충전탈거탑을 이용한 2-amino-2-methyl-1-propanol으로부터 CO2의 탈거

류정균, 홍원희

한국과학기술원 화학공학과

Desorption of CO2 from 2-amino-2-methyl-1-propanol aqueous solution

with the packed coulmn

Jung Gyun Ryu, Won Hi Hong

Department of Chemical Engineering, KAIST

서론

배가스 이산화탄소의 화학흡수법을 이용한 분리·회수 공정에서 탈거공정은 흡수탑에 공급되는 재생된 흡수제를 제공하므로 전체 처리 용량을 결정하게 된다. 또한 알카놀아민류의 흡수제를 사용하는 경우 탈거공정에서 고온의 스팀을 사용하기 때문에 에너지 소비량을 결정하는 주요 부분이다. 이러한 실질적인 중요성에도 불구하고 흡수에 대해 탈거에 대한 연구는 진행된 바가 적다.

본 연구에서 충전탑에서의 탈거실험을 통하여 탈거탑을 이해하고 총괄 물질전달 계수의 고찰과 공정 모사를 통하여 충전 탈거탑에서의 흡수제의 이산화탄소 탈거 거동을 고찰하였다.

이론

CO2가 흡수된 2-amino-2-methyl-1-propanol(AMP) 흡수제는 충전탑에서 발생된 뜨거운 증기와 향류 접촉하여 탈거되며 탑하부로 나오며 탈거된 CO2는 탑상부로 배출된다. 고온의 스팀은 응축되어 액상으로 전달되고 응축되는 열은 액상 중의 CO2와 그 화합물을 분해시켜 기상으로 전달시키는 역반응의 반응 에너지를 제공한다.

탈거탑 내의 미소구간 [eqn: j]단에서의 평균 액상과 기상의 물질전달 속도는 식 (1)과 같다.

[eqn: bar N_j ~=~ bar phi bar k_L^0 a (bar A_j - bar A_j^* ) DELTA z ~=~ bar k_G a ( barp_j^* - bar p_j ) DELTA z]	(1)

여기서 [eqn: N]은 탈거된 CO2의 플럭스, [eqn: k_L^0]은 화학반응이 없는 경우 액상물질전달 계수, [eqn: k_g]는 기상물질전달계수, [eqn: a]는 기액접촉 계면면적, [eqn: phi]는 촉진계수이고 [eqn: bar A]는 벌크 액상에 녹아 있는 반응하지 않은 CO2의 농도, 위첨자 [eqn: *]는 계면에서의 값, [eqn: z]는 탑의 높이를 의미한다.

탈거는 흡열반응이기 때문에 탈거된 CO2의 플럭스 [eqn: bar N_j]로 식(2) 엔탈피수지를 세우고 소비된 리보일러에서 올라오는 스팀의 응축속도와 제공하는 열량을 계산한다.

[eqn: lambda_s bar S_j ~=~ DELTA H_R left[ left({A_T L} over rho_L right )_j-1 - left({A_T L} over rho_L right )_j right]]	(2)

여기서 [eqn: □_S] 스팀의 응축열, [eqn: bar S_j] 스팀의 응축 속도, [eqn: □H_R] 성분들의 분해열, [eqn: A_T] : 모든 형태의 녹아있는 CO2 농도, [eqn: L]은 액상유량이다.

또한 각 미소구간 안에서의 액상과 기상의 총괄물질수지러 식(3)이 유도된다.

[eqn: L_j ~=~ L_j-1 + bar S_j - bar N_j] ,	[eqn: G_j+1 ~=~ G_j + bar S_j - bar N_j]	(3)

여기서 [eqn: G]는 기상의 유량이다. A, B성분에 대한 물질수지는 식(4), (5)과 같다.

[eqn: left( {A_T L} over {rho_L} right)_j ~=~ left( {A_T L} over {rho_L} right)_j-1 - bar N_j]	,  [eqn: left( {p_A G} over {P M_w} right)_j+1 ~=~ left( {p_A G} over {P M_w} right)_j - bar N_j]	(4)

[eqn: left (BL over {rho_L} right)_j ~=~ left (BL over {rho_L} right)_j-1]	(5)

여기서 [eqn: p_A]는 CO2의 분압,[eqn: P]는 전압, [eqn: M_w]는 vapor의 분자량이다.

몰분율을 사용한 액상기준 총괄 물질전달계수의 정의는 식(6)과 같다[1].

[eqn: K_OL a ~=~ 1 over h int from x_T to x_B {L_m dx} over {rho_m (1-x) (x-x_e^* )}]	(6)

여기서 [eqn: x_e^*]는 기상과 평형의 CO2의 몰분율이다. 식(6)에서 기상과 액상의 유량이 컬럼에서 변화하기 때문에 평형선과 조작선이 곡선이므로 식(7)과 같이 수치적분한다[2].

[eqn: K_OL a ~=~ 1 over h sum from j=1 to N {bar L_m,i ~□x_j} over {bar rho_m,j (1-bar x_j ) (bar x_j ~-~ bar x_e,j ^* )}]	(7)

실험

탈거 실험을 위한 장치의 간단한 개략도를 Fig.1에 나타내었다. 탈거 충전탑은 내경 48mm, 충전 높이 54cm로서 5mm Raschig ring(glass)을 충전하였다.

흡수제는 흡수액 저장소로부터 열교환기로 유송되고 열교환기에서 온도가 상승된 흡수제는 다시 예열기에서 온도가 조절되어 유량이 측정되면서 탈거탑의 상단으로 주입된다. 재생된 흡수액은 리보일러로부터 열교환기를 거쳐 온도가 낮아진 후 다시 흡수장치로 유입된다. 샘플의 농도는 장치를 가동한 후 정상상태에 이르렀을 때 주입구, 탑 하단, 리보일러의 세군데에서 측정하였다.

모델 흡수제는 2M AMP 수용액에 CO2를 불어넣어 미리 제조하였다. 탈거탑은 상압에서 운전되었으며 리보일러에서의 흡수 용액 온도 102∼103℃, 2M AMP 흡

A : Condenser	B : Stripper	C : Reboiler

Fig.1 Schematic diagram of desorption equipment.

D : Rotameter	E : Preheater	F : Heat exchanger

G : Absorber	H : Feed tank

I : Mass flow controller	J : CO2 cylinder	K : N2 cylinder

수제의 도입 CO2 로딩 0.2∼0.9, 도입액 유량 60∼113 g/min, 흡수액의 온도 70℃, 스팀의 보일업(boilup) 8∼14.7 g/min의 범위에서 탈거 실험을 수행하였다. 액상의 농도는 Seo, Hong 등[2]이 사용한 적정법을 이용하였다.

결과 및 토론

1. CO2 loading의 영향

도입 흡수제의 유량 26.5, 50 mol/m2s, 리보일러에서 올라오는 스팀의 양 4.11, 7.56 mol/m2s의 조건하에서 도입 흡수제의 로딩을 0.2∼0.8로 바꾸어가면서 탈거실험 수행하여 CO2로딩이 총괄 물질전달계수 [eqn: K_OL a]에 미치는 영향은 Fig.2, 3에 나타내었다.

흡수제의 로딩 [eqn: alpha]가 높을수록 반응한 아민 형태(RNH3+)가 증가하고 반응하지 않은 형태의 아민(RNH2)이 감소한다. 또한 벌크액상과 계면의 CO2 농도[eqn: A], [eqn: A^*]이 증가하므로 따라서 촉진계수가 감소하게 된다. 따라서 액상측의 물질전달 계수는 감소하게 된다. 반면에 [eqn: alpha]이 증가할수록 기상의 유량이 증가하게 되므로 기상측 물질전달계수는 증가하게 된다. 따라서 감소하는 액상 물질전달계수와 증가하는 물질전달계수 중 후자의 영향이 더 커짐에 따라 [eqn: alpha]의 물질전달계수에 대한 영향은 증가하는 것으로 나타났다.

2. 스팀 보일업 속도(steam boilup rate)의 영향

리보일러에서 올라오는 스팀의 양이 탈거공정에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 보일업 속도를 4∼11 mol/m2s 범위로 조정하였다. Fig.4에 나타난 바와 같이 보일업이 증가할수록 총괄 물질전달 계수는 증가하는 경향을 보였다. 보일업의 증가는 기상 유량의 증가를 가져오므로 [eqn: k_G]가 상승한다. 액상 물질전달계수에 미치는 영향은 복합적이다. 먼저 응축된 스팀의 희석효과는 촉진계수를 낮게 만들어 액상측 물질전달계수를 감소시키는 반면 응축된 스팀은 액상 유량을 증가시켜 [eqn: k_L^0]를 높이는 효과가 있다. 따라서 [eqn: K_OL]이 증가하는 현상은 단지 기상 증가에 의한 [eqn: k_G]의 효과라 할 수 없으며 촉진계수의 감소와 액상물질전달 계수의 증가의 상쇄되는 효과도 함께 고려하여야 한다. 따라서 흡수제의 CO2 로딩과 보일업, 액상유량의 상대적인 크기에 따라 영향이 다르게 나타난다. 탈거의 경우에는 흡수와는 달리 기상유량의 [eqn: K_OL a]에 대한 영향은 크게 나타났다.

Fig.2 Effect of feed solution loading

on overall mass transfer coefficient

(G=7.56 mol/m2s)

Fig.3 Effect of feed solution loading

on overall mass transfer coefficient

(G = 4.11 mol/m2s)

3. 도입액 유량에 대한 영향

액상 유량의 총괄 물질전달계수에 대한 영향을 Fig.5에 나타내었다. 일반적으로 액상 유량의 증가는 액상 개별 물질전달 계수가 증가하고 또한 기액 계면면적이 증가하기 때문에 총괄물질전달 계수의 증가를 가져온다. 하지만 Fig.5에 보여진 바와 같이 도입 액상 유량의 영향은 기상 유량의 변화에 비해 총괄물질전달계수에 미치는 영향이 크지 않았다.

Fig.4 Effect of steam rate on overall mass transfer coefficient

(L = 50.0 mol/m2s)

Fig.5 Effect of liquid feed rate

on overall mass transfer coefficient

감 사

본 연구는 산업자원부 청정에너지기술개발과제로 에너지관리공단의 지원으로 수행되었으며 이에 감사 드립니다.

참고문헌

1. Weiland, R. H., Rawal, M., and Rice, R. G., AIChE, 28, 963(1982).

2. Seo, D. J. and Hong, W. H. : J. Chem. Eng. Data, 41, 258(1996).