SAFT-GO조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 분리 공정에서의 고성능 3성분계 PC-SAFT 상태방정식 계산 프로그램 개발

영문 : Development of high performance ternary mixtures' PC-SAFT equation of state calculation program in separation process

과제 팀명

SAFT-GO

지도교수

장재언 교수님

개발기간

2019년 09월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 이**(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20153400** 윤**

서울시립대학교 화학공학과 20153400** 강**

서울시립대학교 환경공학부 20158900** 김**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

유기 화합물의 열역학적 물성 분석은 화학 공정 설계에서 필수적인 요소이다. 여러 성분으로 구성된 유기화합물의 성분들을 분리해 이용 가능한 형태로 만드는 공정을 설계 할 때 매우 중요하기 때문이다. 예를 들어 대체 에너지원으로 주목을 받는 천연가스는 메탄, 에탄, 프로판 등의 탄화수소를 주성분으로 포함하고 있고, 불순물로는 이산화탄소와 황화수소와 같은 산성가스 성분이 미량 함유된 다성분 혼합물이다. 천연가스 전처리 공정과 액화 공정 등의 설계 또는 공정 최적화에는 열역학적 특성 및 상평형의 정확한 예측이 가능한 모델이 사용되어야 할 것이다. 그러나 수많은 성분 조합을 가질 수 있는 다성분 혼합물에 대하여 실험을 수행하는 것은 현실적으로 어렵다.
따라서 열역학 물성들의 관계를 명확하게 나타내는 상태 방정식을 개발하는 것이 필요하다. 특히, 2-component liquid-vapor equilibrium 단계를 넘어서 3-component의 VLE를 예측할 수 있는 소프트웨어를 GO언어를 이용하여 개발하고자 한다. 개발한 코드를 단계적으로 확인하여 예상한 결과가 나오는지 비교하여 신뢰성을 검증하고, Van Der Waals(VDW)이 고려하지 못하는 척력항과 극성에 대한 특성을 반영하여 실제 혼합물의 Vapor Liquid equilibrium을 예측할 수 있는 코드를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

개발 과제의 배경

이러한 소프트웨어의 개발에 많은 비율을 차지하고 있는 언어는 Python이다. 그러나 이번 연구에서 우리가 선택한 소프트웨어 언어는 Go언어이고, 선택 이유는 다음과 같다. 먼저 Go 언어는 컴파일 언어로 속도가 매우 빠르다. 우리는 파이썬을 사용한 코드를 실행할 때 보다 훨씬 빠르게 원하는 결과를 얻을 수 있을 것이고 'time stamp'를 찍어서 계산에 걸리는 시간을 확인해 보려 한다. 두 번째는 파이썬의 코드보다 가독성이 좋고 웹 프레임워크가 따로 필요하지 않다. 따라서 우리의 최종 목표인 웹 배포에 유리할 것으로 판단된다.

Equation of state (EOS)는 압력, 부피, 온도로 표현된 식으로서, 이로부터 화학공정 설계에 필요한 평형 물성(Equilibrium Property), 부피 물성(Volumetric property), 그리고 열적 물성(Calorimetric property)을 예측할 수 있다. 1976년에 개발된 Peng-Robinson(PR) 상태방정식은 3차 상태방정식 중에서 가장 많이 사용되는 것 중 하나이다. 이 EOS는 비극성이거나 극성이 약한 유기화합물의 경우에는 정밀하게 계의 열역학적 거동을 예측할 수 있지만, 극성이 강한 물질과 수소 결합을 형성하는 회합성(associating)물질에 대해서는 신뢰성이 크게 떨어진다. PR 상태방정식은 van der Waals(VDW) 상태 방정식 계열로서, 척력항을 차용하여 분자간 척력에 기인하는 부피 효과를 정확하게 표현하지 못하기 때문이다.

엄밀한 통계역학에 기반한 상태 방정식을 개발하여 다양한 물질들에 대하여 적용성을 확장하는 것이 최근의 연구 경향으로 SAFT가 이에 해당한다. Statistical Associating Fluid Theory(SAFT)는 Wertheim의 TPT이론을 기초로 한 상태방정식이다. TPT이론은 회합성 분자를 다룰 수 있을 뿐만 아니라 사슬 유체의 열역학적 특성을 근사적으로 예측할 수 있다. 우리는 이 이론에 기반하여 소프트웨어를 개발하여 보다 보완된 VLE예측 결과 그래프를 얻으려 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

Peng Robinson 상태방정식 등과 같은 Van der Waals 계열 상태방정식의 예측 정확성을 PC-SAFT를 통해 향상시킨다.

이성분 상호작용 가변 변수나, 경험식에 의한 가변 상수의 추정 없이 혼합물의 비이상적 거동을 예측할 수 있도록 한다.

Go 언어로 개발하여 계산과정에서의 퍼포먼스를 인터프리터 계열 언어에 비해 크게 향상시킨다.

◇ 웹에 서비스를 배포하여 사용자가 상평형 계산에 쉽게 접근하여 원하는 결과를 얻을 수 있도록 한다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

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

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용