KR20140091051A - 감소된 공극 용적과 균일한 유동 분포를 갖는 흡착 용기 - Google Patents

Abstract

본원 발명에서는 흡착 용기와 흡착 용기를 이용하는 시스템이 제공된다. 일 실시형태에서는, 유체 혼합물를 수용하고 그 안에서 성분을 분리하는 흡착 용기가, 하단부로부터 상단부까지 연장되며 용기 챔버를 형성하는 용기 벽을 포함한다. 이 흡착 용기의 하단부에는 유체 혼합물을 상기 용기 챔버에 도입하기 위한 하측 입구가 형성되어 있다. 또한, 상기 용기 챔버 내에서 상기 하단부의 상방에 지지판이 배치되며, 이 지지판은 상기 하단부와의 사이에 하측 공극 용적을 형성한다. 전체 공극률이 25% 미만인 충전재가, 상기 공극 용적에 배치되어, 상기 하측 입구로부터 상기 지지판으로의 상기 유체 혼합물의 유동을 위한 채널을 형성한다.

Description

감소된 공극 용적과 균일한 유동 분포를 갖는 흡착 용기{ADSORPTION VESSELS HAVING REDUCED VOID VOLUME AND UNIFORM FLOW DISTRIBUTION}

이전 국내 출원의 우선권 주장

본 출원은 2011년 12월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/330,448호를 우선권으로 주장한다.

본 발명은 일반적으로는 압력 스윙 흡착(PSA) 시스템 및 용기에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 감소된 공극 용적을 갖고 처리 동안에 균일한 유동 분포를 갖는 PSA 용기에 관한 것이다.

압력 스윙 흡착 프로세스는 가스 혼합물로부터 선택적으로 흡착 가능한 성분, 예컨대 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 암모니아, 황화수소, 아르곤, 질소 및 물을 분리할 수 있다. 대개, 이들 성분 중 하나 이상은 유체 스트림, 예컨대 수소 가스를 정제하기 위해 흡착된다. 통상적으로, PSA 프로세스는 흡착제 입자로 형성된 흡착층을 둘러싸는 용기를 포함하는 흡착기를 사용한다. 일반적으로, 흡착기의 용기에 있어서 공극 용적은, 다공성 흡착제 입자 내의 용적과, 입자 사이의 용적, 그리고 용기의 벽과 흡착층에 의해 형성된 내부 용적을 포함한다.

이러한 공극 용적은 PSA 프로세스의 효율을 저하시킬 수 있다. 구체적으로, 공극 용적은 수소 등의 회수된 생성물의 유실을 초래할 수 있다. 공극 용적을 줄이기 위해 공극 용적 내에 흡착제를 배치할 수 있지만, 이러한 방안은 흡착층을 통한 압력 강하와 가스 유동 분포에 악영향을 미치므로 바람직하지 못하다. 처리 성능이 향상되는 경우, 용기 내에서의 가스 분포가 균일하다. 그러나, 공극 용적 내에 흡착제를 배치하는 것은, 일반적으로 바람직하지 않은 불균일성을 야기할 수 있다. 일반적으로, 흡착제를 통한 압력 강하 및 유동 불균일성을 증대시키지 않고서, 용기 내의 공극 용적을 최소화하는 것이 바람직하다.

따라서, 공극 용적이 감소된 흡착 용기를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 분리 처리 동안에 나타나는 압력 강하가 감소된 흡착 용기를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 첨부 도면과 전술한 기술분야 및 배경기술과 함께, 이하의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위를 읽으면, 그 밖의 바람직한 특성 및 특징이 명백해질 것이다.

본원 발명에서는 감소된 공극 용적과 균일한 유동 분포를 갖는 흡착 용기가 제공된다. 예시적인 실시형태에서는, 유체 혼합물를 수용하고 그 안에서 성분을 분리하는 흡착 용기가 제공된다. 이 흡착 용기는, 하단부로부터 상단부까지 연장되는 용기 벽을 포함한다. 상기 용기 벽은 용기 챔버를 형성한다. 이 흡착 용기의 하단부에는 상기 유체 혼합물을 상기 용기 챔버에 도입하기 위한 하측 입구가 형성되어 있다. 상기 용기 챔버 내에서 상기 하단부의 상방에 지지판이 배치되며, 이 지지판은 상기 하단부와의 사이에 하측 공극 용적을 형성한다. 또한, 전체 공극률이 25% 미만인 충전재가, 상기 공극 용적에 배치되어, 상기 하측 입구로부터 상기 지지판으로의 상기 유체 혼합물의 유동을 위한 채널을 형성한다.

다른 예시적인 실시형태에 따르면, 유체 혼합물을 수용하고 그 안에서 성분을 분리하는 흡착 챔버가 형성되어 있는 흡착 용기가 제공된다. 이 흡착 용기는 용기 챔버 내에 배치되는 유공(有孔) 지지판을 포함하고, 이 유공 지지판은 유공 지지판 상방의 흡착 구역과 유공 지지판 하방의 입구 구역을 형성한다. 이 흡착 용기에는 유체 혼합물을 상기 입구 구역에 도입하기 위한 하측 입구가 형성되어 있다. 또한, 전체 공극률이 25% 미만인 충전재가, 상기 입구 구역에 배치되어, 상기 하측 입구로부터 상기 유공 지지판으로의 상기 유체 혼합물의 유동을 위한 채널을 형성한다. 충전재는 상기 입구 구역의 50% 이상을 채운다.

다른 예시적인 실시형태에 따르면, 유체 혼합물로부터 성분을 분리하는 흡착 시스템이 제공된다. 이 시스템은, 하단부로부터 상단부까지 연장되며 용기 챔버를 형성하는 용기 벽을 갖는 적어도 하나의 용기를 포함한다. 이 흡착 용기의 하단부에는 상기 유체 혼합물을 상기 용기 챔버에 도입하기 위한 하측 입구가 형성되어 있다. 상기 하측 입구는 축을 획정한다. 상기 흡착 용기는 상기 용기 챔버 내에서 상기 하단부의 상방에 배치된 지지판을 포함한다. 상기 지지판은 상기 하단부와의 사이에 하측 공극 용적을 형성한다. 또한, 상기 용기 챔버 내에서 상기 지지판의 상방에는, 상기 유체 혼합물의 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착성 재료의 층이 배치된다. 또한, 상기 하단부에는 상기 축을 둘러싸는 내측 지지 링이 장착되고, 상기 하단부에는 상기 내측 지지 링을 둘러싸는 외측 지지 링이 장착된다. 상기 용기는, 상기 하측 공극 용적에 있어서 상기 내측 지지 링과 상기 외측 지지 링의 사이에 배치되고 전체 공극률이 25% 미만인 충전재를 포함한다. 상기 충전재는, 상기 하측 입구로부터 상기 지지판으로의 상기 유체 혼합물의 유동을 위한 채널을 형성한다.

이하에서는, 유사한 도면부호가 유사한 요소를 표시하고 있는 이하의 도면과 함께, 흡착 용기를 설명한다.
도 1은 예시적인 실시형태에 따른 흡착 용기를 포함하는 처리 시스템의 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시형태에 따른 도 1의 흡착 용기의 측단면도이다.

이하의 상세한 설명은 사실상 단지 본보기를 보이기 위한 것이고, 흡착 시스템이나 흡착 용기를 또는 흡착 시스템이나 흡착 용기의 용례 및 용도를 제한하려는 것은 아니다. 또한, 전술한 배경기술 또는 이하의 상세한 설명에 제시된 임의의 이론에 제한을 받으려는 의도는 없다.

본원에 고려된 여러 실시형태는, 공극 용적을 줄이고, 축소된 압력 강하를 나타내며, 균일한 유동 분포를 제공하는 흡착 용기 및 흡착 시스템에 관한 것이다. 또한, 상기 흡착 용기 및 시스템은 사이클 시간을 30% 내지 50% 줄일 수 있다. 본원의 흡착 용기는 공극 용적을 줄이기 위해 충전재를 이용하며, 그 결과 PSA 프로세스에서의 프로세스 성능이 향상된다. 충전재는 25% 미만, 예컨대 20% 미만, 15% 미만, 또는 10% 미만의 전체 공극률을 갖는다. 본원에서 사용되고 있는 바와 같이, "전체 공극률"은, 질점 내의 재료내 공극 용적과 질점 사이의 재료간 공극 용적을 포함하는 공극 용적을 충전재의 총 용적에 대한 백분율로서 나타낸 측정값이다. 충전재의 전체 체적 또는 벌크 용적은 중실형 구성요소와 중공형 구성요소를 포함한다.

PSA 기술은, 가스 압력이 상승 및 하강할 때, 특정 가스를 선택적으로 흡착 및 탈착하는 흡착제의 성능에 기반을 두고 있다. 선택적인 흡착으로 인해, 소기의 생성물 가스로부터 불순물을 제거할 수 있다. PSA 시스템의 대부분의 상업적인 용처에서, 정제소 또는 화학 공장으로부터의 배기 가스는 분리를 목적으로 PSA 시스템에 공급된다. 예시적인 용처에서, 공급물은 증기 메탄 개질기로부터의 배기 가스이고, 75 mol.%의 수소, 15 mol.%의 이산화탄소, 3 내지 4 mol.%의 일산화탄소, 5 mol.%의 메탄 및 0.5 mol.%의 질소를 포함한다. 상기 PSA 시스템은 이러한 공급물로부터 99.9 mol.%의 생성물 스트림을 분리할 수 있다.

PSA 프로세스는, 4개의 기본 단계, 즉 생산, 감압, 퍼징 및 재가압을 주기적으로 반복하는 것을 포함한다. 먼저, 흡착성 재료, 전형적으로는 알루미나, 실리카 겔, 활성탄, 분자체(molecular sieve) 등을 담은 용기에, 공급 가스 혼합물을 고압하에서 공급한다. 공급 가스 내의 불순물은 다공성 흡착제의 내면에 흡착되어, 용기의 빈 공간에는 정제된 생성물 가스가 남겨진다. 그 후에, 생성물 가스를 가압 조건하에서 용기의 상단으로부터 빼낸다. 그 후에, 흡착 용기 내의 압력을 낮추고, 용기의 빈 공간에 남아 있는 생성물 가스를 내보낸다. 흡착된 불순물을 다시 기체상(gas phase)으로 방출시켜, 흡착층을 재생시킨다. 그 후, 소량의 정제된 생성물 가스로 용기를 퍼징하여, 흡착층의 재생을 완료한다. 불순물은 PSA 프로세스에서 저압 배기 스트림으로 빠져나간다. 끝으로, 감압 단계로부터의 생성물 가스, 공급 가스 및 고순도 생성물 가스의 혼합물로 용기를 재가압한다. 종래의 PSA 시스템에서는 이 사이클을 5 내지 10분 간격으로 반복한다.

각 사이클은 본래 배치(batch) 프로세스이므로, 통상적으로는 복수의 압력 용기를 차례로 함께 사용하여 생성물 가스의 반연속적인 흐름을 제공한다. 또한, 대형 서지 탱크를 사용하여 공급물, 생성물 및 배기 스트림의 유동에 있어서 변동을 감쇠시킨다. 채용된 흡착성 재료를 충분히 이용하려면, PSA 시스템은 PSA 처리 사이클 동안 내내 흡착 용기 전체에 걸쳐 균일한 가스의 흐름을 필요로 한다. 또한, PSA 용기의 입구 및 출구 영역에서의 압력 강하 및 공극 용적(즉, 입구 및 출구와 이들 입구 및 출구와 관련된 헤더)은 PSA 시스템의 프로세스 성능에 악영향을 미치며, 실제 상업적인 운전에서는 최소화되어야 한다.

본원에 고려된 예시적인 실시형태에 따르면, 선택적인 흡착을 행하는 장치(10)가 도 1에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 이 시스템은 공급물 스트림(12)을 받아들이고, 이를 생성물 스트림(14)과 불순물 스트림(16)으로 분리한다. 상기 장치(10)에는 흡착 용기(20)가 마련되는데, 이 흡착 용기에서는 공급물 스트림(12)으로부터 불순물이 제거된다. 도 1에는 4개의 용기(20)가 도시되어 있지만, 통상적으로 장치(10)에는 10개의 용기가 마련되며, 장치(10)는 16개에 이르는, 또는 그 이상의 용기를 포함할 수 있다. 대개 용기(20)는 동시에 작동되지만, 재가압 등과 같은 추가적인 처리 성과를 목적으로 직렬로 연결될 수도 있다.

도시된 바와 같이, 공급물 스트림(12)은 공급 라인(22)을 통해 용기(20)에 이송된다. 또한, 공급 라인(22)은 상부 흡착제 압력에 대한 가압용의 압력원(24)에 연결되어 있다. PSA 사이클에서의 고압 생성물 생성 단계 동안에는, 생성물 스트림(14)이 유출 라인(26)을 통해 용기(20)에서 나간다. 또한, 장치(10)는 PSA 사이클에서의 재생 단계 동안에 불순물을 제거하는 불순물 라인(28)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 불순물 라인(28)은 용기(20)로부터 불순물을 제거하기 위해 저압 싱크(30)에 연결될 수 있다.

이제 도 2를 참조해 보면, 예시적인 흡착 용기(20)가 도시되어 있다. 예시적인 흡착 용기(20)는, 하단부(42)로부터 상단부(44)까지 연장되며 용기 챔버(46)를 에워싸는 실질적으로 원통형인 용기 벽(40)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 공급물 스트림(12)을 받아들이고 불순물 스트림(16)을 배출하기 위한 입구(48)가 하단부(48)에 형성되어 있다. 입구(48)와 용기 벽(40)은 축(50)을 획정한다. 또한, 생성물 스트림(14)을 방출하기 위한 생성물 출구(52)가 상단부(44)에 형성되어 있다.

용기(20)에는 유공(有孔) 지지판(60)이 마련되어 있다. 지지판(60)은 평면(62)을 획정하고, 용기 챔버(46)를 입구 구역(64)과 흡착 구역(66)으로 분할하는 것으로 고려될 수 있다. 도시된 바와 같이, 지지판(60)은 내측 지지 링(68) 및 외측 지지 링(70) 상에 놓여, 예컨대 볼트 연결 등에 의해, 이들 링에 연결된다. 각 지지 링(68, 70)은 원통형이고, 각 상단 부근에 구멍이 형성되어 있다. 도시된 바와 같이, 내측 지지 링(68)은 축(50)을 중심으로 하고, 외측 지지 링(70)은 내측 지지 링(68)을 중심으로 한다. 용기(20)는 가스 흐름의 방향을 바꾸는 유공 디플렉터(72)도 포함할 수 있다.

도 2에서, 흡착성 재료(73)는 용기 챔버(46) 내에서 지지판(60)의 상방에 배치되어 있다. 앞서 나타내어진 바와 같이, 흡착성 재료(73)는 소기의 생성물 가스로부터 불순물을 선택적으로 흡착하도록 선택되며, 예를 들어 알루미나, 실리카 겔, 활성탄, 또는 분자체일 수 있다. 또한, 이들 흡착제는 복수의 층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 2에서는 지지판의 위에 활성탄으로 이루어진 제1 흡착제 층(74)이 배치되며, 총 흡착제 용적의 60%를 차지한다. 상기한 활성탄층의 위에는 제올라이트 분자체로 이루어진 제2 흡착제 층(75)이 배치되며, 나머지 40%의 흡착제 용적을 차지한다.

용기(20)에서의 공극 용적을 줄이기 위해, 충전재(80)가 입구 구역(64)에서 지지판(60)의 하방에 배치되어 있다. 충전재(80)는, 예를 들어 독립 기포 발포체, 액체, 콘크리트, 내화재, 플라스틱 블록, 화강석 블록, 세라믹 볼, 모래, 파라핀 왁스, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기한 바와 같이, 충전재는 단일 재료이던지 혹은 복수 재료의 조합이던지, 그 전체 공극률이 25% 미만, 예컨대 20% 미만, 예컨대 15% 미만, 또는 10% 미만이다. 도시된 바와 같이, 충전재(80)는 고리 또는 링 모양을 형성하고, 내측 지지 링(68)의 외면(82)에 접한다. 또한, 충전재(80)는 외측 지지 링(70)의 내면(84)에 접한다. 충전재(80)는 내측 지지 링(68)과 외측 지지 링(70)의 사이에서 용기(20)의 하단부(42)를 따라 연장된다. 용기(20)는 충전재(80)용 커버(86)도 포함할 수 있다. 커버(86)는, 예를 들어 충전재(80)를, 특히 선적 동안에 제자리에 유지시키기 위한, 멤브레인 백 또는 금속 박판 등의 구조용 요소일 수 있다. 도시된 바와 같이, 외측 지지 링(70)과 용기 벽(40) 사이의 용적에는, 공극 용적을 더 줄이고, 지지판(60) 아래의 흡착성 재료(74)가 용기 벽(40)을 따라 누출되는 것을 방지하며, 유동 분포에 도움을 주기 위해, 복수의 세라믹 볼(88)이 배치될 수 있다.

충전재(80)는 용기(20)의 공극 용적을 줄이고 공급 혼합물에 대한 채널 또는 흐름 경로를 형성하는 데 이용된다. 이 흐름 경로는 지지 링(68, 70)의 유공 상부를 통과한다. 도시된 바와 같이, 이 흐름 경로는 충전재(80) 및/또는 커버(86)와, 유공 지지판(60) 아래의 용기 벽(40)에 의해 경계가 정해진다. 도시된 바와 같이, 용기(20)는 용기 높이(100), 챔버 내경(102), 흡착층 높이(104), 입구 내경(106) 및 지지판 높이(108)를 갖는다.

다른 예시적인 실시형태에서, 용기(20)는 15.857 입방 미터(또는 560 입방 피트)의 용적을 갖고, 입구 구역의 전체 용적은 용기 용적의 3% 내지 15%, 예를 들어 용기 용적의 6% 또는 8.5%이다. 입구 구역(64) 내에서, 충전재는 입구 구역 용적의 50%를 채운다. 그 결과, 입구 구역에 있어서 나머지 공극 용적은 용기 용적의 4%이고, 충전재 용적은 용기 용적의 2% 내지 10%, 예를 들어 용기 용적의 3% 또는 4.5%이다.

이러한 충전재(80)의 배치, 디자인 및 용적뿐만 아니라 낮은 전체 공극률을 비롯한 재료 특성의 결과로서, 공급 가스 혼합물의 균일한 유동 분포를 방해하는 일 없이, 그리고 용기 전체에 걸쳐서의 압력 강하를 증대시키는 일 없이, 용기(20)의 공극 용적이 줄어든다. 그 결과, 프로세스 효율이 증대된다. 예를 들어, 이러한 공극 용적의 양 감소로 인해, PSA 처리 사이클에서의 용기의 감압 동안에 불순물 스트림(16)에 빼앗기는 생성물 가스(예를 들어, 수소)가 줄어들게 된다. 그 결과, 사이클 시간 자체가 줄어들 수 있어, 공급 가스 스트림으로부터의 생성물 스트림(14)의 부분 회수를 감소시키는 일 없이, 필요 층고(層高)를 작게 할 수 있다.

따라서, 생성물 가스로부터 불순물을 분리하는 흡착 시스템 및 용기를 설명하였다. 흡착 용기에는, 처리 효율을 향상시키기 위해 공극 용적을 줄이는 충전재가 마련되어 있다. 적어도 하나의 예시적인 실시형태가 전술한 상세한 설명에 제시되었지만, 많은 수의 변형이 존재함은 물론이다. 또한, 본원에 기재된 예시적인 실시형태(들)는 청구된 주체의 범위, 적용성, 또는 구성을 조금도 제한하려는 의도가 없음은 물론이다. 오히려, 전술한 상세한 설명은 상기한 실시형태(들)를 실행하는 데 편리한 지침을 당업자에게 제공할 것이다. 청구범위에 의해 규정되며 본 특허 출원의 출원시에 공지된 등가물 및 예측 가능한 등가물을 포함하는 범위로부터 벗어나지 않고서도 프로세스에 대해 변형을 실시할 수 있음은 물론이다.

Claims (10)

1. 유체 혼합물(12)을 수용하고 그 안에서 성분을 분리하는 흡착 용기(20)로서,
   하단부(42)로부터 상단부(44)까지 연장되며 용기 챔버(46)를 형성하는 용기 벽(40);
   유체 혼합물을 상기 용기 챔버에 도입하기 위해 용기의 하단부에 형성된 하측 입구(48);
   상기 용기 챔버 내에서 상기 하단부의 상방에 배치되며 상기 하단부와의 사이에 하측 공극 용적을 형성하는 지지판(60); 및
   전체 공극률이 25% 미만이고 상기 하측 공극 용적에 배치되며 상기 하측 입구로부터 상기 지지판으로의 상기 유체 혼합물의 유동을 위한 채널(92)을 형성하는 충전재(80)
   를 포함하는 흡착 용기.
2. 제1항에 있어서, 상기 용기 챔버 내에서 상기 지지판의 상방에 배치되는 흡착성 재료(73)를 더 포함하고, 상기 흡착성 재료는 상기 유체 혼합물로부터 상기 성분을 선택적으로 흡착하는 것인 흡착 용기.
3. 제1항에 있어서, 상기 용기 챔버는 용기 용적을 형성하고, 상기 하측 공극 용적은 상기 용기 용적의 3% 내지 15%로 이루어지며, 상기 충전재는 상기 용기 용적의 2% 내지 10%의 충전 용적을 형성하는 것인 흡착 용기.
4. 제3항에 있어서, 상기 충전 용적은 상기 하측 공극 용적의 50%를 차지하고, 상기 하측 공극 용적은 상기 용기 용적의 6%를 차지하는 것인 흡착 용기.
5. 제4항에 있어서, 상기 충전 용적은 상기 용기 용적의 3%를 차지하는 것인 흡착 용기.
6. 제1항에 있어서, 상기 충전재는 전체 공극률이 10% 미만인 것인 흡착 용기.
7. 제1항에 있어서, 상기 하측 입구는 축(50)을 획정하고, 상기 흡착 용기는, 상기 하단부에 배치되며 상기 축을 둘러싸는 내측 지지 링(68)을 더 포함하며, 상기 내측 지지 링은 외면(82)을 갖고, 상기 충전재는 상기 내측 지지 링의 외면에 접하는 것인 흡착 용기.
8. 제7항에 있어서, 상기 하단부에 배치되며 상기 내측 지지 링을 둘러싸는 외측 지지 링(70)을 더 포함하는 흡착 용기.
9. 제8항에 있어서, 상기 외측 지지 링은 내면(84)을 갖고, 상기 충전재는 상기 외측 지지 링의 내면에 접하는 것인 흡착 용기.
10. 제8항에 있어서, 상기 내측 지지 링과 상기 외측 지지 링은 유공(有孔) 상부를 포함하고, 상기 채널은 상기 유공 상부를 통과하는 것인 흡착 용기.

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