KR20040030882A - 헬륨 재생을 위한 제어 시스템 - Google Patents

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KR20040030882A KR10-2004-7001353A KR20047001353A KR20040030882A KR 20040030882 A KR20040030882 A KR 20040030882A KR 20047001353 A KR20047001353 A KR 20047001353A KR 20040030882 A KR20040030882 A KR 20040030882A
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Abstract

본 발명은 a) 소정의 순도(28)를 갖는 가스 공급원과, b) 상기 가스를 사용하고 상기 가스에 오염물을 부가하는 적용 시스템(6)과, c) 정화된 가스 및 폐기 가스를 생산하도록 상기 가스로부터 상기 오염물을 제거하는 흡착 시스템(1)과, d) 상기 폐기 가스 내의 상기 오염물의 양을 측정하는 가스 순도 분석기(100)와, e) 가스 공급원(4)을 상기 적용 시스템으로, 상기 적용 시스템을 상기 흡착 시스템으로 연결하는 도관(5, 8, 9, 13, 15)을 포함하는 가스 재생 시스템에 관한 것이다.

Description

헬륨 재생을 위한 제어 시스템 {CONTROL SYSTEM FOR HELIUM RECOVERY}
비멤브레인(non-membrane) 분리 기술을 갖는 멤브레인 통합은 종래 기술 분야에서 공지된 사실이다.
미국 특허 제4,238,204호는 수집되는 가벼운 가스에 대해 선택적인 투과성을 갖는 멤브레인 투과기 유닛을 사용하여 공급 가스 혼합물로부터 수소 또는 헬륨과 같은 가벼운 가스를 재생하기 위한 개선된 선택적 흡착 공정을 개시한다. 이 특허는 공급 스트림 구성과 고객 사용 패턴이 시간에 따라 변하는 일시적인 적용에서 상술된 발명을 사용하는 것은 개시하지 않는다.
미국 특허 제4,717,407호는 "비 멤브레인" 분리 기술과 투과성 멤브레인 분리를 통합한 개선된 재생 시스템을 제안한다. 상기 특허는 가능한 "비 멤브레인" 분리 작동 중 하나로서 PSA 적용을 개시한다.
미국 특허 제5,004,482호는 질소 또는 산소 선택 PSA 시스템을 위한 제품 스트림에 멤브레인 분리 유닛을 사용한다. 고가의 건조 적용 대신에 멤브레인 유닛이 제품 스트림을 위한 가스 건조기로 사용된다. 상기 발명은 멤브레인 경계를 가로지르는 H2O 전달 효율을 증가시키도록 PSA 폐기 가스 또는 제품 가스의 일부를 농축(retentate) 스트림의 유동에 대해 역류 방향으로 멤브레인의 투과 측을 통해 통과시킨다.
미국 특허 제5,207,806호는 멤브레인을 갖는 PSA 시스템을 통합시켜 부산물을 발생시키는 방법에 대해 개시한다.
미국 특허 제5,354,547호는 멤브레인과 PSA 시스템의 조합을 사용하여 증기-메탄 개량기에 의해 발생되는 것과 같은 스트림으로부터 수소를 회수하기 위한 공정을 개시한다.
미국 특허 제5,632,803호는 0.5 내지 5.0% 헬륨을 항상 포함하는 공급 원료로부터 98.0%를 초과하는 순도로 헬륨 제품 스트림을 생산하기 위한 공정을 개시한다. 상기 공정은 헬륨에 대해 높은 투과성을 갖는 멤브레인 분리 유닛을 제1 단계분리기로 사용한다. 그 후, 헬륨 농후 투과 스트림이 추가의 정제를 위해 제2 및 제3 단계 PSA 유닛으로 전달된다. 제2 단계 PSA 유닛으로부터의 폐기 가스는 멤브레인 유닛에 대한 공급 스트림으로 또는 제1 단계 PSA 분리 유닛의 입구로 선택적으로 재순환될 수 있다.
미국 특허 제5,077,029호는 고순도 질소의 생산을 위한 공정과 멤브레인/디옥소(deoxo) 제어 시스템을 사용한다. 공급 공기는 멤브레인(또는 다른 PSA) 분리 유닛에서 처리된다. 이 유닛으로부터의 천연 질소 스트림은 대략 1 내지 3%의 산소를 함유할 것이다. 수소 가스가 디옥소 유닛으로 가는 도중에 이 천연 스트림에 주입된다.
PSA/멤브레인 통합 시스템이 다수의 가스 분리 적용에 대해 문헌에 개시되었지만, 넓은 범위의 입력 및 출력 파라미터들에서의 시스템 작동을 최적화하는 제어 체계에 관한 주제에 대해서는 거의 개시되지 않았다. 시스템들은 시스템에 대한 임의의 예견 가능한 요구를 만족시키기에 충분한 초과 용량을 갖도록 설계되고, 여분의 용량이 필요하지 않을 때 "턴다운(turn-down) 모드"로 간단하게 작동된다. 하지만, 대형의 시스템을 제작하기 위해 요구되는 초과 비용은 이러한 선택의 가능성을 감소시킨다. 상기 시스템의 최적의 효율은 시스템의 모든 구성 요소들이 특정 지점에서 작동되도록 설계된 경우에만 실현 가능하다. 반면에, 금속 원자화 또는 플라즈마 노와 같은 적용으로부터 소모된 가스 스트림의 재생을 위한 통합식 시스템들은 일반적으로 유동적인 설계점들을 갖는다. 이는 그들이 광범위한 공급 체적 및 재생된 스트림 불순물 수준에 대해 균일하고 양호하게 수행되어야 한다는 것을 의미한다. 설계 조건들이 일정한 유동 상태에 있을 때, 계속 높은 재생율로 작동되는 시스템을 설계하는 것은 어려운 일이다. 고객의 헬륨 소모의 시시각각의 변화와 하나의 개별적인 일괄 공정은 모두 재생된 헬륨 스트림 내로 매우 상이한 양의 스트림 불순물을 유입할 것으로 예상된다. 시스템이 변동들을 처리하도록 설계되지 않은 경우, 이러한 변동들은 빠르게 사양을 벗어나는(off-spec) 제품을 생산할 수 있다.
본 발명은 산업용 가스 스트림(stream)의 재생 및 정화에 관한 것이다.
헬륨 가스는 제조업에서 광범위하게 사용될 수 있는 가능성을 가지고 있다. 금속 원자화 공정, 냉간 분사 성형, 냉각 및 차폐 가스 적용은 모두 헬륨(높은 열전도성과 높은 음속을 갖는 불활성 가스)의 물리적 특성으로부터 어떤 면으로 또는 다른 면으로 이점을 얻을 수 있다. 하지만, 주요한 결점은 그 비용이다. 대부분의 상술된 적용에서는 대량의 가스가 사용된다. 헬륨을 사용하는 비용은 사용된 가스의 소정 형태의 재생 시스템 없이는 매우 비쌀 수 있다. 통합식 투과성 멤브레인 시스템을 구비하거나 구비하지 않은 헬륨 재생 시스템들이 공지되어 있다. 이 시스템들은 공정에 의해 사용된 헬륨의 95% 이상을 재생 및 재순환하도록 구성된다. 이것은 많은 용도에서 고객에게 사용된 가스의 양에 대한 더욱 큰 유연성을 부여한다. 몇몇 고객에게는 가스의 유량이 큰 것이 양호하지만, 이는 가스 제품의 비용으로 인해 경제적으로 종종 적합하지 않을 수 있다. 이 시스템에서, 재생율이 높기 때문에, 헬륨에 대한 관련 비용은 낮다. 큰 유량이 고객의 공정에 유리한 경우, 고객들은 이제 다른 가스들 또는 일회용(once-through) 헬륨 시스템에서 존재하는 경제적인 제약이 없이 그들의 작업을 최적화하기 위한 선택권을 갖는다.
이러한 시스템들 대부분이 갖는 문제점은 시스템들이 주로 정상 상태 시스템과 함께 작동되도록 설계되었다는 것이다. 대부분의 경우, 재생 시스템에 대한 입구 불순물 수준이 예측되어 설계에 반영될 수 있다. 고객의 사용 패턴들 역시 대부분 예측 가능한 사용율을 갖는 정상 상태이다.
하지만, 고객이 일시적인 사용 패턴을 갖는 경우, 재생된 스트림 내의 처리 불순물의 가변 정도와 연계하여, 시스템이 계속해서 최적으로 작동하여 시스템이 경제적으로 적합하도록 하기 위해 필요한 높은 재생 수준을 달성하는 것을 보장하도록, 시스템은 복잡한 제어 체계를 필요로 한다. 제품 공급을 고객의 사용 패턴에 따라 변동하게 하는 것은 더욱 긴밀한 시스템 설계를 고려하게 한다. 흡착 용기와, 분자체(molecular sieve)와, 밸브 및 라인 크기와, 밸러스트 탱크(ballast tank)및 서지 탱크(surge tank)의 크기와 같은 시스템의 중요한 부분들은 고객의 요구가 낮을 때는 시스템의 작동을 감소시키고, 요구가 클 때는 시스템의 작동을 증가시킴으로써 모두 최소화될 수 있다. 또한, 투과성 멤브레인 시스템은 복잡한 제어 루틴의 사용을 통해 가장 효율적인 영역에서 작동될 수 있다. 이는 광범위한 작동 파라미터의 범위에 걸쳐 95%를 초과하는 재생을 가능하게 한다.
다른 목적들, 특징들 및 장점들은 양호한 실시예(들)과 첨부된 도면(들)의 이하의 설명으로부터 당업자들에게 명확해 질 것이다.
도1은 수소 제거 유닛, PSA 시스템 및 멤브레인 유닛을 사용하는 본 발명의 실시예의 공정 흐름도이다.
도2는 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 공정 흐름도이다.
도3은 본 발명의 양호한 실시예의 논리 흐름도이다.
도4는 본 발명에 적용 가능한 제어 설정값/반응 매트릭스의 일예이다.
따라서, 본 발명의 목적은 가스 재생율이 55%, 양호하게는 95% 보다 크도록 임의의 용도에서 오염된 가스를 재생하는 가스 재생 시스템용 제어 시스템을 제공하는 것이다. 가스가 헬륨인 경우, 본 발명의 공정 및 시스템은 상기 재생율에서 99.999 체적 %의 순도로 헬륨을 정화시킬 수 있다.
본 발명은 고객의 공정으로부터 헬륨 가스를 재생하고, 처리 오염물을 제거하고, 55% 이상, 양호하게는 95%의 재생율로 고객의 공급 라인으로 재생된 헬륨을 복귀시키는 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 헬륨 가스의 사용 비율에서 더욱 큰 유연성을 고객에게 제공하며, 이러한 공정에서 헬륨 사용의 과다한 비용을 크게 감소시킨다.
본 발명의 일실시예에서, 가스 재생 시스템은,
a) 소정의 구성 요소의 소정의 순도를 갖는 가스 공급원과,
b) 상기 가스를 사용하고 상기 가스에 오염물을 부가하는 적용 시스템과,
c) 흡착 베드, 공급 가스 입구, 정화된 가스를 위한 제품 가스 출구 및 폐기가스를 위한 폐기 가스 출구를 포함하며, 상기 소정의 구성 요소의 정화된 가스 및 (소정의 구성 요소를 포함하는) 폐기 가스를 생산하도록 상기 가스로부터 상기 오염물을 제거하기 위한 흡착 시스템과,
d) 상기 폐기 가스 내의 오염물의 양 및/또는 소정의 구성 요소를 측정하기 위해 상기 가스 출구에 인접하는 가스 순도 분석기와,
e) 가스 공급원을 상기 적용 시스템에, 상기 적용 시스템을 상기 흡착 시스템에, 상기 출구를 상기 적용 시스템에, 상기 제2 출구를 상기 공급 가스 입구에 연결하는 가스 도관을 포함한다.
다른 실시예에서, 시스템은 흡착 시스템의 폐기 가스 출구에 연결된 멤브레인을 추가로 포함한다.
다른 실시예에서, 멤브레인의 공급 입구는 폐기 가스 제2 출구에 연결되어, 상기 폐기 가스는 감소된 양의 오염물과 더 높은 농도의 오염물을 갖는 가스를 생산하도록 상기 멤브레인을 통과한다.
다른 실시예에서, 감소된 오염물을 갖는 상기 가스를 상기 흡착 시스템으로의 입구에 공급하기 위한 도관들이 제공된다.
다른 실시예에서, 소정의 순도를 갖는 가스 공급원은 감소된 오염물(및 소정의 구성 요소)을 갖는 가스를 흡착 시스템으로의 입구로 공급하기 위한 도관들에 연결된다.
다른 실시예에서, 상기 적용 시스템에 대한 가스의 공급 압력을 제어하기 위한 송출 압력 제어부가 제공된다.
다른 실시예에서, 상기 정화된 가스의 순도를 측정하는 제2 가스 순도 분석기가 제공된다.
다른 실시예에서, 상기 제2 가스 순도 분석기로부터의 신호에 따라 상기 흡착 시스템을 상기 적용 시스템에 연결하는 도관을 폐쇄하는 제어부가 제공된다.
다른 실시예에서, 상기 적용 시스템으로부터의 오염된 가스의 순도를 측정하는 제3 가스 순도 분석기가 제공된다.
다른 실시예에서, 상기 적용 시스템으로부터의 오염된 가스를 배출하기 위한 도관이 제공되고, 상기 배출 도관은 상기 제3 가스 순도 분석기로부터 신호를 수신할 때 개방된다.
흡착 시스템은 압력 변동 흡착 시스템, 온도 변동 흡착 시스템 또는 이들의 조합일 수 있다.
다른 실시예에서, 가스를 정화하고 재생하기 위한 방법이 개시되며, 상기 방법은,
a) 소정의 구성 요소의 소정의 순도를 갖는 가스 공급원을 제공하는 단계와,
b) 상기 가스를 사용하고 상기 가스에 오염물들을 부가하는 적용 시스템으로 상기 가스를 제공하는 단계와,
c) 흡착 베드, 공급 가스 입구, 정화된 가스를 위한 제품 가스 출구 및 폐기 가스를 위한 폐기 가스 출구를 포함하며, 상기 소정의 구성 요소를 갖는 정화된 가스 및 (소정의 구성요소를 갖는) 폐기 가스를 생산하도록 상기 가스로부터 상기 오염물을 제거하기 위한 흡착 시스템으로 오염된 가스를 통과시키는 단계와,
d) 상기 폐기 가스 내의 상기 오염물의 양을 측정하는 단계와,
e) 가스 순도 분석기로부터의 신호에 따라 상기 시스템의 외측으로 상기 폐기 가스를 배출하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 폐기 가스는 감소된 오염물을 갖는 가스와 더욱 높은 농도의 오염물을 갖는 가스를 생산하도록 멤브레인을 통과한다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 감소된 오염물을 갖는 상기 가스를 상기 흡착 시스템으로 통과시키는 단계를 추가로 포함한다.
다른 실시예에서, 소정의 순도를 갖는 상기 가스 공급원으로부터의 추가의 가스가 배출된 폐기 가스를 보상하기 위해 감소된 오염물을 갖는 상기 가스에 제공된다.
다른 실시예에서, 상기 정화된 가스의 순도가 소정의 순도를 갖는 상기 가스의 순도와 사실상 동일한 순도를 갖도록, 상기 정화된 가스의 순도가 모니터링된다.
다른 실시예에서, 상기 적용 시스템으로부터의 오염된 가스는 상기 적용 시스템의 출구에 인접하는 제3 가스 순도 분석기로부터의 신호를 수신할 때 배출된다.
본 명세서에서, 용어 "적용"은 헬륨 또는 재생되기에 바람직한 다른 가스를 사용하는 임의의 산업상의 공정을 의미한다. 이러한 가스들은 이산화탄소, 수소, 아르곤, 네온, 크립톤, 크세논, 메탄과, 산소 및 질소와 같은 공기의 구성 요소를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 통상, 본 발명의 제어 방법은 흡착 및/또는 멤브레인 기술을 사용하는 가스 정화, 재생/재순환의 임의의 공정에 적용 가능하다.
PSA 및 선택적 멤브레인 시스템을 사용하는 현재의 재생 시스템의 한계는 멤브레인 공급 스트림 내의 불순물 수준이 감소할 때 멤브레인의 성능이 감소한다는 것이다. 이 불순물 농도가 낮아짐에 따라, 많은 소정의 스트림 성분(통상 멤브레인 투과액)이 농축 스트림과 함께 폐기물로서 배출된다. 이는 통합 시스템을 위한 재생 과정이 방치되기 때문에, 전체 시스템 성능에 해로운 효과를 갖는다. 그러나, 특정 가스(예컨대, 헬륨)에 대한 높은 재생율이 요구될 때, 이는 매우 중요한 문제이다.
본 발명은 고객의 요구 조건들과 공정 조건에 따른 최적의 상태에서 멤브레인 분리 유닛을 계속하여 작동함으로써 헬륨을 고비율로 지속 가능하게 재생할 수 있다. 이는 PSA 폐기 가스 스트림 내의 산소 농도를 계속해서 모니터링함으로써달성될 수 있다.
PSA 폐기 스트림 불순물 농도가 최적값 이하(예컨대, 2.5 몰% O2미만)일 때, 전체 폐기 스트림은 추가 정화(최대 작동 감소에서 멤브레인에 대한 소정의 최소 유동 미만)를 위해 PSA 공급 압축기로 다시 재순환된다. 이 때, 시스템을 떠나는 제품 가스만이 적용에서의 누출량으로 되기 때문에, 제품 가스(헬륨) 재생율은 95%를 초과(그리고, 100%에 접근)한다. 불행히도, 축적된 오염물이 시스템으로부터 제거되어 흡착 베드를 통해 제품 스트림으로 들어가지 않아야만 하므로, 이 재생 모드는 제품 순도의 최종적인 손실 없이 무한히 계속될 수는 없다. 흡착 시스템으로부터 오염물들을 정화하는 것은 제품의 관련된 손실을 초래하여, 그 결과 재생의 감소를 초래한다.
본 발명에 따르면, 재생 루프의 불순물 수준이 (멤브레인 유닛에 대한 최적의 작동값과 흡착 베드에 대한 로드를 고려한 설계의 함수인) 소정의 설정점까지 도달되면, 제어 논리부는 최대 처리량으로 처리를 시작하도록 멤브레인 유닛에 신호를 보낸다.
투과 가스 선택 멤브레인은 다량의 오염물들을 제거할 수 있고, 공정 중 배출되어 손실되는 헬륨의 양을 최소화한다. 투과 스트림(헬륨)은 추가의 정제를 위해 공급 압축기 흡입부로 재순환될 수 있으며, 농축 스트림, 주로 소량의 헬륨을 갖는 산소 및 질소는 폐기물로서 배출된다. 본 발명의 공정에 따르면, 다량의 헬륨이 시스템 내에 보유되어, 시스템 재생율을 증가시킨다.
멤브레인은 적용에서 불순물이 부가되는 것보다 빠르게 시스템으로부터 불순물을 제거할 수 있도록 설계되어야만 한다. 따라서, 정화를 위해 시스템으로 가스를 계속 재순환시키는 처리가 계속되는 동안에도, 멤브레인은 시스템 내의 전체 불순물 수준을 감소시킨다. PSA 폐기 스트림 분석기가 불순물 수준이 낮은 설정값까지 낮아진 것을 지시하면, 제어부는 멤브레인 처리량을 감소시키고 대부분의 폐기 스트림은 PSA로의 공급을 위해 PSA 공급 압축기로 직접 다시 재순환된다. 이러한 제어 과정이 PSA 폐기 스트림을 모니터링하는 동안, 분리 분석기는 사양을 벗어나는 상태의 PSA 제품 스트림을 모니터링한다. "사양을 벗어나는"은 가스가 고객이 요구한 사양을 만족시키지 못하는 것을 의미한다.
본 발명에 따르면, 시스템 제어부들은 이러한 사양을 벗어나는 상태에 대한 반응을 개시하여 고객 공정의 완전함을 보장하도록 설계된다. 제품 불순물이 소정의 상한값을 초과하면, 제품 가스 분석기로부터의 신호가 PSA 폐기 가스 스트림 분석기의 신호를 대신하고 멤브레인 유닛으로 최대 처리량을 보내는 반응을 개시한다. 이러한 작용은 PSA에 진입하는 공급 스트림 불순물들을 감소시키고, 그 결과 제품 스트림 불순물들을 실질적으로 감소시킨다. 제품 불순물 수준의 낮은 설정값에 도달되면, 멤브레인 루프의 제어는 PSA 폐기 가스 스트림 분석기로 다시 복귀된다. 선택적으로, 시스템은 PSA가 "자가 세척"이 가능하도록 소정의 시간 동안 멤브레인 처리량 구성으로 계속하여 작동할 수 있다. 사양을 벗어나는 상태가 탐지되면, 이는 흡착 베드의 상위 수준이 오염되었다는 것으로 가정될 수 있다. 주로 순수한 헬륨으로 시스템을 계속 작동시킴으로써, 헬륨이 일련의 순환을 통과함에따라, 흡착 베드의 상위 범위의 오염물이 효과적으로 제거될 것이다. 약간의 시간이 지난 후, 시스템의 제어는 PSA 폐기 가스 스트림 분석기로 복귀될 수 있다.
따라서, 본 발명은 적용 요구조건에 재생 시스템 성능을 거의 부합시키도록 시스템 작동을 연속적으로 모니터링하고 조절하는 복잡한 제어 방법을 채용한다. 조합된 시스템을 위한 높은 재생율은 이하의 작동 파라미터를 모니터링 및/또는 조절함으로써 달성된다. 도1은 후술되는 도2의 시스템의 간략한 개략도이다. 도1과 도2에서 공통의 요소들은 동일한 도면부호로 표시되었다.
A. 도1을 참조하면, PSA 공급 압축기(16)에 대한 입구 압력은 압력 모니터(50)에 의해 결정된다. 적용 제품 유동 요구조건들은 적용으로부터 재생된 "사용된" 가스 유동을 만족시키도록 PSA 공급 압축기 성능을 조절하여 충족된다.
B. PSA 폐기 스트림의 산소 농도는 가스 분석기(100)에 의해 결정된다. 시스템은 최고 수준의 불순물을 처리하도록 크기가 결정된다. 불순물 정도는 시스템으로부터 불순물들을 제거하기 위해 멤브레인이 사용되기 전의 한계까지 형성되는 것이 허용된다. 따라서, 멤브레인(24)은 최적의 폐기율에서 작동된다.
C. 멤브레인 압축기 처리량은 모니터(150)에 의해 측정된다. 재생된 PSA 폐기 스트림의 불순물 정도가 멤브레인 분리 유닛의 최적의 폐기율에 부합하는 정확한 시기에, 멤브레인 압축기(22)가 작동되도록 호출된다. 멤브레인 시스템(400)에서 처리되는 PSA 폐기 가스의 양은 멤브레인 공급 압축기(22)의 용량을 조절함으로써 제어된다. 이것은 멤브레인 농축 스트림의 (배)압을 조절하거나, 또는 멤브레인 압축기 처리량을 직접 조절하여 달성될 수 있다. 양자는 동일한 최종적인 효과를 갖는다.
D. 적용에 대한 제품 송출 압력은 모니터(200)에 의해 측정된다. 적용 누설량 및 배출로 인한 헬륨의 손실은 PSA 공급 압축기(16)로 보충(make-up) 가스를 추가함으로써 보정된다.
E. PSA/멤브레인 시스템 송출 제품의 산소 농도는 가스 분석기(250)에 의해 측정된다. 이것은 시스템의 완전함을 보장하는 보호 수단이다. 높은 설정점에 도달되었을 때, 제어가 개시되어 제품을 사양에 맞게 빨리 복귀시킨다.
F. "사용된" 가스 스트림의 일부는 배출구(7)를 거쳐 배출된다. 이 파라미터에 대한 제어는 후속하여 설명되는 경우와 같이 미리 설정된 타이머를 통하거나 또는 분석기(300)를 통한 재생 스트림의 온라인 모니터링을 통해서 이루어진다.
도3에 제공된 논리 흐름도는 상술된 제어 파라미터들이 제어 조직에서 처리되는 방법을 도시적으로 나타낸다. 도4는 설정값들과 관련된 제어 반응들의 제한적이지 않은 예들을 도시한다. 이 설정점들과 제어 반응들은 제어되는 공정에 따라 결정된다.
이하에 설명된 제어 방법은 장비의 7개의 주요 부품의 작동을 구성한다.
1. PSA 흡착 시스템
2. 멤브레인 시스템(공급 압축기 및 분리 멤브레인을 포함)
3. PSA 공급 압축기
4. 제품 밸러스트 탱크
5. 폐기 서지 탱크
6. 보충 헬륨 공급
7. 적용
시스템에 대한 7개의 작동 모드가 존재하며, 조합된 시스템을 위한 가능한 작동의 양호한 5개의 개별 모드들이 이하 상세하게 설명된다. 이하의 부호 A 내지 F는 개별 제어 루프를 의미한다. 복합성을 증가시키기 위한 시스템 작동의 5개의 양호한 모드들은 다음과 같다(도1 참조).
1. A+B:
가장 단순한 모드의 작동에서, 시스템은 PSA 폐기 스트림 분석기(100)와 결합된 PSA 공급 압축기 입구 압력 분석기(50) 제어 루프와 함께 작동된다. PSA 폐기 스트림의 불순물 수준이 소정의 상한값에 도달할 때, 스트림은 배출구(29)를 통해 대기를 배출되도록 절환될 수 있다. 이것은 멤브레인 시스템을 필요로 하지 않는 시스템으로부터 축적된 불순물들을 제거할 수 있다. 이 실시예를 사용하는 작동에서, 시스템 재생율은 최적 미만이다.
2. A+B+C:
다음 모드는 "100"으로 표시된 멤브레인 시스템의 사용을 포함한다. 이것은 90% 이상의 높은 재생 수준이 되는 가장 기본적인 시스템 구성이다. 이 모드는 축적된 불순물들을 제거하기 위해 배출시키기 보다는 멤브레인 시스템(400)을 통해 PSA 폐기 스트림을 통과시키는 단계를 포함한다. 이 모드에서는, 축적된 오염물들을 정화하는 동안 손실되는 처리 가스(예컨대, 헬륨)의 양이 상당히 감소된다.
3. A+B+C+D:
이 구성에서, 제품 송출 압력 제어부가 사용되었다. 상기 구성들은 다소의 고정된 송출 압력에서 작동되었다. 제품 송출 압력 제어부(200)를 합체함으로써, 고객은 상이한 적용의 가스 압력 요구조건들을 취급하는 선택권을 갖는다. 요구 사항이 증가되면, 이 제어 방법은 적용에 따라 고압 가스를 공급하는 선택권을 제공한다.
4. A+B+C+D+E:
이 작동 모드는 재생 시스템 제품 송출 라인(2)에 분석기(250)를 추가한다. 분석기는 적용에서 보호수단으로 기능한다. 이 작동 방법에서, 재생 시스템은 사양을 벗어나는 제품 가스에 대해 자기 단속을 수행한다. 이 방식에서, 높은 설정값이 경보로서 사용될 수 있다. 이 높은 설정값은 적용에서 견딜 수 있는 최대 불순물 수준일 필요는 없다. 이 높은 설정값에 도달하면, 시스템은 적용에 대하여 제품 공급을 중단시키지 않고 제품을 사양에 맞게 되돌리는 세척 과정을 개시할 수 있다.
5. A+B+C+D+E+F:
가장 양호한 모드인 이 작동 모드는 최대 제품 생산, 유연성 및 작동의 용이함을 갖는 재생 시스템을 만들도록 모든 제어부 구성들을 포함한다. 이 실시예에서, 적용으로부터 재생된 가스 스트림의 일부는 재생 시스템으로 다시 재순환되기 보다는 라인(7)을 통해 배출될 수 있다. 이러한 배출은 두 가지 기능을 수행한다. 첫째, 시동 중 시스템으로부터 낮은 등급의 가스를 정화하는 수단을 가능하게 한다. 이 가스는 재생 시스템의 능력을 벗어나는 불순물 수준을 포함할 수 있다.둘째, 동일한 시스템이 광범위한 적용에서 사용될 수 있다. 특정 적용이 작동의 일정 부분 동안에 재생된 가스 스트림 내에 다량의 불순물들을 갖는 경우, 재생 시스템에 이르는 밸브(V4)를 폐쇄하고 배출을 위해 라인(7)을 통해 밸브(V3)를 개방하는 이러한 배출 라인에서의 제어가 사용된다. 매우 오염된 가스의 벌크가 배출된 후, 밸브들은 재생 시스템으로의 "사용된" 가스의 유동을 재개하도록 절환될 수 있다. 후술되는 바와 같이 이러한 제어 방법은 시동 작동 중에 미리 설정된 타이머를 사용한다. 더 많이 오염된 가스가 적용에서 벗어날 때, 쉽게 알 수 있기 때문에, 이것이 가능하다. 이 시스템은 처음 검출되었을 때 매우 불결한 가스를 자동적으로 배출하도록 추가의 제어 피드백 루프를 제공하는, 재생된 스트림 상의 분석기(200)를 선택적으로 사용할 수 있음을 알 수 있다. 이는 예측이 어려운 "사용된" 가스 스트림 내의 변동이 심한 수준의 불순물을 갖는 적용에 유용하다.
요소 A 내지 F의 다른 조합 역시 가능하다. 예컨대, 요소 D 내지 F 중 하나 이상이 C 없이 조합 A+B에 부가될 수 있다(예컨대, A+B+D 또는 A+B+D+F). 다르게는 요소 D 내지 F 중 하나 이상이 C와 함께 사용될 수 있다(예컨대, A+B+C+F 또는 A+B+C+E).
이하의 설명은 상술된 제5의 제어 방법을 기초로 한다. 도1에 도시된 바와 같이, 헬륨 재생 시스템을 조절하는 양호한 수단의 개략적인 내용이 제공된다.
도1을 참조하면, 헬륨 가스는 제품 밸러스트 탱크(4)로부터 도관(5)을 거쳐 적용(6)에 공급된다. 가스(예컨대, 헬륨)의 최초의 공급은 도관(31)을 거쳐 공급부(28)로부터 제공된다. 적용은 헬륨으로 변하는 양의 스트림 불순물들이 유입될것이다. 이 오염된 헬륨은 "사용된" 가스 스트림으로서 적용으로부터 제거된다. 필요한 경우, 사용된 가스는 도관(8, 9)을 거쳐 선택적인 수소 제거 시스템(30)을 통해 이동된다. 선택적인 수소 제거 시스템(30)에서, 공급 가스는 물을 생성하도록 산소의 존재하에서 촉매(예컨대, 팔라듐 단일체)를 가로질러 통과한다. 가스는 라인(13)을 거쳐 PSA 공급 압축기(16)로 통과되어 재사용을 위한 제품 밸러스트 탱크(4)로 전달되기 전에 세척을 위해 재생 시스템으로 재순환된다. 적용으로부터 재생된 사용된 가스의 일부는 불순물들이 너무 농후하여 재생 시스템이 처리할 수 없기 때문에, 재생되기보다는 도관(7)을 거쳐 폐기물로서 배출되어야 한다. 이러한 배출 단계에서의 가스 손실은 도관(10)을 거쳐 공급부(28)로부터의 헬륨으로 대체된다.
주기적으로, PSA 흡착 베드는 재생되어야할 필요가 있다. 이 재생 공정은 헬륨 농후 폐기 스트림을 발생시킨다.
더욱 양호한 재생을 위해, PSA 폐기 스트림은 도관(8)과 선택적인 서지 탱크(19)를 거쳐 재순환되고, 불순물 수준이 낮을 때는 라인(20, 14, 15)을 거쳐 PSA 공급 압축기(16)로 직접 복귀된다. PSA 폐기 가스를 재생하는 것은 이 재생 스트림 내의 불순물 농도가 연속적인 순환을 거치면서 축적되게 한다. 몇몇 지점에서 이러한 불순물들은 PSA 흡착 용기의 용량을 초과하는 농도에 도달한다. 가스 순도 분석기(100)는 이 상한값에 대해 폐기 스트림을 모니터링한다. 이 상한값에 도달되었을 때, 대부분의 PSA 폐기 가스 스트림은 라인(21)을 거쳐 압축기(22)로부터 멤브레인(24)으로 다시 유도된다. 멤브레인은 라인(26)을 거치는 PSA 폐기스트림 불순물들을 빠르게 제거 및 폐기하여, 재생된 가스(예컨대, 헬륨) 내의 재생된 폐기 스트림(25)을 농후하게 한다. 분석기(100)가 낮은 불순물 설정점이 도달된 것을 지시할 때, 멤브레인 압축기(22) 용량은 감소되고 대부분의 PSA 폐기 가스 스트림은 라인(20, 14, 15) 및 다른 도관들을 거쳐 PSA 공급 압축기(16)의 흡입측으로 다시 유도된다.
시스템은 분석기(100)에서의 PSA 공급 압축기 흡입 압력을 모니터링 하여 적용 요구와 보조를 맞춘다. 높은 적용의 사용 비율은 PSA 압축기(22) 입구에서 다량의 헬륨이 사용되게 한다. 이것은 높은 입구 압력을 초래한다. 높은 입구 압력은 압축기가 입구 압력을 감소시키기 위한 노력으로 용량을 증가시키게 한다. 이것은 적용을 위한 추가의 헬륨을 발생시킨다. 흡입 압력을 강하시키는 것은 압축기 용량을 감소시키기 때문에, 사용 가능한 헬륨 제품에 대해 상반되는 효과를 갖는다. 압축기 처리량을 증가시키는 것이 압력 모니터(200)에 의해 측정된 밸러스트 탱크(4) 송출 압력 설정값을 유지하기에 충분한 헬륨을 제공하지 않는 경우, 시스템은 자동적으로 공급부(28)로부터 라인(10, 13, 15)을 거쳐 PSA 공급 압축기로 보충 가스를 추가시킬 것이다. 가스의 추가는 입구 압력을 추가로 증가시켜, 압축기가 그 용량을 더욱 증가시키게 하여, 추가의 제품이 밸러스트 탱크(4)에서 사용 가능하게 한다. 시스템 완전도는 가스 순도 분석기(250)를 통해 제품 순도를 모니터링함으로써 보장된다. 바람직한 작동 모드의 상세한 설명은 이하와 같다.
이는 이하에 열거된 설계 매개변수에 기초하고 있다.
낮은 설정값높은 설정값
적용 제품 요구조건550 scfm 없음없음
PSA 흡착 압력 설정값170.0 psig 없음없음
멤브레인 배압 범위(psig): 165.0175.0
제어 파라미터:
PSA 공급 압축기 입구 압력:14.5 psia 없음없음
헬륨 적용 공급 압력:145.0 psig 없음없음
폐기물 불순물 (전체 %) 범위: 1.0 2.5
제품 순도(%헬륨)(200):99.999% 98.5없음
"사용된" 제품 배출 시간(300): 5.0초 없음없음
이러한 설계 매개변수는 재생되는 가스와 공정 처리 조건에 따라 변화될 수 있음을 알 수 있다.
이하에 설명된 제어 공정 논의는 도2에 도시된 장치 및 스트림 번호를 참조하기로 한다. 도1과 공통된 요소는 동일한 도면번호를 사용한다. 용어 "AIC"는 "분석 지시 제어기"를, 용어 "C"는 제어 논리 루프(비교 함수), "FE"는 "유동 요소"를, "FIC"는 "유동 지시 제어기"를, "PIC"는 "압력 지시 제어기"를, "PT"는 "압력 전달기"를, "PV"는 "처리 밸브"를 의미한다.
PSA 유닛(1)은 170.0 psig(11.9 atm)에서 99.999%를 초과하는 순도의 헬륨 가스를 생산한다. 제품은 도관(2)을 통해 PV1으로 유동한다. 여기서 PIC1은 PT1으로부터의 입력과 PV1의 조절을 통해 흡수 압력 설정값을 유지한다. PIC5는 고압 상태를 위해 PT1을 모니터링함으로써 시스템의 과도한 압력을 방지한다. 높은 설정값에 도달될 경우, PIC5로부터의 입력은 PIC6를 C1으로 대체하고, 압축기 용량은 PT1에서 지시하는 압력이 올바른 작동 범위로 복귀할 때까지 되돌아온다. 분석기(250)는 연속하여 제품 순도를 모니터링한다. 제어 방법은 이하에 더 상세히 기술하기로 한다. PV1으로부터의 제품 가스는 유동 요소 FE1을 통해 이동하고 도관(3)을 통해 제품 밸러스트(ballast) 탱크(4)로 송출된다. FIC1은 FE1으로부터의 입력을 판독하고 가스의 최소량이 시스템을 통해 항상 유동하는 것을 보장하기 위해 필요한 시간 동안 PV4를 조절한다. 이는 분석기(250)에서 신선한 제품 샘플을 보장하도록 행해진다. FE1이 최소 유동 필요조건이 충족되는 것을 지시할 때, PV4는 폐쇄되고, 제품 재순환이 없게 된다.
PIC3는 C3를 통해 소정의 고객 설정값으로 제품 밸러스트 탱크(4)(밸러스트 탱크) 압력을 조절한다. 필요할 때, PIC3는 시스템에 대해 헬륨을 보충하도록 PV3를 조절한다. 압력 전달기(200)에 의해 지시되는 밸러스트 탱크 압력이 설정값 이하로 떨어질 경우, 가스는 공급기(28)로부터 도관(10)을 통해 시스템 내로 첨가된다. 압축기(16) 입구로의 이러한 가스의 유입은 입구 압력을 상승시킨다. 이러한 작용은 그 처리량(용량)을 증가시키도록 압축기(16)에 신호를 보내어, 라인(2)을 통해 밸러스트 탱크(4)로 추가의 제품을 송출한다. 밸러스트 탱크 압력이 일단 설정값으로 복귀하면, 보충 가스의 유동은 종료된다. 이는 비례-적분-도함수(PID) 루프의 사용을 통한 연속적인 기준으로 수행된다. 제품 가스는 도관(5)을 통해 밸러스트 탱크(4)를 빠져나가서 적용(6)으로 송출되고, 여기서 제품 가스는 특정한 요구조건에 따라 조절된다. 이제, 적용에서 사용된 가스("사용된" 가스)는 라인(8, 9, 13, 15)을 통해 재생 시스템으로 복귀되어, 정화되고 재사용된다.
주어진 적용의 어떤 공정은 다른 것들보다 더 높은 정도의 불순물을 도입할 것이다. 라인(7)의 밸브 V3는 불결한 가스가 재생 시스템에 도달하기 전에 이러한 불결한 가스를 정화하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 작동은 미리 설정된 타이머에 의해 제어되고 적용 처리 데이터에 기초하고 있다. 예에서, 밸브는 헬륨 제품의 유동을 개시하는 작동 버턴이 적용에서 눌려진 후, 5.0 초의 시간동안 개방되어 "사용된" 가스를 내보낸다.
재생되는 사용된 가스는 도관(8, 9, 11, 13, 15)을 통해 PSA 공급 압축기(16)의 흡입측으로 이동한다. 라인을 따라서, 멤브레인 유닛으로부터의 투과된(헬륨 농후) 가스는 도관(25)을 통해 들어가고, 필요한 임의의 보충 가스는 공급기(28)로부터 제공되어 도면번호 10을 통해 들어가고, 재생된 PSA 폐기 가스는 도면번호 14로부터 들어간다. 압축기 입구는 적용으로부터 헬륨의 재생을 용이하게 하도록 저압에서 유지되어야 한다. PT4는 입구 압력을 모니터링하고 PSA 공급 압축기(16) 용량의 조절을 통해 이러한 상태를 유지한다. PIC6는 PT4로부터의 신호를 처리하고 C1을 통해 압축기 처리량을 증가 또는 감소시킨다. 상술한 바와 같이, PSA 과다 압력 상태는 PIC5로부터 C1으로의 입력을 통해 방지된다. 과다 압력 상태의 경우에, 이러한 신호는 PIC6의 신호를 대신하고, 압축기 처리량은 상태가 보정될 때까지 자동으로 감소된다. 공급 압축기(16)는 재생 가스를 필요한 흡수압력까지 상승시키고, 상기 재생 가스를 도관(17)을 통해 PSA 유닛(1)으로 보낸다. 고객에 의해 재사용되기 전에, 이러한 "사용된" 가스는 PSA에 의해 제거되어야 하는 가변적인 불순물 정도를 포함한다.
흡수 단계의 완료 시에, PSA 유닛(1)은 공급 가스 오염물의 농축된 정도를 함유하는 폐기 스트림을 발생시킨다. 이러한 폐기 스트림은 도관(18)을 통해 서지 탱크(19)로 이동한다. 서지 탱크(19)는 더욱 균질의 불순물 프로파일을 만들도록 폐기 스트림을 혼합한다. 탱크(19)의 사용은 또한 멤브레인(24)으로 연속적인 가스 유동을 제공하게 한다. 도관(20)은 일반적으로 1.0 내지 2.5% 범위의 불순물 농도를 갖는 가스 스트림을 포함한다.
분석기 AE2는 이러한 스트림을 모니터링하여 AIC2를 통해 제어 논리부의 설정값과 불순물 정도를 비교한다. 불순물 정도가 2.5%보다 적을 경우, 예를 들어, 대부분의 폐기 스트림은 재순환되어 도관(14)을 통해 PSA 공급 압축기(16)의 흡입측으로 다시 직접 재순환된다. 스트림의 적은 비율은 도관(21)을 통해 멤브레인 압축기(22)로 이동한다. 이러한 최소한의 유동은 멤브레인 압축기(22)로의 완전한 턴다운 처리량을 나타낸다.
시스템이 작동 상태에 있을 때마다, 일부의 공칭 가스 유동은 압축기(22)를 통해 유지되어, 멤브레인 유닛이 스탠드바이 상태에 유지되게 해야 한다. 낮은 불순물 농도 수준에서, 멤브레인 압축기의 턴다운 처리량이 전체 용량의 약 20%이므로, 농축 스트림에 대해 잃을 것으로 예상되는 헬륨의 양은 매우 적다. 결과적인 헬륨 농후 투과 스트림(25)은 폐기 스트림에서 오염물을 희석시킴으로써 시스템 성능을 돕는다.
PSA 시스템(1)이 PSA 공급 압축기(16)로 다시 폐기 가스를 연속적으로 재생함에 따라, 스트림 불순물은 축적된다. 불순물 정도는 상한값에 정기적으로 도달하고, 이러한 값에서 PSA 시스템으로부터 축적된 불순물을 제거하는 것이 필요하게 된다. 분석기(100)가, PSA 폐기 스트림 오염도가 높은 설정값(예를 들어, 2.5%)에 도달하거나 또는 초과한 것을 지시하면, AIC2는 C2를 통해 PIC2로 새로운 설정값을 전송한다. 이러한 설정값은 분석기(250)에 의해 지시되는 제품 순도가 필요한 사양을 만족시키는 한, C2에 대해 다른 모든 입력을 대신한다. 이제, PIC2는 대략 165.0 psig(11.2 atm)의 저압에서 멤브레인 시스템 배압을 유지하도록 PV2를 조절한다. 이러한 설정에서, 멤브레인 압축기(22)는 최고 용량에 있다. 이러한 용량은 도관(20)으로부터의 PSA 폐기 스트림의 대부분을 차지하고, 나머지 가스는 도관(14)을 통해 공급 압축기(16)로 다시 직접 재순환한다. 멤브레인이 전체 PSA 폐기 스트림을 처리할 수는 없지만, 고객의 공정에서 스트림 불순물이 추가되는 비율 보다 더 큰 양으로 불순물을 제거할 수 있도록 설계되어야 한다. 멤브레인 압축기(22)는 대략 165.0 psig(11.2 atm)에서 도관(23)을 통해 멤브레인 유닛(24)으로 가스를 전달한다. 멤브레인(24)은 바람직하게는 공기에서 발견되는 것과 대략 동일한 비율로 산소와 질소를 폐기하도록 크기가 정해진다. 폐기되는 전체량은 공급 스트림 농도의 함수이다. 농축 스트림은 도관(26)을 통해 밸브 PV2로 이동한다. PV2는 멤브레인 처리량을 조절하기 위한 기구를 제공하도록 멤브레인 시스템 배압을 조절한다. 농축 스트림은 도관(27)을 통해 외기로 보내진다.
이제, 헬륨 농후 저압 투과 스트림은 도관(25)을 통해 PSA 공급 압축기(16)로 다시 재순환된다. 이러한 가스는 도관(15)을 통해 PSA 압축기(16)로 복귀하기 전에, 적용(6)으로부터 도관(8)에서 재생된 사용된 가스와 혼합된다. PSA 폐기 스트림 재생 루프(20)의 불순물 정도는 분석기(100)에 의해 지시되는 바와 같이 낮은 설정값(예를 들어, 1.0%)으로 데드 밴드(dead band) 범위를 통해 급속히 떨어진다. 이 지점에서, AIC2는 PIC2를 위한 설정값을 175.0 psig(11.9 atm)(완전 턴다운)로 재설정한다. 도관(20) 내의 폐기 스트림의 대부분은 일단 다시 멤브레인 유닛을 우회하고, 도관(14)을 통해 PSA 공급 압축기(16)로 다시 직접 재순환한다.
상술한 바와 같이, 시스템은 스스로 조절된다. 멤브레인 시스템을 거쳐 도관(27)을 통해 농축액(retentate)으로서 잃게 되는 가스는 압축기(16)에서 가스 부족을 만들어낸다. 적용(6)의 다른 작동은 또한 헬륨 "소비 단계" 이다. 이러한 두 가지 손실은 도관(7)을 통해 V3에서 더 높은 불순물 "폐기" 가스의 일부의 배출과 적용 공정으로부터의 누설이다. 결과적인 가스 부족은 PSA 공급 압축기(16) 입구에서 저압 상태를 만들어 낸다. 이러한 부족은 압력 모니터(50)에서 지시되고, PIC6는 PSA 공급 압축기 용량을 감소시키기 시작하여, 흡입 압력을 다시 설정값으로 가져간다. 제품 밸러스트 탱크(4)가 예를 들어, 145.0 psig(9.86 atm)의 설정 압력에서 작동하는 한, 공급원(28)으로부터 보충 가스의 추가를 허용할 만큼 가스 손실이 중요하지는 않다고 가정하여 공정이 제어된다. PIC6은 PSA 공급 압축기 처리량을 단순하게 이러한 낮은 용량에서 유지하여, 흡입 설정값을 유지한다. 그후, 발생되는 제품의 양은 또한 감소된다. 적용에서 추가의 제품에 대한 필요가 있을경우, 이는 압력 모니터(200)로 표시되는 밸러스트 탱크 압력을 통해 시스템으로 신호가 보내진다. 탱크 압력이 설정값 이하로 떨어지면, 보충 가스의 필요가 인식되고, PIC3는 요구를 충족시키도록 PV3를 조절하기 시작한다. 이러한 가스의 추가로, PSA 공급 압축기 입구 압력은 설정값 이상으로 증가하고, PIC6는 이를 보상하기 위해 압축기 용량을 증가시킨다. 추가적인 제품이 적용에서 이용 가능하다. PIC3는 설정 압력에서 제품의 연속적인 공급을 제공하도록 PV3를 연속적으로 조절한다.
시스템의 완전한 상태는 제품 스트림의 순도를 연속하여 모니터링함으로써 유지된다. 정상 작동 하에서, 도관(20) 불순물 정도에 관하여 PSA 폐기 스트림을 모니터링하는 분석기(100)와 AIC2로부터의 입력은 사양을 벗어나는 상태가 발생하는 것을 방지해야 한다. 그러나, 긴 시간 주기에 걸쳐, 흡착 배드 전방의 크리핑(creeping) 흡착과 같은 사건 또는 시스템 능력을 벗어나는 불술물의 도입으로 이어지게 하는 작동 에러가 가능하다는 것을 인식할 수 있다. AIC1은 분석기(250)로부터의 출력을 낮은 설정값 및 높은 설정값과 비교한다. 스트림이 높은 설정값 이하에서 작동할 때, PV2는 "정상" 모드에서 작동하게 된다. PSA 폐기 스트림 불순물 프로파일이 멤브레인에 의해 처리되는 PSA 폐기 가스의 양을 조절한다. 사양을 벗어나는 상태, 예를 들어, 제품 청결 정도가 98.5% 헬륨으로 떨어진 것이 AIC1에 의해 검출되면, AIC1은 AIC2에서 C2로 입력을 대체함으로서 반응한다. PIC2의 설정값은 165.0psig(11.2 atm)로 약 10.0 psig(0.68 atm) 만큼 감소되고, 멤브레인 유닛은 최고 처리량을 처리하기 시작한다. PSA 폐기 스트림 가스를 처리하고 더 순수한 헬륨을 PSA 시스템을 통해 통과시킴으로써, 제품 내의 불순물 정도는 신속하게 체크된다. 분석기(250)가, 불순물이 낮은 설정값에 도달하거나 낮은 설정값 이하로 떨어진 것을 지시하면, 멤브레인 유닛의 제어는 AIC2로 다시 복귀된다. 배압 설정은 다시 175.0 psig(11.9 atm)로 바뀌고, 유닛은 다시 턴다운 모드를 작동시킨다.
이러한 제어 방법은 헬륨 가스의 재생에 제한되지 않는다. 상기 방법은 수소, 산소, 질소, 이산화탄소 또는 다른 가스의 재생 공정에 용이하게 적용된다.
본 명세서에서 약술된 제어 방법을 사용하는 재생 시스템으로부터 이점을 얻는 다른 헬륨 적용은 이하를 포함할 수 있다.
적용 최소 재생율 송출 압력 유동 속도 시스템 입구 순도 제품 순도(%헬륨)
플라즈마 노 95.0% 150 100-1000 <100 ppm각각의 CO2, O2, N2, CO<1000 ppm H2O 99.999
금속 원자화 98.0% 150-1200 200-5000 <100 ppm각각의 O2, N2<1000 ppm H2O 99.999
냉간 분사 성형 95.0% 150-300 150-1500 <100 ppm각각의 O2, N2<1000 ppm H2O 99.0+
담금질 97.0% 150-600 50-500 <5.0%각각의 CO2, CO, CH4, N2, H2, H2O 약 80.0
PT1으로 지시되고 PIC5를 통해 제어되는 PSA 흡착 압력 고설정값은 임의의 값일 수 있고, 작동 기준에 따라 당업자에 의해 결정된다.
모니터(200)에 의해 지시되는 제품 송출 압력은 임의의 값일 수 있다. 이러한 설정값은 고객의 특정 요구에 의해 조정된다.
모니터(200)에 의해 지시되는 제품 송출 압력 설정값은 또한 유동값 또는 허용가능한 압력의 "데드 밴드" 범위이다. 이는 시스템이 더욱 부드럽게 작동하게 하고, 시스템이 목표 작동 지점을 연속해서 오버슈트(overshoot) 및/또는 언드슈트(undershoot)되게 하는 입력과 반응 사이의 시간 지연 문제를 방지한다.
모니터(50)에 의해 지시되는 PSA 흡착 압력 설정값은 임의의 값이고, 작동 기준에 따라 당업자에 의해 결정된다.
가스 분석기(250)에 의해 지시되는 알람 고설정값 및 저설정값은 고객의 특정 요구에 따라 임의의 값으로 설정된다.
FE1에 의해 지시되고 FIC1에 의해 조절되는 재생되는 제품 유동량은 임의의 값이고, 작동 기준에 따라 당업자에 의해 결정된다. 이러한 제품 재생 루프는 헬륨 제품의 의미있는 양을 재생시킴으로써 재생 시스템의 턴다운 능력을 증가시키도록 사용된다. 모니터(50)에 의해 지시되는 PSA 공급 압축기 입력에서 유지하기 위한 작동 압력 수준은 임의의 값이고, 작동 기준에 따라 당업자에 의해 결정된다. 또한, PIC4에 의해 제어되는 저압 알람은 임의의 값이고, 작동 기준에 따라 당업자에 의해 결정된다.
재생되는 처리 가스의 일정양을 배출하는 밸브 V3의 타이밍은 타이머에 의해 제어되거나 또는 분석기 입력으로부터 제어된다. 재생되는 가스 스트림 불순물이 허용가능한 최소의 불순물 정도를 초과하는 한, 밸브는 개방된 채로 있고, "사용된" 가스는 배출된다.
AE2로 지시되는 고저의 불순물 설정값은 임의의 값이고, 작동 기준에 따라당업자에 의해 결정되고, 사이클 시간, 흡착 베드 로딩 및 멤브레인 유닛 설계 사양에 의존한다.
PIC2에 의해 조절되는 멤브레인 턴다운 제어는 유닛의 최대 및 최소 처리량을 제어하도록 임의의 다른 압력 범위를 사용할 수 있다. 이러한 설정값은 멤브레인 설계 세부사항뿐만 아니라 공정에 의존하고, 작동 기준에 따라 당업자에 의해 결정된다.
멤브레인 분리 유닛의 투과측 상의 배압은 투과 순도를 조절하기 위해 사용된다.
제품 순도의 높은 알람 설정값은 주로 고객에 의해 특정되고, 고객이 용인할 수 있는 최대 불순물 정도가 될 필요는 없다. 이런 식으로, 시스템은 고객에게 제품 공급을 중단하지 않고 사양을 벗어나는 상태에 대한 반응을 개시한다. 예비 측정이 제품을 사양에 되돌리기에 실패하면, 먼저 고객에게 상황에 대해 주의를 시키고, 그후 상태에 대한 더욱 극적인 반응을 개시하는 제2의 높은 설정값이 사용될 수 있다. 고객의 공정으로부터의 재생 가스는 밸브 V3를 거쳐 도관(7)을 통해 배출된다. 결과 모니터(50)가 공급의 강하를 지시함에 따라, 압축기 흡입 압력과 PIC6는 PSA 공급 압축기(16) 처리량을 감소시킴으로써 반응한다. 기계 턴다운은 밸러스트 탱크(4) 압력이 떨어지게 하고, PT3는 이를 제품 부족으로 인식하고 모니터(200)를 개방시키고, 시스템 내로 보충 가스를 더 통과시키도록 PIC3를 통한 제어 반응을 개시한다. 이 시점에서, 모든 처리 가스는 보존 탱크(28)로부터 도관(10)을 통해 고객에게 공급된다. 고객은 이러한 상태를 주의하고 시스템을 폐쇄하거나 또는 작동을 계속하도록 선택이 주어진다. 2단계 높은 알람의 의미는 고객이 헬륨 보존 가스를 급속히 고갈시키는 바람직하지 않은 상황을 방지하고자 하는 것이다.
주 (제1 높은 알람) 반응이 개시되는 주어진 시간 범위에서 횟수를 탐지하는 추가적인 제어가 사용된다. 상기 횟수가 최대 한계를 초과하면, 시스템은 유닛이 소정의 시간 주기 동안 전체 멤브레인 처리량과 운전되게 하는 정화 루틴을 개시한다. 이러한 시간 범위 동안, PSA는 매우 낮은 불순물 정도로 공급 원료를 처리할 것이다. 이러한 세척 가스는 PSA 흡착 베드를 세척하고, 흡착 베드의 상부 범위의 축적된 오염물을 제거한다. 정화 루틴이 종료된 후, 멤브레인의 제어는 다시 AIC2로 되돌아간다.
PSA/멤브레인 시스템 설계에서 가장 큰 유연성을 제공하기 위해, 멤브레인 시스템(24)(도1 참조)은 시스템이 전체 용량 모드를 연속하여 작동하는 방법으로 작동된다(즉, 증가된 멤브레인 배압 또는 감소된 멤브레인 압축기 처리량으로 이어지는 턴다운 제어가 없다.) 이런 식으로, 표준 멤브레인 시스템은 점점 더 대형화되는 PSA/멤브레인 헬륨 재생 결합 시스템을 위해 사용된다.
유동 적용 전체 불순물 필요한 멤브레인 처리량(폐기율)
850 scfm 재생 He 5.0% 공기 192.0 lb/hr(87 kg/hr)
1500 scfm 재생 He 5.0% 공기 338.0 lb/hr(153.3 kg/hr)
2000 scfm 재생 He 5.0% 공기 451.0 lb/hr(204.5 kg/hr)
표에 도시된 바와 같이, 적용의 크기가 증가함에 따라 재생되는 헬륨 스트림은 또한 증가한다. 폐기되는 불순물의 관련 정도도 또한 비례하여 증가된다. PSA로부터의 증가하는 수준의 불순물을 폐기하기 위해, 폐기 스트림은 멤브레인이 임의의 주어진 시간에서 더 긴 주기동안 작동하는 것을 필요로 한다. 따라서, 동일한 크기의 멤브레인이 특정 멤브레인 유닛의 한계까지 결합 PSA/멤브레인 재생 시스템에서 사용된다. 예를 들어, 상술한 예에서 사용되는 멤브레인 시스템의 최대 폐기율이 451.0 lb/hr(204.5 kg/hr)일 경우, 최대 폐기율은 약 2000scfm의 헬륨을 사용하는 적용에서 사용되고 연속하여 운전된다.
결합 PSA/멤브레인 시스템을 위한 작동의 선택적인 모드는 또한 멤브레인 시스템이 연속적인 기초에서 다소의 감소된 처리량 (턴다운) 모드에서 멤브레인 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다(즉, 작동 동안 처리량은 항상 일정하다). 이는 이러한 작동 모드로부터 이점을 얻는 임의의 특정 적용을 만족시키기 위한 설계 탄력성을 가능하게 한다. 다른 흡착 또는 정화 시스템이 열 변동 흡착(TSA) 시스템, 결합 PSA/멤브레인 시스템 등과 같은 PSA 대신에 사용될 수 있다. 흡착 공정은 대기압 이하(VSA), 대기압 이상(VPSA) 또는 초대기압(PSA) 사이클과 함께 작동되는 하나 이상의 베드를 사용하는 공정을 포함한다.
가장 바람직한 예에서 사용되는 제어 방법은 멤브레인 분리 유닛 배압을 조절함으로써 멤브레인 압축기 처리량을 조절한다. 압축기는 압력 설계에서 멤브레인 유닛으로 가스를 제공하도록 설계된다. 압축기는 용량을 조절하는 수단으로서 자신의 배출로부터의 압력 신호를 사용한다. 이는 설정 배출 압력을 유지하도록 그 처리량을 자동으로 조절한다. 이러한 배출 압력 제어는 멤브레인 농축 스트림 상에서 제어 밸브를 사용하여 오버라이드(override)된다. 압축기는 165.0 psig(11.2 atm)에서 멤브레인으로 가스를 송출하도록 설계된다. 배출 압력을175.0 psig(11.9 atm)로 가압함으로써, 압축기는 이러한 압력을 165.0 psig 설계값으로 다시 돌리려는 시도가 가능한 한, 그 용량을 다시 돌린다. 압력이 제어 외부의 수단에 의해 제어되므로 그렇게 할 수 없다. 결과는 압축기가 그 배출에서 175.0 psig(11.9 atm)를 만족하는 한, 이러한 턴다운 모드의 작동이 연속된다.
PSA 공급 압축기를 제어하는 것과 동일한 방법으로 압축기 활주 밸브로 직접 신호를 보냄으로써 압축기 처리량을 제어하는 것이 또한 가능하다. 이러한 작동 모드 하에서, 멤브레인 유닛 상의 일정한 배압은 일부 다른 수단(제어 밸브, 배압 조절기 또는 다른 것을 구비하는 PID 루프)을 통해 유지되고, 멤브레인 시스템 처리량은 멤브레인 압축기의 용량을 직접 증가 또는 감소시킴으로써 조절된다.
용어 "포함하는"은 본 명세서에서 "포함하지만 제한되지는 않는"을 의미하는 것으로, 즉 청구범위에서 언급되는 기술된 특징부, 완전체, 단계 또는 요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징부, 완전체, 단계, 요소 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는 것으로 사용된다.
각각의 특징부는 본 발명에 따른 다른 특징부와 결합될 수 있으므로, 본 발명의 특정 특징부는 간편하게 하기 위해 하나 이상의 도면에서 도시된다. 선택적인 실시예가 당업자에 의해 인정되고 청구범위의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. a) 소정의 순도를 갖는 가스 공급원(28)과,
    b) 상기 가스를 사용하고 상기 가스에 오염물을 부가하는 적용 시스템(6)과,
    c) 정화된 가스 및 폐기 가스를 생산하도록 상기 가스로부터 상기 오염물을 제거하는 흡착 시스템(1)과,
    d) 상기 폐기 가스 내의 상기 오염물의 양을 측정하는 가스 순도 분석기(100)와,
    e) 가스 공급원(4)을 상기 적용 시스템으로, 상기 적용 시스템을 상기 흡착 시스템으로 연결하는 도관(5, 8, 9, 13, 15)을 포함하는 가스 재생 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 멤브레인(24)을 더 포함하는 가스 재생 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 멤브레인(24)이 상기 흡착 시스템(1)에 연결되어, 감소된 양의 오염물을 갖는 가스 및 더 높은 농도의 오염물을 갖는 가스를 생산하도록 상기 폐기 가스가 상기 멤브레인(24)을 통과하는 가스 재생 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 감소된 오염물을 갖는 상기 가스를 상기 흡착 시스템(1)으로 공급하는 도관(25)을 더 포함하는 가스 재생 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 소정의 순도를 갖는 상기 가스 공급원(28)은 감소된 오염물을 갖는 상기 가스를 상기 흡착 시스템의 입구로 공급하는 도관(13)에 연결되는 가스 재생 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적용 시스템에 대한 가스 공급 압력을 조절하는 송출 압력 제어부(200)를 더 포함하는 가스 재생 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 적용 시스템(6)에 대한 가스 공급 압력을 조절하는 송출 압력 제어부(200)를 더 포함하는 가스 재생 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 정화된 가스의 순도를 측정하는 제2 가스 순도 분석기(250)를 더 포함하는 가스 재생 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 가스 순도 분석기(250)로부터의 신호에 따라 상기 흡착 시스템을 상기 적용 시스템에 연결하는 도관(2, 5)을 폐쇄하는 제어부를 더 포함하는 가스 재생 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적용 시스템(6)으로부터의 오염된 가스의 순도를 측정하는 제3 가스 순도 분석기(300)를 더 포함하는 가스 재생 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적용 시스템(6)으로부터의 오염된 가스를 배출하는 도관(7)을 더 포함하고, 배출 도관은 상기 제3 가스 순도 분석기(300)로부터의 신호를 수신할 때 개방되는 가스 재생 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 가스는 헬륨인 가스 재생 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 흡착 시스템(1)은 압력 변동 흡착 시스템, 온도 변동 흡착 시스템 또는 이들의 조합인 가스 재생 시스템.
  14. 가스를 정화 및 재생하는 방법이며,
    a) 소정의 순도를 갖는 가스 공급원을 제공하는 단계와,
    b) 상기 가스를 사용하고 상기 가스에 오염물을 부가하는 적용 시스템으로 상기 가스를 제공하는 단계와,
    c) 정화된 가스 및 폐기 가스를 생산하도록 상기 가스로부터 상기 오염물을 제거하는 흡착 시스템(1)으로 오염된 가스를 통과시키는 단계와,
    d) 상기 폐기 가스의 상기 오염물의 양을 측정하는 단계와,
    e) 가스 순도 분석기(100)로부터의 신호에 따라 상기 폐기 가스를 상기 시스템 외측으로 배출하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 감소된 양의 오염물을 갖는 가스 및 더 높은 농도의 오염물을 갖는 가스를 생산하도록 상기 멤브레인(24)을 통해 상기 폐기 가스를 통과시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 감소된 오염물을 갖는 상기 가스를 상기 흡착 시스템(1)으로 통과시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제14항에 있어서, 배출된 폐기 가스를 보상하기 위해 소정의 순도를 갖는 가스 공급원(20)으로부터 감소된 오염물을 갖는 상기 가스로 추가의 가스를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 적용 시스템(6)에 대한 가스 공급 압력을 조절하기 위해 송출 압력 제어부를 사용하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 소정의 순도를 갖는 상기 가스와 사실상 동일한 순도를 갖도록 상기 정화된 가스의 순도를 측정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 제3 가스 순도 분석기로부터의 신호를 수신할 때 상기 적용 시스템(6)으로부터 오염된 가스를 배출하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 가스는 헬륨인 방법.
  22. 제14항에 있어서, 상기 흡착 시스템은 압력 변동 흡착 시스템, 온도 변동 흡착 시스템 또는 이들의 조합인 방법.
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