KR100436111B1 - 흡착제베드의상층및바닥의동시진공화를이용한압력순환흡착식방법및시스템 - Google Patents

흡착제베드의상층및바닥의동시진공화를이용한압력순환흡착식방법및시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흡착기 용기의 상층으로부터 퍼지 환류 가스로 사용될 저순도 산소를 리시버 탱크 내부로 회수(recovery)하는 것에 관한 것으로서, 보이드 가스(void gas)의 회수는 공정 효율을 개선시킨다. 본 발명은 또 저순도의 보이드 가스를 제거하기 위해 흡착기 상층으로부터의 진공화(evacuation)와 동시에 주 폐물의 진공화 단계가 수행된다. 이러한 동시적인, 흡착기의 양쪽 단부로부터 병류식(co-current)의 상층 보이드 가스 회수 및 역류식(counter-current)의 폐물 진공화에 의해, 종래 공정과 비교하여 3 내지 5%의 전체적인 생성물 회수 증가가 이루어진다.

Description

흡착제 베드의 상층 및 바닥의 동시 진공화를 이용한 압력 순환 흡착식 방법 및 시스템{PSA PROECSS AND SYSTEM USING SIMULTANEOUS TOP AND BOTTOM EVACUATION OF ADSORBENT BED}
본 발명은 진공 및 압력 순환 흡착식(Vacuum and Pressure SwingAdsorption; V/PSA) 공정 사이클에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 효율 및 생성물의 회수(recovery)가 개선된 PSA 공정 사이클에 관한 것이다.
종래의 2-베드 PSA 시스템은 공급물 흡착 단계 및 폐물(waste) 제거 단계를 가지며, 이에 수반되는 흡착기의 순환이 불가피하다. 이러한 순환 공정 중에, 흡착제 베드 내에 흡착 프런트(adsorption front)가 발생된다. 개선된 흡착제를 사용하는 효과적인 사이클 설계는 베드의 양쪽 단부에서 돌파점(breakthrough)에 근접한 이들 흡착 프런트의 이동을 초래하였다. 이는 흡착 프런트의 상층에 남겨진 저분자량 성분, 및 사이클 단부에서 흡착기 용기내의 상층 헤드부 공간 내의 부화된 가스를 초래한다. PSA 사이클 내에서, 이러한 부화된 가스는 보이드 가스(void gas)로 지칭된다.
종래의 공정은 진공화 중에 비효율적인 퍼지(purge)로 작용하는, 흡착기 내에 회수되지 않는 보이드 가스를 남겨두거나, 또는 생성물 제조(product make) 단계 또는 평형 감압(equalization depressurization) 단계 중에 흡착기의 상층 밖으로 분리 프런트를 구동시킴으로써 폐물 제거 단계 이전에 이러한 보이드 가스를 제거한다. 이러한 두 가지의 선택 사항은 사이클의 작업을 비효율적으로 만든다.
종래 공정의 개선점은 평형, 퍼지 및 생성물 재가압 단계를 부가적으로 포함한다. 일반적인 방법 및 시스템은 도 1에 도시되어 있으며, 미국 특허 제5,702,504호[스모라렉(Smolarek) 등]에 기술되어 있다. 이러한 공정은 두 개의 흡착제 베드, 하나의 생성물 리시버(PT), 및 적절한 스위치 밸브를 구비한 하나의 공급 송풍기 및 하나의 진공 펌프를 필요로 한다. 이러한 공정에서 각각의 단계는 다음과 같다.
단계 # 1: 생성물 탱크 내의 산소에 의한 역류식(counter-current) 상층 가압으로 공급 압력(pressure feed)을 상승시키는 단계;
단계 # 2: 공급 압력 상승 단계;
단계 # 3: 정압에서의 생성물 제조 단계;
단계 # 4: 다른 흡착제 베드에 대한 평형화(equalization) 단계로서 보이드 가스를 공급하기 위한 병류식(co-current) 보이드 가스 회수 단계;
단계 # 5: 역류식 진공화(evacuation)에 의한 병류식 보이드 가스 회수 및 다른 흡착제 베드로의 보이드 가스 공급 단계;
단계 # 6: 진공화를 위한 압력 강하 단계;
단계 # 7: 진공화를 위한 압력 강하 단계;
단계 # 8: 생성물 산소에 의한 역류식 퍼지 단계;
단계 # 9: 다른 베드로부터의 보이드 가스에 의한 역류식 퍼지 및 재가압 단계; 및
단계 # 10: 공급 중 다른 베드로부터의 보이드 가스에 의한 역류식 재가압 단계.
전술한 사이클에서, 상층 보이드 가스는 중복 평형 단계(overlap equalization steps)를 통해 부분적으로 회수된다. 그러나, 평형 단계 회수가 갖는 문제점은, 보이드 가스 회수가 베드가 평형에 도달한 후에는 종결된다는 것이다. 다수의 베드 사이클(multiple bed cycle)이 채용되어 보이드 가스 회수율을 증가시킬 수 있으나, 회수될 수 있는 양은 제한되어 있다.
미국 특허 제 5,518,526호(Baksh 등) 및 제 5,702,504호에 기술된 현재의 사이클은 공급 또는 진공화 단계에 의한 중복 평형 단계를 이용한다. 이러한 단계는 흡착제 및 기계 설비의 이용을 증가시키는 것과 관련되어 있다. 이러한 단계 모두가 보이드 가스의 회수를 증가시키는 것은 아니며, 일부 경우에 이러한 중복 특성(overlap features)은 실제적으로 보이드 가스의 회수를 감소시킨다. 따라서, 상층 보이드 가스가 효율적으로 이용될 수 있는 PSA 방법 및 시스템이 요구된다.
본 발명의 목적은 공기 분리 흡착 시스템의 효율을 증가시키기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상층 보이드 가스가 효과적인 방식으로 회수될 수 있는 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 PSA 공정 사이클을 도시한 공정 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 PSA 공정의 한 구체예를 도시한 공정 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 PSA 시스템의 단순 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 PSA 공정 사이클의 한 구체예를 도시한 공정 흐름도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10,12: 흡착제 베드 15: 필터
16: 압축기 22: 공급 밸브
26,28: 베드 유입구 30, 32: 배기 밸브
36: 진공 펌프 50: 저장 탱크
62: 평형 탱크 68: 보이드 가스 회수 탱크
본 발명은, 이것의 바람직한 구체예에서 보다 우선시되는 가스 및 덜 우선시되는 가스의 혼합물로부터 보다 우선시되는 가스를 추출하기 위한 압력 순환 흡착식(PSA) 방법을 포함한다. 평형상태에서, 상기 덜 우선시되는 가스에 대해 선택적인 우선 흡착을 나타내는 인클로져 내의 흡착제 베드를 채용하는 이러한 방법은,
(a) 흡착제 베드가 덜 우선시되는 가스를 흡착할 수 있도록 상기 혼합물을 공급하여 흡착제 베드를 고압으로 가압시키는 동시에, 보다 우선시되는 가스를 함유하는 생성물 탱크로부터 얻어진 가스를 역류식으로 공급하는 단계;
(b) 상기 고압의 흡착제 베드로부터, 상기 보다 우선시되는 가스의 흐름을 추출하고, 상기 보다 우선시되는 가스 흐름의 일부 또는 전부를 생성물 탱크 내에저장하는 단계;
(c) 상기 인클로져 내의 보이드 가스를 보이드 가스 저장 탱크에 공급함으로써 덜 우선시되는 가스를 흡착제 베드로부터 탈착시키는 동시에, 상기 흡착제 베드를 저압 영역으로 배기(venting)시킴으로써 상기 덜 우선시되는 가스를 상기 흡착제 베드로부터 탈착시키는 단계;
(d) 보이드 가스 저장 탱크로의 보이드 가스 공급을 종결시키는 단계;
(e) 상기 흡착제 베드를 저압 영역으로 배기시킴으로써, 흡착제 베드로부터 상기 덜 우선시되는 가스를 추가로 탈착시키는 단계;
(f) 상기 보이드 가스 저장 탱크로부터의 상기 보이드 가스의 일부를 흡착제 베드에 공급함으로써 상기 흡착제 베드를 퍼징(purging)시키는 동시에, 상기 흡착제 베드를 배기시키는 단계; 및
(g) 제 2 흡착제 베드로부터의 평형가스 흐름에 의해 상기 흡착제 베드를 중압으로 가압시키는 단계를 포함하며;
상기 보다 우선시되는 가스에 대한 요구조건이 충족될 때까지 전술한 (a) 내지 (g) 단계를 반복한다.
보다 바람직한 구체예에서, 평형가스가 흡착 베드를 중압에 도달시키는데 불충분한 경우에, 전술한 가압 단계 (g)는 상기 흡착제 베드를 가압시키도록 생성물 탱크로부터 우선시되는 가스의 일부를 추가로 공급한다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 보다 우선시되는 가스와 덜 우선시되는 가스의 혼합물로부터 보다 우선시되는 가스를 추출하기 위한 PSA 방법을 포함하는데,이러한 방법은 평형상태에서, 상기 덜 우선시되는 가스에 대해 선택적인 우선 흡착을 나타내는 인클로져 내에 각각 함유되어 있는 제 1 흡착제 베드 및 제 2 흡착제 베드를 채용한다. 제 1 흡착제 베드는 연속적으로 단계 a, b, c, d, e, f 및 g를 수행하는 반면, 제 2 흡착제 베드는 연속적으로 단계 d, e, f, g, a, b 및 c를 수행하며, 여기서 단계 a 내지 g는,
a) 상기 흡착제 베드가 덜 우선시되는 가스를 흡착할 수 있도록 상기 혼합물을 공급을 공급하여 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나를 고압으로 가압시키는 동시에, 보다 우선시되는 가스를 함유하는 생성물 탱크로부터 얻어진 가스를 역류식으로 공급하는 단계;
b) 베드 압력에 있는 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나로부터 보다 우선시되는 가스의 흐름을 추출하고, 상기 보다 우선시되는 가스 흐름의 일부 또는 전부를 상기 생성물 탱크 내에 저장하는 단계;
c) 상기 인클로져 내의 보이드 가스를 보이드 가스 저장 탱크에 공급함으로써 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나로부터 덜 우선시되는 가스를 탈착시키는 동시에, 상기 흡착제 베드를 저압 영역으로 배기시킴으로써 상기 흡착제 베드로부터 덜 우선시되는 가스를 탈착시키는 단계;
d) 보이드 가스 저장 탱크로의 상기 보이드 가스의 공급을 종결시키는 단계;
e) 상기 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드의 하나를 저압 영역으로 배기시킴으로써, 상기 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나로부터 덜 우선시되는 가스를 추가로 탈착시키는 단계;
f) 상기 보이드 가스 저장 탱크로부터의 보이드 가스의 일부를 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나에 공급함으로써 상기 흡착제 베드 수단을 퍼징시키는 동시에, 상기 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드를 배기시키는 단계; 및
g) 상기 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나로부터의 평형가스의 추가 흐름에 의해 상기 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나를 중압으로 가압시키는 단계를 포함하며;
상기 보다 우선시되는 가스에 대한 요구조건이 충족될 때까지 전술한 (a) 내지 (g) 단계를 반복한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 상기 PSA 방법 중 가압 단계 (g)는 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나가 중압에 도달하도록 하는데 평형가스가 불충분한 경우에, 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나를 가압시키기 위해 생성물 탱크로부터 상기 우선시되는 가스가 추가로 공급된다.
본 발명의 기초는 흡착기 용기의 상층(예를 들어, 상층 보이드 가스)으로부터 저순도 산소 가스(예를 들어, 약 50 내지 약 88 부피%의 산소, 바람직하게 약 70 내지 약 85 부피%의 산소)를 리시버 탱크 내부로 회수시키는 것이다. 이 가스는 이후에 퍼지 환류 가스(purge reflux gas)로 사용된다. 보이드 가스의 회수가 증가됨으로 인해, 공정 효율이 또한 증가된다. 본 발명은 현재의 평형 보이드 가스 회수 기술과 상관없이 수행될 수 있다.
본 발명은 주요 폐물의 진공화 단계가 수행되는 것과 동시에, 저순도의 보이드 가스를 제거하기 위한 흡착기 상층으로부터의 동시 진공화를 채용할 수 있다. 이러한 동시적인, 흡착기의 양쪽 단부로부터의 역류식 폐물 진공화 및 병류식 상층 보이드 가스 회수에 의해, 종래 공정에 비해 3 내지 5%의 전체적인 생성물 회수 증가가 이루어진다.
도 1에 도시된 종래기술의 사이클에 대한 개선이 도 2에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 시스템은 두 개의 흡착제 베드, 하나의 생성물 리시버(PT), 적절한 스위치 밸브를 구비한 하나의 공급물 송풍기 및 하나의 진공 펌프 이외에도 보이드 가스 회수 탱크(VT)를 포함한다.
각각의 단계, 베드 압력 및 단계 시간이 하기 표 1에 일반적으로 기술되어 있다. 하기 표시된 베드 압력 및 단계 시간은 제한적인 것은 아니며, 사실상 공급 속도 및 압축 장치의 크기, 온도, 및 흡착제 특성에 따라 변화될 수 있다.
본 발명의 구체예에서, 압력은 약 30 내지 약 2psia, 바람직하게 약 22 내지 약 4psia, 가장 바람직하게 20.1 내지 4.6psia 범위일 수 있으며, 사이클 시간은 약 10 내지 약 60초, 바람직하게 약 20 내지 약 40초, 가장 바람직하게는 25 내지 30초의 범위일 수 있다. 당업자들은 이러한 값을 근소하게 변경시켜 본 발명의 사이클의 최적화를 달성할 수 있으며, 상층의 진공화 공정이 다양한 조건으로 작동될 수 있음을 이해할 것이다.
표 1 - 사이클 설명
PSA 시스템(도 3 참조)은 각각 흡착제로 충전되어 있는 두 개의 흡착제 베드(10,12)를 포함한다. 공기 유입 도관(14)은 필터(15)를 경유하여 압축기(16)로 공급 공기를 제공하며, 압축기는 선택적인 오일 및 물 필터(18) 및 탄소 트랩(20)을 통해 공급 밸브(22, 24) 및 베드 유입구(26, 28)에 각각 압축된 공기를 차례로 공급한다. 한 쌍의 배기 밸브(30, 32)는 선택적인 진공 펌프 또는 펌프(36)에 차례로 결합된 베드 유입구(26, 28)를 도관(34)에 연결시킨다.
흡착제 베드(10, 12)는, 밸브(42, 44)를 거쳐 생성물 도관(46)과 연통되고제어 밸브(48)를 통해 고압의 생성물 저장 탱크(50)와 연통되는 생성물 출구 도관(38, 40)을 포함한다. 도관(52) 및 밸브(54, 56)는 저장 탱크(50)로부터 흡착제 베드(10, 12)로 생성물 가스가 각각 공급되도록 한다. 도관(52)은 환류(퍼지 및 생성물 가압)에 필요한 가스를 공급한다. 도관(46)은 밸브(66)를 통해 저압의 보이드 가스 회수 탱크(68)로 상층 보이드 가스의 공급을 가능하게 한다. 제어 밸브(66)의 작동은, 상층 가스 진공화 단계인 #6 단계 및 #1 단계 동안 가스 제거를 제어하기 위한 사이클로 튜닝된다. 밸브(66)는 퍼징된 용기 내부로 저순도의 퍼지 가스를 도입하기 위해 #8 단계 및 #3 단계 중에 다시 개방된다.
출구 도관(38, 40)은 병류식 감압 단계로부터 얻어진 가스가 평형 탱크(62)에 유입되도록 각각 밸브(58, 60)를 거쳐 선택적으로 추가 연결될 수 있다. 도 3에 도시된 모든 밸브는 (도시되지 않은) 컴퓨터 시스템 및 프로그램 로직을 거쳐 전자식으로 작동된다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 퍼지에 필요한 가스는 우선 보이드 가스 회수 탱크(68)로부터 취해진다. 부가의 퍼지 가스가 필요한 경우, 도관(52)을 거쳐 생성물 저장 탱크(50)로부터 고순도의 가스가 취해질 수 있다.
퍼지가 완료된 이후에, 생성물 가압이 시작된다. 생성물 가압 단계에 필요한 가스는 생성물 저장 탱크(50)로부터 얻어진다. 그러나, 퍼징 단계 이후에, 선택적인 평형 탱크(62)에 잔류 가스가 포함되어 있으면, 생성물 가압의 초기 단계에 이 잔류 가스가 사용된다. 평형 탱크(62)내의 가스가 고갈되면, 이때 저장 탱크(50)로부터 고순도의 가스가 생성물 가압을 완료하는데 사용된다.
본 발명의 순환 공정은 도 3을 참조하여 보다 상세히 기술될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에서 모든 밸브는, 당해 단계에 대해 개방되어 있는 것으로 명시되어 있지 않는 한, 각 사이클 단계에 대해 닫혀 있는 것으로 추정된다.
단계 #1: 생성물 탱크의 산소에 의한 역류식 상층 재가압에 의해 공급 압력을 상승시키는 단계
흡착제 베드(10): 공급 공기가 유입되어 흡착제 베드(10)를 가압시키도록 공급 밸브(22)를 개방시킴으로써 흡착제 베드(10)의 바닥으로 공급 공기를 유입시킨다. 상기 단계 중에 압력은 7 내지 15psia, 바람직하게는 9 내지 12psia, 가장 바람직하게는 10.45psia 사이에서 선택된 압력값으로부터, 12 내지 22psia, 바람직하게는 15 내지 18psia, 가장 바람직하게는 16.75psia 사이에서 선택된 압력값까지 상승한다. 또한 이 단계는 2 내지 6초, 바람직하게는 3 내지 4초, 가장 바람직하게는 3.5초 동안 지속된다. 이 단계에서 밸브(54)가 개방되고, 생성물 저장 가스(50)로부터의 산소 재가압/환류 가스가 흡착제 베드(10)의 상층으로 동시에 유입된다.
흡착제 베드(12): 이 시간 동안, 배기 밸브(32, 44, 66)가 개방되며, 흡착제 베드(12)는 단계 #6을 거친다.
단계 #2: 압력 공급 상승 단계
흡착제 베드(10): 공급 공기는 개방된 공급 밸브(22)를 통해 흡착제 베드(10) 내로 유입되며, 상층으로부터 추가되거나 제거되는 산소 가스는 없다. 이 단계 중에 압력은 12 내지 22psia, 바람직하게는 15 내지 18psia, 가장 바람직하게는 16.75psia 사이에서 선택된 압력값으로부터, 15 내지 28psia, 바람직하게는 17 내지 20psia, 가장 바람직하게는 18.5psia 사이에서 선택된 압력값까지 상승한다.이 단계는 1 내지 5초, 바람직하게는 2 내지 3초, 가장 바람직하게는 2.5초 동안 지속된다. 산소 환류가 부가되지 않는 압력 변동은 단계 #1과 비교하여 이 단계에서 더 느리다.
흡착제 베드(12): 이 시간 동안 배기 밸브(32)는 개방되고 흡착제 베드(12)는 단계 #7을 거친다.
단계 #3: 정압 생성물 제조 단계
흡착제 베드(10): 공급 공기가 개방된 공급 밸브(22)를 거쳐 흡착제 베드(10)의 바닥 내로 유입되는 동시에, 산소 생성물은 개방된 밸브(54)를 거쳐 상층으로부터 제거된다. 압력은 상기 단계 중에 비교적 일정하게 유지된다. 압력은 15 내지 30psia, 바람직하게는 18 내지 22psia, 가장 바람직하게는 20.1psia 사이에서 선택된 압력값으로 변화된다. 이 단계는 5 내지 15초, 바람직하게는 9 내지 11초, 가장 바람직하게는 10초 동안 지속된다. 공급 공기는 압력비가 거의 변화되지 않는 압축기(16)에 의해 공급된다. 산소 생성물은 개방된 밸브(54)를 거쳐 산소 저장 탱크(50)로 공급된다.
산소 생성물의 순도는 생성물 제조 단계 중에 비교적 일정하게 유지된다. 산소 재가압 단계 #1은 단계 #3의 개시점에서 임의의 산소 순도 스파이크(oxygen purity spike)를 제거하는 산소 제조 단계 #3 이전에, 고순도의 산소(예를 들어, 약 90 내지 95 부피%의 순도를 갖는 산소)를 흡착제 베드(10)의 상층으로 유입시킨다. 생성물 제조 단계는 산소 프런트(oxygen front)가 흡착제 베드(10) 상층에서 실제적으로 돌파되기 이전에 종결된다.
흡착제 베드(12): 이 단계에서, 흡착제 베드(12)는 단계 #8을 거친다. 이로써, 밸브(66, 44)가 개방된다.
단계 #4: 흡착제 베드(12)를 평형화시키기 위해 보이드 가스를 병류식으로 공급하는 단계
흡착제 베드(10): 흡착제 베드(10)의 상층에서 잔류 압력 및 보이드 산소 생성물은, 산소가 개방된 밸브(44)를 거쳐 퍼징됨에 따라, 흡착제 베드(12)로 향한 개방된 밸브(42)를 거쳐 용기의 상층으로부터 이 단계에서 회수된다. 흡착제 베드(12)의 바닥으로부터 제거되는 흐름은 없다. 흡착제 베드(10)의 용기 압력은 15 내지 30, 바람직하게는 18 내지 22psia, 가장 바람직하게는 20.1psia 사이에서 선택된 압력값으로부터, 12 내지 24psia, 바람직하게는 15 내지 18psia, 가장 바람직하게는 16.5psia 사이에서 선택된 압력값까지 하강한다. 또한, 이 단계는 1 내지 4초, 바람직하게는 1 내지 2초, 가장 바람직하게는 1.75초 동안 지속된다. 산소 농도는 생성물 순도(예를 들어, 약 90 내지 95 부피%의 산소)에서 시작하여 프런트가 흡착제 베드(10)의 상층에서 돌파됨에 따라 이 단계의 마지막에 약 85%로 하강한다. 이 단계에서 루트형(ROOTS-type)의 공급 공기 압축기(16)가 배기된다.
흡착제 베드(12): 흡착제 베드(12)가 단계 #9를 동시에 거치며, 이로써 배기 밸브(32)가 개방된다.
단계 #5: 역류식 진공화에 의한 병류식 보이드 가스의 회수 단계; 및 흡착제 베드(12)로의 보이드 가스 공급 단계
흡착제 베드(10): 폐질소(waste nitrogen)는 흡착제 베드(10)의 바닥으로부터 개방된 배기 밸브(30)를 거쳐 루트형의 진공 펌프(36)를 통해 제거된다. 압력은 12 내지 24 psia, 바람직하게는 15 내지 18psia, 가장 바람직하게는 16.5psia 사이에서 선택된 압력값으로부터, 7 내지 18psia, 바람직하게는 10 내지 13psia, 가장 바람직하게는 11.25psia 사이에서 선택된 압력값까지 하강한다. 또한, 이 단계는 1 내지 6초, 바람직하게는 3 내지 4초, 가장 바람직하게는 3.5초 동안 지속된다. 상기 폐물 내의 산소 농도는 대략 공기의 순도에서 시작하여, 약 2 내지 10 부피% 산소의 최소 폐물 순도로 급격하게 하강한다. 산소 가스의 평형 강하 흐름은 흡착제 베드(10)의 상층으로부터, 개방된 밸브(42)를 거쳐 연속적으로 제거되며, 개방된 밸브(44)를 거쳐 흡착제 베드(12)의 상층에 공급된다.
흡착제 베드(12): 흡착제 베드(12)는 동시에 단계 #10을 거친다. 이로써 밸브(24)도 개방된다.
단계 #6: 역류식 진공화에 의한 병류식 보이드 가스의 회수 단계, 저순도 산소 저장 리시버로의 보이드 가스 공급 단계
이 단계는 상층 및 바닥의 동시 진공화 및 부가 보이드 가스의 회수를 나타낸다.
흡착제 베드(10): 폐질소는 흡착제 베드(10)의 바닥으로부터 개방된 배기 밸브(30)를 통해 루트형의 진공 펌프(36)로 제거된다. 압력은 7 내지 18psia, 바람직하게는 10 내지 13psia, 가장 바람직하게는 11.25psia 사이에서 선택된 압력값으로부터, 4 내지 12psia, 바람직하게는 6 내지 9psia, 가장 바람직하게는 7.7psia 사이에서 선택된 압력값까지 하강한다. 또한 이 단계는 1 내지 6초, 바람직하게는 3내지 4초, 가장 바람직하게는 3.5초 동안 지속된다. 흡착제 베드(10) 상층의 잔류 압력 및 산소 생성물은 이 단계에서 흡착제 베드(10)의 상층으로부터 배출되어, 개방된 밸브(42, 66)를 거쳐 저순도 저압의 보이드 가스 회수 탱크(68)로 공급된다. 이 탱크(68)는 저압가스를 전달하기 위해 진공에서 작동된다. 이 단계에서 시스템 내에 보이드 가스의 부가적인 회수가 이루어질 수 있다.
흡착제 베드(12): 흡착제 베드(12)는 동시에 단계 #1을 거치며, 이로써 밸브(24, 56)도 개방된다.
단계 #7: 진공화를 위한 압력 강하 단계
흡착제 베드(10): 폐질소는 흡착제 베드(10)의 바닥으로부터, 개방된 배기 밸브(30)를 거쳐 루트형의 진공 펌프(36)로 제거된다. 압력은 4 내지 12psia, 바람직하게는 6 내지 9psia, 가장 바람직하게는 7.7psia 사이에서 선택된 압력값으로부터, 2 내지 8psia, 바람직하게는 4 내지 6psia, 가장 바람직하게는 4.6psia 사이에서 선택된 압력값까지 하강한다. 또한 이 단계는 5 내지 15초, 바람직하게는 9 내지 11초, 가장 바람직하게는 9.75초 동안 지속된다. 흡착제 베드(10)의 상층으로부터 어떠한 흐름도 제거되지 않는다.
흡착제 베드(12): 흡착제 베드(12)는 동시에 단계 #2를 거치며, 이로써 밸브(24)가 개방된다.
단계 # 8: 저순도 보이드 가스에 의한 역류식 퍼지 및 정압 진공화 단계
흡착제 베드(10): 최소 진공화 압력에 도달되고, 보이드 가스 회수 탱크(68)로부터 산소 퍼지가 개방된 밸브(66, 42)를 거쳐 흡착제 베드(10)의 상층에 공급된다. 이 단계에서의 압력은 2 내지 8psia, 바람직하게는 4 내지 6psia, 가장 바람직하게는 4.6psia 사이에서 선택된 압력값으로 일정하게 유지된다. 또한 이 단계는 1 내지 6초, 바람직하게는 2 내지 4초, 가장 바람직하게는 2.75초 동안 지속된다. 개방된 배기 밸브(30)를 거쳐 진공화 흐름에 퍼지 흐름이 정합됨으로써, 이렇게 일정한 압력이 유지된다. 폐물 순도(예를 들어, 약 2 내지 10 부피%의 산소)는 이 기간 중에 비교적 일정하게 유지된다.
흡착제 베드(12): 흡착제 베드(12)는 동시에 단계 #3을 거친다. 이로써 밸브(24, 56) 역시 개방된다.
단계 #9: 압력 진공화가 진행됨에 따른, 흡착제 베드(12)로부터의 보이드 가스에 의한 역류식 퍼지 단계
흡착제 베드(10): 루트형의 진공 펌프(36)는 개방된 배기 밸브(30)를 거쳐 흡착제 베드(10)의 바닥으로부터 폐가스를 연속적으로 제거하는 동시에, 흡착제 베드(12)로부터 개방된 밸브(42, 44)를 거쳐 흡착제 베드(10)의 상층에 산소 평형이 추가된다. 흡착제 베드(12)로부터 산소 평형이 유동하기 때문에 흡착제 베드(10) 내의 압력은 이 단계에서 상승하며, 이는 이 기간 중의 진공화 흐름보다 더 크다. 압력은 이 단계 동안에 2 내지 8psia, 바람직하게는 4 내지 6psia, 가장 바람직하게는 4.6psia 사이에서 선택된 압력값으로부터, 4 내지 10psia, 바람직하게는 5 내지 8psia, 가장 바람직하게는 6.6psia 사이에서 선택된 압력값까지 상승한다. 또한, 이 단계는 1 내지 5초, 바람직하게는 1 내지 3초, 가장 바람직하게는 1.75초동안 지속된다. 폐스트림(waste stream)(34)의 산소 농도는 조금씩 상승하기 시작하여, 산소 프런트가 흡착제 베드(10)의 바닥에서 돌파되기 시작함에 따라 이 단계의 마지막에 약 5 내지 15 부피%의 순도에 도달한다.
흡착제 베드(12): 흡착제 베드(12)는 동시에 단계 #4를 거친다. 전술한 바와 같이 밸브(44)는 개방된다.
단계 #10: 공급 중에 흡착제 베드(12)로부터 보이드 가스에 의한 역류식 재가압 단계
이 단계는 흡착제 베드(10)의 공급 공기 가압-흡착 사이클을 개시한다.
흡착제 베드(10): 루트형 압축기(16)로부터 개방된 공급 밸브(22)를 거쳐 흡착제 베드(10)의 바닥에 공기가 공급된다. 이 단계에서 압력은 4 내지 10 psia, 바람직하게는 5 내지 8psia, 가장 바람직하게는 6.6psia 사이에서 선택된 압력값로부터, 7 내지 14psia, 바람직하게는 9 내지 12psia, 가장 바람직하게는 10.45psia 사이에서 급속하게 선택된 압력값까지 상승한다. 또한, 이 단계는 1 내지 4초, 바람직하게는 1 내지 3초, 가장 바람직하게는 2초 동안 지속된다. 흡착제 베드(12)로부터 산소 평형가스는 또한 개방된 밸브(42,44)를 거쳐 이 단계 동안에 흡착제 베드(10)의 상층으로 동시에 도입된다. 흡착제 베드(12)는 연속적으로 감압된다.
흡착제 베드(12): 흡착제 베드(12)는 동시에 단계 #5를 거친다. 전술한 바와 같이, 배기 밸브(32, 44)가 개방된다.
전술한 내용 및 도 2 내지 3으로부터, 본 발명은 부가적인 저 순도 보이드 가스 저장 탱크(VT)를 사용한다. 이 탱크는 보통 진공 상태에서 작동되며, 단계 #6의 보이드 가스를 회수하고 보유하는 기능을 한다. 일부 보이드 가스는, 단계 #4및 #5에 도시된 것처럼 다른 흡착기로 가스를 병류식 압력 전달시키는 단계에 의해 제거된다.
단계 #6의 추가로 인해, 부가량의 가스가 진공화 단계 중에 이러한 저순도의 보이드 탱크 내로 회수된다. 탱크 내에 저장된 가스는 용기에 초기의 저압 퍼징을 공급하도록 단계 #8에서 사용된다.
보이드 가스 저장 탱크에 저장된 가스의 순도는, 이러한 가스가 순도를 급격하게 감소시키는 흡착기 전달 프런트(absorber transfer front)에 남아있는 가스로 이루어지기 때문에, 생성물 가스의 순도보다 낮다. 이러한 가스는 베드 퍼징으로서 유입된 초기 환류에 대한 공정에 가장 잘 사용된다. 별도의 리시버 내에 저순도 퍼징 가스를 저장함으로써, 후속적인 고순도 가스로 용기를 연속적으로 퍼징시킬 수 있다. 이러한 방식으로 베드 환류가 실시됨으로써, 상이한 순도의 가스를 혼합시키는 것에 관련된 손실이 감소된다.
본 발명은 종래의 공정과 비교하여 하기한 바와 같은 몇 가지 효율 개선점을 제공한다.
1) 본 발명의 방법으로 회수된 부가적인 보이드 가스는, 다른 방법으로는, 진공화 펌프 다운 기간 동안에 흡착기를 통해 순환되었을 것이다. 펌프 다운시 흡착기를 통해 순환되는 경우에 이러한 퍼지 가스는, 높은 진공화 압력에서 이들이 도입됨으로 인해, 비효율적인 퍼지로 작용한다. 퍼지 가스의 효율은 베드가 최저 흡착 압력에 놓여 있을 때 가스를 도입시킴으로써 최대화되기 때문에, 펌프 다운 중에 퍼지가 유입될 경우 전체적인 폐물의 순도가 높아지며, 이로써 전체 산소 회수율이 낮아진다.
2) 저압 리시버로부터 퍼지 가스의 공급은 퍼지 가스 공급과 관련된 스로틀링(throttling) 비효율성을 감소시킨다. 가스의 스로틀링은 비가역적인 에너지 손실을 초래한다. 본 발명에 따른 저압 보이드 탱크 내의 퍼지 가스 저장은 퍼지 가스가 저장시의 압력값을 감소시키며, 그 결과 저압 흡착기에 대한 퍼징으로서 이러한 가스를 공급하는 경우에 손실된 에너지를 감소시킨다. 종래의 시스템은, 시스템의 상층 흡착 압력에 가까운 압력에서 공급원으로부터 퍼징 가스를 스로틀링하여, 보다 큰 스로틀링 손실을 초래한다.
3) 회수된 (저순도) 상층 보이드 가스로 대체됨으로써, 베드 환류용으로 필요한 고순도 탱크 가스의 양이 감소된다.
4) 리시버 내의 퍼지 가스의 저장에 의해, 연속되는 보다 높은 순도의 가스로 용기를 연속 퍼징시킬 수 있다. 이러한 방식으로 베드 환류를 실시하면, 상이한 순도를 갖는 가스의 혼합과 관련된 생성물 손실이 감소된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라 회수된 부가적인 보이드 가스는, 다른 방법으로는, 진공화 펌프 다운 동안에(도 1의 단계 6 및 7) 흡착기를 통해 상대적으로 비효율적으로 순환되었을 것이다. 펌프 다운 중에 흡착기를 통해 순환된 가스는 높은 진공 압력에서 이러한 가스의 유입으로 인해 비효율적인 퍼지에서와 같이 작동되었을 것이다. 따라서, 전체 폐물 순도가 높아져서, 전체 산소 회수가 낮아질 것이다.
본 발명에 따른 방법은 전술한 표 1에 언급된 공정 단계로 제한되지 않는다.예를 들어, 상층 진공화를 위한 보이드 가스의 회수 단계는 다양한 사이클의 조합으로 수행될 수 있었다. 다른 대안적인 구체예는 미국 특허 제 5,518,526호 및 제 5,702,504호에 설명된 사이클과 유사한 단계를 이용한 연속 공급 및 진공 사이클을 사용한다.
이러한 대안적인 사이클이 도 4에 도시되어 있으며, 이는 도 2의 사이클 단계 #4 및 #9가 생략된 점이 도 2의 사이클과는 다른데, 여기서는 공급 송풍기가 로딩되지 않는 동시에 압력 강하에 의한 평형화 단계가 수행되었기 때문이다. 이러한 대안적인 구체예에서는 전술한 #4 및 #9 단계가 생략되고 보이드 가스는 상층 및 바닥의 동시 진공화 단계 중에 회수된다. 이러한 대안적인 사이클은 공급 및 진공 펌프 모두를 연속적으로 작동시켜, 공급 송풍기의 변위(displacement)를 감소시킨다.
또 다른 구체예에서, 상층 진공화 보이드 가스에 의한 베드의 퍼지에, 저장 탱크(50)로부터의 생성물 산소에 의한 추가적인 퍼지가 보충될 수 있다.
전술한 도 2 및 도 4에 기술된 PSA 사이클을 기초로 하여, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 하나 이상의 이러한 단계를 변형시키도록 다수개의 변형이 가능하다. 예를 들어, 공급물 및 생성물의 가압 단계는 전술한 바와 같이 순차적으로 발생하는 것이 아니라, 동시에 발생될 수 있다. 또 사이클 내의 저압 레벨이 1.0atm 미만, 즉 PSA 사이클이 진공화를 위해 진공 펌프를 사용한다면, 베드 내의 압력이 1.0atm으로 하강될 때까지 공기에 개방시킴으로써 역류식 감압 단계가 진행되어, 진공화가 개시될 수 있다.
두 개의 베드 PSA 사이클(즉 도 2 및 4)은, 공정의 유연성을 더 높이기 위해 평형 탱크를 사용하여 작동될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 4에 도시된 사이클의 각 단계는 고정된 시간 주기를 점유할 필요는 없다. 따라서 각각의 단계에 할당된 시간을 결정하는데, 압력 및 조성 등의 물리적인 변수가 사용될 수 있다. 이로써, 온도, 압력 및 생성물의 요구사항이 달라짐에 따라 공정이 조절된다.
베드 간의 가스 전달이 요구되지 않으므로, 각각의 베드를 독립적으로 구동할 수 있으며, 공정을 단일 베드 유닛의 집합체(collection)로서 간주한다. 그러나, 압축기 및 진공 펌프의 적절한 크기 및 분배를 위해서는, 각 베드의 전체 사이클 및 다른 베드의 사이클의 동시성(synchronization)이 일부 요구된다.
본 발명의 사이클은 예시된 두 개의 베드 시스템에 제한되는 것은 아니다. 오히려, 모든 단일 베드 및 다수개의 베드 사이클을 사용하여 보이드 가스의 회수를 돕기 위해, 상층 진공화에 의한 보이드 가스 회수 단계가 실시될 수 있다.
본 발명에서는, 상층 및 바닥 상의 얕은 접시형 헤드와 축선 방향의 가스 흐름을 갖는 원통형의 흡착제 베드를 이용하였으나, 또 다른 베드 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 압력 소모의 감소와 함께 전력 소비를 감소시키기 위해, 방사상 베드가 사용될 수 있다. 또한, 두 개 이상의 N2또는 O2평형 선택 흡착제가 PSA 공정에 사용될 경우에, 상이한 흡착제 베드가 단일 베드 내에서 연속으로 또는 층으로 위치할 수 있다.
또한, 다른 흡착제가 베드 내의 다양한 위치에서 패킹될 수 있다. 예를 들어, 활성 알루미나는 공급 스트림으로부터 물 및 이산화탄소를 제거하기 위해 베드의 공급 단부에 위치할 수 있으며, 이후 공기를 질소 부화생성물로 분리시키기 위해, 활성 알루미나의 상층에 한층 이상의 N2또는 O2평형 선택 흡착제(equilibrium selective adsorbents)를 위치시킬 수 있다.
PSA 공정의 다른 변형예가 본 발명을 벗어나지 않고 수행될 수 있다. 예를 들어 본 발명의 PSA 공정은 돌파될 경향이 있는 저분자량 탄화수소 또는 CO 와 같은 그밖의 소수 오염물질의 제거를 포함한다. 오염물질의 돌파(break through)를 방지하기 위해, 흡착제 베드는 불연속 층 또는 흡착제 혼합물 성분으로서의 촉매를 포함하도록 변형되며, 이는 CO 등의 종을 CO2로 변환시켜 이들을 연속적으로 제거한다. 또한, 반응 생성물을 제거해야 한다면, 부가적인 흡착제 층이 추가될 수 있다. 또 다른 변형예는 O2농도가 충분히 고갈되지 않는 베드 영역 내의 촉매층 분포를 변형시키는 것이다.
PSA 사이클은 특정 구체예가 도시된 PSA O2공정과 관련하여 기술되어 있으며, 그밖의 구체예가 본 발명의 영역 내에 있는 기술된 특성의 변형예와 함께 고려된다. 예를 들어, PSA 사이클은 전이-대기압(trans-atmospheric) 진공 압력 순환식 흡착(VPSA) 사이클에 제한되지 않으며, 초-대기(superatmospheric) 또는 부-대기(subatmospheric) PSA 사이클도 사용될 수 있다. 또한, PSA 사이클은 매립 가스 및 가스 혼합물, 예를 들어 비우선적으로 흡착된 생성물 성분으로서의 수소 및 선택적으로 흡착 가능한 성분으로서의 다양한 불순물을 포함하는 공급물로부터의 다른 혼합물 분리, 예를 들어 N2/CH4분리에도 사용될 수 있다. 이는 저분자량 탄화수소, CO, CO2, NH3, H2S, Ar 및 H2O를 포함한다.
이들 흡착 가능한 성분 중 하나 이상을 포함하는 수소 부화 공급 가스는, 촉매 개질기 배출 가스(catalytic reformer off-gas), 메탄올 합성 루프 퍼지, 해리된 암모니아 및 탈메탄화기의 오버 헤드 가스(demethanizer over-head gas), 스팀으로 개질된 탄화수소, 암모니아 합성 루프 퍼지 가스, 전해수소 및 수은전지 수소를 포함한다. 본 발명은 또한 질소 또는 헬륨이 주성분인 가스 혼합물로부터 전술한 흡착 가능한 물질의 일부 또는 모두를 분리하는데 유용하다.
상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 구체예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 PSA 공정을 이용함으로써 상층 보이드 가스를 효율적으로 회수할 수 있다.

Claims (10)

  1. 보다 우선시되는 가스 및 덜 우선시되는 가스의 혼합물로부터 보다 우선시되는 가스를 추출하기 위한 것으로서, 평형상태(equilibrium basis)에서, 덜 우선시되는 가스에 대해 선택적인 우선 흡착을 나타내는 인클로져 내에 흡착제 베드를 채용하는 압력 순환식 흡착(Pressure Swing Adsorption; PSA) 방법에 있어서,
    (a) 흡착제 베드가 덜 우선시되는 가스를 흡착할 수 있도록 상기 혼합물을 공급하여 흡착제 베드를 고압으로 가압시키는 동시에, 보다 우선시되는 가스를 함유하는 생성물 탱크로부터 얻어진 가스를 역류식(counter-currently)으로 공급하는 단계;
    (b) 고압의 흡착제 베드로부터 보다 우선시되는 가스 흐름을 추출하고, 보다 우선시되는 가스 흐름의 일부 또는 전부를 생성물 탱크에 저장하는 단계;
    (c) 인클로져 내의 보이드 가스(void gas)를 보이드 가스 저장 탱크로 공급함으로써 덜 우선시되는 가스를 흡착제 베드로부터 탈착시키는 동시에, 흡착제 베드를 제 1 저압 영역으로 배기시킴(venting)으로써 덜 우선시되는 가스를 흡착제 베드로부터 탈착시키는 단계;
    (d) 보이드 가스 저장 탱크로의 보이드 가스의 공급을 종결시키는 단계;
    (e) 흡착제 베드를 제 1 저압 영역보다 낮은 제 2 저압 영역으로 배기시킴으로써 흡착제 베드로부터 덜 우선시되는 가스를 추가로 탈착시키는 단계;
    (f) 보이드 가스 저장 탱크로부터의 보이드 가스의 일부를 흡착제 베드에 공급함으로써 흡착제 베드를 퍼징시키는 동시에, 흡착제 베드를 배기시키는 단계; 및
    (g) 제 2 흡착제 베드로부터의 평형가스 흐름에 의해 흡착제 베드를 중압으로 가압시키는 단계를 포함하며;
    보다 우선시되는 가스에 대한 요구사항이 충족될 때까지 (a) 내지 (g) 단계를 반복하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 가압 단계 (g)가, 흡착제 베드를 중압에 도달시키는데 평형가스가 불충분한 경우에, 흡착제 베드를 가압시키도록 생성물 탱크로부터 보다 우선시되는 가스의 일부를 추가로 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 혼합물이 공기를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 보다 우선시되는 가스가 산소임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 산소의 순도가 약 90 내지 95 부피%의 산소임을 특징으로 하는 방법.
  6. 보다 우선시되는 가스 및 덜 우선시되는 가스의 혼합물로부터 보다 우선시되는 가스를 추출하기 위한 것으로서, 평형상태에서, 덜 우선시되는 가스에 대해 선택적인 우선 흡착을 나타내는 인클로져 내에 각각 함유되어 있는 제 1 흡착제 베드및 제 2 흡착제 베드를 채용하며, 제 1 흡착제 베드가 연속적으로 단계 a, b, c, d, e, f 및 g를 수행하는 반면, 제 2 흡착제 베드는 병류식으로 그리고 연속적으로 단계 d, e, f, g, a, b 및 c를 수행하는 압력 순환식 흡착(PSA) 방법에 있어서,
    (a) 흡착제 베드가 덜 우선시되는 가스를 흡착할 수 있도록 상기 혼합물을 공급하여 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나를 고압으로 가압시키는 동시에, 보다 우선시되는 가스를 함유하는 생성물 탱크로부터 얻어진 가스를 역류식으로 공급하는 단계;
    (b) 베드 압력에 있는 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나로부터 보다 우선시되는 가스 흐름을 추출하고, 보다 우선시되는 가스 흐름의 일부 또는 전부를 생성물 탱크 내에 저장하는 단계;
    (c) 인클로져 내의 보이드 가스를 보이드 가스 저장 탱크에 공급함으로써 제 1 흡착제 베드 및 제 2 흡착제 베드 중 하나로부터 덜 우선시되는 가스를 탈착시키는 동시에, 흡착제 베드를 제 1 저압 영역으로 배기시킴으로써 덜 우선시되는 가스를 흡착제 베드로부터 탈착시키는 단계;
    (d) 보이드 가스 저장 탱크로의 보이드 가스의 공급을 종결시키는 단계;
    (e) 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나를 제 1 저압 영역보다 낮은 제 2 저압 영역으로 배기시킴으로써, 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나로부터 덜 우선시되는 가스를 추가로 탈착시키는 단계;
    (f) 보이드 가스 저장 탱크로부터의 보이드 가스의 일부를 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나에 공급함으로써 흡착제 베드 수단을 퍼징시키는 동시에, 제 1 흡착제 베드 및 제 2 흡착제 베드를 배기시키는 단계; 및
    (g) 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나로부터의 평형가스의 추가 흐름에 의해, 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나를 중압으로 가압시키는 단계를 포함하며;
    보다 우선시되는 가스에 대한 요구조건이 충족될 때까지 (a) 내지 (g) 단계를 반복하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 가압 단계 (g)가, 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나를 중압에 도달시키는데 평형가스가 불충분한 경우에, 제 1 흡착제 베드 또는 제 2 흡착제 베드 중 하나를 가압시키도록 우선시되는 가스를 생성물 탱크로부터 추가로 공급하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 혼합물이 공기를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 보다 우선시되는 가스가 산소임을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 산소의 순도는 약 90 내지 95 부피%의 산소임을 특징으로 하는 방법.
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Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6245127B1 (en) * 1999-05-27 2001-06-12 Praxair Technology, Inc. Pressure swing adsorption process and apparatus
US6503299B2 (en) * 1999-11-03 2003-01-07 Praxair Technology, Inc. Pressure swing adsorption process for the production of hydrogen
US6558451B2 (en) * 2000-05-10 2003-05-06 Airsep Corporation Multiple bed pressure swing adsorption method and apparatus
US6524370B2 (en) * 2000-07-28 2003-02-25 The Boc Group, Inc. Oxygen production
JP2004512650A (ja) * 2000-10-27 2004-04-22 クエストエアー　テクノロジーズ　インコーポレイテッド 燃料電池に水素を供給するシステムおよび方法
US6425938B1 (en) * 2000-11-01 2002-07-30 Air Products And Chemicals, Inc. Single bed pressure swing adsorption process
JPWO2002049959A1 (ja) * 2000-12-19 2004-04-22 住友精化株式会社 濃縮酸素ガスの回収方法
US6471744B1 (en) * 2001-08-16 2002-10-29 Sequal Technologies, Inc. Vacuum-pressure swing absorption fractionator and method of using the same
US6709486B2 (en) * 2002-04-08 2004-03-23 Air Products And Chemicals, Inc. Pressure swing adsorption process with controlled internal depressurization flow
US6641645B1 (en) * 2002-06-13 2003-11-04 Air Products And Chemicals, Inc. Vacuum swing adsorption process with controlled waste gas withdrawal
US7285350B2 (en) * 2002-09-27 2007-10-23 Questair Technologies Inc. Enhanced solid oxide fuel cell systems
US6699307B1 (en) * 2002-10-11 2004-03-02 H2Gen Innovations, Inc. High recovery PSA cycles and apparatus with reduced complexity
KR100689255B1 (ko) * 2003-02-25 2007-03-02 스미토모 세이카 가부시키가이샤 오프 가스 공급 방법, 및 목적 가스 정제 시스템
US7189280B2 (en) * 2004-06-29 2007-03-13 Questair Technologies Inc. Adsorptive separation of gas streams
CN100369652C (zh) * 2006-02-17 2008-02-20 成都安普环境技术有限公司 用空气为原料制取氧气的方法
DE102009022029A1 (de) * 2009-05-20 2010-11-25 Linde Ag Aufbau von Flüssigkeitskreisläufen in Gaswäschen
CN102145246B (zh) * 2010-02-08 2016-05-04 杭州盛大高科技机电有限公司 制氧机
US8545603B2 (en) * 2010-06-24 2013-10-01 ADSORPTECH Inc. Method to improve recovery and efficiency of adsorption processes using reversible blowers
US10118122B2 (en) * 2011-08-29 2018-11-06 The Boeing Company CO2 collection methods and systems
KR101559902B1 (ko) 2013-08-12 2015-10-14 (주)세프라텍 흡착성 투과 폴리머 중공사막을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템
CA2929915C (en) * 2015-05-15 2018-10-09 Apache Corporation Pressure swing adsorption process for enhanced separation of lighter from heavier species
KR101631985B1 (ko) 2015-06-18 2016-06-20 (주)세프라텍 흡착성 투과 중공사막
JP6515045B2 (ja) * 2016-03-09 2019-05-15 エア・ウォーター株式会社 窒素ガスの製造方法および装置

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL286634A (ko) * 1961-12-18 1900-01-01
US3788036A (en) * 1972-07-26 1974-01-29 D Stahl Pressure equalization and purging system for heatless adsorption systems
US3977845A (en) * 1975-06-20 1976-08-31 William Clarence Walter Adsorptive process for selective separation of gases
US4194890A (en) * 1976-11-26 1980-03-25 Greene & Kellogg, Inc. Pressure swing adsorption process and system for gas separation
US4340398A (en) * 1981-05-20 1982-07-20 Union Carbide Corporation Pressure swing adsorption recovery
US4381189A (en) * 1981-10-27 1983-04-26 Union Carbide Corporation Pressure swing adsorption process and system
US4461630A (en) * 1982-09-30 1984-07-24 Union Carbide Corporation Product recovery in pressure swing adsorption process and system
US4816039A (en) * 1986-02-24 1989-03-28 The Boc Group, Inc. PSA multicomponent separation utilizing tank equalization
FR2599274B1 (fr) * 1986-06-02 1988-08-26 Air Liquide Procede et installation de separation d'un melange gazeux par adsorption.
US4723966A (en) * 1986-12-11 1988-02-09 Union Carbide Corporation Gas separation by pressure swing adsorption
US4756723A (en) * 1987-03-04 1988-07-12 Air Products And Chemicals, Inc. Preparation of high purity oxygen
US5032150A (en) * 1989-11-03 1991-07-16 The Ohio State University Pressure swing adsorption
JP2981304B2 (ja) * 1991-05-13 1999-11-22 東洋エンジニアリング株式会社 ガス分離方法
FR2682611B1 (fr) * 1991-10-17 1993-12-03 Air Liquide Procede et installation d'epuration d'un gaz par adsorption.
JP3450885B2 (ja) * 1993-07-27 2003-09-29 住友精化株式会社 窒素富化ガス分離方法および装置
US5370728A (en) * 1993-09-07 1994-12-06 Praxair Technology, Inc. Single bed pressure swing adsorption system and process
US5518526A (en) * 1994-10-07 1996-05-21 Praxair Technology, Inc. Pressure swing adsorption process
US5565018A (en) * 1995-07-12 1996-10-15 Praxair Technology, Inc. Optimal pressure swing adsorption refluxing
US5620501A (en) * 1995-08-15 1997-04-15 The Boc Group, Inc. Recovery of trace gases from gas streams
US5658371A (en) * 1995-11-06 1997-08-19 Praxair Technology, Inc. Single bed pressure swing adsorption process for recovery of oxygen from air
US5702504A (en) * 1996-03-07 1997-12-30 Praxair Technology, Inc. Vacuum pressure swing adsorption process
FR2746668B1 (fr) * 1996-03-27 1998-04-30 Air Liquide Procede de traitement d'un melange de gaz par adsorption a variation de pression
US5733359A (en) * 1996-06-19 1998-03-31 The Boc Group, Inc. Pressure swing adsorption process turndown control
US5735938A (en) * 1997-01-15 1998-04-07 Praxair Technology, Inc. Method for production of nitrogen using oxygen selective adsorbents

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Publication number Publication date
JP3464766B2 (ja) 2003-11-10
BR9805203A (pt) 1999-12-07
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CN1223164A (zh) 1999-07-21
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CN1195571C (zh) 2005-04-06

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