가압유동층반응기들의 시동과 정지시 일으킬 수 있는 오류

이창근, 조성호, 한근희, 배달희

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

A Pitfall in Start-up and Shut-down of Pressurized Fluidized Bed Reactors

C.K. Yi, S.H. Cho, K.H. Han, D.H. Bae

Energy ＊ Environment Research Dept., KIER

1. 서론

가압유동층 반응기는 유동층 반응기의 장점인 좋은 열전달, 물질전달, 혼합효과와 가압시스템의 장점인 높은 기체 밀도에 의한 처리량의 증가 때문에 응용 면에서 여러 반응기에 사용되고 있다. 이 반응기를 정상상태의 온도, 압력까지 올리기 위하여 반응기내의 고체상의 유동화 상태를 적절하게 유지시키지 않으면 층내 물질이 엉겨 괴상의 덩어리가 생성(agglomeration)될 수 있다. 또는 너무 높은 속도로 유지되어 많은 입자가 날아가 버릴(entrainment) 위험성도 많다. 대부분의 유량계 또는 질량유량제어기(Mass Flow Controller)들은 유량(M3/T)으로 표시되기 때문에 운전자가 유속(M/T)으로 환산하지 않으면 문제를 발생시킬 가능성이 많다.  상압유동층 반응기에서는 단지 온도와 유속의 관계만을 고려하기 때문에 상식적으로 조절할 수 있지만 가압유동층에서는 온도, 압력, 유량의 세 변수사이의 관계를 유기적으로 고려하여야 하기 때문에 암산만으로는 실수할 가능성이 높다. 본고에서는 가압유동층에서 최소유동화속도와 종말속도에 관한 이론적 배경을 제시하고 그들을 이용하여 압력온도에 따른 적절한 유동화유량의 폭을 산출하고 이로부터 장치의 시동, 정지시 따라야할 지름길을 제시하여 시간과 노력을 절약하는 방안을 제시하고자 한다.   이러한 압력-온도-유량사이의 관계는 정상상태 까지의 시간을 절약할 수 있으며,  차후 공정설계시 시동과 정지 과정의 자동화시 제어구조를 설계, 결정하는 데에도 필요할 것이다.

2. 이론적 배경

본 연구에서는 압력과 온도에 따른 최소유동화속도와 입자의 종말속도를 계산하기 위하여 Kunii & Levenspiel (1969)에 나타난 일반적인 식들을 사용하였다.

<표 > 계산에 사용된 유동화 기체와 입자의 물리적 특성

입자밀도	5 g/cm3
기체밀도	0.0012 g/cm3 at 20 oC, 1 atm
기체점도	0.000182 g/cm/s at 20 oC
평균입자크기	0.2 mm
입자크기분포	0.1 - 0.3 mm
입자의 구경도 (sphericity)	0.86
입자의 공극률 (voidage)	0.5

3. 실례 및 고찰

<표 1>은 유동층 촉매반응기의 유동화기체의 밀도, 점도 및 유동화 입자의 물리적 특성을 보여준다. 유동화 입자는 Geldart에 의한 분류 B에 해당하는 평균입경이 0.2 mm의 입자이다.

[그림 1-(a)] Effects of Pres. & Temp. on Umf

[그림 1-(b)] Effects of Pres. and Temp on Qmf

가) 최소유동화속도

[그림 1]은 온도 압력의 변화에 따라 최소유동화속도와 유량이 어떻게 변하고 있는지 보여준다.  최소유동화 속도는 압력의 변화에 따라 낮은 온도를 제외하고는 거의 일정한 값을 유지한다.  [그림 1-(a)}와 [그림 1-(b)]의 비교에서 보는바와 같이 유량은 압력에 따라 다른 경향을 갖는다.  압력이 증가함에 따라 최소유동화 유량은 증가하고 있다. 이는 유속을 유량으로 환산할 때 압력이 보정 되기 때문이다.   실제 운전을 하면서 압력, 온도의 변화에 따라 순간 순간 최소 유동화속도를 계산하고 그를 유량으로 환산하여 그 수치 이상에서 운전하는 것이 최상이겠지만, 실제 운전에서는 번거로운 일이며, 적당한 길을 알고 있다면 그렇게 할 필요가 없다.

[그림 1-(b)]의 경우 5 기압, 500 C가 조업온도라면,  유동화 유량은 최소유동화 유량(점 C)의 3.5배 정도인 150 Nl/min이 조업유량이라고 가정하자.  그 유량으로 밸브를 조종해 놓고 공정의 시동시 온도를 먼저 올리고 압력을 올리면 그림의 A → B → C (Path 1)의 과정을 거친다.  유량이 150 Nl/min으로 고정된 상태에서 온도를 올리면 최소유동화유량은 오히려 줄어들므로 유동화 상태는 상당히 활발해 진다.  그 후 압력을 상승시켜도 문제가 없다.  즉 최소유동화속도의 관점에서는 문제가 없다.

장치의 시동시 압력을 먼저 올린 후 온도를 올리면 그림의 A → D → C (Path 2)의 과정을 거친다. 상온, 2.5기압 정도의 압력부터 층내는 유동화가 되지 않는다. 이러한 상태로 5기압까지 올린 후 온도를 상승시키기 위하여 가열을 하면 유동화에 의한 열전달이 아니라 단지 입자의 전도에 의해서만 열전달이 일어나므로 국부가열에 의한 agglomeration의 가능성이 존재한다.

공정의 정지시  온도를 먼저 내리고 압력을 내릴 경우 그림의 C → D → A (path 4)의 과정을 밟는다. 유량이 150 Nl/min의 상태에서 온도가 250 C까지 떨어졌을 때 층내는 유동화가 되지 않는다.  본 예제의 경우는 충분히 온도가 떨어졌기 때문에 문제가 없다. 만일 층내에 열원이 되는 물질이 남아있고, 발열반응이고, 물질의 점화온도가 그 온도보다 낮다면 이 또한 agglomeration의 가능성이 있다.

정지시 압력을 먼저 내리고 온도를 내릴 경우는  C → B → A (Path 5)의 과정을 밟는다. 공정이 갑작스럽게 긴급하게 정지된다던가, 정전의 경우 이와 같은 경우가 생길 수 있다. 압력이 떨어지는 속도가 온도가 떨어지는 속도에 비하여 빠르기 때문에 정전시 이와 같은 과정을 밟는다.  이때에는 최소유동화속도 관점에서는 전혀 문제가 없다.

나) 입자종말속도

[그림 2-(a)}는 압력, 온도의 변화에 따른 입자의 종말속도의 관계를 보여주고 있다.  0.1 - 0.3 mm입자중 작은 입자부터 비산되므로 본 계산에는 가장 작은 크기인 0.1 mm를 사용하여 계산하였다.   앞의 이론적 고찰에서와 같이 ut는 □-1에 비례하였는데,   온도의 증가에 따라 점도가 증가하므로 종말속도는 온도의 증가에 따라 감소하고 있다.  압력의 영향은 온도가 높은 경우에는 거의 없다.  그러나 온도가 낮은 경우에 압력이 높아지면서 불연속선이 나타나고 있다.  그 조건에서 레이놀즈 수가 경계를 넘어섰기 때문이다.

[그림 2-(b)]는 종말속도를 종말유량으로 환산한 것이다.  종말속도의 경우에는  0 oC의 경우 압력에 따라 감소하였으나, normal 종말유량의 경우는 압력에 따라 증가하며, 불연속선도 거의 사라지고 있다.

시동 (start-up) 시 유량을 원하는 조업유량인 150 Nl/min에 맞춘 후,  온도를 먼저 올리고, 압력을 올리면 (Path 1: A → B → C), 압력 1기압, 온도가 400 oC 되었을 때 작은 입자부터 비산이 시작된다.  온도가 더 올라갔을 때, 더 큰 입자도 비산유출 될 것이다.  온도가 500 oC 된 후 압력을 올리면  조업유량이 종말속도보다 적게 유지되므로 비산유출은 멈출 것이다.

시동시 압력을 먼저 올리고, 온도를 올리면 (Path 2: A → D → C), 종말 유량이 상당히 높기 때문에 비산유출의 염려는 전혀 없다.

정지시 온도를 먼저 내리고 압력을 내리면 (Path 4: C → D → A), 시동시의 Path 2에서와 같이 종말 유량이 높기 때문에 비산유출의 염려는 전혀 없다.

정지시 압력을 먼저 내리고 온도를 내리면 (Path 5: C → B → A), 기압이 1.5 기압 정도에서부터 비산유출이 시작된다. 가능하다면 이 궤적은 피해야 한다.

[그림 2-(a)] 종말속도 vs. 압력, 온도

[그림 2-(b)] 종말유량 vs. 압력, 온도

다) 최적궤적의 제안

토의되어진 [그림 1-(b)] 와 [그림 2-(b)]의 각 궤적에 따른 유동화 상태를 <표 2>에 정리하였다.  우선 agglomeration의 가능성이 있는 D 꼭지점을 지나는 시동시 A → D → C 궤적 (Path 2)과 정지시의 C → D → A 궤적 (Path 4) 은 가능한 한 피하는 것이 좋을 것이다.

비산유출의 가능성이 있는 B 꼭지점을 지나는 시동시 A → B → C 궤적 (Path 1)과 정지시의 C → B → A 궤적 (Path 5)은 조업유속이 낮을 경우는 종말유속 미만에서도 조업이 이루어 질 수 있다.     온도와 압력을 동시에 조절하는 A → C 궤적 (Path 3)과 정지시의 C → A 궤적 (Path 6)은 이상적인 궤적이나 조업자가 연속적으로 압력제어기에 매달려 단계적으로 압력을 조절하여야 하는 노력이 따른다.  그러므로 agglomeration을 제일 먼저 피하고, 비산유출도 줄이며, 조업자의 노력도 절감할 수 있는 대안의 궤적이 제안될 수 있다.

위와 같은 형태의 최소유동화 유량과 종말 유량 특성을 가질 경우에는 2단계 정도의 조업을 하면 된다. 온도를 먼저 반을 올린 후  압력을 반 올리고, 나머지 온도를 다 올린 후 압력을 올리면, agglomeration의 위험성도 피할 수 있고, 미분의 비산유출도 막을 수 있으며, 시동시의 노력도 절감할 수 있다.  정지시에는 역으로 같은 궤적을 쫓아 압력을 먼저 반정도 떨어뜨린 후 온도를 반 내리고, 다시 나머지 압력을 내린 후, 온도를 완전히 내리면, 문제점 없이 빠르게 상온 상압 조건으로 돌아간다.  본 연구에서는 비산유출을 해석하기 위하여 간단하게 입자의 종말 속도를 사용하였다. 실제 비산유출은 기포의 거동에 의하여 발생하므로 좀 더 정확한 궤적을 예측하기 위해서는 기포에 의한 entrainment 해석이 이루어져야 할 것이다.

<표 > 시동과 정지시 온도-압력 궤적에 따른 유동화상태 정리

	조업유량으로 고정된 상태에서	Path	Defluidization 여부	입자비산 여부
Start-up	온도를 먼저 올리고 압력을 올릴 경우	Path 1: A → B → C	O.K.	비산유출
	압력을 먼저 올리고 온도를 올릴 경우	Path 2: A → D → C	초기에 defluidization	전혀 없음
	압력과 온도를 동시에 올릴 경우	Path 3: A → C	O.K.	없음
Shut-down	온도를 먼저 내리고 압력을 내릴 경우	Path 4: C → D → A	Defluidization	전혀 없음
	압력을 먼저 내리고 온도를 내릴 경우	Path 5: C → B → A	O.K.	비산유출
	압력과 온도를 동시에 내릴 경우	Path 6: C → A	O.K.	없음

4. 결론

가압유동층 반응기의 시동과 정지시 유동층에서 가장 기본적이랄 수 있는 최소유동화속도와 종말속도를 이용하여 조업상 발생할 수 있는 가장 큰 문제인 agglomeration과 비산유출을 막을 수 있는 온도와 압력변화의 궤적에 관하여  고찰하였다. 시동시 온도를 먼저 반을 올린 후 압력을 반 올리고, 나머지 온도를 다 올린 후 압력을 올리는 2단계 조업이 안전한 조업을 보장해 준다. 정지시에도 역으로 같은 궤적을 쫓아 압력을 먼저 반정도 떨어뜨린 후 온도를 반 내리고, 다시 나머지 압력을 내린 후, 온도를 상온까지 내리는 것이 안전한 궤적이다.

감사의 글

본 연구는 대체, 청정에너지 기술개발사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사 드립니다.

참고문헌

1. Kunii, D. and O. Levenspiel, "Fluidization Engineering", John Wiley & Sons, Inc., p72-76 (1969)