KR102107135B1 - 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 및 공정 - Google Patents

수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 및 공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수성가스전환 반응 공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 및 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환장치 및 가열 수단의 추가구성이나 압력변환흡착 분리정제장치의 구조 변경 없이 수성가스전환 반응 공정의 반응 배출물과 냉매를 이용하여 압력변환흡착 분리정제장치의 흡/탈착열을 제어함으로써, 압력변환흡착 분리정제장치의 분리정제 성능을 최대한 발휘할 수 있는, 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 및 공정에 관한 것이다.

Description

수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 및 공정{Integrated PSA System with Water Gas Shift Process and Process}
본 발명은 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 및 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수성가스전환 반응공정의 반응 배출물 및 냉매를 이용하여 압력변환흡착 분리정제 시스템의 흡착 및 탈착 열교환 성능을 향상시킨, 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 및 공정에 관한 것이다.
일반 가스관련 산업체뿐만 아니라, 첨단산업인 반도체 및 LCD 공장에서 가스의 순도관리는 매우 중요하게 여겨서 성능향상을 위하여 PSA(압력변환흡착) 분리정제장치, TSA(온도변환흡착) 분리정제장치, 촉매 및 게터 정제기 등 다양한 가스 정제설비들이 사용되고 있다. 특히 분리정제장치의 성능향상은 반도체와 같은 첨단산업에서는 제품의 성능과 직결되고 있어서 점점 그 활용도가 많아지고 요구하는 수준이 높아지고 있다.
뿐만 아니라, 향상된 성능의 분리정제장치는 제품의 크기를 최소화할 수 있어 설치 공간에 대한 투자를 줄여주는 효과 등 직간접적인 투자 비용 절감을 달성할 수 있다. 종래의 압력변환흡착(이하, PSA이라 함) 분리정제장치에서는 각 칼럼이 독립적으로 구성되고 동작하여 정제시에는 흡착공정을 수행하고 재생시에는 탈착공정을 수행하는 단순한 시스템으로 되어 있다.
또한, 분리정제장치에 사용되는 거의 모든 흡착제는 흡착시에는 흡착열이 발생하고, 탈착시에는 탈착에 의해 열을 흡수함에 따라서 정제성능을 최대한 발휘할 수 없는 한계성을 가지고 있다.
이에 한국공개특허 제2011-0048315호에서는 흡착공정에 있는 흡착칼럼과 탈착공정에 있는 흡착칼럼을 결합하여 열효율이 높은 열교환 구조를 가지는 압력변환방식의 정제기를 개시한 바 있고, 일본공개특허 제2011-152526호에서는 흡착제가 충전된 흡착탑내 전열관을 배치하여 열매체를 송급하여 열매체와 흡착제 사이에 열교환을 하는 흡착탑이 개시된 바 있다.
그러나 상기 선행문헌을 포함하는 종래기술들은 흡착제로의 전열이 충분히 이루어지지 않아 가열에 많은 시간이 필요하며, 이를 만회하기 위해 분리정제장치의 구조를 변경하거나, 열교환 장치나 열 공급장치를 추가로 설치하여야 하고, 설치된 열 공급장치, 열교환 장치 등에서도 열 공급장치, 열교환 장치를 이루는 각 유닛과 열교환기들이 서로 분산 배치됨에 따라 분리정제장치의 설치 면적이 증가하는 동시에 연결 배관량이 증가하므로, 열 손실량이 증가되고, 점검 및 보수가 불편하다는 문제점이 있었다.
따라서, 압력변환흡착 분리정제 시스템에 있어서, 열교환장치 및 가열 수단의 추가구성이나 압력변환흡착 분리정제장치의 구조 변경 없이 용이하게 흡/탈착열을 제어시킬 수 있는 기술개발이 필요하다.
한국공개특허 제2011-0048315호(공개일 : 2011.05.11) 일본공개특허 제2011-152526호(공개일 : 2011.08.11)
본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열교환장치 및 가열 수단의 추가구성이나 압력변환흡착 분리정제장치의 구조 변경 없이 수성가스전환 반응 공정의 반응 배출물과 냉매를 이용하여 압력변환흡착 분리정제장치의 흡/탈착열을 제어함으로써, 압력변환흡착 분리정제장치의 분리정제 성능을 최대한 발휘할 수 있는, 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 및 공정을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 일산화탄소 함유 가스와 수증기의 수성가스전환 반응을 수행하여 반응 배출물을 배출하는 수성가스전환 반응부; 상기 반응 배출물에 함유된 수분을 분리시켜 제거하는 응축부; 상기 수분이 제거된 반응 배출물을 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제하기 위해 흡/탈착 공정이 교차되는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼이 구비된 압력변환흡착부; 및 상기 응축부 및/또는 압력변환흡착부로 냉매를 공급하는 냉매 공급부;를 포함하고, 상기 압력변환흡착부는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼에 열교환용 열매체 유로가 형성되어 압력변환흡착부의 흡착 공정시 열교환용 열매체 유로를 통해 냉매를 통과시켜 압력변환흡착부의 흡착열을 제거하고, 탈착 공정시에는 수성가스전환 반응부의 반응 배출물을 열교환용 열매체 유로로 통과시켜 압력변환흡착부의 탈착열을 제공하는 것을 특징으로 하는, 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 압력변환흡착부의 열교환용 열매체 유로를 통과한 반응 배출물은 응축부로 공급되어 반응 배출물 중 수분을 분리하여 제거시킨 다음, 압력변환흡착부의 흡착 공정에 있는 흡착칼럼으로 공급시켜 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 압력변환흡착부의 열교환용 열매체 유로는 관튜브(finned tube type) 또는 쉘 앤드 튜브형태(shell and tube type) 형태로 압력변환흡착부에 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 수성가스전환 반응부에서 배출되는 반응 배출물의 온도는 200 ℃ ~ 500 ℃인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 냉매의 온도는 - 30 ℃ ~ 30 ℃인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 냉매는 냉각수(coolant)인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 (a) 일산화탄소 함유 가스와 수증기를 수성가스전환 반응부에 공급하고, 공급된 일산화탄소 함유 가스와 수증기의 수성가스전환 반응을 통해 생성된 반응 배출물을 배출하는 수성가스전환반응 단계; (b) 상기 반응 배출물을 응축부로 공급시켜, 공급된 반응 배출물에 함유된 수분을 분리하여 제거시키는 응축단계; (c) 상기 수분이 제거된 반응 배출물을 흡/탈착 공정이 교차되는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼이 구비된 압력변환흡착부로 공급하고, 공급된 수분이 제거된 반응 배출물을 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제하는 압력변환흡착단계; 및 (d) 상기 압력변환흡착단계의 압력변환흡착부 및/또는 응축단계의 응축부로 냉매를 공급하는 냉매 공급단계를 포함하고, 상기 (c) 단계는 압력변환흡착부의 탈착 공정시 적어도 하나 이상의 흡착칼럼에 형성된 열교환용 열매체 유로를 통해 (a) 단계의 반응 배출물을 통과시켜 압력변환흡착부의 탈착열을 제공하고, 흡착 공정시에는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼에 형성된 열교환용 열매체 유로를 통해 (d) 단계의 냉매를 통과시켜 압력변환흡착부의 흡착열을 제거하는 것을 특징으로 하는, 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제공정을 제공한다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 수성가스전환반응 단계에서 생성된 반응 배출물의 온도는 200 ℃ ~ 500 ℃인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 냉매의 온도는 - 30 ℃ ~ 30 ℃인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 냉매는 냉각수(coolant)인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수성가스전환 반응부에서 배출되는 반응 배출물의 열을 이용하여 압력변환흡착부의 재생시에 탈착에서 빼앗긴 열을 보상하여 탈착효율을 향상시키고, 흡착시에는 종래 수성가스전환 반응부에서 배출되는 반응 배출물 중 수증기를 제거하기 위한 냉매를 이용하여 압력변환흡착부의 흡착열을 제거하여 압력변환흡착 분리정제장치의 분리정제 성능을 향상시킴으로써, 열교환장치 및 가열 수단의 추가구성이나, 압력변환흡착부의 구조 및 열교환 매체의 유로 변경 없이 압력변환흡착 분리정제장치의 분리정제 성능을 최대한 발휘할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 기존 수성가스전환 반응부에서 배출되는 유출물의 반응 배출물과 냉매를 그대로 활용하여 압력변환흡착부의 열교환을 수행함으로써, 외부에서 투입되는 에너지를 절감할 수 있는 동시에 공정 운전 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 구성도이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
본 명세서에 기재된 "구비한다", "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.
본 발명은 일 관점에서, 일산화탄소 함유 가스와 수증기의 수성가스전환 반응을 수행하여 반응 배출물을 배출하는 수성가스전환 반응부; 상기 반응 배출물에 함유된 수분을 분리시켜 제거하는 응축부; 상기 수분이 제거된 반응 배출물을 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제하기 위해 흡/탈착 공정이 교차되는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼이 구비된 압력변환흡착부; 및 상기 응축부 및/또는 압력변환흡착부로 냉매를 공급하는 냉매 공급부;를 포함하고, 상기 압력변환흡착부는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼에 열교환용 열매체 유로가 형성되어 압력변환흡착부의 흡착 공정시 열교환용 열매체 유로를 통해 냉매를 통과시켜 압력변환흡착부의 흡착열을 제거하고, 탈착 공정시에는 수성가스전환 반응부의 반응 배출물을 열교환용 열매체 유로로 통과시켜 압력변환흡착부의 탈착열을 제공하는 것을 특징으로 하는, 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 일산화탄소 함유 가스와 수증기를 수성가스전환 반응부에 공급하고, 공급된 일산화탄소 함유 가스와 수증기의 수성가스전환 반응을 통해 생성된 반응 배출물을 배출하는 수성가스전환반응단계; (b) 상기 반응 배출물을 응축부로 공급시켜, 공급된 반응 배출물에 함유된 수분을 분리하여 제거시키는 응축단계; (c) 상기 수분이 제거된 반응 배출물을 흡/탈착 공정이 교차되는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼이 구비된 압력변환흡착부로 공급하고, 공급된 수분이 제거된 반응 배출물을 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제하는 압력변환흡착단계; 및 (d) 상기 압력변환흡착단계의 압력변환흡착부 및/또는 응축단계의 응축부로 냉매를 공급하는 냉매 공급단계를 포함하고, 상기 (c) 단계는 압력변환흡착부의 탈착 공정시 적어도 하나 이상의 흡착칼럼에 형성된 열교환용 열매체 유로를 통해 (a) 단계의 반응 배출물을 통과시켜 압력변환흡착부의 탈착열을 제공하고, 흡착 공정시에는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼에 형성된 열교환용 열매체 유로를 통해 (d) 단계의 냉매를 통과시켜 압력변환흡착부의 흡착열을 제거하는 것을 특징으로 하는, 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제공정에 관한 것이다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수성가스전환 반응 공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 구성도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수성가스전환 반응 공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 구성도이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수성가스전환 반응 공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템은 수성가스전환 반응부(10), 냉매 공급부(20), 응축부(30) 및 압력변환흡착부(50)를 포함한다.
종래 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템은 상기 수성가스전환 반응부(10)에서 일산화탄소 함유 가스와 수증기의 수성가스전환 반응을 통해 수소 함량이 증가된 반응 배출물을 배출하면, 상기 배출된 반응 배출물은 압력변환흡착부(50)로 공급되고, 상기 압력변환흡착부(50)로 공급된 반응 배출물은 흡착 공정과 탈착 공정이 교차로 수행되는 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제된다.
이때, 상기 수성가스전환 반응부(10)의 수성가스전환 반응은 일산화탄소와 수증기가 반응하여 수소와 이산화탄소를 생성하는 반응공정으로, 수성가스전환 반응부에서 배출되는 반응 배출물은 미반응물인 수분을 포함하고 있는 동시에 반응 배출물의 온도가 높아 후단의 압력변환흡착부로 공급하기 위해서는 필수적으로 반응 배출물의 수분을 제거하고, 온도를 낮추기 위해 응축부(30)와 상기 응축부(30)로 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급부(20)를 구비하여야 한다.
또한, 종래 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템에서 압력변환흡착부(50)는 각 흡착칼럼이 독립적으로 구성되고 동작하여 분리정제시에 흡착 공정을 수행하고, 재생시에는 탈착 공정을 수행하는 것으로, 흡착시에는 흡착열이 발생하고 탈착시에는 탈착에 의해 열을 흡수함에 따라서 분리정제 성능을 최대한 발휘할 수 없어 2개 이상의 흡착칼럼을 결합시켜 교대로 이루어지는 흡탈착 열을 이용하거나, 또는 가열용 열매체유 공급 유닛(91)과 냉각용 열매체유 공급 유닛(92)이 장착된 냉각 열교환 장치(90), 열 공급원(95)을 구비 등의 방법을 이용하여 열교환을 실시하여 흡착열에 의한 분리정제 성능 감소나 탈착 냉각효과에 의한 재생 능력 감소를 최소화하고 있다.
따라서, 이러한 종래의 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템은 압력변환흡착부의 구조 및 사이클 설계변경이 이루어져야 하고, 열교환 공급원이 별도로 필요하며, 시스템의 규모가 커지는 등의 문제점이 있었다.
이에, 본 발명의 발명자들은 수성가스전환 반응부(110, 210, 310)에서 배출되는 반응 배출물의 열을 이용하여 압력변환흡착부(150, 250, 350)의 재생시에 탈착에서 빼앗긴 열을 보상하여 탈착효율을 향상시키고, 흡착시에는 수성가스전환 반응부(110, 210, 310)의 반응 배출물 중 수분을 제거하기 위한 냉매를 이용하여 압력변환흡착부(150, 250, 350)의 흡착열을 제거하여 압력변환흡착부(150, 250, 350)의 분리정제 성능을 향상시킬 경우, 열교환장치 및 가열 수단의 추가구성이나, 시스템의 구조변경 없이 압력변환흡착부의 흡/탈착열을 용이하게 제어 가능하고, 분리정제 성능을 최대한 발휘할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에 있어서, 상기 수성가스전환 반응부(110, 210, 310)와 수성가스전환 반응은 당업계에 잘 알려진 것으로, 일산화탄소 함유 가스를 수증기와 반응시키는 수성가스 전환 촉매(미도시)가 충진되어 있고, 수성가스전환 반응을 통해 수소 함량이 증가된 반응 배출물(H2, CO2, H2O 등)을 배출한다. 이때, 상기 일산화탄소 함유 가스로는 합성 가스, 개질 가스 등과 같이 일산화탄소를 함유시킬 수 있는 가스이면 제한 없이 적용될 수 있다.
상기 수성가스전환 반응은 발열 반응(41 kJ/mol)으로, 반응으로 생성된 수성가스전환 반응부의 반응 배출물 역시 200 ℃ ~ 500 ℃의 온도를 유지하고 있으며, 수분을 함유하고 있어, 수성가스전환 반응과 후단의 압력변환흡착의 활성화를 위해서는 반응시 발생하는 열을 효율적으로 제어하는 동시에 수분의 효율적인 제거가 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 수성가스전환 반응의 반응 배출물을 회수하여 압력변환흡착부의 탈착 공정의 열교환용 열매체로 이용함으로써, 수성가스전환 반응의 빠른 열 회수로 인해 수성가스전환 반응부의 발열반응 효율을 향상시킬 수 있으며, 열교환 후 반응 배출물 내에 잔존하는 수분 역시 물 형태로 존재하므로 반응 배출물로부터 분리 제거가 용이하다. 이때, 상기 압력변환흡착부의 탈착 공정 열교환용 열매체용으로 사용되는 수성가스전환 반응부의 반응 배출물의 온도는 200 ℃ ~ 500 ℃, 바람직하게는 200 ℃ ~ 350 ℃로, 상기 수성가스전환 반응부의 반응 배출물의 온도가 200 ℃ 미만일 경우, 탈착 공정의 압력변환흡착부에 탈착열을 제공하기 어렵고, 500 ℃를 초과할 경우에는 압력변환흡착부에 충진된 흡착제에 악영향을 주어 흡탈착능을 저해할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 압력변환흡착부(150, 250, 350)는 하나 이상의 흡착칼럼이 구비된 통상의 압력변환흡착방식의 분리정제장치로, 흡착칼럼 내부에 흡착제(180, 280, 380)를 구비하여 고압 조건하에서 물질간 흡착성 차이에 의해 수소, 이산화탄소 및 그 외 불순물을 분리정제를 수행할 수 있고, 기본적으로 하나의 흡착칼럼(170)에서 가압 공정, 흡착 공정, 감압 공정, 세정 공정 혹은 이를 변형한 운전이 짧은 시간을 주기로 전환되며 분리정제를 수행할 수 있다.
또한, 이후 공정의 효율을 증대시키기 위하여 생성물 가압 공정, 병류 감압공정, 압력 균등화 공정, 진공탈착 공정, 강흡착질 정화 공정 등과 같은 공정들도 추가할 수 있으며, 이러한 공정들의 조합으로 구성될 수 있을 것이다.
본 발명의 첨부된 도면에는 압력변환흡착부에 있어서 2개의 흡착칼럼만이 도시되어 있으나, 이는 설명의 편이를 위한 것으로, 전술된 내용으로 적어도 하나 이상의 흡착칼럼이 포함되는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 상기 압력변환흡착부(150, 250, 350)는 다수의 흡착칼럼에 열교환용 열매체 유로(160, 165, 260, 265, 360, 365)가 각각 형성되어 있어, 탈착 공정시에는 수성가스전환 반응부(110, 210, 310)에서 배출되는 반응 배출물을 열교환용 열매체로 이용하여 상기 열교환용 열매체 유로를 통과시키고, 흡착시에는 후술되는 냉매 공급부(120, 220, 320)에서 공급되는 냉매를 열교환용 열매체로 이용하여 상기 열교환용 열매체 유로를 통과시킨다.
상기 열교환용 열매체 유로(160, 165, 260, 265, 360, 365)는 압력변환흡착부의 흡탈착 성능을 방해하지 않는 범위내에서 각 흡착칼럼의 흡착제와 열 교환할 수 있는 형태이면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 핀 튜브 형태(Finned tube type)와 쉘 앤 튜브 형태(Shell and Tube Type)가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 트루 카운터커런트(True counter current)방식을 구비한 핀 튜브(Finned tube), 트위스티드 테잎 보어텍스 제너레이터(Twisted tape vortex generator)를 구비한 멀티튜브 헤어핀 형태(Multitube hairpin type) 일 수 있다.
이와 같이 상기 압력변환흡착부의 열교환용 열매체 유로를 통과한 반응 배출물은 응축부(130, 230, 330)로 유입되어 반응 배출물에 함유된 수분을 제거하고, 가압된 후 압력변환흡착부(150, 250, 360)의 다수 흡착칼럼 중 흡착 공정에 있는 흡착칼럼으로 공급시킨다. 상기 반응 배출물의 가압은 콤프레서(미도시) 등과 같이 당업계에서 적용될 수 있는 방법 및 장치를 적용하여 수행할 수 있다.
이때, 상기 응축부(130. 230, 330)는 냉매 공급부(120, 220, 320)로부터 냉매를 공급받을 수 있고, 공급받은 냉매를 이용하여 압력변환흡착부에서 열교환용 열매체로 사용된 후 응축부로 유입된 반응 배출물로부터 수분을 효율적으로 분리하여 제거시킬 수 있다.
한편, 상기 냉매 공급부(120, 220, 320)는 압력변환흡착부 및/또는 응축부에 냉매를 공급하는 것으로, 상기 냉매는 당업계에서 열교환용 열매체로 사용되고 있는 냉매라면 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 냉각수, 브라인(brine), 액체 수소 등일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 냉각수일 수 있다.
본 발명에 있어서, 냉매로 사용되는 냉각수는 수성가스전환 반응부에서 생성된 반응 배출물에 함유된 성분과 이질적이지 않기 때문에 별도의 열교환용 열매체 유로 설치 없이 동일한 열교환용 열매체 유로를 사용하여 압력변환흡착부의 흡탈착열을 제어할 수 있는 장점이 있다.
상기 냉매 공급부(120, 220, 320)에서 공급되는 냉매의 온도는 -30 ℃ ~ 30 ℃일 수 있고, 만일 냉매 공급부에서 공급되는 냉매의 온도가 -30 ℃ 미만인 경우, 냉매의 온도를 유지 관리하는데 비용이 많이 소요되고, 압력변환흡착부에서의 불순물 흡착량을 증가시키는 문제점이 발생될 수 있으며, 30 ℃를 초과할 경우에는 압력변환흡착부와의 열교환이 미비하여 압력변환흡착부의 흡착효율을 향상시킬 수 없는 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템은 제어부(미도시)를 포함하여 각 칼럼의 흡/탈착 공정과 수성가스전환 반응 공정의 반응 배출물과 냉매의 공급 및 배출을 교차하도록 제어 시퀀스를 조절할 수 있으며, 상기 제어부의 제어 시퀀스에 맞추어 개폐 및 유량을 제어하는 밸브(미도시)가 각 시스템 유로에 설치될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템의 운전 방법에 대하여 구체적으로 상술한다.
도 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 일 실시예의 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템은 수성가스전환부(110)에 일산화탄소 함유 가스와 수증기를 각각 공급하고, 수성가스전환 반응으로 수소 함량이 증가된 반응 배출물(CO2, H2, H2O 등)을 배출한다(수성가스전환 반응단계). 상기 배출된 반응 배출물은 압력변환흡착부(150)의 다수의 흡착칼럼(170, 175) 중, 탈착 단계에 있는 흡착칼럼(170)의 열교환용 열매체 유로(160)에 공급시켜 반응 배출물의 열을 이용하여 압력변환흡착부의 재생시에 탈착에서 빼앗긴 열을 보상하여 탈착효율을 향상시킨다.
이후, 상기 탈착 단계에 있는 흡착칼럼(170)의 열교환용 열매체 유로(160)를 통과한 반응 배출물은 응축부(130)로 공급되어 반응 배출물에 함유된 수분을 제거하고(응축단계), 가압된 후 흡착 공정에 있는 흡착칼럼(175)으로 공급된다. 상기 흡착칼럼으로 공급된 반응 배출물은 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제된다(압력변환흡착단계). 이때 냉매 공급부(120)의 냉매는 흡착 공정에 있는 흡착칼럼(175)의 열교환용 열매체 유로(165)로 공급되어 흡착열 제거하여 분리정제 성능을 향상시키고(냉매 공급단계), 흡착 공정에 있는 흡착칼럼의 열교환용 열매체 유로(165)를 통과한 냉매는 응축부(130)로 유입되어 외부로 배출되거나 또는 냉매 공급부로 공급되어 냉매로 재사용될 수 있다.
한편, 도 3에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 다른 실시예의 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템은 수성가스전환부(210)에 일산화탄소 함유 가스와 수증기를 각각 공급하고, 수성가스전환 반응으로 수소 함량이 증가된 반응 배출물(CO2, H2, H2O 등)을 배출한다(수성가스전환 반응단계). 상기 배출된 반응 배출물은 압력변환흡착부(250)의 다수의 흡착칼럼(270, 275) 중, 탈착 공정에 있는 흡착칼럼(270)의 열교환용 열매체 유로(260)에 공급시켜 반응 배출물의 열을 이용하여 압력변환흡착부의 재생시에 탈착에서 빼앗긴 열을 보상하여 탈착효율을 향상시킨다.
이후, 상기 탈착 공정에 있는 흡착칼럼(270)의 열교환용 열매체 유로(260)를 통과한 반응 배출물은 응축부(230)로 공급되어 반응 배출물에 함유된 수분을 제거하고(응축단계), 가압된 후 흡착 공정에 있는 흡착칼럼(275)으로 공급되어 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제한다(압력변환흡착단계). 이때 냉매 공급부(220)의 냉매는 응축부(230)를 거쳐 흡착 공정에 있는 흡착칼럼의 열교환용 열매체 유로(265)로 공급되어 흡착열 제거하여 분리정제 성능을 향상시키고(냉매 공급단계), 흡착 공정에 있는 흡착칼럼의 열교환용 열매체 유로(265)를 통과한 냉매는 냉매 공급부로 재공급되거나 외부로 배출시킬 수 있다.
또한, 도 4에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템은 수성가스전환부(310)에 일산화탄소 함유 가스와 수증기를 각각 공급하고, 수성가스전환 반응으로 수소 함량이 증가된 반응 배출물(CO2, H2, H2O 등)을 배출한다(수성가스전환반응 단계). 상기 배출된 반응 배출물은 압력변환흡착부(350)의 다수의 흡착칼럼(370, 375) 중, 탈착 공정에 있는 흡착칼럼(370)의 열교환용 열매체 유로(360)에 공급시켜 반응 배출물의 열을 이용하여 압력변환흡착부의 재생시에 탈착에서 빼앗긴 열을 보상하여 탈착효율을 향상시킨다.
이후, 상기 탈착 공정에 있는 흡착칼럼(370)의 열교환용 열매체 유로(360)를 통과한 반응 배출물은 응축부(330)로 공급되어 반응 배출물에 함유된 수분을 분리 제거하고(응축단계), 가압된 후 흡착 공정에 있는 흡착칼럼(375)으로 공급되어 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제한다(압력변환흡착단계). 이때 냉매 공급부(320)의 냉매는 응축부(320)와 흡착 공정에 있는 흡착칼럼(375)로 공급되어 응축부에서는 냉매를 이용하여 반응 배출물의 수분을 응축시켜 제거하고, 흡착 공정의 흡착칼럼의 열교환용 열매체 유로에서는 공급받은 냉매를 이용하여 흡착열 제거하여 분리정제 성능을 향상시킨다(냉매 공급단계). 이후 흡착 공정에 있는 흡착칼럼의 열교환용 열매체 유로(365)를 통과한 냉매는 냉매 공급부로 재공급되거나 외부로 배출시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제공정은 이와 대응하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제시스템에서 언급한 바와 같으므로 통상의 기술자는 상기 제거방법을 명확하게 이해할 수 있을 것인 바, 이하 설명의 중복을 피하기 위해 생략하기로 한다.
이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110, 210, 310 : 수성가스전환 반응부
120, 220, 320 : 냉매 공급부
130, 230, 330 : 응축부
150, 250, 350 : 압력변환흡착부
160, 165, 260, 265, 360, 365 : 열교환용 열매체 유로
170, 175, 270, 275, 370, 375 : 흡착칼럼
180, 280, 380 : 흡착제

Claims (11)

  1. 일산화탄소 함유 가스와 수증기의 수성가스전환 반응을 수행하여 반응 배출물을 배출하는 수성가스전환 반응부;
    상기 반응 배출물에 함유된 수분을 분리시켜 제거하는 응축부;
    상기 수분이 제거된 반응 배출물을 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제하기 위해 흡/탈착 공정이 교차되는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼이 구비된 압력변환흡착부; 및
    상기 응축부 및/또는 압력변환흡착부로 냉매를 공급하는 냉매 공급부;를 포함하고,
    상기 압력변환흡착부는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼에 열교환용 열매체 유로가 형성되어 압력변환흡착부의 흡착 공정시 열교환용 열매체 유로를 통해 상기 냉매공급부로부터의 냉매를 통과시켜 압력변환흡착부의 흡착열을 제거하고, 탈착 공정시에는 수성가스전환 반응부의 반응 배출물을 열교환용 열매체 유로로 통과시켜 압력변환흡착부에 탈착열을 제공하는 것을 특징으로 하는, 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력변환흡착부의 열교환용 열매체 유로를 통과한 반응 배출물은 상기 응축부로 공급되어 반응 배출물 중 수분을 분리하여 제거시킨 다음, 압력변환흡착부의 흡착 공정에 있는 흡착칼럼으로 공급시켜 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압력변환흡착부의 열교환용 열매체 유로는 관튜브(finned tube type) 또는 쉘 앤드 튜브형태(shell and tube type) 형태로 압력변환흡착부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수성가스전환 반응부에서 배출되는 반응 배출물의 온도는 200 ℃ ~ 500 ℃인 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉매의 온도는 -30 ℃ ~ 30 ℃인 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉매는 냉각수(coolant)인 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제 시스템.
  7. (a) 일산화탄소 함유 가스와 수증기를 수성가스전환 반응부에 공급하고, 공급된 일산화탄소 함유 가스와 수증기의 수성가스전환 반응을 통해 생성된 반응 배출물을 배출하는 수성가스전환반응단계;
    (b) 상기 반응 배출물을 응축부로 공급시켜, 공급된 반응 배출물에 함유된 수분을 분리하여 제거시키는 응축단계;
    (c) 상기 수분이 제거된 반응 배출물을 흡/탈착 공정이 교차되는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼이 구비된 압력변환흡착부로 공급하고, 공급된 수분이 제거된 반응 배출물을 압력변환흡착법을 통해 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제하는 압력변환흡착단계; 및
    (d) 상기 압력변환흡착단계의 압력변환흡착부 및/또는 응축단계의 응축부로 냉매를 공급하는 냉매 공급단계를 포함하고,
    상기 (c) 단계는 압력변환흡착부의 탈착 공정시 적어도 하나 이상의 흡착칼럼에 형성된 열교환용 열매체 유로를 통해 (a) 단계의 반응 배출물을 통과시켜 압력변환흡착부에 탈착열을 제공하고, 흡착 공정시에는 적어도 하나 이상의 흡착칼럼에 형성된 열교환용 열매체 유로를 통해 (d) 단계의 냉매를 통과시켜 압력변환흡착부의 흡착열을 제거하는 것을 특징으로 하는, 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제공정.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 압력변환흡착부의 열교환용 열매체 유로를 통과한 반응 배출물은 응축부로 공급되어 반응 배출물 중 수분을 분리하여 제거시킨 다음, (c) 단계의 압력변환흡착부의 흡착 공정에 있는 흡착칼럼으로 공급시켜 수소 및 이산화탄소로 각각 분리정제하는 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제공정.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 수성가스전환반응단계에서 생성된 반응 배출물의 온도는 200 ℃ ~ 500 ℃인 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제공정.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 냉매의 온도는 -30 ℃ ~ 30 ℃인 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제공정.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 냉매는 냉각수(coolant)인 것을 특징으로 하는 수성가스전환 반응공정과 통합된 압력변환흡착 분리정제공정.






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