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문제 정의
- 이것은 대체공정인 NCC C3 splitter의 실제 가스 조성인 프로필렌 95%, 프로판 5%를 바탕으로 공정에 필요한 조건들을 나타낸 것이다. 25℃ 온도에서 공급 압력을 단계적으로 5 atm에서 20 atm까지 증가시키고 투과부 압력을 1, 5, 10, 15 atm로 가정하여 전체 유량 14,000 Nm3/hr을 처리하여 95%의 프로필렌을 99.5% 이상으로 농축하는 것을 목표로 하였다. 전산모사 프로그램에 공급 조성부터 공급유량까지의 값을 각각 입력하면 투과측으로 배출된 C3H6의 농도 및 유량, 막면적이 자동적으로 계산되어지고, 이 값들을 이용해 stage-cut과 회수율을 구하였다.
- 본 연구에서는 전산모사 프로그램을 이용하여 촉진수송막의 프로필렌/프로판의 분리성능을 알아보고 이를 토대로 단일 분리막공정을 설계하였다. 프로필렌의 투과도를 알아보기 위하여 단일기체 테스트를 하였고, 그 결과 프로필렌 투과도는 9.
제안 방법
- 실험은 잔류측을 막고 투과측으로 투과된 기체의 유량만 측정하는 폐쇄단 방식(dead-end process)을 사용하였다. 25℃에서 프로판(99.5%)과 프로필렌(99.5%) 기체를 각각 공급한 후 투과측의 프로판 및 프로필렌의 투과 유량을 MFM으로 측정하였고, 식 (1)을 이용하여 투과도(permeance, P)를 계산하였다.
- 단일 기체투과도를 바탕으로 전산모사 프로그램을 이용하여 공급측 및 투과측의 압력 변화에 따른 95/5 vol% C3H6 / vol% C3H8 혼합가스를 공급하였을 경우, 투과측 프로필렌의 농도가 99.5%가 유지되는 단일공정을 설계하였다. 그 결과 투과측 압력을 1 atm으로 고정시키고 공급측 압력을 1, 5, 10, 15 atm으로 변화시켰을 때, 압력이 증가할수록 stage-cut은 0.
- 단일 막분리 공정의 투과특성을 예측하기 위하여 단위조작에 기재된 분리막의 공정모사에 대한 수식을 바탕으로 막모듈의 투과특성을 예측하는 전산모사 프로그램을 개발하였고 이를 Microsoft Excel을 사용하여 해석하였다[18]. 이 프로그램은 현재 사용되고 있는 전산모사 프로그램보다 정확도는 낮지만 오차범위 이내에서 신뢰성이 있으며 모듈의 형태 및 흐름에 상관없이 적용 가능하다는 장점을 가지고 있다.
- 본 연구에서는 한양대에서 개발한 촉진수송막의 투과성능을 측정하고, 이를 바탕으로 단위조작에 나오는 분리막에 대한 전산모사 프로그램을 통해 프로필렌 95%가 포함된 프로필렌/프로판 혼합가스를 공급하였을 때 투과측 프로필렌이 99.5%를 유지하는 stage-cut, 회수율 및 필요한 막면적에 대한 단일 분리막 공정을 설계하였다.
- 실험에 사용된 촉진수송막의 실제 성능 외에 전산모사 프로그램을 이용하여 선택도 변화에 따른 95%의 프로필렌이 포함된 프로필렌/프로판 혼합가스를 공급하였을 경우, 투과측 프로필렌의 농도가 99.5%가 유지되는 단일공정을 설계하였고 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 선택도가 증가할수록 stage-cut, 회수율, 막면적 모두 증가하는 경향을 나타내었고 투과측 프로필렌 농도를 99.
- 전산모사 프로그램에 공급 조성부터 공급유량까지의 값을 각각 입력하면 투과측으로 배출된 C3H6의 농도 및 유량, 막면적이 자동적으로 계산되어지고, 이 값들을 이용해 stage-cut과 회수율을 구하였다. 이를 토대로 95%의 C3H6을 공급하였을 때, 99.5%의 투과측 C3H6의 농도를 유지하는 단일 분리막공정을 설계하였다.
- 5% 이상으로 농축하는 것을 목표로 하였다. 전산모사 프로그램에 공급 조성부터 공급유량까지의 값을 각각 입력하면 투과측으로 배출된 C3H6의 농도 및 유량, 막면적이 자동적으로 계산되어지고, 이 값들을 이용해 stage-cut과 회수율을 구하였다. 이를 토대로 95%의 C3H6을 공급하였을 때, 99.
- 촉진수송막의 기체투과 특성을 알아보기 위해 Fig. 2에 나타낸 올레핀/파라핀 분리장치를 이용하여 단일기체 실험을 진행하였고, 상용화된 중공사형 기체분리막과 투과성능을 비교하기 위하여 polyimide 중공사막(해외 Ube사, PI)과 polysulfone 중공사막(해외 Air Product사, PSf)에 대한 단일기체 실험도 진행하였다.
- 한양대와 에어레인에서 제공한 은나노함유 촉진수송 중공사막과 일본 Ube사에서 개발한 폴리이미드(PI)중공사막, 미국 Air Products 사에서 개발한 폴리설폰(PSf) 중공사막에 대한 단일기체 실험을 압력 3 atm, 온도 25℃ 조건에서 진행하였고, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 촉진수송막, PI, PSf 순으로 C3H6 투과도의 경우 각각 9.
대상 데이터
- 소재는 한양대학교 강용수 교수님 연구실에서 개발한 은나노입자가 함유된 PVP/AgBF4/TCNQ이며[17] 이를 수용액 상태에서 ㈜에어레인에서 다공성 폴리이서이미드 중공사 지지체에 얇게 코팅한 후 소형 중공사막 모듈로 제작하였다. Fig. 1에 제조된 중공사막을 나타내었으며, 양쪽 끝이 에폭시로 포팅된 구조로 막면적은 0.033 m2이다.
- 본 연구에 사용된 막은 기존의 고분자 막소재 보다 C3H6/C3H8의 분리특성이 우수하다고 알려진 촉진수송막이다. 소재는 한양대학교 강용수 교수님 연구실에서 개발한 은나노입자가 함유된 PVP/AgBF4/TCNQ이며[17] 이를 수용액 상태에서 ㈜에어레인에서 다공성 폴리이서이미드 중공사 지지체에 얇게 코팅한 후 소형 중공사막 모듈로 제작하였다.
- 의 분리특성이 우수하다고 알려진 촉진수송막이다. 소재는 한양대학교 강용수 교수님 연구실에서 개발한 은나노입자가 함유된 PVP/AgBF4/TCNQ이며[17] 이를 수용액 상태에서 ㈜에어레인에서 다공성 폴리이서이미드 중공사 지지체에 얇게 코팅한 후 소형 중공사막 모듈로 제작하였다. Fig.
이론/모형
- 실험은 잔류측을 막고 투과측으로 투과된 기체의 유량만 측정하는 폐쇄단 방식(dead-end process)을 사용하였다. 25℃에서 프로판(99.
성능/효과
- 먼저, 프로필렌/프로판의 일반적인 투과 거동은 Figs. 4, 5에서 볼 수 있듯이 stage-cut이 증가할수록 투과측 프로필렌의 농도는 감소하는 반면 회수율은 증가하는 결과를 나타내었다. 압력에 따른 프로필렌/프로판의 투과 거동은 먼저 투과측의 압력을 1 atm으로 고정시킨 후 공급측 압력을 5, 10, 15 atm으로 변화시켰을 때, 또한 동일한 stage-cut에서 공급측 압력이 증가할수록 투과측 프로필렌의 농도와 회수율 모두 증가하는 결과를 나타내었다.
- Tables 3, 4에서 볼 수 있듯이 투과측 프로필렌의 농도가 99.5%가 유지되는 단일공정을 설계한 결과 투과 측 압력을 1 atm으로 고정시키고 공급측 압력을 변화시킨 경우 압력이 증가할수록 stage-cut은 0.79에서 0.83으로 증가하였고, 회수율 또한 82.2%에서 86.7%로 증가하였다. 반면에 막면적은 1257.
- 7 m2로 감소하였다. 공급측 압력을 20 atm으로 고정시키고 투과측 압력을 1, 5, 10 atm으로 변화시켰을 때, 압력이 증가할수록 stage-cut은 0.82에서 0.64로 감소하였고, 회수율 또한 86.7%에서 66.9%로 감소하였다. 반면에 막면적은 277.
- 7 m2로 감소하였다. 공급측 압력을 20 atm으로 고정시키고 투과측 압력을 변화시킨 경우 압력이 증가할수록 stage-cut은 0.82에서 0.64로 감소하였고, 회수율 또한 86.7%에서 66.9%로 감소하였다. 반면에 막면적은 277.
- 압력에 따른 프로필렌/프로판의 투과 거동은 먼저 투과측의 압력을 1 atm으로 고정시킨 후 공급측 압력을 5, 10, 15 atm으로 변화시켰을 때, 또한 동일한 stage-cut에서 공급측 압력이 증가할수록 투과측 프로필렌의 농도와 회수율 모두 증가하는 결과를 나타내었다. 공급측 압력을 20 atm으로 고정시킨 후 투과측 압력을 1, 5, 10 atm으로 변화시켰을 때, 동일한 stage-cut에서 투과측 압력이 증가할수록 투과측 프로필렌의 농도와 회수율 모두 감소하는 결과를 나타내었다. 종합적으로 볼 때, 공급측과 투과측의 압력차이가 클수록 투과측의 프로필렌 농도와 회수율이 모두 증가하는 것을 확인하였다.
- 5%가 유지되는 단일공정을 설계하였다. 그 결과 투과측 압력을 1 atm으로 고정시키고 공급측 압력을 1, 5, 10, 15 atm으로 변화시켰을 때, 압력이 증가할수록 stage-cut은 0.79에서 0.83로 증가하였고, 회수율 또한 82.2%에서 86.7%로 증가하였다. 반면에 막면적은 1257.
- 5%가 유지되는 단일공정을 설계하였고 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 선택도가 증가할수록 stage-cut, 회수율, 막면적 모두 증가하는 경향을 나타내었고 투과측 프로필렌 농도를 99.5% 유지하기 위해서는 적어도 선택도가 10 이상은 되어야 하는 것을 알 수 있다. Table 2에 대한 자료를 토대로 목표조건에 적합한 선택도를 알 수 있고 이를 이용하여 공정을 설계 할 수 있다.
- 4, 5에서 볼 수 있듯이 stage-cut이 증가할수록 투과측 프로필렌의 농도는 감소하는 반면 회수율은 증가하는 결과를 나타내었다. 압력에 따른 프로필렌/프로판의 투과 거동은 먼저 투과측의 압력을 1 atm으로 고정시킨 후 공급측 압력을 5, 10, 15 atm으로 변화시켰을 때, 또한 동일한 stage-cut에서 공급측 압력이 증가할수록 투과측 프로필렌의 농도와 회수율 모두 증가하는 결과를 나타내었다. 공급측 압력을 20 atm으로 고정시킨 후 투과측 압력을 1, 5, 10 atm으로 변화시켰을 때, 동일한 stage-cut에서 투과측 압력이 증가할수록 투과측 프로필렌의 농도와 회수율 모두 감소하는 결과를 나타내었다.
- 공급측 압력을 20 atm으로 고정시킨 후 투과측 압력을 1, 5, 10 atm으로 변화시켰을 때, 동일한 stage-cut에서 투과측 압력이 증가할수록 투과측 프로필렌의 농도와 회수율 모두 감소하는 결과를 나타내었다. 종합적으로 볼 때, 공급측과 투과측의 압력차이가 클수록 투과측의 프로필렌 농도와 회수율이 모두 증가하는 것을 확인하였다.
- 32의 값을 나타내었다. 촉진수송막과 상용분리막을 비교해보았을 때, C3H6 투과도 면에서는 큰 차이가 없었고, C3H6/C3H8 선택도 면에서는 확연한 차이로 우수한 성능을 나타내었다.
- 추가적으로 촉진수송막의 실제 성능 이외에 전산모사를 이용하여 선택도 변화에 따른 위의 조건과 같은 단일 공정을 설계한 결과 선택도가 증가할수록 stage-cut, 회수율, 막면적 모두 증가하였고 투과측 프로필렌의 농도를 99.5% 유지하기 위해서는 적어도 10 이상의 선택도가 필요하다는 것을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 전산모사 프로그램을 이용하여 촉진수송막의 프로필렌/프로판의 분리성능을 알아보고 이를 토대로 단일 분리막공정을 설계하였다. 프로필렌의 투과도를 알아보기 위하여 단일기체 테스트를 하였고, 그 결과 프로필렌 투과도는 9.61 GPU, 프로필렌/프로판 선택도는 44.17의 값을 나타내었다.
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