규칙충전물을 적용한 이산화탄소 제거 인자에 관한 연구

김재홍, 김형호, 김장호

동아대학교 환경공학과

A Study on Factor of CO2 Removal with Structured Packing

Kim Jae-Hong, Kim Heng-Ho, Kim Jang-Ho

Dept. of Environmental Engineering, Dong-A University

서론

산업화는 많은 화석연료의 소비를 가져왔으며 이에 따른 대기중의 이산화탄소의 농도증가는 근세기에 급격히 증가하고 있다.  이산화탄소는 대표적인 온실가스로서 기여한다고 보고되고 있다.  이산화탄소의 배출억제를 위해서는 무방출 시스템의 개발, 연소공정의 개선 그리고 산업현장에서 대기로 배출되는 다른 폐가스로 부터 CO2의 분리이다. CO2의 분리기술로는 흡착, 흡수(물리, 화학적),  막분리를 포함한 여러 가지 방법이 있으나 액체용매상의 흡수는 가장 유용하고 경제적인 공정으로 알려져 있다. 흡수제로는 NaOH, Monoethanolamine(MEA), 2-Amino 2-Ethyl 1-Propanol(AMP) Diethanolamine(DEA), Triethanolamine (TEA), Methyldiethanolamine (MDEA)등의 알카놀아민류, Ammonia, Salt Hydrates등에 대해 연구되고 있다.

) Adisorn Aroonwials, Amornvadee Veawab and Paitoon Tontiwachwuthikul, Behavior of the Mass-Tranfer Coefficient of Structured Packing in CO2 Absorbers with Chemical Reactions, Ind. Eng. Chem. Res., 38, 2044-2050, 1999

) Hsunling Bai and An Chin Yeh, Removal of CO2 Greenhouse Gas by Ammonia Scrubbing, Ind. Eng. Chem. Res., 36, 2490-2493, 1997

) R. Quinn, J. B. Appleby and G. P. Pez, Salt Hydrates : New Reversible Absorbent for carbon Dioxide, J. Am, Chem., Soc., 117, 329-335, 1995

이산화탄소 흡수는 기본적으로 CO2를 함유하는 가스가 액체 흡수용액에 접촉할 때 일어나기 때문에 흡수과정은 흡수탑에서 제공되는 기-액 접촉의 정도에 크게 좌우된다.  현재는 분리를 목적으로 개발된 많은 여러 가지 형태의 칼럼이 있으나 가장 일반적으로 사용되는 것이 충전탑이다.  규칙충전물은 일반적으로 임의충전물과 비교하여 낮은 압력손실로서 훌륭한 물질전달을 이끌어낸다. 이러한 뛰어난 특성 때문에 규칙충전물은 많은 산업현장에서 관심을 증대되고 있다.  CO2의 흡수적용에 있어서 사용되는 규칙충전물의 포텐셜에 기인하는 규칙충전물의 특성을 이해하는 것은 컬럼을 설계하는데 정확하고 경제적인 면에서 아주 필요하다. 본 연구의 목적은 규칙충전물인 Mellapak N 250Y를 적용하여 가스 및 액체부하에 따른 수력학적 연구와 가스부하와 CO2부하, 흡수액 부하, 흡수액 온도, 흡수액 농도가 물질전달에 미치는 영향에 대해 연구하였다.

실험

충진탑은 충진 높이 1.00m, 직경 0.15m인 PYREX 유리제 원통을 이용하여 제작하였으며 장치의 개략도는 Fig. 1.에 나타내었다.  충진물은 임의 충진물로는 25mm, Pall ring, PE를 규칙충진물로는 Mellapak N 250.Y를 이용하였다.  분배밀도는 2320 1/m2의 분배밀도로 하였으며,  가스상의 CO2농도는 적외선 이산화탄소 분석기를 이용하였고, 흡수액중의 CO2농도는 적정법을 이용하였다.

) 통상산업부, 연소배가스 중 이산화탄소의 신흡수제 개발에 관한 연구보고서, 1995

Fig. 1 Schematic Diagram of Pilot plant

연구에 적용한 흡수액은 전통적으로 쓰이고 있는 MEA를 이용하였으며 순도 99%의 시약급을 사용하였다. 흡수액의 농도는 10∼30%로서 조절하여 항온을 유지하기 위한 장치를 설치하였다.

결과 및 고찰

충전탑내에서 충전물의 유체역학적 특성은 충전탑을 운전하는 기초자료로서 압력손실, 액체함량등이다.  압력손실의 측정은 가스부하의 변동 및 액체부하의 변동에 따라서 수행되었으며 Fig. 2에는 규칙충전물인 Mellapak N 250Y, 임의 충전물인 Pall ring에 대해서 나타내었고,  가스부하의 변동에 따르는 액체함량은 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 2 Pressure drop as            Fig. 3 Hold-up as function

function gas capacity factor          gas capacity factor

Mellapak N 250Y는 Pall ring에 비해 Fig. 2에 나타나 듯이 낮은 압력손실로서 운전이 가능하다.  또한 액체부하를 증가함에 따라 액체함량의 증가에 따른 공극의 감소 및 상간의 마찰로 압력손실은 상승함을 볼 수 있다.  10m3/m2h의 액체함량에서 규칙충전물인 Mellapak N 250Y보다 약 50%이상 압력손실이 낮게 걸리며 특히 부하점에서는 급격한 차이를 나타내었다.

Fig. 4. Effect of gas load overall       Fig. 5 Effect of MEA concentration

mass transfer coefficient             on overall mass transfer coefficient

가스부하에 따른 영향을 연구하기 위해서 가스부하를 0.25 0.5, 1 kg1/2s-1m-1/2로 변화시켰으며, 그 결과는 Fig. 4에 나타내었다.  유입 CO2의 부하는 10 kPa, 15% MEA, 흡수액의 온도는 25 ℃의 조건이다.  가스부하의 변화에는 영향이 적다는 것을 보여지고 있다.  가스부하의 증가는 기체 벌크에서 기-액 계면으로 이동하는 CO2분자의 양의 증가를 허용하며, 이는 더 높은 물질 이동의 성과를 가져온다. Fig. 5에서는 흡수액 농도는 이산화탄소-MEA시스템에서의 KGav값에 영향을 CO2가스부하 10kPa의 조건에서 10∼30%의 MEA농도를 변화시킬 때 효율을 나타내고 있으며 농도의 증가에 따라 효율이 증가함으로 나타났다. 더 높은 액체 농도가 높은 액측의 물질전달계수(kL)를 유발하고 가스측 물질전달계수(kG)에 부분적으로 영향을 미치기 때문이다.  계면에서의 농도구배의 차에 의한 반응속도를 촉진하는 것으로 판단된다.  이산화탄소의 유입량을 변화시킨 이산화탄소 부하에 대한 영향은 Fig. 6에 나타내었고, KGaV값이 강하게 이산화탄소 부하게 의존하는 것으로 나타났다.  흡수액 온도 25℃, 가스부하 70 kmol/m2h, 흡수액부하 10 m3/m2 h의 조건에서 실험한 결과 CO2의 부하가 증가함에 따른 총괄물질전달계수의 감소는 이산화탄소와 반응하는 자유 아민의 농도가 줄어듬에 따른 결과이다.  KGaV는 CO2농도가 4.1 kPa에서 12.4 kPa로 증가했을 때 약 30%까지 감소하는 것으로 나타났다. Fig. 7에는 액체부하 및 충전물의 종류에 따른 흡수효율을 나타내고 있다.   흡수액의 부하에 대한 영향은 액체상에서 이산화탄소 부하의 영향 및 아민농도의 영향으로 나뉠 수 있다.  흡수액의 온도는 25℃, 흡수액의 농도는 15%로 고정하고, 흡수액의 부하를 5, 10, 15, 20[m3/m2h]로 변화할 때 흡수액의 부하의 증가는 더 높은 KGaV을 가져오며, 이는 흡수액의 증가에 따르는 흡수분자의 증가에 기인하는 것으로 사료된다.

Fig. 6 Effect of CO2 Partial pressure        Fig. 7 Effect of liquid load on overall

on overall mass transfer coefficient             mass transfer coefficient

또한 많은 MEA가 단위시간당 이산화탄소와 반응이 증가하기 때문이다.  액체부하변화는 이산화탄소의 반응을 위한 효과적인 면적의 정도에 영향을 끼치기 때문에 높은 액체부하의 결과는 높은 효율을 예상할 수 있다.  그러나 Mellapak N 250.Y의 경우 유효면적에 영향을 덜 받음을 알 수 있어, 충진물 유효면적의 증가에 따른 영향이 적음을 알 수 있었다.  규칙충전물인 Mellapak 250Y는 Pall ring에 비해 2배이상 높은 총괄물질전달계수를 가져와 단위 높이당 고효율로 운전됨으로 나타났다.

) Z.P. Xu, A. Afacan and K.T. Chung, Predicting Mass transfer in packed Columns Containing Structured Packing, trans ICheme, Vol. 78, 91-99, 2000

참고문헌