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노재현,박회경,김동선,조정호,Noh, Jaehyun,Park, Hoey Kyung,Kim, Dongsun,Cho, Jungho 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.23 No.3
Dimethyl Ether (DME) 합성 및 분리공정에서 8% 이상의 $CO_2$가 DME 합성반응기로 유입되면 DME 생산성이 저하되는 문제가 발생된다. 따라서 본 연구에서는 DME 합성기로 유입되는 $CO_2$ 제거를 위한 방법으로 물리적 흡수제를 이용한 대표적인 세 가지 공정에 대해 전산모사를 통해 에너지 소모량을 서로비교 하였다. 비교 대상으로 선정한 공정으로는 메탄올을 사용하는 Rectisol$^{(R)}$ 공정, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(dimethyl ethers of polyethylene glycol, DEPG)를 사용하는 SelexolTM 공정 그리고 노말 메틸 피로리돈(n-methyl pyrrolidone, NMP)를 사용하는 Purisol$^{(R)}$ 공정으로 하였다. 각 공정에 대한 에너지 소모량을 비교해 본 결과 Rectisol$^{(R)}$ 공정 ${\gg}$ SelexolTM 공정 > Purisol$^{(R)}$ 공정 순으로 에너지가 많게 소모됨을 알 수 있었다. 그러므로 DME 제조공정에서 물리적 흡수제를 사용한 $CO_2$제거공정으로 가장 적합한 공정은 Purisol$^{(R)}$ 공정이라 판단된다. In the dimethyl ether (DME) synthesis and separation process, over 8% by mole of $CO_2$ is fed to the DME synthesis reactor which lowers DME productivity. Therefore, this work focused on the removal of $CO_2$ using three kinds of processes with physical absorbents by comparing the utility consumption through computer simulation of each process. Among the processes selected for comparison are Rectisol$^{(R)}$ process using methanol, Purisol$^{(R)}$ process using n-methyl pyrrolidone (NMP), and SelexolTM process using dimethyl ethers of polyethylene glycol (DEPG) as a solvent. As a result of this study, it was concluded that Purisol$^{(R)}$ process consumes the least energy followed by SelexolTM process. Therefore, it is considered that Purisol$^{(R)}$ process is the most suitable method to absorb $CO_2$ contained in the feed of DME synthesis reactor.
메탄올의 이산화탄소 흡수평형 추산에 대한 PC-SAFT모델식과 Two-model approach 모델식의 비교연구
노재현(Jaehyun Noh),박회경(Hoey Kyung Park),김동선(Dongsun Kim),조정호(Jungho Cho) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.10
본 연구에서는 CO₂ 제거 용매로써 메탄올 수용액을 사용하는 Rectisol<SUP>Ⓡ</SUP>공정을 모델링하기 위한 열역학 모델식으로는 PC-SAFT(Perturebed-Chain Statistical Associating Fluid Theory) 상태방정식과 액체활동도계수 모델식을 기본으로 조합된 Two-model approach식{NRTL(Non Random Two Liquid) + Henry + Peng-Robinson}을 비교하였다. 또한 PC-SAFT 상태방정식의 이성분계 상호작용 매개변수와 Two-model approach식의 Henry 상수를 새롭게 결정하기 위해서 273.25K과 262.35K에서 CO₂와 메탄올 간의 흡수평형실험을 수행하고 회귀분석을 하였다. 그리고 새롭게 결정한 매개변수의 정확성은 실험 데이터의 추산결과를 통해 검증하였다. 이러한 모델식과 검증한 매개변수를 사용하여 CO₂ 제거공정을 모델링 하였다. 그 결과 Two-model approach식을 사용한 경우가 PC-SAFT EOS을 사용한 경우에 비해 CO2 99.00% 제거하기 위해 요구되는 메탄올 용매 유량이 약 43.72% 더 높게 추산되었으며, 증류탑에서의 냉각수 소모량은 39.22%정도, 스팀소모량은 43.09%정도 더 소요됨을 알 수 있었다. 결론적으로 고압에서 운전되는 Rectisol<SUP>Ⓡ</SUP>공정을 Henry관계식의 도움을 받는 액체활동도계수 모델식을 사용하여 모델링을 하는 경우 PC-SAFT 상태방정식을 사용한 경우에 비해서 크게 설계된 다는 것을 알 수 있었다. 이러한 이유는 액상에 대한 용해도가 낮은 가스성분이 일정한 온도에서 액상에 녹아드는 양은 기상의 분압에 비례하여 증가하는 것으로 계산되는 Henry 관계식의 특성 때문에 메탄올에 대해 용해도가 큰 CO₂의 경우 메탄올과 CO₂간의 흡수특성을 잘 예측하지 못하는 것을 알 수 있었다. The thermodynamic models, PC-SAFT (Perturbed-Chain Statistical Associated Fluid Theory) state equation and the Two-model approach liquid activity coefficient model NRTL (Non Random Two Liquid) + Henry + Peng-Robinson, for modeling the Rectisol process using methanol aqueous solution as the CO₂ removal solvent were compared. In addition, to determine the new binary interaction parameters of the PC-SAFT state equations and the Henry"s constant of the two-model approach, absorption equilibrium experiments between carbon dioxide and methanol at 273.25K and 262.35K were carried out and regression analysis was performed. The accuracy of the newly determined parameters was verified through the regression results of the experimental data. These model equations and validated parameters were used to model the carbon dioxide removal process.In the case of using the two-model approach, the methanol solvent flow rate required to remove 99.00% of CO₂ was estimated to be approximately 43.72% higher, the cooling water consumption in the distillation tower was 39.22% higher,and the steam consumption was 43.09% higher than that using PC-SAFT EOS. In conclusion, the Rectisol process operating under high pressure was designed to be larger than that using the PC-SAFT state equation when modeled using the liquid activity coefficient model equation with Henry"s relation. For this reason, if the quantity of low-solubility gas components dissolved in a liquid at a constant temperature is proportional to the partial pressure of the gas phase, the carbon dioxide with high solubility in methanol does not predict the absorption characteristics between methanol and carbon dioxide.
노재현(Jaehyun Noh),박회경(Hoey Kyung Park),김동선(Dongsun Kim),조정호(Jungho Cho) 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.23 No.3
Dimethyl Ether (DME) 합성 및 분리공정에서 8% 이상의 CO2가 DME 합성반응기로 유입되면 DME 생산성이 저하되는 문제가 발생된다. 따라서 본 연구에서는 DME 합성기로 유입되는 CO2 제거를 위한 방법으로 물리적 흡수제를 이용한 대표적인 세 가지 공정에 대해 전산모사를 통해 에너지 소모량을 서로비교 하였다. 비교 대상으로 선정한 공정으로는 메탄올을 사용하는 Rectisol<SUP>Ⓡ</SUP> 공정, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르(dimethyl ethers of polyethylene glycol, DEPG)를 사용하는 SelexolTM 공정 그리고 노말 메틸 피로리돈(n-methyl pyrrolidone, NMP)를 사용하는 Purisol<SUP>Ⓡ </SUP>공정으로 하였다. 각 공정에 대한 에너지 소모량을 비교해 본 결과 Rectisol<SUP>Ⓡ</SUP> 공정 >> SelexolTM 공정 > Purisol<SUP>Ⓡ</SUP> 공정 순으로 에너지가 많게 소모됨을 알 수 있었다. 그러므로 DME 제조공정에서 물리적 흡수제를 사용한 CO2제거공정으로 가장 적합한 공정은 Purisol<SUP>Ⓡ</SUP> 공정이라 판단된다. In the dimethyl ether (DME) synthesis and separation process, over 8% by mole of CO2 is fed to the DME synthesis reactor which lowers DME productivity. Therefore, this work focused on the removal of CO2 using three kinds of processes with physical absorbents by comparing the utility consumption through computer simulation of each process. Among the processes selected for comparison are Rectisol<SUP>Ⓡ</SUP> process using methanol, Purisol<SUP>Ⓡ</SUP> process using n-methyl pyrrolidone (NMP), and SelexolTM process using dimethyl ethers of polyethylene glycol (DEPG) as a solvent. As a result of this study, it was concluded that Purisol<SUP>Ⓡ</SUP> process consumes the least energy followed by SelexolTM process. Therefore, it is considered that Purisol<SUP>Ⓡ</SUP> process is the most suitable method to absorb CO2 contained in the feed of DME synthesis reactor.