| 초록 |
반응기 최적 설계는 화학 공학 분야에서 오래전부터 논의되었지만, 여전히 이해가 부족한 문제이다. 그 이유 중 하나로 단순한 수학적 모델로는 반응기의 복잡한 유동 양상을 예측하기 어려운 점이 있다. 하지만 최근에는 CFD의 발전으로, 반응기의 삼차원 유동을 모사하는 것이 가능해졌다. 본 연구에서는 CFD 모델과 다목적 블랙-박스 최적화 알고리즘을 결합시켜 반응기의 최적 구조를 찾는 전략을 제안하였다. 두 개의 교반기가 달려 있는 2 상 교반 탱크 반응기를 대상으로 전력을 최소화하면서 기체 분율을 최대화하도록, 교반기와 탱크의 구조를 최적화하였다. 이 때, 반응기의 기하학적 구조를 정의할 수 있는 5 가지 최적화 변수는 탱크의 직경-높이비, 교반기 두 개의 직경과 각각의 높이, 기체 분사기의 직경으로 선택하였다. CFD 모델은 블랙-박스 함수가 되어, 구조 변수들이 입력되었을 때, 목적 함수인 전력과 기체 분율값을 출력하는 방식으로 최적화 알고리즘에 통합된다. 최적화 알고리즘으로는 베이지안 다목적 최적화(Bayesian multi-objective optimization, BMOO)를 사용하였다. BMOO는 시간이 매우 길고, 기울기 정보를 찾을 수 없는 CFD 모델의 특성에 매우 적합하다. 본 연구에서는 BMOO를 수행하여, 파레토 최적 세트 – 반응기 최적 설계안 세트 – 를 적은 탐색 횟수 안에 찾아냈으며, 동시에 CAD-CFD-BMOO를 연동함으로써 모든 과정을 자동화 할 수 있었다. |
