배치 정제 공정의 고급 제어 개념

자료제공자: 이병로

배치 정제(BATCH DISTILLATION)의 경제적인 운전을 위하여 생산(운전) 시간을 최소화 하는 것이 요구되며 이를 위하여 VAPOR와 LIQUID TRAFFIC의 한계운전을 하는 것이 중요한 요소이다.
이는 고정된 HEAT INPUT이나 HEAT INPUT의 COLUMN 차압(DP: Differential Pressure)제어에 의해 한계 운전을 성취할 수 있다.
만일 여러 요소들의 각각이 VAPORIZATION을 위해 다른 온도 (열량)가 요구된다면 HEAT INPUT은 VAPOR FLOW CONSTANT를 유지키 위하여 변하여야 한다.
또한 중요한 사항의 하나로서 REFLUX LOOP상의 LIQUID를 최소화하는 것이 요구된다.
PRODUCT로서 사용될 수 없는 정제된 어떠한 MATERIAL은 "SLOP-CUT"으로서 다음 배치에서 다시 정제를 시키기 위하여 별도로 수집하여야 한다.
이는 결국 나중에 회수(RECOVER)되겠지만 생산의 감소 및 과도한 운전 비용 소비를 의미한다.
따라서 REFLUX ACCUMULATOR는 필요가 없으며 위 그림과 같이 TROTTLING REFLUX에 의해 DISTILLATE FLOW를 제어하는 것이 바람직하다.
DISTILLATE FLOW가 ZERO에 다다르는 CUT의 종단 시점에서 REFLUX VALVE 상의 LIQUID는 최소양이 될 것이다. PRESSURE CONTROL은 하나 이상의 성분이 정제되어 진다면 CONDENSER 표면을 통한 온도 강하는 그 PRODUCT의 DEW POINT와 함께 변하기 때문에 단일 성분의 경우 보다 좀 더 복잡하다.
ENERGY SAVE를 위하여 PRESSURE는 정제 기간 동안 가능한 낮게 유지되어야 하며 압력의 변화에 대해서는 온도 측정에 의하여 그 온도를 보상하여 주어야만 한다.

1. Constant Distillate Rate

VAPOR RATE V 가 일정하다면 DPC(Differential Pressure Controller)에 의하여 제어 함으로서 DISTILLATE (D) 또는 REFLUX (L)의 조작은 REFLUX RATIO를 통하여 그 SEPARATION에 영향을 준다.
DISTILLATE D를 일정하게 유지한다면 그때 SEPARATION 은 고정된다. BOTTOM COMPOSITION X는 DISTILLATE (D)가 끝날 때까지 계속적으로 변하기 때문에 BATCH DISTILLATE는 불안정-상태 (UNSTEADY STATE) 프로세스인 것이다.
만일 D/V가 일정하다면 DISTILLATE COMPOSITION Y는 X가 변함에 따라 변할 것이다. 그때 DISTILLATE COMPOSITION은 LIGHT COMPONENT가 TOWER에서 제거되어지는 시간에 따라 변할 것이다.
초기 CHARGE W0 (LIGHT COMPONENT X0 mol FRACTION를 함유) 그리고 어떠한 시간 t일 때 남은 양은,

W = W0 - D˙t

시간 t에서 BOTTOM COMPOSITION X는 LIGHT COMPONENT의 MATERIAL BALANCE로부터 구할 수 있다. (이때 TRAY의 정체는 무시)

W˙X =	W0 ˙ X0 - D∫Y dt
X = =	(W0- D∫Y dt) / W (W0 ˙ X0- D∫Y dt) / ( W0 -D˙t)

정확한 사양에 맞는 최종적인 내용물의 DISTILLATE는 RECEIVER에 수집된다. 따라서 y의 평균값, 지정된 Y' 는 제어된 변수이다. CONSTANT DISTILLATE RATE는

Y' = (D∫Y dt)/( D˙t) = ∫Y dt / t

DISTILLATE의 중지는 Y'가 희망 값으로 되어 질 때 정지한다.
CONSTANT DISTILLATE RATE 제어의 불리한 점은 첫째로 만일 D/V가 비교적 높다면 SEPARATION이 높을 것이고 그리고 DISTILLATE의 중지는 X값이 비교적 높은 값에서 정지되어질 것이다. 즉, 이는 LIGHT END의 RECOVERY가 빈약하다는 것을 의미한다.
둘째로 만일 RECOVERY를 보강하기 위하여 D/V를 줄인다면 DISTILLATION을 위해 적절하지 못한 시간과 에너지를 소비하게 된다.

2. Constant-Composition Control

배치 증류기(BATCH-STILL)의 운전에 있어 더 효과적인 방법은 CONSTANT DISTILLATION COMPOSITION에 그 기반을 두는 것이다.
BOTTOM COMPOSITION은 계속적으로 변하기 때문에 CONSTANT DISTILLATION COMPOSITION이 유지되어 지는 경우라면 SEPARATION 또한 변할 것이다. 결국 D/V는 배치의 시작부터 높은 것이고 모든 RECOVERABLE PRODUCT가 소진되어 질 때 D/V는 DISTILLATE- COMPOSITION CONTROLLER에 의하여 점차적으로 ZERO로 감소되어 질 것이다.
이러한 기본으로 운전하는 제어 시스템을 앞 그림에서 보여주고 있다. 온도조절기(TEMPERATURE CONTROLLER)에는 DISTILLATE 변화에 일정한 품질을 유지시키기 위하여 적분동작(INTEGRAL ACTION)이 요구된다. DISTILLARE 종단에 가서는 PRODUCT의 FLOW가 감소되는 것 뿐만이 아니라 그것의 변화율 또한 감소되어 질 것이다.
결과적으로 모든 LIGHT COMPONENT는 경제적으로 소진되어지기 힘들 것이다. 따라서 어느 시점에서 DISTILLATE의 중지를 결정하여야 한다. 이 시점은 DISTILLATE FLOW TIME에 대한 가치와 오퍼레이팅 코스트와의 비교에 바탕을 두어 가장 경제적인 시점에서 결정한다. 그 관계를 아래 그림에서 보여 주고 있다.

이것은 MULTICOMPONENT SEPARATION의 경우에서도 BATCH STILL에서 어려움 없이 수용될 수 있음을 나타낸다.
SEPARATION RECEIVER가 각 PRODUCT를 위하여 요구되며 각 PRODUCT를 위한 TEMPERATURE(또는 COMPOSITION) CONTROLLER의 SET POINT재 조정과 RECEIVER의 변경을 위해 프로그램된 CONTROLLER가 필요하다. 그러나 각 ADDITIONAL PRODUCT CUT과 함께 SLOP CUT이 발생되며 PRODUCT의 수가 증가함에 따라 PRODUCT로서 RECOVER되어지는 BATCH의 비율이 감소된다.

3. Maximizing Product Recovery

특정한 시간 간격에서 지정된 평균 COMPOSITION의 PRODUCT를 최대로 RECOVER하는 DISTILLATE WITHDRAWL 컴퓨터 프로그램이 연구되고 있다.
아래 그림은 이러한 프로그램에 의하여 구하여 진 CONSTANT DISTILLATE RATE와 CONSTANT DISTILLATE COMPOSITION 사이의 최적치 관계를 보여준다.

실제적으로 최종 BOTTOM COMPOSITION은 y와 D/V 양쪽 모두 DISTILLATION이 종료되어 질 때 낮기 때문에 가장 낮을 것이다. DISTILLATE vs. COMPOSITION 상관 관계에서 그 최적 DISTILLATE의 전형적인 그래프는 다음과 같다.

이 OPTIMAL 프로그램에 의하면 DISTILLATE FLOW의 현재 가치에 그 운전 초점을 두어 TEMPERATURE (또는 COMPOSITION) CONTROLLER의 SET POINT를 변화 시키는 것이 요구된다. 비록 이 OPTIMAL 프로그램이 LINEAR가 아닐지라도 아래에 단순화한 선형식 (LINEAR EQUATION)이 어느정도 만족할 만한 정도에 근사할 것이다.

Y* = k˙D + y0

여기서 k는 기울기이고 y0 는 절편이다. 이 선형식은 아래의 FUNCTION DIAGRAM과 같이 단순한 배열에 의하여 쉽게 적용할 수 있다.

상기 선형식은 PURITY가 떨어질 때 DISTILLATION FLOW가 감소되어져야 하는 것을 보여주는 반면에 TEMPERATURE는 반대 방향으로 작용되어져야 하는 것을 나타낸다. 그러므로 상기 FUNCTION DIAGRAM에서 SUMMING DEVICE로의 DISTILLATE INPUT은 NEGATIVE이다.
COLUMN안의 LIGHT COMPONENT가 고갈되어 감에 따라 TEMPERATURE는 상승할 것이다. 이때 고정된 SET POINT의 TEMPERATURE COTROLLER의 동작은 DISTILLATE FLOW를 감소시키는 방향으로 동작할 것이다. 그러나 OPTIMAL POLICY는 그 TEMPERATURE SET POINT를 증가 시키는 것이며 이에 따라 FLOW가 다시 증가하게 되는 것이다. 이때 이 SET POINT루프는 STABILITY 문제를 야기하지 않는 NEGATIVE FEEDBACK루프이다.
실질적으로는 이 SET POINT 루프가 없는 PD CONTROLLER가 이와 같은 기능을 제공할 수 있다. 그러나 PROPORTIONAL BAND(비례대)는 이 OPTIMAL POLICY의 기울기 (SLOP)와 맞아야 한다.

4. Logical Operation

초기에 VAPOR가 요구되어지는 FLOW가 생성되어 질 때 까지 HEATING이 되어져야 하며 이는 DIFFERENTIAL-PRESSURE(DP) 컨트롤러에 의하여 결정되어 질것 이다.
COLUMN이 DRY하더라도 평형이 진전되어지지 않으므로 모든 CONDENSED VAPOR는 COMPOSITION (TEMPERATURE)사양이 만족되어 질 때 까지 REFLUX되어져야 한다. 이때 TOP TEMPERATURE CONTROLLER는 DISTILLATE가 흐르도록 자동 모드로 전환한다.
DISTILLATE의 중단은 LOGICAL OPERATOR에 의하여 결정되어 지고 중지되어 지며 TEMPERATURE CONTROLLER는 단지 점차적으로 FLOW를 계속 감소시켜 나갈 뿐이다. 이때 DISTILLATE 중지 이후의 FLOW는 LIGHT COMPONENT가 다음 CUT를 위해서 충분히 감소되어지는 특정 온도에 도달할 때 까지 FIXED FLOW로 보내어 지는 DISTILLATE와 함께 " SLOP-TANK"로 전환되어 저장되어 지도록 한다. 또한 이때 VALUE는 다음 HEAVIER COMPONENT를 수집하기 위해서 SET하며 TEMPERATURE CONTROLLER는 이 COMPONENT에 따른 사양에 따라 SET한다.

<<끝>>