Mitigation technologies of greenhouse gas emissions have been actively researched due to the rising concerns for climate change and global warming. For carbon capture, several technologies are already developed and commercialized. For conventional power plants, post-combustion capture using absorption is most popular because an existing power plant can easily be retrofitted to accommodate it. Even though chemical absorption based on amine solvents is a mature technology, the large volume of packed beds and extra costs needed for the conventional MEA process for carbon capture are the obstacles to applying the technology to industrial plants. To lower the costs of the process, there are many outstanding issues, such as solvent selection-design, developing advanced process units and, process operability. The rotating packed bed (RPB) is an intensified equipment that can reduce the volume of the packed bed significantly and maybe a good alternative for certain industrial situations.
The RPB has been suggested as the rotational force can enhance the mass transfer rate by increasing the interfacial area. Since the rotating packed bed can use a high viscosity solvent, a high concentration of the absorbent that can decrease the solvent flowrate as well as regeneration energy can be applied. For widespread industrial adoption of the monoethanolamine (MEA) process with RPBs, an investigation of its rotation cost and the operation conditions is needed. In this study, the design and operation related to the energy consumption of the MEA-based carbon dioxide capture process applied with RPBs are analyzed through modeling and simulation.
The rigorous model of RPB for carbon capture is developed in the simulator. A thermodynamic model and physical properties models that can simulate the physical and chemical phenomena of a mixture of MEA and water and carbon dioxide are used. The mass transfer coefficients models and hydraulic models that can express the effect of the rotation are employed. The developed process model is validated with steady-state experimental data in the literature and the whole process including RPB absorber, stripper, and other process units are integrated into the simulator. The preliminary designs of the RPBs are suggested based on the consideration of flooding and capture rate, and then key operating variables are optimized to minimize the total energy consumption.
The RPB cannot handle large gas flows with one unit since the RPB has size limitations. Therefore, the maximum gas flow rate that a single carbon capture process with RPB units can treat are examined. The module concept is applied to the RPB process. Depending on the treating gas flowrate, three different module designs are suggested. The cost estimation model for each module is obtained. The number of each module for processing a given gas flowrate is investigated based on cost estimation models.
지구온난화의 심화로 온실가스인 이산화 탄소 포집 기술에 대한 관심이 높아졌고, 이에 따라 다양한 이산화 탄소 포집 기술이 개발되었다. 그 중 화학 흡수 기반으로 한 이산화 탄소 포집 기술이 현재 화학 연료 기반의 발전소에 적용하여 이산화 탄소를 포집을 할 수 있는 기술로 평가되고 있다. 기존에 존재하는 발전소에 적용할 수 있다는 장점이 있으나, 큰 공정 장치 크기와 설치 및 운영을 위한 추가 비용이 난관으로 작용하고 있다. 따라서, 공정 비용을 줄이고자 새로운 흡수제 및 향상된 재생기의 개발 등이 이루어졌다. 본 연구에서는 충전층의 부피를 줄여 공정 설치 비용을 줄일 수 있는 대안으로 개발 된 회전식 충전층을 이산화 탄소 포집 공정에 적용하고, 이를 평가, 분석하고자 하였다.
회전식 충전층은 회전력을 통해 물질 전달 표면적을 증가시켜 장치 크기를 감소 시킬 수 있다. 또한, 높은 점도를 갖고 있는 물질을 사용할 수 있어서 높은 농도의 흡수제를 사용할 수 있고, 정적 상태로 빠르게 도달할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 실제 적용을 위해서는 회전으로 인해 추가되는 에너지를 확인하고 이를 개선할 수 있는 방향이 제시되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 모델링과 시뮬레이션을 통해 회전식 충전층을 적용한 모노에탄올아민 기반의 이산화 탄소 포집 공정의 에너지 소비와 관련한 설계 및 운영에 대해서 조사하고자 하였다.
먼저, 실제 공정을 잘 표현할 수 있는 모사기를 개발하고자 하였다. 모노에탄올아민과 물과 이산화 탄소 혼합 물질의 물리, 화학적 현상을 잘 모사할 수 있는 열역학 모델 및 물리적 성질 모델을 사용하였다. 회전 효과를 반영할 수 있는 다양한 물질 전달 계수 및 수학력 모델을 사용하였다. 개발된 모사기는 실제 현상을 모사할 수 있는지 확인 하였고, 흡수탑, 탈거탑 등 공정을 구성하는 장치를 모두 연결하여, 이를 바탕으로 초기 디자인을 제시하였다. 초기 디자인을 가정하여, 에너지 사용을 최소화하는 운전 조건을 분석하였다.
회전식충전층은 직경과 높이의 제한이 있는 특성상 하나의 장치로 큰 가스 유량을 처리하기에는 다소 무리가 있다. 따라서, 하나의 회전식충전층이 처리할 수 있는 최대 유량과 디자인을 최적화를 통해 분석하였다. 모듈 개념을 도입하여 처리 유량에 따라 세개의 모듈 디자인을 제안하고, 각 모듈 디자인에 대해 비용 모델을 제시하였다. 비용 모델을 기반으로 주어진 유량의 처리를 위해 필요한 각 모듈의 개수와 처리용량을 분석하는 사례 연구를 진행하였다.
