KR100964854B1 - 고순도 생성물의 회수가 향상된 압력 변동 흡착 방법 - Google Patents

고순도 생성물의 회수가 향상된 압력 변동 흡착 방법 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 약흡착성 성분과 하나 이상의 강흡착성 성분을 함유하는 공급 가스 혼합물로부터 약흡착성 성분을 회수하도록 순환 공정 단계로 작동하는 복수 개의 병렬 흡착 베드를 사용하는 압력 변동 흡착(Pressure Swing Adsorption; PSA) 방법으로서, 각각의 흡착 베드는 공급 단부와 생성 단부를 구비하며, 각각의 흡착 베드는 적어도 공급/생성 단계와, 하나 이상의 감압 단계와, 약흡착성 성분이 농후한 퍼지 가스를 흡착 베드의 생성 단부로 도입하고, 퍼지 배출 가스를 상기 베드의 공급 단부로부터 취출하는 퍼지 단계, 그리고 하나 이상의 재가압 단계를 거친다. 상기 방법은 제1 흡착 베드로부터 취출한 퍼지 배출 가스의 적어도 일부분을 제2 흡착 베드의 공급/생성 단계 동안 이외의 임의의 시기에 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 것을 포함한다.

Description

고순도 생성물의 회수가 향상된 압력 변동 흡착 방법{PRESSURE SWING ADSORPTION PROCESS WITH IMPROVED RECOVERY OF HIGH-PURITY PRODUCT}
도 1은 본 발명의 실시예의 PSA 사이클의 단계 중에 흡착 베드 내외로의 가스 흐름을 보여주는 개략도.
도 2는 도 1의 실시예의 PSA 사이클의 단계에서의 2개의 기간 동안 4개의 흡착 베드간의 가스 유동 관계를 보여주는 개략도.
도 3은 예 1, 예 2 및 예 3을 위한 임의의 주어진 베드에 있는 유입 단부에서의 압력 대 시간의 곡선.
압력 흡착 변동(Pressure Swing Adsorption; PSA)은 벌크 가스 혼합물의 분리와 저농도의 바람직하지 않은 성분을 함유하는 가스 스트림의 정제를 위한 방법으로서 잘 알려져 있다. 상기 방법은 넓은 범위의 공급 가스, 작동 조건, 생성물의 순도 및 생성물의 회수에 적합하게 개발되어 왔다. 다양한 PSA 장치는, 선택된 흡착 베드가 흡착, 감압, 배기, 퍼지, 압력 평형, 재가압 및 다른 관련 단계를 포함하는 다양한 단계를 거치는 동안에 일정한 생성물의 유량을 유지하기 위해서 주 기적인 순서로 작동되는 2개 이상의 흡착 베드를 활용한다. 수소, 산화탄소, 합성 가스, 경질 탄화수소(light hydrocarbon) 등의 고가의 가스상 생성물의 회수 및/또는 고순도를 달성하기 위해서는 많은 공정 단계를 사용하는 복수 개의 흡착 베드가 요구된다. 이들 공정 단계를 사용하는 복수 개의 흡착 베드는 또한 휴대 가능한 의료용 산소 발생기를 포함하는 다양한 어플리케이션을 위해 공기로부터 산소를 회수하는 데 사용된다.
이들 PSA 공정 대부분은 부분적으로는 대기압보다 낮은 압력에서 작동되고, 당업계에서는 진공 변동 흡착(VSA) 공정 또는 압력-진공 변동 흡착(PVSA) 공정으로 칭한다. 본 명세서에서는, 작동 압력 레벨에 상관없이 모든 타입의 순환형 흡착 장치를 설명하는 포괄적인 용어로서 PSA가 사용된다.
PSA 공정 사이클에서, 퍼지 및 재가압 단계를 위해 필요한 가스는 다른 공정 단계 중에 획득되는 가스에 의해 제공된다. 재가압은 최종 생성물 가스, 베드간의 압력 평형에 의해 얻어지는 중간 가스, 공급 가스 또는 이들의 조합을 이용함으로써 달성될 수 있다. 퍼지는 다른 베드로부터의 중간 감압 가스 및/또는 최종 생성물 가스에 의해 제공될 수 있다.
피드 재가압(feed repressurization)은 대표적으로 미국 특허 제4,406,675호, 제5,540,758호 및 유럽 특허 공보 제0 354 259호에 개시되어 있다. 퍼지 및/또는 재가압을 위한 생성물 가스의 사용은 대표적으로 미국 특허 제5,328,503호, 제5,411,578호, 제5,429,666호, 제5,656,067호에 개시되어 있다. 미국 특허 제5,330,561호 및 제5,203,888호에는 압축된 공급 가스 또는 생성물 가스를 이용하는 베드 재가압이 개시되어 있다.
PSA 공정에서는, 생성물의 회수를 증대하기 위해 퍼지 및 재가압에 사용되는 생성물 가스의 양을 최소화하는 것이 바람직하다. 이것은 공급 가스의 조성, 생성물 순도 요건 및 생성물 회수 요건으로 인해 많은 경우에 곤란할 수도 있다. 대부분의 PSA 공정에는, 예컨대 생성물의 순도의 증가는 생성물의 회수의 감소를 수반한다는 점에서, 생성물의 순도와 생성물의 회수간의 상충적 관계가 존재한다. 당업계에서는 순도가 보다 높은 생성물의 회수를 증가시킬 수 있는 개선된 공정 사이클을 필요로 하며, 이러한 필요성은 이하에서 설명하고 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 본 발명에 의해 해결된다.
본 발명의 제1 실시예는 하나 이상의 약흡착성 성분과 하나 이상의 강흡착성 성분을 함유하는 공급 가스 혼합물로부터 약흡착성 성분을 회수하도록 순환 공정 단계로 작동하는 복수 개의 병렬 흡착 베드를 사용하는 압력 변동 흡착(Pressure Swing Adsorption; PSA) 방법으로서, 각각의 흡착 베드는 공급 단부와 생성 단부를 구비하며, 각각의 흡착 베드는 적어도 공급/생성 단계와, 하나 이상의 감압 단계와, 약흡착성 성분이 농후한 퍼지 가스를 흡착 베드의 생성 단부로 도입하고, 퍼지 배출 가스를 상기 흡착 베드의 공급 단부로부터 취출하는 퍼지 단계, 그리고 하나 이상의 재가압 단계를 거치는 것인 PSA 방법을 포함한다. 상기 방법은 제1 흡착 베드로부터 취출한 퍼지 배출 가스의 적어도 일부를 제2 흡착 베드의 공급/생성 단 계 동안 이외의 임의의 시기에 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 것을 포함한다.
다른 실시예는 하나 이상의 약흡착성 성분과 하나 이상의 강흡착성 성분을 함유하는 공급 가스 혼합물로부터 약흡착성 성분을 회수하는 PSA 방법으로서, 복수 개의 흡착 베드에서 순환 공정 단계를 수행하는 것을 포함하며, 각각의 베드는 공급 단부, 생성 단부 및 강흡착성 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착재를 갖고, 각각의 베드는 공급/생성 단계와, 감소하는 압력에서 베드로부터 가스를 취출하는 하나 이상의 감압 단계와, 약흡착성 성분이 농후한 퍼지 가스를 베드의 생성 단부로 도입하고 흡착 베드의 공급 단부로부터 퍼지 배출 가스를 취출하는 퍼지 단계, 그리고 증가하는 압력에서 흡착 베드로 가스를 도입하는 하나 이상의 재가압 단계를 포함하는 순환 공정 단계를 차례로 거치는 것은 PSA 방법에 관한 것이다. 재가압 단계 중 하나는 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 취출한 퍼지 배출 가스의 적어도 일부분을 제2 흡착 베드의 공급/생성 단계 동안 이외의 임의의 시기에 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 것을 포함한다.
본 발명의 변형예는 하나 이상의 강흡착성 성분과 하나 이상의 약흡착성 성분을 함유하는 공급 가스를 분리하는 PSA 방법으로서,
(1) 강흡착성 성분을 우선적으로 흡착하는 흡착재를 함유하는 제1 흡착 베드의 공급 단부로 공급 가스를 도입하고, 제1 흡착 베드의 생성 단부로부터 약흡착성 성분이 농후한 생성물 가스를 취출하는 단계와,
(2) 제1 흡착 베드로 공급 가스를 도입하고 이 제1 흡착 베드로부터 생성물 가스를 취출하는 것을 지속하면서, 이 생성물 가스의 일부분을 재가압 단계를 겪는 제2 베드의 생성 단부로 도입하는 단계와,
(3) 제1 흡착 베드로 공급 가스를 도입하는 것과 제1 흡착 베드로부터 생성물 가스를 취출하는 것을 종료하고, 제1 흡착 베드의 생성 단부로부터 감압 가스를 취출하며, 제1 흡착 베드의 생성 단부로부터 취출한 감압 가스를 재가압 단계를 겪는 제3 흡착 베드로 도입하는 단계와,
(4) 제1 흡착 베드의 생성 단부로부터 추가의 감압 가스를 취출하고, 제1 흡착 베드로부터 취출한 감압 가스를 퍼지 단계를 겪는 제4 흡착 베드의 생성 단부로 도입하는 단계와,
(5) 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 가스를 배기하는 단계와,
(6) 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 가스를 배기하는 것을 지속하면서 제1 흡착 베드의 생성 단부로 퍼지 가스를 도입하고, 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 배기한 가스의 적어도 일부분을 재가압 단계를 겪는 제4 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 단계와,
(7) 감압 단계를 겪는 제3 흡착 베드로부터 취출한 감압 가스에 의해 제공되는 재가압 가스를 제1 흡착 베드의 생성 단부로 도입하는 단계와,
(8) 제1 흡착 베드의 생성 단부로, 공급/생성 단계를 겪는 제4 흡착 베드로부터 취출한 생성물 가스의 일부분에 의해 제공되는 추가의 재가압 가스를 도입하고, 제1 흡착 베드의 공급 단부로, 퍼지 단계를 겪는 제2 흡착 베드의 공급 단부로부터 배기한 가스의 적어도 일부분에 의해 제공되는 퍼지 배출 가스를 도입하는 단 계, 그리고
(9) 단계 (1) 내지 단계 (8)을 순환식으로 반복하는 단계
를 포함하는 PSA 방법을 포함한다.
본 발명의 관련 실시예는 하나 이상의 강흡착성 성분과 하나 이상의 약흡착성 성분을 함유하는 공급 가스를 분리하는 PSA 장치로서,
(a) 각기 공급 단부, 생성 단부, 및 강흡착성 성분을 선택적으로 흡착하도록 되어 있는 하나 이상의 흡착제를 함유하는 흡착재 베드를 갖는 복수 개의 흡착기 베셀과,
(b) 각각의 흡착기 베셀의 공급 단부로 공급 가스를 도입하고, 각각의 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 약흡착성 성분이 농후한 생성물 가스를 취출하도록 되어 있는 배관 및 밸브, 그리고
(c) 약흡착성 성분이 농후한 감압 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 제2 흡착기 베셀의 생성 단부로 이송하고, 제3 흡착기 베셀의 공급/생성 단계 이외의 임의의 시기에 퍼지 배출 가스를 제2 흡착기 베셀의 공급 단부로부터 제3 흡착기 베셀의 공급 단부로 이송하도록 되어 있는 배관 및 밸브
를 포함하는 PSA 장치를 포함한다.
다른 관련 실시예는 하나 이상의 강흡착성 성분과 하나 이상의 약흡착성 성분을 함유하는 공급 가스를 분리하는 PSA 장치로서,
(a) 각기 공급 단부, 생성 단부 및 강흡착성 성분을 선택적으로 흡착하도록 되어 있는 하나 이상의 흡착제를 함유하는 흡착재로 이루어진 베드를 갖는 4개의 흡착기 베셀과,
(b) 배관 및 밸브
를 포함하고, 상기 배관 및 밸브는
(1) 공급 가스를 제1 흡착기 베셀의 공급 단부로 도입하고, 약흡착성 성분이 농후한 생성물 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 취출하며,
(2) 약흡착성 성분이 농후한 생성물 가스의 일부분을 제2 흡착기 베셀의 생성 단부로 이송하고,
(3) 감압 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 취출하고, 취출한 감 가스를 제3 흡착기 베셀의 생성 단부로 도입하며,
(4) 감압 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 취출하고, 취출한 감압 가스를 제4 흡착기 베셀의 생성 단부로 도입하며,
(5) 진공 펌프 또는 송풍기의 사용에 의해 배출 가스를 제1 흡착기 베셀의 공급 단부로부터 취출하고, 취출한 가스를 폐가스로서 방출하며,
(6) 제2 흡착기 베셀로부터 제공되는 퍼지 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로 도입하면서, 제1 흡착기 베셀을 그 공급 단부로부터 배기시키며, 배기된 퍼지 배출 가스의 적어도 일부분을 제4 흡착기 베셀의 공급 단부로 도입하고,
(7) 제3 흡착기 베셀에 의해 제공되는 재가압 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로 도입하는 것에 의해 제1 흡착기 베셀을 가압하며,
(8) 제4 흡착기 베셀로부터 얻은 생성물 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부 내로 도입하는 것과, 제2 흡착기 베셀로부터 얻은 퍼지 배출 가스를 제1 흡착기 베셀의 공급 단부 내로 도입하는 것에 의해 제1 흡착기 베셀을 가압하도록 되어 있는 것인 PSA 장치를 포함한다.
본 발명의 실시예는 퍼지 단계를 겪는 흡착 베드로부터의 퍼지 배출 가스의 적어도 일부분이 다른 흡착 베드에서의 공급/생성 단계 동안 이외의 임의의 시기에 다른 흡착 베드를 재가압하는 데 사용되는, 가스 혼합물 분리용 PSA 공정 사이클을 이용한다. PSA 공정은, 예컨대 개선된 공정 사이클에 따라 작동되는 복수 개의 흡착기를 이용하여 공기로부터 고순도 산소의 회수를 증대시키는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 생성물 가스라는 용어는 흡착 베드로부터 취출되고 중간 저장의 여부에 관계없이 최종 사용처로 이송되는 충분한 생성물 순도를 갖는 가스를 의미한다. 공급/생성 단계는 공급 가스를 베드의 공급 단부로 도입하는 것과 베드의 생성 단부로부터 생성물 가스를 취출하는 것으로서 정의된다. 이 단계 중에 베드에서의 압력은 증가할 수 있지만, 이 단계는 이하에서 설명하는 재가압 단계와는 별개의 것이다. 감압은 베드 압력의 감소를 수반하는 흡착 베드로부터 가스를 취출하는 것으로서 정의된다. 감압은 대기압 초과 압력(superatmospheric pressure)에서부터 가스를 직접 대기로 배기하는 것이나 가스를 보다 낮은 압력의 밀폐된 용적 또는 다른 공정 베셀로 이송하는 것에 의해 달성될 수 있다. 감압은 또한 가스를 진공 펌프 또는 송풍기에 의해 베드로부터 취출하는 것으로서 정의되는 배기에 의해 달성될 수도 있다. 배기는 임의의 범위의 베드 압력에 걸쳐 실시될 수 있지만, 전형적으로 대기압 미만 압력(subatmospheric pressure), 즉 진공하에서 실시된다. 재가압은 공급/생성 단계 동안 이외의 임의의 시기에 베드 압력을 증가시키 는 것을 수반하는, 흡착 베드를 수용한 베셀로 가스를 도입하는 것으로서 정의된다. 단계 종료시에 2개의 베드에서의 압력이 반드시 같을 필요는 없지만, 다른 베셀에서 재가압 가스로 이용하기 위해, 하나의 베셀로부터 감압 가스를 이송하는 것은 당업계에서는 종종 압력 평형으로 설명된다.
퍼지는 퍼지 배출 가스가 베셀의 공급 단부로부터 취출되는 동안에 베셀의 생성 단부로 퍼지 가스를 도입하는 것으로서 정의된다. 퍼지는 감소하는 베드 압력, 증가하는 베드 압력, 일정한 베드 압력 또는 이들의 임의의 조합에서 실시될 수 있다. 퍼지는 일반적으로 관심 대상인 생성물이 약흡착성 성분일 경우 대기압 초과 압력에서 가장 효과적이다. 퍼지 가스는, 하나 이상의 약흡착성 성분과 하나 이상의 강흡착성 성분을 포함하는 공급 가스 혼합물로부터 약흡착성 성분을 회수하기 위한 PSA 공정에서 사용될 시에는 약흡착성 성분이 농후한 임의의 가스로서 정의된다. 퍼지 배출 가스 내의 강흡착성 성분의 농도는 퍼지 가스 내의 강흡착성 성분의 농도보다 높다. 퍼지 재가압은 퍼지 배출 가스의 적어도 일부분을, 퍼지 단계를 겪는 흡착 베드의 공급 단부에서부터 공급/생성 단계 동안 이외의 임의의 시기에 재가압 단계를 겪는 다른 베드의 공급 단부로 이송하는 것으로서 정의된다.
PSA 공정에서의 가스 스트림에 적용되는 "농후한"이라는 용어는, 가스 스트림이, 소정 성분을 공급 가스 내에서의 그 성분의 농도보다 높은 농도로 함유하는 것을 의미한다. 공극 공간 가스(void space gas)는 흡착기 베셀 내의 빈틈의 용적 또는 입자간 용적 내에 포함되는 미(未)흡착 가스로서 정의되며, 흡착제에 의해 점유되지 않는 배관 및 베셀의 사용적(dead volume) 내의 가스를 포함한다. 대기는 주위 대기로부터 직접 얻은 압축되지 않은 공기이다.
헨리 법칙의 선택도(Henry's Law selectivity)는 2개의 성분을 함유하는 가스 혼합물에서 제2 성분으로부터 제1 성분을 분리하기 위한 소정 흡착제의 선택도를 말한다. 헨리 법칙의 선택도는 선택된 조건에서 흡착재 상에 흡착된 제1 성분에 대한 헨리의 법칙 상수 대 동일한 조건에서의 동일한 흡착재 상에 흡착된 제2 성분에 대한 헨리 법칙 상수의 비율로서 정의된다. 헨리 법칙 상수는, 바람직하게는 23 ℃의 기준 온도에서의 가스압의 함수로서 흡착된 성분의 양을 나타내는 등온선의 초기 기울기로서 정의된다.
"강흡착성(more strongly adsorbable)" 및 "약흡착성(less strongly adsorbable)"이라는 용어는 PSA 또는 VSA 공정에 의해 분리되는 가스 혼합물 내의 성분을 설명할 때 사용될 시에는, 흡착 베드에 있는 흡착재에 대한 가스 혼합물 중의 성분들의 상대적인 흡착 특성을 말한다. 공정의 평균 온도 및 압력에서의 강흡착성 성분(순수 성분임)에 대한 흡착재의 평형 흡착 용량은 보다 약흡착성 성분(순수 성분임)에 대한 흡착재의 평형 흡착 용량보다 크다.
본 명세서에 사용된 단수 명사는 상세한 설명 및 특허청구범위에 설명된 본 발명의 실시예에서의 소정의 특징에 적용될 때 하나 또는 그 이상을 의미한다. 단수 명사의 사용은 특별히 한정되지 않는 한, 단일의 구성 요소로 그 의미가 제한되는 것은 아니다. 단수 또는 복수 명사 앞에 사용된 "상기"는 하나의 특정된 특징 또는 다수의 특정된 특징들을 의미하고, 그것이 사용된 문맥에 따라 단수 또는 복수의 의미를 갖는다. "임의의"라는 표현은 어떠한 양 중 무작위로 하나, 또는 일 부 또는 그 모두를 의미한다. 제1 구성과 제2 구성 사이에 위치되는 "및/또는"이라는 표현은 (1) 제1 구성, (2) 제2 구성, 및 (3) 제1 구성과 제2 구성 중 어느 하나를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 것과 같은 "압력 변동 흡착"(PSA)이라는 포괄적인 용어는 최대 압력과 최소 압력 사이에서 작동하는 모든 흡착 분리 장치에 적용된다. 최대 압력은 전형적으로 대기압 초과 압력이며, 최소 압력은 대기압 초과 압력 또는 대기압 미만 압력 수 있다. 최소 압력이 대기압 미만 압력이고, 최대 압력이 대기압 초과 압력인 경우, 흡착 분리 장치는 전형적으로 PVSA 장치로 칭한다. 최대 압력이 대기압 이하이고, 최소 압력이 대기압 미만인 경우, 흡착 분리 장치는 전형적으로 VSA 장치로 칭한다.
모든 실시예에서, 공급 가스는 하나 이상의 강흡착성 성분과 하나 이상의 약흡착성 성분을 함유하며, 생성물 가스는 강흡착성 성분의 흡착에 의해 공급 가스에 비해 약흡착성 성분이 농후하다. 강흡착성 성분은 이하에서 설명하는 감압, 배기 및 퍼지 단계에 의해 흡착제로부터 제거된다. 공급 가스의 압력은 대기압보다 낮거나, 대기압이거나, 대기압보다 클 수도 있다.
본 발명의 실시예는 순환 단계로 작동하는 복수 개의 흡착 베드를 사용하여 실시될 수 있고, 강흡착성 성분과 약흡착성 성분을 포함하는 임의의 가스 혼합물을 분리하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 PVSA 및 VSA 공정을 포함하는 임의의 PSA 분리 공정에서 이용될 수 있다. 따라서, 재가압을 위한 퍼지 배출 가스의 사용이 임의의 가스 혼합물을 분리하기 위한 임의의 PSA, VSA 또는 PVSA 공정 에 적용될 수 있다. 이하에서 설명하는 몇몇 실시예는 특히 공기로부터 또는 산소와 아르곤 및/또는 질소의 다른 혼합물로부터 산소 생성물을 회수하는 데 유용하고, 이들 실시예는 순도가 97 체적%를 넘는, 가능하다면 99 체적%를 넘는 산소 생성물을 제공할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 4개의 흡착 베드를 이용하며, 표 1의 사이클 단계와 표 2의 사이클 차트에 의해 예시된다. 각각의 사이클 단계에 대한 설명은 제1 베드에 대한 이하의 표 1에 주어지며, 이 표 1에서의 제1 내지 제4 베드가 표 2의 베드 1 내지 4에 대응한다.
[표 1]
사이클 단계 설명
단계No. 사이클 단계 설명
1 공급/생성 제1 베드의 공급 단부로 공급 가스를 도입하고, 제1 베드의 생성 단부로부터 생성물 가스를 취출
2 공급/생성 +
생성물 재가압 제공		 제1 베드의 공급 단부로 공급 가스를 도입하고, 제1 베드의 생성 단부로부터 생성물 가스를 취출하며, 단계 8을 겪는 제2 베드의 재가압을 위해 생성물 가스의 일부분을 사용
3 압력 평형 제공 제1 베드의 생성 단부로부터 감압 가스를 취출하고, 취출된 가스를 단계 7을 겪는 제3 베드의 생성 단부로 회수
4 퍼지 제공 제1 베드의 생성 단부로부터 감압 가스를 취출하고, 취출된 가스를 단계 6을 겪는 제4 베드의 생성 단부로 도입
5 배기 진공 펌프 또는 송풍기의 사용에 의해 제1 베드의 공급 단부로부터 가스를 취출하고, 취출된 가스를 폐가스로서 방출
6 퍼지 수용 +
배기/퍼지 재가압
제공		 제1 베드를 공급 단부로부터 배기하고 배기된 퍼지 배출 가스의 적어도 일부분을 단계 8을 겪는 제4 베드의 공급 단부로 도입하는 동안에, 단계 4를 겪는 제2 베드로부터 제공되는 퍼지 가스를 제1 베드의 생성 단부로 도입
7 압력 평형 수용 단계 3을 겪는 제3 베드에 의해 제공되는 재가압 가스를 제1 베드의 생성 단부로 도입하는 것에 의해 제1 베드를 가압
8 생성물 재가압 수용 +
퍼지 재가압 수용		 단계 2에 있는 제4 베드로부터 얻은 생성물 가스를 제1 베드의 생성 단부로 도입하고, 단계 6을 겪는 제2 베드로부터 얻은 퍼지 배출 가스를 제1 베드의 공급 단부로 도입하는 것에 의해 제1 베드를 가압
[표 2]
사이클 차트
베드 사이클 단계
1 1 2 3 4 5 6 7 8
2 7 8 1 2 3 4 5 6
3 5 6 7 8 1 2 3 4
4 3 4 5 6 7 8 1 2
기간 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
단계 4의 적어도 일부분 중에 및/또는 단계 4에 후속하고 단계 5 이전에, 베드가 거의 대기압에 도달할 때- 배기 단계 5가 시작되는 시점 -까지 폐가스가 베드의 공급 단부에서부터 대기로 직접 배기되는 선택적인 블로우다운 단계가 이용될 수 있다.
도 1에는 순차적으로 반복되는 단계 1 내지 단계 8을 겪는 베드 1을 예시한 베드 1의 개략적인 흐름도가 도시되어 있다. 베드 2, 3 및 4는 표 2에 나타낸 바와 같은 엇갈린 기간 동안에 동일한 순서의 단계를 거친다. 도 2는 기간 T1 및 T2 중의 베드 1, 2, 3, 및 4의 가스 유동 관계를 예시한다. 기간 T3 내지 T8 동안에는 4개의 베드 사이에서 유사한 가스 유동 관계가 순차적으로 발생한다. 이 공정 사이클은 공급 압축기나 송풍기, 진공 펌프나 송풍기, 흡착제, 4개의 흡착기 베셀, 배관 및 유동 제어 장치를 포함하는 적절한 PVSA 장치를 사용하여 실시될 수 있다. 이러한 PVSA 장치는 흡착 가스 분리 업계에서 잘 알려져 있다. 적절한 압력의 공급 가스가 이용 가능한 경우, 공급 압축기나 송풍기는 불필요할 것이다. 공급 가스, 생성물 가스 및 베드간의 가스 유동은 당업계에 공지되어 있는 임의의 적절한 밸브 및 매니폴드 장치에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, PVSA 장치는 컨트롤러에 의해 작동되는 복수 개의 볼 밸브를 이용하여 적절한 사이클 단계를 달성할 수 있다. 대안으로서, 이러한 목적을 위해 하나 이상의 회전 밸브가 사용될 수 있다. 여기에서 사용할 수 있는 예시적인 회전 밸브가, 예컨대 2005년 8월 5일자로 출원된 미국 특허 제10/197,859호에 기술되어 있으며, 이 특허는 참조에 의해 본원에 병합된다.
상기 실시예는 4개의 베드를 사용하는 PVSA 사이클을 예로 들어 설명하고 있지만, 다른 베드를 재가압하기 위해 하나의 베드로부터의 퍼지 배출 가스를 사용하는 특징을 포함하는 다른 사이클도 가능하다. 예컨대, 2개 또는 3개의 베드가 적 절한 사이클 단계와 함께 사용될 수 있지만, 하나 이상의 가스 저장 탱크가 필요할 수도 있다. 추가의 압력 평형 단계가 필요한 경우에는 4개가 넘는 베드를 사용할 수도 있다.
퍼지 배출 재가압 단계로 인해 10 % 이상의 산소 회수가 가능한 전술한 공정은 공기로부터 또는 산소와 아르곤 및/질소의 다른 혼합물로부터 고순도 산소(즉, 97 체적%를 넘는 산소를 함유함)를 회수하는 데 있어서 특히 유용하다. 또한, 베드를 재가압하기 위한 퍼지 배출 가스의 사용은 재가압을 위해 사용되는 생성물 가스의 양을 저감한다. 생성물 가스는 퍼지 배출 가스보다 압력이 높기 때문에, 퍼지 배출 재가압의 사용은 압축 에너지를 절약하고, 전체적인 공정 전력 요건을 저감한다. 또한, 전술한 공정은 공기 또는 다른 산소 함유 가스로부터의 산소의 회수를 위한 PVSA 장치에서 흡착제에 통상 사용되는 것보다 산소에 대한 헨리 법칙의 선택도가 낮은 흡착제의 사용을 허용한다. 본 발명의 다양한 실시예에서 사용되는 흡착제는, 약흡착성 성분에 대한 강흡착성 성분의 헨리 법칙의 선택도가 약 2.0 미만, 가능하다면 약 1.5 미만일 수 있다. 고순도의 산소 생성물을 생성하기 위한 공기의 분리에 있어서, 강흡착성 성분은 아르곤이고, 약흡착성 성분은 산소이다.
질소 및/또는 아르곤을 선택적으로 흡착하는 임의의 흡착제 또는 흡착제들의 조합은 공기로부터 또는 산소와 아르곤 및/또는 질소의 다른 혼합물로부터의 산소의 회수를 위한 전술한 공정에서 사용될 수 있다. 임의의 이들 가스 혼합물로부터 산소를 회수하기 위한 그러한 공정에서 사용되는 예시적인 흡착 베드는, 물, 이산화탄소 및 다른 불순물 제거를 위한 예처리 구역으로서 활성 알루미나, NaX, NaKLSX[저실리카형(low silica) X] 또는 이들의 조합을 포함하는 흡착제의 조합과, 상기 예처리 구역에 후속하는 LiX 또는 LiLSX 제올라이트로 이루어진 선택적인 층, 그리고 이 선택적인 층에 후속하는 AgLiLSX 제올라이트 층을 포함할 수 있다. 이 공정에서 사용할 수 있는 예시적인 AgLiLSX 제올라이트가 미국 특허 제6,432,170호에 개시되어 있으며, 이 특허는 참조에 의해 본원에 병합된다.
공기로부터의 고순도 산소의 회수를 위한 본 실시예를 개발하는 동안, 퍼지 단계의 후반부 중에 퍼지 배출 가스의 산소 농도는 주위 공기의 산소 농도보다 높다는 것을 확인하였다. 진공 펌프는 임의의 소망하는 방출 압력에서 작동할 수 있기 때문에, 방출된 퍼지 배출 가스는 전술한 바와 같은 재가압을 위해 사용될 수 있다. 퍼지 배출 가스의 적어도 일부분은 흡착 베드의 공급/생성 단계 동안 이외의 임의의 시기에 이 흡착 베드의 재가압을 위해 사용되고, 원한다면 모든 퍼지 배출 가스를 재가압을 위해 사용할 수 있다.
공기로부터 산소를 회수하기 위한 전형적인 PVSA 공정에서는, 퍼지 대 공급 비율(P/F)이 산소의 순도를 비롯한 다양한 작동 파라메터에 좌우되는 선택된 설계값으로 또는 그에 근사하게 유지된다. 퍼지 대 공급 비율(P/F)은 사이클 중에 베드의 공급 단부으로부터 취출되는 가스의 실제 체적 대 동일한 사이클 중에 베드의 공급 단부로 도입되는 가스의 실제 체적의 비율로서 정의된다. 상기 실제 체적은, 몰 유량, 온도 및 압력의 순간적인 값을 이용하여 특정 단계 동안에 걸쳐 합산한 값으로서 정의된다. P/F 비율은 도 1을 참조하면 단계 5 및 6 중에 베드(1)의 공급 단부로부터 취출되는 실제 가스 체적의 합계 대 단계 1, 2 및 8 중에 베드(1)의 공급 단부로 도입되는 실제 가스 체적의 합계의 비율로서 예시할 수 있다.
공기로부터 산소를 회수하는 데 있어서의 P/F 비율은 일반적으로 약 1.5보다 크며, 97 체적%를 넘는 산소 생성물의 순도에 대해서는 약 2.5보다 클 수 있다. 요구되는 P/F 비율은 생성물의 순도가 증가함에 따라 증가한다. 소망하는 P/F 비율은 배기 스트림만을 배기하는 것 또는 배기 스트림과 퍼지 배출 스트림의 제1 부분(낮은 산소 농도를 가질 수 있음)을 배기하는 것에 의해 유지될 수 있다. 다음에, 퍼지 배출 스트림의 나머지 부분이 재가압을 위해 사용될 수 있다. 재가압을 위해 퍼지 배출 스트림의 전부 또는 일부를 사용하는 것은, 공급/생성 단계 중에 공급 가스를 베드로 도입하는 동안 이외의 기간 동안에 공급 가스보다 산소가 농후한 스트림을 상기 베드로 재순환시키는 역할을 한다. 선택도가 낮은 흡수제에 의한 고순도 생성물을 위한 높은 P/F 비율의 산소 생성물 회수에 대한 악영향이 재가압을 위한 퍼지 배출 가스의 사용에 의해 다소 상쇄된다.
표 1 및 표 2의 사이클에 있어서, 재가압 단계(8)는 퍼지 배출 가스를 베드의 공급 단부로 도입하는 동시에 생성물 가스를 베드의 생성 단부로 도입하는 것에 의해 실시된다. 대안으로서, 생성 단부 재가압은 퍼지 가스 재가압 이전이나 이후에 완전히 실시될 수도 있으며, 생성 단부 재가압 기간은 소망하는 경우 퍼지 가스 재가압 기간과 중첩될 수도 있다.
이하의 예는 본 발명의 실시예를 예시하는 것으로, 본 발명을 여기에서 설명하는 임의의 특정 세부 사항으로 제한하는 것은 아니다.
예 1
VPSA 공정을 세부적인 흡착 공정 시뮬레이터인 SIMPAC을 이용하여 시뮬레이션하였다. SIMPAC은 다중 성분 등온 흡착, 다양한 물질 이동 모드와, 여러 개의 흡착층, 그리고 일반적인 공정 순서도를 고려한다. SIMPAC에 대한 보다 상세한 사항은 Kumar 등이 저술한 Chemical Engineering Science 제49권 제18호 제3115면 내지 제3125면에서 논의된다. 이 예의 사이클은 퍼지 재가압이 없다는 것, 즉 단계 6 중에 베드로부터 배출되는 모든 퍼지 배출 가스는 다른 베드를 재가압하는 데 사용되기보다는 배기된다는 점만을 제외하고는 표 1 및 표 2에서 설명한 사이클과 유사하다. 단계 8에서의 퍼지 재가압 스트림은, 베드의 유입 단부에서 유사한 압력 이력을 유지하기 위해 공급 가스의 등가 실제 체적으로 대체된다. 각각의 사이클의 단계는 1.75초의 지속 기간을 갖고, 총 사이클 시간이 14초이다. 4개의 흡착 베드 각각은 직경이 42.7 mm이고, 수분과 이산화탄소를 제거하기 위한 흡착제에 해당하도록 불활성 재료로 이루어져 공급 단부에 위치하며 깊이가 43 mm인 제1 층과, 깊이가 25 mm인 LiLSX로 이루어진 제2 층, 그리고 깊이가 145 mm이고, 40 % Ag-교환(Ag-exchanged) LiLSX로 이루어진 제3 층을 포함한다. 이 장치는 2.57 atma의 최대 공기 공급 압력과 5.05의 공급 단부 압력비(최대 공급 압력 대 최소 배기 압력)를 사용하여, 순도가 99.0 몰%인 산소를 1.29 Slpm(Standard liters per minute)으로 생성하도록 31 ℃의 공급 온도에서 작동한다. P/F 비율(위에서 정의함)은 3.33였고, 산소 생성물 회수는 20.85 %였다.
예 1을 위해서 주어진 임의의 베드의 유입 단부에서의 압력 이력이 도 3에 주어져 있다.
예 2
공급 재가압보다는 퍼지 재가압 단계(8)를 포함하는 표 1 및 표 2에서 설명한 사이클에 대해서 예 1의 시뮬레이션을 반복하였다. P/F 비율은 3.30으로 비슷하였다. 산소 회수는 23.43 %까지 증가하였다.
예 2를 위한 임의의 주어진 베드의 유입 단부에서의 압력 프로파일이 도 3에 주어져 있다.
예 3
4개의 베드를 구비하는 파일럿 PVSA 유닛이 사이클에 대한 성능 데이터 샘플을 얻기 위해서 표 1 및 표 2에서 설명한 사이클에 따라 작동되었다. 각각의 사이클의 단계는 지속 기간이 1.75초였다. 파일럿 유닛은 원형 패턴으로 배치된 6개의 컬럼으로 구성되었고, 각 컬럼의 공급 및 생성 단부에는 솔레노이드 밸브의 뱅크가 마련되었다. 솔레노이드 밸브는 컬럼들이 형성하는 원 내부에 있는 금속제 실린더에 연결된다. 모든 컬럼 사이의 동일한 유동 경로를 보증하도록 실린더 내로 채널을 형성하였다. 파일럿 유닛은 질량 수지 클로져(mass balance closure)를 확인하고, 다양한 스트림의 온도, 압력 및 유량을 제공하도록 완전히 설비된다. 프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러가 사이클을 작동시키고, 데이터를 기록하였다. 각각의 베드는 내경이 42.7 mm인 컬럼 내에 수납되었다. 각각의 컬럼에는, 공급 단부에 있는 깊이가 26 mm이고 20 × 28 메시 알칸 활성화 알루미나를 함유하는 제1 층과, 평균 입경이 0.6 mm이고 깊이가 17.0 mm인 NaX 제올라이트를 함유하는 제2 층과, 평균 입경이 0.4 mm이고, 깊이가 25 mm이며 리튬 저실리카형 X 제올라이트를 함유 하는 제3 층, 그리고 깊이가 145.0 mm이고 AgLiLSX(평균 입경이 0.4 mm인 40 % 은 이온 교환 저규소형 X 제올라이트)를 함유하는 제4 층을 포함하는 4개 층의 흡착제가 설치된다.
파일럿 유닛은, 순도 98.9 몰%의 산소를 0.70 Slpm로 생성하기 위해, 37 psia의 최대 공기 공급 압력과 5.5의 공급 단부 압력비(최대 공급 압력 대 최소 배기 압력)을 사용하여, 약 31 ℃의 베드로의 공급 온도로 작동시켰다. 산소 생성물 회수는 15.5 %였다.
예 3을 위해서 주어진 임의의 베드의 유입 단부에서의 압력 프로파일이 도 3에 주어져 있다.
본 발명에 따른 PSA 방법에 의해, 퍼지 및 재가압에 사용되는 생성물 가스의 양을 최소화할 수 있어, 생성물의 회수를 증대시킬 수 있다.

Claims (29)

  1. 하나 이상의 약흡착성 성분과 하나 이상의 강흡착성 성분을 함유하는 공급 가스 혼합물로부터 약흡착성 성분을 회수하도록 순환 공정 단계에서의 복수 개의 병렬 흡착 베드의 작동을 포함하는 압력 변동 흡착(Pressure Swing Adsorption; PSA) 방법으로서,
    각각의 흡착 베드는 공급 단부와 생성 단부를 구비하며, 각각의 흡착 베드는 적어도 공급/생성 단계와, 하나 이상의 감압 단계와, 약흡착성 성분이 농후한 퍼지 가스를 흡착 베드의 생성 단부로 도입하고, 퍼지 배출 가스를 상기 흡착 베드의 공급 단부로부터 취출하는 퍼지 단계, 그리고 하나 이상의 재가압 단계를 거치며, 상기 방법은 제1 흡착 베드로부터 취출한 퍼지 배출 가스의 적어도 일부를 제2 흡착 베드의 공급/생성 단계 동안 이외의 임의의 시기에 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 것을 포함하는 것인 PSA 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제3 흡착 베드의 생성 단부로부터 회수되는 감압 가스에 의해 상기 퍼지 가스를 제공하는 것인 PSA 방법.
  3. 제1항에 있어서, 펌프에 의해 상기 퍼지 배출 가스를 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 취출하고, 상기 펌프의 방출물의 적어도 일부분을 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 것인 PSA 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 흡착 베드에서의 압력은 펌프에 의해 퍼지 배출 가스를 제1 흡착 베드의 공급 단부에서 취출하고, 펌프의 방출물의 적어도 일부분을 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 시기의 적어도 일부분 동안에 제1 흡착 베드의 압력보다 큰 것인 PSA 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 흡착 베드에서의 압력은 펌프에 의해 퍼지 배출 가스를 제1 흡착 베드의 공급 단부에서 취출하고, 펌프의 방출물의 적어도 일부분을 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 시기의 적어도 일부분 동안에 대기압보다 낮은 것인 PSA 방법.
  6. 제1항에 있어서, 각각의 흡착 베드는, 약흡착성 성분에 대한 강흡착성 성분의 헨리 법칙의 선택도(Henry's Law selectivity)가 약 2.0 미만인 흡착제를 함유하는 것인 PSA 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 약흡착성 성분에 대한 강흡착성 성분의 헨리 법칙의 선택도는 약 1.5 미만인 것인 PSA 방법.
  8. 하나 이상의 약흡착성 성분과 하나 이상의 강흡착성 성분을 함유하는 공급 가스 혼합물로부터 약흡착성 성분을 회수하는 PSA 방법으로서,
    복수 개의 흡착 베드에서 순환 공정 단계를 수행하는 것을 포함하며, 각각의 베드는 공급 단부, 생성 단부 및 강흡착성 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착재를 갖고, 각각의 베드는 공급/생성 단계와, 감소하는 압력에서 베드로부터 가스를 취출하는 하나 이상의 감압 단계와, 약흡착성 성분이 농후한 퍼지 가스를 흡착 베드의 생성 단부로 도입하고 흡착 베드의 공급 단부로부터 퍼지 배출 가스를 취출하는 퍼지 단계, 그리고 증가하는 압력에서 흡착 베드로 가스를 도입하는 하나 이상의 재가압 단계를 포함하는 순환 공정 단계를 차례로 거치며, 재가압 단계 중 하나는 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 취출한 퍼지 배출 가스의 적어도 일부분을 제2 흡착 베드의 공급/생성 단계 동안 이외의 임의의 시기에 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 것을 포함하는 것인 PSA 방법.
  9. 제8항에 있어서, 제3 흡착 베드의 생성 단부로부터 취출한 감압 가스에 의해, 상기 퍼지 가스를 제1 베드의 생성 단부에 제공하는 것인 PSA 방법.
  10. 제8항에 있어서, 펌프에 의해 상기 퍼지 배출 가스를 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 취출하고, 상기 펌프의 방출물의 적어도 일부분을 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 것인 PSA 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 흡착 베드에서의 압력은 펌프에 의해 퍼지 배출 가스를 제1 흡착 베드의 공급 단부에서 취출하고, 펌프의 방출물의 적어도 일부분을 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 시기의 적어도 일부분 동안에 제1 흡착 베드의 압력보다 큰 것인 PSA 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 흡착 베드에서의 압력은 펌프에 의해 퍼지 배출 가스를 제1 흡착 베드의 공급 단부에서 취출하고, 펌프의 방출물의 적어도 일부분을 제2 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 시기의 적어도 일부분 동안에 대기압보다 낮은 것인 PSA 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 흡착재는 약흡착성 성분에 대한 강흡착성 성분의 헨리 법칙의 선택도가 약 2.0 미만인 흡착제를 함유하는 것인 PSA 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 약흡착성 성분에 대한 강흡착성 성분의 헨리 법칙의 선택도는 약 1.5 미만인 것인 PSA 방법.
  15. 하나 이상의 강흡착성 성분과 하나 이상의 약흡착성 성분을 함유하는 공급 가스를 분리하는 PSA 방법으로서,
    (1) 강흡착성 성분을 우선적으로 흡착하는 흡착재를 함유하는 제1 흡착 베드의 공급 단부로 공급 가스를 도입하고, 제1 흡착 베드의 생성 단부로부터 약흡착성 성분이 농후한 생성물 가스를 취출하는 단계와,
    (2) 제1 흡착 베드로 공급 가스를 도입하고 이 제1 흡착 베드로부터 생성물 가스를 취출하는 것을 지속하면서, 이 생성물 가스의 일부분을 재가압 단계를 겪는 제2 베드의 생성 단부로 도입하는 단계와,
    (3) 제1 흡착 베드로 공급 가스를 도입하는 것과 제1 흡착 베드로부터 생성물 가스를 취출하는 것을 종료하고, 제1 흡착 베드의 생성 단부로부터 감압 가스를 취출하며, 제1 흡착 베드의 생성 단부로부터 취출한 감압 가스를 재가압 단계를 겪는 제3 흡착 베드의 생성 단부로 도입하는 단계와,
    (4) 제1 흡착 베드의 생성 단부로부터 추가의 감압 가스를 취출하고, 제1 흡착 베드로부터 취출한 감압 가스를 퍼지 단계를 겪는 제4 흡착 베드의 생성 단부로 도입하는 단계와,
    (5) 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 가스를 배기하는 단계와,
    (6) 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 가스를 배기하는 것을 지속하면서 제1 흡착 베드의 생성 단부로 퍼지 가스를 도입하고, 제1 흡착 베드의 공급 단부로부터 배기한 가스의 적어도 일부분을 재가압 단계를 겪는 제4 흡착 베드의 공급 단부로 도입하는 단계와,
    (7) 감압 단계를 겪는 제3 흡착 베드로부터 취출한 감압 가스에 의해 제공되는 재가압 가스를 제1 흡착 베드의 생성 단부로 도입하는 단계와,
    (8) 제1 흡착 베드의 생성 단부로, 공급/생성 단계를 겪는 제4 흡착 베드로부터 취출한 생성물 가스의 일부분에 의해 제공되는 추가의 재가압 가스를 도입하고, 제1 흡착 베드의 공급 단부로, 퍼지 단계를 겪는 제2 흡착 베드의 공급 단부로부터 배기한 가스의 적어도 일부분에 의해 제공되는 퍼지 배출 가스를 도입하는 단계, 그리고
    (9) 단계 (1) 내지 단계 (8)을 순환식으로 반복하는 단계
    를 포함하는 PSA 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 공급 가스는 산소, 질소 및 아르곤을 포함하는 것인 PSA 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 공급 가스는 공기이고, 상기 생성물 가스는 97 체적% 이상의 산소를 함유하는 것인 PSA 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 공급 가스는 공기이고, 상기 생성물 가스는 99 체적% 이상의 산소를 함유하는 것인 PSA 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 공급 가스 내에 있는 산소의 10 % 이상을 생성물 가스에서 회수하는 것인 PSA 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 흡착재는 은 교환 모데나이트(silver exchanged mordenite), 은 교환 X 제올라이트(silver exchanged X zeolite), 은 교환 저실리카형 X 제올라이트(silver exchanged low silica X zeolite), 및 부분적인 은 교환 리튬 저실리카형 X 제올라이트(partially silver exchanged lithium low silica X zeolite)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 흡착제를 포함하는 것인 PSA 방법.
  21. 제16항에 있어서, 상기 흡착재는 산소에 대한 아르곤의 헨리 법칙의 선택도가 약 2.0 미만인 흡착제를 함유하는 것인 PSA 방법.
  22. 제16항에 있어서, 상기 산소에 대한 아르곤의 헨리 법칙의 선택도는 약 1.5 미만인 것인 PSA 방법.
  23. 하나 이상의 강흡착성 성분과 하나 이상의 약흡착성 성분을 함유하는 공급 가스를 분리하는 PSA 장치로서,
    (a) 각기 공급 단부, 생성 단부, 및 강흡착성 성분을 선택적으로 흡착하도록 되어 있는 하나 이상의 흡착제를 함유하는 흡착재 베드를 갖는 복수 개의 흡착기 베셀과,
    (b) 각각의 흡착기 베셀의 공급 단부로 공급 가스를 도입하고, 각각의 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 약흡착성 성분이 농후한 생성물 가스를 취출하도록 되어 있는 배관 및 밸브, 그리고
    (c) 약흡착성 성분이 농후한 감압 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 제2 흡착기 베셀의 생성 단부로 이송하고, 제3 흡착기 베셀의 공급/생성 단계 이외의 임의의 시기에 퍼지 배출 가스를 제2 흡착기 베셀의 공급 단부로부터 제3 흡착기 베셀의 공급 단부로 이송하도록 되어 있는 배관 및 밸브
    를 포함하는 PSA 장치.
  24. 제23항에 있어서, 약흡착성 성분이 농후한 생성물 가스의 일부분을 제3 흡착기 베셀의 생성 단부로 이송하도록 되어 있는 배관 및 밸브를 더 포함하는 PSA 장치.
  25. 제23항에 있어서, 퍼지 배출 가스를 제2 흡착기 베셀의 공급 단부로부터 제3 흡착기 베셀의 공급 단부로 이송하도록 되어 있는 펌프를 더 포함하는 것인 PSA 장치.
  26. 하나 이상의 강흡착성 성분과 하나 이상의 약흡착성 성분을 함유하는 공급 가스를 분리하는 PSA 장치로서,
    (a) 각기 공급 단부, 생성 단부 및 강흡착성 성분을 선택적으로 흡착하도록 되어 있는 하나 이상의 흡착제를 함유하는 흡착재로 이루어진 베드를 갖는 4개의 흡착기 베셀과,
    (b) 배관 및 밸브
    를 포함하고, 상기 배관 및 밸브는
    (1) 공급 가스를 제1 흡착기 베셀의 공급 단부로 도입하고, 약흡착성 성분이 농후한 생성물 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 취출하며,
    (2) 약흡착성 성분이 농후한 생성물 가스의 일부분을 제2 흡착기 베셀의 생성 단부로 이송하고,
    (3) 감압 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 취출하고, 취출한 감 가스를 제3 흡착기 베셀의 생성 단부로 도입하며,
    (4) 감압 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로부터 취출하고, 취출한 감압 가스를 제4 흡착기 베셀의 생성 단부로 도입하며,
    (5) 진공 펌프 또는 송풍기의 사용에 의해 가스를 제1 흡착기 베셀의 공급 단부로부터 취출하고, 취출한 가스를 폐가스로서 방출하며,
    (6) 제2 흡착기 베셀로부터 제공되는 퍼지 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로 도입하면서, 제1 흡착기 베셀을 그 공급 단부로부터 배기시키며, 배기된 퍼지 배출 가스의 적어도 일부분을 제4 흡착기 베셀의 공급 단부로 도입하고,
    (7) 제3 흡착기 베셀에 의해 제공되는 재가압 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부로 도입하는 것에 의해 제1 흡착기 베셀을 가압하며,
    (8) 제4 흡착기 베셀로부터 얻은 생성물 가스를 제1 흡착기 베셀의 생성 단부 내로 도입하는 것과, 제2 흡착기 베셀로부터 얻은 퍼지 배출 가스를 제1 흡착기 베셀의 공급 단부 내로 도입하는 것에 의해 제1 흡착기 베셀을 가압하도록 되어 있는 것인 PSA 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 퍼지 배출 가스를 제1 흡착기 베셀의 공급 단부에서부터 제4 흡착기 베셀의 공급 단부로 이송하도록 되어 있는 펌프를 더 포함하는 PSA 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 흡착제는 공기로부터 질소와 아르곤을 선택적으로 흡착하도록 되어 있고, 산소에 대한 아르곤의 헨리 법칙의 선택도가 약 2.0 미만인 것인 PSA 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 흡착재는 은 교환 모데나이트, 은 교환 X 제올라이트, 은 교환 저실리카형 X 제올라이트, 및 부분적인 은 교환 리튬 저실리카형 X 제 올라이트로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 흡착제를 포함하는 것인 PSA 장치.
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