기존의 흡착공정에 의한 95% 산소 순도를 극복하기 위하여 2탑식 PVSA 공정을 개발하였다. 이를 위하여, 공기 벌크분리를 위한 2탑식 VSA 공정과 산소정제를 위한 2탑식 PSA 공정을 우선적으로 개발하였다. 결과로서, 공기로부터 90% 순도의 산소를 생산하는 VSA 공정과, 90% 이상의 산소를 포함하는 공급류에 대하여 99.8% 순도의 산소를 생산하는 PSA 공정을 개발하였다. 위의 결과를 토대로 하여 공기 벌크 분리를 위한 평형분리 공정과 (VSA) 산소 정제를 위한 속도분리 공정(...
기존의 흡착공정에 의한 95% 산소 순도를 극복하기 위하여 2탑식 PVSA 공정을 개발하였다. 이를 위하여, 공기 벌크분리를 위한 2탑식 VSA 공정과 산소정제를 위한 2탑식 PSA 공정을 우선적으로 개발하였다. 결과로서, 공기로부터 90% 순도의 산소를 생산하는 VSA 공정과, 90% 이상의 산소를 포함하는 공급류에 대하여 99.8% 순도의 산소를 생산하는 PSA 공정을 개발하였다. 위의 결과를 토대로 하여 공기 벌크 분리를 위한 평형분리 공정과 (VSA) 산소 정제를 위한 속도분리 공정(PSA)을 결합한 두 개의 서로 다른 PVSA cycle을 설계하였다. 정제 공정의 추가로 인한 에너지 비용의 증가를 줄이기 위하여 일반 VSA 공정보다 다소 높은 0.4 atm의 재생압력과 PSA 공정보다 낮은 3.0 atm 흡착압력에서 운전하였다. 또한, 높은 회수율을 얻기 위하여 CMS (Carbon Molecular Sieve)가 충전된 산소정제 탑에서의 배출물이 공기 벌크분리를 위한 zeolite 10X 탑으로 재순환 되도록 설계하였다. 결과로서, 제안된 두 개의 PVSA 공정에서 모두 97% 이상의 고순도 산소를 건조공기로부터 직접 생산해 낼 수 있었다. 먼저, 단일 감압 및 backfill 단계를 도입한 첫 번째 PVSA 공정의 경우 97.4%의 순도의 산소를 67%의 회수율로, 그리고 두 단계의 연속적인 감압과 backfill 단계를 도입한 두 번째 PVSA 공정의 경우 99.2% 순도의 산소를 47%의 회수율로 각각 생산해 내었다. 제안된 공정의 경우 연소공정에 적용시 NOx 발생을 방지하기 위하여 산소 순도를 높이는 것 뿐만 아니라 제품에 포함된 질소 불순물의 함량을 최소화 하는 것에 목적을 두고 있으므로, 첫 번째 PVSA 공정에서는 질소 불순물의 함량을 4000 – 5000 ppm 수준으로 그리고 두 번째 PVSA 공정에서는 수십에서 수백 ppm 수준으로 유지하였다. 본 연구에서 제시된 공정의 경우, 흡착제의 개선과 공정 최적화를 통하여 반도체 공정에서 사용되는 99.8% 이상의 고순도 산소를 생산할 수 있으리라 사료된다. 공정 수행시 탑 내의 농도 및 온도에 변화에 대한 동적 모사와 순도 및 회수율, 생산성 등의 성능지표를 예측하기 위하여 물질, 에너지, 그리고 운동량 수지식 등을 동시 고려한 비등온 model을 사용하여 dynamic simulator를 Fortran base로 개발하였다. 특히, 평형분리 공정의 경우는 확산도를 상수로 가정한 기존의 LDF rate model을, 속도 분리 공정의 경우는 확산도의 농도 및 압력 의존성을 고려한 개선된 LDF rate model을 각각 사용하였다.
기존의 흡착공정에 의한 95% 산소 순도를 극복하기 위하여 2탑식 PVSA 공정을 개발하였다. 이를 위하여, 공기 벌크분리를 위한 2탑식 VSA 공정과 산소정제를 위한 2탑식 PSA 공정을 우선적으로 개발하였다. 결과로서, 공기로부터 90% 순도의 산소를 생산하는 VSA 공정과, 90% 이상의 산소를 포함하는 공급류에 대하여 99.8% 순도의 산소를 생산하는 PSA 공정을 개발하였다. 위의 결과를 토대로 하여 공기 벌크 분리를 위한 평형분리 공정과 (VSA) 산소 정제를 위한 속도분리 공정(PSA)을 결합한 두 개의 서로 다른 PVSA cycle을 설계하였다. 정제 공정의 추가로 인한 에너지 비용의 증가를 줄이기 위하여 일반 VSA 공정보다 다소 높은 0.4 atm의 재생압력과 PSA 공정보다 낮은 3.0 atm 흡착압력에서 운전하였다. 또한, 높은 회수율을 얻기 위하여 CMS (Carbon Molecular Sieve)가 충전된 산소정제 탑에서의 배출물이 공기 벌크분리를 위한 zeolite 10X 탑으로 재순환 되도록 설계하였다. 결과로서, 제안된 두 개의 PVSA 공정에서 모두 97% 이상의 고순도 산소를 건조공기로부터 직접 생산해 낼 수 있었다. 먼저, 단일 감압 및 backfill 단계를 도입한 첫 번째 PVSA 공정의 경우 97.4%의 순도의 산소를 67%의 회수율로, 그리고 두 단계의 연속적인 감압과 backfill 단계를 도입한 두 번째 PVSA 공정의 경우 99.2% 순도의 산소를 47%의 회수율로 각각 생산해 내었다. 제안된 공정의 경우 연소공정에 적용시 NOx 발생을 방지하기 위하여 산소 순도를 높이는 것 뿐만 아니라 제품에 포함된 질소 불순물의 함량을 최소화 하는 것에 목적을 두고 있으므로, 첫 번째 PVSA 공정에서는 질소 불순물의 함량을 4000 – 5000 ppm 수준으로 그리고 두 번째 PVSA 공정에서는 수십에서 수백 ppm 수준으로 유지하였다. 본 연구에서 제시된 공정의 경우, 흡착제의 개선과 공정 최적화를 통하여 반도체 공정에서 사용되는 99.8% 이상의 고순도 산소를 생산할 수 있으리라 사료된다. 공정 수행시 탑 내의 농도 및 온도에 변화에 대한 동적 모사와 순도 및 회수율, 생산성 등의 성능지표를 예측하기 위하여 물질, 에너지, 그리고 운동량 수지식 등을 동시 고려한 비등온 model을 사용하여 dynamic simulator를 Fortran base로 개발하였다. 특히, 평형분리 공정의 경우는 확산도를 상수로 가정한 기존의 LDF rate model을, 속도 분리 공정의 경우는 확산도의 농도 및 압력 의존성을 고려한 개선된 LDF rate model을 각각 사용하였다.
A PVSA process with two equilibrium beds and one kinetic bed was developed to overcome the limitation of 94% O2 purity from air in the adsorption technology. To develop the PVSA process, two-bed VSA process for air separation and two-bed PSA process for oxygen purification were designed at first. Fr...
A PVSA process with two equilibrium beds and one kinetic bed was developed to overcome the limitation of 94% O2 purity from air in the adsorption technology. To develop the PVSA process, two-bed VSA process for air separation and two-bed PSA process for oxygen purification were designed at first. From the VSA and the PSA processes, higher than 90% O2 from air and 99.8+% O2 from oxygen enriched feeds (higher than 90% oxygen) could be produced, respectively. Then, two different cycles of the PVSA process combined an equilibrium separation with a kinetic separation were designed. To prevent an additional energy cost from the PVSA operation, the operating pressure was fixed from 0.4 to 3.0 atm. In addition, the effluent gas from the purification bed with CMS was backfilled to the equilibrium bed with zeolite 10X to maintain a high recovery. The both cycles could produce directly higher than 97% oxygen from air. The PVSA process I introducing single blowdown step produced the O2 product with 97.4% purity and 67% recovery while the PVSA process II with two-consecutive blowdown step produced the O2 product with 99.2% purity and 47% recovery. Since the developed processes were focused on minimizing N2 amount and maximizing O2 purity from air to prevent a NOx generation from the application of combustion processes, the amounts of N2 in the product were in the level of 4000-5000 ppm at the PVSA I and several tens of ppm at the PVSA II. Therefore, it is expected that the suggested process may produce directly 99.8+% O2 from air, which is a standard O2 specification of semi-conductor industries, by using improved adsorbents and optimized operating condition. A non-isothermal dynamic model incorporating mass, energy, and momentum balances was developed to predict the process dynamics and experimental results. The Gluekauf’s LDF model with constant diffusivity was used to the equilibrium bed while the concentration-dependent rate models were applied to the kinetic bed.
A PVSA process with two equilibrium beds and one kinetic bed was developed to overcome the limitation of 94% O2 purity from air in the adsorption technology. To develop the PVSA process, two-bed VSA process for air separation and two-bed PSA process for oxygen purification were designed at first. From the VSA and the PSA processes, higher than 90% O2 from air and 99.8+% O2 from oxygen enriched feeds (higher than 90% oxygen) could be produced, respectively. Then, two different cycles of the PVSA process combined an equilibrium separation with a kinetic separation were designed. To prevent an additional energy cost from the PVSA operation, the operating pressure was fixed from 0.4 to 3.0 atm. In addition, the effluent gas from the purification bed with CMS was backfilled to the equilibrium bed with zeolite 10X to maintain a high recovery. The both cycles could produce directly higher than 97% oxygen from air. The PVSA process I introducing single blowdown step produced the O2 product with 97.4% purity and 67% recovery while the PVSA process II with two-consecutive blowdown step produced the O2 product with 99.2% purity and 47% recovery. Since the developed processes were focused on minimizing N2 amount and maximizing O2 purity from air to prevent a NOx generation from the application of combustion processes, the amounts of N2 in the product were in the level of 4000-5000 ppm at the PVSA I and several tens of ppm at the PVSA II. Therefore, it is expected that the suggested process may produce directly 99.8+% O2 from air, which is a standard O2 specification of semi-conductor industries, by using improved adsorbents and optimized operating condition. A non-isothermal dynamic model incorporating mass, energy, and momentum balances was developed to predict the process dynamics and experimental results. The Gluekauf’s LDF model with constant diffusivity was used to the equilibrium bed while the concentration-dependent rate models were applied to the kinetic bed.
주제어
#고순도 산소 파과곡선 High purity O2 breakthrough curve VSA PSA PVSA backfill step blowdown step CMS zeolite 5A 10X 13X
학위논문 정보
저자
지정근
학위수여기관
Graduate School, Yonsei University
학위구분
국내박사
학과
Dept. of Chemical Engineering
지도교수
Chang-Ha Lee
발행연도
2004
총페이지
xiv, 167장
키워드
고순도 산소 파과곡선 High purity O2 breakthrough curve VSA PSA PVSA backfill step blowdown step CMS zeolite 5A 10X 13X
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