Current Issue

Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 54 , No. 6
[Paper List]

[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 54, No. 3, pp. 12-22
Abbreviation: J. Korea TAPPI
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Jun 2022
Received 05 Apr 2022 Revised 02 May 2022 Accepted 04 May 2022
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2022.06.54.3.12

시뮬레이션에 의한 다중 증발기 공정 최적화
한동구1 ; 이중명2, †
1경북대학교 임산공학과, 학생
2경북대학교 산림과학·조경학부 임산공학전공 및 농업과학기술연구소, 교수

Optimization of a Multiple-Effect Evaporator Process by Simulation
Dong Gu Han1 ; Jung Myoung Lee2, †
1Department of Wood Science and Technology, Kyungpook National University
2Major in Wood Science and Technology, Department of Wood Science and Technology, School of Forestry, Science and Landscape Architecture & Agricultural Science and Technology Research Institute, Kyungpook National University
Correspondence to : †E-mail: jmylee@knu.ac.kr (Address: Major in Wood Science and Technology, Department of Wood Science and Technology, School of Forestry, Science and Landscape Architecture, Kyungpook National University, Republic of Korea)

Funding Information ▼
Abstract

Simulation is used to solve complex problems in the pulp and paper industry through process modeling based on the predicted values obtained to understand the characteristics and behaviors of the actual process of interest. The study aim was to evaluate a multiple-effect evaporator (MEE) model built using WinGEMS and determine the overall efficiency of the MEE based on different case studies of black liquor and steam feed arrangements. Efficiency was much better with the backward feed arrangement than with other models in terms of steam economy predicted. For more accurate simulation optimization in the MEE process, however, an actual dataset should be used to evaluate the mode efficiency.

Keywords: Simulation optimization, WinGEMS, feed arrangement, multiple effect evaporators (MEE)
1. 서 론

시뮬레이션(simulation)이란 실제 시스템의 운영 및 동작을 이해하거나 새로운 시스템 개발 및 효율적 공정 운영을 위해 구축된 모델(model)로 실험 및 분석을 수행하여 해결책을 제시해주는 유용한 분석 도구 중의 하나이다.1-4)

컴퓨터가 도입되기 전의 시뮬레이션은 단순히 수학적 증명이나 가정을 확인하거나 의견을 뒷받침하기 위해 반복적인 시도와 같은 제한적인 범위에서 사용하였으나5) 1940년대 중후반부터 1960년대까지 최초 컴퓨터의 발명과 무작위 추출된 난수(random number)를 이용하는 몬테카를로법(Monte Carlo method)의 등장6)이 시뮬레이션의 발전과 실용화를 더욱 가속화 하였다. 1960년대 IBM사에서 개발된 이산적 사건(discrete event)기반의 범용 시뮬레이션 시스템(General Purpose Simulation System, GPSS)의 고안7)으로 도시 교통 통제, 항공기 좌석 예약, 전화 통화 관리 등 시뮬레이션 원격처리가 가능하게 되었다.5) 1980년대는 몬테카를로 법과 이산적 사건 시뮬레이션으로 다양한 용도, 종류 및 유형의 프로그램이 생겨 시뮬레이션의 발전을 가져왔다. 구축된 모델을 사용하여 시뮬레이션을 구동하게 되면 통제된 조건에서 시스템의 동적인 동작(dynamic behavior)을 관찰할 수 있으며8), 시스템의 운영을 개선하는 방법에 관한 가설을 저비용과 짧은 분석 시간으로 평가할 수 있다. 따라서, 시뮬레이션 활용을 통해 제품 개발 기간 단축, 생산비용 절감 등 다양한 영역에서 시뮬레이션의 활용 범위와 기법이 발전하여 교육, 연구 및 실제 공정에 활발히 적용되고 있다.

WinGEMS, Aspen Plus, CADSIM Plus, APROS Paper, BALAS 등 펄프 제지공정에 사용되는 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 펄프 제지공정의 생산성 향상 및 원가절감을 하고 있다.9) 또한, 펄프 제지공정에서 요구되는 에너지는 고정되거나 설정된 수치가 아닌 상황에 따라 달라지는 동적 공정이기 때문에 다양한 공정에서 정확한 계산 및 예측을 위해서는 시뮬레이션 프로그램이 사용된다. Aspen plus, CADSIM Plus 등의 시뮬레이션 프로그램은 펄프 제지공정 이외 화학 공정에 널리 사용되고 있다.

펄프 제지공정은 장치 집약적이고 에너지 소비가 큰 산업으로 인식되고 있어 공정을 효율적으로 운영하기 위한 다양한 노력이 요구된다. 이 중 흑액의 고형분을 증가시키기 위해 운영하는 다중 증발기는 펄프 및 제지공정 전체 에너지 소비량의 24~30%를 차지하기 때문에 다중 증발기 공정에서 에너지 효율을 극대화함으로써 에너지 비용을 절감할 뿐만 아니라 나아가 펄프 제지 산업의 경쟁력을 확보할 수 있다.10)

하지만 다중 증발기 공정에서 정방향, 역방향, 혼합 흑액 투입 위치 및 투입량 다양하게 변화시키는 시뮬레이션을 통한 효율성 평가하는 연구 및 다중 증발기 공정 모델링을 통해 시뮬레이션을 진행한 연구가 많이 부족하다.

따라서 본 연구에서는 펄프 제지공정 시뮬레이션 소프트웨어 WinGEMS을 사용하여 다중 증발기의 에너지 효율 증대 및 원가절감을 목표로 하는 선행논문 데이터를 기반으로 설정된 투입 지표 또는 공정에 적용된 가설을 이용하여 시뮬레이션에서 최상의 결과를 도출하는 시뮬레이션 최적화를 수행하였다.11) 다중 증발기에 투입되는 흑액 위치를 조절하여 다중 증발 공정의 효율성을 비교하고자 하였고 최종 흑액 고형분을 높이기 위해서 기존에 투입된 지표를 변화시키는 시뮬레이션을 진행하였다.

2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 공정 시뮬레이션 프로그램

공정 시뮬레이션 프로그램 WinGEMS(version 5.4, Valmet Co, Finland)을 사용하여 다중 증발기(multiple effect evaporator, MEE) 공정을 구축한 후 흑액 투입 위치에 따른 다중 증발 공정 결과값을 평가하였다.

2.1.2 메타분석

공정 시뮬레이션 선행 연구 논문인 LI12) 등에서 사용된 증발기, 응축기 및 흑액의 온도를 높이는 열교환기에 설정된 공정 데이터를 이용하여 시뮬레이션 결과를 도출하였다.

2.2 다중 증발기 시뮬레이션 최적화 및 효율성 평가

다중 증발기에 투입되는 흑액 투입 위치를 재배치하여 얻어지는 흑액 농도, 증기 소비량, 응축수 생성량, 증기 효율 데이터값 비교를 통해 시뮬레이션 최적화를 진행하였다.

다중 증발기의 효율성 비교를 위해 모델마다 동일하게 시간당 흑액 투입량(50 Mt/h, metric ton/hour), 흑액 온도(80℃), 흑액 고형분 농도(20%), 증기의 압력(0.15 MPa), 증기 온도(112℃)로 설정하고 흑액 농도가 28~29% 및 응축수 생성량은 시간당 100~200 Mt 결과값이 나오면 시뮬레이션 구동을 멈춘 후 도출된 결과값을 비교하였다. 시뮬레이션에 사용된 각 증발기의 열 손실(heat loss), 열전달 면적(heat transfer area), 열 전달계수(heat transfer coefficient, HTC), 끓는점 오름(boiling point rise), 플래시 탱크(flash tank), 혼합기(mix) 및 증기 혼합기(stmix) 지표를 Table 1에 나타내었다. 선행 연구 논문에 명시되어있지 않은 열교환기(heated block)의 투입 배출 온도 차이(Hot in - cold out temperature difference) 값을 5.5℃로, 열 전달계수를 2,000 kJ/m2h℃로 설정하여 데이터값이 일치하도록 조절하였다. 또한, 포화상태의 응축기(condensate block)에 투입되는 물의 온도와 생성 응축수 온도 차이(temperature difference between inlet condensate at saturation and the outlet hot water)를 11℃로 설정하였다.

Table 1. 
Input values in model blocks of long tube vertical (LTV) evaporator and the other equipment12)
LTV evaporator Units 1st effect 2nd effect 3rd effect 4th effect 5th effect
1. Heat loss % 20 20 15 15 15
2. Heat transfer area m2 500 500 500 500 500
3. HTC for boiling kJ/m2h℃ 1200 1200 1200 1200 1200
4. HTC in bottom of tube kJ/m2h℃ 1200 1200 1200 1200 1200
5. Boiling point rise ℃ 2 2 2 2 2
Other equipment Flash Mix Stmix 　
1. No sorption √ 　
2. Sorption: in and out √ 　
3. Mix multiple steam √ 　

2.3 다중 증발기 흑액 투입 위치

다중 증발기에서 흑액의 수분 증발이 일어날 때 흑액의 온도 변화에 따라 물리 및 열적 특성이 변하기 때문에 흑액 투입 위치를 증기와 흑액이 같은 방향으로 공정이 진행되는 정방향 흑액 투입배치, 증기와 흑액이 서로 다른 방향으로 공정이 진행되는 역방향 흑액 투입배치, 정방향과 역방향을 혼합한 혼합 흑액 투입배치를 설정하여 에너지 효율을 높일 수 있는 최적의 투입 위치를 탐색하였다.

2.3.1 정방향 흑액 투입 배치(Forward black liquor arrangement)

정방향 흑액 투입배치는 1번 증발기에 증기가 투입되며 동시에 흑액이 함께 투입된다. 1번 증발기를 통해 생성된 증기와 농축된 흑액은 Fig. 1과 같이 2번 증발기를 거쳐 3번 증발기로 투입되는 배열로 구성되어 있다.


Fig. 1. 
Forward black liquor arrangement in MEE system: In this arrangement, black liquor and steam flow from the 1st effect to the 3rd effect and thick black liquor is produced through the 3rd effect. Pump is not required as the black liquor moves from high pressure to low pressure.

2.3.2 역방향 흑액 투입 배치(Backward black liquor arrangement)

역방향 흑액 투입배치는 1번 증발기에 증기가 투입되고 동시에 3번 증발기에 흑액이 투입되는 방식이다. 1번 증발기에서 생성된 증기는 2번 증발기로 이동하며, 3번 증발기에서 수분이 증발한 흑액은 펌프(pump)를 통해 2번 증발기로 이동하는 배열로 Fig. 2와 같이 증기와 흑액이 서로 교차하는 배열로 구성되어 있다.


Fig. 2. 
Backward black liquor arrangement in MEE system: In this arrangement, black liquor flows from the 3rd effect to the 1st effect and steam flows in the opposite direction against the stream of the black liquor so that thick black liquor is produced through 1st effect. Thus, pump is required as the black liquor moves from low pressure to high pressure.

2.3.3 혼합 흑액 투입 배치(Mixed black liquor arrangement)

Fig. 3에서 혼합 흑액 투입배치는 1번 증발기에 증기가 투입되고 흑액은 앞서 기술한 정방향 배열의 1번 혹은 역방향 배열의 3번 증발기에 흑액이 투입되는 것이 아니라, 2번 증발기에 흑액이 투입되는 배열로 구성되어 있다.


Fig. 3. 
Mixed black liquor arrangement in MEE system: In this arrangement, black liquor flows from the 2nd effect to the 3rd effect via 1st effect or from 2nd effect to 1st effect via 3rd effect. Thick black liquor is produced through each final effect. Thus, pump installation is optional if the pressure is not enough.

2.4 흑액 고형분 농도 증가를 위한 시뮬레이션

흑액 회수 공정에서 다중 증발기를 통해 보일러 공정으로 진행하기 위해서는 흑액의 고형분을 높이는 것이 중요하다. 다양한 흑액 투입 위치 기반 모델을 기반으로 흑액 및 증기 투입량 흑액 온도를 조절하여 흑액의 고형분 농도를 높이기 위한 시뮬레이션을 구동하였다. 흑액 투입량 25 Mt/h, 흑액 온도 100℃로 설정하였고 증발기의 고정된 지표에서 얻을 수 있는 최대의 고형분 농도가 도출되도록 증기 투입량을 조절하여 시뮬레이션 구동하였다.

2.5 증발계수(steam economy) 측정

다중 증발기의 효율성을 평가하기 위해 증발계수는 증기 투입량 대비 증발한 물의 양에 대한 비율을 다음과 같이 계산하였다.

Steam economyMt/Mt=W1S1(Eq. 1) 
  • S1: weight of steam input (Mt)
  • W1: weight of evaporated water (Mt)
3. 결과 및 고찰
3.1 흑액 투입배치에 따른 시뮬레이션 비교

메타분석에 사용된 LI12) 등은 흑액 농도 조절, 열교환기 및 플래시 탱크 장비 등을 추가하여 이에 따른 에너지 효율성을 평가하여 공정 최적화에 관한 연구로 흑액 투입 위치를 고정하는 모델에 한정되어 있지만, 본 연구에서는 선행연구논문과 달리 흑액의 투입 및 증기 위치를 정방향, 역방향, 혼합 배치로 총 3가지 투입 방법을 통해 새로운 모델링을 구축하여 시뮬레이션을 구동한 후 이에 따른 증발계수, 증기 소비량, 응축수 소비량 및 농축된 흑액의 농도를 도출하여 공정 모델의 효율성을 평가하고 공정 최적화를 진행하였다.13)

3.2 흑액 투입배치 비교

시뮬레이션 모델 비교를 위해 흑액 투입량, 온도, 농도를 동일하게 설정하고 흑액 투입 위치에 따른 시뮬레이션 결과값인 농축 흑액 농도, 응축수 생성량, 증기 소비량 증발계수를 Table 2에 나타내었다.

Table 2. 
Simulation outputs depending on black liquor and steam arrangements
Outputs Black liquor
concentration
(%)		 Condensate
water
(Mt/h)		 Steam
consumption
(Mt/h)		 Pressure to
condensate block
(Pa)		 Steam
economy
Black
liquor
arrangement
Forward 28.6 102.8 5.1 11,469 2.96
Backward 28.8 100.6 4.2 13,232 3.63
Mixed(2nd effect) 28.7 109.1 5.3 10,683 2.85
Mixed(3rd effect) 28.8 109.3 5.1 11,263 2.99
Mixed(4th effect) 28.4 107.1 5.3 12,225 2.77

정방향 흑액 투입 배치(Fig. 4)와 역방향 흑액 투입 배치(Fig. 5)를 비교하였을 때, 얻어지는 흑액 농도는 각각 28.6% 및 28.8%로 큰 차이를 보이지 않았다(Table 2). 응축수 생성량은 증기에 의해 생성된 총열량을 증기의 잠열로 나눈 값에 의해 결정된다. 정방향 흑액 투입배치의 응축수 생성량은 시간당 102.8 Mt이었고, 역방향 흑액 투입배치에 따른 응축수 생성량은 시간당 100.6 Mt이었다. 흑액 투입 방식에 따라 시간당 약 2.2 Mt 정도의 미미한 응축수 생성량이 차이가 나는 이유는 압력에 의한 증기의 끓는점 차이 때문이라고 판단된다. 역방향 흑액 투입배치는 압력 및 온도가 모두 높기 때문에 끓는점에 도달하는데 열이 적게 든다. 따라서 압력과 온도가 높은 역방향 흑액 투입배치가 정방향 흑액 투입배치 응축기에 전달되는 열의 양이 적어 응축수 생성량이 적은 것으로 판단된다. 다중 증발기의 압력에 따라 헌열과 잠열이 변화하는데 응축기에 투입되는 압력이 10,000 Pa과 20,000 Pa 사이에서는 헌열 및 잠열 차이가 크게 나지 않기에 흑액 투입배치에 따른 압력이 정방향의 경우 11,469 Pa 및 역방향의 경우 13,232 Pa로 크게 차이가 나지 않은 것으로 판단된다.


Fig. 4. 
Forward black liquor arrangement: Black liquor and steam flow with the same direction from the 1st effect to the 5th effect and thick black liquor is produced through the 5th effect.


Fig. 5. 
Backward black liquor arrangement: Black liquor and steam flow in opposite directions and thick black liquor is produced through the 1st effect.

얻어진 증발계수는 역방향 투입배치의 경우 3.63으로 2.96의 정방향 투입배치보다 약 19.5%의 차이를 보였다. 이러한 이유는 정방향 흑액 투입배치는 증기와 흑액이 같은 방향으로 투입되는 방식(concurrent)이고 역방향 흑액 투입배치는 증기와 흑액이 서로 엇갈려서 투입되는 방식(countercurrent)이다.14,15) 다중 증발기에서 countercurrent 방식은 투입되는 열이 더욱 고르게 분산되어 증발기의 효율을 극대화할 수 있기 때문에 concurrent 방식보다 증발계수가 뛰어난 것으로 판단된다.16) 하지만 역방향 흑액 투입배치는 낮은 압력에서 높은 압력으로 흑액을 이동시켜야 하기 때문에 각 증발기마다 펌프 설치17,18)로 인해 비용적인 문제점이 있다.

Table 2에 정방향 흑액 투입배치(Fig. 4)와 혼합 흑액 투입배치(Figs. 6~8)에 따른 최종 흑액의 농도를 나타내었다. 28.6%의 정방향 투입에 비해 흑액을 2번 증발기에서(Fig. 6), 3번 증발기(Fig. 7) 및 4번 증발기(Fig. 8)로 투입 위치를 변경할 경우 생산되는 흑액의 농도는 28.4~28.8%로 최대 0.12% 차이를 나타냈다. 이러한 혼합 흑액 투입배치(Figs. 6~8)는 투입 위치가 다르지만 5번 증발기 및 열 교환기를 지나 농축된 흑액이 증기가 제일 먼저 투입되어 온도가 가장 높은 1번 증발기에서 흑액의 온도를 높이는 열을 많이 소모하게 된다.18) 이에 반해 정방향 흑액 투입배치의 경우는 온도가 혼합 흑액 투입배치보다 높거나 비슷하여 증발기에서 흑액의 온도를 높이는 열을 사용하지 않고 증기를 많이 발생시키기 때문에 잠열이 높은 것을 알 수 있다. 따라서 정방향 투입배치의 잠열이 높아 혼합 흑액 투입배치의 응축수 생성량인 107.1~109.3 Mt/h에 비해 상대적으로 응축수 생성량이 적게 나타난 것으로 판단되었다. 따라서, 증발계수도 정방향 흑액 투입배치에서 2.96이 2번 증발기 혼합 투입배치에서 2.85, 3번 증발기 혼합 투입배치에서 2.99, 4번 증발기 혼합 투입배치에서 2.77보다 높게 나타났다고 판단된다. Table 2에서 보는 바와 같이 정방향 흑액 투입배치와 2번 증발기 혼합 흑액 투입배치의 증발계수 차이는 약 3.8%이고, 정방향 흑액 투입배치와 4번 증발기 혼합 흑액 투입배치의 증발계수 차이는 6.5% 정도 높게 나타났다. 하지만 3번 증발기 혼합 흑액 투입배치는 정방향 흑액 투입배치보다 증발계수가 약 1% 높게 나온 것을 확인하였다. 혼합 흑액 투입배치는 정방향 흑액 투입배치의 공정 설계의 간단함과 역방향 흑액 투입배치의 증기 효율성의 장점을 통해 전반적으로 증기 계수가 좋은 배치 방법이지만 투입 흑액의 온도가 높을 때 증기를 더욱 많이 발생하여 증기 계수가 높은 정방향 흑액 투입배치의 효율이 올라간 것으로 판단된다.20)


Fig. 6. 
Mixed black liquor arrangement: Black liquor is put into the 2nd effect and flows from the 5th effect to the 1st effect. Thick black liquor is produced through the 1st effect.


Fig. 7. 
Mixed black liquor arrangement: Black liquor is put into the 3rd effect and flows from the 5th effect to the 2nd effect. Thick black liquor is produced through 2nd effect.


Fig. 8. 
Mixed black liquor arrangement: Black liquor is put into the 4th effect and flows from the 5th effect to the 3rd effect. Thick black liquor is produced through the 3rd effect.

역방향 흑액 투입배치와 혼합 흑액 투입배치를 비교할 경우도 최대 0.44%로 큰 차이를 나타내지 않았다. 하지만, 역방향 흑액 투입배치는 5번 증발기에서 최초로 투입되는 흑액과 여러 증발기를 거친 증기가 만나 열을 많이 뺏기는 이유로 혼합 흑액 투입배치보다 상대적으로 응축수 생성량이 적은 것으로 판단된다. 따라서, 증발계수는 3.63의 역방향 흑액 투입배치에 비해 2번 증발기 혼합 투입배치의 경우 2.85로 약 21.5% 차이를 나타내었고, 3번 증발기 혼합 투입배치는 2.99로 약 18% 차이 및 4번 증발기 혼합 투입배치 2.77로 약 24%의 큰 차이를 보였다. 이러한 이유는 공정의 시작부터 countercurrent 방식을 사용하는 역방향 흑액 투입배치와는 달리 혼합 흑액 투입배치는 일부는 concurrent와 countercurrent 방식이 혼합되어 있어 전체적인 증발계수가 차이가 나는 것으로 판단된다. 하지만 혼합 흑액 투입배치는 역방향 흑액 투입배치에서 사용되는 펌프의 제거를 통해 비용적인 문제점이 일부 해결된다.

Kumar 등에10) 따르면 혼합 흑액 투입배치에서 흑액의 농도, 투입량 및 온도, 증기의 온도에 변화를 주어 시뮬레이션을 구동하여 도출되는 데이터 값이 다른 것을 알 수 있었다. 특히, 증기 및 흑액 온도는 다중 증발기 공정에서 열전달을 효율적으로 하는 중요한 요인으로 작용한다.21,22) 따라서 투입되는 흑액 및 증기의 특성을 잘 파악하여 적합한 흑액 투입배치를 선택하여 공정에 맞는 모델을 선택함으로써 최대의 효율을 끌어내는 것이 중요하다고 판단된다.

3.3 흑액 및 증기 투입량 조절을 통한 흑액 고형분 농도 증가 시뮬레이션

각 증발기의 지표는 선행논문과 같이 고정된 수치를 이용하였고 다양한 흑액 투입 배치를 변경하여 시뮬레이션을 구동한 결과 최종적으로 생산되는 흑액 고형분 농도는 약 28% 나타났다. 하지만 일반적으로 다중 증발기 다음 보일러 공정으로 투입되는 흑액 고형분 농도는 약 65~80%이다. 따라서 각 증발기의 투입 지표는 고정으로 하며 흑액 및 증기 투입량, 흑액 온도 조절을 통해 흑액 고형분 농도를 증가시키기 위한 시뮬레이션을 진행하여 그 결과를 Table 3에 나타내었다.

Table 3. 
Simulation outputs depending on black liquor input and temperature and steam input control
Outputs Black liquor
concentration
(%)		 Condensate
water
(Mt/h)		 Steam
consumption
(Mt/h)		 Pressure to
condensate block
(Pa)		 Steam
economy
Black
liquor
arrangement
Forward 47.2 88.4 4.40 10,058 3.27
Backward 47.3 85.6 4.34 13,993 3.32
Mixed(2nd effect) 46.7 77.5 4.45 11,662 3.21
Mixed(3rd effect) 47.5 82.4 4.40 12,182 3.29
Mixed(4th effect) 46.4 194.9 4.50 7,543 3.16

흑액의 투입량 및 온도, 증기 투입량을 변화시켜 흑액 고형분 농도를 비교 하였을 때, 28%에서 46~47%까지 상승한 결과를 얻을 수 있었으며, 흑액의 투입량은 줄어든 반면 흑액의 온도를 높임으로써 온도를 높이는데 필요한 증기의 양이 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 하지만 보일러 공정에 투입되는 흑액 고형분 농도인 65~80%까지 미치지 못하는 시뮬레이션 결과를 보인다. 이러한 이유는 각 증발기의 투입 지표인 열 증발계수, 열 손실, 끓는점 오름이 고정된 수치이기 때문이라고 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 구축된 다중 증발 공정 시뮬레이션을 통해 다양한 흑액 투입 위치를 변경하여 저비용 및 에너지 효율이 높은 다중 증발 시뮬레이션 모델을 파악하였고 흑액 및 증기 투입량, 흑액 온도의 변화를 통한 흑액 고형분 증가를 위한 시뮬레이션을 진행하였다.

농축된 흑액 농도가 28~29%이고, 응축수 생성량이 시간당 100~200 Mt로 결과값이 설정되었을 때까지 시뮬레이션 최적화를 진행하였기 때문에 각 모델 간 얻어지는 흑액 농도 차이는 크지 않았다. 응축수 생성량은 정방향 흑액 투입배치와 역방향 흑액 투입배치는 큰 차이가 나지 않았지만, 혼합 흑액 투입배치의 경우 정방향 및 역방향 투입배치의 응축수 생성량에 비해 시간당 7~9 Mt 정도 차이가 나타났다. 이는 모델의 위치 특성에 따라 응축기의 열전달 차이로 판단된다. 하지만 흑액의 특성이나 특수한 상황에 따라 모델 선택이 달라지기 때문에 본 연구에서 투입한 동등한 흑액 양은 완벽한 시뮬레이션 최적화를 가져올 수 없다고 판단된다.

정방향 흑액 투입배치의 경우 역방향 및 혼합 흑액 투입배치와는 달리 펌프를 따로 필요로 하지 않지만, 투입 흑액의 온도가 낮으면 증기 효율성을 떨어지는 결과를 나타냈다. 역방향 흑액 투입배치의 경우 countercurrent 방식으로 증발계수가 높게 평가되지만 낮은 압력에서 높은 압력으로 흑액을 이동시켜야 하므로 모든 증발기마다 펌프 설치 및 압력을 추가로 투입해야 하는 설비 단점이 있다. 혼합 흑액 투입배치 같은 경우 특정 온도 및 농도를 맞추기 위해 추가적인 공정에 이용되는 방법으로 정방향 및 역방향 배치 방법보다 상대적으로 흑액 투입 농도가 낮은 편이다. 따라서 총 5가지 다중 증발 공정의 모델을 시뮬레이션한 결과 역방향 흑액 투입배치가 열전달이 가장 우수하고, 증기 소비량이 가장 적을 뿐 아니라 증기 효율성 또한 가장 우수한 것으로 나타났다.

흑액 및 증기 투입량 흑액 농도 조절을 통해 기존 시뮬레이션보다 약 흑액 고형분 농도를 약 20%까지 증가시킬 수 있었으며 흑액 투입량, 증기 투입량, 증발기의 다양한 투입 지표의 조절을 통해 시뮬레이션을 구동하여 더 높은 흑액 고형분 농도를 얻고 에너지 효율을 최대화하는 최적화 과정이 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 산림청(한국임업진흥원)의 ‘산림과학기술 연구개발사업(FTIS-2022418B10-2223-AA02)’ 및 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 야생생물 유래 친환경 신소재 및 공정 기술개발사업의 지원을 받아 연구되었습니다(2021003270003).

Literature Cited
1. Haydary, J., Chemical process design and simulation Aspen Plus and Aspen Hysys applications, John Wiley & Sons, Inc, Vol. 1, pp. 7-9, WarnockPro by Aptara Inc., New Delhi, India (2019).
2. White, P. and Ingalls R. G., Introduction to simulation, In Proceedings of the 2015 winter simulation conference (WSC), IEEE, pp. 1374-1388. IEEE.
3. Shannon, R. E., Introduction to simulation, In Proceedings of the 24th conference on Winter simulation, pp. 65-73 (1972).
4. Bradley, P., The history of simulation in medical education and possible future directions, Medical Education 40(3):254-262 (2006).
5. Goldsman, D., Nance, R. E., and Wilson, J. R., A brief history of simulation revisited, In Proceedings of the 2010 Winter Simulation Conference, IEEE, pp. 567-574.
6. Rubinstein, R. Y. and Kroese, D. P., Simulation and the Monte Carlo method, John Wiley & Sons Inc., Vol. 10, pp. 1-4, Hoboken, New Jersey (2016).
7. Robinson, S., Discrete-event simulation: From the pioneers to the present, what next?, Journal of the Operational Research Society 56(6):619-629 (2005).
8. Choi, J. H., Lee, J. Y., and Yoo, C. D., Simulation of dynamic behavior in a GMAW system, Welding Journal, New York, 80(10):239S-246S (2001).
9. Blanco, A., Dahlquist, E., Kappen, J., Manninen, J., Negro, C., and Ritala, R., Use of modelling and simulation in the pulp and paper industry, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems 15(5):409-423 (2009)
10. Kumar, D., Kumar, V., and Singh, V. P., Modeling and dynamic simulation of mixed feed multi-effect evaporators in paper industry, Applied Mathematical Modelling 37(1-2):384-397 (2013).
11. April, J., Glover, F., Kelly, J. P., and Laguna, M., Practical introduction to simulation optimization, In Proceedings of the 35th conference on Winter simulation: driving innovation, pp. 71-78 (2003).
12. Li, J., Zhang, Y., and Liu, H., Simulation of multiple effect evaporators for energy-saving studies in a chemical pulp mill, In Proceeding of the 11th World Congress on Intelligent Control and Automation, IEEE, pp. 2791-2797 (2014)
13. Verma, O. P., Mohammed, T. H., Mangal, S., and Manik, G., Optimization of steam economy and consumption of heptad’s effect evaporator system in Kraft recovery process, International Journal of System Assurance Engineering and Management 9(1):111-130 (2018).
14. Chantasiriwan, S., Increased energy efficiency of a backward-feed multiple-effect evaporator compared with a forward-feed multiple-effect evaporator in the cogeneration system of a sugar factory, Processes 8(3):342 (2020).
15. Darwish, M. A. and Abdulrahim, H. K., Feed water arrangements in a multi-effect desalting system, Desalination 228(1-3):30-54 (2008).
16. Lee, J. G., Bak, C. U., Thu, K., Ghaffour, N., and Kim, Y. D., Effect of seawater-coolant feed arrangement in a waste heat driven multi-stage vacuum membrane distillation system, Separation and Purification Technology 212:12-20 (2019).
17. Morin, O. J., Design and operating comparison of MSF and MED systems, Desalination 93(1-3):69-109 (1993).
18. Giaccone, P. R. and Jones, G. A., Feed-forward estimation of optical flow, In 1997 Sixth International Conference on Image Processing and Its Applications Vol. 1, pp. 204-208, IET.
19. Al-Mutaz, I. S. and Wazeer, I., Comparative performance evaluation of conventional multi-effect evaporation desalination processes, Applied Thermal Engineering 73(1):1194-1203 (2014).
20. Sagharichiha, M., Jafarian, A., Asgari, M., and Kouhikamalid, R., Simulation of a forward feed multiple effect desalination plant with vertical tube evaporators, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 75:110-118 (2014).
21. Morin, O. J., Design and operating comparison of MSF and MED systems, Desalination 93(1-3):69-10 (1993).
22. Lee, J. G., Bak, C. U., Thu, K., Ghaffour, N., and Kim, Y. D., Effect of seawater-coolant feed arrangement in a waste heat driven multi-stage vacuum membrane distillation system, Separation and Purification Technology 212:12-20 (2019).
 
Copyright by KTAPPI, ALL Rights Reserved.
Korea Technical Association of The Pulp and Paper Industry
Suite 701, Chungmu Bidg., 7, Yeouidaebang-ro 69(yuksipgu)-gil, Yeongdeungpo-gu, Seoul, 07333, Korea
TEL : +82-2-786-8620(Office) | FAX : +82-2-786-8621 | E-mail : ktappi@ktappi.or.kr