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  저온에서의 분리 방법에 관하여 질문드립니다.
  글쓴이 : 화공학도할…   고유ID : choisuin116     날짜 : 22-08-05 00:04     조회 : 169    
안녕하세요? Q&A 게시판을 보고 항상 많은 것을 배워가는 화학공학과 학부생입니다.

다름이 아니라 저온에서의 Purification에 궁금한 점이 생겨 질문드립니다.
95 mol % 이상의 NH3와 5mol%의 비점이 낮은(-190'C)가량 혼합물을 분리하여
99 mol % 이상의 NH3를 만들려고 하고 있습니다.

우선 flash drum을 고려하였는데 vaper로의 purge에 NH3가 너무 많아 처리가 힘들었습니다.
또한 distillation column도 고려하였지만, column 전체를 영하로 유지하여야 한다고 생각하여 에너지 효율에 문제가 있다고 생각했습니다.
다양한 분류 방법을 나름대로 생각해 보았습니다만 좋은 답을 찾지 못하여 질문드립니다.
혹시 다른 방법이 있다면 귀띔해주시면 공부에 많은 도움이 될 것 같습니다.

고견 부탁드립니다.
감사합니다.

스테파노 Stefano   22-08-05 21:24
(1) Distillation with Total Condenser
질문의 혼합물은 예를들어  N2와 NH3의 혼합물인 경우를 가정해 보면  이를 단순 증류방법으로 순도를 높이고자 한다면  두 혼합물을 액화시키고 나서야 이를 저온 증류탑에서 Distillation 방법을 사용해야 할 것입니다.  이 경우 액상 혼합물을 얻으려면 압력을 높일수록 고온에서 액상 혼합물을 얻을 수 있습니다. 

(2) Distillation with Partial Condenser
이 때 Distillation Column의 Condenser의 경우 Total Condenser를 사용하려면  아주 낮은 Condenser의 온도를 유지해야 하지만 Partial Condenser를 사용하는 경우라면 그보다 훨씬 높은 온도에서 운전이 가능합니다.  단  이 때 Noncondensable과 함께  High Boiling Component (여기서는 NH3)의 Loss는 Condenser 온도가 높아짐에 따라 증가하게 됩니다.

(3) Stripping with Partial Condenser
위의 (2)의 경우보다 더 높은 온도에서 Stripping Column을 사용하여 Column 하단에 Stripping Gas를 사용함으로써 Bottom Product중 저비점 성분의 농도를 크게 낮추어 NH3를 농축하는 방법인데  (4)의 경우나 기타 다른 방법과 비교하여 어느 정도 효과차이를 비교해 봐서 에너지가 적게 드는 방법을 찾아내면 될 것입니다.

(4) NH3 Adsorption & Desorption by Using a Good NH3 Adsorbant 
N2는 흡착하지 않고 NH3만 선택적으로 흡착하는 물질이 있다면  흡/탈착탑 원리에 의해 분리하는 방법으로 흡착특성이 아주 크게 다른 경우라면  이 방법이 아주 아주 유리한 NH3 분리방법입니다.  흡착제 고체인 경우라면  아래의  (5)의 방법에 비하여  크게 유리합니다.    이 방법은  흡착 Bed의  흡-탈착을 반복하는 Cycle 운전이 필요합니다.

(5)  NH3 Absorption & Desorption by Using a Good NH3 Absorbant
고체형 NH3 흡착물 대신 액상의 흡수물질이 있다면  NH3를 선택적으로 흡수하고 재생하는 방법으로 분리하는 방법인데  Amine Solution에 의한  H2S의 흡수-분리 공정과 유사한 방법입니다.    (4)의 Cycling 방법과는 달리 흡수액을 흡수탑과 재생탑을 이동해 가면서 연속운전으로 분리가 가능한 방법입니다.   

(6) Mixed Gas Compression & Knocking Out
혼합가스를 압축한 후 냉각하여 Righ-NH3 Liquid를 얻고  Noncondensable Mixture는 다시 압축 후 냉가하여 Lean-NH3 Liquid를 얻고 여기서의 Nondensable는 다시 압축하며  LL-NH3 Liquid를 발생시면서  Noncondensable-Rich Gas로 배출하는 방법으로 각단의 Liquid는 압축기 고압단에서 저압단으로 Flashing 시키면서 Flashing후 액은 중압단, 저압단 순으로 보내도록 하고  Noncondensable는 저압단에서 고압단으로 흘려가 최종단  Partial  Condenser  Noncondensable Gas로 배출하는 방법입니다.

(7) NH3와 N2의 분자크기 차이를 이용한 Molecular Sieve 사용 분리
혼합가스를 Porous Molecular Sieve를 통과시켜 분자크기가 작은 N2만 선택적으로 통과하도록 하고 NH3의 Leak(누설)이 발행하면 Molecular Sieve를 재생후 다시 사용하는 방법으로 분리

(8) NH3와 N2의 분자크기 차이를 이용한 Membrane Membrane Film의 사용
위의 (7)과 유사하나 분리막을 이용한 분리 방법

(9) NH3만 선택적으로 반응하는 화합물을 이용한 화학반응식 분리 방법
NH3 + A  ----> NH3-A  Complex      =>    NH3-A Complex 분리    =>  NH3  + A  로 재생후 재사용
위의  흡수나 흡착에 의한 분리와 유사하나 물리적 방법이 아니고 화학적 반응에 의해 NH3-A라는 화합물 Complex의 분리가 용이하고 A의 회수 재사용이 용이한 방법.

위와 같이 아주 많은 분리방법 Option이 존재합니다.    1~3의 방법은 저온의 액화공정을 도입해야 하기 때문에 에너지 소요가 높아서 효과적이지 못하고,  NH3-N2라고 하면 필자의 생각은  4,5 혹은 7, 8의 방법이 가장 성능이 좋고 에너지가 덜 드는 방법으로 보입니다 .
화공학도할… choisuin116   22-08-07 14:22
case마다 상세한 답변 너무 감사드립니다. 공정을 설계 방향을 정하는데 많은 도움이 되었습니다!
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