KR20120091156A - 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템 및 관련 프로세스가 제공된다. 그러한 시스템은 공급 가스의 불순물 함량을 줄이기 위해서 공급 가스를 흡착제 스트림과 접촉시키기 위한 유동화 흡수 장치; 흡착제 스트림의 불순물 함량을 줄이기 위해서 불순물이 포함된 흡착제 스트림을 재생 가스와 접촉시키기 위한 유동화 고체 재생 장치; 상기 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 상기 흡수 장치로부터 수용하고 그리고, 상기 통기 가스에 응답하는 제어가능한 유동 속도로, 상기 불순물이 포함된 흡착제 스트림을 상기 재생 장치로 이송하도록 구성된 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치; 및 불순물 함량이 감소된 흡착제 스트림을 재생 장치로부터 수용하고 그리고 불순물 함량이 감소된 흡착제 스트림을, 흡착제 스트림의 유동 속도를 변화시키지 않고, 상기 흡수 장치로 이송하도록 구성된 제 2의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치를 포함한다.

Description

가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법 및 시스템 {PROCESS AND SYSTEM FOR REMOVING IMPURITIES FROM A GAS}
연방정부 지원 연구 또는 개발
본원 발명은 미국 에너지국의 정부 지원(에너지국에서 지원한 국립 에너지 기술 실험(NETL) 계약 DE-AC26-99FT40675)에 의해서 개발된 것이다. 미국 정부는 본원 발명에 대해서 특정 권리를 가진다.
본원 발명은, 불순물을 제거하기 위해서 동시에 재생되는(regenerated) 고체 흡착제(sorbent) 스트림에 의해서, 황 화합물, 염화 수소, 비소, 셀레늄, 시안화 수소, 암모니아 및 이들의 조합과 같은 불순물을 가스 스트림으로부터 제거하기 위한 신규한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
가스 스트림으로부터 불순물을 제거하는 것은 소위 당업자에게 자명한 바와 같이 여러 가지 프로세스적, 환경적, 화학적, 및/또는 다른 산업적 의도를 위해서 많은 경우에 요구될 수 있다. 예를 들어, 석탄 또는 다른 탄소계 물질과 같은 화석 연료의 가스화에 의해서 생산된 "합성 가스(synthesis gas)" 또는 "합성가스(syngas)"는 다양한 유기 화합물의 산업적인 합성을 위한 가치 있는 대안적인 에너지 공급원으로서 그리고 중요한 원료 물질로서 점점 더 중요해지고 있다. 그러나, 합성가스는 여러 가지 불순물, 예를 들어 황, 비소 및 셀레늄 화합물을 종종 포함하며, 그러한 화합물은 가스의 후속 프로세스 및/또는 이용을 용이하게 하기 위해서 전체적으로 또는 부분적으로 제거되는 것이 바람직하다. 특히, 석탄, 중유(重油) 분해물(fractions), 및 일부 타입의 탄소계 폐기물의 가스화는 수소 황화물, 카보닐 설파이드, 수소 셀레나이드, 비화수소(arsine) 등과 같은 가스 불순물을 포함하는 합성가스를 통상적으로 생산한다. 이들 불순물은 일부 경우에 부식성 또는 독성을 가질 수 있고, 및/또는 촉매 독물 및/또는 환경적 오염물질로서 작용할 수 있다. 그에 따라, 촉매 시스템에 대한 손상을 방지하고 그리고 환경 기준에 맞추기 위해서, 화학적 프로세스에서 합성 가스 스트림으로부터 이들 화합물을 제거하기 위한 방법이 요구되고 있다.
합성가스와 같은 환원(reducing) 가스 스트림으로부터 황 종(species)을 제거하기 위해서 현재의 상업적으로 이용가능한 프로세스는 통상적으로 이하의 2가지 방법 중 하나를 채용하고 있다: A) 물리적인 또는 화학적인 액체 상 흡수; 또는 B) 고정 베드(fixed bed; 고정 층)에서의 고체 흡착제 상에서의 흡착.
석탄 또는 다른 탄소계 물질의 가스화로부터 유래되는 것과 같은 합성가스는 일반적으로 높은 온도의, 통상적으로 약 900 ℉(482 ℃) 보다 높은 온도의 가스 스트림으로서 가스화 장치를 빠져나온다. 불순물 제거를 위한 현재의 액체 상 흡수 방법은 일반적으로 그러한 고온 가스 스트림의 경우에는 충분한 역할을 못하는데, 이는 그러한 방법들이 통상적으로 약 100 ℉(38 ℃) 또는 그 미만의 온도에서 작동되기 때문이다. 그에 따라, 액체 상 흡수 프로세스에 의해서 요구되는 낮은 온도에서 불순물을 제거할 수 있도록 하게 위해서, 가스화 합성가스 스트림의 경우에 대형 규모의 냉각 및 관련 열 회수 프로세싱이 필요하다. 자명하게 이해될 수 있는 바와 같이, 그러한 냉각, 열회수 및 관련 프로세싱 단계들은 열적인 비효율성 및 상당한 설비 비용을 초래한다.
통상적으로, 고체 흡착제, 즉 고온 가스 흡착 프로세스는 활성 금속 산화물을 포함하는 고체 흡착제를 고온 가스와 접촉시켜 활성 금속 산화물을 불순물 또는 그 유도체를 포함하는 금속 화합물로 변환시키는 단계를 포함한다. 그러한 불순물은 황, 염화 수소, 비소, 셀레늄, 시안화 수소, 및/또는 암모니아를 포함할 수 있을 것이나, 이러한 것으로 한정되는 것은 아니다. 황 제거를 위한 바람직한 활성 금속 산화물 함유 흡착제 조성 및 프로세스가 2005년 10월 4일자로 Gangwal 등에게 허여된 미국 특허 제 6,951,635 B2 호; 2001년 10월 23일자로 Turk 등에게 허여된 미국 특허 제 6,306,793 B1 호; 1999년 10월 26일자로 Gupta에게 허여된 미국 특허 제 5,972,835 호; 1999년 6월 22일자로 Turk 등에게 허여된 미국 특허 제 5,914,288 호; 및 1988년 2월 3일자로 Gupta 등에게 허여된 미국 특허 제 5,714,431 호에 개시되어 있으며; 상기 특허들 각각은 본원에서 전체가 참조되어 포함된다.
흡착 반응에 후속하여 그리고 불순물에 따라서, 불순물을 포함하는(loaded) 흡착제가 고온에서 재생된다. 다른 경우에, 불순물을 포함하는 흡착제가 폐기된다. 만약 흡착제가 재생된다면, 불순물을 포함하는 고온 가스가 재생 단계에서 통상적으로 생성된다. 이들 경우에, 폐기 또는 하류에서의 프로세싱을 위해서, 불순물들이 재생 장치 오프-가스(off-gas)로부터 통상적으로 분리될 수 있을 것이다. 예를 들어, 합성가스가 황 불순물을 포함하는 경우에, 통상적으로 산소 또는 산소 함유 가스를 포함하는 산화 가스 스트림을 이용한 황을 포함하는 흡착제의 재생은 황 이산화물을 생성할 것이며, 그러한 황 이산화물은 흡수되거나 및/또는 황산, 황 원소 등으로 변환될 수 있을 것이다. 특히, 재생 반응은 이하의 반응을 통해서 금속성(metallic) 황화물을 금속성 산화물로 다시 변환한다:
MS + 3/2 02 -> MO + S02
이때, M은 흡착제 내에 존재하는 활성 금속, 예를 들어 Zn이고; MO는 금속 산화물을 나타내며; 그리고 MS는 금속 황화물을 나타낸다. 숙련된 기술자라면, 비록 산화가 활성 금속 산화물 흡착제를 재생하기 위한 바람직한 수단이 되지만, 특히 다른 고체 흡착제 조성에서, 열적인 재생과 같은 다른 방법도 또한 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
유동 베드(fluidized bed; 유동층) 흡착 및 흡수/재생 프로세스들이 당업계에 공지되어 있고 그리고 예를 들어 Gangwal 등, Gupta 등, 및 Turk 등의 미국 특허 공보에 개시되어 있다. 커플링된 유동 베드 반응기/재생 시스템이 또한 공지되어 있고 그리고 탄화수소의 프로세싱에서, 예를 들어 유체 촉매 분해 증류(Fluid Catalytic Cracking; FCC) 프로세스에서 이용되고 있다.
황 오염물질을 합성가스와 같은 탄화수소 가스로부터 제거하기 위한 듀얼 루프(dual loop) 유동 베드 흡수/재생 프로세스가 1995년 9월 5일 및 1996년 11월 26일자로 Campbell 등에게 각각 허여된 미국 특허 제 5,447,702 호 및 제 5,578,093 호에 개시되어 있으며, 이들 특허들은 본원에서 참조되어 포함된다. 그러한 듀얼 루프 프로세스에서, 흡수 및 흡착제 재생은 커플링된 유동 베드 내에서 동시에 실시된다. 이들 듀얼 루프 프로세스에서, 흡수 장치(absorber)를 통한 흡착제(sorbent)의 고체 유량(flow rate)은 재생 장치를 통한 흡착제의 고체 유량과 다를 수 있다. 특히, 흡수 장치를 빠져나오는 흡착제 스트림은 2개의 스트림으로 즉, 흡수 장치로 재순환되는 재순환 스트림 및 흡수된 황의 제거를 위해서 재생 구역으로 전달되는 재생 스트림으로 분리될 수 있다. 재생 장치를 빠져나오는 재생된 흡착제 스트림은 흡수 장치로 복귀되고, 그러한 흡수 장치에서 재순환된 흡착제와 혼합된다. 그러나, 그러한 듀얼 루프 프로세스에서 정상 상태(steady state) 작업을 달성하기 위해서 그리고 흡수와 재생 사이에 평형을 만들기 위해서, 재생 장치 내에서 흡착제로부터 제거되는 황의 양은 흡수 장치 내에서 공급(feed) 가스로부터 제거되는 황의 양과 반드시 일치(match) 되어야 한다. 다시, 흡수 장치를 통과하는 흡착제 고체의 양 즉, 유량이 재생 장치를 통과하는 흡착제 고체의 양을 초과하기 때문에, 흡수 장치에서의 황의 픽업(pick-up; 포획)은, 흡착제 중량의 백분율로서, 흡착제 중량을 기초로 하는 재생 장치 내의 황 제거 속도(removal rate) 보다 반드시 적어야 한다.
실질적으로, Campbell 등의 특허에 개시된 듀얼 루프 흡수 장치/재생 장치 유동 베드 반응기 시스템의 오랜 기간 동안의 정상 상태 작업은 문제를 일으킬 수 있는데, 이는, 안정된 연속적인 작업을 유지하기 위해서, 어느(either) 루프 내의 프로세스의 변화에는 다른 루프에서의 대응하는 변화가 반드시 수반되어야 하기 때문이다. 예를 들어, 흡수 장치로 공급되는 공급 가스의 조성, 공급량, 온도, 압력 등의 변화는 흡수 장치 내에서의 공급 가스로부터 황을 제거하는 속도(rate)의 장기간의 또는 단기간의 변화(흡착제 중량을 기초로, 흡착제에 의해서 픽업된 중량%의 황의 대응하는 변화와 함께)를 유도할 수 있을 것이며, 그에 따라 안정된 연속적인 작업의 유지를 위해서는 재생 장치 내의 대응하는 프로세스 및/또는 흡착제 유량 변화를 필요로 한다. 또한, 흡수 장치 및/또는 재생 장치로의 흡착제 고체의 유량을 변화시키기 위한 수단으로서, Campbell 등에 의해 개시된 고체 플러그 밸브(solid plug valves)와 같은 통상적인 기계적인 밸브는 Campbell 등의 특허에 개시된 탈황(desulfurization) 프로세스 고유의 고온, 고압 및 부식성 및 침식성 조건으로 인한 부식, 막힘(plugging) 또는 다른 문제점에 노출된다.
본원 발명은, 일 실시예에서, 고체 흡착제를 이용하여 가스를 처리함으로써 가스로부터 불순물을 제거하는 것과 동시에 제어된 조건하에서 그리고 제어된 고체 유량하에서 연속적인 흡착제 재생을 달성하기 위한 프로세스 및 장치를 포함한다. 본원 발명의 바람직한 실시예에서, 듀얼-루프 및 멀티-루프, 유동 베드, 흡수 장치/재생 장치 프로세스들은 개선된 장기간 안정성을 가지는 것으로 제공된다. 특히, 본원 발명의 바람직한 실시예는 멀티-루프 유동화 흡수 장치/재생 장치 프로세스들 사이의 고체 유량의 개선된 제어를 제공하여 다양한 프로세스 디자인 및 작업 프로세스 변화를 수용할 수 있고; 및/또는 루프들 사이에서, 프로세스 조건의 변화, 유량 변화 등에 응답하여 자체적인 교정(self corrcting) 작용을 제공할 수 있고; 고온, 고압, 부식성 및/또는 침식성 조건하에서 문제 또는 고장 가능성에 노출되는 기계적 밸브에 의존하지 않는다. 본원 발명의 추가적인 바람직한 실시예는 흡수 장치 및 재생 장치 루프 내에서의 프로세스 변화에도 불구하고 재생 장치에서의 불순물 제거와 흡수 장치에서의 불순물 제거의 균형을 이루기 위한 개선된 프로세스 제어를 제공한다. 다른 양태에서, 본원 발명은, 기계적 밸브를 이용하지 않고, 유지 용기(holding vessel)와 유동화 반응기 시스템의 유동화 구역 사이에서 멀티-루프 유동화 반응기 시스템 내의 고체 유동의 제어를 제공할 수 있다.
본원 발명의 일 실시예에서, 멀티-루프 유동화 흡수 장치 및 재생 장치 프로세스들의 독립된 루프들이 유체 연결되어 루프들 사이의 연속적인 고체 유동을 허용하는 한편, 2개의 루프들 사이의 가스 밀봉을 제공하여 공급 가스와 재생 가스의 혼합을 방지한다. 가스 스트림의 불순물 함량을 줄이기에 그리고 고체 흡착제 스트림의 불순물 포함량(loading)을 증대시키기에 충분한 조건하에서, 불순물 함유 공급 가스 스트림이 유동화 흡수 장치 구역 내의 고체 흡착제 스트림과 접촉된다. 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림이 흡수 장치 구역으로부터 제거되고, 그리고 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림의 적어도 일부는 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역으로 전달되고, 상기 고체 이송 구역은 유동화 고체 재생 장치 구역으로 유체 연결되고 그리고 고체를 재생 장치 구역 내로 이송하도록 구성된다. 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역은 "밸브 모드"로 작동되도록 구성되고, 이때 고체들은 제어된 유량으로 이송 구역을 통과한다. 특히, 밸브 모드로 작동하는 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역들은 후속하여 보다 더 구체적으로 설명하는 바와 같이 고체 이송 구역으로 공급되는 "통기 가스(aeration)"의 공급량의 변화에 응답하여 구역들을 통한 고체 스트림의 유량을 변화시킬 수 있다. 고체 이송 구역을 빠져나오는 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림은 재생 장치 구역 내로 유도되고 그리고 재생 공급 가스와 접촉하여 불순물 함량이 감소된 재생된 흡착제 스트림을 제공한다. 재생 구역을 빠져나오는 재생된 흡착제 스트림은 흡수 장치 구역에 유체 연결되고 그리고 재생된 흡착제 스트림을 흡수 장치 구역으로 이송하도록 구성된 제 2의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역으로 전달된다. 제 2의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역은 "자동 모드"로 작동되도록 구성되며, 그러한 자동 모드에서 고체들은 이송 구역 내로의 고체의 유량과 동일한 유량으로 이송 구역을 통과한다. 그에 따라, 제 2의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역은 재생된 흡착제 스트림을, 재생 장치를 빠져나가는 재생된 흡착제 스트림의 유량으로, 흡수 장치로 이송하고 그리고 또한 재생 장치 구역과 흡수 장치 구역 사이에 압력 밀봉을 유지한다.
멀티-루프 흡수 장치-재생 장치 시스템 내에서의 고체 이송을 제어 및 달성하기 위해서 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치, 또는 구역을 이용하는 것은 기계적인 밸브의 기계적인 고장 및 유지보수와 관련된 자본 비용 및 잠재적인 시스템 요동(upset)을 최소화 또는 피할 수 있게 한다. 본원 발명의 양태에 따른 밸브 모드 및 자동 모드 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치의 조합 및 정렬에 의해서 흡수 장치 및 재생 장치 사이의 그리고 흡수 장치 및 재생 장치를 통한 비교적 일정한 고체 유량을 획득할 수 있게 되는 한편, 안정된 압력 밀봉을 유지하여 흡수 장치 및 재생 장치 공급 가스 및/또는 유출(effluent) 가스의 혼합을 방지할 수 있게 된다. 그럼에도 불구하고, 본원 발명의 이러한 양태에 따른 밸브 모드 및 자동 모드 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치의 정렬체는 또한, 여러 가지 목적을 위해서 요구되는 바에 따라서, 가스 공급량 및 재생 장치 및/또는 흡수 장치 내의 반응 조건의 변화를 수용할 수 있으며, 그에 따라, 예를 들어, 흡수 장치 내에서의 불순물 제거와 흡착제 재생 사이의 균형을 유지할 수 있고, 및/또는 흡수 장치 내에서 처리된 공급 가스의 불순물 함량 및/또는 공급량의 변화를 수용할 수 있게 된다.
다양한 구성 및 정렬체의 다양한 가스 밀봉 형성, 비-기계식, 고체 이송 장치기 숙련된 기술자에게 공지되어 있고, 그리고 예를 들어, Wen-Chen Yang의 "HANDBOOK of FLUIDIZATION and FLUID-PARTICLE SYSTEMS", Marcel Dekker, Inc, 2003, Chapter 21 , 521 -597면에 기재되어 있으며, 이는 본원에서 참조되어 포함된다. 일반적으로, 그러한 고체 유동 장치는, 미립자 고체가 장치를 통해서 유동할 수 있게 하는 소정(所定)의 기하학적 형상과 조합하여, 통기 가스를 이용한다. 고체 유동 장치는 장치를 통한 고체의 유량이 통기 가스 유량에 의해서 제어되는 "밸브 모드"에서, 또는 장치를 통한 고체의 유량이 장치 내로의 고체의 유량에 의해서 제어되는 "자동 모드"에서 작동되도록 구성될 수 있다. 그러한 고체 이송 장치는 또한 프로세스 가스들 즉, 흡수 장치 또는 재생 장치 프로세스 가스들의 장치를 통한 유동을 방지하기 위해서 소정 압력 값의 가스 밀봉을 제공한다. 숙련된 기술자들에게 자명한 바와 같이, 소정 압력을 견딜 수 있는 가스 밀봉의 능력은 장치의 기하학적인 형상 및 크기의 변화에 의해서 조정될 수 있다. 바람직하게, 밸브 모드로 작동되도록 구성된 고체 "J-레그(Leg)" 고체 유동 장치(또한, "J-밸브(Valve)"라고도 지칭된다)를 이용하여 흡수 장치 구역으로부터 제거된 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 재생 구역으로 이송한다. 자동 모드에서 작동하는 "루프 밀봉" 고체 유동 장치는 바람직하게 재생 장치 구역으로부터 회수된 재생된 고체 흡착제 스트림을, 재생된 흡착제 스트림이 재생 구역으로부터 외부로 공급되는 것과 동일한 유량으로, 흡수 장치 구역으로 이송하기 위해서 사용된다.
그에 따라, 흡수 장치 루프 및 재생 장치 루프는 유체 연결되며, 그에 따라, 2 루프 내의 흡수 장치 및 재생 장치 프로세스 가스 스트림이 서로 독립적으로 유지되더라도, 흡착제 스트림이 2개의 루프 사이에서 연속적으로 통과될 수 있게 한다. 고체 이송 장치의 비-기계식 구성 때문에, 마모, 부식 및 이동 부분들의 걸림, 밸브 오리피스의 막힘 등과 같이 기계적 밸브와 관련된 여러 가지 문제들을 피할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 고체 이송 구역의 가스 밀봉 성능에 문제를 초래할 수 있는 상당한 가스 압력 요동(upset)이, 밸브 모드 및 자동 모드 고체 이송 장치의 조합 및 정렬에 의해서, 제거되거나 최소화되며, 그에 따라 2개의 유동화(fluidized) 반응기 루프들 사이의 고체 물질의 자가-조정(self-regulating) 유동이 허용된다. 게다가, 본원 발명은 듀얼 루프 흡수 장치 및 재생 장치 프로세스들과 연관된 난제들을 경감 또는 최소화할 수도 있고, 여기에서 흡착제 고체 유량이 루프들 사이에서 변화될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 본원 발명은 합성가스와 같은 고온 탄화수소 또는 탄화수소-유도형 공급 가스로부터 적어도 하나의 황 불순물의 제거를 위해서 제공된다. 바람직하게, 흡착제는 철 산화물, 아연 산화물, 아연 페라이트, 구리 페라이트, 구리 산화물, 바나듐 산화물, 또는 이들의 혼합물과 같은 활성 금속 산화물을 포함한다. 일 실시예에서, 흡착제는 50 내지 140 미크론의 평균 입자 지름을 가진다.
흡착제 내의 활성 금속 산화물은 공급 가스 내의 황 불순물과 반응하여, 이하의 반응에 의해서 표시되는 바와 같이 황을 포함하는 흡착제를 초래한다.
H2S + MO -> H20 + MS
COS + MO -> C02 + MS
이때, M은 흡착제 내에 존재하는 금속, 예를 들어 ZnO이고; MO는 금속 산화물을 나타내고; 그리고 MS는 금속 황화물을 나타낸다.
본원 발명의 바람직한 실시예에서, 유동화 흡수 장치 구역은 약 600 ℉ 내지 약 1200 ℉(약 316 ℃ 내지 약 649 ℃)의 온도에서 그리고 대략적으로 대기압으로부터 약 1200 psig(8274 kPa)의 압력에서 유지되고, 그리고 재생 구역은 약 900 ℉ 내지 약 1450 ℉(약 482 ℃ 내지 약 788 ℃)의 온도에서 그리고 흡수 장치와 대략적으로 동일한 압력에서 유지된다. 본원 발명의 또 다른 추가적인 바람직한 실시예에서, 유동화 흡수 장치 구역은 약 700 ℉ 내지 약 1000 ℉(약 371 ℃ 내지 약 538 ℃)의 온도에서 그리고 대략적으로 200 psig 로부터 약 1000 psig(약 1379 kPa 내지 약 6895 kPa)의 압력에서 유지되고, 그리고 재생 구역은 약 1200 ℉ 내지 약 1450 ℉(약 649 ℃ 내지 약 788 ℃)의 온도에서 그리고 흡수 장치와 대략적으로 동일한 압력에서 유지된다. 불순물-함유 공급 가스의 압력은 통상적으로 100 내지 1200 psig이다.
또 다른 양태에서, 본원 발명은 멀티-루프 유동화 흡수 장치 및 재생 프로세스의 독립적인 루프들 사이의 고체 흡착제 스트림의 유동을 제어하기 위한 프로세스 제어부를 제공한다. 본원 발명의 이러한 양태에 따라서, 흡수 장치 구역 및 재생 장치 구역의 압력은 주기적으로 또는 연속적으로 측정되고 그리고 구역들 중 하나 이상에서의 압력을 필요에 따라 조정하여 2개의 구역의 압력들 사이의 소정 압력차를 유지한다. 하나의 바람직한 실시예에서, 소정 압력차는 약 1 psi 내지 약 20 psi(약 7 kPa 내지 약 138 kPa) 범위의 압력차이다. 다른 바람직한 실시예에서, 소정의 압력차는 약 2 psi 내지 약 10 psi(약 14 kPa 내지 약 69 kPa) 범위 내의 압력차이다. 바람직하게, 구역들 사이의 압력차는 재생 장치 구역의 압력을 조정함으로써 유지된다. 이는, 유입되는 불순물-함유 공급 가스의 압력의 변화에 응답하여 흡수 장치 구역 내의 압력을 변화시킬 수 있게 허용한다. 바람직하게, 구역들 사이의 압력차는 재생 장치 구역을 빠져나가는 불순물을 포함하는 가스들의 압력을 조정함으로써 유지된다.
또 다른 양태에서, 본원 발명은 멀티-루프 유동화 흡수 장치 및 재생 장치 프로세스의 안정성을 높이기 위한 프로세스 제어부를 제공하며, 여기에서 불순물들은 흡수 장치 구역내에서 고체 흡착제 스트림과의 접촉에 의해서 가스 공급 스트림으로부터 제거되고 그리고 흡착제 스트림의 적어도 일부가 재생 장치 구역 내의 재생 가스와의 접촉에 의해서 연속적으로 재생된다. 특히, 본원 발명의 이러한 양태에 따른 개선된 프로세스 제어는 공급 전방(feed forward) 프로세스 제어를 포함하고, 여기에서 흡수 장치 내에서의 정량적인 불순물 제거 속도가 모니터링되고, 그리고 불순물 제거 속도가 소정 제어 값을 넘어서 변화된다면, 재생 장치 공급 가스의 속도를 필요에 따라 조정하여 재생 장치 구역 내에서 정량적인 불순물 제거 속도의 화학량론적으로 계산된 변화를 제공한다. 하나의 바람직한 실시예에서, 재생 장치 내의 정량적인 불순물 제거 속도가 또한 모니터링되고 그리고 흡수 장치 내의 정량적인 불순물 제거 속도와 비교된다. 제거 속도들 사이의 편차가 소정 값을 초과하는 경우에, 재생 장치 공급 가스의 공급 속도를 필요에 따라 조절하여 재생 장치 내에서 정량적인 불순물 제거 속도의 화학량론적으로 계산된 변화를 제공한다. 다른 실시예에서, 흡수 장치로부터 제거된 불순물 포함 흡착제의 불순물 포함량(loading)이 모니터링되고, 그리고 만약 불순물 포함량이 소정 포함량 범위와 다르다면, 재생 장치 공급 가스의 공급 속도를 조정하여 흡착제의 불순물 포함량이 소정 포함량 범위 내의 값이 되도록 한다. 또 다른 실시예에서, 재생 장치 공급 가스의 공급 속도의 변화는 불순물을 포함하는 흡착제의 불순물 포함량의 값 및 흡수 장치 내에서의 정량적인 불순물 제거 속도의 값 모두에 응답하여 결정된다.
일 실시예에서, 본원 발명은 가스로부터 불순물(예를 들어, 황 화합물, 비소 및 비소 화합물, 그리고 셀레늄 및 셀레늄 화합물)을 제거하기 위한 프로세스를 제공하고, 그러한 프로세스는:
(a) 공급 가스 스트림의 불순물 함량을 줄이기에 그리고 고체 흡착제 스트림의 불순물 포함량을 증대시키기에 충분한 조건하에서 유동화 흡수 장치 구역 내에서 불순물 포함 공급 가스 스트림을 고체 흡착제 스트림과 접촉시키는 단계(예를 들어, 약 3 내지 약 25초 또는 약 3 내지 약 10초의 흡수 장치 구역 내에서의 체류 시간을 이용);
(b) 흡수 장치 구역으로부터 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 제거하고 그리고 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림의 적어도 일부를 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역(예를 들어, J-레그)으로 전달하는 단계로서, 상기 제 1의 고체 이송 구역은 유동화 고체 재생 장치 구역으로 유체 연결되고 그리고 상기 이송 구역을 통한 통기 가스의 유동에 응답하는 제어가능한 유동 속도(유량)로 고체를 유동화 재생 장치 구역 내로 이송하도록 구성되는, 전달 단계;
(c) 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 상기 제 1의 고체 이송 구역으로부터 유동화 고체 재생 장치 구역 내로 이송하고 그리고 유동화 고체 재생 장치 구역 내에서 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 재생 장치 공급 가스와 접촉시켜(예를 들어, 산소 또는 산소 및 하나 이상의 불활성 가스와의 혼합물) 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림의 불순물 함량을 감소시키는 단계(예를 들어, 약 3 내지 약 25초의 재생 장치 구역 내에서의 체류 시간을 이용);
(d) 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림을 유동화 재생 장치 구역으로부터 제 2의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역(예를 들어, 루프 밀봉)으로 이송하는 단계로서, 상기 제 2 고체 이송 구역은 재생 장치 구역 및 흡수 장치 구역에 유체 연결되고 그리고 불순물이 감소된 고체 흡착제 스트림의 제 2 고체 이송 구역 내로의 유동 속도와 동일한 유동 속도로 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림을 흡수 장치 구역으로 이송하도록 구성되는, 단계;
(e) 불순물이 포함된 흡착제 스트림을 정제된(purified) 가스로부터 분리하기 위해서, 예를 들어, 사이클론 분리 장치를 이용하여 흡수 장치 구역으로부터 정제된 가스 스트림을 회수하는 단계를 포함한다.
흡수 장치 구역을 빠져나오는 불순물이 포함된 흡착제는 불순물 함량에 의해서 특징화될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 흡수 장치 구역을 빠져나오는 불순물이 포함된 흡착제의 불순물 함량은 흡착제의 불순물 흡착 용량의 10% 내지 90% 범위가 된다(예를 들어, 흡착제의 불순물 흡착 용량의 30% 내지 75%). 특정 실시예에서, 흡수 장치 구역을 빠져나오는 불순물이 포함된 흡착제의 비소 함량은 0 내지 3000 ppm의 범위가 된다.
흡수 장치 구역으로부터 회수되는 정제된 가스 스트림 또한 불순물 함량에 의해서 특성화될 수 있을 것이다. 예를 들어, 특정 실시예들에서 유동화 흡수 장치 구역으로부터 회수된 정제된 가스 스트림은 50 ppm 또는 그 미만, 또는 20 ppm 또는 그 미만, 또는 10 ppm 또는 그 미만의 황 레벨을 가진다.
프로세스는 유동화 흡수 장치 구역으로부터 제거된 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림의 적어도 일부를 제 3의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역(예를 들어, J-레그)로 이송하는 단계로서, 상기 제 3의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역은 유동화 흡수 장치 구역의 하류 부분으로부터 고체 스트림을 수용하기 위해서 그리고 유동화 흡수 장치 구역의 상류 부분으로 고체 스트림을 전달하기 위해서 유체 연결되고, 상기 제 3의 고체 이송 구역은 상기 이송 구역을 통한 통기 가스의 유동에 응답하는 제어가능한 유동 속도로 고체를 유동화 흡수 장치 구역으로 이송하도록 구성되는, 이송 단계; 및 불순물 함유 공급 가스 스트림과의 접촉을 위해서, 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 제 3 고체 이송 구역으로부터 유동화 흡수 장치 구역의 상류 부분으로 이송하는 단계를 더 포함한다.
본원 발명의 프로세스는 또한 흡수 장치 구역 및 재생 장치 구역의 압력을 측정하는 단계; 구역들 사이의 압력차를 결정하는 단계; 상기 압력차를 하나 이상의 소정 압력차 값과 비교하는 단계; 및 예를 들어 재생 장치 구역을 빠져나오는 불순물이 포함된 가스의 압력을 조정함으로써, 상기 측정 단계에 응답하여 흡수 장치 구역 및 재생 장치 구역 중 하나 이상의 압력을 조정하는 단계를 포함한다. 소정 압력차 값은, 예를 들어, 약 1 psig 내지 약 20 psig 또는 약 2 psig 내지 약 10 psig 범위의 압력차가 될 수 있다.
일 실시예에서, 프로세스는 흡수 장치 구역 내의 정량적인 불순물 제거 속도를 결정하는 단계; 불순물 제거 속도를 소정 제어 값과 비교하는 단계; 및 상기 비교 단계에 응답하여 상기 재생 장치 구역으로 공급되는 재생 장치 공급 가스의 유동 속도를 조정하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 프로세스는 흡수 장치 구역 내에서 정량적인 불순물 제거 속도를 결정하는 단계; 재생 장치 구역 내에서 정량적인 불순물 제거 속도를 결정하는 단계; 상기 불순물 제거 속도들을 소정 제어 값에 대해서 비교하는 단계; 및 상기 비교 단계에 응답하여 상기 재생 장치 구역으로 공급되는 재생 장치 공급 가스의 유동 속도를 조정하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 프로세스는 흡수 장치 구역으로부터 제거되는 불순물이 포함된 흡착제 스트림의 샘플의 불순물 포함량을 결정하는 단계; 불순물 포함량을 소정 제어 값과 비교하는 단계; 및 상기 비교 단계에 응답하여 상기 재생 장치 구역으로 공급되는 재생 장치 공급 가스의 유동 속도를 조정하는 단계를 포함한다.
필요한 경우에, 1) 자연 발화성(pyrophoric) 첨가제의 첨가; 2) 보충 연료의 첨가; 및 3) 건성 가스 예열 시스템의 이용을 포함하는 여러 방법들 중 임의의 방법에 의해서 열을 유동화 재생 장치 구역(및 그 내부의 물질)으로 제공할 수 있을 것이다.
제 1의 고체 이송 구역 내에서 사용하기 위한 예시적인 J-레그 구조는:
(a) 유지 용기와 유체 연통하는 하강(descending) 파이프; 및
(b) 불순물이 포함된 흡착제를 상기 하강 파이프로부터 유동화 재생 장치 구역으로 이송하기 위해서 상기 하강 파이프와 유체 연통하는 이송 파이프를 포함하며,
이때, 상기 하강 파이프와 이송 파이프 사이의 각도는 90°또는 그 미만이다. 이송 파이프의 지름은 통상적으로 유지 용기의 지름 보다 작으며, 상기 하강 파이프는 유동 제한부(restrictor)를 선택적으로 포함한다. 통기 가스가 유지 용기, 하강 파이프, 및 이송 파이프 중 하나 이상의 내부로 도입될 수 있을 것이다.
제 3의 고체 이송 구역을 위한 예시적인 J-레그 구조는:
(a) 유지 용기와 유체 연통하는 하강 파이프; 및
(b) 분리된 불순물이 포함된 흡착제를 상기 하강 파이프로부터 유동화 흡수 장치 구역으로 이송하기 위해서 상기 하강 파이프와 유체 연통하는 이송 파이프를 포함하며,
이때, 상기 하강 파이프와 이송 파이프 사이의 각도는 90°또는 그 미만이다. 전술한 바와 같이, 이송 파이프의 지름은 통상적으로 유지 용기의 지름 보다 작으며, 상기 하강 파이프는 유동 제한부를 선택적으로 포함한다. 통기 가스가 유지 용기, 하강 파이프, 및 이송 파이프 중 하나 이상의 내부로 도입된다.
또 다른 본원 발명의 양태에서, 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템이:
(a) 공급 가스 스트림의 불순물 함량을 줄이기에 충분한 조건하에서 불순물 포함 공급 가스 스트림을 고체 흡착제 스트림과 접촉시키고 그리고 고체 흡착제 스트림의 불순물 포함량을 증대시키도록 구성된 유동화 흡수 장치;
(b) 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림의 불순물 함량을 줄이기에 충분한 조건하에서 불순물이 포함된 흡착제 스트림을 재생 가스와 접촉시키도록 구성된 유동화 고체 재생 장치;
(c) 유동화 흡수 장치, 유동화 고체 재생 장치 및 통기 가스의 공급부와 유체 연통되는 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치로서, 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 흡수 장치로부터 수용하고 그리고 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 유동화 재생 장치로, 상기 통기 가스에 응답하는 제어가능한 유동 속도로, 이송하도록 구성되고 정렬되는, 상기 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치;
(d) 유동화 재생 장치 및 유동화 흡수 장치와 유체 연결되고, 그리고 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림을 유동화 재생 장치로부터 수용하고 그리고 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림을, 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림의 유동 속도를 변화시키지 않고, 유동화 흡수 장치로 이송하도록 구성된 제 2의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치를 포함한다.
시스템은 또한 유동화 흡수 장치의 하류 부분, 유동화 흡수 장치의 상류 부분, 및 통기 가스의 공급부에 유체 연결되고 그리고 고체 스트림을 유동화 흡수 장치의 하류 부분으로부터 수용하고 그리고 통기 가스에 응답하는 제어가능한 유동 속도로 고체를 유동화 흡수 장치의 상류 부분으로 이송하도록 구성되고 정렬된 제 3의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 3의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치 모두는 본원에 기재된 바와 같이 J-레그를 포함할 수 있다.
시스템은 흡수 장치의 유출 가스 및 재생 장치의 유출 가스의 압력을 측정하도록 또는 2개의 유출 가스 사이의 압력차를 측정하도록 구성되고 정렬된 하나 이상의 센서; 및 상기 하나 이상의 센서에 연결된 제어부를 선택적으로 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는 하나 이상의 센서로부터 압력 또는 압력차 입력 측정치들을 수신하고 그리고 2개의 유출 가스들 사이의 압력차를 소정 압력차 값에 비교하도록 구성되고, 상기 제어부는 또한 당해 제어부로부터 수신된 명령을 기초로 재생 장치의 유출 가스의 압력을 조정하도록 구성되고 정렬된 제어가능 밸브에 연결된다.
또한, 시스템은 흡수 장치 내의 정량적인 불순물 제거 속도의 결정을 가능하게 하는 입력을 수신하도록 구성된 그리고 불순물 제거 속도를 소정 제어 값과 비교하도록 구성된 제어부를 선택적으로 포함할 수 있고, 상기 제어부는 당해 제어부로부터 수신된 명령을 기초로 재생 장치로 공급되는 재생 가스의 유동 속도를 조정하도록 구성되고 정렬된 제어가능 밸브에 연결된다.
도면은 본원 발명의 최초의 개시 내용의 일부를 구성한다.
도 1은 유동화 흡수 장치 및/또는 유동화 재생 장치 구역 앞에 배치되고 연결된 유동화 구역으로 제어가능한 고체 유동 속도를 제공할 수 있는 J-레그 고체 유동 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 재생 장치 구역 및 흡수 장치 구역 사이의 가스 압력 밀봉을 형성하기 위한 그리고 흡착제 스트림을 재생 장치 구역으로부터 흡수 장치 구역으로 재생된 흡착제 스트림의 고체 유동 속도에 의해서 결정되는 고체 유동 속도로 이송하기 위한 대표적인 루프 밀봉 고체 유동 장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 본원 발명에 따라 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 듀얼 루프 프로세스 및 장치의 일 실시예의 개략도로서, 여기에서 흡수 장치로부터의 불순물을 포함하는 고체 흡착제 스트림의 일부가 흡수 장치로 재순환되고, 불순물을 포함하는 고체 흡착제 스트림의 다른 일부가 재생 장치 구역으로 전달되며, 그리고 상기 각각의 흡수 장치 및 재생 장치 루프들 또는 구역들에서, 루프들을 통해서 그리고 루프들 사이의 미립자 고체 흡착제의 분배 및 유동을 돕기 위한 배수탑(standpipe) 형태의 유지 구역들의 이용을 도시하고 있는 개략도이다.
도 4는 본원 발명에 따라 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 듀얼 루프 프로세스 및 장치의 다른 실시예를 도시한 개략도로서, 불순물이 포함된 흡착제를 유동화 흡수 장치 구역 및 유동화 재생 장치 구역 모두로 공급하기 위해서 단일의 공유된 배수탑을 사용하는 것을 도시한 개략도이다.
도 5는 불순물이 포함된 흡착제가 유동화 흡수 장치 구역으로 재순환되지 않는, 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 시스템 및 프로세스의 다른 실시예의 개략도이다.
도 6은 예 1에서 사용된 듀얼 루프 프로세스 및 장치의 개략도이다.
도 7은 황 흡수 속도의 상당한 변화 동안에도 비교적 일정한 흡착제 황 포함량을 유지하는 예 2에서 개시된 공급 전방 제어 방안(scheme)의 성능을 도시한 도면이다.
이하의 구체적인 설명에서, 본원 발명의 실시가 가능하도록 본원 발명의 바람직한 실시예가 설명되어 있다. 비록 바람직한 실시예를 설명하고 묘사하기 위해서 특정 용어들을 사용하였지만, 그러한 용어들은 본원 발명의 실시에 대한 제한으로서 간주되지 않아야 한다. 또한, 바람직한 실시예를 참조하여 본원 발명을 설명하였지만, 소위 당업자는 이하의 구체적인 설명과 함께 전술한 내용으로부터 본원 발명의 수많은 변화 및 변경을 자명하게 이해할 수 있을 것이다.
본원에서 사용된 일부 용어들의 이하의 정의는 명료함을 위한 것이다; 그러한 정의는 단지 본원의 목적을 위한 것이고 그리고 본원에 대해서만 적용된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "불순물 함유 공급 가스"라는 용어는 예를 들어 황 화합물, 수소 염화물, 비소, 세레늄, 수소 시안화물, 수은, 및/또는 암모니아를 포함하는 하나 이상의 불순물을 포함하는 가스를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 공급 가스는 합성가스와 같은 환원 가스이고, 그리고 불순물은 하나 이상의 황 화합물을 포함한다. 하나의 바람직한 양태에서, 공급 가스는 합성가스와 같은 환원 가스이고 그리고 모두 환원된 형태의 황 불술물인 H2S 및/또는 COS를 포함한다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "흡착제"라는 용어는 흡수, 흡착 및/또는 화학적 반응의 메카니즘을 통해서 공급 가스로부터 불순물을 제거할 수 있는 유동화 가능한 크기의 고체 미립자 물질을 의미하는 것으로 이해될 것이다. "흡착제"는 여러 가지 다른 흡착제들, 다른 첨가제들 등을 포함하는 미립자 고체의 혼합물을 포함할 수 있다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "유동화 흡수 장치 구역"은 흡착제가 공급 가스 스트림으로부터 하나 이상의 불순물을 흡수, 흡착 또는 반응할 수 있는 조건하에서 불순물을 함유하는 공급 가스 스트림 내에서 활성 흡착제가 유동화되거나 현수되며(suspended), 그에 따라 흡착제가 불순물 함량이 증가되어 흡수 장치 구역을 빠져나가게 되고 그리고 처리된 공급 가스가 불순물 함량이 감소되어 흡수 장치 구역을 빠져나가게 된다는 것을 의미한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "유동화" 또는 "유동화"라는 용어는 미립자 고체들이 이동 가스 내에서 현수되는 작업 조건을 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "유동화 재생 장치 구역"이라는 용어는 불순물-포함 흡착제가 흡착제로부터 하나 이상의 불순물을 부분적으로 또는 실질적으로 완전히 제거하기에 충분한 유동화 조건하에서 재생 가스와의 접촉에 의해서 부분적으로 또는 전체적으로 재생되어, 유동화 재생 장치 구역을 빠져나가는 흡착제가 유동화 흡수 장치 구역에 대비하여 감소된 불순물 함량을 가지게 되는 영역을 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다. "재생된 흡착제"라는 용어는 유동화 재생 장치 내에서 처리되고 그리고 불순물 함량이 감소된 흡착제, 예를 들어 흡착제 스트림을 의미하기 위해서 사용된 것이다. 재생 가스는 예를 들어 산소와 같은 산화 가스를 포함할 수 있다. 산화 재생 가스의 예에는 실질적으로 순수한 산소, 및 공기와 같이 다른 가스 성분들과 혼합된 산소를 포함하는 가스가 포함된다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "불순물이 포함된 흡착제" 및 "불순물 포함 흡착제"라는 용어는 황 화합물, 수소 염화물, 비소 및 비소 화합물, 셀레늄 및 셀레늄 화합물, 수소 시안화물 및 유기 시안화물 및/또는 암모니아 또는 그 유도체로부터 선택된 하나 이상의 불순물을 포함하는 가스 스트림과 흡착제의 접촉의 결과로서 불순물 함량이 증대된 흡착제를 의미한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, 흡착제에 대해서 적용된 바와 같은 "불순물 함량"이라는 용어는 흡착제에 의해서 보유되는 바와 같이 불순물과의 접촉으로부터 유도된 흡착제의 함량(content)을 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 흡착제 및 흡착제 스트림의 "불순물 함량"이라는 정량적인 표현은, 다른 언급이 없는 경우에, 새로운(fresh) 흡착제의 중량을 기초로 하는 중량 퍼센트로 기재되며, 새로운 흡착제의 중량은 숙련된 기술자에게 자명한 바와 같이 계산된 중량이 될 수 있을 것이다. 예를 들어, 이하의 반응에 따라서 H2S 및 COS를 제거하기 위해서 사용된 활성 금속 산화물 흡착제의 경우에:
H2S + MO -> H20 + MS
COS + MO -> C02 + MS
이때, M은 흡착제 내에 존재하는 금속, 예를 들어 Zn이고; MO 는 금속 산화물을 나타내며; 그리고 MS 는 금속 황화물을 나타내고, 그리고 흡착제 중량은 흡착제의 MO 함량 및 MO 중량을 기초로 계산될 수 있고, 그리고 불순물 함량은 S(H2S 및/또는 COS는 아니다)의 중량을 기초로 계산될 수 있다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "고체 분리 장치"라는 용어는 유체로부터 고체를 제거하기 위한 장치를 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 고체 분리 장치의 예는 사이클론 분리 장치가 될 수 있고, 그러한 사이클론 분리 장치는 유체 스트림으로부터 고체를 제거하기 위해서 원심력을 이용한다. 다른 예에는 정전기 침전 장치(precipitator), 필터 및 중력식 침전(settling) 챔버가 포함된다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "가스 스트립 장치(stripper)"라는 용어는 다른 가스 또는 가스 혼합물을 이용하여 고체 입자들로부터 가스 또는 가스 혼합물을 변위(displacing)시키기 위한 장치를 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 가스 스트립 장치는 건성 질소, 이산화탄소 또는 다른 임의의 적합한 불활성 가스를 이용하여 흡착제 입자로부터 합성가스를 변위시키기 위해서 사용된다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, 미립자 흡착제에 대해서 적용되는 바와 같은 "벌크(bulk) 밀도"라는 용어는 유동화되지 않은 흡착제의 질량을 그 부피로 나눈 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 부피는 미립자 고체들 사이의 공간뿐만 아니라 개별적인 입자들의 기공 내부의 공간도 포함한다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "유동화 밀도"라는 용어는 유동화 고체 입자 및 입자들을 유동화하기 위해서 사용된 가스의 혼합물의 순간적인(instantaneous) 조합된 밀도를 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "유체"라는 용어는 액체 스트림, 가스 스트림, 또는 흡착제와 같은 미립자 고체를 포함하는 가스 스트림과 같은 유체 스트림을 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이며, 고체 미립자 스트림의 유동 특성을 개선하기 위해서 상기 미립자 고체는 가스 스트림과 혼합된다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, 흡착제에 대해서 적용된 바와 같은 "불순물 용량(capacity)"이라는 용어 및 "흡착제 불순물 용량"이라는 용어는 흡착제에 의해서 보유될 수 있는 "불순물 함량"의 최대량을 의미하는 것으로서, 새로운 흡착제 중량(또는 새로운 흡착제의 계산된 중량)을 기초로 하는 중량 퍼센트로서 표현되는 것으로 이해될 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "평균 입자 지름"이라는 용어는 흡착제 입자의 액체 분산체(dispersion)의 부피 가중된(volume weighted) 평균 입자 크기를 의미한다. 흡착제 입자의 평균 입자 지름은 예를 들어 당업계에 널리 공지된 Malvern Mastersizer 2000™ 와 같은 기구 및 그 절차(procedures)를 이용하는 레이저 회절 기술에 의해서 측정될 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "유지 용기"라는 용어는, 예를 들어, 미립자 고체 스트림의 일부를 축적 또는 저장하도록 그리고 미립자 고체 스트림의 일부를 유지 구역 압력에 대비하여 더 높은 압력의 구역으로 이송하도록 배치되고 구성되는 배수탑 또는 임의의 다른 베슬을 의미하는 것으로 이해될 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "통기 가스"라는 용어는 유동 특성을 변경하기 위해서 미립자 고체로 부가되는 가스를 지칭한다.
"팩킹형(packed) 베드(bed) 유동", "팩킹형 베드 영역", "팩킹형 베드 유동 영역" 및 "이동하는 팩킹형 베드 유동"이라는 용어는 Wen-Chen Yang 이 저술한 "HANDBOOK of FLUIDIZATION and FLUID-PARTICLE SYSTEMS", Marcel Dekker, Inc, 2003, Chapter 21, pages 571-573에 기재된 정의에 따라서 본원 명세서에서 상호교환가능하게 사용된다. 특히, 팩킹형 베드 유동 영역에서, 상대 가스-고체 속도(vr)는 미립자 스트림의 침입형(interstitial) 유동화 속도(vmf) 보다 느리다. 보다 특히, 상대 가스-고체 속도(vr)는 이하의 식에 따라서 고체/가스 스트림의 고체 속도(vs) 및 침입형 가스 속도(vg)를 기초로 계산된다:
vr = ｜vs - vg ｜
그리고, vmf 는 고체 스트림을 통해서 이동하는 가스의 압력 강하(ΔΡ)가 미립자 고체 스트림의 단위 길이 당 압력 강하(ΔΡ/Lg)와 같아지는 vr로서 규정된다. 보다 상세한 설명에 대해서는 전술한 "HANDBOOK of FLUIDIZATION and FLUID-PARTICLE SYSTEMS"을 참조할 수 있을 것이다.
작동 예에서와 달리, 또는 달리 기재된 경우에, 본원의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 사용된 성분의 양, 반응 조건, 등을 표현하는 모든 수(numbers)들은 모든 경우에 "약"이라는 용어에 의해서 변경되는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 다른 기재가 없는 한, 이하의 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기재된 수치적인 파라미터들은 본원 발명에 의해서 얻어지는 것으로 보이는 희망 특성들에 따라서 달라질 수 있는 근사치(approximations)이다. 최소한, 그리고 특허청구범위의 범주에 대한 균등론의 적용을 제한하기 위한 것이 아닌 것으로서, 각각의 수치적 파라미터는 유효 숫자(significant digit)의 개수 및 일반적인 반올림(rounding) 방식을 고려하여 해석되어야 할 것이다.
본원 발명의 넓은 범위를 설명하는 수치적인 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 특정 예에서 설명된 수치적인 값들은 가능한 한 정확하게 기록된 것이다. 그러나, 임의의 수치적인 값은 각각의 테스팅 측정치에서 발견되는 표준 편차로부터 필수적으로 초래되는 특정 오류를 본질적으로 포함한다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 제어가능한 유동 속도로 고체를 이송하기 위한 밸브 모드에서 작동되도록 구성된 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치, 또는 구역을 도시하는 개략도이다. 특히, 도 1은 유동화 구역(12)의 상류에 위치되고 그 구역에 유체 연결된, 밸브 모드에서 작동하도록 구성된, J-레그 고체 이송 장치(10)를 도시하며, 상기 유동화 구역은 이하에서 보다 구체적으로 설명하는 바와 같이 유동화 흡수 장치 및/또는 유동화 재생 장치 구역이 될 수 있다.
J-레그(10)는 이동(moving) 팩킹형 베드 유동에서 하강 공급 파이프(20)를 통해서 이동하는 미립자 고체(22)의 유동화 스트림을 포함하는 하강 공급 파이프(20)를 포함한다. 공급 파이프(20)는 배수탑(24)에 유체 연결되고, 상기 배수탑은 축적 장치 또는 유지 용기로서 기능하고 그리고 미립자 고체(22)의 스트림을 원뿔형 제한부(21)를 통해서 공급 파이프(20)로 전달한다. 공급 파이프(20)는 위쪽을 지향하는 이송 파이프(28)에 유체 연결되고 그 이송 파이프 내로 방출한다. 미립자 고체(22)의 스트림은, 이동 팩킹형 베드 유동에서 이송 파이프(28)를 통해서 이동하고 그리고 이송 파이프(28)의 방출 단부에서 유동화 구역(12)으로 전달된다. 공급 파이프(20)는 약 90 도 미만의 각도(30)로 이송 파이프에 연결되고 그에 따라 특징적인 J-레그 형상을 형성한다.
통기 가스는, 위치(32a, 32b, 32c, 32d, 및 32e) 중의 하나의 또는 복수의 위치에서, J-레그의 각각의 공급 파이프(20) 및 이송 파이프(28)를 통해서 이동하는 미립자 고체 스트림(22)으로 제어된 속도로 부가된다. 통기 가스는 질소 또는 유사물과 같은 여러 가지 불활성 가스들 중 임의의 가스일 수 있고, 또는 유동화 구역(12) 내에서 사용되는 또는 처리되는 프로세스 가스와 같은 화학적 조성을 가지는 가스일 수 있다. J-레그를 통한 미립자 고체 스트림(22)의 유동 속도는 위치(32a, 32b, 32c, 32d, 및 32e) 중 하나 이상에서 통기 가스의 유동 속도를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 특히, 통기 가스의 유동은 미립자들에서 항력(drag force)을 생성하고, 그러한 항력은 J-레그의 벤드(bend) 즉, 각도(30)를 통해서 미립자 스트림을 잡아 당긴다. 통기 가스의 유동이 증가됨에 따라 고체 유동 방향을 따른 항력이 증가되기 때문에, 통기 가스의 유동 속도를 증가시키는 것은 미립자 스트림(22)의 유동 속도를 증가시킨다.
미립자 스트림(22)의 고체 유동 속도는 또한 조밀 상(dense phase) 유지 용기 또는 배수탑(24)과 유동화 구역(12) 사이의 상대적인 압력차의 변동에 응답하여 변화될 수 있다. 조밀 상 배수탑(24)(보다 높은 압력)과 유동화 구역(12) 사이의 상대적인 압력차의 증가는 고체 유동 속도의 증가를 초래할 수 있다. 상대적인 압력차의 감소는 고체 유동 속도의 감소를 초래할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 숙련된 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 압력차 등의 사소한 변동이 J-레그 밸브 모드 장치의 부분들의 특별한 기하학적 형상, 크기 및 정렬에 의해서 결정되는 소정 파라미터들 내에 포함되는 한, 도 1에 도시된 J-레그 밸브 모드 장치의 디자인 및 구성은 압력차 등의 사소한 변동에도 불구하고 주로 통기 가스에 의해서 결정되는 유동 속도에서 비교적 일정한 고체 유동을 일반적으로 제공한다.
바람직하게, 유지 용기 내의 흡착제의 높이(34)는 유동화 구역들 내로 흡착제를 강제(force)하기에 충분한 압력 헤드(head)를 제공하기에 충분한 레벨에서 유지되어야 한다. 유지 용기는 불순물 공급 농도의 변화 및 재생 장치 요동(upset)을 포함하는 시스템 요동을 적절하게 처리하기 위한 충분한 흡착제 재고를 유지하기 위한 크기를 가질 수 있다.
유동화 반응기 시스템 내로의 고체의 유동을 제어하는 기능, 하나의 시스템으로부터 다른 시스템으로의 가스의 역류를 방지하는 기능, 및 시스템을 떠나는 고체의 제어된 유동이 모두 달성되기만 한다면, 제어가능한 유동 속도로 고체를 이송하기 위한 밸브 모드에서 작동하도록 구성된, 다른 적합한 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치, 또는 구역이 또한 본원 발명(예를 들어, 곡선형 파이프, 부가적인 수평 파이프 요소 등을 포함하는, 예를 들어 L-레그 구조 및 다른 J-레그 구조)에서 채용될 수 있을 것이다. 그러한 다른 장치들의 예가 전술한 "HANDBOOK of FLUIDIZATION and FLUID-PARTICLE SYSTEMS"에 설명되고 기술되어 있다. 일반적으로, 그러한 장치들은 이동 팩킹형 베드 유동 내의 공급 파이프를 통해서 이동하는 미립자 고체의 스트림을 포함하는 하향 공급 파이프로 공급하는 저장용기 또는 호퍼(hopper); 유체 연결된 수평 지향된 또는 상향 지향된 이송 파이프; 및 미립자 스트림의 적어도 일부로 미립자 스트림의 유동 방향을 따라 마찰 항력을 인가함으로써 공급 파이프 및 이송 파이프를 통해서 제어가능한 유동 속도로 미립자 고체 스트림을 이동시키도록 유체 연결되고 그리고 정렬된 하나 이상의 통기 가스 공급 라인을 특징으로 한다.
도 2는 "자동 모드"에서의 작동을 위해서 구성된 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역의 개략도로서, 여기에서 고체들은 상기 구역 내로의 고체 공급 속도와 동일한 유동 속도로 이송 구역을 통과한다. 특히, 도 2는 하부 수평 레그(46)를 통해서 수직 상향 유동(upflow) 레그(44)에 유체 연결된 수직 하향 유동 레그(42)를 포함하는 루프 밀봉 장치(40)를 도시한다. 하향 유동 레그(42) 내로 유입되는 조밀 상 미립자 고체 스트림은 하부 수평 레그(46)를 통해서 그리고 상향 유동 레그(44)를 통해서 상향으로 유동하고, 그리고 딥(dip) 레그(48)을 통해서 유동화 구역(12) 내로 방출되고, 상기 유동화 구역은 바람직하게 이하에서 설명하는 바와 같이 흡수 장치 구역이다. 딥 레그(48)는 약 90 도 미만의 각도 알파(alpha)로 수직 상향 유동 레그(44)에 연결된다. 통기 가스는 상향 유동 레그(44) 및 하향 유동 레그(42) 각각의 하단부에 인접한 하나 이상의 위치(50a 및 50b)에서 루프 밀봉 장치(40) 내로 유입된다. 통기 가스는 장치를 통한 고체의 매끄럽고 일정한 유동을 지원하기에 충분한 일정한 유동 속도로 유입된다. 루프 밀봉을 통한 고체의 매끄럽고 일정한 유동을 달성하기에 충분한 통기 가스의 유동 속도는 종래 기술에서 공지되고 그리고 예를 들어, 전술한 "HANDBOOK of FLUIDIZATION and FLUID-PARTICLE SYSTEMS"에서 기술된 테스트 기준 및 디자인에 따라서 숙련된 기술자에 의해서 결정될 수 있을 것이다. 예를 들어, 겔달트 그룹(Geldart Group) B 고체의 경우에, 매끄럽고 일정한 유동을 형성하기 위해서 통기 가스는 루프 밀봉의 상류 유동 섹션(44)을 유동화하기에 충분하여야 하는 한편, 겔달트 그룹 A 고체의 경우에 상향 유동 레그에 유동화 가스를 부가할 필요가 없거나 또는 거의 없(little)다.
상향 유동 레그(44)의 높이(h1)는 딥 레그(48)의 위치 및 각도 알파에 의해서 결정된다. 하향 유동 레그(42) 내로 유동하는 고체 스트림의 높이는 상향 유동 레그(44)의 높이(h1)를 통해서 상향으로 고체를 이동시키기 위해서 필요한 압력을 밸런싱하도록 자동적으로 조정될 것이다. 루프 밀봉의 레그들을 통한 고체의 수직 유동의 높이는, 미립자 고체의 유체 특성과 조합하여, 루프 밀봉(40)에 걸친 압력의 사소한 변동(fluctuations)으로부터 루프 밀봉 작업을 절연시킬 수 있는 압력 밀봉을 제공하고, 그리고 또한 루프 밀봉(40)의 수직 레그(42 및 44)에 의해서 형성된 압력 밀봉을 큰 압력 변화가 블로잉(blowing)시키는 것을 방지한다. 종래 기술에서 공지되고 그리고 예를 들어, 전술한 "HANDBOOK of FLUIDIZATION and FLUID-PARTICLE SYSTEMS"에서 기술된 테스트 기준 및 디자인에 따른 소정 압력의 밀봉을 달성하기 위해서, 루프 밀봉(40)의 디자인, 그리고 특히 높이(h1)를 숙련된 기술자가 선택할 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 루프 밀봉 고체 이송 장치(40)의 디자인 및 구성은 루프 밀봉을 통한 고체의 유동 속도가 자동 조정되는 "자동 모드" 고체 이송을 제공하며, 그에 따라 고체는 구역 내로의 고체의 유동 속도와 동일한 유동 속도로 루프 밀봉(40)을 통과한다. 특히, 하향 유동 레그(42) 내로 유동하는 고체 스트림 높이는 상향 유동 레그(44)의 높이(h1)를 통해서 상향으로 고체를 이동시키기 위해서 필요한 압력을 밸런싱하도록 자동적으로 조정될 것이다. 그에 따라, 수직 하향 유동 레그(42) 내로 유동하는 고체 스트림의 유동 속도는 수직 상향 유동 레그(44)를 통한 고체의 동일한 유동 속도를 자동적으로 형성하고, 그에 따라 압력의 밸런스(균형)가 두개의 수직 레그들 사이에서 유지된다.
비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역의 여러 가지 다른 타입 및 구성들이 숙련된 기술자에게 공지되어 있고 그리고 도 2에 도시된 루프 밀봉 장치)를 대체할 수 있을 것이다. 그러한 장치는, 예를 들어 전술한 "HANDBOOK of FLUIDIZATION and FLUID-PARTICLE SYSTEMS"에 기재된, 밀봉-포트(seal-pot) N-밸브, V-밸브, L-밸브 구성 등을 포함한다.
도 3은 본원 발명에 따라서 불순물을 제거하기 위한 듀얼 루프 프로세스 및 장치의 일 실시예를 도시한 개략도이다. 불순물 함유 공급 가스가 공급 가스 라인(102)을 통해서 유동화 흡수 장치(100) 내로 유입된다. 공급 가스는 흡수 장치(100) 내에서 J-레그(105)를 통해서 흡수 장치(100)로 유입되는 재순환된 흡착제의 스트림과 그리고 딥 레그 라인(106)을 통해서 흡수 장치(100)로 유입되는 재생된 흡착제의 스트림과 접촉되고, 상기 딥 레그 라인은 다시 상류 루프 밀봉 장치(110)에 유체 연결된다. 공급 가스는 흡수 장치(100) 내에서 처리되고 그리고 처리된 공급 가스 및 불순물이 포함된 흡착제를 포함하는 유동화 스트림은 라인(112)을 통해서 흡수 장치로부터 회수되고 그리고 이는 고체 분리 장치(120)로 공급된다. 불순물 함량이 감소된 처리된 공급 가스가 라인(121)을 통해서 고체 분리 장치(120)로부터 회수된다.
불순물이 포함된 고체 흡착제는 고체 분리 장치(120)로부터 회수되고 그리고 그 일부가 배수탑(122)으로 전달되는 한편, 다른 일부는 딥 레그(124)를 통해서 제 2 배수탑(130)으로 전달된다. 새로운 흡착제는 공급 라인(123)을 통해서 재순환 배수탑(122)으로 부가될 수 있다. 배수탑(122) 내의 불순물이 포함된 흡착제는 J-레그(105)를 통해서 흡수 장치(100)로 재순환되는 한편, 배수탑(130) 내의 불순물이 포함된 흡착제는 제 2 J-레그(135)를 통해서 유동화 재생 장치 구역(140)으로 공급된다. J-레그 고체 이송 장치(105 및 135)는 제어가능한 통기 가스 공급 라인(144 및 146)에 각각 연결되고, 이는 J-레그 이송 장치(105 및 135)를 통한 고체의 유동 속도를 제어한다. 각각의 J-레그 고체 이송 장치로 공급되는 통기 가스의 제어는 여러 가지 제어 장치(147)들 중 임의의 제어 장치에 의해서 실시될 수 있으며, 그러한 제어 장치는 통기 가스 공급 라인(144 및 146)과 각각 연관된 제어가능한 밸브(148 및 149)에 연결된다. 그에 따라, J-레그 이송 장치(105 및 135)는 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 밸브 모드로 작동된다.
J-레그(135)를 통해서 재생 장치 구역(140)으로 공급되는 불순물이 포함된 흡착제는 재생 장치 구역(140) 내에서 라인(150)을 통해서 재생 장치 구역으로 유입되는 재생 장치 공급 가스와 접촉된다. 유동화 유출 스트림이 재생 장치 구역(140)으로부터 회수되고 그리고 재생 장치 오프 가스로 분리하기 위한 고체 분리 장치(155)로 전달되며, 상기 재생 장치 오프 가스는 라인(156)을 통해서 회수되고 그리고 적절한 하류 세정 구역(도시하지 않음)으로 전달된다. 재생된 고체 흡착제 스트림이 고체 분리 장치(155)로부터 회수되고 그리고 루프 밀봉 고체 이송 장치(110)의 하향 유동 레그(158) 내로 전달되고, 이는 다시 전술한 바와 같이 딥 레그(106)를 통해서 재생된 흡착제를 흡수 장치(100)로 이송한다. 통기 가스 공급 라인(160)은 루프 밀봉 고체 이송 장치(110)의 하부 부분에 유체 연결되어, 도 2와 관련하여 전술한 바와 같이, 루프 밀봉을 통한 고체의 매끄러운 유동을 형성하는데 도움을 준다.
흡수 장치 루프와 재생 장치 루프 사이의 그리고 그 내부의 고체 흡착제 스트림의 유동을 제어하기 위한 하나의 유리한 프로세스 제어부(170)가 도 3에 도시되어 있다. 제어부(170)는 제어 입력(171)을 통해서 차압(differential pressure) 센서(172)에 연결되고, 그러한 센서는 다시 샘플 가스 라인(173 및 174)을 통해서 재생 장치(140)의 유출 가스 라인(121) 및 흡수 장치(100)의 유출 가스 라인(156)으로 각각 연결된다. 또한, 제어부(170)는 제어 출력부(176)를 통해서 재생 장치 오프 가스 라인(156)에 작동적으로 연결된 제어가능한 밸브(178)와 작동적으로 연결된다. 차압 센서(172)는 흡수 장치 압력과 재생 장치 압력 사이의 압력차를 나타내는 제어 입력(171)을 제어부(170)로 출력한다. 제어부(170)는 차압 센서(172)로부터 수신된 압력차 정보를 안정적인 시스템 작동을 위한 소정의 압력차 범위 내(in-range)의 값을 나타내는 제어 셋 포인트와 비교한다. 실제 압력차 값이 제어 셋 포인트와 상이하다면, 흡수 장치와 재생 장치 사이의 희망하는 압력차 범위 내의 값을 달성하기 위한 특정 목적을 가지고, 밸브를 조정하여 재생 장치(140) 내의 압력을 변화시키기 위해서, 그리고 다시 흡수 장치와 재생 장치 사이의 압력차를 변화시키기 위해서, 제어부(170)는 제어 출력(176)을 통해서 제어가능한 밸브(178)로 명령을 전송한다.
다른 실시예(도시하지 않음)에서, 흡수 장치 유출 라인(121)과 작동적으로 연관된 제 1 압력 센서 및 재생 장치 유출 가스 라인(156)과 작동적으로 연관된 제 2 압력 센서를 이용하여 흡수 장치(100)와 재생 장치(140) 각각의 유출 가스 라인(121 및 156) 내의 가스 압력을 나타내는 데이터를 수집한다. 흡수 장치(100) 및 재생 장치(140) 내의 압력을 나타내는 신호는 제 1 및 제 2 압력 센서로부터 제어부(170)로 전송되고, 이어서, 제어부는 이들 신호를 비교하여 흡수 장치(100)와 재생 장치(140) 사이의 압력차를 나타내는 계산된 압력차 값을 결정한다. 전술한 바와 같은 방식으로, 이어서 계산된 압력차가 안정적인 시스템 작동을 위한 소정의 압력차 범위 내의 값과 비교된다. 만약, 계산된 압력차 값이 제어 셋 포인트와 상이하다면, 흡수 장치와 재생 장치 사이의 희망하는 압력차 셋 포인트를 형성하기 위한 특정 목적으로, 밸브를 조정하여 재생 장치(140) 내의 압력을 변화시키기 위해서, 그리고 다시 흡수 장치와 재생 장치 사이의 압력차를 조정하기 위해서, 제어부(170)는 제어 출력(176)을 통해서 제어가능한 밸브(178)로 명령을 전송한다.
하나의 바람직한 실시예에서, 소정 압력차 범위 내의 값은 약 1 psig 내지 약 20 psig 범위의 압력차를 포함한다. 다른 바람직한 실시예에서, 소정 압력차 범위 내의 값은 약 2 psig 내지 약 10 psig 범위의 압력차를 포함한다. 소위 당업자에게 자명한 바와 같이, 압력차 범위 내 제어 값은 단일 값 또는 값들의 범위일 수 있고, 또는 계산된 압력차 및 하나 이상의 소정 압력차 셋 포인트 사이의 정량적인 편차, 흡수 장치 및/또는 재생 장치 내의 온도, 계산된 압력차가 하나 이상의 소정 압력차 셋 포인트를 향해서 또는 그로부터 멀리 이동하는 속도, 등과 같은 인자들에 의존하여 제어가능한 밸브(178)로 다른 명령들을 전송하기 위한 제어 알고리즘일 수 있다.
또한, 흡수 장치와 재생 장치 사이의 압력차를 소정 압력차 범위 내의 값으로 유지하기 위한 압력 조정은 재생 장치 압력 대신에 흡수 장치의 압력을 조정함으로써, 또는 양자의 압력을 조정함으로써 실행될 수 있다는 것, 그리고 필요한 경우에 압력 조정이 흡수 장치 및/또는 재생 장치 가스 유출 라인에 대해서 이루어질 수 있다는 것은 숙련된 기술자에게 자명할 것이다.
제어부(170)와 관련하여 전술한 흡수 장치와 재생 장치 사이의 압력차의 제어는 도 3에 도시된 바와 같은 밸브 모드 및 자동 모드 비-기계식 고체 이송 장치와 조합하여 이용될 때 흡수 장치 및 재생 장치 사이의 그리고 흡수 장치 및 재생 장치를 통한 흡착제 고체 유동 속도를 제어하는데 있어서 특히 효과적이다. 그럼에도 불구하고, 숙련된 기술자에게 자명한 바와 같이, 그 대신에, 제어 프로세스는 제어가능한 기계적인 밸브들을 이용하여 실질적으로 유리하게 그리고 이익이 되게 이용될 수 있다. 또한, 루프 밀봉(110)과 같이, 재생 장치로부터 재생된 흡착제를 수용하고 그리고 그러한 흡착제를 흡수 장치(100)로 공급하도록 정렬된 자동 모드 비-기계식 고체 이송 장치와 조합하여, J-레그(135)와 같은, 재생 장치(140)로 공급하도록 정렬된 밸브 모드 비-기계식 고체 이송 장치의 이용은, 흡수 장치(100)로 재순환된 흡착제를 공급하도록 정렬된 밸브 모드 비-기계식 고체 이송 장치, 즉 도 3에 도시된 J-레그(105)를 이용하여 또는 이용하지 않고, 상당한 이점 및 이익을 제공할 수 있다.
흡수 장치 내의 불순물 제거 속도와 재생 장치 내의 불순물 제거 속도 사이의 밸런스를 유지하기 위한 하나의 바람직한 프로세스 제어부(180)가 또한 도 3에 도시되어 있다. 제어부(180)는 제어 입력(182 및 184)을 통해서 흡수 장치 유출 공급 가스와 연관된 불순물 분석 장치(도시하지 않음), 및 유출 처리 가스 라인(102 및 121) 각각에 연결된다. 또한, 제어부(180)는 제어 입력/출력(186)을 통해서 제어가능한 밸브(188)에 작동적으로 연결되고, 상기 밸브는 재생 장치 공급 가스 라인(150)에 작동적으로 연결된다. 본원 발명의 이러한 양태에 따른 개선된 프로세스 제어는 공급 전방 프로세스 제어를 포함하고, 여기에서 흡수 장치 내의 불순물 제거 속도는 불순물 분석 장치 입력(182 및 184)으로부터 제어부(180)로 공급되는 불순물 함량 값들을 비교함으로써 계산된다. 이어서, 흡수 장치 내의 불순물 제거 속도는 재생 장치 내의 불순물 제거 속도에 대해서 비교되고, 상기 재생 장치 내의 불순물 제거 속도는 제어 입력/출력(186)을 통해서 수신된 입력으로부터 계산될 수 있다. 그 대신에, 계산된 재생 장치 내의 불순물 제거 속도는, 도시되지 않은 제어 연결부들 및 센서들을 통해서 획득된, 재생 장치 오프 가스의 불순물 함량을 나타내는 측정치들로부터 계산될 수 있다.
만약 계산된 흡수 장치 내의 불순물 제거 속도와 재생 장치 내의 불순물 제거 속도가 소정 범위 내의 화학량론적 제어 값과 상이하다면, 밸브(188)를 조정하여 재생 장치로의 활성 재생 장치 공급 가스의 공급 속도를 변화시키고 이를 이용하여 다시 재생 장치(140) 내의 불순물 제거 속도를 변화시키기 위해서, 제어부(180)는 제어 출력(186)을 통해서 제어가능한 밸브(188)로 명령을 전송한다.
"활성 재생 장치 공급 가스"라는 용어는 재생 장치 공급 가스의 함량을 지칭하며, 그러한 재생 장치 공급 가스의 함량은 흡착제의 불순물 포함량을 감소시키기 위해서 재생 장치 내에 존재하는 조건들 하에서 흡착제와 상호작용(통상적으로, 화학적 반응에 의한)할 수 있다. 재생 장치 공급 가스 내의 활성 재생 장치 공급 가스의 함량이 변화될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 재생 장치 공급 가스 내의 활성 재생 장치 공급 가스의 함량을 변화시키는 것은 달성된 재생의 양 및 속도에 영향을 미칠 것이다. 예를 들어, 산화 재생 가스와의 접촉에 의해서 흡착제의 재생이 달성될 때, 재생 장치 공급 가스는 일정한 산소 함량의 공기, 공기 및 불활성 가스의 혼합물, 또는 산소 및 불활성 가스의 혼합물일 수 있다.
재생 장치 공급 가스가 활성 재생 장치 공급 가스의 일정 함량(즉, 21 몰% 산소를 가지는 공기)을 함유하고 그리고 라인(150)을 통해서 재생 장치(140)로 유입되는 그러한 경우에, 제어부(180)에 의해서 전송된 명령에 따른 제어가능한 밸브(188)의 조정은 라인(150) 내의 재생 장치 공급 가스의 유동 속도의 변화를 초래할 것이다. 다른 한편으로, 활성 재생 장치 공급 가스의 함량이 재생 장치 내에서 변화될 수 있는 그러한 경우에, 공급 가스(즉, 공기 및 불활성 혼합물 또는 산소 및 불활성 혼합물)가 라인(150)을 통해서 재생 장치(140)로 유입되고, 밸브(188)는 라인(150) 내의 재생 장치 공급 가스의 전체적인 유동 속도를 변화시키지 않고 라인(150)으로 유입되는 재생 장치 공급 가스 내의 활성 재생 장치 가스의 상대적인 함량(즉, % 함량, 몰% 함량, 등)을 변화시킴으로써 재생 장치(140)로 공급되는 활성 재생 장치 공급 가스의 유동 속도를 변화시킬 수 있다. 그 대신에, 밸브(188)는, 재생 장치 공급 가스 내의 활성 재생 장치 가스의 상대적인 함량에 변화를 일으키지 않았을 때, 라인(150) 내의 재생 장치 공급 가스의 전체적인 유동 속도를 변화시킴으로써, 재생 장치(140)로 공급되는 활성 재생 장치 공급 가스의 유동 속도를 변화시킬 수 있다. 요약하면, 재생 장치 공급 가스 내에 존재하는 활성 재생 장치 공급 가스의 함량을 변화시킴으로써, 또는 함량의 변화 없이 재생 장치 공급 가스의 유동 속도를 증가 또는 감소시킴으로써, 또는 라인(150)을 통해서 재생 장치 구역으로 유입되는 재생 장치 공급 가스의 전체적인 유동 속도 및 조성 모두를 변화시킴으로써, 재생 장치에 대한 활성 재생 장치 공급 가스의 유동 속도가 변화될 수 있다.
소정의 범위 내의 화학량론적 제어 값은 흡수 장치 내의 불순물 제거 속도와 재생 장치 내의 불순물 제거 속도 사이의 물질 밸런스를 적어도 부분적으로 기초로 한다. 일부 경우에, 흡수 장치 및 재생 장치 내의 불순물 제거 사이의 균일한 물질 밸런스를 유지하기 위해서 소정의 범위 내의 화학량론적 제어 값이 계산될 것이다. 그러나, 본원 발명의 부가적인 바람직한 실시예에서, 예를 들어, 흡착제의 평균 불순물 포함량을 감소 또는 증가시키는 것과 같은 여러 가지 희망 프로세스 기능들을 달성하기 위해서, 흡수 장치 및 재생 장치 내의 불순물 제거 사이의 보다 적은 또는 보다 큰 균일한 물질 밸런스를 제공하도록, 소정의 범위 내의 화학량론적 제어 값이 계산된다.
특히, 제어부(180)는 라인(112)을 통해서 흡수 장치로부터 제거된 불순물 포함 흡착제의 불순물 포함량을 직접적으로 또는 간접적으로 나타내는 정보를 포함하는 하나 이상의 불순물 포함량 입력 신호(190)를 수신하도록 프로그램될 수 있다. 불순물 포함량 입력 신호(190)를 소정의 범위 내의 흡착제 불순물 포함량 값에 대해서 비교하여, 전술한 소정의 범위 내의 화학량론적 제어 값을 조정하여 재생 장치 내의 그리고 흡수 장치 내의 불순물 제거 사이의 보다 적은 또는 보다 큰 균일한 물질 밸런스를 제공함으로써 흡착제의 평균 불순물 포함량을 증가 또는 감소시켜야 하는지의 여부를 결정한다. 예를 들어, 만약 흡착제가 희망 최소 평균 불순물 포함량 미만이라는 것을 불순물 포함량 입력 신호(190)가 나타낸다면, 소정의 범위 내의 화학량론적 제어 값을 조정하여 흡착제의 불순물 포함량을 증대시킬 수 있다. 만약 흡착제가 희망 최소 평균 불순물 포함량 보다 크다는 것을 불순물 포함량 입력 신호(190)가 나타낸다면, 소정의 범위 내의 화학량론적 제어 값을 조정하여 흡착제의 불순물 포함량을 감소시킬 수 있다. 유사하게, 만약 흡착제의 평균 불순물 포함량이 소정의 희망하는 범위 내에 있다는 것을 불순물 포함량 입력 신호(190)가 나타낸다면, 필요에 따라서 소정의 범위 내의 화학량론적 제어 값을 조정하여 흡착제의 비교적 일정한 평균 불순물 포함량을 유지할 수 있다.
흡착제의 불순물 포함량을 직접적으로 나타내는 정보는 흡수 장치로부터 회수된 하나 이상의 불순물 포함 흡착제 포집(grab) 샘플의 분석에 의해서 얻어진, 또는 흡수 장치로부터 제거된 불순물 포함 흡착제 스트림의 전부 또는 일부의 인-라인(in-line) 분석에 의해서 얻어진 분석 정보를 포함할 수 있다. 그 대신에, 흡착제의 불순물 포함량을 직접적으로 나타내는 정보는 불순물 제거 용량을 유지하는 흡착제의 포화를 보장하는 흡수 조건하에서 농축된 또는 본질적으로 순수한 불순물 가스 스트림으로 불순물 포함 흡착제의 배치(batch) 또는 측부(side) 스트림 샘플을 노출시킴으로써 얻어질 수 있고, 그에 따라 불순물 가스 스트림으로부터 제거된 불순물의 양에 의해서 흡착제의 나머지 불순물 제거 용량을 계산할 수 있게 된다. 흡착제의 불순물 포함량을 간접적으로 나타내는 정보는, 불순물 분석 장치 입력(182 및 184)으로부터 계산된 불순물 제거 속도 정보와 조합하여 흡착제의 불순물 제거 용량이 전체 용량에 근접하는지 또는 전체 용량에 있는지의 여부를 결정하기 위해서 사용될 수 있는 흡수 장치 및/또는 재생 장치 내의 반응 조건 변화의 온-라인 측정을 포함할 수 있다. 재생 장치 오프 가스의 불순물 함량의 측정 및/또는 재생 장치 내의 반응 조건의 변화의 측정은 또한 흡착제의 불순물 포함량을 간접적으로 나타내는 정보를 제공하기 위해서 사용될 수 있다.
도 4는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 시스템 및 프로세스의 다른 실시예를 도시한 개략도로서, 불순물이 포함된 흡착제를 유동화 흡수 장치 구역 및 유동화 재생 장치 구역 모두로 공급하기 위해서 단일의 공유된 배수탑을 사용하는 것을 도시한 개략도이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 프로세스 및 시스템과 유사한 것으로서, 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 시스템 및 프로세스의 다른 실시예의 개략도로서, 여기에서 흡수 장치로부터 회수된 불순물 포함 흡착제는 유동화 흡수 장치 구역으로 재순환되지 않는다. 그 대신에, 도 5에 도시된 바와 같이, 흡수 장치로부터 회수된 불순물 포함 흡착제의 모두가 단일의 배수탑(300)으로 전달되고 그리고 이어서 J-레그(135)를 통해서 유동화 재생 장치(140)로 이송된다. 도 3과 관련하여 설명된 여러 가지 제어 및 밸브 등이 도 4의 시스템 및 프로세스에 바람직하게 포함되나, 이에 대해서는 구체적으로 도시하지 않았다.
전술한 바와 같이, 여러 가지 바람직한 실시예에서, 본원 발명의 프로세스, 시스템 및 장치를 이용하여 황 화합물, 수소 염화물, 비소, 세레늄, 수소 시안화물, 및/또는 암모니아를 포함하는 공급 가스로부터 여러 가지 불순물들 중 임의의 불순물을 제거할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본원 발명은 환원 가스 내의 하나 이상의 황 불순물의 함량을 줄이기 위해서 사용될 때 특히 바람직한 것으로 현재 믿어지고 있다. 바람직하게, 본원 발명은 탄소계를 기초로 하는(origin) 환원 가스로부터 H2S 및/또는 COS를 포함하는 하나 이상의 황 불순물을 감소시키기 위해서 채용될 수 있다.
본원 발명은 약 100 내지 약 40,000 ppmv, 바람직하게 약 1000 내지 약 15,000 ppmv 범위의 황 불순물 레벨, 또는 다른 바람직한 실시예에서, 약 5000 내지 약 10,000 ppmv 범위의 황 불순물 레벨을 가지는 넓은 범위의 합성 가스 조성을 포함하는 넓은 범위의 공급 가스에 대해서 적용될 수 있다. 본원 발명의 프로세스 및 장치는 흡수 장치를 빠져나가는 정제된 처리 가스 스트림 내에서 100 ppmv 또는 그 미만의, 바람직하게 50 ppmv 또는 그 미만의 황 불순물 레벨을 달성하기 위해서 여러 가지 황 오염된 공급 가스 스트림에 대해서 적용될 수 있다. 원하는 경우에, 본원 발명은 5000 ppmv을 초과하는 초기 레벨로부터 약 30 ppmv 또는 그 미만, 예를 들어 약 20 ppmv 또는 그 미만, 또는 10 ppmv 또는 그 미만의 레벨 까지 황 불순물 함량을 감소시키기 위해서 이용될 수 있다.
본원 발명의 바람직한 실시예에서, 유동화 흡수 장치 구역은 약 600℉ 내지 약 1200℉ 범위 내의 온도에서 그리고 대략적인 대기압과 약 1200 psig 사이의 압력에서 유지되고, 그리고 재생 구역은 약 900℉ 내지 약 1450℉ 범위의 온도 및 상기 흡수 장치와 동일한 압력에서 유지된다. 본원 발명의 또 다른 추가적인 바람직한 실시예에서, 유동화 흡수 장치 구역은 약 700℉ 내지 약 1000℉ 범위 내의 온도에서 그리고 약 100 psig 내지 약 1200 psig(예를 들어 약 200 psig 내지 약 1000 psig)의 압력에서 유지되고, 그리고 재생 구역은 약 1200℉ 내지 약 1450℉ 범위 내의 온도 및 상기 흡수 장치 압력과 동일한 또는 대략적으로 동일한 압력에서 유지된다.
일 실시예에서, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 불순물 함유 공급 가스가 유동화 흡수 장치 구역의 베이스 내로 도입되고, 그러한 가스는 상기 베이스에서 흡착제와 혼합된다. 불순물 함유 공급 가스 스트림의 공탑속도(superficial velocity)는 최소 유동화 지점(작동 압력 및 온도에 의존한다) 위에서 유지될 수 있고, 그리고 일반적으로, 2 내지 5 ft/sec(0.6 내지 1.5 m/sec)의 범위에서 유지될 수 있으나, 다른 적합한 속도도 선택될 수 있을 것이다.
본원 발명의 일 실시예에서, 불순물-함유 공급 가스가 활성 금속 산화물 흡착제와 혼합될 수 있을 것이다. 유동화 흡수 장치 구역 내에서 불순물 함유 공급 가스와 접촉된 흡착제는 철 산화물, 아연 산화물, 아연 페라이트, 아연 티타네이트, 구리 페라이트, 구리 산화물, 바나듐 산화물, 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 하나 이상의 활성 금속 산화물을 포함할 수 있을 것이다. 황 제거를 위한 바람직한 활성 금속 산화물 함유 흡착제 조성물 및 프로세스가 Gangwal 등에게 2005년 10월 4일자로 허여된 미국 특허 제 6,951 ,635 B2 호; Turk 등에게 2001년 10월 23일자로 허여된 미국 특허 제 6,306,793 B1 호; Gupta 에게 1999년 10월 26일자로 허여된 미국 특허 제 5,972,835 호; Turk 등에게 1999년 6월 22일자로 허여된 미국 특허 제 5,914,288 호; 및 1988년 2월 3일자로 Gupta 등에게 허여된 미국 특허 제 5,714,431 호에 개시되어 있다.
다른 실시예에서, 유동화 흡수 장치 구역 내에서 불순물 함유 공급 가스와 흡착제가 접촉하기 전에, 흡착제의 벌크 밀도가 60 내지 110 lb/ft3 (0.96 내지 1.76 g/cm3) 범위가 될 수 있고 그리고 50 내지 140 미크론의 평균 입자 지름을 가질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 그리고 다른 프로세스 파라미터들, 예를 들어, 유동화 흡수 장치 구역의 온도 및 유입 불순물 농도에 따라서, 전체 가스-고체 접촉 시간을 늘이기 위해서, 유동화 흡수 장치 구역이 백-혼합(back-mixed) 구역을 선택적으로 구비할 수 있다. 만약 긴 접촉 시간이 요구되지 않는다면, 유동화 흡수 장치 구역이 비말형(entrained) 유동이 될 수 있을 것이다. 재생된 흡착제는 재생 장치 시스템으로부터 유동화 흡수 장치 구역으로 복귀되고, 그러한 흡착제는 상기 유동화 흡수 장치 구역에서 가스로부터 불순물을 제거하고 그리고 흡착제로부터 열을 정제된 가스로 전달하는데 도움이 되고, 그에 따라 통합된 시스템의 열 효율을 개선한다. 유동화 흡수 장치 구역 내에서의 적합한 체류 시간은 3 내지 25 초 범위이고 다른 실시예에서는 3 내지 10초 범위이다.
본원 발명의 일 실시예에서, 정상 상태 조건에서, 흡수 장치에 존재하는 불순물 포함 흡착제의 평균 불순물 함량은 흡착제 불순물 용량의 10% 내지 90% 범위가 되고, 예를 들어 흡착제 불순물 용량의 30% 내지 75% 범위가 된다.
공급 가스 스트림이 비소를 포함하는 경우에, 포함된 흡착제의 비소 함량은 흡착제와 접촉된 가스의 양에 비례하는 비율로 증가된다. 예를 들어, 비소 포함 흡착제의 비소 함량은, 유동화 흡수 장치 구역을 빠져나갈 때, 적어도 0 내지 3000 ppm이 될 수 있을 것이다.
공급 가스 스트림이 셀레늄을 포함하는 경우에, 포함된 흡착제의 셀레늄 함량은 흡착제와 접촉된 가스의 양에 비례하는 비율로 증가된다. 예를 들어, 셀레늄 포함 흡착제의 셀레늄 함량은, 유동화 흡수 장치 구역을 빠져나갈 때, 적어도 0 내지 500 ppm이 될 수 있을 것이다.
흡착제의 재순환에 앞서서 및/또는 재생 장치 내에서의 흡착제의 처리에 앞서서, 보유된 공급 가스의 제거를 개선하기 위해서, 흡수 장치로부터 회수된 불순물 포함 흡착제를 처리할 수 있다. 그에 따라, 예를 들어, 도 3에서 고체 분리 장치(120)로부터 회수되는 흡착제는, 본원 발명의 일 실시예에서, 가스 스트립 장치를 통과할 수 있다. 흡착제 입자들 사이의 공극 공간으로부터 합성가스를 변위시키기 위해서, 그에 따라 유동화 재생 장치 구역에 대한 가스 손실을 최소화하기 위해서, 가스 스트립 장치는 흡착제 유동에 역류하여 유동하는 증기, 이산화탄소, 질소와 같은 불활성 가스 등을 이용한다.
본원 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 흡수 장치 시스템은 선택적인 유지 용기, 예를 들어 배수탑(예를 들어, 도 3의 배수탑(122 및 130))을 포함하고, 이는 흡착제 재고의 주요 홀더로서 기능하고 그리고 조밀 상 모드에서 일반적으로 작동될 것이다. 예를 들어, 유지 용기 내에서 분리된 불순물 포함 흡착제의 유효 밀도가 50 lb/ft3(0.80 g/cm3)와 같거나 그보다 더 크다. 분리된 불순물 포함 흡착제의 대부분은, 예를 들어 부분적으로 금속 황화된 흡착제는 선택적인 유지 용기의 바닥으로 계속되고 그곳에서 유동화 흡수 장치 구역으로 복귀된다.
일 실시예에서, 불순물 함량이 감소된 처리된 공급 가스(흡수 장치 오프 가스)가 고체 분리 장치, 예를 들어, 사이클론 분리 장치를 통해서 흡수 장치의 상단을 빠져나간다. 고체 분리 장치를 빠져나간 후에, 흡수 장치 오프-가스가 또한 고체 분리 장치에 의해서 포획되지 않은 임의의 미세 고체 입자를 제거하기 위해서 필터를 통과하게 될 수 있다. 허용가능한 필터 매체는 흡수 장치 오프-가스의 잠재적인 부식 특성 및 높은 온도를 견딜 수 있어야 한다. 구체적으로, Dynalloy™ D215-160 은 황 및 비소 불순물을 포함하는 합성가스로부터 유도된 흡수 장치 오프-가스를 위한 허용가능한 필터 매체가 되는 것으로 보여진다. 허용가능한 필터 매체는 다른 공급 가스 및 오프-가스 스트림마다 달라질 수 있고 그리고, 예를 들어, 여러 필터 매체의 샘플(또는 쿠폰)을 실제 프로세스 조건 하에서의 필터 매체의 사용 또는 장시간의 사용을 시뮬레이팅한 온도 및 압력에서 시뮬레이팅된 오프-가스 조성에 노출시킴으로써, 이어서 샘플의 물리적 성질, 조성 및/또는 결정 조직 등의 임의의 결과적인 변화를 식별하기 위해서 테스팅함으로써, 여러 가지 테스팅 방식에 의해서 식별될 수 있다.
필터에 의해서 포획된 고체들은 별도의 압력 용기(록호퍼; lockhopper)로 이송되고, 그러한 압력 용기는 필터 작동 또는 가스 유동에 영향을 미치지 않고 필터로부터 격리될 수 있다. 일단 격리되면, 록호퍼 압력은 안전 레벨까지 감소될 수 있고 그리고 고체가 방출된다. 방출이 완료되면, 록호퍼는 밀봉되고 그리고 가스(불활성 가스 또는 프로세스 가스)로 가압되고 이어서 필터로 다시 개방된다.
불순물-함유 공급 가스는 수증기를 포함할 수 있고 또는 포함하지 않을 수 있다. 공급 가스 열 교환기의 이용에 의해서, 유동화 흡수 장치 구역의 온도는 600 내지 1200 ℉에서, 예를 들어 700 내지 1000 ℉ 범위에서 제어될 수 있을 것이다. 불순물 함유 공급 가스의 압력은, 예를 들어, 일반적으로 필터 또는 스크러버(scrubber)의 하류에서 유출 가스 유동 경로 내에 위치된 스로트링(throttling) 제어 밸브의 이용에 의해서 대기압과 1200 psig 사이에서 제어될 수 있다. 유동화 흡수 장치 구역 내의 유효 흡착제 밀도는, 선택적인 유지 용기로부터의 흡착제 유동 및/또는 프로세스 가스 유동을 조정함으로써, 5 내지 50 lb/ft3 (0.08 내지 0.80 g/cm3) 범위가 될 수 있다.
불순물 제거를 달성하기 위한 적절한 밀도는 1) 유입 가스 불순물 농도; 2) 흡착제, 예를 들어, 금속 산화물 흡착제의 불순물 농도; 3) 유동화 흡수 장치 구역의 온도; 및 4) 수증기 함량에 따라서 달라질 수 있다. 증기, 이산화탄소, 또는 질소와 같은 불활성 가스를 이용하여, 고체 이송을 위해서 요구되는 속도를 달성하는데 도움을 줄 수 있고 및/또는 유지 용기, 예를 들어 배수탑 내에서 흡착제를 유동화시키는 것을 부분적으로 도울 수 있을 것이다.
흡착제의 평균 불순물 함량은 불순물 포함 흡착제의 일부를 전환함으로써, 또는 그 대신에 불순물 포함 흡착제의 전부를 흡수 장치 시스템으로부터 금속 산화물이 회수되는 재생 장치 시스템으로 전환함으로써 제어될 수 있을 것이다. 유동화 재생 장치 구역으로 이송된 불순물 포함 흡착제가 재생되기에 앞서서 선택적인 유지 용기로 유입될 것이다. 만약 경우가 발생된다면, 불순물 포함 흡착제가 유지 용기 내에서 조밀 상 모드에서 유지될 수 있을 것이다. 유지 용기 내의 이송된 불순물 포함 흡착제의 밀도는 50 lb/ft3 와 같거나 그보다 높다. 이어서, 불순물 포함 흡착제가 유동화 재생 장치 구역 내로 공급된다.
본원에 기재된 바와 같이, 유동화 흡수 장치 구역의 및/또는 유동화 재생 장치 구역의 앞쪽에 배치된, 도 1에 도시된 J-레그의 하강 파이프는, 예를 들어, 하나 이상의 고정된 오리피스를 구비하는 평판 또는 디스크 및 원뿔형 또는 편심형 감소부(reducer)로부터 선택된 유동 제한부를 포함할 수 있을 것이다. 다른 적합한 J-레그 구조물이 이용될 수 있다. 그러한 J-레그 구조물은, 예를 들어, 조밀-상 유지 용기로부터 희석(dilute)-상 유동화 구역 내로 이송된 유체 물질의 유동 속도를 제어하여야 한다.
도 1에 도시된 바와 같은 J-레그의 이송 파이프는 유동화 흡수 장치 구역 및/또는 유동화 재생 장치 구역의 앞쪽에 배치될 수 있을 것이다. 이송 파이프의 지름은 유지 용기의 지름과 같거나 그보다 작다. 이송 파이프는 하강 파이프로부터 가스-고체 유동화 구역으로 물질을 이송한다. 이송 파이프는, 예를 들어, 90°초과의 유동 방향 변화를 채용할 수 있을 것이고, 그에 따라 J-레그를 통한 가스의 역전 유동을 방지하기 위해서 고체 물질의 밀봉 또는 트랩(trap)이 형성된다. 이송 파이프에 의해서 얻어지는 높이는, 예를 들어, 시스템의 2 측부들의 상대적인 압력 및 물질 밀도를 기초로 디자인될 수 있으며, 그에 따라 고체를 비우지(emptying) 않고도 임의 프로세스 요동을 충분히 견딜 수 있다.
이송된 불순물 포함 흡착제는 유동화 재생 장치 구역 내의 재생 장치 가스와 접촉된다. 산화성(oxidative) 재생 장치가 요구될 때, 공기가 유동화 재생 장치 구역 내로 공급되어 재생 반응을 위한 산소를 공급할 수 있고 그리고 작동 조건의 공칭 범위에 걸쳐 적절한 유동화 속도를 제공할 수 있다. 보다 넓은 작동 범위를 제공하기 위해서, 불활성 가스(예를 들어, 질소, 증기, 및 이산화탄소를 포함)와 산소를 혼합하여 2% 내지 50%의 산소 혼합물을 생성할 수 있다. 유동화 재생 장치 구역 내의 흡착제로부터의 불순물 제거 속도가 유동화 흡수 장치 구역 내의 흡착제 상에 증착되는 불순물의 속도와 같도록, 산소의 양이 제어될 수 있다. 재생 장치 오프-가스 내의 산소의 농도가 바람직하게 매우 낮은 레벨에서 유지되고, 그리고 주기적으로 또는 연속적으로 측정되고 그리고 소정의 셋 포인트와 비교되어 적절한 화학양론에 대한 프로세스 제어 지표를 제공할 수 있다.
예를 들어, 유동화 재생 장치 구역으로 유입되는 보다 저온의 흡착제와 고온 흡착제의 적절한 백-혼합을 제공하여 유동화 구역 내의 온도를 900 ℉ 내지 1450 ℉, 예를 들어 1200 내지 1450 ℉로 유지하도록, 유동화 재생 장치 구역 내의 유동화 조건이 유지될 수 있다. 이들 작동 온도 윈도우(window)는, 작동 조건들에 의해서 이하의 수학식에 따라 산화성 재생 중에 황산염이 형성되는 것을 최소화하도록 보장한다:
MO + S02 + 0.5 02 ↔ MS04
MS + 202 ↔ MS04
이때, M 은 흡착제 내에 존재하는 금속, 예를 들어 Zn 이고; MO 는 금속 산화물을 나타내고; MS 는 금속 황화물을 나타내며; 그리고 MS04 는 금속 황산염을 나타낸다.
재생 장치 온도는 이하의 기재 중 임의의 조합에 의해서 유지될 수 있다: 1) 유동화 재생 장치 구역 내에서 보다 고온의 흡착제와 혼합하기 위한 제 2 유지 용기로부터의 보다 저온의 흡착제의 공급을 조정하는 것; 유동화 재생 장치 구역으로의 유입에 앞서서 히터를 통해서 흡착제의 온도를 조정하는 것; 3) 합성가스, 천연 가스, 프로판, 디젤, 또는 유동을 적절하게 조정할 수 있고 정상 재생 장치 조건하에서 연소될 수 있는 다른 가연성 물질과 같은 보충 연료를 함께-연소시키는 것; 그리고 4) 유동화 재생 장치 구역 내로의 유입에 앞서서 산화제 가스의 온도를 조정하는 것.
재생 장치 내에서 적절한 반응 온도를 유지하는 것을 돕기 위해서, 유동화 재생 장치 구역 내의 불순물 포함 흡착제 밀도가 5 내지 60 lb/ft3, 예를 들어 10 내지 40 lb/ft3 (0.16 내지 0.64 g/cm3) 범위 내의 밀도로 조정될 수 있고, 그리고 재생 장치의 반응기 부분이 백-혼합형 모드 내에서 작동을 달성하도록 디자인될 수 있다. 유동화 재생 장치 구역 내의 허용가능한 체류 시간은 3 내지 25 초, 예를 들어 3 내지 10 초 범위가 될 수 있다.
재생 장치 백-혼합형 구역을 떠날 때, 재생된 흡착제 스트림의 공탑속도는 흡착제 스트림으로 불활성 가스를 부가함으로써 및/또는 상승부(riser)의 단면적을 감소시킴으로써 증대될 수 있다. 증가된 가스 속도는 재생된 흡착제, 예를 들어 재생된 금속성 산화물 흡착제를, 유동화 재생 장치 구역 위로 고체 분리 장치를 향해서 이송한다. 고체 분리 장치로 유입되기에 앞서서, 고체 분리 장치 내에서의 분리를 개선하기 위해서, 가스 속도가 다시 변경될 수 있을 것이다. 예를 들어, 가스 속도를 추가적으로 증대시켜 사이클론 분리 장치 내에서 보다 양호한 분리가 일어나게 할 수 있을 것이다.
본원 발명의 일 실시예에서, 고체 분리 장치는 사이클론 분리 장치일 수 있고, 그러한 사이클론 분리 장치 내에서 재생된 흡착제의 대부분이 재생 장치 오프-가스로부터 분리된다. 예를 들어, 재생된 흡착제의 90 내지 99%가 재생 장치 오프-가스로부터 분리될 수 있을 것이다.
재생 장치 오프-가스는 고체 분리 장치, 예를 들어, 사이클론 분리 장치의 상단을 빠져나간다. 사이클론 분리 장치를 빠져나간 후에, 재생 장치 오프-가스가 또한 필터를 통과할 수 있고 그에 따라 사이클론 분리 장치에 의해서 포획되지 않은 임의의 미세 고체 입자를 제거할 수 있다. 허용가능한 필터 매체는 재생 장치 오프-가스의 잠재적인 부식 특성 및 높은 온도를 견딜 수 있어야 한다. 구체적으로, Alloy 59 (Alloy HR 또는 DIN No. 2.4605으로도 공지됨) 또는 Dynalloy™ D215-160 은 이하에서 기술되는 작동 효과에서 설명되는 본원 발명의 실시예를 위한 적합한 필터 매체가 되는 것으로 보여진다. 전술한, 고체 분리를 위해서 흡수 장치의 하류에서 사용될 수 있는 허용가능한 필터 매체와 같이, 허용가능한 필터 매체는 재생 장치 구역 내의 또는 그에 후속하는 곳에서의 흡착제 조성, 불순물 조성, 불순물 포함량, 재생 가스 조성 및/또는 특정 온도 및 압력 조건에 따라서 달라질 수 있다. 허용가능한 필터 매체는 흡수 장치의 하류에서 사용되는 필터 매체와 관련하여 전술한 여러 가지 테스팅 방식에 의해서 식별될 수 있다.
필터에 의해서 포획되는 고체들은 필터 작동 또는 가스 유동에 영향을 미치지 않고 필터로부터 격리될 수 있는 별도의 압력 용기(록호퍼)로 이송된다. 일단 격리되면, 록호퍼 압력은 안전 레벨까지 감소되고 그리고 고체가 방출된다. 방출이 완료되면, 록호퍼는 밀봉되고 그리고 가스(불활성 가스 또는 프로세스 가스)로 가압되고 이어서 필터로 다시 개방된다.
재생 장치 시스템의 압력은 미립자 필터 하류의 재생 장치 오프-가스 유동 경로 내의 스로틀링 밸브의 이용에 의해서 제어될 수 있을 것이다. 재생 장치 오프-가스 스트림 내의 황 이산화물 레벨은 1 내지 33 부피% 범위가 되며, 이는 산소 공급 농도에 따라서 달라진다.
재생된 흡착제는 고체 분리 장치의 바닥을 떠나고 그리고 선택적으로 가스 스트립 장치를 통과한다. 가스 스트립 장치는, 흡착제 유동에 대해서 역류 방향으로 유동하여 재생 장치 오프-가스를 흡착제 입자로부터 변위시키고, 그에 따라 황 이산화물이 흡수 장치로 이송되는 것을 최소화하는, 불활성 가스, 예를 들어, 질소, 증기 및 이산화탄소를 이용한다.
공급 가스가 고체 입자를 포함하는 경우에, 본원 발명 범위 내의 입자 크기 분포는 흡수 장치 및 재생 장치 시스템 내에서 사용되는 것에 대한 유사한 효율로 고체 분리 장치를 통해서 공급 가스를 통과시킴으로써 효율적으로 유지될 수 있을 것이다. 공급 가스 내에 존재하는 미립자 물질(matter)은 전처리 분리 장치에 의해서 제거되거나 또는 축적되지 않고 시스템을 통과할 것이다.
부정기적이고(infrequent), 단속적인(intermittent) 흡착제 유동을 가지는 경로들 상에서, 예를 들어 샘플 라인들 및 장입(charging) 라인들 상에서, 증기가 정체된 흡착제 주위에서 응축될 수 있다면, 플러그(plugs)가 형성될 것이다. 이들 플러그는 물 응축을 방지하기 위한 적절한 열 트레이싱(tracing), 절연, 및/또는 건성 가스 퍼지, 예를 들어 불활성 가스 또는 건성 합성 가스의 조합에 의해서 방지될 수 있다.
유체 촉매 크랙커(Fluid Catalytic Cracker ;FCC) 시스템과 유사하게, 작동 조건들에 있는 동안 흡착제의 장입 및 방출을 허용하기 위해서, 적절한 대비(對備; provision)가, 예를 들어, 디자인에 통합될 수 있다. 이들 시스템은 본원의 설명에 따라서 1200 psig 초과의 압력에서 작동되도록 디자인될 수 있다.
흡착제를 장입하기에 앞서서, 예를 들어, 시스템에서 건성 불활성 가스로 응축가능한 가스를 퍼지할 수 있을 것이다. 적절한 통기 및 이송 가스 유동이 형성된 후에, 흡착제가 시스템으로 장입되고 그리고 순환된다. 고체 순환은 균일한 열 분산을 돕는다. 이어서, 시스템은 도입에 앞서서 프로세스 가스의 이슬점 보다 더 높은 온도로 가열될 수 있다. 시스템을 예열하는 것은 또한 열적 쇼크 또는 이슬점 부식으로 인한 설비 손상 가능성을 최소화한다. 이러한 목적을 달성하기 위한 하나 이상의 방법은 시동(startup) 히터, 재순환 콤프레서 및 건성의 불활성 가스, 예를 들어 질소의 이용을 포함한다. 단일의 그러한 시스템을 이용하는 것은 흡수 장치 및 재생 장치가 동시에 예열될 수 있게 허용할 것이다.
시스템이 예열되면, 불순물 함유 가스가 흡수 장치로 도입된다. 재생 반응을 개시하기 위한 충분한 양의 불순물이 흡착제에 포함될 때까지, 전술한 건성 불활성 가스 시스템을 이용하여 재생 장치 내에서 순환을 유지한다.
유동화 재생 장치 구역 내의 1000 ℉의 초기의 최소 재생 반응 온도는 이하의 방법들 중 하나 이상에 의해서 얻어질 수 있을 것이다: 1) 산소에 노출될 때 동시에 연소될 것이고 그리고 재생 반응을 지원할 수 있을 정도로 충분히 높게 유동화 재생 구역의 온도를 높일 수 있는 충분한 연소 열을 가지는 철 황화물 또는 유사 물질과 같은 자연 발화성 첨가제의 첨가; 2) 합성가스, 천연 가스, 프로판, 디젤, 또는 유동이 적절하게 제어될 수 있고 그리고 정상적인 재생 장치 조건하에서 연소될 수 있는 다른 발화성 물질과 같은 보충 연료의 첨가; 및 3) 적절하게 디자인된 시동 히터를 가지는 건성 가스 예열 시스템의 계속적인 적용. 보충적인 연료가 이용되는 경우에, 그러한 연료는 유동화 재생 구역으로 직접적으로 부가될 수 있고 또는 유동화 재생 장치 구역으로 유입되기에 앞서서 산소와 혼합되고 그리고 연소될 수 있을 것이다. 어느 경우에도, 고온의 연소 가스를 이용하여 유동화 재생 장치 구역의 온도를 재생 반응에 필요한 최소 온도까지 상승시킨다. 이러한 온도에 도달하면, 유동화 재생 장치 반응 구역을 최소 반응 온도 보다 높게 유지하는 것을 보조하기 위해서, 필요에 따라서 보충적인 연료의 유동이 중단될 수 있고 또는 감소될(scale back) 수 있을 것이다. 당업자는 유동화 재생 구역 내에서 최소 반응 온도를 달성하기 위한 다른 방법 및 기술을 이해할 수 있을 것이다.
흡착제 괴상화(agglomeration) 가능성을 최소화하기 위해서, 건성 불활성 가스를 이용하여 응축가능한 증기를 시스템으로부터 퍼지할 수 있다. 이러한 퍼징은 시스템이 냉각되는 동안 실시될 수 있을 것이다. 전술한 시동 순환 시스템은 또한 응축가능물들을 퍼징하는 동안 시스템의 제어된 냉각을 허용하도록 디자인된다.
이하의 예들은 본원 발명을 비-제한적인 방식으로 설명하기 위한 것이다. 이러한 예들을 통해서, "표준"이라는 용어는 가스 부피 및 가스의 부피적 유동 속도를 달성하기 위한 대기 압력 및 70 ℉(21 ℃)의 기준 조건을 제공하기 위해서 사용된 것이다.
예
예 1
황 제거
도 6에 개략적으로 도시된 듀얼 루프 탈황 파일롯(pilot) 플랜트 시스템을 이러한 실험에서 이용하였다. 아연 산화물계 흡착제를 흡착제로 이용하였다. 듀얼 루프 파일롯 플랜트 시스템 내의 여러 성분(부품)들의 특정 치수(dimensions)가 표 1에서 제공된다. 듀얼 루프 장치를 이용하여 실시되는 실험들을 표 2에 간략히 기재하였다. 이들 데이터는 각 실험에 대한 평균 값들이다. 시스템은 재생 반응 속도를 흡수 반응 속도에 부합시키는(match) 능력 그리고 그에 따른 흡수 장치 사이클론을 떠나는 탈황 합성가스 내의 낮은 황 레벨 및 아연 산화물계 흡착제 상의 일정한 황 농도를 유지할 수 있는 능력을 증대시키는데 있어서 성공적이었다.
듀얼 루프 성분의 치수
구역 공칭 지름(인치) 길이(피트)
흡수 장치
유동화 2.5 15
상승부 1.5 41
배수탑 2.5 38
J-레그 1.0 9
황화 배수탑 2.0 39
황화 J-레그 0.8 9
재생 장치
유동화 2.5 25
상승부 1.0 7
배수탑 2.0 14
루프 밀봉 2.0 10
황 제거에 의해서 측정된 바와 같은 흡수 장치 성능과 프로세스 변수 사이의 관계를 학습하기 위해서, 표 2에서 요약된 실험을 이용하여 흡수 장치 반응기 루프에 대한 프로세스 조건들(예를 들어, 온도, 압력, 체류 시간 등)을 변화시켰다.
Figure pct00001
Figure pct00002
휘발성 금속 제거
석탄-유도형 합성가스 내에 주로 존재하는 휘발성 금속, 특히 비소(As), 카드뮴(Cd), 수은(Hg) 및 셀레늄(Se)의 운명(fate)을 결정하기 위해서 특별한 샘플링을 실시하였다. 이러한 실험들을 위해서, 합성가스로부터 휘발성 금속을 제거하도록 디자인된 일련의 "트랩" 내로 공급 합성가스 및 탈황 합성가스의 슬립 스트림들을 계량 공급(metered)하였다. 이어서, 다른 곳에서(off-site) "트랩"을 금속 함량에 대해서 분석하였다. 3가지 다른 포획 방법(트랩)을 이하에서와 같이 이용하였다.
차콜 흡착 방법
일련 배치된, 1.0 그램의 산-세된(acid-washed), 코코넛-쉘 차콜을 각각 포함하는, 세 개(3)의 흡착제 샘플링 튜브로 샘플 트레인(train)이 이루어진다. 각각의 위치로부터의 가스가 2-시간의 기간에 걸쳐서 분당 0.5 표준 리터의 속도로 샘플 튜브로 공급되어 60 표준 리터의 총 샘플 부피가 되었다.
요오드 모노클로라이드 임핀저 ( impinger ) 방법
빙초산에서 준비된 100 ml의 16% 요오드 모노클로라이드 용액을 각각 포함하는 세 개(3)의 임핀저로 샘플 트레인이 이루어졌다. 각각의 위치로부터의 가스가 2-시간의 기간에 걸쳐서 분당 14.2 표준 리터의 속도로 샘플 튜브로 공급되어 852 표준 리터(60 scf)의 총 샘플 부피가 되었다.
칼륨 과망간산염 임핀저 방법
수은을 포획하기 위한 10% 황산 용액 내의 4% 칼륨 과망간산염 100 ml을 포함하는 임핀저가 후속되는, H2S 제거를 위한 20% 나트륨 수산화물 용액을 포함하는 초기 임핀저로 샘플 트레인이 이루어졌다. 공급 합성가스는 765 표준 리터(27 scf)의 총 샘플 부피에 대해서 90 분 동안 분당 8.5 표준 리터(0.3 scf)의 속도로 샘플링되었다. 탈황된 합성가스는 1,704 표준 리터(60 scf)의 총 샘플 부피에 대해서 2 시간 동안 분당 14.2 표준 리터(0.5 scf)의 속도로 샘플링되었다.
전술한 샘플링은 3일의 기간에 걸쳐 총 5차례 실시되었다. 테스팅의 결과를 표 3에 요약하였다. 5번의 샘플링 기간 동안 프로세스 조건이 비교적 일정하게 유지되었고 그리고 다음과 같았다:
흡수 장치 온도: 895 ℉
흡수 장치 압력: 450 psig
합성가스 공급 속도, 샘플 1: 7,160 scfh
샘플 2-5 : 4,993 scfh
재생 장치 온도: 1,303 ℉
데이터로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 도 6에 도시된 장치는 합성가스 내에 존재하는 셀레늄의 97% 이상 그리고 비소의 약 92%를 또한 제거하였다. 수은 데이터는 차콜 및 과망간산염 방법 모두에서 중요한 것이 아니었다(inconclusive).
휘발성 금속 제거
농도, ㎍/Nm3
불순물 포획 방법 공급 합성가스 탈황된 합성가스 % 제거
비소 차콜(Charcoal) 921 79 91.4%
비소 ICI 884 66 92.5%
카드뮴 차콜 ND
(<1.2)		 ND
(<1.2)		 -
수은 차콜 28.4 104 -266.2%
수은 과망간산염
(permanagamate)		 74.7 55.5 25.7%
셀레늄 차콜 157 <4.7 97.0%
전술한 가스 분석에 더하여, ZnO 흡착제의 샘플을 듀얼 루프 반응기 시스템으로부터 주기적으로 제거하였다. 이들 샘플은 비소 및 셀레늄 함량에 대해서 분석되었다. 이들 데이터는 표 4에 제시되어 있다. 그 데이터에서 볼 수 있는 바와 같이, 전체 작동 시간의 양이 증가됨에 따라 비소 및 셀레늄 함량이 증가되었다.
ZnO 흡착제의 비소 및 셀레늄 함량
샘플 비소
(㎍/g)		 셀레늄
(㎍/g)
노출되지 않음 < 1.25 < 1.25
샘플 1 167 2.81
샘플 2 525 22.7
샘플 3 713 53.9
샘플 4 1480 96.8
1,500 시간의 작동 후에, 반응기 시스템으로부터 제거된 ZnO 흡착제 샘플이 또한 황산염에 대해서 분석되었다. 노출되지 않은 흡착제 샘플은 황산염으로서 < 0.1% 황을 가지는 것으로 밝혀졌다. 1,500 시간의 작동 후에 취해진 샘플은 황산염으로서 < 0.1% 황을 또한 가지는 것으로 밝혀졌다. 그에 따라, 1,500 시간의 작동 후의 황산염 농도가 노출되지 않은 흡착제와 본질적으로 동일하였으며, 이는 황산염 형성이 발생되지 않았다는 것을 나타낸다.
예 2
이러한 예는, 본질적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 시스템 내의 흡수 장치 구역 및 재생 장치 구역에서 황의 밸런싱된 제거를 유지하는데 필요한 공기의 양을 예상하기 위해서 황 흡수 속도가 사용되는 프로세스 제어를 설명한다. 이하의 식이 제어 시스템 내로 프로그램화되었다:
필요 공기 = 알파 X 흡수 속도(시간당 황의 파운드)
이때 알파(Alpha) = a1 X a2 X a3 X a4;
a1 = 반응 1에서 황의 몰당 필요한 화학양론적 산소(황의 몰당 1.5 몰의 산소);
a2 = 표준 상태에서 이상적인 가스의 몰랄 부피(359 입방 피트/lb몰);
a3 = 황의 몰랄 중량(32 lb/lb몰); 및
a4 = 공기 중의 산소의 농도(0.21 몰의 산소/공기 몰).
이어서, 계산된 공기 요건은 공기 유동 제어부를 위한 원격(remote) 셋 포인트로서 사용되었다. 이어서, 작업자는 임의의 측정 부정확성을 허용하기 위해서 - 100 내지 +100 scfh 의 바이어스를 부가할 수 있다. 도 7은, 합성가스 공급 속도의 의도적인 변화에 의해서 유발된 황 흡수 속도의 상당한 변화 동안에도 비교적 일정한 흡착제 황 포함량을 공급 전방 제어 방식이 얼마나 잘 유지하였는지의 예를 제공한다. 도 7에서, "흡수된 황"은 흡수 장치 내에서 합성 가스로부터 제거되고 그리고 흡착제 상으로 포함되게 되는 황의 계산된 양을 지칭한다. "ROG 황"은 재생 동안에 흡착제로부터 방출된 그리고 재생 오프-가스 내에서 제거된 황의 계산된 양을 지칭한다. "Abs-포함(Load)"는 흡수 장치 배수탑으로부터 제거된 샘플에 의해서 결정된 흡착제 상의 황 포함량을 지칭한다. "Reg-포함"은 재생 장치 배수탑으로부터 제거된 샘플에 의해서 결정된 흡착제 상의 황 포함량을 지칭한다. "청정 합성가스 내의 황(Sulfur in Clean SynGas)" 은 흡수 장치로부터의 유출 합성가스 내에 존재하는 전체 (H2S 및 COS)를 지칭한다.

Claims (59)

  1. 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법으로서:
    (a) 공급 가스 스트림의 불순물 함량을 줄이기에 그리고 고체 흡착제 스트림의 불순물 포함량을 증대시키기에 충분한 조건하에서 유동화 흡수 장치 구역 내에서 불순물 함유 공급 가스 스트림을 고체 흡착제 스트림과 접촉시키는 단계;
    (b) 흡수 장치 구역으로부터 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 제거하고 그리고 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림의 적어도 일부를 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역으로 전달하는 단계로서, 상기 제 1의 고체 이송 구역은 유동화 고체 재생 장치 구역에 유체 연결되고 그리고 상기 이송 구역을 통한 통기 가스의 유동에 응답하여 제어가능한 유동 속도로 고체를 유동화 재생 장치 구역으로 이송하도록 되어 있는, 전달 단계;
    (c) 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 상기 제 1의 고체 이송 구역으로부터 유동화 고체 재생 장치 구역으로 이송하고 그리고 유동화 고체 재생 장치 구역 내에서 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 재생 장치 공급 가스와 접촉시켜 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림의 불순물 함량을 감소시키는 단계;
    (d) 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림을 유동화 재생 장치 구역으로부터 제 2의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역으로 이송하는 단계로서, 상기 제 2 고체 이송 구역은 재생 장치 구역 및 흡수 장치 구역에 유체 연결되고 그리고 불순물이 감소된 고체 흡착제 스트림의 제 2 고체 이송 구역 내로의 유동 속도와 동일한 유동 속도로 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림을 흡수 장치 구역으로 이송하도록 구성되는, 이송 단계;
    (e) 흡수 장치 구역으로부터 정제된 가스 스트림을 회수하는 단계를 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유동화 흡수 장치 구역으로부터 제거된 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림의 적어도 일부를 제 3의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 구역으로 이송하는 단계로서, 상기 제 3의 이송 구역은 유동화 흡수 장치 구역의 하류 부분으로부터 고체 스트림을 수용하기 위해서 그리고 유동화 흡수 장치 구역의 상류 부분으로 고체 스트림을 전달하기 위해서 유체 연결되고, 상기 제 3의 고체 이송 구역은 상기 이송 구역을 통한 통기 가스의 유동에 응답하여 제어가능한 유동 속도로 고체를 유동화 흡수 장치 구역으로 이송하도록 구성되는, 이송 단계; 및
    상기 불순물 함유 공급 가스 스트림과의 접촉을 위해서, 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 제 3 고체 이송 구역으로부터 유동화 흡수 장치 구역의 상류 부분으로 이송하는 단계를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 흡수 장치 구역 및 상기 재생 장치 구역의 압력을 측정하는 단계;
    상기 구역들 사이의 압력차를 결정하는 단계;
    상기 압력차를 하나 이상의 소정 압력차 값과 비교하는 단계; 및
    상기 측정 단계에 응답하여 상기 흡수 장치 구역 및 상기 재생 장치 구역 중 하나 이상의 압력을 조정하는 단계를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 흡수 장치 구역 및 상기 재생 장치 구역의 압력을 측정하는 단계;
    상기 구역들 사이의 압력차를 결정하는 단계;
    상기 압력차를 하나 이상의 소정 압력차 값과 비교하는 단계; 및
    상기 측정 단계에 응답하여 상기 흡수 장치 구역 및 상기 재생 장치 구역 중 하나 이상의 압력을 조정하는 단계를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 소정 압력차 값은 약 1 psig 내지 약 20 psig 범위의 압력차를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 소정 압력차 값은 약 2 psig 내지 약 10 psig 범위의 압력차를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 조정 단계는 재생 장치 구역의 압력을 조정하는 단계를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 조정 단계는 상기 재생 장치 구역을 빠져나가는 불순물 포함 가스의 압력을 조정하는 단계를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수 장치 구역 내의 정량적인 불순물 제거 속도를 결정하는 단계;
    상기 불순물 제거 속도를 소정 제어 값과 비교하는 단계; 및
    상기 비교 단계에 응답하여 상기 재생 장치 구역으로 공급되는 재생 장치 공급 가스의 유동 속도를 조정하는 단계를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수 장치 구역 내에서 정량적인 불순물 제거 속도를 결정하는 단계;
    상기 재생 장치 구역 내에서 정량적인 불순물 제거 속도를 결정하는 단계;
    상기 불순물 제거 속도들을 소정 제어 값에 대해서 비교하는 단계; 및
    상기 비교 단계에 응답하여 상기 재생 장치 구역으로 공급되는 재생 장치 공급 가스의 유동 속도를 조정하는 단계를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수 장치 구역으로부터 제거되는 불순물이 포함된 흡착제 스트림의 샘플의 불순물 포함량을 결정하는 단계;
    상기 불순물 포함량을 소정 제어 값과 비교하는 단계; 및
    상기 비교 단계에 응답하여 상기 재생 장치 구역으로 공급되는 재생 장치 공급 가스의 유동 속도를 조정하는 단계를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 고체 이송 구역은 J-레그를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 고체 이송 구역은 루프 밀봉을 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물 포함 흡착제 스트림은 유동화 재생 장치 구역 내에서 산소와 접촉되는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 불순물 포함 흡착제 스트림은 유동화 재생 장치 구역 내에서 산소 및 하나 이상의 불활성 가스의 혼합물과 접촉되는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 사이클론 분리 장치가 상기 흡수 장치 구역으로부터 제거된 정제 가스와 상기 불순물 포함 흡착제 스트림을 분리하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 사이클론 분리 장치를 떠나는 상기 불순물 포함 흡착제 스트림은 가스 스트립 장치를 통과하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동화 흡수 장치 구역의 온도는 600 내지 1200 ℉ 범위인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 유동화 흡수 장치 구역의 온도는 700 내지 1000 ℉ 범위인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물-함유 공급 가스의 압력은 100 내지 1200 psig 범위인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물은 황 화합물, 비소 및 비소 화합물, 그리고 셀레늄 및 셀레늄 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  22. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 흡착제 스트림은 철 산화물, 아연 산화물, 아연 페라이트, 구리 페라이트, 구리 산화물, 바나듐 산화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 활성 금속 산화물을 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  23. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 흡착제 스트림은 50 내지 140 미크론의 평균 입자 지름을 갖는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  24. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물 함유 공급 가스 스트림은 상기 유동화 흡수 장치 구역 내에서 상기 고체 흡착제 스트림과 약 3 내지 약 25 초의 체류 시간 동안 접촉되는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 유동화 흡수 장치 구역 내의 체류 시간은 3 내지 10 초 범위인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  26. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불순물 포함 고체 흡착제 스트림은 상기 유동화 고체 재생 장치 구역 내에서 상기 재생 장치 공급 가스와 약 3 내지 약 25 초의 체류 시간 동안 접촉되는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  27. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수 장치 구역을 빠져나가는 상기 불순물 포함 흡착제의 불순물 함량은 흡착제의 불순물 흡착 용량의 10% 내지 90% 범위인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 불순물 함량은 흡착제의 불순물 흡착 용량의 30% 내지 75% 범위인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  29. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수 장치 구역을 빠져나가는 상기 불순물 포함 흡착제의 비소 함량은 0 내지 3000 ppm 범위인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  30. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동화 흡수 장치 구역으로부터 회수된 정제된 가스 스트림은 50 ppm 또는 그 미만의 황 레벨을 갖는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 정제된 가스 스트림은 20 ppm 또는 그 미만의 황 레벨을 갖는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 정제된 가스 스트림은 10 ppm 또는 그 미만의 황 레벨을 갖는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  33. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동화 재생 장치 구역의 온도는 900 내지 1450 ℉ 범위인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 유동화 재생 장치 구역의 온도는 1200 내지 1450 ℉ 범위인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  35. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 1) 자연 발화성 첨가제의 첨가; 2) 보충 연료의 첨가; 및 3) 건성 가스 예열 시스템의 이용 중 하나 이상에 의해 상기 유동화 재생 장치 구역을 가열하는 단계를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  36. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 고체 이송 구역은 J-레그를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 제 1의 고체 이송 구역은,
    (a) 유지 용기와 유체 연통하는 하강 파이프; 및
    (b) 불순물이 포함된 흡착제를 상기 하강 파이프로부터 유동화 재생 장치 구역으로 이송하기 위해서 상기 하강 파이프와 유체 연통하는 이송 파이프를 포함하며, 상기 하강 파이프와 이송 파이프 사이의 각도가 90°또는 그 미만인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 이송 파이프의 지름이 상기 유지 용기의 지름보다 작은 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 하강 파이프는 유동 제한부를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  40. 제 37 항에 있어서, 통기 가스가 유지 용기, 하강 파이프, 및 이송 파이프 중 하나 이상의 내부로 도입되는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  41. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제 3 고체 이송 구역은 J-레그를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 제 3의 고체 이송 구역은,
    (a) 유지 용기와 유체 연통하는 하강 파이프; 및
    (b) 상기 분리된 불순물 포함 흡착제를 상기 하강 파이프로부터 상기 유동화 흡수 장치 구역으로 이송하기 위해서 상기 하강 파이프와 유체 연통하는 이송 파이프를 포함하며, 상기 하강 파이프와 상기 이송 파이프 사이의 각도는 90°또는 그 미만인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  43. 제 42 항에 있어서, 상기 이송 파이프의 지름은 상기 유지 용기의 지름보다 작은 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 하강 파이프는 유동 제한부를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  45. 제 42 항에 있어서, 통기 가스가 유지 용기, 하강 파이프, 및 이송 파이프 중 하나 이상의 내부로 도입되는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 방법.
  46. 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템으로서,
    (a) 공급 가스 스트림의 불순물 함량을 줄이기에 그리고 고체 흡착제 스트림의 불순물 포함량을 증대시키기에 충분한 조건하에서 불순물 함유 공급 가스 스트림을 고체 흡착제 스트림과 접촉시키도록 구성된 유동화 흡수 장치;
    (b) 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림의 불순물 함량을 줄이기에 충분한 조건하에서 불순물이 포함된 흡착제 스트림을 재생 가스와 접촉시키도록 구성된 유동화 고체 재생 장치;
    (c) 상기 유동화 흡수 장치, 상기 유동화 고체 재생 장치 및 통기 가스의 공급부와 유체 연통되는 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치로서, 상기 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 상기 흡수 장치로부터 수용하고 그리고 상기 불순물이 포함된 고체 흡착제 스트림을 상기 유동화 재생 장치로, 상기 통기 가스에 응답하는 제어가능한 유동 속도로, 이송하도록 구성되고 정렬되는, 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치;
    (d) 유동화 재생 장치 및 유동화 흡수 장치와 유체 연결되고, 그리고 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림을 상기 유동화 재생 장치로부터 수용하고 그리고 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림을, 불순물 함량이 감소된 고체 흡착제 스트림의 유동 속도를 변화시키지 않고, 상기 유동화 흡수 장치로 이송하도록 구성된 제 2의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치
    를 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  47. 제 46 항에 있어서, 상기 유동화 흡수 장치의 하류 부분, 상기 유동화 흡수 장치의 상류 부분, 및 통기 가스의 공급부에 유체 연결되고, 그리고 고체 스트림을 상기 유동화 흡수 장치의 하류 부분으로부터 수용하고 그리고 통기 가스에 응답하여 제어가능한 유동 속도로 고체를 상기 유동화 흡수 장치의 상류 부분으로 이송하도록 구성되고 정렬된 제 3의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  48. 제 47 항에 있어서, 상기 제 3의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치는 J-레그를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  49. 제 48 항에 있어서, 상기 제 3의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치는,
    (a) 유지 용기와 유체 연통하는 하강 파이프; 및
    (b) 상기 불순물 포함 흡착제를 상기 하강 파이프로부터 상기 유동화 흡수 장치로 이송하기 위해서 상기 하강 파이프와 유체 연통하는 이송 파이프를 포함하며,
    상기 하강 파이프와 상기 이송 파이프 사이의 각도가 90°또는 그 미만인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  50. 제 46 항에 있어서, 상기 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치는 J-레그를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  51. 제 50 항에 있어서, 상기 제 1의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치는,
    (a) 유지 용기와 유체 연통하는 하강 파이프; 및
    (b) 불순물이 포함된 흡착제를 상기 하강 파이프로부터 상기 유동화 재생 장치로 이송하기 위해서 상기 하강 파이프와 유체 연통하는 이송 파이프를 포함하며,
    상기 하강 파이프와 이송 파이프 사이의 각도가 90°또는 그 미만인 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  52. 제 49 항 또는 제 51 항에 있어서, 상기 이송 파이프의 지름은 상기 유지 용기의 지름보다 작은 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  53. 제 52 항에 있어서, 상기 하강 파이프는 유동 제한부를 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  54. 제 49 항 또는 제 51 항에 있어서, 유지 용기, 하강 파이프, 및 이송 파이프 중 하나 이상이 통기 가스를 수용하도록 구성되는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  55. 제 46 항에 있어서, 상기 제 2의 비-기계식 가스 밀봉 형성 고체 이송 장치는 루프 밀봉을 포함하는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  56. 제 46 항에 있어서, 상기 흡수 장치의 유출 가스 및 상기 재생 장치의 유출 가스의 압력을 측정하도록 또는 2개의 유출 가스 사이의 압력차를 측정하도록 구성되고 정렬된 하나 이상의 센서; 및
    상기 하나 이상의 센서에 연결된 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 하나 이상의 센서로부터 압력 또는 압력차 입력 측정치들을 수신하고 그리고 2개의 유출 가스들 사이의 압력차를 소정 압력차 값에 비교하도록 구성되고, 상기 제어부는 또한 당해 제어부로부터 수신된 명령을 기초로 재생 장치의 유출 가스의 압력을 조정하도록 구성되고 정렬된 제어가능 밸브에 연결되는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  57. 제 46 항에 있어서, 상기 흡수 장치 내의 정량적인 불순물 제거 속도의 결정을 가능하게 하는 입력을 수신하도록 구성된 그리고 상기 불순물 제거 속도를 소정 제어 값과 비교하도록 구성된 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 당해 제어부로부터 수신된 명령을 기초로 재생 장치로 공급되는 재생 가스의 유동 속도를 조정하도록 구성되고 정렬된 제어가능 밸브에 연결되는 것인 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  58. 제 46 항에 있어서, 상기 흡수 장치로부터의 유출물을 불순물 포함 흡착제 스트림 및 정제된 가스로 분리하도록 구성되고 정렬된 사이클론 분리 장치를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
  59. 제 58 항에 있어서, 상기 사이클론 분리 장치를 떠나는 불순물 포함 흡착제 스트림을 수용하도록 구성되고 정렬된 가스 스트립 장치를 더 포함하는 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 유동화 반응기 시스템.
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