KR101596324B1 - 가스 내 수분 제거 공정용 액상 건조제의 혼성 재생 장치 및 방법 - Google Patents

가스 내 수분 제거 공정용 액상 건조제의 혼성 재생 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상 건조제 중에서 특히 글리콜계 화합물을 이용한 가스 내 수분제거 공정에 포함되어 있는 재생방법을 개선하여 저온에서 액상 건조제의 재생 순도를 99.99wt% 높임으로써 에너지 효율성을 높이고, 저온 재생으로 액상 건조제의 손실을 최소화하고, 열분해 산물인 유기산 형성을 예방하기 위한 것으로, 물이 포함된 습 액상 건조제에서 상기 물과 1차 재생 액상 건조제를 분리하는 투과 증발 장치(200); 및 상기 1차 재생 액상 건조제로부터 스트리핑 가스(stripping gas)를 이용하여 수분을 탈거(stripping)시켜 2차 재생 액상 건조제를 배출하는 스트리핑 컬럼(stripping column)(300);을 포함하며, 기존 공비 증류 공정 또는 리보일러 재생 공정과 비교하여 단순하고, 수분 제거 장치와 액상 건조제의 재생 설비를 통합적으로 구성할 수 있으며, 액상 건조제의 열분해를 방지하여 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

가스 내 수분 제거 공정용 액상 건조제의 혼성 재생 장치 및 방법 {Hybrid regeneration apparatus and method of liquid desiccant for gas dehydration process}
본 발명은 가스 내 수분 제거 공정(gas dehydration process) 중 액상 건조제, 일반적으로 글리콜(glycol) 계열의 혼성 재생 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 가스 내 수분을 흡수한 액상 건조제를 혼성 재생법인 투과 증발법(pervapration method)과 스트리핑 방법(stripping method)을 이용하여 액상 건조제로부터 물을 효과적으로 분리하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 액상 건조제의 재생 순도를 약 99.99 wt% 이상으로 높일 수 있는 고효율의 친환경 재생 장치 및 방법에 관한 발명이다.
배로 운송되는 천연가스는 운송과 저장을 용이하게 하기 위하여 천연가스 중의 불순물들을 제거하고 냉각하여 -162 ℃의 액화천연가스(LNG)로 전환된다. 이 과정에서 천연가스 내에 포함되어 있는 수분은 얼음으로 변화하여 파이프 또는 밸브 등의 막힘을 초래할 수 있으므로 천연가스가 냉각되기 전에 제거하여야 한다.
또한, 천연가스를 액화하지 않고 가스 상태로 배관을 통해 수송하는 경우에도 천연가스 내의 수분은 이산화탄소 또는 각종 탄화수소류와의 결합을 통해 가스 하이드레이트(gas hydrate)를 형성하여 관을 막을 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 반드시 천연가스 내의 수분의 농도를 허용 농도 이하로 제거되어야 하는데, 천연가스의 경우, 파이프 라인 이송을 위한 가스 내 수분 허용농도(pipeline gas quality)는 약 2 ~ 7 1b H2O/MMSCF (42 ~ 147 ppmw H2O) 정도이다. 또한 바이오 가스 또는 매립지 가스의 경우, 포함된 수분을 제거함으로써 가스의 발열량을 높일 수 있어, 가스 내 수분 제거 공정(gas dehydration process)의 중요성이 높아지고 있다.
일반적으로 대표적인 가스 내에 포함된 수분을 제거하는 방법으로는 흡습성이 있는 액체물질을 이용하거나, 탈수성이 있는 고체 물질을 사용하여 수증기를 흡착하는 방법과 압축 또는 냉각으로 수증기를 응축시키는 방법이 있다. 이 중 가장 널리 사용되는 가스 내 수분 제거 방법은 글리콜계의 흡습성이 있는 액상 건조제를 이용하여 가스 속에 포함되어 있는 수분을 흡수하는 방법이다.
이러한 액상 건조제를 사용하여 가스 내의 수분을 제거하는 방법에서, 수분이 흡수된 액상 건조제(이하, '습 액상 건조제'라 한다.)를 재생하여 다시 사용하기 위해서는 상기 액상 건조제에서 수분을 제거하여 재생하여야 하는데, 도 1에 제시된 것처럼, 리보일러(reboiler)(350)를 이용하여 상압 고온 상태에서 재생하게 된다(미국 특허공보 제3,105,748호).
액상 건조제로 사용하는 글리콜의 종류에 따라 증기압 및 열분해 온도가 다르므로, 상기 리보일러(350)의 온도는 사용되는 글리콜의 구체적인 종류에 따라 달라진다. 예를 들면, 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol, TEG)의 경우, 리보일러(350)의 온도 204 ℃이하에서 재생하게 되는데(트리에틸렌 글리콜의 열분해 온도는 204 ℃임), 이때 얻을 수 있는 트리에틸렌 글리콜의 순도는 최대 98.6 wt%이다. 이렇게 리보일러(350)에서 1차로 재생된 상기 트라이 에틸렌 글리콜은 스트리핑 장치에서 드라이 가스(dry gas)를 통하여 2차 재생 단계를 거칠 수 있는데, 상기 1차 및 2차 재생과정을 통해 최대로 얻을 수 있는 트리에틸렌 글리콜의 순도는 99.96 wt% 정도이다.
또한, 미국 특허공보 제 4,005,997호 및 제3,349,544호는 물과 탄화수소 계열 첨가제와의 공비 증류를 통해 글리콜을 높은 순도로 재생하는 공정에 관하여 제시하고 있으며, 미국 특허공보 제5,643,421호는 고체 건조제 (solid dessiccant)를 이용하여 2차 공비 증류 재생에 필요한 탈거제(stripping agent)에 포함된 수분을 추가로 제거함으로써 약 95~98 wt%의 글리콜 순도를 99.999 wt%까지 높이고, 가스에 포함된 수분의 농도를 0.1 ppm 까지 낮출 수 있음이 기재되어 있다. 이때 사용된 탈거제로는 나프타(naphtha), 천연 가솔린(natural gasoline), 끓는점이 40 ~ 160 ℃인 지방족 탄화수소(aliphatic hydrocarbons), 방향족 탄화수소 (aromatic hydrocarbons) 등이 있으며, 스트리핑 컬럼에서 상기 탈거제와의 공비 증류를 통해 높은 글리콜 순도를 확보하였다.
이렇게 리보일러(350)를 사용하여 액상 건조제를 재생하는 방법은, 상기 리보일러(350)에서 액상 건조제 재생온도가 열분해 온도와 같거나 높을 때에 열분해 산물인 유기산이 형성되어 장치의 부식을 야기하기 때문에 높은 순도의 액상 건조제를 얻기 힘들다. 또한, 상기 리보일러(350)를 통한 액상 건조제 재생시 액상 건조제의 손실이 발생하여 주기적으로 보충을 해주어야 하며, 액상 건조제의 운전 과정 중에서 지속적인 액상 건조제의 산도 측정이 필요하다는 문제점이 존재한다.
또한, 글리콜 순도를 높이기 위하여 공비 증류를 통해 추가 재생과정을 거칠때에는 탈거제 회수를 위한 분리 공정 및 탈거제에서 포함된 미량 수분을 제거하기 위한 공정이 필요하고, BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌)와 같은 방향족 탄화수소를 첨가제로 사용할 경우에는 배출 규제에 대응하기 위한 정화 설비 등이 추가로 필요하게 되어 공정의 경제성 및 효율성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 상술한 문제점을 해결하기 위하여 고온으로 가열하는 리보일러나 공비증류공정 없이 저온에서 99.99 wt% 이상의 고순도의 글리콜을 재생할 수 있는 방법과 장치의 개발이 필요하다.
미국특허공보 제3,105,748호 미국특허공보 제4,005,997호 미국특허공보 제3,349,544호 미국특허공보 제5,643,421호
본 발명은, 앞서 배경기술에서 언급하였던 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 액상 건조제 중에서 특히 글리콜계 화합물을 이용한 가스 내 수분 제거 공정에 포함되어 있는 재생방법을 개선하여 액상 건조제의 재생 순도를 99.99 wt% 이상으로 높임으로써 에너지 효율성을 높이고, 저온 재생으로 액상 건조제의 손실을 최소화하고, 열분해 산물인 유기산 형성을 예방하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 가스에 포함된 수분을 제거하기 위한 액상 건조제(liquid desiccant)를 110 ℃이하의 저온에서 고순도로 재생하는 것을 포함하며, 기존 공비 증류 공정에 비교하여 단순하고, 수분 제거 장치와 액상 건조제의 재생 설비를 통합적으로 구성하는 모듈화와 육상 플랜트뿐만 아니라 해양 플랜트 적용하는데 있다.
상술한 바와 같이 종래의 기술의 문제점을 해결하고, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 가스 내 수분 제거 장치에 사용되는 액상 건조제(liquid desiccant)의 혼성 재생 장치는, 물이 포함된 습 액상 건조제에서 상기 물과 1차 재생 액상 건조제를 분리하는 투과 증발 장치(200); 및 상기 1차 재생 액상 건조제로부터 스트리핑 가스(stripping gas)를 이용하여 수분을 탈거(stripping)시켜 통해 2차 재생 액상 건조제를 배출하는 스트리핑 컬럼(stripping column)(300);을 포함하며, 상기 액상 건조제는 글리콜계 화합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치는, 수분이 포함된 가스를 상기 액상 건조제와 향류(counter current flow) 접촉시켜 가스 내 수분을 상기 액상 건조제로 흡수시키는 흡수탑(100)과, 상기 습 액상 건조제를 감압시켜 상기 흡수탑(100)에서 물리적으로 흡수된 플래쉬 가스를 분리하는 플래쉬 드럼(Flash drum)(110)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 습 액상 건조제가 투과 증발 장치(200)에 투입되기 전에, 스트리핑 컬럼(300)을 거쳐 배출되는 2차 재생 액상건조제 흐름에 의해 예열될 수 있도록 열교환기(150)를 더 포함할 수 있고, 상기 습 액상 건조제 흐름에 포함된 고체 불순물 입자를 제거를 위해, 상기 투과 증발 장치(200)의 전단계에 설치되는 필터(170)를 추가로 더 포함할 수 있으며, 상기 스트리핑 컬럼(300)을 거쳐 배출되는 상기 2차 재생 액상 건조제를 저장하고 상기 흡수탑(100)으로 되돌아가는 상기 2차 재생 액상 건조제의 유량을 일정하게 유지하는 서지드럼(Surge drum)(400)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 상기 투과 증발 장치(200)에서 투과 증발 분리막(210)은 고분자 재질의 중공사막(hollow fiber) 또는 나권형(spiral wound)의 모듈이 바람직하고, 이때 사용될 수 있는 분리막의 고분자 재질은, 폴리아크릴산(Polyacrylic acid, PAA), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 나일론-6(Nylon 6), 알긴산나트륨(Sodium alginate), 키토산(Chitosan), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI), 셀룰로스 설페이트(Cellulose sulfate, CS) 및 내피온(Nafion)로 이루어진 군 중에서 적어도 하나 이상일 수 있으며, 상기 고분자 물질은 가교제를 통해 가교된 고분자(Cross-linked polymer) 형태로 분리막 표면이 개질되는 것도 가능하다.
본 발명에서 사용되는 액상 건조제인 글리콜계 화합물은, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol: EG), 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol: DEG), 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol: TEG) 및 테트라에틸렌 글리콜(Tetraethylene glycol: TTEG)로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol: TEG)이 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시 형태로는 가스 내 수분제거용 액상 건조제(liquid desiccant)의 혼성 재생 방법을 들 수 있으며, 수분이 함유된 가스를 액상 건조제와 향류(counter current flow) 접촉시켜 상기 수분이 흡착된 습 액상 건조제를 배출하는 흡수단계(S10); 상기 습 액상 건조제가 투과 증발 분리기(200)를 통해 물과 1차 재생 액상 건조제를 분리하는 투과 증발 단계(S50); 상기 투과 증발 분리기(200)에서 분리된 1차 재생 액상 건조제를 스트리핑 컬럼(300)에 도입하여, 수분탈거(stripping)를 수행하는 스트리핑 단계(S60); 및 상기 스트리핑 컬럼(300)에서 분리된 2차 재생 액상 건조제를 상기 흡수계(S10)로 순환시키는 순환 단계(S70);를 포함한다.
상기 액상 건조제로는 글리콜계 화합물이 사용될 수 있으며, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol: EG), 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol: DEG), 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol: TEG) 및 테트라에틸렌 글리콜(Tetraethylene glycol: TTEG)로 이루어진 군 중에서 적어도 하나 이상 선택되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol: TEG)이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 가스 내 수분제거용 액상 건조제(liquid desiccant)의 혼성 재생 방법에는, 흡수단계(S10)에서 배출된 습 액상 건조제를 감압시켜, 흡수탑(100)에서 물리적으로 흡수된 플래쉬 가스를 분리하는 감압 단계(S20); 상기 흡수단계(S10)에서 배출된 습 액상 건조제를, 상기 스트리핑 단계(S60)를 거쳐 배출되는 상기 2차 재생 액상 건조제를 사용하여 예열하는 열교환 단계(S30); 및 흡수단계(S10)에서 배출된 습 액상 건조제에 포함된 고체 불순물 입자를 제거하기 위해, 투과 증발 단계(S50) 전에 필터(Filter)단계(S40)가 더 포함될 수 있다.
투과 증발 단계(S50)와 스트리핑 단계(S60)는, 종래의 기술에 비해 낮은 온도 범위인 60 ~ 110 ℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 상기 스트리핑 단계(S60)에서 사용되는 스트리핑 가스는, 흡수단계(S10)를 통해 수분이 제거된 가스를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명은 가스 내 수분 제거(gas dehydration)용 액상 건조제의 저온 혼성 재생 장치로 액상 건조제인 글리콜을 99.99wt% 이상의 순도로 재생할 수 있다. 그리고 액상 건조제 저온 혼성 재생장치는 저온(60 ~ 110 ℃)에서 운전되므로 기존의 리보일러를 사용하는 장치에 비해 에너지 효율성을 높일 수 있다.
또한, 이 과정은 투과 증발 장치를 통하여 저온(60 ~ 110 ℃)에서 재생방법이 진행되기 때문에 액상 건조제의 열분해를 방지하여 손실을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 기술인 리보일러를 사용한 수분 제거 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생방법의 순서도를 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치와 이를 사용한 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 방법에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하고자 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
앞서 살펴본 종래의 기술에서는 액상 건조제를 재생할 때 리보일러(350)를 사용하여왔지만, 본 발명에서는 투과 증발 장치(300)를 통하여 최대 110 ℃이하의 저온에서 액상 건조제를 물과 분리하는 재생하는 단계를 거친다.
먼저 수분이 함유된 천연가스를 흡수탑에 도입하여, 액상 건조제와 향류로 접촉시킴으로써, 천연가스 내의 수분을 제거한다. 이렇게 천연 가스와 같은 가스 내의 수분을 흡수한 액상 건조제, 좀 더 구체적으로 2 ~ 5 wt%의 물을 포함하는 글리콜계 화합물(습 액상 건조제, 이때 순도는 98 ~ 95 wt%의 범위이다)을 먼저 투과 증발 장치에 도입하여 물을 분리함으로써 98.7 wt% 이상의 농도로 액상 건조제의 순도를 높인다.
이렇게 투과 증발 장치를 통해 1차 재생된 액상 건조제 흐름을 스트리핑 컬럼(300)에 도입하여 2차로 추가적인 재생 단계를 거치도록 함으로써, 글리콜계 화합물과 같은 액상 건조제의 순도를 99.99 wt% 이상의 범위로 높일 수 있는 혼성 재생 장치와 방법을 제시한다. 이때 상기 스트리핑 컬럼(300)에 사용되는 스트리핑 가스는, 상기 흡수탑에서 건조된 가스의 일부를 사용하는 것도 가능하다.
도 2에는 본 발명의 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치를 도식적으로 나타낸 그림이 제시되어 있다. 상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치는, 흡수탑(100), 플래쉬 드럼(Flash drum)(110), 열교환기(150), 필터(170), 투과 증발 장치(200), 투과 증발 분리막(210), 스트리핑 컬럼(stripping column)(300), 서지드럼(Surge drum)(400)을 포함한다.
이러한 본 발명의 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치를 통해 수분이 제거될 수 있는 가스로는 고압의 천연가스, 매립지 가스, 바이오가스 등을 들 수 있다.
또한, 도 3에는 본 발명의 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 방법이 순서도의 형식으로 제시되어 있다.
상기 도 2와 도 3을 참조하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하면, 먼저 흡수단계(S10)에서는 흡수탑(100)을 통해 수분이 포함된 가스와 액상 건조제(liquid dessicant)가 향류(counter current flow) 접촉되어, 상기 가스 내에 포함된 수분이 상기 액상 건조제로 이동하여 흡수된다.
이때 상기 액상 건조제로는 글리콜계 화합물이 사용될 수 있는데, 상기 글리콜계 화합물은 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol: EG), 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol: DEG), 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol: TEG) 및 테트라에틸렌 글리콜(Tetraethylene glycol: TTEG)로 이루어진 군 중에서 적어도 하나 이상 선택되는 것이 바람직하다. 특히, 트리에틸렌 글리콜은 에틸렌 글리콜이나 디에틸렌 글리콜에 비해 증기압이 낮아 손실이 적고, 테트라에틸렌 글리콜에 비해 가격이 저렴하므로, 본 발명의 실시 예에서는 트리에틸렌 글리콜을 액상 건조제로 사용하였다.
상기 흡수단계(S10)를 거치면서 수분을 흡수한 액상 건조제(습 액상 건조제)는 플래쉬 드럼(110)으로 도입되어 감압된다. 이러한 감압단계(S20)는, 앞선 흡수탑에서의 흡수과정 중에서 물리적으로 습 액상 건조제에 흡수된 플래쉬 가스를 효과적으로 제거할 수 있다.
다만, 천연가스, 셰일가스, 타이트가스, 석탄층가스, 매립지 가스 등의 고압 가스(예를 들면, 2 ~ 5 bar 이상)의 경우에는 이러한 플래쉬 드럼을 통한 감압 단계가 필수적이나, 저압 가스(예를 들면, 2 ~ 5 bar 이하)의 경우에는 물리적으로 흡수되는 플래쉬 가스의 양이 적기 때문에 생략하는 것도 가능하다.
플래쉬 드럼(110)을 통과한 습 액상 건조제는 열교환기(150)를 통과하면서, 스트리핑 컬럼(300)에서 나온 2차 재생 액상 건조제와의 열교환 단계(S30)를 수행하고 예열된다.
가스에 포함되어 있던 미세 고체 불순물 입자들이 흡수탑을 거치면서 습 액상 건조제에도 흡수되어 투과 증발 분리막(210)의 막힘 현상을 일으키거나, 스트리핑 컬럼(300)에서 거품(foaming)을 형성할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 투과 증발 장치(200)의 앞에 필터(170)를 설치함으로써, 필터단계(S40)를 통해 습 액상 건조제 내에 존재하는 상기 미세 고체 불순물 입자들을 제거한다.
이렇게 플래시 드럼과 필터링 및 예열 단계를 거쳐 전처리된 습 액상 건조제는 재생(물의 제거)을 위해, 먼저 투과 증발 장치(200)의 모듈 내부로 도입되어 투과 증발 단계(S50)를 거치면서, 물과 1차 재생 액상 건조제로 분리되어 배출된다.
상기 투과 증발 장치 내 투과 증발 분리막(210) 모듈은, 중공사막(hollow fiber) 또는 나권형(spiral wound)이거나 이들이 조합된 형태를 포함한다. 이러한 투과 증발 장치(200)를 통해 물은 투과부(permeate)로 배출되고, 99 wt%이상의 고순도 1차 재생 액상 건조제는 잔류부(retentate)로 배출된다. 습 액상 건조제의 공급 온도가 충분치 않을 시에는 공급관의 가열이나 분리막 모듈의 가열을 통해 110 ℃ 이하의 적정 운전 온도로 만들어 주는 것도 가능하다.
또한, 투과 증발 공정의 공급과 투과층과의 압력 차를 유지하도록 하기 위해, 앞선 플래시 드럼에서 감압을 적게하여 2 ~ 5 bar의 습 액상 건조제를 공급할 수도 있으며, 투과 층에 세정 가스를 사용하거나 투과되어 나오는 수증기를 응축시켜 진공을 만들거나 진공 펌프를 사용하여 투과 증발 장치의 분리 효율을 높이는 것도 가능하다.
상기 투과 증발 분리 공정에 사용되는 투과 증발 분리막은, 폴리아크릴산(Polyacrylic acid, PAA), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 나일론-6(Nylon 6), 알긴산나트륨(Sodium alginate), 키토산(Chitosan), 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI), 셀룰로스 설페이트(Cellulose sulfate, CS) 또는 내피온(Nafion) 등을 통해 제작될 수 있으나, 특별히 이들로만 한정되는 것은 아니다.
또한, 이러한 고분자 재질 뿐만 아니라, 친수성이 높은 고분자에 가교제를 사용하여 개질 과정을 거친 가교 고분자(Cross-linking polymer)를 분리막으로 사용함으로써, 물에 대한 선택성 및 분리 효율 증가를 시도할 수 있다.
이러한 투과 증발 장치에서 습 액상 건조제의 유량은, 가스에 함유되어 흡수탑에서 제거되어야 하는 수분의 양에 비례하는데, 단위 수분 당 일반적으로 약 3 US gal/lb H2O (= 8.34 liter/kg H2O)의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
투과 증발 장치를 통과한 1차 재생 액상 건조제는, 스트리핑 컬럼(300)을 통한 스트리핑 단계(S60)을 통해 추가적으로 수분이 제거되고, 액상 건조제의 순도는 더욱 향상될 수 있다. 이러한 스트리핑 단계에서 사용되는 스트리핑 가스는, 흡수탑(100)을 통과하여 수분이 제거된 가스의 일부를 사용할 수 있다. 상기 스트리핑 컬럼(300)을 통해 2차 재생 액상 건조제는 최소 99.99 wt% 이상의 순도로 유지될 수 있다.
이렇게 스트리핑 컬럼을 거쳐 배출된 2차 재생 액상 건조제는, 앞서 언급하였듯이, 열교환기(150)으로 보내져 습 액상 건조제를 예열시킨 후, 서지드럼(surge drum)(400)에 저장되었다가 다시 흡수탑(100)으로 보내지는 순환 단계(S70)을 거치게 된다. 이때, 서지드럼(400)은 순환되는 액상 건조제의 유량을 일정하게 하는 버퍼 역할과 재생되는 액상 건조제의 저장탱크의 역할을 하게 된다.
[실시 예]
본 발명의 액상 건조제의 재생 효율을 각 재생 단계의 건조제 순도를 측정하여 기존 공정과 비교하였다.
여기서는 수분이 포함된 가스로 45 lb H2O/MMSCF의 천연가스를 사용하였고, 액상 건조제로 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol, TEG)을 사용하였으며, 액상 건조제의 유량은 흡수되는 수분의 단위량을 기준으로 3 US gal/lb H2O (= 8.34 liter/kg H2O)으로 사용하였다.
1차로 액상 건조제가 재생되는 투과 증발막과 2차로 재생되는 스트리핑 컬럼은 모두 110 ℃에서 운전되었고, 스트리핑 가스의 유량은 단위 액상 건조제 부피(L)당 0.05m3의 유량으로 제어되었으며. 각각의 재생 단계에서 수분의 농도를 측정함으로써, 액상 건조제의 순도 변화를 관찰하였다.
비교를 위해, 동일한 천연 가스로부터 수분을 흡수한 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol, TEG) 액상 건조제를 기존의 리보일러-스트리핑 컬럼 조합의 재생 장치로 재생하였으며, 각 재생 단계에서의 액상 건조제의 순도를 측정하였으며, 그 결과는 다음의 표와 같다.
단, 기존의 리보일러를 사용한 재생 공정의 경우, 204 ℃의 온도에서 리보일러와 스트리핑 공정이 수행되었으며, 스트리핑 컬럼에서 사용된 스트리핑 가스의 유량은 단위 액상 건조제 부피(L)당 0.07m3의 유량을 적용하였다.
실시예 비교예
1차 재생 투과증발막 리보일러
TEG 농도 99 wt% TEG 농도 98.7 wt%
운전 온도 110 ℃ 운전온도 204 ℃
2차 재생 스트리핑 컬럼 스트리핑 컬럼
TEG 농도 99.99 wt% TEG 농도 99.4 wt%
상기 표 1의 비교 실험 결과에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 투과증발막과 스트리핑 컬럼을 사용한 액상 건조제의 재생 방법 및 장치는 기존의 리보일러 재생 공정에 비해 낮은 온도에서도 높은 순도로 액상 건조제를 재생할 수 있음을 알 수 있다.
1 : 수분이 포함된 가스 3 : 수분
4 : 수분 및 스트리핑 가스 10 : 습 액상 건조제
50 : 1차 재생 액상 건조제 60 : 스트리핑 가스
70 : 2차 재생 액상 건조제 75 : 재생된 액상 건조제
90 : 건조된 가스(Dry Gas) 100 : 흡수탑
110 : 플래쉬드럼(Flash drum) 120 : 펌프
150 : 열교환기 170 : 필터(Filter)
200 : 투과 증발 장치 210 : 투과 증발 분리막
300 : 스트리핑 컬럼 350 : 리보일러(reboiler)
370 : 수퍼 건조기(super dryer) 400 : 서지드럼(Surge drum )
450 : 어큐뮬레이터(accumulator)

Claims (16)

  1. 가스 내 수분 제거 장치에 사용되는 액상 건조제(liquid desiccant)의 혼성 재생 장치에 있어서,
    물이 포함된 습 액상 건조제에서 상기 물과 1차 재생 액상 건조제를 분리하는 투과 증발 장치(200); 및
    상기 1차 재생 액상 건조제로부터 스트리핑 가스(stripping gas)를 이용하여 수분을 탈거(stripping)시켜 통해 2차 재생 액상 건조제를 배출하는 스트리핑 컬럼(stripping column)(300);을 포함하고,
    상기 습 액상 건조제가 투과 증발 장치(200)로 도입되기 전단에, 물리적으로 흡수된 플래쉬 가스를 분리하는 플래쉬 드럼(Flash drum)(110)과 상기 스트리핑 컬럼(300)을 거쳐 배출되는 2차 재생 액상건조제 흐름에 의해 예열되는 열교환기(150) 및 고체 불순물 입자를 제거하는 필터(170)가 차례로 위치하고,
    상기 스트리핑 컬럼(300)을 거쳐 배출되는 상기 2차 재생 액상 건조제를 저장하고 흡수탑(100)으로 되돌아가는 상기 2차 재생 액상 건조제의 유량을 일정하게 유지하는 서지드럼(Surge drum)(400)를 더 포함하며,
    상기 액상 건조제는 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol: EG), 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol: DEG), 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol: TEG) 및 테트라에틸렌 글리콜(Tetraethylene glycol: TTEG)로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는, 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    수분이 포함된 가스를 상기 액상 건조제와 향류(counter current flow) 접촉시켜 가스 내 수분을 상기 액상 건조제로 흡수시키는 흡수탑(100)을 더 포함하는, 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투과 증발 장치(200)에서 투과 증발 분리막(210)은 고분자 재질의 중공사막(hollow fiber) 또는 나권형(spiral wound)의 모듈인 것을 특징으로 하는, 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 액상 건조제는 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol: TEG)인 것을 특징으로 하는, 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 장치.
  10. 가스 내 수분제거용 액상 건조제(liquid desiccant)의 혼성 재생 방법에 있어서,
    수분이 함유된 가스를 액상 건조제와 향류(counter current flow) 접촉시켜 상기 수분이 흡착된 습 액상 건조제를 배출하는 흡수단계(S10);
    상기 흡수단계(S10)에서 배출된 습 액상 건조제를 감압시켜, 흡수탑(100)에서 물리적으로 흡수된 플래쉬 가스를 분리하는 감압 단계(S20);
    상기 흡수단계(S10)에서 배출된 습 액상 건조제를, 스트리핑 단계(S60)를 거쳐 배출되는 2차 재생 액상 건조제를 사용하여 예열하는 열교환 단계(S30);
    상기 흡수단계(S10)에서 배출된 습 액상 건조제에 포함된 고체 불순물 입자를 제거하기 위해, 투과 증발 단계(S50) 전에 필터(Filter)단계(S40);
    상기 습 액상 건조제가 투과 증발 분리기(200)를 통해 물과 1차 재생 액상 건조제를 분리하는 투과 증발 단계(S50);
    상기 투과 증발 분리기(200)에서 분리된 1차 재생 액상 건조제를 스트리핑 컬럼(300)에 도입하여, 탈거(stripping)를 수행하는 스트리핑 단계(S60); 및
    상기 스트리핑 컬럼(300)에서 분리된 2차 재생 액상 건조제를 상기 흡수단계(S10)로 순환시키는 순환 단계(S70);를 포함하며,
    상기 스트리핑 단계(S60)에서 사용되는 스트리핑 가스는, 흡수 단계(S10)를 통해 수분이 제거된 가스를 사용하고,
    상기 액상 건조제는 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol: EG), 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol: DEG), 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol: TEG) 및 테트라에틸렌 글리콜(Tetraethylene glycol: TTEG)로 이루어진 군 중에서 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는, 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제10항에 있어서,
    상기 액상 건조제는 트리에틸렌 글리콜(Triethylene glycol: TEG)인 것을 특징으로 하는, 가스 내 수분 제거용 액상 건조제의 혼성 재생 방법.
  16. 삭제
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