건조공기 TSA 공정의 Zeolite 13X에 의한 수분

재생 특성에 관한 연구

이재욱, 조찬휘*,이창하+

연세대학교 화학공학과

영동대학교 화학공학과*

Desorption characteristics of H2O on Zeolite 13X

for Air-drying TSA Process

Jae-Wook Lee, Chanwhi Cho*, Chang-Ha Lee+

Dept. of Chem. Eng, Yonsei University,

Dept. of Chem. Eng, Youngdong University*

서 론

흡착을 이용한 건조방법은 경제적이며, 작동이 비교적 간단하고 쉬우며, 유속이나 조성의 변화에 대한 영향을 비교적 적게 받아서 일반적인 분리방법에 비해서 안정적이다. 또한 공비 형성의 문제가 없고, 부식이 거의 없으며, 특수하고 어려운 건조의 문제에 대해서도 흡착 분자체의 이용범위가 넓어 다른 상용공정의 대체공정으로써 그 입지를 넓혀가고 있다.

이번 연구에서는 온도 순환식 흡착(TSA) 탈습건조 공정 개발을 위한 연구로써 흡착탑 내에서의 수분흡착 및 재생 동특성을 살펴 볼 것이다. 먼저 건조시에 공급원료의 상대습도 및 유속을 달리해 가면서 탑 내에서의 흡착파과 특성 및 온도 프로파일을 관찰하고, 재생시에는 고온의 정화기체를 사용하여 재생온도 및 유속의 변화에 따른 탈착파과 특성을 파악하였다.

이 론

온도 순환식 흡착공정(TSA Process)의 원리는 흡착제에 공급 기체 혼합물중의 하나 혹은 그 이상의 성분들을 선택적으로 흡착하게 하여 공급 혼합물의 조성과 다른 흡착상을 이루도록 하는 것이다. 이는 공급 혼합물 중에 선택적으로 덜 흡착되는 성분이 농축된 기상으로 얻어지고, 흡착된 성분들은 탑 내의 온도를 높여줌으로써 선택적으로 흡착된 성분들의 농축 및 흡착제의 탈착공정을 이루는 것이다. 결과적으로 온도 순환식 흡착공정은 저온에서의 흡착과 고온에서의 탈착 단계를 포함하는 주기적인 공정이 된다. 위와 같은 흡착공정을 설계하기 위해서는 흡착제와 흡착질의 열역학적 그리고 속도론적 특성을 이해해야 한다. 이러한 특성을 확인하기 위한 한가지 방법이 고정상 실험에 의한 시간에 따른 농도 및 온도의 배출 유형을 살펴보는 것이다. 이 농도 및 온도 파과 곡선을 확인하는 것이 궁극적인 목적일 수도 있으며 주기공정 설계를 위한 기본이 되기도 한다.

실 험

본 실험에서 흡착제(adsorbent)로는 흡착량, 흡착속도, 재생성능 등의 분석을 통해 공기중의 수분 흡착 제거용으로 최적의 흡착제로 밝혀진 Zeolite 13X를 사용하였으며 흡탈착 파과실험을 위한 실험방법은 아래와 같다.

건조(흡착)공정: 일정한 유량의 공기가 흡착제에 의해서 제습된다. 우선 가습장치에서는 임의의 공기 유속에 대하여 일정한 온도와 습도를 유지하기 위해 습도 제어기와 온도 제어기를 부착하였으며, 공기의 유속은 mass flow controller에 의해 조절되도록 하였다. 이 공기를 탑에 도입시키고 흡착탑을 통과한 공기의 습도는 습도기에 의해 연속적으로 측정된다. 탑 내에 설치한 thermocouple은 탑내의 흡착열에 의한 온도변화를 측정한다. 또한 총 사용 공기량은 탑 출구에 설치한 wet gas meter에 의해 누적된다.

재생공정: 탑의 재생은 일정한 유속의 purge gas를 히터에 흘려보내 탈습 방향과 반대로 탑에 주입하며, 이 때 탑 출구 공기의 수분량은 매우 고온이므로 습도기의 사용은 불가하며 냉각기를 사용하여 측정한다. 또한 히터의 온도는 온도 조절기에 의해 control되며, 탑 내에 설치한 thermocouple을 이용하여 탈착시 흡수열에 의한 탑내의 온도변화를 살핀다. 마찬가지로 출구 공기의 총사용량은 wet gas meter에 의해 측정된다.

결과 및 토론

Fig 1.는 일정한 유속 하에서 공급기체의 상대습도의 영향을 본 것이다. 본 연구에서 흡착계가 비선형이며 유리형 등온곡선을 가지므로 파과곡선이 매우 예리한 형태를 보이고 있으며, 상대습도의 증가는 MTZ(Mass Transfer Zone)의 이동속도 증가를 가져오고 따라서 파과시간이 짧아진다. 또한 상대습도가 클수록 파과곡선의 기울기가 더 예리해짐을 보이고 있는데, 이는 표면확산도가 농도 의존성이므로 표면확산도의 증가로 인해 MTZ의 길이가 더 짧아지기 때문이다.

Fig 2.는 일정한 상대습도하에서 공급기체의 유속을 달리한 결과로써 MTZ의 이동속도가 틈새유속의 함수이며, 따라서 유속이 증가할수록 MTZ의 이동속도가 증가하고 파과시간이 짧아짐을 볼 수 있다.

Fig 3.는 수분흡착에 따른 탑내 온도 프로파일로서 공급단(feed end)에서 급격한 온도 상승을 보이다가 탑을 따라 농도파 전면의 전파와 함께 완만한 감소를 보이고 있다. 상대습도 50%, 공급유속 9L/min에서 온도는 최대 330K까지 상승하며 습도가 증가할수록 탑내 최대 온도진폭 역시 증가함을 알 수 있다. 이러한 높은 흡착열로 인하여 배출류에서의 파과곡선이 꼬리(tail)를 갖는 현상이 예측된다. 이 때 탑을 단열시킨 상태에서는 완전하지는 않으나 단열전에 비하여 그 꼬리가 짧아짐을 알 수 있었는데 이는 단열조건에서는 탑내의 온도가 상승한 후 어느정도 계속 유지되므로 그 이후로의 온도변화로 인한 평형흡착량의 증가가 없기 때문으로 사료된다.

Fig 4.는 정화기체의 유속을 일정하게 유지시키면서 재생온도의 영향을 살펴본 탈착파과곡선이다. 이 경우 재생온도를 증가시킬수록 재생시간이 단축됨을 알 수 있었다. 특히 250℃와 300℃의 재생온도에서는 재생시간에서 별 차이가 나지 않으나 200℃의 재생온도에서는 위 두 경우보다 재생시간에서 뚜렷한 차이가 발생하였다. 이는 전자의 경우 재생이 이루어지는 동안 탑의 맨 하단까지 재생에 충분한 온도까지 에너지가 전달되지만 후자의 경우는 그렇지 못하기 때문이다.

Fig 5.와 6는 각각 정화기체의 재생온도를 일정(280℃)하게 유지하면서 유속의 영향을 본 탈착파과곡선 및 탑내 온도 프로파일이다. 예상대로 더 높은 유속에서 재생시간이 크게 단축됨을 알 수 있었다. 또한 탑 내 온도 프로파일에서 재생이 이루어지는 동안 탑내 온도는 탑 상부로부터 하부까지 순차적으로 흡착파과곡선의 형태와 유사하게 증가하며 탑 하단의 온도가 약 200℃가 되었을 때 재생이 완료되는 것을 관찰할 수가 있었다.

감사

에너지자원 기술지원센타의 연구지원에 감사드립니다.

참고 문헌

1. Ralph, T. Yang, Gas Separation by Adsorption Process, Betterworths, Boston, 1987

2. Douglas M. Ruthven, Principles of Adsorption and Adsorption Processes, John Wiley & Sons, Inc., 1984

3. Kenneth E. Noll et al., Adsorption Technology for Air and Water Pollution Control, Lewis Publishers, Inc., 1992