KR20210149470A - 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템 및 분리 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 TSA 공정에 따라 일산화탄소 함유 혼합가스 피드(feed)를 일산화탄소 선택성 흡착제가 충전된 흡착탑에 주입하여, 일산화탄소를 선택적으로 흡착한 후, 상기일산화탄소가 흡착된 충전제의 온도를 상승시켜, 일산화탄소를 탈착하는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 TSA 공정에 따라 일산화탄소 함유 혼합가스 피드(feed)를 일산화탄소 선택성 흡착제가 충전된 흡착탑에 주입하여, 일산화탄소를 선택적으로 흡착한 후, 상기 일산화탄소가 흡착된 충전제의 온도를 상승시켜, 일산화탄소를 탈착하는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템에 관한 것이다.
일산화탄소는 제련소, 수증기 개질(Steam reforming) 공정, 부분산화(Partial oxidation)공정 등 다양한 산업 현장에서 부생가스로 다량 발생되며 특히, 제철소에서는 금속 제련 방법에 따라 일산화탄소가 배출가스의 최소 20%에서 최대로는 80%까지 포함되어 그 발생량이 연간 약 300만톤에 이르고 있다.
일산화탄소는 아세트산, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 포름산, 아크릴산, 포스겐 등 다양한 고부가가치 화학물질의 원료로 사용될 수도 있고, 수소와 함께 합성가스(syn gas)를 구성하여 Fischer-Tropsch 공정을 통해 가솔린을 생산할 수도 있기 때문에, 다양한 기초 또는 정밀화학물질의 원료가 될 수 있다.
한편, 전세계적으로 에너지 수급의 불균형과 함께 에너지 동력원의 증가에 따른 배기가스 중 NOx, SOx, PM(미세먼지)과 같은 물질에 의한 환경오염 문제로 친환경 에너지인 수소에 대한 관심이 증가 추세에 있다. 에너지원으로서 수소는 높은 에너지 밀도와 에너지를 수득하는 과정에서 오염물질을 거의 배출하지 않으며 연료전지(fuel cell)와 사용할 경우 고효율 에너지 변환장치 연료로서의 이용이 가능하다. 연료전지는 수소의 화학에너지를 전기 화학 반응을 통해 전기 에너지로 직접 변환 시키는 에너지 변환 장치로 수소와 같은 전기화학적 특성이 우수한 연료를 사용할 경우 에너지 변환 효율이 높고 배기가스를 배출하지 않는 청정 에너지 대체기술이다. 현재 수소를 생산하는 방법은 기존의 화석연료를 개질하는 방법이 많이 사용되는데, 화석연료로부터 수소를 생산하기 위한 개질공정은 개질하고자 하는 연료 및 적용할 연료의 종류에 따라 달라지기는 하나 크게는 탈황, 연료개질, 수성화반응, 일산화탄소 제거 공정의 4단계로 이루어진다. 특히 저온 연료전지의 경우 메탄올 산화반응 과정에서 부산물인 미량의 일산화탄소가 연료극 내의 귀금속 촉매를 피독시키기 때문에 성능을 크게 감소시켜, 일산화탄소의 공급을 제한해야한다. 이 경우는 수성화 반응만으로 원하는 일산화탄소 농도를 낮추기 어렵기 때문에 일산화탄소를 효과적으로 제거할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.
지금까지 일산화탄소를 분리하기 위해 알려진 기술로는 심냉법(Cryogenic distillation), 흡수법(Absorption), 흡착법(Adsorption) 등이 있다.
심냉법의 경우 보통 일산화탄소를 대규모로 정제하는 공정에서 많이 사용되었으나 냉각을 위해 많은 에너지를 소비하는 단점을 갖고 있다. 더불어, 일산화탄소와 끓는점이 비슷한 질소가 같이 포함되어 있을 경우 심냉법을 통해 두 성분을 분리하기 쉽지 않다.
흡수법은 CuAlCl4, 톨루엔 용액을 일산화탄소 흡수제로 사용하는 COSORB 방법이 주로 사용된다. 이 방법을 사용하면 고압 조건 하에서 일산화탄소를 흡수하고 감압하여 다시 일산화탄소를 회수할 수 있어 일산화탄소를 고순도로 분리해낼 수 있고, 회수율이 높다는 장점이 있지만 흡수액으로 사용되는 톨루엔이 환경적으로 유해한 물질이며 흡수액에 포함된 Cu+ 이온이 공기 중에서 쉽게 산화되어 흡수 성능 이 저하될 수 있다는 단점이 있다.
한편, 흡착법에서는 고성능 흡착제를 사용하여 압력 또는 온도 조건을 바꿔가며(Pressure-swing adsorption, PSA, 또는 Temperature-swing adsorption, TSA) 일산화탄소를 선택적으로 흡착, 탈착하며 분리한다. 이 방법은 비용측면에서 다른 방법들에 비해 중소규모의 일산화탄소 분리에 유리한 장점을 갖고 있다.
한국 등록특허 제10-0966064호(2010.06.28.)에서는 TSA 및/또는 감압(PSA 또는 VSA)로 CO/H2 또는 N2/H2 형의 합성 가스 정제방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 선행문헌의 경우, 상기 공정에서 흡착 및 탈착되는 물질은 CO2 및 가능한 다른 가스 불순물이고, TSA로부터 배출되는 물질이 CO/H2임에 따라, CO에 대한 흡착 및 탈착을 실시하고 있지는 않다.
이는, CO에 대한 선택적인 흡착능력을 갖는 흡착제((한국등록특허공보 10-1734410호(2017.05.12.), 한국등록특허공보 10-0884350호(2009.02.18.))가 개발되고 있으나, 흡착능력 또는 안정성이 떨어지고, 더욱이 우수한 CO 선택적 흡착성과 함께 TSA 공정 적합성을 가져야하기 때문이다.
이에, 본 발명의 연구자들은 TSA 방법을 이용하여 일산화탄소를 선택적으로 흡착 및 탈착하여 분리하는 방법을 연구하였으며, 더욱이 일산화탄소 선택적 흡착성을 높이기 위하여 일산화탄소에 대한 흡착성능 및 선택성이 우수한 흡착제를 개발하여 상기 TSA 방법에 적용시킴으로써, 일산화탄소를 고선택적으로 흡착 및 탈착하는 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 일산화탄소가 포함된 혼합가스로부터 일산화탄소를 선택적으로 분리할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 TSA 방법으로 일산화탄소가 포함된 혼합가스로부터 일산화탄소를 선택적으로 분리할 수 있는 공정을 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 일산화탄소 선택성 흡착제가 충진된 제1 흡착탑; 및 상기 제1 흡착탑의 양단에 각각 연결된 제1 공급관 및 제1 배출관;을 포함하며, 상기 제1 공급관을 통해 일산화탄소 함유 혼합가스 피드(feed)가 제1 흡착탑으로 주입되어, 충진된 일산화탄소 선택성 흡착제에 의해 일산화탄소가 흡착되고, 상기 제1 배출관을 통해 제1 흡착탑으로부터 일탄화탄소가 제거된 제1 분리가스가 배출되며, 상기 흡착제에 흡착된 일산화탄소는 흡착 시의 온도보다 승온된 온도에서 탈착되고, 상기 일산화탄소 선택성 흡착제는 카본계 지지체에 황 및 니켈을 포함하는 원소가 담지된 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템을 제공한다.
일 실시예로 상기 흡착제의 일산화탄소 흡착은 10 내지 40℃ 에서 이루어지고, 일산화탄소 탈착은 100 내지 350℃로 승온된 온도에서 이루어질 수 있다.
일 실시예로 상기 흡착된 일산화탄소의 탈착은 CO2를 스위핑가스로 투입하여 이루어질 수 있다.
일 실시예로 상기 시스템은 제1 배출관을 통해 배출되는 제1 분리가스로부터 특정 물질을 흡착 및 탈착하는 공정을 더 포함할 수 있다.
일 실시예로 상기 제1 배출관은, 특정 물질에 대한 흡착성을 갖는 흡착제가 충진되고 양말단에 제2 공급관 및 제2 배출관을 갖는 제2 흡착탑과 연결되어, 상기 제1 배출관으로부터 배출되는 제1 분리가스는 제2 공급관을 통해 제2 흡착탑으로 공급되어 특정물질이 흡착된 후, 제2 배출관을 통해 특정 물질이 제거된 제2 분리가스가 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예로 상기 흡착된 특정물질의 탈착은 H2를 스위핑가스로 투입하여 이루어질 수 있다.
일 실시예로 상기 흡착된 특정물질은 흡착 시 보다 승온된 온도에서 탈착되며, 상기 탈착을 위한 열원은 제1흡착탑에서 탈착시에 배기되는 탈착가스를 이용할 수 있다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위해 본 발명은 제 1 공급관을 통해 일산화탄소 선택성 흡착제가 충진된 제1 흡착탑으로 일산화탄소 함유 혼합가스 피드(feed)를 주입하여, 상기 흡착제에 의해 일산화탄소를 선택적으로 흡착하는 제1 단계; 상기 제1 단계 후, 제1 흡착탑으로 스위핑 가스를 주입하고 흡착제의 온도를 상승시켜, 흡착된 일산화탄소를 탈착하고, 스위핑 가스와 혼합된 혼합가스로 배기하는 제2 단계; 및 상기 배기된 혼합가스로부터 일산화탄소를 분리하는 제3 단계;를 포함하고, 상기 제1 단계에서 일산화탄소 선택적 흡착에 의해 일산화탄소가 제거된 피드는 제1 배출관으로 이동 및 배출되어 1 분리가스를 형성하며, 상기 일산화탄소 선택성 흡착제는 카본계 지지체에 황 및 니켈을 포함하는 원소가 담지된 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소를 선택적으로 분리하는 공정을 제공한다.
일 실시예로, 상기 흡착제의 일산화탄소 흡착은 10 내지 40℃ 에서 이루어지고, 일산화탄소 탈착은 100 내지 350℃로 승온된 온도에서 이루어지며, 상기 흡착된 일산화탄소의 탈착은 CO2를 스위핑 가스로 투입하여 이루어질 수 있다.
일 실시예로서 제1 분리가스를 상기 제1 분리가스로부터 특정 물질을 흡착 및 탈착하는 하나 이상의 흡착제가 포함된 제2 흡착탑으로 공급하여, 상기 제2 흡착탑에서 특정물질을 흡착시키는 제1-2 단계; 및 상기 제1-2 단계 후, 제2 흡착탑으로 스위핑 가스를 주입하고 흡착제의 온도를 상승시켜, 흡착된 특정물질을 탈착하고, 스위핑 가스와 혼합된 혼합가스로 배기하는 제2-2 단계; 및 상기 혼합가스로부터 특정물질을 분리하는 제3-2 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로 상기 제2-2 단계에서 흡착제의 온도 상승의 열원으로 제1 흡착탑에서 탈착시에 배기되는 탈착가스를 이용할 수 있다.
본 발명 시스템에 따른 일산화탄소 흡착 및 탈착에 의한 분리는 TSA 공정을 이용하여 비교적 빠른 속도로 이루어질 수 있다.
또한 상기 시스템에 사용하는 일산화탄소 흡착제는 탄소계 지지체에 황 및 니켈이 담지된 된것으로서 이산화탄소나, 수소, 메탄에 대한 흡착이 거의 존재하지 않아 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 메탄 등을 포함하는 다성분계 가스 중 일산화탄소만을 선택적으로 흡착하는 우수한 선택성 및 높은 흡착량을 나타낸다.
또한, 미량의 일산화탄소가 포함된 가스로부터 손쉽게 일산화탄소를 선택적으로 제거하여 일산화탄소가 제거된 초고순도 가스를 생산할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일산화탄소의 선택적 분리 시스템을 도식화하여 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소의 선택적 분리 시스템을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스로부터 일산화탄소만을 선택적으로 흡착하는 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스로부터 일산화탄소만을 선택적으로 흡착 후 이산화탄소를 스위핑 가스로 이용해 승온 탈착한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화탄소의 선택적 분리 시스템을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스로부터 일산화탄소만을 선택적으로 흡착하는 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 혼합가스로부터 일산화탄소만을 선택적으로 흡착 후 이산화탄소를 스위핑 가스로 이용해 승온 탈착한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템은 일산화탄소가 함유된 혼합가스 피드로부터 일산화탄소를 선택적으로 흡착한 후, 일산화탄소가 흡착된 흡착제의 온도를 상승시켜 일산화탄소를 탈착 및 분리하는 시스템으로서, TSA(Temperature Swing adsorption, TSA) 공정이 사용된다.이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 일산화탄소 선택성 흡착제가 충진된 제1 흡착탑; 및 상기 제1 흡착탑의 양단에 각각 연결된 제1 공급관 및 제1 배출관;을 포함하며, 상기 제1 공급관을 통해 일산화탄소 함유 혼합가스 피드(feed)가 제1 흡착탑으로 주입되어, 충진된 일산화탄소 선택성 흡착제에 의해 일산화탄소가 흡착되고, 상기 제1 배출관을 통해 제1 흡착탑으로부터 일탄화탄소가 제거된 제1 분리가스가 배출되며, 상기 흡착제에 흡착된 일산화탄소는 흡착 시의 온도보다 승온된 온도에서 탈착되고, 상기 일산화탄소 선택성 흡착제는 카본계 지지체에 황 및 니켈을 포함하는 원소가 담지된 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 시스템을 도식화하여 나타낸 것이다.
이를 참고하면, 본 발명의 시스템은 제1 흡착탑, 상기 제1 흡착탑의 양 말단에 각각 연결된 제1 공급관 및 제1 배출관을 포함하고, 상기 제1 공급관으로 일산화탄소 함유 혼합가스 피드가 주입되어 상기 제1 흡착탑으로 공급된다.
상기 일산화탄소 함유 혼합가스 피드는 일산화탄소가 함유된 혼합가스를 의미하는 것으로서, 천연가스를 개질한 개질가스일 수 있다.
상기 제1 흡착탑으로 주입된 일산화탄소 함유 혼합가스 피드는 상기 제1 흡착탑을 통과하면서 상기 흡착탑내에 충진된 일산화탄소 선택성 흡착제에 의해 일산화탄소만이 선택적으로 흡착되고, 상기 피드로부터 일산화탄소가 제거된 가스는 제1 배출관으로 이동된다. 상기 공정은 10 내지 40℃, 바람직하게는 25℃ 내지 35℃에서 이루어진다.
상기 흡착제에 일산화탄소가 흡착이 포화되어 제1 분리가스로 일산화탄소가 배출되기 직전에 상기 일산화탄소의 흡착은 중지되고, 상기 일산화탄소 흡착제를 재생하기 위한 탈착과정이 이루어진다.
상기 탈착과정(재생과정)은 상기 일산화탄소 흡착 시의 온도보다 승온된 온도에서 수행되어 일산화탄소가 흡착제로부터 탈착되어 상기 흡착제는 재생되어진다. 상기 흡착제에 흡착된 일산화탄소의 탈착은 가온상태에서 수행되는데, 100 내지 350℃, 바람직하게는 150 내지 300℃로 흡착제를 가열하여, 상기 흡착제로부터 일산화탄소를 탈착시킬 수 있고, 상기 탈착 시 스위핑 가스(sweeping gas)를 제1 흡착탑으로 도입하여 일산화탄소의 탈착 속도를 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 스위핑 가스는 일산화탄소 흡착제에 대해 흡착성을 갖지 않으면서 탈착되는 일산화탄소와 혼합될 시 용이하게 분리될 수 있는 물질이라면 제한없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 이산화탄소인 것으로 한다.
이산화탄소를 스위핑 가스로 사용하는 경우, 탈착되는 일산화탄소와 함께 이산화탄소가 혼합되어 배출되나, 일산화탄소와 이산화탄소는 통상적인 방법에 의해 용이하게 분리될 수 있고, 상기 방법의 경우 당업자에게 잘 알려져 있으므로 설명을 생략한다.
이러한 상기 일산화탄소 흡착 및 탈착 공정은 TSA(Temperature Swing adsorption, TSA)에 따른 것으로, 온도 조절에 의해 상기 일산화탄소를 흡착 및 탈착함에 따라 일산화탄소 선택성 흡착제가 재생될 수 있어, 상기 본 발명의 시스템은 일산화탄소를 흡착 및 탈착하는 사이클을 반복할 수 있다.
본 발명 시스템에 있어서, 상기 제1 흡착탑을 통과한 후, 제1 배출관으로 배출되는 물질은 제1 분리가스로, 제1 흡착탑으로 주입된 일산화탄소 함유 혼합가스 피드에서 일산화탄소가 제거된 가스이다.
상기 제1 분리가스는 일산화탄소 함유 혼합가스 피드 종류에 따라 달라질 수 있고, 메탄, 이산화탄소, 수소 등을 포함할 수 있으며, 상기 제1 분리가스에서 흡착하고자 하는 특정 물질을 흡착 및 탈착하는 공정을 추가적으로 더 포함함으로써, 제1 분리가스로부터 특정물질을 더 분리할 수 있다.
도 2는 본 발명의 시스템에 있어서, 일산화탄소 흡착 및 탈착 공정 외에 특정 물질 흡착 및 탈착 공정을 더 포함하는 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 2를 참고하면, 특정 물질에 대한 흡착성을 갖는 흡착제가 충진되고 양말단에 제2 공급관 및 제2 배출관을 갖는 제2 흡착탑의 제2 공급관에 상기 제1
흡착탑의 제1 배출관이 연결되어, 상기 제1 배출관으로부터 배출되는 제1 분리가스가 제2 흡착탑으로 공급되어 특정물질이 흡착된 후, 제2 배출관을 통해 특정 물질이 제거된 제2 분리가스가 배출될 수 있다.
상세하게는 상기 제1 배출관으로부터 배출된 제1 분리가스는 제2 공급관을 통해 제2 흡착탑으로 주입되어 상기 제2 흡착탑에 충진된 특정물질 흡착성 흡착제에 의해 특정물질이 흡착되고, 제2 배출관으로 제1 분리가스로부터 특정 물질이 제거된 제2 분리가스가 이동된다.
상기 공정은 10 내지 40℃, 바람직하게는 상온에서 이루어지며, 상기 흡착제에 흡착된 특정 물질의 탈착은 상기 특정물질 흡착 시의 온도보다 높은 온도에서 이루어진다. 상기 탈착시 외부에서 열을 공급해 주어야 하는데, 상기 열은 제1 흡착탑에서 일산화탄소를 탈착시키는 공정에서 배기되는 고온의 탈착가스로부터 공급되게 함으로써, 전체 공정의 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 흡착된 특정물질의 탈착은 승온과 함께 특정물질의 이동성을 향상을 위하여 상기 제2 흡착탑으로 스위핑가스를 투입하여 실시되며, 이때 상기 스위핑가스는 특정물질에 대해 흡착성을 갖지 않으면서 탈착되는 특정물질과 용이하게 분리될 수 있는 물질이라면 제한없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 수소일 수 있다.
이와 같은 본 시스템에 의해 일산화탄소 외에도 특정물질을 더 분리할 수 있다. 상기 특정물질은 예시적으로, 이산화탄소 혹은 메탄일 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템에 의해 일산화탄소 및 수소를 선택적으로 분리할 수 있다.
도 2의 시스템은 본 발명의 일 실시예에 따라 일산화탄소 및 수소를 선택적으로 분리하는 시스템일 수 있다.
상세하게는 일 실시예로서 본 발명의 시스템에 일산화탄소 함유 혼합가스 피드로 천연가스에서 개질한 수소를 주입하는 경우, 먼저 제1 흡착탑의 일산화탄소 선택성 흡착제에 의해 일산화탄소가 선택적으로 흡착되어 혼합가스 피드로부터 분리된다.
다음으로 상기 제1 흡착탑에 의해 일산화탄소가 제거된 제1 분리가스는 제2 흡착탑으로 이동되어 수소를 제외한 가스 성분인, 이산화탄소 및 메탄에 대해 흡착성을 갖는 흡착제로 이들을 흡착하고, 비흡착 가스인 수소는 제2 흡착탑의 제2 분리관으로 배출되면서 제2 분리가스를 형성한다.
이에 따라, 상기 제2 흡착탑에서 배출되는 제2 분리가스는 정화된 수소일 수 있다.
이 후, 제1 흡착탑 및 제2 흡착탑의 흡착제가 포화 흡착되어 농도 파과가 일어나기 전에 가스의 공급을 중단하고, 이들 흡착된 흡착제를 재생하기 위한 탈착공정이 이루어진다. 상기 제1 흡착탑으로는 스위핑가스로 이산화탄소를 사용하며, 제1 흡착탑의 흡착제로부터 탈착되는 가스는 일산화탄소만이 탈착된다. 제2 흡착탑의 탈착시 스위핑가스는 수소를 사용할 수 있으며, 제2 흡착탑의 흡착가스로부터 탈착되는 가스는 주로 이산화탄소와 메탄 등이다.
이러한 흡착과 탈착 공정이 반복하여 이루어짐으로써, 본 발명의 목적인 일산화탄소 및 수소의 분리가 이루어질 수 있다. 상기 제2 흡착탑의 흡착제로는 활성탄, 다공성 고체 산화물, 실리카-알루미나, 결정성 제올라이트 등의 고체 흡착제를 사용하여 흡착될 수 있다.
또한, 상기 제2 흡착탑에 흡착된 이산화탄소 메탄 등의 흡착 가스의 제거는 제1 흡착탑에 흡착된 일산화탄소의 제거와는 달리 상대적으로 저온인 40℃ 내지 60℃의 온도에서 이루어진다. 따라서, 상기 승온을 위한 열원으로 온도의 승온시키기 위하여, 제1 흡착탑 탈착 시 배출하는 탈착가스가 함유하는 열 에너지를 재이용한다. 이로 인하여 전체적인 TSA시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면으로, 제 1 공급관을 통해 일산화탄소 선택성 흡착제가 충진된 제1 흡착탑으로 일산화탄소 함유 혼합가스 피드(feed)를 주입하여, 상기 흡착제에 의해 일산화탄소를 선택적으로 흡착하는 제1 단계; 상기 제1 단계 후, 제1 흡착탑으로 스위핑 가스를 주입하고 흡착제의 온도를 상승시켜, 흡착된 일산화탄소를 탈착하고, 스위핑 가스와 혼합된 혼합가스로 배기하는 제2 단계; 및 상기 배기된 혼합가스로부터 일산화탄소를 분리하는 제3 단계;를 포함하고, 상기 제1 단계에서 일산화탄소 선택적 흡착에 의해 일산화탄소가 제거된 피드는 제1 분리가스로 하여, 제1 배출부로 이동 및 배출되며, 상기 일산화탄소 선택성 흡착제는 카본계 지지체에 황 및 니켈을 포함하는 원소가 담지된 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소를 선택적으로 분리하는 공정을 제공한다.
도 1에 도시화된 본 발명의 시스템을 참고하여, 일산화탄소를 선택적으로 분리하는 공정을 설명한다.
본 발명에 있어서, 제1 단계는, 제 1 공급관을 통해 일산화탄소 선택성 흡착제가 충진된 제1 흡착탑으로 일산화탄소 함유 혼합가스 피드(feed)를 주입하여, 상기 흡착제에 의해 일산화탄소를 선택적으로 흡착하는 단계이다.
상세하게는 상기 제1 단계에서, 일산화탄소 함유 혼합가스 피드는 일산화탄소가 함유된 혼합가스를 의미하는 것으로서, 천연가스를 개질한 개질가스일 수 있고, 상기 제1 흡착탑으로 공급된 일산화탄소 함유 혼합가스 피드는 상기 제1 흡착탑을 통과하면서 상기 흡착탑내에 충진된 일산화탄소 선택성 흡착제에 의해 일산화탄소만이 선택적으로 흡착되며, 상기 흡착공정은 10 내지 40℃, 바람직하게는 25℃ 내지 35℃에서 이루어진다.
다음으로 제2 단계는, 상기 제1 단계 후, 제1 흡착탑으로 스위핑 가스를 주입하고 흡착제의 온도를 상승시켜, 흡착된 일산화탄소를 탈착하고, 스위핑 가스와 혼합된 혼합가스로 배기하는 단계이다.
상세하게는 일산화탄소가 흡착된 흡착제를 100 내지 350℃, 바람직하게는 150 내지 300℃로 가열하여 흡착제의 온도를 상승시켜, 상기 흡착제로부터 일산화탄소를 탈착하며, 이와 함께 상기 탈착 시 스위핑 가스(sweeping gas)를 제1 흡착탑으로 주입하여 탈착되는 일산화탄소의 이동성, 즉 일산화탄소 탈착 속도를 향상시키고, 상기 일산화탄소를 스위핑 가스와 혼합된 상태로 제1 흡착탑으로부터 배기한다.
이때, 상기 스위핑 가스는 일산화탄소 흡착제에 대해 흡착성을 갖지 않으면서 탈착되는 일산화탄소와 혼합될 시 용이하게 분리될 수 있는 물질이라면 제한없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 이산화탄소인 것으로 한다.
마지막으로 제3 단계는 상기 배기된 혼합가스로부터 일산화탄소를 분리하는 단계로, 상기 제2 단계에서 배기된 스위핑 가스와 혼합된 일산화탄소로부터 일산화탄소만을 선택적으로 분리하는 단계이다.
상기 제2 단계에서 사용된 스위핑 가스는 일산화탄소 흡착제에 대해 흡착성을 갖지 않으면서 탈착되는 일산화탄소와 혼합될 시 용이하게 분리될 수 있는 물질로서, 이산화탄소를 사용한다. 일산화탄소와 이산화탄소는 통상적인 방법에 의해 용이하게 분리될 수 있고, 상기 방법의 경우 당업자에게 잘 알려져 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 본 발명의 공정에 있어서, 상기 제1 단계에서 일산화탄소 선택적 흡착에 의해 일산화탄소가 제거된 피드는 제1 분리가스로 하여, 제1 배출부로 이동 및 배출된다.
상기 제1 분리가스는 일산화탄소 함유 혼합가스 피드 종류에 따라 달라질 수 있고, 메탄, 이산화탄소, 수소 등을 포함할 수 있으며, 상기 제1 분리가스에서 흡착하고자 하는 특정 물질을 흡착하는 공정을 추가적으로 더 포함함으로써, 제1 분리가스로부터 특정물질, 예로서, 이산화탄소와 메탄 등을 흡착제로 흡착시킴으로서, 흡착제에 흡착되지 않는 수소 등을 더 분리할 수 있다.
즉, 상기 제1 분리가스를 상기 제1 분리가스로부터 특정 물질을 흡착 및 탈착하는 하나 이상의 흡착제가 포함된 제2 흡착탑으로 공급하여 상기 제2 흡착탑에서 충진된 흡착제에 의하여 특정물질을 흡착하는 제1-2 단계; 상기 제 1-2 단계 후, 제2 흡착탑으로 스위핑 가스를 주입하고 흡착제의 온도를 상승시켜, 흡착된 특정물질을 탈착하고, 스위핑 가스와 혼합된 혼합가스로 배기하는 제2-2 단계; 및 상기 혼합가스로부터 특정물질을 분리하는 제3-2 단계;를 더 포함할 수 있다.
상세하게는 상기 제1 배출부에서 배출된 제1 분리가스는 제2 공급관을 통해 이동되어 제2 흡착탑으로 공급되어, 상기 제2 흡착탑을 통과하면서 상기 흡착탑내에 충진된 특정물질 선택성 흡착제에 의해 특정물질만이 선택적으로 흡착되며(제1-2 단계), 흡착 시 온도는 10 내지 40℃, 바람직하게는 상온에서 이루어진다.
다음으로, 상기 흡착된 특정물질은, 제2 흡착탑으로 스위핑 가스를 주입하고 흡착제의 온도를 상승시킴으로써 탈착되고, 스위핑 가스와 혼합된 혼합가스 상태로 배기하며(제2-2 단계), 이때, 상기 흡착제의 온도 상승을 위한 열원으로는 제1 흡착탑에서 탈착시에 배기되는 탈착가스를 이용한다.
또한, 상기 흡착된 특정물질의 탈착 시 승온과 함께 도입된 스위핑 가스는 특정물질의 이동성을 향상을 위한 것으로, 특정물질에 대해 흡착성을 갖지 않으면서 탈착되는 특정물질과 용이하게 분리될 수 있는 물질이라면 제한없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 수소일 수 있다.
이와 같은 본 공정에 의해 일산화탄소 외에도 특정물질을 더 분리할 수 있으며, 일 실시예로서 본 발명의 공정에 의해 메탄의 건식개질에 의해 일산화탄소 및 수소를 생성하는 공정으로 부터 배출되는 혼합가스로부터 일산화탄소 및 수소를 선택적으로 분리할 수 있다.
상기 본 발명의 시스템 및 공정은 TSA 공정에 따라 일산화탄소를 선택적으로 높은 흡착량 및 탈착량으로 분리할 수 있는, 일산화탄소의 선택적 분리 시스템 및 공정으로서, 제1 흡착탑에 충진된 일산화탄소 선택성 흡착제의 선택성 및 흡착성능에 따라 일산화탄소 흡착 및 탈착되는 효율이 달라질 수 있다.
본 발명에 있어서, 시스템 및 공정의 일산화탄소 선택성 흡착제는 카본계 지지체에 황 및 니켈을 포함하는 원소가 담지된 것으로, 카본계 지지체내에 담지되는 황 성분 및 니켈 성분비를 정확하게 조절하여, 황 및 니켈 성분의 함량에 따른 이산화탄소의 흡착 성능을 제어할 수 있고, 이에 따라 일산화탄소 흡착량을 증대시켜 고순도의 일산화탄소를 수득할 수 있도록 한다.
하기에서 본 발명의 일산화탄소 선택성 흡착제의 구성성분 및 이의 제조방법에 관하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 일산화탄소 선택성 흡착제의 성분에 대하여 설명한다.
상기 본 발명의 일산화탄소 선택성 흡착제의 성분 중 카본계 지지체는 활성탄, 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀, 흑연 및 플러렌 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 활성탄을 사용할 수 있다. 상기 활성탄은 카본이 포함된 물질로부터 제조될 수 있으며, 예로서, 야자각, 석탄, 석유, 이온교환수지로부터 제조된 활성탄일 수 있다.
또한 상기 일산화탄소 선택성 흡착제의 성분 중 하나인 황은 통상의 방법으로 지지체에 담지되어 사용되며, 상기 담지방법으로는 황 전구체와 지지체의 물리적 혼합, 기체 흡착, 액상 담지 등이 있으며, 액상 담지가 간편함에 따라 이를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 황 전구체는 이에 제한되지는 않으나, 예시적으로 황산(H2SO4), 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 아황산(H2SO3), 황산암모늄((NH4)2SO4), 황화수소(H2S), 메테인설폰산(CH3SO3H), 사이클로헥세인설폰산(C6H12SO3), 벤젠설폰산(C6H5SO3H), 이황화탄소(CS2), 싸이오페놀(thiophenol), 다이싸이올 (dithiol), 메테인싸이올(CH4S), 설팜산(H3NSO3), 싸이오아세탈(thioacetal), 싸이오사이클램(thiocyclam), 싸이오아세트아마이드, 싸이오카르밤산암모늄, 설포벤조산아마이드, 알리신(allicin), 황산콘드로이친(chondroitin sulfate), 나프탈렌설폰산(naphthalenesulfonic acid), 벤젠설폰산, 나프톨설폰산(naphtholsulfonic acid), 톨루엔설폰산, 안트라퀴논설폰산 및 니켈설파이드(NiS) 등이 있을 수 있으며, 이들 중 하나 혹은 둘 이상을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 황의 함량은 흡착제 전체 중량에 대하여 0.1 ~ 10 wt%, 바람직하게는 0.1 ~ 1 wt% 이다. 상기 황의 함량이 상기 범위 내에 존재할 경우 일산화탄소의 선택적 흡착 및 탈착량이 증가하여 흡착제로서 최적의 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 일산화탄소 선택성 흡착제의 성분 중 하나인 니켈은 상기 황의 경우와 마찬가지로 지지체와 니켈전구체의 물리적 혼합, 지지체에 대한 니켈 전구체의 기상흡착, 액상 담지 등의 통상의 담지법으로 지지체에 담지될 수 있다.
상기 니켈 전구체는 니켈의 탄산염, 황산염, 질산염, 아세트산염, 수산화염, 할로겐화물 중 하나 이상을 포함할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 상기 니켈의 함량은 흡착제 전체 중량에 대하여 1 ~ 30 wt%, 바람직하게는 5 ~ 15 wt% 의 범위이다. 상기 담지 되는 금속의 함량이 상기 범위 내에 존재할 경우 흡착제의 이산화탄소의 흡착성능이 낮고, 일산화탄소에 대한 선택성이 높아 일산화탄소 흡착제로서 효과를 기대할 수 있다.
다음으로, 상기 본 발명의 일산화탄소 선택성 흡착제의 카본계 지지체내에 담지되는 황 및 니켈 함량을 조절함으로써, 이산화탄소의 흡착 성능을 제어할 수 있는, 이의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일산화탄소 선택성 흡착제는 (1) (a) 탄소계 지지체, (b) 고상 니켈 함유 입자 및 (c) 고상 황 함유 입자를 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계; (2) 상기 혼합 분말을 분쇄하여 니켈/황/탄소 복합체를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 니켈/황/탄소 복합체를 열처리하는 단계를 포함하여 제조되어, 일산화탄소만을 선택적으로 흡착하는 특성을 가지면서 그 흡착량도 높을 수 있다.
상세하게는 상기 (1) 단계에서 고상의 원료 분말을 혼합하여 원료 혼합물을 제조한다. 구체적으로 실온에서 고상으로 존재하는 (a) 탄소계 지지체, (b) 니켈 함유 입자 및 (c) 황 함유 입자를 혼합하여 혼합 분말을 혼합하여 원료 혼합물을 제조하며, 이러한 고상의 혼합 원료로부터 니켈/황/탄소 복합체를 제조하기 때문에 제조공정 중 세척이나 건조 단계에서 성분 원소가 유실되는 문제점을 발생하지 않는다.
본 발명에 따른 이산화탄소의 선택적 흡착제는, 구성 성분으로서, (a) 탄소계 지지체를 필수적으로 포함하며, 상기 탄소계 지지체는 예시적으로 활성탄, 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그래핀, 흑연 및 플러렌 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 활성탄을 사용할 수 있다. 상기 활성탄은 탄소가 포함된 물질로부터 제조될 수 있으며, 예로서, 야자각, 석탄, 석유, 이온교환수지로 부터 제조된 활성탄일 수 있다.
상기 원료 혼합물내 첨가되는 (b) 니켈 함유 입자는, 예시적으로 니켈(II) 옥사이드(NiO), 니켈(III) 옥사이드(Ni2O3) 중에서 선택되는 어느 하나이거나, 이들 중 하나 혹은 둘 이상을 포함할 수 있으며, (c) 황 함유 입자는, 예시적으로 NiS, NiS2, Ni3S2 중에서 선택되는 어느 하나이거나, 이들 중 하나 혹은 둘 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 니켈 설파이드(Ni3S2)일 수 있다.
이 때, 황 성분은 상기 흡착제 전체 중량에 대하여 0.001 ~ 10 wt% 이며, 바람직하게는 0.001 ~ 5 wt%, 더욱 바람직하게는 0.005 ~ 1 wt%의 범위로 첨가되는 것이 좋다. 상기 황의 함량이 상기 범위 내에 존재할 경우 일산화탄소의 선택적 흡착 및 탈착량이 증가하여 흡착제로서 최적의 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 원료 혼합물내 첨가되는 (b) 니켈 함유 입자가 니켈(II) 산화물(NiO)이면서, 상기 (c) 황 함유 입자는 니켈 설파이드(Ni3S2)인 것이 바람직하다.
상기 니켈 성분은 흡착제 전체 중량에 대하여 1 ~ 30 wt%인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 ~ 15 wt%의 범위로 첨가되는 것이 좋다. 상기 담지 되는 금속의 함량이 상기 범위 내에 존재할 경우 흡착제의 이산화탄소의 흡착성능이 낮고, 일산화탄소에 대한 선택성이 높아 일산화탄소 흡착제로서 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 (2) 단계는 상기 혼합 분말을 물리적으로 분쇄하여 니켈/황/탄소 복합체를 제조하는 단계이며, 물리적 외압, 예로서, 볼밀 공정 등에 의해 상기 (b) 니켈 함유 입자 및 (c) 황 함유 입자가 상기 (a) 탄소계 지지체내에 고르게 분산된 니켈/황/탄소 복합체를 제조하는 과정이며, 상기 볼밀 공정은 상압 하에서 6 내지 12 시간 범위내에서 수행된다.
또한, 상기 볼밀 공정을 거친 니켈/황/탄소 복합체내 상기 (b) 니켈 함유 입자 및 (c) 황 함유 입자의 분산도를 더욱 향상시키기 위하여 상기 (2) 단계 이후에, (2-1) 상기 니켈/황/탄소 복합체를 용매에 분산시켜 분산 용액을 제조하는 단계; (2-2) 상기 분산 용액을 초음파 처리시키는 단계; 및 (2-3) 분산 용액 분산매를 건조시켜 건조된 니켈/황/탄소 복합체를 수득하는 단계;를 추가적으로 수행할 수 있다.
상기 (2-1) 단계에서 상기 니켈/황/탄소 복합체가 분산되는 분산매는 분산도를 향상시킬 수 있는 극성 유기용매인 것을 바람직하며, 구체적으로 메탄올, 에탄올, 아세톤, 이소프로필알코올 등 유기용매 중에서 선택되는 어느 하나의 용매일 수 있으며, 구체적으로 에탄올인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 (2-2) 단계에서 분산 용액을 초음파 처리함으로써, 상기 (a) 탄소계 지지체내 상기 (b) 니켈 함유 입자 및 (c) 니켈과 황 함유 입자의 분산도가 더욱 증가되며, 초음파 처리는 3 시간 이내로 수행하는 것이 바람직하다. 이는 초음파 처리를 3시간 이내로 수행함으로써, 초음파 처리 과정 중 발생되는 열에 의해 분산매가 증발되는 양을 최소화 시키는 것이 좋다.
이어서, 상기 (2-3) 단계에서는 분산액내 분산매를 건조시키는 단계이며, 상압 혹은 감압 하에서 6 시간 이상 수행하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 니켈/황/탄소 복합체내 성분 입자들이 고상으로 존재하기 때문에 이러한 건조 과정에서도 황이나 니켈 성분이 유실되는 문제점은 발생하지 않는다.
또한, 상기 (3) 단계는 상기 니켈/황/탄소 복합체를 열처리하여 니켈/황/탄소 복합체내 (a) 탄소계 지지체, (b) 니켈 함유 입자 및 (c) 황 함유 입자들이 물리적 또는 화학적 결합을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 상기 (3) 단계의 열처리 공정의 온도는 400 내지 600 ℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하며, 상압 혹은 감압 하에서 1 내지 6 시간 범위내에서 수행된다.
이 후, 본 발명의 제조방법에 따라 얻어진 이산화탄소의 선택적 흡착제는 사용 전에 환원하여 사용된다. 상기 환원방법은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지의 방법으로 실시할 수 있다. 예로서, 환원 가스분위기 하, 300 내지 900 ℃, 바람직하게는 600 내지 900 ℃ 에서 니켈을 Ni0 로 환원하여 사용할 수 있으며, 상기 환원 가스로는 수소 단독, 혹은 수소와 질소, 아르곤, 헬륨 등의 불활성 가스와의 혼합가스를 사용할 수 있다.
이와 같은 구성 및 제조방법에 따라 제조된 본 발명의 일산화탄소 선택성 흡착제는 탄소계 지지체에 황 및 니켈이 최적의 함량비로 조절되어 담지됨에 따라, 이산화탄소, 수소 또는 메탄에 대한 흡착성을 거의 나타내지 않아 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 메탄 등을 포함하는 다성분계 가스 중 일산화탄소만을 선택적으로 흡착하는 우수한 선택성 및 높은 흡착량을 나타낼 수 있고, 미량의 일산화탄소가 포함된 가스로부터 손쉽게 일산화탄소를 선택적으로 제거하여 일산화탄소가 제거된 초고순도 가스 또한 생산할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예로서 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
일산화탄소 함유 혼합가스 피드
일산화탄소 및 수소의 함유량을 정확히 하기 위하여, 일산화탄소, 수소, 이산화탄소 및 수소를 45 mol%:45 mol%:5 mol%:5 mol% 의 비율로 혼합하여 제조한 실험용 혼합기체를 일산화탄소 함유 혼합가스 피드로 사용하였다.
일산화탄소 선택성 흡착제
카본계 지지체는 석유계 활성탄 (이하, 활성탄이며 BAC로 표기함)을 150℃ 진공오븐에서 12 시간 건조시킨 후, 건조시킨 활성탄 5g 에 5 wt% 황산 수용액 4ml을 함침(incipient wetness impregnation)시켰다. 함침 후 소니케이터에서 30 분 처리 후 110℃ 오븐에서 12시간 건조시켰다.
니켈 나이트레이트 수화물(Ni(NO3)2·6H2O) 2.75 g 을 2 ml 의 물에 용해한 수용액을 상기 황산이 함침된 활성탄에 함침(incipient wetness impregnation)시켰다. 함침 후 소니케이터에서 30분 처리 후 110℃ 오븐에서 12시간 건조시켰다. 이후, 상기 황 및 니켈이 담지된 카본계 흡착제를 질소 분위기에서 500℃, 2시간 동안 소성하였고, 흡착 실험 전 니켈 금속이온을 환원시키기 위해, 10% H2/Ar 가스를 이용해 600℃, 3 시간 환원을 진행하여 10wt% Ni/BACS 흡착제를 제조하였다.
상기 일산화탄소 함유 혼합가스 피드를 공급관을 통해 20 ml/min 의 유량으로 주입하고 5g 의 일산화탄소 흡착용 흡착제 (10wt% Ni/BACS) 가 충진된 흡착탑으로 이동시켜 120 분 동안 이동시켜 흡착을 진행한다. 이때 흡착탑의 흡착 온도는 35℃ 로 고정하였다. 상기 시스템에 의해 일산화탄소 및 수소가 상기 피드로부터 분리되었다. 흡착 결과는 도 3에 나타내었다.
일산화탄소를 120분 동안 흡착시킨 흡착탑의 흡착을 중지하고 이산화탄소를 흘리면서 60분 간 흡착탑에 남아있는 수소 및 메탄을 제거한다. 이후 분당 20℃ 로 승온을 통해 200℃ 까지 온도를 올린 후 1시간 동안 온도를 고정하여 일산화탄소를 탈착시켰으며, 상기 탈착 결과는 도 4에 나타내었다. 이때 스위핑 가스인 이산화탄소를 제외한 일산화탄소의 순도는 99.5% 이상이다.
하기 표 1에서는 일산화탄소 포함 혼합가스에 대한 선택적 일산화탄소 흡착 및 탈착 결과를 나타내었다.
| 일산화탄소 흡착량 (mg CO/g adsorbent) |
일산화탄소 탈착량 (mg CO/g adsorbent) |
| 135 | 121 |
위 흡착량과 탈착량은 사중극자질량분석기 (QMS: Quadrupole mass spectrometer) 를 이용하여 분석된 일산화탄소의 농도로 계산되는데, 일산화탄소의 흡착과 탈착의 다수회 반복하여도 위와 같은 흡착량과 탈착량으로 측정되는 것으로 보아, 상기 일산화탄소의 흡착량과 탈착량의 차이는 실질적인 흡/탈착량의 차이라기 보다는 흡착량과 탈착량을 계산할 때 사용되는 사중극자질량분석기의 측정 오차 에 의한 것으로 보여진다.
도 3을 참고하면, 본원 혼합가스 투입 후 약 40분까지는 제1 흡착탑의 출구에서 일산화탄소는 전혀 감지되지 않으며, 이산화탄소와 메탄, 일산화탄소의 농도는 원료로 사용된 혼합가스에서 일산화탄소를 전량 제거한 경우와 거의 동일한 농도를 보여준다. 이후 시간이 증가함에 따라 서서히 일산화탄소의 농도가 제1 흡착탑의 배출관에서 증가하다가, 50분을 기점으로 급격히 증가하기 시작하는 양상을 보인다.
탈착 결과인 도 4에서는 스위핑가스로 사용된 이산화탄소를 제외하고는 메탄이나, 수소가 전혀 관찰되지 않았다. 이로 보아 본 발명의 일산화탄소 선택적 흡착제를 사용한 분리시스템을 사용할 경우, 일산화탄소를 메탄, 이산화탄소, 수소 등이 더 포함된 혼합가스로부터 선택적으로 분리할 수 있음을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (11)
- 일산화탄소 선택성 흡착제가 충진된 제1 흡착탑; 및
상기 제1 흡착탑의 양단에 각각 연결된 제1 공급관 및 제1 배출관;을 포함하며,
상기 제1 공급관을 통해 일산화탄소 함유 혼합가스 피드(feed)가 제1 흡착탑으로 주입되어, 충진된 일산화탄소 선택성 흡착제에 의해 일산화탄소가 흡착되고,
상기 제1 배출관을 통해 제1 흡착탑으로부터 일탄화탄소가 제거된 제1 분리가스가 배출되며,
상기 흡착제에 흡착된 일산화탄소는 흡착 시의 온도보다 승온된 온도에서 탈착되고,
상기 일산화탄소 선택성 흡착제는 카본계 지지체에 황 및 니켈을 포함하는 원소가 담지된 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 흡착제의 일산화탄소 흡착은 10 내지 40℃ 에서 이루어지고, 일산화탄소 탈착은 100 내지 350℃로 승온된 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 흡착된 일산화탄소의 탈착은 CO2를 스위핑 가스로 투입하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 시스템은 제1 배출관을 통해 배출되는 제1 분리가스로부터 특정 물질을 흡착 및 탈착하는 하나 이상의 흡착탑을 더 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 배출관은, 특정 물질에 대한 흡착성을 갖는 흡착제가 충진되고 양말단에 제2 공급관 및 제2 배출관을 갖는 제2 흡착탑과 연결되어,
상기 제1 배출관으로부터 배출되는 제1 분리가스는 제2 공급관을 통해 제2 흡착탑으로 공급되어 특정물질이 흡착된 후, 제2 배출관을 통해 특정 물질이 제거된 제2 분리가스가 배출되는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 제2 흡착탑에서 흡착된 특정물질의 탈착은 H2를 스위핑가스로 투입하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템.
- 제 5 항에 있어서,
상기 흡착된 특정물질은 흡착 시 보다 승온된 온도에서 탈착되며, 상기 탈착을 위한 열원은 제1 흡착탑에서 탈착시에 배기되는 탈착가스를 이용하는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템.
- 제 1 공급관을 통해 일산화탄소 선택성 흡착제가 충진된 제1 흡착탑으로 일산화탄소 함유 혼합가스 피드(feed)를 주입하여, 상기 흡착제에 의해 일산화탄소를 선택적으로 흡착하는 제1 단계;
상기 제1 단계 후, 제1 흡착탑으로 스위핑 가스를 주입하고 흡착제의 온도를 상승시켜, 흡착된 일산화탄소를 탈착하고, 스위핑 가스와 혼합된 혼합가스로 배기하는 제2 단계; 및
상기 배기된 혼합가스로부터 일산화탄소를 분리하는 제3 단계;를 포함하고,
상기 제1 단계에서 일산화탄소 선택적 흡착에 의해 일산화탄소가 제거된 피드는 제1 배출관으로 이동 및 배출되어 제1 분리가스를 형성하며,
상기 일산화탄소 선택성 흡착제는 카본계 지지체에 황 및 니켈을 포함하는 원소가 담지된 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소를 선택적으로 분리하는 공정.
- 제 8 항에 있어서,
상기 흡착제의 일산화탄소 흡착은 10 내지 40℃ 에서 이루어지고, 일산화탄소 탈착은 100 내지 350℃로 승온된 온도에서 이루어지며, 상기 흡착된 일산화탄소의 탈착은 CO2를 스위핑 가스로 투입하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소를 선택적으로 분리하는 공정.
- 제 8 항에 있어서,
상기 제1 분리가스를 상기 제1 분리가스로부터 특정 물질을 흡착 및 탈착하는 하나 이상의 흡착제가 포함된 제2 흡착탑으로 공급하여, 상기 제2 흡착탑에서 특정물질을 흡착하게하는 제1-2 단계; 및 상기 제1-2 단계 후, 제2 흡착탑으로 스위핑 가스를 주입하고 흡착제의 온도를 상승시켜, 흡착된 특정물질을 탈착하고, 스위핑 가스와 혼합된 혼합가스로 배기하는 제2-2 단계; 및
상기 혼합가스로부터 특정물질을 분리하는 제3-2 단계;를 더 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소를 선택적으로 분리하는 공정.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제2-2 단계에서 흡착제의 온도 상승의 열원으로 제1 흡착탑에서 탈착시에 배기되는 탈착가스를 이용하는 것을 특징으로 하는, 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소를 선택적으로 분리하는 공정.
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| KR1020200066547A KR102467471B1 (ko) | 2020-06-02 | 2020-06-02 | 일산화탄소를 포함한 혼합가스로부터 일산화탄소의 선택적 분리 시스템 및 분리 공정 |
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| KR100884350B1 (ko) | 2007-06-04 | 2009-02-18 | 한국에너지기술연구원 | 일산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 흡착제 및 그제조방법 |
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2020
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| Korean Chem. Eng. Res., Vol. 46, No. 5, pp.868-874(2008.10.05.)* * |
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| Publication number | Publication date |
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