석탄계 흡수유의 열화메카니즘

이 종규, 김 장규, 김 제영, 이 용국

포항산업과학연구원(RIST), 환경에너지연구부문

A Mechanism of degradation of absorbing oil

J.G. Lee, J.K. Kim, J.Y. Kim, Y.K. Lee

Research institute of Industrial Science&Technology(RIST)

Environment&Energy Res.Div.

1. 서   론

제철소 화성공정중 조경유(BTX)흡수및회수공정은 여러기초화학 원료로 사용되어지는 기초방향족 물질을 생산하는 단위공정으로서 매우 중요한 공정이다.

이 공정에는 Tar, Dust가 제거된 Coke Oven Gas가 유입되어 석탄계흡수유와 기액접촉에 의한 BTX흡수공정, BTX를 함유한 흡수유인 함벤유를 열교환기에 의하여 적정온도(180℃)로 가열시켜주는 열교환공정 및 증류탑에 의하여 BTX와 흡수유를 회수·분리하는 증류공정으로 구성되어 있다.

흡수유를 장시간 사용하게 되면 흡수유가 열화되어 기 함유된 불순물들과 함께 열화성물질을 형성하게 된다. 이러한 열화성물질은 열교환기의 튜브외벽 즉 Shell side에 부착되어 튜브사이의 간격을 좁혀 흡수유의 유로를 폐쇄시킨다.

결국에는 열교환기내의 유체흐름을 방해하여 국부적으로 열교환이 정상적으로

이루어지지 못하게 된다.

여러종류의 화합물 및 가스를 함유한 흡수유가 가열되고, 저장탱크에서 공기와 접촉함으로써 현저하게 열화되는 것으로 알려져있다.

단편적으로 흡수유의 열화정도를 판단하는 기준은 점도의 변화로 알수 있다.

본 연구에서는 증류탑에 유입하기 위하여 적정온도로 가열될 때 흡수유가 열화되는 메카니즘을 규명하고자 한다.

2. 실험방법

(1) 흡수유의 물성분석

흡수유고유의 물성중에서 열화상태에 따른 점도와 비중을 측정하였다.

점도측정장치는 미국 Brookfield사의 DV-Ⅱ+을 사용하였고, 비중측정은

부유식 비중계를 이용하여 측정하였다.

(2) 흡수유의 열화실험장치

열화요인은 여러 가지가 있지만 이중 공정에서 발생할 수 있는 요인을 선정하여 열화실험을 행하였다. 열화요인으로 선정된 것은 외부에서 유입되는 공기, 증류공정에서 함유된 수증기 및 이물질에 의한 영향을 알아보았고, 불활성분위기가스에서도 알아보았다.

열화온도조건으로는 공정에서 사용하고 있는 180, 200℃에서만 고려하였다.

그림 1. 에 나타낸것과 같이 유리플라스크에 시료 300ml을 넣고 분위기가스를 50ml/m로 흘려 보내며 목표온도까지 가열한 후 일정시간동안 유지한다.

일정시간이 흐른 뒤 일정량의 시료를 채취하여 성분분석을 행하였다.

이때 온도변화에 따라 열화된 흡수유의 성분분석은 GC/MS로 행하였다.

또한 비중과 점도도 함께 측정하였다.

< 그림 1 > 흡수유 열화실험장치

3. 결과 및 토론

3-1. 흡수유의 기본적인 물성치 및 구성성분 분포

흡수유의 겉보기변화요인으로는 비중과 점도로서 비중은 1.045(25℃), 점도는 5.17(25℃)이었다.

GC/MS분석결과 흡수유의 주성분으로는  방향족환이 2개인 나프탈렌유도체로 되어있는것을 알 수 있었다. 또한 이들 성분중 Indole, Acenaphthene, Dibenzofuran과 같은 성분은 쉽게 열중합반응을 일으켜 고분자성분으로 변화하는 성분들로써, 약 6.5wt%정도 함유하고 있음을 알수 있었다(그림2).

<그림 2.> GC/MS에 의한 흡수유의 구성성분

3-2. 흡수유의 열화실험결과

3-2-1. 열화시간에 따른 점도 및 비중의 변화

공기와의 접촉시키면서 열화온도를 180,200℃에서의 비중과 점도의 변화를

(그림 3)에서 보여주고 있다.  그림에서 보는바와 같이 60분 이후에는

온도에 따라 점도차와 비중의 차가 큰 것을 알수가 있었다.

이는 흡수유 구성성분중 특정성분이 열화되어 흡수유의 물성치를 변화시킨 것으로 사료된다. 이와같은 현상은 각각의 조건에서 GC/MS분석으로 확인하였다.

<그림 3>시간에 따른 흡수유의 점도와 비중의 관계      <그림 4>열화에 따른 성분변화

4. 결 론

1. 흡수유가 열화되는 주요인으로는 공기중의 산소와 접촉함으로써 가속화되고

이를 보여주는 겉보기변화로서는 점도와 비중의 증가를 알 수 있었다.

2. 온도변화에 따라 열화시간이 60분이후에는 점도와 비중의 현격한 차이를

보여주었다.

3. 흡수유의 겉보기변화를 확인하기 위하여 흡수유중의 성분변화를 확인한

결과 흡수유중 열화성 성분인 Biphenyl, Naphthalene, Quiloine,

Dibenzofuran, Dimethyl-Naphthalene의 함량이 열화시간에 따라 증가함을

확인하였다.

참고문헌

1. H.H Lowrt, Chemistry of Coal Utilization volⅡ, John Wiley&Sons,Inc, 1945

2. Copper,C. Gas World, 108, No.2796, Coking Sect. 27-31,1938

3. The national Benzole Association, 7th Rept, Joint Benzole Research

Com.,121,1930

4. Mathias, H.R. Ind.Eng.Chem,.23, 804-807, 1931

5. Karrer,S. and Lusby,O.W., U.S.Patent,2,191,486,1940