KR100926498B1 - 고속 사이클 압력 스윙 흡착 시스템의 성능 안정성 - Google Patents

고속 사이클 압력 스윙 흡착 시스템의 성능 안정성 Download PDF

Info

Publication number
KR100926498B1
KR100926498B1 KR1020070099299A KR20070099299A KR100926498B1 KR 100926498 B1 KR100926498 B1 KR 100926498B1 KR 1020070099299 A KR1020070099299 A KR 1020070099299A KR 20070099299 A KR20070099299 A KR 20070099299A KR 100926498 B1 KR100926498 B1 KR 100926498B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure swing
layer
oxygen
swing adsorption
bed
Prior art date
Application number
KR1020070099299A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20080031641A (ko
Inventor
매튜 제임스 라부다
티모시 크리스토퍼 골든
로저 딘 위틀리
크레이그 이. 슈타이거발트
Original Assignee
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드 filed Critical 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Publication of KR20080031641A publication Critical patent/KR20080031641A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100926498B1 publication Critical patent/KR100926498B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • C01B13/0229—Purification or separation processes
    • C01B13/0248—Physical processing only
    • C01B13/0259—Physical processing only by adsorption on solids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02—Preparation of oxygen
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M16/00—Devices for influencing the respiratory system of patients by gas treatment, e.g. mouth-to-mouth respiration; Tracheal tubes
    • A61M16/10—Preparation of respiratory gases or vapours
    • A61M16/1005—Preparation of respiratory gases or vapours with O2 features or with parameter measurement
    • A61M16/101—Preparation of respiratory gases or vapours with O2 features or with parameter measurement using an oxygen concentrator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • B01D53/0473—Rapid pressure swing adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/104—Alumina
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B01D2253/108—Zeolites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/30—Physical properties of adsorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/12—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/102—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/80—Water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40058—Number of sequence steps, including sub-steps, per cycle
    • B01D2259/40062—Four
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/414—Further details for adsorption processes and devices using different types of adsorbents
    • B01D2259/4141—Further details for adsorption processes and devices using different types of adsorbents within a single bed
    • B01D2259/4145—Further details for adsorption processes and devices using different types of adsorbents within a single bed arranged in series
    • B01D2259/4146—Contiguous multilayered adsorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/45—Gas separation or purification devices adapted for specific applications
    • B01D2259/4533—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for medical purposes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2210/00—Purification or separation of specific gases
    • C01B2210/0043—Impurity removed
    • C01B2210/0046—Nitrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2210/00—Purification or separation of specific gases
    • C01B2210/0043—Impurity removed
    • C01B2210/0051—Carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2210/00—Purification or separation of specific gases
    • C01B2210/0043—Impurity removed
    • C01B2210/0062—Water

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Anesthesiology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
  • Drying Of Gases (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

본 발명에 따르면, 산소 생산을 위한 압력 스윙 흡착 공정에 있어서, (a) 공급 단부에 이웃한 흡착제의 제1 층 및 제1 층에 이웃한 흡착제의 제2 층을 포함하는 하나 이상의 흡착 용기를 제공하는 단계와, (b) 공급 단부로 적어도 산소, 질소 및 물을 포함하는 가압 공급 가스를 도입하고, 제1 층의 흡착제에서 적어도 물의 일부를 흡착하고, 제2 층의 흡착제에서 적어도 질소의 일부를 흡착시키는 단계, 그리고 (c) 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 단계를 포함하며, 단계 (a)에서 제1 층의 체적에 대한 표면적의 비는 약 5 내지 약 11 cm-1 범위에 있고, 단계 (b)에서 제1 층에서의 가압 공급 가스의 표면 접촉 시간은 약 0.08 내지 약 0.50 초인 것인 산소 생산을 위한 압력 스윙 흡착 공정이 제공된다.
압력 스윙 흡착 공정, 고속 사이클, 흡착제

Description

고속 사이클 압력 스윙 흡착 시스템의 성능 안정성{PERFORMANCE STABILITY IN RAPID CYCLE PRESSURE SWING ADSORPTION SYSTEM}
본 발명은 고속 사이클 압력 스윙 흡착 시스템의 성능 안정성에 관한 것이다.
처리 및 흡착 기술에 있어서의 최근의 발전에 따라 전통적인 대형 압력 스윙 흡착(PSA) 시스템은 매우 짧은 유지 시간의 고속 사이클로 작동하는 훨씬 작은 시스템으로 축소될 수 있었다. 이러한 소형 고속 사이클 PSA 시스템들은, 예컨대 주위 공기로부터 산소를 재생시키는 휴대용 의료 산소 농축기에 사용될 수 있다. 이들 농축기에 대한 시장이 성장함에 따라, 산소 치료를 받는 환자들을 위해 보다 소형이고 가벼우며 휴대성이 향상된 유닛의 개발에 대한 동기가 유발된다.
흡착제에 대한 공급 가스 불순물의 영향은 다수의 PSA 시스템에서 공통적인 문제이며, 이 영향은 소형 고속 사이클 PSA 시스템에서 요구되는 소형 흡착제 베드에서 특히 심각하다. 예를 들면, 공기 중의 물 및 이산화탄소 불순물은, PSA 사이클의 재생 단계 동안에 불완전하게 제거되어 흡착되는 불순물에 따른 흡착제의 점진적인 불활성화에 의해 소형 PSA 공기 분리 시스템의 성능을 현저하게 저하시킬 수 있다. 점진적인 불활성화 때문에, 산소 재생은 시간이 지남에 따라 감소할 수 있고, 정기적으로 흡착제의 교체가 필요할 수 있다. 대안으로, 점진적인 흡착제의 불활성화를 해결하기 위해 지나치게 큰 흡착제 베드가 필요할 수 있다. 이러한 상황들은 모두 산소 농축기 시스템의 가격 및 무게를 증가시키기 때문에 바람직하지 않다.
당업계에서는, 소형 휴대용 고속 사이클 PSA 산소 농축기의 설계 및 작동에 있어서, 불순물, 특히 물을 제거하기 위한 개량된 방법에 대한 요구가 존재한다. 이러한 요구는 이후에 설명되고 후속하는 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 실시예에 의해 해결된다.
본 발명의 한 가지 실시예는, (a) 공급 단부 및 생산 단부를 가지며 공급 단부에 이웃한 흡착성 재료의 제1 층 및 제1 층과 생산 단부 사이에 배치된 흡착성 재료의 제2 층을 포함하는 하나 이상의 흡착 용기를 제공하는 단계로서, 제1 층의 흡착제는 물, 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 물을 선택적으로 흡착하고, 제2 층의 흡착제는 산소와 질소를 포함하는 혼합물로부터 질소를 선택적으로 흡착하며, 흡착성 재료의 제1 층의 체적에 대한 표면적의 비는 5 내지 11 cm-1 범위에 있는 것인 흡착 용기를 제공하는 단계와 (b) 흡착 용기의 공급 단부로 적어도 산소, 질소 및 물을 포함하는 가압 공급 가스를 도입하고, 제1 층 및 제2 층을 통해 가스를 연속적으로 통과하게 하여, 제1 층의 흡착성 재료에서 적어도 물의 일부를 흡착하고, 제2 층의 흡착성 재료에서 적어도 질소의 일부를 흡착하는 단계로서, 제1 층에서의 가압 공급 가스의 표면 접촉 시간은 0.08 내지 0.50 초인 것인 흡착 단계 및 (c) 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 단계를 포함하는 것인 산소 생산을 위한 압력 스윙 흡착 공정에 관한 것이다. 가압 공급 가스는 공기일 수 있다.
제1 층의 흡착성 재료는 평균 입자 직경이 0.3 mm 내지 1.0 mm일 수 있는 활성화된 알루미나를 포함할 수 있다. 제2 층의 흡착성 재료는 질소와 산소를 포함하는 혼합물로부터 질소를 선택적으로 흡착할 수 있다. 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출된 생성물 가스 내의 산소 농도는 85 체적% 이상일 수 있다. 제1 층의 깊이는 전체 베드 높이의 10 % 내지 40 %일 수 있고, 0.7 cm 내지 13 cm일 수 있다. 흡착 용기는 원통형일 수 있으며, 흡착 용기의 내경에 대한 제1 층과 제2 층의 전체 깊이의 비는 1.8 내지 6.0일 수 있다.
압력 스윙 흡착 공정은, 가압 공급 가스가 흡착 용기의 공급 단부로 도입되고 산소가 농후한 생성물 가스가 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출되는 공급 단계, 제1 층 및 제2 층의 흡착성 재료를 재생시키기 위해 흡착 용기의 공급 단부로부터 가스를 취출하는 감압 단계, 그리고 한 가지 이상의 재가압 가스를 흡착 용기 내부로 도입함으로써 흡착 용기를 가압하는 재가압 단계를 적어도 포함하는 반복 사이클로 작동될 수 있으며, 공급 단계는 0.75 초 내지 30 초 동안 유지된다. 사이클의 전체 유지 시간은 6 초 내지 60 초일 수 있다.
산소가 농후한 생성물 가스의 유량은 1 내지 11.0 분당 표준 리터일 수 있고, 보다 구체적으로는 0.4 내지 3.5 분당 표준 리터일 수 있다. 산소 생성물 순도가 93 체적%인 상태에서 분당 표준 리터 단위인 생성물 가스의 유량에 대한 제1 층의 흡착성 재료의 중량의 비는 44 g/slpm을 초과할 수 있다. 흡착 베드와 흡착 용기 벽 사이의 평균 열전달 계수는 0.25 BTU ft-2 hr-1 ℉-1 이상일 수 있다.
압력 스윙 흡착 공정은, 가압 공급 가스가 흡착 용기의 공급 단부로 도입되고 산소가 농후한 생성물 가스는 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출되는 공급 단계, 제1 층 및 제2 층에서 흡착성 재료를 재생하기 위해 흡착 용기의 공급 단부로부터 가스가 취출되는 감압 단계, 그리고 한 가지 이상의 재가압 가스를 흡착 용기 내부로 도입함으로써 흡착 용기를 가압하는 재가압 단계를 적어도 포함하는 반복 사이클로 작동하며, 예처리층에서의 축방향 베드의 최대 온도차는 70 ℉ 이하일 수 있다. 냉각용 공기가 흡착 컬럼의 외면 위로 통과할 수 있다.
청구항 1의 공정에서 생성물 가스 내의 재생된 산소량은 가압 공급 가스 내의 산소량의 35 %를 초과한다. 제2 층의 흡착성 재료는 X-타입 제올라이트, A-타입 제올라이트, Y-타입 제올라이트, 캐버자이트, 모데나이트 및 클리놉틸로라이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 한 가지 이상의 흡착제를 포함할 수 있다. 흡착성 재료는 리튬 교환된 X-타입 제올라이트일 수 있고, 이 경우 활성 사이트 양이온의 85 % 이상이 리튬이며, Al2O3에 대한 SiO2의 몰 비는 2.0 내지 2.5의 범위 일 수 있다.
가정에서 의료용으로 사용되는 휴대용 산소 농축기는 점차 인기를 얻고 있으며, 현재는 가스 실린더 및 가정 충전식 액체 산소 시스템에 의해 제공되는데 시장에서 큰 잠재력을 갖고 있다. 이러한 시장에서 성공적인 농축기 시스템의 열쇠는 최소한의 전체 중량 및 크기이다. 휴대용 농축기는 흡착제의 다중 베드가 가압되 고 감압되는 압력 스윙 흡착(PSA) 공정을 사용하고, 상기 흡착제는 산소가 농후한 생성물 흐름을 생산하기 위해 질소 및 다른 가스를 선택적으로 제거한다. 최소의 시스템 중량 및 크기에 대한 요구를 충족시키기 위해, 25 ℃, 1기압의 표준 상태에서 3 분당 표준 리터(slpm)까지 전형적인 연속 유동으로 농축된 생성물을 이송할 수 있도록 짧은 흡착제 베드 및 빠른 사이클 시간이 요구된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이 표괄적인 용어인 "압력 스윙 흡착"(PSA)은 최고 압력과 최저 압력 사이에서 작동하는 모든 흡착 분리 시스템에 적용된다. 최고 압력은 일반적으로 초대기압이며, 최저 압력은 초대기압이거나 아대기압일 수 있다. 최저 압력이 아대기압이고 최고 압력이 초대기압인 경우, 이러한 시스템은 일반적으로 압력 진공 스윙 흡착(PVSA) 시스템이라고 부른다. 최고 압력이 대기압 또는 아대기압이고 최저 압력이 아대기압인 경우, 이러한 시스템은 일반적으로 진공 스윙 흡착(VSA) 시스템이라고 부른다.
산소 PSA 시스템에서 질소 선택적 흡착제로서 일반적으로 사용되는 제올라이트 흡착제는 주위 공기 중에 존재하는 오염물질, 특히 물과 이산화탄소에 민감하다. 이들 질소 선택적 제올라이트 흡착제는 전술한 불순물들에 대해 높은 친화성을 가지며, 재생 단계 동안에 불순물들이 적절히 제거되지 않는 경우에는 급속한 불활성화가 나타난다. 공급 가스로부터 이들 불순물을 제거하기 위해 당업계에서는 다양한 방법이 사용되었다. 단일 베드 또는 다중 베드 분리 시스템에 있어서는, 공급 입구에서 불순물 선택적 흡착제의 층을 이용하여 용기 내에 흡착제를 적층시키고, 하나 이상의 질소 선택적 흡착제 층이 뒤따르는 것이 일반적이다. 불순물 선택적 흡착제의 목적은 점진적인 불활성화로부터 하류의 흡착제를 보호하도록 물 및/또는 이산화탄소를 줄이거나 제거하는 것이다. 물은 일반적으로 가장 심각하고 지배적인 오염물질이다. 공급 흐름의 농도 변화는 소형 베드 흡착기 내부의 예처리층에서의 물과 이산화탄소 흡착의 안정성에 상당한 영향을 미칠 수 있는데, 이는 흡착제의 절대량이 대형 베드에 비해 훨씬 적기 때문이며, 대형 베드는 덜 민감할 수 있다.
예처리층의 길이 또는 깊이 및 물과 이산화탄소가 흡착된 위상 프론트(phase front)의 안정성은 공급 가스의 속도, 오염물질을 위한 예처리 흡착제의 친화성 및 예처리 흡착제의 물질 이동 저항에 비례한다. 베드의 직경이 약 1 피트를 넘는 대형 PSA 시스템에 있어서, X-타입 제올라이트 층은 일반적으로 예처리층으로서 사용되고, 상대적으로 짧은 X-타입 제올라이트 층(보통은 전체 베드 깊이의 10 % 미만임)을 사용하면 공급 비율 및 표면 속도(superficial velocity)에 대한 일반적인 퍼지 단계에서 장시간에 걸쳐 안정적인 생산을 유지하게 된다. 그러나, 본 발명의 일실시예를 개발하는 과정에서, 공급 비율 및 표면 속도에 대한 유사한 퍼지 단계에서 깊이가 약 4 인치 미만인 소형 베드 내부에 하나의 NaX 층을 사용하면 흡착된 불순물에 의한 질소 선택적 흡착제의 급격한 불활성화가 유발된다는 것을 발견하였다. 이러한 예처리 베드 깊이에서 그리고 심지어는 다소 더 깊은 베드 깊이에서, NaX는 소형 베드의 고속 사이클 PSA 시스템에 대한 오염물질 프론트를 수용하는 데에 예상외로 부적절함을 발견하였다.
고속 사이클을 구비한 소형 베드 시스템에 있어서, 예처리 흡착제가 흡착된 오염물질에 대해 양호한 물질 전달 및 적절한 등온 평형 특성을 가져야 함을 발견하였다. 대형 PSA 시스템 및 소형 베드 PSA 시스템의 두드러진 차이점은 흡착제 베드로부터 컬럼 벽을 통해 주위 환경까지의 열전달 정도이다. 흡착 중에 발생되는 열에 의해 열전선은 흡착 공급 단계 동안에 흡착 베드를 통해 이동한다. 대형 베드 시스템에 있어서는, 공급 단계 동안에 열손실이 거의 없고, 이 열은 베드에 보존되어 재생 퍼지 단계 중에 사용된다. 유사한 시스템에서는, 월등히 많은 흡착열이 공급 단계에서 손실되고, 결과적으로 열은 퍼지 단계를 위해 보존되지 않는다는 것을 발견하였다. 대형 PSA 시스템은 큰 베드 직경을 가지며, 그 공정은 단열 공정에 준하는 것으로 간주된다. 단열 공정에 준하는 이들 시스템에서는, 더 많은 흡착열이 보존되고, 제올라이트는 이에 따라 예처리 흡착제 용도로 사용될 수 있다. 상대적으로 큰 공급 유량에서의 소형 베드 PSA 공정에 있어서, 흡착제 베드로부터 주위 환경까지의 열전달 속도가 더 빠르면 시스템은 단열보다는 등온에 근사하게 된다. 흡착제 베드가 완전히 등온일 수는 없지만, 소형 베드에서 이루어지는 열전달이 전체적으로 증가하면 소형 베드는 등온 상태에 준하여 작동 가능하게 할 수도 있다.
예처리 흡착제의 평형 특성의 선택은 베드가 준 등온 상태에서 작동하는가 또는 좀 더 단열 상태에 근사하게 작동하는가에 따라 결정된다. 고속 PSA(RPSA) 공정의 소형 베드 흡착기에 있어서, 물 및 이산화탄소에 대해 적당한 평형 능력을 갖는 예처리 흡착제가 높은 평형 능력을 갖는 흡착제에 비해 선호된다. 따라서, 활성화된 알루미나 및 실리카 겔과 같은 흡착제가 제올라이트 흡착제보다 선호된 다. 표 1(1997년에 Elsevier사에서 출판한 "개량된 새로운 무기 흡착제 상의 흡착" 중 629 내지 646쪽에 해당하는 S. Sircar의 "활성화된 알루미나 상의 가스 및 액체의 건조"에서 발췌함)에서는, 다양한 흡착제에 대하여, 물에 대한 흡착제의 흡착 친화성 또는 흡착 능력의 지표인 헨리의 법칙의 상수(초기 등온선의 경사도로서 정의됨), Kh를 비교하고 있다. LiLSX 상의 물에 대한 헨리 상수는 표준적인 중량 측정 기법을 사용하여 실험적으로 측정되었다.
다양한 예처리 흡착제의 물에 대한 헨리의 법칙의 상수
흡착제 Kh, g 물/g 흡착제
NaX 140
LiLSX >150
Alcan Alumina AA300 2.4
Davison Silica Gel 1.2
PSA 시스템의 작동을 설명하는 데 사용되는 주요 파라메타는 흡착제 베드에서의 가스의 표면 접촉 시간이다. 이 파라메타는 다음과 같이 정의된다.
tυo = L / υo (1)
식 (1)에서, L은 베드의 길이이고, υo는 비어있는 베드 체적에 기초한, 베드를 통과하는 공급 가스의 표면 속도이다. 표면 접촉 시간은 예처리층을 비롯하여 베드 내의 모든 흡착제에 대해 정의될 수 있거나, 대안으로 예처리층에 대해서만 정의될 수 있다. 오염물질 제거를 위한 흡착제를 선택하기 위해 최소한의 표면 접촉 시간이 요구된다.
본 발명에 따르면, 소형 휴대용 고속 사이클 PSA 산소 농축기의 설계 및 작동에 있어서, 불순물, 특히 물을 제거하기 위한 개량된 방법에 대한 당업계의 요구를 충족시킬 수 있는 안정적인 고속 사이클 압력 스윙 흡착 공정이 제공된다.
본 발명의 실시예에서의 흡착제 베드는 물 및 CO2와 같은 불순물을 제거하기 위한 하나 이상의 예처리 흡착제층과, 공급 가스 내의 주요 성분들(즉, 산소 및 질소)을 분리하기 위한 하나 이상의 흡착제층을 이용할 수 있다. 공급 가스는 공기 또는 임의의 다른 산소 함유 가스일 수 있다. 흡착 사이클의 작동 중에, 냉각용 공기는 흡착제 컬럼의 외면 위로 통과하여 컬럼으로부터의 열전달을 촉진할 수 있다.
다음의 예들은 본 발명의 실시예를 설명하고 있으나, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 설명된 구체적인 세부 실시예 중 어느 것으로 한정되지 않는다.
예 1
베드 직경이 30 인치이고 베드 깊이가 4 피트이며 베드 중 7 %는 NaX 제올라이트의 예처리층이고 나머지는 88 % Li 교환된 LiLSX로 된 주요 흡착층인 대형 싱글 베드 PVSA 시스템을 작동시켜 공급/생성물 생성, 배출, 퍼지 및 공급 재가압의 간단한 4단계 사이클을 이용하여 공기로부터 산소를 재생하였다. 전체 사이클 시간은 생산 요구조건에 따라 30 내지 40 초 범위일 수 있다. 미처리된 공급 가스의 표면 속도는 2.5 ft/sec이며, 전체 베드 표면 접촉 시간은 1.58 초이었고, 예처리층의 표면 접촉 시간은 0.11 초이었다. 시스템은 500 slpm의 거의 일정한 생산 속도에서 88 체적%의 산소 순도로 30일 동안 작동되었고, 이러한 작동기간 동안 생성물의 순도에 기초한 성능의 감소는 나타나지 않았다.
예 2
예 1에 기술된 PVSA 시스템을 축소하여 흡착 용기 내경이 0.9 인치인 소형 벤치 탑 싱글 베드 시스템을 제작하였고, 예 1에서와 동일한 공정 사이클을 이용하여 작동시켰으나 생산 속도는 분당 22 내지 50 표준 입방센티미터로 하였다. 예처리층이 없는 고도로 리튬 교환된(즉, 88%를 초과하는 리튬 교환) 로우 실리카 X-타입 제올라이트(LiLSX), 예처리층 없이 88% 리튬 교환된 로우 실리카 X-타입 제올라이트(LiLSX) 및 전체 베드 깊이의 30 % 및 40 %를 차지하는 NaX 예처리층을 구비한 고도로 리튬 교환된 LiLSX층을 이용하여 실험을 실시하였다. 일정한 생산 속도에서 시간이 경과함에 따른 생성물 순도의 저하는 표 2의 결과에 나타낸 바와 같이 예상외로 이들 각각의 예에서 관찰되었다. 실험 후 베드의 후속 분석을 통해, 물 및 이산화탄소가 LiLSX 제올라이트를 오염시켰으며 이에 따라 산소 재생 성능에 영향을 준다는 것을 발견하였다.
소형 베드에서의 베드 불활성화
실험 전체 베드 높이 ft 공급 속도 ft/sec 전체 베드 표면 접촉 시간 sec-1 예처리 표면 접촉 시간 sec-1 불활성화 속도, 사이클당 O2 순도 변화 ×104 불활성화, 30일 후의 O2 순도%의 변화
예처리층 없이 고도로 교환된 LiLSX 0.22 0.24 0.91 - -1.00 -12.9 ±1.0
예처리층 없이 88% 교환된 LiLSX 0.22 0.23 0.96 - -0.54 -7.0 ±0.5
전체 베드 중 40%가 NaX 예처리층인 LiLSX 0.21 0.42 0.50 0.20 -0.24 -3.2 ±0.4
전체 베드 중 30%가 NaX 예처리층인 LiLSX 0.22 0.30 0.73 0.22 -0.17 -2.3 ±0.4
예 3
예 2의 NaX 예처리층은 전체 흡착제 베드 깊이의 25 % 내지 40 %를 차지하는 활성화된 알루미나층으로 대체되었다. 예 2와 동일한 시스템 및 사이클을 사용하여 활성화된 알루미나 예처리층의 작동 성능을 평가하였으며 그 결과를 표 3에 나타내었다.
예 2 및 예 3에서의 소형 베드 PVSA 시스템의 최적 성능은, 베드 깊이의 25 %에서 예처리 흡착제 용도로 알칸 알루미나 AA400G(Alcan Alumina AA400G)를 사용하고 고도로 교환된 LiLSX를 주요 흡착층으로 사용한 경우에 발견되었다. 유사한 접촉 시간 및 표면 속도에서, 이러한 성능은 생산 속도가 일정할 때 시간의 경과에 따른 생성물 순도 면에서 현저하게 감소되지 않았다. 모든 경우에 있어서, 활성화된 알루미나를 예처리 흡착제로서 사용하면 NaX를 예처리 흡착제로 사용하는 것에 비해 월등히 낮은 비활성화 속도를 나타내었다. 이는 예상하지 못한 것인데, NaX는 표 1에 나타낸 바와 같이 물에 대해 훨씬 더 친화성이 크고 또한 NaX를 예처리층으로 사용하는 대형 베드 PVSA 시스템의 작동에서는 30일간의 작동 중에 비활성화 또는 산소 순도의 감소가 전혀 나타나지 않았기 때문이다.
예 4
다양한 깊이의 활성화된 알루미나 예처리층에 대해서 더 빠른 표면 속도로 예 3의 사이클과 시스템을 작동시켰고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
활성화된 알루미나 예처리를 이용한 소형 베드에서의 베드 불활성화
실험 전체 베드 높이 ft 공급 속도 ft/sec 전체 베드 표면 접촉 시간 sec-1 예처리 표면 접촉 시간 sec-1 불활성화, 30일 후의 O2 순도%의 변화
전체 베드 높이의 25%의 AA400G 알루미나 예처리층을 구비한 LiLSX 0.27 0.40 0.67 0.17 <0.1±0.0
전체 베드 높이의 10%의 AA400G 알루미나 예처리층을 구비한 LiLSX 0.21 0.37 0.58 0.06 -1.0±0.7
전체 베드 높이의 30%의 AA400G 알루미나 예처리층을 구비한 LiLSX 0.27 1.00 0.27 0.08 -0.5±0.5
대형 베드 PVSA 시스템과 소형 베드 PVSA 시스템의 주된 차이점은 소형 베드 시스템이 등온에 준하는 특성을 갖는 것에 비해 대형 베드 시스템은 단열 특성을 갖는다는 점이다. 소형 베드 시스템에서는, 이에 따라, 적당한 등온 능력 및 낮은 흡착열을 갖는 흡착제가 선호되는데, 이는 사이클 중 재생 단계에서 재생이 보다 용이하기 때문이다. 도 2는 흡착 베드 내의 예처리층에서 사용될 수 있는 다양한 흡착성 재료의 흡착열을 나타내고 있다. 흡착열은 당업계에 공지된 표준적인 기법을 사용한 등온선 측정으로부터 측정되며, 1997년에 Elsevier사에서 출판한 "개량된 새로운 무기 흡착제 상의 흡착" 중 629 내지 646쪽에 해당하는 S. Sircar의 "활성화된 알루미나 상의 가스 및 액체의 건조" 및 1971년에 American Chemical Society Advances in Chemistry에서 펴낸 시리즈 중 102권, "분자 시브 제올라이트 Ⅱ" 중 N. Avgul 등이 쓴 "상이한 알칼리 금속 양이온을 포함하는 X-타입 제올라이트 상의 흡착열"에 설명되어 있다.
예처리층에서의 낮은 흡착열의 필요성을 설명하기 위해, 주기적인 실험을 수행하였으며, 그 결과가 도 1에 도시되어 있는데, 도 1은 76 ℉의 평균 온도 및 약 35 %의 평균 상대습도에서 흡착된 하중이 1.0 mmol/g인 물과 흡착된 하중이 0.1 mmol/g인 이산화탄소의 흡착열 대 주기적인 실험에서 관찰된 불활성화 속도를 나타내고 있다. 알루미나를 예처리 흡착제로 사용하는 소형 베드 시스템에서의 사이클은 예처리를 위해 NaX를 사용하는 시스템에 비해 더 빠른 표면 공급 속도 및 더 작은 예처리 베드 깊이까지 연장된다. 표 3에 나타낸 시스템은 0.08 초 이상의 예처리 표면 접촉 시간 동안 안정하다. 접촉 시간이 0.06 초인 시스템은 30일 동안 생성물 순도에 있어서 1 %포인트(±0.7)의 완만한 감소를 나타낸다. 더 오랜 기간에 걸쳐 사용되면, NaX 예처리 시스템에서 관찰된 바와 같이 이는 흡착기의 전체 수명에 영향을 줄 수 있다.
열전달의 차이에 따른 영향은 공급 가스 입구 온도(Tinlet)와 흡착제층의 경계에서 예처리층으로부터 배출되는 가스의 온도(Tinterface)의 온도차를 측정함으로써 알 수 있다. 적층된 베드에서의 열전선의 전개에 따라, 2개의 흡착제층 사이의 경계에 있는 베드 내부의 위치는 2001년 펴낸 Ind Eng Chem Res. 제40호의 2702 내지 2713쪽에 S. Wilson 등이 게재한 "대량 분리 공정에서 쉽게 흡착되는 트레이스 성분(물)의 영향 : 산소 VSA의 사례"에 기술된 바와 같이 일반적으로 베드에서 가장 저온인 지점이다. Tinlet에서 Tinterface까지 급격하게 온도가 떨어지면 이러한 저온 영역에서의 흡착제의 등온선이 현저한 타입 I 거동을 갖는 결과를 초래한다. 다시 말하면, 이러한 베드 위치에서, 가열되지 않은 퍼지 가스를 이용하여 흡착제를 재생하기가 매우 어렵기 때문에, 전체 베드의 작동 성능을 저하시킨다. 따라서, 온도차(Tinlet-Tinterface)는 용기를 둘러싼 주위 공기에 대한 전체 열전달의 상대량을 나타낸다.
흡착제 컬럼 내부의 완전한 온도 프로파일은 전체 시스템 열전달의 크기를 나타낸다. 전체 열전달은 공급 가스의 상태, 베드와 컬럼 사이의 열전달 계수, 컬럼 및 흡착제의 열전도도, 흡착제 베드의 체적과 관련하여 노출된 컬럼의 전체 표면적 및 흡착에 의해 발생되는 열에 의해 결정된다. 일반적으로, 흡착에 의해 발생되는 열은 비교적 낮은 흡착제의 열전도도 때문에 사이클 도중에 대직경 컬럼 내부에 보존된다. 흡착 단계 동안에 보존되는 이러한 열은 재생 단계 동안에 예처리 흡착제(일반적으로 제올라이트)를 재생하는 데 사용된다. 그러나, 소직경 컬럼에서 흡착에 의해 발생되는 열은 보다 쉽게 컬럼으로부터 멀리 전달된다. 컬럼으로부터의 이러한 열손실 때문에, 예처리층 상에 흡착된 화학종은 제거하기가 더 어렵고, 이는 특히 예처리 재료가 제올라이트인 경우에 더 큰 퍼지 대 공급 비율이 요구되는 결과를 초래한다. 작은 컬럼에서는, 이에 따라 예처리층 내에 흡착열이 작은 흡착제, 구체적으로는 재생을 위해 최소한의 에너지를 필요로 하여 반복되는 흡착 사이클 동안에 가역적인 분리가 이루어질 수 있고 베드의 주요 부분을 통해 이전에 관찰된 물 프론트의 이동이 발생되지 않는 것인 흡착제를 이용하는 것이 이롭다.
흡착제 베드와 컬럼 벽 사이의 열전달 저항은 식 (2)로 나타낼 수 있다(1984년에 John Wiley and Sons사가 출판한 D. Ruthven의 흡착 원리 및 흡착 공정 중 217 내지 218쪽 참조).
Figure 112007071055571-pat00001
(2)
식 (2)은 저항들의 총합이며, d는 내부 컬럼 직경, hi는 내부 열전달 계수, de는 외부 컬럼 직경, he는 외부 열전달 계수, x는 컬럼 벽 두께, λw는 컬럼의 열전도도이며, dlm은 대수 평균된 컬럼 직경이다. 파라메타 hw는 벽 전체의 열전달 저항이다. 내부 열전달 저항 hi는 공정의 물성치들로부터 결정되며, 식 (3)으로부터 계산된다(Ruthven의 전술한 출판물 참조).
Figure 112007071055571-pat00002
(3)
식 (3)에서 Rp는 평균 입자 반경, λf는 가스의 열전도도, υ는 가스의 선속도, ρ는 가스 밀도이고, μ는 가스 점도이다. 이들 파라메타는 공급 상태(온도 및 압력)에서 결정된다.
외부 열전달 계수 he는 Perry의 화학 전문가 핸드북(1997년에 McGraw-Hill에서 펴낸 Perry, R. H와 Green, D. W. 편저의 핸드북의 7판 중 5 내지 12 쪽 및 51 내지 61 쪽 참조)에 기술된 방법을 이용하여 결정된다. 계수 he는 또한 공기가 외부 컬럼 벽을 관통하는 경우의 강제 대류를 가정하여 결정될 수 있다. 자연 대류의 경우, 열전달은 다음과 같이 표현된다(Perry의 전술한 출판물 참조).
Figure 112007071055571-pat00003
(4)
식 (4)에서, 104 < Y < 109인 경우, a는 0.59이고 m은 1/4이며, Y > 109인 경우, a는 0.13이고 m은 1/3이며 다음 식이 성립한다.
Figure 112007071055571-pat00004
(5)
식 (5)에서 L은 컬럼 높이, g는 중력 상수, β은 열팽창 계수(대략 0.004임), Cp, ρ, μ 및 k는 각각 열용량, 밀도, 점도 및 컬럼의 외면에서의 가스의 열전도도이다. 이러한 경계 가스 온도는 외부 컬럼 벽 온도와 주위 공기 온도의 평균값으로 정의된다. hw의 값은 강제 대류의 경우에 더 큰데, 이는 he의 값이 커지기 때문이다.
예 5
93 % 순도의 농축된 산소 생성물을 생산하기 위한 4 베드 VPSA 시스템을 모의 실험하였다. 전체 베드 높이는 3.4 인치이고, 전체 높이의 25 %는 알루미나로 된 예처리층이며, 나머지 베드는 고도로 교환된 LiLSX로 충전되었다. 베드 직경은 2.1 인치였고, 베드를 통한 공급 가스 속도는 0.37 ft sec-1이었다. 6회의 모의 실험을 수행하였으며, 변화된 유일한 파라메타는 베드와 벽 사이의 열전달 계수(HTC)였다. 컬럼 벽과 흡착제의 개별적인 물성을 사용하고 벽에서 주위로의 자연 대류를 가정한 열전달 모델이 사용되었다. 0에 가까운 HTC는 단열 상태와 근사해지는데, 이는 컬럼 벽을 통해 열이 전혀 전달되지 않기 때문이다. 공급 단부 및 공급 단부로부터 베드 높이의 35 %되는 지점, 즉 예처리층의 출구 단부 부근에서 온도를 측정하였다. 도 3은 모의 실험의 결과를 도시하고 있다.
열전달에 가장 큰 영향을 주는 인자는 베드의 기하학적 형상이다. 대류 매질(공기)에 대해 더 넓은 노출 벽면을 갖는 베드는 전체 열유속(heat flux)이 더 크고, 컬럼 벽의 내부 표면적을 흡착제 베드 중 예처리층의 체적으로 나눈 것인 체적에 대한 표면적의 비, 즉 S/V에 의해 설명될 수 있다. 원통형 형상에 있어서, 이 비율은 간단하게 2/r이며, r은 흡착 베드의 반경이다. 베드 반경이 작아질수록, 베드 체적에 대해 흡착 베드 벽이 더 많이 노출된다. 이러한 비율의 상한은 길고 좁은 베드에서 흡착 분리를 행하는 능력에 따라 결정되는데, 이는 압력 강하 및 불균형 배분이 이러한 형상의 베드에 악영향을 주는 인자이기 때문이다.
예 6
온도 프로파일은 예 1의 시스템에 대한 모의 실험에 의해 측정된다. 베드 직경은 30 인치이며, 예처리층은 전체 베드 높이의 7 %이었다. 주기적인 정상 상태에서, 입구 공급 가스와 예처리 배출 가스 사이의 온도차는 평균적으로 약 85 ℉이었다. 이 시스템의 체적에 대한 표면적의 비는 0.05 cm-1이었다. 온도 프로파일은 또한 베드 직경이 0.9 인치인 예 3에서의 소형 베드 공정에 대해서도 측정되었다. 예처리층은 전체 베드 높이의 25 %이었다. 사이클은 동일한 압력 범위에 걸쳐 작동되었으며, 주기적인 정상 상태에서 입구 공급 가스와 예처리 배출 가스 사이의 온도차는 평균적으로 약 9 ℉이었다. 이 시스템의 체적에 대한 표면적의 비는 1.8 cm-1이었다.
친화성이 낮은(즉, 물에 대해 낮은 흡착 능력을 갖는) 예처리 흡착제와 등온에 가까운 고속 사이클 PSA 또는 PVSA 공정의 조합을 사용함으로써, 얕은 베드에서 장시간에 걸쳐 안정적인 성능이 가능하다. 예처리층에서의 표면 접촉 시간 및 성능 감소 정도는 주어진 시스템에 대해 역비례 관계이다. 산소 생성물의 순도가 90 % 이상인 고속 사이클 소형 베드 산소 PVSA 공정에 있어서, 보다 큰 시스템 및 일반적으로 참조되는 종래 기술로부터 계산된 접촉 시간은 유사하거나 더 많은 생성물을 재생시키는 시스템에 대해 5 초 이상이다. 전체 흡착제 깊이의 25 % 이상인 예처리 흡착제 깊이를 이용하는 안정적인 시스템에 있어서 허용 가능한 표면 접촉 시간은 약 0.3 내지 1.0 초 범위이다.
도 1은 고속 사이클 압력 스윙 흡착 시스템에 대한 공급 공기로부터 물 및 이산화탄소를 제거하기 위한 다양한 예처리 흡착제들에 있어서, 흡착열 Q에 대해 시간에 따른 산소 생성물 순도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 다양한 흡착제에 있어서 하중에 대한 물의 흡착열의 그래프이다.
도 3은 예처리층과 주요 층 사이의 경계에서 베드 대 컬럼 열전달 계수가 베드 온도 변화에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.

Claims (21)

  1. 산소 생산을 위한 압력 스윙 흡착 공정에 있어서,
    (a) 공급 단부 및 생산 단부를 가지며 공급 단부에 이웃한 흡착성 재료의 제1 층 및 제1 층과 생산 단부 사이에 배치된 흡착성 재료의 제2 층을 포함하는 하나 이상의 흡착 용기를 제공하는 단계로서, 제1 층의 흡착제는 물, 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 물을 선택적으로 흡착하고, 제2 층의 흡착제는 산소와 질소를 포함하는 혼합물로부터 질소를 선택적으로 흡착하며, 흡착성 재료의 제1 층의 체적에 대한 표면적의 비는 5 내지 11 cm-1 범위에 있는 것인 흡착 용기를 제공하는 단계;
    (b) 흡착 용기의 공급 단부로 적어도 산소, 질소 및 물을 포함하는 가압 공급 가스를 도입하고, 제1 층 및 제2 층을 통해 가스를 연속적으로 통과하게 하여, 제1 층의 흡착성 재료에서 적어도 물의 일부를 흡착하고, 제2 층의 흡착성 재료에서 적어도 질소의 일부를 흡착하는 단계로서, 제1 층에서의 가압 공급 가스의 표면 접촉 시간은 0.08 내지 0.50 초인 것인 흡착 단계; 및
    (c) 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 단계를 포함하는 것인
    산소 생산을 위한 압력 스윙 흡착 공정.
  2. 제1항에 있어서, 제1 층의 흡착성 재료는 활성화된 알루미나를 포함하는 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  3. 제2항에 있어서, 활성화된 알루미나의 평균 입자 직경은 0.3 mm 내지 1.0 mm인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  4. 제1항에 있어서, 제2 층의 흡착성 재료는 질소와 산소를 포함하는 혼합물로부터 질소를 선택적으로 흡착하는 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  5. 제1항에 있어서, 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출된 생성물 가스의 산소 농도는 85 체적% 이상인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  6. 제1항에 있어서, 제1 층의 깊이는 전체 베드 높이의 10 % 내지 40 %인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  7. 제6항에 있어서, 제1 층의 깊이는 0.7 cm 내지 13 cm인 압력 스윙 흡착 공정.
  8. 제6항에 있어서, 흡착 용기는 원통형이고, 흡착 용기 내경에 대한 제1 층과 제2 층의 전체 깊이의 비는 1.8 내지 6.0인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  9. 제1항에 있어서, 가압 공급 가스가 흡착 용기의 공급 단부로 도입되고 산소가 농후한 생성물 가스가 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출되는 공급 단계, 제1 층 및 제2 층의 흡착성 재료를 재생시키기 위해 흡착 용기의 공급 단부로부터 가스를 취출하는 감압 단계, 그리고 한 가지 이상의 재가압 가스를 흡착 용기 내부로 도입함으로써 흡착 용기를 가압하는 재가압 단계를 적어도 포함하는 반복 사이클로 작동되며, 공급 단계는 0.75 초 내지 30 초 사이에서 유지되는 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  10. 제9항에 있어서, 사이클의 전체 유지 시간은 6 초 내지 60 초인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  11. 제1항에 있어서, 산소가 농후한 생성물 가스의 유량은 1 내지 11.0 분당 표준 리터인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  12. 제1항에 있어서, 산소가 농후한 생성물 가스의 유량은 0.4 내지 3.5 분당 표준 리터인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  13. 제11항에 있어서, 산소 생성물 순도가 93 체적%인 상태에서 분당 표준 리터 단위의 생성물 가스의 유량에 대한 제1 층의 흡착성 재료 중량의 비는 44 g/slpm을 초과하는 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  14. 제1항에 있어서, 흡착 베드와 그 용기 벽 사이의 평균 열전달 계수는 0.25 BTU ft-2 hr-1 ℉-1 이상인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  15. 제1항에 있어서, 가압 공급 가스가 흡착 용기의 공급 단부로 도입되고 산소가 농후한 생성물 가스는 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출되는 공급 단계, 제1 층 및 제2 층에서 흡착성 재료를 재생하기 위해 흡착 용기의 공급 단부로부터 가스가 취출되는 감압 단계, 그리고 한 가지 이상의 재가압 가스를 흡착 용기 내부로 도입함으로써 흡착 용기를 가압하는 재가압 단계를 적어도 포함하는 반복 사이클로 작동되며, 예처리층에서의 축방향 베드의 최대 온도차는 70 ℉ 이하인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  16. 제15항에 있어서, 냉각용 공기는 흡착제 컬럼의 외면 위로 통과하는 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  17. 제1항에 있어서, 생성물 가스에서 재생되는 산소량은 가압 공급 가스의 산소량의 35 %를 초과하는 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  18. 제1항에 있어서, 제2 층의 흡착성 재료는 X-타입 제올라이트, A-타입 제올라이트, Y-타입 제올라이트, 캐버자이트, 모데나이트 및 클리놉틸로라이트로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 흡착제를 포함하는 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  19. 제17항에 있어서, 흡착성 재료는 활성 사이트 양이온의 85 %이상이 리튬인 리튬 교환된 X-타입 제올라이트인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  20. 제17항에 있어서, Al2O3에 대한 SiO2의 몰 비는 2.0 내지 2.5의 범위인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
  21. 제1항에 있어서, 가압 공급 가스는 공기인 것인 압력 스윙 흡착 공정.
KR1020070099299A 2006-10-04 2007-10-02 고속 사이클 압력 스윙 흡착 시스템의 성능 안정성 KR100926498B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/542,895 US8016918B2 (en) 2006-10-04 2006-10-04 Performance stability in rapid cycle pressure swing adsorption systems
US11/542895 2006-10-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080031641A KR20080031641A (ko) 2008-04-10
KR100926498B1 true KR100926498B1 (ko) 2009-11-12

Family

ID=39079612

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070099299A KR100926498B1 (ko) 2006-10-04 2007-10-02 고속 사이클 압력 스윙 흡착 시스템의 성능 안정성

Country Status (7)

Country Link
US (1) US8016918B2 (ko)
EP (1) EP1917994A1 (ko)
JP (1) JP2008110337A (ko)
KR (1) KR100926498B1 (ko)
CN (1) CN101219325A (ko)
CA (1) CA2604637C (ko)
TW (1) TWI318132B (ko)

Families Citing this family (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7954490B2 (en) 2005-02-09 2011-06-07 Vbox, Incorporated Method of providing ambulatory oxygen
US7780768B2 (en) * 2006-11-28 2010-08-24 Inogen, Inc. Gas concentrator with improved water rejection capability
US20090065007A1 (en) 2007-09-06 2009-03-12 Wilkinson William R Oxygen concentrator apparatus and method
JP5171697B2 (ja) * 2009-03-11 2013-03-27 株式会社アドバン理研 圧力スイング吸着式ガス発生装置
US20120055475A1 (en) 2010-09-07 2012-03-08 Wilkinson William R Oxygen concentrator system and methods for oral delivery of oxygen enriched gas
US8616207B2 (en) 2010-09-07 2013-12-31 Inova Labs, Inc. Oxygen concentrator heat management system and method
CA2842928A1 (en) 2011-03-01 2012-11-29 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and systems having a rotary valve assembly and swing adsorption processes related thereto
AU2012223571B2 (en) 2011-03-01 2016-08-25 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and systems having an encased adsorbent contactor and swing adsorption processes related thereto
AU2013328915B2 (en) 2012-10-12 2018-04-26 Inova Labs, Inc. Dual oxygen concentrator systems and methods
EP2906278B1 (en) 2012-10-12 2019-01-30 Inova Labs, Inc. Systems for the delivery of oxygen enriched gas
WO2014059409A1 (en) 2012-10-12 2014-04-17 Inova Labs, Inc. Oxygen concentrator systems and methods
US9440179B2 (en) 2014-02-14 2016-09-13 InovaLabs, LLC Oxygen concentrator pump systems and methods
CA2949262C (en) 2014-07-25 2020-02-18 Shwetha Ramkumar Cyclical swing absorption process and system
SG11201702212VA (en) 2014-11-11 2017-05-30 Exxonmobil Upstream Res Co High capacity structures and monoliths via paste imprinting
EP3229938A1 (en) 2014-12-10 2017-10-18 ExxonMobil Research and Engineering Company Adsorbent-incorporated polymer fibers in packed bed and fabric contactors, and methods and devices using same
EP3237091B1 (en) 2014-12-23 2021-08-04 ExxonMobil Upstream Research Company Structured adsorbent beds and methods of producing the same
US10315002B2 (en) 2015-03-24 2019-06-11 Ventec Life Systems, Inc. Ventilator with integrated oxygen production
US11247015B2 (en) 2015-03-24 2022-02-15 Ventec Life Systems, Inc. Ventilator with integrated oxygen production
US9751041B2 (en) 2015-05-15 2017-09-05 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
SG11201707069QA (en) 2015-05-15 2017-11-29 Exxonmobil Upstream Res Co Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto comprising mid-bed purge systems
EP3344371B1 (en) 2015-09-02 2021-09-15 ExxonMobil Upstream Research Company Process and system for swing adsorption using an overhead stream of a demethanizer as purge gas
US10080992B2 (en) 2015-09-02 2018-09-25 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
EA201891029A1 (ru) 2015-10-27 2018-10-31 Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани Устройство и система для процессов короткоцикловой адсорбции, имеющие множество клапанов
KR102123224B1 (ko) 2015-10-27 2020-06-16 엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니 복수의 밸브들을 갖는 관련 스윙 흡착 공정을 위한 장치 및 시스템
SG11201802604TA (en) 2015-10-27 2018-05-30 Exxonmobil Upstream Res Co Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto having actively-controlled feed poppet valves and passively controlled product valves
US10744449B2 (en) 2015-11-16 2020-08-18 Exxonmobil Upstream Research Company Adsorbent materials and methods of adsorbing carbon dioxide
EP3429727A1 (en) 2016-03-18 2019-01-23 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
WO2017192660A1 (en) 2016-05-03 2017-11-09 Inova Labs, Inc. Method and systems for the delivery of oxygen enriched gas
AU2017274289B2 (en) 2016-05-31 2020-02-27 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes
CN109219476A (zh) 2016-05-31 2019-01-15 埃克森美孚上游研究公司 用于变吸附方法的装置和系统
US10773049B2 (en) 2016-06-21 2020-09-15 Ventec Life Systems, Inc. Cough-assist systems with humidifier bypass
US10434458B2 (en) 2016-08-31 2019-10-08 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
BR112019002106B1 (pt) * 2016-09-01 2023-10-31 ExxonMobil Technology and Engineering Company Processo para remover água de corrente de alimentação gasosa,sistema cíclico adsorvente por variação de ciclo rápido e contator de canal substancialmente paralelo
US10328382B2 (en) 2016-09-29 2019-06-25 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for testing swing adsorption processes
FR3059571B1 (fr) * 2016-12-02 2018-11-16 Arkema France Materiau adsorbant zeolithique, procede de preparation et utilisation pour la separation non-cryogenique des gaz industriels
US10549230B2 (en) 2016-12-21 2020-02-04 Exxonmobil Upstream Research Company Self-supporting structures having active materials
US10710053B2 (en) 2016-12-21 2020-07-14 Exxonmobil Upstream Research Company Self-supporting structures having active materials
WO2019147516A1 (en) 2018-01-24 2019-08-01 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for temperature swing adsorption
EP3758828A1 (en) 2018-02-28 2021-01-06 ExxonMobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes
CN112105409A (zh) * 2018-04-20 2020-12-18 澳大利亚勒尔姆科技私人有限公司 向使用者提供浓缩氧气的系统和方法
US11191915B2 (en) 2018-05-13 2021-12-07 Ventec Life Systems, Inc. Portable medical ventilator system using portable oxygen concentrators
WO2020131496A1 (en) 2018-12-21 2020-06-25 Exxonmobil Upstream Research Company Flow modulation systems, apparatus, and methods for cyclical swing adsorption
WO2020222932A1 (en) 2019-04-30 2020-11-05 Exxonmobil Upstream Research Company Rapid cycle adsorbent bed
US11655910B2 (en) 2019-10-07 2023-05-23 ExxonMobil Technology and Engineering Company Adsorption processes and systems utilizing step lift control of hydraulically actuated poppet valves
EP4045173A1 (en) 2019-10-16 2022-08-24 Exxonmobil Upstream Research Company (EMHC-N1-4A-607) Dehydration processes utilizing cationic zeolite rho
CN112495137B (zh) * 2020-11-12 2022-04-19 杭州汉德空分设备有限公司 一种变压吸附制氧设备
CN115318062A (zh) * 2022-09-20 2022-11-11 深圳市通久电子有限公司 一种制氧机自动校准的方法
US11904297B1 (en) 2023-01-11 2024-02-20 Iliad Ip Company, Llc Process for manufacturing lithium selective adsorption/separation media

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0391718A2 (en) 1989-04-06 1990-10-10 Pall Corporation Heaterless adsorption system for combined purification and fractionation of air
KR20000076623A (ko) * 1999-02-09 2000-12-26 마쉬 윌리엄 에프 단일 베드 압력 스윙 흡착 방법 및 시스템
US20020014159A1 (en) 2000-06-27 2002-02-07 Nippon Sanso Corporation Adsorbent, adsorption column and apparatus for pressure swing adsorption separation
WO2003092817A1 (en) 2002-04-29 2003-11-13 Sequal Technologies, Inc. Portable oxygen concentration system

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4222750A (en) * 1976-08-16 1980-09-16 Champion Spark Plug Company Oxygen enrichment system for medical use
US4194891A (en) 1978-12-27 1980-03-25 Union Carbide Corporation Multiple bed rapid pressure swing adsorption for oxygen
US4406675A (en) 1981-12-10 1983-09-27 Union Carbide Corporation RPSA Process
US4477264A (en) * 1983-03-30 1984-10-16 Air Products And Chemicals, Inc. Pressure swing adsorption process for a medical oxygen generator for home use
JPS62235201A (ja) 1986-04-05 1987-10-15 Masayoshi Maeda 高濃度・高収率酸素濃縮方法とその装置
JPH0352615A (ja) 1989-07-20 1991-03-06 Yutaka Noguchi 気体分離方法
US4964888A (en) 1989-12-27 1990-10-23 Uop Multiple zone adsorption process
EP0449448B1 (en) 1990-03-29 1997-01-22 The Boc Group, Inc. Process for producing oxygen enriched product stream
ZA911499B (en) 1990-03-30 1991-12-24 Boc Group Inc Purifying fluids by adsorption
US5071449A (en) 1990-11-19 1991-12-10 Air Products And Chemicals, Inc. Gas separation by rapid pressure swing adsorption
FR2722111B1 (fr) 1994-07-06 1996-08-14 Rhone Poulenc Chimie Procede de sechage d'un melange gazeux ou liquide a l'aide d'un adsorbeur compose d'alumine et d'un tamis moleculaire
JPH10152305A (ja) 1996-11-21 1998-06-09 Nippon Sanso Kk 酸素ガス製造装置および酸素ガス製造方法
JP4001992B2 (ja) 1998-01-16 2007-10-31 大陽日酸株式会社 酸素濃縮方法及び装置
US6475265B1 (en) * 1998-10-22 2002-11-05 Praxair Technology, Inc. Pressure swing adsorption method for production of an oxygen-enriched gas
US6824590B2 (en) 2000-11-07 2004-11-30 Air Products And Chemicals, Inc. Use of lithium-containing fau in air separation processes including water and/or carbon dioxide removal
CA2329475A1 (en) 2000-12-11 2002-06-11 Andrea Gibbs Fast cycle psa with adsorbents sensitive to atmospheric humidity
US6790260B2 (en) 2000-12-20 2004-09-14 Praxair Technology, Inc. Enhanced rate PSA process
US6551384B1 (en) 2001-07-05 2003-04-22 Praxair Technology, Inc. Medical oxygen concentrator
US7279029B2 (en) 2004-05-21 2007-10-09 Air Products And Chemicals, Inc. Weight-optimized portable oxygen concentrator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0391718A2 (en) 1989-04-06 1990-10-10 Pall Corporation Heaterless adsorption system for combined purification and fractionation of air
KR20000076623A (ko) * 1999-02-09 2000-12-26 마쉬 윌리엄 에프 단일 베드 압력 스윙 흡착 방법 및 시스템
US20020014159A1 (en) 2000-06-27 2002-02-07 Nippon Sanso Corporation Adsorbent, adsorption column and apparatus for pressure swing adsorption separation
WO2003092817A1 (en) 2002-04-29 2003-11-13 Sequal Technologies, Inc. Portable oxygen concentration system

Also Published As

Publication number Publication date
CN101219325A (zh) 2008-07-16
JP2008110337A (ja) 2008-05-15
US20080083331A1 (en) 2008-04-10
CA2604637C (en) 2012-01-31
US8016918B2 (en) 2011-09-13
KR20080031641A (ko) 2008-04-10
TWI318132B (en) 2009-12-11
EP1917994A1 (en) 2008-05-07
TW200817079A (en) 2008-04-16
CA2604637A1 (en) 2008-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100926498B1 (ko) 고속 사이클 압력 스윙 흡착 시스템의 성능 안정성
KR100926487B1 (ko) 압력 스윙 흡착 시스템의 얕은 베드에 있어서의 작동안정성
EP1380336B2 (en) Pressure swing adsorption process operation and optimization
KR100964854B1 (ko) 고순도 생성물의 회수가 향상된 압력 변동 흡착 방법
KR100457138B1 (ko) 흡착제 혼합물을 이용한 압력 순환식 흡착 장치 및 방법
EP1085935B1 (en) Rate-enhanced gas separation
EP1080771B1 (en) Gas separation process using composite adsorbent particles
US6500234B1 (en) Rate-enhanced gas separation
EP2189417A2 (en) Performance stability in shallow beds in pressure swing adsorption systems
EP1230967B2 (en) High purity oxygen production by pressure swing adsorption
EP1214964A2 (en) Oxygen production by adsorption
GB2230969A (en) Heaterless adsorption system for combined purification and fractionation of air
AU774848B2 (en) Activation processes for monolith adsorbents
KR19980081442A (ko) 압력 스윙 흡착 공정을 이용한 가스 분리에 사용되는 다중층흡착제 베드
US20020014159A1 (en) Adsorbent, adsorption column and apparatus for pressure swing adsorption separation
KR20190093212A (ko) Psa 사전정제기에 사용하기 위한 코어-인-쉘 복합 흡착제
TW201730102A (zh) 藉由冷變壓吸附的氬生產方法
AU8308198A (en) Removal of carbon dioxide from air
JP2004148315A (ja) 原料ガス流からの亜酸化窒素除去方法及び装置
JPS63107720A (ja) 空気中の水分および炭酸ガスの分離除去方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee