[2023 인하대 화학공학실험] 공정모사실험 결과보고서

문서 내 토픽

1. 공정모사 및 증류탑 설계

이번 실험에서는 Unisim을 이용해 화학 공정의 process를 설계하는 능력을 학습하였습니다. 특히 증류탑을 design하는 과정에서 사용되는 EOS(Equation of State)를 고민하고 이론식과 비교하여 오차를 파악하였습니다. 이를 통해 현업에서 사용되는 Aspen Hysys와 같은 tool과 PFD(Process Flow Diagram)에 익숙해질 수 있었습니다.
2. Rachford-Rice 방정식

증류탑에서 Feed F가 Vapor V와 Liquid L 2개의 상으로 분리된다고 가정하고, 각각의 조성을 구하기 위해 Rachford-Rice 방정식을 유도하였습니다. 이를 통해 vapor/liquid의 조성을 계산할 수 있었습니다.
3. 펌프 캐비테이션

펌프에서 나타나는 문제 중 하나인 캐비테이션(Cavitation)의 정의, 발생 원인, 해결 방법 등을 학습하였습니다. 펌프의 suction head가 운반되는 유체의 증기압보다 낮거나 비슷하면 유체가 기화되어 bubble이나 cavity가 생기는데, 이를 캐비테이션이라고 합니다. 이를 해결하기 위해서는 suction head를 높이고, 흡입관 길이를 줄이는 등의 방법을 사용할 수 있습니다.
4. LMTD(대수평균온도차)

LMTD는 열교환기에서 온도차를 계산하기 위한 방법 중 하나입니다. 산술평균을 이용하면 잘못된 값으로 온도차를 예측할 수 있기 때문에, LMTD 방법을 사용하여 정확한 온도차를 계산할 수 있습니다.
5. 상태방정식 비교(SRK, PR)

Unisim에서는 SRK식과 PR식을 내장하고 있으며, 이 두 가지 상태방정식을 이용하여 모사 결과를 비교하였습니다. SRK식과 PR식은 모두 탄화수소 계산에 널리 사용되며, 약간의 차이가 있지만 유사한 값을 얻을 수 있었습니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 공정모사 및 증류탑 설계

공정모사는 화학공정의 설계, 운전, 최적화 등을 위해 필수적인 기술입니다. 증류탑 설계는 공정모사의 핵심 부분으로, 정확한 모델링과 계산이 요구됩니다. 증류탑 설계 시 고려해야 할 주요 인자로는 원료 조성, 운전 조건, 열역학적 물성, 전달 현상 등이 있습니다. 이를 통해 최적의 증류탑 설계 및 운전 조건을 도출할 수 있습니다. 공정모사와 증류탑 설계는 화학공정 산업에서 매우 중요한 기술이며, 지속적인 연구와 발전이 필요할 것으로 보입니다.
2. Rachford-Rice 방정식

Rachford-Rice 방정식은 다성분 혼합물의 상평형 계산에 널리 사용되는 중요한 수학적 도구입니다. 이 방정식은 기-액 평형 상태에서 각 성분의 몰분율을 계산할 수 있게 해줍니다. 특히 증류공정 설계 및 최적화에 필수적으로 활용됩니다. Rachford-Rice 방정식은 비선형 방정식이므로 수치해석적 방법을 통해 해를 구해야 하며, 이 과정에서 수렴성 및 정확성 확보가 중요합니다. 또한 상태방정식 및 활동도 모델 선택에 따라 결과가 달라질 수 있어 이에 대한 고려도 필요합니다. 전반적으로 Rachford-Rice 방정식은 화학공정 해석에 매우 유용한 도구라고 할 수 있습니다.
3. 펌프 캐비테이션

펌프 캐비테이션은 펌프 운전 시 발생할 수 있는 심각한 문제로, 펌프 성능 저하, 진동 및 소음 증가, 펌프 부품 손상 등을 초래할 수 있습니다. 캐비테이션 발생 원인은 주로 펌프 입구 압력 저하, 유체 유속 증가, 온도 상승 등입니다. 이를 방지하기 위해서는 펌프 설계 시 NPSH(Net Positive Suction Head) 여유도 확보, 펌프 입구 배관 설계 최적화, 운전 조건 관리 등이 필요합니다. 또한 캐비테이션 발생 시 조기 감지 및 대응 방안 마련도 중요합니다. 펌프 캐비테이션 문제 해결을 위해서는 유체역학, 열역학, 재료공학 등 다양한 분야의 지식이 요구됩니다.
4. LMTD(대수평균온도차)

LMTD(대수평균온도차)는 열교환기 설계 및 성능 해석에 널리 사용되는 중요한 개념입니다. LMTD는 열교환기 내 유체의 입출구 온도 차이를 나타내는 지표로, 열전달 구동력을 정량화할 수 있게 해줍니다. LMTD 계산 시 고려해야 할 사항으로는 유체의 온도 변화 형태(병류, 대향류 등), 상변화 유무, 열전달 메커니즘 등이 있습니다. LMTD 개념은 열교환기 설계 뿐만 아니라 증류탑, 반응기 등 다양한 화학공정 장치 해석에도 활용됩니다. 따라서 LMTD에 대한 이해와 정확한 계산은 화학공정 설계 및 최적화에 매우 중요합니다.
5. 상태방정식 비교(SRK, PR)

화학공정 설계 및 해석에서 상태방정식 선택은 매우 중요한 문제입니다. SRK(Soave-Redlich-Kwong)와 PR(Peng-Robinson) 상태방정식은 대표적인 상태방정식으로, 각각의 장단점이 있습니다. SRK 방정식은 계산이 상대적으로 간단하지만 극성 물질이나 수소결합 물질에 대한 예측 정확도가 낮습니다. 반면 PR 방정식은 이러한 물질에 대한 예측 성능이 우수하지만 계산이 복잡합니다. 공정 특성과 요구 정확도에 따라 적절한 상태방정식을 선택해야 하며, 때로는 두 방정식을 혼용하기도 합니다. 또한 상태방정식 매개변수 최적화, 새로운 상태방정식 개발 등 지속적인 연구가 필요할 것으로 보입니다.