프로판과 부탄 증류를 위한 고효율 분리벽형 증류탑 설계 :Design of high-efficiency divided wall distillation columns for propane and butane

김남근

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김남근 (연세대학교, 연세대학교 대학원)

지도교수: 이창하

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

프로판과 부탄 분리를 위한 고효율 분리벽형 증류탑 설계

김남근 , 류현욱 , 강성오 외 2명 한국수소및신에너지학회논문집 2019.02 학술저널

프로판과 부탄 증류를 위한 고효율 분리벽형 증류탑 설계

김남근 엔지니어링융합학과 2019.01 학위논문

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사회적으로 미세먼지 등의 대기환경 문제가 이슈화되고 있다. 지속적으로 저하되는 대기의 질 때문에 에너지산업 및 환경부에서는 대책의 일환으로 LPG를 대체연료로 지목하고 있다. 이에 따라, 조선에서는 LPG 추진 엔진을 선보이기도 하고, LPG 연료를 사용할 수 있는 1톤 봉고차를 출시하기도 하였다. 국내의 LPG 연료의 가격이 가솔린 또는 경유보다 낮아 차량유지비 절감과 연소시 기화되는 특성으로 입자상물질 배출도 낮아 환경적으로 유리한 측면있다. 따라서 가솔린 연료 및 LPG를 사용하는 자동차의 배출가스 및 연소성능에 관한 연구들도 지속적으로 진행되고 있다. LPG의 경우 질소산화물(NOx) 배출량이 경유차의 1/93, 휘발유의 1/3 수준으로 낮으며 전국적인 충전망이 갖춰져 있어 환경적, 사업적 기대효과가 큰 것으로 알려져 있기 때문이다.
LPG를 생산하는 De-Methanizer, De-Ethanizer, De-Propanizer, De-Butanizer인 LPG train을 모사하였다. 이 중 De-Propanizer와 De-Butanizer에 분리벽형 증류탑(Divided Wall Column)을 적용하였다. 앞서 언급한 바와 같이 최근 연료용, 석유화학용으로 실제 산업에 많이 쓰이고 있기 때문이다. 석유화학용으로 사용된 예로, 한 기업에서는 프로판에서 수소를 제거하여 프로필렌을 만드는 ‘프로판 탈수소화(PDH)’ 공장으로 연간 70만t의 LPG를 연료로 사용할 정도로 수요가 높다.
De-propanizer와 De-butanizer에 분리벽형 증류탑(Divided wall column)을 적용한 후, case study를 통하여 효율을 증가시켰다. 설계변수, 운전변수를 고려하여 case study를 수행하여 효율을 향상시켰다. 설계변수는 주분리기 단수와 측류 단수를 결정하였으며, 운전변수는 분리벽형 증류탑 내 액상분기흐름과 기상분기흐름을 결정하였다.
분리벽형 증류탑을 적용한 후 기존 연속증류탑 대비 Energy Saving Index(ESI)는 30.30% 이다. 이후 설계와 운전 양 측면의 변수를 case study를 통해 결정하여, 총 31.36%의 에너지 절감을 보였다.
본 연구를 통해 분리벽형 증류탑 설계시 에너지를 절감할 수 있으며, 분리벽형 증류탑을 적용 후 추가 에너지 절감을 이루기 위해 어떤 변수에 case study를 적용해야 하는지 결정하는데 중요한 자료가 될 것이다.

Air pollution is an important effect of the global environment. he government and the energy industrial will not let LPG emit would made air pollution be discharged. In Korea, LPG propulsion engines are being introduced. LPG fuel is also used for a 1-ton truck. Because LPG has a low NOx emission rate of 1/93 of light oil vehicle and 1/3 of gasoline. Additionally, it has a wide charging network. Expected effect for environment and business is great.
De-Methanizer, De-Ethanizer, De-Propanizer, De-Butanizer, LPG train that produces LPG. A divided wall column was applied to the De-Propanizer and De-Butanizer. Recently, it is used for the petrochemical industry because it is widely used in real industry. For example, one company has a ''propane dehydrogenation (PDH)'' plant that removes hydrogen from propane to produce propylene, which is high enough to use 700,000 tons of LPG per year as fuel.
Divided Wall Column complements the disadvantages of the Petlyuk column to increase the efficiency of conventional distillation column. After applying the divided wall column, the efficiency was increased through case study. The case study improved the efficiency by considering design variables and operating variables. The design variables were determined as the number of main column in divided wall column and the number of sidestream stages. The operating parameters determined the internal liquid flow and the internal vapor flow in divided wall column.
The energy saving index (ESI) of divided wall column is 30.30%. In the case study, when the design variables and the operating variables were considered, 1.06% additional energy reduction was achieved, resulting in a total ESI of 31.36%.
In this study, energy savings can be expected in the design of high efficiency divided wall column. It will also help to determine which variables should be applied to the case study to achieve additional energy savings after applying the divided wall column.

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