알카놀아민계 화학흡수제 수용액을 이용한 배가스중 이산화탄소 흡수분리공정의 최적화에 관한 연구
Optimization of Continuous CO₂ Absorption/Separation Process with Alkanolamine Aqueous Solution
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 김형택
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 논문에서는 이산화탄소 흡수분리공정에서 흡수제 재생시의 소모에너지를 저감하기 위한 방법으로 재생탑의 운전 환경 및 공정의 열교환망 최적화의 방법론에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 대상 공정으로 한국에너지기술연구원의 실험실급 장치를 선정하고 상용 공정모사 프로그램인 AspenPlus™를 사용하여 공정모사를 수행하였다. 3 ~ 6 ㎥/hr의 배기가스 유량 범위, 0.5 ~ 4ℓ/minute의 흡수제 유량 범위에서 총에너지소모량 및 재열기의 에너지소모량 변화와 이에 따른 이산화탄소의 흡수 분리율의 변화를 계산하였으며 95% 이상의 흡수/분리율을 나타내는 각 운전조건의 범위를 계산 하였다. 공정 개선은 1차적으로 재생탑에 유입되는 흡수제의 온도 및 유량과 유입류의 수를 변화시켜 재생탑의 각 부분에서 열역학적 평형 운전상태에 근접시킴으로써 탑상의 응축기와 탑저의 재열기에 소모되는 에너지를 저감하였으며 2차적으로는 재생탑에 최적화된 분기 흐름의 최종 온도를 얻기 위한 열교환망의 효율적 구성을 통하여 기존 공정의 유입전 예열 과정에 소요되는 에너지를 공정 내부에서 최대한 회수할 수 있도록 하였다. 그 결과 기존 대비 총동력 소모분의 32.02%가 저감되었다. 본 연구에서 제시한 방법론과 함께 시설 투자비와 에너지 저감분에 대한 trade off 분석, 유량 제어에 관한 기술적 접근이 이루어 진다면 향후 이산화탄소 흡수분리 기술 적용이 본격화 되었을 때 시스템 설계의 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
more초록/요약
Carbon dioxide is the major contributor to the global warming phenomena due to its abundance comparing to other greenhouse gases. As a result, it is considered to be a primary global warming gas for reduction. Among CO₂ separation technologies in the flue gas, the chemical absorption process using amine solution is known to be the most matured process. However, energy requirement to operate this process, especially in a regeneration step of absorbent, is relatively larger than that of other CO₂ separation processes. The main purpose of this study is to determine optimum operation conditions for the minimum amount of energy required in the CO₂ separation process with amine solution. For this purpose, the bench-scale, continuous CO₂ absorption pilot-scale apparatus located in the Korea Institute of Energy Research has been simulated and modified by commercial simulation code-AspenPlus™. Several different operating parameters are changed during the simulation to find optimum conditions. Sensitivity analysis in the range of 3-6 ㎥-flue gas/hr and 0.5-4ℓ-30wt% amine solution/minute is carried out to examine the relationship among major operation variables: solution flow rate, reboiler heat duty and flue gas flow rate. Absroption/separation rate of CO₂ which varies with the change of major operation variables is calculated through this analysis. An optimal operation region which indicates over 95% of absorption/separation rate of CO₂ is also found out as a result of the analysis. The process improvement in point of energy saving has been performed through two key concepts. Two major concepts which are introduced to alleviate the energy requirement of chemical absorption process are the counter action theory and the guideline for exergy analysis. The counter action theory is applied to minimize the amount of heat consumption in the regeneration column. And the guideline for exergy analysis is used to optimize heat exchanger network. Efficient operating condition range of the operation variables is calculated through the simulation. And the calculated total amount of energy required in the process has decreased 32.02%. The concept of this study would able to be offered as a basic design scenario when the technical approach to the control of stream split and economic analysis about the trade off between capital cost and operation cost are fully carried out.
more목차
목차
제 1 장 서론 = 1
1.1 연구 배경 및 목적 = 1
1.2 연구 내용 = 3
제 2 장 이론 = 5
2.1 알카놀아민의 물리화학적 특성 = 5
2.2 흡수반응 매커니즘 = 7
2.3 흡수평형 모델 = 10
제 3 장 이산화탄소 화학흡수분리 공정 = 13
3.1 흡수분리공정의 기본 개요 = 13
3.2 실험실급 이산화탄소 연속흡수분리장치 = 14
제 4 장 공정모사 = 19
4.1 실험실급 이산화탄소 연속흡수장치의 공정모사 = 19
4.1.1 AspenPlus™를 이용한 대상공정의 모사 = 19
4.1.2 대상 공정의 민감도 분석 = 22
4.2 공정 최적화 = 22
4.2.1 흡수제 온도의 적정성 평가 = 23
4.2.2 재생탑 최적화 = 24
4.2.3 최적 HEN(Heat Exchanger Network) 구성 = 28
제 5 장 공정모사 및 개선 결과 = 32
5.1 실험실급 이산화탄소 연속흡수장치 모사 결과 = 32
5.1.1 흡수 및 재생 장치에서의 조성 변화 = 32
5.1.2 민감도 분석 결과 = 34
5.1.3 물질수지 계산 = 36
5.2 공정 개선 결과 = 39
5.2.1 물질수지 계산 = 39
5.2.2 흡수제 재생 과정의 소모에너지 변화 = 41
5.2.3 총소모에너지 감소량 = 43
제 6 장 결론 = 45
참고문헌 = 47
Abstract = 49
