KR101151065B1 - 압력 변동 흡착 시스템에 있어서 유동 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 제1 용기와 제2 용기 사이에서 유체가 유동하는 동안에 충격을 감소시키는 방법이 제공된다. 이 방법은, 제1 용기와 제2 용기 사이에 도관을 마련하는 단계와, 유체가 제1 용기로부터 도관을 따라 유동하는 것에 의해 야기되는 제2 용기 내에서의 압력 변동률을 최소화하는 단계를 포함한다. 상기 압력 변동률 최소화 단계는 소정 기간 동안에 제1 용기와 제2 용기 사이에서의 유체의 유량을 제어하는 단계를 포함한다.

Description

압력 변동 흡착 시스템에 있어서 유동 제어 방법{FLOW CONTROL IN PRESSURE SWING ADSORPTION SYSTEMS}

본 발명은 유체 처리 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로 압력 변동 흡착 시스템에 있어서의 유동 제어 방법에 관한 것이다.

압력 변동 흡착법(Pressue swing adorption ; PSA)은 가스의 정제를 위해 일반적으로 사용되는 프로세스이다. PSA는, 다른 용례 중에서도 특히 공기로부터 산소 및 질소를 분리하는 데와, 천연 가스로부터 순수한 헬륨을 분리하는 데, 그리고 '개질(reformate)' 가스 혼합물로부터 수소를 정제하는 데 사용되고 있다. 매우 효율적인 PSA 프로세스는, 복수 개의 단(段)을 통해 상호 작용하는 복수 개의 용기(베드라고도 지칭함)를 이용하여 연속적으로 그리고 고압으로 생성물을 산출한다.

통상의 PSA 사이클은, 가스가 고압 용기에 유입되고 생성물이 종이 칼럼을 통과하는 동안에 가스의 특정 종이 흡착되는 생성 단계를 포함한다. 상기 생성 단계 이후에는, 고압 용기의 공간에 존재하는 생성물 가스를 상기 시스템의 다른 용기로 전하기 위해 압력 균등화 단계를 사용한다. 상기 압력 균등화 단계는 시스템 내의 압력 에너지를 보존하고, 생성물의 회수를 개선한다. 또한, 하나의 용기 내의 생성물 가스는 다른 용기를 퍼지(purge)하는 데 사용될 수 있다. 퍼지 가스를 제공하는 용기로부터의 순수한 생성물은 저압으로 퍼지되어 있는 용기를 스윕(sweep)하고, 이 프로세스에서 있어서, 상기 생성 단계 동안에 흡착된 오염물 가스를 탈착 및 제거하여, 용기를 청소한다. 용기는 다른 용기를 청소하도록 퍼지 가스를 제공한 이후에, 오염물 가스의 일부를 탈착하도록 용기 내의 압력을 급속히 감소시키는 "블로우다운(blowdown)" 단계를 밟는다. 그 후, 용기는 다른 용기로부터의 가스에 의해 퍼지되고 재가압된다. 그 후, 흡착성 베드는 그 압력 변동 사이클을 마치고, 다시 가스 생성 단계를 시작하도록 준비된다. 다양한 압력 변동 사이클이 2개 이상의 흡착성 베드를 사용하여 고안되었고, 이들 모두 전술한 단계의 일부 변형례를 사용한다.

PSA 사이클의 모든 단계에 있어서, 용기를 출입하는 가스의 유량을 제어하고 각 용기 내에 양호한 유동 분배를 제공하는 것이 중요하다. 흡착 및 확산 운동과 생산율의 균형을 맞추고, 흡착성 분말의 유체화 및 용기 내에서의 압력 충격 발생을 방지하기 위하여, 용기의 유량 제어가 요구된다. 또한, 모든 PSA 프로세스에 있어서 가장 중요한 유동 관련 인자의 하나로는 퍼지 대 급송비가 있다. 이 비는 대개 사용된 퍼지 가스의 실제 용적 대 급송 가스의 실제 용적의 비로서 정의된다. 보다 높은 퍼지 대 급송비는 베드를 청소하는 데 보다 많은 가스가 사용된다는 것을 나타내고, 따라서 생성물의 순도는 생성물 회수의 희생을 통해 증대되므로, 퍼지 대 급송비는 생성물의 순도 및 생성물의 회수에 모두 영향을 미친다.

퍼지 대 급송비를 증대시키고 생성물 회수를 유지하기 위한 한 가지 방법은, 퍼지되는 용기 내의 압력을 감소시키는 것이다. 압력을 감소시키면, 오염물의 평형면 농축이 감소되고, 퍼지된 용기에서는 동일한 몰수의 퍼지 가스에 대해 보다 큰 용적 교환이 일어난다. 따라서, 높은 생성물 회수도를 가지면서 양호한 생성물 순도를 확보하기 위해, 퍼지 용기에서 낮은 압력을 유지하는 것이 유익하다. 퍼지 가스를 제공하는 용기는 고압 상태이므로, 이 용기로부터 퍼지되는 용기로의 유동을 제어하는 수단이 없다면, 퍼지 단계는 높은 시작 압력을 가질 것이므로 낮은 효율을 갖는다.

일부 PSA 시스템은, 퍼지 가스를 제공하는 용기와 퍼지되는 용기 사이의 유동을 교축하기 위해, 비례 밸브, 압력 조절 밸브, 또는 수동 조정 밸브를 이용한다. 따라서, 가스는 상기 퍼지되는 용기에 들어가기 이전에 압력이 감소된다. 조정 가능한 밸브는 PSA 시스템에 별도의 비용을 추가시키고, 성능을 최적화하기 위한 종합적인 조정을 필요로 한다. 이와 같이 조정 가능한 밸브를 조정하는 것은, 수소 등과 같이 분자량이 작은 생성물 가스의 경우에 매우 어렵고 많은 시간이 걸리는 것인데, 이는 밸브 리프트의 작은 변동이 유량의 큰 변동으로 이어지기 때문이다.

일부 PSA 시스템에서 감압(減壓) 밸브를 사용하지 않는 경우에, 퍼지 가스를 제공하는 용기 내의 가스는 퍼지되는 용기의 안으로 급속히 유입되어, 대개 하나 이상의 유체 충격을 통해 팽창되고 결국에는 밸브 플러밍(valve plumbing)에 의해 교축된다. 이는 두 용기에 있어서의 압력의 균등화를 불리하게 초래하여, 2가지의 별개의 바람직하지 못한 현상을 야기할 수 있다. 첫째, 퍼지되는 용기 내에 형성되는 높은 압력이 흡착되는 불순물의 열역학적으로 가능한 흡착 범위를 제한하고, 그 결과 퍼지 가스의 몰당 얻어지는 흡착량이 줄어든다. 둘째, 퍼지 가스를 제공하는 용기에 있어서의 압력의 급격한 감소는 흡착되는 불순물의 매우 바람직하지 못한 급작스런 흡착을 야기하는데, 이러한 불순물은 퍼지되는 용기 안으로 당연히 전달된다. 그 후, 이러한 불순물은 퍼지되는 용기의 중요한 생성물 출구 단부 부근에 흡착되고, 이어지는 생성 단계 동안에 해제되어, 생성물의 순도를 현저히 저하시킨다.

따라서, 퍼지 가스를 제공하는 용기가 그 내용물을 퍼지되는 용기 안으로 급속히 방출하는 것을 허용하는 것은 바람직하지 못하다. 마찬가지로, 일부 PSA 시스템에 전술한 압력 조절 밸브를 사용하는 것은 바람직하지 못한데, 이는 압력 조절 밸브가 시스템의 복잡도를 증대시키기 때문이다. 또한, 교축 밸브도 비록 압력 조절 밸브보다 덜 복잡하지만 바람직하지 못한데, 이는 교축 밸브가 각 PSA 시스템마다 정밀한 수준의 조정을 필요로 하기 때문이다. 이러한 조정은 직렬로 형성된 PSA 시스템에 있어서 불리한데, 이는 조정 공정이 많은 시간이 걸리는 시험 및 교정을 필요로 하기 때문이다. 이러한 문제점은 특히 수소 정제용 PSA 시스템의 경우에 심화되는데, 이는 수소가 매우 낮은 점도와 매우 높은 음속을 갖기 때문이다. 이러한 시스템은 다른 가스에 비해 유동을 교축시키는 데 매우 작은 오리피스 크기를 필요로 한다. 이와 같이 작은 오리피스는 흡착성 미세 물질에 의해 막히거나, 목부의 침식이 발생하여 이후에 조정에 있어서 드리프트(drift)가 일어난다. 이러한 문제점은 수소를 하루에 일 톤 미만으로 처리하는 PSA 시스템에서 매우 심각한데, 이는 교축에 요구되는 노즐의 크기가 단일 흡착성 입자보다 작아지고, 심지어 보통의 기술에 의해 만들 수 없을 정도로 작아질 수도 있기 때문이다.

오리피스를 통한 유동을 이용하는 상기 교축 기구의 단점은, 전해지는 유동의 양이 퍼지 단계의 시작에서부터 그 종결에 이르기까지 급진적으로 변경된다는 것이다. 이는 오리피스를 통과하는 유동의 특성, 즉 속도의 제한이 차압의 제곱에 비례한다는 특성에 기인한다. 따라서, 퍼지 가스를 제공하는 용기의 압력이 높은 시간 단계의 시작과 압력이 훨씬 더 낮은 상기 시간 단계의 종결과의 사이에서, 유량이 급격이 하강된다. 이와 같은 유량의 급격한 변동은, 퍼지되는 용기에 있어서의 유익하지 못한 압력의 상승과 퍼지 가스를 제공하는 용기에 있어서의 불순물의 흡착을 모두 초래할 수 있다. 또한, 흡착물의 운동이 비교적 느린 경우, 흡착된 불순물 종을 퍼지되는 용기로부터 제거하는 퍼지 단계의 효능이 감소될 수 있는데, 이는 퍼지 가스의 대부분이 퍼지 단계의 매우 이른 부분에서 용기를 통해 이동하기 때문이다.

매우 컴팩트한 PSA 시스템이 요망되는 경우에는 교축 밸브 또는 압력 조절 밸브를 연결하는 데 필요한 유체 매니폴드의 복잡성으로 인해, 전술한 문제가 심화된다. 이러한 매니폴드는 PSA 시스템을 구성하는 데 요구되는 제조 및 조립 시간을 유익하지 못하게 증대시킨다.

따라서, 본 발명은 예컨대 PSA 시스템 등의 유체 처리 조립체에서 가스 유동을 저렴하고 효율적으로 제어하는 방법을 유익하게 제공한다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 제1 용기와 제2 용기 사이에서 유체가 유동하는 동안에 충격을 감소시키는 방법이 제공된다. 이 방법은, 제1 용기와 제2 용기 사이에 도관을 마련하는 단계와, 유체가 제1 용기로부터 도관을 따라 유동하는 것에 의해 야기되는 제2 용기 내에서의 압력 변동률을 최소화하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 압력 변동률 최소화 단계는 소정 기간 동안에 제1 용기와 제2 용기 사이에서의 유체의 유량을 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 가스의 유동을 제어하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 제1 용기로부터 제2 용기로 가스를 안내하는 단계와, 제1 용기와 제2 용기 사이의 유동에서 소정의 유량 프로파일을 획득하는 단계를 포함하고, 상기 유량 프로파일 획득 단계는 제1 밸브의 개폐를 교대로 실시함으로써 유동에 제1 펄스를 도입하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 가스의 유동을 제어하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 제1 용기로부터 제2 용기로 가스를 안내하는 단계와, 제1 용기와 제2 용기 사이의 유동에서 소정의 유량 프로파일을 획득하는 단계를 포함하고, 상기 유량 프로파일 획득 단계는 제1 용기와 제2 용기 사이의 유동에 유동 제한기를 마련하는 단계를 포함하며, 상기 유동 제한기는 유량과 차압 사이에 선형 관계를 나타내는 것이다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 가스 처리 조립체가 제공된다. 이 조립체는, 가스 처리 재료를 각각 포함하는 제1 용기 및 제2 용기와, 제1 용기와 제2 용기 사이에서 가스를 유통시키도록 제1 용기와 제2 용기를 연결하는 매니폴드, 그리고 제1 용기와 매니폴드 사이에 마련되는 제1 매니폴드 조립체를 포함한다. 제1 매니폴드 조립체는 제1 피스톤 밸브 및 제1 다공성 유동 제한기를 구비한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 가스 처리 조립체가 제공된다. 이 조립체는, 제1 용기 및 제2 용기와, 제1 용기와 제2 용기 사이에서 가스를 유통시키도록 제1 용기와 제2 용기를 연결하는 매니폴드, 그리고 가스가 제1 용기로부터 매니폴드를 따라 유동하는 것에 의해 야기되는 제2 용기 내에서의 압력 변동률을 최소화하기 위한 제1 최소화 수단을 포함한다. 제1 최소화 수단은 소정 기간 동안에 제1 용기와 제2 용기 사이에서 가스의 유량을 제어한다.

명세서에 포함되고 명세서의 일부분을 구성하는 첨부 도면은, 전술한 개괄적인 설명 및 후술하는 바람직한 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 처리 조립체의 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 처리 조립체의 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 유동 제한 요소를 포함하는 처리 조립체의 개략도.
도 4는 도 3에 도시된 매니폴드 조립체의 단면도.

이제, 상기 여러 도면의 전반에 걸쳐 동일하거나 대응하는 부분을 유사한 도면 부호로 나타내고 있는 도면을 참조하여, 본 발명의 여러 실시예를 다음과 같이 설명한다.

도 1은 처리 조립체(1A)의 일부분인 용기(10, 20)를 보여준다. 각 용기(10, 20)는 예컨대 흡착성 재료 등의 유체 처리 재료를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 처리 조립체(1A)는 PSA 프로세스에 사용되는 것으로 기술되어 있지만, 처리 조립체(1A)는 별법으로서 다양한 유체 처리 용례에 사용될 수 있다. 예컨대, 처리 조립체(1A)는 가스 형태 또는 액체 형태의 유체를 처리하는 데 사용될 수 있는데, 이는 처리 조립체(1A)에 포함되는 유체 처리 요소의 기능에 의존한다. 또한, 처리 조립체(1A)는 예컨대 고압 가스 조건 등의 광범위한 작동 조건에 사용될 수 있다.

용기(10)는 포트(12, 14)를 포함하고, 용기(20)는 포트(22, 24)를 포함한다. 포트(12, 14)는 각각 도관(16, 18)을 통해 밸브(10A, 10B)에 연결된다. 포트(22, 24)는 각각 도관(26, 28)을 통해 밸브(20A, 20B)에 연결된다. 밸브(10A, 20A)는 공급물 매니폴드 또는 폐기물 매니폴드에 연결될 수 있고, 밸브(10B, 20B)는 생성물 매니폴드에 연결될 수 있다. 용기(10, 20)는 유동 제어 요소로서 기능하는 밸브(10C)가 마련되어 있는 매니폴드(100)에 의해 서로 연결된다. PSA 사이클 단계 동안에, 밸브(10C)가 개방 상태인 경우, 유체는 용기(10)와 용기(20) 사이에서 유동할 수 있다. 밸브(10C)가 폐쇄 상태인 경우, 유체는 용기(10)와 용기(20) 사이에 있는 매니폴드(100)를 통과할 수 없다.

밸브(10C)는 도 4에 도시된 바와 같이 피스톤 밸브로서 구성될 수 있다. 별법으로서, 밸브(10C)는 비교적 점도가 낮고 음속이 큰 가스(예컨대, 수소)의 유동에 펄스를 발생시키도록 정확하게 제어될 수 있는 당업계에 공지된 임의의 다른 요소로서 구성될 수 있다. 밸브(10C)는 공기압에 의해 또는 솔레노이드에 의해, 혹은 밸브를 펄스 방식으로 작동시키기 위한 당업계에 공지된 임의의 다른 수단에 의해 작동될 수 있다.

PSA 사이클 동안에, 용기(10)는 퍼지 가스를 제1 상승 압력으로 제공하는 단계를 시작하고, 이 때 용기(20)는 제2 저압 상태이다. 처음에 밸브(10C)는 폐쇄되어 있다. 퍼지 단계 동안에, 용기(10)는 용기(20)에 퍼지 가스를 제공하고, 밸브(10A)를 통한 용기(10) 안으로의 유동이 허용되지 않으며, 밸브(10B)를 통한 유동이 허용되지 않는다. 밸브(20B)를 통한 용기(20) 안으로의 유동이 허용되지 않으며, 퍼지 가스는 밸브(20A)를 통해 배출된다. 퍼지 단계 동안에 밸브(10C)가 개방되어 있는 경우, 가스는 용기(10)로부터 밸브(10C)를 통해 용기(20) 안으로 유동하고, 밸브(20A)에서 나와 이 가스가 처리되는 곳으로 유동한다. 이 가스의 유량은 이러한 유동 경로에 있어서의 유체 마찰에 의해 좌우되며, 일반적으로 초기 조건에서는 매우 크고, 그 후 용기(10) 내의 압력이 감소됨에 따라 크게 줄어든다.

용기(20)를 빠져나가는 유체의 마찰은 용기(20) 내의 압력을 상승시키는데, 이 상승된 압력은 용기(20)의 초기 압력과 용기(10)의 초기 압력 사이에 있다. 용기(20)를 빠져나가는 유동이 임계 조건, 즉 음속에 도달한다면, 압력은 매우 급격히 상승할 것이고, 사실상 용기(10, 20)는 실질적으로 동일한 중간 압력에 도달할 것이다.

본 발명의 한 가지 양태에서, 퍼지 단계 동안에 용기(10)로부터 용기(20)로의 유체 유동에 펄스를 도입하도록, 밸브(10C)의 개폐는 교대로 실시된다. 펄스의 빈도 및 기간은, PSA 사이클의 퍼지 기간 실질적으로 일정한 유량을, 또는 시간의 흐름에 따라 증가하는 유량 혹은 시간의 흐름에 따라 감소하는 유량 등과 같은 임의의 다른 유량 프로파일을 인가하도록 변경될 수 있다. 밸브(10C)의 작동은, 소정의 작동 패턴이 수행되도록 밸브(10C) 작동용 프로그램을 수행하는 중앙 처리 장치(CPU)에 의해 제어될 수 있다.

전술한 유동 제어 방법은 많은 중요한 이점을 제공한다. 첫째, 용기(20) 내부의 평균 압력이 최소 레벨로 유지되도록, 펄스의 빈도 및 기간을 유익하게 선택할 수 있다. 둘째, 제공되는 퍼지의 범위는 퍼지 단계에 할당된 시간의 총량과는 무관하게 구성될 수 있다. 따라서, PSA 사이클이 매우 긴 퍼지 단계를 필요로 하는 경우, 단지 소량의 퍼지 가스만이 퍼지 단계 동안에 2개의 용기 사이에서 전해지므로, 가스 전달 기간은 유익하게 조절될 수 있다. 예컨대, 하나의 용기로부터 다른 용기로 퍼지 가스를 안내하는 단계에 할당되는 전체 시간은, 밸브(10C) 제어에 의해 가스 전달을 수행하는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에 있어서, "전체 시간이 … 사용될 수 있다"라는 것은, 종래 기술에 인지되어 있는 바와 같이 최소의 램프-업(ramp-up) 및 램프-다운(ramp-down) 시간을 가지면서, 유체 처리 단계의 수행이 상기 단계에 할당되는 시간의 전체를 차지하는 상태를 지칭한다.

결론적으로, 본 발명의 제1 실시예는 PSA 장치에 추가 설비를 필요로 하지 않아, 장치의 크기, 중량, 복잡도 및 제조 비용을 유익하게 감소시킨다.

도 2는 처리 조립체(1B)의 일부분이며 유체 매니폴드(100)를 통해 연통하는 용기(10, 20, 30)를 보여준다. 비제한적인 예로서, 유체 매니폴드(100)는 본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있는 미국 특허 출원 제10/269,064호에 기술된 병렬 유체 매니폴드로서 구성될 수 있다. 용기(10, 20, 30)에는 밸브(10C, 20C, 30C)가 각각 마련되어 있고, 이들 밸브는 각각 유체 매니폴드(100)와 해당 용기 사이에서 유동을 제어한다. 밸브(10C, 20C, 30C)는 도 1에 도시된 실시예의 밸브(10C)와 동일한 방식으로 구성된다. 용기(30)는 포트(32, 34)를 포함하고, 이들 포트는 각각 도관(36, 38)을 통해 밸브(30A, 30B)에 연결된다.

PSA 사이클 동안에, 용기(10)가 (도 1에서와 마찬가지로) 퍼지 가스를 용기(20)에 제공하는 퍼지 단계가 시작된 경우, 용기(30)를 매니폴드(100)에 연결하는 밸브(30C)는 정상적으로 폐쇄 상태이다. 밸브(10A, 10B, 20A, 20B)에서의 유동 조건은 전술한 바와 마찬가지이다. 퍼지 단계 동안에, 밸브(10C, 20C)는 완전히 폐쇄될 수 있다. 그러나, 이러한 조건은 발명의 배경 기술에 논의된 문제를 야기한다.

용기(10)로부터 용기(20)로의 퍼지 가스의 유동을 제어하는 데에는, 도 1의 시스템에 채용된 것과 동일한 밸브(10C, 20C) 펄스 방법을 채용할 수 있다. 밸브(10C, 20C)의 개폐는 동기화될 수도 있고 비동기화될 수도 있으며, 비동기화 개방의 장점은 유체 매니폴드(100)의 용적이 압력 펄스를 완충시키는 데 사용될 수 있다는 것으로, 본 발명의 밸브 펄스 방법을 이용하는 그 밖의 경우에서는 이러한 압력 펄스를 경험하게 된다.

따라서, 매니폴드(100)의 용적을 용기(10)로부터의 퍼지 가스로 충전한 후, 상기 가스를 용기(20)로 방출하는 것을 교대로 실시함으로써, 압력 펄스의 크기가 최소화될 수 있다. 한 가지 예에서, 용기(10)로부터의 퍼지 가스가 밸브(10C)로부터 매니폴드(100) 안으로 안내되는 동안, 밸브(20C, 30C)는 폐쇄되어 있다. 총 필요 가스량이 용기(10)로부터 매니폴드(100)로 전해질 때, 밸브(10C)는 폐쇄된다. 그 후, 퍼지 가스를 용기(20)로 안내하기 위해, 도 1에서 밸브(10C)의 작동에 관하여 기술한 바와 같이, 밸브(20C)의 개폐를 교대로 실시하여 용기(20) 안으로 가스의 펄스형의 계량된 유동을 제공한다. 다른 예에서, 밸브(10C, 20C)의 개폐는 연속적으로 그리고 동시에(즉, 위상 정립형으로) 실시되어, 퍼지 단계 동안에 퍼지 가스가 용기(10)로부터 용기(20)로 펄스화되어 그리고 계량되어 유동하는 것이 허용된다. 또한, 밸브(10C, 20C)는 퍼지 단계에서 위상 반전형으로 연속 작동되어, 밸브(20C)가 폐쇄될 때 밸브(10C)가 개방되거나, 또는 그 반대일 수 있다. 또한, 밸브(10C) 또는 밸브(20C)는 연속 개방 위치에 유지되고, 다른 밸브는 도 1과 관련하여 기술한 바와 같이 작동될 수 있다.

밸브 개방 시간을 다소 중첩시킴으로써 압력 변화에 있어서 편차가 얻어질 수 있으며, 이로써 실질적으로 일정한 압력 강하율이 획득될 수 있다.

본 발명의 유동 제어 방법은, PSA 사이클에 있어서 소정 단계 동안에, 유체는 매니폴드를 통해 제1 최고압 상태인 하나 이상의 용기로부터 하나 이상의 저압 상태인 하나 이상의 용기로 계량되어 유동될 수 있다는 특별한 장점이 있다. 각 용기 사이에서 전해지는 유동의 유량 및 비율은, 제어 밸브의 펄스 기간 및 빈도를 바꿈으로써 변경될 수 있다. 공지의 PSA 사이클은 유동이 압력 균등화 단계 및 퍼지 단계 동안에 서로 다른 용기 사이에서 전해진다는 가정하에 설계되었지만, 본 발명의 유동 제어 방법을 이용하면 보다 복잡한 유동의 분배가 수행될 수 있게 된다. 이는 복잡한 혼합물을 분별하는 데, 또는 사이클 동안에 용기 사이에서 전해지는 가스의 순도를 맞추는 데 유익하게 사용될 수 있다.

도 3은 유동 제한 요소(11, 21, 31)(이하에서는 유동 제한기라 함)를 구비한 도 2의 용기를 예시한다. 각 유동 제한기(11, 21, 31)는 유량과 차압 사이에 선형 관계를 갖거나, 별법으로서 유량과 차압 사이에 소정의 비선형 관계를 갖는다. 전술한 유량 제한기와는 달리 대부분의 밸브는 본래 비선형이다(예컨대, 베르누이 유동을 제공). 전술한 바와 같은 퍼지 단계가 상기 유량 제한기를 이용하여 수행된 경우, 많은 이점이 실현된다. 첫째, 일반적인 계량 밸브의 매우 비선형적인 유동 조건이 회피되므로, 바람직한 유동 프로파일을 획득하는 데 필요한 밸브 펄스의 수가 유익하게 감소될 수 있다. 이는 밸브 시일의 수명을 연장시키고, 펄스화 동안에 있어서의 밸브 응답 시간이 한정 인자인 경우, PSA 사이클이 소정의 밸브 응답 시간에 보다 신속하게 수행될 수 있게 한다. 유동 제한 요소를 적절히 선택하면, 밸브 펄스의 필요성이 완전히 배제될 수 있고, 나아가 본 발명의 압력 및 유동 제어가 더 개선된다.

유량과 차압 사이에 선형 관계를 갖는 요소의 예로는, 예컨대 소결 금속 섬유 또는 분말을 사용하여 제조되는 다공성 유동 요소가 있다. 각 유동 제한기(11, 21, 31)는 다공성 유동 요소 등으로서 구성될 수 있다. 종이, 세라믹, 또는 폴리머 등의 다른 재료로 제조된 다공성 몸체도 또한 유익하게 채용될 수 있다. 특히 바람직한 다공성 유동 제한 재료는, 예컨대 모트 코포레이션(Mott Corporation)에서 제공하는 소결 금속 분말로 제조된다.

도 3은 용기(10, 20, 30)와 해당 제어 밸브(10C, 20C, 30C) 사이에 장착되는 유동 제한기(11, 21, 31)를 포함하는 처리 조립체(1C)를 보여준다. 예컨대, 유동 제한기(11)는 용기(10)와 이 용기의 관련 제어 밸브(10C) 사이에 장착된다. 별법으로서, 유동 제한기(11)는 제어 밸브(10C)와 병렬 매니폴드(100)와의 사이에 교대로 배치될 수 있다. 도 1의 시스템에 있어서, 유동 제한기는 용기(10)를 용기(20)에 연결하는 매니폴드(100)에 있어서 임의의 위치에 배치될 수 있다. 처리 조립체(1C)의 용기가 병렬 매니폴드(100)를 통해 연통하고 있는 도 3의 구성에 있어서, 두 용기 사이의 유동은 두 개의 유동 제한기를 통과할 것이다. 따라서, 용기(10)가 용기(20)에 퍼지 가스를 제공한다면, 가스는 유동 제한기(11)를 통과한 후 유동 제한기(21)를 통과할 것이다. 도 1과 유사한 시스템에서는, 단 하나의 유동 제한기가 요구될 것이다. 도 3에 도시된 예의 변형례로서, 처리 조립체(1C)는 도시된 것보다 더 많거나 작은 수의 유동 제한기를 포함할 수 있고, 바람직한 유동 사이클을 제공하도록 임의의 형상의 유동 제한기를 포함할 수 있다.

소정의 PSA 사이클 단계 동안에 적절한 유체의 유량을 보장하기 위해, 유동 제한기에 의해 제공되는 유동 저항량은 당업자에게 명백한 기술을 사용하여 선택될 수 있다. 요망되는 유량, 요망되는 펄스 빈도, 요망되는 중요 PSA 사이클 단계의 길이에 의존하여, 다양한 특징이 나타날 수 있다.

도 4는 매니폴드 조립체(40)의 단면도로서, 이 매니폴드 조립체는 유동 제한기(11)와, 밸브(10C), 그리고 포트(14)에 연결된 도관(18)의 일부분을 포함한다. 매니폴드 조립체(40)는 본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있는 미국 특허 출원 제10/269,067호에 기술된 PSA 유동 매니폴드로서 구성될 수 있다. 매니폴드 조립체(40)는 밸브 챔버(42)와 유체 연결되어 있는 유체 매니폴드(100)의 일부분을 포함하는데, 이 밸브 챔버에는 밸브(10C)가 장착되며, 밸브(10C)는 피스톤 밸브로서 구성되고 스템(44) 및 밀봉면(41)을 포함한다. 스템(44)은 구멍(45)을 따라 선형으로 이동하도록 구성된다. 밸브(10C)는, 밀봉면(41)이 밸브 시트(46)와의 밀봉 접촉 상태로부터 후퇴되어 있는 개방 상태로 도시되어 있다. 밸브 시트(46)와 유체 도관(18)[용기(10)와 연통함] 사이에 다공성 유동 제한기(11)가 개재되어 있다. 유동 제한기(11)는 유지 링(48)에 의해 숄더(43)에 대하여 적소에 유지된다. 유지 링(48)은 나사부, 접착제, 억지 끼움, 또는 당업자에게 명백한 임의의 다른 수단에 의해 고정될 수 있다. 별법으로서, 유지 링(48)은 스냅 링으로서 구성될 수 있다. 바람직하게는, 유지 링(48)은 다공성 유동 제한기(11)가 검사 또는 교체를 위해 제거될 수 있게 한다.

유동 제한기(11) 및 유지 링(48)은, 피스톤 밸브(10C)가 자유롭게 작동하여 밀봉면(41)이 밸브 시트(46)와 밀봉 접촉하는 상태로 그리고 이러한 상태로부터 벗어나게 이동할 수 있도록 위치 설정된다. 유체 매니폴드(100)와 도관(18) 사이의 유동은 전술한 방법에 따라 유동 제한기(11)에 의해 제한된다. 임의의 흡착성 미립자 또는 그 밖의 입자가 유동 속에 동반되는 경우, 이들 입자는 유동 제한기(11)의 표면 상에 침적될 것이다. PSA 사이클 동안에 유동이 역전되어 유동 제한기(11)를 통과하면, 침적된 입자는 유압에 의해 유동 제한기(11)의 면으로부터 배출될 것이다. 따라서, 유동 제한기(11)는 입자에 의한 막힘에 대해 강한 저항성이 있다. 마찬가지로, 유동 제한기(11)의 표면에 응축물이 형성된다면, 이 응축물은 후속하는 역류 단계에서 퍼지될 것이다.

임의의 바람직한 수의 PSA 용기가 도 4의 유체 매니폴드(100)에 연결될 수 있다는 점을 유의하라. 각 용기는 그 자체의 관련 유동 도관(18)과, 그 자체의 밸브, 시트 및 유동 제한기 조합체를 구비할 것이다. 따라서, 이렇게 형성된 장치는 2개 이상의 흡착성 용기 사이에서 임의의 PSA 사이클을 실행하는 데 유익하게 사용될 수 있는 것으로, 상기 PSA 사이클은 본 발명의 유동 제어 특징으로부터 유익이 얻어지는 사이클 스템을 포함한다. PSA 사이클 단계 등의 중요한 예는, 하나의 용기로부터 다른 용기로 퍼지 가스를 제공하는 것이다.

본 발명이 본 발명의 정신 및 본질적인 특징을 벗어나지 않는 그 밖의 구체적인 형태로 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 명백한 것으로 이해될 것이다. 따라서, 본원에 기술된 실시예는 모든 면에 있어서 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려된다. 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 나타내어지며, 본 발명의 의미 및 범위 내에 속하는 모든 변형례와 그 균등예는 본원에 포함되는 것이다.

Claims (13)

1. 제1 용기로부터 제2 용기로 가스를 안내하는 단계와;
   제1 용기와 제2 용기 사이의 유동에서 소정의 유량 프로파일을 획득하는 단계
   를 포함하고,
   상기 유량 프로파일 획득 단계는 제1 용기와 제2 용기 사이의 유체의 유동에 유동 제한기를 마련하는 단계를 포함하며, 상기 유동 제한기는 유량과 차압 사이에 선형 관계를 나타내는 것인 가스 유동의 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 유량 프로파일 획득 단계는, 제1 밸브의 개폐를 교대로 실시함으로써 유동에 제1 펄스를 도입하는 단계를 더 포함하고, 상기 유동 제한기의 유동 제한 효과와 제1 펄스의 조합에 의해 소정의 유량 프로파일이 획득되는 것인 가스 유동의 제어 방법.
3. 제2항에 있어서, 제1 밸브는 피스톤 밸브인 것인 가스 유동의 제어 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 유동 제한기는 다공성인 것인 가스 유동의 제어 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 유동 제한기는 소결 금속 분말로 제조되는 것인 가스 유동의 제어 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 소정의 유량 프로파일을 일정한 유량이 되도록 설정하는 단계를 더 포함하는 것인 가스 유동의 제어 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 소정의 유량 프로파일을 시간의 흐름에 따라 증가하는 유량이 되도록 설정하는 단계를 더 포함하는 것인 가스 유동의 제어 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 소정의 유량 프로파일을 시간의 흐름에 따라 감소하는 유량이 되도록 설정하는 단계를 더 포함하는 것인 가스 유동의 제어 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 소정의 유량 프로파일은, 상기 가스 안내 단계를 완료하는 데 할당된 시간이 상기 가스 안내 단계를 수행하는 데에만 완전히 사용되도록 설정되는 것인 가스 유동의 제어 방법.
10. 제2항에 있어서, 상기 유량 프로파일 획득 단계는, 제2 밸브의 개폐를 교대로 실시함으로써 제1 용기와 제2 용기 사이의 유체의 유동에 제2 펄스를 도입하는 단계를 포함하고, 상기 유동 제한기의 유동 제한 효과와, 제1 펄스, 그리고 제2 펄스의 조합에 의해 소정의 유량 프로파일이 획득되는 것인 가스 유동의 제어 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 유량 프로파일 획득 단계는, 제1 용기와 제2 용기 사이에 제2 유동 제한기를 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 유동 제한 요소 및 상기 제2 유동 제한기의 유동 제한 효과의 조합에 의해 소정의 유량 프로파일이 획득되는 것인 가스 유동의 제어 방법.
12. 제10항에 있어서, 제1 밸브와 제2 밸브를 비동기식으로 개폐하는 단계를 더 포함하는 것인 가스 유동의 제어 방법.
13. 제10항에 있어서, 제1 밸브와 제2 밸브를 동기식으로 개폐하는 단계를 더 포함하는 것인 가스 유동의 제어 방법.

Images