Chemical processes require extensive energy and capital cost to produce massive products because they are the typical mass production industry. Distillation process plays an important role in purifying products and consumes significant amount of energy. As the energy cost increases sharply, it is important to reduce energy consumption and increase productivity in distillation processes.
As an alternative for energy saving in distillation processes, the Petlyuk column was proposed in 1950s. The Petlyuk column can reduce energy consumption by thermal integration of two columns. However, the Petlyuk column has strong interaction between two columns due to thermally integrated two columns. To solve this problem and reduce capital cost of the Petlyuk column, Dividing Wall Column (DWC), which is conceptually same as the Petlyuk column, has been developed by installing a vertical wall in the middle part of the column.
However, industry has been hesitant to use DWCs because DWCs have control and operation problems. Many literatures have been published to enhance the lack of understanding for DWC control and operation problems. Even though these contributed to understanding DWC control and operation problems, general knowledge on the dynamic behavior of a DWC is still lacking because these studies focused on specific processes and materials. Therefore, it is necessary to establish a general design standard for control structure design of DWCs and it requires that knowledge on the dynamic behaviors of DWCs.
정유 및 석유화학 공정에서 사용되는 증류공정은 전체 화학공정 에너지 소비의 30%~60%를 차지하고 총 설비 투자비용 중 상당부분을 차지하는 대표적인 공정이다. 이런 점에서 분리벽형 증류탑은 에너지 절약과 설비 비용면에서 많은 이점을 가지고 있다. 하지만 실제 현장에서 사용되고 있는 기술들은 극히 제한적인 경우의 분리공정에 이용되고 있다. 현재 산업체와 학계에 나와있는 많은 분리벽형 증류탑의 연구결과들은 너무 이론적이거나 혹은 상이한 결과를 보여주는 것이 많으며, 특정 분리공정의 경우에만 국한되어 있는 경우가 대부분이다. 때문에 막상 시스템 설계 시 실무적으로 이용할 수 있는 일반적인 결과나 지침은 의외로 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 Feed의 성상과 분리대상이 되는 물질간의 상대휘발도에 따라 달라지는 설계기준의 가이드라인을 제시하고 HYSYS 프로그램을 이용한 동적 모사를 통해서 그에 따른 제어구조를 선정하는데 도움을 줄 수 있는 기준을 마련하고 효율적인 운전설계를 할 수 있도록 함을 목표로 하였다.
다양한 공급물의 특성에 맞는 제어구조를 선정하기위해 정적 모사와 동적 모사를 통해 분석하였다. 조성제어의 경우 three-point 제어를 기준으로 성능 평가를 하였고 온도제어의 경우 two-point 제어를 기준으로 성능 평가를 하였다. 조성제어구조의 종류는 L-S-V, L-V-S 인 두 가지 제어구조에 대해서 제어성능을 알아보았다. 그 결과 L-S-V, L-V-S 두 경우 모두 공급물의 조건이 바뀌는 데에 따라 제어성능의 차이가 현저했다. 일반적으로 도출 할 수 있는 결론은 조성제어의 경우 제어구조는 공급물의 조건에 민감하여 공정에 따라 제어성능이 좋을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다는 것이다.
다음으로 온도제어구조는 L-S, L-V, S-V 세가지 제어구조를 대상으로 성능 평가를 하였다. Two-point 제어를 하였기 때문에 세 구조 모두 조성제어구조보다는 제어루프 간의 간섭이 작은 것을 확인하였다. 또한 공급물에서 중비점 물질의 조성이 달라지더라도 온도를 제어하기 때문에 크게 제어에 문제되는 것은 없었다. 조성제어구조와 온도제어구조를 다양한 공급물의 조건에 적용하여 각 제어구조가 공급물의 조건에 따라 나타내는 특징을 정리할 수 있었다. 이로써 정리된 특징을 이용하여 앞으로 공정을 개발하거나 적용하는데 적절한 제어구조를 선정할 수 있는 바탕을 마련하였다.
