A continuous $CO_2$ capture process using an aqueous $NH_3$ solution was investigated in this study. The experiments of continuous $CO_2$ absorption-desorption were performed using a lab-scale experimental apparatus. In order to find out the optimal operating conditions of continuous $CO_2$ capture process using an aqueous $NH_3$ solution, $CO_2$ removal efficiencies were measured under various operating conditions. The removal efficiencies were proportionally increased as the increase of $NH_3$ concentration but kept steady value above 12 wt\%. The removal efficiencies were also increased as the flow rates of gas and absorbent increase but the effects of these parameters on removal efficiencies were weaker than that of $NH_3$ concentration. As the regeneration temperature increased, the removal efficiencies increased rapidly and kept steady value at above specific temperature which defined as an optimal regeneration temperature. The optimal regeneration temperature were 87 $^{\circ}\mathrm{C}$ for 15 wt\%, 90 $^{\circ}\mathrm{C}$ for 12 wt\%, 93 $^{\circ}\mathrm{C}$ for 9 wt\%, 95 $^{\circ}\mathrm{C}$ for 6 wt\% and 97 $^{\circ}\mathrm{C}$ for 3 wt\%. As the regeneration temperature increase, $CO_2$ loadings of both absorbents were changed from rapid decrease to steady value and the increased differences of lean and rich $CO_2$ loadings explained increased $CO_2$ removal efficiencies. Through the continuous $CO_2$ capture experiments, it could found out that the optimal operating conditions were 12 wt\% of $NH_3$ concentration, 90 $^{\circ}\mathrm{C}$ of regeneration temperature with $CO_2$ loadings kept below 0.4.
A method based on mole fractions of vapor components at equilibrium was developed for continuous $CO_2$ capture process. It could be understood that the regeneration of $CO_2$ rich absorbent prefers the condition that the mole fraction of $NH_3$ in vapor phase at equilibrium is larger than that of $CO_2$. The mole fractions of $CO_2$ and $NH_3$ in vapor phase at actual regeneration are opposite to those at equilibrium state and the mole fraction of $CO_2$ in vapor phase is larger than that of $NH_3$. Stoichiometrically, the amounts of produced $NH_3$ by the decompositions of ammonium carbamate, carbonate and bicarbonate are larger than that of $CO_2$ and this was agreed well with the preferred regeneration condition that the mole fraction of $NH_3$ should be larger than those of $CO_2$ in vapor phase in vapor phase at equilibrium. The mole fractions of $CO_2$ and $NH_3$ were calculated using process library of ``FLASH`` in AspenPlus. Comparing with the experimental results, the calculated optimal regeneration temperatures agreed well within $\pm$ 2 $^{\circ}\mathrm{C}$. The behavior of removal efficiencies above optimal regeneration temperature were expressed by regeneration critical condition. They increased as the regeneration temperature increased but maintained steady value at above optimal regeneration temperature. It agreed well with the steady $CO_2$ removal efficiencies at above optimal regeneration temperature.
The effects of flow configurations on $CO_2$ absorption and $NH_3$ loss were studied using wetted-wall column. The amounts of transferred $CO_2$ were increased as the concentrations of $NH_3$ in absorbent decreased, $CO_2$ loadings increased and the concentration of $CO_2$ in gas stream increased. The concentrations of $NH_3$ in gas stream showed opposite trends of transferred $CO_2$. At counter-current, the amounts of transferred $CO_2$ were larger and the concentrations of $NH_3$ in gas stream were lower than those at co-current. These results were understood that $CO_2$ transfer was decreased as the amount of $NH_3$ in absorbent which reacts with $CO_2$ was decreased due to $NH_3$ evaporation. According to the experimental results using wetted-wall column, it could be found out that $CO_2$ absorption and $NH_3$ loss were contrary to each other and should be simultaneously considered in continuous $CO_2$ capture process using aqueous $NH_3$ solution. In case that $CO_2$ absorption and $NH_3$ loss at counter-current were similar to those at co-current, co-current configuration which could operate at high gas velocity without flooding would be advisable for absorption but it was concluded that counter-current configuration is suitable for $CO_2$ absorption process using aqueous $NH_3$ solution.
암모니아수를 이용한 연속 이산화탄소 포집공정에 관한 연구를 수행하였다. 공정의 최적 운전 조건을 규명하기 위해 실험실 규모의 연속 이산화탄소 포집공정을 제작하여 암모니아수 농도, 암모니아수의 이산화탄소 부하, 재생 온도, 흡수제 및 공급 기체 유량을 달리한 다양한 운전 조건에서 이산화탄소 제거율을 측정하였다. 흡수제 및 공급 기체 유량이 이산화탄소 제거율에 미치는 영향은 암모니아수 농도에 보다 작았으며, 암모니아수 농도가 증가함에 따라 이산화탄소 제거율이 급격하게 증가하다가 12 wt\% 이상에서 일정하게 유지되었다. 재생 온도 또한 암모니아수 농도와 유사한 경향을 나타내었다. 재생 온도가 증가함에 따라, 이산화탄소 제거율이 급격하게 증가하다가 일정 온도 이상에서 일정하게 유지되었다. 이러한 현상은 암모니아수 농도가 15, 12, 9, 6, 3 wt\% 일 때 각각 87, 90, 93, 95 및 97 $^{\circ}\mathrm{C}$에서 나타났으며 이 온도를 암모니아수 농도에 따른 최적 재생 온도로 정의하였다. 재생 온도의 증가는 암모니아수의 이산화탄소 부하를 감소시키는 결과를 나타내었는데, 최적 재생 온도 이상에서 흡수 후 이산화탄소 부하는 0.4 이하의 값을 나타내었다. 실험 결과로부터 암모니아수 농도 12 wt\%, 흡수 후 암모니아수의 이산화탄소 부하 0.4 이하 그리고 재생 온도 90 $^{\circ}\mathrm{C}$가 최적 운전 조건임을 알 수 있었다.
재생 조건에서 평형 상태에 있는 기상 성분의 몰분율을 이용하여 최적 운전 조건을 예측할 수 있는 방법을 개발하였다. 평형 상태에서 기상의 암모니아 몰분율이 이산화탄소 몰분율 보다 클 경우에 이산화탄소를 흡수한 암모니아수의 재생이 원활하게 이루어지는 것을 알 수 있었다. 이 경우 실제 재생 공정의 상태는 평형 상태의 반대가 되어 기상의 이산화탄소 몰분율이 암모니아 몰분율 보다 큰 상태로 운전되어 이산화탄소의 재생이 원활하게 진행되는 것을 알 수 있었다. 탄산암모늄염의 분해가 원활하게 진행될 경우 이산화탄소 보다 암모니아의 생성량이 크다는 화학양론적인 해석은 평형 상태에서 기상의 암모니아 몰분율이 이산화탄소 몰분율 보다 큰 경우가 이산화탄소를 흡수한 암모니아수의 재생에 유리한 조건이라는 것과 일치하였다. 열역학 모델로 ElectrolyteNRTL을 적용한 AspenPlus의 Flash를 이용하여 평형 상태에서 기상 성분의 몰분율을 계산하였으며 계산에 의한 최적 재생 온도는 실험 결과와 $\pm$ 2 $^{\circ}\mathrm{C}$ 범위에서 일치하였다. 최적 재생 온도 이상에서 이산화탄소 제거율 거동은 재생 임계 조건으로 나타내었다. 재생 온도가 증가함에 따라 증가하다가 최적 재생 온도 이상에서 일정하게 유지되는 것은 이산화탄소 제거율 거동과 일치하였다.
유체 흐름의 구성이 이산화탄소 흡수와 암모니아 손실에 미치는 영향을 고찰하기 위해습벽탑 (wetted-wall column)을 이용한 실험을 수행하였다. 암모니아수 농도가 증가할수록 전달된 이산화탄소의 양은 감소하였으며 기상의 암모니아 농도는 반대 결과를 나타내었다. 암모니아수의 이산화탄소 부하를 달리한 실험에서는 부하가 증가할수록 이산화탄소 흡수가 증가하고 암모니아 손실은 감소하였다. 전달된 이산화탄소의 양은 암모니아수 농도가 감소할수록, 이산화탄소 부하가 증가할수록 그리고 이산화탄소 농도가 증가할수록 증가하였고 기상에서의 암모니아 농도는 반대로 감소하였다. 병렬 흐름 (co-current) 보다 향류 흐름 (counter-current)에서 전달된 이산화탄소의 양이 많았고 기상의 암모니아 농도는 낮았다. 이러한 결과는 암모니아 증발에 의해 이산화탄소와 결합할 수 있는 흡수제의 암모니아 양이 감소함으로써 이산화탄소 전달량이 감소한 것으로 해석하였다. 습벽탑을 이용한 실험 결과로부터 이산화탄소 흡수와 암모니아 손실은 서로 반대 경향을 나타내는 것을 알 수 있었고, 암모니아수를 이용한 연속 이산화탄소 흡수 공정에서는 이 두 가지를 동시에 고려해야 함을 알 수 있었다. 향류 흐름에서 이산화탄소 흡수와 암모니아 손실이 병류 흐름과 유사할 경우에는 흡수제의 범람 (flooding) 유발 없이 높은 기체 속도로 운전할 수 있는 병류 흐름이 바람직하지만 암모니아수를 이용한 연속 이산화탄소 흡수 공정에는 이산화탄소 흡수가 우수하고 암모니아 손실이 작은 향류 흐름이 적절하다는 결론을 얻었다.
