SAFT-GO조

2019 CE
2019SAFT (토론 | 기여)님의 2019년 11월 26일 (화) 23:25 판 (→‎설계 사양)
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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.
  • 최근의 연구 경향은 엄밀한 통계역학에 기반한 상태방정식을 개발하여 다양한 물질들에 대하여 적용성을 확장하고, 이를 응용한 재료 및 공정에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. Aspen Plus는 실제 화학공정에서 일어나는 상황을 묘사할 수 있는 소프트웨어 패키지로, 열역학적 식이 내장되어 있어 사용자가 직접 계산 없이 모델을 시뮬레이션 할 수 있게 설계되어있다. 그러나 Aspen Plus 의 VLE method는 Polarity를 고려한 PC-SAFT가 아니기 때문에, Polarity를 고려한 PC-SAFT 패키지는 상용화 되지 않았다. 그러므로 Polarity를 고려한 PC-SAFT 소프트웨어를 직접 개발하는 것은 의미가 있을 것으로 판단된다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

  • 전 세계적인 기술현황

PC-SAFT 자체에 관련된 특허는 학술적인 것이기 때문에 존재하지 않는다. ASPEN plus에 공정 시뮬레이터가 있다. 그러나 극성인 부분까지 커버하는 소프트웨어는 상용화되지 않았고 특허도 없다.

  • 특허조사 및 특허 전략 분석

특허에는 기본적으로 물질과 공정에 대한 것이 있다. 하지만 PC-SAFT계산 알고리즘 자체는 두 가지 모두에 해당하지 않는다. PC-SAFT 계산 소프트웨어를 제작하여, 소프트웨어 특허를 제출 할 수 있다. (소프트웨어 특허란 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터 프로세서를 이용하여 운영되는 기술에 관한 특허를 말한다.)

  • 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

  • 경쟁제품 조사 비교

내용

  • 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

  • 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.
  • 소프트웨어 개발에 주로 사용되는 파이썬 대신 Go언어를 사용하여 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다 : 코드 실행 속도 절감, 코드의 가독성 향상, 웹 배포 용이(별도의 웹 프레임워크 불필요)
  • 우리나라의 약한 software 기술을 발전시킬 수 있고, 열역학적 물성 연구에 대한 저변확대를 기대할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

  • Go 언어로 개발하여 계산과정에서의 퍼포먼스를 인터프리터 계열 언어에 비해 크게 향상시킨다.
  • 웹에 배포하면 많은 사람에게 SAFT 프로그램에 접근을 용이하게 하여 열역학 물성 전문가를 양성할 수 있다.
  • 웹에 서비스를 배포하여 사용자가 상평형 계산에 쉽게 접근하여 원하는 결과를 얻을 수 있도록 한다.
  • 다성분 혼합물의 열역학적 특성 및 상평형의 정확한 예측을 통해 천연가스 전처리 공정과 액화 공정 등의 설계 또는 공정 최적화에 이용할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

개발과정.png

구성원 및 추진체계

강연주 : PC-SAFT 관련 열역학 이론 숙지, 열역학 데이터 DB 구성, 3성분계 평형상태 계산 및 시각화 코드 작성

윤세지 : PC-SAFT 관련 열역학 이론 숙지 열역학 데이터 DB 구성, 계산 검증을 위한 테스트 코드 작성

이성빈 : PC-SAFT 관련 열역학 이론 숙지, PC-SAFT 계산 프로그램 작성, 서버 및 웹 배포

김규란 : PC-SAFT 관련 열역학 이론 숙지, 3성분계 평형상태 계산 및 시각화 코드 작성, 서버 및 웹 배포

설계

설계사양

제품의 요구사항

  • 사용자가 Ternary VLE를 계산할 원하는 물질을 3개 선택한다.
  • 사용자가 평형 상태의 조건(온도, 압력)을 설정한다.
  • Calculate 버튼을 누르면 지정된 조건하에서 평형 상태 계산을 진행한다.
  • 계산이 완료되면 우측 삼각형에서 계산된 결과를 확인해 볼 수 있다.
  • 파란점이나 분홍점에 마우스를 올리면 그 지점의 조성과 Tieline을 보여준다.

설계 사양

  • 서버 운영체제 : Debian Bullseye 2019-11-18
  • 서버 개발언어 : Go 1.13.1
  • DB : PostgreSQL 11.5
  • 클라이언트 개발 라이브러리 : React, React-Konvas
  • 배포에 사용한 클라우드 서비스 : Google Cloud Run, Google Cloud Sql

Googlecloud.png

  • 각 method(BubbleP, BubbleT, DewT, DewP, Flash)별 Time out
    BubbleP, BubbleT, DewT, DewP : 40 ms
    Flash : 100 ms

개념설계안

계의 헬름홀츠 에너지는 다양한 상호작용의 의한 합으로 나타낼 수 있다.

(이미지)


압축인자는 다음과 같이 표현된다.

(이미지)


압축인자의 각 항은 다음과 같이 표현된다.

(이미지들)

Jog Chapman 극성항 사용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

  • PC-SAFT 상태 방정식을 이용해 3-component의 VLE 결과를 보여줄 수 있다.

프로토타입0.png 

▲ 계산에 필요한 Component의 상수값은 Database에 다음과 같이 저장되어 있다.


프로토타입.png 

▲ (왼) PC-SAFT Client (https://saftgo.app) 에 접속한 후, 세가지 Components를 선택한다. Const.P(또는 T)에서 결과값을 확인하거나, P,T 모두 상수일 경우도 확인이 가능하다. (오) 'Calculate'를 눌러 Ternary Components의 VLE Diagram을 확인한다.

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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