MVR 증류시스템의 최적설계

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

김 광 희 , 김 동 국, 이 우 태*

한국에너지 기술연구원(KIER), 전남대학교 화학공학과*

Optimum Design of MVR Distillation System

Kwang-Hee Kim, Dong-Kook Kim, Woo-Tae Lee

Korea Institute of Energy Research (KIER), Dept. of Chem. Eng., Chonnam Univ.*

1. 서 론

우리나라의 산업부문에서 소비되고 있는 에너지중 대략 절반이 폐 에너지로서 방출되고 있는 실정이다. 석유, 화학공업의 경우 총 투입에너지의 약 30-40%를 증류공정에서 소비하고 있기 때문에 이들에 대한 에너지절약대책이 절실히 요구되고 있다. 최근 이러한 증류공정에서의 근본적인 에너지절약화를 위해 고효율 충진탑, Column의 다중화, 분리막응용기술등의 연구가 진행되고 있으나 이러한 방법들은 전면적인 시설 개체나 높은 시설투자비를 필요로 한다. 이에 비해 MVR(Mechanical Vapor Recompression)증류시스템은 기존공정에 고효율 터보압축기만을 추가함으로써 가열과 냉각과정을 한 개의 순환 사이클로 전환가능하며, 시스템 자체가 단순하므로 초기 시설투자비가 낮을 뿐만 아니라 높은 열회수효율(70-80%)을 성취할 수 있는 이상적인 방안으로 알려져 있다. 본 논문에서는 이러한 MVR증류시스템에 있어서 무엇보다 우선적으로 고려되어야 할 사항인 기본시스템 및 작동유체의 선정, MVR측과 Column측 사이의 열적조건을 최적화하는 방법에 관해 기술하였으며, 사례연구로써 알콜 증류공정에 있어서 IMVR(Indirect MVR)시스템의 적용을 기초로 그 주요 설계변수들의 계산식과 경제성을 평가하였다.

2. 본 론

2-1. MVR증류시스템의 최적설계

2-1-1. 기본시스템의 선정

MVR시스템은 히트펌프의 일종이며 냉매 압축사이클과 동일한 작동원리를 갖는 시스템으로써 저온측(Source)으로부터 열을 흡수하여 고온측(Sink)에 열을 방출하는 사이클이다. 증류공정에서 이 사이클을 도입하는 방법으로는 Column응축기의 냉각수 대신에 상대적으로 낮은 온도, 압력하에서 증발이 가능한 외부 작동매체를 사용하는 IMVR시스템과 탑정증기를 직접 작동매체로 하는 DMVR(Direct MVR)시스템, 탑저제품을 작동매체로 하는 FMVR(Flushing MVR)시스템으로 분류한다. DMVR 및 FMVR 방식은 IMVR시스템과 비교할 때 작동유체와 Column측간의 일회의 열교환만으로도 시스템구성이 가능하기 때문에  승온폭을 크게 감소시킬 수 있다는 장점은 있지만, 목적 물질의 직접압축이라는 측면에서 생각할 때 운전의 안전성에 대한 위험이 큰 방식이라 할 수 있다. 따라서 응용시스템의 최적선택은 이들 기본시스템을 기초한 기존 Column의 운전 안정성과 시스템의 경제성 평가를 토대로 선정되어야 한다.

2-1-2. 작동유체의 선정

MVR증류시스템의 최적설계를 위한 수학적 모델 유도에 있어서 작동유체의 선정은 분리하고자 하는 목적물질의 조성을 기초로 이루어진다. 목적 물질을 작동유체로 사용하지 않는 IMVR 시스템의 경우 시스템의 설계와 운전의 경제성에 미치는 영향을 고려한 작동유체의 사전평가가 필요하다.

2-1-3. 시스템의 설계 계산식

MVR증류시스템의 설계모델은 이 시스템을 구성하는 주요3부분인 증류탑, 열교환기, 압축기로 대별하여 검토된다.

(가) 증류탑

증류탑의 설계 및 조작에 있어서 가장 중요한 인자로서 단의 수, 탑의 직경, 재비기 및 응축기의 전열량은 환류비 조건에 따라 장치비용과 운전비용에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 증류탑의 최적설계에 있어서 무엇보다 먼저 고려되어야 한다.

(나) 열교환기

MVR 증류시스템의 설계에 있어서 MVR측 응축기의 온도차(△TCO) 및 증발관에서의 온도차(△TEV)를 임의적으로 결정하는 것이 가능하다. 그러나 이렇게 결정된 온도차는 전시스템에 대한 열수지에 나쁜 영향을 미칠 수 있기 때문에 보통 식(1)으로 정의되는 온도결정 인자 fT에 의해 간접적으로 이들 값을 추정하는 것이 보다 바람직하다.

fT[eqn: = { { COP}_{R } } over { { COP}_{R,max } }].....................(1)

여기서 COPR은 Rankine 사이클에 해당하는 성적계수이며, 적정한 fT 값을 0~1.0범위에서 선택함으로써 총괄온도차가 결정되어지며 총괄전열계수는 관벽 및 오염에 의한 전열저항과 응축 및 증발측의 전열계수에 의한 기본관계식으로 부터 계산하여 전열면적을 결정한다.

(다) 압축기

압축기의 형식 및 크기를 결정하고자 할 때는 작동유체의 물리적 성질에 추가하여 작동유체의 유량 및 압축비가 필수적인 변수이다. 주어진 작동유체의 유량 및 압축비에 따른 압축기의 형식은 압축기 선정 Diagram과 압축기 형식별 특성으로부터 쉽게 결정할 수 있다. 또한 압축기의 압축비는 가열관에서의 온도(TCO) 및 증발관에서의 온도(TEV)를 결정한 후 포화증기압으로부터 식(2)과 같이 계산된다.

[eqn: pi= { {P }_{CO } } over { { P}_{EV } }]......................... (2)

주어진 압축비 및 유량에 따른 압축기의 이론 축동력(WP)은 이상기체의 폴리트로픽 압축에 대한 식을 기초로 하여 계산하였고 총괄기계효율[eqn: { eta }_{M }]값으로부터 식(3)와 같이 실제 축동력 W를 계산한다.

[eqn: W= {{ W}_{p } } over { { eta }_{M } }]........................ (3)

이때 압축기의 총소요동력은 치차의 에너지 전환효율에 대한 체적효율이 고려되어야 한다.

2-1-4. 시스템의 경제성 평가

MVR 증류시스템에 대한 가장 효율적이고 경제적인 대안을 제시하기 위해서는 전술한 시스템 설계변수의 최적화와 함께 다음의 평가모델에 의한 경제성 평가가 선행되어야 한다. 이때 판정인자로서는 보통 기존시스템에 대한 대안들의 투자비 회수기간(PBP) 및 한계비용차(AM)의 상호 비교(식(4))에 의해 결정되며, 투자비 회수기간이 가능한 한 짧고 한계비용차가 큰 대안이 최적시스템으로 결정된다. 이를 위해 본 연구에서 사용한 경제성평가 모델은 영국의 Plant Engineering 전문업체인 Linhoff March 사의 데이터를 기초로 하였다.

[eqn: PBP= { { C}_{FC,2 }- { C}_{FC,1 } } over { SUM from { {n }=1} to { n}_{T } { A}_{UT,1 }-SUM from { {n }=1} to { n}_{T } { A}_{UT,2 } }] .......................... (4)

3. 결과 및 고찰

선정된 IMVR 증류시스템에 대한 최적 설계는 적정 작동유체의 선정과 함께 전술한 설계, 조작 및 경제적 변수들을 최적화 함으로써 이루어진다. 이들의 평가방법은 한번에 한 개의 변수만을 변화시키고 그외 다른 모든 변수들은 대표적인 값으로 고정시키면서 투자비 회수기간 PBP의 변화를 조사.검토하는 방법으로 수행하였다. 여기서 이들 변수들의 최적화 판단인자(목적함수)로서 채택된 PBP는 실질적으로 MVR증류시스템의 경제적 가능성에 대한 민감도를 평가하는데 사용된다.

(가) 작동유체의 선정

Fig. 1 은 △T=10℃일 때 IMVR시스템의 Rankine 효율인자[eqn: { eta }_{R }]의 0.4부터 0.9까지 변화에 대한 PBP의 변화를 나타낸것으로써 각 작동유체에 대한 PBP는[eqn: { eta }_{R }]에 따라 매우 민감한 반응을 나타내었으며 R-718보다는 R-114가 더욱 큰 변화를 나타내었다. Fig. 2는[eqn: { eta }_{R }]=0.8일 때 △T에 대한 PBP의 변화를 나타낸 것으로서 PBP는 작동유체의 종류에 따라 매우 큰 차이를 나타낸 것으로 확인되었으며, 특히 R-114는 △T=9℃ 이상에서 PBP가 급격히 증가되었다. 작동유체에 대한 이러한 차이는 COPR과 증발관 및 응축기에서의 총괄전열계수(UR, UC)차에서 오는 영향으로 생각된다.

(나) 환류비(R)

조작환류비가 MVR증류시스템의 경제성에 미치는 영향을 검토하기 위하여 일정 단효율에서 환류비 R을 1.0에서 6.0까지 변화시키면서 목적함수 PBP의 변화를 검토한 결과 Fig. 3과 같았다. 그 결과 R이 증가함에 따라 PBP는 감소하는 것으로 나타났으나(4.4년→4.3년), PBP에 대한 R의 영향은 조사.검토된 타 설계변수에 비해 상대적으로 낮은 민감도를 나타냄을 알 수 있었다.

(다) 전열온도차(△T)

Fig. 4는 [eqn: { eta }_{R }]=0.6, 0.8일 때 PBP에 대한 △T(2-20℃)의 영향을 나타낸 것으로써[eqn: { eta }_{R }]=0.6일 때 △T는 약 8℃, [eqn: { eta }_{R }]=0.8일 때 △T는 약 11℃에서 PBP의 최소값이 존재함을 알 수 있었다. 특히 [eqn: { eta }_{R }]=0.8일 경우 △T에 따른 PBP의 변화는 4.5년에서 6.0년까지 큰 차이를 보였으며, 이는 전열온도차가 MVR증류시스템의 PBP에 미치는 영향이 크다는 것을 의미하며, 여기서 [eqn: { eta }_{R }]에 대한 정확한 정보가 없을 경우 시스템의 경제성을 고려하여[eqn: { eta }_{R }]=0.8일 때 △T값인 11℃를 최적 전열온도차로 결정하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Fig. 1 IMVR증류시스템의 Rankine효율인자에 따른 PBP변화    Fig.2 재비기 및 응축기의 전열온도차에 다른 PBP의 변화

Fig. 3 환류비 R에 따른 PBP의 변화        Fig. 4 전열온도차 △T에 따른 PBP의 변화

4. 참고문헌

1) □Heat Transmission", McGraw-Hill

2) Plant Design & Economics for Chem. Engr, McGraw-Hill

3) "Mechanical Vapor Compression for Concentration by Evaporation", Process Heat Recovery Working Group, U.I.E., 1986

4) A.G.Zimmer, "Latest Developments in Energy Efficient Evaporation", Wiegand Evaporators Inc.

5) R.Hansen, "The Latest Evaportaion Technology is Evaporators with Turbo-Fans", North European Dairy J., No.7(1984)