기계공학 취준일기

냉동기

취준일기 — Tue, 9 Jul 2024 19:26:29 +0900

https://blog.naver.com/whyplay/221948114953 -> 대류

https://sec-9070.tistory.com/309 -> 냉매

https://gallery-k.tistory.com/54 -> 효율

http://eplenc.com/pdf/48ctv2010Sep.pdf -> 냉동기 사양서

기계공학 취준일기 유체역학 #6 케비테이션(CAVITATION), NPSHr, NPSHa, 흡입양정

취준일기 — Thu, 19 Nov 2020 23:54:26 +0900

케비테이션에 대해 알아보겠다.

펌프나 압축기 작동원리 혹은 성능곡선에 대해 알아보고 싶은 사람은

plant-engineer.tistory.com/86?category=924457

펌프 성능 곡선, Pump Performance Curve

1. 펌프 성능 곡선 펌프 성능 곡선이란 펌프의 해당 rpm에서의 유량, 양정, 효율, 동력, NPSHr 등의 상관관계를 나타낸 곡선이다. 위의 펌프성능곡선은 일정한 RPM을 갖는 원심펌프의 성능곡선이다.

plant-engineer.tistory.com

plant-engineer.tistory.com/82?category=924457

압축기성능곡선, Compressor Performance Curve

1. 압축기 압축기는 유체를 이송하는 기기 중 유체를 압축해서 압력을 높이는 것을 주 목적으로 하는 장치다. 압축기는 유체를 이송하는 것을 주 목적으로 하기때문에 압력이 비교적 낮다. 압축

plant-engineer.tistory.com

를 참조하면 좋을것 같다.

1. 케비테이션

케비테이션이션(공동현상)이란 관 내부에 흐르는 유체의 압력이 포화증기압 이하로 떨어질 경우

기포가 생기는 현상을 의미한다.

1.2 원인

케비테이션이 발생하는 이유는 많다. 흡입양정(NPSH)이 높거나, 곡관 및 직경 변화로 인해

속도가 빨라지고 압력이 낮아져서 압력이 포화증기압 이하로 떨어질 경우

액체가 기화하거나, 액체 속 기체들이 압력이 낮은 곳에 모여 기포가 발생한다.

펌프 내 압력이 낮아지는 경우는 대부분 SUCTION 부근이다.

이때, 포화증기압보다 낮아지면 기포가 생기게 된다.

임펠러의 DISCHARGE 부근에선 임펠러에 의해 압력에너지와 운동에너지가 증가하게 되는데,

여기서 기포가 터지게 되면서 소음과 진동이 발생하게 된다.

출처 : 보리킴

1.2 대비책

흡입부가 정압이 되도록 하며, 임펠러를 수중에 잠기게 하는 방법이 있다.

이 외에도 펌프를 저회전수로 운전하며 흡입쪽 유속을 느리게 하거나

흡입양정(NPSH)를 낮추거나, 흡입측의 밸브를 개방한 상태에서 펌프를 운전,

MULTI STAGE PIPE나 ECCENTRIC PIPE를 사용하여 급격한 직경변화를 대비한다.

1.3 NPSH (흡입양정)

흡입양정이란 펌프를 가동할 때 케비테이션이 일어나지 않게 운전할 수 있는가를 수로써 표현한 값이다.

크게 NPSHa(Net Positive Suction Head Avaliable)와 NPSHr(Required)로 표현하는데

보통 케비테이션이 일어나지 않기 위해선 NPSHa>1.3xNPSHr이 되어야 한다.

1.3.1 NPSHr(필요흡입양정)

펌프의 성능을 타나내는 값이며, 설계시 정해진다.

NPSHr값이 3m이고 흡입액체가 물이라고 가정한다면

10.33m - 3m = 7.33m 즉 7.33m밑에 있는 물을 흡입할 수 있다는 뜻이다.

즉 NPSHr의 값은 작을수록 성능이 좋은 것이다.

1.3.2 NPSHa(유효흡입양정)

유효흡입양정은 배관 시스템에 의해 결정되는 값이다. 흡입양정, 손실수두, 액체의 포화증기압 등을 고려한다.

흡입측이 대기압을 받고 있을 경우 두 가지로 나누어 계산된다.

흡상시 NPSHa = Pa(대기압) - Hs(흡입양정) - Hf(손실수두) - Pv(포화증기압)

가압시 NPSHa = Pa(대기압) + Hs(흡입양정) - Hf(손실수두) - Pv(포화증기압)

출처 : 보리킴

흡상시에 중요하게 봐야 할 점은 Pv이다. 대기압, 흡입양정, 손실수두는 변하긴 한다.

하지만 온도에 따라 민감한 변화를 보이는 것은 Pv이고, 이에 따라 NPSHa값이 크게 변한다.

위에서 설명한 NPSHa > 1.3xNPSHr 값에서,

NPSHa < 1.3xNPSHr 가 되면 케비테이션이 발생한다.

가압시에는 Hs 값을 더해주었으므로 NPSHr의 범위가 흡상시보다 상대적으로 널널하다.

즉 펌프의 흡입양정 가동 범위가 넓다는 것을 의미한다.

출처 : 티스토리 보리킴

펌프 성능 곡선, Pump Performance Curve

취준일기 — Wed, 18 Nov 2020 16:48:09 +0900

1. 펌프 성능 곡선

펌프 성능 곡선이란 펌프의 해당 rpm에서의 유량, 양정, 효율, 동력, NPSHr 등의 상관관계를 나타낸 곡선이다.

출처 PR마스터의 공정설계

위의 펌프성능곡선은 일정한 RPM을 갖는 원심펌프의 성능곡선이다.

보통 펌프 성능곡선은 유량과 양정의 관계를 나타낸 H-Q곡선이며, 성능곡선, NPSHr 곡선, BHP 곡선으로 구성되어 있다.

그 전에 Pump Normal Flow는 정상상태에서 운전되는 조건에서의 유량이다.

Rated Flow는 최대의 부하 상태에서 최악의 운전조건에서도 이송해야 하는 유량이다.

1.1 H-Q 곡선

펌프의 성능은 보통 양정(Head)로 나타낸다. Curve에는 Pump Rted Flow 지점이 보통 표시되어 있다.

이송해야 하는 유량이 많을 수록 같은 rpm에서 낼 수 있는 head가 감소하는 형태이다.

위 곡선에서 임펠러의 직경에 따라 같은 유량에서 낼 수 있는 양정이 달라진다.

1.2 성능곡선 (Efficiency Curve)

BEP는 해당 펌프가 최고 효율을 낼 수 있는 지점이다.

펌프 선정시에는 Pump Rated Flow가 보통 bep의 80~110%범위 내에 들어오도록 선정해야 한다.

BEP 근처에서 효율이 높으므로 가동에 필요한 파워가 줄어들게된다.

1.3 NPSHr Curve

필요흡입양정은 유량에 따라 증가하는 양상을 보인다.

NPSHr은 설계시 계산되는 값이므로, 사용조건에 부합하는 NPSHa값을

엔지니어가 구하고 일정 Margin이상을 확보해야 한다.

보통 NPSHa>1.3NPSHr이라고 한다.

출처 : 구글

1.4 Power Curve

BHP(Brake Horse Power)의 곡선을 의미한다. 구동에 필요한 동력을 의미하는 것이다.

1.5 펌프의 최소유량

펌프에는 MCSF, MCTF로 2가지 최소유량이 있다. 성능곡선에 MCSF 곡선이

임펠라 직경에 따라 보통 표현된다. 펌프 최소유량이라 하면 보통

펌프의 케비테이션을 예방하면서 이송 가능한 최소의 유량을 의미한다.

MCSF (Minimum Continous Stable Flow)는 vibration limit을 초과하지 않는 범위에서

운전 가능한 펌프의 최소유량을 의미한다.

MCTF(Minimum Continous Thermal Flow)는 펌프 유체의 온도 증가로 인해 펌프가 손상되지

않는 범위에서 운전 가능한 최소 유량을 의미한다.

위 그래프에서 보면 MCSF>MCTF임을 확인할 수 있다. 따라서 MCSF를 고려해 제작된다.

1.6 펌프의 END Of Curve

end of curve는 펌프가 문제 없이 운전될 수 있는 끝점을 의미한다.

end of curve를 초과할시 진동등의 문제가 발생한다.

아래 그림은 허용가동범위와 제작가동범위를 나타낸 것이다.

출처 : PR마스터의 공정설계

출처 : 네이버 블로그 PR 마스터의 공정설계

압축기성능곡선, Compressor Performance Curve

취준일기 — Wed, 18 Nov 2020 15:29:50 +0900

1. 압축기

압축기는 유체를 이송하는 기기 중 유체를 압축해서 압력을 높이는 것을 주 목적으로 하는 장치다.

압축기는 유체를 이송하는 것을 주 목적으로 하기때문에 압력이 비교적 낮다.

압축방식에 따라 용적형과 터보형으로 분류된다.

용적형 압축기는 체적을 감소시켜 압력을 증가시킨다.

터보형 압축기는 가스의 운동에너지를 압력에너지로 변환시켜 압력을 증가시킨다.

용적형과 터보형은 구동목적, 요구 SPEC에 따라 아래와 같이 분류된다.

출처 : 행복한 지구 사랑

2. 압력 생성 곡선

압축기의 구조는 흡입구 -> 임펠러 -> 디퓨터 -> 스크롤로 나눌 수 있다.

출처 : Deep learning of BOKI

날개 끝의 응력집중으로 파열의 우려가 있기 때문에 최대 압축비는 한계가 있다.

압력에 따라 온도, 압력, 속도는 아래와 같이 변화한다.

출처 : Deep learning of BOKI

3. 압축기 성능 곡선

출처 : 행복한 지구 사랑

위의 표는 압축기 성능 곡선이다.

A지점은 설계점으로써, 임펠러 설계의 기준이 되며,

압축기의 IGV(Inlet Guide Vane)이 최대로 열렸을때의 압력대비 유량이다.

설계점으ㅢ 압력과 유량은 성능을 나타내는데 사용된다.

B지점은 시스템 압력저항 증가로 압축기의 압축비가 설계점보다 높아지면서 유량이 감소한 상태다.

E지점은 시스템 압력저항 감소로 압축기의 압축비가 설계점보다 낮아지면서 유량이 증가한 상태다.

C지점은 서지점이라 하며, 시스템의 압력저항이 계속해서 증가하면

선능곡선과 서지 곡선의 교차점에 도달하게 되는 정점이다.

이때부터 압축기의 역류가 생기는 서지현상이 일어나게 된다.

3.1 서지(SURGE)현상, 맥동 현상

서지 현상은 최소유량으로 결정된다. 서지현상이란 맥동현상이라고도 하는데,

압력계기가 특정 주기를 가지고 눈금이 큰 진폭으로 흔들림과 동시에,

토출량은 특정 범위내에서 주기적으로 변동이 발생한다.

이로인해 토출배관의 주기적인 진동과 소음을 수반하게 된다.

위 그래프에서 C->D->E->C->D->E->C->D->E의 순서로 진행되며,

반복횟수가 높아질 수록 변동의 진폭이 커진다.

출처 : Deep learning of BOKI

C->D 과정은 시스템 압력저항이 커서 역류가 발생하여 유량이 감소하는 과정이다.

유량이 감소하다가 0인 지점인 D에 도달하게 된다.

D->E 과정은 압축기의 생성압력이 시스템 압력저항보다 커지게 되어 유량이

정방향으로 바뀌면서 점 E로 이동하게 된다. 이때, 압력은 일정하지만 유량만 증가하게 된다.

E->C 과정은 압축기의 압력저항이 과다한 관계로 성능곡선을 따라 C로 이동하게 된다.

C->D 과정을 1사이클로 보고 5초사이에 일어나면 서지 1회로 규정한다.

5회 이상 연속해서 진행되면 진동의 폭이 커지기 때문에 베어링과 임펠러에 손상을 줄 가능성이 높아진다.

3.2 발생원인 / 해결방안

발생 원인으로는 흡입부의 유량이 적거나, 흡입부 압력이 올라가는 경우가 있다.

토출 유량이 밸브등에 의해 제한되어 유량이 줄어들면서 압력이 올라가는 경우도 있고,

컨트롤의 오작동으로 회전속도가 갑자기 올라가는 경우가 있다.

이에대한 해결 방안으로는

IGV의 속도를 알맞게 조절해야 하며, IGV의 최소값을 정해야 한다.

서지 발생시 무부하 상태로 만들기 위해 BOV(BLOW OFF VALVE)나 BYPASS밸브를 열어주어 흡입유량을 증가시킨다.

또는 안티서징컨트롤을 하게 된다. 안티서지 컨트롤이란,

서지영역으로 들어갈 수 없도록 유량이 자동으로 안티서지 밸브를 통해 흡입측으로 유입하게 하거나,

Flare Gas로 방출시키는 컨트롤 시스템이다. 압축공기의 경우 대기 방출이 일반적이다.

4. 초킹(CHOCKING) / Turndown Ratio

초킹현상은 최대유량으로 결정된다.

압축기의 유량이 E지점을 넘어 크게되면, 고압을 만들어내지 못하고 압력비가 급격히 떨어지는 현상이다.

서징과 초킹으로 인해 압축기의 최소유량과 최대유량이 정해진다.

초킹에서 서징이 발생하는 점까지의 유량변화폭은 Turndown이라고 하고,

이 값이 클수록 압축기의 운동범위가 좋고, 효율이 좋으며, 임펠러의 성능과 직접적인 관계가 있다.

4.1 초킹 원인 / 해결방안

초킹현상은 임펠러 또는 디퓨저에서 유체의 속도가 음속에 도달했을 때 나타나는 현상이다.

이때, 유량과 속도와 무관하게 압축비는 떨어져, 압력을 발생할 수 없는 상태가 된다.

이 외에도 급격한 직경변화로 인해 압력이 급감하고, 속도가 증가하게 된다.

이때, 유체의 속도가 마하1이 넘게 되면, 압력을 증가시켜도 토출 유량이 일정하게 나오게 된다. (Q=AV)

이를 방지하기 위해선, MULTY STAGE PIPE를 사용하거나, ESSECTRIC PIPE를 사용하여

급격한 압력변화를 방지해야 한다.

해결방안은 모르겠다. 아시는분은 댓글 남겨 주시면 감사드리겠습니다.

철강 플랜트#3 파이넥스 공법

취준일기 — Tue, 13 Oct 2020 16:53:24 +0900

파이넥스 공법

기존 코렉스(용광로) 공법에서는 소결공정과 코크스 공정을 얻기위한

막대한 초기투자비용과 운용비용이 필요했다.

도한 양질의 철광석과 유연탄 자원은 한정되어 있기에

수급에 문제가 발생할 시 큰 타격을 입게된다.

마지막으로 필연적으로 발생하는 부연가스내에

황산화물이나 질소산화물, 분진 등의 환경오염 물질이 발생하는 단점이 있다.

이를 극복하기 위해 세계 최초로 POSCO에서 파이넥스 공법을 개발해 냈다.

출처 http://javascript.co.kr/bbs/board.php?bo_table=javascript3&wr_id=3739&page=12&device=pc

위는 기존 코렉스(용광로) 공법에서 석탄과 철광석이

용선이 되기까지의 과정을 나타낸 것이다.

출처 출처 http://javascript.co.kr/bbs/board.php?bo_table=javascript3&wr_id=3739&page=12&device=pc

위는 파이넥스 공법을 나타낸 것인데 자세히 알아보자.

여기서부터 모든 내용은 나무위키의 파이넥스 공법에서 많은 부분 참고했다.

기존의 용광로를 사용하는 코렉스 공법(제철공법)에는

코크스가 필요하고, 분광형태의 철광석을 사용하지 못한다는 문제점이 있습니다.

더불어 역청탄(유연탄의 종류)를 코크스로 만드는데

추가적인 시설이 필요하고, 이 과정에서도 역시

많은 유해물질이 발생됩니다.

유럽등지에서는 아직도 유연탄과 괴형태의 철광석이 충분히 생산되고 있지만,

이 마저도 한계에 다달아서 대안을 강구하는데, 그 중 하나가 파이넥스 공법입니다.

장점

유해물질이 많은 유연탄을 코크스로 만드는 공정을 거치지 않기 때문에

기존 공법에 비해 환경오염이 적습니다.

또한 일반 철광석의 80%가격대인 분광과 유연탄의 70%가격 대인 일반탄을

사용할 수 있기에 경제성이 매우 좋습니다.

더 나아가 코크스를 만들 필요가 없으니 코크스 공정 설치가 필요없어

초기 자본이 적게 듭니다.

구조와 원리

기존 방법과 차이점은

기존 코렉스 공법은 철광석을 환원시키는 환원작용과

환원된 철을 녹이는 용융작용이 고로에서 진행된다.

하지만 파이넥스 공법은 환원과 용융작용을 별도로 분리해서

쇳물을 제조하는 용융환원 제철법의 하나이다.

출처 http://www.steeldaily.co.kr/news/n_view.asp?NewsID=2826&Page=3388&T_M_Code=0&D_F_Code=Main

파이넥스 공법에서 핵심시설은 분철을 환원시키는 유동환원로와

환원시킨 분철은 성형철(HCI)로 만들고, 일반탄 또한 성형탄(BC)

으로 가공한 뒤 용융로에서 성형탄과 성형철을 용융해 쇳물을 만들어 냅니다.

분광을 유동환원로에 넣고 가열하면서 환원가스를

(여기서 환원가스는 용융로에서 나오는 일산화탄소, 수소등의 환원력이 강한 가스들을 의미한다. 즉 가스 재사용이다)

주입해 녹은 철에서 황을 시작으로 잡성분을 탈취합니다.

이 과정을 3~4번에 걸쳐서 황성분을 철저하게 제거합니다.

이후 분철을 열간압축하여 덩어리 모양으로 가공합니다(HCI).

가공된 성형철과 일반탄을 가공해 만든 성형탄과 함께

용융로에 넣어 쇳물을 뽑아 제강공정에 보내고,

이 과정에서 발생한 가스 중 이산화탄소를 제거하고

환원가스를 회수하여 유동환원로에 환원가스로 활용합니다.

즉, 용광로에서 함께 진행되던 환원작업을 유동환원로에서 진행하고,

유동환원로에서 나온 철은 따로 모양을 내는 과정이 들어가기때문에

괴철일 필요가 없습니다.

용융로는 철을 녹이는 역할만 수행하기에

코크스를 활용해서 환원효율을 높일 필요가 없어져서 자연스레 일반탄도 사용가능하다는 구조입니다.

코크스가 연소하면서 발생하는 부생가스역시 줄어들기 때문에 환경오염이 덜 합니다.

하지만 단점 역시 존재하는데,

코렉스 공법에 비해 불순물이 많습니다. 성형탄은 코크스에 비해

통기성이 떨어지므로 품질이 일정하지 않기 때문입니다.

앞으로 개선해야 할 방향은 장점을 유지하면서

품질을 균일화하고 불순물을 저감해 나가는 것이 큰 과제일 것입니다.

열역학 #12 기체동력사이클 (오토사이클, 디젤사이클, 브레이튼 사이클)3

취준일기 — Tue, 13 Oct 2020 13:30:44 +0900

브레이튼 사이클

브레이튼 사이클은 가스터빈 기관의 열역학적 이상 사이클로

압축과정과 팽창과정이 모두 회전기계에서 일어나는 것으로

주로 항공기 추진이나 전력생산에 응용됩니다.

두개의 정압과정과 두개의 단열과정으로 구성된 사이클입니다.

아래와 같이 공기표준 가정을 이용하여 밀폐 사이클로 모델화 할 수 있습니다.

출처 한국교통대학교

주위의 공기가 압축기로 유입됩니다.

압축기를 거쳐 온도와 압력이 올라가게 되고,

이 고온 고압의 공기는 연소실로 이동하여 정압과정으로 연소됩니다.

그 다음 연소실에서 터빈으로 이동하여 동력을 발생시키면서 대기압까지 팽창하게 됩니다.

터빈을 떠나는 배기가스는 재순환되지 않고 주위로 열을 배출하게 됩니다.

이 사이클은 네개의 내적 가역 과정들로 구성되어 있다.

출처 한국교통대학교

1->2 과정 : 가역단열압축

2->3 과정 : 정압가열

3->4 : 가역단열팽창

4->1 : 정압방열

1->2 과정 : 가역단열압축

컴프레서가 일해준 것이다.

2->3 과정 : 정압가열

3->4 : 가역단열팽창

터빈이 한 일의 량이다.

4->1 : 정압방열

열효율

이걸 정리하면 아래처럼 표현할 수 있습니다.

이때, 밑에식에서

식을 변형하게 되면

가 됩니다. 이것을 위의 식에 대입하게 되면

효율은

이 됩니다.

열역학 #12 기체동력사이클 (오토사이클, 디젤사이클, 브레이튼 사이클)2

취준일기 — Mon, 21 Sep 2020 17:10:17 +0900

디젤 사이클

4행정 저속 CI(디젤) 엔진 공기 표준 열역학적 이상 사이클이다.

정압 사이클이라고도 불리우며

단열 압축, 정압 가열, 단열 팽창 및 정적 방열 과정으로 이루어졌다.

저속 디젤 엔진에서는 착화 지연과 연료를 분사하기 위해 요구되는 시간 때문에

연료의 분사는 압축행정에서 팽창 행정까지 지속되고,

연소 압력은 상사점을 지나 일정 수준의 압력이 유지된다.

CI엔진은 SI(가솔린)엔진과는 달리 자연발화의 가능성이 낮으므로 최대 압축비를 높일 수 있는데,

같은 압축비에 대해서는 SI엔진이 효율적이지만, 최대 압축비에 대해서는 CI엔진이 효율적이다.

출처 한국교통대학교

1 -> 2 : 가역단열 압축 (reversible adiabatic compression, isentropic compression)

2 -> 3 : 정압 가열(연소) (const.‐pr. heat addition)

3 -> 4 : 가역단열 팽창 (reversible adiabatic expansion, isentropic expansion)

4 -> 1 : 정적 방열 (const.‐vol heat rejection)

이 된다.

열 효율은

이 된다.

열역학 #11 기체동력사이클 (오토사이클, 디젤사이클, 브레이튼 사이클)1

취준일기 — Sun, 20 Sep 2020 14:23:59 +0900

열역학의 두 가지 응용분야는 동력발생과 냉동분야 이다.

이때 동력을 발생하는 기관은

동력을 발생시키는 장치나 시스템이고, 기관이 작동하는 열역학적 사이클을 동력사이클이라고 한다.

동력사이클에 들어가기 전에 선행되어야 할 지식을 미리 알아보자.

1. 이상사이클 (ideal cycle)

실제 사이클은 마찰과 같은 비가역성이 존재한다.

하지만 모든 내적 비가역성과 복합성을 제거하면, 실제 사이클과 매우 유사하지만

모든 내적 가역 과정으로 구성되는 사이클을 얻게 되는데,

이러한 사이클을 이상사이클이라 부른다.

이상 사이클을 사용하는 이유는 실제 사이클보다 해석하기 쉽고,

실제 사이클의 열 효율과 비교할 수 있기 때문이다.

이상 사이클은 다음의 특징을 갖는다.

1) 어떠한 마찰도 없다.

즉 작동유체가 관 또는 열 교환기와 같은 장치를 통과할때 마찰이 없으므로 압력강하도 없다.

2) 모든 압축과 팽창 과정은 준평형 과정으로 진행된다.

그러므로 불균형이 없다.

3) 시스템의 여러 구성품을 연결하는 관은 단열되어 있다.

그러므로 어떠한 열전달도 무시할 수 있다.

2. 공기표준 가정

2) 사이클을 구성하는 모든 과정은 내적가역이다.

3) 연소과정은 외부 열원에 의한 가열과정으로 대체된다.

4) 배기과정은 작동유체가 초기 상태로 복원되는 방열과정으로 대체된다.

3. 왕복기관의 개요

상사점(TDC, Top Dead Center) : 실린더의 체적이 최소가 되는 피스톤 위치

하사점(BDC, Bottom Dead Center) : 실린더 체적이 최대가 되는 피스톤 위치

행정(L, stroke) : 상사점과 하사점 사이의 거리. 피스톤이 한 방향으로 움직일 수 있는 최대 거리

보어(B, bore) : 피스톤 직경

간극 체적(Vc, clearence volume) : 피스톤이 상사점에 있을 때의 실린더 체적, 실린더 최소 체적

배기량(Vd, displacement volume) : 상사점과 하사점 사이의 체적, 피스톤의 움직임에 의해 밀어낸 실린더 체적

압축비(compression ratio) : 최대 최적과 최소 체적의 비

동력사이클 기본 개요에 대해 알아보았다.

동력 사이클은 기체동력 사이클과 증기동력 사이클로 구분할 수 있는데,

기체동력 사이클이란 전체 사이클에서 작동 유체가 기체 상태를 유지하는 사이클이고,

증기동력 사이클이란 작동 유체가 사이클의 일부 과정에서는 증기 상태로

다른 과정에서는 액체 상태로 존재하는 사이클이다.

증기동력 사이클부터 알아보자.

4. 오토사이클

오토사이클은 왕복기관의 이상 사이클이다.

대부분의 왕복 기관을 4행정 내연기관이라 부르는데,

피스톤은 실린더 내에서 4번의 행정을 실행하고, 열 역학적 사이클마다 크랭크축은 2회전 한다.

출처 모토라드 마이스터

1) 초기에 흡기와 배기 밸브는 모두 닫혀있고 피스톤은 하사점에 위치해있다.

압축행정동안 공기와 연료 혼합기를 압축하면서 피스톤은 상사점을 향해 이동한다.

2) 피스톤이 상사점에 도착하기 직전에 점화플러그에서 스파크로 인해 혼합기가 점화되고,

자연스레 기체의 압력과 온도는 올라간다.

3) 팽창과정 동안 고압의 기체는 피스톤을 하사점으로 이동시키면서 크랭크축을 회전시키면서

유용한 출력일을 발생시킨다.

4) 크랭크축 회전으로 인해 피스톤이 다시 상승하면서

배기가스를 배기 밸브를 통해 배출하고, 다시 아래로 이동하면서 혼합기를 흡기 밸브를 통해 유입한다.

5) 오토사이클은 위와 같이 네개의 내적가역과정으로 구성되어 있다.

출처 한국교통대학교

비가역요소를 포함한 pv선도는 위와 같이 표현되고,

비가역요소를 제거한 가역과정은

출처 한국교통대학교

위와 같이 표현된다.

PV선도와 TS선도로 오토사이클 각 과정에 대해 알아보자.

출처 메카트로닉스 공부하기

1 -> 2 : 단열 압축 (reversible adiabatic compression, isentropic compression)

2 -> 3 : 정적 가열(연소) (const.‐vol. heat addition)

3 -> 4 : 단열 팽창 (reversible adiabatic expansion, isentropic expansion)

4 -> 1 : 정적 방열 (const.‐vol heat rejection)

마지막으로 열 효율은

이 된다. 다음에는 디젤사이클에 대해 알아보자.

번외로 단열 압축과정에서

이 나오는 이유는

이기 때문이다.

철강 플랜트 #2 철강생산공정 1 제선공정,고로방식

취준일기 — Fri, 18 Sep 2020 14:50:10 +0900

우리가 사용하는 금속 제품 대부분은

철강플랜트를 통해 생산된다.

출처 포스코

제선-제강-연주-압연 공정을 거쳐 생산되고,

철강을 제조하는데는 아래와 같이 고로방식과 전기로방식, 파이넥스 방식이 있다.

출처 한국철강협회

고로 공정부터 알아보자.

1. 제선공정

출처 한국철강협회

전체 제선공정은 크게 3가지로 구성되어 있는데,

소결공정, 코크스공정, 제선공정으로 구성되어 있다.

1.1 소결공정

철광석은 보통 30~70%의 철분을 함유한 광석을 의미한다.

질 좋은 철광석이란 철분이 풍부하고 황(S), 인(P), 동(Cu)과 같은

유해성분이 적으며 크기가 균일한 것이다.

하지만 철광석은 원산지에 따라 품질, 성분, 형상이 각기 다르기에

그대로 고로에 투입할 수 없다. 따라서 고로조업전에 품질을 고르게 하고

철광석 가루를 일정한 크기로 만들어 내는데, 이를 소결공정이라 한다.

철광석의 성분을 균일화하고, 일정한 크기로 제조된 철광석을 소결광이라고 한다.

소결광 이외에도 광산에서 채굴할 때부터 사용하기 좋은 크기로 생산된 정립광과

극미분의 철광석을 소성시켜 만든 펠렛까지 3가지 원료를 용광로에 함께 사용한다.

물론 부산물을 제거하기 위한 석회석등의 부원료도 소량 들어간다.

구성 설비로는 혼합기, 점화로, 소결기, 배열회수설비 등으로 구성되어 있다.

출처 포스코

1.2 코크스 공정

철광석을 녹이기 위한 열원을 만드는 공정입니다.

석탄(대게 유연탄이다)은 coke oven에 넣어 약 1,000~1,300ºC의 고온으로 구운 고체연료이다

철과 산소의 화합물질인 철광석을 고로 내에서 녹이는 열원인 동시에,

철분을 철광석에서 분리시키는 환원제의 역할을 수행한다.

미분탄은 석탄을 0.125mm 이하로 파쇄한 연료인데,

코크스 대비 원가가 저렴해서 경제적인 조업에 도움을 준다.

구성 설비로는 coke oven, 수송설비, 소화설비 등이 있다.

1.3 제선공정

출처 포스코

철광석과 석탄을 높이 약 100m의 고로에 넣은 뒤

1,200ºC 정도의 뜨거운 바람을 불어 넣으면 연료탄이 타면서 나오는 열에 의해

철광석이 녹아 쇳물이 됩니다.

즉 연료탄(코크스)가 연소되면서 발생하는 일산화탄소가 철광석과

환원반응을 일으키면서 쇳물이 생산됩니다.

위에서 설명한 대로 연료탄은 철광석을 녹이는 열원인 동시에

산화철 상태인 철광석에서 산소와 쇳물을 분리시키는 역할을 수행합니다.

고로에 장입된 철광석이 쇳물로 나오는데 까지는 5~6시간이 소요되며

쇳물의 온도는 1,500ºC까지 올라갑니다.

물론 이 쇳물(용선)은 탄소나 유황등의 불순물이 함유되어 있는데 이를 슬래그(실리카+석회석)라고 부릅니다.

제선내의 불순물을 제거하기 위해 위에서 언급한 석회석 등의 부원료를 투입하고,

수재처리시설로 넘겨집니다.

여기서 발생한 가스는 집진기에서 먼지가 제거된 후 다시 동력원으로 변환됩니다.

화학반응식을 한번 살펴봅시다.

우선 철광석은 크게, 적철석 (Fe2O3)과 자철석 (Fe3O4)로 구분됩니다.

적철석이 코크스를 태우고 발생한 일산화탄소와 반응해 이산화탄소와 자철석을 생성합니다.

화학식 : 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

여기서 다시 자철석은 일산화탄소와 반응해서 이산화탄소와 철을 생성합니다.

화학식 : Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2

이렇게 나온 철을 용선이라고 불리우며 다음 공정은 제강공정으로 토페도카를 타고 넘어갑니다.

출처 포스코

위에서 언급한 질소, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 부생가스는

용관로 상단에 설치한 파이프를 통해 배출됩니다.

가스들은 1,2차 집진기를 통해 우선 먼지가 제거되고,

제철소 각 설비가동을 위한 전력을 생산하는데 사용됩니다.

좀더 디테일하게 확인해보면 아래와 같이 구성되어 있습니다.

출처 위키피디아

위와 같은 설비로 구성되어 있습니다.

1. 철광석, 소결광 (환원성, 부산물 제거를 원활히 하기 위해 석회석등과 혼합)

2. 연료탄 (석탄)

3. 컨베이어벨트

4. Opening Valve (고로 내부로의 직접 접촉을 막기 위한 장치)

5. 연료탄 (석탄) 층

6. 철광석, 소결광 층

7. 열풍로 (약 1,200ºC의 열풍이 불어들어옴)

8. 슬레그 (불순물로, 하부 용선의 재산화 방지)

9. 용선 (Pig Iron)

10. Mixer (슬러그를 모음)

11. 토페도카(Topedo Car - 용선을 제강공장으로 전달하는 설비)

12. Dust Cyclone (집진설비 : 15 → 7 → 16 → 12 → 13 → 14 순서로 흘러감)

13. Air Heater (열풍로에 불어넣을 공기를 데우는 설비)

14. 굴뚝

15. 공기 흡입기

16. 고로 가스 이동 파이프

다음에는 제강공정에 대해 알아보겠습니다.

철강 플랜트 #1

취준일기 — Thu, 17 Sep 2020 23:40:34 +0900

철강 플랜트에 대해 알아보자. 첫번째 시간 내용의 출처는 granigut.tistory.com/26이곳이다.

1. 개론

철은 지각의 %를 차지하는 매우 풍부한 원소이다. 기원전 1200년경 서아시아의 하티아트 제국이 본격적인 철 생산을 시작한 이래로 철은 널리 쓰이고 있으며, 현재 인류문명에 없어서는 안될 필수소재로 자리잡고 있다. 특히 조선, 자동차 산업등 제조업의 비중이 높은 우리나라의 경우 다른 어느나라보다 철의 중요성이 높다고 할 수 있다. 우리나라는 2016년 세계 6위의 철강생산국으로 위치해 있고, 세계 조강샌상 중 우리나라가 차지하는 비율은 190년 0.1%에서 2016년 4.3%를 차지하고 기록하고 있다.

지각존재하는 철의 대부분은 산화철 형태로 우리가 이용하는 금속인 철을 생산하기 위해서는 철광석을 환원 과정을 통해 선철로 만들 필요가 있다. 제선-제강-주조-압연의 전체 제철공정중 이와 같은 역할을 하는 것이 제선이다. 선철 제조에는 용광로 제철법이 주류를 이루고 있다.

철광석은 고로에 코크스와 석회석과 함께 장입되어 아래에서 불어넣어진 열풍을 통해 환원반응을 일으켜 용융철과 슬래그로 분리된다. 슬래그는 따로 처리하여 시멘트등으로 재활용되고 제조된 선철은 제강공정으로 보내져 탄소성분을 조정하고 황, 인등 품질에 악영향을 미치는 불순물을 제거하는 작업을 거친다.

제선공정은 개선되어 매우 효율적인 공정으로 발전했다. 현대로 와서 송풍기술의 발전, PCI, 컴퓨터를 이용한 계측제어 등 많은 부분의 발전이 이루어졌다. 현대의 제선공정을 전체적으로 조망하고 중요 포인트를 이해하는 것이 제선공정 연구에 중요하다.

제선과정을 이해하기 위해서는 제선 과정에 일어나는 전체적인 화학반응은 물론이고 고로의 이해, 원료가 되는 철광석, 석탄 등의 이해가 필수적이다.

다음시간에 계속

재료역학 #2 변형률

취준일기 — Wed, 9 Sep 2020 19:42:41 +0900

저번 시간에 응력에 대해 알아보았다.

외력을 받으면 그에 저항하는 내부 저항력을 응력이라 정의했는데,

그럼 외력을 받으면 물체는 어떻게 될까

당연히 신축하게 된다.

출처 http://zone.ni.com/reference/ko-XX/help/370466AF-0129/daqhelp/meas_strain/

위 그림은 당기는 힘(인장응력)이 걸렸을 때의 변형을 나타낸다.

그럼 여기서 변형률이 무엇일까

외력에 의해 물체 내부에 생긴 내력의 발생에 따라 물체에 생긴 변형량과 원래 길이에 대한 비율을 변형율이라 하며, 단위길이당의 변형량으로 표시된다. 변형률은 종 변형률, 전단변형률, 횡 변형률, 체적변형률의 4종류가 있다.

-출처 네이버 백과사전-

그리고 변형은

외력을 제거하면 원상태로 돌아가는 탄성변형과 힘을 제거해도 원상태로 돌아가지 않는 소성변형이 있다.

출처 네이버 블로그 김과장의 조금은 색다른 일상

1. 종 변형률 (세로 변형률)

물체에 인장응력이 작용할때 나타나는 변형률 이다.

출처 네이버 블로그 공대생의 하루일과:)

종 변형률 (ε)은 위에서 언급하였 듯이 물체에 생긴 변형량과 원래 길이의 비인데

식으로 표현하면

으로 표현할 수 있다.

2. 횡 변형률 (가로 변형률)

출처 네이버 블로그 공대생의 하루일과:)

횡 변형률 (ε')은 직관적으로 생각해 보면 종 변형률과 부호가 반대이다.

그 이유는 인장응력이 걸려서 세로길이가 늘어나면 자연스레 가로길이는 줄어들고

압축응력의 경우는 세로길이는 줄어들고 가로길이는 늘어난다.

위의 식으로 표현된다.

이때, 가로변형률과 세로변형률의 비는 포아송비라고 부르는데

으로 표현된다.

3. 전단변형률

물체에 전단응력이 걸릴경우 나타나는 변형률이다.

출처 김과장의 조금은 색다른 일상

전단응력이 걸릴 경우 물체길이가 변하기 보다는 위치?가 변한다고

보면 된다. 따라서 위 tan와 같은 식이 도출되게 된다.

4. 체적변형률

체적변형률은 종 변형률의 3배라고들 많이 표현한다

그럼 왜 3배일까?

출처 구글

자 위 정육면체를 x방향 y방향 z방향으로 인장응력이 작용한다고 가정해보자.

그리고 각 면의 길이를 a, b, c라고 가정하자.

이때 V=abc이다.

그럼 길이는

가 되게 되고, V'는

가 된다.

미소변위의 곱은 그 크기가 작으므로 무시 가능하다.

그럼 결국에 V'는

가 된다.

그럼 위에서 사용했던 변형률을 이용하면

가 된다.

이때 x, y, z 축으로 변형률이 같게 된다면

가 성립되게 된다.

TPM(Total Productive Maintenance)이란

취준일기 — Tue, 8 Sep 2020 18:45:16 +0900

Total Productive Maintenance (전사적 보전기술) 이란 임직원 전원 참가의 생산보전활동으로

생산시스템의 종합적인 효율화를 구축하여 기업체질 개선을 목표로 하는 것이다.

즉, 최고경영자부터 제일선 작업원에 이르기까지

생산, 개발, 영업, 관리 등 사내 전부분에 걸쳐

재해, 불량, 고장등의 모든 loss를 미연에 방지하는 체제를

구축하는 종합적 보전활동이다.

1. 개요

기본 개요는 위에서 알 수 있듯이 생산시스템의 효율화를 구축하기 위한 개선활동이며

고장, 불량, 재해 zero를 목적으로 한다.

2. 기본이념

경영에 직결되는 전사적 제조기술로서 낭비를 배제하고, loss를 미연에 방지하며

현장, 현물주위로 참여경영 및 인간존중을 달성하는 것을 의미한다.

3. 목적

위에서 알 수 있듯이 TPM의 목적은 Human Error를 줄이는

최고경영자부터 일선 기술자까지 체질을 개선하고,

이를 통해 설비개선을 진행하여 6대 loss의 zero화를 달성하는 것이다.

4. 주 내용

주요 4개의 테마인 자주보전 / 계획보전 / 개별개선 / 교육훈련으로 구성되어 있고,

8개 테마로는 4대 테마에 품질보전 / 초기관리 / 안전,환경 / 사무간접이 있다.

자주보전 전개의 7단계는 아래와 같이 나눌 수 있는데

KSA 한국표준협회

이로인한 기대효과는

설비 종합 효율 향상 / 설비 결함 및 프로세스 고장건수 감소 / 클레임 감소 / 개선제안 향상 을 기대할 수 있다.

5. 여기서 5S란

TPM의 기본을 이루는 활동으로, 직작내의 각 부문에 있어서 낭비요소를 배제하여

효율을 극대화 하는데 그 의의가 있다.

또한 이를 통해 직장내 효율을 높이고, 깨끗한 환경, 보람을 느끼는 직장을 만드는데

그 목적이 있다고 할 수 있다.

출처 KSATPM.or.kr

위와 같이 정의할 수 있고, 아래와 같이 TPM와 5S의 관계를 나타낼 수 있다.

출처 KSATPM.or.kr

모든 자료의 출처는 www.tpm.or.kr/main/?mc_code=101011 이곳과, www.ksa.or.kr/ksa_kr/1040/subview.do이곳이다.

문제가 될 시 바로 삭제하겠다.

재료역학 #1 응력의 종류(인장, 압축, 전단, 비틀림, 밴딩)

취준일기 — Sun, 6 Sep 2020 22:27:31 +0900

재료역학이란 여러 종류의 하중을 받고 있는 고체의 거동을 다루는 응용역학이다.

여기서 하중은 기준에 따라 나뉘지만

외부에서 작용하는 하중 즉 외력이다.

출처 구글

외력은 받은 물체는 힘을 받기만 하지 않고

그 힘에 평행되는 힘으로 저항한다.

그것이 바로 외력이다.

출처 네이버 블로그 Engineer & Technician

응력이란 물체에 외력이 가해지면 변형하는 동시에 저항력이 생겨 외력과 평형을 이룬다.

이러한 저항력을 응력이라 하며 단위면적당 내부 저항력이다.

이는 압력과 같은 단위인데, 차이점은 압력은 외부에서 가해지는 외부력인데 반해

응력은 내부에서 작용하는 내부력으로 측정할 수 없다.

식1

식 1은 응력을 표시하는 대표적인 식인데, 이 식을 변형하면

다양한 응력을 표현할 수 있다.

1. 인장응력 (Tensile Stress)

출처 네이버 블로그 Engineer & Technician

잡아당기는 힘에 의해 부재의 단면에 발생하는 내부저항력으로써

으로 표시한다. 여기서 P는 인장하중, A는 인장하중을 받는 부분의 단면적이다.

2. 압축응력 (Compressive Stress)

출처 네이버 블로그 Engineer & Technician

압축하는 힘에 의해 부재의 단면에 발생하는 내부 저항력이다.

위와 같이 표현되며 P는 예측 가능하듯 압축하중이다

3. 전단응력 (Shear Stress)

출처 네이버 블로그 Engineer & Technician

단면에 수평으로 작용하는 응력으로

위와 같이 표현한다. P를 사용하여 표현하는 경우도 있고, V를 사용하여 표현하는 경우도 있다.

4. 비틀림 응력 (Torsion Stress)

.출처 네이버 블로그 다목적 블로그

비틀림 응력이란 봉의 길이 축에 대하여 회전을 일으키고자 하는

모멘트(또는 토크)의 작용을 받는 곧은 봉이 비틀리는 현상을 의미한다.

위와 같이 표현하는데 T는 토크 r은 반지름(직사각형일 경우 중심점에서 꼭지점까지)

Ip는 극 관성모멘트를 의미한다.

극 관성 모멘트는 비틀림에 대해 견디는 능력의 척도를 나타내는 단위인데

나중에 자세히 알아보자.

5. 굽힘응력 (Bending Stress)

출처 구글

지지를 받고있는 보에 외력이 가해지면 굽힘이 발생하는데

이 굽힘에 저항하는 응력이 굽힘응력이다.

위와 같이 표현되는데 fb는 (최대)굽힘응력이다. 최대란 말이 자주 생략되는데

그 이유는 당연히 보의 위치에 따라 굽힘 응력이 달라진다.

그래서 관습적으로 최대 굽힘응력에 관심이 많이 가기 때문에

최대란 말이 자주 생략된다.

M은 굽힘모멘트 S는 단면계수이다.

이 역시 다음에 자세히 알아보자.

기계공학 취준일기 #19 윤활기유 제조공정

취준일기 — Sun, 6 Sep 2020 18:40:39 +0900

윤활기유 제조공정에 대해 알아보겠다. 아래는 GS칼텍스와 S-OIL에서 윤활기유 제조공정을 나타낸다. 공정의 차이는 있지만 대표적인 공정에 대해 알아보겠다.

출처 S-OIL과 GS 칼텍스

윤활유에는 윤활기유와 윤활기유에 각종 첨가제가 함유된 첨가유 두가지로 나눌 수 있다.

출처 PANOLIN ADDINOL 수입총판 유로에너지

1) 감압증류 : 감압증류에 feed된 중질유가 진공상태에서 증류시켜 아스팔트유와 윤활유 원료가 될 수 있는 윤활기유 원료가 분리된다.

2) 탈 아스팔트 : 프로판을 이용하여 윤활기유에 함유된 아스팔트분을 제거하게 된다. 윤활기유에 아스팔트분이 함유되면 색이 어둡게 되고, 사용중에 카본 부착을 증가시키기 때문에 아스팔트분 제거가 중요하다.

3) 용제추출 / 수소 첨가 개질 : 윤활기유 중에 함유된 방향족이나 불포화 화합물을 제거하게 된다. 이때 사용되는 용제는 퍼프랄이나 액체 이산화유황이 사용되는데, 이 물질들은 불안정하여 사용중에 바니스, 카본, 타르와 같은 반고체상의 해로운 물질로 변하게 된다.

4) 왁스 제거 : 윤활기유에 함유된 왁스를 제거하게 되는데, 이때 사용되는 용제는 메칠 에칠 케톤이나 톨루엔을 사용하여 오일을 저온에서도 유동성이 양호하도록 하준다. 최근에는 고점도 지수를 가진 윤활기유 생산을 위해 촉매를 이용한 왁스 제거공정이 사용된다.

5) 수소 처리 : 고온에서 수소를 이용하여 윤활기유중에 함유된 유황을 제거한다. 이를 통해 안전성을 높이고 색상을 개선시킨다.

6) 배합 : 용도에 맞는 기유를 선택한 다음 첨가제와 혼합하여 균일한 상태의 오일을 제조하여 포장 공정으로 보낸다. 그리스의 경우 선택된 윤활기유에 다양한 금속 비누를 넣어 반응시킨 후 첨가제가 보충되게 된다.

출처 : m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=osk333&logNo=220188159654&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

열역학 #10 카르노 기관

취준일기 — Mon, 24 Aug 2020 17:01:45 +0900

카르노 기관은 현실에서 실현하기 힘든 기관인

효율이 가장 높은 이상적인 기관이다. 카르노 기관 효율을 기준으로 각종 기관 열효율을 비교한다.

출처 https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=hvackkw&logNo=221072768638&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

카르노 기관 PV선도에서는 유의깊게 봐야 하는 두 선이 있습니다.

1. 등온선 (일정한 온도)

등온선은 온도가 일정하게 유지된 상태에서

부피와 압력의 관계를 나타낸 선이다.

위 선도에선 등온흡열과 등온방열이다.

첨언을 하자면 압축을 하면 온도가 올라가고

팽창을 하게 되면 온도가 자연적으로 떨어진다.

그러므로 온도를 공급해줄 열원과, 온도를 흡수할 열원이 필요하게 된다.

2. 단열선 (열출입이 0, ΔQ=0)

단열선은 외부에서의 열출입이 차단된 상태에서 부피와 압력과의 관계를 나타낸 선이다.

단열압축과 단열팽창이 이에 해당한다.

이제 차근차근 각 구간별로 알아가보자

1. 등온구간

내부에너지 방정식인

에서부터 시작한다. 여기서 앞서 포스팅한

을 가지고 온다. 또한 W는

이 된다. 이것을 정리하게 되면

가 되는데 여기는 등온구간이기 때문에 dT = 0 DL 이 된다.

이상기체 방정식을 대입하고 dT = 0 으로 대입하고 적분을 하게 되면

가 된다. 그런데 여기서 우리가 봐야 할 점은 위에서

가 된다. 그러므로

가 된다.

2. 단열구간

마찬가지로 내부에너지 방정식인

에서부터 시작한다. 여기서 앞서 포스팅한

을 가지고 온다. 하지만 단열 구간이기 때문에 dQ=0이 된다. 그러므로

가 되게 되고 이를 정리하면

가 되게 되고 이를 다시 정리하면

이 된다.

위 식을 총 정리하게 되면

춣처 https://m.blog.naver.com/dongchimi212/221236929482

여기서 NET이란 각 부분별 에너지의 합이다.

이전 포스팅에서 진행한

이 식을 Th, Tc, V2->V3, V4->V1과정에 넣고 계산을 하게 되면

출처 https://m.blog.naver.com/dongchimi212/221236929482

가 된다. 즉 각 과정에서의 Q와 W를 합하게 되면 0이 된다.

이말인 즉슨 카르노사이클은 가역사이클이라는 것이다.

열역학 #9 가역과정, 비가역과정

취준일기 — Mon, 24 Aug 2020 15:30:15 +0900

열역학은 상태변화를 내포하는 학문이다. 실제론 비가역과정만이 존재하지만, 가역과정을 가정함으로써 열역학이란 학문은 발전해 왔다. 그 차이점을 알아보자

열역학에서 어떤 계의 상태 변화가 미소 변화를 일으키며 진행되어, 계와 주변 환경에 아무런 변화를 일으키지 않고 원래대로 되돌아올 수 있는 변화 과정이다. 가역변화라고도 부른다 - 네이버-

즉 한방향으로 진행된 과정은 역으로 행해질때, 추가적인 비용이 들지 않는 과정을 의미한다.

가역과정에선 열역학적 상태가 항상 평형을 유지한다고 가정한다. 즉, 마찰, 난류, 교축등과 같은 에너지의 손실이 존재하지 않고, 상태변화하는 계 내부의 에너지는 완전보존된채 외부로 방출되었다가 다시 내부로 돌아올 수 있다는 의미이다.

하지만 실제론, 과정이 진행되는 도중에 계가 내포하고 있던 에너지의 일부는 주위로 흩어지게 된다. 이렇게 진행된 과정을 되돌리기 위해서는 흩어지게 된 에너지, 즉 주위로 방출된 에너지와 같은 크기의 에너지가 외부에서 보상해주어야 하며, 추가정직 열공급 혹은 일이 요구된다. 이러한 비가역적인 요소가 존재한다면 비가역 과정이다.

이러한 가역과정을 가정하는 것이 중요한 이유는 현상 해석이 간단해지기 때문이다. 가역을 가정함으로써 과정이 진행되면서 발생한 열량, 에너지, 엔트로피의 계산이 간단해지면서 이론적인 효율을 도출하기 쉬워진다. 하지만 최근엔 외부로 방출되는 에너지를 최소화하기 위해 엑서지라는 이론이 등장하게 된다.

엑서지는 간단하게 말하면 계 내부에서 일을 행할 수 있는 량을 의미한다.

번외로 비가역과정은 엔트로피가 증가하는 것이며, 가역과정은 엔트로피가 0이냐고 많이들 생각한다. 하지만 엔트로피는 열역학적 상태량의 하나로, 시스템의 열역학적 상태에 의해 결정된다. 그렇다고 아예 무관한 것도 아니다. CYCLE이 가역과정일 경우 잃어버린 열량과 다시 흡수한 열량의 총합은 같기에 0이 되고, 비가역과정에서는 외부로 흩어지는 열량이 존재하기 때문에 항상 엔트로피 변화량은 항상 양수이다.

열역학 #8 가역단열과정

취준일기 — Mon, 24 Aug 2020 14:25:15 +0900

이번 포스팅은 가역단열과정에 대해 알아보겠습니다.

단열이라는 조건은 어떠한 계에서 외부와의 열 교환을 단절한다의 단열입니다.

출처 네이버 블로그 친절한냉동C

위 두 그래프를 통해 보면 단열이 어떤 의미인지 알 수 있습니다.

1. 엔트로피

우선 엔트로피를 나타내는 클라우시우스 부등식에 대해 간단히 알아야 합니다.

위 1번식이 클라우시우스 부등식인데,

이 식의 의미는 계에 전달되는 열량은 미소의 열전달의 합으로 볼 수 있으므로

적분은 미소 열전달을 경계면의 절대온도로 나눈 값들의 합이라고 볼 수 있습니다.

엔트로피는 추후에 디테일하게 다루어 보겠습니다.

2. 가역단열과정 유도

이제 가역단열과정에 대해 알아보겠습니다.

우선 이전에 포스트 한 내부에너지를 가지고 옵니다,

이 식은

이렇게 표현할 수 있습니다.

그리고 앞서 언급한 엔트로피 식을 정리해 줍니다.

그리고 W일 을 위 식으로 표현해 주고

마지막으로 정적비열 식을 정리해 준다음에 2번 3번 4번식을 1번식에 대입하게 되면

위와 같이 정리가 됩니다. 그리고 각 항을 T로 나누어 주면

이 됩니다.

또한 여기서 단열 조건이기에, 즉 Q인 열출입이 없으므로, S역시 0이 됩니다.

이상기체 방정식을 압력에 관한 식으로 정리해주면 (n은 몰수이기에 대부분 1로 간주합니다)

위 식이 도출 됩니다. 또한 이 식을 정리해주면

가 되는데, 앞서 정적비열과 정압비열 포스트에서 서로의 관계를 확인해보았습니다. 그러므로

를 대입하면 최종적으로

이 도출되게 됩니다.

여기서 PV=RT의 이상기체 방정식을 V에 관해 정리해서 풀이하게 되면

이 도출됩니다.

기계공학 취준일기 전공편 #7 정적비열과 정압비열

취준일기 — Sun, 23 Aug 2020 10:35:20 +0900

비열은 어떤 물질을 1g의 온도를 1도 올리는데 필요한 열량으로 정의된다.

비열은 정적비열(부피가 일정할때의) 과 정압비열(압력이 일정할때의)로 나눌 수 있다.

즉 부피를 일정하게 두고 열을 가하는지 압력을 일정하게 두고 가하는지를 보는 것이다.

여기서 기본적으로 내부에너지에 관함 함수와 엔탈피에 관함 함수를 알아야 한다.

내부에너지는 U(T,V)이다. 즉 압력과는 무관하다. 내부에너지는 분자들의 움직임과 그 속도를 표현한 수치이다.

압력을 가해도 부피와 온도가 변하지 않는다면 분자들의 움직임에는 변화가 생기지 않는다고 볼 수 있다.

왜냐면 압력이 가해지고 나서 부피가 변하기 때문에라고 설명된다.

엔탈피는 H(T,P)인 부피와 무관한 함수로 표현할 수 있다. H=U+PV 이고 식을 정리하면 dH=Q+VdP로 표현된다.

이제 정적비열과 정압비열을 설명해 보겠다.

내부에너지는 U(T,V)이다. 즉 부피가 일정할때 변화량을 편미분을 통해 표현하면 다음식으로 표현할 수 있다.

다음 정압비열은 H(T,P)의 함수에서 압력이 일정하다고 가정할때 온도에 따른 변화를

로 표현할 수 있다.

나머지 풀이를 쓰게 되면

가 된다. 여기서 PV=RT를 편미분 해준것이며,

가 되는 이유는 U는 p와 무관한 함수이며 h는 v가 일정하다고 가정했기 때문에 Cp로 볼 수 있다.

이식을 보면 당연하다는 것을 알 수 있는데 예를 들어 압력을 일정하게 놓고 온도를 올리는 것보다,

부피를 일정하게 놓고 온도를 올리는게 직관적으로 쉽다는 것을 알 수 있다.

정적비열 정압비열은 카르노사이클을 증명하는 식중에 하나가 된다. 아 그리고 모든 과정은 밀폐계에서 일어난다는

가정을 한다.

기계공학 취준일기 전공편 #6 내부에너지, 엔탈피, 축일

취준일기 — Sun, 23 Aug 2020 00:02:05 +0900

열역학에서 가장 자주 등장하고, 기본적으로 이해해야 할 내부에너지와 엔탈피 그리고 축일에 대해 알아보자.

1. 내부에너지(U)

내부 에너지는 특정한 물질이 가지는 Ep(위치에너지), Ek(운동에너지) 등의 고유한 에너지를 의미하고 U라고 표현한다. 즉, 분자들이 갖고 있는 에너지이다.

출처 구글

위 그림은 닫힌계에서 1번상태에서 2번상태로 변화하는 과정을 보고 있다. 1번에서 2번으로 변화하면서 계가 갖고 있는 Q의 양이 변화하였고, W의 변화량 역시 존재한다. 이 변화를 식으로 표현하면

(U2 + Ek2 + Ep2) - ( U1 + Ek1 + Ep1) = Q +W 으로 표현이 된다. 즉 2번상태에서 1번상태를 빼면 상태변화 하는데

계가 열을 받고 일을 한 내부E의 총 변화량과 같다는 식을 도출할 수 있다. 위 식을 좀 더 정리해 주면

ΔU + ΔEk + ΔEp = Q + W 이 되는데 이때 위치에너지와 운동에너지는 무시할 정도로 작다고 하여 빼주게 된다. 그래서 우리가 자주 보는 ΔU = Q + W 이 식이 완성되게 된다. 그리고 W = - PdV 이라고 약속한다. 그 이유에 대해 알아보자.

알다싶이 일 w=f(무게)x이다 여기서 x는 변위 즉 일정한 값이 아니기에 dw=fdx가 된다. 여기서 무게는 질량과 넓이의 곱으로 나타낼 수 잇는데, dw=ρAdx가된다. 이는 다시 dw=ρdV가 되게 된다.

2. 엔탈피(H)와 축일(Ws)

엔탈피의 사전적 의미는 엔탈피의 값이 기준을 어떤 점으로 잡느냐에 따라 변하기 때문에, 그 자체로 쓰이기 보단 엔탈피의 변화로 어떤 과정을 나타내기 위해 만들어진 개념 이라고 한다. 식으로 표현하면 H=U+PV로 표현할 수 있다(약속). 이상기체 방정식의 PV = nRT 에서 유추할 수 있듯이 압력에따라 부피가 변할 수 있고, 부피에 따라 압력이 변할 수 있으니 이를 컨트롤 하기 위해선 미분을 하게된다.

우선 내부에너지에서 출발해보자. 내부에너지는 dU=Q+W이고 W=-PdV라고 약속했다. 이 W라는 것은 압력이 일정할 때 미세부피변화에 따른 일한 양을 수치로 나타낸 것이다. 이것을 알짜힘이라고 한다. 그럼 반대로 부피가 일정할때 미세압력변화에 따른 일한 양을 수치로 나타낸 식이 있는데 이를 Ws=VdP로 나타낼 수 있다. 이것을 축일이라고 한다.

그렇다면 PV를 미분하게 되면 d(PV) = PdV + VdP가 되게 된다. 여기서 부터 순차적으로 식을 정리해주면

dU=Q+W -> dU=Q-PdV-> U=Q+VdP-d(PV)->d(U+PV)=Q+VdP 가 된다. 여기서우리는 엔탈피를 H=U+PV로 정의 했기 때문에 최종적으로 du=Q+VdP(Ws)가 된다. 그러므로 결론은 ΔH= Q+Ws가 나오게 된다.

엔탈피와 가장 자주 나오는건 엔트로피 이다. 간단하게 설명하면 열역학적 계에서 뽑을 수 있는 에너지는 엔탈피이고, 일로 변환할 수 없는 유용하지 않는 에너지의 흐름을 설명하는 것은 엔트로피라고 생각하면 된다. 다음에 엔트로피에 대해 깊게 알아보자

저장탱크

취준일기 — Thu, 20 Aug 2020 15:21:02 +0900

플랜트 산업에서 기름, 물, 화학적 성분을 갖고 있는 유체는 공정과정간 다양항 형상과 크기를 갖고 있는 탱크에 수집 및 저장된다. 저장탱크를 설계하는 과정에서 유체가 가지고 있는 특성과 사용압력을 고려하여 적절한 혹은 적합한 형태를 선정하고 설계를 진행하는 것이 중요하다.

저장탱크는 크게 바닥과 원통형 쉘(수직벽) 혹은 구 모양의 쉘과 지붕을 갖고 있는 구조이다. 사용하고자 하는 압력(목적)으로 구분하면 대기압탱크, 저압탱크, 중압탱크, 고압탱크로 나눌 수 있고, 형상에 따라 CRT, DRT, FRT, Sphere Tank로 나눌 수 있다.

1. CRT (Cone Roof Tank)

출처 플랜트인사이트

수직 원통형의 shell (측판), cone roof (원추형 지붕), bottom (바닥판)으로 구성된 탱크이다. 가장 일반적으로 사용되는 탱크로서 건설비와 유지비가 적게 들어 가장 경제적인 탱크이다. 대기압 또는 대기압보다 약간 높은 압력하에서 모든 액체 저장에 적용된다. 내,외압의 변화에 약한 단점이 있어 지붕에 pressure or vacuum vent를 설치하거나 그렇지 않은 경우에는 vent를 설치하여 대기압과 동일한 압력을 유지하게 한다. 또한, 상부와 하부에 각각 manhole을 만들어 유지보수가 용이하도록 설계되어 있다. 타 저장탱크와 다르가 간단한 구조이므로 대형으로 제작할 수 있지만, 커질수록 roof structure의 개수가 많아지면서 frt보다 건설비용이 높아질 수 있다.

2. DRT (Dome Roof Tank)

출처 https://whatispiping.com/a-short-description-of-various-types-of-atmospheric-storage-tanks

수직 원통형의 shell과 dome roof (반구형 지붕), bottom으로 구성된 탱크로서 대기압 또는 저압(15psi)하에서 사용된다. CRT가 roof 구조상 대기압보다 약간 높은 정도의 압력하에만 사용되는 단점을 보완하여 roof형태가 cone형태보다 높은 압력에서 견딜수 있는 dome 형태이다. CRT, FRT에 비해 높은 압력에서 사용되므로 저장물의 증발을 억제하여 증발손실을 줄일 수 있다.

3. FRT (Floating Roof Tank)

출처 http://www.ansonindustry.com/floating-roof-tank.html

구조적으로 CRT에 존재하는 vapor zone에 의한 증발손실을 막기위해 roof가 액면에 밀착하여 움직이는 구조이다. 이로인해 탱크 내의 증발공간을 최소화하고, roof의 부식과 화재에 대한 위험을 감소하는 효과를 갖고 있다. floating roof와 shell사이에는 seal을 설치하여 vapor의 대기 유출을 방지한다. 증기압이 높거나 휘발성이 강한 유종의 저장에 적용된다. 인화점인 약 27도 이하인 원유, 휘발유, 나프타 등을 CRT에 저장하면 액면상부의 공간에 공기와 증기가 섞여서 폭발의 위험이 있으므로, 이러한 유종은 FRT에 저장한다. 그림에서 알 수 있듯이 roof가 바닥에 내려온다 하여도 약 1.2m의 공간이 남아 있기 때문에 CRT보다 DEAD STOCK이 크다는 것을 알 수 있다.

출처 http://www.ansonindustry.com/floating-roof-tank.html

오른쪽은 기존 FRT이고 왼쪽은 IFRT이다.

4. Sphere Tank (Ball Tank)

출처 SK이노베이션

상온, 상압하에서 기체로 존재하나 중, 고압하에서 액체로 존재하는 물질을 저장하는 탱크이다. 동일한 압력 하에서 구형은 원동형에 비해 발생하는 응력이 작기 때문에 원통형에 비하여 높은 압력하에서 사용하기 적합하다. 완전 구형인 sphere tank와 타원형인 spheroid tank로 나눌 수 있다.

4.1 Sphere

중압, 고압하에서 액체, 기체를 저장하는 탱크로서 이론적으로 가장 우수한 형태이다. 구형은 일정 체적에 대하여 최소의 표면적을 가진 형상으로 강도적으로 안전한 구조이다. 즉 동일한 압력하에서 동일한 내경, 동일한 두께를 가진 구형과 원통형에 작용하는 응력은 2배 차이가 난다) 하지만 제작이 원통형에 비해 어렵고 단가가 높다. 그러므로 작게 만들어 여러개를 사용하는 것 보다 크게 만들어 사용하는게 경제적으로 좋다.

4.2 Spheriod

출처 구글

구형을 약간 평평하게 한 타원형의 탱크이다. 작용 응력이 어느 부분에서도 일정하기 때문에 사용재료를 최소화하여 가장 경제적인 설계가 된다.

SCR, SNCR

취준일기 — Thu, 20 Aug 2020 12:50:09 +0900

SCR과 SNCR은 NOX 질소산화물 저감기술이다.

질소 산화물(NOx)은 NO, NO2 등과 같이 질소와 산소가 결합된 물질이다. 연료의 연소과정에서 공기중의 질소가 고온에서 산화하여 발생하거나, 연료내에 함유되어 있는 질소 성분이 열분해되어 NH3, HCN, CN와 같은 저분자량의 질소 화합물로 변하고 이들이 산소와 반응하여 발생된다. 즉 거의 모든 플랜트에서 PRODUCT생산 공정에서 질소산화물은 필연적으로 나오게 된다. 이제 질소산화물을 제거하는 SCR과 SNCR을 알아보자

1. SCR (Selective Catalytic Reduction) - 선택적 환원 촉매

배기가스에 환원제(암모니아 등)를 분사하여 촉매층을 통과시켜 상대적으로 저온인 250~400도에서 NOx의 환원반응을 효과적으로 진행시키는 시스템이다. 주로 보일러, 발전시설, 폐수/기물/가스 소각처리 시설등에서 사용되고 있다. SCR법은 촉매하에서 NH3,CO, 탄화수소 등의 환원제를 사용하여 NOx를 N2로 전환시키는 기술이다. SCR법은 현재가지 신뢰성이 높고, 정화효율이 높아 상업적 질소산화물 처리기술로 발전했다. 대부분 고정원에서는 하니컴 형태의 지지체에 촉매를 코팅 (washcoat)하여 사용하거나 촉매 자체를 하니컴 형태로 제조하여 사용하고 있다. 적절한 촉매와 조업 조건을 설정할 경우 높은 먼지 영영인 50g/m3 에서도 94% 이 상의 탈질 효율을 보이는 것으로 알려져 있다.

환원제에 따라 공정을 분류할 수 있는데 탄화수소를 사용하는 HC-SCR과 수소를 사용하는 H2-SCR, 암모니아를 사용하는 NH3-SCR로 구분할 수 있다.

암모니아를 환원제롤 사용할 경우 누출 문제가 발생할 수 있기 때문에 탄화수소나 수소를 환원제로 이용하는 촉매개발이 진행되고 있으나, 암모니아가 가장 우수하기 때문에 대부분의 고정원에서 NH3-SCR 공정을 채택하고 있다. 일반적으로 SCR은 NH3-SCR을 의미한다. 상용적으로 사용되는 촉매는 VOx/TiO2 (바나듐 산화물/ 이산화 타이타늄) 촉매로 250~400도 온도범위에서 높은 탈질 효율을 보인다. 또한 배기가스내 함유된 수분과 황산화물에 의한 활설저하가 작다. 4NO+4NH3+O2 -> 4N2+6H20로 반응식이 일어나게 되는데 산소가 있는 조건에서는 반응이 가속된다. 식에서 확인할 수 있듯이 질소산화물과 암모니아는 1:1로 반응하기 때문에 몰비는 1이 최적이지만, 암모니아 누출을 억제하기 위해 일반적으로 1.0이하의 몰비에서 조업된다.

단점으로는 HN3-SCR은 환원제로 사용되는 암모니아가 독성과 부식성이 있어 누출을 방지해야 한다는 것이고, 암모니아는 SO3와 반응하여 황산암모늄이 생산될 수 있다. 황산암모늄은 접착력이 높고 부식성이 강하지에 촉매층 후단의 장비를 부식시킬 수 있다. 따라서 촉매인 바나듐의 함량을 줄여 SO2가 SO3로 산화되는 것을 방지해야 한다.

2. SNCR (Selectiv non-Catalytic Reduction)

배기가스 환원제를 분사하여 촉매 없이 연소실을 통과하여 850~1100도에서 질소산화물의 호나원반응을 통해 처리하는 시스템이다. 보일러, 발전시설, 소각시설 등에서 사용하는데, SCR과 다른점은 촉매를 사용하지 않고, 높은 반응온도에서 암모니아를 몰농도 비율로 배기가스 또는 연소 대류영역에 주입하여 질소산화물을 저감하는 방법으로 효율은 약 50%이다. SNCR은 설치비용이 저렴하나, 적정량의 암모니아주입 및 적정반응온도 유지 등읜 어려움이 있다.

SNCR은 자세한 데이터를 찾기 힘들다. SCR과 비교하였을 때 설치비가 저렴하나 운영비와 효율이 좋지 않다는 것만 알면 될것 같다.

기계공학 취준일기 #14 LDPE, HDPE 2

취준일기 — Wed, 19 Aug 2020 19:16:26 +0900

3. HDPE공정은 크게 촉매제조(조제) -> 중합반응 -> 분리/건조 -> 제립/저장/출하 단계로 진행된다.

출처 한국산업안전공단

3.1 촉매제조공정

일반적으로 HDPE공정에서는 Ziegler-Natta계열의 촉매나 Cr2O3-Alumina (산화크롬 - 알루미나)촉매가 많이 사용되고 있으며, 주촉매의 활성여부를 위해 조촉매로서는 트리에틸알루미늄 (AL - TRIETHYL, TEA)등의 유기금속을 사용한다.

3.2 중합 반응공정

출처 산업안전공단

중합반응은 교반기가 설치된 반응기 또는 루프 반응기에서 중합되며 반응기에는 헥산(n-Hexane) 또는 이소부탄의 액체 희석제에 에틸렌, 코모노머, 수소, 주촉매, 조촉매가 공급되어 폴리에틸렌이 중합된다. 국내에서는 대부분 액상슬러리 방법에 의해 HDPE를 중합하고 있다. 반응기의 형태 및 사용 촉매에 따라 반응조건이 달라진다. 슬러리 CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor) 반응기의 경우, 반응열 제거를 위해 반응기에 자켓과 코일이 설치되어 있고, 반응중에 슬러리 상태로 순환/냉각시켜 다시 반응기로 주입하는 내부순환시스템이 적용되고 있다. 공단량체로 이용되는 에틸렌과 프로필렌, Ziegler 촉매와 분자량 조절제로 사용되는 수소촉매를 반응기에 주입시키는데 중합은 약 90도, 1MPa에서 진행된다.

슬러리 루프(slurry loop)반응기의 경우, 반응기내에서 희석제(i-Butane)와 폴리머가 섞인 슬러리가 펌프에 의해 고속으로 순환되는 가운데 폴리에틸렌이 중합되며, 형성된 폴리머는 반응기내에서 일정한 농도를 유지하면서 setting leg을 통해 토출된다. 반응기의 주요 변수는 에틸렌 공급량, 촉매의 종류 및 활성도, 에틸렌/희석제 공급비율, 코모노머 종류 및 공급량, 반응기 압력 및 온도 등이다.

3.3 분리/건조 공정

출처 한국산업안전공단

반응기에서 초과 공급되어 슬러리 상태의 폴리머가 원심분리기에 공급된다. 원심분리기에서 원심력으로 폴리머와 희석제를 분리한 후 폴리머는 건조기로, 희석제는 중합공정에 재사용되거나 불순물 제거를 위한 용매 정제 공정으로 보내진다.

원심분리기를 거친 hdpe 파우더에 함유된 잔류 희석제는 건조기, 건조질소 시스템과 건조 스크러버로 구성된 파우더 건조섹션에 이송되어 건조된다. 원심분리기에서 분리된 모액(불순물을 포함한 희석제)은 모액 포집탱크로 이송된다. 모액 분리기에서 배출되는 용매증기는 용매가열 및 건조기 질소 가열기의 파우더 건조용 질소를 가열하는데 폐열로서 사용되고 희석제는 불순물을 제거하고 중합공정에 재사용 된다.

3.4 정제공정

출처 한국산업안전공단

분리된 이소부탄 및 에틸렌등은 2단 압축 후 어큐물레이터에서 상부로는 에틸렌이 하부로는 이소부탄으로 분리한다 하부의 이소부탄은 하부의 중질 H/C과 분리도니 후 이소부탄 저장탱크로 회수되고, 중질 H/C는 BTX공정으로 이송된다.

3.5 제립/ 저장/ 출하

파우더 상태로 건조된 폴리머는 필요한 첨가제가 혼합되어진 후 압출기 호퍼를 거쳐 압출기에서 용융된 후 원하는 크기로 절단되어 펠렛 상태로 건조기로 이송된다. 건조기에서 건조된 후에는 송풍기에 의해 필렌 블랜더로 이송된다. 혼합되어 제품의 물성이 고르도록 교반되어진 후 포장기로 이송되어 포장된 후 출하된다.

기계공학 취준일기 #13 LDPE, HDPE 1

취준일기 — Wed, 19 Aug 2020 18:46:16 +0900

1. 폴리에틸렌( Polyethylene, PE)

폴리에틸렌은 가장 많이 사용되는 열가소성 수지이다. PE는 우수한 전기절연성, 질김성, 방수성으로 초기 제품의 대부분은 군수용으로 사용되었다. 이후 가격이 저렴하면서 가공이 쉽고, 내화학성과 유연성이 좋아 일상생활 용품으로 응용됨에 따라 수요와 생산이 증가되었다.

폴리테릴렌의 중합은 고압법에 의한 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE)가 탄생했다. 하지만 170℃의 온도에서 최대 2,000기압의 압력이라는 환경이 요구되었다. 이러한 극단적인 조건 속에서 높은 비용으로 대량생산하기엔 한계가 있었기에 조금더 저압에서 폴리에틸렌을 생산하고자 새로운 촉매와 공정이 개발되었다. 지글러-티탄 촉매 및 CR촉매 등을 사용하는 중저압법의 고밀도폴리에틸린(HDPE)공정이 소개되었다.

폴리에틸렌은 LDPE, HDPE, 그리고 낮은 압력에서 제조되며 저밀도폴리에틸렌과 비슷한 특성을 가지는 선형저밀도폴리에틸렌(LLDPE)가 있다.

제조 방법으로는 LDPE를 제조하는 고압법 폴리에틸렌과, 연화점이나 강성이 큰 HDPE를 제조할 수 있는 중압법, LLDPE를 제조할 수 있는 기상법이 있다.

저밀도 폴리에틸렌은 상온에서 투명한 고체이고 가공이 쉬우면서 유연합니다. 이로인해 투명한 비닐제품이나 필름, 코팅, 비닐하우스의 비닐등에서 사용된다. 반면 고밀도 폴리에틸렌은 밀도가 높고 단단해 외부 충격에도 잘 견디기 때문에 용기나 병, 뚜껑, 파이프등에 사용된다. LLDPE는 저밀도 폴리에틸렌과 비슷한 성질을 가졌지만, 더 유연하면서 강도가 높아 찢어지거나 구멍이 나지 않으면서도 충격을 흡수할 수 있다. 따라서 포장재, 농업용이나 공업용 필름으로 활용된다.

HDPE와 LDPE의 밀도차이는 결합구조에 따라 달라진다. HDPE는 직선과 같은 체인형으로 연결되어 있다. 반면에 LDPE는 폴리머 체인에 곁사슬을 두고 있어 고분자와 결합력이 상대적으로 떨어진다. 이는 반데르발스 결합의 차이로 이어진다. 반데르발스 결합은 분자 내 끌어당기는 인력이나 척력을 말하는데, 저밀도 폴리에틸렌은 곁사슬이 많아 정렬에 방해가 되고, 이는 곧 반데르발스 결합의 약화로 이어집니다. 고분자간의 끌어당기는 힘이 약하기 때문에 유연하면서 투명성을 띄고 결정성은 낮다. 반면 고밀도 폴리에틸렌은 일직선 형태로 정렬해있어 서로간의 반데르발스의 힘이 강하며, 결정성이 크로 단단해 진다.

이제 공정에 대해 알아보자.

2. LDPE에 대해 알아보자

출처 한국산업안전공단

LDPE공정은 크게 압축 -> 중합 -> 미반응 GAS분리와 순환 -> 제립 -> 이송 순으로 공정이 진행된다.

2.1 1차 2차 압축공정

출처 한국산업안전공단

주 원료인 에틸렌 가스를 3MPa 상온으로 1차 압축기에 공급하고, 여기에 일부 미반응 gas인 저압순환 gas(저압분리기에서 분리된 gas)를 합하여 24~25MPa까지 압축하여 고압순환 gas system에 주입한다. 미반응 고압순환gas(고압분리기에서 분리된 gas)와 1차 압축기에서 압축된 에틸렌 gas는 2차 압축기로 공급된다.

2차 압축공정에서는 1차 압축기에서 압축된 에틸렌 가스를 중합반응에 필요한 압력까지 상승시키고 미반응 에틸렌 gas를 순환시키는 공정이다. 2차 압축기는 미반응 고압순환 gas와 1차 압축기에서 압축된 에틸렌 gas를 중합반응에 필요한 압력까지 압축하여 냉각시킨 후 중합반응기로 공급한다.

2.2 중합 반응 공정

출처 한국산업안전공단

2.2.1 Tubular 반응기 사용 공정

반응기는 이중관으로 구성되어 있고 내관에는 중합반응이 일어나며, 외관에는 냉각수가 흐른다. 냉각수(hot water)는 발열반응인 에틸렌중합반응에서 중합열을 제어하기 위한 열전달 매체이다. 에틸렌 중합과정에서의 전환율은 생산되는 제품의 종류에 따라 차이는 있지만 약 20~25%이다. 종전에는 반응 개시제로는 공기가 사용되었으나, 현재는 유기과산화물(peroxide)가 전환율을 높이고자 사용되고 있다. Autoclave 반응기보다 반응열 제어가 쉬우며, 개시제는 약 3회정도 분산하여 주입한다.

2.2.2 Autoclave 반응기 사용 공정

4개의 zone으로 구분되고 교반기가 내장된 초고압용반응기로 1,2차 압축에 의해 압축된 에틸렌 gas와 반응개시제가 주입되어 중합반응이 일어난다. 이때의 반응개시제는 유기과산화물(peroxide)가 주로 사용되며, 주입펌프에 의해 반응기로 주입된다.

2.3 분리/순환공정

출처 한국산업안전공단

미반응 gas 분리와 순환하는 공정이다. 반응기에서 미반응된 에틸렌은 반응기 후반부에서 압력이 강하된 후 고압 분리기에서 1차 분리되어 일부는 불순물의 축적을 방지하기 위해 에틸렌 정제시설로 보내지고, 나머지는 고압 압축기로 순환된다. 저압분리기에서 분리된 에틸렌은 승압압축기에서 압축되어 1차 압축기로 유입된다.

2.4 제립공정

저압분리기 하부에는 압출기와 다공판이 있으며 3단계로 gas를 제거한 용융 폴링틸렌을 압축하여 수중절단기를 거쳐 펠렛 상태로 만든다. 수중에서 절단된 폴리에틸렌 펠렛은 원심 분리기에서 건조된 후 선별기를 지난 후 품질 검사조, 잔존 gas 제거조, 저장조등을 지나 출하된다.

HDPE는 다음시간에 이어 알아보자

기계공학 취준일기 #2 설비보전이란 2

취준일기 — Wed, 19 Aug 2020 15:07:32 +0900

출처 https://m.blog.naver.com/firerisk/220387171553

앞서 설비보전에는 PM과 BM, 그리고 CM이 있다고 기술하였다. 자세히 알아보자.

1. PM(Preventive Maintenance) 예방보전

1.1 TBM (Time Based Maintenance)이란 사용시간을 근거로 하는 보전활동이다.

1.2 IR (Inspection & Repair) 이란 설비를 정기적으로 분해하고 검사하여 불량인 것을 교환하는 것이다. 오버홀형 보전이라 생각하면 된다. 오버홀이란 사용시간을 0으로 환원하는 정비형식이다.

1.3 CBM (Condition Based Maintenance)란 설비진단기술 (CDT)에 의해 설비의 상태를 관측하여 진행하는 보전활동을 의미한다.

2. BM(Breakdown Maintenance) 사후보전

2.1 PBM(Planned Breakdown Maintenance)란 고장이 발생할때까지 사용하여 보전하는 형태이다.

2.2 EBM(Emergency Breakdown Maintenance)란 예상외의 고장으로 신속하게 진행해야 하는 형태이다.

3. CM(Corrective Maintenance) 개량보전

설비의 보전성, 안전성, 신뢰성, 경제성 향상을 목적으로 현재 설비의 체질개선을 통해 경제적 가치창출을 목적으로 한다

수명연장, 정비시간과 정비비용 단축에 목적이 있고, 종속적인 설비와 점검이 어려운 경우, 열화 경향의 산포가 큰 것에 주로 이용된다.

가장 효율적인 정비방법은 CBM이라고 한다. 이유는 TBM은 수명이 남아있는 부분품 및 설비 기기에 대해서도 정비를 진행하기 때문에 과도한 정비비지출로 이어질 수 있기 때문이다. IR역시 오버홀을 진행하기 위해서는 별도의 설비가 필요한데 이를 구축하기 위한 비용과 정비를 진행할 정비기술원들의 교육비용 역시 들어갈 것이기 때문에 비용측면에서 이점이 많지 않다. 반면 CBM은 설비진단기술에 의해 설비의 상태를 관측하여 결과에 따라 모든 보전활동을 정하게 된다. 예를들어 간이진단으로 진동과 온도 등의 기계상태를 반영하는 파라메타를 측정하여 시간에 대해 정리하는 경향관리를 진행한다. 이렇게 측정된 파라메타의 수치가 미리 정한 레벨에 도달하게 되면 정밀진단을 실시하여 보전방법을 결정하게 된다.

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출처 https://m.blog.naver.com/firerisk/220387171553

설비의 열화패턴과 최적보전방식에 대해 알아보자

DFR이란 고장율이 시간에 따라 감소하는 구간이다 (첫구간). 고장율이 감소함으로써 CDT로 관찰을 통해 정비를 진행하는 CBM이 가장 적절하다.

CFR이란 고장율이 시간에 무관한 구간이다 (두번째 구간). 고장율은 시간의 변수가 아니므로 위와 같은 이유에서 CBM과 BM이 가장 적절하다.

IFR이란 고장율이 시간에 따라 증가하는 구간이다. 즉 노후화로 인해 정비시간과 비용이 증가하게 되는데 이에 따라 CBM과 TBM이 가장 적절한 정비방법이라 생각한다.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------TPM(Total Productive Maintenance)?

TPM이란 직원 전원이 참가하여 진행하는 생산보전활동으로 생산시스템의 종합적인 효율화를 추구하는 체질구축을 목표로 하는 것이다. 생산시스템의 전 생애를 대상으로 재해 ZERO, 불량 ZERO, 고장 ZERO등 모든 LOSS를 미연에 방지하는 체제를 현장과 현물에 구축하는 것이다. 이를 통해 생산부문을 비롯하여 개발과 영업 관리등 전 부분에 걸쳐 최고경영자부터 제일선작업원에 이르기까지 전원이 참가하여 LOSS ZERO를 달성하려는 종합적 보전활동을 의미한다.

TPM의 기본이념은

1. 경영에 직결되는 전사적 제조기술 2. 철저한 낭비배제 3. 미연방지 (예방 철학) 4. 현장, 현물주의 5. 참여경영 및 인간존중 이다.

목적은 1. 인간의 체질개선 2. 설비의 체질개선 3. 6대 LOSS의 ZERO화이다

TPM의 기초인 설비 5S는

정리, 정돈, 청소, 청결, 습관화 이다. 이정 이청 일습으로 외우면 되겟다. 5S의 목적은 당연히 코스트 감축, 능률향상, 품질향상, 고장감축, 안전보장 및 공해방지, 의욕향상이다.

TPM에 더 알고 싶으면 https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=lchry&logNo=220529742600&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F이곳을 참고하면 되겠다.

설비보전에 대해 더 알고 싶으면 file:///C:/Users/USER/Downloads/46.pdf을 참고하면 되겠다.

기계공학 취준일기 #1 설비보존이란 1

취준일기 — Wed, 19 Aug 2020 14:41:57 +0900

설비보존과 진단이란 사고방지와 생산성에 문제가 발생하지 않도록 효율적이고 정확하게 설비보존을 실시하여야 한다.

이를위해 설비의 상태를 정확히 파악하고, 설비의 열화 및 원인과 고장의 상태등을 파악하는 일련의 활동을 설비보존과 진단이라고 한다. 기존설비의 최장, 최적운용을 통해 제 2의 이익창출을 도모하는 것이 maintenance직무의 목적이다.

설비보존의 개본 개요부터 알아보자.

설비 관리업무 수행방법에는

1. 보수시기와 교체시기, 범위를 결정해야 한다. 주기에 따라 정비를 하게 된다면 생산성에 문제가 발생하지 않는 시간대

혹은 계절/분기에 진행해야 하기 때문이다.

2. 수리작업과 교체작업에 대한 신뢰성을 확보해야 한다. 설비의 신뢰성 즉 강건성을 확보하는 것이 설비보존의 첫 걸음이다.

3. 예비품 발주에 대한 시기를 결정해 두어야 한다. 벌크성 자재의 경우 시간이 경과함에 따라 expired될 수 있고, 필요 이상의 자재를 보유하게 되면 관리비용에 비용이 들어가기 때문이다.

4. cm(개량보존)의 방법을 결정해 두어야 한다. 그래야 추후 revamping같이 시설확장에 최소비용으로 최대 효과를 낼 수 있기 때문이다.

5. 안전에 유의해야 한다. 안전무결제도를 확립할 수 있는 방법을 사전에 결정해야만 위에 설명한 최소 비용으로 최대 효과를 낼 수 있다.

신뢰성이란 부분품, 장치, 기기, 시스템이 주어진 조건 아래서 일정 기간 중에 디자인되었던 기능을 수행하는 확률이다. 다른 말로는 고장나지 않을 확률을 의미한다. 따라서 신뢰성은 시간의 변화에 따른 동적인 품질이라고 말할 수 있다.

CDT(설비진단 기술 Condition Diagnosis Technique)란 설비를 분해하지 않고, 설비에 가해지는 스트레스, 열화, 강도, 성능을 정량적으로 파악하여 설비에 대한 신뢰성과 현재의 성능을 예측하고, 이상에 대한 원인과 위험도를 평가하여 수정, 시정, 보완하는 방법을 결정하는 기술이다. 이를 가장 효율적으로 사용하는 것은 상태기준보전이다.

설비진단은 간이진단과 정밀진단으로 나눌 수 있다.

간이진단이란 1차 기능진단에 해당하며 현장 작업자가 실시한다. 작업자는 라인에서 근무함으로써 설비의 상태를 신속하면서도 효율적으로 관찰할 수 있다. 관찰을 통해

1. 설비에 가해지는 이상응력을 검출하고 그러한 경향을 관리해야 한다.

2. 열화, 고장의 이상상태를 조기에 발견한다. 신속한 정비는 금액을 줄일 수 있다.

3. 기기 및 설비의 성능이나 효율에 문제 발생 유무를 검출하고 관리한다.

4. 작업을 진행하며 발생할 수 있는 안전상 문제점을 추출하여 개선활동을 하는데 필요한 자료로 쓰일 수 있게 한다.

정밀진단이란 전문지식 및 스킬은 갖춘 직원이 실시한다. 간이진단에 의해 추출된 이상현상을 전문적이고 정밀하게 진단하여 대책을 마련한다.

1. 이상상태의 형태와 종류를 규명하고 정비에 필요한 범위를 결정한다.

2. 이상의 원인을 파악하고 그에 따라 발생할 수 있는 위험도를 파악, 진행을 예측하는 업무를 진행한다.

3. 결과적으로 수정방법을 제시하고, 필요에 따라 개선사항에 대하여 결정한다.

이에따라 진행하는 설비보존 방식은 크게 PM과 BM 그리고 CM으로 나눌 수 있다. PM은 Preventive Maintenance이며, BM은 Breakdown Maintenance이고, CM은 Coreective Maintenance이다.

기계공학 취준일기 #18 개질, 크래킹

취준일기 — Tue, 18 Aug 2020 20:27:05 +0900

석유화학공장은 대규모 장치산업으로 다양한 콤비나트로 건설됩니다.

1. 개질 (REFORMING)

개질공정은 주로 나프타를 원료로 합니다. 흔히 촉매를 활용하여 접촉 또는 촉매개질법으로 화학구조를 바꿔

방향족 화합물인 BTX와 양질의 가솔린을 얻는데 주 목적이 있다.

원유->분별증류->나프타->촉매(접촉)개질->가솔린+BTX로 설명된다. 보통 나프타는 사슬형 파라핀인 포화탄화수소와

고리형 파라핀과 방향족 탄화수소를 포함한다. 나프타 중에 탄소수가 6이하인 경질나프타와, 그 이상인 중질나프타로

구분한다. 그 중 경질 나프타는 ISOMERIZATION공정을 거쳐 석유화학 원료로 FEED되고, 중질 나프타는 접촉개질에

주로 사용된다.

분별증류에서도 가솔린을 얻지만, 연소효율이 좋은 옥탄가가 높은 가솔린을 얻지 못한다. 그래서 접촉(촉매)개질에는

백금과 레늄촉매를 알루미나등의 운반체에 실어 화학반응을 일으켜 옥탄가가 높은 가솔린을 제조한다.

사슬형 파라핀을 고리화 시키고 탈수소화 시켜 방향족 화합물들을 만들기도 하고, 고리형 파라핀을 이성질체화

및 탈수소화를 통해 방향족 화합물 등을 제조한다. 또한 사슬형 파라핀이 이성질화 분해반응, 수소화 분해반응을 거쳐

가지형 탄화수소로 만들어진다.

2. 크래킹 (CRACKING)

리포밍은 양질의 가솔린과 BTX 등을 얻는데 주 목적이 있는데 반해, 크래킹은 고분자공업에 중요한

에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, 이소부틸렌 등을 얻기 위해 사용하는 분해공정법이다.

크래킹도 원료에 따라 가솔린, LPG, 디젤 등을 얻기도 한다. 석화공정에서 탄화수소의 탄소와 탄소결합을 끓는 반응을

크래킹이라고 하며, 원료 및 크래킹 조건에 따라 여러가지 생성물을 얻는다.

크래킹에는 스팀크래킹과 촉매크래킹이 있다.

스팀 크래킹에서는 나프타, LPG, 에탄 같은 기체상이나 액체상의 탄화수소를 스팀(수증기)와 섞어 고온에서

짧게 반응시키고 산소는 철저히 제거된 환경에서 진행된다. 이때 만들어지는 생성물의 종류나 양은 사용원료의

조성, 스팀의 양, 크래킹 온도와 노속에 반응물이 머무르는 시간 등에 의존한다.

예를들어 에탄, LPG, 경질나프타를 크래킹하면 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔과 같은 저분자량 알켄이 생성되지만,

중나프타를 스팀 크래킹하면 가솔린이나 연료류에 사용하기 적합한 탄화수소와 방향족 화합물이 생성된다.

고온 크래킹에서는 에틸렌과 벤젠이, 저온 크래킹은 프로필렌, C-4 탄화수소와 액체 탄화수소가 많이 생성된다.

촉매 크래킹에서는 실리카-알루미다와 제올라이트등과 같은 산성의 촉매를 사용한다. 촉매를 유동화시켜

670~760도 정도의 높은 온도에서 중유 등 고분자량 오일을 크래킹하면 LPG, 가솔린, 디젤유 등을 얻는다.

기계공학 취준일기 #12 NCC,ECC,CTO

취준일기 — Tue, 18 Aug 2020 19:19:50 +0900

석유화학산업은 나프타 또는 천연가스를 원료로 하여 합성수지, 합성섬유, 합성고무 및 각종 기초화학제품을

생산합니다. 국내에서는 기초화학제품을 생산하는데 주로 NCC(나프타)를 이용합니다.

원유 정제를 통해 나프타를 얻는다. 여기서 원유란 탄소와 수소의 화합물과 소량의 불순물이 섞여 있는 액체 혼합물이다.

비점을 이용한 분별증류로 원유 안의 구성성분을 분리한다. LPG, 가솔린, 나프타, 등유, 경우, 중유 순으로 분리되는데

약 30~180도 사이의 온도에서 생성되는 혼합물인 나프타이다. NCC공정으로 나프타를 고온으로 분해하여

에틸렌, 프로필렌 등의 기초유분을 생산한다. 기초유분으로 중간 원료를 거친 후

합성수지, 합성원료, 합성고무등의 기초 화학제품을 생산한다. 기초화학제품을 가공하여 최종제품을 제조한다.

원유가 고갈되고 있고, 고유가시대, 환경문제 등으로 인해 원유에서 분류되는 나프타가 아닌 천연가스,

석탄을 이용해 기초화학제품을 생산한다.

기초유분 생산공정은 원료에 따라 3가지로 구성된다. NCC(Naphtah Cracking Center),

천연가스를 사용하는 ECC(Ethane Cracking Center), 석탄을 사용하는 CTO(Coal to Olefin)로 나뉜다.

1. NCC

나프타를 이용한 NCC는 열분해공정 -> 급냉공정 -> 압축공정 -> 정제공정을 통해 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔등의

기초유분을 생산한다. 원유에서 분류되는 나프타를 사용하니, 유가가 낮을수록 가격 경쟁력을 유지할 수 있다.

하지만, 나프타를 주원료로 사용하므로 제조원가는 상대적으로 높으나, 에틸렌(C2)부터 프로필렌, 부타디엔 그리고

방향족 (BTX)까지 다양한 제품 생산이 가능하다.

2. ECC

출처 LG화학

ECC공정은 채굴된 천연가스를 천연가스액 (Natural Gas Liquid, NGL)상태로 변환한 후 분별공정을 거쳐

산출된 에탄가스를 이용해 주로 에틸렌(C2)를 생산하는 공정이다. ECC공정은 C2 원가 경쟁력이 가장 높은 공정으로서

중동과 북미 지역에 많이 위치한다. 과거엔 천연가스 가격이 나프타보다 비싸서 북미 지역 ECC설비를 폐쇄했지만,

수평시추기술과 수압파쇄공법이 개발되면서 미국은 셰일가스를 본격적으로 상업생산하기 시작하면서 세계최대

천연가스 생산국으로 등극했다. 저가의 셰일가스를 활용해 ECC공정의 가격 경쟁력을 갖추었지만, 제품 생산에

다양성이 부족(C2가 75%)해 NCC에 대한 경쟁력이 제한적이다.

3. CTO

CEO공정은 석탄을 원료로 사용해 올레핀(에틸렌, 프로필렌)을 생산하는 공정이다.

석탄을 가스화해 합성가스를 생성한 후 메탄올로 전환하고 이를 이용해 올레핀을 제조한다. 이에 반해

석탄에서 출발하지 않고 외부에서 조달된 메탄올(주로 천연가스 기반)로부터 올레핀을 생산하는 공정도 있는데

이를 MTO(Methanol to Olefin)공정이라 한다. 석탄출발이 메탄올에서 출발한 공정보다 원가경쟁력이 우수하다.

CTO는 국제유가 상승으로 주목받았지만, 과도한 용수사용, 온실가스 배출등의 환경오염 문제가 있어

환경규제가 덜한 개발도상국에서 시작했다. CTO는 석탄을 원료로 사용하므로 NCC, ECC 에 비해 가격 경쟁력은 높지만,

C2와 C3만 생산이 가능해서 다양성이 낮은 단점이 있다.

위에서도 기술하였지만, NCC와 ECC가 경제적으로 우수한 경우는 유가가 낮을때와 높을때이다.

다운스트림의 구조에서 볼때는 NCC는 납사를 바탕으로 다양한 다운스트림 제품을 얻을 수 있지만,

ECC는 에틸렌 위조로 생산한다. 따라서 고유가일땐 ECC가 유리하고 지금처럼 저유가 상황에선 NCC가

다양한 제품을 통해 이득을 볼 수 있기에 유리하다.

또한 NCC는 납사 공급만 가능하면 제품생산이 가능하지만, ECC는 천연가스가 생산되는 근처에서만

가동이 되기 때문에 천연가스가 고갈되면 설비를 가동할 수 없는 단점이 있다.

세계적으로 ECC공정으로 제조된 에틸렌 공급이 40%를 넘어 증가하는 추세이다. 우리나라에선 천연가스 추출이

안되므로 해외로 진출하여야 하지만 경기가 너무 안좋다..

기계공학 취준일기 #11 MMA/Iso-buthylene

취준일기 — Tue, 18 Aug 2020 16:29:45 +0900

MMA(Methyl Methacrylate)

무색 투명한 액체인 MMA는 투명성, 내후성이 우수하며, 친환경 소재로 주목받는 아크릴 수지를 시작으로 도료 및 접착제, 섬유호제 등 수많은 화학 제품의 원재료로 사용되고 있습니다. -LG화학-

뛰어난 강도와 투명도가 특징이며 광학 디스크, 조명, 자동차 램프, 인조대리석 등의 원료로 사용됩니다. -롯데 케미칼-

MMA의 제조공정은 이소부틸렌 기상산화법 (C4 직산법)이다. 이소부틸렌 기상 산화법은 C4에서 추출한

이소부틸렌을 상에서 산화시켜 메타크릴산(MAA)를 제조한 후 메탄올로 에스테르화시켜 MMA를 제조하는 공정이다.

출처 LG화학

이전 부타디엔과 MTBE제조 공정을 포스트 했다. 이제 이소부틸렌 제조공정에서 부터 시작하자.

1. Iso- Buthylene

출처 한국산업안전공단

MTBE가스는 열분해공정(Cracking Reactor)에서 이소 부틸렌과 메탄올로 분해된다.

이소부틸렌 washer에서 수세척을 통해 메탄올을(MeOH) 추출한 후 탑 하부로 분리되어 메탄올 회수탑으로 이송된다.

메탄올 회수탑에서 증류된 메탄올과 MTBE iC4등은 열 교환기를 거쳐 회수 메탄올 탱크에 저장된다.

2. 1차 산화공정

출처 한국산업안전공단

이소부틸렌은 기화기를 거쳐 산화기에 투입된다. 이어 압축공기와 불활성 가스가 1차 반응기 하부로 투입된다.

Intermediate Tube Sheet 하부에서 이소부틸렌이 MACR로 산화되고, MACR일부는 산화되어 MMA가 생성된다.

3. 2차 산화공정

출처 한국산업안전공단

MACR 탈기탑에서 나온 회수 MACR과 산소를 예열기에서 혼합시켜 2차 반응기 상부로 투입한다.

MACR의 80%정도가 2차 반응촉매를 거쳐 MAA로 산화된다.

3. HB(Heptane, Buthyene) 분리 및 MAA 회수 공정

출처 한국산업안전공단

MMA에서 HB를 분리하기 위해 반응가스가 Scrubbing Column에 투입되어 퀀칭(Quenching 반응종료)된다.

퀀칭 가스는 벤투리 스크러버에 투입되어 TPA(Phthalic acid, Quenching된 액상에 테레프탈산(TPA)의 부유물들이 있음)

를 제거한다.

액상 MMA를 회수하기 위해 Pre concentrator와 최종 증발기를 거쳐 회수한다.

4. MACR 흡수 공정

출처 한국산업안전공단

벤추리 스크러버에서 나온 가스는 MACR 흡수탑에 FEED되어 냉각된 MAA에 흡수된다.

흡수탑에서 나온 잔여가스는 폐가스 스크러버 및 미스트 분리기를 통하여 제거된다.

5. MACR 탈기공정

출처 한국산업안전공단

흡수탑에서 나온 MACR은 열교환 후 탈기탑 프리히터를 거쳐 탈기탑에 투입되어 탈기된다.

2차 산화반응기로 순환되는 가스중에서 MAA함량을 줄여야 한다. 그래서 폐가스 스크러버의 하부에서

탈기되는 가스중의 MAA를 흡수하기 위하여 탈기 탑의 상부 Tray로 유입되다.

탈기 가스로 회수된 MACR은 탈기탑 상부에 설치된 프리히터를 거쳐 2차 산화반응기로 순환된다.

6. MAA 추출 및 용제 회수 공정

출처 한국산업안전공단

MAA를 MAA수용액에서 분리하기 위해서 용액을 MAA추출탑으로 FEED하고 MAA는 용제(n-헵탄)에 의해 추출된다.

추출물은 용제 회수탑으로 도입되어 용제가 증발물로 회수되어 추출탑으로 순환된다.

용제 회수탑의 하부추출물은 FEED MAA로서 에스테르화 반응 공정으로 도입된다.

7. 에스테르화 반응 및 MAA 분리 회수공정

출처 한국산업안전공단

에스테르화 반응기 원료 투입 필터에서 여과된 MAA와 메탄올은 원료 투입 혼합기에서 단일상으로 혼합된다.

이후 반응기로 투입되어 반응기에서 양이온 교환수지 촉매하에 에스테르화 반응이 진행된다.

에스테르 생성물은 MAA분리탑으로 유입되어 MAA와 물 그리고 메탄올로 분리된다.

8. 메탄올 회수공정

출처 한국산업안전공단

에스테르화 반응물은 응축기를 거쳐 증류 물탱크에서 가벼운 에스테르화와

무거운 메탄올이 포함된 수용액으로 분리된다. 증류물 탱크내 수용액상의 액체는 히터를 거쳐 메탄올 회수탑으로

유입된다. 메탄올과 MMA혼합물은 탑 상부로 증류되고 응축기에서 응축된다.

9. MMA 정제 공정

출처 한국산업안전공단

에스테르화된 액상은 저비점 정제탑 및 고비점 정제탑을 거쳐 최종 MMA가 생성된다.

저비점 정제탑에서 메탄올은 상부에서 얻어지고, MMA는 하부에서 얻어진다.

MMA는 감압으로 운전되는 콜롬으로 투입되고, 응축기 냉각기 및 여과기를 거쳐 완제품으로 제조되어

저장탱크로 보내진다.

기계공학 취준일기 #10 SM(Styrene Monomer) 제조공정

취준일기 — Sun, 16 Aug 2020 23:40:03 +0900

앞서 Butadiene과 Styrene(스타이렌 c8)으로 합성고무를 제조하는 SBR제조를 알아보았다.

부타디엔이 제조되는 공정은 앞서 살펴보았으니 스타이렌이 제조되는 공정을 알아보자.

STYRENE MONOMER는 에틸렌과 벤젠의 합성에 의해 제조되는 주요 석유화학 중간체로, 합성수지인

폴리스티렌(GPPS, HIPS, EPS), ABS, SAN 및 합성고무인 SRR 등의 원료료 사용된다.

1. Steam Supper Heater

출처 한국산업안전공단

희석 스팀을 가열시켜 탈수소반응을 하는데 필요한 feed의 온도를 올려준다.

EB(에텔벤젠)을 EB증발기에서 기화시켜 스팀과 함께 EB/Steam Superheater에서 열교환을 한 후 1단계 탈수소기로

공급한다. 탈 수소반응은 흡열반응이므로 필요한 열원을 1단계 탈수소기와 2단계 탈수소기로

직접 과열스팀으로 공급한다. 또한 smart탈수소기에서 수소를 연소시켜 반응기 전체 온도를

상승시켜 반응율을 향상시킨다.

2. Dehydrogenator

EB가 고온의 희석스팀과 함께 탈수소촉매(산화철 촉매) 및 산화촉매(백금 촉매)충진 반응기에서 탈수소화 반응에 의해

69wt%의 SM이 함유된 탈수소 혼합물이 생성된다.

SM공정은 증기와 함께 EB를 탈수소 반응촉매에 통과시켜 SM과 수소로 분해하는 공정이다. 수율향상을 위해 2개의

반응기가 직렬로 연결되어 있는 것이 특징이다. 2단계 탈수소화 반응기로부터 탈수소혼합물(DM), EB/Primary Steam,

산소가 SMART 탈수소화기로 혼합공급되어 미 반응 EB를 DM으로 생산하는 과정을 거친다.

고온과 다량의 희석스팀 그리고 낮은압력 유지가 중요하다. 반응기 압력이 올라가면, 선택도는 낮아지므로, 낮은

압력을 유지해야 한다. 효소 억제제를 주입해서 스타이렌이 중합반응이 일어나지 않게 한다.

3. EB/Steam Superheater

EB를 기화기에서 스팀과 함께 기화시킨 후 EB/Steam Superheater에서 탈수소 반응기 유출물을 열교환 하고

1차 탈수소반응기로 공급한다. 열교환을 할때, 이곳에서 상당량의 열을 회수하여 탈수소 반응물 가스를

냉각 응축시킨다.

4. Medium Pressure WHE(Waste heat exchanger)

EB/STEAM Superheater를 거친 탈수소반응기 유출물(DM)은 MPWHE를 거치면서 약 175도까지 냉각된다.

5. Low Pressure WHE

약 175 ℃의 유체는 Low Press. WHE를 거쳐 응축수와 열교환한다. 열교환으로 탈수소혼합물을 약 131도까지

냉각시킨다.

6. Reactor Effluent Desuperheater

3번 4번 5번을 순서대로 거친 DM은 6번에서 응축수와 직접 접촉하여 열교환을 한다. 이후 직렬로 연결된

공랭식 MAIN CONDENSER를 통과해서 약 53도까지 냉각된다.

7. EB/SM Splitter

EB/SM Splitter에서 EB와 저비점 물질을 상부로 분리하고, 하부로는 스타이렌과 고비점 물질을 분리한다.

스타이렌 모노머의 중합방지를 위해 감압분별 증류를 사용한다.

8. EB Recovery Column

7번에서 분류한 EB는 EB Recovery Column으로 들어온다. 이곳에서 상부로는 0.1 wt%이하의

벤젠/툴루엔 혼합물 포함하는 EB를 분류하고, 하부로는 약 2 wt%의 벤젠/톨루엔을 함유하고 있는 EB를 분리한다.

9. Benzene/Toluene Splitter

EB Recovery Column의 상부에서부터 FEED된 벤젠.툴루엔 혼합물은 이곳에서 벤젠을 상부로, 툴루엔은 하부로

분리하여 저장한다.

10. SM Column

8번에서 분류된 하부 물질은 SM Column으로 FEED된다. 이곳에서 순도 99.9 wt%의 스타이렌 모노머를

상부로부터 얻는다. 이후 직렬로 연결된 SM Column Condenser와 Vent Condenser를 거친후

Overhead Drum으로 보내진다. Overhead Drum에서 나온 SM은 Product SM Cooler 및 Product SM Chiller를

통과하여 약 5℃까지 냉각되어진다. Overhead 배관 및 스타이렌 모노머 저장탱크내 에서 중합이 일어나지 않도록

SM Column의 O/H 출구에 TBC와 같은 중합방지제를 투입한다.

11. 박막증발기(Thin Film Evaporator)

SM Column의 하부생산물은 스타이렌 모노머가 섞인 휘발성물질뿐만 아니라 폴리머 및 중합방 지제가 포함되어

있으므로 이러한 물질을 제거 하기 위해 박막증발기로 보내어진다. 박막증발기의 상부에서는 휘발성 물질을

증발시킨 상부유출물을 SM Column 하부로 다시 보낸다. 박막증발기의 하부유출물 중 약 2/3가량은 중합

금지제 회수를 위해 EB/SM Splitter로 순환시킨다.

위에 어렵게 설명되어 있지만 간단하게 말하다면 EB(에틸 벤젠)을 만드는 과정에서 일부는 중간제품으로 사용하고,

일부는 SM을 제조하기 위해 사용된다. 아래 글을 참고하자

SM을 생산하는 SM제조공정은 크게 에틸벤젠(EB)공정과 SM공정으로 구성된다. EB공정은 에틸렌과 벤젠이 혼합되어 인접층을 통과하면서 ALKYLATION 반응에 의해 에틸벤젠으로 전환되고, 에벤젠과 부반응에 의해 생성된 OFF GAS, 플리에틸벤젠, HEAVY RESIDUE 및 미반응 벤젠을 분별증류를 통해 분리, 회수하여 OFF GAS와 HEAVY RESIDUE는 연료로 사용하고 벤젠과 폴리에틸벤젠은 반응계로 순환시키며, 제품인 에틸벤젠은 SM공정으로 이송한다.

SM공정은 증기와 함께 에틸벤젠을 탈수소반응촉매를 통과시켜 SM과 수소로 분해하는 공정으로 수율을 높이기 위하여 2개의 반응기를 직렬로 사용한다. 생산된 SM과 부생성물인 벤젠/톨루엔, HEAVY END, 미반응 EB를 제품 SM과 분리하는 과정 중 SM의 중합방지를 위하여 감압분별증류를 사용한다.

기계공학 취준일기 #9 SBR(Styrene Butadiene Rubber)

취준일기 — Sun, 16 Aug 2020 21:39:58 +0900

앞서 포스트한 부타디엔은 SBR(스티렌+부타디엔), NBR(니트릴+부타디엔), BR(부타디엔)등의 합성고무를 제조한다.

이중에서 SBR제조 공정에 대해 알아보자.

출처 한국산업안전공단

위 첫 그림은 이해를 높이기 위해 간단하게 나타낸 과정이고 두번째 그림은 밑에서 부터 나올 그림들의 맥락을 이해하기

위해 넣었다.

저장탱크와 중합반응공정

1. 저장탱크와 중합반응공정이다.

중합반응이란 단위체라 불리는 간단한 분자들이 서로 결합하여 거대한 고분자 물질을 만드는 반응이다.

원료 단위체(monomer)인 Butadiene과 Styrene 및 기타 원부재료(산화제인 oxidant등)을 저장했다가, 필요한 공정으로

이송한다. Monomer, 유화제, 그외 약품등을 반응 기내에 투입하여 반응시킨다.

SBR은 저온 유화중합으로 LATEX를 생산한다. 이때, 균일한 제품을 얻기위해 각 반응기(reactor)는

7~10도로 온도를 유지하며 일정하게 휘저어 준다. 투입된 혼합물은 반응기를 지나면서

전환율이 증가하고 마지막에는 Displacement Column으로 들어간다.

2. Monomer 회수공정

출처 한국산업안전공단

중합반응후 반응되지 않은 단위체를 RECYCLE하기 위해 회수하는 공정이다.

BD Degassing(탈기)와 ST Stripping으로 구분된다. 탈기에서 미반응 부타디엔은 증발되고, 부타디엔 증기는 BD압축기와

Vacuum Pump에서 압축되고, 응축기에서 다시 응축되어 1번의 탱크로 이송된다. 탈기한 라텍스는 ST 스트리퍼에

이송되어 증기증류 하여 미반응 ST를 제거한다.

3. 저장 및 혼합공정

출처 한국산업안전공단

라텍스를 이송하여 저장하고, 노화방지제와 신전유를 혼합한다. 라텍스는 저장 탱크로부터

Latex Blend Tank에 주기적으로 이송되며, 필요한양의 extended oil과 산화방지제가 첨가된다.

최종 혼합된 라텍스는 응고공정으로 투입된다.

4.응고 및 탈수 공정

출처 한국산업안전공단

혼합된 라텍스는 Blend 탱크로부터 응고(coagulation)탱크로 연속적으로 공급되면서 소금과 산용액이 혼합된다.

응고 탱크에서 라텍스가 Agitator에 의해 격렬히 섞여 대부분의 고무는 작은 입자 상태로 응집된다.

응집된 고무입자중 액체는 스크린에서 분리되고, 세척 탱크에물로 세척되며, 탈수기로 이송후 건조가 용이하도록

작은 조각으로 분쇄된다.

5. 건조 성명 포장 공정

한국산업안전공단

수분이 포함된 고무조각은 열풍 건조기에서 건조된다. 건조기를 통과하여 자동무게 계량기로 이송되는데,

자동무게 계량기에 의해 일정량이 계량된 된다. 이후 제품 성형기에 투입되면 균일화된 모양과 크기로 성형되어

포장된다.

기계공학 취준일기 #6 석유화학플랜트 MTBE

취준일기 — Fri, 14 Aug 2020 17:44:27 +0900

출처 구글

Butadiene Extraction Unit 과정간에 생성된 C4 Raffinate가 처리되는 공정에 대해 살펴보자

1. MTBE (Methyl Teritary Buthyl Ether) 합성공정

출처 여천 NCC

MTBE는 C4유분에서 부타디엔을 추출하고 남은 C4 RAFFINATE-1 (BBR)중 이소부틸렌을 이온교환수지 촉매 존재

하에서 메탄올과 선택적으로 반응하여 만들어 진다. 그리고 미반응 C4 RAFFINATE-1과

고순도 엠티비이(MTBE)를 분리 한다.

(주로 Gasoline Blending Stock (94%)에 사용되며, MMA (methyl Methacrylate) 생산을 위한 Chemical Feedstock (6%)사용된다.)

2. 이소부텐 제조공정

생산된 MTBE를 촉매 존재하에 분해시켜 메탄올을 분리하고, 고순도의 이소부텐을 회수한다.

3. 부텐 -1 분리공정

MTBE합성공정(과 부타디엔 제조공정)에서 배출되어 나오는 잔여 C4 RAFFINATE-2중에 부타디엔, 비닐아세테이트등을

선택 수첨시킨후 정제계에서 고순도 부텐-1을 분리한다.

기계공학 취준일기 #5 Butadiene 제조공정

취준일기 — Fri, 14 Aug 2020 12:22:01 +0900

정리되어 있는 자료가 찾기 어려웠다. 그래서 틀린게 있을 수도 있는데 지적해 주시면 감사드리겠습니다.

1. 1,3-부타디엔 제조공정 이란

.출처 한국산업안전공단

1,3-부타디엔 제조공정은 NCC에서 생산된 혼합 C4중 1,3-부타디엔을 제품으로 분리하는 공정이다.

부타디엔은 BR, SBR. NBR등의 합성고무 및 ABS수지의 원료로 광범위하게 사용된다.

크게 1차 추출증류공정, 2차 추출증류 공정, 1,3-부타디엔 정제공정, 용매 정제 공정으로 구성되어 있다.

혼합 C4는 1,2 단계 추출증류와 1,3-부타디엔 정제공정으로 연속 처리되며,

추출용매로서 DMF(Dimethyl Formamide), NMP(n-METHYLPYRROLIDONE)또는 ACN(Acetonitile)가 사용된다.

용매에 따른 공정은 대부분 비슷한 과정으로 이루어져있으며 사용되는 용매가 다른 것이 특징이다. 아래는 DMF를

사용하는 제조 공정에 대해 다루겠다.

출처 안전보건공단

출처 노동부

1.1 제 1단계 추출증류 공정 (1st Extractive Distillation Section)

혼합 C4유분이 용매와 함께 1차 추출분류탑으로 FEED된다. 그리고 용해도 및 선택도 차이에 의해

용매(DMF)에 용해되는 아세틸렌류와 1,3-부타디엔등은 탑정으로 분리되고, 용해도가 낮은 부탄 및

부텐류를 함유한 C4-RAFFINATE-1로 분류된다. 하부에 분리된 추출물들은 1차 용매회수탑으로 이송된다.

용매회수탑의 하부로 배출되는 용매는 순환사용 되고, 상부의 부타디엔을 포함한 용해도가 높은 탄화수소는

2차 추출분류탑으로 이송된다.

1.2 제 2단계 추출증류공정(2nd Extractive Distillation Section)

2차 추출 분류탑에서는 용매에 의해 부타디엔보다 용해도가 높은 성분이 용매와 함께 탑저로 배출되어

2차 용매 회수탑엥서 용매 및 탄화수소로 분리회수된다. 상부의 부타디엔 성분은 정제공정으로 도입된다.

1.3 1,3-부타디엔 정제공정(Butadiene Fractionation Section)

비점차를 이용한 2개의 연속된 분리탑에서 고순도의 1,3-부타디엔을 생산하는 공정으로

가벼운 아세틸렌류는 OFF GAS로 회수하여 연료로 사용하며 무거운 2-부텐류 및 아세틸렌류는 C4 RAFFINATE-2로

분리합니다.

1.4 용매 정제 공정(Solvent Purification Section)

1,2단계 추출증류 공정에서 연속적으로 순환하는 용매의 일부를 용매 정제 공정으로 공급하여 정제한 뒤

용매 펌프의 Seal Fluid로 공급하거나 다시 용매 순환라인으로 보낸다. 도입되는 용매는

용매에 포함되어 있는 불순물에 따라 Tar등의 고비점 물질제거 설비를 거치거나, 물 Carbonyl 및 Dimer 등의

저비점물질 제거 설비를 거치게 된다.

위에서 나온 RAFFINATE-1,2는 다시 설비를 거쳐 MTBE로 제조된다.

기계공학 취업일기 전공편 #1 열역학적 계

취준일기 — Thu, 13 Aug 2020 19:42:44 +0900

열역학적인 의미에서 계 (thermodynamic system)

계, 주위, 경계

1) 계 (system) - 계는 단순히 검사하기 위해 선택된 물질의 양이나 공간내의 영역이라고 한다.

여기서 검사한 말은 해석을 의미한다.

2) 주위(surroundings) - 계의 밖에 있는 질량이나 영역을 뜻한다. 주위는 항상 계와 상호작용하며 밀접한 관계에 있다.

3) 경계(boundary) - 계와 계의 주위를 분리하는 실제 표면 또는 가상 표면을 경계라고 한다.

수학적으로 계는 두께가 없다. 따라서 경계는 질량과 체적이 없는 가상적인 경계이다.

1. 밀폐계 (closed system) - 계는 조사의 대상이 고정질량이냐 아니면 공간 내의 고정 체적이냐에 따라

밀폐되어 있거나 개방되어 있는 것으로 본다.

출처 https://m.blog.naver.com/gkflschl/221202797150

검사질량 (control mass)이라고도 하는 밀폐계는 정해진 양, 즉 고정된 질량으로 구성되고 질량은 계의 경계를 통과할 수 없다. 그러나 에너지는 열이나 일의 형태로 계를 통과할 수 있으며, 밀폐계의 체적은 고정되어야 하는 것은 아니다.

다시말해 질량의 출입은 없고, 에너지의 출입은 있다. 그리고 체적은 고정되어 있는 것이 아니다.

2. 고립계 (isolated system) - 고립계는 질량뿐만 아니라 에너지조차도 계의 경계를 통과할 수 없다.

출처 https://m.blog.naver.com/gkflschl/221202797150

3. 개방계 (open system) - 계방계 또는 검사체적(control volume)은 적절히 선택된 공간내의 영역이다.

출처 https://m.blog.naver.com/gkflschl/221202797150

질량과 에너지 모두가 검사체적의 경계를 통과할 수 있으며, 이 경계를 검사면(control surface)라고도 한다. 대부분 공학적 문제는 질량유동을 포함하기 때문에, 검사체적 또는 개방계를 모델화 한다. 예를 들어 온수기, 라디에이터, 터빈 및 압축기 등은 모두가 질량유동이 이루어지기 때문에 개방계로 해석되어져야만 한다.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------열역학적 해석을 위한 계의 의미를 알아보았으니 계의 상태량에 대해 알아보자.

-계의 특성을 나타내는 것들을 상태량(property)라고 한다.

1. 강성적 상태량(intensive property)

강성적 상태량은 온도 T, 압력 P, 밀도 와 같이 계의 크기와 무관한 상태량들이다.

2. 종량적 상태량 (extensive property)

종량적 상태량은 계의 크기 또는 범위에 따라 값이 변하는 상태량들이다. 질량, 체적 및 총 에너지가 대표적인 예이다.

기계공학 취준일기 #4 방향족(BTX) 제조공정 2

취준일기 — Thu, 13 Aug 2020 16:39:32 +0900

2. BTX공정

BTX공정은 크게 용제추출(Sulfolane), 벤젠 톨루엔 분리(BTU), 톨루엔 전환(Tatoray), 방향족 분리(Aromatic Fraction),

자일렌분리(PAREX) 및 이성화 (ISOMAR) 공정으로 분류된다.

출처 한국산업안전공단

2.1 Sulfolane(술포란)공정(용매 추출공정)

reformate에서 벤젠, 툴루엔, 자일렌을 확보하는 용매추출공정이다. 비등점의 차이가 적은 탄화수소화합물을

분리할 때에는 증류방법이 적당하지 못하기 때문에, 분리하고자 하는 탄화수소의 특성에 기초하여

벤젠,툴루엔을 이와 비슷한 비점을 갖는 비방향족탄화수소로부터 분리하는 방법은 용제를 사용한 추출법을

사용하는 것이 값사고 능률적이다. 방향족 탄화수소만을 선택적으로 추출하는 Sulfolane을 사용하영 sulfolane공정이라

이름붙였다. 주 공정시설로는 방향족 화합물을 추출하는 공정, 비방향족 유분의 수세척 공정

및 용매와 방향족 혼합물을 분리하는 공정이 있있다. 부 공정시설로는 용매 재생공정과 세척수 정화공정이 있다.

2.2 BTU(Benzene Toluene factionation Unit) 벤젠/툴루엔 분리공정

출처 한국산업안전공단

벤젠을 생산하고, 원료로 사용되는 툴루엔을 정제하는 공정이다. 주 시설로는 원료중 올레핀을 제거하는

클레이 흡착탑 (Clay Treater)과 벤젠을 회수하는 증류탑과 톨루엔을 회수하는 2개의 증류탑으로 구성된다.

2번째 증류탑을 통해 회수되는 툴루엔은 전환공정으로 이송되고, 탑 하부의 제품은 파라자일렌을 회수하기

위한 원료로 사용된다.

2.3 툴루엔 전환(Tatoray, Transalkylation by Toko Rayon Company)

Tatoray공정은 방향족의 Transalkylation을 위한 공정이다. 이 공정의 가장 간단한 형태는 Toluene을 Benzene과

Mixed Xylene으로의 변환이며, 좀 더 발전된 형태로는 Toluene과 혼합 C9 방향족이 C6, C8과 C10 방향족으로의

변환을 들 수 있다. 즉, BTU 공정으로부터 회수되는 톨루엔과 방향족 분리설비에서 나오는 C9 방향족을 원료로 하여

벤젠과 자일렌을 반응 생성하는 공정으로, 반응공정과 분리정제 공정으로 구성되어 있다.

2.4 방향족 분리(Aromatic Fraction)공정

출처 한국산업안전공단

개질공정에서 오는 feed는 reformate splitter에서 분리되어 C7이하는 상부를 통해 를 통해 술포란공정으로 보내지고,

C8 이상은 하부로 나가 클레이 흡착탑을 통해 올레핀이 제거되고 BTU로부터 오는 원료와 만나

자일렌탑으로 들어간다. 이성화 공정으로부터 오는 원료는 개질공정에서 오는 원료보다 높은 단으로 투입된다.

자일렌탑의 상부엔 C8 방향족이 분리되어 자일렌 분리로 보내지고, 하부로 부터 추출되는 무거운 성분은

Heavy aromatic column으로 주입된다. Heavy aromatics column의 상부으로 나오는 C9 aromatics는

툴루엔 전환으로 보내고 하부의 Heavy aromatics는 Storage tank로 보내진다.

2.5 자일렌분리 공정(PAREX)

출처 한국산업안전공단

자일렌과 에틸벤젠 및 C8 비방향족 유분을 선택적으로 연속 흡착분리하여 파라자일렌을 생산한다.

흡착 및 탈착 설비, 잔류물 분리설비 및 탈착제 정화설비, 파라자일렌 분리, 정화설비로 구성되어 있다.

고체 흡착제와 액상 탈착제 및 순환밸브를 사용하여 높은 순도의 파라자일렌이 들어있는 추출물과

C8방향족 및 비방향족 유분이 들어있는 잔류물(Raffinate)로 분리한다. 추출물은 Desorbent(액상 탈착제)를

제거한 후 파라자일렌 제품을 생산하고, 잔류물은 액상탈착제 제거 후 ISOMAR공정으로 보내 재순환된다.

2.6 이성화 공정 (ISOMAR)

이성화 공정은 위 PAREX공정에서 유입되는 잔류물을 촉매를 이용하여 파라 자일렌 및 벤젠으로 전환시키는 공정이다.

즉 파라 자일렌 및 벤젠의 생산을 최대화 하는데 목적이 있다. 이성화 공정은 비평형 상태의 MIXED 자일렌을 평형에

근접한 이성질체 조성으로 전환시키는 Catalytic Isomerization공정이다. 촉매로 사용되는 I-100은 에틸벤젠의

탈알킬화 반응을 이용해 벤젠을 생성한다. 또한 메타자일렌으로부터 파라자일렌과 올소자일렌을 생산하는

이중기능을 가진 금속 촉매이다.

출처 file:///C:/Users/USER/Downloads/%E2%86%92KOSHA_%EC%84%9D%EC%9C%A0%ED%99%94%ED%95%99%EA%B3%B5%EC%A0%95_%EC%8B%AC%EC%82%AC%EA%B8%B0%EC%88%A0%ED%8E%B8%EB%9E%8C-BTX%EA%B3%B5%EC%A0%95.pdf

기계공학 취준일기 #3 방향족(BTX) 제조공정 1

취준일기 — Thu, 13 Aug 2020 15:58:10 +0900

이전 포스트에서는 NCC 즉 경질 나프로 PRODUCT를 생산하는 공정을 소개했다.

이번엔 중질 나프타로 PRODUCT를 생산하는 BTX제조 공정에 대해 알아보자.

B(벤젠), T(툴루엔), X(자일렌) 등은 좋은 냄새를 풍겨서 방향족 탄화수소라고도 불린다.

또한 경질 나프타를 NCC에서 분해하여 올레핀 제품을 제조한 후 부생되는 열분해가솔린(PYROLYSIS GASOLINE)

또는 정유공장의 REFORMATE를 이용한 방법으로 벤젠, 툴루엔, 자일렌을 추출과 증류공정을 거쳐 분리정제하고 있다.

대체로 스타이렌모노머(SM), 나이론, 큐멘등의 원료로 사용되는 벤젠, 폴리에스테르 필름의 원료로 사용되는

자일렌(파라자일렌 PX이다) 을 생산한다. 툴루엔은 전환시설을 통해 벤젠으로 전환되어 PRODUCT화 된다.

앞서 언급하였듯이 방향족은 중질 나프타 (Heavy Straight Run Naphtha, HSR)을 사용한다.

크게 납사전처리(NHT)공정과 BTX공정으로 구성되어 있다. (NHT를 다시한번 다루겠다.)

밑 그림의 PROCESS를 거치게 된다.

1. 납사 전처리 공정

BTX생산 전 납사 전처리공정은 크게 NHT와 PLT(platforming)으로 나뉜다.

1.1 NHT(납사 수첨탈황공정)

출처 한국산업안전공단

중질 납사를 개질하기 위해 황, 질소, 산소, 중금속 등을 제거하는 공정이다. 특히 백금등과 같은 귀금속을 촉매로

이용하는 NHT에서 중금속은 개질 촉매 활성에서 재생할 수 없는 영구적인 독으로 작용하며, 황, 지소, 산소등은

일시적인 촉매독이 된다. 이러한 화합물을 제거하기 위해 코발트와 몰리브덴이 주성분인 촉매를 이용해서

약 325도와 38기압에서 수소와 반응시키면 S는 H2S로 N은 NH3로 02는 H20로 배출되고,

중금속은 촉매 금속과 결합하여 제거된다. 또한 불포화 탄화수소는 포화 탄화수소로 전환된다.

1.2 CCR/PLT(납사 개질공정)

출처 한국산업안전공단

원유에 따라 차이가 있으나 중질 납사에 방향족 탄화수소의 총 함량은 약 10~20wt%이다.

이러한 농도로는 수율이 낮아 경제성이 없다. 그래서 중질 납사중의 일부 탄화수소(주로 납센)을 촉매의 도움을 받아

방향족 탄화수소로 전환하는 공정을 거쳐 60wt%이상으로 증가시키는데 이게 납사개질공정이다.

이렇게 추출 된 개질 납사를 reformate라고 부른다. 촉매는 RECYCLE되어 재사용 되어야 하는데,

촉매의 연속적인 재생을 위해 사용하는 장비를 CCR(Continuous Catalyst Regenerator)라고 부린다.

이를 통해 연속적으로 촉매를 재생시킴 으로써 공정의 가동 중단없이 활성을 높게 유지시킨다.

BTX공정은 다음 포스트에 이어 하겠다.

기계공학 취준일기 #2 NCC(Naphtha Cracking Center)

취준일기 — Thu, 13 Aug 2020 14:46:27 +0900

앞 포스트에서 언급하였듯 석유화학제품의 기반 원료는 올레핀과 방향족이다. 올레핀은 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔을 포함하고 방향족은 BTX(특히, 파라자일렌)을 현재 가동중인 대부분의 공정은 납사를 이용해서 올레핀과 방향족을 생산한다.

NCC PROCESS

올레핀 생산을 위한 납사 분해는 열분해 (Thermal Cracking), 촉매접촉열분해(Catalystic cracking),

수첨열분해(Hydrocracking) 등으로 구분할 수 있는다. 생산물의 조성에 따라 운전방식이 차이가 날 수 있는데

대부분 NCC의 열분해를 택하고 있다. NCC공정은 크게 열분해->급냉->압축->정제 과정으로 구성되어 있다.

1. 열분해로(PYROLYSIS FURNACE)

출처 한국산업안전공단

NCC공정의 핵심인 열분해로(PYROLYSIS FURNACE)이다.

납사와 희석증기(Dilution Steam , DS)를 주입하고, 고온으로 가열하여 올레핀과 방향족 등으로 열분해 시키는 장비다.

복사부(RADIANT), 대류부(CONVECTION), 스팀 발생장치(STEAM GENERATOR)로 구성되어 있다.

예열기에서 원료를 예열하고, 다시 대류부에서 예열되어 부분적으로 증발된다.

각 코일에 유량조절되어 들어가는 DS와 같이 합쳐져 재차 예열된 후 분해로의 복사부에 유입된다.

복사부에선 고온의 열에 의해 원료는 열분해 된다. 이후 냉각을 통해 약 200도의 열분해 가스를 얻는다.

열분해로의 핵심은 원료가 들어가는 코일의 형태에 달려 있다고 한다. 분해로 내부 온도는 약 1000도 이기에

열 손실을 최소화하기 위해 단열재로 여러층을 구성하여 단열되어 있다.

2.급냉

출처 한국산업안전공단

1번의 열분해로 출구물질의 여러가지 성분은 고압하에서만 경제적 분리 및 정제가 가능하다.

하지만 분해로 출구 물질 중에는 분해가스 압축기를 오염시키는 타르 및 중질유분 성분이 포함되어 있으므로,

이들을 제거하기 위해 급냉을 반드시 해야 한다. 또한, 열분해로 출구물질 중의 DS를 응축시켜야하며

분해가스 압축기의 흡입온도를 떨어뜨림으로써, 압축기의 부하를 낮춰 소요마력을 줄이고,

분해가스 내에서의 고분자가 압축기를 오염시키는 것을 방지해야 한다. 따라서 급냉을 거치며 약 37도의 분해가스를

얻게 된다.

3. 압축

출처 한국산업안전공단

압축공정은 열분해로 출구물질을 경제적으로 분리하기 위해 압축기를 이용하여 2G까지 압력을 올리도록

설계되어 있다. 다단 압축하는 중간에 분해가스 내에 포함된 산성가스를 제거하는 MEA(Mono Ethanol Amine)계와

가성소다계가 설치되어 있다.

4. 정제공정

출처 한국산업안전공단

마지막인 분리정제공정은 메탄을 제거하는 demethanizer, 에탄을 제거하는 deethanizer,

프로판을 제거하는 depropanizer, 부탄을 제거하는 debutanizer인 증류 컬럼으로 구성되어 있다.

이러한 연속적인 분리를 거쳐 에틸렌, 프로필렌, C3 LPG, 혼합 C4 그리고 열분해 가솔린이 얻어진다.

최근에는 셰일가스의 보급과 NCC 설비의 고도화 등으로 인해 올레핀 생산이 다양하게 변화되고 있다.

셰일가스 등장으로 인해 에틸렌 생산설비 ECC(Ethane Cracking Center)가 가장 주목받고 있다.

또한 MFC(Mixed Feed Cracker)는 납사 이외에도 lpg,부생가스 등 정유 공정에서 나오는

물질을 이용해 에틸렌, 프로필렌, C4, 방향족 유분까지 모든 석유화학 기초유분을 생산할 수 있어

주목받고 있다.

기계공학 취준일기 #1 NCC원료공급 및 석유화학 공정

취준일기 — Thu, 13 Aug 2020 11:39:01 +0900

1. NCC

석유화학의 꽃 NCC(Naphtha cracking center)에 대해 알아보자.

우선 원료 공급에서 시작해보자

NCC에서 알수 있듯이 주요 원료는 납사이다.

하지만 2014년 LG화학 여수공장 NCC플랜트에서 GAS(C3 LPG) Cracker(Side Cracker)증설을 통한

원료 다변화(NCC+C3LPG(프로판))을 구축했고, 롯데케미칼 여수공장 NCC플랜트 역시 2018년도에 Gas Cracker

증설을 통한 capa up프로젝트를 완료하였다. 이후 여천 NCC 2공장과 한화토탈도 NCC공장에 GAS Cracker도입을 통한

증설을 진행중이다.

출처 https://safety-enginner.tistory.com/20?category=811773

위 그림은 정유산업의 PFD이다. 위 그림에서 알 수 있듯이 CDU에서 증류되어 나오는 C4~C12납사는

HDS공정을 거쳐 황, 질소등의 불순물을 제거하고 Naphtha Splitter Tower에서 경질납사와 중질납사로

분리된다. 중질 납사는 Naphtha Reforming Unit을 거쳐 옥탄가 높은 휘발유와 BTX(Benzene, Toluene, Xylene)를

생산하고, 경직 납사는 Isomerization을 거쳐 NCC공장의 원료로 공급된다.

C3 LPG(프로판)는 CDU에서 증류되어 나오는 가장 가벼운 성분중에 하나로서,

탈황공정(Sulfur Removal)과정을 거진 후 LPG Splitter Tower Overhead에서 생산되어 NCC에 원료로서 공급된다.

2. 석유화학 공정

각각의 생산공정을 디테일하게 설명하는 자료가 찾기 어렵다. 그래서 가장 대표적인 공정들을

정리해 놓은 자료를 가지고 왔다. 이곳에 있는 공정 하나하나 다음 시간부터 디테일 하게 알아보자

주요 생산공정

석유화학공정은 다음과 같이 생산해 내는 제품군에 따라서 다양하게 구분을 할 수 있습니다.

(1) 나프타 분해공정

(2) 방향족 제조공정

(3) BUTADIENE 제조공정

(4) O-XYLENE/ P-XYLENE 제조공정

(5) S.M 제조공정

(6) EDC 제조공정

(7) VCM 제조공정

(8) EO/EG 제조공정

(9) LDPE 제조공정

(10) HDPE 제조공정

(11) PP 제조공정

(12) PS 제조공정

(13) ABS 제조공정

(14) PVC 제조공정

(15) AN 제조공정

(16) CAPROLACTAM 제조공정

(17) TPA/DMT 제조공정

(18) SBR 제조공정

(19) BR 제조공정

(20) OCTANOL(2EH) 제조공정

(21) PA 제조공정

(22) MA 제조공정

(23) PHENOL 제조공정

(24) MMA 제조공정

(25) MTBE 제조공정

각 공정별로 상세설명 들어갑니다~

(1) 나프타 분해공정

1) 개요

석유화학공업의 기초원료인 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔 등 올레핀계 제품을 생산하는 공정으로 그 생산양은 한 나라의 화학공업의 수준을 평가하는 척도가 되기도 한다. 이 공정에서 생산되는 기초유분은 합성수배, 합성섬유원료 및 합성고무공업의 기초원료로 사용되어 진다.

2) 원료 : 나프타, LPG, GAS OIL, NGL 등

3) 공정

분해로공정, 급냉공정, 압축공정, 냉각 및 정밀공정으로 크게 분류할 수 있다. 분해로공정에서는 원료인 탄화수소(나프타, 가스오일, 에탄, LPG 등)에 증기를 주입하여 820 이상의 고온에서 열분해시켜 급냉공정으로 보낸 후 C4 이하의 경질유분과 이상의 중질유분을 분리하는 한편 경질유분은 압축공정으로 보내고 남은 중질유분은 열분해 가솔린과 연료유로 분리한 후 열분해가솔린은 방향족추출공장으로 보내고 연료유는 공정 내에서 자체소비된다. 급냉공정에서 분리된 C4 이하의 경질유분의 분리는 고압하에서 가능하므로 원심 다단 압축기를 이용하여 약 35 KG까지 상승시키며 압축기 INTER STAGE에서 산성가스와 CO2를 제거한 후 냉각 및 정제공정으로 보내진다.

냉각 및 정제공정에서는 에틸렌, 프로필렌을 냉매로 이용하는 냉동압축 SYSTEM과 주울-톰슨 효과를 이용한 단열팽창을 하여 공정 내 유체온도를 약 -170 까지 강하시킨 후 기체상태로 수소 및 메탄이 분리되고 액체상태로 C2성분, C3성분, C4 이상 유분으로 분리한다. 수소는 수첨반응 및 연료로 사용하고 메탄은 전량 연료로서 사용된다. 위에서 분리된 C2 성분은 수첨반응에 의하여 아세틸렌을 제거한 후 에틸렌정류탑에서 에탄과 에틸렌으로 분리되며 에탄은 분해로로 재순환된다. C3성분은 DEPROPANIZER를 거친 후 수첨반응에 의하여 MAPD를 제거후, 프로필렌정류탑을 거쳐 프로판과 프로필렌을 생산하게 되며 DEBUTANIZER에서는 혼합 C4 유분을 생산한다.

4) 기술선

현재 우리나라에서 도입사용 중인 LUMMUS, KELLOGG, STONE & WEBSTER 등이 주류를 이루며, 그 외에도 IFP, LINDE AG, UNION CARBIDE, CTIP, ,KTI, KREBS, TECHNIP 등의 LICENSOR가 있다.

-LUMMUS : SHORT RESISTANCE TYPE HTR 을 사용

-KELLOGG : MILLISECOND FURNACE를 사용

-STONE & WEBSTER : ULTRA SELECTIVE CRACKING FURNACE 사용

(2) 방향족 제조공정

1) 개 요

나프타를 분해하여 올레핀제품을 제조한 후 부생되는 PYROLYSIS GASOLINE(열분해가솔린)을 이용하는 방법과 정유공장의 REFORMER에서 나오는 REFORMATE를 이용하는 방법으로 제조하며, 이들 방향족 제품들은 염료, 합성수배, 합성섬유, 농약 등의 제조원료로 사용되며 또한 용제로도 사용된다.

2) 원 료

PYROLYSIS GASOLINE, REFORMATE, CRUDE BENZENE

3) 공 정

열분해가솔린을 이용한 공정은 P.G에 다량 함유되어 있는 이중 결합물을 제거하기 위한 수첨설비와 방향족 성분이 포함되어 있는 C6~C8을 제외한 C5와 C9 이상을 제거하는 분류탑을 거쳐서, C6~C8에 포함되어 있는 방향족성분과 비방향족성분을 SULFOLANE이라는 선택흡수성이 뛰어난 용매를 이용하여 방향족성분을 추출하는 EXTRACTION 공정을 거친 후 FRACTION 공정에서 혼합된 방향족 성분을 결점차에 의해 벤젠, 톨루엔, 크실렌 제품을 제조한다. 또한 시장여건에 따라서 톨루엔과 크실렌을 벤젠으로 전환하는, 즉 알킬기를 떼어내어 벤젠으로 제조하는 HVDRODEALKYLATION 공정도 가동되고 있다.

4) 기술선

방향족 추출공정은 P.G와 REFORMATE를 이용하는 방법으로 대별되는데 P.G를 이용하는 공정은 공장별로 LICENSOR를 달리 선정하고 있다.

-UOP(PLATFORMING法) : REFOHMATE 사용, 가장 많이 사용, 1차원 촉매

-HOUDRY(HOUDRIFORMING法) : REFORMATE 사용, 1차원 촉매

-STANDARD OIL(ULTRAFORMING法) : REFORMATE 사용, 1차원 촉매

-CHEVRON(RHENIFORMING法) : REFORMATE 사용, 2~3차원 촉매

-LUMMUS : P.G 사용, 유릴리티·수소의 소요량이 많음

-I.F.P./U.O.P: P.G 사용, 유털리티·수소의 소요량이 적음

-HOUDRY(PYROTOL法) : 톨루엔 및 크실렌 사용, 촉매 이용

-ARCO : 톨루엔 및 크실렌 사용, 촉매 이용

-H.R.I(HDA法) :톨루엔 및 크실렌 사용, 무촉매

-삼릉유화(MHC法) : 톨루엔 및 크실렌 사용, 무촉매

(3) BUTADIENE 제조공정

1) 개 요

BUTADIENE은 BR, SBR, NBR 등의 합성고무 및 ABS수지의 원료로 광범위하게 사용되며, 제조방법으로는 나프타 분해공장의 혼합 C4유분으로부터 추출하는 방법과 부탄 및 부텐의 탈수소화 반응에 의해 제조하는 방법이 있다.

2) 원 료 : 혼합 C4유분

3) 공 정

나프타 분해공장에서 생산되는 혼합 유분은 용매와 함께 1차 추출 분류탑으로 도입되어 용해도 및 선택도 차이를 이용하여 부타디엔보다 용매도가 낮은 성분들은 탑정으로 분리되고 부타디엔 및 용해도가 높은 성분들은 용매와 함께 탑저로 추출되어 1차 용매회수탑으로 이송된다. 용매회수탑의 탑저로 배출되는 용매는 순환사용되고 탑정의 부타디엔을 포함한 용해도가 높은 탄화수소는 2차 추출 분류함으로 이송된다.

2차 추출 분류탑에서는 용매에 의해 부타디엔 보다 용해도가 높은 성분이 용매와 함께 탑저로 배출되어 2차 용매 회수탑에서 용매 및 탄화수소로 분리회수되며, 탑정의 부타디엔 성분은 정제공정으로 되입되어 2단계의 정제탑을 거치면서 저비점 및 고비점 성분을 제거한 후 고순도의 부타디엔 제품을 생산하게 된다.

4) 기술선

추출용매의 종류에 따라 NMP/DMF/DMA PROCESS 등이 있다.

-BASF(NMP) : 운전온도, 압력이 비교적 낮으며 I용매(WMP)의 순환유량이 많음.

-NIPPON ZEON(DMF) ; 운전온도, 압력이 비교적 높으며 용매(DMF)의 순환유량이 적음.

-UNION CARBIDE(DMA) :용매로 DMA 사용

(4) O-XYLENE/P-XYLENE 제조공정

1) 개 요

혼합 크실렌은 O-, M- 및 P-크실렌과 에틸벤젠을 포함하는 화합물이며, 이들 성분의 공업적 이용은 이성체분리기술의 진보로 급속하게 발전하고 있다. 이 혼합 크실렌에서 분리 되는O-XYLENE은 무수프탈산, XYLIDIENE, 합성고분자 모노머의 제조원료 등으로 사용되며, P-XYLENE은 텔레프탈산, DMT, P-TOLUIC ACID의 원료 등으로 사용된다.

2) 원 료 : 혼합 크실렌

3) 공 정

혼합 크실렌을 상압정류탑에서 분리한 다음 비점차 의해 탑상부로 나오는 P-크실렌 및 M-크실렌, 에틸벤젠을 흡착탑으로 보낸다. 이곳에서 흡착제(MOLECULAR SEIVE)를 이용하여 P-크실렌을 얻게 되며 M-크실렌 성분이 많은 미추출된 물질들은 수소를 첨가하여 백금촉매하여 15ATM, 400 의 조건하에서 이성화반응으로 전환시켜 다시 흡착탑으로 보낸다. 한편, 상압정류탑 탑저부에서는 비점이 높은 0-크실렌 및 C9 이상의 물질은 0-크실렌 정류탑에서 정제되어 98.3 WT% 이상의 0-크실렌 제품을 얻는다.

4) 기술선

1970년까지는 고순도 P-크실렌은 심냉결정화 분리법(수율 60%)에 의해 생산했으나 최근들어 연속식 액상 크실렌 흡착분리법(수율 90% 이상)이 채용되고 있다. LICENSOR로는 UOP, MOBIL, CHEVRON RESEARCH, KRUPP-KOPPER, LUMMUS 등이 있다.

- UOP : PAREX(R) P-XYLENE 분리 PROCESS

- MOBIL : MHTI ISOMERIZATION PROCESS

(5) S.M 제조공정

1) 개 요

STYRENE MONOMER는 에틸렌과 벤젠의 합성에 의해 제조되는 주요 석유화학 중간체로, 합성수지인 폴리스티렌(GPPS, HIPS, EPS), ABS, SAN 및 합성고무인 SRR 등의 원료료 사용된다

2) 원 료 : 에틸렌, 벤젠

3) 공 정

4) 기술선

LUMMUS/MONSANTO공정, MOBIL/BADGER공정과 최근 개발된 LUMMUS/UNOCOL /UOP공정으로 구분된다.

(1) EB공정

- LUMMUS/MONSANTO : A1C13을 촉매로 하는 액상반응공정으로, 촉매의 부식성 문제로 특수재질의 기자재가 필요하며, 촉매의 분리공정이 요구되는 등 공정이 비교적 복잡함.

-MOBIL/BADGER : ZEOLITE계 촉매를 사용하는 기상반응공량으로 반응조건(고온, 고압)이 가혹하고, 촉매재생에 따른 추가의 반응기 및 재생공정이 필요함.

-LUMMUS/UNOCOL/UOP : 최근에 개발된 공정으로 ZEOLITE계 촉매를 이용하는 액상공정으로 반응조건이 온화하며 촉매의 수명이 길고(1~2년) 부산물인 XL성분이 극히 적음.

(2) SM공정은 LUMMUS/MONSANTO 및 COSDEN/BADGER 공정이 있으나 특별한 차이점은 없다.

(6) EDC 제조공정

1) 개 요

무색유상의 액체인 EDC(ETHYLENE DICHLORIDE)는 VCM(VINYL CHLORIDE MONOMER) 제조원료와 폴리아미노산수지, 필름세정제, 유기용제, 의약품, 이온교환수배 등에 사용된다.

2) 원 료 : 에틸렌, 염소(염화수소), 공기

3) 공 정

에릴렌 염소화반응은 250 ~300 에서 수행되며, 주촉매는 염화구리를 사용하여 염화구리의 휘발에 의한 촉매활성의 열화를 방지하기 위해 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 염을 가하여 승화를 억제함과 동시에 희토류금속염을 조촉매로 하여 활성을 증가시킨다. 염소화 반응후 응축시키고 정제하여 이염화 에털렌을 생산한다.

4) 기술선

제조방법에는 옥시염소화법과 염소화법이 있으며, 두 가지 방법을 결합시켜 제조하는 방법이 주류를 이루고 있다.

- BP GOODRICH : 염소와 산소를 이용한 옥시염소화법과 염소화법 사용

- HOECHST, PPG, KAPSACK, TOSOH ; 염소화법을 사용

(7) VCM 제조공정

1) 개 요

EDC(ETHYLENE DICHLORIDE)를 열분해 탈염산하여 제조되는 염화비닐(VINYL CHLORIDE MONOMER)은 대부분이 폴리염화비닐(PVC)의 제조에 사용되며, 염화비닐-초산비닐 공중합체의 합성, 염화비닐리덴-염화비닐 공중합체의 합성 등에도 사용된다.

2) 원 료 : EDC(에틸렌, 염소, 공기)

3) 공 정

에틸렌과 염소, 공기를 반응시켜 제조한 EDC를 분해로에 도입하여 3.5KG, 약 500 에서 구리로 만든 다관식 반응기를 사용하여 열분해하면 EDC, VCM,, HCL이 생성되며, 이를 급냉시켜 EDC는 회수하여 원료로 재순환시키며, HCL은 에털렌의 염소화 반응원료로 사용하고 VCM은 정제하여 제품으로 생산한다. 이 때 분해온도가 너무 높으면 부타디엔이나 모노클로로 아세틸렌이 부생되며, 이 성분이 미량이라도 염화비닐에 포함되면 중합속도가 저하된다.

4) 기위선

제조방법에는 아세틸렌법, EDC법, 혼합가스법 등이 있으나 에틸렌의 옥시염소화 공정과 EDC를 열분해하고 탈염산하는 공정을 조합시킨 공정이 주류를 이루고 있으며, BP GOODRICH, HOECHST, KAPSACK, PPG, EUROPEAN VINYL CORP, DOW, ATOCH EM, MITSUI르 TOATSU 등의 LICENSOR가있다.

- BP GOODRICH : 옥시염소 공정, 염소화 공정, 유동화측매층 사용

- HOECHST, KAPSACK, PPG , EDC법 사용, 500 22ATM에서 열분해하여 제조

(8) EO/EG 제조공정

1) 개 요

EO(ETHYLENE OXIDE)는 에틸렌을 산소 또는 공기와 산화반응 시킨 제품으로 EG, ETHOXYLATES, ETHANOLAMINES의 원료로 사용된다.

EG(ETHYLENE GLYCOL)는 대를 물과 수화반응 시킨 제품으로 EO의 최대 유도품이며, MEG, DEG, TEG 세 가지 종류의 제품이 생산되어 폴리에스터, 자동차 부동액, 불포화 폴리에스터 수지 등에 이용된다.

2) 원 료 : 에틸렌, 산소 또는 공기, 물

3) 공 정

에틸렌과 산소(또는 공기)는 순환가스와 합쳐져서 예열된 후 SILVER CATALYST가 충전된 튜브형 반응기로 도입되어 발열반응에 의해 에틸렌 옥사이드가 생성된다.

반응조건은 20기압, 260 정도이며, 반응열은 반응기 쉘측으로 회수되어 증기를 생산하게 된다. 반응기 유출물 중 EO는 흡수탑에서 물에 흡수되어 스트리퍼로 이송되고 흡수탐 탐정의 미반웅 가스는 반응기로순환된다. EO성분은 스트리퍼 및 증류탑을 거친 후EG공정으로 보내어 진다. EG합성반웅기로 도입된 EO는 물과의 수화반응을 통하여 MEG, DEG, TEG로 변환되며 증발계 및 정류계를 거친 후 제품을 생산하게 된다.

4) 기술선

제조방법은 에틸렌을 산화반응 시켜, EO를 제조후 수화반응을 통해 EG를 생산하는 방법이 대부분이며, EG를 에틸렌의 산화에 의해 직접 제조하는 옥시란법도 있다.

-EO 수화법 : SHELL, SCIENTIFIC DESIGN, NIPON SHOKUIBAI

-옥시란법 : TEIJIN

(9) LDPE 제조공정

1) 개 요

LDPE는 에틸렌을 고압하에서 중합시킨 제품으로 밀도는 0.91~0.94G/CM 범위이다. 투명성, 내충격성, 내수성, 연신성이 우수하며, 결품화도도 낮다. 주요용도로는 농업용필름, 전선피복 등으로 사용된다.

2) 원 료 : 에틸렌

3) 공 정

대표적인 세조기술인 ICI공정을 중심으로 살펴보면 원료 에틸렌은 1차 압축기에서 압축되고 2차 압축기에 의하여 약 2,000 ATM의 반응압력까지 압력을 높인 후, 냉각기로 적정온도까지 냉각되어 반응기로 투입된다. 생산되는 제품에 따라 반응압력, 온도, 촉매의 양을 조절하여 반응기내 교반기로 교반하여 주면서 중합이 이루어지며, 반응기 내 온도는 반응기 자켓에 공기의 온도를 조절하여 유지시킨다. 중합시 제품종류에 따라 프로판이 주입되기도 한다. 반응기에서 부분적으로 중합된 후 폴리머 혼합물 형태로 반응기 하부에서 고압분리기로 보내진다. 고압분리기에서 중합체와 미반응 에틸렌이 분리되고 분리된 미반응 에틸렌은 냉각기로 냉각되어 2차 압축기로 순환된다. 중합체는 고압분리기 하부에서 저압분리기로 보내지며 저압분리기에서 회수된 미반응 에틸렌은 1차 압축기로 순환된다. 저압분리기에서 정제된 중합체는 압축기 호퍼에서 용융된 상태로 압출기로 이송되어 펠레트화 되고 냉각, 건조, 포장 공정을 거쳐 출하된다.

4) 기술선

LDPE 제조공정은 AUTOCLAVE 공정과 TUBULAR REACTOR 공정으로 대별되어지나 시설투자비, 원료원단위면에서 크게 차이가 없다.

-AUTOCLAVE法 : ICI, DUPONT, CDF CHIMIE, USI QUANTUM 등

- TUBULAR法 : BASF, MITSUBISHI YUKA, DOW 등

(10) HDPE 제조공정

1) 개 요

HDPE는 에틸렌을 중·저압의 중합방법으로 제조한 제품으로써 밀도가 0.94~0.97G/CM3이며, 석유화학제품 중 가장 지병도가 높은 제품이다. 충격강도, 연신성, 가성이 우수하여 전선피복, 파이프, 용기, 식기제, 필름, 완구제 등에 폭 넓게 tM이고 있는 범용 합성수지이다.

2) 원 료 : 에틸렌

3) 공 정

제조기술은 부분적인 개량, 대체 등을 통하여 한계적인 발전을 거듭하고 있기 때문에 대동소이하나 필립스공정을 중심으로 살펴보면 정제된 에틸렌은 수소, 헥센 1 또는 부텐 1 및 순환 이소부탄 등과 혼합되어 반응기에 투입되어 중합반응이 일어난다. 중합반응은 발열반응으로 반응기의 냉각수 자켓에서 중합열을 일정학 제거하고 반응이 완료되면 반응생성물은 중합체와 미반응물질로 분리된다. 미반응 물질은 다시 성분별로 분리되어 재처리되어 순환되거나 연료로 사용된다. 중합체는 퍼지탑으로 송입되어 중합체 중에 포함된 휘발성물질을 질소로 퍼지하고 압축공기를 사용해 중합체분말을 압출기로 운송해 가열 용융시켜 다이의 여러 개의 작은 구멍을 통해 압출되고, 압출된 수지는 순환냉가수에 의해 냉간된 후 제입기에 의하여 일정한 크기로 절단, 이동된 후 건조, 저장된다.

4) 기술선

HDPE 제조기술로는 용액법, 슬러리법, 가스법 등이 있으며, 이들 기술의 특성 및 대표적 LICENSOR는 아래와 같다.

-SOLUTION法 : DSM, DOW, DUPONT 제조공법이 있으며, 반응조건이 비교적 고온고압이나 체류시간이 짧아 소규모 반응기 사용이 가능하며, 저분자량 제품 생산에 적합함.

-SLURRY法 : PHILLIPS, SOLVAY, HOECHST, MITSUI, CHISSO 등 다양한 공법이 있으며, 우수한 물성의 제품을 넓은 범위로 생산할 수 있음.

-GAS法 : UCC, BP 등이 있으며 용매관련 공정이 생략되어 투자비, 운전비용이 절감되나 중합열제거가 다소 까다로움.

(11) PP 제조공정

1) 개 요

폴리프로필렌은 분자구조가 입체적 규칙적인 배열구조를 가진 관계로 융점이 높고 가벼우며 강도가 높은 특성 및 전기적 특성, 내약품성, 내구성, 가공성 등이 뛰어나 포장용기, 농·어업 자재, 의료기기, 건재, 자동차부품, 통신 및 전기기기 등 폭 넓은 분야에서 사용되고 있다

2) 원 료 : 중합용 프로필렌

3) 공 정

폴리프로필렌 제조공정에는 번크중합법, 용액중합법, 슬러리중합법, 기상중합법 등이 있다. 이 중 대표적인 기술인 HIMONT공정인 벌크중합법을 중심으로 살펴보면, 중합 원료인 프로필렌과 공중합체 원료인 에틸렌을 일산화탄소, 이산화탄소, 물 등 촉매독을 제거하고 촉매와 조촉매를 프로필렌을 사용하여 반응기로 주입후 원료 프로필렌을 액상 반응기에 주입시켜 적절한 반응조건에서 펌프로 순환시키며 단중합체 및 랜덤공중합체를 생산한다.

반응열은 반응기벽에 부착된 자켓에 냉각수를 순환시켜 제거한다. 내충격용 공중합체 생산시에는 액상반응기의 생성물을 유리층 기상반응기에 주입시키고 코모노머인 에틸렌을 첨가하여 추가반응시킨다. 반응기에서 추출된 생성물 중 중합체는 건조기, 여과기를 통과시키고 스팀을 주입시켜 잔여물을 제거하고 가열질소를 이용 건조시킨 후 질소를 사일로로 이송시키며, 미반응 프로필렌은 압축기를 사용하여 회수한다.

호피(사일로)에 저장된 폴리머는 각종 첨가제를 주입하여 압출기를 거쳐 펠레트 형태로 가공되어 포장 및 출하된다.

4) 기술선

폴리프로펼렌 제조기술로는 슬러리법, 벌크법, 기상법 등이 있으며 이들 기술의 대표적 LICENSOR는 아래와 같다.

-슬러리법 : HOECHST, AMOCO 등

-벌크중합법 : HIMONT, PHILLIPS. SHELL, MlTSUI 등

-기상법 : UNION CARBIDE 등

(12) PS 제조공정

1) 개 요

PS는 EPS(EXPANDABLE POLYSTYRENE), HIPS(HIGH IMPACT POLYSTYRENE), GPPS(GENERAL PURPOSE POLYSTYRENE) 등으로 분류되며, EPS는 가공시 발포되어 단열재, 포장재 등으로 사용되며, HIPS는 내충격성이 개량된 수지로 전기, 전자제품의 HOUSING재로 주로 이용된다. GPPS는 전기전자부품, 식품용기 등 광범위한 분야에 쓰이는 범용수지이다.

2) 원 료 :SM(STYRENE MONOMER)

3) 공 정

원료인 SM은 액상으로 반응기에 주입되어 중합물이 생성된다. 반응기는 중합반응열 제거를 위해 내부에 냉각식 교배기나 열판을 설치하거나, 연발 냉각법 등을 사용하기도 하며, 고분자량의 중합체 제조를 위해 반응기를 연속으로 연결하거나 다관식 반응기를 사용하기도 한다. 또한 반응열 조절을 용이하게 하고 반응액의 점도를 낮추기 위해 불활성 용매도 함께 투입된다.

중합이 완료된 반응생성물은 용매회수 장치로 이송되어 불활성 용매 및 미반응 스티렌을 분리회수하고 원심분리기, 건조기 등을 거쳐 건조된 후 압출기에서 각종 첨가제를 첨가하여 펠레트 형태로 제품화된다.

한편, HIPS를 제조하기 위해서는 충격보강제로써 괴상의 고무를 분쇄하여 스틸렌에 용해시킨 후 예비반응기를 거쳐 중합반응기로 주입시킨다.

4) 기술선

대표적인 제조기술로서 EPS는 SUSPENSION 중합법이, GPPS와 HIPS는 괴상중합법이 많이 사용되고있으며, 대표적 LICENSOR는 아래와 같다.

-EPS(BATCH式 현탁중합법) : BASF, CdF CHINIE, RHONE-POULENC, SHELL 등

-GPPS, HIPS(괴상중합법) : SHELL, DOW, BASF, AMOCO, COSDEN, ATOCHEM,

MITSUBISI, MONSANTO, HOECHST 등

(13) ABS 제조공정

1) 개 요

ABS수지는 AN, BD, SM 3종의 단량체가 공중합한 형태로 결합되어진 열가소성 수지로 폴리스티렌의 장점인 경도와 유동성을 살리면서 단점인 연약함을 고무성분인 BD를 첨가함으로써 경도와 유연성을 조화시킨 제품으로 우수한 물성이 중형을 이루고 있어 자동차, 전기·전자, 사무기기, 통신기기, 일반잡화에 이르기까지 매우 폭 넓은 분야에서 사용되고 있다.

2) 원 료 : AN(ACRYLONITIRLE), BD(BUTADIENE), SM(STYRENE MONOMER)

3) 공 정

ABS 중합공정은 크게 POLYBUTADIENE, SAN 및 ABS 중합공정 등 3가지로 대별된다. POLYBUTADIENE 중합은 스팀과 냉각수의 순환에 의해 일정 반응온도를 유지하고 있는 반응기에 순수한 부타디엔과 유화제를 순수에 유화시킨 반응개시제를 투입하여 중합시킨다. 생성된 POLYBUTADIENE은 감압증류법에 의한 회수공정에서 미반응 부타디엔을 분리하고 ABS 중합공정으로 이송한다. ABS 중합공정 폴리부타디엔 라텍스를 SEED로 하여 스티렌과 아크로니트릴(또는 SAN)을 그라프팅 시키는 공정으로 자켓반응기에 스팀을 가열하면서 교반반응 시킨다. 반응이 끝난 중합물은 브렌딩 탱크에 저장되면서 물성을 균일화시키며 응집공정으로 이송되어 고형화시킨다.

응집이 끝난 중합물은 숙성공정에서 물과 응집제가 제거되고 중합물의 입자크기를 크게 한다. 숙성공정이 끝난 중합물은 원심분리기에서 물과 분말로 분리된 후 유동상 건조기에서 건조공정을 거쳐 DRY POWDER의 형태로 저장 SILO에 이송된다. ABS제품은 이 DRY POWDER를 콤파운딩 공정을 통해 적절한 첨가제 등을 배합, 압출, 절단 공정을 통해 펠레트 형태로 포장, 출하된다.

4) 기술선

대표적인 제조기술로는 JAPAN SYNTHETIC RUBBER (JSR)社의 유화중합법이 있으며 그 외의 중합법별 LICENSOR는 아래와 같다.

-괴상중합법 : DOW, MONSANTO 등

-현탁중합법 : MONSANTO, TORAY 등

-유화중합법 : JSR, BAYER, DOW, GE, MONSANTO, BASF, BORG-WARMER, SUMITOMO 등

(14) PVC 제조공정

1) 개 요

PVC는 가장 광범위하게 이용되는 범용수지로 경질제품과 연질제품으로 나뉘어지며, 경질제품은 각종배관용 파이프, 건축자재, 자동차부품, LP레코드 등으로, 연질제품은 전선피복재, 포장재, 시트 및 완구류 등으로 사용되고 있다.

2) 원 료 : VCM(VINYL CHLORIDE MONOMER)

3) 공 정

반응기에 탈이온순수, 분산제, 중합개시제, VCM 및 기타 물성개량제를 넣고 적절한 반응조건에서 교반을 하면 중합이 진행되어 슬러리 상태의 중합물이 생성된다. 이 중합반응은 발열반응이므로 반응기 자켓에 냉각수를 순환시켜 반응내용물의 온도를 일정하게 유지해야 한다. 중합이 끝나면 슬러리를 모노머 회수기로 이동시켜 감압하에서 미반응 모노머를 회수하고 회수된 모노머는 불순물을 함유하고 있으므로 압축, 냉각, 액화, 증류공정을 거쳐 정제된 후 중합공정으로 재투입 한다.

슬러리는 연속원심 분리기에서 탈수되고 계속해서 플레시건조기, 유동층건조기에서 열풍에 의해 건조되어 스크린을 통과하는 입자가 선별저장조에 저장되고 포장되어 제품화 된다.

4) 기술선

PVC 제조에는 EMULSION 중합법과 SUSPENSION 중합법이 있으며, 대표적 제조기술로는 GOODRICH社의 SUSPENSION 중합법이 많이 사용되고 있다.

- EMULSION法 : CdF CHIMIE, GOODRIC, HOECHST, HUELS, MONTEDISON, NIPPON ZEON 등

-SUSPENSION法 : ATO CHIMIE, CdF CHIMIE, CONOCO, DENKA, GOODRICH, HOECHST, HUELS, KANEGAFUCHI, MITSUI TOATSU, MONTEDISION, NIPON ZEON, NISSAN CHEMICAL, STAUFFER, TOYO SODA 등

(15) AN 제조공정

1) 개 요

무색이며 대단히 반응성이 높은 액체인 AN(ACRYLONITRILE, CH2=CH-CN)은 아크릴계 합성섬유, 합성고무, ABS/SAN의 제조, 섬유수지가공, 합성수지, 도료 등의 원료로 사용된다.

2) 원 료 : 프로필렌, 암모니아, 공기

3) 공 정

프로필렌, 암모니아, 공기는 유동층 촉매에 의해 430 , 2 ATM에서 반응하여 AN과 부산물인 HCN과 ACETONITRILE이 생성된다. 반응기를 나온 미반응 암모니아는 AMMONIUM SULFATE로 제거되고 NITRILE 화합물들은 증류기에서 연료가스, HCN가스 CRUDE ACETONITRILE, 고순도 AN 순으로 정제된다. 고순도의 AN은 연속적인 증류에 의해 회수되며 ACETONITRILE 역시 제거시킬 수 있다.

4) 기술선

1980년 이후의 신설공장에는 BP의 SOHIO 공정만이 사용되었으며, DISTILLER-UGINE, MONTEDISON-UOP, OSW, SWAM 등의 LICENSOR에 의한 신설공장은 없다. 최근 들어 BP는 프로필렌 대신 프로판과 증기를 사용한 최신공정을 개발하였다.

- BP/SOHIO

(16) CAPROLACTAM 제조공정

1) 개 요

카프로락탐은 주로 페놀 및 싸이크로헥산을 최초출발원료로 하여 주로 NYLON-6 섬유제조에 쓰이는 3대 합성섬유 원료 중 하나이며, 일부는 NYLON-6 수지제조에 이용된다.

2) 원 료 : 페놀, 싸이크로헥산과 암모니아, 톨루엔

3) 공 정

가장 널리 이용되고 있는 직접산화법에는 크게 공기를 이용하여 원료인 싸이크로헥산을 직접산화하여 싸이크로헥산올과 싸이크로헥산논이 혼합되어 있는 일반적으로 KA OIL이라 불리는 혼합물을 제조하여 싸이클로헥산논만 분리하는 공정(싸이클로헥사놀을 탈수소하면 싸이클로헥산논이 제조됨)과 암모니아를 산화하여 히드록실아민을 제조하는 공정으로 나눌 수 있는데 암모니아 중화공정에서 부생하는 유안의 부생량을 조절하는 방법에 따라 DSM법, INVENTA법, BASF법 등으로 구분이 되며, 이렇게 제조된 싸이클로헥사논과 히드콕실아민을 반응시켜 카프로락탐을 제조한다.

4) 기술선

카프로락탐의 제조공정은 페놀법, 직접산화법, PNC법, SNIA법, 니트로사이크록헥산법, 카프로락톤법 등 여러 제조공정이 있으나 현채 상업화는 직접산화법, PNC법, SNIA법이며, 페놀법은 사용되지 않고 있다.

-DSM, INVENTA : 싸이크로헥산을 사용하는 가장 널리 이용되는 방법

-BASF : 유안발생량을 감소시킨 방법

-SNIA : 저렴한 툴루엔을 이용하는 방법

(17) TPA/DMT 제조공정

1) 개 요

TPA/DMT는 의류용섬유산업의 발전과 함께 사용량이 크게 증가하였으며 초기에는DMT(DIMETYL TEREPHTHALIC ACID)를 주로 사용하였으나 저가고품질의 PTA(PURIFIED TEREPHTHALIC ACID)가 개발되어 보다 양질의 저렴한 POLYESTER의 공급이 가능해졌다.

최근 선진국들은 기술개발을 통한 TPA/DMT의 용도확대로 마그네틱 테이프, 필름 등과 같은 첨단제품엔지니어링플라스틱(PET/PBT)의 제조에 사용함으서 TPA/DMT의 고부가가치화를 활발히 진행하고 있다.

2) 원 료 : 파라 크실렌(P-XYLENE)

3) 공 정

P-크실렌을 코발트, 망간, 브롬 등을 포함한 촉매하에서 약 15%의 초산촉매 중에서 공기(AIR)로 산화시키면 액상반응은 약 204 , 12ATM하에서 진행되는데 P-크실렌은 98%의 높은 선택도를 가지고 반응하며 부산물로 여러 가지 산화중간체가 형성된다.

반응후 생성된 혼합물은 냉각하여 결정화된 TPA로 회수하며, 초산은 정제후에 회수되어 산화 반응기로 재순환되고 CRUDE TPA는 고온고압의 물에 용해한 후 파라듐, 라듐촉매하에서 275 , 66.3 ATM에서 수첨하여 알데히이드를 제거하여 TPA를 제조한다. 한편 DMT는 CRUDE TPA에 메탄올을 반응시켜 생산한다.

4) 기술선

초기에는 질산, 황산암모늄을 이용한 산화법(DUPONT, ICI)이 채용되었으나 최근에는 공기산화법이 개발되어 주류를 이루고 있으며, AMOCO, MITSUBISHI, MOBIL, TECHIMONT, HUELS AG, EASTMAN KODAK, WITTEN HERCULES 등의 LICENSOR가 있다.

-AMOCO, TORAY, MOBIL, EASTMAN KODAK : 공기산화법으로 제조

-MITSUBISHI : 톨루엔을 CO와 반응시킨 후 산화시켜 제조함.

(18) SBR 제조공정

1) 개 요

SM 및 BD의 중합체이며, 합성고무 중에서 가장 오랜 역사를 가지고 있으며, 현재도 생산량이 가장많은 대표적인 범용고무로서 천연고무를 합성하고자 하는 의도로 19세기 초부터 연구가 시작되어 제 2차 세계대전으로 미국 및 독일에서 상업화되어 대량 생산되기 시작했으며, 자동차타이어, 타이어코드, 접착제, 스폰지, PS의 내충격 개량제, 신발밑창 등 여러 고무제품 제조에 이용된다.

2) 원 료 : SM, BD

3) 공 정

SBR제조에 널리 이용되고 있는 유화중합은 SM과 BD를 물, 유화제, 중합개시제, 중합촉매 등과 함께 혼합하여 중합을 시키고 일정한 중합비율에 도달하였을 때 중합을 멈추게 하는 중합방지제를 첨가한 후 미반응된 SM과 BD를 회수하고서 남은 LATEX에 노화방지제를 첨가하고서 응고, 세척, 건조의 단계를 거쳐 최종제품을 생산한다.

한편 또다른 제조방법인 용액중합은 SM, BD를 탄화수소 용매속에서 리튬계 중합개시제로 중합하는 것으로 이는 BR의 제조공정을 SM과 BD의 공중합에 응용한 것으로 제조된 SBR은 유화중합에 의한 SBR과 상당히 다른 물성을 가지고 있고 일반적으로 유화중합 SBR과 CIS-BR과의 중간특성을 갖는다.

SBR의 일종으로 STYRENE성분(50% 정도)이 높은 고무를 HSR, AN과 BD를 공중합한 합성고무를 NBR이라 하고, 이외에 CR(CHLOROPRENE RUBBER),IIR(ISOPRENE I ISOBUTENE RUBBER)이 있다.

4) 기술선

제조공정은 용매를 사용하여 중합을 하는 용액중합과 물과 기름같이 서로 섞이지 않는 물잘들을 혼합상태로 만들어 주는 제3의 물질인 유화제를 사용하여 중합하는 유화중합방법으로 대별된다.

-JAPAN SYNTHETIC RUBBER

- NIPPON ZEON

- GOODRICH

(19) BR 제조공정

1) 개 요

BR(BUTADIENE RUBBER)는 BD의 중합으로 만들어지는 합성고무로 1932년 소련에서 상업생산이 시작된 이래 1962년 미국에서 ZIEGLER 측매라는 특수촉매를 사용하여 BR의 합성이 가능하게 됨에 따라 이후 세계각국에서 상업화되기 시작했으며 자동차타이어, 신발밑창, PS의 내충격 개량제, 고무벨트 등의 제조에 이용된다.

2) 원 료 : BD(BUTADIEN)

3) 공 정

제조공정은 사용하는 촉매에 따라 다소 차이가 있으나 BD를 용제와 혼합하고 여기에 중합을 도와주는 중합촉매, 분자량을 조절하여 주는 분자량 조절제 등을 첨가하여 반응기 내에서 반응시키고 일정한 중합율에 도달한 후 중합을 멈추게 하는 중합방지제를 첨가하여 이 때의 중합온도는 각기 사용하는 중합촉매에 따라 각기 다르다.

중합이 완료된 후 처음에 사용되었던 용제를 직접 증발시키는 방법이나 증기에 의해 미반응된 BD와 함께 용제를 회수하는 방법으로 응고시킨 후 건조하여 최종제품을 생산한다.

4) 기술선

BB가 중합될 시 탄소가 일렬로 정렬되는 CIS-1,4부가와 그렇지 않은 TRANS-1,4부가로 구별되는데 CIS의 함량이 90% 이상일 경우를 高CIS-BR, 그 이하일 경우를 低CIS-BR로 구분하며, 또한 고CIS-BR은 사용하는 촉매에 따라서 Ti계, Co계, Ni계로도 구분한다.

-MONTECATINI法 : CIS결합이 96~98%로 고CIS-BR, CO계 촉매사용

-GOODRICH法 : CIS결합이 96~98%로 고CIS-BR, CO계 촉매사용

-SHELI法 : CIS결합이 96~98%로 고CIS-BR, CO계 촉매사용

-BRIDGESTONE法 : CIS결합이 96~98%로 고CIS-BR, NI계 촉매사용

-FIRESTONE法 : CIS결합이 약 35%로 저CIS-BR

(20) OCTANOL(2-EH) 제조공정

1) 개 요

옥탄올은 DOP, DOA, TOTM 등의 PVC가소제 원료로 주로 사용되며, 이외에 합성윤활제, 계면활성제 등의 중간원료도 사용된다.

2) 원 료 : 프로필렌, 합성가스(H2+CO)

3) 공 정

프로필렌은 합성가스(H2+CO)와 함께 로듐촉매를 사용하는 옥소반응기로 투입되어

N-BUTYRALDEHYDE 및 소량의 I-BUTYRALDEHYDE를 생성하게 되며 촉매혼합물과 함께 분리계로 보내어져 탄화수소와 촉매 혼합물로 분리된 후 촉매혼합물은 반응기로 순환되고 탄화수소 성분은 스트리퍼로 이송된다. 스트리퍼의 탄화수소는 FRESH SYN GAS에 의해 스트리핑되어 미반응 프로필렌 및 합성가스는 옥소반응기로 회수되고 탑저의 BUTYRALDEHYDE로 성분은 분류탑으로 이송되어 I/N-BUTYRALDEHYDE로 각각 분리 된다.

분류탑저의 N-BUTYRALDEHYDE는 알돌축합 반응기로 도입되어 축합, 탈수반응에 의 해 2 ETHYLHEXENAL을 생성한 후 수첨반응기로 이송되며 수소첨가에 의해 OCTANOL(2 ETHYLHEXANOL)이 생성된다. 수첨반응기 출구의 반응물은 분류탑으로 이송되어 LIGHT/HEAVY END를 분리후 OCTANOL제품을 생산한다.

4) 기술선

DAVY MCKEE社의 기술이 가장 널리 보급되어 있으며 MITSUBISHI KASEI 기술도 이와 유사하다.

-HOECHST法 : 비교적 고온고압 공정이며, N/I BUTYRALDEHYDE의 생성비율이 높음 -DAVY MCKEE法 : 비교적 저온저압 공정이며, N/I BUTYRALDEYDE의 생성비율이 낮음.

-MITSUBISHI KASEI法 : DAVY MCKEE PROCESS와 유사함.

(21) PA 제조공정

1) 개 요

PA(PHTHALIC ANHYDRIDE ;무수프탈산)은 1981년 독일의 BASF사에서 나프탈렌의 액상산화법으로 공업생산되기 시작했으며, 그 후 획기적인 생산방식인 기상산화법이 개발되어 상업화됨으로써 PA의 대량생산이 가능하게 되었으며, 프탈산계 가소제, 폴리에스테르 수지, 염료중간체 등의 제조에 이용된다.

2) 원 료 : 나프탈렌, 0-XYLENE

3) 공 정

현재 가장 많이 이용되고 있는 고정상법은 나프탈렌, 0-XYLENE 또는 이의 혼합물을 기화기를 통하여 기화시킨 후 공기와 혼합하여 반응기에서 반응을 시키고 이 때 생성된 PA GAS는 냉각기를 거쳐서 액체로 만든 후 소량의 황산과 알칼리 금속염을 첨가하여 200 부근에서 열처리하고, 정류하여 PA제품을 제조한다.

4) 기술선

PA의 공업적 제법은 크게 촉매의 사용방법에 따라 유동상법과 고정상법으로 대별되며, 고정상법은 나프탈렌 및 0-XYLENE을 이용할 수 있는 SD(SCIENTIFIC DESIGN)법과 O-XYLENE만을 이용할 수 있는 BASF법으로 구분되며, 유동상법은 나프발렌만을 이용할 수 있다.

.-BADGER : 주로 미국에서 많이 이용, 부산물이 적음, 유동상법

-BASF : 가장 널리 이용되고 있음, 고정상법

-AMOCO/COWLES/SD : 0-XYLENE의 액상산화, 고정상법

(22) MA 제조공정

1) 개 요

MA(MALEIC ANHYDRIDE :무수말레인산)은 1817년 처음으로 합성되었으며, 이후 1920년에 벤젠을 이용하여 접촉기상산화 방법으로 MA를 제조하는 기술이 개발됨에 따라 이후 대규모의 공업생산이 이루어지기 시작했으며, 불포화 폴리에스테르 수지, THF, 합성수지 도료, 계면활성제 등의 제조에 이용된다.

2) 원 료 ; 벤젠, C4 유분

3) 공 정

벤젠 기상산화법은 일명 SD법이라 하는데 이는 미국의 SCIENTIFIC DESIGN社에 의해 개발된 것으로 벤젠을 공기와 함께 파라듐-몰리브텐계 촉매가 들어있는 반응기에 투입하여 반응시킴으로서 MS GAS가 생성되는데 이 때 상당한 열이 발생하여 반응기의 온도가 상승하여 부반응이 발생되어 MA GAS가 생성되지 않을 수 있으므로 반응기의 온도를 조절하는 것이 아주 중요한 문제로 대두되며, 이렇게 하여 생성된 GAS는 흡수탑으로 보내어져 물과 혼합되어 말레인산 용액이 되고, 이어 탈수탑으로 이송되어 물을 탈수함으로써 최종제품 MA가 얻어진다.

4) 기술선

공업적 제조방법은 벤젠의 기상산화법과 C4 유분법으로 대별되며, 현재까지는 벤젠의 기상산화법이 가장 많이 사용되고 있으며, 이 중에서도 SD법이 가장 많이 이용되고 있고 또한 최근에는 C4 유분법도 많이 사용되고 있다.

-SCIENTIFIC DESIGN : 가장 많이 쓰이는 대표적 공정, 벤젠의 기상산화법

-BASF : 벤젠의 기상산화법, C4 유분법

-일본촉매 : 벤젠의 기상산화법

-삼릉화학 : C4 유분법

-DAVY MCKEE : 국내에서 가동 중임, C4 유분법

(23) PHENOL 제조공정

1) 개 요

페놀은 페놀수지, BISPHENOL A, 알킬폐놀, ANILINE, ADIPIC ACID, 카프로락탐 등의 원료로서 대부분 페놀수지 제조용으로 사용되며, 최근에는 에폭시수지, 폴리카보네이트 등의 원료인 BPA 제조용 수요가 증가추세에 있다.

2) 원 료 : 벤젠, 프로필렌

3) 공 정

프로필렌과 벤젠은 기상으로 알킬 반응기로 도입되어 알킬화 반응에 의해 큐멘이 생성되며, 스트리퍼로 이송된다. 스트리퍼 탑정의 탄화수소는 반응기로 순환되고 탑저의 큐멘성분은 큐멘 분류탑으로 이송되어 탑정으로 큐멘을 생산하여 산화반응기로 이송된다. 큐멘은 산화반응에 의해 큐엔하이드로퍼옥사이드로 전환된 후 분해반응기로 도입되어 페놀과 아세톤으로 분해되며, 정제계를 거치면서 페놀과 아세톤 제품(아세톤/페놀생산비율 : 0.6/1)으로 생 산된다.

4) 기술선

벤젠의 알킬화 공정(큐맨공정)과 톨루엔의 산화공정, 벤젠의 설포네이션 공정에 의한 제법이 있으나 벤젠을 원료로 하는 큐멘공정이 주류를 이루고 있으며, 큐멘공정은 페놀 제조시 부산물로 도료, 인쇄 등의 용제로 사용되는 아세톤이 생산되므로 매우 유리한 제법이다. - CUMEN PROCESS ; UOP, ALLIED/LUMMUS, MONTEDISON ENGELHARD

-TOLUENE OXIDATION PROCESS : STAMI CARBON, DOW CHEMICAL

(24) MMA 제조공정

1) 개 요

MMA(METHYLMETHACRYLATE)는 뛰어난 투명성과 내후성을 가진 메타크릴수지(PMMA, MBS, MABS 등)의 원료로 이용되며, 조명, 간판, 광학재, 도료 등에 널리 사용되고 있다.

2) 원 료

-에틸렌법 : 에틸렌, SYN GAS, 메탄올

-프로필렌법 ; 프로필렌, SYN GAS, 메탄올

-ISOBUTYLENE法 : 이소부틸렌, AIR, 메탄올

-ACH법 : 아세톤, 청산, 황산, 메탄올

3) 원 료(이소부틸렌법에 의한 MMA 합성)

이소부틸렌은 2단계의 산화반응기를 거치면서 공기와 기상산화 반응하여 MAA (METHACRYLIC ACID)로 합성되며, 세척탑으로 이송된 후 수세척에 의해 미반응 METHACROLEIN은 2차 반응기로 순환되고, 물, MAA 혼합물질은 추출탑으로 이송된다.

추출탑에서는 유기용매의 추출에 의해 물은 탑저로 배출되고 용매, MAA 혼합물이 탑정으로 배출되어 용매분리탑에서 각각 분리된다. 용매분리탑에서 분리된 MMA 성분을 에스테르 반응기로 도입되어 메탄올과의 액상반응에 의해 MMA를 합성하게 되며 추출, 증류계를 거치면서 고순도의 MMA가 생산된다.

4) 기술선

제조방법으로는 에틸렌법, 프로펄렌법, ISOBUTYLENE법 ACH법 등이 있으며, 이 중 ACH법이 세계적으로 주종을 이루고 있는 생산방법이나 최근에는 ISOBUTYLENE법에 의한 생산방법이 증가추세에 있다.

-에델렌법 : MITSUI TOATSU, BASF

-프로필렌법 : ROHM GMBH, ASHLAND CHEM

-ISOBUTYLENE法 ; ASAHI GLASS, ARCO

-ACH법 : ICI, ROHM & HAAS, DUPONT

(25) MTBE 제조공정

1) 개 요

MTBE는 분자 구조 내에 산소를 함유하고 있는 에테르 화합물로서 자동차 휘발유의 옥탄가 향상제로 널리 사용되고 있는 물질이며, MTBE, ETBE, TAME, GTBA 등의 옥탄가 향상제 중 원료의 조달, 물성치, 가격 등의 측면에서 유리하여 대표적인 가솔린 혼합물로 사용되고 있다. 또한 MTBE를 크래킹하면 MMA IIR 등의 원료가 되는 고순도 이소부텐을 생산할 수 있다.

2) 원 료 : 나프타 크래커의 C4잔사유-I 및 FCC의 C4 유분, 메탄올

3) 공 정

나프타 크래커의 혼합 C4 유분 中 BD를 추출한 C4 잔사유-I은 BD공정의 추출용매인 NMP 등의 불순물을 함유하고 있으므로 전처리 공정에서 WATER WASHING에 의해 불순물이 제거된 후 메탄올과 함께 이온교환수지가 충전된 2단계 반응기에 투입되며, 메탄올과 이소부텐이 선택적으로 반응, MTBE가 합성된다. 반응기에서의 이소부텐 전환률은 90~99%에 이르며, 가역반응이므로 MTBE를 크래킹하면 고순도이소부텐을 생산할 수 있다.

C4 유분, MTBE 혼합물인 반응기 유출물은 MTBE 분리탑으로 이송되어 MTBE 제품을 탑저로 생산하고, 탑정으로는 C4잔사유-II와 메탄올 혼합물이 분리되어 메탄올 회수공정으로 보내지며, 메탄올은 WATER WASHING에 의해 메탄올 제거탑 탑저로 제거되어 회수되고, 탑정의 C4잔사유-II는 부텐-1 공정으로 보내어져 부텐-1을 생산하는데 사용된다.

4) 기술선

MTBE 2차 합성반응기가 종래 FIXED TYPE에서 CATALYTIC DISTILLATION TYPE을 선호하는 추세임.

-UOP : FIXED-BED(DOWN FLOW) REACTOR 및 CATALYTIC DISTILLATION 채택

-CD TECH ;FIXED-BED(DOWN FLOW) REACTOR 및 CATALYTIC DISTILLATION 채택

-SNAMPROGETTI : TUBULAR(UP FLOW) REACTOR 및 FIXED-BED(DOWN FLOW) REACTOR 채택

-IFP : FIXED-BED(UP FLOW REACTOR 및 FIXED-BED(DOWN FLOW) REACTOR 채택

출처는 https://blog.naver.com/dohyuni1018/80051733260 이다.

기계공학 취준일기 #17 NAPHTHA REFORMING UNIT

취준일기 — Mon, 10 Aug 2020 16:23:51 +0900

저번시간 HSR에서 탈황 및 탈금속 등이 진행된 PRODUCT에서 방향족 성분이나, 고옥탄가

휘발유 성분이 많은 REFORMATE로 만들기 위해선 REFORMING 공정 (CATALYTIC REFORMER) 을 거쳐야 한다.

Naphtha Reforming Unit에 대해 알아보자.

https://blog.naver.com/sayrdk/40200895222 , https://m.blog.naver.com/yangseungjae/221056755225

많은 부분 참고하였다.

출처 구글

Naphtha Reforming Unit에 대해 알아보자.

Refoming Unit은 촉매를 이용하여 HSR을 방향족이나 고옥탄과 휘발유성분이 많은 REFORMATE를 만드는 공정이다.

CDU에서 나온 나프타는 n-paraffin 구조를 하고 있어 옥탄가가 높지 못해 휘발유로 사용하지 못하고,

대부분 paraffin이기에 방향족성분으로 전환하면 고부가가치가 되기 때문이다.

출처 https://blog.naver.com/sayrdk/40200895222

(여기서 잠깐 재밌는 사실은 예전엔 원유내 구성성분을 분석하기에 돈이 많이 들어 사람들이 원유 추출후 찍어먹어

보았다고 한다. 그때 황의 함량이 높으면 쓴 맛이 나서 sour란 단어를 사용하고, 품질이 좋은 (황 함유량이 낮은)

원유는 상대적으로 달콤해서 sweet이라는 단어가 나왔다.)

Reforming unit은 반응이 진행됨에 따라 reactor 내부의 촉매에 coke가 쌓이게 된다.

coke가 많이 쌓이게 되면 촉매의 효율이 떨어지고, 이에따라 촉매재생(catalyst regeneration)을 실시해야 한다.

촉매재생 방식에 따라 reforming unit을 두 가지로 크게 나누는데

첫째는 semi-regeneration type (platformer) 과

출처 https://en.wikipedia.org/wiki/Catalytic_reforming

둘째, continuous-regeneration type (CCR(continuous catalyst regeneration)) platformer가 있다.

출처 https://m.blog.naver.com/yangseungjae/221056755225

light naphtha의 경우 catalytic reforming을 거치면 주로 butane또는 그보다 분자량이 낮은 탄화수소 분자로

쪼개지는 경향이 있어 high-octane gasoline을 만들기 위한 blending성분으로는 적합하지 않기 때문에

주요 polymer의 원료인 polymer grade ethylene과 propylene을 생산하는 steam cracking의 feedstock으로

주로 활용된다. 또한 LSR은 CATALYTIC REFORMER에서 아로마를 형서하는 경향이 있는데

특히 벤젠은 발암물질이고 많은 아로마의 경우 환경규제인 경우가 많고, gasoline에 섞는 아로마틱 역시

제한적이기 때문에 LSR은 원료로 부적합하다.

촉매와 높은 수소 부분압력 조건에서 수많은 화학반응이 catalytic reforming process에서 일어난다.

catalytic reforming의 종류와 방식에 따라 반응온도는 약 500도와 5~45atm을 갖는다.

catalytic reforming에 많이 사용되는 촉매는 백금이나 레늄같은 귀금속을 사용하는데,

귀금속은 황화합물이나 질소화합물과 같이 촉매에 독성으로 작용하는 물질에 매우 민감하여 이전 공정인

hydrotreating unit에서 황화합물과 질소화합물을 제거한 후에 공급도니다.

주요 catalytic reforming reaction은 다음과 같다.

1 : Naphthene(cycloalkanes)으로부터 수소를 제거하응 dehydrogenation을 거쳐 aromatics를 만든다. 아래는 naphtene인 methylcyclohexane으로부터 aromatics인 toluene이 만들어지는 dehydrogenation reaction이다.

2 : normal pafaffin을 isopafaffin으로 만드는 isomeriztion action이다. 아래는 normal octane으로 부터 isoparaffin인 2,5-dimethylhexane을 만드는 isomerization reaction이다.

3 : pafaffin을 aromatics로 만드는 연속적인 dehydrogenation reaction과 aromatiztion reactio이다. 연속적인 두 반응을 dehydrocycliztion reaction이라고 한다. 아래는 normal heptane으로부터 toluene을 만드는 과정이다.

4 : pafaffin을 쪼개어 보다 작은 분자로 만드는 hydrocracgking reaction이다. 아래는 normal heptane으로부터 isopentane과 ethane을 만드는 과정이다.

위키피디아에서 가지고 왔지만, 전체를 번역한 링크를 남긴다.

https://m.blog.naver.com/yangseungjae/221056755225

기계공학 취준일기 #16 HSR(HEAVY STRAIGHT RUN NAPHTHA), NHT

취준일기 — Mon, 10 Aug 2020 15:27:39 +0900

이전에 LSR처리 공정을 알아 보았으니 HSR처리 공정에 대해 알아보자.

Naphtha Hydrotreating Unit(NHT)에 대해 알아보자.

출처 구글

NHT는 CDU에서 나온 HSR에 고온고압의 조건에서 HYDRO를 첨가하고 촉매(코발트와 몰리브덴)을 활용하여

황, 산소, 금속, 질소 등을 제거하고 올레핀을 포화시킨다. 그 이유는 이후 Reforming공정에서

중질 납사를 개질하는데 촉매에 독이되고, 효율을 떨어뜨림은 물론, 환경오염을 야기하기 때문이다.

아래는 EGGCYCLOPEDIA에서 첨부한 파일이다. 어려운 내용 아니니 해석은 하지 않겠다.

Heavy Naphtha cut from the atmospheric crude oil distillation column in a refinery is sent to a ‘Naphtha Hydrotreating Unit’. After the naphtha hydrotreating unit, naphtha is sent to an isomerisation unit or a catalytic reformer unit, which often use reforming catalysts. Most reforming catalysts contain platinum as the active material. Sulfur and nitrogen compounds present in naphtha cut from atmospheric distillation column can deactivate the catalyst and must be removed prior to catalytic reforming.

Purpose of the naphtha hydrotreating unit is to remove sulphur and nitrogen compounds. The naphtha hydrotreating unit uses a cobalt-molybdenum catalyst to remove sulfur by converting it to hydrogen sulfide that is removed along with unreacted hydrogen. Some of the hydrogen sulphide-hydrogen mixture is recycled back to the reactor to utilize the unreacted hydrogen, using a compressor.

Reactor conditions for naphtha hydrotreating unit are around 400-500˚F (205-260˚C) and pressure of 350-650 psi (25-45 bar). As coke deposits on the catalyst, reactor temperature must be raised. Once the reactor temperature reaches ~750˚F (400˚C), the unit is scheduled for shutdown and catalyst replacement.

Figure 2 - Stripped in the naphtha hydrotreater unit

If required, the boiling range of the catalytic reforming charge stock can be changed by redistilling in the naphtha hydrotreater in a stripper as shown in Figure-2. Often light naphtha containing pentanes, hexanes and light naphtha are stripped off and sent directly to gasoline blending or pretreated in an isomerization unit prior to gasoline blending. The heavy naphtha from the bottom of the stripper column goes back to the catalytic reformer unit before blending with gasoline.

기계공학 취준일기 #15 LSR(Light Straight Run Naphtha)처리 공정 Isomerization Unit

취준일기 — Mon, 10 Aug 2020 14:04:52 +0900

CDU에서 분류된 NAPHTHA는 경질 나프타와 중질 나프타로 구분할 수 있다.

끓는점이 100℃ 이하인 것을 경질나프타(Light Straight Run Naphtha, LSR)라고 하는데요. 경질나프타는 NCC의 원료로 사용되어 주로 용제 및 석유화학의 원료로 쓰입니다.

100~220℃ 범위에서 증류되는 유분은 중질나프타(Heavy Straight Run Naphtha, HSR)라고 하며 중질나프타는 다시 개질시설(Reformer)을 거쳐 휘발유 제조나 벤젠, 톨루엔, 파라자일렌 등의 방향족 공정의 원료로 투입 됩니다. 이러한 방향족은 또다시 합성플라스틱과 합성섬유의 원재료로 쓰이게 됩니다.

이중 경질 납사는 납사분해설비(NCC, Naphtha Cracking Center)를 통해 에틸렌, 프로필렌, BTX 등 기초 유분으로 전환된다. 반면 100~220 °C 범위에서 증류되는 중질 납사는 수첨설비(Hydrotreater), 개질설비(Reformer), 이후 분리정제를 통해 벤젠, 톨루엔, 파라자일렌 등의 방향족으로 전환된다.

CDU에서 증류되어 나온 Naphtha(C4~C6, C7~C12) 중 경질 Naphtha(C4~C6)가 처리되는 과정을 보겠다.

출처 https://m.blog.naver.com/yangseungjae/221058955118

1. 이성질체화(isomeriztion이란)

Isomer이란 이성질체라고 하는데 분자식이 같아서 분자를 구성하는 원자의 종류와 개수는 동일하지만

구성원자의 연결방식이나 공간배열이 다르기 때문에 물리화학적 성질이 다른 물질이다. 따라서 isomerization이란

분자식이 동일한 분자를 구성하는 원자의 종류와 개수는 동일하지만 구성원자의 연결방식이나 공간배열이

다른 분자로 변화시키는 과정이다 (예 a-b-c를 b-c-a로 바꾸는것)

이성질체화가 중요한 이유는 gasoline의 옥탄가를 높이기 위한 방법중 하나로, 이성질체화는 옥탄가 상승뿐

아니라 gasoline blending을 위해서 또는 alkylation unit에 공급하기 위해 선형분자를 옥탄가가 높은

가지형분자로 변환하는 과정이다.

출처 https://m.blog.naver.com/yangseungjae/221058955118

위와 같이 긴 선형구조(normal paraffin)의 normal pentane(C5H12)가 있다.

이를 백금촉매(PLATINUM CATALYST)가 있는 상태에서 가열하여 옥탄가가 높은 가지형분자(iso paraffin)인

2-Methylbutane과 2.2-diMethylpropane등으로 바꿀 수 있다.

분자의 연결방식이나 공간배열이 바뀌었지만 동일한 분자식 (C5H12) 을 갖고 있다.

2. isomerization process

정유공정의 LSR은 Butane (C4)와 Pentane,Hexane (C5,C6) 를 이성질체화하는 공정으로 나눌 수 있다.

결론부터 말하자면 Butane(C4) Isomerization은 noraml-Butane을 iso-Butane으로 (선형분자를 가지형 분자로)

Pentane, Hexane (C5, C6) Isomerization은 noraml-Pentane, Hexane을 iso-Pentane, Hexane으로

노말 파라핀(선형분자)보다 옥탄가가 높은 이소 파라핀(가지형분자)로 변환하는 공정이다

2.1 Butane Isomerization

출처 https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=sayrdk&logNo=40201782062&categoryNo=57&parentCategoryNo=&from=thumbnailList

위 공정도는 일반적인 C4 Isomerization공정이다. iso-Butane을 생산하여 후속 공정인 Alkylation공정의 feed로 공급하는

역할을 한다. 일반적으로 낮은 온도에서 운전되는 공정은 AlCl₃(염화 알루미늄) 촉매와 HCL을 이용하고,

높은 온도에서 우전되는 경우네는 백금(Platinum)촉매와 같은 금속촉매를 이용해 반응시키기도 한다.

일반적인 Butane Isomerization Unit의 경우 butane feed는 수소와 섞여 약 110~170도의 온도에서

운전되는 reactor로 공급된다. 이후 reactor에서 반응을 마치면 iso-Butane외의 반응에 미사용된 수소,

황화수소등이 생산된다. 수소는 reactor 후속 설비인 high pressure separator에서 분리되고,

황화수소는 stabilizer (stripper)에서 제거된다. 이후 iso-Butane은 de-isoButanizer(Fractionator)로 보내져 reacotr에서

반응하지 못한 noraml-Butane을 recycle하기 위해 iso-Butane과 분리하게 된다.

분리된 iso-Butane은 후속공정인 Alkylation공정으로 보내지고 normal-Butane은 반응을 위해 다시 reactor로 recyle된다.

출처 https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=sayrdk&logNo=40201782062&categoryNo=57&parentCategoryNo=&from=thumbnailList

위 공정도는 일반적인 C5,C6 Isomerization공정이다.

C5,C6 Isomerization은 gasoline blending(옥탄가향상제) stock등으로 사용하기 위해 선형분자구조를

가지형분자구조로 전환시켜 (normal -> iso로)옥탄가를 높이는 역할을 합니다.

MEROX등에서 탈황된 C5,C6는 수소와 혼합되어 heater에서 반응에 필요한 온도까지 가열된다. 가열된 feed는

hydrogenation reactor에서 feed에 남아있는 이중결합 olefin을 포화시키는 반응을 한다.

그 이후 isomerization reactor에서 normal-paffin을 iso-paraffin으로 바꾸는 반응이 일어나게 된다.

반응 이후 product separator에서 liquid product(isomerate)와 recycle hydrogen gas로 분리되고,

imerate는 washing(caustic and water), acid stripping과정 등을 거친후 gasoline blending stock으로 사용된다.

출처 https://m.blog.naver.com/yangseungjae/221058955118

출처 https://blog.naver.com/sayrdk/40200710668

기계공학 취준일기 #14 MEROX공정

취준일기 — Mon, 10 Aug 2020 11:01:49 +0900

(https://m.blog.naver.com/senetman/220084882444에서 많은 정보를 가지고 왔다.)

MEROX공정이란 Mercaptan Oxidation의 줄임말이며, Catalytic Chemical Process중 하나이며,

LPG, 프로판, 부탄, Light Naphtha, Kerosene, Jet fuel등을 화학반응 시켜 Mercaptan(R-S-H, 메테인싸이올)을 제거하는

공정이며 (즉 황을 제거하는 공정) NaOH(수산화나트륨) 수용액을 통해 생성된 Alkaline(알칼리성) Environment조건하에

시작된다. 크게 LPG Merox와 Jet fuel or Kerosene merox로 나눌 수 있다.

NaOH는 부식성이 강한 알칼리성 (pH 7.0이상으로 산과 중화하여 염을 생성하는 환경) 물질로 가성소다라고 불리운다.

1. LPG MEROX

LPG (C3, C4), Ligh Naphtah로 부터 Mercaptan(메테인 싸이올)을 제거하는 공정

출처 https://m.blog.naver.com/senetman/220084882444

1.1 Caustic Prewash (황화수소 제거)

이 다음 process에서 황화수소가 Mercaptan 제거를 방해하기 때문에, 황화수소를 먼저 제거하는 공정이다.

H2S + NaOH -> NaSH +H20가 나오게 된다. Prewash vessel에서 NaOH는 주기적으로 Spent Caustic 으로

폐기되고, 새로운 수산화나트륨이 보충된다.

1.2 Mercaptan extractor (메테인싸이올 추출)

LPG와 Naphtha가 trayed extractor vessel안에서 촉매(Catalyst)수용액이 포함된 NaOH 함께

접촉/반응하여 화학반응을 일으키게 된다.

2RSH(mercaptan)+2NaOH->2NaSR+2H2O

1.3 Disulfide(이황화물)생성과 NaOH regenration

oxidizer를 거치면 2번째 과정에서 생산된 4NaSR+O2+H2O->2RS-S-R(이황화물)+4NaOH가 생성된다.

그 후 Separator에서 이황화물은 비수용성이고 NaOH의 경우 수용성인 특징을 이용하여 분류한다.

1.4 product flow

Mercaptan extractor에서 나온 product는 caustic settler에서 sweetened LPG에 잔류하고 있더 NaOH를

다시한번 제거하고, water wash에서 물로써 NaOH를 한번더 제거하고, salt bed에서 수분을 제거하게 된다.

출처 https://m.blog.naver.com/senetman/220084882444

2. Jet fuel or Kerosene Merox

말 그대로 jet fuel 과 kerosene에서 mercaptan을 제거하는 공정이다.

2.1 Caustic Prewash

이전과 마찬가지로 이 다음 process에서 황화수소가 Mercaptan 제거를 방해하기 때문에,

황화수소를 먼저 제거하는 공정이다.

H2S + NaOH -> NaSH +H20가 나오게 된다. Prewash vessel에서 NaOH는 주기적으로 Spent Caustic 으로

폐기되고, 새로운 수산화나트륨이 보충된다.

2.2 Merox Reactor

Alkaline Environment에서 압축 공기와 Merox Reactor안에 고정되어 있는 Catalst Bed를 통과하면서

일어나는 화학반응을 통해 메테인싸이올을 제거한다.

4RSH+O2->2RSSR+2H20

1.4 product flow

Mercaptan Reactor에서 나온 product는 caustic settler에서 sweetened LPG에 잔류하고 있더 NaOH를

다시한번 제거하고, water wash에서 물로써 NaOH를 한번더 제거하고, salt bed에서 수분을 제거하게 된다.

기계공학 취준일기 #13 SGP

취준일기 — Sat, 8 Aug 2020 14:47:21 +0900

이번엔 SGP(SATURATED GAS PLANT)에 대해 알아보자

출처 구글

SGP란 CDU에서 분류된 가장 가벼운 성분들 FUEL GAS (C1,C2)와 LPG(C3,C4)가 처리되는 공정이다.

SGP와 LPG UNIT이 따로 분리 되어있지만, 공정 자체는 비슷하다고 한다.

SGP(SATURATED GAS PLANT)라고 불리우는 이유는 포화탄화수소를 처리하는 PLANT이기 때문이다.

자연상태에선, 물질은 안정적인 상태를 유지하려는 경향이 있다.

그래서 CDU에서 원유를 끓는 점의 차이에 의해 분류하면 나오는 것들도 안정적인 상태에 있다.

FUEL GAS와 LPG는 물론 NAPHTHA, KEROSENE, DIESEL등도 마찬가지다.

탄소는 최외곽 전자를 4개 가지고 있다. PAFAFFIN은 단일 결합의 선형 및 가지 구조로 이루고 있다.

즉 단일결합으로 1개의 전자는 C와 나머지 3개의 전자는 H와 결합하고 있다.

반면 이중결합이 있는 선형 구조인 OLEFIN은 2개의 전자가 1개의 탄소원자와 결합하고 있다.

나머지 2개의 전자는 H와 결합하고 있다. 이런 경우 탄소원자끼리 이중결합이 단일결합으로 변하고

수소와 결합할 수 있는 상태이다. 즉 불안정한 상태이다.

그러므로 CDU에서 나온 FUEL GAS와 LPG는 안정한 상태인 PARAFFIN이 대부분이고, PARAFFIN은 당연하게도

단일결합으로 구성되어 있다. 즉 포화상태인 것이다.

그래서 CDU에서 나온 FUEL GAS와 LPG를 처리하는 공정을 SGP라고 부르는 것이다.

아래는 자세한 자료를 찾지 못했기에 http://www.setlab.com/resources/refining/gas-plants/ 이곳 내용을 번역하겠다.

Saturate (sat) gas plants separate refinery gas components including butanes for alkylation, pentanes for gasoline blending, LPG’s for fuel, and ethane for petrochemicals.

SGP에서 부탄을 포함하는 COMPONENT는 ALKYLATION을 위해 분리하고, 펜테인은 GASOLINE BLENDING(옥탄가 상승용)으로, LPG는 연료로, 에텐은 석유화학을 위해 분리한다.

Because sat gas processes depend on the feedstock and product demand, each refinery uses different systems, usually absorption-fractionation or straight fractionation.

SGP 공정은 FEEDSTOCK과 요구되는 제품에따라 결정되기에, 각 정제사들은 다른 시스템을 사용하고, 보통 absorption-fractionation(흡수분별) or straight fractionation(직선분별)을 사용한다.

In absorption-fractionation, gases and liquids from various refinery units are fed to an absorber-deethanizer where C2 and lighter fractions are separated from heavier fractions by lean oil absorption and removed for use as fuel gas or petrochemical feed.

흡수분별에선, 정재 유닛을 통해 나온 가스와 액체의 PRODUCT는 absorber-deethanizer로 보내지는데, 이곳에서 lean oil absorption로 부터 C2와 가벼운 성분은 무거운 성분에서부터 분류되고 FUEL GAS나 석유화학으로 보내진다.

The heavier fractions are stripped and sent to a debutanizer, and the lean oil is recycled back to the absorber-deethanizer.

무거운 성분은 스트림되어 debutanizer로 보내지게 되고, LEAN OIL은 재사용 된다.

C3/C4 is separated from pentanes in the debutanizer, scrubbed to remove hydrogen sulfide, and fed to a splitter where propane and butane are separated.

C3/C4는 debutanizer에서 펜테인으로부터 분리되고, 황화수소 제거 공정을 거치고, 프로판과 부탄으로 분리되는 SPLITTER로 보내지게 된다.

In fractionation sat gas plants, the absorption stage is eliminated.

SGP공정에선 absorption stage가 제거되었다.

기계공학 취준일기 전공편 4일차 유체정역학3(부력과 안정성)

취준일기 — Sat, 8 Aug 2020 13:00:18 +0900

6. 부력과 안전성

6.1 부력(buoyant force)

부력이란 어떠한 물체가 유체에 잠겼을 때, 중력과 반대 방향으로 힘을 받아 떠오르게 하는 힘을 의미한다.

이때, 부력의 크기는 물체가 밀어난 유체의 부피에 해당하는 무게와 같다.

(a)의 자유 물체도를 그리면 (b)로 표현되고, P1, P2, P3, P4는 육면체에 자굥ㅇ하는 힘이고 W는 유체 체적의 중량이며

Fb는 물체가 유체에 가하는 힘이다. 이들을 평형식으로 표현하면

으로 표현할 수 있다. 위로 올라가는 방향이 +이므로 위와 같은 식이 나온다.

좀더 자세히 보자

작용하는 압력은 크게 4개지 이다.

와 같이 표현할 수 있다. 여기서 압력은 위로 작용하는 것이기에

가 된다. 압력과 힙의 관계는 F=PA이므로 아래와 같이 된다.

여기서 A는 물체의 밑면의 넓이이다.

마지막으로 비중량이 일정하다면 다음과 같은 식이 도출된다.

부력의 크기는 물체에 의해 배제된 유체의 중량과 같고 수직방향으로 위를 향한다. 부력의 작용선 위치는

자유물체도의 힘들을 적당한 축에 모멘트를 취함으로 구할 수 있다. 이를 계산하면 (c)와 같이 부력이

배제된 체적의 도심을 지난다. 이 점을 부력중심이라고 한다.

6.2 안전성

좋은 자료가 있어 가지고 왔다.

출처 http://www.astronomer.rocks/news/articleView.html?idxno=86142

간단하게 설명하면 무게중심이 부력중심보다 아래에 위치하엿을때 전복될시 복원 모멘트가 발생하여 안정성이 높아지고,

출처 http://www.astronomer.rocks/news/articleView.html?idxno=86142

무게중심이 부력중심보다 위에 위치하였을 때엔 전복될시 전복모멘드가 발생하여 전복이 가속된다.

기계공학 취준일기 전공편 4일차 유체정역학3(정수력)

취준일기 — Sat, 8 Aug 2020 01:22:07 +0900

5. 정수력

정지한 유체가 가하는 힘을 정수력이라 한다.

5.1 평면

출처 신안산대학교

개방된 탱크의 바닥에 작용하는 압력과 정수력은 위 그림과 같이 일정하게

로 나타낼 수 있다. 이 압력은 일정하고 균일하게 분포되며, 집중하중 Fr로 표현할 때에는 면의 도심(centroid)에

작용하는 것을 가정으로 한다.

5.2 측면

출처 신안산대학교

측면에 작용하는 힘의 해석으로 도식적 방법을 사용한다. 압력은 깊이에 따라 선형적으로 비례하므로 그림과 같이 압력분포를 나타낼 수 있으므로 면 bh에 작용하는 합력은

식1

로 표현할 수 있다. 이식으로 그림과 같이 압력분포를 입체로 표현할 수 있는데, 이 체적을

압력 프리즘(PRESSURE PRISM)이라하며, 측면에 작용하는 합력은 압력프리즘의 부피와 같다.

다시말해 압력프리즘이란 압력 분포를 나타내는 척도로써 압력의 크기를 체적으로 표현한다.

5.3 경사면

출처 http://elearning.kocw.net/document/Fluid(6).pdf

여기서 G는 도심(centroid)이며, C는 하중 작용점(압력 중심, center of pressure)이다.

그림에 있는 경사면의 미소면적 dA에 작용하는 힘은 dF=γhdA이고 수직으로 작용한다.

h=ysin@이므로 합력을

로 나타나고, 위 적분부분은 단면 1차모멘트이므로

이며 y_{c}는 x축에서 측정한 도심의 좌표이다. 합력(집중하중)은

으로 나타낼 수 있다. 위 식을 통해 하중의 크기가 밀도, 도심까지의 수직 거리, 면적에 비례하는 것을

알 수 있다. 그러나 하중이 도심에 반드시 적용하는 것은 아니다. 실제로는 면이 기울어져 있어 분포 하중이

아래로 갈수록 커지기 때문에 집중하중으로 가정할 때의 작용점을 구해보아야 알 수 있다.)

집중하중이 발생하는 모멘트 = 분포하중이 발생하는 모멘트 를 이용하면 항상 압력중심은 도심보다

깊이 있다는 것을 알 수 있다.

5.4 곡면

위 그림과 같이 탱크에서 곡선구간 BC와 수평면 AB, 수직면 AC로 이루어진 요소가 있다. 힘 Fh와 Fv는

탱크면이 유체요소에 작용하는 힘을 나타낸다. 평행이 아닌 세개(유체가 탱크면에 작용하는 힘)의 힘이 평행을 이루고

있으므로 이 힘들은 공점적이며, 또 동일 평면에 존재한다.

따라서 공점적 요소를 고려하면 위와 같은 식이 도출되고 합력의 크기는 아래와 같은 식이 도출된다.

여기서 공점력계 (concurrent force system)이란 정역학에서 힘의 작용선들이 한 점에서 만나는 것을 의미한다.

기계공학 취준일기 전공편 3일차 유체정역학2(압력측정)

취준일기 — Sat, 8 Aug 2020 01:08:04 +0900

4. 압력측정

4.1 수은 기압계 (mercury barometer, Torricelli's barometer)

출처 구글

이전 글에서 아래와 같은 식을 도출해 냈었다.

식1

이를 수은기압계에 적용해 보면 식2가 된다.

식2

이 기압계의 원리는 유리관을 수은으로 가득 채우고, 개방된 쪽을 아래로 뒤집어 수은이 담긴 용기에 담그면,

수은 기둥은 그 중량과 수은의 증기압에 의한 합과 대기압에 의한 힘이 평형을 이루는 위치에서 정지된다.

이때의 높이 h 즉 수은의 높이를 재어 기압을 측정한다. 표준대기압은 760mmHg 즉 76cm로 나타낸다.

4.2 액주계 (manometer)

압력을 측정하는 표준기법중 하나로, 수직 또는 경사진 튜브속의 액체 기둥을 이용한 압력장치를 액주계라고 한다.

피에조메터관, u튜브 액주계, 경사관 액주계가 있다.

4.2.1 피에조미터관

출처 구글

액주계의 간단한 유형인 피에조미터관은 그림과 같이 생겼다.

내부의 액체는 정지유체 이므로,

식1

을 사용하여, 아래로 내려가면 압력이 증가하고 위로 올라가면 압력이 감소하는 것을 알 수 있다. 피에조미터관은

용기속의 압력이 대기압보다 크고, 비교적 낮은 압력에만 사용한다.

4.2.2 U-튜브 액주계

피에조미터관의 낮은 압력에서 사용가능한 단점을 극복하기 위한 기구로 위와 같은 U-튜브 액주계를 사용한다.

출처 구글

U-튜브 액주계는 비중량이 다른 유체가 들어가는데 이 유체를 계기유체라고 한다. 내부 압력 P를 유체기둥들의

높이로 표시하기 위해서는 한쪽 끝에서 시작하여 다른쪽 끝까지 식1을 적용하면 된다. 좌측의 액주계를 예로들면,

연속된 같은 유체에서 높이가 같으면 압력도 같으므로 A와 1에서의 압력은 같다. (1)에서 (2)까지의 압력은

만큼 증가한다. 그리고 (2)와 (3)의 압력은 같다. 개방된 유체표면으로 이동하면 (3)의 압력이

만큼 감소한다. 이를 수식관계로 나타내면 아래와 같이 나오게 된다. 대기압이 없는 이유는

계기압력을 측정하는 것이기 때문에 대기압은 0이 되기 때문이다. (절대압력 = 대기압 +-계기압이다.)

4.2.3. 경사관 액주계

작은 압력을 측정하기 위해서 그림과 같이 기울어진 경사관 액주계를 사용한다. 측정 방법은 U-튜브 액주계와 동일하고

액주의 높이는 삼각함수로 표현된다. 즉 아래와 같은 식을 도출할 수 있다. (1) 높이에서 압력이 같아지기 때문에

아래와 같은 식이 성립하게 된다.

따라서 작은 압력차라 할지라도 경사각을 작게 만들면 경사관의 기울기에 의해 큰 길이의 차를 얻을 수 있다.

기계공학 취준일기 전공편 3일차 유체정역학1(유체압력장 기본방정식)

취준일기 — Fri, 7 Aug 2020 21:25:32 +0900

1. 유체역학 pascal의 법칙에 대해 알아보자.

결론부터 말하자면 pascal의 법칙이란 밀폐된 비압축성 유체의 일부에 압력을 가하면 전단응력이 없는 한 그 압력이 유체내의 모든 곳에 같은 크기로 전달된다고 하는 원리임을 알 수 있다. (중요한건 유체는 비 압축성이고, 전단응력이 없다는 것이다.)

왜 그런지 알아보자

출처 내머리 그림1

위 그림은 유체요소를 임의의 모양으로 잘나낸 것이다. 유체요소가 가속운동을 한다고 할 때 y,z 방향의 운동방정식은

그림2

식 1과 식 2가 나오게 된다. 질량(m)이 위 식으로 나오는 이유는 삼각형 이기 때문이다. 그래서 2로 나눈거다.

그림3

그림1에서 우리는 그림3의 관계를 유추할 수 있다. 이 식을 그림2의 1과 2에 각각 대입하게 되면

그림4

그림 4를 유추할 수 있고, 그림4의 운동방정식을 정리하면

그림5

그림 5와 같은 같은 식을 얻는다. 여기서 각도는 유지하면서 미소변위x,y,z를 0에 수렴하도록 극한을 취하면

Py=Ps가 되고 Pz=Ps가 된다. 즉 Py=Ps=Pz가 되게 된다.

위 식이 의미하는 바는

정지하거나 움직이는 유체 내부의 한 지점에서의 압력은 전단응력이 없는 한 모든 방향으로 같다는 결론이 나온다.

이것이 pascal의 법칙이다.

앞서 언급한, 밀폐된 비압축성 유체 일부에 압력을 가하면 그 압력이 전단응력이 없는 한 유체 내의 모든 곳에 같은 크기로 전달된다 와 정지하거나 움직이는 비압축성 유체 내부의 한 지점에서의 압력은 전단응력이 없는 한 모든 방향으로 같다 와같은 의미인 것을 알 수 있다.

2. 유체 압력장의 기본 방정식에 대해 알아보자.

기본 방정식을 통해 유체역학의 강력한 도구인 베르누이 방정식의 기본이 되고, 이어서 정지유체의 압력분포를 통해

파스칼의 원리를 한번더 설명할 것이다.

유체 요소에 작용하는 힘은 압력에 의한 표면력과 요소의 중량에 해당하는 체적력으로 나눌 수 있다. 유체 요소의 중심에서의 압력을 p라고 한다면 각 면에서의 평균 압력은 밑 그림과 같다.

그림1

위 그림에 따라 x,y,z의 표면력의 값은

그림2

이렇게 된다. 모든 방향으로의 압력값을 테일러급수로 근사치를 구하고 더하게 되면 각 축의 방향마다의 힘은

위와 같이 나오게 된다. 그리고 표면력의 합을 벡터 형태로 표현하면, 아래와 같이 나오게 된다.

그림3

그림3의 괄호항은 압력구배의 백터형태표현이며, 그레디언트를 이요하여 다음과 같이 표현할 수 있다.

그림4

유체요소의 중량은 z축의 음의 방향으로 다음과 같이 작용하며

그림5

전방향에 작용하는 힘의 합력을 newton의 제 2법칙을 적용하여 풀이하면

그림6

으로 표현할 수 있다. 이 식을 위 그림3과 그림6으로 표현하면

그림7

그림7과 같은 식을 도출해 낼 수 있다.

각 항의 부피를 소거하게 되면

그림8

그림8과 같은 최종식이 나오게 된다. 이 식은 전단응력이 없는 유체에 대한 일반적인 운동방정식이다.

위 운동방정식은 유체역학의 강력한 도구인 베르누이 방정식의 기본이 된다.

3. 정지유체의 압력분포

정지유체의 압력분포는 2번째 목록의 그림8에 대입하게 되면 가속도가 없으므로

그림1

그림 1과 같은 식을 얻게 된다. 직관적으로 알 수 있듯이 x, y 축에 따라 정지유체의 압력은 변하지 않음을 알 수 있다.

다시 정리하면

그림2 식 1

그림2와 같은 식을 얻을 수 있다.

3.1 비압축성 유체 (incompressible fluid)

일반적으로 밀도가 일정한 유체를 비압축성 유체라고 한다. 보통 액체의 경우, 수직방향으로 큰 높이 차이에도 밀도 변화를 무시할 정도로 작으므로 액체는 비압축성 유체라는 가정은 정당하다. 그렇므로 p의 값은 상수로 취급되어 식1은 직접 적분할 수 있으므로,

그림3

으로 표현할 수 있고,

그림4

위 그림4와 같이 표현할 수 있다. (여기서 각 미지수의 2는 수두가 높은 곳이다.) 이 식에서 유추할 수 있는 것은,

정지하여 있으며 균일한 비압축성 유체의 압력은 기준면으로부터 깊이에만 의존할 뿐, 유체의 형상이나 크기에는

관계가 없음을 알 수 있다.

즉 우리가 알고있는 그림5와 같은 식을 얻을 수 있고, 이것이 의미하는 바는 작은 힘으로 큰 힘을 낼 수 있다는 것이다.

이것이 바로 파스칼의 원리이다.

그림5

3.2 압축성 유체(compressible fluid)

기체는 압력과 온도의 변화에 따라 밀도가 변하므로 압축성 유체이다. 이상기체 상태방정식 p=ρRT식을 식1에 대입하면

그림6

그림6과 같이 정리된다. 이유는 γ(비중량)=ρg이므로 ρ=p/RT를대입하면 그림 6과 같은 식이 나오게 된다.

여기서 온도가 일정하다는 가정을 하고 변수 분리 후 적분을 하게 되면

그림7

위 식을 얻을 수 있고, 다음과 같은 등온 기체에서 압력과 고도의 관계를 알 수 있다.

그림8

기계공학 취준일기 전공편 2일차

취준일기 — Thu, 6 Aug 2020 16:01:56 +0900

엔탈피, 엔트로피, 엑서지에 대해 알아보자

우선 엔탈피부터 알아보자.

화학에서는 반응열·연소열·용해열·중화열·증발열 등 많은 열을 다룬다. 앞에서 말한 ‘열’은 일정한 압력에서 반응(변화)이 일어날 때, 반응 전후의 온도를 같게 하기 위하여 계가 흡수하거나 방출하는 열(에너지)을 의미한다. 이와 같은 열을 다른 말로 엔탈피(enthalpy: H)라 부른다. 엔탈피는 엔트로피와 더불어 물질계의 안정성과 변화의 방향, 그리고 화학 평형의 위치와 이동을 결정하는 핵심적인 요소이다.

[네이버 지식백과] 엔탈피 - 열역학의 핵심 함수 (화학산책, 박준우)

여기서 주목해야 하는 점은 일정은 압력에서 반응이 일어날때 반응 전후의 온도를 같게 하기 위하여 계가 흡수하거나 방출하는 열을 의미한다는 것이다. 계가 받은 열(Q)과 계에게 해준 일(W)의 합을 계의 에너지 변화량(ΔE)이라 하며, ΔE=Q-W로 표시할 수 있다.

피스톤을 예를 들어보자. 피스톤 내부기체가 열을 흡수하여 에너지가 증가하게 되면, 피스톤 내부 부피가 팽창하여 피스톤이 밖으로 밀려 나가게 될 것이다. (PV=nRT)

이유는 온도가 올라가게 되면 우항의 값이 높아지게 되고, 이에 따라 좌변의 값 역시 증가하게 될 것이다. 즉 부피가 팽창함으로써 압력이 일정하게 유지가 될 것이다.

이 상황에서 에너지가 증가한 공기가 한일은 피스톤을 움직이게 한 것이다. 따라서 W(일)을 PV로 표현하는게 가능해진다. (W=PV)

여기서 일을 미분하게 되면, dW=PdV + VdP가 된다. 하지만 앞에 언급하였 듯이 dP의 값은 0으로 수렴하거나/ 0이 되기 때문에 dW=PdV가 된다. 이때 E=Q+W에서 Q인 열은 내부에너지의 변화라고 할 수 있기에 U를 사용할 수 있다.

즉 dH=dU+PdV가 되는 것이다. ------------(1)

내부에너지는 U=TS 온도와 엔트로피의 함수로 표현할 수 있다.

이를 미분하면 dU=SdT+TdS로 표현되는데, 등온상태일 경우 dU=TdS로 표현된다. 따라서 (1)번식에 대입하게 되면

dH=TdS + PdV가 된다.

기계공학 취준일기 #11 (옥탄가, 세탄가 )

취준일기 — Wed, 5 Aug 2020 17:10:52 +0900

옥탄가와 세탄가가 굳이 정유플랜트 카타고리에 들어간 이유는

정유과정을 거치며 고부가가치 제품을 생산하는 과정에서 옥탄가를 높이는 설비와, 세탄가를 높이는

설비가 있기 때문에 적게 되었다. 우선 옥탄가와 세탄가를 이해하기 위해선

가솔린 엔진과 디젤 엔진의 4행정 연소과정을 이해해야 한다.

출처 http://allways.smotor.com/%EB%94%94%EC%A0%A4-%EC%97%94%EC%A7%84%EA%B3%BC-%EA%B0%80%EC%86%94%EB%A6%B0-%EC%97%94%EC%A7%84%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%BC%EA%B9%8C%EC%9A%94/

1. 가솔린 엔진

위 그림에서 확인할 수 있듯이 흡입 -> 압축 -> 팽창(연소) -> 배기 총 4행정의 1CYCLE을 거친다.

흡입(INTAKE)과정에서는 실린더 내 피스톤이 밑으로 하향하면서 AIR-FUEL MIXTURE가 CHAMBER 내부로 유입됩니다.

압축(COMPRESSION)과정에는 PISTION이 위로 올라오면서 CYLINDER 내부의 MIXTURE를 10분의 1로 압축합니다.

팽창(연소) (EXPENSION, COMBUSTION)과정에는 IGNITION PLUG에서 작동하면서 MIXTURE가 연소되면서

부피가 팽창합니다.

배기(EXHAUST)과정에는 PITSOP이 다시 상향하면서 연소가 끝난 GAS를 CYLINDER밖으로 밀어냅니다.

연소가 일어나는 시점은 압축과정에서 팽창과정으로 넘어가며 일어납니다. 즉 운동을 행하는 에너지가 되는 것 입니다.

위와 같은 CYLCE이 일어나기 위해선 IGNITION PLUG가 정확한 시점이 점화가 일어나야 하는데,

흡입에서 -> 압축으로 가는 도중 MIXTURE가 압축이 충분하지 않은 상태에서 자연발화되어 부피가 팽창하면 엔진의

폭발음이 비정상적으로 커지고, 출력도 급감하게 된다. 이러한 현상을 KNOCKING이라고 한다.

KOCKING이란 가솔린 엔진은 기화된 FUEL과 AIR의 MIXTURE가 실린더 내부에서 압축된 후 IGNITION PLUG로 착화

하여 연소시 발생하는 폭발력(에너지)를 이용해 동력을 얻는 기관인데, 엔진 내부의 높은 온도와 압축 단계의 높은

압력으로 인해 자연발화 하는 현상을 KNCOKING이라고 한다. 불완전연소가 일어나고, 엔진 출력이 저하되는 현상이다.

출처 https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=naramotors&logNo=220741369825&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

때문에 KNOCKING현상을 방지할 수 있는 연료를 사용해야 하는데, ANTI-KNOCKING성을 수치로 표현한게

옥탄가(OCTANE NUMBER)이다.

2. 디젤엔진

디젤엔진 연소과정 역시 가솔린 엔진과 다르지 않다. 흡입 -> 압축 -> 폭발 -> 배기 이다.

흡입(INTAKE)과정은 AIR가 CYLINDER로 들어온다. 가솔린 엔진과 다르게 연료가 들어오지 않는다.

압축(COMPRESSOR)과정은 PISTON이 올라오면서 AIR를 압축한다.

폭발(FUEL INJECTION & COMBUSTION)과정은 압축된 AIR에 연료를 주입한다는 것이다.

압축된 AIR의 높은 압력과 온도로 인해 주입된 FUEL은 자연발화를 일으키게 된다. 즉 SPARK PLUG가 없다.

배기(EXHAUST)과정은 PISTON이 상향하면서 CYLINDER내부 연소가스를 배출한다.

즉, 다시 말하자면 가솔린 엔진처럼 IGNITION PLUG로 착화하는 것이 아니라, 자연발화한다는 것이다.

그렇기에 디자인된 타이밍에 자연발화가 일어나도록 디자인 해야한다.

디젤엔진에는 가솔린엔진과 반대로 점화가 늦게 일어나면, 즉 폭발에서 배기로 넘어갈때 자연발화 된다면

KNOCKING이라는 문제가 발생하게 되므로, 점화를 앞당기기 위해 주입되는 연료의 점화성이 좋아야 한다.

연료의 점화성을 측정하는 지표가 바로 세탄가(CETANE NUMBER)이다.

자 이제 옥탄가와 세탄가에 대해 알아보자.

1.1 옥탄가

가솔린의 경우 노말파라핀만 사용하게 되면 옥탄가가 낮아 연소 효율이 떨어지고, 올레핀과 아로마틱을 사용하여

옥탄가를 높일 수 있지만, 환경오염이 발생한다. 그래서 ISO-PARAFFIN과 같은 파라핀에 옥탄가가 높은

아로마틱 화합물등을 섞어 휘발유를 만든다. 우리나라 일반 휘발유는 약 91~94이고, 고급휘발유는 97이다.

무조건 높일 수 없는건 환경규제 때문에 각 나라마다 적정 옥탄가를 정해서 운영하고 있다.

2.1 세탄가

세탄가는 노말세탄(N-CETANE) 값을 100으로 잡고, 알파메틸나프탈렌을 0으로 기준하여 측정한다.

세탄가가 높으면 점화성이 좋다는 의미(낮은 압력,온도에서 점화가능)이다. 세탄이 높으면 엔진출력 및 효율이

증가되고 소음이 감소하지만, 너무빨리 연소되어 불완전 연소가 일어나고 출력이 저하될 수 있다.

SIESEL의 경우 연소효율이 좋은 파라핀을 사용한다. 하지만 노말파라핀은 유동성이 낮아 많이 섞어선 안된다.

휘발유와 마찬가지로 올레핀, 아로마틱이 많은 경우 환경오염을 유발한다.

노말파라핀은 많이 섞여선 안되는 거 같다.

등유 역시 마찬가지로 올레핀과 아로마틱을 섞어 사용하는데, 연소 열량이 낮고 불완전한 결합으로 발연점이

낮아 그을음이 생기니 많이 섞어선 안되고, 노말 파라핀 역시 항공유에 사용되는 등유는 어는점이 낮아야 하기 때문에

노말 파라핀 역시 많이 사용하면 안된다.

기계공학 취준일기 #10 (DELAYED COKING UNIT (DCU), 중질유 열분해 시설)

취준일기 — Wed, 5 Aug 2020 15:41:50 +0900

출처 https://blog.naver.com/sayrdk/40192869210

일반적인 REFINERY PROCESS이다. 처음 시작보다 많은 부분이 커버되었다.

이번엔 DELATED COKER (일부 개시물에서 이 역시 고도화공정이라고 설명해 놨는데 어떤게 맞는지 모르겠다. 회사마다

기준이 다른거 같다) 에 대해 알아보자. 국내 자료가 없고, 대부분 해외 사이트 번역하여 내 이해도를 바탕으로 작성한

것이니 틀린 부분이 있을 수 있다.

위 도식표에서 확인할 수 있다 싶이 VDU 잔사유를 받아서 열분해 하는 공정이다 이후 PETCOKE외의 PRODUCT가

수첨탈황 혹은 수첨분해공정으로 가는걸 볼 수 있는데 그 이유는 열 분해 이기때문에 불포화탄화수소 생성과

황, 질소 등 유기화합물이 생성되기 때문에 이를 제거할 수 있는 시설로 가는 것이다.

아래부턴 출처 http://www.industrialseparation.com/20130625_delayed-coker-process.html이다.

(Coking is an old process but one that is becoming more important as the quality of the world’s crude supply deteriorates.)

열분해 (COKING)은 오래된 공정이지만, 공급되는 원유의 질이 나빠짐에 따라 중요도가 점차 높아지고 있다.

(As the sulfur, metals, and conradson carbon contents of crudes increase, coking the bottom of the barrel is looking better to many refiners.)

원유속에 황, 금속, 콘래드슨 탄소 함유량이 높아질수록, 정재사들에게 COKING 공정으로 PRODUCT를 생산하는게

수익창출 측면에 더 좋아보인다. (중질유라 칭하겠다)

(The greater part of the barrel of resid produced from a crude unit can be converted to gasoline, distillate, and gas oil in a coker.)

중질유는 COKING공정을 통해 가솔린, 증류액, 가스오일을 생산할 수 있다는 장점이 있다.

(Thus, in the current economic environment, the coker is frequently the most important unit in the refinery.)

그러므로, 현재 상황을 고려했을때, 정재사들에게 COKER의 중요성이 높아질 수 밖에 없다.

(By far the largest amount of coking capacity is represented by the delayed coking process.)

DCP(DCU)가 COKING 용량을 표시하는 수단이다.

(While delayed coking is simple enough, the cyclic nature of the process gives ample scope to the talents of the troubleshooter.)

열분해 공정은 간단하지만, 현재 상황에서는 해결사가 될 것이다.

출처 http://www.industrialseparation.com/20130625_delayed-coker-process.html

(Figure above illustrates a simplified flow diagram of a delayed coker.)

열분해공정을 간단하게 도식화한 것을 보자

(Hot resid feed flows to the bottom of the combination tower.)

고온의 중질유는 COMBINATION TOWER아래에 모이게 된다.

(The combination tower bottom section acts as surge drum from which the coking heater is charged.)

COMBINATION타워 하부는 COKING HEATER에 공급하기 하기 위한 SURGE DRUM역할을 수행한다.

(The heater raises the resid temperature to 900°F.)

잔사유는 히터에서 약 480~500도로 데펴진다.

(The resid then flows into the bottom of one of a pair of coke drums, where it thermally cracks to gas, gasoline, gas oil, and solid coke.)

잔사유는 한쌍의 COKE DRUM으로 들어가는데, 여기서 열분해 하여 가스, 가솔린, 가스오일, 고체 코크스를 생산한다.

(The coke gradually fills the drum-usually over a period of 24 hours—while the lighter products pass on as a vapor to the combination tower.)

가벼운 PRODUCT는 기체로써 COMBINATION TOWER로 흘러가게 되고, COKE는 약 24시간이면 한기의 COKE DRUMS을 체우게 된다.

(Since the coking reaction is endothermic, the vapors leaving the top of the coke drum are roughly 110°F colder than the heater outlet temperature.)

COKIN과정은 흡열이므로, 기체는 약 37도의 온도로써 DRUM을 나가는데, 이는 히터 외기온도보다 낮다.

(In the combination tower, the coke drum vapors are condensed and fractionated into four products: gas, wild gasoline, furnace oil, and heavy gas oil.)

COMBINATION TOWER에서는 COKE DRUM에서 나온 기체가 응축되고, 분별증류되어 가스, WILD GASOLIN, FURNACE OIL, HEAVY GAS OIL로 총 4가지 PRODUCT로 분류된다.

출처 https://www.pall.com/en/oil-gas/refining/delayed-coking.html

추가로 COKE DRUM이 두기인 이유는 한기에 COKE가 가득차게 되면 이를 비우기 위한 시간이 필요하다.

그래서 다른 한기가 사용불가능일때 다른 한기를 사용한다.

이제부터는 https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=etty0915&logNo=130002920257&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F여기서 참고한 내용이다.

COKER안에서 미리 데워진 FEED와 RECYCLE STREAM과 섞여 COKER HEATER안으로 투입되고,

이곳에서 STEAM을 이용하여 최소속도와 잔류시간을 유지하여 COKE 형성을 억제한다.

증기-액상 혼합물이 COKE DRUM에서 COKE 및 경질 탄화수소증기로 전환되고, COKE는 압력에 의해 제거된다.

위공정 과정간 생성된 COKE는 거의 순수한 탄화수소이므로 석탄처럼 연료로 사용하거나,

탄소전극을 만드는데 사용된다.

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/coking-drum

기계공학 취준일기 #9 접촉개질공정

취준일기 — Tue, 4 Aug 2020 15:47:25 +0900

앞어 언급한 FCC(접촉분해공정)과는 다르다.

FCC는 중질유 탈황공정에서 생산된 저유황 연료유와 저유황 상압잔사유를 원료로

유동상 촉매분해를 통해서 원료등을 생산하는 공정이다. 즉 중질유를 경질유로 분해하여 고부가가치 제품

생산에 초점이 있는것이고, 접촉개질공정은 탄화수소의 질을 개선하기 위해 구조를 변화시키는 과정이다.

둘다 고부가가치 제품에 초점이 맞춰잇는건 사실이지만,

FCC는 중질유에서 경질유를 생성하기 위함이고, 개질공정은 방향족 탄화수소 제조, 옥탄가 향상 과 같은 목적이다.

(차이가 없어보이는데)

CATALYTIC REFORMING PROCESS (접촉개질공정)

개질공정은 주로 원유의 정제과정에서 얻어지는 NAPTHA를 원료로 합니다.

흔히 촉매를 사용하여 NAPTHA 성분들의 화학구조를 바꾸어 화학공업에서 필요로 하는

벤젠 툴루엔 자이렌(BTX)의 방향족 화합물과 고 옥탄가의 가솔린을 얻는데 주 목적이 있다.

이 과정은 CRUDE OIL -> CDU/VDU와 같은 분별증류를 거쳐 -> 나프타가 생성되면 -> 접촉개질공정을 통해 ->

BTX과 고 옥탄가의 가솔린을 뽑아내는 과정이다.

즉 NAPHTA HDS UNIT (HYDRODESULFURIZTION UNIT - 수첨탈황공정)에서 생산된 TREATED NAPHTHA의

탈 수소화 반응을 통해고옥탄가를 가지는 GASOLINE BLENDING STOCK 또는 BTX 원료인 AROMATIC성분으로

전환하는 공정이다.

출처 구글

접촉개질은 PREHEATER를 통해 HEAING된 후 REACTOR로 들어가 NAPHTA의 탈수소화 반응에 의해 AROMATIC으로

만들어지며, 기타 ISOMERIZATION, PARAFFIN을 NAPHTENE으로 만드는 고리화 반응 등이 있다.

탈수소화 반응으로 생성된 H2를 SEPARATOR에서 분리한 다음 FRACTIONATOR에서 REFORMATE를 분리한다.

자세히 얘기하면 촉매개질에는 백금과 레늄 촉매를 알루미나 등의 운반체에 실어 사용한다.

예로 곧은 사슬 PARAFFIN을 고리화시키고 탈수소화하여 나프텐으로 만들고, 나프텐의 이성질체화 및 탈수소화를 통해

방향족 화합물을 만듭니다.

또 PARAFFIN의 이성질화 분해반응, 수소화 분해반응을 거쳐 가지친 탄화수소를 만드는데 이는 옥탄가가 높습니다.