게시판 > 질답게시판 > 암모니아 합성공정 설계에 대한 질문입니다.

스테파노 Stefano

09-03-18 15:22

(0) 암모니아 합성방법은 인류가 개발해낸 획기적인 발명품중의 하나로 인류역사에 기록되어 있을 정도로 유명합니다.

(1) 암모니아 합성 공정의 구성

전체적인 암모니아 합성공정은 아래에 나열하는 것처럼 여러단계료 되어 있고 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성하는 반응공정 뿐만 아니라 원료의 분리와 정제 및 암모니아의 분리 및 미반응가스의 순환계통이 얽혀져 있기 때문에 우선 전체의 공정을 블럭흐름도로 만들고 이로부터 각 블럭의 공정도를 만들어 가야 문제가 풀리게 될 것입니다. 각 블럭에서도 기술마다 약간씩 차이가 있기 때문에 이를 포함시키면 아주 수많은 조합이 발생될 수가 있습니다.

아마, 너무 광범위 하기 때문에 교수님께서 다음과 같은 여러 공정으로 나누어 각 공정마다 4~5명으로 구성된 팀으로 하여금 설계하도록 했었을 것으로 봅니다. 한둘이서 단시간에 전체를 풀어갈 수 있는 문제는 아닙니다.

1990년대 이전 우리나라에도 암모니아 합성공장이 7개나 되었었는데 지금은 경제성이 없어서 모두 사라졌습니다. 지금이들 공장이 하나라도 있다면 학생들로 하여금 견학하면서 문제를 풀어볼 수 있을 텐데 그러지 못하는 것이 아쉽습니다.

1) 공기분리 공정...대기로부터 공기를 액화후 증류하여 질소 분리, 산소, 헬륨, 알곤도 부산물로 얻어짐
2) 합성가스(CO+H2)제조...탄화수로를 스팀과함께 열분해, 고비점 유분이나 석탄의 경우 공기 혹은 산소도 함께 사용
3) 합성가스 분리...합성가스 제조후 불순물, H2S, Mercaptan, 등 분리
4) 합성가스 전환...CO + H2 + H2O --> CO2 + H2
5) CO2 분리.........CO2와 H2 혼합물에서 CO2 분리
6) H2 정제...........CO2분리후 얻으지는 H2중의 CH4, CO 등의 제거
7) N2와 H2의 혼합가스 압축, 암모니아 합성,
8) 암모니아 분리, 저장
9) 미전환가스 순환, 미전환 가스 일부는 불활성가스(CH4, Ar등)배출, 소각또는 연료로 사용

(2) 암모니아 합성반응계 배출가스로부터의 불활성가스 회수
질문의 내용중에 암모니아 합성반응기의 배가스로부터 헬륨 메탄 등을 회수하는 방법에 대하여 문의하였는데 실제로 이로부터 헬륨을 분리하는 공정에 대해 잡지에서 소개한 일이 있었고 특허도 등록되어 있는 것으로 되어 있는데 이것이 실용화 공정에서 사용하고 있는지는 분명치 않습니다.

배가스에서 헬륨, 알곤등을 회수하려면 공기분리공장에서 생산되는 방법보다 경제성이 있어야 하는데 아마 그러지 못할 것입니다. 왜냐하면 혼합가스중에 많은 양의 질소가 들어 있기 때문에 이들로부터 불활성가스를 분리하는 것이 어려워 보입니다. 75%이상을 차지하는 수소는 연료로 사용할 수 있고 연소반응후 생성되는 H2O는 응축하여 제거할 수 있지만 연소를 위해 사용하는 공기에 들어있는 질소가 다시 섞이게 되어 불활성가스를 회수하기엔 아직 경제성이 별로 좋을 것 같지 않아 보입니다.

(3) 암모니아의 분리 및 반응가스 순환
암모니아의 합성 반응을 위해 혼합가스는 가열해서 반응기에 투입해야 하는데 합성반응이 발열반응이기 때문에 투입가스와 반응구 출구 혼합가스를 열교환 할 수 있도록 합니다.

암모니아 합성반응의 전환율은 그리 높지 않기 때문에 반응기 출구의 가스를 냉각시켜 응축된 암모니아를 제거하고 미반응가스는 다시 순환가스 압축기에 의해 반응기로 순환해야 합니다. 순환가스의 일부를 배출하는 이유는 원료로 사용하는 정제 수소중에 남아있는 메탄과 질소가스 중에 남아있는 미량의 불활성가스가 반응장치에 누적되지 않도록 하기 위함입니다. 반응에 참여하지 않는 미량의 불활성가스 농도가 0.1%만 되어도 합성반응의 전환율에 영향을 줄수 있기 때문에 암모니아 합성가스의 일부를 빼내주지요. 따라서 반응혼합가스중에 존재하는 불활성가스의 양은 메탄을 포함시켜도 불과 1~2% 밖에 되지 않을 것입니다.

생성된 암모니아는 상온에서도 고압으로 존재하기 때문에 액상으로 분리되는데 액면조절기로 일정하게 유지하면서 암모니아를 제품으로 뽑아 볼탱크에 저장합니다.

(4) 최적화..

암모니아 합성공정은 대부분 최적화된 운전 조건으로 운전되고 있지만 공정분석을 통하여 최적화를 하기 위한 대상부분은 아직도 많이 남아있습다. 특히 에너지 가격이 올라가면서, 아직까지 최적점이라고 생각되었된 것 조차 최적점이 아닐 수가 있기 때문에 학습을 하는 의미에서 각 공정별 최적화 조건을 탐색하기 위한 목적함수를 정의해보고 최적점을 찾아내는 방법을 교수님과 협의하도록 하세요.

(5) 참고문헌

i) Hydrocarbon Processing.....(4~5년 분 11월호를 찾아 암모니아 합성, 합성가스(CO+H2)제조 및 정제, CO2 분리, 수소제조 등에 관한 공정도를 찾아 보도록 하세요.
ii) G.Austin, SHREVE's Chemical Process Industires

(0) 암모니아 합성방법은  인류가 개발해낸 획기적인 발명품중의 하나로 인류역사에 기록되어 있을 정도로 유명합니다.

(1) 암모니아 합성 공정의 구성

전체적인 암모니아 합성공정은 아래에 나열하는 것처럼 여러단계료 되어 있고 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성하는 반응공정 뿐만 아니라  원료의 분리와 정제 및 암모니아의 분리 및 미반응가스의 순환계통이 얽혀져 있기 때문에 우선 전체의 공정을 블럭흐름도로 만들고 이로부터 각 블럭의 공정도를 만들어 가야 문제가 풀리게 될 것입니다.  각 블럭에서도 기술마다 약간씩 차이가 있기 때문에 이를 포함시키면 아주 수많은 조합이 발생될 수가 있습니다.

아마, 너무 광범위 하기 때문에 교수님께서 다음과 같은 여러 공정으로 나누어 각 공정마다 4~5명으로 구성된 팀으로 하여금 설계하도록 했었을 것으로 봅니다.   한둘이서 단시간에 전체를 풀어갈 수 있는 문제는 아닙니다.

1990년대 이전 우리나라에도 암모니아 합성공장이 7개나 되었었는데 지금은 경제성이 없어서 모두 사라졌습니다.  지금이들 공장이 하나라도 있다면 학생들로 하여금 견학하면서 문제를 풀어볼 수 있을 텐데 그러지 못하는 것이 아쉽습니다.

1) 공기분리 공정...대기로부터 공기를 액화후 증류하여 질소 분리,  산소, 헬륨, 알곤도 부산물로 얻어짐
2) 합성가스(CO+H2)제조...탄화수로를 스팀과함께 열분해, 고비점 유분이나 석탄의 경우 공기 혹은 산소도 함께 사용
3) 합성가스 분리...합성가스 제조후 불순물, H2S, Mercaptan, 등 분리
4) 합성가스 전환...CO + H2 + H2O -->  CO2  + H2 
5) CO2 분리.........CO2와 H2 혼합물에서 CO2 분리
6) H2 정제...........CO2분리후 얻으지는 H2중의 CH4, CO 등의 제거
7) N2와 H2의 혼합가스 압축, 암모니아 합성,  
8) 암모니아 분리, 저장
9) 미전환가스 순환, 미전환 가스 일부는 불활성가스(CH4, Ar등)배출, 소각또는 연료로 사용

(2) 암모니아 합성반응계 배출가스로부터의 불활성가스 회수
질문의 내용중에 암모니아 합성반응기의 배가스로부터 헬륨 메탄 등을 회수하는 방법에 대하여 문의하였는데 실제로 이로부터 헬륨을 분리하는 공정에 대해 잡지에서 소개한 일이 있었고 특허도 등록되어 있는 것으로 되어 있는데 이것이 실용화 공정에서 사용하고 있는지는 분명치 않습니다.

배가스에서 헬륨, 알곤등을 회수하려면 공기분리공장에서 생산되는 방법보다 경제성이 있어야 하는데 아마 그러지 못할 것입니다.  왜냐하면 혼합가스중에 많은 양의 질소가 들어 있기 때문에 이들로부터 불활성가스를 분리하는 것이 어려워 보입니다.  75%이상을 차지하는 수소는 연료로 사용할 수 있고 연소반응후 생성되는 H2O는 응축하여 제거할 수 있지만 연소를 위해 사용하는 공기에 들어있는 질소가 다시 섞이게 되어 불활성가스를 회수하기엔 아직 경제성이 별로 좋을 것 같지 않아 보입니다.

(3) 암모니아의 분리 및 반응가스 순환
암모니아의 합성 반응을 위해 혼합가스는 가열해서 반응기에 투입해야 하는데 합성반응이 발열반응이기 때문에 투입가스와 반응구 출구 혼합가스를 열교환 할 수 있도록 합니다.

암모니아 합성반응의 전환율은 그리 높지 않기 때문에 반응기 출구의 가스를 냉각시켜 응축된 암모니아를 제거하고 미반응가스는 다시 순환가스 압축기에 의해 반응기로 순환해야 합니다.   순환가스의 일부를 배출하는 이유는 원료로 사용하는 정제 수소중에 남아있는 메탄과 질소가스 중에 남아있는 미량의 불활성가스가 반응장치에 누적되지 않도록 하기 위함입니다.   반응에 참여하지 않는 미량의 불활성가스 농도가 0.1%만 되어도 합성반응의 전환율에 영향을 줄수 있기 때문에 암모니아 합성가스의 일부를 빼내주지요.  따라서 반응혼합가스중에 존재하는 불활성가스의 양은 메탄을 포함시켜도 불과 1~2% 밖에 되지 않을 것입니다.

생성된 암모니아는 상온에서도 고압으로 존재하기 때문에 액상으로 분리되는데 액면조절기로 일정하게 유지하면서 암모니아를 제품으로 뽑아 볼탱크에 저장합니다.

(4) 최적화..

암모니아 합성공정은 대부분 최적화된 운전 조건으로 운전되고 있지만 공정분석을 통하여 최적화를 하기 위한 대상부분은 아직도 많이 남아있습다.   특히 에너지 가격이 올라가면서, 아직까지 최적점이라고 생각되었된 것 조차 최적점이 아닐 수가 있기 때문에 학습을 하는 의미에서 각 공정별 최적화 조건을 탐색하기 위한  목적함수를 정의해보고 최적점을 찾아내는 방법을 교수님과 협의하도록 하세요.

(5) 참고문헌

i) Hydrocarbon Processing.....(4~5년 분 11월호를 찾아 암모니아 합성, 합성가스(CO+H2)제조 및 정제, CO2 분리, 수소제조 등에 관한 공정도를 찾아 보도록 하세요.
ii) G.Austin, SHREVE's Chemical Process Industires