소개글
"증류탑 설계"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 공정 모사를 통한 증류탑 설계 개요
1.2. 증류탑 설계 실험의 목적
2. 실험 이론
2.1. VLE (Vapor-Liquid Equilibrium)
2.2. EOS (Equation of State)
2.3. 증류탑 설계 이론
2.3.1. Tray Column
2.3.2. Packed Column
2.3.3. Condenser
2.3.4. Reboiler
2.4. Degree of Freedom
2.5. McCabe-Thiele Method
3. 증류탑 설계
3.1. 증류탑 설계 절차
3.2. Aspen Plus를 이용한 설계
3.3. McCabe-Thiele 방법을 이용한 설계
4. 안전 및 윤리 고려사항
4.1. 공정 안전 고려사항
4.2. 환경 및 윤리 고려사항
5. 결론
6. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 공정 모사를 통한 증류탑 설계 개요
공정 모사는 현실 세계에서 일어나는 물리적, 화학적 과정을 수학적으로 모델링하여 컴퓨터 상에서 구현하는 것이다. 이를 통해 실제 증류탑 설계 과정에서 발생할 수 있는 다양한 변수와 문제점들을 미리 확인하고 해결방안을 도출할 수 있다. 특히 Aspen Plus와 같은 공정 모사 프로그램을 활용하면 증류탑의 설계 조건, 운전 변수, 경제성 등을 체계적으로 분석할 수 있다.
증류탑 설계 시 고려해야 할 주요 요소로는 VLE(기-액 평형), 상태방정식, 증류탑 내부 구조(트레이 탑, 충전탑, 콘덴서, 리보일러 등), 자유도 등이 있다. 이러한 요소들을 공정 모사를 통해 종합적으로 분석하면 최적의 증류탑 설계 조건을 도출할 수 있다.
특히 McCabe-Thiele 방법을 활용하면 증류탑 내부의 물질 전달 현상을 시각화하여 이해할 수 있다. 이를 통해 이론 단수, 환류비 등 주요 설계 변수를 보다 정확하게 결정할 수 있다.
결과적으로 공정 모사를 통한 증류탑 설계 과정은 실험의 위험성과 비용을 크게 줄이면서도 최적의 설계 조건을 도출할 수 있다는 점에서 매우 유용한 방법이라 할 수 있다.
1.2. 증류탑 설계 실험의 목적
증류탑 설계 실험의 목적은 2성분 혼합물의 분리를 위해 필요한 증류탑의 설계 조건들을 공정 모사 프로그램을 활용하여 구하고, McCabe-Thiele method를 통해 작도한 결과와 비교, 고찰하는 것이다. 공정 모사 프로그램을 이용한 증류탑 설계와 McCabe-Thiele 방법을 통해 얻은 결과를 상호 비교함으로써 증류탑 설계에 필요한 핵심 변수들을 효과적으로 도출하고 최적의 설계 조건을 도출하는 것이 이번 실험의 주된 목적이라고 할 수 있다.
2. 실험 이론
2.1. VLE (Vapor-Liquid Equilibrium)
VLE (Vapor-Liquid Equilibrium)는 기체상과 액체상, 2상간의 상평형을 의미한다. 이는 액체가 기화되는 증발 현상과 기체가 액화되는 응축 현상의 두 가지 상반된 현상이 같은 속도로 발생하는 동적 평형 상태를 말한다. 기-액 평형은 흡수조작에 의한 설계를 계산할 때 쓰이는 기본데이터이며, 라울의 법칙과 헨리의 법칙 등의 이론적인 법칙이 있다.
증류는 혼합액을 가열하여 비등시키고 상대적으로 끓는점이 낮은 성분을 기상에 농축시키는 방법으로, 이 과정에서의 기-액 평형을 정량적으로 기술하는 것이 VLE이다. VLE 측정방법에는 정적 방법과 동적 방법이 있으며, 실험이 어려운 경우 추산법을 이용하여 VLE를 추산할 수도 있다. VLE 데이터는 증류탑 설계에 필수적인 정보이므로, 정확한 기-액 평형 데이터 확보가 중요하다.
2.2. EOS (Equation of State)
일반적으로 상태 변수는 대상으로 하는 시스템의 특성을 완전히 표시하는 양으로, 어느 순간에서나 시스템의 상태를 결정하는 n개의 변수 x_1(t), x_2(t), ..., x_n(t)의 집합을 말한다. 이들 변수는 시간과 더불어 변화하므로 상태 벡터 x는 시간 t의 함수가 된다.
상태 방정식(Equation of State)은 임의의 시간 t에서 시스템의 상태 벡터를 시스템의 초기 상태 벡터와 시간 t까지 시스템에 인가된 입력 벡터에 의해 표시한 식으로, x(t) = f(x(t_0), u(t_0,t))와 같은 형식으로 나타낼 수 있다. 이는 현대 제어에서 전달함수를 이용한 시스템 모델링의 결점을 보완하고 디지털 컴퓨터에서 시뮬레이션하기 쉽도록 사용되는 상태공간기법의 핵심이다.
상태 방정식을 구하는 방법으로는 다양한 모델이 제시되어 있는데, 그 중 대표적인 것이 SRK(Soave-Redlich-Kwong) 상태방정식과 Peng-Robinson 상태방정식이다. SRK 상태방정식은 순수 성분의 증기압을 잘 예측할 수 있도록 설계되었으며, Peng-Robinson 상태방정식은 온도의 함수로 끓는점 압력을 향상시키기 위해 온도 의존성을 추가한 모델이다. 또한 NRTL(Non-Random Tow Liquids) 모델은 이상용액으로부터 벗어나는 현상을 3개의 interaction parameter를 이용하여 활동도 계수(Activity coefficient)를 구하고 이를 통해 VLE 상평형을 계산하는 모델이다.
이와 같이 다양한 상태 방정식 모델들은 화학공정 설계 및 해석 시 중요한 역할을 하며, 공정 시뮬레이션 프로그램 등에 활용되고 있다.
2.3. 증류탑 설계 이론
2.3.1. Tray Column
Tray Column은 유체간의 접촉이 Tray에서 효율적으로 이루어지도록 설계된 증류탑의 한 형태이다. 탑 내부...
참고 자료
여영구 , 최신공정제어공학 , McGraw-Hill Education사
증류탑 설계시 고려 사항 http://m.blog.naver.com/rokmc9378/60192135058
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단위조작, 서명교, 문운당, 2001, 207～222 page
물리화학 2판, Alberty, Silbey, WILEY, 2000, p.166~169
제어 공학, 이국희, 엔트미디어, 2011, Chapter.11 상태방정식 및 z변환
화학용어사전, 화학용어사전편찬회, 윤창주, 2011
김흥식 외 2인, 증류탑 제어시스템에 관한 일반적 고찰, 2000
박준옥, 3-파라미터 NRTL 모델에 대한 연구, 2008
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