소형 2탑 PSA공정에 의한 산소분리에 관한 연구

박성균, 안형웅, 조찬휘*, 구기갑**, 이창하

연세대학교 화학공학과

영동공과대학교 화학공학과*

서강대학교 화학공학과**

Study on O2 Separation by Small Scale 2-bed PSA process

Sung-Kyun Park, Hyung-Woong Ahn, Chan-Hwi Cho*, Kee Kahb Koo**, Chang-Ha Lee

Department of Chemical Engineering, Yonsei University, Korea

Department of Chemical Engineering, Youngdong Institute of Technology, Korea*

Department of Chemical Engineering, Sogang University, Korea**

서론

산소는 여러 응용에서 고순도가 필요없으며 일당 소요량이 크지 않은 상황하에서는 PSA(Pressure Swing Adsorption)공정이 심냉법에 의한 저온공정보다 더 경제적임이 입증되었다. PSA에 의한 공기분리가 1958년 미국 Esso연구개발회사의 Skarstrom에 의해서 처음 제안된 이후로 상용화되어 산소 PSA는 폐수의 생물학적 처리, 폐수처리용 오존발생기의 공급류, 강철제조의 염기성 산소공급, 비철금속 제련, 제지 및 펄프공업, 의료용, 그리고 여러 가지 부분 산화공정등으로 응용되고 있다.[1,2]

본 연구에서는 혼합물의 평형흡착량의 차이를 이용하는 평형분리(Equilibrium Separation)를 이용한 PSA공정에 의해 공기로부터 산소를 분리·농축시켰으며 흡착제로는 순수성분에 대한 흡착평형실험의 결과로 zeolite 5A, zeolite 10X에 비해 흡착성능이 우수한 zeolite 13X를 선정하여 사용하였다. 본 실험에서는 가압, 흡착, 압력평등화, 향류감압, 정화, 압력평등화의 6단계가 2탑에서 교대로 진행되어 동시에 운전되고 있으며 흡착단계 중 생성물(Product)의 일부가 다른 탑에 유입되어 그 탑내의 잔존해 있는 강흡착질을 제거하여 흡착제의 재생효율을 높이며 약흡착질의 농도를 높여주어 생성물의 농도를 높여주고 있다. 중요한 공정변수로 흡착압력과 공급유량을 변화시켜 실험하여 최적의 조작 조건을 결정하고 PSA공정의 모사와 비교하면서 소형 2탑 PSA장치 개발의 토대를 마련하고자 한다.

이론

PSA공정의 수학적 모델은 등온 과정이라는 가정을 하지 않는 경우 물질수지와 에너지수지를 기본적으로 포함하게 되고, 압력 강하를 고려하는 경우는 운동량수지룰 함께 고려해야 한다. 일반적으로 벌크분리의 경우 흡착열이 큰 강흡착질을 다량 포함하게 되므로 에너지수지를 고려하는 것이 일반적이다. 그러나 운동량수지는 고려하지 않는 경우가 많은데, 이는 RPSA를 제외하고는 흡착탑 내의 압력 강하 영향이 그다지 크지 않기 때문이다. 그러나 탑 내의 유체속도     가 매우 큰 경우와 흡착탑의 길이가 흡착탑의 반경에 비하여 상대적으로 긴 경우는 흡착탑 내의 압력 강하를 고려하는 것이 바람직한 것으로 알려져 있다.

본 연구에서는 위에서 언급한 세 가지 수지식을 세우는데 다음과 같은 가정을 하였다.

1) 흡착탑 내 기상의 흐름은 축방향분산 plug flow 모델로 가정한다.

2) 기상의 유체와 흡착상과는 열적평형상태이다.

3) 흡착제 내의 sorption 속도는 LDF 모델로 표현될 수 있다.

4) 기상은 이상기체 거동을 한다.

5) 열과 물질의 탑 반경방향으로의 구배는 없다.

위의 가정을 바탕으로 세운 물질 및 에너지 수지는 다음과 같이 쓸 수 있다.

[eqn: -D_L { PARTIAL ^2 y_i} over { PARTIAL z^2 } + { PARTIAL y_i} over { PARTIAL t } + u { PARTIAL y_i} over { PARTIAL z } + { RT} over {P } { 1- epsilon } over { epsilon } rho_P~ [ { PARTIAL bar q_i} over { PARTIAL t } - y_i SUM from { j = 1} to n { PARTIAL bar q_j } over { PARTIAL t } ] = 0]       (1)

[eqn: -D_L { PARTIAL ^2 P } over { PARTIAL z^2} + { PARTIAL P} over { PARTIAL t } + { PARTIAL~ (Pu) } over { PARTIAL z } - { P} over { T} [ -D_L { PARTIAL ^2 T} over { PARTIAL z^2 } + { PARTIAL T} over { PARTIAL t } + u { PARTIAL T} over { PARTIAL z} ] + { 1- epsilon } over { epsilon } rho _P RT SUM from { j=1} to n { PARTIAL bar q_j} over { PARTIAL t } = 0]   (2)

[eqn: ( alpha rho _g C_Pg + rho _B C_Ps~ ) { PARTIAL T} over { PARTIAL t } + rho _g C_Pg~ epsilon u { PARTIAL T} over { PARTIAL z } - rho _B SUM from i to n Q_i { PARTIAL bar q_i} over { PARTIAL t } + { 2h_i} over {R_B_i } ( T - T_w ~) = 0]       (3)

[eqn: rho _w~ C_pw ~A_w { PARTIAL T_w} over { PARTIAL t } = 2 pi R_B_i~ h_i ( T - T_w ) - 2 pi R_B_o~ h_o ( T_w - T_atm )]     [eqn: A_w = pi ( {R^2} _B_o - {R^2} _B_i )]    (4)

탑 내 압력 강하를 고려하기 위해서는 비정상상태의 운동량수지식을 사용하여야 하나, 일반적으로 PSA공정에서 Ergun식과 같은 정상상태 운동량수지식이 널리 쓰이고 있다. 더불어 LDF식과 Langmuir-Freundlich 흡착등온식을 사용하여 sorption rate과 흡착평형을 표현하였다. Langmuir-Freundlich 흡착등온식과 LDF식과 Ergun식 그리고 수학적 모델식의 수치적 모사를 위해서 사용된 경계조건은 다른 문헌에서 찾아볼 수 있다.[3,4,5]

실험

Figure 1은 흡착 동특성을 위한 파과실험과 PSA공정실험을 하기 위한 소형 2탑 PSA장치이다. 흡착탑은 내경 5cm, 길이 50cm이고 흡착제는 zeolite 13X를 사용하였고 탑의 양 끝에 sieve를 설치하였다. Feed는 2성분 혼합물인 N2 80%, O2 20%인 압축공기를 사용하였다.

흡착탑 내의 압력변화를 보기 위해 Pressure Transducer를, 온도변화를 보기 위해 RTD(Resistance Temperature Detector, Pt 100□)를 Figure 1에서와 같이 설치하여 측정하였다. Interface로 장치와 PC를 연결하여 PC를 통해 장치를 조작하며 온도, 압력, 농도 data를 저장할 수 있게 하였다. 파과와 PSA실험을 하기 전에 진공펌프를 이용하여 탑 내의 불순물을 제거시키고 흡착탑 내의 압력을 일정하게 유지시키기 위해 BPR(Back Pressure Regulator)를 설치하였다. 배출구에서의 Product의 농도는 Portable Oxygen Analyzer(T.A.I. MDL. 320B/RC-D)를 연결하여 측정하였고 Product, 감압, 정화유량은 Wet Gas Meter(Sinagawa Co.)를 통해 측정하였다.

흡착압력은 2∼5 atm.범위에서 그리고 공급유량은 1∼5 LSTP/min.범위에서 실험하였고 공급유량은 공탑실험을 통해 측정하였다.

결과 및 토론

파과실험에서는 zeolite 13X로 채운 단탑에서 N2의 흡착파과실험과 O2 및 N2의 탈착실험을 유량과 압력에 따라 실시하였다. Figure 2에서는 일정한 압력 3.5 Kgf/cm2에서 유량이 증가함에 따라 파과시간이 짧아지고 O2농도의 감소가 급격해졌다. 이는 유량이 증가함에 따라 흡착탑 내부의 물질전달대의 이동이 빨라지고 그 폭이 감소하기 때문임을 알 수 있다. 또한 1∼3 LPM일때의 간격에 비해  3∼5 LPM일때의 간격이 더 좁음을 알 수 있는데 이는 흡착제의 물질전달저항에 기인하여 흡착질과 흡착제간에 접촉시간을 필요로 함을 알 수 있다. 파과개형으로 볼 때는 흡착탑의 효율적인 사용을 위하여 3 LPM이상이 tailing효과를 줄일 수 있는 것으로 나타났다. Figure 3에서와 같이 일정유량에서는 각 압력에 따른 파과의 영향이 적음을 알 수 있다. 파과시간과 산소의 최대농도에는 압력의 영향이 거의 없음을 알 수 있다. Figure 4는 zeolite 13X에 대한 산소의 탈착실험으로 탈착속도가 유속에 비례하여 빨라졌으나 그 증가폭은 점차 감소하였다. 탈착개형은 모두 유사한데 강흡착질인 질소로 약흡착질인 산소를 탈착시키므로 물질전달대의 이동이 거의 plug flow와 같았다. Figure 5의 질소의 탈착곡선은 질소의 보다 높은 흡착용량 및 흡착속도로 인해 산소의 탈착보다 오랜 시간을 요하고 있다. 또한 산소에 비해 질소가 보다 강흡착질이기 때문에 탈착개형에 있어서도 산소탈착에 비하여 완만한 모습을 보이고 있다. 이것을 토대로 PSA공정실험이 조작조건인 흡착압력과 공급유량을 변화시켜 진행되었다. 또한 최적조건을 도출해 낼 것이고 PSA공정의 흡착단계는 상대적으로 짧은 탑을 사용하므로 일반 산소 PSA공정에 비해서는 짧은 공정시간이 적용되며 상대적으로 재생 시간은 흡착시간에 비하여 오래 걸린다.

감사의 글

한국과학재단 산학협력연구(95-2-10-01-01-3) 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. Skarstrom, C.W., U.S. Patent 2, 944, 627(1960)

2. Yang, R.T., "Gas Separation by Adsorption Processes," Butterworths(1987)

3. Ruthven, D.M., Farooq, S., and Knaebel, K.S., "Pressure Swing Adsorption,"

VCH publisher, Inc.(1994)

4. Yang, J., Han, S., Cho, C., Lee, C.H., and Lee, H., Separations Technology,

5, 239(1995)

5. 양재영, 한상섭, 조찬휘, 이한주, 화학공학, 33, 1, 56(1995)