공정 모사를 통한 나프타 분해 공정 내 급냉탑 운전 최적화 = Operation Optimization of a Quench Tower in the Naphtha Cracking Center through Process Simulation

국문 초록 (Abstract)

일반적인 나프타 분해 공정은 열분해 - 급냉 - 압축 - 분리 정제의 4가지 부분 공정으로 진행되어 에틸렌, 프로필렌 등의 석유화학 기초유분을 생산한다. 4가지 부분 공정 중 급냉 공정은 열분해된 가스를 급냉 시켜 탄화수소의 중합을 방지하고 수분과 가솔린 및 중질유분을 가라앉혀 압축 공정의 압축기 부하를 절감시키는 공정이다. 이와 더불어 고온의 열분해된 가스를 급냉시키며 얻어지는 열에너지를 전체 공정 내 필요한 부분에 공급하여 추가적인 에너지 투입을 방지하는 역할도 수행한다. 급냉 공정 중 급냉탑의 운전은 2개의 cooler를 통과하는 quench water의 유량을 조절하여 이루어지며 여기서 교환되는 열은 곧 열손실로 이어지게 된다.
본 연구에서는 급냉탑 운전의 변수들을 조절하여 급냉탑의 운전이 공정에 미치는 영향을 분석하였다. 급냉탑의 운전이 압축 공정에 미치는 영향을 감안하여 연구 범위는 압축 공정까지로 하였고 공정 모사를 위한 모사기는 Aspen Plus V14, 열역학 모델식은 Peng-Robinson 상태 방정식을 사용하였다. 공정 모사를 통해 급냉탑의 운전에 따른 결과를 주 생산물의 손실 관점과 에너지 사용량 최소화 관점에서 분석하여 어떻게 운전하는 것이 바람직한가에 대한 결론을 도출하였다. 연구 결과 급냉탑의 최적 운전은 주 생산물 손실에는 별다른 영향을 끼치지 못하여 고려할 유인이 적지만 에너지 사용량의 감소는 가능하므로 고려하여 운전해야 하는 것이 바람직함을 알 수 있었다. 또한 에너지 사용량 최소화를 위한 급냉탑의 운전 방향성도 도출할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The typical naphtha cracking process consists of four subprocesses: pyrolysis, quenching, compression, and fractionation. This process produces petrochemical base olefins such as ethylene and propylene. Among these subprocesses, the quenching process rapidly cools the pyrolyzed gas to prevent hydrocarbon polymerization and to settle water, gasoline, and heavy oil fractions, thereby reducing the load on the compressor in the compression process. Additionally, the heat energy obtained by rapidly cooling the high-temperature pyrolyzed gas is supplied to the necessary parts of the overall process, preventing additional energy input. The operation of the quench tower in the quenching process is controlled by adjusting the flow rate of the quench water passing through two coolers, and the heat exchanged here is directly lost as heat.
This study analyzed the effects of quench tower operation on the process by controlling the variables of the quench tower operation. Considering the impact of quench tower operation on the compression process, the research scope was limited to the compression process. Aspen Plus V14 was used as a simulation tool, and the Peng-Robinson equation of state was used as a thermodynamic model equation. Through process simulation, the results according to the operation of the quench tower were analyzed from the perspective of the loss of main products and the minimization of energy consumption, and a conclusion was drawn on how to operate it optimally. The research found that operating the quench tower had little effect on the loss of primary products but did affect energy consumption. In addition, the operational direction of the quench tower for minimizing energy consumption could be derived.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구의 내용 2
• 제 2 장. 공정 개요 4
• 2.1 NCC 공정 4
• 2.2 급냉 및 압축 공정 9
• 제 3 장 이론 15
• 3.1 Peng-Robinson Equation of State 15
• 3.2 열교환기의 U-value 18
• 제 4 장 본문 20
• 4.1 급냉탑 및 압축 공정 모사 20
• 4.2 공정 모사 결과 29
• 4.2.1 에너지 사용량 최소화 관점 분석 29
• 4.2.2 주제품 손실 최소화 관점 분석 63
• 제 5 장 결론 68
• 5.1 요약 68
• 5.2 연구 성과 및 기대 효과 71
• 5.3 향후 계획 73
• 참고 문헌 74
• Abstract 75