조업조건 변화가 흡착에 미치는 영향에 관한 연구 박영화

Applied Chemistry,

Vol. 16, No. 1, May 2012, 65-68

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조업조건 변화가 흡착에 미치는 영향에 관한 연구

박영화⋅서성섭^†

홍익대학교 화학공학과 (suhss@wow.hongik.ac.kr)

Effects of Operating Variables on Benzene Adsorption

Young-hwa Park⋅Sung-sup Suh^†

Department of Chemical Engineering, Hongik University

1. 서 론

휘발성 유기화합물(Volatile organic compounds, VOCs)은 증기압이 높아 쉽게 증발되며, 상온에서 도 기체 상태로 존재하는 특징을 가지고 있다. 또한 지구 온난화와 광화학 스모그를 형성하므로 환경에 나쁜 영향을 끼치고 있으며, 호흡기 질환이나 암을 유발시키기 때문에 인체에 매우 치명적인 물질이다.

본 연구에서는 산업단지로부터 배출되는 고농도의 VOCs를 제거 및 회수하기 위한 실험을 진행하였 다. 흡착제로 활성탄을 선택하여 흡착탑을 채웠고, 흡착질로는 VOCs 물질 중에서 배출량이 많고 파급 효과가 큰 벤젠을 이용하였다. 실험목적은 조업조건에 따라서 변화하는 흡착제의 성능과 재생효과를 파 악하는 것이다. 흡착, 탈착, 건조⋅냉각단계 순으로 실험을 진행한 이후에 이어지는 재흡착 단계의 파과 곡선을 통해 공정 성능을 평가하고, 이상적인 조업조건을 찾고자 하였다. 실제 흡착공정에서는 2개 이 상의 탑을 이용하여 연속공정을 진행함으로써 효율적인 공정이 이뤄지고 있다. 따라서 본 실험에서는 2 개의 탑으로 실험이 진행된다고 가정하여 각 단계에서 조업시간을 달리 하였을 때 순환 정상상태에서 얻어지는 결과를 통해 공정의 성능을 평가하여 최적화의 가능성을 찾아보았다.

2. 이 론

2.1. TSA(thermal swing adsorption)

TSA공정에서의 흡착단계는 주기의 가장 낮은 온도에서 공급기체와 탑 내의 흡착제가 접촉함으로써 수행되어지며 선택적으로 보다 잘 흡착되는 성분들이 탑 내에 남게 되고, 공급 혼합물 중 흡착이 상대 적으로 잘 안 되는 성분들이 농축된 기체흐름으로 탑에서 생산된다. 이어지는 탈착단계에서는 흡착 시 온도보다 훨씬 높은 상태에서 재생유체를 이용하여 탈착하는 단계이다.

2.2. 파과곡선

파과곡선(Breakthrough curve)이란 흡착탑 내에서 흡착현상이 일어나면서 변하는 흡착질 농도와 파과시간과의 관계를 나타낸다. 일정한 농도로 원료가 탑에 주입되어 흡착이 일어나기 시작하면 탑 내 에서는 물질전달전면(mass transfer front)이 형성되고, 이것은 시간이 지남에 따라 앞으로 진행하면 서 탑 출구방향으로 이동하게 된다. 기상의 농도가 0인 지점과 흡착제가 포화되어 더 이상 흡착하지 못 하는 지점까지의 농도변화구간을 물질전달영역 MTZ(mass transfer zone)이라고 한다. 이 구간이 짧 을수록 물질전달 저항이 적어 흡착이 빠르게 진행되기 때문에 흡착탑의 사용효율을 높일 수 있다.

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3. 실 험

동적 실험장치는 크게 원료공급부, 흡착부, 측정부로 나눌 수 있다. 원료공급부는 CEM(Controlled Evaporator Mixer, W-102-120-K, bronkhost Co.)장치에서 액상상태의 벤젠과 물을 기상상태로 변환시켜주고, mixing valve에서 기화된 벤젠과 수증기를 캐리어가스인 질소와 완전 혼합이 이루어진 후에 일정한 농도로 유지되면서 탑으로 유입된다. 흡착부는 활성탄(12-20 mesh)을 채운 탑(길이 10cm, 내경 2.1cm)에서 흡착과 탈착 등의 본격적인 실험이 이루어지는 부분으로, 탈착 시에 고온상태 로 만들기 위해서 heating coil(KM1A, JP heaters Co.)을 탑 벽면에 설치하였고, 중간에 J type의 열 전대를 설치하여 흡착탑의 온도변화를 확인하였다. 흡착탑을 통과한 원료가스는 흐름의 마지막 단계인 측정부로 넘어간다. 측정부에서는 GC(Gas Chromatography DS6200, Donam instrument Co.)를 이 용하여 기상의 벤젠 분율을 측정하게 된다. GC에서는 유기물질에 대하여 감도가 좋아 VOCs 분석에 주 로 이용되는 F.I.D.(Frame Ionization Detector)를 사용하였고, 일정 간격으로 배출가스를 자동으로 채취하기 위해 자동 주입 밸브(Auto Injection Valve, KCA-20-32-3-I, Valco instrument Co.)를 사용하여 3분 간격으로 측정하였다.

Fig. 1. Experimental apparatus of dynamic adsorption.

3.2. 실험방법

본격적인 흡착실험이 이루어지기 전에 2시간 전에 GC를 미리 가동하여 signal baseline이 안정화될 때까지 캐리어 가스를 공급하면서 capillary column의 이물질을 충분히 제거한다. 흡착탑을 통과하지 않고 직접 GC로 유입되도록 by-pass line를 흐르게 하여 벤젠의 초기농도를 측정하고, 흡착탑을 통과 한 원료가스가 초기농도와 같아지면 파과 완료로 가정하고 흡착실험을 중지한다. 이어서 벤젠으로 포화 된 흡착탑에 수증기를 공급하여 탈착실험을 진행한다. 수증기가 탑으로 공급되는 동시에 흡착탑을 가열 하여 고온 탈착이 이루어지게 하였다. 탈착과정이 종료되는 동시에 수증기 유입을 중단하고 탑 온도를 떨어뜨려 건조와 냉각이 동시에 진행되도록 하였다

4. 결과 및 토론

4.1.1. 벤젠 유입농도에 따른 영향

초기 흡착단계에서는 유입농도가 높을수록 MTZ가 짧아지고 흡착량이 많아지면서 흡착성능이 좋아 지는 것을 확인할 수 있다. 이것은 초기 흡착단계에서 뿐만 아니라 재흡착 단계에서도 유사한 경향성을 보였다(Fig 2).

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Fig. 2. Comparison of breakthrough curves for different benzene concentration; (a) in adsorption step, (b) in re-adsorption step.

Fig. 3. Comparison of breakthrough curves in drying and cooling step; (a) for different operating time, (b) for different nitrogen flow rate, (c) for bed temperature.

4.2. 건조 및 냉각

4.2.1. 조업시간에 따른 영향

건조⋅냉각단계가 진행되지 않았을 때에는 탑으로부터 빠르게 흡착질이 유출되어 파과점에 도달하였 다. 따라서 고온의 수증기 탈착이 이루어진 뒤에는 반드시 건조⋅냉각단계가 필요하다는 것을 알 수 있 다. 또한 조업시간을 1시간 이상 진행하였을 때에는 재흡착 단계에서 유사한 파과거동을 보이고 있기 때문에 건조 및 냉각단계의 최소 조업시간을 1시간으로 결정할 수 있었다(Fig. 3-(a)).

4.2.2. 질소유량에 따른 영향

질소유량은 증가할수록 흡착제에 남아있는 잔류수분의 제거와 흡착제의 온도를 낮춰주는데 기여하기 때문에 재흡착 단계에서의 흡착성능이 향상되고 있는 것을 확인할 수 있다(Fig. 3-(b)).

4.2.3. 탑 온도에 따른 영향

탑 온도가 높을수록 재흡착 단계에서 흡착성능이 떨어지는 것을 확인할 수 있는데, 이는 고온 탈착이 종료된 이후에 재흡착 단계에서 흡착탑 온도가 떨어지는데 소요되는 시간이 길어졌기 때문이다. 이것은 흡착제 온도가 충분히 떨어지지 않은 상태에서 흡착질이 탑을 통과하기 때문에 흡착용량 저하로 이어졌

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다. 따라서 흡착공정에서 고온 탈착이 이루어진 이후에는 반드시 냉각단계가 필요하다는 것을 확인할 수 있다(Fig. 3-(c)).

4.3. 연속공정

4.3.1. 흡착시간이 120분으로 동일할 때

흡착시간을 120분으로 동일하게 하고 나머지 120분을 탈착과 건조⋅냉각이 진행하였을 때, 연속공 정이 반복적으로 진행될수록 약 5번째 사이클에서 정상상태에 도달하였다. 흡착시간이 동일할 때, 탈착 시간이 짧고 건조⋅냉각시간이 긴 경우에 파과곡선 기울기가 더 급하다는 것을 알 수 있다(Fig. 4).

Fig. 4. Comparison of breakthrough curve for each cycle in continuous process; (a) Adsorption:

120min, Desorption: 90min, Drying and Cooling: 30min, (b) Adsorption: 120min, Desorption:

90min, Drying and Cooling: 30min.

(2) 탈착시간이 120분으로 동일할 때

탈착시간을 120분으로 동일하게 하고 나머지 120분을 흡착과 건조⋅냉각으로 진행하였을 때, 연속 공정이 반복적으로 진행될수록 약 2번째 사이클에서 정상상태에 도달하였다. 건조⋅냉각단계보다 흡착 시간이 더 짧았을 때, 공정 회수율이 훨씬 높고 생산성도 우수하였다(Fig. 5).

Fig. 5. Comparison of breakthrough curve for each cycle in continuous process; (a) Adsorption: 90min, Desorption: 120min, Drying and Cooling: 30min, (b) Adsorption: 60min Desorption: 120min, Drying and Cooling: 60min.

참고문헌

1. S. W. kang, “Adsorption and Desorption Characteristics of Benzene on Activated Carbon and Zeolite 13X in Fixed Bed”, Hongik University (2005).

2. J. H. kwon, “Adsorption and Steam Desorption Characteristics of Benzene in Activated Carbon Packed Bed”, Hongik University (2006).