KR100939064B1 - 압력 변동 흡착 방법 및 다용기 상을 구비하는 시스템 - Google Patents

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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은, (a) 1 이상의 복합재료 상을 구비하는 압력 변동 흡착 시스템을 제공하는 단계(각 복합재료 상은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기에 배치된 흡착제 물질을 포함하고, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비함); (b) 흡착/생성물 제조를 포함하는 순환식 순차 단계를 실시하고, 복합재료 상으로부터 감압하에 기체를 배출하며, 복합재료 상을 퍼징하고, 복합재료 상으로 증압하에 기체를 도입하는 단계; 및 (c) 임의의 순차 단계에 대하여, 2 이상의 임의의 용기의 공급물 단부(들)로 도입되거나 또는 여기서 배출되는 기체 및 2 이상의 임의의 용기의 생성물 단부(들)로 도입되거나 또는 여기서 배출되는 기체로 이루어지는 군에서 선택되는 1 이상의 기체의 유속(들)을 설정하는 단계를 포함하는, 공급물 기체 혼합물의 분리를 위한 압력 변동 흡착 방법에 관한 것이다.
압력 변동 흡착, PSA

Description

압력 변동 흡착 방법 및 다용기 상을 구비하는 시스템{PRESSURE SWING ADSORPTION METHOD AND SYSTEM WITH MULTIPLE-VESSEL BEDS}
본 발명은 2 이상의 성분을 함유하는 공급물 기체 혼합물의 분리를 위한 압력 변동 흡착 방법 및 압력 변동 흡착 시스템에 관한 것이다.
압력 변동 흡착(PSA)은 대량의 기체 혼합물의 분리 및 저농도의 의도하지 않는 성분을 함유하는 기체 스트림의 정제를 위한 널리 공지된 방법이다. 이 방법은 광범위의 공급물 기체, 조작 조건, 생성물 순도 및 생성물 회수율에 대하여 개발되고 적용되어 왔다. 다수의 압력 변동 흡착 시스템은, 선택되는 상이 흡착/생성물 제조 단계, 감압 단계, 배출 단계, 퍼지 단계, 압력 평형 단계, 재가압 단계 및 기타 관련 단계를 비롯한 여러 단계를 거치는 동안 일정한 생성물 유속이 유지되도록 순환식 순서로 조작되는 2 이상의 평행한 흡착제 상을 사용한다. 수소, 이산화탄소, 합성 기체, 경질 탄화수소 등과 같은 가치 있는 기체 생성물을 고순도 및/또는 고회수율로 얻기 위하여 다수의 공정 단계를 사용하는 다중 흡착제 상이 필요하다. 이들 공정 단계를 사용하는 다상 PSA 시스템은 각종 산업상 적용예 및 휴대할 수 있는 의료용 산소 농축기에서의 산소 회수에도 적용된다.
흡착제 용기 및 흡착제 상의 적당한 선택 및 디자인은 PSA 시스템의 작동 효율을 최대화하고 비용을 최소화하는 데 중요한 요소이다. 공정 단계 동안 기체와 접착제의 접촉이 적절히 이루어지도록 각종 유형의 디자인이 업계에 사용되어 왔으며, 대부분 원통형 압력 용기 중에 설치하도록 디자인되어 있다. 과립형 흡착제가 널리 사용되며 이것은 기체가 축방향으로 유동하는 원통형 상 또는 기체가 방사상 방향으로 유동하는 고리형 상에 설치될 수 있다. 과립형 흡착제 상을 축방향 또는 방사상 방향 유동 형태로 지지하기 위하여 여러 방법이 사용되어 왔다.
흡착 기체 분리 업계에서는 공장에서 실시되는 제조 작업의 양을 최대화하고 설치 동안 요구되는 제조 및 조립 작업의 양을 최소화하는 용기 디자인에 대한 요구가 지속적으로 존재한다. 이것은 거의 완전한 형태로 안전하게 선적될 수 있는 흡착제 용기(바람직하게는 공장에서 흡착제로 충전됨)를 필요로 한다. 또한 흡착제 용기 내에 공극 부피(즉, 흡착제가 점하고 있지 않은 빈 부피)를 최소화하는 상 디자인도 필요하다. 또한, 다중상 PSA 시스템의 작동에서 각 흡착제 상의 실질적으로 동일한 성능을 확보하는 흡착기 디자인 및 제조 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 최대 선적 직경을 갖는 흡착기 용기를 사용하는 싱글-트레인 시스템의 용량보다 큰 기체 생성 속도를 갖는 대형 PSA 플랜트의 디자인 및 조작 방법의 개선이 필요하다.
이러한 필요성은 이하에 개시되는 본 발명의 구체예 및 뒤따르는 청구의 범 위에 의하여 해결된다.
본 발명의 한 구체예는 2 이상의 성분을 함유하는 공급물 기체 혼합물의 분리를 위한 압력 변동 흡착 방법에 관한 것인데, 이 방법은
(a) 1 이상의 복합재료 상을 구비하는 압력 변동 흡착 시스템을 제공하는 단계(각 복합재료 상은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기에 배치된 흡착제 물질을 포함하고, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비함);
(b) (b1) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로 공급물 기체 혼하물을 도입하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로부터 생성물 기체를 배출하는 단계,
(b2) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 감압하에 기체를 배출하는 단계,
(b3) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로 퍼지 기체를 도입하여 복합재료 상을 퍼징하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 퍼지 유출물 기체를 배출하는 단계, 및
(b4) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부 및/또는 공급물 단부로 증압하에 기체를 도입하는 단계
를 포함하는 순환식 순차 단계를 실시하는 단계; 및
(c) 임의의 상기 순차 단계에 대하여,
(c1) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 공급물 단부(들)로 도입되는 기 체,
(c2) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 생성물 단부(들)로 도입되는 기체,
(c3) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 공급물 단부(들)로부터 배출되는 기체, 및
(c4) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 생성물 단부(들)로부터 배출되는 기체
로 이루어지는 군에서 선택되는 1 이상의 기체의 유속(들)을 설정하는 단계
를 포함한다.
유속(들)은,
(a) 2 이상의 용기 중 임의의 2개에 대하여 선택된 제어 변수 간 절대 차가 소정 값 미만이거나, 또는
(b) 복합재료 상의 2 이상의 용기 각각으로부터의 선택된 제어 변수와 복합재료 상의 2 이상의 용기 각각으로부터의 제어 변수의 평균 간 절대 차가 소정 값 미만이 되도록, 2 이상의 용기에 대하여 선택되는 제어 변수의 값을 유지하도록 설정될 수 있으며, 여기서 각 용기에 대한 제어 변수는
(1) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
(2) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
(3) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
(4) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
(5) 용기내 선택된 지점에서 흡착제의 공극 공간 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
(6) 순차 단계 동안 선택된 시간에서 용기의 두 지점 간 압력 차;
(7) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 온도; 및
(8) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 압력
으로 이루어지는 군에서 선택된다.
본 발명의 또다른 구체예는 1 이상의 복합재료 상을 포함하는 압력 변동 흡착 시스템을 포함하며, 각 복합재료 상은 흡착제 물질을 포함하고 복합재료 상 공급물 단부 및 복합재료 상 생성물 단부를 구비하고, 1 이상의 복합재료 상은 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드 및 복합재료 상 생성물 단부 매니폴드를 구비하는데, 1 이상의 복합재료 상 각각은 용기 공급물 단부 매니폴드 및 용기 생성물 단부 매니폴드를 구비하는 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기를 포함하며, 각 용기는 흡착제 물질의 일부를 함유하고 용기 공급물 단부 및 용기 생성물 단부를 구비하며, 복합재료 상의 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드는 복합재료 상의 공급물 단부를 용기 공급물 단부 매니폴드를 통하여 2 이상의 용기의 공급물 단부와 유체 연통되도록 적용되며, 복합재료 상의 생성물 단부 매니폴드는 복합재료 상의 생성물 단부를 각각의 용기 생성물 단부 매니폴드를 통하여 2 이상의 용기의 생성물 단부와 유체 연통되도록 적용되는데, 여기서
(a) 임의의 용기 공급물 단부 매니폴드는 각각 각 용기의 공급물 단부로의 기체 유속 및/또는 각 용기의 공급물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정 하도록 체택된 1 이상의 흐름 제한 장치를 포함하며, 및/또는
(b) 임의의 용기 생성물 단부 매니폴드는 각각 각 용기의 생성물 단부로의 기체 유속 및/또는 각 용기의 생성물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하도록 체택된 1 이상의 흐름 제한 장치를 포함한다.
임의의 1 이상의 흐름 제한 장치는 오리피스, 조절 밸브, 직경이 감소된 파이프 세그먼트 및 조절 가능한 스톱 체크 밸브로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 관련 구체예는 2개의 복합재료 상을 포함하는 압력 변동 흡착 시스템이며, 각 복합재료 상은 흡착제 물질을 포함하고 복합재료 상 공급물 단부 및 복합재료 상 생성물 단부를 구비하고, 각 복합재료 상은 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드 및 복합재료 상 생성물 단부 매니폴드를 구비하는데, 각 복합재료 상 각각은 용기 공급물 단부 매니폴드 및 용기 생성물 단부 매니폴드를 구비하는 평행 흐름 형태로 배열된 2∼20개의 용기를 포함하며, 각 용기는 흡착제 물질의 일부를 함유하고 용기 공급물 단부 및 용기 생성물 단부를 구비하며, 복합재료 상의 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드는 복합재료 상의 공급물 단부를 용기 공급물 단부 매니폴드를 통하여 2 이상의 용기의 공급물 단부와 유체 연통되도록 적용되며, 복합재료 상의 생성물 단부 매니폴드는 복합재료 상의 생성물 단부를 각각의 용기 생성물 단부 매니폴드를 통하여 2 이상의 용기의 생성물 단부와 유체 연통되도록 적용되고, 각각의 용기 공급물 단부 매니폴드는 오리피스를 포함하고 및/또는 각각의 용기 생성물 단부 매니폴드는 오리피스를 포함한다.
또다른 관련 구체예는
(a) 각각 흡착제 물질을 포함하고 복합재료 상 공급물 단부 및 복합재료 상 생성물 단부를 구비하는 하나 이상의 복합재료 상;
(b) 각 복합재료 상의 공급물 단부로 기체를 도입하고 각 복합재료 상의 공급물 단부로부터 기체를 배출시키도록 적응된 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드;
(c) 각 복합재료 상의 생성물 단부로 기체를 도입하고 각 복합재료 상의 생성물 단부로부터 기체를 배출시키도록 적응된 복합재료 상 생성물 단부 매니폴드
를 구비하는 압력 변동 흡착 시스템을 포함하는데, 여기서, 하나 이상의 복합재료 상 각각은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기에 각각 배치된 흡착제 물질의 일부를 포함하고, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비하며, 2 이상의 용기는
(d) 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드와 유체 연통되어, 각 복합재료 상의 공급물 단부로의 기체 흐름을 개개의 기체 스트림으로 나누고 개개의 기체 스트림을 각각 2 이상의 용기로 도입하며 2 이상의 용기로부터의 개개의 기체 스트림을 배출시키고 조합하여 복합재료 상의 공급물 단부로부터의 기체 흐름을 제공하도록 적응된 용기 공급물 단부 매니폴드; 및
(e) 복합재료 상 생성물 단부 매니폴드와 유체 연통되어, 각 복합재료 상의 생성물 단부로의 기체 흐름을 개개의 기체 스트림으로 나누고 개개의 기체 스트림을 각각 2 이상의 용기로 도입하며 2 이상의 용기로부터의 개개의 기체 스트림을 배출시키고 조합하여 복합재료 상의 생성물 단부로부터의 기체 흐름을 제공하도록 적응된 용기 생성물 단부 매니폴드
를 포함하는데,
여기서 (i) 용기 공급물 단부 매니폴드는 하나 이상의 흐름 제한 장치를 구비하고, 각 장치는 각 용기의 공급물 단부로의 기체 유속 및 각 용기의 공급물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하도록 적응되고, 및/또는 (ii) 용기 생성물 단부 매니폴드는 하나 이상의 흐름 제한 장치를 구비하고, 각 장치는 각 용기의 생성물 단부로의 선택된 기체 유속 및 각 용기의 생성물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하도록 적응된다.
본 발명의 추가의 구체예는
(a) 1 이상의 복합재료 상을 구비하는 압력 변동 흡착 시스템을 제공하는 단계(각 복합재료 상은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기에 배치된 흡착제 물질을 포함하고, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비함);
(b) (b1) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로 공급물 기체 혼합물을 도입하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로부터 생성물 기체를 배출하는 단계,
(b2) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 감압하에 기체를 배출하는 단계,
(b3) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로 퍼지 기체를 도입하여 복합재료 상을 퍼징하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 퍼지 유출물 기체를 배출하는 단계, 및
(b4) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부 및/또는 공급물 단부로 증압하에 기체를 도입하는 단계
를 포함하는 순환식 순차 단계를 실시하는 단계;
(c) 제어 변수를 선택하는 단계; 및
(d) 임의의 상기 순차 단계에 대하여,
(d1) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 공급물 단부(들)로 도입되는 기체,
(d2) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 생성물 단부(들)로 도입되는 기체,
(d3) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 공급물 단부(들)로부터 배출되는 기체, 및
(d4) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 생성물 단부(들)로부터 배출되는 기체
로 이루어지는 군에서 선택되는 1 이상의 기체의 유속(들)을 설정하는 단계[유속(들)은 임의의 2개의 선택된 용기에 대한 값 간의 절대 차가 소정 값 미만이 되도록 2 이상의 용기 중 선택된 용기에 대한 제어 변수 값을 유지하도록 설정함]
를 포함하는, 2 이상의 성분을 함유하는 공급물 기체 혼합물의 분리를 위한 압력 변동 흡착 방법에 관한 것이다.
이 구체예에서, 제어 변수는
(1) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
(2) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
(3) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
(4) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
(5) 용기내 선택된 지점에서 흡착제의 공극 공간 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
(6) 순차 단계 동안 선택된 시간에서 용기의 두 지점 간 압력 차;
(7) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 온도; 및
(8) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 압력
으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 또다른 추가의 구체예는
(a) 1 이상의 복합재료 상을 구비하는 압력 변동 흡착 시스템을 제공하는 단계(각 복합재료 상은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기에 배치된 흡착제 물질을 포함하고, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비함);
(b) (b1) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로 공급물 기체를 도입하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로부터 생성물 기체를 배출하는 단계,
(b2) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 감압하에 기체를 배출하는 단계,
(b3) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로 퍼지 기체를 도입하여 복합재료 상을 퍼징하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 퍼지 유출물 기체를 배출하는 단계, 및
(b4) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부 및/또는 공급물 단부로 증압하에 기체를 도입하는 단계
를 포함하는 순환식 순차 단계를 실시하는 단계;
(c) 제어 변수, 특정한 순차 단계 및 특정한 순차 단계 동안 임의의 용기에 유입되거나 또는 임의의 용기로부터 유출되는 기체 스트림을 선택하는 단계;
(d) 특정한 순차 단계 동안 용기에 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 선택된 기체 스트림에 대하여 유속이 증가될 경우 제어 변수를 증가시킬 것인가 또는 감소시킬 것인가를 결정하는 단계;
(e) 순환식 순차 단계를 실시하는 동안, 각 용기에 대한 제어 변수의 값 및 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값을 결정하는 단계; 및
(f) (d)에서 결정된 바와 같은 특정한 순차 단계 동안 용기로 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 기체 스트림의 유속이 증가될 때 제어 변수가 증가되는 경우 및 선택된 용기에 대한 제어 변수 값이 특정한 순차 단계 동안 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값보다 클 경우, 선택된 용기로 유입되거나 또는 선택된 용기로부터 유출되는 기체 유속을 감소시키는 단계; 또는
(g) (d)에서 결정된 바와 같은 특정한 순차 단계 동안 용기로 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 기체 스트림의 유속이 증가될 때 제어 변수가 증가되는 경우 및 선택된 용기에 대한 제어 변수 값이 특정한 순차 단계 동안 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값보다 작을 경우, 선택된 용기로 유입되거나 또는 선택된 용기로부터 유출되는 기체 유속을 증가시키는 단계; 또는
(h) (d)에서 결정된 바와 같은 특정한 순차 단계 동안 용기로 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 기체 스트림의 유속이 증가될 때 제어 변수가 감소되는 경우 및 선택된 용기에 대한 제어 변수 값이 특정한 순차 단계 동안 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값보다 클 경우, 선택된 용기로 유입되거나 또는 선택된 용기로부터 유출되는 기체 유속을 증가시키는 단계; 또는
(i) (d)에서 결정된 바와 같은 특정한 순차 단계 동안 용기로 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 기체 스트림의 유속이 증가될 때 제어 변수가 감소되는 경우 및 선택된 용기에 대한 제어 변수 값이 특정한 순차 단계 동안 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값보다 작을 경우, 선택된 용기로 유입되거나 또는 선택된 용기로부터 유출되는 기체 유속을 감소시키는 단계
를 포함하는, 2 이상의 성분을 함유하는 공급물 기체 혼합물의 분리를 위한 압력 변동 흡착 방법을 포함한다.
이 구체예에서, 제어 변수는
(1) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
(2) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
(3) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
(4) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
(5) 용기내 선택된 지점에서 흡착제의 공극 공간 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
(6) 순차 단계 동안 선택된 시간에서 용기의 두 지점 간 압력 차;
(7) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 온도; 및
(8) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 압력
으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명은 PSA 사이클의 하나 이상의 공정 단계에 대하여 선택적으로 각 용기로의 및/또는 각 용기로부터의 기체 유속을 설정함으로써 용기 간 성능 차이를 해결한다.
본 발명의 구체예는 하나 이상의 복합재료 상을 구비하는 압력 변동 흡착 시스템을 포함하고, 각 복합재료 상은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기에 배치된 흡착제 물질을 포함하며, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비한다. 이러한 구성을 사용하는 압력 변동 흡착 시스템은 적어도, (1) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로 공급물 기체 혼합물을 도입하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로부터 생성물 기체를 배출시키는 단계, (2) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 감압하에 기체를 배출시키는 단계, (3) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로 퍼지 기체를 도입시켜 복합재료 상을 퍼징하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 퍼지 유출물 기체를 배출시키는 단계, 및 (4) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부 및/또는 공급물 단부로 증압하에 기체를 도입시키는 단계를 포함하는 임의의 순환식 PSA 공정에 따 라 조작될 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "상"은 업계에 공지된 방법에 따른 순환식 PSA 공정의 다단계 동안 기체가 도입되고 배출되는 단일 용기에 설치된 흡착제 물질의 집합을 의미한다. 용어 "복합재료 상"은 본원에서는 각각 2 이상의 평행 용기에 함유된 2 분량 이상의 흡착제 물질로 이루어지는 흡착제 물질의 총 집합으로서 정의한다. 복합재료 상내 흡착제 물질의 총량은 2 이상의 평행 용기내 함유된 흡착제 물질의 양의 합이다. 2 이상의 평행 용기내 흡착제 물질은, 각 용기내의 흡착제 물질이 소정 시간에 동일한 지속 시간의 동일한 공정 사이클 단계를 거치도록, PSA 사이클의 단계 동안 복합재료 상의 총 기체 유입 흐름 및 유출 흐름에 전체적으로 노출된다. 따라서, 평행 용기는 PSA 사이클의 단계를 통해 동시에 작동된다.
본원에서 사용되는 용어 "용기"는 1 이상의 기체 유입구 및 1 이상의 기체 유출구를 구비하고 흡착제 물질을 함유하는 내부 부피를 둘러싸는 중공 구조이다. 복수의 용기는, 유입 기체 스트림이 PSA 사이클의 단계 동안 각 용기에 일정량을 보내는 유입구 매니폴드에 의하여 몇 부분으로 나뉘어지는 평행 흐름 형태로 배열되어 있다. 각 평행 용기로부터의 유출구 기체 스트림은 유출구 매니폴드에 의하여 하나의 유출 기체 스트림으로 조합된다. 매니폴드는 일반적으로 하나의 파이프가 2 이상의 파이프에 유체 연통되게 연결되어 있는 배관 집합으로 정의된다. 유입구 기체 스트림은 평행 용기 중의 흡착제 물질에 의하여 집합적으로 형성된 복합재료 상으로 통과되고 유출구 스트림은 평행 용기 중의 흡착제 물질에 의하여 집합적으로 형성된 복합재료 상으로부터 배출된다.
제1 및 제2 영역에 적용되는 용어 "유체 연통"은 기체가 연결 파이프 및/또는 중간 영역을 통하여 제1 영역으로부터 제2 영역으로 그리고 제2 영역으로부터 제1 영역으로 흐를 수 있는 것을 의미한다.
본원에서 사용되는 일반적인 용어 "압력 변동 흡착"(PSA)은 압력이 흡착제의 기체 혼합물 분리능에 미치는 효과를 이용한 모든 흡착 분리 시스템에 적용된다. 최대압은 일반적으로 대기압보다 높은 압력이며, 최소압은 대기압보다 높은 압력, 대기압 또는 대기압보다 낮은 압력일 수 있다. 최소압이 대기압보다 낮은 압력이고 최대압이 대기압보다 높은 압력일 경우, 시스템은 일반적으로 압력 진공 변동 흡착(PVSA) 시스템으로서 개시된다. 최대압이 대기압 근처이고 최소압이 대기압 이하일 경우, 시스템은 일반적으로 진공 변동 흡착(VSA) 시스템으로서 개시된다.
본원에서 사용되는 부정 관사는 본 명세서 및 청구의 범위에 개시된 본 발명의 구체예의 임의의 특징에 적용될 때 하나 이상을 의미한다. 부정 관사의 사용은 한계가 구체적으로 명시되지 않는 그 의미를 하나의 특징으로 제한하는 것이 아니다. 단수 명사 또는 복수 명사 또는 명사구 앞의 정관사는 특별히 구체화된 특징(들)을 의미하며 그것이 사용되는 문맥에 따라 단수 의미 또는 복수 의미를 가질 수 있다. 형용사 "임의의"는 양과 무관하게 무차별적으로 하나의, 일부의 또는 모든을 의미한다. 제1 실재 및 제2 실재 사이에 놓이는 용어 "및/또는" (1) 제1 실재, (2) 제2 실재, 및 (3) 제1 실재와 제2 실재 중 하나를 의미한다.
종래의 PSA 시스템의 하나의 용기에 함유된 흡착제 물질의 상은 본 발명의 여러 구체예에서 각각 복수의 용기에 배치된 흡착제 물질의 2 이상의 소분량을 갖 는 복합재료 상에 의하여 대체될 수 있다. 복합재료 상의 복수의 용기 각각은 하나의 용기보다 부피 및/또는 직경이 더 작을 수 있다. 복수의 용기는 실질적으로 크기 및 형상이 동일하거나, 또는 다르게는 필요에 따라 크기 및/또는 형상이 상이할 수 있다. 복수의 용기는 실질적으로 동일한 양의 흡착제 물질 또는 상이한 양의 흡착제 물질을 함유할 수 있다. 복합재료 상의 복수의 용기는 평행으로 작동되며, 복합재료 상으로의 기체의 흐름은 나뉘어서 복수의 용기로 도입되고, 복수의 용기로부터의 기체 스트림은 조합되어 복합재료 상으로부터의 총 기체 흐름을 제공한다. 복수의 용기 각각은 복합재료 상에 함유된 전체 흡착제 중 일부를 함유하며, 복수의 용기내 흡착제의 총량은 복합재료 상으로 대체된 단일 용기 상내의 흡착제의 총량보다 적거나, 이것과 동일하거나 또는 이것보다 클 수 있다.
복합재료 상으로서 작용하는, 흡착제를 함유하는 복수의 평행한 용기의 사용은 몇가지 이점이 있다. 직경이 작은 용기 여러개는 흡착제 부피, 흡착제층 두께 및 용기의 헤드 형상이 비슷한 직경이 큰 용기 하나보다 총 공극 부피가 작다. 보다 소형의 용기는 대량 생산될 수 있고, 직경이 더 큰 용기보다 더 용이하게 선적될 수 있으며, 설치 지점까지 선적되기 전에 제어된 환경에서 흡착제를 장입할 수 있다.
복합재료 상을 구비하는 PSA 시스템의 이점은 잠재적인 조작상의 문제로 상쇄될 수 있다. 예컨대, 각 복합재료 상이 실질적으로 동일한 복수의 용기에 배치된 흡착제를 포함할 경우, 배관 및 기계 배치에 따라 개개의 용기로부터의 기체 흐름 또는 개개의 용기로의 기체 흐름 간에 차이가 생길 수 있다. 따라서, 복합재료 상 의 흡착제 물질의 일부를 함유하는 개개의 용기의 성능은 다른 용기의 성능과 다를 수 있고, 복합재료 상의 전체 성능은 모든 용기가 동일한 성능을 가지는 경우에 비하여 감소될 수 있다. 용기 제작, 흡착제 품질 및 흡착제 장입에서의 원하지 않는 변동은 개개의 용기의 흡착 성능을 상이하게 하여 전체 성능을 떨어뜨릴 수 있다는 것이 또다른 잠재적인 문제이다. 또다른 가능한 조작 방법에서는, 복합재료 상내 복수의 용기의 실질적으로 동일한 흡착 성능이 시간에 따라 변화하여 용기의 성능이 동일하지 않다.
PSA 시스템의 조작에서, 1 이상의 복합재료 상에 추가의 평행 용기를 설치함으로써 기존 시스템의 흡착 성능을 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 복합재료 상의 기존 용기의 성능에 새로운 용기(들)의 흡착 성능을 맞추는 것은 곤란하거나 불가능할 수 있다.
각 흡착제 상이 하나의 용기에 설치되어 있는 종래의 다상 PSA 시스템에서, 상들의 성능 간 차이는 업계에 공지된 방법으로 보상할 수 있다. 이들 방법은 각 상이 특정 사이클 단계를 거치는 시간을 변화시시키거나, 상으로, 상으로부터 또는 상들 간의 기체 흐름을 조절하는 제어 밸브를 조정함으로써 또는 기타 수단에 의하여 상들 간에 존재하는 조작상의 비대칭을 보상한다.
선행 기술은 복합재료 상의 복수의 평행 용기(여기서, 각 평행 용기는 흡착제 물질을 함유하고 평행 용기 중의 전체 흡착제 물질은 순환식 PSA 공정에서 복합재료 상으로 작동함)들 간의 성능 차이를 보상하기 위한 PSA 시스템의 조작 방법을 교시하지 않는다.
이하에 개시된 본 발명의 구체예는 PSA 사이클의 하나 이상의 공정 단계에 대하여 선택적으로 각 용기로의 및/또는 각 용기로부터의 기체 유속을 설정함으로써 이러한 문제들을 해결한다. 따라서, 복합재료 상의 각 용기의 성능은 PSA 시스템의 성능을 최대화하기 위하여 필요할 경우 조정할 수 있다.
본원에 개시된 바와 같은 복합재료 상의 사용은 임의의 기체 혼합물의 분리를 위한 임의의 PSA 공정 사이클에 따라 조작되는 임의의 PSA 시스템에 적용될 수 있다. 본 발명의 구체예는 예컨대 이하에 개시되는 바와 같은 도 2의 공정 사이클을 사용하여 공기로부터 산소를 회수하기 위한 도 1의 2-복합재료 상 VSA 시스템의 조작에 의하여 예시될 수 있다.
종래의 PSA 시스템에서, 흡착제 물질은 공급 공기를 바닥부 또는 각 복합재료의 공급물 단부로 도입하고 생성물 기체를 정상부 또는 각 복합재료 상의 생성물 단부로부터 배출시키기 위한 적당한 수단을 구비하는 상(10 및 12)에 함유된다. 각각의 상(10 및 12)은 업계에 공지된 방법에 의하여 하나의 압력 용기에 함유된다. 본 발명 구체예의 예시에서, 종래의 상(10 및 12) 각각은 2 이상의 각 평행 용기에 배치된 분리된 양의 흡착제 물질로 대체되어 이하에서 보다 상세히 개시되는 바와 같은 복합재료 상을 형성한다.
도 1에 따른 본 발명 구체예의 예시에서, 주위 공기는 공급 공기 송풍기(14)에서 압축되어 공급물 매니폴드(16)로 전달된다. 사이클의 제1 단계, 흡착/생성물 제조 단계 동안, 밸브(18)를 열어 압축된 공기를 라인(47)을 통해 복합재료 상(10)으로 유입한다. 공기는 복합재료 상(10)을 통과하며, 여기서 공기 중의 수분은 13- X 분자체와 같은 제1 건조제층에서 제거된다. 이후 건조 공기는 LiLSX 분자체와 같은 질소 선택적 흡착제 층을 통하여 위로 통과하는데, 이때 질소가 공기로부터 흡착된다. 이제 산소가 풍부한 생성물 기체는 라인(45) 및 밸브(22)를 통과하여 생성물 매니폴드(26)로 들어간다. 생성물은 완충제 탱크(28)을 통과하여 사용 지점까지 흐른다. 흐름 조절, 생성물 분석 또는 다른 목적을 위하여 완충제 탱크 유출구 뒤에 추가의 장비(도시되어 있지 않음)를 포함시킬 수 있다.
사이클의 제2 단계, 흡착/생성물 제조/퍼지 제공 단계 동안, 밸브(30)를 열어 복합재료 상(10)으로부터의 생성물 기체의 일부가 복합재료 상(12)으로 흐르도록 한다. 이 기체는 복합재료 상(12)을 위한 퍼지 흐름으로서 작용하며, 이것은 그 때 진공 송풍기(40)에 의하여 밸브(36) 및 매니폴드(38)를 통하여 배출된다. 일정 시간 후, 복합재료 상(10) 중의 흡착제는 거의 질소 흡착 용량에 근접하므로 추가로 공기를 공급하면 질소가 산소 생성물 스트림 안으로 침투된다. 사이클의 제3 단계, 퍼지 제공 단계 동안, 밸브(18, 22 및 30)는 닫고, 밸브(32)는 열어 퍼지 복합재료 상(12)으로 더 높은 기체 흐름을 제공한다. 이 때, 공급물 송풍기(14)는 복합재료 상 중 하나로 공급 공기를 제공하는 위해 필요할 때까지 작동시키지 않을 수 있다.
사이클의 제4 단계, 압력 전달 단계(때때로 압력 평형 단계라고도 함) 동안, 밸브(36)는 닫고 밸브(34)는 열어 진공 송풍기를 통해 복합재료 상(10)을 감압한다. 밸브(32)를 통한 기체의 흐름이 계속되어 복합재료 상(12)을 다시 가압한다. 사이클의 제5 단계, 제1 배출 단계 동안, 밸브(32)는 닫고 복합재료 상(10)을 배출 시켜 흡착된 질소를 제거한다. 제6 단계, 제2 배출 단계에서는, 복합재료 상(10)의 밸브 위치는 변하지 않는다. 제6 단계는 복합재료 상(12)의 밸브 위치를 변화시키므로 제5 단계와 구별된다. 제7 단계, 제1 퍼지 수용 단계에서는, 또한 밸브(30)를 열어 복합재료 상(12)으로부터의 퍼지 기체를 제공하며, 이것은 사이클의 제2 단계를 거친다. 제8 단계, 제2 퍼지 수용 단계에서는, 밸브(30)는 닫고 밸브(32)는 열어 복합재료 상(10)으로 더 높은 퍼지 흐름을 제공한다. 사이클의 제9 단계, 압력 전달 수용 단계(압력 평형 단계라고도 함)에서는, 밸브(34)가 닫히고 복합재료 상(12)으로부터의 기체가 복합재료 상(10)을 재가압하기 시작한다. 사이클의 최종 단계인 제10 단계, 공급물 가압 단계에서는, 밸브(32)는 닫고 밸브(18)는 열어 공급물 송풍기(14)로부터의 공급 공기로 복합재료 상(10)을 재가압한다.
복합재료 상(12)의 사이클은 전체 사이클 시간의 반에 복합재료 상(10)에 대한 사이클과 동일한 단계를 포함한다. 복합재료 상(10 및 12)에 대한 단계 1∼10 간의 상대적 시간 관계는 도 2의 사이클 도표에 주어져 있다. 총 사이클 시간은 40∼80초 범위일 수 있다. 사이클의 단계 동안 밸브의 위치는 도 1에 주어져 있다.
복합재료 상(10) 단계 공급 밸브 배출 밸브 생성물 밸브 퍼지 밸브 복합재료 상(12) 단계
18 20 34 36 22 24 30 32
1 O C C O O C C C 6
2 O C C O O C O C 7
3 C C C O C C C O 8
4 C C O C C C C O 9
5 C O O C C C C C 10
6 C O O C C O C C 1
7 C O O C C O O C 2
8 C C O C C C C O 3
9 C C C O C C C O 4
10 O C C O C C C C 5
O = 개방 C = 폐쇄
종래의 PSA 시스템의 크기가 커짐에 따라, 제작 문제 또는 다른 제한 요소로 인하여 흡착 용기의 디자인이 문제가 될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 구체예에 따르면, 시스템은 복합재료 상으로서 작동하는 평행하게 설치된 흡착제 물질 함유의 여러개의 작은 용기를 구비하는 하나 이상의 복합재료 상을 구비하도록 디자인될 수 있다. 용기는 실질적으로 동일할 수 있으며 디자인 상의 제한 또는 제작 문제로 인하여 크기 또는 치수가 상이할 수 있다.
최광의의 의미에서, 본 발명의 구체예는 흡착제 물질로 이루어진 다수(N, N은 1 이상임)의 복합재료 상을 구비하는 PSA 시스템에 관한 것이다. PSA 시스템에서 N개의 복합재료 상 각각은 다수(n, n은 1보다 큼)의 용기에 배치된 흡착제를 포함한다. n개의 용기는 평행 흐름 형태로 배열되며, 각각의 용기 및 그 안의 흡착제는 복합재료 상으로의 총 기체 흐름의 일부를 수용하고 복합재료 상으로부터의 총 기체 흐름의 일부에 기여한다. N개의 복합재료 상 외에, PSA 시스템은 또한 흡착제 물질이 하나의 용기에 함유되어 있는 다수의 종래의 상을 구비할 수 있으며, 이 구체예에서, PSA 시스템은 상 및 복합재료 상의 조합이다.
상기 언급한 바와 같이, 하나 이상의 복합재료 상을 구비하는 PSA 시스템 중의 복합재료 상의 용기 간 성능 차이를 보상하는 것이 바람직하다. 이를 수행하는 예시적인 방법은 아래에 개시한다.
도 1의 PSA 시스템에서, 복합재료 상(10)은 도 3에 예로서 도시된 바와 같은 4개의 평행 용기를 포함할 수 있다. 용기(10a, 10b, 10c, 및 10d)는 평행하게 설치되며 각 용기는 복합재료 상(10)의 흡착제가 평행 용기(10a, 10b, 10c, 및 10d)에 동등하게 함유되도록 복합재료 상(10) 중의 흡착제 물질의 일부를 함유한다. 이 예시적 구체예에서, 용기(10a, 10b, 10c, 및 10d)는 생성물 매니폴드(301)에 의하여 생성물 단부에 연결되며, 상기 매니폴드는 생성물 라인(45)를 거쳐 복합재료 상(10)의 생성물 단부로 연결된다. 용기(10a, 10b, 10c, 및 10d)는 공급물 매니폴드(303)에 의하여 공급물 단부에 연결되며, 상기 매니폴드는 공급물 라인(47)을 거쳐 복합재료 상(10)의 공급물 단부에 연결된다. 매니폴드(301 및 303)는 용기(10a, 10b, 10c, 및 10d)를 평행 흐름 형태로 배열한다.
임의의 평행 용기를 공급물 및/또는 생성물 단부에서 흐름 제한 장치와 맞출 수 있으며, 1 이상의 임의의 수의 평행 용기를 사용할 수 있다. 도 3의 예에서는, 4개의 용기를 사용하며 각각은 공급물 및 생성물 단부에 설치된 흐름 제한 장치를 구비한다. 따라서, 용기(10a)는 생성물 단부에 흐름 제한 장치(305)와 공급물 단부에 흐름 제한 장치(307)를 구비하며, 용기(10b)는 생성물 단부에 흐름 제한 장치(309)와 공급물 단부에 흐름 제한 장치(311)를 구비하고, 용기(10c)는 생성물 단부에 흐름 제한 장치(313)와 공급물 단부에 흐름 제한 장치(315)를 구비하며, 용기(10d)는 생성물 단부에 흐름 제한 장치(317)와 공급물 단부에 흐름 제한 장치(319)를 구비한다. 다른 구체예에서, 흐름 제한 장치는 용기의 공급물 단부 또는 생성물 단부에 설치될 수 있다.
흐름 제한 장치는 오리피스, 조절 밸브, 직경 감소 파이프 세그먼트, 및 조절 스톱 체크 밸브로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다. 조절 밸브는는 원격으로 조작되는 밸브 위치기 시스템 또는 손으로 조절하게 되어 있는 밸브일 수 있다. 밸브 위치기는 필요에 따라 중앙 공정 제어 시스템으로 조작할 수 있다. 조절 가능한 스톱 체크 밸브는 스톱하여 내부 체크 메카니즘이 완전 폐쇄되는 것을 방지하는 체크 밸브 장치이다. 시스템이 작동하는 동안 스톱을 조절할 수 있다. 기체 흐름이 조절가능한 스톱 체크 밸브를 한 방향으로 통과할 경우, 밸브의 내부 메카니즘은 흐름 제한이 낮아 그 방향으로 기체 흐름이 비교적 높아질 수 있다. 기체 흐름이 역방향으로 밸브를 통과하는 경우, 조절가능한 스톱이 내부 메카니즘이 완전히 폐쇄되는 것을 방지하여 흐름은 허용되지만 흐름에 대한 제한이 더 커지므로 역방향으로는 비교적 기체 흐름이 낮을 수 있다. 조절가능한 스톱 체크 밸브의 예는 Rexroth Floreg® 유량 제어 밸브이다. 다른 흐름 제한 장치는 일반적으로 PSA 시스템이 작동하지 않을 때 변화되며, 다르게는 이들 장치는 개개의 용기가 분리 밸브로 피팅되어 있을 경우 PSA 조작 동안 변화될 수 있다.
각 장치의 흐름 제한도는 필요에 따라 적용가능한 공정 사이클 단계 동안 용기의 공급물 및 생성물 단부 안팎으로의 적절한 유속을 설정할 수 있도록 선택될 수 있다. 각 용기에서의 흐름 제한도는 이하에 개시되는 기준에 따라 용기(10a, 10b, 10c, 및 10d)의 흡착 성능과 동일 또는 거의 동일하도록 선택된다. 예컨대, 시스템이 도 2 및 표 1의 사이클에 따라 작동될 경우, 용기의 공급물 단부에서의 흐름 제한 장치는 흡착/생성물 제조 및 공급물 가압 단계 동안 용기로의 기체 유속 및 배출 및 퍼지 단계 동안 용기로부터의 기체 유속에 영향을 줄 것이다. 마찬가지로, 용기의 생성물 단부에서의 흐름 제한 장치는 흡착/생성물 제조 단계, 흡착/생성물 제조/퍼지 공급 단계, 압력 전달 제공 및 압력 전달 수용 단계, 및 퍼지 제공 및 퍼지 수용 단계 동안 용기로부터의 기체 유속에 영향을 줄 것이다.
대안적인 구체예는 상이한 선택된 사이클 단계 동안 상이한 기체 유속을 설정하는 것이 가능하다. 이들 대안 중 하나가 도 4의 실시예에 도시되어 있는데, 여기서 각 용기의 공급물 단부가 2개의 평행한 흐름 제한 장치에 대하여 피팅하고, 각 장치는 장치를 통하여 흐름이 한 방향으로만 이루어질 수 있도록 하는 인접 체크 밸브를 구비하도록 매니폴드가 제공된다. 이 구체예에서, 공급물 매니폴드(401)는 라인(47)에 연결되고 생성물 매니폴드(402)는 라인(45)에 연결된다. 용기(10a)에는 용기(10a)의 공급물 단부만으로 흐름을 허용하는 흐름 제한 장치(403) 및 체크 밸브(404)가 제공되며, 흐름은 흡착/생성물 제조 및 공급물 가압 단계 동안 일어난다. 용기(10a)에는 또한 용기(10a)의 공급물 단부로부터만의 흐름을 허용하는 흐름 제한 장치(405) 및 체크 밸브(407)가 제공되며, 흐름은 복합재료 상의 배출 및 퍼지 단계 동안 일어난다. 유사한 흐름 제한 장치(409, 411, 413, 415, 417, 및 419) 및 체크 밸브(421, 423, 425, 427, 429, 및 431)가 도시된 바와 같이 각각 용기(10b, 10c, 및 10d)의 공급물 단부에 설치된다. 도 4의 구체예에서 용기의 생성물 단부에는 흐름 제한 장치가 도시되어 있지 않으나, 필요에 따라 대안적인 구체예에서 이러한 장치를 용기의 생성물 단부에 사용할 수 있다.
또다른 구체예가 도 5의 실시예에 도시되어 있으며, 여기서는 2개의 분리된 매니폴드가 용기의 공급물 단부에 제공되고, 공급 매니폴드(501)는 용기로 도입되는 공급물 기체를 제공하며 배출 매니폴드(503)는 용기로부터의 배출 및 퍼지 기체를 배출시킨다. 공급 매니폴드(501)는 밸브(18)를 통하여 공급 매니폴드(16)에 연결되고 배출 매니폴드(503)는 밸브(34)를 통하여 배출 매니폴드(38)에 연결된다. 생성물 매니폴드(504)는 밸브(26, 30, 및 32)와 유체 연통하고 있는 라인(45)에 연결된다. 공급 매니폴드(501)로 용기(10a, 10b, 10c, 및 10d)의 공급물 단부에 각각 흐름 제한 장치(505, 507, 509, 및 511)를 설치할 수 있으며, 이들 장치는 흡착/ 생성물 제조 및 공급물 재가압 단계 동안 각 용기로의 공급물 기체의 흐름 속도에 영향을 준다. 배출 매니폴드(503)로 각각 용기(10a, 10b, 10c, 및 10d)의 공급물 단부에 도시된 바와 같은 흐름 제한 장치(513, 515, 517, 및 519)를 설치할 수 있으며, 이들 장치는 배출 퍼지 단계 동안 용기로부터의 기체 흐름 속도에 영향을 준다. 흐름 제한 장치는 도 5의 구체예에서는 용기의 생성물 단부에 도시되어 있지 않으나, 다른 구체예에서는 필요에 따라 용기의 생성물 단부에 사용될 수 있다.
또다른 구체예가 도 6의 실시예에 도시되어 있는데, 여기서는 2개의 분리된 매니폴드가 용기의 생성물 단부에 제공되며, 매니폴드(601)는 용기로부터 생성물 기체를 배출시키고 매니폴드(603)는 용기로의 퍼지 기체 및 압력 전달 기체를 수용하고 용기로부터 퍼지 기체 및 압력 전달 기체를 배출시킨다. 매니폴드(601)는 밸브(22)를 통하여 생성물 매니폴드(26)에 연결되고 매니폴드(603)는 밸브(30 및 32)에 연결된다. 매니폴드(603)는 조절 가능한 스톱 체크 밸브(605, 607, 609, 및 611)를 각각 용기(10a, 10b, 10c, 및 10d)의 생성물 단부에 구비한다. 도 6의 구체예는 흡착/생성물 제조 단계 동안 용기로부터의 자유로운 기체 흐름이 가능하며 압력 전달 공급 및 압력 전달 수용 단계 및 퍼지 제공 및 퍼지 수용 단계 동안 용기로의 그리고 용기로부터의 선택적 흐름 제한이 가능하다. 이러한 구성으로, 용기의 생성물 단부에서의 흐름 제한은, 흡착/생성물 제조 단계 동안 흐름에 영향을 주지 않고, 퍼지 수용 및 압력 전달 수용 단계 동안 생성물 단부에서 흐름 제한에 영향을 주지 않으면서 퍼지 제공 단계 및 압력 전달 제공 단계에 대해 각 용기를 조절할 수 있다. 흐름 제한 장치는 용기의 공급물 단부에서 사용되거나 사용되지 않을 수 있다. 다른 구체예는 매니폴드(601) 상에 흐름 제한 장치를 포함할 수 있다.
도 3, 4, 5 및 6의 임의의 구체예에서 흐름 제한 장치를 사용하여, 각 복합재료 상의 복수의 평행 용기의 흡착 성능의 균형을 맞추도록, 선택된 공정에 대하여 기체 유속을 설정할 수 있다. 다른 흐름 제한 장치의 배열을 본 발명의 구체예에서 사용할 수 있다.
상 중의 흡착제 용기로부터의 생성물 기체 스트림이 생성물 순도 면에서 비슷할 경우, 즉 생성물 기체 스트림 중의 선택된 성분의 온도가 최대 허용 값 미만으로 변하는 경우 복합재료 상의 복수의 용기의 성능 균형이 이루어진다. 성능 균형의 실현은 예컨대 생성물 기체가 각 평행 용기의 생성물 단부로부터 배출되는 임의의 단계(들) 동안 선택된 성분의 시간 평균 농도로 나타낼 수 있다. 성능 균형의 실현은 이하에 개시되는 바와 같은 다른 제어 변수로 나타낼 수 있다.
각종 제어 변수를 모니터링하여 용기가 언제 균형 조작 중에 있는지 또는 임의의 용기가 다른 용기들과 어느 정도로 균형 조작 중에 있지 않는 지를 알 수 있다. 하나의 제어 변수는 상기 개시한 바와 같이 생성물 순도를 나타내기 위하여 선택된 각 용기로부터의 생성물 기체 중의 선택된 성분의 농도이다. 다른 제어 변수는 예컨대 임의의 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 농도, 임의의 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도, 용기 중 선택된 지점에서 흡착제의 공극 공간 중 선택된 성분의 최대 또는 최소 농도, 및 순차 단계 동안 선택된 시간에 용기의 두 지점 간의 압력 차를 포함할 수 있다. 용기 조작을 모니터링하기 위한 다른 대안적인 제어 변수를 생각할 수 있다.
제어 변수 또는 균형 조작의 기준으로서 사용될 때, 일반 용어 "농도" 또는 "기체 농도"는 (1) 선택된 PSA 사이클 단계에서 특정 시간에 결정되고, 및/또는 (2) 그 단계 동안 시간 평균되며, 및/또는 (3) 그 단계 동안의 최대 또는 최소 값인 임의의 농도를 의미한다.
용기 조작을 모니터링하는 데 사용되는 제어 변수는, 선택된 제어 변수가 특정 세트의 조작 조건에 부합할 경우 복합재료 상의 평행 용기가 균형 조작의 선택된 생성물 기체 조성 조건에 부합하도록, 상기 개시된 균형 조작의 기준에 따라 보정하여야 한다. 제어 변수가 생성물 기체 조성일 경우, 균형 조작의 기준에 따른 보정은 고유하다. 다른 제어 변수를 사용한 생성물 기체 조성 보정은 소정 PSA 시스템 및 사이클에 대하여 실험적으로 정립될 수 있다. 보정이 정립되면, 이후의 작동 모니터링을 위한 제어 변수를 사용할 수 있다.
복합재료 상의 평행 용기의 흡착 성능 균형을 맞추는 제1 단계는 제어 변수, 특정의 순차적 단계(예컨대, 표 1의 예시적 공정 사이클에 대하여 상기 개시한 단계 중 하나) 및 특정의 순차적 단계 동안 용기에 유입 또는 용기로부터 유출되는 기체 스트림을 선택하는 것이다. 제어 변수의 선택은 흡착제의 특징, 분리되는 기체 및 분리에 사용되는 PSA 공정 사이클에 따라 달라질 것이다. 분리될 기체 및 사용되는 PSA 공정 사이클에 따라 1 이상의 제어 변수를 사용하는 조작 방법이 가능할 수 있다. 바람직한 제어 변수는 일반적으로 (a) 흡착기 용기의 성능 균형 변화에 대한 적절한 감지 특성, (b) 용기 간 성능이 상기 정의에 따라 균형을 이룰 때 용기 간 제어 변수의 동일성 특성, (c) 용기 성능 변화에 대한 신속한 대응 특성, 및 (d) 용이한 측정 또는 계산 특성 중 임의의 것을 가진다.
상기 정의한 균형 조작의 기준에 따라 제어 변수를 선택하고 보정한 후, 복합재료 상의 하나 이상의 용기를 균형 조작 또는 실질적으로 균형 조작하는 데 필요한 실제적인 공정 작동을 결정하기 위하여 조작 방법을 정한다. 조작 방법은 용기 간의 소정의 균형도를 달성하기 위하여 측정 제어 변수를 기초로 흐름 제한 장치에 발생한 변화를 결정한다. 용기의 흐름 제한 장치에 대한 변화에 대한 용기에서의 제어 변수의 응답은 한 방향 또는 두 방향일 수 있다. 한 조작 방법에서는, 흐름 제한 장치가 더 제한적이 될 때, 즉 기체 유속이 감소될 때, 용기의 제어 변수의 값이 증가된다. 다른 조작 방법에서는, 흐름 제한 장치가 더 제한적이 될 때, 즉 기체 유속이 감소될 때, 용기의 제어 변수의 값이 감소된다.
예컨대, 사이클 동안의 최대압을 제어 변수로서 선택할 경우, 이 변수는, 용기의 유입구에서의 흐름 제한 장치가 더 제한적이 되어서 유입 기체 흐름이 감소될 경우 용기에서의 값이 감소될 것이다. 이것은 고압 공급 단계 동안 더 적은 공급물 기체가 용기에 유입되기 때문에 일어난다. 또다른 예로서, 용기에서 나오는 생성물의 순도를 제어 변수로서 선택할 경우, 이 제어 변수는, 용기의 유출구에서의 흐름 제한 장치가 더 제한적이 되어서 용기로부터의 기체의 유출 흐름을 감소시킬 경우 용기에서의 값이 증가될 것이다. 이것은 생성물 제조 단계 동안 더 적은 생성물 기체가 용기에서 나가기 때문에 일어난다
흐름 제한 장치 각각에서의 변화에 대한 제어 변수의 실제 응답은 이전 실험으로부터 공지되어 있을 수 있다. 공지되어 있지 않는 경우, 흐름 제한 장치에 변화를 주고 그 변화에 대한 제어 변수의 응답을 모니터링함으로써 실험적으로 PSA 시스템에 대하여 결정할 수 있다. 이후 이 정보를 사용하여 흐름 제한 장치에 더 변화를 주어 복합재료 상의 용기 간에 조작상의 균형을 얻을 수 있다.
흐름 제한 장치가 더 또는 덜 제한적이 되어서 용기로의 또는 용기로부터의 기체 흐름이 변화되고 용기에 대한 제어 변수에서 응답이 일어날 경우, 변수의 응답은 복합재료 상의 다른 용기에서는 반대일 것이다. 이것은, 복합재료 상의 용기는 각각 복합재료 상으로의 기체 흐름 전체의 일부를 수용하며 한 용기로의 또는 한 용기로부터의 기체의 유속 변화는 다른 용기로의 또는 다른 용기로부터의 유속 변화를 일으키지만 반대 방향으로이기 때문이다. 각 용기에서 제어 변수 응답의 크기는 상이할 수 있다. 사이클 동안 최대 복합재료 상 압력을 공정 변수로서 선택한 예로 돌아가면, 용기의 유입구에서의 흐름 제한 장치가 더 제한적이 되어서 용기로의 기체의 유속이 감소됨에 따라 제어 변수가 용기의 값에서 감소하는 경우, 복합재료 상의 모든 용기에 대한 다른 흐름 제한 장치(있을 경우)가 변하지 않을 경우, 더 많은 공급물 기체가 다른 용기로 향하므로 제어 변수 값은 다른 용기들에서는 증가할 것이다.
각각의 흐름 제한 장치의 변화에 대한 제어 변수의 응답을 알면, 복합재료 상에서 용기의 균형을 맞추는 방법은 표 2에 개시된 방법에 따라 결정된다.
제어 변수 및 조작 방법
선택된 순차 단계에 대하여 선택된 기체 유속에 대한 제어 변수의 특징적인 응답 다중 용기 복합재료 상의 선택된 용기에 대한 실제 조작 상황 복합재료 상의 선택된 용기에 대해 필요한 조작 변화
유속이 증가될 때 제어 변수가 증가된다 선택된 용기의 제어 변수가 복합재료 상의 모든 용기의 제어 변수의 평균보다 크다 선택된 기체 유속 감소
선택된 용기의 제어 변수가 복합재료 상의 모든 용기의 제어 변수의 평균보다 작다 선택된 기체 유속 증가
유속이 증가될 때 제어 변수가 감소된다 선택된 용기의 제어 변수가 복합재료 상의 모든 용기의 제어 변수의 평균보다 크다 선택된 기체 유속 증가
선택된 용기의 제어 변수가 복합재료 상의 모든 용기의 제어 변수의 평균보다 크다 선택된 기체 유속 감소
상기 개시되고 표 2의 좌측 칼럼에 요약되어 있는 바와 같이, 선택된 흐름 제한 장치를 통한 기체 유속의 변화에 대하여 제어 변수의 2가지 특징적인 응답이 존재한다. 즉, (1) 유속이 증가될 때 제어 변수가 증가되고, (2) 유속이 증가될 때 제어 변수가 감소된다. 모든 용기에 대한 제어 변수의 값이 실제 PSA 조작 동안 결정되면 이들 두 특징적인 응답에 대하여 두가지 실제 조작 상황이 일어날 수 있다. 즉, (a) 선택된 용기의 제어 변수가 복합재료 상의 모든 용기의 제어 변수의 평균보다 크고, (b) 선택된 용기의 제어 변수가 복합재료 상의 모든 용기의 제어 변수의 평균보다 작다. 표 2의 중간 칼럼에 기재된 바와 같이, 선택된 용기의 각 조작 상황 (1)(a), (1)(b), (2)(a), 및 (2)(b)에 대하여, 표 2의 우측에 기재한 바와 같은 특정 조작 변화가 필요하다. 이러한 변화는 다음과 같다: 조작 상황 (1)(a)의 경우, 선택된 기체 유속 감소; 조작 상황 (1)(b)의 경우, 선택된 기체 유속 증가; 조작 상황 (2)(a)의 경우, 선택된 기체 유속 증가; 조작 상황 (2)(b)의 경우, 선택된 기체 유속 감소.
용기 상의 흐름 제한 장치가 최소 흐름의 위치에 있을 경우, 즉 최대 흐름을 허용할 경우, 및 표 2의 논리가 장치가 덜 제한적이 되어서 유속이 증가됨을 나타낼 경우, 복합재료 상의 다른 용기(들) 상의 흐름 제한 장치를 더 제한적이 되게 하여 그 용기(들)의 해당 유속을 감소시켜야 한다.
일반적으로, 용기의 성능 조절 제1 단계는 모든 용기 또는 다른 용기의 제어 변수의 평균으로부터의 그 제어 변수의 편차가 최대(양 또는 음)인 용기(들)에 대한 것이어야 한다. 이것은 성능이 빈약한 용기에서는 흡착된 성분이 생성물 스트림으로 침투하는 위험이 있기 때문이다. 소량의 침투로 생성물의 품질을 실질적으로 감소시키므로, 침투의 방지 및 시정이 제조상 많은 이익이 될 것이다. 다른 한편, 다수의 PSA 시스템에서, 복합재료 상의 용기의 평균보다 훨씬 더 양호한 성능을 보이는 용기는 불필요하게 고품질의 생성물 기체를 생성시키므로, 그 용기로부터의 생성물 기체의 품질을 평균에 가깝게 함으로써, 용기 및 이에 따라서 복합재료 상으로부터의 생성물의 유속을 증가시킬 수 있다.
용기당 흐름 제한 장치의 수는 도 3에 도시된 바와 같이 유입구에 하나 유출구에 하나로 제한되지 않는다. 예컨대, 도 4는 기체가 공급물 단부로 흐를 때 기능하는 흐름 제한 장치가 각 용기의 공급물 단부에 설치되어 있고 기체가 용기의 공급물 단부로부터 흐를 때 기능하는 별도의 흐름 제한 장치가 공급물 단부에 설치되어 있는 4개의 용기의 배열을 나타낸다. 체크 밸브를 사용하여 각 흐름 제한 장치를 통해 어떤 흐름 방향이 일어날지를 선택한다. 다른 변형은 도 5 및 6을 참조하여 상기 개시되어 있다.
도 1은 예시적인 압력 변동 흡착 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 도 1의 시스템을 사용하여 조작될 수 있는 공정의 사이클도이다.
도 3은 도 1의 시스템에서 사용하기 위한 다중 용기 상의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 도 1의 시스템에 사용하기 위한 또다른 다중 용기 상의 개략적인 흐름도이다.
도 5는 도 1의 시스템에 사용하기 위한 또다른 대안적인 다중 용기 상의 개략적인 흐름도이다.
도 6은 도 1의 시스템에 사용하기 위한 대안적인 다중 용기 상의 개략적인 흐름도이다.

Claims (17)

  1. (a) 1 이상의 복합재료 상을 구비하는 압력 변동 흡착 시스템을 제공하는 단계(각 복합재료 상은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기에 배치된 흡착제 물질을 포함하고, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비함);
    (b) (b1) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로 공급물 기체 혼합물을 도입하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로부터 생성물 기체를 배출하는 단계,
    (b2) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 감압하에 기체를 배출하는 단계,
    (b3) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로 퍼지 기체를 도입하여 복합재료 상을 퍼징하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 퍼지 유출물 기체를 배출하는 단계, 및
    (b4) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부 또는 공급물 단부 또는 생성물 단부 및 공급물 단부 모두로 증압하에 기체를 도입하는 단계
    를 포함하는 순환식 순차 단계를 실시하는 단계; 및
    (c) 임의의 상기 순차 단계에 대하여,
    (c1) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 공급물 단부(들)로 도입되는 기체,
    (c2) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 생성물 단부(들)로 도입되는 기체,
    (c3) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 공급물 단부(들)로부터 배출되는 기체, 및
    (c4) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 생성물 단부(들)로부터 배출되는 기체
    로 이루어지는 군에서 선택되는 1 이상의 기체의 유속(들)을 설정하는 단계
    를 포함하는, 2 이상의 성분을 함유하는 공급물 기체 혼합물의 분리를 위한 압력 변동 흡착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 유속(들)은,
    (a) 2 이상의 용기 중 임의의 2개에 대하여 선택된 제어 변수 간 절대 차가 소정 값 미만이거나, 또는
    (b) 복합재료 상의 2 이상의 용기 각각으로부터의 선택된 제어 변수와 복합재료 상의 2 이상의 용기 각각으로부터의 제어 변수의 평균 간 절대 차가 소정 값 미만이 되도록, 2 이상의 용기에 대하여 선택되는 제어 변수의 값을 유지하도록 설정하며, 여기서 각 용기에 대한 제어 변수는
    (1) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
    (2) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
    (3) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
    (4) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
    (5) 용기내 선택된 지점에서 흡착제의 공극 공간 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
    (6) 순차 단계 동안 선택된 시간에서 용기의 두 지점 간 압력 차;
    (7) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 온도; 및
    (8) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 압력
    으로 이루어지는 군에서 선택되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 흡착제 물질의 복합재료 상을 2 이상 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 흡착제 물질의 복합재료 상 2개로 이루어지고, 각 복합재료 상은 2∼20의 용기로 이루어지는 것인 방법.
  5. 1 이상의 복합재료 상을 포함하는 압력 변동 흡착(PSA) 시스템으로서, 각 복합재료 상은 흡착제 물질을 포함하고 복합재료 상 공급물 단부 및 복합재료 상 생성물 단부를 구비하고, 1 이상의 복합재료 상은 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드 및 복합재료 상 생성물 단부 매니폴드를 구비하는데, 1 이상의 복합재료 상 각각은 용기 공급물 단부 매니폴드 및 용기 생성물 단부 매니폴드를 구비하는 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 평행 용기를 포함하며, 각 용기는 흡착제 물질의 일부를 함유하고 용기 공급물 단부 및 용기 생성물 단부를 구비하며, 복합재료 상의 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드는 복합재료 상의 공급물 단부가 용기 공급물 단부 매니폴드를 통하여 2 이상의 용기의 공급물 단부와 유체 연통되도록 적응되며, 복합재료 상의 생성물 단부 매니폴드는 복합재료 상의 생성물 단부가 각각의 용기 생성물 단부 매니폴드를 통하여 2 이상의 용기의 생성물 단부와 유체 연통되도록 적응되며,
    (i) 각 용기 내의 흡착제 물질이 소정 시간에 동일한 지속 시간의 동일한 공정 사이클 단계하에 놓이고 (ii) 평행 용기들이 PSA 사이클의 단계들 내내 동시에 작동되도록 2 이상의 평행 용기 내 흡착제 물질이 PSA 사이클의 단계들 동안 복합재료 상의 총 기체 유입 흐름 및 유출 흐름하에 전체적으로 놓일 수 있게끔, 상기 PSA 시스템이 적응되고,
    여기서
    (a) 임의의 용기 공급물 단부 매니폴드는 1 이상의 흐름 제한 장치를 포함하고, 각 장치는
    (1) 각 용기의 공급물 단부로의 기체 유속을 설정하거나, 또는
    (2) 각 용기의 공급물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하거나, 또는
    (3) 각 용기의 공급물 단부로의 기체 유속과 각 용기의 공급물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정도록 적응되거나; 또는
    (b) 임의의 용기 생성물 단부 매니폴드는 1 이상의 흐름 제한 장치를 포함하고, 각 장치는
    (1) 각 용기의 생성물 단부로의 기체 유속을 설정하거나, 또는
    (2) 각 용기의 생성물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하거나, 또는
    (3) 각 용기의 생성물 단부로의 기체 유속과 각 용기의 생성물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하도록 적응되거나; 또는
    (c) 임의의 용기 공급물 단부 매니폴드는 1 이상의 흐름 제한 장치를 포함하고, 각 장치는
    (1) 각 용기의 공급물 단부로의 기체 유속을 설정하거나, 또는
    (2) 각 용기의 공급물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하거나, 또는
    (3) 각 용기의 공급물 단부로의 기체 유속과 각 용기의 공급물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정도록 적응되고; 또
    임의의 용기 생성물 단부 매니폴드는 1 이상의 흐름 제한 장치를 포함하고, 각 장치는
    (1) 각 용기의 생성물 단부로의 기체 유속을 설정하거나, 또는
    (2) 각 용기의 생성물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하거나, 또는
    (3) 각 용기의 생성물 단부로의 기체 유속과 각 용기의 생성물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하도록 적응되는 것인 압력 변동 흡착 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 임의의 1 이상의 흐름 제한 장치는 오리피스, 조절 밸브, 직경이 감소된 파이프 세그먼트 및 조절 가능한 스톱 체크 밸브로 이루어지는 군에서 선택되는 것인 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 흡착제 물질의 복합재료 상 2개로 이루어지고, 각 복합재료 상은 2∼20의 용기로 이루어지는 것인 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 임의의 1 이상의 흐름 제한 장치는 오리피스(들)인 것인 시스템.
  9. 2개의 복합재료 상을 포함하는 압력 변동 흡착(PSA) 시스템으로서, 각 복합재료 상은 흡착제 물질을 포함하고 복합재료 상 공급물 단부 및 복합재료 상 생성물 단부를 구비하고, 각 복합재료 상은 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드 및 복합재료 상 생성물 단부 매니폴드를 구비하며, 각 복합재료 상 각각은 용기 공급물 단부 매니폴드 및 용기 생성물 단부 매니폴드를 구비하는 평행 흐름 형태로 배열된 2∼20개의 평행 용기를 포함하며, 각 용기는 흡착제 물질의 일부를 함유하고 용기 공급물 단부 및 용기 생성물 단부를 구비하며, 복합재료 상의 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드는 복합재료 상의 공급물 단부가 용기 공급물 단부 매니폴드를 통하여 2 이상의 용기의 공급물 단부와 유체 연통되도록 적응되며, 복합재료 상의 생성물 단부 매니폴드는 복합재료 상의 생성물 단부가 각각의 용기 생성물 단부 매니폴드를 통하여 2 이상의 용기의 생성물 단부와 유체 연통되도록 적응되며,
    (i) 각 용기 내의 흡착제 물질이 소정 시간에 동일한 지속 시간의 동일한 공정 사이클 단계하에 놓이고 (ii) 평행 용기들이 PSA 사이클의 단계들 내내 동시에 작동되도록 2 이상의 평행 용기 내 흡착제 물질이 PSA 사이클의 단계들 동안 복합재료 상의 총 기체 유입 흐름 및 유출 흐름하에 전체적으로 놓일 수 있게끔, 상기 PSA 시스템이 적응되고,
    여기서
    (a) 각각의 용기 공급물 단부 매니폴드는 오리피스를 포함하거나, 또는
    (b) 각각의 용기 생성물 단부 매니폴드는 오리피스를 포함하거나, 또는
    (c) 각각의 용기 공급물 단부 매니폴드는 오리피스를 포함하고, 또 각각의 용기 생성물 단부 매니폴드는 오리피스를 포함하는 것인 시스템.
  10. (a) 각각 흡착제 물질을 포함하고 복합재료 상 공급물 단부 및 복합재료 상 생성물 단부를 구비하는 1 이상의 복합재료 상;
    (b) 각 복합재료 상의 공급물 단부로 기체를 도입하고 각 복합재료 상의 공급물 단부로부터 기체를 배출시키도록 적응된 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드; 및
    (c) 각 복합재료 상의 생성물 단부로 기체를 도입하고 각 복합재료 상의 생성물 단부로부터 기체를 배출시키도록 적응된 복합재료 상 생성물 단부 매니폴드
    를 구비하는 압력 변동 흡착(PSA) 시스템으로서, 여기서, 하나 이상의 복합재료 상 각각은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 평행 용기에 각각 배치된 흡착제 물질의 일부를 포함하고, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비하며,
    (i) 각 용기 내의 흡착제 물질이 소정 시간에 동일한 지속 시간의 동일한 공정 사이클 단계하에 놓이고 (ii) 평행 용기들이 PSA 사이클의 단계들 내내 동시에 작동되도록 2 이상의 평행 용기 내 흡착제 물질이 PSA 사이클의 단계들 동안 복합재료 상의 총 기체 유입 흐름 및 유출 흐름하에 전체적으로 놓일 수 있게끔, 상기 PSA 시스템이 적응되고,
    2 이상의 용기는
    (d) 복합재료 상 공급물 단부 매니폴드와 유체 연통되어, 각 복합재료 상의 공급물 단부로의 기체 흐름을 개개의 기체 스트림으로 나누고 개개의 기체 스트림을 각각 2 이상의 용기로 도입하며 2 이상의 용기로부터의 개개의 기체 스트림을 배출시키고 조합하여 복합재료 상의 공급물 단부로부터의 기체 흐름을 제공하도록 적응된 용기 공급물 단부 매니폴드; 및
    (e) 복합재료 상 생성물 단부 매니폴드와 유체 연통되어, 각 복합재료 상의 생성물 단부로의 기체 흐름을 개개의 기체 스트림으로 나누고 개개의 기체 스트림을 각각 2 이상의 용기로 도입하며 2 이상의 용기로부터의 개개의 기체 스트림을 배출시키고 조합하여 복합재료 상의 생성물 단부로부터의 기체 흐름을 제공하도록 적응된 용기 생성물 단부 매니폴드
    를 포함하며, 여기서
    (1) 용기 공급물 단부 매니폴드는 하나 이상의 흐름 제한 장치를 구비하고, 각 장치는 각 용기의 공급물 단부로의 기체 유속 및 각 용기의 공급물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하도록 적응되거나, 또는
    (2) 용기 생성물 단부 매니폴드는 하나 이상의 흐름 제한 장치를 구비하고, 각 장치는 각 용기의 생성물 단부로의 선택된 기체 유속 및 각 용기의 생성물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하도록 적응되거나, 또는
    (3) 용기 공급물 단부 매니폴드와 용기 생성물 단부 매니폴드는
    (i) 공급물 단부 매니폴드는 하나 이상의 흐름 제한 장치를 구비하고, 각 장치는 각 용기의 공급물 단부로의 기체 유속 및 각 용기의 공급물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하도록 적응되고, 또
    (ii) 생성물 단부 매니폴드는 하나 이상의 흐름 제한 장치를 구비하고, 각 장치는 각 용기의 생성물 단부로의 선택된 기체 유속 및 각 용기의 생성물 단부로부터 배출되는 기체 유속을 설정하도록 적응되는 흐름 제한 장치들을 구비하도록 흐름 제한 장치를 구비하는 것인 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 2 이상의 복합재료 상을 구비하는 시스템.
  12. (a) 1 이상의 복합재료 상을 구비하는 압력 변동 흡착 시스템을 제공하는 단계(각 복합재료 상은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기에 배치된 흡착제 물질을 포함하고, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비함);
    (b) (b1) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로 공급물 기체 혼합물을 도입하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로부터 생성물 기체를 배출하는 단계,
    (b2) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 감압하에 기체를 배출하는 단계,
    (b3) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로 퍼지 기체를 도입하여 복합재료 상을 퍼징하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 퍼지 유출물 기체를 배출하는 단계, 및
    (b4) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부 또는 공급물 단부 또는 생성물 단부와 공급물 단부 모두로 증압하에 기체를 도입하는 단계
    를 포함하는 순환식 순차 단계를 실시하는 단계;
    (c) 제어 변수를 선택하는 단계; 및
    (d) 임의의 상기 순차 단계에 대하여,
    (d1) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 공급물 단부(들)로 도입되는 기체,
    (d2) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 생성물 단부(들)로 도입되는 기체,
    (d3) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 공급물 단부(들)로부터 배출되는 기체, 및
    (d4) 2 이상의 용기 중 임의의 것의 생성물 단부(들)로부터 배출되는 기체
    로 이루어지는 군에서 선택되는 1 이상의 기체의 유속(들)을 설정하는 단계
    를 포함하며, 유속(들)은 임의의 2개의 선택된 용기에 대한 값 간의 절대 차가 소정 값 미만이 되도록 2 이상의 용기 중 선택된 용기에 대한 제어 변수 값을 유지하도록 설정하는 것인, 2 이상의 성분을 함유하는 공급물 기체 혼합물의 분리를 위한 압력 변동 흡착 방법.
  13. 제12항에 있어서, 제어 변수는
    (1) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
    (2) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
    (3) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
    (4) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
    (5) 용기내 선택된 지점에서 흡착제의 공극 공간 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
    (6) 순차 단계 동안 선택된 시간에서 용기의 두 지점 간 압력 차;
    (7) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 온도; 및
    (8) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 압력
    으로 이루어지는 군에서 선택되는 것인 방법.
  14. 제1항 또는 제13항에 있어서, 공급물 기체 혼합물은 공기이고 생성물 기체는 85 부피% 이상의 산소를 함유하는 것인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 제어 변수는 용기의 유출구로부터 배출된 생성물 기체 중의 산소의 시간 평균 농도인 것인 방법.
  16. (a) 1 이상의 복합재료 상을 구비하는 압력 변동 흡착 시스템을 제공하는 단계(각 복합재료 상은 평행 흐름 형태로 배열된 2 이상의 용기에 배치된 흡착제 물질을 포함하고, 각 용기는 공급물 단부 및 생성물 단부를 구비함);
    (b) (b1) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로 공급물 기체를 도입하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로부터 생성물 기체를 배출하는 단계,
    (b2) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 감압하에 기체를 배출하는 단계,
    (b3) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부로 퍼지 기체를 도입하여 복합재료 상을 퍼징하고 복합재료 상의 2 이상의 용기의 공급물 단부로부터 퍼지 유출물 기체를 배출하는 단계, 및
    (b4) 복합재료 상의 2 이상의 용기의 생성물 단부 또는 공급물 단부 또는 생성물 단부와 공급물 단부 모두로 증압하에 기체를 도입하는 단계
    를 포함하는 순환식 순차 단계를 실시하는 단계;
    (c) 제어 변수, 특정한 순차 단계 및 특정한 순차 단계 동안 임의의 용기에 유입되거나 또는 임의의 용기로부터 유출되는 기체 스트림을 선택하는 단계;
    (d) 특정한 순차 단계 동안 용기에 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 선택된 기체 스트림에 대하여 유속이 증가될 경우 제어 변수를 증가시킬 것인가 또는 감소시킬 것인가를 결정하는 단계;
    (e) 순환식 순차 단계를 실시하는 동안, 각 용기에 대한 제어 변수의 값 및 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값을 결정하는 단계; 및
    (f) (d)에서 결정된 바와 같은 특정한 순차 단계 동안 용기로 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 기체 스트림의 유속이 증가될 때 제어 변수가 증가되는 경우 및 선택된 용기에 대한 제어 변수 값이 특정한 순차 단계 동안 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값보다 클 경우, 선택된 용기로 유입되거나 또는 선택된 용기로부터 유출되는 기체 유속을 감소시키는 단계; 또는
    (g) (d)에서 결정된 바와 같은 특정한 순차 단계 동안 용기로 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 기체 스트림의 유속이 증가될 때 제어 변수가 증가되는 경우 및 선택된 용기에 대한 제어 변수 값이 특정한 순차 단계 동안 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값보다 작을 경우, 선택된 용기로 유입되거나 또는 선택된 용기로부터 유출되는 기체 유속을 증가시키는 단계; 또는
    (h) (d)에서 결정된 바와 같은 특정한 순차 단계 동안 용기로 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 기체 스트림의 유속이 증가될 때 제어 변수가 감소되는 경우 및 선택된 용기에 대한 제어 변수 값이 특정한 순차 단계 동안 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값보다 클 경우, 선택된 용기로 유입되거나 또는 선택된 용기로부터 유출되는 기체 유속을 증가시키는 단계; 또는
    (i) (d)에서 결정된 바와 같은 특정한 순차 단계 동안 용기로 유입되거나 또는 용기로부터 유출되는 기체 스트림의 유속이 증가될 때 제어 변수가 감소되는 경우 및 선택된 용기에 대한 제어 변수 값이 특정한 순차 단계 동안 복합재료 상의 모든 용기에 대한 제어 변수의 평균 값보다 작을 경우, 선택된 용기로 유입되거나 또는 선택된 용기로부터 유출되는 기체 유속을 감소시키는 단계
    를 포함하는, 2 이상의 성분을 함유하는 공급물 기체의 분리를 위한 압력 변동 흡착 방법.
  17. 제16항에 있어서, 제어 변수는
    (1) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
    (2) 용기로부터의 생성물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
    (3) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 시간 평균 농도;
    (4) 용기로부터의 퍼지 유출물 기체 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
    (5) 용기내 선택된 지점에서 흡착제의 공극 공간 중 선택된 성분의 최소 또는 최대 농도;
    (6) 순차 단계 동안 선택된 시간에서 용기의 두 지점 간 압력 차;
    (7) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 온도; 및
    (8) 순차 단계 동안 용기의 선택된 지점에서의 최소 또는 최대 압력
    으로 이루어지는 군에서 선택되는 것인 방법.
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