KR101783429B1 - 고투과성기체 회수장치 및 방법 - Google Patents

고투과성기체 회수장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101783429B1
KR101783429B1 KR1020160001329A KR20160001329A KR101783429B1 KR 101783429 B1 KR101783429 B1 KR 101783429B1 KR 1020160001329 A KR1020160001329 A KR 1020160001329A KR 20160001329 A KR20160001329 A KR 20160001329A KR 101783429 B1 KR101783429 B1 KR 101783429B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
separation membrane
membrane module
supplied
concentration
Prior art date
Application number
KR1020160001329A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170082209A (ko
Inventor
이순재
이상협
최재우
이종석
Original Assignee
한국과학기술연구원
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 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020160001329A priority Critical patent/KR101783429B1/ko
Publication of KR20170082209A publication Critical patent/KR20170082209A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101783429B1 publication Critical patent/KR101783429B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B01D53/22—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 diffusion
    • B01D53/228—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 diffusion characterised by specific membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/06—Flat membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/08—Hollow fibre membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2311/00—Details relating to membrane separation process operations and control
    • B01D2311/06—Specific process operations in the permeate stream
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2311/00—Details relating to membrane separation process operations and control
    • B01D2311/08—Specific process operations in the concentrate stream
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/20—Specific permeability or cut-off range

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 고투과성기체와 저투과성기체가 혼합된 혼합기체로부터 고투과성기체를 분리, 회수함에 있어서, 하나의 기체분리막모듈과 복수의 기체저장탱크를 기반으로 분리, 회수되는 고투과성기체의 농도를 증가시킬 수 있는 고투과성기체 회수장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 고투과성기체 회수장치는 주입기체를 투과기체와 잔류기체로 분리하며, 제 1 측과 제 2 측을 구비하는 기체분리막모듈; 및 복수의 기체저장탱크;를 포함하여 이루어지며, 주입기체는 제 1 측 또는 제 2 측을 통해 공급 가능하며, 제 1 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 1 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 2 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당되며, 제 2 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 2 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 1 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당되며, 상기 기체분리막모듈 및 복수의 기체저장탱크에 의해 n번(n은 자연수)의 농축공정이 진행되며, 제 n 농축공정은, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 잔류기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되며, 홀수번째(2n-1) 농축공정시 주입기체는 기체분리막모듈의 제 1 측을 통해 공급되며, 짝수번째(2n) 농축공정시 주입기체는 기체분리막모듈의 제 2 측을 통해 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

고투과성기체 회수장치 및 방법{Apparatus and method for recovery of high permeable gas}
본 발명은 고투과성기체 회수장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고투과성기체와 저투과성기체가 혼합된 혼합기체로부터 고투과성기체를 분리, 회수함에 있어서, 하나의 기체분리막모듈과 복수의 기체저장탱크를 기반으로 분리, 회수되는 고투과성기체의 농도를 증가시킬 수 있는 고투과성기체 회수장치 및 방법에 관한 것이다.
기체분리막을 이용하여 특정 기체를 분리, 회수하는 분리막 기반의 기체분리기술은 급속히 발전되고 있다. 분리막을 이용한 기체분리공정은, 분자크기가 작은 고투과성기체는 분리막의 기공을 통해 투과시키고 분자크기가 큰 저투과성기체는 분리막 내부에 잔류시키는 방식으로 기체를 분리하는 공정으로서, 기화와 응축을 반복하는 증류공정 등에 비해 원리가 간단하며 에너지 소모가 작은 장점이 있다.
기체분리가 요구되는 산업분야는 다양하다. 예를 들면, 천연가스에서 이산화탄소(CO2)의 분리, 공기로부터 질소(N2)의 농축, 반도체 공장의 폐가스로부터 SF6의 분리, 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)의 분리, 메탄(CH4)과 수소(H2)의 분리, 프로필렌(C3H6)과 프로판(C3H8)의 분리 등의 분야에서 기체분리공정이 요구된다.
한국등록특허 제10-1249261호 한국등록특허 제10-1505920호
본 발명은 고투과성기체와 저투과성기체가 혼합된 혼합기체로부터 고투과성기체를 분리, 회수함에 있어서, 하나의 기체분리막모듈과 복수의 기체저장탱크를 기반으로 분리, 회수되는 고투과성기체의 농도를 증가시킬 수 있는 고투과성기체 회수장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고투과성기체 회수장치는 주입기체를 투과기체와 잔류기체로 분리하며, 제 1 측과 제 2 측을 구비하는 기체분리막모듈; 및 복수의 기체저장탱크;를 포함하여 이루어지며, 주입기체는 제 1 측 또는 제 2 측을 통해 공급 가능하며, 제 1 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 1 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 2 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당되며, 제 2 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 2 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 1 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당되며, 상기 기체분리막모듈 및 복수의 기체저장탱크에 의해 n번(n은 자연수)의 농축공정이 진행되며, 제 n 농축공정은, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 잔류기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되며, 홀수번째(2n-1) 농축공정시 주입기체는 기체분리막모듈의 제 1 측을 통해 공급되며, 짝수번째(2n) 농축공정시 주입기체는 기체분리막모듈의 제 2 측을 통해 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고투과성기체 회수장치는 n 번의 농축공정(n은 자연수)을 진행하며, 각 농축공정을 통해 주입기체를 투과기체와 잔류기체로 분리하는 기체분리막모듈; 및 (n+1) 개의 기체저장탱크를 포함하여 이루어지며, 제 n 농축공정은, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 잔류기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되며, 제 (2n-1) 농축공정(n은 자연수)은 순방향으로 진행되고, 제 2n 농축공정(n은 자연수)은 역방향으로 진행되며, 상기 순방향은 기체분리막모듈의 일단에서 다른 일단 방향으로의 기체 흐름이며, 상기 역방향이라 함은 상기 순방향의 반대 방향인 것을 다른 특징으로 한다.
제 n 잔류기체는 외부로 배출되거나, 제 (n-1) 기체저장탱크에 저장될 수 있다.
제 (2n-1) 농축공정 진행시 기체분리막모듈의 SC값을 제어하는 제 1 SC조절기와, 제 2n 농축공정 진행시 기체분리막모듈의 SC값을 제어하는 제 2 SC조절기가 더 구비될 수 있다. 또한, 농축공정이 진행될수록 SC값이 커지도록 설정된다.
제 n 농축공정의 SC값(θn)은 아래의 식으로 설정될 수 있다.
(식)
Figure 112016001074003-pat00001
(θn은 제 n 농축공정에서의 SC값, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 고투과성기체 농도, α는 기체분리막모듈의 선택도, Rn 는 제 n 농축공정의 목표회수율)
제 1 공급압력 제어장치 및 제 2 공급압력 제어장치가 더 구비되며, 상기 제 1 공급압력 제어장치는 제 (2n-1) 농축공정 진행시 기체분리막모듈에 공급되는 기체의 압력을 일정한 압력으로 제어하며, 상기 제 2 공급압력 제어장치는 제 2n 농축공정 진행시 기체분리막모듈에 공급되는 기체의 압력을 일정한 압력으로 제어하며, 상기 제 1 공급압력 제어장치 및 제 2 공급압력 제어장치에 의해 제어되는 기체의 압력은 동일한 압력(P0)으로 제어될 수 있다.
상기 기체분리막모듈은 중공사 형태의 기체분리막모듈이며, 중심부가 제 1 측과 제 2 측 중 어느 하나에 해당되며 표면부는 그 다른 한측이다. 또한, 상기 기체분리막모듈은 평막 형태의 기체분리막모듈이며, 평막 일측이 제 1 측, 다른 일측이 제 2 측에 해당된다. 상기 기체분리막모듈의 제 1 측과 제 2 측에 기체가 투과되는 기공이 형성되어 있으며, 제 1 측과 제 2 측 각각에 주입기체가 공급되는 기체주입구가 구비된다.
본 발명에 따른 고투과성기체 회수방법은 1개의 기체분리막모듈 및 복수의 기체저장탱크에 의해 n번(n은 자연수)의 농축공정이 진행되며, 상기 기체분리막모듈은 제 1 측과 제 2 측을 구비함과 함께 주입기체를 투과기체와 잔류기체로 분리하며, 주입기체는 제 1 측 또는 제 2 측을 통해 공급 가능하며, 제 1 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 1 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 2 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당되며, 제 2 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 2 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 1 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당되며, 제 n 농축공정은, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 잔류기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되며, 홀수번째(2n-1) 농축공정시 주입기체는 기체분리막모듈의 제 1 측으로 공급되며, 짝수번째(2n) 농축공정시 주입기체는 기체분리막모듈의 제 2 측으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고투과성기체 회수방법은 하나의 기체분리막모듈과 (n+1) 개의 기체저장탱크(n은 자연수)를 이용하며, 상기 기체분리막모듈은 n 번의 농축공정(n은 자연수)을 진행하며, 각 농축공정을 통해 주입기체를 투과기체와 잔류기체로 분리하며, 제 n 농축공정은, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 잔류기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장하며, 제 (2n-1) 농축공정(n은 자연수)은 순방향으로 진행되고, 제 2n 농축공정(n은 자연수)은 역방향으로 진행되며, 상기 순방향은 기체분리막모듈의 일단에서 다른 일단 방향으로의 기체 흐름이며, 상기 역방향이라 함은 상기 순방향의 반대 방향인 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고투과성기체 회수장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
하나의 기체분리막모듈과 복수의 기체저장탱크의 기반 하에, 복수의 농축공정을 진행하여 투과기체를 반복, 농축함으로써 투과기체 내의 고투과성기체의 농도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고투과성기체 회수장치의 구성도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고투과성기체 회수장치에서의 농축공정을 설명하기 위한 참고도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고투과성기체 회수장치에서의 농축공정을 설명하기 위한 참고도.
본 발명은 고투과성기체(high permeable gas)와 저투과성기체(low permeable gas)가 혼합되어 있는 주입기체를 기체분리막모듈을 이용하여 고투과성기체와 저투과성기체로 분리함에 있어서, 고투과성기체의 농축률을 향상시킬 수 있는 기술을 제시한다.
'발명의 배경이 되는 기술'에서 설명한 바와 같이, 기체분리막모듈은 상대적으로 분자크기가 작은 고투과성기체는 기공을 통해 투과시키고, 상대적으로 분자크기가 큰 저투과성기체는 잔류시키는 방식으로 고투과성기체와 저투과성기체를 분리하는 장치이다.
보다 정확히는, 주입기체는 기체분리막모듈에 의해 '투과기체'와 '잔류기체'로 분리된다고 할 수 있다. 투과기체는 기체분리막모듈의 기공을 통해 투과된 기체를 의미하며, 잔류기체는 기공을 투과하지 못하고 기체분리막모듈의 내부 공간에 잔류하는 기체를 의미한다. 그런데, 투과기체에 고투과성기체 이외에 저투과성기체가 포함될 수 있으며, 잔류기체에 저투과성기체 이외에 고투과성기체가 포함될 수 있다.
예를 들어 설명하면 다음과 같다. H2(고투과성기체)와 O2(저투과성기체)가 혼합된 주입기체를 기체분리막모듈에 공급하면 '투과기체'와 '잔류기체'로 분리되는데, 기체분리막모듈의 기공을 투과한 '투과기체'에 H2(고투과성기체) 이외에 O2(저투과성기체)의 일부가 포함될 수 있고, 기체분리막모듈에 잔류하는 '잔류기체'에 O2(저투과성기체) 이외에 H2(고투과성기체)가 포함될 수 있다. 이는, 기공 크기의 편차 등의 기체분리막모듈 자체의 특성에 기인한다. 따라서, 기체분리막모듈을 통해 H2(고투과성기체)와 O2(저투과성기체)를 완벽히 분리할 수는 없다. 다만, 투과도의 차이를 통해, H2(고투과성기체)의 존재 비율이 높은 '투과기체'와 O2(저투과성기체)의 존재 비율이 높은 '잔류기체'로 분리함으로써 H2(고투과성기체) 또는 O2(저투과성기체)의 회수 확률을 높일 수 있다.
본 발명은 '투과기체' 내의 고투과성기체의 존재 비율을 높일 수 있는 기술을 제시한다. 즉, 최초 공급되는 주입기체 내에 포함되어 있는 고투과성기체의 회수율을 높일 수 있는 기술을 제시한다.
이를 위해, 본 발명은 1개의 기체분리막모듈과 복수의 기체저장탱크를 기반 하에, 복수의 농축공정을 순차적으로 실시하고, 농축공정의 횟수가 증가될수록 기체저장탱크에 저장되는 고투과성기체의 농축률을 증대시키는 기술을 제시한다. 농축공정이란 기체분리막모듈에 주입기체를 공급하여 주입기체를 '투과기체'와 '잔류기체'로 분리하는 공정을 의미한다.
또한, 복수의 농축공정을 순차적으로 실시함에 있어서, 주입기체를 기체분리막모듈의 제 1 측과 제 2 측에 교번하여 공급함으로써 고투과성기체의 농축률을 보다 향상시키는 기술을 제시한다. 홀수번째 농축공정(첫번째 농축공정 포함)시에는 기체분리막모듈의 제 1 측을 통해 주입기체가 공급되며, 짝수번째 농축공정시에는 기체분리막모듈의 제 2 측을 통해 주입기체가 공급된다.
제 1 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 1 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 2 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당된다. 또한, 제 2 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 2 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 1 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당된다.
중공사 형태의 기체분리막모듈의 경우 중심부가 제 1 측과 제 2 측 중 어느 하나에 해당되며 표면부는 그 다른 한측이 되며, 평막 형태의 기체분리막모듈의 경우 평막 일측이 제 1 측, 다른 일측이 제 2 측에 해당된다. 중공사 형태의 기체분리막모듈 및 평막 형태의 기체분리막모듈 모두, 제 1 측과 제 2 측 모두에 기체가 투과되는 기공이 형성되어 있으며, 제 1 측과 제 2 측 각각에 주입기체가 공급되는 기체주입구가 구비된다. 여기서, 제 1 측의 기체주입구를 통해 주입기체가 공급되면 투과기체는 제 2 측의 기체주입구를 통해 배출되며, 반대로 제 2 측의 기체주입구를 통해 주입기체가 공급되면 투과기체는 제 1 측의 기체주입구를 통해 배출되는 형태이다. 또한, 기체분리막모듈 내에는 SC조절기(후술하는 제 1 SC 조절기 및 제 2 SC 조절기)를 거쳐 배출되는 잔류기체의 통로가 구비된다.
첫번째 농축공정에서 주입기체를 기체분리막모듈의 제 1 측에 공급하여 농축공정을 진행하고, 이후의 농축공정에서 주입기체를 기체분리막모듈의 제 2 측과 제 1 측에 교번하여 주입하는 방식으로 진행하는 것을 통해, 투과기체 내에서의 고투과성기체의 농축률을 보다 향상시킬 수 있다. 그 이유는, 첫번째 농축공정을 통해 투과기체가 회수된 상태에서, 첫번째 농축공정 이후의 농축공정은 첫번째 농축공정을 통해 회수된 투과기체를 대상으로 하여 농축공정을 진행하기 때문이며, 이와 함께 짝수번째 농축공정(두번째 농축공정 포함) 진행시 기체분리막모듈의 제 2 측을 통해 주입기체가 공급됨에 따라 저투과성기체의 제 1 측으로의 투과는 억제되어 고투과성기체의 농축률 향상을 기대할 수 있기 때문이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고투과성기체 회수장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고투과성기체 회수장치는 기체분리막모듈(110) 및 복수의 기체저장탱크(120)를 포함하여 구성된다.
상기 기체분리막모듈(110)은 각각의 기체저장탱크로부터 공급되는 주입기체를 '투과기체'와 '잔류기체'로 분리하는 역할을 한다. 상기 기체분리막모듈(110)에 의해 주입기체가 '투과기체'와 '잔류기체'로 분리되는 것을 농축공정이라 칭하며, 본 발명에서는 복수의 농축공정이 적용된다.
상기 기체분리막모듈(110)의 일측을 통해 주입기체가 공급되면 상대적으로 분자크기가 작은 기체는 분리막의 기공을 투과하여 배출되며, 상대적으로 분자크기가 큰 기체는 기공을 투과하지 않고 분리막 내에 잔류한다. 분리막의 기공을 투과하여 배출되는 기체는 투과기체, 분리막 내에 잔류하는 기체는 잔류기체이다. 고투과성기체와 저투과성기체의 투과도 차이에 의해 투과기체에는 고투과성기체의 비율이 크며, 잔류기체에는 저투과성기체의 비율이 크다.
상기 기체분리막모듈(110)은 제 1 측과 제 2 측을 구비한다. 주입기체는 제 1 측 또는 제 2 측을 통해 공급 가능하며, 제 1 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 1 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 2 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당된다. 또한, 제 2 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 2 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 1 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당된다.
중공사 형태의 기체분리막모듈의 경우 중심부가 제 1 측과 제 2 측 중 어느 하나에 해당되며 표면부는 그 다른 한측이 되며, 평막 형태의 기체분리막모듈의 경우 평막 일측이 제 1 측, 다른 일측이 제 2 측에 해당된다. 중공사 형태의 기체분리막모듈 및 평막 형태의 기체분리막모듈 모두, 제 1 측과 제 2 측 모두에 기체가 투과되는 기공이 형성되어 있으며, 제 1 측과 제 2 측 각각에 주입기체가 공급되는 기체주입구가 구비된다.
상기 복수의 기체저장탱크는 각 농축공정에서 분리되는 '투과기체'를 저장함과 함께 저장된 '투과기체'를 주입기체로 기체분리막모듈(110)에 공급하는 역할을 한다.
상술한 1개의 기체분리막모듈(110)과 복수의 기체저장탱크의 기반 하에 복수의 농축공정을 진행함에 있어서, 순방향의 농축공정과 역방향의 농축공정이 교번하여 진행된다. 상기 순방향이라 함은 기체분리막모듈(110)의 제 1 측에서 제 2 측으로의 흐름을 일컬으며, 상기 역방향이라 함은 기체분리막모듈(110)의 제 2 측에서 제 1 측으로의 흐름을 일컫는다. 순방향의 기체 흐름을 처리하기 위해 제 1 공급압력 제어장치(131), 제 1 SC조절기(141) 및 제 1 압축장치(151)가 구비되며, 역방향의 기체 흐름을 처리하기 위해 제 2 공급압력 제어장치(132), 제 2 SC조절기(142) 및 제 2 압축장치(152)가 구비되는데, 이에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다.
복수의 농축공정에 있어서, 홀수번째(2n-1, n은 자연수) 농축공정은 순방향으로 진행되고, 짝수번째(2n, n은 자연수)은 역방향으로 진행된다. 상기 복수의 농축공정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
제 1 농축공정의 경우(도 2a 참조), 제 1 기체저장탱크(121)에 저장된 기체가 순방향으로 기체분리막모듈(110)에 공급된다. 즉, 제 1 기체저장탱크(121)의 기체가 기체분리막모듈(110)의 제 1 측으로 공급된다. 기체분리막의 제 1 측으로 공급된 제 1 기체저장탱크(121)의 기체는 제 1 투과기체와 제 1 잔류기체로 분리되며, 제 1 투과기체는 제 2 기체저장탱크(122)에 저장되며 제 1 잔류기체는 외부로 배출된다. 이 경우, 제 1 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 2 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당된다. 한편, 상기 제 1 기체저장탱크(121)에 저장된 기체는 혼합기체 공급부(10)로부터 공급된 기체이다.
제 2 농축공정의 경우(도 2b 참조), 제 2 기체저장탱크(122)에 저장된 기체가 역방향 즉, 기체분리막모듈(110)의 제 2 측에 공급되어 제 2 투과기체와 제 2 잔류기체로 분리되며, 제 2 투과기체는 제 3 기체저장탱크(123)에 저장되고 제 2 잔류기체는 외부로 배출된다. 이 경우, 제 2 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 1 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당된다.
또한, 제 3 농축공정의 경우(도 2c 참조), 제 3 기체저장탱크(123)에 저장된 기체가 다시 기체분리막모듈(110)의 제 1 측(순방향)에 공급되어 제 3 투과기체와 제 3 잔류기체로 분리되며, 제 3 투과기체는 제 4 기체저장탱크(124)에 저장되고, 제 3 잔류기체는 외부로 배출된다.
각 농축공정 진행에 따라 기체분리막모듈(110)에 의해 분리된 투과기체와 잔류기체가 기체저장탱크에 선택적으로 저장되는 관계를 정리하면 다음과 같다.
제 n 농축공정(n은 자연수)을 진행함에 있어서, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈(110)에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 잔류기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되고 제 n 잔류기체는 외부로 배출된다. 또한, 홀수번째 농축공정시 기체분리막모듈의 제 1 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고, 제 2 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당된다. 이와 함께, 짝수번째 농축공정시 제 2 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고, 제 1 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당된다.
복수의 농축공정이 순차적으로 진행됨에 있어서, 전단의 기체저장탱크에 저장된 기체에서 분리된 투과기체가 후단의 기체저장탱크에 저장되는 방식임에 따라, 농축공정이 진행될수록 투과기체 내의 고투과성기체의 농도가 점차적으로 증가된다.
한편, 상술한 실시예(제 1 실시예)에 있어서 제 n 농축공정(n은 자연수)에 의해 분리된 제 n 잔류기체를 외부로 배출함을 기술하였는데, 제 n 잔류기체 내에 포함되어 있는 고투과성기체의 회수를 위해 다음과 같은 변형 실시예(제 2 실시예)의 구성도 가능하다.
제 2 실시예에 따른 농축공정 진행은 다음과 같다.
제 1 농축공정의 경우(도 3a 참조), 제 1 기체저장탱크(121)에 저장된 기체가 순방향으로 기체분리막모듈(110)에 공급된다. 즉, 제 1 기체저장탱크(121)의 기체가 기체분리막모듈(110)의 제 1 측으로 공급된다. 기체분리막의 제 1 측으로 공급된 제 1 기체저장탱크(121)의 기체는 제 1 투과기체와 제 1 잔류기체로 분리되며, 제 1 투과기체는 제 2 기체저장탱크(122)에 저장되며 제 1 잔류기체는 외부로 배출된다.
제 2 농축공정의 경우(도 3b 참조), 제 2 기체저장탱크(122)에 저장된 기체가 역방향 즉, 기체분리막모듈(110)의 제 2 측에 공급되어 제 2 투과기체와 제 2 잔류기체로 분리되며, 제 2 투과기체는 제 3 기체저장탱크(123)에 저장되고 제 2 잔류기체는 제 1 기체저장탱크(121)에 저장된다. 또한, 제 3 농축공정의 경우(도 3c 참조), 제 3 기체저장탱크(123)에 저장된 기체가 다시 기체분리막모듈(110)의 제 1 측(순방향)에 공급되어 제 3 투과기체와 제 3 잔류기체로 분리되며, 제 3 투과기체는 제 4 기체저장탱크(124)에 저장되고, 제 3 잔류기체는 제 2 기체저장탱크(122)에 저장된다.
제 2 실시예에 있어서, 각 농축공정에 의해 분리된 투과기체와 잔류기체가 기체저장탱크에 선택적으로 저장되는 관계를 정리하면 다음과 같다.
제 n 농축공정(n은 자연수)을 진행함에 있어서, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈(110)에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 잔류기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되고 제 n 잔류기체는 제 (n-1) 기체저장탱크에 저장된다. 단, 제 1 농축공정의 제 1 잔류기체는 기체저장탱크에 저장되지 않고 외부로 배출된다.
기체저장탱크에 저장되는 기체의 종류 측면에서 보면, 제 2 기체저장탱크(122)에는 제 1 투과기체와 제 3 잔류기체가 저장되고, 제 3 기체저장탱크(123)에는 제 2 투과기체와 제 4 잔류기체가 저장되며, 제 4 기체저장탱크(124)에는 제 3 투과기체와 제 5 잔류기체가 저장된다. 정리하면, 제 (n+1) 기체저장탱크(n은 자연수)에는 제 n 투과기체와 제 (n+2) 잔류기체가 저장된다. 단, 제 1 기체저장탱크(121)에는 혼합기체 공급부(10)로부터 공급되는 혼합기체와 제 2 잔류기체가 저장된다.
상기 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 있어서, 상기 복수의 농축공정 즉, 제 1 농축공정 내지 제 n 농축공정은 순차적으로 진행되거나, 운전 상황에 따라 농축공정의 순서를 변경하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제 1 농축공정, 제 2 농축공정, ··, 제 n 농축공정의 순서대로 기체회수방법을 진행하거나, 제 1 농축공정-제 2 농축공정-제 3 농축공정-제 1 농축공정-제 4 농축공정의 순서대로 기체회수방법을 진행할 수도 있다.
이상, 1개의 기체분리막모듈(110)과 복수의 기체저장탱크 기반 하에 진행되는 복수의 농축공정 및 이를 통해 투과기체 내의 고투과성기체의 농도가 증가되는 것에 대해 설명하였다.
본 발명의 고투과성기체 회수장치에는 1개의 기체분리막모듈(110), 복수의 기체저장탱크 이외에 전술한 바와 같이, 순방향의 기체 흐름을 처리하기 위해 제 1 공급압력 제어장치(131), 제 1 SC조절기(141) 및 제 1 압축장치(151)가 구비되며, 역방향의 기체 흐름을 처리하기 위해 제 2 공급압력 제어장치(132), 제 2 SC조절기(142) 및 제 2 압축장치(152)가 구비된다.
상기 제 1 공급압력 제어장치(131) 및 제 2 공급압력 제어장치(132)는 각각의 기체저장탱크에 저장된 기체를 기체분리막모듈(110)에 공급함에 있어서 해당 기체가 일정한 압력으로 기체분리막모듈(110)로 공급되도록 기체의 압력을 일정하게 제어하는 역할을 한다. 상기 제 1 공급압력 제어장치(131)는 순방향의 농축공정시 즉, 홀수번째 농축공정(2n-1, n은 자연수)시 기체의 압력을 제어하며, 제 2 공급압력 제어장치(132)는 역방향의 농축공정시 즉, 짝수번째 농축공정(2n, n은 자연수)시 기체의 압력을 제어한다. 상기 제 1 공급압력 제어장치(131) 및 제 2 공급압력 제어장치(132)에 의해 제어되는 기체의 압력은 모두 동일한 압력(P0)으로 제어되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 압축장치(151) 및 제 2 압축장치(152)는 기체저장탱크에 저장되는 기체를 압축하는 역할을 한다. 상기 제 1 압축장치(151)는 순방향의 농축공정시 기체를 압축하며, 제 2 압축장치(152)는 역방향의 농축공정시 기체를 압축한다.
상기 제 1 SC조절기(141) 및 제 2 SC조절기(142)는 각 농축공정에서의 기체분리막모듈(110)의 SC(stage-cut)값을 제어하는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 제 1 SC조절기(141)는 순방향의 농축공정 즉, 홀수번째 농축공정(2n-1, n은 자연수) 진행시 기체분리막모듈(110)의 SC값을 제어하며, 제 2 SC조절기(142)는 역방향의 농축공정 즉, 짝수번째 농축공정(2n, n은 자연수) 진행시 기체분리막모듈(110)의 SC값을 제어하는 역할을 한다.
상기 제 1 SC조절기(141) 및 제 2 SC조절기(142)에 의해 조절되는 SC값은 아래 식 2에 나타낸 바와 같이 주입기체 유량 대비 투과기체 유량의 비를 의미한다. 예를 들어, SC값이 0.95인 경우 주입기체 유량 대비 투과기체 유량은 95% 이고, 잔류기체 유량은 5%이며, 전체 주입기체 중 5%가 회수되는 것을 의미한다(식 1 및 식 2 참조).
(식 1) 주입기체 유량(Ff) = 투과기체 유량(Fp) + 잔류기체 유량(Fr)
(식 2) SC = 투과기체 유량(Fp) / 주입기체 유량(Ff)
한편, 각각의 농축공정에 적용되는 SC값은 농축공정이 진행될수록 SC값이 커지도록 설정된다. 그 이유는, 전술한 바와 같이 제 1 농축공정에서 분리된 제 1 잔류기체가 외부로 배출된 상태에서 제 1 투과기체를 기반으로 후속의 농축공정이 진행되고, 전단의 기체저장탱크에 저장된 기체에서 분리된 투과기체가 후단의 기체저장탱크에 저장되는 방식임에 따라, 농축공정이 진행될수록 투과기체의 유량은 상대적으로 커지고 잔류기체의 유량은 상대적으로 작아지기 때문이다.
각각의 농축공정에 적용되는 SC값은 목표농축도(e), 기체분리막모듈의 선택도(α), 주입기체 내의 고투과성기체 농도(xf)에 의해 결정된다. 목표농축도(e)는 주입기체 내의 고투과성기체 농도(xf) 대비 투과기체 내의 목표기체 농도(xr)의 비를 의미하며(식 3 참조), 주입기체 내의 고투과성기체 농도(xf)가 정해진 상태에서 투과기체 내의 고투과성기체 농도(xr)를 설정하면 목표농축도(e)를 산출할 수 있다. 기체분리막모듈의 선택도(α)는 고투과성기체의 투과도(PB) 대비 저투과성기체의 투과도(PA)의 비를 의미한다(식 4 참조).
(식 3) 목표농축도(e) = xr / xf
(e는 목표농축도, xf는 주입기체 내의 고투과성기체 농도, xr은 투과기체 내의 목표기체 농도)
(식 4) α = PA / PB
(α는 기체분리막모듈의 선택도, PB는 고투과성기체의 투과도, PA는 저투과성기체의 투과도)
(식 5)
Figure 112016001074003-pat00002
(θn은 제 n 농축공정에서의 SC값, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 고투과성기체 농도, α는 기체분리막모듈의 선택도, Rn 는 제 n 농축공정의 목표회수율)
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 고투과성기체 회수장치 및 방법에 대해 설명하였다. 상술한 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 있어서, 홀수번째(2n-1) 농축공정시 주입기체가 기체분리막모듈의 제 1 측으로 공급되고, 짝수번째(2n) 농축공정시에는 주입기체가 기체분리막모듈의 제 2 측으로 공급되는 것을 중심으로 설명하였는데, 홀수번째(2n-1) 농축공정과 짝수번째(2n) 농축공정 모두 주입기체를 기체분리막모듈의 제 1 측으로 공급하는 구성도 가능하다.
10 : 혼합기체 공급부 110 : 기체분리막모듈
120 : 기체저장탱크 131 : 제 1 공급압력 제어장치
132 : 제 2 공급압력 제어장치 141 : 제 1 SC조절기
142 : 제 2 SC조절기 151 : 제 1 압축장치
152 : 제 2 압축장치

Claims (16)

  1. 주입기체를 투과기체와 잔류기체로 분리하며, 제 1 측과 제 2 측을 구비하는 기체분리막모듈; 및
    복수의 기체저장탱크;를 포함하여 이루어지며,
    주입기체는 제 1 측 또는 제 2 측을 통해 공급 가능하며,
    제 1 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 1 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 2 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당되며,
    제 2 측을 통해 주입기체가 공급되는 경우, 제 2 측이 기체가 잔류하는 영역(retentate region)에 해당되고 제 1 측이 기체가 투과되는 영역(permeate region)에 해당되며,
    상기 기체분리막모듈 및 복수의 기체저장탱크에 의해 n번(n은 자연수)의 농축공정이 진행되며,
    제 n 농축공정은, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 잔류기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되며,
    홀수번째(2n-1) 농축공정시 주입기체는 기체분리막모듈의 제 1 측을 통해 공급되며, 짝수번째(2n) 농축공정시 주입기체는 기체분리막모듈의 제 2 측을 통해 공급되며,
    제 (2n-1) 농축공정 진행시 기체분리막모듈의 SC값을 제어하는 제 1 SC조절기와, 제 2n 농축공정 진행시 기체분리막모듈의 SC값을 제어하는 제 2 SC조절기가 더 구비되며,
    제 n 농축공정의 SC값(θn)은 아래의 식으로 설정되는 것을 특징으로 하는 고투과성기체 회수장치.
    (식)
    Figure 112017063374892-pat00011

    (θn은 제 n 농축공정에서의 SC값, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 고투과성기체 농도, α는 기체분리막모듈의 선택도, Rn 는 제 n 농축공정의 목표회수율)
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 제 n 잔류기체는 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 고투과성기체 회수장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 n 잔류기체는 제 (n-1) 기체저장탱크에 저장되는 것을 특징으로 하는 고투과성기체 회수장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 농축공정이 진행될수록 SC값이 커지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 고투과성기체 회수장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 제 1 공급압력 제어장치 및 제 2 공급압력 제어장치가 더 구비되며,
    상기 제 1 공급압력 제어장치는 제 (2n-1) 농축공정 진행시 기체분리막모듈에 공급되는 기체의 압력을 일정한 압력으로 제어하며, 상기 제 2 공급압력 제어장치는 제 2n 농축공정 진행시 기체분리막모듈에 공급되는 기체의 압력을 일정한 압력으로 제어하며,
    상기 제 1 공급압력 제어장치 및 제 2 공급압력 제어장치에 의해 제어되는 기체의 압력은 동일한 압력(P0)으로 제어되는 것을 특징으로 하는 고투과성기체 회수장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 기체분리막모듈은 중공사 형태의 기체분리막모듈이며, 중심부가 제 1 측과 제 2 측 중 어느 하나에 해당되며 표면부는 그 다른 한측인 것을 특징으로 하는 고투과성기체 회수장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 기체분리막모듈은 평막 형태의 기체분리막모듈이며, 평막 일측이 제 1 측, 다른 일측이 제 2 측에 해당되는 것을 특징으로 하는 고투과성기체 회수장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 기체분리막모듈의 제 1 측과 제 2 측에 기체가 투과되는 기공이 형성되어 있으며, 제 1 측과 제 2 측 각각에 주입기체가 공급되는 기체주입구가 구비되는 것을 특징으로 하는 고투과성기체 회수장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
KR1020160001329A 2016-01-06 2016-01-06 고투과성기체 회수장치 및 방법 KR101783429B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160001329A KR101783429B1 (ko) 2016-01-06 2016-01-06 고투과성기체 회수장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160001329A KR101783429B1 (ko) 2016-01-06 2016-01-06 고투과성기체 회수장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170082209A KR20170082209A (ko) 2017-07-14
KR101783429B1 true KR101783429B1 (ko) 2017-09-29

Family

ID=59358490

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160001329A KR101783429B1 (ko) 2016-01-06 2016-01-06 고투과성기체 회수장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101783429B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102503150B1 (ko) * 2020-11-30 2023-02-23 롯데케미칼 주식회사 기체 분리막 운전 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101505920B1 (ko) 2013-10-02 2015-03-25 한국과학기술연구원 Sf6 분리회수장치 및 방법
KR101526879B1 (ko) * 2014-06-20 2015-06-09 한국과학기술연구원 기체회수장치 및 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101505920B1 (ko) 2013-10-02 2015-03-25 한국과학기술연구원 Sf6 분리회수장치 및 방법
KR101526879B1 (ko) * 2014-06-20 2015-06-09 한국과학기술연구원 기체회수장치 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170082209A (ko) 2017-07-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102531484B1 (ko) 정삼투를 통한 알콜성 용액의 탈수 방법 및 관련 시스템
WO2018084246A1 (ja) 濃縮方法および濃縮装置
MX347833B (es) Procedimiento de suministro de agua de salinidad controlada.
US9470080B2 (en) Method and system for recovering oil from an oil-bearing formation
KR101489855B1 (ko) 삼투 에너지 회수가 가능한 담수화 시스템 및 방법
KR101783429B1 (ko) 고투과성기체 회수장치 및 방법
JPS5946644B2 (ja) 膜分離方法
Choi et al. Theoretical investigation of hybrid desalination system combining reverse osmosis and forward osmosis
KR101881090B1 (ko) 중공사 복합막 모듈을 이용한 다단 바이오가스 정제방법
KR101840732B1 (ko) 양방향성 고투과성기체 회수장치 및 방법
KR101526879B1 (ko) 기체회수장치 및 방법
HK1114576A1 (en) Method for producing and dehydrating cyclic formals
KR101540585B1 (ko) 기체회수장치 및 방법
Chen et al. Pressure–vacuum swing permeation: A novel process mode for membrane separation of gases
KR101636767B1 (ko) 기체회수장치 및 방법
KR101636770B1 (ko) 기체회수장치 및 방법
KR101838141B1 (ko) 고투과성기체 회수장치 및 방법
JP2014051427A (ja) 二酸化炭素回収システムおよび二酸化炭素回収方法
US11731076B1 (en) Membrane process and system for high recovery of a nonpermeating gas utilizing a sweep gas
KR102273078B1 (ko) Gtl 합성공정에서 분리막을 이용한 이산화탄소 분리방법
KR101576803B1 (ko) 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법
EP4074409A1 (en) Process for reducing carbon dioxide content of gas mixture and membrane separation arrangement
KR101338270B1 (ko) Ｃｂｍ으로부터 멤브레인에 의한 메탄 분리방법
JP2005342656A (ja) 気体成分を海洋の深層域に溶入させる方法および装置
CN116785897A (zh) 气体分离装置

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