CO2 PSA에서 세정방법이 공정성능에 미치는 영향

조영태, 구기갑, 이화웅*, 나병기*, 송형근*

서강대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원*

The Effect of Rinse Conditions on CO2 PSA

Young-tae Cho, Kee-Kahb Koo, Hwaung Lee*, Byung-Ki Na*,

Hyung Keun Song*

Dept. of Chemical Engineering, Sogang University,

Korea Institute of Science and Technology*

서론

본 연구에서는 PSA 공정을 사용하여 flue gas로부터 고순도의 CO2를 회수하기 위한 순환공정 실험을 수행하였다. 선행연구에서는 지름이 40.12 □이고  높이가 900 □인 3개의 흡착탑에서 활성탄을 흡착제로 사용하여 CO2 17%, N2 79%, O2 4%의 조성을 가지는 공급기체로부터 CO2의 순도가 99.8%인 생산기체를 34.2%의 회수율로 얻었다. 이번 연구에서는 흡착탑의 크기를 지름 150.24 □, 높이 900 □로 확장하여 위와 동일한 목적의 연구를 수행하였다.

먼저 공급기체에 대한 흡착탑의 동적 특성을 조사하기 위해서 파과실험을 수행하였고 이를 바탕으로 3탑, 8단계 순환공정실험을 수행하였다. 이번 연구에서는 선행연구에 비해 흡착탑의 크기가 확장되었으므로 기존의 cycle을 그대로 적용할 경우 만족할만한 순도의 생산기체를 얻을 수 없었다. 따라서 생산기체의 순도를 크게 좌우하는 rinse 과정을 여러 가지 형태로 변형시켜서 그에 따른 순환공정의 성능 변화를 관찰하였다.

실험

가. 실험장치

본 연구에서는 흡착제로써 국내의 삼천리사에서 제조한 활성탄이 사용되었고 그 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Physical properties of activated carbon

bulk density (g/l)	0.4∼0.5
mesh size	4 x 8
BET surface area (□/g)	1100
total pore volume (□/g)	0.5∼0.6
average pore diameter (Å)	14∼18

파과실험 및 순환공정실험을 위해 제작된 실험장치는 혼합기체의 조성을 조절하여 공급하는 gas cylinder, flowmeter, mixer로 구성된 공급부와 흡착 및 탈착이 진행되는 흡착탑, 순환공정을 적절히 제어하기 위해 설치된 각각의 valve를 조절하고 탑 내의 흡착 및 탈착 동특성을 파악하기 위해 탑의 내부에 설치된 thermocouple과 탑의 내부의 압력 변화를 관찰하기 위해 설치된 pressure transducer를 담당하는 자료관리 부분, 그리고 흡착탑의 상부에서 배출되는 기체와 product tank 내부의 기체의 조성 변화를 연속적으로 분석하기 위해 mass spectrometer가 설치된 분석 부분으로 이루어져 있다. 흡착탑의 물리적 특성은 table 2에 나타내었다.

Table 2. Characteristics of adsorbent bed

bed diameter (□)	152.4
bed height (□)	900
adsorbent amount (□)	10
particle diameter (□)	3∼4
bed bulk density (g/□)	0.61

나. 파과실험

본 연구의 목적이 flue gas로부터 고순도의 CO2를 회수하는 것이므로 각 파과실험의 결과는 CO2의 농도변화에 초점이 맞추어졌다. 각 파과실험 시 공급기체 중 CO2의 농도를 C0라 나타내고 배출 농도를 C라 하여 유입농도와 배출농도를 비교하였다. 파과실험은 CO2 17%, N2 79%, O2 4%로 구성된 혼합기체에 대하여 1.5 atm의 압력에서 두 가지의 유량(91.8, 102.7 SLPM)에 대해서 진행되었다.

다. 순환공정실험

순환공정실험의 운전조건은 흡착압력이 1.5 atm이고 탈착압력이 0.1 atm이며 공급기체의 유량은 94∼96 SLPM이다. 공급기체의 조성은 CO2 15∼17%, N2 79∼80%, O2 3∼5%이다. 순환공정실험에서는 활성탄이 충전되어있는 3개의 column으로 구성된 흡착탑에 pressurization, adsorption, cocurrent depressurization, pressure equalization, rinse, evacuation 등의 단계를 도입하여 3탑, 8단계의 PSA 공정을 구성하였다. 개략적인 흐름도를 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1에 명시된 rinse 1 과정은 진공인 흡착탑에 product tank로부터 생산기체를 유입시켜 상압까지 가압하는 과정을 의미하고 rinse 2 과정은 생산기체를 이용하여 흡착탑 내부를 세정시키는 과정을 의미한다. Product 과정은 product tank로부터 순환공정을 통해서 농축된 생산기체를 회수하는 과정을 의미한다. Process 1은 선행연구에서 적용했던 cycle로써 rinse 과정과 생산기체를 회수하는 과정을 동시에 수행하는 공정이고 process 2, 3, 4는 rinse 과정과 생산기체를 회수하는 과정을 독립적으로 수행하는 공정이다. process 2는 rinse 과정을 먼저 수행한 후 생산기체를 회수하는 공정이고 process 3, 4는 생산기체를 먼저 회수한 후에 rinse 과정을 수행하는 공정이다. Process 4는 process 3과 같은 sequence를 거치지만 adsorption, rinse, evacuation 과정의 시간을 늘리고 생산기체를 회수하는 과정의 시간을 줄인 공정이다.

결과 및 토론

순환공정실험의 기초실험으로써 행해진 파과실험의 결과를 Fig. 2와 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 2와 Fig. 3에서 볼 수 있듯이 유량이 증가할수록 파과시간은 짧아지지만 파과곡선의 형태는 본 실험의 유량범위에서는 유량의 변화에 영향을 받지 않는다.

순환공정실험을 수행하여 얻은 결과는 Table 3에 나와있다. Table 3에서 purity는 생산기체 중의 CO2의 농도 값이고 recovery는 공정을 통해 얻어진 CO2의 량을 공급된 CO2의 량으로 나누어준 값이다.

Table 3의 결과에서 볼 수 있듯이 선행연구에서와 동일한 cycle인 process 1의 경우 회수율은 비교적 높았지만 순도는 가장 낮았다. 이는 rinse 과정과 생산기체를 회수하는 과정이 동시에 수행되기 때문에 rinse 과정에서 흡착탑으로 유입되는 생산기체의 유량이 비교적 작아서 탑 내부의 잔류하는 N2, O2 등의 기체가 생산기체인 CO2로 완전히 치환되지 못했기 때문이다. 선행연구의 경우 흡착탑의 크기가 비교적 작았기 때문에 process 1과 같은 cycle을 사용해도 99% 이상의 순도로 생산기체를 얻을 수 있었지만 이번 연구에 사용된 흡착탑은 크기가 대폭 확장되었으므로 기존의 cycle로는 만족할만한 순도의 생산기체를 얻을 수 없었다. 따라서 확장된 흡착탑에서 만족할만한 순도의 생산기체를 얻기 위해서는  새로운 cycle의 도입이 불가피했다. 새로이 도입된 cycle인  process 2, 3, 4에서는 생산기체의 순도를 높이기 위해서 rinse 과정과 생산기체를 회수하는 과정을 독립적으로 수행하여 rinse 시에 흡착탑으로 유입되는 생산기체의 유량을 증가시켰다. 그 결과 회수율은 감소했지만 생산기체의 순도는 증가시킬 수 있었다. Process 2와 3의 경우는 rinse 과정과 생산기체 회수 과정의 순서가 서로 뒤바뀌어 있지만 서로 비슷한 결과를 얻을 수 있었는데 이는 초기의 product tank에서 유출되는 흐름의 유량이 커서 rinse 과정이나 생산기체 회수 과정의 시간이 짧아져도 순도나 회수율을 유지하는데 충분한 유량을 얻을 수 있었기 때문이다. Process 4의 경우는 생산기체의 순도를 높이기 위해서 adsorption, rinse, evacuation 과정의 시간을 늘리고 생산기체 회수 과정의 시간을 줄인 공정인데 그 결과 회수율은 많이 감소했지만 99% 이상의 순도의 생산기체를 얻을 수 있었다.

향후의 연구는 99% 이상의 순도를 유지하면서 회수율을 높이는 방향으로 진행될 예정이다.

Table 3. Operation results of each processes

Process	Purity (CO2, %)	Recovery (CO2, %)
1	90.8	49.6
2	94.3	38.6
3	94.0	42.0
4	99.1	21.2

참고 문헌

1. 김종남, 김권일, 유윤종, 조순행: "PSA공정을 이용한 CO2 분리회수기술", 화학공업과 기술, 10(5), 16-26(1992).

2. 장영훈: 석사학위논문, 서강대학교(1997).

3. Ruthven, D.M., Farooq, S. and Knaebel, K.S.: "Pressure Swing Adsorption", VCH(1994).

Bed 1	PR.	AD.	C.D.	P.E.	RN.				RN.			P.E.
Bed 2	RN.				Vacuum			P.E.	PR.	AD.	C.D.	P.E.
Bed 3	Vacuum			P.E.	PR.	AD.	C.D.	P.E.	RN.

(PR. : pressurization, AD. : adsorption, C.D. : cocurrent depressurization,

P.E. : pressure equalization, RN. : rinse, EV. : evacuation)

Rinse

RN.1	RN.2 + Product

: Process 1

RN.1	RN.2	Product

: Process 2

RN.1	Product	RN.2

: Process 3, 4

(RN.1 : rinse 1, RN.2 : rinse 2)

Fig. 1 Simplified flow schedule for CO2 concentration from flue gas