KR101483734B1 - 혼합가스 분리방법 및 분리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼합가스를 3종 이상으로 분리하고자 할 경우에 적용할 수 있는 혼합가스 분리방법 및 분리장치에 관한 것으로, 혼합가스로부터 제1분리막모듈을 통해 제1회수기체와 제1잔여기체로 분리하는 1차분리단계; 상기 제1잔여기체를 열교환하여 분리온도로 변경하는 열교환단계; 및 상기 제1잔여기체로부터 제2분리막모듈을 통해 제2회수기체와 제2잔여기체로 분리하는 2차분리단계를 포함한다.

Description

혼합가스 분리방법 및 분리장치{Mixed gas separating method and device}
본 발명은 혼합가스 분리방법 및 분리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 혼합가스를 3종 이상으로 분리하고자 할 경우에 적용할 수 있는 혼합가스 분리방법 및 분리장치에 관한 것이다.
배가스로부터 이산화탄소를 수집하거나, 개질가스로부터 수소를 분리하는 등 혼합가스로부터 특정의 가스만을 분리하는 장치 또는 플랜트가 크게 늘어나고 있다.
따라서, 다양한 혼합가스 분리방법이 제시되고 있으며, 그 중에 분리막을 이용한 기체 분리방법이 한국특허공개 제10-2012-0117296호에서 제시된 바 있다. 그러나, 한국특허공개 제10-2012-0117296호에서 제시된 분리방법은 배기가스와 같이 황과 이산화탄소가 함께 섞여 있는 혼합가스에는 분리효율이 떨어져 적용이 곤란한 단점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 혼합가스를 3종 이상으로 분리하고자 할 경우에 적용할 수 있는 혼합가스 분리방법 및 분리장치를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 혼합가스로부터 제1분리막모듈을 통해 제1회수기체와 제1잔여기체로 분리하는 1차분리단계; 상기 제1잔여기체를 열교환하여 분리온도로 변경하는 열교환단계; 및 상기 제1잔여기체로부터 제2분리막모듈을 통해 제2회수기체와 제2잔여기체로 분리하는 2차분리단계를 포함하는 혼합가스 분리방법이다.
그리고, 상기 혼합가스 분리방법에 사용되는 혼합가스 분리장치는, 혼합가스로부터제1회수기체와 제1잔여기체로 분리하는 제1분리막모듈; 상기 제1분리막모듈로부터 배출되는 제1잔여기체를 열교환하는 열교환기; 상기 열교환기를 통과한 제1잔여기체를 제2회수기체와 제2잔여기체로 분리하는 제2분리막모듈을 포함한다.
본 발명을 통하여, 분리막을 이용해서 배기가스로부터 이산화탄소와 황산화물, 그리고 질소의 분리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스 분리장치의 개략도이다.
도 2는 이산화탄소, 이산화황, 질소의 온도에 따른 투과도 그래프이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
분리막의 물리화학적 특성과 투과 기체의 특성에 의해 결정되는 투과도와 선택도는 기체 분리막의 분리 성능을 결정한다. 기체투과도(Permeability, P)는 수학식 1과 같이 확산도(Diffusivity, D)와 용해도(Solubility, S)의 곱으로 표현된다.
Figure 112013057758796-pat00001
기체의 투과도는 확산도와 용해도의 영향을 받으므로 온도와 압력은 투과도에 중요한 영향을 주는 인자이다. 용해도 S의 온도 영향은 다음과 같은 수학식 2로 나타난다.
Figure 112013057758796-pat00002
여기서 S 0는 온도에 무관한 용해도 상수이고 △H S는 용해 엔탈피 변화이다. 기체분자와 분리막 사이의 인력이 약한 경우 온도의 증가에 따라 용해도가 증가할 수 있도록 혼합엔탈피(mixing enthalpy) 변화가 양(positive)이 된다. 또 응축 가능한 기체의 경우에는 응축 엔탈피 변화가 음(negative)의 값을 갖기 때문에 온도가 증가함에 따라 용해도가 감소함을 보여준다. 기체 확산은 열적으로 활성화된 과정으로 막을 통한 기체분자의 운동과 같은 관계의 Arrhenius 식의 형태로 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112013057758796-pat00003
여기서 D 0는 빈도인자(頻度因子, preexponential factor)이고 E D는 확산활성화에너지이다. 고분자는 끊임없이 진동하고 있으므로 온도가 올라가면 분자진동이 활발하고 고분자 분절(segment)의 진폭도 크게 되므로 기체분자의 확산이 쉽게 일어난다. 확산도와 용해도의 온도의존성에 관한 식을 합치면 기체 투과도의 온도의존성은 수학식 3과 같다.
Figure 112013057758796-pat00004
여기서 P 0는 빈도인자(頻度因子, preexponential factor)이고 E P는 E D와 △H S의 합으로 표현되는 투과 활성화 에너지이다. 위의 설명에서와 같이 확산도는 온도 증가에 따라 증가하여 E D는 양의 값을 나타낸다. 반면에 용해도의 경우 He이나 H2와 같이 가벼운 기체를 제외하고는 온도 증가에 따라 감소하여 △H S는 음의 값을 나타낸다.
다단 공정 설계 시, 혼합가스를 구성하고 있는 기체의 특성에 따라 운전온도를 조절하면 특정가스의 제거효율을 상승시킬 수 있을 것으로 기대된다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 근거를 바탕으로 도 1에 도시된 바와 같은 혼합가스 분리장치를 제시한다.
상기 혼합가스 분리장치는, 혼합가스로부터 제1회수기체와 제1잔여기체로 분리하는 제1분리막모듈(10); 상기 제1분리막모듈(10)로부터 배출되는 제1잔여기체를 열교환하는 열교환기(30); 상기 열교환기(30)를 통과한 제1잔여기체를 제2회수기체와 제2잔여기체로 분리하는 제2분리막모듈(20)을 포함한다.
상기 제1분리막모듈(10) 및 상기 제2분리막모듈(20)은 평판형 분리막, 중공사막 등 공지의 분리막을 사용할 수 있다. 다만, 기체의 종류에 따라 선택도가 다른 분리막을 공지의 분리막 중에서 선택하여야 하며, 여기에서는 분리막에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 제1분리막모듈(10)은 혼합기체가 유입되는 공급관(14)과, 분리된 제1회수기체를 배출하는 제1회수관(12)과, 잔여기체를 배출하는 제1잔여관(16)을 가진다. 상기 제1잔여관(16)에는 열교환기(30)가 설치되고, 상기 열교환기(30)를 지난 잔여기체는 상기 제2분리막모듈(20)로 공급된다.
상기 열교환기(30)는 필요에 따라 잔여기체를 가열 또는 냉각할 수 있다. 상기 열교환기(30)는 공지의 기술을 사용할 수 있으며, 여기서는 자세한 설명은 생략한다.
상기 제2분리막모듈(20)은 상기 제1잔여관(16)과 연결되어 상기 열교환기(30)를 지난 잔여기체를 공급받고, 분리된 제2회수기체를 배출하는 제2회수관(22)과, 잔여기체를 배출하는 제2잔여관(24)을 가진다.
본 발명의 실시예에 따른 혼합가스 분리장치는 상술한 바와 같이 구성되며, 이하 상기 혼합가스 분리장치에 의한 혼합가스 분리방법에 대하여 설명한다. 이 때 도 1에 도시된 바와 같이, 공급관(14)을 통해 상기 제1분리막모듈(10)로 공급되는 혼합기체는 일예로써 질소, 이산화탄소, 및 이산화황의 혼합물이다.
제1분리막모듈(10)에 의해 분리되어 제1회수관(12)을 통해 배출되는 기체는 질소이다. 그리고, 제1분리막모듈(10)로부터 열교환기(30)에 공급되어 이산화탄소와 이산화황을 분리하기에 적합하도록 냉각된 잔여기체는 상기 제2분리막모듈(20)에 공급되어 이산화탄소와 이산화황이 분리된다. 여기서, 3가지 기체 중 질소를 선택하는 것은 혼합가스 분리장치를 설계하는 설계자가 도 2의 온도에 따른 투과도 그래프로부터 결정할 수 있다.
도 2는 1차 탈황을 거친 배가스의 주요 성분기체들의 온도에 따른 투과도 측정결과를 나타낸 것이다. 일반적으로 온도의 증가는 기체 분리막에 있어서 용해도의 감소와 확산도의 증가를 가져오는 결과를 나타낸다. SO2는 분자량과 분자크기(kinetic diameter)가 크지만 높은 임계온도(430.8 K) 및 임계압력 (77.8 atm)을 가진 응축성 기체이다. 막을 통한 응축성 기체의 투과는 막 내부에 존재하는 자유부피에서 압력 증가에 따라 응축이 발생되어 용해도가 급격히 증가되고 이는 투과도 증가로 나타난다. 그로 인해 SO2의 투과도가 상대적으로 큰 투과도 증가를 나타내었으며 결과적으로 선택도(SO2/CO2, SO2/N2) 증가를 나타낸다.
따라서, 3가지의 기체 중 가장 높은 온도에서 큰 투과도를 가질 뿐 아니라, 온도변화에 대하여 투과도의 변화가 둔감한 질소가 1차로 분리되는 기체로 선택될 수 있다. 특히, 배가스는 이미 충분히 가열되어 80℃이상의 온도를 가지고 있고, 질소가 이산화탄소와 이산화황에 비하여 낮은 투과도를 가지므로 분리가 용이하다.
그리고, 이산화황은 온도가 떨어질수록 투과도가 증가하고, 이산화탄소는 온도가 떨어질수록 투과도가 하강하여, 양기체 사이의 선택도는 온도가 떨어질수록 더욱 뚜렷하게 커지게 된다. 따라서, 이러한 특성을 이용하여 제1분리막모듈(10)로부터 열교환기(30)에 공급되는 잔여기체는 열교환기(30)에서 냉각되는 것에 의해 SO22/CO2의 선택도를 증가시키는 효과를 나타내어 SO2 제거효율을 상승시킬 수 있을 것으로 예상된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 제1분리막모듈 14: 공급관
12: 제1회수관 16: 제1잔여관
20: 제2분리막모듈 22: 제2잔여관
24: 제2회수관 30: 열교환기

Claims (2)

  1. 3종 이상의 혼합가스로부터 제1회수기체 만을 분리할 수 있는 선택도를 가지는 제1분리막모듈을 통해 제1회수기체와 제1잔여기체로 분리하는 1차분리단계;
    상기 제1잔여기체를 열교환하여 제2회수기체 만을 분리할 수 있는 선택도를 가지는 제2분리막 모듈의 분리온도로 변경하는 열교환단계; 및
    상기 제1잔여기체로부터 제2분리막모듈을 통해 제2회수기체와 제2잔여기체로 분리하는 2차분리단계를 포함하는 혼합가스 분리방법.
  2. 제1항에 따른 혼합가스 분리방법에 사용되는 혼합가스 분리장치에 있어서,
    3종 이상의 혼합가스로부터 제1회수기체 만을 분리할 수 있는 선택도를 가져서 제1회수기체와 제1잔여기체로 분리하는 제1분리막모듈;
    상기 제1분리막모듈로부터 배출되는 제1잔여기체를 제2회수기체 만을 분리할 수 있는 선택도를 가지는 제2분리막 모듈의 분리온도로 변경하는 열교환기; 및
    상기 열교환기를 통과한 제1잔여기체를 제2회수기체와 제2잔여기체로 분리하는 제2분리막모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합가스 분리장치.
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