[논문]Rapid Pressure Swing Adsorption (RPSA) 공정을 이용한 공기에서의 산소 분리

최재욱; 이화웅; 송형근; 서성섭; 나병기

문제 정의

따라서 본 연구에서는 공기로부터 산소를 농축하는 단탑 RPSA 공정의 기초 연구를 통하여 산소농축공정 개발을 위한 기초자료와 제반기술을 확립하고 공정을 최적화하여 의료용 산소발생기를 개발하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 공기로부터 산소를 농축하는 단탑 RPSA 공정의 기초 연구를 통하여 산소농축공정 개발을 위한 기초자료와 제반기술을 확립하고 공정을 최적화하여 의료용 산소발생기를 개발하고자 한다.
본 연구에서는 흡착탑 내경이 2.5 cm 일 때의 흡착탑의 길이가 서로 다른(50 cm, 75 cm 그리고 100 cm) 각각의 경우와 흡착탑 길이가 50 cm로 일정할 때 내경이 2.5 cm 와 5 cm인 각각의 경우에 대하여 흡착탑의 구조 및 규모가 생산물의 순도 및 생성량에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 먼저 흡착탑 길이 변화에 따른 영향을 알아보기 위하여 내경 2.
본 연구에서는 흡착탑 내경이 2.5 cm 일 때의 흡착탑의 길이가 서로 다른(50 cm, 75 cm 그리고 100 cm) 각각의 경우와 흡착탑 길이가 50 cm로 일정할 때 내경이 2.5 cm 와 5 cm인 각각의 경우에 대하여 흡착탑의 구조 및 규모가 생산물의 순도 및 생성량에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 먼저 흡착탑 길이 변화에 따른 영향을 알아보기 위하여 내경 2.
위와 같은 기본 2단계 공정에 지연단계를 추가하여 가압, 지연, 감압으로 구성되는 3단계 공정이 있다. 이 공정에서는 가압과 감압의 중간 단계에 지연단계를 추가하여 흡착물의 생산성과 회수율을 증가시키는 것을 목적으로 하고 있다 [3-5]. 지연단계에서는 원료 기체의 공급을 중단하고 흡착탑을 고압으로 유지시킴으로써 물질전달대가 흡착탑의 출구 방향으로 이동하게 된다.
위와 같은 기본 2단계 공정에 지연단계를 추가하여 가압, 지연, 감압으로 구성되는 3단계 공정이 있다. 이 공정에서는 가압과 감압의 중간 단계에 지연단계를 추가하여 흡착물의 생산성과 회수율을 증가시키는 것을 목적으로 하고 있다 [3-5]. 지연단계에서는 원료 기체의 공급을 중단하고 흡착탑을 고압으로 유지시킴으로써 물질전달대가 흡착탑의 출구 방향으로 이동하게 된다.

제안 방법

버퍼탱크는 생산물로 배출되는 산소의 유량을 일정하게 유지시키기 위해 설치하였다. 가압과 감압시에 흡착제가 흡착탑에서 유출되는 것을 방지하기 위해 흡착탑의 양 끝에 600 mesh의 sieve를 설치하였다. 측정부는 흡착탑에서 질소와 산소가 분리되어 생산물로 얻어지는 산소의 농도를 측정하는 부분으로 샘플탱크(Sample tank), 버퍼탱크, 버블유량측정기(Bubble flow meter) 및 기체크로마토그래피(Shimazdu 14A)로 구성되어있다.
단탑 RPSA 공정을 이용한 산소 농축에서 F/B 비율, 원료 기체공급압력, 및 흡착탑의 길이 및 내경이 생성물의 순도에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 원료기체 공급시간에 대한 감압시간의 비인 F/B 비율이 0.
단탑 RPSA 공정을 이용한 산소 농축에서 F/B 비율, 원료 기체공급압력, 및 흡착탑의 길이 및 내경이 생성물의 순도에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 원료기체 공급시간에 대한 감압시간의 비인 F/B 비율이 0.
원료기체의 공급압력, 공급시간 그리고 감압시간 등은 RPSA 공정의 분리성능에 매우 큰 영향을 미치며, 이러한 변수들은 생산물의 유량과 생성속도에도 독립적으로 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 원료기체의 공급압력을 10~20 psig, 원료기체의 공급시간을 1~5초, 감압시간을 0.5~10초 범위에서 변화시켜 가면서 실험하였다. 공기분리 PSA 공정의 경우 산소와 아르곤의 흡착특성이 매우 유사하여 이 두 기체를 완전히 분리할 수 없기 때문에 실제로는 산소와 아르곤이 동시에 생산물로써 얻어지게 된다[1].
원료기체의 공급압력, 공급시간 그리고 감압시간 등은 RPSA 공정의 분리성능에 매우 큰 영향을 미치며, 이러한 변수들은 생산물의 유량과 생성속도에도 독립적으로 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 원료기체의 공급압력을 10~20 psig, 원료기체의 공급시간을 1~5초, 감압시간을 0.5~10초 범위에서 변화시켜 가면서 실험하였다. 공기분리 PSA 공정의 경우 산소와 아르곤의 흡착특성이 매우 유사하여 이 두 기체를 완전히 분리할 수 없기 때문에 실제로는 산소와 아르곤이 동시에 생산물로써 얻어지게 된다[1].
측정부는 흡착탑에서 질소와 산소가 분리되어 생산물로 얻어지는 산소의 농도를 측정하는 부분으로 샘플탱크(Sample tank), 버퍼탱크, 버블유량측정기(Bubble flow meter) 및 기체크로마토그래피(Shimazdu 14A)로 구성되어있다. 샘플은 syringe로 일정시간마다 채취하여 기체크로마토그래피를 이용하여 분석을 하였으며, 측정부에 있는 버블유량측정기와 배출부의 wet test meter로 각각의 유량을 측정하여 총 유량을 구하였다. 실험장치의 개략도를 Figure 2에 나타내었다.
측정부는 흡착탑에서 질소와 산소가 분리되어 생산물로 얻어지는 산소의 농도를 측정하는 부분으로 샘플탱크(Sample tank), 버퍼탱크, 버블유량측정기(Bubble flow meter) 및 기체크로마토그래피(Shimazdu 14A)로 구성되어있다. 샘플은 syringe로 일정시간마다 채취하여 기체크로마토그래피를 이용하여 분석을 하였으며, 측정부에 있는 버블유량측정기와 배출부의 wet test meter로 각각의 유량을 측정하여 총 유량을 구하였다. 실험장치의 개략도를 Figure 2에 나타내었다.
)로 이루어져있다. 솔레노이드 밸브는 위에서와 같이 PLC에 의해 조절되며, 감압단계에서 배출되는 유량을 측정하기 위해 wet test meter를 설치하였다. 버퍼탱크는 생산물로 배출되는 산소의 유량을 일정하게 유지시키기 위해 설치하였다.
)로 이루어져있다. 솔레노이드 밸브는 위에서와 같이 PLC에 의해 조절되며, 감압단계에서 배출되는 유량을 측정하기 위해 wet test meter를 설치하였다. 버퍼탱크는 생산물로 배출되는 산소의 유량을 일정하게 유지시키기 위해 설치하였다.
실험을 하기 전에 Zeolite에 흡착되어 있는 수분을 제거하기 위해서 350℃에서 4시간 동안 밴드히터로 열처리를 하였다. 열처리 시 아르곤이나 헬륨과 같은 불활성기체를 흘려보내 수분의 탈착이 원활히 이루어지도록 하였다. 열처리가 끝나면 흡착탑에 공기를 흘려보내면서 흡착탑의 온도가 상온으로 떨어질 때까지 방치하였다.
실험을 하기 전에 Zeolite에 흡착되어 있는 수분을 제거하기 위해서 350℃에서 4시간 동안 밴드히터로 열처리를 하였다. 열처리 시 아르곤이나 헬륨과 같은 불활성기체를 흘려보내 수분의 탈착이 원활히 이루어지도록 하였다. 열처리가 끝나면 흡착탑에 공기를 흘려보내면서 흡착탑의 온도가 상온으로 떨어질 때까지 방치하였다.
5인 경우는 감압 단계의 시간이 원료공급시간의 두 배가 됨을 의미하며 질소 의 탈착이 상대적으로 많이 이루어지기 때문에 상당히 짧은 공급 시간에서도 높은 순도를 보여 초기의 순도 증가가 크게 눈에 띄지 않으며, 반대로 F/B 비율이 2인 경우는 원료공급 시간 5초까지는 계속 증가하는 경향을 나타내어 원료공급시간을 더욱 늘릴 수 있는 가능성을 보였으나 순도가 60% 대에서 머물러 시간의 증가가 큰 의미는 없는 것으로 보인다. 이러한 이유에서 다른 영향을 알아보기 위한 실험은 원료기체 공급시간을 3초로 하고 실험을 수행하였다. 다음으로 F/B 비 율이 생산물의 유량에 미치는 영향을 Figure 4에 나타내었 다.
5인 경우는 감압 단계의 시간이 원료공급시간의 두 배가 됨을 의미하며 질소 의 탈착이 상대적으로 많이 이루어지기 때문에 상당히 짧은 공급 시간에서도 높은 순도를 보여 초기의 순도 증가가 크게 눈에 띄지 않으며, 반대로 F/B 비율이 2인 경우는 원료공급 시간 5초까지는 계속 증가하는 경향을 나타내어 원료공급시간을 더욱 늘릴 수 있는 가능성을 보였으나 순도가 60% 대에서 머물러 시간의 증가가 큰 의미는 없는 것으로 보인다. 이러한 이유에서 다른 영향을 알아보기 위한 실험은 원료기체 공급시간을 3초로 하고 실험을 수행하였다. 다음으로 F/B 비 율이 생산물의 유량에 미치는 영향을 Figure 4에 나타내었 다.
가압과 감압시에 흡착제가 흡착탑에서 유출되는 것을 방지하기 위해 흡착탑의 양 끝에 600 mesh의 sieve를 설치하였다. 측정부는 흡착탑에서 질소와 산소가 분리되어 생산물로 얻어지는 산소의 농도를 측정하는 부분으로 샘플탱크(Sample tank), 버퍼탱크, 버블유량측정기(Bubble flow meter) 및 기체크로마토그래피(Shimazdu 14A)로 구성되어있다. 샘플은 syringe로 일정시간마다 채취하여 기체크로마토그래피를 이용하여 분석을 하였으며, 측정부에 있는 버블유량측정기와 배출부의 wet test meter로 각각의 유량을 측정하여 총 유량을 구하였다.
가압과 감압시에 흡착제가 흡착탑에서 유출되는 것을 방지하기 위해 흡착탑의 양 끝에 600 mesh의 sieve를 설치하였다. 측정부는 흡착탑에서 질소와 산소가 분리되어 생산물로 얻어지는 산소의 농도를 측정하는 부분으로 샘플탱크(Sample tank), 버퍼탱크, 버블유량측정기(Bubble flow meter) 및 기체크로마토그래피(Shimazdu 14A)로 구성되어있다. 샘플은 syringe로 일정시간마다 채취하여 기체크로마토그래피를 이용하여 분석을 하였으며, 측정부에 있는 버블유량측정기와 배출부의 wet test meter로 각각의 유량을 측정하여 총 유량을 구하였다.

대상 데이터

실험장치는 원료공급부, 배출부, 흡착탑 및 측정부로 나눌 수 있다. 원료공급부는 고압가스용기로부터 원료인 공기가 공급되는 부분으로 고압가스용기, 압력조절기, 솔레노이드 밸브, 압력계로 구성되어있다. 공급되는 공기의 압력은 압력조절기를 사용하여 유지시켰다.
5 cm, 5 cm인 탑을 제작하였다. 흡착제는 질소에 대하여 높은 선택성을 갖고 있는 Zeolite 5A(60/80 mesh, powder, Aldrich)를 사용하였으며 흡착탑 및 흡착제의 특성을 Table 1에 나타내었다. 실험을 하기 전에 Zeolite에 흡착되어 있는 수분을 제거하기 위해서 350℃에서 4시간 동안 밴드히터로 열처리를 하였다.
실험장치의 개략도를 Figure 2에 나타내었다. 흡착탑은 길이에 따른 효과를 관찰하기 위하여 내경이 5 cm이고 길이가 각각 50 cm, 75 cm 및 100 cm인 탑을, 그리고 반경방향의 효과를 알아보기 위하여 길이가 50 cm이고 내경이 각각 2.5 cm, 5 cm인 탑을 제작하였다. 흡착제는 질소에 대하여 높은 선택성을 갖고 있는 Zeolite 5A(60/80 mesh, powder, Aldrich)를 사용하였으며 흡착탑 및 흡착제의 특성을 Table 1에 나타내었다.
실험장치의 개략도를 Figure 2에 나타내었다. 흡착탑은 길이에 따른 효과를 관찰하기 위하여 내경이 5 cm이고 길이가 각각 50 cm, 75 cm 및 100 cm인 탑을, 그리고 반경방향의 효과를 알아보기 위하여 길이가 50 cm이고 내경이 각각 2.5 cm, 5 cm인 탑을 제작하였다. 흡착제는 질소에 대하여 높은 선택성을 갖고 있는 Zeolite 5A(60/80 mesh, powder, Aldrich)를 사용하였으며 흡착탑 및 흡착제의 특성을 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

다음으로 F/B 비 율이 생산물의 유량에 미치는 영향을 Figure 4에 나타내었 다. F/B 비율이 같은 경우에는 원료기체 공급시간의 변화에 따른 생산물의 유량에는 차이가 없지만 같은 공급시간에 대하여는 F/B 비율이 클수록 생산물의 생성량은 증가함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 F/B 비율이 큰 경우는 감압단계의 시간이 원료기체 공급시간보다 짧기 때문에 흡착탑 내의 압력이 상대적으로 높게 유지되게 되고, 이는 곧 생산물 유량의 증가로 나타나는 것이다.
공급 기체 압력과 출구부 압력과의 차이가 증가하면 앞에서도 언급한 바와 같이 순도가 증가하며 이 경향은 흡착탑 길이변화의 결과에도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서 원료기체의 공급압력이 일정한 경우 즉, 도입되는 원료기체의 양이 비슷한 경우에 흡착탑 길이의 증가는 곧 원료기체 도입압력의 증가와 유사한 효과를 가져오게 되며, 이는 원료기체의 도입압력을 많이 높이기 어려운 경우 매우 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 보인다.
공급 기체 압력과 출구부 압력과의 차이가 증가하면 앞에서도 언급한 바와 같이 순도가 증가하며 이 경향은 흡착탑 길이변화의 결과에도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서 원료기체의 공급압력이 일정한 경우 즉, 도입되는 원료기체의 양이 비슷한 경우에 흡착탑 길이의 증가는 곧 원료기체 도입압력의 증가와 유사한 효과를 가져오게 되며, 이는 원료기체의 도입압력을 많이 높이기 어려운 경우 매우 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 보인다.
생성물의 순도 및 생성 속도에 가장 크게 영향을 미치는 변수는 원료기체 공급압력으로써 압력이 증가할수록 강흡착질의 흡착량이 증가하여 생성물의 순도와 생성량도 증가하였다. 또한 흡착탑의 외형조건의 영향을 알아보기 위한 실험에서 흡착탑의 길이와 내경의 변화에 대하여 살펴본 결과, 흡착탑의 길이가 길어질수록 생성물의 순도가 증가하였지만 흡착탑의 내경은 순도에 크게 영향을 미치지 못하였다.
따라서 압력차가 커지게 되므로 순도가 향상될 것으로 기대되지만 이 경우는 분리의 원동력인 산소와 질소의 이동거리의 차가 상대적으로 짧아지게 되므로 두 기체의 분리효율이 감소하게 되어 순도의 증가가 크지 않은 것으로 판단된다. 생산물 배출 량의 경우, 흡착탑의 내경이 두 배로 커지는 경우, 본 연구의 실험에서는 같은 원료기체 도입압력에서도 흡착탑 내부로 유입되는 원료기체의 양이 30% 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 이 때문에 증가하는 생산물의 양이 생산물 흐름의 압력이 낮아짐으로 해서 생기는 유량의 감소와 상쇄되기 때문에 내경이 작은 경우와 배출 유량 면에서 큰 차이가 없게 되는 것으로 볼 수 있다. 흡착탑 내경을 증가시켜 순도 및 생산량을 증가시키기 위해서는 원료기체의 도입유량을 흡착탑 증가에 비례하여 같이 증가시키거나 원료기체 공급압력을 더욱 높여주어야 할 것이다.
따라서 압력차가 커지게 되므로 순도가 향상될 것으로 기대되지만 이 경우는 분리의 원동력인 산소와 질소의 이동거리의 차가 상대적으로 짧아지게 되므로 두 기체의 분리효율이 감소하게 되어 순도의 증가가 크지 않은 것으로 판단된다. 생산물 배출 량의 경우, 흡착탑의 내경이 두 배로 커지는 경우, 본 연구의 실험에서는 같은 원료기체 도입압력에서도 흡착탑 내부로 유입되는 원료기체의 양이 30% 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 이 때문에 증가하는 생산물의 양이 생산물 흐름의 압력이 낮아짐으로 해서 생기는 유량의 감소와 상쇄되기 때문에 내경이 작은 경우와 배출 유량 면에서 큰 차이가 없게 되는 것으로 볼 수 있다. 흡착탑 내경을 증가시켜 순도 및 생산량을 증가시키기 위해서는 원료기체의 도입유량을 흡착탑 증가에 비례하여 같이 증가시키거나 원료기체 공급압력을 더욱 높여주어야 할 것이다.
공기분리 PSA 공정의 경우 산소와 아르곤의 흡착특성이 매우 유사하여 이 두 기체를 완전히 분리할 수 없기 때문에 실제로는 산소와 아르곤이 동시에 생산물로써 얻어지게 된다[1]. 생산물인 산소의 순도를 분석할 때에 아르곤의 분율을 고려하면 산소의 순도가 기체크로마토그래피에서 100%일 때 순수 산소의 순도는 95% 정도이며, 이 수치는 mass spectrometer를 이용하여 확인하였다. 실제 산소 농도 분석 시에는 산소의 순도가 100%인 경우에는 정확하게 계산되지만, 순도가 낮은 경우에는 아르곤의 분율을 정확히 알 수 없기 때문에 아르곤 의 분율을 따로 고려하지 않았다.
공기분리 PSA 공정의 경우 산소와 아르곤의 흡착특성이 매우 유사하여 이 두 기체를 완전히 분리할 수 없기 때문에 실제로는 산소와 아르곤이 동시에 생산물로써 얻어지게 된다[1]. 생산물인 산소의 순도를 분석할 때에 아르곤의 분율을 고려하면 산소의 순도가 기체크로마토그래피에서 100%일 때 순수 산소의 순도는 95% 정도이며, 이 수치는 mass spectrometer를 이용하여 확인하였다. 실제 산소 농도 분석 시에는 산소의 순도가 100%인 경우에는 정확하게 계산되지만, 순도가 낮은 경우에는 아르곤의 분율을 정확히 알 수 없기 때문에 아르곤 의 분율을 따로 고려하지 않았다.
5 cm이고 원료 기체 도입시간이 3초인 경우였다. 생성물의 순도 및 생성 속도에 가장 크게 영향을 미치는 변수는 원료기체 공급압력으로써 압력이 증가할수록 강흡착질의 흡착량이 증가하여 생성물의 순도와 생성량도 증가하였다. 또한 흡착탑의 외형조건의 영향을 알아보기 위한 실험에서 흡착탑의 길이와 내경의 변화에 대하여 살펴본 결과, 흡착탑의 길이가 길어질수록 생성물의 순도가 증가하였지만 흡착탑의 내경은 순도에 크게 영향을 미치지 못하였다.
이는 감압단계의 시간이 길어질수록 흡착탑 내부에 흡착되어 있던 질소가 산소에 의해 탈착이 많이 이루어지기 때문에 생산물의 순도는 증가하게 되는 것이다. 원료기체 공급단계의 시간이 증가할수록 각각의 F/B 비율에 대한 생산물의 순도는 초기에는 증가하는 경향을 보이나, 공급시간이 더욱 길어지면 오히려 감소하는 현상이 나타남을 볼 수 있다. F/B 비율이 0.
이는 감압단계의 시간이 길어질수록 흡착탑 내부에 흡착되어 있던 질소가 산소에 의해 탈착이 많이 이루어지기 때문에 생산물의 순도는 증가하게 되는 것이다. 원료기체 공급단계의 시간이 증가할수록 각각의 F/B 비율에 대한 생산물의 순도는 초기에는 증가하는 경향을 보이나, 공급시간이 더욱 길어지면 오히려 감소하는 현상이 나타남을 볼 수 있다. F/B 비율이 0.
실제로 본 연구의 실험에서도 원료기체의 공급압력이 30 psig를 넘는 경우에는 많은 양의 흡착제가 파손되어 배출되는 현상을 볼 수 있었으며 탑의 압력강하가 더욱 커지는 결과로 인해 장시간의 조업이 불가능하게 되었다. 이러한 이유에서 본 연구에서는 원료기체 공급압력을 10 psig와 20 psig 사이에서 조업하여 압력 변화의 영향을 관찰하였으며 그 결과, 원료기체 공급단계와 감압단계를 각각 3 초, 6 초로 조업하였을 때 원료기체 공급 압력이 가장 큰 20 psig에서 최대의 순도를 갖는 생산물 을 얻을 수 있었다.
실제로 본 연구의 실험에서도 원료기체의 공급압력이 30 psig를 넘는 경우에는 많은 양의 흡착제가 파손되어 배출되는 현상을 볼 수 있었으며 탑의 압력강하가 더욱 커지는 결과로 인해 장시간의 조업이 불가능하게 되었다. 이러한 이유에서 본 연구에서는 원료기체 공급압력을 10 psig와 20 psig 사이에서 조업하여 압력 변화의 영향을 관찰하였으며 그 결과, 원료기체 공급단계와 감압단계를 각각 3 초, 6 초로 조업하였을 때 원료기체 공급 압력이 가장 큰 20 psig에서 최대의 순도를 갖는 생산물 을 얻을 수 있었다.

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