일관성이란 변동이 없다는 뜻이 아닙니다. 변동을 제어할 수 있는 능력입니다.

좋은 촉매 레시피는 시작에 불과합니다. 일관된 품질은 생산의 모든 단계를 측정하고, 변동성이 고객에게 도달하기 전에 포착하는 데서 비롯됩니다.

이는 9월 22일 개최된 Future Days: Catalysts 행사에서 Ketjen의 분석 탁월성 수석 전문가인 Matthew Rayner 박사가 전한 핵심 메시지였습니다. Ketjen의 암스테르담 제조 현장을 기반으로 하는 Matthew는 촉매 분석과 운영 지원을 이끌며 품질 관리, 생산 경험, 고급 특성 분석을 결합하고 있습니다. 그는 실험실 벤치의 양쪽 모두에서 촉매 특성 분석을 경험해 왔습니다. Ketjen에 합류하기 전에는 Malvern Panalytical에서 8년간 근무했으며, 최근에는 X선 형광 분야의 응용 전문가로 일했습니다. 또한 ASTM 촉매 위원회 D32의 참여 회원이기도 합니다.

한 세기가 넘는 기간 동안 Ketjen의 암스테르담 현장에서는 황산부터 염료, 설탕, 사카린까지 다양한 제품을 생산해 왔습니다. 수십 년에 걸친 합병과 이름 변경 속에서도 1953년 이후 한 가지는 변하지 않았습니다. 바로 촉매입니다. 오늘날 이 현장에서는 유동 촉매 분해(FCC) 및 수첨처리 촉매를 생산하며, Ketjen의 Clean Fuels Technology R&D Center가 자리하고 있습니다.

Future Days: Catalysts에서 Matthew는 ‘염료 공장에서 심층 탈황까지: Ketjen Amsterdam의 한 세기 혁신’을 발표했습니다. 그는 현장의 역사와 제품, 그리고 좋은 레시피를 일관된 제품으로 바꾸는 분석 시험을 소개했습니다. 아래는 그의 인사이트를 정리한 내용입니다.

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두 가지 촉매 계열, 하나의 목표

Ketjen Amsterdam은 두 가지 계열의 촉매를 생산합니다. 두 촉매는 서로 다른 물리적 형태를 가지며 정유 공정에서 서로 다른 역할을 수행하지만, 더 나은 전환이라는 동일한 목적을 공유합니다.

FCC 촉매는 제올라이트, 알루미나, 점토로 구성되며 실리카 매트릭스 내에 형성된 다공성 분무 건조 입자입니다. 이들은 큰 탄화수소 분자를 더 작고 부가가치가 높은 제품으로 전환하는 데 도움을 주어 정유사가 배럴당 얻을 수 있는 가치를 최적화할 수 있게 합니다. 각 조성은 공급 원료, 장치, 그리고 정유소가 원하는 수율에 맞춰 설계됩니다.

수첨처리 촉매는 활성 금속을 담지한 알루미나 기반 지지체를 가진 공학적 압출체입니다. 이들은 공급 원료에서 황과 같은 헤테로원자를 제거하며, 황은 황화수소로 제거되고 질소는 암모니아로 제거됩니다. 정유소가 더 많은 재생 가능 원료를 처리함에 따라 산소 제거의 중요성도 점점 커지고 있습니다. 이러한 촉매는 장기간의 운전 조건에서 고정층 반응기 내에서 작동하므로, 전체 사용 수명 동안 반응기 조건을 견딜 수 있을 만큼 견고해야 합니다.

모든 생산 단계는 측정 가능한 흔적을 남깁니다

두 촉매 계열은 같은 방식으로 시작합니다. 촉매 소재를 형성하고, 분무 건조 또는 압출로 성형한 뒤, 건조하거나 소성합니다. 그런 다음 수첨처리 촉매는 활성 금속을 함침하고 마무리합니다. Matthew는 각 단계가 측정 가능한 물질 상태를 만들어 내며, 분석은 그 상태를 가시화한다고 설명했습니다. 물질 상태가 단계별로 어떻게 변하는지를 추적하는 것이 Ketjen의 QC 및 분석 팀의 핵심 업무입니다.

Ketjen의 실험실은 이 분석을 세 가지 질문으로 정리합니다:

1. 조성: 활성 금속, 지지체, 첨가제가 올바른가? 사용 기술에는 XRF, ICP, XRD, Raman, 전자현미경이 포함됩니다.
2. 접근성: 공급 원료 분자가 활성 화학종에 도달할 수 있는가? 기체 흡착, 수은 포로시메트리, 입자 크기 분석이 답을 찾는 데 도움을 줍니다.
3. 무결성: 촉매가 제조와 사용 조건을 견딜 수 있는가? 강도, 마모, 마손, fines 시험이 그 통찰을 제공합니다.

이 분석은 닫힌 루프로 운영됩니다. 원료를 검증하고, 중간체를 특성 분석하고, 완제품을 출하하며, 공정 및 성능 데이터에서 학습하는 방식입니다. 또한 이는 대규모로 수행됩니다. Ketjen의 휴스턴 실험실만 해도 하루 약 200개의 시료를 처리합니다. 두 촉매 계열에 대한 전용 성능 시험과 고객 정유 장치에서의 일일 시료 채취가 전체 그림을 완성합니다.

목표는 매번 같은 결과를 내는 것이 아닙니다. 변동성을 포착하고 고객에게 도달하기 전에 수정하는 것입니다. 촉매 제조업체에게 정확하고 반복 가능한 특성 분석은 품질을 위한 필수 기반을 제공합니다.

Q&A의 주요 질문

앞으로 5년 동안 분석 팀에는 무엇이 필요할까요?

촉매 산업은 역사적으로 IP로 보호되는 기술을 중심으로 매우 비공개적이었습니다. 많은 분석 방법은 사내에서 개발되어 외부 방법을 반영하지 않은 채 단일 현장이나 회사 내 표준이 되었습니다. Matthew는 더 많은 사내 방법을 현재의 표준화된 접근법과 더 가깝게 정렬할 기회가 있다고 강조했습니다.

표준화 위원회에 참여하는 것은 어떤가요?

Matthew는 자신을 ASTM D32의 “초보자”라고 표현하며, 위원회 업무에 새로운 관점을 더하고 있다고 말합니다.  그의 견해로는 분석 기술이 빠르게 발전하며, 오랜 기간 검토되지 않은 방법은 구식이 될 위험이 있습니다.  현재 실험실 실무자라는 Matthew의 입장에서 그는 최신 실험실 관행에 대한 자신의 경험을 공유하며, 표준이 현대 산업의 요구에 부합하고 관련성을 유지하도록 돕고 있습니다.

AI와 자율 실험실은 촉매 개발을 어떻게 바꿀까요?

머신러닝은 이미 R&D에서 고처리량 스크리닝을 더 스마트하게 만들고 있으며, Matthew는 더 많은 팀이 참여하면 도입이 더욱 빨라질 것으로 예상합니다. 가장 큰 제약은 투자입니다. 자동화 실험실에는 상당한 투자와 이를 뒷받침할 경영진의 의지가 필요하지만, 그 장벽은 점차 낮아지고 있습니다.

이 세션의 녹화본을 시청해 Ketjen이 실제 정유 조건에서 촉매 성능을 어떻게 시험하는지, 그리고 Future Days: Catalysts의 더 많은 내용을 확인해 보세요.