Measurement of mass Transfer Coefficients for Adsorptive Bulk Gas Separation with Velocity Variations

기체속도가 변하는 벌크기체의 흡착공정에서 물질전달계수의 측정

The concentration breakthrough curves were examined to predict mass transfer coefficients of nitrogen and oxygen in adsorption column for design data of PSA process. Experimental breakthrough curves for bulk gas flow were compared with theoretical simulation results. For quantitative analysis of the adsorption, coupled Langmuir isotherm was considered and LDF model was used to describe the mass transfer effect. In the experimental and theoretical results, it was found that mass transfer coefficient was not affected by flow rate but strongly affected by pressure. As a result of this tendency, mass transfer resistance in this system was proved to belong to the macropore diffusion controlling region and the mass transfer coefficients could be expressed by exponential functions of pressure change. The mass transfer coefficients for one component, nitrogen or oxygen, were successfully applied to breakthrough curves for bulk mixed gases. The experimental curves were reasonably in consistent with the theoretical curves and the error time was less than 5 percent.

공기분리 PSA 공정설계에 적용할 물질전달계수를 구하기 위하여 흡착탑을 통과하는 질소와 산소의 농도에 대한 동적파과곡선을 실험적으로 측정하였다. 그 결과를 전산모사에 의한 파과곡선과 비교하여 벌크흐름 중의 물질전달속도를 예측하였다. 전산모사에서 흡착은 coupled Langmuir isotherm을 따른다고 보았으며, 물질전달은 LDF 모델에 의해 표현된다고 가정하였다. 실험과 이론의 비교를 통해 얻은 물질전달계수는 유속에는 거의 영향을 받지 않았으나 압력 조건에 따라 민감한 변화를 보였다. 이를 통해 물질전달저항이 거대기공 확산영역에 있음을 예측할 수 있었으며, 물질전달계수를 압력변화에 대해 지수함수의 형태로 표현하였다. 질소나 산소 단일 성분에 대해서 얻은 물질전달계수는 질소와 산소 혼합 벌크기체의 파과곡선에 적용했을 경우에도 5% 이하의 오차로 잘 일치함을 보여주었다.