저온저압 PET 재생 플랜트의 예비설계에 관한 연구

제갈성준, 권이섭*, 문일

연세대학교 화학공학과, 스무다 엔텍*

Preliminary Design of PET Recycling Plant Operated

at Low Temperature and Pressure

Sungjoon Chegal, Yisub Kown* and Il Moon

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

Smuda EnTech*

서   론

탄산음료용기 등으로 많이 사용되는 PET병은 국내의 경우 연간 약 70,000톤의 폐기물이 발생하나 45,000톤 정도만이 재활용되고 있는 추세이다. 일반적인 재생방법은 수거된 PET병을 유기용매등으로 세척 후 단순파쇄하여 PET flake로 재생하는 것이며 PET flake는 폴리에스테르 섬유의 생산에 이용하거나 중국 등지로 수출하게 된다. 하지만 이와같은 방법의 재생법은 경제성이 낮아 현재 국내의 PET병의 재생방법으로는 적절하지 않다.[1]

본 연구는 촉매를 이용하여 폐PET를 저온 저압하에서 PET의 원료물질인 테레프탈산과 에틸렌글리콜로 재생해 내는 플랜트를 개발하는 것이다. 테레프탈산은 폴리에스테르섬유의 원료로 사용되며 에틸렌글리콜은 테트론의 합성원료나 알키드 수지의 제조원료, 내한성(耐寒性) 냉각액, 의약품, 화장품 등으로도 사용된다. 이러한 원료물질로의 재생은 기존의 PET flake 재생방법보다 배출되는 폐기물의 양도 적으며 고부가가치 생산물을 얻을 수 있다는 점에서 환경친화적이며 경제적인 재생방법이라고 할 수 있다.[2] 이 재생법에 대한 Lab Scale의 반응은 많이 시도되고 있으나 아직까지 상용화된 플랜트를 건설한 사례는 없다. 따라서 본 연구에서는 상용화 플랜트의 건설을 목표로 플랜트의 예비설계를 수행하였다.

공정개요

수집된 폐PET는 단순 파쇄만을 거쳐 반응기에 투입되게 된다. 촉매와 NaOH를 반응기에 넣고 약 250℃, 20atm으로 반응시키면 액체상의 생성물과 고체상의 잔여물이 얻어지게 된다. 고체상에는 PET용기 속에 들어있던 모래나 기타 폐기물이 포함되어 있다. 단순여과를 통해 고체상을 제거한 후 얻어진 액체상을 중화반응기에 넣고 H2SO4를 가하여 중화시키게 된다. 이 중화된 생성물에서 Centrifuge를 이용하여 TPA를 분리하게 된다. 이때 회수된 TPA는 수분을 포함하고 있으므로 높은 순도를 얻기 위해 Rotary Dryer를 이용하여 건조작업을 하게 되는데 완전 건조시 99.5% 이상의 순도를 얻게 된다. TPA를 제거한 생성물은 Evaporator를 이용하여 분리하게 되는데 기상으로는 에틸렌글리콜이 액상으로는 무기염을 포함한 용액이 분리된다.  에틸렌글리콜은 응축기를 거쳐 99.5%의 순도로 회수되고 잔여 용액은 결정화 과정과 건조 과정을 거쳐 무기염을 회수하게 된다.

Fig. 1. Reaction diagram of the PET Recycling System

이   론

설계결정 계층구조(Design Hierarchy)는 공정의 설계 단계를 계층적으로 구분하여 전체 6단계로 나타낸 것이다.(Fig. 2) 0단계는 전체 화학공정의 가장 기본적인 단계이며 반응 결정 단계(Reaction Path Screening)라 한다. 이는 공정 중에 발생하게 되는 화학반응들을 검토하여 그 반응들의 열역학적 반응식을 찾아내는 것이다. 여러 가지 반응 중 목적하는 주반응의 반응 조건을 검토하고 목적 생성물 이외의 생성물이 최소화될 수 있는 반응경로를 찾아내는 것이 이 단계의 주요한 목적이다. 1단계는 회분 반응과 연속 반응 결정 단계(Batch vs. Continuous)로서 일반적으로 연간 생산량에 의해 회분 반응과 연속 반응이 결정되게 된다. 하지만 생산품의 계절적 수요에 따라 생산량이 달라질 수 있으므로 적절한 고려가 필요하다. 2단계는 입출력 구조 결정단계(Input/Output Structure)로 공정 중에 나타나는 반응물과 생성물의 종류와 양에 대해 분석하는 것으로서 리싸이클 될 수 있는 물질에 대해서는 Recycle material로 구분하는 작업이 포함되게 된다. 3단계는 재순환 결정 단계(Recycle Structure)로 이 단계에서는 공정도의 재순환 구조를 검색하기 위해서 각각 반응기의 수와 재순환을 통한 반응기들간의 관계를 고려한다. 반응기에서 가장 중요한 요소는 반응기 공급 원료 흐름에 기초한 반응물의 전환율(conversion)과 목적 생산물(desired product)에 대한 전환된 공급 원료의 선택도(selectivity)이다. 이 들에 기초하여 각 흐름을 공정에 최적화 되도록 설계하여야 한다. 4단계는 분리 체계 합성 단계(Separation System)로 이 단계에서 원료 물질은 반응기로 재순환되는 반면 제품 물질과 부산 물질은 일반적으로 더 처리되고 제거된다. 이 단계에서는  각 상에 대한 특성을 이용하여 적절한 분리, 정제 장치를 설치해야한다. 5단계는 열 교환망 합성 단계(Heat Exchanger Network)로 고온, 고압의 많은 에너지가 필요한 공정에 상분리 장치가 설치된 경우 상분리 장치는 저온이므로 열교환망 합성을 고려해 보아야 한다.

Fig. 2. Design hierarchy[3]

예비설계

본 PET 재생공정의 Lab Scale 실험은 수차례의 검증을 통해 반응에 대한 확인은 마친 상태이며 공정 흐름도를 이용하여 공정설계시 고려해야할 요건들을 살펴보았다. 효율적인 예비 설계를 위해 설계결정 계층구조를 활용하고 이와 더불어 안전 및 환경 영향을 고려하였다.

□ 반응결정(Reaction Path Screening) - 주반응은 이미 결정된 상태이나 반응메카니즘에 대한 분석이 필요하므로 여기서는 반응기의 재질에 대한 평가만을 하도록 한다. 반응기의 조건으로 250℃, 20atm, 내부식성등이 요구되므로 반응기의 재질에 대한 고려가 필요하다. 반응을 위해서 투입되는 NaOH와 중화반응기에 투입되는 H2SO4는 강산, 강염기이므로 각각 반응기의 부식을 초래할 수 있다.

□ 회분반응과 연속반응 결정(Batch vs. Continuous) - Lab Scale의 실험에서는 Batch형태의 반응기를 이용하였으나 실제 플랜트의 설계에서는 단일 Batch보다는 Dual-Batch System이나 CSTR System이 고려된다. Dual-Batch System은 Batch Process의 형태를 유지하여 운전의 용이성을 확보하고 또한 연속적인 Product의 생산도 가능하다는 장점으로 논의되며 대용량의 반응이 가능하다면 정상상태의 운전을 위한 CSTR System의 도입이 고려된다.

□ 분리장치의 선택 - 본 공정에서는 고체-액체, 액체-액체의 분리를 위해 여러 가지 분리장치를 사용하고 있다. 하지만 실제 Plant에 적용하기 위해서는 운전비, 장치가격 등을 고려하여 선택해야 할 것이다. 단순여과 장치의 경우 Lab Scale에서는 여과지의 사용만으로 분리가 가능하였으나 Plant의 반응기에서 발생할 대량의 생성물에 대해서는 별도의 방안이 강구되어야 할 것이며 강염기 환경에서의 내구성도 고려해야 한다.

□ 정제장치의 조건 - 본 공정은 순도 99.5%의 TPA를 얻기 위해 Rotary Dryer를 사용하고 있으나 Plant의 대형화 후에는 이와 같은 순도의 유지는 어려울 것으로 보여진다. 따라서 순도유지를 위한 방안이 강구되어야 할 것이며 에틸렌글리콜의 회수를 위한 Condenser의 사용에는 냉각수의 공급 방안이 고려해야 한다.

□ 에너지 사용의 저감방안 - 반응기, Evaporator, Dryer 등의 가열에 필요한 에너지를 공급하기 위해서는 많은 양의 에너지가 필요하다. 전기저항식 가열이나 연료유의 연소를 통한 열에너지의 수급은 경제성 측면에서 큰 장애가 될 것으로 예상된다. 이의 해결을 위해 내부적으로 열회수 System을 구성하여 적용하거나 정유 Plant등의 폐열을 이용하는 방안을 고려해야 한다.

Fig. 3. Process diagram for the PET Recycling System

□ 안전성 평가 - 공정 중에는 강산과 강염기가 사용되므로 이들의 유출에 대한 위험성과 250℃, 20atm 으로 운전되는 반응기의 위험성 등 여러 가지 안전관련 문제에 대한 대책이 강구되어야 한다. 이에 대해 우선적으로 HAZOP, FTA 등을 통한 안전성 평가가 필수적인 것으로 고려된다.

□ 환경오염 물질의 저감방안과 Waste의 처리 - 공정의 운전 중 Startup과 Shutdown 같은 비정상상태의 운전에서 발생하는 Byproduct는 예상하지 못했던 환경오염물질일 수 있다. 또한 단순여과를 통해 발생하는 Waste는 비록 소량이긴 하지만 처리방안을 마련해야 할 것이다. 이를 위해 오염물질의 처리를 위한 장치도 마련해야 할 것으로 보인다.

결   론

본 연구는 폐PET에 촉매를 가하여 250℃, 20atm의 반응조건에서 원료물질인 테레프탈산과 에틸렌글리콜을 회수하는 공정의 예비설계에 대한 것이다. 주반응에 대한 시연은 여러번 있었으나 아직 상용화된 플랜트가 개발되지 않은 상태에서 기본공정에 대한 여러 가지 분석이 필요하였다. 공장설계의 계층구조(Design hierarchy)를 이용하여 반응기, 분리장치, 정제장치 등에 대한 요구사항 및 에너지 절약, 환경오염에 대한 처리사항에 대해서 고려하였다. 공정에 대한 예비설계를 통해 설계 초기 단계에서부터 안전도의 향상과 경제적 효율성을 추구한다면 최종 플랜트 설계시 합리성을 극대화시킬 수 있다는 점에서 장차 기대효과가 크다고 할 수 있다.

감   사

본 연구는 환경기술진흥센타에서 지원한 연구과제에 의해 수행되었으며 본 연구의 연구비 지원에 감사 드립니다.

참고문헌

1. 한국자원재생공사, PET병 재활용 증대 시책보고, (1998)

2. Heinrich Smuda, Method of recovery of terephthalic acid and ethylene glycol from poly/ethylene terephthalate/wastes, Patent No. US6239310 (1999)

3. L.T. Biegler, I.E. Grossmann and A.W. Westerberg, Systematic Methods of Chemical Process Design, Prentice Hall (1997)

4. W.F. Ramirez, Computational Methods for Process Simulation, Butterworths (1989)

5. J.M. Douglas, AIChE J., 31, 353 (1985)