HWAHAK KONGHAK, Vol.41, No.1, 41-44, February, 2003
열통합 증류 공정의 상세 동적 모델링 및 모사
A Study on Rigorous Dynamic Modeling and Simulation of Heat-Integrated Distillation Process
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초록
열통합된 연속식 증류탑에 대해 각 장치에서의 물질수지와 에너지 수지는 물론 비선형 Hydraulic 방정식과 열역학적 관계식을 고려해 상세 동적 모델링을 수행하였으며 연속/이산 변소가 혼합된 모델의 동적모사를 통해 계의 동특성을 연구하였다. 대상 공정은 벤젠과 톨루엔의 2성분계를 선택하였는데 모델링을 통해 1,062개의 미분대수 방정식으로 수식화하였다. 동적모사의 결과 증류탑을 구성하고 있는 각 장치에서의 온도, 압력, 조성 및 액상과 기상의 몰당 유속에 대한 동적거동의 수치적 해를 얻을 수 있었다. 본 연구의 특지은 에너지 절감을 위해 개조 설계된, 즉 열통합을 고려한 연속식 증류탑의 동적모사를 통해 기존의 연속식 증류탑과의 성능 비교를 했다는 점이다. 공정의 개시운전에서 정상상태에 이르기까지, 그리고 제품의 생산이 시작되는 시점에서 또 다른 정상상태에 이르는 일련의 과정을 동적모사하여 열통합 증류공정이 기존의 증류공정보다 에너지 절감의 측면에서 효율이 높다는 것을 증명하였다. 이전의 연구에서는 정상상태 모사를 통한 검증은 있었으나 비정상 상태를 고려한 동적모사를 통한 검증은 이루어지지 않았다. 또한 증류탑 이외에도 재비기, 환류드럼, 펌프, 밸브, 디지털 제어기 등의 주변장치에 대한 동적모델링을 수행함으로써 전체 공정의 운전절차를 동적모사에 반영할 수 있도록 하였다.
A rigorous dynamic modeling and dynamic simulation are performed to find the dynamic behaviour of a distillation column model including continuous/discrete variables, considering material balances, heat balances, nonlinear hydraulic equations and thermodynamic correlations in all equipments. Target process of this study is a distillation column aimed at separating
benzene and toluene. Through dynamic modeling, 1,062 differential algebraic equations are acquired. Numerical solutions of dynamic behaviour such as pressure, temperature, fraction and molar flow rate in liquid and vapor phase. The feature in this study is to compare the energy consumption of a conventional distillation column with that of a heat integrated distillation column using dynamic simulation method. This study verifies energy efficiency through dynamic simulation in series of start-up of processes. There are some verifications of a heat integrated distilation column in view of steady state simulation but no verification in view of dynamic simulation. Also, this study considers operating procedures of the process in dynamic simulation
through modeling of all equipments such as reboilers, refluxdrums, pumps, valves, digital PI controllers etc.
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