압력 균등화 단계를 첨가한 PSA 공정을 이용한 공기로부터의 산소 농축

김달영, 구기갑, 이태수*

서강대학교 화학공학과

*서강대학교 기계공학과

Oxygen Concentration from Air by PSA Process with Pressure Equalization Step.

Dal Young Kim, Kee Kahb Koo, Tae Soo Lee*

Department of Chemical Engineering, Sogang University

*Department of Mechanical Engineering, Sogang University

서론

PSA(Pressure Swing Adsorption)공정은 1960년대에 Skarstrom에 의해서 공기의 건조공정에 사용되기 시작하면서 상용화되었다. 이러한 PSA공정을 이용한 분리 기술은 지난 20여 년간의 Carbon, Zeolite 분자체 등의 흡착제 개발에 힘입어 분리 및 정제 기술로 발전되어 왔다. PSA공정의 상용화는 다른 분리 기술에 비해 에너지 및 운전 비용 절감의 장점이 있고, 보다 성능이 우수한 흡착제와 새로운 공정의 개발 연구가 가속화되고 있어 21세기에는 중요한 분리 공정 기술로 발전될 것으로 기대된다.

본 연구에서는 평형 흡착법에 의해 산소를 분리, 농축하기 위해서 흡착제로  Zeolite 13X를 선정하였다. 본 연구실에서는 Zeolite 13X에 대한 흡착등온실험, 파과실험, 단탑 3단계 PSA실험, 단탑 4단계 PSA실험을 수행하였고, 단탑 4단계 PSA 실험의 결과  생산되는 산소의 최고 농도가 85%정도까지 농축됨을 알 수 있었다[1]. 이상의 기초 실험을 바탕으로 하여 두탑에서 가압, 흡착, 탈착, 세정의 기본 4단계 PSA 실험과 Product 가압 단계의 첨가의 영향과 압력 균등화 단계(Pressure Equalization Step)의 첨가의 영향을 고찰하기 위한 두탑 5단계 PSA실험을 수행하였다. 특히 Product 가압 단계는 약흡착질의 회수율을 높일 수 있다. 이것은 Product 가압 단계에서 약흡착질에 의해 흡착탑이 가압되기 때문이다[2]. 압력 균등화 단계(Pressure Equalization Step)가 첨가된 공정에서는 Pressure Equalization정도에 의해 공정 성능이 영향을 받게 된다[3]. Product 유량, Purge 유량, Pressure Equalization정도등 공정 변수들의 영향을 고찰하고 최적의 조작 조건을 실험적으로 결정하여 보다 개선된 산소 농축 PSA공정 개발의 기초자료를 제공하고자 한다.

실험 장치

2탑 4단계 및 5단계 PSA공정 실험 장치는 Fig. 1에 나타내었다. 실험 장치의 전체적인 흐름 라인은 1/4□ brasstube와 swagelok fitting을 사용하였다. 흡착탑은 외부와의 단열을 위하여 10mm두께의 투명 아크릴로 제작되었으며 흡착제가 충진된 부분은 내경 70mm, 높이 400mm로 제작하였다. 흡착탑의 상부와 하부에는 유입기체의 channeling을 방지하기 위하여 직경이 4mm인 40개의 구멍을 낸 알루미늄제질의 distributer와 흡착제의 유출을 막기 위한 65mesh의 천을 부착하였다. 흡착탑의 상부와 하부에 각각 4개씩의 solenoid 밸브를 설치하였다. High Speed Data Acquisition 및 Control System(Strawberry Tree Inc.)를 이용하여 8개의 solenoid 밸브의 개폐를 제어하였으며 각각의 흡착탑의 하부에  pressure transducer를 설치하여 흡착탑의 압력의 변화를 기록하였다. 흡착탑의 상부의 생산단에는 ball flowmeter를 설치하여 Product의 유량을 측정하였고 흡착탑의 하부의 vent부분에서 세정유량을 wet test meter(Sinagawa Co.)를 이용하여 측정하였다. Feed기체는 compressor (Thomas Co.)를 이용하여 압축하였으며 regulator에 의해 그 압력이 조절되어 흡착탑으로 유입되었다. 또한 Feed기체는 compressor전의 실리카겔로 충진된 prebed에 의해 수분을 제거하였다. 그리고 Product의 성분 분석은 Gas Chromatography(HP 5890 Series II)를 이용하였다.

결과 및 고찰

Fig 2는 Feed가압, 흡착, 세정, 향류감압으로 이루어진 기본 4단계 PSA공정 실험중 흡착 단계 동안의 생산되는 산소의 순도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이 그림의 결과를 볼 때 Product 유량 3LPM이하의 유량에서는 95%이상의 고순도의 산소가 생산됨을 알 수 있었다. 이것은 3LPM이하의 유량에서의 파과시간이 흡착단계 시간인 10초 이후이므로 기본 4단계에서의 농축효과가 우수함을 알 수 있다. 그러나 유량 4LPM에서는 산소의 순도가 흡착단계 후반에서 77%로 감소하며, 5LPM에서는 흡착단계 중반부터 감소하여 후반에는 산소의 순도가 30%로 급격하게 감소함을 알 수 있다. 이것은 Product의 유량이 높아질수록 흡착탑 상단으로의 물질전달대의 이동이 빨라지고 이로 인해 파과가 빨리 진행되기 때문으로 해석된다. 흡착단계에서 생산된 산소농도의 변화를 알아보기 위하여 Product 저장조를 설치하지 않고 흡착탑의 생산단 부부의 Sampling port에서 1초간격으로 Sampling하여 그 농도를 분석하여 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3에서 알 수 있듯이 낮은 Product유량에서는 흡착 단계동안 일정한 산소의 농도를 유지하는데 반해 앞의 4단계 실험의 결과와는 달리 Product의 유량이 5LPM일 경우 생산되는 산소의 농도가 흡착 단계 시간 중간까지는 증가하다가 후반에 급격히 감소함을 알 수 있다. 이것은 흡착단계 시간 4초부터 시작되는 Product 가압으로 인하여 생기는 탑의 농도 분포가 탑의 하단으로 갈수록 높아지고 이어지는 Feed로의 가압을 거쳐 다음의 흡착단계에서는 탑의 상단부터 생산기체가 배출되므로 생산되는 산소의 농도가 서서히 높아진다. 그러나 앞의 4단계 실험의 결과인 Fig. 2에서 보듯이 높은 유량에서는 탑의 흡착능이 빨리 떨어지므로 흡착 단계 후반부로 갈수록 생산되는 산소의 농도가 급격하게 떨어진다.

한편 Fig. 3의 결과를 볼 때 5LPM의 유량에서 생산되는 산소의 농도가 흡착단계 중반까지 높아지다가 후반에서는 약 43%로 감소하였다. 그러나, Fig. 2의 4단계 공정의 결과와 비교해 볼 때 그 감소량이 상당히 줄어들었음 알 수 있다. 이것은 흡착 단계 시간 4초부터 시작되는 Product 가압으로 생기는 탑의 농도 분포가 탑의 하단으로 갈수록 높아지고 이어지는 Feed로의 가압을 거쳐 다음의 흡착단계에서는 탑의 상단부터 생산기체가 배출되므로 생산되는 산소의 농도가 서서히 높아지기 때문이라고 해석된다.

다음으로 이러한 Product 가압의 영향을 관찰하기 위하여 세정단계시간을 4단계 공정과 같은 10초로 하고 Product 가압 단계 시간을 증가하여 실험을 하였으며 그 결과는 Fig. 4와 같다. Fig. 4에서 Product 가압 단계의 시간이 길어짐에 따라 생산되는 산소의 평균 농도가 증가하고 흡착단계 전반에 걸쳐 농도의 변화가 상당히 줄어들고 있음을 알 수 있다. 이것은 앞에서 설명하였듯이 Product 가압의 영향에 의하여 생산되는 산소가 농축되며 Product 가압 시간이 증가됨에 따라 높은 농도의 산소로의 가압량이 많아짐으로 공정이 진행됨에 따라 흡착단계 후반에서의 농도가 서서히 높아져서 정상상태에 이르러서는 높은 농도를 유지하는 것으로 분석된다.

결론

위의 실험 결과를 바탕으로 Product 저장조를 설치할 경우 고순도의 농축된 산소의 연속적인 생산이 가능하며 회수율 또한 Product 가압 공정의 첨가에 의해 높아질 것으로 예측된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 분석을 실험적으로 검증하기 위해서 Product 저장조를 설치하여 Product 가압 단계 첨가의 영향과 압력 균등화 단계의 첨가에 의한 영향 등을 고찰하여 PSA 공정의 성능을 높이는 연구를 수행중에 있다.

감사

본 연구는 보건 복지부(선도 기술 의료 공학 기술 개발 사업)의 연구비 지원으로 이루어졌으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

1) 최원철, 화학공학의 이론과 응용, 1, 357(1995)

2) Knaebel, K. S. and Hill, F. B. ,Chem. Eng. Sci. 40, 2351(1985)

3) 신흥수, 화학공학의 이론과 응용, 305(1997)

4) Douglas M. Ruthven, 1984, "Principles of Adsorption and Adsorption Processes."      John Wiley & Sons.

Fig. 1 Experimental Set-up                  Fig. 2 Effect of Flowrate at

2-bed 4 Step

Fig. 3 Effect of Flowrate at 2-bed            Fig. 4 Effect of Purge Time

5 Step                                    and Product Press. Time