Pressure swing adsorption (PSA) process is one of the candidate processes for $CO_2$ capture. The interest has led to the development of various new adsorbents such as modified zeolite materials and metal-organic frame-works (MOFs). The developed adsorbents are evaluated through lab-scale methods based on simple indicators like working capacity and selectivity. However, these indicators do not accurately indicate and adsorbent's per-formance in a PSA process. In this work, we propose new performance indicators that better reflect the actual process-level performance: efficiency and purity. Both indicators are derived for an idealized PSA process with the extended Langmuir isotherm model, which means they serve as limits of the achievable performance of a PSA process with the tested adsorbent. For simple calculation and quick evaluation, the performance indicators are derived as explicit analytical expressions. Because the indicators are derived with the assumptions of an idealized PSA process, their calculations only require isotherm parameters rather than other process parameters, such as heat of adsorption and mass transfer coefficients, which are harder to obtain experimentally. In order to test whether an adsorbent in question can achieve target purity, the upper bound of purity is also derived by assuming an extreme operating condition. Case study involving the evaluation of zeolite 13X, activated carbon, and Cu-BTC is presented to show the use of the new performance indicators, and the results are compared with rigorous simulation results.
압력 스윙 흡착 (PSA) 공정은 이산화탄소 포집 공정 중 하나로 각광받으며, 이산화탄소 흡착을 위해 개선된 제올라이트나 금속유기구조체(MOFs)같은 다양한 흡착제 물질이 개발되게 되었다. 개발된 흡착제에 대해서 흡착제의 운전 용량(working capacity)이나 선택도(selectivity)등의 지표를 측정하여 랩 규모에서 그 성능이 평가되어 왔으나, 이러한 지표들은 흡착제가 PSA공정에서 사용되었을 경우의 성능을 완전히 반영하지는 못한다는 문제점이 존재한다. 본 연구에서는 실제 공정 규모의 성능을 반영할 수 있는 새로운 지표를 제시하려 한다. 새로운 평가 지표로서 효율(efficiency)과 순도(purity)가 제시되었으며, 이 지표들은 이상적인 PSA공정을 가정하여 유도되었다. 이는 흡착제가 PSA에서 사용되었을 때 이론적으로 얻을 수 있는 최고의 성능을 의미한다. 간단하고 빠르게 적용할 수 있게 만들기 위해, 확장된 랑뮤어식 (extended Langmuir isotherm equation)을 이용하여 명시적인 해석해 (explicit analytic solution)로 제시되었다. 제시된 지표의 수학적 유도 과정에서 이상적인 PSA를 가정했기 때문에, 물질 전달 계수나 흡착열 같은 공정의 다른 파라미터 없이 흡착제의 등온 파라미터(isotherm parameter)만 갖고도 공정 관점에서 흡착제를 평가할 수 있다. 또한, 흡착제가 주어진 이산화탄소 순도에 도달할 수 있는지 알 수 있게 하기 위해, 극단적인 운전 조건을 가정하여 순도의 상한선(purity upper bound)도 유도하였다. 새로운 흡착제 성능 지표를 어떻게 사용하는지 보여줄 수 있도록, 제올라이트 13X, 활성탄소, Cu-BTC 세가지 흡착제에 대한 케이스 스터디가 진행되었으며, 자세한 동적 모사를 통해 얻은 결과와 비교되었다.
