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KR102026012B1 - Designing method of carbon dioxide capture and storage process using gas separation membrane - Google Patents

Designing method of carbon dioxide capture and storage process using gas separation membrane Download PDF

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KR102026012B1
KR102026012B1 KR1020180008916A KR20180008916A KR102026012B1 KR 102026012 B1 KR102026012 B1 KR 102026012B1 KR 1020180008916 A KR1020180008916 A KR 1020180008916A KR 20180008916 A KR20180008916 A KR 20180008916A KR 102026012 B1 KR102026012 B1 KR 102026012B1
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carbon dioxide
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김준한
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Abstract

본 발명에 따른 이산화탄소 포집 공정 설계 방법은, 목표 순도 및 목표 포집율을 설정하는 목표설정단계; 상기 목표 순도, 상기 목표 포집율 및 주입된 기체를 처리해 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 배출하는 분리막 모듈의 분리 성능 데이터를 이용하여, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 단수 및 상기 분리막 모듈의 통과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 처리수를 계산하는 계산단계; 및 상기 계산된 단수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 투과부 흐름 사슬에 배치하고, 상기 통과부 흐름 사슬이 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하도록 상기 계산된 처리수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 통과부 흐름 사슬에 배치함으로써, 상기 주입가스를 주입받아 최종 이산화탄소 배출 흐름을 배출하는 상기 투과부 흐름 사슬과, 상기 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하는 상기 통과부 흐름 사슬을 포함하는 이산화탄소 포집 공정을 형성하는 배치단계;를 포함한다.Carbon dioxide capture process design method according to the invention, the target setting step of setting the target purity and target capture rate; Using the separation performance data of the membrane module for processing the target purity, the target capture rate, and the injected gas to discharge the permeate flow and the pass-through flow, the singular and the membrane module which is the number of the membrane modules constituting the permeate flow chain A calculation step of calculating the treated water which is the number of the membrane modules constituting the passage part of the flow chain; And placing the membrane modules of the same number as the calculated stage in the permeate flow chain, and passing through the membrane modules of the same number as the calculated treated water so that the passage flow chain receives the injection gas and discharges the discard stream. By placing in a secondary flow chain, it forms a carbon dioxide capture process comprising the permeate flow chain that receives the injection gas to discharge the final carbon dioxide discharge stream and the passage flow chain that receives the injection gas to discharge the waste stream It includes; arrangement step.

Description

분리막을 이용한 이산화탄소 포집 공정 설계 방법 {DESIGNING METHOD OF CARBON DIOXIDE CAPTURE AND STORAGE PROCESS USING GAS SEPARATION MEMBRANE}Carbon dioxide capture process design method using membrane {DESIGNING METHOD OF CARBON DIOXIDE CAPTURE AND STORAGE PROCESS USING GAS SEPARATION MEMBRANE}

본 발명은 분리막을 이용하는 이산화탄소 포집 공정을 설계하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of designing a carbon dioxide capture process using a separator.

발전소에서는 연소반응을 통해 에너지를 얻고 난 뒤, 연소가스가 배출된다. 연소가스는 대량의 이산화탄소를 포함하고 있는데, 이산화탄소는 지구온난화에 막대한 영향을 끼치는 온실가스로 작용할 수 있다. 따라서 연소가스로부터 이산화탄소를 최대한 제거하여 배출하는 기술이 요구되었다.In a power plant, energy is obtained through combustion reactions and then combustion gases are emitted. Combustion gases contain large amounts of carbon dioxide, which can act as greenhouse gases that have a significant impact on global warming. Therefore, a technique for removing carbon dioxide from exhaust gas as much as possible is required.

연소반응을 사용하는 발전소에서 이산화탄소를 포집하여 제거하는 방법은 크게 연소반응이 일어나기 전의 연료로부터 이산화탄소를 제거하는 연소 전(pre-combustion) 기술과, 연소반응이 일어난 후의 연소가스로부터 이산화탄소를 제거하는 연소 후(post-combustion) 기술로 나눌 수 있다. 연소 후 기술에는 화학흡수, 흡착, 분리막 기술 등이 있다. The method of capturing and removing carbon dioxide in a power plant using a combustion reaction includes pre-combustion techniques to remove carbon dioxide from the fuel before the combustion reaction occurs, and combustion to remove carbon dioxide from the combustion gas after the combustion reaction occurs. It can be divided into post-combustion technology. Post-combustion technologies include chemical absorption, adsorption, and membrane technology.

이 중 분리막 기술은 지속적인 화학물질 사용이 요구되지 않아 비교적 친환경적인 발전설비를 구성하는데 적합한 기술로 각광받고 있다. 다만 분리막과 관련된 많은 연구가, 더 좋은 분리성능을 가질 수 있는 분리막의 소재 및 모듈 구조의 개발에 집중되어 있는 반면, 분리막을 배치하여 형성할 수 있는 이산화탄소 분리 공정 구성 및 적용에 대한 연구는 상대적으로 부족하다. Among them, the membrane technology is in the limelight as a suitable technology for constructing a relatively eco-friendly power generation facility because continuous use of chemicals is not required. However, while much research related to membranes is focused on the development of the material and module structure of the membrane which can have better separation performance, the research on the composition and application of the carbon dioxide separation process that can be formed by disposing the membrane is relatively relatively. Lack.

본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 목표하는 농도 또는 순도를 달성할 수 있는 이산화탄소 포집 공정을 설계하는 방법을 제공하는것이다.The present invention has been made to solve the above problems, to provide a method for designing a carbon dioxide capture process that can achieve the target concentration or purity.

본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정 설계 방법은, 목표 순도 및 목표 포집율을 설정하는 목표설정단계; 상기 목표 순도, 상기 목표 포집율 및 주입된 기체를 처리해 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 배출하는 분리막 모듈의 분리 성능 데이터를 이용하여, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 단수 및 상기 분리막 모듈의 통과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 처리수를 계산하는 계산단계; 및 상기 계산된 단수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 투과부 흐름 사슬에 배치하고, 상기 통과부 흐름 사슬이 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하도록 상기 계산된 처리수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 통과부 흐름 사슬에 배치함으로써, 상기 주입가스를 주입받아 최종 이산화탄소 배출 흐름을 배출하는 상기 투과부 흐름 사슬과, 상기 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하는 상기 통과부 흐름 사슬을 포함하는 이산화탄소 포집 공정을 형성하는 배치단계;를 포함한다.Carbon dioxide capture process design method according to an embodiment of the present invention, the target setting step of setting the target purity and target capture rate; Using the separation performance data of the membrane module for processing the target purity, the target capture rate, and the injected gas to discharge the permeate flow and the pass-through flow, the singular and the membrane module which is the number of the membrane modules constituting the permeate flow chain A calculation step of calculating the treated water which is the number of the membrane modules constituting the passage part of the flow chain; And placing the membrane modules of the same number as the calculated stage in the permeate flow chain, and passing through the membrane modules of the same number as the calculated treated water so that the passage flow chain receives the injection gas and discharges the discard stream. By placing in a secondary flow chain, it forms a carbon dioxide capture process comprising the permeate flow chain that receives the injection gas to discharge the final carbon dioxide discharge stream and the passage flow chain that receives the injection gas to discharge the waste stream It includes; arrangement step.

이에 따라, 설계된 이산화탄소 포집 공정을 이용해 이산화탄소를 목표 순도 및 목표 포집율에 맞추어 포집할 수 있다.Accordingly, carbon dioxide may be collected at a target purity and target capture rate using a designed carbon dioxide capture process.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정 설계 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정 설계 방법을 이용해 설계된 이산화탄소 포집 공정이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정에 사용되는 분리막 모듈의 투과부 농도 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정에 사용되는 분리막 모듈의 통과부 농도 그래프이다.
1 is a flow chart showing a method for designing a carbon dioxide capture process according to an embodiment of the present invention.
2 is a carbon dioxide capture process designed using a carbon dioxide capture process design method according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph of permeate concentration of the membrane module used in the carbon dioxide capture process according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph of the passage concentration of the membrane module used in the carbon dioxide capture process according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are assigned to the same components as much as possible even though they are shown in different drawings. In addition, in describing the embodiments of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function interferes with the understanding of the embodiments of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the nature, order or order of the components are not limited by the terms. If a component is described as being "connected", "coupled" or "connected" to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but between components It will be understood that may be "connected", "coupled" or "connected".

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법을 나타낸 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법을 이용해 설계된 이산화탄소 포집 공정(1)이다.1 is a flow chart showing a method for designing a carbon dioxide collection process (1) according to an embodiment of the present invention. 2 is a carbon dioxide capture process (1) designed using a carbon dioxide capture process (1) design method according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법은, 목표설정단계, 계산단계 및 배치단계를 포함한다. 또한 배치단계에서 이어지는 기타 설비 배치단계와 삭제단계를 더 포함할 수 있다.Referring to the drawings, a method of designing a carbon dioxide capture process (1) according to an embodiment of the present invention includes a goal setting step, a calculation step, and a placement step. In addition, it may further include the other equipment arrangement step and the deletion step following the deployment step.

본 발명의 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈은, 이산화탄소를 선택적으로 투과시키는 분리막 소재를 내압용기 및 지지체 등과 결합하여 형성된다. 분리막의 소재는 이산화탄소를 선택적으로 투과시키는 성질을 갖는 물질로, PDMS(Poly Dimethyl Siloxane), PS(Polysulfone), PI(Polyimide) 등의 고분자 분리막, 제올라이트 분리막 및 이들 중 2종 이상이 결합된 분리막 등이 사용될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The membrane module used in the carbon dioxide collection process (1) of the present invention is formed by combining a separator material for selectively transmitting carbon dioxide with a pressure vessel, a support, or the like. The material of the separator is a material that selectively permeates carbon dioxide, a polymer separator such as PDMS (Poly Dimethyl Siloxane), PS (Polysulfone), PI (Polyimide), zeolite separator and the like, two or more of them are combined. May be used but is not limited thereto.

분리막 모듈에 유입되는 주입가스는 이산화탄소를 포함하는 가스이다. 주입가스로 사용되는 분리대상흐름(100)을 형성하는 분리대상혼합물은 발전소에서 화석연료를 포함한 연료를 연소시킨 후 배출된 가스의 적어도 일부이다. 일반적으로 분리대상혼합물의 10% 내지 20%가 이산화탄소이며, 분리대상혼합물은 10% 미만의 산소와 70% 이상의 질소를 포함한다. The injection gas introduced into the membrane module is a gas containing carbon dioxide. The separation target mixture forming the separation target stream 100 used as the injection gas is at least a part of the gas discharged after burning the fuel including fossil fuel in the power plant. Generally, 10% to 20% of the mixture to be separated is carbon dioxide, and the mixture to be separated contains less than 10% oxygen and 70% or more nitrogen.

분리막 모듈은 주입가스를 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 분리 배출한다. 투과부 흐름은 주입가스의 이산화탄소를 농축시킨 가스이며, 통과부 흐름은 투과부 흐름을 만든 후 남은 잔여가스이다.The membrane module separates and discharges the injection gas into the permeate flow and the pass flow. The permeate stream is the gas enriched in the carbon dioxide of the injection gas, and the pass-through stream is the residual gas remaining after the permeate stream is made.

목표설정단계Goal setting step

목표설정단계는 전체 이산화탄소 포집 공정(1)의 목표 순도 및 목표 포집율을 설정하는 단계이다. 순도란 최종적으로 포집되는 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)의 이산화탄소 농도를 의미한다. 포집율이란 본 발명의 공정으로 주입되는 분리대상흐름(100) 중에 포함되어 있는 이산화탄소의 양 대비 최종 포집된 이산화탄소 양의 비율을 백분율로 나타낸 것을 의미한다.The goal setting step is to set a target purity and target capture rate of the overall carbon dioxide capture process (1). Purity means the carbon dioxide concentration of the final captured carbon dioxide stream 113 that is finally collected. The collection rate refers to the ratio of the amount of carbon dioxide finally collected to the amount of carbon dioxide contained in the separation target stream 100 injected by the process of the present invention as a percentage.

목표 순도와 목표 포집율은 작업자가 필요로 하는 순도 및 포집율로 설정된다. 목표 순도는 80% 내지 99.9%의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 목표 포집율은 60% 내지 99.9%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.Target purity and target capture rate are set to the purity and capture rate required by the operator. The target purity is preferably in the range of 80% to 99.9%, and the target collection rate is preferably in the range of 60% to 99.9%.

계산단계Calculation step

계산단계는 분리막 모듈의 배치에 사용되는 단수 및 처리수를 계산하는 단계이다. 이러한 계산을 위해, 계산단계는 전단계에서 설정한 목표 순도, 목표 포집율 및 분리막 모듈의 분리 성능 데이터를 이용한다. The calculating step is a step of calculating the number of stages and the treated water used in the arrangement of the membrane module. For this calculation, the calculation step uses the target purity, target collection rate and separation performance data of the membrane module set in the previous step.

계산단계는 목표 순도 및 목표 포집율을 기초로, 목표 배출 농도를 계산하는 목표 배출 농도 계산단계를 포함할 수 있다. 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)의 순도 외에도, 최종적으로 버려지는 버림 흐름(103)의 이산화탄소 농도도 공정의 배출 가스이므로, 제어할 수 있어야 하기 때문이다. 목표 배출 농도(CW)란, 공정을 통해 최종적으로 배출되는 버림 흐름(103)에 포함된 이산화탄소의 농도를 의미한다. The calculating step may include a target emission concentration calculation step of calculating a target emission concentration based on the target purity and target capture rate. This is because, in addition to the purity of the final captured carbon dioxide stream 113, the carbon dioxide concentration of the finally discarded stream 103 is also a discharge gas of the process, and therefore must be controllable. The target emission concentration C W refers to the concentration of carbon dioxide contained in the aeration stream 103 finally discharged through the process.

목표 포집율은, 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.The target capture rate may be expressed as in Equation 1 below.

Figure 112018008509612-pat00001
Figure 112018008509612-pat00001

여기서 QP는 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)의 유량, CP는 부피% 단위를 가지는 목표 순도, R은 % 단위를 가지는 목표 포집율, QF는 주입가스의 유량, CF는 부피% 단위를 가지는 주입가스의 이산화탄소 농도이다. 목표 순도, 목표 포집율, 주입가스의 유량 및 주입가스의 이산화탄소 농도는 주어져 있으므로, 상기 수학식 1로부터 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)의 유량을 결정한다.Where Q P is the flow rate of the final capture carbon dioxide stream 113, C P is the target purity with volume% unit, R is the target capture rate with% unit, Q F is the flow rate of injection gas, and C F is the volume% unit. Is the carbon dioxide concentration of the injection gas. Since the target purity, target capture rate, flow rate of the injection gas, and carbon dioxide concentration of the injection gas are given, the flow rate of the final trapped carbon dioxide stream 113 is determined from Equation 1 above.

본 발명의 이산화탄소 포집 공정(1)의 전체 물질 수지는 아래 수학식 2 및 수학식 3으로 표현 가능하다.The total mass balance of the carbon dioxide capture process (1) of the present invention can be expressed by the following equations (2) and (3).

Figure 112018008509612-pat00002
Figure 112018008509612-pat00002

Figure 112019044557740-pat00010
Figure 112019044557740-pat00010

여기서 QW는 버림 흐름(103)의 유량을 의미한다. 수학식 1 내지 3을 이용하여 부피% 단위를 가지는 목표 배출 농도를 표현하면, 아래 수학식 4와 같다.Here Q W means the flow rate of the abandon flow (103). Using Equations 1 to 3, the target emission concentration having a volume% unit is expressed by Equation 4 below.

Figure 112019044557740-pat00011
Figure 112019044557740-pat00011

계산단계는, 상기 수학식 4를 이용해 계산된 목표 배출 농도를 기초로, 상기 단수 및 상기 처리수를 계산하는 단수 및 처리수 계산단계를 포함할 수 있다. 이는 다시 단수 계산단계와 처리수 계산단계로 나뉠 수 있다.The calculating step may include a singular and treated water calculating step of calculating the singular and the treated water based on the target discharge concentration calculated using Equation 4. This can be further divided into a singular calculation step and a treatment water calculation step.

여기서 단수란, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 분리막 모듈(201, 202, 203)의 개수를 의미하고, 처리수란, 분리막 모듈의 통과부 흐름 사슬을 구성하는 분리막 모듈(201, 221, 231)의 개수를 의미한다. 투과부 흐름 사슬이란, 이산화탄소가 농축되어 배출되는 전단계의 투과부 흐름을 주입되는 기체로 사용하는 분리막 모듈들(201, 202, 203)이 형성하는 사슬을 의미한다. 통과부 흐름 사슬이란, 이산화탄소가 분리된 후 남은 전 회차의 잔여기체를 주입되는 기체로 사용하는 분리막 모듈들(201, 221, 231)이 형성하는 사슬을 의미한다. Here, the singular means the number of separation membrane modules 201, 202 and 203 constituting the permeate flow chain, and the treated water means the number of separation membrane modules 201, 221 and 231 constituting the passage flow chain of the separation membrane module. Means. The permeate flow chain refers to a chain formed by the membrane modules 201, 202, and 203 using the permeate flow of the previous stage in which carbon dioxide is concentrated and discharged as a gas to be injected. The passage flow chain means a chain formed by the membrane modules 201, 221, and 231 that use the remaining gas of the previous turn remaining after the carbon dioxide is separated as a gas to be injected.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈의 투과부 농도 그래프이다. 그래프의 가로축(x축)은 주입가스의 이산화탄소 농도를 나타내고, 그래프의 세로축(y축)은 투과부 흐름의 이산화탄소 농도를 나타낸다.3 is a graph of permeate concentration of the membrane module used in the carbon dioxide capture process (1) according to an embodiment of the present invention. The horizontal axis (x-axis) of the graph represents the carbon dioxide concentration of the injection gas, and the vertical axis (y-axis) of the graph represents the carbon dioxide concentration of the permeate flow.

단수 계산단계는, 투과부 흐름 사슬의 단수를 결정한다. 단수는, 분리막 모듈의 투과부 농도 그래프 및 목표 순도에 기초하여 결정된다.The stage calculation step determines the stage of the permeate flow chain. The number of stages is determined based on the permeate concentration graph and the target purity of the membrane module.

도면을 참조하면, 분리막 모듈에 주입되는 주입가스의 이산화탄소 농도와 해당 분리막 모듈의 투과부 이산화탄소 농도는 일정한 관계를 가져, 도시된 바와 같은 곡선을 형성한다.Referring to the drawings, the carbon dioxide concentration of the injection gas injected into the membrane module and the permeate carbon dioxide concentration of the membrane module have a constant relationship to form a curve as shown.

복수의 분리막 모듈이 있고, 인접한 분리막 모듈들 중 전단에 위치한 분리막 모듈의 투과부 흐름을 바로 후단에 위치한 분리막 모듈의 주입가스로 사용하도록 투과부 흐름 사슬을 형성할 수 있다. N개의 분리막 모듈을 통과한 후 얻어진 투과부 흐름이 목표 순도를 달성할 수 있다고 할 때, 가능한 자연수 N의 최소값이 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에서 요구되는 단수가 된다. There are a plurality of membrane modules, and the permeate flow chain may be formed to use the permeate flow of the membrane module located at the front end of the adjacent membrane modules as the injection gas of the membrane module located at the rear end. When the permeate flow obtained after passing through the N membrane modules can achieve the target purity, the minimum possible natural number N is the number of stages required in the carbon dioxide capture process 1 according to one embodiment of the present invention.

따라서, 단수 계산단계는, 도 3의 그래프로부터 총 몇 개의 분리막 모듈을 거쳐야 원하는 목표 순도의 이산화탄소 흐름을 투과부 흐름으로 배출할 수 있을 것인지를 결정할 수 있다. Accordingly, the singular calculation step may determine whether the carbon dioxide stream of the desired target purity can be discharged to the permeate stream through a total of several membrane modules from the graph of FIG. 3.

가장 첫 번째 단으로 주입되는 주입가스의 이산화탄소 농도가 주어질 것이므로, 그래프의 x축상에서 상기 농도에 해당하는 지점으로부터 수직선(831)을 그린다. 해당 수직선(831)과 그래프(81)가 만나는 지점에서의 y축 값이, 가장 첫 번째 단에 위치한 1단 분리막 모듈(201)에서 배출되는 투과부 흐름(111)의 이산화탄소 농도가 된다. 1단 분리막 모듈(201)의 투과부 흐름(111)의 이산화탄소 농도가 목표 순도에 도달하지 못했으므로, 상기 투과부 흐름(111)은 분리막 모듈을 더 통과해야 한다. Since the carbon dioxide concentration of the injection gas injected into the first stage will be given, a vertical line 831 is drawn from the point corresponding to the concentration on the x-axis of the graph. The y-axis value at the point where the vertical line 831 and the graph 81 meet is the carbon dioxide concentration of the permeate stream 111 discharged from the first stage membrane module 201 located at the first stage. Since the carbon dioxide concentration of the permeate stream 111 of the first stage membrane module 201 did not reach the target purity, the permeate stream 111 should pass further through the membrane module.

따라서 이 농도값은, 1단 분리막 모듈(201)의 다음 단에 위치한 2단 분리막 모듈(202)의 주입가스의 농도가 된다. 1단 분리막 모듈(201)의 투과부 흐름(111)이 2단 분리막 모듈(202)을 통과하는 경우의 농도 변화를 살펴보기 위해, 상기 수직선(831)으로부터 수평선(832)을 그어, 상기 수평선(832)이 y=x 직선(82)와 만나는 지점을 찾고, 해당 지점으로부터 다시 수직선(833)을 그어 그래프(81)와 만나는 지점을 찾는다. 해당 지점에서의 y축 값이 2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)의 이산화탄소 농도가 된다.Therefore, this concentration value becomes the concentration of the injection gas of the two stage membrane module 202 located in the next stage of the one stage membrane module 201. In order to see the concentration change when the permeate stream 111 of the first stage membrane module 201 passes through the second stage membrane module 202, a horizontal line 832 is drawn from the vertical line 831, and the horizontal line 832. ) Finds a point where the line meets y = x straight line 82, and draws a vertical line 833 again from the point to find the point where it meets the graph (81). The y-axis value at that point becomes the carbon dioxide concentration of the permeate stream 112 of the two-stage membrane module 202.

2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)의 이산화탄소 농도가 목표 순도에 도달하지 못하였으므로, 상기 2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)은 분리막 모듈을 더 통과해야 한다. 따라서 동일한 방법으로 수평선(834) 및 수직선(835)을 긋고, 그래프(81)와 수직선(835)이 만나는 지점을 찾는다. 해당 지점에서의 y축 값이, 2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)을 주입가스로 주입받는 3단 분리막 모듈(203)의 투과부 흐름의 이산화탄소 농도가 된다. Since the carbon dioxide concentration of the permeate stream 112 of the two-stage membrane module 202 did not reach the target purity, the permeate stream 112 of the two-stage membrane module 202 must pass further through the membrane module. Therefore, the horizontal line 834 and the vertical line 835 are drawn in the same manner, and the point where the graph 81 and the vertical line 835 meet is found. The y-axis value at this point is the carbon dioxide concentration of the permeate flow of the three-stage membrane module 203 receiving the permeate stream 112 of the two-stage membrane module 202 as the injection gas.

도면에서 3단 분리막 모듈(203)의 투과부 흐름의 이산화탄소 농도가 목표 순도 이상이므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈의 단수는 3이 된다. 즉, 분리대상흐름(100)이 1단 분리막 모듈(201)의 주입가스로 주입되고, 1단 분리막 모듈(201)의 투과부 흐름(111)이 2단 분리막 모듈(202)의 주입가스로 주입되며, 2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)이 3단 분리막 모듈(203)의 주입가스로 주입되어, 최종적으로 3단 분리막 모듈(203)의 투과부 흐름이 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)이 되는 투과부 흐름 사슬을 형성할 수 있다.Since the carbon dioxide concentration of the permeate flow of the three-stage membrane module 203 in the figure is higher than the target purity, the number of stages of the membrane module used in the carbon dioxide capture process 1 according to the embodiment of the present invention is three. That is, the separation target flow 100 is injected into the injection gas of the first stage membrane module 201, and the permeate stream 111 of the first stage membrane module 201 is injected into the injection gas of the two stage membrane module 202. The permeate stream 112 of the two-stage membrane module 202 is injected into the injection gas of the three-stage membrane module 203, so that the permeate flow of the three-stage membrane module 203 is finally collected carbon dioxide flow 113 Can form permeate flow chains.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈의 통과부 농도 그래프이다. 그래프의 가로축(x축)은 주입가스의 이산화탄소 농도를 나타내고, 그래프의 세로축(y축)은 통과부 흐름의 이산화탄소 농도를 나타낸다.Figure 4 is a graph of the passage concentration of the membrane module used in the carbon dioxide capture process (1) according to an embodiment of the present invention. The horizontal axis (x-axis) of the graph represents the carbon dioxide concentration of the injection gas, and the vertical axis (y-axis) of the graph represents the carbon dioxide concentration of the passage flow.

처리수 계산단계는, 통과부 흐름 사슬의 처리수를 결정한다. 처리수는, 분리막 모듈의 통과부 농도 그래프 및 목표 배출 농도 계산단계에서 계산한 목표 배출 농도에 기초하여 결정된다.The treatment water calculation step determines the treatment water of the passage flow chain. The treated water is determined based on the passage concentration concentration graph of the membrane module and the target discharge concentration calculated in the target discharge concentration calculation step.

도면을 참조하면, 분리막 모듈에 주입되는 주입가스의 이산화탄소 농도와 해당 분리막 모듈의 통과부 이산화탄소 농도는 일정한 관계를 가져, 도시된 바와 같은 곡선을 형성한다.Referring to the drawings, the carbon dioxide concentration of the injection gas injected into the separator module and the passage carbon dioxide concentration of the separator module have a predetermined relationship to form a curve as shown.

복수의 분리막 모듈이 있고, 인접한 분리막 모듈들 중 전 회차에 위치한 분리막 모듈의 통과부 흐름을 바로 후 회차에 위치한 분리막 모듈의 주입가스로 사용하도록 통과부 흐름 사슬을 형성할 수 있다. M개의 분리막 모듈을 통과한 후 얻어진 통과부 흐름이 목표 배출 농도 이하가 될 수 있다고 할 때, 가능한 자연수 M의 최소값이 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에서 요구되는 처리수가 된다. There may be a plurality of membrane modules, and the passage flow chain may be formed to use the passage flow of the separator module located in the previous turn among adjacent membrane modules as the injection gas of the separator module located in the next turn. When the passage flow obtained after passing through the M membrane modules can be below the target emission concentration, the minimum value of the natural water M possible becomes the treated water required in the carbon dioxide capture process 1 according to the embodiment of the present invention. .

따라서, 단수 계산단계는, 도 3의 그래프로부터 총 몇 개의 분리막 모듈을 거쳐야 원하는 목표 순도의 이산화탄소 흐름을 마지막 단의 분리막 모듈의 투과부 흐름인 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)으로 배출할 수 있을 것인지를 결정할 수 있다. Therefore, the stage calculation step determines whether the carbon dioxide stream of the desired target purity can be discharged to the final trapped carbon dioxide stream 113 which is the permeate flow of the membrane module of the last stage only after passing through a total of several membrane modules from the graph of FIG. 3. Can be.

가장 첫 번째 단으로 주입되는 주입가스의 이산화탄소 농도가 주어질 것이므로, 그래프의 x축상에서 상기 농도에 해당하는 지점으로부터 수직선(931)을 그린다. 해당 수직선(931)과 그래프(91)가 만나는 지점에서의 y축 값이, 가장 첫 번째 단이자 가장 첫 번째 회차에 위치한 1단 분리막 모듈(201)(또는 1회 분리막 모듈)에서 배출되는 통과부 흐름(101)의 이산화탄소 농도가 된다. 1단 분리막 모듈(201)의 통과부 흐름(101)의 이산화탄소 농도가 목표 배출 농도를 초과하므로, 상기 통과부 흐름(101)은 분리막 모듈을 더 통과해야 한다. Since the carbon dioxide concentration of the injection gas injected into the first stage will be given, a vertical line 931 is drawn from the point corresponding to the concentration on the x-axis of the graph. The passage part through which the y-axis value at the point where the vertical line 931 and the graph 91 meet is discharged from the first stage membrane module 201 (or one membrane module) located at the first stage and the first stage. The carbon dioxide concentration of the stream 101. Since the carbon dioxide concentration of the passage flow 101 of the first stage membrane module 201 exceeds the target discharge concentration, the passage flow 101 must pass further through the membrane module.

따라서 이 농도값은, 1단 분리막 모듈(201)의 다음 회차에 위치한 2회 분리막 모듈(221)의 주입가스의 농도가 된다. 1단 분리막 모듈(201)의 통과부 흐름이 2회 분리막 모듈(221)을 통과하는 경우의 농도 변화를 살펴보기 위해, 상기 수직선(931)으로부터 수평선(932)을 그어, 상기 수평선(932)이 y=x 직선(92)와 만나는 지점을 찾고, 해당 지점으로부터 다시 수직선(933)을 그어 그래프(91)와 만나는 지점을 찾는다. 해당 지점에서의 y축 값이 2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)의 이산화탄소 농도가 된다.Therefore, this concentration value becomes the concentration of the injection gas of the second membrane module 221 located at the next turn of the first stage membrane module 201. A horizontal line 932 is drawn from the vertical line 931 in order to examine the concentration change when the flow through the first stage membrane module 201 passes through the second membrane module 221. Find the point where the line y = x meets the straight line 92, and draw a vertical line 933 from the point again to find the point where it meets the graph 91. The y-axis value at that point becomes the carbon dioxide concentration of the passage flow 102 of the membrane module 221 twice.

2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)의 이산화탄소 농도가 목표 배출 농도를 초과하므로, 상기 2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)은 분리막 모듈을 더 통과해야 한다. 따라서 동일한 방법으로 수평선(934) 및 수직선(935)을 긋고, 그래프(91)와 수직선(935)이 만나는 지점을 찾는다. 해당 지점에서의 y축 값이, 2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)을 주입가스로 주입받는 3회 분리막 모듈(231)의 투과부 흐름의 이산화탄소 농도가 된다. Since the carbon dioxide concentration of the passage stream 102 of the double membrane module 221 exceeds the target discharge concentration, the passage stream 102 of the double membrane module 221 must pass further through the membrane module. Accordingly, the horizontal line 934 and the vertical line 935 are drawn in the same manner, and the point where the graph 91 and the vertical line 935 meet is found. The y-axis value at this point is the carbon dioxide concentration of the permeate stream of the third separator module 231 receiving the passage flow 102 of the two separator modules 221 as the injection gas.

도면에서 3회 분리막 모듈(231)의 통과부 흐름의 이산화탄소 농도가 목표 배출농도 이하이므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈의 처리수는 3이 된다. 즉, 분리대상흐름(100)이 1단 분리막 모듈(201)의 주입가스로 주입되고, 1단 분리막 모듈(201)의 통과부 흐름(101)이 2회 분리막 모듈(221)의 주입가스로 주입되며, 2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)이 3회 분리막 모듈(231)의 주입가스로 주입되어, 최종적으로 3회 분리막 모듈(231)의 통과부 흐름이 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)이 되는 통과부 흐름 사슬을 형성할 수 있다.In the drawing, since the carbon dioxide concentration of the flow through the separator module 231 is less than or equal to the target discharge concentration, the treated water of the membrane module used in the carbon dioxide collection process 1 according to the exemplary embodiment of the present invention is three. That is, the separation target flow 100 is injected into the injection gas of the first stage membrane module 201 and the passage flow 101 of the first stage membrane module 201 is injected into the injection gas of the membrane module 221 twice. And, the passage flow 102 of the two separation membrane module 221 is injected into the injection gas of the three separation membrane module 231, and finally the passage flow of the three separation membrane module 231 is the final collected carbon dioxide flow ( 113) to form a passage flow chain.

배치단계Deployment stage

배치단계는 투과부 흐름 사슬, 통과부 흐름 사슬을 형성하고 각 사슬에 분리막 모듈이 배치되는 위치를 결정하고, 각 분리막 모듈의 통과부 흐름과 투과부 흐름이 순환되거나 배출되는 위치를 결정하는 단계이다. 따라서 배치단계에서는, 계산된 단수와 동일한 개수의 분리막 모듈들을 투과부 흐름 사슬에 배치하고, 통과부 흐름 사슬이 주입가스를 주입받아 버림 흐름(103)을 배출하도록 계산된 처리수와 동일한 개수의 분리막 모듈들을 통과부 흐름 사슬에 배치한다. 그리하여 배치단계에서는, 주입가스를 주입받아 최종 이산화탄소 배출 흐름을 배출하는 투과부 흐름 사슬과, 주입가스를 주입받아 버림 흐름(103)을 배출하는 통과부 흐름 사슬을 포함하는 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)을 형성한다. 따라서 배치단계는, 투과부 흐름 사슬을 형성하는 투과부 흐름 사슬 생성단계와, 통과부 흐름 사슬을 형성하는 통과부 흐름 사슬 생성단계를 포함한다.The arranging step is a step of forming a permeate flow chain, a passage flow chain, and determining a position at which the membrane module is disposed in each chain, and determining a position at which the passage flow and the permeate flow of each membrane module are circulated or discharged. Therefore, in the batching step, the membrane modules of the same number as the calculated number of stages are placed in the permeate flow chain, and the membrane flow modules of the same number as the treated water calculated to discharge the waste stream 103 by receiving the injection gas through the passage flow chain. Are placed in the passage flow chain. Thus, in the batching step, one carbon dioxide capture process (1) includes a permeate flow chain that receives the injection gas and discharges the final carbon dioxide discharge stream and a passage flow chain that receives the injection gas and discharges the waste stream 103. To form. Thus, the disposing step includes a permeate flow chain generating step of forming permeate flow chains and a passage part flow chain generating step of forming a permeate flow chain.

투과부 흐름 사슬 생성단계는, 인접한 분리막 모듈들 중 전단에 위치한 분리막 모듈의 투과부 흐름을 후단에 위치한 분리막 모듈에 주입함으로써 투과부 흐름 사슬을 구성하는 단계이다. 즉 단수가 N일 경우, 1단 분리막 모듈(201)부터 N단 분리막 모듈까지를, 전단의 투과부 흐름을 후단의 주입가스로 사용하도록 서로 연결해 투과부 흐름 사슬을 형성한다.The permeate flow chain generation step is a step of constructing the permeate flow chain by injecting the permeate flow of the membrane module located at the front of the adjacent membrane modules into the membrane module located at the rear end. That is, when the number of stages is N, the first stage membrane module 201 to the N stage membrane module are connected to each other so that the permeate flow in the front end is used as the injection gas in the rear stage to form permeate flow chain.

통과부 흐름 사슬 생성단계는, 서로 인접한 분리막 모듈들 중 전회차에 위치한 분리막 모듈의 통과부 흐름을 후회차에 위치한 분리막 모듈에 주입함으로써 통과후 흐름 사슬을 구성하는 단계이다. 즉 처리수가 M일 경우, 1단 분리막 모듈(201)부터 M회 분리막 모듈까지를, 전회차의 통과부 흐름을 후회차의 주입가스로 사용하도록 서로 연결해 통과부 흐름 사슬을 형성한다.The passage flow chain generation step is a step of constructing the post-pass flow chain by injecting the passage flow of the membrane module located in the previous turn among the membrane modules adjacent to each other to the membrane module located in the next turn. That is, when the treated water is M, the first stage membrane module 201 to the M membrane module are connected to each other so as to use the passage flow of the previous car as the injection gas of the next car to form a passage flow chain.

배치단계에서 배치되는 분리막 모듈 중 1단 분리막 모듈(201)과 1회 분리막 모듈은 동일한 분리막 모듈이다. 즉 1단 분리막 모듈(201)로부터 투과부 흐름 사슬과 통과부 흐름 사슬이 뻗어나가는 것이다. 따라서 단수가 N이고 처리수가 M인 이산화탄소 포집 공정(1)을 형성할 때 필요한 총 분리막 모듈의 개수는 N+M-1이 된다.Among the membrane modules arranged in the arrangement step, the first membrane module 201 and the one membrane module are the same membrane module. That is, the permeate flow chain and the passage flow chain extend from the first stage membrane module 201. Therefore, the total number of membrane modules required to form a carbon dioxide capture process 1 having a single stage N and a treated number M becomes N + M-1.

배치단계는 재사용 위치 결정단계를 포함할 수 있다. 재사용 위치 결정단계는, 각 사슬이 포함하는 분리막 모듈의 통과부 흐름 또는 투과부 흐름을 재사용하는 위치를 결정하는 단계이다. 구체적으로, 재사용 위치 결정단계는 통과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들의 투과부 흐름을 투과부 흐름 사슬에 주입하는 위치인 투과부 흐름 재사용 위치를 설정한다. 또한 재사용 위치 결정단계는 투과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들의 통과부 흐름을 투과부 흐름 사슬에 주입하는 위치인 통과부 흐름 재사용 위치를 설정함으로써, 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)을 설계한다.The placement step may include a reuse location determination step. Reuse position determination step is to determine the position to reuse the passage flow or permeate flow of the membrane module included in each chain. Specifically, the reuse position determining step sets the permeate flow reuse position, which is a position at which the permeate flow of the membrane modules included in the permeate flow chain is injected into the permeate flow chain. In addition, the reuse position determining step designes one carbon dioxide capture process 1 by setting the pass-through reuse position, which is a position at which the pass-through flow of the membrane modules included in the permeate flow chain is injected into the permeate flow chain.

구체적으로, 통과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들은 서로 통과부 흐름을 통해 연결되어 있다. 따라서 1단 분리막 모듈(201)을 제외한, 통과부 흐름 사슬을 구성하는 각 분리막 모듈(221, 231)의 투과부 흐름(104, 105)이 배출되거나 유입될 위치가 필요하다. 통과부 흐름 사슬을 구성하는 각 분리막 모듈의 투과부 흐름(104, 105)은, 1단 분리막 모듈(201) 또는 2단 분리막 모듈(202)에 주입될 수 있다. 따라서, 1단 분리막 모듈(201)을 제외한, 통과부 흐름 사슬을 구성하는 분리막 모듈(221, 231)의 개수가 M-1이므로, 통과부 흐름 사슬의 투과부 흐름(104, 105)을 재사용하는 투과부 흐름 재사용 위치는 총 2(M-1)개 존재한다.Specifically, the membrane modules included in the passage flow chain are connected to each other through the passage flow. Therefore, except for the one-stage membrane module 201, the permeate stream 104, 105 of each membrane module 221, 231 constituting the passage flow chain is required to be discharged or introduced. The permeate streams 104 and 105 of each separator module constituting the passage flow chain may be injected into the first stage membrane module 201 or the two stage membrane module 202. Therefore, since the number of the membrane modules 221 and 231 constituting the passage flow chain except for the one-stage membrane module 201 is M-1, the permeate portion for reusing the permeate flow 104 and 105 of the passage flow chain is M-1. There are a total of 2 (M-1) flow reuse locations.

또한 투과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들은 서로 투과부 흐름을 통해 연결되어 있다. 따라서 1단 분리막 모듈(201)을 제외한, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 각 분리막 모듈(202, 203)의 통과부 흐름(114, 115)이 배출되거나 유입될 위치가 필요하다. 투과부 흐름 사슬을 구성하는 각 분리막 모듈의 통과부 흐름(114, 115)은, 해당 분리막 모듈보다 전단에 위치한 분리막 모듈에 주입될 수 있다. 예를 들어 n단 분리막 모듈의 통과부 흐름은, 1단 분리막 모듈(201)부터 n-1단 분리막 모듈(201) 중 어느 하나의 주입가스로 사용될 수 있다. 따라서, 1단 분리막 모듈(201)을 제외한, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 분리막 모듈(201, 202, 203)의 개수가 N-1이므로, 투과부 흐름 사슬의 통과부 흐름을 재사용하는 통과부 흐름 재사용 위치는 총 (N-1)!개 존재한다.In addition, the membrane modules included in the permeate flow chain are connected to each other through the permeate flow. Therefore, except for the one-stage membrane module 201, a position where the passage flow 114, 115 of each membrane module 202, 203 constituting the permeate flow chain is discharged or introduced is required. Pass-through flows 114 and 115 of each membrane module constituting the permeate flow chain may be injected into the membrane module located in front of the separator module. For example, the flow through the n-stage membrane module may be used as the injection gas of any one of the one-stage membrane module 201 to the n-1 stage membrane module 201. Accordingly, since the number of the membrane modules 201, 202, and 203 constituting the permeate flow chain except for the first stage membrane module 201 is N-1, the passage flow reuse position for reusing the flow through the permeate flow chain is There are a total of (N-1)!

이를 종합하면, 투과부 흐름 재사용 위치와 통과부 흐름 재사용 위치의 가능한 배열후보군은 총 2(M-1) (N-1)!개 존재한다. 이 배열후보군 중 임의의 한 배열을 선택하여, 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)을 결정한다.In total, there are a total of 2 (M-1) (N-1)! Candidates for the permeate flow reuse position and the permeate flow reuse position. Any one of these array candidates is selected to determine one carbon dioxide collection step (1).

판단단계Judgment

본 발명의 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법은, 판단단계를 더 포함할 수 있다. 판단단계는 배치단계에서 설계된 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)이, 목표 순도 및 목표 포집율을 만족하는지 여부를 판단하는 단계이다. Carbon dioxide capture process (1) design method of the present invention may further comprise a determination step. The determination step is a step of determining whether one carbon dioxide capture process 1 designed in the batch step satisfies the target purity and target capture rate.

판단단계는, 만일 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)이 목표 순도 및 목표 포집율을 만족하지 못할 때, 삭제단계로 이어질 수 있다. 삭제단계는 결정되었던 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)을 삭제하고, 배치단계 중 재사용 위치 결정단계로 돌아가는 단계이다. 즉 본 발명의 이산화탄소 포집 공정(1)의 설계조건에 부합하지 못하는 이산화탄소 포집 공정(1)이므로, The determination step may be followed by a deletion step if one carbon dioxide capture process 1 does not meet the target purity and target capture rate. The deletion step is to delete one carbon dioxide capture process (1) that has been determined, and to return to the reuse position determination step of the batch step. That is, since the carbon dioxide capture process (1) that does not meet the design conditions of the carbon dioxide capture process (1) of the present invention,

배치단계가 포함하는 재사용 위치 결정단계는, 삭제단계에 의해 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)이 삭제된 후 배치단계로 돌아왔을 때, 배열후보군 중 다른 하나의 배열을 선택함으로써, 다른 이산화탄소 포집 공정(1)을 설계한다. The re-use position determination step included in the batch step includes selecting another one of the array candidate candidates when the carbon dioxide collecting step 1 is deleted by the deleting step and then returning to the batch step. 1) Design.

판단단계는, 만일 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)이 목표 순도 및 목표 포집율을 만족할 때, 해당 이산화탄소 포집 공정(1)을 선택할 수 있다. 판단단계는 이러한 조건이 만족될 때, 기타 설비 배치단계로 넘어간다.In the determining step, when one carbon dioxide capture process 1 satisfies the target purity and target capture rate, the corresponding carbon dioxide capture process 1 may be selected. The judging phase then goes to the other plant placement phase when these conditions are met.

기타 설비 배치단계Other equipment layout stage

기타 설비 배치단계는, 상기 배치단계에서 설계된 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)에, 각종 기타 설비를 배치하는 단계이다.The other facility arranging step is a step of arranging various other facilities in the one carbon dioxide collection process 1 designed in the arranging step.

분리대상흐름(100)은 이산화탄소, 산소, 질소 외에도 황산화물, 질소 산합물, 수분, 먼지 등을 포함할 수 있는데, 이러한 기타 구성요소는 분리막 설비의 성능 저하 요인이 되므로, 경우에 따라 제거할 필요가 있다.The separation target flow 100 may include sulfur oxides, nitrogen compounds, moisture, dust, etc., in addition to carbon dioxide, oxygen, and nitrogen, and these other components may cause deterioration of the membrane installation, and thus may need to be removed in some cases. There is.

또한 분리막 모듈 외에 흐름을 형성하기 위한 진공 펌프, 압축기(31, 32, 33), 열교환기(41, 42, 43, 44, 45)의 배치가 필요하다. 또한 에너지 효율 향상 및 공정의 안정적 운영을 위해 확장기가 이산화탄소 포집 공정(1)에 배치될 수 있다. In addition to the membrane module, the arrangement of vacuum pumps, compressors 31, 32, 33, and heat exchangers 41, 42, 43, 44, 45 for forming a flow is required. In addition, the expander may be disposed in the carbon dioxide capture process (1) for improved energy efficiency and stable operation of the process.

따라서, 기타 설비 배치단계에서는 선행단계들을 통해 설계된 이산화탄소 포집 공정(1)의 적절한 위치에 진공 펌프, 압축기(31, 32, 33), 열교환기(41, 42, 43, 44, 45)를 배치하고, 필요에 따라 탈황설비(52), 탈수설비(51), 탈질설비 또는 먼지제거 설비(61) 중 적어도 하나를 배치할 수 있다. 또한 확장기를 이산화탄소 포집 공정(1)에 배치할 수 있다.Therefore, in the other equipment arrangement step, the vacuum pump, the compressors 31, 32, 33 and the heat exchangers 41, 42, 43, 44, 45 are disposed at appropriate positions in the carbon dioxide capture process 1 designed through the preceding steps. If necessary, at least one of the desulfurization facility 52, the dehydration facility 51, the denitrification facility, or the dust removal facility 61 may be disposed. An expander can also be placed in the carbon dioxide capture process (1).

이밖에도, 기타 설비 배치단계에서는 분리대상흐름(100)이 포함하는 혼합물의 조성, 각 설비의 투자비, 운영비, 분리막의 소재 특성 등을 판단하여 배치되는 설비들의 위치와 종류를 결정할 수 있다.In addition, in the other equipment arrangement step, it is possible to determine the location and type of equipment to be arranged by determining the composition of the mixture included in the separation target flow 100, the investment cost of each equipment, the operating cost, the material properties of the membrane.

도 2를 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법으로 설계된 이산화탄소 포집 공정(1)과 그 구성요소에 대해 설명한다.Referring to FIG. 2 again, the carbon dioxide capture process 1 and its components designed by the method of designing the carbon dioxide capture process 1 according to the embodiment of the present invention will be described.

도면을 참조하면, 분리대상흐름(100)은 1단 분리막 모듈(201)로 주입된다. 즉 분리대상흐름(100)이 1단 분리막 모듈(201)의 주입가스가 된다. 1단 분리막 모듈(201)은 투과부 흐름(111)을 2단 분리막 모듈(202)에 주입하고, 통과부 흐름(101)을 2회 분리막 모듈(221)에 주입한다. Referring to the drawings, the separation target flow 100 is injected into the first stage membrane module 201. That is, the separation target flow 100 becomes the injection gas of the first stage membrane module 201. The first stage membrane module 201 injects the permeate flow 111 into the two stage membrane module 202, and the passage portion 101 is injected into the two membrane modules 221.

2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)은 3단 분리막 모듈(203)에 주입되고, 2단 분리막 모듈(202)의 통과부 흐름(114)은 1단 분리막 모듈(201)에 다시 주입된다.The permeate stream 112 of the two-stage membrane module 202 is injected into the three-stage membrane module 203, and the passage flow 114 of the two-stage membrane module 202 is injected again into the one-stage membrane module 201. do.

3단 분리막 모듈(203)의 투과부 흐름은 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)이 된다. 3단 분리막 모듈(203)의 통과부 흐름(115)은 1단 분리막 모듈(201)에 다시 주입된다.The permeate flow of the three stage separator module 203 becomes the final trapped carbon dioxide stream 113. The passage flow 115 of the three-stage membrane module 203 is injected back into the one-stage membrane module 201.

2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)은 3회 분리막 모듈(231)에 주입되고, 2회 분리막 모듈(221)의 투과부 흐름(104)은 2단 분리막 모듈(202)에 주입된다.The passage flow 102 of the double membrane module 221 is injected into the membrane module 231 three times, and the permeate stream 104 of the double membrane module 221 is injected into the two-stage membrane module 202. .

3회 분리막 모듈(231)의 통과부 흐름은 최종 버림 흐름(103)이 된다. 3회 분리막 모듈(231)의 투과부 흐름(105)은 1단 분리막 모듈(201)에 주입된다.The passage flow of the three separator module 231 becomes the final discard flow 103. The permeate flow 105 of the triple membrane module 231 is injected into the first stage membrane module 201.

이와 같은 각 사슬을 통하여, 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)과 버림 흐름(103)이 생성된다. 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)은 목표 순도를 만족하고, 버림 흐름(103)은 목표 배출 농도를 만족한다. 따라서 전체 공정이 목표 포집율을 만족한다.Through each of these chains, a final captured carbon dioxide stream 113 and a waste stream 103 are produced. The final captured carbon dioxide stream 113 satisfies the target purity, and the waste stream 103 satisfies the target emission concentration. Therefore, the entire process meets the target capture rate.

분리막 모듈에는 분리대상흐름(100)이 주입가스로 주입되어 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 배출된다. 따라서 분리막 모듈로 주입가스를 가압하여 보내는 압축기(31, 32, 33)가 배치될 수 있다. 압축기(31, 32, 33)로는 블로어나 팬이 사용될 수도 있다. 또한 이러한 흐름을 만들기 위해 진공 펌프가 배치될 수 있다. 진공 펌프는 분리막 모듈의 투과부 흐름에 배치될 수 있다. The separation object stream 100 is injected into the separation membrane module and discharged into the permeate flow and the passage flow. Therefore, the compressors 31, 32, and 33 may be arranged to pressurize the injection gas to the membrane module. Blowers or fans may be used as the compressors 31, 32, 33. Vacuum pumps can also be arranged to make this flow. The vacuum pump may be placed in the permeate flow of the membrane module.

또한 버림 흐름(103)의 압축에너지를 회수하기 위해 확장기가 설치될 수 있다. 확장기는 버림 흐름(103)으로부터 압축에너지를 회수하여, 공정에서 소비되는 에너지 소모량을 절감할 수 있다.An expander may also be installed to recover the compressed energy of the abandon stream 103. The expander may recover the compressed energy from the abandon stream 103, thereby reducing the energy consumption consumed in the process.

열교환기(41, 42, 43, 44, 45)는 가압과정에서 생기는 압축열을 제거한다. 따라서 진공 펌프 후단 또는 압축기(31, 32, 33) 후단에 설치되어, 가압 후 가열되었던 유체를 식히는 역할을 한다. The heat exchangers 41, 42, 43, 44, and 45 remove the compressed heat generated during the pressurization process. Therefore, it is installed after the vacuum pump or after the compressor (31, 32, 33), and serves to cool the fluid that has been heated after pressurization.

탈수설비(51)는 수분 배출 흐름(121)을 통해 기체로부터 제거한 수분을 배출하고, 먼지제거 설비(61)는 먼지 배출 흐름(122)을 통해 기체로부터 제거한 먼지를 배출한다. 또한 탈황설비(52)는 기체로부터 제거한 황 산화물을 황 산화물 흐름(123)을 통해 배출한다.The dehydration facility 51 discharges the water removed from the gas through the water discharge flow 121, and the dust removal facility 61 discharges the dust removed from the gas through the dust discharge flow 122. The desulfurization plant 52 also discharges the sulfur oxides removed from the gas through a sulfur oxide stream 123.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In the above description, it is described that all the components constituting the embodiments of the present invention are combined or operated in one, but the present invention is not necessarily limited to these embodiments. In other words, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively operated in combination with one or more. In addition, the terms "comprise", "comprise" or "having" described above mean that the corresponding component may be inherent unless specifically stated otherwise, and thus excludes other components. It should be construed that it may further include other components instead. All terms, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art unless otherwise defined. Terms used generally, such as terms defined in a dictionary, should be interpreted to coincide with the contextual meaning of the related art, and shall not be interpreted in an ideal or excessively formal sense unless explicitly defined in the present invention.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

1 : 이산화탄소 포집 공정 31, 32, 33 : 압축기
41, 42, 43, 44, 45 : 열교환기 51 : 탈수설비
52 : 탈황설비 61 : 먼지제거 설비
100 : 분리대상흐름 101, 102, 114, 115 : 통과부 흐름
103 : 버림 흐름 104, 105, 110, 111 : 투과부 흐름
113 : 최종 포집 이산화탄소 흐름 121 : 수분 배출 흐름
122 : 먼지 배출 흐름 123 : 황 산화물 흐름
201 : 1단 분리막 모듈 202 : 2단 분리막 모듈
203 : 3단 분리막 모듈 221 : 2회 분리막 모듈
231 : 3회 분리막 모듈
1: CO2 capture process 31, 32, 33: compressor
41, 42, 43, 44, 45: heat exchanger 51: dehydration equipment
52: desulfurization equipment 61: dust removal equipment
100: flow to be separated 101, 102, 114, 115: flow through
103: discard flow 104, 105, 110, 111: permeate flow
113: final capture carbon dioxide stream 121: water discharge stream
122: dust discharge flow 123: sulfur oxide flow
201: 1st stage membrane module 202: 2nd stage membrane module
203: three-stage membrane module 221: two-membrane module
231: 3 membrane module

Claims (8)

목표 순도 및 목표 포집율을 설정하는 목표설정단계;
상기 목표 순도, 상기 목표 포집율 및 주입된 기체를 처리해 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 배출하는 분리막 모듈의 분리 성능 데이터를 이용하여, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 단수 및 상기 분리막 모듈의 통과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 처리수를 계산하는 계산단계; 및
상기 계산된 단수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 투과부 흐름 사슬에 배치하고, 상기 통과부 흐름 사슬이 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하도록 상기 계산된 처리수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 통과부 흐름 사슬에 배치함으로써, 상기 주입가스를 주입받아 최종 이산화탄소 배출 흐름을 배출하는 상기 투과부 흐름 사슬과, 상기 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하는 상기 통과부 흐름 사슬을 포함하는 이산화탄소 포집 공정을 형성하는 배치단계;를 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
A goal setting step of setting a target purity and a target capture rate;
Using the separation performance data of the membrane module for processing the target purity, the target capture rate, and the injected gas to discharge the permeate flow and the pass-through flow, the singular and the membrane module which is the number of the membrane modules constituting the permeate flow chain A calculation step of calculating the treated water which is the number of the membrane modules constituting the passage part of the flow chain; And
The membrane modules of the same number as the calculated number of stages are placed in the permeate flow chain, and the membrane flow modules pass through the same number of the membrane modules as the calculated water so as to discharge the waste stream by receiving the injection gas Forming a carbon dioxide capture process comprising the permeate flow chain that receives the injection gas and discharges the final carbon dioxide discharge stream and the passage flow chain that receives the injection gas and discharges the aeration stream; A batch step; comprising a carbon dioxide capture process design method.
제1항에 있어서,
상기 계산단계는,
상기 목표 순도 및 상기 목표 포집율을 기초로, 목표 배출 농도를 계산하는 목표 배출 농도 계산단계; 및
상기 단수를 계산하고, 상기 계산된 목표 배출 농도를 기초로 상기 처리수를 계산하는 단수 및 처리수 계산단계를 포함하는,
이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
The method of claim 1,
The calculating step,
A target emission concentration calculating step of calculating a target emission concentration based on the target purity and the target collection rate; And
And calculating the number of stages and calculating the number of treatments based on the calculated target discharge concentration.
CO2 capture process design method.
제2항에 있어서,
상기 목표 배출 농도 계산단계는,
하기 수식으로부터 부피% 단위를 가지는 목표 배출 농도를 계산하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
Figure 112019044557740-pat00012

(CW는 부피% 단위를 가지는 목표 배출 농도, CP는 부피% 단위를 가지는 목표 순도, R은 % 단위를 가지는 목표 포집율, CF는 부피% 단위를 가지는 상기 주입가스의 이산화탄소 농도)
The method of claim 2,
The target emission concentration calculation step,
A carbon dioxide capture process design method for calculating a target emission concentration having a volume percent unit from the following formula.
Figure 112019044557740-pat00012

(C W is the target emission concentration with volume%, C P is the target purity with volume%, R is the target capture rate with% unit, C F is the carbon dioxide concentration of the injection gas with volume% unit)
제1항에 있어서,
상기 배치단계는,
상기 투과부 흐름 사슬을, 서로 인접한 상기 분리막 모듈들 중 전단에 위치한 분리막 모듈의 투과부 흐름을 후단에 위치한 분리막 모듈에 주입함으로써 구성하는 투과부 흐름 사슬 생성단계; 및
상기 통과부 흐름 사슬을, 서로 인접한 상기 분리막 모듈들 중 전회차에 위치한 분리막 모듈의 통과부 흐름을 후회차에 위치한 분리막 모듈에 주입함으로써 구성하는 통과부 흐름 사슬 생성단계를 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
The method of claim 1,
The arrangement step,
A permeate flow chain generation step of constructing the permeate flow chain by injecting the permeate flow of the membrane module located at the front of the membrane modules adjacent to each other to the membrane module at the rear end; And
A carbon dioxide capture process design comprising a passage flow chain generating step of forming the passage flow chain by injecting the passage flow of the membrane module located in the previous turn among the membrane modules adjacent to each other into the separator module located in the next turn. Way.
제2항에 있어서,
상기 단수 및 처리수 계산단계는,
상기 단수를, 상기 분리막 모듈의 투과부 농도 그래프 및 상기 목표 순도에 기초하여 결정하는 단수 계산단계; 및
상기 처리수를, 상기 분리막 모듈의 통과부 농도 그래프 및 상기 목표 배출 농도에 기초하여 결정하는 처리수 계산단계를 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
The method of claim 2,
The singular and treated water calculation step,
A singular calculation step of determining the singular number based on a graph of permeate concentration of the membrane module and the target purity; And
And a treatment water calculation step of determining the treatment water based on a graph of the passage concentration of the membrane module and the target discharge concentration.
제1항에 있어서,
상기 배치단계는,
상기 통과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들의 투과부 흐름을 상기 투과부 흐름 사슬에 주입하는 위치인 투과부 흐름 재사용 위치를 설정하고, 상기 투과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들의 통과부 흐름을 상기 투과부 흐름 사슬에 주입하는 위치인 통과부 흐름 재사용 위치를 설정함으로써, 하나의 이산화탄소 포집 공정을 설계하는, 재사용 위치 결정단계를 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
The method of claim 1,
The arrangement step,
Set the permeate flow reuse position, which is a position for injecting the permeate flow of the membrane modules included in the permeate flow chain into the permeate flow chain, and transmit the permeate flow of the membrane modules included in the permeate flow chain to the permeate flow chain. And a reuse location determination step of designing one carbon dioxide capture process by setting a pass flow reuse location that is an injection location.
제6항에 있어서,
상기 배치단계에서 설계된 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정이, 상기 목표 순도 및 상기 목표 포집율을 만족하지 못할 때, 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정을 삭제하고, 상기 재사용 위치 결정단계로 돌아가는 삭제단계를 더 포함하고,
상기 배치단계는, 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정이 삭제된 후 상기 배치단계로 돌아왔을 때, 다른 이산화탄소 포집 공정을 설계하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
The method of claim 6,
When the one carbon dioxide capture process designed in the batch step does not satisfy the target purity and the target capture rate, the method further includes deleting the one carbon dioxide capture process and returning to the reuse position determining step. ,
Wherein the batching step designes another carbon dioxide capturing process when it returns to the batching step after the one carbon dioxide capturing process is deleted.
제6항에 있어서,
상기 배치단계에서 설계된 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정이, 상기 목표 순도 및 상기 목표 포집율을 만족하는 경우,
상기 하나의 이산화탄소 포집 공정에 사용되는 진공 펌프, 압축기, 열교환기를 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정에 배치하고, 탈황설비, 탈수설비, 탈질설비 또는 먼지제거 설비 중 적어도 하나를 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정에 배치하는, 기타 설비 배치단계를 더 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
The method of claim 6,
When the one carbon dioxide capture process designed in the batching step satisfies the target purity and the target capture rate,
A vacuum pump, a compressor, and a heat exchanger used in the one carbon dioxide capture process are disposed in the one carbon dioxide capture process, and at least one of a desulfurization facility, a dehydration facility, a denitrification facility, or a dust removal facility is disposed in the one carbon dioxide capture process. Further comprising a different plant arrangement step.
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