Adsorbents with S-shaped isotherms have received much attention on effective carbon capture as having high working capacity around their transition points. Despite their potential for reduced energy in gas separations, little research has analyzed pressure swing adsorption (PSA) fashion using these adsorbents at a process scale. The main obstacle of such analysis is the numerical complexity caused by S-shaped isotherms combined with the ideal adsorbed solution theory (IAST) for multi-component adsorption, which aggravates the inherent complexity of a dynamic PSA process model. Herein, this work develops a dynamic model of a PSA process as systems of nonlinear partial differential equations (PDEs) that adopts S-shaped isotherms, overcoming the aforementioned numerical issues. A continuous analytical expression for an S-shaped isotherm with 1-D discretization is applied to simulate the model. The simulation results of each step in the PSA process using flexible metal-organic frameworks (MOFs) are analyzed, and how S-shaped isotherm affects the bed profile is discussed. Lastly, sensitivity analysis on performance indicators of the PSA process is conducted to propose an insight into the proper operation of PSA using adsorbents with S-shaped isotherms.
S자 등온선 흡착제는 흡착 곡선의 전환 지점에서 높은 일 용량을 가지는 것으로 탄소 흡착 분야에서 주목을 받고 있다. 하지만, 기체 분리에서 에너지 감소의 가능성을 보여준다는 장점에도 불구하고 이 흡착제들을 공정 규모에서 활용한 압력 스윙 흡착 (PSA) 공정에 대한 연구는 미진하다. 이는, 이상 흡착 용액 이론 (IAST)과 주로 함께 활용되는 S자 등온선에 내재된 수치적 복잡도가 PSA 공정 자체의 복잡도를 악화시키기 때문이다. 본 연구에서는 이러한 수치적 복잡도를 해결하여, 비선형 편미분 방정식을 포함하는 압력 스윙 흡착 공정의 동적 모델을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 위해서는 S자 등온선의 연속적이고 분석적인 수식이 1차원 이산화 방법과 함께 활용되어 공정을 모사한다. 본 연구에서는 공정 모사 결과를 활용해, 금속 유기 구조체 (MOF)를 활용한 압력 스윙 흡착 공정의 각 단계마다 변수 프로파일을 분석하고 S자 등온선이 프로파일에 미치는 영향을 논의한다. 마지막으로, 공정 성능 지표에 대한 민감도 분석을 진행하여, S자 등온선을 활용한 압력 스윙 흡착 공정의 적절한 구동 조건에 대해 인사이트를 얻는다.
