KR950006632B1 - 건조한 고순도 질소를 생산하기 위한 개량방법 및 시스템 - Google Patents

건조한 고순도 질소를 생산하기 위한 개량방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

건조한 고순도 질소를 생산하기 위한 개량방법 및 시스템
제1도는 질소에 선택성이 있는 흡착제를 사용한 압력진동 흡착(pressure swing adsorption : PSA)-질소시스템으로부터 생성된 폐가스를 후 건조용 막(membrane post dryer) 시스템의 세척가스로 사용하는 본 발명의 일례에 대한 개략도.
제2도는 질소에 선택성이 있는 흡착제를 사용한 PSA-질소시스템으로부터 생성된 건조 질소가스의 일부를 후 건조용 막 시스템의 세척가스로 사용하는 본 발명의 일례에 대한 개략도.
제3도는 산소에 선택성이 있는 흡착제를 사용한 PSA-질소시스템으로부터 생성된 폐가스를 후 건조용 막 시스템의 세척가스로 사용하는 본 발명의 일례에 대한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2,21,49 : 공기를 분리하는 PSA-질소시스템 4,24,41 : 압축기
6,26,43 : 물을 제거하는 용기 9,29,46 : 건조용 막 시스템
본 발명은 공기로부터 질소를 생산하는데 관한 것이며, 특히, 건조한 고순도의 질소를 생산하는데 관한 것이다.
고순도의 질소는 많은 화학공정, 제련, 금속생산 및 다른 공업용에 필요하다. 공기를 분리하여 질소를 생산하는 다양한 기술이 알려져 있으나, 압력진동흡착(pressure swing adsorption : PSA) 공정은 저온 공기 분리 플랜트가 경제성이 없는 비교적 적은 규모의 조작에 특히 바람직하다.
공기분리를 위한 PSA공정에서는, 공급공기를 높은 흡착압력으로 통과시켜 흡착베드가 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분으로서 질소나 산소를 선택적으로 흡착할 수 있도록 되어 있다. 그 후에 베드를 낮은 탈착압력으로 감압하여 상기의 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분을 탈착시켜 베드로부터 제거하고 공기를 다시 공급하여 베드내에서 순환되는 흡착-탈착조작이 계속되도록 한다. PSA공정은 일반적으로 다수의 베드 시스템에서 행하여지며, 각각의 베드는 시스템내의 다른 층들에서 공정순서를 수행하는 것과 상호 연관된 원하는 공정순서를 순환에 근거하여 이용한다.
두개의 다른 PSA공정 및 시스템이 99.5%까지의 순도를 가지는 질소를 생산하기 위하여 사용되고 있다. 그 하나는, 빠른 순환공정에서 속도에 선택성이 있는 탄소 분자체를 흡착체를 사용하는 것으로, 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분으로서 산소를 선택적으로 흡착하고, 흡착압력에서 -40℉와 같이 비교적 낮은 이슬점을 가지는 질소를 생산하는 것이다. 그러나, 그러한 PSA시스템에 공급되는 공기에 존재하는 수분이 흡착 베드의 분리효율을 현저하게 감소시킨다는 것이 알려져 있다. 이러한 이유로, 일반적으로 PSA흡착 건조기를 공기를 분리하는 PSA시스템앞에 사용하여 공급공기의 수분을 제거한 후 상기의 공기를 분리하는 PSA시스템으로 통과시킨다.
또 하나의 PSA공정 및 시스템은, 평형 선택계에서 공기로부터 질소를 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를 사용하는 것이다. 그러한 시스템에서는, 대기압보다 약간 높은 압력에서 공기를 흡착베드로 통과시키고, 진공펌프를 사용하여 베드로부터 질소가 많은 젖은 질소 생성물 스트리임을 제거한다. 그러한 조작에는 제올라이드 분자체가 일반적으로 사용된다. 베너의 미국특허 제4,599,094호에 고순도의 질소 생성물을 회수하기 위하여 그러한 PSA질소공정을 사용한 공정순서가 상세하게 나타나 있다. 얻어지는 질소 생성물은 일반적으로 젖어 있으며 이는 생성질소에 유입되는 공기로부터 전달된 수분외에는 진공펌프의 워터 시일(Water-Seal)로부터 수분이 첨가되기 때문이다. 그러므로, 회수된 질소 생성물을 압축하여 수분을 제거하는 것이 필요하다. 이것은 응축과 플랜트의 파이프와 장치에서의 부식 또는 동결을 방지하기 위하여 행하여지며, 또는 수분의 존재가 생성질소의 바람직한 사용목적에 부합되지 않기 때문이다. 생성질소의 수분문제를 해결하기 위한 한 방법은 생성물 압축기, 냉각기, 수분분리기 및 건조한 고순도의 질소 스트리임을 생산하기 위한 흡착건조기를 사용하는 것이다.
PSA-질소시스템에서 흡착 전- 또는 후-건조기를 사용하는 것은 전체적인 복잡성과 공정 및 시스템 비용을 증가시키고 신뢰도를 감소시킨다. 그러한 건조기는 일반적으로 파이프와 밸브로 연결된 다수의 흡착용기를 가진다. 전체적인 PSA공정순서를 행하는 일부로서 베드를 재생하는 목적에 많은 양의 질소 생성물 가스, 예를들어 공급공기의 5 내지 30%가 필요하게 된다. 열 진동사이클이 사용된다면 세척에너지가 또한 필요할 것이다. 폐 산소 스트리임이 베드 재생가스로 사용된다면 베드 연결부위에 농축되는 산소의 스파이크(spike)를 방지하기 위한 특별한 주의가 필요할 것이다.
이러한 복잡성과 질소생산 조작비용 및 전체적인 효율에 대한 그러한 효과때문에, PSA에 의한 건조한 고순도의 질소생산에 대한 기술개량, 특히 고순도의 질소로부터 수분을 제거하는데 대한 개량이 필요하게 되었다.
그러므로, 본 발명의 목적은 건조한 고순도 질소를 생산하기 위하여 개량된 베드 시스템 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 수분제거와 건조한 고순도 질소 생성물의 회수를 위하여 바람직한 선- 또는 후-건조를 시키고 공기분리를 위하여 유용한 PSA를 가지는 개량된 공정 및 시스템을 제공하는 것이다.
PSA-질소 시스템과 결합된 막으로 된 건조기 시스템은 흡착 건조기를 사용하는데 비해 단순하며, 낮은 비용으로 고순도의 질소를 건조한 상태로 생산하게 한다. 건조용 막은 바람직하게는 향류패턴으로 조작되며 저압 투과 측부에서 상대적으로 건조한 세척가스를 환류시켜 필요한 막의 면적을 감소시키고 바람직한 생성물의 회수를 증가시킨다. 그러한 세척 스트리임은 바람직하게는 PSA시스템의 산소 폐가스 또는 건조한 질소 생성물 가스로부터 얻어진다.
본 발명의 목적은, 공정 및 시스템에서 전체적인 생성물 회수량의 지나친 감소없이 고순도의 질소 생성물 또는 공급되는 공기로부터 바람직한 양의 수분제거를 가능하게 하는 조건하에서, 질소 또는 공급공기 건조를 위한 막 시스템과 PSA시스템을 결합시킴으로서 달성할 수 있다. 그러한 조건은 분리된 공정시스템의 결합, 수분제거를 위하여 사용되는 특별한 막 재료의 선택, 및 건조용 막 시스템에서 바람직한 향류하의 막의 다발모양에 관계가 있다. 이것은 건조조작동안 질소 생성물의 최소한의 손실을 가져오며 건조한 상태로 고순도의 질소 생성물을 회수하게 된다.
본 발명에서 PSA시스템의 폐가스 또는 건조 질소 생성물 가스의 일부는 건조용 막 시스템에 세척가스로 제공되어 건조조작에 요구되는 바람직한 생성물의 손실을 최소화하고 건조한 고순도 질소 스트리임을 얻게 한다. 본 발명의 전체적인 공정 및 시스템을 도면을 참고하여 설명할 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 PSA시스템, 및 질소 생성물의 건조도를 증가시키기 위하여 PSA시스템과 결합시킨 막 시스템을 아래에 자세하게 나타내었다.
제1도에서, 공급공기는 선(1)을 따라 공기를 분리하는 PSA-질소시스템(2)로 들어가서 질소는 보다 쉽게 흡착될 수 있는 성분으로서 흡착되고 산소는 폐가스로서 제거된다. PSA-질소시스템(2)의 순환조작인 탈착에 의해 질소는 부피비로 99.5%의 순소를 가지는 젖은 저압가스 스트리임으로서, 선(3)을 따라 생성물 압축기(4)로 들어가, 예를들어 80psig로, 압축되고, 젖은 질소 생성물 스트리임은 선(5)를 따라 통과되면서 열이 제거되고 응축되어, 용기(6)에서 물이 제거되고 물은 선(7)을 통하여 배출되게 된다. 정제된, 부분적으로 건조된 질소생성은 선(8)을 따라 건조기 막 시스템(9)로 들어간다. 상시 시스템(9)에서 막을 통해 투과하는 수분을 함유하는 투과가스는 제거되어, 세척가스와 함께, 선(10)을 통하여 폐기물로 배출된다. 바람직한 고순도의 질소 생성물은 건조용 막 시스템(9)에서 비-투과가스로서 건조상태로 선(11)을 통하여 회수된다. PSA-질소시스템(2)로부터 폐가스로서 제거된 산소가스는, 예를들어 3psig의 낮은 압력에서, 선(12)을 통하여 건조기막 시스템(9)로 들어가 상대적으로 건조한 세척가스로 사용된다. 공급공기에 함유된 수분은 질소를 따라 상기 PSA시스템에서 사용되는 질소에 선택성이 있는 흡착제에 선택적으로 흡착되는 것이다. 산소 폐가스는, 상기 선(10)을 통하여 막 시스템을 통과하게 되며 투과 측부의 표면으로부터 상기 막(9)를 투과한 수분을 제거하고 바람직한 수분제거에 필요한 높은 구동력을 유지시킨다.
제2도에 나타낸 또다른 일례에서는 건조한 생성물 질소 스트리임의 일부를 상기의 건조 세척가스로 사용하여 건조용 막 시스템으로부터 제거된 수분-함유 세척가스는 제1도에서처럼 폐기물로 배출되지 않고 재순환되어 젖은, 고순도 질소 생성물 가스와 함께 통과되고 건조용 막에서 더 건조되게 된다. 제2도에서, 원료공기는 선(20)을 따라 PSA-질소시스템(21)로 들어가 질소는 선택적으로 흡착되고 산소는 시스템을 통과하여 선(22)을 통하여 폐기물로 배출된다. 낮은 탈착 압력에서 탈착된 고순도, 예를들어 99.5%의 질소는 PSA-질소시스템으로부터 젖은 저압 질소로서 선(23)으로 통과된다. 질소 스트리임은 생성물 압축기(24)에서 80psig로 압축된다. 압축기로부터 선(25)를 따라 통과되면서 열이 제거되고 응축되며 용기(26)에서 질소 스트리임으로부터 물이 제거되어 선(27)을 통하여 배출된다. 정제된, 부분적으로 건조된 질소 생성물은 선(28)을 따라 건조용 막 시스템(29)로 들어간다. 시스템(29)에서 막을 통해 투과하는 수분으로 구성된 투과가스는 제거되어 세척가스와 함께, 선(30)을 통하여 선(23)으로 들어가 재순환되어 PSA-질소시스템(21)로부터 생성된 젖은, 고순도 질소와 함께 압축되고 건조기 막 시스템으로 다시 들어가게 된다. 이 예에서, 선(31)에서 회수된 고순도의 질소 생성물은 선(32)를 통하여 재순환되어 건조용 막 시스템(29)로 들어가 상대적으로 건조한 세척가스로 사용되며, 막의 면으로부터 투과한 수분을 제거하고 바람직한 수분제거에 필요한 높은 구동력을 유지시킨다.
제3도에 나타낸 본 발명의 일례에서는, 특히 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분이 산소인 PSA시스템을 사용하고, 제1도 및 2도의 PSA시스템에 공급된 공기를 후속처리하는 후-건조용 막을 사용하는 건조용 막 시스템과는 대조적으로 건조용 막 시스템이 선-건조기로 되어 있다. 제3도에서, 공급공기는 선(40)를 따라 압축기(41)로 들어가, 예를들어 90psig에서, 압축되고, 선(42)를 따라 통과되면서 열이 제거되고 응축되어, 용기(43)에서 공급된 공기 스트리임으로부터 물이 제거되어 선(44)를 통하여 배출된다. 그러한 압축된, 부분적으로 건조된 공급공기는 선(45)를 따라, 건조용 막 시스템(46)으로 들어간다. 시스템(46)에서 막을 통하여 투과하는 수분으로 구성된 투과가스는 제거되어, 세척가스와 함께 선(47)을 통하여 폐기물로 배출된다. 건조된 공급공기는 상기 막 시스템(46)으로부터 선(48)을 통하여 회수되어 PSA-질소시스템(49)로 들어가게 된다. 산소에 선택성이 있는 흡착제를 가진 상기 PSA시스템에서 건조한 고순도의 질소 생성물은 쉽게 흡착되지 않는 성분으로서 선(50)에서 회수된다. 탈착으로 보다 쉽게 흡착되는 성분, 즉 건조한 산소는, PSA-질소시스템(49)로부터 선(51)을 통하여 회수되어 건조용 막 시스템(46)에서 건조 세척가스로 사용된다. 그리하여 건조한 산소 세척가스는 막의 투과 측부에 투과된 수분을 제거하고 바람직한 수분제거에 필요한 구동력을 유지시킨다.
그러므로, 본 발명에서는, 건조용 막 시스템이 PSA-질소시스템과 효과적으로 결합되어 PSA-질소시스템에 공급된 공기로부터 생성된 고순도의 질소를 효율적으로 건조시키게 된다. 건조용 막 시스템의 조작은 그 투과 측부에 세척가스를 사용하여 증대될 수 있으며, 건조용 막 시스템의 세척가스로는 PSA-질소시스템으로부터 나온 건조 폐가스와 상기 PSA-질소시스템으로부터 생성된 건조한 고순도의 질소 스트리임 일부를 사용할 수 있다.
제3도에 나타난 전체적 시스템은 바람직한 생성물가스로 선(50)을 통하여 회수되는 건조산소를 얻는 PSA-산소시스템으로 변형시킬 수 있다. 이러한 목적으로는 PSA시스템이 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분으로서 질소를 선택적으로 흡착하고 산소를 회수하는 시스템인 것이 바람직할 것이다. 그러한 PSA시스템의 순환조작에서 흡착베드로부터 탈착된 건조질소는 선(51)을 통하여 건조용 막 시스템(46)에서 세척가스로 사용되게 한다. 그러한 PSA-산소시스템, 일반적으로 다수의-베드시스템은 공지기술이며, PSA-질소시스템처럼, 높은 흡착압력에서 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분을 흡착하고, 감압하여 탈착시킨 다음, 일반적으로 세척이 따르고 상기의 높은 흡착압력으로 다시 가압하는 특별한 공정순서로된 순환조작을 사용한다. 히스콕의 미국특허 제4,589,888호에는 산소생성물이 쉽게 흡착되지 않는 성분으로서 회수되는 다양한 PSA-산소시스템 및 공정순서가 나타나 있다. 바람직하지는 않으나 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분으로서 질소가 아닌 산소를 선택적으로 흡착하여 산소생성물을 회수하고 건조질소를 건조용 막 시스템(46)으로 재순환시키는 다른 시스템 및 공정들이 있다. 일반적으로 그러한 목적의 PSA시스템 흡착베드에는 질소가 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분일때 사용되는 제올라이트와 같은 평형 선택성 흡착제 대신에 탄소흡착재료와 같은, 속도 선택성 흡착제가 사용된다.
압축된 질소 스트리임으로부터 수분을 선택적으로 제거할 수 있는 몇몇 막들이 공지되어 있다. 미국특허 제4,783,201호에서 공지된 교류침투방식으로 조작할 때 그러한 막은 한 단계의 중단이 필요하여, 즉 공급되는 가스에 대한 침투가스의 비율이 30중량% 정도이고, 예를들어, 비교적 온건한 압력과 -40℉의 이슬점을 얻기 위하여는 150psig의 조작이 필요하다. 그러한 교류막에서 회수되는 생성물 가스는 적으며 그러한 전체적인 시스템에서 요구되는 압력과 건조기 표면적이 크다. 그러나, 본 발명의 결합 시스템의 장점을 증가시키기 위해서는 건조용 막 시스템이 바람직하기로는 향류방식으로 조작되어야 하며 건조한 환류 세척가스를 막의 투과 측부에 통과시켜 상기 투과 측부로부터 수분제거를 용이하게 하고 수분제거에 필요한 구동력을 제공하여야 한다. 이러한 공정은 요구되는 막의 면적과 생성물의 투과손실을 최소화하고 주어진 생성물의 이슬점, 즉 건조수준을 얻게 한다. 질소나 공급공기의 투과로 인한 손실을 전체 생성물의 1%이하, 바람직하기로는 0.5%이하로 유지하는 것이 본 발명의 바람직한 예에서 요구된다.
건조용 막 시스템에 사용되는 막 성분은 질소에 비하여 물에 높은 선택성을 가진 것이어야 한다. 즉 질소보다 수분이 보다 빨리 선택적으로 투과되어야 한다. 생성물 질소가스 또는 공급공기로부터 수분을 제거하는데 유리한 물/질소 분리계수는 50이상 바람직하기로는 1,000이상이어야 한다. 또한 막 성분은 질소와 산소 양쪽에 상대적으로 낮은 투과율을 가져야 한다. 그러나 조건을 만족시키는 바람직한 분리막 재료의 예로는 초산 섬유소가 있다. 또한 에틸 셀룰로즈, 실리콘 고무, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리스티렌 등과 같이 다른 여러가지 재료가 있다.
바람직한 막 성분을 막 재료로 하는 건조용 막 시스템은 PSA시스템과 결합하여 본 명세서에 기술된 대로 향류방식으로 조작된다. 속이 빈 섬유 막 형태나 다른 적합한 막의 형태, 예를들어 나사선 막에서는 일반적으로 향류형태의 흐름유형을 나타내게 하는 다발모양이 사용되어 왔다. 교류조작에서 막의 투과 측부에서 투과가스의 흐름방향은 막의 공급측부의 공급가스의 흐름과 직각이다. 예를들어, 속이 빈 섬유다발을 사용하여 속이 빈 섬유막의 외면에 공급가스를 통과시킬 때 섬유 내부로 침투하는 흐름의 방향은 일반적으로 속이 빈 섬유의 외면으로 공급되는 흐름에 대하여 직각이다. 마찬가지로, 공급가스가 속이 빈 섬유내부를 통과하여 내면에서 외부로 나올때 침투가스는 일반적으로 속이 빈 섬유내부에 공급된 흐름의 방향과 직각으로 통과하게 되며 외면에서는 투과가스를 방출하는 수단의 방향으로 통과하게 된다.
1987년 7월 24일로 공개된 유럽 특허출원 공개 제0,226,431호에서는 속이 빈 섬유다발의 한쪽끝에 근접한 원 모양으로 된 부분만을 제외하고 불침투성층으로 상기 다발이 세로외면 전부를 덮어 향류방식을 만들어내게 되었다. 이것은 공급되는 가스 또는 투과가스를 바람직한 조작방법으로, 즉 내면에서 외부로 또는 외면에서 내부로, 속이 빈 섬유내의 투과가스 또는 공급가스의 흐름방향과 평행으로 속 빈 섬유의 외면에 향류로서 통과시킨다. 속이 빈 섬유다발의 외면에 공급된 가스는, 예를들어, 섬유다발의 중심축에 직각이 아닌 평행으로 흐르게 된다. 막 섬유는 다발의 중심축에 평행한 직선으로된 묶음으로 조직되어 있거나, 교류조작에서처럼 중심축 주위에 나선형으로 감겨져 있다. 어떤 경우에는 비투과성층의 재료로 예를들어 폴리비닐리텐과 같은 불침투성 필름을 사용할 수 있다. 또한 비투과성층은 폴리실록산과 같은 불투수 피복재료를 사용하여 분해할 수 있는 용매를 사용하여 피복하거나 막 다발에 장착되고 수축된 수축 슬리이브 형태로 사용할 수 있다. 속이 빈 섬유 또는 다른 막 다발을 덮고 있는 비투과성층은, 가스가 침투할 수 있으며 섬유다발의 축과 실질적으로 평행으로 흐를 수 있도록 하는 공동을 가지고 있다. 본 발명의 목적을 위한 흐름의 방식은 젖은 고순도의 질소 또는 공급공기 스트리임 및, 질소 생성물 건조기 또는 공급공기 건조기의 막에서 막 재료를 통하여 침투하는 수분 및 산소/질소와 함께 공급되는 세척가스로 구성된 투과가스의 향류방식이어야 한다.
건조용 막의 조작은 일반적으로 조밀한 섬유막을 사용하여 수행된다. 조밀한 섬유막의 두께는, 벽두께이며, 비 대칭막의 표면부분이나 혼성막의 분리층에 비하여 매우 크다. 조밀한 섬유는 현저한 압력 수용능력이 있어야 하기 때문에 큰 벽 두께를 가져야 한다. 따라서 조밀한 섬유는 매우 낮은 투과속도를 가지고 질소 생성물의 적절한 건조를 위한 매우 큰 표면적을 필요로 한다. 대조적으로, 비대칭 또는 혼성막들은 조밀한 막에 비하여 본 발명의 목적에 바람직하며, 기계적 성질을 제공하고 막의 분리 특성을 결정하는 매우 얇은 부분을 지지하는 비교적 많은 다공성 물질부분을 가진 매우 얇은 막 분리층을 가지고 있다. 그러므로 조밀한 균질막보다 적은 표면적이 요구된다. 조밀한 막이 아닌 비대칭 또는 혼성막을 사용함으로서 투과성이 자연히 개선되므로 비대칭 및 혼성막으로서 본 발명의 바람직한 예를 수행하기 위해서는 투과에 의해 생성물 질소가 현저히 감소하는 것을 개선하는 것이 필요하다.
본 발명의 목적을 위하여 사용되는 PSA-질소시스템은 질소 또는 산소에 선택성이 있는 흡착제를 이용한 바람직한 수의 흡착제 베드시스템이다. 질소에 선택성이 있는 흡착제는 일반적으로 평형 선택성이 있어 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분, 즉 질소의 평형전진면(equlibrium front)을 형성하여 흡착제 베드를 통하여 공급단부로부터 생성물 단부로 이동시킨다. 제올라이트 분자체, 13X 및 5A는, 본 발명의 실시에 사용 적합한 평형 유형의 유용한 흡착제 물질이다. 상기한 바와 같이 탄소분자체는 속도에 따라 분리하는 성질이 있는 물질이며 질소보다는 산소에 선택성이 있다. 본 발명의 실시에는 순환계로서 바람직한 흡착베드와 바람직한 공정순서를 이용한 다양한 PSA공정이 사용될 수 있다. 상기된 베너의 특허는 PSA시스템에 사용할 수 있는 공정의 한 예에 불과하다.
본 발명에서 필요한 면적을 확보하고 생성물의 손실과 잔류산소의 역확산을 최소화하기 위해서는 세척비, 즉 환류 세척가스/비-투과 측부에 흐르는 생성물가스는, 10%이상 바람직하기로는 20%이상이어야 한다. 세척비는 높은 압력보다는 낮은 생성물 가스의 압력에서 더 커져야 한다. 허용되는 산소의 역확산양은 사용 목적에 따라 따르다. 많은 경우에서, 산소의 역확산의 바람직한 한계치는 500ppmv이며 질소 생성물중 100ppmv이하이어야 한다. 유용한 환류 세척가스의 양은, 물론, 원료와 가치에 따라 다르다.
제1도의 예에서처럼, 본 발명을 설명하기 위한 실시예에서 99.5% 질소를 20,000ncfh 생산하는 질소선택성 PSA-질소시스템이 사용되었다. 그와 같은 플랜트와 공기회수율은 60% 정도였으며, 즉, 공급된 공기의 40%가 저압 폐기물로서 사용되었다. 그러한 시스템에서 공기의 공급압력은 8psig, 폐기물의 압력은 5psig, 건조용 막 시스템에서 젖은 질소 생성물의 압력은 80psig였으며, 온도는 90℉였다. 바람직한 생성물의 이슬점인 -40℉를 얻기 위하여 열진동 흡착후- 건조시스템이 소모한 전력은 6KW였으며 소모전력의 2%가 재생시키는 세척에 필요하였다.
이러한 일반적인 시스템은 나선형 구조의 속이 빈 섬유로 되어 있는 더 단순하고 비용이 적게드는 건조기 막 시스템으로 대치하여 개선될 수 있으며 상기 시스템은 물/질소 분리계수, 즉 물의 투과성/생성물질소의 투과성, 이 6,000이며 물/산소의 분리계수가 1,000이다. 건조기 막 시스템은 막을 덮어 막 모듈에서 역류모양을 만들어내는 폴리비닐리덴으로 된 불침투성을 사용하여 조작된다. 고순도의 질소 생성물은 상기 막 시스템에서 0.5%이하의 매우 낮은 건조한 질소 생성물의 손실만을 가져오며 효과적으로 건조된다. 바람직하지 않은, 완전한 교류의 예에서는 같은 건조상태, 즉 같은 이슬점을 가지기 위해 30%이상의 건조한 생성물 질소가 사용되어야 한다.
특허청구 범위내에서 공정 및 시스템의 부분 부분들에 대한 다양한 변화 및 변형이 가해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 건조기 막 시스템에 비대칭 또는 혼성막이 사용될 수 있다. 생성물 건조에는 일반적으로 조밀한 막이 사용되나 그러한 조밀한 막이 상기한 바와 같은 제한때문에 바람직하지 않더라도 본 발명의 실시에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시에 사용되는 침투막은 막 다발의 좋바으로 되어 있으며 일반적으로 막 시스템의 기본요소를 구성하는 막 모듈을 형성하도록 되어 있다. 막 시스템은 하나 또는 다수의 모듈로 구성되어 동시 또는 연결조작을 할 수 있도록 배열되어 있다. 막 모듈은 일반적인 속이 빈 섬유형태, 또는 나서선, 주름진 평판 형태 또는 다른 바람직한 막의 형태로 막들을 다발을 만들어 구성할 수 있다. 막 모듈은 가스(공기)가 공급되는 면, 그리고 그 반대로, 투과가스가 존재하는 면을 가지도록 구성되어야 한다. 속이 빈 섬유막에서, 공급되는 면은 내면에서 외부로 조작할 때의 내면 또는 외면에서 내부로 조작할 때 속이 빈 섬유의 외면중 어느쪽도 가능하다. 공급가스를 시스템에 도입하고 투과 및 비-투과 스트리임을 제거하기 위한 수단이 필요하다.
PSA흡착제는 유성증기나 황화수소와 접촉하면 분해하는 경향이 있으므로 본 발명에서는 PSA시스템에 공급공기를 도입하기 전에 그러한 오염물질을 제거하기 위하여 알루미나 또는 분자체와 같은 적합한 물질로 된 또다른 흡착제 또는 트랩을 사용한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 세척가스는 언급된 원료로부터 건조한 또는 비교적 건조한 상태로 사용되어야 한다. 상기의 비교적 건조한 세척가스는 건조된 질소 생성물 가스 또는 건조된 공급공기에서 수분이 가지는 분압을 초과하지 않는 수분의 분압을 가지는 것으로 사용된다. 바람직하게는, 상기의 세척가스의 수분 분압이 건조된 가스 스트리임의 수분분압의 반 이하인 것이다. 막들은 PSA-질소시스템에서 생산된 고순도의 질소 또는 PSA-질소시스템에 공급되는 공기를 건조시키는데 사용되는 매우 바람직한 시스템 및 공정을 가능하게 한다. 통상적인 막 건조기 시스템에서 건조를 수행함으로서 수분제거를 위하여 보다 비용이 많이 들고 복잡한 흡착 또는 재생기술 및 시스템을 피할 수 있다. 건조기 막 시스템을 공기를 분리하는 PSA-질소시스템과 결합하여 사용함으로서 낮은 압력의 세척가스가 건조용 막 시스템의 침투면에 비교적 건조한 세척가스로서 사용되게 된다. 환류모양으로 될 수 있도록 다발을 배열하여 건조한 고순도 질소의 회수를 증가시키면서 바람직한 건조조작을 수행하고 교류투과 조작에서 발생하는 질소 생성물 가스 또는 공급 공기의 동시 투과를 방지할 수 있다.

Claims (21)

  1. 공기로부터 건조한 고순도 질소를 제조하기 위한 시스템에 있어서, (a) 산소로부터 젖은 고순도의 질소를 분리하기 위하여, 젖은 공급공기중에서 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를 함유한 압력진동 흡착(PSA)시스템 ; (b) 젖은 고순도의 질소 또는 젖은 공급공기 스트리임에 존재하는 수분을 선택적으로 투과시킬 수 있는 막 시스템 ; (c) 수증기를 막의 표면으로부터 제거하는 것과 증가된 수분제거를 위하여 고순도 질소 스트리임 또는 공급공기 스트리임으로부터 막을 통하여 수증기를 제거하는 구동력을 유지하는 것을 용이하게 하는, 비교적 건조한 세척가스(이것은 PSA시스템의 폐가스 또는 질소 생성물 가스로 이루어짐)를 상기의 건조용 막 시스템의 저압투과 측부에 공급하는 도관수단을 포함하여, 건조용 막 시스템의 투과 측부상에 세척가스를 공급하면 질소 생성물 가스의 최소 손실을 가지고서 원하는 수분제거가 달성되는 것을 특징으로 하는 공기로부터 건조한 고순도 질소의 제조 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PSA시스템이 질소에 선택성이 있는 흡착제로 구성되어, 젖은 질소가 보다 쉽게 흡착할 수 있는 공기성분이고 산소가 쉽게 흡착되지 않는 성분임을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 건조용 막 시스템이 상기 PSA시스템으로부터 생성된 젖은 고순도의 질소를 건조시켜 건조한 고순도의 질소 생성물 가스를 형성하는데 적합한 후-건조용 막 시스템임을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서, PSA시스템에서 분리된 쉽게 흡착되지 않는 산소가 상기의 건조한 세척가스임을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 건조용 막 시스템에서 형성된 건조한 고순도의 질소 생성물 가스의 일부가 상기의 건조한 세척가스임을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 막 건조기 시스템에 투과가스의 흐름을 상기 시스템의 공급가스의 흐름과 평행이 되게 하는 향류방식에 적합한 막 다발을 함유함을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 건조용 막 시스템이 쉽게 흡착되지 않는 산소를 건조한 세척가스로 사용하여 질소에 선택성이 있는 흡착제를 함유하는 상기의 PSA시스템으로부터 젖은 고순도의 질소를 건조시키는데 적합한 후-건조용 시스템임을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 PSA시스템이 산소에 선택성이 있는 흡착제로 구성되어, 질소가 보다 쉽게 흡착할 수 있는 공기성분이고 산소가 쉽게 흡착되지 않는 성분임을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 건조용 막 시스템이 공급공기를 건조시켜 건조한 공급공기를 만들고 상기의 PSA시스템으로 통과시키는데 적합한 선-건조용 시스템임을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, PSA시스템에서 분리된 보다 쉽게 흡착할 수 있는 산소가 상기의 건조한 세척가스임을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 상기 PSA시스템이 질소에 선택성이 있는 흡착제를 함유하고, 상기 건조용 막 시스템이 젖은 고순도의 질소를 건조시키기에 적합한 후-건조용 시스템이며, 건조한 고순도 질소 생성물 가스의 일부가 상기의 건조한 세척가스임을 특징으로 하는 시스템.
  12. 공기로부터 건조한 고순도 질소를 제거하기 위한 방법에 있어서, (a) 젖은 고순도의 질소 또는 젖은 공기 스트리임을 건조용 막 시스템에 통과시켜 상기의 젖은 스트리임으로부터 수분을 선택적으로 투과시키고 ; (b) 상대적으로 건조한 세척가스(이것은 PSA시스템의 폐가스 또는 질소 생성물 가스로 이루어짐)를 상기의 건조용 막 시스템의 저압투과 측부에 통과시켜 막 표면으로부터 수증기의 제거와 증가된 수분제거를 위하여 고순도의 질소나 공급공기 스트리임으로부터 막을 통하여 수증기를 제거하는데 필요한 구동력의 유지를 용이하게 하는 것을 포함하며, 건조용 막 시스템의 투과 측부상에 세척가스를 공급하면 질소 생성물 가스의 최소 손실을 가지고서 원하는 수분제거가 달성되는 것을 특징으로 하는, 공기로부터 건조한 고순도 질소의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 PSA시스템이 질소에 선택성이 있는 흡착제로 구성되어, 젖은 질소가 보다 쉽게 흡착할 수 있는 공기성분이고 산소가 쉽게 흡착되지 않는 성분임을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 건조용 막 PSA시스템이 상기 PSA시스템으로부터 생성된 젖은 고순도의 질소를 건조시켜 건조한 고순도의 질소 생성물 가스를 형성하는데 적합한 후-건조용 막 시스템임을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, PSA시스템에서 분리된 쉽게 흡착되지 않는 산소가 상기의 건조한 세척가스임을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 건조용 막 시스템에서 형성된 건조한 고순도의 질소 생성물 가스의 일부가 상기의 건조한 세척가스임을 특징으로 하는 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 막 건조기 시스템에 투과가스의 흐름을 상기 시스템의 공급가스의 흐름과 평행이 되게 하는 향류방식에 적합한 막 다발을 함유함을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 건조용 막 시스템이 쉽게 흡착되지 않는 산소를 건조한 세척가스로 사용하여 질소에 선택성이 있는 흡착제를 함유하는 상기의 PSA시스템으로부터 젖은 고순도의 질소를 건조시키는데 적합한 후-건조용 시스템임을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 PSA시스템이 산소에 선택성이 있는 흡착제로 구성되어, 질소가 보다 쉽게 흡착할 수 있는 공기성분이고 산소가 쉽게 흡착되지 않는 성분임을 특징으로 하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 건조용 막 시스템이 공급공기를 건조시켜 건조한 공급공기를 만들고 상기의 PSA시스템으로 통과시키는데 적합한 선-건조용 시스템임을 특징으로 하는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기의 건조용 막 시스템이, 건조한 고순도의 질소 생성물 가스의 일부를 상기의 건조한 세척가스로 사용하여 질소에 선택성이 있는 흡착제를 함유하는 상기의 PSA시스템으로부터 젖은 고순도의 질소를 건조시키는데 적합한 후-건조용 막 시스템임을 특징으로 하는 방법.
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