두 개의 shock wave가 진행되는 흡착탑에서

파과곡선에 관한 연구

최원균, 서성섭

홍익대학교 화학공학과

A Study on Breakthrough Curves under Two Shock Waves

in Adsorption Column

Won-Gyun Choe, Sung-Sup Suh

Department of Chemical Engineering, Hong-ik University

서론

흡착공정을 개발하고 발전시키기 위해서 기본적으로 필요한 것 중의 하나가 흡착탑에서 일어나는 파과곡선을 연구하는 것이다. 파과곡선을 측정하고 해석함으로써 흡착질의 흡착특성, 물질전달 특성 등에 관한 정보를 얻을 수 있으며 실제 상업적인 생산을 하기위한 공정의 설계에 도움을 줄 수 있다. 흡착공정의 응용분야는 최근 들어서 더욱 지속적으로 확대되고 있으며 특히 기체혼합물을 분리 또는 정제하기 위한 목적으로 많은 관심을 모으고 있다. 기체혼합물이 흡착탑으로 주입 될 때 강한 흡착질의 농도가 높은 경우에 흡착이 일어나면서 기체속도가 변하게 된다. 한편 PSA와 같은 기체분리공정의 발전에 따라 한 주기의 조업에서 흡착탑 안으로 주입되는 기체의 종류가 여러번 바뀌는 경우들도 생겨나고 있다. 따라서 이러한 공정들의 조업에서는 흡착탑안에서 두 개 이상의 shock wave가 발생하게 된다.

본 연구에서는 이성분을 동시농축 시키는 흡착공정의 rinse step[1]에서 형성되는 파과곡선을 이론적으로 검토하고 조성과 유속을 실험적으로 측정하면서 연구하고자 한다. 세정후 원료기체가 진행하는 동안 순수한 강흡착성분의 switching time의 조절에 따라 5가지 경우에 대해 계산과 실험을 통하여 농도와 유속의 파과 곡선을 예측해본다.

Rinse step 해석

원료기체가 주입되고 두 번째 순수한 강흡착 성분이 주입되는 순간부터가 rinse step인데, 이 rinse step으로 탑 출구에서는 순수한 약흡착성분을, 탑 입구에서는 countercurrent blowdown을 통하여 순수한 강흡착성분을 제품으로 얻을 수가있게 된다. rinse step의 switching time에 따라 농도와 유속이 다른 5가지 경우로 분류되어 질 수 있다. 따라서 원하는 제품의 성격과 공정 개선 그리고 압력과 유속의 조건에 따라 switching time을 조절해야 한다. switching time을 정확히 예측하려면 우선 기본작업이 필요하다. 즉 세정기체와 원료기체(본 연구에서는 O2와 air) 그리고 원료기체와 순수한 강흡착성분(air와 N2) 각각에 대하여 파과실험과 계산을 행하여 switching time을 예측하는 데이터를 구한다. 그리고 그 결과를 바탕으로 조건에 따라 각기 다른 case에 대해 예측해 본다. Fig. 1.은 각각의 경우에 대해 두 개의 shock wave가 이동하는 모습과 유속에 대한 profile을 보여준다.

Table 1.은 Fig. 1.에서 나타낸 shock wave 전후의 유속변화를 물질전달이 없다고 가정된 국부평형모델(Local Equilibrium Model)[2]에 의해 계산된 원료기체의 유속과 탑 출구에서의 유속의 비를 나타낸다.

Breakthrough curves의 계산

Breakthrough 계산의 수학적 모델식에는 일반적으로 기체와 흡착제 사이의 물질수지, 열수지, 물질전달 그리고 압력강하가 포함되고 여기에 압력, 속도, 시간, 온도, 농도, 축방향길이 등의 인자로 나타내어지는데 이를 수학적으로 구하기에는 많은 제약이 따르게 된다. 따라서 수학적 단순성을 위하여 등온조업이며 압력강하가 없음을 가정하였고 기공확산식에 비해 비교적 간단하면서도 정확성이 널리 알려진 LDF(Linear Dving Force)식을 사용하였다. 또한 흡착이 진행됨에 따라 비선형성이 커지므로 비선형 등온 흡착식인 coupled Langmuir isotherm을 사용하였다. Table 2.에 계산에 사용된 조건을 나타내었다.

[eqn: {q}_{i}={{K}_{i}{P}_{i}}over{1+{b}_{i}{P}_{i}+{b}_{j}{P}_{j} }][eqn: ∂q_i over ∂t~ =~ k_i~ ({q_i}^* ~-~q_i~ )]

[eqn: epsilon~ □C_i over □t~ + ~epsilon~ {left□(u~C_i right)} over {□z}~+~(1-epsilon)~ □n_i over □t~ =~0]

Table 1. Ratio of interstitial       Table 2. Conditions of breakthrough curves

u0/u0	1
u1/u0	0.597059
u2/u0	0.497108
u3/u0	0.832595
u4/u0	0.493204

	case1	case2	case3	case4	case5
p(atm)	4	4	4	4	4
U(dimensionless)	3	3	3	3	3
Switching time(sec)	35	135	205	230	305
purge gas:O2 feed gas:air rinse gas:N2

velocity                          in calculation.

실험조건

실험장치에는 유속을 측정, 저장하는 시스템과 농도를 측정, 저장하는 시스템이 on-line으로 연결되어 있다. 흡착탑은 직경 15.7□ 높이 81.5□의 원통형 stainless 관에 ZMS 5A(UOP社, 1/16 inch pellet)가 채워져 있다.

실험순서는 계산과 마찬가지로 순수한 약흡착성분(O2)과 feed성분(air)에 대하여  그리고 feed성분(air)과 순수한 강흡착성분(N2)에 대하여 각각 파과 실험을 행하여 shock wave가 두 개인 경우에 대한 기초 데이터를 구한다. 그리고 O2, air, N2의 순서로 switching time을 조절하며 파과실험을 행한다. Table 3.에 실험에 사용된 조건을 나타내었다.

Table 3. Conditions of breakthrough curves in experiment

	case1	case3	case5
p(atm)	2	2	2
U(N□/min)	0.4030	0.4030	0.995
Switching time(sec)	30	165	160

Fig. 1. Diagrams of various cases under two shock waves

결과 및 고찰

Switching time의 조절로 형성되는 두 shock wave의 위치에 따라 출구에서의 농도와 유속이 변화하는데 각각을 살펴보면 case1과 case2는 유속면에서 3단계, 농도면에서 2단계로 case3과 case5는 유속면에서 4단계, 농도면에서 3단계로 case4는 유속면에서 3단계, 농도면에서 3단계로 변화함을 알 수 있다. 이론적으로는 PSA cycle은 탑 출구지점에서 두 shock wave가 만나도록 조업하는 것이 가장 회수율면에서 우수한 것이 계산되어져 있다[3]. 결과적으로 case2가 회수율면에서는 가장 바람직하나 case2는 물질전달의 영향으로 실제공정에서 조업되기에는 어려움이 따르고 따라서 원하는 제품과 공정 개선의 목적에 따라 사용될 수 있는 조건은 case1과 case3 그리고 case5가 된다고 할 수 있다. Fig. 2∼6에 case1∼5가 나타나있으며 Fig. 7에는 case1과 case3 그리고 case5에 대한 실험치가 나타나있다. 본 연구를 통하여 switching time의 조절로 농도뿐만 아니라 유속의 순차적인 변화를  계산과 실험을 통하여 확인 할 수 있었다. 반대로 탑 출구에서의 농도, 유속의 profile을 보고 입구에서의 조업조건도 예측할 수 있을 것이다.

참고문헌

1. Douglas M. Ruthven Shamsuzzaman Farooq and Kent S. Knaebel : "Pressure	Swing Adsorption", VCH, Publishers(1994).

2. S.S.Suh and P.C.Wankat, Chem.Eng.Sci., 44(10), 2407(1989).

3. S.S.Suh and W.G.Choe, Theories and Applications of Chem.Eng., 2(2), 1721	(1996).