선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 중금속 분석 등을 포함한다. 본 연구에서는 석유제품의 대표적인 분석방법으로 주로 쓰이는 원소분석, SARA 분석, SIMDIS, 분자량 분포, API 비중, 중금속분석 등 6가지의 분석을 통하여 오일샌드 역청의 경질화에 필요한 기초데이터 확보를 위해 물리·화학적 특성을 파악흐}는데 주력하였다.
- 본 연구에서는 오일샌드 역청의 감압증류실험을 통해 얻은 증류액 및 잔사유의 물리·화학적 특성을 파악하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 240。(3의 4구간으로 나누어 분리하였으며 , 이들 증류액과 증류실험 후 Vessel에 남아있는 잔사유의 분석을 통하여 역청의 물리화학적 특성을 알아보았다.
- 서서히 감압함과 동시에 1~2。(7血11의 속도로 Vessel 의 온도가 최대 32(TC가 될 때까지 승온시켰고, 5분마다 체류시간을 최소 5분 이상 주어 각각의 증류단계 온도에서 충분한 증류가 이루어지도록 하였다. 시료의 교반은 Vessel의 온도 100。(2에 도달하여 역청시료의 점성이 거의 사라질 무렵 임펠러를 작동하여 , 최대 520 rpm 까지 서서히 rpm을 올려 교반하였다.
- Fig. 1에서처럼 본 연구에 사용한 감압증류장치는 ASTM D 1160 규격을 응용하여 설계하였으며 , Vessel 의 총 용량은 6/로 제작하였다. 700 mm 높이의 충진컬럼과 2개의 리플럭스관으로 구성되었으며, 충진컬럼 및 리플럭스관은 각각 Band Heated 감싸서 증류 시 외부로의 온도손실을 최소화하였다.
- 열전세라믹 열전대를 Vessel과 하단 리플럭스, 상단 리플럭스에 각각 설치하여 실험 중 실시간 온도 제어 및 기록을 하였다. 감압증류를 통해 생성된 증류액은 온도별로 총 4단계로 구분하고 각각 분석을 실시하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 오일샌드 역청의 증류실험을 통해 온도별로 분리한 증류액과 잔사유의 함량 분석 및 물성 분석을 수행하였으며, 오일샌드 역청의 분석 결과와 비교하여 여러가지 특성 경향들을 고찰하였다.
- 그리고 생성된 증류액과 잔사유의 비점분포 특성 변화를 파악하기 위해 SIMDIS(AC SIMDIS) 분석을 하였고, 역청과 기존의 연료유 등의 비점분포 차이를 파악하였다. 또한 분자량 분포를 파악하여, 각 시료의 평균 분자량 및 누적분포를 관찰하기 위해 GPC (Waters)기기를 이용하여 총 100단계의 분자량범위로 나누어 분포를 살펴보았으며, 중금속 함량변화 측정은 ICP- AES(VG Elemental, Optima 4300DU)오* ICP-OES(Perkin- Elmer, Optima 5300 DV) 기기를 이용하여 측정하였다. API 비중은 Density Meter(Anton Parr, DMA 4500)를사용하여 측정하였다.
- 700 mm 높이의 충진컬럼과 2개의 리플럭스관으로 구성되었으며, 충진컬럼 및 리플럭스관은 각각 Band Heated 감싸서 증류 시 외부로의 온도손실을 최소화하였다. 시료의 교반을 위해 Vessel의 내부에 임펠러를 설치하였고, 온도 및 압력은 컴퓨터로 실시간 측정이 가능하도록 설계 하였다.
- 아스팔텐의 안정적인 확보를 위해 교반시간을 충분히 주었고, 말텐 성분 내 n-Heptane 용매의 확실한 추출을 위해 Evaporator 내 증발시간을 2시간 이상으로 하였다. 이러한 불용분 측정 결과로 잔사유의 아스팔텐성분은 역청의 아스팔텐성분보다 약 3~5 wt% 높은 수치를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
- 역청 시료 및 잔사유의 용매불용분 실험을 거쳐서 생성된 Maltene 성분은 TLC-F1D(IATROSCAN, MK-6s)를 사용하여 SARA(Saturates, Aromatics, Resins, Asphaltenes) 분석을 실시하였다. 그리고 생성된 증류액과 잔사유의 비점분포 특성 변화를 파악하기 위해 SIMDIS(AC SIMDIS) 분석을 하였고, 역청과 기존의 연료유 등의 비점분포 차이를 파악하였다.
- 증류가 원활히 진행되도록 하기 위하여 충진컬럼 및 L-Duct 를 보온재로 감싸서 실험 중 외부로의 온도손실을 최소화하였고, 상부 및 좌측의 응축기는 초기에 약 10~15℃ 로 유지하였다가 증류되기 시작한 시점부터 서서히 승온시켜 실험이 완료될 때까지 각각 70±5。<2와 40±5。(2로승온 및 유지시켰다. 열전세라믹 열전대를 Vessel과 하단 리플럭스, 상단 리플럭스에 각각 설치하여 실험 중 실시간 온도 제어 및 기록을 하였다. 감압증류를 통해 생성된 증류액은 온도별로 총 4단계로 구분하고 각각 분석을 실시하였다.
- 9에서 증류액들로부터 분리한 아스팔텐과 말텐성분은 ASTM D 3279 방법을 토대로 n-Heptane 용매를 이용하여 불용분 측정을 하였다. 원유 내 아스팔텐 및 Resins의 용매 추출 조건 변화에 따른 함량 변화 및 물성 등을 관찰하여 최적의 반응 조건을 실험한 Hak-Hee Kim et a/μ은 논문에서 아스팔텐성분에 대한 n-Heptane 과 n-Pentane 용매의 효율을 비교하였는데 , 본 실험에서는 용매의 통일성을 위하여 n-Heptane 용매를 채택하였고, 실험방법에서 명시한 여과종이 크기, 혹은 여과 온도 조건을 참조하여 실험을 실시하였다.
- 증류액들의 비중범위를 판단하기 위하여 API 비중을 측정하였으며, 측정 방법은 원유을 기준으로 하였다. API 는 미국석유협회가 제정한 원유의 비중을 나타내는 지표로서, 구하는 공식은 식 (1)과 같다.
대상 데이터
- (Peace River)지역 등에 주로 분포되어 있다. 본 연구에 사용된 시료는 캐나다 아사바스카지역의 오일샌드로부터 추출한 역청으로써, Table 1에 시료의 기본적인 물성에 관한 분석결과를 나타내었다.
- 분리하였다. 역청 시료는 첨가제 없이 약 3 kg을 투입하였고, 압력은 절대압 기준으로 최대 3~6mbar까지 감압하여 실험을 수행하였다. 표에서 보는 바와 같이 증류액들의 총량과 잔사유의 함량은 각각 투입한 역청 시료의 약 32wt%와 66 wt%였으며, 경질 성분의 배출을 막기 위해 설치한 트랩장치에서 60 g의 수분을 회수하였다.
데이터처리
- 역청 시료 및 잔사유의 용매불용분 실험을 거쳐서 생성된 Maltene 성분은 TLC-F1D(IATROSCAN, MK-6s)를 사용하여 SARA(Saturates, Aromatics, Resins, Asphaltenes) 분석을 실시하였다. 그리고 생성된 증류액과 잔사유의 비점분포 특성 변화를 파악하기 위해 SIMDIS(AC SIMDIS) 분석을 하였고, 역청과 기존의 연료유 등의 비점분포 차이를 파악하였다. 또한 분자량 분포를 파악하여, 각 시료의 평균 분자량 및 누적분포를 관찰하기 위해 GPC (Waters)기기를 이용하여 총 100단계의 분자량범위로 나누어 분포를 살펴보았으며, 중금속 함량변화 측정은 ICP- AES(VG Elemental, Optima 4300DU)오* ICP-OES(Perkin- Elmer, Optima 5300 DV) 기기를 이용하여 측정하였다.
이론/모형
- 또한 분자량 분포를 파악하여, 각 시료의 평균 분자량 및 누적분포를 관찰하기 위해 GPC (Waters)기기를 이용하여 총 100단계의 분자량범위로 나누어 분포를 살펴보았으며, 중금속 함량변화 측정은 ICP- AES(VG Elemental, Optima 4300DU)오* ICP-OES(Perkin- Elmer, Optima 5300 DV) 기기를 이용하여 측정하였다. API 비중은 Density Meter(Anton Parr, DMA 4500)를사용하여 측정하였다.
- Fig. 9에서 증류액들로부터 분리한 아스팔텐과 말텐성분은 ASTM D 3279 방법을 토대로 n-Heptane 용매를 이용하여 불용분 측정을 하였다. 원유 내 아스팔텐 및 Resins의 용매 추출 조건 변화에 따른 함량 변화 및 물성 등을 관찰하여 최적의 반응 조건을 실험한 Hak-Hee Kim et a/μ은 논문에서 아스팔텐성분에 대한 n-Heptane 과 n-Pentane 용매의 효율을 비교하였는데 , 본 실험에서는 용매의 통일성을 위하여 n-Heptane 용매를 채택하였고, 실험방법에서 명시한 여과종이 크기, 혹은 여과 온도 조건을 참조하여 실험을 실시하였다.
- 원소분석항목은 C, H, N, S, O의 5가지 항목이며, 분석기기는 Elemental Analyzer(LECO, Truspec CHN)와 Sulfur Analyzer(LECO, SC-423DR)를 사용하였다. 역청 시료 및 잔사유의 용매불용분 실험을 거쳐서 생성된 Maltene 성분은 TLC-F1D(IATROSCAN, MK-6s)를 사용하여 SARA(Saturates, Aromatics, Resins, Asphaltenes) 분석을 실시하였다.
성능/효과
- 11에 나타내었으며, 나열한 중금속 항목을 제외한 기타중금속은 증류액에서 대부분 검출되지 않았다. Fig. 11 에서 주요 중금속의 함량 변화를 살펴보면, 역청에 비하여 경질우분인 증류액의 경우에는 모두 2 ㎎/㎏ 이하로 절반 이상 감소하는 경향을 보였으나, 너무 낮은 농도로 인해 증류액별 경향성은 확인하기 어려웠고, 잔사유의 경우에는 역청보다 매우 많은 양이 검출됨을 알 수 있었다. 이러한 중금속들은 합성원유 생산 공정 중의 하나인 촉매분해 공정에서 촉매독으로 작용하지만 본 실험에서 증류된 경질유분에는 중금속들이 거의 포함되지 않았음을 확인할 수 있었다.
- 결과적으로 증류액의 온도가 높아질수록 더 고분자량 범위에 위치하고, 그 다음 역청, 잔사유 순으로 고분자량 범위를 차지한다는 것을 알 수 있었다.
- 증가하는 경향을 보였다. 그리고 H/C 비율 변화와 SARA 분석을 통해 경질의 증류액일수록 수소를 많이 포함하며 Resin과 아스팔텐성분이 눈에 띄게 감소하는 경향을 확인할 수 있었으며 , 디젤과 비교하여 유사한 비점분포를 보였다. 증류액의 온도가 낮을수록 API 비중이 점차적으로 증가하는 경향은 역청에 비해 매우 경질화되었다는 것을 의미한다.
- 따라서, 감압증류를 통해 얻은 증류액들 중에서 18UC 이하의 증류액은 합성원유 생산을 위한 경질화공정의 정제공정단계로 직접 투입이 가능하며, 21(rc와 240℃ 증류액은 촉매분해공정과 같은 경질화공정에 투입할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 비점분포.
- 이와 같은 분석 결과를 바탕으로 경질의 증류액(150-C)의 경우에는 합성원유 및 정제공정으로 직접 투입이 7]능하고, 중질의 증류액은(180~24(TC) 경질화공정을 거쳐 합성원유로 활용이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 잔사유는 코킹 공정 또는 가스화 공정에 적합한 것을 알 수 있었다.
- 4醇로 다른 물질에 비해 가장 낮고, 증류액들은 역청보다 H/C 비율이 모두 높은 것을 알 수 있다. 또한, 증류액들의 경우에는 경질인 150℃ 증류액으로부터 중질인 240-C 증류액으로 갈수록 수소의 함량이 줄어들어 H/ C 비율이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 잔사유의 수소함량은 역청에 비해 다소 감소하였으며, 증류액의 수소함량은 역청에 비해 증가하였으나 증류 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 또한, 황 함량은 150℃ 증류액으로부터 24(FC 증류액까지 증가하는 경향을 보이고 있으며, 잔사유에서는 역청보다 높은 황 함량을 보였다. 그러나, 질소함량은 역청과 비교하여 생성유들과 잔사유 모두 비슷한 함량을 나타내고 있다.
- Gray回 등은 역청을 나프타와 가스오일 그리고 잔사유로 분리하여, 177℃ 이하의 비점 분포를 가진 물질을 나프타로, 343~524。(3의 비점 분포를 가진 물질을 가스 오일로 정의하였다. 본 실험의 결과와 비교하여 보면, l50℃ 와 180℃ 증류액은 나프타를 포함하는 경질유로, 그리고 2HTC와 24(TC 증류액은 가스오일 같은 중질유로 분리할 수 있다.
- 이러한 불용분 측정 결과로 잔사유의 아스팔텐성분은 역청의 아스팔텐성분보다 약 3~5 wt% 높은 수치를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
- 11 에서 주요 중금속의 함량 변화를 살펴보면, 역청에 비하여 경질우분인 증류액의 경우에는 모두 2 ㎎/㎏ 이하로 절반 이상 감소하는 경향을 보였으나, 너무 낮은 농도로 인해 증류액별 경향성은 확인하기 어려웠고, 잔사유의 경우에는 역청보다 매우 많은 양이 검출됨을 알 수 있었다. 이러한 중금속들은 합성원유 생산 공정 중의 하나인 촉매분해 공정에서 촉매독으로 작용하지만 본 실험에서 증류된 경질유분에는 중금속들이 거의 포함되지 않았음을 확인할 수 있었다.
- 7&로 150℃ 증류액에 비하여 약 절반에 해당하는 수치를 나타내었다. 이로 미루어 오일샌드 역청의 API 비중이 8.32인 것을 감안한다면 증류액들의 품질은 매우 경질인것을 확인할 수 있었다.
- 14 wt%로 기존의 원유보다도 낮은 품질특성을 가진다. 이에 비해 본 실험에서 구분한 4가지 증류액의 물성 결과 합성원유와 가장 유사한 물성을 가진 150℃ 증류액은 다른 증류액에 비해 매우 경질화되어 경질화공정 중 직접 합성원유생산 혹은 정제공정을 거쳐서 경질화하는 단계로 갈 수 있는 가능성을 확인하였고, 비교적 중질인 증류액 3가지는 수소 촉매 반응공정 및 수소첨가공정 등의 경질화공정을 거쳐서 합성원유를 생산해낼 수 있는 중질유분에 해당함을 알 수 있다. 잔사유의 경우에는 분석결과 황분 및 중금속 함량이 역청에 비해 다소 증가하는 경향을 보여, 중질유분의 경질화공정에 직접 투입하기에는 무리가 따르므로 가스화 공정 및 코킹 공정을 통해 다른 공정의 연료가스 및 수소가스 생산을 위해 사용될 수 있을 것으로 보인다.
- 또한 비점이 높은 잔사유의 경우 평균분자량의 증가는 아스팔텐함량의 증가 및 중금속함량의 증가에 기인한 것으로 판단된다. 이와 같은 분석 결과를 바탕으로 경질의 증류액(150-C)의 경우에는 합성원유 및 정제공정으로 직접 투입이 7]능하고, 중질의 증류액은(180~24(TC) 경질화공정을 거쳐 합성원유로 활용이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 잔사유는 코킹 공정 또는 가스화 공정에 적합한 것을 알 수 있었다.
- 5에서는 증류액들과 잔사유의 비점을 역청 및 경유와 비교하여 나타내었다. 잔사유의 비점 분포는 약 400- 60WC로 가장 높았으며, 증류액들의 비점 분포는 증류 온도의 감소에 따라 점점 낮아져 150℃ 증류액의 경우에는 경유보다도 좀 더 낮은 비점 경향을 보이고 있다. Gray回 등은 역청을 나프타와 가스오일 그리고 잔사유로 분리하여, 177℃ 이하의 비점 분포를 가진 물질을 나프타로, 343~524。(3의 비점 분포를 가진 물질을 가스 오일로 정의하였다.
- 2는 증류액들과 잔사유에 대한 원소분석 결과를 역청과 비교하여 나타낸 것이다. 잔사유의 수소함량은 역청에 비해 다소 감소하였으며, 증류액의 수소함량은 역청에 비해 증가하였으나 증류 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 또한, 황 함량은 150℃ 증류액으로부터 24(FC 증류액까지 증가하는 경향을 보이고 있으며, 잔사유에서는 역청보다 높은 황 함량을 보였다.
- 9까지 나타내었다. 증류액들의 평균 분자량을 살펴보면 증류 온도가 높아짐에 따라 평균 수평균분자량과 중량평균분자량이 모두 증가하는 경향을 보이고 있다. Differential MW와 Cumulative MW로 나누어 표현한 Fig.
- 증류액의 원소분석을 통해 황분 함량은 역청에 비해 현저히 감소함을 확인하였고, 고온의 증류액으로 갈수록 다소 증가하는 경향을 보였다. 그리고 H/C 비율 변화와 SARA 분석을 통해 경질의 증류액일수록 수소를 많이 포함하며 Resin과 아스팔텐성분이 눈에 띄게 감소하는 경향을 확인할 수 있었으며 , 디젤과 비교하여 유사한 비점분포를 보였다.
- 증류액의 온도가 낮을수록 API 비중이 점차적으로 증가하는 경향은 역청에 비해 매우 경질화되었다는 것을 의미한다. 증류액의 평균분자량은 300 g/ mol 이하로 역청 및 잔사유에 비해 매우 낮은 분포를 보였으며 경질화공정에 촉매독으로 작용하는 중금속함량 역시 현저히 감소하였다. 또한 비점이 높은 잔사유의 경우 평균분자량의 증가는 아스팔텐함량의 증가 및 중금속함량의 증가에 기인한 것으로 판단된다.
후속연구
- 따라서, 이와 같은 증류액 및 잔사유의 특성은 합성원유 생산을 위해 보다 효율적이고 경제적으로 역청을경질화시킬 수 있는 공정조건의 자료로써 충분히 활용이 가능할 것으로 사료된다.
- 이에 비해 본 실험에서 구분한 4가지 증류액의 물성 결과 합성원유와 가장 유사한 물성을 가진 150℃ 증류액은 다른 증류액에 비해 매우 경질화되어 경질화공정 중 직접 합성원유생산 혹은 정제공정을 거쳐서 경질화하는 단계로 갈 수 있는 가능성을 확인하였고, 비교적 중질인 증류액 3가지는 수소 촉매 반응공정 및 수소첨가공정 등의 경질화공정을 거쳐서 합성원유를 생산해낼 수 있는 중질유분에 해당함을 알 수 있다. 잔사유의 경우에는 분석결과 황분 및 중금속 함량이 역청에 비해 다소 증가하는 경향을 보여, 중질유분의 경질화공정에 직접 투입하기에는 무리가 따르므로 가스화 공정 및 코킹 공정을 통해 다른 공정의 연료가스 및 수소가스 생산을 위해 사용될 수 있을 것으로 보인다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.