KR102557207B1 - 비투과 가스의 높은 회수율을 위한 멤브레인 공정 및 시스템 - Google Patents

비투과 가스의 높은 회수율을 위한 멤브레인 공정 및 시스템 Download PDF

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Abstract

복수의 멤브레인 분리 스테이지를 사용하여 원료 공급 가스 스트림을 분리하는 방법은 가압 공급 가스 스트림을 제1 비투과물 스트림 및 제1 투과물 스트림으로 분리하는 단계, 상기 제1 투과물 스트림을 압축하여 압축된 제1 투과물 스트림을 형성하는 단계, 상기 압축된 제1 투과물 스트림을 제2 비투과물 스트림과 제2 투과물 스트림으로 분리시키는 단계, 상기 상기 제2 투과물 스트림을 제3 비투과물 스트림 및 제3 투과물 스트림으로 분리하는 단계, 상기 상기 제3 비투과물 스트림을 원료 공급 가스 스트림과 조합하여 조합된 공급물 스트림을 형성하는 단계, 상기 조합된 공급물 스트림을 압축하여 압축되고 조합된 공급물 스트림을 형성하는 단계, 및 및 상기 제2 비투과물과 상기 압축되고 조합된 공급물 스트림을 조합하여 상기 압축된 공급 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

비투과 가스의 높은 회수율을 위한 멤브레인 공정 및 시스템{MEMBRANE PROCESS AND SYSTEM FOR HIGH RECOVERY OF A NONPERMEATING GAS}
본 출원은 바이오가스로부터의 메탄 회수를 위한 멀티-스테이지(multi-stage) 멤브레인 공정 및 시스템에 관한 것이다.
AIChE Journal(vol 42, 1996 p 2141)에서 Agrawal 및 Xu에 의한 "Gas Separation Membrane Cascades Using Limited Numbers of Compressors"에 기술된 것과 같은 멀티-스테이지 캐스케이드 설계는 20년 이상 당업계에 알려져 있다. 그러나, 이들 설계는 모든 투과물 스트림(permeate stream)이 후속 멤브레인에 공급되기 전에 압축되어야 한다는 것을 교시한다. 또한, 종래의 캐스케이드형 설계에서, 투과물 스트림이 재압축되지 않은 경우, 이는 고압 공급 가스로서가 아니라, 후속 멤브레인 스테이지의 투과물 측에 저압 스윕 가스(sweep gas)로서 공급되었다.
도 5(US 2019/0224617)에 도시된 바와 같이, 하나의 선행 기술의 멀티-스테이지 멤브레인 시스템에서, 제1 멤브레인 스테이지는 제1 투과물 스트림 및 제1 비투과물 스트림을 생성하기 위해 공급물 스트림(+ 재순환 스트림)을 분리하고; 제2 멤브레인 스테이지는, 제2 비투과물 스트림(바이오메탄 생성물)을 생성하기 위한 제1 투과물 스트림 및 공급물 스트림으로 재순환되는 제2 투과물 스트림을 분리하며; 압축기는 제3 멤브레인 스테이지에서 분리되는 제1 침투물 스트림을 압축하여, 시스템을 빠져나가는 제3 투과물 스트림, 및 상기 가압된 공급물 스트림으로 다시 재순환되는 제3 비투과물을 생성한다.
도 6(EP 2588217)에 도시된 바와 같이, 다른 선행 기술의 멀티-스테이지 멤브레인 시스템에서, 3-스테이지(three-stage) 멤브레인 시스템은 재압축 없이 작동된다.
요약
본 발명의 구현예에서, 대기압 또는 대기압에 가까운 조합된 원료 공급 가스, + 저압 재순환 스트림 (즉, 제3 비투과물 스트림), 및 제1 멤브레인 스테이지에서 토출되는 투과물 스트림은 압축되고; 제3 멤브레인 스테이지로 공급되기 전에 제2 멤브레인 스테이지로부터 토출되는 투과물 스트림은 압축되지 않는다. 또한, 투과물 스트림 중 어느 것도 스윕 가스로서 사용되지 않는다.
양태 1. 복수의 멤브레인 분리 스테이지를 사용하여 원료 공급 가스 스트림을 분리하는 방법으로서, 상기 방법은 가압 공급 가스 스트림을 제1 비투과물 스트림 및 제1 투과물 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제1 투과물 스트림을 압축하여 압축된 제1 투과물 스트림을 형성하는 단계; 상기 압축된 제1 투과물 스트림을 제2 비투과물 스트림과 제2 투과물 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제2 투과물 스트림을 제3 비투과물 스트림 및 제3 투과물 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제3 비투과물 스트림을 원료 공급 가스 스트림과 조합하여 조합된 공급물 스트림을 형성하는 단계; 및 상기 조합된 공급물 스트림을 압축하여 상기 압축되고 조합된 공급물 스트림을 형성하는 단계; 및 상기 제2 비투과물 스트림을 상기 압축되고 조합된 공급물 스트림과 조합하여 상기 가압 공급 가스 스트림을 형성하는 단계를 포함한다.
양태 2. 양태 1에 있어서, 상기 제1 비투과물 스트림을 생성물 가스 스트림으로서 회수하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 3. 양태 1 또는 양태 2에 있어서, 상기 제3 투과물 스트림을 폐가스 스트림으로서 회수하는 단계를 추가로 포함하는, 제조 방법.
양태 4. 양태 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 비투과물 스트림의 압력을 제어하는 단계; 및 상기 제3 비투과물 스트림 압력을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 5. 양태 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 비투과물 스트림을 제4 비투과물 스트림 및 제4 투과물 스트림으로 분리하는 단계; 상기 제3 비투과물 스트림을 상기 원료 공급물 가스 스트림과 조합하기 전에 상기 제4 투과물 스트림을 상기 제3 비투과물 스트림으로 조합하여 상기 조합된 공급물 스트림을 형성하는 단계; 및 상기 제4 비투과물 스트림을 생성물 가스 스트림으로서 회수하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 6. 양태 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 투과물 스트림 및 상기 제3 투과물 스트림 중 적어도 하나에 음압을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
양태 7. 원료 공급 가스 스트림을 분리하기 위한 멀티-스테이지 멤브레인 시스템으로서, 가압된 원료 공급 가스 스트림을 수용하기 위한 제1 공급 포트, 제1 비투과물 스트림을 토출시키기 위한 제 1 비투과물 유출구, 및 제1 투과물 스트림을 토출시키기 위한 제1 투과물 유출구; 상기 제1 투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 제1 투과물 유출구에 작동적으로 연결된 스테이지간 압축기 유입구 및 압축된 제1 투과물 스트림을 토출시키기 위한 스테이지간 압축기 유출구를 갖는 스테이지간 압축기; 상기 압축된 상기 제1 투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 스테이지간 압축기 유출구에 작동적으로 연결된 제2 공급 포트, 제2 투과물 스트림을 토출시키기 위한 제2 공급물 유출구, 및 제2 비투과물 스트림을 토출시키기 위한 제2 비투과물 유출구를 갖는 제2 멤브레인 스테이지; 상기 제2 투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 제2 투과물 유출구에 작동적으로 연결된 제3 공급물 포트, 상기 제3 투과물 스트림을 토출시키기 위한 제3 투과물 유출구, 및 제3 비투과물 스트림을 토출시키기 위한 제3 비투과물 유출구를 갖는 제3 멤브레인 스테이지; 원료 공급 가스 스트림을 수용하기 위한 원료 공급 가스 유입구, 상기 제3 투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 제3 공급물 유출구에 작동적으로 연결된 제1 재순환 유입구, 및 상기 원료 공급 가스 스트림과 상기 제3 투과물 스트림의 혼합물로 이루어진 조합된 공급물 스트림을 토출하기 위한 제1 혼합물 유출구를 갖는 제1 혼합 합류부; 상기 조합된 공급물 스트림을 수용하기 위해 제1 혼합물 유출구에 작동적으로 연결된 공급물 압축기 유입구 및 상기 압축되고 조합된 공급물 스트림을 토출시키기 위한 공급물 압축기 유출구를 갖는 공급물 압축기; 및 상기 압축되고 조합된 공급물 스트림을 수용하기 위해 상기 공급물 압축기 유출구에 작동적으로 연결된 조합된 공급물 유입구, 상기 제2 비투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 제2 비투과물 유출구에 작동가능하게 연결된 제2 재순환 유입구, 및 상기 제1 공급물 포트에 작동적으로 연결되어, 상기 압축되고 조합된 공급물 스트림과 상기 제2 비투과물 스트림의 혼합물로 이루어진 가압된 원료 공급물 가스 스트림을 상기 제1 멤브레인 스테이지에 공급하는 제2 혼합물 유출구를 갖는 제2 혼합 합류부를 포함하는, 멀티-스테이지 멤브레인 시스템.
양태 8. 양태 7에 있어서, 상기 제1 투과물 스트림을 수용하기 위해 제1 비투과물 유출구에 작동적으로 연결된 제4 공급 포트, 제4 투과물 스트림을 토출시키기 위한 제4 투과물 유출구 포트, 및 제4 비투과물 스트림을 토출하기 위한 제4 비투과물 유출구를 갖는 제4 멤브레인 스테이지를 추가로 포함하되; 상기 제3 비투과물 스트림이 제1 혼합 합류부 내로 수용되기 전에 상기 제4 침투물 스트림은 제3 비투과물 스트림과 조합되는, 시스템.
양태 9. 양태 7 또는 양태 8에 있어서, 상기 제1 투과물 유출구에 음압을 적용하기 위한 제1 투과물 진공 펌프를 추가로 포함하는, 시스템.
양태 10. 양태 7 내지 양태 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 제3 투과물 유출구에 음압을 적용하기 위한 제3 투과물 진공 펌프를 추가로 포함하는, 시스템.
양태 11. 양태 7 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 멤브레인 스테이지, 상기 2 멤브레인 스테이지 및 상기 3 멤브레인 스테이지는 각각 동일한 투과성 및 선택성의 멤브레인을 갖는, 시스템.
양태 12. 양태 7 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 멤브레인 스테이지, 상기 제2 멤브레인 스테이지 및 상기 제3 멤브레인 스테이지 중 하나는 다른 2개의 스테이지와 상이한 투과성 및 선택성의 멤브레인을 갖는, 시스템.
양태 13. 양태 7 내지 양태 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 멤브레인 스테이지, 제2 멤브레인 스테이지 및 제3 멤브레인 스테이지 각각은 각각의 다른 스테이지와 상이한 투과성 및 선택성의 멤브레인을 갖는, 시스템.
본 명세서에 개시된 시스템의 다양한 양태는 단독으로 또는 서로 조합하여 사용될 수 있다.
도 1은 2개의 압축기를 사용하는 3-스테이지(three-stage) 멤브레인 시스템 및 공정의 구현예의 공정 흐름도이다.
도 2는 2개의 압축기를 사용하는 4-스테이지 멤브레인 시스템 및 공정의 다른 구현예의 공정 흐름도이다.
도 3은 선행 기술의 3-스테이지 멤브레인 구성의 압축기 동력을 본 발명의 3-스테이지 구현예와 비교한 그래프이다.
도 4는 선행 기술의 3-스테이지 멤브레인 구성의 멤브레인 면적을 본 발명의 3-스테이지 구현예와 비교한 그래프이다.
도 5는 2개의 압축기를 사용하는 선행 기술의 3-스테이지 멤브레인 시스템 및 공정의 공정 흐름도이다.
도 6은 재압축이 없는 선행 기술의 3-스테이지 멤브레인 시스템 및 공정의 공정 흐름도이다.
상세한 설명
도 1은 2개의 압축기를 포함하는 3-스테이지 멤브레인 바이오가스 업그레이드 시스템(10)의 구현예를 도시한다. 바이오가스를 업그레이드 또는 분리하는데 사용될 때, 적어도 99.5% 메탄 회수를 달성할 수 있다. 바이오가스는 전형적으로 주요 구성성분으로서 이산화탄소(CO2) 및 메탄(CH4)을, 때때로 산소(O2) 및 질소(N2)와 같은 다른 소수 구성성분과 함께 포함한다. 본 시스템에서 사용되는 멤브레인은 CH4보다 CO2에 대해 선택적이며, 이는 CO2가 비교적 높은 속도로 멤브레인을 우선적으로 가로지르는 빠른 투과 가스로 간주되는 반면, CH4는 비교적 낮은 속도로 멤브레인을 가로지르는 느린 투과 가스임을 의미한다. 본원에서 약칭되는 바와 같이, 빠른 투과 가스 및 느린 투과 가스는 각각 고속 가스 및 고속 가스로 지칭될 수 있다. 멤브레인을 통한 가스 투과성은, 투과 속도가 분자 크기(확산도) 및 중합체에서의 분자 용해도의 함수이고 구동력에 비례하는 용액-확산 수송 메커니즘에 의해 좌우된다. 가스 분리를 위한 구동력은 멤브레인의 고압측과 저압측 사이의 부분 압력 차이이다. 가스 혼합물의 각각의 가스 성분의 가스 투과성은 통상적으로 상이할 것이고, 각각의 가스 성분들의 부분 압력은 가스 혼합물의 총 압력뿐만 아니라 가스 혼합물 내의 그 상대 농도에 명백하게 비례할 것이다.
멤브레인은 1980년대 몬산토(Monsanto)가 수소 정제를 위해 그들의 PRISM® 멤브레인을 상업화했을 때부터 가스 분리 공정에 사용되어 왔다. 이후로, 멤브레인은 천연 가스 감미, 질소 생성 및 탈수로 제한되지 않는 다양한 적용에서 용도가 발견되었다. 보다 최근에는, 멤브레인이, 아민 스크러빙(scrubbing) 및 수세(water washing)와 같은 전통적인 기술을 대체하는 바이오가스 업그레이드의 성장하는 분야에서 사용되어 왔다. 멤브레인은 감소된 풋프린트, 이동 부품 없음, 및 추가의 처리를 필요로 하는 소모품 또는 부산물과 같은 기존 분리 기술에 비해 많은 이점을 제공한다.
도 1의 구현예에서, 빠른 및 저속 가스의 혼합물(예를 들어, CO2 및 CH4를 함유하는 바이오가스)을 함유하는 원료 공급 가스 스트림(30)은 시스템(10) 내로 공급된다. 제1 재순환 스트림(48)(또한, 후술하는 바와 같이, 제3 비투과물 스트림(48)으로 불림)은 원료 공급 가스 스트림(30) 내로 혼합되어 조합된 공급물 스트림(32)을 형성한다. 조합된 공급물 스트림(32)은 공급물 압축기(12)에서 더 높은 압력으로 압축되어 압축되고 조합된 공급물 스트림(34)을 생성한다. 제2 재순환 스트림(44)(또한, 후술하는 바와 같이, 제2 비투과물 스트림(44)으로 불림)은 압축되고 조합된 공급물 스트림(34) 내로 혼합되어 가압 공급 가스 스트림(36)을 형성한다.
느린 투과 가스와 빠른 투과 가스의 혼합물을 함유하는 가압 공급 가스 스트림(36)은 저속 가스보다 고속 가스에 대해 선택적인 가스 분리 멤브레인을 갖는 제1 멤브레인 스테이지(20)에 공급된다. 제어 밸브(16)(또는 제한 오리피스와 같은 압력을 유지할 수 있는 다른 장치)는 제1 멤브레인 스테이지(20)를 가로질러 적절한 압력을 유지하기 위해 사용된다. 바이오가스의 경우, CO2는 CH4보다 훨씬 더 빠르게 침투할 것이다. 주로 고속 가스 + 소수의 저속 가스를 포함하는 가스는 멤브레인을 투과하고 제1 투과물 스트림(40)으로서 제1 멤브레인 스테이지(20)를 빠져나가는 반면, 주로 저속 가스 및 멤브레인을 투과하지 못하는 소수의 고속 가스를 포함하는 가스가 제1 비투과물 스트림(38)으로서 방출되고 회수된다. 본원의 설명에서, 용어 보유물 및 비투과물은 동의어로 사용될 수 있다.
제1 비투과물 스트림(38)은 고농도의 저속 가스 및 초저농도의 고속 가스를 갖는 저속 가스의 최종 생성물 스트림으로서 회수될 수 있다. 제1 투과물 스트림(40)은 제1 스테이지 투과물 압축기(14)(스테이지간 압축기라고도 함)에서 재압축되어, 압축된 제1 투과물 스트림(42), 즉 제2 멤브레인 스테이지(22)로 공급되는, 일부 양의 느린 투과 가스와 빠른 투과 가스의 가압 혼합물을 생성한다.
제2 멤브레인 스테이지(22)에서, 주로 고속 가스 + 소수의 저속 가스를 포함하는 가스는 멤브레인을 투과하고 제2 투과물 스트림(46)으로서 제2멤브레인 스테이지(12)를 빠져나가는 반면, 주로 저속 가스 + 멤브레인을 투과하지 못하는 소수의 고속 가스를 포함하는 가스가 제2 비투과물 스트림(44)으로서 방출되고 회수된다. 제2 비투과물 스트림(44)은, 멤브레인을 투과하지 못하여 압축기(14)에 의한 재압축으로부터 유익하기 때문에 가압된 상태로 유지된다. 제2 비투과물 스트림(44)은 공급물 압축기(12)의 하류에서 압축되고 조합된 공급물 스트림(34)으로 다시 재순환된다.
제2 투과물 스트림(46)은 임의의 재압축 없이 제3 멤브레인 스테이지(24)로 공급된다. 제3 멤브레인 스테이지(24)에서, 주로 고속 가스 + 소수의 저속 가스를 포함하는 가스는 멤브레인을 투과하고 제3 투과물 스트림(50)으로서 제3 멤브레인 스테이지(34)를 빠져나가는 반면, 주로 저속 가스 +가스가 멤브레인을 투과하지 못하는 소수의 고속 가스를 포함하는 가스는 제3 비투과물 스트림(48)으로서 방출되고 회수된다. 제3 비투과물 스트림(48)은 공급물 압축기(12)의 상류에서 원료 공급 가스 스트림(30)으로 다시 재순환된다. 제어 밸브(18)는 제3 멤브레인 스테이지(24)를 가로질러 적절한 압력을 유지하기 위해 사용된다. 제3 투과물 스트림(50)은 고속-가스 풍부 스트림이며, 이는 바이오가스의 경우에 주로 응용에 따라 추가로 배기되거나 처리될 수 있는 CO2일 수 있다.
선택적으로, 진공 펌프(도시되지 않음)는 제1 투과물 스트림(40) 및/또는 제3 투과물 스트림 (50)에 연결되어 제1 스테이지 또는 제3 스테이지 멤브레인을 가로질러 차압을 각각 증가시킬 수 있고, 이는 결국 멤브레인 스테이지의 분리 성능을 개선한다.
선택적으로, 공정 가열기는 고속 가스 투과성을 증가시키고 따라서 요구되는 멤브레인 면적을 감소시키기 위해 멤브레인 스테이지들 중 임의의 하나의 상류에 사용될 수 있다. 그러나, 멤브레인 스테이지의 분리 성능을 감소시키는 저속 가스 투과성의 더 큰 증가에 의해 이점이 상쇄된다.
시스템(10)에서, 각각의 멤브레인 스테이지(20, 22, 및 24)는 하나 이상의 멤브레인을 포함할 수 있고, 다수의 멤브레인이 직렬 및/또는 병렬로 배열된다. 각각의 멤브레인은 편평한 시트 또는 중공 섬유의 형태일 수 있고, 멤브레인의 모듈은 나선형으로 감긴 편평한 시트이거나 중공 섬유의 다발일 수 있다. 각각의 멤브레인 스테이지(20, 22, 및 24)가 동일한 멤브레인을 사용할 필요는 없다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 모든 3개의 스테이지는 동일한 투과성 및 선택성의 멤브레인을 사용한다. 다른 구현예에서, 각 단계의 멤브레인 투과성 및 선택성은 다른 스테이지의 것과 상이할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 2개의 스테이지는 동일한 투과성 및 선택성의 멤브레인을 사용할 수 있고, 나머지 스테이지는 상이한 투과성 및 선택율의 멤브레인을 사용할 수 있다 각각의 멤브레인은 당해 분야에 공지된 수많은 중합체로부터 선택된 단일 중합체로 제조될 수 있거나, 또는 목적하는 분리에 적합한 것으로 미래에 결정될 수 있거나 또는 각각의 멤브레인은 다수의 중합체로 제조된 복합 멤브레인일 수 있다. 멤브레인을 제조하는데 사용되는 중합체의 예는 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리카르보네이트, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 셀룰로스 아세테이트, 폴리이미드(예컨대, Matrimid 5218 또는 P-84), 폴리아미드, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리디메틸실록산, 공중합체, 블록 공중합체, 또는 중합체 블렌드를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
놀랍게도, 시스템(10)에서 2개의 압축기(12, 14)의 사용은, 예를 들어 도 6의 선행 기술의 구성에서와 같이, 추가적인 압축 없이 주요 공급 가스 압축기를 갖는 보다 전통적인 3-스테이지 구성보다 상당히 낮은 압축 비용으로 저속 가스의 높은 회수를 유도한다. 또한, 시스템(10)의 구성은 종종 더 낮은 멤브레인 면적 요건을 초래하여, 시스템에 대한 자본 비용을 감소시킨다.
도 2는 적어도 99.5%의 메탄 회수율를 얻기 위해 2개의 압축기를 포함하는 멀티-스테이지 멤브레인 바이오가스 업그레이드 시스템(100)의 다른 구현예를 도시한다. 시스템(10)에 대해 전술한 요소에 더하여, 시스템(100)은 제1 멤브레인 스테이지(20)에 의해 방출된 제1 비투과물 스트림(38)을 추가로 처리하기 위해 제4 멤브레인 스테이지(26)를 추가한다.
제1 비투과물 스트림(38)은 제4 멤브레인 스테이지(26)로 공급된다. 제4 멤브레인 스테이지(26)에서, 주로 고속 가스 + 소수의 저속 가스를 포함하는 가스는 멤브레인을 투과하고 제4 투과물 스트림(54)으로서 제4 멤브레인 스테이지(26)을 빠져나가는 반면, 주로 저속 가스 + 매우 작은 분율의 고속 가스를 포함하는 가스는 멤브레인을 투과하지 못하여 제4 비투과물 스트림(52)으로서 방출되고 회수된다. 제4 투과물 스트림(54)은 제3 비투과물 스트림(48)과 조합되어 조합된 재순환 스트림(58)을 형성하는데, 이는 공급물 압축기의 상류에서 원료 공급물 가스 스트림(30)으로 다시 재순환된다. 제어 밸브(56)는 제4 멤브레인 스테이지(26)를 가로질러 적절한 압력을 유지하기 위해 사용된다. 제4 비투과물 스트림(52)은, 바이오가스의 경우에 최종 정제된 생성물로서 시스템(100)이 존재하는 주로 CH4인, 느린-가스 풍부 스트림이다.
두 시스템(10 및 100)에서, 임의의 주어진 공급 가스 조성, 유량 요건, 및 순도 및/또는 회수와 같은 생성물 요건에 대해, 각 스테이지에서의 멤브레인 면적은 작동 압력, 온도 및 멤브레인 유형(즉, 멤브레인 투과성 및 선택성)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 변수로부터 계산된다. 이들 파라미터는 Aspen Plus와 같은 계산 시뮬레이션 프로그램에 입력되어 3개 또는 4개의 스테이지 사이의 멤브레인 면적의 최적 분포, 각각의 재순환 스트림의 유량 및 조성, 및 압축기 동력에 대한 재순환 스트림의 직접적인 영향을 찾는다.
본 명세서에 설명된 시스템(10 및 100)은 CO2/CH4, H2/CO, H2/CO2, CO2/N2, O2/N2, He/CH4, H2/CH4, 및 H2/N2을 포함하지만 이에 제한되지 않는 공급물 스트림(30) 내의 여러 가스 쌍 중 임의의 하나를 분리하는데 사용될 수 있다.
도 3 및 도 4의 그래프, 및 하기 표는 현재 개시된 시스템(10)의 성능을 도 5(시스템 A) 및 도 6(시스템 B)에 도시된 2개의 선행 기술의 시스템과 비교한다. 시뮬레이션은 하기 조건을 사용하여 수행되었다: 60 mol%의 CH4, 40 mol%의 CO2를 함유하는 바이오가스 1000 NMH (시간 당 표준 입방 미터)의 원료 공급물 스트림, 제1 및 제2 스테이지 멤브레인에 대한 14 barg 작동 압력, 20°C 멤브레인 작동 온도, 98 mol%의 CH4를 함유하는 생성물 가스, 멤브레인 CO2/CH4 선택성 30. 그래프가 나타내는 바와 같이, 보다 적당한 CH4 회수(즉, 배기 스트림에서 보다 높은 CH4 함량)에서, 3-스테이지 캐스케이드 및 2개의 압축기를 갖는 본 시스템(10)은 시스템 A 및 B와 유사하게 수행한다. 그러나, CH4 회수가 증가하고 배기 스트림에서 CH4가 감소함에 따라, 본 시스템(10)은 시스템 A(단일 압축기) 또는 시스템 B(2개의 압축기)보다 상당히 적은 압축기 동력을 요구한다. 본 시스템은 또한 시스템 A의 단일-압축기 설계보다 약간 작은 멤브레인 면적을 필요로 한다.
조건: 60%의 CH4, 40%의 CO2, 14 barg, 20C에서 1000 NMH 원료 바이오가스, 생성물 가스 98%의 CH4 및 총 CH4 회수율 99.97%, 멤브레인 CO2/CH4 선택성 30
3개의 멤브레인 및 단일 압축기를 갖는 도 6의 구성을 사용하여 공정 시뮬레이션을 수행하여, 60 mol%의 CH4 및 40 mol%의 CO2를 함유하고 1000 NMH를 유동시키는 공급물 스트림(30)을 사용하여 98 mol%의 CH4를 함유하는 생성물 스트림 및 99.98%의 전체 CH4 회수율을 생성하였다. 약 99.5% 초과의 초고 CH4 회수율을 달성하기 위해, 500% 초과의 재순환 비율이 필요하며, 여기서 상기 재순환 비율은 공급물 스트림 부피(1로 표시된 스트림)에 대한 재순환 스트림 부피 (7 및 8)로 표시된 스트림의 조합)의 비율로서 정의된다. 이러한 큰 재순환 비율은 매우 큰 압축기를 필요로 할 것이고, 작동을 위해 과도하게 높은 압축기 동력을 필요로 할 것이다.
비교에 의해, 캐스케이드에서 3개의 멤브레인 스테이지(20, 22, 및 24), 공급물 압축기(12), 및 제1 스테이지 투과물 압축기(14)를 갖는 시스템(10)의 구성을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에서, 멤브레인 모듈은 30의 CO2/CH4 선택성을 갖는 중공 섬유 멤브레인을 함유하였다.
60%의 CH4 및 40%의 CO2를 함유하는 원료 바이오가스 스트림(30)의 1000 NMH의 공급물이 시스템에 제공된다. 스트림(30)은 101.64 NMH의 유량을 갖고 96.5%의 CO2를 함유하는 제3 비투과물 스트림(48)과 조합되어 조합된 공급물 스트림(32)을 형성한다. 조합된 스트림(32)은 14 barg로 압축된다. 생성된 압축되고 조합된 공급물 스트림(34)은 842.8 NMH에서 81.1%의 CO2를 함유하는 제2 비투과물 스트림(44)과 조합되어, 대략 14 barg 및 20°C에서 39.3%CH4 및 60.7%의 CO2를 함유하는 1944.4 NMH의 가압 공급 가스 스크림(36)을 생성한다. 압축되고 조합된 공급물 스트림(36)은제1 멤브레인 스테이지(20)에 공급되어 제1 비투과물 스트림(38) 및 제1 투과물 스트림(40)을 생성한다.
제1 멤브레인 스테이지(20)는 시스템(10) 내의 총 멤브레인 면적의 78.5%를 함유한다. 제1 비투과물 스트림(38)의 압력은 제1 멤브레인 스테이지(20)로의 14 barg의 공급 압력을 달성하도록 설정된 제어 밸브(16)에 의해 조절된다. 제1 비투과물 스트림(38)은 611.9 NMH의 몰 유량을 가졌고, 98%의 CH4를 함유하고, 생성물 가스로서 회수된다. 제1 투과물 스트림(40)은 제1 투과물 압축기(14)로 들어가는 1332.5 NMH의 몰 유량을 가졌다.
압축된 제1 투과물 스트림(42)은 제2 비투과물 스트림(48) 및 제2 투과물 스트림 (46)을 생성하도록 제2 멤브레인 스테이지(22)로 공급된다. 제2 멤브레인 스테이지(22)는 전체 시스템 멤브레인 면적의 6.8%를 함유한다.
제2 투과물 스트림(46)은 전체 시스템 멤브레인 면적의 14.7%를 함유하는 제3 멤브레인 스테이지(24)로 공급된다. 제3 단계 비투과물 스트림(48) 상의 제어 밸브(18)는 제3 스테이지 공급물 스트림(46)의 압력뿐만 아니라 그 스트림 상의 압력을 조절한다. 제어 밸브(18)는 압력이 충분히 낮아서 차압이 제2 멤브레인 스테이지(22)를 가로질러 유지되지만 제3 멤브레인 스테이지 (24)를 가로질러 차압을 유지할 정도로 충분히 높게 설정된다. 최적 압력은 최적화 루틴을 사용하여 비용 함수를 최소화함으로써 결정될 수 있으며, 이는 스트림이 공급물 압축기(12)를 떠나는 공급 가스 스트림(34)과 조합되게 한다. 전술한 바와 같이, 제3 스테이지 비투과물 스트림(48)의 부피는 101.6 NMH이고, 재순환될 때, 이 부피는 공급물 압축기(12)에 의해 압축될 가스의 부피의 단지 10% 증가를 나타낸다. 제3 단계 투과물 스트림(50)은 387.9 NMH에서 회수되고 단지 0.05 mol%의 CH4를 함유한다. 전체적으로 이 시스템은 추정된 0.286 kW/NMH 원료 바이오가스만을 사용하면서 99.97%의 CH4 회수율를 달성한다.
현재 설명된 시스템(10 및 100)은 도 6의 단일-압축기 3-스테이지 시스템에 비해 예상치 못한 개선을 나타낸다. 도 6의 시스템이 더 높은 재순환 흐름을 수용하고, 더 높은 선택성을 갖는 멤브레인을 사용하고/거나 더 낮은 온도에서 작동하여 더 높은 선별성을 달성함으로써 99.5% 초과의 회수율에 적응될 수 있지만, 이들 각각은 현재 기재된 시스템과 비교하여 단점을 갖는다. 구체적으로, 더 높은 재순환 흐름은 더 많은 압축기 동력을 필요로 하여, 공정을 덜 경제적이게 하고; 더 높은 선택성을 갖는 멤브레인은 현재 이용가능하지 않으며; 선택성을 감소시키기 위해 더 낮은 온도에서 작동하는 것은 냉동 에너지 비용을 증가시키고 멤브레인 면적을 증가시킨다.
현재 설명된 시스템(10 및 100)은 또한 도 5의 2-압축기 3-스테이지 시스템에 비해 예상치 못한 개선을 나타낸다. 도 5의 시스템이 98% 초과의 CH4 회수율에 적응될 수 있지만, 이러한 높은 회수율을 달성하기 위해, 투과물(제2) 스테이지 공급물 유동 대 투과물 유동 비("스테이지 컷"으로 알려짐)의 비가 감소되고, 이는 결국 투과 스테이지 멤브레인 면적을 감소시킨다. 약 99% 초과의 CH4 회수율에서, 투과 스테이지 멤브레인 면적은 너무 작아져서 설계 및/또는 작동이 비실용적이게 된다. 또한, 투과 스테이지 비투과물 유동 대 공급 스테이지 투과물 재순환 유동의 비가 증가하여, 스테이지간 압축기 전력 소비를 증가시킨다.
본 발명은 본 발명의 몇몇 양태의 예시로서 의도되는 실시예에 개시된 특정 양태 또는 구현예에 의해 범위가 제한되지 않으며, 기능적으로 동등한 임의의 구현예는 본 발명의 범위 내에 있다. 본 명세서에 도시되고 설명된 것들에 부가하여 본 발명의 다양한 변형들은 당업자에게 명백해질 것이며 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (13)

  1. 복수의 멤브레인 분리 스테이지를 사용하여 원료 공급 가스 스트림을 분리하는 방법으로서,
    가압된 공급 가스 스트림을 제1 비투과물 스트림 및 제1 투과물 스트림으로 분리하는 단계;
    상기 제1 투과물 스트림을 압축하여 압축된 제1 투과물 스트림을 형성하는 단계;
    상기 압축된 제1 투과물 스트림을 제2 비투과물 스트림 및 제2 투과물 스트림으로 분리하는 단계,
    상기 제2 투과물 스트림을 제3 비투과물 스트림 및 제3 투과물 스트림으로 분리하는 단계;
    상기 제3 비투과물 스트림을 원료 공급 가스 스트림과 조합하여 조합된 공급물 스트림을 형성하는 단계;
    상기 조합된 공급물 스트림을 압축하여 압축되고 조합된 공급물 스트림을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 비투과물 스트림을 상기 압축되고 조합된 공급물 스트림과 조합하여 가압 공급물 가스 스트림을 형성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 비투과물 스트림을 생성물 가스 스트림으로서 회수하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 투과물 스트림을 폐가스 스트림으로서 회수하는 단계를 추가로 포함하는, 방법
  4. 제1항에 있어서,
    제1 비투과물 스트림의 압력을 제어하는 단계; 및
    상기 제3 비투과물 스트림의 압력을 제어하는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 비투과물 스트림을 제4 비투과물 스트림 및 제4 투과물 스트림으로 분리하는 단계;
    상기 제3 비투과물 스트림을 원료 공급 가스 스트림과 조합하기 전에 상기 제4 투과물 스트림을 상기 제3 비투과물 스트림과 조합하여 상기 조합된 공급물 스트림을 형성하는 단계; 및
    상기 제4 비투과물 스트림을 생성물 가스 스트림으로서 회수하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 투과물 스트림 및 상기 제3 투과물 스트림 중 적어도 하나에 음압을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 원료 공급 가스 스트림을 분리하기 위한 멀티-스테이지 멤브레인 시스템으로서,
    가압된 원료 공급 가스 스트림을 수용하기 위한 제1 공급 포트, 제1 비투과물 스트림을 토출시키기 위한 제 1 비투과물 유출구, 및 제1 투과물 스트림을 토출시키기 위한 제1 투과물 유출구를 갖는 제1 멤브레인 스테이지;
    상기 제1 투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 제1 투과물 유출구에 작동적으로 연결된 스테이지간 압축기 유입구 및 압축된 제1 투과물 스트림을 토출시키기 위한 스테이지간 압축기 유출구를 갖는 스테이지간 압축기;
    상기 압축된 상기 제1 투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 스테이지간 압축기 유출구에 작동적으로 연결된 제2 공급 포트, 제2 투과물 스트림을 토출시키기 위한 제2 투과물 유출구, 및 제2 비투과물 스트림을 토출시키기 위한 제2 비투과물 유출구를 갖는 제2 멤브레인 스테이지;
    상기 제2 투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 제2 투과물 유출구에 작동적으로 연결된 제3 공급 포트, 제3 투과물 스트림을 토출시키기 위한 제3 투과물 유출구, 및 제3 비투과물 스트림을 토출시키기 위한 제3 비투과물 유출구를 갖는 제3 멤브레인 스테이지;
    원료 공급 가스 스트림을 수용하기 위한 원료 공급 가스 유입구, 상기 제3 투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 제3 투과물 유출구에 작동적으로 연결된 제1 재순환 유입구, 및 상기 원료 공급 가스 스트림과 상기 제3 투과물 스트림의 혼합물로 이루어진 조합된 공급물 스트림을 토출하기 위한 제1 혼합물 유출구를 갖는 제1 혼합 합류부;
    상기 조합된 공급물 스트림을 수용하기 위해 제1 혼합물 유출구에 작동적으로 연결된 공급물 압축기 유입구 및 압축되고 조합된 공급물 스트림을 토출시키기 위한 공급물 압축기 유출구를 갖는 공급물 압축기; 및
    상기 압축되고 조합된 공급물 스트림을 수용하기 위해 상기 공급물 압축기 유출구에 작동적으로 연결된 조합된 공급물 유입구, 상기 제2 비투과물 스트림을 수용하기 위해 상기 제2 비투과물 유출구에 작동가능하게 연결된 제2 재순환 유입구, 및 상기 제1 공급 포트에 작동적으로 연결되어, 상기 압축되고 조합된 공급물 스트림과 상기 제2 비투과물 스트림의 혼합물로 이루어진 가압된 원료 공급물 가스 스트림을 상기 제1 멤브레인 스테이지에 공급하는 제2 혼합물 유출구를 갖는 제2 혼합 합류부
    를 포함하는, 멀티-스테이지 멤브레인 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 투과물 스트림을 수용하기 위해 제1 비투과물 유출구에 작동적으로 연결된 제4 공급 포트, 제4 투과물 스트림을 토출시키기 위한 제4 투과물 유출구 포트, 및 제4 비투과물 스트림을 토출시키기 위한 제4 비투과물 유출구를 갖는 제4 멤브레인 스테이지를 추가로 포함하되;
    상기 제4 투과물 스트림은 상기 제3 비투과물 스트림이 상기 제1 혼합 합류부 내로 수용되기 전에 상기 제3 비투과물과 조합되는, 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 투과물 유출구에 음압을 적용하기 위한 제2 투과물 진공 펌프를 추가로 포함하는, 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제3 투과물 유출구에 음압을 적용하기 위한 제3 투과물 진공 펌프를 추가로 포함하는, 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 스테이지, 상기 제2 멤브레인 스테이지 및 상기 제3 멤브레인 스테이지는 각각 동일한 투과성 및 선택성의 멤브레인을 갖는, 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 제1 멤브레인 스테이지, 제2 멤브레인 스테이지 및 제3 멤브레인 스테이지 중 하나는 다른 2개의 스테이지와 상이한 투과성 및 선택성의 멤브레인을 갖는, 시스템.
  13. 제7항에 있어서, 상기 제1 멤브레인 스테이지, 상기 제2 멤브레인 스테이지 및 상기 제3 멤브레인 스테이지 각각은 각각의 다른 스테이지와 상이한 투과성 및 선택성의 멤브레인을 갖는, 시스템.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3120803A1 (fr) * 2021-03-22 2022-09-23 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Installation pour le traitement par perméation membranaire d’un flux de biogaz avec une unité de séparation membranaire à deux modules
JP2023140120A (ja) * 2022-03-22 2023-10-04 本田技研工業株式会社 ガス分離装置
US11731076B1 (en) 2022-09-30 2023-08-22 Air Products And Chemicals, Inc. Membrane process and system for high recovery of a nonpermeating gas utilizing a sweep gas
EP4420761A1 (en) * 2023-02-23 2024-08-28 Linde GmbH Method and a process polant for enrichment of a component

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002331219A (ja) * 2001-01-25 2002-11-19 Ube Ind Ltd ハロゲン化合物ガスの分離回収装置および分離回収方法
US20070125537A1 (en) * 2005-12-02 2007-06-07 Membrane Technology And Research Inc. Natural gas treatment process for stimulated well
JP2014159543A (ja) * 2013-01-23 2014-09-04 Kurita Water Ind Ltd メタンガス濃縮装置

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02135117A (ja) * 1988-11-16 1990-05-24 Sumitomo Heavy Ind Ltd 気体分離モジュールおよび多段式気体分離装置
US5858065A (en) * 1995-07-17 1999-01-12 American Air Liquide Process and system for separation and recovery of perfluorocompound gases
US5785741A (en) 1995-07-17 1998-07-28 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges, Claude Process and system for separation and recovery of perfluorocompound gases
US5709732A (en) 1996-04-02 1998-01-20 Praxair Technology, Inc. Advanced membrane system for separating gaseous mixtures
US6128919A (en) 1998-04-08 2000-10-10 Messer Griesheim Industries, Inc. Process for separating natural gas and carbon dioxide
MY128178A (en) * 2001-09-07 2007-01-31 Exxonmobil Upstream Res Co High-pressure separation of a multi-components gas
US6630011B1 (en) * 2002-09-17 2003-10-07 Membrane Technology And Research, Inc. Nitrogen removal from natural gas using two types of membranes
US6986802B2 (en) * 2003-08-28 2006-01-17 Bp Corporation North America Inc. Selective separation of fluid compounds utilizing a membrane separation process
US7604681B2 (en) * 2006-05-26 2009-10-20 Lummus Technology, Inc. Three-stage membrane gas separation process
US8211211B1 (en) * 2007-09-25 2012-07-03 Kent S. Knaebel & Associates, Inc. Multi-stage adsorption system for gas mixture separation
WO2010108233A1 (en) * 2009-03-26 2010-09-30 Eco Bio Technologies Pty Ltd Method for the separation of gases
US20100275777A1 (en) * 2009-04-30 2010-11-04 Hasse David J Membrane-Based Process for CO2 Capture from Flue Gases Generated by Oxy-Combustion of Coal
BR112013000082B1 (pt) 2010-07-01 2023-10-31 Evonik Operations Gmbh Processo de separação de um fluxo de gás bruto
FR2967359B1 (fr) * 2010-11-17 2013-02-01 Lab Sa Procede et installation de recuperation de co2 contenu dans des fumees d'incineration de dechets
CA2860502C (en) * 2011-12-27 2019-03-05 Evonik Fibres Gmbh Method for separating gases
KR101420767B1 (ko) * 2012-09-14 2014-07-17 한국화학연구원 분리막을 이용한 불화가스 농축 및 회수장치, 및 이를 이용한 불화가스 농축 및 회수방법
RS59147B1 (sr) * 2012-11-14 2019-09-30 Evonik Fibres Gmbh Upravljanje sastavom gasa postrojenja za separaciju gasa sa membranama
KR101529129B1 (ko) * 2014-09-18 2015-06-17 한국화학연구원 고순도 메탄가스의 분리를 위한 다단계 막분리 정제공정 및 장치
US10214437B2 (en) * 2016-06-06 2019-02-26 Battelle Memorial Institute Cross current staged reverse osmosis
JP6953764B2 (ja) 2017-03-31 2021-10-27 宇部興産株式会社 バイオガス濃縮システムおよびバイオガス濃縮方法
US10569217B2 (en) * 2018-01-24 2020-02-25 Air Liquide Advanced Technologies U.S. Llc Production of biomethane using a high recovery module
US10780392B2 (en) * 2018-04-23 2020-09-22 Air Liquide Advanced Technologies U.S. Llc Multi-stage membrane for N2 rejection
JP7476885B2 (ja) 2019-03-29 2024-05-01 Ｕｂｅ株式会社 ガス分離システム

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002331219A (ja) * 2001-01-25 2002-11-19 Ube Ind Ltd ハロゲン化合物ガスの分離回収装置および分離回収方法
US20070125537A1 (en) * 2005-12-02 2007-06-07 Membrane Technology And Research Inc. Natural gas treatment process for stimulated well
JP2014159543A (ja) * 2013-01-23 2014-09-04 Kurita Water Ind Ltd メタンガス濃縮装置

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