[논문]활성탄과 제올라이트 13X 충진탑을 사용한 TSA 공정에서 조업조건이 벤젠의 흡착 및 탈착에 미치는 영향

정민영; 서성섭

doi:10.14478/ace.2018.1063

활성탄과 제올라이트 13X 충진탑을 사용한 TSA 공정에서 조업조건이 벤젠의 흡착 및 탈착에 미치는 영향
Effects of Operating Conditions on Adsorption and Desorption of Benzene in TSA Process Using Activated Carbon and Zeolite 13X 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.29 no.5, 2018년, pp.594 - 603

초록
AI-Helper

본 연구는 VOC 제거 기술인 TSA 공정에서 제올라이트 13X와 활성탄이 채워진 두 종류의 탑을 사용하여 원료농도, 질소 유량, 수증기 유량, 탑 온도 등 조업조건의 영향을 분석하였다. 본 연구의 TSA 사이클은 흡착단계, 수증기 탈착단계, 건조 및 냉각단계로 구성되었다. 2% 벤젠 농도에서 제올라이트 13X와 활성탄의 사이클 당 전체 흡착량은 각각 4.44 g과 3.65 g으로 활성탄보다 충전밀도가 큰 제올라이트 13X가 더 많은 양의 벤젠을 흡착할 수 있었다. 수증기 탈착의 결과에서 수증기 유량을 증가시키고 탑의 외부 가열로 온도를 높이면 탈착시간이 짧아지고 배출되는 벤젠의 농도가 높아지는 것으로 나타났다. 2% 벤젠 농도에서 수증기 유량을 75 g/hr로 증가시키면 탈착시간이 1 hr에서 최대 33 min까지 단축되어 상대적으로 건조 및 냉각단계의 시간이 늘어나 수증기 제거와 탑 냉각을 충분히 진행할 수 있었다. 탑 온도를 높이면 탈착량이 증가하나 $150^{\circ}C$ 이상에서는 에너지소비는 증가하는 반면 탈착량은 거의 일정했다. 연속 사이클 조업에서 재생단계 완료 시 잔존하게 되는 벤젠의 비율이 늘어나면 흡착제 working capacity 감소의 원인이 될 수 있다. 제올라이트 13X를 이용해 연속 사이클 공정실험을 수행한 결과 탑 내부에 잔존하는 벤젠의 비율이 4번째 사이클 이후 일정한 값으로 유지되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of operating conditions such as benzene concentration, nitrogen flow rate, steam flow rate, and bed temperature on TSA process were experimentally investigated as a potential VOC removal technology using two kinds of beds packed with activated carbon and zeolite 13X. The TSA cycle studied was composed of the adsorption step, steam desorption step, and drying and cooling step. At 2% benzene concentration, the total adsorption amounts of zeolite 13X and activated carbon were 4.44 g and 3.65 g, respectively. Since the zeolite 13X has a larger packing density than that of the activated carbon, the larger benzene amount could be adsorbed in a single cycle. Increasing the water vapor flow rate to 75 g/hr at 2% benzene concentration reduced the desorption time from 1 hr to a maximum of 33 min. If the desorption time is shortened, the drying and cooling step period can be relatively increased. Accordingly, the steam removal and bed cooling could be sufficiently performed. The desorption amounts increased with the increase of the bed temperature. However, the energy consumption increased while the desorption amount was almost constant above $150^{\circ}C$. In the continuous cycle process, when the amount of remained benzene at the completion of the regeneration step increased, it might cause a decrease in the working capacity of the adsorbent. The continuous cycle process experiment for zeolite 13X showed that the amount of remained benzene at the end of regeneration step maintained a constant value after the fourth cycle.

주제어

표/그림 (16)

그림 Figure 1. Temperature swing adsorption experimental apparatus.
표 Table 1. Properties of Adsorbent and Packing Characteristics
표 Table 2. Experimental Conditions for Fixed-bed Temperature Swing Adsorption
그림 Figure 2. The operating time of each step in the continuous cycle process. (a) two-bed system; t_A = t_D + t_C, (b) three-bed system; t_A < t_D + t_C.
그림 Figure 3. Breakthrough curves for different concentrations in activated carbon and zeolite 13X. (a) activated carbon, (b) zeolite 13X. nitrogen flow rate; 0.3 L/min, benzene concentrations; (○: 2%, □: 1.5%, △: 1%).
그림 Figure 4. Desorption curves for different nitrogen flow rates in activated carbon. (a) desorption curves, (b) benzene flow rate in outlet of bed. benzene concentration; 2%, steam flow rate; 50 g/hr, nitrogen flow rates; (○: 0.1 L/min, △: 0.3 L/min, ×: 0.5 L/min).
그림 Figure 5. Desorbed amounts of benzene for different nitrogen flow rates in activated carbon. benzene concentration; 2%, steam flow rate; 50 g/hr, nitrogen flow rates; (○: 0.1 L/min, △: 0.3 L/min, ×: 0.5 L/min).
표 Table 3. Experimental Results for Fixed-bed Adsorption
그림 Figure 6. Comparison of desorption curves for different concentrations and steam flow rate in zeolite 13X. nitrogen flow rate; 0.3 L/min, steam flow rates; (a) 0 g/hr, (b) 25 g/hr, (c) 50 g/hr, (d) 75 g/hr.
그림 Figure 7. Effect of steam flow rate on steam desorption results. (a) desorption time, (b) desorption ratio, (c) maximum-enrichment, (d) removal rate.
그림 Figure 8. Desorption curves and steam desorption results for different bed temperatures in zeolite 13X. (a) desorption curves, (b) desorption ratio, (c) desorption time, (d) removal rate. benzene concentration; 2%, nitrogen flow rate; 0.3L/min, steam flow rate; 50 g/hr, bed temperatures; (×: 100 ℃, △: 150 ℃, ○: 200 ℃).
그림 Figure 9. Desorption curves for different steam flow rates in zeolite 13X and activated carbon. The open symbols mean activated carbon and the close symbols mean zeolite 13X. benzene concentration; 2%, nitrogen flow rate; 0.3 L/min, steam flow rates; (×: 25 g/hr, △: 50 g/hr, ○: 75 g/hr).
그림 Figure 10. Comparison of desorption ratio for different steam flow rate in zeolite 13X and activated carbon.
그림 Figure 11. Desorption curves for continuous process with 5 cycle in zeolite 13X. benzene concentration; 2%, nitrogen flow rate; 0.3 L/min, steam flow rate; 25 g/hr.
그림 Figure 12. Desorption ratio for continuous process with 5 cycle in zeolite 13X.
표 Table 4. Experimental Results of Continuous Process with 5 Cycle in Zeolite 13X

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휘발성 유기화합물질이란?	휘발성 유기화합물질(volatile organic compounds, VOC)은 일상생활부터 기초 산업시설에까지 다양하게 배출되고 있는 환경오염의 주요 원인 물질이다. 대기환경에 악영향을 줄 뿐만 아니라 암 유발이나 호흡기 질환 등 인체에도 치명적인 악영향을 가져오므로 엄격한 관리가 필요한 물질이다.
	흡착제로 activated carbon (ACROS사, 12-20 Mesh)과 zeolite 13X (ACROS사, 8-12 Mesh)를 채택한 이유는?	일반적으로 VOC 제거에는 유기화합물 흡착성능이 우수한 활성탄과 기공 크기가 크고 균일한 제올라이트 13X가 상업적인 공정에서 보편적으로 사용되고 있다. 따라서 실험에서 사용할 흡착제로 activated carbon (ACROS사, 12-20 Mesh)과 zeolite 13X (ACROS사, 8-12 Mesh)를 채택하였으며 두 흡착제에 대한 물리적 특성을 Table 1에 나타냈다.
	일반적으로 VOC 제거는 어떻게 하는가?	일반적으로 VOC 제거에는 유기화합물 흡착성능이 우수한 활성탄과 기공 크기가 크고 균일한 제올라이트 13X가 상업적인 공정에서 보편적으로 사용되고 있다. 따라서 실험에서 사용할 흡착제로 activated carbon (ACROS사, 12-20 Mesh)과 zeolite 13X (ACROS사, 8-12 Mesh)를 채택하였으며 두 흡착제에 대한 물리적 특성을 Table 1에 나타냈다.

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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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