[논문]DME 합성 및 분리공정에서 CO2 제거를 위한 RectisolⓇ 공정과 SelexolTM 및 PurisolⓇ 공정 사이의 성능비교

노재현; 박회경; 김동선; 조정호

doi:10.7464/ksct.2017.23.3.237

DME 합성 및 분리공정에서 CO2 제거를 위한 RectisolⓇ 공정과 SelexolTM 및 PurisolⓇ 공정 사이의 성능비교
Comparison of CO2 Removal Capabilities among RectisolⓇ, SelexolTM, and PurisolⓇ Process for DME Synthesis and Separation Process 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.23 no.3, 2017년, pp.237 - 247

노재현 (공주대학교 화학공학과) , 박회경 (공주대학교 화학공학과) , 김동선 (공주대학교 화학공학과) , 조정호 (공주대학교 화학공학과)

초록
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Dimethyl Ether (DME) 합성 및 분리공정에서 8% 이상의 $CO_2$가 DME 합성반응기로 유입되면 DME 생산성이 저하되는 문제가 발생된다. 따라서 본 연구에서는 DME 합성기로 유입되는 $CO_2$ 제거를 위한 방법으로 물리적 흡수제를 이용한 대표적인 세 가지 공정에 대해 전산모사를 통해 에너지 소모량을 서로비교 하였다. 비교 대상으로 선정한 공정으로는 메탄올을 사용하는 Rectisol$^{(R)}$ 공정, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(dimethyl ethers of polyethylene glycol, DEPG)를 사용하는 SelexolTM 공정 그리고 노말 메틸 피로리돈(n-methyl pyrrolidone, NMP)를 사용하는 Purisol$^{(R)}$ 공정으로 하였다. 각 공정에 대한 에너지 소모량을 비교해 본 결과 Rectisol$^{(R)}$ 공정 ${\gg}$ SelexolTM 공정 > Purisol$^{(R)}$ 공정 순으로 에너지가 많게 소모됨을 알 수 있었다. 그러므로 DME 제조공정에서 물리적 흡수제를 사용한 $CO_2$제거공정으로 가장 적합한 공정은 Purisol$^{(R)}$ 공정이라 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the dimethyl ether (DME) synthesis and separation process, over 8% by mole of $CO_2$ is fed to the DME synthesis reactor which lowers DME productivity. Therefore, this work focused on the removal of $CO_2$ using three kinds of processes with physical absorbents by comparing the utility consumption through computer simulation of each process. Among the processes selected for comparison are Rectisol$^{(R)}$ process using methanol, Purisol$^{(R)}$ process using n-methyl pyrrolidone (NMP), and SelexolTM process using dimethyl ethers of polyethylene glycol (DEPG) as a solvent. As a result of this study, it was concluded that Purisol$^{(R)}$ process consumes the least energy followed by SelexolTM process. Therefore, it is considered that Purisol$^{(R)}$ process is the most suitable method to absorb $CO_2$ contained in the feed of DME synthesis reactor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CO₂제거 공정에서 CO₂제거 방법으로 물리적인 흡수제를 사용하는 세 가지 상용성 공정에 대한 에너지 소모량을 비교하였다. 첫 번째 공정은 메탄올을 사용하여 CO₂를 제거하는 Rectisol^Ⓡ공정이다.

제안 방법

본 연구에서는 앞서 언급한 세 가지 공정을 대상으로 올바른 열역학 모델식을 선정하고 상용성 화학공정 모사기를 사용하여 공정모사를 수행하였다. 그리고 에너지 소모량 비교를 통해서 DME 생산 공정에서 CO₂ 제거 공정으로 가장 적합한 공정을 선정하고자 한다.
본 연구에서는 앞서 언급한 세 가지 공정을 대상으로 올바른 열역학 모델식을 선정하고 상용성 화학공정 모사기를 사용하여 공정모사를 수행하였다. 그리고 에너지 소모량 비교를 통해서 DME 생산 공정에서 CO₂ 제거 공정으로 가장 적합한 공정을 선정하고자 한다.

데이터처리

본 연구에서 Rectisol^Ⓡ 공정과 Purisol^Ⓡ 공정은 SIMSCI사의 PRO/II PROVISION version 9.4를 사용하여 모사하였으며, SelexolTM 공정은 Aspen Tech사의 Aspen Plus version 8.8로 공정모사 하였다. SelexolTM 공정모사를 위해 Aspen Plus 프로그램을 사용한 이유는 DEPG 용매에 대한 물성과 CO₂를 포함한 원료 가스들 간에 이성분계 상호작용 매개변수가 모두 내장되어 있고 SelexolTM공정에 대한 예시 파일도 함께 제공해주기 때문이다.

이론/모형

공정을 모사하기 위해서 액상과 기상에 대해서 각각 다른 열역학 모델식을 사용하였다. 액상에 대해서는 액상의 비이상성을 해석하기 위해 액체 활동도계수 모델식을 사용하였으며, 기상에 대해서는 기상의 비이상성을 해석하기 위해 상태방정식 모델식을 사용하였다. 이러한 모델식은 다음의 Equation (1)과 같이 나타낼 수 있다.
액상에서 물과 메탄올 또는 물과 NMP 사이의 비이상성을 해석하기 위해 Renon과 Prausnitz 등이 제안한 NRTL (non random two liquid) 액체 활동도계수 모델식을 사용하였다[15]. NRTL 액체 활동도계수 모델식은 다음의 Equation (2)에서부터 (4)까지 표현된다.

성능/효과

1) Purisol^Ⓡ process에 사용되는 NMP용매는 CO₂와의 상대 휘발도 차이가 매우 높으므로 20.00 kPa까지의 감압과 60.00℃ 정도의 용매 가열을 통해서도 용매에 흡수된 CO₂를 98.00%이상 탈거시키는 것이 가능하였다. 이때 감압드럼 상부로 CO₂와 함께 나가는 용매 손실 량은 0.
2) SelexolTM process에 사용되는 DEPG용매는 NMP용매와 마찬가지로 CO₂와의 상대휘발도 차이가 매우 높으므로 120.00 kPa까지의 감압과 60.00 ℃ 정도의 용매 가열 그리고 air stripper 통해서 용매에 흡수된 CO₂를 99.99% 이상 탈거시키는 것이 가능하였다. 이때 감압드럼 상부로 CO₂와 함께 나가는 용매 손실 량은 거의 없었으며, 80.
3) Rectisol^Ⓡ process에 사용되는 메탄올 용매는 가격이 NMP나 DEPG에 비해 저렴하지만 메탄올 용매에 흡수된 CO₂를 탈거시키기 위해서는 증류탑이 사용되어야 함으로 에너지 측면에서 불리해 지는 것을 알 수 있었다. 또한, 원료 중에 물이 포함되어 있는 경우에는 물 배출을 위하여 스팀과 냉각수를 사용하는 증류탑 1기가 추가적으로 필요함으로써 에너지 사용과 공정규모 측면에서 상당히 불리해지는 것을 알 수 있었다.
4) DME 생산 공정 중에 포함된 CO₂ 제거공정에 대해서 물리적 흡수제를 이용하는 3가지 대표적인 공정을 적용해본 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 공정사이즈에 대한 예상순서는 Rectisol^Ⓡ process > Purisol^Ⓡ process, SelexolTM process로 예상되며 주요 장치에 대한 에너지 소모량을 비교해보았을 때 운전비용에 대한 예상순서는 Rectisol^Ⓡ process >> SelexolTM process > Purisol^Ⓡ process 순으로 많이 소요될 것으로 판단된다.

후속연구

결국, DME 생산 공정에서 CO₂제거 공정으로 가장 적합한 공정은 Purisol^Ⓡ process으로 판단된다. 본 연구결과는 합성가스 중에 CO₂를 제거해야 하는 다양한 공정에서 물리적 흡수제를 사용한 이산화탄소 제거공정을 선정하는데 참고자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DME의 상온, 상압에서의 특징은 무엇인가?	DME (Dimethylether, CH3OCH)는 합성가스로부터 얻을 수 있는 화합물로서 가정용과 수송용 연료로 사용이 가능하다. DME는 상온 상압에서 기체 상태로 존재하며, 상압에서는 영하 25 ℃ 이하, 상온에서는 5기압 이상을 유지하면 액체 상태가 된다. 또한 DME는 에테르 구조를 가지고 있어서 유기 화합물에 대한 용해성이 있지만 금속에 대한 부식성이 없고 인체에도 무해하며 환경적인 피해를 거의 주지 않는다.
	DME란 무엇인가?	DME (Dimethylether, CH3OCH)는 합성가스로부터 얻을 수 있는 화합물로서 가정용과 수송용 연료로 사용이 가능하다. DME는 상온 상압에서 기체 상태로 존재하며, 상압에서는 영하 25 ℃ 이하, 상온에서는 5기압 이상을 유지하면 액체 상태가 된다.
	DME를 얻을 수 있는 에너지원에는 무엇이 있는가?	또한 DME는 에테르 구조를 가지고 있어서 유기 화합물에 대한 용해성이 있지만 금속에 대한 부식성이 없고 인체에도 무해하며 환경적인 피해를 거의 주지 않는다. 특히 천연가스나 원유, 메탄올, 나무와 같은 바이오매스 등 다양한 에너지원에서 얻을 수 있다[1].

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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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