AMP에 Piperazine을 첨가한 CO₂ 흡수 동역학

Kinetics of the Reaction of Carbon Dioxide with AMP and Piperazine

지구 온난화에 대하여 55% 이상의 영향을 미치는 $CO_2$ 제어에 관심이 고조되고 있는 가운데 $CO_2$ 저감을 위한 새로운 기술들이 개발중이다. 특히 저농도의 $CO_2$ 분리 및 회수를 위해서는 화학적 흡수법이 유용하다 본 연구에서는 입체적으로 감추어진 아민 AMP(2-Amino-2-Methyl-1-Propanol)에 piperazine을 첨가한 혼합흡수제를 이용하여 stirred vessel 에서 $2.0kmol/m^3$ AMP수용액에 piperazine의 농도 $0{\sim}0.4kmol/m^3$, 반응온도 $30{\sim}70^{\circ}C$. $CO_2$ 분압 10.130~20.260 kPa등의 조건에서 실험을 하여 $CO_2$와 혼합흡수제간의 동역학적 특성을 조사하여 다 음과 같은 결론을 얻었다. 1) 온도가 싱승함에 따라 piperazine을 첨가한 흡수제와 첨가하지 않은 흡수제 사이의 흡수속도 차이가 더욱 크게 나타났으며 이 사실은 piperazine의 활성화에너지 57.147 kJ/mol이 AMP의 활성화에너지 $E_2$ 41.7 kJ/mol보다 크기 때문에 고온으로 갈수록 흡수속도에 대한 piperazine의 가여도가 증가하기 때문인 것으로 판단된다. 2) 단일 흡수제 AMP $2.0kmol/m^3$에 piperazine 농도를 $0.4kmol/m^3$까지 첨가시켰을 때 단일 AMP 흡수제에 대해 $30^{\circ}C$ 에서 최소 6.33%, $70^{\circ}C$에서 최대 12% 정도의 흡수속도 향상을 얻을 수 있으므로 신흡수제의 반응성괄 비교해 볼 때 기존의 흡수제보다 우수하다고 볼 수 있다. 3) 혼합흡수제의 $CO_2$ 실험에서 piperazine과 $CO_2$와의 반응속도 상수는 30, 40, 50, $70^{\circ}C$에서 각각 217.21, 420.46, 707.00, $3162.167m^3/kmol{\cdot}s$였으며 MDEA에 piperazine을 첨가하여 행한Xu 실험에서 30, 40, 55, $70^{\circ}C$에서 얻은 1867, 367.32. 693.01, $2207.65m^3/kmol{\cdot}s$값과 비교하여 볼 때 $30{\sim}70^{\circ}C$ 모든 범위에서 높게 나타났으며 AMP와 piperazine의 혼합흡수제에서 piperazine 반응속도상수 $k_p$는 In $k_p$=28.324-6934.7/T로 표현된다.

According to the worldwide interest in controlling $CO_2$ which contributes to green house effect. new techniques of reducing $CO_2$ are under development. We have developed new technique for reducing $CO_2$. In low $CO_2$ concentration. the chemical absorption method is useful. In this study. the kinetics of the reaction between $CO_2$ and the sterically hindered amine solution with piperazine. have been investigated from measurements of the rate of absorption of $CO_2$ in the stirred vessel that has a horizontal liquid-gas interface, in the temperature range $30{\sim}70^{\circ}C$. The experiments were carried out in the range 10.130~20.260 kPa of partial pressure of $CO_2$, and in aqueous $2.0kmol/m^3$ AMP solution with $0{\sim}0.4kmol/m^3$ piperazine The experimental results are as follows: 1) The absorption rate of $CO_2$ into aqueous AMP + piperazine solution is gett ng faster than that of aqueous AMP absorbents with temperature. Because the activation energy of piperazine 57.147 kJ/mol is higher than that of AMP 41.7kJ/mol. therefore the effect of piperazine on absorption rate increases with temperature. 2) Compared with aqueous AMP solution. the absorption rate of $CO_2$ into AMP + piperazine solution increases from 6.33% at $30^{\circ}C$ to 12% at $70^{\circ}C$, so AMP + piperazine solution is thought to be a better than AMP solution, 3) The reaction rate constants of piprazine in aqueous AMP solution with $CO_2$ have been determined as 217.21, 420.46, 707.00 and $3162.167m^3/kmol{\cdot}s$ respectively at 30, 40, 50 and $70^{\circ}C$ but these results are higher than those of Xu which were 186.7. 367.32. 693.01. $2207.65m^3/kmol{\cdot}s$ at 30, 40, 55, $70^{\circ}C$in aqueous MDEA solution. So the regression analysis of the data has led to the following equation In $k_p$ =28.324-6934.7/T.