KR0153434B1 - 냉각을 이용한 저온 압력 순환 흡착 - Google Patents

냉각을 이용한 저온 압력 순환 흡착

Info

Publication number
KR0153434B1
KR0153434B1 KR1019920018297A KR920018297A KR0153434B1 KR 0153434 B1 KR0153434 B1 KR 0153434B1 KR 1019920018297 A KR1019920018297 A KR 1019920018297A KR 920018297 A KR920018297 A KR 920018297A KR 0153434 B1 KR0153434 B1 KR 0153434B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
adsorption
bed
pressure
adsorbent material
gas mixture
Prior art date
Application number
KR1019920018297A
Other languages
English (en)
Other versions
KR930008422A (ko
Inventor
웰리스 리비트 프레드릭
Original Assignee
티모티 엔. 비숍
프랙스에어 테크놀로지 인코포에이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 티모티 엔. 비숍, 프랙스에어 테크놀로지 인코포에이티드 filed Critical 티모티 엔. 비숍
Publication of KR930008422A publication Critical patent/KR930008422A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR0153434B1 publication Critical patent/KR0153434B1/ko

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0462—Temperature swing adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B01D2253/108—Zeolites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B01D2253/108—Zeolites
    • B01D2253/1085—Zeolites characterized by a silicon-aluminium ratio
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/12—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/18—Noble gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/102—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/70—Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/702—Hydrocarbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/80—Water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • B01D53/0438—Cooling or heating systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • B01D53/0446—Means for feeding or distributing gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S95/00—Gas separation: processes
    • Y10S95/90—Solid sorbent
    • Y10S95/902—Molecular sieve

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Drying Of Gases (AREA)
  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)

Abstract

본 발명의 압력진동흡착 가스분리조작은 외부에서 공급되는 냉각없이 내부 냉각효과를 유지하고 사용하는 것에 의해 보다 개선된 시스템 및 공정을 제공한다.

Description

냉각을 이용한 저온 압력 순환 흡착
제1도는 본 발명의 자기 냉각 PSA 흡착 베드의 구체예의 개략도이다.
제2도는 전형적인 2 베드 시스템의 공정 흐름도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 흡착용기 3,8 : 분배 수단
4,6 : 재생구역 5 : 건조구역
7,13,14 : 흡착베드 11 : 압축기
12 : 최후냉각기
본 발명은 가스 분리에 관한 것이며, 보다 상세하게는 공기로부터 산소의 생산을 증가시키는 것에 관한 것이다.
흡착 방법은 가스의 분리 및 정제에 널리 사용되어왔다. 높은 표면적의 수착제는 그 표면에 가스 분자를 흡착시키는 친화성을 가지고 있다. 흡착되는 가스의 양은 사용되는 특정의 수착제, 흡착되는 가스 및 흡착 작업이 수행되는 온도 및 압력에 의존한다. 대부분의 수착제에 대해, 흡착되는 양은 흡착되는 가스의 분압이 증가함에 따라 그리고 흡착 온도가 감소함에 따라 증가한다. 따라서 흡착되는 가스의 양은 흡착 온도를 감소시킴으로써 증가시킬 수 있다. 대부분의 실제 적용에 있어서, 흡착 방법을 반복하는 것이 가능하도록 수착제를 재생하기 위해 흡착된 가스를 탈착시키는 것이 필요하다. 탈착 단계는 고온, 저압에서 가장 잘 진행된다. 그러므로, 그러한 실제 적용을 위해서, 온도, 압력 또는 둘 모두를 흡착과 탈착 단계 사이에서 주기적으로 바꾸거나, 순환시켜야 한다. 이러한 두가지 기본적 가스 분리 방법을 압력 순환 흡착(PSA) 및 온도 순환 흡착(TSA)라고 부른다.
근년에, 공기로부터 산소 및 질소의 생산을 위해 PSA 방법은 계속 발전해왔다. 그러한 공정에서, 공급 공기는 공기로부터 용이하게 흡착할 수 있는 성분, 즉 질소 또는 산소를 선택적으로 흡착할 수 있는 수착제를 함유하는 흡착 베드를 통과하게 되고, 용이하게 흡착될 수 없는 성분은 흡착베드로부터 제거된다. 그러한 PSA 방법의 성질이 흡착과 탈착이 일어나는 온도 조건에 의해 영향을 받지만, 대부분의 PSA 방법은 일반적으로 흡착 작업에 관련된 특정 온도 조건의 조절 수단 없이 주위 온도 조건에서 작업하도록 고안되어 왔다.
PSA 시스템에서, 열은 흡착으로 발산되며, 탈착으로 수착제에 의해 흡수된다. 따라서, 흡착층의 온도는 흡착 단계 동안에 상승하고 탈착 단계 동안에 하강하게 된다. 흡착제가 세척에 의해 효과적으로 탈착될 수 있고 덜 강하게 흡착되는 성분의 흡착을 방해하는 강하게 흡착되는 불순물을 사실상 함유하지 않는 경우에는, 전체 PSA 사이클 중에서 흡착 베드에 높은 흡착 압력으로 가압되거나 낮은 탈착 압력으로 감압되는 부분 동안에 온도 변화가 가장 현저하다. 분배 수단 또는 수착 물질의 베드를 담는데 사용되는 용기의 상부 공간과 같은 흡착 시스템의 개방 가스 공간의 가압 및 감압 또한 그 속의 가스의 압축 및 팽창에 의해 이루어지는 가역적인 일에 의해 온도 변화를 일으킨다. 그러한 PSA 방법과 같은 동적 과정에서 흡착 및 압축열의 대부분이 유동 공급 가스, 예를 들어 공기 스트리임에 전달되어, 흡착 베드 외부로 운반된다. 공기로부터 산소 및/또는 질소의 생산을 위해 사용되는 PSA 방법과 같은 전형적인 PSA 방법에서, 흡착 동안의 전진류는 탈착 동안의 후진류를 초과한다. 그 결과, 전체 엔탈피 순 전진류가 발생하여 그곳에서의 온도 변동이 베드 입구에 근접한 지역보다 클 때 PSA 시스템에 사용되는 흡착 베드의 평균 온도를 감소시키는 경향이 있다.
공기로부터 산소를 생산하는 PSA 방법에 미치는 온도의 효과는 이자미(Izami)의 문헌 [저온 저압 PSA 에서의 고효율 산소 분리, AICHE, SanFrancisco, Califonia, November, 1989]에 기술되어 있다. 여기에는 공급 공기로부터 질소를 선택적으로 흡착할 수 있는, Na-X(두개의 다른 Si/Al 비를 가짐), Ca-A, Ca-X, 및 Si-X를 포함하는 다섯 개의 다른 분자체 형태의 수착제가 연구되어 있다. 알칼리 토금속 양이온(Ca 및 Sr)을 가지는 수착제는 실온 근처에서 최상의 N2/O2분리능을 나타내는 반면, Na-X 수착제는 약 -30℃에서 최상의 분리능을 나타낸다. 모든 경우에, 질소 저장능은 상기 흡착 이론에서 예상되는 바대로 온도가 감소함에 따라 증가한다. Ca-A 및 Na-X 수착제에 대한 벤치 규모 공정 시험에서 0℃와 실온 사이에서 Ca-A 흡착제의 성능이 우수하고 0℃ 이하의 온도에서는 Na-X 흡착제의 성능이 우수함을 확인하였다. 이들 시험에서, 흡착 베드는 정온이었으며 일정 온도에서 효과적으로 유지되었다. 대규모의 파일롯 시험이 Na-X 흡착 물질에 대해 행해졌다. 공급 가스 스트리임 베드 온도 보다 낮은 베드 온도를 얻기 위해 냉각 코일을 베드에 도입하고, 유입되는 공급 공기의 건조에 사용되는 건조기 부분과 흡착 베드 사이에 열 재생기가 또한 사용된다. 그러한 시험은 흡착 온도가 -15℃의 정격 온도로 하강했을 때 흡착효율이 증가하며 비용이 감소함을 나타낸다. 이러한 시험은 등온 조건보다 단열 조건에서 더욱 근접하게 수행되었으며, 온도는 균일하지 않았다. 이들 시험은 Na-X 흡착제를 가지는 PSA 방법이 주위 온도 이하의 작업 온도에서 작업하는 것이 바람직하다는 것을 나타낸다. 바람직한 낮은 흡착 베드 온도를 얻는데 외부 냉각이 이용되었다. 약 0.3 기압의 최적 탈착 압력이 마찬가지로 사용되었다.
그러나 상기와는 달리, 낮은 흡착 베드 온도가 PSA 시스템의 성능에 악영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 콜린즈의 미국 특허 제 3,973,931 호는 공기로부터 산소를 생산하는 과압 PSA 방법에서 매우 큰 축 온도 변동이 일어날 수 있음을 기술하고 있다. 제올라이트 분자체 물질의 흡착 베드에서는 50℃를 넘는 온도 변동이 관찰되었다. 베드의 공급 단부 근처에서 매우 큰 온도 구배가 형성되는데, 온도는 공급 단부로부터 약 1ft에서 최저이고 공급 단부로부터 베드의 나머지 부분으로 갈수록 점차적으로 증가한다. 반복적인 흡착 탈착 사이클링 후, 온도 프로필은 각 사이클에서 단지 약간 변할뿐 일정하게 유지된다. 콜린즈는 이들 온도 변동 조건이 그러한 과압 PSA 사이클을 사용하는 산소의 회수 및 순도에 결정적인 영향을 미친다는 것을 발견하였다. 그 결과, 콜린즈는 적어도 20℉(11℃)까지 공급 공기 스트리임을 가열하는 것이 작업을 향상시킨다고 교시하였다. 나타난 작업 데이타가 큰 축 온도 변동이 지속됨을 보여주지만, 그에 의해 최저 베드 온도는 흡착 베드의 나머지의 온도가 상승하는 것처럼 상승하게 된다. 콜린즈는 입구 단부의 온도 강하를 잘못된 열 재생 단계의 탓으로 돌리고 수증기 불순물이 베드의 이 입구 지역에서 원료 스트리임으로부터 흡착될 때 온도 강하가 가장 큼을 보여주었다. 콜린즈는 공급 공기 압축기 최후 냉각기를 조절하거나 부분적으로 우회시키는 것을 포함한, 공급 스트리임의 온도를 상승시키기 위한 몇가지 수단을 제안하였다. 공급 공기 압축열은 콜린즈의 교시의 실시에 따르는 개선된 공정을 위해 사용되는 약간 높은 공급 공기 온도를 충분히 발생시키고도 남는다.
따라서, PSA 공기 분리 기술은, 흡착 물질의 선택, 흡착 및 탈착 압력, 및 권장 작업 온도 수준에 관한 상이한 교시를 포함하고 있는데, 주위 온도를 초과하거나 주위 온도에 미치지 못하는 온도가 권장된다. 그럼에도 불구하고, 상기한 바와같이, 대부분의 시판 PSA 공기 분리 공정은 온도 조절 및 순환적 흡착 탈착 작업 동안 일어나는 열 효과에 대한 특별한 고려없이 주위 온도 조건에서 수행된다.
물론, PSA 작업을 개선하여 일반적인 공기 및 다른 가스 분리 작업에 날로 증가되는 요구 조건을 완전히 만족시키는 것이 본 기술 분야에 요구되고 있다. 그러한 본 기술 분야의 요구는 순환적 PSA 작업중에 일어나는 열효과를 고려하지 않는 것이 아니라 이용하는 바람직한 PSA 시스템으로 산소 또는 다른 바람직한 생성물의 회수를 증가시키는 것이다. 그러나, 그러한 개선된 작업을 위해, PSA 시스템에 이자미의 교시에 따라 사용된 외부 냉각기와 같은 비싼 장치를 사용하는 것은 피해야 한다.
본 발명의 목적은 공기로부터 산소의 생산, 및 다른 바람직한 가스 분리를 위한 개선된 PSA 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부 냉각을 피하고 순환적 흡착 탈착의 PSA 방법에서 일어나는 열 효과를 이용하는 PSA 가스 분리 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공급 공기로부터 산소 생산의 전체 효율 및 경제성을 증가시키기 위한 PSA 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 내부적으로 발생되는 자기 냉각 상태의 조절 유지를 위한 수단을 갖춰 흡착 베드의 평균 온도를 강하시키는 PSA 방법 및 시스템을 포함한다. 이로 인해 공기 분리의 전체 효율 및 경제성이 향상된다.
본 발명의 목적은 필요한 냉각을 외부 냉각이 필요없이 내부적으로 공급하여 주위 온도보다 낮은 베드 온도에서 PSA 방법 및 시스템을 작동시킴으로써 달성한다. 이에 의해 PSA 사이클의 내부 냉각 효과를 유지 이용하여 흡착 베드의 평균 온도를 하강시킴으로써, PSA 공기 또는 다른 가스 분리 작업의 전체 효율 및 경제성을 향상시키게 된다.
제올라이트 분자체 흡착제, 예를 들어 Na-X 형태를 사용하고, 하기의 흡착/탈착 압력에서 작업하는, 본 명세서에 기술된 PSA 시스템을 사용하는 본 발명의 실시에 의해 공기로부터의 바람직한 고효율 산소 분리 및 다른 가스 분리가 달성된다. 전진류 엔탈피가 후진류 엔탈피를 초과함으로써 흡착 베드의 평균 온도를 효과적으로 낮추는 순 냉각이 일어나게 된다. 그러한 냉각의 손실은 용기 단열, 흡착 베드를 담고 있는 흡착 용기내의 단부 공간의 충전, 및 베드의 공급 단부, 전형적으로 저부 단부 및 유입되는 공급 공기를 건조시키는데 통상 사용되는 건조제와 흡착 베드 사이에 있는 열 재생 구역의 사용에 의해 방지된다. 따라서, 본 발명에서는 외부 냉각을 사용할 필요가 없다. 유지되는 자기 재생 냉각의 양은 열재생기 구역의 설계 특성 및 사용되는 단열의 양에 의해 조절될 수 있다. 평균 베드 온도의 조절 및 미세한 조정 및 조절은 공급 가스, 예를 들어 공기의 온도를 조절함으로써 수행되며, 이것은 압축기 최후 냉각기에서 얻어지는 냉각도를 조정함으로써 수행된다.
제올라이트 분자체 흡착제를 사용하여 달성되는 평형 형태 PSA 방법에서는, 공급 가스의 쉽게 흡착되는 성분 또는 무거운 성분은 높은 흡착 압력에서 베드를 통과하여 선택적으로 흡착되고 베드의 공급 단부로부터 베드의 생성물 단부로 향하는 흡착 전면을 형성하고, 쉽게 흡착되지 않거나 가벼운 성분은 높은 흡착 압력에서 베드를 그대로 통과하여 생성물 단부로부터 추가 가공 및/ 또는 하류 사용을 위해 회수된다. 그러한 평형 형태 가공에서, 공급 공기중 질소가 쉽게 흡착되는 성분을 구성하고 산소가 쉽게 흡착되지 않는 성분을 구성하게 된다. 이 흡착 단계의 완료시에, 베드는 임의로 이의 생성을 단부로부터의 가스의 방출에 의해 중간 압력 수준으로 동시 감압되고, 방출된 가스는 시스템 내의 또 다른 베드와의 압력 평형을 위해 사용되거나 또 다른 베드의 퍼징 가스로서 사용된다. 그 동안에 쉽게 흡착되는 성분의 흡착 전면은 베드의 생성물 단부를 향해 더욱 전진하지만 급전진을 하지는 않는다. 다음에 베드는, 베드로부터 공기 분리에 있어서 쉽게 흡착되는 성분, 예를 들어 질소의 탈착 및 제거를 향상시키는 낮은 탈착 압력에서의 후속 퍼징과 함께 혹은 퍼징 없이, 베드의 공급 단부로부터의 가스 방출에 의해 상기의 낮은 탈착 압력으로 역류적으로 감압된다. 이 탈착/퍼징 단계의 완료시에, 베드는 이의 생성물 단부에 산소가 풍부한 생성물을 도입함으로써 부분적으로 중간 압력으로 재가압된다. 이어서, 베드는, 순환적 PSA 가 가공 순서가 이어짐에 따라 높은 흡착 압력으로 재가압되며, 추가량의 공급 공기는 각각의 연속되는 흡착 단계 동안에 베드로 통과된다. 상기 형태의 전형적인 PSA 사이클에서, 가스의 전진류는 베드에서 가스의 후진류를 초과하여, 순 전진류를 형성한다.
각 흡착 베드의 온도는 순환적 PSA 작업 동안 위치와 시간에 따라 달라진다. 압력 변화가 베드내의 국부 온도에 큰 영향을 미침이 발견되었다. 압력 감소는 일반적으로 베드 온도와 흡착 물질의 가스 온도를 둘 다 강하시킨다. 흡착 용기내의 개방 가스 공간의 압력 감소 또한 그곳의 국부 가스 온도를 강하시킨다. 압력 감소에 따른 온도의 강하는 후진류 저압 가스 스트리임의 평균 온도를 전진류 고압 가스 스트리임의 평균 온도 보다 낮게 한다.
상기 형태의 일반적인 PSA 사이클에서는, 전진류의 엔탈피가 초기에 후진류의 엔탈피를 초과하고 베드의 생성물 단부를 통해 베드 밖으로 나가는 순 전진류 엔탈피가 있음을 알 수 있다. 그러한 조건이 유지되는 동안, 엔탈피 흐름이 균형을 이루고 동적 정상 상태가 이루어질 때까지 베드 온도는 감소하는 경향이 있다. 대부분의 시스템은 정상 상태를 지향하는 경향이 있는 반면, 적절한 온도 조절 수단이 사용되지 않으면 전혀 온도 조절이 안되는 몇몇 경우가 관찰된다.
베드에서의 국부 온도 이동은 흡착제상에서, 쉽게 흡착되는 성분, 및 약간 덜 흡착되는 성분의 전체 흡착의 국부 변화가 가장 큰 곳에서 가장 크다. 본 발명의 PSA-산소 방법에 대해, 가장 큰 흡착 변화는 베드의 건조 구역에서 공급 공기로부터 수증기 및 이산화탄소의 제거 후 베드의 공급 단부 근방의 질소, 및 약간의 산소의 흡착에 기인한다. 베드에서 흡착 변화가 최대인 이 영역의 상류에는 수증기 및 이산화탄소의 흡착은 열을 발생시키고 큰 온도 변화를 일으킬 수 있으나, 이 변화는 주로 전진 및 후진 가스 흐름이 거의 같은 평균 온도를 가지는 방식으로 일어난다. 그러나, 베드의 건조 구역에서의 탈착으로 생기는 냉각을 되돌리기 위해, 제 1 도에서 보는 바와 같이, 베드의 건조 부분의 베드 상류의 공급 단부에 열재생 구역이 위치한다. 질소 흡착 구역에서, 후진류는 베드의 생성물의 공급 단부로부터의 전진류의 90% 정도일 수 있다. 전진 및 후진 가스 스트리임의 온도의 차이가 큰 그러한 조건은 국부 베드 온도를 크게 하강시킨다. 다른 영역의 열적 거동의 이러한 차이는, 본 발명의 재생기에 의해 향상되고, 베드의 축을 따라 큰 온도 구배를 가져오게 된다.
제 1 도에, 본 발명의 자기 냉각 PSA 베드는 흡착 용기(1)내에 위치하는 것으로 나타나 있다. 상기 용기는 공급 공기 유입 도관(2)을 가지고 있으며 공급 공기가 이것을 통해 저부의 분배 수단(3)으로 간다. 첫 번째 열재생 구역(4)은 상기 분배 공간 또는 수단(3)의 위, 건조 구역(5)의 상류, 즉 아래에 위치하고 있다. 하류, 즉 상기 건조구역(5)의 상부는 두 번째 열 재생 구역(6)을 포함한다. 흡착 베드(7)는 용기(1)내의 상기 건조 구역(5) 위에 위치하고, 공기로부터 질소의 바람직한 선택적인 흡착이 일어나는 주 영역이다. 흡착 베드(7) 위에는, 용기(1)가 상부 분배 공간 또는 수단(8) 및 생성물 산소 배출 도관(9)을 포함한다. 용기(1)에는 단열벽(1A)이 있어서, 본 발명의 다른 요소와 함께 용기로부터의 냉각 손실을 차단한다. 그러한 다른 요소들은 바닥의 분배 공간을 충전시키는 것 및 본 발명의 특정 양태에서 하나 혹은 두 개의 열재생 구역을 사용하는 것이다. 상기한 바와 같이, 하나의 그러한 열재생 구역은 바닥 분배 공간의 바로 하류의, 용기의 도입 단부에 위치하고, 다른 하나는, 만약 사용된다면, 바람직한 공기 분리 목적으로 사용되는 흡착 베드 구역의 바로 상류의, 예비 건조 구역의 하류 부분을 포함한다.
초기에 공기와 평형을 이루고 있는 제올라이트 분자체, 예를 들어 Na-X 형태의 물질의 베드의 온도 이동은 일반적으로 베드 압력이 125KPa로부터 50KPa 로 변할 때 약 -5℃이다. 동일하게 감압되는 순수 질소의 경우, 온도 이동은 약 -6℃ 인 반면, 순수한 산소의 경우에는 약 -2℃이다. 이것은 질소가 보다 강하게 흡착되고 산소보다 높은 흡착열을 가지기 때문이다. -5℃로의 온도 이동의 경우 후진류는 전진류의 약 90%로서, 온도 강하는 약 -45℃로 결정된다. 이 강하는 질소 흡착 구역, 즉 제 1 도의 흡착 베드(7)의 공급 단부 근처에서 일어나며, 비슷한 온도 강하가 베드의 더욱 하류에서도 일어나게 된다. 따라서, 그러한 변압 PSA 가공 사이클 동안 상당량의 내부 냉각이 자발적으로 일어나게 된다. 그러한 내부적으로 발생되는 냉각은 과압 PSA 사이클의 경우에 더욱 커지는 것으로 나타났으며, 콜린즈의 관찰이 옳음을 입증한다.
흡착 베드의 평균 온도를 감소시키고 내부적으로 발생되는 자기 냉각을 조절하기 위한 본 발명의 실시에서, 125 및 50KPa의 흡착 및 탈착 압력에 기초한 시뮬레이션을 Na-X 형태의 제올라이트 분자체 흡착제를 사용하는 PSA 가공 작업에 사용하여 산소를 93%의 순도로 하루 15톤의 생산량으로 수득한다.
단열 PSA 용기는, 예를 들어 높이 약 6의 저부 분배 공간, 1재생기 구역, 물, 이산화탄소, 중 탄화수소류 등의 제거를 위한 건조제를 함유하는 8 건조 구역, 공급 공기로부터 질소의 선택적 흡착을 위한 50 흡착 구역, 및 약 7의 상부 분배 공간을 포함한다. 용기의 냉각 손실을 최소화하기 위해 약 2의 통상적인 단열재가 사용된다. 본 발명의 목적을 위해, 저부 분배 공간 또는 수단에는 그 속에 있는 가스의 압축 및 팽창에 의한 일로 인한 열 순환을 억제하기 위해 5/16 인치의 전도성 놋쇠구를 채운다. 구는 재부의 전체 가스 용량을 약 60% 정도로 감소시키는데 기여하여 압축 및 팽창에 의한 일 및 열 순환을 동일한 양 만큼 바로 감소시킨다. 또한 전도성 구는 가스로부터 열을 흡수 및 방출하여 계속해서 열 순환을 억제한다. 분배 수단에서의 압축 및 팽창에 의한 일에 기인하는 질소 흡착 온도의 상승은 분배 수단의 공극 용량에 압력 순환을 곱한 값을 순 산소 생성 속도로 나눈 값에 비례하는 것으로 나타났다. 따라서, 분배 수단의 공극 부피는, 특히 흡착 압력과 탈착 압력의 차이가 클 때, 생성물 유량에 비해 낮게 유지되어야 한다.
제 1 하부 재생기 구역은 용기의 흡착 베드 구역으로부터의 흡착제 입자의 침입이나 구의 손실을 막기 위해 분리 스크린 사이에 들어 있는 10×12 메쉬의 구리 구로 채워진다. 이 재생기 구역은 하류 가스 스트리임으로부터 낮은 수준의 냉각을 얻고 그러한 냉각을 상류 가스 스트리임에 방출하도록 되어 있다. 이것은 건조 구역이 높은 흡착열을 가지는 공급 공기의 고농도의 수분 및 다른 불순물을 처리해야 할 때, 및 건조 구역이 사용되지 않을 때 필요하다. 이 재생기 구역은 또한 건조 구역에 사용되는 건조제가 공급 공기 스트림으로부터 상당량의 질소 또는 산소/아르곤을 흡착할 수 있을 때도 필요하다.
상기한 바와 같이, 건조제 층은 수증기, 이산화탄소 및 중 탄화수소류와 같은 강하게 흡착되는 불순물을, 흡착 용기의 질소 흡착 구역에 도달하기 전에, 제거하는데 필요하다. 그러한 불순물은 질소 선택적 흡착제로부터 탈착시키는 것이 질소보다도 어려우며, 그 결과로서, PSA 시스템의 성능을 저하시키게 된다. 또한 그러한 불순물은 질소 흡착 구역의 열 순환을 감소시키고, 그 결과로서, 본 발명에서 필요한 자기 냉각 효과를 감소시킨다. 반면에, 건조제는 상당량의 질소, 산소 또는 아르곤을 흡착하지 않아야 하며, 그러한 불필요한 흡착은 건조제층의 성능을 저해하게 된다. 일반적인 실시에서 건조제 층은 주로 공급 공기 스트리임 온도, 즉 질소 흡착 구역 온도보다 높은 온도 부근에서 작동된다.
사용된 건조제가 알루미나이거나 다른 비교적 무거운 흡착 물질이라면, 사용되는 건조제 입자는 상류 스트리임에 의해 쉽게 부유되지 않기 때문에 질소 선택 흡착제에 사용되는 입자보다 작아도 된다.
제 1 재생기 구역의 성능이 우수할 때는, 건조제 층의 상부가 충분한 재생기 구역으로 작용하면서도 강하게 흡착하는 불순물을 완전히 제거하기 때문에, 건조제 층과 흡착 베드 사이에 별도의 제 2 재생기 구역이 필요없다.
질소 선택적 흡착 구역은 실리카/알루미나 비가 약 2.0인 Na-X 제올라이트로 된 8×12메쉬의 베드로 충전시키며, 물 충전량은 5g/㎏ 미만이다.
상부 분배 수단은 압축 에너지 손실을 감소시키는 구 또는 다른 물체로 충전되나, 상기 상부 분배 수단에서 열 순환을 감소시킬 필요는 없다. 그러한 열 순환은 용기의 질소 흡착 구역에서의 자기 냉각을 그다지 방해하지 않는다. 어쨌든 상부 분배 공간으로부터 질소 흡착 구역으로 하향 전도되는 열은 거의 없기 때문에 상부 분배 공간과 질소 흡착 구역 사이에 재생기가 필요없다는 것을 또한 알 수 있다.
온도의 주 강하는 낮은 온도에서 작업되어야 하는 건조제 층과 질소 흡착 구역 사이에 일어나기 때문에, 본 발명의 실시에서 제 1 냉각기 구역이 용기내에서 건조제 층 아래에 위치해야 하는 이유를 알기는 쉽지 않다. 상기 제 1 냉각기 구역을 건조제 층 아래에 위치시키는 이유는 물의 흡착열이 건조제 층을 통해 질소 흡착층으로 유입되는 것을 방지하기 위함이다. 건조제 층으로 들어가는 공급된 공기로부터 고농도로 흡착된 물은 상기 건조제층의 저부 단부에서 온도 상승을 일으킨다. 공급 공기의 흐름은 그 열을 엔탈피로서 포획하여 가까운 상부로 이동시키게 된다. 전체 PSA 사이클의 저압 하향류 단계 동안, 물의 탈착은 건조제 층의 저부 단부 및 하류 가스를 냉각시킨다. 가스는 냉각을 가까운 하부로 이동시킨다. 공정이 정상 상태에 이르면 가열 및 냉각 효과는 동등해진다. 그러나, 냉각은 주로 건조제 층의 입구에서 일어나기 때문에, 각 PSA 순환 동안 얼마간의 냉각이 건조제 층을 벗어나게 된다. 이 냉각은 폐가스로부터 냉각을 흡수하여 본 발명의 실시에 바람직하게 사용하기 위해 저장하는 제 1 냉각 구역을 제외하고는 흡착 용기를 이탈하는 폐가스와 함께 손실된다. 제 1 재생 구역은 냉각을 저장하여 PSA 사이클의 다음 가스 상향 흐름 단계 동안 회수되도록 설계되어 있다. 이것이 행해질 때, 물 흡착열은 회수된 냉각에 의해 균형을 이루고 상기 흡착열은 건조제 층을 통해 용기의 질소 흡착 구역으로 상향 이동하지 않는다.
건조제 층의 상단부는 저농도의 물 또는 다른 강하게 흡착되는 불순물만을 취급하고, 따라서, 동시에 효율적인 제 2 재생기 구역으로 작용하는 것으로 이해된다. 재생기로서, 이것은 질소 흡착 구역에 의해 발생되는 냉각을 쉽게 회수하여 이 냉각을 순환적 가공 작업의 다음 부분 동안 용기의 그 영역으로 상향하는 공급 가스 스트리임에 전달한다.
상기의 이자미 등의 교시에서, 재생기 구역은 건조제 층과 질소 흡착 구역 사이에만 위치한다. 이것은 건조제 층에서 발생된 냉각이 부분적으로 손실되고 이 손실이 재생기의 효율과 무관하게 질소 흡착 구역의 온도를 높이기 때문에 본 발명의 배열에 비해 훨씬 비효과적이다. 또한 상기한 바와 같이, 건조제 층의 상단부가 미량의 강하게 흡착하는 불순물을 제거하는 동시에 재생기로 작용한다. 건조제 층의 이 두가지 용도는 상충되지 않고 오히려 효율적인 PSA 방법 및 시스템의 작업을 위해 아주 바람직한 상승 효과를 제공한다.
공극 공간을 현저히 줄이기 위해서 흡착 용기의 저부 분배 수단을 충전시키는데 있어서, 상기의 전도성 입자와 같은, 사용되는 입자는 전체적인 흡착제 압력 강하에 현저히 영향을 미치거나 단부 공간에서의 현저한 측압 경사를 통해 흐름의 잘못된 분포를 일으키는 큰 압력 강하를 일으키지 않을 정도로 충분히 커야 하는 점이 중요하다.
상기의 10×12 메쉬 크기의 구리 구 외에 다른 전도성 물질을 제 1 하부 재생기 구역에 사용할 수 있다. 바람직하게는, 재생기는 구리보다 열 전도성이 약간 낮은 금속 입자를 포함하는 전도성 물질로 충전된다. 예를 들면, 축방향 전도율이 가스-대-고체 열교환 효율의 지나친 감소없이 감소되도록 구리의 약 1/2 내지 약 1/10 의 전도성을 가지는 물질이 바람직하다. 상기 제 1 재생기 구역을 구성하는 물질의 열전도율의 어떠한 현저한 더 이상의 감소는 재생기의 성능을 저하시키고 상기 제 1 재생기 구역의 깊이를 어느 정도 증가시킬 것을 필요로 한다. 본 발명의 목적을 위해, 제 1 재생기를 구성하는 물질의 전도율은, 사용되는 물질의 양 및 크기와 함께, 흡착 베드에서 수행되는 가공 순서의 탈착 동안에 저장되는 후진 스트리임을 냉각시킬 수 있는 정도이어야 한다. 그러한 전도율은 ℉/ft/ft2/hr 당 바람직하게는 250 내지 0.5 BTU, 더욱 바람직하게는 150 내지 15 BTU 이다. 이러한 목적을 위해 적합한 물질로는, 상기의 구리 외에, 철강 및 주조 철이 있다. 느슨하게 채워진 재생기의 입자는 가스의 상향 흐름 동안 유동화를 피하거나 가스의 수평 흐름 동안에 수평 움직임을 피하도록 하는 크기이여야 한다. 입자는 흡착 구역에 사용되는 입자의 크기 및 밀도와 동일한 크기의 밀도를 가질 수 있다. 스크린, 격자 및 유사 구조의 형태를 가지는 재생기는 그렇게 유동화되지 않아 과도한 움직임 없이 많은 힘을 받을 수 있다.
본 발명에서는 상기의 축방향으로 흐르는 원추형 구역외의 다른 재생기 구역을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 적층 스크린이 사용될 수도 있으며, 필요하다면, 열 전도율이 낮거나 보통인 구 또는 다른 입자의 얇은 층에 의해 분리될 수도 있다. 재생기 물질은 반드시 구일 필요는 없으며, 펠렛, 불규칙한 입자, 섬유 메트, 다공성 판, 또는 소결이나 결합에 의해 다공성 구조로 형성된 입자로 구성될 수 있다. 방사류형 흡착 시스템에서, 재생기는 외부 또는 내부의 공급 단부 분배 수단을 분리하는 원추형 층의 일반적인 형태일 수 있다.
일반적인 플레이트-핀 코어로 제조된 제 1 재생기는 그로부터 발생하는 축방향 전도의 증가 때문에 본 발명에서는 바람직하지 못하다. 제 1 재생기는 어떤 경우이든 재생기 자체에서의 가역적인 압축 및 팽창에 의한 일의 존재로 인한 열 순환을 피하기 위해서 비교적 작은 공극 공간 용량을 가져야 한다. 상기한 바와 같이, 건조제 층 아래의 제 1 재생기의 위치는 본발명에서 매우 중요하며 공급 공기중의 수분의 함량이 높을 때 특히 현저하다.
본 발명은 본 발명의 구체예에서 제시한 실리카/알루미나 비가 약 2.0 인 것에 한정되지 않는 Na-X 제올라이트의 사용을 포함하고 있다. 실리카/알루미나 비가 2.0 내지 2.6, 바람직하게는 2.0 내지 2.4인 Na-X 제올라이트를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 본 발명의 실시에서 흡착제로서 사용되는 Na-X 제올라이트에 대한 물 충전량은 25g/㎏ 미만, 바람직하게는 10g/㎏ 미만, 더욱 바람직하게는 3g/㎏ 미만이어야 한다. 5A 및 4A 형의 제올라이트를 사용하는 것도 또한 본 발명의 범위 내에 속한다. 그러한 흡착제는 흡착 강도가 중간 정도인 질소 선택적 평형 형태의 흡착제이다. 강한 질소 선택적 평형 형태의 흡착제는 Li-X 및 Ca-X 와 같이 Na-X 제올라이트의 이온 교환에 의해 제조되며, 자기 냉각 사이클에 의해 도달되는 낮은 온도에서는 그러한 흡착제로부터 질소의 탈착이 어렵기 때문에 흡착 베드 구역의 저온 영역에서는 사용할 수 없다. 그러나, 그러한 강한 질소 선택적 흡착제는 베드의 생성물 단부 근처의 고온 영역에서는 바람직하게 사용될 수 있다. 속도 선택적 기준으로 질소 대신에 산소를 선택적으로 흡착하는 탄소 흡착제와 같은 선택적 흡착제도 이러한 흡착제를 사용하는 효율적인 공기 분리 사이클에서 필요한 자기 냉각을 발생하기 어렵기 때문에 사용할 수 없다.
일반적으로, 본 발명의 실시에서 분리되는 공급 공기는 건조제 층에 의해 제거되는 수증기, 이산화탄소, 및 다른 불순물을 포함하고 있다. 반면에, 만약 공급 공기에 그러한 불순물들이 없다면 건조제 층은 생략할 수도 있다. 이러한 경우에서, 저부 분배 수단 위의 제 1 재생기 구역을 포함하는 본 발명의 PSA 시스템의 모든 다른 요소들은 상기에서 기술하고 제 1도에 도시한 대로 사용될 것이다. 그러한 요소들은 본 발명을 설명하기 위한 예에서 나타낸 바와 같은 크기를 가질 것이다. 이 경우, 제 1 재생기 구역은 건조제 층의 상부의 재생 기능을 수행하기 위해 제공되어, 용기의 질소 흡착 구역으로부터 저부의 분배 수단으로의 바람직한 냉각의 손실을 방지하게 된다.
본 발명은 하나 또는 두 개의 흡착 베드를 가진 PSA 시스템에 실용적이며, 2 내지 4 베드 시스템에 바람직하지만, 보다 많은 수, 10 내지 12 베드 이하 혹은 그 이상의 베드를 가지는 시스템에도 사용할 수 있다. 제 2도는 산소 생성물을 생산하기 위한 바람직한 공기 분리에 사용되는 일반적인 2베드 PSA 시스템을 나타낸다. 이 구체예에서, 라인(10)에서의 공급 공기는 압축기(11)에서 압축되어 냉각을 위해 최후냉각기(12)로 통과된 후 전체 사이클에서 주어진 시간에 베드에서 수행되는 전체적인 PSA 가공 순서의 부분에 따라 흡착 베드(13) 또는 흡착 베드(14)를 통과한다. 밸브 수단(16)을 포함하는 라인(15)은 공급 공기를 라인(17)으로 보내어 베드(13)의 공급 또는 저부 단부로 통과시킨다. 라인(17)은 또한 밸브 수단(19)을 포함하는 라인(18)에 연결되어 상기 베드(13)으로부터 폐질소를 회수하여 라인(20)을 따라 시스템으로부터 배출한다. 유사하게, 밸브 수단(22)을 포함하는 라인(21)은 공급 공기를 라인(23)을 따라 베드(14)의 저부 단부로 도입한다. 밸브 수단(25)을 포함하는 라인(24)은 폐질소 가스를 상기 라인(20)을 통해 시스템으로부터 배출한다. 상기 폐질소 스트리임은 공정의 저압 탈착 단계 동안 베드로부터 탈착 제거된 더욱 쉽게 흡착되는 질소 성분을 포함함을 알 수 있다.
베드(13)의 상단부에, 밸브 수단(27)을 포함하는 라인(26)은 베드(13)의 상부로부터 제거된 공급 공기중 쉽게 흡착되지 않는 성분, 즉 산소, 를 라인(28)을 통해 공기 분리 공정의 바람직한 산소생성물로서 회수한다. 마찬가지로, 밸브 수단(30)이 설치되어 있는 라인(29)는 베드(14)의 상부로부터 쉽게 흡착되지 않는 산소를 라인(28)으로 보내 상기의 산소 생성물 가스로서 회수한다. 라인(31)에는 밸브 수단(32)가 설치되어 라인(26)과 라인(28) 사이에 유체가 소통되게 함으로써 높은 흡착 압력으로부터 탈착중인 한 베드의 상부로커 흘러나오는 가스를 최초에 낮은 압력 상태에 있는 다른 베드로 통과시켜 두 베드 사이의 압력 평형을 달성하여 각 베드의 고압 흡착 저압 탈착 순환 순서의 압력 요건을 최소화하게 된다.
대규모 PSA 공기 분리 플랜트에서는 몇 개의 흡착 베드를 연결하여 하나의 가공뱅크로 평행으로 흐르게 할 수 있다. 그러면 모든 베드는 같은 가공 순서를 한꺼번에 동시에 수행하게 된다. 특정 뱅크에서 개별 베드는 바람직하게는 공통의 공급 및 유출관을 조절 장치와 공유하여 베드 사이의 흐름을 균형잡는다. 그러한 흡착 뱅크가 포함할 수 있는 흡착 베드의 수는 한정되지 않지만, 주어진 PSA 흡착시스템에서의 각 뱅크는 다른 관련 뱅크에서와 동일한 수의 베드를 포함해야 한다. PSA 시스템에는 사용하기 편한 수의 단위가 사용될 수 있으며, 2 내지 4개의 뱅크가 일반적으로 바람직하다.
본 발명은 어떠한 특정 공기 분리 작업의 전체적인 요건에 따라 기본적인 흡착-탈착-재가압 가공순서를 다양하게 변경하여 실시할 수 있다. 하나의 특정 가공 순서가 아래에 기재되어 있다. 이 특정 가공 순서, 혹은 다른 그러한 순서를 수행하는 PSA의 각 베드는, 상기한 바와 같이 건조재 층을 생략할 수 없다면, 제 1도와 관련하여 위에 기술한 형태이다. 따라서 모든 베드는 바람직한 저온 작업을 달성하는데 사용되는 외부 냉각원 없이 자기 냉각, 저온 작업에 맞도록 되어 있다.
[가공사이클 순서]
단계 1 - 흡착 베드의 단부에 공급 공기를 도입하여 높은 흡착 압력으로 가압하는 단계;
단계 2 - 높은 흡착 압력에서 흡착, 공급 공기는 베드의 공급 단부에 도입되며, 덜 선택적으로 흡착되는 산소는 필요한 생성물 가스로서 베드의 생성물 단부에서 회수하는 단계;
단계 3 - 베드의 생성 단부로부터 공극 공간 가스를 방출하여 병류 감압시켜 베드의 압력을 중간 수준으로 낮추고, 방출된 가스는 세척 가스로 사용되거나 초기에 낮은 압력 상태에 있는 베드와 압력 평형을 이루기 위해 시스템의 또 다른 베드로 도입하거나 산소가 풍부한 2차 생성물로서 회수하는 단계;
단계 4 - 낮은 탈착 압력으로 감압된 베드의 공급 단부로부터 가스를 방출(방출되는 가스는 산소가 희박한 폐가스로 구성된다)하여 역류 가압시키는 단계;
단계 5 - 또 다른 베드로부터의 산소가 풍부한 환류 가스를 베드의 생성 단부에 공급하고 추가량의 산소가 희박한 폐가스를 베드의 공급 단부로부터 제거하여 낮은 탈착 압력에서 세척하는 단계; 및
단계 6 - 또 다른 베드의 생성 단부로부터 방출되는 가스를 재가압되는 베드의 생성 단부로 도입하여 베드를 재가압(재가압되는 베드는 PSA 시스템에서 각 베드에서 가공 순서가 순환적으로 계속됨에 따라 높은 흡착 압력으로 추가 재가압되기 전에 낮은 탈착 압력에서 중간 압력으로 압력이 상승된다)하는 단계.
단계 3에서 베드의 생성 단부로부터 제거되고 세척 및/또는 압력 평형 목적으로 사용되는 산소가 풍부한 환류 가스는 그러한 목적을 위해 시스템의 다른 베드로 직접 도입하고/하거나 별도의 저장 용기에 저장할 수 있다. 한 구체예에서, 병류 감압시 베드로부터 방출된 가스는 초기에는, 부분적으로 혹은 모두, 압력 평형 목적으로 사용되고, 이렇게 방출된 추가량의 가스는 나중에 시스템의 또다른 베드에 세척을 위해 제공하기 위해 저장 용기를 가압하는데 사용되며 추가량의 다른 가스는 시스템에서 직접 다른 베드의 세척에 사용될 수 있다.
압력 평형 및 2베드 시스템에서 세척 가스로 제공하기 위해 병류 감압 단계3에서 가스가 방출되는 상기에서 설명한 바와 같은 PSA용기를 사용하는 본 발명의 실시에 있어서, 전체 순환 시간은 90초로서, 각 가공 단계의 시간은 다음과 같다: 단계1-12초, 단계2-28초, 단계3-5초, 단계4-32초, 단계5-8초, 단계6-5초, 높은 흡착 압력은 150KPa, 낮은 탈착 압력은 50KPa 이고, 압력 평형 감소는 110KPa, 압력 평형 증가는 85KPa이다. 공급 공기는 높은 흡착 압력에서, 300℉에서 0.133몰/초의 속도로 도입되고, 사이클당 0.039몰/초의 산소가 생성되며, 0.021몰/초로 순도 95%의 산소 생성물로서 회수되고 세척 산소로서 0.010몰/초로 사용된다. 건조제 층은 약 300。K인 반면, 질소 흡착 구역의 하부 공급 단부는 본 발명의 자기-냉각의 결과로 약 270。K이며, 상부 생성 단부는 298。K이다. 전면 면적 단위당 전체 냉각은 약 7580W/m2, 즉 직경 12ft 베드에 대해 79.8kw이다. 본 발명에 따른 2인치 두께의 질소 흡착 구역의 단열과, 21m2의 용기 벽의 측면적으로, 질소 흡착 구역의 벽을 통한 열손실은 단지 1.1kw로 유지되고 이에 따르는 온도 효과는 단지 0.4。K이다.
본 발명의 범위내에서 다양한 변형이 가능하다. 따라서, 건조제 층은 상기의 알루미나 외에도, 실리카겔, Si/Al비가 높은, 예를 들어 20/1등인 몇몇 Na-x 물질과 같은 분자체 물질등을 포함할 수 있다.
흡착제 용기, 즉 재생기, 건조 및 흡착 구역의 측벽을 단열시키는 목적은 측벽을 통한 바람직하지 않은 자기 냉각 손실을 방지하기 위함이다. 흡착 베드가 원추형 베드이고 가스가 축방향으로 흐르는 시스템의 경우, 측벽은 원추형 쉘로 구성된다. 외부 단열이 사용된다면, 원추형 쉘 외에도 용기 분배 공간을 단열시켜 상기 공간으로부터의 쉘벽으로 열전도가 일어나는 것을 방지해야 한다. 흡착 베드가 축방향 흐름이 아닌 방사 방향 흐름에 맞게 되어 있다면 맨위 및 바닥의 공간이 바람직하게 단열될 것이다. 그러한 원추형 용기, 혹은 다른 용기에 사용되는 단열은 벽을 통한 흡착 용기로의 전체 열전도가 본 발명의 순환적 PSA 작업 동안 발생되는 자기 냉각의 매우 작은 부분이 되도록 충분한 두께와 낮은 전도성의 것이어야 한다. 그래서 용기로의 열전도는 단열의 사용에 의해 용기내에 발생되는 자기 냉각의 약 5%미만, 바람직하게는 약 2%미만, 예를들어 1% 내지 약 2%로 최소화된다. 적합한 시판 단열재를 사용할 수 있다. 따라서, 손쉽게 이용할 수 있는 진공 단열, 관 단열등이 사용되며, 그러한 단열재로는 규조토, 실리카 등이 편리하게 사용된다.
제1도에 나타낸 형태의 축방향 흐름 흡착기의 경우, 재생기는 흡착기의 공급 단부에서 평탄층의 형태를 가진다. 가스가 중심으로부터 바깥으로, 혹은 주변으로부터 중심을 향해 안으로 흐르는 중심 방향 흐름 흡착기에서, 재생기는 일반적으로, 외부 또는 내부의, 공급 단부 분배 수단을 흡착 구역으로부터 분리하는 원추형 층의 형태이며, 따라서 가스 스티리임은 재생기를 통해 방사 방향으로 흐른다.
상기의 예에서 저부 분배 수단을 채우는데 사용된 5/16 전도성 놋쇠 외에도, 아루미나와 같은 전도성 입자를 포함하는 다른 적합한 입자가 그러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 가압 동안 , 분배 공간의 가스는 압축으로 인한 가역적 일에 의해 가열된다. 가열된 가스는 재생기로 보내지고 다시 흡착 베드로 들어간다. 결국 분배 공간의 가스는 공급물 압축기 및 최후 냉각가로부터의 공급 가스의 온도에 근접한다. 이 시점에서, 과잉의 열이 흡착기로 들어간다. 탈착 동안, 분배 공간의 가스는 팽창의 가역적인 일에 의해 냉각된다. 냉각된 가스는 배출관 및, 사용된다면, 진공 펌프를 통해 배출된다. 결국, 분배 공간의 가스는 재생기의 따뜻한 단부를 이탈하는 가스온도에 근접한다. 이 온도는 재생기가 효율적으로 작동하는 한 원료 압축기와 최후냉각기를 이탈하는 가스 온도와 거의 동일하다.
가공의 전체 효과는 단부 공간의 압축 및 팽창에 의한 가역적인 일이 열펌프로 작용하는 것에 있다. 펌핑에 의한 열은 흡착제에 주입되고 흡착제 자기 냉각의 적어도 일부를 무효화한다. 흡착제 베드에 펌핑된 열은 전체 베드를 통해 매 사이클마다 이동하여 결국은 전체 베드의 온도를 상승시킨다. 공급 단부의 분배 수단으로서 그러한 바람직하지 않은 열 펌핑은 분배 공간의 부피를 감소시키고/시키거나 분배 공간을, 가스가 차는 공극 공간을 감소시키는, 상기의 놋쇠구와 같은 딱딱하거나 큰 입자 또는 구조물로 채움으로써 감소시킬수 있다. 분배 공간의 잔류 공극의 부피는 일반적으로 충전되지 않은 분배 공간 부피의 약 40%가 편리하지만, 잔류 부피가 공급 단부의 분배 공간 또는 수단에서 열 펌핑을 효과적으로 감소시키는 그러한 부피로 감소될 수 있음을 유념해야 한다. 분배 공간을 채우는 입자 또는 구조물이 충분한 열용량 및 열 전달면을 가진다면 이들은 가스를 채우는 부피를 감소시키는 것만으로가 아니라 그 속에 있는 가스로 함께 열전도의 온도 순환을 감소 시킴으로서 열펌핑 효과를 감소시킬 수 있다.
흡착기의 반대 단부인 생성 단부의 분배 수단에서도 열 펌핑이 일어나기는 하지만, 이것은 흡착기의 온도에 그다지 영향을 주지 않는다. 본 발명의 바람직한 구체예에서 분배 수단이 바람직하게는 상기의 입자나 구조물로 채워지는 반면, 상기 생성 단부의 분배 공간에서는 열순환을 감소시킬 필요가 없다. 그럼에도 불구하고 상기 생성 단부, 또는 상부 분배 공간은 그 안에서 압축 에너지 손실을 감소시킬 필요가 있을때만 세라믹구로 채워질수도 있다.
본 발명의 기술자는 수행되는 가스 분리, 흡착 베드의 수 및 사용되는 흡착제, 요구되는 생성물의 특성 등에 따라 다양한 가공 조건을 사용하여 본 발명을 실시할 수 있다. 본 발명의 다양한 양태에서 약 0.4내지 약 1.2기압의 낮은 탈착 압력을 사용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 높은 흡착 압력/낮은 탈착 압력의 비는 약 1.25 내지 약 5.0이다. 그러한 작업 범위내에서, 본 발명은 바람직하게는 두 개의 별도 작업 방식 내에서 실시된다. 따라서 본 발명의 한 구체예에서는 약 0.4내지 0.7기압, 예를 들어 0.55기압의 낮은 탈착 압력과 약 1.4/1내지 약 5.0/1, 바람직하게는 약 1.7/1내지 약 3.0/1의 높은 흡착 압력/낮은 탈착 압력비가 사용된다. 다른 구체예에서는, 약 1.0내지 약 1.2기압의 낮은 탈착 압력과 약 1.25/1내지 약 3.5/1, 바람직하게는 약 1.4내지 약 2.5/1의 높은 흡착 압력/낮은 탈착 압력 비가 사용된다. 각 베드가, 예를 들어 상기의 병류 감압 단계에 의해 낮은 탈착압력으로 감압되기 전에 중간 압력 수준으로 감압되는 PSA 순환에서, 높은 흡착 압력과 중간 압력수준, 또는 하나 이상의 중간 압력 수준이 사용된다면 중간 압력 수준들의 차이는 바람직하게는 높은 흡착 압력과 낮은 탈착 압력 사이의 전체적인 차이의 0내지 40%로 낮을 것이다. 공기 또는 다른 가스의 공급 온도는 일반적으로 약 280。K내지 약 310。K, 바람직하게는 290。K내지 305。K이며, 주위 온도 조건이 편리하다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시에 사용되는 흡착제는 가스 혼합물의 보다 쉽게 흡착되는 성분에 대한, 예를 들어 공기 분리 작업에 있어서 질소에 대한 약간 강한흡착제인 평형 형태 Na-X 제올라이트 분자체이다. 그러한 흡착제, 예를 들어, 상기의 실리카/알루미나 비를 가지는 Na-X, 및 잘 알려진 5A 및 4A 형태의 물질은 따라서 보통 정도의 질소 또는 다른 보다 선택적으로 흡착되는 성분의 선택성, 흡착제 부하, 및 흡착열을 나타낸다. 대조적으로, Li-X, Ca-X 및 Na-X 제올라이트의 이온교환에 의해 제조된 다른 제올라이트는 질소 또는 공급 공기 혹은 다른 가스의 다른 더욱 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 강하게 흡착하고, 질소 또는 다른 더욱 선택적으로 흡착되는 성분에 대한 선택성, 흡착제 부하 및 흡착열이 높다.
다른 PSA 사이클에서처럼, 세척 단계가 사용되는 본 발명의 구체예에서, 더욱 쉽게 흡착되는 성분이 흡착 전면은 고압 흡착 전면은 고압 흡착 및 병류 감압 단계동안 생성 단부로부터의 급전진 없이 베드의 공급 단부로부터 베드의 생성 단부로 이동한다. 낮은 탈착 압력에서 사용되는 세척 가스의 양은 베드의 공급단부로부터 쉽게 흡착되지 않는 성분, 즉 예를 들어 공기 분리 적용에 있어서 산소의 급전진 없이 베드의 공급 단부로부터 상기의 더욱 쉽게 흡착되는 성분의 탈착 및 제거를 용이하게 하는 만큼이다. 낮은 흡착 압력/탈착압력 비를 사용함에 있어, 쉽게 흡착되지 않는 성분의 급전진 없이 가능한 한 베드의 더욱 쉽게 흡착되는 성분의 탈착 및 제거를 확실하게 하도록 충분한 세척 가스를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다.
본 발명에서는 특히 질소의 선택적 흡착 및 쉽게 흡착되지 않는 산소, 또는 산소 및 아르곤의 필요한 생성물로서의 회수에 대한 PSA 공기 분리 작업에 대하여 기술하였으나, 다른 가스 분리 작업도 본 발명의 실시에서 바람직하게 수행될 수 있다. 공기 분리 PSA 사이클은 공지되어 있으며 본 발명과 함께 사용함으로써 더욱 선택적으로 흡착되는 성분, 즉 질소는 바람직한 생성물로서 세척 단계를 사용하거나 사용하지 않고 PSA 사이클의 탈착 부분에서 회수된다. 본 발명에 의해 개선될 수 있는 다른 가스 분리 PSA 작업에는 헬륨 또는 수소로부터 질소를 분리하는 작업이 포함되며 질소가 이러한 가스 혼합물의 더욱 쉽게 흡착되는 성분이다.
상기의 공기 분리 및 산소 회수를 위한 시스템을 사용하여 외부 냉각이 없이도, 본 발명의 실시에서 외부 냉각 방법에 비할만한 성능이 얻어질 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 탈착 압력이 고정된 높은 흡착 압력 조건이하로 유지될 때, 생성물의 회수율은 더욱 높았으며 베드 크기 인자는 바람직한게 낮았다. 그러나, 탈착 압력이 점점 낮아지면 진공 탈착 압력 수준을 얻기 위해 사용되는 진공 펌프의 전력 요구량이 증가한다. 따라서, 상기한 바와 같은 보통의 탈착 압력 수준 및 보통의 흡착/탈착 압력비가 통상 바람직하다. 본 발명은 또한 매우 바람직한 가공 유통성을 제공하며 주어진 적용에 해당하는 요건 및 제약 면에서 작업 특징의 조절을 가능하게 한다.
본 발명은 순환적인 PSA 작업 과정에서 발생하는 자기 냉각의 효율적인 사용을 기초로 PSA 기술의 매우 바람직한 진보를 가져왔다. 그 결과로서, 외부 냉각원에 대한 필요 및 비용없이 최적 온도 조건에서, 공기 분리에 의한 산소 회수를 위한 극히 바람직한 PSA 작업에서와 같이, 증가된 가스 분리를 달성할 수 있다. 본 발명의 실시에 의해, PSA 기술은 전체적인 효율면에서 요구를 만족시킬 수 있게 되었으며 산소 생산을 위한 공기 분리 및 다른 필요한 가스 분리 작업에 대한 증가되고 있는 경제성 또한 만족시키게 되었다.

Claims (59)

  1. (a) 공급 가스 혼합물의 쉽게 흡착되는 성분을 선택적으로 흡착할 수 있으며 쉽게 흡착되는 성분에 대한 흡착 강도가 중간이고 kg 당 물충전량이 25g 미만인 평형 형태 흡착 물질의, 외부로부터 공급되는 냉각을 위한 수단을 가지지 않는, 베드를 포함하는 하나 이상의 흡착 용기;
    (b) 공급가스 혼합물을 흡착 용기의 공부 단부로 보내고 흡착 물질의베드로부터의 탈착시 쉽게 흡착되는 성분을 제거하기 위한 도관 수단;
    (c) 용기의 반대편 단부로부터 쉽게 흡착되지 않는 성분을 회수하기 위한 도관 수단;
    (d) 도관 수단에 근접한 흡착 용기의 공급 단부 및 반대편 단부에 위치함으로써 그 사이에 흡착 베드가 위치하는 분배 수단들;
    (e) 흡착 용기안에 들어 있고 흡착 물질의 베드와 흡착 용기의 공급 단부에 위치하는 분배 수단 사이에 위치하며, 베드에서 수행되는 흡착/탈착 가공 순서의 탈착 부분 동안 후진 스트리임에서 냉각을 저장하도록 되어 있는 전도 요소를 포함하는 재생 구역; 및
    (f) 흡착 용기의 외부로부터 흡착 용기의 벽을 통해 흡착 용기내의 흡착 물질의 베드 또는 재생 구역으로 열이 유입되도록 함으로써 순환적 흡착/탈착 작업 동안 발생된 자기 냉각이 현저하게 손실되는 것을 방지하도록 되어 있는 흡착 용기벽의 단열 수단을 포함함으로써, 흡착 용기의 재생 구역과 단열 수단의 조합으로 흡착 용기내에서 내부적으로 발생된 자기 냉각이 유지되게 하여 흡착 베드의 평균 온도가 외부적으로 공급되는 냉각없이 순환적 흡착/탈착 작업 동안에 감소될 수 있음을 특징으로 하는, 쉽게 흡착되는 성분과 쉽게 흡착되지 않는 성분을 포함하는 공급 가스 혼합물로부터 쉽게 흡착되는 성분을 분리하기 위한 압력 순환 흡착 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 실리카/알루미나 비가 2.0 내지 2.6인 Na-X 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 실리카/알루미나 비가 2.0 내지 2.4 임을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 5A 형 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 4A 형 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 재생 구역이 금속 입자를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 재생 구역이 열전도율이 250 내지 0.5 BTU/℉/ft/ft2/hr 임을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 열전도율이 150 내지 15 BTU/℉/ft/ft2/hr 임을 특징으로 하는 시스템
  9. 제1항에 있어서, 물 충전량이 kg 당 10g 미만임을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 들어 있는 2개 이상의 흡착 용기, 공급 가스 혼합물을 시스템으로 보내고 시스템으로부터 쉽게 흡착되는 성분을 제거하기 위한 도관 수단 및 각 베드에서 흡착/탈착 압력 순환 흡착 순서를 순환적으로 수행될 수 있도록 되어 있는 시스템으로부터 쉽게 흡착되지 않는 성분을 제거하기 위한 도관 수단을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 흡착 용기의 공급 단부에 위치한 분배 수단이 내부의 공극 공간을 현저하게 감소시키기 위한 입자로 충전됨을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 입자가 전도성 입자임을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 흡착 용기안에 들어 있고 재생 구역과 흡착 물질의 베드 사이에 위치하며, 공급 가스 혼합물로부터 수증기, 이산화탄소 및 중 탄화수소류를 제거할 수 있는 건조제 물질을 포함하며, 흡착 물질의 베드 근처에 있는 일부분이 제 2 재생 구역의 역할을 하는 건조 구역을 포함하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 흡착 물질의 베드의 실리카/알루미나 비가 2.0 내지 2.6 인 Na-X 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 실리카/알루미나 비가 2.0 내지 2.4임을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 5A 형 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 4A 형 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제13항에 있어서, 재생 구역이 금속입자를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제13항에 있어서, 재생 구역이 열전도율이 250 내지 0.5 BTU/℉/ft/ft2/hr 인 요소를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 열전도율이 150 내지 0.5 BTU/℉/ft/ft2/hr 인 요소를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제13항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 들어 있는 2개 이상의 흡착 용기, 공급 가스 혼합물을 시스템으로 보내고 시스템으로부터 쉽게 흡착되는 성분을 제거하기 위한 도관 수단 및 각 베드에서 흡착/탈착 압력 순환 흡착 순서를 순환적으로 수행될 수 있도록 되어 있는 시스템으로부터 쉽게 흡착되지 않는 성분을 제거하기 위한 도관 수단을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제13항에 있어서, 흡착 용기의 공급 단부에 위치하는 분배 수단이 내부의 공극 공간을 감소시키기 위한 입자로 충전됨을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 입자가 전도성 입자임을 특징으로 하는 시스템.
  24. (a) 공급 가스 혼합물을, 공급 가스 혼합물의 쉽게 흡착되는 성분을 선택적으로 흡착할 수 있으며 쉽게 흡착되는 성분에 대한 흡착 강도가 중간이고 kg 당 물 충전량이 25g 미만인 평형 형태 흡착 물질의, 외부로부터 공급되는 냉각을 위한 수단을 가지지 않는, 베드를 포함하며 흡착 용기의 외부로부터 흡착 용기의 벽을 통해 흡착 용기내의 흡착 물질의 베드 또는 재생 구역으로 열이 유입되도록 함으로써 순환적 흡착/탈착 작업 동안 발생된 자기 냉각이 현저하게 손실되는 것을 방지하도록 되어 있는 흡착 용기벽의 단열 수단을 갖는 하나 이상의 흡착 용기로 보내고, 공급 가스 혼합물을 흡착 용기의 공급 단부에 위치하는 분배 수단 및 흡착 물질의 베드와 분배 수단 사이에 위치하며 흡착 물질의 베드에서 수행되는 흡착/탈착 가공 순서의 흡착 부분 동안 후진 스트리임에서 냉각을 저장하도록 되어 있는 전도 요소를 포함하는 재생 구역을 통과시키는 단계; (b) 높은 흡착 앞역에서 용기의 반대편 단부의 분배 수단으로부터 쉽게 흡착되는 성분을 제거하는 단계; 및 (c) 높은 흡착 압력/낮은 탈착 압력 비가 1.25/1 내지 5.0/1 이 되도록, 베드를 0.4 내지 1.2 기압의 낮은 탈착 압력으로 감압하여 배드의 공급 단부로부터 공급 가스 혼합물의 쉽게 흡착되는 성분을 제거하는 단계를 포함함으로써, 흡착 용기의 재생 구역과 단열 수단의 조합으로 흡착 용기내에서 내부적으로 발생된 자기 냉각이 유지되게 하여 흡착 베드의 평균 온도가 외부적으로 공급되는 냉각 없이 순환적 흡착/탈착 작업 동안에 감소될 수 있음을 특징으로 하는, 순환적 흡착/탈착 공정에서 쉽게 흡착되는 성분과 쉽게 흡착되지 않는 성분을 포함하는 공급 가스 혼합물로부터 쉽게 흡착되는 성분을 분리하기 위한 압력 순환 흡착 방법.
  25. 제24항에 있어서, 낮은 탈착 압력이 0.4 내지 0.7 기압이고 높은 흡착 압력/낮은 탈착 압력 비가 1.4/1 내지 5.0/1 임을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 높은 흡착 압력/낮은 탈착 압력 비가 1.7/1 내지 3.0/1 임을 특징으로 하는 방법.
  27. 제24항에 있어서, 낮은 탈착 압력이 1 내지 1.2 기압이고 높은 흡착 압력/낮은 탈착 압력 비가 1.25 내지 3.5/1 임을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 높은 흡착 압력/낮은 탈착 압력 비가 1.4/1 내지 2.5/1 임을 특징으로 하는 방법.
  29. 제24항에 있어서, 재생 구역 입자의 열전도율이 250내지 0.5BTU/℉/ft/ft2/hr 임을 특징으로 하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 열전도율이 150 내지 15 BTU/℉/ft/ft2/hr 임을 특징으로 하는 방법.
  31. 제24항에 있어서, 물 충전량이 kg 당 10g 미만임을 특징으로 하는 방법.
  32. 제24항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 실리카/알루미나 비가 2.0 내지 2.6인 Na-X 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 실리카/알루미나 비가 2.0 내지 2.4 임을 특징으로 하는 방법.
  34. 제24항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 5A 형 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  35. 제24항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 4A 형 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  36. 제24항에 있어서, 흡착 용기의 공급 단부에 위치하는 분배 수단이 내부의 공극 공간을 감소시키기 위한 입자를 함유함을 특징으로 하는 시스템.
  37. 제24항에 있어서, 공급가스 혼합물이 흡착 용기안에 들어 있고 재생구역과 흡착 물질의 베드 사이에 위치하여, 공급 가스 혼합물로부터 수증기, 이산화탄소 및 중 탄화수소류를 제거할 수 있는 건조제물질을 포함하며, 상기 흡착 물질의 베드 근처에 있는 일부분이 제 2 재생 구역의 역할을 하는 건조 구역을 통과함을 포함하는 방법.
  38. 제37항에 있어서, 낮은 탈착 압력이 0.4 내지 0.7 기압이고 높은 흡착 압력/낮은 탈착 압력 비가 1.7/1 내지 3.0/1 임을 특징으로 하는 방법.
  39. 제37항에 있어서, 낮은 탈착 압력 비가 1 내지 1.2 기압이고, 높은 흡착압력/낮은 탈착압력 비가 1.25 내지 3.5/1 임을 특징으로 하는 방법.
  40. 제38항에 있어서, 재생 구역 입자의 열전도율이 250내지 0.5BTU/℉/ft/ft2/hr 임을 특징으로 하는 방법.
  41. 제40항에 있어서, 열전도율이 150 내지 15 BTU/℉/ft/ft2/hr 임을 특징으로 하는 방법.
  42. 제37항에 있어서, 물 충전량이 kg 당 10g 미만임을 특징으로 하는 방법.
  43. 제37항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 실리카/알루미나 비가 2.0 내지 2.6인 Na-X 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  44. 제43항에 있어서, 실리카/알루미나 비가 2.0 내지 2.4 임을 특징으로 하는 방법.
  45. 제37항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 5A 형 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  46. 제24항에 있어서, 흡착 물질의 베드가 4A 형 제올라이트를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  47. 제37항에 있어서, 흡착 용기의 공급 단부에 위치하는 분배 수단이 내부 공극 공간을 감소시키기 위한 입자를 함유함을 특징으로 하는 방법.
  48. 제24항에 있어서, 공급 가스 혼합물이 공기를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  49. 제48항에 있어서, 베드의 반대편 단부에서 회수되는 쉽게 흡착되지 않는 성분이 산소 및 아르곤 생성물 가스를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  50. 제24항에 있어서, 베드의 공급 단부에서 회수되는 쉽게 흡착되는 성분이 질소 생성물 가스를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  51. 제24항에 있어서, 공급 가스 혼합물이 쉽게 흡착되는 성분인 질소와 쉽게 흡착되지 않는 성분인 헬륨을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  52. 제24항에 있어서, 공급 가스 혼합물이 쉽게 흡착되는 성분인 질소와 쉽게 흡착되지 않는 수소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  53. 제24항에 있어서, 공급 가스 혼합물이 2개 이상의 흡착용기를 순환적으로 통과하는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제37항에 있어서, 공급가스 혼합물이 공기를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  55. 제54항에 있어서, 베드의 반대편 단부에서 회수되는 쉽게 흡착되지 않는 성분이 산소 및 아르곤 생성물 가스를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  56. 제54항에 있어서, 베드의 공급 단부로부터 회수되는 쉽게 흡착되는 성분이 질소 생성물 가스를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  57. 제37항에 있어서, 공급가스 혼합물이 쉽게 흡착되는 성분인 질소와 쉽게 흡착되지 않는 성분인 헬륨을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  58. 제37항에 있어서, 공급가스 혼합물이 쉽게 흡착되는 성분인 질소와 쉽게 흡착되지 않는 성분인 수소를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  59. 제37항에 있어서, 공급 가스 혼합물이 2개 이상의 흡착 용기를 순환적으로 통과함을 특징으로 하는 방법.
KR1019920018297A 1991-10-07 1992-10-06 냉각을 이용한 저온 압력 순환 흡착 KR0153434B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/772,336 US5169413A (en) 1991-10-07 1991-10-07 Low temperature pressure swing adsorption with refrigeration
US07/772,336 1991-10-07
US7/772,336 1991-10-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR930008422A KR930008422A (ko) 1993-05-21
KR0153434B1 true KR0153434B1 (ko) 1998-11-16

Family

ID=25094730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019920018297A KR0153434B1 (ko) 1991-10-07 1992-10-06 냉각을 이용한 저온 압력 순환 흡착

Country Status (12)

Country Link
US (1) US5169413A (ko)
EP (1) EP0537597B1 (ko)
JP (1) JP2524292B2 (ko)
KR (1) KR0153434B1 (ko)
CN (1) CN1032848C (ko)
AR (1) AR247708A1 (ko)
BR (1) BR9203886A (ko)
CA (1) CA2079949C (ko)
DE (1) DE69215641T2 (ko)
ES (1) ES2096001T3 (ko)
MX (1) MX9205709A (ko)
TW (1) TW203561B (ko)

Families Citing this family (51)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5174979A (en) 1989-10-06 1992-12-29 Uop Mixed ion-exchanged zeolites and processes for the use thereof in gas separations
US5624477A (en) * 1991-05-09 1997-04-29 The Boc Group Plc Pressure swing adsorption plants
FR2700276B1 (fr) * 1993-01-08 1995-02-10 Air Liquide Procédé et unité d'adsorption pour la production d'un gaz par séparation d'un mélange gazeux.
US5529610A (en) * 1993-09-07 1996-06-25 Air Products And Chemicals, Inc. Multiple zeolite adsorbent layers in oxygen separation
US5453112A (en) * 1994-02-02 1995-09-26 Praxair Technology, Inc. Pressure swing adsorption heat recovery
JPH07251023A (ja) * 1994-03-16 1995-10-03 Sumitomo Seika Chem Co Ltd ガスを分離する方法およびその装置
GB9422833D0 (en) * 1994-11-11 1995-01-04 Secr Defence Pressure and temperature swing absorbtion
US5837021A (en) 1994-12-09 1998-11-17 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Installation for the treatment of at least one fluid, by passage through two adjacent masses of material
US5538544A (en) * 1994-12-27 1996-07-23 Praxair Technology, Inc. Adsorption flow distribution
US5807422A (en) * 1995-03-03 1998-09-15 Grgich; George R. Divided radial and spherical desiccant bed adsorption units
US5632802A (en) * 1995-03-03 1997-05-27 Grgich; George R. Apparatus and method of regenerating adsorbers for drying air
US5672196A (en) * 1995-08-01 1997-09-30 The Boc Group, Inc. Process and apparatus for the separation of gases
DE19529094A1 (de) * 1995-08-08 1997-02-13 Bayer Ag Verfahren zur Adsorption von Stickstoff aus Gasgemischen mittels Druckwechseladsorption mit Zeolithen
CA2186409A1 (en) * 1995-09-25 1997-03-26 Herbert Raymond Schaub Pressure swing adsorption air prepurifier
US5989314A (en) * 1995-09-26 1999-11-23 Praxair Technology, Inc. Pressure swing adsorption air prepurifier
US5674311A (en) * 1995-10-20 1997-10-07 Praxair Technology, Inc. Adsorption process and system using multilayer adsorbent beds
SE517561C2 (sv) * 1996-03-04 2002-06-18 Aga Ab Förfarande och anordning för framställning av en gas genom separation från en gasblandning
US5917140A (en) * 1996-05-21 1999-06-29 Advanced Technology Materials, Inc. Sorbent-based fluid storage and dispensing vessel with enhanced heat transfer means
US5766311A (en) * 1996-07-03 1998-06-16 Praxair Technology, Inc. Multi-thermal pulse PSA system
FR2753108B1 (fr) * 1996-09-06 1998-10-16 Air Liquide Procede pour la separation de melanges gazeux contenant de l'oxygene et de l'azote
US5769928A (en) * 1996-12-12 1998-06-23 Praxair Technology, Inc. PSA gas purifier and purification process
US6027548A (en) * 1996-12-12 2000-02-22 Praxair Technology, Inc. PSA apparatus and process using adsorbent mixtures
US6152991A (en) * 1997-04-17 2000-11-28 Praxair Technology, Inc. Multilayer adsorbent beds for PSA gas separation
FR2764522B1 (fr) * 1997-06-12 1999-07-16 Air Liquide Procede et installation de separation d'air par adsorption
FR2766384B1 (fr) * 1997-07-25 1999-09-03 Air Liquide Regulation d'un procede psa
US6238460B1 (en) 1997-09-26 2001-05-29 The Boc Group, Inc. Air purification process
DE19807225A1 (de) * 1998-02-20 1999-08-26 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
AU2927799A (en) * 1998-02-20 1999-09-06 Linde Aktiengesellschaft Air purification with regenerators and adsorption bed for water
US6106593A (en) * 1998-10-08 2000-08-22 Air Products And Chemicals, Inc. Purification of air
US6541159B1 (en) * 1999-08-12 2003-04-01 Reveo, Inc. Oxygen separation through hydroxide-conductive membrane
US6284021B1 (en) * 1999-09-02 2001-09-04 The Boc Group, Inc. Composite adsorbent beads for adsorption process
US7122073B1 (en) 2000-09-18 2006-10-17 Praxair Technology, Inc. Low void adsorption systems and uses thereof
SE523278C2 (sv) * 2001-10-11 2004-04-06 Ifoe Ceramics Ab Förfarande och anordning för framställning av syre eller syreberikad luft
US6817614B2 (en) * 2002-04-12 2004-11-16 Sterling Gaming, Llc Method of conducting a wagering game
US7264651B2 (en) * 2004-07-02 2007-09-04 Praxair Technology, Inc. Adsorption process and system using multilayer adsorbent beds containing regenerator section
EP1907098A4 (en) * 2005-06-27 2011-03-23 Wearair Oxygen Inc METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING AND SUPPLYING AN ENRICHED GAS FRACTION
KR100711237B1 (ko) * 2006-06-09 2007-04-25 한국에너지기술연구원 흡착제가 충진된 분리막 및 이를 이용한 이산화탄소 분리방법
FR2906160B1 (fr) * 2006-09-25 2009-06-05 Air Liquide Procede psa a lit d'adsorption composite forme d'un adsorbant et d'agglomerats de mcp
US7740690B2 (en) * 2007-03-29 2010-06-22 Praxair Technology, Inc. Methods and systems for purifying gases
JP4374393B1 (ja) * 2008-05-27 2009-12-02 ダイナエアー株式会社 調湿装置
TW201043327A (en) * 2009-03-30 2010-12-16 Taiyo Nippon Sanso Corp Pressure swing adsorbing type gas separating method and separation device
JP5708121B2 (ja) * 2011-02-25 2015-04-30 栗田工業株式会社 二次電池のガス噴出防止材、ガス噴出防止システムおよびこれを用いた二次電池システム
JP5884877B2 (ja) * 2013-10-03 2016-03-15 ダイキン工業株式会社 コンテナ用冷凍装置
CN105233619A (zh) * 2015-11-13 2016-01-13 无锡清杨机械制造有限公司 一种机械工业大量用气的除油除水净化系统
US9925514B2 (en) 2016-02-22 2018-03-27 Air Products And Chemicals, Inc. Modified chabazite adsorbent compositions, methods of making and using them
US9708188B1 (en) * 2016-02-22 2017-07-18 Air Products And Chemicals, Inc. Method for argon production via cold pressure swing adsorption
US11420869B2 (en) * 2019-02-22 2022-08-23 Uop Llc Process for removing oxygen from a hydrogen stream
CN112495137B (zh) * 2020-11-12 2022-04-19 杭州汉德空分设备有限公司 一种变压吸附制氧设备
CN113251699B (zh) * 2021-05-12 2022-08-16 四川零碳工程科技有限公司 一种热回收式热泵制氧空调机组
CN113251700B (zh) * 2021-05-12 2022-08-16 四川零碳工程科技有限公司 一种无霜型热泵制氧空调机组
CN113663469B (zh) * 2021-08-13 2022-08-02 广东省迅怡净化科技有限公司 一种分子筛气体分离装置及其控制方法

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2223588A (en) * 1936-06-25 1940-12-03 Stewart Warner Corp Drying refrigerating units and like apparatus
US2359660A (en) * 1941-05-12 1944-10-03 J F Pritchard & Company System for reactivating adsorbents
BE500169A (ko) * 1950-01-05
US2790505A (en) * 1954-08-02 1957-04-30 United Gas Corp Methods of and means for dehydrating and processing fluid streams
US2910139A (en) * 1957-04-03 1959-10-27 Phillips Petroleum Co Drying of gases
US2995208A (en) * 1958-08-15 1961-08-08 Phillips Petroleum Co Adsorption process and apparatus
BE605131A (ko) * 1960-06-23
DE1544022B2 (de) * 1963-02-15 1969-10-30 Linde Ag, 6200 Wiesbaden Verfahren zur Anreicherung eines Bestandteiles in Gasgemischen
US3323288A (en) * 1964-05-27 1967-06-06 Union Carbide Corp Selective adsorption process and apparatus
US3490205A (en) * 1967-11-30 1970-01-20 Nasa High pressure gas filter system
US3734293A (en) * 1970-03-04 1973-05-22 Air Prod & Chem Thermoelectric adsorber
US3674429A (en) * 1971-01-06 1972-07-04 Union Carbide Corp Adsorption process for water and nitrogen oxides
US3712027A (en) * 1971-01-22 1973-01-23 Continental Oil Co Vapor adsorption process for recovering selected components from a multi-component gas stream
FR2135388B1 (ko) * 1971-05-03 1973-05-11 Air Liquide
US3850592A (en) * 1972-11-24 1974-11-26 Deltech Eng Inc Heat pump dryer
GB1449864A (en) * 1973-10-24 1976-09-15 Boc International Ltd Adsorption system
US4026680A (en) * 1974-10-30 1977-05-31 Union Carbide Corporation Air separation by adsorption
US3973931A (en) * 1974-10-30 1976-08-10 Union Carbide Corporation Air separation by adsorption
US4329158A (en) * 1980-06-13 1982-05-11 Air Products And Chemicals, Inc. Air fractionation by pressure swing adsorption
US4499208A (en) * 1983-05-13 1985-02-12 Union Carbide Corporation Activated carbon adsorbent with increased heat capacity and the production thereof
DE3319664A1 (de) * 1983-05-31 1984-12-06 Bergwerksverband Gmbh, 4300 Essen Verfahren und vorrichtung zur reinigung von gasgemischen
US4472178A (en) * 1983-07-05 1984-09-18 Air Products And Chemicals, Inc. Adsorptive process for the removal of carbon dioxide from a gas
DE3336427A1 (de) * 1983-10-06 1985-04-18 Linde Ag, 6200 Wiesbaden Verfahren und vorrichtung zum regenerieren von adsorbern
JPS60246205A (ja) * 1984-05-22 1985-12-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Ｏ↓２製造装置の脱湿・冷熱回収方法
US4696681A (en) * 1986-10-01 1987-09-29 The Boc Group, Inc. PSA assembly
US4783432A (en) * 1987-04-28 1988-11-08 Pall Corporation Dryer regeneration through heat of compression and pressure swing desorption
JP2870913B2 (ja) * 1990-01-12 1999-03-17 東京電力株式会社 粗悪燃料のガス化ガスを燃料とするガスタービン発電方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP0537597B1 (en) 1996-12-04
DE69215641T2 (de) 1997-06-12
JP2524292B2 (ja) 1996-08-14
ES2096001T3 (es) 1997-03-01
MX9205709A (es) 1993-05-01
CA2079949A1 (en) 1993-04-08
TW203561B (ko) 1993-04-11
AR247708A1 (es) 1995-03-31
KR930008422A (ko) 1993-05-21
CN1071850A (zh) 1993-05-12
DE69215641D1 (de) 1997-01-16
CA2079949C (en) 1993-04-08
BR9203886A (pt) 1993-04-27
CN1032848C (zh) 1996-09-25
EP0537597A1 (en) 1993-04-21
US5169413A (en) 1992-12-08
JPH05220320A (ja) 1993-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR0153434B1 (ko) 냉각을 이용한 저온 압력 순환 흡착
JP3699822B2 (ja) Ｐｓａガス分離のための多層吸着床
JP4128695B2 (ja) 吸着剤混合物を使用するｐｓａ装置及び方法
US3323288A (en) Selective adsorption process and apparatus
JP3238336B2 (ja) 多層吸着材床を用いた吸着方法及び装置
EP3352884B1 (en) Adsorbent regeneration method in a combined pressure and temperature swing adsorption process
KR100192697B1 (ko) 고체 흡착제를 사용한 기체 정제법
EP0042159B1 (en) Air fractionation by pressure swing adsorption
KR100227060B1 (ko) 기체 정제 방법 및 장치
CA2209441C (en) Multi-thermal pulse psa system
US3221476A (en) Adsorption-desorption method
JP3416391B2 (ja) 空気液化分離装置の前処理方法及び装置
JP2007516059A (ja) 促進されたｔｓａサイクルにおいて空気を予備精製するための方法
TW201730102A (zh) 藉由冷變壓吸附的氬生產方法
CN1223166A (zh) 变压吸附空气预净化器
GB2281229A (en) An adsorber vessel
JPH0592120A (ja) 酸素富化方法
US3445990A (en) Separation of gaseous mixtures
KR20020007068A (ko) 압력순환식 흡착공정을 이용한 다목적 산소 제조장치 및제조방법
KR20120138996A (ko) 기체분리를 위한 이동상 온도 압력 변동 흡착공정 시스템
JP2002079031A (ja) 高濃度酸素製造用の圧力変動吸着装置
JPH01107060A (ja) 極低温冷凍装置用精製装置
JPH0620504B2 (ja) プレツシヤ−スイング用吸着槽

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee