KR20000052370A - 단일 흡착기 및 단일 송풍기를 사용하는 산소 생성 방법및 시스템 - Google Patents

단일 흡착기 및 단일 송풍기를 사용하는 산소 생성 방법및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 혼합물, 특히 공기를 분리시키기 위한 단일 베드 가압 스윙 흡착 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이 방법은 생성물의 역류 세정 및 생성물 부분 가압의 동시 수행 단계를 포함함으로써 사이클 시간을 단축시키고 전체 시스템의 작업성을 향상시킨다.

Description

단일 흡착기 및 단일 송풍기를 사용하는 산소 생성 방법 및 시스템{OXYGEN GENERATION PROCESS AND SYSTEM USING SINGLE ADSORBER AND SINGLE BLOWER}
가압 스윙 흡착법은 다량의 가스 혼합물을 분리하고, 바람직하지 않은 성분을 저농도로 함유하는 가스 스트림을 정제하는 것으로 알려진 방법이다. 이 방법은 광범위한 작동 조건, 생성물의 순도 및 생성물 회수율을 위해 개발되고 개조되어 왔다. 많은 가압 스윙 흡착 시스템에서는 생성물의 유량을 일정하게 유지하기 위해 순환 방식으로 작동하는 2개 이상의 흡착기 베드를 사용하는 한편, 이들 베드 중 선택된 베드는 흡착, 탈압, 탈착, 세정, 압력 평형화, 재가압 및 다른 관련 단계를 비롯한 다양한 단계를 수행한다. 고순도를 달성하고/하거나 귀중한 가스 생성물(예, 수소, 탄소 산화물, 합성 가스, 경질 탄화수소 등)을 회수하는 데에는 여러 공정 단계를 이용하는 다수개의 흡착기 베드가 필요하다. 다수개의 베드를 갖춘 가압 스윙 흡착 시스템의 복잡성 및 자본 경비로 인해, 이러한 귀중한 성분들을 함유하는 가스 원료 혼합물을 생성시키고 특정 생성물의 고순도 요건을 달성하는 데에는 많은 비용이 소요된다.
많은 단일 베드 가압 스윙 흡착(PSA)법은 당업계에서 개발되어 공지되어 있다. 이들 방법 중 대다수는 대기압 이하의 압력에서 부분적으로 수행하므로 진공 스윙 흡착법(VSA) 또는 진공 가압 스윙 흡착법(VPSA)으로 기재된다. 본 발명의 명세서에서는, 가압 스윙 흡착법(PSA)을 수행 압력과 무관하게 모든 유형의 순환식 흡착 시스템을 칭하는 통칭으로 사용한다.
PSA에 의해 회수될 수 있는 다른 가스 생성물은 상기 생성물 만큼의 고순도 및/또는 회수율을 필요로 하지는 않는다. PSA에 의해 공기로부터 산소 및 질소를 회수하는 경우, 예를 들어 대다수의 최종 용도에는 90∼95 부피%의 산소를 함유하는 보다 낮은 순도의 생성물이 허용될 수 있으며, 그러한 제품을 제공하는 데에는 보다 간단한 PSA 시스템을 이용할 수 있다. 이러한 보다 간단한 PSA 시스템은 전술한 다수 베드 시스템에 비해 자본 및 작동 비용이 상당히 절감된다. 이와 같이 가장 간단한 공기 분리용 PSA 시스템에서는, PSA 사이클의 재생 과정 중에 흡착기 세정 및 가압용 가스를 제공하고 생성물을 일정하게 유동시킬 수 있도록 하나 이상의 저장 용기와 함께 단일 흡착기 베드를 사용한다.
미국 특허 제4,561,865호에는, 3 단계 사이클에 걸쳐 원료 압축기와 함께 작동하는 서지 탱크 및 흡착기를 포함하는 단일 베드 PSA 시스템이 개시되어 있다. 첫째, 가압 공기 원료를 흡착기 내에 유입시켜 흡착기 내의 압력을 상승시키면서, 동시에 흡착기 배출물을 서지 탱크 내로 배출시킨다. 가스의 일부는 서지 탱크로부터 산소 농후 생성물로서 배출시킨다. 이후, 흡착기 내로의 공급을 중단하고, 흡착기 내 가스를 역류 방향으로(즉, 흡착기 공급 단부를 통해) 대기로 배출시킨다. 이 배출 단계 중에, 서지 탱크로부터 배출된 세정 가스는 흡착기의 최종 생성물 내로 유입된다. 배출/세정 단계의 완료시, 흡착기와 서지 탱크는 흡착기 생성물의 단부를 통해(즉, 역류 방향으로) 압력 평형화된다. 이들 단계들은 순환 방식으로 반복한다. 미국 특허 제4,511,377호는 이 PSA 방법을 이용하는 모듈 장치를 기재하고 있다.
서지 탱크, 원료 압축기 및 스위치 밸브와 함께 흡착기를 사용하여 일련의 단계들을 수행하는 단일 베드 PSA 시스템은 미국 특허 제4,892,566호에 기재되어 있다. 먼저, 가압 공기 원료를 흡착기 내에 유입시켜 흡착기 내의 압력을 상승시키는 동시에 흡착기 배출물을 서지 탱크 내로 배출시킨다. 가스의 일부를 산소 농후 생성물로서 서지 탱크로부터 배출시킨다. 흡착기 내로의 공급을 중단하고, 흡착기 배출구를 폐쇄시킨 후, 흡착기 내 가스를 역류 방향으로(즉, 흡착기 공급 단부를 통해) 대기로 배출시킨다. 서지 탱크로부터 배출된 가스는 흡착기 내로 역류 방향으로(즉, 흡착기 생성물 단부를 통해) 유입시키고, 흡착기 및 서지 탱크 내의 압력을 평형화시킨다. 이후, 흡착기를 공급 단부를 통해 공기 원료로 가압시킨 후 서지 탱크로 압력 평형화시킨다. 이후, 흡착기를 다시 서지 탱크의 압력 이상으로 가압시킨 후, 최종적으로 흡착기와 서지 탱크를 압력 평형화시킨다. 이후, 이들 단계들을 순환 방식으로 반복한다.
미국 특허 제5,032,150호에는 PSA 사이클 내의 다수개의 가스 저장 탱크를 사용하여 공기를 분리시키는 단일 베드 PSA 방법이 개시되어 있다. 가압 공기를 공기 원료 탱크로부터, 이전의 사이클에서 배출된 산소 농후 가스에 의해 예비 포화된 흡착기 내로 공급한 후, 흡착기 유출물은 생성물 회수 탱크 내로 유입시키고 이로부터 상기 이 가스의 일부를 산소 농후 생성물로서 배출시킨다. 이후, 흡착기 배출구를 폐쇄시키고, 흡착기를 공기 원료 탱크로 압력 평형화시킨다. 이후, 흡착기를 질소 생성물 탱크의 질소 농후 가스로 헹군 후, 제거된 가스는 공기 원료 탱크 내에 저장한다. 이후, 질소 포화된 흡착기를 역류 방향으로(즉, 흡착기 공급 단부를 통해) 질소 생성물 탱크 내로 탈압시킨다. 필요에 따라 질소를 생성물로서 배출시킬 수도 있다. 최종적으로, 흡착기를 생성물 회수 탱크로부터 배출된 산소 농후 가스에 의해 역류 방향으로 세정하여 그 안의 질소를 제거한 후, 산소 농후 가스에 의해 흡착 압력까지 역류 방향으로 가압시킨다. 이들 단계들은 순환 방식으로 반복한다.
용기가 이중 흡착층을 포함하고 연속 가스 원료 및 2개의 연속 생성물 스트림과 교번 방식으로 작동하는 단일 용기의 급속 PSA 시스템은 미국 특허 제5,071,449호에 기재되어 있다. 이 시스템에서는 생성물 서지 탱크를 사용하지 않는다. 30초 이하의 사이클동안 작동하는 단일 흡착 베드를 사용하는 또다른 급속 PSA 시스템이 미국 특허 제4,194,892호에 기재되어 있다. 흡착기 유출물은 임의로 생성물 서지 탱크를 통해 유동하여 흡착기 사이클 동안의 유량 변동을 완화시킨다.
생성물 서지 탱크 및 평형화 탱크를 갖춘 단일 베드 PSA 시스템은 미국 특허 제5,370,728호에 개시되어 있다. 이 시스템의 작동시에는, 가압 공기 원료를 흡착기 베드 내로 공급하고, 상기 베드를 중간 압력으로부터 최대 흡착 압력까지 압축시킨 후, 유출 생성물을 상기 베드로부터 생성물 서지 탱크 내로 배출시킨다. 이후, 흡착 베드를 분리시키고, 동류 방향으로(즉, 생성물의 단부를 통해) 중간 압력의 평형화 탱크 내로 탈압시킨다. 이후, 상기 베드를 동류 방향으로(즉, 공급 단부를 통해) 보다 낮은 탈착 압력까지 탈압시킨 후, 상기 베드를 생성물 서지 탱크로부터 배출된 가스에 의해 역류 방향으로 세정한다. 이후, 상기 베드를 평형화 탱크로부터 배출된 가스에 의해 동류 방향으로 중간 압력까지 가압시킨다. 최종적으로 상기 베드를 공기 원료로 가압하고, 이들 단계들을 순환 방식으로 반복한다.
다른 단일 베드 PSA 방법은 미국 특허 제4,065,272호, 제4,477,264호, 제5,228,888호, 제5,415,683호, 제5,658,371호, 제5,679,134호 및 제5,772,737호, 그리고 일본 특허 출원 공개 제H9-77502호 및 제H10-1947080호, 그리고 유럽 특허 출원 제0 771 583 A1호에 기재되어 있다.
상기 언급한 몇가지 문헌에는 세정 및 재가압 가스를 제공하기 위한 다수개의 가스 저장 탱크가 개시되어 있다. 미국 특허 제5,370,728호, 미국 특허 제5,658,371호, 및 유럽 특허 출원 제0 771 583 A1호에는 산소 회수용 단일 베드 공기 분리 시스템 내에 이중 가스 저장 탱크를 사용하는 방법이 기재되어 있다. 하나의 탱크는 보다 낮은 산소 순도를 가진 부분 탈압 가스 또는 공극 공간 가스를 저장하고, 나머지 탱크는 보다 높은 순도의 산소 생성물 가스를 저장한다. 보다 낮은 산소 순도의 저장 가스는 흡착기의 부분 재가압을 위해 사용하는 한편, 저장된 고순도의 생성물 가스의 일부는 흡착기의 세정을 위해 사용한다. 미국 특허 제5,032,150호에는 다수개의 가스 저장 탱크를 사용하는 PSA 시스템 내에서 공기로부터 질소를 회수하는 방법이 기재되어 있는데, 이때 하나의 탱크는 흡착기를 세정하기 위한 산소 농후 가스를 저장하고, 또다른 탱크는 세정이 완료된 후 흡착기로부터 산소를 제거하기 위한 질소 농후 생성물을 저장한다.
전술한 단일 베드 PSA 방법 및 시스템은 가스 원료 혼합물로부터 농축된 가스 생성물을 효율적으로 제조할 수 있으며, 이러한 특징으로 인해 이들 단일 베드 방법 및 시스템을 보다 광범위하게 사용할 수 있다. 특히, 생성물의 회수율을 최대화하고 공급/배출 송풍기의 전력 소모율을 최소화시키기 위해서는, 생성물 가스를 세정에 효율적으로 사용하는 것이 중요하다. 이하의 명세서 및 청구 범위에 기재된 본 발명은, 생성물 가스 저장 탱크로부터 배출된 세정 가스를 탈압 과정, 실질적으로 일정한 흡착기 압력 기간 동안 및/또는 재가압 과정 중에 흡착기 내로 유입시키는 우수한 PSA 방법 및 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 공정 사이클에 있어 흡착기 및 가스 저장 탱크의 압력 대 시간의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또다른 공정 사이클에 있어 흡착기 및 가스 저장 탱크의 압력 대 시간의 구성도이다.
도 4는 도 3의 공정 사이클의 세정 단계 중의 흡착기 용기 압력 대 시간의 구성도이다.
도 5는 도 3의 공정 사이클의 세정 단계 중의 진공 송풍기 마력 대 시간의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시 형태의 흐름도이다.
도 7은 이중 가스 저장 탱크(도 6)를 사용하는 사이클과 단일 가스 저장 탱크(도 1)를 사용하는 도 3에 도시된 공정의 흡착기 및 가스 저장 탱크의 압력 대 시간을 비교하여 구성한 것이다.
본 발명은 하나 이상의 보다 강한 흡착성 성분 및 하나 이상의 덜 강한 흡착성 성분을 함유하는 가압 가스 원료를 분리시키는 가압 스윙 흡착법에 관한 것으로서, 이 방법은,
(a) 공급 압력 하의 가압 가스 원료를, 보다 강한 흡착성 성분을 우선적으로 흡착하는 고형 흡착제를 수용하는 단일 흡착기 용기의 공급 단부 내로 공급하고, 흡착기 용기의 생성물 단부로부터 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 흡착기 배출 가스를 배출시킨 후, 흡착기 배출 가스의 일부를 가스 저장 탱크 내로 유입시키는 단계,
(b) 흡착기 용기 내의 압력이 최소 흡착기 압력에 도달할 때까지, 흡착기 용기 내로의 가압 가스 원료의 공급을 중단하고 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 배출시켜 흡착기 용기를 탈압시키는 단계,
(c) 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 소거하여 계속적으로 배출시키는 동시에 저장된 흡착기의 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부로 유입시켜, 흡착기 용기 내의 압력을 최소 흡착기 압력으로 실질적으로 일정하게 유지시키는 단계,
(d) 하나 이상의 재가압 가스를 흡착기 용기 내로 유입시킴으로써 흡착기 용기를 최소 흡착기 압력에서 공급 압력으로 재가압시키는 단계로서, 이때 재가압 과정의 적어도 일부는, 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 소거하는 한편 저장된 흡착기 배출 가스는 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 유입시켜 흡착기 용기 내 압력을 최소 흡착기 압력과 공급 압력과의 중간 압력까지 상승시키는 재가압-세정의 조합 단계에서 수행하는 단계, 및
(e) 단계(a) 내지 (d)를 순환 방식으로 반복하는 단계
를 포함한다.
가스 원료는 공기일 수 있고, 보다 강한 흡착성 성분은 질소이며, 덜 강한 흡착성 성분은 산소이다. 상기 방법에서는 A형, X형 또는 모데나이트 구조를 가진 1가 또는 2가의 양이온 교환된 제올라이트로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 고형 흡착제를 사용할 수 있다.
탈압 단계(b)의 적어도 일부는, 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 공극 공간 가스를 배출시킴으로써 실시할 수 있다. 필요에 따라, 탈압 단계(b)의 적어도 일부는 가압 가스를 흡착기 용기로부터 대기로 배출시킴으로써 실시할 수 있다. 탈압 단계(b)의 적어도 일부는 흡착기 용기를 최소 흡착기 압력까지 소거시킴으로써 수행하며, 이때 최소 흡착기 압력은 대기압 이하이다.
재가압 단계(d)의 일부는, 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 한쪽 단부 내로 유입시키는 한편 흡착기 용기의 나머지 단부로부터 가스를 전혀 배출시키지 않음으로써 수행할 수 있다. 추가로 또는 임의로, 재가압 단계(d)의 일부는 흡착기 용기의 공급 단부 내로 가압 가스 원료를 유입시키는 동시에 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부로 유입시킴으로써 실시할 수 있다. 필요에 따라, 재가압 단계(d)의 일부는, 흡착기 용기의 한쪽 단부를 대기와 연통 관계에 배치하여 대기 중의 공기를 흡착기 용기 내로 흐르게 함으로써 대기압 이하의 압력에서 수행할 수 있다.
덜 강한 흡착성 성분이 농후한 흡착기 배출 가스의 적어도 일부는 단계(a) 중에 최종 생성물 가스로서 배출시킬 수 있다. 가스 저장 탱크로부터 배출된 저장된 흡착기 배출 가스의 일부는 단계(b), (c) 및 (d) 중에 최종 생성물 가스로서 배출된다. 임의로, 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 공극 공간 가스의 적어도 일부는 단계(b) 중에 최종 생성물 가스로서 배출시킬 수 있다.
본 발명의 또다른 실시 형태는, 하나 이상의 보다 강한 흡착성 성분과 하나 이상의 덜 강한 흡착성 성분을 함유하는 가압 가스 원료를 분리시키는 가압 스윙 흡착법으로서, 이 방법은,
(a) 공급 압력 하의 가압 가스 원료를, 보다 강한 흡착성 성분을 우선적으로 흡착하는 고형 흡착제를 수용하는 단일 흡착기 용기의 공급 단부 내로 공급하고, 흡착기 용기의 생성물 단부로부터 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 흡착기 배출 가스를 배출시킨 후, 흡착기 배출 가스의 일부를 가스 저장 탱크 내로 유입시키는 단계,
(b) 흡착기 용기 내로의 가압 가스 원료의 공급을 중단하고, 흡착기 용기 내의 압력이 최소의 흡착기 압력에 도달할 때까지 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 배출시켜 흡착기 용기를 탈압시키며, 이 탈압 과정의 적어도 일부동안에 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 유입시키는 단계,
(c) 하나 이상의 재가압 가스를 흡착기 용기 내로 유입시켜 흡착기 용기를 최소 흡착기 압력으로부터 공급 압력으로 재가압시키는 단계, 및
(d) 단계(a) 내지 (c)를 순환 방식으로 반복하는 단계
를 포함한다.
본 발명은 하나 이상의 보다 강한 흡착성 성분 및 하나 이상의 덜 강한 흡착성 성분을 함유하는 가스 원료를 분리시키는 가압 스윙 흡착 시스템을 포함하는데, 상기 시스템은,
(a) 보다 강한 흡착성 성분을 우선적으로 흡착하는 고형 흡착제를 수용하고 있고, 공급 단부와 생성물 단부를 갖춘 단일 흡착기 용기,
(b) (1) 가스 원료를 흡착기 용기의 공급 단부 내로 유입시키고, (2) 소거 가스를 흡착기 용기의 공급 단부로부터 배출시키기 위한 송풍기, 밸브 및 파이프 수단,
(c) 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 흡착기 배출 가스를 흡착기 용기의 생성물 단부로부터 배출시키기 위한 파이프 수단,
(d) 흡착기 용기의 생성물 단부로부터 배출된 흡착기 배출 가스의 일부를 보유시키기 위한 가스 저장 탱크,
(e) 흡착기 배출 가스의 일부를 가스 저장 탱크 내로 유입시키고, 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기 내로 전달시키기 위한 파이프 수단,
(f) 가스 저장 탱크를 흡착기 용기로부터 분리시키는 밸브 수단,
(g) 흡착기 배출 가스의 적어도 일부를 덜강한 흡착성 성분이 농후한 최종 생성물 가스로서 배출시키기 위한 파이프와 밸브 수단, 및
(h) 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 소거하는 한편 저장된 흡착기 배출 가스를 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 유입시킴으로써 흡착기 용기 내의 압력을 최소 흡착기 압력과 공급 압력과의 중간 압력으로 상승시키는 재가압-세정의 조합 단계를 제어하기 위해 상기 밸브 수단(b,f)과 연결된 제어 수단
을 포함한다.
또한, 상기 제어 수단(h)은 (1) 가스 원료를 흡착기 용기의 공급 단부 내로 유입시키는 단계, 및 (2) 소거 가스를 흡착기 용기의 공급 단부로부터 배출시키는 단계를 제어할 수 있다. 또한, 제어 수단(h)은 흡착기 용기로부터 가스 저장 탱크를 분리시키도록 밸브 수단(f)을 제어할 수도 있다.
또한, 제어 수단(h)은 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 소거시키면서 동시에 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 유입시킴으로써 흡착기 용기 내 압력을 실질적으로 최소 흡착기 압력으로 유지시키도록 밸브 수단(b,f)을 제어할 수 있다. 또한, 제어 수단(h)은 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 한쪽 단부 내로 공급하는 한편 흡착기 용기의 나머지 단부로부터 가스를 전혀 소거시키지 않도록 밸브 수단(b,f)을 제어할 수 있다. 최종적으로, 제어 수단(h)은 가압 가스 원료를 흡착기 용기의 공급 단부 내로 공급하면서 동시에 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 공급하도록 밸브 수단(b,f)을 제어할 수 있다.
본 발명은, 순환적 공급, 탈압, 소거, 세정 및 재가압 단계의 독특하고 유리한 조합을 통해 공급 성분들 중 한 성분이 농후한 최종 가스 생성물을 제공하는 PSA 방법이다. 이 방법은 도 1에 개요적으로 도시된 가압 스윙 흡착 시스템을 참조하여 이하에서 설명하기로 한다.
본 명세서에 제시한 본 발명의 실시 형태와 관련된 설명에서 사용된 용어는 다음과 같은 의미를 갖는다.
공급 단계는, 가압 가스 원료를 흡착기 용기 내로 공급하는 시간 동안에 수행한다. 탈압 단계는 흡착기 용기로부터 가스를 배출시킴에 따라 수반되는 흡착기의 압력 저하를 의미하는 것이다. 탈압 과정은, 가스를 초대기압으로부터 대기, 또는 이보다 낮은 압력의 또다른 처리 용기나 밀폐된 공간 내로 직접 배출시킴으로써 이룰 수 있다. 또한, 탈압 과정은, 진공 펌프 또는 송풍기와 같은 기계적 수단에 의해 흡착기로부터 가스를 배출시키는 것으로 정의되는 소거 과정에 의해 이룰 수 있다. 소거 과정은 임의 범위의 흡착기 압력에 걸쳐 수행할 수 있으나, 통상적으로 초대기압, 즉 진공 하에 수행한다. 재가압 과정은, 흡착기 용기 내로 가스를 공급함에 따라 수반되는 흡착기의 압력 상승을 의미한다.
세정 과정은, 세정 가스, 통상적으로 생성물 가스를 흡착기의 한쪽 단부 내로 공급하는 한편, 배출 가스를 용기의 나머지 단부로부터 배출시키는 것으로 정의된다. 세정 과정은 임의 압력 하에 수행할 수 있으나, 초대기압 하에서 수행하는 것이 가장 효과적이다. 후술되는 바와 같이, 세정 과정은 탈압 단계, 소거 단계 또는 재가압 단계 중에 수행할 수 있으므로, 세정 단계의 임의 과정 중에는 흡착기 압력이 상승하거나, 저하되거나 또는 일정하게 유지될 수 있다.
공극 공간 가스는 흡착기 용기 내의 극간 또는 입자간 용적 내에 수용된 비흡착된 가스를 의미하며, 흡착제에 의해 점유되지 않은 파이프 및 용기의 사(死) 용적 내의 가스를 포함한다.
흡착기 용기로부터의 배출 가스(이것은 흡착기 생성물 가스로도 정의될 수 있음)는 생성물 가스 저장 탱크 내에 저장된다. 외부 소비를 위해 이 탱크로부터 배출되는 가스는 최종 가스 생성물로 정의된다.
본 발명의 이 제1 실시 형태의 공정 단계는 도 1을 참조하여 이하에서 상세하게 설명하기로 한다. 이 설명에서는 공기로부터 산소를 회수하는 것으로 설명하였으나, 이 공정은 후술하는 바와 같이 다른 가스 혼합물을 분리하는 데에도 이용할 수 있다.
1. 공기 공급 단계
바람직하게는 공지된 방법을 통해 여과하여 유해한 입상 물질을 제거한 대기 공기를 공급 라인(1), 주입 소음기(3), 라인(5), 개방 밸브(7) 및 라인(9)을 통해 송풍기(11)의 주입구 내로 유입시킨다. 통상적으로 회전식 로브 루츠 유형의 송풍기인 송풍기(11)는 상기 공기를 통상적으로 18∼23 psia 범위의 공급 압력으로 압축시킨다. 송풍기 이후에 후냉각기(도시되지 않음)를 임의로 사용할 수 있다. 가압 가스 원료는 개방 밸브(15) 및 라인(17,19)을 통해 흡착기 용기(21) 내로 유동하며, 이 용기(21)는 공기 원료 중에서 보다 강하게 흡착되는 성분인 질소를 선택적으로 흡착하는 흡착성 물질을 수용하고 있다. 흡착기 용기(21)는 이전의 재가압 단계(후술됨)의 결과로서 처음에는 통상의 중간 압력인 약 14.5∼15.5 psia 상태에 있으며, 흡착기 용기(21)와 가스 저장 탱크(31) 내 압력은 실질적으로 동일하다. 가압 공기 원료는 흡착기 용기 내 압력을 약 13초 내지 20초의 기간에 걸쳐 약 18∼23 psia의 완전 흡착 압력까지 상승시킨다. 대기 공기 중에 존재하는 수분은 공지된 방법에 의해 흡착기 용기(21)의 상류로부터 제거할 수 있거나, 또는 수분을 우선적으로 흡착하는 흡착제 층을 흡착기의 넷 단부에 사용하여 제거할 수 있다.
가압 공기 원료가 흡착기 용기를 통과함에 따라, 공기 원료 중에서 덜 강하게 흡착되는 성분인 산소가 농후해진다. 통상 85∼95 부피%의 산소를 함유하는, 산소가 농후한 흡착기 배출물은 라인(23), 밸브(25) 및 라인(27)을 통해 배출된다. 흡착기 배출 가스의 일부는 라인(29)을 통해 가스 저장 탱크(31) 내로 유동한다. 나머지 가스는 유동 제어 밸브(33) 및 라인(35)을 통과하여 최종 산소 생성물 가스를 제공한다.
공기 공급 단계는, 흡착제가 소정의 질소 처리 수준에 도달할 때까지, 그리고 흡착제 내에 공기 원료와의 완전한 흡착 평형이 이루어질 때까지 계속 수행한다. 이 지점에서, 공기 공급 단계는 밸브(15)를 폐쇄시키고 밸브(39)를 개방함으로써 중단한다. 공기 공급 단계의 통상적인 기간은 약 13 초 내지 20 초이다.
흡착기 용기(21)는, 질소를 우선적으로 흡착하는 하나 이상의 흡착제를 수용하므로 흡착기 유출물 중의 산소 농도가 높다. 이들 흡착제는 A 유형, X 유형, 또는 모데나이트 구조를 가진 1가 또는 2가의 양이온 교환형 제올라이트로 이루어진 군 중에서 선택할 수 있다. 구체적인 예는 NaX, NaA, CaX 및 CaA 유형의 제올라이트이다.
2. 부분 탈압/생성물의 제공 단계
이러한 약 0.5 초 내지 2 초간의 짧은 단계 중에는, 흡착기 용기(21)를 약 0.2∼1.0 psi만큼 동류 방향(공급 단계와 동일한 방향)으로 탈압시키고, 산소 농후 공극 공간 가스(및 소량의 탈착된 질소)는 추가의 산소 생성물로서 라인(27)을 통과한다. 이 단계는 임의의 단계로서, 귀중한 산소 생성물을 회수하고, 가스를 대기로 배출시키고자 하는 경우 발생하는 소음을 제거한다. 이 단계는 밸브(25)를 폐쇄하고 밸브(37)를 개방함으로써 종결시킨다.
3. 추가의 탈압 단계
추가의 가스를 동류 방향(즉, 공급 단계의 흐름 방향과 반대 방향)으로 배출시켜 흡착기를 더욱 탈압시키고 공기 공급 단계 중에 흡착된 질소를 탈착시킴으로써, 다음의 공기 공급 단계를 위해 흡착제를 재생시킨다. 이 가스는 송풍기(11)에 의해 라인(19), 밸브(37) 및 라인(9)을 경유하여 제거하고, 상기 송풍기(11)는 라인(13), 밸브(39), 라인(41) 및 소음기(43)를 통해 탈압 가스를 배출시키며, 이 탈압 가스는 상기 소음기(43)로부터 라인(45)을 통해 대기로 배출된다. 소거 과정은, 약 4∼8 psia의 최소 흡착기 압력이 얻어질 때까지 계속 수행한다. 대안적으로, 흡착기 용기(21)는 밸브(7,15,37)[바람직하게는 밸브(39)도 함께]를 개방하여 대기압으로 부분적으로 직접 탈압시킬 수 있다. 이로써 보다 높은 유량 및 보다 빠른 탈착이 이루어진다. 흡착기 압력이 대기압에 도달하면, 밸브(7,15)는 폐쇄시키는 한편 밸브(39)는 개방시킨 후, 전술한 바와 같이 송풍기(11)를 사용하여 소거를 통해 추가의 탈압 과정을 완결한다. 추가의 탈압 단계는 통상적으로 20초 내지 36초동안 수행하며, 밸브(25)를 부분적으로 개방함으로써 종결시킨다.
4. 생성물의 역류 세정 단계
가스 저장 탱크(31)로부터의 생성물 가스 흐름은 부분 개방된 밸브(25)를 통해 배출되어, 흡착제를 세정하고 잔류 질소를 추가로 탈착하는 역류 세정물을 제공한다. 세정 가스의 유입 속도는, 흡착기 용기(21) 내 압력이 약 4∼8 psia의 최소 흡착기 압력에서 실질적으로 일정하게 유지되도록 거의 송풍기(11)의 용량으로 조절한다. 본 명세서에 사용된 "실질적으로 일정한"이란 용어는, 세정 단계 중의 흡착기 압력차가 약 ±0.5 psia 이하 정도인 것을 의미한다. 세정 단계의 기간은 약 3초 내지 10초이며, 이 단계는 밸브(25)를 완전히 개방하여 종결시킨다.
5. 생성물의 역류 세정 및 생성물의 부분 재가압 단계
생성물 가스는 완전히 개방된 밸브(25)를 경유하여, 송풍기(11)가 가스를 배출시킬 수 있는 것보다 빠른 속도로 흡착기 용기(21) 내로 유입된다. 이 단계는 2초 내지 5초간 수행하며, 이 과정 중에 흡착기 용기 내 압력은 약 1.5∼3.0 psi씩 중간 압력까지 상승한다. 이 기간 중에, 흡착기 용기(21)의 세정 과정이 계속 진행되어 흡착제를 세정하고 잔류 질소를 탈착시킨다. 이 세정 단계 중에 흡착기 압력이 상승함에 따라, 송풍기(11)의 전력 소모량이 상당히 저하된다. 또한, 재가압 단계 중에 베드 압력이 상승함에 따라 이 단계의 기간이 연장되며, 재가압 속도는 보다 느려진다. 이는, 잔류 질소가 흡착기 주입구쪽으로 밀리는 것을 도우므로 전체적인 사이클 시간을 단축시켜 준다. 이 단계는 밸브(37)를 폐쇄시키고 밸브(7)를 개방하여 송풍기를 공회전시킴으로써 종결시킨다.
6. 생성물의 재가압 단계
가스 저장 탱크(31)로부터 배출된 생성물 가스는 라인(27,29), 밸브(25) 및 라인(23)을 경유하여 흡착기 용기(21) 내로 유입되어, 용기(21) 내 압력을 약 8∼15 psia로 상승시킨다. 생성물 재가압 수준은 공기 공급 단계에서 얻어진 생성물의 순도를 결정한다. 재가압 수준이 높을수록 생성물의 순도가 보다 높아진다. 이 생성물 재가압 단계의 기간은 통상적으로 3초 내지 6초이며, 밸브(15)를 개방하고 밸브(39)를 폐쇄시킴으로써 종결시킨다.
7. 2차 재가압 단계
생성물 가스를 가스 저장 탱크(31)로부터 용기(21) 내로 역류 방향으로 유동시키는 동시에 가압 공기 원료를 원료 송풍기(11)로부터 라인(13), 밸브(15), 라인(17) 및 라인(19)을 경유하여 용기(21) 내로 유동시킴으로써 흡착기 용기(21)의 재가압 단계를 계속 수행한다. 이 단계는, 흡착기 용기(21) 및 가스 저장 탱크(31) 내 압력이 약 15∼19 psia의 통상의 압력으로 평형화될 때까지 계속 수행한다. 대안적으로, 공기에 의한 부분 재가압 과정은, 흡착기 용기(21) 내의 압력이 대기압에 도달할 때까지 흡착기 내로 공기가 흡입되도록 밸브(15,37,39)(바람직하게는 밸브(7)도 함께)를 개방 상태로 둔 채 흡착기 용기(21)를 대기와 연통시킴으로써 초대기 흡착기 압력 하에서 수행할 수 있다. 이후, 흡착기 용기(21) 및 가스 저장 탱크(31) 내의 압력이 약 19∼24 psia로 평형화될 때까지 밸브(37,39)를 폐쇄시킴으로써, 송풍기(11)에 의한 추가의 재가압 과정을 계속 초대기압 하에서 수행한다. 2차 재가압 단계의 기간은 약 2초 내지 6초이다.
가압 공기 원료가 흡착기 내로 계속 유입됨에 따라, 산소 농후 흡착기 배출물은 흡착기로부터 배출되기 시작한다. 이 지점에서 2차 재가압 단계가 완료되고 공기 공급 단계 1이 시작하며, 사이클이 반복된다.
전술한 단계 1 내지 7 동안, 최종 산소 생성물 가스는 밸브(33) 및 라인(35)을 통해 연속적으로 배출된다. 단계 1 및 2 동안, 흡착기 용기(21)로부터 라인(23,27)을 경유하는 전체적인 가스 흐름은 가스를 라인(29)을 경유하여 저장 탱크(31)로 공급하고, 산소 생성물은 라인(35)을 통해 공급한다. 단계 3 내지 7 동안, 최종 산소 가스 생성물은 라인(29,35)을 통해 가스 저장 탱크(31)로부터 배출된다. 단계 4 내지 7 동안에는, 흡착기 용기의 세정 및 재가압을 위해, 가스를 라인(29,27)을 통해 가스 저장 탱크로부터 배출시킨다. 가스 저장 탱크(31)는, 세정 및 재가압 가스를 제공하는 한편 최종 산소 생성물을 요구되는 압력 및 유량으로 제공하기에 충분한 용적을 갖도록 고안한다.
전술한 PSA 사이클은 밸브(7,15,37,39)에 의해 작동하며, 이들 밸브는 당업계에 알려진 하드웨어 및 소프트웨어 시스템을 사용하는 제어 시스템(51)으로부터 송출되는 제어 시그날을 통해 필요한 회수로 개폐된다. 디지탈 및 아나로그 시그날 성능을 가진 마이크로프로세서 콘트롤러라면 어떤 것도 사용할 수 있으며, 소프트웨어는 시판되는 표준 패키지를 사용하여 용이하게 개발할 수 있다.
전술한 PSA 사이클에 대한 요약 내용은 하기 표 1에 제시하며, 이것은 전술한 각 사이클 단계의 시간 및 밸브 상태를 말해준다. 시간과 함수 관계인, 흡착기 용기(21) 및 가스 저장 탱크(31) 내 절대 압력의 구성은 도 2에 도시한다.
사이클 및 밸브 상태에 대한 요약(도 2의 시간 )
사이클 단계 시간 밸브 번호
기간 초 7 15 25 37 39
1) 공기 공급 단계 t0-t1 13-20 O O O C C
2) 생성물 제공 단계 t1-t2 0.5-2.0 O C O C O
3) 추가의 탈압 단계 t2-t4 20-36 C C C O O
4) 생성물 세정 단계 t4-t5 3-10 C C PO O O
5) 생성물 세정/재가압 단계 t5-t6 2-5 C C O O O
6) 생성물 재가압 단계 t6-t7 3-6 O C O C O
7) 2차 재가압 단계 t7-tf 2-6 O O O C C
밸브 상태: O = 개방, PO = 부분 개방, C = 폐쇄
총 사이클 시간(t0-tf)은 통상적으로 45초 내지 85초이다.
추가의 탈압 단계(3) 중 기간 t2-t3동안에는, 흡착기 압력이 흡착기 공급 압력에서 거의 대기압까지 저하된 후, 기간 t3-t4동안에는 최소 흡착기 압력까지 소거된다.
본 발명의 대안적 실시 형태에서는, 가스 저장 탱크(31)의 생성물 가스 흐름을 추가 탈압 단계(3)의 적어도 일부 과정 중에 부분 개방 밸브(25)를 통해 배출시킴으로써, 흡착제를 세정하고 잔류 질소를 탈착시키는 역류 세정 가스를 제공한다. 세정 가스의 유량은, 흡착기 용기(21)로부터 순수한 가스가 배출되어 흡착기 용기(21) 내 압력이 계속 저하되도록 밸브(25)를 통해 제어한다. 이 대안적 사이클의 요약 내용은 하기 표 2에 제시하였으며, 이는 각 사이클 단계의 시간 및 밸브 상태를 지시해준다. 흡착기 용기(21) 및 가스 저장 탱크(31) 내 절대 압력을 시간과 함수 관계로 하여 도 3에 도시하였다. 이 탈압/세정 단계(3a)의 기간은 약 2초 내지 약 6초일 수 있다. 표 2 및 도 3에서는, 흡착기가 그 최소 압력에 도달하기 직전에 탈압/세정 단계가 이루어지는 것으로 제시하고 있으나, 이 단계는 t2내지 t4의 추가 탈압 단계의 어느 과정에서도 이루어질 수 있다.
사이클 및 밸브 상태에 대한 요약(도 3의 시간 )
사이클 단계 시간 밸브 번호
기간 초 7 15 25 37 39
1) 공기 공급 단계 t0-t1 13-20 O O O C C
2) 생성물 제공 단계 t1-t2 0.5-2.0 O C O C O
3) 추가의 탈압 단계 t2-t3a 20-36 C C C O O
3a) 탈압 및 세정 단계 t3a-t4 2-5 C C PO O O
4) 생성물 세정 단계 t4-t5 2-5 C C PO O O
5) 생성물 세정/재가압 단계 t5-t6 2-5 C C O O O
6) 생성물 재가압 단계 t6-t7 3-6 O C O C O
7) 2차 재가압 단계 t7-tf 2-6 O O O C C
밸브 상태: O = 개방, PO = 부분 개방, C = 폐쇄
총 사이클 시간(t0-tf)은 통상적으로 40 초 내지 85 초이다.
따라서, 본 발명의 유리한 특징은, 흡착기가 단계(3) 및/또는 (3a)에서 탈압되는 동안, 흡착기가 단계(4)에서 최소 흡착기 압력으로 소거되는 동안, 또는 단계(5)에서 생성물의 역류 세정 및 생성물의 부분 재가압이 이루어지는 동안 생성물 가스 저장 탱크(31)로부터 세정 가스를 공급한다는 것이다. 단계(3),(3a),(4) 및 (5) 중 어느 한 단계 또는 임의의 조합 단계 동안 세정 가스를 가스 저장 탱크(31)로부터 흡착기 용기(21) 내로 공급하는 다양한 대안적 세정 사양도 가능하다. 세정 가스는 전술한 본 발명의 제1 실시 형태에 기재한 바와 같이 단계(4) 및 (5) 동안에 공급하는 것이 바람직하다. 대안적으로, 세정 가스는 단계(3a), (4) 및 (5) 중에만 공급할 수 있다.
실시예
도 1의 단일 베드 PSA 시스템을 표 2 및 도 3의 사이클에 따라 작동시켰다. 600 lbs의 활성 알루미나(수분 제거를 위해 주입구에 부하) 및 3500 lbs의 X 유형 제올라이트 흡착제(이 흡착제의 교환 가능한 이온 함량의 약 85.6%는 리튬이고, 약 8.0%는 아연이며, 나머지는 나트륨 및 칼륨임)가 수용된 단일 흡착기 용기를 사용하였다. PSA 시스템은, 90 부피%의 산소 생성물을 5 톤/일로 생성시키도록 작동시켰으며, 700 입방피트 용적의 생성물 저장 탱크를 사용하였다. 흡착기 및 가스 저장 탱크의 압력 프로파일은 도 2에 도시된 바와 같이 결정하였다. 단계(3a),(4) 및 (5) 동안의 작업은 자세하게 관측하고, 흡착기 압력, 소거 가스 유량 및 조성에 대해 작동 데이터를 얻었다. 송풍기의 전력은 측정된 가스 압력 및 유량으로부터 계산하였다. 측정 및 계산된 데이타는 하기 표 3에 제시하였다.
단계(3a), (4) 및 (5)의 작동 데이터
사이클 소거된 가스 비출력, (ACFM, HP)
단계 경과 시간(초) 베드 압력(Psia) 송풍기전력(HP) 유량(ACFM) 유량(SCFM) N2(몰%)
3a 42 7.5 69.0 1704 825 90.0 24.7
3a 43 7.2 72.0 1685 782 91.0 23.4
3a 44 7.0 73.5 1672 753 91.5 22.8
4 45 6.9 74.4 1665 739 92.0 22.4
4 46 6.8 75.3 1658 725 93.0 22.0
4 47 7.0 73.5 1672 753 94.0 22.8
5 48 7.2 72.0 1685 782 94.0 23.4
5 49 8.1 63.9 1754 949 94.5 27.4
5 50 9.5 50.5 1817 1128 94.0 36.0
세정 단계(3a), (4) 및 (5)에 있어 흡착기의 압력 프로파일 및 송풍기 진공 전력을 경과 시간과 함수 관계로서 도 4 및 도 5에 각각 도시하였다. 이들 데이타는, 세정/재가압 단계(단계 5)를 동시에 수행할 수 있으므로 진공 송풍기의 비출력이 상당히 감소한다는 잇점이 제공됨을 말해준다. 또한, 세정 과정 동안에 부분 재가압 과정을 수행함으로써, 세정 및 재가압 단계를 수행하는 사이클에 비해 전체 재생 기간(표 1의 단계 3 내지 7)이 단축된다.
본 발명의 대안적이고 선택적인 실시 형태는 도 6의 흐름도에 도시하였다. 이 실시 형태에서는, 추가의 생성물 가스 저장 탱크(32)를 사용하여 가스 저장 탱크(31)를 보완한다. 라인(28) 및 체크 밸브(30)를 통해 흡착기 배출 라인(27)에 연결되는 가스 저장 탱크(32)는 도시된 바와 같이 가스 저장 탱크(31)와 일체를 이룰 수 있거나 또는 별개의 탱크일 수 있다. 탱크(31)의 용적은 통상적으로 탱크(32) 용적의 2배 이상이다. 체크 밸브(30)는, 라인(28) 내 가스 압력(및 라인(29)과 가스 저장 탱크(31) 내 가스 압력)이 가스 저장 탱크(32) 내 압력보다 약간 높고 그 압력 차이가 체크 밸브(30)를 개방하는 데 필요한 작은 차동 압력(통상 0.25 내지 0.5 psi) 정도인 경우에만, 가스 저장 탱크(32) 내로 유입될 수 있다. 이로써, 가스 저장 탱크(31) 내 가스 압력은 항상 가스 저장 탱크(32) 내 압력보다 낮거나 또는 이와 거의 동일하게 되고, 가스가 탱크(32)로부터 라인(28) 내로 역유동하는 것이 방지되며, 유동 제어 밸브(33) 및 라인(35)을 통해서만 탱크(32)로부터 가스가 배출될 수 있다.
흡착기 용기(21) 내 압력이 가스 저장 탱크(31,32) 내 압력보다 큰 표 1 및 표 2에 전술한 사이클 단계(1) 및 (2) 동안에는, 흡착기에서 배출된 생성물 가스가 라인(29)을 통해 가스 저장 탱크(31) 내로 유동하고 라인(28) 및 체크 밸브(30)를 통해 가스 저장 탱크(32) 내로 유동한다. 최종 생성물 가스는 유동 제어 밸브(33) 및 라인(35)을 통해 연속적으로 배출된다. 가스 저장 탱크(32) 내 최소 압력은 라인(35) 내 최종 생성물 가스의 필요 압력보다 수 psi 더 높은 압력으로 정해진다.
표 1 및 표 2의 사이클 중 밸브(25)가 폐쇄되는 단계 3 동안에는, 탱크(31,32) 내 압력이 거의 동일해지며, 생성물 가스가 라인(35)을 통해 배출되는 속도와 거의 동일한 속도로 저하된다. 밸브(25)를 개방함으로써 표 1의 단계(4) 또는 표 2의 단계(3a)에서 세정이 시작되면, 가스 압력이 탱크(31)의 가스 배출 속도만큼 보다 급속히 저하되며, 체크 밸브(30)는 폐쇄되어 탱크(31)로부터 탱크(32)가 분리된다. 탱크(32) 내 압력은, 제어 밸브(33) 및 라인(35)을 통해 배출되는 필요한 생성물의 유량에 의해 결정되는 속도로 저하되는 한편, 탱크(31) 내 압력은 밸브(25)를 통해 흡착기 용기(21) 내로 유입되는 필요한 세정 속도에 의해 결정되는 속도로 보다 급속히 저하된다. 본 발명의 이러한 특징은, 세정을 위해 탱크(31)로부터 보다 낮은 압력의 가스를 사용할 수 있게 하는 한편 최종 생성물을 위해 탱크(31)로부터 보다 높은 압력의 가스를 사용할 수 있게 하므로, 도 1의 단일 가스 저장 탱크의 전술한 사용시보다 유용한 가스 압력을 보다 효율적으로 사용할 수 있다.
이 실시 형태에서는, 가스 원료를 라인(19)을 통해 공급하고 생성물 가스를 탱크(31)로부터 라인(23)을 경유하여 공급함으로써 표 1 또는 표 2에 제시된 사이클의 단계(7) 중에 흡착기 용기(21)를 가압시킨다. 흡착기(19)와 탱크(31) 내의 압력이 평형화된 후, 흡착기(19)로부터 배출된 배출 가스 생성물은 라인(29)을 경유하여 탱크(31) 내로 유입된다. 탱크(31) 내 압력이 탱크(32) 내 압력(+ 체크 밸브(30)를 개방하는 데 필요한 작은 차동 압력)에 도달하면, 라인(27)으로부터 배출되는 생성물 가스가 표 1 또는 표 2의 사이클이 시간 tf에서 완료할 때까지 탱크(31,32) 내로 유입된다. 이후, 전술한 바와 같이 다음 사이클이 진행된다.
도 6에 도시된 대안적인 임의의 이중 탱크에서 생성물 가스 저장 탱크(32)와 단일 생성물 가스 저장 탱크(31)(도 1)의 압력 프로파일을 비교한 결과를 도 7에 도시하였다. 세정을 위해 탱크(32)로부터 가스가 전혀 배출되지 않기 때문에, 생성물 가스 저장 탱크(32)(도 6) 내 압력은 생성물 가스 저장 탱크(31)(도 1) 내 압력 미만에서 유동하는 것으로 나타난다. 이로써, 도 1의 탱크(31)보다 낮은 압력 하의 도 6의 탱크(31)로부터 가스가 배출될 수 있기 때문에 도 1의 단일 가스 저장 탱크(31)를 사용한 경우에 비해 도 6의 탱크(31) 내 유용한 가스 압력을 세정을 위해 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 이는, 진공 또는 소거 방식으로 송풍기(11)를 작동시키는 데 필요한 전력이 절감됨을 말해준다. 단일 생성물 탱크를 사용하는 경우보다 낮은 압력에서 세정 및 재가압 가스를 제공할 수 있기 때문에, 저장된 생성물 가스를 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 이 목적으로 저장된 가스의 압력이 각 공정 사이클 동안 보다 적은 범위에 걸쳐 유동하기 때문에, 최종 생성물 가스의 압력이 보다 효율적으로 제어될 수 있으며, 따라서 가스 저장 용기의 용적 및 비용이 절감될 수 있다.
임의의 이중 생성물 가스 저장 탱크를 사용하는 도 6의 실시 형태는 전술한 단일 흡착기 공정 사이클에 국한되지 않으며, 하나 이상의 흡착기 용기를 사용하는 임의의 흡착 공정 사이클에 사용할 수 있다. 이중 생성물 가스 저장 탱크를 임의로 사용하면 (1) 공급 단계에서 흡착기 용기를 작동시키지 않는 기간동안 생성물 가스를 필요한 압력으로 일정하게 전달할 수 있고, (2) 보다 낮은 압력 하의 저장된 생성물 가스를 흡착기 용기를 세정하기 위해 사용할 수 있다.
이상에서는 산소 생성을 위한 공기 분리의 바람직한 용도로서 본 발명의 PSA 공정 사이클을 설명하였다. 또한, 이들 공정 사이클은 적당한 흡착제(들) 및 사이클 시간을 사용하여 다른 가스 혼합물을 분리시키는 데에도 사용할 수 있다. 이 공정은, 예를 들어 페트롤륨 정제 폐가스로부터 적당한 순도의 수소를 회수할때, 공기의 건조시, 천연 가스로부터 중질의 탄화수소의 제거시 이용할 수 있다. 이들 분리 용도에 유용한 흡착제로는 활성 탄소, A 유형 및 X 유형의 제올라이트 및 모데나이트가 있다.
따라서, 본 발명의 PSA 공정은, 주요 생성물 성분을 약 80∼95 부피%로 함유하는 생성물을 약 40∼75%의 회수율로 생성시키는 효과적인 가스 분리법을 제공한다. 본 발명의 유리한 특징은, 흡착기를 단계(3) 및/또는 (3a)에서 탈압시키는 동안, 흡착기 용기(21)를 단계(4)에서 최소 흡착기 압력에서 소거시키는 동안, 또는 단계(5)의 생성물의 역류 세정 및 생성물의 부분 재가압 과정 동안 세정 가스를 생성물 가스 저장 탱크(31)로부터 흡착기 내로 공급한다는 점이다. 세정 가스를 단계(3), (3a), (4) 및 (5) 중 임의의 단계 또는 모든 단계 중에 가스 저장 탱크로부터 흡착기 내로 공급하는 다양한 대안적인 세정 사양이 가능하다. 단일 베드 흡착 시스템은 보다 높은 생성물 순도 및 회수율이 요구되는 다수 베드 시스템에 비해 간단하고 적은 자본이 소요된다.
본 발명의 단일 베드 시스템은 기존의 시스템보다 간단하다. 단일 버퍼 탱크, 단일 생성물 세정 및 재가압 밸브, 그리고 단일 송풍기를 사용함으로써 시스템의 작동이 간단하다. 세정 및 재가압이 조합된 공정 단계들은 전체적인 사이클 시간이 보다 단축된 보다 효율적인 시스템을 제공함에 따라, 흡착제의 단위 부피당 가스 생성물의 부피로서 정의되는 흡착제 생성율을 증가시킨다. 제1 세정물은 흡착성 베드 주입구 부근에 흡착된 수분 및 이산화탄소 대부분을 제거하고, 질소의 탈착 시에는 종래 기술의 통상적인 압력보다 높은 압력에서 진공 세정 과정을 수행해야 한다. 보다 높은 압력 하의 세정 단계를 이용함으로써, 보다 낮은 전력 비용 하에 흡착기 베드를 효율적으로 재생시킬 수 있다. 동류 탈착 단계는 베드 공극 부피 내에 포획된 귀중한 생성물 가스를 절약해주므로 생성물의 회수율을 향상시킨다. 2차 재가압 단계는 재가압 시간을 상당히 단축시키므로 사이클 시간이 보다 빨라지고 흡착제 생성률이 보다 우수해진다.
본 발명의 주요 특징은 전술한 설명에 완전히 기재하였다. 당업자들은 본 발명의 기본 사상에서 벗어나지 않고 후술하는 청구 범위의 영역 및 등가물로부터 벗어나지 않는 한 다양하게 변경시킬 수 있음을 알 것이다.

Claims (21)

  1. (a) 공급 압력 하의 가압 가스 원료를, 보다 강한 흡착성 성분을 우선적으로 흡착하는 고형 흡착제를 수용하는 단일 흡착기 용기의 공급 단부 내로 공급하고, 흡착기 용기의 생성물 단부로부터 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 흡착기 배출 가스를 배출시킨 후, 흡착기 배출 가스의 일부를 가스 저장 탱크 내로 유입시키는 단계,
    (b) 흡착기 용기 내의 압력이 최소 흡착기 압력에 도달할 때까지, 흡착기 용기 내로의 가압 가스 원료의 공급을 중단하고 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 배출시켜 흡착기 용기를 탈압시키는 단계,
    (c) 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 소거 방식으로 가스를 계속 배출시키는 동시에 저장된 흡착기의 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 유입시켜, 흡착기 용기 내의 압력을 최소 흡착기 압력으로 실질적으로 일정하게 유지시키는 단계,
    (d) 하나 이상의 재가압 가스를 흡착기 용기 내로 유입시킴으로써 흡착기 용기를 최소 흡착기 압력에서 공급 압력으로 재가압시키는 단계로서, 이때 재가압 과정의 적어도 일부는, 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 소거하는 한편 저장된 흡착기 배출 가스는 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 유입시킴으로써 흡착기 용기 내 압력을 최소 흡착기 압력과 공급 압력과의 중간 압력으로 상승시키는 재가압-세정의 조합 단계에서 수행하는 단계, 및
    (e) 단계(a) 내지 (d)를 순환 방식으로 반복하는 단계
    를 포함하는 것이 특징인, 하나 이상의 보다 강한 흡착성 성분과 하나 이상의 덜 강한 흡착성 성분을 함유하는 가압 가스 원료를 분리시키는 가압 스윙 흡착법.
  2. 제1항에 있어서, 가스 원료가 공기이고, 보다 강한 흡착성 성분은 질소이며, 덜 강한 흡착성 성분은 산소인 것이 특징인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 고형 흡착제는 A 유형, X 유형 또는 모데나이트 구조를 가진 1가 또는 2가의 양이온 교환 제올라이트로 이루어진 군 중에서 선택되는 것임이 특징인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 탈압 단계(b)의 적어도 일부는 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 공극 공간 가스를 배출시킴으로써 수행하는 것이 특징인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 탈압 단계(b)의 적어도 일부는 가압 가스를 흡착기 용기로부터 대기로 배출시킴으로써 수행하는 것이 특징인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 탈압 단계(b)의 적어도 일부는 흡착기 용기를 최소 흡착기 압력까지 소거시킴으로써 수행하는 것이 특징인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 최소 흡착기 압력이 대기압 이하인 것이 특징인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 재가압 단계(d)의 일부는 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 한쪽 단부 내로 공급하는 한편 흡착기 용기의 나머지 단부로부터 가스를 소거시키지 않는 방식으로 수행하는 것이 특징인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 재가압 단계(d)의 일부는 가압 가스 원료를 흡착기 용기의 공급 단부 내로 공급하는 동시에 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 공급함으로써 수행하는 것이 특징인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 재가압 단계(d)의 일부는, 대기 중의 공기가 흡착기 용기 내로 유동하도록 흡착기 용기의 한쪽 단부를 대기와 연통 관계로 배치함으로써 대기압 이하의 압력에서 수행하는 것이 특징인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 흡착기 배출 가스의 적어도 일부는 단계(a) 중에 최종 생성물 가스로서 배출시키는 것이 특징인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 가스 저장 탱크에 저장된 흡착기 배출 가스의 일부는 단계(b), (c) 및 (d) 중에 최종 생성물 가스로서 배출시키는 것이 특징인 방법.
  13. 제4항에 있어서, 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 공극 공간 가스의 적어도 일부는 단계(b) 중에 최종 생성물 가스로서 배출시키는 것이 특징인 방법.
  14. (a) 공급 압력 하의 가압 가스 원료를, 보다 강한 흡착성 성분을 우선적으로 흡착하는 고형 흡착제를 수용하는 단일 흡착기 용기의 공급 단부 내로 유입시키고, 흡착기 용기의 생성물 단부로부터 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 흡착기 배출 가스를 배출시킨 후, 흡착기 배출 가스의 일부를 가스 저장 탱크 내로 유입시키는 단계,
    (b) 흡착기 용기 내의 압력이 최소 흡착기 압력에 도달할 때까지, 흡착기 용기 내로의 가압 가스 원료의 공급을 중단하고 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 배출시켜 흡착기 용기를 탈압시키며, 이 탈압 과정의 적어도 일부 동안에는 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 유입시키는 단계,
    (c) 하나 이상의 재가압 가스를 흡착기 용기 내로 유입시켜 흡착기 용기를 최소 흡착기 압력으로부터 공급 압력으로 재압축시키는 단계, 및
    (d) 단계(a) 내지 (c)를 순환 방식으로 반복하는 단계
    를 포함하는 것이 특징인, 하나 이상의 보다 강한 흡착성 성분과 하나 이상의 덜 강한 흡착성 성분을 함유하는 가압 가스 원료를 분리시키는 가압 스윙 흡착법.
  15. (a) 보다 강한 흡착성 성분을 우선적으로 흡착하는 고형 흡착제를 수용하고 있고, 공급 단부와 생성물 단부를 갖춘 단일 흡착기 용기,
    (b) (1) 가스 원료를 흡착기 용기의 공급 단부 내로 유입시키고, (2) 소거 가스를 흡착기 용기의 공급 단부로부터 배출시키기 위한 송풍기, 밸브 및 파이프 수단,
    (c) 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 흡착기 배출 가스를 흡착기 용기의 생성물 단부로부터 배출시키기 위한 파이프 수단,
    (d) 흡착기 용기의 생성물 단부로부터 배출된 흡착기 배출 가스의 일부를 보유시키기 위한 가스 저장 탱크,
    (e) 흡착기 배출 가스의 일부를 가스 저장 탱크 내로 유입시키고, 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기 내로 전달시키기 위한 파이프 수단,
    (f) 가스 저장 탱크를 흡착기 용기로부터 분리시키는 밸브 수단,
    (g) 흡착기 배출 가스의 적어도 일부를 덜 강한 흡착성 성분이 농후한 최종 생성물 가스로서 배출시키기 위한 파이프와 밸브 수단, 및
    (h) 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 소거하는 한편 저장된 흡착기 배출 가스를 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 유입시킴으로써 흡착기 용기 내의 압력을 최소 흡착기 압력과 공급 압력과의 중간 압력으로 상승시키는 재가압-세정의 조합 단계를 제어하기 위해 상기 밸브 수단(b,f)과 연결된 제어 수단
    을 포함하는 것이 특징인, 하나 이상의 보다 강한 흡착성 성분과 하나 이상의 덜 강한 흡착성 성분을 함유하는 가스 원료를 분리시키는 가압 스윙 흡착 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 제어 수단(h)은, (1) 흡착기 용기의 공급 단부 내로 가스 원료를 공급하는 과정과, (2) 소거 가스를 흡착기 용기의 공급 단부로부터 배출시키는 과정을 제어하는 것임이 특징인 가압 스윙 흡착 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 제어 수단(h)은, 흡착기 용기로부터 가스 저장 탱크를 분리시키도록 밸브 수단(f)을 제어하는 것임이 특징인 가압 스윙 흡착 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 제어 수단(h)은, 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 소거시키는 동시에 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부로 공급하여 흡착기 용기 내 압력이 실질적으로 최소 흡착기 압력으로 유지되도록 밸브 수단(b,h)을 제어하는 것임이 특징인 가압 스윙 흡착 시스템.
  19. 제15항에 있어서, 제어 수단(h)은, 흡착기 용기의 한쪽 단부로부터 가스를 소거시키는 동시에 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부로 공급하여 흡착기 용기 내 압력이 실질적으로 최소 흡착기 압력으로 유지되도록 밸브 수단(b,f)을 제어하는 것임이 특징인 가압 스윙 흡착 시스템.
  20. 제15항에 있어서, 제어 수단(h)은, 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 한쪽 단부 내로 공급하는 한편 흡착기 용기의 나머지 단부로부터 가스를 소거시키지 않도록 밸브 수단(b,f)을 제어하는 것임이 특징인 가압 스윙 흡착 시스템.
  21. 제15항에 있어서, 제어 수단(h)은, 가압 가스 원료를 흡착기 용기의 공급 단부 내로 공급하면서 동시에 저장된 흡착기 배출 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기의 나머지 단부 내로 공급하도록 밸브 수단(b,f)을 제어하는 것임이 특징인 가압 스윙 흡착 시스템.
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