압력균등화를 포함하는 공기분리 PSA 공정

황유석, 서성섭

홍익대학교 화학공학과

Air Separation PSA Processes including Pressure Equalization Step

You-Seok Hwang, Sung-Sup Suh

Dept. of Chem. Eng., Hongik Univ

서 론

Pressure swing adsorption (PSA)을 사용하는 공정중 상업적으로 널리 이용되고 있는 대표적인 공정중의 하나가 공기를 원료로 하여 농축산소 또는 농축질소를 생산하는 공정이다. 초기의 4step-2bed 공정 이후 분리성능 향상을 위한 새로운 스텝들을 포함하는 공정들이 계속적으로 개발되어지고 있다[1]. 이 공정에 대한 연구에 있어서 주어진 상황에 분리를 위한 최적의 공정을 선택하는데 있어서 정확한 지침을 주는 연구가 지금까지는 많이 이루어진 편은 아니다. 최적의 공정선택에 있어서는 가능한 여러 가지 사이클을 갖는 PSA공정들의 분리성능을 동시에 비교하여야 한다[2]. 이에 따라 본 연구는 물질전달을 linear driving force(LDF)이론으로 표현한 모델을 근거로 하여 압력균등화단계(pressure-equalization step ; P.E step)를 포함하는 3개의 공정을 비롯하여 전체 6개의 공정을 전산모사를 통하여 비교 검토하였다. 또한 압력균등화단계에서 유체의 흐름방향이 달라짐에 따라 분리성능에 어떠한 영향이 나타나는가에 대해서도 연구하였다. 산소의 순도는 농축산소를 이용하는 분야에 따라서 달라지게 되므로 그 순도에 맞는 최적의 공정을 선택하는 것이 경제성을 높이는데 중요한 인자가 된다. 따라서 본 연구 결과는 특정한 순도의 제품을 생산하기 위한 효율적인 PSA공정을 선택하는데 기여할 것으로 생각된다.

PSA공정 사이클

전사모사한  6개의 사이클은 다음과 같다.

□공정1 (4step-2bed) FPZ□AD□CTBD□PG

□공정2 (5step-2bed) AD(I)□AD(II)□CTBD□PG□PPZ □(ID)

□공정3 (3step-3bed) AD□CTBD□PPZ

□공정4 (3step-2bed) AD□DPPE(I) □BD□PG□PZPE(I)□FPZ

□공정5 (3step-2bed) AD□DPPE(II)□BD□PG□PZPE(II)□FPZ

□공정6 (3step-2bed) AD□DPPE(II)□BD□PG□PZPE(II)□FPZ

여기서

FPZ=Feed-Pressurization, PPZ=Product-Pressurization, AD=Adsorption,

CTBD=Countercurrent Blowdown, PG=Purge, ID=Idling

DPPE=Depressurization during P.E , PZPE=Pressurization during P.E

공정4,5,6은 압력균등화 단계를 포함하는 공정으로서 압력균등화 단계시 유체의 흐름방향에 따라 나누어진 공정이다. 각 공정에서 압력균등화를 위해 흘러가는 유체의  방향은 다음과 같다.

공정 모델식

두 성분으로 이루어진 원료기체의 충진탑 안에서의 물질수지식은 강한 흡착성분 및 전체 양에 대해 아래와 같이 시간과 위치에 따른 함수로서 나타내어진다. 이 때 두 성분의 등온흡착식은 binary Langmuir isotherm과 LDF에 의해 표현하였다.

[eqn: rm &□(Py) over □tau &+{left□(UPy right)} over {□Z}&+ □Q_A over □tau =0~,~ rm &□P over □tau +{left□(UP right)} over {□Z}+ □Q_A over □tau + □Q_B over □tau =0]

[eqn: rm ~~~~{Q_A}^* = {psi_A ~Py} over {1+xi_A ~Py + xi_B ~P(1-y)}~,~ rm{Q_B}^* = {psi_B ~P(1-y)} over {1+xi_A ~Py + xi_B ~P(1-y)}]

[eqn: rm □Q_A over □tau~ =~ lambda_A~ ({Q_A}^* ~-~Q_A~ )~~,~~ rm □Q_B over □tau~ =~ lambda_B~ ({Q_B}^* ~-~Q_B~ )]

위의 식들을 전산모사에 의해 풀었으며 모델의 단순화를 위해 도입된 가정들은 다음과 같이 정의된다.

□ Mass transfer based on linear driving force

between gas phase and adsorbed solid phase.

□ Negligible axial and radial dispersion.

□ Binary Langmuir adsorption between oxygen and nitrogen.

□ Isothermal operation , constant velocity and Negligible pressure drop.

□ Ideal gas and constant cross sectional area and porosity.

전산모사결과                                                             Fig.1은 정상상태에서 공정4,5,6의 흡착탑 내 기상에서 강흡착질인 N2의 몰분율 profile을 시간에 따라 나타낸 것이다. 농축된 산소가 생산되는 흡착단계에서의 그림을 보면 공정4가 같은 조건에서 더 높은 순도의 산소를 생산해낸다는 것을 알 수 있다. 오른쪽 그림은 압력균등화시 가압되는 단계로 공정6의 profile은 강흡착질의 농도가 탑 출구까지 높아져 있는 상태로 있고, 공정4는 공정5보다 강흡착질의 진행정도가 feed end 쪽에 더 가까이 머물러 있음을 볼 수 있다. 그러므로 공정4가 가장 높은 순도의 산소를 생산해낼 수 있다는 것을 알 수 있으며 압력균등화단계에서 유체의 흐름방향이 순도를 결정하는 중요한 요인이 된다는 결론을 얻어낼 수 있다.  Fig.2 는 공정6에 대하여 압력비를 5로 고정시킨 상태에서 세정기체속도와 원료기체속도의 비인 pfratio가 0.0에서 0.4까지 변할 때 산소의 회수율과 순도와의 관계를 보여준 것이다. 모든 조건에서 산소순도 99.9%까지 생산이 가능하였으며 저순도에서는 pfratio가 낮은 조건에서 회수율이 더 높았으며 고순도로 갈수록 pfratio가 높을 때 대체적으로 회수율이 더 좋게 나타났다.

Fig.3은 공정4에 대하여 압력비가 3에서 10까지 증가할 때 순도와 회수율이 어떻게 변해 가는지 보여준다. 압력비가 3에서 5로 올라갈 때는 회수율의 증가를 명확하게 볼 수 있으나  압력비가 5에서 8로 증가할 때에는 회수율의 증가율이 크게 둔화되었다. 압력이 8에서 10으로 증가하여도 회수율의 증가는 거의 나타나지 않았다. 따라서 압력 증가에 따른 성능개선에 한계가 있다는 것을 알 수 있으며 경제성을 고려해볼 때 최적의 압력비를 예측할 수 있을 것이다.

Fig.4에서는 공정1,2,3,4,5,6에 대해 압력비가 5, pfratio가 0.2일 때에 순도에 따른 회수율의 변화를 동시에 비교하고 있다. 공정2에서는 저순도의 산소만이 생산 가능하며 산소순도 30%까지는 같은 순도를 생산하는 다른 공정들에 비하여 회수율이 가장 높았다.  산소순도 약80%까지는 압력균등화 단계를 포함하는 공정4,5,6이 다른 모든 공정보다 훨씬 높은 회수율을 나타냈으며  80%이상에서는 공정5가 공정2보다 크게 떨어졌으나 공정4와 6은 계속적으로 더 높은 회수율을 유지하였다. 공정4가 공정6보다는 전체 순도에 걸쳐 더 높은 회수율을 보여주었다.

산소의 순도와 생산성 사이 관계는 Fig4에 보여진다. 순도에 따른 생산성에 있어서는  산소가 생산되어지는 순도가 저 농도인  공정2가 조업될 수 있는 범위 내에서는 다른 모든 공정들보다 높은 생산성을 보였다. 그 외의 산소순도 범위에서는 공정4가 가장 높은 생산성을 유지하였다.

결 론

주어진 목적에 따른 최적의 공정을 선택하기 위한 이번 연구에서는 압력비가 5 근처일 때 순도 30%이하의 저순도 산소의 생산에서는 공정2의 회수율이 가장 높았으며 그 이상의 순도에서는 압력균등화 단계를 포함하는 공정들이 높은 회수율을 나타내었다.  생산성 면에서는 공정2가 조업 가능한 범위 내에서 가장 높았으며 그 외의 순도 범위에서는 공정4가 가장 높았다. 여기서 압력균등화 단계에서 유체의 흐름방향이 그 공정의 성능에 결정적으로 영향을 미치는 것도 알 수 있다. 산소를 농축시키는 공기분리에 있어서는 압력균등화를 위한 두 개의 흡착탑의 연결이 product end는 상호간에 서로 연결되고  feed end는 닫혀있는 것이 최적이라는 결론을 얻을 수 있다.

참고문헌

1.M. M. Hassan, N. S. Raghavan and D. M. Ruthven, Chem. Engng Sci.  42(1987)

2.H.-S. Shin, Adsorption, 1(4), 321(1995)