단탑 RPSA 공정에서 산소의 순도 및 생성 속도에

미치는 조업 변수의 영향

장동근, 최재욱, 이화웅, 송형근, 나병기

한국과학기술연구원

The effect of operation condition on oxygen purity and product rate

in single-column RPSA process

Dong-Geun Jang, Jae-Wook Choi, Hwaung Lee, Hyung Keun Song, Byung-Ki Na

Korea Institute of Science & Technology

서론

흡착질이 고상의 흡착제에 달라붙는 현상인 흡착과 압력에 따라 흡착되는 흡착질의 양이 변하는 물리적 특성을 이용하여 기체를 분리하는 Pressure Swing Adsorption(PSA)공정은 최근에 널리 이용되는 에너지 절약형 산업이며 환경 친화적 산업이라 할 수 있다. 상업적인 실례로는 다탑 PSA공정과  단탑 RPSA공정이 등장하고 있다. 다탑 PSA공정에 비해 단탑 RPSA공정은 튜브나 밸브의 연결이 간단하며 각 단계의 시간이 매우 짧고 같은 순도와 회수율의 결과에서 높은 생산성을 갖는다[1].

Turnock와 Kadlec[2]에 의해 최초로 발표된 RPSA공정은 ZMS 5A로 충전되어있는 단탑의 흡착탑을 사용하여 질소(71.4%)와 메탄(28.6%)의 혼합 기체로부터 농축된 질소를 얻었으며, 실험과 전산모사의 결과를 비교하였다. 그리고 이들이 개발한 공정은 원료기체 공급단계와 향류 감압단계로 구성되어 있으며 흡착탑 내부에 작은 흡착제로 충전시켜 탑 자체 압력 강하를 갖고 있는 것이 매우 중요함을 밝히기도 하였다. 수정된 형태의 RPSA공정을 제시한 Jones와 Keller[3]는 흡착제로 ZMS 5A(20/80 mesh)를 사용하여 산소를 농축하는 실험을 하였다. 상대적으로 잛은 시간의 원료기체 공급단계(<1.0 sec)와 긴시간의 향류 감압단계(5-20 sec) 사이에 지연(delay)단계를 추가하였다. 하지만, 생성물의 순도와 회수율에 미치는 지연단계의 효과는 향류 감압단계의 시간을 조절하는 것에 비해 상대적으로 매우 작았다. Alpay, Kenney와 Scott[4]는 공기를 원료기체로 하여 서로 다른 크기(150-250□, 250-355□, 350-355□, 355-425□ 및 50-710□)의 ZMS 5A로 충전된 흡착탑을 이용하였다. 이들은 RPSA공정에서 조업의 분리 성능에 미치는 흡착제 크기, 원료기체 공급압력, 사이클 시간 및 생성물 속도의 효과에 대하여 연구하였다.

본 연구에서는 흡착탑의 길이가 다른 두 개의 탑에 흡착제의 크기가 60/80mesh의 ZMS 5A를 충전하여 단탑 RPSA공정에 대하여 연구하였다. 원료기체로는 압축 공기를 사용하고 원료기체 공급단계와 향류 감압단계에 대하여 실험을 수행하여 각 싸이클의 시간, 원료기체 공급압력 및 흡착탑의 길이가 생성물인 산소의 순도에 미치는 영향에 대하여 조사하였다.

실험 장치

단탑 RPSA 장치의 개략도는 Fig. 1에 나타내었다. 본 연구에서는 흡착탑의 내경이 2.54cm이고, 길이가 각각 50cm, 100cm인  스테인레스 스틸로 만들어진 탑을 이용하였다. 탑 상부와 하부 각각에는 600 mesh의 체(sieve)를 삽입하여 원료 공급 단계와 감압 단계에서 흡착제가 빠져나가는 것을 방지하였다. 흡착탑 상부에 연결되어 있는 솔레노이드 밸브(SV)를 통하여 원료기체의 공급과 배출이 이루어졌으며, 이들의 조절은 PLC에 의해 제어되었다. 실험장치는 원료 공급부, 배출가스부, 생성물부로 나눌수 있다. 원료 공급부는 고압가스용기에서 나온 원료 기체가 공급되는 부분으로 원료 기체의 공급이 시간에 따라 개폐가 조절되는 SV1과 탑내부의 압력을 측정할 수 있도록 압력게이지가 설치되어있다. 또한, 배출가스부에는 흡착되었던 강흡착질 성분이 빠져나가는 부분으로 SV1과 반대로 조절되는 SV2와 배출되어지는 기체의 양을 측정하기 위하여 wet test meter(Precision Scientific Inc.)를 설치하였다. 탑 하부에는 생성물 배출시의 압력을 측정할 수 있도록 압력게이지가 설치되어있고 생성물의 속도를 조절할 수 있도록 마이크로미터링 밸브를 설치하였고 다음에 생성물의 분석에 필요한 샘플을 취할수 있도록 샘플링 탱크 및 생성물의 속도가 일정하게 유지되도록 서지 탱크를 설치하였다. 생성물의 분석은 기체 크로마토그래피(Shimazdu 14A)를 이용하였다.

실험 방법

본 연구에서는 질소에 대하여 높은 흡착 성능을 갖는 60/80mesh의 ZMS 5A(Aldrich Chem. Co.)를 흡착탑에 충전하여 사용하였다. 실험 전에 흡착제로 충전되어있는 흡착탑은 350℃의 온도에서 5시간 동안 열처리하여 흡착제에 불순물로 존재하는 수분을 제거하여 흡착제의 재생이 이루어지도록 하였다. 원료 혼합기체는 고압 가스용기로부터 공급되는 기체를 사용하였다. 흡착층의 길이가 각각 50cm와 100cm인 흡착탑에 대하여 조업 사이클은 생성물의 순도에 크게 영향을 미치지 않는 지연(delay) 단계를 배제하여 원료기체 공급단계와 향류 감압단계로 구성되어있다. 원료기체 공급단계에서는 흡착탑내부가 가압되어지면서 약흡착 성분과 강흡착 성분의 분리가 이루어진다. 향류 감압단계에서는 흡착탑의 기상에 존재하는 흡착질과 흡착되어있던 흡착질이 대기로 기체가 배출되어진다. 그리고 두 단계가 진행되는 동안에 탑내부의 압력 분포는 각 위치에서 다른 압력을 나타내고 있으며, 탑하부로는 연속적으로 생성물을 얻을 수 있다. 원료기체 공급압력과 원료기체 공급시간/감압 시간의 비율(Feed/Blowdown time, F/B ratio), 흡착탑의 길이가 생성물의 순도 및 생성 속도에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였다.

실험 결과 및 토의

원료 기체인 공기를 이용하여 원료기체 공급단계와 향류 감압단계를 기본으로 하는 RPSA공정에서 산소의 농축에 대한 실험을 실시하였다.

단탑의 RPSA공정은 원료 공급 단계와 감압 단계로 구성되어있다. 두 단계에서 항상 생성물을 얻을 수 있는 RPSA공정에 있어서 원료기체 공급시간 및 감압 단계 시간의 비율(Feed/Blowdown time, F/B ratio)은 생성물의 순도와 속도를 결정하는데 큰 영향을 미친다. 공기를 원료 기체로 하는 본 공정에서는, 원료 공급의 시간이 길면 흡착탑 내부가 공기로 포화되어 강흡착질인 질소와 약흡착질인 산소의 분리가 이루어지지 않고, 감압 단계가 길면 탑내부에 흡착되어 있던 강흡착질인 질소가 탑외부로 배출되어 생성물인 산소의 순도는 높일 수 있으나 생성물의 속도는 떨어지게 된다. 원료 기체 공급 압력이 20psig, 흡착탑의 길이가 100cm의 경우인, Fig. 2에서 보듯이 원료기체 공급단계의 시간이 증가할수록 각각의 F/B ratio에 대한 생성물의 순도는 증가하다 감소하거나, 완만하게 증가함을 나타내었고 F/B ratio에 대한 생성물의 속도는 변화가 없지만 각각의 시간에 대하여 F/B ratio가 작을수록 생성물의 순도는 증가함을 알 수 있다.

압력에 따라 흡착질의 흡착량이 변하는 특성을 이용해 혼합 기체를 분리하는 다탑의 PSA공정 및 단탑의 RPSA공정에서 흡착 압력은 매우 중요한 변수이다. 특히 PSA공정에 비해 매우 작은 흡착제를 사용하는 RPSA공정에서는 원료기체 공급압력에 의해 흡착제가 파손되거나 원료 기체의 마찰에 의한 결합제의 손실로 인한 흡착 능력의 저하가 발생할 수 있다. 따라서, Fig. 3에서는 흡착층의 길이가 100cm, F/B ratio가 0.5 그리고 원료기체 공급시간이 3초인 경우에 대하여 원료기체 공급압력이 생성물의 순도에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. Fig. 3에서 보듯이 원료 기체 공급 압력이 높을수록 생성물의 순도 및 속도가 증가되어짐을 알 수 있다. 이는 탑 상부에서 흡착이 이루어지는 원료기체 공급단계에서의 압력과 감압 단계에서의 압력의 차이가 클수록 생성물의 순도는 높아짐과 동시에 생성물의 생성 속도 또한 증가함을 알 수 있다. 원료기체 공급압력이 10psig와 20psig사이에서 조업이 수행된 본 연구에서는 원료기체 공급단계와 감압 단계가 각각 1∼10초로 매우 짧은 공정 시간 동안에 탑 상부와 하부의 압력의 차이가 가장 큰 20psig에서 최대의 순도를 갖는 생성물을 얻을 수 있다.

단탑의 RPSA공정은 공정의 단계가 원료기체 공급단계 및 감압 단계로 제한되어 있기 때문에 공정의 싸이클의 구성에 의한 순도의 증가보다 흡착탑 길이가 생성물의 순도에 미치는 영향이 더욱 크다고 볼 수 있다. 흡착탑의 길이가 서로 다른 50cm, 75cm 그리고 100cm인 각각의 경우가 생성물의 순도 및 생성 속도에 미치는 영향에 대하여 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 흡착탑의 길이가 길어질수록 순도는 증가한다. 이는 흡착탑의 길이가 길어질수록 강흡착질인 질소가 흡착탑 내부에 더욱 많이 흡착되면서 질소의 탑하부로의 이동 속도는 저하되어 생성물로 얻어지는 산소의 순도는 더욱 높아지게 된다. 하지만 생성물 속도에는 커다란 영향이 없는 것은 원료기체 공급압력이 20psig이고 생성물의 속도에 영향을 미치는 효과는 흡착탑의 길이보다 원료기체 공급압력이 더 크다고 볼 수 있다.

결론

본 연구에서는 단탑의 RPSA공정에서 F/B ratio, 원료 기체 공급 압력, 및 흡착탑의 길이가 생성물의 순도에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 원료기체 공급시간에 대한 감압시간의 비인 F/B ratio가 적을수록, 원료기체 공급압력이 높을수록 그리고 흡착탑의 길이가 길수록 생성물의 순도가 증가함을 알 수 있었다. 또한, 원료기체 공급압력이 생성물의 생성 속도에 가장 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

참고문헌

1. Yang, R. T.:"Gas Separation by Adsorption Process", Butterworths Publishers, MA(1987)

2. Turnock, P. H. and Kadlec, R. H., AIChE J., 17, 335(1971)

3. Jones, R. L., Keller, G. E. and Wels, R. C., J. Separ. Proc. Technol., 2, 17(1981)

4. Alpay, E., Kenny, C. N. and Scott, D.M ., Chem. Eng. Sci., 49, 3059(1994)