2-amino-2-methyl-1-propanol을 이용한 중공사형 막접촉기에서 이산화탄소의 분리

조영상□김영석□양승만

한국과학기술원 화학공학과

Separation of Carbon Dioxide Through Hollow Fiber Membrane Contactor

Using 2-amino-2-metyl-1-propanol

Young-Sang Cho, Young-Seok Kim, and Seung-Man Yang

Department of Chemical Engineering, KAIST, Taejon 305-701, Korea

서 론

이산화탄소의 흡수 공정에 활용되는 여러 가지 아민 흡수제 중에서 1급 알카놀 아민인 MEA(monoethanolamine)는 염기도가 높고 이산화탄소와의 반응 속도가 빠르므로 기존 이산화탄소 흡수 시장의 40 %를 점유하고 있으나 높은 증기압에 따른 용매 손실과 부식성을 보인다는 단점을 지니고 있다. 한편 1급 알카놀 아민에 속하는 AMP(2-amino-2-methyl-1-propanol)는 MEA에 비해 상대적으로 낮은 이산화탄소와의 반응성을 보이지만 높은 압력에서 MEA 보다 높은 이산화탄소의 부하를 보이며 증발에 따른 용매의 손실이 적고 탈거에 요구되는 열량이 적으므로 고온에서 MEA에 비해 적합한 흡수제로 활용될 수 있다.[1]

본 연구에서는 AMP 흡수제를 활용하여 막흡수기의 흡수 특성을 기술할 수 있는 물질 전달 계수와 흡수제의 유량, 농도 등의 각종 조업 변수들간의 상관관계를 규명하였다. 또한 막흡수 장치에 대한 모델링 결과를 유한 차분법으로 푼 수치 모사와 실험적 데이터를 비교, 분석하였으며 두 개의 막모듈을 직렬로 연결하여 단일 모듈을 활용하는 경우와 이산화탄소의 흡수 거동을 비교하였다.

실 험

실험 장치의 개략도는 그림 1.에 나타내었다. 막모듈의 온도를 유지하기 위해 항온조를 설치하였고 유입 기체와 흡수제의 온도를 동일하게 하였다. 실험에 사용된 공급 기체에서 질소와 이산화탄소의 비는 85:15이고 유속은 0.47 liter/min이다. 흡수제의 유속을 변화시키면서 40℃에서 실험을 수행하였다. 흡수제의 유량이 맥동을 보이지 않도록 하기 위해 기어 펌프를 통해 막모듈에 공급하였다. 흡수제로는 AMP (Acros Co.)와 증류수를 사용하였고 아민의 농도를 0.73, 1.1, 2 M 로 하여 실험을 수행하였다. 정상상태에 도달할 때까지 충분한 시간을 두고 농도 분석을 하였으며 매 측정을 5회 반복하여 평균값을 취하였다.

질소와 이산화탄소의 도입 유량을 조절하기 위해 유량 조절계를 사용하였고, 유량 조절계를 통과한 질소와 이산화탄소는 기체 혼합기(Cole-Parmer)를 이용하여 혼합하였다. 기체의 조성은 기체크로마토그래프(Hewlett-Packad 5890 Series II)를 이용하여 분석하였다. 여기서 사용된 검출기는 TCD(Thermal Conductivity Detector)이며 운반 기체(carrier gas)로는 헬륨(Helium)을 이용하였다. 또한 자동 시료 주입 벨브를 사용하여 시료를 검출기에 주입하였다. 기체 크로마토그래프에서 사용한 칼럼은 Porapak Q (Hewlett-Packard)이다. 실험에 사용된 막은 소수성 재질인 Polypropylene이며 막모듈(Liqui-Cel Extra-Flow 2.5X 8 Membrane Contactor, X40 Fiber, Celgard LLC)의 특성은 표 1 과 같다.

그림1.장치도

Inner diameter (□m)	200
Outer diameter (□m)	300
Inner shell diameter (cm)	6.3
Length of module (cm)	20.3
Number of fiber	10000
Porosity (%)	25
Effective pore size (□m)	0.03
Effective membrane surface area (m2)	1.4

표 1. 실험에 사용된 막모듈의 특성

두 모듈을 직렬 연결하여 실험한 경우 각각의 모듈에 동일한 양의 흡수제를 공급하였으며 한쪽 모듈에서 처리된 기체를 다른 모듈에 공급하여 이산화탄소의 흡수가 개선되는 양상을 관찰하였다. 실험은 40 ℃에서 흡수제와 처리 기체의 향류 접촉의 조건에서 수행하였다.

결과 및 고찰

그림 2.는 액상 출구에서의 이산화탄소 농도에 대한 흡수제 유량의 영향을 보여주고 있다. 유속이 증가하면서 농도의 감소가 나타나는 이유는 흡수제와 기체간의 접촉 시간이 줄어들어 이산화탄소와 흡수제의 반응 시간이 짧아지기 때문이다. 그러나 그림 2.에 나타낸 흡수제의 유량 변화에 따른 이산화탄소 제거율로부터 유량이 증가할수록 제거율은 상승한다는 점을 관찰할 수 있다. 이는 흡수제의 유속이 커질수록 이산화탄소를 흡수하는 액체의 부피가 커지므로 많은 양의 이산화탄소가 제거되기 때문이다.[2] 이산화탄소의 제거율은 0.2 liter/min 이상의 유량에서는 완만한 증가를 보이는 포화 거동을 보이고 있다. 그림 2.의 전산 모사 결과는 모듈내의 중공사막에 대해 원통 좌표계를 설정하여 모델링을 수행하여 얻은 이산화탄소의 농도에 대한 편미분 방정식을 푼 결과이다. 지배방정식을 음적차분화하여 농도에 대한 대수 방정식들을 얻었으며 이를 토마스 알고리즘을 통해 풀어 중공사막의 액상 출구에서 이산화탄소의 농도를 구하였다. 그림 1.로부터 유한 차분법으로 푼 결과와 실험 데이터가 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 전사 모사를 수행할 때 막 기공의 굴곡도는 2.5를 가정하여 계산하였다.

그림 2. 액상 출구의 이산화탄소 농도	그림 3. 이산화탄소의 제거율에 대

계산치와 측정치의 비교                     한 흡수제 유량의 영향

그림 4.는 흡수제의 유량에 따른 총괄 물질 전달 계수의 영향을 보여주고 있다. 유속이 증가하면 체류시간이 감소하지만 전체 투과 흡수 속도가 증가하여 전달 계수는 유량에 따라 증가하게 된다. 그림 5.는 흡수제의 농도에 따라 Graetz number([eqn: { N}_{Gz }])에 대한 Sherwood number([eqn: { N}_{Sh }])의 변화를 로그-로그 플롯으로 도시한 것이다. 그림 5.의 데이터를 활용하여 총괄 물질 전달 계수를 막흡수기의 조업 조건을 포함하는 무차원 군들을 활용하여 다음과 같이 표현할 수 있다.

[eqn: { N}_{Sh }] = 0.316[eqn: LEFT ( 1+ { k { C}_{B } { d}_{i } tau } over { { D}_{ { CO}_{2 ,g } }epsilon } RIGHT )][eqn: { { N}_{Gz }}^{0.1726 }]                  (식 1.)

위 식에서 k는 이산화탄소와 AMP의 반응을 일차 반응으로 가정했을 때 반응 속도 상수(mol-1 min-1)이며 CB는 모듈에 공급되는 흡수제의 농도(mol/liter), di는 중공사막의 내경, [eqn: { D}_{ { CO}_{2, g } }]는 이산화탄소의 혼합 기체에서의 확산 계수, □와 □은 막의 굴곡도와 porosoty를 의미한다.

그림 4. 유량 변화에 따른 총괄 물질          그림 5. 흡수제의 농도에 따른          전달 계수의 변화                            NGz 에 대한 NSh의 변화    그림 6.은 두 모듈을 직렬 연결하였을 때 흡수제의 유량에 따른 기상 출구에서 이산화탄소의 농도 변화를 나타낸 것이다. 두 모듈을 직렬 연결하였을 때 처리된 기체에 함유된 이산화탄소의 양은 각 모듈에 공급된 흡수제의 유량이 0.30 liter/min 이상일 때 2 % 미만으로 줄어들게 됨을 알 수 있으며 이는 막흡수 장치의 충분한 실용화가 가능함을 시사하고 있다.

그림 6. 기상 출구의 이산화탄소 농도에 대한 직렬 연결의 영향

결 론

소수성 재질인 Polypropylene을 사용하여 막흡수 장치를 구성하였다. 흡수제로 물과 AMP 수용액을 사용하고 공급 기체로 이산화탄소와 질소의 혼합 기체를 사용하여 총괄 물질 전달 계수를 계산하고 흡수제의 농도와 유량에 따라 이산화탄소의 흡수 속도를 측정하였다. 흡수제의 유량이 증가함에 따라 액상 출구의 이산화탄소 농도는 감소하였지만 전체 이산화탄소의 제거량은 증가함이 관찰되었다. 또한 실험적으로 측정한 물질 전달 계수를 표현할 수 있는 상관 관계식을 여러 운전 조건들을 조합한 무차원군들의 함수로 나타낼 수 있었다. 두 모듈을 직렬로 조합하여 공급 기체에 포함된 대부분의 이산화탄소를 제거할 수 있음을 실험적으로 규명하여 막흡수 장치가 실제 공정에 활용될 수 있음을 제시하였다. 막흡수 장치에 대한 모델식을 유한 차분법으로 풀어 실험 데이터와 비교한 전산 모사 결과가 실제 실험 데이터와 잘 일치하고 있음을 확인하였다.

참고문헌

1. Young-Seok Kim, Seung-Man Yang, Separation and Purification Technology, 21, 101-109, 2000

2. 이기라·고준성·양승만, HWAHAK KONGHAK, 36, NO. 3, 453-459, 1998

3. H.Kruen, C.A. Smolders, G.F. Versteeg and W.P.M. van Swaaji, J. Membrane Sci., 78, 197-216, 1993

4. Huseni A. Rangwala, J. Membrane Sci., 112, 229-240, 1996

5. Asit K. Saha and Syamalendu S. Bandyopadhyay, J. Chem. Eng. Data, 38 78-82, 1993

6. B. Messaoudi and E. Sada, J. Chem. Eng. Japan, 29, No. 1, 193-196, 1996