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효율적인 제품 분리를 위한 증류(Distillation) 공정 OTS 시뮬레이션

지난 뉴스레터에서는 운전자 교육 시뮬레이터(OTS) 솔루션에 대해서 소개해드렸습니다.

이번 뉴스레터에서는 운전자 교육 시뮬레이터(OTS) 중 석유화학/ 정유 산업군에서 핵심 공정인 Distillation 모델을 소개하고자합니다.

증류(Distillation) 공정은 석유화학 및 정유 산업에서 가장 기본적이면서도 중요한 공정 중 하나로, 원유 및 다양한 혼합물로부터 필요한 성분을 분리하여 고부가가치 제품을 생산하는 데 필수적인 역할을 합니다.

출처 : Simtronics®(SPM-701 Distillation Overview)

증류의 기본 원리

• 증류는 혼합물 내 성분들의 끓는점 차이를 이용하여 이를 분리하는 공정
• 혼합물이 가열되면 저비점(낮은 끓는점)을 가진 성분은 먼저 증발하며, 고비점(높은 끓는점)을 가진 성분은 액체 상태로 남음
• 이를 증류탑(Distillation Column) 내부에서 다단계로 반복하여 순도가 높은 각 성분을 추출
• 예를 들어, 원유 증류 공정에서는 원유를 가열한 후, 증류탑에서 경질 성분(프로판, 부탄 등)부터 중간 유분(가솔린, 디젤) 및 중질 잔사유까지 순차적으로 분리

산업군에서의 중요성

1. 제품 생산의 핵심 공정
   • 증류는 정유 공장에서 휘발유, 디젤, 등유 등의 연료를 생산하는 데 필수적
   • 석유화학 공정에서는 에틸렌, 프로필렌과 같은 기초 화학 원료를 분리하는 데 사용
   • 증류 공정이 없이는 상업적으로 중요한 제품의 생산이 불가능
2. 효율성과 품질 보장
   • 증류 공정은 고품질 제품을 얻기 위해 혼합물을 정밀하게 분리할 수 있는 기술을 제공
   • 이를 통해 생산 공정의 효율성을 극대화하고, 불필요한 부산물의 발생을 줄일 수 있음
3. 에너지 절감과 지속 가능성
   • 증류 공정은 에너지 집약적인 공정으로, 에너지 절감 기술과 최신 설비가 필수적
   • 열 교환기, 에너지 회수 시스템 등이 적용되어 지속 가능한 생산이 가능하도록 발전하고 있음

SPM-701 Distillation OTS 모델은 다음과 같은 Process Flow / Product Specifications / Equipment Specifications / Instrumentation로 구성되어 있습니다.

Process Flow

• SPM-700 증류탑 공정은 C1에서 C8까지의 파라핀(메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄) 중 두 개의 이성분 혼합물을 분리하도록 구성
• 기본 설정은 헥산(C6)과 헵탄(C7)이며, 기본 공급 트레이는 5번 트레이로 설정
• 증류탑의 공급물은 펌프(P-101/2)를 통해 예열기(E-101)로 이동하여 공급 트레이의 최적 온도로 온도가 상승
• 증류탑(C-301)은 열사이펀 타입의 리보일러(E-401)로 가열된다. bottom 제품은 펌프(P-501/2)를 통해 증류탑(C-301)에서 배출되어 제품 저장 시설로 이동
• 증류탑에서 발생한 증기는 상부 콘덴서(E-601)에서 응축되어 리플럭스 드럼(D-701)에서 액체로 축적
• 응축되지 않은 증기는 배출 라인을 통해 배출될 수 있음
• 리플럭스 펌프(P-801/2)는 리플럭스 드럼(D-701) 하부에서 액체를 끌어와 일부는 증류탑으로 리플럭스(재순환)시키고, 나머지는 제품 저장 시설로 보내짐

Product Specifications

• 증류탑에서는 약 53 M3/Hr의 50 WT % 헥산과 50 WT % 헵탄이 분리
• 공급물은 20도씨로 예열기(E-101)에 공급되며, 그 온도는 5번 트레이의 온도인 80도씨로 상승
• 이 작업을 수행하기 위해 11 M3/Hr의 260도씨 ThermOil이 필요
• 증류탑 바닥은 리보일러(E-401)에서 260도씨 ThermOil 55 M3/Hr로 가열되어 95.9도씨로 상승
• 약 26 M3/Hr의 bottom 제품은 7.3 WT %의 가벼운 성분(헥산)을 포함
• 약 73 M3/Hr의 상부 증기가 상부 콘덴서(E-601)에서 응축
• 모든 상부 증기가 응축되므로 배출이 필요하지 않음
• 이 작업을 위해 80 M3/Hr의 20도씨 냉각수 필요
• 응축된 증기 중 약 45 M3/Hr는 펌프(P-801/2)를 통해 증류탑으로 리플럭스(재순환)
• 나머지 28 M3/Hr는 상부 제품으로서 91.1 WT %의 가벼운 성분(헥산)과 69.2도씨로 배출
• 증류탑은 약 0BARG(대기압)에서 운영되며, 전체 탑 압력 강하는 0.07BARG

Equipment Specifications

출처 : Simtronics®(SPM-701 Distillation Overview)

출처 : Simtronics®(SPM-701 Distillation Feed System)

Feed Pump

• 주 공급 펌프(P-101)는 20킬로와트의 정격 출력으로, 증류탑(C-301)에 최대 약 114 M3/Hr를 공급
• 주 펌프와 동일한 정격 출력을 가진 예비 공급 펌프(P-102) 제공
• 공급을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-101 및 BV-102)가 제공
• 증류탑으로의 공급 흐름은 선형 흐름 특성을 가진 공급 제어 밸브(FCV-101)에 의해 조절

출처 : Simtronics®(SPM-701 Distillation Column Profiles)

Distillation Column

• 증류탑(C-301)은 직경 3.1미터, 높이 11.1미터의 원통형 용기로, 여덟 개의 증류 단계(실제 밸브 트레이 약 16개와 트레이 간격 24인치), 리보일러(E-401) 단계, 그리고 콘덴서(E-601) 단계로 구성
• 콘덴서(E-601)의 냉각수 유량과 상부 증기 배출 속도를 적절히 조정함으로써 콘덴서(E-601)를 부분 콘덴서 또는 총 콘덴서로 운영
• 설계 조건에서 콘덴서(E-601)는 총 콘덴서로 운영
• 증류탑(C-301)은 최대 약 114 M3/Hr의 공급을 처리하도록 설계

Preheater

• 예열기(E-101)는 역류식 튜브와 쉘 타입의 열교환기로, 공급물은 쉘 쪽을 통해 통과하고 뜨거운 ThermOil은 튜브 쪽을 통해 통과 함
• ThermOil 흐름은 선형 흐름 특성을 가진 온도 제어 밸브(TCV-102)에 의해 조절
• 뜨거운 ThermOil을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-201 및 BV-202)가 제공
• ThermOil 흐름 루프는 예열기(E-101)에 최대 약 227 M3/Hr의 뜨거운 ThermOil을 제공하도록 설계

출처 : Simtronics®(SPM-701 Distillation Bottoms)

Reboiler

• 리보일러(E-401)는 thermosyphon 역류식 튜브와 쉘 타입의 열교환기로, 공정 유체는 쉘 쪽을 통해 리보일러(E-401)를 통과하고, ThermOil은 튜브 쪽을 통해 리보일러(E-401)를 통과
• ThermOil 흐름은 선형 흐름 특성을 가진 온도 제어 밸브(TCV-501)에 의해 조절
• ThermOil을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-401 및 BV-402)가 제공
• ThermOil 흐름 루프는 리보일러(E-401)에 최대 약 227 M3/Hr의 ThermOil을 제공하도록 설계

Bottoms Product Pump

• bottom 제품은 20킬로와트 정격 출력의 주 bottom 제품 펌프(P-501)를 통해 증류탑(C-301)에서 배출
• 이 펌프는 최대 약 114 M3/Hr의 액체를 배출
• 주 펌프와 동일한 정격 출력의 예비 bottom 제품 펌프(P-502) 제공
• bottom 제품을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-501 및 BV-502)가 제공
• bottom 제품의 유량은 선형 흐름 특성을 가진 레벨 제어 밸브(LCV-301)에 의해 조절
• 증류탑(C-301) 바닥에는 첫 번째 실제 트레이에 도달하기 전에 약 1.2미터의 액체를 허용할 수 있으며, 이는 약 11 M3의 총 용량 또는 11 M3의 액체 용량
• 설계 조건에서 증류탑(C-301) 바닥은 반쯤 채운 상태로 약 3분동안 체류

출처 : Simtronics®(SPM-701 Distillation Overhead)

Overhead Condenser

• 상부 응축기(E-601)는 역류식 튜브와 쉘 타입의 열교환기
• 상부 증기는 쉘 쪽을 통해 콘덴서(E-601)를 통과하고, 냉각수는 튜브 쪽을 통해 콘덴서(E-601)를 통과
• 냉각수 유량은 선형 흐름 특성을 가진 유량 제어 밸브(FCV-601)에 의해 조절
• 냉각수를 차단하기 위해 차단 밸브(BV-601 및 BV-602)가 제공
• 냉각수 Flow 루프는 콘덴서(E-601)에 최대 약 454 M3/Hr의 냉각수를 제공하도록 설계

Reflux Drum