CO2 PSA공정에서 세정기체의 가열효과

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

최재호, 최재욱, 이화웅, 나병기, 송형근

한국과학기술연구원

Effect of Rinse Gas Temperature in the CO2 PSA Process

Jae-ho Choi, Jae-wook Choi, Hwaung Lee, Byung-Ki Na ,Hyung Keun Song

Korea Institute of Science and Technology

서론

화력발전소에서 나오는 연소 배가스 중 CO2의 회수 및 제거에 대한 연구는 지속적으로 이루어져 왔으며, PAS를 이용한 효과와 경제적 우수함은 많은 연구를 통해서 입증된 바가 있다.[1] 다양한 공정에 대한 묘사와 실험을 통해 보다 높은 순도와 회수율을 얻었으며, 특히 세정단계의 도입은 순도를 30%이상 향상시키는 효과를 가져왔다.[2]

본 연구는 화력발전소에서 나오는 폐열을 3탑 7단계 CO2 PSA 공정(Fig.1)의 세정단계에서 이용하여 그 영향을 분석하였다. 특히 세정단계의 조건이 변화됨으로 이에 따른 성능 변화와 다른 변수에 미치는 영향을 중점으로 연구하여 세정단계의 효과를 극대화하는 것을 그 목적으로 하였다.

모델링 및 모사

Flue gas의 조성은 N2(79%), CO2(17%), O2(4%), 그리고 미량의 SO2, NOx로 이루어져 있으나, 미량의 조성들은 무시하였다. O2는 흡착실험과 파과실험을 통하여 활성탄(이하 AC)에 대한 흡착성질이 N2와 유사함을 알 수 있었다. 그러나 O2는 양이 상대적으로 적어 무시하고, N2와 CO2의 binary system으로 놓고 모사를 실시하였다. 또한 bulk내 기체는 이상기체라 가정하였다. convection은 고려하였으나, bed의 길이에 비해 폭이 좁아서 축 방향과 반경방향으로의 분산은 없다고 가정하였다. 실제 실험을 통하여 탑 내의 압력강하의 영향이 없음을 알 수 있었으며, 온도에 따른 변수들 특히 Cp, □등은 조업범위에서의 변화가 전체 특성에 큰 영향을 주지 않아 일정하다고 간주하였다.

CO2 PSA를 모델링하기 위하여 Navier-Stokes식을 이용하였으며, 탑 내의 흡착 거동을 모사 하는데 있어서 탑 내를 단열상태라 가정하였고, 기상과 흡착상 사이의 물질전달은 Linear Driving Force(LDF) model을 따르며 혼합물의 흡착평형 모델은 단순확장모델(Extended Langmuir Isotherm model)을 따르는 것으로 하였다. 모델식들을 정리하면 다음과 같다.

Continuity Equation :

[eqn: C_total {PARTIALu}over{PARTIALz} + {PARTIAL C_total }over{PARTIAL t }+ {1-epsilon} over epsilon SUM from { {i }=1} to n{ PARTIALq_i}over {PARTIALt}=0 ~~~`]	(1)

[eqn: where ~~ ~~C_total = SUM from { {i }=1} to n C_i]                                (2)

Mass Balance :

[eqn: PARTIALC_i over { PARTIAL t}+ u{ PARTIAL C_i} over {PARTIAL z}+ C_i { PARTIAL u} over {PARTIAL z} +{1- epsilon }over epsilon {PARTIALq_i}over PARTIALt = 0~, ~~~ ~~ i=1-n]	(3)

Heat Balance :

[eqn: (epsilon rho_g C_pg + rho_bulk C_s) PARTIALT over { PARTIAL t}+ (epsilon rho_g C_pg ) u{ PARTIAL C_i} over {PARTIAL z} +rho_bulk SUM from { { j}=1} to n {PARTIALq_j}over PARTIALt DELTA H_j = 0]  (4)

Mass Transfer Rate :

[eqn: { PARTIAL q_i}over{ PARTIAL t} = k_i ( q_i^* - q_i )~~~~~]                           (5)

Adsorption Equilibirum Isotherm :

[eqn: q_i^* = {b_i q_iS C_i }over {1+ SUM from { { j}=1} to n b_j C_j }]                                 (6)

PSA는 여러 단계를 거쳐 운전되는 공정이므로 이에 효율적인 finite difference method(이하 FDM)를 전산 기법으로 이용하였다.[3] 특히 convection의 영향이 클 경우 FDM이 가지는 안정성 문제를 극복하기 위해 물리적인 현상을 고려하여 차분하는 upwind method를 적절히 이용하여 모사하였다.

전산모사결과 및 토론

모사를 통해서 Fig.1에서 보여준 공정의 성능을 feed 유량, 세정물의 온도, 세정환류비, 세정시간에 따라 분석하였다. Fig.2는 세정물의 온도에 따른 세정단계에서의 탑 내온도 변화를 흡착탑의 길이에 대해 나타낸 것이다. 세정물 온도의 상승에 따라 탑의 끝부분까지 탑 내 온도가 상승하였다. Fig.2에서 시간에 따른 온도의 변화를 볼 때, 세정시간을 줄일 수 있다고  판단되었다. 따라서 Fig.2(A)와 같은 온도 profile을 갖는 세정온도와 세정시간에서의 회수율과 순도를 Fig.3에 도시하였다. 그림에서 같은 온도 profile을 갖지만 세정시간이 짧으면 회수율은 매우 좋아지고 순도는 거의 차이가 없음을 볼 수 있다. 따라서 세정물의 온도를 높여서 세정시간을 줄어 주면 보다 나은 회수율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 시간에 따른 탑 내 온도 변화에서도 확인할 수 있는데, 이를 Fig.4에 나타내었다. 그림을 통하여 세정물 온도가 올라감에 따라 탑의 포화범위가 넓어짐을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 여러 세정물의 온도에서 세정시간에 따른 성능을 살펴보았는데 이를 Fig.5에 나타내었다. 같은 세정시간에서는 세정물의 온도가 상승함에 따라 순도 및 회수율이 증가하며, 이때 세정시간이 길어지면 흡착탑이 완전히 포화되는 시점까지 순도가 상승하는 현상을 보여주며, 이에 따른 회수율은 계속 감소함을 알 수 있다. 기본공정인 세정시간 247sec에서 순도90%, 회수율52%가 최고의 성능이지만 세정온도를 395K로 할 경우, 순도93%, 회수율58%를 얻을 수 있으며 세정시간을 단축하면 순도90%일 때 회수율83%까지 얻을 수 있다.

여러 feed 유량에서 세정물의 온도에 따른 성능을 비교한 것을 Fig.6에 나타내었다. 유량에 상관없이 375K까지 온도 상승에 따라 성능이 향상되었으며 그 이후 떨어지는 현상을 보여, 세정물 온도의 최적점이 존재함을 알 수 있었다. 이와 같은 현상은 세정물의 온도가 세정단계에서의 CO2 흡착성질과 탑의 포화상태에 영향을 끼침으로 나타난다고 생각되어진다. 높은 온도의 세정물은 초기 CO2의 흡착량을 감소시키지만 convection을 증가시켜 탑 끝까지 CO2를 포화시키는 역할을 한다고 여겨진다.

Fig.7은 세정환류비에 따른 성능의 변화를 나타내고 있다. 환류비가 증가할수록 순도는 향상되나 한 부근부터 95%에 수렴함을 볼 수 있다. 그러나 세정물의 온도에 따라 순도가 수렴되는 환류비가 조금씩 차이를 보였으며, 회수율도 어느 부근부터 급격히 떨어지는데, 세정물의 온도가 높을수록 떨어지는 기울기가 가파름을 알 수 있었다. 이는 세정물 온도가 높을수록 낮은 세정환류비에서도 높은 회수율을 얻을 수 있다는 의미이다.

이상의 결과로부터 폐열을 이용하여 세정물을 preheating시키면 성능 향상에 효과가 있음을 알 수 있었다.

PR	AD	CD	PE	RN				EV			PE
RN				EV			PE	PR	AD	CD	PE
EV			PE	PR	AD	CD	PE	RN

PR: pressurization step AD: feed step  CD: blowdown step

PE: pressure equilization RN: rinse step EV: evacuation step

Fig.1. 3탑 7단계 CO2 PSA 공정도.

Fig.2. 세정물 온도에 따른 세정단계의 온도변화     Fig.4. 세정물 온도에 따른 성능비교

(Feed 유량: 10SLPM, Reflux ratio: 0.75           (Reflux ratio: 0.75 세정시간:247초).

세정시간: 247초).

Fig.3. 온도 profile이 Fig.2(A)와 동일한

형태를 가지는 세정온도 및 세정

시간에서의 회수율 및 순도

( Feed 유량: 10SLPM,

Reflux ratio: 0.75,

a: 275K, 247sec,

b: 295K, 149sec,

c: 335K, 132sec,

d: 375K, 112sec  ).

Fig.5. 세정시간에 따른 성능 비교            Fig.6. PSA공정에서의 온도변화

(Feed 유량: 10SLPM Reflux ratio: 0.75).         (Reflux ratio: 0.75, 세정시간: 247sec).

Fig.7. 세정환류비에 따른 성능비교

(Feed 유량: 10SLPM

세정시간: 247sec).

참고문헌

1. Diagne D and Goto M, Ind & Eng Chem Res, Vol 34(9), pp.3083-3089, 1995.

2. 이화웅 외 4명, 화학공학, Vol 38(6), pp809∼816, 2000.

3. L.M. Sun and F.Meunier, AIChE. J, February, Vol. 37(2), pp244∼254, 1991.