공기 분리를 위한 O₂ PSA (Pressure Swing Adsorption)공정과 VSA (Vacuum Swing Adsorption) 공정의 설게 및 성능 비교

Comparison of PSA and VSA processes for air separation

PSA (Pressure Swing Adsorption) 공정과 VSA (Vacuume Swing Adsorption) 공정은 산소를 얻기 위산 중/소규모의 분리 공정들 중에서 가장 널리 쓰이는 공정들이다. PSA 공정과 VSA 공정은 주기적인 압력 변화에 따른 각각의 흡착질의 흡착제에 대한 흡착량의 차이를 이용하여 분리하는 공통점을 가지고 있지만 가압과 탈착 압력에서 차이가 있다. 이번 연구에서는 압력평등화를 포함하는 6단계 PSA 공정과 5단계 VSA 공정을 제시하였고, 흡착 시간과 가압 시간, 그리고 압력 평등화 시간의 변화에 따른 산소순도와 회수율의 변화를 살펴보았다. 그 결과, 제올라이트 10X를 사용한 VSA 공정은 제올라이트 5A를 사용한 PSA 공정과 제올라이트 13X를 사용한 VSA 공정보다 우수한 성능을 보였다. 또한, 동일한 시간에서 PSA와 VSA 공정의 순도와 회수율간의 관계를 비교하여 200Torr 정도의 진공압력 상태에서는 VSA 공정이 PSA 공정보다 회수율과 생산성이 높았다. 이 사실을 바탕으로 높은 생산성과 대규모화에는 PSA 공정에 비해 VSA 공정이 적합하다는 사실을 알아내었다.

PSA and VSA processes have been used broadly to produce oxygen from ambient air in midium- or small-sized plants. PSA and VSA processes are the separation methods which use difference of amount adsorbed as pressure is changed periodically, but they have the differences in pressurization and regeneration. In this study, the performance of 6-step PSA process was compared with that of 5-step VSA process with respect to purity and recovery. In addition, the effects of each step (pressurization step, adsorption step, and pressure equalization step) on purity and recovery were investigated. As a result, the VSA process using zeolite 10X showed better performance than the zeolite 5A PSA and zeolite 13X VSA process in comparison with purity, recovery and productivity. And it was enough to apply the vacuum pressure of 200 torr for the VSA, which produced over 90% oxygen with 70% recovery.