KR100196102B1 - 진공 압력순환 흡착방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기로부터 산소를 제조하는데 있어서 세정용 생성 기체와 부분 재가압을 이용하여 수행되는 전이적 대기압 순환 흡착방법에 관한 것이다. 기체의 전달은 압력 평형화 목적상 한 베드에서 다른 베드로 직접 이루어지지 않지만, 제어된 압력순환 조건하에서 전력 요구량을 감소시킬 수 있다.

Description

진공 압력순환 흡착방법
제1도는 본 발명을 실시하는데 사용되는 압력순환 흡착(PSA) 시스템의 단일 베드 구체예에 대한 개략적 흐름도이고,
제2도는 본 발명을 실시하는데 사용되는 PSA 시스템의 2-베드 구체예에 대한 개략적 흐름도이다.
본 발명은 공기로부터 산소를 분리생성시키는 압력순환 흡착방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 흡착제의 활용을 강화시키고 공정을 따른 에너지 요구도를 감소시키는 방법에 관한 것이다.
매우 많은 화학공정들, 제련엽계, 금속제조 업계 및 기타 산업분야에서는, 정제된 기체 스트림을 다양한 공정목으로 사용한다. 예를들어, 화학공정, 제강공장, 제지공장, 그리고 납과 기체 제조공장에서는 고순도 산소를 사용한다. 산소와 질소는 전형적으로 저온 증류방법에 의해 공기로부터 제조된다. 이러한 저온 공정은 특히 대규모 설비로 수행하는 경우에는 매우 효율적이지만, 복잡하고도 비용이 많이 소요되는 장치를 필요로 한다.
기체를 분리 및 정제시키기 위해 지금까지는 압력순환 흡착(PSA)방법을 사용해 왔으나, PSA 방법에 의한 산소의 제조방법은, 저온 기체분리 방법의 사용이 경제적으로 타단한 점에 있어서 비교적 소규모의 조작에 국한되어 왔다. 통상적으로 입수할 수 있는 많은 흡착제들, 특히 분자 시브(sieve)로서 공지된 류의 재료들은 산소보다 질소를 더욱 강력하게 흡착하며, 이 바람직한 흡착방법은 공기를 분리하여 산소 및 질소 기체를 생성시키기 위해 지금까지 개발된 여러가지 PSA 방법들의 기초가 된다.
기체를 분리시켜서 산소 기체를 발생시키는 PSA 방법은 Skarstrom의 미국특허 제2,944,627 호에 지시된 바와같이 당해 업계에 공지되어 있다. 이러한 방법들은 각각 다중-베드 PSA 시스템으로 이루어진 베드에서 차례로 수행되는 4개의 분리 조작 단계들로 이루어지는 것이 전형적이다. 이 단계들은, 공급되는 공기를, 상부 흡착 압력으로, 공기중에서 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서의 질소를 선택적으로 흡착하고 베드의 생성측 단부로부터는 흡착이 보다 쉽지 않은 산소를 회수할 수 있는 흡착재료가 함유되어 있는 베드의 자유 단부에 전달시키는 흡착 단계(1); 보다 낮은 탈착 압력으로 향류 감압시키는 단계(2); 흡착베드로부터 보다 쉽게 흡착할 수 있는 질소를 탈착시키고, 베드의 생성물측 단부에 세정기체를 도입시키거나 도입시키지 않는 상태로 베드의 자유단부로부터 상기 질소기체를 배출시키는 단계(3); 그리고 베드를 상부 흡착압력으로 재가압하는 단계(4)로 이루어진다. 그 다음에는, PSA 시스템내에서 산소-생성 작업을 연속적으로 수행하면서, 추가량의 공급공기를 추가하여 시스템의 각 베드들내에서 상기 공정순서나 이 순서의 변형을 반복한다.
이론적으로 PSA 방법을 이용하여 기체 스트림을 이용하여 기체 스트림에 낮은 농도로 존재하는 불순물들, 즉 공기중의 CO2및/또는 H2O를 제거할 때, 상기 흡착(1) 및 탈착(3)의 일정 압력 단계에 공정 순환 시간의 대부분을 할애하게 되고, 압력변화 단계, 즉 향류 감압단계(2) 및 재가압 단계(3)는 일시적이다. 보다 쉽게 탈착될 수 있는 질소가 공급 스트림중의 70%를 차지하고 있는 공기로 부터 산소를 제조하는데 있어서, 압력변화 단계들은 전반적인 공정효율에 대하여 현저한 여향을 미친다. 압력순환 단계의 많은 변형들을 포함하는 기본적인 PSA 공정순서의 많은 상이한 변형 방법들이 개발되어 왔다.
공기에서 산소를 제조해내는 대부분의 PSA 공정들은, 다중-베드 시스템, 즉 2개 이상의 흡착 베드를, 동일한 순서로 단계들을 수행하는 각각의 베드들과 결합시키되, 상이한 상(phase) 관계에 있어서는 시스템내의 다른 베드들과 결합시킨 시스템 내에서 수행된다. 공정 단계들을 동시에 진행시키고 정해진 시간동안 수행하는 것이 보통이다. 이 방법으로 작동시키는데 있어서, 산소 생성물의 공급은 보다 지속적으로 행해질 수 있고, 기계식 펌프를 이용하면 다른 경우에서 보다도 거의 일정하게 될 수 있다. 많은 PSA 공정에서는 또한 1개 이상의 압력평형 단계를 이용하는데, 이때 1개의 베드에서 고압으로 배출되어 나오는 기체는 처음에는 낮은 압력으로 다른 베드를 통과하여 상기 베드들내의 압력이 같아질 때까지 다른 베드들을 통과한다. 이 방법에서는, 압축 에너지를 얼마간 절감시키고, 평형화가 베드의 최종 생성물을 거쳐서 달성되는 경우에는 세정 기체의 동등물을 공급해줄 수 있고, 원하는 산소 생성물의 전반적인 회수를 상승시킬 수 있는 장점을 제공한다.
공기로부터 산소를 제조하는 특별한 PSA 방업에서는 3개 베드 시스템을 이용하고 다음과 같은 공정 단계들을 결합시킨다 : (1) 공급 공기의 도입과 함께 흡착, 베드의 가압 및 산소 생성물의 동시적 회수; (2) 생성물을 더 회수하기 위한 병행류(co-current) 감압단계; (3) 압력 평형화 단계; (4) 향류 감압단계; (5) 세정단계; 및 (6) 재가압 단계. 상기 방법은 50psia의 전형적인 높은 흡착 압력과 1 기압의 보다 낮은 탈착압력으로 작동된다. 이 공정 시스템 및 방법은 공기로부터 산소를 효과적으로 회수할 수 있으며, 대량의 상업적 목적의 작동에 사용하기에는 충분히 효과적이지 않다. 상기 시스템은 비교적 높은 압축비율이 요구되므로 작동비용이 많이 소요된다. 주어진 생성물 흐름속도를 위해 상기 시스템에 필요한 흡착제의 비용도 비싸다.
PSA 방법은 또한, 대기압 흡착압력과 비교적 고진공의 탈착압력 사이에서 작동되도록 개발되었다. 질소의 흡착 저장은 압력 의존적이기 때문에, 상기 방법에서는 많은 자본비용을 필요로 하며, 이는 관련 자본비용을 현저하게 증가시키는 요인이 된다.
다른 3-베드 PSA 방법에 있어서는, 대기압 이상의 압력과 진공 압력 수준 사이에서 작동되는 6개 단계의 공정 순서를 이용한다. 각 베드들내의 상기 공정 순서는 다음과 같다 :
공급공기와 일부의 생성 기체를 사용하여 5psia로부터 13psia로 베드를 제가압하는 단계(1) ; 베드의 압력을 13psia로부터 22psia로 상승시키면서 공급공기의 도입과 생성물의 방출을 이용하는 흡착단계(2) ; 압력을 22psia로부터 13.5psia로 감소시키면서 베드를 평형화하는 단계(3) ; 압력을 13.5psia에서 12.5psia로 약간 더 감소시키면서 베드를 세정시키는 단계(14) ; 12.5psia로부터 7psia로 진공화시키는 단계(5) ; 그리고 압력을 7psia부터 4psia로 감소시키면서 베드를 세정시키는 단계. 각각 약 30초씩의 공정단계 시간을 사용하여, 상기 방법은 에너지의 소모를 최소화하고자 하는 것이지만, 아직까지도 대규모 산소 제조에는 전력 소모가 너무 많은 실정이다.
또한, 흡착제가 공기로부터 선택적으로 질소를 흡착하는 PSA 기술에 있어서 통상적인 전압력 평형화 방법 대신에 부분 압력-평형화 단계를 이용하여 상기 공정을 개선할 수 있다는 것도 밝혀졌다. 당해 기술분야에는 가압단계와 감압단계에 대한 변형과 결부되어 있는, 기본적인 PSA 공정의 다양한 다른 변형들이 제안되어 왔다. 예를들어 Suh 와 Hamkat[AICHE J 1989 35 523]는 PSA 방법에서 병행류-배향류 감압 단계를 결합시킨 단계를 이용하는 장점에 관하여 보고한 바 있다. 공기로부터 산소를 제조하기 위해, 상기 연구자들은 병행류 감압단계를 동시적으로 추가시키는 것이 도움이 되지 않는다는 사실은 보고한 바 있다. 2-베드 순환에서는 보충(backfill) 재가압 단계를 이용하는데, 여기에서는 고압 베드의 생성물측 단부가 저압베드의 생성물측 단부에 연결되어 있어서, 저압 베드가 고압을 얻게 될 때까지 기체가 한쪽 베드로부터 다른쪽 베드로 계속해서 전달된다.
또한 Liow와 Kenny[AICHE J(1990 36 53]는 산소제조용 보충단계를 연구하였다. 이는 속도 효과와 흡착제, 즉 5A 제올라이트의 평형화 특성을 포함하는 수학적 모델을, 유속을 제어하면서, 상기 보충 단계를 결합한 대기압 이상의 PSA 싸이클의 태양에 적용시킨 것이다. 상기 연구자들은 산소가 부합된 생성물을 제조하는데에 상기 PSA 공정 순환이 유용하다는 것을 발견하였다. 그러나, 보고된 최고의 산소 순도는 80% 미만으로서, 이는 고순도 산소 생성물에 필요한 산소농도보다 훨씬 농도가 낮은 것이었다.
공기로부터 산소를 제조하기 위한 상업적 PSA 조작에 사용되어온 많은 변형 또는 변화를 이용하여, 대표적인 PSA 순환이나 공정순서의 매우 다양한 변형 및 변화를 검사하였다. 가압 및 감압을 수행하기 위한 매우 광범위한 가능성이 있는 개별적 단계들이 지금까지 검사되어 왔다. 오랜 기간동안 수행되어온 이러한 광범위한 노력에도 불구하고, 고순도의 산소를 제조하는 PSA 방법은 특히 대규모 설비에 대해서는 비효율적이고 비경제적으로 유지되어 왔다. 그러므로, 공기로부터 고순도의 산소를 대량으로 제조할 수 있게 규모를 대형화할 수 있는 보다 효율적인 PSA 방법에 대한 요망이 계속되고 있는 실정이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 공기로부터 산소를 제조하는 고도로 효율적인 개선된 PSA 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 현재 실행되고 있는 것보다 낮은 에너지 요구도로 공기로부터 산소를 제조하는 개선된 PSA 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기로부터 고순도의 산소를 대량으로 제조하기 위한 통상의 상업적 PSA 방법에 관련된 방법들 보다 에너지 소모가 낮고 비용이 적게드는 개선된 PSA 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 위와같은 제반 목적들에 관하여, 이하에서는 본 발명에 대하여 상세히 설명할 것이며 신규성이 있는 특징들은 첨부된 청구범위에 구체적으로 나타내기로 한다.
본 발명은, 압력 평형화 단계를 전혀 개재시키지 않은 상태에서, 6개 기본 단계의 전이(trans)-대기압 PSA-공정 산소를 이용하는 방법에 관한 것이다. 다중-베드 PSA 시스템에서 압력 평형화의 부재에도 불구하고, 또한 그 때문에, 본 발명의 방법의 에너지 요구도는 원하는 만큼 감소된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 목적은, 다음과 같이 1개 이상의 베드들내에서 순환의 기초위에 수행된 신규한 작동단계 순서를 이용한 전이-대기압 PSA 방법 순서를 이용함으로써 달성될 수 있다.
(1) 공급기로부터 일부의 질소를 선택적으로 흡착시키면서 흡착 베드의 공기 공급물을 중간 압력으로부터 대기압 이상의 최소 흡착 압력까지 가압시키는 단계; (2) 대기압 이상의 압력으로 공기를 제공하여 질소를 흡착하고 동시에 베드의 생성물측 수준으로부터 산소 생성물을 배출시키는 단계; (3) 베드의 공급측 단부로부터 기체를 방출하면서 중간 압력까지 향류감압시키는단계; (4) 대기압 이하의 낮은 압력, 즉 진공상태의 탈착 압력 수준까지 진공화시키는 단계; (5) 베드의 생성물측 단부로부터 탈착압력으로 생성 기체를 세정하는 단계; 및 (6) 베드의 생성 기체를 중간 압력 수준으로 재가압하는 단계. 상기한 바와같이, 1개의 베드로부터 다른 베드로 기체를 직접 이송시키는 것을 포함하는 압력 평형화 단계, 또는 기타 단계들은 전혀 사용되지 않는다. 대규모의 산소 제조에는 다중-베드 시스템이 바람직하지만 본 발명의 공정순서는 단일-베드 진공 압력순환 흡착방법(VSPA)에 사용할 수 있다. 공정단계 순서에서는 베드들간의 기체 이송을 전혀 필요로 하지 않기 때문에 베드 단계들의 동시적 처리는 필수적이지 않지만, 규모를 효율적으로 하고 VPSA 시스템에 사용된 압축기(들)와 진공펌프(들)를 활용하기 위해서는 전반적 사이클의 상(phase) 동시 처리가 필요하다.
많은 종래기술상의 PSA 산소 공정에서는, 압력의 평형화를 목적으로 베드의 생성물측 단부로부터 기체의 방출과 함께 병행류 감압단계가 이용된다. 상기 단계는 산소 회수량의 증가를 초래하게 되는 것으로 공지되어 있고, 특히 1개 베드에서 발생된 압력을 이용하여 다른 베드의 압력을 부분적으로 증가시킬 수 있으므로 회수량의 에너지 절감효과를 초래한다. 그러나, 압력 평형화 단계는, 산소의 회수를 증가시킬 때라도 압축이 필요한 에너지의 증가와 베드 크기 인자(BSF)의 증가를 초래하는 것으로 밝혀졌다. 압력 평형화 단계를 배제하면, 원하는 범위로 작용압력을 사용할 때 실제로 에너지 소모의 절감 및 제드크기의 감소를 초래할 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서는 산소의 회수량이 감소하지만, 이는 본 발명의 실시에서 얻어진 효율상의 전반적인 개선을 저하시키지는 않는다. 압력수준을 적당하게 선택하고 개별적 공정을 제어함으로써, 본 발명의 실시에서 고순도의 산소를 통상적이 방법으로 경제적으로 얻어질 수 있다.
본 발명의 세정단계는 고농도의 산소를 페스트림에 투과(break through)시키기 직전에 정지된다. 생성물의 세정단계 과정중에 일부의 산소가 항상 폐스트림에 전가되는 것을 인식하더라고, 생성물의 세정 단계 중에 베드의 공급측 단부로부터 배출되는 기체내에서 산소의 농도가 현저하게 증가될 때에는 투과현상(breakthrough)이 발생하게 된다. 생성물 세정단계 과정중에는 베드 압력을 거의 일정하게 유지시키는 것이 유리하다. 효과적으로 사용할 수 있는 세정기치에 양은 사용된 압력에 대하여 비례적이며, 작동온도가 증가함에 따라 감소된다.
다음 순서의 단계중에는, 충분한 생성물 가압 기체를 베드에 수용시켜서 베드의 생성물측 단부로부터 보다 선택적인 질소 및 기타 불순물의 필요한 세정 작용을 완료한다. 상기 세정작용은 원하는 산소 생성물중의 질소 오염량을 급격하게 감소시킴으로써 PSA 순화이 고순도의 산소(아르곤이 들어있는)를 생성시킬 수 있도록 하기에 필요한 것이다. 생성물을 추가로 감압시키면 순환의 효율이 떨어지게 되므로, 베드의 생성물측 단부로부터 질소와 기타 불순물들의 충분한 세정작용이 이루어진 때에는 생성물의 재가압 단계를 끝내는 것이 바람직하다.
상기에서, 본 발명의 현저한 특징에는, (1) 산소의 투과를 현저하게 발생시키지 않으면서 가능한한 많은 생성물의 세정을 이용하는 것과, (2) 그 다음으로, 원하는 생성물 순도를 달성하기 위해 베드의 생성물측 단부로부터 질소 및 기타 불순물의 적당한 세정을 확고히 하는데 필요한 정도 만큼만의 생성물 가압작용을 이용하는 것이 있다.
본 발명을 실시하는데 이용되는 특정 작동조건은, 주어진 PSA 산소 규현예에 대한 특정 필요조건 및 사용된 특정 흡착제에 따라 가변적임을 인식해야 한다. 리튬 X 제올라이트 흡착제에 대한 바람직한 조건은 일반적으로 다음과 같다 :
1. 약 110 내지 160kPa의 높은 흡착 압력; 및
2. 약 30 내지 50kPa의 낮은 흡착 압력.
나트륨 X 제올라이트 흡착제의 바람직한 조건은 다음과 같다 :
1. 약 120kPa 내지 약 160kPa의 높은 흡착 압력; 및
2. 약 4kPa 내지 약 70kPa의 낮은 흡착 압력.
칼슘 X 제올라이트 흡착제의 바람직한 조건은 다음과 같다 :
1. 약 100kPa 내지 약 120kPa의 높은 흡착 압력; 및
2. 약 20kPa 내지 약 35kPa의 낮은 흡착 압력.
만일 PSA 순환이 필요 산소순도 범위가 약 90 내지 95.6%인 산소 생성물을 제조하는 경우에는, 흡착 베등에는 충분히 낮은 압력의 기체 역류 또는 환류가 있어야 한다. 베드의 생성물측 단부 주변에는, 필요한 환류가 대부분 공정의 제5 단계에 사용된 세정 기체 생성물과 제6 단계에 사용된 부분적 재가압 기체 생성물로 이루어져 있다. 저압 환류흐름은, 베드내의 고압 총 생성물 흐름이 질소를 베드의 생성물 측단부를 향하여 그리고 여기를 통과시키도록 작용하는 것과 같은 방식으로, 베드의 생성물측 단부로부터 미량의 질소를 밀어내도록 작용한다. 저압 환류 흐름은 고압의 총 생성물보다 질소를 더 용이하게 운반할 수 있다. 결과적으로, 환류 흐름은 총 생성물 흐름보다 적을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 어떤 최소량의 환류 기체가 필요하고, 최소량의 이상을 첨가하여 베드의 생성물측 단부로부터 질소가 빠져 나오는 것을 막는 공정을 강화시킬 수 있다.
생성물의 총량 또는 순 생성물의 양에 대한 총 환류의 비율은 포함된 압력의 유효 비율과, 사용된 흡착제의 선택도 및 성능에 의존한다. 탈착 압력에 대한 흡착압력의 높은 비율 및 유효 흡착제가 결합되어 총 생성물 또는 순생성물에 대한 필요한 환류의 비율을 인하시킬 수 있다.
앞에서 설명한 바와같이, 제5 단계에서 사용된 세정기체에 의해 환류의 일부를 제공하였다. 특정 흡착제용의 바람직한 범위이내에서의 탈착압력으로는, 산소가 앞서 언급된 페스트림내로 다량 투과되도록 하지 않으면서도 최대량의 세정 기체를 사용하는 것이 요망된다. 이러한 투과 공정은 공급 컴프레서 모두와 폐기물 컴프레서 내에서 산소가 풍부한 기체를 불필요하게 압축시키게 되므로 에너지를 낭비하는 경향을 가지게 된다.
최대량의 세정기체는, 규모가 과대한 흡수제베드를 사용하지 않는 한, 필요로 하는 환류를 모두 제공하기에는 불충분한 것이 보통이다. 환류 기체의 나머지 부분은 부분 생성물 재가압 기체에 의해 공급되어야 한다. 그러므로, 생성물의 재가압은, 필요한 양의 총환류 기체를 공급하여 흡수제베드내의 질소 흐름을 제어하기에 충분히 오랫동안 계속되어야 한다. 그러나, 과잉량의 생성물 재가압 기체를 사용하는 것은 낭비적이다. 생성물 재가압 단계의 끝에서는, 흡착압력이 상한 또는 최대 흡착 압력 수준의 70% 보다 크지 않는 것이 바람직하다.
리튬 X 제올라이트, 8×12 비이드를 흡착 재료로 사용하여 양호한 UPSA 산소성능을 제공하는 조건의 설명적 실시예로서, 다음의 조건들은 본 발명의 특정 실현예에 관한 것이다 :
- 베드 깊이 1.60m
- 순환 시간 60초
-단계별 시간
제1 단계 : 7초, 공기공급 가압
제2 단계 : 23초, 공기공급 및 생성물 회수
제3 단계 제4 단계 : 10초, 배향류 감압-진공화
제5 단계 : 10초, 생성물 세정
제6 단계 : 10초, 생성물 재가압
-압력
상한 흡착 압력 120kPa
중간 압력 90kPa
하한 탈착 압력 50kPa
-공급물 속도
총 생성물 속도 680mol/순환/sq·m
세정 198mol/순환/sq·m
생성물 가압 속도 90mol/순환/sq·m
순생성물 속도 53mol/순환/sq·m
- 생성물의 순도 90.4%
본 발명의 단일 흡착베드 구체예의 작동에 관하여, 제1도에는 공급물 유입라인(1)을 구비하고 컴프레서(2)와 밸브(3)를 포함하고 있는 VPSA 시스템을 도시하였는바, 상기 라인(1)은 라인(4)에 연결되어 흡착베드(5)의 바닥부로 전달된다. 베드(5)의 최상부에서, 밸브(7)를 포함하고 있는 라인(6)은 서지(surge) 탱크(8)로 전달된다. 생성된 산소는 서지 탱크(8)로부터 밸브(10)가 포함된 라인(9)을 거쳐 회수될 수 있다.
베드(5)의 바닥부로부터 나오는 라인(4)은 또한 흡착 베드(5)로부터 나오는 페스트림의 방출을 위한 밸브가 포함되어 있는 라인(11)과 연결되어 있다. 마찬가지로, 라인(4)은, 도시된 구체예에서 방출라인(11)에 연결되는 밸브(14)와 진공펌프(15)를 포함하는 라인(13)에 연결되어 있다.
그러므로, 본 발명의 단일 베드 VPSA 시스템은 단일 흡착베드, 공급물 컴프레서 또는 송풍기(blower), 진공 펌프, 및 생성물 서지 탱크 또는 저장용기로 구성되어 있고, 이것들은 모두 적당한 라인들과 밸브를 통해 연결되어 있다. 하기의 챠트 1은 도시된 본 발명의 단일 베드 구체예의 작동을 설명하는 작동 챠트이다.
챠트 1에서, FP는 공급물 가압단계를 나타내고; AO는 대기압 이상의 압력에서의 공기공급; CD는 향류 감압단계; EV는 대기압 이하의 압력 수준으로 베드를 진공화시키는 단계; pG는 생성기체를 이용한 세정; 그리고 PP는 생성물 가압단계를 나타낸다. Pi는 중간 압력 수준; Ph는 상한 흡착 압력 수준; Po는 향류 감압단계에서 도달된 압력수준; 그리고 P1은 하한 진공탈착 수준을 나타낸다.
흡착 베드에 예정된 압력 수준 Pi가 조성되었을 때 시작하는 단일 베드 구체예를 고려해본 바, 그 다음의 부분 생성물 가압 단계 1에서 공급 컴프레서(2)를 탈착베드(5)에 연결시키는 밸브(3)의 개구부를 포함하고 있고 폐쇄된 밸브(7, 12 및 14)를 구비하고 있다. 이 단계의 목적은 흡착 베드(5)의 압력을 상한 흡착 압력 수준으로 조성하면서 기체 스트림내의 약간의 질소를 흡착제, 전형적으로는 공급 공기로부터 질소를 선택에 의해 흡수할 수 있는 분자 시브 제올라이트 재료가 바람직하다. 예정된 상한 흡착압력이 얻어졌을 때 이 단계가 종결된다. 상기 제1단계의 종료는 계산된 시간간격 후에 실행될 수 있다. 그러나, 흡착베드 용기내에서 감지된 압력을 사용하여 제1 단계의 종료부 및 제2 단계의 시작부를 제어하는 것은 바람직하다.
제2 단계는 용기(5)내의 압력이 상기 상한 흡착 압력에 도달했을 때 시작된다. 밸브(7)가 열리고 생성된 산소가 흡착베드(5)로부터 생성물 저장용기(8)로 흐른다. 공급된 공기는 계속해서 흡착베드로 들어가고 여기에서 질소가 선택적으로 흡착된다. 이상적으로, 상기 단계는 상기 영역내에 있는 통상적인 부분 프로브 또는 센서에 의해 측정한 바, 베드의 생성물측 단부에 질소의 초기 투과(break through)가 있을 때까지 계속되어야 한다. 이는 분석이 충분히 신속할 경우에는 상기 단계를 종결하는 바람직한 형태이지만, 예정된 시간후나 계산된 양의 기체가 흡착베드를 통과한 후에 상기 단계를 종결짓기에 필요할 수 있다. 생성된 산소가 제조되는 제2 단계 과정중에, 압력은 상한 흡착 압력 수준으로 일정하게 유지될 수도 있다. 압력이 감소되면 평형화 단계에서 가지게 될 힘과 베드의 초기에 동일한 악영향을 미치기 때문에, 상기 단계에서 압력이 떨어지도록 해서는 안된다.
공정순서의 제3 단계에는 2가지 방법중의 어느 한가지로 수행할 수 있다. 한가지 방법에서, 즉 3A 단계에서, 밸브(3, 7)는 페쇄되고 밸브(12)는 개방되어 블로 다운(blowdown)되거나 향류 감압되고, 베드의 공급단부로부터 기체의 향류 흐름에 의해 흡착베드(5)를 대기중에 방출시키게 된다. 이 단계는 베드가 거의 대기압 부근이 될 때까지 계속해야 할 필요가 있으나, 손상없이 더 오랜 시간동안 계속될 수도 있다. 그 다음에는 밸브(12)가 닫혀지고 밸브(14)가 열려서, 진공펌프(15)가 압력을 순환의 제4 단계에서 대기압 이하의 예정된 낮은 탈착 압력 수준으로 더 낮출 수 있게 된다. 이 단계는 베드의 압력을 감지함으로써 종결시키는 것이 바람직하다. 다른 방법으로는, 즉 3B 단계에서 밸브(12)를 생략하고 모든 탈착 기체흐름이 진공펌프(15)를 통과하도록 함으로써 제3 단계와 제4 단계를 결합시킬 수 있다. 제3 단계에 사용된 방법의 선택은 사용된 장치의 설계에 의존하게 된다. 만일 진공펌프가 익스탠더(expander)로서 기능을 하며 단계의 초기 블로우다운 부분 동안에 에너지를 발생시키게 된다면, 3B 단계가 바람직하다. 그러나, 만일 블로우 다운 흐름이 진공펌프의 적하량에 추가된면 3A 단계가 바람직하다.
대기압 이하의 낮은 탈착 압력으로 까지의 상기 베드 탈착 후에는, 개방된 밸브(6)와 함께 단계(5)를 시작하여 베드의 생성물 측 단부로부터 공급측 단부로 흐르는 생성 기체의 향류 흐름이 베드로부터 흡착된 질소를 세정시킨다. 이 단계는 페스트림내의 모든 산소가 방출되기 전에 정지된다. 이상적으로, 이는, 베드의 공급 단부에서 기체를 통상적으로 분석함으로써 측정해야 한다. 그러나, 이러한 상황에서, 상기 단계는 예정된 시간후에, 또는 베드의 공급단부로부터 전산 처리된 양의 기체가 흐른 후에 종료될 수 있다.
그 다음에는 제6 단계에서, 밸브(14)가 닫히고 베드는 중간 수준의 압력이 얻어질 때까지 밸브(6)를 통해 부분적으로 가압된다.
본 발명의 방법을 이용하여 고순도의 즉 90% 내지 95% 이상의 산소 생성물을 회수할 때, 베드의 생성측 단부로부터 질소 오염물질을 제거할 수 있도록 저압 역류 또는 환류가 조절되어야 한다. 앞에 설명한 바와같이, 이는 세정 단계와 생성물 재가압 단계, 즉 제5 단계 및 제6 단계에서 달성될 수 있다. 산소를 페스트림내로 현저하게 투과시키지 않으면서 가능한한 많은 생성물 세정을 이용하는 것이 바람직하다.
정해진 시간동안 개별적 공정단계가 일어나는 동안, 예컨대 압력 및 조성 또는 시간과 물리적 측정치의 조합과 같은 물리적 변수들을 감지하여 단계들을 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 제어기술로는 예컨대 주변 기압 및 온도의 변화와 같은 환경상의 변화방법을 조성할 수 있다. 또한, 제어기술을 다른 수단들과 조합하여 산소 제조의 수요에 있어서 다양성을 보상할 수도 있다.
1개의 흡착 베드를 사용할 때에는 구체적인 사이클 시간을 한정할 필요가 전혀 없다. 각 단계들은 제어변수가 자체의 예정치를 얻게 될 때까지 계속되는 것이 바람직하다. 그 다음에는, 공정순서의 모든 단계들이 수행되고 본 발명의 각 공정 사이클의 순서가 완료된다. 다중 베드 시스템에 있어서는, 각각의 베드들을 각각 별개로 가동시킬 수 있고, 상기 방법은 단순히 베드 단위체의 집합이다. 예컨대 압력 평형화 단계와 같은 베드-대-베드 기체전달을 필요로 하는 단계를 배제시킴으로써, 베드의 작동을 동시에 처리하기 위한 실질적인 필요가 없게 된다.
컴프레서(들)와 진공펌프(들)의 크기를 적절히 하고 효율적으로 작동시키기 위하여, 각 베드들의 전반적인 사이클을 시스템내의 다른 베드들내에서 수행되는 사이클과 동시에 처리하는 것이 필요할 경우도 있다. 그러나, 이는 각각의 개별적 단계들을 동시 처리해야 한다는 의미는 아니다. 예컨대 상기의 제3 단계와 같은 가변적 기간의 단계들이 있는 한, 위와같은 방법은 주어진 베드의 순환을 효과적인 기계 사용 목적으로 다른 베드들의 순환로 조정할 목적에 사용할 수 있다.
본 발명의 2-베드 PSA 시스템을 제2도에 나타내었다. 상기 실현예에서는, 컴프레서(22)를 포함하는 공급라인(21)이 밸브(24)를 포함하는 라인(23)과 밸브(26)를 포함하는 라인(25)으로 분기된다. 라인(23)은 흡착 베드(28)의 공급 단부로 전달되는 라인(27)에 연결되고, 라인(25)은 흡착 베드(30)에 전달되는 라인(29)에 연결된다. 밸브(32)가 들어있는 라인(31)은 베드(28)의 생성물측 단부로부터 생성물 서지 탱크(34)와 연결상태인 라인(33)에 전달된다. 마찬가지로, 배릅(36)가 포함되어 있는 라인(35)은 베드(30)로부터 상기 라인(33)으로 전달되어 생성물 서지탱크(34)와의 유체 연결을 확고히 한다. 산소 생성물은 서지탱크(34)로부터 밸브(38)가 포함된 라인(37)을 통해 회수될 수 있다.
베드(28)의 공급측 단부에서, 라인(27)은 폐기물을 시스템으로부터 방출시키는 밸브(40)가 포함된 라인(39)과 연결되었다. 라인(27)은 또한 밸브(42)와 진공펌프(43)가 포함된 라인(27)과 연결되어 있고, 구체에에서 설명된 바와같이 상기 진공펌프(43) 하류의 라인(39)에 연결되어 있다. 마찬가지로, 베드(30)의 공급단부에 있는 라인(39)으로 전달하기 위한 밸브(45)가 포함된 라인(44)과 연결되어 있다. 라인(29)은 또한, 기체를 진공펌프(43) 상류의 라인(41)에 전달하기 위한 밸브(47)가 포함된 라인라인(46)과 연결되어 있다.
상기 챠트 1에 제2도의 구체예의 작동을 이하의 챠트 2에 나타내었다.
2-흡착 베드 시스템을 작동시키는데 있어서, 공정순서는 1개 베드내의 각 단계가 발생하면서 다른 베드에서는 1개 이상의 특이적 단계가 일어날 수 있도록 동시화된 것이 전형적이다. 상기의 동시화 처리는, 각 베드의 각 단계들이 완료되도록 한 다음, 예컨대 공급 컴프레서와 진공펌프 같은 공동의 장치, 또는 기타 공동의 장치를 사용할 때, 다음 단계를 시작하게 함으로써 일어날 수도 있다. 공정의 다양한 제어를 유지하기 위해서는, 어떤 단계들을 임의로 길게 할 수도 있음을 인식해야 한다. 향류 감압(CD)이 바로 그런 단계이다. 최소 길이의 시간후에, 압력이 상압으로 근접하게 되면 아무런 손상없이 상기 단계를 지속할 수 있다. 챠트 2에 대한 설명에 있어서, 각 베드들의 CD 단계는 다른 베드들이 자체의 상한 흡착 압력 수준에 이르고 그 압력에서 자체의 흡착 단계를 시작할 준비가 되었을 때 종료된다. 공급 컴프레서는 거의 모든 시간동안 작동을 하고 진공펌프의 총 사이클(duty cycle)은 보다 낮아진다.
2 베드 사이클에 있어서는, 단계의 변화가 동시에 2개의 베드에 작용하는 공급 컴프레서나 진공펌프를 필요로 할 수 있다. 이는, 사용된 구체적 시스템에 따라 가능하거나 필요한 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 만일 다중 장치의 사용이 가능하지 않으면, 이미 사용시에 기계를 필요로 하는 단계-변화는 무용한 시간적 간격을 개재시켜서 지연시켜야 한다. 상기 무용한 간격 동안에, 1개의 베드는 단리 될 수 있고/또는 기체의 흐름이 방해를 받을 수도 있다. 무용한 기간은 챠트 2에는 도시되지는 않았으나, 에컨대 중간 압력 수준이나 상한 흡착 압력 수준과 같은 단계-제어변수가 임게값을 얻을 수 있고 다음 단계를 위한 기계를 다른 용도로 활용할 수 있거나 가변 단계가 기계의 사용가능 시점까지 무용한 간격상태로 가도록 하는 것임을 추정함으로써 조정할 수 있다. 공급물 송풍기나 컴프레서 및 폐기물 송풍기 또는 진공펌프는 공동의 수단이고, 어느 한 베드는 동시에 공동의 수단을 사용할 수도 있고 이러한 동시적 사용을 금지 또는 거부할 수 있다. 예를들어, 2개의 베드가 주어진 어느 시간에 다른 압력 상태에 있게 된다. 만일 2개의 베드가 동시에 폐기물 송출 장치를 사용하는 경우에는, 사용된 전형적 송출장치는 단 1개의 흡입부를 구비하고 있고 그 흡입부는 1개의 압력하에 있으므로 1개 이상의 베드로부터 나오는 흐름은 비경제적으로 조절되어야 한다. 2개의 베드가 동시에 1개의 페기물 송출장치를 이용할 수 있게 하는 것을 고려해 볼 때, 동시적 사용이 허용되고 결과적으로 조절 손실은 허용될 수 있다. 그렇지 않으면, 폐기물 송출장치의 동시적 사용이 불가능해 진다.
이하의 챠트 3-1 및 3-2는, 3개의 베드 VPSA 시스템을 이용한 2개 구체예에 있어서 본 발명의 실시를 설명한 것이다. 용어들은 챠트 1에서 동일하다.
챠트 3-1
3개 흡착 베드 공정 사이클
베드 A 단계
베드 B 단계
베드 C 단계
컴프레서
VAC 펌프
챠트 3-2
3개 흡착 베드 공정 사이클
베드 A 단계
베드 B 단계
베드 C 단계
컴프레서
VAC 단계
챠트 3-1에 설명한 본 발명의 3베드 구체에에 있어서, 사이클 시간은 1/3은 상향류(upflow) 또는 흡착 단계에 할애되고 2/3은 하향류 또는 탈착 단계에 할애된다. 이러한 시간분포는 하향류의 속도가 느리고 따라서 압력의 강하가 느리다는 점에서 공정의 탈착상에 대하여 유리하다. 반대로, 총 상향류는 산소 생성량에 의한 총 하향류를 초과하고 상향류에 할애된 시간은 하향류의 절반이므로, 상향류의 탈착속도는 매우 빠르다. 하향류의 속도는 베드내 흡착제를 들어올림으로써 극도로 제한되는데, 이는 피해야 한다.
챠트 3-2의 사이클에서, 사이클 시간의 2/3는 상향류 이고, 1/3은 하향류이다. 챠트 3-1에 관한 제반 장점 및 단점들은 챠트 3-2 구체예의 경우에서와 정반대이다.
챠트 3-2의 사이클 구체예에서, 공급물의 가압과 고정압 흡착은 다른 베드들 내에서 동시에 발생된다. 컴프레서가 필요한 서비스에 대해 각각 최적화되기 때문에 이러한 기능에 대한 두 개의 독립된 원료 컴프레서를 가지는 것이 바람직하다. 컴프레서는 거의 모든 시간에 작동상태에 있으나, 진공펌프는 선택적으로 처리 사이클 시간의 반만큼 작동상태로 된다. 진공펌프를 통해 아래쪽으로 송풍이 유도되는 경우, 진공펌프의 순환량이 증가된다. 챠트 3-2에 도시된 실시예에 있어서, 상은 전체 순환 시간은 1/3마다 동기화된다. 이러한 작용에 대하여, 세 번째 순환 시간은 가장 긴 공정단계를 센서에 의해 결정하면서 조정할 수 있을 만큼 충분히 길어야 한다. 더 짧은 처리 단계가 종료되고 운전정지 또는 휴지가간으로 진행된다. 이러한 휴지기간은 다소 컴프레서 및 진공펌프으 순환회수를 감소시킨다.
본 발명에 따른 VPSA 공정은 네 개 이상의 흡착베드를 가지는 시스템에서 행해 진다. 이러한 네 개의 베드사이클은 챠트 3-2의세개의 베드사이클과 유사하나, 상류 및 하류에 대한 전체 시간은 일반적으로 네 개의 베드 사이클에서 동일하다. 이러한 순환은 상기한 동일한 수단에 의해 순환 시간의 1/4에서 동기화된다. 두 개의 공급 컴프레서가 사용되며, 각각 100%의 순환량을 작업한다. 단일 진공펌프가 증발 및 퍼지단계에 모두 사용되며, 전체 순환 시간의 100% 동안 작동한다. 아래쪽으로의 송풍 에너지가 회수되는 경우, 부가적인 기계장치가 필요하다. 각 공정 단계에 대해 적절하게 특별히 설계된 펌프를 사용하는 것이 바람직하다.
적하량을 표시하기 위하여, 공급원료 컴프레서 또는 진공펌프의 연속 적재를 위해 바람직한 처리 단계 순서 배열이 사용된다. 따라서, 챠트 2에 도시하고 상기한 바와같은 두 개의 베드 PSA 시스템에 대하여, 단일 폐기물 송풍기 즉, 진공펌프에서의 연속적인 적하량을 유지하기 위하여 바람직한 처리순서는 PS 단계가 다른 베드에서 종료되는 동시에 한 베드에서 CD 단계를 종료하는 것이다.
이러한 2-베드 시스템에서 단일 베드 송풍기, 즉 원료 컴프레서베드의 연속 적재를 유지하기 위하여, 한 베드에서 AO 단계가 종료되고 동시에 다른 베드에서 PP 단계가 종료 되거나, 동시에 FP 단계가 다른 베드에서 1 기압이 된다.
3-베드 실시예에 있어서, 단일 폐기물 송풍기에 연속 적하량을 유지하기 위하여, CD 단계가 한 베드에서 종료하는 동시에 PG 단계가 다른 베드에서 종료하고, EV 및 PG 단계와 합하여 각 베드에서의 처리 순서의 전체 사이클 시간이 약 1/3이 된다. 이러한 실시에에서, 하나 또는 두 개의 원료 송풍기가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 베드기 3-베드 실시예에서 단일 원료 송풍기베드의 연속 적재를 유지하기 위하여, AO 단계가 한 베드에서 종료되고 동시에 PP 단계가 다른 베드에서 종료 되거나 FP 단계가 다른 베드에서 1기압 된다. 이러한 실시예에서 단계 AO 및 FP, 또는 단계 AO 및 FP의 대기업 이상 부분이 가해져 각 상에서의 처리 순서의 전체 순환 시간이 약 1/3 이하가 부가된다. 하나 또는 두 개의 폐기물 송풍기가 이러한 실시예에 사용된다. 수개의 평균 흡입 압력 레벨에서 작동하는 수개의 폐기물 송풍기 베드에 연속 적재을 유지하기 위하여 바람직한 네 개 이상의 상을 사용하는 본명에 따른 실시예에 있어서, 한 베드에서 CP 단계가 종료하고, 동시에 다른 베드에서 PG 단계가 종료되며, 단계 EV 및 PG을 합하여 각 베드에서 처리순서의 전체 사이클 시간이 n/m(n은 사용되는 폐기물 송풍기의 수이고, m은 PSA 시스템에서의 베드의 수이다.)이 되게 한다.
네 개 이상의 베드를 갖는 이러한 시스템에서 수개의 평균 방출 압력에서 작동하는 수개의 원료 송풍기에의 연속 적재를 위하여, AO 단계가 한 베드에서 종료되며, 동시에 PP 단계가 다른 베드에서 종료되거나, PP 단계가 다른 베드에서 1기압이 된다.
따라서, 더 많은 베드의 시스템에 가하질수록 중요한 공정단계에서 변수를 바꾸는 능력이 더 제한되며 휴지 기간이 더 필요한 것 같다. 현재 이용가능한 컴퓨터 제어 방법에 의한 센서 및 액츄에이터를 사용하여, 복잡한 다중베드 시스템의 작동이 용이하게 실시될 수 있다. 대부분의 단계 변화 결정은 공정요소의 물리적인 상태에 따라 이루어진다. 컴퓨터 기술 분야에 잘 알려진 대기 행렬 과정이 컴프레서 또는 진공펌프의 이용가능성을 확실히하고 베드를 변환시키거나 동기화를 위해 필요할 수 있는 정지 또는 휴지 간격을 개입시키는데 사용될 수 있다. 이렇게 전산처리된 제어방법을 이용하여, 개별적 베드 사이클은 예정된 고정시간 사이클에 따르지 않고 스스로 동시 처리되는 경향이 있다.
이하의 예시적 실시예에서는 본 발명을 더 구체적으로 설명하기로 한다.
제어가 가능한 공정변수의 값은 산소 생성물의 특정순도와 사용된 특정 질소-선택적 흡착제의 특성에 의존한다. 특정 흡착제에 대한 바람직한 압력의 범위는 앞에 설명된 바와같다.
[실시예 1]
양호한 VPSA 산소 성능을 제공하는 조건들의 예시적 실시예에서 인용된 공정 파라미터들과 결합된 2-베드 구체예에서 리튬 X 흡착제를 사용하여 공기 공급물로부터 순도 90.4%로 산소를 제조하기 위해, 다음 챠트 4에 따라 공정단계들을 실시하였다.
챠트 4
다른 2-흡착 베드 공정 순환
베드 A 단계
베드 B 단계
컴프레서
VAC 펌프
1개의 베드가 자체의 흡착 단계를 완료했을 때 2개의 베드를 동시에 처리하고, 제2의 베드를 가압하여 생성물을 중간 압력으로 가압하였다. 설계흐름 속도가 상향류 및 하향류의 소요시간을 평형화시키고, 2개의 베드들을 동시처리 하는데에는 여전히 수단히 필요하다. 흡착단계는 질소가 베드의 생성측 단부로부터 새어나가는 지점까지 연장될 수 없어서 상기 단계는 그 전까지는 종결되어야 한다. 단계가 더 짧더라도 용인될 수는 있지만 비효율적이 된다. 중간 압력으로 생성물의 가압이 종료되는 것은 보다 덜 임계적이지만, 이는 여전히 설계 단위에 밀접하거나 공정 효율이 낮아지게 된다. 이러한 조건에 부합되는 가장 간단한 방법은 양 베드들의 조성을 감지하는 것이다. 어느 한 변수가 자체의 임계치에 도달하면, 그 베드는 다른 변수가 자체의 임계치에 도달할 때까지 무용한 간격을 전환시킨다. 그러면, 양 베드들은 각자의 공정순서에 있어서 다음 단계에 접속된다. 컴프레서 및/또는 진공펌프의 정규 순환은 그러한 무용한 간격을 도입시킴으로써 약간 감소하게 된다.
[실시예 2]
본 발명의 방법과 압력 평형을 이용하는 통상의 방법들의 예시적 비교에 있어서 8×12 비이드 형태의 리튬 X 제올라이트를 1.6m 깊이를 베드에서 사용하였다. 순환 시간은 70초를 사용하였고 평균 베드 온도는 290°K였다. 모든 순환에서는 완전한 역세정(backpurge)을 사용하였다. 이하 표 1에 나타낸 것과 같이 90몰% 순도 산소의 생성물에 대하여 순환을 평가하였다 :
다음을 기초로 전력 에너지를 계산하였다.
- 공급물 측 압축 : 1 기압에서 73% 효율인 단열상태의 단일-단계 ;
- 폐기물 압축 : 1 기압에서 53% 효율로의 단열 단일-단계 ;
- 생성물 압축 : 흡착 압력으로부터 652.9kPa로의 77% 효율로 단열 2-단계.
제1의 경우, 2개 베드중의 생성물 단부들을 연결시킴으로써 흡착후에 고압 베드가 저압 베드로의 병행류 블로우다운을 수행하여 부분적 압력 평형을 이룰 목적을 가지는 현재 당업게의 기술적 방법을 나타낸 것이다. 제1 및 제3의 경우에는 생성물의 재가압 단계가 전혀 없다. 역으로, 제2 및 제4의 경우에 베드들 사이에는 병행류 감압 및 압력 평형 단계가 전혀 없으며, 이는 본 발명의 구체예를 설명한 것이다. 2개의 공정, 즉 상기 EQ 및 PP간의 주된 차이점은 제1 및 제3 경우에 다른 베드와의 압력 평형에 의한 저압 베드의 압력을 제2 및 제4 경우의 생성물 재가압으로 대체한다는 것이다.
표 1에서는, 제1 경우에 비해 제2 경우에서는 산소의 회수가 감소하고, 베드의 크기인자(BSF)(흡착제1b/산소 생성물 TPD)도 감소하는 것으로 나타났다.
이러한 효과는 모두 예상했던 대로 였다. 제2의 경우에 필요한 에너지는 제1 경우의 에너지보다 약간 낮은 것으로 밝혀졌다.
제4의 경우에, 탈착 압력과 중간 압력은 제2 의 경우에 비해 증가되었다.
표 1에서는 공정에 필요한 에너지가 더 감소되는 것으로 나타났다. BSF는 증가되고 산소 회수율은 더 낮아진다. 그러나 무엇보다도, 전력 에너지의 소모가 감소되기 때문에 공정의 효율이 증가하게 되어, 전력 에너지의 소모가 주된 관심사인 많은 상업적 용도의 종래 방법들에 비해 본 발명의 방법이 유리할 수 있는 장점을 제공하게 되었다.
본 발명의 방법의 비교적 낮은 산호 회수율은, 재사용을 위한 공기를 자유로이 사용할 수 있기 때문에, 손해를 끼치지 않는다. 만일 회수율이 낮으면 더 많은 양의 공기를 압축시켜야 하지만, 이는 전력의 소모를 결정한 상태에서 평가하기로 한다.
전력 요구도가 증가되지 않는한, 산소 회수율의 감소는 무관하다.
흡착 베드내의 기체상 산소 농도는 상기 단계중에 해당되므로, 종래기술 방법의 병행류 블로우다운은 산소의 회수를 증가시키도록 작용한다. 이는 차후의 진공화 단계 과정중에 흡착 베드로부터 나오는 폐기물 기체내의 초기 및 평균 산소 농도를 감소시킨다. 페스트림으로부터 더 적은 산소가 얻어지고 회수율은 상승된다. 이는 생성된 폐기 기체의 양과 필요한 공급공기 양을 줄여준다. 따라서 더 적은 공급 공기와 폐기가스를 압축시켜야 하므로 전력 에너지 비용의 저하를 초래하게 될 것으로 추측된다. 상기 종래의 기술 순환을 최적화시키는데 쏟은 많은 노력들은 산소 회수율을 높이는데에 집중되어졌다.
병행류 블로우다운의 부작용은, 질소 저장물질, 즉 질소의 물/흡착베드 m 는 송풍기중에 감소되고 탈착된 질소가 베드의 생성측 단부쪽으로 흐르게 된다.
질소는 베드로부터 빠져나오지 못하게 유지되어, 압력 평형화 작동에 참여하는 다른 베드들의 생성물측 단부를 오염시키게 된다. 질소를 함유할 수 있도록 하기 위해, 베드는 최종 감압조건하에 질소를 포함하고 있고 질소 저장량을 감소시키기에 충분할 만큼 크게 제조되어야 한다. 종래 기술의 방법에서와 같이, 베드 크기 인자의 증가는 산소 회수율의 증가와 관련된 전력 소모의 절감에 의해 보상되는 것보다 더 많다고 믿어진다. 이는 놀랍게도 통상의 PSA 공정에 의한 산소의 제조에 필요한 작동조건 범위하의 경우가 아닌 것으로 밝혀졌다. 그래서, 병행류 블로우다운은 진공화 단계의 출발 압력을 감소시키고, 진공화 단계 과정중에 베드로부터 나가는 폐스트림의 평균 유효압력을 감소시키고, 2개의 폐기물 제거 단계중에 베드로부터 나오는 총 폐기물의 평균 유효압력을 감소시키므로 폐기물 송풍기의 흡입 단부로 들어가는 폐기 가스의 평균 유효압력이 감소하게 된다. 폐기 가스의 감소된 평균 유효 압력은 폐기 가스의 감소된 몰수의 보다 더 상쇄시켜서, 배출을 위해 주변 압력으로 폐기 가스를 압축시키는데에 필요한 전체 일량을 증가시킨다. 이것은 본 발명의 실시에서 감소된 생성물 회수로 인해, 증가된 공급가스를 압축시키는데에 필요한 부가된 일을 보다 더 상쇄시킨다.
본 발명의 실시에서, 산소 생성물 회수 및 BSF의 감소와 함께 동력의 실제컷팅이 일어나며, 단, 질소 질소-선택성 흡착 압력은 비교적 낮은 흡착 압력, 즉 상기 제시된 바람직한 범위내의 압력에서 수행된다. 상기 범위 밖에서, 특히 더 높은 흡착 압력에 대해, 병류 블로우다운 단계의 생략은 여전히 BSF를 컷팅시키도록 작용하지만, 동력을 컷팅시키지는 않고, 공정의 동력 요건을 실제로 증가시킨다.
이것은 당분야에서 일반적 기대에 상응하는 것이다. 병류 블로우다운 단계의 생략은, 단지 일반적으로 바람직한 흡착 및 탈착 압력의 범위가 사용되는 경우에만 컷팅 동력 소비의 놀라운 효과를 갖는다. 상기 제시된 바와같이, 대기 이상의 흡착 압력은 일반적으로 약 100-160kPa이고, 더 낮은 대기 이하의 탈착 압력은 일반적으로 약 20-70kPa이며, 특별한 압력이 어떤 주어진 응용에서 사용되는 흡착제재료에 의존한다.
표 I의 결과는 본 발명의 평형순환로부터 부분 생성물 가압 순환로의 스위칭이, 산소 회수의 감소에도 불구하고, 동력 및 BSF의 컷팅을 유발시킴을 보여 준다. 상기의 유용한 결과는 흡착 및 탈착 압력 둘 모두의 수준, 즉 케이스 1 및 2에서 144.8 및 34.5kPa, 및 케이스 3 및 4에서 140 내지 50kPa에서 일어난다.
상기 제시된 바와같이, 생성물 회수는 원료가 공기 분리에 의한 산소 생성에 거의 유일한 쉽게 입수할 수 있는 상황에 있기 때문에, 공기로부터의 산소 생성에 대해 거의 무관하다. 병류 블로우다운의 생략, 및 동력 소모의 감소의 놀라운 효과는 바람직한 범위의 압력 조건을 사용하는 VPSA 공정에 의해 공기로부터의 산소 생성에 유일하게 적용된다. 이것은, 특히 동력 소모가 산소의 생성을 위한 공기의 분리에 대해 매우 바람직한 PSA 방법을 사용하는 것의 전반적인 실행에서 중요한 인자인 경우에, PSA 분야에서 상당한 증진을 보여준다.

Claims (19)

  1. 공기중의 보다 용이하게 흡착가능한 성분으로서 질소를 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착물질을 함유한 1개 이상의 흡착베드를 포함하고 있는 흡착 시스템 내에서 공기로부터 산소를 제조하기 위한 압력순환 흡착방법에 있어서, 각각의 베드들이 순환을 기초로 할 때 다음 단계들로 이루어지는 공정 순서를 수행하는 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법 : (a) 공기를 베드의 공급단부에 전달하여 베드의 압력을 중간 압력으로부터 100kPa 내지 160kPa 범위의 대기압 이상의 흡착 압력으로 증가시키고 상기 공급공기로부터 질소를 선택적으로 흡착시키는 단계 ; (b) 베드의 공급단부에 추가량의 공급공기를 대기압 이상의 흡착압력으로 전달하여 상기 공급공기로부터 질소를 선택적으로 흡착함과 동시에 베드의 생성물측 단부로부터 산소를 회수하는 단계 ; (c) 베드의 공급 단부로부터 질소를 방출하면서 베드를 향류감압시키는 단계 ; (d) 베드를 대기압 이하의 보다 낮은 20kPa 내지 70kPa 범위의 탈착 압력으로 진공화시켜서 베드의 자유 단부로부터 질소를 방출시키는 단계; (e) 베드의 생성물측 단부에 산소 생성물을 생성물을 생성물 세정 기체로서 대기압 이하의 낮은 탈착압력으로 도입하여 베드의 생성물측으로부터 질소를 방출시키되, 질소-함유 페스트림을 베드의 자유 단부로부터 배출하며, 고농도의 산소가 페스트림내로 투과되기 직전까지 생성물 세정기체를 계속적으로 도입시키는 단계 ; 그리고 (f) 산소 생성물을 베드의 생성물측 단부로 전달하여 베드의 생성물측 단부로부터 질소를 이탈시키고 베드내의 압력을 대기압 이하의 낮은 탈착압력으로부터 중간압력으로 증가시켜서, 전력을 적게 소모하고 총 효율을 증강시키면서 공기로부터 산소를 회수하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 중간 압력이 대기압 이상의 흡착 압력의 70% 정도인 것을 특정으로 하는 압력순환 흡착방법.
  3. 제1항 있어서, 상기 산소 생성물이 90% 내지 95.6%의 순도로 회수되는 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  4. 제1항에 있어서, 흡착물질이 리튬 X 이고, 대기압 이상의 흡착 압력이 110kPa 내지 160kPa이며, 대기압 이하의 낮은 탈착압력이 30kPa 내지 50kPa 범위 이내인 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  5. 제1항에 있어서, 흡착물질이 나트륨 X이고, 대기압 이상의 흡착 압력이 120kPa 내지 160kPa 이며, 대기압 이하의 낮은 탈착압력이 40kPa 내지 70kPa 범위 이내인 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  6. 제1항에 있어서, 흡착물질이 칼슘 X이고, 대기압 이상의 흡착 압력이 100kPa 내지 120kpa이며, 대기압 이하의 낮은 탈착압력이 20kPa 내지 35kPa 범위 이내인 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  7. 제1항에 있어서, 흡착 시스템에 1개의 흡착베드가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  8. 제1항에 있어서, 흡착 시스템에 2개의 흡착베드가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  9. 제1항에 있어서, 흡착 시스템에 3개의 흡착베드가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  10. 제8항에 있어서, 향류 감압 단계가 1개의 베드에서, 산소 생성물이 다른 베드의 생성물측 단부에 전달되어 그 내부 압력을 중간 압력으로 상승시키는 작업이 종료되는 것과 동시에 종료되는 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  11. 제1항에 있어서, 흡착 시스템에 3개의 흡착 베드를 구비하고 있고, 향류 감압단계가 1개의 베드에서, 산소 생성물이 다른 베드의 생성물측 단부에 전달되어 그 내부 아력을 중간 압력으로 상승시키는 작업이 종료되는 것과 동시에 종료되는 것을 특징으로 하는 압력순환흡착방법.
  12. 제8항에 있어서, (c) 단계가 한 베드에서 종료됨과 동시에 다른 베드에서는 (e) 단계가 종료되는 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  13. 제8항에 있어서, (b) 단계가 한쪽 베드에서 종료됨과 동시에 다른 베드에서는 (f) 단계가 종료되는 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  14. 제8항에 있어서, (b) 단계가 종료됨과 동시에 다른 베드의 압력이 (a) 단계 동안에 그 베드내에서 1기압이 도달되는 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  15. 제9항에 있어서, 흡착 시스템에 3개의 흡착 베드가 포함되어 있고, 한 베드내에서 (c) 단계가 종료됨과 동시에 시스템내의 다른 베드에서는 (e) 단계가 종료되고, 각 베드들내의 (d) 및 (e) 단계들의 총 시간은 각 베드들내에서 (a)-(f) 단계의 총 공정순서 순환 시간의 1/3인 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  16. 제9항에 있어서, 흡착 시스템에 3개의 흡착 베드가 포함되어 있고, 한 베드내에서 (c) 단계가 종료됨과 동시에 시스템내의 다른 베드에서는 (e) 단계가 종료되고, 각 베드들내의 (a) 및 (b) 단계들의 총 시간은 각 베드들내에서 (a)-(f) 단계의 총 공정순서 순환 시간의 1/3인 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  17. 제9항에 있어서, 흡착 시스템에 3개의 흡착 베드가 포함되어 있고, 한 베드내에서 (b) 단계가 종료됨과 동시에 시스템내의 다른 베드에서는 (a) 단계가 종료되고, 각 베드들내의 (a) 및 (b) 단계들의 총 시간은 각 베드들내에서 (a)-(f) 단계의 총 공정순서 순환 시간의 1/3인 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  18. 제9항에 있어서, 흡착 시스템에 3개의 흡착 베드가 포함되어 있고, 한 베드내에서 (b) 단계가 종료됨과 동시에 시스템내의 다른 베드에서는 (e) 단계가 종료되고, 각 베드들내의 (b) 단계와 (a) 단계중의 대기압 이상 부분의 총 시간은 총 순환 시간의 1/3인 것을 특징으로 하는 압력순환 흡착방법.
  19. 제9항에 있어서, 흡착 시스템에 3개의 흡착 베드가 포함되어 있고, 한 베드내에서 (b) 단계가 종료됨과 동시에 시스템내의 다른 베드에서는 (a) 단계가 종료되고, (b) 단계와 (a) 단계중의 대기압 이상 부분의 총 시간은 총 순환 시간의 1/3인 것을 특징으로 하는 압력 순환 흡착방법.
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