Aspen Plus를 이용한 냉동공정 설계

Aspen Plus, 냉동공정 설계

조정호 지음

아진 2020년 11월 30일 출간

작품소개

책소개

이 책의 구성은 기본적으로 증기 재압축 냉동 사이클에 대한 여러 가지 내용을 수록하였다. 1장에서는 공정의 온도를 낮출 수 있는 여러 가지 방법을 소개한다. 줄-톰슨 팽창의 원리와 기체의 압력을 낮추면 대부분의 기체의 온도는 떨어지지만, 수소, 헬륨 및 아르곤의 경우는 예외인 것을 정량적으로 설명하며, 터보 팽창기와 줄-톰슨 팽창을 서로 비교하였다. 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클에 대한 기본원리를 설명하기 위해서 카르노 사이클의 효율을 유도하였으며, 카르노 냉동기의 성능계수 또한 자세한 유도과정을 설명하였다. 한편 실제적인 증기 재압축 냉동 사이클의 구성을 P-H 선도와 T-S 선도상에서 설명하였다. 2장에서는 순수성분 냉매의 기본적인 물성을 추산하는 내용을 다루었다. 냉매로 사용되는 수십 종의 냉매에 대한 가장 중요한 기본물성인 분자량, 끓는점 및 표준 액상 밀도를 정리하였다. 냉매의 가장 중요한 온도의 의존하는 물성으로 대표적인 증기압을 추산하여 그래프로 도시한 후에 압축기의 소요 동력을 추산하기 위한 냉매 응축기에서의 압력과 냉매 증발기에서의 압력을 추산하였다. 그리고 온도에 따른 잠열과 비열을 추산하였다. 3장에서는 냉동 사이클의 전산모사를 위한 열역학 모델식으로 각종 상태방정식 모델식에 대해서 매우 상세하게 소개하였다. 냉매의 가장 중요한 물성인 온도에 따른 증기압을 추산하는 3가지 방법에 대해서 상세하게 소개하였으며, 반데르발스 상태방정식에서 출발하여 이의 단점을 보완한 최초의 Alpha 함수를 가지는 Redlich-Kwong 상태방정식과 이심인자를 최초로 도입한 Pitzer 모델을 소개하고, Redlich-Kwong 상태방정식과 이심인자를 결합한 Soave가 변형한 Redlich-Kwong 상태방정식을 유도하였으며, 한편 Soave의 상태방정식의 한계점에 대해서도 설명하였다. 그리고 Soave-Redlich-Kwong(SRK) 상태방정식과 쌍벽을 이루는 Peng-Robinson(PR) 상태방정식의 에너지 및 크기 매개변수를 유도하였으며, SRK와 PR 상태방정식의 단점인 액상밀도 추산에 취약하다는 것을 PRO/II의 윈도우 화면을 통해서 설명하였다. 순수성분의 온도에 따른 증기압을 좀 더 잘 추산하기 위한 새로운 Alpha 함수들을 소개하였으며, 혼합물의 K-value를 잘 추산하기 위한 다양한 혼합규칙을 소개하였으며 반데르발스 혼합규칙에 대해서 SRK 및 PR 상태방정식에 적용하여 유도과정을 소개하였다. 비삼차형 상태방정식들인 BWRS 상태방정식에 대해서 간략하게나마 소개하였으며 GERG-2008 모델식에 대해서는 치명적인 단점에 대해서 정리하였다. 또한 차세대 열역학 모델식으로 알려진 SAFT 모델식과 PC-SAFT 모델식에 대해서 장점을 소개하였으며, 아직은 화학공정 모사기에서 사용하기에 매우 불편한 이유에 대해서도 상세하게 설명하였다. 4장에서는 증기 재압축 냉동 사이클에 대한 전산모사 절차에 대해서 매우 상세한 설명을 시도하였다.

목차

제 1장 온도를 낮추는 방법 1
1.2 공랭식 및 수냉식 냉각에 의해서 낮출 수 있는 온도 4
1.3 줄-톰슨 팽창에 의한 냉각 5
1.4 터보 팽창기에 의한 냉각 17
1.5 냉매를 이용한 냉동 사이클에 의한 냉각 19
1.6 카르노 열기관 21
1.7 실제적인 증기 재압축 냉동 사이클 기본 25

제 2장 냉동 사이클의 전산모사를 위한 열역학 모델식 27
2.1 순수성분의 증기-액 상평형 관계식 27
2.2 반데르발스 상태방정식 32
2.3 Redlich-Kwong 상태방정식과 최초의 Alpha 함수의 소개 40
2.4 Pitzer의 이심인자의 소개 45
2.5 Soave-Redlich-Kwong 상태방정식의 소개 46
2.6 SRK 상태방정식에서 Alpha 함수의 문제점 48
2.7 Peng-Robinson 상태방정식의 소개 49
2.8 일반적인 2개의 매개변수를 가지는 3차형 상태방정식 56
2.9 Twu의 변형된 Alpha 함수의 소개 57
2.10 혼합물의 K-value를 잘 추산하기 위한 혼합규칙에 대한 소개 59
2.11 혼합물 중의 성분 ‘i’의 퓨개시티 표현식의 유도 60
2.12 SRK 상태방정식에 적용한 혼합물 중의 성분 ‘i’의 퓨개시티 표현식 62
2.13 PR 상태방정식에 적용한 혼합물 중의 성분 ‘i’의 퓨개시티 표현식 68
2.14 BWRS 모델식에 대한 소개 76
2.15 GERG-2008 모델식에 대한 소개 77
2.16 SAFT 모델식에 대한 소개 80
2.17 PC-SAFT 모델식에 대한 소개 86
참고 문헌 90

제 3장 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 91
3.1 냉매가 갖추어야 할 조건 92
3.2 프로판 냉매를 이용한 냉동 사이클의 문제 설정 93
3.3 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 절차 93
3.4 압축기 후단 압력의 추산 96
3.5 증발기 heat duty 및 증발기로 주입되는 냉매의 유량 추정 100
3.6 압축기 후단 압력의 계산 107
3.7 팽창밸브 후단 압력의 계산 110
3.8 증발기로 주입되는 냉매 유량의 계산 113
3.9 냉매 총 순환유량의 결정 116
3.10 압축기 소요동력 및 압축기 후단온도의 계산 120
3.11 응축기 heat duty 및 냉각수 소모유량의 계산 123
3.12 전체 냉동 사이클의 구성 127
3.13 혼합냉매 냉동 사이클의 전산모사 131

제 4장 몇 가지 냉매에 적용한 LNG 1톤에 함유된 냉열 가격 135
4.1 온도대별 각종 냉매의 공급 온도 135
4.2 0.5x106 kcal/h의 냉매 증발기에 필요한 냉매별 압축기 소요 동력 추산 136
4.2.1 R152(C2H4F2) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 137
4.2.2 R21(CHFCl2) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 138
4.2.3 R133a(C2H2F3Cl) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 139
4.2.4 R600(C4H10) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 139
4.2.5 R12b1(CBrClF2) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 140
4.2.6 R630(CH3NH2) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 141
4.2.7 R764(SO2) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 142
4.2.8 R600a(Iso-C4H10) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 142
4.2.9 R134(C2H2F4) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 143
4.2.10 R40(CH3Cl) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 144
4.2.11 RE170(CH3OCH3) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 145
4.2.12 R152a(C2H4F2) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 145
4.2.13 R134a(C2H2F4) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 146
4.2.14 R1113(C2ClF3) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 147
4.2.15 R1234yf(C3H2F4) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 148
4.2.16 R12(CCl2F2) 냉매를 이용한 증기 재압축 냉동 사이클의 전산모사 148
4.2.17 R717(NH3) 냉매를 이

작가정보

저자(글) 조정호

공주대학교 -화학공학과 교수