Purified Terephthalic Acid 생산공정의 Para-Xylene 산화반응 시스템 Simulation Modeling을 통한 온실가스(CO2) 배출량 해석

Abstract

This report is analysis of greenhouse gas(Carbon dioxide) quantity produced by Para-Xylene oxidation of the Purified Terephthalic acid (that is Aromatic product in petrochemical process) product process plant through using Aspen plus simulation modeling. The oxidation of Para-xylene in petrochemical plant occurs in reactor with agitator that is equipment in continuous reaction process and uses Acetic acid as solvent to produce Terephthalic acid in a liquid state that is intermediate product in the Purified Terephthalic Acid product process. Oxygen in the air is reacted in the reaction process and nitrogen in the air is vented as off-gas. (The off-gas is reused to transfer any solid product in the petro-chemical plant) The off-gas with main component nitrogen has a little carbon dioxide because there is by-reaction that produces carbon dioxide. The amount of carbon dioxide in the by-reaction should be reported as a greenhouse gas that is classified asProcess Emission This Aspen plus simulation modeling has executed to check the trend of Carbon dioxide by applying commercial process operating data of reaction system. In other words, this report has a result of the trend of carbon dioxide according to changing value of reaction system by considering actual commercial operating data that is fractional conversion of reactants (Para-Xylene, Terephthalic Acid, Acetic Acid). As a result, the amount of carbon dioxide in oxidation reactor for Terephthalic Acid is most affected by reaction pressure of reactor. This simulation shows that the higher the pressure is, the more carbon dioxide generates proportionately and allows of calculation for the cost of greenhouse gas emission trading Scheme. The cost is that if reactor pressure increases 1kg/㎠g, the annual cost will increase ￦11,000,000(unit cost: ￦22,000/tCO2-eq). In fact, Commercial product process is not operated on higher pressure than normal and optimum pressure, because it can lead to a negative yield of Terephthalic Acid. But above all things, the results of this simulation though the Aspen plus simulator report that you can make sure how operating conditions such as reaction pressure, amount of feed oxygen etc. affect the producing carbon dioxide.

본 프로젝트는 Para-Xylene을 원료로 생산되는 석유화학 아로마틱계 제품인 Purified Terephthalic Acid을 생산하는 공정의 산화반응 시스템을 Aspen plus Simulator를 이용한 모델링을 통해 산화 반응과정에서 발생하는 온실가스(CO2) 배출량을 해석을 하는 것이다. 석유화학 공장에서, Para-Xylene의 산화반응은 교반이 일어나는 연속 반응 공정 설비인 산화반응기에서 발생하며, Acetic Acid를 용매로 사용하여 액상 상태에서 Para-Xylene과 산소의 산화반응으로 Terephthalic Acid을 생산한다. 이러한 산화반응 과정에서 공기 중의 산소는 반응하고 질소는 Off-gas로 배출된다. (이 Off-gas는 Solid 제품 이동 풍송용으로 재사용되기도 함) 그리고 주성분이 질소인 Off-gas 성분을 측정하면, 일부 CO2 성분이 측정된다. Para-Xylene과 공기 중 산소의 반응에서 부반응으로 CO2가 발생하는 것이다. 이 CO2는 상업 운전 사업장의공정 배출온실가스로 산정되어 보고되고 있다. 이러한 온실가스 배출량의 발생 추세를 공정 변화 조건에 따라 확인하기 위해서 상업 생산 공정에서 운전하는 반응 조건으로 Aspen plus Simulator 모델링을 하였다. 다시 말해, 상업 운전 data에 근접한 Simulation 구현하기 위하여 해당 운전 data룰 가지고 반응식을 이루는 반응물의 실질적인 생성물로의 전환율을 계산하고 이를 Simulator에 적용하여 운전 조건 변경에 따른 CO2 발생 변화를 도출하였다. 결과적으로 산화반응의 CO2 배출량은 반응 압력 조건에 큰 영향을 받고 있으며, 압력이 클수록 CO2 발생량이 일정하게 증가하는 경향을 보였다. 이 Simulation 결과는 1kg/㎠g의 압력이 증가할 때 마다 CO2 발생량이 증가하여 온실가스 배출권 비용은 연간 약 11백만원 증가하는 계산이 나오게 된다. 실제 상업운전에서는 기준보다 높은 고압의 운전은 생산 수율의 문제로 운전되지 않으나, 이 프로젝트는 Aspen plus을 이용한 Simulation Modeling을 통해 반응 압력, O2 투입량, 반응기 Overhead Stream의 열교환 상태 등의 운전 조건 변화가 온실가스 배출권 거래 비용이 되는 CO2 발생량에 어떠한 영향을 주는지 확인할 수 있다.