KR20210091687A - 리사이클 분리 루프 및 퍼지/재생 루프를 포함하는 회전식 베드 수착 시스템 - Google Patents

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스티븐 씨. 브리클리
더글라스 에스. 제퍼슨
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문터스 코포레이션
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Abstract

회전식 수착 베드 시스템은, 재생 가능한 수착재의 회전하는 수착체로서, 지정된 부피의 수착체가 작동 사이클에서 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역, 제4 구역 및 제5 구역을 순차적으로 통과한 다음 제1 구역으로 돌아가는, 수착체; 제1 구역을 통과하는 공정 유체 스트림; 제3 구역을 통과하는 재생 유체 스트림; 및 공정 유체 스트림 및 재생 유체 스트림과는 별개의 폐쇄 루프에서 제2 구역과 제4 구역을 통해 재순환하는 분리 유체 스트림을 포함한다. 상기 재생 유체 스트림은 제5 구역을 통과한 다음 제3 구역을 통과한다.

Description

리사이클 분리 루프 및 퍼지/재생 루프를 포함하는 회전식 베드 수착 시스템
본원은 2018년 6월 29일자로 출원된 미국 가특허원 제62/691,919호의 이점을 청구하며, 상기 가특허원은 본원에 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 회전식 베드 수착 시스템(rotary bed sorption system), 특히 리사이클 분리 루프(recycled isolation loop) 및 퍼지/재생 루프(purge/regeneration loop)를 모두 포함하는 회전식 베드 수착 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 시스템을 설계하고 운영하는 방법에 관한 것이다.
회전식 베드 수착 시스템은 때로는 공정 또는 수착 유체 스트림(sorption fluid system)이라고도 하는 하나의 유체 스트림으로부터 수착물(sorbate)을 수집하여 이를 더 농축된 형태로 때로는 탈착 또는 재생 유체 스트림이라고도 하는 제2 스트림으로 전달하는 데 오랫동안 사용되어 왔다. 일반적으로 제거되는 수착물에는 수증기, 휘발성 유기 화합물("VOC"), 아산화질소("NOx") 등이 포함된다.
회전식 베드 수착 시스템, 특히 처리된 유체에서 낮은 수착물 농도가 요구되는 시스템에서 공정 유체 스트림과 재생 유체 스트림 사이의 교차 오염을 최소화하는 것이 중요하다. 오염은 유체 스트림 자체의 압력 차이, 또는 회전하는 수착 디스크의 매트릭스 내 증기압 차이로 인해 발생할 수 있다.
가능한 오염의 또 다른 원인은 활성 수착 영역에 인접하지만 사이클 동안 활성 유체 흐름이 보이지 않는 수착 디스크 영역에 있다. 일반적으로 이러한 영역은 밀봉 시스템으로 덮여있는 수착 디스크의 중앙 및 외부 둘레의 영역이다. 전형적으로, 수착 디스크는 이러한 "데드 존(dead zone)"을 갖도록 의도적으로 설계되는데, 데드 존은 로터 하우징을 차갑게 유지하고 부품의 조기 기계적 고장으로 이어질 수 있는 열 팽창을 방지하면서 열 절연체로서 작용한다. 처리된 유체 스트림에서 매우 낮은 수착물 농도를 달성하도록 설계된 시스템에서 이러한 영역은 제거되는 증기에 대한 "싱크(sink)"로서 작용할 수 있음이 입증되었다. 싱크는 재생 영역에 인접할 때 증기를 축적하며, 여기서 확산력을 통해 재생 영역에 있는 고농도의 증기에 노출되지만 유리/세라믹 구조의 높은 절연 특성으로 인해 재생 열의 영향을 받지 않는다. 이후, 수착제는 고농도 증기와 거의 평형을 이룰 수 있지만, 훨씬 더 낮은 온도에 도달할 수 있다. 싱크는 시스템의 공정 섹션에서 매우 저농도의 유체에 인접할 때 이의 페이로드(payload)를 방출한다. 증기압 차이는 구조의 확산력을 극복하고, 미량의 증기가 처리된 유체 스트림 내로 방출되어, 증기 농도의 유해한 증가를 없앤다.
회전식 베드 수착 시스템에 퍼지 구역을 포함시키는 것이 공지되어 있다. 재순환 퍼지 루프를 포함하는 수착 베드 시스템의 예가 미국 특허 제4,701,189호에 개시되어 있다. 회전식 수착 베드의 수착 구역과 탈착 구역 사이의 교차 오염을 줄이기 위해 하나 이상의 분리 유체 스트림 또는 루프를 사용하는 것도 공지되어 있다. 미국 특허 제7,101,414호는 다른 목표를 달성하기 위해 하나 이상의 분리 루프가 사용되는 몇 가지 실시양태를 기술한다. 그러나, 어떠한 것도 본 발명의 방식으로 퍼지 및 분리 스트림을 조합하지 않는다.
본 발명은 재생 구역 뒤의 로터(rotor) 구역으로부터의 따뜻한 공기를 사용하여 공기를 예열하고 추가로 가열하여 재생 구역에 공급하는 퍼지/재생 루프, 및 공정 공기 유입구측의 로터 재료를 냉각시키고 로터를 예열한 다음 재생 섹터에 들어가는 리사이클 분리 루프(recycled isolation loop)를 사용한다. 다양한 유체 스트림의 압력 불균형 및 큰 증기압 차이로 인해 발생하는 로터의 수착 구역과 탈착 구역 사이의 교차 오염을 줄이기 위해 하나 이상의 리사이클 분리 루프가 제공될 수 있다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 재생 가능한 수착재의 회전체(rotating mass)를 포함하는 수착 베드 시스템을 사용하여 공정 유체 스트림의 수착물 농도(sorbate concentration)를 감소시키는 방법은, 작동 사이클에서 지정된 부피의 수착체(sorbent mass)가 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역, 제4 구역 및 제5 구역을 순차적으로 통과한 다음 제1 구역으로 돌아가도록 수착체를 회전시키는 단계; 공정 유체 스트림이 수착체를 제1 구역에서 통과하는 단계; 재생 유체 스트림이 수착체를 제3 구역에서 통과하는 단계; 및 분리 유체 스트림이 공정 유체 스트림 및 재생 유체 스트림과는 별개의 폐쇄 루프(closed loop)에서 수착체의 제4 구역과 제2 구역 사이를 리사이클링하는 단계를 포함하며, 재생 유체 스트림은 제5 구역을 통과한 다음 제3 구역을 통과한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 회전식 수착 베드 시스템은, 재생 가능한 수착재(sorbent material)의 회전하는 수착체로서, 지정된 부피의 수착체가 작동 사이클에서 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역, 제4 구역 및 제5 구역을 순차적으로 통과한 다음 제1 구역으로 돌아가는, 수착체; 제1 구역을 통과하는 공정 유체 스트림; 제3 구역을 통과하는 재생 유체 스트림; 및 공정 유체 스트림 및 재생 유체 스트림과는 별개의 폐쇄 루프에서 제2 구역 및 제4 구역을 통해 재순환하는 분리 유체 스트림을 포함하며, 재생 유체 스트림은 제5 구역을 통과한 다음 제3 구역을 통과한다.
사용된 바와 같이, "작동 사이클"은 수착체가 수착 및 탈착 공정을 모두 겪는 동안 수착체의 이동 경로를 의미한다. "순차적으로"라는 용어는 상대적인 순서를 지칭하지만 반드시 한 순서에서 바로 다른 순서로 이어져야 하는 것은 아니다. 이러한 실시양태에서, 예를 들면, 또 다른 구역이 제1 구역과 제2 구역 사이에 개재된 경우조차, 수착체가 순차적으로 제1 구역, 제2 구역 등을 통과한다고 하는 것이 여전히 정확할 것이다.
본 발명의 이러한 측면 및 다른 측면에 대한 더 나은 이해는 도면 및 첨부 된 설명을 참조하여 이루어질 수 있으며, 여기서 본 발명의 바람직한 실시양태가 예시되고 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 회전식 베드 수착 시스템의 바람직한 실시양태를 예시하는 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 회전식 베드 수착 시스템의 바람직한 실시양태에서 수착체의 섹터(sector)들의 개략도이다.
도 3은 제1 유속에서 본 발명에 따른 회전식 베드 수착 시스템의 바람직한 실시양태에서 다양한 위치에서의 작동 데이터를 도시한다.
도 4는 제2 유속에서 본 발명에 따른 회전식 베드 수착 시스템의 바람직한 실시양태에서 다양한 위치에서의 작동 데이터를 도시한다.
도 5는 4-구역 회전식 베드 수착 시스템의 개략도이다.
도 6은 4-구역 회전식 베드 수착 시스템에서 수착체의 섹터들의 개략도이다.
도 7은 제1 유속에서 4-구역 회전식 베드 수착 시스템에서 다양한 위치에서의 작동 데이터를 도시한다.
도 8은 도 6에서의 제2 유속에서 4-구역 회전식 베드 수착 시스템에서 다양한 위치에서의 작동 데이터를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 회전식 수착 베드 시스템(10)의 바람직한 실시양태를 도시한다. 상기 시스템은, 작동 사이클에서, 5개의 구역, 즉 제1 구역(1), 제2 구역(2), 제3 구역(3), 제4 구역(4) 및 제5 구역(5)을 순차적으로 통과하는 재생 가능한 수착재를 함유하거나 이로 코팅된 종래 구조의 회전하는 디스크 형상의 다공체 또는 로터(11)를 포함한다. 수착 로터(11)는 공지된 로터 메커니즘(도시되지 않음)에 의해 화살표 A로 지시되는 방향으로 축을 중심으로 회전한다. 로터(11)의 회전 방향에 따라 순서대로 5개의 구역은 공정 공기가 흘러 통과하는 공정 구역(1), 리사이클 분리 공기가 로터를 예열하기 위해 흘러 통과하는 제1 분리 구역(2), 가열된 재생 공기가 흘러 통과하는 재생 구역(3), 리사이클 분리 공기가 흘러 통과하여 가온되는 제2 분리 구역(4), 및 리사이클 재생 공기가 흘러 통과하여,별도의 가열기에 의해 가열되기 전에, 예열 및 건조가 동시에 이루어지는 재생 퍼지 구역(5)으로 확인될 수 있다.
수착물(예를 들어, 수증기)을 운반하는 공정 유체 스트림(12)은 제1 구역(1)에서 수착 로터(11)를 통과하고, 여기서 수착물은 수착 로터(11)에 수착(즉, 로딩)된다. 수착체를 떠나는 공정 유체 스트림은 수착체로 들어가는 공정 유체 스트림에 비해 감소된 수착물 농도를 갖는다. 임의로, 팬, 송풍기 또는 기타 유체 이동 장치(13)는 배관 작업(도시되지 않음)을 통한 공정 유체 흐름을 구동하는 데 사용될 수 있다.
재생 유체 스트림(14)은 공정 유체 스트림(12)의 흐름과 반대 방향으로 수착 로터(11)를 제3 구역(3)에서 통과한다. 수착체(11)에서 수집되는 공정 유체 스트림으로부터의 수착제는 재생 유체 스트림으로 방출된다. 가열기(15)는 수착체(11)를 통과하기 전에 재생 유체 스트림(14)을 가열하기 위해 제공될 수 있다. 공정 유체 스트림과 마찬가지로, 팬, 송풍기 또는 기타 유체 이동 장치(16)가 재생 유체 흐름을 구동하는 데 사용될 수 있다.
공정 유체 스트림(12)이 폐쇄 루프 회로인 것으로 도 1에 도시되어 있지 않음에도 불구하고, 당업자는 유체 스트림이 폐쇄 루프에서 재순환될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 수착체를 떠난 후, 재생 유체 스트림은 냉각되어 유체 스트림으로부터 증기를 응축시킨 다음 재가열되고, 이후 수착체를 통과하는 경로로 돌아올 수 있다.
분리 유체 스트림(17)은 공정 유체 스트림(12) 및 재생 유체 스트림(14)과는 별개의 폐쇄 루프에서 수착체(11)의 제2 구역(2)과 제4 구역(4) 사이를 리사이클링한다. 퍼지/재생 유체 스트림(20)은 제4 구역 바로 뒤에 배치된 제5 구역을 통해 흐른다. 퍼지/재생 유체 스트림은 재생 유체 스트림(14)의 공급원이 되고 유체 이동 장치(16)에 의해 구동될 수 있다. 바람직하게는, 분리 유체 스트림(17)이 수착체(11)를 통해 흐르는 방향은 분리 구역 바로 뒤의 구역을 통해 유체가 수착체(11)의 회전 방향으로 흐르는 방향과 동일한 방향이다. 도 1에서, 예를 들어, 분리 유체 스트림(17)은 재생 유체 스트림(14)이 제3 구역(3)을 통해 흐르는 방향과 동일한 방향으로 제2 구역(2)을 통과하고, 퍼지/재생 유체 스트림(20)이 제5 구역을 통해 흐르는 방향과 동일한 방향으로 제4 구역(4)을 통과한다. 대안적으로, 분리 유체 스트림이 수착체를 통해 흐르는 방향은 유체가 분리 구역 바로 뒤의 구역을 통해 수착체의 회전 방향으로 흐르는 방향과 반대일 수 있다. 임의로, 팬, 송풍기 또는 기타 유체 이동 장치(18)는 분리 유체 흐름을 구동하기 위해 제공될 수 있다. 리사이클 분리 루프의 제공은 공정 유체 스트림(12)와 재생 유체 스트림(14) 사이의 교차 오염을 줄이는 데 도움이 된다. 별도의 팬(16,18)이 퍼지/재생 루프 및 리사이클 분리 루프 뿐만 아니라 공정 공기 스트림(13)에도 사용된다.
퍼지/재생 루프는 로터의 퍼지 재생 구역으로부터의 열을 사용하여 공기를 예열하고 추가로 가열하여 재생 구역에 공급한다. 퍼지/재생 루프 공기는 로터(11)에 의해 제습되어 더 낮은 상대 습도를 생성하여 재생 구역에 공급된다. 더 낮은 상대 습도에서 로터의 재생은 공정을 떠나는 공기에 대해 더 낮은 이슬점을 달성하기 위한 포텐셜(potential)을 생성한다. 도 3 및 도 4는 동일한 주변 조건 하에서 시스템을 작동하는 동안 다양한 위치에서이지만 공정 유체 스트림, 재생 유체 스트림 및 분리 유체 스트림에 대해 상이한 유속에서의 조건을 보여준다. 도 3 및 도 4를 도 7 및 도 8과 비교하면, 공정을 떠나는 공기 이슬점은 동일한 유입구 조건에서 작동하는 도 6에 도시된 종래의 4-구역 구성보다 8 내지 20 ℉(5 내지 11 ℃) 더 낮을 수 있다. 리사이클 분리 루프는 제2 분리 구역에서 공정 공기 유입구 측의 로터 재료를 냉각할 수 있고 획득된 열을 사용하여 제1 분리 구역(2)에서 로터를 예열한 다음, 재생 섹터에 들어갈 수 있다. 9000 SCFM의 공정 유속에서의 매개변수가 도 3에 도시되어 있으며, 6000 SCFM의 공정 유속에서의 매개변수는 도 4에 도시되어 있다. 이러한 실시양태의 시스템은 재생에 필요한 에너지를 현저히 감소시키고 로터의 효율을 증가시킬 수 있다.
특정 응용에서, 추가의 리사이클 분리 루프를 제공하여 추가 이점을 얻을 수 있다. 본 발명은 2개의 분리 루프로 제한되지 않고, 다양한 유체 스트림의 특성 및 원하는 처리 수준에 따라 3개 이상의 분리 루프를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 각각의 추가 분리 루프는, 수착체의 회전 방향으로 분리 유체 스트림을 따르는 공정 또는 재생 유체 스트림과 동일한 방향으로 분리 유체 스트림이 수착체를 통과하도록 배열된다. 또한, 회전 사이클에서 수착체가 오름차순 및 내림차순으로 분리 유체 스트림을 순차적으로 통과하도록 각각의 추가 분리 루프를 배열하는 것이 바람직하다. 즉, 3개의 분리 루프가 있는 9-구역 시스템의 경우, 예를 들어 수착체는 재생 유체 스트림, 제1 분리 유체 스트림, 제2 분리 유체 스트림, 제3 분리 유체 스트림, 퍼지/재생 유체 스트림 , 공정 유체 스트림, 제3 분리 유체 스트림, 제2 분리 유체 스트림, 제1 분리 유체 스트림 등을 순차적으로 통과할 것이다. 분리 루프의 수는 온도, 증기압, 절대 압력 및/또는 누출과 관련하여 특정한 선택 기준이 충족되는지 여부에 따라 선택될 수 있다. 기준이 충족되는지 여부는 시뮬레이션 또는 물리적 시험에 의해 결정될 수 있다. 선택된 기준 중 하나 이상이 충족되는 것으로 결정되는 경우, 이는 시스템에 분리 루프를 추가하는 데 잠재적인 이점이 있을 수 있음을 나타낸다. 분리 루프가 추가된 후에는 선택한 기준이 충족되지 않을 때까지 결정이 다시 계속 이루어진다.
예를 들어, 2개의 분리 유체 스트림은 각각 공정 유체 스트림(12), 재생 유체 스트림(14) 및 다른 분리 유체 스트림과 별개의 폐쇄 루프에서 리사이클링할 수 있다.
전술한 바람직한 실시양태에서, 당업자는 특정 유속, 압력, 온도, 상대 습도 등의 선택이 수착 시스템에 대한 특정 응용에 좌우되고 주어진 응용에 대해 적절하게 선택할 수 있을 것임을 인식할 것이다.
시스템에 단일 폐쇄 분리 루프를 추가하면 공기 누출이 대략 절반으로 감소한다. 이는 분리 루프의 폐쇄 루프 특성에 기인하며, 이로써 공정 구역 및 재생 구역 사이 중간의 절대 압력으로 평형을 이루게 될 것이다.
특정 응용에서는 회로 간의 누출이 가능한 최대한으로 최소화되어야 한다. 낮은 이슬점 환경(기준 OPG 반응기)에서 폐쇄 루프 재생을 통한 VOC 농도이건 또는 물 농도이건간에 농도 사이클에서, 재생 공기 스트림에 대한 증기의 농도 비율이 사이클 효율을 위해 최대화되어야 하므로 공정 스트림으로부터의 유출은 침투만큼 유해하다. VOC 농축기의 경우, 농도 비율을 최대화하기 위해 공정 회로와 재생 회로 사이에 균일한 압력 밸런스를 보장하기 위해 추가의 특별한 주의를 기울인다.
위에서 논의된 실시양태는 본 발명의 바람직한 실시양태를 대표하며 예시적인 목적으로만 제공된다. 이들 실시양태가 본 발명의 범위를 제한하려는 의도는 없다. 특정 구성, 구조, 조건 등이 제시되고 설명되었지만 이로 제한되지 않는다. 본 발명의 범위 내에서 수정 및 변형이 고려되며, 이는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (13)

  1. 재생 가능한 수착재(regenerable sorbent material)의 회전체(rotating material)를 포함하는 수착 베드 시스템(sorption bed system)을 사용하여 공정 유체 스트림(process fluid system)의 수착물 농도(sorbate concentration)를 감소시키는 방법으로서, 상기 방법은
    작동 사이클에서 지정된 부피의 수착체(sorbent mass)가 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역, 제4 구역 및 제5 구역을 순차적으로 통과한 다음 제1 구역으로 돌아가도록 수착체를 회전시키는 단계;
    공정 유체 스트림이 수착체를 제1 구역에서 통과하는 단계;
    재생 유체 스트림이 수착체를 제3 구역에서 통과하는 단계; 및
    분리 유체 스트림이 공정 유체 스트림 및 재생 유체 스트림과는 별개의 폐쇄 루프에서 수착체의 제4 구역과 제2 구역 사이를 리사이클링(recycling)하는 단계
    를 포함하며,
    재생 유체 스트림은 제5 구역을 통과한 다음 제3 구역을 통과하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 구역, 제4 구역 및 제5 구역 각각에서 유체 흐름 방향이 동일한, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제2 구역 및 제3 구역 각각에서 유체 흐름 방향이 동일한, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 제1 구역, 제4 구역 및 제5 구역 각각에서의 유체 흐름 방향이 제2 구역 및 제3 구역 각각에서의 유체 흐름 방향과 반대인, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 공정 유체 스트림이 수착체를 제1 구역에서 통과한 결과로서 수증기, 휘발성 유기 화합물 및 아산화질소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원의 농도가 감소되는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    재생 유체 스트림이 제5 구역을 처음 통과함으로써 재생 유체 스트림이 폐쇄 루프(closed loop)에서 재순환하는 단계; 및
    재생 유체 스트림이 제5 구역을 떠난 후 제3 구역을 통과하기 전에 재생 유체 스트림을 가열하는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 공정 유체 스트림을 실질적으로 폐쇄 루프에서 재순환시켜 생성물을 탈수시키거나 건조를 유지하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 재생 가능한 수착재의 회전하는 수착체로서, 지정된 부피의 수착체가 작동 사이클에서 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역, 제4 구역 및 제5 구역을 순차적으로 통과한 다음 제1 구역으로 돌아가는, 수착체;
    제1 구역을 통과하는 공정 유체 스트림;
    제3 구역을 통과하는 재생 유체 스트림; 및
    공정 유체 스트림 및 재생 유체 스트림과는 별개의 폐쇄 루프에서 제2 구역과 제4 구역을 통해 재순환하는 분리 유체 스트림
    을 포함하는 회전식 수착 베드 시스템으로서, 재생 유체 스트림이 제5 구역을 통과한 다음 제3 구역을 통과하는, 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 공정 유체 스트림과 재생 유체 스트림은 반대 방향으로 수착체를 통과하고, 분리 유체 스트림은 수착체의 회전 방향에 대해 분리 유체 스트림 바로 뒤의 유체 스트림과 동일한 방향으로 수착체를 통과하는, 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 재생 유체 스트림이 제3 구역을 통과하기 전에 이를 추가로 가열하기 위해 제5 구역과 제3 구역 사이의 재생 유체 스트림 내에 배치된 가열 장치를 추가로 포함하는, 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 가공 유체 스트림이 재생 유체 스트림보다 더 높은 압력에 있는, 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 가공 유체 스트림이 재생 유체 스트림보다 더 낮은 압력에 있는, 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 공정 유체 스트림을 실질적으로 폐쇄 루프에서 재순환시켜 생성물을 탈수시키거나 건조를 유지하는, 시스템.
KR1020217002437A 2018-06-29 2019-07-01 리사이클 분리 루프 및 퍼지/재생 루프를 포함하는 회전식 베드 수착 시스템 KR20210091687A (ko)

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