충전탈거탑을 이용한 CO2 탈거 및 MEA 수용액의 재생에 관한 연구

엄 문 호, 박 진 원

연세대학교 화학공학과

A Study on the Stripping of CO2 and the regeneration of Aqueous

Monoethanolamine Solutions using packed tower

Ueom Moon-Ho, Park Jin-Won

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서 론

지구온난화의 주요원인 물질인 이산화탄소의 제거에 대한 관심이 최근 증폭되고 있으며, 이를 제거하기위한 연구가 여러 곳에서 다양하게 이루어지고 있다.

이산화탄소를 제거하는 구체적인 방법으로는 흡수법, 흡착법, 막분리법 등의 여러 가지가 있으며, 그 중 흡수법은 이산화탄소와 반응을 하는 흡수제를 이용하여 화학적 반응을 통하여 흡수속도와 흡수량을 증대시키는 방법이다. 대표적인 흡수제로 알카놀아민계를 들 수 있으며, 암모니아에서 수소의 치환된 수에 따라 1차, 2차, 3차 아민으로 나뉜다. 그 중 이산화탄소의 제거에 주로 이용되는 아민으로 MEA, DEA, DIPA, MDEA 등이 있으며, 그 중 MEA는 빠른 흡수속도와 저렴하다는 장점이 있다. 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수실험은 이제까지 많이 행하여 졌으며, 현재에도 많이 행해지고 있다. 이에 비해 흡수액의 재생에 관한 실험은 아주 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 흡수제로 그 성능이 뛰어난 MEA 수용액을 대상으로, 이산화탄소를 흡수한 흡수액을 충전탈거탑에서 재생하는 실험을 행하였으며, 여러 가지 조건의 변화를 통한 실험으로부터 최적의 탈거조건을 얻고자 하였다.

이 론

흡수액으로부터 기체가 탈거될 때는 흡수와는 반대로 용액의 벌크중의 녹은 기체의 농도가 표면에서의 농도보다 높게 나타난다. 따라서 벌크용액과 평형에 있는 가스의 분압은 표면에서의 분압보다 높게 된다.

탈거탑에서의 흡수액으로부터 이산화탄소의 탈거는 흡수장치를 통과한 이산화탄소의 농도가 높은 MEA수용액이 탈거탑내에서 포화증기와 접촉함으로서 이루어진다. 탑중의 일정한 높이 □Z를 i단이라고 하면 i단에서의 물질전달현상은 Fig. 1.에서와 같이 나타난다. 탑의 상부로 도입되는 액체와 Reboiler에서 발생된 증기가 i단에서 접촉하면 액상중의 이산화탄소는 기상으로 전달되고, 기상중의 증기는 응축되어 액상으로 전달된다. 이런 현상은 탑전체를 통해 나타나며, 따라서 탑의 하부로 갈수록 액상중의 이산화탄소의 농도는 낮아지고 탑의 상부로 갈수록 기상중의 이산화탄소의 농도는 높아지게 된다.

탑에서의 물질전달속도는 총괄물질전달계수를 통해서 알 수 있다. 총괄물질전달계수값은 다음과 같이 기상과 액상의 물질전달계수의 합으로 나타낼 수 있다.

[eqn: 1over K_OL ~=~ H over k_G ~+~ 1over { E k_L}]

여기서, H는  Henry's constant값을 E는 enhancement factor를 나타낸다.         Fig. 1. Schematic diagram of i section

탑에서의 총괄물질전달계수는 다음의 식으로부터 계산할 수 있다.

[eqn: K_OL a ~=~ 1 over h INT _{ x_B}^{x_T } {L_m dx}over {C(1-x_A ) (x_A- x_A^* ) }]

이 식은 다음과 같이 각각의 작은 단에서의 평균값으로 계산된 값의 합으로 나타낼 수 있다.

[eqn: K_OL a ~=~ 1 over h SUM from { { i}=1} to N } {bar L_m Delta x_i}over {bar C (1- bar x_A.i ) ( bar x_A.i - barx_{A.i} ^* ) }]

여기서, bar는 평균값을 나타낸다.

실 험

충전탈거탑의 개략도를 그림 2.에 나타내었다. 탑과 연결부분은 모두 부식을 방지하기 위하여 SUS로 제작되었다. 탑의 내경은 2in이고 충전층의 높이는 20cm씩 3단으로 총 60cm이다. 각 층의 사이에는 온도측정과 시료채취가 가능하도록 제작되었다. 흡수액은 1, 2차 흡수장치를 거쳐 항온조를 통과하여 일정온도로 탑내로 유입된다. 이 흡수액은 탑전체에서 증기와 접촉하여 재생되고 Reboiler로 유입된다. 이 재생된 흡수액은 Reboiler로부터 나와 condenser를 거쳐 다시 흡수탱크로 들어간다.

시료는 Feed부분과 Reboiler부분 그리고 탑내로 환류되는 부분에서 채취하였다.

기상의 분석은 G.C.를 이용하였으며, 흡수액의 분석은 HCl을 이용한 적정법을 이용하였다. 먼저 액체 시료에 NaOH를 과량 첨가하여 물리적으로 녹아있는 이산화탄소를 고정시키고 흡수 반응의 중간 물질인 HCO3-를 모두 CO32-로 전환시킨다. BaCl2 수용액을 과량으로 첨가하여 24시간 동안 실온에서 방치한 후 수용액 속에 존재하는 CO32-이온을 모두 BaCO3의 형태로 전환시켜 침전시킨다. 이 수용액에 폐놀프탈레인 지시약과 메틸오렌지 지시약을 차례로 넣어 염산으로 적정한다.

1. Stripping Tower	2. Reboiler
3. Condenser	4. Gas/Liq. Separator
5. first absorption system	6. Absorption Tank
7. Heater	8. Pump
9. Flowmeter

Fig. 2. Schematic diagram of stripping tower apparatus

결과 및 토론

탈거실험은 도입유량, 도입액의 이산화탄소농도, 도입온도 세가지를 변수로 고려하여 실행하였다. 그리고 그 실험결과를 총괄물질전달계수와 도입액의 이산화탄소농도에 대한 재생용액의 이산화탄소의 농도값으로 정의되는 탈거율이라는 값으로 나타내었다. 장치가동후 20분정도 시간이 지난 후 정상상태에 도달하였으며, 따라서 시료는 30분이상 지난 후의 시간에서 추출하여 분석하였다.

Fig. 3.은 도입액의 이산화탄소 loading값의 변화에 따른 총괄물질전달계수와 탈거율의 변화를 나타낸 것이다. 여기서 loading은 MEA농도에 대한 흡수된 이산화탄소의 농도로 정의되는 값이다. 그림에서 보듯이 loading이 증가할 수록 두 값 모두 증가하는 경향을 나타내었으며, 그 증가폭 또한 커졌다. 이것은 용액 중에 이산화탄소의 농도가 증가함에 따라 쉽게 탈거될 수 있는 이산화탄소의 양 또한 증가하기 때문으로 생각된다. Fig. 4.는 도입유량의 변화에 따른 총괄물질전달계수를 나타낸 것으로, 유량이 증가함에 따라 총괄물질전달계수는 증가하였으며 높은 유량에서는 다시 감소하는 경향을 보였다. 이는 액체의 유속의 증가는 접촉면적 a를 증가시키고, 액상물질전달계수를 증가시켜 결과적으로 총괄물질전달계수값이 증가시키는 결과를 나타내었다고 생각할 수 있으며, 높은 유속에서 감소하는 것은, 액체에 의해 탑의 상부의 온도가 떨어져 증기를 응축시키고, 이로 인해 탑 상부에서 탈거가 이루어질 수 없게 만든 결과라 생각할 수 있다. Fig. 5.는 유입액의 온도변화에 따른 두 값의 변화를 나타낸 것으로 온도가 증가함에 따라 조금씩 증가함을 알 수 있다. 이는 Fig. 4.에서 설명된 것과 비슷한 경우로 유입액의 온도가 증가할수록 액체의 온도를 상승시키는데 필요한 열이 적어져 그 양만큼 증기에서 소모되는 열이 적어지고, 그 결과로 이산화탄소를 탈거시키는데 이용될 수 있는 에너지량이 증가된 결과라고 생각된다.

감 사

본 연구는 (주)SK 프로젝트의 일환으로 진행되었으며 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. Astarita, G., Savage, D. W. and Bisio, A., Gas Treating with Chemical Solvents, Willy & Sons, Inc. (1983)

2. Kohl, A. L. and Riesenfeld, F. C., Gas Purification 4th ed., Gulf Publishing Co. (1985)

3. P. V. Danckwerts, F. R. S. : "Gas-Liquid Reactions", McGraw-Hill Book Co. (1970)

4. Lester S. Kershenbaum, : "Behaviour of Absorption/Stripping Columns for the CO2-MEA System; Modelling and Experiments", Can. J. Chem. Eng. Vol69, (1991)

Fig. 3. Effect of loading on

KOL and efficiency

Fig. 4. Effect of flowrate on KOL and efficiency

Fig. 5. Effect of temperature on

KOL and efficiency