중공사막을 적용한 이산화탄소 처리설비 최적화에 관한 연구
OPTIMIZATION PROCESS OF CO₂ SEPARATION PROCESS BY USING HOLLOW FIBER MEMBRANE
- 발행기관 亞洲大學校 大學院
- 지도교수 金炯澤
- 발행년도 2004
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
쿄토 의정서 등의 일련의 기후변화협약에 의해 선진국들은 CO₂ 배출 저감의무를 이행하여야만 하므로 향후에는 우리나라를 포함한 개발도상국의 적극적 참여를 유도하면서 CO₂ 배출 저감에 관한 국제적 협상이 이루어 질 것으로 예측된다. 기후변화협약의 기술적 대응수단인 교토 메커니즘 시행이 관련기술을 바탕으로 한 기술시장 원리임을 감안할 때, 기반기술개발에 다소 시간적 여유를 가질 수 있다는 긍정적인 측면이 있으나, 선진국들에 의한 감축의무 부과시기가 앞 당겨질 우려도 있다. 따라서 우리나라도 향후 예상되는 CO₂ 배출 저감 의무 부과에 대비하여야 할 것이며, 특히 대규모 에너지 이용설비에서 배출되는 CO₂를 제거하기 위한 저에너지 흡수설비의 최적화를 획득하여야 한다. 에너지 변환공정 및 화석연료 연소 배기가스 중에 포함된 이산화탄소의 분리, 회수하는 방법은 심냉법 (증류법), 흡착법, 흡수법 및 막분리법 등이 현재 CO₂ 저감을 위한 기술들로 대두되고 있다. 그 중 상대적 에너지 소모량이 최소이며 조작이 간편하여 운전비용이 저렴한 중소규모의 이산화탄소의 처리량에 적합한 막분리법에 의한 이산화탄소의 분리와 회수에 관한 연구 및 실용기술개발은 흡수법이나 흡착법과는 차별화되어 사용될 수 있는 중요기술로 개발의 필요성이 절실하게 요구된다. 따라서 본 연구에서는 이산화탄소 막분리공정에 대한 시스템공정 모델을 구축하고 시뮬레이션하여 막모듈의 운전조건, 복합막의 형태변화에 따른 분리특성, 타 이산화탄소 처리기술과의 Integrated 적용시 공정 영향 등의 공정변수들을 변화시키면서 막분리 공정에서 에너지가 최소화되는 설계변수 및 운전변수를 도출하여 이산화탄소 막분리공정 최적화를 수행할 것이다. 전체 공정에 대한 diagram을 작성하였고 그 중에서 막성능에 영향을 줄 수 있는 수분을 제거하기 위한 공정에 대한 시뮬레이션을 Aspen Plus를 통하여 진행하여 수분을 거의 대부분 제거하여 CO₂/N₂의 유사2성분계로 평가하고 Fortran을 이용하여 막모듈 1단에 대한 시뮬레이션을 진행하고 그 결과를 응용하여 4단의 cascade를 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다. 4단 cascade의 경우 recycle이 없는 경우와 recycle이 있는 경우를 구별하여 시뮬레이션을 진행하였다. 이 시뮬레이션을 통하여 공정에 필요한 막면적 및 막모듈갯수를 구하여 실제 공정에 필요한 data를 확보하였다. recycle이 있는 경우에 고농축의 더 많은 CO₂를 얻을 수 있다고 확인되었다. 이 외에도 FORTRAN을 이용하여 막성능의 변화에 따른 공정에서 필요한 막면적 및 막모듈갯수를 파악하고 공정에 필요한 data들을 구하기 위한 시뮬레이션을 진행하여 막성능이 높아질수록 공정에 필요한 막면적 및 막모듈갯수는 현저하게 감소하여 capital cost를 크게 절감할 수 있다는 것을 확인하였다. 마지막으로 공정에 필요한 energy cost를 계산하여 현 공정이 조작이 간편하고 운전비용이 저렴하며 energy cost가 적은 이산화탄소의 처리에 적합하다고 평가하였다.
more초록/요약
Due to the settlement of a series of United Nations Framework Convention on Climate Change like the Kyoto Protocol, it is expected that the international agreements for the decrease of CO₂ discharge will be accomplished. Korea should prepare for the duty of the decreasing CO₂ discharge. Technology of membrane separation requires very low energy consumption. Furthermore, it is operated easily and inexpensively. Therefore, the researches and technology developments of the membrane separation technology for the separation and the recovery of CO₂ are necessary. In the present simulation study, system models for the CO₂ separation process by using the membrane separator is set up. The CO₂ separation process is simulated with changing the parameter as operation condition, separation property for the shape change of mixed membrane, and etc. The optimum conditions for the CO₂ separation process are obtained by getting the design and operation parameters when energy requirement is the lowest. A simulation about one membrane bundle is made progress by using the FORTRAN, using those results, 4 bundles of membrane module is composed like a cascade. Thereafter simulation using the FORTRAN is progressed. It is computed that required membrane area and number of module, permeated CO₂ concentration and the amount of permeated gas. And 1 membrane bundle is made-up by using the Aspen Custom Modeler. The results of simulation for 1 bundle by the FORTRAN & the Aspen Custom Modeler are almost the same. When there are recycles at the FORTAN simulation, flow rate & CO₂ concentration of permeate are increased about 0.4㎥/hr and 0.53%. Required membrane area & No of required modules at 1st stage are increased. But, required membrane area & No of required modules at other stage are decreased. Total required membrane area & total No of required modules is increased. Total No of required modules are increased about 6 modules. These results indicate that we can remove more CO₂ and get the high CO₂ concentration. If more bundles are attached, the separation units by using the hollow fiber membrane remove more CO₂ and get the high CO₂ concentration. Therefore, it is very useful that CO₂ separation process by using the hollow fiber membrane.
more목차
목차
제 1 장 서론 = 1
제 1 절 연구의 배경 및 목적 = 1
제 2 장 기술현황 및 기대효과 = 6
제 1 절 관련 기술의 국내·외 현황 = 6
제 2 절 기술개발의 필요성 = 12
제 3 장 중공사막을 이용한 CO₂ 분리공정모사 = 14
제 1 절 수분제거공정 = 14
제 2 절 프로그래밍을 이용한 막분리공정 = 18
제 3 절 Aspen plus을 이용한 에너지요구량계산 = 23
제 4 장 시뮬레이션 및 계산 결과 = 24
제 1 절 수분제거공정 = 24
제 2 절 프로그래밍을 이용한 막분리공정 = 29
제 3 절 Aspen plus을 이용한 에너지요구량계산 = 48
제 5 장 결론 = 50
참고문헌 = 53
Abstract = 55
