KR930005621B1 - 기체분리를 위한 압력순환 흡착공정 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

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Description

기체분리를 위한 압력순환 흡착공정 및 시스템
제1도는 본 발명의 2층 진공 PSA 질소시스템의 바람직한 구체예를 예시하는 개략적 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 공급공기 4 : 시분할(time-shared) 송풍기
14 : 진공펌프 15 : 물분리기
16 : 배출도관 23 : 냉각기
27 : 건조기시스템 40 : 산소저장용기
42 : 배압조절기
본 발명은 기체혼합물중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 회수, 특히 공기로부터 질소의 회수에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 개량된 압력순환 흡착공정 및 장치를 사용하여 공기로부터 질소를 회수하는 방법에 관한 것이다.
각종 화학적 처리, 정련, 금속생산 및 기타 공업적인 분야에 있어서, 정화, 피복(blanketing), 금속처리분위기의 제공등을 위해 고순도 질소가 요구된다. 또한, 똑같은 설비에서의 여러 용도를 위해 농축 산소 기체가 종종 필요하다. 물론 질소와 산소는 공기분리를 위한 여러 공지된 방법에 의해 얻어질 수 있다. 여러 응용에서, 특히, 저온 공기 분리 플랜트의 사용이 경제적으로 적합하지 않은 비교적 소규모의 조작에서, 이러한 공기분리를 위해 압력 순환 흡착(PSA) 방법이 특히 적합하다. 상기 유형의 대표적인 응용은 100,000ft3/hr의 유량으로 95.0 내지 99.9%의 질소의 순도를 필요로 한다.
PSA 공정에 있어서, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분과 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 함유하는 공급가스혼합물은 더 높은 흡착압력에서 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착층을 통과한다. 그후에, 흡착층은 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 탈착을 위해서, 그리고, 그 층에서 순환식 흡착-탈착 조작이 계속됨에 따르는 그 층으로의 추가량의 공급가스 혼합물의 도입전에 그 층으로부터의 상기 성분의 제거를 위해서 낮은 탈착압력으로 감압된다. 당업자들이 쉽게 인지할 수 있는 바와같이 PSA 공정은 보통 다층 시스템으로 이용되며, 그 각각의 층은 시스템 내의 나머지 층에서 그와 같은 처리순서를 수행하는 것에 상관하는 PSA 처리 순서를 순환식으로 이용한다.
공기분리의 목적으로 적용되는 바와같이, PSA 시스템은 산소 또는 질소를 흡착하기 위해 사용된 흡착제의 보다 높은 선택도 때문에 질소와 산소의 원하는 분리를 달성한다. 사용되는 특정흡착제 재료의 흡착능력은 높은 압력에서는 증가하고 낮은 압력에서는 감소한다. 고순도 질소 생성물의 제조를 위한 PSA 공정 및 장치에 있어서, 사용되는 흡착제는 산소에 대하여 더 높은 선택도를 갖는 것일 수 있다. 사용되는 흡착제가 탄소분자체와 같은 산소선택성 재료인 시스템에 있어서, 생성물 질소는 공급 공기가 높은 흡착압력에서 흡착층을 통과하는 동안에 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 생성된다. 사용되는 흡착제가 제올라이트 분자체와 같은 질소 선택성 재료인 시스템에 있어서, 생성물 질소는 더 낮은 탈착 압력으로의 흡착층의 감압시에 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 생성된다.
생성되는 생성물의 단위당 비교적 낮은 동력소비를 달성함에 의해서와 같이, PSA 공정 및 시스템을 향상시키기 위한, 특히 자본 비용을 절감시키고, 신뢰도를 증가시키고, 조작 비용을 최소화시키기 위한 시도가 계속 되어 왔다. 이와같은 전반적인 목적들을 달성하는데 있어서의 한가지 바람직한 목표는 원하는 고순도의 생성물 외에도 비교적 고순도의 공동 생성물의 생성을 가능하게 하는 것이다. 공기분리및 기타의 기체분리 조작에 적용된 것으로서, 바타(Batta)의 미국특허 제3,636,679호는 2개 이상의 충돌에 적용된 것과 같은 PSA 사이클을 발표하고 있는데, 여기에서 그 각각의 층은 층의 반대편으로부터 공급물 가스와 생성물가스의 동시 도입후에 공급물 가스 만으로의 더 높은 흡착 압력으로의 추가의 재가압에 의하여, 낮은 탈착압력으로부터 부분적으로 재가압되고 그 후에, 그 층은 그 배출단부로부터 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 배출과 함께 병류감압되어, 그 배출 성분중의 일부는 생성물가스로 회수되고, 그 나머지는 균압화를 위해 사용되고 시스템내의 또 다른 층(들)에 정화가스를 제공한다. 이어서 그 층은, 층의 공급단부로부터의 가스의 방출과 함께 역류감압되고 정화된 후, 연속적으로 순환조작이 수행됨에 따라 추가의 공급가스를 사용하여 부분적 재가압을 시작한다. 상기 특허의 방법은 공기중의 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 생성물 산소를 회수하기 위해 사용되는 공기분리 조작에 성공적으로 이용되어 왔다. 그러나 바타의 방법은 원하는 고순도 생성물 가스로서 공기중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분, 예를들어 질소의 회수에는 적용될 수 없다.
그러나, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 생성물 가스로서 회수하기 위해 요구되는 다수의 다른 방법들이 존재한다. 일반적으로, 이와같은 방법들은, 가스혼합물중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 부압의 탈착압력에서 층으로부터 탈착시키는 진공사이클을 이용한다. 따라서, 타무라(Tamura)의 미국특허 제3,797,201호는, 더 쉽게 흡착될 수 있는 질소성분을 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착층내에 대기압의 흡착압력으로 공기를 도입하고, 그 후에 진공탈착시켜서 상기의 질소를 원하는 생성물 가스로서 회수하는 것을 포함하는 공기 분리방법을 발표하고 있다. 생성물의 순소들 증가시키기 위하여, 타무라는 역류진공탈착 및 재가압전에 층의 배출단부에서 질소흡착 전면의 전진 및 정화된 질소를 사용하여, 상기 높은 흡착압력에서 병류정화가스의 혼입이 이루어질 때까지 층의 배출단부를 통한 산소부화가스의 방출과 함께 초기 흡착단계의 수행을 제안하였다. 상기 방법의 사용은, 비록 고순도질소 생성물이 얻어질 수 있기는 하지만, 이용 가능한 압력에서 그리고 에너지 효율방식으로 공동생성물 산소의 비이용성에 의해 제한을 받으려는 경향이 있다. 유사한 처리 사이클이 서어카(Sircar) 등의 미국특허 제4,013,429호 및 4,264,340호에 발표되어 있는데, 상기의 사이클은 처리단계들 사이의 불연속적 흐름속도를 조절하기 위한 가변용적 서어즈 탱크와 함께 사전처리층 및 주분리층으로 각각 구성되는 2개의 흡착트레인을 이용한다. 그러나, 탈착동안에 필요한 고도의 진공 및 공정의 전체 복잡성이 부가되어, 그 공정과 결부된 설비 및 동력비용을 증대시키다.
진공탈착은 공기세정 및 건조를 위한 예비처리와, 다음 (1) 내지 (4)의 단계를 포함하는 처리사이클을 포함하는, 마이와(Miwa)등의 미국특허 제4,070,164호의 공정에 유사하게 이용된다.
(1) 공기공급에 의해 약 4atm까지 층을 가입하는 단계, (2) 상기의 높은 압력에서 질소로 층을 병류 정화시켜서 층의 배출단부로부터 산소부화흐름을 빼내는 단계, (3) 층의 공급단부로부터 질소부화가스로 역류감압시키는 단계, 및 (4) 층의 상기 공급단부로부터 추가의 질소부화가스의 배출과 함께 약 0.3atm까지 진공탈착시키는 단계.
2번의 역류감압단계 동안에 배출된 가스를 조합시킴으로써, 상기 방법을 사용하면 원하는 질소에 대한 회수 수준이 매우 낮아지지만, 일정한 흐름의 고순도질소가 그 시스템으로부터 회수된다. 상기 처리사이클이 4층 시스템에서 수행된 경우에 자본 및 조작비용은 비교적 높다. 자본비용은 밸브, 압축설비 및 기타 다른 요건들에 관련하여 4개의 흡착제용기의 사용때문에 높다. 조작비용은 공정 효율이 비교적 낮기 때문에 높아지게 된다. 동일한 4개의 처리 단계들이 또한, 아몬드(Armond)의 미국특허 제4,129,424호에도 발표되어 있는데, 여기에서도 공급가스 내의 질소의 분압과 실제로 똑같은 압력에서 수행될 병류정화단계가 제공되어, 더 높은 압력에서 정화가 수행되는 유사한 공정들과 비교하여 층을 포화시키는 데에 필요한 정화가스의 양을 상당히 가소시킨다. 다시 말하면, 이것은 공기 공급물이 도입된 후에 병류 배출단계가 포함되어 정화가스의 압력까지 층의 압력을 감소시키는 것을 유도한다.
PSA 공정의 사용에 의해서 공기로부터 고순도질소를 회수하는 기술은, 베르너(Warner) 등의 미국특허 제4,599,094호에 발표된 개량된 방법에 의해 발전되었다. 이 방법은, (1) 가압단계, (2) 공동정화단계, 및 (3) 더 낮은 부압탈압압력까지의 역류감압단계를 포함하는데, 공기중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 질소의 회수 및 순도가 향상된다. 높은 압력에서 질소에 의해 공동정화할 때 층에서 방출되는 공동생성물 유출가스중의 일부는 산소(덜 쉽게 흠착될 수 있는 성분) 공동생성물 가스로 회수되는 한편, 상기 산소의 추가 부분은 상기층의 공급단부로의 공급공기의 도입에 의해서 재가압되는 층의 배출단부에 도입된다. 그와같은 산소의 제3부분은, 층이 최소한 부분적으로 재가암된 후에, 층의 공급단부에 도입된다. 역류 감압시에 층의 공급 단부에서 방출된 질소중의 일부는 상기의 질소 공동정화가스로 이용된다.
베르너 등의 방법은 고순도질소가 높은 회수율로 얻어지게 할 수 있으며, 산소부화 공동생성물이 비교적 높은 회수율로 회수된다. 그럼에도 불구하고, 공정의 복잡성, 및 시스템의 높은 압축비율 및 높은 배출요건으로 인해서, 이 처리방법에는 비교적 높은 자본비용 및 조작비용이 든다.
당업계에서의 이와같은 노력에도 불구하고 공기중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 질소의 생성을 위해 원하는 질소생성물을 비교적 낮은 자본비용 및 조작비용으로 그리고 고순도로 회수시킬 수 있는 개량된 PSA 공정을 개발할 필요성이 여전함을 당업자는 알 수 있다. 이와같은 개량은 다수의 상업상 바람직한 실제 공업적 응용을 위해 낮은 비용의 고순도 질소의 필요성을 충족시키기 위한 매우 바람직한 압력 순환흡착기술의 능력을 향상시켜 준다.
따라서, 본 발명의 목적은 고순도질소의 생성을 위한 개량된 PSA 공정 및 시스템을 제공하는 데에 있다.
또한 본 발명의 목적은 공기로부터 고순도질소를 생성시키기 위한 간편화된 PSA 공정 및 시스템을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 공기로부터 고순도질소를 회수하는데에 있어서 자본비용, 동력소비 및 전체비용을 최소화할 수 있는 PSA 공정 및 시스템을 제공하는데에 있다.
또한, 본 발명의 그 밖의 목적은 공급가스 혼합물 중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 원하는 고순도 생성물 가스로서 회수하기 위한 개량된 PSA 공정 및 시스템을 제공하는데에 있다.
상기 및 기타 다른 목적들을 염두에 두고, 본 발명은 하기에서 자세히 기술되며, 그 새로운 특징은 특히 특허청구의 범위에 기재되어 있다.
고순도질소는 (1) 농축산소가스에 의해 재도입(backfill), (2) 공급공기에 의한 가압, (3) 병류정화, (4) 블로우다운, (5) 배기 및 (6) 역류정화로 이루어진 조작사이클로 순환식으로 조작되는 2개 이상의 흡착층들의 사용을 필요로 하는 PSA 공정 및 시스템에서 공기로부터 회수된다. 고순도 질소생성물은 종래의 공정 및 시스템과 비교하여 유사하거나 또는 더 적은 자본 비용으로, 감소된 동력소비의 결과로 유리할 만큼의 낮은 비용으로 얻어진다. 또한, 본 발명은 기타 다른 공급가스 혼합물 중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 고순도 저비용 생성물 가스로서 분리시키는 데에도 사용될 수 있다.
본 발명은 하기에서 첨부한 도면과 관련하여 상세히 설명된다.
본 발명의 목적들은 공급가스 혼합물중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 고순도 저비용 생성물 가스로서 회수하기 위한 PSA 가스 분리 공정 및 시스템에서 신규의 간단한 진공 처리사이클을 사용함으로써 달성된다. 그 처리사이클은 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 원하는 생성물 가스로서 회수하기 위한 여러 종래 방법들의 복잡성을 회피하고, 기타 다른 진공 PSA 사이클들과 비교하여 동력소비를 상당히 감소시킬 수 있다. 본 발명은 하기에서 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 공기로부터 질소를 회수한 것과 특별히 관련하여 기술되겠지만, 본 발명의 PSA 처리사이클은 기타 다른 공급 가스 혼합물 중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 원하는 생성물 가스로 회수되는, 공급가스 혼합물의 분리를 위한 PSA 방법 및 장치에 이용될 수 있음이 인지될 것이다.
일반적으로, 본 발명의 처리사이클은 낮은 탈압압력에서, 고순도 저비용 생산물 가스로서 회수되는 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 회수율 및 순도를 향상하기 위하여 높은 압력 및 낮은 압력에서의 유리한 정화 또는 이동단계와 결부하여, 낮은 부압 탈착압력과 높은 초대기압 흡착압력사이에서 조작되는 다수의 가압 및 감압단계들로 이루어진다. 또한, 특정의 공기 분리 및 기타 다른 공급가스 분리분야의 요건에 대하여 적용된 바와같이, 본 발명의 공정 및 시스템의 성능을 향상하기 위해 다수의 처리변형이 특징의 구체예들에 이용된다.
일반적으로, 본 발명은 공기로부터 질소의 선택적 흡착을 위한, 또는 가스혼합물 중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 선택적 흡착을 위한, 적어도 2개의 흡착층이 사용되는 PSA 시스템에서 실시되는데, 각각의 층들은, 이러한 시스템에서 연속적 가스분리 조작의 수행을 조장하도록 시스템내의 기타 다른 층들에 관련하여 적절한 순서로, 본원에 발표되고 청구된 처리사이클을 일으킨다. 본 발명의 바람직한 구체예에 있어서, 일반적으로 2개 또는 3개의 흡착층이 이용된다.
공기분리응용에 이용된 바와같이, 그 낮은 부압 탈착압력으로부터 깨끗한 층의 원하는 재가압시에 개시되는 시스템중의 각각의 층은 하기 단계(1) 내지 (6)으로 구성되는 PSA 사이클을 일으킨다.
(1) 후속 공급공기 재가압단계동안의 공급공기흐름에 대하여 역류방향으로, 층의 배출단부내로 도입되는 농축산소가스로 층을 역충전시킴으로써, 상기의 낮은 탈착압력에서 중간압력수준으로 부분적으로 역류가압하는 단계. (2) 층의 유입단부에 공급공기를 도입하여 상기의 중간 압력수준에서 높은 흡착 압력수준으로 층을 더욱 더 병류가압하는 단계(이 단계에서, 질소는 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 선택적으로 흡착되며, 산소부화흐름은 층의 배출단부로부터 배출되어, 사이클동안에 생산된 농축 산소의 저장을 위해 사용되는 서어즈 탱크에 도입된다). (3) 층의 공급단부로부터 층의 배출 단부로 양질의 생성물 질소를 통과시켜서 상기의 높은 흡착 압력으로 병류정화 또는 이동시키는 단계(이 단계 동안, 산소부화 가스는 층의 배출단부로부터 계속 배출되어 상기의 서어즈탱크에 도입되며, 층으로부터 배출된 산소 부화가스 흐름중의 일부는 시스템내의 또 다른 층의 정화 및/또는 역충전을 위해 사용된다). (4) 초기 역류 감압단계(이 단계에서, 높은 흡착압력으로부터 중간압력 수준으로 압력이 감소됨에 따라 층의 공급단부로부터 고순도 질소가 배출된다). (5) 추가의 역류감압 또는 배기단계(이 단계에서, 진공펌프, 또는 미리 정해진 부압을 발생시키기 위한 기타 다른 수단에 의하여 압력이 상기의 중간압력 수준으로 부터 부압으로 압력이 더욱 더 감소됨에 따라 추가의 고순도 질소가 층의 공급단부로부터 배출된다). 및 (6) 역류정화단계(이 단계에서, 시스템내의 또 다른 층으로부터 배출되는 농축 산소가스는 층의 배출단부에 도입되고, 본질상 상기의 부압에서 층의 공급단부로 부터 추가량의 고순도질소가 방출된다).
덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 원하는 생산물가스로서 회수하기 위한 공정에서 재생단계들로 이루어지는 세개의 역류감압 단계들 각각에 있어서, 고순도 질소가스는 층의 공급단부로부터 회수된다는 것을 알 수 있다. 이 가스는 원하는 고순도 질소 생성물 가스로서 시스템으로부터 배출되거나, 또는, 서어즈 탱크에서 저장된 후, 시스템 내의 똑같은 층 또는 다른 층에서 병류 정화 단계동안 정화가스로서 사용된다.
중간압력으로부터 높은 흡착압력으로 더욱 더 병류 재가압하는 단계에 있어서, 그리고 높은 흡착압력에서 더욱 더 병류 정화하는 단계에 있어서, 농축 산소 가스는 층으로부터 배출되고 역류정화를 위해 재순환되거나 또는 역충전 단계에 부분적 역류 재가압가스로서 사용하려는 가스 또는 사이클 동안에 농축 가스를 저장하기 위해 사용된 서어즈 탱크로 통과된다고 제시되었다. 그 산소부화가스중의 일부는 PSA 시스템으로부터 제거되어, 사이클에 의해 생성된 순수 농축 산소 가스를 구성한다는 것을 알 수 있다.
고순도 질소생산물 가스를 층의 공급단부로부터 회수시키는 세개의 역류감압 단계들에 이어, 사이클에 있어서의 다음 단계, 즉 농축 산소가스로서의 역충전 단계가 또한 역류배향을 포함한다는 것을 알 수 있다. 역류방향으로, 농축 산소에 의한 이와같은 역충전은 몇몇의 방식으로 전체공정성능에 기여한다. 따라서, 산소가스는 층의 배출단부에서 유효질소 분압을 감소시킴으로서 이미 흡착된 질소 가스를 층의 공급단부를 향해 이동시키는 역할을 한다. 이것은 흡착동안에 산소와 질소 사이에서 전개된 물질전달영역의 첨예도(sharpness)를 증가시키는 데에 기여하고 공급공기로 부터 회수되는 질소의 양을 증가시킨다. 부가적으로, 공급물 재가압흡착단계전에 역충전 단계를 이용함으로써 평균흡착압력이 상승하여, 층을 구성하는 흡착재료의 흡착용량이 증가한다.
상기에 기술된 처리사이클에 있어서, 공급공기에 의한 가압은 역충전 단계 이후에 시작된다. 대안적 구체예에 있어서, 공급공기에 의한 가압단계는 층이 역충전 산소를 수용하기 시작할 때 개시될 수 있다. 이 경우에 있어서, 층은 그 양단부 모두로부터 일제히 가압된다. 이것은 공급공기를 공급하는 압축기의 이용을 증가시키는 역할을 하지만, 역충전가스가 공급공기재가압 단계이전에 역충전단계가 수행될 때보다는 질소가스를 용기의 공급단부로 이동시키는 데 있어서 덜 효과적이기 때문에, 약간 낮은 공정성능을 결과한다.
공급공기에 의한 층의 가압에 이어, 그 층은 양질의 생성물 질소 정화가스를 사용하여 높은 흡착압력에서 병류방향으로 정화된다. 상기에 제시한 바와같이, 산소 부화가스는 상기 단계동안에 층의 배출단부로부터 연속적으로 배출되며, 근본적으로 상기 흡착 압력 수준에서 수행된다. 상기 산소 부화유출가스 중의 일부, 유리하게는, 병류정화단계의 끝부분 동안에 배출된 가스는 시스템 내의 또다른 층을 역충전하기 위하여 사용된다. 공동정화질소 가스는, 층의 배출단부로부터, 이미 흡착되었거나 또는 층내의 입자간 공극공간에 존재해 있던 덜 쉽게 흡착될 수 있는 산소가스를 이동시킴으로써 층을 세정하는 역할을 한다. 따라서, 흡착층은 역류감압단계를 시작하기에 앞서 주로 원하는 질소가스로 구성된다. 이와 관련하여, 바람직하게는, 병류 정화 단계는 흡착된 질소의 물질전달영역이 층의 배출단부에 도달하여 층밖으로 이동하기 시작할 때, 상기 공동정화 단계동안에 층의 배출단부로부터 빠져나온 산소부화 가스의 산소순도가 떨어지기 시작할 때 종료된다는 것을 알아야 한다.
따라서, 본 발명의 공정 및 시스템은, 고순도 질소를 층의 공급단부로부터 회수시키는 세개의 역류감압단계들을 위한 준비로 층을 세정하기 위해 흡착압력에서, 질소 정화가스를 이용하는 병류정화단계를 이용한다. 산소정화가스를 이용하는 이러한 역류감압단계들중의 제3단계는 본 발명의 공정 및 시스템으로부터 원하는 최적 성능을 달성하는 데 있어서 중요성이 있다고 이해된다. 부압 탈착압력에서 상기의 역류정화 동안에, 입자가 공극에 존재하거나 층에 이미 흡착된 질소 가스는 층의 공급단부를 통해 제거되거나 또는 공급단부의 방향으로 이동한다. 상기 역류 정화단계는 몇몇의 중요한 용도에 이용된다. 첫째, 후속 연속 가압-흡착 단계 이전에 흡착층의 용량이 증가될 수 있다. 둘째, 낮은 부대기압 탈착압력으로부터의 부분적 역류재가압이 달성되는, 산소부화가스에 의한 후속 연속 역충전 단계에 의해서와 같이, 낮은 부압 탈착압력으로부터 층이 감압되는 역류정화 단계는 공급 공지중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 물질 전달 영역의 첨예도를 증가시키는 역할을 한다.
본 발명의 실시에 있어서와 같이, 부압 탈착압력에서 산소역류 정화단계의 수행은, 공급공기중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 질소로 이루어진 고순도 생성물을 생성하기 위해 평행 선택적 흡착재료를 이용하는 공정 및 시스템에서 산소, 즉 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 돌파와 관련되기 때문에 통상적인 실시의 특징이 아니다. 명백히, 산소의 투과 돌파는 생성되는 질소의 순도를 감소시킨다. 본 발명의 산소역류 정화단계가 종래의 PSA 질소 사이클에서는 보통 생략되었지만, 이러한 종래 사이클들의 성능 및 동력소비특성의 측면에서 이러한 산소역류 정화단계의 생략의 영향을 상당할 수 있다.
주어진 배기압력에서, 즉 부압 탈착압력 수준에서, 산소부화 정화가스를 이용하는 역류정화단계의 사용은 층내의 질소 분압이 감소되기 때문에, 층에 의해 흡착되는 질소의 양을 저하시킬 것이다. 이러한 경우는 공기공급 단계에 의한 가압이전에 층의 질소흡착용량을 증가시킬 뿐만 아니라, 탈착된 질소 및 입자간 질소의 층공급단부로의 이동때문에 상기의 후속 가압단계에서 전개되고 물질전달영역의 첨예도를 증가시킨다.
본 발명의 목적을 위해 이용된 것으로, 공급공기에 의한 가압은 재가압-흡착 단계로 이루어지는데, 이 단계에서, 공급 공기중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분, 즉 질소는 더 쉽게 흡착되고, 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분, 즉 산소는 층의 공급단부로 부터 배출되고 시스템으로부터 통과되거나 또는 상기에 제시한 바와같이 서어즈탱크로 통과된다. 그 산소부화흐름중의 일부는 후속 역충전 단계에 사용된다. 층의 압력의 증가를 일으킬 정도의 속도에서, 가스가 층의 공급단부로 통과하고, 그 가스중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 선택적으로 흡착되고, 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 층의 배출단부로부터 배출되는 이러한 처리단계는 일반적으로 증가압력 흡착단계로 언급된다. 이와같은 처리 단계는 맥콤즈(McCombs)의 미국특허 제3,738,087호에 발표되었다. 본 발명의 실시에 이용된 것으로 공급공기에 의한 가압단계는 이러한 증가압력흡착단계로 이루어질 수 있는 한편, 본 발명의 또다른 구체예는 산소역충전에 이어 중간압력수준의 층에서 시작하여 공기공급단계가 세개의 별개의 처리단계들로 이루어지는 처리순서로 이루어진다. 따라서 바람직하게 공기공급단계중의 제1부분은 재가압 단계이며, 여기에서 공급공기는 층의 공급단부를 통과하여, 그 층의 배출단부로 부터 가스의 배출이 없으며, 층의 압력은 상기의 중간흡착압력에서 높은 중간압력으로 증가한다. 상기 공기공급단계의 후속 부분은 증가압력 흡착단계이며 이 단계에서 층의 압력은 높은 중간압력 수준으로부터 높은 흡착압력으로 증가한다. 상기의 공기공급 단계의 마지막 부분은 일정압력 흡착단계로 구성되며, 이 단계에서 공기는 층의 공급단부를 계속 통과하며, 질소는 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로 선택적으로 흡착되고 산소는 층의 배출단부를 통해 배출되며, 층의 압력은 높은 흡착압력수준으로 유지된다. 전체 사이클중의 공기공급에 의한 가압동안에 다수의 다른 구체예들이 이용될 수 있다는 것을 당업자는 알 수 있다. 따라서, 공급공기에 의한 초기의 부분적 재가압단계 및 증가 압력 흡착단계는 바람직한 구체예의 일정압력 흡착단계 없어도 수행될 수 있다. 그러나, 일반적으로 바람직한 구체예에 있어서, 증가압력의 흡착단계없이, 그러나 층의 배출단부로부터 산소부화가스의 필요한 배출을 제공하기 위해 상기 재가압단계에 이어 일정압력 흡착단계를 이용하며, 층의 압력을 상기의 중간압력으로부터 높은 흡착압력으로 증가시키는 것이 바람직하다.
부압 탈착압력과 초대기압보다 흡착압력 사이에서 조작되는 본 발명의 처리 사이클은 바람직하게는, 2층 또는 3층 시스템에서 조작된다. 일반적으로, 전체적인 목적을 위해 2층 시스템의 사용이 바람직하다. 순환식으로, 시스템내의 각각의 층은 그 시스템내의 다른 층(들)에서 수행되는 상기의 처리순서와 상관하여, 상기에 논의된 기본단계들을 포함하는 처리순서로 일으킨다. 논의된 기본 단계들을 포함하는 처리순서를 치룬다. 표 1은 PSA 시스템에서 수행된 것으로, (1) 산소에 의한 역충전단계, (2) 공급공기에 의해 가압하는 단계, (3) 질소에 의한 병류정화시키는 단계, (4) 역류블로우다운단계, (5) 역류배기단계, 및 (6) 산소로 역류정화시키는 단계의 연속 단계들을 포함하는 본 발명의 조작을 예시하는 것이다.
[표 1]
2층 진공 PSA 질소 공정을 위한 기본 단계
Figure kpo00001
* 이 단계는 공기공급물 재가압단계와 흡착단계의 조합일 수 있다. 가압은 압축기의 사용없이 대기압 이하까지 진행되거나 또는 압축에 의해 대기압 이상으로 진행된다. 흡착단계는 일정한 압력 및/또는 증가압력 흡착일 수 있다.
표 1에 예시된 바와같이, 2층 시스템에 이용되는 장치는 공기공급 및 질소 공동정화를 위한 시분할 송풍수단, 진공펌프, 및 질소생성물 압축기를 이용한다. 또한, 2층 시스템은 역충전 단계에 사용하기 위한 산소 가스를 공급하기 위하여 농축산소 저장탱크의 사용을 필요로 하는 한편, 이러한 산소 저장탱크는 3층 시스템에서는 임의적인 것이다.
산소에 의한 역류정화단계가 없으면, 똑같은 재생 또는 세정 효과를 달성하기 위해, 즉, 후속 공정사이클에서 세정층의 재가압에 앞서, 흡착물(더 쉽게 흡착될 수 있는 성분) 및 층의 입자간 공극들에 존재하는 잔류가스들의 실제로 없는 흡착층을 제공하기 위하여 배기수준이 감소되게 된다는 것을 명시해 둔다. 이와같이 낮은 배기수준은 진공펌프에 대한 더 높은 동력소비 및 더 높은 자본비용을 초래한다고 이해된다. 그 이유는, 낮은 배기 압력수준이 진공펌프의 평균압축비를 상승시킬 뿐만 아니라, 그와 같은 낮은 압력 수준이 그 낮은 압력을 달성하기 위하여 펌프에 대한 용량 요건을 상승시키기 때문이다. 부가적으로, 동일한 잔류 질소함량을 달성하기 위해 진공수준을 떨어뜨리게 되면, 층의 공급단부 근처에 집중되는 것과 상반되게, 나머지 질소가 층 전체에 걸쳐 균일하게 분포되려는 경향이 있기 때문에, 덜 예리한 물질 전달영역이 생겨나려는 경향이 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시에서 전체 처리 사이클중의 배기 단계에 이어 역류정화를 포함시킴으로써 달성되었던 것과 동일한 공정성능을 달성하기 위하여는 진공수준을 여전히 더욱 더 감소시킬 필요가 있다.
2층 시스템에서 본 발명의 실시의 바람직한 구체예는 표 2에 예시되어 있다. 이같은 구체예는, 순환식으로 각각의 층에서 수행되는 바와 같은, 표 2에 제시된 처리단계를 포함하며, 여기에서 한층이 전체 사이클중의 재가압단계를 수행하는 동안 다른 층이 상기 사이클의 감압단계를 수행한다. 그러나, 표 2의 구체예에 있어서, 농축산소에 의한 역충전 단계에 이어 재가압단계는 공기에 의한 재가압 후에 농축 질소에 의한 정화 단계에 앞서 높은 흡착압력 수준에서의 정압 흡착 단계를 포함한다는 것을 알 수 있다. 또한, 표 2는 전체 처리 사이클중의 각각의 단계 동안에 층 A에 속하는 압력 및 조건들을 인용하며, 층 B는 층 A에서 관련된 처리순서로 수행되는 바와같은 각각 인용된 단계동안 동일한 압력 및 시간조건에 놓여진다.
[표 2]
바람직한 2층진공 PSA 질소 시스템을 위한 공정 순서, 압력 조건 및 단계시간
Figure kpo00002
본 발명의 구체예의 처리순서(표 2)의 실시에 사용하는 데에 적당한 2층 진공 PSA 질소시스템이 도면에 도시되어 있다. 따라서, 그 시스템은 적당한 산소 및 질소 저장용기와 함께 흡착층(A) 및 흡착층(B) 그리고 시분할 송풍기, 진공펌프 및 생성물 압축기를 포함한다. 공급공기는 필터(F) 및 밸브(2)를 함유하는 유동 라인(1)을 통해 시스템에 들어간다. 상기의 공급물 유동라인에 연결된 라인(3)은 시분할 송풍기(4)를 함유하고, 밸브(6)를 함유하는 배출라인(5) 및 라인(7)과 연결되며, 선(7)은 층(A) 및 (B)를 각각 통과하는, 바람직하게는 도시된 바와같이 그 하단부를 각각 통과하는 선(8)(밸브(9)를 함유)과 선(10)(밸브(11)을 함유)에 연결된다. 밸브(9)와 층(A)의 사이에는, 밸브(13)을 함유하는 선(12)가 진공펌프(14)와 물 분리기(15)를 통과하며, 그 물분리기(15)는 배출도관(16)을 함유한다. 유사하게, 밸브(11)과 층(B)의 사이에는, 밸브(18)을 갖는 선(17)이 선(10)을 통과하며, 이 선(10)은 진공펌프(14) 및 물 분리기(15)를 통과하는 선(12)와 연결되어있다.
선(19)는 물 분리기(15)로부터 선(20) 및 (21)로 통과하고 있음을 알 수 있다. 선(20)은 압축기(22), 냉각기(23) 및 그리고 분리기(24)와 통해 있으며, 분리기(24)는 배출도관(25)를 갖고 있다. 선(26)은 분리기(24)에서 건조기시스템(27)까지 연장되어 있으며, 그 건조기 시스템은 질소 저장기(30)를 통과하는 선(21)과 연결되어 있는 라인(29) 및 배출도관(28)을 갖고 있다. 밸브(43)을 갖는 선(31)은 질소저장용기(30)으로부터 선(1)까지 연장되어 있으며, 밸브(33)을 갖는 선(32)는 선(31)로부터 선(12)까지 연장되어 있음을 알 수 있다.
각각 밸브(35) 및 (37)을 갖는 선(34) 및 (35)는 각각 층 A 및 B로부터, 바람직하게는 그 상단부로부터 선(38)까지 뻗어 있으며, 이 선(38)은 산소저장탱크(40)에 연결된 선(39)와 통해 있다. 상기의 선(38)과 (39)를 연결하는 선(41)은 시스템으로 부터 가스의 배출을 위해 제공되고 배압조절기(42)를 갖고있다.
표 2 및 도면에 예시된 2층 구체예의 실시에 있어서, 층 A는 가장낮은 부압 고정압력에 있을 것이며, 층 B는 사이클 처리순서의 출발시에 초대기압 흡착압력에 있을 것이다. 농축산소 가스에 의한 층 A의 역충전 동안에, 밸브(36)는 개방되어 가스가 산소 저장탱크로부터 도관(39), (38) 및 (34)를 통해 층 A에 들어가게 된다. 산소 역충전은 층 A에서의 예정된 층의 압력수준이 도달될 때까지 계속될 것이다. 동시에, 층 B는 고순도 질소가 가스를 밸브(18) 및 (33), 도관(10), (32) 및 (31)을 통하여 질소 저장탱크(30) 내로 송풍시킴으로써 그 감압순서를 시작할 것이다. 층 B의 이와같은 송풍은 본 발명의 시스템내에서 수행되는 특정의 공기분리 적용에 따른 주위압력과 층 B내의 압력이 본질상 같아질때까지 계속된다.
시분할 송풍기(4) 및 진공펌프(14)의 사용은 상기 송풍단계동안에는 필요가 없음을 명시해둔다. 그렇지만, 송풍기(4)의 데드엔딩(dead-ending)은 밸브(2)와 (6)을 개방함으로써 방지된다. 따라서 공기는 도관(1)을 통해 필터 F와 선(3)에 유입되어, 그 공기는 도관(5)을 통해 송풍기에 의해 배출된다. 송풍 동안에, 송풍 가스중의 일부는 진공펌프(14), 물분리기(15) 및 도관(19)을 통해 이동하여, 질소 저장탱크(30)을 통과하여, 상기의 질소펌프가 데드엔딩되는 것을 방지한다. 바람직하게는, 질소 저장탱크(30)은 고정되기보다는 신축성 있는 탱크용적을 제공할 적절한 비경질 재료로 만들어지며, 그 탱크용적은 탱크내에 함유하는 가스의 양에 따라 변화함을 알아야 한다. 이러한 특징을 본 발명의 사이클 공정의 조작동안에 저장을 위해 필요로 하는 최대 용적의 가스를 보유할 수 있는 고정용적의 탱크의 제공과 비교하여 탱크의 비용을 상당히 감소시키는 역할을 한다.
상기 기재된 바와같은, 역충전 및 송풍기간인 제1단계 간격의 종료시에, 밸브(6) 및 (33)은 폐쇄되고 밸브(9)는 개방된다. 도관(1) 및 밸브(2)를 통해 시스템내로 들어간 공기는 밸브(9)와 도관(8)을 통해 층 A에 들어간다. 층 A는 3부분 재가압 흡착단계를 거친다. 초기에, 층 A는 부압으로부터 주위압력까지 재가압된다. 이어서 층 A내의 압력은 주어진 초개기압 수준, 즉 시스템의 높은 흡착압력까지 계속 상승된다. 이러한 재가압-흡착단계의 마지막 부분에 있어서, 층의 압력은 상기의 높은 흡착압력수준으로 본질상으로 일정하게 유지되는 한편, 공급 공기는 그 층 A의 공급단부를 여전히 통과하고, 질소는 공급 공기중의 더쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 흡착되고, 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분인 농축 산소는 선(34) 및 밸브(36)을 통해 층 A의 배출단부로부터 계속된다. 초기에, 산소-부화 유출 가스는 모두 산소 저장 탱크(40)에 도입된다. 따라서, 상기의 탱크는 예정된 압력이 될때까지 채워지고, 이때, 배압조절기(42)가 개방되어, 산소부화 유출가스가 선(41)을 통해 시스템으로부터 더욱 더 배출될 것이다. 이러한 흡착단계는 예정된 시간간격동안 계속된다.
층 A가 상기의 재가압-흡착순서로 공급공기를 받는 시간 동안에, 층 B는 그 배기단계중의 일부를 거친다. 밸브(18)은 개방된 채로 유지되는 한편, 밸브(33)은 폐쇄된다. 가스는 선(10) 및 (17), 및 밸브(18)을 통해 층(B)로부터 배출되고, 진공펌프(14)와 물분리기(15)를 통과하여, 이로부터 도관(16)을 통해 물을 배출시키고 질소 저장탱크(30)에 들어간다.
흡착단계, 즉(표 2)에서의 단계 4의 종료에 이어서, 층 A는 공급단계로부터 공동정화단계로 옮겨간다. 이때, 밸브(2)는 폐쇄되는 한편, 밸브(32)는 개방된다. 이어서, 고순도 질소가스가 질소저장탱크(30)으로부터 도관(31), 밸브(2), 송풍기(4), 선(7), 밸브(9) 및 라인(8)을 통해 층(A)내로 들어간다. 이 단계에서 고압 공동 정화가스를 공급하는 송풍기는 재가압-흡착단계에서 공급공기를 이미 공급한 것과 동일한 송풍기, 즉 송풍기(4)임을 명시해둔다. 산소부화유출가스는 선(34) 및 밸브(36)을 통해 계속 배출되어 산소 저장탱크(40)에 들어가거나 또는 배압조절기(42)를 통해 시스템을 빠져나간다. 층 A 내의 압력은 상기의 질소 공동 정화단계의 과정동안에는 높은 흡착압력수준으로 일정하게 유지된다. 그 공동정화단계의 초기부분 동안에, 층 B는 예정된 부압수준까지 계속 배기된다.
층 B가 원하는 부압에 도달하면, 밸브(37)은 개방되고, 층 A로부터의 산소 부화 유출가스중의 일부는 선(35), (38) 및 (34)를 통해 층 B로 들어간다. 층 B 내의 압력은 이로부터 배출되는 질소가스가 선(10) 및 (17), 밸브(18) 및 상기 진공펌프(14)를 통해 질소저장탱크로 들어감에 따라 계속 감소된다. 층 A는 그 예정된 시간동안 계속 공동정화된다.
표 2의 공동정화 단계(6)이 층 A에서 완료되었을 때, 본 발명의 이같은 처리 구체예의 사이클 순서중의 절반이 완료되고, 층은 회전 또는 역전된다. 층 A는, 층 B에 의해 이미 수행된 감압 순서를 시작하는 한편, 상기의 층 B는 단계 1-6의 순서로 층 A에서 행해졌던 것과 동일한 방식으로 역충전, 재가압-흡착 및 공동정화를 수행한다.
유리하게는, 본 발명의 PSA 공정은 낮은 부압으로부터 초대기압까지 압력순환으로 실시된다. 생성물 질소가스는 용기의 감압동안에 얻어지므로, 질소 생성물 저장탱크(30) 내의 압력은 주변압력보다 약간 높을 것이며, 이에따라 생물 압축기가 시스템내에 포함될 수 있다. 도면에 도시된 바와같이, 생성물 압축기(22)는 선(20)을 거쳐 저장탱크(30)으로부터 생성물질소를 연속적으로 받아들인다. 압축후에, 질소가스는 냉각기(23)에서 냉각되는데, 어떤 얻어지는 응축된 물은 분리기(24)에서 빠져나가서 도관(25)를 통해 배출된다. 잔류한 물은 건조기 시스템(27)에 의해 제거되며, 이 건조기 시스템은 통상적인 압력 또는 열 순환흡착 건조기일 수 있다.
생성물 질소가스는 선(28)을 통해 시스템에서 배출된다. 바람직하게는, 건조기(27)은 통상적인 실시에 따라 높은 회수율의 건조기로서 조작되는데, 상기 건조기(27)로 부터의 질소정화 가스는 선(29)을 통해 시스템에 귀환된다. 그 건조기 정화가스는 질소생성물의 손시를 피하기 위해 귀환된다.
이 시스템에 대항 공급공기를 예비 건조시키는 것은, 원하는 경우, 본 발명의 범위안에 있게된다. 그러나, 특별한 건조장치는 가스분리 공정의 일부와 본 발명의 장치를 형성시키지 않는다. 공급공기가 미리 건조되지 않으면, 층의 전단부는 건조부분으로서 작용하고 또 그래서 그 자체로 주공급 가스분리 작업에 그다지 기여하지 않게된다. 이러한 예로서, 흡착층의 유효영역은 전체층의 길이보다 얼마간 짧다. 이층에서의 건조영역은 전체 층의 길이의 50퍼센트 미만이고, 대표적으로 상당히 그 이하가 된다. 층의 감압도중에 미리 흡착된 물은 탈착되고 또 그층의 공급단부로부터 배출되는 높은 순도의 질소를 층에 남긴다.
당업자들은, 어떤 주어진 처리작업에 대한 전체적인 싸이클 시간과 개별적인 단계 시간이, 분리되는 공급가스혼합물, 원하는 생성물 순도와 회수 수준, 사용되는 조작조건, 흡착시스템에 포함되는 특별한 흡착재료 및 층의 수, 및 특별한 적용에 필요한 자본과 조작비용 사이의 절충과 같은 여러가지 경제적 요소에 의존하여 변화하게 된다는 것을 알 수 있을 것이다. 보다 짧은 단계시간과 그에 따라 감소된 전체적인 싸이클 시간이 흡착층의 포함을 위한 요기의 용적요건, 서어즈탱크요건 및 사용되는 흡착제의 양을 최소한으로 줄이는 역할을 하지만, 밸브이용을 증대시키는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 사용되는 특별한 흡착제의 특징에 의존하여, 보다 짧은 싸이클 시간은 또한 낮은 생산물 회수와 또는 높은 동력소비를 유발시킨다. 어떤 특별한 조작단계에 허용되는 최소한의 시간은 일반적으로 흡착제 파손과 유동화를 고려하여 결정된다.
표 2에 도해된 구체예는 2-층 시스템에 140초의 전체 사이클 시간을 제공하는 것으로 보일 것이다. 개별적인 단계시간은 싸이클 도중에 공정가스 흐름의 처리를 위해서 2개의 기계, 즉 진공펌프와 시분할송풍기 만이 사용에 근거한다. 송풍기가 공급공기(또는 다른 공급가스)와 공동정화 흠을 둘 모두 다루지만, 각각의 흐름의 유속과 개별적인 단계시간은 똑같지 않을 수 있음을 알게 될 것이다. 표 2에서 나타낸 140초 싸이클에 있어서, 역충전 단계는 10초로 이루어지고, 재가압-흡착 단계 및 공동 정화 단계는 각각 30초로 이루어지고, 송풍 10초로 이루어지고, 배기는 45초로 이루어지고, 역정화(backpurge) 단계는 15초로 이루어짐을 알게된다.
3-층 시스템으로의 본 발명의 실시는 표 3에 도해되어 있다. 이와같은 3-층 시스템은 생산성 요건에 대해 바람직하지만, 소량, 즉 하루에 50통 이하의 생성물을 공급하기 위해서는 2-층 시스템과 비교하여 비용적으로 효과적이지 않는다. 기본 처리단계와 싸이클 사용은 상기에 도해된 2-층 시스템에 대한 것과 같다는 것을 표 4에서 알 수 있다. 도해된 3-층 시스템 구체예에 대한 층압력은 표 2의 2-층 시스템과 같은 반면에, 상기의 3-층 구체예에 대한 개별적인 단계를 위한 조작 시간은 2-층 시스템 구체예와 다르며, 상기의 3-층 구체예에 대한 전체 싸이클 기간은 180초임을 알 수 있게 된다.
[표 3]
바람직한 2층진공 PSA 질소 시스템을 위한 공정 순서 압력 조건 및 단계시간
Figure kpo00003
관련된 용기와 밸브요건들에 따라 제3흡착층을 혼입하는 것외에, 다른 변형이 본 발명의 3-층 구체예에 속한다. 따라서, 제3흡착층의 부가는 시분할 송풍기의 충분한 이용을 실현할 수 있고, 이에 의해, 도면에 도시된 배출밸브(6)의 필요성이 제거된다. 그 외에, 농축산소 탱크의 크기는 상기 3층 시스템에서 축소될 수 있으며 그 이유는 역충전 가스가 3층 시스템에서 또 하나의 용기로부터 직접 공급되기 때문이다. 층마다 하나가 더 있는 밸브가 있는 제3바닥 생성물 다기관은, 사이클의 특정 시간에서 하나이상의 흡착층이 감압순서의 어느 특별한 과정을 거치기 때문에 또한 필요한 것이다. 그러나 송풍단계동안, 도면에 도시된 2층 구체예에서 사용된 공통 밸브는 3층 구체예에서 빠져있다.
본 발명의 실시에서, 흡착층에 사용되는 흡착제 재료는 상기 성분 및 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 함유하는 공급가스로부터 더쉽게 흡착될 수 있는 성분을 선택적으로 흡착시킬 수 있는 어떠한 적당한 시판용 흡착제일 수 있다. 본원에 기술되고 청구된 바와같은 회수를 위해, 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 구성하는 산소와 함께, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 질소를 선택적으로 흡착시키는 것이 바람직한 공기 분리분야에서, 공기중의 더쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 질소의 흡착에 대한 바람직한 선택도를 나타내는 여러 시판용 흡착제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리하게는 5A 및 13X 재료와 같은 잘 알려진 분자체가 사용될 수 있다. 공급 가스가 예비건조되지 않을 때, 상술한 바와같이 층의 건조영역에서 물 선택성을 나타내는 어떠한 바람직한 흡착제 재료를 사용할 수 있음은 본 발명의 범위내에 속한다. 상기 5A 및 13X 분자체, 실리카 및 알루미나가 상기 재료의 대표적인 예이다. 따라서, 흡착층이 복합층 즉, 하나 이상의 형태로된 흡착제를 사용하는 층일수 있음을 알 수 있다. 그러나, 시스템의 간소화를 위해, 상기 층은 바람직하게는, 단일형태의 흡착제로 구성되고, 이 단일흡착제는 흡착층의 전단에서 예비 건조기를 유지시키는 것이 바람직한 경우에 건조와 분리 둘 모두를 위해 사용된다. 당업자들은, 발명의 실시에서 얻어진 성능수준이 본 발명의 실시로부터 얻어지는 잇점에 기여하는 개선된 흡착제를 사용함으로써, 사용되는 특정한 흡착제의 흡착특성에 영향을 줄 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 PSA 공정과 시스템을 사용하는 공기분리 또는 다른 원하는 가스분리 조작을 위해 본 발명의 실시에서 광범위한 흡착재료가 사용될 수 있지만, 공기 또는 다른 질소함유 기류로부터 질소를 회수하기 위해 본 발명의 특정 구체예의 실시에서 리튬 양이온 형태의 제올라이트 X를 사용하는 것이 특히 바람직함을 발견하였다. 이러한 리튬 X, 즉 Lix 흡착재료는 산소와 같은 덜 극성이거나 또는 분극화할 수 이는 분자종을 포함하는 공기 또는 다른 기체흐름으로부터 질소를 흡착시키는 것에 대한 탁월한 능력 및 선택도를 나타냄을 발견하였다. 따라서, 이러한 Lix 흡착제는 공기 분리조작 뿐만 아니라, 수소, 아르곤 등과의 혼합물로부터 질소를 분리하는 공정을 포함하는 PSA 질소 가스분리 조작의 현저한 개선을 제공한다.
본 발명의 실시예에서 바람직하게 사용되는 Lix 흡착제는 리튬 양이온 형태의 제올라이트 X이며, 그 기본 Si/Als몰비는 약 2.0 내지 약 3.0 바람직하게는 2.0 내지 2.5이고 적어도 88%, 바람직하게는 적어도 90%, 더욱 바람직하게는 적어도 95%의 AlO2테트라헤드랄 단위가 리튬 양이온과 관련된다. 이러한 고도로 교체된 형태의 LIX의 질소흡착특성은 Lix 재료를 사용하여 얻을 수 있는 결과로부터 전혀 예기치 못한 것이며, 여기에 86 당량 퍼센트 또는 그 이하의 양이온은 리튬이고 그 나머지는 기본적으로 나트륨 양이온이다. 또한 각각의 경우에, Li+이온, 즉 똑같은 당량%의 Li+이온의 상응하는 증가에 따르는, 전체 테트라헤드람 단위의 44.4%로 부터 전체 테트라헤드랄 단위의 50%까지의, 제올라이트 X 구조중의 AlO2 -의 상대적 비율의 증가는 또한, Lix 재료중의 양이온의 수의 제시된 증가에 간단하게 관련된 것보다 훨씬 큰 질소에 대한 흡착능력 및 선택도를 증가시키는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에서 사용하기 위한 Lix 재료의 제조에 있어서, 통상적으로 구입할 수 있는 제올라이트 X 출발 재료가 쉽게 사용될 수 있다. 2가지의 이러한 재료는 SiO2/AL2O3몰비가 2.5 및 2.0인 제올라이트 X 및 기본적으로 나트륨 양이온, 즉 NaX 재료를 갖는 제올라이트 X이다. 2.5NaX는 밀톤(Milton)의 미합중국 특허 제2,882,244호의 설명에 따라 시약으로서 규산나트륨과 알루미늄산 나트륨 그리고 물을 사용하여 약 100℃의 온도에서 열수적으로 합성될 수 있으며, 반응 혼합물은 산화물 몰비로 다음의 조성을 갖는다.
3.5Na2O : Al2O3: 3.0SiO2: 144H2O
2.0NaX 재료는, 208g의 Al(OH)3를 267g의 50% NaOH 수용액에 용해시키고, 가열시키고 교반시켜서, 제1용액, 즉 용액(a)를 생성시킴으로써, 혼합된 나트륨-칼륨 형태로 합성될 수 있다. 용액(b)는, 1000g의 물에 85.3%의 287g의 KOH 펠릿을 용해시킨후, 이렇게 해서 생성된 용액을 617g의 50% NaOH 수용액과 혼합시킴으로써 제조된다. 용액(a)를 용액(b)에 서서히 부가하여 용액(c)를 형성시키고, 이것을 4 내지 12℃까지 냉각시킨다. 용액(d)는, 453.25g의 40-등급 규산나트륨(9.6% Na2O : 30.9% SiO2)을 1,131.7g의 물로 희석시킴으로써 제조된다. 냉각용액(c)은 블렌더에서 용액(d)에 부가되고 3분동안 저속으로 혼합된다. 냉각 및 최종혼합에서의 부적당한 양의 기계적 에너지의 발생의 방지는, 양질의 생성물을 제조하는 데 있어 중요한 인자들이다. 겔화는 약 4분후가 될 때까지는 일어나지 않아야 한다. 이 겔은 2-3일 동안 36℃에서 숙성되고 16시간 동안 70℃에서 침지된다. 그 다음 원하는 제올라이트는 여과작용에 의해 분리되고, 필터케이크는 모액의 부피의 7배에 해당하는 양의 NaOH 수용액(pH 12)으로 세정된다. 이 세정된 생성물은 4리터의 NaOH 용액(pH 10)에서 재슬러리된 다음, 여과 작용에 의해 회수되고 물로 세정된다. 상기 재슬러리 과정은 2회 이상 반복되는 것이 바람직하고, 단리된 생산물은 공기중에서 건조된다. 이 건조된 생산물은 100㎖의 1% NaOH 용액에서 슬러리화되고, 21시간동안 90℃에서 슬러리로 유지된다. 여과작용후, 상기 케이크는 30분동안 60℃에서 1,000㎖의 NaOH용액(pH 12)으로 재슬러리화되고 여과된다. 재슬러리화 과정은 2회 이상 반복되는 것이 바람직하고, 그 다음 고체는 여과작용에 회수되고 NaOH 수용액(pH 9)으로 세정되어 공기중에서 건조된다.
상기에서 제조된 바와같은 2.5NaX를 사용하여, 제올라이트 “예비 형성” 응집물은, 먼저 출발 제올라이트 결정은 pH 12를 갖고 근본적으로 수산화나트륨 및 물로 이루어지는 가성 수용액으로 세정된 다음 pH 9의 물로 세정된다. 그 다음, 이 세정된 제올라이트 결정은 80중량%의 제올라이트와 20중량%의 점토의 비율로 에이버리점토, 즉 상업적으로 이용가능한 카올린-형점토와 혼합된다. 그 다음, 제올라이트와 점토의 혼합물은 충분한 물과 조화되어, 압출된 펠릿이 카올리형점토가 약 1시간동안 약 650℃의 온도에서 활성 메타-카올린 형태로 전환되는 후속 점화단계를 거칠 수 있도록 하기에 충분한 그린 강도(green strength)를 갖는 압출성 덩어리를 생성시킨다. 점화후, 결합된 응집물들은 냉각되고 100℃에서 가성수용액에 침지되어 대부분의 메타-카올린을 제올라이트 결정, 주로 제올라이트 X 결정으로 전환된다. 이 침지된 응집물들은 가성수용액으로부터 빠져나와서 다시 pH 12를 갖는 새로운 NaOH 수용액으로 세정된 다음, 마지막으로 pH 9-10까지 물로 세정되고 공기중에서 건조된다. 이 건조된 펠릿은 분쇄되고, 걸러져서 16×40메쉬(mesh)와 같은 유용한 크기의 입자를 형성시킨다.
이러한 메쉬입자는 약 2.5시간 동안 375℃의 온도에서 진공하의 가열에 의해 활성화될 수 있다. 이러한 활성화는 상기 방법으로 주의깊게 수행되어, 제품 라이트 NaX 결정은 내포 및/또는 흡착된 물로부터 형성되는 증기에 의한 부적당한 열수작용에 영향을 받지 않는다. 따라서, 이렇게 형성된 활성재료는 2.5NaX 활성 재료이다.
Lix 재료의 제조에 있어서, 비활성화된 메쉬입자들은 이온교환공정이 수행되며, 그 입자들이 80℃의 온도에서 LiOH를 사용하여 pH 9.0으로 조정된 1몰 영화리듐 수용액의 흐름에 의해 유리 컬럼내에서 접촉될 수 있다. 염화 리튬 용액의 양은, 제올라이트 입자가 약 14시간 동안 화학 양론적으로 4배 과량의 리튬 이온과 바람직하게 접촉될 정도의 염화 리튬 용액의 양이 사용된다. 칼럼을 빠져나가는 이온교환용액은 재순환되지 않는다. 생성된 이온 교환 생성물은 물로 세척되며, LiOH를 이용하여 pH가 9가 되도록 조절되고 94% 이온교환되는 것으로 발견된다.
전술한 바와같이 제조된 저-실리카 2.0NakX 재료를 사용하여, 알칼리 금속양이온은 바람직하다면, 염화리튬 수용액(LiOH로 조절된 pH9) 거의 이온-교환에 의해 99당량%보다 큰 저도로 리튬 양이온에 의해 치환될수 있다. 이 재료는 분말형태이며, 2.0Lix(99%) 재료로 이루어진다.
당업자는, 여러가지 변화 및 변형이 LiX 제조방법의 상세로 이루어질 수 있다는 것을 인식할 것이며, 이는 개량된 PSA 공정 및 시스템과 관련된 본 발명의 일부를 이루지는 않는다. 이러한 이해하에서, 예컨대, 2.5NaX 재료는 다양한 양의 리튬 양이온을 갖는 생성물이 형성되도록, 상기 기술된 부피법은 사용하여, LiCl의 양의 4배 이하 또는 이상을 사용하여 염화 리튬 수용액(pH가 9이고, LiOH로 조절됨)과 이온교환될 수 있다는 것을 주목해야 된다. 또한 바람직한 LiX 재료는 염화 리튬 대신에, 탄산 리튬 또는 이러한 리튬염을 사용하여 이온교환에 의해 제조될 수 있음이 또한 인지될 것이다. 마찬가지로, 본 발명의 특별한 구체예에 사용하기 위한 바람직한 흡착제를 구성하는 합성 LiX 재료는 주어진 응용의 실제 조작 요건, 특별한 공급가스 또는 생성물 가스압력 또는 온도조건, 및/또는 주어진 응용에 속하는 분리 및 회수의 바람직한 수준에 상응하는 다양한 조작 조건하에서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시는 하기에서, 13 X 분자체와 비교하여 고성능의 LiX 분자체에 대한 퍼텐셜 및 공급공기로부터 고순도의 질소를 생산하기 위하여 본 발명의 2층 구체예의 능력을 예시한 실시예들을 참조하여 더 설명된다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 설명을 위한 것이며, 여기에 기술되고 첨부한 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 함을 이해할 것이다.
[실시예 1]
표 1의 처리순서를, 각각 흡착층이 길이 6피트, 직경 2인치의 2-층 시스템에서 수행한다. 각각의 층은 유니온 카바이드 코포레이션의 제품인 5.62 파운드의 13X 분자체를 함유한다. 각각의 차례대로 겪게되는 처리순서, 압력조건 및 단계시간은 하기의 표 4에 기재한 바와같다. 공급공기를 흡착시스템에 통과시키기에 앞서, 예비 건조시켜서 이로부터 수분을 제거한다.
[표 4]
본 발명의 2-층 진공 PSA-질소공정 2인치 직경의 용기내의 13X 분자체 흡착제
Figure kpo00004
이용된 조작압력은 농축산소에 의한 역류정화의 종료에서의 대기압 이하의 2.7psia의 탈착압력으로부터 병류정화 단계의 종료에서의 23.0psia의 높은 흡착압력으로 변화되었음을 알 수 있을 것이다. 1회의 완전한 사이클에 대한 전체시간은 220초이었으며, 처리공정은 주변조건(예컨대, 289-294°K)하에서 조작되었다. 생성물 질소는 99.5%의 순도로 생성되었으며, 공급공기로부터의 회수율은 64%이었다.
[실시예 2]
실시예 1에서 설명한 바와같은 2-층 흡착시스템을 공급공기를 사용하여, 실시예에 설명한 바와같이 조작하며, 단지 13X 분자체 대신에 여기서는 유니온 카바이드 코포레이션의 제품인 LiX 분자체를 사용한다. 사용되는 특수 LiX 재료는 95% 이상의 리튬 이온함량 및 0.54중량%의 잔류수분함량을 가졌다. 처리순서, 압력조건 및 단계시간은 하기의 표 5에 기재한 바와같다. 공급공기를 다시 예비건조시키며, 공정은 주변조건 하에서 수행된다.
[표 5]
본 발명의 2-층 진공 PSA-질소공정 2인치 직경의 용기내의 LiX 분자체 흡착제
Figure kpo00005
조작압력은 농축산소에 의한 상기 역류 정화단계의 종료시의 4.7psia의 낮은 부압 탈착압력으로부터 병류정화단계의 종료시의, 21.9psia의 높은 흡착압력으로 변화되었음을 알 수 있을 것이다. 비록 개별적인 공급공기 및 공동정화 단계시간은 조정되었지만, 전체 사이클 시간은 여전히 220초이다. 실시예 1과 비교하여 조작압력비의 감소는 산소에 대립되는 질소에 대한 LiX 흡착제의 증가된 흡착능력 및 선택도의 직접적인 결과이다. 생성물질소의 순도수준은 여전히 99.5%이다. 그러나, 질소의 회수율은 94%로 증가되었다.
[실시예 3]
공기로부터 질소의 회수를 위한 본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 실시예 1 및 2에서 이용된 처리순서를 2층 시스템에 사용하며, 흡착제로서 LiX를 다시 사용한다. 그러나, 이 실시예에서는, 각각의 흡착제 용기의 직연을 2피트로 증가시킨다. 이용된 Lix 재료의 분석으로, 97-98%의 리튬이온함량 및 0.4-1.1 주량%의 잔류 수분함량을 알 수 있다. 이 실시예에서는, 어떠한 공급공기의 예비건조기도 이용되지 않았다. 따라서, 충돌의 전단부를 사용하여 공급공기에 의해 흡착용기에 들어간 모든 수분이 제거된다. 각각의 층이 차례로 겪게되는 처리 순서, 및 압력조건 및 단계시간을 하기의 표 6에 기재한 바와같다.
[표 6]
본 발명의 2층 진공 PSA-질소공정 2ft 직경 용기내의 LiX 분자체 흡착제
Figure kpo00006
조작압력은 농축산소에 의한 상기 역류 정화 단계의 종료시의 3.8psia의 낮은 부압 탈착압력으로부터 병류정화단계의 종료시의 21.6psia의 높은 흡착압력으로 변화함을 알 수 있다. 이러한 구체예의 전체 사이클 시간은 170초이고, 공정은 상기 주위조건에서 305 내지 322°K 범위의 흡착온도로 상승시킨 온도조건하에서 조작된다. 생성물질소는 99.5%의 순도로 다시 생성되고, 공급공기로부터 질소 회수율은 72%이다.
상기 제시된 바와같이, 부압 탈착압력과 높은 흡착압력 사이에서 조작하는 본 발명의 공정은 어떤 적당한 온도조건에서 실행될 수 있다. 13X 흡수체가 사용될 때 일반적으로 약 280°K 내지 320°K의 공급온도가 바람직한 반면에, LiX 흡착제가 사용되는 조작에 대해서는 일반적으로 약 300 내지 380°K가 바람직하다. 당업자들은, 다른 흡착제 재료를 사용하는 구체예에 대한 바람직한 온도가 상기 온도범위로부터 변할 수 있고, 바람직하다면, 바람직한 범위 밖의 온도가 본 발명의 특정 응용에 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다.
상기로부터, 여기에서 논의된 일반적으로 바람직한 2- 및 3- 층 구체예와 같은 여러가지 구체예에서, 본 발명의 실시에 사용되는 조작 조건이 편리하고 융통성이 있어서 특정 가스분리조작의 요건이 충족을 조장함을 알 수 있다. 따라서, 어떤 특정한 최종 사용자와 관련된 조건, 예를들어, 생성물 압력, 동력소모, 생성물순도 등은 쉽게 조절되며, 원하는 질소 생성물을 제공하는 전체 비용을 최소화시킬 수 있다. 고순도질소가 유리하게는, 고수율로 쉽게 생성될 수 있고, 따라서 본 발명의 실시와 관련하여 비교적 낮은 압축비 및 장비능력요건으로부터 바람직한 낮은 조작 및 자본비용이 결과된다. PSA 분야에서의 상당한 진보는 특히 경제적인 진공사이클 조작으로 고순도질소의 바람직한 생성과 관련하여, 본 발명의 실시에 의해 달성된다.

Claims (26)

  1. 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착재료를 함유하는 2개 이상의 흡착층을 갖는 흡착시스템에서 공급가스혼합물을 층의 공급 단부에 도입시키고, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 상기 공급단부를 통해 회수하고, 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 배출단부를 통해 배출시키는, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분과 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 함유하는 공급 가스혼합물중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 회수하기 위한 압력 순환 흡착 공정으로서, 각각의 층에서 순환식으로 (a) 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분 부화가스를 층의 배출단부에 도입(역충전)하여 부압 탈착압력 수준으로부터 중간 압력수준으로 층을 부분적으로 역류 재가압하는 단계(이 단계에서, 층의 이러한 역류 역충전은 이미 흡착된 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 공급 단부를 향해 이동시키는 역할을 하여, 이것에 의해 공급가스 혼합물중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분과 덜쉽게 흡착될 수 있는 성분의 물질 전달영역의 첨예도가 향상되고, 공급가스 혼합물로부터 회수될 수 있는 상기의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 양이 증가된다), (b) 층의 공급단부에서 공급가스 혼합물을 도입하여 상기 중간 압력수준으로부터 높은 흡착 압력수준으로 층을 병류 재가압하면서, 상기의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 선택적으로 흡착시키고, 덜쉽게 흡착될 수 있는 성분흐름을 층의 배출단부로 부터 배출시키는 단계(이 단계에서, 상기의 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분 흐름중의 일부는 시스템으로부터 배출되고, 그 흐름중의 나머지 부분은 단계(a)의 역류역충전 재가압을 위해 또는 층의 정화를 위해 시스템내의 또 다른 층에 직접 도입되거나 또는 이와같은 뒤채움 또는 정화단계에 나중에 사용하기 위해 서어즈탱크에 도입된다), (c) 상기의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 상기의 높은 흡착압력에서 층의 공급단부에 도입하여, 층을 병류로 정화하고 층의 공극공간들에 보유된 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 이동시키는 단계(이 단계에서, 상기의 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분은 층의 배출단부로부터 계속 배출되며, 배출된 가스는 역충전 또는 정화단계에 나중에 사용하기 위해 서어즈 탱크에 도입되거나, 또는 역충전 또는 정화단계에 사용하기 위해 또다른 층에 직접 도입되거나, 또는 시스템으로부터 배출되고 층은 고순도의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층으로부터 회수하기 전에, 상기 정화에 의해서 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 세정된다), (d) 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 공급단부를 통해 배출하므로써 층을 역류감압하여, 그 층의 압력을 높은 흡착압력으로부터 중간 압력 수준으로 감압시키는 단계, (e) 추가량의 상기의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 공급단부로부터 배출시킴에 의해서 층을 더욱 더 역류 감압하여, 층의 압력을 상기의 중간 압력으로부터 부합 탈착압력까지 감소시키는 단계, (f) 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분가스를 층의 배출 단부에 도입시킴으로써 층을 역류정화시키면서 추가량의 더쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 공급단부를 통해 배출시켜서 후속연속 가압-흡착단계 이전에 층의 흡착능력을 증가시키는 층내의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 물질전달영역의 첨예도를 증가시키는 단계(이 단계에서, 본 단계(f)에서 그리고 역류 가압단계(d) 및 (e)에서 층의 공급단부로부터 빠져나오는 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분은 고순도 생산물 가스로서 시스템으로부터 회수되거나 또는 단계(c)에서 정화가스로 사용하기 위하여 서어즈탱크에 저장된다), 및 (g) 단계 (a) 내지 (f)를 순환식으로 반복하면서 단계(b)의 수해동안 추가량의 공급가스를 도입시키는 단계로 이루어져서, 공급 가스 혼합물 중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 상기의 간단한 진공처리 사이클에서 고순도의 저비용 생성물로서 얻어짐을 특징으로 하는 압력순환 흡착공정.
  2. 제1항에 있어서, 상기의 공급가스 혼합물이 공기이고, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 질소로 이루어지고, 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분은 산소로 구성되는 것을 특징으로 하는 공정.
  3. 제1항에 있어서, 상기의 흡차 시스템이 두개의 흡착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  4. 제1항에 있어서, 상기의 흡차 시스템이 세개의 흡착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  5. 제1항에 있어서, 단계(b)에서 재가압 시키면서 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 배출시키는 것이 (1) 초기에 층의 공급단부에 공급가스 혼합물을 도입시켜서 층의 압력을 중간압력으로부터 높은 중간압력으로 증가시키고, (2) 추가량의 상기의 공급가스 혼합물을 층의 공급단부에 도입하여 상기의 높은 중간압력으로부터 높은 흡착 압력으로 압력을 증가시키면서, 동시에 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 배출단부로부터 배출시키고, (3) 상기의 높은 흡착압력에서 추가량의 상기의 공급가스 혼합물을 층의 공급단부에 도입하면서, 동시에 추가량의 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분가스를 층의 배출단부로부터 배출시키는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 공정.
  6. 제1항에 있어서, 단계(b)에서 재가압 시키면서 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 배출시키는 것이 (1) 초기에 층의 공급단부에 공급가스 혼합물을 도입시켜서 층의 압력을 중간압력으로부터 높은 중간압력으로 증가시키고, (2) 상기의 높은 흡착압력에서 추가량의 상기의 공급가스혼합물을 층의 공급단부에 도입시키면서, 동시에, 추가량의 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분가스를 층의 배출단부로부터 배출시키는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 공정.
  7. 제1항에 있어서, 단계(b)에서 재가압 시키면서 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 배출시키는 것이 공급가스 혼합물을 층의 공급단부에 도입시켜서, 중간압력으로부터 높은 흡착압력으로 층을 재가압시키면서 동시에, 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 배출단부로부터 배출시키는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 공정.
  8. 제6항에 있어서, 상기의 흡착시스템이 두개의 흡착층을 포함하며, 상기의 공급가스혼합물이 공기이고, 상기의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 질소로 구성되고 상기의 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 산소로 구성되는 것을 특징으로 하는 공정.
  9. 제6항에 있어서, 상기의 흡착시스템이 세개의 흡착층을 포함하며, 상기의 공급가스혼합물이 공기이고, 상기의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 질소로 구성되고 상기의 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 산소로 구성되는 것을 특징으로 하는 공정.
  10. 제8항에 있어서, 하나의 층은, 단계(a), (b), 및 (c)에서 층의 배출단부로부터 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 배출과 함께 부압 탈착압력으로부터 높은 흡착압력으로 재가압되면서 다른 하나의 층은 층의 공급단부로부터 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분 생성물 가스의 회수와 함께, 높은 흡착압력으로부터 부압 탈착압력으로 감압되는 것을 특징으로 하는 공정.
  11. 제9항에 있어서, 제1층은 단계(a) 및 (b)에서 층의 배출단부로 부터 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 배출과 함께 부압 탈착압력으로부터 높은 흡착압력으로 재가압되는 반면 제2층은 단계(e) 및 (f)에서 부압 탈착압력까지 더욱 더 역류 감압되고, 더 낮은 부압 탈착압력까지 역류정화되고, 중간압력수준까지 역충전되고 제3층은 단계(c) 및 (d)에서 높은 흡착압력에서 공동정화되고, 중간압력수준까지 역류감압되고, 부압수준까지 더욱 더 역류감압되어, 공동정화단계(c) 동안에 제2층의 배출단부로부터 배출된 산소부화가스는 제1층에서의 단계(a)에서 재가압가스로 사용되며, 단계(b) 파트(2)에서 높은 흡착압력에서의 일정 압력 흡착 동안에 제1층의 배출단부로부터 회수된 산소는 제3층에서의 역류정화 단계(f)를 위한 정화가스를 제공하기 위해 사용되며, 그 동안에, 제3층의 압력은 부압탈착 압력으로 감소되는 것을 특징으로 하는 공정.
  12. 제1항에 있어서, 공급기체혼합물이 단계(b)의 과정동안에 각각의 층의 공급단부로 도입되고, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분이 이러한 기체흐름단계를 위한 단일 시분할송풍기를 사용하여 공동정화단계(c) 동안에 층의 공급단부로 도입됨을 특징으로 하는 공정.
  13. 제1항에 있어서, 흡착제가 13X 제올라이트로 구성됨을 특징으로 하는 공정.
  14. 제1항에 있어서, 흡착제는 3.0 이하의 구조 SiO2AL2O3몰비를 갖는 제올라이트 X로 구성되며, AlO2테트라헤드랄 단위의 88% 이상이 리튬양이온과 관련됨을 특징으로 하는 공정.
  15. 제14항에 있어서, 제올라이트 X의 구조 SiO2Al2O3몰비가 2.0 내지 2.5임을 특징으로 하는 공정.
  16. 제15항에 있어서, 제올라이트 X의 AlO3테트라헤드랄 단위의 90% 이상의 리튬이온과 관련됨을 특징으로 하는 공정.
  17. 제16항에 있어서, 제올라이트 X의 AlO3테트라헤드랄 단위의 90% 이상의 리튬이온과 관련됨을 특징으로 하는 공정.
  18. 제14항에 있어서, 흡착시스템이 2개의 흡착층을 포함하고, 공급 기체혼합물이 공기이고, 더 쉽게 흡착할 수 있는 성분이 질소로 구성되고, 덜 쉽게 흡착할 수 있는 성분이 질소로 구성되고, 덜 쉽게 흡착할 수 있는 성분이 산소로 구성됨을 특징으로 하는 공정.
  19. 제14항에 있어서, 상기의 흡착시스템이 세개의 흡착층을 포함하며, 공급 공기혼합물이 공기이며, 더 쉽게 흡착할 수 있는 성분이 질소로 구성되며, 덜 쉽게 흡착할 수 있는 성분이 산소로 구성되는 것을 특징으로 하는 공정.
  20. 제1항에 있어서, 단계(b)에서 층의 공급단부로의 공급가스혼합물의 도입이 층의 배출단부로 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 도입과 함께 역충전이 시작될때 개시되어, 층의 양단부에서 동시에 층이 가압되는 것을 특징으로 하는 공정.
  21. 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분과 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 함유하는 공급가스혼합물 중의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 회수하기 위한 압력순환 흡착시스템으로서, 높은 흡착압력에서의 흡착-부압 탈착 압력에서의 탈착에서 사용할 때 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착 재료를 함유하는 2개 이상의 흡착층을 갖고, 도관라인 및 조절 밸브를 가져서, 각각의 층에서, 순환식으로, (a) 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분-부화가스를 층의 배출단부에 도입하여 부압 탈착압력 수준으로부터 중간 압력수준으로 층을 부분적으로 역류 재가압하는 단계, (b) 층의 공급단부에서 공급가스 혼합물을 도입하여, 상기 중간 압력으로부터 높은 흡착압력으로 층을 병류 재가압하면서, 덜쉽게 흡착될 수 있는 성분흐름을 그 층의 배출단부로 부터 배출시키고, 그 흐름중의 일부를 시스템으로 배출시키고, 그 나머지부분을 재가압 또는 정화를 위해 또 다른 층에 직접 도입하거나 또는 재가압 또는 정화를 위해 나중에 사용하기 위하여 저장하는 단계, (c) 높은 흡착압력에서 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 공급단부에 도입하여 층을 병류정화시키고, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 이동시켜서 이것을 층의 배출단부를 통해 배출하는 단계(이 단계에서, 배출된 가스는 역충전 재가압 또는 정화를 위해 나중에 사용하기 위해서 저장되거나 또는 이러한 목적을 위해 또 다른 층에 직접 도입되거나 또는 시스템으로부터 배출된다), (d) 더 쉽게 흡착할 수 있는 성분을 층의 공급단부를 통해 배출시킴에 의해서 층을 역류감압하여, 층의 압력을 높은 흡착압력으로부터 중간압력으로 감압시키는 단계, (e) 추가량의 상기의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 공급 단부로부터 배출시킴에 의해서 층을 더욱 더 역류 감압하여, 층의 압력을 상기의 중간압력으로부터 부압 수준으로 감소시키는 단계, (f) 덜 쉽게 흡착될 수 있는 성분가스를 층의 배출단부에 도입하여 층을 역류 정화시키면서, 추가량의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 층의 공급단부로부터 배출시키고 본 단계(f)에서 그리고 역류 가압단계(d) 및 (e)에서 층의 공급단부로부터 빠져나온 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 고순도 생산물 가스로서 시스템으로부터 배출시키거나 또는 단계(c)에서의 정화가스로서 사용하기 위하여 저장하는 단계, 및 (g) 단계 (b)의 수행 동안 추가의 공급가스를 층에 도입시키면서 단계(a) 내지 (f)를 반복하는 것으로 이루어지는 처리순서가 수행될 수 있게하고, (1) 병류 정화 단계(c) 동안에 층의 공급단부에 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 도입시키기 위한 도관수단을 포함하는, 단계(d), (e) 및 (f) 동안에 층의 공급단부로부터 배출된 상개의 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 저장을 위한, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분의 저장수단, (2) 역류 감압단계(d) 및 (e) 및 역류 정화단계(f) 동안에 층을 배기시키기 위한 진공수단, 및 (3) 공급가스혼합물을 단계(b) 동안에 층을 도입시키고, 더 쉽게 흡착될 수 있는 성분을 단계(e) 동안에 층에 도입시키기 위한 송풍수단을 포함하여, 공급가스혼합물의 상기의 더 흡착될 수 있는 성분을 상기 시스템 내에서의 상기 공급기체혼합물의 처리시에 고순도의 저비용 생성물로서 분리시킬 수 있음을 특징으로 하는 압력순환 흡착시스템.
  22. 제21항에 있어서, 시스템이 2개의 흡착층을 포함함을 특징으로 하는 흡착시스템.
  23. 제21항에 있어서, 시스템이 3개의 흡착층을 포함함을 특징으로 하는 흡착시스템.
  24. 제21항에 있어서, 송풍수단이 단계 (b) 및 (c)을 위해 단일 시분할 송풍기로 구성됨을 특징으로 하는 흡착시스템.
  25. 제22항에 있어서, 역류 정화 및 역충전 재가압 단계(f) 및 (a) 동안에 층의 배출단부로 상기의 덜쉽게 흡착될 수 있는 성분을 도입시키기 위한 도관 수단을 포함하는, 단계(b) 및 (c) 동안에 층의 배출단부로부터 배출된 덜쉽게 흡착될 수 있는 성분의 저장을 위한, 덜쉽게 흡착될 수 있는 성분의 저장수단을 포함함을 특징으로 하는 흡착 시스템.
  26. 제22항에 있어서, 더쉽게 흡착될 수 있는 성분 저장수단이 그 안에 함유된 기체의 양에 의존하는 변할수 있는 부피를 갖는 유연한 재료로 제조된 저장 탱크로 구성되어, 상기 저장수단의 크기 요건이 감소될 수 있음을 특징으로 하는 흡착 시스템.
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