KR19990077911A - 청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 방법, 공기 분리 방법 및 청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 장치 - Google Patents

청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 방법, 공기 분리 방법 및 청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 방법 및 장치에 따르면, 압축된 공급 공기 스트림은 하나의 흡착 베드내로 유입되어 수분 및 이산화탄소를 흡착하여 제 1 중간 생성물 스트림을 생성한다. 탄화수소, 일산화탄소 및 수소와 같은 제 1 중간 생성물 스트림내에 함유된 불순물은 촉매 반응하여, 이 촉매 반응으로부터 생성된 부가적인 이산화탄소 및 수분을 함유한 제 2 중간 생성물 스트림을 생성한다. 제 2 중간 생성물 스트림은 촉매 반응에 의해 생성된 부가적인 수분 및 이산화탄소를 흡착하는 다른 흡착 베드내로 유입되어 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성한다. 본 발명은 청정 건조 공기 생성물 스트림을 공급하는데 단독으로 사용될 수 있다. 또한, 초고순도 산업용 가스 생성물을 생성하도록 설계된 공기 분리 플랜트의 사전정화 유닛으로 사용될 수 있다.

Description

청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 방법, 공기 분리 방법 및 청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING CLEAN DRY AIR HAVING APPLICATION TO AIR SEPARATION}
본 발명은, 압축된 공기를 흡착 베드 시스템(adsorption bed system)에 공급하여 수분 및 이산화탄소와 같은 불순물을 제거시킴으로써 청정 건조 공기(clean dry air)를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 흡착 베드 시스템에서 정화된 후의 공급 공기가 촉매 반응기내로 유입되어 상기 공급물내에 함유된 탄화수소, 일산화탄소 및 수소와 반응하여 흡착 유닛에 의해 흡착되는 부가적인 수분 및 이산화탄소를 생성하며 청정 건조 공기 생성물을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 다른 실시예에 있어서, 본 발명은, 청정 건조 공기 생성물이 극저온 정류 공정(cryogenic rectification process)으로 도입됨으로써 하나 이상의 질소 또는 산소 생성물을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
청정 건조 공기는 현대의 전자 산업에서 많이 이용되고 있다. 예를 들면, 제품 설비에 있어서, 반도체 생산에 악영향을 미칠 수 있는 수분과, 탄화수소, 수소 및 일산화탄소와 같은 다른 불순물이 전혀 없는 대기 환경이 요구된다. 청정 건조 공기가 제공되는 경우, 여과 유닛 및 건조 유닛은 무윤활식 펌프(oil-free pumps)와 조합하여 사용된다. 이러한 장치는 고가이며 지속적으로 모니터되어야 한다.
청정 건조 공기는 반도체 제조 설비에서 주로 사용되는 초고순도 산업 가스의 생성에서도 사용된다. 상기 목적의 청정 건조 공기는 이슬점 온도 가까이 냉각되며, 그런 후 극저온 정류 칼럼내로 유입되어 질소와 같은 초고순도 산업 가스 생성물을 생성한다.
모든 공기 분리 공정에 있어서, 공급 공기로부터 이산화탄소 및 수분과 같은 불순물을 제거할 필요가 있는데, 상기 불순물은 저온 공정중 얼어붙는 경향이 있다. 불순물을 얼게하는 순효과(net effect)는 파이프 시스템 및 도관의 고장을 야기하며 위험한 탄화수소를 농축시킬 수 있다. 초고순도 공기 분리 공정에 있어서, 공급 공기가 일산화탄소 및 수소를 제거하도록 또한 설계된 흡착 유닛에 의해 사전정화되는 흡착 시스템이 사용된다. 중불순물(heavy impurities)이 희박한 스트림이 생성되며 남아있는 경불순물은 상기 스트림으로부터 제거되어 생성물을 생성한다.
탄화수소는 공기중에 미량이 존재함을 알 수 있다. 그러나, 공기 압축기와 같은 오일 윤활식 장치가 공기 분리와 관련하여 사용되는 경우, 오일 증기가 생성되며, 이 오일 증기는 공급 공기내로 유입되는 탄화수소의 공급원으로서 작용한다. 이러한 레벨의 탄화수소는 초고순도 생성물을 생성하도록 설계된 공기 분리 플랜트에 대한 청정 건조 공기 생성물 또는 압축 공급물에 있어서 허용되지 못할 수 있다. 따라서, 청정 건조 공기가 필요할 때, 고가의 무윤활식 압축기가 사용된다.
기술하는 바와 같이, 본 발명은 종래의 흡착 베드 및 압축기를 사용하여 탄화수소 및 수분을 각기 10억당 100 부분 미만을 함유하는 청정 건조 공기 생성물을 생성할 수 있는 청정 건조 공기를 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명에서 방법론 및 장치는 특히 초고순도 산업 가스 생성물을 생성하는 공기 분리 플랜트에 사용되는 사전정화 유닛에 적용할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성하는 방법이 제공된다. 상기 방법에 따르면, 압축된 공급 공기 스트림은 수분 및 이산화탄소를 흡착하도록 구성된 제 1 흡착 베드내로 유입되어 제 1 중간 생성물 스트림을 생성한다. 제 1 중간 생성물 스트림의 적어도 일부 내에 함유된 탄화수소, 일산화탄소 및 수소는 촉매 반응하여, 이 촉매 반응에 의해 생성된 부가적인 이산화탄소 및 수분을 함유하는 제 2 중간 생성물 스트림을 생성한다. 제 2 중간 생성물 스트림은 부가적인 수분 및 이산화탄소를 흡착하도록 구성된 제 2 흡착 베드내로 유입되며, 그에 따라 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성한다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 공기를 분리하는 방법에 관한 것이다. 이 방법에 따르면, 압축된 압축 공기 스트림은 이산화탄소 및 수분을 흡착하도록 구성되고, 각 흡착 베드가 온-라인 베드로서 작용하며 그런 후 재생성 목적을 위해 재성성 베드로서 작용하는 위상외 사이클에서 작동하는 다수의 흡착 베드내로 각각 유입된다. 온-라인 베드로서 작동하는 동안 수분 및 이산화탄소는 압축된 공급 공기 스트림으로부터 흡착되며, 그에 따라 제 1 중간 생성물 스트림을 생성한다. 그런 후 온-라인 베드는 오프-라인되어 재생성되는 재생성 베드로서 작용한다. 이 베드는 다시 온-라인되어 압축된 공급 공기 스트림으로부터 수분 및 이산화탄소를 흡착하는 작용에 앞서, 제 2 중간 생성물 스트림내에 함유된 부가적인 수분 및 이산화탄소를 흡착하며, 그에 따라 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성한다.
제 1 중간 생성물 스트림의 적어도 일부에 함유된 탄화수소, 일산화탄소 및 수소는 촉매 반응하여, 이 촉매 반응에 의해 생성된 부가적인 이산화탄소 및 수분을 함유하는 제 2 중간 생성물 스트림을 생성한다. 제 2 중간 생성물 스트림은 압축된 공급 공기가 유입되기 전에 온-라인 베드로 유입된다. 청정 건조 공기 생성물 스트림의 적어도 일부는 이 청정 건조 공기 생성물 스트림내에 함유된 공기를 분리하고, 이에 의해 질소 또는 산소가 풍부한 적어도 하나의 생성물 스트림을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 증류탑을 갖는 극저온 정류 공정내로 유입된다.
또다른 실시예에 있어서, 본 발명은 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성하는 장치를 제공한다. 본 발명의 본 실시예에 따르면, 각각 수분 및 이산화탄소를 흡착하도록 구성된 제 1 흡착 베드 및 제 2 흡착 베드가 제공된다. 공급 공기 스트림을 생성하기 위해 공기를 압축하는 압축기가 제공된다. 재냉각기(an aftercooler)는 압축기에 연결되어 압축된 공급 공기 스트림으로부터 압축열을 제거한다. 수분 분리기는 재냉각기에 연결되어 압축된 공급 공기 스트림으로부터 응축된 수분을 제거한다. 제 1 흡착 베드는 수분 분리기에 연결되어 압축된 공급 공기 스트림을 제거하며, 그에 따라 압축된 공급 공기 스트림으로부터 수분 및 이산화탄소를 흡착하며 그에 따라 제 1 중간 생성물 스트림을 또한 생성한다.
촉매 반응기는 제 1 흡착 베드와 연통하도록 제공된다. 촉매 반응기는 제 1 중간 생성물 스트림의 적어도 일부내에 함유된 탄화수소, 일산화탄소, 및 수소와 촉매 반응시켜 제 2 중간 생성물 스트림을 생성시킬 수 있는 촉매를 갖는다. 제 2 중간 생성물 스트림은 촉매 반응에 의한 부가적인 이산화탄소 및 수분을 함유한다. 역류 열교환기는 제 1 중간 생성물 스트림을 부분적으로 가열하고, 제 2 중간 생성물 스트림을 냉각시키도록 배치된다. 추가 열교환기는 촉매 반응기와 열교환기 사이에 개재되어 제 1 중간 생성물 스트림을 촉매 반응을 수행하기에 적합한 온도로 충분히 가열시킨다. 제 2 흡착 베드는 열교환기에 연결되어 제 2 중간 생성물 스트림을 수납한다. 결과적으로, 부가적인 수분 및 이산화탄소가 흡착되고 그에 따라 청정 건조 공기 생성물 스트림이 생성된다.
상술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 공급 공기내에 함유된 이산화탄소 및 수분이 최초로 온-라인식으로 흡착되는 동안, 압축된 공급 공기는 흡착 베드내로 유입된다. 이산화탄소 및 수분을 흡착함으로써 생성된 결과적인 중간 생성물 스트림은 허용치 이상의 탄화수소, 일산화탄소 및 수소를 여전히 함유한다. 상술한 바와 같이, 본 발명은 본 발명의 공기 공급에 있어서 이러한 탄화수소 레벨이 허용되지 않게 하기 위해서 저가의 오일 윤활식 압축 장치를 사용할 수 있다.
바람직하게는, 흡착 베드는 NOx및 SOx와 같은 촉매독을 흡착하도록 선택된 흡착제를 함유할 수도 있다. 비록 이러한 촉매독이 본 발명의 모든 적용에 항상 존재하지는 않지만, 촉매 산화 단계전에 촉매독의 제거는 촉매 수명 및 성능을 상당히 향상시키며, 그에 따라 공정의 효율을 상당히 향상시킴을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고 상술한 결합 개요를 구비하여 그러한 촉매독이 존재할 때조차도 본 발명은 촉매독을 제거함이 없이 작동할 것이다. 다른 점은 오일 증기의 일부가 상기 베드에서 제거될 수 있다는 것이다.
본 발명에 따르면, 제 1 의 최종 중간 생성물 스트림은 초기에 수분 및 이산화탄소가 청정화되고, 그런 후 촉매 반응기내에서 가열 및 촉매 반응하여 부가적인 수분 및 이산화탄소를 생성한다. 그런 후, 수분 및 이산화탄소는 다른 흡착 베드내로 흡착되어 청정 건조 공기 생성물을 생성한다. 또한, 상기 청정 건조 공기 생성물이 정화된다면, 초고순도 질소 또는 산소 생성물이 생성될 수 있으며, 이 생성물은 반도체 제조 설비에 필요한 산업용 가스를 제공하는데 적합하게 사용된다.
본원 발명으로서 간주되는 출원의 요지를 명확하게 나타내는 특허청구범위로 종결되지만, 본 발명은 첨부 도면이 주어지는 경우 이해하기 더욱 쉬울 것이다.
도 1은 공기가 분리된 청정 건조 공기 생성물을 생성하여 질소 생성물을 생성하는 장치 및 방법의 개략도,
도 2은 초고순도 청정 건조 공기 생성물을 생성하기 위한 본 발명에 따른 장치의 개략도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 공기 분리 유닛 12 : 압축기
26 : 흡착 유닛 28 : 역류 열교환기
32 : 촉매 반응기 34 : 메인 열교환기
36 : 증류탑 50, 52, 54 : 흡착 베드
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 청정 건조 공기 장치(1)가 초고순도 질소 생성물을 생성하도록 공기 분리 유닛(2)에 적용된 것이 도시되어 있다.
공급 공기 스트림(10)은 압축기(12)에 의해 압축된다. 그런 후, 압축열은 재냉각기(14)에 의해 제거된다. 또한, 모든 응축된 수분은 수분 분리기(16)에 의해 제거되어 압축된 공급 공기 스트림(18)을 생성한다. 그런 후, 압축된 공급 공기 스트림(18)은 본 발명에 따른 청정 건조 공기 유닛(20)내에서 정화되어 압축 및 정화된 공기 스트림(22) 및 초고순도 건조 공기 생성물(24)을 생성하며, 상기 공기 스트림(22) 및 초고순도 공기 생성물(24)은 별개로 사용될 수 있다. 청정 건조 공기 유닛(20)은 흡착 유닛(26), 역류 열교환기(28), 추가 가열기(30) 및 촉매 반응기(32)로 이루어진다. 촉매 반응기(32)는 약 250℃ 내지 약 500℃ 범위에서 작동하도록 설계된 백금기 촉매 또는 금속 산화물 촉매를 함유하는 베드일 수 있다. 바람직한 촉매는 활성화된 알루미나상에 지지된 팔라듐 또는 백금과, 망간 및 구리 산화물의 혼합물을 함유한 산화 촉매를 포함한다.
공기 분리 유닛(2)은 압축된 및 정화된 공기 스트림(22)이 이슬점 온도까지 냉각되어 증류탑(36)내로 유입되는 메인 열교환기(34)를 구비한다. 증류탑(36)은 충분한 높이의 패킹 트레이(packing trays)를 구비하여 질소 생성물 스트림(38)을 생성하며, 이 질소 생성물 스트림(38)은 메인 열교환기(34)내에서 대기 온도로 충분히 데워져 "PN"으로 표시된 생성물 질소로 뽑아질 수 있다. 이와 관련해서, 증류탑(36)은 공지된 방법으로 설계될 수 있으며 약 99.999%의 순도를 가지며 겨우 0.1 ppm의 산소, 일산화탄소, 수소 및 탄화수소 등을 함유하는 초고순도 질소 생성물을 생성한다. 증류탑(36)에 의해 생성된 칼럼 바닥부는 산소 풍부 스트림(39)으로서 제거된다. 산소 풍부 스트림(39)은 팽창 밸브(40)에 의해 팽창되며, 그런 후 증류탑(36)용 환류를 만드는데 사용되는 헤드 콘덴서(42)내에서 기화된다. 그런 후, 최종 기화된 냉각제 스트림(44)은 메인 열교환기(34)의 따뜻한 단부와 차가운 단부 사이에서 중간 온도로 냉각되며 터보팽창기(46)내에서 팽창된다. 터보팽창기(46)는 오일 브레이크 또는 전기 발전기와 같은 에너지 소산 장치에 연결된다. 이러한 것은 냉각 스트림(48)인 냉각제를 생성하며, 상기 냉각 스트림(48)은 메인 열교환기(34)의 차가운 단부내로 유입되고 주위 온도로 충분히 가열된 후 "WN"으로 표시된 폐기 질소로 배출된다. 이 폐기 스트림은 흡착 베드를 재생성하기 위해 사용될 수 있다.
비록 공기 분리 유닛(2)이 단일 칼럼 질소 생성기로 도시되어 있지만, 본 발명은 상기의 특정 실시예에 한정되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명은 이중 칼럼 플랜트에 동일하게 적용될 수 있으며, 상기 이중 칼럼 플랜트에서 고압 칼럼 및 저압 칼럼은 서로 열전달 관계로 작동식으로 연관되어 초고순도 산소 생성물을 생성한다. 또한, 도시된 질소 칼럼에 연결된 초고순도 산소 칼럼은 본 발명의 범위에 속한다.
도 2를 참조하면, 흡착 유닛(26)은 3개의 흡착 베드(50, 52, 54)로 이루어진 것으로 도시되어 있다. 흡착 베드(50, 52, 54)는 공급 공기 스트림(18)으로부터 SOx및 NOx뿐만 아니라 이산화탄소 및 수분을 흡착하도록 설계되었다. 또한, 흡착 베드는 공급 공기내에 함유된 오일 증기중 일부를 흡착한다. 각 흡착 베드(50, 52, 54)는 수분 제거를 위해 활성화된 알루미나 또는 실리카 겔일 수 있는 층(56)이 제공된다. 상부 층(58)은 이산화탄소 및 일부 탄화수소를 흡착하도록 제공된다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 상부 층(58)은 13X 또는 5A 형태의 비석(zeolite)일 수 있다. 오일 윤활식 압축기에 의해 방출된 오일 증기로부터 생성된 일부 탄화수소는 활성화된 알루미나 또는 실리카 겔에 의해 제거되기도 한다. SOx및 NOx화합물은 비석 층에 의해 최초로 제거된다. 상부 층(58)에 존재하는 탄화수소는 메탄, 에탄 및 가능한 일부 프로판을 포함할 수 있다.
바람직하게, 흡착 베드(50, 52, 54)는 각 베드가 흡착 기능을 온-라인 수행하거나 오프-라인 수행하며 재생성 베드로 재생성되는 위상외 사이클(out of phase cycle)에 따라 작동된다. 바람직한 사이클은 온도 스윙 흡착 사이클이며, 이 사이클에서 베드는 공지된 감압, 가열, 냉각, 정화 및 재가압 단계에 의해 재생성된다.
각 흡착 베드(50, 52, 54)가 온-라인일 때, 압축된 공급 공기 스트림(18)은 흡착 베드(50, 52, 54)를 통과하여 제 1 중간 생성물 스트림(60)을 생성하며, 이 제 1 중간 생성물 스트림(60)은 역류 열교환기(28) 내에서 가열되며 그런 후 추가 가열기(30) 내에서 반응 온도로 가열된다. 제 1 중간 생성물 스트림(60)은 촉매 반응기(32)를 통과하여 제 2 보조 공기 스트림(62)을 생성하며, 제 2 보조 공기 스트림(62)은 베드내로 유입되어 청정 건조 공기 생성물 스트림(64)을 생성하도록 재생성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 중간 생성물 스트림(60)중 일부(66)만이 촉매 반응기(32)내에서 실제로 반응하며, 제 1 중간 생성물 스트림(60)중 나머지 부분(68)은 재생성 흡착 베드(50, 52, 54)내에서 사용된다. 청정 건조 공기중 일부를 분리하기 위해 극저온 정류 시스템이 사용된다면, 이 시스템으로부터 생성된 폐기 스트림은 베드 재생성용으로 사용될 수도 있다.
하기의 표 1은 흡착 유닛(26)의 작동을 도시한다. "UHP 공기 흡착"이라 이름 붙여진 단계에서 제 2 중간 공정 스트림(62)내의 공기는 흡착 베드(50, 52, 54)에 흡착됨을 알 수 있다. 유사하게, "공급 공기 흡착"이라 이름 붙여진 단계에서, "공급 공기 흡착"은 공급 공기 스트림(18)으로부터의 공급 공기가 베드(50, 52, 54)내로 흡착되어 제 1 중간 생성물 스트림(60)을 생성하는 것을 의미한다. 마지막으로, 재생성 단계(자세히 상술됨)는 "감압", "가열", "냉각", "정화" 및 "재가압"이라 이름 붙여진다. 가열 및 냉각 단계는 제 1 중간 생성물 스트림(60)중 일부와 함께 수행될 수 있다. 정화 및 재가압 단계는 청정 건조 공기 생성물 스트림(64)과 함께 수행될 수 있다.
단계 #/단계 시간 분 베드(50) 베드(52) 베드(54)
단계 1/5 UHP 공기 흡착 감압 공급 공기 흡착
단계 2/210 UHP 공기 흡착 가열 공급 공기 흡착
단계 3/120 UHP 공기 흡착 냉각 공급 공기 흡착
단계 4/10 UHP 공기 흡착 정화 공급 공기 흡착
단계 5/15 UHP 공기 흡착 재가압 공급 공기 흡착
단계 6/5 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착 감압
단계 7/210 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착 가열
단계 8/120 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착 냉각
단계 9/10 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착 정화
단계 10/15 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착 재가압
단계 11/5 감압 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착
단계 12/210 가열 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착
단계 13/120 냉각 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착
단계 14/10 정화 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착
단계 15/5 재가압 공급 공기 흡착 UHP 공기 흡착
표 1을 참조하면, 단계 1 내지 단계 5에 있어서, 흡착 베드(50, 54)는 베드(50)와 온-라인되어 제 1 중간 생성물 스트림(62)으로부터 청정 건조 공기 생성물 스트림(64)을 생성하며, 흡착 베드(54)는 제 1 중간 생성물 스트림(60)을 생성한다. 흡착 베드(52)는 재생성된다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 밸브(86, 104)는 개방 위치로 설정되어 베드(54)가 제 1 중간 생성물 스트림(60)을 생성하도록 하며, 밸브(76, 94)는 개방되어 베드(50)가 청정 건조 공기 생성물 스트림(64)을 생성하도록 한다. 단계 6 내지 단계 10을 거친 후, 밸브(74, 92)는 개방되어 흡착 베드(50)는 제 1 중간 생성물 스트림(60)을 생성하며, 밸브(82, 100)는 개방되어 흡착 베드(52)는 청정 건조 공기 생성물 스트림(64)을 생성한다. 이러한 점에서 흡착 베드(54)는 재생성된다. 단계 11 내지 단계 15를 거친 후, 흡착 베드(50)가 재생성되며, 흡착 베드(52)는 압축된 공급 공기 스트림(18)으로부터 이산화탄소 및 수분을 흡착하여 제 1 중간 생성물 스트림(60)을 생성한다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 밸브(80, 98)는 개방된다. 흡착 베드(54)가 재생성되어 제 2 중간 생성물 스트림(62)내의 부가적인 이산화탄소 및 수분을 흡착하는 기능을 하며, 그에 따라 청정 건조 공기 생성물 스트림(64)을 생성한다. 흡착 베드(54)가 이러한 방법으로 기능을 하도록, 밸브(88, 106)는 개방 위치에 있게 된다. 사이클이 연속됨으로써 단계 1 내지 단계 15가 연속적으로 반복된다.
공급 공기 스트림(18)의 전형적인 보충물은 약 1 ppm 내지 5 ppm의 일산화탄소, 약 1 ppm 내지 5 ppm의 수소, 약 1 ppm 내지 50 ppm의 전체 탄화수소, 약 350 ppm 내지 400 ppm의 포화된 이산화탄소 및 물을 함유함을 알 수 있다. 흡착 베드(50, 52, 54) 및 사이클은 제 1 중간 생성물 스트림(60)이 약 1 ppm 내지 5 ppm의 일산화탄소, 약 1 ppm 내지 5 ppm의 수소, 약 10 ppm 미만의 전체 탄화수소 및 각기 1 ppm 미만의 이산화탄소 및 물을 함유하도록 설계된다. 청정 건조 공기 생성물 스트림(64)은 각기 1 ppm 미만의 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, 탄화수소 및 물의 보충물을 구비할 수 있다.
단계 1 내지 단계 5 및 재생성 공정으로 되돌아가, 흡착 베드(52)는 개방 밸브(84)에 의해 감압된다. 그런 후, 흡착 베드(52)는 개방 밸브(102)에 의해 가열되어 제 1 중간 생성물 스트림(60)의 나머지 부분(68)을 수납하고, 가열기(72)에 의해 가열된다. 밸브(102)를 동일한 위치에 놓은 채, 흡착 베드(52)는 가열기(72)를 간단히 끄므로서 냉각된다. 그런 후, 흡착 베드(52)는 밸브(100)를 개방하고 밸브(102)를 폐쇄함으로써 청정 건조 공기 생성물 스트림(64)의 나머지 부분과 함께 정화된다. 가압은 밸브(84)를 폐쇄함으로써 이루어진다.
단계 6 내지 단계 11에 있어서, 밸브(90)가 개방됨에 따라 흡착 베드(54)가 재생성된다. 그런 후, 흡착 베드(54)를 제 1 중간 생성물 스트림(60)의 나머지 부분(68)과 함께 가열하기 위해, 밸브(108)는 개방 위치로 된다. 밸브(108)를 동일한 위치에 놓은 채, 가열기(72)는 꺼진다. 그런 후, 밸브(108)는 폐쇄되고 밸브(106)는 개방되어 건조 공기 생성물 스트림(64)의 나머지 부분과 함께 정화되도록 한다. 밸브(106)를 동일한 위치에 놓은 채, 밸브(90)가 폐쇄되어 베드(54)를 작동압으로 감압시킨다.
단계 11 내지 단계 15에서의 흡착 베드(50)의 재생성과 관련해서, 밸브(78)는 개방된다. 그런 후, 흡착 베드(50)는 밸브(92)를 개방시킴으로써 가열되고 그런 후 상기 밸브는 동일한 위치에 놓은 채 가열기(72)를 끄므로써 냉각된다. 그런 후, 밸브(92)를 폐쇄하고 밸브(94)를 개방시킴으로서 청정 건조 공기 생성물 스트림(64)의 나머지 부분이 정화되도록 한다. 상기 밸브가 동일한 위치로 설정되며, 밸브(78)가 폐쇄되어 베드(50)를 재가압한다.
베드에서 베드로 사이클이 연속적으로 발생하며 각 베드는 연속적으로 우선 초고순도 공기를 흡착하며, 그런 후 공급 공기를 흡착하여 재생성된다. 비록 도시되지는 않았지만, 상기 순서는 프로그램가능한 논리 제어기 또는 유사한 장치에 의해 작동되는 원격 제어식 공기 밸브를 사용함으로써 자동화되는 것이 바람직하다.
본 기술분야의 숙련자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 흡착 시스템의 상이한 형태에 동일한 적용을 갖는다. 예를 들면, 비록 온도 스윙 흡착 시스템이 도시되어 있지만, 본 발명은 압력 스윙 흡착 시스템에의 적용을 가질 수 있다. 비록 3개의 베드가 도시되어 있지만, 본 발명은 흡착 및 탈착 공정이 불연속적일 수 있는 경우인 2개의 베드에서도 실행될 수 있다. 그러나, 상기 불연속성은 베드의 재생성동안 생성물을 보유하기 위한 서지 탱크(surge tank) 또는 생성물 압력 탱크를 제공함으로써 경감될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예에 대해 상술하였지만, 본 기술분야에 숙련된 사람에 의해 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 각종 변형, 추가 및 삭제가 이루어질 수 있다.
본 발명은 종래의 흡착 베드 및 압축기를 사용하여 향상된 청정 건조 공기 생성물을 생성하며, 초고순도 산업 가스 생성물을 생성하는 공기 분리 플랜트에 사용되는 사전정화 유닛에 특히 적용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 청정 건조 공기 생성물 스트림(a clean dry air product stream)을 생성하는 방법에 있어서,
    압축된 공급 공기 스트림을 수분 및 이산화탄소를 흡착하도록 구성된 제 1 흡착 베드내로 유입시켜 제 1 중간 생성물 스트림을 생성하는 단계와,
    상기 제 1 중간 생성물 스트림의 적어도 일부내에 함유된 탄화수소, 일산화탄소 및 수소를 촉매 반응시켜, 상기 촉매 반응에 의해 생성된 부가적인 이산화탄소 및 수분을 함유하는 제 2 중간 생성물 스트림을 생성하는 단계와,
    상기 제 2 중간 생성물 스트림을 상기 부가적인 수분 및 이산화탄소를 흡착하도록 구성된 제 2 흡착 베드내로 유입시켜 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성하는 단계를 포함하는
    청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 중간 생성물 스트림은 가열되며, 상기 탄화수소, 일산화탄소 및 수소를 촉매 반응시키도록 백금기 촉매 또는 금속 산화물 촉매를 함유하는 촉매 반응기내로 통과되며;
    상기 제 2 중간 생성물 스트림은 상기 제 2 흡착 베드내로 유입되기 전에 냉각되는
    청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수분 및 이산화탄소를 흡착하도록 구성된 제 3 흡착 베드와 함께 상기 제 1 및 제 2 흡착 베드에 위상외 사이클(out of phase cycle)이 가해지는 단계를 더 포함하며, 상기 위상외 사이클에서 각 상기 제 1, 제 2 및 제 3 흡착 베드는 온-라인 베드로 작용하여 우선 상기 제 2 중간 생성물 스트림으로부터 상기 부가적인 수분 및 이산화탄소를 흡착하며, 그런 후 상기 압축된 공급 공기로부터 상기 수분 및 이산화탄소를 흡착하며, 결과적으로 온-라인 베드로서 다시 온-라인되기 전에 재생성되는 재생성 베드로 작용하는
    청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 위상외 사이클은 재생성 동안 상기 각 제 1, 제 2 및 제 3 베드의 각각이 감압, 가열, 냉각, 정화 및 재가압 단계가 가해지는 온도 스윙 흡착 공정이며,
    상기 가열 단계는 상기 중간 생성물 스트림의 일부를 가열하는 단계와 상기 일부를 상기 재생성 베드내로 유입시키는 단계를 포함하며,
    상기 냉각 단계는 상기 중간 생성물 스트림의 일부를 상기 재생성 베드내로 유입시키는 단계를 포함하며,
    상기 정화 단계는 상기 청정 건조 공기 생성물 스트림의 일부를 상기 재생성 베드를 통해 통과시키는 단계를 포함하며,
    상기 재가압 단계는 상기 재생성 베드가 상기 위상외 사이클의 작동 압력에 도달할 때까지 상기 청정 건조 공기 생성물 스트림의 일부를 상기 재생성 베드내로 유입시키는 단계를 포함하는
    청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 중간 생성물 스트림은 가열되고, 상기 제 2 중간 생성물 스트림은 상기 제 1 및 제 2 중간 생성물 스트림 사이에서 연속적으로 열을 교환시킴으로써 냉각되며, 그에 따라 상기 제 2 중간 생성물 스트림을 냉각시키고, 상기 제 1 중간 생성물 스트림을 부분적으로 가열시키며, 그런 후 상기 제 1 중간 생성물 스트림은 이를 추가 가열기를 통과시킴으로써 촉매 반응에 필요한 온도로 충분히 가열되는
    청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 방법.
  6. 공기를 분리시키는 방법에 있어서,
    압축된 공급 공기 스트림을 이산화탄소 및 수분을 흡착하도록 구성된 다수의 흡착 베드의 각각 내로 유입시키고, 상기 각 흡착 베드가 온-라인 베드로 작동하여 상기 압축된 공급 공기 스트림으로부터 상기 수분 및 이산화탄소를 흡착하며, 그에 따라 제 1 중간 생성물 스트림을 생성하며, 그런 후 재생성되는 재생성 베드로 작동하며, 그 후 상기 압축된 공급 공기 스트림으로부터의 수분 및 이산화탄소를 흡착하는 작용이 이뤄지기 전에 제 2 중간 생성물 스트림내에 함유된 부가적인 수분 및 이산화탄소를 흡착하도록 온-라인되며, 그에 따라 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성하는 재생성 베드로서 작용하는 위상외 사이클에서 작동하는 단계와,
    상기 제 1 중간 생성물 스트림의 일부내에 함유된 탄화수소, 일산화탄소 및 수소와 촉매 반응하여, 상기 촉매 반응에 의해 생성된 상기 부가적인 이산화탄소 및 수분을 함유하는 상기 제 2 중간 생성물 스트림을 생성하는 단계와,
    상기 제 2 중간 생성물 스트림을 상기 압축된 공급 공기의 유입 이전에 상기 온-라인 베드내로 유입시키는 단계와,
    상기 청정 건조 공기 생성물 스트림의 일부를 상기 청정 건조 공기 생성물 스트림내에 함유된 공기를 분리하여 질소 또는 산소가 풍부한 적어도 하나의 생성물을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 증류탑을 갖는 극저온 정류 공정내로 유입시키는 단계를 포함하는
    공기 분리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 위상외 사이클은 상기 각 재생성 베드가 감압, 가열, 냉각, 정화 및 재가압 단계가 가해지는 온도 스윙 흡착 공정이며,
    상기 가열 단계는 상기 제 1 중간 생성물 스트림의 나머지 부분을 가열하는 단계와 상기 나머지 부분을 상기 재생성 베드내로 유입시키는 단계를 포함하며,
    상기 냉각 단계는 상기 제 1 중간 생성물 스트림의 상기 나머지 부분을 상기 재생성 베드내로 유입시키는 단계를 포함하며,
    상기 정화 단계는 상기 청정 건조 공기 생성물 스트림의 나머지 부분을 상기 재생성 베드를 통해 통과시키는 단계를 포함하며,
    상기 재가압 단계는 상기 재생성 베드가 상기 위상외 사이클의 작동 압력에 도달할 때까지 상기 청정 건조 공기 생성물 스트림의 상기 부분을 상기 재생성 베드내로 유입시키는 단계를 포함하는
    공기 분리 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 중간 생성물 스트림은 가열되고, 상기 탄화수소, 일산화탄소 및 수소를 촉매 반응시키도록 백금기 촉매 또는 금속 산화물 촉매를 함유하는 촉매 반응기내로 통과되며;
    상기 제 2 중간 생성물 스트림은 상기 제 2 흡착 베드내로 유입되기 전에 냉각되는
    공기 분리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 각 온-라인 및 재생성 흡착 베드는 제 1 및 제 2 층을 가지며, 상기 제 1 층은 활성화된 알루미나 또는 실리카 겔로써 상기 수분을 제거하며 상기 제 2 층은 13X 비석(zeolite) 또는 5A 비석이며, 촉매는 백금기 촉매 또는 금속 산화물 촉매인
    공기 분리 방법.
  10. 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성하는 장치에 있어서,
    수분 및 이산화탄소를 흡착하도록 각기 구성된 제 1 흡착 베드 및 제 2 흡착 베드와,
    공기를 압축하여 압축된 공급 공기 스트림을 생성하는 압축기와,
    상기 압축기에 연결되어 상기 압축된 공급 공기 스트림으로부터 압축열을 제거하기 위한 재냉각기와,
    상기 재냉각기에 연결되어 상기 압축된 공급 공기 스트림으로부터 응축된 물을 제거하기 위한 물 분리기로서, 상기 제 1 흡착 베드는 상기 물 분리기에 연결되어 상기 압축된 공급 공기 스트림을 수납하고, 그에 따라 상기 압축된 공급 공기 스트림으로부터 상기 수분 및 이산화탄소를 흡착하고, 그에 따라 제 1 중간 생성물 스트림을 생성하는, 상기 물 분리기와,
    제 1 흡착 베드와 연통되며, 상기 제 1 중간 생성물 스트림의 적어도 일부내에 함유된 탄화수소, 일산화탄소 및 수소와 촉매 반응시켜 상기 촉매 반응에 의해 생성된 부가적인 이산화탄소 및 수분을 함유하는 제 2 중간 생성물 스트림을 생성시키기 위한 촉매를 갖는 촉매 반응기와,
    상기 제 1 중간 생성물 스트림을 부분적으로 가열시키고 상기 제 2 중간 생성물 스트림을 냉각시키도록 위치된 역류 열교환기와,
    상기 촉매 반응기와 상기 열교환기 사이에 개재되어 상기 제 1 중간 생성물 스트림을 상기 촉매 반응을 일으키기에 적합한 온도까지 충분히 가열시키는 추가 열교환기를 포함하며,
    상기 흡착 베드는 상기 제 2 중간 생성물 스트림을 수납하도록 상기 열교환기에 연결되며, 그에 따라 상기 부가적인 수분 및 이산화탄소를 흡착하며 그에 따라 상기 청정 건조 공기 생성물 스트림을 생성하는
    청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 각 제 1 흡착 베드 및 제 2 흡착 베드는 제 1 및 제 2 층을 가지며, 상기 제 1 층은 활성화된 알루미나 또는 실리카 겔로써 상기 수분을 제거하며, 상기 제 2 층은 13X 비석 또는 5A 비석인
    청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 촉매는 백금기 촉매 또는 금속 산화물 촉매인
    청정 건조 공기 생성물 스트림 생성 장치.
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