[논문]탄화수소 흡착 컬럼의 전산모사 특성

유경선; 이수정; 김지은

doi:10.5762/kais.2020.21.3.10

탄화수소 흡착 컬럼의 전산모사 특성
Computational Simulation of Hydrocarbon Adsorption in a Packed Column 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.3, 2020년, pp.10 - 16

유경선 (광운대학교 환경공학과) , 이수정 (광운대학교 환경공학과) , 김지은 (광운대학교 환경공학과)

초록
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세탁시설에서 배출되는 탄화수소의 흡착제거 특성을 고찰하기 위하여 흡착 컬럼의 전산모사를 수행하였다. 흡착질은 세탁시설에서 배출되는 휘발성유기화합물 중 가장 대표적인 탄화수소를 선정하였으며 흡착제는 활성탄으로 전산모사를 수행하였다. 흡착컬럼의 수학적 방정식은 연속방정식과 Navier-Stokes 식을 적용하여 해석하였으며 Matlab 프로그램을 이용하여 미분방정식을 해석하였다. 흡착등온식은 선형흡착등온식, 프로인들리히 흡착등온식 그리고 랑뮈어 흡착등온식을 평가하였으며 흡착등온식의 흡착상수에 따른 흡착량을 비교하였다. 공극률은 0.79, 분산계수는 42.4 ㎠/min, 흡착제 밀도는 485 g/L, 흡착컬럼 직경은 2.0 cm, 흡착컬럼 길이는 2.5 cm라는 조건에서 전산모사를 수행하였다. 랑뮈어 흡착등온식에서 선속도, 분산계수, 공극률에 대한 흡착량의 영향을 비교하였다. 선속도는 50~200 cm/min, 분산계수는 100 ~400 ㎠/min, 공극률은 0.66~0.79로 변화시켜 수행하였다. 전산모사를 통한 결과는 활성탄-벤젠의 흡착에 대하여 랑뮈어 흡착등온식이 가장 잘 일치하였다. 동일한 조건에서 3가지의 흡착등온식을 비교한 후 전산모사를 통하여 탄화수소의 효율적인 흡착조건을 찾을 수 있으며 이를 고찰할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Computational simulations of adsorption columns were carried out to investigate the removal characteristics of VOCs from a laundry shop. n-Decane was selected as the representative component among the VOCs emitted, and the activity of the adsorbents, such as activated carbon, was evaluated using commercial CFD code. The mathematical framework was composed of continuity and Navier-stokes equations, and the simulation was performed using the Matlab program. The adsorption isotherms of LDF, Freundlich, and Langmuir were evaluated, and the adsorption amount of the adsorption isotherms with the adsorption parameter was compared. The simulation was carried out using a particle porosity, dispersion coefficient, particle density, bed diameter, and bed length of 0.79, 42.4 ㎠/min, 485 g/L, 2.0 cm, and 2.5 cm, respectively. The effect of the gas velocity, dispersion coefficient, and voidage on the adsorption amount was compared in the Langmuir adsorption isotherm. The simulation was carried out in the velocity range of 50 to 200 cm/min, dispersion coefficient range of 100 to 400 ㎠/min, and particle porosity range of 0.66 to 0.79. The simulation results of activated carbon with benzene coincided with the Langmuir isotherm. Three types of adsorption isotherm were compared under similar conditions, and the simulation results showed the efficient adsorption condition for hydrocarbons.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Parameters on Modeling
그림 Fig. 1. Concentration variation with column length as a function of reaction time
그림 Fig. 2. Breakthrough curve of benzene in the adsorption column of activated carbon
그림 Fig. 3. Breakthrough curve of benzene with variation of LDF parameter Kd(U = 100 cm/min, D = 100cm²/min)
그림 Fig. 4. Effect of Freundlich parameter n and KF on adsorption amount of benzene over activated carbon(U = 100 cm/min, D = 100cm²/min, n = 2.0, K_F = 4.2)
그림 Fig. 5. Effect of Langmuir parameter Alpha and Beta on adsorption amount of benzene over activated carbon(U = 100 cm/min, D = 100cm²/min, Alpha = 1.0, Beta = 30)
그림 Fig. 6. Effect of gas velocity on adsorption amount of benzene over activated carbon with dispersion coefficient (Alpha = 1.0, Beta = 30)
그림 Fig. 7. Breakthrough curve of benzene with variation of bed voidage (U = 100 cm/min, D=100cm²/min, Beta = 30, Alpha = 1.0)
그림 Fig. 8. Breakthrough curves of benzene with experiment and types of adsorption isotherm(Q = 80cm³/min)
표 Table 2. Parameter of modeling on experiment

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

드라이크리닝 용제는 노말파란핀, 이소파라핀 그리고 방향족으로 구성된 수 백 여종의 화학물질 혼합물로 대부분 C8~C12 사이에 분포하였으며 n-nonane, n-decane, n-undecane 등이 주성분이었다. 본 연구에서는 이러한 세탁시설에서 배출되는 휘발성 유기화합물의 흡착특성을 평가하기 위하여 흡착모형을 구축하고 주요 성분들의 혼합물에 대한 흡착특성 전산모사를 수행하였다. 대상물질의 선정은 세탁소 유기용제 내에 다량으로 존재하는 성분과 POCP(Photochemical Ozone Crearion Potential) 값이 높은 성분들을 고려하여 활성탄-벤젠을 선정하였다[3-5].

가설 설정

여기서 q는 흡착제 단위 질량당 흡착된 흡착질의 양(mg/g)이고 CA는 흡착질의 평형 농도(mg/L)를 의미하며 Kd는 선형흡착상수이다. 랑뮈어 흡착등온식은 흡착제 표면에서 흡착질이 단층으로 흡착하고 흡착질 사이의 상호작용이 없다는 것을 가정으로 유도하며 아래의 Eq. (6)과 같이 정리된다.
여기서 KA(α)와 KB(αβ)는 랑뮈어 흡착상수이다. 프로인들리히 흡착등온식은 가장 일반적인 흡착등온식으로 흡착등온식은 흡착상수와 흡착질의 농도의 1/n차에 비례하는 것으로 가정하며 아래의 Eq. (7)과 같이 정리된다.

제안 방법

(4) 흡착탑해석에 있어 중요한 요소 중의 하나는 흡착등온식으로 본 연구에서는 흡착반응의 해석에 일반적으로 사용되는 선형흡착등온식, 랑뮈어 흡착등온식, 그리고 프로인들리히 흡착등온식을 적용하였다.
활성탄-벤젠 흡착반응에 대하여 선형흡착, 랑뮈어흡착, 프로인들리히 흡착등온식을 평가하였으며 흡착 컬럼 전산모사를 수행하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 이러한 세탁시설에서 배출되는 휘발성 유기화합물의 흡착특성을 평가하기 위하여 흡착모형을 구축하고 주요 성분들의 혼합물에 대한 흡착특성 전산모사를 수행하였다. 대상물질의 선정은 세탁소 유기용제 내에 다량으로 존재하는 성분과 POCP(Photochemical Ozone Crearion Potential) 값이 높은 성분들을 고려하여 활성탄-벤젠을 선정하였다[3-5].

이론/모형

흡착탑의 축방향분산계수(axial dispersion coefficient)는 Chung and Wen 식을 이용하여 Eq. (4)와 같이 추정하였다.

성능/효과

1. 흡착등온식의 흡착 속도상수는 모든 모형에서 흡착량에 가장 크게 영향을 주었으며, 랑뮈어 흡착등온식의 평형흡착량 베타가 흡착 속도상수와 유사한 수준으로 작동하였다. 2.
흡착등온식의 흡착 속도상수는 모든 모형에서 흡착량에 가장 크게 영향을 주었으며, 랑뮈어 흡착등온식의 평형흡착량 베타가 흡착 속도상수와 유사한 수준으로 작동하였다. 2. 컬럼의 기공도와 확산계수 또한 흡착량 변화에 크게 영향을 주는 것을 확인하였으며 기공도의 경우 흡착제 종류에 따라 크게 변화하므로 흡착제 선정에 중요하게 고려되어야 함을 확인하였다. 3.
컬럼의 기공도와 확산계수 또한 흡착량 변화에 크게 영향을 주는 것을 확인하였으며 기공도의 경우 흡착제 종류에 따라 크게 변화하므로 흡착제 선정에 중요하게 고려되어야 함을 확인하였다. 3. 활성탄-벤젠의 실험결과를 다양한 흡착등온식을
이용하여 평가하였으며 랑뮈어 흡착등온식을 적용한 경우가 실험결과를 가장 근접하게 모사함을 확인하였다.
입자의 질량이 증가하게 되므로 벤젠의 제거량이 증가하게 된다. 결과적으로 충진밀도의 증가는 공극률의 감소로 이어지고 결과적으로 흡착량이 증가하게 된다. Fig.
화학평형에서 평형농도가 낮게 유지된다는 것의 의미는 기상에 존재하는 벤젠이 고상의 활성탄으로 이동함을 의미하는 것으로 보다 흡착이 용이하게 일어남을 의미한다. 또한 평형흡착상수가 증가하면 파과가 늦게 일어나며 보다 흡착이 잘 일어나 흡착량이 증가한다는 것을 알 수 있다. 흡착반응에서 흡착량보다 평형상수가보다 큰 영향을 주는 것으로 모사되었으며 이는 실험적인 결과들과 정성적으로 잘 일치함을 알 수 있었다[13].
반응시간이 증가하여 11분에 이르면 흡착탑 출구에서 C/Co 값이 0.08 수준을 기록하여 파과(C/Co < 5 %) 가 시작됨을 보여주고 있으며 반응시간 60분이 경과하면 흡착탑 내에서 C/Co 농도비율은 대부분 0.9를 상회하며 탑 내에서의 활성탄 흡착능이 포화가 되었음을 보여주고 있다.
6은 축방향분산계수 변화에 대하여 선속도 변화에 따른 파과곡선의 변화를 도시한 결과이다. 선속도는 50 cm/min에서 200 cm/min까지 동일한 직경에서 유량이 증가하는 것을 기준하여 도출하였으며 분산계수를 100 ~ 400 cm2/min으로 증가시켰다. 같은 값의 분산계수에 대한 선속도 증가에서 흡착컬럼의 파과는 선속도가 증가할수록 보다 빠른 시간에 일어나며 흡착제의 흡착능이 모두 소멸되는 시간 또한 선속도가 증가할수록 빠르게 일어난다.
3은 선형흡착상수 Kd 변화에 따른 파과곡선의 변화를 도시한 결과이다. 흡착상수 Kd가 증가할수록 흡착구간(adsorption zone)이 길어지며 흡착량이 증가함을
보여주어 일반적인 실험결과와 정성적으로 일치하는 것을 알 수 있다. 다만, 위 모사결과만으로는 파과의 차이를 명확하게 구분하기 어려웠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡착 컬럼의 전산모사를 수행하는 이유는?	세탁시설에서 배출되는 탄화수소의 흡착제거 특성을 고찰하기 위하여 흡착 컬럼의 전산모사를 수행하였다. 흡착질은 세탁시설에서 배출되는 휘발성유기화합물 중 가장 대표적인 탄화수소를 선정하였으며 흡착제는 활성탄으로 전산모사를 수행하였다.
	흡착등온식이란?	흡착등온식이란 일정한 온도에서 흡착을 진행하여 평형을 이루었을 때 흡착제에 대한 흡착질의 흡착량과 유체 중의 흡착질에 대한 농도와의 관계를 나타낸 식으로,

참고문헌 (14)

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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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