13) SPM 사례
(SPM-700/701 Distillation)
표준 프로세스 모델(SPM)은 두 가지 단위를 제공하고 있다. SPM-XXX0(English units), SPM-XXX1 (Metric units)이 그것이다. 하기 내용은 Metric units을 기준으로 소개하고자 한다.

Distillation 모델은 Process Flow, Product Specifica tions, Equipment Specifications, Instrumentation로 구성되어 있다.

① Process Flow
SPM-700 증류탑 공정은 C1에서 C8까지의 파라핀(메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄) 중 두 개의 이성분 혼합물을 분리하도록 구성할 수 있다. 또 기본 설정은 헥산(C6)과 헵탄(C7)이며, 기본 공급 트레이는 5번 트레이로 설정되어 있다.
증류탑의 공급물은 펌프(P-101/2)를 통해 예열기(E-101)로 이동하여 공급 트레이의 최적 온도로 온도가 상승된다. 또 증류탑(C-301)은 열사이펀 타입의 리보일러(E-401)로 가열되고, Bottom 제품은 펌프(P-501/2)를 통해 증류탑(C-301)에서 배출되어 제품 저장 시설로 이동된다.
증류탑에서 발생한 증기는 상부 콘덴서(E-601)에서 응축되어 리플럭스 드럼(D-701)에서 액체로 축적되고, 응축되지 않은 증기는 배출 라인을 통해 배출될 수 있다. 아울러 리플럭스 펌프(P-801/2)는 리플럭스 드럼(D-701) 하부에서 액체를 끌어와 일부는 증류탑으로 리플럭스(재순환)시키고, 나머지는 제품 저장 시설로 보내진다.

② Product Specifications
증류탑에서는 약 53 M3/Hr의 50 WT% 헥산과 50 WT% 헵탄이 분리된다. 공급물은 20도씨로 예열기(E-101)에 공급되며, 온도는 5번 트레이의 온도인 80도씨로 상승된다. 또 작업을 수행하기 위해 11 M3 /Hr의 260도씨 ThermOil이 필요하다.
증류탑 바닥은 리보일러(E-401)에서 260도씨 ThermOil 55 M3/Hr로 가열되어 95.9도씨로 상승된다. 약 26 M3/Hr의 Bottom 제품은 7.3 WT%의 가벼운 성분(헥산)을 포함하고, 73 M3/Hr의 상부 증기가 상부 콘덴서(E-601)에서 응축된다. 또 모든 상부 증기가 응축되므로 배출이 필요하지 않고, 작업을 위해 80 M3/Hr의 20도씨 냉각수가 필요하다.
응축된 증기 중 약 45 M3/Hr는 펌프(P-801/2)를 통해 증류탑으로 리플럭스(재순환)된다. 나머지 28 M3/Hr는 상부 제품으로서 91.1 WT%의 가벼운 성분(헥산)과 69.2도씨로 배출된다. 또 증류탑은 약 0 BARG(대기압)에서 운영되며, 전체 탑 압력 강하는 0.07 BARG이다.

③ Equipment Specifications
•Feed Pump : 주 공급 펌프(P-101)는 20킬로와트의 정격 출력으로, 증류탑(C-301)에 최대 약 114 M3/Hr를 공급할 수 있다. 또 주 펌프와 동일한 정격 출력을 가진 예비 공급 펌프(P-102)도 제공되고, 공급을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-101 및 BV-102)가 제공된다. 또 증류탑으로의 공급 흐름은 선형 흐름 특성을 가진 공급 제어 밸브(FCV-101)에 의해 조절된다.
•Preheater : 예열기(E-101)는 역류식 튜브와 쉘 타입의 열교환기로, 공급물은 쉘 쪽을 통해 통과하고, 뜨거운 ThermOil은 튜브 쪽을 통해 통과한다. 또 ThermOil 흐름은 선형 흐름 특성을 가진 온도 제어 밸브(TCV-102)에 의해 조절되고, 뜨거운 ThermOil을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-201 및 BV-202)가 제공된다. 또 ThermOil 흐름 루프는 예열기(E-101)에 최대 227 M3/Hr의 뜨거운 ThermOil을 제공하도록 설계되었다.
•Distillation Column : 증류탑(C-301)은 직경 3.1미터, 높이 11.1미터의 원통형 용기로, 여덟 개의 증류 단계(실제 밸브 트레이 약 16개와 트레이 간격 24인치), 리보일러(E-401) 단계 그리고 콘덴서(E-601) 단계로 구성되어 있다.
무엇보다 콘덴서(E-601)의 냉각수 유량과 상부 증기 배출 속도를 적절히 조정함으로써 콘덴서(E-601)를 부분 콘덴서 또는 총 콘덴서로 운영할 수 있다. 또 설계 조건에서 콘덴서(E-601)는 총 콘덴서로 운영되고, 증류탑(C-301)은 최대 약 114 M3/Hr의 공급을 처리하도록 설계되었다.
•Reboiler : 리보일러(E-401)는 Thermosyphon 역류식 튜브와 쉘 타입의 열교환기로 공정 유체는 쉘 쪽을 통해 리보일러(E-401)를 통과하고, ThermOil은 튜브 쪽을 통해 리보일러(E-401)를 통과한다. 또 ThermOil 흐름은 선형 흐름 특성을 가진 온도 제어 밸브(TCV-501)에 의해 조절되고, ThermOil을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-401 및 BV-402)가 제공된다. 아울러 ThermOil 흐름 루프는 리보일러(E-401)에 최대 227 M3/Hr의 ThermOil을 제공하도록 설계되었다.
•Bottoms Product Pump : Bottom 제품은 20킬로와트 정격 출력의 주 Bottom 제품 펌프(P-501)를 통해 증류탑(C-301)에서 배출된다. 이 펌프는 최대 114 M3/Hr의 액체를 배출할 수 있고, 주 펌프와 동일한 정격 출력의 예비 Bottom 제품 펌프(P-502)도 제공된다. 또 Bottom 제품을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-501 및 BV-502)가 제공되고, Bottom 제품의 유량은 선형 흐름 특성을 가진 레벨 제어 밸브(LCV-301)에 의해 조절된다. 아울러 증류탑(C-301) 바닥에는 첫 번째 실제 트레이에 도달하기 전에 1.2미터의 액체를 허용(약 11 M3의 총 용량 또는 11 M3의 액체 용량)할 수 있으며, 설계 조건에서 증류탑C-301) 바닥은 반쯤 채운 상태로 3분 동안 체류한다.
•Overhead Condenser : 상부 응축기(E-601)는 역류식 튜브와 쉘 타입의 열교환기이다. 상부 증기는 쉘 쪽을 통해 콘덴서(E-601)를 통과하고, 냉각수는 튜브 쪽을 통해 콘덴서(E-601)를 통과한다. 또 냉각수 유량은 선형 흐름 특성을 가진 유량 제어 밸브(FCV-601)에 의해 조절되고, 냉각수를 차단하기 위해 차단 밸브(BV-601 및 BV-602)가 제공된다. 냉각수 Flow 루프는 콘덴서(E-601)에 최대 454 M3/Hr의 냉각수를 제공하도록 설계되었다.
•Reflux Drum : 리플럭스 드럼(D-701)은 직경 1.5미터, 길이 4.6미터의 원통형으로, 총 10.1 M3의 유체 용량을 가지고, 설계 조건에서 반쯤 채운 상태로 4분 동안 체류한다.
•Overhead Vapor Vent Line : 상부 증기 배출 라인은 동등 비율 흐름 특성을 가진 압력 제어 밸브(PCV-701)에 의해 조절되고, 상부 증기 배출 라인을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-701 및 BV-702)가 제공된다. 또 배출 라인(배관 및 밸브)은 비상 상황에서 증류탑(C-301)을 완전히 배출할 수 있는 충분한 용량으로 설계되었다.
•Reflux Pump : Primary 리플럭스 펌프(P-801)는 20킬로와트의 정격 출력으로 최대 114 M3/Hr의 액체를 펌핑할 수 있다. Primary 리플럭스 펌프(P-801)와 동일한 정격 출력을 가진 예비 리플럭스 펌프(P-802)도 제공되고, 리플럭스 펌프(P-801/2)는 증류탑(C-301)의 리플럭스와 상부 제품을 모두 펌핑한다. 또 리플럭스 Flow는 Linear flow 특성을 가진 유량 제어 밸브(FCV-801)에 의해 조절되고, 상부 제품 Flow는 linear flow 특성을 가진 유량 제어 밸브(FCV-802)에 의해 조절된다. 무엇보다 상부 제품을 차단하기 위해 차단 밸브(BV-801 및 BV-802)가 제공되고, 리플럭스 Flow 라인과 상부 제품 Flow 라인은 모두 최대 약 114 M3/Hr의 액체를 운반하도록 설계되었다.

④ Instrumentation 계측 장비
Basic Controls는 다음과 같다.
•Feed Flow Loop : 조성 분석기(AI-101)가 장착되어 경성분의 중량 백분율을 측정한다. 공급 온도는 TI-101로 표시되며, 공급 차단 밸브는 스위치 HV-101과 HV-102로 열고 닫을 수 있다. 공급 펌프는 스위치 HS-101과 HS-102로 켜고 끌 수 있으며, 공급 흐름은 유량 조절기 FIC-101에 의해 조절된다.
•예열기(E-101) ThermOil Flow Loop : 유량 지시기(FI-201), ThermOil 공급 온도 지시기(TI-201), ThermOil 반환 온도 지시기(TI-202)가 장착되어 있다. ThermOil 차단 밸브는 스위치 HV-201과 HV-202로 열고 닫을 수 있으며, ThermOil 흐름은 온도 조절기 TIC-102에 의해 조절된다.
•증류탑(C-301) : 여덟 개의 이론적 단계 각각에 대해 온도 지시기(TI-301에서 TI-308)와 경성분의 중량 백분율을 측정하는 조성 분석기(AI-301에서 AI-308)가 제공된다. 전체 Column 압력 강하 지시기(PDI-301)도 제공된다.
•리보일러(E-401) : ThermOil 공급 온도 지시기(TI-401)와 ThermOil 유량 지시기(FI-401)가 장착되어 있다. ThermOil 차단 밸브는 스위치 HV-401과 HV-402로 열고 닫을 수 있으며, ThermOil 흐름은 온도 조절기 TIC-501에 의해 조절된다.
•증류탑(C-301) Bottom 제품 라인 : 조성 분석기(AI-501)와 Bottom 제품 유량 지시기(FI-501)가 장착되어 있다. Bottom 제품 유량은 레벨 조절기 LIC-301에 의해 조절되며, Bottom 제품 차단 밸브는 스위치 HV-501과 HV-502로 열고 닫을 수 있다. 또 Bottom 제품 펌프(P-501/2)는 스위치 HS-501과 HS-502로, 시작하고 멈출 수 있다.
•상부 콘덴서(E-601) : 냉각수 공급 온도 지시기(TI-601)가 장착되어 있다. 냉각수 유량은 유량 조절기 FIC-601에 의해 조절되며, 냉각수 차단 밸브는 스위치 HV-601과 HV-602로 열고 닫을 수 있다.
•상부 증기 배출 라인 : 배출 유량 지시기(FI-701)가 장착되어 있다. Column 압력은 압력 조절기 PIC-701에 의해 조절되며, 배출 라인 차단 밸브는 스위치 HV-701과 HV-702로 열고 닫을 수 있다.
•리플럭스 펌프(P-801/2) : 스위치 HS-801과 HS-802로 시작하고 멈출 수 있으며, 리플럭스 유량은 유량 조절기 FIC-801에 의해 조절된다.
•상부 제품 라인 : 온도 지시기(TI-801), 경성분의 중량 백분율을 측정하는 조성 분석기(AI-801), 상부 제품 유량 조절기(FIC-802)가 장착되어 있다. 상부 제품 유량은 레벨 조절기(LIC-701)에 의해 제어되며, 상부 제품 차단 밸브는 스위치 HV-801과 HV-802로 열고 닫을 수 있다.
Advanced Controls는 다음과 같다.
증류탑 제어는 특정 공정과 공장에 따라 매우 간단할 수도 있고, 매우 복잡할 수 있다. Simtronics SPM -701 증류 시뮬레이션은 운전자가 시스템에 더 가깝게 증류탑을 구성할 수 있도록 한다. 다음은 증류탑을 제어하는 몇 가지 예이다.
예열된 공급 온도는 온도 조절기 TIC-102를 자동으로 설정하고, 원하는 설정값을 입력하여 제어할 수 있다. 공급물이 증류탑(C-301)에 공급 트레이와 동일한 온도로 들어가는 것이 최적이므로, 공급 트레이 온도(TI-305)를 Master-slave 방식으로 예열된 공급 온도(TIC-102)에 종속(Cascade)시킬 수 있다. 이러한 방식으로 공급물은 항상 최적의 공급 트레이 온도로 Column에 들어가며, 운전자가 추가로 조정할 필요가 없다.
리플럭스 비율(FIC-801)은 리플럭스 유량 조절기(FIC-801)를 자동으로 설정하고, 원하는 설정값을 입력하여 간단하게 제어할 수 있다. 증류탑(C-301)을 제어하는 더 정교한 방법도 가능하다. 설계상 트레이 8의 온도(TIC-308)는 Master-slave 방식으로 리플럭스 비율에 종속(Cascade)되어 있다. 이러한 방식으로 상부 온도를 지정할 수 있으며, 운전자가 추가로 조정할 필요가 없다. 이런 방식으로 작동하면 Column bottom의 온도 제어에 영향을 미친다. 리플럭스 비율(FIC-801)을 증가시키면 Column bottom의 온도가 낮아지고, 리플럭스가 감소하면 Column bottom의 온도가 상승한다. Column bottom의 온도 변화는 ThermOil 비율(TIC-501)을 증가시키거나 감소시킨다. Column(C-301)의 압력 차(PDI-301)는 리플럭스 비율(FIC-801)과 ThermOil 비율(TIC -501) 간의 불일치를 식별하는데 중요한 지표이다. PDI-301은 Column의 부하를 나타낸다.
콘덴서 냉각수 유량(FIC-601)은 유량 조절기를 자동으로 설정하고, 적절한 설정값을 입력하여 로컬에서 지정한다. FIC-601 유량은 리플럭스 드럼(D- 701) 출구 온도(TI-801)에 영향을 미친다. 리플럭스 드럼(D-701)의 온도를 증가시키거나 감소시키면, 리플럭스 흐름(FIC-301)을 통해 상부 온도(TIC-308)에도 영향을 미친다.
Column 압력(PIC-701)은 일반적으로 상부 축압기(D-701) 온도(TI-801)와 조성(AI-801)에 따라 압력을 변동시켜 제어된다. 또 다른 방법은 냉각수 유량(FIC-601)을 조절하여 Column 압력(PIC-701)을 제어하는 것이다. Master-slave 방식으로 상부 압력 조절기(PIC-701)를 냉각수 유량 조절기(FIC-601)에 종속(Cascade)시켜 수행된다. 또 다른 방법은 상부 증기의 일부만 응축되도록 콘덴서 냉각수 유량(FIC-601)을 조정하는 것이다(부분 콘덴서). 무엇보다 이 방식은 탑 압력(PIC-701)을 탑을 배출함으로써 제어할 수 있다. 이는 탑 압력 조절기(PIC-701)를 자동으로 설정하고, 올바른 설정값을 입력하여 수행된다.

⑤ Training Exercises & Procedure
SimtronicsⓇ OTS의 SPM은 Training Exercises와 Procedure 메뉴얼을 제공한다. 운전자는 다음과 같은 Training Exercises와 Procedure를 따라 다양한 공정 상황을 운전할 수 있다.
•Training Exercises

•Normal Startup Procedure

•Normal Shutdown Procedure

•Emergency Shutdown Procedure
모든 비상 상황은 신속하게 처리해야 한다. 비상 상황에서 취해야 할 특정 조치는 해당 문제에 따라 다르다. 공정 플랜트에 맞는 비상 절차를 따라야 하고, 비상 상황을 신속하게 처리할 수 없는 경우 비상 정지를 수행한다.

Training Exercises 및 Procedure(Normal Startup, Normal Shutdown, Emergency Shutdown) 등의 시뮬레이션을 통해 운전원들의 운전 및 비상 상황 대응 능력을 향상시키고, 나아가 공정 운영의 안정성 및 효율성을 기대할 수 있다.

세이플랜트는 기대감을 바탕으로 OTS를 국내외 많은 교육기관 및 기업에 도입하고 있다. OTS의 공급뿐 아니라 OTS를 활용한 공정/장치 원리 및 운전에 대한 교육을 2014년부터 계속 진행 중이다.

jspark@sayplant.com