KR20190014551A - 가스들을 분리하기 위한 프로세스 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 감소된 유지 비용으로 가스 혼합물들의 분리를 위한 프로세스 및 장치에 관한 것이다. 이 프로세스 및 장치는 피드 스트림 분리 스테이지 (1), 및 농축물 분리 스테이지 (2) 로 이루어지고, 이 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 및 농축물 분리 스테이지 (2) 양자 모두는 막 분리 스테이지들이고, 여기서, 제 1 농축물 스트림 (7) 은, 그것이 농축물 분리 스테이지 (2) 에 도입되기 전에, 피드 스트림 (5) 의 온도보다 더 높은 온도로 가열되고, 농축물 분리 스테이지 (2) 에서 사용되는 멤브레인들의 총 용량은 피드 스트림 스테이지 (1) 에서 사용되는 멤브레인들의 총 용량보다 더 높다.

Description

가스들을 분리하기 위한 프로세스 및 장치
발명의 분야
본 발명은 감소된 투자 및 유지 비용으로 가스 혼합물들을 분리하기 위한 프로세스 및 장치에 관한 것이다.
배경
가스 혼합물들은, 개별 가스들의 상이한 투과율들 때문에 가스 분리 멤브레인들에 의해 분리될 수 있다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 하나의 방식에서, 이러한 가스 분리 멤브레인들을 생성하기 위해, 폴리머들은 중공 파이버들 또는 플랫 멤브레인들을 제공하도록 프로세싱된다. 멤브레인들은 그 멤브레인의 투과도가 가능한 한 크도록, 매우 얇은 분리 레이어에 의해 특징지어진다.
새로운 멤브레인 재료들 뿐만 아니라, 멤브레인들을 연결하는 상이한 방식들이 또한 종래 기술에서 연구되었다. 가스들을 분리하기 위한 단일-스테이지 또는 멀티-스테이지 멤브레인 상호연결들의 시리즈들이 문헌에서 알려져 있다. 예시적으로, Baker, IndEngChemRes, Natural Gas Processing with Membranes, 47 (2008); Bhide MemSci, Hybrid processes for the removal of acid gases from natural gas, 1998; Hhenar, MemSci Application of Cardo-type polyimide (PI) and polyphenylene oxide (PPO) hollow, 2008; EP 0 603 798; EP　0 695 574; US 5,753,011; EP 1 634 946; EP 0 596 268; US　6,565,626 B1; US 6,168,649 B1 및 EP 0 799 634 의 문헌 소스들로서 여기에서 언급이 이루어질 수도 있다. 명시된 프로세스들은 그것들이 부분적으로 복수의 재가압 단계들을 포함한다는 점 또는 오직 고 순도의 투과 가스 또는 오직 고 순도의 농축 가스 중 어느 일방이 달성될 수 있다는 점에서 불리한 점을 갖는다.
WO 2012/00727; WO 2013/098024; WO 2014/075850; KR10-1327337; KR10-1327338; US　6,565,626　B1; US　6,168,649　B1; JP 2009-242773 A 각각은 3 개의 멤브레인 분리 스테이지들을 이용하는 멤브레인 분리 프로세스들을 개시하고, 여기서, 스테이지 3 으로부터의 농축물 스트림 및 스테이지들 2 로부터의 투과물 스트림은 미정제 가스 스트림으로 재순환된다. WO 2012/00727; WO 2013/098024 및 WO 2014/075850 는 이들 프로세스들의 전부의 가장 최적화된 것을 나타낸다. 상기 특허들에서, 최저 에너지 소비와 조합하여 생성물 순도의 관점에서 최적화되는 장치 및 프로세스가 기술된다. 달리 말하면, 이들 프로세스들은 에너지 최적화된 방식으로 2 개의 고 순도 생성물 스트림들을 제공한다.
하지만, 최근에, 종래 기술의 장치들 및 프로세스들에 의해 충분한 방식으로 해결되지 않는 새로운 문제가 발생하였다. 그 문제는, 일부 가스 분리 플랜트들이 에너지가 매우 저렴한 부지들에서 동작된다는 것이다. 이러한 장소들에서, 분리 플랜트들의 오퍼레이터들의 초점은 에너지 절약보다는 투자 및 유지 비용에 놓인다. 이러한 문제에 대한 충분한 해결책이 종래 기술에서는 발견되지 않았다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 목적은, 조금이라도, 감소된 정도로만 종래 기술의 불리한점들을 갖는, 가스 혼합물들의 분리 및 정제를 위한 장치들 및 프로세스들을 제공하는 것이었다.
보다 구체적으로, 투과 가스들 및 농축 가스들 양자를 비교적 고 순도로 (예를 들어, 95 체적% 의 순도, 및 바람직하게는 적어도 97 체적% 의 순도) 가져올 수 있는 프로세스들 및 장치들이 제공될 것이다.
추가적인 특정 목적에서, 이들 프로세스들 및 장치들은 비용, 특히 투자 및 유지 비용의 면에서 유리하도록 된다. 특별히 멤브레인들과 같은 소모성 재료들에 대한 비용이 가능한 한 낮아야 한다.
다음 특정 목적에서, 최대의 보편성으로 사용가능한 프로세스/장치가 임의의 요망되는 가스 혼합물들에 대해 제공되도록 한다. 보다 구체적으로, 바이오가스 및 천연 가스의 생산에서 획득되는, 또는 물, 수소, 황화수소와 같은 다른 가스들의 존재 하에 이산화탄소 및 메탄을 포함하는, 가스 스트림들을 분리하는 것이 가능하여야 한다.
본 발명의 추가적인 특정 목적은, 종래 기술의 프로세스들에 비해, 동일한 스루풋으로, 감소된 메탄 방출로, 따라서 이 강력한 온실 가스에 의한 감소된 환경 오염으로, 메탄-함유 미정제 가스 스트림들의 정제를 가능하게 하는 프로세스 또는 장치를 제공하는 것이다.
명시적으로 진술되지 않은 추가적인 목적들은 이어지는 청구항들, 상세한 설명, 실시예들 및 도면들의 전체 맥락으로부터 분명하다.
청구항 제 1 항에 따른 프로세스 및 청구항 제 2 항에 따른 장치는, 각각 하나보다 많은 콤프레서를 필요로 함이 없이 그리고 다른 방법들에 의한 투과물 또는 농축물 스트림의 추가적인 정체 없이, 투과물 및 농축물의 비교적 순수한 스트림들을 제공할 수 있음이 이제 놀랍게도 발견되었다. 본 발명의 장치는 따라서, 비교적 높은 순도로 투과물 및 농축물 스트림들의 동시적 달성을 가능하게 한다. 실시예들에서 나타낸 바와 같이, 종래 기술, 특히 WO 2012/00727 의 프로세스들에 비해, 새로운 프로세스가 유사한 정제 결과들을 획득하기 위해 현저하게 감소된 전체 멤브레인 용량으로 작동될 수 있다. 따라서, 소모성 물품이고 시간 경과에 따라 교환되어야 하는 멤브레인들에 대한 비용이 현저하게 감소되었다.
본 발명의 발명자들은, WO 2012/00727 에서 개시된 3-스테이지 멤브레인 분리에 비해 투자 및 유지 비용 최적화가 존재함을 놀랍게도 발견하였다. 이것은,
- 제 1 농축물 스트림 (7) 의 온도를, 그것이 농축물 분리 스테이지 (2) 에 도입되기 전에, 피드 스트림 (5) 의 온도보다 더 높은 온도로 상승시키는 것, 이와 조합하여,
- 분리 스테이지 (1) 의 총 멤브레인 용량들에 비해 농축물 분리 스테이지 (2) 의 총 멤브레인 용량의 증가
에 의해, 피드 스트림 분리 스테이지 (1), 및 농축물 분리 스테이지 (2) 로 이루어진 2 스테이지 프로세스 또는 장치에서 실현될 수 있다.
이하의 예들은 WO 2012/00727 에 비해 투자 및 유지 비용 개선을 보여준다.
본 발명은 따라서, 청구항 제 1 항 내지 제 13 항에서 청구된 바와 같은, 그리고 이하의 상세한 설명, 실시예들 및 도 1 에서 상세하게 정의된 바와 같은, 프로세스, 장치 및 그것의 사용을 제공한다.
도 1 은 본 발명에 따른 멤브레인 모듈들의 예시적인 연결 배열을 나타낸다.
발명의 상세한 설명
이하에서 본 발명을 자세히 설명하기 전에, 몇몇 중요한 용어들이 정의된다.
본 발명에서 사용된 바와 같은 멤브레인 용량 (membrane capacity) 은 표준 조건들 하에서 질소 (등급 4.8) 에 대해 결정되는 동작 온도에서의 멤브레인 (membrane) 의 투과도와 멤브레인 표면의 곱으로서 정의된다. 표준 조건들은 이하의 측정 방법들 섹션에서 자세히 설명된다. 멤브레인 표면 각각 멤브레인 면적은 육안으로 볼 수 있는 멤브레인의 외부 표면이다. 그것의 결정을 위해, 멤브레인은 구멍들을 가지지 않고 외부 표면은 균일하고 평활하다고 가정된다. 달리 말하면, 플랫 (flat) 멤브레인의 멤브레인 표면은 플랫 시트의 길이와 폭의 곱으로서 계산되고, 중공 파이버 (hollow fiber) 멤브레인들의 멤브레인 표면은 중공 파이버의 외부 둘레 면적과 길이의 곱으로서 계산된다.
동일한 재료들의 멤브레인들이 상이한 분리 스테이지들에서 작동되는 경우에 그리고 동작 온도가 동일한 경우에, 그것들의 투과도는 동일하다. 그 결과로서, 2 개의 분리 스테이지들에서 사용된 멤브레인 용량들의 비는 멤브레인 표면들의 비에 상관된다. 하지만, 상이한 재료들의 멤브레인들이 상이한 스테이지들에서 사용되고 및/또는 상이한 멤브레인들이 하나의 스테이지에서 사용되는 경우 및/또는 상이한 온도들이 상이한 스테이지들에서 사용되는 경우에, 용량들의 비율은 멤브레인 표면들의 비율에 대해 통상적으로 상이하다. 이러한 "혼합된 시스템들 (mixed systems)" 이 역시 본 발명에 의해 커버되기 때문에, "멤브레인 용량" 은 "멤브레인 표면" 대신에 구별하는 특징으로서 사용된다.
분리 스테이지에서 하나보다 많은 멤브레인을 사용하는 것이 또한 본 발명에서 가능하다. 따라서, 스테이지 당 총 멤브레인 용량이 계산되어야 하고, 이는 그 스테이지에서 사용되는 모든 개별 멤브레인 용량들의 합이다.
투과도 ( permeance ) 는 단위 시간, 면적 및 멤브레인을 통한 차분 압력 당 물질 유동으로서 정의된다. 다른 한편 투과율 (permeability) 은 단위 시간, 면적, 멤브레인을 통한 차분 압력 및 레이어 두께 당 물질 유동으로서 정의된다.
멤브레인들을 특성화하기 위해 본 발명에서 사용되고 청구된 바와 같은 용어 선택도 (selectivity) 는, 멤브레인들이 2 또는 다중 가스 혼합물을 분리하기 위해 사용되는지 여부에 독립적으로, 각각의 경우에, 순수 가스 선택도이다. 중공 파이버 멤브레인들에 대한 선택도는 2 개의 순수 가스들의 투과도들의 지수로서 계산되고, 따라서, 멤브레인이 2 개의 성분들과 관련하여 가스 혼합물을 얼마나 잘 분리할 수 있는지를 나타낸다. 플랫 시트 멤브레인들에 대해, 선택도는 투과도들 대신에 2 개의 순수 가스들의 투과율들을 이용하여 계산된다.
투과물 (permeate) 은 멤브레인, 멤브레인 모듈 또는 멤브레인 분리 단계의 저-압력 측에서 획득되는 전체 스트림을 지칭한다. 투과 가스 (permeate gas) 는 멤브레인에서의, 멤브레인 모듈에서의, 또는 멤브레인 분리 단계에서의 각각의 피드 스트림에 대한 투과물 스트림에서 풍부하게 되는 성분(들)을 각각의 경우에서 지칭한다.
농축물 ( retentate ) 은 멤브레인, 멤브레인 모듈들, 또는 멤브레인 분리 단계의 고-압력 측에서 획득되고 멤브레인을 통과하지 않는 전체 스트림을 지칭한다.
농축 가스 ( retentate gas) 는 멤브레인에서의, 멤브레인 모듈에서의, 또는 멤브레인 분리 단계에서의 각각의 피드 스트림에 대한 농축물 스트림 ( retentate stream) 에서 각각의 경우에서 풍부하게 되는 성분(들)을 지칭한다.
미정제 가스 (crude gas) 또는 미정제 가스 혼합물 (crude gas mixture) 또는 미정제 가스 스트림 (crude gas stream) (17) 은 본 발명의 프로세스 및/또는 장치를 이용하여 분리되어야 할 2 개 이상의 가스들의 가스 혼합물, 이 가스 혼합물의 스트림을 각각 지칭한다. 용어들 "미정제 가스 (crude gas)" 및 "미가공 가스 (raw gas)" 는 본 발명에서 동의어로 사용된다.
피드 스트림 (feed stream) (5) 은 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에 공급되는 가스 스트림을 지칭한다. 이 스트림은, 본 발명의 프로세스 또는 장치의 동작의 시작 시의, 미가공 가스 스트림 (17) 에, 콤프레서 (compressor) (4) 에 의해 압축된 미가공 가스 스트림 (17) 에 각각 대응할 수 있다. 때로는, 미가공 가스는, 추가적인 압축 또는 그 외에 예를 들어 멤브레인 분리 스테이지의 투과 측 상의 진공 디바이스 (vacuum device) 또는 플러싱-가스 스트림 (flushing-gas stream) 으로 추가적인 추진력 (driving force) 의 생성 없이, 멤브레인들에 걸쳐 필요한 추진력을 생성하기에 충분한 압력을 이미 갖는 소스들로부터 나온다. 하지만, 대부분의 경우들에서, 본 발명의 프로세스 및 장치는, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 상류 (upstream) 에서의 콤프레서 및/또는 투과물 스트림의 적어도 하나에서의 적어도 하나의 진공 디바이스가 사용되거나 추진력을 발생시키도록 구성된다.
제 2 투과물 스트림 (9) 의 재순환 (recycling) 후에, 피드 스트림 (5) 은 미정제 가스 스트림 (17), 및 제 2 투과물 스트림 (9) 의 가스들로 구성된다. 이 경우에, 피드 스트림 (5) 은, 혼합 스트림 (9) 을 압축되지 않은 미정제 가스 스트림 (17) 과 혼합하거나 혼합 스트림 (9) 을 압축된 미정제 가스 스트림 (17) 과 혼합함으로써, 또는, 혼합 스트림 (9) 을 콤프레서 내의 미정제 가스 스트림 (17) 과 혼합함으로써 생성될 수 있다. 상술된 혼합 절차들의 조합들 또는 명시적으로 기술되지 않은 대안들 또한 본 발명에 의해 포함된다.
피드 스트림 분리 스테이지 (feed stream separation stage) (1) 는 피드 스트림 (5) 을 제 1 투과물 스트림 (6) 과 제 1 농축물 스트림 (7) 으로 분리하기 위한 멤브레인 분리 스테이지를 지칭한다.
농축물 분리 스테이지 ( retentate separation stage) (2) 는 제 1 농축물 스트림 (7) 을 제 2 투과물 스트림 (9) 과 제 2 농축물 스트림 (8) 으로 분리하기 위한 멤브레인 분리 스테이지를 지칭한다.
본 발명에 따른 프로세스의 본 명세서의 이하에서 설명되는 선호되는 그리고 구체적인 실시형태들 그리고 또한 선호되는 그리고 특히 적합한 설계들 그리고 또한 도면들 및 도면들의 설명들이 이제, 본 발명의 단지 예시적인 추가적인 설명을 제공하기 위해서 사용될 것이다; 즉, 본 발명은 이들 예시적인 실시형태들 및 이용들에 또는 개별 예시적인 실시형태들 내의 특징들의 특정 조합들에 한정되지 아니한다.
구체적인 예시적인 실시형태들과 관련하여 표시되고 및/또는 묘사된 개별적인 특징들은 이들 예시적인 실시형태들에 또는 이들 예시적인 실시형태들의 다른 특징들과의 조합에 제한되지 않고, 본 문헌에서 별도로 논의되지 않음에도 불구하고 임의의 다른 버전들과 기술적으로 가능한 경우에 결합될 수 있다.
개별 도면들 및 도면들의 예시들에서의 동일한 참조 부호들은 동일 또는 유사한 컴포넌트들 또는 동일 또는 유사한 방식으로 작용하는 컴포넌트들을 지정한다. 도면들에서의 묘사들은, 이러한 모습들이 후속하여 설명되든지 또는 안되든지에 관계 없이, 참조 부호들 없이 그들 모습들을 또한 예시한다. 다른 한편, 본 설명에서 포함되는 하지만 도면들에서 볼 수 없거나 묘사되지 않은 모습들 또한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자 (이하, '통상의 기술자' 라 함) 에게 자명하다.
본 발명의 프로세스는 가스들을 분리하기 위한 프로세스이고, 이 프로세스는 장치에서 수행되고, 이 장치 또한 본 발명의 일부이고, 이 장치는:
피드 스트림 분리 스테이지 (1), 및 농축물 분리 스테이지 (2), 그리고
선택적으로, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 상류에 배열된 콤프레서 (4), 및/또는, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 및/또는 농축물 분리 스테이지 (2) 의 적어도 하나의 투과물 스트림에 배열된, 도면에 도시되지 않은, 적어도 하나의 진공 디바이스, 바람직하게는 진공 펌프 또는 블로우어 (blower) (15)
로 이루어지고, 여기서,
제 2 투과물 스트림 (9) 은 피드 스트림 (5) 에 공급되고,
피드 스트림 분리 스테이지 (1), 및 농축물 분리 스테이지 (2) 는 멤브레인 분리 스테이지들이다.
콤프레서 또는 진공 디바이스가 필요한지 여부에 관한 문제는 미가공 가스에 대한 소스의 압력에 의존할 수도 있다. 멤브레이들에 걸쳐 충분한 추진력, 즉, 부분 압력 차이 (partial pressure difference) 를 보장하도록 그것의 압력이 이미 충분히 높은 경우에, 추가적인 추진력 발생 디바이스는 필요하지 않다.
본 발명의 하나의 실시형태에서, 플러싱-가스 스트림, 바람직하게는 투과-측 플러싱-가스 스트림은 필요한 부분적 압력 차이를 발생시키기 위해 단독으로 또는 다른 디바이스들과 결합하여 사용된다.
피드 스트림 분리 스테이지 (1) 는 적어도 2 개의 성분들을 포함하는 피드 스트림 (5) 을 제 1 투과물 스트림 (6) 및 제 1 농축물 스트림 (7) 으로 분리한다. 농축물 분리 스테이지 (2) 는 제 1 농축물 스트림 (7) 을 제 2 투과물 스트림 (9) 및 제 2 농축물 스트림 (8) 으로 분리한다. 제 2 투과물 스트림 (9) 은 피드 스트림 (5) 에 공급된다.
본 발명의 프로세스 및 장치는, 제 2 농축물 스트림 (8) 이 제 1 생성물로서 제거될 수도 잇거나 추가로 프로세싱될 수도 있도록 구성된다. 제 1 투과물 스트림 (6) 이 생성물로서 인출되거나 추가로 프로세싱되는 경우에만 제 2 농축물 스트림 (8) 을 폐기 (discard) 하는 것도 가능하다. 유사하게 제 1 투과물 스트림 (6) 은 제 2 생성물로서 제거될 수도 있거나 추가로 프로세싱될 수도 있다. 하지만, 제 1 투과물 스트림 (6) 은, 제 2 농축물 스트림 (8) 이 원하는 생성물이고, 이것이 인출되거나 추가로 프로세싱되는 경우들에서만, 또한 폐기될 수도 있다.
본 발명의 프로세스 및 장치는 다음과 같은 것들을 특징으로 한다:
제 1 농축물 스트림 (7) 은, 그것이 농축물 분리 스테이지 (2) 에 도입되기 전에, 피드 스트림 (5) 의 온도보다 더 높은 온도로 가열되고, 그리고
농축물 분리 스테이지 (2) 에서 사용되는, 이하의 측정 방법 섹션에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 (Grade 4.8) 에 대해 측정된, 총 멤브레인 용량은, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에서 사용되는, 이하의 측정 방법 섹션에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 에 대해 측정된, 총 멤브레인 용량보다 더 높다.
본 발명의 프로세스 및 장치는 농축 가스 스트림 및 투과 가스 스트림을 동시에 비교적 높은 순도로 생성하도록 허용한다. 하지만, 그것은 또한, 요망되는 경우에, 오직 하나의 가스 스트림을 높은 순도로 분리시키기 위한 유연성을 제공한다. WO 2012/000727 에 따른 3 스테이지 프로세스들 및 종래의 2 스테이지 프로세스들에 비해, 본 발명의 프로세스 및 장치는, 모든 분리 스테이지들에 대한 합에서 요구되는, 멤브레인 용량들을 감소시키도록 허용한다. 따라서, 투자 비용 및 특히 유지 비용이 현저하게 감소될 수 있다.
총 멤브레인 용량들의 달성된 감축은 운용 비용을 증가시킬 수도 있는 2 개의 멤브레인 분리 스테이지들 사이의 가열 절차의 에너지 소모에 의해 성취되는 것이 확인되었다. 본 발명의 프로세스 및 장치는 따라서, 에너지, 즉, 운용 비용이 매우 저렴하고 투자 비용 및 유지 비용이 결정적 문제인 플랜트 부지들에 대해 특별히 설계된다.
본 발명에 따르면, 가스 분리 멤브레인들은 바람직하게는, 적어도 30, 바람직하게는 적어도 35, 보다 바람직하게는 적어도 40, 더욱 더 바람직하게는 적어도 45, 그리고 특히 바람직하게는 적어도 45 내지 80 의 성분들 A 및 B 의 순수 가스 선택도 (= 멤브레인을 통과하는 스트림 A 대 스트림 B 의 비율) 를 갖는다. 보다 높은 선택도의 멤브레인들은, 분리가 보다 효율적이게 되고 더 적은 투과물이 농축 분리 스테이지 (2) 로부터 재순환되어야 한다는 이점을 갖는다. 따라서, 특히 1-스테이지 콤프레서 (4) 의 사용의 경우에, 더 적은 가스를 2 번 압축할 필요가 있고, 이는 플랜트의 운용에서의 경제적인 이점들을 수반한다. 45 의 선택도를 갖는 매우 선택적인 멤브레인 모듈들의 경우에, 미정제 가스로서 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 내로 도입되는 가스의 오직 대략 35% 만이 2 번 압축될 필요가 있고; 오직 10 의 선택도를 갖는 멤브레인 모듈로, 그것은 이중 압축이 300% 까지인 경우일 수도 있다. 35% 및 300% 의 수치들은 성분들 A 및 B (=피드) 의 등몰 (equimolar) 양들을 갖는 가스 혼합물이 적용되었고, 98.5% 성분 B 가 스테이지 (2) 의 농축 가스에 존재하고 성분 B 의 99% 가 스테이지 (3) 의 투과물 스트림에 있는 실험들에 기초한 것이다. 바람직하게는, 가스 분리 멤브레인들은 다음과 같은 가스 쌍들에 대해 상기 정의된 바와 같이 순수 가스 선택도를 갖는다: 이산화탄소와 메탄, 수소와 메탄, 일산화탄소와 메탄, 헬륨과 메탄, 헬륨과 질소, 수소와 일산화탄소, 이산화탄소와 탄화수소, 질소와 탄화수소.
전에도 언급된 바와 같이, 본 발명의 프로세스 및 장치는, 제 1 농축물 스트림 (7) 이, 그것이 농축물 분리 스테이지 (2) 에 도입되기 전에, 피드 스트림 (5) 의 온도보다 더 높은 온도로 가열되도록 구성된다.
운용 비용에서의 상술된 증가를 제한하기 위해, 제 1 농축물 스트림 (7) 이, 그것이 농축물 분리 스테이지 (2) 에 도입되기 전에, 피드 스트림 (5) 의 온도보다 더 높게 5 내지 50 ℃, 바람직하게는 10 내지 30 ℃ 온도로 가열된다. 피드 스트림 (5) 의 온도는, 그것이 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에 도입되기 전에, 15℃ 에서부터 45℃ 까지의 범위에, 바람직하게는 20℃ 에서부터 35℃ 까지의 범위에 있는 것이 더 바람직하다.
운용 비용을 절약하기 위한 대안적인 방식은 제 2 투과물 스트림 (9) 에서 재순환되는 가스 체적의 제어일 것이다. 따라서, 본 발명의 프로세스 및 장치는 바람직하게는, 제 2 투과물 스트림 (9) 에서 재순환되는 가스 체적의 총합이 미정제 가스 스트림 (17) 의 체적의 40 체적% 미만, 보다 바람직하게는 30 체적% 미만이도록 구성된다. 재순환될 가스 스트림의 체적은, 예를 들어, 멤브레인 분리 스테이지들 (1) 내지 (2) 에서의 각각의 멤브레인 모듈들의 선택을 통해서 또는 스트림에서의 압력들에 의해서 또는 유동들에 의해서 제어될 수 있다.
본 발명에 대해, 2 개의 멤브레인 분리 스테이지들 사이의 가열 절차가, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 총 멤브레인 용량보다 더 높은 농축물 분리 스테이지 (2) 에서의 총 멤브레인 용량과 조합되어 적용되는 것이 중요하다. 이것은, 모든 분리 스테이지들이 동일한 멤브레인 용량들을 갖는 WO 2012/000727 에 대조되는 것이다. 농축물 분리 스테이지 (2) 에서 사용되는 멤브레인들의, 상세한 설명에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 에 대해 측정된, 총 용량 대 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에서 사용되는 멤브레인들의, 상세한 설명에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 에 대해 측정된, 총 용량의 비율은, 1.05 에서부터 10 까지, 특히 바람직하게는 1.1 에서부터 8 까지, 보다 바람직하게는 1.2 에서부터 7 까지, 그리고 가장 바람직하게는 1.5 에서부터 6 까지의 범위에 있다.
본 발명의 프로세스에서 각각 사용되는 본 발명의 장치가 이제 보다 자세히 설명될 것이다.
예시적으로 도 1 을 참조하면, 본 발명의 장치는 2 개의 멤브레인 분리 스테이지들의 상호연결로 이루어진다. 각 스테이지는 하나 이상의 물리적 가스 분리 모듈들로 이루어지고, 이 하나 이상의 물리적 가스 분리 모듈들은 하나의 스테이지 내에서 직접적으로 또는 간접적으로 병렬로 및/또는 직렬로 접속된다. 모듈들에서의 가스 분리를 위한 추진력은 각각의 멤브레인 분리 스테이지에서의 농축 및 투과 측들 사이에 형성된 투과 가스의 부분 압력 차이이다. 전에도 언급된 바와 같이, 추진력은, 미가공 가스 스트림 (17) 이 충분한 압력을 갖는 경우에, 미가공 가스 스트림 (17) 그자체, 피드 스트림 (5), 즉, 결합된 미가공 가스 스트림 (17) 및 재순환 스트림 (9) 에 의해 각각 발생될 수 있다. 하지만, 대부분의 경우들에서, 부분 압력 차이는, 피드 스트림 분리 스테이지의 상류에, 즉, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 피드 측에 배열된 콤프레서 (4) 에 의해 및/또는 피드 스트림 분리 스테이지 (1), 및/또는 농축물 분리 스테이지 (2) 의 적어도 하나의 투과물 스트림에 배열된, 적어도 하나의, 바람직하게는 하나 또는 2 개의, 진공 디바이스(들) (15) 에 의해 발생될 것이다. 바람직하게는 진공 디바이스들 (15) 은 농축물 분리 스테이지 (2) 의 투과 측에 제 2 투과물 스트림 (9) 에 위치된다. 멤브레인 분리 스테이지들의 하나 이상에서, 퍼지 가스 스트림, 바람직하게는 투과-측 퍼지 가스 스트림에 의해 부분 압력 차이를 발생시키거나 강화하는 것이 선택적으로 이로울 수도 있다.
본 발명의 선호되는 구성에서, 콤프레서 (4) 는, 미정제 가스 스트림 (17) 또는 미정제 가스 스트림 (17) 의 그리고 제 2 투과물 스트림 (9) 의 혼합물을, 전체 또는 부분으로서, 1bar 에서부터 100bar 까지의 범위에서의 원하는 압력으로, 하지만 바람직하게는 5 내지 80 bar 로, 특히 바람직하게는 10 내지 70 bar 의 압력으로 만든다. 압축된 스트림은 피드 스트림 (5) 을 나타내고, 또는, 피드 스트림 (5) 을 형성하기 위해 제 2 투과물 스트림 (9) 의 전체 또는 일부와 콤프레서 (4) 의 하류에서 결합된다.
본 발명의 프로세스 및 장치의 동작의 시작 시의 미가공 가스 스트림 (17) 또는 피드 스트림 (5)은 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 내로 도입될 수도 있다. 하지만, 본 발명의 프로세스 및 장치는 또한, 미가공 가스 스트림 (17) 및/또는 피드 스트림 (5) 및/또는 미가공 가스 스트림 (17) 과 최종 피드 스트림 (5) 사이의 중간 스테이지에서의 스트림이 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 상류에서 전처리 (pretreatment) 를 받도록 구성될 수도 있다. 선호되는 전처리 단계는 정제 단계; 특히 선호되는 제습 단계 또는 탈황 단계일 수도 있다. 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 상류에서의 전처리 단계들에 대한 몇가지 옵션들은 통상의 기술자에게 알려져 있고, 통상의 기술자에 의해 프로세스 또는 장치에 쉽게 추가될 수 있다. 예를 들어, KR10-1327337 에서 그리고 KR10-1327338 에서 이러한 단계들이 기술된다. 이들 문헌들은 따라서 그들 전체가 참조에 의해 통합된다.
피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에서, 피드 스트림 (5) 의 가스 혼합물의, 제 1 스테이지의 투과물로 주로 패스되는 보다 쉽게 투과하는 성분들 (투과 가스 A), 및 멤브레인에 의해 우세하게 보유되고 농축물에서 풍부하게 되는, 덜 빨리 투과하는 성분들 (농축 가스 B) 로의 사전-분리 (pre-separation) 가 획득된다.
본 발명의 프로세스 및 장치는, 그것이 바람직하게는, 제 2 투과물 스트림 (9) 의 재순환 후에, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 적어도 하나의 투과 가스의 농도가, 피드 스트림 (5) 에서, 미정제 가스 스트림 (17) 에서의 농도에 비해 각각의 경우에, 바람직하게는 적어도 2 체적% 만큼, 특히 바람직하게는 2 내지 40 체적% 만큼, 보다 바람직하게는 2 내지 30 체적% 만큼, 그리고 가장 바람직하게는 3 내지 25 체적% 만큼 증가되도록 구성되는 것에 주목할 만하다. 그 증가는 미정제 가스 스트림 (17) 의 조성에 의존할 수도 있고, 투과 가스의 낮은 농도 (10 내지 20 체적%) 에서 특히 높다. 바람직하게는, 투과 가스들 중 하나의 농도에서의 증가는, 미정제 가스 스트림 (17) 에서의 투과 가스의 함량이 25 체적% 와 55 체적% 사이인 경우에 미정제 가스 스트림 (17) 에서의 투과 가스의 함량이 각각 25 체적% 와 75 체적% 사이, 9 체적% 와 25 체적% 사이일 때, 2 체적% 와 40 체적% 사이, 보다 바람직하게는 4 체적% 와 25 체적% 사이이다. 이것은 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에서의 투과 가스의 농도가 증가될 때 전체 프로세스에서의 농축 가스의 수율이 증가하고 따라서 농축 가스의 손실이 감소되기 때문이다.
정제될 피드 스트림 (5) 에서의 투과 가스 A 의 또는 성분 A 의 50% 의 농도에 대한 분리 스테이지에서의 컷 (cut) 은 10% 와 60% 사이, 바람직하게는 15% 와 55% 사이, 그리고 보다 바람직하게는 10% 와 50% 사이이다. 본 발명의 특히 선호되는 실시형태에서, 본 발명의 프로세스 및 장치는, 피드 스트림 (5) 에서의 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 투과 가스(들)의 농도가, 제 2 투과물 스트림 (9) 의 재순환 후에, 피드 스트림 (5) 의 체적에 기초하여, 40 체적% 보다 더 크거나 동일하고, 바람직하게는 45 체적% 보다 더 높다.
이미 설명된 바와 같이, 피드 스트림 (5) 에서의 투과 가스들의 농도에서의 증가는 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 효율성을 증가시키고, 이는 다시 보다 적은 농축 가스 B 가 제 1 투과물 스트림 (6) 으로 패스되는 결과를 갖게 된다. 특히 메탄-함유 미정제 가스들의 분리의 경우에, 이것은, 기후에 해로운, 메탄의 원치 않는 방출들이 현저하게 감소되는 이점들로 이끈다.
일반적으로, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에서, 성분 A 의 또는 투과 가스 A 의 바람직하게는 20 내지 100 %, 보다 바람직하게는 40 내지 70 % 가 피드 스트림 (5) 으로부터 투과물로 이송된다.
바람직하게는, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 는 90% 보다 더 큰, 보다 바람직하게는 95% 보다 더 큰 투과 가스 A 의 또는 성분 A 의 함량으로 투과물을 생성한다. 제 1 투과물 스트림 (6) 에서 풍부하게 되는 투과 가스는 본 발명의 장치 또는 프로세스로부터의 생성물로서 인출될 수 있다. 대안적으로, 그것은 추가로 프로세싱, 예를 들어, 추가로 정제되거나 개질되거나 다른 가스들과 혼합되거나 액화될 수 있다. 이러한 기술들은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있고, 본 발명의 프로세스 및 장치와 이러한 기술들의 조합 역시 이 발명의 일부이다. 예를 들어, KR10-1327337; KR10-1327338 및 JP 2009-242773 A 에서, 본 발명의 프로세스와 결합될 수 있는, 제 1 투과물 스트림 (6) 의 추가적인 처리를 위한 프로세스들이 개시된다.
특히 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 프로세스 및 장치는, 미정제 가스 스트림 (17) 과 함께 장치 내로 도입되는 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 농축 성분 B 의 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하가 제 1 투과물 스트림 (6) 에 포함되도록 구성된다.
피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 농축물은, 미세한 정제가 실시되는 농축물 분리 스테이지 (2) 에 제 1 농축물 스트림 (7) 에 의해 공급된다. 농축물 분리 스테이지 (2) 의 농축 측에서, 즉, 제 2 농축물 스트림 (8) 에서, 바람직하게는 배압 조정 밸브 (back pressure regulating valve) (13) 가 존재하고, 이에 의해, 시스템에서의 주 압력 (분리 스테이지들 (1) 및 (2) 의 동작 압력 = 스테이지들 (1) 및 (2) 의 농축 압력) 이 유지되고 일정하게 유지될 수 있다. 농축 가스 B 의 또는 덜 쉽게 투과하는 성분들의 함량은, 제 2 농축물 스트림 (8) 에서의 농축 가스 B 의 또는 성분 B 의 함량이 90% 보다 더 많을 수 있도록, 바람직하게는 95% 보다 더 많을 수 있도록, 그리고 보다 바람직하게는 97% 보다 더 많을 수 있도록, 농축물 분리 스테이지 (2) 에서 추가로 증가된다. 특히 바람직한 변형에서, 본 발명의 프로세스 및 장치는 따라서, 미정제 가스 스트림 (17) 과 함께 장치 내로 도입된 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 농축물 성분의 바람직하게는 적어도 97% 가 제 2 농축물 스트림 (8) 에서 획득된다는 것에 주목할 만하다.
전에도 언급된 바와 같이, 제 2 농축물 스트림 (8) 은 추가로 프로세싱, 예를 들어, 추가로 정제되거나 개질되거나 다른 가스들과 혼합되거나 액화될 수 있음이 가능하다. 이러한 기술들은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있고, 본 발명의 프로세스 및 장치와 이러한 기술들의 조합 역시 이 발명의 일부이다.
제 2 농축물 스트림 (8) 의 스테이지 컷은, 미가공 가스 스트림 (17) 에서의 성분 B 의 50 체적% 및 성분 A 의 50 체적% 로 이루어지는 가스 혼합물에 대해 바람직하게는 10% 와 80% 사이 그리고 보다 선호되게는 30% 와 70% 사이이다.
제 2 투과물 스트림 (9) 은 재순환되고, 피드 스트림 (5) 에 공급되고 재프로세싱된다. 이것은, 상기 이미 설명된 바와 같이, 상이한 방식들로 실시될 수 있고, 예를 들어, 콤프레서 (4) 또는 심지어 멀티스테이지 (multistage) 콤프레서 (4) 가 사용되는지 여부에 의존할 수도 있다. 1-스테이지 콤프레서 (4) 의 경우에, 스트림 (9) 은 바람직하게는 콤프레서 (4) 의 흡인 측에 공급된다 (도 1 참조). 멀티스테이지 콤프레서가 사용되는 경우에, 스트림 (9) 은 2 개의 압축 스테이지들 사이의 콤프레서로 도입되는 것이 바람직하다. 선호되는 실시형태에서, 스트림 (9) 은 콤프레서 (4) 의 상승된 압축 스테이지 내로 총 감압 없이 재순환되고, 및/또는, 제 2 스테이지의 투과물은 콤프레서 (4) 의 상승된 압축 스테이지 내로 재순환된다.
농축물 분리 스테이지 (2) 는, 피드 압력으로의 감압의 경우에, 일반적으로 선택도-제한된 범위에서 동작될 것이기 때문에, 제 2 투과물 스트림 (9) 을, 단지 멀티스테이지 압력-증가 유닛의, 즉, 멀티스테이지 콤프레서 (4) 의 더 높은 압력 레벨로 감압하는 것이 권장할 만하고, 이것은 분리 결과물을 뚜렷하게 악화시키지 않고 압축 유닛에 대한 운용 비용을 감소시키기 때문이다. 본 발명의 특히 선호되는 실시형태에서는, 따라서, 멀티스테이지 콤프레서 (4) 가 사용되고, 가스 스트림 (9) 은 2 개의 압축 스테이지들 사이에서 이 콤프레서에 공급된다.
본 발명의 프로세스 및 장치는 원칙적으로, 2 개의 가스 혼합물들 또는 다중 가스 혼합물들을 분리할 수 있는 모든 멤브레인들로 구현될 수 있다. 사용되는 멤브레인 재료들은 바람직하게는 그리고 비배타적으로 폴리머들이다. 분리-활성 레이어 (separation-active layer) 에서의 유용한 폴리머들은, 보다 바람직하게는, 폴리아미드, 폴리에테르이미드, 폴리아라미드, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아미드, 폴리술폰, 셀룰로스 아세테이트 및 유도체, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리실록산, 고유 미세다공성을 갖는 폴리머, 혼합 매트릭스 멤브레인, 촉진 수송 멤브레인, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 카본 멤브레인 또는 제올라이트, 또는 이들의 혼합물들이다.
특히 선호되는 멤브레인들은 분리-활성 레이어를 위한 재료들로서, 또는 완성 멤브레인을 위한 재료로서, 모노머 유닛들 A 및 B 로 이루어진 폴리이미드를 포함하고,여기서,
Figure pct00001
0 ≤ x ≤ 0.5 및 1 ≥ y ≥ 0.5 이고, 여기서, R 은 라디칼들 L1, L2, L3 및 L4 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의, 동일한 또는 상이한 라디칼들에 대응한다.
Figure pct00002
x = 0, Y = 1 그리고 R 은 64　mol% L2, 16 mol% L3 및 20 mol% L4 인 것이 폴리머에 대해 사용되는 것이 특히 바람직하다. 이 폴리머는 명칭 P84 또는 P84 타입 70 (CAS 넘버 9046-51-9) 하에 Evonik Fibres GmbH 로부터 이용가능하다. 특정 선호도를 갖는 다른 폴리머는 x = 0.4, y = 0.6 및 R 은 80 mol% L2 및 20 mol% L3 인 조성을 갖는 폴리머이다. 이 폴리머는 명칭 P84HT 또는 P84 HT 325 (CAS 넘버 134119-41-8) 하에 Evonik Fibres GmbH 로부터 이용가능하다. 상기 폴리이미드들의 혼합물들을 사용하는 것도 유사하게 바람직하다.
선호되는 폴리이미드들로 만들어진 멤브레인들은 명칭 Sepuran® 하에 Evonik Fibres GmbH 로부터 이용가능하다. 이들 선호되는 멤브레인들을 생산하기 위한 프로세스는 WO　2011/009919 A1 에서 개시된다. 이 공개공보에서 개시된 멤브레인들은 본 발명의 프로세스에서 선호형태와 함께 항상 사용될 수 있다. 순전한 반복을 회피하기 위해, 이 특허 출원의 내용은 참조에 의해 그 전체가 본원에 여기서 통합된다. 이들 멤브레인들은 매우 양호한 분리 결과들을 제공함이 발견되었다.
멤브레인들은 바람직하게는 중공 파이버 멤브레인들 및/또는 플랫 멤브레인들의 형태로 사용된다. 멤브레인들은 모듈들 내로 조립되고, 이는 그 다음에 분리 작업에서 사용된다. 사용되는 모듈들은 종래 기술에서 알려진 모든 가스 분리 모듈들, 예를 들어 하지만 비배타적으로, 중공 파이버 가스 분리 모듈들, 나권형 (spiral-wound) 가스 분리 모듈들, 쿠션형 가스 분리 모듈들, 또는 튜브 번들 가스 분리 모듈들일 수도 있다.
본 발명의 프로세스 및 장치는, 많은 애플리케이션들에 대해 투과물 스트림 (6) 및/또는 농축물 스트림 (8) 의 임의의 추가적인 정제에 대한 필요성이 없을 수도 있다는 특별한 이점들을 갖는다. 예를 들어, 바이오가스 또는 천연 가스의 정제 (= 메탄으로부터 이산화탄소의 제거) 의 경우에, 농축물의 미세한 정제를 위해 압력 스윙 흡착 또는 아민 스크러빙에 대한 어떤 필요성도 더 이상 존재하지 않고, 그래서 그것은 천연 가스 망내로 공급될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 언급된 바와 같이, 추가적인 정제 또는 추가적인 프로세싱 단계들이 본 발명의 프로세스 또는 장치 후에 이어질 수도 있다. 전에도 언급된 바와 같이, 스트림들 (6) 및 (8) 의 추가적인 처리에 대한 필요성이 존재하지 않는다는 사실은 본 발명의 범위로부터 이러한 단계들을 배제하지 않는다.
본 발명의 프로세스 및 장치는, 바이오가스 및 천연 가스 정제에서 비교적 순수한 농축물 스트림 (8) 및 비교적 순수한 투과물 스트림 (6) 을 한번에 동시에 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이산화탄소는 따라서, 메탄의 큰 손실 없이 그리고 환경의 큰 손상 없이, 결합된 열 및 파워 플랜트에서의 연소 또는 이용 후에 열 또는 촉매에 의한 가스의 추가적인 처리에 대한 임의의 필요성 없이, 대기 내로 방출될 수 있다. 추가적인 플랜트 설비에 대한 자본 지출이 따라서 필요하지 않고, 이는 바이오가스 및 천연 가스에 대한 보다 경제적인 정제 프로세스로 이끈다.
본 발명의 프로세스 및 장치는 종래의 장치들 및 프로세스들보다 훨씬 더 납은 수준의 장치 복잡도를 필요로 한다는 추가적인 이점이 고려된다.
특히, 2 개의 멤브레인 분리 스테이지들 사이의 가열 절차, 및 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 것에 비해 농축물 분리 스테이지 (2) 에서의 증가된 멤브레인 용량의 본 발명의 특징들의 조합을 통해서, 종래 기술의 프로세스들에 비해, 투자 및 특히 유지 비용과 관련하여, 훨씬 우수한 프로세시 또는 장치가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 창의적인 프로세스 및 장치는, 바이오가스 또는 천연 가스 또는 공기 또는, 이산화탄소 및 메탄, 수소 및 메탄, 일산화탄소 및 메탄, 헬륨 및 메탄, 헬륨 및 질소, 수소 및 일산화탄소, 1 atm 에서 110 Kelvin 미만의 끓는 점을 갖는 영구 가스 (permanent gas) 및 1 atm 에서 110 Kelvin 이상의 끓는 점을 갖는 비 영구 가스 (non permanent gas), 이산화탄소 및 탄화수소 또는 질소 및 탄화수소를 포함하는 다른 가스 혼합물들의 분리를 위해 특별히 사용될 수 있다.
측정 방법들
멤브레인들의 선택도
가스 투과율들은 barrers (10-10 cm3.cm- 2.cm.s- 1.cmHg-1) 로 리포팅된다. 가스들에 대한 중공 파이버 멤브레인들의 투과도들은 GPU (Gas Permeation Unit) (10-6 cm3.cm-2.s-1.cmHg-1) 로 리포팅된다.
플랫 멤브레인들
플랫 멤브레인들의 선택도의 결정을 위해, 순수 가스들에 대한 투과율들이 압력 상승 방법에 의해 측정된다. 두께가 10㎛ 와 70㎛ 사이의 플랫 시트 필름은 일 측으로부터 그것에 적용된 순수 가스를 갖는다. 다른 측, 투과 측에서, 테스트의 시작 시에 진공 (ca. 10-2 mbar) 이 존재한다. 그 다음에, 시간에 걸친 투과 측의 압력 상승이 기록된다. 폴리머의 투과율은 다음과 같은 식에 의해 계산될 수 있다:
Figure pct00003
P … barrers (10-10 cm3.cm- 2.cm.s- 1.cmHg-1) 에서의 투과율
Vdead … cm3 에서의 투과 측의 체적
MWgas … g.mol-1 에서의 가스의 몰 질량
l … cm 에서의 막의 두께
ρ … g.cm-3 에서의 가스의 밀도
R … cm3.cmHg.K- 1.mol-1 에서의 기체 상수
T … kelvins 에서의 온도 (실온, ~23°C)
A … cm2 에서의 막의 면적 (~12 cm2)
Δp … cmHg 에서의 피드 및 투과 측 사이의 압력 차이
dp/dt … cmHg.s-1 에서의 투과 측에서의 시간 당 압력 상승
다양한 가스들의 쌍들을 위한 본 발명에 따른 플랫 멤브레인의 선택도는 순수-가스 선택도이다. 그것은 다음과 같이 순수 가스들의 투과율들의 비율로부터 계산된다:
Figure pct00004
S … 순수 가스 선택도
P1 … 가스 1 의 투과율
P2 … 가스 2 의 투과율
중공 파이버 멤브레인들
중공 파이버들의 투과도는 체적 상승 방법을 이용하여 측정된다. 이를 위해, 일정한 압력에서 투과 사이트 (site) 에서의 (표준 온도 및 표준 압력에서의) 플럭스 (flux) 가 측정된다.
중공 파이버들에 대해, 분리 레이어의 두께가 알려져 있지 않기 때문에, 투과도 P/l 를 측정하는 것이 필요하다. 투과도는 다음과 같은 식에 의해 계산된다:
Figure pct00005
P/l … GPU (gas permeation units) (10-6 cm3.cm- 2.s- 1.cmHg-1) 에서의 투과도
Q … cm3 (STP)/s 에서의 투과 측의 가스 플럭스
R … cm3.cmHg.K- 1.mol-1 에서의 기체 상수
T … kelvins 에서의 온도 (실온, ~23°C)
A … cm2 에서의 중공 파이버의 멤브레인 표면, 즉 상기 정의된 바와 같은 외부 면적 (60cm2 와 80 cm2 사이)
Δp … cmHg 에서의 피드 측과 투과 측 사이의 압력 차이
다양한 가스들의 쌍들을 위한 본 발명에 따른 중공 파이버 멤브레인의 선택도는 순수-가스 선택도이다. 그것은 다음과 같이 순수 가스들의 투과도들의 비율로부터 계산된다:
Figure pct00006
S … 순수 가스 선택도
P1 … 가스 1 의 투과도
P2 … 가스 2 의 투과도
이어지는 실시예들은 본 발명을 자세히 예시하고 설명하기 위한 것이고, 어떤 방식으로든 그것을 제한하려는 것이 아니다.
멤브레인 용량
계산 방법 및 기준 가스 및 표준 조건들이 이하에서 설명된다.
중공 파이버 멤브레인들
중공 파이버 멤브레인 (hollow fiber membrane; HFM) 의 멤브레인 용량은 다음과 같이 계산된다:
Capactity( HFM ) = Permeance( HFM ) * Surface( HFM )
(용량( HFM ) = 투과도( HFM ) * 표면적( HFM ))
여기서, permeance( HFM ) 는 다음과 같은 표준 조건들 하에서 테스트된다:
기준 가스: 질소, 등급 4.8
온도: 선택도들을 계산하기 위한 투과도 측정치에 대해 상기 적용된 바와 같은 실온 대신에, 용량 계산을 위해, 통상적으로 분리 스테이지의 동작 온도인, 멤브레인의 평균 동작 온도에서 투과도가 결정된다.
농축 압력: 11 bara
투과 압력: 1.1 bara
그리고, Surface(HFM) 은 이 개시물에서의 정의들 섹션에서 정의된 바와 같은 외부 멤브레인 표면에 상관된다.
플랫 멤브레인들
플랫 멤브레인 (flat membranes; FM) 의 멤브레인 용량은 다음과 같이 계산된다:
Capactity(FM) = Permeance(FM) * Surface(FM)
(용량(FM) = 투과도(FM) * 표면적(FM))
여기서, permeability(FM) 은 다음과 같은 표준 조건들 하에서 테스트된다:
기준 가스: 질소, 등급 4.8
온도: 선택도들을 계산하기 위한 투과율 측정치에 대해 상기 적용된 바와 같은 실온 대신에, 용량 계산을 위해, 통상적으로 분리 스테이지의 동작 온도인, 멤브레인의 평균 동작 온도에서 투과율이 결정된다.
농축 압력: 11 bara
투과 압력: 1.1 bara
투과도는 그 다음에 FM 의 두께를 통한 투과율을 나눔으로써 계산된다. Surface(FM) 은 이 개시물에서의 정의들 섹션에서 정의된 바와 같이 외부 멤브레인 표면에 상관된다.
이하에서 제공되는 예들은 더 깊은 이해를 위해 본 발명을 보다 자세히 나타내기 위한 것이다. 그것들은 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니된다.
실시예들
모든 실시예들 및 비교예들에서, 멤브레인 용량은 질소 (등급 4.8) 에 관계되고, 상술된 표준 조건들 하에서 측정되었다.
시뮬레이션의 일반적인 설명
시뮬레이션은 다음과 같은 가정들에 기초한다:
- 정상 상태
- 이상 기체
- 멤브레인 모듈에서의 이상적인 카운터 전류
- 점성 효과 없음 (농축 또는 투과 유동에서 압력 손실 없음)
- 스위프 (sweep) 가스 없음
- 각 분리 스테이지 내에서의 일정한 온도. 달리 진술되지 않는 한, 실시예들에서의 모든 분리 스테이지들은 동일한 온도들에서 동작된다.
시뮬레이션은 다음과 같이 행해진다:
멤브레인 (이중 점선) 에 의해 분리되는 2 개의 유동 채널들의 다음과 같은 방식이 시뮬레이션을 위해 필요한 방정식들을 도출하기 위해 사용되었다. NFi 는 멤브레인의 고 압력 측에서의 성분 i 의 몰 유동 (molar flow) 이다. NPi 는 멤브레인의 저 압력 측에서의 성분 i 의 몰 유동이다. 이 방식과 관련하여, 멤브레인에 들어가는 피드는 멤브레인에 들어가는 모든 몰 성분 유동들 NFi (z=0) 의 합이다. 결과적으로, 멤브레인에서 나오는 농축물 유동은 모든 몰 성분 유동들 NFi (z=L) 의 합이다. 멤브레인에서 나오는 투과물 유동은 모든 몰 성분 유동들 NPi (z=0) 의 합이다. 투과물 유출구의 대향 측에서 멤브레인에 들어가는 스위프 유동이 없으므로, 이들 몰 성분 유동들 NPi (z=L) 은 0 으로 설정된다.
Figure pct00007
멤브레인을 통한 성분 i 의 로컬 (local) 몰 유동은 그것의 몰 투과도 Pi 곱하기 멤브레인 면적 Udz 곱하기 그것의 로컬 추진력, 피드 측과 투과 측 사이의 부분 압력에서의 로컬 차이이다. pF 및 pP 는 피드 및 투과 압력이다. 피드 또는 투과 측에서의 성분 i 의 로컬 몰 농도는 성분 i 의 로컬 몰 피드 또는 농축 유동을 모든 로컬 몰 성분 유동들의 합에 의해 나눔으로써 도출될 수 있다. 이것으로부터, 다음과 같은 방정식들의 셋트가 도출될 수 있다.
Figure pct00008
Figure pct00009
상술된 경계 조건들을 포함하여, 방정식들은 소프트웨어 ACM (Aspen Custom Modeler) 에 의해 풀렸고, 하지만, MATLAB, MathCad 와 같은 다른 소프트웨어들이 또한 사용될 수 있다.
실시예 1
폴리이미드 멤브레인을 이용한 60 대 40 의 혼합 비를 갖는 메탄 및 이산화탄소의 혼합물의 분리
도 1 에 도시된 연결 배치가 사용되었다. 각 스테이지는 Evonik Fibres GmbH 로부터의 중공 폴리이미드 파이버들로 이루어진 중공 파이버 멤브레인 모듈 (Sepuran® Green 4 인치, 1.2 미터 길이) 로 이루어졌다. 사용된 멤브레인은 50 의 메탄에 대한 이산화탄소에 대한 순수 가스 선택도를 나타내었다.
1000 m3/h 바이오가스 업그레이딩 프로세스는, 피드 분리 스테이지 (1) 가 12 개의 멤브레인 모듈들로 이루어지고 농축물 분리 스테이지 (2) 가 24 개의 멤브레인 모듈들로 이루어진 시뮬레이션을 통해 도달되었다. 모든 멤브레인 모듈들은 표준 조건들 하에서 N2 등급 4.8 에 대해 동일한 멤브레인 면적 및 동일한 투과도를 갖는다. 따라서, 농축물 분리 스테이지 (2) 의 멤브레인들의 총 용량은 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 멤브레인들의 총 용량보다 2 배 높다.
정상 상태에 도달된 후에, 미정제 가스 (17) 및 제 2 투과물 스트림 (9) 을 포함하는 피드 스트림 (5) 은 13 Bar 로 압축되고 25℃ 로 조정되었으며, 그 다음에, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 로 패스되었다. 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 농축물 스트림 (7) 은 후속하여 히터 (12) 에 의해 50℃ 로 가열되었고, 그 다음에, 농축물 분리 스테이지 (2) 로 패스되었다. 농축물 분리 스테이지 (2) 의 농축 측에서의 배압 조정 밸브 (13) 는 13 Bar 로 설정되었고, 따라서, 멤브레인 분리 스테이지들 (1) 및 (2) 의 멤브레인을 통한 추진력이 결정되었다.
피드 분리 스테이지 (1) 의 투과물은 4.4% 메탄 및 95.7% 이산화탄소의 함량을 갖는다. 이 혼합물의 401 m3/h 는 피드 분리 스테이지 (1) 를 오프-가스로서 떠났다. 농축물 분리 스테이지 (2) 의 농축물은 97.3% 메탄 및 2.7% 이산화탄소의 함량을 갖는다. 이 혼합물의 598 m3/h 는 농축물 분리 스테이지 (2) 를 생성물 가스로서 떠났다. 농축물 분리 스테이지 (2) 의 투과물은 30.9% 의 메탄 함량 및 69.1% 의 이산화탄소 함량을 갖는 284 m3/h 의 체적 유량을 가지고, 제 2 투과물 스트림 (9) 을 통해 혼합 챔버 내로 재순환되고 콤프레서 (4) 에 의해 다시 압축되었다.
다음의 표 1 은 프로세스 파라미터들 및 결과를 나타낸다.
비교예 1
실시예 1 은 농축물 스트림 (7) 이 가열되지 않은 점을 제외하고는 재현되었다. 다음의 표 2 는 프로세스 파라미터들 및 결과를 나타낸다.
비교예 1 은 실시예 1 에 비해 더 낮은 메탄 순도라는 결과를 가져왔고, 이는 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 와 농축물 분리 스테이지 (2) 사이의 가열 절차가 농축물 분리 스테이지 (2) 의 농축물 스트림의 메탄 순도를 향상시키는 것을 보여준다.
비교예 2
실시예 1 은 농축물 스트림 (7) 대신에 피드 스트림 (5) 이 50℃ 로 가열된 점을 제외하고는 재현되었다. 다음의 표 3 은 프로세스 파라미터들 및 결과를 나타낸다.
비교예 2 는 실시예 1 에 비해 더 낮은 메탄 수율이라는 결과를 가져왔고, 이는 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 와 농축물 분리 스테이지 (2) 사이의 가열 절차가 메탄 수율의 면에서 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 상류에서의 가열 절차보다 더 나음을 보여준다.
비교예 3
실시예 1 은 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 및 농축물 분리 스테이지 (2) 가 동일한 멤브레인 용량을 갖는 점을 제외하고는 재현되었다. 다음의 표 4 는 프로세스 파라미터들 및 결과를 나타낸다.
비교예 3 은 실시예 1 에 비해 더 낮은 메탄 수율이라는 결과를 가져왔고, 이는 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 보다 더 높은 농축물 분리 스테이지 (2) 의 멤브레인 용량이 더 나은 메탄 수율이라는 결과를 가져옴을 보여준다. 그것은 추가로, 제 1 투과물 스트림 (6) 에서의 이산화탄소의 순도가 감소함을 나타낸다. 따라서, 제 1 투과물 스트림 (6) 을 유일한 또는 하나의 제 2 순수 생성물로서 제거하는 것이 요망되는 경우에, 농축물 분리 스테이지 (2) 에서의 증가된 더 높은 멤브레인 용량을 갖는 실시예 1 은, 재순환 스트림 (9) 상의 용량의 효과들로 인해, 현저하게 더 나은 결과들을 제공한다.
비교예 4
실시예 1 은 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 농축물 스트림 (7) 이 가열되지 않았고, 농축물 분리 스테이지 (2) 의 멤브레인 용량이 조정된 점을 제외하고는 재현되었다.
실시예 1 과 유사한 메탄 순도 및 수율을 갖는 1000 m3/h 바이오가스 업그레이딩 프로세스가, 농축물 분리 스테이지가 34 개의 멤브레인 모듈들로 이루어질 때까지, 시뮬레이션을 통해 달성되었다. 다음의 표 5 는 프로세스 파라미터들 및 결과를 나타낸다.
실시예 1 및 비교예 4 는 정확히 동일한 메탄 순도 및 수율이라는 결과를 가져왔다. 하지만, 실시예 1 은 농축물 분리 스테이지 (2) 에 대한 훨씬 더 적은 멤브레인 모듈들 (용량) 을 필요로 한다.
비교예 5
WO2012/00727 의 도 2 에 따른 3 스테이지 프로세스가 참조를 위해 시뮬레이팅되었고, 여기서, 스테이지들의 각각은 동일한 멤브레인 용량을 갖는다. 이 비교예에서 사용된 멤브레인 모듈들은 실시예 1 과 동일한 것이었다.
비교예 5 는 다음과 같은 점들에서 실시예 1 과 다르다:
1) 제 1 농축물 스트림 (7) 이 가열되지 않았다;
2) 제 1 투과물 스트림 (6) 은 제 3 멤브레인 스테이지에 도입되었다;
3) 제 3 농축물 스트림 (10) 및 제 2 투과물 스트림 (9) 은 혼합 챔버 내로 함께 재순환되었고, 콤프레서 (4) 에 의해 다시 압축되었다;
4) 제 3 투과물 스트림 (11) 이 오프-가스로서 밖으로 꺼내졌다.
실시예 1 과 같은 메탄 순도를 갖는 1000 m3/h 바이오가스 업그레이딩 프로세스가, 각각의 분리 스테이지가 23 개의 멤브레인 모듈들로 이루어질 때까지, 시뮬레이션을 통해 달성되었다. 다음의 표 6 은 프로세스 파라미터들 및 결과를 나타낸다.
비록 비교예 5 는 실시예 1 에 비해 약간 더 높은 메탄 수율이라는 결과를 가져왔지만, 멤브레인 모듈들의 총 수 (멤브레인 용량) 는 실시예 1 의 멤브레인 모듈들의 총 수 (멤브레인 용량) 의 거의 2 배이고, 이는 실시예 1 이 투자 및 유지 비용의 면에서 현저한 이점을 가짐을 보여준다.
실시예 2
폴리이미드 멤브레인을 이용한 60 대 40 의 혼합 비를 갖는 메탄 및 이산화탄소의 혼합물의 분리
도 1 에 도시된 연결 배치가 사용되었다. 각 스테이지는 Evonik Fibres GmbH 로부터의 중공 폴리이미드 파이버들로 이루어진 중공 파이버 멤브레인 모듈 (Sepuran® Green 4 인치, 1.2 미터 길이) 로 이루어졌다. 사용된 멤브레인은 40 의 메탄에 대한 이산화탄소에 대한 순수 가스 선택도를 나타내었다.
1000 m3/h 바이오가스 업그레이딩 프로세스는, 피드 분리 스테이지가 11 개의 멤브레인 모듈들로 이루어지고 농축물 분리 스테이지가 25 개의 멤브레인 모듈들로 이루어진 시뮬레이션을 통해 도달되었다. 모든 멤브레인 모듈들은 표준 조건들 하에서 N2 등급 4.8 에 대해 동일한 멤브레인 면적 및 동일한 투과도를 갖는다. 따라서, 농축물 분리 스테이지 (2) 의 멤브레인들의 총 용량은 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 멤브레인들의 총 용량보다 2.27 배 더 높다.
정상 상태에 도달된 후에, 미정제 가스 (17) 및 제 2 투과물 스트림 (9) 을 포함하는 피드 스트림 (5) 은 13 Bar 로 압축되고 25℃ 로 조정되었으며, 그 다음에, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 로 패스되었다. 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 농축물 스트림 (7) 은 후속하여 히터 (12) 에 의해 50℃ 로 가열되었고, 그 다음에, 농축물 분리 스테이지 (2) 로 패스되었다. 농축물 분리 스테이지 (2) 의 농축 측에서의 배압 조정 밸브 (13) 는 13 Bar 로 설정되었고, 따라서, 멤브레인 분리 스테이지들 (1) 및 (2) 의 멤브레인을 통한 추진력이 결정되었다.
피드 분리 스테이지 (1) 의 투과물은 4.8% 메탄 및 95.2% 이산화탄소의 함량을 갖는다. 이 혼합물의 404 m3/h 는 피드 분리 스테이지 (1) 를 오프-가스로서 떠났다. 농축물 분리 스테이지 (2) 의 농축물은 97.4% 메탄 및 2.6% 이산화탄소의 함량을 갖는다. 이 혼합물의 596 m3/h 는 농축물 분리 스테이지 (2) 를 생성물 가스로서 떠났다. 농축물 분리 스테이지 (2) 의 투과물은 31.3% 의 메탄 함량 및 68.7% 의 이산화탄소 함량을 갖는 359 m3/h 의 체적 유량을 가지고, 제 2 투과물 스트림 (9) 을 통해 혼합 챔버 내로 재순환되고 콤프레서 (4) 에 의해 다시 압축되었다.
다음의 표 7 은 프로세스 파라미터들 및 결과를 나타낸다.
실시예 3
폴리이미드 멤브레인을 이용한 80 대 20 의 혼합 비를 갖는 메탄 및 질소의 혼합물의 분리
실시예 1 의 시뮬레이션은, 80 mol-% 메탄 및 20 mol-% 질소의 천연 가스에 대해 반복되었고, 멤브레인들은 5.8 의 순수 가스 선택도 및 4 의 메탄에 대한 질소에 대한 혼합 가스 선택도를 가지고, 피드 분리 스테이지 (1) 는 44 개의 멤브레인 모듈들로, 그리고 농축물 분리 스테이지 (2) 는 100 개의 멤브레인 모듈들로 이루어진다.
다음의 표 8 은 프로세스 파라미터들 및 결과를 나타낸다.
비교예 6
실시예 3 은, 농축물 스트림 (7) 이 가열되지 않은 점을 제외하고는, 반복되었다. 비교예 6 은 US 6,565,626 의 예 16 에 대응한다.
다음의 표 9 는 프로세스 파라미터들 및 결과를 나타낸다.
비교예 6 은 실시예 3 에 비해 더 낮은 메탄 순도라는 결과를 가져왔고, 이는, 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 의 농축물을, 그것을 농축물 분리 스테이지 (2) 에 공급하기 전에 가열하는 것이 농축물 분리 스테이지 (2) 의 농축물 스트림의 메탄 순도를 향상시킴을 보여준다.
표 1: 실시예 1
Figure pct00010
표 2: 비교예 1
Figure pct00011
표 3: 비교예 2
Figure pct00012
표 4: 비교예 3
Figure pct00013
표 5: 비교예 4
Figure pct00014
표 6: 비교예 5
Figure pct00015
표 7: 실시예 2
Figure pct00016
표 8: 실시예 3
Figure pct00017
표 9: 비교예 6
Figure pct00018
1: 피드 스트림 분리 스테이지
2: 농축물 분리 스테이지
4: 1-스테이지 또는 멀티스테이지 콤프레서
5: 피드 스트림
6: 제 1 투과물 스트림
7: 제 1 농축물 스트림
8: 제 2 농축물 스트림
9: 제 2 투과물 스트림
12: 히터
17: 미정제 가스 스트림

Claims (13)

  1. 가스들을 분리하기 위한 프로세스로서,
    상기 프로세스는, 피드 스트림 분리 스테이지 (1), 및 농축물 분리 스테이지 (2), 그리고 선택적으로, 상기 피드 스트림 분리 스테이지의 상류에 배열된 콤프레서 (4), 및/또는, 상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 및/또는 상기 농축물 분리 스테이지 (2) 의 적어도 하나의 투과물 스트림에 배열된 적어도 하나의 진공 디바이스로 이루어진 장치에서 수행되고,
    상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 는 적어도 2 개의 성분들을 포함하는 피드 스트림 (5) 을 제 1 투과물 스트림 (6) 및 제 1 농축물 스트림 (7) 으로 분리하고, 그리고
    상기 농축물 분리 스테이지 (2) 는 상기 제 1 농축물 스트림 (7) 을 제 2 투과물 스트림 (9) 및 제 2 농축물 스트림 (8) 으로 분리하며, 그리고
    상기 제 1 투과물 스트림 (6) 은 생성물로서 제거되거나 추가로 프로세싱되거나, 또는 선택적으로, 상기 제 2 농축물 스트림 (8) 이 제거되거나 추가로 처리되는 경우에 폐기될 수 있고, 그리고
    상기 제 2 농축물 스트림 (8) 은 제 1 생성물로서 제거되거나 추가로 프로세싱되거나, 또는 선택적으로, 상기 제 1 투과물 스트림 (6) 이 제거되거나 추가로 프로세싱되는 경우에 폐기될 수 있으며; 그리고
    상기 제 2 투과물 스트림 (9) 은 상기 피드 스트림에 공급되고, 그리고
    상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 및 상기 농축물 분리 스테이지 (2) 는 멤브레인 분리 스테이지들이며,
    상기 프로세스는,
    상기 제 1 농축물 스트림 (7) 은, 그것이 상기 농축물 분리 스테이지에 도입되기 전에, 상기 피드 스트림 (5) 의 온도보다 더 높은 온도로 가열되고, 그리고
    상기 농축물 분리 스테이지 (2) 에서 사용되는, 상세한 설명에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 에 대해 측정된, 멤브레인들의 총 용량은, 상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에서 사용되는, 상세한 설명에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 에 대해 측정된, 멤브레인들의 총 용량보다 더 높은 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스.
  2. 가스들을 분리하기 위한 장치로서,
    상기 장치는, 피드 스트림 분리 스테이지 (1), 및 농축물 분리 스테이지 (2), 그리고 선택적으로, 상기 피드 스트림 분리 스테이지의 상류에 배열된 콤프레서 (4), 및/또는, 상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 및/또는 상기 농축물 분리 스테이지 (2) 의 적어도 하나의 투과물 스트림에 배열된 적어도 하나의 진공 디바이스로 이루어지고,
    상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 는 적어도 2 개의 성분들을 포함하는 피드 스트림을 제 1 투과물 스트림 (6) 및 제 1 농축물 스트림 (7) 으로 분리하고, 그리고
    상기 농축물 분리 스테이지 (2) 는 상기 제 1 농축물 스트림 (7) 을 제 2 투과물 스트림 (9) 및 제 2 농축물 스트림 (8) 으로 분리하며, 그리고
    상기 제 1 투과물 스트림 (6) 은 생성물로서 제거되거나 추가로 프로세싱되거나, 또는 선택적으로, 상기 제 2 농축물 스트림 (8) 이 제거되거나 추가로 처리되는 경우에 폐기될 수 있고, 그리고
    상기 제 2 농축물 스트림 (8) 은 제 1 생성물로서 제거되거나 추가로 프로세싱되거나, 또는 선택적으로, 상기 제 1 투과물 스트림 (6) 이 제거되거나 추가로 프로세싱되는 경우에 폐기될 수 있으며; 그리고
    상기 제 2 투과물 스트림 (9) 은 상기 피드 스트림에 공급되고, 그리고
    상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 및 상기 농축물 분리 스테이지 (2) 는 멤브레인 분리 스테이지들이며,
    상기 장치는,
    상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 와 상기 농축물 분리 스테이지 (2) 사이에 히터 (12) 가 배열되고, 그리고
    상기 농축물 분리 스테이지 (2) 에서 사용되는, 상세한 설명에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 에 대해 측정된, 멤브레인들의 총 용량은, 상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에서 사용되는, 상세한 설명에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 에 대해 측정된, 멤브레인들의 총 용량보다 더 높은 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 따른 프로세스 또는 제 2 항에 따른 장치에 있어서,
    상기 농축물 분리 스테이지 (2) 에서 사용되는, 상세한 설명에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 에 대해 측정된, 멤브레인들의 총 용량 대 상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에서 사용되는, 상세한 설명에서 정의된 바와 같은 표준 조건들 하에서 질소 등급 4.8 에 대해 측정된, 멤브레인들의 총 용량의 비율은, 1.05 에서부터 10 까지, 바람직하게는 1.1 에서부터 8 까지, 특히 바람직하게는 1.2 에서부터 7 까지, 그리고 특별히 바람직하게는 1.5 에서부터 6 까지의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 장치에 있어서,
    적어도 상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에서, 바람직하게는 상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 및 상기 농축물 분리 스테이지 (2) 양자에서, 적어도 30, 바람직하게는 적어도 35, 보다 바람직하게는 적어도 40, 특히 바람직하게는 적어도 45, 그리고 특별히 바람직하게는 적어도 45 내지 80 의 순수 가스 선택도를 갖는 가스 분리 멤브레인들이 사용되는 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 장치에 있어서,
    상기 멤브레인들의 분리-활성 레이어를 위해 사용되는 재료는, 폴리아미드, 폴리에테르이미드, 폴리아라미드, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리술폰, 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 아세테이트 유도체, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리실록산, 고유 미세다공성을 갖는 폴리머, 혼합 매트릭스 멤브레인, 촉진 수송 멤브레인, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리이미드 및 특히 모노머 유닛들 A 및 B 로 이루어진 폴리이미드,
    여기서,
    Figure pct00019

    0 ≤ x ≤ 0.5 및 1 ≥ y ≥ 0.5 이고, 여기서, R 은 라디칼들 L1, L2, L3 및 L4 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의, 동일한 또는 상이한 라디칼들 R 에 대응하며,
    Figure pct00020

    특히 바람직하게는 CAS 넘버 9046-51-9 의 폴리이미드 및/또는 CAS 넘버 134119-41-8 의 폴리이미드로 이루어진 리스트들로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 장치에 있어서,
    멀티스테이지 콤프레서가 사용되고, 및/또는
    상기 제 2 투과물 스트림 (9) 은 2 개의 압축 스테이지들 사이에서 상기 콤프레서 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 장치에 있어서,
    가스 분리 멤브레인 모듈(들)은 중공 파이버 멤브레인들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 장치에 있어서,
    상기 농축물 분리 스테이지 (2) 의 농축물 압력은 바람직하게는 상기 제 2 농축물 스트림 (8) 에서의 배압 조정 밸브에 의해 1 내지 100 bar 로, 바람직하게는 5 내지 80 bar 로, 그리고 특히 바람직하게는 10 내지 70 bar 로 조정되는 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 장치에 있어서,
    분리 작업을 위해 사용되는 추진력은 각각의 멤브레인 분리 스테이지들에서의 농축 측과 투과 측 사이의 투과 가스의 부분 압력 차이이고, 상기 부분 압력 차이는 상기 피드 스트림에서의 콤프레서에 의해 및/또는 상기 제 2 투과물 스트림에서의 진공 디바이스에 의해 및/또는 투과-측 플러싱-가스 스트림에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 장치에 있어서,
    상기 제 1 농축물 스트림 (7) 은, 그것이 상기 농축물 분리 스테이지 (2) 에 도입되기 전에, 상기 피드 스트림 (5) 의 온도보다 더 높은 온도 5℃ 내지 50℃, 바람직하게는 10℃ 내지 30℃ 로 가열되는 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 장치에 있어서,
    상기 피드 스트림 (5) 의 온도는, 그것이 상기 피드 스트림 분리 스테이지 (1) 에 도입되기 전에, 15℃ 에서부터 45℃ 까지의 범위에, 바람직하게는 20℃ 에서부터 35℃ 까지의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 장치에 있어서,
    상기 제 2 투과물 스트림에서 재순환되는 가스 체적의 총계는 미정제 가스 스트림의 40 체적% 보다 적고 바람직하게는 30 체적% 보다 적은 것을 특징으로 하는 가스들을 분리하기 위한 프로세스 또는 장치.
  13. 미정제 가스를 정제하기 위한 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 프로세스 또는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 사용으로서, 상기 미정제 가스 스트림은, 바이오가스 또는 천연 가스 또는 공기 또는, 이산화탄소 및 메탄, 수소 및 메탄, 일산화탄소 및 메탄, 헬륨 및 메탄, 헬륨 및 질소, 수소 및 일산화탄소, 1 atm 에서 110 Kelvin 미만의 끓는 점을 갖는 영구 가스 및 1 atm 에서 110 Kelvin 이상의 끓는 점을 갖는 비 영구 가스, 이산화탄소 및 탄화수소 또는 질소 및 탄화수소를 포함하는 다른 가스 혼합물인 것을 특징으로 하는 미정제 가스를 정제하기 위한 프로세스 또는 장치의 사용.
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