KR100395829B1 - 반투막을 이용한 다단계 가스 분리방법 - Google Patents

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Abstract

투과 가스를 다단계 막 공정을 이용하여 원하는 정도의 높은 순도로 분리하는 방법 및 그에 이용되는 장치에 관한 것으로서, 제1 단계에서는 처리될 가스 혼합물을 상대적으로 높은 고유 투과율을 갖는 막을 포함하는 제1 막 분리기에 공급하여 중간산물인 투과 가스와 잔류 가스를 얻고, 제2 단계에서는 상기 중간산물중 투과 가스를 고유 투과율이 상대적으로 낮은 막을 포함하는 제2 막 분리기에 공급하여 순도가 매우 높은 투과 가스 생성물을 분리하는 방법 및 장치가 개시되어 있다.

Description

반투막을 이용한 다단계 가스 분리방법
미국 특허 제4,990,168호 (Sauer등)에는 두단계 이상으로 된 막을 이용한 가스 분리방법과, 증류 반응을 통하여 이산화탄소를 75% 정도의 고농도로 함유하고 있는 미처리 가스 혼합물 (destination tail gas mixture)로부터 이산화탄소를 분리 및 농축시키는 방법이 기재되어 있다. 막 물질의 특성 및 조성이 상세하게 기술되어 있는데, 그 예로는 폴리이미드, 폴리아리미드, 폴리에스테르 폴리아미드 및 초산아세테이트를 들 수 있다. 서로 다른 단계에서 적용할 수 있는 서로 다른 특성을 갖는 서로 다른 막 물질을 이용하는 방법에 대하여는 기재되지 않았다.
그러나, 상기 사우어 특허 (제'168호)에 개시된 방법은 통상의 CO2액화기의 미처리 가스 (tail gas)와 같이 이산화탄소를 고농도로 함유하고 있는 가스 혼합물을 이용할 수 있는 분야에서만 제한적으로 사용될 뿐이며, 화석연료 연소가스 또는석회가마 (limekiln) 분출 가스와 같이 이산화탄소를 고농도로 함유하는 가스를 쉽게 이용할 수 없는 다른 많은 분야에서는 효용 가치가 거의 없다. 그러므로, 사우어 특허 (제'168호)는 상당히 고농도의 이산화탄소를 함유하는 소스 (source)를 이용할 수 없는 분야에서는 고순도 이산화탄소를 얻을 수 없다는 문제점을 적절하게 지적하지 못하였다.
미국 특허 제5,102,432호 (Prasad)는 두단계 이상의 막을 이용하여 주위 공기로부터 고순도의 질소를 분리 및 농축하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 가스 혼합물중 투과성이 작은 성분을 연속되는 단계들을 통해 고압 비투과상으로서 정제함으로써 고순도로 농축하는 방법에 관한 것이다. 프라새드 특허 (제'432호)에서 하류 막의 투과 가스는 초기의 공급 가스로 및/또는 상류 막의 비투과상으로 재순환된다. 또한, 프라새드 특허 (제'431호)에는 막 선택성의 범위에 대한 설명이 기재되어 있다.
고순도의 가스를 경제적이고도 효율적인 방법으로 수득할 수 있는 개선된 방법 및 장치에 대한 필요성이 지속적으로 대두되어 왔고; 특히 전술한 바와 같이 쉽게 이용할 수 있는 저농도의 소스로부터 출발하여 고순도의 이산화탄소를 얻을 수 있는 개선된 방법 및 장치가 강력하게 요구되고 있다.
발명의 개요
본 발명에 따르면, 막을 이용하여 얻고자 하는 고투과 가스를 40몰% 미만으로 함유하는 가스 혼합물로부터 상기 얻고자 하는 고투과 가스를 매우 높은 순도로 분리하는 방법으로서, 고유 투과율이 상대적으로 높은 막을 포함하는 제1 막 분리기에 처리할 가스 혼합물을 공급하여 중간산물로서 투과 가스와 잔류 가스를 수득하는 제1 단계; 및 선택율이 상대적으로 높은 막을 포함하는 제2 막 분리기에 중간산물중 투과 가스를 공급하여 그로부터 매우 높은 순도의 투과 가스 생성물을 수득하는 제2단계를 포함하는, 막을 이용한 가스 분리방법이 제공된다. 제1 막 분리기의 막은 250배럴/cm× 104을 초과하는 고유 투과율을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 제2 막 분리기의 막은 250배럴/cm× 104이하의 고유 투과율을 갖는 것이 바람직하다.
다른 면에서, 본 발명은 본 발명의 방법을 실행할 수 있는 장치, 즉 처리할 가스 혼합물을 고유 투과율이 상대적으로 높은 막을 포함하는 제1 단계 막 분리기에 공급하는 수단, 및 상기 제1 단계 막 분리기로부터 생산된 중간산물중 투과 가스를 고유 투과율이 상대적으로 낮은 막을 포함하는 제2 단계 막 분리기에 공급하는 수단을 포함하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 통상 함께 혼합되어 있는 다른 가스에 비하여 중합체 막에 대한 투과성이 더 좋은 가스를 고순도로 분리하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 예를 들어 이산화탄소와 같이 투과성이 좋은 가스를 소정의 막을 통해 투과하여 고순도로 분리, 농축한다.
도 1은 공기를 통상의 중합체 막을 포함하는 분리기에 공급함으로써 순도가 높은 잔류 N2생성물을 수득하는, 하나의 막을 이용한 가스 분리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 제2 단계에서 생성되는 N2가 풍부한 투과 가스를 초기의 공급 공기로 재순환시킴으로써 N2가스를 고순도 잔류 가스로서 수득하는, 2개의 막을 이용한 가스 분리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 후술하는 본 발명의 실시예에서와 같이, 제2 단계로부터 잔류하는 가스를 초기 공급 가스로 재순환시킴으로써 투과 가스를 두단계로 정제하는 방법을설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따르면, 일부 가스에 있어서는 통상적으로 고유 투과율을 점진적으로 낮춘 막을 순차적으로 사용하는 방법인 한단계 이상의 가스 분리방법을 이용하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 보다 구체적으로는, 투과성이 더 좋은 성분을 96.0+부피% 정도의 순도로 분리 및 농축하는 것이 바람직한 경우의 가스 혼합물의 분리에 있어서, 제1 단계에서는 고유 투과율이 상대적으로 높은 막을 이용하고 제2 단계 또는 후속의 단계에서는 고유 투과율이 상대적으로 낮은 막을 이용하는 두단계 이상의 막 시스템이 이용되는 경우에는 막의 총면적이 작아져야 한다는 것을 발견하였다. 이와 같은 방법으로 처리하는 경우에 상대적으로 높은 고유 투과율을 나타내는 통상적인 가스의 예로는 이산화탄소와 수소가 있다.
고유 투과율이 상대적으로 높은 막은 보다 작은 면적으로도 주어진 가스를 통과시킬 수 있지만 통상 가스 간의 선택율이 더 낮다. 이에 반하여, 선택율이 상대적으로 높은 막은 통상 혼합물을 구성하는 가스 성분들에 대하여 더 낮은 고유 투과율을 나타낸다. 그러나, 초기의 막 분리 단계(들)로부터 공급되는 농축된 투과생성물의 흐름이 감소되기 때문에 제2 또는 후속의 막 분리 단계에서 낮은 고유 투과율이 제한요소로 작용하지는 않는다. 제2 막 분리 단계에서 선택율이 높을수록 최종적으로 얻어지는 투과성 생성물의 순도가 높아진다. 그러므로, 본 발명에 따르면 다단계 막 분리 공정에서 단계가 거듭될수록 선택도가 더 높은 막을 사용하면 단위막 공정을 통해 높은 투과율과 선택도를 동시에 얻을 수 있게 됨으로써 보다 높은 효율을 갖는 보다 작은 크기의 막을 사용할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 더욱 구체적으로는, 본 발명에 따른 이상적인 다단계 막 공정에 따르면, 초기에 제1 단계에서 투과율이 높은 막을 사용함으로써 최소한의 면적을 갖는 막으로도 중간산물인 투과 가스에서 소망하는 정도의 고순도를 갖는 투과 가스 생성물의 중간 농도(40 내지 80부피%)를 얻게 된다. 본 발명에 따르면, 제2 또는 후속의 단계에서는 고유 투과율이 낮은 막을 사용함으로써 최소한의 면적을 갖는 막으로 약 96.0부피% 이상의 고순도를 갖는 투과 가스를 얻는다. 최초 단계로부터 투과 가스의 흐름이 농축 및 감소됨에 따라 고유 투과율이 더 낮은 후속 또는 제2 막에 적합하게 된다.
통상적으로 허용되는 투과율의 단위는 배럴 (Barrer)로서 알려져 있으며, 통상 하기의 단위로 표시된다: P=(㎤*㎤)_(㎠*sec*cmHg)*10-10, 고유 투과율은 투과율을 막의 투과 선택 (perma-selective) 장벽 두께로 나눈 값으로서, 통상 하기의 단위로 표시된다: P/L=(㎤)_(㎠×sec×cmHg)*10-10(여기서, L은 장벽 두께 (cm)이다).
투과성이 작은 가스에 대한 투과성이 높은 가스의 선택율은 그들간의 투과율의 비로서 정의된다. 통상적인 네 종류의 가스에 대한 막 물질의 고유 투과율 (배럴/cm× 10-4)을 CO2/N2와 O2/N2선택율과 함께 하기에 나타내었다.
Figure pct00001
확산에 관한 픽의 법칙 (Fick's Law)과 흡수에 관한 헨리의 법칙 (Henry's Law)으로부터 어떤 가스 성분이 막을 통과하는 가스 투과 속도 (V)(유량/단위면적/단위시간)은 고유 투과율 (P/L)에 막 장벽을 통과하는 부분압력차 (p1-p2)를 곱한 값과 동일하다 (여기서, p1은 고압의 잔류 가스의 부분 압력이고, p2는 저압의 투과 가스의 부분 압력이다). 즉. V=P/L (p1-p2)이다.
가스 혼합물중에서 분리하고자 하는 성분이 혼합물 중의 다른 성분에 비해 투과성이 좋을 수도 있고 나쁠 수도 있다. 목적하는 성분의 투과성이 다소 떨어지는 경우에는 막이 잔류물에 대한 선택성을 가지는 것이며, 공급되는 가스는 잔류 성분 또는 투과성이 좋지 않은 (즉, 잔류하는) 성분에서 고순도로 정제된다. 공급-잔류 상은 막의 상방측에 있는 고압 가스인데, 이하에서는 이를 잔류상이라고 칭한다. 막의 하방측에는 훨씬 낮은 압력, 통상은 1기압보다 약간 높은 압력으로 투과상이 공급된다. 거의 모든 상업적 막 분리 방법들은 잔류 가스를 통상은 한단계의 막 공정으로 고순도로 정제하는데 사용된다. 그 일예로서 공기, 보다 더 적절하게는 질소가 풍부한 공기 중에서 산소를 분리하는 방법을 들 수 있다. 예를 들어, 약 79부피%의 질소와 21부피%의 산소를 포함하는 주위 공기를 가압하여 폴리카르보네이트막의 상방측으로 통과시킨다. 이렇게 하면, 투과성이 더 좋은 산소는 질소보다 훨씬 더 빠르게 막을 투과하여 약 99부피%의 질소 생성물상이 잔류하게 되고, 약 31.5부피%의 산소(68.5부피%의 질소)는 통상 대기중으로 되돌아가는 투과 폐기가스상이 형성된다.
다른 상업적인 예는 천연가스로부터 이산화탄소를 분리하는 방법, 보다 적절하게는 메탄이 풍부하거나 파이프라인 품질의 가스를 제조하는 방법이다. 93부피%의 메탄과 7부피%의 이산화탄소로 된 천연 가스를 가압하에 초산아세테이트막의 상방측으로 통과시킨다. 투과율이 더 높은 이산화탄소는 훨씬 빨리 투과되므로 생성되는 잔류상에는 98% 순도의 메탄이 남고 폐기되는 투과상에는 약 37부피% 순도의이산화탄소가 포함되는데, 이것은 제조되는 장소에서 통상 연소되어 대기중으로 되돌아간다. 통상 전술한 것과 같은 일단계 막은 잔류상을 하나의 가압 잔류상으로 점근적 순도인 99.0+%로 전환하는데 가장 적합하다. 한단계 잔류막의 최적 성능은 공급속도 (유량/단위면적/단위시간)와 막의 표면적을 조화시킴으로써 얻어진다.
통상적인 한단계 막 공정인 폴리카르보네이트막을 이용하여 질소가 풍부한 잔류 가스를 제조하는 공정도가 도 1에 나타나있다. 공급 가스는 항상 가압된 주위공기이다. 가압된 잔류 가스를 후속의 막에 공급하여 질소가 풍부한 가스를 더 정제하면 생성되는 잔류상의 점근적 농도는 99.5부피%까지, 심지어는 99.95부피%까지 증가될 수 있다. 생성되는 잔류상의 최종 순도는 공급되는 가스의 유속과 막의 전체 면적의 함수로 표시된다. 다단계의 경우에 모든 단계에서 동일하게 낮은 고유 투과율을 갖는 막이 사용되는데, 이는 상기 막이 산소 선택율이 질소보다 상대적으로 높고 초기 질소 공급 순도가 79%로 상대적으로 높기 때문이다.
도 2는 99.5부피%의 순도를 갖는 질소를 수득하기 위한 두단계 막 공정의 예이다. 본 발명에 따른 다단계 막 공정은 고순도의 질소 잔류상을 얻는 것을 목적으로 하는 경우에 사용될 수 있는 공기 분리법으로서는 유용하지 않은데, 이는 제1 막 분리 단계의 고유 투과율이 상대적으로 높을 뿐 아니라 초기에 공급되는 공기중의 질소 농도가 상대적으로 높아서 과량의 질소가 막을 투과함에 따라 잔류 가스로부터의 질소 회수율이 떨어지기 때문이다.
본 발명에 따른 다단계 막 공정은 소망하는 가스를 투과시켜서 본 발명의 방법에 따라 40% 이하의 상대적으로 낮은 초기 농도에서 약 96.0% 이상의 고순도로농축시키는 것을 목적으로 하는 경우에 매우 유용하다.
도 3은 하기 표 3에 기록된 바와 같은 유속으로 하여, 이산화탄소를 약 96.0+부피%의 순도로 분리할 수 있는, 본 발명에 따른 두단계 막 공정을 나타낸다. 하기 표 1에는 막이 모두 단일 성분, 즉 폴리카르보네이트인 비교예의 경우로서 도 3에 도시된 바와 같이 유속, 물질의 비율 및 막의 면적이 나타나있다. 처리할 공급가스 혼합물 F1의 조성은 11.7%의 이산화탄소와 88.3%의 질소로서, 이 조성은 연소물에서 물이 제거된 다음의 천연가스 연소 배기가스의 조성과 같다.
표 1로부터, 제1 단계에서는 처리될 공급 가스 혼합물중에 초기에 존재하는 이산화탄소의 약 76.5%를 회수하면서 P2에 96.0부피% 순도의 이산화탄소를 얻기 위해서는 약 70.712ft2의 막이, 제2 단계에서는 4,600ft2의 막 또는 전체 75.313ft2의 막이 필요하다. 즉, 처리될 가스 혼합물 F1중의 이산화탄소중 23.5부피%만큼은 폐기물로서 제1 단계 잔류 가스 R1에 잔류한다.
Figure pct00002
다시 도 3을 참조하여, 표 2에는 제1 단계에서 폴리카르보네이트 대신에 초산아세테이트를 사용한 것은 제외하고는 본 발명의 방법과 동일하게 실시한 결과를 나타내었는데, 표 1에서와 유사한 반응 및 유사한 유속을 나타낸다.
Figure pct00003
매우 특이한 것은, 이 경우에 제1 단계에서는 단지 약 20.055ft2의 막이 필요하며, 두단계에 걸친 막 면적의 합계가 24.648ft2에 불과하여도 동일한 결과를 얻은 것이다.
도 3을 다시 참조하면, 표 3은 제1 단계에서 순수한 초산셀룰로오즈나 폴리카르보네이트 대신에 실리콘 폴리카르보네이트 공중합체 막을 사용하는 것을 제외하고는 본 발명의 방법과 동일하게 실시한 결과를 나타내는데, 표 1 및 2에서와 유사한 반응 및 유사한 유속을 나타낸다.
Figure pct00004
이 경우에는, 제1 단계에서 더욱 작은 면적인 약 2.261ft2의 막을 필요로 하며, 두단계에 걸친 막의 면적의 합계가 6.859ft2에 불과하여도 동일한 결과, 즉 96.0부피% 이상의 CO2를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 표 3의 공정은 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 나타낸다.
본 발명의 방법 및 장치를 사용하는 모든 사용자가 얻을 수 있는 주요한 잇점은 특정한 가스를 분리하는데 필요한 막의 전제 면적을 감소시킬 수 있다는 점이다. 막의 총면적이 얼마이든간에 본 발명은 실질적으로 더 높은 생산성을 제공한다. 예를 들어, 표 1과 3을 비교해보면, 공급 가스량이 약 37,973에서 39,621scfh(standard cubic feet per hour)로 되었지만 막면적은 90.0% 감소하였음을 알 수 있다.
주어진 면적에 있어서, 표 3에 기재된 본 발명은 표 1에 나타낸 바와 같이 같은 종류의 막을 사용하는 방법에 비하여 11.3 (공급 유속)배로 처리될 가스를 유동시킬 수 있다.
본 발명의 일반적인 공정은 특히 바람직한 본 발명의 실시예로서 도 3에 대한 설명 및 표 3에 나타낸 데이터를 근거로 하여 하기에 더 설명하기로 한다. 여기서, 다른 언급이 없는 한 부 (part)와 퍼센트 (%)는 모두 부피부 및 부피%를 나타내는 것이며, 이것은 몰 분율과 같은 값을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서 막에 공급되는 가스가 화석 연료와 같은 탄화수소 연료를 공기중에서 연소시킨 후 얻은 생성물인 경우를 들어 본 발명을 더 설명하기로 한다. 그러나, 40부피% 이하의 CO2, 나머지는 일반적으로 공기 또는 질소 또는 투과율이 다소 낮은 기타 가스 또는 가스들인 가스 혼합물이 사용되는 경우에는 이들을 본 발명에 따라서 분리할 수 있다. 본 발명의 방법은 25부피% 이하의 CO2를 포함하는 가스 혼합물이 사용되는 경우에도 바람직하며, 11.7부피% 이하의 CO2를 포함하는 가스 혼합물이 사용되는 경우에는 더욱 바람직하다.
통상의 천연 가스 또는 메탄 연소 장치의 배기 가스는 세정 및 탈수 단계 후 화학양론적으로 약 11.7%의 이산화탄소와 88.3%의 N2로 된 조성을 갖는다. 다음으로, 전처리된 공급 가스를 약 90psia (pounds per square inch absolute) (465cmHg)로 압축하고 막의 권장 작동 온도 범위인 약 25℃ (77° F) 내지 50℃ (122° F)로 냉각시킨다. 이어서, 압축된 공급 가스 혼합물을 본 발명에 따른 두단계 막 공정 중에서 제1 단계 막에 통과시킨다. 제1 단계 막은 약 0.0001cm (1㎛ 또는 10,000Å)의 투과 선택층 (perma-selective layer)을 갖는 실리콘/폴리카르보네이트 공중합체로 되어 있다. 이러한 공급 가스 조성, 압력 및 유속의 조건 하에서 회수되는 투과 가스에는 공급된 이산화탄소중 약 85%가 약 40부피% 순도로 함유되어 있다. 산출된 투과 가스의 유량으로부터 제1 단계 투과 가스 중 100파운드의 이산화탄소 당 막 면적 인자는 약 256ft2이다. 표 3에 나타낸 바와 같이 초기에 공급되는 가스(F1)의 유량은 약 39,621scfh이다. 제2 단계로부터 잔류하는 재순환 가스 R2의 유량과 상기 초기에 공급되는 가스 F1의 유량을 합한 값은 약 50,748scfh이고, 상기에서 산출된 면적 요소에 의해 제1 단계에서 필요한 전체 막 면적이 약 2,261ft이인 것으로 결정된다. 제1 단계에서의 투과 가스 P1의 유량인 약 14.666scft를 약 100psia (517cmHg)로 압축하고, 전술한 바와 같은 소정의 온도 범위로 막을 냉각시키면 제2 단계 공급 가스인 F2가 된다.
다음으로, 제2 단계 공급 가스인 F2를 약 0.00001cm (0.1㎛ 또는 1,000Å)의 투과 선택층을 갖는 폴리카르보네이트 중합체로 된 제2 및 최종 단계의 막에 통과시킨다. 이러한 공급 가스의 조성, 압력 및 유량의 조건하에 제2 단계로부터 얻어지는 투과 가스는 약 96.0부피%의 순도를 갖는다. 산출된 투과 가스의 유량으로 볼때, 제2 단계 투과 가스중 100파운드의 이산화탄소당 막 면적 인자는 약 1,103ft2이다. 표 3으로부터 제2 단계 공급 가스인 F2의 유량은 약 14.666scfh라는 것을 알 수 있고, 상기의 면적 인자로부터 제2 단계에서 약 4,598ft2의 막 면적이 필요한 것을 알 수 있다.
바람직한 실시예에서 각 단계에서 사용되는 막의 총면적은 약 6,859ft2인데, 이중 고유 투과율이 상대적으로 높은 제1 막 분리기, 즉 실리콘 폴리카르보네이트 공중합 수지로 된 막의 면적이 전체 막 면적의 약 33.0%를 차지하며, 고유 투과율이 상대적으로 낮은 제2 막 분리기, 즉 폴리카르보네이트로 된 막의 면적이 그 나머지를 차지한다. 비교 분석하여 보면, 표 1에서와 같이 두개의 막 단계에서 사용되는 막이 모두 상대적으로 낮은 고유 투과율을 갖는다면 동일한 양의 가스를 분리하는데 필요한 전체 막 면적은 약 75,313ft2이며, 이중 제1 단계에서 사용되는 막의 면적이 전체 막 면적의 약 93%에 달하는 70,713ft2이다. 즉, 본 발명의 중요한 잇점은 막 면적을 크게 감소시킬 수 있다는 것이다. 바꾸어 말하면, 소정의 면적을 갖는 막 시스템이 있을 경우, 본 발명에 의하면 처리 용량이 훨씬 더 크다는 것이다(1130% 증가).
본 발명의 가장 바람직한 실시예는 부생성물로서 질소 순도가 약 97%로서 상당히 높고 나머지량은 이산화탄소인 제1 단계의 잔류 가스를 제공한다. 이러한 질소 순도는 낮은 순도에서 높은 순도의 범위중 중간으로 간주될 수 있지만, 이산화탄소 또한 불활성이기 때문에 상기 부생성물이 통상적인 목적의 불활성 가스로서 사용될 수 있다. 이러한 조성을 갖는 부생성물인 잔류 가스를 그대로 사용하거나 더 정제하여 목적하는 고순도의 질소를 얻는다.
전술한 바람직한 실시예에서 매우 높은 순도를 갖는 투과 가스 P2를 약260psia로 압축하고, 계속하여 99.95부피% 이산화탄소 가스 혼합물의 이슬점인 약 -14° F로 준냉각하는 것이 바람직하다. 이렇게 생성된 액화 이산화탄소를 임의의 유용한 목적을 위해 저장하거나 그대로 사용할 수 있다.
전술한 바와 같은 바람직한 실시예에 있어서, 각종 반응 기류를 본 발명에 따라서 전처리, 냉각, 운반, 및 압축하기 위한 수단은 미국 특허 제5,233,837호(Callahan 특허)에 기재된 것에 한정되지 않는데, 상기 특허는 본 명세서에 참고자료로 이용되었다.
본 발명을 그의 바람직한 실시예를 들어 보다 상세하게 기술하였는바, 본 발명의 기술적 취지 및 사상을 벗어남이 없이 당업자에 의한 여러 가지 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다.

Claims (11)

  1. 막을 이용하여 소망하는 투과 가스를 40부피% 미만으로 함유하는 공급 가스 혼합물로부터 소망하는 가스를 매우 높은 순도로 분리하는 방법으로서,
    처리될 상기 공급 가스 혼합물을 제1 막 분리기에 공급하여 중간산물인 투과가스와 잔류 가스를 수득하는 제1단계; 및
    중간산물중 투과 가스를 제2 막 분리기에 공급하여 그로부터 매우 높은 순도의 투과 가스 생성물을 수득하는 제2단계를 포함하며,
    상기 제1 막 분리기는 제2 막 분리기에 포함된 막의 고유 투과율보다 높은 고유 투과율을 가진 막을 포함하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 막 분리기가 250배럴/cm× 104을 초과하는 고유 투과율을 갖는 막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 막 분리기가 250배럴/cm× 104이하의 고유 투과율을 갖는 막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1 막 분리기가 250배럴/cm× 104을 초과하는 고유 투과율을 갖는 막을 포함하며 제2 막 분리기가 250배럴/cm× 104이하의 고유 투과율을 갖는 막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중간산물인 투과 가스가 매우 높은 순도의 투과 가스 생성물로서 공급되는 가스를 40 내지 80부피% 포함하는 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  6. 제1항에 있어서, 처리될 공급 가스 혼합물이 화석 연료 연소 생성물인 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  7. 제1항에 있어서, 처리될 공급 가스 혼합물이 공기 중의 탄화수소 연소 생성물인 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  8. 제1항에 있어서, 처리될 공급 가스 혼합물이 석회 가마에서의 화석 연료 연소 생성물인 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 처리될 공급 가스 혼합물이 25부피% 이하의 이산화탄소를 포함하는 공정 기류인 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 처리될 공급 가스 혼합물이 11.7부피% 이하의 이산화탄소를 포함하는 공정 기류인 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 처리될 공급 가스 혼합물이 이산화탄소를 포함하며, 상기 이산화탄소가 96.0부피% 이상의 매우 높은 순도를 갖는 투과 가스 생성물로서 회수되는 것을 특징으로 하는, 막을 이용한 가스 분리방법.
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Families Citing this family (52)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5482539A (en) * 1993-09-22 1996-01-09 Enerfex, Inc. Multiple stage semi-permeable membrane process and apparatus for gas separation
US5693121A (en) * 1994-11-17 1997-12-02 Enerfex, Inc. Semi-permeable membrane separation process for the production of very high purity nitrogen
US5641337A (en) * 1995-12-08 1997-06-24 Permea, Inc. Process for the dehydration of a gas
US5709732A (en) * 1996-04-02 1998-01-20 Praxair Technology, Inc. Advanced membrane system for separating gaseous mixtures
US5730779A (en) * 1996-10-31 1998-03-24 Air Products And Chemicals, Inc. Fluorochemical recovery and recycle using membranes
US5976220A (en) * 1996-12-09 1999-11-02 3M Innovative Properties Company Diffusional gas transfer system and method using same
CA2275960A1 (en) * 1997-01-23 1998-07-30 Gil Dagan Recovery of perfluorinated compounds and hydrofluorocarbon gases using molecular sieve membranes
US5827351A (en) * 1997-02-14 1998-10-27 Praxair Technology, Inc. Air separation system and method
WO1998050331A1 (en) * 1997-05-02 1998-11-12 E.I. Du Pont De Nemours And Company Co2 removal from fluorocarbons by semipermeable membrane
WO1998050332A1 (en) * 1997-05-02 1998-11-12 E.I. Du Pont De Nemours And Company Separation of co2 from unsaturated fluorinated compounds by semipermeable membrane
US5855647A (en) * 1997-05-15 1999-01-05 American Air Liquide, Inc. Process for recovering SF6 from a gas
GB9713989D0 (en) * 1997-07-02 1997-09-10 Boc Group Plc Controlling atmospheres in containers
US5843208A (en) * 1997-07-24 1998-12-01 Alliedsignal Inc. Process for recovering sulfur hexafluoride
EP0908219B1 (en) * 1997-10-09 1999-12-08 Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh Multi-stage process for the separation/recovery of gases
US6179900B1 (en) * 1997-10-09 2001-01-30 Gkss Forschungszentrum Geesthacht Gmbh Process for the separation/recovery of gases
US5976222A (en) * 1998-03-23 1999-11-02 Air Products And Chemicals, Inc. Recovery of perfluorinated compounds from the exhaust of semiconductor fabs using membrane and adsorption in series
US6032484A (en) * 1998-03-23 2000-03-07 Air Products And Chemicals, Inc. Recovery of perfluorinated compounds from the exhaust of semiconductor fabs with recycle of vacuum pump diluent
US6128919A (en) * 1998-04-08 2000-10-10 Messer Griesheim Industries, Inc. Process for separating natural gas and carbon dioxide
US6085549A (en) * 1998-04-08 2000-07-11 Messer Griesheim Industries, Inc. Membrane process for producing carbon dioxide
JP2966836B1 (ja) * 1998-07-22 1999-10-25 日本エア・リキード株式会社 ガス精製方法及びガス精製装置
US6168649B1 (en) * 1998-12-09 2001-01-02 Mg Generon, Inc. Membrane for separation of xenon from oxygen and nitrogen and method of using same
DE19923155A1 (de) * 1999-05-20 2000-11-23 Solvay Fluor & Derivate SF¶6¶-Abtrennung aus Isoliergasen aus gasisolierten Leitungen
JP2001062240A (ja) * 1999-08-27 2001-03-13 Air Liquide Japan Ltd 混合ガスの濃度調整方法および濃度調整装置
JP4357046B2 (ja) * 1999-10-01 2009-11-04 株式会社東芝 ガス回収装置
FR2802114B1 (fr) * 1999-12-09 2002-06-28 Air Liquide Installation et procede de separation de gaz par permeation selective
US6953492B2 (en) * 2000-06-01 2005-10-11 Enerfex, Inc. Membrane technology to reduce nitrogen in natural gas
EP1360985B1 (en) * 2001-01-25 2009-03-18 Ube Industries, Ltd. Method and apparatus for separating and recovering halide gas
US6428606B1 (en) * 2001-03-26 2002-08-06 Membrane Technology And Research, Inc. Membrane gas separation process with compressor interstage recycle
EP2104051B1 (en) * 2001-03-29 2019-11-20 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Data protection system that protects data by encrypting the data
US6830691B2 (en) * 2002-06-27 2004-12-14 Bp Corporation North America Inc. Processes using solid perm-selective membranes in multiple groups for simultaneous recovery of specified products from a fluid mixture
US6630011B1 (en) * 2002-09-17 2003-10-07 Membrane Technology And Research, Inc. Nitrogen removal from natural gas using two types of membranes
US6986802B2 (en) * 2003-08-28 2006-01-17 Bp Corporation North America Inc. Selective separation of fluid compounds utilizing a membrane separation process
US7429287B2 (en) * 2004-08-31 2008-09-30 Bp Corporation North America Inc. High efficiency gas sweetening system and method
US20070150337A1 (en) * 2005-12-22 2007-06-28 Pegasus Transtech Corporation Trucking document delivery system and method
US20070148069A1 (en) * 2005-12-23 2007-06-28 Shrikar Chakravarti Carbon dioxide recovery from flue gas and the like
US20070148068A1 (en) * 2005-12-23 2007-06-28 Burgers Kenneth L Reclaiming amines in carbon dioxide recovery
US20070148070A1 (en) * 2005-12-23 2007-06-28 Shrikar Chakravarti Production of moderate purity carbon dioxide streams
FR2918978B1 (fr) * 2007-07-20 2010-02-12 Inst Francais Du Petrole Nouveau procede de purification d'hydrogene utilisant une combinaison d'unites de separation sur membranes
GB2457929A (en) * 2008-02-28 2009-09-02 David James Benton Process to extract carbon dioxide from air
US8192524B2 (en) * 2009-01-29 2012-06-05 Chevron U.S.A. Inc. Process for upgrading natural gas with improved management of CO2
CN102438728A (zh) * 2009-03-26 2012-05-02 依卡贝尔技术有限公司 用于分离气体的方法
US20100275777A1 (en) * 2009-04-30 2010-11-04 Hasse David J Membrane-Based Process for CO2 Capture from Flue Gases Generated by Oxy-Combustion of Coal
US8231785B2 (en) * 2009-05-12 2012-07-31 Uop Llc Staged membrane system for gas, vapor, and liquid separations
US8454724B2 (en) 2010-06-30 2013-06-04 Uop Llc Flexible system to remove carbon dioxide from a feed natural gas
FR2962994A1 (fr) * 2010-07-20 2012-01-27 Air Liquide Procede de production d’un flux riche en azote
US9545599B2 (en) * 2013-02-28 2017-01-17 Generon Igs, Inc. Hybrid membrane system for gas streams with condensable hydrocarbons
ES2583903T3 (es) * 2013-07-30 2016-09-22 Haldor Topso¿E A/S Procedimiento para producir CO de alta pureza mediante purificación con membrana de CO producido mediante SOEC
US10143961B2 (en) 2015-12-03 2018-12-04 Air Liquide Advanced Technologies U.S. Llc Method and system for purification of natural gas using membranes
CN108339377B (zh) * 2017-01-23 2021-02-26 神华集团有限责任公司 一种从含co2气流中分离co2的方法和膜分离系统
RU170496U1 (ru) * 2017-02-06 2017-04-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) Устройство для непрерывного разделения смеси углеводородных газов
US11471823B2 (en) 2019-02-12 2022-10-18 Haffmans B.V. System and method for separating a gas mixture
WO2020203994A1 (ja) 2019-03-29 2020-10-08 宇部興産株式会社 ガス分離システム

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2966235A (en) * 1958-09-24 1960-12-27 Selas Corp Of America Separation of gases by diffusion through silicone rubber
US3246449A (en) † 1959-06-09 1966-04-19 Union Carbide Corp Recovery of helium
US3307330A (en) * 1965-04-30 1967-03-07 Du Pont Diffusion process and apparatus
JPS5263178A (en) * 1975-11-17 1977-05-25 Toshiba Corp Gas separation unit
US4130403A (en) * 1977-08-03 1978-12-19 Cooley T E Removal of H2 S and/or CO2 from a light hydrocarbon stream by use of gas permeable membrane
US4264338A (en) * 1977-11-02 1981-04-28 Monsanto Company Method for separating gases
US4208902A (en) * 1978-12-20 1980-06-24 Air Products And Chemicals, Inc. Gas concentration analysis method and system
SU1119718A1 (ru) * 1983-01-14 1984-10-23 Московский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физический Институт Способ разделени газовых смесей
US4597777A (en) * 1983-02-15 1986-07-01 Monsanto Company Membrane gas separation processes
JPS59207827A (ja) * 1983-05-10 1984-11-26 Ube Ind Ltd 気体混合物からの気体分離方法
US4435191A (en) * 1983-06-30 1984-03-06 Monsanto Company Process for separating aggressive gases from gas mixtures
US4639257A (en) * 1983-12-16 1987-01-27 Costain Petrocarbon Limited Recovery of carbon dioxide from gas mixture
JPS60161703A (ja) * 1984-01-30 1985-08-23 Teijin Ltd 気体選択透過膜複合体
US4602477A (en) * 1985-06-05 1986-07-29 Air Products And Chemicals, Inc. Membrane-aided distillation for carbon dioxide and hydrocarbon separation
JPS62167390A (ja) * 1986-01-17 1987-07-23 Nippon Kokan Kk <Nkk> 副生ガスの処理方法
US4690695A (en) * 1986-04-10 1987-09-01 Union Carbide Corporation Enhanced gas separation process
JPS62286517A (ja) * 1986-06-04 1987-12-12 Nippon Kokan Kk <Nkk> ガス分離装置
DE3782120T2 (de) † 1986-08-15 1993-02-11 Permea Inc Asymmetrische gastrennungsmembranen, deren haut einen dichtegradienten aufweisen.
US4701187A (en) * 1986-11-03 1987-10-20 Air Products And Chemicals, Inc. Process for separating components of a gas stream
JPS63151332A (ja) * 1986-12-13 1988-06-23 Ube Ind Ltd 二酸化炭素の分離回収方法
JPS6443329A (en) * 1987-08-11 1989-02-15 Nippon Kokan Kk Gas separation method employing two kinds of membranes
US4990168A (en) * 1989-07-17 1991-02-05 Sauer Richard A Recovery of carbon dioxide from a carbon dioxide plant vent gas using membranes
JPH04180812A (ja) * 1990-11-16 1992-06-29 Nkk Corp 水蒸気及び炭酸ガスの除去方法
US5102432A (en) * 1990-12-10 1992-04-07 Union Carbide Industrial Gases Technology Corporation Three-stage membrane gas separation process and system
JPH05508104A (ja) * 1991-05-07 1993-11-18 メンブレイン・テクノロジー・アンド・リサーチ・インコーポレイテッド 膜による分別方法
FR2683737B1 (fr) * 1991-11-18 1994-08-05 Air Liquide Procede et installation de production par permeation d'un gaz leger impur a partir d'un melange gazeux contenant ce gaz leger.
US5205842A (en) * 1992-02-13 1993-04-27 Praxair Technology, Inc. Two stage membrane dryer
US5282968A (en) * 1992-08-03 1994-02-01 E. I. Du Pont De Nemours And Company Process for separating and recovering halocarbons from mixtures thereof
US5233837A (en) * 1992-09-03 1993-08-10 Enerfex, Inc. Process and apparatus for producing liquid carbon dioxide
US5282969A (en) * 1993-04-29 1994-02-01 Permea, Inc. High pressure feed membrane separation process
US5482539A (en) * 1993-09-22 1996-01-09 Enerfex, Inc. Multiple stage semi-permeable membrane process and apparatus for gas separation
FR2724327B1 (fr) * 1994-09-12 1996-10-25 Air Liquide Procede de separation membranaire par cascade de membranes de selectivites differentes

Also Published As

Publication number Publication date
ES2192208T3 (es) 2003-10-01
EP0785818A1 (en) 1997-07-30
US5482539A (en) 1996-01-09
DE69529759T2 (de) 2004-02-19
EP0785818B9 (en) 2007-08-29
WO1996011048A1 (en) 1996-04-18
EP0785818A4 (en) 1998-01-07
EP0785818B2 (en) 2006-10-04
KR970706051A (ko) 1997-11-03
JP3850030B2 (ja) 2006-11-29
ATE233123T1 (de) 2003-03-15
US5873928A (en) 1999-02-23
ES2192208T5 (es) 2007-05-16
DE69529759T3 (de) 2007-05-16
DE69529759D1 (de) 2003-04-03
EP0785818B1 (en) 2003-02-26
JPH10506843A (ja) 1998-07-07

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