분무식 나프탈렌 흡수탑의 전산모사

김장규

포항산업과학연구원 환경에너지연구센터 에너지화성연구팀

Computer Simulation of Naphthalene Scrubbing in a Spray Tower

J.G. Kim

Environment and Energy Research Center, RIST

서론

나프탈렌은 코크스가스 정제공정 중 제거해야할 주요 대상물미며 포화농도이하로 제거되지 않으면 배관 및 가스정제시설에 침적되어 폐쇄를 일으키기 때문에 가스정제공정 중 중요한 위치를 차지한다. 그러므로 예전의 공정에는 대부분 나프탈렌흡수탑이 가스정제공정 맨 앞쪽에 위치하고 있으며 이때 흡수액으로 BTX 흡수유를 사용하게 되면 여기서 다량의 불순물을 흡수하게되고 이로 인한 열화가 심화되게 된다. 그런데 이 공정에서는 대부분 흡수유를 따로 처리하지 못하고 다시 BTX 흡수계통 흡수유와 합류시켜 처리하기 때문에 흡수유계통 전체를 악화시키는 요인이 된다.

본 연구에서는 코크스가스로부터 BTX를 회수하는 공정 중 타르로부터 증류하여 얻어지는 크레오쏘트유를 이용해 회수하는 공정을 대상으로 하였다. 이 공정에서의 가장 큰 문제점은 BTX에 대한 흡수능은 뛰어나지만 쉽게 중합반응을 일으켜 슬러지화가 되고 점도가 상승하여 열교환기 등을 오염시키기 때문에 설비의 효율을 현저하게 떨어뜨리는 요인이 된다. 이와 같은 이유로 흡수유의 열화를 방지할 수 있는 가능성을 알아보기 위하여 나프탈렌 흡수탑의 모사계산을 수행하였으며 흡수유 공급량을 미량으로 한 후 전량을 폐기하는 방안에 대하여 연구하였다.

이론적 계산

흡수탑을 통과하면서 어떤물질이 흡수가 일어나는 속도는 다음 식으로 계산된다.1)

[eqn: {rm d}y`=`-K_y a(y-y^* )SdZ/V``]                     (1)

나프탈렌의 흡수유상에서의 상평형은 라울의 법칙을 가정하여 다음과 같이 구해진다.

[eqn: p_nap`=`p_nap^sat ``C~]                             (2)

여기서,

[eqn: p_nap``]: 기상에서의 나프탈렌 분압(mbar)

[eqn: C``]: 흡수유중 나프탈렌 분율

포화 증기압 상수는 문헌으로부터 다음과 같이 구해진다.4a)

[eqn: ln p_r^sat = {-7.85tau +2.17tau^1.5 -3.7tau^3 -4.8tau^6} over T_r]            (3)

여기서 [eqn: p_r^sat`], [eqn: T_r`]은 각각 환산 압력 환산온도 이고, [eqn: tau=1-T_r`]로 정의된다.

우선 Spray 탑에서의 물질전달 면적을 계산하기 위한 평균 drop size 다음식으로부터 구할 수 있다.3a)

[eqn: D_vm,system over D_vm,water`=`left(sigma_system over 73 right)^0.5 left(mu_l over 1.0 right)^0.2 left(1.0 over rho_l right)^0.3``]        (4)

흡수유에 대하여 표면장력[eqn: sigma_system``]는 다음 식으로부터 계산할 수 있다.3b)

[eqn: sigma_system`=`P_c^2/3`T_c^1/3`Q`(1-T_r )^11/9``]                 (5)

drop 의 평균하강 속도를 기체중에서의 입자 종말속도를 고려하고 종말속도에 이르는 거리를 고려하여 평균속도로 계산한다. 이 때 K값의 계산에는 COG 점도 계산이 필요한데 이는 문헌을 참고하여 구하였다.3c),5) COG 점도계산에 사용된 상수 값들은 Table 1에 나타내었다.

Table 1  COG 점도계산에 사용된 상수값

	□0	C	fraction
H2	71.6	141	0.56
CH4	260.6	1665	0.27
CO2	220	511	0.03
CO	152	152	0.11
propane	143	474	0.03

흡수유에 대한 점도는 점도측정 데이터를 기준으로 다음과 같은 Vogel 식에 대입하여 온도에 관한 점도의 함수를 도출했다. 4b)

[eqn: ln eta`=`A+ B over {T+C}]                          (6)

실험치를 이용하여 세 개의 파라미터를 구하였으며 점도단위를 kg/m·s로 표현했을 때 A -5.92, B 93, C 227의 값에서 실험치와 거의 일치하는 식을 얻을 수 있었다. 그런데 이들 상수 값을 적용했을 때 상기 표의 값에 해당하는 점도 값만을 얻을 수밖에 없으며 실제로는 흡수유의 점도가 운전상태에 따라 항상 변하기 때문에 이를 반영하기 위하여는 20 ℃ 에서의 점도 값을 기준으로 A, B, C 중의 어느하나를 파라미터로 잡아 변경시켜주어야 한다. 여기서는 B값을 변경시켜주는 것이 어느정도 타당성을 갖는다고 생각되어 20 ℃ 에서의 점도 값과 다음의 상관식을 얻었다.

[eqn: B=28.6 + 5.85eta(20)]                         (7)

그러므로 (6)식과 (7)식으로부터 20 ℃ 에서의 점도 값을 알면 모든 온도에서의 점도를 계산할 수 있다. 물질전달 계수를 계산하기 위하여는 확산계수를 계산하여야 하는데 기상에서의 확산계수는 Wilke-Lee 식을 사용하여 구하였고 액상에서는 Wilke 와 Chang 이 제안한 식을 이용해 구하였다.

위에서 논의한 바와 같은 이론을 가지고 나프탈렌 흡수탑에서 흡수유 주입량을 감소켰을 때의 나프탈렌 흡수율에 대한 계산을 수행하였으며 현재 폐기되고 있는 흡수유 유량까지 줄일 수 있는지 여부를 확인하였다. 흡수탑 단면적은 7.065m2 이었고 높이는 6m였다. 그리고 액적의 평균 하강속도는 5m/s로 개략적으로 추정하였고 이 수치와 흡수유 공급량을 바탕으로 전체 물질 전달 면적을 계산하였다.

이와 같은 계산을 수행한 이유는 일반적으로 나프탈렌 흡수탑에 유입되는 흡수유 유량이 매우 많고 나프탈렌 흡수탑에 사용된 흡수유를 폐기하여야 할 경우에 이를 전량 폐기하게 되면 흡수유 소비량이 너무 많아져 흡수유 소비량을 감소시킨다는 본래의 취지와는 다른 결론에 도달하게 되기 때문이다. 그래서 나프탈렌 흡수탑에 유입되는 양이 현재 일정량씩 폐기되고 있는 흡수유 양보다 크게 되면 실현 불가능하게 된다. 만일 현재 폐기되고 있 양보다 적게 나프탈렌 흡수탑에 흡수유를 공급하여도 나프탈렌 흡수율이 유지될 수 있으면 이론적으로 가능한 것이 되고 현장의 설비를 적절히 개선하면 실현이 가능하다는 뜻이 된다.

계산결과

Fig. 1는 흡수유 유입량을 20m3/h에서 점차로 줄여나갔을 때 유입되는 흡수유중의 나프탈렌 함량에 따른 COG 중 나프탈렌 흡수량 변화를 나타낸 것이다. Fig. 3은 유량이 작은 부분을 확대하여 나타낸 것이다. 이때 계산 조건을 나프탈렌 흡수탑 COG 중 초기 나프탈렌 함량 0.5g/Nm3, COG 유량 32000Nm3/h, 온도 43℃ 이었으며 흡수탑 내경은 3m이었다. 그외의 조건은 Fig.2에 나타낸 바와 같다.

계산 결과를 보면 유입 흡수중의 나프탈렌 함량만 낮게 유지하여 주면 나프탈렌 흡수율이 충분히 유지될 수 있음을 알 수 있고 나프탈렌 함량이 4%일 경우에 흡수유 유입량을 0.1m3/h까지 낮추어도 7.5%일 때의 수준과 같은 정도로 나프탈렌을 흡수할 수 있음을 알 수 있고 이는 2.4ton/d에 해당하는 양으로써 현재 폐기되고 있는 양보다 훨씬 적은 양이다.

Fig.2 나프탈렌흡수탑에의 흡수유

유입량 변화에 따른 배출 COG중의

나프탈렌 함유량 변화

Fig.4 나프탈렌흡수탑 운전 개략도

결론

이론계산을 참고로 나프탈렌 흡수탑 흡수유 유입량을 감소시켜도 설비의 막힘 현상이 전혀 발생하지 않는 것을 이론계산이 어느 정도 정확성을 가진다는 것으로 보여주는 것이며 또한 나프탈렌 흡수탑의 개선 시행으로 흡수유 성상이 개선되는 현상을 보이는 것은 흡수유의 열화가 주로 나프탈렌 흡수탑에 의하여 발생한다는 가정이 맞는 다는 것을 증명해준다.

참고문헌

1) McCabe, W.L., J.C. Smith, and P. Harriot, Unit Operations of Chemical Engineering 4th ed., McGraw-Hill (1985), p583-659.

2) Treybal, R.E., "Mass-Transfer Operations," 3rd ed.,

McGraw-Hill,    New York, 1985, pp31-37.

3) Perry, J.H.(ed.), "Chemical Engineer's Handbook," 6th ed.,

McGraw-Hill,  New York, 1984, a) p18-52, b) p3-288, c) p3-250.

4) Reid, R.C., J.M. Prausnitz, B.E. Poling, "The Properties of

Gases and Liquids," 4th ed., McGraw-Hill, New York, 1987,

a) p212, b) p439

5) Eckert, E.R.G.and R.M. Drake,Jr., "Analysis of Heat and Mass Transfer,"

McGraw-Hill, New York, 1972, p65