KR930001600B1 - 통합압력 스윙 흡착/막 분리방법 - Google Patents

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Abstract

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Description

통합압력 스윙 흡착/막 분리방법
제1도는 본 발명의 한 태양을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
제2도는 제1도에 도시한 흡착 베드중의 하나에서의 조건들을 그래프로 나타낸 것이다.
본 발명은 공급 가스중의 하나 이상의 가스 성분을 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption; PSA)법으로 분리 및 정제하는 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 PSA 시스템으로부터의 퍼지 유출물(Purge effluent)을 막 분리 시스템을 통과시키고, 생성된 비투과물(Non-Permeate)을 PSA시스템에서 대체 가스 또는 보조퍼지(Copurge)로서 사용하는, 공급 가스중의 하나 이상의 가스 성분을 분리 및 정제하기 위한 통합 압력 스윙 흡착/막 분리방법에 관한 것이다.
PSA방법은 흡착이 보다 용이한 제2의 성분으로부터 공급 가스 혼합물중에 함유된, 흡착이 덜 용이한 가스 성분을 분리 및 정제하는 방법으로서 익히 공지되어 있다.
압력 스윙 흡착 시스템은 일반적으로 가스 혼합물중의 보다 무거운 성분을 선택적으로 흡착하는 분자체 또는 다른 흡착제의 베드를 함유하는 둘 이상의 흡착기를 포함하는 장치를 통하여 공급 가스 혼합물을 통과시키는 과정을 포함한다. 흡착기는 일련의 적합한 라인, 밸브, 타이머등이 작동하도록 정렬되어 있어, 공급 가스 혼합물 중에서 보다 무거운 성분이 분자체 또는 다른 흡착제에 흡착되는 흡착기간과 보다 무거운 성분이 흡착제로부터 탈착되고 퍼지되어 재활용용으로 재생되는 재생기간이 확정된다.
이러한 선택적 흡착은 일반적으로 흡착 베드에서 선택성이 보다 큰 흡착성분에 의해 보다 높은 흡착 압력에서 일어난 후, 보다 낮은 탈착 압력으로 압력이 저하됨으로써 탈착된다. 베드는 이러한 저압에서 퍼지되어 공급가스를 추가로 정제할 수 있다.
이러한 PSA방법은 문헌에 기재되어 있는데 [참조 : 와그너(Wagner)의 미합중국 특허 제3,430,418호 및 퍼더러(Fuderer)등의 미합중국 특허 제3,986,849호], 다중 베드 시스템의 사용을 기본으로 하는 사이클이 상세하게 기술되어 있다. 일반적으로 공지되어 있고 본 명세서에서 참조로 인용된 상기 특허에 기술되어 있는 바와 같이, PSA방법은 일반적으로 PSA시스템의 각각의 베드를 포함하는 일련의 공정 사이클로 수행한다. 이러한 사이클은 통상적으로 흡착단계가 완료되는 하나 이상의 병류 감압단계에서 각각의 베드의 생성말단부로부터 진공가스의 방출을 기본으로 한다. 이러한 사이클에 있어서, 방출된 가스는 통상적으로 압력평형화 및 후속의 퍼지단계에서 사용된다. 그후, 베드를 역류 감압시키고/시키거나 퍼지시켜 흡착제로부터 가스 혼합물의 선택성이 보다 큰 흡착성분을 방출시키고 이를 흡착 압력으로 재가압시키기 전에 베드의 공급 말단부로부터 이러한 가스를 제거한다.
PSA방법은 가장 중요한 단 하나의 성분을 고순도로 회수하는 가스 분리용으로 먼저 사용된다. 예를 들면, 80mole의 수소와 20mole의 일산화탄소를 함유하는 100mole의 공급가스로부터 문헌[와그너의 미합중국 특허 제3,430,418]의 공정은 60mole의 수소를 99.999%의 순도로 분리시킬 수 있으나, 순수한 일산화탄소는 거의 회수할 수 없으며; 남아있는 20mole의 일산화탄소와 20mole의 수소는 각각 50%의 순도로 혼합되어 있다. 완전한 분리는 이루어질 수 없다. 흡착성이 작은 경우에만, 가벼운 성분이 고순도로 회수된다.
순수하며 흡착성이 보다 큰 무거운 성분을 회수하기 위하여 추가의 단계, 즉 감압시키기 전에 베드로부터 가벼운 성분을 대체시키기 위해 무거운 성분으로 세정한다. 이러한 세정단계는 이전의 여러 특허에 기술되어 있다. 당해 공정이 지닌 문제점들은 다음과 같다 : (a) 세정이 완료되고 가벼운 성분이 베드로부터 완전히 대체되는 경우, 순수한 무거운 성분을 수득할 수 있으나, 무거운 성분의 흡착 표면은 가벼운 성분으로 뚫고나가 가벼운 성분은 고순도로 회수될 수 없다 : (b) 가벼운 성분의 대체가 완료되지 않은 경우, 본 명세서의 제2도에 도시한 바와 같이 베드중의 무거운 성분의 전형적인 농도양상이 수득되고, 이러한 베드가 역류 감압화되어 공급가스 말단부에서 무거운 주성분을 회수할 경우, 베드내에 여전히 존재하는 가벼운 성분은 공급 말단부에 매우 빨리 도달하며 무거운 성분의 순도는 저하된다. 따라서 선행기술의 방법으로는 단일 PSA 유니트에서 두가지 주성분을 고순도로 수득할 수 없다.
그러나, 완전한 분리는 각각의 유니트가 다수의 고정 베드를 포함하는 개별적인 두가지 압력 스윙 흡착공정으로 성취할 수 있다. 예를 들면, 수소와 일산화탄소(CO)를 함유하는 공급 가스로부터 제1유니트는 순수한 수소와 70%의 일산화탄소를 함유하는 일산화탄소-다량 가스를 회수한다. 당해 가스 혼합물을 압축시키고 순수한 일산화탄소와 수소-다량 가스를 회수하는 제2PSA 유니트를 통과시킨다. 수소-다량 가스를 제1PSA유니트에 공급 가스로서 가할 수 있고, 그후 사이클을 반복한다. 독립된 두 PSA 유니트의 결합물은 높은 유연성으로 우수하게 분리시킬 수 있다. 예를 들면, 두 성분을 포함하는 가스 혼합물로부터 당해 시스템은 수소와 같은 "가벼운"흡착성 성분의 99.8%이상을 99.999%의 순도로 회수할 수 있으며, 또한 99.5%이상의 순도로 일산화탄소와 같은 흡착성이 보다 큰 무거운 성분을 거의 100% 회수할 수 있다.
흡착성이 보다 크고 흡착성이 보다 작은 성분을 모두 회수하기에 적합한 PSA방법이 문헌에 기술되어 있다[참조 : 벤크만(Benkmann)의 영국 특허 제1,536,995호]. 당해 방법은 벤크만의 제2도에서 일련의 사이클로 나타낸 바와 같은 두 베드를 기본으로 한다. 공급물을 흡착성이 보다 큰 성분을 함유하는 낮은 베드에 도입시킨다. 공급단계 후에, 흡착성이 보다 작은 성분 또는 가벼운 성분을 무거운 성분의 재순환류에 의해 낮은 베드에서 대체시키는 보조 퍼지 단계로 수행하여, 단계의 말단부에서 낮은 베드가 무거운 성분만을 함유하게 한다. 이때, 높은 베드와 낮은 베드간의 연결을 자동 밸브로 차단시키고 무거운 성분을 낮은 베드로부터(역류)감압화로 회수한다. 이렇게하는 동안, 높은 베드도 또한 감압화되고 퍼지되어 모든 무거운 성분이 제거된다. 높은 베드와 낮은 베드의 일련의 단계는 연관되어 있고, 독립된 사이클로 수행할 수 없다. 복잡성이 증가함에 따라 시스템의 유연성을 감소한다. 당해 시스템이 가진 문제점을 일련의 두 베드의 세트가 필요하며, 공급 가스 조성과 같은 공정조건이 변화할 경우, 낮은 유연상을 의미하는 두 베드의 용적비를 변화시킬 수 없으며; 두 베드의 용기 헤드가 감압 손실 및 압축 동력을 증가시키는 다량의 진공가스를 함유하고; 압력 강하가 또한 증가한다는 점이다.
본 명세서에서 참조문헌으로서 인용하는, 계류중인 미합중국 특허 제4,723,966호(1988. 2. 9)에는 이원 분리가 단일 흡착 베드중에서 수행되는 PSA법이 기술되어 있다. 따라서 흡착단계를 베드가 충분히 충진되는 시점까지 진행시킨후, 베드내의 가스 혼합물을 흡착이 보다 용이한 성분을 함유하는 기체류로 대체하거나 또는 치환시킨다. 치환단계 후에, 베드의 공급 말단부는 거의 순수하며 흡착이 보다 용이한 성분을 함유하고, 베드의 배출 말단부는 거의 순수하고 흡착이 덜 용이한 성분을 함유한다. 이어서, 이와 같이 편극화된 베드를 동시에 양측 말단부로부터 감압시킴으로써, 이들 각각의 말단부로부터 거의 순수한 분리된 성분을 제거시킨다.
기타 방법, 특히 반투과성 막을 사용하여 기체류를 정제하려는 시도가 있었다. 그런데, 이러한 반투과성막 가스 분리방법으로는 비교적 고순도로 투과성이 덜한 성분, 즉 비투과물 스트림을 분리시킬 수 있으나, 일반적으로 투과되는 성분을 고순도로 제공할 수 없었다. 실제로, 미합중국 특허 제4,264,338호에 예시된 바와 같이, 2단계 또는 3단계 투과에 의해서도 단지 적절한 순도의 투과 스트림이 수득되며, 이는 비용면에서 경제적이지 못하다.
PSA시스템을 사용한 반투과성 막 유니트를 통합시킬 수도 있다. 따라서, 미합중국 특허 제4,229,188호 및 제4,238,204호에 의하면, 반투과성 막 분리 유니트를 사용하여 선택적 흡착 베드를 재생시켜 수득한 퍼지 가스를 처리하는데, 이때 투과된 가벼운 기체는 선택적 흡착 베드중에서 추가의 처리를 위해서 공급 가스 혼합물과 함께 재순환되며, 투과되지 않은 무거운 기체는 시스템으로부터 완전히 제거되며, 일반적으로 연료가스로서 사용된다.
미합중국 특허 제4,398,926호에 기술되어 있는 바와 같이, PSA공정과 함께 반투과성 막을 사용하는 최근의 출원에 있어서, 고농도의 불순물을 함유하는 공급 가스는 수소를 선택적으로 투과시킬 수 있는 투과성 막을 함유하는 분리기를 통해 먼저 통과시킨다. 분리기를 사용하여 가스 스트림에 함유된 불순물로부터 목적하는 수소를 최대로 분리시킬 수 있다. 분리된 수소를 감압하에 회수하고 이를 감압하에서 작동하기에 적합한 압력 스윙 흡착기로 통과시킨다. 투과되지 않은 가스를 분리기로부터 필수적으로 가스 스트림의 고압에서 회수하고, 그 일부를 보다 저압으로 낮추고 보조 공급 가스로서 압력 스윙 흡착 시스템을 통과시킨다.
본 분야에서는 가스 혼합물을 정제하기 위하여 PSA시스템과 함께 반투과성 막 분리기술을 더욱 효율적이고 경제적으로 이용하고자 하는 요구가 여전히 남아있다.
출원인 보다 효율적이고 경제적으로 시스템의 압력 스윙 흡착 부분으로부터 유도된 퍼지 유출물을 이용하는, 가스 혼합물을 분리 및 정제하기 위한 신규한 통합 압력 스윙 흡착/막 분리 시스템을 밝혀내었다.
따라서, 본 발명에 있어서, 공급 가스 혼합물을 공급 혼합물의 하나 이상의 성분이 공급 가스 혼합물내에 또한 포함되는 흡착성이 보다 낮은 가스성분보다는 흡착성이 보다 큰 하나 이상의 흡착제 베드를 지니는 선택적인 흡착 유니트를 통해 통과시킨다. 흡착 유니트로부터 이탈된 퍼지 유출물을 바람직하게는 막 분리 유니트로 처리하여, 바람직하게는 흡착 압력에서 공급가스 혼합물내에 흡착성이 보다 큰 성분을 고농도로 함유하는 비투과성 가스를 제공하도록 한다. 비투과성 가스는 흡착 유니트 내에서 대체 가스로서 유용하게 사용된다. 또한 흡착성이 보다 작은 성분을 함유하는 투과 가스는 퍼지 가스, 연료 또는 생성 가스로서, 재가압용으로 사용할 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 용어 "대체 가스(Displacement gas)"는 공급 가스 혼합물의 흡착성이 보다 큰 성분을 고농도로 함유하는 가스를 포함함을 의미한다. 베드를 충분히 충진시키기 위해 선택적인 흡착 유니트내에서의 흡착단계가 일단 진행되면, 대체 가스를 베드에 도입시켜, 베드의 공급 말단부에 위치하는 흡착성이 보다 작은 성분을 베드의 생성 말단부로 대체시킨다. 이러한 대체 단계는 베드의 충진영역에는 실제적으로 흡착성이 보다 큰 가스성분이 적하되고, 베드의 비충진영역은 흡착성이 보다 작은 가스 성분이 함유되는 베드의 편극화를 제공함으로써, 고순도의 수율을 수득하는데 상당히 바람직하다. 상기 단계에 이어서 대체적으로 순수한 무거운 기체(고 흡착성 가스 성분을 함유)와 가벼운 기체(저 흡착성 가스 성분을 함유)를 베드의 주입 말단부와 생성 말단부로부터 각각 제거시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 공급 가스 혼합물로부터 하나 이상의 가스 성분을 제거하기 위한 신규한 가스 분리방법은 베드에서 하나 이상의 가스성분이 공급 가스 혼합물내에 함유한 흡착성이 보다 작은 가스 성분보다 흡착성이 더 크며, 흡착압력에서 유지되는 하나 이상의 흡착제 베드에 공급 가스 혼합물을 통과시키는 것을 포함한다. 이어서 베드내에 포함된 흡착성이 보다 작은 가스 성분은 흡착성이 공급 가스 혼합물보다 큰 하나이상의 가스 성분을 고농도의 대체 가스로 대체 시킨다. 바람직하게는, 병류 감압단계를 상기의 대체 단계 이전에, 동시에 또는 이어서 수행함으로써, 이의 생성 말단부로부터 베드를 감압시키고, 주로 흡착성이 보다 작은 가스 성분을 함유하는 진공 가스가 방출되도록 한다.
이어서 실제적으로 흡착성이 보다 큰 하나 이상의 가스 성분이 베드의 주입 말단부로부터 방출되는 적어도 역류감압화로 베드를 추가로 감압시킨다. 본 발명의 바람직한 태양에 있어서, 베드의 양 말단부를 동시에 감압시켜, 베드의 주입 말단부로부터는 흡착성이 보다 큰 하나 이상의 가스 성분을, 베드의 생성 말단부로부터는 흡착성이 보다 작은 가스성분을 방출시킨다. 상기 방법으로, 본 발명은 다수의 단일 흡착 베드로부터의 이원가스 분리를 제공한다.
감압시킨 후에, 퍼지 가스를 사용하여 베드를 퍼지시켜 베드를 재생시킨다. 이어서 흡착성이 보다 큰 하나 이상의 가스 성분과 흡착성이 보다 작은 가스 성분을 함유하는, 퍼지 단계로부터 수득한 퍼지 유출물을 반투과성 막 분리 유니트를 통해 통과시킨다. 분리 유니트에서, 흡착성이 보다 큰 하나 이상의 가스 성분이 농축되어 비투과물을 형성하는 반면, 흡착성이 보다 작은 가스 성분은 막을 통과하여 투과물을 형성한다. 적어도 비투과물의 일부는 흡착 유니트로 재순환하여 대체가스를 제공한다. 경우에 따라서, 역류 또는 이중말단부 감압화 동안 흡착베드의 주입 말단부로부터 유출되고, 하나 이상의 흡착성이 보다 큰 성분을 함유하는 가스를 비투과물을 보충하기 위해 대체가스로서 사용할 수도 있다. 비투과물의 잔류부분은 경우에 따라서, 생성 가스 또는 연료로서 사용할 수 있다. 투과물은 재가압화를 위해 퍼지 가스, 연료 또는 생성가스로서 사용할 수 있다. 바람직하게는, 퍼지 유출물을 반투과성 막 분리 유니트에 통과시키기 전에, 먼저 유출물을 흡착압력으로 압축시키는데, 이때 압력은 실제적으로 공급 가스 혼합물의 압력과 동일하다. 그러나, 경우에 따라서, 유출물을 흡착압력보다 낮은 압력으로 압축시킬 수 있다.
이어서 또 다른 공급 가스 혼합물을 다시 처리하기 위해 흡착압력으로 베드를 재가압시킨다.
본 발명은 또한 상술한 방법을 수행하는데 사용되는 가스 분리 시스템에 관한 것이다. 특히, 가스 분리 시스템은 베드에서 하나 이상의 가스 성분이 공급 가스 혼합물내에 함유된 흡착성이 보다 작은 가스 성분보다 흡착성 큰 하나 이상의 흡착 베드를 지니는 선택적인 흡착 유니트로 이루어진다. 흡착 유니트는 하나 이상의 공급 주입구, 공급 가스 혼합물로부터 함유된 흡착성이 보다 작은 가스 성분을 함유하는 생성물용 제1배출구, 퍼지 유출물용 제2배출구, 대체가스 도입용 제2주입구 및 하나 이상의 공급 주입구에 가스 혼합물을 공급하는 장치와 제1배출구로부터 생성가스를 회수하는 장치를 포함한다.
시스템은 또한 흡착성이 보다 작은 가스 성분을 선택적으로 투과시키는 하나 이상의 반투과성 막을 함유하는 반투과성 막 분리 유니트를 함유한다. 당해 유니트는 가스 주입구, 투과된 가스용 제1배출구 및 투과되지 않은 가스용 제2배출구를 포함한다.
시스템은 또한 흡착 유니트의 제2배출구로부터 막 분리 유니트의 가스 주입구로 퍼지 유출물을 연결시키는 장치와 막 분리 유니트의 제2배출구로부터 흡착 유니트내에서 대체가스로서 사용되는 비투과 가스 도입용 흡착 유니트의 제2주입구로 비투과 가스를 연결시키는 장치를 포함한다.
따라서, 본 발명은 생성된 비투과물을 대체가스로서 사용하고, 투과된 가스는 재가압시 퍼지 가스, 연료 또는 생성 가스로서 사용할 수 있는 반투과성 막 분리 유니트의 사용 및 통합에 의해 퍼지 유출물의 효과적인 재순환을 유리하게 제공한다.
베드의 양 말단부가 동시에 강압되는 본 발명의 바람직한 태양에 있어서, 이원 가스 분리는 본 발명의 통합 PSA/막 시스템의 결과로서 가장 경제적이고 효율적인 방법으로 수득된다.
공급 가스 혼합물에 또한 포함된 흡착성이 보다 작은 성분으로부터 하나 이상의 흡착성이 보다 큰 성분을 함유하는 특정한 공급 가스 혼합물을 분리시키는 것은 본 발명의 영역내에 포함된다. 보다 용이하게 흡착이 가능한 전형적인 가스 성분으로는 산소, 메탄, 일산화탄소등이 포함된다. 일반적으로, 흡착성이 작은 물질에는 질수, 수소등이 포함된다.
해당분야의 전문가들은 PSA시스템을 사용하는 고압 선택적 흡착이 높은 흡착 압력에서 흡착 베드의 공급 말단부에 공급 가스 혼합물을 도입시킴을 특징으로 함을 이해할 것이다. 약간의 흡착성이 작은 가스 성분이 베드에 잔류하여 흡착제 물질 사이의 빈 공간을 점유할 지라도, 흡착성이 보다 작은 성분은 일반적으로 베드를 통과하여 이의 생성 말단부로부터 방출된다. 흡착 프론트(front) 또는 프론트들은 그의 공급 말단부에서 생성 말단부로 움직이는 것과 같은 상기의 프론트를 지니는 베드중에 형성된다.
질량 전이 프론트(Mass transfer front)가 베드내의 "이상적인(ideal)"위치에 위치할 때까지 압력하에서 흡착을 수행한다. 질량 전이 프론트는 포화된 물질과 같은 충진된 흡착제 물질과 충진되지 않은 흡착제 물질 사이의 경계사정선이다. 질량 전이 프론트가 적어도 베드의 약 반으로 될 때까지 흡착단계를 수행하는 것이 바람직하다.
베드가 충분히 충진될 때까지 흡착단계를 수행할 경우, 가스 혼합물은 흡착성이 더 큰 성분을 고농도로, 바람직하게는 공급 가스 혼합물에서의 농도보다 적어도 더 높은 농도로 흡착성이 더 큰 가스 성분을 함유하는 가스로 대체하거나 치환시킨다.
본 발명에 따라서, 대체가스는 흡착공정중의 후속 단계에서 수득한 퍼지 유출물의 재순환을 가능하게 하는 막 분리 유니트로부터 수득된다. 상기의 대체단계는 베드의 공급 말단부로부터 베드의 생성 말단부로 흡착성이 보다 작은 성분을 대체시키고, 베드의 충진영역이 실제적으로 흡착성이 보다 큰 성분만으로 적하되는 것을 보장하면서 고순도의 수율을 수득하는데 상당히 바람직하다. 베드의 비충진 영역은 흡착성이 보다 작은 성분을 함유한다.
PSA유니트의 순환공정 동안 베드내의 특정 위치에 질량 전이 프론트를 유지시키는 것이 바람직하다. 병류 감압화 단계는 임의이지만, 바람직하게는, 질량 전이 프론트의 위치를 조절하기 위해 수행한다. 병류 감압화 단계는 대체단계와 함께, 또는 이어서 수행할 수 있다. 더욱이, 병류 감압화 단계는 또한 상기의 대체 단계이전 및 대체단계 동안 모두, 또는 대체단계 동안 및 이후에, 또는 그외 특정한 기타 조합으로 수행할 수 있다. 병류 감압화 단계는 일반적으로 흡착제 베드의 생성 말단부에서 압력을 저하시킴으로써 수행한다. 병류 감압화는 필수적으로 약간의 퍼지 단계이며, 질량 전이 프론트의 위치를 정하는데 효과적이다.
일단 대체단계를 수행할 경우, 베드는 특징적으로 편극화될 수 있다. 베드의 공급 말단부는 실제적으로 순수하고 흡착성이 보다 큰 성분을 함유한다. 베드의 생성 말단부는, 흡착성이 보다 작은 성분을 함유한다.
이어서 편극화된 베드는 공급 가스 혼합물의 흡착성이 보다 큰 가스 성분을 주로 함유하는 가스를 베드의 주입 말단부로부터 유출시키는, 해당분야에 공지된 방법으로 적어도 역류감압시킨다. 상기의 기체는 생성물, 연료, 또는 경우에 따라서, 대체가스의 보충 공급원으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 태양에 있어서, 흡착 베드는, 예를 들면, 이중 말단부 감압화 단계에 의해 양 말단부로부터 동시에 감압된다. 상기 방법으로 베드의 공급 말단부로부터는 대체적으로 순수한 흡착성 성분을 베드의 다른 지점, 일반적으로 베드의 생성 말단부로부터는 대체적으로 순수한 흡착성이 작은 성분을 회수한다.
이중 말단 감압화는 흡착 베드의 양 말단부로부터 시스템의 압력을 동시에 저하시킴으로써 수행한다. 제로 유동면(Zero flow plane)이 질량 전이 프론트의 아주 가까이에 형성된다. 흡착성 성분은 베드의 공급 말단부로부터 역류전으로 탈착되는 반면, 흡착성이 작은 성분은 흡착 베드의 생성 말단부로부터 병류적으로 탈착된다.
바람직하게는 이중 말단부 감압화 단계인, 적어도 역류 감압화 단계가 완결될 때, 베드를 생성 말단부로부터 해당분야에 통상적인 방법으로 진공 가스 또는 흡착성이 보다 작은 성분을 고농도로 지니는 가스로 역류적으로 퍼지시킨다. 퍼지 유출물을 베드의 공급 말단부로부터 회수한다.
본 발명에 따라, 공급 가스 혼합물의 흡착성이 보다 큰 성분과 흡착성이 보다 작은 성분을 모두 함유하는 퍼지 유출물은 흡착성이 작거나 가벼운 성분은 대체로 투과시키나, 흡착성이 더욱 크거나 무거운 성분은 대체로 불투과성인 반투과성 막을 통과시킨다. 일반적으로, 퍼지 유출물은 반투과성 막 분리 유니트로 도입시키기 전에, 바람직하게는 흡착 베드의 흡착 압력으로 압축시키는데, 이는 일반적으로 약 60 내지 1000ℓb/SIG이다.
가볍거나 흡착성이 작은 성분은 저압에서 투과물로서 회수되고, 생성 가스, 퍼지 가스, 연료, 재가압 가스 또는 균압 가스로서 사용할 수 있다. 농축된 무겁거나 흡착성이 보다 큰 성분은 비투과물로서 수득되며, 적어도 일부는 대체 가스로서 사용된다. 비투과물의 나머지 부분은, 경우에 따라서, 생성 가스, 또는 연료로서 사용할 수 있다.
역류 또는 이중 말단부 감압시, 흡착성이 보다 큰 성분을 하나 이상 함유하는 흡착 베드 주입 말단부로부터 유출된 가스는 또한 비투과물을 보충하기 위한 대체 가스로서 사용할 수 있고, 감압화로부터 수득한 가스를 사용하기 전에 특정한 베드를 위한 대체 가스로서 비투과율을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법은 해당분야에서 통상적인 방법으로 흡착 베드를 흡착압력으로 재가압시켜 완결짓는다. 바람직하게는, 막 분리 유니트로부터의 투과물을 재가압 단계에서 일부 사용된다.
막 분리 유니트는 적합한 틀에 설치되고, 매니폴드(manifolds)를 제공하며 투과된 가스와 투과되지 않은 가스 혼합물용 주입구 및 분리된 배출구와 연결된 반투과성 막을 함유하는 하나 이상의 막 단위로 이루어져 있다. 바람직하게는, 막 단위는 중공섬유 막 단위를 형성한다. 주입장치는 압력하에서 퍼지 유출물을 단위의 공급 주입 부분으로 통과시키기 위해 제공된다. 유출장치는 감압에서 막 단위로부터 투과물을 회수하기 위해 제공된다. 다른 유출 장치는 필수적으로 공급 가스 압력에서 분리 유니트로부터 가스 스트림의 비투과물 부분을 각각 회수하기 위해 제공된다. 단위의 주입부분과 비투과물 가스 유출 장치는 중공섬유의 내부와 바람직하게 유체 교환된다. 그러나, 상기의 태양이 막 단위의 외부 또는 표면에 공급물로 통과시키는 것만큼 바람직하지는 않을지라도, 섬유의 구멍으로 퍼지 유출물을 공급할 수 있다.
본 발명의 가장 바람직한 태양에 있어서, 비투과 가스 유출장치 및 투과 가스 유출장치는 투과 가스 유출장치 근처에 위치한 공급 주입장치와 함께 막 단위의 반대 말단부에 위치한다. 작동시, 가압 유출물을 분리기에 넣고, 흡착성이 보다 작은 가스 성분은 선택적으로 중공섬유 벽을 투과시킨다. 투과된 가스는 감압에서 섬유 구멍의 내부를 통과하며, 막 단위의 한 말단에 있는 그의 유출장치로 회수되는 반면, 비투과된 가스는 전형적으로 막 단위의 반대편 말단부에 있는 상기의 가스용 유출장치를 통과한다.
일반적으로, 막의 선택성 또는 분리는 신속한 투과가스(예 : 수소)의 투과성 대 느린 투과 가스(예 : 일산화탄소 또는 메탄)의 투과성의 비로 기술하며, 이때 막은 통과한 특별한 가스의 투과성(P/I)은 표준온도 및 압력에서 막을 가로질러 수은 1㎝의 부분압력 저하에서 1초당 분리 표면적 1㎠당 막을 통과하는 가스의 용적으로서 정의한다. 특정한 두 가스의 투과성의 비는 제2가스(S.F.H2/CO 또는 αH2/CO)에 대한 제1가스의 분리인자로서 언급한다. 바람직하게는, 일산화탄소 또는 메탄에 대한 수소의 분리인자는, 예를 들면, 5이상, 바람직하게는 약 10이상이다. 일산화탄소 또는 메탄에 대한 수소의 50 또는 100이상의 분리인자가 특정 막에 의해 제공될 수 있다. 특히 바람직한 막은 표준온도 및 압력에서 막을 가로질러 수은 1㎝의 부분압 저하에서 1초당 막 표면적의 ㎠당 1×10-6이상, 바람직하게는 1×10-5내지 4×10-4㎤ 수소의 수소 투과성을 나타낸다.
일산화탄소, 메탄, 질소 및 다른 가스와 같은 무거운, 흡착성이 보다 큰 가스 성분과 비교하여, 수소와 같은 공급 가스 혼합물의 흡착성이 보다 작은 가스 성분에 대해 선택적으로 투과성인 적합한 물질을 분리막 및 바람직한 중공섬유 분리막에 사용할 수 있다.
적합한 막 물질은 금속상 및 무기 막 뿐만 아니라 유기 중합체 또는 충진제, 보강제 등과 같은 무기물과 혼합된 유기 중합체이다. 평면 및 중공섬유 막의 형성에 적합한 전형적인 유기 중합체는 치환되거나 비치환된 중합체일 수 있으며, 폴리설폰; 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔 공중합체 및 스티렌-비닐벤질 할라이드 공중합체 등의 스티렌-함유 중합체를 포함하는 폴리스티렌; 셀룰로오즈 아세테이트, 셀룰로오즈 아세테이트-부티레이트, 셀룰로오즈 프로피오네이트, 에틸 셀룰로오즈, 메틸 셀룰로오즈, 니트로셀룰로오즈 등의 폴리카보네이트, 셀룰로오즈성 중합체; 아릴 폴리 아미드 및 아릴 폴리이미드를 포함하는 폴리아미드 및 폴리이미드; 폴리페닐렌 옥사이드 및 폴리크실렌 옥사이드 등의 폴리에테르, 폴리아릴렌 옥사이드; 폴리에스테르 아미드 디이소시아네이트, 폴리우레탄; 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리알킬 메타크릴레이트, 폴리알킬아크릴레이트, 폴리페닐렌 테레프탈레이트 등의 폴리아크릴레이트를 포함하는 폴리에스테르; 폴리설파이드; 상기한 것을 제외한 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐-1, 폴리-4-메틸렌부텐-1 등의 α-올레핀계 불포화 단량체로부터의 중합체; 폴리비닐, 예를 들면, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 에스테르(예 : 폴리비닐 아세테이트 및 폴리비닐 프로피오네이트), 폴리비닐 피리딘, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 에테르, 폴리비닐 케톤, 폴리비닐 알데히드(예 : 폴리비닐 포름알 및 폴리비닐 부티랄), 폴리비닐 아민, 폴리비닐 포스페이트 및 폴리비닐 셀페이트; 폴리알릴; 폴리트리아졸; 폴리벤즈이미다졸; 폴리포스파진 등, 및 상기중의 반복단위를 포함하는 블럭 인터폴리머(예 : p-설포페닐메트알릴 에테르의 아크릴로니트릴-비닐 브로마이드-나트륨염의 삼원공중합체)를 포함하는 인터폴리머; 및 상기 물질을 포함하는 그라프트 및 블렌드중에서 선택할 수 있다. 치환된 중합체를 제공하는 전형적인 치환체는 불소, 염소 및 브롬등의 할로겐; 하이드록실 그룹; 저급 알킬 그룹; 저급 알콕시 그룹; 모노사이클릭 아릴; 저급 아실 그룹 등이다.
막을 통한 투과율을 향상시키기 위해서는 막 물질이 가능한한 얇은 것이 바람직하지만, 사용하는 차동 압력 및 차동 부분압을 포함하는 분리조건을 막이 견딜 수 있는 적합한 강도를 보장할 정도로 충분히 두꺼워야 한다. 막 및 중공섬유 막은 등방성, 즉 거의 동일한 밀도를 가질 수 있거나, 이들은 비등방성, 즉 막의 적어도 한 부위의 밀도보다 적어도 다른 한 부위의 밀도가 더 높을 수 있다. 막은 화학적으로 균질한데, 즉 동일 물질로 구성되어 있거나 복합 막일 수 있다. 적합한 복합 막은 복합 막이 분리공정을 견딜 수 있도록 필요한 강도를 제공하는 다공성 물리적 지지체에서 분리공정을 수행하는 얇은 층을 포함할 수 있다. 이들막은 실질적으로 분리를 수행하는 다공성 분리 막 및 다공성 분리막과 맞물려 접한 코팅 물질(여기서, 코팅물질은 분리공정을 실질적으로 수행하지 않는다)을 포함한다. 이들 다성분 막은 특히 가스 분리에 적합한데, 수소를 일산화탄소, 메탄, 질소 및 기타의 무거운 가스로부터 분리하는 경우, 상기 막을 통하여 양호한 분리 선택성과 높은 수소유동을 수득할 수 있다.
이들 다성분 막의 코팅용 물질은 천연 또는 합성 물질일 수 있으며, 보통 중합체인데, 다공성 분리막과 맞물림 접함을 제공하기 위한 적합한 특징을 나타내는 것이 유리하다. 합성 물질은 부가 및 축합 중합체를 모두 포함한다. 코팅을 포함할 수 있는 유용한 물질은 치환되거나 비치환될 수 있고 가스 분리 조건하에서 고체 또는 액체인 중합체이며, 합성 고무; 천연 고무; 비교적 고분자량 및/또는 고비등 액체; 유기 예비 중합체; 폴리실록산, 실리콘 중합체, 폴리실라잔; 폴리우레탄; 폴리에피클로로하이드린; 폴리아민, 폴리이민; 폴리아미드; 폴리(α-클로로아실로니트릴)공중합체 등의 아크릴로니트릴-함유 공중합체; 폴리아크릴레이트[예 : 폴리알킬 아크릴레이트 및 폴리알킬 메타크릴레이트(여기서, 알킬 그룹은 1 내지 약8개의 탄소원자를 갖는다)], 폴리석시네이트, 및 알키드 수지를 포함하는 폴레에스테르; 터페노이드(Terpenoid)수지; 아마씨 유; 셀룰로오즈성 중합체; 폴리설폰, 특히 지방족-함유 폴리설폰; 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜 등의 폴리알킬렌 글리콜; 폴리알킬렌 폴리설페이트; 폴리피롤리돈; 폴리올레핀 등의 올레핀계 불포화 단량체로부터의 중합체[예 : 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리(2,3-디클로로부타디엔), 폴리이소프로필렌, 폴리클로로프렌]; 폴리스티렌공중합체(예 :스테린 부타디엔 공중합체)를 포함하는 폴리스티렌; 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 알데히드(예 : 폴리비닐포름알 및 폴리비닐 부티랄), 폴리비닐 케톤(예 : 폴리메틸비닐 케톤), 폴리비닐 에스테르(예 : 폴리비닐 벤조에이트), 폴리비닐 할라이드(예 : 폴리비닐 브로마이드)등의 폴리비닐; 폴리비닐리덴 할라이드; 폴리비닐리덴 카보네이트; 폴리(N-비닐말레아미드); 폴리(1,5-사이클로옥타디엔) : 폴리(메틸리노프로페닐 케톤); 플루오르화 에틸렌 공중합체; 폴리아릴렌 옥사이드(예 : 폴리크실렌 옥사이드); 폴리카보네이트; 폴리포스페이트(예 : 폴리에틸렌 메틸포스페이트)등; 및 상기 반복 단위를 함유하는 인터폴리머를 포함하는 인터폴리머와 상기 물질을 함유하는 그라프트 및 블렌드를 포함한다. 상기 물질은 다공성 분리막에 적용된 후 중합될 수 있거나 중합되지 않을 수 있다.
본 발명에 따라서, 고흡착성 성분을 함유하는 비투과 가스를 막 분리 유니트의 배출구중의 하나로부터 흡착 유니트의 주입 말단부로 보냄으로써 비투과 가스를 재순환시켜 흡착 사이클 동안에 대체 가스로서 사용하는 수단이 제공된다.
유사하게, 본 발명의 다른 양태로서, 저흡착성 성분을 함유하는 투과 가스를 막 분리 유니트의 배출구중의 하나로부터 흡착 유니트의 생성 말단부로 보냄으로써 투과 가스를 재순환시켜 퍼지 가스, 균압 가스 및/또는 재가압 가스로 이용할 수 있다.
흡착제 베드는 제올라이트 분지체, 활성탄, 실리카 겔, 활성 알루미늄 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹중에서 선택되는 성분을 포함하는 물질을 함유할 수 있다. 해당 분야의 전문가들은 실제적으로 특정의 선택적 흡착제 물질을 본 발명의 공정에 사용할 수 있음을 알 수 있다.
제1도는 본 발명의 흡착단위를 나타내는 단일 PSA시스템의 개략도이다. 도식의 설명은 일반적으로 이중 말단부 감압화가 일어나는 본 발명의 바람직한 태양에 관한 것인 반면, 베드의 양 말단부로부터 감압화가 동시에 일어나는 것은 본 발명에서 중요하지 않으며, 통상적인 역류 감압화는 적절한 것으로 이해된다.
4개의 흡착제 베드(7, 8, 9 및 10)는 본 태양에서 평행하게 제시되어 있지만, 단 하나의 베드만이 본 발명을 실시하는데 필요하다.
공급 가스 혼합물에 또한 포함되는 흡착성이 작은 가스 성분보다도 흡착제 베드내에서 흡착성이 보다 큰 하나 이상의 가스 성분을 함유하는 공급 가스 혼합물을 압력하에서 매니폴드 라인(2)과 개개의 공급 말단부라인(3, 4, 5 및 6)을 사용하여, 제2도의 질량 전이 프론트(124)의 농도 양상이 될 때까지 흡착제 베드(7, 8, 9 및 10)의 공급 말단부로 각각 방출시킨다. 공급 가스 혼합물을 흡착베드로 초기 방출시키는 것은 종종 베드를 충진시키거나 포화시키는 것으로 설명된다. 이 기간 동안, 흡착제 물질은 공급 가스 혼합물의 흡착성이 크거나 보다 무거운 성분을 선택적으로 흡착하는 반면, 흡착성이 보다 작거나 보다 가벼운 성분은 베드를 통과하여 생성 말단부(11, 12, 13, 14 및 15)로부터 방출된다. 베드의 생성 말단부로부터 통과된 가스는 필수적으로 공급 또는 흡착 압력하에 있으며, 생성 가스, 퍼지 가스, 연료, 또는 재가압 가스로서 사용할 수 있다.
흡착제 베드(7, 8, 9 및 10)를 충진시킨 다음, 공급 가스를 매니폴드 라인(38)에 의해 제공되는 공정의 하류 가스로 대체시킨다.
하류 가스는 공급 가스 혼합물내에 포함되는 것보다 흡착성이 큰 가스 성분을 고농도로 함유함으로서, 흡착제 베드(7, 8, 9 및 10)의 공급 말단부(3, 4, 5 및 6)로 하류 가스를 방출시킬 경우, 베드의 공급 말단부에 잔류하는 흡착성이 보다 작은 성분을 베드의 생성 말단부쪽으로 이동하도록 유발한다. 공급 가스를 하류 가스로 대체시키는 것을 특히 이중 말단부 감압시, 구별되는 질량 전이 프론트를 성취하는 이외에, 대체적으로 순수하게 분리시키기 위해 바람직하다.
바람직하게는, 병류 감압단계를 대체단계와 함께 수행한다. 흡착제 베드(7, 8, 9 및 10)의 생성 말단부(11, 12, 13 및 14)에서 중간 수준으로 압력을 저하시킨다. 흡착성이 작거나 가벼운 성분으로 대부분 이루어진 진공 가스를 생성 말단부에서 회수한다. 진공 가스를 매니폴드(15)로부터 라인(50) 및 역류적으로 퍼지시키는 후속 단계에 사용할 수 있는 저장장치(52)로 방출시킨다. 병류 감압단계는 대체단계 이전에, 동시에, 또는 이어서 수행할 수 있다. 생성 말단부(11, 12, 13 및 14)로부터 회수된 대체 가스와 진공 가스가 모두 흡착성이 작거나 가벼운 가스 성분을 고농도로 함유함으로써 후에 퍼지 가스로서 사용하기 위해 저장장치(52)에 수집될 수 있는 경우, 두 단계는 양립된다.
통상적으로, 질량 전이 프론트는 단일 베드시스템에서의 어려움이 생길 수 있다. 예를 들면, 제2도의 질량 전이 프론트(124)가 베드(127)로부터 대체될 경우, 흡착성이 작은 생성물은 불순해진다. 이는 흡착물질을 비교적 순수한 유출 생성물로 방류시킬 경우, 흡착 베드가 흡착된 물질로 포화되기 시작하기 때문이다. 억류 감압이 시작된 때에, 질량 전이 프론트를 베드의 내부에 잔류하도록 할 경우, 유출 생성물은 불순해질 수 있다. 물질을 화살표 방향(129)으로 유동시키면, 흡착성이 작은 물질(126)이 베드(127)의 생성 말단부에 위치하여 베드(127)의 공급 말단부로부터 유동될 때 흡착물질(125)과 혼합된다.
불순물의 농도는 베드(127)의 공급 말단부와 베드(127)의 생성 말단부를 모두 동시에 감압시킬 경우에 불순물의 농도를 감소시키거나 방지할 수 있다. 흡착된 물질(125)은 화살표 방향(129)으로 유동되고, 흡착성이 작은 물질은 화살표 방향(128)으로 유동된다. 실제적으로 순수한 흡착물질은 베드(127)의 공급 말단부로 부터 수득되고, 실제적으로 순수한 저흡착성 물질은 베드(127)의 생성 말단부로부터 수득된다.
제2도는 이중 말단부 감압시 초기의 농도 양상을 예시한 것이다. 이중 말단부 감압을 시작하면, 제로 유동면(130)이 형성된다. 제로 유동면(130)의 왼쪽에서는 베드내의 물질이 역류적으로 또는 화살표 방향(129)으로 유동된다. 제로 유동면(130)의 오른쪽에서는 물질이 병류적으로 또는 화살표 방향(128)으로 유동된다.
제로 유동면의 양면에서, 유속은 점차로 증가하여, 베드의 양말단부에서 최대에 이른다.
흡착제 베드의 말단부의 상대적인 유속으로 제로 유동면의 위치를 결정할 수 있을 정도로 바람직한 이중말단부 감압동안 흡착제 베드의 두 말단부의 유속을 조절하는 것이 바람직하다. 그러나, 이중 말단부 감압시 베드의 공급 말단부의 유출물이 생성 말단부의 유출보다 용적이 큼으로 인해, 유속은 흡착제 베드의 양 말단부에서 상이할 것이다.
베드의 상이한 탈착 이유는 두가지이다. 첫째로, 흡착성이 보다 큰 성분으로 충전된 베드의 부분이 일반적으로 더 크다. 두 번째로, 압력을 양 말단부로부터 동시에 저하시킬 경우, 흡착성이 보다 큰 물질이 흡착성이 작은 물질과 비교하여 유리하다.
이중 말단부 감압화는 흡착 베드를 탈착 압력으로 저하시킬 경우에 완결된다.
흡착 베드는 이중 말단부 감압 후에 재생된다. 저장장치(52)로부터 수득한 퍼지 가스를 생성 말단부(11, 12, 13 및 14)로부터의 라인에 의해 라인(54)을 통해 매니폴드(15)와 베드(7, 8, 9 및 10)로 유동된다. 퍼지 가스는 베드의 생성 말단부에서 공급 말단부로 유동되므로, "역류적으로"유동된다고 말할 수 있다. 중간 압력 수준을 갖는 퍼지 가스가 베드를 통해 용이하게 유동되도록 베드를 완전히 감압시킨다. 흡착 성분의 부분압의 저하는 고농도의 비흡착성분을 함유하는 가스로 퍼지시켜 증가시킨다.
퍼지 단계의 결과로, 퍼지 유출물은 공급 말단부 라인(3, 4, 5 및 6)과 매니폴드 배출구(16, 17, 18 및 19)에서 수득된다. 본 발명에 따라, 퍼지 유출물을 가스 라인(20)에서 매니폴드를 통해 압축장치(21)로 유동시켜, 유출물이 흡착 압력으로 압축되도록 한다. 이어서 압축 유출물을 라인(31 및 32)을 통해 막분리 유니트(33)로 이동시킨다.
막 단위(33)는 유출물을 두가지의 기본 성분으로, 즉 흡착성이 큰 성분과 흡착성이 작은 성분으로 분리한다. 막은 흡착성이 보다 작은 성분에 대해 투과성이고, 흡착성이 보다 큰 성분에 대해 불투과성인 반투과성막이다. 흡착성이 작은 가스 성분은 라인(34)에 의해 막 분리 유니트(33)로부터 유출되어, 생성 매니폴드(15)로 유도된다. 라인(34)을 통한 가스 유동은 흡착성이 작은 성분을 고농도로 함유하므로, 생성 가스, 역류 퍼지 가스, 연료, 균압 가스 또는 부분적으로는 재가압 가스로서 사용될 수 있다. 본 발명의 목적을 위한 균압화는 라인(34)의 가스가 흡착 압력보다 저압이 될 경우에 성취되며, 다른 베드내의 압력을 균일하게 하는데 사용될 수 있다.
퍼지 유출물의 흡착성이 보다 큰 가스 성분은 막분리 유니트(33)에서 농축되기 시작한다. 농축되고 흡착성이 보다 큰 성분은 라인(35 및 36)과 매니폴드 라인(38)에 의해 시스템의 흡착 유니트를 매니폴드 배출구(40, 42, 44, 46)로 반환시킨다. 라인(35)의 비투과된 기체는 대체 가스 또는 생성 가스로서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 비투과된 가스의 일부는 라인(48)을 통해 시스템으로부터 유출되는 생성 가스로서 이용될 수 있다.
가스 라인(20)의 가스는, 예를 들면, 이중 말단부 감압시, 흡착성이 보다 큰 고농도의 성분을 함유할 수 있다. 상기 상황에서, 막 유니트를 통한 가스의 유동은 부수적인 것이다. 따라서, 가스 라인(20)의 가스는 압축기(21)에서 압축된 다음, 라인(31), 통과 라인(23), 라인(36) 및 매니폴드 라인(38)을 통해 유동되어, 대체 가스로서 사용될 수 있다. 또다른 방법으로, 압축장치(21)로부터 유출되는 가스의 전부 또는 일부를 라인(22)을 통해 생성 가스로서 사용할 수 있다.
흡착제 베드(7, 8, 9 및 10)가 퍼지된 경우, 베드를 흡착 압력으로 재가압시킨다. 이때, 베드의 재생이 완결된다. 그 다음에, 베드는 공급 가스 혼합물이 베드를 통해 유동되는 다른 흡착 사이클을 위해 준비한다.
본 발명은 이성분 가스 혼합물 및 보다 복잡한 가스 혼합물을 위해 유용하다. 예를 들면, 공기는 본 발명의 다중-순환(Multi-cycling) 공정에 의해 그의 다양한 부성분(Subcomponents)으로 분리될 수 있다. 다중 순환은 순수한 부성분이 분리될 때까지 수행할 수 있다. 첫 번째 순환에서, 복합 가스 혼합물을 베드상에 적하한다. 필수적으로 가장 흡착성이 큰 성분을 함유하는 대체 가스를 베드의 공급 말단부로부터 분리하고, 흡착성이 작은 성분은 베드의 생성 말단부로부터 분리한다. 그 다음에 첫 번째 순환의 두 생성물을 다시 분리하기 위해 후속 순환과정을 수행할 수 있다.
해당 분야의 전문가들은 본 명세서에 기술된 압력스윙 흡착장치의 필수 성분들을 용이하게 구입할 수 있음을 인지할 것이다. 기술된 각종 라인은 도관장치, 파이프, 튜브, 호스, 또는 다른 유사한 물질의 형태중의 하나일 수 있다. 압축기, 밸브, 막 유니트, 파이프 연결 및 저장장치는 모두 통상적인 주입구 및 배출구 장치 뿐만 아니라 전자기계일 수 있는 밸브 장치를 포함한다.
하기의 실시예로 본 발명을 기술하고자 하며, 이로써 본 발명을 제한하고자 함이 아니다.
[실시예]
5개의 흡착제 베드를 약 3MPa의 흡착 압력으로 가압시킨다. 고흡착성 성분, 이산화탄소 및 저흡착성 성분, 수소를 함유하는 공급 가스 혼합물을 첫 번째 매니폴드 및 공급-말단 주입구를 통해 흡착 베드로 유동시킨다. 저흡착성 수소는 생성 말단 배출구로부터 3MPa에서 생성 가스로서 수득되는 두 번째 매니폴드로 유동된다. 질량 전이 프론트가 베드의 약 반인 위치로 이동된 경우에, 공급 가스의 유동을 중단시킨다.
필수적으로 수소를 함유하는 진공 가스는 배출구의 압력을 약 1MPa 압력으로 저하시킴으로써 베드로부터 제거된다. 그 다음에 진공 가스는 라인을 통해 저장 탱크로 유동시켜, 다른 베드로 재가압시키는데 사용한다.
그 다음에, 병류 퍼지 단계로서 또한 공지된 대체단체는 96 용적%의 일산화탄소를 함유하는 대체 가스를 첫 번째 매니폴드, 주입구 및 베드를 통해 유동시켜 시작함으로써, 베드의 공급 말단부로부터 생성 말단부쪽으로 수소가 대체되도록 한다. 배출구에존재하는 수소는 진공 가스용으로 사용되는 저장 탱크로 유동될 수 있다. 다른 방법으로는, 1MPa에서, 수소의 전부 또는 일부는 다른 베드를 가압시키는데 또한 사용하거나, 수소 생성물로서 시스템으로부터 제거할 수 있다.
병류 퍼지 단계 후에, 베드는 일산화탄소가 베드의 공급 말단부 중간에 위치하고, 수소가 베드의 생성말단부 중간에 위치하도록 충진 및 편극화시킨다.
이중 말단부 감압단계시 이원 가스 분리를 성취하기 위해 베드의 적하물을 제거시킨다. 압력은 베드의 양 말단부에서 동시에 약 120KPa로 저하된다. 순도가 98.8%인 일산화탄소는 공급 말단부에서 회수하며, 순도가 99.99%인 수소는 생성 배출 말단부에서 회수한다. 상기의 수소는 다른 베드를 퍼지시키는데 사용된다.
이중 말단부 감압 후, 다른 베드의 이중 말단부 감압으로부터 수득된 수소로 베드를 퍼지시킨다. 유출물을 흡착 유니트로 반환시키기 위한 공정을 수행할 경우, 62몰%의 CO와 38몰%의 H2를 함유하는 퍼지 유출물은 배출구(16, 17, 18 및 19)로부터 회수된다.
퍼지 유출물은 유출물을 흡착 압력 또는 그의 약간 높은 압력으로 압축시키는 압축기로 유동시킨다. 그 다음에 압축된 가스를 막 분리 유니트를 통해 유동시킨다. 120KPa에서 87%의 수소를 함유하는 투과된 가스가 분리 유니트로부터 두 번째 매니폴드로 유동되어, 생성 가스 또는 진공 가스로서 처리된다. 96%의 CO와 4%의 H2를 함유하는 비투과 가스는 필수적으로 일정 압력에서 분리 유니트로부터 첫 번째 매니폴드(38)로 유동되어, 병류 대체 단계용 대체 가스로서 사용된다.

Claims (23)

  1. 흡착이 보다 용이한 하나 이상의 가스 성분이 흡착이 덜 용이한 하나 이상의 가스 성분으로부터 분리되며 흡착 베드가 퍼지되는 동안에 퍼지 유출물(Purge effluent)이 수득되고 추가로 대체 가스가 흡착 베드내로 도입되어 베드내에 함유된 흡착이 덜 용이한 하나 이상의 가스 성분을 대체시키는, 흡착 베드를 하나 이상 포함하는 압력 스윙 흡착법에 있어서, 퍼지 유출물의 적어도 일부를 막 분리 유니트를 통해 통과시켜 흡착이 보다 용이한 하나 이상의 가스성분을 농축시킴으로써 농축 가스 스트림을 형성하고, 농축 가스 스트림을 대체가스로 사용함을 특징으로 하는 압력 스윙 흡착법.
  2. (a) 흡착 압력에서 유지되며, 공급 말단부와 생성 말단부를 갖는 하나 이상의 흡착제 베드(여기서, 하나 이상의 가스 성분은 공급 가스 혼합물내에 함유된 저흡착성 가스 성분보다 흡착성이 크다)로 공급가스 혼합물을 통과시키고; (b) 베드내에 함유된 저흡착성 가스 성분을 하나 이상의 고흡착성 가스 성분의 농도가 공급 가스 혼합물의 농도보다 높은 대체가스로 대체시키고; (c) 사실상 하나 이상의 고흡착성 가스성분이 베드의 주입 말단부로부터 방출되는 최소한의 역류 감압화로 베드를 감압시키고; (d) 베드를 퍼지가스로 퍼지시켜 베드의 공급 말단부로부터 하나 이상의 고흡착성 가스 성분과 저흡착성 가스 성분을 함유하는 퍼지 유출물을 수득하고; (e) 베드를 흡착 압력으로 재가압시키고; (f) 퍼지 유출물중의 하나 이상의 고흡착성 가스 성분을 반투과성 막으로 농축시켜 대체 가스의 적어도 일부분을 제공함을 특징으로 하여, 공급 가스 혼합물로부터 하나 이상의 가스 성분을 제거하는 가스분리방법.
  3. 제2항에 있어서, 대체 단계 전, 동시 또는 후에 사실상 저흡착성 가스 성분을 베드의 생성 말단부로부터 방출시키기 위하여 베드를 병류 갑압시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 병류 감압화 단계로부터 방출된 저흡착성 가스 성분이 흡착제 베드를 재가압시키는데 적어도 부분적으로 사용되는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 단계(c)의 감압화가 베드의 하나 이상의 다른 위치로부터 사실상 저흡착성 가스 성분을 동시에 방출시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 단계(c)의 감압화가 수행되는 동안, 사실상 저흡착성 가스 성분을 베드의 생성 말단부로부터 방출시키고 사실상 하나 이상의 고흡착성 가스 성분을 베드의 주입 말단부로부터 동시에 방출시키는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 하나 이상의 다른 위치로부터 방출된 저흡착성 가스 성분이 흡착제 베드를 퍼지시키는데 사용되는 방법.
  8. 제2항에 있어서, 농축단계가 퍼지 유출물을 반투과성 막으로 농축시키기 전에 압축시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 퍼지 유출물이 반투과성막에 의해 농축되기 전에 흡착 압력에 의해 압축되는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 농축단계가 압축된 유출물을 저흡착성 가스 성분에 대해 선택적으로 투과성인 반투과성막으로 유출시키고, 흡착 압력에서 비투과물(이는 대체가스로서 사용된다)을 회수하며, 흡착 압력 미만의 압력에서 사실상 저흡착성 가스 성분으로 이루어진 투과물을 회수하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 투과물이 흡착제 베드를 퍼지시키는데 사용되는 방법.
  12. 제2항에 있어서, 하나 이상의 고흡착성 가스 성분이 메탄, 일산화탄소, 산소 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹중에서 선택된 성분인 방법.
  13. 제2항에 있어서, 저흡착성 가스 성분이 수소, 질소 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹중에서 선택되는 방법.
  14. 제2항에 있어서, 막이 다공성 지지층과 지지층 위에 위치하는 분리층을 갖는 복합막으로 이루어진 방법.
  15. 제14항에 있어서, 복합막이 중공섬유 형태인 방법.
  16. 제2항에 있어서, 베드가 약 600 내지 약 1,000psig의 압력으로 재가압되는 방법.
  17. (a) 흡착 압력에서 유지되며, 공급 말단부와 생성 말단부를 갖는 하나 이상의 흡착제 베드(여기서, 하나 이상의 가스 성분을 공급 가스 혼합물내에 함유된 저흡착성 성분보다 흡착성이 크다)로 공급가스 혼합물을 통과시키고; (b) 베드를 병류 감압시켜 베드의 생성 말단부로부터 사실상 저흡착성 가스 성분을 방출시키고; (c) 베드내에 함유된 저흡착성 가스 성분을 하나 이상의 고흡착성 가스 성분의 농도가 공급 가스 혼합물의 농도보다 높은 대체가스로 대체시키고; (d) 사실상 하나 이상의 고흡착성 가스 성분을 베드의 주입 말단부로부터 방출시키는 동시에 사실상 저흡착성 가스 성분을 베드의 생성 말단부로부터 방출시킴으로써 베드를 감압시키고; (e) 베드를 퍼지 가스로 퍼지시켜 베드의 공급 말단부로부터 하나 이상의 고흡착성 가스 성분과 저흡착성 가스 성분을 함유하는 퍼지 유출물을 수득하고; (f) 베드를 흡착 압력으로 재가압시키고; (g) 퍼지 유출물의 적어도 일부분을 흡착압력으로 압축시켜 압축된 퍼지 유출물을 형성시키고; (h) 압축된 퍼지 유출물중의 하나 이상의 고흡착성 가스 성분을 반투과성 막(여기서, 막은 저흡착성 가스 성분에 대해 선택적으로 투과성이다)으로 농축시키고, 흡착 압력에서 비투과물(이는 대체가스로서 사용된다)을 회수하여 흡착 압력 미만의 압력에서 사실상 저흡착성 가스 성분으로 이루어진 투과물을 회수함을 특징으로 하여, 공급 가스 혼합물로부터 하나 이상의 가스 성분을 제거하는 가스 분리방법.
  18. (a) 하나 이상의 흡착제 베드(여기서, 하나 이상의 가스 성분은 공급 가스 혼합물내에 함유된 저흡착성 가스 성분보다 흡착성이 크다)를 포함하며, 하나 이상의 공급 주입구, 저흡착성 가스 성분을 함유하는 생성물용 제1배출구, 퍼지 유출물용 제2배출구, 대체 가스 도입용 제2주입구, 공급 가스 혼합물을 하나 이상의 공급 주입구로 공급하기 위한 장치 및 제1배출구로부터 생성가스를 회수하기 위한 장치를 포함하는 선택 흡착 유니트; (b) 저흡착성 가스 성분에 대해 선택적으로 투과성인 하나 이상의 반투과성 막을 함유하며, 가스 주입구, 투과된 가스용 제1배출구 및 비투과된 가스용 제2배출구를 포함하는 반투과성 막 분리 유니트; 및 (c) 퍼지 유출물을 흡착 유니트의 제2배출구로부터 막 분리 유니트의 가스 주입구로 보내기 위한 장치 및 비투과된 가스를 막 분리 유니트의 제2배출구로부터 흡착 유니트의 제2주입구로 보내 흡착 유니트에서 대체 가스로서 사용되는 비투과된 가스를 도입시키기 위한 장치로 이루어짐을 특징으로 하는, 공급 가스 혼합물로부터 하나 이상의 가스 성분을 제거하는 가스 분리 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 퍼지 유출물을 보내기 위한 장치가 가스 압축기, 흡착 유니트로부터 가스 압축기로 향하는 이송장치 및 가스 압축기로부터 막 분리 유니트로 향하는 이송장치를 포함하는 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 막 분리 유니트가 분리 유니트 내에 조립된 반투과성 막 중공섬유로 이루어진 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 막 분리 유니트의 가스 주입구 및 비투과된 가스용 제2배출구가분리 유니트내에 중공섬유의 외부에서 유동-연결되며 투과된 가스용 제1배출구는 중공섬유 내부와 유동-연결되는 시스템.
  22. 제18항에 있어서, 반투과성 막이 다공성 지지층과 지지층 위에 위치하는 분리층을 갖는 복합막인 시스템.
  23. 제18항에 있어서, 투과된 가스를 흡착 유니트에서 퍼지 가스로서 도입시키기 위하여, 투과된 가스를 막 분리 유니트의 제1배출구로부터 흡착 유니트의 제1배출구로 보내는 장치를 추가로 포함하는 시스템.
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