촉매충전층 반응기의 안전운전를 위한 동적제어

장진호·윤영삼·노치우·박판욱·정용옥*

부산대학교 화학공학과

*부경대학교 화학공학과

Dynamic Control for safe operation of Catalytic Packed Bed Reactor

J.H Jang·Y.S Yun·C.W No·P.W Park·Y.O Jeong*

Dept.of Chem.Eng.,Pusan National University

*Dept.of Chem.Eng.,Pukyung National University

서론

촉매충전층 반응기안에서 수반되는 산화반응은 많은 열이 수반되는 고발열 반응이 대부분이며 이와같은 고발열반응에 의해 생성되는 열로 인하여 반응기가 불안정하여지며 특히 반응기 입구영역 어느 한 위치에서 피할수 없는 높은 열점을 생성시킨다. 이 열점온도의 영향으로 목적생성물의 수율감소, 발생된 높은 열로 인하여 시간이 지남에 따라 급격한 촉매 활성의 저하 그리고 극단적인 경우 반응기 폭발로도 연결될수 있다.

이러한 고발열 반응으로 인하여 발생하는 열 때문에 촉매 충전층 반응기는 열과 관련된 많은 문제점을 포함하고 있다. 이들 문제를 해결하기 위해서는 반응기 안에서 발생할수 있는 현상에 대한 사전예측과 발생된 위험사항을 제어할수 있는 simulater개발이 필수적이다.

촉매 충전층 반응기 운전으로 얻을수 있는 목적 생성물의 최대 수율 조건은 극단적인 조작조건 위에 존재함으로 반응기의 안정성과는 trade-off 관계이다. 즉 반응기를 안정하게 운전하기 위하여 열점을 낮추게 되면 목적 생성물의 수율 및 전화율이 감소되지만 목적 생성물의 수율 및 전화율을 높이기 위하여 열점을 어느정도 높인 상태에서 운전을 할 때 외란이 발생하면 반응기가 불안정하게 되어 온도일방질주를 일으킬수 있는 위험성을 지니고 있다. 이러한 이유로 최대의 수율을 유지하며 반응기를 불안정하게 하는 외란을 효과적으로 제어하는 것은 필수적이다.

본 연구진은 이전 연구[5,6]에서 반응기 안에서 변화될수 있는 조작조건들을 변화시켜가며 반응기안의 현상에 대해 심도있게 고찰하였다. 본 연구는 반응기안에서 발생하는 현상에 대한 사전예측이 아닌, 현장 반응기 조작중 발생할수 있는 외란에 대한 제어를 목적으로 정상상태조업하에서 온도일방질주가 발생하는 온도와 농도값에서 다른 조작조건들을 변화시켜 반응기가 안정범위에서 운전될수 있음을 보여주었다. 또한  비정상상태와 정상상태조건하의 조작상에서 발생할 수 있는 입구의 온도와 농도 그리고 냉매온도의 변화가 반응기안의 거동에 미치는 영향을 고찰하였으며, 이 외란을 급격한 온도상승이 발생하는 시점에서 제어하여

반응기 운전시 발생할수 있는 위험성을 사전에 제거하는데 연구의 목적이 있다.

이론

본 연구의 대상반응계는 고발열을 수반하는 o-xylene 산화반응을 선정하였으며 모델은 촉매조건에 따라 유체상과 고체상을 하나의 상으로 간주한 유사균일상 모델과 유체상과 고체상을 별개로 간주한 불균일상 모델로 나누어지며 축방향만을 고려한 1차원 모델과 축 및 반경 방향의 온도와 농도분포를 고려하는 2차원 모델이 있다. 또한 반응속도식은 V2O5 촉매상의 o-xylene산화반응으로 부터 반응물과 생성물의 촉매로의 흡·탈착 저항을 무시한 단순한 지수형  반응 속도식과 V2O5-TiO2촉매 산화·환원기구로 부터 흡·탈착을 고려한 Langmuir- Hinshelwood 속도식이 있다.

모델식은 반응, 물질, 열 그리고 운동량을 수학적으로 나타내었다. V2O5-TiO2촉매는 활성물질인 V2O5가 지지체의 외곽표면에 얇게 코팅되어 있으므로 흡착과 반응이 반응물의 외각표면에서 일어나기 때문에 유사균일상 모델로 가정하였으며 축 및 반경방향으로 온도와 농도구배가 존재하기 때문에 2차원 모델을 도입하였다. 반응속도식, 반응기에 대한 모델식 및 연구에 사용한 data들은 [5,6]에 상세히 수록되어 있다.

결과 및 고찰

단일 촉매 충전층 반응기에 대해 온도일방질주를 일으키는 한계냉매 온도인 냉매온도를 356℃로 유지하며 반응기안에서 발생되는 온도일방질주 현상을 입구농도로 제어한 결과를 Fig. 1.에 나타내었다. Fig. 1.을 살펴보면 정상상태조건하에서 냉매온도가 356℃일때는 단일층 반응기에서 온도일방질주를 일으키지만 입구온도등 다른조작조건들을 온도일방질주가 발생하기 이전에 변화시키면 온도일방질주를 사전에 방지하며 안정한 범위에서 반응기가 운전될수 있다. 그리고 이중촉매 충전층 반응기안에서 온도일방질주를 일으키는 입구 냉매 온도인 365℃상태에서 급격한 온도상승이 발생하기 이전에 외부적인 조작조건을 변화시켜 반응기를 제어한 결과를 Fig. 2에 도시하였다. 이중촉매 충전층 반응기는 365℃의 냉매온도에서 온도일방질주가 일어나지만 이러한 외란을 제거하면 온도일방질주를 미연에 방지할수 있다. 즉 반응기 모사를 통하여 반응기안에서 발생할 수 있는 각종 외란을 사전에 예측 또는 발생된 외란이 통제할수 없는 상황에 도달하기 이전에 제어할수 있다.

결 론

촉매 고정층 반응기내의 V2O5-TiO2촉매상에서 o-xylene의 공기산화에 의한 PA 합성 반응기를 운전할때 발생가능한 각종 외란에 대한 연구를  통하여 다음과 같은 결론을 얻을수 있었다.

1) 반응기 모사를 통하여 반응기안에서 발생할수 있는 각종 외란의 영향을 예측     할수 있었다.

2) 반응기내의 온도일방질주를 발생시키는 조작조건하에서 반응기가 운전될 때      다른 조작조건을 변화시키면 runaway현상이 발생되지 않고 반응기가 안정한     상태에서 운전이 가능하였다.

3) 반응기에 대한 외란이 발생하였을때 조작조건을 변화시켜 반응기의 안전제어     가 가능하였다.

참고문헌

1) Y. S. Cheng, T. Mongkhonsi and L. S. Kershenbaum, Chemical Engineering     Science, Vol. 51, No. 10, pp. 1909-1918, 1996

2) Juan R. Gonzalez-Velasco, Miguel A. Gutierrez-Ortiz etal, Chemical           Engineering Science, Vol. 47, No. 6, pp. 1495-1501, 1992

3) Chun-Yu Chen and Chang-Chuen Sun, Chemical Engineering Science,        Vol. 46, No. 4, pp. 1041-1054, 1991

4) J.N. Papageorgiou and G. F. Froment, Chemical Engineering Science, Vol.     51, No. 10, pp. 2091-2098, 1996

5) Y. S. Yun, P. W. Park, H. L. Rho, and Y. O. Jeong, HWAHAK           KONGHAK, 35, 380-389, 3(1997)

6) Y.S Yun·P.W Park·Y.O Jeong, HWAHAK KONGHAK, 95-50, to be        accepted.