KR20130070564A - 흡착제 베드의 단계적 블로우다운 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡착제 베드에 출입하는 가스의 유동을 제어하기 위한 두 개 이상의 밸브를 사용하는 압력 변환 흡착(PSA) 시스템에 관한 것으로, 상기 두 개 이상의 밸브는 순차적으로 개방된다(즉, 적어도 2회의 작동이 지연 시간을 두고 서로 별개로 발생한다). 밸브의 순차적인 개방은 베드로부터의 흡착 종의 퍼지 처리도를 증가시킬 수도 있으며, 또한, PSA 사이클의 소정 단계들의 보다 신속한 실행을 촉진함으로써, 흡착제의 생산성을 증가시킬 수도 있다. 밸브의 순차적인 개방은 또한, 흡착제 베드에 있어서의, 하향류 매니폴드에 있어서의, 또는 완충 용기에서 유지되고 있는 가스 체적에 있어서의 압력 도함수 변화율, 경사도(도함수) 또는 절대값을 측정하는 방식으로 이루어지는 밸브 작동 검증 과정을 허용할 수도 있다.

Description

흡착제 베드의 단계적 블로우다운{STAGED BLOWDOWN OF ADSORBENT BED}
본 명세서에 개시된 실시예는 전체적으로 압력 변환 흡착(pressure swing adsorption) 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 개시된 실시예는 흡착제 베드(bed)에 출입하는 가스의 유동을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
압력 변환 흡착(PSA)은 적어도 하나의 정화 처리된 생성물 가스와 라피네이트(raffinate) 부산물 혼합물을 제공하기 위한 기체 혼합물을 제조하도록 사용되는 기술이다. PSA는, 여러 용례 중에서도, 수소를 다른 가스로부터 분리하며, 공기로부터 산소와 질소를 분리하고, 천연 가스로부터 헬륨을 분리하기 위해 성공적으로 사용되어 왔다.
초기의 PSA 시스템은 일반적으로, 병렬 작동식의 네 개의 흡착 용기에 사용되었다. 이러한 시스템의 일 예가 와그너(Wagner)의 미국 특허 제 3,430,418 호에 개시되어 있다. 와그너의 공정 이후 이루어진 개선 사항으로서, 네 개의 흡착제 베드를 유지하면서 다른 또 하나의 압력 평형 단계가 추가되었으며(예를 들어, 바타(Batta)의 미국 특허 제 3,564,816 호), 이어서, 푸더러(Fuderer) 등의 미국 특허 제 3,986,849 호에 개시된 바와 같이, 일곱 개 이상의 베드에 대하여 심지어 보다 많은 횟수의 압력 평형화(pressure equalization) 단계가 추가되었다. 이러한 압력 평형화 단계의 실행 횟수 및 흡착 용기의 개수 증가는 생성물의 회수율 및 흡착제의 생산성을 증가시키기 위한 목적으로 도입된 것이다. 불행하게도, 성능 증가를 달성하기 위해서는, 와그너의 공정에 31개가 사용되고, 바타의 공정에서는 그 개수가 33개로 증가하였으며, 다시 푸더러 등의 공정에서는 최소 44개가 사용된 바와 같이 필요한 밸브의 개수를 증가시켜야만 한다.
PSA 사이클의 성능은 보통 여러 개의 기준을 근거로 측정된다. 제 1 기준은 정화 처리된 생성물로서 운반되는 총 공급 스트림 중 생성물 종(species)이 차지하는 부분을 나타내는, 주어진 불순물 레벨의 생성물 회수율이다. 제 2 측정 기준은 사이클의 총 시간 대비 생성물의 운반이 이루어지는 시간에 해당하는 PSA 사이클 부분의 비율과 관련된 흡착제의 생산성이다. 고정적인 공급 조성물의 전술한 매개 변수 중 하나 또는 모두를 최대화하기 위하여, 기타 시스템을 이용한 상당수의 접근법이 설명되어 왔다.
와그너는 퍼지(purge) 과정을 거친 일 용기를 재가압한 다음, 후속 과정으로서 제 1 용기의 압력이 소멸하기 전에 다른 용기를 퍼지 처리하기 위하여 가압 상태의 베드에 저장된 가스를 사용하는 방법을 개시하고 있다. 이후 바타에 의해 개시된 바에 따르면, 제 1 압력 평형화 단계에 추가하여 제 2 압력 평형화 단계가 수행될 수 있으며, 이에 따라 의미 있는 회수율 개선이 달성된다. 바타의 사이클에서도 퍼지 가스(purge gas)가 사용된다. 푸더러 등은 전술한 접근법을 제 3 압력 평형화 단계의 실시로 확장시켰으며, 이러한 접근법에서 주목하고 있는 바와 같이, 베드로부터 회수된 최고 순도의 가스는 항상 재가압되고 있는 다른 베드에 도입되는 최종 가스이다. 바타의 네 개의 용기에 관한 사이클은 진정으로 요구되는 양보다 적은 양의 순수 가스가 가압 용기에 도입되도록 구성되었다. 또한, 푸더러 등의 발명에 의하면, 이전의 사이클에 의해 달성 가능한 생산성보다 높은 흡착제 생산성 달성이 가능한데, 그 이유는 밸브 전환 논리의 세부 요인들로 인해 흡착을 위해 할당된 사이클의 시간 부분이 보다 증가하기 때문이다.
전술한 방법들이 우수한 생성물 회수율 및 흡착제 생산성 달성을 촉진하긴 하지만, 고도의 복잡성으로 인해 고비용 하에서 수행된다는 문제가 있다. 와그너의 원래 공정에는 일 단계의 압력 평형화 및 추가적인 일 용기의 퍼지 처리(purging)를 촉진하기 위하여 4개의 용기와 31개의 밸브가 채용되었다. 바타의 공정에서는 총 밸브가 33개로 증가하였으며, 바타의 사이클의 4개의 용기에 대하여 2회에 걸쳐 압력 평형화 단계가 수행되었다. 이러한 4개의 베드에 관한 양 사이클의 경우, 총 시간 중 25%에 걸쳐, 주어진 일 용기로부터 가스가 생성된다. 바타는 또한, 가스의 순도가 연속적으로 증가하는 조건의 소망하는 재가압을 제공하기 위하여 평형화 단계를 추가하도록 43개의 밸브를 갖춘 5개의 용기에 관한 시스템을 제공하였다. 이러한 사이클에서는, 총 시간 중 20% 동안만, 주어진 용기로부터 가스가 생성되었다. 푸더러 등의 3회의 평형화 단계 및 퍼지 처리 단계를 제공하는 가장 간단한 사이클은 9개의 용기와 55개의 밸브를 필요로 하였다. 이러한 사이클에서는 총 시간 중 33% 동안 가스 생성이 이루어져, 바타와 와그너의 사이클에서와 비교하여 가스 생성 시간이 상당히 증가하였다. 회수율 및 생산성의 임계 범위 내에서 사이클이 진행되었긴 하지만, 이러한 사이클의 경우에는 기구적인 복잡성이 크게 증가하기 때문에 비용이 많이 든다. 또한 기구적인 복잡성이 증가함에 따라 전체 시스템 체적, 질량 및 조립 시간이 증가할 수 밖에 없으며 그 비용 또한 증가하게 된다. 또한, 시간이 흐를수록 밸브의 개수가 큰 폭으로 증가하여 옴에 따라, PSA 시스템의 신뢰도 저하가 초래되었으며, 이러한 PSA 시스템은 시스템 고장의 단 하나의 지점으로서, 하나의 밸브만 고장이 나도 작동이 정지되는 문제가 있다.
최근, 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 시스템의 복잡성을 감소시키기 위한 노력이 이루어져 왔다. 스토커(stocker)의 미국 특허 제 4,761,165 호에서는, 4개의 용기 및 비례 제어 작동식의 4개의 밸브를 포함하여 18개의 밸브를 사용하여 와그너의 공정을 수행하였다. 두하이어(Duhayer) 등의 미국 특허 제 6,146,450 호에는, 파이프 고정구(fitting)를 최적으로 배열함으로써 복잡성을 감소시키기 위한 수단이 개시되어 있다. 그러나, 이 접근법은 밸브 또는 용기의 개수의 관점에서 기존의 PSA 사이클을 크게 변경시킨 것은 아니다. 기구적으로 보다 더 간소화된 공정이 로막스(lomax) 등의 미국 특허 제 6,755,895 호에 개시되어 있다.
로막스 등의 미국 특허 제 6,858,065 호에는 또한, 압력이 감소되는 적어도 두 개의 단계로 이루어진 제 1 평형화 단계와, 압력이 증가하는 적어도 두 개의 단계로 이루어진 제 2 평형화 단계를 포함하는 공정이 개시되어 있다.
로막스 등의 미국 특허 제 7,674,319 호에는 또한, PSA 시스템의 작동 및 성능을 감시하기 위한, 시스템의 다양한 지점에 배치되는 복수의 압력 변환기를 포함하는 제어 시스템을 갖춘 PSA 시스템이 개시되어 있다. 스토커 등의 특허에는 또한, 비례식 개방 밸브의 개방도를 점진적으로 제어함으로써 흡착제의 유동화를 방지하기 위하여 제공되는, 흡착 용기, 공급 라인 및 생성물 라인 상의 복수의 압력 변환기의 사용이 개시되어 있다.
로막스 등의 미국 특허 제 6,755,895 호에는 또한, 피드백 제어 또는 비례식 밸브를 사용하지 않고 흡착제 용기를 탈출하는 가스의 유속을 제한하기 위한 고정된, 유동 제한 오리피스를 포함하는 시스템이 개시되어 있다.
밝혀진 바와 같이, 주기가 과도하게 빠른 작동의 한계로서, 로막스의 제 6,755,895 호의 특허에 개시된 발명을 통해 달성된 바와 같은 유량으로는 압력 평형화 단계의 실행을 위한 신속성이 바람직하지 못하게 제한될 수도 있어, 흡착제의 생산성이 제한될 수 있다.
전술한 여러 다양한 공정들을 통해, 와그너의 공정에 비해 사용 밸브의 총 개수가 감소된 간단한 구성을 달성할 수도 있다. 그 외에도, 밸브의 고장 및 시스템 성능을 결정하기 위하여 PSA 시스템을 감시 및 제어하기 위한 복수의 측정 장치가 제공될 수도 있다.
놀라운 발견 중 하나로서, 공정의 간소화 그리고 시스템 성능 및 감시에 있어서의 개선은 흡착제 베드에 출입하는 가스의 유동을 제어하기 위한 두 개 이상의 밸브를 사용하여 달성될 수도 있으며, 상기 두 개 이상의 밸브는 순차적으로 개방된다(즉, 적어도 2회의 작동이 지연 시간을 두고 서로 별개로 발생한다). 밸브의 순차적인 개방은 베드로부터의 흡착 종의 퍼지 처리도를 증가시킬 수도 있으며, 또한, PSA 사이클의 소정 단계들의 보다 신속한 실행을 촉진함으로써, 흡착제의 생산성을 증가시킬 수도 있다. 밸브의 순차적인 개방은 또한, 흡착제 베드에 있어서의, 하향류 매니폴드에 있어서의, 또는 버퍼 용기(buffer vessel)에서 유지되고 있는 가스 체적에 있어서의 압력 도함수 변화율, 경사도(도함수) 또는 절대값을 측정하는 방식으로 이루어지는 밸브 작동 검증 과정을 허용할 수도 있다. 이렇게 해서 얻어지는 시스템의 경우, PSA 시스템의 작동 및 제어 모두에 있어서 개선된 효과를 달성하면서, 부품(밸브 및 센서 포함)의 개수가 종래 기술의 공정과 비교하여 동일한 또는 감소된 수준일 수도 있으며, 따라서, 오작동 위험이 감소된다.
일 태양에 있어서, 본 발명에 개시된 실시예는 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 구비한 복수의 용기와; 상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 평형화 채널과; 상기 복수의 용기 각각에 상기 생성물 회수 채널을 연결하는 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드; 그리고 상기 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 변환 흡착 시스템에 관한 것이다.
다른 태양에 있어서, 본 발명에 개시된 실시예는 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 구비한 복수의 용기와; 상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 평형화 채널과; 상기 복수의 용기 각각에 상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드; 그리고 상기 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 변환 흡착 시스템에 관한 것이다.
또 다른 태양에 있어서, 본 발명에 개시된 실시예는 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 구비한 복수의 용기와; 상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 평형화 채널과; 상기 복수의 용기 각각에 상기 폐가스 채널을 연결하는 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드; 그리고 상기 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 변환 흡착 시스템에 관한 것이다.
또 다른 태양에 있어서, 본 발명에 개시된 실시예는 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 구비한 복수의 용기와; 상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 평형화 채널과; 상기 복수의 용기 각각에 상기 평형화 채널을 연결하는 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드; 그리고 상기 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 변환 흡착 시스템에 관한 것이다.
또 다른 태양에 있어서, 본 발명에 개시된 실시예는 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 구비한 복수의 용기와; 상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널과; 상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널과; 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 평형화 채널과; 상기 복수의 용기 각각에 상기 생성물 회수 채널을 연결하는 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드와; 상기 복수의 용기 각각에 상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드와; 상기 복수의 용기 각각에 상기 폐가스 채널을 연결하는 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드와; 상기 복수의 용기 각각에 상기 평형화 채널을 연결하는 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드; 그리고 상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하며; 상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하며; 상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하며; 그리고 상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 변환 흡착 시스템에 관한 것이다.
전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 시스템은 상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와; 상기 생성물 회수 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와; 상기 생성물 회수 채널에 유체 연결되는(fluidly connected) 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와; 상기 퍼지 가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와; 상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결되는 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와; 상기 폐가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와; 상기 폐가스 채널에 유체 연결되는 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와; 상기 평형화 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와; 상기 평형화 채널에 유체 연결되는 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수도 있다.
전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어 시스템은, 상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 상기 적어도 두 개의 밸브가 순차적으로 개방되는 동안, 상기 복수의 용기 각각의 상기 압력 센서와, 상기 생성물 회수 채널의 상기 압력 센서, 그리고 상기 생성물 회수 채널에 유체 연결되는 상기 버퍼 용기의 상기 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정되는 압력과; 상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 상기 적어도 두 개의 밸브가 순차적으로 개방되는 동안, 상기 복수의 용기 각각의 상기 압력 센서와, 상기 퍼지 가스 채널의 상기 압력 센서, 그리고 상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결되는 상기 버퍼 용기의 상기 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정되는 압력과; 상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 상기 적어도 두 개의 밸브가 순차적으로 개방되는 동안, 상기 복수의 용기 각각의 상기 압력 센서와, 상기 폐가스 채널의 상기 압력 센서, 그리고 상기 폐가스 채널에 유체 연결되는 상기 버퍼 용기의 상기 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정되는 압력; 그리고 상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 상기 적어도 두 개의 밸브가 순차적으로 개방되는 동안, 상기 복수의 용기 각각의 상기 압력 센서와, 상기 평형화 채널의 상기 압력 센서, 그리고 상기 평형화 채널에 유체 연결되는 상기 버퍼 용기의 상기 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정되는 압력에 따라 밸브의 고장을 결정하도록 구성될 수도 있다.
전술한 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 시스템은 상기 복수의 용기 각각에 상기 공급 가스 채널을 연결하는 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드; 그리고 상기 적어도 두 개의 공급 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 추가로 포함할 수도 있다.
또 다른 태양에 있어서, 본 발명에 개시된 실시예는 복수의 용기와, 상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과, 상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과, 상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널, 그리고 상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널을 포함하는 압력 변환 흡착 시스템을 작동시키기 위한 방법으로서, 병렬 유동 배열로 배치되며 상기 복수의 용기 중 하나를 상기 생성물 회수 채널에 연결하는 두 개 이상의 밸브를 순차적으로 개방하는 단계와; 병렬 유동 배열로 배치되며 상기 복수의 용기 중 하나를 상기 폐가스 채널에 연결하는 두 개 이상의 밸브를 순차적으로 개방하는 단계와; 병렬 유동 배열로 배치되며 상기 복수의 용기 중 하나를 상기 평형화 채널에 연결하는 두 개 이상의 밸브를 순차적으로 개방하는 단계와; 병렬 유동 배열로 배치되며 상기 복수의 용기 중 하나를 상기 공급 가스 채널에 연결하는 두 개 이상의 밸브를 순차적으로 개방하는 단계;그리고 병렬 유동 배열로 배치되며 상기 복수의 용기 중 하나를 상기 퍼지 가스 채널에 연결하는 두 개 이상의 밸브를 순차적으로 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 변환 흡착 시스템 작동 방법에 관한 것이다.
다른 태양 및 장점이 아래의 설명과 첨부된 특허청구범위로부터 분명해질 것이다.
본 발명에 따른 압력 변환 흡착 시스템에 의하면, 향상된 공정 성능(생성물 가스의 부분 회수율 증가)을 달성할 수 있으며, 센서 및 피드백 제어 루프 의존성을 감소시킬 수 있고, 단일 밸브 또는 센서가 고장이 나더라도 PSA 시스템의 기능을 방해하지 않는 자체 치유 모드로 작동 가능할 뿐만 아니라, 보다 적은 개수의 부품을 사용하면서 보다 간소화된 구성으로 동일한 또는 보다 개선된 수준의 기술적 성능을 달성할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 압력 변환 흡착 시스템을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 1a는 종래 기술의 압력 변환 흡착 시스템을 작동시키도록 사용되는 제어 형식을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 압력 변환 흡착 시스템을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 개시된 실시예에 따른 압력 변환 흡착 시스템을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 압력 변환 흡착 시스템을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 압력 변환 흡착 시스템을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 개시된 실시예에 따른 압력 변환 흡착 시스템을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 개시된 실시예에 따른 압력 변환 흡착 시스템을 작동시키도록 사용되는 제어 형식을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 개시된 실시예에 따른 압력 변환 흡착 시스템을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 9a 내지 도 9d는 3회의 평형화 단계를 사용하는 도 8에 도시된 바와 같은 8개의 용기를 포함하는 압력 변환 흡착 시스템의 일 예를 나타낸 밸브 작동 순서도이다.
도 10a 내지 도 10e는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 압력 변환 흡착 시스템을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
도 11은 4회의 평형화 단계를 사용하는 도 10a 내지 도 10e에 도시된 바와 같은 9개의 용기를 포함하는 압력 변환 흡착 시스템의 일 예를 나타낸 밸브 작동 순서도이다.
일 태양에 있어서, 본 발명에 개시된 실시예는 흡착제 베드에 출입하는 가스의 유동을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 개시된 실시예는 흡착제 베드에 출입하는 가스의 유동을 제어하기 위한 두 개 이상의 밸브의 사용에 관한 것으로, 상기 두 개의 밸브는 순차적으로 개방된다(즉, 적어도 2회의 작동이 지연 시간을 두고 서로 별개로 발생한다).
이제, 도 1을 참조하면, 종래 기술의 PSA 시스템의 간략한 공정 흐름도가 도시되어 있다. PSA 시스템(5)은 제 1 용기(10), 제 2 용기(12), 제 3 용기(14), 그리고 제 4 용기(16)를 포함한다. 각각의 용기(10, 12, 14, 16)는 통상적으로, 하나 이상의 흡착제 베드를 포함한다. 이러한 용기(10, 12, 14, 16)는 공급 가스 혼합물을 공급하는 공급원 매니폴드(18)와 흡착되지 않은 생성물 배출 가스용 유출구를 제공하는 생성물 매니폴드(20)의 사이에 병렬 유동 관계로 연결되어 있다. 용기(10, 12, 14, 16)는 또한, 흡착 성분용 유출구를 제공하는 폐기물 매니폴드(22)에 연결되어 있다. 추가적으로, 용기(10, 12, 14, 16)는 평형화 매니폴드(24)에 연결됨으로써, 시스템의 작동 동안 압력 에너지를 보존하기 위하여 두 개 이상의 용기 사이의 압력 평형화가 가능하도록 구성된다. 이러한 네 개의 매니폴드에 대해서는 미국 특허 제 6,858,065 호와 같은 종래 기술에 개시되어 있다. 또한, 미국 특허 제 7,674,319 호에는 퍼지 가스 매니폴드(26)에 용기(10, 12, 14, 16)를 연결하는 방안이 개시되어 있다.
각각의 용기(10, 12, 14, 16)는 용기 내외로의 가스 유동을 제어하기 위한 일 밸브를 사용하여 각각의 매니폴드에 연결될 수도 있다. 도 1의 시스템에서, 흡착제 베드 내외로의 가스의 유동이, 예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같은 시스템을 사용하여 제어될 수도 있다. 예를 들어, 용기(10)는, 목표로 하는 압력차 및/또는 압력 감쇠율을 달성하기 위하여 용기(10) 내부의 압력을 감시하는 적어도 두 개의 압력 센서(36, 38) 및 제어 시스템(34)과 함께 사용되는, 위치 제어 및 기록 조립체(포지셔너(positioner))(32)가 제공되는 유동 제어 밸브(30)에 연결될 수도 있다. 유동 제어 밸브(30)를 통과하는 가스의 유량은 연속적으로 변하기 때문에 밸브의 성능 조율을 위해서는 복잡한 제어 알고리즘이 필요하다. 또한, 포지셔너 자체는 고유의 신뢰성 결함 문제가 있다. 이에 따라, 이러한 시스템에는 일반적으로 수동 작동 무효화 모드가 제공되어 있다. 또한, 이러한 시스템은 압력 센서(36, 38) 중 어느 하나만 고장이 나도 작동이 불가능할 수도 있다. 이러한 결함으로 인해, 결함이 발생한 구성 요소의 보수를 위해 고장이 난 흡착 용기를 격리시키기 위한 복수의 센서 또는 수단을 제공할 필요가 있다. 제어 밸브(30)의 오작동이 발생할 경우, 용기(10)의 외부로 가스가 과도하게 빠른 유속으로 유동하게 될 수도 있어 이러한 용기에 포함된 하나 이상의 흡착제 베드의 개별 입자의 공기 역학적 유동화를 초래할 수 있으며, 또한 입자가 용기의 외부로 운반될 수도 있음에 따라 용기 또는 다른 입자와의 충돌로 인해 파괴되거나 균일하지 않은 상태로 재배열됨으로써 입자의 후속 유동화 경향이 잠재적으로 악화될 위험이 있다. 제어 밸브(30)가 가스의 충분한 유동을 제공하지 못하게 되면, PSA 사이클의 완료에 위해 필요한 시간이 보다 길어지게 된다. 그 외에도, PSA 사이클이 고정 사이클 주파수로 운영되는 경우, 폐기물로서 폐기되는 소정의 생성물 가스의 비율이 증가되어, 분별 회수율 및 흡착제 생산성이 감소된다. 또한, 낮은 유량을 보상하기 위해 사이클 주파수가 감소되는 경우, 흡착제의 생산성이 감소된다.
밝혀진 바와 같은 놀라운 사실 중 하나는, PSA 시스템은 공급 단계, 압력 평형화 단계, 생성물 가압 단계, 역류 블로우다운 단계 및/또는 퍼지 처리 단계 동안 가스의 유량을 제어하기 위한 병렬 관계의 두 개 이상의 온/오프 밸브를 사용함으로써 개선될 수도 있다. 또한, 밝혀진 바와 같이, 병렬 관계의 온/오프 밸브를 사용함으로써, 본질적으로 신뢰성이 결여되어 있는 센서와 피드백 제어 루프에 대한 의존성이 감소된 PSA 시스템의 작동이 가능하다.
일 예로서, 소망하는 (광) 흡착성이 떨어지는 종의 부분 회수율을 증가시키기 위해서는 각각의 사이클의 종료 시에 흡착제 베드로부터 흡착된 (무게가 많이 나가는) 종을 보다 효율적으로 제거할 필요가 있다. 이러한 효율적인 제거는, 후속 퍼지 처리 단계 동안 동일 용기로부터 동일 폐가스 헤더(header)로의 유량을 제한하지 않으면서, 역류 블로우다운 단계 동안 흡착제 베드를 가로질러 발생하는 압력 변화율을 제어함으로써 달성될 수 있다.
이제, 도 2를 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른, 흡착제 베드로부터 폐가스 채널로의 가스의 유동을 제어하기 위해 두 개 이상의 온/오프 밸브를 사용하는, PSA 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다. 이러한 PSA 시스템(40)은 제 1 용기(42), 제 2 용기(44), 제 3 용기(46), 그리고 제 4 용기(48)를 포함한다. 각각의 용기(42, 44, 46, 48)는 통상적으로, 하나 이상의 흡착제 베드(도시하지 않음)를 포함한다. 이들 용기(42, 44, 46, 48)는 공급 가스 혼합물을 공급하는 공급 가스 채널(50)과, 흡착되지 않은 생성물 배출 가스용 유출구를 제공하는 생성물 회수 채널(52)의 사이에 병렬 유동 관계로 연결되어 있다. 용기(42, 44, 46, 48)는 또한, 흡착 성분용 유출구를 제공하는 폐가스 채널(54)에 연결되어 있다. 추가적으로, 용기(42, 44, 46, 48)는 평형화 채널(56)에 연결됨으로써, 시스템의 작동 동안 압력 에너지를 보존하기 위하여 두 개 이상의 용기 사이의 압력 평형화가 가능하도록 구성되며, 또한, 퍼지 가스 채널(57)에 연결됨으로써, PSA 시스템에 퍼지 가스를 제공할 수 있다.
감압 단계 동안의 흡착제 베드로부터의 흡착 종의 제거 작용을 개선하기 위하여, 각각의 용기(42, 44, 46, 48)는 병렬 관계의 온/오프 밸브(58, 60)를 통해 각각 폐가스 채널에 연결될 수도 있다. 두 개의 밸브만 도시되어 있긴 하지만, 세 개 이상의 밸브가 또한 사용될 수도 있다. 온/오프 밸브(58, 60)는 동일한 또는 상이한 유효 직경의 유동 오리피스를 포함할 수도 있으며, 유동 오리피스의 이러한 직경은 감압 단계 동안의 압력 변화율에 맞춰 선택될 수도 있다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 작동 시에, 감압 사이클은 제어 시스템(64)을 사용하여 제어 및 감시될 수도 있으며, 밸브(58)를 개방하여 제 1 감압 유로를 제공한 다음 선택된 시간 경과 후 밸브(60)를 개방하여, 연속적으로 이루어지는 감압 단계 동안 상기 유로의 크기를 증가시킴으로써 시작될 수도 있다. 당 업계의 숙련자라면 알 수 있는 바와 같이, 상이한 크기의 n개의 온/오프 밸브의 사용을 통해 2n의 값을 갖는 확연히 감지되는 유동 저항을 제공할 수도 있다. 각각의 유동 오리피스의 크기는 특정 분리 공정 및 감압 사이클 동안의 소망하는 압력 변화율에 맞춰 선택될 수도 있으며, 흡착 종의 제거 작용의 최적화를 허용하도록 선택될 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 퍼지 처리 단계 동안 사용되는 조합 밸브의 최종 유동 용량은 이들 밸브를 통한 압력 손실이 2psi 미만이 되면 충분하다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 밸브(58, 60)는, 용기(42)의 역류 블로우다운을 시작하도록 밸브(58)를 개방한 다음 역류 블로우다운 단계 기간보다 짧은 예정된 시간 주기 경과 후 밸브(60)를 개방함으로써 역류 블로우다운이 실질적으로 후속 퍼지 처리 단계 시작 이전에 완료될 수 있도록 선택된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 실질적인 완료는 용기(42) 내부의 압력이 폐기물 헤더(54)의 압력보다 큰 5psi 미만인 경우 이루어지는 것으로 생각된다.
또한 본 발명의 발명자에 의해 발견된 바에 따르면, 온/오프 밸브의 사용을 통해, 도 1a에 도시된 바와 같은 통상적인 유동 제어 밸브와 비교하여, PSA 시스템의 신뢰성을 개선할 수도 있다. 도 1 및 도 1a의 PSA 시스템은, 전술한 바와 같이, 유동 밸브 제어 조율 및 밸브 트림(valve trim)의 위치 설정을 필요로 한다. 이를 위해서는 복잡한 제어 알고리즘이 필요하며, 이러한 제어 알고리즘은 조작자가 디지털 제어 시스템을 사용하여 무작위로 변경 가능할 수도 있고, 또한 소망하는 제어 효과를 달성하기 위해서는 시동 시점으로부터 상당한 시간을 필요로 한다. 또한, 밸브 성능의 가변성으로 인해 용기(10) 상의 밸브(30)에 사용되는 제어 매개 변수가 용기(12, 14 또는 16) 상의 밸브(30)에 적당하지 않을 수도 있다. 이것은 응답 시간차(제어 지연 시간, 압력 조절기 설정 및 성능 상의 차이 등), 트림의 위치, 트림의 크기 및 그외 다른 인자에 기인할 수도 있다. 또한, 포지셔너, 밸브 그 자체(즉, 부식, 입자로 인한 오염 등의 원인으로) 또는 흡착 베드(시간 경과에 따른 침전, 플러깅(plugging) 및 국부적 유동화)의 변경이 밸브의 성능 및 용기의 내외부로의 유량 제어에 있어서의 연관 피드백 제어 알고리즘에 영향을 미칠 수도 있다.
본 발명에 사용되는 온/오프 밸브는 유동 저항도를 변경하기 위한 제어 알고리즘을 필요로 하지 않는다. 오히려, 두 개 이상의 온/오프 밸브를 순차적으로 개방함으로서 유동 저항을 소망하는 수준으로 변경할 수 있다. 이와 같은 온/오프 밸브를 이용한 유동 저항 변화율은 예측 가능하다(밸브의 개방 또는 폐쇄를 통해). 또한, 밝혀진 바와 같이, 단일 스로틀(throttle) 유동 제어 밸브와 비교하여, 두 개 이상의 온/오프 밸브를 사용함으로써 사이클을 완료하기 위해 필요한 시간이 줄어들 수도 있다. 또한, 온/오프 밸브는 통상의 유동 제어 밸브보다 상당히 견고하며, 통상적으로 구매 및 유지 비용이 덜 들고, 밸브의 고장이 발생하기 전에 보다 많은 횟수의 사이클에 걸쳐 작동될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 온/오프 밸브의 순차적인 개방은 압력 그 자체, 압력 변화율, 또는 압력 변화율의 변화 속도 중 하나 이상을 변경하도록 사용될 수도 있다. 이에 따라, 감압 동안의 흡착 종의 제거 작용 개선, 줄어든 감압 사이클 시간, 필요한 압력 센서의 개수 감소, 그리고 온/오프 밸브를 사용하는 시스템의 신뢰성 증가로 인한 PSA 시스템의 정지 시간 감소 중 하나 이상을 포함하는 다수의 장점을 초래할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 보다 견고해지고 신뢰성이 높아지긴 했지만, 이러한 온/오프 밸브도 고장이 날 수 있다. 도 2를 여전히 참조하면, 밸브 고장을 판단하기 위하여, 압력 센서가 용기(42, 44, 46, 48) 상에 배치될 수도 있으며, 폐가스 채널 상에 배치될 수도 있고, 또는 폐가스 채널에 연결된 버퍼 탱크(buffer tank)에 배치될 수도 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 압력 센서(62)는 폐가스 채널에 배치된다. 전술한 위치 중 어느 하나의 위치에 마련된 단일 압력 센서는 압력 변경, 압력 변화율, 또는 압력 변화율의 변화 속도를 측정함으로써 간접적인 밸브 개방도 측정 효과를 제공할 수도 있다. 예상되는 압력 변경, 압력 변화율, 또는 압력 변화율 미분 계수가 발생하지 않는 경우, 이것은 밸브의 고장을 의미하는 것일 수도 있다.
몇몇 실시예에 있어서, 여분의 밸브(도시하지 않음)를 사용하여 용기가 폐가스 채널에 연결될 수도 있다. 밸브(58, 60)가 고장이 난 경우, 제어 시스템(64)은, 예를 들어, 예상 압력 변경 단계가 이루어지지 않았음을 인식하게 되며, 또한, 단지 적당한 작동 지연을 수반한 의도한 압력 감소를 수행하기 위하여 상보형의 알고리즘에 의해 여분의 밸브 중 하나가 개방될 수도 있다.
전술한 배경 기술에 설명된 종래 기술의 대부분이 밸브의 총 개수 감소와 관련하여 설명되어 있는 반면, 밝혀진 바와 같이, 전통적으로 사용되어 온 대형의 단일 밸브(유동 저항도를 변경시키기 위하여 연속적으로 배치됨)를 사용하는 해결 방안과 비교하여 본 발명에서는 보다 많은 개수의 밸브를 공정에 사용하긴 하지만, 본 발명의 PSA 시스템은 적은 개수의 센서만을 사용하며 피드백 작용을 거의 또는 전혀 사용하지 않음에 따라, 전체 시스템의 신뢰성이 보다 향상된다. 사실, 이러한 시스템의 경우에는, 시스템을 제어하기 위한 센서 및 액츄에이터의 필요성이 감소함에 따라, 보다 적은 개수의 또는 동일한 개수의 구성 요소로 구성될 수도 있다. 또한, 통상적으로 수동 중재 작동을 필요로 하는 유동 제어 밸브의 사용과 비교하여, 의도한 작동에서 벗어나더라도 이를 자동적으로 시정하기가 보다 용이하다.
본 발명에 개시된 실시예에 따라 이와 같이 적어도 두 개의 밸브를 사용하는 것이 또한 단 하나의 비례식 유동 제어 밸브를 사용하는 것보다 유리한데, 그 이유는 비례식 밸브에 비해 온/오프 밸브의 개방도 및 폐쇄도가 크기 때문이다. 개방도 및 폐쇄도가 작을 경우, 바람직하게는 매우 신속하게 이루어져야만 하는 밸브 폐쇄 시간이 늘어남에 따라 PSA 사이클의 단계별 실행 시간이 과도하게 연장되도록 할 가능성이 있으며, 또는 배기 작용이 신속하게 이루어질 수 있도록 하기 위한 추가의 작동 밸브의 제공이 필요하게 된다. 이러한 추가 밸브는 고장을 야기할 수도 있는 또 다른 구성 요소가 추가됨을 의미한다. 비례식 밸브 대신 적어도 두 개의 온/오프 밸브가 사용되는 경우, 이들 밸브는 각각 신속하면서도 능동적인 작동을 제공할 수도 있다.
PSA 시스템의 연속 개방 작동식의 두 개 이상의 밸브를 사용함에 따른 또 다른 장점은, 용기와 유동 가스 공급원 또는 도착지 사이의 압력차가 두 개 이상의 밸브 중 제 1 밸브가 개방되는 제 1 시점과 다른 하나의 밸브가 개방되는 제 2 시점 사이에서 불가피하게 감소한다는 점이다. 대부분의 유형의 공정 밸브의 경우, 액츄에이터의 토오크 및/또는 힘은 차압 함수로 나타내어진다. 따라서, 제 1 밸브에는 최대 압력차에 대항하여 밸브를 개방하기에 충분한 액츄에이터가 제공되어야 하지만, 그외 다른 밸브에는 보다 작은 용량의 액츄에이터가 제공될 수도 있다. 이것은 액츄에이터의 크기와 중량 감소에 유리할 뿐만 아니라, 밸브에 가해지는 피로 응력을 감소시켜, 사용 밸브의 궁극적인 피로 파괴 위험을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 보다 작은 용량의 액츄에이터를 제공함에 따른 또 다른 일 장점은, 압력차가 바람직하지 못한 수준으로 높은 경우에도 밸브의 의도하지 않은 작동을 방지할 수 있다는 점이다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 도 2의 용기(42, 44, 46, 48)에는 비교적 유동 용량이 작으며 제 1 압력차 발생시에 개방될 수 있는 밸브(58)가 제공된다. 밸브(60)는 보다 큰 제 2 유동 용량을 갖추고 있지만, 이러한 용량이 보다 큰 밸브의 경우에는 의도한 개방 시점에 적절한 압력차에서 단지 밸브의 개방만을 야기할 수 있는 비교적 용량이 작은 액츄에이터가 제공된다. 본 실시예에 따르면, 용기(42)가 고압인 상태에서 용량이 더 큰 밸브(60)의 의도하지 않은 개방을 방지함으로써, 심각한 작동상 문제를 유발할 수 있는 폐기물 헤더(54)로의 높은 유량에서의 가스 공급을 방지할 수 있다. 또한, 이러한 밸브(종종, 공압식 밸브)를 개방하기 위한 디지털 신호가 활성화된다 하더라도, 사실 소망하는 차압이 달성될 때까지는 밸브가 개방되지 않도록 되어 있음에 따라, 밸브(60)의 개방 압력차를 신중하게 선택함으로써 밸브의 개방도를 이용하여 밸브(58)를 통과하는 가스의 유량 변화를 자체적으로 보상할 수 있다.
용기를 폐가스 채널에 연결하는 두 개 이상의 온/오프 밸브의 사용에 의해 실현되는 성능 개선은 또한, 사이클의 다른 단계를 수행하기 위한 두 개 이상의 온/오프 밸브를 사용하여 실현될 수도 있다. 이에 따라, 병렬 유동 배열의 두 개 이상의 온/오프 밸브를 포함하는 밸브 매니폴드를 이용하여 용기에 공급 가스 채널, 퍼지 가스 채널, 생성물 가스 채널 및 평형화 채널 중 하나 이상을 연결하는 것이 필요할 수도 있다. 제어 시스템은 또한, 필요한 경우, 이러한 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성될 수도 있다.
이제, 동일한 도면 부호가 동일한 구성 요소를 지시하도록 사용되고 있는 도 3을 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른, 퍼지 가스 채널을 통해 흡착제 베드 내외로의 가스의 유동을 제어하기 위한 두 개 이상의 밸브를 사용하는, PSA 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다. 이러한 퍼지 가스 채널은 퍼지 처리 단계만을 수행하도록 구성될 수도 있으며, 또는 여러 개의 단계를 순차적으로 수행하도록 구성될 수도 있다. 마찬가지로, 도 3에 네 개의 용기를 구비한 PSA 시스템이 도시되어 있긴 하지만, 본 발명은 두 개 이상의 용기를 구비한 PSA 시스템에 적용될 수 있다. 도 3의 실시예에 있어서, 퍼지 가스 채널(57)은 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 온/오프 밸브(66, 68)를 포함하는 밸브 매니폴드를 통해 각각의 용기(42, 44, 46, 48)에 연결된다. 도 2의 실시예와 유사하게, 압력 센서(도시하지 않음)가 용기(42, 44, 46, 48)와, 퍼지 가스 채널(57), 또는 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 탱크 중 어느 하나에 배치될 수도 있다.
이제, 동일한 도면 부호가 동일한 구성 요소를 지시하도록 사용되고 있는 도 4를 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른, 흡착제 베드에 출입하는 가스의 생성물 회수 채널로의 유동을 제어하기 위한 두 개 이상의 밸브를 사용하는, PSA 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에 있어서, 생성물 회수 채널(52)은 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 온/오프 밸브(70, 72)를 포함하는 밸브 매니폴드를 통해 각각의 용기(42, 44, 46, 48)에 연결된다. 도 2의 실시예와 유사하게, 압력 센서(74)가 용기(42, 44, 46, 48)와, 생성물 회수 채널(52)(도시된 바와 같은), 또는 생성물 회수 채널(52)에 유체 연결된 버퍼 탱크(도시하지 않음) 중 어느 하나에 배치될 수도 있다.
도 4의 실시예의 작동은, 가스가 제어 하에 생성물 헤더(52)로부터 용기(42) 내로 유입되고 있다는 점에서, 이전의 실시예와 비교하여 다소 차이가 있다. 한번 이상의 압력 평형화 단계 종료 후 최종 가압 단계 시작 시에, 정화된 생성물 가스, 정화되지 않은 공급 가스, 또는 이들 모두를 사용하여 최종 가압 작동이 달성될 수 있다. 제 1 유동 용량을 갖춘 제 1 밸브(70)를 최종 가압 단계 시작 시에 개방함으로써, 생성물 가스가 용기(42) 내로 제 1 유량으로 유입된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 밸브(70)를 통한 유량에 의해 목표 값, 즉 15% 미만의 PSA(40)의 외부로 유동하는 순 생성물의 편차가 야기되도록 밸브(70)의 유동이 선택적으로 제한될 수 있다. 제 1 시간 경과 후, 생성물의 부분적인 재가압에 영향을 미치도록 공급 밸브(80)가 개방될 수 있다. 제 2 시간 경과 후, 밸브(72)가 개방될 수 있다. 선택적으로, 공급 밸브(80)의 위치에 적어도 두 개의 밸브가 제공될 수도 있으며, 밸브(70, 72)를 전술한 바와 같은 위치에 배치하는 대신 각각의 위치에 두 개 이상의 밸브가 제공될 수도 있다. 하나의 위치에는 두 개의 밸브가 제공되며 다른 하나의 위치에는 단 하나의 밸브가 제공되는 일 실시예에 있어서, 헤더의 사이에서는 다섯 가지의 명확한 유동 상태가 발생한다. 우선, 어느 방향으로부터의 유동도 발생하지 않는 상태가 있다. 또한, 공급 헤더(50)로부터의 유동만 발생하는 상태가 있으며, 생성물 헤더(52)로부터의 유동만 발생하는 상태가 있고, 용기를 가로질러 그리고 개방 밸브 조합체를 통한 두 가지 유동 저항이 조합되는 상태가 있다. 이러한 조합에 의해, 흡착제 베드의 유리하지 못한 유동화 현상 없이 최종 재가압 과정을 실행하기 위한 헤드 사이의 맞춤형 유량 조절이 허용될 수 있으며, 이후 유리하게는, 그렇지 않을 경우 명목상 최종 가압 단계를 구성하게 되는 정화 과정을 거친 생성물의 생산 단계가 허용될 수 있다. 이에 따라 유리하게는, 흡착 분리가 발생하는 A 사이클의 부분이 증가되며 흡착제의 생산성이 증가된다.
이제, 동일한 도면 부호가 동일한 구성 요소를 지시하도록 사용되고 있는 도 5를 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른, 흡착제 베드로부터 평형화 채널로 유출되는 가스의 유동을 제어하기 위한 두 개 이상의 밸브를 사용하는, PSA 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에 있어서, 평형화 채널(56)은 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 온/오프 밸브(76, 78)를 포함하는 밸브 매니폴드를 통해 각각의 용기(42, 44, 46, 48)에 연결된다. 도 2의 실시예와 유사하게, 압력 센서(80)가 용기(42, 44, 46, 48)와, 평형화 채널(56)(도시된 바와 같은), 또는 평형화 채널(56)에 유체 연결된 버퍼 탱크(도시하지 않음) 중 어느 하나에 배치될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 평형화 채널이 평형화 과정을 위해서만 사용될 필요는 없으며, 동일 채널이 제 1 및 제 2 평형화 단계와 같은 적어도 두 개의 연속적인 단계를 실행하도록 사용되는 종래 기술에 공지된 유형일 수 있다.
이제, 동일한 도면 부호가 동일한 구성 요소를 지시하도록 사용되고 있는 도 6을 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른, 흡착제 베드로부터 생성물 회수 채널, 퍼지 가스 채널, 폐가스 채널 및 평형화 채널 각각으로 유출되는 가스의 유동을 제어하기 위한 두 개 이상의 밸브를 사용하는, PSA 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다.
전술한 바와 같은 주기적인 흡착 공정은 여러 가지 중에서도 흡착 단계, 평형화 단계 및 감압 단계를 포함하는, 소망하는 분리 성능을 달성하기 위한 다수의 단계를 사용한다. 이들 단계는 사용된 용기와 배관 구성에 따라 상향류 또는 하향류를 이용하여 수행될 수도 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, PSA 시스템(40)은 용기(42, 44, 46, 48)의 상부에 배치되는 평형화 채널(56)을 포함한다. 주기적인 흡착 공정에 의해, 최종적인 중간 압력을 달성하기 위하여, 초기 압력이 비교적 높은 일 용기와 초기 압력이 비교적 낮은 다른 용기 사이의 압력 평형화 작용에 의해 압력 에너지를 회수할 수 있다. 상향류 방향으로 압력 평형화를 수행하는 용기는, 유속을 주의 깊게 제어하지 않을 경우, 밸브와 배관 하류에서 먼지의 유동화가 발생할 가능성이 있다. 따라서, 두 개 이상의 밸브(76, 78)의 유동 제한 진폭을 주위 깊게 선택할 필요가 있다. 압력 평형화 단계의 시작 시에 유동화 가능성을 제한하기 위하여, 압력차가 최대가 되며 이에 따라 유속이 최대가 되는 경우, 제한된 유동 면적을 갖춘 제 1 밸브(76)가 우선 개방되어, 상향류 용기를 유동화하기 위해 필요한 유속으로 달성 가능한 최대 유속을 제한할 수도 있다. 압력 평형화 단계의 이후 일 시점에서, 제 1 밸브(76)가 개방 상태에 유지되어 있으면서 제 2 밸브(78)가 개방되어, 총 유동 면적이 증가되는 한편, 소망하는 시간 주기 동안에 중간 압력이 달성되는 것을 보장할 수 있다. 제 2 밸브(78)가 개방되는 시점은, 예를 들어, 용기 사이의 압력차가 보다 작아지며 상향류 용기 내에 초래된 유속이 흡착제 유동화를 야기할 정도가 못 되는 일 시점에 발생하도록 프로그램될 수도 있다. 보다 큰 유속 제어 효과의 달성을 위해서는, 전술한 개념이 상향류 용기 내에서의 소망하는 유속 프로파일을 달성하기 위한 압력 평형화 단계 동안 서로 다른 시간 간격으로 개방되도록 프로그램되어 있는 복수의(세 개 이상의) 밸브로 확장될 수 있다.
도 2 내지 도 6에는 단지 4개의 용기가 도시되어 있긴 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 PSA 시스템은 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 또는 9개 이상의 용기와 같은 어떠한 개수의 용기도 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 또한, 압력 평형화 채널이 불필요할 수도 있긴 하지만, 단일 용기의 PSA 또한 유리한 효과를 달성할 수도 있다.
이제, 동일한 도면 부호가 동일한 구성 요소를 지시하도록 사용되고 있는 도 8 및 도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른 PSA 시스템의 밸브 시퀀스가 도시되어 있다. 도 8 및 도 9a 내지 도 9d의 PSA 시스템은 공급 가스 채널(50), 생성물 회수 채널(52), 폐가스 채널(54), 평형화 채널(56) 그리고 퍼지 가스 채널(57) 각각에 용기를 연결하는 두 개의 병렬 관계의 온/오프 밸브를 포함하는, 도 8에 도시된 밸브 구성을 갖는 8개의 용기를 포함한다. 단 하나의 용기가 도시되어 있긴 하지만, 시스템의 8개의 용기가 도 2 내지 도 6에 도시된 실시예와 유사하게 연결됨을 알 수 있을 것이다.
도 9a 내지 도 9d에 도시된 밸브 시퀀스에서는, 용기가 고압이며 바람직하게는 농축 생성물 가스를 제조하는 흡착 단계(Adsorb)와; 용기가 압력 평형화 단계에 필요한 가스를 제공하는 단계(Prv EQ1, Prv EQ2, Prv EQ3)와; 시스템의 가장 낮은 압력으로의 감압 단계를 의미하는 블로우다운 단계(blowdown)와; 용기가 압력 평형화 단계 동안 가스를 수용하는 단계(Rcv EQ1, Rcv EQ2, Rcv EQ3)와; 생성물 재가압 단계(Prod Repress); 그리고 퍼지 가스가 용기로부터 공급되거나 용기로 공급되는 단계(Prv Purge, Rcv Purge)를 포함하는 PSA 사이클의 세 번의 평형화 단계가 사용된다.
용기를 각각의 채널에 연결하는 두 개의 밸브는 이중 하나가 통상 단계 개시 시에 제 1 밸브가 개방되는 "파일럿(pilot)" 밸브라는 점에서 도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이 차별화되어 있으며, 이러한 "파일럿" 밸브는 전술한 바와 같은 용기로부터의 최초 유동을 제어하기 위한 보다 작은 유동 오리피스를 구비한다. 예를 들어, 도 8의 밸브(58)는 용기를 폐가스 채널(54)에 연결하는 파일럿 밸브일 수도 있으며, 밸브(60)는 용기를 폐가스 채널(54)에 연결하는 제 2 밸브일 수도 있다. 도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이, 제 2 밸브는 "지연" 시간을 두고 순차적으로 개방되며, 파일럿 밸브 개방 시점과 제 2 밸브의 개방 시점 사이의 상기 지연 시간은 PSA 사이클의 단계에 적절한 수준이다. 도 9a 내지 도 9d에 도시된 밸브 시퀀스에서는, 용기가 고압이며 바람직하게는 농축 생성물 가스를 제조하는 흡착 단계(Adsorb)와; 용기가 압력 평형화 단계용 가스를 제공하는 단계(Prv EQ1, Prv EQ2, Prv EQ3)와; 시스템의 가장 낮은 압력으로의 감압 단계를 의미하는 블로우다운 단계(blowdown)와; 용기가 압력 평형화 단계 동안 가스를 수용하는 단계(Rcv EQ1, Rcv EQ2, Rcv EQ3)와; 생성물 재가압 단계(Prod Repress); 그리고 퍼지 가스가 용기로부터 공급되거나 용기로 공급되는 단계(Prv Purge, Rcv Purge)를 포함하는 PSA 사이클의 세 번의 평형화 단계가 사용된다.
이제, 동일한 도면 부호가 동일한 구성 요소를 지시하도록 사용되고 있는 도 10a 내지 도 10e 및 도 11을 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른 PSA 시스템의 밸브 시퀀스가 도시되어 있다. 도 10a 내지 도 10e 및 도 11의 PSA 시스템은 공급 가스 채널(50), 생성물 회수 채널(52), 폐가스 채널(54), 제 1 평형화 채널(56)(1), 제 2 평형화 채널(56)(2) 그리고 퍼지 가스 채널(57) 각각에 용기를 연결하는 두 개의 병렬 관계의 온/오프 밸브를 포함하는, 도 10a 내지 도 10e에 도시된 밸브 구성을 갖는 9개의 용기를 포함한다. 단 하나의 용기가 도시되어 있긴 하지만, 시스템의 9개의 용기가 도 2 내지 도 6에 도시된 실시예와 유사하게 연결됨을 알 수 있을 것이다.
도 11에 도시된 밸브 시퀀스에서는, 용기가 고압이며 바람직하게는 농축 생성물 가스를 제조하는 흡착 단계(Adsorb)와; 용기가 압력 평형화 단계용 가스를 제공하는 단계(Prv EQ1, Prv EQ2, Prv EQ3)와; 시스템의 가장 낮은 압력으로의 감압 단계를 의미하는 블로우다운 단계(blowdown)와; 용기가 압력 평형화 단계 동안 가스를 수용하는 단계(Rcv EQ1, Rcv EQ2, Rcv EQ3, Rcv EQ4)와; 생성물 재가압 단계(Prod Repress); 그리고 퍼지 가스가 용기로부터 공급되거나 용기로 공급되는 단계(Prv Purge, Rcv Purge)를 포함하는 PSA 사이클의 네 번의 평형화 단계가 사용된다.
용기를 각각의 채널에 연결하는 두 개의 밸브는 이중 하나가 통상 단계 개시 시에 제 1 밸브가 개방되는 "파일럿" 밸브라는 점에서 도 11에 도시된 바와 같이 차별화되어 있으며, 이러한 "파일럿" 밸브는 전술한 바와 같은 용기로부터의 최초 유동을 제어하기 위한 보다 작은 유동 오리피스를 구비한다. 예를 들어, 도 10a 내지 도 10e의 밸브(58)는 용기를 폐가스 채널(54)에 연결하는 파일럿 밸브일 수도 있으며, 밸브(60)는 용기를 폐가스 채널(54)에 연결하는 제 2 밸브일 수도 있다. 도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이, 제 2 밸브는 "지연" 시간을 두고 순차적으로 개방되며, 파일럿 밸브 개방 시점과 제 2 밸브의 개방 시점 사이의 상기 지연 시간은 PSA 사이클의 단계에 적절한 수준이다. 도 9a 내지 도 9d에 도시된 밸브 순서에서는, 용기가 고압이며 바람직하게는 농축 생성물 가스를 제조하는 흡착 단계(Adsorb)와; 용기가 압력 평형화 단계용 가스를 제공하는 단계(Prv EQ1, Prv EQ2, Prv EQ3)와; 시스템의 가장 낮은 압력으로의 감압 단계를 의미하는 블로우다운 단계(blowdown)와; 용기가 압력 평형화 단계 동안 가스를 수용하는 단계(Rcv EQ1, Rcv EQ2, Rcv EQ3)와; 생성물 재가압 단계(Prod Repress); 그리고 퍼지 가스가 용기로부터 공급되거나 용기로 공급되는 단계(Prv Purge, Rcv Purge)를 포함하는 PSA 사이클의 세 번의 평형화 단계가 사용된다. 도 11에는 본 발명의 몇몇 태양의 용례의 다른 예가 도시되어 있으며, 단계(Prv EQ4, Rcv EQ4)를 각각 실행하기 위하여 사이클에 추가로 두 개의 단계가 포함되도록 하는 제 4 평형화 단계가 추가된다는 점에서 도 9a 내지 도 9d에 도시된 예와 상이하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 PSA 시스템은 각각의 사이클 동안 흡착제 베드 내외로의 유동 제어 성능을 증대시키기 위한 병렬 유동 관계로 배열된 두 개 이상의 온/오프 밸브를 포함한다. 각각의 단계에 대하여 복수의 밸브를 사용하면서도, 압력 센서의 적절한 배치를 통해 본 발명의 PSA 시스템의 부품의 총 개수가 감소되거나 최소화될 수도 있다.
유리하게는, 본 발명에 개시된 실시예는 향상된 공정 성능(생성물 가스의 부분 회수율 증가); 센서 및 피드백 제어 루프 의존성 감소; 단일 밸브 또는 센서가 고장이 나더라도 PSA 시스템의 기능을 방해하지 않는 "자체 치유(self healing)" 모드 허용 가능성 뿐만 아니라, 보다 적은 개수의 부품을 사용하면서 보다 간소화된 구성으로 동일한 또는 보다 개선된 수준의 기술적 성능 달성과 같은 장점 중 하나 이상을 제공할 수도 있다.
본 발명에 따른 제한된 개수의 실시예가 설명되어 있긴 하지만, 전술한 개시 내용의 혜택을 누리게 되는 당 업계의 숙련자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그외 다른 실시예가 이루어질 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 이에 따라, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
시험 절차서를 포함하여 본 발명에 인용된 모든 서류는 이러한 인용이 그 개시된 내용이 본 발명의 설명 내용과 일치하는 범위로만 허용되는 모든 사법권의 범위 내에서 단지 참조로써 인용된 것이다.
42, 44, 46, 48 : 용기 50 : 공급 가스 채널
52 : 회수 채널 54 : 폐가스 채널
56 : 평형화 채널 57 : 퍼지 가스 채널
58, 60 : 밸브 62, 74, 80 : 압력 센서
64 : 제어 시스템 70, 72 : 온/오프 밸브

Claims (51)

  1. 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 갖는 복수의 용기와,
    상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널로서, 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는, 생성물 회수 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 평형화 채널과,
    상기 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는, 압력 변환 흡착 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 퍼지 가스 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것과,
    상기 폐가스 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것과,
    상기 평형화 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 각각의 매니폴드가 존재하는 경우, 상기 제어 시스템은,
    상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하고,
    상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하며, 그리고
    상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 각각의 밸브는 온/오프 밸브인, 압력 변환 흡착 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 유사한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 상이한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 생성물 회수 채널의 압력 센서, 및 상기 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 퍼지 가스 채널의 압력 센서, 및 상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 폐가스 채널의 압력 센서, 및 상기 폐가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 평형화 채널의 압력 센서, 및 상기 평형화 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드 중 하나 이상의 매니폴드는 적어도 세 개의 밸브를 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 적어도 세 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  11. 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 갖는 복수의 용기와,
    상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널로서, 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는, 퍼지 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 평형화 채널과,
    상기 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는, 압력 변환 흡착 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 생성물 회수 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것과,
    상기 폐가스 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것과,
    상기 평형화 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 각각의 매니폴드가 존재하는 경우, 상기 제어 시스템은,
    상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하고,
    상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하며, 그리고
    상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 각각의 밸브는 온/오프 밸브인, 압력 변환 흡착 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 유사한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 상이한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 퍼지 가스 채널의 압력 센서, 및 상기 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 생성물 회수 채널의 압력 센서, 및 상기 생성물 회수 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 폐가스 채널의 압력 센서, 및 상기 폐가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 평형화 채널의 압력 센서, 및 상기 평형화 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  20. 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드 중 하나 이상의 매니폴드는 적어도 세 개의 밸브를 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 적어도 세 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  21. 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 갖는 복수의 용기와,
    상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널로서, 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는, 폐가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 평형화 채널과,
    상기 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는, 압력 변환 흡착 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 생성물 회수 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것과,
    상기 퍼지 가스 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것과,
    상기 평형화 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 각각의 매니폴드가 존재하는 경우, 상기 제어 시스템은,
    상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하고,
    상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하며, 그리고
    상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 각각의 밸브는 온/오프 밸브인, 압력 변환 흡착 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 유사한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 상이한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  26. 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 폐가스 채널의 압력 센서, 및 상기 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  27. 제22항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 퍼지 가스 채널의 압력 센서, 및 상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  28. 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 생성물 회수 채널의 압력 센서, 및 상기 생성물 회수 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  29. 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 평형화 채널의 압력 센서, 및 상기 평형화 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  30. 제21항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드 중 하나 이상의 매니폴드는 적어도 세 개의 밸브를 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 적어도 세 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  31. 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 갖는 복수의 용기와,
    상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 평형화 채널로서, 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는, 평형화 채널과,
    상기 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하는, 압력 변환 흡착 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 생성물 회수 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것과,
    상기 퍼지 가스 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것과,
    상기 폐가스 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 각각의 매니폴드가 존재하는 경우, 상기 제어 시스템은,
    상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하고,
    상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하며, 그리고
    상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  33. 제31항 또는 제32항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 각각의 밸브는 온/오프 밸브인, 압력 변환 흡착 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 유사한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  35. 제33항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 상이한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  36. 제31항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 평형화 채널의 압력 센서, 및 상기 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  37. 제32항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 퍼지 가스 채널의 압력 센서, 및 상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  38. 제32항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 폐가스 채널의 압력 센서, 및 상기 폐가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  39. 제32항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 생성물 회수 채널의 압력 센서, 및 상기 생성물 회수 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  40. 제31항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드 중 하나 이상의 매니폴드는 적어도 세 개의 밸브를 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 적어도 세 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  41. 흡착 재료로 이루어진 하나 이상의 층을 내부에 갖는 복수의 용기와,
    상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널로서, 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는, 생성물 회수 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널로서, 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는, 퍼지 가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널로서, 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는, 폐가스 채널과,
    상기 복수의 용기에 연결되는 평형화 채널로서, 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는, 평형화 채널과,
    제어 시스템을 포함하며,
    상기 제어 시스템은,
    상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하고,
    상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하고,
    상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하며, 그리고
    상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  42. 제41항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 각각의 밸브는 온/오프 밸브인, 압력 변환 흡착 시스템.
  43. 제42항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 유사한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  44. 제42항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드의 온/오프 밸브는 상이한 직경의 유동 오리피스를 갖는, 압력 변환 흡착 시스템.
  45. 제41항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 용기 각각의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 생성물 회수 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 폐가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널의 압력을 측정하기 위한 압력 센서와,
    상기 평형화 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    상기 제어 시스템은,
    상기 생성물 회수 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 생성물 회수 채널의 압력 센서, 및 상기 생성물 회수 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력과,
    상기 퍼지 가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 퍼지 가스 채널의 압력 센서, 및 상기 퍼지 가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력과,
    상기 폐가스 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 폐가스 채널의 압력 센서, 및 상기 폐가스 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력과,
    상기 평형화 채널을 연결하는 상기 매니폴드의 적어도 두 개의 밸브의 순차적인 개방 동안, 상기 복수의 용기 각각의 압력 센서, 상기 평형화 채널의 압력 센서, 및 상기 평형화 채널에 유체 연결된 버퍼 용기의 압력 센서가 존재하는 경우 이들 압력 센서 중 적어도 하나에 의해 측정된 압력
    중 적어도 하나에 기초하여 밸브 고장을 결정하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  46. 제41항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 매니폴드 중 하나 이상의 매니폴드는 적어도 세 개의 밸브를 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 적어도 세 개의 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  47. 제1항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 병렬 유동 배열의 상기 각각의 적어도 두 개의 밸브는 각각의 용기 내의 속도를 내부의 상기 흡착 재료를 유동화시킬 수 있는 속도 미만으로 유지시킬 수 있도록 크기가 정해지는, 압력 변환 흡착 시스템.
  48. 제47항에 있어서, 상기 제어 시스템은 압력, 압력차, 압력 변화율 또는 압력 변화율의 변화율에 기초하여 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는, 압력 변환 흡착 시스템.
  49. 제1항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 가스 채널이 병렬 유동 배열의 적어도 두 개의 밸브를 포함하는 매니폴드를 통해 상기 복수의 용기 각각에 연결되는 것과,
    상기 적어도 두 개의 공급 밸브를 순차적으로 개방하도록 구성되는 제어 시스템을 더 포함하는, 압력 변환 흡착 시스템.
  50. 복수의 용기와, 상기 복수의 용기에 연결되는 공급 가스 채널과, 상기 복수의 용기에 연결되는 생성물 회수 채널과, 상기 복수의 용기에 연결되는 퍼지 가스 채널과, 상기 복수의 용기에 연결되는 폐가스 채널을 포함하는 압력 변환 흡착 시스템을 작동시키는 방법이며,
    병렬 유동 배열로 배치되며 상기 복수의 용기 중 하나를 상기 생성물 회수 채널에 연결하는 두 개 이상의 밸브를 순차적으로 개방하는 단계와,
    병렬 유동 배열로 배치되며 상기 복수의 용기 중 하나를 상기 폐가스 채널에 연결하는 두 개 이상의 밸브를 순차적으로 개방하는 단계와,
    병렬 유동 배열로 배치되며 상기 복수의 용기 중 하나를 상기 평형화 채널에 연결하는 두 개 이상의 밸브를 순차적으로 개방하는 단계와,
    병렬 유동 배열로 배치되며 상기 복수의 용기 중 하나를 상기 퍼지 가스 채널에 연결하는 두 개 이상의 밸브를 순차적으로 개방하는 단계를 포함하는, 압력 변환 흡착 시스템 작동 방법.
  51. 제50항에 있어서, 밸브 고장에 응답하여 병렬 유동 배열로 배치되는 여분의 밸브를 개방하는 단계를 더 포함하는, 압력 변환 흡착 시스템 작동 방법.
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