원통/튜브형 친유성 다공질 중공사막을 이용한 2-amino-2-methyl-1-propanol

수용액에 CO2 기체 흡수

손인조, 천양호, 박상욱

부산대학교 공과대학 화학공학과

Absorption of CO2 in 2-amino-2-methyl-1-propanol Aqueous Solution using Shell/Tube-Type Microporous Hydrophobic Hollow Fiber Membrane Module

InJoe Sohn, YangHo Cheon, SangWook Park

Department of Chemical Engineering, Pusan National University

서론

미세다공질의 막을 경계로 하여 양측을 각각 흐르는 혼합기체와 흡수액은 막의 세공끝지점(pore mouth)에서 접촉하여 기체의 분리 및 농축이 일어난다. 이와 같은 막분리공정은 재래적인 흡수공정에 비교하여 단위부피당 기-액 접촉면적을 증가시킬 수 있고, flooding, loading, weeping, foaming 현상에 무관하게 기체와 액체의 유량을 임의로 조절할 수 있으며, 기-액 접촉면적을 정확히 알 수 있어 공정설계가 용이하다는 장점을 가지고 있어 막분리공정의 상업적 적용을 위한 연구가 활발히 행해지고 있다[1, 2].

본 연구에서는 원통/튜브형 친유성 다공질 중공사막모듈을 이용하여 2-amino-2-methyl- 1-propanol(AMP) 수용액에 CO2 기체를 흡수시킬경우, 화학반응이 수반된 기체흡수 모델식을 제시하고, CO2 흡수속도를 예측하기 위해 모델식에 필요한 물질전달계수를 실험을 통해 측정하였으며, CO2 흡수속도의 실험에 의한 측정값과 흡수모델을 사용한 수치모사결과를 비교 검토하였다.

이론

원통/튜브형의 중공사막모듈에서 친유성 다공질 중공사의 튜브내의 CO2/N2 혼합기체와 원통측으로 흐르는 흡수용액을 향류로 접촉시켜 CO2가 흡수용액에 흡수될 경우, ⅰ) 튜브 내로 흐르는 기체는 플러그흐름(plug flow)이며, ⅱ) CO2의 전달은 등온, 정상상태에서 일어나며,  ⅲ) 기-액 접촉에서 각 상에서의 CO2 농도는 평형으로서, 헨리법칙(Henry's law)이 적용되며, ⅳ) 다공질 고분자는 친유성으로서 세공 내에서는 기체만이 존재하는 비젖음모드(non-wetted mode)로 가정한다.

튜브내의 CO2(A)가 막의 세공을 통하여 원통측으로 전달되어 원통측의 수용액에서 화학흡수 될 경우 정상상태에서 총괄측, 막측, 액체측의 물질수지식은 각각 다음과 같이 나타내어진다.

[eqn: rm -`` {d(Q_G ``C_AG ``)} over dz ~=~ pi ``D_e`` epsilon `` K_L``(C_AL `^*`-`C_AL `` )]                                   (1)

[eqn: rm -`` {d(Q_G ``C_AG ``)} over dz ~=~ pi ``D_i`` epsilon `` k_m``(C_AG `-`C_AGi `` )]                                    (2)

[eqn: rm -`` {d(Q_G ``C_AG ``)} over dz ~=~ pi ``D_o`` epsilon `` k_L`` beta ``(C_ALi `-`C_AL `` )]                                   (3)

여기서, [eqn: beta]는 원통측에서 CO2와 흡수제와의 화학반응으로 CO2의 물질전달속도의 촉진계수이다.[eqn: rm beta]와[eqn: rm eta]와의 관계는 다음과 같다.

[eqn: rm beta`` (`y_Ai`-`y_A^*`)~=~ eta ``(`y_A`-`y_A^*`)]                                                  (4)

식 (3)에서 기체와 액체상에서 농도를 몰분율로 나타내면 식 (3)은 다음과 같다.

[eqn: rm - d over dz`` LEFT ( Q_G`{{y_A `P_t} over {R`T}} RIGHT )~=~ {{ pi ``D_o`` epsilon ``k_L ` beta ``P_t `} over { H_A}} (` y_Ai `-` y_A^* `)]                              (5)

기체의 유량을 불활성기체의 유량으로 변경하여 식 (4)을 사용하면 식 (5)은 다음과 같다.

[eqn: rm -{ d over dz } LEFT ( {{y_A} over {1 - y_A}} RIGHT )~=~ {{ pi ``D_o`` epsilon ` `k_L ` eta ``R`T `} over {Q_I``H_A}}` (` y_A `-` y_A^* `)]                              (6)

식 (10)을 튜브입구에서 출구까지 적분하면 다음과 같다.

[eqn: rm INT _{ y_A2 }^{y_A1 } { {dy_A} over {eta `(` 1- y_A `)^2 ``(y_A -y_A^* `)}}~=~ { {` pi ``D_o`` epsilon ``k_L ` R`T`L }over {```Q_I ``H_A}}]                              (7)

실험

실험에 사용된 중공사막은 내경 1 mm, 외경 2 mm이며 공극율(porosity)이 60 %인 미세공 친유성 폴리테트라플루오르에틸렌(TB-21-F-06, Sumitomo Co.)막을 사용하였다. CO2 흡수에 사용된 중공사막 모듈은 tube 길이 50 cm, fiber의 개수 15개를 사용한 튜브/원통형(shell and tube type)으로 제작하였으며, 원통형관(Shell)은 직경 3 cm, 길이 50 cm인 파이렉스 유리관으로 제작하였다. 흡수실험에 사용된 실험장치는 Fig. 1과 같다.

결과 및 고찰

튜브내 임의의 지점, z에서 CO2의 몰분율, yA를 예측하기 위해서 앞서 제시한 CO2 물질전달에 대한 모델식 (7)을 사용하였다. 식 (7)에서 [eqn: eta]는 식 (4)로부터 구하며, 식 (4)에서 □는 흡수제가 AMP인 경우 CO2와 AMP와의 반응은 빠른 반응영역임[3]으로 식 (8)로부터 구한다.

[eqn: rm beta ~=~ SQRT { D_A `k_11 `C_Bo} over k_L]                                             (8)

한편, 전해질 수용액에서 기체의 확산계수와 용해도는 이온강도에 영향을 받기 때문에 Messaoudi와 Sada[4]가 제시한 상관관계식으로부터 구하였고, 반응속도상수(k11)와 각 측 물질전달계수(kL, km)은 물리흡수실험에서 구한 값을 사용하였으며, 대표적인 값을 Table 1에 나타내었다. 식 (7)에서 [eqn: rm y_A ^*]는 액체 내 CO2의 농도에 대한 기체에서의 평형농도이다.

Table 1. Experimental data of the mass transfer coefficients for membrane             side and liquid side.

QL (cm3/min)	km × 102 (cm/s)	kL × 104 (cm/s)
30	2.645	3.223
50	2.646	6.204

혼합기체의 유량이 흡수속도에 미치는 영향을 검토하기 위하여 기체의 유량을 매개변수로 하여 튜브 내 길이방향에 대한 CO2 농도의 변화를 모델식 (7)을 이용하여 산출한 값과 실험에 의해 tube 출구에서 측정한 CO2 농도를 Fig. 2에 나타내었으며 측정값이 산출된 이론값에 잘 일치하였다.

액체 유량이 흡수속도에 미치는 영향을 검토하기 위하여 흡수용액의 유량을 매개변수로 하여 튜브 내 각 위치에 대한 CO2의 농도를 산출하여 Fig. 3에 나타내었으며 측정값과 산출된 이론값이 잘 일치함을 알 수 있다.

AMP의 농도가 CO2의 분리에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 AMP의 농도변화에 대한 튜브출구에서의 CO2 농도를 측정하였다. AMP 농도변화에 대한 튜브출구에서 CO2 농도의 이론값과 측정값을 Fig. 4에 나타내었다. 역시 측정값은 이론값에 잘 일치하였다.       Fig. 2, 3와 4의 결과에서 CO2의 농도의 실험에 의한 측정값과 모델식으로부터 산출된 이론값이 근접한 것으로 보아 주어진 모델식 (7)이 타당함을 알 수 있다.

참고문헌

1. M. C. Yang and E. L. Cussler, AIChE. J., 32, 1910 (1986).

2. S. Karoor and K. K. Sirkar, Ind. Eng. Chem. Res., 32, 674 (1993).

3. S. Yih and  K. Sen, Ind. Eng. Chem. Res., 27, 2237 (1988).

4. B. Messaoudi and E. Sada, J. Chem. Eng. Japan, 29, 193 (1996).