[논문]일메나이트광의 유동층 염화반응에 대한 수치적 예측

정동규; 정은진; 이미선; 김진영; 송덕용

doi:10.7464/ksct.2019.25.2.105

초록
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2단 유동층 염화로에서 일메나이트광의 선택염화반응과 이산화티탄의 탄소염화반응의 염화도를 예측하기 위해서 shrinking core 모델과 유출률 및 입자파손을 고려한 수치 모델을 개발하였다. 입자분포를 고려하여 입자별 물질 수지와 염화반응을 반영할 수 있는 유동층 염화 반응 해석이 가능하다. 유동층 염화로의 실험값과 비교하여 약 6% 오차율의 정확성을 보였다. 입자 크기에 따라서는 입자 크기가 작을수록 염화도의 변화가 더 크게 나타났으며 염화도 1의 값에 도달하는 반응시간 차이가 약 100 min 정도로 나타났다. 온도의 변화($800{\sim}1000^{\circ}C$)에 대한 염화도의 변화는 염화도 0.9에 도달하는 반응시간이 약 10 min 차이로 크게 나타나지 않았다. 1단계 선택염화공정에서 일메나이트광의 질량감소율은 180 min 경과 시에 이론값인 0.4735 값에 근접하고, Fe 성분의 염화도는 $FeCl_2$ 또는 $FeCl_3$로 변환되어 180 min 경과 시에는 거의 1의 값을 보인다. 2단계 탄소염화공정에서 $TiO_2$의 염화도는 180 min 경과 시 0.98에 근접하고, 질량분율은 0.02에 도달하여 $TiCl_4$로 변환되는 것으로 나타났다. 1단계 선택염화공정에서 $TiO_2$는 180 min 경과 시에 98%까지 생성되었다가 연속적인 2단계 탄소염화공정에서 추가로 90 min 경과 시(총 경과 시간 270 min)에 99% $TiCl_4$로 전환되는 것으로 나타나고, 질량감소율도 99% 이상 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical model that considered the shrinking core model and elutriation and degradation of particles was developed to predict selective chlorination of ilmenite and carbo-chlorination of $TiO_2$ in a two stage fluidized bed chlorination furnace. It is possible to analyze the fluidized be...

Numerical model that considered the shrinking core model and elutriation and degradation of particles was developed to predict selective chlorination of ilmenite and carbo-chlorination of $TiO_2$ in a two stage fluidized bed chlorination furnace. It is possible to analyze the fluidized bed chlorination reaction to be able to reflect particle distribution for mass balances and the chlorination reaction. The numerical model showed an accuracy with error less than 6% compared with fluidized bed experiments. The chlorination degree with particle size change was greater with a smaller particle size, and there was a 100 min difference to obtain a chlorination degree of 1 between $75{\mu}m$ and $275{\mu}m$. This was not shown to such a great extent with variation of temperature ($800{\sim}1000^{\circ}C$), and there was only a 10 min difference to obtain a chlorination degree of 0.9. In the first selective chlorination process, the mass reduction rate approached to the theoretical value of 0.4735 after 180 min, and chlorination changed the Fe component into $FeCl_2$ or $FeCl_3$ and showed nearly 1. In the second carbo-chlorination process, the chlorination degree of $TiO_2$ approached 0.98 and the mass fraction reached 0.02 with conversion into $TiCl_4$. In the first selective chlorination process, 98% of $TiO_2$ was produced at 180 min, and this was changed into 99% of $TiCl_4$ after an additional 90 min. Also the mass reduction rate of $TiO_2$ was reduced to 99% in the second continuous carbo-chlorination process.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Schematic illustration of 2 stage fluidized bed Chlorination reactors.
그림 Figure 2. Shrinking core model description for chlorination of Ilmenite.
그림 Figure 3. Weight reduction rate of ilmenite Carbo-Chlorination.
그림 Figure 4. Chlorination degree vs. time with particle size variation.
표 Table 1. Comparison of weight reduction rate in experiment and calculation for Ilmenite carbon-Chlorination fluidized bed reaction
그림 Figure 5. Chlorination degree vs. time with variation of temperature.
$Figure 6. FeO and TiO2 mass fraction vs. time with temperature variation.$ 그림 Figure 6. FeO and TiO₂ mass fraction vs. time with temperature variation.
$Figure 7. Weight reduction and mass fraction of TiO2 and FeO in the 1st stage ilmenite selective chlorination at 800 ℃.$ 그림 Figure 7. Weight reduction and mass fraction of TiO₂ and FeO in the 1^st stage ilmenite selective chlorination at 800 ℃.
$Figure 8. Chlorination degree and mass fraction of TiO2 in the 2nd stage rutile carbo-Chlorination at 1000 ℃.$ 그림 Figure 8. Chlorination degree and mass fraction of TiO₂ in the 2^nd stage rutile carbo-Chlorination at 1000 ℃.
$Figure 9. Weight reduction and mass fraction of TiO2 and FeO in the 1st and 2nd stage ilmenite chlorination.$ 그림 Figure 9. Weight reduction and mass fraction of TiO₂ and FeO in the 1^st and 2^nd stage ilmenite chlorination.

AI 본문요약
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가설 설정

(3) 배출 입자의 크기분포는 유동층 내부와 같다.
= 27 g, Cl2flow rate = 800 mL min-1이고, 반응온도는 800 ℃이며, 입자직경 분포는 75 ~ 275 μm 사이의 Rosin-Ramler 분포를 가정하였다.

제안 방법

본 논문에서는 Hahn and Chang [11]의 수학적 모델방정식을 이용하여 입자 크기별 체류 시간과 유출률을 고려하고, 입자 내부의 shrinking core 모델을 적용하여 일메나이트로부터 FeCl₂와 TiCl₄를 생성하는 선택염화반응과 TiO₂에서 TiCl₄를생성하는 탄소염화반응을 하는 2단 유동층 염화로에 대해서 반응온도별 기존 실험연구의 염화도와 비교하여 수학적 모형화의 정확성을 검증한 뒤, 입자 크기별, 온도별, 체류 시간별 염화도와 질량분율을 예측하였다.
이때, 파손지수 k는 시간대별로 입경의 변화를 통계적으로 처리하여 평균값을 실험적으로 구할 수 있다. 본 연구에서는 경험치로 10을 적용하였다[14].
일메나이트의 선택염화반응과 루타일의 탄소염화반응의 적절 온도는 많은 연구가에 의해 800 ~ 1000 ℃의 범위에 있다고 알려져 있다[15, 16]. 본 연구에서도 이 범위에서 온도별 염화도와 질량분율의 변화를 수치로 모사하였다.
)의 분압( )과 일메나이트의 입경(d) 및 온도(T)에 영향을 받는 화학반응식을 적용한다. 본연구에서는 Niu [9]의 실험결과로 유도된 TiO₂의 염화 반응식을 수정하여 Equation (16)과 같이 사용하였다.

대상 데이터

)은 금속재료, 페인트, 환경 촉매 등으로 폭넓게 사용되고 있으며, 그 수요가 점점 늘어나고 있다. 자연 루타일광(TiO₂)의 불순물(Mn, V, Ca, Mg 산화물 등)을 제거하여 중간 생산물인 사염화타이타늄(TiCl₄)으로 변환하여 안정적으로 보관하거나 이동하고 최종적으로 TiO₂로 제조한다. 그러나, 루타일광의 수량이 한정적이고 가격이 비싸므로, 철 성분이 함유되어 있으나 자원이 풍부하고 가격이 저렴한 일메나이트(FeTiO₃)광으로부터 TiCl₄를 제조하기 시작했다.

이론/모형

125값을 적용하였다. 또한, 탄소염화반응은 coke/ore 비가 추가로 반영된 Morris and Jensen [10]의 화학반응식을 적용하였다.

성능/효과

(1) 일메나이트 및 TiO₂입자는 연속적으로 공급되며 시스 템은 정상(steady) 단열상태이다.
1단계 선택염화공정에서 TiO₂는 180 min 경과 시에 98%까지 생성되었다가 연속적으로 2단계 탄소염화공정으로 넘어온 TiO₂는 추가로 90 min 경과 시(총 경과 시간 270 min)에 99% TiCl₄로 전환되어 없어지는 것으로 나타나고 질량감소율도 같은 시간대에 99% 이상 감소하는 것으로 나타난다.
2단 유동층염화로에서 일메나이트(FeTiO₃)광의 선택염화 반응과 정련된 루타일(TiO₂)의 탄소염화반응을 수치로 모사 하는 수학 모형을 개발하고 실험값과 비교하여 6% 이내의 오차율을 보이는 정확성을 확인하였다.
계산값은 800, 900, 1000 ℃에서 유동층 실험값과 매우 잘 일치함을 보이며, 특히 180 min에서 최대 이론 질량감소율 0.4735에 근접한 값을 보인다. 30 min에서 120 min 사이 경과 시간대에서 800 ℃와 1000 ℃ 온도 간에 같은 질량감소율을 얻는 데는 약 5 min에서 15 min 정도의 차이가 나타난다.
30 min에서 120 min 사이 경과 시간대에서 800 ℃와 1000 ℃ 온도 간에 같은 질량감소율을 얻는 데는 약 5 min에서 15 min 정도의 차이가 나타난다. 실험치와 계산치의 오차는 Table 1에 나타낸 것과 같이 60 min일 때 실험 오차로 보이는 값을 제외하면 평균적으로 약 6% 정도로 나타나고 있어 공정예측에 적용할 수 있을 것으로 보인다.
일메나이트 선택염화반응에서 입자의 크기가 작을수록 염화도가 더 높게 나타났으며 염화도 1의 값에 도달하는 반응 시간 차이가 약 100 min 정도로 나타났다.

후속연구

그러나 입자가 작을수록 유동층의 유출률도 더 높아지고 입자파손 등으로 입자 크기가 작아지므로 적절한 입자 크기를 설정할 필요가 있다. 입자파 손과 입자 유동성을 고려한 후속 실험에서 더 자세한 연구를 할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2단 유동층 염화 반응공정에 대해 설명하라	2단 유동층 염화 반응공정이 Figure 1에 나타나 있다. 일메나이트와 카본 입자가 1단 선택 염화 유동로에 장입되고(F0) 하부 분산판을 통해 염화 가스(V1)인 Cl2가스가 입자들을 부상시켜 유동층을 형성하면서 철 성분이 먼저 선택염화반응을 하여 FeCl3(g)와 FeCl2(s)로 상부로 배출되고(F2) 일정한 반응시간 이후에는 반응로 내부에서 TiO2와 FeO가 생성된다. 이렇게 생성된 TiO2는 다시 카본과 섞어 2단 탄소 염화 유동로로 장입된다(F1). 이후 같은 방식으로 탄소와 Cl2에 의해 염화 반응을 거치면 바닥으로 재(ash)가 배출되고(F3) 상부로 생성된 TiCl4(g)가 배출된다(F4).
	2단계 탄소염화공정 TiO2 염화도는 몇 분 경과시 0.98에 근접하나?	2단계 탄소염화공정에서 TiO2의 염화도는 180 min 경과 시 0.98에 근접하고, 질량분율은 0.
	이산화티탄(TiO2)의 쓰임은?	최근의 이산화티탄(TiO2)은 금속재료, 페인트, 환경 촉매 등으로 폭넓게 사용되고 있으며, 그 수요가 점점 늘어나고 있다. 자연 루타일광(TiO2)의 불순물(Mn, V, Ca, Mg 산화물 등)을 제거하여 중간 생산물인 사염화타이타늄(TiCl4)으로 변환하여 안정적으로 보관하거나 이동하고 최종적으로 TiO2로 제조한다.

참고문헌 (16)

Harris, H. M., Henderson, A. W., and Cambel, T. T., "Fluidized Coke Bed Chlorination of Ilmenite," Report, Bureau of mine, USA (1976).
Chughtai, A. R., Harris, H. M., and Riter, J. R., "High-Temperature Heterogeneous Equilibria in the Unit Activity Approximation: II1. The Chlorination of Idealized Ilmenite in the Presence of Excess Carbon," Metallurgical Transactions B 8(2), 507-509 (1977).
Neurgaonkar, V. G., Gokarn, A. N., and Joseph, K., "Beneficiation of Ilmenite to Rutile by Selective Chlorination in a Fluidised Bed," J. Chem. Tech. Biotechnol., 36, 27-30 (1986).
Luckos, A., and den Hoed, P., "Fluidization and Flow Regimes of Titaniferous Solids," Ind. Eng. Chem. Res., 43, 5645-5652 (2004).

상세보기
Moodley, S., Eric, R. H., Kucukkaragoz, C., and Kale, A., "Chlorination of Titania feedstocks," Ind. Eng. Chem. Res., 43, 5645-5652 (2004).
Fouga, G. G., Pasquevich, D. M., and Bohe, A. E., "The Kinetics and Mechanism of Selective Iron Chlorination of an Ilmenite Ore" Mineral Processing and Extractive Metallurgy (Trans. Inst. min. Metall. C), 116(4), 230-238 (2007).
Sohn, H. Y., and Zhou, L., "The Chlorination Kinetics of Beneficiated Ilmenite Particles by CO+Cl2 Mixtures," Chemical Engineering Journal, 72, 37-42 (1999).

상세보기
Rhee, K. I., and Sohn, H. Y., "The Selective Chlorination of Iron from Ilmenite Ore by C0-CI2 Mixtures: Part I. Intrinsic Kinetics," Metallurgical Transactions B, 21(2), 321-330 (1990).
Niu, L. P, Zhang, T. A., Ni, P. Y., and Ouyang, K., "Fluidized-Bed Chlorination Thermodynamics and Kinetics of Kenya Natural Rutile ore," Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 23(11), 3448-3455 (2013).
Morris, A. J., and Jensen, F., "Fluidized Bed Chlorination Rates of Australian Rutile," Metallurgical Transactions B, 7(1), 89-93 (1976).
Hahn, Y. B., and Chang, K. S., "Mathematical Modeling of the Reduction Process of Iron Ore Particles in Two Stages of Twin-Fluidized Beds Connected in Series," Metallurgical Transactions B, 29(5), 1107-1114 (1998).
Kunii, D., Levenspiel, O.: in Fluidization Engineering, 2nd ed., Butterworth-Heinemann, Boston, MA, pp. 337-56 (1991).
Homma, S., Ogat, S., Koga, J., and Matsumoto, S., "Gas-Solid Reaction Model for a Shrinking Spherical Particle with Unreacted Shrinking Core", Chemical Engineering Science, 60, 4971-4980 (2005).

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Jung, E. J., RIST (Research Institute of Industrial Science & Technology, Metallic Material Research Group, Pohang, Korea, personal communication, Jun (2018).
Van Deventer, J. S. J., "Kinetics of Selective Chlorination of Ilmenite", Thermochimica Acta, 124, 205-215 (1988).
Fouga et al., "The Kinetics and Mechanism of Selective Iron Chlorination of an Ilmenite Ore", Mineral Processing and Extractive Metallurgy (Trans. Inst. Min. Metal. C), 116(4), 230-238 (2007).

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