KR20090111287A - 개선된 주기적 변동 흡착법 - Google Patents

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크리스토퍼 제임스 라이즈웰
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Abstract

주기적 변동 흡착법(cyclical swing adsorption process)의 가동 베드로의 공급 가스에 있는 흡착물(adsorbate)의 농도를 모니터링하고, 데이터를 처리하여 가동 베드의 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하며, 이렇게 예상된 시간의 변화에 응답하여 병행 비가동 베드의 퍼지 유량 및/또는 다른 재생 모드의 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 비가동 베드의 재생 모드를 병행 가동 베드의 가동 모드와 동일한 시간에 완료한다.

Description

개선된 주기적 변동 흡착법{IMPROVEMENTS IN CYCLICAL SWING ADSORPTION PROCESSES}
본 발명은 공급 가스 혼합물의 분리를 위한 주기적 변동 흡착법(cyclical swing adsorption)에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용되는 "분리"라는 용어는 후속하여 더 분리될 수 있는 가스 스트림으로부터 오염물 및/또는 불순물을 제거하는 것을 포함한다. 본 발명은 공급 가스가 하류 공정에 적합하게 되도록 공급 가스에 있는 이산화탄소를 제거하거나 적어도 이러한 이산화탄소의 레벨을 감소시키는 것을 포함하는 특정 용례를 갖는다. 본 발명은 특히 공기의 극저온 분리 또는 정제를 위한 공정에서 공급 가스로서 채용되는 공기로부터 이산화탄소를 제거하는 데 유용하다.
이산화탄소는 비교적 비등점이 높은 고비등점 가스상 재료이며, 이러한 고비등점 가스상 재료와 공급 가스에 존재할 수 있는 다른 고비등점 재료, 예컨대 물의 제거는 혼합물이 후속하여 저온 공정, 예컨대 극저온 공정에서 처리되는 경우에 필요하다. 비교적 비등점이 높은 고비등점 재료가 제거되지 않는 경우, 이러한 고비등점 재료는 후속 공정에서 액화 또는 고화될 수 있으며, 하류 공정에서 압력 강하 와 흐름 곤란을 초래할 수 있다. 후속 공정에서 형성되고, 이에 따라 폭발 위험성을 나타내는 리스크를 감소시키기 위해, 공급 가스의 다른 공정 이전에, 유해 물질, 예컨대 폭발성 물질을 제거하는 것이 필요하거나 바람직할 수도 있다. 탄화수소 가스, 예컨대 아세틸렌이 그러한 위험 요인을 제공할 수 있다.
고상 흡착제에 의한 선택적 흡착을 이용하여 공급 가스 혼합물로터 하나 이상의 성분을 분리하는 여러 방법이 공지되어 있다. 이들 방법은 온도 변동 흡착(Temperature Swing Adsorption; TSA), 압력 변동 흡착(Pressure Swing Adsorption; PSA), 열적 압력 변동 흡착(Thermal Pressure Swing Adsorption; TPSA) 및 열적으로 향상된 압력 변동 흡착(Thermally Enhanced Pressure Swing Adsorption; TEPSA)을 포함한다. 통상적으로, 상기 방법은, 하나의 흡착기 베드는 흡착기 베드를 통과하는 공급 가스 혼합물로부터 흡착물을 흡착하는 가동 모드인 동안, 다른 흡착기 베드는 흡착된 흡착물을 흡착기 베드로부터 탈착하는 재생 모드이며, 이들 흡착기 베드는 가동 모드와 재생 모드 사이에서 교호(交互)하는 주기적 방식으로 실행된다.
일반적으로 공기가 공급 가스인 이들 방법에서는, 물과 이산화탄소를 흡착하는 하나 이상의 흡착제와 혼합물을 접촉시키는 것에 의해 물과 이산화탄소가 공기 공급 가스로부터 분리된다. 물 흡착재는 통상적으로 실리카 겔, 알루미나 또는 분자체이고, 이산화탄소 흡착재는 통상적으로 분자체, 예컨대 제올라이트이다. 공급 공기를 단일 흡착제층, 또는 컬럼에서의 물과 이산화탄소의 선택적 흡착을 위해 선택된 개별 흡착제층으로 통과시키는 것에 의해 우선 물을 제거한 후에 이산화탄소 를 제거하는 것이 통상적이다. 이산화탄소와 다른 고비등점 성분을 매우 낮은 레벨로 제거하는 것은 특히 하류 공정의 효율적인 작동을 위해서 바람직하다.
흡착후에는, 흡착제 베드로부터의 공급 가스 흐름이 차단되고, 추가의 사용을 위해 흡착제로부터 흡착된 물질, 예컨대 이산화탄소와 물을 제거하여 흡착제를 재생하는 재생 가스 흐름에 흡착제가 노출된다.
이산화탄소와 물의 제거를 위한 TSA 공정에 있어서, 대기는 통상 주요 공기 압축기(Main Air Compressor; MAC)를 이용하여 압축되고, 이어서 수냉되며, 이에 따라 분리기에서 응축된 물이 제거된다. 공기는, 예컨대 냉각 에틸렌글리콜을 이용하여 더욱 냉각될 수 있다. 대부분의 물은 응축 및 응축액의 분리에 의해 이 단계에서 제거된다. 다음에, 가스는, 남아 있는 물과 이산화탄소가 흡착에 의해 제거되는 흡착기 베드 장치로 안내된다.
병행 구성인 2개의 흡착제 베드를 이용하는 것에 의해, 하나의 흡착제 베드는 흡착을 위해 작동될 수 있는 동안, 나머지 흡착제 베드는 재생되고, 이들 흡착제 베드의 역할은 작동 사이클에서 주기적으로 역전된다. 흡착 및 재생에 대해서 통상적으로 동일한 기간이 할애된다.
흡착제 베드가 가동되는 동안에 공급 가스로부터 제거되고 있는 성분이 흡착되기 때문에, 흡착 공정은 흡착열을 생성하여 열펄스가 흡착제를 통해 하류로 이동되게 할 것이다. 열펄스는 공급 기간 또는 가동 기간 동안에 흡착제 베드의 하류 단부 외측으로 이동되게 된다. 재생 공정 동안에는, 흡착제 베드에 흡착된 가스 성분을 탈착하기 위해 열이 공급되어야 한다. 재생 단계에서는, 생성물 가스 부 분, 예컨대 하류 공정에서 나온 폐스트림이나 질소가 흡착된 성분을 탈착하는 데 사용되고, 이 생성물 가스 부분은 가열될 수 있을 뿐만 아니라 압축될 수 있다. 고온 가스가 재생되는 흡착제 베드를 통과하여 흡착물을 제거한다. 재생은 통상적으로 흡착 단계와는 반대되는 방식으로 실시된다.
PSA 장치에서, 주기 시간은 통상 TSA에서보다 짧지만, 공급물 온도 및 압력과 재생 가스는 종종 유사하다. 그러나 PSA 장치에서는, 재생 가스의 압력이 공급 가스의 압력보다 낮으며, 압력 변화를 사용하여 흡착제로부터 이산화탄소와 물을 제거한다. 재생은 TSA에 대하여 전술한 열펄스가 흡착제 베드의 하류 단부에 도달하기 전에 시작되는 것이 적절하다. 열펄스의 방향은 재생 공정에 의해 역전되며, 해당 가스 성분의 흡착으로부터 얻은 열은 흡착제 베드에 유지되어 재생중에 가스 성분을 탈착하는 데 사용된다. TSA와 달리, 재생 가스를 가열할 필요가 없다.
열적 압력 변동 흡착(Thermal Pressure Swing Adsorption; TPSA) 역시 공급 공기로부터 이산화탄소와 물을 제거하기에 적합하다. TPSA 장치에서, 물은 통상적으로 물 흡착 매체, 예컨대 활성 알루미나 또는 실리카 겔이 배치된 구역에 억류된다. 예컨대 이산화탄소의 흡착을 위한 분자체를 포함하는 개별층이 전형적으로 채용되며, 분자체층과 물의 흡착을 위한 구역은 통상적으로 별개이다. TSA 장치와 달리, 물은 임의의 많은 양으로 분자체층에 진입하지 않고, 이에 따라 유리하게는 분자체층으로부터 물을 탈착하기 위해 대량의 에너지를 투입할 필요성이 회피된다. TPSA 공정은, 예컨대 참고에 의해 그 내용이 본원에 포함되는 미국 특허 제5,885,650호 및 제5,846,295호에 설명되어 있다.
TPSA와 같이 열적으로 향상된 PSA(TEPSA)는 이미 흡착된 이산화탄소가 TSA에 의해 탈착되고 흡착된 물이 PSA에 의해 탈착되는 2 단계 재생 방법을 이용한다. 이 방법에서, 탈착은 압력이 공급 스트림보다 낮고, 온도가 공급 스트림보다 높은 재생 가스를 공급하고, 후속하여 고온 재생 가스를 저온 재생 가스로 대체하는 것에 의해 일어난다. 고온 재생 가스는 주기 시간이 PSA 장치의 주기 시간에 비해 연장되게 하여, 베드 내에서의 흡착에 의해 생성되는 열이 부분적으로 고온 재생 가스로부터의 열로 대체될 수 있기 때문에 전환 손실을 감소시킨다. TEPSA 공정은, 예컨대 참고에 의해 그 내용이 본원에 포함되는 미국 특허 제5,614,000호에 설명되어 있다.
PSA와 달리, TSA, TEPSA 및 TPSA 모두는 재생 가스를 가열하는 것에 의한 열에너지 투입을 필요로 하지만, 각각의 절차는 그 자체의 고유한 장점 및 단점을 갖는다. 재생 가스를 위해 필요한 온도는 비용을 증가시키는 시스템 엔지니어링에 관한 요구 사항을 충족시키도록 통상적으로 충분히 높으며, 예컨대 50 ℃ 내지 200 ℃이다. 통상적으로, 공정에서 제거되는 2개 이상이 흡착물이 있을 것이며, 일반적으로 이들 성분 중 하나 이상의 성분, 예컨대 물은 강력하게 흡착될 것이고, 다른 성분, 예컨대 이산화탄소는 훨씬 더 약하게 흡착될 것이다. 재생을 위해 사용되는 고온은 보다 강력하게 흡착되는 성분을 탈착하기에 충분해야 한다. TSA, TPSA 및 TEPSA 장치에 채용되는 고온은 단열 베셀, 재생 가스 예열기, 및 유입 단부 예비 냉각기의 사용을 필요로 할 수 있으며, 일반적으로 고온은 장치에 대해서 보다 엄격하고 비용이 많이 드는 기계적 명세 사항을 부여한다. 작동에 있어서, 퍼지 예열기를 사용하는 것에 관련한 가외의 에너지 비용이 있다. PSA 장치는 고온을 견딜 필요성을 회피하는 것에 의해 이들 단점 중 여러 가지를 방지하지만, PSA를 특징 지우는 짧은 주기 시간이 PSA의 고유한 단점을 초래한다.
변동 흡착 장치의 구성은 분리한 공급 가스 혼합물의 조성에 있어서의 잠재적인 변화를 고려하며, 통상적으로 모든 잠재적인 변화를 수용하는 가능한 최악의 공급 조건을 기초로 한다. 통상, 장치를 위한 공정 조건은 적절한 최고 함량의 흡착물을 갖는 공급 가스가 장치의 용량을 초과할 우려 없이 흡착물을 제거하도록 처리될 수 있고, 이에 따라 허용되지 않는 레벨의 흡착물이 하류 공정에 이르지 않는 것을 보장하도록 미리 선택되며, 작동중에 일정하게 유지된다. 공기로부터 이산화탄소와 물을 제거하는 경우, 이산화탄소의 레벨은 오염 레벨에 따라 변하고, 공급 가스에 있는 물은 국부적인 온도와 상대 습도에 있어서의 변화에 따라 변하기 때문에 공정이 실시되는 부위에서 우세한 주변 조건을 고려한다. 이산화탄소 오염이라는 특별한 경우에, 공급 공기의 이산화탄소 함량은 근처에 이산화탄소를 방출하는 연소탑이 있는 경우에 실질적으로 풍향의 변화에 응답하여 또는 국부적인 기상 조건에 응답하여 신속하게 변경될 수 있다. 예컨대, 도 1은 2005년 11월 20일에서 23일까지의 기간 동안 영국 위건에 있는 에어 프로덕츠 공기 분리 유닛에서의 주위 이산화탄소 농도의 변화를 보여주는 차트이다. 이산화탄소의 농도가 약 450 ppm의 정상 레벨보다 높고 약 680 ppm의 피크에 도달한 2005년 11월 20일에서 22일까지는 안개낀 날씨였다. 이와 마찬가지로, 도 2는 2006년 9월 4일에서 8일까지의 기간 동안 영국 그레인섬에 있는 에어 프로덕츠 공기 분리 유닛에서의 주위 이산화탄소 농도의 변화를 보여주는 차트이다. 공기 분리 유닛 근처에는 LNG 연소탑이 있으며, 연소탑에 의해 배출되는 이산화탄소의 공기 분리 유닛에 대한 영향은 풍향에 좌우된다. 볼 수 있다시피, 이산화탄소 농도는 10,000 ppm을 넘어 정점에 도달하였다.
종래 기술에서는 공급 가스 조성의 변화를 수용하도록 주기적 변동 흡착 공정의 주기 시간을 변경하자는 제안이 있었다. 예컨대, 미국 특허 제3,808,773호에는, 흡착 가능한 성분을 제거하기 위해 가스를 분자체 베드로 통과시키고, 가스 흐름에서 나온 흡착물 수증기가 침투하기 전에, 바람직하게는 적어도 용이하게 흡착 가능한 제2 성분의 침투시에 가스 흐름을 중단시킨 후, 가열된 퍼지 가스를 가스 흐름과는 반대 방향으로 분자체로 통과시킴으로써 100 내지 200 ℃의 비교적 낮은 온도로 분자체를 재생시키는 것에 의한 물과 하나 이상의 제2 성분을 함유하는 가스의 흡착 정제가 개시되어 있다. 설정 시간 기간 동안에 하나의 베드에서는 흡착이 실시되는 한편, 다른 베드는 재생되는 이중 베드 장치가 설명되어 있다.
미국 특허 제4,197,095호에는, 유량과, 유입 온도 및 유출 온도와, 유입 압력 및 유출 압력, 그리고 재생 압력을 포함하는 작동 조건을 감지하고; 베드를 재생하는 데 필요한 퍼지 흐름의 양을 계산하며; 작동 조건하에서의 퍼지 유량을 계산하고; 베드가 재생 완료되었을 때 퍼지 흐름을 중단하도록 재생 시간을 제어하는 이중 베드 흡착법을 이용하는 가스 공급물로부터의 성분(들) 흡착이 개시되어 있다. 주기 시간은 재생 시간 이상의 기간으로 제어되며, 베드는 이 주기 시간의 종료시에 전환된다.
미국 특허 제4,472,178호에는, 초기에는 흡착 베드의 이산화탄소 감소 가스 생성물을 열을 보유하는 축열기로 통과시키지만, 가스가 예정된 저온에 도달한 후에는 축열기를 우회시키는 TSA 시퀀스에 의한 물 감소 가스 공급 스트림으로부터의 이산화탄소 흡착이 개시되어 있다. 공급 가스 흐름은 가스 생성물이 예정된 이산화탄소 농도에 도달할 때 중단되고, 베드의 압력은 감소되며, 베드는, 초기에 외부에서 공급된 열에 의해 가열되고 베드에 열구역이 존재할 때까지 축열기로부터 열이 회수되는 퍼지 가스를 이용하여 향류식으로 퍼지된다. 퍼지는 외부에서 공급되는 열 없이도 열구역이 대략 베드의 자유단에 있을 때까지 계속된 후 중단되고, 베드는 흡착 사이클이 다시 초기화될 수 있도록 예정된 압력에 도달할 때까지 물과 이산화탄소 감스 가스를 이용하여 향류식으로 재가압된다. 설정된 시간 기간 동안에 하나의 베드에서는 흡착이 실시되는 한편, 나머지 베드는 재생되는 이중 베드 장치가 설명되어 있다.
미국 특허 제4,693,730호에는, 병류 감압으로부터의 배출물의 특징을 감지하고, 생성물의 순도를 조절하기 위해 배출물의 특징에 응답하여 조정 작용을 취하는 압력 변동 흡착법이 개시되어 있다. 조정 작용은 재생 정도를 제어하기 위해 흡착제 베드에 의해 수용되는 퍼지 가스의 양을 조정하는 것일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 감지된 특징은 불순물의 농도이며, 주기 시간과 불순물 레벨의 목표값을 조정하고, 하나의 베드의 감압의 배출물 특징은 모든 베드에 영향을 미치는 조정 작용을 초래한다.
미국 특허 제5,989,313호에는, 가동 흡착기로의 실제 총흐름을 저장하고, 예 정된 시간 기간에 걸쳐 측정된 흐름값에 대해 공기 공급 조건, 예컨대 온도, 압력, 상대 습도를 모니터링하는 "실시간" 방법에 의해 적어도 2개의 흡착기 각각에 대한 주기 시간을 제어하는 공기의 PSA 예비 정제가 개시되어 있다. 주기적으로, 모니터링된 공기 공급 조건에 기초하여 흡착기로의 최대 총흐름을 계산하고, 현재 계산된 최대 총흐름값을 실제 총흐름값과 비교하며, 이들 사이의 예정된 관계에 도달하면 가동 흡착기를 공기 공급물로부터 결합 해제하고, 다른 흡착기를 공기 공급물에 커플링한다. 각각의 흡착기에 대한 주기 시간의 제어 역시 부하 요건에 있어서의 변화, 퍼지 대 공기 공급물 비율 및 흡착기 베드의 전환시에 발생하는 업셋(upset)을 고려한다. 공기 흐름과 컬럼 재생에 기초하여 퍼지 대 공기 공급물 비율을 제어할 수 있고, 또한 여름에서와 같이 베드의 온도가 높은 경우에는 퍼지 흐름을 감소시킬 수 있다.
미국 특허 제6,277,174호에는, 흡착중에 적어도 2개의 베드 각각에 대한 최대 공급 압력을 모니터링하고, 탈착중에 각각의 상기 베드로부터의 최소 배기 압력을 모니터링하며, 거의 일정한 압력비를 유지하기 위해 모니터링된 압력에 따라 주기 내에서 개별 단계의 시간을 변경하여 베드로의 흐름 및 베드들 사이에서의 흐름을 제어하는 PSA 공정이 개시되어 있다. 퍼지 단계 시간과 중첩 평형 단계 시간은 모니터링된 압력에 따라 조정될 수 있다.
미국 특허 제6,402,809호에는, 흡착기에 진입 및/또는 흡착기를 빠져나가는 정제할 가스의 압력, 흡착기에 진입 및/또는 흡착기를 빠져나가는 정제할 가스의 유량, 흡착기에 진입하는 정제할 가스의 온도, 및 흡착기에 진입하는 정제할 가스 에 함유된 불순물의 함량에서 선택된 적어도 하나의 작동 조건에 따라, 그리고 재생 종료시에 흡착기에 의해 출력되는 히트 프런트(heat front)의 열 프로파일에 따라, 흡착기에 진입 및/또는 흡착기를 빠져나가는 재생 가스의 유량, 재생 단계의 기간 및 흡착기에 진입하는 재생 가스의 재생 온도로부터 선택된 적어도 하나의 에너지 파라메터를 제어, 변경 및/또는 조절하는 TSA 공정에 의한 공기와 같은 이산화탄소 및/또는 물을 함유하는 가스의 정제가 개시되어 있다. 바람직하게는, 하나의 베드에서 흡착이 실시되는 동안, 다른 베드는 재생된다.
미국 특허 제6,599,347호에는, 공급 가스의 물 함량에 관한 하나 이상의 파라메터를 직간접적으로 측정하고, 상기 파라메터(들)에 기초한 조건을 이용하여 흡착제를 재생하는 열적 변동 흡착법을 이용한 공급 가스로부터의 물과 이산화탄소의 흡착이 개시되어 있다. 공급 가스 파라메터(들)는 매시간 또는 매일과 같이 연속적으로 또는 주기적으로 측정할 수 있으며, 이렇게 측정된 데이터에 응답하여 퍼지 가스 흐름 및/또는 온도를 변경할 수 있다.
이들 종래 기술의 방법 중 그 어느 것도 가동 베드를 재생 베드로 교체하기 위해 흡착기 베드의 재생에 대한 완료 시간을 가동 베드에 의한 병행 흡착에 대한 완료 시간과 매칭시키도록 변경할 수 있는 변동 흡착의 자동 제어를 허용하지 않는다. 본 발명의 목적은 변동 흡착 장치는 공급 가스에 있는 흡착물의 정상 농도에 대한 최적 조건하에서 작동될 수 있지만, 재생 베드는 정상 레벨보다 높은 증가된 흡착물 농도로 인해 결과적으로 감소된 가동 시간을 해결하도록 정상적인 경우보다 신속히 사용하도록 이용 가능하게 제어하는 것이다. 이것은 최고 예상 흡착물 농도를 수용하도록 작동하는 종래 장치의 구성에 비해, 정상 작동을 위한 보다 긴 가동 시간을 허용하는 한편, 교체 베드의 재생을 완료하는 데 필요한 시간에 의해 제한되는 일 없이 정상 흡착물 농도보다 높은 경우나 흡착물 농도에 대한 예상치 못한 급작스러운 변화를 수용하도록 가동 시간을 감소하는 것을 허용한다.
본 발명은, 하나의 흡착기 베드는 흡착기 베드를 통과하는 공급 가스 혼합물로부터 흡착물을 흡착하는 가동 모드인 동안, 다른 흡착기 베드는 흡착된 흡착물을 흡착기 베드로부터 탈착하는 재생 모드이고, 이들 흡착기 베드는 가동 모드와 재생 모드 사이에서 교호하는 것인 주기적 변동 흡착법으로서, 상기 가동 모드 동안에 흡착기 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 총량에 의해 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 결정하고, 상기 가동 모드 동안 공급 가스 혼합물 에 있는 흡착물의 농도를 모니터링하며, 이렇게 모니터링한 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하며, 이렇게 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 병행 가동 모드와 동일한 시간에 재생 모드를 완료하는 것인 주기적 변동 흡착법을 제공한다.
본 발명은 또한 적어도 2개의 흡착기 베드와, 가동 모드중에 하나의 흡착기 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 총량에 의해 정해진 시간 동안, 하나의 흡착기 베드는 흡착기 베드를 통과하는 공급 가스 혼합물로부터 흡착물을 흡착할 수 있는 가동 모드로 유지하고, 다른 흡착기 베드는 흡착기 베드로부터 흡착된 흡착물을 탈착할 수 있는 재생 모드로 유지하며, 상기 흡착기 베드들을 가동 모드와 재생 모드 사이에서 교호시키는 제어 회로와, 가동 모드 동안에 흡착기 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 총량을 측정하고, 이에 의해 가동 모드의 기간을 결정하는 토탈 흡착기 센서와, 상기 가동 모드 동안에 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 농도를 모니터링하는 농도 모니터, 그리고 상기 모니터링된 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하는 프로세서를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 재생 모드가 병행 가동 모드와 동일한 시간에 완료되는 것인, 주기적 변동 흡착법을 실행하는 주기적 변동 흡착 장치를 제공한다.
본 발명의 주기적 변동 흡착법 및 주기적 변동 흡착 장치는 공급 가스에 있 는 흡착물의 정상 농도에 대한 최적 조건하에서 작동될 수 있지만, 재생 베드는 정상 레벨보다 높은 증가된 흡착물 농도로 인해 결과적으로 감소된 가동 시간을 해결하도록 정상적인 경우보다 신속히 사용하도록 이용 가능하게 제어한다.
본 발명은, 변동 흡착 장치는 공급 가스에 있는 흡착물의 정상 농도에 대한 최적 조건하에서 작동될 수 있지만, 재생 베드는 정상 레벨보다 높은 증가된 흡착물 농도로 인해 결과적으로 감소된 가동 시간을 해결하도록 정상적인 경우보다 신속히 사용하도록 이용 가능하게 변동 흡착 장치를 제어한다. 이것은 공급 가스의 흡착물 농도를 연속적, 즉 지속적으로 측정하여, 최종 데이터로부터 달성할 가동 시간의 추정치를 계산하고, 가동 베드가 포화 상태일 때 베드가 필요한 재생 레벨에 도달하도록 베드를 재생하기 위한 퍼지 흐름 또는 다른 작동 파라메터를 자동으로 변경하는 것에 의해 얻어진다. 이에 따라, 정상 작동을 위해 사용되는 퍼지 유량을 정상 가동 시간과 매칭되도록 감소시킬 수 있고, 이에 따라 종래 구성의 장치에 비해 재생시에 필요한 퍼지 가스의 양과 베드에 걸친 압력 강하도 감소시킬 수 있다. 이것은 항시 최소량의 퍼지 가스가 사용되게 한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 하나의 흡착기 베드가 흡착기 베드를 통과하는 공급 가스 혼합물로부터 흡착물을 흡착하는 가동 모드인 동안, 다른 흡착기 베드는 흡착된 흡착물을 흡착기 베드로부터 탈착하는 재생 모드이고, 상기 흡착기 베드들은 가동 모드와 재생 모드 사이에서 교호하는 것인 주기적 변동 흡착법으로서, 상기 가동 모드 동안에 흡착기 베드로 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 총량에 의해 상기 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 결정하고, 상기 가동 모드 동안 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 농도를 모니터링하여, 이렇게 모니터링한 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하고, 이렇게 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드의 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 병행 가동 모드와 동일한 시간에 재생 모드를 완료하는 것인 주기적 변동 흡착법이 제공된다.
가동 시간과 재생 시간이 매칭되는 방식을 제외하고는, 흡착 모드와 재생 모드는 임의의 종래의 방식으로 작동될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 기준 농도에 기초한 가동 모드의 완료를 위한 최소 시간이 존재하고, 가동 모드의 완료를 위한 예상 시간은 모니터링한 농도가 상기 기준 농도를 예상 시간이 상기 최소 시간을 초과하는 정도로 초과할 때만 변한다. 통상적으로, 기준 농도는 정상 작동 조건하에서 공급 가스에 있어서 통상적으로 예상되는 최고 농도일 것이다. 예컨대, 영국에서 공급 공기로부터 이산화탄소를 흡착하는 경우, 기준 농도는 약 400 ppm인 것이 적절하다.
흡착물의 농도는 가동 흡착기 베드의 상류 및/또는 가동 흡착기 베드 내에서의 공급 가스 혼합물에 대한 측정에 의해 모니터링할 수 있다. 흡착기 베드의 상류에서 측정이 이루어지는 경우에는 재생 조건을 조정하기 위한 더 많은 시간이 이용 가능하긴 하지만, 흡착기 베드 내에서 측정이 이루어지는 경우보다 추정된 가동 시간이 덜 정확할 것이라는 것을 이해할 것이다. 측정이 흡착기 베드의 유출구 가 까이에서 이루어질 수록, 보다 정확한 가동 시간의 추정이 가능하겠지만, 이러한 추정을 이루는 능력은 단지 흡착물 프런트가 흡착기 베드를 통과해 측정 위치로 이동한 후에 시작될 수 있다. 그 결과, 재생 조건을 조정할 수 있기 전에 컨트롤러가 작동을 개시할 수 있는 시간 지연이 존재할 수 있으며, 이것은 재생 조건이 준최적(sub-optimal)일 수 있다는 것을 의미한다. 측정은 1개가 넘는 부위에서 이루어질 수 있다.
적절하게는, 추정 가동 시간이 정확하고 흡착물이 흡착기 베드에 존재하지 않는다는 것을 증명하기 위해 흡착물의 유출 농도를 측정한다. 이러한 측정은 가동 시간 추정기 소프트웨어에 대한 피드백을 제공하여 그 예상을 교정하는 데 사용할 수 있다.
흡착물 농도의 변화에 응답하여 변경된 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건은 퍼지 가스의 유량 및/또는 가스의 온도 및/또는 TSA의 경우의 재생 가열 시간 또는 게인 용량을 위한 PSA 주기 시간의 단축일 수 있다.
이하에서는 본 발명을 2개의 베드를 구비하는 TSA 장치에 적용하는 것으로 설명하겠지만, 본 발명은 또한 다른 흡착 사이클, 특히 PSA 장치, TEPSA & PSA 장치에 사용되고, 임의의 압력, 온도, 흡착제 및 흡착물에 대해서 사용된다. 본 발명은 복수 개의 공급물, 생성물 및 재생 흐름을 갖는 복수 개의 베드에 대해서도 적용할 수 있다. 흡착기 베드는 복수 개의 흡착제층을 포함할 수 있으며, 가동 시간은 공급 가스에 있는 각각의 흡착물 성분이 그 자체의 미리 규정된 섹션에 유지될 수 있도록 제어될 수 있다. 특히 본 발명의 일실시예에서는, 공급 가스 혼합물 에 2개 이상의 흡착물이 존재하며, 가동 모드 동안에 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물 중 2개 이상의 흡착물의 총량에 의해 가동 시간을 완료하는 데 필요한 시간을 결정하며, 상기 가동 시간 동안에 가동 시간을 결정하는 공급 가스 혼합물에 있는 상기 흡착물의 농도를 모니터링하며, 이렇게 모니터링된 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하여, 이렇게 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 병행 가동 모드와 동일한 시간에 재생 모드를 완료한다.
본 발명은 특히 극저온 공기 유닛을 위한 프런트 엔드(front-end) 예비 정제 유닛에서 공기 또는 천연 가스나 합성 가스(씬가스; singas)와 같은 다른 이산화탄소 함유 가스로부터 이산화탄소를 제거하여, 적어도 산소 및/또는 질소 생성물 스트림을 제공하는 데 대한 특정 용례를 갖는다.
공기로부터 이산화탄소를 제거하기 위해 사용되는 경우, 공기는 제2 흡착제 상의 제2 구역에서 이산화탄소를 제거하기 전에 물을 제거하기 위해 제1 구역에 있는 흡착제와 접촉하는 것에 의해 처리되는 것이 적절하다. 적절한 흡착제로는 알루미나, 실리카 겔, 활성 알루미나, 함침 알루미나 및 분자체, 예컨대 타입 A 제올라이트 및 타입 X 제올라이트가 있다. 물 흡착재는 바람직하게는 실리카 겔, 활성 알루미나, 함침 알루미나 또는 알루미나이며, 이산화탄소 흡착재는 바람직하게는 분자체, 예컨대 제올라이트이다. 제올라이트는 결합제 제올라이트일 수도 있고 무결합제 제올라이트일 수도 있으며, 바람직하게는 제올라이트 13X, 보다 바람직하게는 무결합제 제올라이트 13X이다.
바람직하게는, 물 흡착제와 이산화탄소 흡착제는 물 흡착제의 하류에 이산화탄소 흡착제가 있는 복합 베드에 배치될 수 있지만, 원한다면 별개의 베드를 채용할 수도 있다.
TSA 공정에서, 공급 가스는 - 50 내지 80 ℃, 바람직하게는 0 내지 60 ℃, 특히 10 내지 50 ℃의 온도로 흡착 단계에 공급되는 것이 적절하다. 적절하게는, 공급 가스의 압력은 적어도 0.1 MPa, 바람직하게는 0.2 내지 4 MPa, 보다 바람직하게는 0.2 내지 3 MPa, 및 바람직하게는 0.2 내지 1.5 MPa이다. 바람직하게는 재생 가스는 하류 공정으로부터 재순환되는 가스, 예컨대 공기 분리 유닛에서 나온 건조하고 이산화탄소가 없는 질소가 농후한 폐가스 스트림을 포함한다. 흡착제의 재생은 베드 흡착 온도보다 높은 온도, 적절하게는 50 내지 400 ℃, 바람직하게는 65 내지 240 ℃의 온도에서 실시된다. 재생 압력은 0.01 내지 3 MPa인 것이 적절하며, 0.03 내지 1 MPa인 것이 바람직하다. 재생 압력은 공급 가스 압력의 50 %를 초과하지 않는 것이 특히 바람직하다.
이와 달리 공기 분리 유닛으로의 공급 공기의 종래의 변동 흡착 처리에 있어서 공급 공기로부터 이산화탄소와 물을 제거할 때, 바람직한 공정 파라메터는 표 1에 기재한 것과 같다.
[표 1]
바람직한 범위 가장 바람직한 범위
공급 압력(MPa) 0.3 내지 4 0.5 내지 1.5
공급 공기 온도 5 내지 60 10 내지 30
공급 CO2(ppm) 100 내지 10000 300 내지 1000
퍼지 압력(MPa) 0.03 내지 3 0.01 내지 1
낮은 퍼지 온도(℃) 5 내지 80 10 내지 40
높은 퍼지 온도(℃) (PSA 공정의 경우에는 해당되지 않음) 50 내지 300 65 내지 240
본 발명의 제2 양태에 따르면, 주요 공기 압축기에서 공기를 압축하여 압축 공기를 제공하고; 하나의 흡착기 베드가 압축 공기로부터 이산화탄소를 흡착하여 무이산화탄소 공기 공급물을 제공하는 가동 모드인 동안에, 다른 흡착기 베드는 흡착기 베드로부터 이산화탄소를 탈착하는 재생 모드이며, 이들 흡착기 베드는 가동 모드와 재생 모드 사이에서 교호하는 것인 주기적 변동 흡착법에 의해 압축 공기로부터 이산화탄소를 제거하고; 공기 분리 유닛에 무이산화탄소 공기 공급물을 공급하여 무이산화탄소 공기 공급물 성분이 농후한 적어도 하나의 생성물 스트림을 제공하는 공기 분리법으로서, 압축 공기에 있는 이산화탄소의 총량에 의해 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 결정하고, 상기 가동 모드 동안 압축 공기에 있는 이산화탄소 농도를 모니터링하여, 이렇게 모니터링된 이산화탄소 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하고, 이렇게 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건을 변경하며, 이에 의해 병행 가동 모드와 동일한 시간에 재생 모드를 완료하는 공기 분리법이 제공된다.
제1 양태에 관하여 앞서 논의한 변형예와 바람직한 예 모두는 공기 분리에 관련이 있는 한, 제2 양태에도 적용된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면,
적어도 2개의 흡착기 베드와,
가동 모드중에 하나의 흡착기 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 총량에 의해 정해진 시간 동안, 하나의 흡착기 베드는 흡착기 베드를 통과하는 공급 가스 혼합물로부터 흡착물을 흡착할 수 있는 가동 모드로 유지하고, 다른 흡착기 베드는 흡착기 베드로부터 흡착된 흡착물을 탈착할 수 있는 재생 모드로 유지하며, 상기 흡착기 베드들을 가동 모드와 재생 모드 사이에서 교호시키는 제어 회로와,
가동 모드 동안에 흡착기 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 총량을 측정하고, 이에 의해 가동 모드의 기간을 결정하는 토탈 흡착기 센서와,
상기 가동 모드 동안에 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 농도를 모니터링하는 농도 모니터, 그리고
상기 모니터링된 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하는 프로세서
를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 재생 모드가 병행 가동 모드와 동일한 시간에 완료되는 것인, 제1 양태의 주기적 변동 흡착법을 실행하는 주기적 변동 흡착 장치가 제공된다.
적절하게는, 토탈 흡착기 센서는 상기 농도 모니터와 공통이다.
제1 양태에 관하여 앞서 논의한 변형예와 바람직한 예 모두는 장치 구조와 관련이 있는 한, 제3 양태에도 적용된다. 예컨대, 농도 모니터는 가동 흡착기 베드 상류 및/또는 가동 흡착기 베드 내에서 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 농도를 측정할 수 있고, 제어 회로는 퍼지 가스의 유량 및/또는 온도를 제어할 수 있으며, 주기적 변동 흡착 장치는 바람직하게는 주기적 열적 변동 흡착 장치이다.
제4 양태에 따르면, 본 발명은
압축 공기를 제공하는 주요 공기 압축기와,
무이산화탄소 공기 공급물을 제공하는 제3 양태에 따른 주기적 변동 흡착 장치, 그리고
상기 무이산화탄소 공기 공급물을 분리하여 무이산화탄소 공기 공급물 성분이 농후한 적어도 하나의 생성물 스트림을 제공하는 공기 분리 유닛
을 포함하는, 제2 양태에 따른 공기 분리법을 실행하는 공기 분리 장치를 제공한다.
도 3을 참고하면, 정제할 공기가 주요 공기 압축기(Main Air Compressor; MAC)(1)에 공급되는데, 이 주요 공기 압축기에서 공기가 압축된 후에 냉각기(2)에 공급되어, 냉각 압축 공기로부터 수증기의 적어도 일부가 응측된다. 냉각 압축 공기는 공급물로부터 물의 액적을 제거하는 역할을 하는 분리기(3)에 공급된다. 분리기는, 흐름 경로가 유입 제어 밸브(7, 8)를 각각 구비하는 2개의 경로(5, 6)로 분할되는 유입구(4)에 연결된다. 제어 밸브(7, 8)의 하류에서, 유입 경로(5, 6)는 배기 밸브(10, 11)를 포함하는 배기구(9)에 의해 가교된다. 배기구(9)에는 소음기(12)가 연결된다. 배기구(9) 하류에서, 유입 경로(5, 6)에는 흡착 베셀(13, 14) 이 각각 연결된다. 각각의 베셀(13, 14)은 2개의 흡착제(15, 16; 15', 16')를 각각 포함하는 흡착제 베드를 구비한다. 흡착제 베드의 상류부(15, 15')는 물을 제거하는 흡착제, 예컨대 활성 알루미나 또는 개질 알루미나를 함유하며, 흡착제 베드의 하류부(16, 16')는 이산화탄소를 제거하는 흡착제, 예컨대 제올라이트를 함유한다. 유출 경로(17, 18)가 각각의 흡착 베셀(13, 14)에 연결되며, 유출 제어 밸브(19, 20)를 구비한다. 각각의 유출 경로(17, 18)는 제어 밸브(19, 20)의 하류에서 결합되어, 하류의 처리 장치, 예컨대 극저온 공기 분리기(도시하지 않음)에 적절히 연결되는 단일 유출구(21)를 제공한다. 유출 제어 밸브(19, 20)의 상류에서, 유출 경로(17, 18)는 퍼지 가스 유입구(22)에 의해 가교되며, 브릿지는 퍼지 가스 제어 밸브(23, 24)를 포함한다. 퍼지 가스 유입구(22) 상류의 다른 가교 라인(25) 역시 제어 밸브(26)를 포함한다.
퍼지 가스 유입구(22)는 히터(28) 또는 바이패스 라인(29)을 통해 퍼지 가스 공급부(27)에 연결된다. 제어 밸브(30, 31)가 마련되어 퍼지 가스의 흐름과 경로를 제어한다. 퍼지 가스는 유출구(21)에 의해 하류의 처리 장치로부터 공급되어 얻는 것이 적절하다.
흐름 제어기(32)가 퍼지 가스 공급부(27)에 마련되어, 유입구(22)로의 퍼지 가스 흐름을 측정 및 제어한다. 흐름 제어기(32)는 프로세서(33)로부터의 제어 신호를 수신하며, 프로세서(33)는 퍼지 가스 가열을 제어하기 위한 가열 시퀀서(34)에도 제어 신호를 제공한다. 분리기(3)의 하류에 배치된 이산화탄소 센서(35)가 흡착기 베드로의 클리닝된 공기 공급물에 있는 이산화탄소의 농도에 비례하는 입력 을 프로세서(33)에 제공한다.
사용시, 공기는 MAC(1)에서 압축된 후, 냉각기(2)와 분리기(3)를 통해 유입구(4)에 공급되며, 2개의 흡착 베셀(13, 14) 중 하나의 흡착 베셀("가동 베셀")을 하류 방향으로 통과한다. 다른 흡착 베셀("비가동" 베셀)은 유입구(22)로부터 제1 흡착 베셀에서의 공기의 흐름과는 반대 방향으로 흐르는 퍼지 가스를 수용한다.
베셀(13)이 가동중인 경우, 공기는 개방 밸브(7)를 통해 베셀(13)로 안내되고, 하류 처리를 위해 개방 밸브(19)를 통해 유출구(21)로 안내된다. 흡착 베셀(14)에 공기 공급물이 공급되지 않을 때 밸브(8)는 폐쇄된다. 밸브(20, 23, 24, 26, 10, 11)는 모두 폐쇄된다. 흡착 베셀(14)에 있는 베드의 재생을 개시하기 위해서, 밸브(11)가 개방되어 베셀(14)을 감압하고, 밸브(24)가 개방되어 퍼지 가스 흐름이 흡착 베셀(14)을 통과하게 한다. 퍼지 가스는 통상적으로 하류의 처리 유닛, 예컨대 공기 분리 유닛의 저온 박스로부터 얻은 무이산화탄소 건조 질소 흐름일 수 있다. 밸브(30)가 개방되어 퍼지 가스가 히터(28)를 통과하고, 필요한 온도로 베셀(14)로 안내되기 전에, 예컨대 100 ℃ 이상의 온도로 가열되게 한다. 퍼지 가스가 베셀(14)을 통과할 때, 이산화탄소가 탈착되고, 열파(熱波)가 흡착제 베드(16')를 통과한다. 적절한 시기에, 예컨대 열파가 베드(15')로 안내될 때, 밸브(30)는 폐쇄되고 밸브(31)는 개방되어, 퍼지 가스가 가열되지 않고 베셀(14)로 안내되며, 열펄스를 흡착제(15')를 더 통과하도록 변위시킨다.
흡착제(16')가 TSA에 의해 재생되는 동안, 저온 퍼지 가스는 열파가 흡착제(15')로 안내되었는지의 여부에 따라, 베셀(14)의 감소된 압력으로 인해 PSA 의 해 흡착제(15')로부터 물을 탈착하고, 또한 TSA에 의해 흡착제(15')로부터 물을 탈착한다.
재생 기간의 종료시에, 밸브(24)는 폐쇄되고 밸브(26)는 개방되어 베셀(14)에 있는 베드로부터의 퍼지 가스를 변위시킨다. 그 후, 정제 공기를 이용하여 베셀을 재가압하기 위해 밸브(11)가 폐쇄된다. 다음에, 밸브(26)는 폐쇄되고, 밸브(8, 20)는 개방되며, 이에 의해 베셀(14)이 가동 상태가 된다. 그 후, 베셀(13)은 베셀(13, 14)이 단계적인 작동 주기로 가동, 감압, 재생, 재가압 및 가동 작동으로 복귀되도록 전술한 과정과 유사한 방식으로 재생될 수 있다.
프로세서(33)는 센서(35)로부터의 이산화탄소 농도 데이터로부터 가동 단계를 완료하는 데 필요한 시간을 추정한다. 추정된 가동 시간이 감소하는 경우, 프로세서는 비가동 베드가 제시간에 가동 상태로 복귀되게 완전히 재생하기 위해 퍼지 흐름과, 선택적으로 히터 온도 및/또는 히터 작동 시간을 증가시키도록 흐름 제어기를 제어하여, 열펄스가 비가동 베드를 보다 신속하게 통과하도록 압박되고 비가동 베드가 보다 신속하게 냉각된다. 추정된 가동 시간이 증가하도록 공급 조건이 변하면, 프로세서는 퍼지 흐름, 그리고 선택적으로 히터 온도 및/또는 히터 작동 시간을 감소시켜, 에너지를 절약한다.
프로세서가 공급 공기에 있는 이산화탄소의 농도에 응답하여 제어하지 않는 경우, 여전히 열펄스가 재생중인 비가동 베셀의 베드에 있을 때 불순물이 가동 베셀에 침입할 수 있다. 그 결과, 베드는 완전히 재생되지 않을 것이고, 추가의 열이 낭비될 것이며, 이는 베드가 이송될 열펄스를 견딜 수 없는 경우에 하류의 장비 에 심각한 영향을 미칠 것이다. 예컨대, 공기 분리 유닛은 통상적으로 약 65 ℃의 공급 온도 한계치를 갖는다. 통상적으로, 이러한 시나리오는 불순물이 가동 베드로 침입하기 전에 비가동 베드를 냉각할 충분한 시간이 항시 존재하도록 베드를 특대형으로 하는 것에 의해 회피된다. 그러나, 연중 대부분 이러한 '최악의 경우의 시나리오' 모드로 베드를 가동하는 것은 증가된 히터 전력과 압력 강하로 인해 일반적으로 비경제적이다. 본 발명은 가동 베드에 진입하는 공급 가스에 있는 흡착물의 농도를 측정하는 것에 의해 효율을 현저히 향상시키고, 비가동 베드로의 퍼지 흐름을 제어하기 위해 최종 정보를 처리한다.
예
다음 예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하겠지만, 본 발명이 다음 예로 제한되는 것으로 간주되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
통상적인 실례는 약 400 ppm의 이산화탄소에 대한 추정 유입 농도를 이용하는 극저온 공기 분리 유닛으로의 공기 공급물의 예비 정제를 위한 베드를 구성하는 것이다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이 안개낀 기간 동안이나 주요 공기 압축기에 대한 유입구가 LNG 터미널과 같은 이산화탄소 공급원에 근접한 경우에 이루어진 측정은 이산화탄소 농도가 급속하게, 그리고 급격하게 증가할 수 있다는 것을 증명한다. 최대 10,000 ppm까지 기록되었지만, 600 ppm이 보다 통상적이다. 흡착 장치는 이들 조건을 따르도록 구성될 수 있지만, 필요한 퍼지 가스 흐름은 공기중에 단지 400 ppm의 이산화탄소가 있는 경우보다 훨씬 더 많다. 따라서, 공급 농도가 400 ppm일 때 연중 대부분 동안 훨씬 긴 가동 시간으로 흡착 장치를 가동시키고, 이에 따라 보다 적은 퍼지 가스 흐름을 이용하여 작동하며, 이산화탄소 레벨이 상승할 때만 흐름을 증가시키는 것이 유리하다. 아래에, 가능한 압력 강하 절감(그리고, 이에 따라 압축기 전력 절감)의 예가 주어진다.
예 1: (미국 특허 제5,855,650호에 설명되어 있는 바와 같은) TPSA 주기
구성 케이스 공급물의 CO 2 가 감소된
정상 작동 케이스
베셀 직경(mm) 6000 6000
베셀의 Tan-Tan 길이(mm) 3006 3006
공급물 온도(℃) 18.3 18.3
공급물 압력(MPa) 0.6 0.6
공급 CO2(ppm) 1000 400
공급 물(ppm) 3602 3602
공급물 총유량(kmol/hr) 5928 5928
가동 시간(hr) 3.07 5
재생 시간(hr) 2.57 4.5
알루미나 질량(kg) 26958 26958
13X 질량(kg) 22869 22869
재생 온도(℃) 200 200
필요한 재생 유량(kmol/hr) 1121 735
공급 단계시의 압력 강하(kPa) 14.6 14.6
재생 단계시의 압력 강하(kPa) 12.3 6.17
압력 강하를 극복하는 데 필요한 321 229
압축 전력(kW)
상기 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 92 kW의 전력 절감을 제공한다.
예 2: TSA 주기
구성 케이스 공급물의 CO 2 가 감소된
정상 작동 케이스
베셀 직경(mm) 2438 2438
베셀의 Tan-Tan 길이(mm) 2527 2527
공급물 온도(℃) 35 35
공급물 압력(MPa) 0.9 0.9
공급 CO2(ppm) 600 400
공급 물(ppm) 6433 6433
공급물 총유량(kmol/hr) 743 743
가동 시간(hr) 3.94 5
재생 시간(hr) 3.44 4.5
알루미나 질량(kg) 2869 2869
13X 질량(kg) 3703 3703
재생 온도(℃) 200 200
필요한 재생 유량(kmol/hr) 200 169
공급 단계시의 압력 강하(kPa) 7.93 7.93
재생 단계시의 압력 강하(kPa) 18.1 15.8
압력 강하를 극복하는 데 필요한 59 53
압축 전력(kW)
상기 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 6 kW의 전력 절감을 제공한다.
본 발명의 특정예를 참고하여 본 발명을 상세히 설명하였지만, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 본 발명을 다양하게 변경 및 수정할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
도 1은 2005년 11월 20일에서 23일의 기간 동안에, 영국 위건에 있는 에어프로덕츠 공기 분리 유닛에서의 주위 이산화탄소 농도에 있어서의 변화를 보여주는 차트.
도 2는 2006년 9월 4일에서 8일의 기간 동안에, 영국 그레인섬에 있는 에어프로덕츠 공기 분리 유닛에서의 주위 이산화탄소 농도에 있어서의 변화를 보여주는 차트.
도 3은 극저온 공기 분리 유닛으로의 공급 공기로부터 이산화탄소와 물을 제거하기 위해 본 발명에 따라 작동되는 TSA를 이용하는 극저온 공기 분리 유닛을 위한 프론트 엔드 예비 정제 유닛의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 주요 공기 압축기
2 : 냉각기
3 : 분리기
13, 14 : 흡착 베셀
15, 15', 16, 16' : 흡착제
28 : 히터
32 : 흐름 제어기
33 : 프로세서

Claims (21)

  1. 하나의 흡착기 베드는 흡착기 베드를 통과하는 공급 가스 혼합물로부터 흡착물을 흡착하는 가동 모드인 동안, 다른 흡착기 베드는 흡착된 흡착물(adsorbate)을 흡착기 베드로부터 탈착하는 재생 모드이고, 상기 흡착기 베드들은 가동 모드와 재생 모드 사이에서 교호(交互)하는 것인 주기적 변동 흡착법(cyclical swing adsorption process)으로서,
    상기 가동 모드 동안에 흡착기 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 총량에 의해 상기 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 결정하고, 상기 가동 모드 동안 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 농도를 모니터링하여, 이렇게 모니터링한 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하며, 이렇게 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 병행 가동 모드와 동일한 시간에 재생 모드를 완료하는 것인 주기적 변동 흡착법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 기준 농도에 기초한 가동 모드의 완료를 위한 최소 시간이 존재하며, 가동 모드의 완료를 위한 예상 시간은 모니터링된 농도가 상기 기준 농도를 예상 시간이 상기 최소 시간을 초과하는 정도로 초과할 때만 변하는 것인 주기적 변동 흡착법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 흡착물은 이산화탄소인 것인 주기적 변동 흡착법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 흡착물은 이산화탄소이고, 상기 기준 농도는 약 400 ppm인 것인 주기적 변동 흡착법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 공급 가스 혼합물은 공기이고, 상기 흡착물은 이산화탄소이며, 가동 모드 동안에 물이 추가로 흡착되는 것인 주기적 변동 흡착법.
  6. 제1항에 있어서, 가동 흡착기 베드의 상류에서 공급 가스 혼합물에서의 측정에 의해 흡착물의 농도를 모니터링하는 것인 주기적 변동 흡착법.
  7. 제1항에 있어서, 가동 흡착기 베드 내에서의 측정에 의해 흡착물의 농도를 모니터링하는 것인 주기적 변동 흡착법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건은 재생 모드인 흡착기 베드를 통과하는 퍼지 가스의 유량을 포함하는 것인 주기적 변동 흡착법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건은 재생 모드인 흡착기 베드에 공급되는 퍼지 가스의 열을 포함하는 것인 주기적 변동 흡착법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 주기적 변동 흡착법은 주기적 열적 변동 흡착법(cyclical thermal swing adsorption process)인 것인 주기적 변동 흡착법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 공급 가스 혼합물에는 2개 이상의 흡착물이 존재하고, 가동 모드 동안에 흡착기 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 2개 이상의 흡착물의 총량에 의해 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 결정하며, 상기 가동 모드 동안에 가동 시간을 결정하는 공급 가스 혼합물에 있는 상기 흡착물의 농도를 모니터링하여, 이렇게 모니터링된 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하고, 이렇게 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 병행 가동 모드와 동일한 시간에 재생 모드를 완료하는 것인 주기적 변동 흡착법.
  12. 주요 공기 압축기에서 공기를 압축하여 압축 공기를 제공하고, 하나의 흡착기 베드는 압축 공기로부터 이산화탄소를 흡착하여 무이산화탄소 공기 공급물을 제공하는 가동 모드인 동안에, 다른 흡착기 베드는 흡착기 베드로부터 이산화탄소를 탈착하는 재생 모드이며, 이들 흡착기 베드가 가동 모드와 재생 모드 사이에서 교호하는 것인 주기적 변동 흡착법에 의해 압축 공기로부터 이산화탄소를 제거하고, 공기 분리 유닛에 무이산화탄소 공기 공급물을 공급하여 무이산화탄소 공기 공급물의 성분이 농후한 적어도 하나의 생성물 스트림을 제공하는 공기 분리법으로서,
    압축 공기에 있는 이산화탄소의 총량에 의해 가동 모드를 완료하는 데 필요 한 시간을 결정하고, 상기 가동 모드 동안에 압축 공기에 있는 이산화탄소 농도를 모니터링하여, 이렇게 모니터링된 이산화탄소의 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하고, 이렇게 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 병행 가동 모드와 동일한 시간에 재생 모드를 완료하는 것인 공기 분리법.
  13. 제12항에 있어서, 가동 흡착기 베드의 상류에서 공급 가스 혼합물에서의 측정에 의해 상기 흡착물의 농도를 모니터링하는 것인 공기 분리법.
  14. 적어도 2개의 흡착기 베드와,
    가동 모드중에 하나의 흡착기 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 총량에 의해 정해진 시간 동안, 하나의 흡착기 베드는 흡착기 베드를 통과하는 공급 가스 혼합물로부터 흡착물을 흡착할 수 있는 가동 모드로 유지하고, 다른 흡착기 베드는 흡착된 흡착물을 흡착기 베드로부터 탈착할 수 있는 재생 모드로 유지하며, 상기 흡착기 베드들을 가동 모드와 재생 모드 사이에서 교호시키는 제어 회로와,
    상기 가동 모드 동안에 흡착기 베드에 공급되는 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 총량을 측정하고, 이에 의해 가동 모드의 기간을 결정하는 토탈 흡착기 센서와,
    상기 가동 모드 동안에 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 농도를 모니터링 하는 농도 모니터, 그리고
    상기 모니터링된 농도로부터 가동 모드를 완료하는 데 필요한 시간을 예상하는 프로세서
    를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 예상된 시간의 변화에 응답하여 적어도 하나의 재생 모드 작동 조건을 변경하고, 이에 의해 재생 모드가 병행 가동 모드와 동일한 시간에 완료되는 것인, 제1항에 따른 주기적 변동 흡착법을 실행하는 주기적 변동 흡착 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 토탈 흡착기 센서는 농도 모니터와 공통인 것인 주기적 변동 흡착 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 농도 모니터는 가동 흡착기 베드의 상류에서 공급 가스 혼합물에 있는 흡착물의 농도를 측정하는 것인 주기적 변동 흡착 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 농도 모니터는 가동 흡착기 베드 내에서 흡착물의 농도를 측정하는 것인 주기적 변동 흡착 장치.
  18. 제14항에 있어서, 상기 제어 회로는 재생 모드인 흡착기 베드를 통과하는 퍼지 가스의 유량을 제어하는 것인 주기적 변동 흡착 장치.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제어 회로는 재생 모드인 흡착기 베드에 공급되는 퍼지 가스의 열을 제어하는 것인 주기적 변동 흡착 장치.
  20. 제14항에 있어서, 상기 주기적 변동 흡착 장치는 주기적 열적 변동 흡착 장치인 것인 주기적 변동 흡착 장치.
  21. 압축 공기를 제공하는 주요 공기 압축기와,
    무이산화탄소 공기 공급물을 제공하는 제14항에 따른 주기적 변동 흡착 장치, 그리고
    무이산화탄소 공기 공급물의 성분이 농후한 적어도 하나의 생성물 스트림을 제공하기 위해 상기 무이산화탄소 공기 공급물을 분리하는 공기 분리 유닛
    을 포함하는 제12항에 따른 공기 분리법을 실행하는 공기 분리 장치.
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