KR100288568B1 - 공기로부터 산소를 회수하기 위한 단일층 압력 순환 흡착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공극간 기체를 용기의 생성 단부로부터 저순도 산소 탱크에 방출시켜 흡착용기내의 흡착층을 중간 압력으로 감압시키면서 공급 단부로부터 흡착 용기를 병류방식으로 배기시키는, 공기로부터 산소를 회수하기 위한 압력 회전 흡착 방법에 관한 것이다.

Description

공기로부터 산소를 회수하기 위한 단일층 압력 순환 흡착 방법
본 발명은 공기를 분리시키기 위한 압력 순환 흡착 장치에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 공기로부터 산소를 회수하기 위한 단일층 압력 순환 흡착 장치의 사용방법에 관한 것이다.
압력 순환 흡착(PSA) 방법은 하나 이상의 저흡착성 성분 및 하나 이상의 고흡착성 성분을 함유하는 공급 기체 혼합물의 하나 이상의 성분을 분리하고 정제하기 위한 상업적으로 유용한 방법을 제공한다. 공기의 경우에, 고흡착성 성분은 질소가 대표적이며, 저흡착성 성분은 산소이다. 흡착은 보다 높은 흡착 압력하에 흡착층에서 고흡착성 성분, 예를 들어 질소 성분에 의해 발생하고, 그 후에, 질소 성분은 흡착층 압력을 저흡착 압력으로 감소시킴으로써 흡착층으로부터 탈착된다.
다층 PSA 방법은 크기 범위가 30,000 NCFH 내지 120,000 NCFH 이상인 산소에서 산소 플랜트 용량에 대해 특히 효과적이다. 상기 범위 아래로 떨어지는 흐름 요건에 적용시키기 위해서는, 단일층 압력 순환 흡착 장치가 바람직하다. 발명의 명칭이 "단일층 압력 순환 흡착 시스템 및 방법"인 라살라(Lasala) 등의 미국 특허 제5,370,728호(본 출원과 동일한 양수인에게 양도됨)에는, 한쌍의 외측 서어지(surge) 탱크를 사용하는 단일층 PSA 또는 VPSA(진공 압력 순환 흡착)방법이 기술되어 있으며, 제1 서어지 탱크는 목적하는 생성물 및 또한 정화 기체로서 고순도 산소를 가공 사이클의 배기 단계 중에 흡착층에 공급한다. 제2 서어지 탱크는 감압시에 층으로부터 배출되는 공극 공간 기체(즉, 저순도 산소)를 수집하고, 공극 공간 기체를 흡착층의 재가압시에 흡착층에 공급한다.
제1도는, 산소를 생성시키기 위한 단일 흡착층을 혼입시킨 라살라 등의 시스템이 도시되어 있다. 하기에서 "고순도 산소 탱크"로 통칭되는 생성물 서어지 탱크는 균압 탱크(이후, "저순도 산소 탱크"로 통칭됨)와 함께 사용되어, 생성물을 회수할 수 있고, 시스템의 동력 요건을 개선시킨다. 라인(1)은 공급 공기를 먼지 필터, 즉 기체 소음기 유닛(3) 및 밸브(4)를 통해 공급/진공 송풍기(2)에 공급하기 위해 사용된다. 공급/진공 송풍기(2)로부터의 라인(5)은 라인(6) 및 (7)과 연결되며, 라인(6)은 밸브(8) 및 출구 스너버(snubber) 유닛(9)을 포함하여, 이로부터 기체가 라인(10)을 통해 방출된다. 기체 흐름은 또한 스너버 유닛(9)에 연결된 라인(14)을 통해 밸브(15)에 의해 배출될 수 있다. 라인(7)은 출구 스너버부(11), 공급 기체 냉각용 후냉각기(12) 및 밸브(13)을 포함한다. 방출 라인(14)은 밸브(15)를 포함한다. 밸브(17)를 포함하는 라인(16)은 밸브(4)의 하부의 라인(1)에 연결된다. 라인(7) 및 (16)은 모두 흡착 용기(19)내의 흡착층의 바닥부로부터 연장되는 라인(18)에 연결된다. 흡착 용기(19)의 상부로부터, 라인(20)은 연장되어 라인(21), 밸브(22) 및 저순도 산소 탱크(23)과 연결된다. 라인(24)은 라인(20)과 연결되며, 점검 밸브(25)를 거쳐 고순도 산소 탱크(26)에 연결된다. 하기에 기술되는 바와 같이, 점검 밸브(25)는 본 발명의 지속적 생성물 생성 단계의 구현에는 요구되지 않는다. 그 대신, 생성물 기체가 밸브(29)를 통해 고순도 산소 탱크(26)를 통과한다. 생성물 산소는 라인(27)을 통해 고순도 산소 탱크(26)로부터 배출된다.
또한, 라인(20)은 밸브(29)를 통해 라인(28) 및 고순도 산소 탱크(26)에 연결된다.
라살라 등의 특허에서 기술된 바와 같이 제1도의 시스템의 작동은 하기의 순서를 갖는 5단계 사이클을 포함한다. : (1) 부분 감압, (2) 배기, (3) 정화, (4) 부분 재가압 및 (5) 가압 및 생성물 회수. 고순도 산소 탱크(26)가 흡착 용기(19)로부터 고순도 산소의 충전물을 수용하고, 흡착 용기(19)가 보다 높은 압력하에 있는 경우에, 가공 순서는 흡착 용기(19)를 부분적으로 감압시킴으로써 재순환하기 시작한다. 이에 따라, 밸브(13)는 폐쇄되고, 밸브(15)는 개방되어, 공급/진공 송풍기(2)가 공기를 대기로 배출시킬 수 있게 한다. 밸브(22)는 개방되고, 흡착 용기(19)는 보다 높은 흡착 압력으로부터 감압되기 시작한다. 공극 기체는 흡착층 내의 공극 공간으로부터 배출되어, 라인(21)을 통해 저순도 산소 탱크(23)에 공급되어, 약 14.5 내지 15 psia의 압력을 형성한다. 저순도 산소 탱크(23) 내의 산소 농도는 85 내지 89%가 전형적이다. 밸브(8), (17) 및 (29)는 상기 작동 중에 폐쇄되며, 흡착 용기(19) 내의 압력이 중간 압력, 예를 들어 16 psia로 떨어질 때 까지 계속 폐쇄된다. 상기 부분 감압 단계에 대한 대략적 주기는 약 4 내지 7 초이다.
용기 배기 단계는 흡착 용기(19)가 공극 기체의 일부를 저순도 산소 탱크(23) 내로 방출시키고, 흡착 용기(19) 내의 압력이 중간 압력으로 강하된 후에 일어난다. 밸브(8) 및 (17)은 개방되고, 밸브(4, 15, 13, 22 및 29) 및 점검 밸브(25)는 폐쇄된다. 따라서, 흡착 용기(19) 내의 기체는 밸브(17), 라인(16)을 통해 라인(18) 밖에서 공급/진공 송풍기(2)의 유입구로 전환된다. 상기 공극 기체는 유출구 소음기(9)를 통해 대기로 방출된다. 이러한 작용으로 공급/진공 송풍기(2)가 흡착층 용기(19)가 대기압 미만 까지 더 배기될 수 있도록 한다.
사이클의 배기 부분에 걸친 평균적인 배기 기체의 대략적 조성은 질소 90% 및 산소 10%이다. 흡착 용기(19)는 대기압 미만으로 배기되어 흡착제의 공극 공간 중의 질소 기체의 분압차를 유발시켜 흡착제를 탈착시키고, 이에 따라 흡착제를 재생시켜서 다음 사이클을 위해 준비한다. 용기 배기 단계는 흡착 용기(19) 내의 압력이 낮은 탈착 압력, 예를 들어, 약 5 psia에 이를 때까지 수행된다. 상기 사이클의 단계 시간은 약 25 내지 40초이다.
그 후에, 용기 정화 단계가 보다 낮은 흡착 압력에서 일어난다. 밸브(29)는 개방되고, 고순도 산소 탱크(26)로부터의 생성물 기체의 작은 측류가 흡착 용기(19)의 상부로 전환된다. 산소 유입물은 주로 탈착된 질소로 이루어진 용기(19)내의 잔류 공극 기체의 대부분을 제거한다. 정화 기체의 흐름은 흡착 용기(19)의 공극 공간 내에 존재하는 탈착 기체를 방출시킨다. 용기 정화 단계는 일정한 진공 또는 또 다른 탈착 압력 수준에서 일어나며, 밸브(8 및 17)을 개방되어 유지되고, 제어 밸브(29)는 개방되고, 나머지 모든 밸브는 폐쇄된다.
흡착 용기(19) 내의 흡착제의 공극 공간 내의 탈착 기체의 대부분이 생성물 기체(산소)로 교체되면, 가공 순서는 부분 재가압 단계로 진행된다. 용기 정화 단계의 평균 시간은 약 7 내지 10초이다.
부분 재가압 단계 중에, 밸브(8, 17 및 29)는 폐쇄되고, 밸브(4 및 15)는개방되어 공급원/진공 송풍기(2)가 비부하 상태로 작동하게 한다. 제어 밸브(22)는 개방되고, 저순도 산소 탱크(23)로부터의 공극 기체(이것은 부분 감압 단계 중에 수집됨)가 사용되어 흡착 용기(19)를 중간 압력 수준, 예를 들어 10 psia로 재가압 시킨다. 이 단계의 시간은 약 4 내지 7초이다.
흡착 용기(19) 내의 흡착제층이 약 10 psia의 중간 압력으로 부분적으로 재가압되는 경우, 공급 공기는 사이클의 가압/생성물 회수 단계 중에 공급/진공 송풍기(2)로부터 공급된다. 이들 조건하에서, 밸브(4 및 13)는 개방되고, 밸브(8, 15, 17, 22 및 29)는 폐쇄된다. 점검 밸브(25)는 흡착 용기(19) 내의 압력이 고순도 산소 탱크(26) 내의 압력보다 크게 되는 경우에 개방되도록 조절된다.
공급 공기를 흡착제층 용기(19)에 도입시킴에 따라, 그 안의 압력은 고순도 산소 탱크(26) 내의 압력과 동일할 때가지 증가한다. 그 후, 점검 밸브(25)는 개방되고, 생성물 기체(즉, 산소)는 고순도 산소 탱크(26)에 공급된다. 흡착 용기(19)의 상층의 압력이 보다 높은 압력, 일반적으로 약 22.5 psia에 이르게 될 때까지 생성물 기체의 공급은 계속된다. 고순도 산소 탱크(26)는 흡착 용기(19)와 별도로 산소를 하류 사용을 위해 공급하는 데에 이용가능하다. 이 공정 부분의 일반적인 시간은 약 18 내지 25초이다.
공급/진공 송풍기(2)는 제한된 차압 용량을 가지며, 높은 압축비에서 낮은 효율을 나타내다. 따라서, 사이클이 작동 진공 수준을 최소화시켜 차압을 감소키는 것이 바람직하다. 이러한 작용은 공급/진공 송풍기(2)는 더욱 효율적인 범위에서 작동시키고, 상승된 흡입압을 유발시켜, 고효율로 기계의 페기 용량을 증가시킨다. 추가로, 높은 분리 효율 및 높은 흡착제의 이용율이 가장 낮은 동력 소비 및 주어진 투자 비용에 대한 가장 큰 용량을 보장하기 위해 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 단일층 압력 순환 흡착 시스템에 대한 개선된 작동 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일층 압력 순환 흡착 시스템에 사용된 압축기에 걸쳐 차압을 감소시키기 위한 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 작동 주기의 각각의 부분에 요구되는 시간을 감소시켜 더욱 높은 시스템 효율을 달성시키는, 개선된 단일층 압력 순환 흡착 시스템을 제공하는 데에 있다.
제1도는 공기로부터 산소를 생성시키기 위한 단일층 VPSA 시스템의 종래 기술의 구체예의 개략적 흐름도이다.
제2도 내지 제7도는 미국 특허 제 5,370,728호에 도시된 종래의 시스템에 사용되는 공정 순서의 순차적 단계를 도시한 개략도이다.
제8도 내지 제15도는 종래 기술과 비교하여 공정 효율을 개선시키기도록 추가되거나 변형된 본 발명의 단계를 도시한 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 공급/진공 송풍기 3 : 소음기 유닛
4 : 밸브 9 : 스너버 유닛
19 : 흡착 용기 23 : 저순도 산소 탱크
25 : 점검 밸브 26 : 고순도 산소 탱크
공기로부터 산소를 회수하기 위한 압력 순환 흡착 방법은 용기의 생성물 단부로부터 공극 공간 기체를 방출시키면서, 동시에 공급물 단부로부터 흡착 용기를 배기시켜 흡착 용기 내의 흡착층을 중간 압력으로 감압시킴으로써 종래 방법을 개선시킨다. 이러한 작용은 감압 속도를 증가시키며, 주기를 감소시킬 수 있다. 또한, 흡착층은 저순도 산소 탱크로부터의 기체에 의해 생성물 출구 단부로부터 중간 압력으로 재가압되면서, 동시에 유입구 공급물 단부로부터 흡착 용기를 가압시킨다. 상기 작용은 공급/진공 송풍기에 대한 부하 시간 분율을 증가시킨다. 또한, 산소는 고순도 산소 탱크(이것은 생성물을 하류 적용부에 공급한다)로부터 흡착층 용기의 생성물 단부에 도입되면서, 동시에 공기가 용기 내의 흡착층의 공급물 단부에 도입된다. 이는 중간 탈착 압력으로부터 층 내의 압력의 증가 속도를 상승시킬 수 있다. 그 후에, 사이클 도중의 압력비의 감소가 흡착 용기 내의 압력을 약 6 내지 7 psia로 상승시켜, 공급/진공 송풍기에 대한 배기 요건을 감소시킨다. 상기 작용은 효율을 10% 정도 개선시킬 수 있다.
하기에 설명에서 명백해지는 바와 같이, 본 발명에 따르는 VPSA 사이클은 상기 언급된 미국 특허 제 5,370,728호에 기술된 VPSA 사이클에 비해 5가지의 주요 개선점을 나타낸다. 이 개선점은 다음과 같다:
1. 공급/진공 송풍기의 최적 조건을 가능하게 하는 약 6 내지 7 psia의 상승된 바닥부 압력.
2. 산소 회수 단계 및 정화 단계 모두와 결합하여 주기를 감소시키는 생성물 가압 단계.
3. 중복 산소 회수, 가압/공급 공기 단계의 사용.
4. 중복 산소 회수, 감압/배기 단계의 사용, 및
5. 생성물 가압 환류를 위한 고순도 산소 탱크로부터의 산소 및 산소 회수 단계 및 정화 환류 요건을 위한 저순도 산소 탱크로부터의 저순도 산소의 사용.
본 발명의 실행에 포함되는 각각의 열거된 개선점의 달성으로, VPSA 사이클에 사용하려는 보다 낮은 압력비(즉, 상부에서 20 내지 22 psia 및 바닥부에서 6 내지 7 psia) ; 정화 단계에서의 저순도 산소의 사용으로부터 유발되는 약 2 내지 3% 효율 개선 ; 생성물 가압을 위한 고순도 산소(고순도 산소 탱크로부터의 산소)의 사용으로부터 유발되는 약 3% 효율 개선 ; 및 압축 및 산소 회수 단계의 중복으로부터 유발되는 약 10% 효율 개선이 가능해진다.
개선된 VPSA 사이클은 약 90 내지 93%의 산소 생성물 순도에서 최적화된다. VPSA 사이클은 효율을 감소시키면서 95% 만큼 높은 순도로 작동될 수 있다. 또한, VPSA 사이클은 낮은 생성물 순도, 즉 80 내지 90%에서 작동할 수 있다. VPSA 주기는 흡수제의 유형에 따라 다양할 수 있으며, 최적 주기는 50 초이다 (이것은 층의 크기에 따라 30 내지 70초로 다양할 수 있다.)
본 발명의 VPSA 사이클은 종래의 사이클보다 높은 바닥부 압력에서 작동한다. 이것은 전체 작동 범위에 걸쳐 효율을 개선시킬 뿐만 아니라, 공통 송풍기로부터의 공급 및 진공 요건을 더욱 밀접하게 균형을 이루게 하는 보다 높은 평균 흡입 압력을 유발시킨다.
중복된 산소 회수/압축 단계를 이용하는 VPSA 사이클은 송풍기를 공급 또는 진공 작용하게 하면서, 동시에 산소 회수 단계를 완료시킨다. 이것은 흡수제층 용기의 상부 및 바닥부 둘 모두로부터 흡수제층 안팎으로 기체를 흐르게 한다. 이러한 작용은 압축 장치의 사용을 개선시키며, 주어진 크기의 흡수제층 및 송풍기의 용량을 증가시킨다.
상승된 바닥 압력으로 인해, 사이클에서 산소 환류에 대한 필요성이 증가된다. 생성물 가압 단계와 결부된 산소 정화 단계는 상기 증가된 산소 요건을 제공한다. 산소 정화 요건은 저순도 산소 서어지 탱크로부터 공극 기체에 의해 제공된다. 생성물 가압 기체는 고순도 산소 탱크로부터 고순도 산소에 의해 제공된다. 상기 언급된 바와 같이, 저순도 산소 환류 공극 기체는 정화 단계 및 산소 회수 가압 단계에서 사용된다. 고순도 산소는 생성물 가압 단계에서 마지막으로 사용된다. 상기 작용은 생성물을 형성하는 단계 직전에 고순도 산소를 도입시킴으로써 산소 환류의 사용을 최적으로 유도하여, 종종 생성물 생성 단계의 개시와 관련된 순도 이상을 해소시킨다. 최종적으로, VPSA 사이클은 산소 회수량을 감소시키는 가압 블로우 다운(blow down) 단계를 필요로 하지 않는다.
제2도 내지 제7도와 관련하여, 이들 도면은 각각 미국 특허 제 5,370,728호에 기술된 종래의 VPSA 사이클과 관련하여 상기 기술된 각각의 단계의 개략도이다. 제8도 내지 제15도는 본 발명을 이용한 단일층 VPSA 사이클의 단계를 도시한 것이다. 도면에 도시된 비교 단계를 상세히 설명하기 전에, 하기 표 1 및 2는 미국 특허 제 5,370,728호에 의해 교시된 종래 기술의 방법 및 본 발명을 통합시킨 방법 둘 모두에 대한 사이클의 각각의 단계의 단계 시간, 개시 압력 및 최종 압력을 예시하는 것이다. 미국 특허 제 5,370,728호의 사이클의 약 65초를 필요로 하는 반면, 본 발명을 이용하는 사이클은 약 49초를 필요로 한다. 또한, 미국 제 5,370,728호에서 기술된 사이클에서 사용된 최대 및 최소 압력은 22.5 psia 및 5 psia인 반면, 본 발명에 따른 사이클에서는 22 psia 및 7 psia이다.
제2도는 흡착 용기(19)를 감압시켜 공극 기체가 저순도 산소 탱크(23)에 전달될 수 있게 하는 라살라 등의 특허에 기술된 사이클의 단계1을 도시한 것이다. 제8도는 흡착 용기(19)가 약 22 psia의 최대 흡착 압력에 이르고, 생성물의 생성이 완료된 후에 일어나는 본 발명에 의해 수행되는 감압 단계 1a를 도시한 것이다. 공급/진공 송풍기(2)는 대기압으로 배기하여 비우고, 흡착 용기(19)는 22 psia 내지 18 psia로 감압된다. (14 내지 20 psia의 최종 압력이 사용될 수 있다). 상부 기체는 산소가 풍부하며 저순도 산소 탱크(23)으로 전달되어, 나중에 사이클에서 환류로서 사용되게 된다. 상기 기체의 순도는 90% 생성물 품질 수준에서 시작하고, 흡착 전면(front)이 흡착 용기(19) 내의 흡착층의 상부를 향해 전진함에 따라 떨어진다. 단계 시간은 2 내지 4초이다.
제9도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공정은 단계 1b로 이동하며, 여기에서 흡착 용기(19) 내의 압력은 약 18 psia로 강하된다. 이 때에, 공급/진공 송풍기(2)의 흡착 용기(19)의 바닥부로부터 폐기 기체를 제거하기 시작한다. 흡착 용기(19)의 상부로부터의 산소 회수 감압 흐름은 흡착층에서의 압력 수준이 저순도 산소 탱크(23)에서의 압력과 동일해질 때까지 계속된다. 이 단계의 차단 압력은 약 15 내지 17 psia이고, 단계 시간은 1 내지 2초이다.
제3도에 도시된 바와 같이, 종래의 시스템의 단계2는 이후에 흡착 용기(19)를 최종 압력이 약 5 psia로 강하될 때까지 배기시킨다. 제10도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 단계2는 또한 동일한 단계를 수행하지만, 흡착 용기(19) 내의 압력을 16 psia로부터 6 내지 7 psia로 감소시킬 필요가 있다. 단계 시간은 30초인 제3도에서의 단계 시간과 비교하여 약 20 초이다(5 psia가 되게 하는 시간). 단계2를 수행하는 동안, 흡착층 용기(19)는 상부에서 폐쇄되고, 진공 펌핑되어 용기로부터 폐기 질소를 제거한다. 효율성은 감소하지만, 바닥부 압력이 변동될 수 있다.
종래 기술(제4도) 및 본 발명(제11도) 둘 모두에서 단계3은 흡착 용기(19)의 정화를 수반한다. 상기 단계를 수행하는 동안, 공급/진공 송풍기(2)는 흡착 용기(19)의 바닥부로부터 폐기 질소를 제거하면서, 산소 정화 기체를 상부에 유입시킨다. 정화 기체가 고순도 산소 탱크(26)로부터 회수되는 종래 기술(제4도)과 대조적으로, 본 발명에서는 정화 기체가 저순도 산소 탱크(23)로부터 수득된다. 상기 단계를 수행하는 동안 압력 수준이 약간 상승되는 것이 바람직한 조건이다. 압력 수준은 산소 정화 흐름의 속도를 조절함으로서 조절되고, 사이클의 폐기물 제어 기간을 완결시키며, 산소 전면은 흡착 용기(19) 내의 흡착제층의 바닥부의 아주 가까이까지 낮아진다. 단계3은 흡착제층의 바닥부에서의 폐기물 순도가 서서히 상승하기 시작하여, 산소 차단 신호를 발생할 경우에 완결된다. 단계 시간은 5 내지 9초이다.
종래 기술에서의 다음 단계(단계4)는 고순도 산소 탱크(26)로부터 저순도 산소 탱크(23)로 산소 공급을 전환시킴으로써 흡착 용기(19) 내의 균압 및 압력 상승을 수반한다(제5도). 제12도 및 제13도에서, 동일한 작용이 산소 회수 가압/중복 공급(단계4a) 및 생성물 가압/중복 공급(단계4b)의 하위 단계에 의해 달성된다. 단계4a에서, 공급 공기는 공급/진공 송풍기(2)에 의해 흡착 용기(19)의 바닥부에 도입되고, 그 안에서 압력이 상승하기 시작한다. 압력은 약 9 psia로부터 13 psia로 상승한다. 동시에, 산소 환류 기체가 저순도 산소 탱크(23)로부터 흡착 용기(19)의 상부에 도입된다. 상기 산소의 순도는 85 내지 90%이다.
단계4a를 수행하는 동안, 산소 기체의 도입(제12도)은 공급/진공 송풍기(2)의 이용성을 증가시켜서, 유닛에 대한 용량을 최대화시킨다. 층 압력이 빠르게 상승하고, 가능한 한 높은 압력에서 대량의 공기 공급물이 도입되게 된다. 단계4a의 단계 시간은 1 내지 2초이다.
제13도에서, 단계4b는 공급/진공 송풍기(2)로부터 공급 공기의 도입을 계속하며, 동시에 산소 환류 기체가 고순도 산소 용기(26)로부터 흡착 용기(19)의 상부에 도입된다. 이 단계 동안, 압력은 13 psia로부터 18 psia로 상승한다. 유입 산소의 순도, 또는 생성물의 품질은 90%이다. 고순도 산소 탱크(26)로부터의 산소를 이용함으로써, 환류 산소는 흡착층이 생성물 생성 단계에 근접함에 따라 생성물의 수준과 동일한 수준으로 상승한다. 사이클의 상기 부분에 대한 단계 시간은 약 3 내지 5초이다.
제6도에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 단계5는 공기가 공급/진공 송풍기(2)에 의해 흡착 용기(19)의 바닥부에 도입되는 공급 단계에 의해 사이클을 계속한다. 제14도로부터 알 수 있는 바와 같이, 동일한 단계5가 본 발명에서 일어나며, 공급 공기의 압력은 흡착 용기(19)내의 압력이 생성물 생성 압력에 도달할 때까지 계속된다. 상기 압력은 가능한 한 상부 압력에 근접하며, 고순도 산소 탱크(26)의 크기에 따라 변할 수 있다. 상기 단계 종료시에 최종 압력은 약 19 내지 21 psia이며, 단계 시간은 4초이다.
최종적으로, 종래 기술의 방법에서 공급/생성물 생성 단계6(제7도)은 공기를 공급/진공 송풍기(2)로부터 흡착 용기(19)내로 계속 공급시키고, 산소를 용기(19)의 상부로부터 고순도 산소 탱크(26)에 공급하는 것을 수반한다.
제15도에 도시된 바와 같이, 공급/생성물 생성 단계6이 사용되어, 공급 공기가 상부 압력 또는 이에 근접하는 압력하에서 흡착 용기(19)의 바닥부에 도입된다.
생성물 가압/중복 공급(제13도에 도시됨)으로부터의 산소를 사용하기 때문에, 생성 단계의 출발시에 순도의 변동은 없다. 개선된 방법은 또한 원래의 사이클과 비교하여 축소된 고순도 환류 요건과 함께, 비교적 일정한 압력의 생성물 생성 단계로 작동한다. 따라서, 공급/생성물 생성 단계6의 단계 시간은 제7도에 도시된 단계6에 대한 14초와 비교하여, 9초이다.
단계6은 상승 압력 또는 비교적 일정한 압력 방식으로 작업될 수 있다. 일정한 압력의 생성물 생성 시스템이 바람직하다. 산소 분리 전면은 생성물 생성 단계 동안 파괴되지도 않고, 생성물 생성 단계 전에 가압 기체로서 생성물 품질의 산소의 도입으로 인해 생성물 생성의 출발시에 순도의 큰 변동도 일어나지 않는다(제13도 참조). 단계6의 종결시의 압력은 20 내지 22 psia의 최종 상부 압력이다.
상기 기술된 사이클은 생성물 생성 기간 동안에 비교적 일정한 순도의 산소 흐름을 생성시킨다. 생성물은 소비자에서 지속적으로 전달하기 위해 고순도의 산소 탱크(26)에 축적된다. 산소 생성물의 압력 수준의 변동은 탱크(26) 및 생성물 산소 압력 제어 시스템의 크기 조절에 의해 조절될 수 있다. 탱크(26) 내로의 생성물의 축적은 또한 혼합 탱크로서 작용하며, 생성물의 순도를 거의 일정하게 유지시킨다.
제8도 내지 제15도에 도시된 VPSA 사이클은 제9도에 도시된 산소 회수/감압/중복 배기 단계 없이 작동하게 될 수 있다. 중복 산소 회수/감압/중복 배기 단계는 진공 펌프 이용을 최적화하는데 사용되며, 저순도 산소 탱크(23)의 크기에 의해 영향 받는다. 또한, 20 내지 22 psia의 상부 압력 및 약 6 내지 7 psia의 바닥부 압력이 바람직하지만, 상부 및 바닥부 압력 수준은 또한 사이클에서 변화될 수 있다. 이는 특정 흡착제 및 기계의 성능을 최적화하기 위해 일어난다(예를 들어, 5 내지 9 psia의 바닥 압력 및 19 내지 24 psia의 상부 압력).
제11에 도시된 정화 단계는 또한 바닥부 압력 및 흡착제 특성에 따라 변화 될 수 있다. 정화 단계는 주기의 약 10%를 점유하는 것이 일반적이다. 압력 및 정화 흐름 속도를 조절함으로써, 정화 단계의 시간은 주기의 0 내지 15%로 다양해 질 수 있다.
또한, 제13도에 도시된 생성물 가압 단계는 증가 또는 감소되어 다양한 시간 동안 가압 기체를 제공할 수 있다. 사용된 생성물 가압 기체의 양은 고순도 산소 탱크(26)의 크기의 함수이다.
최종적으로, 사이클은 상승 압력 생성물 생성과 비교하여 일정한 압력으로 작동하게 될 수 있다. 고순도 산소 탱크(26)의 크기 및 생성물 산소 흐름 제어의 특정화가 이용되어 생성물 생성 단계 동안 압력 프로필을 변경시킬 수 있다. 사이클 시험은 일정 압력 시스템의 사용으로 3 내지 4%의 용량 증가가 예상됨을 나타낸다. 사이클은 각각 밸브(29 및 22)를 경유하여 흡착제와 연통하는 고순도 및 저순도 탱크(26 및 23)로 작동된다. 개선된 사이클은 밸브(29)가 점검 밸브로서 작동하도록 제어될 수 있기 때문에, 점검 밸브(25) 없이 작동할 수 있다.
상술된 설명은 본 발명을 단지 예시하는 것으로 이해해야 한다. 본 발명으로부터 벗어남이 없이 여러 대안 및 변형이 당업자에 의해 발명될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 상기 모든 대안, 변경 및 변형을 포함하도록 의도된다.
공기로부터 산소를 회수하기 위한 본 발명의 단일층 압력 순환 흡착 방법은 30,000 NCFH 이하의 산소 플랜트 용량의 경우에, 하나 이상의 저흡착성 성분 및 하나 이상의 고흡착성 성분을 함유하는 공급 기체 혼합물의 하나 이상의 성분을 분리하고 정제하는데 상업적으로 유용하다.

Claims (10)

  1. (a) 공급 공기를 질소를 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착제의 단일층을 포함하는 흡착 용기의 공급 단부에 도입시키면서, 공기의 도입의 결과로서 흡착제 재료의 층 내의 압력을 중간 흡착 압력으로부터 보다 높은 흡착 압력으로 증가시키는 단계 ; (b) 보다 높은 흡착 압력하에 추가량의 공급 공기를 흡착 용기에 도입시키면서, 산소를 상기의 보다 높은 흡착 압력하에 흡착 용기의 생성 단부로부터 고순도 산소 탱크로 통과시키는 단계; (c) 흡착제 재료의 층을 층의 생성 단부로부터 저순도 산소 탱크로 공극 공간 기체를 방출시켜 중간 압력으로 감압시키는 단계; (d) 흡착제 재료의 층을 공급 단부로부터 추가량의 기체를 배기시켜 중간 압력으로부터 보다 낮은 탈착 압력으로 감압시키는 단계; (e) 공극 공간 기체 흐름을 정화 기체로서 저순도 산소 탱크로부터 층의 생성 단부로 통과시켜서, 탈착된 질소를 보다 낮은 탈착 압력하에 흡착제 재료의 층로부터 방출시키고, 방출된 탈착된 질소를 층의 공급 단부로부터 방출시키는 단계; (f) 공극 공간 기체를 저순도 산소 탱크로부터 층의 생성 단부에 도입시키면서, 동시에 공기를 층의 공급 단부에 도입시켜, 층 내의 압력을 보다 낮은 탈착 압력으로부터 중간 탈착 압력으로 증가시키는 단계 ; 및 (g) 상기 단계(a) 내지(f)의 순환 작업이 계속됨에 따라, 추가량의 공급 공기를 층의 공급 단부로 통과시켜서 그 안의 압력을 상승시키는 단계를 포함하여, 공기로부터 산소를 회수하기 위한 압력 순환 흡착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계(a)에서 산소를 흡착 용기의 생성 단부로부터 고순도 산소 탱크로 통과시키고, 추가량의 공급 공기를 보다 높은 흡착 압력하에 흡착 용기에 도입시키거나 도입시키지 않으면서 단계(b)에서 산소를 흡착 용기의 생성 단부로부터 고순도 산소 탱크로 통과시키는 것을 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 단계(b)에서 추가량의 공급 공기를 보다 높은 흡착 압력하에 흡착 용기에 도입시키는 것을 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 단계(b)에서 추가량의 공급 공기를 보다 높은 흡착 압력하에 흡착 용기에 도입시키지 않는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계(f) 후에, 산소를 고순도 산소 탱크로부터 흡착제 재료의 생성 단부로 도입시키면서, 동시에 층의 상기 공급 단부에 공기를 도입시켜서, 층 내의 압력을 중간 탈착 압력으로부터 증가시킬 수 있도록 하는 것을 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 보다 낮은 흡착 압력이 5 내지 9 psia인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 보다 높은 압력이 20 내지 24 psia인 방법.
  8. 제2항에 있어서, 단계(f) 후에, 산소를 고순도 산소 탱크로부터 흡착제 재료의 층의 생성 단부로 도입시키면서, 동시에 공기를 층의 공급 단부에 도입시켜서, 층 내의 압력을 중간 탈착 압력으로부터 증가시킬 수 있도록 하는 것을 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 단계(c) 후에, 추가량의 공극 공간 기체를 층의 생성 단부로부터 저순도 산소 탱크로 방출시키면서, 동시에 흡착 용기를 이것의 공급 단부로부터 배기시킴으로써 흡착제 재료의 층을 추가로 감압시키는 것을 포함하는 방법.
  10. 제2항에 있어서, 단계(c) 후에, 추가량의 공극 공간 기체를 층의 생성 단부로부터 저순도 산소 탱크로 방출시키면서, 동시에 흡착 용기를 이것의 공급 단부로부터 배기시킴으로써 흡착제 재료의 층을 추가로 감압시키는 것을 포함하는 방법.
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