KR102123224B1 - 복수의 밸브들을 갖는 관련 스윙 흡착 공정을 위한 장치 및 시스템 - Google Patents

복수의 밸브들을 갖는 관련 스윙 흡착 공정을 위한 장치 및 시스템 Download PDF

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쉐타 람쿠마르
제프레이 더블유. 프레더릭
어난다 케이. 나가버라푸
세바스티안 치알보
로버트 에프. 탐메라
존 더블유. 풀톤
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Abstract

스윙 흡착 공정을 수행하기 위한 장치 및 시스템이 제공된다. 이러한 스윙 흡착 공정은 스트림으로부터 물과 같은 오염물들을 제거하기 위해 흡착제 베드 유닛을 통해 스트림을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 공정의 일부로서, 흡착제 베드 유닛은 흡착제 베드 유닛의 헤드 상에 밸브를 위한 추가의 공간을 포함할 수 있다. 복수의 밸브들이 하우징에 고정된다. 복수의 밸브들 중 적어도 하나는 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다.

Description

복수의 밸브들을 갖는 관련 스윙 흡착 공정을 위한 장치 및 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015 년 10 월 27 일자로 출원되고 발명의 명칭이 "관련 스윙 흡착 공정들을 위한 장치 및 시스템"인 미국 가출원 제 62/246,916 호의 이익을 주장하며, 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 기술은 강화된 스윙 흡착 공정과 관련된 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 상기 시스템은 흡착제 베드 유닛들을 사용하는 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 스윙 흡착 공정에 관한 것이다.
가스 분리는 많은 산업 분야에서 유용하며, 일반적으로 공급물 스트림에서 하나 이상의 가스 성분들을 우선적으로 흡착하는 반면, 하나 이상의 다른 가스 성분들은 흡착하지 못하는 흡착제 물질 위로 가스 혼합물을 유동시킴으로써 수행될 수 있다. 흡착되지 않은 성분은 개별 생성물로 회수된다. 흡착에 의한 가스 성분의 분리는 다양한 접근법으로 수행되는 통상적인 접근법이다. 예를 들어, 흡착 분리는 다양한 가스 성분의 평형 친화성(예: 평형 분리)의 차이 또는 가스 성분의 흡착 운동에너지(예: 운동에너지 분리)의 차이에 기초할 수 있다.
가스 분리 기술에 대한 하나의 특정 타입은 온도 스윙 흡착(TSA), 압력 스윙 흡착(PSA), 부분 압력 스윙 흡착(PPSA), 고속 순환 압력 스윙 흡착(RCPSA), 고속 순환 부분 압력 스윙 흡착(RCPPSA) 및 비제한적으로 예를 들면 압력 및 온도 스윙 흡착과 같은 상술된 공정들의 조합과 같은 스윙 흡착을 들 수 있다. 예로서, PSA 공정들은 가스 성분이 압력을 받고 있을 때 흡착제 물질의 용적에 관계없이 또는 기공 구조체 내에 더욱 신속하게 흡착되는 임의의 가스 성분 현상에 기초한다. 즉, 가스 압력이 높으면 높을수록, 신속 흡착되는 가스의 양이 더욱 많아진다. 압력이 감소할 때, 흡착된 가스 성분이 해제되거나 또는 상기 흡착제 물질로부터 탈착된다.
상기 스윙 흡착 공정(예: PSA 및 TSA)은 상이한 가스 성분들이 상기 흡착제 물질의 미세 기공을 상이한 크기로 충전시키는 경향을 갖기 때문에 가스 혼합물의 가스 성분들을 분리시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 만약 천연 가스와 같은 가스 혼합물이 메탄보다 이산화탄소에 대해 보다 선택적인 흡착제 물질을 수용하는 흡착제 베드 유닛 또는 용기로 칭할 수 있는 흡착제 베드 유닛을 통해 압력하에 통과될 경우, 상기 이산화탄소의 적어도 일부는 상기 흡착제 물질에 의해 선택적으로 흡착되고, 상기 흡착제 베드 유닛을 나오는 가스는 메탄으로 풍부하게 된다. 상기 흡착제 물질이 이산화탄소를 흡착하기 위해 그 용량의 극한에 도달하였을 때, 그것은 압력을 감소시키고 그에 따라 흡착된 이산화탄소를 방출시킴으로써 재생된다. 다음에, 상기 흡착제 물질은 일반적으로 퍼지되고 재압축된다. 다음에, 상기 흡착제 물질은 다른 흡착 주기를 위해 준비된다.
상기 스윙 흡착 공정들은 일반적으로 흡착제 베드 유닛들을 포함하며, 상기 흡착제 베드 유닛들은 상기 흡착제 베드 유닛의 하우징 내에 배치되는 흡착제 물질들을 포함한다. 이와 같은 흡착제 베드 유닛들은 상기 흡착제 베드 구조체들에서 상이한 포장 재료를 사용한다. 예를 들어, 상기 흡착제 유닛들은 체커 브릭(checker brick), 페블 베드(pebble bed) 또는 다른 사용가능한 포장물을 사용한다. 개선으로서, 일부 흡착제 베드 유닛들은 흡착제 베드 구조체 내에 엔지니어 포장물을 사용할 수 있다. 이와 같은 엔지니어 포장물은 벌집 형상, 세라믹 형상 등과 같은 특정 구성에 제공되는 물질을 포함할 수 있다. 엔지니어 포장물은 흡착제 물질로부터 형성되거나 또는 구조체 또는 지지체 상의 코팅일 수 있다.
또한, 다양한 흡착제 베드 유닛들은 유체들의 유동을 관리하기 위해 도관들, 매드폴드들 및 밸브들과 함께 결합될 수 있다. 이들 흡착제 베드 유닛들을 조절하는 공정은 각각의 흡착제 베드 유닛들에 대한 주기들을 시스템 내의 다른 흡착제 베드 유닛들과 조정시키는 공정을 포함한다. 완전한 주기는 복수의 가스 스트림들을 하나 이상의 흡착제 베드 유닛들을 통해 이동시킴에 따라 수초에서 수분까지 변할 수 있다.
그러나, 스윙 흡착 공정은 고속 순환 흡착 공정과 같은 여러 기술 요소로 인해 특정 과제를 제시한다. 이러한 요소는 흡착제 베드를 통한 낮은 압력 강하, 흡착제 베드 내에서의 양호한 유동 분포 및 흡착제 베드에서의 농도 프론트의 최소 분산(예: 축방향 스프레딩)을 유지하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 다른 요소는 신속한 작동 및 낮은 데드 용적 밸브를 필요로 하는 고속 순환 시간을 포함할 수 있다. 마지막으로, 또다른 요소는 흡착제 베드 유닛이 특정 압력에서 흡착제 베드를 포함하고, 고속 작동 밸브를 지지하고 흡착제 베드 유닛 내의 데드 용적을 최소화하도록 구성되어야 한다는 것이다.
이들 과제는 매우 높은 용적 유동을 갖는 공정에 대해 더욱 복잡하다. 종래의 고속 순환 흡착제 베드 유닛은 데드 용적을 최소화하기 위해 평탄한 단부 플레이트(헤드)를 갖는 수직 실린더로 구성된다. 유동은 흡착제 물질에 인접한 평탄한 헤드 상에 장착된 신속 작동 밸브를 통해 흡착제 베드 유닛으로 출입한다. 평탄한 헤드 및 높은 설계 압력에 대한 요구 사항은 흡착제 베드 직경을 실질적으로 제한한다. 예를 들어, 최대 작동 압력이 85 bara(bar absolute)인 경우, 실용적인 최대 흡착제 베드 내경은 약 1.4 미터이고 대응하는 평탄한 헤드 두께는 약 355 밀리미터(mm) 내지 380 mm이다. 피로 수명과 헤드의 주기적 편향은 밸브의 헤드를 통과하는 보어의 수와 크기에 크게 영향을 받는다. 이와 같이, 헤드를 관통하는 보어의 수 및 크기는 흡착제 베드 유닛의 설계에서의 제한 요소이다.
그러나, 흡착제 베드에 인접한 흡착제 베드 유닛의 상부에서 사용가능한 풋프린트(예: 표면적)는 밸브를 수용하지 못할 수 있다. 예를 들어, 흡착제 베드는 밸브가 설치되는 흡착제 베드 유닛으로 들어가는 스트림에 원형 단면 영역을 제공하는 원통형을 가질 수 있다. 밸브 자체의 원형 풋프린트도 비슷한다. 이와 같이, 이들 밸브가 밀접하게 포장되더라도, 흡착제 베드 상부에 상당한 크기의 풋프린트(footprint)가 밸브 설치를 위해 접근할 수 없다. 따라서, 종래의 베드 구조체는 다양한 구성을 위한 밸브를 수용하지 못한다.
따라서, 흡착제 베드들로의 유체의 유동의 관리를 강화하는 장치, 방법 및 시스템에 대한 업계의 요구가 여전히 남아있다. 본 기술은 과대크기의 헤드를 사용하여 가스 용적을 위한 유동 경로를 제공함으로써 종래의 흡착 접근법의 결점을 극복한다. 이 기술은 기존의 가스 조절 공정에 비해 낮은 자본 투자, 훨씬 더 작은 장비 풋프린트 및 낮은 탄화수소 손실을 제공한다.
일 실시예에서, 본 기술은 가스 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 기술한다. 상기 흡착제 베드 유닛은: 내부 영역을 형성하는 하우징; 상기 내부 영역 내에 배치된 흡착제 베드; 상기 하우징에 고정된 복수의 밸브들로서, 상기 복수의 밸브들 각각은 도관을 통해 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되며, 상기 복수의 밸브들 중 적어도 하나는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는 상기 복수의 밸브들을 포함할 수 있다.
또다른 실시예에서, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 공정이 기술된다. 상기 공정은: a) 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 흡착 단계 각각은: (i) 공급물 입구 도관으로부터 상기 흡착제 베드 유닛의 하우징의 내부 영역에 배치된 흡착제 베드로 가스 공급물 스트림을 통과시키는 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계로서, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들 각각은 공급물 입구 도관과 직접 유동 교통하고 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 공급물 입구 도관을 통해서 그리고 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라서 유체 유동을 제어하도록 구성되고, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들 중 적어도 하나는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계; (ii) 생성물 스트림을 형성하기 위해 상기 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물들을 분리시키도록 상기 가스 공급물 스트림을 상기 흡착제 베드에 노출시키는 단계 및 (iii) 상기 하우징의 내부 영역으로부터 생성물 도관으로 생성물 스트림을 안내하도록 하나 이상의 생성물 포핏 밸브를 개방시키는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계; b) 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 퍼지 단계 각각은 퍼지 출력 스트림의 상기 하나 이상의 오염물의 적어도 일부를 안내하기 위해 퍼스 스트림을 상기 흡착제 베드 유닛 안으로 통과시키는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계 및 c) 적어도 하나의 추가 주기 동안 상기 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계로서, 상기 주기 지속시간이 1초 초과 600초 미만인 기간 동안인, 상기 반복 단계를 포함한다.
또다른 실시예에서, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법이 기술된다. 상기 방법은: 내부 영역을 갖는 하우징을 형성하는 단계; 상기 하우징의 내부 영역 내에 흡착제 베드를 배치하는 단계; 상기 하우징 내로 복수의 밸브 포트들을 생성하는 단계; 복수의 밸브들을 형성하기 위해 상기 복수의 밸브 포트들의 각각에서 상기 하우징에 밸브를 고정시키는 단계로서, 상기 복수의 밸브들 각각은 상기 하우징의 외부의 위치로부터 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되고, 상기 복수의 밸브들 중 적어도 하나는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 고정시키는 단계를 포함한다.
또다른 실시예에서, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정이 기술된다. 상기 공정은: a) 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 흡착 단계 각각은: (i) 공급물 입구 도관으로부터 상기 흡착제 베드 유닛의 하우징의 내부 영역에 배치된 흡착제 베드로 가스 공급물 스트림을 통과시키기 위해 하나 이상의 공급물 포핏 밸브를 개방시키는 단계로서, 상기 하나 이상의 공급물 포핏 밸브 각각은 상기 공급물 입구 도관과 직접 유동 교통하고 상기 공급물 입구 도관을 통해서 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되는, 상기 개방시키는 단계, (ii) 생성물 스트림을 형성하기 위하여 상기 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물을 분리시키도록 상기 가스 공급물 스트림을 상기 흡착제 베드에 노출시키는 단계, 및 (iii) 상기 하우징 내의 내부 영역으로부터 생성물 도관으로 상기 생성물 스트림을 안내하도록 하나 이상의 생성물 포핏 밸브를 개방시키는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계; b) 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 퍼지 단계 각각은 하나 이상의 퍼지 포핏 밸브를 통해 퍼지 스트림을 상기 흡착제 베드 유닛으로 통과시키고, 퍼지 출력 스트림의 하나 이상의 오염물의 적어도 일부를 하나 이상의 퍼지 출력 포핏 밸브를 통해 안내하는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계; 및 c) 적어도 하나의 추가 주기 동안 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계로서, 상기 주기 지속시간은 1초 초과 600초 미만인 기간 동안이고, 상기 하나 이상의 공급물 포핏 밸브, 하나 이상의 생성물 포핏 밸브, 하나 이상의 퍼지 포핏 밸브 및/또는 하나 이상의 퍼지 출력 포핏 밸브 중 적어도 하나는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 반복 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛은 다양한 변형을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하우징은 하우징을 형성하기 위해 본체 부분에 결합된 헤드와, 헤드에 고정된 복수의 밸브들을 포함할 수 있고; 헤드는 상기 하우징을 형성하기 위해 본체 부분에 결합되고; 상기 복수의 밸브들 중 하나 이상은 상기 헤드에 고정되고, 플레이트는 상기 헤드에 인접하고 상기 복수의 밸브들 중 적어도 하나는 상기 플레이트에 고정되며; 헤드는 본체 부분과 결합되고, 상기 복수의 밸브들은 상기 본체 부분에 고정되며; 헤드는 본체 부분과 결합되고, 상기 복수의 밸브들은 상기 본체 부분에 고정된다. 또한, 본체 부분은 제 1 내경을 가지며 흡착제 베드를 둘러싸는 제 1 본체 부분 및 제 2 내경을 가지며 제 1 본체 부분에 인접한 제 2 본체 부분을 포함할 수 있으며, 상기 제 2 내경은 제 1 내경보다 크다.
본 개시의 전술한 이점 및 다른 이점은 실시예의 비제한적인 예에 대한 다음의 상세한 설명 및 도면을 검토할 때 명백해질 수 있다.
도 1은 6 개의 종래의 흡착제 베드 유닛 및 상호 연결 배관을 갖는 스윙 흡착 시스템의 3 차원 도면이다.
도 2는 종래의 흡착제 베드 유닛의 부분도의 개략도이다.
도 3은 본 기술의 일 실시예에 따른 관련 밸브 조립체 및 매니폴드를 갖는 흡착제 베드 유닛의 일부의 도면이다.
도 4는 본 기술의 일 실시예에 따른 변형된 수직 원통형 흡착제 베드 유닛의 예시적인 도면이다.
도 5는 본 기술의 일 실시예에 따른 대안적인 수평 흡착제 베드 유닛 구성의 예시적인 도면이다.
달리 설명하지 않는 한, 본 발명에 사용된 모든 기술 및 과학적 개념들은 본 기술이 포함하고 있는 기술 분야의 당업자들에게는 공통으로 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 단일 용어들인 관사(a, an 및 the)는 그 내용이 명확하게 달리 명기하지 않는한 복수의 지시 대상들을 포함한다. 마찬가지로, 용어 "또는"은 그 내용이 명확하게 달리 명기하지 않는한 "및"을 포함하도록 의도된다. 용어 "포함하는"은 "구비하는"을 의미한다. 본원에 언급된 모든 특허 및 공보들은 달리 지시하지 않는한 참고를 위해 그 전체가 본원에 합체된다. 용어나 구문의 의미와 상충되는 경우, 개념들의 설명을 포함하는 본 명세서는 조절된다. 본원에서 "상부", "하부", "상위부", "저부", "전방", "후방", "수직" 및 "수평"과 같은 방향을 나타내는 개념들은 다양한 요소들 사이의 관계를 표시하고 명료화하기 위해 사용된다. 이와 같은 용어들은 절대적인 배향을 의미하지 않는다는 사실을 이해해야 한다(예: "수직" 성분은 디바이스를 회전시킴으로써 수평으로될 수 있다). 본원에 인용된 물질들, 공정들 및 예들은 오직 설명을 위한 것이며 제한을 목적으로 의도되지 않는다.
본원에 사용된 바와 같은, "스트림"은 다양한 장비를 통해 안내되는 유체(예: 고체, 액체 및/또는 가스)와 관련된다. 상기 장비는 도관, 혈관, 매니폴드, 유닛 또는 기타 적합한 디바이스를 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "도관"은 임의의 것이 운반되는 채널을 형성하는 관형 부재와 관련된다. 이와 같은 도관은 하나 이상의 파이프, 매니폴드, 튜브 등을 포함할 수 있다.
"직접 유동 교통"또는 "직접 유체 교통"이란 용어는 중간에 밸브 또는 유동을 방해하기 위한 기타 폐쇄 수단없이 직접적인 유동 교통을 의미한다. 그러나, "직접 유동 교통"이라는 용어는 유동 경로를 따라 유동을 분배하기 위한 분배기 또는 다른 분배 기구를 포함할 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 변형도 본 기술의 범위 내에서 고려될 수 있다.
용어 "계면 단면 영역"은 스트림이 흡착제 베드에 진입하거나 흡착제 베드를 빠져 나가는 흡착제 베드의 단부의 단면 영역을 의미한다. 예를 들어, 공급물 스트림이 제 1 단부의 흡착제 베드에 진입하면, 제 1 단부의 단면 영역은 계면 단면 영역이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 변형도 본 기술의 범위 내에서 고려될 수 있다.
용어 "밸브 단면 영역"은 스트림이 밸브에 들어가거나 나오는 밸브의 단부에 대한 밸브의 단면 영역을 의미한다. 예를 들어, 밸브 개구는 밸브 단면 영역일 수 있다. 특히, 포핏 밸브의 경우, 디스크 요소가 개방 위치에 있을 때 디스크 요소 주변부에 유동 통로를 제공하도록 디스크 요소가 이동한다. 따라서, 디스크 요소의 밸브 시트로부터의 이동에 의해 형성된 밸브 개구는 디스크 요소의 단면 영역일 수 있는 포핏 밸브의 밸브 단면 영역을 결정하는데 이용된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 변형도 본 기술의 범위 내에서 고려될 수 있다.
용어 "계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역"은 밸브 단면 영역이 주요 유동 경로를 따라 흡착제 베드를 직접 통과하는 축을 따라 보았을 때 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 있음을 의미한다. 예를 들어, 흡착제 베드는 유동이 흡착제 베드에 진입하거나 흡착제 베드를 나가는 일 단부에 계면을 갖는다. 계면은 길이와 폭을 가지며, 깊이는 흡착제 베드를 통과하는 주요 유동 경로를 따라 스트림이 흐르는 방향이다.
본 기술은 고속 순환 흡착제 베드를 이용하여 공급물 스트림(예: 천연 가스)으로부터 오염물들을 제거하기 위한 스윙 흡착 공정(예: 고속 순환 공정)에 관한 것이다. 본 기술은 용적 처리량을 최대화하면서 최소화되는 흡착제 베드 유닛의 직경의 균형을 맞춘다. 관련된 높은 용적 처리량은 더 큰 밸브 및/또는 더 많은 밸브를 포함하는 경향이 있다. 많은 구성에서, 흡착제 베드 유닛의 헤드의 표면은 밸브를 통한 합리적인 압력 강하를 유지하지만, 필요한 개수의 밸브와 관련 크기의 밸브에 대해 불충분한 공간(예 : 평탄한 헤드에서 사용가능한 부적절한 표면적 또는 풋프린트)을 제공한다. 따라서, 본 기술은 흡착제 베드 유닛 내의 흡착제 베드의 직경을 유지하면서 필요한 밸브를 수용하는 흡착제 베드 유닛을 제공한다. 이 구성에서, 밸브 중 적어도 일부는 계면 단면 영역(예: 단면이 흡착제 베드에 대한 계면에 의해 정의됨)의 적어도 부분적으로 외부에 또는 그 이상으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다. 또한, 상기 구성은 주어진 적용에 이용되는 흡착제 베드 유닛의 수를 최소화할 수 있다.
종래의 접근법과는 대조적으로, 본 기술은 밸브의 일부가 적어도 부분적으로 계면 단면 영역 외부에 배치되게 함으로써 흡착제 베드 내로의 유체 유동을 수용하기 위한 추가 공간(예: 풋프린트)을 제공한다. 예를 들어, 종래의 구성에서, 흡착제 베드는 계면 단면 영역을 가지며, 흡착제 베드에 직접 인접하게 그리고 계면 단면 영역 내에 직접 배치된 흡착제 베드와 직접 유동 교통하는 밸브를 갖는다. 본 기술에서, 밸브는 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된다. 특히, 헤드에 배치된 밸브들의 일부는 흡착제 베드의 외주를 따라 또는 그 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다. 따라서, 본 기술은 스트림이 흡착제 베드에 들어가거나 흡착제 베드를 빠져 나가는 흡착제 베드의 계면 또는 단부에 인접하여 사용가능한 풋프린트를 증가시킨다. 밸브는 각 스트림(예: 리프트 플레이트 또는 다른 작동 기구)에 대한 공통 작동 기구를 통해 작동(예: 개방 또는 폐쇄)하도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 흡착제 베드 유닛은 흡착제 베드의 계면 단면 영역 내에 또는 흡착제 베드에 직접 인접하게 배치되지 않은 유동 밸브의 일부를 갖도록 구성된 변형된 수직 원통형 흡착제 베드 유닛일 수 있다 . 예를 들어, 1차 유동 밸브는 흡착제 베드의 직접 인접한 흡착제 베드 유닛의 헤드 상에(예: 계면 단면 영역 내) 배치될 수 있는 반면, 2차 유동 밸브는 외부 위치에 배치되도록 구성된다. (예: 2차 유동 밸브의 적어도 일부는 적어도 부분적으로 계면 단면 영역 외부에 배치된다). 이 구성은 흡착제 베드에 직접 인접하여 위치할 수 있는 것보다 밸브를 위한 추가 공간을 제공한다. 외부 밸브 장착 위치는 유닛의 헤드와 일체로 형성될 수 있거나, 또는 유닛 플랜지와 유닛의 헤드 사이에 위치하는 개별 플레이트에 형성될 수 있다. 단일 밸브가 다른 위치에 배치될 수 있지만, 특정 밸브의 요구 사항에 따라 여러 개의 밸브가 사용될 수도 있다. 또한, 밸브는 능동 제어 밸브 및/또는 수동 제어 밸브일 수 있다. 수동 제어 밸브는 이동 요소를 달리 작동시킬 필요없이 이동 요소(예: 디스크 요소)를 가로질러 작용하는 차압에 의해 개방될 수 있다.
유익하게도, 이 실시예는 공정에 대한 다양한 개선을 제공한다. 예를 들어, 가능한 많은 수의 밸브를 배치하는 능력은 흡착제 베드의 계면 단면 영역 내에서 흡착제 물질 바로 위에 있는 흡착제 베드 유닛의 헤드 상의 사용가능한 공간에 있다. 또다른 개선은 2차 밸브를 지지하는 개별 플레이트를 기존 유닛의 헤드와 통합할 수 있는 능력이다. 또한, 또다른 개선은 능동 제어 밸브 및/또는 수동 제어 밸브를 지지할 수 있는 능력을 제공한다. 마지막으로, 또다른 개선은 다양한 가스 처리 공정과 통합할 수 있는 능력이다.
또한, 본 기술은 공급물 스트림 및 퍼지 스트림을 위한 다양한 압력을 포함할 수 있다. 결과적으로, 흡착제 베드 유닛은 5 psia(pounds per square inch absolute) 내지 1,400 psia의 압력 범위에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 공급 압력은 적절한 흡착 공급 압력에 기초할 수 있으며, 400 psia 내지 1,400 psia 범위에 있거나, 또는 600 psia 내지 1,200 psia 범위에 있을 수 있다. 또한, 상기 퍼지 압력은 양호한 흡착제 퍼지 압력에 기초할 수 있으며, 이는 50 psia 내지 800 psia 범위에 있거나 또는 400 psia 내지 600 psia 범위에 있을 수 있다.
본 기술들은 다양한 구성들로 통합될 수 있다. 예를 들어, 흡착제 베드 유닛은 구조화 또는 비구조화 흡착제 베드들을 포함할 수 있고, 그리고 흡착제 베드 유닛은 또한, 유동 직선화 및 유동 분배를 용이하게 하기 위하여 추가 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 기술들은 극저온 천연 가스 액체(NGL) 회수 시스템에 앞서 탈수화를 사용할 수 있으며 상기 시스템과 통합될 수 있고, 이는 공급 가스 사양들을 극저온 처리하기 위해 오염 물질을 제거하는 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 다른 통합들로서 액화 천연 가스(LNG) 설비 또는 다른 설비들을 포함할 수 있다. 여하튼, 본 기술들은 과다한 양의 오염물 즉, 수분과 CO2를 수용하는 공급물 스트림들을 처리하기 위해 사용될 수 있다. 본 기술들은 또한, 극저온 천연 가스 액화 회수 설비를 위해 극저온 천연 가스 액화 사양들과 같은 다른 사양들로 오염물들을 제거하기 위해 사용될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 있어서, 본 기술들은 어떠한 타입의 스윙 흡착 공정을 위해서도 사용될 수 있다. 본 기술을 위한 스윙 흡착 공정으로는, 비제한적으로, 압력 스윙 흡착(PSA), 진공 압력 스윙 흡착(VPSA), 온도 스윙 흡착(TSA), 부분 압력 스윙 흡착(PPSA), 고속 순환 압력 스윙 흡착(RCPSA), 고속 순환 서멀 스윙 흡착(RCTSA), 고속 순환 부분 압력 스윙 흡착(RCPPSA), 뿐만 아니라 압력/온도 스윙 흡착과 같은 상기 공정들의 혼합을 포함할 수 있다. 예시적인 동력학적 스윙 흡착 공정들에 대하여는 미국 특허출원 공보 제2008/0282892호, 제2008/0282887호, 제2008/0282886호, 제2008/0282885호, 제2008/0282884호 및 제2014/0013955호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 전체로서 참고를 위해 본원에 합체되었다.
특정 실시예에서, 흡착제 베드 유닛은 실질적으로 가스 불투과성 분할을 형성하는 헤드 부분 및 다른 본체 부분, 하우징 내에 배치된 흡착제 베드 및 복수의 밸브(예 : 포핏 밸브)를 포함할 수 있는 하우징을 포함할 수 있으며, 하우징의 내부 영역과 하우징의 내부 영역 외부의 위치 사이에서 하우징의 개구를 통해 유체 유동 통로를 제공한다. 각각의 포핏 밸브는 헤드 내에 설치 가능한 디스크 요소 또는 헤드 내에 삽입된 개별 밸브 시트 내에 설치 가능한 디스크 요소를 포함할 수 있다. 포핏 밸브의 구성은 임의의 다양한 밸브 패턴 또는 포핏 밸브 유형의 구성일 수 있다. 예로서, 흡착제 베드 유닛은 하나 이상의 포핏 밸브를 포함할 수 있으며, 각각은 상이한 스트림과 관련된 상이한 도관과 유동 교통한다. 포핏 밸브는 흡착제 베드와 각각의 도관, 매니폴드 및/또는 헤더 중 하나 사이의 유체 교통을 제공할 수 있다.
상술된 바와 같이, 흡착 분리 공정들, 장치들 및 시스템들은 가스 및 오일 처리와 같은 탄화수소의 성장 및 형성에 유용하다. 특히, 제공된 공정들, 장치들, 및 시스템들은 가스 혼합물로부터 다양한 목표 가스를 신속하고, 대규모로, 효율적으로 분리하는데 유용하다. 특히, 상기 공정들, 장치들, 및 시스템들은 오염물 및 중탄화수소(예: 적어도 2개의 탄소 원자들을 갖는 탄화수소)를 제거함으로써 공급 생성물들(예: 천연 가스 생성물들)을 준비하기 위해 사용될 수 있다. 이와 같이 제공된 공정들, 장치들, 및 시스템들은 분리 용례들을 포함하는, 유틸리티들에서 사용하기 위한 가스 공급물 스트림들을 제조하는데 유용하다. 상기 분리 용례들은 노점 제어; 스위트닝 및/또는 해독; 부식 방지 및/또는 제어; 탈수; 발열량; 조화; 및/또는 정제를 포함할 수 있다. 하나 이상의 분리 용례들을 사용하는 유틸리티의 예로서는 연료 가스의 형성; 밀봉 가스; 비-식용수; 블랭킷 가스; 기구 및 제어 가스; 냉각제; 불활성 가스; 및/또는 탄화수소 회수를 포함한다.
다른 실시예에서, 본 기술은 스윙 흡착 공정에 의해 스트림의 오염 물질을 특정 레벨로 감소시키는데 사용될 수 있다. 이러한 공정에서 사용되는 압력 및 상이한 스트림은 공정에서 사용되는 밸브의 수를 증가시킨다. 따라서, 본 기술은 흡착제 베드의 계면 단면 영역 외부에 밸브의 일부 또는 임의의 밸브를 배치함으로써 포핏 밸브와 같은 밸브를 위한 추가적인 공간을 제공한다(예: 밸브 중 적어도 하나는 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치되는 밸브 단면 영역을 갖는다).
특정 구성에서, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 공정 또는 시스템은 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는 밸브들 중 하나를 포함할 수 있다. 상기 공정은 a) 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 흡착 단계 각각은: (i) 공급물 입구 도관으로부터 흡착제 베드 유닛의 하우징의 내부 영역에 배치된 흡착제 베드로 가스 공급물 스트림을 통과시키는 하나 이상의 공급물 포핏 밸브를 개방시키는 단계로서, 하나 이상의 공급물 포핏 밸브들 각각은 공급물 입구 도관과 직접 유동 교통하고 하우징 외부의 위치로부터 공급물 입구 도관을 통해서 그리고 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라서 유체 유동을 제어하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 공급물 포핏 밸브를 개방시키는 단계; (ii) 생성물 스트림을 형성하기 위해 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물들을 분리시키도록 상기 가스 공급물 스트림을 흡착제 베드에 노출시키는 단계 및 (iii) 하우징 내의 내부 영역으로부터 생성물 도관으로 생성물 스트림을 안내하도록 하나 이상의 생성물 포핏 밸브를 개방시키는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계; b) 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 퍼지 단계 각각은 하나 이상의 퍼지 포핏 밸브를 통해 퍼지 스트림을 상기 흡착제 베드 유닛으로 통과시키고 하나 이상의 퍼지 포핏 밸브를 통해 퍼지 출력 스트림의 상기 하나 이상의 오염물의 적어도 일부를 안내하는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계; 및 c) 상기 주기 지속시간이 1초 초과 600초 미만인 기간 동안 적어도 하나의 추가 주기 동안 상기 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계로서, 상기 하나 이상의 공급물 포핏 밸브 중 적어도 하나, 하나 이상의 생성물 포핏 밸브, 하나 이상의 퍼지 포핏 밸브 또는 하나 및/또는 그 이상의 퍼지 출력 포핏 밸브는 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계를 포함한다. 본 기술들은 아래의 도 1 내지 도 5를 참조하여 더 이해될 수 있다.
도 1은 6개의 종래 흡착제 베드 유닛들과 상호연결 배관을 갖는 스윙 흡착 시스템(100)의 3차원 도면이다. 이와 같은 구성은 종래 스키드의 특별한 예이나, 이와 같은 특정 구성은 예시적인 목적을 위한 것이며, 다른 구성들은 상이한 수의 흡착제 베드 유닛들을 포함할 수 있다.
이와 같은 시스템에 있어서, 흡착제 베드 유닛(102)과 같은 흡착제 베드 유닛들은 공급물 스트림들(예: 유체들, 가스들, 액체들)로부터 오염물들을 제거하기 위한 순환적 스윙 흡착 공정을 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 흡착제 베드 유닛(102)은 상기 흡착제 베드 유닛(102) 내의 흡착제 베드를 통해, 흡착제 베드로 또는 흡착제 베드로부터의 유체 유동을 다루기 위한 다양한 도관들(예: 도관(104))을 포함할 수 있다. 상기 흡착제 베드 유닛들(102)로부터의 도관들은 상기 스트림의 유동을 구성 요소들에, 구성 요소들로부터 또는 구성 요소들 사이로 분배하기 위한 매니폴드(예: 매니폴드(106))에 결합될 수 있다. 흡착제 베드 유닛 내의 상기 흡착제 베드는 생성물 스트림을 형성하기 위해 하나 이상의 오염물을 공급물 스트림으로부터 분리시킬 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 상기 흡착제 베드 유닛들은, 퍼지 스트림, 감압 스트림 등과 같은, 공정의 일부로서의 다른 유체 스트림들을 제어하기 위한 다른 도관들을 포함할 수 있다. 더불어, 상기 흡착제 베드 유닛은 또한, 균등화 용기(108)와 같은 하나 이상의 균등화 용기들을 포함할 수 있으며, 상기 흡착제 베드 유닛 전용이며 또한, 상기 스윙 흡착 공정에서 하나 이상의 단계들에 전용될 수 있다.
또한, 아래에서 추가 설명될 예로서, 상기 흡찹 베드 유닛(102)은 헤드부 및 다른 본체부들을 포함할 수 있고, 실제로 가스 불투과성 분할을 형성하는 하우징, 상기 하우징 내에 배치되는 흡착 배드, 및 상기 하우징의 내부 영역과 상기 하우징의 내부 영역의 외부 위치들 사이에서 상기 하우징 내의 개구들을 통한 유체 유동울 제공하는 복수의 밸브들을 포함할 수 있다. 상기 흡착제 베드는 상기 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 성분들을 흡착할 수 있는 고형 흡착 물질을 포함한다. 그와 같은 고형 흡착 물질들은 상기 흡착제 베드 유닛(102) 내의 물리적 및 화학적 조건들에 대해 내구성을 갖도록 선택되며, 흡착 공정에 기초하여 금속, 세라믹, 또는 기타 물질들을 포함할 수 있다. 흡착 물질들의 추가의 예들은 다음에 추가로 언급된다.
특정 예로서, 도 2는 종래의 흡착제 베드 유닛(200)의 부분도의 개략도를 도시한다. 흡착제 베드 유닛(200)은 밸브 보어 또는 밸브 포트(204)를 갖는 평탄한 헤드(202)를 포함한다. 평탄한 헤드(202)는 볼트(208)를 통해 플랜지형 원통형 유닛 또는 본체(206)에 연결될 수 있으며, 이는 부분 도면에서 절단된다. 이 도면에서, 밸브(미도시)는 밸브 포트(204) 내에 배치된다. 이들 밸브 포트는 직경(210) 및 주변부(212)에 기초한 흡착제 베드의 계면 단면 내에 있다.
이러한 종래의 흡착제 베드 유닛(200)에 도시된 바와 같이, 밸브 포트(204)에 배치된 밸브는 주변부(212) 내의 흡착제 베드 바로 위에(예: 계면 단면 영역 내에) 위치된다. 그러나, 특정 구성의 경우, 밸브가 흡착제 베드로의 유체의 유동을 관리하는데 필요한 풋프린트는 주변부(212) 내의 흡착제 베드 위에서 사용가능한 풋프린트보다 크다.
본 기술은 흡착제 베드 유닛에서 사용가능한 표면적에 대한 제한을 극복하기 위한 실시예를 제공한다. 예를 들어, 도 3은 본 기술의 일 실시예에 따른 밸브 조립체 및 매니폴드를 갖는 흡착제 베드 유닛의 일부의 도면(300)이다. 도 1과 유사한 구성으로 사용될 수 있는 흡착제 베드 유닛(300)의 부분은 상부 헤드(318) 및 하부 헤드(320)와 함께 원통형 벽(314) 및 원통형 절연 층(316)을 포함할 수 있는 하우징 또는 본체를 포함한다. 흡착제 베드(310)는 상부 헤드(318)와 하부 헤드(320) 및 절연 층(316) 사이에 배치되어 상부 개방 영역 및 하부 개방 영역을 형성하며, 이 개방 영역들은 실질적으로 개방 유동 경로 용적으로 구성된다. 흡착제 베드 유닛 내의 이러한 개방 유동 경로 용적은 다양한 단계를 위해 관리되어야하는 가스를 수용한다. 상기 하우징은 내부 영역 내에서 0.1 bara 내지 100 bara의 압력을 유지하도록 구성될 수 있다.
상부 헤드(318) 및 하부 헤드(320)는 각각 밸브 조립체(322 내지 340)(예: 포핏 밸브)와 같은 밸브 구조체가 삽입될 수 있는 개구를 포함한다. 각각의 헤드(318 또는 320)와 흡착제 베드(310) 사이의 상부 또는 하부 개방 유동 경로 용적은 균일한 방식으로 흡착제 베드(310)로 유체를 직접 도입하는 유동 분배기(미도시)를 또한 포함할 수 있다. 유동 분배기는 천공된 플레이트, 원형 플레이트 또는 유동을 흡착제 베드 상에 분배하는 다른 디바이스를 포함할 수 있다. 상부 헤드(318)는 입구 매니폴드(342, 344) 및 출구 매니폴드(348, 350, 352)를 통해 유동 통로를 제공하기 위한 다양한 개구(미도시)를 포함하고, 하부 헤드(320)는 입구 매니폴드(354) 및 출구 매니폴드(356, 358 및 360)를 통해 유동 통로를 제공하기 위한 다양한 개구(미도시)를 포함한다. 밸브 조립체(322 내지 340)는 각각의 매니폴드(342 내지 360)와 유체 교통 상태로 배치된다. 밸브 조립체(322 내지 340)가 포핏 밸브인 경우, 부싱 또는 밸브 가이드 내에 위치될 수 있는 스템 요소에 연결된 디스크 요소를 각각 포함할 수 있다. 스템 요소는 각각의 밸브가 각각의 스템에 선형 운동을 부여하도록 구성된 작동 수단(미도시)과 같은 작동 수단에 연결될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 작동 수단은 단일 밸브를 작동시키는 공정의 상이한 단계에 대해 독립적으로 작동될 수 있거나 또는 단일 작동 수단이 2 개 이상의 밸브를 제어하도록 사용될 수 있다. 또한, 개구가 실질적으로 유사한 크기일 수 있지만, 입구 매니폴드의 개구 및 입구 밸브는 입구를 통과하는 가스 용적이 출구를 통과하는 생성물 용적보다 작을 수 있으므로 출구 매니폴드의 개구 및 출구 밸브보다 작은 직경을 가질 수 있다.
이 구성에서, 계면은 밸브 조립체(322 내지 340)와 같은 밸브에 인접한 흡착제 베드(310)의 단부이다. 계면 단면 영역은 각각의 단부에서 흡착제 베드(310)의 단면 영역이다. 이러한 구성에 있어서, 하나 이상의 밸브가 흡착제 베드(310)에 의해 한정된 계면 단면 영역의 외부에 또는 지나서 적어도 부분적으로 배치된다. 특히, 일부 밸브는 각각의 헤드(318 및 320)에 배치되어, 흡착제 베드(310)의 외주 주변부의 외부에 또는 외부를 따라서 적어도 부분적으로 배치되는 밸브 단면 영역을 가진다. 예를 들어, 헤드(320)의 밸브(332, 334 및 340)와 함께 헤드(318) 내의 밸브(322, 324 및 330)는 흡착제 베드(310)의 계면 단면 영역 외부에 배치된다.
흡착제 베드(310) 외부의 영역에 대해, 데드 용적을 줄이기 위해 추가의 충전재 요소 또는 구조체가 사용될 수 있다. 충전재 구조체는 유동 경로를 관리하고 흡착제 베드 유닛 내의 데드 용적을 줄이는데 이용될 수 있는 충전재, 채널 및/또는 배플을 포함할 수 있다. 또한, 밸브 조립체(322 내지 340)와 같은 밸브는 상이한 스트림에 대한 리프트 플레이트 또는 다른 작동 기구와 같은 공통 작동 기구를 통해 작동(예: 개방 또는 폐쇄)하도록 구성될 수 있다.
이 도면(300)에서, 밸브에 대한 밸브 단면 영역은 흡착제 베드(310)에 인접한 밸브(326)와 같은 밸브의 형상에 의해 한정되는 반면, 계면 단면 영역은 흡착제 베드(310)의 형상에 의해서 한정된다. 예로서, 밸브(326)가 원형 디스크 요소를 갖는 포핏 밸브이고 흡착제 베드(310)가 원형 프리즘의 형상을 갖는 경우, 밸브(326)의 밸브 단면 영역은 직경(370)을 갖는 원의 영역이고, 흡착제 베드(310)의 계면 단면 영역은 직경(372)을 갖는 원의 영역이다. 유사하게, 밸브(322)가 원형 디스크 요소를 갖는 포핏 밸브인 경우, 밸브(322)에 대한 밸브 단면 영역은 직경(374)을 갖는 원의 영역이다. 이 구성에서, 밸브(322 및 326)는 도관과 직접 유동 교통하고, 도관을 통해 하우징 외부의 위치로부터 흡착제 베드(310)로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되고, 밸브(322)는 흡착제 베드(310)의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다.
스윙 흡착 공정들에 있어서, 상기 주기는 각각 특정 시간 간격을 갖는 2개 이상의 단계들을 포함하며, 함께 합산되어 주기 시간이 된다. 이들 단계들은, 압축 스윙, 진공 스윙, 온도 스윙,(상기 공정을 위한 임의의 적합한 퍼지 유체의 타입을 통한) 퍼징, 및 그들의 조합을 포함하는, 다양한 공정들을 사용하는 흡착 단계에 이어 상기 흡착제 베드의 재생을 포함한다. 예로서, 스윙 흡착 주기는 흡착, 감압, 퍼징, 및 재압축 단계들을 포함할 수 있다. 고압 하에서 분리가 수행될 때,(균등화 단계들로서 언급될 수 있는) 감압 및 재압축은 각각의 단계에 대한 압력 변화를 감소시키고 효율을 강화하기 위해 다중 단계들로 수행된다. 고속 순환 스윙 흡착 공정들과 같은, 일부 스윙 흡착 공정들에 있어서, 전체 순환 시간의 대부분은 상기 흡착제 베드의 재생에 포함된다. 따라서, 재생을 위한 시간의 감소는 전체 순환 시간의 감소를 초래한다. 이와 같은 감소는 또한, 상기 스윙 흡착 시스템의 전체 크기를 감소시킬 수 있다.
변형된 원통형 흡착제 베드 유닛이 도 4에 도시되어 있다. 예를 들어, 도 4는 본 기술의 일 실시예에 따른 변형된 원통형 흡착제 베드 유닛의 예시적인 도면(400)이다. 이 도면(400)에서, 흡착제 베드 유닛의 헤드(406) 상의 1차 밸브(402)와 같은 1차 밸브는 흡착제 베드의 경계부 또는 흡착제 베드(408)의 계면 단면 영역 내에 배치된다. 2차 밸브(404)와 같은 2차 밸브는 흡착제 베드(408)의 주변부 또는 계면 단면 영역의 외부에(예: 외부 또는 외부 위치에) 적어도 부분적으로 배치된다. 2차 밸브(404)는 흡착제 베드 유닛 외부의 위치와 유체 교통하는 유동 경로를 흡착제 베드(408)에 제공할 수 있다. 이 구성은 밸브 위치에 유연성을 제공하여, 더욱 많은 밸브들이 흡착제 베드(408)의 주변부 또는 계면 단면 영역 내의 헤드 상(예: 흡착제 베드 유닛의 내경)에 직접 배치될 수 있는 것보다 많은 밸브들이 사용될 수 있다. 2차 밸브(404)의 위치와 같은 외부 밸브 장착 위치는 흡착제 베드 유닛의 헤드와 일체로 형성될 수 있거나 또는 흡착제 베드 유닛의 플랜지와 헤드(406) 사이에 배치된 개별 플레이트에 형성될 수 있다.
도 4는 내부 및 외부 위치에 단일 밸브를 제공하지만, 특정 용도에 필요한 공간에 따라 두 개 이상의 밸브를 사용할 수 있다. 또한, 밸브들은 도 4에서 상부 헤드(406) 상에 제시된 능동 제어 밸브 또는 하부 헤드(416)에 제시된 수동 제어 밸브(414)와 같은 수동 제어 밸브일 수 있다. 흡착제 베드 유닛은 흡착제 베드 요건을 수용하도록 변경될 수 있다.
이 도면(400)에서, 1차 밸브(402)에 대한 밸브 단면 영역은 흡착제 베드(408)에 인접한 1차 밸브(402)의 디스크 요소의 형상에 의해 한정되는 반면에, 2차 밸브(404)에 대한 밸브 단면 영역은 헤드(406) 내의 2차 밸브(404)의 디스크 요소의 형상에 의해 한정된다. 예를 들어, 1차 밸브(402) 및 2차 밸브(404)의 디스크 요소가 원형인 경우, 1차 밸브(402)에 대한 밸브 단면 영역은 직경(420)을 갖는 원의 면적이고, 2차 밸브(404)에 대한 밸브 단면 영역은 직경(422)을 갖는 원의 면적이다.
유익하게는, 실시예는 다양한 개선을 포함한다. 하나의 개선은 흡착제 베드 바로 위의 흡착제 베드 유닛의 헤드 상의 계면 단면 영역 내에서 사용가능한 공간에 가능한 많은 수의 밸브를 배치할 수 있는 능력이다. 또다른 개선은 2차 유동 밸브를 지지하는 개별 플레이트를 도 2와 같은 평탄한 헤드 구성을 포함하는 흡착제 베드 유닛과 통합할 수 있는 능력이다. 또한, 또다른 개선은 능동 제어 밸브 및 수동 제어 밸브를 모두 지원할 수 있는 능력이다. 또한, 또다른 개선은 다양한 가스 처리 공정과 통합할 수 있는 능력이다. 또한, 이 구성은 유동 통로가 데드 용적의 증분으로 증가하기 때문에 데드 용적을 크게 변화시키지 않는다.
또다른 구성에서, 도 5는 본 기술의 일 실시예에 따른 대안적인 흡착제 베드 유닛(500) 구성의 예시적인 도면이다. 이 구성에서, 유동의 방향은 화살표(504 및 506)로 도시된 바와 같이 흡착제 베드 유닛의 길이를 따라 축 방향으로 있고, 이는 상이한 스트림에 대해 반대 방향일 수 있다. 충전 재료는 흡착제 베드 유닛의 내경 내에서 흡착제 베드(508)에 대한 직사각형 단면 영역을 수용하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 내경이 원형 영역을 제공하고 흡착제 베드의 계면 단면 영역이 직사각형 영역인 경우이다.
또한, 구성에서 공급물 단부 밸브(502) 및 생성물 단부 밸브(503)와 같은 밸브는 흡착제 베드(508)의 양 측부 상의 흡착제 베드 유닛(500)의 공급물 단부(510) 및 생성물 단부(512)와 같은 단부들을 따라 장착된다. 공급물 단부 밸브(502) 및 생성물 단부 밸브(503)와 같은 각각의 밸브는 상이한 스트림에 사용될 수 있고 밸브가 배치된 단부로부터 다른 단부 상의 다른 밸브와 짝을 이룰 수 있다. 예를 들어, 공급물 단부 밸브(502) 중 하나 및 생성물 단부 밸브(503) 중 하나는 공급물 스트림 및 생성물 스트림을 관리하는데 사용될 수 있는 반면, 공급물 단부 밸브(502)의 하나 및 생성물 단부 밸브(503)의 하나는 퍼지 스트림 및 퍼지 출력 스트림의 유동을 관리한다.
이 구성에서, 흡착제 베드 유닛의 하나 이상의 단부에서의 본체 부분은 흡착제 베드에 인접한 본체 부분(예: 계면 단면 영역)보다 큰 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 공급물 단부(510) 및/또는 생성물 단부(512)는 흡착제 베드에 인접하고 흡착제 베드를 둘러싸는 본체 부분의 내경과 비교하여 하우징의 본체 부분에 대해 보다 큰 내경 또는 단면 영역을 가질 수 있다. 공급물 단부(510) 및/또는 생성물 단부(512)에 대한 보다 큰 내경은 흡착제 베드 유닛 내에서 흡착제 베드(508)의 삽입 및 유지를 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다.
흡착제 베드(500) 외부의 영역에 대해, 데드 용적을 줄이기 위해 추가의 충전재 구조체가 사용될 수 있다. 충전재 구조체는 충전 재료 주위의 유동 경로를 관리하고 흡착제 베드 유닛 내의 데드 용적을 줄이는데 사용될 수 있는 충전 재료, 채널 및/또는 배플을 포함할 수 있다.
도 4의 구성과 유사하게, 상기 구성은 흡착제 베드의 단면 영역, 예를 들어 계면 단면 영역으로부터 밸브 공간을 분리시킴으로써 개선점을 제공한다. 예를 들어, 이러한 구성은 단일 흡착제 베드 상에서 다양한 서비스를 위한 많은 수의 밸브를 수용할 수 있는 능력을 제공하고 흡착제 베드 유닛의 내경에 의해 부과된 제한을 제거한다. 또 하나의 개선으로, 상기 구성은 유동 길이에 대한 제한을 제거하고 우수한 유동 분포를 제공한다. 또한, 상기 논의와 유사하게, 상기 구성은 베드 내부의 수리 및 유지 보수를 위해 제공되는 액세스를 개선시킨다. 이러한 구성은 도 4의 구성과 비교하여 추가 데드 용적을 포함할 수 있지만, 이러한 구성은 흡착제 베드 유닛의 데드 용적이 한정적이지 않거나 또는 제한적이지 않은 적용에 유용할 수 있다.
또한, 이 구성에서, 흡착제 베드 유닛의 하나 이상의 단부에서의 본체 부분은 흡착제 베드에 인접한 본체 부분(예: 계면 단면 영역)보다 작은 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 공급물 단부(510) 및/또는 생성물 단부(512)는 흡착제 베드에 인접하고 그 주위를 둘러싸는 본체 부분의 내경과 비교하여 하우징의 본체 부분에 대한 더 작은 내경 또는 단면 영역을 가질 수 있다. 공급물 단부(510) 및/또는 생성물 단부(512)에 대한 더 작은 내경은 흡착제 베드 유닛 내에서 흡착제 베드(508)의 삽입 및 유지를 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 구성에서, 하나 이상의 밸브는 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 가질 수 있다. 예로서, 플랜지가 흡착제 베드(508)의 단부에 바로 인접하게 제공되면, 공급물 단부(510) 또는 생성물 단부(512)의 내경은 흡착제 베드의 집합체를 유지하는 섹션의 내경보다 작을 수 있다. 이 구성은 각각의 단부에서의 데드 용적을 감소시킬 수 있다.
이해할 수 있는 바와 같이, 본 기술은 스윙 흡착 공정을 개선시키는데 이용될 수 있다. 예로서, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정은 하나 이상의 흡착 단계 및 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행함에 있어서, 각각의 흡착 단계는 (i) 공급물 입구 도관으로부터 흡착제 베드 유닛의 하우징의 내부 영역에 배치된 흡착제 베드로 가스 공급물 스트림을 통과시키는 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계, (ii) 생성물 스트림을 형성하기 위해 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물들을 분리시키도록 가스 스트림을 흡착제 베드에 노출시키는 단계, 및 (iii) 하우징의 내부 영역으로부터 생성물 도관으로 생성물 스트림을 안내하기 위해 하나 이상의 생성물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계를 포함한다. 복수의 공급물 포핏 밸브들 각각은 공급물 입구 도관과 직접 유동 교통할 수 있고 하우징 외부의 위치로부터 공급물 입구 도관을 통해 그리고 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 복수의 공급물 포핏 밸브 중 적어도 하나는 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다. 또한, 하나 이상의 퍼지 단계를 수행함에 있어서, 하나 이상의 퍼지 단계 각각은 퍼지 출력 스트림에서 하나 이상의 오염물의 적어도 일부를 안내하기 위해 퍼지 스트림을 흡착제 베드 유닛 내로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 다음, 흡착 및 퍼지 단계는 주기 지속시간이 1초 초과 600초 미만인 적어도 하나의 추가 주기 동안 반복될 수 있다.
또한, 공정은 다른 개선을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 공정은 복수의 밸브들을 개방시키기 위해 공통 작동 기구를 이동시키는 단계; 상기 가스 공급물 스트림을 상기 흡착제 베드에 인접하게 배치된 충전 재료 주위의 유동 경로를 통과시키는 단계; 흡착제 베드와 복수의 공급물 포핏 밸브 사이에 배치된 유동 분배기를 통해 가스 공급물 스트림을 흡착제 베드에 분배하는 단계; 및/또는 적어도 하나의 공급 밸브 스템에 결합된 공급 디스크 요소와 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 공급 시트 사이에 공급 개구를 제공하기 위해 공급 작동 기구와 함께 적어도 하나의 공급 밸브 스템을 선형으로 이동시키는 단계를 포함한다. 또한, 공정은 1초 초과 90초 미만인 주기 지속시간동안 하나 이상의 오염물을 가스 공급물 스트림으로부터 분리하여 생성물 스트림을 형성시키는 단계; 공급물 스트림의 총 용적에 기초하여 1 용량% 초과의 탄화수소를 갖는 탄화수소 함유 스트림인 가스 공급물 스트림을 제공하는 단계; 및/또는 흡착 단계 동안 공급 압력을 400 psia(pounds per square inch absolute) 내지 1,400 psia 범위로 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
시스템 및/또는 흡착제 베드 유닛을 제조하기 위해, 다양한 제조 기술이 이용될 수 있다. 예로서, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법은 내부 영역을 갖는 하우징을 형성하는 단계; 하우징의 내부 영역 내에 흡착제 베드를 배치하는 단계; 하우징 내로 복수의 밸브 포트들을 생성하는 단계; 복수의 밸브들을 형성하기 위해 상기 복수의 밸브 포트들의 각각에서 상기 하우징에 밸브를 고정시키는 단계로서, 상기 복수의 밸브들 각각은 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하고, 상기 복수의 밸브들 중 적어도 하나가 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 고정시키는 단계를 포함한다. 추가적인 변형으로서, 상기 방법은 헤드를 형성하는 단계; 상기 헤드 내에 복수의 밸브 포트들을 생성하는 단계; 및 상기 헤드를 본체 부분에 고정하여 하우징을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 헤드를 형성하는 단계; 플레이트를 형성하는 단계; 상기 복수의 밸브 포트들을 상기 플레이트에 형성하는 단계; 상기 플레이트를 헤드 및 본체 부분에 인접하게 또는 헤드 및 본체 부분 사이에 고정시키는 단계로서, 복수의 밸브들 중 적어도 하나는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 가지며 상기 플레이트에 고정되는 상기 고정 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 헤드를 형성하는 단계; 본체 부분을 형성하는 단계; 상기 본체 부분 내로 복수의 밸브 포트들을 생성하는 단계; 상기 복수의 밸브 포트들을 상기 본체 부분 내에 고정시키는 단계; 및 상기 헤드를 상기 본체 부분에 고정하여 상기 하우징을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 본체 부분을 형성하기 위해, 상기 방법은 제 1 내경을 갖는 제 1 본체 부분을 형성하는 단계 및 제 2 내경을 갖고 상기 제 1 본체 부분에 인접한 제 2 본체 부분을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 내경은 상기 제 1 내경보다 크고 제 1 본체 부분은 흡착제 베드에 인접하다. 또한, 상기 방법은 복수의 밸브들에 공통의 작동 기구를 고정시키는 단계로서, 상기 공통의 작동 기구는 상기 복수의 밸브들을 개방 또는 폐쇄하도록 구성되는 상기 고정 단계; 상기 내부 영역 내에 상기 흡착제 베드에 인접하여 충전 재료를 배치하는 단계로서, 상기 충전 재료는 상기 내부 영역 내의 데드 용적을 감소시키도록 구성되는, 상기 충전 재료를 배치하는 단계; 및/또는 흡착제 베드와 복수의 밸브들 사이에 유동 분배기를 배치하는 단계로서, 유동 분배기는 유체를 흡착제 베드에 분배하도록 구성되는, 상기 유동 분배기를 배치하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 실시예들에 있어서, 상기 물질은 비-흡착제 지지부 상에서 지지되는 흡착제 물질을 포함할 수 있다. 흡착제 물질들의 비제한적인 예들로서는 알루미나, 미세 다공성 제올라이트, 탄소, 양이온성 제올라이트, 고규산 제올라이트, 고규산 주문형 메조포러스 물질, 졸 겔 물질, 알루미늄인 및 산소(ALPO) 물질(알루미늄인 및 산소를 주로 수용하는 미세 다공성 및 메조포러스 물질), 실리콘 알루미늄인 및 산소(SAPO) 물질(주로 실리콘 알루미늄인 및 산소를 수용하는 미세 다공성 및 메조포러스 물질), 금속 유기 프레임워크(MOF) 물질(금속 유기 프레임워크로 구성된 미세 다공성 및 메조포러스 물질) 및 제올라이트성 이미다졸레이트 프레임워크(ZIF) 물질(제올라이트성 이미다졸레이트 프레임워크로 구성된 미세 다공섬 및 메조포러스 물질)을 포함할 수 있다. 다른 물질들은 작용기로 기능화된 미세 다공성 및 중공 극성 흡착제를 포함한다. CO2 제거를 위해 사용될 수 있는 작용기들의 예로서는 1차, 2차, 3차 아민, 및 아미딘, 구아니딘 및 비구아나이드와 같은 다른 비 양자성 기본 그룹들을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 있어서, 상기 흡착제 베드 유닛은 공급물 스트림으로부터의 오염들을 분리하기 위해 사용될 수 있다. 상기 공정은 생성물 스트림을 형성하기 위해 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물을 분리시키기 위한 흡착제 접촉기를 갖는 흡착제 베드 유닛을 통해 공급 압력에서 가스 공급물 스트림을 전달하는 단계로서, 상기 흡착제 접촉기는 제 1 부분 및 제 2 부분을 갖는, 상기 전달 단계; 상기 가스 공급물 스트림의 유동을 중단시키는 단계; 감압화 단계를 수행하는 단계로서, 상기 감압화 단계는 상기 흡착제 베드 유닛 내의 압력을 감소시키는, 상기 감압화 단계를 수행하는 단계; 퍼지 단계를 수행하는 단계로서, 상기 퍼지 단계는 상기 흡착제 베드 유닛 내의 압력을 감소시키고 또한, 상기 퍼지 단계는 상기 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 중간 퍼지 분배 구역으로 퍼지 스트림을 전달시키는 단계를 포함하는, 상기 퍼지 단계를 수행하는 단계; 재압축 단계를 수행하는 단계로서, 상기 재압축 단계는 상기 흡착제 베드 유닛 내의 압력을 증가시키는, 상기 재압축 단계를 수행하는 단계; 및 적어도 하나의 추가적인 주기를 위해 상기 a) 내지 e) 단계들을 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 하나 이상의 실시예들에 있어서, 상기 흡착제 베드 유닛은 가스 혼합물로부터 목표 가스의 분리를 위해 사용될 수 있는 흡착제를 포함할 수 있다. 상기 흡착제는 일반적으로 비-흡착제 지지부, 또는 접촉기 상에서 지지되는 흡착제 물질로 구성된다. 그와 같은 접촉기는 대체로 평행한 유동 채널들을 포함하며, 상기 유동 채널들을 제외한, 상기 접촉기의 개방 공극 부피의 20 부피%, 적합하게는 15 부피% 또는 그 이하가 약 20 옹스트롬보다 큰 공극들 내에 존재한다. 만약 정상 상태의 압력차가 공급물 스트림이 상기 접촉기로 들어가는 지점 또는 장소와 생성물 스트림이 상기 접촉기로 들어가는 지점 또는 장소 사이에 인가되면, 유동 채널은 가스가 유동하는 상기 접촉기의 해당 부분이 되도록 취해진다. 상기 접촉기에 있어서, 상기 흡착제는 상기 유동 채널의 벽 내에 합체된다.
또다른 실시예에서, 가스 공급물 스트림으로부터 오염 물질을 제거하기 위한 순환 스윙 흡착제 베드 유닛이 설명된다. 흡착제 베드 유닛은: 내부 영역을 형성하는 하우징; 상기 내부 영역 내에 배치된 흡착제 베드; 및 상기 하우징에 고정된 복수의 밸브들을 포함하며, 상기 복수의 밸브들 각각은 도관을 통해 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되며, 상기 복수의 밸브들 중 적어도 하나를 통한 유동 경로는 상기 유동 경로에 실질적으로 수직인 방향을 따라 상기 흡착제 베드의 외부 에지를 넘어서 배치된다.
또한, 흡착제 베드 유닛은 능동 제어 포핏 밸브 및 수동 제어 밸브를 포함할 수 있다. 능동 제어 포핏 밸브는 능동 제어 포핏 밸브 조립체로 지칭될 수 있으며, 각각은 헤드 내에 설치 가능한 디스크 요소에 고정된 스템 요소 또는 헤드 내에 삽입된 개별 밸브 시트 내에 설치 가능한 디스크 요소를 포함할 수 있다. 스템 요소는 각각의 밸브가 각각의 스템 요소에 선형 운동을 부여하도록 구성된 전자 유압식 또는 전기 - 공압식 작동 기구와 같은 작동 기구에 연결될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 작동 기구는 단일 밸브를 작동시키는 공정의 상이한 단계에 대해 독립적으로 작동될 수 있거나 또는 단일 작동 기구가 2 개 이상의 밸브를 제어하는데 이용될 수 있다. 예로서, 능동 제어 포핏 밸브를 개방시키는 것은 적어도 하나의 밸브 스템에 결합된 디스크 요소와 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 시트 사이에 개구를 제공하기 위해 적어도 하나의 밸브 스템을 작동 기구로 선형 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 능동 제어 포핏 밸브를 개방시키는 것은 밸브 스템에 고정된 리프트 플레이트를 작동 기구로 선형 이동시켜 개구를 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 밸브 스템 각각은 디스크 요소에 고정되고, 각각의 개구는 디스크 요소와 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 관련 시트 사이의 갭 또는 유동 경로를 형성한다.
수동 제어 밸브는 수동 제어 포핏 밸브, 수동 제어형 체크 밸브, 수동 제어 리드 밸브 및 기타 적절한 수동 제어 밸브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수동 제어 포핏 밸브 조립체로 지칭될 수 있는 수동 제어 포핏 밸브는 헤드 내에 설치 가능한 디스크 요소 또는 베드 내에 삽입된 개별 밸브 내에 설치 가능한 디스크 요소에 고정된 스템 요소를 포함할 수 있다. 스템 요소는 각각의 밸브가 각각의 스템 요소에 선형 운동을 부여하도록 구성된 스프링 또는 다른 편향 기구와 같은 편향 기구에 연결될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 편향 기구는 공정의 상이한 단계에 대해 독립적으로 작동될 수 있고 단일 밸브 또는 2 개 이상의 밸브를 작동시키기 위해 압력 차에 기초하여 작동될 수 있다. 수동 제어 포핏 밸브의 한 구성은 스프링 적재식 수동 제어 포핏 밸브를 포함할 수 있다. 이러한 스프링 적재 구성에서, 디스크 요소는 중공의 스템 요소 내에 적어도 부분적으로 배치된 스프링을 갖는 중공의 스템 요소와 통합 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 수동 제어 포핏 밸브의 개방은 적어도 하나의 생성물 밸브 스템에 결합된 생성물 디스크 요소와 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 생성물 시트 사이에 생성물 개구를 제공하기 위해 생성물 편향기구에 의해 적어도 하나의 생성물 밸브 스템을 선형으로 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 생성물 편향 기구는 특정 임계치를 초과하는 내부 영역과 생성물 도관 사이의 압력 차에 기초하여 선형으로 이동하도록 구성될 수 있다. 다른 구성에서, 압력 차에 기초한 선형 이동은 위상으로 작동하는 다양한 밸브에 대해 상이할 수 있다. 예를 들어, 위상으로 작동하는 수동 제어 밸브는 25% 미만, 20% 미만 또는 10% 미만의 범위 또는 차동 창을 포함할 수 있다(예 : 차동 창은 최고 압력차에서 최저 압력 차를 뺀 값으로 계산될 수 있고 그 차이는 최고 압력차로 나누어짐). 또다른 예로서, 수동 제어 밸브는 일 단부에 고정된 금속 또는 복합 재료의 가요성 스트립으로 구성되고 수동 제어된 유동 영역을 개방하도록 구부러지는 리드 밸브로서 구성될 수 있다. 수동 제어 리드 밸브는 주어진 풋프린트에서 주어진 압력 차이에서 더 많은 유량을 제공하기 위해 활용될 수 있다.
특정 실시예에서, 스윙 흡착 시스템은 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 오염물은 CO2를 포함할 수 있다. 따라서, 시스템 및 공정은 공급물 스트림 내의 CO2 수준을 생성물 스트림의 미리 규정된 사양 미만[예: 50ppmv(parts per million volume) CO2 이하]으로 낮추는데 사용될 수 있다. 다른 예로서, 오염물은 H2O를 포함할 수 있다. 시스템 및 공정은 공급물 스트림의 H2O 수준을 생성물 스트림의 미리 규정된 사양 미만(예: 150ppmv 미만의 H2O, 105ppmv 미만의 H2O, 30ppmv 미만의 H2O, 10ppmv 미만의 H2O, 1ppmv 미만의 H2O 또는 0.1ppmv 미만의 H2O)으로 낮추는데 사용될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 본 기술에서의 고속 순환 스윙 흡착 공정은 고속 순환 온도 스윙 흡착(RCTSA) 및 압력 스윙 흡착(PSA)이다. 예를 들어, 총 주기 시간은 1 초보다 크거나 2 초보다 클 수 있고; 600초 미만, 300초 미만, 바람직하게는 200초 미만, 보다 바람직하게는 100초 미만, 90초 미만 또는 더욱 바람직하게는 60초 미만일 수 있다. 예를 들어, 주기 지속시간은 1초 초과 600초 미만의 주기 동안일 수 있고, 주기 지속시간은 1초 초과 300초 미만의 주기 동안 또는 주기 지속시간은 1초 초과 및 200초 미만의 주기 동안이다.
개시된 본 발명의 원리들이 제공될 수 있는 많은 가능한 실시예들을 고려할 때, 예시적인 실시예들은 오직 본 발명의 적합한 예들에 불과할 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 사실이 인정되어야 한다.

Claims (38)

  1. 가스 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 순환 스윙 흡착제 베드 유닛으로서,
    내부 영역을 형성하는 하우징;
    상기 내부 영역 내에 배치된 흡착제 베드;
    상기 하우징에 고정된 복수의 밸브들로서, 상기 복수의 밸브들 각각은 상기 하우징 외부의 위치로부터 도관을 통해 상기 흡착제 베드로 연장하는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되며, 상기 복수의 밸브들 중 적어도 하나는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 복수의 밸브들;을 포함하고,
    상기 흡착제 베드의 일 측면 상의 밸브들 모두는 상기 흡착제 베드의 상기 계면 단면 영역의 외부에 배치되며,
    상기 흡착제 베드는 모듈식 유닛인, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징은 상기 하우징을 형성하기 위해 본체 부분에 결합되는 헤드를 포함하고, 상기 복수의 밸브들은 상기 헤드에 고정되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징은:
    상기 하우징을 형성하기 위해 본체 부분에 결합되는 헤드로서, 상기 복수의 밸브들 중 하나 이상이 상기 헤드에 고정되는, 상기 헤드; 및
    상기 헤드에 인접한 플레이트로서, 상기 복수의 밸브들 중 적어도 하나는 상기 플레이트에 고정되는, 상기 플레이트;를 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징은 본체 부분과 결합되는 헤드를 포함하고, 상기 복수의 밸브들은 상기 본체 부분에 고정되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  5. 삭제
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체 부분은 제 1 내경을 가지며 상기 흡착제 베드를 둘러싸는 제 1 본체 부분과 제 2 내경을 가지며 상기 제 1 본체 부분에 인접한 제 2 본체 부분을 포함하고, 상기 제 2 내경은 상기 제 1 내경보다 큰, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  7. 삭제
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 밸브들은 공통 작동 기구를 통해 작동되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착제 베드 유닛은 상기 흡착제 베드에 인접하여 배치되고 상기 내부 영역 내의 데드 용적(dead volume)을 감소시키도록 구성된 충전 재료를 추가로 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착제 베드 유닛은 상기 흡착제 베드와 상기 복수의 밸브들 사이에 배치된 유동 분배기를 추가로 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 5 psia(pounds per square inch absolute) 내지 1,400 psia의 압력을 유지하도록 구성되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  12. 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 공정으로서,
    a) 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 흡착 단계 각각은: (i) 공급물 입구 도관으로부터 상기 흡착제 베드 유닛의 하우징의 내부 영역에 배치된 흡착제 베드로 가스 공급물 스트림을 통과시키기 위해 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계로서, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들 각각은 상기 공급물 입구 도관과 직접 유동 교통하고 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 공급물 입구 도관을 통해서 상기 흡착제 베드로 연장하는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되고, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들 중 적어도 하나는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖고, 상기 흡착제 베드의 일 측면 상의 밸브들 모두는 상기 흡착제 베드의 상기 계면 단면 영역의 외부에 배치되며, 상기 흡착제 베드는 모듈식 유닛인, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계; (ii) 상기 가스 공급물 스트림을 상기 흡착제 베드에 노출시키고 상기 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물을 분리하여 생성물 스트림을 형성하는 단계; 및 (iii) 하나 이상의 생성물 포핏 밸브를 개방하여 상기 하우징 내의 내부 영역으로부터 생성물 도관으로 상기 생성물 스트림을 안내하는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계;
    b) 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 퍼지 단계 각각은 퍼지 스트림을 상기 흡착제 베드 유닛 안으로 통과시켜서 퍼지 출력 스트림 중의 상기 하나 이상의 오염물의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계; 및
    c) 적어도 하나의 추가 주기 동안 상기 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계로서, 상기 주기 지속시간이 1초 초과 600초 미만의 기간인, 상기 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계;를 포함하는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계는 공통 작동 기구를 이동시켜서 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계를 추가로 포함하는, 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계는 상기 흡착제 베드에 인접하게 배치된 충전 재료 주위의 유동 경로를 통해 상기 가스 공급물 스트림을 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계는 상기 흡착제 베드와 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들 사이에 배치된 유동 분배기를 통해 상기 흡착제 베드로 상기 가스 공급물 스트림을 분배하는 단계를 추가로 포함하는, 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  16. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계는 공급 작동 기구로 적어도 하나의 공급 밸브 스템을 선형으로 이동시켜서 상기 적어도 하나의 공급 밸브 스템에 결합된 공급 디스크 요소와 상기 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 공급 시트 사이에 공급 개구를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  17. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 주기 지속시간은 상기 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물을 분리하여 상기 생성물 스트림을 형성하기 위한 1초 초과 300초 미만의 기간 동안인, 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  18. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 가스 공급물 스트림은 상기 가스 공급물 스트림의 총 부피에 기초하여 1 부피% 초과의 탄화수소를 갖는 탄화수소 함유 스트림인, 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  19. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 가스 공급물 스트림의 공급 압력은 400 psia 내지 1400 psia 범위내에 있는, 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  20. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계는 이산화탄소(CO2) 수준을 50ppmv(parts per million volume) 미만으로 낮추도록 구성되는, 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  21. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계는 물(H2O) 수준을 105ppmv 미만으로 낮추도록 구성되는, 오염물들을 제거하기 위한 공정.
  22. 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법으로서,
    내부 영역을 갖는 하우징을 형성하는 단계;
    상기 하우징의 내부 영역 내에 흡착제 베드를 배치하는 단계;
    상기 하우징 내로 복수의 밸브 포트들을 생성하는 단계;
    상기 복수의 밸브 포트들의 각각에서 상기 하우징에 밸브를 고정하여 복수의 밸브들을 형성하는 단계로서, 상기 복수의 밸브들 각각은 상기 하우징의 외부의 위치로부터 상기 흡착제 베드로 연장하는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되고, 상기 복수의 밸브들 중 적어도 하나는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 복수의 밸브들을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 흡착제 베드의 일 측면 상의 밸브들 모두는 상기 흡착제 베드의 상기 계면 단면 영역의 외부에 배치되며,
    상기 흡착제 베드는 모듈식 유닛인, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 하우징 내로 상기 복수의 밸브 포트들을 생성하는 단계는:
    헤드를 형성하는 단계;
    상기 헤드 내로 상기 복수의 밸브 포트들을 생성하는 단계; 및
    상기 헤드를 본체 부분에 고정하여 상기 하우징을 형성하는 단계;를 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    헤드를 형성하는 단계;
    플레이트를 형성하는 단계;
    상기 복수의 밸브 포트들을 상기 플레이트 내에 생성하는 단계;
    상기 플레이트를 상기 헤드와 본체 부분에 인접하게 고정하여 상기 하우징을 형성하는 단계로서, 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는 상기 복수의 밸브들 중 적어도 하나는 상기 플레이트에 고정되는, 상기 하우징을 형성하는 단계;를 추가로 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 하우징 내로 상기 복수의 밸브 포트들을 생성하는 단계는:
    헤드를 형성하는 단계;
    본체 부분을 형성하는 단계;
    상기 본체 부분 내에 상기 복수의 밸브 포트들을 생성하는 단계;
    상기 본체 부분 내에 상기 복수의 밸브 포트들을 고정시키는 단계; 및
    상기 하우징을 형성하기 위해 상기 헤드를 상기 본체 부분에 고정하는 단계;를 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 본체 부분을 형성하는 단계는 제 1 내경을 갖는 제 1 본체 부분을 형성하는 단계 및 제 2 내경을 가지며 상기 제 1 본체 부분에 인접한 제 2 본체 부분을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 내경은 상기 제 1 내경보다 크고, 상기 제 1 본체 부분은 상기 흡착제 베드에 인접하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 본체 부분을 형성하는 단계는 제 1 내경을 갖는 제 1 본체 부분을 형성하는 단계 및 제 2 내경을 가지며 상기 제 1 본체 부분에 인접한 제 2 본체 부분을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 내경은 상기 제 1 내경보다 작고 상기 제 1 본체 부분은 상기 흡착제 베드에 인접하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법.
  28. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 밸브들에 공통 작동 기구를 고정시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 공통 작동 기구는 상기 복수의 밸브들을 개방 또는 폐쇄하도록 구성되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법.
  29. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 영역 내에서 상기 흡착제 베드에 인접하게 충전 재료를 배치하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 충전 재료는 상기 내부 영역 내의 데드 용적을 감소시키도록 구성되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법.
  30. 제 22 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착제 베드와 상기 복수의 밸브들 사이에 유동 분배기를 배치하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 유동 분배기는 상기 흡착제 베드에 유체를 분배하도록 구성되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 제조하는 방법.
  31. 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정으로서,
    a) 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 흡착 단계 각각은: (i) 공급물 입구 도관으로부터 상기 흡착제 베드 유닛의 하우징의 내부 영역에 배치된 흡착제 베드로 가스 공급물 스트림을 통과시키기 위해 하나 이상의 공급물 포핏 밸브를 개방시키는 단계로서, 상기 하나 이상의 공급물 포핏 밸브 각각은 상기 공급물 입구 도관과 직접 유동 교통하고 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 공급물 입구 도관을 통해서 상기 흡착제 베드로 연장하는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 공급물 포핏 밸브를 개방시키는 단계, (ii) 상기 가스 공급물 스트림을 상기 흡착제 베드에 노출시키고 상기 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물을 분리하여 생성물 스트림을 형성하는 단계, 및 (iii) 하나 이상의 생성물 포핏 밸브를 개방하여 상기 하우징 내의 내부 영역으로부터 생성물 도관으로 상기 생성물 스트림을 안내하는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계;
    b) 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 퍼지 단계 각각은 퍼지 스트림을 하나 이상의 퍼지 포핏 밸브를 통해 상기 흡착제 베드 유닛으로 통과시키고, 하나 이상의 퍼지 출력 포핏 밸브를 통해서 퍼지 출력 스트림 중에 상기 하나 이상의 오염물의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 상기 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계; 및
    c) 적어도 하나의 추가 주기 동안 상기 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계로서, 상기 주기 지속시간은 1초 초과 600초 미만의 기간이고, 상기 하나 이상의 공급물 포핏 밸브, 하나 이상의 생성물 포핏 밸브, 하나 이상의 퍼지 포핏 밸브, 또는 하나 이상의 퍼지 출력 포핏 밸브 중 적어도 하나는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계;를 포함하고,
    상기 흡착제 베드의 일 측면 상의 밸브들 모두는 상기 흡착제 베드의 상기 계면 단면 영역의 외부에 배치되며,
    상기 흡착제 베드는 모듈식 유닛인, 오염물들을 제거하는 공정.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계는 공통 작동 기구를 이동시켜서 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방하는 단계를 추가로 포함하는, 오염물들을 제거하는 공정.
  33. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계는 상기 흡착제 베드에 인접하게 배치된 충전 재료 주위의 유동 경로를 통해 상기 가스 공급물 스트림을 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 오염물들을 제거하는 공정.
  34. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서, 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들을 개방시키는 단계는 상기 흡착제 베드와 상기 복수의 공급물 포핏 밸브들 사이에 배치된 유동 분배기를 통해 상기 가스 공급물 스트림을 상기 흡착제 베드로 분배하는 단계를 추가로 포함하는, 오염물들을 제거하는 공정.
  35. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서, 상기 복수의 공급 포핏 밸브를 개방시키는 단계는 공급 작동 기구로 적어도 하나의 공급 밸브 스템을 선형으로 이동시켜서 상기 적어도 하나의 공급 밸브 스템에 결합된 공급 디스크 요소와 상기 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 공급 시트 사이에 공급 개구를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 오염물들을 제거하는 공정.
  36. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서, 상기 주기 지속시간은 상기 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물을 분리하여 상기 생성물 스트림을 형성하기 위해 1초 초과 300초 미만의 기간인, 오염물들을 제거하는 공정.
  37. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서, 상기 가스 공급물 스트림은 상기 가스 공급물 스트림의 총 부피에 기초하여 1 부피% 초과의 탄화수소를 갖는 탄화수소 함유 스트림인, 오염물들을 제거하는 공정.
  38. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서, 상기 가스 공급물 스트림의 공급 압력은 400 psia 내지 1,400 psia 범위 내에 있는, 오염물들을 제거하는 공정.
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