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이산화탄소 분리를 위한 순환식 중공사 막흡수기에 관한 모델링 연구 KCI 등재
Modeling Study on a Circulatory Hollow-Fiber Membrane Absorber for CO2 Separation
이산화탄소를 포함하는 기체혼합물의 분리를 위해 액체막을 기반으로 하여 관련된 많은 연구가 시도되어 왔다. 폐가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 본 연구에서는, 흡수제(absorbent)가 흡수(absoption)모듈과 전공조작식 탈착(desorption)모듈간을 계속 순환하는, 보다 개선된 형식의 순환식 중공사 막흡수기(circulatory HFMA)를 새로이 구성하고 분리성능에 관한 기초적인 해석을 하였다. 기-액 물질전달 모델식에 수치해를 적용하여 중공사 막 내부에서의 액상에 대한 농도분포를 정량적으로 예측하였고, 순환하는 흡수제의 유속에 따른 투과플럭스와 선택도의 변화거동을 살펴보았다. CO2/N2 원료혼합기체와 흡수제로서 반응이 없는 순수(pure water)에 대해 계산을 수행하였다. 결과로 흡수제의 유량이 증가함에 따라 투과플럭스는 증가하는 반면에 종전 방식에 비해 졸은 값을 나타낸 선택도의 경우는 점차 감소하였다. 한편 투과플럭스는 진공조작변수인 탈착모듈에서의 기상압력(p4 )에 크게 좌우됨을 보았다. 기존의 평판형 막모듈과의 비교로부터 예상했던 바와 같이 본 연구에서의 중공사 막모듈이 우수한 투과율을 나타냄을 확인할 수 있었다. Circulatory HFMA의 실제 설계를 위한 기초해석이 본 연구가 갖는 의의이다.
For several years lots of attempts have been made to establish the liquid membrane-based techniques for separations of gas mixtures especially containing carbon dioxide. A more effective system to separate CO2 from flue gases, a circulatory hollow-fiber membrane absorber(HFMA) consisting of absorption and desorption modules with vacuum mode, has been considered in this study. Gas-liquid mass transfer has been modeled on a membrane module with non-wetted hollow-fibers in the laminar flow regime. The influence of an absorbent flow rate on the separation performance of the circulatory HFMA can be predicted quantitatively by obtaining the CO2 concentration profile in a tube side. The system of CO2/N2 binary gas mixture has been studied using pure water as an(inert) absorbent. As the absorbent flow rate is increased, the permeation flux(i.e., defined as permeation rate/membrane contact area) also increases. The enhanced selectivity compared to the previous results, on the other hand, shows the decreasing behavior. It has been found obviously that the permeation flux depends on the variations of pressure in gas phase of desorption module. From an accurate comparison with the results of conventional flat sheet membrane module, the advantageous permeability of this circulatory HFMA can be clearly ascertained as expected. Our efforts to the theoretical model will provide the basic analysis on the circulatory HFMA technique for a better design and process.
