이산화탄소 제거공정에서 물리 흡수제를 사용한 공정과 멤브레인을 사용한 공정 사이의 비교 연구 A comparative study on the carbon dioxide removal capability between the processes using physical solvent and membrane process원문보기
Dimethyl Ether(DME) 제조공정에서 DME의 생산성을 높이기 위해서 이산화탄소를 반드시 제거해야 한다. 본 연구에서는 물리적 흡수제를 사용해서 이산화탄소를 제거할 수 있는 용매 흡수법과 막 분리법을 이용하여 이산화탄소를 제거하는 공정에 대해서 전산모사를 수행한 후, 공정 사이의 에너지 소모량을 비교하였다. 물리적 흡수제로는 메탄올을 사용한 Rectisol 공정, dimethyl ethers of polyethylene glycol를 사용한 Selexol 공정 및 N-methyl pyrrolidone를 사용한 Purisol 공정을 적용하였다. 전산모사를 수행하여 각 공정에서 소모된 에너지를 비교해 본 결과 Purisol 공정에서의 소요 동력이 Membrane 공정에 비해 97.55%, Rectisol 공정에 비해 91.71%, Selexol 공정에 비해 58.25% 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러므로 DME 제조공정에 가장 적합한 이산화탄소 제거공정은 Purisol 공정이라 판단된다.
Dimethyl Ether(DME) 제조공정에서 DME의 생산성을 높이기 위해서 이산화탄소를 반드시 제거해야 한다. 본 연구에서는 물리적 흡수제를 사용해서 이산화탄소를 제거할 수 있는 용매 흡수법과 막 분리법을 이용하여 이산화탄소를 제거하는 공정에 대해서 전산모사를 수행한 후, 공정 사이의 에너지 소모량을 비교하였다. 물리적 흡수제로는 메탄올을 사용한 Rectisol 공정, dimethyl ethers of polyethylene glycol를 사용한 Selexol 공정 및 N-methyl pyrrolidone를 사용한 Purisol 공정을 적용하였다. 전산모사를 수행하여 각 공정에서 소모된 에너지를 비교해 본 결과 Purisol 공정에서의 소요 동력이 Membrane 공정에 비해 97.55%, Rectisol 공정에 비해 91.71%, Selexol 공정에 비해 58.25% 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러므로 DME 제조공정에 가장 적합한 이산화탄소 제거공정은 Purisol 공정이라 판단된다.
Carbon dioxide should be removed to increase the productivity of dimethyl ether(DME) from the DME manufacturing process. In this study, carbon dioxide can be removed using a physical absorbent through a solvent absorption method and membrane separation method. After performing the simulation for the...
Carbon dioxide should be removed to increase the productivity of dimethyl ether(DME) from the DME manufacturing process. In this study, carbon dioxide can be removed using a physical absorbent through a solvent absorption method and membrane separation method. After performing the simulation for the carbon dioxide removal process, the energy consumption of the processes was compared. Methanol was used as a physical absorbent for the rectisol process, dimethyl ethers of polyethylene glycol for the Selexol process and N-methyl pyrrolidone for the Purisol process. By performing the simulation for each process, the energy consumption was compared. The Purisol process had the lowest energy consumption, followed in order by the Selexol process, Rectisol process and Membrane process. Therefore, the Purisol process was the most suitable method for the carbon dioxide process in the DME manufacturing process.
Carbon dioxide should be removed to increase the productivity of dimethyl ether(DME) from the DME manufacturing process. In this study, carbon dioxide can be removed using a physical absorbent through a solvent absorption method and membrane separation method. After performing the simulation for the carbon dioxide removal process, the energy consumption of the processes was compared. Methanol was used as a physical absorbent for the rectisol process, dimethyl ethers of polyethylene glycol for the Selexol process and N-methyl pyrrolidone for the Purisol process. By performing the simulation for each process, the energy consumption was compared. The Purisol process had the lowest energy consumption, followed in order by the Selexol process, Rectisol process and Membrane process. Therefore, the Purisol process was the most suitable method for the carbon dioxide process in the DME manufacturing process.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 물리적 방법으로 이산화탄소를 제거할 수 있는 흡수법과 막 분리법을 이용하여 이산화탄소를 제거하는 공정에 대해 전산모사를 수행하여 공정 사이의 소요 에너지를 비교하였다. 공정 사이의 에너지 소모 비교를 통해 궁극적으로 DME 제조공정에 적합한 최적의 이산화탄소 제거공정을 결정하고자 하였다.
본 연구에서는 개질반응기 후단의 가스를 대상으로 멤브레인 공정을 모델링 하였다. 이산화탄소를 제거하기 위해 사용하는 분리막은 폴리에테르이미드-폴리디메틸 실옥산(polyetherimide-polydimethyl siloxane, PEI-PDMS) 복합막을 대상으로 하였다.
제안 방법
개질반응기 후단 가스의 이산화탄소를 제거하기 위해 물리적 방법으로 이산화탄소를 제거할 수 있는 흡수법과 막 분리법을 이용하여 이산화탄소 제거공정에 대해 전산모사를 수행하였다.
특히 DME 제조공정에서는 촉매 반응기를 사용하기 때문에 아민 수용액을 이용한 이산화탄소 제거공정을 적용하는 것은 적합하지 않다. 따라서 DME 제조공정에서는 물리흡수제를 사용하여 이산화탄소를 제거하는 공정과 분리막을 이용한 멤브레인 공정을 적용하였다.
이는 분리막이 이산화탄소만을 투과시키는 것이 아니라 투과 속도에 따라 일부 합성가스 성분(일산화탄소, 수소)들도 함께 투과되기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 물리적 흡수제를 이용한 이산화탄소 제거 공정과 유사하게 이산화탄소를 2.8 mole% 함량까지 제거하면서 합성가스의 회수율이 98.0% 이상이 되도록 하는 다단 멤브레인 공정을 구성하고 모델링하였다.
Table 3을 보면 압축기를 하나만 사용하는 단일압축공정보다 압축비를 고려하여 3 단으로 압축하는 경우가 압축기 소요 동력이 약 30% 정도 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 압축기 소요 동력을 최소화하기 위해서 3 단 압축방식을 적용하였다.
9 mole% 미만이 되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 이산화탄소의 함량이 2.8 mole%가 되도록 전산모사를 수행하였다.
1을 사용하였다. 또한 분리막의 분리 특성을 정확히 해석하기 위해 PRO/II에 내장되어 있는 멤브레인 모듈을 사용하였다.
멤브레인의 면적은 Residue stream 이산화탄소의 순도가 2.8 mole% 되도록 controller를 사용하여 결정하였으며, permeate의 압력은 대기압까지 낮추어서 멤브레인 공정에 대한 전산모사를 수행하였다.
본 연구에서는 DME 제조공정에서 개질 반응기 후단의 가스 조성으로 공정을 수행하였으며 원료의 성분 및 조건은 다음과 같다.
본 연구에서는 물리적 방법으로 이산화탄소를 제거할 수 있는 흡수법과 막 분리법을 이용하여 이산화탄소를 제거하는 공정에 대해 전산모사를 수행하여 공정 사이의 소요 에너지를 비교하였다. 공정 사이의 에너지 소모 비교를 통해 궁극적으로 DME 제조공정에 적합한 최적의 이산화탄소 제거공정을 결정하고자 하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 개질반응기 후단의 가스를 대상으로 멤브레인 공정을 모델링 하였다. 이산화탄소를 제거하기 위해 사용하는 분리막은 폴리에테르이미드-폴리디메틸 실옥산(polyetherimide-polydimethyl siloxane, PEI-PDMS) 복합막을 대상으로 하였다. Table 2은 ㈜에어레인에서 성능실험을 통해 얻은 가스의 투과상수 결과이다.
이론/모형
멤브레인 공정은 Soave-Redlich-Kwong(SRK) 상태방정식을 적용하여 전산모사를 수행하였다.
물리적 흡수제를 이용한 이산화탄소 제거공정에 대한 열역학 모델식으로는 SRK Polar Package를 적용하여 전산모사를 수행하였다. SRK Polar Package는 이산화탄소 및 합성가스에 대한 물성치를 제공하며, 탄화수소 계열의 상평형 추산에 가장 많이 쓰이는 열역학 모델식이다.
본 연구에서는 상용성 전산모사기인 Invensys 사의 PRO/II with PROVISION 9.1을 사용하였다. 또한 분리막의 분리 특성을 정확히 해석하기 위해 PRO/II에 내장되어 있는 멤브레인 모듈을 사용하였다.
성능/효과
멤브레인을 다단으로 구성함에 따라 일산화탄소와 수소의 회수율이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 원하는 합성가스의 회수율을 얻기 위해서는 6 단으로 공정을 수행해야 하는 것을 알 수 있었다. 또한 다단으로 공정을 수행할 때 발생되는 환류가스를 재 압축하기 위한 압축 공정에서 단일압축보단 압축비를 고려한 다단 압축으로 수행하는 것이 소요 동력이 30% 감소하는 것을 알 수 있었다.
막분리법과 흡수법을 이용한 이산화탄소 제거공정의 소요 동력을 비교해 본 결과 Membrane > Rectisol > Selexol > Purisol 순 임을 알 수 있었다. 그러므로 DME 제조공정에 가장 적합한 이산화탄소 제거공정을 Purisol 공정이라 판단된다.
멤브레인 공정에 대한 전산모사를 수행한 결과, 환류되는 스트림의 이산화탄소는 함량은 2.8 mole% 이하가 되지만 residue stream으로 회수되는 일산화탄소의 경우는 32.78%이고, 수소의 경우는 16.91%로 매우 낮음을 알 수 있다. 이는 분리막이 이산화탄소만을 투과시키는 것이 아니라 투과 속도에 따라 일부 합성가스 성분(일산화탄소, 수소)들도 함께 투과되기 때문이다.
멤브레인을 다단으로 구성함에 따라 일산화탄소와 수소의 회수율이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 원하는 합성가스의 회수율을 얻기 위해서는 6 단으로 공정을 수행해야 하는 것을 알 수 있었다. 또한 다단으로 공정을 수행할 때 발생되는 환류가스를 재 압축하기 위한 압축 공정에서 단일압축보단 압축비를 고려한 다단 압축으로 수행하는 것이 소요 동력이 30% 감소하는 것을 알 수 있었다.
한편 물리적 흡수제를 이용한 이산화탄소 제거공정 중에서 다른 공정에 비해 Purisol 공정이 냉동 공정에서의 압축기의 소요 동력이 가장 적게 요구되며, 공정 내의 pump의 소요 동력을 합한 총 소요 동력이 가장 낮음을 확인할 수 있었다.
4는 다단공정에 따른 합성가스의 회수율을 비교하여 나타내었다. 합성가스가 98.0%이상 회수되도록 하기 위해서는 6 단으로 공정을 수행하는 것이 가장 적절하다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
그러나 본 논문에서는 소요 동력의 측면에서 연구를 수행하여 실제 공정을 도입하기에는 무리가 있을 것을 생각된다. 따라서 향후 공정 내의 운전 및 설치비용 측면에 대해 복합적인 연구를 수행해야 될 것으로 사료된다.
그러나 본 논문에서는 소요 동력의 측면에서 연구를 수행하여 실제 공정을 도입하기에는 무리가 있을 것을 생각된다. 따라서 향후 공정 내의 운전 및 설치비용 측면에 대해 복합적인 연구를 수행해야 될 것으로 사료된다.
참고문헌 (7)
Wonjun Cho and Seung-Soo Kim, "Current Status and Technical Development for Di-Methyl Ether as a New and Renewable Energy", J. Korean Ind. Eng. Chem., 20(4), 355-362, 2009.
Yong Gi Mo, Wonjun Cho, Young Soon Baek, "Development of Direct DME Synthesis Process", KIGAS, 14(3), 41-45, 2010.
Soave, G. "Equilibrium constants from a modified Redlich-Kwong equation of state", Chem. Eng. Sci., 27, 1197-1203, 1972. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0009-2509(72)80096-4
Bong Kuk Seo, Jeong Hoon Kim, Hyo Seong Ahn, Bong Jun Chang, Kew Ho Lee, "The State of the Art of Membrane Technology for Separation of Carbon Dioxide from Flue Gas", KIC News, 14(3), 1-13, 2011.
Tae heon Kim, Jung chae Jeong, Jong man park, and Chang hwa Woo, "A Numerical Analysis of Direct Contact Membrane Distillation for Hollow Fiber Membrane", Membrane Journal, 20(4), 267-277, 2010.
VIVIAN L. NASSAR, JERRY A. BULLIN, LILI G. LYDDON, Bryan Research & Engineering, Inc., "Solubility of Hydrocarbons in Physical Solvents", 2006.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.