KR20170091146A - 가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법 및 작동 매체용 물 분리기 - Google Patents

가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법 및 작동 매체용 물 분리기 Download PDF

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마르쿠스 라슈
크리스토프 나글
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Abstract

본 발명은 적어도 다음 단계들, 흡습성 이온 액체(4)를 반응 챔버(3)에 제공하는 단계; 물 함유 작동 매체(2)를 공급하고 이온 액체(4)를 통해 작동 매체(2)를 전달시키는 단계 ― 물이 이온 액체(4)와 결합하고 이에 의해 작동 매체로부터 분리됨 ―; 및 건조된 작동 매체(7)를 배출하는 단계가 수행되는 가스 작동 매체(2)로부터 물을 분리하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 대응하는 물 분리기(1) 및 물 분리기 시스템(15)에 관한 것이다.

Description

가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법 및 작동 매체용 물 분리기 {METHOD FOR SEPARATING WATER FROM A GASEOUS WORKING MEDIUM, AND WATER SEPARATOR FOR A WORKING MEDIUM}
본 발명은 가스 작동 매체(gaseous working medium)로부터 물을 분리하기 위한 방법, 및 이러한 작동 매체용, 특히 예컨대, 천연 가스 또는 수소용 압축기 스테이션들(compressor stations)에서 사용하기 위한 물 분리기 및 물 분리기 시스템에 관한 것이다.
예컨대, 천연 가스 또는 수소용 압축기 스테이션들은 기본적으로 건식 작동 가스(dry working gas)로 작동하도록 설계된다. 그러한 압축기 스테이션에 물 함유 작동 가스(water-containing working gas)가 공급되면, 이들 물 함유 가스 혼합물들의 재처리는 특히 중요한 동작(operating) 단계를 구성한다. 물 분획물들(fractions)의 제거는, 첫 번째로, 하류 장치들 및 연결 파이프라인들에서 원치 않는 응축(condensation)을 방지하는 역할을 한다. 두 번째로, 과도하게 높은 물 함량은 내연 기관들(internal combustion engines)에서 연소 가스들을 하류에서 활용하는 경우에 부식 손상(corrosion damage)이 존재할 수 있기 때문에 문제가 된다. 따라서, 건식 시스템들(drying systems)이 사용된다.
종래 기술에 따른 건식 시스템들은 예컨대, 다공성 재료(예컨대, 실리카겔)의 베드들(beds)로 작동한다. 이러한 다공성이 높은 재료들은 작동 가스로부터 물 함량을 흡수한다. 종래 기술의 건조기(drier) 시스템들에서의 다공성 베드들은 근본적으로 매우 큰 부피를 필요로 한다. 베드의 재생(regeneration)은 베드를 통한 건조한 불포화 천연 가스의 유동에 의해 또는 베드의 베이킹(baking) 또는 교환에 의해 수행될 수 있다. 종래 기술의 건조기 시스템들의 경우에 베드의 교환은, 베드를 완전히 교체할 수 있도록 컨테이너를 개방할 필요가 있다. 이는 미활용(unutilized) 작동 가스중 많은 부분(great proportion)을 배출시킨다. 다공성 베드들의 경우, 입자들의 작동 매체를 없애는 제한된 정도로만 단지 가능하며, 이는 작동 매체의 최종 여과(filtration)를 필요로 한다. 또한, 다공성 베드들은, 특히 높은 압력들에서 균일한 가압들(pressurizations)이 충분한 외부 하중(external load) 상태에서 쉽게 파괴된다. 그 결과, 최대 작동 압력이 제한된다. 종래 기술의 베드 재료들의 경우에 최대 물 흡수는 베드의 고유 질량(intrinsic mass)의 약 30 중량 %이다. 따라서 물 흡수는 매우 제한된다. 추가의 방법이 작동 가스의 제습(demoisturization)을 위해 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol)(TEG)을 사용하지만, 보통, 원하는 순도를 달성할 수 있도록 프로세스를 다단계 형태(multistage form)로 유지할 필요가 있다.
이로부터 진행하여, 본 발명의 목적은 종래 기술로부터 공지된 단점들을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다.
본 발명의 특징들은 독립항들로부터 명백하며, 독립항에 대해 유리한 구성들은 종속항들에 나타낸다. 청구항들의 특징들은 기술적으로 실행 가능한 임의의 방식으로 결합될 수 있으며, 이를 위해 또한, 본 발명의 보충 구성들을 포함하는 도면들로부터의 특징들 및 후속하는 명세서로부터의 설명들이 참조될 수 있다.
본 발명의 목적은, 적어도 다음 단계들을 갖는 가스 작동 매체로부터 물을 분리하는 방법에 의해 달성된다:
a. 흡습성(hygroscopic) 이온 액체(ionic liquid)를 반응 챔버에 유지하는 단계;
b. 물 함유 가스 작동 매체를 반응 챔버로 공급하고 이온 액체를 통해 작동 매체를 통과시키는 단계 ― 물이 이온 액체에 의해 결합됨(bound) ― ; 및
c. 건조된 작동 매체를 제거하는 단계.
본 방법을 위해, (특히 높은) 흡습성 이온 액체(이는, 특히, 예컨대 90 % 이상과 같은 임의의 비율로 물과 혼합 가능하며, 이는 물질(substance) 혼합물이 10 중량 %의 이온 액체와 90 중량 %의 물을 갖는 것을 의미함)를 보유하는 반응 챔버가 유지된다. 원칙적으로, 바람직하게 사용되는 이온 액체로부터 형성되는 물질 혼합물은 0 중량 % 초과 내지 100 중량 % 미만의 물 함량을 함유할 수 있다. 반응 챔버는, 가스 작동 매체, 바람직하게는 천연 가스 또는 수소가 도입될 수 있고 이온 액체를 통해 전달(conducted)될 수 있고 다시 제거될 수 있도록 설치된다. 이온 액체들은, 충분히 낮은 격자 에너지(lattice energy)를 갖는 염들(특히 유기 염들)이며, 이들 염들은 염이 용매, 예컨대 물에 용해되지 않으면서, 바람직하게는 -25 ℃ 로부터 이 염들의 열 분해점(이는 바람직하게는 250 ℃ 이상임)까지의 온도 범위 내에서 액체이다. 이온 액체는 특히, 메탄설포네이트(methanesulfonate) 또는 에탄설포네이트(예컨대, 각각 50 중량 %), 예컨대, 1-에틸-3-메틸이미다 졸륨 메탄설포네이트(CAS 번호: 145022-45-3), 트리스(2-히드록시에틸) 메틸암모늄 메틸설페이트(methylsulfate)(CAS 번호: 29463-06-7, 또한, 에탄아민, 2-히드록시-N, N-비스(2-히드록시에틸)-N-메틸-, 메틸설페이트로 지칭됨) 또는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 에틸설페이트(CAS 번호: 342573-75-5, 또한 1H-이미다졸륨, 1-에틸-3-메틸-, 에틸설페이트로 지칭됨)를 포함할 수 있다. 게다가, 이온 액체는 상기 언급된 구성성분들, 특히 CAS 번호: 342573-75-5 및 CAS 번호: 29463-06-7의 혼합물일 수 있다.
다른 흡습성 이온 액체들이 마찬가지로 사용될 수 있다.
이러한 이온 액체들의 특별한 이점은 이온 액체들이 강(steel)에 필적하는 간신히 약간(barely any) 측정 가능한 증기압을 가지며, 그리고 이온 액체들이 매우 양호한 용해 특징들을 가지며, 즉 흡습성이 높다라는 점이다. 따라서, 이온 액체들은 물과 결합할 수 있고, 그리고 이에 대응하여, 습한(moist) 가스 작동 매체로부터 물을 분리시킬 수 있다. 이온 액체들의 낮으며, 간신히 측정 가능한 증기압으로 인해, 작동 매체는 이온 액체를 통과한 후에 (적어도 일정하게) 고순도로 얻어질 수 있다. 이 문맥에서, 보다 구체적으로, 작동 매체의 입자들은 또한 분리되고 이온 액체에 의해 보유된다. 본 방법의 특별한 이점은 액체 재료인 이온 액체가 반응 챔버로부터 쉽게 제거될 수 있고 간단한 방식으로 클리닝되거나 재생될 수 있다는 점이다. 또한, 본 발명의 유리한 작동 예에서, 이온 액체에 의한 작동 매체의 클리닝이 상승된 대기압 하에서 실행될 수 있다는 것이 본 방법의 큰 이점인데, 이는 왜냐하면 이온 액체가 (기술적인 목적들로) 비압축성(incompressible)이고 그리고 베드에 비해 기계적으로 둔감하기(insensitive) 때문이다. 따라서, 이 작동 예에서, 반응 챔버의 환경에서의 대기압에 대해 상승된 압력은 바람직하게는, 물의 분리 중에 적어도 반응 챔버에서 유지된다. 보다 바람직하게는, 본 방법은 일 단계(one stage)로 수행된다. 이는 이온 액체의 낮은 증기압 및 이온 액체의 매우 높은 용해 능력(dissolution capacity) 때문에 가능하다.
작동 매체는, 일반적으로, 특히 바람직하게는 90 부피 % 초과의 상당히 더 큰 가스 함량을 갖는 가스 또는 2 상 유체(biphasic fluid)이지만, 고형물(solid)(오염물) 입자들이 또한 존재할 수 있다. 바람직한 작동 매체는 천연 가스 또는 수소이다.
방법의 추가의 유리한 실시예에서, 방법은 연속적인 방법으로서 실행되며, 여기서, 물 함유 작동 매체를 도입하기 위한 작동 매체 입구(working medium inlet) 및 건조되는 작동 매체를 배출하기 위한 클린 매체 출구(clean medium outlet)가 제공되며, 여기서 건조되는 작동 매체는 바람직하게는 상승하거나 중력장(field of gravity)에 대항하여 이온 액체를 통해 상방으로 전달된다. 그러나, 다른 작동 모드들이 또한 가능할 수 있다.
방법의 이러한 유리한 실시예에서, 가스 작동 매체는 이온 액체를 통해 바람직하게는 연속적으로 통과되어, 작동 매체의 이러한 클리닝 또는 건조가 연속(또는 달리 준-연속(quasi-continuous)) 프로세스로 통합될 수 있고, 작동 매체는, 예컨대, (특히 하류 압축기 스테이션에서) 압축으로 (준-)연속으로 공급될 수 있다.
보다 바람직하게는, 작동 매체는 이온 액체에 비해 그의 더 낮은 밀도로 인해서 아래로부터 이온 액체에 공급되고 (지구) 중력장에 대항하여 이온 액체를 상방으로 상승시키고 이온 액체의 액체 레벨 위에서 클린 매체 출구를 통해 배출된다. 여기서, 클린 매체는 가능하게는 입자들이 없는 건조된 작동 매체를 지칭한다. 그러나, 수직으로의 작동 매체의 유동 방향에 대한 대안으로서, 작동 매체의 유동을 수평으로 안내하는 것이 또한 가능하다.
방법의 추가의 유리한 실시예에서, 이온 액체는 반응 챔버를 가열하고 물 출구를 통해 증기 형태로 분리된 물을 제거함으로써 재처리되고, 여기서, 소망하는 건조도(degree of drying)가 미리 정해진(예컨대, 경험적으로 정해지는) 가열 시간에 걸쳐 이온 액체를 가열함으로써 바람직하게 달성된다. 대안으로, 소망하는 건조도가 이루어질 때까지 담지된(laden) 이온 액체를 가열하는 것이 가능하다. 이는 다음 조치들 중 하나에 의해 정해질 수 있다:
- 이온 액체의 질량을 정하는 것;
- 분리된 물의 질량을 정하는 것;
- 재처리 이전에 그리고/또는 물의 분리 이전과 재처리 중에 이온 액체의 시작 질량을 정하고, 그리고 이온 액체의 잔류 질량을 시작 질량과 비교하는 것; 또는
- 이온 액체의 전기 전도도 값 또는 저항을 정하는 것.
재처리는 또한 작동 매체에서 물을 분리하기 위해 이전에 설명된 단계들 없이 별도의 방법으로 실행 가능하다.
전술된 바람직한 실시예에서, 반응 챔버는 이온 액체의 재처리( 재생이라고도 부름)를 위해 동시에 활용되며, 이 경우에, 작동 매체의 전달은 바람직하게는 작동 매체의 (큰) 손실들을 생성시키지 않도록 중단된다. 충분히 담지된 클리닝 매체(cleaning medium), 즉 이온 액체는 반응 챔버에서 가열되고, 그리고 그 결과, 결합된 물이 이온 액체로부터 분리되고 증기 형태로 분리된다. 이 목적을 위해, 물 출구가 바람직하게 제공되며, 바람직하게는 이온 액체 위에 배열되어, 바람직하게는 (이온 액체의 낮은 증기압의 결과로서) 본질적으로 단지 증기 상태의 물만이 제거된다.
방법의 대안의 실시예에서, 이온 액체는 재처리를 위해 교환되며, 여기서, 이온 액체는 바람직하게는 연속적으로 교환되고, 여기서, 분리 방법으로 수집되는 입자들은 보다 바람직하게 여과된다(filtered out).
상기 방법의 일 변형에서, 이온 액체, 또는 바람직하게는 이온 액체의 일부가 재처리를 위해 교환되며(즉, 반응 챔버로부터 배출되어(drawn off) 재생된 형태로 다시 공급됨), 여기서 물의 분리를 위한 작동 매체가 바람직하게는 여전히 (나머지) 이온 액체를 통해 연속적으로 전달될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 클리닝될 이온 액체가 제거됨에 따라 많은 클린 이온 액체가 지속적으로 공급된다. 가장 바람직하게는, 이온 액체는 연속적으로 교환되어, 이온 액체의 로딩(loading) 정도가 본질적으로 일정하거나 소정 한도들 내로 유지될 수 있다. 유리하게는, 여기서, 예컨대, 반응 챔버의 하류 필터(예컨대, 도관들 및/또는 재처리 장치 내)에 의해 수집되는 입자들을 이온 액체로부터 연속적으로 여과하는 것이 가능하다.
방법의 추가의 유리한 실시예에서, 재처리로 얻어진 증류수(distilled water)가 수집되고, 여기서 바람직하게는, 이온 액체는 하나 또는 그 초과의 필터들에 의해 입자들이 미리 제거된다.
이러한 방법의 바람직한 실시예들에서, 얻어진 물이 예컨대, 추가의 프로세스에 제공된다. 가장 바람직하게는, 여기서, 이온 액체는 하나 또는 그 초과의 필터들에 의해 입자들이 미리 제거되어, 고순도 물 증류액(water distillate)이 얻어진다. 분리 및 재생을 위해 단지 하나의 용기 또는 하나의 반응 챔버만을 사용하는 본 발명의 실시예들에서, 번갈아 개방되는 클린 매체 출구 및 물 출구에 의해 물의 수집을 성취하는 것이 바람직하다. 분리 및 재처리가 공간적으로 분리되는 경우에, 물의 연속적인 제거가 가능하다.
방법의 추가의 유리한 실시예에서, 반응 챔버 내의 임의의 불용 공간(dead space)은 액체 레벨을 상승시킴으로써 이온 액체의 교환 개시 이전에 소망하는 정도로 감소되며, 여기서, 존재하는 (상부) 출구들로부터의 안전 여유가 포함될 수 있다(예컨대, 이들 출구들을 범람하지(flood) 않기 위함).
이러한 바람직한 실시예에서, 반응 챔버 내의 불용 공간, 즉 이온 액체로 채워지지 않은 공간은 특히 프로세스 신뢰성에 의해 허용되는 한 바람직하게 감소된다. 그 결과, 작동 매체가 처리되지 않은 부피가 작게 유지되어, 특히 베드들과 비교하여 이 프로세스의 부피 효율이 매우 높다. 또한, 교환 이전에 그리고/또는 이온 액체의 교환 중에, 불용 공간은 가능한 한 작게 유지되거나 가능한 한 작게 감소되어, (과도하게) 높은 비율의 작동 매체가 빠져나가 이에 따라 클리닝 프로세스에서 손실되는 것을 방지한다.
방법의 추가의 유리한 실시예에서, 제거되는 건조된 작동 매체는, 제거되는 건조된 작동 매체가 클린 매체로서 제거되어 하류 프로세스에 제공되기 이전에, 물 분획물들(water fractions)의 정교한 분리를 실행하기 위해서 적어도 하나의 합일 필터(coalescence filter)를 통해 전달된다.
방법의 추가의 유리한 실시예에서, 상승된 대기압(atmospheric pressure)이 적어도 물 흡수 동안 반응 챔버에서 유지된다.
상승된 대기압의 사용을 통해, 먼저, 보다 큰 몰량(molar amount)의 작동 매체가 반응 챔버에서 건조되게 프로세스하는 것이 가능하다. 또한, 이온 액체의 증기압은 더욱 감소되고, 상류 및/또는 하류 프로세스의 상승된 압력 레벨로의 포함(incorporation)이 상당히 용이해진다.
본 발명의 추가의 양태에서, 물 분리기가 적어도 다음의 컴포넌트들을 포함하는 가스 작동 매체에 대해 제안된다:
ㆍ흡습성 이온 액체를 수용하기 위한 액밀(liquid-tight) 반응 챔버 - 반응 챔버에는 특히 흡습성 이온 액체(이는 그 다음에 물 분리기의 구성 성분을 구성함)가 채워지며, 그리고 반응 챔버는 특히 반응 챔버의 주변 대기(ambient atmosphere)에 대한 상승된 압력을 견디도록 설계됨 -;
ㆍ건조될 가스 및 물 함유 작동 매체를 반응 챔버로 도입하기 위한 밀폐 가능한 작동 매체 입구 - 작동 매체 입구는 특히 반응 챔버 아래에 배열됨 - ; 그리고
ㆍ반응 챔버로부터 건조된 작동 매체를 제거하기 위한 폐쇄 가능한 클린 매체 출구 - 클린 매체 출구는 특히 반응 챔버 위에 배열됨 -.
따라서, 물 분리기는 바람직하게는 기밀되도록 추가로 설계되는 액밀 반응 챔버를 포함한다. 이 반응 챔버는 바람직하게는, 처음에 이미 설명된 바와 같이 (높은) 흡습성인 이온 액체를 포함하거나 수용할 수 있다.
보다 구체적으로, 작동 매체 입구 및 클린 매체 출구는 반응 챔버의 길이 방향 축을 따라 서로 반대로 배열되며, 이 길이 방향 축을 따라 반응 챔버가 연장하거나 최대 범위를 가져, 작동 매체가 최대 거리에 걸쳐 처리된다. 가장 바람직하게는, (지구) 중력장에 기초한 클린 매체 출구가 반응 챔버 그리고 반응 챔버 아래의 작동 매체 입구 위에 배열된다. 환언하면, 반응 챔버의 길이 방향 축은 바람직하게는 수직을 따라 연장한다. 그러나, 반응 챔버는 또한 수평을 따라 정렬될 수 있어, 길이 방향 축이 수평으로 이어진다(그리고 작동 매체가 대응하여 좌측에서 우측으로 또는 그 반대로 유동한다).
반응 챔버의 수직 정렬의 경우에, 일반적으로 이온 액체보다 낮은 밀도를 갖는 가스 작동 매체가 이온 액체의 중력장에 대향하여, 즉 에너지의 능동적인(active) 공급 없이 저절로 상승할 수 있으며, 여기서, 작동 매체의 물 함량의 적어도 대부분은 흡습성 이온 액체에 의해 결합된다. 상기에서 이미 설명된 이온 액체의 낮은 증기압 때문에, (본질적으로) 고순도의 건조된 작동 매체가 이에 따라 클린 매체 출구 내의 이온 액체로부터 분리되고, 이제 추가 프로세스에 공급될 수 있다.
반응 챔버는 바람직하게는 정격 압력(pressure-rated)으로 설계되어, 본 방법이 또한 주변 분위기와 비교하여 명백하게 상승된 압력에서 수행될 수 있다.
물 분리기는 바람직하게는, 상기 설명에 따른 방법의 수행(performance)을 위해 설치된다.
물 분리기의 추가의 유리한 실시예에서, 바람직하게는, 적어도 하나의 물 출구가 추가로 제공되거나 반응 챔버 위에 배열되며, 여기서 증발하는 물은 반응 챔버에서 이온 액체를 재처리하는 동안 물 출구를 통해 제거될 수 있다.
게다가, 반응 챔버는 분리된 이온 액체에 결합되는 물을 끓이는 역할을 하는 가열 엘리먼트를 가질 수 있다. 따라서, 이 실시예에서, 반응 챔버 자체로 이온 액체를 재처리/재생하는 것이 가능하다.
상기 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 물 분리기의 추가의 유리한 실시예에서, 적어도 하나의 교환 출구(exchange outlet)가 추가로 제공되며, 바람직하게는 반응 챔버 아래에 있으며, 반응 챔버로 그리고/또는 반응 챔버로부터 이온 액체를 공급 및/또는 제거하도록 설치 및 제공된다.
교환 출구를 통해서, 이온 액체는 특히 반응 챔버로부터 제거 가능하여, 예컨대, 이온 액체의 재처리가 반응 챔버 외부에서 수행될 수 있다. 따라서, 공급 및 제거는 특히 단순한 방식으로, 예컨대, 액체 펌프에 의해 실행될 수 있다.
물 분리기의 추가의 유리한 실시예에서, 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구가 제공되며, 이에 의해 이온 액체가 연속적으로 교환 가능하게 된다. 이 경우에, 이온 액체는 따라서 출구에 의해 배출될 수 있고, 그리고 이와 동시에, 입구를 통해 반응 챔버로 - 재생된 형태로 - 공급될 수 있다.
따라서, 이온 액체의 로딩이 유리하게 조절될 수 있고, 물 분리기의 연속 작동이 가능하다. 따라서, 물 분리기는 유리하게는 연속 프로세스 구조에 포함될 수 있다.
물 분리기의 추가의 유리한 실시예에서, 클린 매체 출구는 적어도 하나의 합일 필터를 가지거나 반응 챔버 측 상의 이러한 필터와 유동 연결된다. 이러한 합일 필터는 바람직하게는 건조된 작동 매체로부터 여전히 존재하는 물 분획물들을 분리하도록 설계된다.
본 발명의 추가의 양태에서, 가스 작동 매체를 건조시키기 위한 물 분리기 시스템이 제안되며, 여기서, 물 분리기 시스템은 (예컨대, 본원에 설명된 실시예에 따른) 본 발명의 적어도 하나의 물 분리기, 및 반응 챔버로 다시 도입될 수 있게 이온 액체를 재처리(재생)하도록 설정되는 적어도 하나의 분리된 재처리 장치를 갖는다.
재처리 장치는 이온 액체로부터 미립자 불순물들을 여과하기 위한 적어도 하나의 입자 필터를 포함할 수 있다. 게다가, 재처리 장치는 바람직하게는 이온 액체를 가열하거나 이온 액체에 결합된 물을 증발시키기 위한 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 갖는다. 게다가, 재처리 유닛은 바람직하게는 증발된 물을 제거하기 위한 적어도 하나의 물 출구를 갖는다.
재처리 장치는, 바람직하게는 적어도 하나의 유동 경로를 통해, 바람직하게는 반응 챔버의 입구 및 출구를 통해, 반응 챔버에 유동 연결되어, 이온 액체의 연속적인 재처리가 가능하다. 이 경우에, 이온 액체는 출구를 통해 반응 챔버로부터 배출되고, 재처리 장치에서 재생되고, 입구를 통해 반응 챔버로 다시 복귀된다.
반응 챔버 내의 작동 매체로부터의 물의 분리는, 특히 1 bar(또는 0 bara) 내지 551 bar(또는 550 bara) 범위의, 특히 20 bar 내지 330 bar 범위의, 특히 16 bar 내지 250 bar 범위의 반응 챔버의 압력들에서, 그리고 특히 + 60 ℃ 내지 + 250 ℃, 특히 + 60 ℃ 내지 + 160 ℃, 특히 + 60 ℃ 내지 + 150 ℃ 범위의 반응 챔버의 온도들에서 수행될 수 있다.
작동 매체가 천연 가스거나 작동 매체가 천연 가스를 포함할 때, 작동 매체로부터 물의 분리는, 바람직하게는, + 60 ℃ 내지 + 150 ℃ 범위의 반응 챔버의 온도에서 그리고 20 bar 내지 330 bar 범위의 반응 챔버 내의 압력에서 발생한다.
작동 매체가 수소이거나 작동 매체가 수소를 포함할 때, 작동 매체로부터 물의 분리는, 바람직하게는, + 60 ℃ 내지 + 160 ℃ 범위의 반응 챔버의 온도에서 그리고 16 bar 내지 250 bar 범위의 반응 챔버의 압력에서 발생한다.
상기 설명된 본 발명은 바람직한 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여 당해 기술 배경에 대해 이하에서 상세히 설명된다.
도 1은 가열 엘리먼트를 갖는 물 분리기를 도시한다.
도 2는 별도의 재처리 장치를 갖는 물 분리기 시스템을 도시한다.
도 1은 액체 레벨(18)까지 이온 액체(4)로 충전된 반응 챔버(3)가 제공되는 물 분리기(1)를 도시한다. 반응 챔버(3) 내로 돌출하는 가열 엘리먼트(10)가 이온 액체(4)를 가열하는데 사용될 수 있다. 반응 챔버(3)의 하단부에는, 건조될 (물 함유) 가스 작동 매체(2)(바람직하게는 천연 가스 또는 수소)가 반응 챔버(3) 내로 도입될 수 있는 작동 매체 입구(5)가 제공된다.
이 예에서는 반응 챔버(3)의 덮개(29)(아래 참조)에 배열되는 반응 챔버(3)의 상단부에서 클린 매체 출구(6)가 추가로 제공된다. 건조된 작동 매체(7)는 클린 매체 출구(6)를 통해 제거될 수 있다.
작동중인 반응 챔버(3)는 바람직하게는 작동 매체 입구(5) 및 클린 매체 출구(6)가 길이 방향 축을 따라 서로 마주하는 상태에서, 수직 길이 방향 축 또는 실린더 축을 따라 연장한다. 반응 챔버(3)는, 길이 방향 축을 따라 연장하는 원통형 챔버 벽(8)을 가질 수 있고 (임의의 입구들 및 출구들로부터 떨어져서) 벽에 결합되는 베이스에 의해 저부에서 폐쇄될 수 있다. 상단부에서, 반응 챔버(3)는 바람직하게는 스크류들을 통해 벽(8)에 스크류 연결될 수 있는 덮개 또는 실린더 헤드(29)에 의해 폐쇄되며, 스크류들 중 단지 스크류홀들(23)만이 개략적인 형태로 여기에 도시된다.
추가로, 반응 챔버(3) 위에는 물 출구(6)가 제공되며, 이 물 출구를 통해, 수증기가 예컨대 가열 엘리먼트(10)에 의해 이온 액체(4)의 가열에 의해 이온 액체(4)의 재처리 중에 수증기가 제거될 수 있다. 클린 매체 출구(6) 및 물 출구(9)(하기 참조)는 바람직하게는 덮개(29)에 형성된다.
게다가, 교환 출구(11)가 반응 챔버(3) 아래에 배열되며, 이 반응 챔버를 통해 이온 액체(4)가 반응 챔버(3)에 공급될 수 있고 반응 챔버(3)로부터 제거될 수 있다. 이 예에서, 예컨대, 이온 액체(4)가 (가열에 의해) 재처리될 때, 클린 매체 출구(6)는 클린 매체 차단 밸브(21)에 의해 폐쇄될 수 있다. 게다가, 물 배출구(9)는 또한, 예컨대 물 함유 작동 매체(2)가 건조될 때 분리 단계 동안 물 차단 밸브(22)에 의해 폐쇄될 수 있다. 게다가, 이러한 바람직한 예에서, 합일 필터(14)가 반응 챔버(3)의 하류 클린 매체 출구(6)에 유동 연결되고, 그리고 건조된 작동 매체(7)의 잔류 물 함량의 정교한 분리를 위해 설치 및 제공된다. 그 후에, 클린 매체(20)가 하류 프로세스로 또는 저장 수단으로 공급될 수 있다. 반응 챔버(3)의 불용 부피(dead volume)는 여기서 매우 작으며, 그리고 특히 액체 레벨(18)과 덮개(29) 사이의 안전 여유(safety margin)(19)로만 제한된다. 따라서, 반응 챔버(3)의 불용 부피는 예컨대, 베드들을 사용하는 경우보다 훨씬 더 작다. 여기에 도시된 물 분리기(1)는 특히 콤팩트하며, 가스 작동 매체로부터 물의 분리의 연속적 수행을 허용한다.
도 2는 물 분리기(1) 및 별도의 재처리 장치(16)를 갖는 물 분리기 시스템(15)을 제공하며, 여기서, 물 분리기(1)는 도 1에 도시된 것과 유사한 구조이며, 그리고 또한, 여기서, 챔버 벽(8)은 바람직하게는 주변 분위기에 대해 상승된 압력을 위해 설계된다. 이 경우에, 도 1과 대조하여, 입구(12) 및 출구(13)가 반응 챔버(3)에 제공되고, 따라서 이들은 2 개의 교환 연결부들(11)을 형성한다. 입구(12)는 재처리 장치(16)로부터 재처리된 형태로 공급될 수 있는 이온 액체(4)의 공급을 허용한다. 출구(13)는 물 분리기(1)와 재처리 장치(16)를 연결하여, 이온 액체(4)가 여기서, 예컨대, 펌프(24)에 의해 재처리 장치(16)의 재처리로 공급될 수 있다. 이 경우에, 보다 자세하게, 입자 필터(17)가 반응 챔버(3)의 하류 또는 출구(13)에 제공되며, 이 출구에 의해, 물 함유 작동 매체(2)에 의해 도입된 입자들이 이온 액체(4)로부터 분리 가능하다. 재처리 장치(16)에서, 가열 요소(10)가 제공되며, 이 가열 요소에 의해, 재처리 입구(25)를 통해 도입될 수 있는 이온 액체(4)가 가열될 수 있어, 물이 증기 형태로 방출되고 재처리 유닛(16)의 물 출구(9)를 통해 수증기(28)로서 제거될 수 있다. 건조된 이온 액체가 그 다음에 재처리 출구(26)를 통해 제거되고, 재순환 도관(recycle conduit)(27) 및 입구(12)를 통해 반응 챔버(3)로 순차적으로 공급된다. 도 1과 대조적으로, 따라서, 이 물 분리기 시스템(15)이 물 분리에 대한 어떠한 중단도 정상적으로 고려되지 않는 연속적인 프로세스들에 특히 적합하도록 연속 분리 및 재생 방법을 실행하는 것이 가능하다.
본 방법은, 가능한 한, 물 함유 가스 작동 매체(2)가 작동 매체 입구(5)에 의해 아래로부터 반응 챔버(3)로 공급되고 그리고 반응 챔버(3)에서 유지되는 더 낮은 밀도 또는 압력의 결과로 상방으로 상승하며 또한 그렇게 하듯이 이온 액체로 그의 물 함량을 방출하도록 수행된다. 후속하여, 건조된 가스 작동 매체는 이온 액체(4)로부터 상승하여 클린 매체 출구(6)를 통해 제거된다. 대조적으로, 이온 액체(4)는 연속적으로 또는 교대로 제거되며 가열되고, 따라서 물 함량이 증기 형태로 분리되고, 재생 이온 액체가 바람직하게는 냉각된 형태로 반응 챔버(3)로 피드백된다.
본 발명의 제 1 예에서, 물은 상기 설명된 이온 액체들 중 하나의 액체를 사용하여 천연 가스 함유 작동 매체(2)로부터 분리되고, 여기서 작동 매체로부터의 물의 분리는 + 60 ℃ 내지 + 150 ℃ 범위의 반응 챔버의 온도에서 그리고 20 bar 내지 330 bar 범위의 반응 챔버(3)의 압력에서 수행된다.
본 발명의 제 2 예에서, 물은 상기 설명된 이온 액체들 중 하나의 액체를 사용하여 수소 함유 작동 매체(2)로부터 분리되고, 여기서 작동 매체로부터의 물의 분리는 + 60 ℃ 내지 + 160 ℃ 범위의 반응 챔버(3)의 온도에서 그리고 16 bar 내지 250 bar 범위의 반응 챔버의 압력에서 수행된다.
본원에서 제안된 물 분리기 및 대응하는 방법으로, 감소된 구성 부피 및 초대기 압력(superatmospheric pressure)이 가능하여 물 함유 작동 매체를 선택적으로 연속적 방식으로 건조시킬 수 있다.
1 : 물 분리기
2 : 물 함유 작동 매체
3 : 반응 챔버
4 : 이온 액체
5 : 작동 매체 입구
6 : 클린 매체 출구
7 : 건조된 작동 매체
8 : 챔버 벽
9 : 물 출구
10 : 가열 엘리먼트
11 : 교환 연결부
12 : 입구
13 : 출구
14 : 합일 필터
15 : 물 분리기 시스템
16 : 재처리 장치
17 : 입자 필터
18 : 액체 레벨
19 : 안전 여유
20 : 클린 매체
21 : 클린 매체 차단 밸브
22 : 물 차단 밸브
23 : 스크류홀들
24 : 펌프
25 : 재처리 입구
26 : 재처리 출구
27 : 재순환 도관
28 : 수증기
29 : 덮개(스크류 연결될 수 있는 실린더 헤드)

Claims (14)

  1. 가스 작동 매체(gaseous working medium)(2)로부터 물을 분리하기 위한 방법에 있어서,
    적어도 다음 단계들,
    a. 흡습성 이온 액체(hygroscopic ionic liquid)(4)를 반응 챔버(3)에 유지하는 단계;
    b. 물 함유 작동 매체(2)를 상기 반응 챔버(3)로 공급하고 상기 이온 액체(4)를 통해 상기 작동 매체(2)를 통과시키는 단계 ― 물이 상기 이온 액체(4)에 의해 결합되고(bound) 따라서 상기 작동 매체(2)로부터 분리됨 ―; 및
    c. 건조된 작동 매체(7)를 제거하는 단계;
    가 수행되는 것을 특징으로 하는,
    가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은, 연속적인 방법으로서 실행되며, 물 함유 작동 매체(2)를 상기 반응 챔버(3) 내로 도입하기 위한 작동 매체 입구(working medium inlet)(5) 및 상기 반응 챔버(3)로부터 건조되는 작동 매체(2)를 배출하기 위한 클린 매체 출구(clean medium outlet)(6)가 상기 반응 챔버(3)에 제공되며, 상기 건조되는 작동 매체(2)는 바람직하게는 상기 반응 챔버(3)의 중력장(field of gravity)에 대항하여 상기 이온 액체(4)를 통해 상방으로 전달되는 것을 특징으로 하는,
    가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이온 액체(4)는 상기 반응 챔버(3)를 가열하고 물 출구(water outlet)(9)를 통해 증기 형태로 분리되는 물을 제거함으로써 재처리되고, 상기 이온 액체(4)는 바람직하게는, 물 함량이 소정 값으로 감소될 때까지 가열되고, 상기 이온 액체는 특히 경험적으로(empirically) 정해지는 가열 시간에 걸쳐 이러한 목적으로 가열되고 또는 상기 물 함량은 다음 조치들,
    ㆍ 상기 이온 액체(4)의 충전 레벨을 정하는 것;
    ㆍ 상기 이온 액체(4)의 질량을 정하는 것;
    ㆍ 상기 분리된 물의 질량을 정하는 것; 및
    ㆍ 상기 이온 액체(4)의 전기 전도도 값을 정하는 것;
    중 적어도 하나에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는,
    가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 액체(4)는 재처리를 위해 교환되고, 물 담지 이온 액체(water-laden ionic liquid)(4)는 특히 상기 반응 챔버(3)로부터 배출되고 재처리된 이온 액체(4)는 상기 반응 챔버(3)로 공급되고, 상기 이온 액체(4)는 바람직하게는 연속적으로 교환되고, 상기 분리 방법에서 수집된 입자들은 보다 바람직하게는 동시에 여과되는 것을 특징으로 하는,
    가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 재처리로 얻어진 증류수(distilled water)가 수집되고, 상기 이온 액체(4)는 바람직하게는 적어도 하나의 필터에 의해 입자들이 미리 제거되는 것을 특징으로 하는,
    가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버(3)의 임의의 불용 공간(dead space)은 상기 이온 액체(4)의 상기 액체 레벨(18)을 상승시킴으로써 소망하는 레벨로 감소되고, 특히 클린 매체 출구(6) 및/또는 물 출구(9)로부터 미리 규정된 안전 여유(safety margin)(19)로 감소되는 것을 특징으로 하는,
    가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제거되는 건조된 작동 매체(2)는, 클린 매체(20)로서 제거되고 특히 하류 프로세스에 제공되기 이전에 물 분획물들(water fractions)의 정교한 분리를 실행하기 위해서 적어도 하나의 합일 필터(coalescence filter)(14)를 통해 전달되는 것을 특징으로 하는,
    가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 b)에서, 상기 반응 챔버(3)의 상기 작동 매체(2)로부터의 물의 분리는, 1 bar 내지 551 bar 범위의, 특히 20 bar 내지 330 bar 범위의, 특히 16 bar 내지 250 bar 범위의 상기 반응 챔버(3)의 압력들에서, 그리고/또는 + 60 ℃ 내지 + 250 ℃, 특히 + 60 ℃ 내지 + 160 ℃, 특히 + 60 ℃ 내지 + 150 ℃ 범위의 상기 반응 챔버(3)의 온도들에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    가스 작동 매체로부터 물을 분리하기 위한 방법.
  9. 건조될 가스 작동 매체(2)용 물 분리기(1)에 있어서,
    상기 물 분리기(1)는 적어도 다음 컴포넌트들,
    ㆍ흡습성 이온 액체(4)를 수용하기 위한 액밀(liquid-tight) 반응 챔버(3) ― 상기 반응 챔버(3)에는 특히 상기 흡습성 이온 액체(4)가 채워지며, 그리고 상기 반응 챔버(3)는 특히 상기 반응 챔버(3)의 주변 대기(ambient atmosphere)에 대한 상승된 압력을 견디도록 설계됨 ― ;
    ㆍ건조될 가스 및 물 함유 작동 매체(2)를 상기 반응 챔버(3)로 도입하기 위한 밀폐 가능한 작동 매체 입구(5) ― 상기 작동 매체 입구(5)는 특히 상기 반응 챔버(3) 아래에 배열됨 ― ; 및
    ㆍ상기 반응 챔버(3)로부터 건조된 작동 매체(7)를 제거하기 위한 폐쇄 가능한 클린 매체 출구(6);
    를 포함하며, 상기 클린 매체 출구(6)는 특히 상기 반응 챔버(3) 위에 배열되는 것을 특징으로 하는,
    건조될 가스 작동 매체용 물 분리기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 바람직하게 폐쇄 가능한 물 출구(9)가 상기 반응 챔버(3) 위에 추가로 배열되고, 증발하는 물은 물 출구(9)를 통해, 특히 상기 반응 챔버(3)에서 상기 이온 액체(4)의 재처리 중에 상기 반응 챔버(3)로부터 제거될 수 있으며, 상기 반응 챔버(3)는 바람직하게는 상기 물을 끓이기 위한 적어도 하나의 가열 엘리먼트(10)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    건조될 가스 작동 매체용 물 분리기.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    적어도 하나의 교환 출구(11)가 상기 이온 액체(4)를 상기 반응 챔버에 공급하고 상기 이온 액체를 상기 반응 챔버(3)로부터 제거하기 위해 바람직하게는 상기 반응 챔버(3) 아래에 추가로 제공되는 것을 특징으로 하는,
    건조될 가스 작동 매체용 물 분리기.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 입구(12) 및 적어도 하나의 별도의 출구(13)가 상기 이온 액체용 반응 챔버(3)에 제공되어, 상기 반응 챔버(3)의 상기 이온 액체가 특히 연속적으로 교환 가능한 것을 특징으로 하는,
    건조될 가스 작동 매체용 물 분리기.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클린 매체 출구(6)는 건조된 작동 매체(7)로부터 물 분획물들의 정교한 분리를 위해 설치된 합일 필터(14)와 유동 연결되거나 유동 연결되게 될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    건조될 가스 작동 매체용 물 분리기.
  14. 작동 매체(2)를 건조시키기 위한 물 분리기 시스템(15)에 있어서,
    상기 물 분리기 시스템(15)은 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 물 분리기(1) 및 상기 반응 챔버(3)에 대해 상기 이온 액체(4)를 재처리하기 위한 적어도 하나의 재처리 장치(16)를 가지며,
    상기 재처리 장치(16)는, 바람직하게는 미립자 불순물들을 여과하기 위한 적어도 하나의 미립자 필터(17)를 가지며, 바람직하게는 분리된 물을 증발시키기 위한 적어도 하나의 가열 엘리먼트(10)를 가지며, 그리고 바람직하게는 증발된 물을 제거하기 위한 적어도 하나의 물 출구(10)를 갖는 것을 특징으로 하는,
    작동 매체를 건조시키기 위한 물 분리기 시스템.
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