메틸 아세테이트 생산을 위한 반응증류 공정의 동적 최적화 = Dynamic optimization of a reactive distillation column producing methyl acetate
저자
발행사항
서울 : 연세대학교 대학원, 2003
학위논문사항
학위논문(석사)-- 연세대학교 대학원: 화학공학과 2003. 2
발행연도
2003
작성언어
한국어
주제어
KDC
570.32 판사항(4)
발행국(도시)
서울
형태사항
iv, 57p. : 삽도 ; 26 cm.
일반주기명
지도교수: 문일
소장기관
본 연구는 국내 최초로 반응증류 공정에 동적 최적화를 적용하여 최적의 운전 조건을 찾는 것이다. 기존의 연구에서는 동적 최적화를 여러 공정에 적용하여 각 공정에서 중요한 공정 변수의 최적값을 찾아내고 그것을 검증하는 동적 모사를 수행하여 왔다. 하지만 반응증류 공정의 동적 최적화에 관한 연구는 국내에서 시도된 적이 없었다. 본 연구에서는 연속 반응증류 공정에 대해서 동적 최적화를 적용하여 최적 운전 조건을 구하며 이를 동적 모사를 통해 검증하였다.
반응증류 공정은 전형적인 반응공정과 증류공정을 통합하여 증류탑에서 반응과 동시에 분리를 수행하는 공정이다. 반응증류 공정의 가장 큰 장점은 반응 전환율의 제약과 공비점으로 인한 제약을 효율적으로 극복할 수 있다는 데 있다. 본 연구에서는 에스테르화반응으로 얻어지는 대표적인 물질인 Methyl Acetate를 합성, 생산하는 연속 반응증류 공정의 상세한 수학적 모델을 구성하여 동적 모사 및 동적 최적화를 수행하였다.
상평형을 가정한 평형단 모델에 반응속도식을 적용하여 분리와 반응이 함께 일어나는 증류탑과 재비기 및 응축기를 수학적 모델로 구성하여 동적모사를 수행하여 실제 공정이 운전되는 시나리오대로 공정전체를 모사함으로써 공정 개시부터의 공정의 동적 특성을 살펴보았다. 이 동적 모델과 연계되어, 반응증류 공정으로 얻어지는 Methyl Acetate의 순도를 목적함수로 하는 최적화 문제를 구성하여 그 결과로 최적의 Feed ratio 및 재비기의 Duty 및 Reflux ratio를 구할 수 있었다. 또한 여기서 얻어진 운전 변수의 값을 변화시킬 때 반응 전환율의 변화를 살펴봄으로써, 최적화 문제의 해로 구해진 운전 변수의 값의 타당성을 증명하였다.
Using dynamic optimization technics, this study found the optimal design parameters and the optimal operation variables of a reactive distillation column. Different from steady state optimization, dynamic optimization make it possible considering operation ability as well as design problems at process design step. For performing dynamic optimization, dynamic simulation should be done first. If dynamic simulation is already finished, dynamic optimization can be performed with less effort than that of dynamic simulation.
Until now, dynamic optimization technics have been applied to several processes such as TSA(Temperature Swing Adsorption), PSA(Pressure Swing Adsorption) and conventional distillation. Consequently, the optimal values of process variables in each process was found and they were verified by being applied to dynamic simulations.
Reactive distillation systems involving reaction and separation in a single unit have the potential to reduce capital and operating costs, particularly when reaction have conversion constraint or when azeotropes exist making conventional separation difficult and expensive. This study here present work on the continuous distillation process, the homogeneous catalyzed esterification of methanol and acetic acid, the synthesis of methyl acetate. Based on an equilibrium stage model of a reactive distillation column a dynamic optimization problem was formulated and solved. And that results were verified by performing dynamic simulation and showing the variation of conversion and purity as the variation of the operation variables.
As the results of dynamic optimization, this study found optimal feed ratio, reflux ratio and reboiler duty of this system. And as this study applied it to dynamic simulations the dynamic characteristics of a reactive distillation column are showed under optimal operating condition.
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