공정설계에서 자주 사용하는 열역학 모델 TOP 5

 

공정설계에서 자주 사용하는 열역학 모델 TOP 5

화학공정 시뮬레이션에서 열역학 모델(Thermodynamic Model)은 물질의 상태, 상 변화, 평형관계 등을 계산하는 핵심 요소입니다. 올바른 모델을 선택하지 않으면 공정 설계 결과가 실제와 다르게 나올 수 있습니다. 본 글에서는 2025년 현재까지도 실무에서 널리 사용되고 있는 대표 열역학 모델 5종을 정리하여 소개합니다.

1. Peng-Robinson (PR)

사용 분야: 정유, 석유화학, 가스 공정
특징: 상평형 계산에 강하며, 고압/고온 시스템에 적합한 상태방정식(EOS) 모델입니다. 천연가스 플랜트와 석유 정제에서 널리 사용됩니다.

2. Soave-Redlich-Kwong (SRK)

사용 분야: 석유 및 가스 처리, LNG
특징: Peng-Robinson보다 수학적으로 단순하지만, 특정 조건에서 비슷한 성능을 보입니다. 빠른 계산이 필요한 초기 설계 단계에서 유리합니다.

3. NRTL (Non-Random Two-Liquid)

사용 분야: 액체-액체 상평형(LLVE), 증류 공정
특징: 비이상 용액(non-ideal mixture)에서 강력한 예측력을 보입니다. 특히 액-액 추출 및 정밀화학 공정에서 필수적으로 사용됩니다.

4. UNIQUAC

사용 분야: 분리공정, 제약, 정밀화학
특징: 분자 크기 및 상호작용에 기반한 모델로, 예측 기반보다는 실험 데이터 매칭에 강함. 온도 의존성이 있는 계에서 효과적입니다.

5. Ideal / Raoult's Law

사용 분야: 교육용, 초기 설계 시 단순 모델
특징: 혼합물의 거동을 이상 용액으로 가정하는 단순 모델입니다. 초기 스크리닝이나 비이상성이 낮은 시스템에 제한적으로 사용됩니다.

※ 열역학 모델 선택 시 고려사항

• 혼합물의 조성: 이상/비이상 여부
• 공정 온도·압력 조건: 고압 시스템은 EOS 기반이 유리
• 상 종류: 액-액, 기-액 등 다상 시스템 여부
• 사용 시뮬레이터: Aspen Plus, HYSYS, PRO/II 등에서 지원 모델 확인

※ 정리: 상황별 추천 모델

공정 유형	추천 열역학 모델
정유/가스 플랜트	Peng-Robinson, SRK
액-액 추출, 정밀화학	NRTL, UNIQUAC
기초 이론 교육	Ideal, Raoult's Law

※ 마무리

공정 시뮬레이션에서 열역학 모델의 선택은 결과의 정확도와 직결됩니다. 실제 플랜트에서 어떤 모델이 사용되는지 이해하는 것은 실무 역량을 키우는 핵심입니다. 특히 HYSYS나 Aspen Plus를 사용하는 경우, 각 모델의 기본 가정과 한계를 반드시 숙지해야 합니다.

열역학은 공정의 언어이며, 모델 선택은 엔지니어의 전략입니다.