고순도 산소 생산을 위한 산소 정제 PSA 공정 개발

Development of $O_2$ Purifier by Pressure Swing Adsorption Process

탄소분자체(CMS)를 사용하여 산소를 정제하기 위한 압력순환식 흡착 공정(PSA)을 연구하였다. 본 연구에서는 zeolite를 사용하는 일반적인 평형 분리 PSA 공정의 생산제품으로 가정된 2성분 혼합가스 ($O_2$/Ar- 95:5 vol.$\%$)와 두 개의 서로 다른 3성분 혼합가스를 ($O_2/Ar/N_2$- 95:4:1, 90:4:6 vol.$\%$) 공급기체로서 사용하였고, $99\%$ 이상의 고순도를 얻기 위한 공정이 개발되었다. 두번의 연속 감압 단계를 포함하는 개발공정의 결과로서 산소 $93\%$를 포함한 공급류의 경우 약 $99.8\%$의 고순도와 함께 $56\%$정도의 회수율을 얻을 수 있었으며, 산소 $90\%$를 포함한 공급류에 대하여도 $97\%$이상의 고순도 산소를 생산해 낼 수 있었다. 본 연구에서 개발된 공정의 경우 흡착제에 대한 흡탈착속도 차이를 이용하여 분리 정제가 진행되며, 공정을 정확히 모사하기 위하여 Langmuir isotherm이 결합된 modified structural diffusion model을 적용하였다.

Pressure swing adsorption (PSA) process using CMS as an oxygen purifier was developed to produce high purity oxygen over $99\%$ with high productivity. The cyclic performances such as purity, recovery, and productivity of PSA process were compared experimentally and theoretically under the non-isothermal condition. A binary ($O_2$/Ar 95:5 vol.$\%$) and two kinds of ternary ($O_2/Ar/N_2$ 95:4:1 and 90:4:6 vol.$\%$) mixtures were used as feed gases. The developed process with the consecutive two blowdown steps produced the oxygen with $99.8\%$ purity and $56\%$ recovery from $95\%$ oxygen containing feed. However, in the feed with $90\%$ oxygen, the $O_2$ Purity was decreased up to $97.3\%$. In addition, because the cyclic performances of the suggested process was significantly affected by the diffusion rate, the non-isothermal model with the the modified LDF model was applied for the process simulation. The concentration-dependent rate parameter of the applied rate model was incorporated with the Langmuir isotherm.