고정층 흡착탑의 톨루엔 흡착 및 스팀 재생

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

김종화, 이창하, 김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

Toluene adsorption and steam regeneration at the fixed bed

Jong-Hwa Kim, Chang-Ha Lee, Woo-Sik Kim

Department of Chemical Engineering, College of Engineering, Yonsei University

서론

산업현장에서 취급되고 있는 화학물질 중 휘발성 유기용제(Volatile Organic Compounds: VOCs)는 공업용 원자재로 사용될 뿐만 아니라 신나, 도료, 잉크 등 혼합용제, 금속면의 표면처리 재료로도 널리 이용되고 있으므로 작업상 폭로될 기회가 아주 높은 물질이다[1]. 또한 유기 용제는 휘발성이 크므로 작업장 내 공기 중에서 가스로서 존재 되는 일이 많으며, 이런 물질이 직접 피부에 닿지 않더라도 호흡기로 흡입 되어 중독을 일으키게 된다. 이러한 휘발성 유기용제의 대기 확산 문제 뿐만 아니라, 페인트 산업 등의 산업폐수에서도 자주 휘발성 유기용제가 발견되며, 가솔린 저장탱크로부터 누출되어 만들어진 오염된 지하수로부터 발견되기도 한다[2].

휘발성 유기용제 제거 기술로는 응축법, 소각법, 흡착법, 흡수법등이 사용되고 있으나, 흡착법이 유기화학물질의 회수, 저농도에서의 고효율 및 에너지 절약 측면에서 가장 주목 받고 있다[3,4]. 현재 흡착법은 유기 용제의 처리 및 공기정화, 폐수처리등의 공정에 광범위하게 응용 되고 있으며, 흡착제로는 상대적으로 비표면적이 큰 활성탄이 광범위하게 사용 되고 있다. 최근 황계순 등[5-7]은 활성탄 흡착탑에서 메틸렌 클로라이드 단일성분 흡착에 대한 연구를 통하여 표면확산이 율속단계이며, 따라서 TSA 공정시 냉각단계의 단순화 가능성을 제시하였다.

이러한 휘발성 유기용제의 흡착기술과 함께 동반되어야 할 기술이 흡착제의 재생기술과 유기용제의 회수기술이라 하겠다. 현재 산업 현장에서 활성탄의 재생 및 용매 회수는 스팀 재생법이 상용화되어 보편적으로 사용되고 있다. Schweiger과 LeVan[8]은 pilot-scale 규모에서 노말헥산으로 흡착된 활성탄의 스팀 재생시 탑에서 속도의 급격한 변화와 함께 스팀의 응축이 일어남을 보고하였다. 최근에 류영기 등[9]은 단일성분의 VOCs로 흡착된 활성탄소섬유의 초임계 이산화탄소를 이용한 재생연구를 통해 밀도변수와 흡착질의 중요성을 지적하였으며, 초임계 유체 사용의 가능성을 제시하였다.

본 연구에서는 고정층 흡착탑에서의 활성탄에 대한 톨루엔의 흡착과 스팀 탈착에 대해 실험하였다.

이론

흡착에 의한 분리공정은 흡착제의 재생방법에 따라 가열에 의해 흡착제가 재생되는 온도순환식 흡착(Thermal Swing Adsorption), 압력을 낮추어 줌으로써 흡착제를 재생시키는 압력순환식 흡착(Pressure Swing Adsorption), 비흡착성 또는 약흡착성 기체를 통과시켜 주어 흡착제를 재생시키는 불활성-정화주기(Inert-purge cycle), 치환될 흡착질의 경쟁적 흡착에 의해 흡착제를 재생을 촉진하는 치환-정화주기(Displacement-purge cycle)이 있다. 본 실험은 뜨거운 스팀은 흡착탑에 통과시켜 흡착제의 온도를 올려 흡착질을 탈착시키는 동시에 흡착질에 스팀이 경쟁적으로 흡착하여 흡착질을 탈착시키는 두 가지의 역할을 하게된다. 즉 스팀은 높은 열용량으로 인하여 흡착제의 온도를 빠르게 상승시키고, 더욱이 흡착된 물은 흡착제 기공에 흡착되어 있는 흡착질과 경쟁적으로 흡착이 이루어짐으로 흡착질의 탈착을 더욱 가속화시킨다.   스팀 재생은 보통 휘발성 유기 용제의 흡착, 스팀 탈착, 흡착탑의 drying, 그리고 흡착탑 cooling의 4개의 사이클로 이루어진다. 스팀 재생법은 산업적으로 휘발성 유기용재의 제거와 회수에 주로 사용되어 지고 있지만, 이론적으로나 실험적인 기초는 다른 공정에 비하여 거의 없는 편이다.

실험

1. 톨루엔 흡착

본 연구에서는 흡착제로 활성탄(BPL 4×10)과 흡착질로 톨루엔(J. T. Baker, Canada)을 사용하였다. 흡착제는 파과 실험 전에 오븐에서 423K에서 24시간 이상 활성화되었다. 흡착시에 carrier로는 질소를 사용하였으며, 이 질소 가스는 톨루엔이 담겨있는 초자를 통과시켜 톨루엔 증기를 발생시키고, 또 다른 질소 가스는  mixing tank를 통과시켜 원하는 톨루엔의 농도조절을 가능하게 하였다. 톨루엔이 담겨있는 초자는 circulator로 온도를 일정하게 유지하였다. MFC를 사용하여 두 개의 질소 유량을 적절히 조정하여 원하는 톨루엔의 feed 농도를 맞추었으며, 총 carrier gas의 양은 10L/min으로 유지시켰다. Feed의 농도와 흡착탑 oulet의 농도는 GC(HP 6890D)에 on-line하여 실시간으로 확인하였다. 흡착과 탈착시의 온도는 흡착탑에 꽃혀있는 5개의 RTD(Pt 100□)를 컴퓨터와 연결하여 확인하였다. 흡착탑은 길이 30cm, 내경 2.2cm 그리고 두께 0.5cm인 stea로 만들어졌다.

2. 스팀에 의한 톨루엔 탈착

톨루엔의 흡착으로 완전 포화된 활성탄은 뜨거운 스팀을 통과시켜줌으로써 재생하였다. 스팀 발생용 장치는 한 개의 물을 담아 놓는 통과 RTD와 연결되어있는 두 개의 heater, 스팀용 regulator 등으로 이루어져있다. 탈착되는 톨루엔의 농도는 흡착시와 마찬가지로 GC와 on-line 하였으며, 탈착시의 모든 line은 스팀의 응축을 방지하게 위하여 열선을 사용하여 423K로 일정하게 유지시켰다. 탈착 스팀의 온도는 473K 의 super-saturated 된 스팀을 사용하였으며, 흡착탑은 단열을 시키었다. 탈착 실험시의 스팀의 유량은 circulator와 condenser를 사용하여 탈착 실험 전에 측정하였으며, 일정온도와 압력하에서 일정하게 유지됨을 실험을 통하여 확인 할 수 있었다.

결론

본 실험은 고정층 흡착탑에서 활성탄에 대한 톨루엔의 흡착과 hot 스팀을 사용한 탈착이었다. 그림 1.에서 보이는 바와 같이 3번의 파과 실험을 통하여 흡착 실험의 재현성을 확인할 수 있었으며, 적절한 circulator의 온도와 carrier gas를 흘려보내 줌으로써 원하는 농도의 feed를 만들 수 있었다. 또한 톨루엔은 본 실험에 사용된 활성탄에 대하여 높은 affinity를 갖는 물질로, 빠른 유속과 비교적 높은 농도에서도 파과가 80분이 지난 후에 이루어졌으며 파과 후에 steep 기울기 갖는 것을 수 있었다. 이런 steep 한 파과 곡선의 모형은 흡착탑의 비사용층을 줄일 수 있어 공정 실험 시 큰 장점을 갖는다. 그림 2.는 그림 1.의 도입농도 4983ppm에 대한 온도 곡선으로, 시간이 지남에 따라 MTZ(mass transfer zone)이 전진하고 있다는 것을 보여주었다. 흡착탑의 출구로 갈수록 온도가 상승하는 원인은 활성탄은 톨루엔에 대하여 favorable한 흡착 등온곡선을 갖음으로, 흡착이 진행됨에 따라 MTZ가 costant한 형태로 바뀜으로써 나타난다고 사료된다.

톨루엔으로 흡착된 흡착탑의 hot 스팀 탈착에 의한 탈착 농도 곡선은 그림 3.에 나타내었다. 이 탈착 곡선은 초기에 스팀의 응축으로 인한 흡착탑에서의 체류시간 30분 이후에 급격이 많은 탈착이 이루어지고 있으나 시간이 지남에 따라 긴 꼬리(tailing)을 보임을 알 수 있었다. 그림 3.의 ytoluene 는 탈착시의 outlet의 톨루엔의 몰분율을 나타내는 것으로 ytoluene + ytoluene = 1 을 나타낸다. 그림 4.의 스팀 탈착시의 온도곡선은 스팀의 높은 열용량으로 인하여 빠른 시간내에 일정한 온도로 급격이 올라가고 있음을 보였다. 그러나 도입 온도 473K에 못 미치는 373K에 머무르고 있음을 보여주었는데, 그 이유는 흡착탑의 크기에 비해 너무 적은 스팀의 유량과 흡착탑의 단열이 제대로 이루어지지 못해 나타난 것으로 사료된다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

1. Byeon, S.-H., Oh S.-E., Kim, W.-S. and Lee, C.-H.: Industrial Health, 35, 404 (1997)

2. 이시훈, 손응권: 화학공업과 기술, 12, 128 (1994)

3. Ruhl, M. J.: Chemical Engineering Progress, 89, 37 (1993)

4. Schork, J. M. and Fair, J. R.: Ind. Chem. Eng. Res. 27, 1545 (1988)

5. 유승곤: 화학공학과 기술, 12, 6 (1994)

6. 황계순, 최대기, 공성용: 화학공학, 36(2), 159 (1998)

7. Hwang, K., Choi, D., Gong, S. and Cho, S.: Chem. Eng. Sci., 52(7), 1111 (1997)

8. Schweiger, T. A. J. and LeVan, M. D.: Ind. Eng. Chem. Res., 32, 2418 (1993)