고압 반응기를 고순도 질소로 퍼지하는 주된 목적은 용기 내부의 공기를 제거하고 엄격하게 불활성인 분위기를 조성하는 것입니다. 시스템을 가열하기 전에 산소를 제거함으로써 바이오매스 공급 원료의 산화를 방지하여 원치 않는 연소 또는 산화 경로가 아닌 열 분해를 통해 반응이 진행되도록 합니다.
산소가 없는 환경을 조성함으로써 바이오매스가 가수분해 및 액화를 통해 바이오 오일로 전환되도록 보장합니다. 이 퍼지가 없으면 잔류 산소가 가열 단계에서 공급 원료와 반응하여 최종 바이오 오일의 품질과 수율을 모두 저하시키는 산화 부산물을 생성하게 됩니다.
불활성 분위기의 중요한 역할
화학적 산화 방지
열액화(HTL)의 근본적인 목표는 바이오매스를 바이오 크루드 오일로 분해하는 것입니다. 이를 위해서는 주로 열 분해와 같은 특정 화학 반응이 필요합니다.
반응기 내부에 공기가 남아 있으면 온도가 상승함에 따라 산소가 바이오매스와 반응합니다. 이는 원하는 액화 대신 사실상 물질을 연소시키는 산화를 유발하여 귀중한 바이오 오일을 쓸모없는 산화 부산물로 대체합니다.
올바른 반응 경로 활성화
HTL은 물을 용매 및 반응물로 사용합니다. 불활성 질소 환경에서 물은 가수분해, 탈카르복실화 및 탈아민화를 촉진합니다.
이러한 반응은 리그닌 및 셀룰로오스와 같은 거대 분자 유기물을 효율적으로 바이오 크루드로 전환합니다. 질소 퍼지는 이러한 섬세한 화학 경로가 반응성 대기 가스의 존재로 인해 방해받거나 변경되지 않도록 보장합니다.
고압 조건의 영향
초임계 물 상태 관리
HTL은 공격적인 매개변수에서 작동하며 일반적으로 300–350°C의 온도와 10~25MPa의 압력이 필요합니다.
이러한 수준에서 물은 높은 이온 곱을 나타내는 특정 아임계 또는 초임계 환경을 생성합니다. 순수한 불활성 헤드스페이스를 유지하는 것은 전환 과정 전반에 걸쳐 압력과 온도 관계가 안정적이고 예측 가능하도록 보장하는 데 필수적입니다.
공정 안전 및 무결성 보장
유기물과 산소를 포함하는 용기에 고열과 고압을 가하면 상당한 안전 위험이 발생합니다.
질소로 퍼지하면 "화재 삼각형"에서 산화제(산소)가 제거됩니다. 이렇게 하면 고압 환경이 바이오매스의 열 분해에 대해 화학적으로 안전해집니다.
피해야 할 일반적인 함정
퍼지 사이클 과소평가
일반적인 운영 오류는 단일의 빠른 퍼지 사이클을 수행하는 것입니다. 이는 종종 바이오매스 기공이나 반응기 헤드스페이스에 갇힌 모든 잔류 산소를 제거하지 못합니다.
불완전한 퍼지는 부분 산화로 이어집니다. 미량의 산소라도 바이오 오일을 어둡게 하고 고체 탄소 또는 코크 형성을 증가시켜 반응기 효율을 손상시키는 부반응을 유발할 수 있습니다.
HTL과 생물학적 공정 혼동
HTL과 혐기성 소화를 구별하는 것이 중요합니다. 둘 다 산소 제거가 필요하지만 HTL은 열화학 공정이지 생물학적 공정은 아닙니다.
"메탄 생성균" 또는 "미생물 군집"을 보호한다는 언급은 저온 발효에 적용되며 HTL에는 해당되지 않습니다. HTL에서는 높은 작동 온도(300°C 이상)가 생명체를 즉시 멸균하므로 질소 퍼지는 생물학적 생존이 아닌 화학적 제어를 위한 것입니다.
목표에 맞는 올바른 선택
열액화 공정의 효율성을 극대화하려면 특정 목표에 맞게 퍼지 전략을 조정하십시오.
- 주요 초점이 바이오 오일 품질인 경우: 산화 부산물 및 탄소 형성을 직접적으로 줄이기 위해 모든 산소를 제거하도록 여러 번의 퍼지 사이클을 보장합니다.
- 주요 초점이 공정 안전인 경우: 고압에서 연소 위험을 완화하기 위해 가열 램프를 시작하기 전에 헤드스페이스의 최종 산소 함량이 거의 0인지 확인합니다.
효과적인 질소 퍼지는 잠재적인 연소 위험을 제어된 고수율 액화 환경으로 바꾸는 기초 단계입니다.
요약 표:
| 특징 | HTL 퍼지에서의 중요성 |
|---|---|
| 주요 목표 | 불활성 분위기 조성을 위한 산소 제거 |
| 주요 반응 | 산화 대신 열 분해 촉진 |
| 압력 범위 | 10~25MPa 작동 압력 전반에 걸쳐 안정성 보장 |
| 바이오 오일 품질 | 탄소 및 원치 않는 산화 부산물 형성 감소 |
| 안전 혜택 | 고온에서 화재 삼각형에서 산화제 제거 |
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참고문헌
- Salih Genel. Hydrothermal liquefaction of <i>Datura stramonium</i> L.: Influence of temperature and heterogeneous catalysts. DOI: 10.1002/ep.14322
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