Aspen Plus Modeling of

Ammonia Plant

공정 모사

1 암모니아 생산공정

2 유틸리티 비용

3 최적화

AspenOne V8.2 에서 수행하였음

1 암모니아 생산공정

AspenPlus는 Version 8.0부터 Properties, Simulations, Energy Analysis등 3개 Part로 나뉨

과제에서는 Properties와 Simulations만 사용하면 됨

1) 좌측 하단에서 Properties Bar를 클릭 Tree View에서 Setup 선택 사용할 단위 선택

2) Tree View에서 Components의 Specifications를 선택 우측 Selection Component에 n-Butane입력 확인

3) 좌측 Tree View에서 Methods의 Specifications 선택 사용할 Method 선택(NRTL)

4) Model Library의 Reactor에서 RGibbs Reactor를 선택

1 암모니아 생산공정

1 암모니아 생산공정

5) Model Library의 열교환기 2기를 추가해 줌(역할:예열기와 냉각기) 6) Model Library에서 압축기(Compressor) 2기를 추가함

7) Model Library의 Flash2를 추가 8) Model Library에서 Mixer와 Split를 각각 1개씩 추가- 마우스 우측버튼을 클릭하여 적당한 사이즈로 조절

1 암모니아 생산공정

9) NH3 생산 Process 설비와 Flow Line 연결

1 암모니아 생산공정

10) Flowsheet의 Section별 단위공정간 연결이상 유무 확인 - OK 11) 공정원료 Feed 정보 입력(80℉, 300psia ….)

11) 투입된 원료를 B1 Compressor에서 4000psi로 등엔트로피 압축 12) 예열기 B3에서 4000psi, 반응기 온도인 900℉까지 가열

1 암모니아 생산공정

13) 반응기 B4 온도는 900℉, 압력강하 30psi 를 반영(3970psi) 14) 반응기 배출물을 80℉로 냉각(열교환기, B5), 압력은 3970psi

15) 기상과 액상을 분리하기 위한 Flash Drum(B6)의 온도80℉, 압력 3970psi

16) Recycle Gas를 Compressor(B9)로 재압축하여 반응기에 투입3970psi 4000psi

1 암모니아 생산공정

17) Split B8에서 Recycle은 0.99, Gas Purge Vent는 0.01 로 설정 18) Mixer B2의 조건, 온도 80℉, 압력 4000psi

실행

1 암모니아 생산공정

20) Convergence Options Default Methods에서 Wegstein Method를 Direct Method로 바꾸어 실행- Wegstein Method는 고차방정식 등의 해를 구하는 수치해석 방법 중 하나임(Newton Method와 함께 많이 쓰이고 있음

1 암모니아 생산공정

[결과 분석1] Compressor 비교 (B1 & B9)

1 암모니아 생산공정

[결과 분석2] Heatexchanger 비교 (B3 & B5)

1 암모니아 생산공정

[결과 분석3] 암모니아 공정의 물질과 에너지 Balance

004887.01)( 2/13

22

3 ==pyy

yK

HN

NH

NRTL Model 검증 : 5번 Flow의 조성을 근거로 화학반응평형 계산, 문헌으로는 0.00473(Stephenson, 1966) 제시

만족할만한 값 산출되었음, [p = (3970/14.69) atm으로 환산]

2 유틸리티 비용

1) 좌측 Treeview Menu에서 Utilities New 버튼 클릭 “U-1” “Water” 입력, Copy from <Blank>

2) Cooling Water 유틸리티 설정 “Water” 선택 3) Utility Type에서 Gas를 선택

4) Gas관련 정보 입력 5) Electricity를 선택하여 관련 정보를 입력

2 유틸리티 비용

6) 각 설비의 사용 Utilities를 지정, 해당 Block 선정 Utilities Tab 클릭 Utilities 선택

6) B3(Heating, GAS)와 B5(Cooling, WATER)의 Utility 지정

③①

②

2 유틸리티 비용

2 유틸리티 비용

7) Compressor(B1, ELEC)의 Utility 사용을 설정함 8) Compressor(B9, ELEC)의 Utility 사용을 설정함

Run Analysis 클릭!!

2 유틸리티 비용

9) 실행결과 – Results Summary Operating Cost (결과 확인) : Utility Cost Summary

2 유틸리티 비용

10) 실행결과 – Results Summary Operating Cost (결과 확인) : Operating Cost Summary

3 최적화

NH3(암모니아) 합성 반응기 Model- Gibbs Reactor의 Inlet Flow와 Outlet Flow만 구성하여 최대 전환율 구하는 예제임

1) NH3합성에 필요한 Components 추가 (이 예제에서 CO2는 더 이상 필요없음)

3 최적화

2) Property Method 선택 NRTL

3 최적화

3) Simulation Tab 클릭 Gibbs Reactor 추가

①②

3 최적화

4) NH3 합성 반응기와 Flow Line을 연결

3 최적화

5) 반응기 Inlet Flow(1)의 정보 입력(온도 900℉, 압력 4000psi, N2 100 lbmol/hr, H2 300 lbmol/hr)

400

0

3 최적화

6) 반응기(B1) 정보 입력(온도 900℉, 압력 3970psi)

3 최적화

7) 최적화(Optimization) 추가하기Model Analysis Tools Optimization New버튼 클릭 변수의 이름을 입력(O-1 CONV로 변경)

③

①②

④

8) 변수명(CONV)을 입력하고 OK를 클릭하면 창이 올라오면 Variable Definition을 아래처럼 구성해 준다.

3 최적화

변수 CONV의 최대를 목적으로

9) “Objective & Constraints” Tab을 클릭 변수가 최대가 되도록 Maximize를 선택함

3 최적화

3 최적화

10) “Vary” Tab을 클릭 아래와 같이 값을 구성함 (반응기 압력 2,000psi ~ 6,000psi 범위에서 최대 전환율을 찾고자 함)

주의) 현재 사용하고 있는압력 단위가 psi인데bar로 구성되어 있음

(2000psi = 138bar)

(6000psi = 414bar)

좌측의 Units이 psi라면 2000, 6000bar라면 138, 414로입력해 줘야 함

11) Results Summary Operating Cost (결과 확인) : Operating Cost Summary

3 최적화

Units이 psi라면 2000, 6000bar라면 138, 414로입력해 줘야 함

12) 실행하여 이상이 없으면 아래의 화면이 뜸 Close를 클릭해서 창을 닫음

3 최적화

13) 결과보고 : NH3 94.43 lbmol/hr가 최대 생산이며, 이 때 Total Flow는 305.573 lbmol/hr 임

3 최적화