다층 흡착탑에서 수소 기체를 포함한 혼합기체의 흡착동특성에 관한 연구

김민배, 장재우*, 이창하

연세대학교 공과대학 화학공학과

선경건설(주) 연구소*

Study of the Dynamic Characteristics of  Multicomponent Adsorption

involving Hydrogen in a Two-layered Fixed Bed

Min-Bae Kim, Jai-Woo Chang*, Chang-Ha Lee

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

R & D Technology Center, Sunkyong Co., Ltd*

서 론

산업의 팽창과 인간 생활수준의 향상으로 인하여 인공적으로 발생하는 각종 기체들의 양이 크게 증가하고 있다. 이러한 배출류 중의 CO2는 환경적 측면에서 회수할 필요가 있고, 현재 연료로 사용되는 H2, CO성분을 회수함으로써 부가가치를 높여 공정의 경쟁력을 높일 수 있고 원료의 안정적 공급을 기할 수 있다. 특히 최근의 에너지 절약형 공정에 대한 요구와 환경 및 청정 기술에 대한 관심으로 인해 PSA공정이 주목받고 있는데, 상용 흡착제의 개발과 그 공정들의 개선으로 인하여 최근 많은 발전을 해왔다.[1,2]

특히 수소는 활성탄이나 제올라이트와 같은 흡착제들에 대해서 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수소들과 일반적으로 흡착량의 차이가 크게 나기 때문에 흡착공정에 의해서 분리시키는 것이 효과적이다.

상용적인 공정의 개발에 따른 이론적인 PSA공정의 해석이 요구되므로, 본 연구에서는 흡착등온선과 uptake curve 자료를 통해 2성분계(H2/CO, H2/CH4, H2/CO2)와 3성분계(H2/CO/CH4)에 대한 활성탄과 제올라이트로 구성된 다층 흡착탑의 모사를 통해 파과곡선을 구하고, 이를 실험치와 비교함으로써 흡착탑의 동적 특성을 이해하고자 하며, 여러 단계를 포함하는 전체 PSA공정에 대한 모사를 위한 기반을 마련코자 한다.

이 론

모형은 유체속도, 농도 그리고 온도의 완전한 한 조가 시간과 탑내 혹은 탑의 배출부 끝단 등의 위치의 함수로 나타내어진다. 이 수학적 모형에는 흡착탑에서의 에너지 및 물질수지, 흡착등온선, 흡착제에서의 흡착속도 등을 나타내는 수식이 포함되는데, 본 연구에서 흡착탑을 모사하기 위해 적용한 가정은 다음과 같다.

(ⅰ) 유체는 이상 기체 혼합물이다.

(ⅱ) 혼합기체의 흡착평형은 LRC 모형을 따르며, 각 매개변수들은 온도에 의       존한다.

(ⅲ) 농도나 온도에 대한 반경방향 구배(radial gradient)는 무시한다.

(ⅳ) 탑 내에서의 유체와 흡착제간의 마찰에 의한 압력강하는 없으며, 압력은       흡착탑의 위치에 관계없이 일정하다.

(ⅴ) 파과(흡착)시 유체의 속도는 일정하다.

(ⅵ) 물질수지식에서 축방향 분산은 무시한다.

(□) 유체와 흡착제간에는 열적 평형상태이다.

(□) 기체나 흡착제의 물성이나 속도식의 매개변수들은 온도의 영향을 거의 받       지 않는다.

본 연구에서 사용한 물질수지식 및 에너지수지식은 여러 문헌에서 찾아볼 수 있다[3,4].

실 험

흡착탑은 내경 3.71 □에 길이는 1 m이고, 흡착제는 하단에 활성탄, 상단에 zeolite 5A(4-8 mesh)를 50:50으로 사용하였는데 두 흡착제층 사이에 screen을 설치하였다. Feed는 2성분계의 경우 CO나 CO2, CH4가 약 30%, 그리고 3성분계의 경우 CH4가 20%, CO 10%가 포함된 H2 혼합물이다.

흡착 장치는 H2 기체 분리를 위한 두탑 PSA 장치의 일부 line을 그대로 사용하였는데 이를 Figure 1에 나타내었다.

흡착탑의 압력변화를 보기 위하여 압력 transducer를 탑의 상부에 설치하였다. 탑내의 온도 변화는 네 개의 RTD(resistance temperature detector, Pt 100 □)으로 측정하였고, 각각의 RTD는 feed end로부터 10cm, 30cm, 50cm, 75cm에 위치하고 있다. 장치는 PC로 조작되었으며 동시에 압력, 온도, 유속과 같은 data도 PC에 저장되었다.

파과실험을 하기전에 충분한 시간동안 전공펌프를 이용하여 탑내의 잔여불순물을 제거한 후 일단 조작 압력까지 H2 기체로 가압한 뒤에 feed의 도입방향을 상향류로 하여 적정 시간 흡착시켰고, BPR(back pressure regulator)로 압력을 일정하게 유지시켰는데 흡착 압력은 4∼16 atm. 범위에서 행하였으며 온도는 상온부근에서 실시하였다.

MFC(mass flow controller)를 이용하여 feed의 유량을 4∼8 LSTP/min.의 범위에서 변화시켰는데, MFC의 배출부에 check valve를 설치하여 역류를 막았다. MFC는 H2/CH4에 대해 calibration된 것을 사용하였고 다른 성분의 feed를 사용할 때 적절한 correction factor를 도입하여 보정하였는데 이를 배출부의 Wet Gas Meter로 확인하였다.

배출부 끝단의 농도는 Gas Spectrometer로 일정시간 간격으로 측정하였다.

결 과

각각의 순수성분에 대한 equilibrium isotherm은 고압평형 cell로 288∼313K에서 volumetric method로 측정되었다. 실험 데이터는 Langmuir-Freundlich isotherm과 대단히 잘 일치하였으며, 각 성분의 diffusivity는 문헌에서 찾아볼 수 있다[5].

H2는 상온, 상압에서 일반적으로 활성탄이나 제올라이트 등의 흡착제에 대해 본 계의 다른 기체에 비해 흡착량이 현저히 떨어지나 다른 기체와 경쟁적으로 흡착한다고 생각된다.

일정한 압력(10 atm.)에서 공급기체의 유속을 달리한 파과실험의 결과를 Figure 2에 나타내었다. 선형적인 유속 증가에 의한 파과시간은 비례적으로 감소하지 않았고, 4∼6 LSTP/min. 사이의 파과시간차가 6∼8 LSTP/min. 사이의 파과시간차보다 더 커짐을 확인하였다. 이는 흡착제내의 물질전달 저항에 의한 최소한의 접촉시간이 필요함을 암시하며 8 LSTP/min. 의 공급유속보다 4 LSTP/min. 의 공급유속하에서 조작함이 유리함을 말해준다.

Figure 3에 10 atm. 과 6 LSTP/min. 의 조작조건하의 탑 내의 각 지점에서의 온도이력을 나타내었다.

참고문헌

1. Ruthven, D. M., "Principles of Adsorption and Adsorption Technology,"        John Wiley & Sons(1984)

2. Yang, R. T., "Gas Separation by Adsorption Process," Butterworths(1987)

3. Ruthven, D. L., Farooq, S. and Knaebel, K. S., "Pressure Swing                Adsorption," VCH publisher, Inc.(1994)

4. Farooq, S., Hassan, M. M. and Ruthven, D. M., Chem. Eng. Sci., 43,          1017(1988)

5. 양재영, 한상섭, 조찬휘, 이한주, 화학공학, 33, 1, 56(1995)