KR20170070431A - Method to predict ion exchange process breakthrough in ultrapure water production - Google Patents

Method to predict ion exchange process breakthrough in ultrapure water production Download PDF

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Abstract

본 발명은 초순수 공정 중에 약품 사용량이 가장 많고 폐액 발생량도 가장 많은 이온교환 공정의 이온교환수지에 대한 파과시간을 예측하여 이온교환수지를 최적의 시점에 재생하도록 운영시간을 결정하며, 이에, 이온교환공정의 운영 능력 최대화(회수율 최대화), 폐액 발생 최소화 및 운영비 최소화를 달성하는 초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 방법에 관한 것으로서, 실공정 이온교환탑에 병렬 연결한 예측용 이온교환탑에 대해 서로 다른 유량 값별로 파과시간을 실측하고, 실측 파과시간에 도달할 때까지 누적되는 이온교환량인 실제 이온교환능력을 실측 파과시간별로 획득하여, 실측 파과시간과 실제 이온교환능력 사이의 상관관계를 복수의 예비 모델로 모델링한 후, 모델링 오차가 최소인 최적 모델에 대응되는 파과점 예측 모델을 선정하는 모델 선정단계(S10); 선정한 파과점 예측 모델을 적용하여 실공정 이온교환탑에 대한 파과시간을 예측하는 운용단계(S20);를 포함한다.The present invention determines the operating time for regenerating the ion exchange resin at the optimum time by predicting the breakthrough time for the ion exchange resin in the ion exchange process which has the largest amount of chemicals used and the largest amount of waste liquid generated during the ultra pure water process, The present invention relates to an ion exchange process breakdown point prediction method for producing ultrapure water that maximizes the operating capacity of a process (maximization of recovery rate), minimizes the generation of waste liquids, and minimizes operating costs, and relates to a prediction ion exchange tower connected in parallel to a real process ion exchange tower The breakthrough time was measured for different flow values and the actual ion exchange capacity, which is the cumulative ion exchange capacity until reaching the actual breakthrough time, was obtained for each actual breakthrough time. The correlation between the actual breakthrough time and the actual ion exchange capacity After a plurality of preliminary models are modeled, a breakpoint prediction model corresponding to an optimal model with a minimum modeling error A model selection step (S10) for selecting a model; And an operation step (S20) of predicting a breakthrough time of the actual process ion-exchange tower by applying a predetermined breaking point prediction model.

Description

초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 방법{METHOD TO PREDICT ION EXCHANGE PROCESS BREAKTHROUGH IN ULTRAPURE WATER PRODUCTION}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method of predicting breakthrough points in an ion exchange process for producing ultra pure water.

본 발명은 초순수 공정 중에 약품 사용량이 가장 많고 폐액 발생량도 가장 많은 이온교환 공정의 이온교환수지에 대한 파과시간을 예측하여 이온교환수지를 최적의 시점에 재생하도록 운영시간을 결정하며, 이에, 이온교환공정의 운영 능력 최대화(회수율 최대화), 폐액 발생 최소화 및 운영비 최소화를 달성하는 초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 방법에 관한 것이다.The present invention determines the operating time for regenerating the ion exchange resin at the optimum time by predicting the breakthrough time for the ion exchange resin in the ion exchange process which has the largest amount of chemicals used and the largest amount of waste liquid generated during the ultra pure water process, To an ion exchange process breaking point prediction method for producing ultrapure water that achieves maximization of operating capacity of the process (maximization of recovery rate), minimization of waste liquid generation and minimization of operating cost.

초순수는 반도체, 액정, 전자제품 등의 제조 공정에서 요구되는 고순도의 물로서, 원수를 다층여과탑, 침지형MF막 또는 활성탄탑으로 처리하는 전처리 공정 및 잔존하는 미량의 이온을 제거하는 순수처리 공정을 순차적으로 진행하여 생산되며, 후속공정으로서 초순수처리 공정을 추가하기도 한다.Ultrapure water is a high purity water required for semiconductor, liquid crystal and electronic products manufacturing process. It is a pretreatment process for treating raw water with multi-layer filtration tower, submerged MF membrane or activated carbon tower, and pure water treatment process for removing residual trace ions. It is produced by proceeding sequentially, and the ultrapure water treatment process may be added as a subsequent process.

여기서, 이온 제거를 위한 순수처리 공정에서는, 양이온교환수지를 내부에 충전하여 통수되는 피처리수에서 양이온을 이온교환하여 제거하는 양이온교환탑과, 음이온교환수지를 내부에 충전하여 통수되는 피처리수에서 음이온을 이온교환하여 제거하는 음이온교환탑을 일반적으로 사용한다.Here, in the pure water treatment step for removing ions, a cation exchange column for ion-exchanging and removing cations in the water to be treated which is filled with a cation-exchange resin therein, and a water- Anion exchange column for removing anions by ion exchange is generally used.

또한, 이온교환수지(양이온교환수지 및 음이온교환수지)는 공정 효율을 높이기 위해서 재생형을 주로 사용한다.In addition, the ion exchange resin (cation exchange resin and anion exchange resin) mainly uses a regenerated type in order to increase process efficiency.

이러한 재생형 이온교환수지는 시간 경과에 따라 이온교환량이 누적되어 이온교환능력이 낮아지며, 이온교환 효력이 없게 되는 파과(breakthrough)에 이르면 재생용 약품으로 재생하여 이온교환능력을 복원한 후 사용하여야 한다.Such a regenerated ion exchange resin should be used after restoring the ion exchange capacity by regenerating it as a regenerating drug at a breakthrough in which the ion exchange capacity is lowered due to accumulation of ion exchange capacity over time and the ion exchange capacity is reduced .

이에, 파과시간을 미리 예측하여 운영시간 및 재생주기를 결정하면, 이온교환탑의 운영 효율을 최대한 확보할 수 있고, 재생시 사용할 약품 사용량 및 재생시 발생하는 폐액 배출량도 최소화할 수 있다.Accordingly, by predicting the breakthrough time and determining the operating time and the regeneration cycle, the operation efficiency of the ion exchange column can be maximized, and the amount of the chemical used for regeneration and the amount of waste solution discharged during regeneration can be minimized.

그렇지만, 이온교환탑은 실제 운영하는 장치로서 파과시간 예측을 위한 모델을 이온교환탑을 이용하여 얻기란 매우 어렵다. 즉, 실제 운영하는 이온교환탑을 파과시간까지 운영하여 얻는 결과로 파과시간 예측 모델을 정하여야 하므로, 미리 파과시간을 예측할 모델을 얻을 수 없고, 예측 모델인 만큼 운영조건(수질, 유량 또는 이온교환수지 상태)에 따라 모델을 업데이트하여야 하므로, 예측 모델을 얻는 시간만큼 이온교환탑을 운영에 지장을 준다.However, it is very difficult to obtain a model for the prediction of breakthrough time by using an ion exchange tower as an actual operating device. In other words, since the actual operating ion exchange tower is operated up to the breakup time, the breakthrough time prediction model must be determined. Therefore, it is not possible to obtain a model for predicting the breakthrough time and the operation condition (water quality, The state of the resin), the operation of the ion exchange column is interrupted by the time required to obtain the predicted model.

또한, 이온교환탑에 따라 적합한 모델이 다를 수 있어서, 최적 모델을 선정하여 모델링하기란 더욱 어렵다.In addition, a suitable model may be different depending on the ion exchange column, and it is more difficult to select and model the optimum model.

한편, 이온교환탑으로 처리된 유출수의 수질을 검출하여 재생 시점을 정할 수도 있지만, 이 경우, 파과시점을 정확하게 미리 예측할 수 없다.On the other hand, although it is possible to detect the quality of the effluent treated by the ion exchange column to determine the regeneration point, in this case, the point of dissolution can not be accurately predicted in advance.

JP 2014-188456 A 2014.10.06.JP 2014-188456 A 2014.10.06.

따라서, 본 발명의 목적은 실제 운영중인 이온교환탑을 그대로 운영하는 중에 복수의 예비 모델을 이용하여 이온교환탑에 적합한 최적 모델로 모델링하여 파과점 예측 모델을 선정하는 초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 방법을 제공하는 것이다.Therefore, it is an object of the present invention to provide an ion exchange process for the production of ultrapure water by modeling an optimal model suitable for an ion exchange column using a plurality of preliminary models, Point prediction method.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 유입수의 이온을 이온교환하여 제거하는 실공정 이온교환탑의 이온교환수지와 동일한 이온교환수지를 내부에 충전한 예측용 이온교환탑을 실공정 이온교환탑에 병렬연결하여 실공정 이온교환탑의 이온교환수지에 대한 파과시점을 예측하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법에 있어서, 예측용 이온교환탑에 대해 서로 다른 유량 값별로 파과시간을 실측하고, 실측 파과시간에 도달할 때까지 누적되는 이온교환량인 실제 이온교환능력을 실측 파과시간별로 획득하여, 실측 파과시간과 실제 이온교환능력 사이의 상관관계를 복수의 예비 모델로 모델링한 후, 모델링 오차가 최소인 최적 모델에 대응되는 파과점 예측 모델을 선정하는 모델 선정단계(S10); 선정한 파과점 예측 모델을 적용하여 실공정 이온교환탑에 대한 파과시간을 예측하는 운용단계(S20); 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a process for ion-exchanging ions of an influent in an ion-exchange column, In the method of predicting breakthrough point of an ion exchange process for predicting the breakthrough point of an ion exchange resin in a real process ion exchange column by connecting the breakthrough time, The actual ion exchange capacity, which is the cumulative ion exchange capacity until reaching, is obtained by the time of the actual breakthrough, and the correlation between the actual breakthrough time and the actual ion exchange capacity is modeled by a plurality of preliminary models. A model selection step (S10) of selecting a break point prediction model corresponding to the model; An operating step (S20) of predicting a breakthrough time of a real process ion exchange column by applying a predetermined breaking point prediction model; And a control unit.

상기 모델링 오차는 예비 모델에 실제 이온교환능력을 대입하여 얻는 시간인 산정 파과시간과, 실측하여 얻은 실측 파과시간 사이의 SSE(sum of squares eorror)로 산정함을 특징으로 한다.The modeling error is calculated as a sum of squares error (SSE) between the calculated wave time and the actual wave time obtained by substituting the actual ion exchange capacity into the preliminary model.

상기 복수의 예비 모델은 누적 이온교환량의 경시 변화를 나타내는 반응속도모델(kinetic model)로부터 얻는 모델이며, 상기 파과점 예측 모델은 최적 모델에서 누적 이온교환량을 나타내는 변수를 실제 이온교환능력의 산정식으로 치환하여 이온교환수지 공간속도 SV(SV=유입유량/이온교환수지 부피)와 유입수 이온량 X을 변수로 하는 파과시간 예측 모델임을 특징으로 한다.The plurality of preliminary models is a model obtained from a kinetic model showing a change with time of cumulative ion exchange capacity, and the breakout point prediction model is a model in which cumulative ion exchange capacity in the optimum model is calculated as (SV = influent flow rate / ion exchange resin volume) and influent water ion amount X as variables.

상기 실제 이온교환능력의 산정식은

Figure pat00001
이며, 여기서, to 는 파과시간이고, Qt 는 파과시간에 도달할 때까지 누적된 이온교환량을 나타내는 이온교환능력이고, FI 는 [m3/hr] 단위의 유입유량이고, X 는 [g-CaCO3/m3]단위의 유입수 이온량이고, VR 은 예측용 이온교환탑에 충전한 이온교환수지의 [L] 단위 부피임을 특징으로 한다.The equation for calculating the actual ion exchange capacity is
Figure pat00001
, Where t o is the breakthrough time, Q t is the ion exchange capacity representing the cumulative ion exchange capacity until the breakthrough time is reached, F I is the influent flow in [m 3 / hr] [g-CaCO 3 / m 3 ], and V R is the unit volume of the ion exchange resin charged in the ion exchange column for prediction.

상기 복수의 예비 모델은 일차반응속도모델(first order kinetic model)

Figure pat00002
로부터 얻는 제1 예비 모델
Figure pat00003
과, 이차반응속도모델(second order kinetic model)
Figure pat00004
로부터 얻는 제2 예비 모델
Figure pat00005
을 포함하며, 여기서, t 는 [hr]단위의 시간, Qt 는 t에서의 [g-CaCO3/L-resin]단위 누적 이온교환량, Qe 는 이온교환수지의 제조시 초기값으로서 [g-CaCO3/L-resin]단위의 초기이온교환능력, k1 및 k2 는 반응속도를 나타내는 상수이며, 실측 파과시간 및 실제 이온교환능력을 t 및 Qt 에 적용하여 반응속도 상수 k1 및 k2 를 산정함으로써 각각의 예비 모델을 완성함을 특징으로 한다.The plurality of preliminary models may include a first order kinetic model,
Figure pat00002
The first preliminary model
Figure pat00003
A second order kinetic model,
Figure pat00004
The second preliminary model
Figure pat00005
, Where t is the time in [hr], Q t is the [g-CaCO 3 / L-resin] unit cumulative ion exchange capacity at t and Q e is the initial value in the manufacture of the ion exchange resin [ g-CaCO 3 / L-resin ] the initial ion-exchange capacity of a unit, k 1 and k 2 is a constant representing the rate of reaction, measured breakthrough time and the actual ion exchange capacity of t and Q t reaction rate constant k 1 is applied to the And k 2 , respectively, to complete each preliminary model.

상기 운용단계(S20)는 예측용 이온교환탑에 대해 서로 다른 유량 값별 실측 파과시간과 각각의 파과시간에 대한 실제 이온교환능력을 주기적으로 획득하여, 최적 모델을 업데이트하고, 업데이트한 최적 모델로 파과점 예측 모델을 수정함을 특징으로 한다.The operation step (S20) periodically acquires the actual ion exchange capacity for each of the breakthrough time and the actual wave break time for each of the different flow rate values for the ion exchange tower for prediction, updates the optimal model, And the point prediction model is modified.

상기 운용단계는 파과점 예측 모델로 예측되는 예측용 이온교환탑의 파과시간과 예측용 이온교환탑에 대한 실측 파과시간을 상호 대조하여, 미리 설정한 오차를 초과할 시에, 예측용 이온교환탑에 대해 서로 다른 유량 값별 실측 파과시간과 각각의 파과시간에 대한 실제 이온교환능력을 획득하여, 최적 모델을 업데이트하고, 업데이트한 최적 모델로 파과점 예측 모델을 수정함을 특징으로 한다.The operation step compares the breakthrough time of the ion exchange tower for prediction predicted by the breakthrough point prediction model with the actual breakthrough time of the ion exchange tower for prediction, and, when exceeding a predetermined error, And the actual ion exchange capability for each breakthrough time is obtained for each of the different flow value values to update the optimal model and the break point prediction model is updated with the updated optimal model.

상기 운용단계(S20)는 파과점 예측 모델로 예측되는 예측용 이온교환탑의 파과시간과 예측용 이온교환탑에 대한 실측 파과시간을 상호 대조하여, 미리 설정한 오차를 초과할 시에, 상기 모델 선정단계(S10)로 돌아가 최적 모델을 재선정하고 파과점 예측 모델을 선정함을 특징으로 한다.The operation step S20 compares the breakthrough time of the ion exchange tower for prediction predicted by the breakthrough point prediction model with the actual breakthrough time of the ion exchanger for prediction, and when the predetermined error is exceeded, And returns to the selection step S10 to re-determine the optimal model and select a break-even point prediction model.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 실공정 이온교환탑에 병렬연결한 예측용 이온교환탑을 이용하여 파과시간 예측을 위한 데이터를 수집하므로, 실공정 이온교환탑 운영에 지장을 주지 아니하면서 정확한 데이터 수집하여 미리 파과시간을 예측할 수 있다.The present invention as described above collects data for predicting the breakthrough time using the ion exchange tower for prediction connected in parallel to the actual process ion exchange tower. Therefore, accurate data collection So that the break-through time can be predicted in advance.

또한, 본 발명은 파과점에 도달한 시점의 상황을 정확하게 반영하는 파과시간과 이온교환능력을 파과 데이터로 하여 정확하게 수집하고, 파과시간과 이온교환능력 사이의 상관관계를 나타내는 복수 예비 모델 중에 최적의 모델을 선정 사용하므로, 이온교환탑의 실제 파과점 상황을 정확하게 반영한 모델을 얻을 수 있다.The present invention also provides a method of accurately collecting breakthrough time and ion exchange capacity accurately reflecting the state at the point of breakage and reaching the breaking point, Since the model is selected and used, it is possible to obtain a model that accurately reflects the actual breaking point condition of the ion exchange column.

또한, 본 발명은 이온교환수지 공간속도와 유입수 이온량을 변수로 하는 파과점 예측 모델을 사용함으로써, 운영조건에 맞는 파과시간을 용이하게 예측 가능하고, 파과점 예측 모델을 선정할 시에 얻어야 할 데이터가 파과시간과 이온교환능력으로 이루어지므로, 선정과정뿐만 아니라 모델을 적응적으로 업데이트하며 사용하기에도 용이하다.Further, the present invention uses a breakthrough point prediction model in which the ion exchange resin space velocity and influent water ion amount are used as parameters, it is possible to easily predict a breakthrough time that meets operating conditions, and to obtain data Because of the breakthrough time and ion exchange capacity, it is easy to update and use the model adaptively as well as the selection process.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 장치(B)의 구성도로서, 실공정 장치(A)에 연결된 상태를 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시한 연산 예측기(30)의 블록 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 방법의 순서도.
도 4는 도 3에 도시한 운용단계(S20)에서 이루어지는 파과점 예측 모델의 업데이트 과정에 대한 순서도.
도 5는 유입 유량 별로 획득한 파과시간에 따라 나타나는 최적 모델과 실측 데이터의 경향성을 비교한 그래프.
도 6은 이온교환수지 공간속도에 따른 파과시간(또는 운영시간)의 변화를 보여주는 그래프.
도 7은 예측용 이온교환탑을 통해 예측한 파과시간까지 실공정 이온교환탑을 운영하였을 시와, 실공정 이온교환탑을 실제 파과시간까지 운영하였을 시의 통수물량을 비교한 그래프.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram of an ion exchange breaking point prediction apparatus B for producing ultrapure water according to an embodiment of the present invention, and is a diagram showing a state connected to an actual processing apparatus A; FIG.
Fig. 2 is a block diagram of the operation predictor 30 shown in Fig. 1. Fig.
3 is a flowchart of a method for predicting a breakthrough point in an ion exchange process for producing ultrapure water according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart of an update process of the break point prediction model performed in the operation step S20 shown in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a graph comparing trends of the optimum model and the measured data according to the break-through time acquired for each influent flow rate.
Figure 6 is a graph showing the change in breakthrough time (or operating time) with ion exchange resin space velocity.
FIG. 7 is a graph comparing the amount of water flowing when the actual process ion exchange column is operated until the breakthrough time predicted by the ion exchange column for prediction, and when the actual process ion exchange column is operated until the actual breakup time.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 보여주는 특징적 구성요소 또는 방법에 포함되는 단계를 중점적으로 설명하고, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In describing embodiments of the present invention, steps included in a characteristic component or method showing the gist of the present invention will be mainly described, and a detailed description of known functions or known configurations will not be necessary to the point of the present invention. The detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 장치의 구성도이다. 도 1에서 실선으로 표시한 배관라인은 재생수의 흐름을 차단한 상태에서 이온교환 공정을 수행할 시의 유입수 통과 라인을 나타내고, 점선으로 표시한 배관라인은 유입수 흐름을 차단한 상태에서 이온교환수지를 재생할 시의 재생용 약품의 통과 라인을 나타낸다.1 is a configuration diagram of an ion exchange process breaking point predicting apparatus for producing ultrapure water according to an embodiment of the present invention. The pipe line indicated by a solid line in Fig. 1 represents an inflow water passage line at the time of conducting the ion exchange process while the flow of the regenerated water is blocked, and the pipe line indicated by the dotted line represents the ion exchange resin Indicates the passage line of the regenerating medicine at the time of regeneration.

도 2는 도 1에 도시한 연산 예측기(30)의 블록 구성도이다.Fig. 2 is a block diagram of the operation predictor 30 shown in Fig.

도 1 및 도 2를 참조하면, 이온교환 공정 파과점 예측 장치(B)는 실공정 장치(A)의 실공정 이온교환탑(1, 2)에 병렬로 설치하는 예측용 이온교환탑(10, 20)과, 예측용 이온교환탑(10, 20)으로부터 파과시점 데이터를 획득하여 파과시간 예측을 위한 모델을 선정한 후 선정한 모델을 이용하여 실공정 이온교환탑(1, 2)의 파과시간을 예측하는 연산 예측기(30)를 포함하여 구성된다.1 and 2, the apparatus for predicting the breaking point of an ion exchange process B includes a prediction ion exchange column 10, 10 installed in parallel in a real process ion exchange column 1, 2 of a real process apparatus A, 20, and the predicted ion exchange towers 10 and 20 to obtain the breakthrough time data and select the model for the breakthrough time prediction. Then, the breakthrough time of the ion exchange columns 1 and 2 in the actual process is predicted using the selected model And a calculation predicting unit (30)

먼저, "실공정"은 예를 들어 초순수 생산시설에서 실제로 유입수를 탈이온화하는 공정을 의미하며, "예측장치(B)"에서의 "예측" 이란 용어와 구분하기 위해 사용함을 밝혀둔다. First, the "actual process" means, for example, the process of deionizing the influent water actually in the ultrapure water production facility and is used to distinguish it from the term "prediction" in the "prediction device (B)".

그리고, 실공정 장치(A)에 대해 간략하게 설명하여 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 한다.Then, the actual processing apparatus A will be briefly described, and the present invention will be clearly understood.

실공정 장치(A)는 공급받는 유입수를 실공정 양이온교환탑(1), 실공정 탈탄산탑(3) 및 실공정 음이온교환탑(2)에 순차적으로 통과시킨 후 배출시켜, 탈이온화 처리한 처리수를 처리수 탱크(5)에 저장하는 장치이다.The actual processing apparatus (A) sequentially passes the influent water supplied to the actual process cation exchange column (1), the actual process decarbonation column (3), and the actual process anion exchange column (2) And stores the treated water in the treated water tank 5.

실공정 양이온교환탑(1)은 양이온을 이온교환하여 흡착하는 양이온교환수지가 내부에 충전되어 있고, 유입수가 양이온교환수지를 통과하게 구성되어서, 양이온교환수지를 통과하는 유입수의 양이온을 제거한다. The room temperature cation exchange column 1 is filled with a cation exchange resin which is adsorbed by ion exchange of cations and the inflow water passes through the cation exchange resin to remove the cation of the influent water passing through the cation exchange resin.

실공정 탈탄산탑(3)은 양이온이 제거된 유입수에 과포화 상태로 다량 존재하게 되는 중탄산이온(HCO3 -)을 제거한다. 중탄산이온은 후속의 실공정 음이온교환탑(2)에서 제거할 수 있으나, 실공정 음이온교환탑(2)에서 좀 더 안정적으로 음이온을 제거할 수 있도록 미리 제거한다. 중탄산이온은 아래의 화학반응기작에 의해 이산화탄소(CO2)로 변환되어 배출된다.The actual process decarbonation tower (3) removes the bicarbonate ion (HCO 3 - ), which is present in the supernatant in large quantities in the influent whose cation has been removed. The bicarbonate ion can be removed from the subsequent process anion exchange column 2, but it is removed in advance to remove the anion more stably in the anion exchange column 2 in the actual process. The bicarbonate ion is converted into carbon dioxide (CO 2 ) by the following chemical reaction mechanism and is discharged.

HCO3 - + H+ + → H2O + CO2 HCO 3 - + H + + - & gt ; H 2 O + CO 2

실공정 음이온교환탑(2)은 음이온을 이온교환하여 흡착하는 음이온교환수지가 내부에 충전되어 있고, 실공정 탈탄산탑(3)으로 처리된 후 배출되는 유입수가 음이온교환수지를 통과하게 구성되어서, 음이온교환수지를 통과하는 유입수의 음이온을 제거한다.The actual process anion exchange column 2 is filled with an anion exchange resin which is adsorbed by adsorbing anions by ion exchange. The influent water discharged after being treated with the actual process decarbonation column 3 is configured to pass through the anion exchange resin , And the anion of the influent passing through the anion exchange resin is removed.

그런데, 이온교환탑(1, 2)에 충전한 이온교환수지는 시간 경과에 따라 이온교환량이 누적되어 점차 이온 교환 능력 및 흡착 능력이 감소하게 된다. 이에, 이온교환수지의 이온 교환 능력 및 흡착 능력이 감소하여 처리수에 잔류하는 이온 농도가 미리 정한 설정치를 초과하면 파과(breakthrough)되어 효력이 상실된 것으로 간주하며, 파과되기 이전에 이온교환수지를 재생하여 이온 교환 능력 및 흡착 능력을 회복한 후 재사용한다.However, in the ion exchange resin filled in the ion exchange columns 1 and 2, the ion exchange capacity is gradually accumulated over time, and the ion exchange capacity and the adsorption capacity gradually decrease. Accordingly, when the ion exchange capacity and the adsorption capacity of the ion exchange resin are reduced and the ion concentration remaining in the treated water exceeds a preset value, the ion exchange resin is regarded as having been lost due to breakthrough, Thereby recovering ion exchange capacity and adsorption capacity and reusing it.

여기서, 이온교환을 시작한 시점(재생한 시점)부터 파과되는 시점까지의 시간 간격을 파과시간이라 한다. 실공정 장치(A)의 실제 운용에 있어서는 파과시간에 도달하기 직전이나 아니면 파과시간보다 미리 설정한 시간만큼 앞선 시간에 이온교환수지를 재생하며, 이와 같이 재생하는 시간을 파과시간과 구분하여 운영시간으로 정하기도 한다. 즉, 파과시간 이전으로 설정한 운영시간에 도달하면, 이온교환수지를 상기 재생기(4)로 재생하므로, 파과시간을 예측하여야만 운영시간을 결정할 수 있다.Here, the time interval from the point of time when the ion exchange is started (the point of reproduction) to the point of time when the ion exchange is broken is called the breakup time. In actual operation of the actual processing apparatus (A), the ion exchange resin is regenerated immediately before the breakthrough time is reached, or at a time earlier than the breakthrough time by a predetermined time, and the regeneration time is divided from the breakthrough time, . That is, when the operating time set before the break-out time is reached, since the ion-exchange resin is regenerated by the regenerator 4, the operation time can be determined only by predicting the break-through time.

또한, 파과 시점에 이온교환수지에 누적된 이온교환량을 실제 이온교환능력이라 한다. 즉, 실제 이온교환능력은 이온교환수지가 이온교환하여 흡착할 수 있는 총 이온교환량이라 할 수 있다.Also, the amount of ion exchange accumulated in the ion exchange resin at the breakthrough point is referred to as the actual ion exchange capacity. That is, the actual ion exchange capacity is a total ion exchange capacity that the ion exchange resin can adsorb by ion exchange.

여기서, 재생기(4)는 유입수의 유입을 차단하여 이온교환 공정을 중단한 상태에서 유입수 대신에 재생용 약품을 이온교환탑(1, 2)에 각각 유입시키며, 이때 각각의 이온교환탑(1, 2)에서 배출되는 폐액은 별도 처리를 위해 폐액 탱크에 보관한다. 일반적으로 양이온교환탑(1)의 재생에는 HCl을 재생용 약품으로 사용하고, 음이온교환탑(2)의 재생에는 NaOH를 재생용 약품으로 사용한다.Here, the regenerator 4 introduces the regenerating medicine into the ion exchange columns 1 and 2, respectively, instead of the influent water in the state where the inflow water is interrupted and the ion exchange process is interrupted. At this time, 2) is stored in the waste tank for separate treatment. Generally, HCl is used as a regeneration reagent for the regeneration of the cation exchange column 1, and NaOH is used as regeneration reagent for the regeneration of the anion exchange column 2.

이러한 실공정 장치(A)에 있어서, 양이온교환수지 및 음이온교환수지의 파과시간을 정확하게 예측하여 재생 시점을 정하여야 하는데, 파과시간을 정확하게 예측하기란 매우 어렵다. 이에, 실공정에서는 부정확한 파과시간에 따라 이온교환수지의 재생 시점을 정하게 됨으로써, 불필요하게 재생처리하는 면이 있고, 폐액 발생량이 증가하며, 실공정 운용 효율도 저하되는 문제가 발생하였다.In this practical processing apparatus (A), the break-up time of the cation-exchange resin and the anion-exchange resin must be precisely predicted to determine the regeneration point, and it is very difficult to predict the break-down time accurately. Thus, in the actual process, there is a problem that the regeneration time of the ion exchange resin is determined according to an inaccurate breakthrough time, thereby unnecessarily regenerating the waste, increasing the amount of waste liquid generated, and lowering the efficiency of actual process operation.

<초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 장치><Ion Exchange Process Prediction Point Prediction System for Ultrapure Water Production>

이에, 본 발명에서는 예측용 이온교환탑(10, 20) 및 연산 예측기(30)를 포함하여 구성되는 예측 장치(B)를 실공정 장치(A)에 연결하여 실공정 장치(A)의 실공정 이온교환탑(1, 2)에 충전한 이온교환수지에 대해 파과시간을 예측한다. Thus, in the present invention, the prediction apparatus B including the prediction ion exchange towers 10 and 20 and the calculation predictor 30 is connected to the actual processing apparatus A to perform the actual processing of the actual processing apparatus A The breakthrough time is predicted for the ion exchange resin filled in the ion exchange towers 1, 2.

여기서, 실공정 이온교환탑(1, 2)은 실공정 양이온교환탑(1)과 실공정 음이온교환탑(2)으로 분리되어 있으므로, 예측용 이온교환탑(10, 20)도 예측용 양이온교환탑(10)과 예측용 음이온교환탑(20)으로 분리되어 있다. Since the actual process ion exchange columns 1 and 2 are separated into the actual process cation exchange column 1 and the actual process anion exchange column 2, the prediction ion exchange columns 10 and 20 are also subjected to predictive cation exchange And is separated into a tower 10 and a prediction anion exchange column 20.

상기 예측용 양이온교환탑(10)은 실공정 양이온교환탑(1)에 충전된 양이온교환수지와 동일한 이온교환수지를 내부에 충전한 것으로서, 유입수를 공급받아 이온교환하도록 실공정 양이온교환탑(1)과 병렬연결된다. The prediction cation exchange column 10 is filled with the same ion exchange resin as that of the cation exchange resin filled in the actual process cation exchange column 1 and is supplied with an actual process cation exchange column 1 ).

이때, 상기 예측용 양이온교환탑(10)은 실공정 양이온교환탑(1)에 비해 충전 양이온교환수지의 량 및 유입수 유입유량이 상대적으로 적게 한다.At this time, in the cation exchange column for prediction 10, the amount of the charged cation exchange resin and the inflow water flow rate are relatively smaller than that of the actual process cation exchange column 1.

여기서, 병렬연결이라 함은 실공정 양이온교환탑(1)에 공급하는 유입수를 실공정 양이온교환탑(1)과 함께 공급받도록 하는 것이다. 예측용 양이온교환탑(10)에서 배출되는 유출수는 실공정 탈탄산탑(3)으로 공급되게 하는 것도 고려할 수 있지만, 예측 모델을 위해 운용하는 것이므로 직접 방류하는 것으로 도면에 도시하였다.Here, the parallel connection means that the inflow water supplied to the actual process cation exchange column 1 is supplied together with the actual process cation exchange column 1. The effluent discharged from the predictive cation exchange column 10 may be supplied to the actual process decarbonation column 3, but it is operated for a predictive model, so it is shown that the effluent is directly discharged.

그리고, 상기 예측용 양이온교환탑(10)에서 배출되는 유출수의 배출라인에는 유출수에 잔류하는 양이온의 농도를 측정하기 위한 계측기(11)와 유출수의 유량(또는 예측용 양이온교환탑으로 유입되는 유입수 유량)을 조절하기 위한 유량조절기(12)가 구비된다. 이때의 계측기(11)는 양이온 잔량 측정에 이용하는 나트륨 계측기를 활용한다.The outlet line of the effluent discharged from the prediction cation exchange column 10 is connected to a meter 11 for measuring the concentration of the cation remaining in the effluent and a flow rate of the effluent (or an influent flow rate The flow rate regulator 12 is provided. The meter (11) at this time utilizes a sodium meter used for measuring the residual amount of cations.

아울러, 상기 예측용 양이온교환탑(10)은 내부에 충진한 양이온교환수지의 재생을 위해서 재생기(4)로부터 재생 약품인 HCl을 공급받아 재생할 수 있게 하고, 재생 시의 유출수를 폐액 탱크(6)로 배출하게 되어 있다.In addition, the prediction cation exchange column 10 can supply and regenerate the regenerant HCl from the regenerator 4 for regeneration of the cation exchange resin packed therein, .

상기 예측용 음이온교환탑(20)은 실공정 음이온교환탑(2)에 충전된 음이온교환수지와 동일한 이온교환수지를 내부에 충전한 것으로서, 실공정 탈탄산탑(3)에서 처리되어 실공정 음이온교환탑(20)으로 유입되는 유입수를 공급받아 이온교환하도록 실공정 음이온교환탑(2)과 병렬연결된다. 여기서 병렬연결의 의미는 예측용 양이온교환탑(10)과 마찬가지의 의미이다.The prediction anion exchange column 20 is filled with the same ion exchange resin as that of the anion exchange resin filled in the actual process anion exchange column 2 and is treated in the actual process decarbonation column 3, Is connected in parallel with the working process anion exchange column (2) so as to receive and exchange the influent water flowing into the exchange column (20). Here, the meaning of the parallel connection is the same as that of the cation exchange column 10 for prediction.

여기서도, 상기 예측용 음이온교환탑(20)은 실공정 음이온교환탑(2)에 비해 충전 음이온교환수지의 량 및 유입수 유입유량이 상대적으로 적게 한다. Also in this case, the anion exchange column for prediction 20 has a relatively smaller amount of the charged anion exchange resin and a smaller influent flow rate than the actual process anion exchange column 2.

그리고, 상기 예측용 음이온교환탑(20)에서 배출되는 유출수의 배출라인에는 유출수에 잔류하는 음이온의 농도를 측정하기 위한 계측기(21)와 유출수의 유량(또는 예측용 음이온교환탑으로 유입되는 유입수 유량)을 조절하기 위한 유량조절기(22)가 구비된다. 이때의 계측기(21)는 음이온 잔량 검출에 사용되는 전기전도도 계측기를 활용한다.The outlet line of the effluent discharged from the anion exchange tower for prediction 20 is provided with a meter 21 for measuring the concentration of the anions remaining in the effluent and a flow rate of the effluent (or an influent flow rate And a flow rate regulator 22 for regulating the flow rate. The meter 21 at this time utilizes an electric conductivity meter used for detecting the remaining amount of anions.

아울러, 상기 예측용 음이온교환탑(20)은 내부에 충진한 음이온교환수지의 재생을 위해서 재생기(4)로부터 재생 약품인 NaOH를 공급받아 재생할 수 있게 하고, 재생 시의 유출수를 폐액 탱크(6)로 배출하게 되어 있다.In addition, the prediction anion exchange column 20 can supply and regenerate NaOH, which is a regenerating agent, from the regenerator 4 for regeneration of the anion exchange resin packed therein, .

상기 연산 예측기(30)는 예측용 양이온교환탑(10) 및 예측용 음이온교환탑(20)에 대해 각각 파과점 예측 모델을 선정하여, 실공정 양이온교환탑(1) 및 실공정 음이온교환탑(2)의 파과시간을 각각 대응되는 파과점 예측 모델로 예측한다.The operation predictor 30 selects breakage point prediction models for the prediction cation exchange column 10 and the prediction anion exchange column 20 respectively and outputs the breakage point prediction models to the actual process cation exchange column 1 and the actual process anion exchange column 2) are predicted by the corresponding break point prediction models, respectively.

예측용 양이온교환탑(10)을 이용하여 실공정 양이온교환탑(1)에 대응되는 파과점 예측 모델을 선정하는 과정과, 예측용 음이온교환탑(20)을 이용하여 실공정 음이온교환탑(2)에 대응되는 파과점 예측 모델을 선정하는 과정은 동일하므로, 예측용 양이온교환탑(10) 및 예측용 음이온교환탑(20)을 예측용 이온교환탑(10, 20)이라 하고, 실공정 양이온교환탑(1) 및 실공정 음이온교환탑(2)을 실공정 이온교환탑(1, 2)이라 하며 설명한다. A step of selecting a breakthrough point prediction model corresponding to the actual process cation exchange column 1 by using the predictive cation exchange column 10 and a step of selecting the breakthrough point prediction model corresponding to the actual process anion exchange column 2 , The prediction cation exchange column 10 and the prediction anion exchange column 20 are referred to as prediction ion exchange columns 10 and 20 and the actual process cation The exchange column 1 and the actual process anion exchange column 2 are referred to as actual process ion exchange columns 1 and 2, respectively.

상기 연산 예측기(30)는 유량조절기(12, 22)로 유입유량을 가변하여 얻는 유입유량별 파과 데이터를 축적하는 파과 데이터 축적부(31), 축적한 파과 데이터에 근거하여 복수의 예비 모델 중에 모델링 오차가 최소인 예비 모델을 최적 모델로 선정하는 최적 모델 선정부(32), 최적 모델에 대응되는 파과점 예측 모델을 선정하는 파과점 예측 모델 선정부(33), 및 파과점 예측 모델로 실공정 이온교환탑(1,2)의 파과시간을 예측하여 파과시간에 따라 결정하는 재생 시점을 재생기(4)에 전송하여 이온교환수지를 재생처리하게 하는 운용부(34), 를 포함하여 구성되며, 각 구성요소에 따른 동작에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하며 상세하게 설명한다.The computation predicting unit 30 includes a wave data accumulating unit 31 for accumulating wave wave data by inflow flow rate obtained by varying an inflow flow rate to flow regulators 12 and 22, An optimal model selection section 32 for selecting a preliminary model with the minimum error as an optimum model, a breakpoint prediction model selection section 33 for selecting a breakpoint prediction model corresponding to the optimal model, And an operation unit (34) for predicting the breakthrough time of the ion exchange towers (1, 2) and transmitting the regeneration time for determining the breakthrough time to the regenerator (4) to regenerate the ion exchange resin, Operation according to each component will be described in detail with reference to FIG. 3 and FIG.

<초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 방법><Method of predicting breaking point of ion exchange process for ultra pure water production>

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초순수 생산을 위한 이온교환 공정 파과점 예측 방법의 순서도이다.3 is a flowchart of a method for predicting a breakthrough point of an ion exchange process for producing ultrapure water according to an embodiment of the present invention.

도 4는 도 3에 도시한 운용단계(S20)에서 이루어지는 파과점 예측 모델의 업데이트 과정에 대한 일실시예의 순서도이다.FIG. 4 is a flow chart of an embodiment of an updating process of the break point prediction model performed in the operation step S20 shown in FIG.

예측 장치(B)를 실공정 장치(A)에 연결한 상태에서 연산 예측기(30)는 파과점 예측 모델을 선정하는 모델 선정단계(S10)와, 이후, 파과시간 예측 결과에 따라 결정되는 재생 시점(운영 시간에 도달하는 시점)을 재생기(4)에 통보하고 동시에 파과점 예측 모델을 업데이트하는 운용단계(S20)를 수행한다.In a state where the prediction apparatus B is connected to the actual processing apparatus A, the operation predictor 30 selects a model of the break point prediction model (S10) (At the time of reaching the operating time) to the player 4 and at the same time updating the break point prediction model.

모델 선정단계(S10)의 설명을 위해 사용되는 수학식의 각 변수에 대한 정의와 단위는 다음과 같다.The definition and unit of each variable of the equation used for explaining the model selection step (S10) are as follows.

FI : 유입 유량 [m3/hr]F I : Inlet flow [m 3 / hr]

VR : 예측용 이온교환탑에 충전된 이온교환수지의 부피 [L] V R : Volume [L] of the ion exchange resin filled in the ion exchange column for prediction.

Qe : 이온교환수지의 제조시 초기 이온교환능력 [g-CaCO3/L-resin]Q e : Initial ion exchange capacity [g-CaCO 3 / L-resin]

Qt : t 시간 경과 후 누적 이온교환량, 또는 파과시간 to 에 도달하는 동안 누적된 이온교환량을 나타내는 실제 이온교환능력 [g-CaCO3/L-resin]Q t: t hours after the accumulated amount of ion-exchanged water, or the breakthrough time t o the actual ion exchange capacity showing the accumulated amount of ion-exchanged water for reaching the [g-CaCO 3 / L- resin]

X : 유입수 이온량 [g-CaCO3/m3]X: influent ion amount [g-CaCO 3 / m 3 ]

SV : 이온교환수지 공간속도 [hr-1]SV: Ion exchange resin space velocity [hr -1 ]

to : 파과시간 [hr]t o : Breaking time [hr]

to,exp : 계측기를 이용하여 검출한 실측 파과시간 [hr]t o, exp : the actual breakthrough time [hr]

to,cal : 예비 모델를 이용하여 산출한 산정 파과시간 [hr]t o, cal : Estimated wave time [hr]

상기한 변수 중에 SV는 이온교환수지 부피당 유입 유량으로서, 통상적으로 사용하는 이온교환수지 부피의 단위 [L]를 감안하여 아래의 수학식1로 정의한다.SV is the flow rate per volume of the ion exchange resin, and is defined by the following equation 1 in consideration of the unit [L] of the ion exchange resin volume which is usually used.

Figure pat00006
Figure pat00006

<모델 선정단계(S10)>&Lt; Model selection step (S10) >

먼저, 모델 선정단계(S10)에 대해 설명한다.First, the model selection step (S10) will be described.

파과 데이터 축적부(31)는 예측용 이온교환탑(10, 20)에 설치한 유량조절기(12)로 유입 유량 FI 을 가변할 시에 나타나는 유입 유량 FI 값별 실측 파과시간 to,exp 을 수집한다(데이터 축적단계, S11). 아래의 수학식7을 참조하면, N회 유입 유량 FI 을 가변하여 N개의 실측 파과시간 to,exp 을 수집한다.The breaking data storage unit 31 stores the actual breakthrough times t o and exp of the influent flow rate F I that appear when the inflow flow rate F I is varied by the flow rate regulator 12 provided in the ion exchange towers 10 and 20 (Data accumulation step, S11). Referring to Equation (7) below, the N influent influx flow F I is varied to collect N actual expired t o, exp .

여기서, 실측 파과시간 to,exp 은 예측용 이온교환탑(10, 20)에서 배출되는 유출수에 대해 잔류 이온 농도를 계측기(11, 21)로 검출하여서, 잔류 이온 농도가 설정치를 초과할 때까지의 경과 시간으로 획득한다. 이에, 서로 다른 유량 FI 에 대해 실측 파과시간 to,exp 을 얻게 된다.Here, the actual breakthrough time t o, exp is the time at which the residual ion concentration of the effluent discharged from the ion exchange columns 10, 20 for prediction is detected by the meters 11, 21 until the residual ion concentration exceeds the set value As the elapsed time. Thus, the actual breakthrough time t o, exp is obtained for different flow rates F I.

그리고, 각각의 실측 파과시간 to,exp 에 대한 실제 이온교환능력을 아래의 수학식2를 이용하여 산정한다.Then, the actual ion exchange capacity for each of the actual breakthrough times t o, exp is calculated using the following equation (2).

Figure pat00007
Figure pat00007

상기 수학식2는 경과 시간 동안 통과한 유입수의 이온을 전량 흡착한다고 가정한 식으로서, 시간 t 에 실측 파과시간 to,exp 을 대입하여 파과시간에 도달할 때까지 누적된 이온교환량을 의미하는 실제 이온교환능력을 얻을 수 있다.Equation (2) assumes that the total amount of ions of the influent passing through the elapsed time is adsorbed , and means the amount of ion exchange accumulated until the breakthrough time is reached by substituting the actual breakthrough time t o, exp at time t The actual ion exchange capacity can be obtained.

여기서, 유입수 이온량 X 는 실공정 장치(A)를 운용함에 있어서, 일정 주기로 유입수를 채수하여 분석하므로, 채수한 유입수에 대한 분석 결과를 입력하면 된다. 이온교환수지의 부피 VR 은 예측용 이온교환탑(10, 20)을 구성할 시에 내부에 충전한 이온교환수지 부피가 되므로, 고정된 일정한 값을 갖게 된다. 즉, 유입수 이온량 X 및 이온교환수지의 부피 VR 는 이미 알려진 값으로 취급한다.Herein, the influent water ion amount X is obtained by analyzing the inflow water at regular intervals in operating the actual processing apparatus (A), and the analysis result of the inflow water collected may be inputted. Since the volume V R of the ion exchange resin becomes a volume of the ion exchange resin charged inside the ion exchange columns 10 and 20 for prediction, it has a fixed fixed value. That is, the influent ion amount X and the volume V R of the ion exchange resin are treated as known values.

이에, 상기 수학식1에 의하면, 유입 유량 FI 및 실측 파과시간 to,exp 을 대입함으로써, 단위 이온교환수지 부피당 실제 이온교환능력 Qt 를 획득할 수 있다.Thus, according to Equation (1), the actual ion exchange capacity Q t per unit ion exchange resin volume can be obtained by substituting the influent flow rate F I and the actual breakthrough time t o, exp .

한편, 실공정 장치(A)를 운용함에 있어서, 실무적으로는 유입 유량 보다는 공간속도 SV를 사용하므로, 공간속도 SV에 따른 파과시간 데이터를 수집하여도 좋다.On the other hand, in actual operation of the actual processing apparatus A, since the spatial velocity SV is used rather than the inflow flow rate, breakdown time data according to the spatial velocity SV may be collected.

다음으로, 최적 모델 선정부(32)는 서로 다른 값의 유입 유량 FI 별로 획득한 실측 파과시간 to,exp 및 각 실측 파과시간에 대응되는 실제 이온교환능력 Qt 를 적용하여, 파과시간과 이온교환능력 사이의 상관관계를 누적 이온교환량의 경시 변화를 나타내는 복수의 예비 모델로 모델링하여 각각의 예비 모델을 완성한 후(복수 예비 모델 완성단계, S12), 각각의 예비 모델에 대한 모델링 오차를 산정하여(모델링 오차 산정단계, S13), 모델링 오차가 최소인 예비 모델을 최적 모델로 선정한다(최적 모델 선정단계, S14).Next, the optimum model selection unit 32 applies actual ion exchange capacity Q t corresponding to the actual breakthrough time t o, exp and the actual breakup time acquired for the different influent flow rates F I , Ion exchange capacity is modeled into a plurality of preliminary models showing changes with time of cumulative ion exchange amount to complete respective preliminary models (a plurality of preliminary model completion steps, S12), and then a modeling error for each preliminary model is calculated (Modeling error calculation step, S13), and a preliminary model with a minimum modeling error is selected as an optimum model (optimum model selection step, S14).

복수의 예비 모델은 이온교환수지의 누적 이온교환량에 대한 경시 변화를 모델링하기 위한 예비 모델로서 복수개로 미리 설정하여 두며, 본 발명의 실시예에서는 일차반응속도모델(first order kinetic model)로부터 얻는 제1 예비 모델(하기의 수학식4)과 이차반응속도모델(second order kinetic model)로부터 얻는 제2 예비 모델(하기의 수학식6)로 미리 설정하여 둔다.A plurality of preliminary models are preset as a plurality of preliminary models for modeling the change with time of cumulative ion exchange amount of the ion exchange resin. In the embodiment of the present invention, the preliminary model is a preliminary model obtained from a first order kinetic model Is set in advance by a preliminary model (Equation 4 below) and a second preliminary model (Equation 6 below) obtained from a second order kinetic model.

일차반응속도모델(first order kinetic model)은 누적 이온교환량 Qt 의 미분식으로서 아래의 수학식3으로 표현되며, t=0일 때의 누적 이온교환량 Qt 은 0으로 간주하고 적분하여 아래의 수학식4로 표현되는 제1 예비 모델을 얻었다.The first order kinetic model is a finite number of cumulative ion exchange quantities Q t , expressed as Equation (3) below, assuming that the cumulative ion exchange capacity Q t at t = 0 is 0, The first preliminary model expressed by the following equation (4) was obtained.

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, 초기 이온교환능력 Qe 는 이온교환수지의 제조사에서 제공하는 값으로서 정해진 값이 되고, k1 는 일차반응속도모델의 반응속도 상수로서 [hr-1]단위를 갖는다. 수치 2.303은

Figure pat00010
의 근사값으로서, 근사값 대신에
Figure pat00011
을 적용하여도 좋다.Here, the initial ion exchange capacity Q e is a value provided by the manufacturer of the ion exchange resin, and k 1 is the reaction rate constant of the primary reaction rate model [hr -1 ]. The figure 2.303
Figure pat00010
Instead of the approximate value
Figure pat00011
May be applied.

이에, 제1 예비 모델에 따르면, 파과시간을 t에 대입하고 파과시간에 도달할 때까지의 누적 이온교환량을 나타내는 이온교환능력을 Qt 에 대입하여 반응속도 상수 k1 를 산정하면, 모델링이 완성된다.Thus, according to the first preliminary model, when the breakthrough time is substituted into t and the ion exchange capacity representing the cumulative ion exchange capacity until reaching the breakthrough time is substituted into Q t , the reaction rate constant k 1 is calculated. Is completed.

이차반응속도모델(second order kinetic model)도 누적 이온교환량 Qt 의 미분식으로서 아래의 수학식5로 표현되며, t=0일 때의 누적 이온교환량 Qt 은 0으로 간주하고 적분하여 아래의 수학식6으로 표현되는 제2 예비 모델을 얻었다.The second order kinetic model is also a sub- equation of the cumulative ion exchange capacity Q t , expressed as Equation 5 below, assuming that the cumulative ion exchange capacity Q t at t = 0 is 0, A second preliminary model expressed by the following equation (6) was obtained.

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

여기서도, 초기 이온교환능력 Qe 는 정해진 값이고, k2 는 이차반응속도모델(second order kinetic model)에서의 반응속도 상수로서 [L·g-1·hr-1] 단위이다.Here too, the initial ion exchange capacity Q e is a predetermined value, and k 2 is the reaction rate constant in the second order kinetic model [L · g -1 · hr -1 ].

이에, 제2 예비 모델에서, 파과시간을 t에 대입하고 이온교환능력을 Qt 에 대입하여 반응속도 상수 k2 를 산정하면, 모델링이 완성된다.Thus, in the second preliminary model, modeling is completed when the breakthrough time is substituted into t and the ion exchange capacity is substituted into Q t to calculate the reaction rate constant k 2 .

최적 모델 선정부(32)는 파과 데이터 축적부(31)에 축적된 유입 유량별 실측 파과시간 to,exp 와 실제 이온교환능력 Qt 사이의 상관관계를 제1 모델(수학식 4)로 근사화 모델링하도록 제1 모델의 반응속도 상수 k1 을 정한다.The optimal model selection unit 32 approximates the correlation between the actual wave breakdown time t o, exp and the actual ion exchange capacity Q t for each inflow flow rate stored in the wave breaking data accumulating unit 31 by using the first model (Equation 4) The reaction rate constant k 1 of the first model is determined to be modeled.

마찬가지로, 유입 유량별 실측 파과시간 to,exp 와 실제 이온교환능력 Qt 사이의 상관관계를 제2 모델(수학식 6)로 근사화 모델링하도록 제2 모델의 반응속도 상수 k2 을 정한다.Similarly, the reaction rate constant k 2 of the second model is determined so as to approximate the correlation between the actual breakup time t o, exp and the actual ion exchange capacity Q t by the influent flow rate, by using the second model (Equation (6)).

다음으로, 최적 모델 선정부(32)는 제1 모델에 대한 모델링오차와 제2 모델에 대한 모델링오차를 아래의 수학식7로 산정한다(모델링 오차 산정단계, S13).Next, the optimal model selection unit 32 calculates a modeling error for the first model and a modeling error for the second model using the following equation (7) (modeling error calculation step, S13).

Figure pat00014
Figure pat00014

수학식7에 의하면, 계측기를 이용하여 검출한 실측 파과시간 to,exp 과, 반응속도 상수를 정한 예비 모델에 실제 이온교환능력 Qt 를 대입하여 얻는 산정 파과시간 to,cal 사이의 SSE(sum of squares eorror)를 모델링 오차로 한다. According to Equation (7), the actual wave breaking time t o, exp detected using a meter, and the SSE obtained between the calculated wave time t o and cal obtained by substituting the actual ion exchange capability Q t into the preliminary model defining the reaction rate constant sum of squares error) as the modeling error.

다음으로, 최적 모델 선정부(32)는 복수의 예비 모델(제1 모델 수학식4, 제2 모델 수학식6) 중에 상대적으로 최소 SSE를 갖는 모델을 최적 모델로 선정한다.Next, the optimal model selection unit 32 selects a model having the minimum SSE among the plurality of spare models (the first model equation 4 and the second model equation 6) as the optimum model.

이와 같이, 복수의 예비 모델인 제1 모델(수학식4)과 제2 모델(수학식6) 중에 파과시간에 대한 SSE를 산정하여 선정한 최적 모델은 선정되지 않은 모델에 비해 실측 파과시간과 실제 이온교환능력 사이의 상관관계를 상대적으로 정확하게 반영한다.As described above, the optimal model selected by calculating the SSE for the breakthrough time among the plurality of preliminary models (Equation 4) and the second model (Equation 6) And reflects the correlation between exchange capabilities relatively accurately.

다음으로, 파과점 예측 모델 선정부(33)는 최적 모델에서 누적 이온교환량을 나타내는 변수 Qt 를 상기 수학식 2 누적 이온교환량 산정식으로 치환 적용하여 파과시간 to 을 산정하기 위한 파과점 예측 모델을 선정한다(파과점 예측 모델 선정단계, S15). Next, the break-even point prediction model selection unit 33 calculates a breaking point prediction model to calculate the break-through time t o by substituting the variable Q t representing the cumulative ion exchange capacity in the optimum model with the cumulative ion- A prediction model is selected (P15, P15).

즉, 파과점 예측 모델은 수학식2를 파과시간 to 에 도달하는 동안의 누적 이온교환량(즉, 이온교환능력)을 산정하는 식(t에 to 를 대입한 식)으로 표현한 후, 최적 모델에 대입하여 누적 이온교환량(즉, 이온교환능력)이 제거된 파과시간 to 의 산정식으로 정리한 것으로서, 본 발명의 실시예에 적용한 상기 제1 모델(수학식4)과 제2 모델(수학식6)에 대해 각각 다음과 같이 표현된다.That is, the break-through point prediction model is then expressed as cumulative ion exchange amount (i.e., the ion exchange capacity) (the expression substituted for t o to t) equation for estimating for reaching the equation (2) the breakthrough time t o, the best (4) and the second model (4) applied to the embodiment of the present invention, which are obtained by summarizing the breakthrough time t o in which cumulative ion exchange capacity (i.e., ion exchange ability) (Equation 6), respectively.

제1 모델(수학식4)이 최적 모델로 선정되는 파과점 예측 모델은 아래의 수학식8로 표현된다.The break point prediction model in which the first model (equation (4)) is selected as the optimal model is expressed by the following equation (8).

Figure pat00015
Figure pat00015

수학식8을 살펴보면, 파과시간 to 가 양변에 존재하는 것으로 표현되었으나, 초기 이온교환능력 Qe , 공간속도 SV , 유입수 이온량 X 및 반응속도 상수 k1 이 정해지면, 일반적으로 알려진 해를 구하는 방법을 적용하여 파과시간 to 의 값을 구할 수 있게 된다.Looking at equation (8), breakthrough time t o has been represented as being on both sides, the initial ion-exchange capacity Q e, the space velocity SV, the influent ion amount X and the rate constant k 1 when determined, to obtain a solution, commonly known as The value of the break-through time t o can be obtained.

제2 모델(수학식6)이 최적 모델로 선정되는 파과점 예측 모델은 아래의 수학식9로 표현된다.The break point prediction model in which the second model (Equation (6)) is selected as the optimal model is expressed by Equation (9) below.

Figure pat00016
Figure pat00016

상기 수학식9를 살펴보면, 초기 이온교환능력 Qe , 공간속도 SV , 유입수 이온량 X 및 반응속도 상수 k2 이 정해지면, 정해진 값을 우변에 대입하여 바로 얻을 수 있다.If the initial ion exchange capacity Q e , the space velocity SV, the influent water ion amount X, and the reaction rate constant k 2 are determined, the predetermined value can be directly obtained by substituting the predetermined value into the right side.

예비 모델별로 정의한 파과점 예측 모델(수학식 8, 9)을 살펴보면, 초기 이온교환능력 Qe 은 이온교환탑에 충전한 이온교환수지에 따라 정해지는 고유의 값이고, 반응속도 상수 k1 및 k2 는 모델링 과정에서 결정되는 값이므로, 이온교환 공정의 상황에 따라 변동하는 이온교환수지 공간속도 SV 와 유입수 이온량 X를 대입하면 파과시간 to 의 예측값을 얻을 수 있다.(8) and (9), the initial ion exchange capacity Q e is an inherent value determined according to the ion exchange resin filled in the ion exchange column, and the reaction rate constants k 1 and k 2 is a value determined in the modeling process. Therefore, when the ion exchange resin spatial velocity SV and the influent water ion amount X vary depending on the state of the ion exchange process, a predicted value of the breakthrough time t o can be obtained.

그런데, 파과점 예측 모델(수학식 8, 9)은 예측용 이온교환탑(10, 20)을 통해 선정하는 모델이지만, 이온교환수지의 단위 부피에 대한 특성을 반영하여 유도한 식이므로, 충전한 이온교환수지의 부피가 다른 실공정 이온교환탑(1, 2)에도 적용할 수 있다.However, since the breaking point prediction models (equations (8) and (9)) are models that are selected through the ion exchange columns 10 and 20 for prediction, they are derived by reflecting the characteristics of the unit volume of the ion exchange resin, The present invention is also applicable to the ion exchange columns 1 and 2 in the process chamber in which the volume of the exchange resin is different.

즉, 예측용 이온교환탑(10, 20)과 실공정 이온교환탑(1, 2) 사이에는 이온교환수지 공간속도 SV만 차이 나고, 동일한 이온교환수지를 사용하고 유입수 이온량 X도 동일하므로, 실공정 이온교환탑(1, 2)의 SV를 대입하여 실공정 이온교환탑(1, 2)의 파과시간을 산정할 수 있다. That is, since only the ion exchange resin space velocity SV is different between the prediction ion exchange columns 10 and 20 and the actual process ion exchange columns 1 and 2, and the same ion exchange resin is used and the influent water ion amount X is also the same, The breakthrough time of the ion exchange columns 1 and 2 in the actual process can be calculated by substituting the SV of the process ion exchange columns 1 and 2.

<운용단계(S20)>&Lt; Operation step (S20) >

운용부(34)는 모델 선정단계(S10)에서 선정한 파과점 예측 모델을 이용하여 실공정 이온교환탑(1,2)에 대한 파과시간을 산정하고, 파과시간에 따른 운영시간을 결정하며, 이때 결정한 운영시간에 따른 재생 시점에 맞춰 실공정 이온교환탑(1,2)에 대해 재생처리하도록 재생기(4)를 제어한다(운용단계, S20). The operation unit 34 calculates the breakout time for the actual process ion exchange towers 1 and 2 using the breaking point prediction model selected in the model selection step S10 and determines the operation time according to the breakout time, And controls the regenerator 4 to regenerate the actual process ion exchange towers 1 and 2 in accordance with the regeneration time according to the determined operating time (operation step S20).

운용단계(S20)에 있어서, 파과점 예측 모델에 대입하는 이온교환수지 공간속도 SV는 실공정 이온교환탑(1, 2)에 대한 값이 되며, 수학식1에 의해

Figure pat00017
으로 산정되는 값이므로, 실공정 이온교환탑(1,2)에 유입되는 유입수의 유입 유량 FI 에 따라 정해진다.In the operation step S20, the ion exchange resin space velocity SV assigned to the breakthrough point prediction model is a value for the actual process ion exchange columns 1 and 2,
Figure pat00017
, It is determined according to the influent flow rate F I of the inflow water flowing into the actual process ion exchange columns 1 and 2.

또한, 실공정 이온교환탑(1, 2)의 운용 과정에서 측정한 유입수 이온량 X이 변경되는 경우, 그 변경된 유입수 이온량 X를 파과점 예측 모델에 반영한다.In addition, when the influent water ion amount X measured in the course of operation of the actual process ion exchange towers 1 and 2 is changed, the changed influent water ion amount X is reflected in the break point prediction model.

그런데, 수학식3 및 수학식5 중에 어느 모델이 적용되든지 간에 누적 이온교환량의 경시 변화 패턴은 유입수의 수질, 이온교환수지의 공간속도 SV 또는 반복 재생에 따른 이온교환수지의 상태 변화에 의해서 달라질 수 있다. 즉, 모델링 오차를 최소화하기 위한 반응속도 상수는 수질, 공간속도 SV 또는 이온교환수지 상태에 따라 달라질 수 있다.Regardless of which of the equations (3) and (5) is applied, the aging pattern of cumulative ion exchange capacity varies depending on the water quality of the influent water, the space velocity SV of the ion exchange resin, or the state change of the ion exchange resin due to repeated regeneration . That is, the reaction rate constant for minimizing the modeling error may vary depending on the water quality, the space velocity SV, or the state of the ion exchange resin.

이에, 운용부(34)에 의해 수행되는 운용단계(S20)는 상황 변화에 적응하여 파과점 예측 모델을 업데이트한다.Accordingly, the operation step (S20) performed by the operation unit (34) updates the break point prediction model in accordance with the change in the situation.

도 4에 도시한 파과점 예측 모델의 업데이트 과정에 따르면, 예측용 이온교환탑의 이온교환수지 공간속도 SV를 파과점 예측 모델에 적용하여 예측용 이온교환탑의 파과시간을 예측하고(S21), 예측용 이온교환탑에서 계측기를 통해 실제로 검출되는 파과시간을 실측하여(S22), 예측한 파과시간과 실측한 파과시간을 상호 대조하여 오차가 미리 설정한 오차를 초과할 시에(S23), 파과점 예측 모델을 업데이트한다(S24, S25, S26).According to the updating process of the break point prediction model shown in FIG. 4, the ion exchange resin spatial velocity SV of the ion exchange tower for prediction is applied to the break point prediction model to predict the breakthrough time of the ion exchange tower for prediction (S21) (S22). When the estimated breakout time is compared with the actual breakup time and the error exceeds a preset error (S23), the breakout time is compared with the breakout time The point prediction model is updated (S24, S25, S26).

파과점 예측 모델의 업데이트는 예측용 이온교환탑(10, 20)에 대해 서로 다른 유입 유량 값별 실측 파과시간과 각각의 파과시간에 대한 실제 이온교환능력을 획득하는 단계(S24), 모델 선정단계(S10)에서 선정한 최적 모델에 실측 파과시간과 실제 이온교환능력을 적용하여 최적 모델을 업데이트하는 단계(S25), 및 업데이트에 따라 변경되는 반응속도 상수를 적용하여 파과점 예측 모델을 수정하는 단계(S26)의 순서로 이루어진다.Updating of the breakthrough point prediction model may include obtaining actual ion exchange capacity for each breakthrough time (S24), actual wave breakage time (S24) for each of the different influent flow values for the ion exchange towers (10, 20) (Step S25) of applying the actual break-even time and the actual ion-exchange capacity to the optimal model selected in step S10), and modifying the break point prediction model by applying the reaction rate constant changed in accordance with the update ).

다른 실시예로서, 복수의 예비 모델 중에 선정하는 최적 모델도 변경될 수 있음을 반영하기 위해서, 운용단계(S20)는 실측 파과시간과 예측 파과시간 사이의 오차가 미리 설정된 오차를 초과하는 경우, 상기 모델 선정단계(S10)로 돌아가 최적 모델을 선정한 후 대응되는 파과점 예측 모델을 수정하여도 좋다.In another embodiment, in order to reflect that the optimum model to be selected among a plurality of preliminary models can be changed, the operation step S20 is a step of, when the error between the actual wave break time and the predicted wave time exceeds a predetermined error, It may be returned to the model selection step S10 to select the optimum model and then modify the corresponding break point prediction model.

또다른 실시예로서, 실측 파과시간 및 누적 이온교환량(실제 이온교환능력)을 주기적으로 획득하여 최적 모델을 선정 또는 업데이트하고, 최적 모델에 대응되는 파과점 예측 모델을 수정하는 방법을 적용할 수도 있다.As another embodiment, it is also possible to apply a method of periodically acquiring the actual breakthrough time and the cumulative ion exchange capacity (actual ion exchange capacity) to select or update the optimal model and modify the break point prediction model corresponding to the optimal model have.

한편, 실공정 이온교환탑이 양이온교환수지와 음이온교환수지를 하나의 이온교환탑에 충전한 혼상식 또는 복층식이라면, 예측용 이온교환탑(10, 20)을 하나의 이온교환탑으로 구성하여도 좋다.On the other hand, if the actual process ion exchange column is a mixed-phase or multi-bed process in which a cation exchange resin and an anion exchange resin are packed in one ion exchange column, the ion exchange columns 10 and 20 for prediction are constituted by one ion exchange column It is also good.

<구체적인 실시예><Specific Example>

실공정 이온교환탑(1, 2) 및 예측용 이온교환탑(10, 20)에 대해 각각 서로 다른 값의 이온교환수지 공간속도 SV(또는 유입 유량 FI )에 따라 발생하는 파과시간을 실측하여서, 예측용 이온교환탑(10, 20)을 이용하여 선정하는 파과점 예측 모델을 검증하였다.The breakthrough time occurring in accordance with the ion exchange resin space velocity SV (or the inflow flow rate F I ) of different values for the actual process ion exchange columns 1 and 2 and the predictive ion exchange columns 10 and 20 is measured , And the breakthrough point prediction model to be selected using the ion exchange towers (10, 20) for prediction.

유입수를 취수하여 분석한 이온농도는 아래의 표1에 정리하였고, 실공정 이온교환탑(1, 2) 및 예측용 이온교환탑(10, 20)에 충전한 이온교환수지의 부피와 초기 이온교환능력 Qe 는 아래의 표2에 정리하였다. 예측용 이온교환탑(10, 20)은 이온교환수지를 6L 와 8L 충전한 2가지 종류를 사용하여 검증하였다.The ion concentrations analyzed by taking in the influent water are summarized in Table 1 below, and the volume of the ion exchange resin filled in the ion exchange columns 1 and 2 and the ion exchange towers 10 and 20 for prediction and the initial ion exchange The ability Q e is summarized in Table 2 below. Prediction ion exchange columns 10 and 20 were verified using two kinds of ion exchange resin packed with 6 L and 8 L.

유입수 양이온량 [g-CaCO3/m3]Amount of influent cation [g-CaCO 3 / m 3 ] 유입수 음이온량 [g-CaCO3/m3]Amount of influent anion [g-CaCO 3 / m 3 ] Ca+ 2 = 35.00
Mg+ 2 = 7.50
Na+ , K+ = 14.59
Ca + 2 = 35.00
Mg + 2 = 7.50
Na + , K & lt ; + & gt ; = 14.59
HCO3 - = 5.93
Cl- = 14.67
SO4 - 2 = 10.63
NO3 - = 03.87
HCO 3 - = 5.93
Cl - = 14.67
SO 4 - 2 = 10.63
NO 3 - = 03.87
Total = 57.09Total = 57.09 Total = 35.10Total = 35.10

교환탑 구분Exchange tower classification 이온교환수지 부피
(VR)
[L]
Ion exchange resin volume
(V R )
[L]
초기 이온교환능력
(Qe)
[g-CaCO3/L-resin]
Initial ion exchange capacity
(Q e )
[g-CaCO 3 / L- resin]
유입수 이온량
(X)
[g-CaCO3/m3]
Influent ion amount
(X)
[g-CaCO 3 / m 3 ]


양이온
교환탑


Cation
Exchange tower
실공정
양이온교환탑(1)
Actual process
Cationic exchange towers (1)
125125

100


100


57.09


57.09
제1 예측용
양이온교환탑(10)
For the first prediction
The cation exchange column (10)
88
제2 예측용
양이온교환탑(10)
For the second prediction
The cation exchange column (10)
66


음이온
교환탑


Anion
Exchange tower
실공정
음이온교환탑(2)
Actual process
Anion-exchange tower (2)
200200

65


65


35.10


35.10
제1 예측용
음이온교환탑(20)
For the first prediction
Anion exchange column (20)
88
제2 예측용
음이온교환탑(20)
For the second prediction
Anion exchange column (20)
66

유입 유량을 가변하여 여러 운영조건에 대한 결과를 얻었으며, 유입 유량별로 나타나는 실측 파과시간과, 실측 파과시간을 수학식2에 대입하여 산정한 실제 이온교환능력은 양이온교환탑에 대한 표3과 음이온교환탑에 대한 표4에 정리하였다.The actual ion exchange capacity calculated by substituting the actual breakthrough time and the actual breakthrough time for each influent flow into the equation 2 is shown in Table 3 for the cation exchange column, Table 4 shows the exchange tower.

교환탑 구분Exchange tower classification 실제 이온교환능력
(Qt)
[g-CaCO3/L-resin]
Actual ion exchange capacity
(Q t )
[g-CaCO 3 / L- resin]
유입 유량
(FI)
[m3/hr]
Influent flow
(F I )
[m 3 / hr]
파과시간
(to)
[hr]
Break-out time
(t o )
[hr]
공간속도
(SV)
[hr-1]
Space velocity
(SV)
[hr -1 ]




양이온
교환탑






Cation
Exchange tower


실공정
양이온교환탑
125 [L]
Actual process
Cation exchange tower
125 [L]
69.8669.86 1.901.90 76.876.8 15.215.2
63.6363.63 2.142.14 63.163.1 17.117.1 59.2159.21 2.192.19 59.259.2 17.517.5 50.4750.47 2.502.50 44.244.2 2020 제1 예측용
양이온교환탑
8 [L]
For the first prediction
Cation exchange tower
8 [L]
59.3259.32 0.080.08 103.9103.9 1010
60.8060.80 0.100.10 85.285.2 12.512.5 59.3559.35 0.120.12 69.369.3 1515 53.4453.44 0.160.16 46.846.8 2020 제2 예측용
양이온교환탑
6 [L]
For the second prediction
Cation exchange tower
6 [L]
62.0062.00 0.060.06 108.6108.6 1010
58.2358.23 0.0750.075 81.681.6 12.512.5 55.0655.06 0.090.09 64.364.3 1515 55.1555.15 0.1050.105 55.255.2 17.517.5 55.3855.38 0.120.12 48.548.5 2020

교환탑 구분Exchange tower classification 실제 이온교환능력
(Qt)
[g-CaCO3/L-resin]
Actual ion exchange capacity
(Q t )
[g-CaCO 3 / L- resin]
유입 유량
(FI)
[m3/hr]
Influent flow
(F I )
[m 3 / hr]
파과시간
(to)
[hr]
Break-out time
(t o )
[hr]
공간속도
(SV)
[hr-1]
Space velocity
(SV)
[hr -1 ]




음이온
교환탑




Anion
Exchange tower
실공정
음이온교환탑
200 [L]
Actual process
Anion exchange tower
200 [L]
40.4540.45 1.821.82 152.4152.4 9.19.1
38.7338.73 2.002.00 132.8132.8 1010 35.3835.38 2.402.40 101.1101.1 1212 제1 예측용
음이온교환탑
8 [L]
For the first prediction
Anion exchange tower
8 [L]
35.6735.67 0.080.08 122.3122.3 1010
35.5835.58 0.100.10 97.697.6 12.512.5 29.3129.31 0.120.12 67.067.0 1515 29.5129.51 0.160.16 50.650.6 2020 제2 예측용
음이온교환탑
6 [L]
For the second prediction
Anion exchange tower
6 [L]
33.6633.66 0.060.06 115.4115.4 1010
33.6533.65 0.0750.075 92.392.3 12.512.5 31.5431.54 0.090.09 72.172.1 1515 32.2632.26 0.1050.105 63.263.2 17.517.5 32.3132.31 0.120.12 55.455.4 2020

표3의 운영조건으로 얻은 파과점 데이터에 근거하여 복수 예비 모델에 대해 각각 반응속도 상수를 산정하였고, 모델링 오차 SSE도 산정하여 비교하였으며, 양이온 교환탑에 대해서는 표5에 정리하였고, 음이온 교환탑에 대해서는 표6에 정리하였다.Based on the breakdown point data obtained under the operating conditions in Table 3, the reaction rate constants were calculated for the multiple preliminary models, and the modeling error SSE was also calculated. The cation exchange towers were summarized in Table 5, Table 6 summarizes the results.

교환탑 구분Exchange tower classification first order kinetic modelfirst order kinetic model second order kinetic modelsecond order kinetic model 반응속도 상수
k1
[hr-1]
Reaction rate constant
k 1
[hr -1 ]
모델링 오차
SSE
[%]
Modeling error
SSE
[%]
반응속도 상수
k2
[L·g-1·hr-1
Reaction rate constant
k 2
[L · g -1 · hr -1
모델링 오차
SSE
[%]
Modeling error
SSE
[%]



양이온
교환탑



Cation
Exchange tower
실공정
양이온교환탑
125 [L]
Actual process
Cation exchange tower
125 [L]
1.47 x 10-2 1.47 x 10 -2 3.593.59 2.31 x 10-4 2.31 x 10 -4 0.940.94
제1 예측용
양이온교환탑
8 [L]
For the first prediction
Cation exchange tower
8 [L]
1.22 x 10-2 1.22 x 10 -2 21.8221.82 1.95 x 10-4 1.95 x 10 -4 11.5711.57
제1 예측용
양이온교환탑
6 [L]
For the first prediction
Cation exchange tower
6 [L]
1.26 x 10-2 1.26 x 10 -2 17.2617.26 1.98 x 10-4 1.98 x 10 -4 9.889.88
예측용 평균Forecasted average 1.24 x 10-2 1.24 x 10 -2 1.96 x 10-4 1.96 x 10 -4

교환탑 구분Exchange tower classification first order kinetic modelfirst order kinetic model second order kinetic modelsecond order kinetic model 반응속도 상수
k1
[hr-1]
Reaction rate constant
k 1
[hr -1 ]
모델링 오차
SSE
[%]
Modeling error
SSE
[%]
반응속도 상수
k2
[L·g-1·hr-1
Reaction rate constant
k 2
[L · g -1 · hr -1
모델링 오차
SSE
[%]
Modeling error
SSE
[%]



음이온
교환탑



Anion
Exchange tower
실공정
음이온교환탑
200 [L]
Actual process
Anion exchange tower
200 [L]
9.70 x 10-3 9.70 x 10 -3 7.767.76 2.95 x 10-4 2.95 x 10 -4 0.870.87
제1 예측용
음이온교환탑
8 [L]
For the first prediction
Anion exchange tower
8 [L]
1.18 x 10-2 1.18 x 10 -2 22.6822.68 2.97 x 10-4 2.97 x 10 -4 7.787.78
제1 예측용
음이온교환탑
6 [L]
For the first prediction
Anion exchange tower
6 [L]
1.24 x 10-2 1.24 x 10 -2 19.8519.85 3.14 x 10-4 3.14 x 10 -4 11.5311.53
예측용 평균Forecasted average 1.21 x 10-2 1.21 x 10 -2 3.06 x 10-4 3.06 x 10 -4

표5 및 표6의 결과에 따르면 예측용 양이온교환탑과 예측용 음이온교환탑 모두 이차반응속도모델(second order kinetic model)로 얻는 제2 모델이 일차반응속도모델(first order kinetic model)로 얻는 제1 모델에 비해 SSE가 작으므로 최적 모델로 선택되었다. 또한, 실공정 이온교환탑에 대해서도 동일한 모델이 최적 모델로 선택되었다.The results of Tables 5 and 6 show that the second model obtained by the second order kinetic model of both the predictive cation exchange column and the predictive anion exchange column is the one obtained by the first order kinetic model SSE is smaller than 1 model, so it is selected as the best model. The same model was selected as the optimum model for the actual process ion exchange column.

또한, 예측용 이온교환탑을 통해 산정한 반응속도 상수는 이온교환수지를 실공정 이온교환탑에 대해 매우 적게 충전하여 차이가 있는 것으로 나타나지만, 실공정 이온교환탑을 통해 산정한 반응속도 상수에 매우 근접함을 알 수 있고, 6L를 충전한 것과 8L를 충전한 것 사이의 차이는 미미하게 나타났다.In addition, the reaction rate constants estimated through the ion exchange column for prediction show that the ion exchange resin is charged very little in the actual process ion exchange column, but the reaction rate constant calculated through the ion exchange column in the actual process is very high And the difference between charging 6L and 8L was negligible.

유입 유량 별로 획득한 파과시간(또는 운영시간)에 따라 나타나는 최적 모델과 실측 데이터의 경향성을 비교한 결과, 도 5의 그래프를 얻었다.As a result of comparing the tendency of the measured data with the optimum model which is shown according to the break-through time (or operating time) acquired for each inflow flow rate, the graph of FIG. 5 was obtained.

도 5(a)는 양이온교환탑에 대한 것이고 도 5(b)는 음이온교환탑에 관한 것으로서, 도 5를 살펴보면, 예측용 이온교환탑을 통해 선정한 최적 모델로 산정되는 값은 실공정 이온교환탑을 통해 선정한 최적 모델로 산정되는 값 및 실측하여 얻은 값과 각각 유사한 상관성을 보였다. 5 (a) is for a cation exchange column, and FIG. 5 (b) is for an anion exchange column. Referring to FIG. 5, The results show that there is a similar correlation between the estimated values and the measured values.

이에, 예측용 이온교환탑에서 실측한 데이터에 근거하여 선정하는 최적 모델은 실공정 이온교환탑에서 실측한 데이터에 근거하여 선정하는 최적 모델에 매우 근접하고, 아울러, 실공정 이온교환탑에서 실측되는 데이터도 잘 반영함을 확인할 수 있다.Therefore, the optimum model to be selected on the basis of the data measured in the ion exchange column for prediction is very close to the optimum model to be selected based on the data measured in the actual process ion exchange column, and furthermore, It can be confirmed that the data also reflects well.

다음으로, 파과점 예측 모델에 대해 검증하였다.Next, the breakthrough point prediction model was verified.

도 6은 이온교환수지 공간속도에 따른 파과시간(또는 운영시간)의 변화를 보여주는 그래프로서, 실공정 이온교환탑에서 실측하여 최종 선정한 파과점 예측 모델로 얻는 파과시간 예측값과 예측용 이온교환탑에서 실측하여 최종 선정한 파과점 예측 모델로 얻는 파과시간 예측값이 표시되어 있다. FIG. 6 is a graph showing changes in the breakthrough time (or operating time) according to the ion exchange resin space velocity, and is a graph showing the breakthrough time predicted values obtained from the final break point prediction model measured in the actual process ion- And the breakthrough time predicted value obtained by the actually measured and finally selected breakthrough point prediction model are displayed.

도 6(a)의 그래프에 따르면 예측용 양이온교환탑을 통해 예측한 파과시간이 실공정 양이온교환탑을 통해 예측한 파과시간과 거의 일치한다. 또한, 도 6(b)의 그래프에 따르면 예측용 음이온교환탑을 통해 예측한 파과시간과 실공정 음이온교환탑을 통해 예측한 파과시간 사이의 차이는 존재하지만 그 차이는 매우 미미하다.According to the graph of FIG. 6 (a), the breakthrough time predicted through the cation exchange column for prediction almost coincides with the breakthrough time predicted through the actual process cation exchange column. Also, according to the graph of FIG. 6 (b), there is a difference between the breakthrough time predicted through the prediction anion exchange column and the breakthrough time predicted through the actual process anion exchange column, but the difference is very small.

다음으로, 예측용 이온교환탑을 통해 예측한 파과시간까지 실공정 이온교환탑을 운영하였을 시의 통수물량과, 실공정 이온교환탑을 실제 파과시간까지 운영하였을 시의 통수물량을 도 7의 그래프로 표시하였다. Next, the amount of water passing when the actual process ion exchange tower was operated up to the breakthrough time predicted through the ion exchange tower for prediction and the amount of water passing when the actual process ion exchange tower was operated until the actual breakup time is shown in the graph Respectively.

도 7(a)에 도시한 바와 같이 실공정 양이온교환탑을 예측용 양이온교환탑을 통해 예측한 파과시간까지 운영할 시의 통수물량은 실공정 양이온교환탑의 실제 가능한 통수물량과 비교한 결과, 예측한 파과시간의 오차에 비례하는 차이가 있지만, 실제 가능한 통수물량에 근접한 통수물량을 보인다.As shown in FIG. 7 (a), when the actual process cation exchange column was operated through the predictive cation exchange column to the breakthrough time, the amount of water flow was compared with the actual amount of water flow in the actual process cation exchange column, There is a difference proportional to the error of the predicted breakout time, but it shows the amount of water flow close to the actual possible water volume.

도 7(b)에 도시한 음이온교환탑의 통수물량 그래프에 따르면 실공정 음이온교환탑을 예측한 파과시간까지 운영할 시의 통수물량은 실공정 음이온교환탑을 실제로 나타나는 파과시간까지 운영할 시의 통수물량과 거의 일치함을 보인다.According to the graph of the anion exchange column shown in FIG. 7 (b), the amount of water passing through the anion exchange column when operating up to the break-through time predicted by the actual process anion exchange column, It shows almost the same amount of water.

도 5 내지 도 7을 참조하며 검증한 결과, 예측용 이온교환탑을 통해 선정한 최적 모델과 파과점 예측 모델은 실공정 이온교환탑을 매우 정확하게 모델링하고 파과시간도 매우 근접하게 예측할 수 있으므로, 예측용 이온교환탑을 통해 최적 모델과 파과점 예측 모델을 선정하여 실공정 이온교환탑에 대해 최적 운영시간 및 재생주기를 예측할 수 있다.As a result of the verification with reference to FIGS. 5 to 7, the optimal model and the breakthrough point prediction model selected through the ion exchange column for prediction can accurately model the actual process ion exchange column and predict the breakthrough time very closely, Optimum model and breakthrough point prediction model can be selected through the ion exchange column to predict the optimal operating time and regeneration cycle for the real process ion exchange column.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, . &Lt; / RTI &gt; Accordingly, such modifications are deemed to be within the scope of the present invention, and the scope of the present invention should be determined by the following claims.

A : 실공정 장치
1 : 실공정 양이온교환탑
2 : 실공정 음이온교환탑
3 : 실공정 탈탄산탑
4 : 재생기
5 : 처리수 탱크
6 : 폐액 탱크
B : 예측 장치
10 : 예측용 양이온교환탑
11 : 계측기(나트륨 계측기) 12 : 유량조절기
20 : 예측용 음이온교환탑
21 : 계측기(전기전도도 계측기) 22 : 유량조절기
30 : 연산 예측기
31 : 파과 데이터 축적부 32 : 최적 모델 선정부
33 : 파과점 예측 모델 선정부 34 : 운용부
A: Actual processing equipment
1: Silica cation exchange column
2: Real process anion exchange column
3: Silicone decarboxylate tower
4: Player
5: treated water tank
6: Waste liquid tank
B: prediction device
10: Cation exchange tower for prediction
11: Instrument (sodium meter) 12: Flow regulator
20: Prediction anion exchange column
21: instrument (electric conductivity meter) 22: flow regulator
30: operation predictor
31: Breaking data storing unit 32: Optimum model selection unit
33: Breaking point prediction model selection section 34: Operation section

Claims (8)

유입수의 이온을 이온교환하여 제거하는 실공정 이온교환탑의 이온교환수지와 동일한 이온교환수지를 내부에 충전한 예측용 이온교환탑을 실공정 이온교환탑에 병렬연결하여 실공정 이온교환탑의 이온교환수지에 대한 파과시점을 예측하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법에 있어서,
예측용 이온교환탑에 대해 서로 다른 유량 값별로 파과시간을 실측하고, 실측 파과시간에 도달할 때까지 누적되는 이온교환량인 실제 이온교환능력을 실측 파과시간별로 획득하여, 실측 파과시간과 실제 이온교환능력 사이의 상관관계를 복수의 예비 모델로 모델링한 후, 모델링 오차가 최소인 최적 모델에 대응되는 파과점 예측 모델을 선정하는 모델 선정단계(S10);
선정한 파과점 예측 모델을 적용하여 실공정 이온교환탑에 대한 파과시간을 예측하는 운용단계(S20);
를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법.
A process for removing ions from the influent water by ion exchange The ion exchange column for prediction, which is filled with the same ion exchange resin as the ion exchange resin of the ion exchange column, is connected in parallel to the actual process ion exchange column. In an ion exchange process breaking point prediction method for predicting a breakthrough point for an exchange resin,
For the ion exchange column for prediction, the breakthrough time was measured for different flow values, and the actual ion exchange capacity, which is the amount of ion exchange accumulated until reaching the actual breakthrough time, was obtained for each actual breakthrough time, A model selection step (S10) of modeling a correlation between the exchange capability and a plurality of preliminary models, and then selecting a breakpoint prediction model corresponding to an optimal model with a minimum modeling error;
An operating step (S20) of predicting a breakthrough time of a real process ion exchange column by applying a predetermined breaking point prediction model;
Wherein the ion-exchange process breakpoint prediction method comprises the steps of:
제 1항에 있어서,
상기 모델링 오차는 예비 모델에 실제 이온교환능력을 대입하여 얻는 시간인 산정 파과시간과, 실측하여 얻은 실측 파과시간 사이의 SSE(sum of squares eorror)로 산정함을 특징으로 하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the modeling error is calculated as a sum of squares error (SSE) between the calculated wave time and the actual wave time obtained by substituting the actual ion exchange capacity into the preliminary model, and the ion exchange process breakthrough point prediction Way.
제 1항에 있어서,
상기 복수의 예비 모델은 누적 이온교환량의 경시 변화를 나타내는 반응속도모델(kinetic model)로부터 얻는 모델이며,
상기 파과점 예측 모델은 최적 모델에서 누적 이온교환량을 나타내는 변수를 실제 이온교환능력의 산정식으로 치환하여 이온교환수지 공간속도 SV(SV=유입유량/이온교환수지 부피)와 유입수 이온량 X을 변수로 하는 파과시간 예측 모델임을 특징으로 하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법.
The method according to claim 1,
The plurality of preliminary models are models obtained from a kinetic model showing a change over time of the cumulative ion exchange capacity,
The breakthrough point prediction model is a model for estimating the ion exchange resin space velocity SV (SV = influent flow rate / ion exchange resin volume) and influent ion flow rate X by substituting the cumulative ion exchange capacity variable Wherein the model is a break-through time prediction model.
제 3항에 있어서,
상기 실제 이온교환능력의 산정식은
Figure pat00018
이며, 여기서, to 는 파과시간이고, Qt 는 파과시간에 도달할 때까지 누적된 이온교환량을 나타내는 이온교환능력이고, FI 는 [m3/hr] 단위의 유입유량이고, X 는 [g-CaCO3/m3]단위의 유입수 이온량이고, VR 은 예측용 이온교환탑에 충전한 이온교환수지의 [L] 단위 부피임을 특징으로 하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법.
The method of claim 3,
The equation for calculating the actual ion exchange capacity is
Figure pat00018
, Where t o is the breakthrough time, Q t is the ion exchange capacity representing the cumulative ion exchange capacity until the breakthrough time is reached, F I is the influent flow in [m 3 / hr] wherein the amount of influent water is in the range of [g-CaCO 3 / m 3 ], and V R is the unit volume of the ion exchange resin charged in the ion exchange column for prediction.
제 4항에 있어서,
상기 복수의 예비 모델은
일차반응속도모델(first order kinetic model)
Figure pat00019
로부터 얻는 제1 예비 모델
Figure pat00020
과,
이차반응속도모델(second order kinetic model)
Figure pat00021
로부터 얻는 제2 예비 모델
Figure pat00022
을 포함하며,
여기서, t 는 [hr]단위의 시간, Qt 는 t에서의 [g-CaCO3/L-resin]단위 누적 이온교환량, Qe 는 이온교환수지의 제조시 초기값으로서 [g-CaCO3/L-resin]단위의 초기이온교환능력, k1 및 k2 는 반응속도를 나타내는 상수이며,
실측 파과시간 및 실제 이온교환능력을 t 및 Qt 에 적용하여 반응속도 상수 k1 및 k2 를 산정함으로써 각각의 예비 모델을 완성함을 특징으로 하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법.
5. The method of claim 4,
The plurality of spare models
The first order kinetic model
Figure pat00019
The first preliminary model
Figure pat00020
and,
The second order kinetic model
Figure pat00021
The second preliminary model
Figure pat00022
/ RTI &gt;
Here, t is [hr] time units, Q t is [g-CaCO 3 / L- resin] units stacked in t ion exchange capacity, Q e is as an initial value in the production of ion-exchange resin [g-CaCO 3 / L-resin], k 1 and k 2 are constants representing the reaction rate,
Wherein the preliminary model is completed by calculating the reaction rate constants k 1 and k 2 by applying the actual breakthrough time and the actual ion exchange capacity to t and Q t .
제 1항에 있어서,
상기 운용단계(S20)는 예측용 이온교환탑에 대해 서로 다른 유량 값별 실측 파과시간과 각각의 파과시간에 대한 실제 이온교환능력을 주기적으로 획득하여, 최적 모델을 업데이트하고, 업데이트한 최적 모델로 파과점 예측 모델을 수정함을 특징으로 하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법.
The method according to claim 1,
The operation step (S20) periodically acquires the actual ion exchange capacity for each of the breakthrough times and the actual wave break time for different ion fluxes for the prediction ion exchange column, updates the optimal model, Wherein the point prediction model is modified.
제 1항에 있어서,
상기 운용단계는 파과점 예측 모델로 예측되는 예측용 이온교환탑의 파과시간과 예측용 이온교환탑에 대한 실측 파과시간을 상호 대조하여, 미리 설정한 오차를 초과할 시에,
예측용 이온교환탑에 대해 서로 다른 유량 값별 실측 파과시간과 각각의 파과시간에 대한 실제 이온교환능력을 획득하여, 최적 모델을 업데이트하고, 업데이트한 최적 모델로 파과점 예측 모델을 수정함을 특징으로 하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the operation step is a step of comparing the breakthrough time of the ion exchange tower for prediction predicted by the breakthrough point prediction model with the actual breakthrough time of the ion exchange tower for prediction,
And the actual ion exchange capacity for each breakthrough time is obtained for the ion exchange column for prediction, and the optimal model is updated, and the break point prediction model is updated with the updated optimal model A method for predicting a breakthrough point in an ion exchange process.
제 1항에 있어서,
상기 운용단계(S20)는 파과점 예측 모델로 예측되는 예측용 이온교환탑의 파과시간과 예측용 이온교환탑에 대한 실측 파과시간을 상호 대조하여, 미리 설정한 오차를 초과할 시에, 상기 모델 선정단계(S10)로 돌아가 최적 모델을 재선정하고 파과점 예측 모델을 선정함을 특징으로 하는 이온교환 공정 파과점 예측 방법.
The method according to claim 1,
The operation step S20 compares the breakthrough time of the ion exchange tower for prediction predicted by the breakthrough point prediction model with the actual breakthrough time of the ion exchanger for prediction, and when the predetermined error is exceeded, Returning to the selection step (S10), re-selecting the optimal model, and selecting a breakthrough point prediction model.
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