32
Methanol-DMC 이성분계의 기액 상평형 실험 및 압력변환 증류공정에 대한 공정 최적화 연구 2013927() 2013927() 조재숙 , 김동선, 조정호, 고재천 , 백준현 공주대학교, 포항산업과학연구원(RIST)

Methanol-DMC 이성분계의기액상평형실험및 …...Methanol-DMC 이성분계의기액상평형실험및 압력변환증류공정에대한공정최적화연구 2013년9월27일(금)

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Methanol-DMC 이성분계의 기액 상평형 실험 및

압력변환 증류공정에 대한 공정 최적화 연구압력변환 증류공정에 대한 공정 최적화 연구

2013년 9월 27일(금)2013년 9월 27일(금)

조재숙, 김동선, 조정호, 고재천†, 백준현†

공주대학교, †포항산업과학연구원(RIST)

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서론 : Pressure-Swing Distillation의 원리

1.0 BC

< 압력변환 증류공정의 원리 >

0.8

0.9 LP ColumnHP ColumnDiagonal line

C

D

F2

hano

l)

0 5

0.6

0.7D

C 근처D 근처

F1

F2

y (m

eth

0.3

0.4

0.5

B A

0.1

0.2

FA : 고순도 DMCB : 고순도 Methanol

각 Point의 정의

x (methanol)0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0.0A

F1B : 고순도 MethanolC : 고압에서의 공비 조성D : 저압에서의 공비 조성F1 : LP Column의 Feed 조성F2 : HP Column의 Feed 조성

2

F2 : HP Column의 Feed 조성

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서론 : 기액 상평형 실험의 필요성

MeOH-DMC 계의 Txy 선도 at P=30 kPa ChemCAD v6.3.1

PRO/II with PROVISION 9.1 Aspen Plus v7.3

기액 상평형 실험을 통한MeOH-DMC 이성분계 매개변수 도출 필요MeOH DMC 이성분계 매개변수 도출 필요

3

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기액 상평형 실험 - 방법

< 기-액 상평형 실험 방법 >

기-액 상평형 실험 전 표준시료 제조를 통한검량선 작성검량선 작성

순수 성분의 끓는점 측정을 이용한순수 성분의 끓는점 측정을 이용한기-액 상평형 실험 장치 검증

상압(1013 mbar) 및 저압(300 mbar) 조건에서상압(1013 mbar) 및 저압(300 mbar) 조건에서기-액 상평형 실험 수행

기 액 상평형 실험 결과를 정리하여

Fischer사의 기-액 상평형 실험 장비

기-액 상평형 실험 결과를 정리하여TXY 및 XY Plot 작성

4

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기액 상평형 실험 - 표준시료 제조

표준시료 제조 (MeOH-DMC)

wt% MeOH 질량 (g) DMC 질량 (g) 총 질량 (g) MeOH 실제질량 (g) MeOH 실제농도 (wt%)

0 0.00 20.00 20.00 0.000 0.000

※ MeOH 순도 : 99.9 wt%, DMC 순도 : 99.5 wt%

10 2.01 17.99 20.00 2.008 10.040

20 4.00 15.99 19.99 3.996 19.990

30 6.00 14.00 20.00 5.994 29.970

40 8 00 12 00 20 00 7 992 39 96040 8.00 12.00 20.00 7.992 39.960

50 10.00 10.00 20.00 9.990 49.950

60 12.01 7.99 20.00 11.998 59.990

70 14 00 6 01 20 01 13 986 69 89570 14.00 6.01 20.01 13.986 69.895

80 16.00 4.00 20.00 15.984 79.920

90 18.00 2.00 20.00 17.982 89.910

100 20 00 0 00 20 00 19 960 99 800100 20.00 0.00 20.00 19.960 99.800

5

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기액 상평형 실험 - 검량선 작성

x1 x2 x3 y SDx1 x2 x3 y SD

16.42 16.37 16.23 10.04 0.08

6

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기액 상평형 실험 - MeOH-DMC 이성분계

평형 도달 체크사항

메탄올 이용하여기-액 상평형 장치 세척

메탄올에 DMC를 조금씩가하면서 Sampling 수행

채취한 Sample의GC 정량분석 및 농도 확인

평형 도달 체크사항

액상과 응축된 기상이일정하게 떨어짐

기상과 액상의 온도의시간에 따른 일정함

Control valve와 Control box를이용하여 설정한 압력

7

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기액 상평형 실험 데이터 (상압 : 1 atm)

상압(1 atm)에서의 실험 수행

질소 가스를 이용하여 1 atm 압력을 구현한 후 실험을 수행Pressure Throttle valve를 이용하여 좀 더 세밀하게 압력을 조절함

ol

0.9

1.0

899193

Liquid mole fraction of methanolVapor mole fraction of methanol

tion

of m

etha

n

0 5

0.6

0.7

0.8

atur

e(℃

)

777981838587

Vapor mole fraction of methanol

Vapo

r mol

e fr

ac

0.2

0.3

0.4

0.5

Tem

pera

676971737577

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0V

0.0

0.1

Mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

636567

8

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기액 상평형 실험 데이터 (저압 : 30 kPa)

저압(30 kPa)에서의 실험 수행

진공 펌프를 이용하여 30 kPa 압력을 구현한 후 실험을 수행진공 펌프에 별도의 Valve를 설치하여 좀 더 세밀하게 압력을 조절함

ol

0.9

1.0

55

57

59

Liquid mole fraction of methanolVapor mole fraction of methanol

tion

of m

etha

n

0 5

0.6

0.7

0.8

atur

e(℃

)

47

49

51

53p

Vapo

r mol

e fr

ac

0.2

0.3

0.4

0.5

Tem

pera

37

39

41

43

45

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0V

0.0

0.1

Mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.033

35

37

9

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기액 상평형 실험 데이터 (고압 : 10 atm)

고압(10 atm)에서의 실험 데이터

RIST로부터 제공받은 논문(S.-J. Wang et al. 2010)에서고압 조건에서의 기액 상평형 실험 데이터 이용

ol

0.9

1.0

183

ctio

n of

met

han

0 5

0.6

0.7

0.8

atur

e(℃

)

163

173

Vapo

r mol

e fra

c

0.2

0.3

0.4

0.5

Tem

per

143

153

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0V

0.0

0.1

Mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

133

10

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NRTL Parameters regression (상압 : 1 atm)

1.0

hano

l

0.8

0.9실험값 Regression값

공비조성 0.85 0.8599

on o

f met

h

0.6

0.7

i : methanol, j : DMC

공비온도 63.62℃ 63.45℃

mol

e fr

acti

0 3

0.4

0.5 Thermodynamic Model

Binaryparameter

aij -7.6996

Vapo

r m

0.1

0.2

0.3

Calc. Data at 1 atmEXP Data at 1 atm (KNU 2013)

NRTL-RK

aji 4.4904

bij 3026.1

bji -1464.2

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

EXP. Data at 1 atm (KNU. 2013)αij 0.3

q

11

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NRTL Parameters regression (저압 : 30 kPa)

1.0 실험값 Regression값

hano

l

0.8

0.9 공비조성 0.81 0.7969

공비온도 35.11℃ 34.71℃

on o

f met

h

0.6

0.7

Thermodynamic Model

Binaryparameter

i : methanol, j : DMC

mol

e fr

acti

0 3

0.4

0.5 Model parameter

aij -11.844

aji 4.9493

Vapo

r m

0.1

0.2

0.3

Calc. Data at 30 kPaEXP. Data at 30 kPa (KNU. 2013)

NRTL-RKbij 4155.7

bji -1502.7

αij 0.3

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

( )βij -0.000229

q

12

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NRTL Parameters regression (고압 : 10 atm)

1.0

hano

l

0.8

0.9실험값 Regression값

공비조성 0.9621 0.9206

on o

f met

h

0.6

0.7

i : methanol, j : DMC

공비온도 137.09℃ 136.85℃

mol

e fr

acti

0 3

0.4

0.5 Thermodynamic Model

Binaryparameter

aij 2.0

Vapo

r m

0.1

0.2

0.3

Calc. Data at 10 atmEXP. Data at 10 atm (S.-J. Wang et al. 2010)

NRTL-RK

aji -1.9085

bij -372.89

bji 784.54

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

( g )αij 0.3

q

13

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NRTL Parameters regression (고압 : 10 atm)

1.0

hano

l

0.8

0.9실험값 Regression값

공비조성 0.9621 0.9610

on o

f met

h

0.6

0.7

i : methanol, j : DMC

공비온도 137.09℃ 137.18℃

mol

e fr

acti

0 3

0.4

0.5 Thermodynamic Model

Binaryparameter

aij 1.9009

Vapo

r m

0.1

0.2

0.3

Calc. Data at 10 atmEXP. Data at 10 atm (S.-J. Wang et al. 2010)

NRTL-RK

aji -1.9085

bij -392.89

bji 784.54

Liquid mole fraction of methanol

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

( g )αij 0.3

q

14

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Design of PSD: (Paper) using Aspen Plus

Feed

#7#10

P=1.2 MPa

Feed

378 kg/hrMeOH 89.01 wt%DMC 10.89 wt%NH3 0 099 %

P=0.1 MPa#32 #26

0.6949 MW=0.5979 Mkcal/hr

0.5266 MW=0.4531 Mkcal/hr

NH3 0.099 wt%

(99.5 wt%) (99.5 wt%)

300 TPA DMC

0.5979 Mkcal/hr 0.4531 Mkcal/hr

Design and Control of Dimethyl Carbonate-Methanol Separationvia Pressure-Swing Distillation

H M i W i F W J Li Zh B Li

15

Hong-Mei Wei, Feng Wang, Jun-Liang Zhang, Bo Liao, Ning Zhao, Fu-kui Xiao, Wei Wei, and Yu-Han Sun

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압력에 따른 Regression 결과

1.0

hano

l

0.8

0.9 97.00 mole%

on o

f met

h

0.6

0.7

mol

e fr

actio

0.4

0.5

84.83 mole%

Vapo

r m

0 1

0.2

0.3

Calc. Data at 1 barCalc. Data at 12 barC l D t t 0 3 b

79.69 mole%

Li id l f ti f th l

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

0.1 Calc. Data at 0.3 bar

Liquid mole fraction of methanol

16

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PSD 모델링 : High(12 bar)-Low(1 bar) 배열

NH3 제거NH3 제거

High P=12 bar Low P=1 bar

Feed

378 kg/hr378 kg/hrMeOH 95.64 mole%DMC 4.16 mole%NH3 0.002 mole%

DMC 99 5 %DMC 99.5 wt% MeOH 99.5 wt%

17

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공정 최적화 (Column spec. MeOH 조성)

)

3.0

)0.315

0.320

T01 Reboiler dutyT02 Reboiler duty

High pressure column optimization

High pressure column optimization

boile

r dut

y(10

6 kca

l/hr)

1.5

2.0

2.5

boile

r dut

y(10

6 kca

l/hr)

0 300

0.305

0.310

0.315

2.4

2.6

2.8

20

22

24

Reboiler dutyReflux ratio

High pressure column optimization

Mole percent of methanol

93.6 93.7 93.8 93.9 94.0 94.1 94.2 94.3 94.4

T01

Reb

0.5

1.0 T02

Reb

0.290

0.295

0.300

106 k

cal/h

r)

1.8

2.0

2.2

ratio16

18

20

Mole percent of methanol

hr) 3.0

3.5

High pressure column optimization

eboi

ler d

uty(

1

1.2

1.4

1.6

Reflu

x r

10

12

14

oile

r dut

y(10

6 kca

l/h

2.0

2.5

Re

0 4

0.6

0.8

1.0

4

6

8

93.6 93.7 93.8 93.9 94.0 94.1 94.2 94.3 94.4

Tota

l reb

o

0.5

1.0

1.5

(93.6, 0.9698)Mole percent of methanol

93.6 93.7 93.8 93.9 94.0 94.1 94.2 94.3 94.40.4

18

Mole percent of methanol

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공정 최적화 (Column spec. MeOH 조성)

) 0.70

0.72

)0.38

0.40

T01 Reboiler dutyT02 Reboiler duty

Low pressure column optimization

Low pressure column optimization

boile

r dut

y(10

6 kca

l/hr)

0 64

0.66

0.68

0.70

boile

r dut

y(10

6 kca

l/hr)

0 32

0.34

0.36

0.38

0 8

0.918

20

Reboiler dutyReflux ratio

Low pressure column optimization

Mole percent of methanol

85.0 85.2 85.4 85.6 85.8 86.0 86.2 86.4 86.6 86.8 87.0

T01

Re

0.60

0.62

0.64

T02

Re

0.28

0.30

0.32

106 k

cal/h

r)

0.6

0.7

0.8

ratio

12

14

16

/hr) 1.01

1.02

Low pressure column optimization

p

eboi

ler d

uty(

1

0.4

0.5

Reflu

x r

8

10

boile

r dut

y(10

6 kca

l/

0.99

1.00

Re

0.2

0.3

2

4

6

85.0 85.5 86.0 86.5 87.0

Tota

l reb

0.96

0.97

0.98

(86.0, 0.9698)Mole percent of methanol

84.5 85.0 85.5 86.0 86.5 87.02

19

Mole percent of methanol

85.0 85.5 86.0 86.5 87.0

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공정 최적화 (이론단수)

55

60High pressure column optimization

50

55

Low pressure column optimization

etic

al s

tage

s

45

50

55

etic

al s

tage

s

40

45

50

초기 투자비용 증가

mbe

r of t

heor

e

30

35

40

mbe

r of t

heor

e

25

30

35

32단 26단운전비용 증가

3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4

Nu

20

25

30

3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0Nu

15

20

25운전비용 증가

Reflux ratio Reflux ratio

20

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공정 최적화 (Feed 유입단)

High pressure column optimization Low pressure column optimization

0.85

High pressure column optimization

0.9

Low pressure column optimization

06 kca

l/hr)

0.75

0.80

06 kca

l/hr)

0.7

0.8

boile

r dut

y(1

0.70

boile

r dut

y(1

0.5

0.6

Reb

0.60

0.65

(16, 0.5941)

Reb

0.3

0.4(9, 0.3050)

Feed tray location

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Feed tray location

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

21

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High-Low 배열 PSD 공정 최적화 결과

NH3 제거

Feed

378 kg/hr

NH3 제거0.5509 Mkcal/hr 0.3384 Mkcal/hr

MeOH 95.64 mole%DMC 4.16 mole%NH3 0.002 mole%

MeOH 93.6 mole% MeOH 86 mole%

#9

Hi h P 12 b L P 1 b

#16

High P=12 bar

#32

Low P=1 bar

#26MeOH 91.59 mole%

0 3050 Mkcal/hr

DMC 99 5 t% MeOH 99 5 wt%

0.5941 Mkcal/hr0.3050 Mkcal/hr

22

DMC 99.5 wt% MeOH 99.5 wt%

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공정모사 결과 비교

Reference by H.M. Wei et al. High-Low configuration

High P (12 bar) Low P (1 bar) Hi h P (12 b ) L P (1 b )High P (12 bar) Low P (1 bar)

Nstage 32 26

Feed tray location 10 7

High P (12 bar) Low P (1 bar)

Nstage 32 26

Feed tray location 16 9

Product at Bottom 99.5 wt% DMC 99.5 wt% MeOH

Reboiler duty (Mkcal/hr)

0.5979 0.4531

y

Product at Bottom 99.5 wt% DMC 99.5 wt% MeOH

Reboiler duty (Mkcal/hr)

0.5941 0.3050(Mkcal/hr)

Total duty(Mkcal/hr)

1.0510

(Mkcal/hr)

Total duty(Mkcal/hr)

0.8991

Reference 보다 PRO/II를 이용한 High-Low 배열 최적화 시 14 4% 총 duty 감소 효과

23

Reference 보다 PRO/II를 이용한 High Low 배열 최적화 시 14.4% 총 duty 감소 효과

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PSD 모델링 : Low(1 bar)-High(12 bar) 배열

NH3 제거

Low P=1 bar High P=12 bar

Feed

378 kg/hrM OH 95 64 l %

M OH 99 5 %

MeOH 95.64 mole%DMC 4.16 mole%NH3 0.002 mole%

DMC 99.5 wt%MeOH 99.5 wt%

24

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공정 최적화 (Column spec. MeOH 조성)

Low pressure column optimization ) 0.50

0.55

)

0.62

T01 Reboiler dutyT02 Reboiler duty

Low pressure column optimization

0.50

0.55

22

24

Reboiler dutyReflux ratio

Low pressure column optimization

boile

r dut

y(10

6 kca

l/hr)

0.35

0.40

0.45

boile

r dut

y(10

6 kca

l/hr)

0.56

0.58

0.60y

06 kca

l/hr)

0.40

0.45

atio16

18

20

Mole percent of methanol

84.0 84.5 85.0 85.5 86.0 86.5 87.0

T01

Reb

0.20

0.25

0.30

T02

Reb

0.52

0.54

boile

r dut

y(1

0 30

0.35

0. 0

Reflu

x ra

10

12

14Mole percent of methanol

hr) 0.92

0.94

Low pressure column optimization

Reb

0.25

0.30

4

6

8

boile

r dut

y(10

6 kca

l/

0.88

0.90

Mole percent of methanol

84.0 84.5 85.0 85.5 86.0 86.5 87.00.20

84.5 85.0 85.5 86.0 86.5

Tota

l reb

0.82

0.84

0.86

(85.6, 0.8330)

25

Mole percent of methanol

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공정 최적화 (Column spec. MeOH 조성)

0.34 0.22

T01 Reboiler dutyT02 R b il d t

High pressure column optimization

0 20

0.22

6Reboiler dutyReflux ratio

High pressure column optimization

oile

r dut

y(10

6 kca

l/hr)

0.31

0.32

0.33

oile

r dut

y(10

6 kca

l/hr)

0.16

0.18

0.20T02 Reboiler duty

06 kca

l/hr)

0.18

0.20

tio4

5

Reflux ratio

90.0 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 93.0

T01

Rebo

0.28

0.29

0.30

T02

Rebo

0.10

0.12

0.14

oile

r dut

y(10

0.14

0.16

Reflu

x ra

t

3

4 Mole percent of methanol

r) 0 47

0.48

High pressure column optimization

Rebo

0.12

1

2

oile

r dut

y(10

6 kca

l/hr

0.45

0.46

0.47

Mole percent of methanol

90.0 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 93.00.10

90 0 90 5 91 0 91 5 92 0 92 5 93 0

Tota

l reb

o

0.43

0.44

0.45

(91.4, 0.4373)

26

Mole percent of methanol

90.0 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 93.0

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공정 최적화 (이론단수)

50

55Low pressure column optimization

45

High pressure column optimization

etic

al s

tage

s

40

45

50

etic

al s

tage

s

35

40

초기 투자비용 증가

mbe

r of t

heor

e

25

30

35

mbe

r of t

heor

e

25

30

28단 25단

운전비용 증가

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0

Nu

15

20

25

1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8Nu

15

20운전비용 증가

Reflux ratio Reflux ratio

27

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공정 최적화 (Feed 유입단)

High pressure column optimizationLow pressure column optimization

0.19

0.20

High pressure column optimization

1 0

1.2

Low pressure column optimization

06 kca

l/hr)

0.17

0.18

06 kca

l/hr)

0.8

1.0

boile

r dut

y(1

0 15

0.16

boile

r dut

y(1

0.6

Re

0.14

0.15

(15, 0.1355)

Re

0.4(10, 0.2924)

Feed tray location

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240.13

Feed tray location

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220.2

28

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Low-High 배열 PSD 공정 최적화 결과

0 1217 Mk l/h

NH3 제거

0.2963 Mkcal/hr 0.1217 Mkcal/hr

MeOH 91.4 mole%

MeOH 85.6 mole%#10

MeOH 94 14 mole%

#15

Low P=1 bar

#28

High P=12 bar

#25

MeOH 94.14 mole%

0 1355 Mkcal/hr

Feed

378 kg/hrMeOH 95.64 mole%

C 6 %

DMC 99 5 wt%MeOH 99 5 wt%

0.2924 Mkcal/hr0.1355 Mkcal/hrDMC 4.16 mole%

NH3 0.002 mole%

29

DMC 99.5 wt%MeOH 99.5 wt%

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Heat integration 적용 (Low-High 배열)

NH3 제거NH3 제거

MeOH 94.14 mole%

Feed

378 kg/hr378 kg/hrMeOH 95.64 mole%DMC 4.16 mole%NH3 0.002 mole%

Low P=1 bar High P=12 bar

DMC 99.5 wt%MeOH 99.5 wt%

T02의 Condenser duty만큼T01의 R b il 와 열통합

MeOH 99.5 wt%

30

T01의 Reboiler와 열통합

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공정모사 결과 비교

High-Low configuration Low-High configuration

High P (12 bar) Low P (1 bar) L P (1 b ) Hi h P (12 b )High P (12 bar) Low P (1 bar)

MeOH at Top 93.6 mole% 86.0 mole%

Product at Bottom 99.5 wt% DMC 99.5 wt% MeOH

Low P (1 bar) High P (12 bar)

MeOH at Top 85.6 mole% 91.4 mole%

Product at Bottom 99.5 wt% DMC 99.5 wt% MeOH

Reboiler duty (Mkcal/hr)

0.5941 0.3050

Total duty(Mkcal/hr)

0.8991

Reboiler duty (Mkcal/hr)

0.2924 0.1355

Total duty(Mkcal/hr)

0.4279(Mkcal/hr) (Mkcal/hr)

0 3062 Mkcal/hr

High-Low 배열보다 Low-High 배열이 52.4% 총 duty 감소 효과

Heat integration 적용 시 65 9% 총 duty 감소 효과

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0.3062 Mkcal/hrHeat integration 적용 시, 65.9% 총 duty 감소 효과

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감사합니다감사합니다.

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