바이오가스로부터 이산화탄소와 질소를 제거하기 위한 흡착공정은 많이 논의되고 있다. 특히 흡착공정 중에서 압력변동흡착(Pressure swing adsorption)공정은 에너지소모가 적고 가격이 경제적이기 때문에 기체의 분리와 정제를 위한 공정으로 적절하다. 물리적 흡착을 사용하는 PSA공정은 흡착과 탈착이 가능하다. 각 cycle단계의 구성은 가압, 주입 및 흡착, 압력 균등화, 감압 및 세정으로 이루어져있다. 본 실험에서 PSA공정은 이산화탄소와 질소를 제거하기 위한 흡착제로 zeolite 13X와 carbon molecular sieve (CMS)로 구성되어 있으며, 혼합 가스의 농도는 $CH_4/CO_2/N_2$ (75:21:4 vol%)의 비율을 갖고 있다. 각각 zeolite 13X와 CMS는 선택적으로 혼합가스로부터 질소와 이산화탄소를 흡착하여 분리하고 제거한다. 또한 CMS의 경우는 빠르게 분산되는 이산화탄소의 처리량이 높다. 상부탱크, 하부탱크, 주입탱크의 가스 조성은 TCD 검출기를 이용하는 gas chromatography (GC)에 의해서 측정되었다.
바이오가스로부터 이산화탄소와 질소를 제거하기 위한 흡착공정은 많이 논의되고 있다. 특히 흡착공정 중에서 압력변동흡착(Pressure swing adsorption)공정은 에너지소모가 적고 가격이 경제적이기 때문에 기체의 분리와 정제를 위한 공정으로 적절하다. 물리적 흡착을 사용하는 PSA공정은 흡착과 탈착이 가능하다. 각 cycle단계의 구성은 가압, 주입 및 흡착, 압력 균등화, 감압 및 세정으로 이루어져있다. 본 실험에서 PSA공정은 이산화탄소와 질소를 제거하기 위한 흡착제로 zeolite 13X와 carbon molecular sieve (CMS)로 구성되어 있으며, 혼합 가스의 농도는 $CH_4/CO_2/N_2$ (75:21:4 vol%)의 비율을 갖고 있다. 각각 zeolite 13X와 CMS는 선택적으로 혼합가스로부터 질소와 이산화탄소를 흡착하여 분리하고 제거한다. 또한 CMS의 경우는 빠르게 분산되는 이산화탄소의 처리량이 높다. 상부탱크, 하부탱크, 주입탱크의 가스 조성은 TCD 검출기를 이용하는 gas chromatography (GC)에 의해서 측정되었다.
A compact adsorption-based process for removal of carbon dioxide and nitrogen from natural gas has been discussed. Among the adsorption-based processes, especially, the pressure swing adsorption (PSA) process has been a suitable unit operation for the purification and separation of gas because of lo...
A compact adsorption-based process for removal of carbon dioxide and nitrogen from natural gas has been discussed. Among the adsorption-based processes, especially, the pressure swing adsorption (PSA) process has been a suitable unit operation for the purification and separation of gas because of low operation energy and cost. A step cycle is made up of pressurization, feed, equalization, blowdown and rinse. In this work, the PSA process is composed of zeolite 13X and carbon molecular sieve (CMS) for removal of carbon dioxide and nitrogen from mixed gas containing $CH_4/CO_2/N_2$ (75:21:4 vol%). A CMS selectively removes carbon dioxide and a zeolite 13X separates nitrogen from methane. CMS is investigated experimentally due to the high throughput of the faster diffusing component ($CO_2$). The gas composition of top, bottom and feed tank was measured with the gas chromatography (GC) using TCD detector, helium as carrier gas and packed column for analysis of methane, carbon dioxide, and nitrogen.
A compact adsorption-based process for removal of carbon dioxide and nitrogen from natural gas has been discussed. Among the adsorption-based processes, especially, the pressure swing adsorption (PSA) process has been a suitable unit operation for the purification and separation of gas because of low operation energy and cost. A step cycle is made up of pressurization, feed, equalization, blowdown and rinse. In this work, the PSA process is composed of zeolite 13X and carbon molecular sieve (CMS) for removal of carbon dioxide and nitrogen from mixed gas containing $CH_4/CO_2/N_2$ (75:21:4 vol%). A CMS selectively removes carbon dioxide and a zeolite 13X separates nitrogen from methane. CMS is investigated experimentally due to the high throughput of the faster diffusing component ($CO_2$). The gas composition of top, bottom and feed tank was measured with the gas chromatography (GC) using TCD detector, helium as carrier gas and packed column for analysis of methane, carbon dioxide, and nitrogen.
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문제 정의
본 실험에서는 PSA공정을 통하여 혐기성 소화조에서 발생되는 혼합가스 중에서 이산화탄소와 질소를 메탄으로부터 분리하고 제거하여 메탄의 순도를 높이고자 하였다. 메탄과 이산화탄소 이외의 불순물을 질소라고 가정하고, 3성분의 기체를 분리하기 위하여 흡착제로 zeolite 13X와 CMS를 사용하였고, 온도는 상온에서 실험하였다.
본 실험의 목적은 메탄가스의 고질화를 위해서 가스의 정제 또는 분리에 적합한 PSA 공정을 사용하여 메탄의 순도를 높이고 회수율을 높이는 것이다. 메탄의 순도는 GC를 이용하여 측정하였고 회수율은 단위시간당 생성된 가스의 유량을 측정하여 계산하였다.
제안 방법
이탑 PSA장치의 전반적인 그림은 Figure 1에 나타내었다. PSA장치를 운전할 때 온도를 상승시키거나 하지 않고 상온에서 실시하였다. PSA장치의 운전은 연결된 컴퓨터에서 컨트롤이 가능하고 상부탱크, 하부탱크, 주입유량 또한 mass flow meters (MFM)를 사용하여 컴퓨터에서 측정이 가능하고 각각의 탱크와 컬럼에 걸리는 압력은 PSA장치와 컴퓨터를 이용하여 볼 수 있다.
본 실험에서는 PSA공정을 통하여 혐기성 소화조에서 발생되는 혼합가스 중에서 이산화탄소와 질소를 메탄으로부터 분리하고 제거하여 메탄의 순도를 높이고자 하였다. 메탄과 이산화탄소 이외의 불순물을 질소라고 가정하고, 3성분의 기체를 분리하기 위하여 흡착제로 zeolite 13X와 CMS를 사용하였고, 온도는 상온에서 실험하였다. 메탄의 순도와 회수율을 증가시키기 위하여 여러 변수를 사용하여 실험하였다.
본 실험의 목적은 메탄가스의 고질화를 위해서 가스의 정제 또는 분리에 적합한 PSA 공정을 사용하여 메탄의 순도를 높이고 회수율을 높이는 것이다. 메탄의 순도는 GC를 이용하여 측정하였고 회수율은 단위시간당 생성된 가스의 유량을 측정하여 계산하였다.
메탄과 이산화탄소 이외의 불순물을 질소라고 가정하고, 3성분의 기체를 분리하기 위하여 흡착제로 zeolite 13X와 CMS를 사용하였고, 온도는 상온에서 실험하였다. 메탄의 순도와 회수율을 증가시키기 위하여 여러 변수를 사용하여 실험하였다.
압력, 흡착시간, 린스유량, 공급유량을 변수로 바꿔가며 실험을 진행하였고, 각각의 변수에 따라서 농도와 회수율은 증가하거나 감소하였다. 압력을 높이면 순도는 증가하지만 회수율은 감소하였고, 흡착시간을 높이면 순도는 감소하지만 회수율은 증가하였다.
CMS는 이산화탄소를 흡착하는 양이 매우 크다. 이산화탄소, 메탄, 질소로 이루어진 혼합가스에서 CMS의 흡착량은 참고자료를 사용하여 조사하였다. 흡착량은 이산화탄소가 매우 많았고 메탄과 질소가 순서대로 흡착량이 많았다.
이산화탄소가 몇 초 후에 흡착이 포화되는지 알기 위해서 파과시간을 측정하였다. 파과시간의 측정은 컬럼내에 수분이나 다른 불순물이 흡착되는 것을 막기 위해서 아르곤으로 컬럼을 4기압으로 채워 놓았다.
이산화탄소가 몇 초 후에 흡착이 포화되는지 알기 위해서 파과시간을 측정하였다. 파과시간의 측정은 컬럼내에 수분이나 다른 불순물이 흡착되는 것을 막기 위해서 아르곤으로 컬럼을 4기압으로 채워 놓았다. 그 후에 혼합가스를 흘려주면서 상부탱크에서 생성물이 나오기 시작하는 순간을 0초로 설정 후 실험하였고 그 결과는 Figure 3에 나타내었다.
대상 데이터
실험에 사용된 zeolite 13X의 벌크 밀도는 641 g/l이고, 입자의 크기는 2 mm였으며, CMS의 경우에는 벌크 밀도는 630 g/l이고, 입자의 크기는 1.7~2.0 mm인 것이 사용되었다. 각각 zeolite 13X와 CMS는 컬럼에 71 cm3, CMS는 380 cm3만큼 채웠다.
압력을 높이면 순도는 증가하지만 회수율은 감소하였고, 흡착시간을 높이면 순도는 감소하지만 회수율은 증가하였다. 린스유량을 높이면 순도는 증가하지만 회수율은 감소하였으며, 공급유량을 높이면 순도는 감소하지만 회수율은 증가하였다. 질소는 흡착이 이루어지긴 하였지만, 극히 미미한 양이었다.
[8]에 의하면 압력이 증가할수록 이산화탄소의 파과곡선의 변화로 인하여 메탄의 발생되는 부피는 감소한다. 본 실험에서는, 3기압에서 메탄의 순도는 87.3%에서 5기압일 때 93.3%까지 상승하였고 그에 반해 회수율은 3기압에서 80%에서 5기압일 때 66.8%로 13.2%가 하락하였다. 3기압에서 5기압으로 바뀌면서 순도가 상승한 것에 비해 회수율이 큰 폭으로 하락하였다.
Gomes and Yee[1]는 주입되는 유량을 증가시킬수록 회수율은 크게 상승하고, 순도는 적은 양이 감소된다는 것을 보았다. 본 실험에서도 공급유량을 바꾸게 되면 단위 시간당 들어가는 혼합가스의 양이 늘어나게 되므로 그에 따라 회수율이 늘어나게 되지만 그와 반비례하여 메탄의 순도는 감소하게 되었다. 또한 순도에 비해 회수율의 증가하는 폭이 크지만, 순도의 감소가 무시할 정도는 아니었다.
3기압에서 5기압으로 바뀌면서 순도가 상승한 것에 비해 회수율이 큰 폭으로 하락하였다. 압력에 대해서 순도와 회수율은 거의 직선적으로 변화하였고 압력이 높아지면 많은 양의 이산화탄소가 흡착을 더 빨리 한다는 것을 알 수 있었다. 질소의 농도는 압력이 증가함에 따라서 4.
압력, 흡착시간, 린스유량, 공급유량을 변수로 바꿔가며 실험을 진행하였고, 각각의 변수에 따라서 농도와 회수율은 증가하거나 감소하였다. 압력을 높이면 순도는 증가하지만 회수율은 감소하였고, 흡착시간을 높이면 순도는 감소하지만 회수율은 증가하였다. 린스유량을 높이면 순도는 증가하지만 회수율은 감소하였으며, 공급유량을 높이면 순도는 감소하지만 회수율은 증가하였다.
압력에 대해서 순도와 회수율은 거의 직선적으로 변화하였고 압력이 높아지면 많은 양의 이산화탄소가 흡착을 더 빨리 한다는 것을 알 수 있었다. 질소의 농도는 압력이 증가함에 따라서 4.1%에서 4.0%까지 감소는 하였지만 많은 폭으로 감소하지 않는 것을 보아 zeolite 13X에서 질소의 흡착이 거의 이루어지지 않았다고 볼 수 있다. 또한 Xu et al.
후속연구
이번 실험에서 사용한 PSA장치는 탈착을 상압까지 하였는데, zeolite 13X에서 질소에 대한 흡착은 상압 아래에서 이루어지기 때문에 질소가 효과적으로 흡착, 탈착을 하지 못한 것으로 보인다. 따라서 탈착을 상압까지 하는 PSA장치에서는 이번 실험에서 사용한 흡착제보다는 다른 흡착제를 사용해야 많은 양의 질소를 제거할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PSA법은 무엇인가?
PSA (Pressure Swing Adsorption)법은 흡착제에서 기체의 흡착량 차이를 이용하여 분리하는 공정이며, 에너지의 소모가 작고 운전이 간편한 이점이 있기 때문에 가스 분리공정에서 많이 응용되고 있는 공정이다. PSA는 온도와 압력조건이 비교적 넓은 범위에 걸쳐 적용이 가능하기 때문에 혼합기체로부터 메탄과 이산화탄소를 분리하기에 적합하다.
압력변동흡착 공정이 기체의 분리와 정제를 위한 공정으로 적절한 이유는?
바이오가스로부터 이산화탄소와 질소를 제거하기 위한 흡착공정은 많이 논의되고 있다. 특히 흡착공정 중에서 압력변동흡착(Pressure swing adsorption)공정은 에너지소모가 적고 가격이 경제적이기 때문에 기체의 분리와 정제를 위한 공정으로 적절하다. 물리적 흡착을 사용하는 PSA공정은 흡착과 탈착이 가능하다.
PSA공정의 각 cycle단계의 구성은 어떻게 이루어져 있는가?
물리적 흡착을 사용하는 PSA공정은 흡착과 탈착이 가능하다. 각 cycle단계의 구성은 가압, 주입 및 흡착, 압력 균등화, 감압 및 세정으로 이루어져있다. 본 실험에서 PSA공정은 이산화탄소와 질소를 제거하기 위한 흡착제로 zeolite 13X와 carbon molecular sieve (CMS)로 구성되어 있으며, 혼합 가스의 농도는 $CH_4/CO_2/N_2$ (75:21:4 vol%)의 비율을 갖고 있다.
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