KR20220170365A - 해양 및 근해 멤브레인 응용에 대한 에너지 소비 감소 - Google Patents

해양 및 근해 멤브레인 응용에 대한 에너지 소비 감소 Download PDF

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루네 홀머
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

멤브레인 기반의 선상 가스 분리 방법 및 시스템, 특히 선박 및 근해 설비를 위한 멤브레인 기반의 선상 공기 분리 방법 및 시스템이 본 출원에 개시되며, 이 방법에서 프로세스의 에너지 소비를 감소시키기 위해 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측상에 진공이 인가된다.

Description

해양 및 근해 멤브레인 응용에 대한 에너지 소비 감소{REDUCING ENERGY CONSUMPTION FOR MARINE AND OFFSHORE MEMBRANE APPLICATIONS}
본 발명은 해양 응용을 위한, 즉, 선박 및 근해 설비 선상에서의, 선상 가스 분리 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 선박 또는 근해 설비 선상에서 질소 농축 생성물을 생성하기 위해 공기 공급물 스트림을 분리하기 위한 멤브레인 기반 방법 및 시스템이 본 출원에 개시되어 있다.
선박 및 근해 설비 선상에서의 멤브레인 공기 분리 시스템은 일반적으로 효과적이고 경쟁력 있는 프로세스를 달성하기 위해 높은 멤브레인 공급물 압축을 사용하는 에너지 집약적 프로세스이다. 멤브레인 프로세스는 기체 공급물 스트림을 투과물 스트림과 잔류물 스트림으로 분리하고; 멤브레인을 가로질러 투과한 가스는 투과물 스트림을 형성하고, 비투과 가스는 잔류물 스트림을 형성한다. 공기 분리에서는 전형적으로 질소보다 산소에 대해 투과성이 더 높은 멤브레인이 사용되며, 따라서, 공기 공급물 스트림은 멤브레인의 공급물측으로부터 제거되는 질소 농축 스트림(잔류물 스트림)과 멤브레인의 투과물측으로부터 제거되는 산소 농축 스트림(투과물 스트림)으로 분리된다. 멤브레인의 공급물측과 투과물측 사이, 따라서 멤브레인 분리기 유닛으로 진입하는 공급물 스트림과 상기 모듈로부터 배출되는 투과물 스트림 사이의 분압 차이가 분리의 구동력이다.
해양 응용을 위한 멤브레인 공기 분리 시스템은 전형적으로 필요한 질소 유동과 순도를 달성하기 위해 공급물 공기만 압축한다.
미국 특허 제8,317,899호는 선박 선상에서의 멤브레인 기반 공기 분리를 위한 예시적인 종래 기술 프로세스 및 시스템을 개시하고 있다. 개시된 프로세스 및 시스템에서, 주위 온도 공기 공급물 스트림은 선상 압축기에서 압축되어 압축 공기 스트림을 형성한다. 압축 공기 스트림은 용기 주변의 해수와 열 교환하여 냉각되고 탈수 유닛에서 건조된다. 탈수 모듈의 생성물 중 일부는 유틸리티 공기로 사용할 수 있다. 압축 및 건조된 공기 스트림의 나머지는 질소로부터 산소를 분리하기 위한 폴리머 멤브레인을 포함하는 멤브레인 분리기 유닛을 통과하여 용기에서 불활성 가스로 사용되는 질소 농축 생성물 스트림, 및 대기로 배출되는 산소 농축 스트림을 제공한다. 압축기는 시스템에서 유일한 기계적으로 움직이는 컴포넌트이다.
공기 분리를 위한 멤브레인 기반 방법 및 시스템은 또한 다양한 다른 응용 및 분야에서 사용되었다. 특정 응용에서 공급물 공기 스트림을 압축하는 것 외에도 또한 진공 펌프를 사용하여 멤브레인의 투과물측 압력을 감소시켜 왔다. 예를 들어:
미국 특허 제US 5,730,780호는 질소 생성물이 석유 및 가스 파이프라인 수리 및 곡물 저장소에 사용될 수 있게 하기에 충분한 질소 순도 수준에서 질소 생성물의 개선된 유량을 제공하기 위해 가스 분리 멤브레인의 투과물측에 진공이 인가되는, 공기로부터 질소를 생성하는 프로세스를 개시하고 있다. 3.4-13.2 psia(0.23-0.81 bara) 범위의 진공 압력이 테스트되었으며, 테스트된 최고 진공 압력과 비교하여 테스트된 최저 진공 압력에서 생산성(즉, 질소 생성물의 유량)의 상당한 개선이 얻어진다.
공개된 미국 출원 제US2019/282951호는 항공기용 연료 탱크 불활성화 시스템을 개시한다. 개시된 연료 탱크 불활성화 시스템은 공급물 공기 압축기, 산소 투과성 멤브레인을 갖는 공기 분리 모듈, 및 공기 분리 모듈에서 산소 투과성 멤브레인의 투과물측에 조절 가능한 진공을 제공하는 가변 진공 소스를 포함한다. 가변 진공 소스는 원하는 순도의 질소 농축 공기가 생성되도록 멤브레인을 가로질러 차압을 제공하도록 제어된다. 특히, 가변 진공을 사용하면 시스템이 비행 단계에서 필요에 따라 멤브레인에 걸쳐 차압을 조절할 수 있게 한다. 예를 들어, 하강하는 동안 연료 탱크 내부의 압력이 평형을 이룰 때 외부 공기가 연료 탱크 통기구로 유입되는 것에 대응하기 위해 연료 탱크를 불활성화하도록 대량의 불활성 가스 유동이 필요하다. 가변 진공 소스가 공기 분리 멤브레인에 걸쳐 더 큰 진공과 더 큰 차압을 제공하도록 지시함으로써, 하강 동안 불활성 가스에 대한 더 큰 요건을 보상하기 위해 하강 상단에서보다 더 빠르게 고순도 질소 스트림을 생성할 수 있다.
그러나, 공기 분리 시스템(및 일반적으로 가스 분리 시스템)에서 진공 펌프를 사용하면 단점이 있다. 특히, 진공 펌프를 추가하면 시스템의 자본 비용과 설치 공간이 모두 증가한다. 해양 응용에서 자본 비용은 중요한 고려사항이며, 선박 또는 근해 설비 선상의 사용 가능한 공간은 제한되어 있다.
기후 인식이 증가함에 따라, 이러한 프로세스의 에너지 소비를 감소시키려는 욕구도 증가한다.
본 발명자는 이제 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 진공을 적용함으로써 해양 및 근해 응용을 위한 멤브레인 공기 분리 시스템의 에너지 소비가 진공 펌프 추가에 따른 자본 비용 및 설치 공간 증가와 관련된 임의의 단점을 능가하는 정도로 상당히 감소될 수 있음을 발견했다. 본 출원에 개시된 방법 및 시스템에서, 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 진공을 인가함으로써, 동일한 생성물 유량 및 순도를 생성하는 데 필요한 에너지를 상당히 감소시키기 위해 더 낮은 공급물 압력이 이용될 수 있다. 이는 결과적으로 시스템의 동작 비용을 감소시킬 뿐만 아니라 공급물 압축기의 운영과 관련된 CO2 생산의 양과 같은 프로세스의 환경 친화적이지 않은 부산물의 양을 감소시킨다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 몇 가지 바람직한 양태가 아래에 요약되어 있다.
양태 1: 선박 또는 근해 설비의 선상에서 수행되는 가스 분리 방법에 있어서, 선박 또는 근해 설비는 선박 또는 근해 설비 선상에 모두가 위치되는 압축기, 멤브레인 분리기 유닛 및 진공 펌프를 갖고, 멤브레인 분리기 유닛은 제2 가스보다 제1 가스에 더 투과성인 멤브레인에 의해 분리된 공급물측 및 투과물측을 갖고, 방법은
(a) 압축기에서 제1 가스 및 제2 가스를 포함하는 기체 공급물 스트림을 압축하여 압축 공급물 스트림을 형성하는 단계;
(b) 진공 펌프를 사용하여 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 진공을 인가하는 단계; 및
(c) 압축된 공급물 스트림을 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측으로 도입하고 압축된 공급물 스트림을 제1 가스가 농축된 투과물 스트림과 제2 가스가 농축된 잔류물 스트림으로 분리하는 단계- 투과물 스트림은 진공 펌프를 통해 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측으로부터 인출되고, 잔류물 스트림은 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측으로부터 인출됨 -를 포함한다.
양태 2: 양태 1의 방법에 있어서, 방법은 공기 분리 방법이고, 기체 공급물 스트림은 공기 스트림이고, 제1 가스는 산소이고, 제2 가스는 질소이다.
양태 3: 양태 2의 방법에 있어서, 잔류물 스트림은 95 체적% 이상의 질소 농도를 갖는다.
양태 4: 양태 1 내지 3 중 어느 하나의 방법에 있어서, 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측으로부터 배출되는 투과물 스트림의 압력은 0.5 내지 0.7 bara이다.
양태 5: 양태 1 내지 4 중 어느 하나의 방법에 있어서, 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측에 진입하는 압축된 공급물 스트림의 압력은 1 bara 초과 및 15 bara 이하이다.
양태 6: 양태 1 내지 5 중 어느 하나의 방법에 있어서, 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측으로 진입하는 압축된 공급물 스트림의 압력은 4 내지 8 bara이다.
양태 7: 양태 1 내지 6 중 어느 하나의 방법에 있어서, 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측으로 진입하는 압축된 공급물 스트림의 압력 대 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측으로부터 배출되는 투과물 스트림의 압력의 압력비는 8 내지 12이다.
양태 8: 선박 또는 근해 설비의 선상에 위치된 가스 분리 시스템에 있어서, 가스 분리 시스템은 압축기, 멤브레인 분리기 유닛 및 진공 펌프를 포함하고, 멤브레인 분리기 유닛은 제2 가스보다 제1 가스에 더 투과성인 멤브레인에 의해 분리된 공급물측 및 투과물측을 갖고,
압축기는 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측과 유체 유동 연통하며, 기체 공급물 스트림을 압축하여 압축된 공급물 스트림을 형성하고 압축된 공급물 스트림을 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측에 공급하도록 구성되고;
진공 펌프는 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측과 유체 유동 연통하고 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 진공을 인가하도록 구성되며; 및
멤브레인 분리기 유닛은 압축된 공급물 스트림을 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측으로부터 인출되는 잔류물 스트림과 진공 펌프를 통해 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측으로부터 인출되는 투과물 스트림으로 분리하도록 구성된다.
양태 9: 양태 8의 가스 분리 시스템에 있어서, 시스템이 공기 분리 시스템이고, 기체 공급물 스트림은 공기 스트림이고, 제1 가스는 산소이고, 제2 가스는 질소이다.
양태 10: 양태 8 또는 9의 가스 분리 시스템에 있어서, 시스템은 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측으로부터 배출되는 투과물 스트림의 압력을 0.5 내지 0.7 bara의 압력에서 유지하도록 구성된다.
양태 11: 양태 8 내지 10 중 어느 하나의 가스 분리 시스템에 있어서, 시스템은 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측으로 진입하는 압축된 공급물 스트림의 압력을 1 bara 초과 및 15 bara 이하의 압력에서 유지하도록 구성된다.
양태 12: 양태 8 내지 11 중 어느 하나의 가스 분리 시스템에 있어서, 시스템은 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측으로 진입하는 압축된 공급물 스트림의 압력을 4 내지 8 bara의 압력에서 유지하도록 구성된다.
양태 13: 양태 8 내지 12 중 어느 하나의 가스 분리 시스템에 있어서, 시스템은 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측으로 진입하는 압축된 공급물 스트림의 압력 대 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측으로부터 배출되는 투과물 스트림의 압력의 압력비를 8 내지 12의 압력비에서 유지하도록 구성된다.
도 1은 해양 응용을 위한 종래 기술의 멤브레인 기반 공기 분리 방법 및 시스템을 도시하고 있는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해양 응용을 위한 멤브레인 기반 공기 분리 방법 및 시스템을 도시하고 있는 개략도이다.
도 3은 다양한 전기 비용에서의 (시뮬레이션된 조건에서 가장 낮은 비 질소 비용(specific nitrogen cost)을 제공하는 측면에서) 계산된 최적의 공급물 및 투과물 압력을 도시하고 있는 그래프이다.
본 출원에 사용될 때, 달리 표시되지 않는 한, 관사("a" 및 "an")는 명세서 및 청구범위에 설명된 본 발명의 실시예의 임의의 특징에 적용될 때 하나 이상을 의미한다. 관사("a" 및 "an")의 사용은 이러한 제한이 구체적으로 명시되지 않는 한 단일 특징으로 의미를 제한하지 않는다. 단수 또는 복수 명사 또는 명사구에 선행하는 관사("the")는 특정한 명시된 특징 또는 특정한 명시된 특징들을 나타내며 사용되는 문맥에 따라 단수 또는 복수 의미를 가질 수 있다.
방법의 언급된 단계를 식별하기 위해 본 출원에서 문자가 사용되는 경우(예를 들어, (a), (b) 및 (c)), 이러한 문자는 단지 방법 단계의 참조를 돕는 용도로만 사용되며 이러한 순서가 구체적으로 언급되지 않는 한 청구된 단계가 수행되는 특정 순서를 나타기를 의도하지 않는다.
방법 또는 시스템의 언급된 특징을 식별하기 위해 본 출원에 사용되는 경우, "제1", "제2", "제3" 등의 용어는 단지 관련 특징을 참조하고 구별하는 것을 돕기 위해서만 사용되며, 이러한 순서가 구체적으로 언급되지 않는 한, 특징의 임의의 특정 순서를 나타내를 의도하지 않는다.
본 출원에 사용될 때, 특정 가스 또는 성분이 "농축"된다는 가스 분리 프로세스로부터의 생성물 스트림에 대한 언급은 스트림이 가스 분리 프로세스에 대한 공급물 스트림보다 더 높은 몰%의 상기 특정 가스 또는 성분을 갖는다는 것을 의미한다. 따라서, 제1 가스 및 제2 가스를 포함하는 기체 공급물 스트림이 멤브레인 분리 프로세스를 통해 분리되어 제2 가스가 농축된 잔류물 스트림을 제공하는 경우, 잔류물 스트림은 기체 공급물 스트림보다 더 높은 몰%의 제2 가스를 갖는다. 상기 공급물 스트림이 공급물 공기 스트림이고 잔류물 스트림이 질소 농축 생성물 스트림인 경우, 질소 농축 생성물 스트림은 따라서 공급물 공기 스트림보다 더 높은 몰%의 질소를 갖는다.
본 출원에 사용될 때, 용어 "유체 유동 연통"은 액체, 증기 및/또는 2상 혼합물이 제어된 방식으로(즉, 누설 없이) 직접적으로 또는 간접적으로 컴포넌트 사이에서 수송될 수 있게 하는 2개 이상의 컴포넌트 사이의 연결의 특성을 의미한다. 2개 이상의 컴포넌트를 서로 유체 유동 연통하도록 결합하는 것은 용접, 플랜지형 도관, 개스킷 및 볼트의 사용과 같은 본 기술 분야에 알려진 임의의 적절한 방법을 수반할 수 있다. 2개 이상의 컴포넌트는 또한 이를 분리할 수 있는 시스템의 다른 컴포넌트, 예를 들어, 밸브, 게이트 또는 유체 유동을 선택적으로 제한하거나 유도할 수 있는 다른 디바이스를 통해 함께 결합될 수 있다. 본 출원에 사용될 때, 용어 "도관"은 유체가 시스템의 2개 이상의 컴포넌트 사이에서 그를 통해 수송될 수 있는 하나 이상의 구조를 지칭한다. 예를 들어, 도관은 액체, 증기 및/또는 가스를 수송하는 파이프, 덕트, 통로 및 그 조합을 포함할 수 있다.
본 출원에는 가스 분리 방법 및 시스템, 특히 선상 압축기에 의해 압축 공급물 스트림(공기 분리의 경우 압축 공기 스트림)이 공급되는 멤브레인 분리기 유닛을 포함하는 선박 및 근해 설비 선상에서의 공기를 분리하기 위한 방법 및 시스템이 설명되어 있다. 이러한 방법 및 시스템은 동일한 원하는 생성물 스트림(예를 들어, 공기 분리 프로세스의 경우 질소 농축 생성물 스트림)을 동일한 유량 및 순도에서 압축기만을 사용하여 진공이 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 인가되지 않는 상태로 생성하기 위해 필요한 에너지의 양에 비교하여 프로세스의 총 에너지 소비를 감소시키기 위해 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 진공을 인가하는 데 사용되는 선상 진공 펌프를 더 포함한다.
단지 예로서, 본 발명의 다양한 예시적인 실시예가 이제 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면에서, 특징이 2개 이상의 도면에서 공통적인 경우, 해당 특징에는 100만큼 다른 동일한 참조 번호가 할당된다. 따라서, 예를 들어, 도 1의 멤브레인 분리기 유닛(107)은 도 2의 멤브레인 분리기 유닛(207)에 대응한다. 특징이 도면에 도시된 다른 실시예와 다른 것으로 구체적으로 설명되지 않는 한, 그 특징은 그것이 설명되는 실시예에서 대응하는 특징과 동일한 구조 및 특징을 갖는 것으로 가정될 수 있다. 또한, 그 특징이 이후에 설명되는 실시예에서 상이한 구조 또는 기능을 갖지 않는다면, 명세서에서 구체적으로 언급되지 않을 수 있다.
이제, 도 1을 참조하면, 선박 선상 및 근해 설비에 전형적으로 사용되는 종래 기술의 멤브레인 기반 공기 분리 시스템 및 방법의 개략도가 도시되어 있다. 공급물 공기 스트림(101)은 선상 압축기(103)에서 압축되어 전형적으로 9 내지 15 bara의 압력에서 압축 공급물 공기 스트림(117, 105)을 형성한다. 선상 압축기(103)의 출구는 선상 멤브레인 분리기 유닛(107)과 유체 유동 연통하며, 따라서, 압축기(103)로부터의 압축된 공급물 공기 스트림(117, 105)이 상기 선상 멤브레인 분리기 유닛(107)으로 공급된다. 바람직하게는, 압축기(103)로부터 배출되는 압축 공기 스트림(117)은 먼저 열 교환기(121)에서 냉각되어 냉각된 압축 공급물 스트림(119)을 형성하고, 이는 스트림으로부터 임의의 미립자, 오일 방울 및 응축수를 제거하기 위해 필터(125)를 통해 통과한다. 여과된 압축 공급물 스트림(127)은 그 다음 프로세스 가열기(129)에서 안정된 동작 온도로 가온되고 멤브레인 분리기 유닛(107)으로 도입된다. 압축 공기 스트림은 예를 들어 공기, 담수 또는 해수와 같은 임의의 적절한 냉각제(131)와의 간접 열 교환을 통해 열 교환기(121)에서 냉각될 수 있다. 프로세스 가열기(129)로부터 배출되어 멤브레인 분리기 유닛(107)으로 진입하는 공급물 공기 스트림(105)은 전형적으로 30 내지 60℃의 온도에 있다.
멤브레인 분리기 유닛(107)은 질소보다 산소에 대해 더 투과성인 멤브레인(110)에 의해 분리된 공급물측(106) 및 투과물측(108)을 포함한다. 멤브레인 분리기 유닛은 직렬 또는 병렬로 배열된 하나 이상의 모듈로 구성될 수 있으며, 각각의 모듈에서 멤브레인은 중공사 다발 또는 하나 이상의 편평하거나 나선형으로 권선된 시트와 같은 임의의 적절한 형태를 취할 수 있으며, 이는, 본 기술 분야에 잘 알려져 있다.
압축된 공급물 공기 스트림(105)은 모듈의 공급물측(고압측)(106)에서 멤브레인 분리기 유닛(107)으로 진입하고, 앞서 설명한 바와 같이, 멤브레인 분리기 유닛으로 진입할 때 전형적으로 9 내지 15 bara의 압력에 있다. 모듈의 투과물측(저압측)(108)은 대기압, 즉, 1 bara에 있으며, 그 결과 고압측(106)으로부터 멤브레인(110)을 가로질러 저압측(108)으로의 가스의 전달을 구동하는 잔류물측(106)과 투과물측(108) 사이의 차압을 생성한다. 멤브레인(110)이 질소보다 산소에 대한 투과성이 더 높기 때문에 압축된 공급물 공기 스트림(105)의 산소는 질소보다 더 빠르게 멤브레인을 통과하고, 결과적으로 압축된 공급물 공기 스트림이 멤브레인 분리기 유닛(107)을 통과함에 따라 이는 멤브레인 분리기 유닛(107)의 공급물측(106)에 유지되고 및 그로부터 인출되는 질소가 농축된 잔류물 스트림(109)과 멤브레인 분리기 유닛(107)의 투과물측(108)에서 형성되고 그로부터 인출되는 산소가 농축된 투과물 스트림(111)으로 분리된다. 잔류물 스트림(109)의 질소 순도의 미세 제어는 전형적으로 제어 밸브(131)를 사용하여 잔류물 스트림(109)의 유량을 제어함으로써 달성되며, 제어 밸브의 유량 설정점은 잔류물 스트림(109)의 질소 순도에 의해 조절된다.
전형적으로, 멤브레인 분리기 유닛으로부터 생성 및 인출되는 질소 농축 잔류물 스트림은 관련 해양 응용에서 필요한 고순도 질소 생성물을 제공하기 위해 95-99 체적%(즉, 95-99 체적%) 질소를 포함할 것이다. 멤브레인 분리기 유닛의 적절한 설계(멤브레인의 유형, 두께 및 표면적 선택 포함) 및 공급물 스트림 및 멤브레인의 온도와 관련하여, 요구되는 질소 생성물의 순도 및 요구되는 질소 생성물의 유량이 (차압을 제공하고 따라서 원하는 유량에서 원하는 생성물 순도를 갖는 잔류물 스트림을 형성하는 데 필요한 구동력을 제공하기 위해) 질소 유량 공급물 공기 스트림이 압축되어야 하는 압력을 지시한다. 압축된 공급물 스트림의 압력, 조성, 온도 및 유량을 기초로 하여 원하는 유량 및 순도로 잔류물 스트림을 생성하는 데 적절한 멤브레인 분리기 유닛의 설계는 완전히 본 기술 분야의 숙련자의 능력 범위 내에 있다.
이제, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 및 근해 설비 선상에서 사용하기 위한 멤브레인 기반 공기 분리 시스템 및 방법의 개략도가 도시되어 있다. 이는 선상 진공 펌프(213)가 제공된다는 점에서 도 1의 종래 기술 시스템 및 방법과 다르며, 진공 펌프의 입구는 멤브레인 분리기 유닛(207)의 투과물측(208)과 유체 유동 연통한다. 진공 펌프(213)는 멤브레인 분리기 유닛(207)의 투과물측(208)으로부터 배출되는 투과물 스트림의 압력이 대기압 미만(1 bara 미만), 더욱 바람직하게는 0.5-0.7 bara 범위가 되도록 멤브레인 분리기 유닛(207)의 투과물측(208)에 진공을 인가하는 데 사용된다.
멤브레인 분리기 유닛의 투과물측 압력을 낮추면 멤브레인(206)을 가로지르는 차압을 여전히 유지하고 따라서, 원하는 순도를 갖는 질소 농축 잔류물 스트림(209)(즉, 전형적으로 앞서 설명된 바와 같이 95-99 체적% 질소를 포함하는 질소 농축 잔류물 스트림)을 생성하는 데 필요한 구동력을 유지하면서 공급물 스트림이 압축되는 압력이 또한 낮아질 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 실시예에서 압축된 공급물 스트림(217, 205)의 압력은 도 1의 압축된 공급물 스트림(117, 105)의 압력보다 더 낮을 것이다(공급물 공기 스트림(201/101)의 조성 및 유량이 동일하고, 질소 농축 잔류물 스트림(209/109)의 조성 및 유량이 동일하고, 멤브레인 분리기 유닛(207/107)의 설계가 동일하다고 가정함). 도 2에 도시된 실시예에서, 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측(206)으로 진입하는 압축된 공급물 스트림(205)은 전형적으로 15 bara 이하(그러나 1 bara를 초과함)의 압력을 가지며, 더욱 바람직하게는 4 내지 8 bara의 압력을 갖는다. 놀랍게도, 프로세스의 순 에너지 소비는 진공 펌프를 사용하여 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 진공을 인가한 다음 그에 따라 공급물 공기 스트림이 압축되는 압력을 낮출 때, 분리를 위한 모든 구동력을 제공하는 데 필요한 공급물 스트림의 더 높은 압력을 달성하기 위해 압축에만 의존하는 것과 비교하여 상당히 감소된다는 것이 밝혀졌다. 이러한 에너지 소비 감소는 진공 펌프를 추가하는 자본 비용을 능가하기에 충분하며, 이에 의해, 프로세스의 비 질소 비용을 감소시킬 수 있다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 공급물 공기 스트림(201)은 선상 압축기(203)에서 압축되어 압축된 공급물 공기 스트림(217, 205)을 형성하고, 이는 (바람직하게는 도 1을 참조로 앞서 설명한 방식으로 열 교환기(221)에서 냉각되고, 필터(225)에서 여과된 다음 프로세스 가열기(229)에서 가온된 이후에) 전형적으로 15 bara 이하(그러나 1 bara를 초과함)의 압력에서, 더욱 바람직하게는 4 내지 8 bara의 압력에서 멤브레인 분리기 유닛(207)의 공급물측(206)으로 도입된다.
멤브레인 분리기 유닛(207)은 질소보다 산소에 대해 더 투과성인 멤브레인(210)을 포함한다. 도 2에서, 멤브레인 분리기 유닛은 단일 모듈로 구성된 것으로 도시되어 있지만, 많은 실시예에서 멤브레인 분리기 유닛은 (분리되는 공급물 공기 스트림의 유량을 적절하게 처리할 수 있도록 하기 위해) 직렬 또는 병렬로 배열된 2개 이상의 모듈로 구성될 수 있다. 이러한 모듈은 매니폴드와 연결될 수 있고, 각각의 모듈에는 개별 밸브가 장착되며, 이는 개별 모듈을 독립적으로 활성화 또는 비활성화되게 할 수 있다. 멤브레인 분리기 유닛의 모듈 또는 그 각각의 모듈에서, 멤브레인은 중공사 다발 또는 하나 이상의 편평하거나 나선형으로 권선된 시트와 같은 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 섬유 또는 시트는 모두 동일한 폴리머 또는 동일한 폴리머의 복합재로 형성될 수 있거나, 일부 섬유 또는 시트는 상이한 폴리머 또는 폴리머들의 복합재의 혼합물이 사용되도록 상이한 폴리머 또는 폴리머들의 복합재로 형성될 수 있다. 질소보다 산소에 대해 더 투과성인 멤브레인을 형성하는 데 적절한 다양한 상이한 유형의 폴리머가 잘 알려져 있으며, 본 기술 분야의 숙련자는 어려움 없이 적절한 폴리머를 선택할 수 있다. 상이한 모듈에 사용되는 섬유 또는 시트는 모두 동일한 투과성 및 선택성을 가질 수 있거나, 상이한 투과성 및/또는 선택성을 갖는 섬유 또는 시트가 상이한 모듈에서 사용될 수 있다.
멤브레인 분리기 유닛의 투과물측으로부터 배출되는 투과물 스트림의 압력이 대기압 미만(1 bara 미만), 더욱 바람직하게는 0.5 내지 0.7 bara가 되도록, 진공 펌프(213)가 멤브레인 분리기 유닛(207)의 투과물측(208)에 진공을 인가하는 데 사용된다. 멤브레인 분리기 유닛(207)으로 진입하는 압축된 공급물 공기 스트림(205)은 멤브레인 분리기 유닛(207)의 공급물측(206)으로부터 유지 및 인출되는 질소 농축 잔류물 스트림(209) 및 및 멤브레인 분리기 유닛(207)의 투과물측(208) 상에 형성되고 진공 펌프(213)를 통해 인출되어 대기압의 스트림(215)으로서 진공 펌프로부터 배출되는 산소 농축 투과물 스트림(211)으로 분리된다. 질소 농축 잔류물 스트림(209)은 고순도 질소 생성물로서 작용하기 위해 관련 해양 응용에서 요구되는 바와 같이 전형적으로 95-99 체적% 질소의 조성을 갖는다. 잔류물 스트림(209)의 질소 순도의 미세 제어는 제어 밸브(231)를 사용하여 상기 스트림의 유량을 제어함으로써 달성될 수 있으며, 제어 밸브의 유량 설정점은 스트림(209)의 질소 순도에 의해 조절된다.
멤브레인 분리기 유닛의 공급물측(206)으로 진입하는 압축된 공급물 스트림(205)의 압력 및 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측(208)으로부터 배출되는 투과물 스트림(211)의 압력은 압축된 공급물 스트림 대 투과물 스트림의 압력비가 8 내지 12가 되도록 되는 것이 바람직하다. 이러한 압력비는 가장 낮은 비 질소 비용을 달성하는 것으로 밝혀졌다. 압축된 공급물 스트림(205)의 이러한 압력은 예를 들어 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측(206)에 대한 입구에 또는 그 근방에 위치된 압력 센서를 사용하여 측정될 수 있고, 투과물 스트림(211)의 압력은 예를 들어 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측(208)으로부터의 출구에 또는 그 근방에 위치된 압력 센서를 사용하여(멤브레인 분리기 유닛(207)과 진공 펌프(213) 사이의 거리가 멤브레인 분리기 유닛과 진공 펌프 사이의 임의의 압력 강하가 무시할 수 있도록 되는 경우, 진공 펌프(213)로의 입구에 위치된 압력 센서를 적절히 사용하는 것을 포함함) 측정될 수 있다. 압축된 공급물 스트림(205)의 압력은, 예를 들어, 상기 스트림의 압력을 측정하는 상기 압력 센서와 압축기(203) 사이의 적절한 피드백 루프를 통해 자동으로 제어될 수 있다. 마찬가지로, 투과물 스트림(211)의 압력은 예를 들어, 상기 스트림의 압력을 측정하는 상기 압력 센서와 진공 펌프(213) 사이의 적절한 피드백 루프를 통해 자동으로 제어될 수 있다.
압축기(203) 및 진공 펌프(213)는 본 기술 분야에 알려진 임의의 적절한 유형일 수 있다. 압축기(203)는 예를 들어 하나 이상의 오일 윤활식 스크류형 압축기 및/또는 하나 이상의 무급유 (원심) 압축기를 포함할 수 있다. 진공 펌프는 예를 들어 하나 이상의 진공 송풍기(사이드 채널 송풍기로도 알려짐)를 포함할 수 있으며, 이는 높은 체적 유량에서 약 0.5 bara까지의 낮은 진공 압력을 제공할 수 있다.
선택적으로, 진공 펌프(213)는 공기 분리 시스템의 동작 중에 진공을 인가하기 위해 연속적으로 사용되지 않도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 질소 농축 잔류물 스트림(209)의 상대적으로 낮은 유량만이 요구되도록 N2 수요가 낮은 기간 동안, 진공 펌프는 더 많은 에너지 소비의 절감을 달성하기 위해 정지될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, N2 수요가 낮은 기간 동안, 압축기(203)는 공기 공급물 스트림(201)이 압축되는 정도를 감소시키도록 동작될 수 있고, 이에 의해 더 낮은 압력의 압축된 공급물 공기 스트림(217, 205)을 생성하며, 이는 이러한 기간 동안 에너지 소비를 더욱 감소시킨다(그리고, 이는 일반적으로 진공 펌프를 끄는 것보다 에너지 소비에 더 많은 영향을 미친다).
멤브레인 분리기 유닛이 2개 이상의 모듈을 포함하는 경우, 단일 진공 펌프를 사용하여 모듈 전체 또는 일부에 진공을 인가할 수 있거나, 또는 2개 이상의 진공 펌프가 사용되고, 각각의 진공 펌프가 하나 이상의 모듈에 연결되어 진공을 인가할 수 있다. 선택적으로, 멤브레인 분리기 유닛이 2개 이상의 모듈을 포함하는 경우, 모듈 중 일부만 진공 펌프에 연결되어 그에 진공이 인가될 수 있다.
개시된 공기 분리 시스템의 제어는 자동 제어 시스템을 통해, 수동(즉, 인간) 제어를 통해 또는 이 두 가지의 임의의 조합을 통해 달성될 수 있다.
위에서 구체적으로 설명되지 않은 경우, 본 기술 분야의 숙련자는 그럼에도 불구하고 개시된 공기 분리 시스템이 다음과 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 이러한 시스템에 포함된 다양한 전형적인 컴포넌트를 또한 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 입구 밸브, 입구 여과 시스템, 공기 건조 시스템, 유기 증기 제거용 필터, 압력 센서, 온도 센서, 공기 가열기, 인가된 멤브레인 모듈 수를 제어하는 밸브, 출구 제어 밸브, 입구 제어 밸브 및 버퍼 탱크.
앞서 설명한 방법 및 시스템, 특히 선박 및 근해 설비 선상의 가스 분리 프로세스의 에너지 소비를 감소시키기 위해 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 진공을 적용하는 원리는 다른 가스 분리 프로세스에도 적용될 수 있으며, 산소로부터 질소의 분리에 제한되지 않는다. 이러한 가스 분리 프로세스에 의해 분리될 수 있는 다른 가스에는 산소, 수소, 물, 이산화탄소, 메탄 및 헬륨이 포함된다.
실시예 1
Aspen Technologies의 ASPEN Plus V10 시뮬레이션 소프트웨어에서 Air Products and Chemicals, Inc.의 내장 멤브레인 프로세스 모델을 사용하여 케미컬 유조선 선상의 공기 분리 방법을 시뮬레이션했다. 도 2에 도시된 바와 같은 방법 및 시스템이 시뮬레이션되었으며, 질소 농축 잔류물 스트림(209)의 목표 질소 순도 및 유량은 표준 해양 및 근해 공기 분리 사양에 따라 설정되었다.
시뮬레이션의 다양한 스트림의 프로세스 조건과 결과적인 조성 및 유량이 아래 표 1에 설명되어 있다. 이 시뮬레이션의 목적을 위해, 공급물 공기 스트림이 전형적으로 소량의 다른 성분(예컨대, 물, 이산화탄소 및 희가스)을 함유하지만 공급물 공기 스트림에서의 이러한 성분의 존재는 질소로부터 산소를 분리하는 프로세스의 능력에 영향을 미치지 않으므로, 스트림의 질소 및 산소 함량만을 고려했다.
Figure pat00001
시뮬레이션된 시스템 및 방법을 사용하여 공급물 공기의 9744 NMH(시간당 표준 입방 미터, 즉, 표준 조건에서 시간당 입방 미터)가 압축기(203)에서 8.0 bara로 압축되었다. 압축된 공급물 공기 스트림(205)은 멤브레인 분리기 유닛(207)에 공급되어 95% 질소 순도에서 4500 NMH의 질소 농축 잔류물 가스를 생성하였다. 요구되는 생성물 순도를 달성하기 위해 잔류물 가스 유량을 제어 밸브(231)를 통해 조절하였다. 투과물 스트림은 0.65 bara의 흡입 압력으로 동작되는 진공 펌프(213)를 통해 인출되었다. 프로세스에 요구되는 총 전력은 0.273KW/질소 농축 잔류물 가스의 NMH였다.
이에 비교하여, 도 1의 시스템 및 방법을 사용하여(즉, 진공 펌프(213)를 사용하지 않고, 따라서, 1 bara에서 멤브레인 분리기 유닛으로부터 배출되는 투과물 스트림을 사용하여) 95% 질소 순도에서 4500 NMH의 질소 농축 잔류물 가스를 생성하기 위해서는 9761 NMH의 공급물 공기 스트림을 11 bara로 압축해야 했으며, 이는 프로세스에 요구되는 총 전력을 0.3151 KW/질소 농축 잔류물 가스의 NMH로 증가시켰다.
따라서, 도 2의 실시예에 따른 시스템 및 방법은 진공이 사용되지 않은 시스템 및 프로세스와 비교하여 동일한 분리에 요구되는 전력이 13.4% 감소했다.
실시예 2
프로세스의 비 질소 비용을 최소화하기 위한 최적의 공급물 스트림 및 투과물 스트림 압력을 설정하기 위해, Aspen Technologies의 ASPEN Plus V10 시뮬레이션 소프트웨어에서 Air Products and Chemicals, Inc.의 내장 멤브레인 프로세스 모델을 사용하여 도 2에 도시된 방법 및 시스템의 추가적인 시뮬레이션을 수행했다.
시뮬레이션의 기본 조건은 다음과 같다: 시스템은 연간 800시간 동안 동작하여 95% 질소 순도에서 4500 NMH의 질소 농축 잔류물 가스를 생성하고, 시스템의 동작 수명은 20년, 멤브레인 모듈의 멤브레인은 10년의 수명을 가지며(따라서 시스템 수명 중간에 교체가 필요함), 에너지 비용은 0.15 USD/kWh이다.
프로세스의 비 질소 비용은 다음과 같이 정의되었다.
비 N2 비용 = (CAPEX+OPEX)/N2 생산
"CAPEX"는 시스템의 전체 수명 동안 시스템의 총 자본 비용을 지칭하고, "OPEX"는 프로세스의 전체 수명 동안 프로세스의 총 동작 비용을 지칭하며, "N2 생성"은 프로세스의 전체 수명 동안 질소 생성물(즉, 질소 순도 95%의 질소 농축 잔류물 가스)의 총량을 지칭한다. 이 계산에서: 압축기 비용은 나사형 오일 윤활 압축기의 전형적인 공급업체 비용을 사용하여 추정되었고; 진공 장비는 사용되는 kW당 가격이 오일 윤활식 스크류 압축기와 동일하다고 가정되었고; 질소 패키지의 비용은 주요 장비 비용(멤브레인 + 회전 장비)을 기초로 했으며; 질소 생성기의 다른 장비(여과 장비, 가열기, 밸브, 파이프)의 비용은 관련 질소 생산 수준에 대한 모든 공급물/투과물 압력에 대해 일정한 것으로 가정되었고; 유지보수 비용에는 앞서 설명한 멤브레인 교체 필요성만 포함되었다.
5.64 bara의 공급물 스트림(205) 압력 및 0.56 bara의 투과물 스트림(211) 압력을 사용할 때, 0.0496 USD/질소 농축 잔류물 가스의 NMH의 가장 낮은 비 질소 비용이 얻어지는 것으로 밝혀졌다. 아래의 표 2 및 3은 이러한 공급물 및 투과물 압력에 대해 획득한 결과와, 비교를 위해, 다양한 공급물 압력을 사용하지만 진공 펌프를 사용하지 않을 때(따라서 대기압의 투과물 스트림을 사용함) 획득한 결과를 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 각각 5.64 bara 및 0.56의 최적화된 공급물 및 투과물 압력을 사용함으로써, 선상 질소 생산에 사용되는 표준 조건(11 bara의 공급물 스트림 압력 및 대기압의 투과물 스트림)에 비교하여 프로세스의 비 N2 비용을 10%를 초과하여 감소시킬 수 있었다.
Figure pat00002
Figure pat00003
1) 최소 비 N2 비용을 찾기 위해 최적화가 수행됨
2) 투과물에 대한 진공 압력을 허용하지 않고 최적화가 수행됨. 조작 변수는 공급물 압력뿐이고, 투과물 압력은 대기압으로 설정된다.
3) 1)에서 최적의 공급물 압력을 사용하지만, 그러나 투과물 압력에서 진공을 허용하지 않는다. 최적화가 수행되지 않음.
4) 선상 질소 생성기의 종래의 공급물/투과물 압력.
추가적으로, (시뮬레이션에 처음 사용된 0.15 USD/kWh 비용으로부터의) 전기 비용 변화의 효과를 조사했으며, 그 결과가 도 3에 도시되어 있고, 여기서 (가장 낮은 비 질소 비용을 제공하는 압력의 측면에서의) 계산된 최적 공급물 스트림 및 투과물 스트림 압력이 0.01 USD/kWh 내지 0.30 USD/kWh 범위의 다양한 전기 비용에 대해 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 전기 비용이 증가하면 최적의 공급물 및 투과물 압력이 감소했지만, 모든 조건에서 조사된 모든 조건에서 대기압 이하의 투과물 압력(특히 0.5-0.7 bara 영역의 투과물 압력)을 사용하여 가장 낮은 비 질소 비용을 획득할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 앞서 설명된 세부사항으로 제한되지 않고, 다음 청구범위에 정의된 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 수많은 수정 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (13)

  1. 선박 또는 근해 설비의 선상에서 수행되는 가스 분리 방법에 있어서, 상기 선박 또는 근해 설비는 상기 선박 또는 근해 설비 선상에 모두가 위치되는 압축기, 멤브레인 분리기 유닛 및 진공 펌프를 포함하고, 상기 멤브레인 분리기 유닛은 제2 가스보다 제1 가스에 더 투과성인 멤브레인에 의해 분리된 공급물측 및 투과물측을 갖고, 방법은
    (a) 압축기에서 제1 가스 및 제2 가스를 포함하는 기체 공급물 스트림을 압축하여 압축 공급물 스트림을 형성하는 단계;
    (b) 진공 펌프를 사용하여 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 진공을 인가하는 단계; 및
    (c) 상기 압축된 공급물 스트림을 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 공급물측으로 도입하고 상기 압축된 공급물 스트림을 상기 제1 가스가 농축된 투과물 스트림과 상기 제2 가스가 농축된 잔류물 스트림으로 분리하는 단계- 상기 투과물 스트림은 상기 진공 펌프를 통해 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 투과물측으로부터 인출되고, 상기 잔류물 스트림은 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 공급물측으로부터 인출됨 -를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은 공기 분리 방법이고, 상기 기체 공급물 스트림은 공기 스트림을 포함하고, 상기 제1 가스는 산소를 포함하고, 상기 제2 가스는 질소를 포함하는, 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 잔류물 스트림은 95 체적% 이상의 질소 농도를 갖는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 투과물측으로부터 배출되는 상기 투과물 스트림의 압력은 0.5 내지 0.7 bara인, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측으로 진입하는 상기 압축된 공급물 스트림의 압력은 1 bara 초과 및 15 bara 이하인, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 공급물측으로 진입하는 상기 압축된 공급물 스트림의 압력은 4 내지 8 bara인, 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 공급물측으로 진입하는 상기 압축된 공급물 스트림의 압력 대 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 투과물측으로부터 배출되는 상기 투과물 스트림의 압력의 압력비는 8 내지 12인, 방법.
  8. 선박 또는 근해 설비의 선상에 위치된 가스 분리 시스템에 있어서, 상기 가스 분리 시스템은 압축기, 멤브레인 분리기 유닛 및 진공 펌프를 포함하고, 상기 멤브레인 분리기 유닛은 제2 가스보다 제1 가스에 더 투과성인 멤브레인에 의해 분리된 공급물측 및 투과물측을 포함하고,
    상기 압축기는 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 공급물측과 유체 유동 연통하며, 기체 공급물 스트림을 압축하여 압축된 공급물 스트림을 형성하고 상기 압축된 공급물 스트림을 상기 멤브레인 분리기 유닛의 공급물측에 공급하도록 구성되고;
    상기 진공 펌프는 상기 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측과 유체 유동 연통하고 상기 멤브레인 분리기 유닛의 투과물측에 진공을 인가하도록 구성되며;
    상기 멤브레인 분리기 유닛은 상기 압축된 공급물 스트림을 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 공급물측으로부터 인출되는 잔류물 스트림과 상기 진공 펌프를 통해 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 투과물측으로부터 인출되는 투과물 스트림으로 분리하도록 구성되는, 가스 분리 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 시스템은 공기 분리 시스템이고, 상기 기체 공급물 스트림은 공기 스트림을 포함하고, 상기 제1 가스는 산소를 포함하고, 상기 제2 가스는 질소를 포함하는, 가스 분리 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 시스템은 0.5 내지 0.7 bara의 압력에서 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 투과물측으로부터 배출되는 투과물 스트림의 압력을 유지하도록 구성되는, 가스 분리 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 시스템은 1 bara 초과 및 15 bara 이하의 압력에서 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 공급물측으로 진입하는 상기 압축된 공급물 스트림의 압력을 유지하도록 구성되는, 가스 분리 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 시스템은 4 내지 8 bara의 압력에서 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 공급물측으로 진입하는 상기 압축된 공급물 스트림의 압력을 유지하도록 구성되는, 가스 분리 시스템.
  13. 청구항 8에 있어서, 상기 시스템은 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 공급물측으로 진입하는 상기 압축된 공급물 스트림의 압력 대 상기 멤브레인 분리기 유닛의 상기 투과물측으로부터 배출되는 상기 투과물 스트림의 압력의 압력비를 8 내지 12의 압력비에서 유지하도록 구성되는, 가스 분리 시스템.
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