KR100777998B1 - 하이브리드 ｐｓａ/ｔｓａ 시스템에 대한 개선된 조절 방법 - Google Patents

하이브리드 ｐｓａ/ｔｓａ 시스템에 대한 개선된 조절 방법 Download PDF

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다니엘 패트릭 즈윌링
앤드류 다비드 라이트
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Abstract

본 발명은 온도 변동(즉 TSA) 및 압력 변동(PSA) 양쪽의 하이브리드를 사용하여 흡착제를 재생하는 것인, 공급 가스로부터 수분 및 이산화탄소(CO2)를 제거하는 흡착 방법에 대한 개선된 조절 방법에 관한 것이다. 이 조절 방법은 재생 가스에 의해 제공된 열의 양을 수분 선택적 흡착제 구역의 핵심부(strategic portion) 내부에서 취해진 온도 데이타의 함수로서 조절하는 것을 포함한다. 핵심부는 온도 변동에 의한 재생으로부터 압력 변동에 의한 재생으로의 소정의 전환을 하기 위한 위치에 해당한다. 본 발명의 특히 바람직한 구체예에서, 재생 열의 상기 양은 또한 공급 가스중의 수분 함량의 함수로서 조절된다.

Description

하이브리드 ＰＳＡ/ＴＳＡ 시스템에 대한 개선된 조절 방법{IMPROVED CONTROL SCHEME FOR HYBRID PSA/TSA SYSTEMS}
도 1은 본 발명의 구체예를 도시하고 있다.
본 발명은 온도 변동(즉 TSA)과 압력 변동(PSA)의 하이브리드를 사용하여 흡착제를 재생하는, 공급 가스로부터 수분 및 이산화탄소(CO2)를 제거하기 위한 흡착 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 하기의 방법에 관한 것이다:
(a) 이 방법은 공급 가스를 도입하기 위한 공급구(feed port) 및 생성 가스를 배출하기 위한 생성구(product port)를 갖는 흡착 용기를 이용하고;
(b) 공급 가스로부터 수분을 흡착하기 위한 수분 선택적 흡착제(특히 활성화된 알루미나 또는 실리카겔)를 함유하는 수분 제거 구역이 공급구에 인접하여 위치하고;
(c) 공급 가스로부터 CO2를 흡착하기 위한 CO2 선택적 흡착제(특히 분자체)를 함유하는 CO2 제거 구역이 수분 제거 구역과 생성구 사이에 위치하고;
(d) 이 방법은 흡착 순서와 재생 순서 사이를 순환하고;
(e) 흡착 순서 동안:
(i) 공급 가스가 공급구에서 시작하여 상기 용기를 통과되고;
(ii) 수분 선택적 흡착제 중 적어도 일부가 수분으로 포화되고;
(iii) CO2 선택적 흡착제 중 적어도 일부가 CO2로 포화되며;
(iv) 생성 가스가 생성구로부터 배출되고;
(f) 재생 순서 동안:
(i) 상기 용기가 저압으로 감압되고;
(ii) 생성구에서 시작하여, 흡착 순서 동안 흡착된 실질적으로 모든 CO2의 및 흡착 순서 동안 흡착된 수분의 일부(전부는 아님)를 탈착(즉 압력 변동에 의해)시키기 위한 소정량의 재생 열을 제공하는 가열 재생 가스가 용기를 통과하고;
(iii) 생성구에서 시작하여, 흡착 순서 동안 흡착된 대부분 또는 실질적으로 모든 잔류 수분을 탈착(즉, 압력 변동에 의해)시키기 위한 냉각 재생 가스가 용기를 통과하고;
(iv) 상기 용기를 다음 흡착 순서에 사용할 준비를 하기 위해 상기 용기를 공급 가스로 가압시킨다.
상기의 "하이브리드" TSA/PSA 방법(이후 하이브리드 방법)은 교시되어 있다. 특히 Kalbassi 등(이후 "칼바시(Kalbassi)")의 USP 6,599,347가 참고되고, 이는 수 직 흡착 용기의 환경에서의 하이브리드 방법을 교시하고 있으며, 이때 공급구는 용기의 하부에 위치하고, 공급 가스는 용기의 상부에 위치한 생성구에 도달하기 이전까지 위쪽으로 흐른다.
하이브리드 방법에서의 핵심 과제는 상기 (f)(ii)의 가열 재생 가스에 의해 제공될 필요가 있는 열의 양을 정확하게 계산하여, 필요 이상으로 재생 가스를 가열하면서 에너지를 낭비하지 않는 것이다. 당업자가 인지하고 있는 바와 같이, 가열 재생 가스에 의해 제공되는 열은 생성된 열 펄스(heat pulse)가 CO2 제거 구역을 관통하기에 충분하여 열이 수분 제거 구역 내부의 일정 위치(이후, 디자인 로케이션(Design Location))에서 소멸하도록 해야하고, 이때 상기 로케이션은, 즉 온도 변동에 의해 수분 제거 구역의 상당 부분을 재생하기에 충분할 만큼 멀리 떨어져 있으나, 너무 멀리 떨어지지는 않아서 수분 제거 구역 내에 있음으로써 수분 제거 구역의 재생을 완결(즉 압력 변동에 의해)하기 위한 냉각 재생 가스의 용량이 완전하게 이용되지 않도록 한다. 다시 말하면, 디자인 로케이션은 수분 제거 구역 내부에서 온도 변동에 의한 재생으로부터 압력 변동에 의한 재생으로의 전환이 발생하는 위치에 해당하는 것이다.
칼바시는 가열된 재생 가스에 의해 공급되는 열의 양을 공급 가스 중의 수분 함량의 함수로서 조절함에 의해 하이브리드 방법에 있어서의 상기 핵심 과제를 해결한다. 이 방법은 발생 가능한 가장 악조건의 환경에 기초하여 고정된 양의 열을 확립하는 데 반하여 상당한 에너지 절감을 제공한다. 그러나, 본 발명과는 다르게, 필요한 열의 양을 조절하는 칼바시의 방법은 재생 순서 동안의 온도 데이타, 특히 디자인 로케이션을 중심으로 한 수분 제거 구역의 핵심부(Strategic Portion)에서 취한 온도 데이타를 고려하고 있지 않기 때문에 이는 본 발명에 비하여 불완전한 해결책이다. 상기 온도 데이타는 열 펄스가 소멸하는 실제 위치를 측정하는 것을 가능하게 하고 그 다음의 재생 순서에서 제공될 열의 양을 적절하게 조절함에 의해 디자인 로케이션과의 임의의 불일치를 일치시킨다. 이러한 방식으로 사이클에서 사이클로 제공되는 열을 정교하게 조절하는 것은 칼바시 방법에 있어서의 에너지 절감을 증대시킨다.
일반적으로, 핵심부는 가장자리 또는 가장자리 근처를 제외한 수분 제거 구역 중 임의의 부분일 수 있고, 이는 당업자가 인지하고 있는 바와 같이, 수분 제거 구역의 가장자리에서는 수분이 CO2 흡착제로 오염될 위험이 있기 때문에, 이는 하이브리드 방법에 있어서 열 펄스가 소멸될 실제 디자인 로케이션이 아니다(특히, 디자인 로케이션이 CO2 제거 구역에 인접한 수분 제거 구역의 가장자리에 근접하는 경우, 이는 수분 제거 구역이 온도 변동에 의해 만일 재생된다 하더라도 거의 재생되지 않는다는 것을 의미하고; 유사하게 디자인 로케이션이 공급 가스가 도입되는 수분 제거 구역의 가장자리에 근접하는 경우, 수분 제거 구역 용기가 압력 변동에 의해 만일 재생된다 하더라도 거의 재생되지 않는다는 것을 의미함). 더 정확하게 설명하면, 수분 제거 구역 내에 함유된 수분 선택적 흡착제를 10개의 동일한 두께의 층으로 생각한다면(층 1은 공급구에 인접한 수분 제거 구역의 말단에서 시작하여, 층 10까지 순차적으로 배치되어, 층 10은 CO2 제거 구역에 인접함), 핵심부는 층 2 내지 층 9 사이의 (및 이들 층을 비롯한) 임의의 3-4개의 연속한 층을 포함한다. 통상의 하이브리드 시스템에서 열 펄스를 소멸시키기 위한 디자인 로케이션이 통상적으로 층 6과 층 9 사이의 어딘가에 위치한다면, 핵심부는 통상적으로 층 6 내지 층 9를 포함할 것이다.
L'Air Liquide에 양도된 Monereau 등의 USP 6,402,809(2002)도 상기 하이브리드 방법을 교시하고 있다. Monereau는 "재생 말기에서의 흡착기에 의한 열 프론트 배출량의 열적 프로파일"을 포함하는 작동 조건에 따라 재생 가스의 온도를 조절하는 것을 더 교시하고 있다. 또는, Monereau의 제5단락, 제5행에서 더 구체적으로 교시되어 있는 바와 같이, 재생 가스의 온도는 "열 프론트가 수분 제거 구역을 떠날 때"의 열적 프로파일에 따라 조절된다. 따라서, 온도 데이타는 수분 제거 구역에 대한 본 발명의 정의에서의 층 1에 상응하는 것인 수분 제거 구역의 가장자리에서 취해진다. 앞서 언급한 바와 같이, 이는 본 발명의 교시와는 상반되는 것이다. 특히, 상기의 위치는 압력 변동에 의한 수분 제거 구역 용기의 완전한 재생 능력은, 설사 사용된다고 할지라도, 이는 거의 사용되지 않고, 결과적으로 재생 가스는 필요 이상으로 가열된다는 것을 의미한다.
L'Air Liquide에 양도된 Bosquain 등의 USP 4,541,851(1985)는 상기 참고한 하이브리드 방법에 있어서의 방사상 흡착층의 용도를 교시하고 있고, 이때 공급구는 공급 가스를 흡착 용기의 외면 내로 살포하고, 이 공급 가스는 방사형으로 내부 쪽으로 (칼바시 방법에서와 마찬가지로 처음에는 수분 제거 구역을 통해, 그 후에는 CO2 제거 구역을 통해) 흐른 후에 용기의 내부에 위치한 생성구에 도달한다. 흡착 순서와 재생 순서 사이의 온도 변동과 관련된 것인, 상기 기하 구조의 기계적 스트레스 문제에 대한 민감성을 해결하기 위하여, Bosquain은 수분 제거 구역의 공급 말단 위치(즉, 수분 제거 구역에 대한 본 발명의 정의에 있어서 층 1에 상응함)에 있는 외면 그레이트(grate)와 매우 가깝게 배치된 온도 센서를 사용하여, 재생 과정 동안 생성된 열 펄스가 재생시에 이 외면 그레이트에 도달하는 것을 막는다.
폴 코포레이션에 양도된 Christel 등의 USP 4,832,711(1989)는 공급 가스로부터 수분을 흡착하기 위한 흡착제의 용도를 개시하고 있고, 재생 가스를 가열하는 데 사용하기 위한 흡착 순서에 의해 발생되는 열을 보전하기 위하여, 열 펄스가 과하는 정도를 흡착 순서 동안 측정하여 생성되는 열 펄스가 흡착층의 생성 말단 위치를 떠나기 전에 순서가 중단되게 한다. Christel은 재생 가스에 대한 외부 가열을 하지 않는다. 따라서, 본 발명에 의해 해결되는 것인 문제점(즉, 재생 동안 제공할 필요가 있는 외부 열의 양의 정확한 측정)은 Christel의 방법에서는 문제가 되지 않는다.
본 발명은 온도 변동(즉 TSA)과 압력 변동(PSA)의 하이브리드를 사용하여 흡착제를 재생하는, 공급 가스로부터 수분 및 이산화탄소(CO2)를 제거하는 흡착 방법을 위한 개선된 조절 방법에 관한 것이다. 이 조절 방법은 재생 가스에 의해 제공 될 열의 양을 수분 선택적 흡착제 구역의 핵심부 내에서 취해진 온도 데이타의 함수로서 조절하는 것을 포함한다. 핵심부는 온도 변동에 의한 재생으로부터 압력 변동에 의한 재생으로의 소정의 전환을 하기 위한 위치에 해당한다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 재생 열의 상기 양은 또한 공급 가스 중의 수분 함량의 함수로서 조절된다.
도 1을 참고로 하면, 본 발명은 공급 가스 (12)로부터 수분 및 CO2를 제거하기 위한 흡착 방법에 관한 것이고, 여기서:
(a) 상기 방법은 공급 가스를 도입하기 위한 공급구(feed port) (16) 및 생성 가스 (20)를 배출하기 위한 생성구(product port) (18)를 갖는 흡착 용기 (14)를 이용하고;
(b) 공급 가스로부터 수분을 흡착하기 위한 수분 선택적 흡착제를 함유하는 수분 제거 구역 (22)이 공급구에 인접하여 위치하고;
(c) 공급 가스로부터 CO2를 흡착하기 위한 CO2 선택적 흡착제를 함유하는 CO2 제거 구역 (24)이 수분 제거 구역과 생성구 사이에 위치하고;
(d) 상기 방법은 흡착 순서와 재생 순서 사이를 순환하고;
(e) 흡착 순서 동안:
(i) 공급 가스가 공급구에서 시작하여 용기를 통과하고;
(ii) 수분 선택적 흡착제 중 적어도 일부가 수분으로 포화되고;
(iii) CO2 선택적 흡착제 중 적어도 일부가 CO2로 포화되며;
(iv) 생성 가스가 생성구로부터 배출되고;
(f) 재생 순서 동안:
(i) 상기 용기가 저압으로 감압되고;
(ii) 생성구에서 시작하여, 흡착 순서 동안 흡착된 실질적으로 모든 CO2 및 흡착 순서 동안 흡착된 수분의 일부를 탈착시키기 위한 소정량의 재생 열을 제공하는 가열 재생 가스가 상기 용기를 통과하고;
(iii) 생성구에서 시작하여, 흡착 순서 동안 흡착된 대부분 또는 실질적으로 모든 잔류 수분을 탈착시키기 위한 냉각 재생 가스가 상기 용기를 통과하며;
(iv) 상기 용기를 다음 흡착 순서에 사용할 준비를 하기 위해 상기 용기를 공급 가스로 가압시키며 ;
(g) 수분 제거 구역 내에 함유된 수분 선택적 흡착제가 10개의 동일한 두께의 층으로 이루어지고, 이때 층 1은 공급 가스구에 인접한 수분 제거 구역의 말단에서 시작하여 CO2 제거 구역에 인접한 수분 제거 구역의 말단의 층 10까지 순차적으로 배치된다.
더 구체적으로, 본 발명은 (f)(ii)에서 기재된 재생 열의 양을 수분 선택적 흡착 구역의 핵심부 내에서 취해진 온도 데이타의 함수로서 조절하고, 이때 핵심부는 앞서 언급한 바와 같이 열 펄스를 소멸시키기 위한 디자인 로케이션에 상응하 고, 이는 일반적으로 층 2 내지 층 9 사이 (층 2 및 층 9 포함)의 임의의 3-4개의 연속한 층을 포함할 수 있으나, 더 통상적으로는 도 1의 수분 제거 구역의 단면부에 의해 도시되는 바와 같이 층 6 내지 층 9를 포함한다.
본 발명의 또다른 구체예에서, 온도 데이타는 핵심부 내의 2개의 위치, 즉 층 9 내의 위치 및 층 6 내의 위치로부터 얻어진다.
본 발명의 또다른 구체예에서, 가열된 재생 가스에 의해 제공될 열의 양은 또한 공급 가스 중의 수분 함량의 함수로서 조절된다(즉 칼바시에서 교시되어 있는 바와 같음).
본 발명의 또다른 구체예에서, 공급 가스는 공기이다.
본 발명의 또다른 구체예에서, 생성 가스는 극저온의 공기 분리 유닛으로 공급되고 이의 구성 요소로 분리된다.
본 발명의 또다른 구체예에서, 수분 선택적 흡착제는 활성화된 알루미나이다.
본 발명의 또다른 구체예에서, 수분 선택적 흡착제는 실리카겔이다.
본 발명의 또다른 구체예에서, CO2 선택적 흡착제는 분자체이다.
본 발명의 또다른 구체예에서, 공급 가스는 천연 가스이다.
본 발명의 또다른 구체예에서, 공급 가스는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스이다.
도 1에서 도시되어 있는 본 발명의 구체예는 수직류(vertical flow) 용기를 이용하고 있고 (칼바시에서 교시되어 있는 바와 같음), 이때 공급구 (14)는 흡착 용기의 하부에 위치하고, 공급 가스 (10)는 흡착 용기를 통해 위쪽으로 흐른 후에 흡착 용기의 상부에 위치한 생성구 (16)에 도달한다. 대안으로, 본 발명은 방사류(radial flow) 용기를 이용할 수 있고 (Bosquain에서 교시되어 있는 바와 같음), 이때 공급구는 공급 가스를 흡착 용기의 외면 내로 살포시키고, 공급 가스는 흡착 용기를 통해 방사형으로 흐른 후에 흡착 용기의 내면에 위치한 생성구에 도달한다(칼바시에서와 마찬가지로 먼저 수분 제거 구역을 통과한 후 CO2 제거 구역을 통과함).
본 발명은 하이브리드 PSA/TSA 시스템에 있어서 가열 재생 가스에 의해 제공되는 열의 양을 정확하게 계산함에 의해 공급 가스로부터 수분 및 CO2를 흡착하기 위한 개선된 방법을 제공한다.

Claims (13)

  1. (a) 공급 가스를 도입하기 위한 공급구(feed port) 및 생성 가스를 배출하기 위한 생성구(product port)를 갖는 흡착 용기를 이용하고;
    (b) 공급 가스로부터 수분을 흡착하기 위한 수분 선택적 흡착제를 함유하는 수분 제거 구역이 공급구에 인접하여 위치하고;
    (c) 공급 가스로부터 CO2를 흡착하기 위한 CO2 선택적 흡착제를 함유하는 CO2 제거 구역이 수분 제거 구역과 생성구 사이에 위치하고;
    (d) 흡착 순서와 재생 순서 사이를 순환하고;
    (e) 흡착 순서 동안:
    (i) 공급 가스가 공급구에서 시작하여 상기 용기를 통과하고;
    (ii) 수분 선택적 흡착제 중 적어도 일부가 수분으로 포화되고;
    (iii) CO2 선택적 흡착제 중 적어도 일부가 CO2로 포화되며;
    (iv) 생성 가스가 생성구로부터 배출되고;
    (f) 재생 순서 동안:
    (i) 상기 용기가 저압으로 감압되고;
    (ii) 생성구에서 시작하여, 흡착 순서 동안 흡착된 실질적으로 모든 CO2 및 흡착 순서 동안 흡착된 수분의 일부를 탈착시키기 위한 소정량의 재생 열을 제공하는 가열 재생 가스가 상기 용기를 통과하고;
    (iii) 생성구에서 시작하여, 흡착 순서 동안 흡착된 대부분 또는 실질적으로 모든 잔류 수분을 탈착시키기 위한 냉각 재생 가스가 상기 용기를 통과하고;
    (iv) 상기 용기를 다음 흡착 순서에 사용할 준비를 하기 위해 상기 용기를 공급 가스로 가압시키며 ;
    (g) 수분 제거 구역 내에 함유된 수분 선택적 흡착제가 10개의 동일한 두께의 층으로 이루어지고, 이때 층 1은 공급 가스구에 인접한 수분 제거 구역의 말단에서 시작하여 CO2 제거 구역에 인접한 수분 제거 구역의 말단의 층 10까지 순차적으로 배치되어 있는,
    공급 가스로부터 수분 및 CO2를 제거하기 위한 흡착 방법에 있어서, 층 2 내지 층 9 사이 (층 2 및 층 9 포함)의 임의의 3-4개의 연속 층을 포함하는 수분 선택적 흡착제 구역의 핵심부(strategic portion) 내에서 취해진 온도 데이타의 함수로서 상기 재생 열의 소정량을 조절하는 것을 포함하는 것이 특징인 흡착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 수분 선택적 흡착제 구역의 핵심부가 층 6 내지 층 9를 포함하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 온도 데이타가 핵심부 내의 2개의 위치인, 층 9 내의 위치, 및 층 6 내의 위치로부터 수득되는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 가열된 재생 가스에 의해 공급될 열의 양은 또한 공급 가스중의 수분 함량의 함수로서 조절되는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 공급 가스가 공기인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 생성 가스는 극저온의 공기 분리 유닛(unit)으로 공급되고 이의 구성 요소로 분리되는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 수분 선택적 흡착제가 활성화된 알루미나인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 수분 선택적 흡착제가 실리카겔인 방법.
  9. 제1항에 있어서, CO2 선택적 흡착제가 분자체인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 공급 가스가 천연 가스인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 공급 가스가 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 흡착 용기는 수직류(vertical flow) 용기이고, 여기서 공급구는 흡착 용기의 하부에 위치하고, 공급 가스는 흡착 용기를 통해 위쪽으로 흐른 후에 흡착 용기의 상부에 위치한 생성구에 도달하는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 흡착 용기는 방사류(radial flow) 용기이고, 여기서 공급구는 공급 가스를 흡착 용기의 외면 내로 살포하고, 공급 가스는 흡착 용기를 통해 방사형으로 흐른 후에 흡착 용기의 내면에 위치한 생성구에 도달하는 것인 방법.
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