KR20000060821A - Pressure Swing Adsorption System for Highly Concentrated Carbon Dioxide Recovery from Power Plant Flue Gas and Recovery Method Using thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 화력발전소 연소가스로부터 고순도의 이산화탄소를 회수하기 위한 압력변동흡착장치(PSA:Pressure Swing Adsorption) 및 이를 이용하여 고순도의 이산화탄소(CO2)를 회수하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure swing adsorption device (PSA) for recovering high purity carbon dioxide from a combustion power plant combustion gas and a method for recovering high purity carbon dioxide (CO 2 ) using the same.
화력발전소로부터 유출되는 연소가스는 약 12∼17%의 이산화탄소와 76∼78%의 질소, 그리고 4∼5%의 산소와 그밖에 미량의 수분과 SOx, NOx 화합물을 포함하고 있다. 그 중에서 특히 이산화탄소는 지구 온난화의 주요 원인으로 지목되고 있으므로 이의 배출을 줄이고 재사용하는 방안이 세계적인 관심사로 등장하고 있다. 일부 선진국들은 이산화탄소 배출량을 일정 시점의 배출량을 기준으로 동결시키고자 노력하고 있으며 이와 관련하여 탄소세의 도입을 주장하고 있는 실정이다. 따라서 이산화탄소의 가장 큰 배출원중의 하나인 화력발전소 연소가스로부터 이산화탄소의 회수는 시급히 해결해야 할 중요한 문제라고 할 수 있다.Combustion gases from coal-fired power plants contain about 12-17% carbon dioxide, 76-78% nitrogen, 4-5% oxygen and other traces of moisture, SOx and NOx compounds. In particular, since carbon dioxide is regarded as a major cause of global warming, the reduction of its emission and reuse is emerging as a global concern. Some developed countries are trying to freeze carbon dioxide emissions based on their emissions at some point, and insist on introducing carbon taxes. Therefore, the recovery of carbon dioxide from the combustion power of the thermal power plant, one of the largest emission sources of carbon dioxide is an important problem to be solved urgently.
이산화탄소를 배출하는 공장들은 화력발전소 뿐 아니라 제철소, 시멘트공장, 석유화학공장, 발효공장 등이 있으며 이중 화력발전소를 제외한 대부분의 공장에서 배출되는 배출기체는 이산화탄소의 농도가 25% 이상으로 상업적인 분리 및 회수가 용이한 반면, 화력발전소의 경우는 이산화탄소의 농도가 낮기 때문에 분리회수가 어려워 상업화할 경우 경제성이 낮은 것으로 알려져 있다.Plants that emit carbon dioxide include steel plants, cement plants, petrochemical plants, and fermentation plants, as well as coal-fired power plants. Most of the plants, except for thermal power plants, emit more than 25% of carbon dioxide. On the other hand, thermal power plants are known to have low economical efficiency if they are commercialized due to their low CO2 concentration.
종래에 혼합기체를 분리하는데는 흡수, 막분리 및 흡착공정 등을 주로 사용하고 있으며 그 중에서 흡착원리를 이용한 압력변동흡착공정은 중·소규모 공정을 대상으로 하여 투자비와 에너지 비용이 적게 소요되므로 많은 발전을 거듭해왔다. 압력변동흡착공정의 특징은 특정물질을 잘 흡착하는 흡착제를 사용시 특히, 높은 압력에서의 흡착량이 낮은 압력에서의 흡착량보다 많다는 성질을 이용하여 압력을 변화시키면서 흡착과 탈착을 반복하며 기체 혼합물을 분리하는 흡착기술로서 공정으로 확립된지 약 30년 정도 되었다.Conventionally, the separation of the mixed gas mainly uses absorption, membrane separation, and adsorption processes. Among them, the pressure swing adsorption process using the adsorption principle is small and medium-sized, which requires less investment and energy costs. Has been repeated. The characteristic of pressure swing adsorption process is that the adsorption and desorption are repeated while changing the pressure by separating the gas mixture by using the property that the adsorption agent adsorbing a specific substance is higher than the adsorption amount at low pressure. It is about 30 years since it was established as a process for adsorption.
1930년대에 핀레이슨(Finlayson) 등이 처음으로 개발(영국특허 제365,092호)한 이후 연구가 계속되어 1950년대에는 공기에서 이산화탄소나 탄화수소 및 수분 등을 분리할 수 있음이 소개되었고, 1950년대 말 제올라이트가 개발되면서 흡착분리기술이 괄목할 정도로 발전하게 되었다. 지금까지 압력변동흡착공정은 가스의 건조, 공기의 분리, 수소의 정제 등 흡착능이 약한 성분의 분리에 주로 응용되어 왔으나 최근에는 메탄, 이산화탄소, 이산화황 등 강한 성분의 분리를 목적으로 하는 공정개발 연구가 활발히 진행되고 있다.Since the first development by Finlayson et al. (UK Patent No. 365,092) in the 1930s, research has continued, and in the 1950s it was introduced that carbon dioxide, hydrocarbons and water can be separated from air, and zeolites in the late 1950s. Adsorption separation technology has developed significantly. Until now, the pressure swing adsorption process has been mainly applied to the separation of weakly adsorbable components such as gas drying, air separation, and hydrogen purification, but recently, process development research aimed at separating strong components such as methane, carbon dioxide, and sulfur dioxide. It is actively underway.
이경우 강흡착성분인 생성물의 회수는 탈착단계, 특히 진공단계에서 수행되는데, 흡착능이 강한 이산화탄소를 연소가스로부터 회수하는 압력변동흡착공정이므로 진공탈착단계가 필요하다. 진공탈착에 의해 생성물을 얻는 최초의 공정은 프랑스의 구에린 드 몽가루일(Guerin de Montgareuil) 등에 의해 개발(프랑스특허 제1,233,261호)되어 지금도 흡착능이 강한 성분을 분리하는 방법으로 많이 이용되고 있다.In this case, the recovery of the product, which is a strong adsorption component, is carried out in a desorption step, particularly in a vacuum step, and a vacuum desorption step is necessary because the pressure swing adsorption process recovers carbon dioxide having strong adsorption capacity from the combustion gas. The first process to obtain the product by vacuum desorption was developed by Guerin de Montgareuil, France, and the like (French Patent No. 1,233,261) and is still widely used as a method of separating components having high adsorption capacity.
종래기술로서 압력변동흡착공정을 이용하여 이산화탄소를 분리하는 방법은 주로 천연가스에서 메탄과 이산화탄소를 분리하는 방법(미국특허 제5,411,721호, 제4,857,083호), 수소와 이산화탄소를 분리하는 방법(미국특허 제4,791,858호, 제4,913,709호), 암모니아 합성가스에서 이산화탄소의 분리 방법(미국특허 제4,813,980호), 공기 중에서 수분과 이산화탄소를 제거하는 방법(미국특허 제4,249,915호), 혹은 석탄의 가스화 공정 등에서 배출되는 수소, 메탄, 이산화탄소 등의 혼합기체를 분리하는 방법(미국특허 제4,406,674호, 제4,404,004호, 제4,914,218호, 제4,814,456호, 제4,696,680호, 제5,582,029호, 영국특허 제2,155,805호) 등이 있다.As a conventional technique, a method of separating carbon dioxide using a pressure swing adsorption process is mainly a method of separating methane and carbon dioxide from natural gas (US Patent Nos. 5,411,721, 4,857,083), and a method of separating hydrogen and carbon dioxide (US Patent No. 4,791,858, 4,913,709), a method for separating carbon dioxide from ammonia synthesis gas (US Pat. No. 4,813,980), a method for removing water and carbon dioxide from air (US Pat. No. 4,249,915), or hydrogen discharged from a gasification process of coal. , And methods for separating mixed gases such as methane and carbon dioxide (US Pat. Nos. 4,406,674, 4,404,004, 4,914,218, 4,814,456, 4,696,680, 5,582,029, and British Patent 2,155,805).
또한 미국특허 제4,988,490호에서는 이산화탄소와 질소가 주성분인 혼합기체 중 고순도의 질소를 생성물로 얻는 방법, 독일특허 제3,345,379호(1983/12/15)에서는 4탑 압력변동흡착장치를 이용하여 이산화탄소와 질소의 혼합기체에서 이산화탄소를 분리하는 공정을 제시하였으나 이들은 이산화탄소의 분리를 위하여 4개의 흡착탑을 이용하였고 흡착제로서 탄소분자체를 이용하였는데 탄소분자체나 제올라이트는 활성탄에 비하여 가격이 상당히 비싸고 작업 초기에 열처리 온도가 높아 장치비 부담이 크다는 단점이 있다.In addition, U.S. Patent No. 4,988,490 discloses a method of obtaining high purity nitrogen as a product of a mixture of carbon dioxide and nitrogen as a main component, and German Patent No. 3,345,379 (1983/12/15) uses a four- tower pressure swing adsorption system. The process of separating carbon dioxide from mixed gas was presented, but they used four adsorption towers to separate carbon dioxide and carbon molecules as adsorbent. Carbon molecules or zeolites are considerably more expensive than activated carbon and have higher heat treatment temperature at the beginning of the operation. There is a disadvantage in that the cost of equipment is large.
본 발명은 강한 흡착능인 이산화탄소의 회수를 위하여 흡착제로 활성탄을 사용하여 기존의 가압, 흡착, 감압, 진공탈착의 4단계를 기초로 하고 감압단계의 방향에 따른 영향, 감압단계에서 손실되는 이산화탄소의 양을 줄이고자 압력균등화단계를 도입했을 때의 영향, 또한 순도를 높이기 위하여 진공단계에서 회수된 고순도의 생성물을 이용하는 세정단계의 영향 등을 고려하여 성능 향상을 위한 단계들의 조합을 통하여 가압단계와 흡착단계를 거쳐 진공단계에서 이산화탄소가 회수되도록 하는 최적의 공정 및 압력변동흡착장치를 제공한다.The present invention is based on the existing four steps of pressure, adsorption, decompression, vacuum desorption using activated carbon as an adsorbent to recover carbon dioxide, which has a strong adsorption capacity, the effect of the direction of the decompression step, the amount of carbon dioxide lost in the decompression step In order to reduce the pressure, the pressure equalization step and the adsorption step are carried out through a combination of steps to improve the performance, taking into account the effects of the pressure equalization step and the cleaning step using the high-purity product recovered in the vacuum step to increase the purity. It provides an optimum process and pressure swing adsorption device to recover the carbon dioxide in the vacuum step through.
본 발명은 화력발전소의 연소가스 중의 이산화탄소를 회수하는 장치에 있어서, 세 개의 흡착탑과 한개의 진공펌프로 구성한 압력변동 흡착장치로 운전되도록 구성하여 고순도의 이산화탄소를 얻도록 한다.The present invention is to recover the carbon dioxide in the combustion gas of the thermal power plant, it is configured to be operated by a pressure swing adsorption device consisting of three adsorption tower and one vacuum pump to obtain high purity carbon dioxide.
본 발명은 도입되는 원료기체로 흡착탑을 작업 압력까지 가압하는 가압단계와; 원료기체중 이산화탄소를 일정압력이 유지된 흡착탑내의 활성탄에 의해 흡착하는 흡착단계와; 흡착탑 내부를 작업압력에서 상압까지 압력을 낮추는 병류감압단계와; 흡착이 완료된 흡착탑을 탈착이 완료된 흡착탑과 연결하여 평형을 이룰때 까지 방치하는 병류 감압형 압력균등화 단계와; 탈착이 끝난 상태의 흡착탑이 흡착이 끝난 상태의 흡착탑과 연결하는 항류가압형 압력균등화단계와; 상기 압력균등화 단계 완료후 흡착탑 내부를 이산화탄소가 대부분인 생성물을 이용하여 상압까지 가압하는 생성물에 의한 병류가압단계와; 흡착탑 내부에 이산화탄소만 존재하도록 하는 생성물을 이용한 세정단계와; 세정완료후 흡착탑에서 진공펌프를 이용하여 이산화탄소를 탈착, 회수하는 진공탈착단계를 거쳐 화력발전소 배기가스 중의 이산화탄소를 회수하는 것을 특징으로 한다.The present invention comprises a pressurizing step of pressurizing the adsorption tower to a working pressure with a raw material gas introduced; An adsorption step of adsorbing carbon dioxide in the raw material gas by activated carbon in an adsorption column maintained at a constant pressure; A cocurrent decompression step of lowering the pressure from the working pressure to the normal pressure inside the adsorption tower; A cocurrent pressure reducing pressure equalizing step of connecting the adsorption tower of adsorption completed with the adsorption tower of desorption until equilibrium is achieved; A constant pressure pressurizing pressure equalizing step of connecting the adsorption tower in the desorption state to the adsorption tower in the adsorption state; After the pressure equalization step is completed, the cocurrent pressurization step by the product for pressurizing the inside of the adsorption tower to the atmospheric pressure using the product mostly carbon dioxide; A washing step using a product such that only carbon dioxide is present in the adsorption tower; After the cleaning is completed, the carbon dioxide is desorbed and recovered by using a vacuum pump in the adsorption tower, and is characterized in that the carbon dioxide in the exhaust gas of the thermal power plant is recovered.
도 1은 본 발명의 장치의 구성도1 is a block diagram of an apparatus of the present invention
도 2는 본 발명의 장치를 운전하는 공정도2 is a process diagram for operating the device of the present invention;
도 3은 본 발명의 장치를 순환작업에 따른 압력변화를 나타낸 도표Figure 3 is a diagram showing the pressure change according to the circulation operation of the apparatus of the present invention
도 4는 본 발명의 방법과 종래의 방법에 따른 효율을 비교한 도표Figure 4 is a chart comparing the efficiency according to the method of the present invention and the conventional method
＜ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ＞<Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1, 2, 3: 흡착탑 4: 진공펌프1, 2, 3: adsorption tower 4: vacuum pump
5, 6, 7, 8, 9, 10: 분기관 11∼16: 자동개폐밸브5, 6, 7, 8, 9, 10: branch pipes 11 to 16: automatic opening and closing valves
21∼26: 자동개폐밸브 31∼36: 자동개폐밸브21 to 26: automatic open / close valve 31 to 36: automatic open / close valve
41: 압력조절밸브 42,43: 유량조절밸브41: pressure regulating valve 42, 43: flow regulating valve
51: 생성물 저장탱크 110: 가압단계51: product storage tank 110: pressurization step
120: 흡착단계 130: 병류감압단계120: adsorption step 130: cocurrent decompression step
140: 병류감압형 압력균등단계 150: 생성물에 의한 병류감압단계140: cocurrent decompression type pressure equalization step 150: cocurrent decompression step by product
160: 생성물을 이용한 세정단계 170: 진공탈착단계160: washing step using the product 170: vacuum desorption step
180: 향류가압형 압력균등단계 200: 생성물흐름 정지단계180: countercurrent pressure type pressure equalization step 200: product flow stop step
압력변동흡착공정을 구성하기 위하여 우선 고려되어야 할 사항은 각 순수기체의 등온흡착특성을 파악하여 필요한 단계별로 공정을 구성해야 한다. 질소와 이산화탄소의 활성탄에 대한 각각의 온도에서 평형흡착등온선에 따르면 질소의 흡착량은 이산화탄소에 비해 상대적으로 적지만 무시할 수 없는 양으로서 순도에 많은 영향을 주는데 이 것이 활성탄을 이용한 이산화탄소의 회수를 어렵게 하는 요인으로 작용하게 된다. 특히 본 발명의 대상인 화력발전소 연소가스의 경우에는 질소가 원료기체의 대부분을 차지하므로 그 활성탄에 흡착되는 량은 상대적으로 많게 되므로 흡착이 끝난 후 흡착탑에는 많은 양의 질소가 존재하게 되어 탈착시 이산화탄소의 순도를 떨어뜨리는 작용을 하게되며 이때 고순도의 이산화탄소를 회수하기 위해서는 질소의 탈착을 선행시키는 것이 중요한 과제이다. 따라서 공정 구성시 탈착단계 직전에 흡착탑 내부의 이산화탄소 농도를 높여줄수록 고순도의 이산화탄소를 얻을 수 있게되므로 이것은 감압단계의 구성에 따라 공정 성능이 크게 영향을 받게 된다. 본 발명에서는 이러한 영향을 살펴보기 위하여 감압되는 방향 및 감압단계를 변형한 여러 단계의 조합에 따라 공정들을 구성한다. 또한 탑 내의 질소를 이산화탄소로 치환시키기 위한 방법으로서 세정단계를 도입함으로써 이산화탄소 회수시의 순도를 향상시켰다.In order to compose the pressure fluctuation adsorption process, the first consideration should be to understand the isothermal adsorption characteristics of each pure gas and to configure the process in the necessary steps. According to the equilibrium adsorption isotherm at each temperature for activated carbon of nitrogen and carbon dioxide, the amount of nitrogen adsorption is relatively small but negligible compared to carbon dioxide, which affects the purity, which makes it difficult to recover carbon dioxide using activated carbon. Act as a factor. In particular, in the case of the combustion gas of the thermal power plant, which is the object of the present invention, since nitrogen occupies most of the raw material gas, the amount of adsorbed carbon in the activated carbon is relatively high, so that a large amount of nitrogen is present in the adsorption column after the adsorption is completed. It is to lower the purity, and in order to recover high-purity carbon dioxide, it is important to prioritize the desorption of nitrogen. Therefore, as the concentration of carbon dioxide in the adsorption tower is increased immediately before the desorption step in the process configuration, high purity carbon dioxide can be obtained, which is greatly affected by the performance of the decompression step. In the present invention, in order to examine these effects, the processes are configured according to a combination of various steps in which the decompression direction and the depressurization step are modified. In addition, the purity of the carbon dioxide recovery was improved by introducing a washing step as a method for substituting nitrogen in the column with carbon dioxide.
이하 본 발명에서는 공정의 성능을 나타내기 위하여 순도, 회수율 및 환류비 세 가지를 기준으로 이용하였다. 회수율은 생성물 흐름 중 포함된 목적성분의 양을 공급 혼합물 중의 동일 성분의 양으로 나눈 값으로 정의된다. 단, 세정단계가 도입될 경우에는 환류되는 목적성분의 양을 제외하고 계산된다. 여기서 환류비는 세정단계에서 사용되는 목적성분의 양을 회수된 목적성분의 양으로 나눈 값으로 정의된다. 또한 순도는 회수된 흐름 중에 존재하는 공급물 성분의 평균농도로 정의하였다.In the present invention, the purity, recovery and reflux ratio were used as three criteria to show the performance of the process. Recovery is defined as the amount of the desired component included in the product stream divided by the amount of the same component in the feed mixture. However, when the washing step is introduced, it is calculated by excluding the amount of the desired component to be refluxed. Here, the reflux ratio is defined as a value obtained by dividing the amount of the target component used in the washing step by the amount of the recovered target component. Purity was also defined as the average concentration of feed components present in the recovered stream.
본 발명의 기체 흐름의 방향은 병류가 원료기체의 흐름방향인 탑 하부에서 상부로의 방향이며 향류는 반대로 탑상부에서 하부로의 방향이다. 각각의 공정은 제1단계: 가압단계(110), 제2단계: 흡착단계(120), 제3단계: 병류감압단계(130), 제4단계: 병류감압형 압력균등화단계(140), 제5단계: 생성물에 의한 병류가압단계 (150), 제6단계: 생성물을 이용한 세정단계(160), 제7단계: 진공탈착단계(170), 제8단계: 향류가압형 압력균등화단계(180) 등의 8단계로 구분되며 다음에서 상세히 설명하기로 한다.The direction of the gas flow of the present invention is the direction from the bottom of the tower to the top where the co-current is the flow direction of the raw material gas, and the countercurrent is the direction from the top to the bottom of the tower. Each process is the first step: pressurization step 110, the second step: adsorption step 120, the third step: cocurrent decompression step 130, the fourth step: cocurrent decompression type pressure equalization step 140, Step 5: cocurrent pressurization step 150 with the product, step 6: washing step 160 using the product, step 7: vacuum desorption step 170, step 8: countercurrent pressure type pressure equalization step 180 It is divided into eight steps, and will be described in detail below.
제1단계의 가압단계(110)에서는 도입되는 원료기체로 흡착탑(1)(2)(3)을 작업 압력까지 가압하게 되는데, 원료기체는 화력발전소 연소가스이며 질소, 이산화탄소, 산소와 수분 그리고 미량의 SOx와 NOx를 포함한다. 작업압력은 1기압 이상의 임의의 압력을 사용할 수 있으며 본 발명에서는 가압에 필요한 조업비용 절감의 관점에서 1.5기압 이하의 압력이 가장 적합하고, 이때 가압시간은 도입되는 기체의 유량에 의해서 결정되며 유량이 많을수록 가압시간이 짧아지게 된다.In the pressurization step 110 of the first step, the adsorption towers 1, 2, and 3 are pressurized to the working pressure with the raw material gas introduced. The raw material gas is a combustion power plant with combustion power of nitrogen, carbon dioxide, oxygen and moisture, and trace amounts. Includes SOx and NOx. The working pressure may be any pressure of 1 atm or more, and in the present invention, a pressure of 1.5 atm or less is most suitable in view of the reduction of operating cost required for pressurization, and the pressurization time is determined by the flow rate of the gas to be introduced. The more, the shorter the pressurization time.
제2단계의 흡착단계(120)에서는 가압단계(110)에서 일정압력이 유지된 흡착탑(1)(2)(3)에 원료기체를 아래방향에서 위쪽으로 계속해서 넣어주게 된다. 본 발명은 화력발전소 연소가스에서 이산화탄소를 대기 중으로 방출되는 양을 감소시키고 이산화탄소의 순도를 높이는 것이 중요하므로 흡착시간을 충분히 유지하는 것이 유리하다. 이는 흡착탑(1)(2)(3) 내의 이산화탄소 농도가 높을수록 제품의 순도가 높아지기 때문으로 이 시간을 조절함으로서 순도 및 회수율을 원하는 수치로 조절하는 것이 가능하다.In the adsorption step 120 of the second step, the raw material gas is continuously introduced from the downward direction upwards to the adsorption towers 1, 2 and 3 in which the constant pressure is maintained in the pressurization step 110. In the present invention, it is important to sufficiently maintain the adsorption time because it is important to reduce the amount of carbon dioxide emitted from the combustion power plant combustion gas to the atmosphere and to increase the purity of the carbon dioxide. This is because the higher the carbon dioxide concentration in the adsorption tower (1) (2) (3), the higher the purity of the product can be adjusted to the desired value by controlling this time.
제3단계의 병류감압단계(130)에서는 흡착탑(1)(2)(3) 내부를 작업압력에서 상압까지 압력을 낮추는 단계로서 흡착탑(1)(2)(3) 위쪽으로 감압을 실시하게 된다. 감압의 방향은 공정 성능에 영향을 주게되며 감압단계에서 감압 방향에 따른 영향을 살펴보면 탑상부 방향으로 감압하여 질소의 탈착을 선행시키는 것이 공정의 성능 면에서 가장 우수한 결과를 보였다. 탑 하부로 감압을 진행할 경우에는 질소의 탈착속도가 비록 우세하지만 탑 하부에 다량 존재하는 이산화탄소가 급격한 압력강하로 인해 탈착이 진행되면서 탑 외부로 유출되기 때문에 순도 및 회수율이 감소하게 된다. 반면 탑의 상부와 하부로 각각 절반으로 나누어 배출할 경우에는 상부로 배출하는 경우와 하부로 배출하는 경우의 평균값 정도의 성능을 나타낸다. 따라서 감압단계가 포함되어 공정이 구성되는 경우에는 탑상부 방향으로 감압을 진행하는 것이 최적의 방향이다. 본 발명에서는 흡착단계(120) 직후에 병류감압을 실시하여 공정의 성능향상을 얻을 수 있었다.In the co-current decompression step 130 of the third step, the pressure inside the adsorption tower 1, 2, 3 is lowered from the working pressure to the normal pressure, and the pressure is reduced above the adsorption tower 1, 2, 3. . The direction of decompression affects the performance of the process, and the effect of the decompression direction on the decompression stage showed the best results in terms of the performance of the process. When depressurizing to the bottom of the column, although the desorption rate of nitrogen is superior, the purity and recovery rate decrease because the carbon dioxide that is present in the lower part of the tower flows out of the tower as the desorption proceeds due to the rapid pressure drop. On the other hand, if the top and bottom of the tower are divided into half and discharged to the top, and the discharge to the bottom, the average value of the performance is shown. Therefore, when the process is configured by including a depressurization step, it is best to proceed with decompression toward the top. In the present invention, co-current decompression was performed immediately after the adsorption step 120, thereby improving the performance of the process.
제4단계의 병류감압형 압력균등화단계(140)에서는 흡착이 완료된 흡착탑을 탈착이 완료된 흡착탑과 연결하여 평형을 이룰 때까지 방치하는 단계이다. 연결 방향은 흡착이 끝난 흡착탑은 병류 방향으로, 탈착이 끝난 흡착탑은 향류 방향으로 연결하게 되는데 이는 흡착탑의 상부끼리 연결되는 형태이다. 이 압력균등화단계는 압축기나 진공펌프의 부하를 줄여주어 작업비용을 절감하는 일차적인 효과가 있으며 부수적으로 감압의 효과를 극대화시킬 수 있는 또 다른 방법의 하나이다. 즉, 상압까지 감압하는 제3단계는 대기압 이하로 감압이 불가능하며 진공펌프(4)에 바로 연결하여 다시 감압하는 것은 바로 탈착단계로 진행되기 때문에 이 압력균등화단계(140)는 진공과 상압의 중간압력까지 감압을 한번 더 시켜주는 역할을 하게된다. 따라서 본 발명에서는 앞에서 언급한 바와 같이 감압의 방법이 공정의 전체 성능에 크게 영향을 준다는 점에서 흡착단계(120)와 세정단계(160) 사이에 병류감압형 압력균등화단계(140)를 첨가하여 성능의 향상을 도모하였다. 이 감압방법은 일차적으로 흡착탑 내의 질소의 농도를 낮추는데 크게 기여하고 회수율 뿐만 아니라 탑 내에 존재하는 성분들을 재분배하여 동특성을 변화시킴으로써 순도에도 영향을 미치게 되는데, 압력균등화단계에서는 감압단계에서 유출되던 이산화탄소의 배출을 최대한 방지하는 효과로 인한 회수율의 상승 효과와 더불어 진공의 탑과 연결함으로써 감압의 압력차가 커지게 되어 얻게되는 탈착량의 증가가 복합적으로 작용하여 성능의 향상을 가져오게 된다. 연결방법 중에서는 탑 상부로 감압균등화 과정과 가압균등화 과정이 이루어지는 공정의 경우가 가장 우수한 성능을 나타낸다. 이는 질소가 다량 존재하는 탑 상부 방향에서 다량의 질소로 가압함으로써 탑 상부의 질소 농도를 높여주는 것이 성능향상에 도움을 준다는 것을 의미한다. 반면에 탑 하부 방향으로 감압이 이루어질 경우 가압의 방향에 따라 크게 영향을 받게 되는데, 탑 하부 방향으로 가압한 경우가 탑 상부 방향으로 가압한 경우에 비해 성능이 우수하였다. 이는 탑 하부 방향으로 가압할 경우 탑 하부에 이산화탄소가 다량 존재하게 되어 공급물의 유입시 이산화탄소의 흡착을 도와주는데 반해 탑 상부 방향으로의 가압은 공급물 유입시 탑 상부에 존재하는 다량의 이산화탄소가 압력 차이에 의해 탑 외부로 유출되어 성능 저하의 원인이 된다. 결과적으로 압력균등화단계의 도입이 항상 회수율이나 순도를 증가시키는 것은 아니며 압력균등화단계를 도입할 경우 탑 내의 특성을 고려하여 작업이 이루어져야 한다. 본 발명에서는 병류감압과 더불어 두 탑의 상부를 연결하는 압력균등화단계를 동시에 사용하여 최적의 성능을 얻을 수 있었다.In the co-current pressure reduction step 140 of the fourth step, the adsorption tower, in which adsorption is completed, is connected to an adsorption tower in which desorption is completed, and left to equilibrate. The connection direction is the adsorption tower after the adsorption is connected in the co-current direction, the adsorption tower after the desorption is connected in the countercurrent direction, which is connected to the upper portion of the adsorption tower. This pressure equalization step has the primary effect of reducing the operating cost by reducing the load on the compressor or vacuum pump, and is another way of maximizing the effect of decompression. That is, the third step of depressurizing to atmospheric pressure is not possible to depressurize below atmospheric pressure, and the pressure equalization step 140 is halfway between vacuum and atmospheric pressure because it is directly connected to the vacuum pump 4 and the depressurization proceeds directly to the desorption step. The pressure is reduced once more to the pressure. Therefore, in the present invention, as described above, the method of decompression greatly affects the overall performance of the process, so that the cocurrent pressure reducing pressure equalizing step 140 is added between the adsorption step 120 and the washing step 160 to perform the performance. The improvement was aimed at. This decompression method primarily contributes to lowering the concentration of nitrogen in the adsorption column and affects purity by redistributing the components present in the column as well as redistributing components. In the pressure equalization step, the carbon dioxide discharged from the decompression step is released. In addition to the increase in recovery rate due to the effect of preventing the maximum, the pressure difference of the reduced pressure is increased by connecting with the tower of the vacuum to increase the amount of desorption obtained by the combined action will lead to an improvement in performance. Among the connection methods, the best performance is achieved in the case of the process of pressure equalization and pressure equalization at the top of the tower. This means that increasing the nitrogen concentration at the top of the tower by pressurizing with a large amount of nitrogen in the direction of the top of the tower where a large amount of nitrogen is present helps to improve performance. On the other hand, when the pressure is reduced in the bottom direction of the tower is greatly influenced according to the direction of the press, the case of pressing in the direction of the tower bottom was superior to the case of pressing in the direction of the tower top. This means that when pressurized toward the bottom of the tower, a large amount of carbon dioxide is present in the lower part of the column, thereby assisting the adsorption of carbon dioxide when the feed is introduced. This will leak out of the tower and cause performance degradation. As a result, the introduction of a pressure equalization step does not always increase the recovery rate or purity, and when the pressure equalization step is introduced, work must be taken into account in the tower. In the present invention, the optimum performance was obtained by simultaneously using the pressure equalization step of connecting the tops of the two towers together with the cocurrent pressure reduction.
감압과 압력균등화를 병행했을 때의 효과 중에서 압력균등화단계를 어디서 중지하는 것이 가장 좋은지를 알아보면, 압력균등화단계의 최종 평형압력의 효과는 최종 압력이 낮을수록, 다시 말해, 충분한 시간 압력균등화를 수행할수록 좋은 성능을 보이는데 본 발명에서는 작업압력이 1.5기압이고 탈착압력이 0.1기압일 때 병류감압을 거친 후 상압과 잔공 상태를 연결하여 충분히 방치한 압력인 0.55기압에서 최고의 성능을 얻었다. 이것은 이산화탄소에 비해 질소의 탈착이 우세하여 감압단계를 거친 후 압력균등화단계가 진행되더라도 감압단계에서의 이산화탄소의 손실은 거의 없음을 의미한다. 즉, 갑압단계에서는 거의 대부분 질소만 탈착되며 상압에서 균등화 압력까지 감압되는 과정에서의 이산화탄소의 손실을 줄여줌으로써 순도를 향상시킬 수 있다. 또한 감압균등화단계에서 압력을 충분히 빼 주어도 손실되는 이산화탄소의 양은 상당히 적으며 감압을 통하여 최대한 많은 양의 질소를 제거하는 것이 성능 향상에 도움이 된다는 것을 의미한다. 따라서 탑간의 압력이 같아질 때까지 충분히 압력균등화 과정을 진행하는 것이 본 발명에서의 압력균등화 조건이다.From the effects of decompression and pressure equalization, where is the best stopping of the pressure equalization step ?, the effect of the final equilibrium pressure of the pressure equalization step is that the lower the final pressure, that is, the sufficient time pressure equalization is performed. The better performance is shown in the present invention, the working pressure is 1.5 atm and the desorption pressure is 0.1 atm. This means that the desorption of nitrogen is superior to that of carbon dioxide, and even though the pressure equalization step proceeds, there is almost no loss of carbon dioxide in the depressurization step. That is, in the pressure reduction step, almost all nitrogen is desorbed and purity can be improved by reducing the loss of carbon dioxide in the process of decompression from normal pressure to equalization pressure. In addition, even if the pressure is sufficiently reduced in the decompression equalization step, the amount of carbon dioxide that is lost is considerably small, which means that removing as much nitrogen as possible through decompression helps to improve performance. Therefore, it is a pressure equalization condition in the present invention that the pressure equalization process is sufficiently performed until the pressure between the towers is the same.
제5단계의 생성물에 의한 병류가압단계(150)는 압력균등화단계(140)가 끝난 직후 흡착탑(1)(2)(3) 내부를 이산화탄소가 대부분인 생성물을 이용하여 상압까지 가압하는 단계이다. 이는 흡착탑(1)(2)(3) 내부에 아직도 많은 양을 차지하고 있는 질소를 이산화탄소로 대체하기 위한 방법으로 이용되었으며 이 과정은 생성물 세정단계(160)를 진행하는 과정에서 세정 직전의 흡착탑(1)(2)(3) 내의 압력이 상압보다 낮으므로 이를 상압까지 올려주는 역할을 하는데, 이 단계에서도 상당량의 이산화탄소가 흡착탑(1)(2)(3) 내에 재 흡착하게 된다.The co-pressurization step 150 by the product of the fifth step is a step of pressurizing the inside of the adsorption tower 1, 2, 3 immediately after the pressure equalization step 140 to atmospheric pressure using most of the carbon dioxide. This method was used to replace nitrogen, which still occupies a large amount in the adsorption tower (1) (2) (3), with carbon dioxide. This process was carried out in the adsorption tower (1) immediately before the product cleaning step (160). Since the pressure in the (2) (3) is lower than the normal pressure, it serves to raise it to the normal pressure. In this step, a considerable amount of carbon dioxide is resorbed in the adsorption tower (1) (2) (3).
제6단계의 생성물을 이용한 세정단계(160)는 흡착탑(1)(2)(3) 내부에 이산화탄소만 존재하도록 바꾸어주는 실질적인 과정이다. 이 단계는 생성물의 순도 향상을 위해 가장 중요한 단계로써 전체 공정 중 생성물의 순도를 향상시키는 가장 중요한 단계이다. 세정단계(160)를 도입함으로써 순도가 크게 향상되게 되는데 이는 세정단계(160)에서 감압(130) 및 압력균등화단계(140) 이후 탑 내에 남아있는 질소를 이산화탄소로 치환해 줌으로써 탑 내의 이산화탄소 농도를 높여주는 역할을 하기 때문이다. 따라서 세정단계(160)는 이산화탄소 회수용 압력균등화공정의 순도 향상에 가장 중요한 역할을 한다고 할 수 있다. 또 다른 중요한 사항은 세정 직전에 압력균등화단계가 포함된 공정의 성능이 그렇지 않은 공정의 성능보다 우수하다는 것이다. 이는 이산화탄소 세정 이전에 최대한으로 탑 내의 질소를 제거한 경우가 되므로 앞에서 언급한 압력균등화의 영향이라고 할 수 있다. 이와 함께 압력균등화는 생성물 저장 탱크(51)와 탑간의 압력차를 증가시키게 되고 이는 저압에서의 질소와 이산화탄소의 상대적인 흡착량의 차이가 크다는 이유에서 이산화탄소의 재흡착을 촉진시키게 된다. 즉, 최적의 성능을 얻기 위해서는 세정단계(160)와 함께 압력균등화단계의 도입이 필수적이다.The washing step 160 using the product of the sixth step is a substantial process of changing the presence of only carbon dioxide in the adsorption tower (1) (2) (3). This step is the most important step to improve the purity of the product and is the most important step to improve the purity of the product during the whole process. Purity is greatly improved by introducing the washing step 160, which increases the concentration of carbon dioxide in the tower by substituting the carbon dioxide remaining in the tower with carbon dioxide after the decompression 130 and the pressure equalization step 140 in the washing step 160. Because it plays a role. Therefore, the cleaning step 160 may be said to play the most important role in improving the purity of the pressure equalization process for carbon dioxide recovery. Another important point is that the performance of a process with a pressure equalization step just prior to cleaning is superior to that of a process that does not. This can be said to be the effect of pressure equalization mentioned above because the nitrogen in the tower is removed as much as possible before the carbon dioxide cleaning. Along with this, the pressure equalization increases the pressure difference between the product storage tank 51 and the column, which promotes the resorption of carbon dioxide due to the large difference in the relative adsorption amount of nitrogen and carbon dioxide at low pressure. That is, the introduction of a pressure equalization step together with the cleaning step 160 is essential to obtain optimal performance.
이와 더불어 환류비도 공정의 성능에 많은 영향을 미치게 되는데 세정단계 (160)에서의 환류비에 따라 회수율은 감소하지만 순도에 비해 감소 폭이 작기 때문에 세정단계(160)의 도입은 전체적으로 공정의 성능을 향상시킴을 알 수 있다. 따라서 일정한 조업조건에서 원하는 성능을 얻기 위해서는 조업변수로서 환류비를 적절히 조절하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 진공 탈착단계(170)에서 얻어지는 고순도의 이산화탄소를 제5단계의 생성물 가압과정(150)에서 이용하는데 있어서 초기에 얻어지는 이산화탄소를 세정되는 탑이 상압이 될 때까지 모두 보내고 세정되는 탑이 상압이 되는 순간부터 생성물로 이산화탄소를 얻도록 하였다. 이때의 환류비는 0.4 정도가 된다.In addition, the reflux ratio also has a significant effect on the performance of the process. The recovery rate decreases according to the reflux ratio in the washing step 160, but since the reduction is small compared to the purity, the introduction of the washing step 160 improves the overall performance of the process. It can be seen. Therefore, it is important to properly control the reflux ratio as an operating variable to achieve the desired performance under certain operating conditions. In the present invention, the high-purity carbon dioxide obtained in the vacuum desorption step 170 is used in the product pressurization process 150 of the fifth step. From this moment, carbon dioxide was obtained as a product. The reflux ratio at this time is about 0.4.
제7단계의 진공탈착단계(170)는 실제로 공정의 생성물인 이산화탄소를 회수하는 단계로서 세정이 끝난 흡착탑(1)(2)(3)에서 진공펌프(4)를 이용하여 이산화탄소를 탈착, 회수하는 단계이다. 이 단계에서도 환류비가 중요하며 환류비에 따라 공정의 성능이 달라지게 된다. 순수기체의 흡착등온선에서 알 수 있듯이 탈착압력이 낮을수록 상대적인 흡착량의 차이가 커지게 되어 더 좋은 성능을 얻을 수 있다. 그러나 무조건 탈착압력을 낮추는 것은 작업비용의 증가를 초래하게 되므로 적절한 탈착압력을 결정하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 탈착압력이 0.05∼0.1기압일 때가 가장 적절하였다.The vacuum desorption step 170 of the seventh step is to recover carbon dioxide, which is actually a product of the process, by desorbing and recovering carbon dioxide using the vacuum pump 4 in the cleaned adsorption tower (1) (2) (3). Step. The reflux ratio is also important at this stage and the performance of the process depends on the reflux ratio. As can be seen from the adsorption isotherm of the pure gas, the lower the desorption pressure, the greater the difference in the relative adsorption amount, so that better performance can be obtained. However, lowering the desorption pressure unconditionally leads to an increase in operating costs, so it is important to determine the appropriate desorption pressure. In the present invention, it is most appropriate when the desorption pressure is 0.05 to 0.1 atmosphere.
제8단계의 향류가압형 압력균등화단계(180)는 제4단계의 병류감압형 압력균등화단계(140)와 연결되는 단계로 탈착이 끝난 상태의 흡착탑이 흡착이 끝난 상태의 흡착탑과 연결되는 과정이다.The countercurrent pressure type pressure equalization step 180 of the eighth step is a step connected to the cocurrent pressure reduction type pressure equalization step 140 of the fourth step, in which the adsorption tower in the desorption state is connected to the adsorption tower in the adsorption state. .
이상의 8단계는 각 흡착탑에 대하여 동일하게 연속적으로 조업이 이루어지며 이러한 과정을 이용하면 순도 99.8%의 이산화탄소를 생성물로 얻을 수 있다.In the above eight steps, the same operation is continuously performed for each adsorption tower, and using this process, carbon dioxide having a purity of 99.8% can be obtained as a product.
이하 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만 이들은 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것으로서 이들 실시예가 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and accompanying drawings. However, these are intended to describe the present invention in more detail, these examples do not limit the technical scope of the present invention.
＜ 실시예 1 ＞<Example 1>
흡착탑(1)(2)(3)에 흡착제로 표면적(1300m2/g), 기공부피(0.6cm3/g)가 제올라이트보다 큰 표면적과 기공부피를 가지는 활성탄을 채운 후 원료기체를 전체유량을 기준으로 분당 10리터가 되도록 조절하였다. 흡착압력은 1.5기압으로 설정하고 탈착압력은 0.1기압, 압력균등화단계에서의 평형압력은 0.55기압으로 유지하였으며 원료기체로서 17%의 이산화탄소, 79%의 질소 및 4%의 산소가 혼합된 가스를 이용하고 사용한 흡착장치 및 흡착제의 규격은 아래의 표 1과 같다.Fill the adsorption tower (1) (2) (3) with activated carbon with surface area (1300m 2 / g) and pore volume (0.6cm 3 / g) with pore volume and pore volume larger than zeolite with adsorbent. It was adjusted to be 10 liters per minute as a reference. The adsorption pressure was set at 1.5 atm, the desorption pressure was maintained at 0.1 atm, and the equilibrium pressure at the pressure equalization step was maintained at 0.55 atm. As a raw material gas, a mixture of 17% carbon dioxide, 79% nitrogen and 4% oxygen was used. The specifications of the adsorption device and the adsorbent used are shown in Table 1 below.
표 1. 흡착제 및 흡착탑의 사양Table 1. Specifications of adsorber and adsorption tower
도 1에서와 같이 본 발명의 장치는 흡착탑(1)(2)(3)과 진공펌프(4), 분기관 (5)(6)(7)(8)(9)(10), 자동개폐밸브(11∼16)(21∼26)(31∼36), 유량조절밸브(42) (43), 압력조절밸브(41)로 구성되어 있다. 우선 질소가 주성분인 원료기체는 유량조절밸브(42)를 지나 유량이 일정하게 조절되어 분기관(5), 자동개폐밸브(11)(21) (31)를 통해서 각 흡착탑(1)(2)(3)으로 도입되고 흡착탑(1)(2)(3)을 통과하여 자동개폐밸브(15)(25)(35)를 거쳐 분기관(9)을 통해 외부로 배출된다. 이때 분기관(9)의 끝에는 공정 전체의 조업압력을 제어하고 유지하기 위한 압력조절밸브(41)가 부착되어 있다. 일단 흡착제에 의해 원료기체의 흡착이 완료되게 되면 흡착탑 안의 압력을 상압까지 감압시키게 되는데 이때는 병류감압을 실시하며 자동개폐밸브 (14)(24)(34)와 분기관(8)을 거쳐 외부로 질소가 배출되며 이 과정에서 손실되는 이산화탄소는 거의 없다. 상압까지 감압된 흡착탑은 흡착이 끝난 탑과 탈착이 끝난 탑이 서로 연결되어 압력을 더 낮추게 되는데 이때는 탑 상부끼리 자동개폐밸브 (16)(26)(36)에 의해서 분기관(10)으로 연결된다. 이 상태에서 생성물인 이산화탄소의 일부를 이용하여 세정을 실시하게 되는데 방향은 병류로써 자동개폐밸브(12) (22)(32)와 분기관(6)을 이용하여 각 흡착탑(1)(2)(3)의 하부로 기체가 공급된다. 이를 위하여 분기관(6)의 끝에는 유량조절밸브(43)가 설치된다. 최종적으로 생성물을 얻게되는 탈착단계에서는 분기관(7)에 연결된 진공펌프(4)를 이용하여 자동개폐밸브(13)(23)(33)를 통해 생성물인 이산화탄소를 얻게된다. 또한 진공펌프(4)와 연결하여 생성된 이산화탄소의 환류를 위하여 생성물 저장탱크(51)가 위치한다.As shown in Fig. 1, the apparatus of the present invention is a suction tower (1) (2) (3) and vacuum pump (4), branch pipe (5) (6) (7) (8) (9) (10), automatic opening and closing The valves 11-16, 21-26, 31-36, the flow regulating valves 42 and 43, and the pressure regulating valve 41 are comprised. First, the raw material gas mainly composed of nitrogen passes through the flow regulating valve 42, and the flow rate is regulated uniformly so that the respective adsorption towers 1, 2 are provided through branch pipes 5 and automatic opening and closing valves 11, 21, 31. It is introduced into (3) and passed through the adsorption tower (1) (2) (3) and is discharged to the outside through the branch pipe (9) via the automatic opening and closing valves (15, 25, 35). At this time, the end of the branch pipe (9) is attached with a pressure control valve 41 for controlling and maintaining the operating pressure of the whole process. Once the adsorption of the raw material gas is completed by the adsorbent, the pressure in the adsorption tower is reduced to atmospheric pressure. Is emitted and little carbon dioxide is lost in this process. The adsorption tower depressurized to the atmospheric pressure is connected to the adsorption tower and the desorption tower to each other to further lower the pressure. In this case, the upper portions of the adsorption towers are connected to the branch pipes 10 by the automatic opening and closing valves 16, 26, 36. . In this state, washing is performed using a part of carbon dioxide, which is a product, and the direction is co-current, and the respective adsorption towers 1, 2, (2) using the automatic opening / closing valves 12, 22, 32 and branch pipes 6 are used. Gas is supplied to the bottom of 3). To this end, the flow control valve 43 is installed at the end of the branch pipe 6. In the desorption step of finally obtaining the product, carbon dioxide, which is a product, is obtained through the automatic opening / closing valves 13, 23, 33 using the vacuum pump 4 connected to the branch pipe 7. In addition, the product storage tank 51 is positioned for the reflux of the carbon dioxide generated by connecting to the vacuum pump (4).
도 2는 본 발명의 장치를 운전하는 순서를 나타낸 것으로 세 개의 흡착탑(1) (2)(3)이 같은 순서로 주기적으로 운전되기 위한 조건을 나타낸다. 즉 하나의 흡착탑이 가압(110)과 흡착(120) 그리고 병류감압(130)을 실시하는 동안 다른 두 개의 탑은 진공탈착(170)과 생성물을 이용한 세정단계(160)를 진행하게 된다. 두 개의 탑간에 압력균등화단계(180)가 진행되는 동안 나머지 하나의 탑은 잠시 정지단계 (200)를 갖게 되는데 이는 탈착단계의 생성물 흐름이 잠시 멈추기 때문이다. 이러한 과정을 주기적으로 운전하기 위하여 각각의 자동개폐밸브(11∼16)(21∼26)(31 ∼36)들은 아래의 표 2에 나타난 형태로 작동되게 된다.Fig. 2 shows the procedure for operating the apparatus of the present invention and shows the conditions for the three adsorption towers 1, 2, 3 to be operated periodically in the same order. That is, while one adsorption tower performs pressure 110, adsorption 120, and cocurrent decompression 130, the other two towers undergo vacuum desorption 170 and a washing step 160 using the product. While the pressure equalization step 180 is performed between the two towers, the other tower has a stop step 200 for a short time because the product flow of the desorption step stops for a while. In order to periodically operate this process, each of the automatic opening and closing valves 11 to 16 (21 to 26) and 31 to 36 is operated in the form shown in Table 2 below.
표 2. 자동개폐밸브의 동작Table 2. Operation of automatic shut off valve
○ : 밸브가 열린 상태○: valve open
도 3은 도 2 및 표 2의 순서로 조업이 되는 과정에서 한번의 순환과정 중의 압력변화를 나타낸 그림이다. 즉, 흡착은 상압 이상의 압력(본 발명에서는 1.5기압)에서 진행되며 두 번의 감압과정을 통해 중간압력(0.55기압)에 도달하게 되며 이후 생성물의 일부를 사용하여 가압과 세정을 동시에 실시하게 된다.3 is a view showing a pressure change during one cycle in the process of operation in the order of Figure 2 and Table 2. That is, the adsorption proceeds at a pressure higher than the normal pressure (1.5 atm in the present invention) and reaches the intermediate pressure (0.55 atm) through two depressurization processes, and then pressurization and washing are performed simultaneously using a part of the product.
각 스텝의 작업 시간은 1번에서 5번 스텝까지가 주기적으로 반복되게되며 생성물에 의한 병류가압단계(150)인 첫 번째 스텝은 흡착탑이 자연스럽게 1기압까지 올라가는데 걸리는 시간으로 정하였으며 원료기체를 이용한 가압단계(110)도 역시 원료기체에 의한 흡착탑 내의 압력이 흡착압력에 도달하는 시간으로 결정하였다. 감압단계(140) 및 압력균등화단계(150) 역시 원하는 압력에 도달하는 시간으로 정하였다. 다만 흡착단계(120)만이 성능 향상을 위하여 조절해야 하는 시간으로 350초를 이용하였다. 이는 본 발명의 부수적인 장점으로써, 작업 시간을 결정하는데 있어서 운전 조건에 따라 자연스럽게 대부분 결정되므로 작업 조건을 결정하기가 매우 용이하다.The working time of each step is repeated from step 1 to step 5 periodically. The first step, which is the co-pressurization step 150 by the product, is defined as the time taken for the adsorption tower to naturally rise to 1 atm. Pressing step 110 was also determined as the time to reach the adsorption pressure of the pressure in the adsorption tower by the raw material gas. Decompression step 140 and pressure equalization step 150 was also determined as the time to reach the desired pressure. However, only the adsorption step 120 used 350 seconds as the time to be adjusted to improve the performance. This is a side advantage of the present invention, since it is most determined naturally according to the operating conditions in determining the working time, it is very easy to determine the working conditions.
도 4는 본 발명에서 제시된 조업방법과 다른 일반적인 방법과의 결과를 비교한 그림이다. 그림에서 순도는 사선으로 표시된 막대그래프로 표시하였고 회수율은 흰색 막대그래프로 표시하였다. 도 4에서 볼 수 있듯이 본 발명에서 제시한 방법을 이용하면 다른 방법들 보다 우수한 순도를 얻을 수 있다.4 is a diagram comparing the results of the operation method and the other general method presented in the present invention. In the figure, the purity is indicated by the bar graph indicated by the diagonal line and the recovery rate is indicated by the white bar graph. As can be seen in Figure 4 using the method proposed in the present invention can obtain a superior purity than other methods.
표 2의 순서를 따라 본 발명의 장치를 순환 작업하여, 99.8%의 순도로 이산화탄소를 생성물로서 얻을 수 있었으며 이때 회수율은 도입된 이산화탄소를 기준으로 51%를 나타내었다.By circulating the apparatus of the present invention in the order of Table 2, it was possible to obtain carbon dioxide as a product with a purity of 99.8%, with a recovery of 51% based on the introduced carbon dioxide.
＜실시예 2＞<Example 2>
원료기체로서 화력발전소 연소가스의 성분과 비슷한 13%의 이산화탄소, 82%의 질소 및 5%의 산소를 혼합하여 이용하였다. 세 개의 흡착탑(1)(2)(3)에 흡착제로 활성탄을 채운 후 원료기체를 전체유량을 기준으로 분당 10리터가 되도록 조절하였다. 흡착시간(3번 스텝)은 470초, 흡착압력은 1.5기압으로 설정하고 탈착압력은 0.1기압, 압력균등화단계에서의 평형압력은 0.55기압으로 유지하였다. 실시예 1에서와 같은 방법으로 표 2의 순서를 따라 본 발명의 장치를 순환 작업하여, 99.7%의 순도로 이산화탄소를 생성물로서 얻을 수 있었으며 이때 회수율은 도입된 이산화탄소를 기준으로 40%를 나타내었다.As a raw material gas, 13% of carbon dioxide, 82% of nitrogen, and 5% of oxygen, which are similar to those of a combustion power plant of a coal fired power plant, were mixed. Three adsorption towers (1), (2) and (3) were filled with activated carbon with an adsorbent and the raw material gas was adjusted to 10 liters per minute based on the total flow rate. The adsorption time (step 3) was set at 470 seconds, the adsorption pressure was set to 1.5 atm, the desorption pressure was maintained at 0.1 atm, and the equilibrium pressure at the pressure equalization step was maintained at 0.55 atm. By circulating the apparatus of the present invention in the same manner as in Example 1, it was possible to obtain carbon dioxide as a product with a purity of 99.7%, with a recovery of 40% based on the introduced carbon dioxide.
본 발명은 진공공정에 병류감압, 탑상부 연결형 압력균등화, 생성물을 이용한 세정을 조합하여 구성되는 것이 특징으로서 하나의 진공펌프와 3개의 흡착탑만으로 원하는 순도의 생성물을 얻을 수 있으므로 장치비가 적게들고 진공펌프 1대의 전력비용 만으로 운전이 가능하여 경제적이다.The present invention is characterized by combining the co-current decompression, top column-type pressure equalization, cleaning with the product in the vacuum process, it is possible to obtain the desired purity of the product with only one vacuum pump and three adsorption tower, so the equipment cost is low and vacuum pump It is economical because it can operate with only one power cost.
또한 종래의 강한 흡착질을 회수하는 압력변동흡착장치에서 4개 이상의 흡착탑을 이용하는데 반해 본 발명에서는 단지 3개의 흡착탑만을 이용하여 순도가 높은 이산화탄소를 얻기 위하여 두 탑의 상부를 이어주는 압력균등화단계와 생성물을 이용하는 세정단계를 함께 이용하거나 또는 압력균등화단계와 생성물 세정단계는 별도로 각각 사용하여 생성물의 순도를 향상시킬 수 있다.In addition, in the present invention, four or more adsorption towers are used in a pressure swing adsorption apparatus for recovering a strong adsorbate, whereas in the present invention, only three adsorption towers are used to obtain a pressure equalization step and a product connecting two towers to obtain high purity carbon dioxide. The cleaning steps used together or the pressure equalization and product wash steps can be used separately to improve the purity of the product.
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