KR20230014648A - 공기 분리 장치, 흡착기 및 방법 - Google Patents

공기 분리 장치, 흡착기 및 방법 Download PDF

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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

압축 공기가 PPU로 공급되기 이전에 압축 공기를 냉각하기 위해 PPU의 상류측에 있는 PPU-전 냉각기를 갖는 공기 분리 유닛(air separation unit; ASU) 시스템의 사전-정화 유닛(pre-purification unit; PPU)를 통해 공기를 정화하는 방법은, 흡착기의 용기 내의 흡착 재료의 베드를 통해 공기를 통과시키기 위해 PPU의 흡착기를 통해 공기를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 PPU-전 냉각기에 응답하여, PPU로부터 출력되는 공기 내의 아산화질소(N2O)가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하고 이산화탄소(CO2) 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만인 경우에도 ASU 시스템을 전체 용량으로 계속해서 작동시킨다. ASU 및 PPU는 방법의 실시예를 구현하도록 설계될 수 있다.

Description

공기 분리 장치, 흡착기 및 방법{AIR SEPARATION APPARATUS, ADSORBER, AND METHOD}
본 혁신은 공기 분리 시스템, 이러한 시스템에서 사용할 수 있는 사전-정화 유닛 배열, 공기 분리 시스템에서 공기의 정화를 위한 흡착기, 및 이를 제조하고 사용하는 방법에 관한 것이다.
열 스윙 흡착(Thermal Swing Adsorption; TSA)은 공기 극저온 증류 프로세스의 사전-정화로서 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption; PSA)과 같은 기술과 함께 자주 사용된다. TSA의 기능은, 그렇지 않았으면 하류측 프로세스에서 얼어 붙어서 막힘과 같은 작동 문제를 일으킬 수 있는 주변 수분(예를 들어, 수증기, H2O) 및 이산화탄소(CO2)와 같이 높은 어는점을 갖는 성분을 제거하는 것이다. 아산화질소(N2O), 탄화수소(예를 틀어, 메탄, CH4 등) 및 다른 불순물이 또한, 이러한 불순물이 하류측 프로세스에서 축적되는 것을 피하기 위해 프런트-엔드 정화를 통해 제거될 수 있다.
정화 유닛은 흔히 흡착기를 사용한다. 흡착기는 일반적으로 수직, 수직 교차 흐름, 수평 및 방사상의 4개의 상이한 일반적인 구성으로 제공된다. 이러한 유형들의 흡착기, TSA 시스템, 및 PSA 시스템의 예들은, 미국 특허 제4,472,178호, 제4,541,851호, 제4,784,672호, 제5,137,548호, 제5,232,474호, 제5,425,240호, 제5,759,242호, 제5,846,295호, 제5,917,136호, 제6,086,659호, 제6,106,593호, 제6,152,991호, 제6,506,236호, 제6,599,347호, 제6,866,075호, 제7,022,159호, 제7,285,154호, 제7,413,595호, 제8,206,669호, 제8,262,783호, 제8,268,044호, 제8,404,024호, 제8,518,356호, 제8,734,571호, 제8,814,985호, 제9,108,145호, 제9,199,190호, 제9,631,864호, 및 제9,731,241호, 미국 특허 출원 공개번호 제2011/0206581호, 제2011/0219950호 및 제2019/0291078호, 및 캐나다 특허 공개번호 제2,357,276 A호로부터 이해될 수 있다.
미국 특허 제6,106,593호에 개시된 바와 같이, 공기 분리를 위해 공급 공기로부터 질소의 산화물이 제거되어야 한다는 것이 알려져 있다. 소량의 공기 성분은 아산화질소(N2O)이며, 이는 주변 공기에 약 0.3ppm으로 존재한다. 미국 특허 제6,106,593호에 교시된 바와 같이, N2O는 이산화탄소와 유사한 물리적 특성을 갖는 것으로 인식되고, 따라서 공기를 하나 이상의 생성물(예를 들어, 산소, 질소 등)로 분리하기 위해 사용되는 극저온 증류 시스템의 열 교환기 및 공기 분리 컬럼(column)에서의 고체 형성으로 인해 잠재적인 작동 문제를 나타내는 것으로 알려져 있다.
미국 특허 제6,106,593호는 또한, N2O가 유기 물질의 연소를 향상시키는 것으로 알려져 있고 충격에 민감한 것으로 알려져 있다는 것을 개시한다. 미국 특허 제6,106,593호는, N2O가 극저온 증류 시스템의 작동에 대한 안전 위험을 야기하는 것으로 간주된다는 것을 개시한다.
우리는, 공기 분리 유닛(air separation unit; ASU) 시스템이 흔히 공기의 흐름이 사전-정화 유닛(pre-purification unit; PPU)으로 공급되기 전에 압축 공기를 냉각하기 위해 냉각기(chiller)를 사용하는 것과 연관된 알려진 작동 문제를 고려해야 한다고 결정했다. 공기의 냉각은, PPU로부터 출력되는 공기 흐름에서 매우 낮은 미리-선택된 임계값을 초과하는 아산화질소 및 이산화탄소의 돌파(breakthrough)가 없음을 보장하는 것을 돕기 위해 기존 ASU 시스템에서 중요할 수 있다. 예를 들어, 기계식 냉각기는 흔히 연간 여러 번의 장비 고장을 경험한다. 예를 들어, 기계식 냉각기의 압축기는 1년의 작동당 약 1-2번(때로는 더 자주) 고장(예를 들어, 파손, 작동 중지 등)을 경험할 수 있다. 예상되는 다른 유형의 고장은, 열 교환기 누설 또는 막힘, 흡수식 냉각기의 펌프 고장, 레벨 센서 고장, 액추에이터 고장, 제어 시스템 오류 또는 고장, 밸브 고장 또는 일부 다른 유형의 기계적 고장을 포함할 수 있다. 냉각기에 대한 이러한 알려진 작동 문제의 결과로서, 예비 냉각기로서 중복 냉각기를 제공함으로써 이러한 문제를 처리하기 위해 자본 비용이 증가되는 경우가 많다. 대안적으로, ASU 시스템은, 구축하기 위해 비용이 더 많이 들 수 있고 냉각기의 비-사용 및 PPU에 공급될 공기 흐름의 더 높은 입력 작동 온도를 처리하기 위해 훨씬 더 많은 작동 비용이 발생할 수 있는 상당히 더 큰 PPU를 가지고 설계될 수 있다. 대안적으로, ASU 시스템은 냉각기 고장 동안 턴다운(turndown)(설계 용량보다 낮게 작동)하고 상당한 자본 비용 영향을 갖는 저장 탱크의 예비 액체 제품을 가지고 작동하도록 설계될 수 있다. 이러한 배열은 통상적으로, 시스템의 안전에 영향을 줄 수 있는 하류측 프로세싱 문제를 피하기 위해 그들의 매우 낮은 미리-지정된 프로세스 범위를 초과하는 PPU로부터의 CO2 및 N2O 돌파 동안 ASU 시스템(1)이 작동하지 않음을 보장하는 것을 돕기 위해 해당 기술 분야에서 개발되었다.
우리는, ASU 시스템의 계속적인 작동의 안전을 또한 유지하는 동시에 개선된 작동 효율을 제공하기 위해 ASU 시스템에서 냉각기의 개선된 사용을 또한 허용하면서 이러한 안전 예방책의 목표가 충족될 수 있다고 결정했다. 우리는, N2O가 상대적으로 짧은 미리-선택된 시간의 지속 기간(예를 들어, 14일 이하, 7일 이하 또는 2일 이하 등) 동안 상승된 레벨로 ASU 시스템의 사전-정화 유닛(pre-purification unit; PPU)를 통해 통과하도록 허용하는 것이 미리-선택된 시간의 지속 기간 내에 처리되고 및 해결될 수 있는 냉각기 고장을 안전하게 처리하도록 허용될 수 있고 동시에 안전한 작동을 유지하면서 비용을 절감하고 수익성을 개선할 수 있는 상당한 장점을 제공할 수 있다는 것을 결정했다. 예를 들어, 우리는, 여전히 CO2 돌파와 연관된 제2 임계 레벨 미만이면서 상대적으로 짧은 시간의 지속 기간 동안 제1 임계 레벨을 초과하는 상승된 레벨의 N2O를 허용하는 것이 PPU를 지나 통과하도록 허용될 수 있으며 즉각적인 안전 문제 또는 즉각적인 작동 문제를 제기하지 않는다는 것을 결정했다. 대조적으로, CO2 돌파는 이러한 문제를 제기할 것이다.
PPU-전 냉각기(pre-PPU chiller)의 유지 보수 또는 PPU-전 냉각기의 다른 트립(trip) 동안 ASU 시스템이 전체 용량으로 작동하도록 허용함으로써, ASU는, PPU-전 냉각기의 작동 상태를 처리하기 위해 ASU가 셧 다운되거나 또는 더 낮은 용량으로 작동되는 경우보다 더 큰 전체 이익과 효율성으로 계속해서 기능할 수 있다. 우리는, 여전히 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만이면서 제1 미리-선택된 작동 임계값을 초과하는 레벨로 N2O가 PPU를 돌파하는 것을 허용하는 것이 ASU 시스템 내의 과도한 N2O 축적을 방지할 수 있으며, 이는 냉각기 트립 상태(예를 들어, 해결하는 데 1-14일이 소요될 수 있거나, 해결하는 데 7일 이하가 소요될 수 있거나 또는 해결하는 데 2일 이하가 소요될 수 있는, 예를 들어, 압축기 고장, 펌프 고장 등)를 해결하는 데 필요할 수 있는 비교적 짧은 지속 기간 내에 문제가 되지 않는다는 것을 결정했다. 이러한 조건부 제약 내에서 PPU를 넘어서는 N2O 돌파를 허용하는 것은, 증가된 N2O 레벨에서의 작동의 지속 기간을 처리하기 위해 ASU 시스템에 대한 제상 간격을 조정하여 이러한 간격을 약간 더 짧게(예를 들어, 1-4개월 단축, 0.5 -5개월 단축, 0.5-2개월 단축 등) 만듦으로써 CO2 돌파와 관련된 심각한 문제를 피할 수 있으며 완화될 수 있다.
N2O의 상승된 레벨이 즉각적인 문제를 제기하지 않기 때문에, 우리는, 작동 트레이오프가 CO2가 엄격하게 제어되는 상태로 남아 있으면서 N2O가 PPU를 돌파하는 것을 허용한다는 것을 결정했다. 또한, 상승된 N2O 상태는, 시스템의 제한된 N2O 돌파 작동을 허용함으로써, 제공되는 작동 효율 및 비용 절감을 크게 상쇄시키지 않고 ASU 시스템의 운영자에게 더 유리할 수 있는 ASU 시스템의 다른 작동 시간에서 더욱 완화될 수 있다.
PPU, ASU 시스템 및 방법의 실시예가 제공할 수 있는 추가적인 이점은 자본 비용의 감소와 관련될 수 있다. 예를 들어, 실시예는, PPU 용기 크기가 자본 비용에 영향을 미치는 더 작은 크기로 유지되도록 허용하면서 냉각기가 작동하는지 여부에 대한 유연성을 허용할 수 있다. 일반적으로, (예컨대, 냉각기가 트립될 때) PPU 공급 온도가 증가함에 따라, CO2 및 N2O의 제거를 보장하기 위해 더 많은 분자체(molecular sieve)가 요구됨에 따라 이러한 작동 상황을 처리하기 위해 PPU 크기가 증가되어야 한다. 제공될 수 있는 작동 유연성 및 연속성이 또한 더 낮은 자본 비용 및 더 적은 양의 분자체 흡착 재료의 사용으로도 제공될 수 있다는 것이 우리의 ASU 시스템 및 방법의 실시예의 예상치 못한 이점이다.
예를 들어, ASU 시스템은, 시스템의 작동 유닛에 해로운 영향을 미칠 수 있는 N2O 축적을 완화하는 것을 돕기 위해 시스템이 (예를 들어, 턴다운 및/또는 겨울철 주변 작동 조건에서) 상승된 N2O 레벨에서 작동하지 않을 때 교정 액션을 겪을 수 있다. 예를 들어, ASU 시스템의 제상 간격은, 시스템에 대한 상승된 N2O 작동 영향의 지속 시간을 고려하기 위해 조정될 수 있다. 이러한 제상 시간 간격은 일반적으로 몇 년(예를 들어, 3-10년, 3-8년, 5-8년, 4-10년 등)마다 발생한다. 이러한 간격의 (예를 들어, 1-2개월, 0.5-1개월, 0.5-4개월 등 만큼의) 약간의 조정은, 공기 내의 바람직하지 않은 불순물을 제거하기 위해 PPU에 공급될 압축 공급 공기를 냉각하기 위해 PPU의 상류측에 있는 냉각기의 주기적인 작동 문제를 고려하는 상승된 N2O 레벨에서의 ASU 시스템의 작동에 의해 제공되는 비용 및 효율성 개선에 대해 무시할 수 있는 영향을 미칠 수 있다.
우리의 방법, 우리의 PPU 및 ASU 시스템의 실시예에 대해 우리가 실행 가능한 것으로 결정한 신규한 트레이드오프를 예시하는 것을 돕기 위한 하나의 특정하고 비-제한적인 예로서, ASU 시스템은 하루당 3,000톤의 산소를 프로세싱하도록 설계될 수 있다. 이러한 시스템에서, PPU로 공급되는 압축 공기 내의 주변 N2O의 50%가 PPU를 돌파하여 ASU로 빠져나가도록 허용되는 최대 총 8일의 작동 동안 과도한 N2O 레벨에서 작동하는 것을 야기하는 냉각기 트립들이 허용될 수 있으며, 8일 동안의 이러한 상승된 N2O 작동 지속 기간을 처리하기 위해 제상 간격의 조정을 야기할 수 있다. 이러한 조정은 이 특정한 비-제한적인 예에 대해 제상 간격을 약 24일만큼 감소시킬 수 있다(예를 들어, 제상 절차가 24일 더 빨리 일어나도록 요구할 수 있다). 다른 예에서, PPU로 공급되는 압축 공기 내의 주변 N2O의 50%가 PPU를 돌파하여 ASU로 빠져나가도록 허용되는 최대 총 8일의 작동 동안 과도한 N2O 레벨에서 작동되는, 3년의 제상 간격 또는 5년의 제상 간격에 대해 설계된 ASU 시스템은 각기 16일 또는 30일의 제상 간격 감소의 조정을 야기할 수 있다.
이러한 제상 간격은, ASU가 제상 작업 사이에 연속적으로 작동할 수 있는 시간의 기간(예를 들어, ASU에 대해 수행되는 제1 제상 동작과 ASU에 대해 수행되는 다음의 제2 제상 동작 사이의 시간의 기간)이라는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어서, 제상 간격이 예를 들어 3년인 경우에, 3년은 제1 및 제2 제상 간격을 분리할 것이며 제1 및 제2 제상 동작 사이의 이러한 3년의 기간 내에 수행되는 다른 제상 동작이 존재하지 않을 것이다. 다른 예로서, 제상 간격이 5년인 경우에, 5년은 제1 및 제2 제상 동작들을 분리할 것이며 이러한 5년의 제상 간격 시간 기간 내에 수행되는 중간 제상 동작이 존재하지 않을 것이다.
우리는, 실시예가, 제상 간격이 운영자의 작동 편의성을 고려하기 위해 운영자에 의해 타이밍될 수 있음에 따라 상당한 작동 개선 및 개선된 작동 유연성을 제공할 수 있으며, 계획되지 않은 냉각기 트립을 고려하기 위해 중복 냉각기, 더 큰 PPU 설계, 또는 예기치 않게 ASU 시스템을 오프-라인으로 전환하는 것과 연관된 불필요한 비용을 피할 수 있다는 것을 결정했다. 제상 간격에 대한 이러한 조정은, ASU 시스템이 각각이 미리-결정된 시간의 기간 내에 있는 하나 이상의 지속 기간들 동안 상승된 N2O 레벨에서 안전하게 작동하는 것을 허용할 수 있다. ASU 시스템은 ASU 시스템 작동의 안전성을 더욱 강화하고 제상 간격에 대한 조정을 용이하게 하는 데 도움을 주기 위해 과도한 N2O 및 CO2 축적을 모니터링하도록 구성될 수 있으며, 상승된 N2O 레벨에서의 ASU의 실행으로 인해 필요할 수 있는 이러한 간격의 단축에 기인하여 안전하게 구현될 수 있다.
우리는, ASU 시스템, PPU 및 흡착기의 실시예가 상당한 이점을 제공할 수 있다고 결정했다. 예를 들어, 흡착기의 실시예는 냉각 장치 트립에 관계없이 ASU 시스템의 신뢰할 수 있고 중단이 없는 작동을 가능하게 할 수 있다. 냉각기 트립은, PPU-전 냉각기에 고장이 발생하여 냉각기를 오프라인으로 전환해야 하거나(예를 들어, 바이패스되어 더 이상 작동되지 않음) 또는 감소된 용량으로 작동해야 하는 상태일 수 있다.
냉각기 트립의 예는, 펌프 고장, 압축기 고장, 열 교환기 누설(예를 들어, 증발기 누설, 생성기 누설 등), 냉각기 도관의 막힘, 밸브 고장, 펌프 고장, 레벨 센서 고장, 액추에이터 고장, 제어 시스템 오류 또는 고장, 또는 다른 유형의 기계적 오작동을 포함할 수 있다. 이러한 고장은, 냉각기가 압축기 시스템으로부터 출력되는 압축 공기를 희망되는 미리-선택된 PPU 공급 온도 범위 내로 냉각하는 것을 방해하는 냉각기의 감소된 성능과 연관될 수 있으며, 이는 PPU의 효율성이 N2O 및/또는 CO2와 같은 불순물을 흡착할 수 있는 데 해로운 영향을 받는 것을 야기할 수 있다.
다른 예로서, 흡착기의 실시예는 N2O 제거를 위한 흡착 재료의 더 작은 분자체 층을 이용할 수 있으며, 이는 PPU에 대한 흡착기의 요구되는 크기를 상당히 감소시킬 수 있다. 이는 작동 효율성을 개선할 뿐만 아니라 이러한 흡착기를 사용하는 PPU의 전체 자본 비용, 유지 보수 비용 및 작동 비용을 감소시킬 수 있다. 우리의 흡착기의 실시예를 사용하는 우리의 PPU의 실시예는 또한, PPU에 공급될 공기를 냉각하기 위해 PPU의 상류측에 위치되는 ASU 시스템의 PPU-전 냉각기에 대한 냉각기 중복성의 필요성을 제거할 수 있다. 온-라인 냉각기가 문제를 경험하거나 또는 유지 보수를 필요로 하는 경우에 예비 냉각기가 기능하기 위해 온-라인으로 전환되는 것을 회피하는 것은 시스템의 자본 비용을 크게 감소시키고 이러한 시스템에 필요한 설치 공간을 감소시킬 수 있다. 일부 유형의 시설에서, 추가 냉각기 및 중복 냉각기의 설치가 회피될 수 있기 때문에 이는 상당한 자본 비용 절감을 제공할 수 있다. 일부 대형 ASU 시스템에서, 이러한 비용 절감은 최대 $500,000 또는 최대 수백만 달러 범위 내 일 수 있다. 일부 중소 규모 ASU 시스템에서, 비용 절감은 $100,000-$400,000 범위 내 일 수 있다.
PPU 및 흡착기의 실시예는 또한 ASU 시스템이, 흔히 더 낮은 흡착 재료 재생 온도를 갖는 다른 흡착 재료의 사용과 비교하여 더 높은 온도의 재생 가스를 요구할 수 있는 특별한 N2O 제거 층 없이 작동되는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 우리 흡착기의 실시예는, 300℃ 이상의 온도를 갖는 재생 가스의 사용을 요구할 수 있고 일부 유형의 흡착 재료(예를 들어, NaMSX 흡착 재료)보다 최대 30% 더 비쌀 수 있는 CaX 흡착 재료 층의 사용을 피할 수 있다. 따라서 이러한 실시예는 더 낮은 온도의 재생 가스 흐름을 필요로 하는 더 낮은 작동 비용을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, PPU의 각각의 흡착기는, 냉각기가 정상적으로 작동할 때 PPU로 공급되는 공기 내의 물의 95%-100% 또는 물의 99%-100%, CO2의 95%-100% 또는 CO2의 99%-100%, 및 N2O의 50%-100% 또는 N2O의 95-100%를 제거하도록 구성되며, 냉각기가 트립되어 오프라인이거나 또는 감소된 용량으로 작동할 때 PPU로 공급되는 공기 내의 물의 95%-100% 또는 물의 99%-100%, CO2의 95-100% 또는 CO2의 99%-100% 및 N2O의 20%-50%를 제거하도록 구성된 분자체 재료(예를 들어, 13, NaX, NaMSX, 알루미나, 실리카겔, 이들의 조합, 예컨대 물리적 혼합물뿐만 아니라 알루미나 및 분자체를 함유하는 복합 흡착제 등)를 포함하는 이것의 흡착 재료의 베드(bed)에 대해 재료의 단일 층을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 흡착기는, 냉각기가 트립된 상태에 있을 때 제거되는 N2O의 양이 냉각기에 공급되는 공기 내에 있는 N2O의 20%-50% 또는 10%-50%가 되도록 또는 PPU에 공급되는 공기 내에 있는 N2O의 50% 미만이 되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, PPU에 공급되는 공기 내의 N2O 함량이 0.4ppm인 상황에서, 냉각기가 트립된 상태에서 작동할 때, PPU로부터 출력되는 정화된 공기 내의 N2O 함량은 0.25ppm 내지 0.2ppm N2O의 범위, 0.25ppm 내지 0.32ppm N2O의 범위, 0.3-0.25ppm N2O의 범위, 또는 0.2ppm 내지 0.32ppm N2O의 범위 내에 있을 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각기가 정상적으로 작동할 때 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O의 함량은 0ppm 내지 0.015ppm의 범위 내, 0ppm 내지 0.2ppm, 0.015ppm 미만, 또는 0.03ppm 내지 0.015ppm의 범위 내일 수 있다.
다른 예로서, PPU에 공급되는 공기 내의 N2O 함량이 0.3ppm인 상황에서, 냉각기가 트립된 상태에서 작동할 때 PPU로부터 출력되는 정화된 공기 내의 N2O 함량은 0.15ppm 내지 0.0675ppm N2O 범위의 범위 내, 0.15 내지 0.3ppm N2O의 범위 내, 0.15 내지 0.24ppm N2O, 또는 0.27 내지 0.15 ppm N2O의 범위 내일 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각기가 정상적으로 작동할 때 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O의 함량은 0ppm 내지 0.015ppm의 범위 내, 0ppm 내지 0.15ppm, 0.015ppm 미만, 또는 0.03ppm 내지 0.015ppm의 범위 내일 수 있다.
PPU 및 흡착기의 실시예는, ASU 시스템이 상류측 PPU-전 냉각기 오작동 또는 PPU-전 냉각기의 트립 동안 전체 용량으로 작동하는 것을 허용할 수 있다. 이는, PPU에 공급될 압축 공기를 냉각하기 위해 온-라인으로 전환해야 하는 중복 냉각기의 사용을 요구하는 것을 피하는 것을 도울 수 있다. 이러한 작동 유연성은 자본 비용, 작동 비용 및 유지 보수 비용의 감소를 허용할 뿐만 아니라 ASU 시스템(1)에 대한 개선된 출력을 제공한다. 따라서 ASU 시스템의 운영자의 전체 수익성은, 우리의 흡착기의 실시예를 이용하는 흡수기를 갖는 PPU를 사용하는 ASU 시스템의 실시예의 사용에 의해 크게 향상될 수 있다.
공기 분리 유닛(air separation unit; ASU) 시스템의 사전-정화 유닛(pre-purification unit; PPU)에 대한 흡착기의 실시예는, 압축기 시스템과 열 교환기 사이에 연결가능한 용기 및 용기에 위치되는 흡착 재료의 베드를 포함할 수 있다. 흡착 재료의 베드는 PPU로 공급되는 압축 공기 흐름으로부터 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)를 제거하도록 구성될 수 있으며, 또한 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값 미만이 되도록 아산화질소(N2O)를 제거하도록 구성될 수 있다. 흡착 재료의 베드는, PPU-전 냉각기가, PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 것에 응답하여, PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하고 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만이 되도록 PPU가 전체 용량으로 작동할 수 있도록 구성될 수 있다.
흡착 재료의 제1 층은 특정 유형의 재료 또는 재료의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 층은 예를 들어 알루미나를 포함할 수 있다. 흡착 재료의 제2 층이 또한 특정 유형의 재료 또는 재료의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 흡착 재료의 제2 층은 예를 들어 NaX, NaLSX 또는 NaMSX를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 흡착 재료의 베드는 재료의 단일 층 또는 재료의 다수의 층들로 구조화될 수 있다.
제1 미리-선택된 임계값 범위 및 제2 미리-선택된 임계값 범위는 상이할 수 있고, 설계 기준의 특정 세트를 충족시킬 수 있는 다양한 허용 가능한 범위일 수 있다. 예를 들어, 제1 미리-선택된 임계값은 0-0.2ppm N2O의 범위 내에 있을 수 있고, 제2 미리-선택된 임계값은 0.2-0.32ppm N2O의 범위 또는 0.4ppm N2O 미만 및 0.2ppm N2O 초과의 범위 내에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 미리-선택된 임계값은 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 20%-100%가 공기로부터 제거되도록 선택될 수 있고, 제2 미리-선택된 임계값은 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 50% 미만이 공기로부터 제거되도록 선택될 수 있다.
압축 공기가 PPU에 공급되기 전에 압축 공기를 냉각하기 위해 PPU의 상류측에 있는 PPU-전 냉각기를 갖는 ASU 시스템의 PPU를 통해 공기를 정화하는 방법이 또한 제공된다. 이러한 방법의 실시예는, 흡착기의 용기 내의 흡착 재료의 베드를 통해 공기를 통과시키기 위해 PPU의 흡착기를 통해 공기를 통과시키는 단계 및, PPU-전 냉각기가, PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 것에 응답하여, PPU로부터 출력되는 공기 내의 아산화질소(N2O)가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하고 이산화탄소(CO2) 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만인 경우에도 ASU 시스템을 전체 용량으로 계속해서 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
흡착 재료의 베드는 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 베드는 1.0 밀리미터(mm) 내지 5 mm의 입자 크기 범위를 갖는 알루미나, 실리카 겔, 13X, NaX, NaLSX, NaMSX, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예는 다른 유형의 베드 재료 또는 다른 유형의 미립자 크기 범위를 사용할 수 있다.
방법의 실시예는 다른 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 PPU로부터 출력되는 공기 내의 CO2의 함량을 모니터링하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 실시예는, PPU-전 냉각기가 ASU 시스템에 대해 다시 온-라인 상태이고 PPU로부터 출력되는 공기가 더 이상 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 N2O를 포함하지 않은 이후에 PPU로부터 출력되는 공기 내의 과잉 N2O를 해결하기 위해 교정 액션을 취하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 교정 액션은 PPU-전 냉각기가 다시 온 라인 상태가 된 직후 또는 PPU-전 냉각기가 다시 온 라인 상태가 된 후 몇 달 또는 몇 년이 소요될 수 있는 일부 다른 유형의 액션 직후에 취해질 수 있다. 예를 들어, 교정 액션은, ASU 시스템이 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 N2O를 갖는 PPU로부터 출력되는 공기를 가지고 작동하는 시간의 지속 시간을 고려하기 위해 ASU 시스템에 대한 제상 간격을 단축하는 것을 포함할 수 있다. 제상 간격의 단축은, ASU 시스템의 제상이 발생하도록 스케줄링될 때까지의 시간의 양을 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 제1 및 제2 미리-선택된 임계값 범위는 설계 기준의 특정 세트를 충족시키도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 미리-선택된 임계값은 0-0.2ppm N2O의 범위 내에 있을 수 있고 제2 미리-선택된 임계값은 0.2-0.32ppm N2O의 범위 또는 다른 적절한 범위 내에 있을 수 있다. 다른 예로서, 제1 미리-선택된 임계값은 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 20%-100%가 공기로부터 제거되도록 선택될 수 있고, 제2 미리-선택된 임계값은 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 50% 미만이 공기로부터 제거되도록 선택된다.
방법의 실시예는, PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하고 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만인 경우에도 ASU 시스템을 전체 용량으로 계속해서 작동시키는 것이 미리-선택된 지속 시간 기간 동안 발생하는 것이 허용되도록 구현될 수 있다. 이러한 미리-선택된 시간의 지속 기간은 예를 들어 14일 이하, 7일 이하 또는 2일 이하의 시간 기간일 수 있다.
PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 경우에도 ASU 시스템을 전체 용량으로 계속 작동시키는 것은, PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정된 PPU-전 냉각기를 대체하기 위해 압축 공기가 PPU로 공급되기 이전에 압축 공기를 냉각하기 위해 작동되는 중복 PPU-전 냉각기 없이 수행될 수 있음이 이해되야 한다. 따라서 실시예는 플랜트(plant) 또는 ASU 시스템에 포함되어야 하는 중복 PPU 냉각기의 사용 없이 구현될 수 있다.
ASU 시스템의 실시예는 압축기 시스템으로부터 압축 공기를 수신하기 위해 압축기 시스템에 연결 가능한 PPU를 포함할 수 있다. PPU는 PPU를 통해 정화된 공기를 열 교환기로 공급하기 위해 열 교환기에 연결가능할 수 있다. PPU-전 냉각기는 압축기 시스템으로부터 출력되는 압축 공기를 냉각하고 냉각된 압축 공기를 PPU에 공급하기 위해 압축기 시스템과 PPU 사이에 위치될 수 있다. PPU는 흡착기(예를 들어, 위에서 논의된 흡착기)의 적어도 하나의 실시예를 포함할 수 있다. 예를 들어, PPU는 압축기 시스템과 열 교환기 사이에 연결가능한 용기를 포함할 수 있다. 흡착 재료의 베드는 용기에 위치될 수 있다. 흡착 재료의 베드는 공기로부터 물, 공기로부터 CO2 및 공기로부터 N2O를 제거하기 위해 흡착 재료의 적어도 하나의 층을 가질 수 있어서 PPU로부터 출력되는 공기가 제1 미리-선택된 임계값 미만의 N2O를 갖도록 할 수 있다. ASU 시스템은, PPU-전 냉각기가, PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 것에 응답하여, PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 경우에도 ASU 시스템이 전체 용량으로 작동할 수 있도록 구성될 수 있다.
ASU 시스템의 실시예는 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, ASU 시스템은 또한 열 교환기로부터 공기를 수신하도록 위치된 공기 분리 컬럼 어셈블리를 포함할 수 있다.
ASU 시스템의 실시예는, PPU로부터 출력되는 공기가 제1 미리-선택된 임계값보다 큰 제2 미리-선택된 임계값을 초과할 때까지, PPU-전 냉각기가, PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 것에 응답하여 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 경우에도 ASU 시스템이 전체 용량으로 작동할 수 있도록 구성될 수 있다. 제2 미리-선택된 임계값은 CO2 돌파 조건과 연관될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 미리-선택된 임계값은 0-0.2ppm N2O의 범위 내에 있을 수 있고 제2 미리-선택된 임계값은 0.2-0.32ppm N2O의 범위 또는 0.2ppm N2O 내지 0.4ppm N2O 미만인 범위 내에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 미리-선택된 임계값은 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 20%-100%가 공기로부터 제거되도록 선택될 수 있고, 제2 미리-선택된 임계값은 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 50% 미만이 공기로부터 제거되도록 선택된다. 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 미리-선택된 임계값은 설계 기준의 특정 세트를 수용하기 위해 다른 값으로 설정될 수 있다.
ASU 시스템의 실시예는, PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하고 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만인 경우에도 미리-선택된 지속 시간 기간 동안 전체 용량으로 작동하도록 구성될 수 있다. 이러한 시간 기간은 예를 들어 14일 이하, 7일 이하 또는 2일 이하일 수 있다.
ASU 시스템의 실시예는, PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 경우에도 전체 용량에서의 ASU 시스템의 작동이 발생하고, PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정된 PPU-전 냉각기를 대체하기 위해 압축 공기가 PPU로 공급되기 이전에 압축기 시스템으로부터의 압축 공기를 냉각하기 위해 작동되는 중복 PPU-전 냉각기 없이 수행될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 중복 예비 PPU-전 냉각기를 사용하지 않는 ASU 시스템이 사용될 수 있다.
우리의 공기 분리 시스템, 흡착기, 방사상 흡착기, 하나 이상의 흡착기를 사용하는 사전-정화 시스템 및 이를 제조하고 사용하는 방법의 다른 세부사항, 목적 및 이점은 이의 특정한 예시적인 실시예의 다음 설명이 진행됨에 따라 명백해질 것이다.
공기 분리 시스템, 흡착기, 방사상 흡착기, 하나 이상의 흡착기를 사용하는 사전-정화 시스템 및 이를 제조하고 사용하는 방법의 예시적인 실시예가 본원에 포함된 도면에 도시된다. 도면에서 사용된 유사한 참조 문자는 유사한 구성요소를 식별할 수 있음이 이해되어야 한다.
도 1은, 다른 흐름들(예를 들어 적어도 하나의 폐기물 흐름, 및/또는 아르곤, 및/또는 크립톤, 및/또는 크세논, 등)뿐만 아니라 산소 및/또는 질소 흐름들로 공기를 분리하기 위해 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)에 공급하기 위한 공기 흐름을 정화하는 사전-정화 시스템(3)의 예시적인 실시예를 사용하는 공기 분리 유닛(air separation unit; ASU) 시스템(1)의 제1 예시적인 실시예의 박스 도면이다. 일부 실시예에서, ASU 시스템(1)은 플랜트일 수 있거나 플랜트에서 사용될 수 있다.
도 2는 ASU 시스템(1)의 제1 예시적인 실시예의 사전-정화 시스템(3)의 사전-정화 유닛(107)의 제1 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 3은 ASU 시스템(1)의 제1 예시적인 실시예의 사전-정화 시스템(3)의 사전-정화 유닛(107)에 포함될 수 있는 흡착기(200)의 제1 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 4는 ASU 시스템(1)의 제1 예시적인 실시예의 사전-정화 시스템(3)의 사전-정화 유닛(107)에 포함될 수 있는 흡착기(200)의 제2 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 5는 ASU 시스템(1)의 제1 예시적인 실시예의 사전-정화 시스템(3)의 사전-정화 유닛(PPU)(107)에 포함될 수 있는 흡착기(200)의 제3 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6은 ASU 시스템(1)의 제1 예시적인 실시예에서 사용될 수 있는 예시적인 제어기의 블록도이다.
도 7은, 압축 공기가 PPU에 공급되기 전에 압축 공기를 냉각하기 위해 PPU의 상류측에 있는 PPU-전 냉각기를 갖는 공기 분리 유닛 시스템의 PPU를 통해 공기를 정화하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 8은, ASU 시스템(1)의 제1 예시적인 실시예에서 사용될 수 있고 또한 도 9에 도시된 PPU-전 냉각기(104)에서 예시적인 냉각 매체 냉각 시스템(cooling medium chilling system; CMCS)으로서 사용될 수 있는 예시적인 PPU-전 냉각기(104)의 블록도이다.
도 9는 ASU 시스템(1)의 제1 예시적인 실시예에서 사용될 수 있는 예시적인 PPU-전 냉각기(104)의 블록도이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면 플랜트는 공기 분리 유닛(air separation unit; ASU) 시스템(1)을 포함할 수 있다. ASU 시스템(1)은 하나 이상의 희망되는 생성물(예를 들어, 산소 가스, 및/또는 액체 산소, 및/또는 질소 가스, 및/또는 액체 질소, 및/또는 아르곤 가스, 및/또는 아르곤 액체, 및/또는 다른 유체 흐름, 등)을 제공하기 위한 하나 이상의 출력 흐름을 생성하기 위한 극저온 공기 증류 시스템으로서 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, ASU 시스템(1)은 플랜트일 수 있다. 다른 실시예에서, 플랜트는 더 큰 시설의 구성요소로서 ASU 시스템(1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, ASU 시스템(1)을 포함하는 플랜트는 산업용 발전소, 대규모 제조 시설 또는 다른 유형의 플랜트일 수 있다. 플랜트 또는 ASU 시스템(1)의 실시예는 플랜트 및/또는 ASU 시스템(1)의 작동을 모니터링 및/또는 제어하는 것을 돕기 위해 제어기를 사용할 수 있다.
ASU 시스템(1)은, 유체의 하나 이상의 생성물 흐름 및 유체의 하나 이상의 폐기물 흐름으로 공기를 분리하기 위해 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)에 공급하기 위해서 공기로부터 불순물을 제거하기 위해 공기의 흡입 흐름을 정화하도록 구성된 사전-정화 시스템(3)을 포함하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 생성물 흐름은 적어도 하나의 질소의 흐름 및/또는 적어도 하나의 산소의 흐름을 포함할 수 있고, 또한 아르곤, 크세논, 크립톤 또는 다른 공기 성분의 하나 이상의 흐름을 포함할 수 있다. 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)는 또한 유체의 하나 이상의 폐기물 흐름을 출력할 수 있다. 폐기물 흐름은 대기로 배출되거나 및/또는 하나 이상의 다른 플랜트 프로세스에서 사용될 수 있다.
공기 분리 컬럼 어셈블리(5)는, 고압 컬럼(111b) 위에 위치된 저압 컬럼(111a)을 포함하는 다중 컬럼 어셈블리(111)를 포함할 수 있다. 다중 컬럼 타워 배열에서 리보일러-응축기(reboiler-condenser)(111c)는 고압 컬럼(111b)과 저압 컬럼(111a) 사이에 위치될 수 있다. 고압 컬럼(111b)은 다중 컬럼 타워 어셈블리의 컬럼의 최고 압력에서 작동하는 다중 컬럼 어셈블리의 제1 컬럼으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 고압 컬럼(111b)은, 다중 컬럼 어셈블리의 제2 컬럼으로 간주될 수 있는 저압 컬럼(111a)의 작동 압력보다 높은 압력에서 작동할 수 있다.
일부 실시예에서, 저압 컬럼(111a)은 1.1 atm 내지 5 atm 사이, 1.1 atm 내지 3 atm 사이의 압력 또는 1 bar보다 크고 5 bar보다 작은 압력에서 작동할 수 있고, 고압 컬럼(111b)은 4.5atm 내지 15atm 사이의 압력 또는 4bar보다 크고 15bar보다 작은 압력에서 작동할 수 있다.
도 1로부터 가장 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 공기의 흡입 흐름(100)은 공기를 더 높은 미리-선택된 압력으로 압축하기 위해 압축기 시스템(103)을 통과할 수 있다. 압축 공기는 압축기 시스템(103)으로부터 출력될 수 있고 압축 공기 공급 도관을 통해 사전-정화 시스템(3)의 사전-정화 유닛(PPU)(107)으로 공급될 수 있다. PPU(107)는 공기로부터 불순물을 제거하기 위해 압축기 시스템(103)으로부터 출력된 공기의 압축된 흐름을 정화하도록 구성될 수 있다. PPU(107)는, 공기로부터, 예를 들어, 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 물(H2O), 탄화수소(예를 들어, 부탄, 에틸렌 등), 아산화질소(N2O)와 같은 바람직하지 않은 불순물을 제거하도록 설계된 흡착 시스템으로서 구성될 수 있다.
PPU-전 냉각기(104)는, 압축 공기가 PPU(107)에 공급되기 전에 미리-선택된 PPU 온도 또는 PPU 온도 범위 내의 온도로 압축 공기를 냉각하기 위해 압축기 시스템(103)과 PPU(107) 사이에 위치될 수 있다. PPU-전 냉각기(104)는 냉각기, 기계식 냉각기, 흡수식 냉각기 또는 다른 유형의 냉각기일 수 있다(또는 이를 포함할 수 있다). 냉각기는 쿨러(cooler)로도 지칭될 수 있음이 이해되어야 한다.
압축기 시스템(103)으로부터 출력되는 압축 공기의 온도는 10℃-25℃, 15℃-30℃, 또는 5℃-50℃의 범위 내에 있을 수 있다. PPU-전 냉각기(104)는 이러한 압축 공기 흐름을 5℃-15℃, 5℃-20℃, 또는 10℃ -20℃의 PPU 공급 온도 범위 내에 속하는 미리-선택된 PPU 공급 온도로 냉각하도록 구성될 수 있다. PPU에 공급되는 냉각된 압축 공기는 이러한 냉각된 온도 또는 온도 범위에 있을 수 있다. PPU-전 냉각기(104)가 트립되고 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환되거나 또는 감소된 용량으로 작동될 때, PPU(107)에 공급되는 압축 공기는 이러한 범위보다 높은 온도에서 PPU에 공급될 수 있다. 예를 들어, 압축 공기는, PPU-전 냉각기(104)가 (예를 들어, 본원에서 논의된 기계적 고장, 압축기 고장, 펌프 고장, 누설, 막힘 등으로 인해) 트립될때 10℃-25℃, 15℃ -30℃ 또는 5℃ -50℃ 범위의 온도에서 PPU(107)에 공급될 수 있다.
도 8 내지 도 9는 ASU 시스템(1)에서 사용될 수 있는 예시적인 PPU-전 냉각기(104)를 예시한다. PPU-전 냉각기는 압축기 시스템(103)으로부터 압축 공기(104a)의 출력 흐름을 수신하고 그 냉각된 압축 공기 흐름을 PPU(107)로 공급하기 위해 냉각된 압축 공기 흐름(104b)을 출력할 수 있다. 다른 유형의 흡수식 냉각기 또는 기계식 냉각기(예를 들어, 다중-단계 흡수식 냉각기, 다른 유형의 단일 단계 흡수식 냉각기, 단일 또는 다중 단계 기계식 냉각기 등)도 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 도 8 내지 도 9를 참조하면, PPU-전 냉각기(104)는 응축기, 생성기, 펌프(들)(예를 들어, 적어도 하나의 펌프), 압력 감소부(letdown)(예를 들어, 압력 감소 밸브), 흡수기, 및 증발기를 포함할 수 있다. 실시예는 또한 제1 펌프를 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 제2 펌프가 제1 펌프와 병렬로 작동하거나 또는 오작동, 오류 또는 유지 보수로 인해 제1 펌프가 오프 라인 상태가 될 때마다 온-라인 상태가 될 수 있는 2차 펌프로서 제공될 수 있다.
도 8의 예시적인 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 냉각기(104)는, 적어도 하나의 ASU 시스템 프로세스 스트림 또는 플랜트의 다른 스트림(PROCESS STREAM)이 PPU-전 냉각기(104)의 생성기에 공급되도록 구성될 수 있다. ASU 시스템 프로세스 스트림은, 예를 들어, 저압 증기(예를 들어, 8-10bar 압력의 증기 또는 10bar 이하의 증기, 800kPa 내지 1,000kPa 또는 1,000kPa 이하의 증기 등)일 수 있거나, 또는 뜨거운 액체 물(예를 들어, 가열되었지만 액체 상태인 물)일 수 있거나, 또는 유체의 폐기물 흐름(예를 들어, 가스화기로부터의 가열된 가스 등)일 수 있는 ASU 시스템(1)의 또 다른 유체의 흐름 섹션일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 냉각기(104)의 생성기에 공급되는 프로세스 스트림은 폐기물 스트림으로서 출력되는 중간 압력 증기 또는 고압 증기일 수 있다.
PPU-전 냉각기(104)는, 생성기가 냉매를 응축하기 위해서 응축기로 공급되는(CM IN) 응축기 매체 입구 유체를 응축하기 위해 고압 냉매 증기(HP REFRIGERANT VAPOR)를 응축기로 출력하도록 위치될 수 있다. 냉매는 물, 글리콜 또는 다른 적절한 냉매일 수 있다. 응축기 매체는 물, 주변 공기 또는 냉매 증기를 응축하기 위한 다른 유형의 유체 흐름일 수 있다. 응축된 응축기 매체는 ASU 시스템(1)의 다른 플랜트 유닛(예를 들어, 세척 타워 또는 냉각 매체가 물인 경우 저수조, 등)으로 전달되기 위해 응축기로부터 출력(CM OUT)될 수 있다. 고압 냉매 증기는 응축기를 통과할 때 액체로 응축되어 고압 냉매 액체(HP REFRIGERANT LIQUID)로 출력될 수 있으며, 이러한 고압 냉매 액체는 그런 다음 냉각기(104)의 증발기에 공급될 수 있는 저압 냉매 액체(LP REFRIGERANT LIQUID)가 되도록 냉매의 압력을 낮추기 위해 압력 감소부로 공급될 수 있다. 저압 냉매는, 증발기를 통과하는 냉매와 병류(co-current flow) 또는 역류(countercurrent flow)로 또한 증발기를 통과하는 압축 공기를 냉각하기 위한 쿨러에 대한 냉각 매체 또는 냉각기에 의해 냉각될 압축 공기(104a)의 흐름으로부터 냉매가 열을 흡수함에 따라 증발기에서 기화될 수 있다. 증발기에서 냉각된 압축 공기(104a)의 흐름은 PPU(107)로 공급하기 위한 냉각된 압축 공기(104b)의 흐름으로서 증발기로부터의 출력으로서 출력될 수 있다. 증발기로부터 출력되는 냉각된 냉각 매체의 흐름은 냉각된 냉각 매체 흐름(CMC)일 수 있다.
증발기로부터 출력되는 저압 냉매 증기(LP REFRIGERANT VAPOR)는 흡수기로 공급될 수 있다. 흡수기는 저압 냉매 증기가 이러한 용액을 흡수하도록 저압 농축 용액(LP CONC. SOLUTION)을 수신할 수 있으며, 그 결과 흡수기는 생성기에 공급하기 위한 고압 희석 용액(HP DILUTE SOLUTION)을 형성하기 위해 제1 펌프 또는 제2 펌프(예를 들어, 도 8에 도시된 펌프)에 공급하기 위한 냉매의 저압 희석 용액(LP DILUTE SOLUTION)을 출력할 수 있다.
생성기는, 생성기가 펌프(들)를 통해 수신하는 고압 희석 용액으로부터 고압 냉매 증기를 형성하기 위해 적어도 하나의 프로세스 스트림(PROCESS STREAM)의 열을 사용하도록 구성될 수 있다. 생성기는 또한, 저압 농축 용액(LP CONC. SOLUTION)이 냉각기의 냉매 회로의 일부로서 흡수기에 공급될 수 있도록 압력 감소부로 공급하기 위한 고압 농축 용액(HP CONC. SOLUTION)을 출력할 수 있다.
PPU-전 냉각기(104)의 증발기는 단일 단계 냉각기 또는 다중 단계 냉각기로서 배열되고 구성될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, PPU-전 냉각기(104)는 ASU 시스템(1)의 다른 프로세스 흐름을 냉각하도록 구성된 다른 단계를 갖는 다중 단계 냉각기일 수 있다. 다른 예로서, PPU-전 냉각기는, PPU(107)로 공급될 냉각된 압축 공기 흐름(104b)을 출력하기 전에 압축 공기(104a)의 출력 흐름을 여러 단계로 냉각하는 단일 또는 다중 단계 냉각기일 수 있다.
본원에서 논의된 바와 같이, PPU-전 냉각기(104)는, PPU(107)에 공급될 냉각된 압축 공기 흐름(104b)을 출력하기 위하여 해당 공기를 냉각하기 위해 압축 공기(104a)의 출력 흐름과 접촉하기 위해 냉각 매체 냉각 시스템(CMCS)으로부터 냉각된 물 또는 다른 냉각 매체를 수신하는 직접 접촉 쿨러(DCAC)를 포함하도록 구성될 수 있다. CMCS의 예는 도 8에 도시된다. 기계식 냉각기가 또한 CMCS로 사용될 수 있다.
PPU-전 냉각기(104)가 냉각 매체 냉각 시스템(CMCS)으로부터 냉각된 물 또는 다른 냉각 매체를 수신하는 직접 접촉 쿨러(DCAC)를 포함하도록 구성될 수 있는 실시예에서, PPU-전 냉각기(104)의 증발기는, PPU-전 냉각기(104)의 직접 접촉 쿨러에서의 반복되는 사용을 위해 재활용되기 전에 해당 냉각 매체를 냉각하기 위해 PPU-전 냉각기(104)의 직접 접촉 쿨러(DCAC)의 가온된(warmed) 물 또는 다른 냉각 매체(CMW)를 냉각할 수 있다. 냉각된 냉각 매체(CMC)는 PPU-전 냉각기(104)의 냉각 매체 냉각 시스템(CMCS)으로부터 출력될 수 있다.
PPU-전 냉각기(104)는, 냉각기에 걸친 온도 차이가 프로세싱 설계 기준 파라미터의 특정 세트를 충족시킬 수 있도록 설계될 수 있다. 이러한 파라미터는, 압축 시스템(103)에서 수신되는 공급 공기의 주변 온도, 공급물의 CO2 농도 등과 같은 프로세싱 조건에 기초하여 희망되는 바와 같을 수 있다. PPU-전 냉각기(104)는, PPU-전 냉각기가 제1 냉각기-전 온도(예를 들어, 5℃ -50℃ 또는 10℃ -25℃, 등의 범위 내의 온도)일 수 있는 압축 공기(104a)의 출력 흐름을 수신하고 제1 미리-선택된 PPU 온도(예를 들어, 5℃ -20℃, 5℃ -15℃ 또는 10℃ -20℃, 등의 범위 내의 온도)로 PPU(107)로 공급될 냉각된 압축 공기 흐름(104b)을 출력할 수 있도록 구성될 수 있다.
정화된 압축 공기는 PPU(107)로부터 출력될 수 있고 열 교환기 공급 도관을 통해 메인 열 교환기(109)로 공급될 수 있다. 메인 열 교환기(108)로 공급되기 전에, 정화된 압축 공기는 PPU(107)로부터 출력되는 정화된 압축 공기의 적어도 일부를 더 높은 압력으로 추가로 압축하기 위해 PPU(107)로부터 부스터 압축기(108)로 공급될 수 있다. 이러한 실시예에서, PPU(107)로부터 출력되는 압축된 정화된 공기의 전체가 추가 압축을 겪을 수 있거나 또는, 흐름이 분할되어 PPU(107)로부터 출력되는 압축되고 정화된 공기의 제1 부분은 메인 열 교환기(109)로 직접 공급되는 반면 PPU(107)로부터 출력되는 공기의 제2 부분은 제2 부분이 메인 열 교환기(109)로 공급되기 이전에 부스터 압축기로 공급되어 더 높은 압력으로 추가로 압축될 수 있다. 부스터 압축기 공급 도관 및 부스터 압축기 출력 도관은 PPU(107)로부터 부스터 압축기(108)로의 유체의 공급 및 부스터 압축기(108)로부터 메인 열 교환기(109)로의 추가로 압축된 공기의 출력을 용이하게 하도록 배열될 수 있다.
다른 실시예에서, 부스터 압축기(108)는 이용되지 않을 수 있고 PPU(107)로부터 출력되는 전체 공기가 메인 열 교환기 공급 도관을 통해 메인 열 교환기(109)로 공급될 수 있다.
메인 열 교환기(109)는 압축되고 정화된 공기를 냉각하도록 구성될 수 있다. 냉각은 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)로부터 출력되는 유체의 하나 이상의 흐름을 통해 제공될 수 있다. 예를 들어, 질소 유체 및/또는 산소 유체의 하나 이상의 흐름이 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)로부터 출력될 수 있으며, 따라서 하나 이상의 유체 흐름은 압축되고 정화된 공기를 냉각하기 위한 냉각 매체로서 기능하기 위해 메인 열 교환기(109)를 통과한다. 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)로부터의 유체의 흐름은 질소의 적어도 하나의 흐름 및 산소의 적어도 하나의 흐름(예를 들어, 액체 산소(liquid oxygen; LOX)의 흐름)을 포함할 수 있다. 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)로부터 출력되는 유체의 이러한 흐름은, 흐름이 메인 열 교환기(109)를 통과할 때 압축되고 정화된 공기에 의해 가온될 수 있다. 예를 들어, LOX 흐름이 냉각 매체로서 메인 열 교환기(109)에 공급되는 실시예에서, 이러한 LOX 흐름은 가스 산소(gaseous oxygen; GOX) 흐름으로서 메인 열 교환기(109)로부터 출력되도록 가열될 수 있다.
냉각된 공기는 적어도 하나의 공기 분리 컬럼 어셈블리 공급 도관을 통해 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)에 공급되기 위해 메인 열 교환기(109)로부터 출력될 수 있다. 압축되고 정화된 공기의 제1 부분은 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)의 고압(high pressure; HP) 컬럼(111b)으로 공급될 수 있다. 이러한 제1 부분의 일부는 공급 공기의 제3 부분을 형성하기 위해 이로부터 분할될 수 있다. 이러한 제3 부분은, 제3 부분의 압력을 감소시키고 또한 공기의 이러한 부분의 온도를 감소시키기 위해 메인 열 교환기(109)로부터 출력되어 팽창기(110)에 공급될 수 있다. 그런 다음, 공기의 제3 부분은 팽창기(110)로부터 공기 분리 컬럼 어셈블리(5)의 저압(low pressure; LP) 컬럼(111a)으로 공급될 수 있다.
압축되고 정화된 공기의 제2 부분(부스터 압축기(108)을 통해 추가로 압축될 수 있는 부분)이 또한 메인 열 교환기로부터 출력되어 LP 컬럼(111a)에 공급될 수 있다. 물론, 부스터 압축기(108)를 사용하지 않는 실시예에서, 이러한 공기의 제2 부분은 존재하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 메인 열 교환기(109)에 공급되는 압축되고 정화된 공기의 제1 부분의 분할을 통해 팽창기(110)에 공급되는 공기의 제3 부분이 사용되는 경우, 이러한 제3 부분은 제3 부분 대신에 공기의 제2 부분으로 간주될 수 있다.
HP 컬럼(111b)은, 제1 리보일러-응축기(111c)에 공급되는 제1 HP 질소-풍부 증기 스트림을 형성하기 위해 HP 컬럼(111b)에 공급되는 정화되고 가압된 공기의 냉각된 제1 부분을 프로세싱하도록 위치되고 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, HP 질소-풍부 증기 스트림은 100-99 부피 퍼센트(부피%)의 질소 또는 적어도 95 부피%의 질소를 포함할 수 있다.
HP 컬럼(111b)은 또한 제1 HP 산소-풍부 스트림을 형성할 수 있다. HP 산소-풍부 스트림은 액체, 증기 또는 액체 및 증기의 조합인 유체일 수 있다. 일부 실시예에서, HP 산소-풍부 스트림은 30-40 부피%의 산소, 및 1-3 부피%의 아르곤 및 나머지의 질소(예를 들어, 69-57 부피%의 질소)를 포함할 수 있다.
제1 HP 질소-풍부 증기 스트림은, 적어도 하나의 밸브 또는 다른 흐름 분할 메커니즘을 포함하는 도관 배열을 통해 다수의 부분으로 분할될 수 있는 HP 응축물 흐름을 형성하기 위해 리보일러-응축기(111c)로 공급될 수 있다. 예를 들어, HP 응축물 흐름의 제1 부분은 제1 리보일러-응축기(121)로부터 출력되고 그 후에 HP 환류 스트림 도관을 통해 HP 환류 스트림으로서 HP 컬럼(111b)으로 다시 재순환될 수 있다.
HP 응축물 흐름의 제2 부분은 리보일러-응축기(111c)로부터 출력되고 그런 다음 과냉각기(subcooler) 공급 도관을 통해 과냉각기(115)로 공급될 수 있다. 이러한 제2 부분이 과냉각기(115)로부터 LP 컬럼(11a)으로 연장되는 질소-풍부 LP 공급 도관을 통해 LP 컬럼(111a)에 공급되는 질소-풍부 LP 공급물로서 LP 컬럼(111a)에 공급하기에 적합한 더 낮은 온도에 있도록, 과냉각기(115)는 HP 응축물 흐름의 제2 부분을 냉각할 수 있는 열 교환기일 수 있다. HP 응축물 흐름의 제2 부분은 (예를 들어, 과냉각기(115)로부터 연장되는 질소-풍부 LP 공급 도관의 밸브를 통해 및/또는 이러한 도관에 포함된 압력 감소 메커니즘을 통해) LP 컬럼에 공급하기 위해 압력이 감소될 수 있다. 질소-풍부 LP 공급물은 실질적으로 질소-풍부 액체 공급물(예를 들어, 전체적으로 액체일 수 있거나, 적어도 90 부피%의 액체일 수 있거나, 적어도 80 부피%의 액체일 수 있는, 등)일 수 있다.
제1 HP 산소-풍부 스트림은 냉각을 겪기 위해 과냉각기(115)에 공급될 수 있다(미도시). 대안적으로, 제1 HP 산소-풍부 스트림은 과냉각기(115)를 통한 이러한 냉각을 생략할 수 있다. 일부 실시예에서, HP 컬럼(111b)으로부터 출력되는 HP 산소-풍부 스트림이 압력 감소 메커니즘(예를 들어, 팽창기, 밸브 등)을 통해 압력이 감소되고 후속적으로 LP 컬럼(111a)에 대한 실질적으로 액체 산소-풍부 공급물로서 LP 컬럼(111a)에 공급될 수 있도록, 제1 HP 산소-풍부 스트림은 HP 컬럼(111b)으로부터 연장되는 HP 산소-풍부 스트림 도관을 통과할 수 있다.
LP 컬럼(111a)에 대한 환류는, 과냉각기(115)로부터 LP 컬럼(111a)으로 연장되는 질소-풍부 LP 공급 도관을 통해 LP 컬럼(111a)에 공급되는 질소-풍부 LP 공급물을 통해 제공될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 이러한 질소-풍부 LP 공급물은 리보일러-응축기(111c)로부터 출력되는 HP 응축물 흐름의 제2 부분을 통해 형성될 수 있다. LP 컬럼(111a)에 공급되는 산소-풍부 공급물 중 하나 이상을 통해 추가 액체가 제공될 수 있다.
LP 컬럼(111a) 내의 증기(또는 가스)가 LP 컬럼(111a)에 공급되는 액체에 대한 역류 흐름으로 흐를 수 있도록(예를 들어, 상승하는 증기가 LP 컬럼(111a)에서 위쪽으로 흐를 때 질소-풍부 LP 공급물이 아래쪽으로 흐를 수 있도록), LP 컬럼(111a)에 대한 상승하는 증기 또는 컬럼 비등(boil up)이 또한 리보일러-응축기(111c)를 통해 형성되고 LP 컬럼(111a)으로 공급될 수 있다.
LP 컬럼(111a)은 유체의 다수의 분리된 흐름을 출력하도록 작동할 수 있다. 유체의 이러한 흐름 중 일부는, 주로 질소 가스 및/또는 질소 액체로 구성될 수 있는 유체의 질소 폐기물 흐름(예를 들어, 하나 이상의 질소-풍부 폐기물 흐름)으로 간주될 수 있다. 예를 들어, LP 컬럼(111a)은 상부 증기 폐기물 스트림 및 제1 LP 산소-풍부 액체 스트림을 출력하도록 작동할 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, LP 컬럼(111a)은 또한 상단 질소-풍부 증기 출력 스트림(미도시), 제1 아르곤-풍부 증기 스트림(미도시), 뿐만 아니라 하나 이상의 다른 출력 흐름을 출력할 수 있다.
상부 증기 폐기물 스트림은, 리보일러-응축기(111c)로부터 출력되고 과냉각기 공급 도관을 통해 과냉각기(115)로 공급되는 HP 응축물 흐름의 제2 부분을 냉각하기 위한 냉각 매체로 기능하기 위해 LP 컬럼(111a)으로부터 출력되고 과냉각기(115)에 공급될 수 있다. 이러한 폐기물 증기 스트림은 그런 다음, 대기로 배출될 수 있거나 또는 달리 (예를 들어, 연료 가스와 혼합하기 위해 또는 플랜트에서 후속 사용을 위해 다른 열 교환기를 통과하기 위해) ASU 시스템(1)이 연결될 수 있는 플랜트에서 사용될 수 있는 폐기물 스트림으로서 메인 열 교환기(109)로부터 출력되기 이전에, 그 안에서 또한 냉각 매체로서 기능하기 위해 과냉각기(115)로부터 출력되어 메인 열 교환기(109)로 공급될 수 있다.
LP 컬럼(111a)으로부터 출력된 제1 LP 산소-풍부 액체 스트림은, 냉각 매체로서 기능하기 위해 메인 열 교환기(109)에 공급되기 전에 이러한 흐름의 압력을 증가시키기 위해 펌프(117)에 공급될 수 있다. 가온된 산소-풍부 스트림은 일부 실시예에서 GOX 스트림으로서 메인 열 교환기로부터 출력될 수 있다.
도 2로부터 가장 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 사전-정화 시스템(3)의 PPU(107)는 다수의 흡착기(200)를 포함할 수 있다. PPU(107)의 각각의 흡착기(200)는 흡수를 통해 PPU(107)에 공급되는 압축 공기로부터 다수의 목표 요소를 제거할 수 있는 흡착 재료(예를 들어, 촉매 재료 )의 층을 포함할 수 있다. PPU(107)의 흡착기는 제1 흡착기(107a) 및 제2 흡착기(107b)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 흡착기(107a, 107b)는 각각 방사상 흡착기, 수직 흡착기, 수직 교차 흐름 흡착기 또는 수평 흡착기로 구성될 수 있다. 일부 배열에서, 방사상 흡착기는, 공급물 흐름이 하단 또는 흡착기 용기로부터 들어오고 출력 흐름이 상단 또는 용기 밖으로 출력되도록, 또는 공급물 흐름이 하단 또는 흡착기 용기로부터 들어오고 출력 흐름은 용기의 하단 밖으로 전달되도록 구성될 수 있다. PPU(107)는 흡착기(200)의 배열을 사용할 수 있으며, 따라서 흡착기들은 열 스윙 흡착 프로세스 및/또는 압력 스윙 흡착 프로세스를 사용하도록 구성된다.
제1 및 제2 방사상 흡착기(107a, 107b)는 병렬로 작동하도록 PPU(107) 내에 배열될 수 있다. 제1 흡착기(107a)가 PPU(107)로 공급되는 공기로부터 목표 물질을 흡착함으로써 정화 프로세스를 수행하고 있는 온-스트림 상태일 때, 제2 흡착기(107b)는 제2 흡착기가 흡착기(200)의 흡착 재료의 베드(221)의 재생을 위한 열 재생을 겪을 수 있도록 정화에 대해 오프-스트림 상태일 수 있다.
제2 흡착기(107b)가 PPU(107)로 공급되는 공기로부터 목표 물질을 흡착함으로써 정화 프로세스를 수행하고 있는 온-스트림 상태일 때, 제1 흡착기(107a)는 제1 흡착기가 흡착기(200)의 흡착 재료의 베드(221)의 재생을 위한 열 재생을 겪을 수 있도록 오프-스트림 상태일 수 있다. 재생 가스 흐름은, 그 안에 흡착된 불순물이 방출되고 재생 가스를 통해 흡착기에서 출력되도록 재료를 가열함으로써 흡착기의 흡착 재료를 재생하기 위해 PPU(107)의 오프-스트림 상태의 흡착기(들)에 공급될 수 있다.
PPU(107)는, (예를 들어, 제1 흡착기가 온-스트림 상태일 때 제2 흡착기가 오프-스트림 상태일 수 있는 경우 그리고 그 반대의 경우에) 그들의 온-스트림 상태들과 그들의 오프-스트림 상태들 사이에서 병렬 흡착기들을 전환하기 위해 (예를 들어, 밸브 위치 변경 등을 통해) 제1 또는 제2 흡착기로의 유체의 입력이 변경되도록 구성될 수 있다. 재생 가스 흐름은 LP 컬럼(111a)으로부터 출력되는 폐기물 흐름을 통해 획득되는 가스이거나 또는 플랜트 또는 ASU 시스템(1)의 다른 소스로부터의 가스일 수 있다.
일부 실시예에서, 직렬로 작동할 수 있는 다수의 제1 흡착기들이 존재할 수 있으며, 또한 압축 공기의 정화를 위해 직렬로 또는 다른 유형의 배열로 작동하는 다수의 제2 흡착기들이 존재할 수 있다. 이는, 제1 및 제2 흡착기(107a, 107b)의 도 2의 개략적인 예시에서 제공된 개략적인 표현으로부터 이해될 수 있다. 이러한 실시예에 대해, 다수의 제1 흡착기들은, 유체가 각각의 제1 흡착기를 차례로 통과하도록 또는 PPU(107)를 통해 정화될 유체의 분할 부분들이 제1 흡착기들이 그들의 온-스트림 상태에 있을 때 각각의 제1 흡착기를 통과하도록 배열될 수 있다. 유사하게, 다수의 제2 흡착기들은, 유체가 각각의 제2 흡착기를 차례로 통과하도록 또는 PPU(107)를 통해 정화될 유체의 분할 부분들이 제2 흡착기들이 그들의 온-스트림 상태에 있을 때 각각의 제2 흡착기를 통과하도록 배열될 수 있다. 제1 및 제2 흡착기(107a, 107b)의 이러한 배열은, 제1 흡착기(107a)가 온-스트림 상태에 있는 동안 제2 흡착기(107b)가 오프-스트림 상태에 있는 것 및 그 반대의 경우를 가능하게 하도록 구성될 수 있다.
PPU(107)의 각각의 흡착기(200)(예를 들어, 제1 흡착기(107a), 제2 흡착기(107b) 등)는 흡착 재료의 하나 이상의 층을 포함하는 용기 내에 유지되는 흡착 재료의 베드(221)를 포함할 수 있다. 흡착 재료의 제1 베드(221)의 제1 흡착 층은 주변 수분을 선택적으로 제거하기 위해 조성, 층 두께, 입자 크기, 기공 부피, 밀도, 및/또는 화학적 구조(예를 들어, 양이온이 제올라이트 프레임워크에 연결되는 방식)을 통해 구성될 수 있으며 또한 CO2 및/또는 다른 불순물을 제거할 수 있고, 제1 베드(221)의 제2 흡착 층은, 흡착기(200)가 온-스트림 상태에 있을 때 PPU(107)로 공급되는 압축 공기로부터 이산화탄소(CO2), 산화질소(N2O), 중질 탄화수소 및/또는 다른 유체 성분을 선택적으로 제거하기 위해 조성, 층 두께, 입자 크기, 기공 부피, 밀도, 및/또는 화학적 구조(예를 들어, 양이온이 제올라이트 프레임워크에 연결되는 방식) 등을 통해 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 흡착기 용기는, 흡착기(200)가 온-스트림 상태일 때 PPU(107)에 공급되는 압축 공기로부터 수분, CO2, N2O, 중질 탄화수소 및/또는 다른 유체 성분을 제거하기 위한 흡착 재료 또는 흡착 재료의 조합을 포함할 수 있는 단일 층(231)을 가질 수 있다.
흡착기(200)가 오프-스트림 상태에 있을 때, 흡착기가 흡착기 내에서 흡착 재료의 하나 이상의 층을 재생하기 위해 재생 프로세스를 겪을 수 있음이 이해되어야 한다. 온-스트림 상태로 복귀했을 때, 흡착기는, 재료의 재생이 유체 흐름으로부터의 목표 물질의 흡착을 위한 재료의 원래 상태에 가깝거나 또는 원래 상태에 있는 상태로 해당 재료를 복귀시킬 수 있기 때문에 재료(예를 들어, 흡착 재료)의 하나 이상의 층의 재생으로 인해 개선된 효율성을 가지고 작동할 수 있다.
적어도 일부 실시예에서, 재생 가스 흐름은, 흡착기가 온-스트림 상태일 때 흡착기의 용기를 통과하는 유체의 흐름 경로(210)의 반대인 흐름 경로를 따라 흡수기(200)의 용기(203)를 통과할 수 있다. 이러한 실시예에 대해, 온-스트림 상태 동안의 용기의 입구(201)는 재생 가스에 대한 출구로 기능할 수 있고, 온-스트림 상태 동안의 용기의 출구(202)는 재생 가스에 대한 입구로 기능할 수 있다.
PPU(107)는, 압축기 시스템(103)의 하나 이상의 압축기로부터 출력되는 압축 공기가 그런 다음 PPU(107)의 하나 이상의 온-스트림 흡착기(200)를 통한 공기의 정화를 위해 압축기 시스템(103) 또는 PPU-전 냉각기(104)(사용될 때)로부터 연장되는 적어도 하나의 도관을 통해 PPU(107)의 흡착기(들)(200)로 공급될 수 있도록 배열될 수 있다.
압축 공기는 PPU(107)의 각각의 온-스트림 흡착기의 흡착 베드를 통과하며, 주변 수분, CO2, N2O, 수소, 일산화탄소, 중탄화수소 성분 등과 같은 유체 스트림의 바람직하지 않은 성분이 완전히 또는 부분적으로 제거될 수 있다. 정화된 공기는, 예를 들어, 위에서 논의된 바와 같이 메인 열 교환기(109)에 공급되도록 PPU(107)로부터 출력될 수 있다.
PPU(107)의 작동에 대해, CO2는 압축 공기의 정화를 모니터링을 위한 압축 공기의 제어 요소로서 사용될 수 있다. 온-스트림 상태의 흡착기(들)의 흡착 재료가 포화되어 온-스트림 상태의 흡착기(들)를 오프-스트림 상태로 전환하는 동시에 또한 오프-스트림 상태의 흡착기(들)를 온-스트림 상태로 전환할 때를 결정하기 위해 분석기 또는 다른 유형의 센서가 PPU(107)로부터 출력되는 정화된 공기의 CO2 함량을 검출하기 위해 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 분석기는 흡착기(200)의 출구(202)와 연통하도록 위치될 수 있거나 또는, 정화된 공기가 PPU(107)로부터 출력되고 열 교환기(109)로 공급될 때 통과하는 도관에 위치될 수 있다.
온-스트림 상태의 흡착기(들) 및 오프-스트림 상태의 흡착기(들)의 전환은, PPU(107)로부터 출력되는 정화된 공기의 CO2 함량이 미리-선택된 임계값 이상인 것을 검출하는 것에 응답하여 트리거될 수 있다. 다른 실시예에서, PPU(107)로부터 출력되는 정화된 공기 내의 상이한 불순물의 농도 또는 다수의 상이한 불순물들의 농도가 PPU(107)의 온-스트림 상태 및 오프-스트림 상태의 흡착기들의 전환을 트리거하기 위해 사용될 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 5에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 각각의 흡착기(200)의 용기(203)는, 정화될 공기가 흡착 재료의 층들을 통과하기 위하여 용기(203)의 챔버의 상이한 흡착 재료 영역들 사이를 통과하기 위해 도 3, 도 4 및 도 5에서 화살표를 통해 예시된 획정(define)된 흐름 경로(210)를 따라 용기를 통과하도록 구조화될 수 있다.
도 3 내지 도 4로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 방사상 흡착기(200)의 용기는 흡착을 통해 정화될 압축 공기를 수신하는 입구(201) 및 출구(202)를 포함할 수 있다. 입구(201)는 용기의 측면에 또는 용기(203)의 헤드에 있는 용기(203)의 입구 단부에 위치될 수 있다. 출구(202)는 용기의 단부에 또는 용기의 측면에 있을 수 있다. PPU(107)의 흡착기(200)는 입구(201)와 출구(202) 사이의 용기(203) 내의 공기 흐름을 위한 상이한 흐름 경로(210)를 획정하기 위해 상이한 구성을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 3으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 입구(201)는 용기의 외부 환형 도관 구조체(208)와 유체 연통할 수 있으며, 출구(202)는 내부 도관 구조체(206)와 유체 연통할 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에 대해, 온-스트림 상태에서 작동할 때 흡착기(200)의 용기(203) 내에 획정될 수 있는 흐름 경로(210)는 다음을 포함할 수 있다:
(i) 공기는 흐름 경로(210)의 제1 흐름 세그먼트를 따라 입구(201)로부터 용기(203) 내로 전달되며,
(ii) 그런 다음, 공기는 흐름 경로(210)의 제2 흐름 세그먼트를 따라 공기에 대한 초기 유체 공급 경로를 획정하는 제1 외부 환형 도관(208)을 통과하고,
(iii) 그런 다음, 공기는 흐름 경로(210)의 제3 흐름 세그먼트를 따라 재료의 제1 층(205)을 통과하며,
(iv) 그런 다음, 공기는, 흐름 경로(210)의 제4 흐름 세그먼트를 따라, 제1 층(205)의 하류측에 위치된(예를 들어, 수직으로 배향된 용기에 대해 제1 층 위에 또는 수평으로 배향된 용기에 대해 제1 층의 하류측의 제1 층의 하류측 측면에 위치된) 재료의 제2 층(207)을 통과하고,
(v) 그런 다음, 공기는 흐름 경로(210)의 제5 흐름 세그먼트를 따라 재료의 제2 층(207)으로부터 제1 내부 도관(206)으로 전달되며, 그리고
(vi) 그런 다음, 공기는, 해당 공기가 재료의 제1 층 및 제2 층(205 및 207)을 통과하고 이와 접촉한 이후에 용기(203)로부터 정화된 공기를 출력하기 위한 흐름 경로(210)의 제6 흐름 세그먼트를 따라 제1 내부 도관(206)으로부터 출구(202)로 전달된다.
제1 외부 환형 도관(208)은 입구(202)로부터 공기를 수신하기 위한 적어도 하나의 입구 개구부 및 제1 외부 환형 도관(208)으로부터 재료의 제1 층(205)으로 유체를 전달하기 위한 재료의 제1 층(205)의 외부 측면에 인접한 적어도 하나의 출구 개구부를 가질 수 있다.
제1 내부 도관(206)은, 재료의 제2 층(207)으로부터 출구(202)로 공기를 출력하기 위하여 해당 층으로부터 공기를 수신하기 위해 재료의 제2 층(207)의 내부 측면에 인접한 하나 이상의 개구부와 유체 연통하는 내부 채널을 갖는 도관일 수 있다.
제1 내부 도관(206) 및 제1 외부 환형 도관(208)은, 각각 용기(203)의 공동 또는 챔버 내의 흐름 경로(210)의 흐름 세그먼트를 따라 유체를 가이드하기 위한 유체(예를 들어, 공기)에 대한 통로를 획정할 수 있는 용기(203)의 공동 또는 챔버 내의 도관-유형 구조체로서 각각 구조화될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 제1 외부 환형 도관(208)은, 입구(201)로부터 재료의 제1 층(205)으로 유체를 가이드하기 위해 흡착 재료 베드(221)의 재료의 제1 층(205)의 외부 측면과 입구(201) 사이에서 연장되는 환형 형상으로 획정될 수 있다. 내부 도관(206)은 흡착 재료 베드(221)의 재료의 제2 층(207)의 내부 측면으로부터 출구(202)로 공기를 가이드하도록 위치된 내부 도관일 수 있다.
재료의 제1 층(205)은 용기(203)의 제1 리셉터클(receptacle) 내에 위치될 수 있으며, 용기(203)의 제2 리셉터클 내에 유지되는 재료의 제2 층(207)의 제2 재료와는 상이한 제1 재료를 포함할 수 있다. 흡수기가 온-스트림 상태에서 작동할 때, 재료의 제1 층(205)은 상류측 층(upstream layer; UL)으로 간주될 수 있고 재료의 제2 층(207)은 하류측 층(downstream layer; DL)으로 간주될 수 있다.
재료의 각각의 층은 유체가 리셉터클 안팎으로 통과하는 것을 허용하기 위한 하나 이상의 구멍을 갖는 리셉터클에 유지될 수 있다. 하나 이상의 구멍은 일부 실시예에서 리셉터클의 하나 이상의 스크린 요소에 의해 획정될 수 있다. 재료의 층을 유지하는 각각의 용기는, 하나 이상의 스크린, 메시, 다수의 구멍을 갖는 적어도 하나의 플레이트, 또는 리셉터클의 적어도 일부를 획정하기 위해 특정한 미리-선택된 기하구조를 갖는 재료의 적어도 하나의 천공된 멤브레인(membrane)을 포함할 수 있다. 각각의 리셉터클은 또한, 용기(203) 내의 희망되는 위치에 재료의 층을 유지할 수 있으면서 또한 흐름 경로(210)를 따른 공기의 통과를 위해 제1 외부 도관(208)을 제1 내부 도관(206)과 유체적으로 연결하기 위해 공기가 층의 안팎으로 통과하는 것을 허용할 수 있는 다른 유형의 리셉터클 구조체일 수 있다.
제1 및 제2 층(205, 207)의 재료는 상이한 유형의 미립자 재료(예를 들어, 제올라이트 재료, 촉매 재료, 흡착 재료 등)일 수 있다. 재료의 제1 층(205)은 알루미나 및/또는 실리카 또는 적어도 물 및 CO2의 흡착을 위한 다른 재료를 포함할 수 있다. PPU-전 냉각기(104)가 트립되지 않은 상태(예를 들어, 정상 작동 상태)에서 작동할 때 ASU 시스템(1)의 정상 작동 동안, 재료의 제1 층은 공기로부터 이러한 불순물을 우선적으로 제거하기 위해 주로 물 및 CO2를 흡착하도록 설계된 재료를 포함할 수 있으며, 따라서 CO2 및 물의 전부 또는 거의 전부는 흡착 재료 베드(22)의 이러한 재료의 제1 층(205) 내에서 공기로부터 제거된다.
재료의 제2 층(207)의 재료는 분자체 흡착 재료일 수 있다. 재료의 제2 층의 이러한 재료는 13X, NaX, NaMSX, NaLSX, 및/또는 다른 분자체 재료를 포함할 수 있다. 재료의 제2 층 또는 흡착 재료 베드(221)의 재료는, 공기가 재료의 제1 층(205) 또는 흡착 재료 베드(221)의 다른 상류측 부분을 통과한 후에, 공기로부터 중탄화수소(예를 들어, 부탄, 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌 등), N2O, CO, 뿐만 아니라 임의의 남아 있는 물 및/또는 CO2를 흡착하도록 구성될 수 있다. 재료의 제2 층(207)의 재료는, 이러한 불순물이 공기로부터 제거되어 흡착기로부터 출력되는 공기가 물 및 CO2를 갖지 않거나 또는 미리-선택된 CO2 임계 레벨 및 미리-선택된 물 임계 레벨 미만의 매우 낮은 레벨의 물 및 CO2를 갖는다는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 공기로부터 CO2 및 남아 있는 물을 우선적으로 제거하도록 구성될 수 있다. 이러한 레벨은 공기 내의 N2O를 제1 미리-선택된 임계값 이하로 유지하는 것에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, PPU(107)에 공급된 공기로부터 제거된 N2O는공급 공기 내의 N2O의 50%-100%, 55%-100%, 55%-99% 사이의, 또는 50%-95% 사이의 감소일 수 있다(예를 들어, PPU로부터 출력되는 공기는 PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태(예를 들어, 트립되지 않은 상태)에서 작동할 때 PPU에 공급되는 공기 내에 있던 N2O와 비교하여 적어도 50% 더 적은 N2O를 갖는다). 예를 들어, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 50% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있거나, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 5% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있거나, 또는 PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 1% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있다.
흡착 재료 베드(221)는, PPU-전 냉각기(104)가 트립된 상태에 있고 트립된 상태에서 작동할 때 PPU(107)로부터의 N2O 제거가 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 10%-50% 또는 20%-50% 사이일 수 있도록 또는 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 50% 미만이 될 수 있도록 크기가 결정되고 구성될 수 있다. ASU 시스템(1)은, N2O 함량이 ASU 시스템(1) 내로의 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 아래로 유지되는 한 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O 레벨이 제1 미리-선택된 임계값보다 높은 동안에 PPU-전 냉각기(104)가 트립되는 동안 작동될 수 있다(예를 들어, 제2 미리-선택된 임계값은, PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있는 PPU로 공급된 공기 내의 N2O의 50% 또는 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있는 PPU로 공급된 공기 내의 N2O의 50% 이상이 이러한 제2 임계값을 초과하는 것이 되도록 설정된 값일 수 있으며, 이는 바람직하지 않은 CO2 돌파 조건에 대응할 수 있다).
예를 들어, PPU에 공급되는 공기 내의 N2O 함량이 0.4ppm인 상황에서, 냉각기가 트립된 상태에서 작동할 때, PPU로부터 출력되는 정화된 공기 내의 N2O 함량은 0.25ppm 내지 0.2ppm N2O의 범위, 0.25ppm 내지 0.32ppm N2O의 범위, 0.3-0.25ppm N2O의 범위, 또는 0.2ppm 내지 0.32ppm N2O의 범위 내에 있을 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각기가 정상적으로 작동할 때 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O의 함량은 0ppm 내지 0.015ppm의 범위 내, 0ppm 내지 0.2ppm, 0.015ppm 미만, 또는 0.03ppm 내지 0.015ppm의 범위 내일 수 있다.
다른 예로서, PPU에 공급되는 공기 내의 N2O 함량이 0.3ppm인 상황에서, 냉각기가 트립된 상태에서 작동할 때 PPU로부터 출력되는 정화된 공기 내의 N2O 함량은 0.15ppm 내지 0.2 ppm N2O 범위 내, 0.15 ppm 내지 0.24 ppm N2O의 범위 내, 0.15 내지 0.3 ppm N2O의 범위 내, 또는 0.27 내지 0.15 ppm N2O의 범위 내일 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각기가 정상적으로 작동할 때 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O의 함량은 0ppm 내지 0.015ppm의 범위 내, 0ppm 내지 0.15ppm, 0.015ppm 미만, 또는 0.03ppm 내지 0.015ppm의 범위 내일 수 있다.
일부 실시예에서, 재료의 제1 층(205)은 알루미나를 포함할 수 있거나 또는 알루미나만 포함할 수 있는 반면, 재료의 제2 층(207)은 13X, NaX(예를 들어, NaMSX 및/또는 NaLSX), NaMSX를 포함하거나 또는 NaLSX만 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 재료의 제1 층은 알루미나뿐만 아니라 다른 재료를 포함할 수 있고, 재료의 제2 층(207)은 NaMSX뿐만 아니라 다른 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 재료의 제1 층은 실리카를 포함할 수 있고, 재료의 제2 층은 NaMSX 또는 다른 재료(예를 들어, NaX, NaLSX, 13X 등)를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 흡착 재료의 단일 층(231)만이 존재할 수 있다. 재료의 이러한 단일 층(231)은 단독으로 또는 하나 이상의 다른 재료(예를 들어, 알루미나, 실리카 겔, NaLSX, NaX, CaX, 13X 등)와 조합하여 NaMSX를 포함할 수 있다.
흡착 재료 베드(221)는 용기(203)의 챔버 내의 크기를 가질 수 있다. 크기는, 다수의 층을 사용하는 일부 실시예에서 흡착 재료의 제1 층(205)의 제1 크기(S1) 및 흡착 재료의 제2 층의 제2 크기(S2)를 포함할 수 있다. 베드(221)의 크기는, 흡착 재료의 제1 층의 제1 크기(S1)가 베드(221)의 전체 크기의 20% 내지 90% 사이, 또는 베드(221)의 전체 크기의 30% 내지 75%, 사이, 또는 베드(221)의 전체 크기의 30% 내지 65% 사이이며 반면 흡착 재료의 제2 층(207)의 제2 크기(S2)는 베드의 크기의 나머지 부분(예를 들어, 베드(221)의 전체 크기의 80% 내지 10% 사이, 또는 70% 내지 25% 사이, 또는 70% 내지 35% 사이)일 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 재료의 제1 층은 흡착 재료 베드(221)의 전체 크기의 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 66%, 67%, 70% 또는 75%인 제1 크기(S1)를 가질 수 있으며, 반면 흡착 재료의 제2 층(207)의 제2 크기(S2)는 베드(221)의 전체 크기의 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 34%, 33%, 30%, 또는 25%일 수 있다. 재료의 층은 1.0mm 내지 5mm 범위의 입자 크기를 갖는 재료를 포함할 수 있다. 베드 및 베드(221)의 층들은 동일한 폭, 길이 또는 직경을 가질 수 있다. 베드의 두께, 길이 또는 높이는 상이할 수 있으며, 베드(221)의 전체 크기 및 베드(221)의 재료 층의 상이한 크기 결정(sizing)에 기여할 수 있다. 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 크기(S1 및 S2) 사이의 크기 차이는, 용기(203)의 베드(221) 내의 상이한 층 두께, 층 깊이, 층 길이 또는 층 높이로 인한 것일 수 있다.
흡착기(200)가 오프-스트림 상태에 있고 재생을 겪을 수 있는 경우, 용기(203) 내의 흐름 경로가 역전될 수 있다. 재생 가스 흐름은 재생 가스 흐름 입구로서 기능하는 출구(202)를 통해 용기(203) 내로 전달될 수 있다. 그런 다음 재생 가스는 역류 경로를 따라 용기를 통과할 수 있고, 그런 다음 재생 가스 흐름 출구로서 기능하는 입구(201)를 통해 용기(203)를 빠져나올 수 있다.
도 4를 참조하면, 흡착기(200)의 용기는 용기(203) 내에 상이한 흐름 경로(210)를 획정하기 위한 상이한 내부 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용기(203)는, 용기(203) 내의 유체 흐름 경로(210)를 획정하는 제1 내부 도관(206) 및 제1 외부 환형 도관(208)을 포함할 수 있다. 제1 내부 도관(206) 및 제1 외부 환형 도관(208)은, 각각 용기(203)의 공동 또는 챔버 내의 흐름 경로(210)의 흐름 세그먼트를 따라 공기를 가이드하기 위한 공기에 대한 통로를 획정할 수 있는 용기 공동 내의 도관-유형 구조체로서 각각 구조화될 수 있음이 이해되어야 한다.
예를 들어, 제1 내부 도관(206)은, 입구(201)로부터 수신된 공기를 흡착 재료의 베드(221)의 해당 재료의 제1 층(205)으로 전달하기 위해 재료의 제1 층(205)의 내부 측면에 인접한 개구부와 유체 연통하는 내부 채널을 갖는 도관일 수 있다. 제1 내부 도관(206)의 하류측 단부는 용기의 제1 헤드에 인접한 입구(201)로부터 수신된 유체를, 재료의 제 1 층(205)이 제 1 내부 도관(206)과 유체 연통하고 제 1 내부 도관(206)으로부터 공기를 수신할 수 있도록 하나 이상의 구멍을 갖는 리셉터클 내에 위치될 수 있는 재료의 제1 층(205) 내로 드라이브(drive)하는 것을 돕기 위해 폐쇄될 수 있다.
재료의 제1 층(205)의 리셉터클은 제1 내부 도관(206)의 적어도 일부를 둘러싸도록 위치될 수 있다. 공기가 제1 내부 도관(206)을 통과하여 재료의 제1 층(205)으로 들어갈 수 있도록 재료의 제1 층(205)의 내부 측면과 연통하는 하나 이상의 개구부가 제1 내부 도관(206)에 존재할 수 있다. 재료의 제1 층(205)을 유지하는 리셉터클의 외부 측면에서의 하나 이상의 구멍 및 내부 측면에서의 하나 이상의 구멍은, 천공, 용기의 스크린의 메시에 획정된 비틀린(tortious) 통로일 수 있거나 또는 다른 유형의 구멍일 수 있다.
제1 외부 환형 도관(208)은, 재료의 제2 층(207)을 유지하는 용기(203)의 리셉터클의 하나 이상의 구멍을 통해 해당 층으로부터 공기를 수신하기 위해 재료의 제2 층(207)의 외부 측면에 인접한 적어도 하나의 입구 개구부를 가질 수 있다. 재료의 제2 층(207)을 유지하는 리셉터클의 외부 측면에서의 하나 이상의 구멍 및 내부 측면에서의 하나 이상의 구멍은, 천공, 스크린의 메시에 획정된 비틀린 통로, 또는 다른 유형의 구멍일 수 있다.
제1 외부 환형 도관(208)은 또한, 용기(203)의 제2 리셉터클 내에 유지되는 재료의 제2 층(207)의 외부 측면으로부터 출구(202)로 출력되는 공기를 가이드하거나 또는 이송하기 위한 통로를 획정할 수 있다. 제2 리셉터클은, 내부 도관(206)과 제1 외부 환형 도관(208) 사이에 유체 연통 연결을 제공하기 위해 외부 측면에서 적어도 하나의 구멍 및 내부 측면에서 적어도 하나의 구멍을 가질 수 있다. 제2 리셉터클의 외부 측면에서의 하나 이상의 구멍 및 내부 측면에서의 하나 이상의 구멍은, 천공, 스크린의 메시에 획정된 비틀린 통로, 또는 다른 유형의 구멍일 수 있다.
재료의 제1 및 제2 층(205, 207)을 유지하는 제1 및 제2 리셉터클은 각각, 용기(301) 내의 희망되는 위치에 재료 층을 유지할 수 있는 동시에 유체가 층 안팎으로 통과하는 것을 허용하는 하나 이상의 스크린, 메시, 다수의 구멍을 갖는 적어도 하나의 플레이트, 재료의 적어도 하나의 천공된 멤브레인, 또는 다른 유형의 리셉터클 구조체에 의해 획정되거나 또는 이를 포함할 수 있다. 일부 실시예(예를 들어, 일부 수직 및 수평 흡착기 실시예)에서, 층의 분리를 위한 스크린 또는 다른 유형의 획정된 리셉터클이 존재하지 않을 수 있다.
용기(203)가 온-스트림 상태에 있을 때, 재료의 제1 층(205)은 재료의 상류측 층(UL)으로 간주될 수 있고 재료의 제2 층(207)은 재료의 하류측 층(DL)으로 간주될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
흡착 재료의 베드(221)의 재료의 층을 통과하기 위해 용기(203)의 챔버의 내부 영역과 외부 영역 사이에서 유체를 통과시키도록 구성된 용기(203)의 흐름 경로(210)가 존재할 수 있다. 온-스트림 상태의 용기(203)의 흐름 경로(210)는 다음을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다:
(i) 유체는, 흐름 경로(210)의 제1 흐름 세그먼트를 따라 입구(201)로부터 용기(203) 내로 전달되며,
(ii) 그런 다음, 흐름 경로(210)의 제2 흐름 세그먼트를 따라 공기에 대한 초기 공급 경로를 획정하는 제1 내부 도관(206)을 통과하고,
(iii) 그런 다음, 흐름 경로(210)의 제3 흐름 세그먼트를 따라 재료의 제1 층(205)을 통과하며,
(iv) 그런 다음, 흐름 경로(210)의 제4 흐름 세그먼트를 따라 재료의 제2 층(207)을 통과하고;
(v) 그런 다음, 흐름 경로(210)의 제5 흐름 세그먼트를 따라 출구(202)로 이송되도록 제1 외부 환형 도관(208) 내로;
(vi) 그리고 그런 다음, 흐름 경로(210)의 제6 흐름 세그먼트를 따라 용기(203)로부터 출력되도록 출구(202)를 통과한다.
흡착 재료의 베드(221) 내의 재료의 각각의 층은 유체가 리셉터클 안팎으로 통과하는 것을 허용하기 위한 하나 이상의 구멍을 갖는 리셉터클에 유지될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 하나 이상의 구멍은 일부 실시예에서 리셉터클의 하나 이상의 스크린 요소에 의해 획정될 수 있다. 재료의 층을 유지하는 각각의 용기는, 하나 이상의 스크린, 메시, 다수의 구멍을 갖는 적어도 하나의 플레이트, 또는 리셉터클의 적어도 일부를 획정하기 위해 특정한 미리-선택된 기하구조를 갖는 재료의 적어도 하나의 천공된 멤브레인을 포함할 수 있다. 각각의 리셉터클은 또한, 용기(203) 내의 희망되는 위치에 재료의 층을 유지할 수 있으면서 또한 흐름 경로(210)를 따른 공기의 통과를 위해 제1 내부 도관(206)을 제1 외부 환형 도관(208)과 유체적으로 연결하기 위해 공기가 층의 안팎으로 통과하는 것을 허용할 수 있는 다른 유형의 리셉터클 구조체일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 재료의 베드는 재료의 단일 층(231)으로서 구성될 수 있다.
제1 및 제2 층(205, 207)의 재료는 상이한 유형의 미립자 재료(예를 들어, 제올라이트 재료, 촉매 재료, 흡착 재료 등)일 수 있다. 재료의 미립자 크기 범위는 일부 실시예에서 1.0-5 mm 크기 범위 내일 수 있다. 일부 실시예에서, 재료의 제1 층(205)은 알루미나를 포함할 수 있거나 또는 알루미나만 포함할 수 있는 반면, 재료의 제2 층(207)은 NaMSX를 포함할 수 있거나 또는 NaMSX만 포함할 수 있다. 예를 들어, 재료의 제1 층(205)은 알루미나 및/또는 실리카 또는 적어도 물 및 CO2의 흡착을 위한 다른 재료를 포함할 수 있다. 재료의 제1 층은 공기로부터 이러한 불순물을 우선적으로 제거하기 위해 주로 물 및 CO2를 흡착하도록 설계된 재료를 포함할 수 있으며, 따라서 CO2 및 물의 전부 또는 거의 전부는 흡착 재료 베드(221)의 이러한 재료의 제1 층(205) 내에서 공기로부터 제거된다.
재료의 제2 층(207)의 재료는 분자체 흡착 재료일 수 있다. 재료의 제2 층의 이러한 재료는 13X, NaX, NaMSX, NaLSX, 및/또는 다른 분자체 재료를 포함할 수 있다. 재료의 제2 층의 재료는, 공기가 재료의 제1 층(205)을 통과한 이후에 공기로부터 중탄화수소(예를 들어, 부탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로필렌 등), N2O, CO, 뿐만 아니라 임의의 남아 있는 물 및/또는 CO2를 흡착하도록 구성될 수 있다. 재료의 제2 층(207)의 재료는, 이러한 불순물이 공기로부터 제거되어 흡착기로부터 출력되는 공기가 물 및 CO2를 갖지 않거나 또는 미리-선택된 CO2 임계 레벨 및 미리-선택된 물 임계 레벨 미만의 매우 낮은 레벨의 물 및 CO2를 갖는다는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 공기로부터 CO2 및 남아 있는 임의의 물을 우선적으로 제거하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 재료의 제1 층(205)은 알루미나를 포함할 수 있거나 또는 알루미나만 포함할 수 있는 반면, 재료의 제2 층(207)은 NaLSX를 포함할 수 있거나 또는 NaLSX만 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 재료의 제1 층은 알루미나뿐만 아니라 다른 재료를 포함할 수 있고, 재료의 제2 층(207)은 NaLSX뿐만 아니라 다른 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 재료의 제1 층은 실리카를 포함할 수 있고 재료의 제2 층은 NaMSX 또는 다른 재료(예를 들어, NaLSX, NaX, 13X, CaX 등)를 포함할 수 있다.
흡착 재료 베드(221)는 용기(203)의 챔버 내의 크기를 가질 수 있다. 크기는 흡착 재료의 제1 층(205)의 제1 크기(S1) 및 흡착 재료의 제2 층의 제2 크기(S2)를 포함할 수 있다(예를 들어, 베드(221)의 전체 크기는 제1 크기(S1) 및 제2 크기(S2)의 합일 수 있거나, 또는 하나 이상의 제3 층에 대한 크기 결정에 더하여 제1 및 제2 크기(S1 및 S2)의 합을 포함할 수 있다).
베드(221)의 크기는, 흡착 재료의 제1 층의 제1 크기(S1)가 베드(221)의 전체 크기의 20% 내지 90% 사이 또는 베드(221)의 전체 크기의 30% 내지 75%, 사이이며 반면 흡착 재료의 제2 층(207)의 제2 크기(S2)는 베드의 크기의 나머지 부분(예를 들어, 베드(221)의 전체 크기의 80% 내지 10% 사이 또는 베드(221)의 전체 크기의 70% 내지 25% 사이)일 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 재료의 제1 층은 베드(221)의 전체 크기의 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 66%, 67%, 70% 또는 75%인 제1 크기(S1)를 가질 수 있으며, 반면 흡착 재료의 제2 층(207)의 제2 크기(S2)는 베드(221)의 전체 크기의 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 34%, 33%, 30%, 또는 25%일 수 있다. 베드 및 베드(221)의 층들은 동일한 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 베드의 두께, 길이 또는 높이는 상이할 수 있으며, 베드(221)의 전체 크기 및 베드(221)의 재료 층의 상이한 크기 결정에 기여할 수 있다. 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 크기(S1 및 S2) 사이의 크기 차이는, 용기(203)의 베드(221) 내의 상이한 층 두께, 층 길이, 층 깊이, 또는 층 높이로 인한 것일 수 있다.
흡착기(200)가 오프-스트림 상태에 있고 재생을 겪을 수 있는 경우, 용기(203) 내의 흐름 경로가 역전될 수 있다. 재생 가스 흐름은 재생 가스 흐름 입구로서 기능하는 출구(202)를 통해 용기(203) 내로 전달될 수 있다. 그런 다음 재생 가스는 역류 경로를 따라 용기를 통과할 수 있고, 그런 다음 재생 가스 흐름 출구로서 기능하는 입구(201)를 통해 용기(203)를 빠져나올 수 있다.
흡착기(200)의 재료의 제2 층(207) 또는 흡착 재료 베드(221)의 재료는, 공기가 재료의 제1 층(205) 또는 흡착 재료 베드(221)의 다른 상류측 부분을 통과한 후에, 공기로부터 중탄화수소(예를 들어, 부탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로필렌 등), N2O, CO, 뿐만 아니라 임의의 남아 있는 물 및/또는 CO2를 흡착하도록 구성될 수 있다. 재료의 제2 층(207)의 재료는, 이러한 불순물이 공기로부터 제거되어 흡착기로부터 출력되는 공기가 물 및 CO2를 갖지 않거나 또는 미리-선택된 CO2 임계 레벨 및 미리-선택된 물 임계 레벨 미만의 매우 낮은 레벨의 물 및 CO2를 갖는다는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 공기로부터 CO2 및 남아 있는 물을 우선적으로 제거하도록 구성될 수 있다. 이러한 레벨은 공기 내의 N2O를 제1 미리-선택된 임계값 이하로 유지하는 것에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, PPU(107)에 의해 공기로부터 제거되는 N2O는, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태(예를 들어, 트립되지 않은 상태)에서 작동할 때 PPU로 공급된 공기 내에 있던 N2O의 20%-100% 25%-100%, 25%-99% 사이, 또는 20%-95% 사이일 수 있다. 예를 들어, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 25% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있거나, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 5% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있거나, 또는 PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 1% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있다.
대조적으로, 흡착 재료 베드(221)는, PPU-전 냉각기(104)가 트립된 상태에 있고 트립된 상태에서 작동할 때 PPU(107)로부터 출력되는 공기로부터 제거되는 N2O가 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 10%-50% 또는 20%-50% 사이일 수 있도록 또는 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 50% 미만이 될 수 있도록 크기가 결정되고 구성될 수 있다. ASU 시스템(1)은, N2O 함량이 ASU 시스템(1) 내로의 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 아래로 유지되는 한 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O 레벨이 제1 미리-선택된 임계값보다 높은 동안에 PPU-전 냉각기(104)가 트립되는 동안 작동될 수 있다(예를 들어, 제2 미리-선택된 임계값은, PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있는 PPU로 공급된 공기 내의 N2O의 50% 또는 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있는 PPU로 공급된 공기 내의 N2O의 50% 이상이 이러한 제2 임계값을 초과하는 것에 대응하며, 이는 바람직하지 않은 CO2 돌파 조건에 대응할 수 있다).
예를 들어, PPU에 공급되는 공기 내의 N2O 함량이 0.4ppm인 상황에서, 냉각기가 트립된 상태에서 작동할 때, PPU로부터 출력되는 정화된 공기 내의 N2O 함량은 0.25ppm 내지 0.2ppm N2O의 범위, 0.25ppm 내지 0.32ppm N2O의 범위, 0.3-0.25ppm N2O의 범위, 또는 0.2ppm 내지 0.32ppm N2O의 범위 내에 있을 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각기가 정상적으로 작동할 때 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O의 함량은 0ppm 내지 0.015ppm의 범위 내, 0ppm 내지 0.2ppm, 0.015ppm 미만, 또는 0.03ppm 내지 0.015ppm의 범위 내일 수 있다.
다른 예로서, PPU에 공급되는 공기 내의 N2O 함량이 0.3ppm인 상황에서, 냉각기가 트립된 상태에서 작동할 때 PPU로부터 출력되는 정화된 공기 내의 N2O 함량은 0.15ppm 내지 0.0675 ppm N2O 범위의 범위 내, 0.15 내지 0.24 ppm N2O의 범위 내, 0.15 내지 0.3 ppm N2O의 범위 내, 또는 0.27 내지 0.15 ppm N2O의 범위 내일 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각기가 정상적으로 작동할 때 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O의 함량은 0ppm 내지 0.015ppm의 범위 내, 0ppm 내지 0.15ppm, 0.015ppm 미만, 또는 0.03ppm 내지 0.015ppm의 범위 내일 수 있다.
도 5를 참조하면, 흡착기(200)의 용기는 용기(203) 내에 상이한 흐름 경로(210)를 획정하기 위한 상이한 내부 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용기(203)는, 재료의 제1 층(205) 및 재료의 제2 층(207)을 포함하는 흡착 재료의 베드(221)를 포함할 수 있다. 재료의 제1 층(205)을 유지하는 제1 리셉터클 및 재료의 제2 층(207)을 유지하는 제2 리셉터클은 용기(203)의 챔버 내에 위치될 수 있다. 각각의 리셉터클은 하류측 측면 및 상류측 측면에 하나 이상의 구멍을 포함할 수 있으며, 따라서 리셉터클들은 서로 유체 연통하고 용기의 입구(201) 및 출구(202)가 유체 연통한다. 각각의 재료 층을 유지하는 각각의 리셉터클의 각각의 측면에 있는 하나 이상의 구멍은 하나 이상의 천공, 스크린의 메시에 획정된 비틀린 통로, 또는 하나 이상의 다른 유형의 구멍일 수 있다. 재료의 층들은, 흡착기(200)가 온-스트림 상태에 있는 동안, 공기가 출구(202)를 통해 용기(203) 밖으로 전달되기 이전에, 공기가 입구(201)를 통해 용기(203) 내로 전달되고 그런 다음 재료의 제1 층(205)을 통과하며 그런 다음 재료의 제2 층(207)을 통과하도록 공기가 흐름 경로(210)를 따라 전달되도록 배열될 수 있다.
제1 및 제2 층(205, 207)의 재료는 상이한 유형의 미립자 재료(예를 들어, 제올라이트 재료, 촉매 재료, 흡착 재료 등)일 수 있다. 미립자 재료에 대한 크기 범위는 일부 실시예에서 1.0 mm 내지 5.0 mm 사이일 수 있다. 재료의 제1 층(205)은 알루미나 및/또는 실리카 또는 적어도 물 및 CO2의 흡착을 위한 다른 재료를 포함할 수 있다. 재료의 제1 층은 공기로부터 이러한 불순물을 우선적으로 제거하기 위해 주로 물 및 CO2를 흡착하도록 설계된 재료를 포함할 수 있으며, 따라서 CO2 및 물의 전부 또는 거의 전부는 흡착 재료 베드(221)의 이러한 재료의 제1 층(205) 내에서 공기로부터 제거된다.
재료의 제2 층(207)의 재료는 분자체 흡착 재료일 수 있다. 재료의 제2 층의 이러한 재료는 13X, NaX, NaMSX, NaLSX, 및/또는 다른 분자체 재료를 포함할 수 있다. 재료의 제2 층(207)의 재료는, 공기가 재료의 제1 층(205)을 통과한 이후에 공기로부터 중탄화수소(예를 들어, 에틸렌, 부탄, 아세틸렌, 프로필렌 등), N2O, CO, 뿐만 아니라 임의의 남아 있는 물 및/또는 CO2를 흡착하도록 구성될 수 있다. 재료의 제2 층(207)의 재료는, 이러한 불순물이 공기로부터 제거되어 흡착기로부터 출력되는 공기가 물 및 CO2를 갖지 않거나 또는 미리-선택된 CO2 임계 레벨 및 미리-선택된 물 임계 레벨 미만의 매우 낮은 레벨의 물 및 CO2를 갖는다는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 공기로부터 CO2 및 물을 우선적으로 제거하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 재료의 제1 층(205)은 알루미나를 포함할 수 있거나 또는 알루미나만 포함할 수 있는 반면, 재료의 제2 층(207)은 NaLSX를 포함할 수 있거나 또는 NaLSX만 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 재료의 제1 층은 알루미나뿐만 아니라 다른 재료를 포함할 수 있고, 재료의 제2 층(207)은 NaLSX뿐만 아니라 다른 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 재료의 제1 층은 실리카를 포함할 수 있고 재료의 제2 층은 NaX, NaMSX, 13X, 또는 다른 재료를 포함할 수 있다.
흡착 재료 베드(221)는 용기(203)의 챔버 내의 크기를 가질 수 있다. 크기는 흡착 재료의 제1 층(205)의 제1 크기(S1) 및 흡착 재료의 제2 층의 제2 크기(S2)를 포함할 수 있다(예를 들어, 베드(221)의 전체 크기는 제1 크기(S1) 및 제2 크기(S2)의 합일 수 있거나, 또는 하나 이상의 제3 층에 대한 크기 결정에 더하여 제1 및 제2 크기(S1 및 S2)의 합을 포함할 수 있다).
베드(221)의 크기는, 흡착 재료의 제1 층의 제1 크기(S1)가 베드(221)의 전체 크기의 20% 내지 90% 사이, 또는 베드(221)의 전체 크기의 50% 내지 75%, 사이 또는 베드(221)의 전체 크기의 30% 내지 65% 사이이며 반면 흡착 재료의 제2 층(207)의 제2 크기(S2)는 베드의 크기의 나머지 부분(예를 들어, 베드(221)의 전체 크기의 10% 내지 80% 사이, 베드(221)의 전체 크기의 50% 내지 25% 사이, 또는 베드(221)의 전체 크기의 35% 내지 70% 사이)일 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 재료의 제1 층은 흡착 재료 베드(221)의 전체 크기의 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 66%, 67%, 70% 또는 75%인 제1 크기(S1)를 가질 수 있으며, 반면 흡착 재료의 제2 층(207)의 제2 크기(S2)는 베드(221)의 전체 크기의 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 34%, 33%, 30%, 또는 25%일 수 있다. 베드 및 베드(221)의 층들은 동일한 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 베드의 두께 또는 높이는 상이할 수 있으며, 베드(221)의 전체 크기 및 베드(221)의 재료 층의 상이한 크기 결정에 기여할 수 있다. 이러한 실시예에서, 제1 및 제2 크기(S1 및 S2) 사이의 크기 차이는, 용기(203)의 베드(221) 내의 상이한 층 두께, 층 깊이, 또는 층 높이로 인한 것일 수 있다.
흡착기(200)가 오프-스트림 상태에 있고 재생을 겪을 수 있는 경우, 용기(203) 내의 흐름 경로가 역전될 수 있다. 재생 가스 흐름은 재생 가스 흐름 입구로서 기능하는 출구(202)를 통해 용기(203) 내로 전달될 수 있다. 그런 다음 재생 가스는, 재생 가스 흐름이 재생 가스 흐름 출구로서 기능하는 입구(201)를 통해 용기(203)를 빠져나가기 전에, 재료의 제2 층(207)을 통과하고 그런 다음 재료의 제1 층(205)을 통과하게 함으로써 역류 경로를 따라 용기를 통과할 수 있다.
흡착기(200)의 재료의 제2 층(207) 또는 흡착 재료 베드(221)의 재료는, 공기가 재료의 제1 층(205) 또는 흡착 재료 베드(221)의 다른 상류측 부분을 통과한 후에, 공기로부터 중탄화수소(예를 들어, 에틸렌, 부탄, 아세틸렌, 프로필렌 등), N2O, CO, 뿐만 아니라 임의의 남아 있는 물 및/또는 CO2를 흡착하도록 구성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 재료의 제2 층(207)의 재료는, 이러한 불순물이 공기로부터 제거되어 흡착기로부터 출력되는 공기가 물 및 CO2를 갖지 않거나 또는 미리-선택된 CO2 임계 레벨 및 미리-선택된 물 임계 레벨 미만의 매우 낮은 레벨의 물 및 CO2를 갖는다는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 공기로부터 CO2 및 남아 있는 물을 우선적으로 제거하도록 구성될 수 있다. 이러한 레벨은 공기 내의 N2O를 제1 미리-선택된 임계값 이하로 유지하는 것에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, PPU(107)으로부터 출력되는 공기 내의 N2O는, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태(예를 들어, 트립되지 않은 상태)에서 작동할 때 PPU로 공급된 공기 내에 있던 N2O에 비해 20%-100%, 25%-100%, 25%-99% 사이, 또는 20%-95% 사이의 범위 내에서 감소될 수 있다. 예를 들어, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 25% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있거나, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 5% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있거나, 또는 PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 1% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있다.
대조적으로, 흡착 재료 베드(221)는, PPU-전 냉각기(104)가 트립된 상태에 있고 트립된 상태에서 작동할 때, PPU(107)로부터 출력되는 공기로부터 제거되는 N2O가 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 50% 미만이 될 수 있도록 또는 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 20%-50% 사이일 수 있도록 또는 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 10%-50% 사이일 수 있도록 또는 크기가 결정되고 구성될 수 있다. ASU 시스템(1)은, N2O 함량이 ASU 시스템(1) 내로의 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 아래로 유지되는 한 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O 레벨이 제1 미리-선택된 임계값보다 높은 동안에 PPU-전 냉각기(104)가 트립되는 동안 작동될 수 있다(예를 들어, PPU로부터 출력되는 공기 내에 PPU로 공급된 공기 내의 N2O의 50%가 남아 있거나 또는 PPU로부터 출력되는 공기 내에 PPU로 공급된 공기 내의 N2O의 50% 이상이 남아 있으며, 이는 바람직하지 않은 CO2 돌파 조건에 대응할 수 있다).
예를 들어, PPU에 공급되는 공기 내의 N2O 함량이 0.4ppm인 상황에서, 냉각기가 트립된 상태에서 작동할 때, PPU로부터 출력되는 정화된 공기 내의 N2O 함량은 0.25ppm 내지 0.2ppm N2O의 범위, 0.25ppm 내지 0.32ppm N2O의 범위, 0.3-0.25ppm N2O의 범위, 또는 0.2ppm 내지 0.32ppm N2O의 범위 내에 있을 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각기가 정상적으로 작동할 때 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O의 함량은 0ppm 내지 0.015ppm의 범위 내, 0ppm 내지 0.2ppm, 0.015ppm 미만, 또는 0.03ppm 내지 0.015ppm의 범위 내일 수 있다.
다른 예로서, PPU에 공급되는 공기 내의 N2O 함량이 0.3ppm인 상황에서, 냉각기가 트립된 상태에서 작동할 때 PPU로부터 출력되는 정화된 공기 내의 N2O 함량은 0.15ppm 내지 0.0675 ppm N2O 범위의 범위 내, 0.15 내지 0.24 ppm N2O의 범위 내, 0.15 내지 0.3 ppm N2O의 범위 내, 또는 0.27 내지 0.15 ppm N2O의 범위 내일 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각기가 정상적으로 작동할 때 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O의 함량은 0ppm 내지 0.015ppm의 범위 내, 0ppm 내지 0.15ppm, 0.015ppm 미만, 또는 0.03ppm 내지 0.015ppm의 범위 내일 수 있다.
본원에서 논의되고 도면에 도시된 실시예를 포함하는 흡착기(200)의 실시예에서, 재료의 제1 층(205)의 제1 재료는 (예를 들어, 흡착을 통해 유체로부터 물의 제거를 용이하게 하기 위한 미립자 재료의 조성 및 기공 구조를 통해) 유체로부터 수분을 제거하도록 구성된 실리카 겔 및/또는 알루미나 미립자 재료일 수 있으며, 재료의 제2 층(207)의 제2 재료는 분자체 재료일 수 있다. 예를 들어, 재료의 제2 층(207)의 재료는 NaLSX 제올라이트 재료와 같은 고용량 흡착 재료일 수 있으므로 재료의 제2 층(207)은 재료의 제1 층(205)과 동일한 크기이거나 또는 재료의 제1 층(205)보다 더 작을 수 있다.
우리는, PPU-전 냉각기(104)가 (예를 들어, 오작동 또는 프로세싱 문제로 인해) 공기를 희망되는 온도 범위로 효과적으로 냉각하도록 작동하지 않는 상황에서, 더 큰 층으로서 재료의 제1 층(205)을 갖는 것이 재료의 제1 층(205)을 통해 100%의 물을 제거하는 것을 허용할 수 있으며 CO2를 100% 제거하기에 충분한 크기의 재료의 제2 층(207)을 갖는 것이 한편으로 미리-선택된 N2O 돌파 시간 기간 동안 일부 N2O가 일반적으로 허용되는 임계값 레벨을 넘어 돌파하도록 허용한다는 것을 결정했다. PPU-전 냉각기(104)가 유지 보수를 겪거나 또는 달리 트립 상태에 있는 동안 작동 중에 N2O가 돌파하도록 허용하는 것은, 더 낮은 비용의 더 작은 크기의 흡착기(200)가 PPU(107)에서 이용될 수 있도록 하여 작동을 위한 작동 비용 및 자본 비용을 감소시킬 수 있도록 ASU 시스템(1)이 작동하는 것을 허용할 수 있다.
예를 들어, PPU(107)의 흡착기(200)의 흡착 재료 베드(221)는, 공기가 재료의 제1 층(205) 또는 흡착 재료 베드(221)의 상류측 부분을 통과한 이후에 공기로부터 N2O뿐만 아니라 임의의 남아 있는 물 및/또는 CO2를 흡착하도록 구성될 수 있다. 흡착 재료 베드(221)는, 이러한 불순물이 공기로부터 제거되어 PPU(107)로부터 출력되는 공기가 물 및 CO2를 갖지 않거나 또는 미리-선택된 CO2 임계 레벨 및 미리-선택된 물 임계 레벨 미만의 매우 낮은 레벨의 물 및 CO2를 갖는다는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 공기로부터 CO2 및 물을 우선적으로 제거하는 재료를 포함하도록 크기가 결정되고 구성될 수 있다. 이러한 레벨은 공기 내의 N2O를 제1 미리-선택된 임계값 이하로 유지하는 것에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, PPU(107)로부터 출력되는 공기로부터 제거되는 N2O는, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태(예를 들어, 트립되지 않은 상태)에서 작동할 때 PPU로 공급된 공기 내에 있던 N2O의 20%-100% 25%-100%, 25%-99% 사이, 또는 20%-95% 사이일 수 있다. 예를 들어, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 25% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있거나, PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 5% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있거나, 또는 PPU-전 냉각기(104)가 정상 상태에서 작동할 때 PPU에 공급된 공기 내의 N2O의 1% 미만이 PPU로부터 출력되는 공기 내에 남아 있을 수 있다.
대조적으로, 흡착 재료 베드(221)는, PPU-전 냉각기(104)가 트립된 상태에 있고 트립된 상태에서 작동할 때, PPU(107)로부터 출력되는 공기로부터 제거되는 N2O가 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 50% 미만이 될 수 있도록, 또는 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 20%-50% 사이일 수 있도록, 또는 PPU에 공급된 공기 내에 있던 N2O의 10%-50% 사이일 수 있도록 또는 크기가 결정되고 구성될 수 있다. ASU 시스템(1)은, N2O 함량이 ASU 시스템(1) 내로의 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 아래로 유지되는 한 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O 레벨이 제1 미리-선택된 임계값보다 높은 동안에 PPU-전 냉각기(104)가 트립되는 동안 작동될 수 있다(예를 들어, PPU로부터 출력되는 공기 내에 PPU로 공급된 공기 내의 N2O의 50% 또는 50% 이상이 남아 있으며, 이는 바람직하지 않은 CO2 돌파 조건에 대응할 수 있다).
우리는, N2O가 시간의 미리-선택된 지속 기간 동안 상승된 레벨로 PPU(107)를 통과하도록 허용하는 것이 안전하게 허용될 수 있다고 결정했다. 예를 들어, 우리는, 상승된 레벨로 N2O가 PPU(107)를 지나 통과하는 것을 허용하는 것이 즉각적인 안전 문제 또는 다른 즉각적인 작동 문제를 제기하지 않는다는 것을 결정했다. 대조적으로, CO2 돌파는 이러한 문제를 제기할 것이다. PPU-전 냉각기(104)의 유지 보수 또는 PPU-전 냉각기(104)의 다른 트립 동안 ASU 시스템이 전체 용량으로 작동하도록 허용함으로써, ASU는, PPU-전 냉각기의 작동 상태를 처리하기 위해 ASU가 셧 다운되거나 또는 더 낮은 용량으로 작동되는 경우보다 더 큰 전체 이익과 효율성으로 계속해서 기능할 수 있다.
N2O의 상승된 레벨은 즉각적인 문제를 제기하지 않기 때문에, 우리는, 작동 트레이오프가 CO2가 엄격하게 제어되는 상태로 남아 있으면서 N2O가 PPU(107)를 돌파하는 것을 허용한다는 것을 결정했다. 또한, 상승된 N2O 상태는, 시스템의 제한된 N2O 돌파 작동을 허용함으로써 제공되는 작동 효율 및 비용 절감을 크게 상쇄하지 않고 플랜트의 운영자에게 더 유리한 ASU 시스템의 다른 작동 시간에서 더욱 완화될 수 있다. 예를 들어, ASU 시스템(1)은, 플랜트의 작동 유닛에 해로운 영향을 미칠 수 있는 N2O 축적을 완화하는 것을 돕기 위해 시스템이 상승된 N2O 레벨에서 작동하지 않을 때 교정 액션을 겪을 수 있다. 예를 들어, ASU 시스템(1)의 제상 간격은, 시스템(1)에 대한 상승된 N2O 작동 영향의 지속 시간을 고려하기 위해 조정될 수 있다. 이러한 제상 시간 간격은 전형적으로 5-8년, 3-10년, 4-10년 또는 3-8년마다 발생한다. 이러한 간격의 약간의 조정(예를 들어, 0.5-4개월, 0.5-1개월, 최대 몇 개월 등만큼 지속 기간을 단축하는 것)은, PPU-전 냉각기(104)의 주기적인 작동 문제를 고려하는 상승된 N2O 레벨에서의 ASU 시스템(1)의 작동에 의해 제공되는 비용 및 효율성 개선에 무시할 수 있는 영향을 미칠 수 있다.
흡착기(200)의 실시예에서 재료의 제1 층(205)은 또한 재료의 제2 층(207)의 평균 입자 크기와는 상이한 평균 입자 크기를 갖는 미립자를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 재료의 제1 및 제2 층은 동일한 평균 입자 크기 또는 유사한 평균 입자 크기를 가질 수 있는 것으로 고려된다.
ASU 시스템(1)의 실시예는 시스템의 작동을 모니터링하고 제어하기 위해 제어기를 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 5에 도시된 ASU 시스템의 실시예뿐만 아니라 본원에서 명시적으로 논의된 다른 실시예는 도 6에 도시된 예시적인 제어기와 같은 제어기를 포함할 수 있다. 하나 이상의 화합물(예를 들어, O2, Ar, CO2, N2, Xe, Kr, CO, 물 등)의 농도를 검출하도록 구성된 농도 센서, 온도 센서, 압력 센서, 및 흐름 센서는 플랜트의 상이한 요소들 또는 유닛들 및/또는 이러한 유닛들 사이의 도관을 통해 흐르는 유체의 흐름 레이트(flow rate), 농도, 온도 또는 압력을 감지하거나 및/또는 검출하기 위해 포함될 수 있다. 예를 들어, (i) 압축기 시스템(103)에 공급되는 공기에 대한 공기 흐름 레이트, 압력, 온도 및 공급 농도, (ii) PPU(107)에 공급하기 위해 압축기 시스템(103)으로부터 출력되는 공기의 흐름 레이트, 압력, 온도 및/또는 공급 농도, (iii) 열 교환기(109)에 공급하기 위해 PPU(107)로부터 출력되는 공기의 흐름 레이트, 압력, 온도 및 공급 농도, 및/또는 (iv) 다중 컬럼 어셈블리(111)에 공급되거나 및/또는 이로부터 출력되는 유체의 흐름 레이트, 압력, 온도 및 성분 농도를 검출하기 위해 위치된 센서들이 존재할 수 있다. 시스템의 이러한 요소의 작동을 모니터링하고 제어하기 위해 ASU 시스템(1)에 위치되는 다른 센서가 또한 존재할 수 있다. 제어기는 이러한 센서로부터 데이터를 수신하고 수신된 센서 데이터에 기초하여 다른 요소의 작동을 조정하기 위해 제공될 수 있다. 이러한 제어기의 예는 도 6에서 확인될 수 있으며, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 연결된 프로세서 및 센서와의 통신을 위한 적어도 하나의 인터페이스를 포함할 수 있다. 프로세서는, ASU 시스템(1) 및/또는 시스템의 하나 이상의 요소의 작동을 제어하기 위한 방법을 정의하는 컴퓨터 판독가능 매체(예를 들어, 비-일시적 메모리, 플래시 메모리, 등)에 저장된 적어도 하나의 자동화된 제어 프로그램을 실행할 수 있다.
제어기의 실시예는 또한 상이한 플랜트 동작을 작동시키기 위해 다른 센서 데이터를 활용하고 상이한 요소로의 그리고 상이한 요소로부터의 유체의 상이한 흐름 경로에 대해 상이한 도관을 사용하도록 구성될 수 있음이 이해되어야 한다. 일부 실시예에서, 제어기는, 사용자 또는 운영자에 대한 데이터의 출력 및 운영자로부터의 입력의 수신을 용이하게 하기 위해 디스플레이, 및 적어도 하나의 입력 디바이스 및/또는 입력/출력 디바이스에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 운영자 워크스테이션 또는 플랜트의 운영자의 컴퓨터에 연결가능할 수 있다. 제어기는 또한, 플랜트에 대한 더 큰 자동화된 프로세스 제어 시스템으로의 통합을 위해 다른 플랜트 제어 요소에 연결될 수 있다.
압축기 시스템(103)으로부터 출력된 압축 공기가 PPU(107)에 공급되기 이전에 압축 공기를 냉각하기 위해 PPU(107)의 상류측에 존재하는 PPU-전 냉각기(104)를 갖는 ASU 시스템(1)의 PPU(107)를 통해 공기를 정화하는 예시적인 방법이 도 7로부터 이해될 수 있다. 예를 들어, 방법은, 흡착기(200)의 용기(203) 내의 흡착 재료의 베드(221)를 통해 공기를 통과시키기 위해 PPU(107)의 적어도 하나의 흡착기(200)를 통해 공기를 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. PPU-전 냉각기가, PPU-전 냉각기(104)가 트립되는 것을 야기하거나 또는 PPU-전 냉각기(104)가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 것에 응답하여, ASU 시스템은, PPU(107)로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하면서 PPU(107)로부터 출력되는 공기가 CO2 돌파 조건과 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만인 N2O를 갖는 경우에도 전체 용량으로 계속해서 작동할 수 있다. ASU 시스템(1)은, PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 경우에도 전체 용량에서의 ASU 시스템(1)의 작동이, PPU-전 냉각기(104)가 트립되는 것을 야기하거나 또는 PPU-전 냉각기(104)가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정된 PPU-전 냉각기를 대체하기 위해 압축 공기가 PPU로 공급되기 이전에 압축기 시스템(103)으로부터의 압축 공기를 냉각하기 위해 작동되는 중복 냉각기 없이 수행될 수 있도록 구성될 수 있다.
방법은 또한, PPU-전 냉각기(104)가 ASU 시스템(1)에 대해 다시 온-라인 상태이고 PPU(107)로부터 출력되는 공기가 더 이상 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 N2O를 포함하지 않은 이후에 PPU(107)로부터 출력되는 공기 내의 과잉 N2O를 해결하기 위해 교정 액션을 취하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 교정 액션은, PPU-전 냉각기(104)가 다시 온 라인 상태가 되고 정상 상태(예를 들어, 트립되지 않은 상태)로 작동한 직후에 취해질 필요가 없다. 예를 들어, 취해지는 교정 액션은, PPU-전 냉각기(104)가 다시 온라인 상태가 된 이후에 ASU 시스템의 운영자에게 더 편리한 시간에 스케줄링될 수 있다. 그 후에 취해지는 교정 액션은, PPU-전 냉각기(104)가 트립된 상태에 있는 동안에 ASU가 작동하는 동안 흡착기(200)를 통과한 공기로부터 N2O를 제거하기 위한 흡착 재료의 흡착기의 베드(221)의 흡착 재료의 능력을 감소시켰을 수 있는, PPU-전 냉각기(104)가 압축 공기를 더 희망되는 온도로 냉각하기에 충분하게 작동하는데 실패하는 시간을 고려하여 취해질 수 있다. 취해질 수 있는 교정 액션은 열 스윙 흡착(thermal swing adsorption; TSA)에 대한 사이클 시간을 단축하는 것이다. 취해질 수 있는 또 다른 교정 액션은, ASU 시스템(1)이 제1 미리-선택된 임계값을 초과한 N2O를 갖는 PPU(107)로부터 출력되는 공기로 작동하는 시간의 지속 기간을 고려하기 위해 ASU 시스템에 대한 제상 간격을 조정하는 것을 포함할 수 있다. 제상 간격을 조정하는 것은, ASU 시스템(1)의 제상이 발생하도록 스케줄링되거나 또는 발생하도록 스케줄링될 때까지의 시간의 양을 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 크기가 결정된 ASU 시스템에 대한 업계 최대 한도가 초과되지 않는 한 설계 기준보다 더 높은 축적 비율을 나타내는 ASU 시스템에 대한 작동 데이터에 의해 제상 간격의 조정이 제공될 수 있다. 일부 실시예에서 이러한 조정은 시스템 파라미터 등을 고려하는 온-라인 계산을 통해 용이하게 될 수 있으며, 제상 동작을 수행하기 위해 얼마나 많은 시간이 남았는지를 작업자에게 경고하기 위해 스크린 상에 디스플레이될 수 있다.
다른 예로서, 제상 간격을 조정하는 것은, ASU 시스템(1)의 제상을 스케줄링하는 것이 냉각기 트립 상황 동안 상대적으로 짧은 지속 기간 동안 상승된 N2O 레벨에서의 ASU 시스템의 작동 결과로 더 짧은 시간 간격으로 트리거될 수 있도록 ASU 시스템의 축적된 N2O 및/또는 CO2의 검출에 의해 표시될 수 있다. 이러한 조정은, PPU-전 냉각기 트립 작동 상태 동안 상승된 N2O 레벨의 ASU 시스템(1)의 작동으로부터 자연스럽게 뒤따를 수 있다.
방법의 실시예는 본원에 논의된 바와 같은 하나 이상의 흡착기(200)를 갖는 PPU를 이용할 수 있다. 예를 들어, 흡착 재료의 베드(221)는 흡착 재료의 제1 층(205) 및 흡착 재료의 제2 층(207)을 포함할 수 있다. 흡착 재료의 제1 층은 공기로부터 물 및/또는 CO2를 제거하기 위한 재료(예를 들어, 알루미나 재료 등)를 포함할 수 있다. 흡착 재료의 제2 층(207)은, 공기가 흡착 재료의 제1 층(205)을 통과한 이후에 공기와 접촉하도록 흡착 재료의 제1 층(205)의 하류측에 위치될 수 있다. 흡착 재료의 제2 층의 제2 재료는, 예를 들어, NaLSX 또는 NaMSX 재료를 포함할 수 있다. 흡착 재료의 제1 층(205)은 제1 크기(S1)를 가질 수 있고, 흡착 재료의 제2 층(207)은 제2 크기(S2)를 가질 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 제1 크기(S1)는 제2 크기(S2)와 동일하거나 또는 이보다 더 클 수 있다.
방법의 실시예는 또한 다른 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법은 또한, PPU(107)로부터 출력되는 공기 내의 CO2의 함량을 모니터링하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 모니터링은, CO2가 미리-선택된 CO2 임계 레벨을 초과하여 PPU(107)를 돌파하지 않음을 보장하는 것을 돕기 위해 수행될 수 있다. 분석기가 이러한 모니터링을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 분석기는, 예를 들어, 이러한 모니터링을 용이하게 하기 위해 ASU 시스템의 제어기에 연결되는 센서일 수 있다.
방법의 실시예는 또한 다른 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법은 또한, 냉각기 유지 보수 시간을 최소화하기 위해 현장에서(on-site) PPU-전 냉각기를 서비스하기 위해 예비 부품의 재고를 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 저장된 예비 부품은, 가장 흔한 냉각기 작동 문제가 보다 빠르게 해결될 수 있도록 기계적으로 고장날 것으로 가장 흔하게 예상되는 부품을 포함할 수 있다. 이는, 냉각기가 트립된 상태에 있는 동안 ASU 시스템이 작동할 수 있는 시간을 최소화하는 것을 도울 수 있다.
우리는, 우리의 ASU 시스템(1), PPU(107), 및 흡착기(200) 그리고 이를 사용하는 방법의 실시예가 자본 비용 절감, 작동 및 유지 보수의 용이성, 냉각기의사용에 의한 전력 비용의 전반적인 절감, 개선된 작동 유연성 등과 같은 상당한 이점을 제공할 수 있다는 것을 결정했다. 예를 들어, 흡착기(200)의 실시예는 N2O 제거를 위한 흡착 재료의 더 작은 분자체 층을 이용할 수 있으며, 이는 PPU(107)에 대한 흡착기(200)의 요구되는 크기를 상당히 감소시킬 수 있다. 이는 작동 효율성을 개선할 뿐만 아니라 이러한 흡착기(200)를 사용하는 PPU의 전체 자본 비용, 유지 보수 비용 및 작동 비용을 감소시킬 수 있다. 우리의 흡착기(들)(200)의 실시예를 사용하는 우리의 PPU(107)의 실시예는 또한 ASU 시스템(10)의 PPU-전 냉각기(104)에 대한 냉각기 중복에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 온-라인 PPU-전 냉각기(104)가 문제를 경험하거나 또는 유지 보수를 필요로 하는 경우에 예비 PPU-전 냉각기(104)가 기능하기 위해 온-라인으로 전환되는 것을 회피하는 것은 시스템(1)의 자본 비용을 크게 감소시키고 이러한 시스템에 필요한 설치 공간을 감소시킬 수 있다. 일부 유형의 시설에서, 추가 냉각기 및 냉각기의 설치가 회피될 수 있기 때문에 이는 약 $250,000의 자본 비용 절감을 제공할 수 있다.
PPU(107) 및 흡착기(200)의 실시예는 또한 ASU 시스템(10)이, 흔히 더 낮은 흡착 재료 재생 온도를 갖는 다른 흡착 재료의 사용과 비교하여 더 높은 온도의 재생 가스를 요구할 수 있는 특별한 N2O 제거 층 없이 작동되는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 흡착기(200)의 실시예는, 300℃ 이상의 온도를 갖는 재생 가스의 사용을 요구할 수 있는 CaX 흡착 재료의 층의 사용을 피할 수 있다. 따라서 실시예는 더 낮은 온도의 재생 가스 흐름을 필요로 하는 더 낮은 작동 비용을 제공할 수 있다.
PPU(107) 및 흡착기(200)의 실시예는 PPU-전 냉각기(104) 오작동 또는 PPU-전 냉각기(104)의 트립 동안 ASU 시스템(1)이 전체 용량으로 작동하는 것을 허용할 수 있으며, 이는 또한 PPU(107)에 공급될 압축 공기를 냉각하기 위해 온-라인 상태가 되어야 하는 중복 PPU-전 냉각기(104)의 사용을 필요로 하는 것을 회피한다. 이러한 작동 유연성은 자본 비용, 작동 비용 및 유지 보수 비용의 감소를 허용할 뿐만 아니라 ASU 시스템(1)에 대한 개선된 출력을 제공한다. ASU 시스템은 또한 ASU 시스템 작동의 안전성을 더욱 강화하고 제상 간격에 대한 조정을 용이하게 하는 데 도움을 주기 위해 과도한 N2O 및 C2O 축적을 모니터링하도록 구성될 수 있으며, 상승된 N2O 레벨에서의 ASU의 실행으로 인해 필요할 수 있는 이러한 간격의 단축에 기인하여 안전하게 구현될 수 있다. 예를 들어, N2O 분석기 및/또는 CO2 분석기는, ASU 시스템(1)에 대한 제상 간격이, PPU-전 냉각기(104)가 트립된 상태에 있고 ASU 시스템(1)이 상승된 N2O 농도 레벨에서 작동하는 동안 ASU 시스템(1)이 작동할 수 있는 시간을 고려하도록 적절하게 조정된다는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 다중 컬럼 어셈블리(111) 내의 N2O 및 CO2의 축적을 모니터링하기 위해 위치될 수 있다. 따라서 ASU 시스템의 운영자에 대한 전체 수익성은, ASU 시스템(1)이 안전한 방식으로 작동되는 것을 또한 허용하면서 우리의 흡착기(200)의 실시예를 갖는 PPU(107)를 사용하는 ASU 시스템(1)의 실시예의 사용에 의해 크게 향상될 수 있다.
본원에 명시적으로 도시되고 논의된 실시예에 대한 수정이 설계 목표의 특정 세트 또는 설계 기준의 특정 세트를 충족시키도록 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 다른 유닛들 사이의 유체의 흐름의 유체 연통을 위해 플랜트의 상이한 유닛들을 상호 연결하기 위한 밸브, 배관 및 기타 도관 요소(예를 들어, 도관 연결 메커니즘, 튜빙, 밀봉부 등)의 배열은 플랜트의 가용 면적, 플랜트의 크기가 결정된 장비 및 다른 설계 고려 사항을 고려하는 특정 플랜트 레이아웃 설계를 충족시키도록 배열될 수 있다. 다른 예로서, 방사상 흡착기를 통과하고 뿐만 아니라 다른 플랜트 요소를 통과하는 유체의 흐름 레이트, 압력 및 온도는 상이한 플랜트 설계 구성 및 다른 설계 기준을 고려하기 위해 변화될 수 있다. 또 다른 예로서, PPU(107) 내의 방사상 흡착기의 수 및 이들이 배열되는 방식은 설계 기준의 특정 세트를 충족시키도록 조정될 수 있다. 또 다른 예로서, 흡착기(200), PPU(107), 및 ASU 시스템(1)의 상이한 구조적 구성 요소에 대한 재료 조성은 설계 기준의 특정 세트를 충족시키기 위해 필요할 수 있는 바와 같은 임의의 유형의 적합한 재료일 수 있다. 실시예는, PPU(107)에 대한 방사상, 수직, 수평, 수직 교차 흐름 등 임의의 유형의 흡착 용기와 함께 사용될 수 있다. PPU-전 냉각기(104)는 기계식, 흡수-기반 등 임의의 유형의 냉각기일 수 있다. 실시예는 임의의 수의 ASU 트레인, 냉각기(병렬 또는 직렬), TSA 용기 등의 사용을 위해 구성될 수 있다. 선호되는 실시예는 TSA 구현예이지만, 이는 압력 스윙, 진공 스윙 등과 같이 냉각기가 프로세스에 이점을 줄 수 있는 다른 흡착 사이클에 대해서도 작동할 수 있다. 이는 또한, PPU-전 냉각기(104)와 PPU(107) 사이에 다른 유닛 동작들이 있는 경우에도 작동할 것이다.
ASU 시스템(1)의 실시예는 공기 분리 플랜트로서 구성될 수 있거나 또는 적어도 하나의 흡착기(200)가 이용될 수 있는 다른 유형의 플랜트에 통합될 수 있음이 이해되어야 한다. 플랜트, 흡착 시스템, PPU(107) 및 흡착기(200)는 각각 동작을 모니터링하고 제어하도록 위치되고 구성되는 프로세스 제어 요소들(예를 들어, 온도 및 압력 센서, 흐름 센서, 프로세서, 비-일시적 메모리 및 워크 스테이션 및/또는 플랜트의 다른 컴퓨터 디바이스에서 실행될 수 있는 자동화된 프로세스 제어 시스템에 대한 사용자 인터페이스를 제공하기 위해 센서 요소, 밸브, 및 제어기와의 통신을 위한 적어도 하나의 트랜시버를 포함하는 적어도 하나의 워크 스테이션을 갖는 자동화된 프로세스 제어 시스템, 등)을 포함하도록 구성될 수 있다.
다른 예로서, 개별적으로 또는 실시예의 일부로서 설명된 특정 특징이 다른 개별적으로 설명된 특징 또는 다른 실시예의 일부와 결합될 수 있다는 것이 고려된다. 따라서 본원에서 설명된 다양한 실시예의 요소 및 행위는 추가 실시예를 제공하기 위해 결합될 수 있다. 따라서, 흡착기, 흡착 시스템, PPU, 흡착기들 중 하나 이상을 사용하는 흡착 시스템을 갖는 플랜트, ASU 시스템, 및 이를 제조하고 사용하는 방법의 특정한 예시적인 실시예가 위에서 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음의 청구범위 내에서 달리 다양하게 구현되고 실시될 수 있음이 명백히 이해되어야 한다.

Claims (19)

  1. 공기 분리 유닛(air separation unit; ASU) 시스템의 사전-정화 유닛(pre-purification unit; PPU)에 대한 흡착기로서,
    압축기 시스템과 열 교환기 사이에 연결가능한 용기;
    상기 용기에 위치될 수 있는 흡착 재료의 베드(bed)를 포함하며,
    상기 흡착 재료의 베드는 상기 PPU로 공급되는 압축 공기 흐름으로부터 물과 이산화탄소(CO2)를 제거하도록 구성되고, 또한 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 아산화질소(N2O)가 제1 미리-선택된 임계값 미만이 되도록 N2O를 제거하도록 구성되며,
    상기 흡착 재료의 베드는, PPU-전 냉각기(pre-PPU chiller)가, 상기 PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 상기 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 것에 응답하여, 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 상기 제1 미리-선택된 임계값을 초과하고 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만이 되도록 상기 PPU가 전체 용량으로 작동할 수 있도록 구성되는, 흡착기.
  2. 청구항 1에 있어서, 흡착 재료의 제1 층은 알루미나를 포함하고, 흡착 재료의 제2 층은 NaX, NaLSX 또는 NaMSX를 포함하는, 흡착기.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 흡착 재료의 베드는 재료의 단일 층 또는 재료의 다수의 층을 포함하는, 흡착기.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 미리-선택된 임계값은 0-0.2ppm N2O의 범위 내이고, 상기 제2 미리-선택된 임계값은 0.2-0.32ppm N2O의 범위 내인, 흡착기.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 미리-선택된 임계값은 상기 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 20%-100%가 상기 공기로부터 제거되도록 선택되며, 상기 제2 미리-선택된 임계값은 상기 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 50% 미만이 상기 공기로부터 제거되도록 선택되는, 흡착기.
  6. 압축 공기가 사전-정화 유닛(pre-purification unit; PPU)에 공급되기 전에 상기 압축 공기를 냉각하기 위해 상기 PPU의 상류측에 있는 PPU-전 냉각기를 갖는 공기 분리 유닛(air separation unit; ASU) 시스템의 PPU를 통해 공기를 정화하는 방법으로서,
    흡착기의 용기 내의 흡착 재료의 베드를 통해 공기를 통과시키기 위해 상기 PPU의 상기 흡착기를 통해 상기 공기를 통과시키는 단계;
    상기 PPU-전 냉각기가, 상기 PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 상기 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 것에 응답하여, 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 아산화질소(N2O)가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하고 이산화탄소(CO2) 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만인 경우에도 상기 ASU 시스템을 전체 용량으로 계속해서 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 흡착 재료의 베드는 1.0 밀리미터(mm) 내지 5 mm의 입자 크기 범위를 갖는 알루미나, 실리카 겔, 13X, NaX, NaLSX, NaMSX, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 이산화탄소(CO2)의 함량을 모니터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 PPU-전 냉각기가 상기 ASU 시스템에 대해 다시 온-라인 상태이고 상기 PPU로부터 출력되는 공기가 더 이상 상기 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 N2O를 포함하지 않은 이후에, 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 과잉 N2O를 해결하기 위해 교정 액션을 취하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 교정 액션은, 상기 ASU 시스템이 상기 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 N2O를 갖는 상기 PPU로부터 출력되는 공기를 가지고 작동하는 시간의 지속 기간을 고려하기 위해 상기 ASU 시스템에 대한 제상 간격을 단축하는 것을 포함하는, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제상 간격을 단축하는 것은, 상기 ASU 시스템의 제상이 발생하도록 스케줄링될 때까지의 시간의 양을 감소시키는 것을 포함하는, 방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 미리-선택된 임계값은 0-0.2ppm N2O의 범위 내이고, 상기 제2 미리-선택된 임계값은 0.2-0.32ppm N2O의 범위 내이거나, 또는
    상기 제1 미리-선택된 임계값은 상기 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 20%-100%가 상기 공기로부터 제거되도록 선택되고, 상기 제2 미리-선택된 임계값은 상기 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 50% 미만이 상기 공기로부터 제거되도록 선택되는, 방법.
  13. 청구항 6에 있어서, 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하고 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만인 경우에도 상기 ASU 시스템을 전체 용량으로 계속해서 작동시키는 단계는, 14일 이하, 7일 이하, 또는 2일 이하인 미리-선택된 지속 시간 기간 동안 발생하도록 허용되는, 방법.
  14. 청구항 6에 있어서, 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 상기 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 경우에도 상기 ASU 시스템을 전체 용량으로 계속해서 작동시키는 단계는, 상기 PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 상기 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정된 상기 PPU-전 냉각기를 대체하기 위해 상기 압축 공기가 상기 PPU로 공급되기 이전에 상기 압축 공기를 냉각하기 위해 작동되는 중복 PPU-전 냉각기 없이 수행되는, 방법.
  15. 공기 분리 유닛(air separation unit; ASU) 시스템으로서,
    압축기 시스템으로부터 압축 공기를 수신하기 위해 상기 압축기 시스템에 연결가능한 사전-정화 유닛(pre-purification unit; PPU)으로서, 상기 PPU는 상기 PPU를 통해 열 교환기로 정화된 공기를 공급하기 위해 상기 열 교환기에 연결가능한, 상기 사전-정화 유닛(pre-purification unit; PPU);
    상기 압축기 시스템으로부터 출력되는 상기 압축 공기를 냉각하고 냉각된 압축 공기를 상기 PPU에 공급하기 위해 상기 압축기 시스템과 상기 PPU 사이에 위치되는 PPU-전 냉각기를 포함하며,
    상기 PPU는,
    상기 압축기 시스템과 상기 열 교환기 사이에 연결가능한 용기, 상기 용기에 위치되는 흡착 재료의 베드로서, 상기 흡착 재료의 베드는 상기 공기로부터 물, 상기 공기로부터 이산화탄소(CO2) 및 상기 공기로부터 아산화질소(N2O)를 제거하기 위해 흡착 재료의 적어도 하나의 층을 가져서 상기 PPU로부터 출력되는 공기가 제1 미리-선택된 임계값 미만의 N2O를 갖도록 하는, 상기 흡착 재료의 베드를 포함하며,
    상기 ASU 시스템은, 상기 PPU-전 냉각기가, 상기 PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 상기 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 것에 응답하여, 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 경우에도 상기 ASU 시스템이 전체 용량으로 작동할 수 있도록 구성되는, ASU 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 열 교환기로부터 상기 공기를 수신하도록 위치된 공기 분리 컬럼 어셈블리를 포함하는, ASU 시스템.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 ASU 시스템은, 상기 PPU로부터 출력되는 공기가 상기 제1 미리-선택된 임계값보다 큰 제2 미리-선택된 임계값(상기 제2 미리-선택된 임계값은 CO2 돌파 조건과 연관됨)을 초과할 때까지, 상기 PPU-전 냉각기가, 상기 PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하는 문제를 갖는 것으로 결정되는 것에 응답하여 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 상기 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 경우에도 상기 ASU 시스템이 전체 용량으로 작동할 수 있도록 구성되며,
    상기 제1 미리-선택된 임계값은 0-0.2ppm N2O의 범위 내이고, 상기 제2 미리-선택된 임계값은 0.2-0.32ppm N2O의 범위 내이거나, 또는
    상기 제1 미리-선택된 임계값은 상기 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 20%-100%가 상기 공기로부터 제거되도록 선택되고, 상기 제2 미리-선택된 임계값은 상기 PPU에 공급되는 공기 내의 N2O의 50% 미만이 상기 공기로부터 제거되도록 선택되는, ASU 시스템.
  18. 청구항 15에 있어서, 상기 ASU 시스템은, 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 상기 제1 미리-선택된 임계값을 초과하고 CO2 돌파와 연관된 제2 미리-선택된 임계값 미만인 경우에도 14일 이하, 7일 이하, 또는 2일 이하인 미리-선택된 지속 시간 기간 동안 전체 용량으로 작동하도록 구성되는, ASU 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 ASU 시스템은, 상기 PPU로부터 출력되는 공기 내의 N2O가 상기 제1 미리-선택된 임계값을 초과하는 경우에도, 상기 PPU-전 냉각기가 트립되는 것을 야기하거나 또는 상기 PPU-전 냉각기가 오프-라인으로 전환될 것을 요구하는 문제를 갖는 것으로 결정된 상기 PPU-전 냉각기를 대체하기 위해 상기 압축 공기가 상기 PPU로 공급되기 이전에 상기 압축기 시스템으로부터의 압축 공기를 냉각하기 위해 작동되는 중복 PPU-전 냉각기 없이 전체 용량에서의 상기 ASU 시스템의 작동이 수행될 수 있도록 구성되는, ASU 시스템.
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