KR19980063381A

KR19980063381A - 중간 압력 이동을 사용한 질소 압력 스윙 흡착법

Info

Publication number: KR19980063381A
Application number: KR1019970034612A
Authority: KR
Inventors: 상국리; 로버트폴
Original assignee: 윌리엄에프.마쉬; 에어프로덕츠앤드케미칼스,인코오포레이티드
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 1998-10-07
Also published as: CN1106213C; CA2210307A1; JP3006759B2; DE69725267D1; KR100221006B1; CA2210307C; MX9705654A; EP0849218B1; DE69725267T2; EP0849218A1; CN1185577A; JPH10192636A; ES2202552T3; US5738709A

Abstract

본 발명은 흡착, 탈압 및 재가압 단계를 진행하여, 적어도 산소 및 질소를 함유하는 가스 혼합물로부터 산소를 압력 스윙 흡착하여 다수의 평행한 흡착제 베드로부터 비흡착된 질소 농축된 생성물을 회수하는 방법으로서, 개선점이 베드 가공 흡착의 중간 지점으로부터 공정의 질소 농축된 가스의 생산성 및 회수율을 향상시키기 위하여 재가압되고 있는 베드의 공급단에 더 가까운 지점으로, 하나의 베드로부터 다른 하나의 베드로 압력 이동을 수행하는 점에 있는 방법을 제공한다.

Description

중간 압력 이동을 사용한 질소 압력 스윙 흡착법

압력 스윙 흡착(PSA)은 질소를 생산하는 데 현재 사용되고 있는 기술로서 생성물의 순도, 압력 및 유속을 특정 범위내로 유지할 것을 요구한다. 하지만, 저온법으로 생성된 액체 질소(LIN), 및 LIN-보조 공법와 엑소 발생기에 의해 생성된 것과 같은 대체성 저산소-대기를 비롯한 다른 기술은 전술된 것과 같은 특정 범위를 요구하지 않으므로 PSA 기술은 경쟁성이 뒤떨어진다. 그러므로, PSA 기술에 대해 더 많은 새로운 시장을 개척하고 또한 기존 시장 범위에서도 다른 공급자에 비해 경쟁적인 우위를 제공하기 위해서는 질소 PSA 기술의 에너지 및 자본 효율성을 향상시킬 방안이 필요한 바 이러한 방안이 상업적으로 당업계의 관심을 끌고 있다.

질소 PSA에 대한 에너지 및 자본 효율 판단은 두가지 성능 척도, 즉 공정 회수도 및 생산성이라는 척도로서 가장 손쉽게 결정된다. 여기서, 회수도란 생산된 질소의 양을 질소 생산에 필요한 압축 공급 공기의 양으로 나눈 값이며, 생산성은 생산된 질소의 양을 그 생산에 필요한 흡착제의 부피로 나눈 값을 의미한다. 이들 두가지 척도는 공정 조건, 재질, 사이클 변수(예; 단계의 시간) 및 공정중 임의의 단계에서의 유속에 의해 영향을 받는다.

질소 PSA 공정 사이클은 전세계적으로 상당히 주목을 받아온 것으로서 , 고도로 활용되고 있는 기술이다. 이 사이클에서 핵심이 되는 회수 생산 단계는 소위 압력 동일화 과정(equalization)이라 부르는 단계이다. 이 단계는 하나의 베드(bed)가 완전히 재생되고 다른 하나의 베드가 그 질소 생산 단계를 완료할 때 일어난다. 이 시점에서 재생된 베드는 저압(20 psig 미만)으로 유지되고 다른 하나의 베드는 그 최대 흡착 압력 또는 그 근처 압력(통상 90-140 psig)으로 유지된다. 고압 베드를 통과하여 공급물을 저압 베드로 유입시키기 전에, 가스를 고압 베드에서 저압 베드로 전이시켜 상기 압력 에너지의 일부를 비축하는 것이 바람직하다.

상업적 실시에 있어서는 일반적으로 생성물을 생성단으로 (이하 생성단(product end) 대 생성단으로 약칭) 및 공급물을 공급단으로 (이하 공급단(feed end) 대 공급단으로 약칭) 보내는 배치를 사용하여 베드들간의 압력을 간단히 동일화하여 왔다. 이러한 유형의 압력 동일화 단계는 생성단 대 생성단 및 공급단 대 공급단이 동일한 크기로 유동한다는 점에서 동일하다고 칭할 수 있는 특징과, 단계의 말기에 두 용기의 압력이 동일 압력이 된다는 점에서 완전하다고 칭할 수 있는 특징을 지니고 있다. 하지만, 이 동일화 구조는 고압 용기의 두 단에서 가스를 전이시켜야 하고, 저압 용기의 두 단으로 유입시켜야 한다는 제한 요인을 갖고 있다.

질소 PSA 기술이 직면하는 1차적인 과제는 효율적으로 보다 고순도 질소를 산출하는 데에 있다. 그런 점에서, 압력 동일화 단계를 동일하고, 완전하고, 가스를 용기의 단부라는 지점으로 제한시켜야 한다는 요구조건은 PSA 공정 설계를 보다 고순도로 최적화하는데 있어서 장애 요인이 된다는 것에 크게 주목할 필요가 있다. 그러므로, 전술된 요구조건을 제거할 수있다면 상당히 높은 생산성 및 회수도를 얻을 수 있을 것이다.

중간-베드 동일화 기술은 널리 공지된 것으로서 종종 질소 PSA 기술 관점에서 실시되고 있다. 흔히, 이 기술은 흡착기 베드가 표준 압력 동일화 공정용으로는 너무 길기 때문에 중간-베드 라인을 첨가하지 않고서는 적절히 기능을 발휘하지 않을 때에 실시되어 온 것이다. 하지만, 이 경우 가스 전이는 전적으로 두 베드상의 상응하는 지점으로만 제한되므로, 가스는 다른 베드상에 존재하는 보다 높거나 낮은 지점으로는 전이되지 않는다는 단점이 있다.

한편, 미국 특허 제 5,176,722호에는 가스가 고압 베드의 생성단으로부터 저압 베드의 공급단으로 전이되는 압력 동일화 단계가 개시되어 있다. 또 다른 대안적인 양태로서, 고압 베드의 생성단으로부터 저압 베드의 양단까지의 동일화 과정이 역시 제시되어 있다.

Kuraray Kakai의 일본 특허공개 63-79714호(1988년 4월)는 고순도의 질소를 생산하는데 사용되는 3-베드의 진공 재생 PSA 시스템을 개시하고 있다. 이 방법은 분명 자본 및 에너지 집약적인 방법임에는 틀림없지만, 생성물을 연속적으로 생산하는 데 거의 해를 끼치지 않으면서 장시간의 재생을 이용할 수 있는 가장 유용한 방식으로 진공 재생의 이점을 집중시킨 독창적인 방법이라는 점에서 흥미를 끈다. 그러나, 이 시스템은 비용이 많이 들기 때문에 다른 통상의 고순도 질소원을 이용할 수 있는 시스템이 존재하는 한 경제성이 떨어진다.

마지막으로, 연속된 두 개의 분리된 베드가 연속하여 이루어진 분리형 흡착제 베드 디자인이 제안되어 왔다. 프랑스 특허 제 2 624 759호(Hay)에는 공기 분리에 의해 산소를 생산하는 3-베드 공정이 개시되어 있다. 그러나, 이 공정은 사용된 베드가 비록 분리형일지라도, 연관(plumbing) 공정은 가스를 이들 베드 사이의 지점으로부터 다른 두 베드중 하나의 공급단으로 이동시키지 못할 뿐 아니라 가스를 제 2(상부) 흡착제로부터 베드들 사이의 지점으로 이동시키지도 못한다. 대신, 1차 및 2차 흡착제의 재가압 과정이 다른 두 1차 흡착제의 생성단으로부터 일어난다. 이 재가압 과정은 제 1 흡착제가 공급물상에 있는 동안에 일어나기 때문에 실질적으로는 일반적인 압력 이동(또는 동일화) 단계가 아니다.

미국 특허 제 4,715,867호(Vo 등) 역시 분리된 베드 구조를 개시하고 있다. 그러나, 이 특허는 공정 및 하드웨어를 약간 변경하면 베드들을 단일 베드로 통합시킬 수 있음을 분명하게 천명하고 있다. 이 특허는 또한 흡착제로서 탄소 분자체를 사용한 공기 분리에 초점을 맞추고 있다는 점에서 중요하다. 상기 Vo의 특허는 표준 PSA 사이클을 따르는 공정이지만 다음과 같은 중요한 차이점을 가지고 있다: (1) 각각의 용기에 1차의 보조 흡착제 베드를 연속적으로 대체했다는 점; (2) 압력 동일화는 공급물 대 공급물 및 생성물 대 중간 생성물의 동일화라는 점(여기서, 중간 지점은 1차의 보조 베드들 사이의 지점이다); (3) 공정수행중 절반이 재생된 보조 베드는 생성물에 의해서만 재가압되고, 이것은 동일화 단계와 동시에 일어난다는 점; (4) 선택 사항으로서, 생성물로 그리고 또한 중간 가스 이동물로 정화과정을 수행할 수 있다는 점; 및 (5) 선택 사항으로서, 진공을 사용하여 베드들의 재생을 도울 수 있다는 점.

미국 특허 제 5,441,558호(발명자가 본원과 동일함)는 두 개의 평행한 베드를 사용한 질소 PSA 공정을 개시하고 있는데, 여기서 압력 동일화 과정은 조절되고 보다 덜 완전한 동일화 조건하에서 공급단 대 공급단 및 생성단 대 생성단으로 수행된다.

종래기술의 단점은 흡착 가스 분리에서 가스 혼합물로부터 덜 강하게 흡착된 가스의 향상된 생산성 및 회수도를 제공하는 본 발명에 의해 극복된다. 본 발명은, 이하에서 보다 상세히 제시하는 바와 같이, 고압 흡착제 베드중의 공급단 및 생성단의 중간 지점으로부터 저압 흡착제 베드로 가스를 이동시킴으로써, 보다 고압의 흡착제 베드내의 가스를 저압 흡착제 베드로의 조절된 동일화 이동 또는 압력 이동하여 보다 덜 강하게 흡착된 생성물 가스의 고생산성 및 회수도를 달성한다.

도 1a-e는 본 발명의 2-베드 질소 PSA에서 중간체에 의한 압력 동일화 또는 가스 이동의 다양한 양태를 예시한 일련의 개략도이다.

도 2는 도 1e의 양태에 대한 흐름선 및 조절 밸브를 보다 상세히 도시한 본 발명의 일양태의 개략도이다.

도 3은 중간체에 의한 압력 동일화 또는 가스 이동의 이점 없이 150초 ½ 사이클에서 표준 질소 PSA 공정에 대한 도 1a-e의 양태의 생산성 향상의 그래프이다.

도 4는 중간체에 의한 압력 동일화 또는 가스 이동의 이점 없이 150초 ½ 사이클에서 표준 질소 PSA 공정에 대한 도 1a-e의 양태의 회수율 향상의 그래프이다.

도 5는 중간체에 의한 압력 동일화 또는 가스 이동의 이점 없이 180초 ½ 사이클에서 표준 질소 PSA 공정에 대한 도 1a-e의 양태의 생산성 향상의 그래프이다.

도 6은 중간체에 의한 압력 동일화 또는 가스 이동의 이점 없이 180초 ½ 사이클에서 표준 질소 PSA 공정에 대한 도 1a-e의 양태의 회수율 향상의 그래프이다.

본 발명은 산소를 흡착하고 비흡착 생성물로서 질소-농축 가스를 회수하는 승압하의 흡착 단계; 흡착단계 보다 낮은 압력으로 탈압하여 흡착된 산소를 흡착제로부터 제거하는 단계; 및 흡착 압력과 유사한 압력으로 재가압하는 단계를 포함하여, 각각의 베드중에서 일련의 단계를 통해 질소보다 더 용이하게 산소를 우선적으로 흡착하는 다수의 흡착제 베드를 사용하여 적어도 질소 및 산소를 함유하는 공급 가스 혼합물로부터 질소-농축된 가스를 분리하는 방법에 있어서, 다수의 베드중 제 1 베드에서 흡착 단계를 수행한 이후에, 제 1 베드의 중간 지점으로부터 다수의 베드중의 제 2 베드 공급단에 더 가까운 지점으로 가스를 이동시켜 제 1 베드는 부분적으로 탈압시키고 제 2 베드는 부분적으로 가압시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

제 2 베드의 공급단에 보다 가까운 지점으로는 제 2 베드의 공급단이 바람직하다.

바람직하게는, 가스의 이동 단계는 제 1 베드 및 제 2 베드를 압력 동일화과정을 덜 요구하는 상태로 실시된다.

제 1 베드의 중간 지점으로부터 가스를 이동하는 중에는, 가스가 또한 제 1 베드의 생성단으로부터 제 2 베드의 생성단으로 이동되는 것이 바람직하다.

제 1 베드의 중간 지점으로부터 다수의 베드중의 제 2 베드 공급단에 더 가까운 지점으로 가스를 이동하는 단계를 하나 이상 수행하는 것이 바람직하다.

다수의 베드는 두 개의 평행한 관상 베드로서 하나의 베드가 흡착을 수행할 때 다른 베드는 탈압 또는 재가압을 수행하도록 서로 다른 상태로 유지되는 단계를 통해 작동되는 것이 바람직하다.

다수의 베드에는 질소보다 산소의 흡착에 역학적으로 더 선택성이 있는 탄소 흡착제가 충전되어 있는 것이 바람직하다.

대안적인 하나의 방법으로는, 중간지점의 거리는 제 1 베드의 생성단과 제 1 베드의 공급단 사이 거리의 대략 절반이다.

탈압후 각각의 베드를 생성물의 품질을 갖는 가스로 정화시키는 것이 바람직하다.

탈압, 정화 및 재가압은 흡착의 공급 가스 혼합물 유동에 대해 역류 방향으로 실시하는 것이 바람직하다.

본 발명은 고압 베드의 공급단 및 생성단의 중간 지점에서 출발하고, 고압 베드의 중간 지점보다 저압 베드의 공급단에 더 가까운 지점에서 종결하는 하나 이상의 가스 압력 이동 흐름을 사용하여 다수의 평행한 관형 흡착제 베드를 지닌 질소 PSA에서 생성단-생성단 및 공급단-공급단 압력 이동를 향상시킨다. 상기 지점은 저압 베드의 공급단일 수 있다. 생성단-생성단 압력 이동는 여전히 본 발명의 일부로서 유지되거나 또는 그 생성단에 근접한 수용 베드의 지점으로 이동 유지된다. 본 발명을 실시하는 데 적합한 다수의 양태가 도 1(a)-(e)에 예시되어 있다.

본 발명은 중간체에 의한 압력 이동를 사용하지 않는 종래 기술의 장치와비교해볼 때 변형된 관형 장치 배치를 필요로 한다. 도 2는 그러한 관형 장치 배치중 하나를 예시하며, 이것은 도 1(e)에 도시한 압력 이동 구조를 변형한 것일 수도 있다.

본 발명의 이점을 나타내는 질소 PSA 배치의 중요한 특색은 다음과 같다:

(a) 압력 이동 단계중에 고압 베드의 생성단 및 공급단의 중간 지점으로부터 고압 베드의 중간 지점보다는 저압 베드의 공급단에 더 가깝거나 상류의 지점으로 가스가 이동되는 점;

(b) 각각의 압력 이동 라인에서 이동된 가스량이 조절가능하다는 점;

(c) 가스 이동 단계의 지속시간을 조절가능하다는 점.

상기에 서술한 것 이외에 본 발명이 제공할 수 있는 추가의 이점 내지는 선택사항으로 다음과 같은 것이 있다:

(a) 공급단 대 공급단 가스 이동을 최소화 또는 배제시킨다는 것;

(b) 고압 베드의 중간 지점으로부터 고압 베드의 중간 지점보다 저압 베드의 공급단에 더 가깝거나 상류인 지점으로 제 3의 압력 이동 라인을 부가할 수 있다는 것;

(c) 각 라인을 통해 이동의 지속시간을 독립적으로 조절하게 하는 것, 즉 하나 이상의 라인을 통해 이동의 지속기간이 서로 다르게 일어나도록 조절하는 것.

도 2에 예시한 질소 PSA 공정의 경우 중간 압력 이동를 사용한 본 발명의 변형된 압력 이동 배치는 이것과 유사한(그러나, 밸브(8-12) 및 개구부(D1 및 D2)과 연계된 라인 및 밸브는 없음) 현재 사용되고 있는 기존 기술의 사이클을 개량한 것이다. 기존기술의 사이클은 하기 단계를 포함한다:

단계 1: 베드 A는 공급단 및 생성단 둘다로부터 가압된다. 압축된 공기는 밸브(1 및 2)(공급단)를 통해 들어가고, 한편 수용 탱크 RT에서 나온 생성물은 밸브(20 및 18)(생성단)를 통해 유동한다. 동시에, 베드 B는 밸브(5 및 7)를 통해 탈압된다.

단계 2: 베드 A의 압력이 RT에서의 압력을 초과함에 따라 역류가 중지되고 생성물의 생성이 재개된다. 밸브(1, 2, 18 및 20)는 열린 채로 유지된다. 밸브(6)가 열리게 되면 산소 농축된 배출(22)에 의해 베드 B가 급속히 탈압된다. 베드 A로부터 나온 소량의 생성물이 밸브(14)를 통해 유동하여 재생시 베드 B를 정화한다.

단계 3: 베드 A가 생성물을 계속 생산할 때, 밸브(5, 6 및 7)는 닫혀져서 베드 B의 배출을 종결시킨다. 이 지점에서, 베드내로의 정화 가스의 계속된 유동 및 흡착제로부터 가스의 탈착으로 인해 베드 B에서 압력이 생성되기 시작한다.

단계 4: 무부하 공전(idle)

단계 5: 압력 이동. 밸브(16 및 17)를 통해 생성단-생성단에서 그리고 밸브(4 및 5)를 통해 공급단-공급단에서 베드 A로부터 베드 B로 일부의 압력이 이동된다. 이들 라인 각각을 통해 이동된 가스량은 손으로 조절되는 밸브 또는 개구부에 의해 조절된다.

단계 6: 무부하 공전

단계 7-12: 베드 B를 공급상에 보내는 한편 베드 A를 재생시키면서 단계 1-6을 반복한다. 공급물은 벨브(1 및 3)를 통해 베드 B로 유동하며, 생성물은 벨브(19 및 20)를 통해 수용 탱크 RT내로 유동하여 결국 라인(21)에서 생성물로 사용된다. 2-베드 공정에서, 베드 A 및 베드 B는 공정 단계를 타이밍하는 데 있어서 180°서로 다른 상태를 갖는다. 즉 베드 A가 흡착상태일 경우 베드 B는 탈압 및/또는 재생상태이다. 하나의 베드가 중간 가스 압력 이동중에 탈압되는 경우, 다른 하나의 베드는 중간 가스 압력 이동중에 가압된다. 저압 베드로 가스 압력을 이동시키므로써 탈압이 일어나는 고압 베드상의 적합한 중간 지점은 고압 베드의 공급단과 생성단 거의 중간에 가까운 지점이다. 질소 농축된 생성물 가스의 흡착 및 생산시 탈압, 정화 및 생성물 재가압은 베드내 공급 가스 혼합물의 유동 방향과 역류 상태로 수행된다.

본 발명에서, 단계 5 및 11은 도 1(a)-(e)에 도시한 유형의 변형된 가스 압력 이동 배치로 대체가능하다. 예를 들면, 도 2에 도시된 시스템에서 도 1(e)의 중간 가스 압력 이동을 사용하면, 단계 5는 베드 A의 가스에 의해 진행된다. 즉, 이 가스는 베드 A의 공급단 및 생성단 사이의 중간 지점에 위치한 개구부 D1으로 들어간 뒤, 검사 밸브(12)를 통과하기 전에 개방 밸브(8 및 10)를 통과하여, 그 공급단에서 또는 선택적으로 베드 A의 D1의 중간 가스원 지점보다 베드 B의 공급단에 더 가까운 임의의 지점에서 베드 B로 들어간다. 이 가스 압력 이동은, 덜 동일하면서 덜 완전한 동일화 과정이며, 완전한 동일화과정에서 요구했던 것보다는 적은 시간 소요를 요구하고, 밸브(16 및 17)를 통해 생성단-생성단 가스 압력 이동의 시기에는 독립적일 수 있다. 단계 11은 개구부 D2, 밸브(9 및 10) 및 검사 밸브(11)를 통해 베드 B로부터 베드 A로 진행하는 동등한 중간 가스 이동 단계이다. 중간지점에서 나온 가스의 압력 이동은 고압 베드를 적어도 부분적으로 탈압시키는 한편, 흡착압과 관련하여 저압 베드를 적어도 부분적으로 가압시킨다.

실시예에서 기술한 모든 데이터는 동일한 유형의 역학적으로 산소 선택적인 탄소 분자체 흡착제와 동일하고 베드 크기, 및 100 psig의 최대 흡착압을 사용하여 얻은 것이다.

실시예 1(비교예)

불완전 및 비동일 압력 이동을 사용하여 PSA 성능을 나타낸 것이지만, 여전히 생성단-생성단 및 공급단-공급단 관류에 한정되었다. 이것을 본 발명의 중간 가스 압력 이동을 나타내지 않는 표준 성능으로 언급한다. 이것은 미국 특허 제 5,441,558호의 방법에서 예상 가능한 성능이다. 이들 실험에서 생성단-생성단 이동량은 16 내지 20 psid(pounds per square inch differential)이고, 공급단-공급단 이동량은 15 내지 17 psid였다. 별개의 압력 이동을 나타내는 psid는 구체적인 압력 이동 라인에서 밸브의 개방률(%)에 의해 변형된 베드들 사이의 총 압력 이동을 의미한다. 예를 들면, 두 개의 베드들간에 이동된 총 압력은 50 psid이고, 중간 압력 이동 밸브는 50% 개방되고, 중간 압력 이동 라인으로 부여되는 압력 이동량은 25 psid이다.

실시예 2

본실시예는 150초 ½-사이클 공정의 도 1(a)의 구성을 사용하여 달성한 성능에 관한 것이다. 압력 이동은 2개의 단계로 수행되었다: 1.0 내지 1.5초 동안의 생성단-생성단 단독에 의한 단계(4-6 psid) 및 4.0 내지 4.4초 동안의 생성단-생성단 및 중간 압력 이동 단계. 총 생성단-생성단 이동량은 17 내지 19 psid였고; 총 중간체 이동량은 18 내지 19 psid였다.

실시예 3

본실시예는 150초 ½-사이클 공정의 도 1(b)의 구성을 사용하여 달성한 성능에 관한 것이다. 압력 이동은 2개의 단계로 수행되었다: 1.5초 동안의 생성단-생성단 단독에 의한 단계(6 psid) 및 3.5초 동안의 3개 모두의 이동 유동 단계(생성단-생성단, 중간체, 공급단-공급단). 유동의 분포는 생성단-생성단이 18 psid, 중간체가 14 psid, 공급단-공급단이 7 psid였다.

실시예 4

본실시예는 180초 ½-사이클 공정인 도 1(c)의 구성을 사용하여 달성한 성능을 나타낸 것이다. 압력 이동은 1개의 단계로 수행되었는데, 생성단으로부터 상부 중간 지점으로 17 내지 19 psid가 이동되고, 하부 중간 지점으로부터 공급단으로 17 내지 21 psid가 이동되었다.

실시예 5

본실시예는 150초 및 180초 ½-사이클 공정인 도 1(d)의 구성을 사용하여 달성한 성능을 도시한 것이다. 5개 데이터 지점의 상세한 사항은 다음과 같다:

지점^*	시간생성물/전체	생성물(psid)	중간체(psid)	공급물(psid)	사이클(초)
1	0.8/4.4	11	10	18	150
2	1.5/3.5	17	13	10	150
3	1.3/3.7	17	13	10	150
4	1.5/3.5	17	13	9	180
5	1.5/3.5	17	13	10	180
주: * 도면부호

실시예 6

본 실시예는 150초 및 180초 ½-사이클 공정의 도 1(e)의 구성을 사용하여 달성한 성능을 나타낸 것이다. 8개 데이터 지점의 상세한 사항은 다음과 같다:

지점^*	시간생성물/전체	생성물(psid)	공급물(psid)	사이클(초)
6	1.0/5.0	19	16	150
7	0.0/6.0	19	18	150
8	0.0/6.0	19	17	150
9	0.0/5.6	18	17	150
10	0.0/6.4	21	17	150
11	0.0/6.0	19	19	150^**
12	0.0/6.0	9	17	180
13	0.0/6.2	20	16	180
주: * 도면부호. ** 이동량; 상부에서 저부까지 ⅓

도 3-6은 표준 성능과 비교하여 도 1(a)-(e)의 구성을 사용하여 관찰한 생산성 및 회수도의 증가를 나타낸다. 도 1(a)-(e)에 의해 나타난 본 발명의 공정 및 상응하는 표준 공정의 모든 값은 모두 유사한 순도(산소 ppm)값을 나타내었다. 시간 조절 또는 가스 이동을 약간 변형시키면서 도 1의 다양한 양태를 수차례의 시행하여 결과를 얻었다.

도 3은 주어진 순도의 생산성에 있어서, 전술한 표준 공정과 비교한 도 1(a), (b), (d) 및 (e)의 양태를 도시한 것이다. 본 발명의 공정은 너무 많은 가스가 공급단과 가장 가까운 중간 가스 이동 라인을 가로질러 이동되어 감소된 성능을 산출하는 도 1(d)를 1회 시행한 것을 제외하고는, 표준 공정에 비해 생산성이 2 내지 8% 향상되었음을 나타낸다. 사이클은 150초 ½ 사이클이었다.

도 4는 생산성이 아닌 회수도를 나타낸 것을 제외하고는 도 3과 동일한 시행을 나타낸다. 도 1(d)를 1회 시행한 것을 제외하고는, 회수도는 일반적으로 1 내지 5% 범위로 향상되었다.

도 5는 주어진 순도하의 생산성에 있어서 전술한 표준 공정과 비교한 도 1(c), (d) 및 (e)의 양태를 도시한 것이다. 본 발명의 양태는 일반적으로 표준 공정에 비해 생산성이 1 내지 8% 향상되었음을 나타낸다. 사이클은 180초 ½ 사이클이었다.

도 6은 생산성이 아닌 회수도를 나타낸 것을 제외하고는 도 5와 동일한 시행결과를 나타낸다. 회수도는 일반적으로 1 내지 4% 범위로 향상되었다.

이들 그래프로부터 다음과 같은 결론을 이끌어낼 수 있다:

(a) 본 발명은 압력 이동 유동의 양, 지속시간 및 연결 위치를 조정함으로써 표준 종래 기술 상태의 고순도 질소 PSA 기술에 비해 공급 공기 요구량을 최대 5% 감소시키고, 필요한 베드 부피를 최대 8%까지 감소시킬 수 있다.

(b) 다양한 압력 이동 유동을 적절히 조절 및 조정할 수 있으므로 양호한 성능을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 도 4의 데이터 지점 1-3을 비교하라. 모든 지점은 약 5초의 압력 이동 단계와 함께 도 1(d)의 배치 및 150초 ½-사이클을 사용하였다. 시행 1에서는, 너무 많은 가스가 공급단에 가장 가까운 압력 이동 라인을 가로질러 이동되는 경우 성능을 현저히 손상시켰다. 질소 PSA 시스템을 계획하고 작동시키는 것으로 널리 알려진 바와 같이 각각의 유동은 간단한 평가에 기초하여 조정할 수 있다.

(c) 고압 베드의 생성단으로부터 이동된 가스는 저압 베드의 생성단으로 가장 양호하게 이동된다. 이것은 베드의 생성단을 깨끗한 정화 상태로 유지한다. 이를 예시하고 있는 도 1(c) 및 (1d)와 도 1(e)를 180초 데이터로 비교하라. 그러므로, 본 발명의 바람직한 양태는 생성단-생성단 이동(도 1(a), (b), (d) 및 (e))이다.

(d) 도 1(b)는 표준 생성단-생성단 및 공급단-공급단 구성에 중간 이동 라인(각각의 용기상에서 보다 가까운 생성단으로부터 보다 가까운 공급단으로)을 간단히 부가함으로써 8%의 생산성 향상 및 4%의 회수도 향상이 얻어진다는 것을 도시한 것이다.

가스 압력 이동에 제공되는 시간 및 속도는 베드내 흡착제의 패킹을 물리적으로 방해하지 않고 가스 압력의 목적량을 이동시키고, 흡착제의 역학적 선별성이 질소에 비해 우선적으로 산소를 흡착하도록 할 만큼 충분해야 한다.

생성단-생성단 압력 이동을 먼저 개시하는 것이 유익하고, 반드시 중간 압력 이동과 함께 수행하는 것이 유익하다. 완전한 압력 이동 또는 완전한 압력 동일화를 이루지 않는 것이 바람직하다. 중간 압력 이동은 생성단-생성단 압력 이동의 1.5배의 압력 이동을 넘지 않는 것이 바람직하다.

본 발명의 기본적인 장점은 고압 베드의 중간 및 생성단-중간 부분에 위치하고 있는 고순도 가스의 상당한 양이 공정 사이클에 의해 소모되지 않으나, 대신에 저압 베드로 이동된다는 것이다. 또한, 이 가스는 저압 베드상의 유익한 위치로 이동된다. 일반적인 원리로서, 가스 이동은 고압 베드상의 중간 지점으로부터 그와 상용성인 대부분의 가스 조성물인 저압 베드상의 상응하는 지점으로 진행된다. 저압 베드는 역류로서 새로이 재생되기 때문에, 이 상용성인 지점은 저압 베드상의 공급단에 더 가까운 지점에서 발견될 것이다. 단, 이미 언급한 바와 같이 저압 베드의 생성단에서 순도를 유지하는 것이 필수적이다. 이 이유로, 생성단-생성단 이동은 중요하다.

본 발명의 가치는 고순도의 질소 PSA를 증가된 규모의 시장에 부응하고, 기타 질소 공급원에 대해 이 기술의 경쟁력을 증가시킨다는 사실에 있다. 4 내지 8%의 성능 향상은 빈번히 보다 작은 압축기 또는 보다 작은 PSA 계획의 선택을 가능하게 하여 비용 경쟁성이 보다 큰 생성물을 산출하기에 충분할 것이다.

여러 가지 바람직한 양태와 관련하여 본 발명을 제시하였으나, 본 발명의 범위는 하기 특허 청구의 범위로부터 확인된다.

Claims

각각의 베드(bed)에서 일련의 단계로 질소보다 더 용이하게 산소를 우선적으로 흡착하는 다수의 흡착제 베드를 사용하여 적어도 질소 및 산소를 함유하는 공급 가스 혼합물로부터 질소-농축된 가스를 분리하는 방법으로서, 승압에서 산소를 흡착하고 비흡착 생성물로서 질소-농축 가스를 회수하는 승압하의 흡착 단계; 흡착단계의 압력 보다 저압으로 탈압하여 흡착제로부터 흡착된 산소를 제거하는 단계 및 흡착 압력과 유사한 압력으로 재가압하는 단계를 포함하는 방법에 있어서, 다수의 베드중의 제 1 베드에서의 흡착 단계 이후에, 제 1 베드의 중간 지점으로부터 다수의 베드중의 제 2 베드의 공급단(feed end)에 더 가까운 지점으로 가스를 이동시켜 제 1 베드를 부분적으로 탈압시키고 제 2 베드를 부분적으로 가압시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 제 2 베드의 공급단에 더 가까운 상기 지점이 상기 제 2 베드의 공급단인 방법.
제 1 항에 있어서, 가스를 이동시키는 상기 단계가 상기 제 1 베드 및 상기 제 2 베드를 가압 동일화할 필요성이 보다 적도록 수행하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 베드의 중간 지점으로부터 가스가 이동되는 단계중에, 가스는 또한 상기 제 1 베드의 생성단(product end)으로부터 상기 제 2 베드의 생성단으로 이동되는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 베드의 중간 지점으로부터 상기 다수의 베드중 제 2 베드의 공급단에 더 가까운 지점으로 가스를 이동시키는 단계를 하나 이상 실시하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 베드가 두 개의 평행한 관형 흡착제 베드로서, 하나의 베드가 흡착을 수행할 때 다른 하나의 베드가 탈압 또는 재가압을 수행하도록 서로 다른 상태로 상기 단계들을 통해 작동하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 베드에 질소보다 산소의 흡착에 역학적으로 더 선택성이 있는 탄소 흡착제를 부가하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 중간 지점이 상기 제 1 베드의 생성단과 상기 제 1 베드의 공급단으로부터 대략 ½의 거리인 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 탈압후에 각각의 베드를 생성물 품질 가스로 정화시키는 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 탈압, 상기 정화 및 상기 재가압 단계를 상기 흡착의 가스 혼합물의 유동에 역류 상태로 수행하는 방법.