KR0159944B1

KR0159944B1 - 개스 분리장치

Info

Publication number: KR0159944B1
Application number: KR1019910000757A
Authority: KR
Inventors: 쟌 새드코브스키 피오트르; 어니스트 개러트 마이클
Original assignee: 마이클 위크햄; 더 비오씨 그룹 피엘씨
Priority date: 1990-01-19
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1998-11-16
Also published as: GB9001226D0; CA2034598A1; DE69104384D1; ATE112506T1; EP0438214B1; EP0438214A3; AU6845790A; JPH04215817A; KR910014143A; MY107853A; EP0438214A2; ZA9124B; US5125937A; DE69104384T2; AU629721B2

Abstract

본 발명은 개스 분리장치, 특히 개스 혼합물의 개개 성분을 상이한 속도로 확산시키는 반투막을 사용하여 개스 혼합물을 분리하는 장치에 관한 것이다.

전형적으로 공기를 분리하기 위한 막 분리장치는 중공섬유(18) 형태의 막의 어레이(array of membrane)를 함유하는 개스 (gas separation cell)(14)을 포함한다. 셀(14)은 제1개스 포트(gas port)(16) 및 제2개스 포트(20)를 갖는다. 포트(16) 및 (20) 좌우로의 개스의 흐름은 4-포트 2-위치 밸브(four-port, two-position valve)(12)로 조절한다. 한쪽 위치에서, 밸브(12)는 인입공기를 포트(16)로 보내고 생성물 질소가 포트(20)의 밖으로 흐르게 한다. 다른 위치에서, 포트(16) 및 (20)의 역할은 반전되며, 따라서 개스의 흐름 방향도 반전된다. 연장된 작업기간 도중, 오염물질이 공급개스 유입구 및 막 섬유(18)에 불균형하게 영향을 미치는 경향이 있다. 밸브(12)의 위치를 주기적으로 변화시킴으로써, 공급개스에 대해 막 섬유(18)의 상이한 단부를 제공하여 막(18)의 작업수명을 연장시킨다.

Description

개스 분리장치

제1도는 본 발명에 따른 막분리장치(membrane separation apparatus)의 제1실시태양을 예시한 생산공정 일람표이며.

제2도는 본 발명에 따른 막 개스 분리장치의 제2실시태양을 예시한 생산공정 일람표이다.

본 발명은 개스 분리장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 개스 혼합물의 개개 성분을 상이한 속도로 확산시키는 반투막을 사용하여 개스 혼합물을 분리하는 장치에 관한 것이다.

반투막을 사용하여 개스 혼합물을 분리하는 기술은 공업적인 개스 제조분야에 널리 공지된 기술이다. 이러한 막에 의해 개스 혼합물을 분리하는 공지된 플랜트는 분리되는 개스 혼합물에 대해 큰 표면적의 막이 존재하도록 제작한다. 예를들면, 이러한 플랜트는 적합한 반투막을 형성하고 서로 평행하게 연장하는, 다수의 동일한 신장된 중공섬유(hollow fibre)를 사용할 수 있다. 섬유는 전형적으로는 가압용기내에 적당히 설치된다. 분리할 개스 혼합물은 섬유 외측의 한쪽 단부(end)에서 또는 단부 근처에서 포트(port)내로 공급한다. 사이 혼합물은 섬유의 세로 방향으로 흐른다. 섬유의 내측은 섬유 외측상에서 수득되는 압력보다 더 낮은 압력으로 유지시킨다. 개스 혼합물의 성분들은 막을 통하여 상이한 속도로 확산한다. 개스 혼합물이 막의 외측을 따라 통과함에 따라, 투과하는 화합물은 저압측(low pressure side)으로 점점 더 빠르게 통과한다. 따라서, 섬유 외측(고압측, high pressure side)상의 개스에는 그것이 섬유의 외측을 따라 흐름에 따라 더 느리게 투과하는 성분 또는 성분들이 더욱 풍부해지며, 더욱 느리게 확산하는 성분내에 풍부한 생성물 개스는 공급 개스가 도입되는 단부 반대쪽의 가압용기의 단부로부터 가압하여 회수할 수 있다. 투과 개스에는 더 빠를게 확산하는 성분이 풍부하다. 투과 개스는 전형적으로 공급 개스를 도입하는 용기의 단부와 동일한 용기의 단부에서 섬유의 내측으로부터 회수한다. 경우에 따라, 대용적인 배열에 있어서는, 공급 개스를 중공섬유의 내측으로 공급하고 투과 개스를 중공섬유의 외측으로부터 회수할 수 있다.

미합중국 특허 제 4,881,953 호에는 막의 생산성이 공급 개스 혼합물내에 존재하는 오염물질의 존재로 인하여 25%까지 감소될 수 있는 것으로 개시되어 있다. 예를 들어, 공기로부터 질소를 생산하는 경우, 오일 유출식 공기 압축기로부터의 오일 증기의 캐리오버(carry-over) 또는 주변공기중의 탄화수소 또는 산 개스의 존재는 막상에서 해로운 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 통상적으로는 인입 공기(incoming air)의 온도를 주변온도 이하로 감소시키는데 효과적인 냉동공기 건조기를 사용하여 축합가능한 오염물질(예: 물)을 제거하는 방법 및 활성탄 필터를 사용하여 압축기의 하류에서 공급 공기를 처리하는 방법과 같은 방법들을 사용하여 막 용기내로 유입되는 공기중의 오염물질의 농도를 최소화시킨다. 그러나, 이러한 방법들을 사용하는 경우에 조차도, 아직도 약간의 오염물질이 막 용기에 도달할 수 있다.

막 용기의 공급 개스 단부에서의 조건은 개스 분리장치의 총괄 성능에 불균형하게 영향을 미칠 수 있다.

예를들면, 공급 개스 유입구(inlet)에서 공급공기의 온도를 변화시키면 생성물 개스 유출구(outlet)에서의 생성물 온도에서 어떠한 변화가 나타나기 전, 즉 막이 온도 평형에 도달하기 전의 생성물 수율 및 순도에 커다란 영향을 미친다. 또한, 예를들어 오일 증기에 의한 오염은 막 섬유의 공급개스 단부에서 집중되는 경향이 있다. 이러한 오염의 영향으로 대부분의막이 오염되기 전에 장치의 성능이 중요하게 하락될 수 있다. 본 발명의 목적은 상술한 문제들을 개선시킨 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 반투과성 개스 분리막의 어레이(array)(상기 분리막은 그의 일측면 각각이 대향된 제1 및 제2 개스 포트와 연통됨으로써, 사용시에 막의 상기 일측면 각각을 따라 하나의 포트에서 다른 포트로 흐르는 공급개스 혼합물이 막을 통하여 개스 혼합물 성분들의 상이한 투과속도에 의해 분리될 수 있으며 다른 포트는 상기 공급개스 혼합물과 상이한 조성의 생성물 개스를 수용한다); 분리할 개스 혼합물을 장치내로 도입하기 위한 공급개스 도관(feed gas conduit); 장치로부터 이탈되는 생성물 개스를 이송하기 위한 생성물 개스 도관(product gas conduit); 및 제2포트 상류에 제1포트가 위치하도록 하거나 그 반대로 위치하도록 작동가능한 밸브 수단(valve means)을 포함하는 개스 분리장치가 제공된다.

그러므로, 본 발명에 따른 장치는 포트들 사이의 흐름 방향을 선택된 간격으로 반전(reversal)시킬 수 있다. 이러한 반전은 반전시에 막으로부터 오염물질의 탈리를 촉진시킬, 비교적 낮은 증기압의 개스상 오염물질 또는 오염물질들을 함유하는 세정개스(clean gas)의 흐름으로 막이 처리되기 때문에 막의 1차적인 상류 표면을 세정시킬 것이다. 이러한 탈리는 막 셀 또는 모듈(membrane cell of module)의 단부를 국부가열함으로써 더욱 촉진시킬 수 있다. 전형적으로는, 이러한 목적을 위하여 전열기를 사용할 수 있다. 경우에 따라서는, 막 길이의 20%를 가열할 수 있다.

경우에 따라, 전형적으로는 각각 용기 자체에서 서로 평행하며 통상의 공급개스 도관 및 통상의 생성물 개스 도관을 갖는, 다수의 막의 별도의 어레이가 존재할 수 있다. 대용적으로 또는 부가적으로는, 전형적으로 서로 일련으로 정렬된 2개 이상의 막의 어레이가 용기 자체내에 존재할 수 있다. 이러한 실시태양에 있어서, 어레이 하류로부터의 개스를 어레이 상류로 되돌려 보내어 장치의 총괄 성능을 향상시킬 수 있다. 예를들면, 어레이 하류의 투과개스를 사용하여 상류 어레이를 함유하는 용기로부터의 투과개스를 퍼어징시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치의 어떤 실시태양에 있어서는, 생성물 개스의 일부를 공급개스로 재순환시킬 수도 있다. 이러한 실시태양을 이용하는 경우, 장치의 공급개스 및 생성물 개스 단부의 반전시에 재순환을 계속하여 수행할 수 있도록 도관 및 밸브를 배열한다.

바람직하게는, 상기 밸브 수단은 4개의 포트(여기서, 4개의 포트중 하나는 공급개스 도관과 연통되고, 다른 하나는 생성물 개스 도관과 연통되며, 또다른 하나는 상기 제1개스 포트와 연통되고, 나머지 하나는 상기 제2개스 포트와 연통된다)를 갖는 하나의 4-방향 밸브(4-way valve); 및 한쪽 위치에서는 공급개스 도관이 단지 제1개스 포트와 연통되고 생성물 개스 도관은 단지 제2개스 포트와 연통되며, 다른 위치에서는 공급개스 도관이 단지 제2개스 포트와 연통되고 생성물 개스 도관은 단지 제1개스 포트와 연통되도록 하는 위치들 사이에서 구동하는 밸브 부재(valve member)를 포함한다. 밸브는 수동 또는 자동으로 작동시킬 수 있다.

다른 실시태양에 있어서는, 2개의 3-방향 밸브를 사용할 수 있는데, 상기 밸브중 하나는 한쪽 위치에 위치되는 경우 공급개스 도관을 상기 제1개스 포트와 연통시키고, 다른 하나는 한쪽 위치에 위치되는 경우 상기 제2개스 포트를 생성물 개스 도관과 연통시키며, 상기 2개의 밸브들은 다른 위치에서 그들의 기능이 반전된다. 이러한 밸브들은 수동 또는 자동으로 작동시킬 수 있지만, 공급개스가 결코 막의 양쪽 단부에서 함께 공급되지 않도록 설치하는데 주의할 필요가 있다.

막 어레이의 공급개스 단부 및 생성물 개스 단부를 반전시키기 위하여 밸브 수단을 작동시키는 빈도는 인입되는 공급개스내의 오염물질의 농도에 좌우될 것이다. 일례로서 공기를 분리하는 경우, 전형적으로 상기 단부들을 전형적으로는 5 내지 50 일 범위의 규칙적인 기간 간격으로 반전 시킬 수 있다. 밸브 수단을 통과하는 공기가 밸브 수단 상류에서 여과 및 냉각되지 않는 경우에는 더욱 규칙적인 반전이 요구될 수 있다.

본 발명에 따른 장치를 사용하여 공기 또는 다른 개스 혼합물을 분리할 수 있다.

용어 생성물 개스(product gas)는 본원에서는 상기 개스가 공업적인 공정에 연속적으로 사용되거나 단지 공업적인 공정에 연속적으로 사용되는 투과개스를 함유하는 폐기물이거나에 관계없이 분리의 결과로서 생성된 비-투과 개스를 확인하기 위하여 사용한다.

본원에 사용된 용어 반투막(semi-permeable membrane)은 막을 통한 개스 혼합물의 상이한 성분들의 상이한 확산속도에 의해 개스 혼합물을 분리하는데 사용될 수 있는 막을 의미한다.

지금부터는 첨부된 도면을 참조예로써 본 발명에 따른 장치를 기술할 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 막 분리장치의 제1실시태양을 예시한 생산공정일람표이며;

제2도는 본 발명에 따른 막 개스 분리장치의 제2실시태양을 예시한 생산공정일람표이다.

제1도를 참조하면, 공기 압축기(2)는 선택된 압력, 전형적으로는 2 내지 10 bar 범위의 압력을 공급개스 도관(4)에 제공하며, 상기 도관에는 상류에서 하류 단부를 따라 차례차례로 물, 오일 및 입자를 제거하기 위한 조필터(coarse filter)(6); 공기냉각기(8); 활성탄소 필터(9); 및 압력 조절기(10)가 배치되어 있다. 공급개스 도관(4)은 4-포트 2-위치 밸브(4-port, 2-position valve)(12)의 한쪽 포트에서 정지한다. 밸브(12)의 나머지 3개의 포트는 공기를 분리시켜 질소 생성물을 생산할 수 있는, 전형적으로는 중공섬유 형태의 반투막의 어레이를 함유하는 막 개스 분리 셀(또는 용기)(14)의 제1개스 포트(16); 셀(14)의 제2개스 포트(20); 및 내부에 압력 조절기(24)가 배치된 생성물 개스(질소) 도관(22)에 각각 연결한다. 상기 밸브의 위치중 하나에서, 밸브(12)는 제1개스 포트(16)이 공급개스(공기) 도관(4)과 연통되고 제2포트는 생성물 개스도관(22)과 연통되도록 위치한다. 또다른 위치에서는, 밸브(12)는 공급개스 도관(4)이 포트(20)와 연통되는 반면, 포트(16)는 생성물 개스 도관(22)과 연통되도록 연결을 반전시킨다. 셀(14)은 또한 막 섬유의 투과측(내측)과 연통되어 투과 개스가 연속적으로 셀(14)의 밖으로 흐를 수 있는 유출구(26)를 갖는다. 비록 도면에 나타내지는 않았지만, 섬유의 내측이 포트(16) 및 (20)와 연통됨으로써, 공급개스가 섬유를 통해 흐르며 투과개스는 섬유의 외측을 따라 흘러 출구(26)와 연통되는 상반된 배열도 또한 동등하게 바람직하다.

작동시, 밸브(12)를 제1위치에 놓고, 공기를 압축기에 의해 선택된 압력으로 도관(4)에 계속 공급한다. 공기를 필터(6)를 통과시켜 여과한 다음 주변온도 이하의 온도로 냉각시킨다. 생성된 걱조공기를 밸브(12)에 의해 셀(14)의 제1포트(16)로 보낸다. 공기는 셀(14)내로 흐른다. 질소이외의 다른 공기의 성분들이 막을 통하여 질소 그자체보다도 더욱 급속하게 확산하는데, 이때 막의 투과측은 막의 공급개스 측보다도 더 낮은 압력(전형적으로는 1 bar)에서 유지시킨다. 따라서, 질소가 풍부한 생성물 개스는 반대쪽 단부 포트(20)를 통해 셀(14)을 출발하고, 생성물 개스는 생성물 개스 도관(22)으로 계속 흐른다. 이어서, 생성물 개스를 수거하거나 장치로 공급하여 이용할 수 있다. 제1도에 도시된 장치를 계속 작동시킴에 따라, 포트(16)에 근접한 막(18)의 단부에서 막(18)의 어레이상에 오염물질이 축적되는 경향이 있다. 따라서, 선택된 기간, 예를들면 10 일후에, 밸브(12)를 공급개스 도관(4)으로부터의 공기가 셀(14)의 포트(20)로 공급되어 생성물 개스 도관(22)과 연통된 포트(16)로 막을 따라 흐르도록 그의 다른 위치로 스위칭(switching)시킨다. 따라서, 포트(16)에 근접한 막의 먼저 오염된 부분이 이제는 비교적 순수한 생성물 개스로 플러싱(flushing)되고, 그러한 결과로 불순물이 포트(16)에 근접한 막 어레이(18)로부터 탈리되어 퍼어징되는 경향이 있다. 이와 동시에, 공급개스 스트림내의 오염물질이 포트(20)에 근접한 막 어레이(18)의 단부에서 막 표면상에 침착되는 경향이 있다. 선택된 기간이 지난후에, 이제는 이들 불순물이 셀로부터 탈리되어 퍼어징되도록 밸브의 위치를 다시 변경시킬 수 있다.

이제부터 제2도를 참조하면, 제1도에 도시된 장치에 상응하는 부분과 동일한 제2도 장치내의 부분은 제1도에 나타낸 것과 동일한 참조번호를 암시하며, 제2도를 참고로 다시 기술하지는 않을 것이다.

제2도에 도시된 장치에 있어서, 공급개스 도관(4)은 추가의 도관(30)에서 끝나는데, 상기 추가의 도관(30)에서 한쪽 단부는 3-포트 2-위치 밸브(32)의 하나의 포트에서 정지하며 다른쪽 단부는 또다른 3-방향 2-위치 밸브(34)의 하나의 포트에서 정지한다. 밸브(32)의 2개의 다른 포트는 각각 막 셀(14)의 포트(16) 및 생성물 개스 도관(22)과 연통된다. 밸브(34)의 2개의 다른 포트는 각각 막 셀(14)의 포트(20) 및 생성물 개스 도관(22)과 연통된다. 밸브(32) 및 (34)는 바람직하게는 공급개스 도관(4)이나 생성물 개스 도관(22)이 결코 동시에 셀(14)의 2개의 포트(16) 및 (20)와 연통될 수 없도록 하는 방법으로 인터로킹(interlocking)시킨다. 따라서, 한쪽 위치에서 밸브(32)는 공급개스 도관(4)와 포트(16)을 연통시키지만 포트와 생성물 개스 도관(22)사이의 연통은 방지되도록 위치되는 반면, 상응하는 위치에서 밸브(34)와 포트(20)와 생성물 개스 도관(22)사이를 연통시키지만 포트와 공급개스 도관(4)사이의 연통은 방지되도록 위치하며; 다른 위치에서 밸브(32)는 포트(16)와 생성물 개스 도관(22)을 연통시키지만 공급개스 도관(4)와 포트(16)사이의 연통은 방지하는 반면, 그의 상응하는 위치에서는 포트(20)와 공급개스 도관(4) 사이는 연통시키지만 포트(20)와 생성물 개스 도관(22)사이의 이러한 연통은 방지한다.

밸브(32) 및 (34)를 작동하는 경우, 1차로 언급된 상기 위치에서, 밸브(32)를 통하여 냉각된 공기가 막 셀(14)의 포트(16)으로 공급되고, 제1도를 참조로 기술한 바와같이 분리되어 질소 생성물 개스가 생성되며, 상기 질소 생성물 개스는 포트(20)를 통해 셀(14)을 출발한 다음 밸브(34)를 거쳐 생성물 개스 도관(22)을 통과한다. 연장된 작업기간, 예를들면 10 일후에, 포트(16)에 근접한 어레이(18)의 단부에서 막 표면상에 오염물질이 축적될 수 있다. 이러한 단계에서, 냉각된 인입공기가 밸브(34)를 통하여 포트(20)로 공급되고, 포트(16)를 경유하여 셀(14)을 출발하여 밸브(32)를 통해 생성물 개스 도관(22)으로 흐르도록 2개의 밸브의 위치를 반전시킨다. 따라서, 포트(16)는 셀(14)의 생성물 개스 단부가 되며, 생성물 개스(질소)는 셀(14)의 상기 단부에서 막 표면에 미리 침착되어 있던 오염물질을 탈리시켜 퍼어징시키는 것으로 보인다. 또다른 작동기간, 예를들면 다시 10 일후, 포트(20)에 근접한 막 표면상에 침착된 오염물질이 이제는 셀(14)을 통해 흐르는 개스의 반전에 의해 탈리되어 퍼어징될 수 있도록 밸브(32) 및 (34)의 위치를 다시 변경시킬 수 있다.

Claims

막(membrane)의 일측면이 각각 대향된 제1 및 제2개스 포트(gas port)와 연통됨으로써, 사용시의 막의 상기 일측면을 따라 하나의 포트에서 다른 포트로 흐르는 공급개스 혼합물이 막을 통한 개스 혼합물 성분들의 상이한 투과속도에 의해 분리될 수 있으며 다른 포트는 상기 공급개스 혼합물과 상이한 조성의 생성물 개스를 수용하는, 반투과성 개스 분리막의 어레이(array); 분리할 개스 혼합물을 장치내로 도입하기 위한 공급개스 도관(feed gas conduit); 장치로부터의 이탈되는 생성물 개스를 이송하기 위한 생성물 개스 도관(product gas conduit); 및 제2포트 상류에 제1포트가 위치하도록 하거나 그 반대로 위치하도록 작동가능한 밸브수단(valve means)을 포함하는 개스 분리장치.
제1항에 있어서, 사용시에 막의 단부(end)로부터의 불순물의 탈리를 촉진시키기 위하여 어레이(array)의 단부를 가열하기 위한 수단을 포함하는 장치.
제1 또는 제2항에 있어서, 밸브 수단이, 하나의 포트는 공급개스 도관과 연통되고, 다른 하나의 포트는 생성물 개스 도관과 연통되며, 또다른 하나의 포트는 상기 제1개스 포트와 연통되고, 나머지 하나는 상기 제2개스 포트와 연통되는, 4개의 포트를 갖는 단일의 4-방향 밸브(4-way valve); 및 한쪽 위치에서는 공급개스 도관이 단지 제1개스 포트와 연통되고 생성물 개스 도관은 단지 제2개스 포트와 연통되며, 다른 위치에서는 공급개스 도관이 단지 제2개스 포트와 연통되고 생성물 개스 도관은 단지 제1개스 포트와 연통되도록 하는 위치들 사이에서 구동하는 밸브 부재(valve member)를 포함하는 장치.
제3항에 있어서, 밸브가 수동 또는 자동으로 작동될 수 있는 장치.
제1 또는 제2항에 있어서, 밸브수단이, 하나의 밸브는 한쪽 위치에 위치되는 경우 공급개스 도관을 상기 제1개스 포트와 연통시키고 다른 하나의 밸브는 한쪽 위치에 위치되는 경우 상기 제2개스 포트를 생성물 개스 도관과 연통시키며 그들의 다른 위치에서는 그들의 기능이 서로 반전되는, 2개의 3-방향 밸브를 포함하는 장치.