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2024년 6월 16일 (일) 20:28 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 최적화 모델링 언어를 사용한 DWC의 simulation과 최적화

영문 : Simulation and Optimization of DWC based on optimization modeling language

과제 팀명

유준재교수님1팀

지도교수

유준재 교수님

개발기간

2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 공과대학 화학공학과 20203400** 장**(팀장)

서울시립대학교 공과대학 화학공학과 20203400** 노**

서울시립대학교 공과대학 화학공학과 20183400** 진**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ Distillation은 전세계 에너지량의 10-15%를 차지하는 주된 에너지 사용원이며 다양한 산업의 기반이 되는 물질들을 합성하므로 Distillation 과정에서 에너지 효율성을 극대화하는 것이 매우 중요하다. 이 때 Dividing Wall Column (이하 DWC)는 에너지 효율성을 극대화한 Petyluk 구조에서 Capital cost 까지 낮춘 고효율의 Distillation 방법으로 제시되었다. 해당 구조는 Reboiler와 Condenser를 한 쌍만 사용하여 thermocouples를 이루는 Petyluk 구조에서 더 나아가 prefractionator를 main column 안으로 삽입하면서 Capital cost 까지 낮추었다.

◇ DWC는 이미 그 구조 및 다양한 디자인이 제시되었으나 공정을 모델링할 수 있는 소프트웨어의 발전이 많이 이루어지지 않아 상용화에 어려움을 겪고 있다고 한다.

◇ 따라서 Pyothon의 패키지인 Pyomo를 이용해 DWC 내부를 세부적으로 모델링하여 DWC Distillation을 시뮬레이션해보면서 DWC Distillation이 열역학적으로 우수한 구조임을 수치적으로 증명한다. 또한 해당 모델을 사용해 시뮬레이션을 및 최적화를 진행해보면서 DWC의 상용화에 도움을 주는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경

◇ 에너지 효율성을 증대하고 지속 가능한 발전을 이루기 위한 다양한 Distillation 방법이 다양하게 제시되고 있으나, 기존의 Distillation 방법보다 지속 가능하며 안정적인 intensified precess 중 Dividing Wall Column(이하 DWC)는 Petyluk 구조를 전신으로 하여 열역학적 효율을 극대화하는 구조다. Petyluk 구조는 기존의 seperated columns의 한계점을 극복하고 두 가지 column의 Condenser와 Reboiler를 한 쌍으로 통합하는 thermocouples을 가능하게 했다. 이를 발전시킨 형태인 DWC는 Petyluk의 prefractionator를 하나의 column에 통합한 구조이다.

◇ DWC는 전통적인 column sequences와 비교했을 때, 에너지 사용량을 30% 이상 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 또한 한 개의 column만으로도 운용할 수 있기 때문에 Capital cost가 매우 낮아졌으며, 물질의 purity 또한 기존의 기술들보다 높일 수 있다고 밝혀졌다.

◇ 하지만 기존의 Distillation software인 Aspen Plus 및 ChemCAD 등에는 DWC를 시뮬레이션 및 최적화할 수 있는 모듈이 존재하지 않는 상태다. 따라서 parallel column을 포함한 Chem LITE tool을 개발하는 등 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직까지 공정 설계자들은 기존의 column들을 조합해서 DWC와 유사하게 시뮬레이션할 뿐이다. 이런 점은 DWC가 더 널리 상용화되는 것의 한계점이다.

◇ 따라서 DWC를 모델링하고 시뮬레이션하며 최적화를 진행하는 것은 지금의 상황에 큰 도움을 제공하여 에너지 효율이 좋은 DWC를 널리 사용하는 것에 이바지할 수 있으리라고 예상한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 연구의 목표는 기존에 개발되지 않은 DWC module을 Pyomo 패키지를 사용하여 모델링하고 시뮬레이션 및 최적화를 진행하여 상용화 가능한 DWC 모델을 제안하는 것이다.

◇ Distillation의 최신 연구 동향에 대해 조사하고 관련 기술 및 특허들이 어떻게 상용되고 있는지 알아본다. 그중 DWC 관련 시뮬레이션을 어떻게 진행하고 있는지 조사하고 관련 논문을 읽는다.

◇ Python 언어를 기반으로 한 최적화 전문 패키지인 Pyomo를 사용해서 DWC를 모델링한다. 처음에는 가장 적은 수의 단(총 5개)으로 이루어진 간단한 구조를 모델링하며, 이상적인 상황을 가정한다. 그리고 이를 발전시켜 더 많은 단을 시뮬레이션할 수 있도록 한다.

◇ 최종적으로 모델이 시뮬레이션 가능한 수준으로 제작된 이후에는 다양한 물질 및 조건(온도 및 압력 등)에 따라 최적화를 진행한다. 이 과정에서 모델을 수정하는 과정도 거친다. 이런 모델 및 시뮬레이션 결과를 제안하는 것으로, 결과적으로 에너지 효율 증대에 크게 기여할 것으로 보이는 DWC의 상용화에 기여하고자 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 증류는 화학 공정 산업에서 널리 사용되지만, 자본과 에너지를 많이 소모하는 공정으로 알려져 있다. 실제로, 화학 및 석유 정제 산업에서의 증류 작업만으로도 총 분리 에너지의 거의 53%를 차지한다고 보고되고 있다. 이러한 이유로, DWC는 에너지를 절약할 수 있는 잠재력으로 인해 학술 및 특허 문헌에서 점점 더 많은 관심을 끌고 있다. DWC는 일반적인 증류 column과 비교했을 때 최대 30%의 에너지를 절약할 수 있다고 보고되며, 또한 하나의 shell에 설치되어 일반적으로 자본 비용의 상당 부분을 절약할 수 있다.

◇ 최근 연구에서는 DWC 모델링에 각 단계에서 기체와 액체가 평형 상태에 있다고 가정한 parallel column model을 사용해 MESH 방정식을 적용한다. 이때 MESH 방정식은 각 단계에서 들어오고 나가는 물질의 몰 흐름율이 균형을 이루는 Mass balance, 기체와 액체 사이의 평형 관계로 Equilibrium balance, 모든 성분의 몰 분율 합이 각 단계에서 1이 되도록 Summation balance, 들어오고 나가는 열량의 계산으로 Heat balance를 작성하는 것을 의미한다. 각 단계에서 들어오고 나가는 물질과 열의 양이 균형을 이루는 것을 계산함으로써 물질의 흐름과 온도를 예측하고, 분리 벽 상단과 하단에서 흐름이 어떻게 분리되는지 그 비율을 ,로 표현한다.(Fig.1) 이러한 방법론의 적용을 통해 분리 공정의 에너지 소비를 줄이고 공정 비용을 최적화하는 데 기여할 수 있다. DWC 모델링에 대한 simulation 기술의 개발을 통해 화학 공정 산업의 지속 가능성과 효율성 증진을 기대하고 있다.

[Fig.1] Schematic diagram of sections in a DWC

◇ Aspen Plus와 ChemCAD를 포함한 상용 소프트웨어 패키지에는 직접 설계 및 simulation에 사용할 수 있는 표준 DWC 모듈이 없다. 따라서 아직까지는 DWC를 simulation 하기 위해 전통적인 column을 병렬 및 직렬로 배치하는 등의 복잡하고 정확도도 떨어지는 방법을 사용해야 한다고 알려져 있다. (Fig.2).

[Fig.2] Schematic diagram of alternative multi-column models for representing a simple one-wall Dividing Wall Column in a modular simulation system

◇ 최근 연구에 따르면, 방정식 기반 모델링이 DWC 시스템을 더 효과적으로 설명할 수 있다는 제안이 있다. 그러나 현재로서는 상용 소프트웨어를 이용한 DWC 모델링은 여전히 어려운 문제로 남아 있다. 이러한 도전에 대응하기 위해 Pyomo 언어가 주목받고 있는데, Pyomo는 파이썬 기반의 오픈 소스 최적화 모델링 언어로, 복잡한 프로세스 및 시스템을 수학적으로 모델링하고 최적화할 수 있다. Pyomo를 활용하면 방정식 기반 모델을 쉽게 구현할 수 있으며 DWC simulation에 활용할 수 있다. 더불어, Pyomo를 활용한 이러한 모델은 다양한 최적화 알고리즘을 적용하여 최적의 운전 조건을 탐색할 수 있다. 이러한 방식으로 Pyomo를 활용하여 DWC의 simulation과 최적화에 관한 연구를 진행함으로써, 산업 프로세스의 효율성과 경제성을 향상하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법

◇ 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법

출원일: 14.09.26 출원번호: 10-2014-0129368 출원인: 한화케미칼 주식회사

본 발명은 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 고순도로 정제할 수 있는 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 및 에너지 소비량도 종래에 비하여 절감하는 방법이 제시되어 있다.

해당 방법은 고순도의 결과물을 얻기 위해 DWC를 사용하고 있는데, 이를 통해 Dividing Wall Column이 높은 순도를 얻기 위한 좋은 방법으로서 다양하게 개발되고 있음을 알 수 있다.

듀얼 모드 분리벽형 증류탑

◇ 듀얼 모드 분리벽형 증류탑

출원일: 12.09.19 출원번호: 10-2012-0103959 출원인: 주식회사 엘지화학

본 발명은 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환이 가능한 듀얼 모드 분리벽형 증류탑 및 상기 듀얼 모드 분리벽형 증류탑을 이용한 증류방법에 관한 것이다. 기존의 단일벽형 모드 증류탑에 비해 장치비용 및 에너지를 절약할 수 있으며, 생산성을 향상할 수 있다. 또한, 공정 셧다운 없이 분리벽형 모드 및 단일벽형 모드 간의 상호 전환이 가능하여, 장치의 이상으로 셧다운 시 발생할 수 경제적 손실을 방지할 수 있다.

해당 기술은 자본 비용 및 운영비용을 낮추는 것에 초점을 두는데, 이를 통해 Dividing wall column의 효율적인 상용화를 위해 다양한 기술이 개발되고 있음을 알 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ DWC Distillation 성능의 정확한 모델링 및 simulation: Pyomo를 활용하여 DWC의 성능을 정확하게 모델링하고 시뮬레이션함으로써, DWC Distillation의 열역학적 우수성을 수치로 입증할 수 있다. 이를 통해 실제 공정에서 DWC의 성능을 더 잘 이해하고 평가할 수 있게 될 것이다.

◇ 분리 공정의 운영비용 감소 및 효율성 향상: 공정의 동적인 운영 조건을 실시간으로 모니터링하고 조정할 수 있다. 이는 예상치 못한 운영 조건 변화에 신속하게 대응할 수 있게 해주며, 이로 인한 생산성 손실을 최소화하여 용을 절감할 수 있다. 분리해야 하는 성분 간의 상호작용과 column 내부의 물질 전달 효율을 정확하게 분석하고 온도, 압력, Feed 위치 등 최적화를 통해 효율적인 공정을 운영할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 산업 경제성 강화: DWC Distillation 기술의 개발을 통해 증류 공정의 에너지 소비를 줄이고 공정 비용을 최적화할 수 있다. 이는 화학 및 석유 정제 산업과 같은 산업 분야에서 자본과 에너지를 효율적으로 활용할 수 있도록 도와준다. 특히, DWC의 에너지 효율성을 최적화하는 기술은 비용을 절감하고 이익을 극대화하는 것에 이바지할 것으로 기대된다.

◇ 지속 가능한 발전 촉진: 에너지 절약과 효율적인 자원 활용은 지속 가능한 발전을 위한 중요한 요소이다. DWC Distillation 기술의 개발은 화학 공정 산업의 지속 가능성을 높일 수 있다. 더 적은 에너지 소비로 같은 생산량을 유지할 수 있으므로 화학 공정의 환경 영향을 줄일 수 있다.

◇ 기술 혁신과 경쟁력 강화: Pyomo를 활용한 최적화 모델링과 MESH 방정식을 적용한 DWC 모델링은 산업적인 기술 혁신을 촉진한다. 이러한 기술적 발전은 기업들의 경쟁력을 향상하고 산업 내에서의 선도적인 위치를 확보하는데 기여할 수 있다. 또한, 새로운 기술을 개발하고 상용화함으로써 산업 내에 새로운 시장을 개척할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

3월 : Distillation 전반에 관련한 최신 연구동향 조사

3월 : DWC 관련 특허와 설비의 최신동향과 현 시점 기술의 한계점 조사

4-5월 : Python 중 Pyomo pacakge를 사용해 모델링 및 시뮬레이션

4-5월 : 시뮬레이션 결과를 바탕으로 최적화 및 열역학적 우수성 검토, 연구

5-6월 : 최적의 모델링 방법 제시

구성원 및 추진체계

◇ 증류의 최신 동향에 관한 연구-장민주, 노지현

증류 기술의 최근 발전에 대한 포괄적인 문헌 검토를 통해서 현재 산업의 방향성을 파악하고, 지속가능한 발전을 위한 방안을 구상해본다.

◇ DWC(Dividing Wall Column) 특허 및 기술 동향 조사-노지현, 진형민

최근 DWC 설계의 운영적, 경제적, 환경적 측면을 비교하여 기술 동향과 한계를 분석한다. 이에 대응할 개선안을 구상해본다.

◇ Python에서 Pyomo를 사용한 모델링 및 시뮬레이션-장민주, 노지현

Pyomo 패키지에 대한 숙련도를 향상시키고, 필수 변수와 방정식을 통합하여 DWC 공정의 모델 구조를 설계한다. 시뮬레이션을 수행하여 다양한 시나리오에 대한 결과를 도출한다.

◇ 시뮬레이션 결과에 따른 최적화 및 열역학적 평가-장민주, 노지현, 진형민

시뮬레이션 데이터를 통해 공정의 효율성과 출력에 미치는 영향을 식별한다. 최적화 알고리즘을 적용하여 최적의 작동 조건을 파악한다.

◇ 최적의 모델링 방법 제시-장민주, 노지현, 진형민

에너지 소비, 분리 효율성 등을 기준으로 사용하여 최적화된 모델의 열역학적 효율성을 평가한다. 최적화된 모델을 기존과 비교하여 잠재적인 개선사항을 파악해본다.

설계

목표 달성을 위한 설계 방법

연구 과정 개요

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용