KR20210041187A - Hybrid gas separation process including membrane process and distillation process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 멤브레인 공정 및 증류 공정을 포함하는 하이브리드 가스 분리 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid gas separation process including a membrane process and a distillation process.
멤브레인을 이용한 분리 공정은 분리막에 대한 선택적인 물질 투과 원리에 의해 진행되는 것으로, 기존 공정에 비해 에너지 소모가 적고, 설치에 필요한 공간이 간소하며, 스케일 업이 간단한 장점을 가지고 있다.The separation process using a membrane is carried out by the principle of selective material permeation to the separation membrane, and has the advantages of less energy consumption, a simple installation space, and simple scale-up compared to the existing process.
이에 따라, 분리막을 이용한 분리 공정은 기존의 공정을 대체할 공정으로 수십년간 발전되어 왔으며, 질소발생장치, 수소발생장치, 막 제습기, 선박이나 항공기용 불활성기체 충진 장치, 천연가스 정제, 바이오가스 정제, 연료 전지 분야 등에서 널리 사용되고 있다.Accordingly, the separation process using a separation membrane has been developed for decades as a process to replace the existing process, and a nitrogen generator, a hydrogen generator, a membrane dehumidifier, an inert gas filling device for ships or aircraft, natural gas purification, and biogas purification. , It is widely used in the field of fuel cells.
그러나 멤브레인 공정을 통한 가스 분리 공정은, 피드 조성 또는 운전 조건(Operating Condition)이 순간적으로 또는 지속적으로 달라질 경우 분리 생성물의 조성이 변화되고, 재순환 스트림을 위해서 고압의 압축기가 요구될 뿐만 아니라, 일반적으로 사용하는 캐스케이드 방식의 경우 매 층마다 고압의 압축기가 존재하여 높은 동력비가 소요되는 단점이 있다.However, in the gas separation process through the membrane process, when the feed composition or operating condition changes instantaneously or continuously, the composition of the separation product changes, and a high-pressure compressor is required for the recycle stream. In the case of the cascade method used, there is a disadvantage in that a high power cost is required because a high-pressure compressor exists in every floor.
한편, 증류 공정은 물질을 분리하는 가장 기본이 되는 방식으로, 혼합물의 각 구성 성분의 휘발성 차이를 이용하여 특정 성분을 원하는 순도 수준으로 분리하는 기술이다. Meanwhile, the distillation process is the most basic method of separating substances, and is a technology for separating a specific component to a desired purity level by using the difference in volatility of each component of a mixture.
증류 공정은 풍부한 기액 상평형 데이터가 축적되어 있고 관련된 물리·화학적 특성이 비교적 잘 알려져 있기 때문에, 분리 특성을 설계 단계에서 정확하게 예측할 수 있고, 공정 및 장치의 정교한 설계와 분석이 용이한 장점이 있으나, 에너지 소모가 크고, 에너지 효율성이 낮으며, 높은 장치비와 운영비가 소모되는 단점이 있다.Since the distillation process has abundant gas-liquid phase equilibrium data accumulated and the related physicochemical properties are relatively well known, separation properties can be accurately predicted at the design stage, and elaborate design and analysis of processes and devices are easy. There are disadvantages in that energy consumption is large, energy efficiency is low, and high equipment and operating costs are consumed.
이에 따라, 증류 공정의 성능 향상 및 에너지 저감을 위해 다양한 증류 기술을 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 관련 기술로 증류 공정 전단에 플래시 드럼 등을 배치하는 방식으로 사전에 기액 분리를 통해 에너지 절감 또는 장치의 사이즈를 줄이는 방식의 공정이 알려진 바 있다.Accordingly, research is being actively conducted to develop various distillation technologies to improve the performance of the distillation process and reduce energy, and as a related technology, energy savings through gas-liquid separation in advance by arranging flash drums at the front of the distillation process. Alternatively, a method of reducing the size of a device has been known.
그러나 이러한 공정으로 메탄과 에탄과 같은 경질 탄화수소 계열의 물질을 증류하는 경우, 유의미한 기액 분리를 위해서는 반드시 저온 고압으로 압축 및 냉동을 해야 하기 때문에 냉동기 운전과 압축기 운전에 높은 동력비가 소요되는 문제점이 있다.However, in the case of distilling light hydrocarbon-based materials such as methane and ethane through such a process, it is necessary to compress and refrigerate at low temperature and high pressure for meaningful gas-liquid separation, so there is a problem that a high power cost is required for operating the refrigerator and compressor.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 에너지 소모를 절감하고, 장치비 및 운영비를 감소시킬 수 있는 가스 분리 공정을 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a gas separation process capable of reducing energy consumption and reducing equipment and operating costs.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 측면은, 기체 혼합물을 멤브레인 공정을 통해 1차 분리하는 단계; 및 상기 1차 분리하는 단계를 통해 얻은 1차 기체 분리물들을 증류 공정을 통해 2차 분리하는 단계;를 포함하고, 상기 1차 기체 분리물들 중 일부는, 상기 증류 공정을 위한 증류 장치의 상단부에 주입하고, 나머지는 하단부에 주입하는 것인, 하이브리드 가스 분리 공정을 제공한다.One aspect of the present invention, the step of first separating the gas mixture through a membrane process; And secondary separating the primary gas separation products obtained through the primary separation through a distillation process; including, some of the primary gas separation products, at the upper end of the distillation apparatus for the distillation process Injecting, and injecting the rest into the lower portion, provides a hybrid gas separation process.
일 실시형태에 따르면, 상기 기체 혼합물은, 비점이 상이한 화합물들을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the gas mixture may include compounds having different boiling points.
일 실시형태에 따르면, 탄화수소, 질소, 수소, 산소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, it may include at least one selected from the group consisting of hydrocarbon, nitrogen, hydrogen, oxygen, argon, and helium.
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 기체 분리물들 중, 비점이 낮은 화합물의 함량이 높은 기체 분리물은 상기 증류 장치의 상단부에 주입하고, 상기 1차 기체 분리물들 중, 비점이 높은 화합물의 함량이 높은 기체 분리물은 상기 증류 장치의 하단부에 주입하는 것일 수 있다.According to an embodiment, among the primary gas separations, a gas separation product having a high content of a compound having a low boiling point is injected into the upper end of the distillation apparatus, and among the primary gas separation products, a content of a compound having a high boiling point is The high gaseous separation may be injected into the lower end of the distillation apparatus.
일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인 공정은, 1단 이상의 멤브레인을 포함하는 멤브레인 모듈을 사용하여 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment, the membrane process may be performed using a membrane module including one or more membranes.
일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인 공정은, 폴리설폰(polysulfone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리(페닐렌옥시드)(poly(phenylene oxide)), 폴리 디메틸실록산(poly dimethylsiloxane), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아미드(polyamide), 폴리트리메틸실릴프로핀(polytrimethylsilylpropyne) 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고분자 분리막을 사용하여 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the membrane process, polysulfone (polysulfone), cellulose acetate (cellulose acetate), polycarbonate (polycarbonate), polyimide (polyimide), poly (phenylene oxide) (poly (phenylene oxide)), Performed by using a polymer membrane containing at least one selected from the group consisting of poly dimethylsiloxane, polystyrene, polyamide, polytrimethylsilylpropyne, and polyurethane It can be.
일 실시형태에 따르면, 상기 2차 분리하여 얻은 2차 기체 분리물을 멤브레인 공정을 통해 3차 분리하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, a step of tertiary separating the secondary gas separated product obtained through the secondary separation through a membrane process; may be further included.
본 발명의 다른 측면은, 기체 혼합물을 증류 장치에 주입하여 1차 분리하는 단계; 상기 1차 분리를 통해 얻은 1차 기체 분리물들 중 일부를 멤브레인 공정을 통해 2차 분리하는 단계; 및 상기 2차 분리를 통해 얻은 2차 기체 분리물들 중 일부를 상기 기체 혼합물 또는 상기 증류 장치에 주입하여 재분리하는 단계;를 포함하는, 하이브리드 가스 분리 공정을 제공한다.Another aspect of the present invention, the step of primary separation by injecting a gas mixture into a distillation apparatus; Secondary separating some of the primary gas separation products obtained through the primary separation through a membrane process; And re-separating some of the secondary gas separated products obtained through the secondary separation into the gas mixture or the distillation apparatus.
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 기체 분리물들 중 일부는, 상기 증류 장치의 하단부로부터 배출된 기체 분리물이고, 상기 2차 기체 분리물들 중 일부를 상기 증류 장치 또는 상기 기체 혼합물에 주입하는 것일 수 있다.According to an embodiment, some of the primary gas separated products may be gas separated products discharged from the lower end of the distillation apparatus, and some of the secondary gas separated products may be injected into the distillation apparatus or the gas mixture. have.
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 기체 분리물들 중 일부는, 상기 증류 장치의 상단부로부터 배출된 것이고, 상기 2차 기체 분리물들 중 일부를 상기 증류 장치 또는 상기 기체 혼합물에 주입하는 것일 수 있다.According to an embodiment, some of the primary gas separations may be discharged from the upper end of the distillation apparatus, and some of the secondary gas separations may be injected into the distillation apparatus or the gas mixture.
본 발명의 또 다른 측면은, 1단 이상의 멤브레인을 포함하는 멤브레인 모듈; 및 상기 멤브레인 모듈과 연속적으로 연결된 증류 장치;를 포함하고, 상기 하이브리드 가스 분리 공정을 위한 것인, 하이브리드 가스 분리 공정 장치를 제공한다.Another aspect of the present invention is a membrane module including one or more stages of a membrane; And a distillation apparatus continuously connected to the membrane module, and for the hybrid gas separation process, a hybrid gas separation process apparatus is provided.
본 발명에 따른 가스 분리 공정은, 멤브레인 공정과 증류 공정을 결합하여, 멤브레인 공정과 증류 공정의 단점이 서로 보완되도록 함으로써, 에너지 효율을 30 % 내지 50 % 증가시킬 수 있고, 가스 분리 공정을 위한 장치비 및 운영비를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.The gas separation process according to the present invention can increase energy efficiency by 30% to 50% by combining the membrane process and the distillation process so that the disadvantages of the membrane process and the distillation process are complemented, and the equipment cost for the gas separation process And there is an effect that can reduce the operating cost.
또한, 본 발명에 따른 가스 분리 공정 장치는, 멤브레인 모듈 및 증류 장치가 연속적으로 결합됨으로써, 에너지를 효율적으로 이용하여 가스를 분리할 수 있고, 장치의 크기가 감소되어 초기 설비 비용 및 운영비를 절감할 수 있으며, 공간 제약이 있는 곳에서도 이용 가능한 효과가 있다.In addition, in the gas separation process apparatus according to the present invention, the membrane module and the distillation apparatus are continuously combined, so that the gas can be separated by using energy efficiently, and the size of the apparatus is reduced, thereby reducing the initial equipment cost and operating cost. It can be used, and there is an effect that can be used even in places with limited space.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따라 멤브레인 공정 및 증류 공정이 순차적으로 수행되는 하이브리드 가스 분리 공정을 간략히 나타낸 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따라 증류 공정 및 멤브레인 공정이 순차적으로 수행되는 하이브리드 가스 분리 공정을 간략히 나타낸 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따라 증류 공정 및 멤브레인 공정이 순차적으로 수행되는 하이브리드 가스 분리 공정을 간략히 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram schematically showing a hybrid gas separation process in which a membrane process and a distillation process are sequentially performed according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram schematically showing a hybrid gas separation process in which a distillation process and a membrane process are sequentially performed according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram schematically showing a hybrid gas separation process in which a distillation process and a membrane process are sequentially performed according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes may be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It is to be understood that all changes, equivalents, or substitutes to the embodiments are included in the scope of the rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for illustrative purposes only, and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. Does not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same reference numerals are assigned to the same components regardless of the reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, when it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the embodiments, the detailed description thereof will be omitted.
이하, 본 발명의 하이브리드 가스 분리 공정에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a hybrid gas separation process of the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.
본 발명의 일 측면은, 기체 혼합물을 멤브레인 공정을 통해 1차 분리하는 단계; 및 상기 1차 분리하는 단계를 통해 얻은 1차 기체 분리물들을 증류 공정을 통해 2차 분리하는 단계;를 포함하고, 상기 1차 기체 분리물들 중 일부는, 상기 증류 공정을 위한 증류 장치의 상단부에 주입하고, 나머지는 하단부에 주입하는 것인, 하이브리드 가스 분리 공정을 제공한다.One aspect of the present invention, the step of first separating the gas mixture through a membrane process; And secondary separating the primary gas separation products obtained through the primary separation through a distillation process; including, some of the primary gas separation products, at the upper end of the distillation apparatus for the distillation process Injecting, and injecting the rest into the lower portion, provides a hybrid gas separation process.
상기 기체 혼합물을 멤브레인 공정을 통해 1차 분리하는 단계는, 기체 혼합물을 멤브레인 모듈에 통과시켜 1차적으로 기체 혼합물의 성분을 분리하는 단계이다. The step of first separating the gas mixture through a membrane process is a step of first separating components of the gas mixture by passing the gas mixture through a membrane module.
여기서, 상기 멤브레인 모듈은 멤브레인 즉, 분리막의 선택적인 가스 투과 원리를 이용하여 기체 혼합물의 성분을 분리하는 것일 수 있다.Here, the membrane module may be a membrane, that is, separating components of a gas mixture using a selective gas permeation principle of a separation membrane.
상기 기체 혼합물은, 멤브레인 모듈을 통과하여 분리되고, 이를 통해 1차 기체 분리물들이 얻어진다.The gas mixture is separated by passing through a membrane module, through which primary gas separations are obtained.
상기 1차 기체 분리물은, 두가지 이상의 기체 성분이 혼합되어 있을 수 있고, 기체 혼합물을 이루는 성분 중 어느 한가지 성분을 다량 함유할 수 있으며, 상기 1차 기체 분리물들은 서로 상이한 조성을 가질 수 있다. The primary gas separation material may be a mixture of two or more gas components, may contain a large amount of any one of the components constituting the gas mixture, the primary gas separation material may have a different composition from each other.
상기 1차 기체 분리물들은, 멤브레인에 대한 용해도, 확산 속도 등의 차이를 가지며, 이러한 차이는 분자량의 차이로 인해 나타날 수 있고, 분자량의 차이는 비점의 차이와 비례할 수 있다.The primary gaseous isolates have differences in solubility and diffusion rates for the membrane, and these differences may appear due to differences in molecular weight, and differences in molecular weight may be proportional to differences in boiling points.
상기 증류 공정을 통해 2차 분리하는 단계는, 멤브레인 공정을 통해 얻은 1차 기체 분리물들을 2차적으로 증류 공정을 통해 분리하는 단계이다.The secondary separation through the distillation process is a secondary separation of the primary gas separation products obtained through the membrane process through a distillation process.
여기서, 상기 1차 분리하는 단계를 통해 얻은 1차 기체 분리물들 전부가 증류 공정을 통해 2차 분리될 수 있고, 1차 기체 분리물들 중 일부만이 증류 공정을 통해 2차 분리될 수 있다.Here, all of the primary gas separation products obtained through the primary separation may be secondary separation through a distillation process, and only some of the primary gas separation products may be secondary separation through a distillation process.
상기 증류 공정은, 분별증류 일 수 있고, 증류탑을 사용하여 수행될 수 있으며, 기체 혼합물에 함유된 화합물 종류의 수에 따라 증류탑의 단의 개수를 조절할 수 있다.The distillation process may be fractional distillation, may be performed using a distillation column, and the number of stages of the distillation column may be adjusted according to the number of types of compounds contained in the gas mixture.
상기 증류 공정을 통해 2차 분리하는 단계는, 상기 멤브레인 공정에서 전단 피드 조성 및 운전 조건이 변화됨에 따라 나타날 수 있는 분리 생성물 조성의 불안정성을 보완해줄 수 있다. 또한, 멤브레인 모듈 내 단을 증가시키거나 장치를 추가하여 분리 생성물의 순도를 증가시키는 것과 비교하여, 분리 공정에 소요되는 에너지 및 비용 절감에 효과적이다.The secondary separation through the distillation process may compensate for the instability of the composition of the separation product, which may appear as the composition of the shear feed and the operating conditions are changed in the membrane process. In addition, compared to increasing the purity of the separation product by increasing the stage in the membrane module or adding an apparatus, it is effective in reducing energy and cost required for the separation process.
본 발명의 일 측에 따른 하이브리드 가스 분리 공정은, 상기 1차 기체 분리물들 중 일부는 상기 증류 공정을 위한 증류 장치의 상단부에 주입하고, 나머지는 하단부에 주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the hybrid gas separation process according to an aspect of the present invention, some of the primary gas separated products may be injected into an upper end of a distillation apparatus for the distillation process, and the rest may be injected into a lower end.
상기 멤브레인 공정을 통해 얻은 1차 기체 분리물들은 서로 상이한 조성을 가질 수 있고, 상기 기체 혼합물의 구성 성분 중 특성 성분을 다량으로 함유한 조성을 가질 수 있다.The primary gas separation products obtained through the membrane process may have different compositions from each other, and may have a composition containing a large amount of characteristic components among the constituent components of the gas mixture.
일 실시형태에 따르면, 상기 상이한 조성을 갖는 1차 기체 분리물들 중, 비점이 상대적으로 낮은 1차 기체 분리물을 상기 증류 장치의 상단부에 주입하고, 비점이 상대적으로 높은 1차 기체 분리물은 상기 증류 장치의 하단부에 주입함으로써, 증류 공정 진행 시 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다.According to an embodiment, among the primary gas separations having different compositions, a primary gas separation product having a relatively low boiling point is injected into the upper end of the distillation apparatus, and the primary gas separation product having a relatively high boiling point is the distillation. By injecting to the lower end of the device, energy efficiency can be greatly improved during the distillation process.
또한, 1차 기체 분리물들이 각각 나뉘어 주입됨에 따라 기체 스트림이 줄어들어 증류 장치의 크기 및 높이를 줄일 수 있다.In addition, as the primary gas separated products are divided and injected, the gas stream is reduced, thereby reducing the size and height of the distillation apparatus.
여기서, 상기 멤브레인 공정을 위한 멤브레인 모듈 및 상기 증류 공정을 위한 증기 모듈은, 상기 1차 기체 분리물들 중 비점이 상대적으로 낮은 기체 분리물이 배출되는 멤브레인 모듈의 배출구가 증류 장치 상단부의 주입구와 연결되도록 하고, 비점이 상대적으로 높은 기체 분리물이 배출되는 멤브레인 모듈의 배출구가 증류 장치 하단부의 주입구와 연결되도록 하여, 상기 1차 분리 단계 및 2차 분리 단계가 연속적으로 진행되도록 할 수 있다.Here, the membrane module for the membrane process and the vapor module for the distillation process are configured such that an outlet of the membrane module through which a gas separated product having a relatively low boiling point among the primary gas separated products is discharged is connected to an inlet at the upper end of the distillation apparatus. In addition, the outlet of the membrane module through which the gaseous separation material having a relatively high boiling point is discharged is connected to the inlet at the lower end of the distillation apparatus, so that the first and second separation steps can be performed continuously.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따라 멤브레인 공정 및 증류 공정이 순차적으로 수행되는 하이브리드 가스 분리 공정을 간략히 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram schematically showing a hybrid gas separation process in which a membrane process and a distillation process are sequentially performed according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 기체 혼합물은 멤브레인 공정을 위한 멤브레인 모듈(100)로 주입되고, 멤브레인 모듈(100)을 통해 분리되어 1차 기체 분리물들로 배출된 후, 증류 장치(200)의 상단부 및 하단부로 각각 주입되어 2차 분리되는 방식으로 진행되는 것을 이해할 수 있다.Referring to FIG. 1, the gas mixture is injected into the
일 실시형태에 따르면, 상기 기체 혼합물은, 비점이 상이한 화합물들을 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the gas mixture may include compounds having different boiling points.
상기 기체 혼합물은, 상온 및 상압 조건에서 가스 상태로 존재하지만, 비점 차이를 갖는 화합물들을 포함하는 것일 수 있다.The gas mixture may exist in a gaseous state under conditions of room temperature and pressure, but may include compounds having a difference in boiling point.
상기 비점이 상이한 화합물은, 증류 공정에 따라 분리될 수 있는데, 증류 공정 만으로 분리될 경우 에너지 소모가 높은 단점이 존재한다.The compounds having different boiling points may be separated according to the distillation process, but when separated only by the distillation process, there is a disadvantage of high energy consumption.
따라서, 비점이 상이한 화합물들을 포함하는 기체 혼합물을 1차적으로 멤브레인 공정을 통해 분리한 후, 이로부터 얻은 1차 기체 분리물들을 증류 공정에 의해 2차적으로 분리하여 에너지 소모를 줄일 수 있다.Accordingly, after the gas mixture containing compounds having different boiling points is first separated through a membrane process, the primary gas separated products obtained therefrom are secondarily separated by a distillation process, thereby reducing energy consumption.
일 실시형태에 따르면, 상기 기체 혼합물은, 탄화수소, 질소, 수소, 산소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the gas mixture may include at least one selected from the group consisting of hydrocarbons, nitrogen, hydrogen, oxygen, argon, and helium.
여기서, 상기 탄화수소는 메탄 및 C2 이상의 탄화수소를 포함할 수 있다.Here, the hydrocarbon may include methane and C2 or more hydrocarbons.
일 실시형태에 따르면, 본 발명의 하이브리드 가스 분리 공정은, 탈-메탄기(de-methanizer)를 대체할 수 있으며, 기체 혼합물 중, 탄소를 포함하지 않는 화합물 및 메탄을 포함하는 기체 혼합물과 C2 이상의 탄화수소를 포함하는 기체 혼합물을 분리할 수 있다. According to an embodiment, the hybrid gas separation process of the present invention may replace a de-methanizer, and in a gas mixture, a compound not containing carbon and a gas mixture containing methane and a C2 or more Gas mixtures containing hydrocarbons can be separated.
일 실시형태에 따르면, 상기 기체 혼합물은, C1 내지 C10의 탄화수소를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the gas mixture may include a C1 to C10 hydrocarbon.
상기 C1 내지 C10의 탄화수소는, 본 발명에 따른 하이브리드 가스 분리 공정을 적용하여 분리 시, 에너지 및 동력비가 현저히 감소되는 효과를 얻을 수 있다.When the hydrocarbons of C1 to C10 are separated by applying the hybrid gas separation process according to the present invention, energy and power costs may be significantly reduced.
일례로, 에너지 절감을 위해 증류 공정 이전에 기액 분리기를 사용하는 공정의 경우, 경질 탄화수소가 기액 분리기 내에서 유의미하게 분리되기 위해서는 저온 및 고압 조건이 요구되기 때문에, 압축 및 냉동을 위해 높은 동력비가 요구된다.For example, in the case of a process using a gas-liquid separator prior to the distillation process to save energy, low-temperature and high-pressure conditions are required to significantly separate light hydrocarbons in the gas-liquid separator, so high power costs are required for compression and refrigeration. do.
이와 비교하여, 본 발명에 따른 하이브리드 가스 분리 공정은, 증류 공정 이전에 멤브레인 공정을 통해 기체 혼합물을 1차적으로 분리하기 때문에, 저온 및 고압 조건이 요구되지 않고, 상온 및 상압 조건에서 운전될 수 있으며, 넓은 면적이 요구되지 않아, 에너지 및 비용 절감 효과와 함께 높은 공간 효율성을 가질 수 있다.In comparison, since the hybrid gas separation process according to the present invention primarily separates the gas mixture through the membrane process before the distillation process, low temperature and high pressure conditions are not required, and can be operated at room temperature and pressure conditions. , Since a large area is not required, it can have high space efficiency with energy and cost savings.
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 기체 분리물들 중, 비점이 낮은 화합물의 함량이 높은 기체 분리물은 상기 증류 장치의 상단부에 주입하고, 상기 1차 기체 분리물들 중, 비점이 높은 화합물의 함량이 높은 기체 분리물은 상기 증류 장치의 하단부에 주입하는 것일 수 있다.According to an embodiment, among the primary gas separations, a gas separation product having a high content of a compound having a low boiling point is injected into the upper end of the distillation apparatus, and among the primary gas separation products, a content of a compound having a high boiling point is The high gaseous separation may be injected into the lower end of the distillation apparatus.
상기 1차 기체 분리물들이 상기 증류 장치의 상단부 및 하단부로 각각 주입됨에 따라, 주입구를 통해 주입되는 기체 스트림의 양이 줄어들어 증류 장치의 직경 및 높이를 줄일 수 있다. 또한, 비점의 차이와 대응되는 분자량의 차이나, 물리·화학적 성질에 의해 선 분리되어 증류 장치의 상단부 및 하단부로 각각 주입됨으로써, 증류를 위한 에너지 소모를 줄일 수 있다.As the primary gas separated products are respectively injected into the upper and lower portions of the distillation apparatus, the amount of the gas stream injected through the inlet is reduced, thereby reducing the diameter and height of the distillation apparatus. In addition, it is pre-separated by the difference in the boiling point and the corresponding molecular weight, or physical and chemical properties, and injected into the upper and lower portions of the distillation apparatus, respectively, thereby reducing energy consumption for distillation.
일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인 공정은, 1단 이상의 멤브레인을 포함하는 멤브레인 모듈을 사용하여 수행되는 것일 수 있다.According to an embodiment, the membrane process may be performed using a membrane module including one or more membranes.
상기 멤브레인 모듈은, 캐스케이드 멤브레인 형태일 수 있고, 1단 또는 다단으로 구성된 멤브레인을 포함할 수 있다.The membrane module may be in the form of a cascade membrane, and may include a single-stage or multi-stage membrane.
바람직하게는, 상기 멤브레인 모듈은, 1단 또는 2단의 멤브레인으로 구성될 수 있으며, 이를 통해 에너지 및 비용 절감효과를 극대화할 수 있다.Preferably, the membrane module may be composed of a single-stage or two-stage membrane, thereby maximizing energy and cost savings.
일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인 공정은, 폴리설폰(polysulfone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리(페닐렌옥시드)(poly(phenylene oxide)), 폴리 디메틸실록산(poly dimethylsiloxane), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아미드(polyamide), 폴리트리메틸실릴프로핀(polytrimethylsilylpropyne) 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고분자 분리막을 사용하여 수행되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the membrane process, polysulfone (polysulfone), cellulose acetate (cellulose acetate), polycarbonate (polycarbonate), polyimide (polyimide), poly (phenylene oxide) (poly (phenylene oxide)), Performed by using a polymer membrane containing at least one selected from the group consisting of poly dimethylsiloxane, polystyrene, polyamide, polytrimethylsilylpropyne, and polyurethane It can be.
일 실시형태에 따르면, 상기 멤브레인 공정을 위한 분리막은, 단일막 또는 복합막일 수 있고, 다공질막 또는 비다공질막일 수 있다.According to an embodiment, the separation membrane for the membrane process may be a single membrane or a composite membrane, and may be a porous membrane or a non-porous membrane.
일 실시형태에 따르면, 본 발명의 일 측에 따른 하이브리드 가스 분리 공정은, 상기 2차 분리하여 얻은 2차 기체 분리물을 멤브레인 공정을 통해 3차 분리하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment, the hybrid gas separation process according to an aspect of the present invention may further include a step of tertiary separating the secondary gas separation product obtained by secondary separation through a membrane process.
상기 3차 분리하는 단계는, 2차 기체 분리물에서 원하는 성분의 순도를 향상시키기 위한 것으로, 상기 3차 분리하는 단계는 추가된 멤브레인 장치를 사용하여 수행될 수 있고, 1차 분리하는 단계에서 사용된 멤브레인 장치로 2차 기체 분리물을 재순환하는 방식을 사용하여 수행될 수 있다.The third separation step is to improve the purity of the desired component in the secondary gas separation, the third separation step may be performed using an added membrane device, used in the first separation step This can be done using a method of recirculating the secondary gaseous separation to the membrane device.
본 발명의 다른 측면은, 기체 혼합물을 증류 장치에 주입하여 1차 분리하는 단계; 상기 1차 분리를 통해 얻은 1차 기체 분리물들 중 일부를 멤브레인 공정을 통해 2차 분리하는 단계; 및 상기 2차 분리를 통해 얻은 2차 기체 분리물들 중 일부를 상기 기체 혼합물 또는 상기 증류 장치에 주입하여 재분리하는 단계;를 포함하는, 하이브리드 가스 분리 공정을 제공한다.Another aspect of the present invention, the step of primary separation by injecting a gas mixture into a distillation apparatus; Secondary separating some of the primary gas separation products obtained through the primary separation through a membrane process; And re-separating some of the secondary gas separated products obtained through the secondary separation into the gas mixture or the distillation apparatus.
상기 하이브리드 가스 분리 공정은, 증류 장치를 통한 증류 공정에서 분리된 1차 기체 분리물들 중 일부를 멤브레인 공정을 통해 2차 분리하고, 이를 다시 증류 장치를 통한 증류 공정으로 분리함으로써, 증류 공정의 에너지 소모를 줄이면서 분리 생성물의 순도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.In the hybrid gas separation process, some of the primary gas separations separated in the distillation process through the distillation device are secondarily separated through a membrane process, and then separated into the distillation process through the distillation device, thereby consuming energy in the distillation process. There is an effect that can increase the purity of the separated product while reducing the.
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 기체 분리물들 중 일부는, 상기 증류 장치의 하단부로부터 배출된 기체 분리물이고, 상기 2차 기체 분리물들 중 일부를 상기 증류 장치 또는 상기 기체 혼합물에 주입하는 것일 수 있다.According to an embodiment, some of the primary gas separated products may be gas separated products discharged from the lower end of the distillation apparatus, and some of the secondary gas separated products may be injected into the distillation apparatus or the gas mixture. have.
상기 증류 장치의 하단부로부터 배출된 기체 분리물은, 상대적으로 비점이 높은 기체 분리물일 수 있고, 분리 생성물의 순도를 높이기 위해 멤브레인 공정을 통해 2차 분리될 수 있다.The gas separation product discharged from the lower end of the distillation apparatus may be a gas separation product having a relatively high boiling point, and may be secondarily separated through a membrane process in order to increase the purity of the separation product.
상기 멤브레인 공정을 통해 분리된 2차 기체 분리물들 중 일부는, 다시 상기 증류 장치 또는 상기 기체 혼합물에 주입되어 재순환할 수 있다. Some of the secondary gas separated products separated through the membrane process may be injected again into the distillation apparatus or the gas mixture to be recycled.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따라 증류 공정 및 멤브레인 공정이 순차적으로 수행되는 하이브리드 가스 분리 공정을 간략히 나타낸 모식도이다.2 is a schematic diagram schematically showing a hybrid gas separation process in which a distillation process and a membrane process are sequentially performed according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 기체 혼합물은 증류 장치(200)로 주입되어 증류 공정을 통해 1차 기체 분리물들로 배출된 후, 증류 장치(200)의 하단부로부터 배출된 1차 기체 분리물은 멤브레인 공정을 위한 멤브레인 모듈(100)로 주입되어 2차 기체 분리물로 배출되고, 2차 기체 분리물들 중 일부는 다시 증류 장치(200)로 주입되어 재순환되는 것을 이해할 수 있다.Referring to FIG. 2, after the gas mixture is injected into the
일 실시형태에 따르면, 상기 1차 기체 분리물들 중 일부는, 상기 증류 장치의 상단부로부터 배출된 것이고, 상기 2차 기체 분리물들 중 일부를 상기 기체 혼합물에 주입하는 것일 수 있다. According to an embodiment, some of the primary gas separations may be discharged from the upper end of the distillation apparatus, and some of the secondary gas separations may be injected into the gas mixture.
상기 증류 장치의 상단부로부터 배출된 기체 분리물은, 상대적으로 비점이 낮은 기체 분리물일 수 있고, 분리 생성물의 순도를 높이기 위해 멤브레인 공정을 통해 2차 분리될 수 있다.The gas separated product discharged from the upper end of the distillation apparatus may be a gas separated product having a relatively low boiling point, and may be secondarily separated through a membrane process in order to increase the purity of the separated product.
상기 멤브레인 공정을 통해 분리된 2차 기체 분리물들 중 일부는, 다시 상기 증류 장치 또는 상기 기체 혼합물에 주입되어 재순환할 수 있다. Some of the secondary gas separated products separated through the membrane process may be injected again into the distillation apparatus or the gas mixture to be recycled.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 따라 증류 공정 및 멤브레인 공정이 순차적으로 수행되는 하이브리드 가스 분리 공정을 간략히 나타낸 모식도이다.3 is a schematic diagram schematically showing a hybrid gas separation process in which a distillation process and a membrane process are sequentially performed according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 기체 혼합물은 증류 장치(200)로 주입되어 증류 공정을 통해 1차 기체 분리물들로 배출된 후, 증류 장치(200)의 상단부로부터 배출된 1차 기체 분리물은 멤브레인 공정을 위한 멤브레인 모듈(100)로 주입되어 2차 기체 분리물로 배출되고, 2차 기체 분리물들 중 일부는 다시 증류 장치(200) 또는 기체 혼합물로 주입되어 재순환되는 것을 이해할 수 있다.Referring to FIG. 3, after the gas mixture is injected into the
본 발명의 또 다른 측면은, 1단 이상의 멤브레인을 포함하는 멤브레인 모듈; 및 상기 멤브레인 모듈과 연속적으로 연결된 증류 장치;를 포함하고, 상기 하이브리드 가스 분리 공정을 위한 것인, 하이브리드 가스 분리 공정 장치를 제공한다.Another aspect of the present invention is a membrane module including one or more stages of a membrane; And a distillation apparatus continuously connected to the membrane module, and for the hybrid gas separation process, a hybrid gas separation process apparatus is provided.
상기 가스 분리 공정 장치는, 멤브레인 모듈 및 증류 장치가 연속적으로 결합되어, 에너지를 효율적으로 이용하여 가스를 분리할 수 있으며, 장치의 크기가 감소되어, 초기 설비 비용 및 운영비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 공간 제약이 있는 곳에서도 이용 가능한 효과가 있다.In the gas separation process device, a membrane module and a distillation device are continuously combined, so that the gas can be separated by using energy efficiently, and the size of the device is reduced, thereby reducing initial equipment cost and operating cost. There is an effect that can be used even where space is limited.
100 : 멤브레인 모듈
200 : 증류 장치100: membrane module
200: distillation device
Claims (11)
상기 1차 분리하는 단계를 통해 얻은 1차 기체 분리물들을 증류 공정을 통해 2차 분리하는 단계;를 포함하고,
상기 1차 기체 분리물들 중 일부는, 상기 증류 공정을 위한 증류 장치의 상단부에 주입하고, 나머지는 하단부에 주입하는 것인,
하이브리드 가스 분리 공정.
First separating the gas mixture through a membrane process; And
Including; secondary separation of the primary gas separation products obtained through the primary separation through a distillation process; Including,
Some of the primary gas separations are injected into the upper end of the distillation apparatus for the distillation process, and the remainder is injected into the lower end,
Hybrid gas separation process.
상기 기체 혼합물은, 비점이 상이한 화합물들을 포함하는 것인,
하이브리드 가스 분리 공정.
The method of claim 1,
The gas mixture comprises compounds having different boiling points,
Hybrid gas separation process.
상기 기체 혼합물은,
탄화수소, 질소, 수소, 산소, 아르곤 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인,
하이브리드 가스 분리 공정.
The method of claim 1,
The gas mixture,
It comprises at least one selected from the group consisting of hydrocarbon, nitrogen, hydrogen, oxygen, argon and helium,
Hybrid gas separation process.
상기 1차 기체 분리물들 중, 비점이 낮은 화합물의 함량이 높은 기체 분리물은 상기 증류 장치의 상단부에 주입하고,
상기 1차 기체 분리물들 중, 비점이 높은 화합물의 함량이 높은 기체 분리물은 상기 증류 장치의 하단부에 주입하는 것인,
하이브리드 가스 분리 공정.
The method of claim 1,
Among the primary gas separations, a gas separation product having a high content of a compound having a low boiling point is injected into the upper end of the distillation apparatus,
Among the primary gas separations, a gas separation product having a high content of a compound having a high boiling point is injected into the lower end of the distillation apparatus,
Hybrid gas separation process.
상기 멤브레인 공정은,
1단 이상의 멤브레인을 포함하는 멤브레인 모듈을 사용하여 수행되는 것인,
하이브리드 가스 분리 공정.
The method of claim 1,
The membrane process,
It is carried out using a membrane module comprising one or more stages of the membrane,
Hybrid gas separation process.
상기 멤브레인 공정은, 폴리설폰(polysulfone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리(페닐렌옥시드)(poly(phenylene oxide)), 폴리 디메틸실록산(poly dimethylsiloxane), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아미드(polyamide), 폴리트리메틸실릴프로핀(polytrimethylsilylpropyne) 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 고분자 분리막을 사용하여 수행되는 것인,
하이브리드 가스 분리 공정.
The method of claim 1,
The membrane process includes polysulfone, cellulose acetate, polycarbonate, polyimide, poly(phenylene oxide), poly dimethylsiloxane. ), polystyrene, polyamide, polytrimethylsilylpropyne, and polyurethane (polyurethane).
Hybrid gas separation process.
상기 2차 분리하여 얻은 2차 기체 분리물을 멤브레인 공정을 통해 3차 분리하는 단계;를 더 포함하는 것인,
하이브리드 가스 분리 공정.
The method of claim 1,
Thirdly separating the secondary gas separated product obtained by the secondary separation through a membrane process; which further comprises,
Hybrid gas separation process.
상기 1차 분리를 통해 얻은 1차 기체 분리물들 중 일부를 멤브레인 공정을 통해 2차 분리하는 단계; 및
상기 2차 분리를 통해 얻은 2차 기체 분리물들 중 일부를 상기 기체 혼합물 또는 상기 증류 장치에 주입하여 재분리하는 단계;를 포함하는,
하이브리드 가스 분리 공정.
Injecting the gas mixture into a distillation apparatus for primary separation;
Secondary separating some of the primary gas separation products obtained through the primary separation through a membrane process; And
Re-separating by injecting some of the secondary gas separation products obtained through the secondary separation into the gas mixture or the distillation apparatus; including,
Hybrid gas separation process.
상기 1차 기체 분리물들 중 일부는, 상기 증류 장치의 하단부로부터 배출된 기체 분리물이고,
상기 2차 기체 분리물들 중 일부를 상기 증류 장치 또는 상기 기체 혼합물에 주입하는 것인,
하이브리드 가스 분리 공정.
The method of claim 8,
Some of the primary gas separated products are gas separated products discharged from the lower end of the distillation apparatus,
Injecting some of the secondary gas separations into the distillation apparatus or the gas mixture,
Hybrid gas separation process.
상기 1차 기체 분리물들 중 일부는, 상기 증류 장치의 상단부로부터 배출된 것이고,
상기 2차 기체 분리물들 중 일부를 상기 증류 장치 또는 상기 기체 혼합물에 주입하는 것인,
하이브리드 가스 분리 공정.
The method of claim 8,
Some of the primary gas separations are discharged from the upper end of the distillation apparatus,
Injecting some of the secondary gas separations into the distillation apparatus or the gas mixture,
Hybrid gas separation process.
상기 멤브레인 모듈과 연속적으로 연결된 증류 장치;를 포함하고,
제1항 또는 제8항의 하이브리드 가스 분리 공정을 위한 것인,
하이브리드 가스 분리 공정 장치.A membrane module including one or more membranes; And
Including; a distillation device continuously connected to the membrane module,
For the hybrid gas separation process of claim 1 or 8,
Hybrid gas separation process equipment.
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| KR101858190B1 (en) * | 2016-07-20 | 2018-05-16 | 한국화학연구원 | Process for the recovery and purification of nitrous oxide from industrial emission gas mixtures |
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