공정설계를 위한 열역학 물성 데이터베이스의 개발

강정원, 이흔*,김화용**, 유기풍***, 이철수

고려대학교 화학공학과

한국과학기술원 화학공학과*

서울대학교 화학공학과**

서강대학교 화학공학과***

Development of Thermophysical Properties Databank For the Process Design

J.W. Kang, H. Lee*, H.Y. Kim** , K.P. Yoo*** and C.S. Lee

Dept. of Chem. Eng. of Korea Univ.

Dept. of Chem. Eng., KAIST*

Dept. of Chem. Eng. of Seoul National Univ.**

Dept. of Chem. Eng. of Sogang Univ.***

서론

최근 공정설계에 필요한 여러 가지 계산들은 대부분 컴퓨터를 이용하여 이루어 지고 있다. 이러한 화학공정의 설계 계산에는 취급되는 원료들의 여러 가지 물성 자료들이 필수적인 요소이다.   따라서 설계 계산 프로그램의 개발과 관련된 모든 연구 개발에 있어서 물성자료와 상평형 계산 프로그램들은 그 기반을 이룬다고 말할 수 있다.   이미 미국, 독일, 영국 등 선진국에서는 70년대에서 부터 물성자료의 수집과 분류, 전산화 등에 매우 많은 기술개발이 이루어져 왔으나 국내에는 관련 기술개발과 자료 축적이 거의 이루어지지 않고 있다.

이러한 필요성의 인식하에 지난해 부터 5개 대학 (고려대, 서울대, 서강대, 과기원, 숭실대)을 중심으로 화학공정에서 많이 취급되고 있는 탄화수소류, 고분자 및 전해질 계의 자료의 축적과 상평형 계산 계산, 실험사업 수행 등의 목적으로 한국형 열역학 물성 데이터뱅크 시스템 (KDB - Korean Thermophysical Properties Databank)개발을 진행하고 있다.  본 연구에서는 현재 진행중인 한국형 열역학 물성 데이터뱅크 시스템의 구축 현황과 앞으로의 개발 계획을 검토하고자 한다.

열역학 물성 자료와 계산 이론의 중요성

화합물들의 열역학 물성자료들은 화학공정의 장치의 개발, 설계, 조업 등에 근간이 되는 자료들이다.   이러한 자료들은 장치의 크기와 조업조건 등을 결정하므로 정확한 물성자료를 얻는것이야 말로 경제적 장치설계와 조업의 성패를 좌우하는 것이라고 말할 수 있다.    Elliot (1995) 은 화학공정의 조업시에 정확한 물성자료를 얻을수 있다면 약 25 %의 조업 경비를 절약할 수 있다고 보고한바 있다.  이러한 중요성의 인식하에 각 기업들은 많은 자본을 열역학 물성과 상평형 측정에 소모하는데, 예를 들면 독일의 BASF사는 정확한 물성 자료와 상평형 자료를 얻기위하여 약 8백만 마르크의 예산을 투입하는 것으로 알려져 있다 (Zeck and Wolf, 1993).

열역학 물성 자료와 상평형 계산 모델들은 여러 가지 공정설계 계산 프로그램에서 중요한 역할을 담당하고 있다.  최근 엔지니어들이 사용하는 공정 모사 프로그램의 선택기준은 사용상의 편이성이나 기능의 다양함 보다 풍부한 열역학 물성자료와 상평형 계산 모델임은 잘 알려진 사실이다.

열역학 물성 데이터뱅크 시스템의 개발 방향

현재 추진중인 열역학 물성 데이터뱅크 시스템의 개발은 다음과 같은 몇가지 활동으로 추진되고 있다.

- 열역학 물성 자료의 축적 (Physical Properties Data Compilation)

- 물성자료의 관리를 위한 시스템 개발

- 물성 계산 및 상평형 계산을 위한 프로그램 개발

- 사용자의 편의를 위한 계산 인터페이스 개발

- 자료가 없는 경우 실험을 통하여 얻을 수 있는 실험 장비 설치 및

자료 생산

- 실제적으로 사용 가능한 간단한 공정 설계용 프로그램 개발

또한 본 과제의 개발에는 실제 산업계에서의 활용성을 검증하기 위하여 기업체 전문가들의 조언과 사용자들의 요구사항을 반영하고 있다.

열역학 물성 데이터뱅크 시스템의 구성

본 연구에서 최종적으로 목표로 하고 있는 시스템은 그림.1 과같은 구조를 취하고 있다.   그림에 나타낸 바와 같이 전체 시스템의 구성요소는 웹서비스, 물성 계산, 상평형계산 프로그램, 설계 계산 프로그램 등 이다.

본 개발과제를 통하여 수집된 열역학 물성 자료는 인터넷을 통하여 사용자들이 검색할 수 있도록 되어 있으며 여기에는 각종 물성의 실험자료 들과 상평형 실험자료들이 포함된다.   이러한 실험자료들을 바탕으로 적절한 회귀분석과정을 거쳐 얻어진 각종 열역학적 모델의 매개변수들은 그 양이 많지 않으므로 이를 프로그램과 연계하여 사용자들이 자신의 컴퓨터에서 계산을 수행할 수 있도록 되어있다.  이러한 매개변수 데이터베이스 자료는 물성계산, 상평형 계산, 설계 계산 등에서 활용된다.

현재 순수 물성자료의 웹 서비스가 시범적으로 실시되고 있으며 일부 계산 프로그램들을 다운로드 받을수 있도록 공개되어 있다.  (http://thermo.korea.ac.kr)

그림.1  열역학 물성 데이터뱅크 시스템의 구조

열역학 물성 데이터뱅크의 포함 자료 및 계산 모델

현재 개발중인 열역학 물성 데이터 뱅크에는  표.1 에 나열한 바와 같이 약 3000여종의 물질에 대한 다양한 물성자료들이 포함되어 있다.    또한 본 개발에 포함된 대표적인 상평형 계산 모델들은 표.2 에 나열되어 있다.

개발 현황

현재 순수 물성 및 상평형 데이터베이스 설계 및 관리 프로그램이 개발되었으며 물성계산, 상평형 계산 프로그램등이 개발되어 유지되고 있다. 또한 순수 물성자료에 대한 웹서비스를 시범적으로 운영하고 있으며 향후 상평형 자료 또한 서비스 될 계획이다.

향후 계획

본 데이터뱅크 시스템의 개발에는 무엇보다도 많은 자료와 다양한 계산 모델의 확보가 중요하다. 현재 약 화합물 3000 여종에 대한 순수성분 자료와 일부 기-액 상평형 자료가 포함되어 있으나 앞으로 이를 더욱더 확충하며,  프로그램의 기능을 더욱더 보완할 계획이다.

표.1 본 시스템 개발에 포함된 물성

구분	물성 분류	물성의 예
탄화수소류계	고정 물성	분자량, 비점, 임계점, 분자 물성 등
	온도의존 물성	밀도, 점도, 열전도도, 증기압 등
	상평형	기-액 상평형
거대분자계	열역학 물성	밀도, 융점, 유리전이온도 등
	기계적 물성	Bulk Modulus, Young's Modulus 등
	상평형 물성	고분자 용해도
전해질계	분자/이온 물성	이온 강도, 표준 생성 에너지 등
	평형 물성	전해질 용해도

표.2 본 시스템 개발에 사용된 상평형 계산 모델  (탄화수소류 상평형)

구분	상평형 모델
상태방정식 모델	Soave-Redlich-Kwong EOS Peng-Robinson EOS SRK/PR EOS with Stryjek-Vera Mixing Rule SRK/PR EOS with Michelsen-Huron-Vidal Mixing Rule SRK/PR EOS with Wong-Sandler Mixing Rule Lattice Fluid EOS Proposed by You-Yoo-Lee
활동도 계수 모델	Wilson Activity Coefficient Model NRTL UNIQUAC UNIFAC

Reference

1. Cox, K.R. , Fluid Phase Equilibria, 82,15 (1993)

2. Zeck, S. and D. Wolf, Fluid Phase Equilibria, 82, 27 (1993)

3. Larsen, A. H. , Fluid Phase Equilibria , 28, 47 (1993)