KR930012045B1 - 공급가스혼합물 분리방법 및 시스템 - Google Patents

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유니온 카바이드 코포레이션
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Abstract

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Description

공급가스혼합물 분리방법 및 시스템
첨부도면은 공급가스스트림을 막 유닛(membrane unit) 자체에 통과시키기 이전, 중유 탄화수소 증기를 공급가스류로부터 제거하기 위해 흡착성트랩을 사용하도록 만든 막 분리 시스템에 관한 도표.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 공급물 압축기 4 : 아프터쿨러
6 : 액체분리기 9 : 가열기
11 : 흡착제트랩 13 : 막 시스템
14 : 투과스트림 15 : 비투과스트림
본 발명은 투과성 막(permeable membranes)에 관한 것이다. 보다 더 구체적으로, 본 발명은 가스분리 작업시 사용되는 투과성 막의 투과 특색이 열화되는 것을 방지하는 방법에 관한 것이다.
투과성 막 공정 및 시스템은 각종 가스 및 액체분리용으로 사용되거나 고려되어 왔다. 그러한 작업에서는 공급스트림(stream)을 막의 표면과 접촉시키고, 공급스트림 중 보다 더 투과성이 있는 성분을 투과스트림으로서 회수하며 덜 쉽게 투과되는 성분은 비투과스트림으로서 막 시스템으로부터 분리한다.
그러한 유체분리 작업의 고유한 간편성은 당분야에서 실제 상업적 작업에 막 시스템의 사용을 증가시키고자 하는 동기를 부여해준다. 이러한 과점에서, 그러한 막의 선택성과 투과성 특색은 주어진 사용분야의 전반적인 생산요건과 양립되어야 한다는 것을 알게 될 것이다. 또한, 막은 허용가능한 안정성을 나타내고 실제 상업적 작업중에 그 성능의 과도한 열화를 겪지 않아야 하는 것도 물론 필요하다.
공기분리영역은 투과성 막의 사용이 많이 요구되는 분야이다. 그러한 작업에서 산소는 전형적으로 특정막에 대해 보다 더 쉽게 투과될 수 있는 공급공기성분이며 투과가스로서 회수된다. 그러한 실시형태에 있어, 질소는 덜 쉽게 투과되는 성분이며 비투과가스로서 회수된다. 공기분리 적용분야에 있어 막의 성능특색은 공급공기스트림내 특정 오염물의 존재에 민감하다는 것이 발견되었다. 그같은 오염물에 노출되면 사용중인 막의 투과성이 상당히 감소된다. 다행히도 주위 공기속에 통상 존재하는 경질 탄화수소, H2O 및 CO2같은 오염물들은 막 투과성을 기껏해야 약간만 감소시킬 뿐이다. 오일 윤활 공기압축기로부터 공급공기스트림속에 들어가게 되는 중질 탄화수소는 예컨대 1ppm(부피)(C1으로서) 미만의 비교적 낮은 농도로 존재할지라도 막 투과성의 신속하고 광범위한 손실을 초래할 수 있다.
공기 또는 다른 가스를 분리하기 위한 막 시스템의 주된 비용 성분들중에는, 생성가스의 품질과 생성율이 원하는 수준에 다다르도록 적합한 투과압력 수준을 이루게 해주는 공기 또는 기타 가스압축기 유닛과 주어진 막 표면적을 갖는 막 모듈이 있다. 막 시스템의 표면적 요건은, 분리하고자 하는 가스혼합물중 보다 더 쉽게 투과될 수 있는 성분에 대해 매우 높은 투과성을 가진 막 재료를 선택함으로써, 주어진 일련의 작업조건, 즉 압력, 온도 및 유속에 대해 최소화시킬 수 있는 것이 보통이다. 보통 주어진 선택성에 대해, 막의 투과성이 크면 클수록 주어진 일련의 생산요건에 대해 더 작은 막 면적이 요구될 것이다. 압축기의 비용은 특히 작은 공장에서 오일 윤활 회전나사 공급물압축기를 선택함으로써 최소화시키는 것이 전형적이다.
공기분리용 막 시스템에 관한 개발연구를 하던중, 막의 투과성은 초기에 신속하고 상당한 정도로 감소된 후 몇개월의 작업기간에 걸쳐 점차 쇠퇴한다는 것이 발견되었다. 그러한 바람직하지 못한 막 투과성의 감소현상에 대응하여, 모든 근원으로부터 예기되는 투과성 손실을 보상하기에 충분히 큰 안전성 인자를 갖는 활성 막 표면적의 크기를 맞추는 것이 현재 이 분야에서 통용되는 기술이다. 그러므로 처음엔 원하는 생성물 흐름에 대해 막 시스템의 크기를 상당히 크게하고, 공기가스압축기를 접는 식(turndowsn mode)으로 조작하는 것이 전형적이다. 투과성의 열화가 진행될수록 작업 온도나 압력 또는 그 둘 모두를 증가시켜서 투과성 감소를 보상해 주도록 한다. 어떤 예에 있어서는 막 시스템내 모듈중 몇가지를 우회시켜 처음엔 막이 그의 완전한 투과용량을 나타낼때 사용된 과잉 막 면적을 감소시키고 뒤이어 초기 사용 모듈의 열화가 진행됨에 따라 우회시킨 모듈을 스트림상에 가져오도록 한다. 그러한 예에 있어, 여분의 막 표면적 제공과 관련된 상당한 비용 벌금에 덧붙여서, 그러한 막 시스템은 그 작업수명의 상당부분에 걸쳐서 오프(off)-디자인 조건하에 작업을 수행해야 하며, 그같은 막 시스템에 대한 조절 전략은 그의 최적 디자인 조건에 더 가까이서 작동하는 시스템의 조절 전략보다 더 복잡함을 알게 될 것이다.
열화 보상을 위한 그같은 막 시스템의 디자인 변형[즉, 오버디지인(overdesign)] 에 대한 대안으로서, 상실한 선능을 회복시키려는 시도를 해보았었다. 하지만, 열화된 막 투과성을 회복하기 위한 경제적으로 적당한 수단을 개발함에 있어 그같은 노력은 시작부터 성공적이지 못하였다. 과도하게 짧은 작업기간 후 새로운 모듈로 대체하기 위해 열화 모듈을 버릴 필요없이 열화된 막의 투과성 특색을 회복하기 위한 실제적이고 경제적인 수단이 현재 이용될 수 있기는 하나, 막 열화의 문제에 대응하는 진일보된 개선방안이 막 기술분야에 절실히 요구된다. 막 시스템의 디자인 변형이나 막의 회복처리를 위한 가스생성물 작업의 중단 또는 이들 시도의 조합중 그 어느것도, 실제 상업적인 공기 혹은 기타 가스분리 작업에서의 투과성 열화를 극복하기 위해 완전히 만족스러운 수단은 되지 못한다.
따라서 본 발명의 목적은, 가스생산 작업중의 투과성 열화 문제를 극복하기 위한 개선된 막 시스템 및 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 디자인을 상당히 변형시키거나 열화된 막 모듈을 일찌감치 대체할 필요가 없는 막 시스템 및 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 막 투과성을 유지하고, 투과성 특색의 회보를 위한 막 모듈 처리로 인해 가스생산 작업을 중단할 필요를 최소화해주는 막 시스템과 공정을 제공하는 것이다.
이같은 목적과 다른 목적을 염두에 둔채, 이제 본 발명을 상세히 기술하고자 한다. 본 발명의 신규한 특색들은 특히 특허청구 범위에 지적되어 있다.
본 발명의 시스템과 공정에서는 중유 탄화수소 증기 오염으로 인한 막의 열화를 감소 혹은 제거하기 위하여 흡착제트랩이 사용된다. 흡착제트랩은 공급가스로부터 중유 탄화수소를 흡착함으로써, 분리용량의 상당한 디자인 변형없이, 그리고 대체 또는 회복처리 이전 유효수명을 연장하면서 막 시스템이 사용될 수 있도록 해준다.
본 발명의 목적들은, 막 유닛을 통과하는 공급가스트립내에 존재하는 중유 탄화수소 증기에 의해서 막 투과성 성능이 열화되는 것을 방지해주는 흡착제트랩을 사용함으로써 달성된다. 따라서, 흡착제트랩은 가스분리 작업에서 막의 초기사용시 신속하게 발생하는 상당한 투과성 손실의 주된 원인으로 밝혀지는 중유 탄화수소 증기를 흡착한다.
흡착제트랩은 막 열화의 주된 원인이 되는 중질 탄화수소 증기를 포획할뿐더러, 덜 강력하게 흡착된 경질 탄화수소 증기가, 본 발명을 계속 실시하는 동안 상기 흡착제트랩을 통해 막 섬유 자체에 통과되도록 해준다. 이는 중요한 특색으로서, 흡착제트랩이 경제적으로 적당한 허용치의 작은 크기를 가지면서 중유 탄화수소 증기로 인한 막 투과성 손실속도를 상당히 지체시키거나 효과적으로 방지할 수 있게 고안 및 조작되도록 해준다. 효율과 크기의 이같은 유익한 조합은 주위 공기에서 가장 흔히 발견되는 오염물인 경질 탄화수소, 이산화탄소 및 물이 막의 열화에 눈에 띄는 기여를 하지 않는다는 전술했던 놀라운 발견으로 인해 가능하게 되었다. 그같은 경질 탄화수소 C5이하의 탄화수소이며 중유 탄화수소 증기는 펜탄(C5)보다 더 고급의 탄화수소 증기를 말한다.
본 발명에 의한 흡착제트랩의 베드(bed) 크기는 흡착제물질의 예기되는 중유 탄화수소 적하량과 처리중인 공급가스스트림의 오염물 수준에 따라 결정될 것이다. 싱글베드 유닛이 사용되는 경우, 사용된 흡착제의 양은 흡착제트랩의 베드수명을 결정하는 요인이 되기도 할 것이다. 흡착제의 양이 과다할 경우, 흡착제 용기의 비용과 용기를 가로지르는 공급가스 압력강하가 불필요하게 높아질 것이다. 그같이 부당하게 높은 압력강하로 인하여 공급물 압축기 전력소모비는 불필요하게 높아질 것이다. 한편, 흡착제 베드가 너무 작으면 탄소트랩으로부터 중유 탄화수소 증기가 너무 이르게 돌파되고 유효 막 성능의 손실이 일어날 것이다. 일반적으로 흡착제트랩 베드의 수명이 3 내지 12개월, 바람직하게는 약 6개월인 디자인은 1회용 흡착트랩을 위한 베드 크기와 흡착제 수명의 합리적인 균형을 제공해준다.
깨끗한 혹은 새로운 흡착제물질을 처음 사용할때, 상기 흡착제는 사용된 특정 흡착제물질의 성질에 따라 공급가스로부터 중유 탄화수소 증기를 흡착할뿐더러 경질 탄화수소, 이산화탄소 및 물도 흡착할 것이다. 그러나 공급가스가 흡착제 베드를 통해 계속 통과하는 중에 흡착트랩내에 상기 중유 탄화수소 증기의 추가량이 선택적으로 흡착되면 상기 경질 탄화수소, 이산화탄소 및 물도 흡착할 것이다. 그러나 공급가스가 흡착제 베드를 통해 계속 통과하는 중에 흡착트랩내에 상기 중유 탄화수소 증기의 추가량이 선택적으로 흡착되면 상기 경질 탄화수소, 이산화탄소 및/또는 물은 흡착제물질에서 배제되어, 막 유닛을 통과하는 공급가스와 더불어 흡착제트랩으로부터 통과하게 된다. 본 발명을 실시할때 사용되는 흡착제물질은 이러한 식으로 상기 중유 탄화수소 증기의 제거에 선택성이 있어서 경질 탄화수소, 이산화탄소 및 물이 통과되도록 해주므로, 탄소트랩의 크기 및 비용은 인라인(in-line) 트랩내에 흡착제의 1회 사용이 그의 간편성으로 말미암아 가능하고 또 일반적으로 바람직하도록 충분히 적을 수 있다. 하지만 다른 실시형태에서는 멀티·베드 재생형의 시스템이 사용될 수 있는데, 이때 한 베드는 소요의 중유 탄화수소 증기 제거를 위해 사용되고, 다른 베드는 흡착된 물질을 흡착제물질의 표면에서 탈착시키기 위한 가열 혹은 기타 수단에 의해 재생된다.
막 열화의 방지를 위해 도면에 예시되어 있는 실시형태를 살펴보기로 한다. 먼저, 라인(1)내의 공급스트림을 원하는 막 압력 수준으로 가압하기 위하여 공급물 압축기(2)로 통과시킨다. 가압 공급물은 라인(3)에서 막 시스템의 디자인 작동 온도 아래로 냉각하기 위한 통상적 성질의 아프터쿨러(4)로 통과시킨다. 냉각시, 공급가스는 전형적으로 과포화될 것이다. 즉, 이 공급가스는 축합성 증기성분들로 포화될 것이며 또한 자유 액상 소적들을 함유할 것이다. 따라서 공급가스는 전형적으로, 디자인 작동 온도 아래에서 압축된 가스 및 액체 소적들을 포함하게 될 것이다. 냉각된 공급가스는 라인(5)에서, 공급가스속에 존재하는 액체 소적들, 예컨대 공급공기로부터의 물방울들을 라인(7)을 통해 제거하기 위한 원하는 유형의 통상적인 액체분리기 지역(6)으로 통과시킨다. 이렇게 처리된 공급가스는 라인(8)을 통하여 분리기 지역(6)으로부터 제거한다. 이 시점에서, 압축냉각된 공급스트림은 사용된 특정 작동압력하에 상기 응축성 증기성분들로 포화되는 것이 보통이다. 예컨대 공급가스가 공기인 경우, 처리된 가스스트림은 수증기로 포화된 공급 공기를 포함한다.
막 시스템의 가스분리 표면상에서 응축현상을 최소한 혹은 제거하기 위해, 예시된 실시형태에서 처럼, 사용가능한 공급가스 압력하에 공급가스의 포화온도보다 높은 온도로 과열시키도록 공급가스를 가열기(9)로 통과시킬 수 있다. 본 발명의 그러한 실시형태에서 전기 가열기의 스팀을 편리하게 이용할 수 있다. 공급가스는 가열기(9)로부터 라인(10)을 통하여 흡착제트랩(11)으로 통과시킬 수 있는데, 이 흡착제트랩속에서는 중유 탄화수소 증기가 공급가스로부터 선택적으로 흡착된다. 연속작업중에 경질 탄화수소는 처부가능한 양의 흡착제물질을 함유하는 싱글 인라인 용기로서 예시된 상기 흡착제트랩(11)내에서 공급가스로부터 흡착되지 않는다.
막 표면에 해로운 중유 탄화수소 증기는 거의 갖고 있지 않으나 보다 더 경질의 비교적 무해한 탄화수소를 함유하는 공급가스를 흡착제트랩(11)으로부터 라인(12)에서 막 시스템(13)으로 통과시킨다. 막 시스템은 공급가스를 보다 더 쉽게 투과될 수 있는 성분스트림과 덜 쉽게 투과되는 성분스트림으로 분리하기 위한 것이다. 보다 더 쉽게 투과될 수 있는 성분은 투과스트림(14)으로서 회수하는 한편, 덜 투과되는 성분은 비투과스트림(15)으로서 회수한다. 공기분리의 경우, 원하는 고순도의 질소생성물은 상기한 비투과스트림(15)으로서 회수될 것이며, 산소가 많이 들어 있는 공기는 투과스트림(14)으로서 회수된다.
본 발명의 매우 바람직한 실시형태에 있어서, 사용된 흡착제는 탄소흡착제이다. 따라서 본 발명의 목적을 위해 탄소트랩내에 바람직하게 사용되는 탄소흡착제를 상기한 중유 탄화수소 증기를 효과적이고도 선택적으로 흡착할 수 있는 한편 그보다 더 경질의 탄화수소 증기는 상기 탄소트랩을 통하여 막 시스템으로 통과하는 공급가스와 더불어 남도록 해주는, 상업적 이용이 가능한 어떤 유형의 활성탄 물질이라도 좋다. 본 발명의 탄소흡착제로서 편리하게 사용될 수 있는 상업적 이용이 가능한 전형적인 활성탄의 대표적인 예에는 칼곤 PCB 카본 및 BPL 증기상 탄소; 카본 207C(Sutclitte-speakman, Inc. 제품); 웨스트바고너차르 WV-3; 및 노리트 RB3(American Norit 제품)이 있다. 중유 탄화수소 증기를 공급가스로부터 선택적으로 흡착하는 동시에 경질 탄화수소는 공급가스혼합물과 함께 막 시스템으로 통과시켜 주는 다른 흡착제물질을 이용하는 것도 본 발명의 범주내에 든다. 공지된 5A 및 13X 분자체 처럼 상업적 이용이 가능한 각종 분자체 물질이 그러한 목적으로 사용될 수 있다. 알루미나와 같은 다른 흡착제물질도 본 발명을 실시할때 사용할 수 있다.
활성탄 흡착제는 더 큰 탄화수소 입자가 포회되도록 하는 탄소의 전형적으로 넓은 공기 크기 분포도로 말미암아, 그리고 꽤 높은 수분 존재하에서 그의 흡착용량을 보유하는 능력으로 말미암아, 제올라이틀 분자체보다 더 바람직하다. 이처럼 탄소흡착에 덜 민감하다. 또한, 제올라이트 분자체에 의하여 흡착된 수분은 공급가스의 연속통과 과정중에 흡착제트랩으로부터 탈착하고 제거하기가 힘든 것으로 밝혀졌다. 공급가스혼합물이 새로운 제올라이트 분자체 흡착트랩으로 통과할때 중질 탄화수소와 아울러 초기에 흡착된 경질 탄화수소는 추가량의 상기 공급가스로부터 중질 탄화수소가 계속 흡착될때 제거되지만, 제올라이트 분자체 물질속에 흡착된 물은 거기서 손쉽게 제거되지 않는다. 그 결과 제올라이트 베드의 흡착용량은, 탄소흡착제의 바람직한 사용시엔 겪지 않아도 될 방식으로 감소되는 경향이 있다.
본 발명의 바람직한 탄소트랩내 탄소베드는, 바람직하게는 막의 열화를 최소한 6개월 정도 방지하도록 하는 크기를 가져야 하며, 공급공기 혹은 기타 공급스트림내에 5psi 미만의 압력강하가 초래되도록 하는 베드 깊이를 가져야 한다. 본 발명의 전형적인 공기분리양식의 예시적 디자인 특색은, (1) 66,000 SCFH의 공급물 흐름, (2) 150psig의 공급가스압, (3) 32.2℃(90℉)의 작업 온도 및 (4) C5이하의 탄화수소 증기 1.5ppm(부피)(CH4로서 측정) 및 C5보다 고급의 탄화수소 증기 0.5ppm(부피)(메탄으로서 측정인), 공급공기 스트림내의 탄화수소 오염물 수준.
막 분리시스템에서는 막 분리표면에 가압공급 공기를 공급하기 위한 오일범람(oil-flooded) 나사식 압출기를 사용하는 것이 보통이다. 그 결과 일어난 공급공기의 오일 오염현상은 전술한 바와 같이 막의 성능을 열화시킨다고 밝혀졌다. 물론 그러한 오일-범람 압축기는 다른 공급가스 가압용으로도 사용될 수 있으며, 막 분리에 앞서 공급공기 혹은 다른 공급가스 가압용으로 다른 형태의 오일 윤활 압축기가 사용될 수 있다. 그러한 모든 사용분야에서 막 시스템에 통과되는 공급가스스트림속에 탄화수소 오일 증기가 들어갈 수 있다. 중유 탄화수소 증기가 매우 낮은 농도, 즉 1ppm(C1) 미만일지라도 막 투과성의 많은 손실이 초래되므로, 탄소 또는 그외의 흡착제트랩이 그러한 중질 탄화수소를 공급가스로부터 선택적으로 제거함과 동시에 막의 물질에 무해한 경질 탄화수소는 공급가스와 더불어 막 시스템에 통과되도록 하는 능력은, 막의 열화가 편리하고도 경제적으로 적당한 방식으로 조절 및 방지되게 해준다. 오일-범람 혹은 기타 오일 윤활 공급가스 압축기로 인해 야기되는 그러한 오염 문제는 별도로 하고, 공급가스 오염의 다른 근원이 존재하며 그로인한 막의 열화는 본 발명을 실시함으로서 방지될 수 있다는 사실을 당업자들은 잘 알고 있을 것이다. 따라서, 분리시키고자 하는 공급공기 혹은 기타 가스는 디젤엔진기압에 가까운 함선분양에 관계된 것일 수 있다. 이와 유사하게, 공기 혹은 기타 분리 적용분야는 탄화수소 정제 작업영역의 것일 수 있다. 그 같은 적용분야 혹은 그와 유사한 적용분야에서는 공급가스가 상업적으로 바람직하지 못한 비율의 막 열화를 야기하기에 충분한 중질 탄화수소로 오염될 수 있다. 그런 모든 경우에 있어서 본 발명은 주어진 생성물 흐름과 순도를 낳기 위해 추가의 막 표면적을 사용할 필요가 없도록 그러한 열화현상을 방지하려는 편리하고 실제적인 접근책을 제공해준다.
본 발명의 탄소트랩 또는 그외의 다른 흡착제 용기는 공급압축기와 막 모듈 사이에 편리하게 위치하며, 전형적으로는 약 6 내지 약 90cm/sec(약 0.2 내지 약 3.0ft/sec), 바람직하게는 약 22.5cm/sec(약 0.75ft/sec)의 표면속도를 가지도록 설계될 것이다. 흡착제 용기내의 하향 가스흐름 방향은 유체화 규제에 관계없이 작은 입자크기의 사용을 허용해주는 것이 바람직하다. 매스(mass) 전달에 대한 저항을 감소시키기 위하여, 그리고 높은 표면적을 갖는 활성탄 혹은 기타 흡착제의 용적이 공급가스스트림으로부터 선택적으로 제거하고자 하는 중질 탄화수소 분자에 접근하기 쉬운 것이 되도록 하기 위하여 6메시 이하, 예컨대 6 내지 20메시의 작은 크기를 갖는 활성탄 입자가 바람직하다. 공급가스스트림의 상대 습도는 흡착제 베드속에 응축이 일어나는 것을 방지하기 위하여, 바람직하게는 낮게, 예컨대 85% 이하로 유지해야 한다. 낮은 상대 습도는 막 모듈 그 자체를 위해서도 바람직하며, 도면에도 나와있듯이 이같은 목적을 위해 가열기를 구비해주는 것이 보통이다.
본 발명은 보다 더 쉽게 투과도는 성분과 덜 쉽게 투과되는 성분을 함유하는 공급혼합물중에서, 보다 더 쉽게 투과되는 성분을 선택적으로 투과시킬 수 있는 바람직한 어떤 막 시스템과도 관계되는 것이라고 이해하면 된다. 따라서 복합식 막, 비대칭형 막 또는 그외 다른 형태의 막 구조는, 본 발명을 실시함으로써, 과도한 열화로부터 유리하게 보호될 수 있다. 복합식 막은 일반적으로 다공성 기판위에 겹쳐져 있는 얇은 분리층 혹은 코우팅, 또는 적합한 투과성 막 물질을 포함하며, 이때 분리층은 복합 막 구조의 분리특색을 결정해준다. 한편, 비대칭 막은 막의 분리특색을 결정하는 얇고 조밀한 반투과성 스킨을 갖는 단일 투과성 막물질과, 얇은 스킨 지역의 가압붕괴를 막아주는 다공성의 덜 조밀한 비선택적 지지체 지역으로 구성된다. 그러한 막 구조는 나선감기식, 중공섬유, 편평한 시이트등의 각종 형태로 제조될 수 있다. 실제 상업적 작업에 사용되기 위해서, 그러한 막 구조는 보통 전체 막 시스템의 주된 요소들을 포함하는 막 모듈을 형성하도록 울(enclosure)안에 위치하는 막 조합체상에 사용된다. 막 시스템은 일반적으로 병렬 혹은 직렬 작업용으로 배열되고 중공섬유다발, 나선감기식 카트리지, 주름잡힌 편평한 시이트 막 조립체 혹은 막 산업분야에서 통상적인 그러한 다른 조립체로서 구성된 많은 모듈을 포함한다.
어떤 특정 가스분리시에 사용되는 막 물질은, 공급공기 혹은 그외의 다른 공급가스혼합물중 보다 더 쉽게 투과되는 성분을 선택적으로 투과시킬 수 있는 어떠한 물질이라도 좋다. 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 아세테이트, 부티레이트드의 셀룰로스 유도체; 아릴폴리아미드와 아릴폴리이미드를 비롯한 폴리아미드 및 폴리이미드; 폴리술폰; 폴리스티렌 등은 그러한 물질의 대표적인 예이다. 앞서 지적했던 공기분리 분야는 별문제로 하고서, 메탄, 에탄 및 기타 탄화수소가 함유된 오프가스로부터 수소를 정제하는 것은, 지적된 열화의 근원이 실제 상업적 사용시 부딪치게 되는 문제가 될때 본 발명을 실시함으로서 이득을 볼 수 있는 기타 가스분리 분야의 설명적인 예이다. 또다른 예로써 암모니아 파아지(purge)가스와 이산화탄소로부터의 수소회수 및 메탄분리를 들 수 있다.
본 발명의 바람직한 탄소트랩 혹은 기타 적합한 흡착제트랩의 존재는 공급가스스트림내 중유 탄화수소 증기의 농도가 가장 높을것 같을때, 막 시스템을 작동개시하고 초기 작업을 하는중에 가장 중요한 것으로 밝혀졌다. 마찬가지로, 주기적인 압축기 유지중 윤활유를 교환할때, 새로운 탄소 또는 기타 흡착제 베드를 가지고 다시 시작하는 것이 바람직할 것이다.
전술했던 전형적인 조건하에 작업을 하는 본 발명의 한가지 실시형태에서 깊이가 약 70.5cm(2.35ft)이고 약 55.8kg(134파운드)의 탄소를 함유하는 직경 약 51cm(1.70ft)의 베드가 바람직한 것으로 결정되었다. 그같은 탄소트랩에 소요되는 추가의 자본비는 대략 2,500달러이고, 상기 탄소트랩을 갖지 않는 비슷한 전체 막 분리시스템에서보다 약간 더 높은 전력요구 및 탄소흡수제를 위하여 매년 약 500달러씩의 추가 작업 비용이 필요하다고 추산된다. 만일 이렇게 하지 않았다면 작업을 위한 가압공급 공기를 공급하는 오일-범람나사식 압축기가 있는 공기분리용 막을 사용했을때 막의 열화를 보상하기 위해 30%의 추가 막 면적이 필요했으리라는 점에 비추어볼때, 이같은 필요성을 제거한 본 발명에서 탄소트랩의 사용과 연관된 추가 비용은 실제 사용후 12개월 미만내에 회수할 수 있게 된다. 막 투과성의 손실 정도가 상당히 감소되고/되거나 손실 속도가 느려지는 다른 적용분야에 있어서, 본 발명은 막 시스템이 보다 더 효율적으로 작동되도록 해준다. 이때 다소의 전반적인 절약은 중요한 공기분리 및 기타의 실제 가스분리 작업에 막 시스템을 이용할 수 있는 가능성을 보여준다.

Claims (38)

  1. 보다 더 쉽게 투과되는 성분과 덜 쉽게 투과되는 성분을 함유하며 또한 C5(펜탄)보다 더 중질의 탄화수소 및 C5이하의 경질 탄화수소로 된 오염물을 함유하는 공급가스혼합물중에 보다 더 쉽게 투과되는 성분을 선택적으로 투과시킬 수 있는 막 시스템속에서 공급가스혼합물을 분리하는 방법에 있어서, 상기 오염물-함유 공급가스혼합물을 상기 막 시스템에 통과시키기 이전, 중질 탄화수소는 선택적으로 흡착하면서 경질 탄화수소는 공급가스혼합물과 함께 막 시스템에 통과되도록 해주는 흡착제물질의 베드와 접촉시킴으로써, 공급가스혼합물내에 상기 중질 탄화수소가 존재함으로 인해 야기되었을 막 투과성의 상당한 열화를 편리하게 방지하고, 아울러 막 투과성에 유해한 중질 탄화수소의 선택적인 제거에 의하여 흡착제물질의 베드 수명과 크기를 주어진 가스분리 작업에 대해 최적화시킬 수 있음을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흡착제물질의 베드가 상기 중질 탄화수소를 위한 싱글베드의 인라인 흡착제트랩을 이루는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 흡착제트랩이 활성탄의 베드를 함유하는 탄소트랩인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 활성탄의 싱글베드가 그의 원하는 베드수명이 만료될때 처분가능한 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 활성탄의 1회용 베드의 베드수명이 약 3 내지 약 12개월인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 베드수명이 약 6개월인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 흡착제물질의 베드가, 하나의 베드는 사용중이고 그의 흡착성 베드수명이 만료된 또다른 베드는 재생이 되는 멀티-베드시스템을 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 멀티-베드시스템이 활성탄의 베드들을 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 공급가스혼합물을 오일 윤활 압축기 시스템속에서 원하는 막 시스템 압력으로 가압하는 것이 포함되는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 압축기 시스템이 오일-범람 나사식 압축기를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 공급가스혼합물이 공급공기를 포함하는 방법.
  12. 제5항에 있어서, 상기 공급가스혼합물이 공급공기를 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 공급가스혼합물을 원하는 막 작동 압력으로 가압시킨 후, 공급가스혼합물을 상기 흡착제물질의 베드와 접촉시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가스혼합물을 오일-윤활 압축기 시스템속에서 가압시키는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 공급가스혼합물을 막 작동 압력으로 가압시키는 것과는 별도로, 상기 공급가스혼합물을 상기 경질 및 중질 탄화수소 오염물이 함유된 분위기에 노출시키는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 가압공급가스혼합물을 상기 흡착제물질의 베드와 접촉시키기전에 냉각하고 그로부터 액체 소적들을 제거하는 것이 포함되는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 수분이 없는 냉각 공급가스혼합물을 상기 흡착제물질의 베드와 접촉시키기전에 과열조건으로 가열하는 것이 포함되는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 흡착제물질이 활성탄인 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 흡착제물질이 활성탄인 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 흡착제물질이 제올라이트 분자체 물질인 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 흡착제물질이 알루미나를 포함하는 방법.
  22. 보다 더 쉽게 투과되는 성분과 덜 쉽게 투과되는 성분을 함유하며 또한 C5(펜탄)보다 더 중질의 탄화수소 및 C5이하의 경질 탄화수소로된 오염물을 함유하는 공급가스혼합물을 그 혼합물중에 보다 더 쉽게 투과되는 성분을 선택적으로 투과시킬 수 있는 막 시스템속으로 통과시키는 시스템에 있어서, 상기 막 시스템에 통과되기 이전의 상기 공급가스혼합물과 접촉되도록 위치하고, 중질 탄화수소는 선택적으로 흡착하면서 경질 탄화수소는 공급가스혼합물과 함께 막 시스템에 통과되도록 해주는 흡착제물질의 베드를 포함함으로써, 공급가스혼합물속에 상기 중질 탄화수소가 존재함으로 인해 야기되었을 막 투과성의 상당한 열화를 편리하게 방지하고, 아울러 막 투과성에 유해한 중질 탄화수소의 선택적인 제거에 의하여 흡착제물질의 베드 수명과 크기를 주어진 가스분리 작업에 대해 최적화시킬 수 있음을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 흡착제물질의 베드가 상기 중질 탄화수소를 위한 싱글베드인 인라인 흡착제트랩을 이루는 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 흡착제트랩이 활성탄의 베드를 함유하는 탄소트랩인 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 상기 활성탄베드의 베드수명이 약 3 내지 약 12개월인 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 베드수명이 약 6개월인 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 상기 활성탄의 싱글베드가 그의 원하는 베드수명이 만료될때 처분가능한 것인 시스템.
  28. 제22항에 있어서, 상기 흡착제물질의 베드가, 하나의 베드는 사용될 수 있는 것이고 그의 흡착성 베드수명이 만료된 또다른 베드는 재생이 되는 멀티-베드시스템을 포함하는 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 상기 멀티-베드 시스템이 활성탄의 베드들을 포함하는 시스템.
  30. 제22항에 있어서, 공급가스혼합물을 상기 흡착제물질의 베드와 접촉시키기 전에 원하는 막 시스템 압력으로 가압하기 위한 압축기 수단이 포함된 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 상기 압축기 수단은, 공급가스혼합물이 상기 흡착제물질의 베드와 접촉되기 전에 통과하게 되는 오일-윤활 압축기 시스템을 포함하는 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 상기 압축기 시스템이 오일-범람 나사식 압축기를 포함하는 시스템.
  33. 제30항에 있어서, 공급가스혼합물 흐름경로속에서 상기 압축기 수단과 상기 흡착제물질의 베드사이에 위치하는 냉각수단 및 액체 소적 제거수단이 포함된 시스템.
  34. 제25항에 있어서, 상기 공급가스혼합물이 상기 냉각수단 및 상기 액체 소적 제거수단을 통해 통과한 후 상기 활성탄의 베드와 접촉되기 이전에 상기 공급가스혼합물을 과열시키도록 놓여진 가열수단이 포함된 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 상기 흡착제물질이 활성탄인 시스템.
  36. 제22항에 있어서, 상기 흡착제물질이 활성탄인 시스템.
  37. 제22항에 있어서, 상기 흡착제물질이 제올라이트 분자체 물질인 시스템.
  38. 제22항에 있어서, 상기 흡착제물질이 알루미나를 포함하는 시스템.
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