를 바탕으로 투자 진행시 설계 변경으로 인한 투자비 손실 및 프로젝트 전체 일정에 영향을 주기도 한다.
	증류탑 최적화 진행에서 엔지니어가 빈번히 범하는 실수에는 무엇이 있을까?	① 설계 시작단계에서 바로 Rigorous Method 계산 진행하여, Shortcut Method에 의한 설계 범위 미확인으로 수렴을 위한 많은 시간 소요된다. ② Shortcut Method 통한 개념설계(Conceptual Study) 진행으로 계산 결과 오류에 의한 잘못된 결론을 도출한다. ③ Rigorous Method 계산 수행 후, 최적화 검토 미진행으로 설계 품질 저하가 발생한다. ④ Rigorous Method 최적화 검토 시, 설계 변수 간의 상관관계 미 인지로 인한 반복 계산 미수행으로 설계 품질 수준 저하가 발생한다.

참고문헌 (10)

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https://esupport.aspentech.com/S_Article?id000047303
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Fenske, M., "Fractionation of Straight-run Pennsylvania Gasoline," Industrial & Engineering Chemistry 24, 482-485(1932).
Kirkbride, C. G., "Process Design Procedure for Multicomponent Fractionators," Petroleum Refiner 23, 321-336(1944).

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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