Korean Chemical Engineering Research

The Korean Institute of Chemical Engineers (한국화학공학회)
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Operating Optimization and Economic Evaluation of Multicomponent Gas Separation Process using Pressure Swing Adsorption and Membrane Process

압력 순환 흡착과 막 분리공정을 이용한 다성분 기체의 분리공정 조업 최적화 및 경제성 평가

  • Kim, Hansol (Department of Chemical Engineering, POSTECH) ;
  • Lee, Jaewook (Department of Chemical Engineering, POSTECH) ;
  • Lee, Soobin (Department of Chemical Engineering, POSTECH) ;
  • Han, Jeehoon (School of Chemical Engineering, Chonbuk National University) ;
  • Lee, In-Beum (Department of Chemical Engineering, POSTECH)
  • 김한솔 (포항공과대학교 화학공학과) ;
  • 이재욱 (포항공과대학교 화학공학과) ;
  • 이수빈 (포항공과대학교 화학공학과) ;
  • 한지훈 (전북대학교 화학공학부) ;
  • 이인범 (포항공과대학교 화학공학과)
  • Received : 2014.06.02
  • Accepted : 2014.07.26
  • Published : 2015.02.01
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Abstract

At present, carbon dioxide ($CO_2$) emission, which causes global warming, is a major issue all over the world. To reduce $CO_2$ emission directly, commercial deployment of $CO_2$ separation processes has been attempted in industrial plants, such as power plant, oil refinery and steelmaking plant. Besides, several studies have been done on indirect reduction of $CO_2$ emission from recycle of reducing gas (carbon monoxide or hydrogen containing gas) in the plants. Unlike many competing gas separation technologies, pressure swing adsorption (PSA) and membrane filtration are commercially used together or individually to separate a single component from the gas mixture. However, there are few studies on operation of sequential separation process of multi-component gas which has more than two target gas products. In this paper, process simulation model is first developed for two available configurations: $CO_2$ PSA-CO PSA-$H_2$ PSA and $CO_2$ PSA-CO PSA-$H_2$ membrane. Operation optimization and economic evaluation of the processes are also performed. As a result, feed gas contains about 14% of $H_2$ should be used as fuel than separating $H_2$, and $CO_2$ separation should be separated earlier than CO separation when feed gas contains about 30% of $CO_2$ and CO. The simulation results can help us to find an optimal process configuration and operation condition for separation of multicomponent gas with $CO_2$, CO, $H_2$ and other gases.

현재 기후 온난화의 주요원인 이산화탄소의 배출은 전 세계적으로 문제가 되고 있다. 이에 따라, 기존에 존재하는 화력 발전소 및 철강 공장과 같은 다량의 이산화탄소를 발생시키는 공장에서는 이산화탄소의 격리와 저장 등의 기술이 필요해졌고, 현재 많은 공장에서 실제 분리가 일어나고 있다. 또한 이러한 직접적인 배출량 감소 말고도 간접적으로 이산화탄소의 배출을 줄일 수 있는 일산화탄소, 수소 등의 환원가스의 재사용에 대해서도 여러 방식으로 연구가 이루어지고 있다. 이에 따라, 대표적인 가스 분리공정 중 하나인 Pressure swing adsorption(PSA)나, 최근 몇몇 공장에서 실 사용이 이루어지고 있는 막 분리공정을 사용하여 이산화탄소, 일산화탄소 및 수소를 분리하는 많은 연구들이 수행되어 왔다. 또한, 이 두 종류의 공정을 합친 하이브리드 공정에 대한 연구도 존재했다. 하지만 분리 목표 가스가 두 가지 이상인 다성분 기체에 대하여 연속공정 모델을 만들고, 이 모델 전체에 대해 조업 최적화 및 경제성 평가를 다룬 연구는 진행되어 오지 않았다. 본 논문에서는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소 및 다른 기체들을 포함한 다성분 기체를 대상으로 환원가스로 사용 가능한 일산화탄소, 수소와 분리 저장이 필요한 이산화탄소를 분리하는 PSA와 막 공정을 사용한 연속공정 모델을 개발하고, 이 모델을 사용하여 가능한 시나리오들을 생성한 뒤 조업 최적화를 진행해 경제성을 평가하였다. 그 결과, 수소 가스의 조성이 초기에 14% 정도일 경우 수소를 분리하는 것보다 연료로 사용해야 하며, $CO_2$와 CO의 조성이 30% 정도로 유사할 경우 $CO_2$를 먼저 분리하는 것이 유리하다는 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 진행한 결과를 통해 분리 대상 기체의 분리 경제성을 분석하여 가스 분리 여부 결정에 도움을 줄 수 있을 것이다.

Keywords

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