압력 스윙 흡착

Pressure swing adsorption
PSA 프로세스의 개략도("아리아" = 공기 입력")왼쪽 스케치와 오른쪽 스케치의 수직 평면에서의 대칭성에 주목합니다.
PSA를 사용하는 질소 발생기

압력 스윙 흡착(PSA)은 일부 가스 종을 흡착 물질에 대한 분자 특성 및 친화력에 따라 압력을 받는 기체 혼합물(일반적으로 공기)에서 분리하는 데 사용되는 기술입니다.이는 주변 온도에 가까운 온도에서 작동하며 가스를 분리하는 데 일반적으로 사용되는 극저온 증류와는 크게 다릅니다.트랩 재료로는 선택적 흡착제(예를 들어 제올라이트, (일명 분자 체), 활성탄 등)가 사용되며, 우선 타깃 가스종을 고압으로 흡착한다.그런 다음 프로세스는 저압으로 회전하여 흡착된 가스를 탈착합니다.

과정

압력 스윙 흡착의 애니메이션 (1) 및 (2)는 흡착과 탈착을 번갈아 보여준다.
I 압축 공기 입력 A 흡착
O 산소 배출량 D 탈착
E 기진맥진하게 만들다

압력 스윙 흡착 프로세스(PSA)는 고압 상태에서 가스가 고체 표면에 갇히는 경향이 있는 현상, 즉 "흡착"되는 현상을 기반으로 합니다.압력이 높을수록 더 많은 가스가 흡착됩니다.압력이 떨어지면 가스가 방출되거나 탈착됩니다.PSA는 다양한 가스가 주어진 고체 표면에 다소 강하게 흡착되기 때문에 혼합물의 가스를 분리하는 데 사용될 수 있습니다.산소보다 질소를 강하게 끌어당기는 제올라이트의 흡착층이 포함된 용기를 공기 등의 가스 혼합물이 압력에 의해 통과하면 질소 일부가 침상에 남아 용기에서 나오는 가스의 산소가 혼합물에 비해 풍부해진다.침대는 질소흡착능력의 한계에 도달하면 압력을 감소시켜 재생시켜 흡착된 질소를 방출할 수 있다.그런 다음 산소가 풍부한 공기를 생산하는 또 다른 사이클을 준비할 수 있습니다.

두 개의 흡착 용기를 사용하면 목표 가스를 거의 연속적으로 생성할 수 있습니다.또한 감압 중인 용기에서 나오는 가스를 사용하여 두 번째 용기의 일부를 가압하는 압력 균등화도 가능합니다.그 결과, 상당한 에너지 절약이 실현되어, 업계의 일반적인 관행입니다.

흡착제

PSA 시스템용 흡착제는 서로 다른 기체를 구별할 수 있는 능력을 제외하고 일반적으로 큰 특정 표면적 때문에 매우 다공성 물질로 선택된다.대표적인 흡착제는 제올라이트, 활성탄, 실리카겔, 알루미나 또는 합성수지입니다.이러한 표면에 흡착된 가스는 한 층 또는 최대 몇 개의 분자 두께로 구성될 수 있지만, 그램당 수백 평방미터의 표면적은 흡착제 무게의 상당 부분을 가스에 흡착할 수 있게 한다.다른 가스에 대한 친화력 외에 제올라이트 및 일부 종류의 활성탄은 분자 체 특성을 이용하여 분자의 크기 및 모양에 기초한 일부 가스 분자를 구조에서 제외함으로써 더 큰 분자의 흡착 능력을 제한할 수 있다.

적용들

매립지 가스 이용 공정에서 사용되는 가스 분리막 스키드

PSA는 의료용 산소를 공급하거나 병원의 1차 산소 공급원인 대용량 저온 또는 압축 실린더 저장소의 대체품으로 사용하는 것 외에도 다양한 용도로 사용됩니다.PSA의 주요 용도 중 하나는 정유 및 암모니아(NH3) 생산에 사용할 수 있는 수소(H2)의 대규모 상업적 합성 마지막 단계로서 이산화탄소(CO2)를 제거하는 것이다.정유소에서는 수소 공급에서 황화수소(HS2)를 제거하고 수소 처리 및 수소 분해 장치의 재활용 스트림에 PSA 기술을 사용하는 경우가 많습니다.PSA의 또 다른 적용은 메탄(CH4) 비율을 높이기 위해 바이오가스에서 이산화탄소를 분리하는 것이다.PSA를 통해 바이오가스는 천연가스와 유사한 품질로 업그레이드될 수 있습니다.여기에는 매립가스를 천연가스로 [1]판매하는 실용 등급의 고순도 메탄가스로 업그레이드하는 매립가스 이용 프로세스가 포함된다.

PSA는 다음 분야에서도 사용됩니다.

  • 산소 함량이 낮은 공기를 생산하는 저산소 공기 화재 방지 시스템.
  • 프로판 탈수소 과정을 통한 프로필렌 플랜트.수소보다 [2]메탄과 에탄 흡착을 선호하는 선택적 매질로 구성됩니다.
  • PSA 프로세스에 기반한 산업용 질소 발생 장치는 압축 공기에서 고순도 질소 가스(최대 99.9995%)를 생성할 수 있습니다.그러나 이러한 발전기는 중간 범위의 순도와 흐름을 제공하는 데 더 적합합니다.이러한 유닛의 용량은 Nm/h3, 보통 시간당3 입방미터 단위로 표시되며, 1Nm/h는 온도, 압력 및 습도의 몇 가지 표준 조건 중 하나에서 시간당 1000리터에 해당합니다.
    • 질소의 경우: 순도 99.9%에서3 100Nm/h부터 순도 97%에서 9000Nm3/h까지,
    • 산소: 최대 1500Nm3/h(순도 88% ~ 93%)[3]

탄소포착저장(CCS) 프레임에서는 석탄화력발전소에서 대량의 CO를 채취해2 지질탐색 전에 이들 발전소의 [4][5]온실가스 배출량을 줄이는 연구도 진행 중이다.

또한 PSA는 무게를 줄이고 [6]소송의 작동 시간을 연장하기 위해 우주복 1차 생명 유지 시스템에 사용되는 비재생 흡수제 기술에 대한 미래 대안으로 논의되었다.

이는 폐기종과 COVID-19 환자 및 호흡에 [citation needed]산소가 풍부한 공기가 필요한 기타 환자가 사용하는 의료용 산소 농축기에 사용되는 과정이다.

PSA 테크놀로지의 다양성

2단계 PSA

(DS-PSA, Dual Step PSA라고도 불립니다).
실험실 질소 생성기에서 사용하기 위해 개발된 이 변형 PSA를 통해 질소 가스는 두 단계로 생성됩니다. 첫 번째 단계에서는 압축 공기가 탄소 분자 체를 통과하여 약 98%의 순도로 질소를 생성하도록 강제됩니다. 두 번째 단계에서는 질소가 두 번째 탄소 몰큘라로 강제됩니다.r 체에 의해 질소가스는 99.999%까지 최종 순도에 도달한다.2단계의 퍼지 가스는 1단계의 공급 가스로 재활용되어 부분적으로 사용된다.

또한 퍼지 프로세스는 다음 사이클의 성능을 향상시키기 위해 액티브한 대피에 의해 지원됩니다.이 두 가지 변경의 목표는 기존 PSA 프로세스보다 효율성을 개선하는 것입니다.

또한 DS-PSA를 적용하여 산소 농도를 높일 수 있습니다.이 때, 1단에서는 알루미늄 실리카계 제올라이트가 출구에서 95%의 산소에 도달하는 질소를 흡착하고, 2단에서는 탄소계 분자 체가 역순환으로 잔류 질소를 흡착하여 산소를 99%까지 농축한다.

고속 PSA

급속 압력 스윙 흡착(RPSA)은 휴대용 산소 농축기에 자주 사용됩니다.고순도가 필수적이지 않고 공급 가스(공기)를 [7]폐기할 수 있는 경우 흡착제 베드의 크기를 크게 줄일 수 있습니다.기둥의 반대쪽 끝을 같은 속도로 번갈아 환기시키면서 압력을 빠르게 순환시키는 방식으로 작동합니다.즉, 흡착되지 않은 가스는 기둥을 따라 훨씬 빠르게 진행되며 원위단에서 배출되는 반면 흡착된 가스는 진행 기회를 얻지 못하고 [8]근위단에서 배출됩니다.

진공 스윙 흡착

진공 스윙 흡착(VSA)은 주변 압력에 가까운 가스 혼합물에서 특정 가스를 분리한 후 진공으로 전환하여 흡착 물질을 재생합니다.VSA는 거의 주변 온도 및 압력에서 작동하므로 다른 PSA 기술과 다릅니다.VSA는 일반적으로 진공 상태에서 분리 프로세스를 통해 가스를 흡입합니다.산소 및 질소 VSA 시스템의 경우 진공은 일반적으로 블로워에 의해 발생합니다.하이브리드 진공 압력 스윙 흡착(VPSA) 시스템도 존재합니다.VPSA 시스템은 분리 프로세스에 가압 가스를 가하고 퍼지 가스에 진공도 가합니다.VPSA 시스템은 휴대용 산소 농축기 중 하나와 마찬가지로 회수(제품 가스 배출/제품 가스 유입) 및 생산성(제품 가스 배출/체 재료 질량)과 같은 관례적인 산업 지수로 측정되는 가장 효율적인 시스템 중 하나입니다.일반적으로 회수율이 높을수록 압축기, 송풍기 또는 기타 압축가스 또는 진공원이 작아지고 소비전력이 감소합니다.생산성이 높아지면 체 바닥이 작아집니다.소비자는 제품 가스의 양을 시스템의 무게와 크기로 나눈 값, 시스템의 초기 비용과 유지보수 비용, 시스템의 전력 소비 또는 기타 운영 비용, 신뢰성과 같이 시스템 전체에서 보다 직접적으로 측정 가능한 차이를 갖는 지수를 고려할 가능성이 높습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "SWANA 2012 Excellence Award Application "Landfill Gas Control" Seneca Landfill, Inc" (PDF): 8. Retrieved 13 October 2016. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  2. ^ Propylene Production via Propane Dehydrogenation, Technology Economics Program. Intratec. 2012. ISBN 9780615661025.
  3. ^ Air Products and Chemicals, Inc (2009). "Systèmes de production de gaz PRISM®" (PDF) (in French).
  4. ^ http://www.co2crc.com.au 2006년 8월 19일 Wayback Machine에서 아카이브 완료
  5. ^ Grande, Carlos A.; Cavenati, Simone, eds. (2005), "Pressure Swing Adsorption for Carbon Dioxide Sequesteration", 2nd Mercosur Congress on Chemical Engineering
  6. ^ Alptekin, Gokhan (2005-01-08). "An Advanced Rapid Cycling CO2 and H2O Control System for PLSS". NASA. Retrieved 2007-02-24.
  7. ^ Chai, S. W.; Kothare, M. V.; Sircar, S. (2011). "Rapid Pressure Swing Adsorption for Reduction of Bed Size Factor of a Medical Oxygen Concentrator". Industrial & Engineering Chemistry Research. 50 (14): 8703. doi:10.1021/ie2005093.
  8. ^ Ruthven, Douglas M.; Shamsuzzman Farooq, Kent S. Knaebel (1993). Pressure Swing Adsorption. Wiley-VCH. ISBN 9780471188186.

추가 정보

  • Hutson, Nick D., Rege, Salil U., 그리고 Yang, Ralph T. (2001)."우수한 흡수제를 사용한 압력 스윙 흡수에 의한 공기 분리", 에너지부 국립 에너지 기술 연구소, 2001년 3월.
  • 흡착 리서치, Inc., "흡수는 솔리드 솔루션" [1]
  • Ruthven, Douglas M. (2004)흡수 및 흡수 프로세스의 원리, Wiley-InterScience, Hoboken, NJ, 페이지 1
  • 양, 랄프 T.(1997)."흡수 과정에 의한 가스 분리", 화학공학 시리즈, 제1권, 세계과학출판사, 싱가포르.
  • Ruthven, Douglas M.; Shamsuzzman Farooq, Kent S. Knaebel (1993). Pressure Swing Adsorption. Wiley-VCH. ISBN 9780471188186.
  • 주앙 C.; 포르투갈 포르투갈 포르투갈 포르토주 포르토 우니베르시도두포르투 프로세스오 데 세파상(Processos de Separasso)의 마갈하이스(Magalhaies, Fernao D) 및 멘데스(Mendes, Adelio)