PSA 공정을 위한 windows 기반의 소프트웨어 개발

최원균, 이주형, 서성섭

홍익대학교 화학공학과

Development of Software Based on Windows for PSA Process.

Won-Gyun Choe, Joo-Hyung Lee, Sung-Sup Suh

Department of Chemical Engineering, Hongik University

서론

PSA(압력순환흡착)공정은 분리공정의 하나인데 최근 활발한 연구로 경제성이 입증받아 상용화되는 장치가 해마다 증가하고 있다. 또한 기존에 배기로 배출되는 오염성 기체에서 경제성 있는 기체를 PSA공정을 통하여 회수하는등 환경문제와 연관되어 많은 관심을 끌고 있다. 이에 따라 PSA를 연구하는 사람들뿐만 아니라 PSA장치를 가동하는 기술자들도 어느 정도는 용이하게 해석이 가능한 PSA공정 소프트웨어가 필요하게 되었다. 분리공정분야에서 이성분 이상의 액체혼합물을 분리하는 막분리기술의 하나인 투과증발 시스템을 대상으로, 전산모사를 windows 환경에서 활용할 수 있게한 모사기 개발의 연구결과가 최근에 발표되기도 하였다.[1]  최근에는 흡착공정전용 simulator로서 AspenTech社의 Adsim이 나와있는 상태이다. 그러나 여러개의 흡착탑이 동시에 조업되면서 다양한 조업의 변형이 앞으로 지속적으로 이루어질 PSA공정만을 위한 simulator가 필요해질 전망이며 공정제어의 방법과 연결되어 실제 공장의 조업에서 활용되게 하는 작업이 요구되어 질 것이다.

따라서 사용자입장에서 보편화되어 있는 window 기반의 프로그램이 필요하다. windows 플랫폼은 기존의 dos 플랫폼에 비해 data의 처리와 다른 소프트웨어와의 상호 연결이 용이하며, 멀티태스킹이 가능하여 빠른 속도로 작업을 진행할수 있다. 또한 근래에 간과할 수 없는 네트워킹을 통하여 작업의 효율을 극대화할 수 있다. 같은 hardware상태에서 windows 기반의 프로그램은 dos 기반에 비해 계산속도 또한  빠른점도 지나칠수 없다.         Fig. 1. Psasim의 초기화면구성

본 연구에서는 windows 플랫폼 프로그램의 신속, 공유, 멀티태스킹등의 장점을 이용한 PSA공정 소프트웨어를 개발하는 작업의 초기 연구결과를 보여주고자 한다.

소프트웨어 개발 과정

1. PSA공정을 해석하는 수학적 모델[2].

비선형등온 흡착식인 coupled Langmuir isotherm과 수학적으로 단순하면서도 비교적 정확한 linear driving force식 그리고 mass balance와 energy balance를 사용하였다. 수치해석으로 풀어 c++에서 알고리즘을 구현하였다.

2. windows용 프로그램으로의 개발.

Microsoft Development Studio에서 dos에서 구현된 c++프로그램을 읽어들여 몇 가지 과정을 거쳐 dll(dynamic linking library)을 만든다. 곧 이 dll은 입력변수를 받아 실제 공정계산을 행하여 주는 하나의 함수가 된다.

Visual Basic 4.0에서 위에서 만든 dll과 입력변수, 계산결과값이 연결되도록 프로그래밍하고 사용자가 다른 소프트웨어를 사용할 때처럼 다양한 기능들을 구성하고 디자인하였다.

Fig. 2. 흡착질 농도파 곡선의 계산에 필요한 입력변수 화면

PSA공정 소프트웨어의 내용

1. 공정의 확장성.

현재 2bed-6steps PSA공정만이 계산되도록 되어있으나 원하는 공정을 c++프로그램에서 어렵지 않게 구성할 수 있으므로, 이를 다시 Microsoft Development Studio로 불러들여 dll을 만든 후 Visual Basic 4.0에서 link만 하면 원하는 공정을 확장해 나갈 수 있다. 향후 전반적인 업그레이드와 더불어 지속적으로 다양한 공정을 개발해나갈 계획이다.

2. 흡착탑내부 농도 profile의 동영상화.

PSA의 이론적인 모사의 배경을 잘모르는 사람에게도 흡착탑 내부의 상태를 쉽게 이해하면서 접근할 수 있도록 동영상작업을 시도하고 있다. Fig. 5.에서 보는 바와 같이 전산모사된 계산결과를 가지고 흡착탑내부의 파과를 동영상화하여 보여주었다. 흡착탑내부의 명암은 기상에서 강흡착성분의 농도를 나타낸다. cycle no.와  스텝의 구분 그리고 경과시간이 표시되어 나타난다. 더욱 자세히 흡착탑내부를 해석하기 위해서는 아래부분에 전산모사된 결과 값을 분석하면 된다. 계산된 결과값은 파일로도 저장이 되며 일반적인 텍스트형식이므로 워드프로세서등에서 불러들일 수 있다.

3. 흡착탑출구에서의 파과곡선

전산모사된 계산결과를 가지고 탑출구에서의 파과곡선을 그려준다. Fig. 3.에 파과곡선의 예가 나와있다. 파과곡선은 흡착에서 흡착제의 물리적 성질, 흡착특성, 물질전달특성의 해석을 위해 중요한 데이터가 된다. 역시 아래부분에 전산모사된 결과값으로 보다 자세한 해석을 할 수 있다.

Fig. 3 전산모사결과와 흡착탑 출구에서의 파과곡선 출력

Fig. 4. PSA공정계산에 필요한 입력변수 화면

Fig. 5. 흡착탑내부의 전산모사결과와 농도 profile을 동영상으로 보여주는 화면

결과 및 토론

PSA공정을 windows에서 계산할 있도록 구현한 이 소프트웨어는 사용자의 편의성과 데이터의 처리가 용이해진 점, LAN이 설치되어있는 상태에서 네트웍의 사용으로 더욱 효율적인 작업이 가능해진 점, 그리고 계산이 끝난 직후 다른 그래픽툴을 이용하지 않고도 파과곡선을 볼 수 있다는 점, 흡착탑 내부의 농도 profile을 동영상으로 시각화하여 보여준다는 점에서 개발의미가 있다 하겠다. 또한 같은 초기조업조건을 가지고 windows와 dos에서 계산시간을 테스트한 결과 본 연구에서 개발한 프로그램에서 2.3배정도 빠른 것으로 측정되었다.

앞에서도 언급했지만 향후 다양한 공정의 개발이 필요하겠고 수치해석의 방법을 다양화하는 것도 요구되는 사항이다. 사용자의 편의성을 위해 흡착제와 원료기체에 대한 물성치들의 라이브러리를 구성하는 것도 필요하겠다. 현재 수치해석을 달리 하는 알고리즘이 진행중에 있으며 실제 공정에 더 근접하는 모델식들도 연구 중에 있다. 실험장치를 제어하는 pc에 연결되어 실험 데이터와 동시에 비교할 수 있도록 하는것도 앞으로 가지고 있는 과제라 할 수 있다. PSA공정은 대상원료, 제품의 사양, 공정에서 추구하는 목적에 따라 흡착장치 구성, 흡착탑 개수, 스텝들의 상호연결방법, 조업변수 조절방법 등의 다양한 변형이 가능한 분야이기 때문에 PSA만을 위한 전문 simulator 및 제어기가 필요해 질 것이다. 본 연구내용도 계속 확장되어져 이런 측면에서 가치를 지니는 simulator로 발전시킬 예정이다

참고문헌

1. Jae-Hwa Chang and Je-Kang Yoo, Membrane J., 7(1), 31(1997).

2. Douglas M. Ruthven Shamsuzzaman Farooq and Kent S. Knaebel : "Pres	sure Swing Adsorption", VCH, Publishers(1994).