[논문]메탄/이산화탄소 2단 중공사 분리막 분리공정 전산모사

차경환; 김정훈; 이용택

doi:10.14579/membrane_journal.2016.26.5.365

메탄/이산화탄소 2단 중공사 분리막 분리공정 전산모사
Simulation of CH4/CO2 Separation Process Using 2-Stage Hollow Fiber Membrane Modules 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.26 no.5, 2016년, pp.365 - 371

차경환 (충남대학교 응용화학공학과) , 김정훈 (한국화학연구원 탄소자원화연구소 온실가스분리회수연구그룹) , 이용택 (충남대학교 응용화학공학과)

초록
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메탄을 순도 95% 이상으로 분리, 회수하기 위하여 메탄에 대한 분리특성이 우수한 폴리설폰 중공사 분리막 모듈을 2단으로 연결하고 재순환 흐름을 이용하여 회수율을 90% 이상으로 유지할 수 있도록 공정을 설계하였다. 이렇게 설계된 2단 공정을 통한 메탄 분리 거동 특성을 이론적으로 예측하기 위하여 Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어를 이용하여 수치 해석하였다. 개발한 프로그램을 사용하여 수치 해석을 수행한 결과 공정 변수에 따라 최종 메탄의 농도 변화에 미치는 영향을 고찰할 수 있었다. 공급 기체 압력과 분리막 길이와 공급측 메탄 농도 증가, 유량이 감소함에 따라 최종 생산물 내 메탄 농도 증가를 관찰할 수 있었으며, 메탄의 회수율은 감소함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical analysis was performed for a separation of carbon dioxide and methane using 2-staged, membrane process where two polysulfone hollow fiber membrane modules were connected to provide both the methane concentration richer than 95% and the recovery higher than 90% using the recycled flows. The Compaq Visual Fortran 6.6 software was utilized for the numerical simulation. Both the methane concentration and the recovery % of methane could be successfully predicted as the function of the operating conditions. As the feed pressure, the methane concentration, and the flow rate increase, the methane concentration in a product is also found to increase and the recovery of methane is found to decrease.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

공급 몰 분율을 변화시키면서 유량 변화에 따른 메탄 농도 및 회수량을 전산 모사함으로써 최종 메탄 생성물의 순도가 95% 이상이고 회수율이 90%를 만족하는 조건의 공정을 설계하고자 하였다.
공급 압력을 변화시키면서 유량변화에 따른 메탄 농도 및 회수량을 전산 모사함으로써 최종 메탄 생성물의 순도가 95% 이상이고 회수율이 90%를 만족하는 조건의 공정을 설계하고자 하였다.
본 연구에서는 공급되는 혼합기체 농도, 유량, 압력 등을 바꾸어 가면서 설계된 2단 막분리 공정에서 최종 농축된 메탄의 순도, 회수율 등을 분석함으로써 메탄 농도 95% 이상, 메탄 회수율 90% 이상을 얻을 수 있는 공정 조건들을 예측하고자 하였다.
분리막 면적을 변화시키면서 유량 변화에 따른 메탄 농도 및 회수량을 전산 모사함으로써 최종 메탄 생성물의 순도가 95% 이상이고 회수율이 90%를 만족하는 조건의 공정을 설계하고자 하였다.

제안 방법

3과 Fig. 4에 각각 2단 공정 Type A에 대한 공정모사 수행 결과들인 생성물의 메탄 몰 분율과 메탄의 회수율을 공급 유량의 함수로 나타내었으며, 공급 압력을 변수로 도식화하였다.
Fig. 6과 Fig. 7에 각각 2단 공정 Type A에 대한 공정 모사 수행 결과들인 생성물의 메탄 몰 분율과 메탄의 회수율을 공급 유량의 함수로 나타내었으며, 분리막 면적을 변수로 도식화하였다.
메탄 회수율은 순수 원료 공급 기체 중의 메탄 몰 수 대비 최종 생산물 내의 메탄 몰수 비율로 구하였다.
메탄을 분리, 회수하고자 메탄에 대한 분리 특성이 우수한 폴리설폰 중공사 분리막 공정에 대하여 전산 모사를 통해 메탄 분리 거동 특성을 이론적으로 해석하고자 하였으며 Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어를 이용하여 컴퓨터 프로그램을 개발하고자 하였다.
부피 유속은 공정의 온도와 압력에 따라 이상기체 상태방정식을 이용하여 몰 유속으로 전환되며, 분리 특성에 영향을 줄 수 있는 공정 변수를 변화시켜서 이산화탄소 분리, 메탄 농축 특성을 해석하였다.
5에 Type A공정과 동일한 공정 조건을 Type B공정에 적용하여 공정 모사한 결과를 나타내었다. 생성물 내의 메탄 몰 분율을 공급 유속의 함수로 도식화하였다. 유속이 증가하면 Type A에서 설명한 바와 같이 체류시간의 감소에 따라 메탄 몰 분율이 서서히 감소함을 알 수 있다.
이렇게 개발한 프로그램을 통하여 각 공정 변수들이 생성물 내의 메탄 순도와 메탄 회수율에 미치는 영향을 예측하였다.
이산화탄소의 투과도와 선택도를 혼합기체 내의 이산화탄소 분압의 함수로 나타내었으며, 주어진 이산화탄소 분압에서 얻어진 이산화탄소 투과도와 선택도로부터 메탄의 투과도를 산출하여 전산모사에 사용하였다.

데이터처리

Compaq Visual Fortran 6.6 프로그램을 사용하여 전산 모사를 수행하였다. Table 1에 전산 모사에 사용된 폴리설폰 중공사 분리막 모듈에 대한 기본적인 특성들을 나타내었다.

이론/모형

이산화탄소의 투과도와 선택도를 혼합기체 내의 이산화탄소 분압의 함수로 나타내었으며, 주어진 이산화탄소 분압에서 얻어진 이산화탄소 투과도와 선택도로부터 메탄의 투과도를 산출하여 전산모사에 사용하였다. 이러한 투과도를 사용한 단위 모듈에 대한 전산모사는 본 연구 그룹에서 발표한 전산모사 방법에 따라 수행하였다[11,12].

성능/효과

(1) Type A와 Type B 두 형태의 공정에 대한 공정 모사 결과 Type A 공정이 공급 기체에 대한 대부분의 공정 조건에서 생성물의 메탄 순도 95%, 회수율 90%에 근접한 모사 결과를 나타내었다.
(2) 공급 기체의 압력이 증가하면 이산화탄소 투과량이 메탄 투과량보다 상대적으로 매우 크기 때문에 이산화탄소의 투과 구동력이 높아져 잔류 측 메탄 몰 분율이 증가함을 알 수 있었다.
(3) 공급 유량이 증가하면 막을 통해 투과될 수 있는 이산화탄소 투과량이 작아 잔류 측 메탄 몰 분율이 감소함을 확인할 수 있었다.
(4) 분리막 길이가 증가하면 공급 기체가 투과될 시간이 증가하여 잔류 측 메탄 농도는 높아졌지만 메탄 또한 막을 통한 투과량이 증가하여 메탄의 회수율이 낮아짐을 알 수 있다.
(5) 공급기체의 메탄 몰 분율의 증가에 따라 잔류 측 메탄 몰 분율이 증가함을 알 수 있었지만, 주어진 공정 조건에서 목표값을 얻기가 어려웠다.
6과 Fig. 7로부터 주어진 운전 조건에서 목표로 하는 최종 생성물 메탄 몰 농도 0.95와 메탄 회수율 90%를 동시에 얻을 수 있는 조건을 찾기가 매우 어려움을 확인할 수 있었다.
따라서 잔류 측에 남아 생성물로 얻게되는 메탄의 양도 감소할 것으로 예상되며 결과적으로 회수율이 감소하는 것으로 사료된다. Fig. 3과 Fig. 4로부터 주어진 운전 조건에서 목표로 하는 최종 생성물 메탄 몰 농도 0.95와 메탄 회수율 90%를 동시에 얻을 수 있는 조건을 찾기가 매우 어려움을 확인할 수 있었다.
결과적으로 잔류 측에 남게 되는 이산화탄소 몰수가 대폭 감소하고, 상대적으로 투과 속도가 작은 메탄의 양은 거의 일정한 수준을 유지할 것으로 판단된다.
다만, 1st 분리막 모듈에서 이산화탄소의 한정된 투과량으로 인하여 메탄의 농축률이 Type A 공정에 비하여 현저히 떨어짐을 확인할 수 있었다.
따라서 잔류 측에 남아 생성물로 얻게되는 메탄의 양도 감소할 것으로 예상되며 결과적으로 회수율이 감소하는 것으로 사료된다.
분리막 면적이 3.42 m2인 경우 공급 유속 50 L/min에서 Type A 공정의 경우 메탄 몰 분율이 0.96의 높은 값을 얻는 데 반하여 Type B 공정의 경우는 0.62의 비교적 낮은 값을 얻게 됨을 알 수 있는데 이는 1st 분리막 모듈에서 이산화탄소의 한정된 투과량과 투과도가 낮은 메탄이라도 투과되는 시간이 증가하고 분리막 내에서 메탄이 농축되면서 메탄의 분압이 증가하여 메탄의 투과도가 높아져 재순환 흐름으로 투과되는 메탄의 양이 많아지기 때문에 메탄의 농축률이 Type A 공정에 비하여 현저히 떨어짐을 확인할 수 있었다.
55로 감소하였다. 이는 공급된 혼합 기체의 모듈 내 체류시간이 유속이 증가하면 감소하게 되고 결과적으로 폴리설폰막에 대하여 투과계수가 높아 잘 투과되는 이산화탄소의 투과량이 작고 잔류 측 이산화탄소량이 상대적으로 커 최종 메탄 몰 농도가 감소하는 것으로 판단된다. 동일한 공급 유속인 50 L/min의 경우 공급 측 압력이 5 atm에서 20 atm으로 증가하면 잔류 측 최종 메탄 몰 농도가 0.
중공사막 폴리설폰(polysulfone, PSf)분리막 모듈 내부의 공정 변수에 따른 메탄 분리 특성을 예측할 수 있는 컴퓨터 전산모사 프로그램을 본 연구팀이 개발한 적이 있고, 이로부터 얻어진 예측 값과 실제 모듈의 실험값을 비교함으로써 수치해석의 정확도를 분석하였고, 매우 정확하게 예측할 수 있음을 보여준 바 있다[11].

후속연구

(6) 2단 공정에서의 메탄/이산화탄소 농축 수치 해석을 통하여 주어진 조건에서 생성물 내 메탄의 순도와 회수율에 대한 기초 자료를 확보할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선택투과성 분리막을 이용하여 혼합물을 분리하는 기술은 어떤 원리를 이용하는가?	그중 선택투과성 분리막(permselective membrane)을 이용하여 혼합물을 분리하는 기술은 혼합물 각 성분의 분리막에 대한 용해도 및 확산도의 차이에 따라 투과계수가 달라지는 성질을 이용한 방법으로 증류(distillation), 흡수(absorption), 흡착(adsorption), 추출(extraction), 심냉법(cryogenic) 등과 같은 분리 기술보다 에너지 소모가 적고 분리공정이 단순하고 높은 분리효율을 갖는 등의 장점을 갖고 있다. Kyle 등은 가교된 PDMS (dimethylsiloxane) 막에 대하여 CO2, N2, CH4의 기체투과를 실험하였다.
	기체를 분리하기 위한 분리막 모듈 내의 흐름 방식을 비교하시오.	기체를 분리하기 위한 분리막 모듈 내의 흐름 방식 조작에 따라 병류 흐름(cocurrent flow)과 향류 흐름(countercurrent flow)으로 구분할 수 있다. 병류 흐름은 공급 기체와 투과 기체가 같은 방향으로 흐르고 향류 흐름은 반대 방향으로 흐른다. 병류 흐름에서는 초기 농도구배가 향류 흐름보다 더 크지만 분리가 진행될수록 빠르게 감소하여 전달되는 물질의 양이 대폭 감소한다. 그러나 향류 흐름의 경우 입구 부분이나 출구 부분에서의 농도구배 값이 비교적 균일하게 유지되기 때문에 투과되는 양이 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 특성 때문에 분리막을 이용한 분리 공정의 경우 향류 흐름을 많이 선택하여 공정설계가 이루어진다[10].
	매립지 가스에서 이산화탄소를 제거하는 방법은 무엇이 있는가?	매립지 가스에서 이산화탄소를 제거하는 방법은 일반적으로 막분리, 분자체 흡착, 아민수용액을 이용한 포집 등 세 가지 방법이 있다. 산소와 질소는 주로 압력차에 의해서 외부에서 매립지 안으로 침투하여 매립지 가스에 포함되기 때문에 매립지를 적절하게 설계하고 운영함으로써 그 양을 제어할 수 있다[8].

참고문헌 (12)

H. J. Hahm, "Overall equipment effectiveness as a methodology for green house gas emission reduction", J. Korean Inst. Plant Eng., 19, 3 (2014).
Act on Low Carbon Green Growth, Ministry of Environment, Korea (2010).
IPCC Fifth Assessment Report, Table 8.7, Chapter 8, pp. 8-58, 7 (2013).
1. A. Tolis, A. Rentizelas, K. Aravossis, and I. Tatsiopoulos, "Electricity and combined heat and power from muncipal solid waste; theoretically optimal investment decision time and emissions trading implications", Waste Manage. Res., 28, 988 (2010)
M. Harasimowicz, P. Orluk, G. Zakrzewska, and A. Chmielewski, "Application of polyimide membranes for biogas purification", J. Hazard. Mater., 44, 698 (2007).
Clean Air Conservation Act, Ministry of Environment, Koera (2011).
Urban Gas Business Act, Ministry of Trade, Industry and Energy, Koera (2009).
U.S. Environmental Protection Agency, "Project technology option." LFG Energy Project Development Handbook. 9, 26 (2009).
K. Berean, J. Z. Ou, M. Nour, K. Latham, C. Mcsweeney, D. Paull, A. Halim, S. Kentish, C. M. Doherty, A. J. Hill, and K. Kalantar-zadeh, "The effect of crosslinking temperature on the permeability of PDMS membranes : evidence of extraordinary $CO_{2}$ and $CH_{4}$ gas permeation", Sep. Pur. Technol., 122, 96 (2014).

상세보기
http://en.wikipedia.org/wiki/Countercurrent_exchange, April 15 (2014).
S. M. Lee, Y. H. Seo, H. C. Kang, J. H. Kim, and Y. T. Lee, "Numerical analysis for separation of methane by hollow fiber membrane with cocurrent flow", Korean Chem. Eng. Res., 53, 295 (2015).

원문보기 상세보기
J. S. Kim, C. I. Kong, B. R. Park, and J. H. Kim, "Membrane process using polysulfone hollow fiber membranes for vehicle fuel production from bio-methane mixture", Membr. J., 24, 213 (2014).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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