비용 산출을 기반으로 한 화학공정의 용수 및 열 교환망 통합 설계 방법 개발
저자
발행사항
서울 : 연세대학교 대학원, 2007
학위논문사항
학위논문(석사)-- 연세대학교 대학원 : 화학공학과 2007.8
발행연도
2007
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
Development of an integrated method for the design of water and heat exchanger networks based on cost estimation of chemical processes
형태사항
viii, 76장 : 삽도 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 문일
소장기관
The objective of this study is to develop a new systematic methodology designing of water and heat exchanger networks in chemical processes. It is applied to chemical processes with multi-contaminants and used to minimize freshwater and utility. The study checks validity of methodology as the results applied to refinery process.To consider both water and energy, the study proposes two methods; (i) two-stage approach and (ii) integrated approach. Two-stage approach is based on a sequential process of designing water network and heat exchanger network synthesis. At the 1 stage, the water network is used to multi-contaminants transshipment model to minimize the freshwater. The model equations include mass balance with the constraint of critical density for the environment. At the 2 stage, the heat exchanger network is constructed with the flows of water network. The objective of the stage is to minimize utility consumption taking into the constraints account composed from energy balance for each process. The integrated approach includes two global iterations of two-stage approach. It is based on mass and energy balance considering all available flows in water network. The objective function is to minimize total annual cost. This approach allows designing the network simultaneously considering mass and energy maintaining process temperature and water quality related to contaminantsThe main contribution of this study is the development of a new methodology for optimal design of water and heat exchanger networks. The integrated approach is shown to provide the process design with higher cost efficiency than other cases in the refinery process.
더보기본 연구는 다 오염원(multi-contaminants)을 포함한 화학공정에서 용수의 재이용과 열교환망 합성을 적용하여 물질 및 에너지를 동시에 고려한 최적 교환망 설계의 새로운 접근 방법을 개발하였고 정유공정에 적용하여 비용 산출을 통해 비교 분석하였다.본 연구에서는 다 오염원을 포함한 화학공정에서 용수 및 에너지 절감을 위한 교환망 설계를 위하여 2 단계 접근법과 통합 접근법의 두 가지 방법으로 제시하였다. 2 단계 접근법은 기존 연구를 기반으로 하였으며 다 오염원을 고려할 수 있게 개선하였다. 이 방법은 용수 교환망 설계와 열 교환망 합성의 두 가지 단계를 순차적으로 수행하는 방법이다. 1 단계에서 폐수 최소화를 위한 다 오염원 수송 모델(transshipment model)을 이용하여 용수 교환망을 설계한다. 원수(freshwater)의 최소화를 목표로 최적화를 수행하며 대상공정에 원수의 유입과 재이용의 성분에 관한 공정 내의 한계농도를 가정하여 환경적인 제약조건을 설정한다. 2 단계에서 용수 교환망에서 설계된 물질 흐름을 바탕으로 열교환망 모델을 설계한다. 각 공정에 에너지 수지를 세우고 핀치이론을 도입한 열교환망 합성을 수행한다. 목적함수는 에너지 소비의 최소화로 설정하여 최종적으로 교환망을 도식화한다. 통합 접근법은 단계를 나누지 않고 용수 교환망과 열 교환망을 동시에 고려할 수 있는 모델이다. 용수 교환망에서 가능한 모든 흐름을 고려하여 용수교환망 설계 및 열교환망 합성을 동시에 실시하는 방법이다. 본 모델은 총 연간비용(total annualized cost)을 목적함수로 설정하고 대상공정의 용수 및 에너지 교환망을 설계하여 총 연간비용을 최소화하는 교환망을 제시한다.본 연구를 통해 제안된 두 가지 접근을 정유공정에 적용하여 용수 교환망을 설치하지 않는 두 가지 경우와 두 가지 접근으로 최적화한 경우를 비용 산출을 활용하여 비교하였다. 비용적 측면에서 용수 및 열교환망을 설치한 경우가 효율적임을 검증하였고 2 단계 접근법을 이용한 경우보다 통합접근법을 이용한 경우 총 연간비용 8.5%의 절감을 나타내었다.
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