한상필
(유)피에스이코리아 대표이사 [email protected]
개요
화학 산업에서는 다양한 모델링 기법 및 소프트웨 어가 설계, 운전, 최적화 등의 목적으로 사용되어 오고 있으며, 최근 에너지 및 환경 문제가 국제적으로 가장 중요한 이슈가 되면서 화학 산업의 전통적인 영역이 아닌 여러 분야 - 에너지(재생 및 신연료), 조선/해양, 발전, 바이오 등 - 에서도 화학 산업에서 사용 되어 오던 공정 모델링 기법에 대한 필요와 관심이 높아지 고 있는 현실입니다. 이러한 변화의 시점에서 기존의 공정 모델링 기법 및 제품들에 대한 장점 및 단점에 대한 검토가 자연스럽게 이루어 지고 있고, 새로이 요 구되는 기능 및 성능에 대한 고려와 함께 미래 지향적 인 모델링 기법 및 소프트웨어에 대한 다양한 시도도 함께 이루어 지고 있습니다. 궁극적으로는 다음과 같 은 사항들이 미래를 준비하는 공정 산업에 필요한 모 델링 소프트웨어의 핵심 기능으로 요구되고 있습니다.
- 사용자 모델 구축의 편리성 및 만족도: 기존의 화학 산업의 틀에서 정형화되지 않았던 새로운 공정 및 장치에 대한 모델을 사용자가 직접 구축할 수 있는 업무를 하는 일에 있어서 다양한 필요성을 충족할 수 있는 여러 기능들을 가지고 있는가와 그 일들을 얼마나 편하게 할 수 있는가의 여부.
- 시간과 공간의 분포에 대한 고려 및 편의성: 화학 산업의 모델링에 있어서 많은 경우 당연시되어 왔 던 완전 혼합 가정 및 정상 상태 가정이 주는 여러
제약 및 오류로부터 자유로울 수 있도록 시간과 공 간에 대한 분포를 모델링하고 해를 구할 수 있는 기 능의 탑재와 관련된 일들을 얼마나 편하게 할 수 있 는가의 여부.
- 최적화 및 파라메터 값 산정 기능의 탑재: 최적화 기능을 탑재하여 모델링을 통한 최적 설계 또는 최 소 비용을 찾는 업무를 문제 규모에 관계 없이 기본 적으로 수행할 수 있느냐의 여부와 더 나아가 실험 식에 도입된 여러 파라메터들을 실험 데이터와 모 델을 비교해 찾을 수 있는 파라메터 값 산정기능의 탑재 여부.
- 타 엔지니어링 소프트웨어와의 연결성: 모델링의 범위와 결과의 정확도에 대한 요구가 커질수록 전 문 분야가 다른 여러 모델링 소프트웨어(CFD, Matlab, 타 공정 소프트웨어, 다양한 물성 소프트웨 어 등) 들을 함께 사용하는 것에 대한 필요가 증가 하는데 이러한 여러 소프트웨어의 복합 사용에 대 한 가능 및 편의성 여부.
- 전통적인 프로세스 모델링의 특성 유지: 상기의 여 러 새로운 기능의 첨가 및 기존 기능의 강화에도 기 존의 프로세스 모델링 소프트웨어들이 제공했던 사 용자 환경 및 기본 기능(예를 들면 Drag-and-Drop Flowsheeting 기능)은 필수적으로 유지되고 있는 가의 여부.
- 부서간 소프트웨어 통합 운영 가능성: 공정 또는 장 치 개발에 연관되는 한 회사 또는 기관 내의 여러 부서 또는 여러 회사 또는 기관이 하나의 소프트웨 어를 써서 각기 다른 모델링 목적을 달성하면서도 하나의 환경 안에서 각자의 모델을 사용하고 검증
공정 산업의 혁신을 주도하는 고급 모델링 플랫폼 | 한상필
할 수 있는 지의 여부.
영국 PSE 사(Process Systems Enterprise Ltd.
(www.psenterprise.com))에서 개발한 gPROMS는 상기의 모든 요건을 충족시킬 수 있도록 개발되었고, 현재 다양한 분야에서 기존 모델링의 한계를 극복하 고 모델링의 활용도와 유용성을 높이는 데에 크게 기 여를 하고 있습니다. (유)피에스이코리아(PSE Korea Ltd.)는 영국 PSE 소유의 한국 법인으로 한 국, 중국, 대만에서의 PSE사의 사업을 총괄 책임을 지면서, PSE 사의 소프트웨어 제품을 활용하여 한국 의 여러 회사 및 연구 기관이 독자 공정 또는 장치 기 술을 개발하는 목적을 잘 달성할 수 있도록 도와드리 는 역할을 충실히 수행하고 있습니다. gPROMS는 상기의 여러 새롭고 강화된 특성에 기반하여 단순하 게 기존에 화학 산업에서 이미 정립된 모델링의 역할 을 좀 더 잘 하는 수준에서 머무르는 것이 아니고, 기 존의 모델링 기법 또는 기존 모델링 소프트웨어로 불 가능했던 일들을 새롭게 가능하게 함으로써 공정 산 업의 패러다임을 재정립할 수 있는 기회를 제공하는 소프트웨어입니다. 이러한 큰 변화는 기존 화학/에너 지 사업의 강자들 사이에서 여러 한국 기업들이 장치 와 공정에 대한 완벽한 이해와 검증된 사례를 가지고 새로운 화학/에너지 사업의 강자로 부상할 수 있는 좋은 기회를 제공할 것으로 믿고 있으며, 한국의 여러 고객들이 이러한 위치에 빠른 시일 내에 이를 수 있도 록 하는 것이 저희 회사의 가장 큰 목표입니다. 상기 언급한 새로운 가능성 부분에 대해서는 아래 몇 가지 사례로 부연 설명을 드리도록 하겠습니다.
반응기 상세 설계 및 Scale-Up
화학 공정의 핵심인 반응기를 설계할 수 있는 능력 은 곧 Basic Package를 공급할 수 있는 라이센서가 될 수 있는 지를 결정하는 핵심 요소입니다. 최근까지 대부분의 라이센서 및 반응기 제작 업체들이 제공하
는 반응기는 기존 공장에서의 경험에 의존한 설계 기 술에 기반한 수준이었지만, gPROMS 및 CFD를 활 용한 3차원 해석 기법이 경험적 설계의 여러 한계를 뛰어 넘는 엄밀하고 믿을 수 있는 상세 설계 기술이 될 수 있음이 PSE 사가 수행한 여러 과제 사례에서 증명이 되었습니다. 한국에서도 여러 회사들이 다양 한 형태의 반응기의 상세 설계와 관련된 과제를 gPROMS를 이용하여 직접 또는 PSE 사와 공동으로 수행하였고, 이를 기반으로 얻어진 반응기 설계를 현 장에 적용해서 성공적으로 운용하는 사례가 나오고 있습니다. 이러한 일을 할 수 있는 배경에는 앞서 설 명 드린 여러 기능 중 공간에 대한 분포를 고려할 수 있는 모델링이 가능한 점과 형상이 복잡할 경우 3차 원 해석이 가능한 상용 CFD와의 복합 모델링이 가능 하다는 점이 자리하고 있습니다. 반응기 상세 설계에 서는 반응기 내에서의 분포적 특성이 운전 조건에 따 라 또는 형상 변화에 따라 어떻게 달라지는 지를 엄밀 하게 이해하는 것이 매우 중요한 만큼, 기존의 완전 혼합 가정 또는 단순한 분포 가정에 근거한 반응기 모 델은 반응기 상세 설계 업무에 있어 제대로 된 역할을 할 수 없었던 반면 gPROMS를 기반으로 필요한 수 준의 분포를 볼 수 있게 된 모델을 활용할 경우엔 모 델을 통한 반응기 설계라는 공정 기술에서의 핵심 요 소 달성이 가능해집니다. 적용 가능한 반응기는 교반 그림 1. 다관형 고정층 촉매 반응기 설계 요소 개요.
AML:FBCR(고정층 촉매 반응기 라이브러리)을 이 용한 다관형 고정층 촉매 반응기 설계의 예시로 Hydrocarbon Processing에 발표된 두 편의 논문(1,2) 에서 자세한 내용을 확인하실 수 있습니다.
전공정 최적 설계
한 공장의 전체 공정을 설계하는 경우에 보통은 반 응기의 용량을 결정한 후 이에 준하여 나머지 공정을 설계하게 됩니다. 하지만 많은 경우 후단 공정에서 회 수되어 전단 공정으로 보내지는 반응물질이 있으며, 이럴 경우 최적의 경제성 평가를 위해서 다양한 반응 기의 용량이 함께 평가되어야 합니다. 분리 공정 쪽에 서도 대부분의 경우 여러 개의 분리탑 또는 다른 형태 의 분리 공정이 함께 존재하게 되는데 각각에서의 분 리 정도를 어느 정도로 하는 것이 전체 공정의 최적
능 중 최적화 기능이 필수적이지만, 용량 및 운전 조 건 변화에 대한 반응기의 성능이 선형적이지 않으므 로 상세한 반응기 모델 또한 꼭 필요한 요소입니다.
[그림 2]는 이러한 접근이 필요한 전형적인 문제를 나타내며, 문제는 하나의 고정층 촉매 반응기와 십여 개의 분리탑으로 이루어진 후단 공정으로 이루어져 있고 상당량의 반응물이 반응기 전단으로 회수되는 상황입니다(2). 이 경우 반응기 용량을 늘이면 반응율 이 높아져 분리 공정에 대한 비용이 줄지만 반응기의 가격이 매우 비싸므로 어느 정도 규모의 반응기에서 최적 투자 및 운전 비용이 형성되는 지에 대한 판단이 매우 어렵습니다. 이러한 문제는 결국 반응기와 전체 분리 공정을 하나의 문제로 구성을 해서 반응기와 분 리공정의 여러 설계 변수와 운전 변수를 모두 포함시 켜 투자비에 대한 감가상각비를 포함하는 운전비용을 최소화하기 위한 최적화를 수행하는 방법 외에는 궁 극적인 해답을 구할 수 없으며, gPROMS의 다양한 장치모듈과 최적화 기법을이용하면 이러한 접근이 가 능해집니다(2).
Flare System Blowdown 저온 문제 동적 해석
화학 공정뿐만 아니라 Oil & Gas 분야에서 안전을 위해 필수적인 Flare 공정은 기본적으로는 사용을 하 지 않기를 원하는 공정이나 투자비에 있어서는 총 투 자비의 30~40%를 차지합니다. 따라서 Flare 공정의 설계에는 항상 안전과 비용이라는 상충되는 요소가 존재하며, 안전을 최대한 확보하면서도 비용을 가능 한 줄이는 체계적인 접근이 필요한 분야입니다. 과거 의 여러 기법들은 비용 부분에 대한 고려보다는 안전 에 대한 고려를 우선적으로 하여 설계를 하고 있으나
그림 2. 전공정 최적화 문제 구성 요소 예시.
공정 산업의 혁신을 주도하는 고급 모델링 플랫폼 | 한상필
여러 모델링 기법상의 한계로 안전 또한 확실히 보장 된다고 보기는 힘든 부분들이 있습니다. PSE사에서 는 gPROMS를 기반으로 자체 개발한 gFLARE를 이용하여 Flare System 상에서 발생할 수 있는 다양 한 저온 문제 및 동적 문제에 대한 상세 해석 서비스 를 제공하고 있으며, 최근 전세계 Oil & Gas 분야 메 이저 업체들로부터 호평과 함께 업무 의뢰가 급증하 고 있습니다. PSE사가 기존 기술 대비 더 정확하고 정밀한 해석을 해 낼 수 있는 배경에는 앞서 언급드린 gPROMS의 여러 기능 중 분포 해석, 동적 해석, 최적 화 기능이 핵심적인 역할을 하고 있습니다. [그림 3]
은 Flare System 가동의 시작인 Blowdown 상황에 대한 설명입니다(3). 공정에 문제가 생겨서 고압 용기 에서 Blowdown이 시작되면 압력 강하로 인한 온도 저하가 일어나며 액적이 생기고, 고압 용기의 바닥 벽 체 온도가 액적이 모여서 형성한 액체로 인해 저온 상 황이 되게 됩니다. 이러한 일련의 Blowdown 과정은 시시각각 상황이 변하게 되며, 기체 온도, 액체 온도, 기체와 접하는 벽체 온도, 액체와 접하는 벽에 온도가 모두 다른 값을 가지게 되는 비가역적 상황이 됩니다 (3). 따라서, 이러한 실제 상황을 가역적 정상상태 모 델로 해석을 할 경우 정확한 예측이 어렵게 되며, 결
과적으로 안전하지 않은 설계를 안전한 것으로 오판 하는 사례도 빈번히 발생함을 확인할 수 있었습니다.
PSE사의 서비스 영역은 Blowdown 해석뿐만 아니 라, Flare System의 동적 해석과 3차원 파이프 모델 및 파이프 간의 상대적 높낮이를 고려한 저온 해석, Knock-Out Drum의 저온 해석 등 Flare System의 전체 공정에 대한 개별 상세 해석 및 전체 운전 해석 이 가능합니다(3).
조선, 해양 플랜트 및 발전 분야
앞서 언급한 gPROMS의 여러 기능은 서로 복합적 으로 작용하면서 새로운 분야에서의 공정 모델링에 대한 요구에 가장 빠르게 대응을 할 수 있는 가능성을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 많은 고객들이 gPROMS를 기반으로 독자적인 모델 라이브러리를 구축해서 성공적으로 활용하고 있으며, 최근 조선, 해 양 플랜트, 발전 분야 등에서 이러한 시도들이 PSE사 또는 고객사 주도로 많이 이루어지고 있습니다. 이러 한 배경에는 에너지 및 환경 문제의 전세계적인 부각 이 가장 큰 이유가 되고 있으며, 이러한 에너지 및 환 경 문제로 인해 새로이 고려가 되어야 할 공정 이슈들 을 엄밀하면서도 쉽게 다루기 위해 다양한 장점을 가 지고 있는 gPROMS가 활용된다고 보시면 됩니다.
조선 쪽에서는 엔진 시스템을 해석한 사례(4,5)와 새 로운 연료 공급 시스템을 해석한 사례 등이 있고, 해 양 플랜트 분야에서는 Flow Assurance 관련 해석을 수행한 사례가 있습니다. 이와는 별도로 CCS (Carbon Capture Storage) 관련해서 PSE사가 영국 ETI로부터 지원을 받아 발전소부터 CO2 저장까지 CCS의 전공정을 모델링하고 동적해석 및 설계를 할 수 있는 gPROMS 기반의 모델 라이브러리를 구축하 고 있습니다. 이 라이브러리는 CCS Chain의 해석 및 설계뿐만 아니라 다양한 형태의 발전소 공정 해석 및 설계에도 활용될 수 있습니다.
그림 3. Blowdown 과정 중 시간에 따른 온도 분포.
라이브러리(Separation Package) 등 다양한 라이브 러리 제품들이 갖추어져 있고, PSE사에서는 고객이 필요로 하는 수준의 상세하고 예측력 있는 모델을 가 능한 한 편리하게 활용하실 수 있는 차원에서 여러 제 품 개발을 진행 중에 있습니다. 이러한 PSE사의 노력 과는 별개로 gPROMS는 사용자가 원하는 모델을 직 접 만들고 단위 공정 수준 또는 시스템 수준에서 다양 한 목적으로 활용하는 부분에 있어 최고의 작업환경 을 제공하고 있으며, 이러한 측면은 고객의 기술 수준 및 노력 여하에 따라 혁신적인 수준의 경제 효과와 새 로운 사업의 가능성을 열어 드릴 수 있을 것으로 생각 합니다. 한국의 여러 기업 및 연구소에서 gPROMS 에 많은 관심을 가지시고 새로운 시도들을 많이 하셔 서 미래의 화학/에너지 사업을 한국이 주도할 수 있 었으면 하는 바람입니다.