KR100526232B1 - 재생기와 세라믹 막을 이용한 가스의 분리 방법 - Google Patents

재생기와 세라믹 막을 이용한 가스의 분리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 흐름 중 다른 구성성분에서 가스의 일 구성성분을 분리하는 세라믹 막을 통해 가열된 공급 가스의 흐름(예, 공기)을 통과시키기 전에 상기 공급 가스의 흐름을 가열하는 단계를 포함하는 상기 공급 가스의 흐름에서 고순도의 가스(예, 산소)를 분리하는 방법 및 대응하는 시스템에 관한 것이다.

Description

재생기와 세라믹 막을 이용한 가스의 분리 방법{Gas Separation Process Using Ceramic Membrane and Regenerators}
발명의 분야
본 발명은 고순도의 기체상 구성성분을 생산하기 위해 적어도 하나의 재생기와 적어도 하나의 세라믹 막을 결합해서 가스의 혼합물로부터 가스의 구성성분을 분리하기 위한 방법 및 시스템과 관계된 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 바람직한 구체예에서는 산소 불순물을 포함하는 공기, 고순도의 아르곤, 또는 질소로부터 고순도의 산소를 생산하기 위한 비용의 효율 및 에너지 효율과 관계된다.
발명의 배경
산소를 포함하는 가스로부터 산소를 분리하는 방법은 상업적으로 중요한 다수의 생산 과정으로 이루어진다. 산소를 분리하는 하나의 방법은 혼성 도체의 세라믹 막(때때로 '산소 이온의 전송 막(OTM)', 또는 '이온/혼성 도체의 막 부재'라고 불림)을 이용한다. 산소 이온과 전자들은 다른 종(species)에게 불침투성이 있는 비다공성 세라믹 막을 통해서 선택적으로 이송된다.
적당한 세라믹으로는 혼성 도체의 회티탄석(pervoskite)과 복상(dual phase)의 금속-금속 산화물의 결합을 포함한다. 전형적인 세라믹 조성물이 미합중국 특허 제 5,342,431호(Anderson et al.); 제 5,648,304호(Mazanec et al.); 제 5,702,999호(Mazanec et al.); 제 5,712,220호(Carolan et al.); 및 5 ,733,435호(Prasad)에 개시되어 있다.
일반적으로, 고상의 전해질과 혼성 도체의 산화물로부터 형성된 세라믹 막은 산소를 선택하는 성질을 나타낸다. "산소 선택성"은 산소 이온이 다른 성분들이나 이온들을 배제한 채 막을 가로질러서 전송되는 것을 의미한다. 특별히, 고상의 전해질 세라믹 막의 이점은 무기 산화물, 일반적으로 칼슘-, 또는 이트륨-안정화된 지르코늄, 또는 형석이나 회티탄석 구조를 가지는 동족의 산화물로부터 만들어진다는 것이다. 가스의 정화 작용에서 이러한 막의 사용은 미합중국 특허 제 5,733,069호 "Reactive Purge for Solid Electrolyte Membrane Gas Seperation"에 개시되어 있다.
세라믹 막은 화학적 전위차(potential difference)가 막 사이에서 유지되는 450℃∼약 1200℃온도상태의 일반적인 산소 분압에서 전자와 산소 이온을 전송하는 능력을 나타낸다. 이러한 화학적 전위차는 산소 분압의 양적 비(positive ratio) 또는 이온 수송막을 가로지르는 전기적 기울기(electrical gradient)를 유지함으로써 형성된다. 상기 산소 분압(Po2) 또는 전기적 기울기는 산소를 포함하는 가스에 노출된 막의 음극편에서 양극편보다 더 높은 값을 나타내고, 수송된 산소는 회복되거나 사용된다.
고순도의 산소를 생산하기 위한 공기의 분리에서 사용되는 세라믹 막은 막 부재에 부과되기 전에 단계적으로 온도(800℃∼ 1000℃)가 상승하는 공급 공기가 요구된다. 세라믹 막을 이용해서 공기를 분리하는 많은 수의 시스템은 연소를 통해 공급 공기를 막의 동작 온도로 가열한다. 일반적으로, 연료는 공급 공기와 혼합되고, 상기 혼합물은 연소된다. 연소에서 발생하는 열은 모든 공기의 흐름 온도를 상승시키기에 충분하다. 선택적으로, 세라믹 막 부재에서 열이 전달되는 표면적은 결합된 가스 터빈 장치 또는 막 부재에서 배출되는 가스로부터 에너지를 회복함으로써 공급 공기의 흐름을 가열하는데 이용되거나, 이용된 열 교환기를 분리한다. 공급 공기를 가열하기 위해서 연소를 이용하는 것은 약간의 불리한 점을 가지고 있다. 첫째로, 공급 공기의 산소 비율이 소비되고, 따라서 막 부재에서 이동하기 위한 분압이 감소된다. 둘째로, 연소는 바람직하지 못하게 공급 공기의 흐름에 수증기 및 CO2를 발생시킨다. 셋째로, 고온의 폐질소 흐름에서 열 및 압력 에너지를 회복하기 위한 몇몇의 수단들이 공정에서 포함되어져야 한다. 폐질소의 흐름 비율은 투입되는 공급 공기에 대해 약 85%정도이다. 이것은 가스 터빈에 고온의 폐질소를 신장하게 하는 단순한 문제인 것처럼 보이나, 세라믹 막 부재의 동작 온도 및 폐가스의 고온으로 인해서 상기 터빈에는 실질적인 한계가 있다.
또한, 공급 공기를 가열하는 막내에서 열을 전송하는 표면적을 이용하는 것도 불리한 점을 가지고 있다. 예를 들어, 막을 만드는 비용, 동작, 및 최적의 상업적 활용을 위해서는 엄청난 비용이 든다. 또한 종래의 열 교환기를 이용하는 것은, 만일 목적이 공급 가스의 온도를 약 200℃∼ 300℃이상으로 올리기 위한 것이라면 이러한 장치는 다른 것과 비교해서 고유한 열 전송이 떨어지기 때문에 상당한 비용이 든다. 이러한 여분의 비용은 압력과 상당한 열을 지탱하기 위해서 다른 물질들을 필요로 하기 때문에 크게 증가한다.
막 시스템에서 공급 공기를 가열하는 종래의 시스템이 아래의 참고문헌에 개시되어 있다.
유럽 특허 출원 번호 제 658,366호(Kang et al.)는 고온의 이온 전송 시스템에 연소 터빈 시스템을 결합해서 공기로부터 산소를 회복하기 위한 시스템을 개시하고 있다. 에너지를 발생하는 시스템과 이온 전송 막 시스템을 결합하는 것은 하나의 구성에서 산소와 전기적 에너지를 동시에 생산할 수 있도록 한다. 에너지를 발생하는 시스템에서 가스 터빈의 설계 성능은 상기 가스 터빈의 연소실에 부과된 막의 비투과성 흐름에 조절된 물을 주사함으로써 유지된다. 선택적으로, 생성 공기가 가스터빈의 성능을 유지하기 위해서 막에 추가된다. NOx 형태는 산소가 감소된 비투과성 흐름을 막 시스템에서 가스 터빈 연소실에 부과함으로써 감소된다. 이 공개된 유럽 특허 출원은 열 교환기와 온도 조절을 위한 물의 주사를 채택하고는 있지만, 온도 조절을 위한 재생기의 이용에 대해서는 개시를 하고 있지 않다.
미합중국 특허 제 5,035,727호(Chen)는 에너지를 발생하는 외연성 가스 터빈 시스템에서 산소를 회복하는 방법을 개시하고 있으며, 고온의 압축된 공기의 흐름은 산소 이온의 양적 전위(potential)가 흐름에서 산소를 분리하는 막 상에 유지되는 동안에 고상의 산소 선택적 전해질 막의 공급 편을 통해 첫 번째로 상기 가스 터빈 시스템을 통과한다. 상기 산소는 막을 투과하는 편에서 제거되고, 폐가스의 흐름은 에너지를 발생하는 터빈 신장기를 통해 신장된다. 상기 특허는 공정 흐름의 온도를 조절하는 열 교환기의 이용에 대해서 개시하고 있다. 그러나 상기 특허는 온도를 조절하기 위해 재생기를 이용하는 것에 대해서는 개시하고 있지 않다.
미합중국 특허 제5,174,866호(Chen et al.)는 배출 흐름에서 산소를 분리하기 위해, 산소를 투과하는 고상의 선택적 전해질 막의 공급 편을 통해 터빈의 배출 흐름을 통과시킴으로써 가스 터빈 발생기의 배출 흐름에서 고순도의 산소를 추출하기 위한 방법을 개시하고 있다. 그리고 폐가스는 에너지를 회복하기 위해 터빈을 통해 통과된다. 이 특허는 시스템에서 재생기 대신에 열 교환기를 채택하고 있다.
미국 특허 제 5,797,997호(Noreen)는 다양한 용도로 이용하기 위해서 공기/연료 혼합물을 산소 및 전기로 변화시키는 TPV(thermophotovoltaic) 시스템을 개시하고 있다. 상기 TPV 시스템은 공기에 화석 연료를 연소시켜서 질소 산화물 또는 다른 바람직하지 못한 연소물을 거의 발생시키지 않으면서 효과적으로 산소 및 전기를 발생한다. 연소 온도는 공기와 연료의 비율이 약 3:1보다 큰 반응물을 연소시키는 동안 약 1700℃또는 그 이하로 유지된다. 연소를 통해서 발생되는 열은 다음의 연소실/방출기의 저하 및 연소의 온도가 지나치게 상승되는 문제없이 회복되고, 재생된다. 발생된 산소는 TPV 시스템으로 복귀해서 부과될 뿐만 아니라 상업적 이용을 위해 생산된다. 다공성의 세라믹 조성체를 포함하는 절연된 하우징은 연소에 따라 복사 에너지를 발산하고, 반응성 혼합물의 연소를 돕기 위해 연소 지역을 갖는 것이 이용된다. 열을 회수하는 시스템이 연소의 열을 되찾고, 반응성 혼합물을 예열하기 위해서 이용된다. 그리고 산소를 분리하는 막에 발생된 전기를 전달하는 수단이 제공된다. 상기 열을 회수하는 시스템은 다공성의 세라믹 막 부재와 결합된다. 이 특허는 시스템에서 열을 되찾고 예열하기 위한 분리된 재생기를 이용하고 있지 않다.
미합중국 특허 제 5,852,925호(Prasad et al.)는 에너지를 발생하고 산소를 생산하는 방법이 개시되어 있으며, 산소를 포함하는 압축된 가스의 흐름이 처음으로 상기 가스의 흐름을 약 300℃∼ 약 800℃의 온도로 예열하는 열 교환기에서 가열되고, 이후 연소실로 유입되어 여기에서 연료와 연소된다. 연소되고 압축된 가스의 흐름은 순수한 산소의 흐름과 산소가 감소된 압축된 가스의 흐름을 생산하는 고상의 전해질 막과 접촉한다. 상기 산소가 감소된 가스의 흐름은 보다 연소되고, 에너지를 만들기 위해 가스 터빈에서 신장된다. 이 특허는 온도를 조절하기 위해 재생기를 이용하는 것에 대해서는 개시하고 있지 않다.
종래의 제안된 발명들은 연소가 막에서 공급 가스를 가열하기 위해서 이용되거나, 열을 전송하는 표면적이 막에서 생성되거나, 종래의 열 교환기를 채택하는 종래 기술들의 문제점을 열거하고 있다.
분리해서, 재생기는 철강 그리고 저온에서 공기를 분리하는 산업에서 이용되고 있다. 재생기를 이용하는 종래의 참고문헌에서:
"The Making, Shaping and Treating of Steel", 제10판, US Steel, AISE, 페이지 555-585에서 철을 만드는 열풍로에서 이용하기 위해 공기를 예열하는 고온에서 동작하는 재생기에 대해 기술하고 있으며;
미합중국 특허 제 2,671,324호(Trumpler)에서는 저온에서 공기를 분리하는 공장에서 재생기를 이용하는 것에 대해 개시를 하고 있다.
그러나, 재생기가 적용되는 이러한 종래의 기술은 선택적 세라믹 막을 종래의 기술과 같이 이용하는 것에 대해서는 개시하고 있지 못하거나, 고찰하고 있지 않다.
본 발명의 목적은 세라믹 막 및 재생기를 이용해서 기체의 혼합물로부터 고순도의 기체상 구성성분을 분리하기 위한 본 발명을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 세라믹 막 및 재생기를 이용해서 산소를 포함하는 기체상 혼합물인 공기, 질소 가스, 아르곤 가스에서 고순도의 산소를 분리하는 본 발명을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온의 폐가스의 열 에너지는 공급 공기의 흐름을 예열하는데 상기 폐가스를 이용함으로써 회복되는 본 발명을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 가스 흐름 중 다른 구성성분에서 가스의 일 구성성분을 분리하는 세라믹 막을 통해 가열된 공급 가스의 흐름을 통과시키기 전에 상기 공급 가스의 흐름을 가열하는 본 발명을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기 흐름의 다른 기체상 구성성분으로부터 산소를 분리하는 혼성 도체의 세라믹 막을 통해서 가열된 공기의 흐름을 통과시키고, 이어서 공기의 흐름을 가열하는 적어도 하나의 재생기을 결합해서 상기 공기의 흐름에서 고순도의 산소를 분리하는 본 발명을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 산소 선택적 세라믹 막을 통해서 공급 가스를 통과시킨 후에 연료로 연소하거나, 상기 가열된 공급 가스의 흐름과 가열된 일산화물-수소 혼합물을 결합하거나, 또는 전기적으로 가열해서 열 효율을 증가시킨 본 발명을 제공하고자 한다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모 두 달성될 수 있다.
발명의 요약
본 발명의 일 측면에 따르면, 공급 가스의 흐름 중 적어도 일부분을 가열하는 적어도 하나의 재생기, 및 가열된 공급 가스의 흐름 중 기체상 혼합물로부터 기체의 구성성분을 분리해서 고순도의 기체상 구성성분을 형성하는 적어도 하나의 선택적 세라믹 막을 포함하는 기체의 혼합물로부터 고순도의 기체상 구성성분을 분리하기 위한 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 가열된 공급 가스의 흐름을 형성하는 적어도 하나의 재생기를 통해서 기체상 혼합물을 포함하는 상기 공급 가스의 적어도 일 부분을 통과시키고, 그리고 가열된 공급 가스의 흐름에서 기체의 구성성분을 분리하는 적어도 하나의 선택적 세라믹 막을 통해서 상기 가열된 공급 가스의 흐름을 통과시켜 폐가스의 흐름과 고순도의 기체상 구성성분을 형성하는 단계로 이루어지는 기체의 혼합물로부터 고순도의 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명의 바람직한 일 구체예에서는 공기 흐름의 다른 기체상 구성성분으로부터 산소를 분리하는 혼성 도체의 세라믹 막을 통해서 가열된 공기의 흐름을 통과시키고, 이어서 공기의 흐름을 가열하는 적어도 하나의 재생기을 결합해서 상기 공기의 흐름에서 고순도의 산소를 분리하는 방법 및 시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 다른 구체예에서는 혼성 도체의 세라믹 막에 바람직한 수준으로 공급 공기의 온도를 보다 상승시키는 선택적 가열 수단이 재생기에 이어서 위치하는 본 발명이 제공된다. 상기 선택적 가열 수단은 전기적인 가열이나, 일산화탄소-질소 혼합물(합성가스)과 공급 가스의 흐름을 연소하거나, 천연 가스와 같은 연료 가스로 가열된 가스의 흐름과 연소하는 것을 포함한다.
전기적 가열은 연소가 발생하지 않기 때문에 바람직하며, 따라서 막에 작용하는 유동력의 분압이 감소되지 않고 생산물에 의한 연소가 공급 공기의 흐름에 부과되지 않는다.
본 발명의 바람직한 또 다른 구체예에서, 고온의 폐가스의 열 에너지는 공급 공기의 흐름을 예열하는데 상기 폐가스를 이용함으로써 회복된다. 이것은 공급 공기가 재생기를 통과하기 전에 재생기에 포함되는 밸러스트를 가열하는 고온의 폐가스를 이용함으로써 이루어진다. 압력 에너지와 폐질소의 흐름에 남아 있는 열 에너지는 재생기의 고온 가스를 종래의 신장기를 이용해 신장시킴으로써 회복된다.
발명의 상세한 설명
본 명세서 및 청구범위에서 사용하는 용어 "공급 가스의 흐름(feed gas stream)"은 세라믹 막을 통해 통과하는 다른 기체상 구성성분을 허용하지 않는 막을 통해 특별한 기체상 구성성분의 이온이 선택적으로 통과하는 세라믹 막을 통해 공급 가스의 흐름을 통과시킴으로써 상기 공급 가스의 흐름으로부터 분리된 기체상 구성성분을 포함하는 모든 공급 가스의 흐름을 의미한다. 바람직하게, 공급 가스의 흐름은 공기이고, 선택적으로 분리되는 기체상 구성성분은 산소이다. 다른 적당한 공급 가스의 흐름에는 적은 양의 산소 불순물(부피당 약 0.001%-약 20%)을 포함하는 고순도의 질소 또는 아르곤 흐름을 포함한다. 후자의 이러한 구성에서, 고순도(산소가 적음)의 질소 또는 아르곤 흐름은 막의 음극(또는 배기) 편에서 얻어진다. 공급 공기로부터 분리된 산소가 통과하는 막의 양극(또는 흡기)은 낮은 산소의 분압을 유지하는 증기와 같은 청소 가스로 세척된다. 선택적으로, 연료가 상기 흡기편에서 추가될 수도 있고, 산소의 농도가 영(zero)이 되도록 상기 산소가 효과적으로 연소된다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용하는 용어 "재생기"는 선택적 막 부재의 공급 공기의 흐름을 효과적으로 가열하는 선택적 주기에서 충분한 열 에너지를 배출하고 저장하는 모든 형태의 재생기를 말한다. 하나의 바람직한 일 방향 재생기에서 고압의 폐가스의 흐름이 선택적으로 아래로 향하는 동안 공급 공기의 흐름은 위로 향하게 할 수가 있다. 하루에 250톤의 산소를 생산하는 공장에서, 이에 바람직한 재생기는 8 ∼ 10(피트)의 내부 지름과 8 ∼ 20(피트)의 높이를 가지고, 몸체는 원통형이다. 상기 재생기는 공급 공기의 흐름을 가열하는 열 에너지를 저장하는 풍부한 열 전송 물질을 포함한다. 바람직한 상기 열 전송 물질은 다양한 볼과 같은 형태의 세라믹 패킹(packing)이다. 이 크기는 0.125 ∼1(인치)의 지름으로 다양하게 변한다. 바람직하게, 베드(bed)는 재생기의 주 원통 지역에서 0.25인치의 패킹에 대해 4 피트의 베드를 가진다. 원통형 재생기의 상단 또는 하단은 흐름을 분산하는 1 또는 0.5 인치의 지름을 갖는 패킹 볼의 층으로 채워진다.
바람직하게, 본 발명의 재생기는 동일한 압력에서 동작한다. 즉, 주기의 1회 스트로크(stroke)(예, 재생기를 통해 위로 통과됨에 따라 공급 가스의 흐름을 가열하는 것)에서 동작하는 압력은 주기의 선택적 스트로크(예, 재생기를 통해 아래로 통과함에 따라 폐가스의 흐름을 냉각하는 것)에서 동작하는 압력과 동일하다. 다만, 파이프와 장치에서 약간의 압력 저하로 달라진다. 그러므로, 필수적으로 주기사이에서 뚜렷하게 열을 손실하는 증기를 배출하는 현상이 발생하지 않는다.
이점으로, 본 발명의 재생기는 폐가스의 흐름 또는 공급 가스를 정화하거나 청소하는 과정이 필요 없다. 게다가, 본 발명에서 사용하는 재생기는 재생기의 모든 범위에서 균일한 흐름으로 동작한다. 본 발명의 다른 이점으로는 상기 재생기가 지나친 파이프나 밸브 없이 선택적 세라믹 막과 결합될 수가 있다는 것이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용하는 용어 "선택적 세라믹 막"은 가스는 잔존하는 가스 혼합물의 구성성분으로부터 분리되고, 막을 통해 선택적으로 투과되는 하나의 가스만을 허용하는 모든 세라믹 막을 의미한다. 상기 선택적 세라믹 막의 바람직한 형태는 다른 가스에서 선택적으로 분리하는데 이용되는 혼성 도체의 세라믹 막이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용하는 용어 "혼성 도체의 세라믹 막"은 산소를 포함하는 불순가스의 흐름(예, 공기)을 투과한 산소 가스의 흐름으로 바꿔주는 세라믹 막, 모든 이온/혼성 도체의 막, 또는 다른 동등한 막을 의미한다. 일반적으로, 상기 투과한 산소 가스의 흐름은 부피당 적어도 약 95%의 O2 보다 바람직하게는 부피당 적어도 약 99%의 O2를 포함하는 가스로 정의된 고순도의 산소 또는 순수한 가스로 이루어진다.
본 발명에서는 다양한 혼성 도체의 세라믹 막을 이용한다. 위에서 언급한 참고문헌에서 개시하는 혼성 도체의 회티탄석과 복상의 도체-도체 산화물의 결합이 특별히 바람직하게 이용될 수 있다. 바람직한 신뢰성을 나타내는 충분한 튜브의 강도를 가지며, 고 산소의 선속(flux)을 가지는 얇고, 강한 막을 이용하는 것이 바람직하다. 공기는 바깥쪽으로 흐르고, 튜브의 안쪽을 통해 세척 가스가 흐르도록 하는 것이 가능하다. 또한 본 발명은 튜브, 평탄한 판, 또는 다른 막의 구조로 실시하는 것이 바람직하다. 간단하게 전송 능력을 증가시키거나 세척 가스의 흐름과 막으로부터 투과하는 산소의 흐름 사이에서 반응을 보다 좋게 하기 위해서 유입 물질 또는 촉매 물질로 튜브를 감싸는 몇 가지의 응용들을 적용하는 것도 바람직하다. 여기에서 언급하지는 않겠지만, 다공성의 코팅 물질로 막을 코팅하거나, 전송 능력을 향상하거나 표면적을 증가하는 것과 같은 몇 가지의 응용들을 적용하는 것도 바람직하다. 본 발명은 본 발명의 세척 흐름을 채택한 모든 형태의 막 부재를 이용한다. 어떤 막 부재는 질소를 생산하는 장치 및 상업적 데옥소(deoxo)를 포함한다.
산소 분리 막을 이용하는 또 다른 구성은 데옥소 막 장치이다. 이것은 일반적으로 산소가 1% ∼ 2%, 부피당 아르곤을 상당한 비율로 포함하고, 그리고 불활성의 가스를 포함하는 가스의 흐름을 정화하기 위해 일반적으로 이용된다. 따라서, 산소를 포함하는 가스의 흐름(예, 데옥소)에서 대다수의 산소를 제거하기 위하여 혼성 도체의 세라믹 막의 음극편에 상기 가스의 흐름을 통과시킴으로써 대다수의 산소는 상기 산소를 포함하는 가스의 흐름에서 제거된다. 추가로, 산소를 거의 포함하지 않는 질소만의 가스 흐름을 생산하기 위해서 상업적으로 질소를 생산하는 장치가 이용된다. 상당한 정도의 산소(0.001-10%)를 포함하는 불순질소 가스는 상기 불순질소 가스에서 산소의 상당 부분을 제거하는 막의 음극편을 통과한다. 즉, 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서는 처음으로 산소를 공급하는 원천 가스에서 산소는 부피당 20%보다 작은 비율을 차지하는 불순 아르곤 또는 불순 질소의 흐름, 또는 다른 가스의 흐름을 이용하는 것과 관계된다. 이러한 경우에, 막의 음극편을 통과한 후에 아르곤 또는 질소 가스의 흐름을 정화한 결과는 그 자체로 유용하다.
혼성 도체의 세라믹 막은 선택적으로 산소 이온을 생산하는 모든 종류의 물질을 포함한다. 아래의 표 1은 이러한 물질의 예를 나타내고 있다.
본 발명에서 막이 동작하는 인자(예, 온도와 압력)는 다른 산소를 정화하는 공정에서 막 부재에서 사용된 종래의 것들과 유사하다. 적당한 동작 온도는 약 450℃∼ 약 1200℃의 범위를 포함하며, 적당한 동작 압력은 약 15 ∼ 약 450 psia의 범위를 포함한다. 최적 온도 및 압력은 막에 부과된 산소를 포함하는 원천(source) 가스에 포함되는 산소의 양뿐만 아니라 사용된 막의 물질을 포함하는 많은 요소에 의존한다.
또한, 막의 최적 동작 조건은 사용된 세척 가스의 형태에 따라 조절되어야 한다. 본 발명의 모든 최적 공정 조건은 산소가 감소된 가스의 흐름과 투과한 산소 모두 또는 어느 하나를 마지막에 적용하는 자연의 성질에 의존한다는 사실을 인식하여야 한다. 모든 최적의 결과를 성취하기 위해서는 재생기와 막 모두 또는 어느 하나에 부수적인 조건이 부과될 수도 있다.
어떤 응용례에 있어서는 산소 이온이 막을 통해 전송되도록 유도하는 막을 가로지르는 산소의 활성 기울기(activity gradient)를 유지하는 동안, 막에서 복합적인 응력(stress)을 피하기 위해 세척 흐름의 활성을 증가하도록 막의 양극편에 증기를 추가하거나 산소를 포함하는 다른 종을 추가하는 것이 바람직하다. 추가적으로 양극편에 증기를 설치하는 것은 탄소의 침전을 방지하기에 충분할 정도로 높은 온도를 반응 지역에서 유지함으로써 양극 주변의 표면에 바람직하지 않게 탄소가 형성되는 것을 제거하거나 감소시키는 이점이 있다.
도1은 본 발명의 바람직한 일 구체예를 도시한 것이다. 순환 공기(1)는 압축기(100)에서 약 200psia의 압력으로 압축된다. 압축된 공기(2)는 압축기(100)에서 배출된. 후, 산소 열교환기(102)에 전달되고, 여기에서 냉각용 생산 공기의 흐름(19)에 의해 따뜻해진다. 생산 공기의 흐름(20)은 산소 열교환기에서 배출된 후, 유입 공기(2)에 거의 근접하게 온도가 냉각된다.
산소 열 교환기(102)로부터 배출된 따뜻한 압축 공기(3)는 파이프 5; 밸브 41; 및 파이프 28과 25를 지나서 2개의 재생기 중 하나(103)로 향한다. 재생기(103)내의 밸러스트(ballast)는 공기가 지금 흐르는 방향의 반대편에서 상기 재생기를 통과하는 고온의 페질소 가스에 의해 가열된다. 밸브 41은 밸브 40이 닫혀있는 동안 개방되고, 따라서 따뜻한 공기(3)는 재생기 104가 아니라 재생기 103만으로 흐르게 된다. 일반적으로, 재생기(103)에서 배출된 고온의 공기 흐름(24)은 혼성 도체인 세라믹 막 부재(107)의 동작 온도인 100℃에 근접하게 된다. 고온의 공기 흐름(24)이 상기 세라믹 막 부재(107)에 유입되기 전에, 상기 고온의 공기 흐름(24)은 다수의 가열 수단(105) 중 어느 하나에 의해 보다 가열된다. 본 발명을 제한하지 않는 범위 내에서, 상기 가열 수단(105)은 천연 가스의 연소, 일산화탄소 및 수소와 같은 연료 혼합물의 연소, 또는 다른 연료 혼합물의 연소나 전기적인 가열 수단을 포함한다. 이와 같은 가열은 연소 연료의 자동적 조절과 가열 수단(105)에서 배출되는 공기의 온도를 조사하는 것에 의해 조절된다. 고온의 공기(12)는 가열 수단(105)으로부터 배출되고, 일단에서 혼성 도체의 세라믹 막 부재(107)로 유입된다. 상기 세라믹 막은 다양한 형태가 가능하다. 세라믹 막 부재(17)에서의 특별한 유동 형태는 본 발명이 어떠한 설계 형태에서도 동일하게 잘 동작되기 때문에 특별히 중요하지는 않다. 상기 고온의 공기가 혼성 도체의 세라믹 막 부재(107)를 통해 이동함에 따라서, 산소가 격감된다. 산소는 세라믹 막을 통해 유입편에서 보다 낮은 분압을 받는 지역의 반대편으로 이동하고, 산소의 흐름(14)을 만들면서 세라믹 막 부재(107)의 일단에서 배출된다. 필수적이지는 않지만 바람직하게, 파이프 14에 있는 생산된 산소의 흐름(14)에 대해 반대편에 해당하는 세라믹 막 부재(107)의 일단에서 세척 가스의 흐름(200)을 포함할 수도 있다. 상기 세척 가스의 흐름(200)은 세라믹 막을 통해서 산소의 유동을 보다 잘 일어나도록 한다. 생산된 산소는 똑같이 파이프 15 및 16에 전달되고, 이후 재생기 103 및 104의 안쪽에 위치한 관과 같은 코일, 또는 밸러스트에 설치된 채널(channel)과 같은 통로를 통해서 공급 공기가 유입되는 반대편 방향으로 연속적이며 동시적으로 유동한다. 상기 생산된 공기의 흐름이 코일을 이동하는 동안 냉각된다. 생산 공기의 흐름이 재생기 103 및 104, 파이프 17 및 18로 배출되고, 합쳐져서 산소의 흐름(19)을 만든다. 산소의 흐름(19)은 산소 열교환기(102)에서 보다 냉각되고, 순환 온도에서 산소를 생산해 흐름 20으로 배출된다.
고온의 폐질소의 흐름(13)이라고 불리는 산소가 감소된 가스(oxygen-depleted gas)는 고온의 공기 흐름(12)이 막(107)에 부과된 곳의 반대편에서 세라믹 막 부재(107)로부터 배출된다. 폐질소의 흐름(13)은 연소를 일으킬 만큼 충분한 잔여 산소를 포함하고 있다. 고온의 폐질소(13)가 가열 수단(106)에 유입되면, 상기 폐질소(13)는 약간의 연료와 혼합된다. 상기 연료는 상기 폐질소의 흐름에 있는 잔여 산소와 반응해서 위에서 유입되는 유입 흐름(13)이 가열 수단(106)을 통해 배출되는 연소된 폐질소(9)의 온도를 약 100℃∼ 약 200℃로 상승시킨다. 상기 배출되는 흐름(9)의 온도는 가열 수단(106)의 전기적 에너지 또는 연료를 조절하는 온도 조절기(도시하지 않음)에 의해 조절된다. 이와 같은 가열은 다른 연료의 연소, 전기적인 가열 수단, 또는 다수의 다른 방법에 의해 제공될 수도 있다.
연소된 고온의 폐질소(9)는 재생기(104)로 유입된다. 상기 폐질소(9)가 재생기(104)를 통해 이동함에 따라서, 상기 고온의 질소(9)는 재생기(9) 내의 밸러스트를 가열시킴으로써 냉각된다. 재생기(104)내의 상기 밸러스트는 현재 폐질소가 이동하는 방향에 대해서 반대편으로 향하는 통과 공기에 의해 이전에 냉각된다. 이후, 냉각되고 연소된 폐질소는 파이프 7 및 8, 그리고 밸브(43)가 닫혀있는 동안 열려있는 밸브(42)를 통해 흐른다. 이러한 과정이 상기 폐질소가 재생기 103이 아니라 재생기 104를 통해서 흐를 수 있도록 한다. 중요한 열 및 압력 에너지가 파이프 7 및 8에 있는 흐름에 남아 있다. 개방된 밸브 42를 통해 통과된 후에, 냉각된 폐질소의 흐름은 파이프 30을 통해 이동하고, 상기 폐질소를 터보 신장기(turbo expander)(101)에 전달하는 파이프 29에 전달된다. 이 에너지는 회복된 에너지가 압축기(100)에 의해서 직접적으로 이용될 수 있도록 상기 압축기(100)에 바람직하게 연결된 터보 신장기(101)에서 회복된다. 선택적으로, 상기 터보 신장기는 발전기 또는 다른 에너지를 흡수하는 시스템에 연결될 수 있다. 낮은 압력하의 폐질소의 가스는 신장기(101)를 통해 대기중으로 흐름 31로 배기된다.
재생기에서 상기한 일련의 1주기 동안의 흐름 후에는 연속적인 동작이 유지될 수 있도록 밸브 40, 41, 42, 43 및 파이프 4, 5, 30, 31의 동작에 의해서 반전된다. 이 순간에 세라믹 막 부재(107)로 향하는 고온의 공급 공기의 유동 방향이 반전된다. 세라믹 막 부재에서 나타나는 유동의 반전이 본 발명의 동작에서 필요한 것은 아니지만, 이러한 배열에 따라 장치의 고온단(hot end)에서 밸브가 요구되지 않는다는 점에서 장치와 파이프를 간소화할 수 있다.
각각의 주기적인 변화에 따라 공급 방향을 반전시킬 때, 재생기의 일단(고온단)에 위치하는 밸브가 요구되어지지 않는다. 이것은 동작적인 측면뿐만 아니라 비용적인 측면에서도 중요한 이점이다. 고온 분리에서 반복적인 주기로 밸브를 작동하는 것은 설비를 유지하는데 있어 심각한 문제점을 나타낸다. 재생기는 다음의 스트로크에서 필수적으로 동일한 압력에서 동작하기 때문에 주기가 변화하는 동안 제한적으로 증기를 배출하는 현상이 발생하지 않는다. 선택적인 가열 수단 105 및 106을 포함하는 재생기 103 및 104의 이러한 결합은 독창적인 것이며, 종래의 기술로부터 자명한 것이 아니다.
재생기 103 및 104를 가열하는 새로운 방법이 본 발명을 위해 개발되었다. 공급 공기는 산소 열교환기에서 미리 가열된 후, 재생기의 어느 하나를 통해서 유동한다. 재생기의 고온단을 통해 배출된 공기는 세라믹 막에서 산소의 분리에 요구되는 온도로 가열 수단에 의해 온도가 상승된다. 이러한 가열 수단은 공급 가스의 흐름에 연료를 직접적으로 조절해서 연소시키거나, 열 교환기의 일편에서 연료를 연소해서 열 교환을 일으키는 간접적으로 조절하는 가열, 또는 전기적 가열기에 의한 직접/간접적인 가열일 수 있다. 가열 시스템은 세라믹 막 부재 중 산소가 감소된 편에서 이루어진다. 이 유출 가스는 두 번째 재생기의 고온단으로 유입되기 전에 동일한 가열 수단을 통과한다. 다시, 이 가열 수단은 적접적으로 조절되는 가열기(heater), 간접적으로 조절되는 가열기, 또는 전기적으로 가열하는 장치일 수 있다. 연소되는 연료의 경우에, 연소를 위한 산소는 흐름 그 자체로부터 얻게 되거나, 외부의 공기로부터 분리해서 얻게 된다. 막의 공급편과 상기 막의 배출편에 있는 각각의 가열기는 각각의 흐름 온도를 100℃∼ 200℃로 상승시킨다. 흐름의 한 주기 후에는 시스템내의 적당한 동작 온도를 유지하는 2개의 재생기에서 흐름이 반전된다. 이러한 선택적 가열 수단과 재생기를 결합한 독특한 시스템에서, 상기 재생기는 초기에 동작온도까지 올려지고, 연속되는 동작에서 바람직한 온도로 유지된다.
본 발명에서 사용되는 재생기는 저온 분리에서 이용되던 종래의 재생기와는 근본적으로 구별된다. 저온 분리에서, 고압의 공급 공기는 고온의 스트로크(warm stroke)동안은 통과되고, 저압의 폐흐름(waste stream)은 냉각 스트로크(cold stroke)동안 가열된다. 폐흐름의 압력에 부가되는 압력은 비율이 일반적으로 3-8이고, 보다 정확하게는 5이다. 이러한 압력의 차는 어느 정도 중요한 문제점을 가진다.
1) 압축공기의 대다수가 각각의 재생기를 교환하는 동안에 손실된다. 교환 시간을 확장하는 것은 이것을 최소화한다. 그러나 이것은 재생기의 열 전송 능력에 불리하게 작용한다.
2) 재생기를 다시 가압하는 경우에는 약간의 시간이 소비되며, 때로는 10 ∼ 1000초의 시간을 요한다. 이 기간동안에는 공정에서 공급의 흐름이 없으며, 하향류(downstream) 장치의 수행 능력에 중요한 악영향을 초래한다.
3) 재생기의 외부를 형성하는 용기의 일정한 압력 주기는 보다 엄격한 기계적인 요구들을 발생하며, 용기가 보다 두껍고 고가의 막이 되는 원인으로 작용한다. 본 발명에서, 바람직하게 재생기는 필수적으로 동일한 압력에서 동작한다. 폐압(waste pressure)에 대한 공급압(feed pressure)의 비는 일반적으로 1.1보다 작다. 그러므로 저온 분리에서 재생기와 연결된 문제는 본 발명에서는 문제되지 않는다.
저온 분리에서 재생기는 일반적으로 공급 공기에서 응축할 수 있는 불순물, 주로 물과 이산화탄소를 제거하여야 한다. 폐흐름(waste stream)은 불순물을 제거/정화하고, 다음의 공급 과정을 위한 준비로 재생기에서 불순물을 청소한다. 이러한 자가 청소(self-cleaning)의 동작 형태는 폐흐름과 공기사이에서 매우 적은 온도차를 조건으로 한다. 재생기를 통틀어 흐름이 일정하지 않으면, 종종 조절 경로(balance pass)가 요구된다. 자가 청소의 동작을 실패한다는 것은 지나친 압력의 저하로 재생기에 문제를 일으키는 원인이 된다. 본 발명의 재생기는 이러한 중요한 문제점을 야기하지 않는다. 연소기에 추가적으로 연료 또는 전기적 형태의 가열기를 부가하는 것은 설계 성능(design performance)에 결코 적합하지 않다. 열을 전달하는 보다 적은 제약과 가스의 흐름이 고압에 있다라는 사실의 결합은 본 발명의 재생기가 동일한 열 효율을 나타내는 저온 분리에서의 재생기보다 더 작은, 일반적으로 1/2보다 작다라는 것을 말한다.
마지막으로, 저온 재생기는 공기를 기둥 다발(column package)로 향하게 하는 냉각단(cold end)에 밸브가 있어야 한다. 본 발명의 바람직한 하나의 구체예에서, 고온단에는 밸브가 없다. 이것은 잠재적으로 세라믹 막이 흐름 방향의 어느 하나에서 동작된다는 사실을 이용한다. 고온 분리에서의 전환 밸브(switching valve)가 값이 비싸고, 조작하는데 있어 상당한 잠재적 어려움을 가지고 있기 때문에, 이것은 중요한 이점이다.
재생기의 실제적인 설계는 현장의 여건에 의존한다. 높이를 제한하는 것은 이용된 고압을 떨어뜨리고 전달 지역을 고온으로 가열하는 더 작은 지름을 갖는 팰릿(pellet)에게는 중요한 문제이다. 이로 인해서 재생기는 작고, 땅딸막한 재생기가 된다. 만일, 용기(vessel)의 지름이 중요한 문제라면, 보다 큰 팰릿이 보다 크고, 보다 얇은 재생기를 가능케 하면서 이용될 수 있다.
예를 들어, 도1에 대응하는 주기에서 하루에 산소를 250톤(ton) 생산하는 재생기는 지름이 9피트(feet)이고, 0.125인치(inch)의 볼(ball)을 갖는 4피트 크기의 베드, 그리고 상단에 0.25인치의 볼을 갖는 10 피트 크기의 베드를 가져야 한다. 보다 작은 볼은 가스 밀도가 최고이고, 재생기의 보다 차가운 지역에 위치한다. 상, 하의 베드는 흐름을 분산하는 기본적인 목적을 위해서 0.25 ∼ 1인치 범위의 크기로 개량된 볼이다. 각각의 재생기에서 볼의 무게는 약 40톤(ton)이다. 적당한 주기 시간은 3분의 순서로 순환한다. 그러나, 상기 주기 시간은 실제 시스템의 성능에 따라 광범위한 범위에서 조절된다.
고온의 동작에서는 특별한 물질을 필요로 한다. 패킹은 세라믹 펠릿을 구성한다. 고 크롬강이 재생기의 용기에 이용된다. 또한 상기 재생기에 내열성 내벽을 설치하는 것이 바람직하다. 저온 공법으로 산소를 생산하는 공장과 비교하였을 때, 초기 평가는 설립 자금과 운행 비용 모두를 실제적으로 절약할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 세라믹 막-재생기를 이용해서 산소를 생산하는 공장의 설립 자금은 저온 공법으로 산소를 생산하는 공장에 요구되는 자금의 약 1/3정도로 자금의 지출을 요구할 뿐이다. 운행 비용에서 약 20%를 절감하는 것은 종합적인 평가에서 상당히 매력적이므로 세라믹 막-재생기 공장을 선호하게 한다.
막과 함께 재생기를 사용하는 것은 O2의 생산을 제한하지 않는다. 이러한 결합은 가스의 생산물 및 에너지의 발생과 관계된 전 범위에서 응용할 수가 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 하나 이상의 재생기의 고온단에 촉매 베드를 장착할 수도 있다. 이것은 폐가스의 흐름에 잔존하는 산소와 연료와의 반응을 촉진한다.
도2는 재생기(104)가 가지는 가열 수단을 상세히 도시한 것이다. 고온의 폐질소의 흐름(9)은 재생기(104)의 고온단에 상기 폐질소(9)가 유입되면서 연료(47)와 혼합된다. 상기 폐질소의 흐름(9)에 있는 잔여 산소와 연료(47)가 반응해서 상기 폐질소의 온도를 상승시키는 에너지를 방출한다. 온도 조절기(48) 및 밸브(49)는 연료의 유입을 조절해서 재생기의 온도를 일정하게 유지한다. 촉매 베드(catalyst bed)(50)가 잔여 산소와, 천연 가스 또는 다른 연료와의 반응을 촉진하기 위해서 고온단(폐질소(9)가 유입되는 입구에서 가장 가까운 부분)에 설치될 수도 있다. 천연 가스 또는 일산화탄소, 및 수소, 프로판 가스와 같은 다양한 연료가 이러한 방식에 적합하다. 두 개의 재생기는 재생기에 가열 수단을 결합하는 것을 포함한다.
세라믹 막 부재의 설계는 상기 막의 동일한 위치에 공기가 공급되도록 하는 것이 바람직하다. 이것이 가지는 하나의 이점은 가열기 105, 106이 조절을 간단하게 하는 단지 하나의 흐름 형태(공급 흐름과 배출 흐름중의 한가지)만을 볼 수 있도록 한다는 것이다.
공급 흐름이 재생기의 동작 주기에 따라서 반전되지 않는 작업 공정이 아래에서 자세히 설명되는 도3에서 보여지고 있다. 이 공정은 고온 밸브가 요구되지 않는 원래의 공정(도1에 도시됨)과 비교해서 고온의 가스에 노출되는 밸브가 요구된다는 점에 주의하여야 한다.
도3과 관련해서, 따뜻한 공기의 흐름(3)이 도1을 가지고 상기에서 상세히 설명한 방식으로 얻어진다. 따뜻한 공기(3)는 밸브 41, 파이프 5, 28, 및 25를 통해서 재생기(103)로 향한다. 재생기(103)내의 밸러스트는 상기 따뜻한 공기(3)가 현재 흐르고 있는 방향의 반대편 방향으로 흐르는 고온의 질소 가스에 의해 예열된다. 따라서, 밸브 41이 공기가 재생기(103)로 유입되도록 개방된 동안에, 밸브 40은 현재 닫혀 있다. 고온의 공급 공기(24)가 재생기(103)에서 배출되고, 밸브 51, 파이프 62 및 63을 통해 가열 수단(105)으로 전달된다. 가열 수단(105)은 공기의 흐름(64)을 약 100℃∼ 200℃의 온도로 상승시킨다. 선택적으로, 공급 공기의 흐름(12)의 온도는 가열 수단(105)의 공기 흐름에 포함되어 있는 산소와 천연 가스를 반응시키거나 전기적으로 가열해서 높일 수도 있다. 연소에 따른 가열의 경우에, 연소기 이전에 공기에 부가된 연료(300)가 도시되어 있다. 가열 수단(105)에서 배출된 흐름의 온도는 자동적으로 조절되고, 감시된다. 고온의 공기 흐름(64)이 세라믹 막 부재(107)로 유입되고, 고순도의 산소와 폐질소로 분리된다.
고온의 폐질소는 세라믹 막 부재(107)에서 흐름 65로 배출된다. 이전에, 폐질소의 흐름(65)은 연소를 일으키기에 충분한 잔여 산소를 포함한다. 고온의 폐질소가 가열 수단(106)으로 유입되고, 작은 연료의 흐름(301)과 혼합된다. 상기 연료는 폐질소 흐름에 있는 잔여 산소와 반응해서 상기 가열 수단의 배출편에 있는 흐름 66의 온도를 약 100℃∼ 200℃로 상승시킨다. 흐름(66)의 온도는 자동적으로 조절된다. 그리고 나서, 고온의 폐질소의 흐름(66)은 파이프 67과 만나고, 파이프 9에 전달되기 전에 밸브 44를 통과한다. 이때 밸브 53은 닫혀 있다. 파이프 9는 재생기(104)의 고온단에 연결되어 있다. 이후, 본 시스템의 나머지 동작은 도1을 가지고 위에서 상세히 설명한 바와 동일하다.
도3에서 추가된 밸브 44, 46, 51, 및 53과 파이프 61, 62, 67, 및 68은 재생기가 공급 공기를 가열하는 것과는 상관없이 세라믹 막 부재(017)의 동일한 공급 위치로 고온의 공급 공기(64)가 향하도록 한다. 또한, 폐질소는 어떤 특정 순간에 정시에 공급 공기를 가열하는데 이용되는 재생기 103 및 104와 상관없이 65의 동일한 배출 위치로부터 배출된다. 도3은 동일한 세라믹 막 부재의 배출 위치로부터 생산된 가스의 흐름(14)이 배출되는 것을 도시하고 있다. 흐름 14는 재생기 103 및 104가 포함하는 파이프의 코일을 통해서 연속적으로 흐를 수 있도록 파이프 15 및 16에 의해 거의 동일한 2개의 부피 흐름으로 나누어진다. 상기 재생기의 코일은 배출 파이프 17 및 18에 연결되어 있고, 이후 파이프 20을 통해 배출되기 전에 산소 열교환기에서 순환 온도로 냉각되는 하나의 흐름(19)으로 합쳐진다.
본 발명의 다른 구체예에서, 하나 혹은 그 이상의 재생기가 상기 재생기의 고온단에 촉매 베드를 포함할 수도 있다. 이것은 폐가스의 흐름(waste gas stream)에 있는 잔여 산소와 연료의 반응을 촉진하기 위해 사용될 것이다.
재생기의 구체예로 생산 흐름으로부터 열을 회복하기 위한 생산 통로, 일반적으로는 코일이 제공된다. 선택적으로 각각의 열 교환기는 페가스에서 열 교환을 간단히 수행하는데 이용되는 재생기와 함께 이러한 열 교환을 수행하기 위해서 사용된다. 제작 물질의 고 비용을 감안한다면, 재생기에 생산물을 세척하는 통로를 설치하는 것은 요구되는 많은 수의 용기를 줄일 수 있기 때문에 비용의 절감 효과를 창출한다.
도시한 제작 공정에 다른 추가적 사항은 세척 흐름이 요구될 때이다. 이 경우에, 복귀하는 고은의 흐름은 각각의 열 교환기 또는 재생기내의 각각의 통로 중 어느 하나에서 상기 세척 흐름을 가열하는데 이용된다.
마지막으로, 주기의 최적 설계는 에너지와 흐름 모두를 나타내는 잠재성이 있기 때문에 현장 여건에 따라 다르다. 본 발명의 동작에서, 공기와 폐가스 사이에서 일어나는 열교환의 적어도 일부분은 재생기에서 수행한다.
본 발명은 다음의 실시예와 비교 실시예를 통해 보다 상세히 설명되어질 것이다. 모든 부분과 %는 부피에 따른 것이며, 특별히 말하는 경우외에는 모든 온도는 섭씨온도이다.
실시예
아래의 표 2는 250,000(scfh)의 산소(하루에 약 250톤)를 생산하기 위한 본 발명의 구체예에 따른 흐름의 상세한 정보를 보여주고 있다. 흐름의 번호는 도3에 따른 것이다. 본 실시예에서, 폐가스는 적은양의 천연가스와 연소되었다. 공기의 흐름은 막 및 재생기 사이에서는 가열되지 않았다(부가된 연료(300)가 없다). 또한 세척 흐름이 사용되지 않았다(세척 가스의 흐름이 없다)
도3에서흐름의 부재번호 흐름의 상세설명 온도(℃) 압력(psia) 흐름(103scfh)
2 공급 공기 400 207 1592
63 고온의 공기 1200 204 1592
65 고온의 폐가스 1200 203 1357
301 천연 가스 300 203 15.2
66 매우 뜨거운 폐가스 1442 202 1357
28 차가운 폐가스 692 200 1357
31 신장된 폐가스 373 15 1357
20 차가운 산소 410 20 250
상기에서 본 발명의 특징을 설명하기 위해 인용예와 같이 설명되었으며, 여기에서 개시된 본 발명의 기술적 사상을 해치지 않으면서 변형, 가공, 및 개조가 있을 수 있음은 당업자에게 있어 너무나 자명한 것이다. 즉, 아래의 청구범위를 통해 나타나는 기술적 사상을 통해 이러한 변형, 가공, 및 개조를 포함하고자 한다. 여기에서 인용한 모든 출원 발명과 다른 공개된 문헌들은 전체적으로 언급함으로써 구체화될 것이다.
본 발명에 따르면, 폐가스의 흐름 또는 공급 가스를 정화하거나 청소하는 과정이 필요 없는 재생기가 가능하며, 상기 재생기가 지나친 파이프나 밸브 없이 선택적 세라믹 막과 결합될 수가 있다, 또한 폐가스가 가지는 고온의 열 에너지는 공급 공기의 흐름을 예열하는데 상기 폐가스를 이용함으로써 열 효율 및 비용 효율을 높이는 효과가 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
제1도는 재생기 및 혼성 도체의 세라믹 막으로 구성된 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
제2도는 본 발명에서 선택적으로 이용되는 재생기 내에 위치하는 가열 수단을 개략적으로 도시한 것이다.
제3도는 재생기 및 혼성 도체의 세라믹 막을 선택적으로 구성한 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
*도면의 주요부호에 대한 간단한 설명*
5, 7, 8, 16, 25, 30, 62, 63, 67: 파이프
40, 41, 42, 43, 44, 46, 51, 53: 밸브
100: 압축기 101: 신장기
102: 열 교환기 103, 104: 재생기
105, 106: 가열 수단 107: 세라믹 막 부재

Claims (10)

  1. 가열된 공급 가스의 흐름을 형성하는 적어도 하나의 재생기를 통해서 기체의 혼합물을 포함하는 상기 공급 가스의 흐름을 통과시키는 단계; 및
    상기 가열된 공급 가스의 흐름내의 상기 기체의 혼합물로부터 기체의 구성성분을 분리하는 적어도 하나의 선택적 세라믹 막을 통해서 상기 가열된 공급 가스의 흐름 중 적어도 일부분을 통과시켜 95 부피 퍼센트 이상의 기체상 구성성분과 폐가스의 흐름을 형성하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기체의 혼합물은 산소를 포함하는 기체의 혼합물인 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 산소를 포함하는 기체의 혼합물은 공기, 부피당 산소가 약 0.001% 내지 약 20%를 포함하는 질소 가스의 흐름, 및 부피당 산소가 약 0.001% 내지 약 20%를 포함하는 아르곤 가스의 흐름으로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 선택적 세라믹 막은 혼성 도체의 세라믹 막인 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서, 95 부피 퍼센트 이상의 기체상 구성성분과 폐가스의 흐름을 형성하는 단계 후, 그리고 상기 가열된 공급 가스의 흐름이 적어도 하나의 선택적 세라믹 막을 통과하기 전에, 상기 가열된 공급 가스의 흐름을 연료 또는 가열된 일산화탄소-수소 혼합물을 상기 가열된 공급 가스의 흐름과 결합하여 가열하거나, 또는 전기적으로 가열하는 것에 의해 상기 가열된 공급 가스의 흐름을 추가적으로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 가열된 공급 가스의 흐름을 추가적으로 가열하는 단계는 전기적으로 가열하는 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 방법은 공급 가스의 흐름을 가열하기 위해 폐가스의 구성성분을 재생기에 통과시켜 상기 재생기에서 상기 폐가스 구성성분의 열 에너지를 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 재생기를 통해서 폐가스의 구성성분을 통과시키는 단계 및 상기 재생기를 통해서 공급 가스의 흐름을 통과시키는 단계는 동일한 압력에서 일어나는 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가열된 공급 가스의 흐름은 약 450℃ 내지 약 1200℃의 온도에서 상기 선택적 세라믹 막을 통해 통과되는 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가열된 공급 가스의 흐름은 약 800℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 상기 선택적 세라믹 막을 통해 통과되는 것을 특징으로 하는 기체의 혼합물로부터 95 부피 퍼센트 이상의 순도로 기체상 구성성분을 분리하기 위한 방법.
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