휘발성 유기 용매(Solvent Vapor) 처리 기술

(I) 흡수탑 설계

심정섭, 김현수, 이기봉, 이정관, 박방삼

국방과학연구소

VOC(Solvent Vapor) Treatment System

(I) Wet Scrubber Design

Jung-Seob Shim, Hyoun-Soo Kim, Ki-Bong Lee, Jung-Kaung Lee,

Bang-Sam Park

Agency for Defense Development, High Explosive Lab.

서론

화약, 제약, 기계, 전자공업 등 산업 전반에서 광범위하게 사용되고 있는 휘발성 유기물질(VOCs : Volatile Organic Compounds)은 대기 중에서 태양 빛을 받아 광화학 반응을 유발하여 스모그를 형성하는 유기물이며 대기오염의 주원인으로 작용하는 물질이다.

이러한 유기용매들은 대부분 휘발성을 강하게 지니고 있어 증기 형태로 배출되어 대기오염은 물론이고 이런 유기용매를 취급하는 작업자의 건강에도 큰 영향을 미친다. 따라서 여러 가지 휘발성 유기물질들이 새로이 환경 규제 대상에 포함되고 있고 지금까지 규제가 되지 않던 물질들도 새로이 규제대상에 포함시켜 더욱 엄격한 통제가 진행되고 있다.

복합화약을 제조하는 공정에서 사용되는 용매의(MEK, Ethyl Acetate, Toluene 등) 대부분은 증류를 통해 회수되지만 일부분이 대기 중으로 방출되고 있으며, 이러한 용매를 처리하기 위한 방법으로는 소각에 의한 폐기와 증류에 의한 분리, 여과, 흡착, 흡수 등의 여러 가지 공정이 있으며, 소각에 의한 폐기는 증가되는 연료소비에 따른 경제적 부담의 문제점과, 소각시 나오는 먼지, 연기 등의 대기오염을 일으키는 원인들 때문에 많이 이용치 않고 있는 실정이다. 재생공정 중에는 공비차의 원리에 의한 증류법과, 비중차이에 따라 침전 또는 여과하는 방법, 그리고 현재 많이 연구되고 있는 ACF(Activated carbon fiber에 의한 흡착)방법 등이 있다. 그 중에서 ACF 방법은 부분적으로 산업현장에 응용되고 있지만 ACF 장치의 고비용 문제와 탈착시 반응열 등의 처리 문제가 아직 해결이 미흡한 상황이며 주위에서 쉽게 얻을 수 있는 물을 이용한 흡수법이 경제적인 측면에서 현재 산업 전반에서 많이 이용되고 있다.

본 연구에서는 안전한 작업 환경의 구축과 작업자의 건강을 위해서 대기중으로 증발되는 유기 용매 증기 회수를 위한 흡수탑 장치를 설계하였으며 설계변수에 대하여 고찰한 결과와 장비설계과정에 대해서 기술하였다.

이론

흡수는 접촉된 물질이 경계면에서 모이지 않고 다른 물질내로 투과 확산되어 농도가 전체적으로 증가되는 물리적 현상으로 물을 사용하여 공기중에 포함된 암모니아, 유기용매 등의 휘발성 유독 물질들을 분리하는 데 사용되는 공정이다.

1) 압력강하 Correlation

흡수탑은 단위충전물 깊이당 일정한 압력강하에 기준해서 설계되는데, 훕수탑에 대한 설계치는 보통 충전물 1 ft당 0.25 와 0.5 사이이며, 증류탑에서는 ft당 0.5 내지 0.8 inH2O 범위이다. 링(ring)이나 안장(saddle)으로 충전된 대부분의 탑에서 부하는 보통 ft당 약 0.5 inH2O에서 시작하며, 범람은 보통 ft당 2와 3inH2O 사이의 압력강하에서 발생되며, 압력강하를 계산하는 식(1)은 다음과 같다.

[eqn: □P ~=~□×10^□L ({G^2 over □_G })]	(1)

2) 탑높이의 계산

흡수되는 물질이 기체 속에 중간 또는 높은 농도로 있을 때에는 설계시 계산에 고려해야 할 몇 가지 추가 인자들이 있으며, 총 기체유량의 감소와 액체유량의 증가가 물질수지식에서 계산되어야 하고, 일방향 확산에 대한 보정인자가 포함되어야 한다.

기체가 탑을 통과함에 따라 몰유량(V)과 기체량(y)이 감소하므로, 미소높이 dz에서 흡수된 용질의 양은 d(Vy) 이다.

[eqn: dN_A ~=~ d(V_y ) ~=~ Vdy + ydV]	(2)

탑 높이는 V, (1-y), (y-y*) 및 Ky'a의 변화를 생각하여 도해식 적분으로 구할 수 있다. 즉,

[eqn: Z_t ~=~ {1 over S} int from a to b {Vdy over {(1-y)(y-y*)(K'_y a)}}]           (3)

Kya는 약 V0.7에 따라 변하고, 기체막이 율속일 때 Kya가 거의 같은 변화를 보여줄 것이므로 V/Kya비는 그다지 변하지 않는다. [eqn: bar(1-y)_L] 항은 (1-y) 와 (1-yi)의 대수평균으로, 보통 (1-y)보다 약간 클 뿐이다. 그러므로 [eqn: bar(1-y)_L] 와 (1-y)항들을 상쇄할 수 있다고 가정하면 충전층의 높이는 다음과 같이 된다.

[eqn: Z_t ~=~ bar {({V/S over {K_y a}})} int from a to b {dy over {(y-y*)}}]                  (4)

『 Kya = 기상에 기준한 총괄부피 물질 전달 계수 (lb/ft2-h) 』

식(4)의 적분치는 증기의 농도변화를 평균 구동력으로 나눈 것으로서 전달단위 수(NTU) Noy 라고 한다. 하첨자는 Noy가 기상에 대한 총괄 구동력에 기준한 것임을 나타낸다. 식(4)의 다른 부분도 길이의 단위를 가지며, 1개 전달단위의 높이(height of a transfer unit : HTU) Hoy 라고 한다.

(3) 충전층의 단면적

기체유입속도가 범람속도의 0.5 라고 가정하여 충전층의 단면적을 (3)식에 의해 구할 수 있으며,

[eqn: S~=~ {V over {G_y /2}}]	(5)

기체의 확산계수는 (6) 식에서 구할 수 있다.

[eqn: D_v ~=~ {0.01498T^1.81 (1/M_A +Z/M_B )^0.5 } over {P(T_CA T_CB )^0.1405 (V_CA^0.4 + V_CA^0.4 )}]          (6)

액상과 기상에 기준한 전달단위의 높이는 (7), (8) 식에 의해 계산할 수 있다.

[eqn: H_xo_2 ~=~ H_x, _O_2 over f_p ({G_x over □})({□ over □D_v })^0.5]               (7)

[eqn: H_y, _mek ~=~ H_y, _mek over f_p ({N_sc over 0.66})^0.5]	(8)

결과 및 고찰

Blower에 의해 유입되는 MEK 함유 공기는 Column 하단부의 inlet pipe를 통해 column 내부로 유입되고 유입된 공기는 상층부로 상승하면서 맨 위 단에서부터 내려오는 처리수와 충진물질에서 교차하면서 물에 흡수된다. 이 처리수는 반응기 하단의 저장 tank로 유입되어 water pump에 의해 재 순환된다. MEK가 제거된 공기는 상단부의 outlet pipe와 집진·여과막을 통해 대기중으로 방출된다.

처리할 solvent vapor로 MEK를 선정하였으며 표 1에 이들의 물리적 성질과 design변수를 나타내었다. MEK-AIR 농도는 2.24 ppm 이며, MEK-water 농도는 1.6 % 로 계산하여 설계하였다. 처리수의 농도가 1.6 % 이상되면 회수하여 광촉매 산화장치를 이용 환경규정치 이하(CODCr 50 ppm)로 분해하여 방류하였다. 조작 온도는 상온을 기준으로 하였으며, 초기 유입되는 공기 유량은 30 □/min 이고 1 batch당 처리수는 300 L를 기준으로 하였다. Packing materials은 1□ Intaiox saddles을 선택하였으며 재질은 solvent에 부식성이 적은 SUS로 제작하였다.

표 1의 design 변수를 기준으로 계산된 흡수탑의 직경은 0.845 m 이며 충진 높이는 0.8 m 이고 전체 높이는 2.5 m 로 제작하였다. 그림 1에 장치개략도를 그림 2에 흡수탑 설계도면을 첨부하였다.

참고문헌

1. 한화진외, □VOC 배출원별 배출량 산정 및 저감기술 연구□, 대한석유협회,

1996.

2. 전학제, □Catalysis am Introduction", 한림원, 1992.

3. Wanen L. McCabe, Julian C. Smith & Peter Harriott,, "UNIT OPERATION

OF CHEMICAL ENGINEERING", Chap. 22. McGRAW-Hill Press.

4. Suzuki. M. "Adsorption Engineering", Elsevier, Amsterdam(1990).

5. Ludwig, "Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Precess",

Chapter 6, GUKF, 1964.

6. R.H., Perry, "Chemical Engineering Handbook", 5th ed., McGraw-Hill, New

York, 1973.

Table 1. MEK의 물리적 성질과 Design 변수   Table 2. Summary of Design data for WSS

변수 종류	Design 변수
MEK	MEK 용해도 35.3 g/100 ml Density 0.805 g/□ Viscosity 0.44 cP Dv 0.2005 □/s p(수증기압) 82 □Hg(20℃) M(분자량) 72.1
Packing materials	1" Intalox Saddles 표면적 250 □/□ Fp = 92 fp = 1.54

Detail	Design data*
Blower capacity	30 □/min
Water	300 L/min
Column Dia.	0.845 m
Packed height	0.8 m
Column height	2.5 m
Column material	SUS 304

Fig. 1 Schematic Diagram     Fig. 2 Design of Wet-Scrubber System