FCC 재생반응기에서의 기포특성

김 성원, 남궁 원, 김 상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지□환경연구센터

Characteristics of Bubble Properties in a FCC Regenerator

Sung Won Kim, Won Namkung and Sang Done Kim

Dept. of Chem. Eng. and Energy & Environment Research Center

KAIST, TaeJon, Korea

서론

FCC (Fluid Catalytic Cracking) 장치는 중질유의 원유와 잔사유로부터 가솔린과 heating oil, 디젤연료 제조 등에 사용되고 있다. 이 장치는 50년동안 fine-powder 유동화에 중요하게 응용되고 있으며, 현재 세계적으로 약 350 여개의 장치가 조업되고 있다 [1]. FCC 장치에서 미세한 분해촉매는 촉매에 의한 중질유의 분해가 일어나는 상승관 (riser) 와 촉매의 재생이 일어나는 재생반응기 (regenerator) 사이에서 높은 속도로 순환되고 있다. FCC 재생반응기는 cracking  동안에 촉매에 침적된 coke 를 연소하여 촉매의 활성을 얻고, riser 내에서 촉매의 흡열반응과 주입되는 oil 기화에 필요한 열을 공급하여 준다. 최근에 재생반응기에서 중질유와 FCC 장치내의 전체 resid 를 분해하는 경향이 증가되고 있고, 각국의 엄격해진 공해문제로 인하여 재생반응기 설계에 대한 중요성이 증가되고 있다.

상승관내에서 촉매반응에 의한 가솔린 생성을 높이기 위해서는 재생반응기에서 촉매의 재생을 원활히 수행하여 연속적으로 촉매를 상승관으로 재주입하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 재생반응기 내에서 기체와 고체의 유동화특성에 대한 이해가 필요하다. 특히, 유동층에서 가장 분명하고, 중요한 현상중의 하나는 기포의 발생인데 기-고 유동층내 기포특성은 반응기내 열 및 물질전달과 이에 따른 화학반응에 큰 영향을 미치므로, 기포의 현상과 효과를 이해하는 것은 유동층반응기의 내부현상을 이해하는 데 중요한 열쇠가 된다[2].

따라서, 본 연구에서는 FCC 재생반응기의 cold model 에서 optical fiber probe 기술을 이용하여 조업변수에 따른 기포 또는 공극특성을 측정하여 반응기 내부의 흐름현상을 이해하고 이로부터 실제 반응기의 유동화 특성을 간접적으로 예측하고자 하였다.

실험

본 연구에서 사용된 FCC 재생반응기의 개략도를 Fig.1 에 나타내었다. 그림에서 보듯이 장치는 크게 두 개의 재생반응기와 싸이클론으로 구성되었다. 상부의 1차 재생반응기와 하부의 2차 재생반응기의 내경은 각각 0.48, 0.26 m 이며, 반응기의 상부는 비산되는 입자를 최소화하기 위하여 1차 재생반응기와 2차 재생반응기의 내경을 각각 0.90, 0.48 m 로 확대하여 제작하였다. 재생반응기의 높이는 1차 재생반응기의 경우는 3.4 m 이고 2차 재생반응기의 경우는 2.75 m 이다. 1차 재생반응기에 주입된 공기는 blower 를 사용하여 공급하였고, 주입되는 유속은 pitot tube 를 사용하여 확인하였다. 2차 재생반응기내로의 공기는 compressor 에서 주입되었고, 주입되는 유속은 orifice meter 로 확인하였다. 2차 재생반응기에서 사용된 공기는 1차 재생반응기내로 pipe 을 통해 재 주입된다. 반응기는 내부의 흐름현상을 관찰하기 위하여 아크릴로 제작하였다. 1차 재생반응기에서 비산되는 입자는 외부의 싸이클론에 (내경 0.28 m) 포집되어 1차 재생반응기 분산판위 0.75m 지점에서 반응기 내로 재 주입되었다. 1차 재생반응기 내의 비말동반속도를 측정하기 위하여 Fig.1에서 볼 수 있듯이 싸이클론 밑부분에 포집된 입자를 저장할 수 있는 hopper 를 설치하였다.

Fig. 1 Experimental apparatus

(1) first regenerator

(2) second regenerator

Fig.2 에 본 재생반응기에 사용된 분산판의 개략도를 나타내었다. 1차 재생반응기의 분산판 중심은 다공판(perforated) 형태로 4 mm 의 구멍이 96개가 뚫여있고, 15개의 pipe 형태의 가지 부근에는 45°의 하방향으로 pipe 당 4 mm 의 구멍이 16개가 뚫여있다. 1차 재생반응기 내에 입자가 2차 재생반응기로 내로 이송할 수 있게 3개의 관을 설치하였다. 그리고, 2차 분산판은 pipe grid 형태로 3 mm 의 구멍이 총 92개가 뚫여있다. 2차 재생반응기에서 사용된 반응기체는 Fig.2 (a) 에서 볼 수 있듯이 12 개의 pipe 를 통하여 1차 재생반응기로 재주입되었다. 재생반응기내에 압력분포를 측정하기 위하여 반응기의 벽면에 pressure tap을 설치하여 마노미터에 연결 하였다.

Fig.2 Schematic diagram of distributor

(a) distributor of first regenerator

(b) distributor of second regenerator

실험에 사용된 시료는 FCC(Fluid cracking catalyst) 폐촉매로써 Geldart 입자분류[3]에 의하면 group A 에 속하고, 평균입경은 70 □m, 입자밀도는 2130 kg/m3 이다.

기포특성실험

기포특성을 측정하기 위하 한 쌍의 transmission type 의 optical fiber probe 를 사용하였다. 이에 대한 자세한 내용은 기존의 발표된 문헌[4]에 자세히 나타나 있다. 신호처리는 time series analysis[5] 를 이용한 cross-correlation 을 통해, 두 probe 로부터 출력된 신호로부터 시간지연 □max 를 구하여 두 probe 사이 거리인 l 에 대해 식 (1)을 이용하여 평균기포상승속도를 구하였다.

[eqn: U_b ~=~ l over tau_max]                            (1)

기포가 probe 에 존재할 때의 시간인 t2i 에 대해 기포분율 (bubble fraction) 은 총 측정시간 T 에 대해 식 (2)에 의하여 구하였다.

[eqn: epsilon _b ~=~ 1 over T SUM from { { i}=0} to T t_2i]                            (2)

결과 및 고찰

Fig. 3 Effect of gas velocity on axial solid              holdup distribution in the first                  regenerator (U2=1.07 m/s)

Fig. 3 에 1차 재생반응기에서 고체체류량분포에 대한 기상유속의 영향을 나타내었다. 반응기내 초기 채워진 고체입자의 높이는 0.4 m 이고, 2차 재생반응기의 유속은 1.07 m/s 로 일정하게 유지시켰으며, 1차 재생반응기의 기상유속은 0.56 - 1.15 m/s 로 변화시켰다. 그림에서 보듯이 약 0.5m 높이까지 농후상이 형성되고 그 이상에서는 고체체류량이 지수적으로 감소하는 분포를 보였다.기상유속이 증가할수록 농후상의 고체체류량이 감소하고, 고체체류량분포 기울기는 감소하였다. 이것은 입자층이 형성된 하부에서는 기상유속의 증가할수록 입자표면에 미치는 drag 의 증가로 입자의 상승속도가 증가하여 고체체류량이 감소하였고, 상부의 프리보드 영역에서는 비산되는 입자의 증가로 인하여 고체체류량이 증가하였기 때문이다. 그리고, 기상유속이 증가할수록 공극의 증가로 인하여 층은 팽창하고 층표면도 diffuse 하여 층경계를 구별하는 것이 모호해 진다. 그리고, 층표면위의 고체체류량이 상부의 고체체류량 보다 약간 높은 값을 갖는데, 이것은 층표면에서 기포의 파괴로 인하여 상대적으로 높은 운동량을 갖고 비산되는 입자에 의한 것이다. 그림에서 나타난 바와 같이 프리보드 영역에서 고체체류량분포는 지수적으로 감소하였다. 이것은 층표면에서 높은 운동량을 갖고 비산된 대부분의 입자들이 층내로 다시 되돌아 오기 때문이다. 그래서, 프리보드는 중심부근에서는 기체와 비산된 고체의 상승흐름을 갖고 벽면에서는 입자의 하강이 일어나는 core-annulus 구조가 관찰된다.

Fig. 4 (a) Radial profile of local bubble                   velocity for the first regenerator

(b) Radial profile of local bubble                   fraction for the first regenerator

(c) Radial profile of local bubble                  flow rate for the first regenerator

Fig. 4에 1차 재생반응기의 반경위치의 변화에 따른 기상유속이 국부기포속도와 기포분율 및 기포흐름속도에 미치는 영향을 나타내었다. 2차 재생반응기의 기상유속은 1.07 m/s 로 일정하게 유지시켰고, 2차 재생반응기에서 주입되는 유속을 포함한 1차 재생반응기의 유속은 0.56 - 1.15 m/s 로 변화시켰으며 probe 의 위치는 농후상이 형성되어 있는 0.24 m 에서 반경방향으로 이동시켰다. 반경방향에 대한 기포속도의 변화 (Fig.4(a)) 는 유속이 낮을 때, 2차 재생반응기에서 주입되는 기체량이 상대적으로 크고, 또한 Fig.2(a) 에서 볼 수 있듯이 이들이 주입되는 위치가 분산판 중심으로부터 반경에 대한 거리비 (r/R) 가 0.75 인 지점에 위치하여 중심보다 상대적으로 높은 유속으로 주입된 기포들이 합체됨으로써 중심보다 상대적으로 큰 기포가 형성되어 이 지점에서의 기포속도가 높은 경향을 나타내었다. 그러나, 기상유속이 증가할수록 2차 재생반응기에서 주입되는 기체량의 상대비가 낮아지고 기포의 합체보다 분쇄되는 정도가 증가함에 따라 반경전체에 대해 기포속도가 균일해 지는 경향을 나타내었다. 반경방향에대한 기포분율의 변화 (Fig.4(b)) 는 기상유속이 낮을 경우, 전체적으로 균일하였으나, 기상유속이 증가할수록 분산판중심으로부터 기포분율이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 Fig. 2(a)에 나타낸 분산판의 형태로부터 알 수 있듯이 일정하게 주입되는 2차 재생반응기의 기체주입량에 대해 중심부 쪽에서 상대적으로 증가되는 기체주입량의 증가에 의한 것이다. Fig. 4(c) 에 반경방향의 변화에 따른 국부 기포흐름속도 (bubble flow rate) 의 변화를 나타내었다. 기포흐름속도는 기포속도와 기포분율의 곱으로 정의되었다[2]. 그림에서 볼 수 있듯이 1차 재생반응기로 주입되는 2차 재생반응기의 유속이 일정할 때 1차 재생반응기내 유속이 증가될수록 전체 기체의 흐름은 균일한 흐름에서 분산판 중심에서의 흐름속도가 증가되는 경향을 보였다. 이는 기상유속이 증가할수록 중심부에서의 기포 활동성 (bubble activity) 이 증감됨을 나타낸다. 이러한 경향은 Farag et al.[3] 이 0.3m 의 난류유동층 실험에서 벽면부근 (r/R=0.8-0.85) 에서 기포흐름속도가 최대값을 보이고 중심부쪽에서 낮은 값을 갖는 기포순환형태 (circulation pattern) 를 보인다는 보고와는 상반된 결과로, 이는 2차 재생반응기에서 주입되는 기체량보다 상대적으로 높은 비율의 기체를 중심부에서 공급하는 FCC 재생반응기의 기체주입형태에서 기인된다고 생각된다.

참고문헌

1. Senior, R. C. and Avidan, A. A.:Circulating Fluidized Bed Technol. Ⅵ, eds. by M. Kwauk and J. Li, Sciene Press, Beijing 400(1997)

2. Farag, H. I., Ege, P. E., Grislingas, A. and De Lasa, H. I.: Can. J. Chem. Eng., 75, 851(1997)

3. Geldart, D. and Jones, P.: Powder Technol., 67, 163(1991)

4. Lee, G. S. and Kim, S. D.: Korean J. of Chem. Eng., 8(1), 6(1991)

5. Bendat, J. S. and Piersol, A. G.: Digital Data Analysis, John Wiley & Sons, New York 361(1986)