원지(in situ) 산소 프로브에 의한 촉매 재생의 최적화

에머슨 프로세스 매니지먼트

도입/배경
접촉 분해기(catalytic crackers)는 오랫동안 증류 프로세스에서 발생된 고 중량(heavy) 요소로부터 추가적인 가솔린을 추출하기 위하여 사용되어 왔다.
증류 프로세스는 각기 다른 분자의 혼합물(mixture)을 물리적으로 분리하는 것으로, 분자의 각기 다른 끓는점을 그 기반으로 한다. 접촉 분해 프로세스는 대형 탄화수소 분자를 촉매를 사용하여 경량의 요소로 분해시키는 것으로, 이는 반응이나 분해(cracking) 프로세스를 활성화한다. 분해 프로세스는 탄소와 코크(coke)를 생산하며, 이는 촉매입자 상에 남아있게 되어 시간이 지날수록 촉매의 효율을 감소시킨다.

촉매 재생산
소비된 촉매는 반응기(reactor)에서 ‘재생산기(regenerator)’로 계속 이동한다. 촉매 표면에 잔존하는 오일은 스팀이나 용매에 의해 제거된다. 이후 촉매는 재생산기로 이동되며, 이 곳에서 공기가 도입되어 촉매로부터 코크를 태워 제거한다.
재생 프로세스에는 여러 다양한 변수가 존재하며, 원지(in situ) 지르코니아 프로브가 잘 작동되는 몇 가지 분야가 있다.

전통적인 연소 연도가스(flue gas) 적용 상황
산소는 가장 효율적인 연료/공기 비율을 유지하기 위하여 연소된 코크에 의해 유발된 연도 가스에서 측정된다. 일부 촉매 재생산기는 CP 가스를 발생하며, 이를 별도의 CO 보일러로 이동시키는 반면(그림 1), 다른 기기는 재생산기 내에서 연소 프로세스를 완료한다(그림 2). 둘 중 어디에 속하든, 산소 분석기는 기기의 연도가스 배관 내 또는 스택(stack)에 존재한다.

처리량을 증대시키는 산소 농축(그림 1 참조)

그림 1 - 별도의 CO 보일러(그림에는 표시되지 않음)를 지닌 재생산기

그림2 - 통합 연소기 부분을 지닌 반응기

재생 프로세스에서 사용된 공기를 농축시키면 코크의 연소 비율을 증대시킬 수 있다. 많은 정제 공장은 순수 산소를 재생산에 사용된 공기와 혼합하여 산소의 비율은 21~25% 정도가 되며, 이로 인해 재생산 프로세스의 효율이 증대된다. 
이러한 산소 측정은 작업자를 위한 정보, 경보 또는 산소 주입 밸브의 자동 제어를 위해 이용될 수 있다(그림 1 참조).
압력은 일반적으로 35 PSI이며, 따라서 프로브는 기준 공기로 압력 등화(pressure-balanced) 되어야 한다.

연속 촉매 재생산기(CCR)
‘가동식 베드’ 프로세스와 함께 이용되는 CCR은 재생산기 ‘연소 지대(burn zone)’ 내의 온도 및 산소 레벨을 제어하기 위해 재생산 가스 루프를 이용한다. 이러한 재순환 루프는 재생산 프로세스에서 생산된 연소 연도 가스의 온도를 높이거나 낮춤으로써 온도를 제어하며, 공기 역시 최적점으로 제어된다(그림 3 참조). 산소 측정은 최적 재생산 속도 유지와 연소 지대 내 열에 의한 손상 방지에 중요한 역할을 한다.
프로세스의 압력은 대기압과 유사하거나 35 PSI 정도로 가압될 수 있다. 압력 등화 과정이 요구될 수 있으며, 프로브의 삽입이나 제거가 프로세스 온라인에 의해 요구되는 경우에는 차단 밸브 시스템(isolation valving system)이 필요할 수 있다.
압력 등화는 압력 변화를 조정하는 반면, 전통적인 산소 시스템은 고정형 보상 장치를 전자 기기 내에 지닌다. 염소가 이러한 기기 내로 주입되고, 특수 HCl-저항 셀(cell)이 요구된다.

그림 3 - CCR 재생산기

압력 등화 O2프로브
대부분의 원지(in situ) 산소 분석기는 지르코니아 감지 기술을 이용하며, 이는 프로세스의 압력 변화에 민감하다. 판독 상의 약 1% 정도의 출력 변화(1% FS나 1% O2가 아님)가 프로세스의 4 in.의 H2O 압력 당 1회 예상된다. 산소 프로브의 내부와 프로세스의 압력의 균형을 맞추기 위해 특수한 조절이 요구된다. Rosemount Analytical은 프로브 내부의 압력을 프로세스의 압력과 동일하게 균형을 맞추는 특수한 프로브 디자인이다. 씰링된 프로브(sealed probe)는 기준 가스로 이용되는 기기의 공기와 프로세스의 압력을 동일하게 만드는 ‘부스터 릴레이(booster relay)’와 함께 이용된다(그림 4 참조).
정확하고 신뢰도 높은 산소 분석을 위해, Rosemount Analytical은 6888 O2 Analyzer를 통합 전자 기기와 함께 제공한다. 프로브의 사용자 친밀 디자인으로 인 하우스(in-house) 서비스를 위해 내부 프로브 요소로의 접근이 편리하다.
또한 Rosemount Analytical의 특허 받은 전자 셀 보호 기능은 센서 셀의 전극을 유해한 부식성 기체로부터 보호한다. HART Field Communications Protocol으로 인해 모든 작업자 기능을 제어실에서 수행할 수 있다.

그림 4 - 옵션형 차단 밸브 시스템(프로브 제거)을 지닌 압력 등화 원지 O2 프로브