수소 분리를 위한 PSA 공정의 해석을 위해서 활성탄과 제올라이트 5A 흡착제의 흡착 성능을 흡착 평형 실험을 통하여 구하였다. 흡착 평형 실험은 정적 부피법을 사용하였으며, 실험에 쓰인 가스로는 천연가스 열분해 시 주요 생성물인 수소, 메탄, ...
수소 분리를 위한 PSA 공정의 해석을 위해서 활성탄과 제올라이트 5A 흡착제의 흡착 성능을 흡착 평형 실험을 통하여 구하였다. 흡착 평형 실험은 정적 부피법을 사용하였으며, 실험에 쓰인 가스로는 천연가스 열분해 시 주요 생성물인 수소, 메탄, 아르곤과 기타 불순물로 소량 포함되어 있는 에탄, 에틸렌 등이 있다. 이들 순수 가스의 흡착 평형 데이터를 구하고 Langmuir 및 Langmuir-Freundlich 식을 이용하여 실험값과 비교하였으며, Langmuir-Freundlich 식이 보다 실험값을 더 잘 예측하였다. 따라서 활성탄과 제올라이트 5A 에 대한 Langmuir-Freundlich 식의 parameter를 구하였다. 또한, 순수 성분 데이터를 가지고 다성분 흡착 평형의 예측을 위하여 LRC 모델을 이용하여 k1 ~ k6 까지의 parameter를 구하여 PSA 공정 설계에 도입하였다.흡착 PSA 공정 설계에 앞서 흡착 동특성 실험을 통하여 흡착탑에서의 물질 거동 및 파과 곡선 등을 구하였다. 동특성 실험을 위하여 H2Ar (80vol%20vol%)의 2 성분 혼합 기체와 H2CH4Ar (60vol%20vol%20vol%)의 3 성분 혼합기체를 사용하였다. 동특성 해석을 위하여 ADSIM (AspenTech. Inc.) 모사 프로그램을 사용하였으며, 비등온⋅비단열 상태와 LDF(linear driving force) 모델을 고려하여 탑 내의 물질 거동을 예측하였다. 앞에서 실험한 결과를 토대로 PSA 공정에서 최적의 운전 조건을 도출하기 위하여 공급 유량, 흡착 압력, PF비 등을 공정 변수로 하여 실험을 수행하였으며, 2 성분 혼합기체와 3 성분 혼합기체의 PSA 공정 실험 결과를 전산 모사 결과와 비교하였다. 공정은 수소의 순도와 회수율을 높이기 위하여 가압-흡착-감압-퍼지 단계 사이에 압력 균등화 단계가 포함되어 있는 2탑 6단계로 수행하였으며, 비등온⋅비단열 상태에서 실시하였다. 2 성분계의 경우 공정 변수 중에서 흡착 압력이나 공급 유량에 의하여 순도와 회수율이 많이 변화하였으며, PF 비에 의하여 순도와 회수율은 완만하게 변하는 것을 알 수 있다. 이는 아르곤의 경우 PU 단계에서 적은 퍼지유량만으로도 충분히 탈착이 된다는 것을 알 수 있다. 따라서 2 성분계에서 최적의 PSA 운전 조건은 공급 유량이 15 LPM, 흡착 압력이 11 atm, 그리고 PF 비가 0.125 일 때 높은 순도와 회수율을 얻을 수 있다. 3 성분계의 경우 모든 공정 변수에 의한 순도는 높은 값을 유지하는 반면, 회수율은 PF 비가 0.1, 흡착 압력이 9.5 atm, 공급 유량이 13 LPM 이후로 급격히 변하는 것을 알 수 있다. 따라서 3 성분계에서 최적의 PSA 운전 조건은 공급 유량이 15 LPM, 흡착 압력이 11 atm, 그리고 PF 비가 0.10 임을 알 수 있다.
수소 분리를 위한 PSA 공정의 해석을 위해서 활성탄과 제올라이트 5A 흡착제의 흡착 성능을 흡착 평형 실험을 통하여 구하였다. 흡착 평형 실험은 정적 부피법을 사용하였으며, 실험에 쓰인 가스로는 천연가스 열분해 시 주요 생성물인 수소, 메탄, 아르곤과 기타 불순물로 소량 포함되어 있는 에탄, 에틸렌 등이 있다. 이들 순수 가스의 흡착 평형 데이터를 구하고 Langmuir 및 Langmuir-Freundlich 식을 이용하여 실험값과 비교하였으며, Langmuir-Freundlich 식이 보다 실험값을 더 잘 예측하였다. 따라서 활성탄과 제올라이트 5A 에 대한 Langmuir-Freundlich 식의 parameter를 구하였다. 또한, 순수 성분 데이터를 가지고 다성분 흡착 평형의 예측을 위하여 LRC 모델을 이용하여 k1 ~ k6 까지의 parameter를 구하여 PSA 공정 설계에 도입하였다.흡착 PSA 공정 설계에 앞서 흡착 동특성 실험을 통하여 흡착탑에서의 물질 거동 및 파과 곡선 등을 구하였다. 동특성 실험을 위하여 H2Ar (80vol%20vol%)의 2 성분 혼합 기체와 H2CH4Ar (60vol%20vol%20vol%)의 3 성분 혼합기체를 사용하였다. 동특성 해석을 위하여 ADSIM (AspenTech. Inc.) 모사 프로그램을 사용하였으며, 비등온⋅비단열 상태와 LDF(linear driving force) 모델을 고려하여 탑 내의 물질 거동을 예측하였다. 앞에서 실험한 결과를 토대로 PSA 공정에서 최적의 운전 조건을 도출하기 위하여 공급 유량, 흡착 압력, PF 비 등을 공정 변수로 하여 실험을 수행하였으며, 2 성분 혼합기체와 3 성분 혼합기체의 PSA 공정 실험 결과를 전산 모사 결과와 비교하였다. 공정은 수소의 순도와 회수율을 높이기 위하여 가압-흡착-감압-퍼지 단계 사이에 압력 균등화 단계가 포함되어 있는 2탑 6단계로 수행하였으며, 비등온⋅비단열 상태에서 실시하였다. 2 성분계의 경우 공정 변수 중에서 흡착 압력이나 공급 유량에 의하여 순도와 회수율이 많이 변화하였으며, PF 비에 의하여 순도와 회수율은 완만하게 변하는 것을 알 수 있다. 이는 아르곤의 경우 PU 단계에서 적은 퍼지유량만으로도 충분히 탈착이 된다는 것을 알 수 있다. 따라서 2 성분계에서 최적의 PSA 운전 조건은 공급 유량이 15 LPM, 흡착 압력이 11 atm, 그리고 PF 비가 0.125 일 때 높은 순도와 회수율을 얻을 수 있다. 3 성분계의 경우 모든 공정 변수에 의한 순도는 높은 값을 유지하는 반면, 회수율은 PF 비가 0.1, 흡착 압력이 9.5 atm, 공급 유량이 13 LPM 이후로 급격히 변하는 것을 알 수 있다. 따라서 3 성분계에서 최적의 PSA 운전 조건은 공급 유량이 15 LPM, 흡착 압력이 11 atm, 그리고 PF 비가 0.10 임을 알 수 있다.
Hydrogen production by natural gas thermal cracking requires the separation of hydrogen from the process stream involving light hydrocarbons (C1~C2). The pressure swing adsorption (PSA) process using activated carbon is recognised as a prominent technology for the downstream purification of hydrogen...
Hydrogen production by natural gas thermal cracking requires the separation of hydrogen from the process stream involving light hydrocarbons (C1~C2). The pressure swing adsorption (PSA) process using activated carbon is recognised as a prominent technology for the downstream purification of hydrogen. The process performance of a PSA is usually defined by the purity and the recovery, and the optimization of PSA process by executing experiments and mathematical modelling plays a key role in maximizing profits in the process design and the operation. Typical decision variables for the optimization include step time, cycle pressure history, purge to feed (PF) ratio, and throughput, etc.Experimental and theoretical studies were made on the adsorption isotherm of single (H2, CH4, Ar, C2H4, C2H6) activated carbon and zeolite 5A adsorbents at various temperatures and pressures. Experimental isotherms were measured by the static volumetric method. Experimental data of single component were correlated by the model equations.Our study has been devoted to optimize the PSA process for hydrogen separation, following by the thermal cracking process of natural gas. Several experiments have been carried out on a bench scale PSA unit of dual activated carbon beds on 6 pressure-swinging steps. All experiments were assumed non-isothermal and non-adiabatic conditions and targeted to parametric analysis of the PSA process variables, such as adsorption time, adsorption pressures, feed rates and PF ratio. Aspen ADSIM (AspenTech, Inc.) was utilized for the estimation and the simulation of the PSA process cycles. Adsorption characteristics in a bed packed activated carbon were studied experimentally and theoretically through the breakthrough experiments of binary (H2Ar) and ternary (H2CH4Ar) system. The effects of adsorption pressure, feed flow rate and binary and ternary compositions on the breakthrough curve were observed. In this study, the energy balance was essential to the prediction of the adsorption phenomenon. The results predicted with a mathematical model agreed well with the experimental data.Combined study of the experiments and the mathematical modelling suggested an optimal set of the process conditions to maximize the purity and recovery of the hydrogen product. Specifically a plateau of hydrogen purity is found at >11 atm of adsorption pressure with >0.1 of PF ratio whereas the recovery is still a variable depends on the feed rate. For our design capacity of the experimental PSA unit, 15 LPM of feed rate guaranteed an optimal performance, and further confirmed that the PSA performance becomes poorer if the feed rate is larger than 15 LPM.
Hydrogen production by natural gas thermal cracking requires the separation of hydrogen from the process stream involving light hydrocarbons (C1~C2). The pressure swing adsorption (PSA) process using activated carbon is recognised as a prominent technology for the downstream purification of hydrogen. The process performance of a PSA is usually defined by the purity and the recovery, and the optimization of PSA process by executing experiments and mathematical modelling plays a key role in maximizing profits in the process design and the operation. Typical decision variables for the optimization include step time, cycle pressure history, purge to feed (PF) ratio, and throughput, etc.Experimental and theoretical studies were made on the adsorption isotherm of single (H2, CH4, Ar, C2H4, C2H6) activated carbon and zeolite 5A adsorbents at various temperatures and pressures. Experimental isotherms were measured by the static volumetric method. Experimental data of single component were correlated by the model equations.Our study has been devoted to optimize the PSA process for hydrogen separation, following by the thermal cracking process of natural gas. Several experiments have been carried out on a bench scale PSA unit of dual activated carbon beds on 6 pressure-swinging steps. All experiments were assumed non-isothermal and non-adiabatic conditions and targeted to parametric analysis of the PSA process variables, such as adsorption time, adsorption pressures, feed rates and PF ratio. Aspen ADSIM (AspenTech, Inc.) was utilized for the estimation and the simulation of the PSA process cycles. Adsorption characteristics in a bed packed activated carbon were studied experimentally and theoretically through the breakthrough experiments of binary (H2Ar) and ternary (H2CH4Ar) system. The effects of adsorption pressure, feed flow rate and binary and ternary compositions on the breakthrough curve were observed. In this study, the energy balance was essential to the prediction of the adsorption phenomenon. The results predicted with a mathematical model agreed well with the experimental data.Combined study of the experiments and the mathematical modelling suggested an optimal set of the process conditions to maximize the purity and recovery of the hydrogen product. Specifically a plateau of hydrogen purity is found at >11 atm of adsorption pressure with >0.1 of PF ratio whereas the recovery is still a variable depends on the feed rate. For our design capacity of the experimental PSA unit, 15 LPM of feed rate guaranteed an optimal performance, and further confirmed that the PSA performance becomes poorer if the feed rate is larger than 15 LPM.
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