• 검색 결과가 없습니다.

hanol)y (meth

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "hanol)y (meth"

Copied!
32
0
0

로드 중.... (전체 텍스트 보기)

전체 글

(1)

Methanol-DMC 이성분계의 기액 상평형 실험 및 압력변환 증류공정에 대한 공정 최적화 연구 압력변환 증류공정에 대한 공정 최적화 연구

2013년 9월 27일(금) 2013년 9월 27일(금)

조재숙, 김동선, 조정호, 고재천 , 백준현

공주대학교, 포항산업과학연구원(RIST)

(2)

서론 : Pressure-Swing Distillation의 원리

1.0 C B

< 압력변환 증류공정의 원리 >

0.8

0.9 LP Column

HP Column Diagonal line

C

D F 2

hanol) 0 5

0.6

0.7 D

D 근처 C 근처 F

1

F

2

y (met h

0.3 0.4 0.5

B A

0.1 0.2

F

A : 고순도 DMC

B : 고순도 Methanol

각 Point의 정의

x (methanol)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

A

F 1

B : 고순도 Methanol C : 고압에서의 공비 조성 D : 저압에서의 공비 조성 F1 : LP Column의 Feed 조성 F2 : HP Column의 Feed 조성 F2 : HP Column의 Feed 조성

(3)

서론 : 기액 상평형 실험의 필요성

MeOH-DMC 계의 Txy 선도 at P=30 kPa ChemCAD v6.3.1

PRO/II with PROVISION 9.1 Aspen Plus v7.3

기액 상평형 실험을 통한

MeOH-DMC 이성분계 매개변수 도출 필요

MeOH DMC 이성분계 매개변수 도출 필요

(4)

기액 상평형 실험 - 방법

< 기-액 상평형 실험 방법 >

기-액 상평형 실험 전 표준시료 제조를 통한 검량선 작성

검량선 작성

순수 성분의 끓는점 측정을 이용한 순수 성분의 끓는점 측정을 이용한

기-액 상평형 실험 장치 검증

상압(1013 mbar) 및 저압(300 mbar) 조건에서 상압(1013 mbar) 및 저압(300 mbar) 조건에서

기-액 상평형 실험 수행

기 액 상평형 실험 결과를 정리하여

Fischer사의 기-액 상평형 실험 장비

기-액 상평형 실험 결과를 정리하여 TXY 및 XY Plot 작성

(5)

기액 상평형 실험 - 표준시료 제조

 표준시료 제조 (MeOH-DMC)

wt% MeOH 질량 (g) DMC 질량 (g) 총 질량 (g) MeOH 실제질량 (g)

MeOH 실제농도 (wt%)

0 0.00 20.00 20.00 0.000

0.000

※ MeOH 순도 : 99.9 wt%, DMC 순도 : 99.5 wt%

10 2.01 17.99 20.00 2.008

10.040

20 4.00 15.99 19.99 3.996

19.990

30 6.00 14.00 20.00 5.994

29.970

40 8 00 12 00 20 00 7 992

39 960

40 8.00 12.00 20.00 7.992

39.960

50 10.00 10.00 20.00 9.990

49.950

60 12.01 7.99 20.00 11.998

59.990

70 14 00 6 01 20 01 13 986

69 895

70 14.00 6.01 20.01 13.986

69.895

80 16.00 4.00 20.00 15.984

79.920

90 18.00 2.00 20.00 17.982

89.910

100 20 00 0 00 20 00 19 960

99 800

100 20.00 0.00 20.00 19.960

99.800

(6)

기액 상평형 실험 - 검량선 작성

x1 x2 x3 y SD

x1 x2 x3 y SD

16.42 16.37 16.23 10.04 0.08

(7)

기액 상평형 실험 - MeOH-DMC 이성분계

평형 도달 체크사항

메탄올 이용하여 기-액 상평형 장치 세척

메탄올에 DMC를 조금씩 가하면서 Sampling 수행

채취한 Sample의 GC 정량분석 및 농도 확인

평형 도달 체크사항

액상과 응축된 기상이 일정하게 떨어짐

기상과 액상의 온도의 시간에 따른 일정함

Control valve와 Control box를 이용하여 설정한 압력

(8)

기액 상평형 실험 데이터 (상압 : 1 atm)

상압(1 atm)에서의 실험 수행

질소 가스를 이용하여 1 atm 압력을 구현한 후 실험을 수행 Pressure Throttle valve를 이용하여 좀 더 세밀하게 압력을 조절함

ol

0.9 1.0 89

91 93

Liquid mole fraction of methanol Vapor mole fraction of methanol

tion of methan

0 5 0.6 0.7 0.8

ature(℃)

77 79 81 83 85

87 Vapor mole fraction of methanol

Vapor mole frac

0.2 0.3 0.4 0.5

Tempera

67 69 71 73 75 77

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

V

0.0 0.1

Mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

63 65 67

(9)

기액 상평형 실험 데이터 (저압 : 30 kPa)

저압(30 kPa)에서의 실험 수행

진공 펌프를 이용하여 30 kPa 압력을 구현한 후 실험을 수행 진공 펌프에 별도의 Valve를 설치하여 좀 더 세밀하게 압력을 조절함

ol

0.9 1.0

55 57 59

Liquid mole fraction of methanol Vapor mole fraction of methanol

tion of methan

0 5 0.6 0.7 0.8

ature(℃)

47 49 51 53

p

Vapor mole frac

0.2 0.3 0.4 0.5

Tempera

37 39 41 43 45

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

V

0.0 0.1

Mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

33 35 37

(10)

기액 상평형 실험 데이터 (고압 : 10 atm)

고압(10 atm)에서의 실험 데이터

RIST로부터 제공받은 논문(S.-J. Wang et al. 2010)에서 고압 조건에서의 기액 상평형 실험 데이터 이용

ol

0.9 1.0 183

ction of methan

0 5 0.6 0.7 0.8

ature(℃)

163 173

Vapor mole frac

0.2 0.3 0.4 0.5

Temper

143 153

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

V

0.0 0.1

Mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

133

(11)

NRTL Parameters regression (상압 : 1 atm)

1.0

han ol

0.8

0.9

실험값 Regression값

공비조성

0.85 0.8599

on of met h

0.6 0.7

i : methanol, j : DMC

공비온도

63.62℃ 63.45℃

m ole f racti

0 3 0.4

0.5

Thermodynamic

Model

Binary parameter

aij -7.6996

Va por m

0.1 0.2 0.3

Calc. Data at 1 atm

EXP Data at 1 atm (KNU 2013)

NRTL-RK

aji 4.4904 bij 3026.1 bji -1464.2

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

EXP. Data at 1 atm (KNU. 2013)

αij 0.3

q

(12)

NRTL Parameters regression (저압 : 30 kPa)

1.0

실험값 Regression값

han ol

0.8

0.9

공비조성

0.81 0.7969

공비온도

35.11℃ 34.71℃

on of met h

0.6 0.7

Thermodynamic Model

Binary parameter

i : methanol, j : DMC

m ole f racti

0 3 0.4

0.5

Model parameter

aij -11.844 aji 4.9493

Va por m

0.1 0.2 0.3

Calc. Data at 30 kPa

EXP. Data at 30 kPa (KNU. 2013)

NRTL-RK

bij 4155.7 bji -1502.7

αij 0.3

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

( )

βij -0.000229

q

(13)

NRTL Parameters regression (고압 : 10 atm)

1.0

han ol

0.8

0.9

실험값 Regression값

공비조성

0.9621 0.9206

on of met h

0.6 0.7

i : methanol, j : DMC

공비온도

137.09℃ 136.85℃

m ole f racti

0 3 0.4

0.5

Thermodynamic

Model

Binary parameter

aij 2.0

Va por m

0.1 0.2 0.3

Calc. Data at 10 atm

EXP. Data at 10 atm (S.-J. Wang et al. 2010)

NRTL-RK

aji -1.9085 bij -372.89 bji 784.54

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

( g )

αij 0.3

q

(14)

NRTL Parameters regression (고압 : 10 atm)

1.0

han ol

0.8

0.9

실험값 Regression값

공비조성

0.9621 0.9610

on of met h

0.6 0.7

i : methanol, j : DMC

공비온도

137.09℃ 137.18℃

m ole f racti

0 3 0.4

0.5

Thermodynamic

Model

Binary parameter

aij 1.9009

Va por m

0.1 0.2 0.3

Calc. Data at 10 atm

EXP. Data at 10 atm (S.-J. Wang et al. 2010)

NRTL-RK

aji -1.9085 bij -392.89 bji 784.54

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

( g )

αij 0.3

q

(15)

Design of PSD: (Paper) using Aspen Plus

Feed

#7

#10

P=1.2 MPa

Feed

378 kg/hr MeOH 89.01 wt%

DMC 10.89 wt%

NH3 0 099 %

P=0.1 MPa

#32 #26

0.6949 MW

=0.5979 Mkcal/hr

0.5266 MW

=0.4531 Mkcal/hr NH3 0.099 wt%

(99.5 wt%) (99.5 wt%)

300 TPA DMC

0.5979 Mkcal/hr 0.4531 Mkcal/hr

Design and Control of Dimethyl Carbonate-Methanol Separation via Pressure-Swing Distillation

H M i W i F W J Li Zh B Li

Hong-Mei Wei, Feng Wang, Jun-Liang Zhang, Bo Liao,

(16)

압력에 따른 Regression 결과

1.0

han ol

0.8

0.9 97.00 mole%

on of m et h

0.6 0.7

m ol e fr act io

0.4 0.5

84.83 mole%

Vapo r m

0 1 0.2 0.3

Calc. Data at 1 bar Calc. Data at 12 bar C l D t t 0 3 b

79.69 mole%

Li id l f ti f th l

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

0.1

Calc. Data at 0.3 bar

Liquid mole fraction of methanol

(17)

PSD 모델링 : High(12 bar)-Low(1 bar) 배열

NH3 제거 NH3 제거

High P=12 bar Low P=1 bar

Feed

378 kg/hr 378 kg/hr MeOH 95.64 mole%

DMC 4.16 mole%

NH3 0.002 mole%

DMC 99 5 %

DMC 99.5 wt%

(18)

공정 최적화 (Column spec. MeOH 조성)

)

3.0

)

0.315 0.320 T01 Reboiler duty

T02 Reboiler duty

High pressure column optimization

High pressure column optimization

boiler duty(106 kcal/hr) 1.5 2.0 2.5

boiler duty(106 kcal/hr) 0 300 0.305 0.310 0.315

2.4 2.6 2.8

20 22 24 Reboiler duty

Reflux ratio

High pressure column optimization

Mole percent of methanol

93.6 93.7 93.8 93.9 94.0 94.1 94.2 94.3 94.4

T01 Reb

0.5

1.0 T02 Reb

0.290 0.295 0.300

10

6

kca l/hr)

1.8 2.0 2.2

rat io

16 18 20

Mole percent of methanol

hr) 3.0

3.5

High pressure column optimization

eboiler d uty( 1

1.2 1.4 1.6

Re flu x r

10 12 14

oiler duty(106 kcal/h 2.0 2.5

R e

0 4 0.6 0.8 1.0

4 6 8

93.6 93.7 93.8 93.9 94.0 94.1 94.2 94.3 94.4

Total rebo

0.5 1.0 1.5

(93.6, 0.9698)

Mole percent of methanol

93.6 93.7 93.8 93.9 94.0 94.1 94.2 94.3 94.4 0.4

(19)

공정 최적화 (Column spec. MeOH 조성)

) 0.70

0.72

)

0.38 0.40 T01 Reboiler duty

T02 Reboiler duty

Low pressure column optimization

Low pressure column optimization

boiler duty(106 kcal/hr) 0 64 0.66 0.68 0.70

boiler duty(106 kcal/hr) 0 32 0.34 0.36 0.38

0 8 0.9

18 20 Reboiler duty

Reflux ratio

Low pressure column optimization

Mole percent of methanol

85.0 85.2 85.4 85.6 85.8 86.0 86.2 86.4 86.6 86.8 87.0

T01 Re

0.60 0.62 0.64

T02 Re

0.28 0.30 0.32

10

6

kca l/hr)

0.6 0.7 0.8

rat io

12 14 16

/hr) 1.01

1.02

Low pressure column optimization

p

eboiler d uty( 1

0.4

0.5

Re flu x r

8 10

boiler duty(106 kcal/

0.99

R e

1.00

0.2 0.3

2 4 6

85.0 85.5 86.0 86.5 87.0

Total reb

0.96 0.97 0.98

(86.0, 0.9698)

Mole percent of methanol

84.5 85.0 85.5 86.0 86.5 87.0 2

85.0 85.5 86.0 86.5 87.0

(20)

공정 최적화 (이론단수)

55 60

High pressure column optimization

50 55

Low pressure column optimization

etical stages

45 50 55

etical stages

40 45 50

초기 투자비용 증가

mber of theore

30 35 40

mber of theore

25 30 35

32단 26단

운전비용 증가

3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4

Nu

20 25 30

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Nu

15 20

운전비용 증가

25

Reflux ratio Reflux ratio

(21)

공정 최적화 (Feed 유입단)

High pressure column optimization Low pressure column optimization

0.85

High pressure column optimization

0.9

Low pressure column optimization

0

6

kca l/h r)

0.75 0.80

0

6

kca l/h r)

0.7 0.8

boiler du ty (1

0.70

boiler du ty (1

0.5 0.6

Re b

0.60 0.65

(16, 0.5941)

Re b

0.3 0.4

(9, 0.3050)

Feed tray location

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Feed tray location

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

(22)

High-Low 배열 PSD 공정 최적화 결과

NH3 제거

Feed

378 kg/hr

NH3 제거

0.5509 Mkcal/hr 0.3384 Mkcal/hr

MeOH 95.64 mole%

DMC 4.16 mole%

NH3 0.002 mole%

MeOH 93.6 mole% MeOH 86 mole%

#9

Hi h P 12 b L P 1 b

#16

High P=12 bar

#32

Low P=1 bar

#26 MeOH 91.59 mole%

0 3050 Mkcal/hr

DMC 99 5 t% MeOH 99 5 wt%

0.5941 Mkcal/hr 0.3050 Mkcal/hr

DMC 99.5 wt% MeOH 99.5 wt%

(23)

공정모사 결과 비교

Reference by H.M. Wei et al. High-Low configuration

High P (12 bar) Low P (1 bar) Hi h P (12 b ) L P (1 b ) High P (12 bar) Low P (1 bar)

Nstage 32 26

Feed tray location 10 7

High P (12 bar) Low P (1 bar)

Nstage 32 26

Feed tray location 16 9

Product at Bottom 99.5 wt% DMC 99.5 wt% MeOH Reboiler duty

(Mkcal/hr) 0.5979 0.4531

y

Product at Bottom 99.5 wt% DMC 99.5 wt% MeOH Reboiler duty

(Mkcal/hr) 0.5941 0.3050

(Mkcal/hr) Total duty

(Mkcal/hr) 1.0510

(Mkcal/hr) Total duty

(Mkcal/hr) 0.8991

Reference 보다 PRO/II를 이용한 High-Low 배열 최적화 시 14 4% 총 duty 감소 효과

Reference 보다 PRO/II를 이용한 High Low 배열 최적화 시 14.4% 총 duty 감소 효과

(24)

PSD 모델링 : Low(1 bar)-High(12 bar) 배열

NH3 제거

Low P=1 bar High P=12 bar

Feed

378 kg/hr M OH 95 64 l %

M OH 99 5 %

MeOH 95.64 mole%

DMC 4.16 mole%

NH3 0.002 mole%

MeOH 99.5 wt%

(25)

공정 최적화 (Column spec. MeOH 조성)

Low pressure column optimization

) 0.50

0.55

)

0.62 T01 Reboiler duty

T02 Reboiler duty

Low pressure column optimization

0.50 0.55

22 24 Reboiler duty

Reflux ratio

Low pressure column optimization

boiler duty(106 kcal/hr) 0.35 0.40 0.45

boiler duty(106 kcal/hr) 0.56 0.58 y 0.60

0

6

kca l/hr)

0.40 0.45

atio

16

18 20

Mole percent of methanol

84.0 84.5 85.0 85.5 86.0 86.5 87.0

T01 Reb

0.20 0.25 0.30

T02 Reb

0.52 0.54

boil er duty(1

0 30 0.35 0. 0

Re flu x ra

10 12

14 Mole percent of methanol

hr) 0.92

0.94

Low pressure column optimization

Re b

0.25 0.30

4 6 8

boiler duty(106 kcal/

0.88 0.90

Mole percent of methanol

84.0 84.5 85.0 85.5 86.0 86.5 87.0

0.20

84.5 85.0 85.5 86.0 86.5

Total reb

0.82 0.84 0.86

(85.6, 0.8330)

(26)

공정 최적화 (Column spec. MeOH 조성)

0.34 0.22

T01 Reboiler duty T02 R b il d t

High pressure column optimization

0 20 0.22

Reboiler duty 6 Reflux ratio

High pressure column optimization

oiler duty(106 kcal/hr) 0.31 0.32 0.33

oiler duty(106 kcal/hr) 0.16 0.18 T02 Reboiler duty 0.20

0

6

kca l/hr)

0.18 0.20

tio

4

5 Reflux ratio

90.0 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 93.0

T01 Rebo

0.28 0.29 0.30

T02 Rebo

0.10 0.12 0.14

oiler d uty(1 0

0.14 0.16

Re flu x ra t

3

4 Mole percent of methanol

r) 0 47

0.48

High pressure column optimization

Re bo

0.12

1 2

oiler duty(106 kcal/hr 0.45 0.46 0.47

Mole percent of methanol

90.0 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 93.0

0.10

90 0 90 5 91 0 91 5 92 0 92 5 93 0

Total rebo

0.43 0.44 0.45

(91.4, 0.4373)

90.0 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 93.0

(27)

공정 최적화 (이론단수)

50 55

Low pressure column optimization

45

High pressure column optimization

etical stages

40 45 50

etical stages

35 40

초기 투자비용 증가

mber of theore

25 30 35

mber of theore

25 30

28단 25단

운전비용 증가

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0

Nu

15 20 25

1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8

Nu

15 20

운전비용 증가

Reflux ratio Reflux ratio

(28)

공정 최적화 (Feed 유입단)

High pressure column optimization Low pressure column optimization

0.19 0.20

High pressure column optimization

1 0 1.2

Low pressure column optimization

0

6

kca l/h r)

0.17 0.18

0

6

kca l/h r)

0.8 1.0

boiler du ty (1

0 15 0.16

boiler du ty (1

0.6

Re

0.14 0.15

(15, 0.1355)

Re

0.4

(10, 0.2924)

Feed tray location

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

0.13

Feed tray location

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0.2

(29)

Low-High 배열 PSD 공정 최적화 결과

0 1217 Mk l/h

NH3 제거

0.2963 Mkcal/hr 0.1217 Mkcal/hr

MeOH 91.4 mole%

MeOH 85.6 mole%

#10

MeOH 94 14 mole%

#15

Low P=1 bar

#28

High P=12 bar

#25 MeOH 94.14 mole%

0 1355 Mkcal/hr

Feed

378 kg/hr MeOH 95.64 mole%

C 6 %

DMC 99 5 wt%

MeOH 99 5 wt%

0.2924 Mkcal/hr 0.1355 Mkcal/hr

DMC 4.16 mole%

NH3 0.002 mole%

DMC 99.5 wt%

MeOH 99.5 wt%

(30)

Heat integration 적용 (Low-High 배열)

NH3 제거 NH3 제거

MeOH 94.14 mole%

Feed

378 kg/hr 378 kg/hr MeOH 95.64 mole%

DMC 4.16 mole%

NH3 0.002 mole%

Low P=1 bar High P=12 bar

DMC 99.5 wt%

MeOH 99.5 wt% T02의 Condenser duty만큼 T01의 R b il 와 열통합 MeOH 99.5 wt%

T01의 Reboiler와 열통합

(31)

공정모사 결과 비교

High-Low configuration Low-High configuration

High P (12 bar) Low P (1 bar) L P (1 b ) Hi h P (12 b ) High P (12 bar) Low P (1 bar)

MeOH at Top 93.6 mole% 86.0 mole%

Product at Bottom 99.5 wt% DMC 99.5 wt% MeOH

Low P (1 bar) High P (12 bar) MeOH at Top 85.6 mole% 91.4 mole%

Product at Bottom 99.5 wt% DMC 99.5 wt% MeOH Reboiler duty

(Mkcal/hr) 0.5941 0.3050

Total duty

(Mkcal/hr) 0.8991

Reboiler duty

(Mkcal/hr) 0.2924 0.1355

Total duty

(Mkcal/hr) 0.4279

(Mkcal/hr) (Mkcal/hr)

0 3062 Mkcal/hr

High-Low 배열보다 Low-High 배열이 52.4% 총 duty 감소 효과

Heat integration 적용 시 65 9% 총 duty 감소 효과 0.3062 Mkcal/hr

Heat integration 적용 시, 65.9% 총 duty 감소 효과

(32)

감사합니다

감사합니다.

참조

관련 문서

스마트키가 차 안에 있을 경우 앞 좌석 도어를 열고 도어 잠금 버튼이나 중앙 도어 잠금 스위치로 잠금하면 다시 해 제되며 잠금되지 않습니다.. 차가 움직일 때는 항상 도어를

조향 핸들을 움직이면 조향축이 피니언 기어의 랙을 왼쪽 또는 오른쪽으로 움직 이며 이것은 타이로드와 조향 암을 움직여서 조향 너클과

안전 벨트를 착용하지 않거나 부정확하게 착용 한 상태에서 에어백이 작동하면 오히려 에 어백 작동에 의해 부상을 입을

좌석 등받이를 과도하게 뒤로 기울이 면, 차량 충돌 또는 급정차 시 승차자가 안 전벨트 아래로 미끄러질 수 있습니다... 다만, 시동이 꺼진 상태에서 너 무 자주

그렇지 않으면 어린이 보조 좌석 에 앉아 있는 어린이가 늘어져 있는 안전벨트를 잡 아당겨 몸에 압박을 당해서 심하게 다치거나 사망할 수 있습니다.. • 어린이

: 태양에너지를 열에너지로

주차 브레이크 (parking brake) 마스터 실린더 (master cylinder) 브레이크 페달 배력 장치.. (booster) 주차

장치 레이저 포인터 오목거울