Spent FCC 촉매 입자의 마모특성에 대한 유속과 압력의 영향

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

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

문영섭1), 박동수1), 최정후1), 이창근2), 손재익2)

1)건국대학교 화학공학과

2)에너지기술연구원

Effects of Gas Velocity and Pressure on Attrition Characteristics

of Spent FCC Catalyst Particles

Young-Sub Moon1), Dong-Su Park1), Jeong-Hoo Choi1),

Chang-Keun Yi2) and Jae-Ek Son2)

1)Department of Chemical Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701

2)Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

서론

유동층 공정에서 입자의 마모는 고체의 손실에 따른 효율 감소 혹은 경제적 손실, 분진 제어의 필요성 등의 문제를 제기한다. 따라서 유동층 공정에서 고체의 마모 특성은 중요한 관심사 중에 하나이다. 이러한 고체의 마모특성에 영향을 미치는 인자로서 반응기 내의 기체유속과 압력을 들 수 있다.

유동층에서 발생하는 마모 현상을 가장 유사하게 모사 하는 마모 특성 측정 장치로는 ASTM D 5757-95의 방법[1]이 사용될 수 있다. 그러나 이 방법에서 측정되는 AI (attrition index)는 유동층 공정에 직접 적용될 수 없으며, 측정결과의 적용을 위해서는 적절한 응용이 필요하다.

본 연구에서는 ASTM D 5757-95 방법의 간단한 응용을 통하여 유동층 공정에서 입자의 마모에 미치는 인자로서 반응기 내의 기체유속과 압력의 영향을 고찰하고 유동층 공정에 적용될 수 있는 입자 마모 특성의 해석 방법을 제시하고자 하였다.

이론적 배경

Vaux 등[2], Werther와 Xi[3], Merrick와 Highly[4]에 의하면 기체 유동층에서 입자 마모는 기체 분배기 orifice의 jet 영역에서 jet 효과에 의한 마모와 jet 영역 상부의 유동화 영역에서 마모로 구분될 수 있다. 이에 따라 유동층 공정에서 총괄 입자 마모 속도([eqn: R_a,tot] [kg/s])를 jet 마모속도([eqn: R_a,distr] [kg/s])[3]와 bubbling 마모속도([eqn: R_a,bub] [kg/s])[4]의 합으로 고려할 수 있다.

[eqn: R_a,tot ~=~ R_a,distr ~ + ~ R_a,bub]	(1)

[eqn: R_a,distr = C_a,j d_pb N_{or} rho_g d_or^2 u_or^3]	(2)

[eqn: R_a,bub = K_a,bub (U-U_mf )^n_1 W_bub]	(3)

where

[eqn: d_{or}]: orifice diameter [m]

[eqn: d_pb]: specific surface mean diameter [m]

[eqn: K_a,bub]: bubbling attrition rate constant

[eqn: C_a,j]: jet attrition rate constant

[eqn: N_{or}]: total orifice number [ea]

[eqn: n_1]: exponent [-]

[eqn: U]: superficial gas velocity [m/s]

[eqn: U_mf]: [eqn: U] at minimum fluidizing condition [m/s]

[eqn: u_{or}]: orifice velocity [m/s]

[eqn: W_bub] : bed weight [kg]

[eqn: rho_g]: gas density [□/m3]

한편 [eqn: C_a,j], [eqn: K_a,bub], [eqn: n_1]은 입자의 특성이 포함된 변수로써 실험적으로 결정되어야 한다.

[eqn: C_a,j ~=~ f~(RH,~ T)]	(4)

[eqn: K_a,bub ~= ~ f~( RH,~ T, ~ P~)]	(5)

where

[eqn: P]: pressure [atm]

[eqn: RH]: relative humidity [%]

[eqn: T]: temperature  [℃]

Park[5] 등은 spent FCC(fluid catalyst cracking) 촉매입자에 대한 상대습도의 영향이 포함된 [eqn: R_a,distr] [kg/s]의 식을 식(6)과 같이 제시하였다. 기포유동층에서 마모속도는 층물질의 양에 따라 증가하였다.

[eqn: R_a,distr ~=~ 7.35×10^-6 d_pb N_or rho_g d_or^2 u_or^3 (1+0.571 (RH)^0.494 )]	(6)

[eqn: R_a,bub ~∝~ (1+0.71(RH)^0.67 )]	(7)

실험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 ASTM D 5757-95 입자 마모 측정 장치를 나타내고 있다. 입자 마모 측정 장치는 마모관(attrition tube)과 침강조(settling chamber)로 구성되어 있다. 마모관은 내경 0.035 m, 높이 0.71 m, 두께 0.003 m의 stainless steel로 제작되었다. 침강조는 내경 0.11 m, 높이 0.63 m, 두께 0.003 m의 stainless steel로 제작되었다. 침강조의 하부는 높이 0.23 m의 확장관으로 마모관에 연결되어 있으며, 상부는 높이 0.1 m의 수축관으로 직경 0.034 m의 기체 출구와 연결되어 있다. 기체 출구를 통하여 외부로 비산된 입자는 삼각 flask와 thimble filter에서 포집된다. 기체 분배기는 0.381 mm hole 3개가 삼각 pitch (pitch 0.017 m)로 배열되어 있다. 공기는 압축기로 공급되고, 압력 조절기와 수분 제거용 prefilter를 거친 후, 질량 유량계로 정량되고, 증습기(humidifier)와 silica-gel이 채워진 건조기(dryer)를 통과시켜 습도를 조절하여 공급하였다. 공기 유량은 gas meter (Sinagawa, DC-2A)로 확인되었다.

고체로는 spent FCC 촉매(bulk density = 802 kg/m3, specific surface mean diameter = 0.084 mm, Umf = 0.0051 m/s)입자를 사용하였다. 유속에 따른 영향실험에서는 유속을 5, 10, 12.5, 15 l/min(0.085, 0.173, 0.216, 0.260 m/s)으로 고정하고, 습도를 일정하게 조정하고, 포집기를 연결하여 30분간 유지 후 포집기의 무게를 측정하였다. 공기의 유속을 일시적으로 미량으로 낮추고 상부로 시료를 주입하고 다시 유속을 5, 10, 12.5, 15 l/min(0.085, 0.173, 0.216, 0.260 m/s)으로 유지하였다. 압력의 영향실험은 입자마모 측정장치를 가압상태로 만들기 위하여 bypass를 설치하였으며 장치내의 기체 유속을 5 l/min(0.085 m/s)의 상태로 유지하고 압력을 1, 2, 3, 3.5 기압으로 올린 후 정상상태에 도달하면 plenum의 밸브를 열어 입자마모측정장치로 공기를 공급하였다. 각 실험 수행 1시간 후 포집기의 무게를 측정하여 비산된 입자의 양을 결정하였다. 총 5시간 후 실험을 종료하고, 포집기와 층내 잔류 시료의 무게를 측정하여 비산 입자량, 잔류 고체량, 고체 회수율을 결정하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of               attrition tester.

1. compressor, 2. PC, 3. filter

4. regulator, 5. valve,

6. mass flow meter,

7. humidity meter,

8. air dryer, 9. humidifier,

10. sparger, 11. thermocouple,

12. attrition tester,

13. distributor, 14. thimble filter,

15. mist eliminator, 16. data logger, 17. pressure gage, 18. flask,

19. pressure vessel

결과 및 고찰

Fig. 2는 입자마모장치 내 기체유속에 따른 입자마모속도를 나타낸다. 근사적으로 비산입자의 무게를 입자의 attrition에 의해서 생성된 입자의 무게라고 간주하면 마모속도(jet + bubbling)는 유동화 속도가 증가함에 따라 지수적으로 증가하였다. Fig. 3은 식(1)에 의하여 jet영역에서 attrition된 마모미분의 입자량을 제외한 기포유동층영역에서 입자마모속도를 나타내고 있으며 기체유속의 4.04 지수 승으로 증가하였다.

Fig. 4는 입자마모장치 내 압력에 따른 입자마모속도를 나타낸다. 장치 내 압력이 증가함에 따라 입자마모속도는 증가하였다. Fig. 5는 jet에 의한 마모미분을 제외한 기포유동층 영역에서 입자의 마모속도를 나타낸다. 입자의 마모속도는 절대압력이 증가함에 따라 선형으로 비례하여 증가하는 경향을 나타내었다.

결론

Spent FCC 촉매입자를 층물질로 하는 기체유동층에서 유동화 속도와 압력이 증가함에 따라 입자마모속도는 증가하였다. 분배기 jet에 의한 입자마모를 제외한 기포유동층에서 입자마모속도[eqn: (R_a,bub )]는 기체유속, 압력, 기체의 상대습도, 기포유동층 무게로 다음과 같이 나타낼 수 있었다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

[eqn: R_a,bub ~=~1.72×10^-4][eqn: (1+0.71~(RH)^0.67 )][eqn: (U -U_mf )^4.04 W_bub rho_g]

Fig 2. Effect of gas velocity on attrition rate (jet + bubbling).		Fig. 3. Effect of gas velocity on bubbling atttrition.

Fig. 4. Effect of vessel pressure on attrition rate (jet + bubbling).		Fig. 5. Effect of vessel pressure on bubbling atttrition.

감사

본 연구는 대체에너지기술개발사업(G7)의 일환으로 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. Ryu, C.K.: "Standard Test Method for Determination of Attrition of Powdered Sorbents by Air Jets," KEPRI, TM.97GJ17.I1999.431, Taejeon, 1(1999).

2. Vaux, W.G. and Schruben, J.S.: "Kinetics of Attrition in the Bubbling Zone of a Fluidized Bed," AIChE Symp. Ser., 222(79), 97(1983).

3. Werther, J. and Xi, W.: "Jet Attrition of Catalyst Particles in Gas Fluidized Beds," Powder Tech., 76, 15(1993).

4. Merrick, D. and Highly, J.: "Particle Size Reduction and Elutriation in a Fluidized Bed Process," AIChE Symp. Ser., 137(70), 367(1974).

5. Park, D.S., Moon, Y.S., Choi, J.H., Yi, C.K. and Son, J.E.: "Attrition Characteristics of Spent FCC Particles" Theories and Application of Chem. Eng., 7(2) 308(2001).