AppliedChemis t:Iγ，
Vo1.12,No.2,November 2008,잃3-336
MTO (Methanol to 이efin)공점을 위한 기-고 상온 훈환유동층 반응기
Scale-up
안혈갚 박상순， 채호정， 정순용， 이융 · 이동현 t
성균관대학교 화학공학과，한국화학연구원
Gas-solid cold-bed circulating fluidized bed scale-up for MTO (Methanol
toOlefin) process
Hvun Suk Lee . Sang Soon Park' . Ho Jeong Chae' . Soon Yang Jeong' . Yoong Lee' Dong Hyun Lee•
Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University
'Alternative Chemicals / Fuel Research Centre. Korea Reasearch Institute of Chemical Technology
Abstract
The experiments were conducted to grasp scale-up factors of cold-bed circulating fluidized bed (CFB) for methanol to olefin (MTO) process. The characteristics of the solid mass flux. solid hold-up and average residence time were investigated in both of 9mm-ID x 1.9m-high and 25mm-ID x 4m-high CFBs using a FCC particles as bed materials. Solid mass flux increased with increasing gas velocity. The solid mass flux value with gas velocity was in the range of 24-51kg/m2s. The average solid hold-up and residence time in a riser of 9mm-ID x 1.9m-high CFB were 0.02 and 2 sec respectively. The axial solid holdup profile with solid mass flux in the two cold-mode CFBs represented similar results.
1. 서 론
고유가 상황이 지속되면서 메탄올로부터 경질올레핀으로의 전환기술에 대한 연구가 확대되고 있 다. 여기에 사용되고 있는 SAPO-34 촉매는 C2-C4 올레핀에 높은 전환율을 가지고 있지만， 반 웅을 통해 생기는 coking에 의해 쉽게 비활성화 된다. 따라서 비활성된 촉매를 재생하기 위한 반 응기로써 순환유동층이 채택되고 있다.
MTO 공정에 사용되는 순환유동충에서 반응 조건에 따른 최적공정을 위해 다양한 시율레이션 결과[1 -4] 가 있음에도 불구하고， 국내에서는 MTO 순환유동층 반응기 설계 기술개발을 위한 수 력학적 특성 파악에 대한 기본적인 연구는 수행되지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 내경 9mm 이고 높이 1.9m 인 상옹 순환유동층 반웅기에서 충 내에 SAPO-34와 평균입경이 유 사한
FCC
촉매를 주입하여 공기에 의한 유동을 통해 장치 내 수력학적 특성(상승관에서의 고체 체류량 분포， 기체유속에 따른 고체순환량 분포， 상승관 내 고체체류시간)을 파악하고， 이들 결과 를 바탕으로 scale-up 한 내경 25mm 이고 높이 4m 인 상온 유동층 반응기에서의 수력학적 특 성을 현재 장치와 비교하였다.2
, 이 론2.
1. 상숭관에서의 고체체류량 분포축방향 고체체류량은 상승관 높이에 따른 압력강하를 측정하여 구할 수 있다. 고체체류량을 구 하는 식은 다음과 같다.
333
334
이현석·박상순·채호정·정순용·이 융·이동현-i1P eo
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s Psg4Z (l)
2.2 고체순환량 분포
순환유통층 장치에서의 고체순환량 측정은 정상상태 조업이 이루어졌을 때 cyclone과 bubbling bed사이에 위치한 ball valve를 이용하여 관의 축적높이에 따른 시간을 측정하여 구하였다 고체 순환량을 구하는 식은 다음과 같다.
α=
- - -pf
- (2)2.3 상숭관 내의 고체체류시간
순환유통층의 상승관에서 평균고체체류시간은 장치 scale-up의 가장 중요한 인자이며， 이것을 구하는 식은 다음과 같다.
(3)
Fig. 2. 1in- ID 상온순환유통충 장치 개략도
Table 2. 실험변수 및 범위
Table 1. 연구에 사용된 촉매 물성
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3.
실 험• l
Fig.
1은 본 실험에 사용된 순환유동층 장치를 개략적으로 나타낸
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그림이다. 고체입자 흐름을 관찰하기 위해 아크릴관으로 제작되었으 람
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’l 계적 밸브의 한 종류인 seal-pot이 연결된 내경이 !
고 높이는 1. 9m 로 구성된 상온 순환유동층 장치에 SAPO-34 와 |주
평균입경이 비슷한
FCC촉매가 층 내 주입물질로 사용되었다 .필랙시품느 : 뽑ltT
Table 1 에는 사용된 FCC 촉매입자의 물리적 성질을 나타내었다~밟//한:.
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본 실험에서는 유동화 기체로써 공기가 사용되었으며 장치 순환에 서 발생하는 정전기를 방지하기 위해 장치 전체에 접지를 실시하였
다 Riser에서의 압력강하를 측정하기 위해 압력랩을 부착하였으 Fig. 1. 9mm - ID 상온순환유동 며， 입자의 유출을 막기 위해 필터가 설치되었다. 그리고 압력변환 충 장치 개략도
기와 AID 변환기를 사용하여 1 분에 607» 의 데이터를 총 3분간 컴 퓨터를 통해 받아 통계적으로 처리하였다 Cyclone 과 bubbling bed 사이에 설치된 ball valve를 이용하여 순환유동충이 정상상태 로 조업될 때 밸브를 닫고 column의 입자축적 높이에 따른 시간을 ι’
측정하여 고체순환량을 측정하였다. Fig. 2는 한국화학연구원에 설 치된 내경이 25 mm 이고 높이는 4m 인 상옹 순환유동충 장치를 나타낸 그림이다. 본 장치 역시 아크렬관으로 제작되었으며 장치에 사용된 기체， 분산판， 고체업자는 Fig. 1 에서 사용한 것과 통일한 것이 사용되었다.Table 2 에는 본 실험에 사용된 실험변수와 범위 를 나타내었다.
νMa따te하rial FCC (Engelhard) dp . (때) 82.36 ps. (kg/mJ) 2436.3 Umf. Ccm/s) 0.501 Geldart’ s group A
* SAPO-34 : 82.66αn
variables Range
Ur (m/s) 2.18-3.93
Ub (-) 3Umf
UsealUmf (-) 2.44-7.09Umf UA Ccc/min) standpipe 47.5
in seal-pot vertical part 175 Solid inventory (kg) 0.2
웅용화학， 제 12 권 제 2호， 2008
MTO (Methanol to Olefin) 공정을 위한 기-고 상온 순환유동층 반응기 Scale-up
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4.
결과 및 토론Fig.
3은 내경9mm
인 상온 순환유동층 반응기에서 기체유속 (riser， seal-pot)유속에 따른 고 체순환량 분포를 나타낸 그림이다. 그림에서 알 수 있듯이 riser의 유속이 증가함에 따라 기체 모벤텀의 증가로 인해 고체순환량은 비례하여 증가하지만， 3.5m/s 이후의 유속에서는 더 이상의 고체순환량이 증가하지 않음을 알 수 있었다. 그리고 일정한riser
유속에서seal-pot의 유속이 증가함에 따라 고체순환량은 중가하지만5.54U
mf 이후에서는 급격한 감소를 나타냈다. 이는 낮은seal-pot
유속에서는 seal-pot에서 riser로의 입자의 공급이 원활한 반면에 유속이 커짐에 따라seal-pot
내부에서 일어나는 고체입자의 fluctuation현상의 발생으로 인하여 riser로의 고체입자 공급이 어려워져 발생한 것으로 보인다.Fig
4 는 기체 유속 조건에 따라 측정된 고체순환량에 따른 riser 에서의 축방향 고체체류량 분포 를 나타낸 그림이다. 본 장치의 높이는 1.9 m로 기존 순환유동층 장치보다 낮음을 고려하였을 때riser
하부의 농후상과 완전발달흐름영역 사이의 전이영역이 뚜렷하지 않은 결과를 나타내었다.그러나 1m이상의 영역에서는 고체체류량의 분포가 일정한 완전발달흐름영역이 나타났으며， 기체 유속에 따른 고체순환량이 증가함에 따라 고체체류량은 증가하는 경향을 나타냈다.
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0.16Fig.4.
상승관에서 축방향 고체체류량분포」
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I eFig.3.
기체유속에 따른 고체순환량 분포‘
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Fig. 5. Riser
내 고체체류시간 분포,
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Fig.6.
고체체류량분포 비교Fig
5 는 기체유속과 고체순환량에 따른 riser 에서의 펑균 고체체류시간을 나타낸 그림이다.Riser 에서 고체입자의 평균체류시간은 식 (3) 에서 구할 수 있다. 식 (3) 에서 본 바와 같이 고체순 환량이 증가함에 따라 고체체류시간은 감소하는 경향을 나타내었으며， 기체유속에 따른 최대 고체
순환량 범위 (46-51kg/m
2s) 를 기준으로 평균 고체체류시간을 파악한 결과 평균 2초의 결과를 얻
었다.
Applied Chemisσy ， Vol.12,No.2,2008
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이현석·박상순·채호정·정순용·이 융·이동현Fig 6 은 내경 9mm 이고 높이1.9m 인 상옹 순환유동층 장치의 고체체류량과 고체순환량의 결 과를 바탕으로 scale-up을 한 내경 25 mm 이고 높이 4m 인 상온 순환유동층에서에서의 축방 향 압력강하에 따른 고체체류량 분포를 비교한 그렁이다. 내경 9 mm 와 25 mm인 두 장치의 높 이가 다르기 때문에 riser의 총 높이와 압력강하 측정 높이를 비융로 나타낸 20를 이용하여 결과 를 비교하였다. 그림에서 보는 바와 같이 내경 25 mm 이고 높이 4m 인 상옹 순환유동층에서는 하부의 농후상과 완전발달흐름영역의 분포가 뚜렷하게 구분된 전이영역 (20=0.16-0.26)이 나타 남을 알 수 있었다. 그리고 기체유속에 따라 측정된 고체순환량이 증가함에 따라 고체체류량 분포 는 증가하였으며， 완전발달흐름영역에서의 체류량분포는 내경 9mm 이고 높이1.9m인 상온 순환 유동충 장치와 유사한 결과를 얻게 되었다.
5.
결 론내경 9mm 이고 높이 1.9m 인 상온 순환유동층 장치에서 기체 유속에 따라 측정된 고체순환량
은 24-51kg/m
2s 인 결과를 얻었으며， 상승관 내의 압력강하 측정을 통하여 고체체류량을 파악한
결과 완전발달흐름영역 기준으로 평균 0.02인 결과를 얻었다. 다음과 같은 결과를 토대로 파악된평균 고체체류시간은 최대 고체순환량(46-51kg/m
2s) 기준으로 약 2초인 결과를 얻었다. 이러한
결과들을 토대로 scale-up된 내경 25 mm 이고 높이 4m 인 기-고 상용순환유동충 장치에서 고체순환량에 따른 고체체류량 분포를 파악한 결과 내경 9mm 이고 높이 1.9m 인 상온 순환유동층 반응기와 유사한 결과를 얻었다.
기호얼명 dp Mean diameter of particle (f1Il1)
Gs Solid mass flux (kg/m2s)
g Gravitational acceleration (m/s2)
t Time (sec)
t "e8 Aerage solid residence time (sec)
Ub Bubbling bed inlet velocity
Ce
m/s) Umr Minimum fluidization velocity (cm/s) Ur Riser inlet velocity (m/s)Useai/Umr Seal-pot inlet velocity (-) UI Terminal velocity (m/s) L12 Height of riser (m)
2D Dimensionless height of riser (-)
(., Average solid hold -up in a riser (-)
감사의글
본 연구는 지식경제부 지원으로 수행하는 “차세대 신기술 개발 사업 (메탄올 및 DME로부터 경 질올레핀 제조 기술 개발)" 의 일환으로 수행되었습니다.
창고문헌
(1) A. N. R. 80S, P. J. J Tromp, Ind. Eng. Chern. Res., 34, 3808 (1995).
(2) J. Q. Chen, A. 80zzano, 8. Glover, T. Fuglerud, and S. Kvisle, Cat띠ysis Today., 106, 103 (2005) (3) S. Soundararajan, A. K. Dalai, F. 8erruti, Fuel, 80, 1187(2001)
(4) S. M. Wahabi, Ph.D. Dissertation, Texas A&M, USA (2003).
웅용화학， 제 12 권 제 2호， 2008
