Naphtha Cracking Center (NCC) is a plant in which ethylene and propylene are produced by thermal cracking of ethane and naphtha. It is well-known as a large scale plant consuming so much energy and it is not easy to operate the plant because of its severe operating conditions. For example, furnaces are operated at over 800℃, and cold processes are 35bar and -100℃. So, for existing plants, significant economic benefit can be expected by operating at their optimal conditions at which the plant produces ethylene and propylene maximally but consumes utilities minimally as far as keeping the product within desired specifications. But it is imperfect to implement systematic optimization to NCC in Korea that is the fourth place in the world in the aspect of capacity of ethylene production. Therefore in this paper, the concrete method is suggested and carried out.
Modeling, steady-state simulation, and optimization was implemented for cold recovery processes of naphtha cracking center using HYSYS.
The model was built on the basis of given practical process design data, and was verified by comparing steady-state simulation results with practical design data. As an objective function for the optimization, we selected maximization of total profit, that is, revenue from the production of ethylene and propylene minus utility costs. Column specifications was selected as decision variables. And overhead flow rate, reflux flow rate, and bottom flow rate had their constraints. The economic profit was increased by 2.59%(5,400,000,000￦/year) as a result of optimization of operating conditions. In the case that propylene was more expensive than ethylene, the economic profit was increased by 2.41% (4,700,000,000￦/year) as a result of optimization. When the production was at the reduced rate by 10%, the economic profit was increased by 5% (9,400,000,000￦/year). If this optimization of operating conditions is carried out on a larger scale plant, more economic benefit is expected to be achieved.
납사분해공장은 에탄이나 납사 등의 원료를 열분해 방식을 이용하여, 폴리올레핀을 만드는데 사용되는 에틸렌과 프로필렌을 주로 생산하는 공장으로서 800℃가 넘는 열분해로와 35bar, -100℃의 저온 공정을 함께 포함하고 있어 운전이 어려울 뿐 아니라 대규모 에너지를 사용하는 대단위 공장으로 알려져 있다. 따라서 이미 지어진 공장에 대해서는 원하는 에틸렌과 프로필렌의 순도를 맞추는 한도 내에서 최대한 제품을 생산하면서도 최소한의 유틸리티를 사용하는 최적의 운전조건을 찾아냄으로써 많은 경제적 이익을 기대할 수 있다. 하지만 에틸렌 연간생산량 규모가 세계 제 4위인 우리 나라에서는 독자적인 공정최적화 수행이 아직 미비한 상태이다. 따라서 이 논문에서는 납사분해공장의 운전조건을 최적화하는 구체적인 방법을 제시하고 수행했다는 데에 의의가 있다.
본 연구에서는 HYSYS를 이용하여 납사분해공장 중 저온분리공정에 대하여 모델링, 정상상태 모사, 그리고 최적화를 수행하였다.
주어진 실제 공정 디자인 데이터에 맞추어 모델링을 수행하였고, 정상상태 모사를 통하여 주요 공정의 온도, 압력 조건 및 흐름 데이터와 비교하여 모델링이 잘 되었음을 확인하였다. 그리고 에틸렌과 프로필렌을 생산함으로써 얻을 수 있는 수입에서 그때 소모되는 유틸리티의 비용을 뺀 값을 최대화하는 것을 목적함수로 만들고, 주요 증류탑에서의 specifications를 최적화 변수로 선택하여, 각 증류탑의 유량과 제품의 순도를 제한 조건으로 하여 최적운전조건을 찾아보았다. 그 결과 최적화를 수행했을 때에 약 2.59% (연간 5,400,000,000원)의 경제적 이익이 증가함을 알 수 있었다.
이러한 방법을 이용하여 프로필렌의 가격이 에틸렌보다 비쌀 경우와 생산량 10% 감축 결정에 의해 feed의 양이 10% 줄었을 경우에 대하여 최적 조업조건을 찾아보았다. 이때 최적화를 수행했을 때가 그렇지 않을 때보다 각각 2.41% (연간 4,700,000,000원), 5%(연간 9,400,000,000원)의 경제적 이익을 증가시킬 수 있는 것으로 나타났다.
이러한 방법을 급랭공정과 저온압축공정도 포함하는 좀더 큰 문제에 적용할 경우, 더 나아가 열분해로를 포함하는 납사분해공장 전체에 대하여 최적화를 수행할 경우 더 많은 경제적 이익을 낼 수 있을 것이라고 기대할 수 있다.
