KR20190074414A - 다단 분리막을 이용한 제철 부생가스로부터의 고농도 유효가스의 분리 방법 및 장치 - Google Patents

다단 분리막을 이용한 제철 부생가스로부터의 고농도 유효가스의 분리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다단 분리막을 이용한 제철 부생가스로부터의 고농도 유효가스의 분리 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유효가스 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제철 부생가스를 제1 흡기 모듈에 공급하는 단계; 제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 직렬로 연결된 제2 흡기 모듈에 공급하는 단계; 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈에 각각 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 흡수액을 병렬로 공급하는 단계; 제2 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 회수하는 단계; 및 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈로부터 획득되는 이산화탄소 함유 흡수액으로부터 이산화탄소를 탈기하는 단계를 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법; 및 이에 사용될 수 있는 장치에 관한 것이다.

Description

다단 분리막을 이용한 제철 부생가스로부터의 고농도 유효가스의 분리 방법 및 장치{Method for producing high concentration effective gas using multi membrane from by-product gas generated from steelworks and device for the same}
본 발명은 다단 분리막을 이용한 제철 부생가스로부터의 고농도 유효가스의 분리 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게 다단 분리막을 이용하여 유효 가스를 고순도로 생산할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
제철 산업 또는 화학 산업에서 발생하는 산업 부생 가스는 일반적으로 연료용으로 사용하지만 촉매 공정 등의 다양한 방법을 통해 더욱 고부가가치화가 가능하다. 예를 들어, 고발열량의 연료로 전환하거나, 기초 화학제품인 일산화탄소, 수소, 또는 기타 화학 제품으로 전환이 가능하다. 이러한 유효 가스를 생산하기 위한 공정 중 효율적인 방안으로 수성가스 전환 공정을 통해 수소를 생산하거나, 생산된 수소와 일산화탄소를 이용해 메탄 등을 생산하는 방법이 있다.
다만, 이러한 유효 가스를 효율적으로 사용하기 위해서는 가스의 고순도화가 필요하며, 이와 함께 공정 중 발생한 이산화탄소 및 최초 공급가스에 포함된 이산화탄소를 제거가 반드시 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0075057호는 수소와 이산화탄소를 포함한 제철 부생가스로부터 수소를 분리하기 위한 분리막 접촉기를 개시하고 있다. 분리막 접촉기를 이용한 이산화탄소 분리의 핵심은 이산화탄소를 포함한 공급 기체(Feed)와 흡수액의 접촉 면적과 시간이며, 이산화탄소의 제거를 위해서는 많은 접촉이 필요하고, 많은 접촉은 대한민국 공개특허 제10-2017-0075057호와 같이 분리막의 길이를 늘려 획득할 수 있다. 그러나, 분리막이 길어질수록 유효 가스는 분압에 의해 이산화탄소와 같이 용해되어 손실되게 되는 것으로, 이산화탄소 제거율 높이고자 공정을 구성하면 유효가스 회수율이 낮게 되며, 유효가스 손실을 낮추면 이산화탄소 제거율이 낮아 결국 농축 가스에는 이산화탄소의 농도가 높아 분리막을 사용한 의미가 없으며, 고순도의 유효가스를 생산하는 것을 목적으로 하는 적용처에는 맞지 않는 문제가 있다.
종래의 공정을 이용한 분리 공정에서는 고순도의 유효가스를 얻기 위해 PSA나 흡착제를 이용한 후처리 공정이 수행되었으나, 이러한 추기의 공정은 공정 경제 상 바람직하지 않으며, 경제성을 저하시키는 문제가 있다.
따라서, 이산화탄소 분리와 함께 고순도의 유효가스 회수가 가능한 공정이 제공되는 경우에는 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에, 본 발명의 한 측면은 유효가스를 고순도로 생산할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 유효가스를 고순도로 생산할 수 있도록 하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 유효가스 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제철 부생가스를 제1 흡기 모듈에 공급하는 단계; 제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 직렬로 연결된 제2 흡기 모듈에 공급하는 단계; 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈에 각각 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 흡수액을 병렬로 공급하는 단계; 제2 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 회수하는 단계; 및 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈로부터 획득되는 이산화탄소 함유 흡수액으로부터 이산화탄소를 탈기하는 단계를 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 유효가스 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제철 부생가스가 공급되는 제1 흡기 모듈; 제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체가 공급되는 제2 흡기 모듈; 제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 제2 흡기 모듈로 직렬로 공급하는 기체 유입 라인; 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈에 각각 병렬로 흡수액을 공급하는 흡수액 공급라인; 및 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈을 통과한 흡수액으로부터 기체를 탈기하는 탈기 모듈을 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면 분리막 접촉기를 이용해 제철 부생가스로부터 이산화탄소를 효율적으로 분리할 수 있으며, 이와 함께 고순도의 유효가스를 생산할 수 있다. 또한, 고순도의 유효가스를 얻기 위한 후처리 공정이 요구되지 않으므로, 공정 경제 상 바람직하며, 제조 원가를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법에서의 유체 흐름을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법에서의 공정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법에서의 상세 공정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 다른 예시적인 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법에서의 공정을 도식적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 분리막 접촉기를 이용해 제철 부생가스로부터 이산화탄소를 효율적으로 분리하고, 이와 함께 고순도의 유효가스를 생산할 수 있는 공정에 제공된다.
본 발명의 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법은 유효가스 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제철 부생가스를 제1 흡기 모듈에 공급하는 단계; 제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 직렬로 연결된 제2 흡기 모듈에 공급하는 단계; 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈에 각각 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 흡수액을 병렬로 공급하는 단계; 제2 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 회수하는 단계; 및 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈로부터 획득되는 이산화탄소 함유 흡수액으로부터 이산화탄소를 탈기하는 단계를 포함하는 것이다.
보다 상세하게, 본 발명은 유효가스 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제철 부생가스를 제1 흡기 모듈에 공급하는 단계에 의해 제1 흡기 모듈의 분리막 하단으로부터 분리된 기체를 직렬로 연결된 제2 흡기 모듈에 공급한다. 다만, 이때 상기 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈에 각각 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 흡수액을 병렬로 공급하여, 각 흡기 모듈에 새로운 흡수액이 공급될 수 있도록 하며, 후속적으로 제2 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 유효 기체를 회수하고, 한편 상기 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈로부터 각각 획득되는 이산화탄소 함유 흡수액으로부터 이산화탄소를 탈기하는 단계를 수행한다.
나아가, 상기 탈기된 흡수액을 흡기 모듈에 재공급하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 흡기 모듈은 중공사(hollow fiber) 분리막일 수 있으며, 상기 공급 가스는 중공사 내부로 주입될 수 있다. 한편, 흡기액은 흡기 모듈의 흡기액 충진 공간으로 공급되어 공급가스와 흡기액이 기체-액체 접촉을 할 수 있도록 한다.
이때 상기 흡기액이 공급되는 유량은 공급되는 공급가스인 제철 부생가스의 유량에 대응하여, 흡수제 공급부 내 펌프를 통해 유량을 변화시키는 것이 바람직하다. 이때, 흡수제가 공급되는 유량은 예를 들어 0.5 L/min 내지 20 L/min 일 수 있으나, 제철 부생가스와 효과적으로 접촉할 수 있는 유량이라면 이에 제한하는 것은 아니며, 추가적인 흡기 모듈을 더 구비함에 따라 변경될 수 있다. 바람직하게는 공급기체의 0.5 내지 1.5 배의 유량으로 공급한다.
본 발명에 적용될 수 있는 흡기 모듈은 예를 들어, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리프로필렌(PP), 퍼플루오르알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkanes), 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 에틸렌플루오리네이티드에틸렌프로필렌(EFEP) 및 폴리페닐린(polyphenylene)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재질로 제조된 중공사 분리막으로 이루어지는 것일 수 있다.
한편, 본 발명에 적용될 수 있는 다른 흡기 모듈은 예를 들어, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti), 망간(Mn), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 아연(Zn)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 또는 이의 산화물로 제조된 무기 분리막으로 이루어지는 것일 수 있으며, 예를 들어 실리카, 알루미나, 타이타니아 등의 재질로 제조된 무기 분리막으로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 공급되는 제철 부생가스는 가스 공급부를 통해 중공사 분리막 내부로 공급되며, 이렇게 공급된 제철 부생가스는 중공사 분리막의 기공으로 확산되며, 흡기액 충진 공간으로 유입되는 흡기액과 접촉하고, 대부분 제철 부생가스의 이산화탄소만 선택적으로 용해된다. 용해되지 않은 나머지 가스는 흡기 모듈 외부로 배출된다.
본 발명에 적용될 수 있는 상기 제철 부생가스는 10 내지 90 부피%의 이산화탄소 및 10 내지 90 부피%의 유효가스를 포함하는 것으로, 상기 유효가스는 수소, 메탄 및 일산화탄소로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 이때, 상기 제철 부생가스는 질소, 물, 산소 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제철 부생가스는 수성가스 전환(WGS;Water-Gas Shift) 공정이 수행된 제철 부생가스를 사용할 수 있으며, 이때 수성가스 전환이 수행된 상기 제철 부생가스는 15 부피% 내지 50 부피%의 수소를 포함할 수 있고, 바람직하게는 15 부피% 내지 40 부피%의 수소를 포함할 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법은 수분이 포함된 제철 부생가스라 할지라도 효율적으로 수행 가능하여, 수성가스 전환 공정이 꼭 수행된 가스가 필요한 것은 아니다.
상기 수성가스 전환이란, 제철 부생가스인 고로가스(BFG;Blast Furnace Gas), 전로가스(LDG;Linz-Donawitz Converter Gas) 등에 포함된 일산화탄소를 다시 수증기와 반응시켜 수소를 생성하는 공정이며, 반응식은 하기와 같다.
<반응식>
CO + H2O → CO2 + H2
수소의 생성을 극대화하기 위해서는 모든 일산화탄소를 이 반응을 사용하여 이산화탄소로 및 수소로 변환시키는 것이 바람직하나, 본 발명에 따른 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법은 물과 일산화탄소가 포함된 가스라 할지라도 이산화탄소 포집 및 수소 회수가 가능하며, 더욱이 수소를 고순도로 획득할 수 있다.
또한, 상기 수성가스 전환 반응한 가스를 흡착제 등을 이용하여 수분 제거 공정을 더 추가할 수 있다.
상기 제철 부생가스는 0.1bar 내지 60bar의 압력으로 제1 흡기 모듈에 공급될 수 있고, 바람직하게는 0.5bar 내지 15bar 일 수 있으나, 이산화탄소가 효과적으로 흡수제에 용해될 수 있는 압력이라면 이에 제한하는 것은 아니다.
나아가, 상기 제철 부생가스와 흡기액의 유량비(제철 부생가스 유량/흡기액 유량)는 0.01 내지 1일 수 있고, 0.05 내지 1일 수 있으며, 0.1 내지 1인 것이 바람직하나, 제철 부생가스와 흡기액이 효율적으로 접촉할 수 있는 유량비라면 이에 제한하는 것은 아니다.
한편, 흡기 모듈은 제철 부생가스 중 이산화탄소가 선택적으로 흡기액에 용해될 수 있도록 흡기 모듈 내의 압력을 조절하는 것이 바람직하다. 제철 부생가스의 경우, 이산화탄소만 선택적으로 흡수제에 용해되는 특성을 보이지만, 일반적인 대기압 하에서는 용해도가 그리 높지 않으므로 흡수제 압력 제어부와 가스 압력제어부를 통해 흡기 모듈 내의 제철 부생가스와 흡수제의 압력을 조절할 수 있다.
이때, 흡기 모듈 내 제철 부생가스의 압력은 0.1bar 내지 60bar일 수 있고, 바람직하게는 0.5bar 내지 15bar 일 수 있으나, 이산화탄소가 효과적으로 흡수제에 용해될 수 있는 압력이라면 이에 제한하는 것은 아니다.
또한, 흡기 모듈 내 흡기액의 압력은 0.1bar 내지 60bar일 수 있고, 바람직하게는 0.5bar 내지 15bar 일 수 있으나, 이산화탄소가 효과적으로 흡기액에 용해될 수 있는 압력이라면 이에 제한하는 것은 아니다. 다만 공급 기체보다 높은 압력을 유지하여야 유효 가스가 손실되는 것을 방지할 수 있다. 바람직하게는 공급기체보다 0.3 내지 7.0 bar 높게 공급하여야 하며, 흡기액이 분리막 접촉기와의 소수성을 잃고 기공 내로 침투하는 젖음 현상을 일으키는 압력 미만으로 운전하는 압력이라면 이에 제한하는 것은 아니다.
이와 같이 흡기 모듈 내 압력을 증가시키더라도 이산화탄소를 제외한 부생가스 내 다른 기체들은 흡수제에 용해되지 않으므로, 이산화탄소가 제철 부생가스로부터 효과적으로 분리될 수 있다.
다만, 흡기 모듈 내 압력이 60bar 을 초과하면, 중공사 분리막 또는 하우징이 붕괴될 우려가 있고, 0.1bar 미만이면 유효가스가 탈기부로 손실된다.
제2 흡기 모듈의 분리막으로부터 흡기액에 용해되지 않아 분리된 기체를 회수하며, 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈로부터 획득되는 이산화탄소 함유 흡수액으로부터 이산화탄소를 탈기한다.
상기 탈기 모듈 내의 압력은 상압 또는 진공일 수 있으나, 흡기액 내 이산화탄소가 탈기될 수 있는 압력이라면 이에 제한하는 것은 아니다.
탈기 모듈은 흡기액에 용해된 이산화탄소를 탈기시킬 수 있으며 이를 탈기 모듈의 중공사 분리막 내부로 공급할 수 있다. 보다 상세하게, 상기 이산화탄소가 용해된 흡기액을 탈기 모듈의 흡기액 충진 공간으로 공급하고, 탈기 모듈의 중공사 분리막 내부 기체를 외부로 배출하고, 상기 흡기액에 용해된 이산화탄소가 탈기될 수 있도록 상기 탈기 모듈 내의 압력을 조절하여 이산화탄소가 탈기된 흡기액과 탈기된 이산화탄소를 분리 배출할 수 있다.
상기 탈기 모듈의 중공사 분리막 내부 공간은 중공사 분리막 외부에 흡기액에 용해된 이산화탄소를 통해 탈기된 이산화탄소가 공급될 수 있고, 이산화탄소가 최종적으로 분리되어 배출될 수 있다.
상기 탈기 모듈 내의 압력을 조절하여, 흡기액에 용해된 이산화탄소가 효과적으로 탈기 모듈의 중공사 분리막 내부로 탈기될 수 있도록 할 수 있다. 이때, 예를 들어 감압 펌프를 통해 탈기 모듈 내의 기체와 흡수제의 압력을 조절할 수 있다.
이산화탄소가 탈기된 흡기액은 다시 상기 흡기 모듈로 재공급되어 순환할 수 있다.
본 발명의 흡기액은 물, 폴리프로필렌 카보네이트(PC) 및 폴리에틸렌글리콜 디메틸 에테르(PEGDME) 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 물을 사용할 수 있으나, 이산화탄소를 선택적으로 흡수 가능하고 물리흡수 방식의 흡수로 탈기가 용이하며, 중공사형 분리막을 통과하지 못하는 유체라면 이에 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치가 제공된다.
보다 상세하게, 본 발명의 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치는 유효가스 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제철 부생가스가 공급되는 제1 흡기 모듈; 제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체가 공급되는 제2 흡기 모듈; 제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 제2 흡기 모듈로 직렬로 공급하는 기체 유입 라인; 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈에 각각 병렬로 흡수액을 공급하는 흡수액 공급라인; 및 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈을 통과한 흡수액으로부터 기체를 탈기하는 탈기 모듈을 포함하는 것이다.
상기 본 발명의 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치에 있어서 각 구성은 상기 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법에서 언급한 바와 같다.
한편, 상기 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치는 탈기된 흡수액을 흡기 모듈에 재공급하는 흡수액 재공급 라인를 추가로 포함할 수 있다.
상기 흡기 모듈은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리프로필렌(PP), 퍼플루오르알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkanes), 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 에틸렌플루오리네이티드에틸렌프로필렌(EFEP) 및 폴리페닐린(polyphenylene)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재질로 제조된 중공사 분리막으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 흡기 모듈은 예를 들어, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti), 망간(Mn), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 아연(Zn)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 또는 이의 산화물로 제조된 무기 분리막으로 이루어지는 것일 수 있으며, 예를 들어 실리카, 알루미나, 타이타니아 등의 재질로 제조된 무기 분리막으로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 흡기 모듈 및 탈기 모듈의 중공사 분리막의 평균 기공 크기는 0.001 ㎛ 내지 2 ㎛일 수 있고, 0.001 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있으나, 상기 흡기 모듈 및 탈기 모듈의 중공사 분리막을 통해 기체-액체 접촉이 효과적으로 이루어질 수 있는 기공 크기라면 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 흡기 모듈 및 탈기 모듈의 중공사 분리막의 기공율은 10 % 내지 90 %일 수 있고, 20 % 내지 80 % 일 수 있으나, 상기 흡기 모듈 및 탈기 모듈의 중공사 분리막을 통해 기체-액체 접촉이 효과적으로 이루어질 수 있는 기공율이라면 이에 제한하는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 분리막의 평균 기공 크기는 0.001 ㎛ 내지 1 ㎛이고, 기공율은 10 % 내지 90 %일 수 있다.
본 발명의 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치는 흡기 모듈 내 제철 부생가스의 압력을 제어하는 가스 압력제어부; 및 상기 흡기 모듈 내 흡수제의 압력을 제어하는 흡수제 압력 제어부를 더 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치는 상기 탈기 모듈 내부의 압력을 조절하는 감압 펌프를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 유효가스를 추가로 농축하는 별도의 단계의 수행 없이도 98% 이상, 나아가 99% 이상의 순도를 갖는 유효 가스를 획득할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
도 1과 같이 배치한 다단 분리막을 이용하여 이산화탄소의 제거 능력 및 고순도의 수소 생성을 확인하기 위하여, 임의 가스를 공급하여 실험을 실시하고, 최종 생산 기체는 가스분석기(Gas Chromatography)를 통하여 분석하였다.
본 발명에 사용된 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈의 중공사 분리막은 3M社, Liqui-cel® 2.5 x 8으로 평균 기공 크기는 0.03㎛이고, 유효막 면적은 1.4m2이며, 소재는 폴리프로필렌을 사용하였다. 상기 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈은 도 1과 같이 직렬로 연결하였다. 공급 가스로는 H2 및 CO2가 1:1로 혼합된 조성의 임의 가스를 사용하였으며, 흡기액으로 H2O을 사용하여 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈에 병렬적으로 4L/min의 유량으로 공급하였다. 한편, 상기 제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈의 중공사 분리막 내부로 상기 공급가스를 12.5 L/min의 유량으로 공급하였다. 상기 흡기 모듈 내 흡기액은 9.5bar의 압력을 유지하였고, 공급가스는 8.0bar의 압력을 유지하였다. 상기 흡기액은 외부 장치로부터 지속적으로 공급되도록 하였다.
제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈을 통과한 수소를 포함하는 농축 기체와 이산화탄소가 용해된 흡기액을 분리 배출하였다.
한편, 탈기 모듈은 3M社, Liqui-cel® 2.5 x 8으로 을 사용하였다.
그 결과 상기 제1 흡기 모듈은 88%의 이산화탄소 분리율과 93%의 수소 회수율을 나타냈으며, 제1 흡기 모듈 후단의 농축 기체를 이용한 제2 흡기 모듈은 94%의 이산화탄소 분리율과 90%의 수소 회수율을 나타내었다.
한편, 상기의 공정 구성을 이용한 이산화탄소 제거 후 제1 농축 기체 및 제2 농축기체의 최종 생성물의 농도를 하기 표 1에 나타내었다.
성분 공급 가스(Feed) 제 1 농축기체 제 2 농축기체
H2 [%] 50.0 88.8 99.6
CO2 [%] 50.0 11.2 0.4
상기 실험 결과, 본 발명의 의하면 이산화탄소와 수소의 비율이 각각 50%인 가스를 공급하여 제1 흡기 모듈을 통과후 농축된 제 1 농축기체의 농도는 수소 88.8%, 이산화탄소 11.2%였으며, 제2 흡기 모듈을 거쳐 최종 농축된 기체의 조성은 수소 99.6%, 이산화탄소 0.4%로, 수소를 농도가 99.6%이 이르는 고순도로 분리할 수 있었다.
비교예
한편, 흡기 모듈의 배치 및 흡기액 및 기체 흐름의 방향을 하기 표 2와 같이 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 조건 하에서 실험을 실시하고, 최종 생산 기체는 가스분석기(Gas Chromatography)를 통하여 분석하여 그 결과를 하기 표 2에 함께 나타내었다.
직렬 배치(비교예 1) 병렬 배치(비교예 2)
배치
방식
Figure pat00001
Figure pat00002
성분 제 1 농축 기체 제 2 농축 기체 제 1 농축 기체 제 2 농축 기체
H2 [%] 72.2 89.2 84.8 84.8
CO2 [%] 27.8 10.8 15.2 15.2
상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 기체 흐름과 흡기액의 흐름을 모두 병렬 또는 직렬로 하는 경우 본원발명과 같은 고농도의 수소 기체를 획득할 수 없는 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (14)

  1. 유효가스 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제철 부생가스를 제1 흡기 모듈에 공급하는 단계;
    제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 직렬로 연결된 제2 흡기 모듈에 공급하는 단계;
    제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈에 각각 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 흡수액을 병렬로 공급하는 단계;
    제2 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 회수하는 단계; 및
    제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈로부터 획득되는 이산화탄소 함유 흡수액으로부터 이산화탄소를 탈기하는 단계
    를 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 탈기된 흡수액을 흡기 모듈에 재공급하는 단계를 추가로 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 흡기 모듈은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리프로필렌(PP), 퍼플루오르알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkanes), 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 에틸렌플루오리네이티드에틸렌프로필렌(EFEP) 및 폴리페닐린(polyphenylene)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재질로 제조된 중공사 분리막으로 이루어지는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡기 모듈은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti), 망간(Mn), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 아연(Zn)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 또는 이의 산화물로 제조된 무기 분리막으로 이루어지는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제철 부생가스는 10 내지 90 부피%의 이산화탄소 및 10 내지 90 부피%의 유효가스를 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유효가스는 수소, 메탄 및 일산화탄소로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제철 부생가스는 0.1bar 내지 60bar의 압력으로 제1 흡기 모듈에 공급되는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 방법.
  8. 유효가스 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제철 부생가스가 공급되는 제1 흡기 모듈;
    제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체가 공급되는 제2 흡기 모듈;
    제1 흡기 모듈의 분리막으로부터 분리된 기체를 제2 흡기 모듈로 직렬로 공급하는 기체 유입 라인;
    제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈에 각각 병렬로 흡수액을 공급하는 흡수액 공급라인; 및
    제1 흡기 모듈 및 제2 흡기 모듈을 통과한 흡수액으로부터 기체를 탈기하는 탈기 모듈
    을 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치.
  9. 제8항에 있어서, 탈기된 흡수액을 흡기 모듈에 재공급하는 흡수액 재공급라인를 추가로 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 흡기 모듈은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리프로필렌(PP), 퍼플루오르알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkanes), 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 에틸렌플루오리네이티드에틸렌프로필렌(EFEP) 및 폴리페닐린(polyphenylene)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 재질로 제조된 중공사 분리막으로 이루어지는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 흡기 모듈은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 텅스텐(W), 타이타늄(Ti), 망간(Mn), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 및 아연(Zn)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 또는 이의 산화물로 제조된 무기 분리막으로 이루어지는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 흡기 모듈 및 탈기 모듈의 분리막의 평균 기공 크기는 0.001 ㎛ 내지 1 ㎛이고, 기공율은 10 % 내지 90 %인, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치.
  13. 제8항에 있어서, 흡기 모듈 내 제철 부생가스의 압력을 제어하는 가스 압력제어부; 및
    상기 흡기 모듈 내 흡수제의 압력을 제어하는 흡수제 압력 제어부를 더 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치.
  14. 제8항에 있어서, 상기 탈기 모듈 내부의 압력을 조절하는 감압 펌프를 더 포함하는, 다단 분리막을 이용한 고농도 유효가스의 분리 장치.
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