탄소배출량을 고려한 나프타 열분해 공정 모델링 및 최적화
최근 기후위기에 대한 대응으로 온실가스 감축을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 온실가스 감축을 위한 효과적인 방안 중 하나는 기존 탄소 다배출 공정에서 이산화탄소 배출량을 감소시키는 것입니다. 그 일환으로, 본 연구에서는 Naphtha Cracking Center에서 열공급을 위한 LNG 연소가스로 인해 대량의 탄소를 배출하는 열분해 공정을 대상으로 모델링을 수행합니다. 특히, Radiation section의 firebox와 관형반응기의 상호작용이 cracking furnace 내부 위치에 따라 복합적으로 나타나기 때문에, 운전조건에 따른 생산물의 수율과 탄소배출량을 동시에 예측하기 위한 coupled firebox and tubular reactors model을 개발합니다. 또한 실제 naphtha cracking furnace의 운전 데이터를 바탕으로 모델 피팅을 수행하여, 실제 시스템의 특성이 개발한 모델에 적절히 반영되도록 합니다.
개발한 coupled firebox and tubular reactor model을 활용하여 다양한 시나리오에서의 최적 운전조건을 비교하기 위해 최적화 문제를 디자인하고 풀이합니다. 기존 나프타 열분해 공정의 최적화 연구들은 주로 생산물 이득 최대화나 운영 비용 최소화에 초점을 맞추고 있으나, 최근 환경적으로 큰 이슈가 되고 있는 온실가스 배출은 고려되지 않았습니다. 따라서, 본 연구에서는 에틸렌과 프로필렌의 수익을 최대화하는 동시에 탄소 배출에 의한 탄소세를 최소화하기 위한 최적 운전조건을 유도합니다. 유도된 최적 운전조건은 제품의 수율을 기존 운전조건과 비슷하게 유지하면서 탄소 배출량은 효과적으로 감소시킬 수 있습니다. 또한, 더 넓은 범위의 탄소세를 최적화 문제에 적용하여 최적 운전조건에 대한 탄소세 수치의 영향을 분석합니다. 향후 글로벌 탄소세가 지속적으로 증가할 것으로 예상됨에 따라 제안된 탄소배출량을 경제성 관점에서 고려하는 최적화 전략의 필요성은 더욱 증가할 것으로 기대됩니다.
전산유체역학 기반 유동층 건식 메탄 개질 공정 모델링 및 모델예측제어
유동층 DRM 공정에서는 고체 촉매 입자가 하부의 버블링 유동화 영역에서는 낮은 속도로 이동하며 상부에서는 높은 유동화 속도로 하강하면서 반응기 내부의 위치에 따른 불균일한 속도 프로파일을 가집니다. 따라서, 정밀한 유동층 DRM 공정 제어를 위해서는 DRM 반응, 물질전달 및 열전달과 버블 및 고체 촉매 유동을 동시에 고려한 기초 모델이 필요합니다. STEP 연구실에서는 전산유체역학 기반 구획 모델링 방법론을 바탕으로 유동층 DRM 공정의 기초 모델링을 수행하고 있습니다. 구체적으로는 유동층 반응기 내부를 단일 균질 반응기로 가정할 수 있는 수백 개의 작은 구역으로 나누고, DRM 반응에 기반하여 각 구역과 전체 반응기에 대한 질량 및 에너지 보존 식을 공식화하고 이 과정에서 CFD 시뮬레이션을 통해 인접한 구역 사이의 질량 유량을 계산하고 이에 의한 열 및 물질 전달을 고려하고자 합니다.
바이오 전기화학 시스템 공정 모델링 및 잔류편차-제거 모델예측제어
최근 Bio-electrochemical system (BES) 에 대한 연구는 외부 전력을 인가를 통해 cathode 에서 carbon dioxide 로부터 hydrogen, methane, acetate 와 같은 표적 분자의 생산 반응에 대한 가능성 확인에 초점을 맞추고 있는 단계에 있습니다. 이러한 기초기술 개발 단계에서 상용화 단계로 점진적으로 나아가기 위해서는 carbon dioxide 의 제거 효율성과 표적 분자의 생산성의 최대화를 통해 BES 공정 자체의 성능을 향상시키는 동시에 전체 에너지 소비량을 절감하기 위한 연구가 필수적입니다. 따라서 STEP 연구실에서는 BES 공정에 대한 운전조건 최적화 및 최적 제어를 진행함으로써 공정 효율을 제고하는 연구를 수행하고 있습니다. 특히 이 과정에서 기초 모델링으로 구축한 디지털 트윈을 통한 예측값과 실제 공정에서 주어지는 측정값 사이의 오차를 고려하기 위해 모델-플랜트 불일치를 효과적으로 보정할 수 있는 잔류편차-제거 모델예측제어 기법을 활용하고자 합니다.