부분 압력균일화를 포함하는 PSA 공정의 성능평가

신흥수, 김동호, 이태수*

홍익대학교 공업화학과, 서강대학교 기계공학과*

Performance Evaluation of PSA Processes

with Partial Pressure Equalization

Heung-Soo Shin, Dong-Ho Kim, Tae-Soo Lee*

Dept. of Ind. Chem., Hongik Univ.,

Dept. of Mech. Eng., Sogang Univ.*

서론

압력균일화(PE) 단계는 고압가스에 담겨있는 기계적 에너지를 회수하고 성분 회수율을 높일 수 있어 대규모 수소회수 PSA 공정에서부터 소규모 의료용 산소 PSA 장치에까지 널리 채택되고 있다[1]. PE 단계가 이미 상업 PSA 공정에 널리 사용되고 있는 반면 이에 대한 정량적 연구는 미미하다. 관련된 연구중 일부는 PE 단계동안 흡착제내의 농도가 변하지 않는다고 가정하였거나[2], 압력균일화가 완전히 이루어진다고 보고 성능평가를 하였다[3,4]. 실제 공정에서는 압력균일화가 다른 단계에 비해 짧은 시간동안에 이루어지고 있어 균일화가 완전히 이루어지지 않을 수도 있고, 균일화가 완전할 경우가 최적조건이 아닐 수도 있다. 따라서 균일화정도에 따른 성능평가를 통해 최적조건을 도출하는 것이 필요하다. 균일화정도에 따른 일부 연구가 발표되었으나[5,6], 부분적인 결과만이 보고되었다.

본 연구에서는 2탑 PSA 공정에 대해 압력균일화 정도에 따른 성능해석을 통하여 생성율, 회수율, 소요동력의 성능 등가선을 구성하고, 이를 공정설계 및 최적조건 결정을 위한 자료로 활용하고자 한다.

Figure 1. Two-bed PSA Process

PSA 공정 사이클

이 연구에서 고려된 PSA 공정은 2탑으로 구성되어 있으며, Figure 1. 과 같은 6단계로 작동된다. 6단계 는 다음과 같다. 1)고압원료공급 2)압력균일용 병류감압 3)향류감압 4)저압생성물퍼지 5)압력균일용  향류가압 6)병류원료가압(또는 향류생성물가압)

수학적 모델

수학적 모델은 다음과 같은 가정하에 전개하였다. 1.가스상과 흡착제상은 언제나 평형을 이룬다. 2.탑은 등온이다. 3.가스는 이상기체로 행동한다. 4.탑내의 압력강하는 없다. 5.흡착제에 성분들의 흡착은 서로 독립적이고, Langmuir 흡착등온식을 따른다. 수치모사를 위해 평형 셀모델을 적용하였고[3], 결과로 나오는 상미분 방정식을 풀기 위해 Gear법을 사용하였다. 사이클의 각 단계동안 압력이 시간에 따라 직선으로 변한다고 가정하였고, 압력균일화와 생성물가압 단계 모사시 유출가스의 부피평균 몰분율을 계산에 사용하였다.

전산모사 결과

이 연구에서 고려된 계는 zeolite 13X을 이용하여 공기로 부터 95% 산소를 생산하는 경우이다. 공기는 21% O2와 79% N2로 구성되었다고 보았다. 흡착제 특성은 문헌상에 발표된 값을 사용하였다[7]. PSA 사이클은 303K에서 1기압과 3기압 사이로 작동된다고 보았다.

Figs.2, 3, 4는 병류원료가압 단계로 산소 생산시 생성율(mol/cycle/kg), 회수율, 단위 흡착제당 소요동력(J/cycle/kg)의 등가선이다. 압력균일화 과정에서 균일화정도는 병류감압 단계동안의 유출양과 균일화정도가 1일 때 유출량의 비로서 정의하고, 균일화정도 1은 병류감압 단계의 감압압력과 뒤의 향류가압 단계의 압력이 같을 때이다. 생성율과 퍼지율은 각각 흡착제 kg당 사이클당 생성되거나 퍼지된 가스의 몰수로 정의한다. 그리고 회수율은 생성물중 약흡착성분의 양과 원료로서 공급된 약흡착성분의 양의 비로서 정의한다. 소요동력은 원료공급과 병류원료가압 단계동안 압축과정이 단열압축이라고 간주하여 계산하였다[8].

Fig.2에서 보면 생성율은 균일화정도 0.75와 퍼지율 0.1mol/cycle/kg 근방에서 최적점이 존재하는 것을 알 수 있다. 균일화정도가 커질 때 생성율이 증가하는 것은 병류원료가압대신 향류생성물가압을 채택하였을 때 사이클의 성능이 향상되는 것과 같은 이유로 설명할 수 있다[1]. 균일화단계가 포함되면 병류감압 단계동안 생성물정도 순도의 유출가스가 퍼지 단계가 끝난 탑을 부분 가압시켜 뒤의 원료가압 단계에서 원료중 강흡착성분이 탑 내부로 깊이 침투하는 것을 저지하기 때문이다. 그러나 균일화정도를 너무 크게 하면 병류가압 단계에서 유출된 가스중 강흡착성분이 많아져 탑 출구를 오염시키기 때문에 원료공급량을 줄여야 되며, 이에 따라 생성율이 감소한다. 퍼지양을 너무 작게 하면 탑의 재생이 불완전하여 생성율이 작아지고, 반면에 너무 크게 하면 퍼지로 많은 양의 생성물이 소모되어 생성율이 감소한다. Fig.3의 회수율은 균일화정도를 크게 할수록 커지는 것을 알 수 있다. 균일화정도의 영향은 퍼지양을 너무 크게 하지 않을 때 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 균일화정도가 0.7이하인 경우에서는 퍼지율이 0.1mol/cycle/kg 근방에서 최적점이 존재함을 볼 수 있다. Fig.4의 소요동력은 균일화정도가 커지면 원료가압에 필요한 원료량이 작아져 감소하고, 퍼지율이 커지면 처리할 수 있는 원료량이 증가함에 따라 증가한다. 그러나 균일화정도 0.2 부근에서 소요동력이 약간 증가하였다. 이것은 병류감압 단계에서 유출된 가스의 양이 작아 원료가압 단계에서 소요되는 동력의 감소가 작고, 대신에 유출가스의 향류가압에 따른 처리할 수 있는 원료가스의 양이 증가하여 총소요동력이 증가하였기 때문이다. 균일화정도가 0.2보다 큰 범위에서는 소요동력의 감소하는 정도가 균일화정도가 증가할수록 더 커짐을 볼 수 있다. 이는 균일화정도가 작은 범위에서는 균일화정도 증가에 따른 원료가압의 동력감소 효과가 원료공급 단계에서의 원료처리 증가에 따른 동력 증가 효과로 감소되어 나타나기 때문이다. 반면에 균일화정도가 커지면 원료처리 증가가 거의 없어져 원료가압의 동력감소 효과가 전부 나타난다.

원료가압대신 향류생성물가압하는 경우에 대해 등가선이 Figs.5, 6, 7에 나와있다. Fig.5의 생성율 결과에서 보면, 최대점이 균일화정도가 0.0이고 퍼지율이 0.1mol/cycle/kg일 때 나타나고 균일화정도가 커짐에 따라 생성율이 감소하고 있다. 퍼지율이 0.1mol/cycle/kg으로 고정되었을 때 균일화정도에 따른 영향은 원료가압 경우(Fig.2)의 최적점 이하에서 경향과 반대로 나타나고 있다. 이는 생성물가압경우에서 균일화정도가 커지면 향류가압 단계의 유출가스중 강흡착성분이 증가하여 탑 생성물 출구측을 오염시키기 때문에 유출가스중 강흡착성분을 감소시키기 위하여 원료공급양을 줄여야하기 때문이다. 생성율 관점에서는 압력균일화 단계가 원료가압과 생성물가압에서는 각각 반대로 작용한다. 생성물가압에서 또 다른 특징은 생성율이 원료가압의 생성율보다 훨씬 큰 값을 보여준다. 원료가압에서 최대값은 생성물가압에서 균일화정도가 1.0이고 퍼지율이 0.1mol/cycle/kg인 경우의 값과 비슷하다. 퍼지율에 따른 효과는 원료가압의 경우와 동일하게 나타나고 있다. Fig.6의 회수율은 Fig.3의 원료가압에서 경우와 비슷한 경향을 보이고 있다. 하나의 차이점은 원료가압 경우에 비해 회수율이 더 크게 나타나는 것이다. Fig.7의 소요동력은 균일화정도를 크게 하거나 퍼지율을 작게 할수록 작아져 원료가압의 경우와 비슷한 경향을 보인다. 그러나 몇 가지 차이점이 발견된다. 생성물가압을 할 경우에는 원료가압 단계가 포함되지 않음에 따라 원료중 강흡착성분의 탑내 침투가 거의 없어 원료처리량이 증가한다. 따라서 원료가압을 할 경우 보다 소요동력량이 더 크게 나타나고 있다. 또한 동력감소는 균일화정도에 따라 거의 비례하여 나타나 원료가압 경우에서 균일화정도가 0.5 이하에서의 경향과 대조된다.

결론

압력균일화 단계를 포함하는 2탑 PSA 공정에서 원료가압 단계를 채택하는 경우에 생성율을 최대로 하는 최적의 퍼지율과 균일화정도가 존재하였다. 최적 퍼지율에서 균일화정도의 선택에 따라 성능들이 모두 향상되기도 하고, trade-off 현상을 보이기도 하여 최적 운전조건 결정을 위해서 분리계에 대해 성능 등가선을 구성하는 것이 필수적이다. zeolite 13X를 이용하여 공기분리를 하는 경우, 원료가압시 최적 운전조건은 0.1mol/cycle/kg의 퍼지율과 0.75의 균일화정도로 나왔다.

생성물가압시 최적퍼지율은 원료가압 경우와 동일하였고 최적퍼지율에서 생성율은 회수율과 소요동력에 대해 trade-off 현상을 나타내었다. 따라서 최적 균일화정도는 분리계의 목표점에 기준하여 결정되어져야 한다.

참고문헌

1. D.M. Ruthven. S. Faroog and K.S. Knaebel, Pressure Swing Adsorption,       VCH, 1994.

2. M.M. Hassan, N.S. Raghavan and D.M. Ruthven, Chem. Engng. Sci.,          2037(1987).

3. Heungsoo Shin, Fundamentals of Adsorption, Proceedings of the Fifth

International Conference on Fundamentals of Adsorption, edited by            M.D.Levan, Kluwer Academic Publishers, 829(1996).

4. 황유석, 서성섭, 화학공학의 이론과 응용, 96추계학술발표회 논문집,

1601(1996).

5. N.O.Lemcoff, S.J.Doong and A.I. Lacava, Proceedings of the Fourth

International Conference on Fundamentals of Adsorption, 357(1993).

6. S.J. Doong, Fundamentals of Adsorption, Proceedings of the Fifth

International Conference on Fundamentals of Adsorption, edited

by M.D.Levan, Kluwer Academic Publishers, 251(1996).

7. 최원철, 석사논문, 서강대학교, 1996.

8. J.M. Smith and Van Ness, Introduction to Chemical Engineering

Thermodynamics. 4th ed., McGraw-Hill.

감사

이 논문은 보건복지부 G7 의료공학기술개발 연구비 지원으로 수행되었으며, 이에 감사의 뜻을 표함니다.

Figure 6. Recovery Contour for Different Specific Purge and Equalization Levels for the Case of Product Pressurization

Figure 4. Specific Power Contour for Different Specific Purge and Equalization Levels for the Case of Feed Pressurization

Figure 7. Specific Power Contour for Different Specific Purge and Equalization Levels for the Case of Product Pressurization

Figure 5. Productivity Contour for Different Specific Purge and Equalization Levels for the Case of Product Pressurization

Figure 3. Recovery Contour for Different Specific Purge and Equalization Levels for the Case of Feed Pressurization

Figure 2. Productivity Contour for Different Specific Purge and Equalization Levels for the Case of Feed Pressurization