KR960004604B1 - 이중 흡착 공정 - Google Patents

이중 흡착 공정

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Abstract

내용 없음.

Description

이중 흡착 공정
제1도는 실제 본 발명에서 사용되는 2개의 베드(bed) 이중 PSA 시스템을 도시한 개록도이다.
제2도는 실제 본 발명에서 사용되는 4개의 베드 이중 PSA 시스템을 도시한 개략도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2, 22 : 압축기 4, 4a, 7, 7a : 베드(bed)
23 : 저장용기
본 발명은 압력 스윙(swing) 흡착 공정을 사용한 가스분리에 관한 것이다. 더 상세하게는, 2개의 정제된 생성물 분획의 회수를 개선시키기 위한 상기 공정의 사용에 관한 것이다.
당해 기술분야에서는, 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분과 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분을 포함하는 공급가스 스트리임(stream)의 바람직한 분리 및 정제를 수행하기위한 압력 스윙 흡착(PSA)공정 및 시스템이 널리 공지되어 있다. 더 높은 흡착 압력에서, 상기의 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착 베드상으로 공급가스가 통과될 때, 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분이 흡착된다. 베드 압력이 더 낮은 흡착 압력 수준으로 계속적으로 감소될 때, 흡착제로부터, 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분은 탈착된다.
통상, PSA 공정은 1개 이상의 흡착 베드를 포함하는 시스템에서 수행되고, 이때 각 베드는 (a) 더 높은 흡착 압력 공급-선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 흡착-선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분을 배출하는 단계, (b) 전형적으로 베드의 공급단부로부터, 선택적으로 도 적게 흡착될 수 있는 성분을, 더 낮은 압력에서 탈착 및 제거하는 단계, 및 (c) 상기 더 높은 흡착 압력으로 베드를 재압축하는 단계로 이루어진 순환을 기초로한 공정 연쇄를 수행한다. PSA 공정은 다양한 산업적 적용분야에서 특히 저온 공기 분리 조작을 경제적으로 사용할 수 없는 비교적 소규모의 조작에서 공기 분리를 위해 특히 적당하다. 또한 PSA 공정은 공기 또는 다른 가스를 건조하는데 매우 적당하다.
그러한 건조적용에 있어서, 습윤 가스는 그것의 선택적으로 많이 흡착될 수 있는 성분으로서 물을 선택적으로 흡착하는 흡착제 베드의 공급단부에 통과된다. 그 베드의 공급 단부에서 물이 흡착제로부터 제거됨으로 인해, 그 베드는 물로 가득채워지게 되고 그리고 그곳을 통해 통과되는 추가되는 습윤 가스의 양에 관한 그것의 흡착 용량이 소실된다. 수분이 제거된, 연쇄되는 가스는 비교적 건조한 흡착제의 영역과 마주치게되고 그리고 건조 공급 가스의 생성물로서 베드의 배출단부로부터 빠져나오게 된다. 그러한 건조 조작이 계속될 때, 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 흡착 전선 또는 물질 전달 지대는,베드를 통해 흡착 전선이 배출단부의 인접부근까지 도달하고 그리고 거의 모든 베드가 물로 가득채워질때까지, 공급 단부로부터 그것의 반대편 배출단부의 방향으로 이동된다. 추가의 건조가 달성되기전에, 베드는 반드시 재생되어야만 하는데, 예컨대 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 물은 탈착되고 그리고 베드로부터 제거되어야만 한다. 건조를 위한 PSA 공정에서, 선택적으로 흡착된 물은, 그것의 더 높은 흡착 압력으로부터 더 낮은 탈착 압력으로 감압시킴에 의해, 전형적으로는 가스가 베드의 공급단부로부터 방출되는 향류 감압에 의해, 그리고 건조 퍼어지(purge)가스를 베드를 통해 그것의 배출부에서 공급단부로 흐르게함에 의해, 베드로부터 제거될 수 있다. 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 물의 흡착 전선은 베드의 공급단부로 되돌려진다. 적절히 디자인된 시스템에서, 예컨대 압력이 감소되고, 그리고 가스가 베드의 배출단부로부터 방출되는 병류 감압단계에서, 압력이 그것의 상하 흡착 수준으로부터 감소될 때, 가스중의 물 불순물의 농도는 감소될 것이다. 계속해서 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 물의 탈착 및 제거를 위해 요구된 퍼어지 가스양은 흡착동안 건조된 가스의 양 보다 더 적다. 건조 공기 생성물의 일부분은 전형적으로 퍼어지 가스로서 사용되고, 이때 나머지 건조공기는 궁극적인 생성물 스트리임으로서 시스템으로부터 제거된다.
습윤 공급 공기는 제한받지않고 쓸수 있고 그리고 이에따라 공기의 높은 정도의 회수가 불필요하기 때문에 그러한 통상적인 PSA 공정은 그러한 공기 건조 적용을 위해 적당하다. 즉 퍼어징 후에 페 스트리임에서의 공기 손실은 중요하지 않다. 당해 기술분야에서 숙련된 자들이 인지할 수 있는 바와같이, 다소의 손실없이 회수되어야만 하는 목적가스의 정제를 위한 그러한 조작은 바람직하지 않거나 또는 만족스럽지도 않을 수 있다.
벌크(bulk) 가스 분리를 위한 전형적인 PSA 공정은 질소 및 또한 물과 이산화탄소와 같은 소량의 불순물의 선택적 흡착에 의해 공기로부터 산소를 제조하는 것이다. 그러한 분리를 위해 사용되는 PSA 공정은 물 불순물에 대응하는 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분이 매우 높은 농도로 있는 것을 제외하고는, 불순물 제거를 위해 상기에 언급한 것과 유사한 통상적인 것이다. 이것은 순환 시간을 짧게하고 그리고 압축 및 감압단계동안 가스의 바람직한 조작을 위한 필요성을 야기시킨다. 공기로부터 산소를 제조하는데 사용되어온 특정한 PSA 공정순환의 대표적 실례는 Batta 특허 U.S. 3,717,974 및 Hiscock 등의 특허 U.S. 4,589,888에 기재되어 있다. 공급가스, 예컨대 공기는 쉽게 이용할 수 있고 그리고 생성물 가스, 예컨대 산소의 높은 정도의 회수는 공기 분리를 경제적으로 조작할 필요가 없기 때문에, 그러한 공정은 최소한 부분적으로 충족되게 된다.
상기에 언급된, 예컨대 공기 건조 및 산소 생성물의 회수를 위한 공기 분리의 적용분야에 있어서, 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분, 예컨대 건조 생성 공기로부터의 물 또는 산소 생성가스로부터의 질소로 구성되는 생성가스로부터, 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있거나 또는 더욱더 많이 흡착될 수 있는 성분이 분리된다. 이것이 전형적으로 정상적인 PSA 공정이다. 그러한 공정은 일반적으로 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있거나 또는 소위, 무거운 성분의 정제에 대해서 적절하지 않다. 따라서 정상적인 PSA 공정순환은 공기로부터 산소를 생성하는데는 만족스럽지만, 그러나 공기로부터 질소를 생성하는데 있어서는 만족스럽지 못하다. 베드의 공급단부로부터 방출된 가스는 공기와 비교하여 질소중에서 농후하지만, 그럼에도 불구하고, 가장 실제적인 적용에 대해서는 매우 불순하다.
다른 적용에 있어서, 생성가스로서 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있거나 또는 무거운 성분을 회수하는 것이 바람직하고, 이때 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있거나 또는 가벼운 성분은 의도한 생성가스가 아닌 불순물로서 제거된다. Wilson 특허 U.S. 4,359,328에는 이 목적을 위한 역 압력 스윙 흡착 공정이 기재되어 있다. 바람직하게는 2개 또는 그 이상의 베드에서 수행되는 이 공정은 (1) 저압 흡착 단계, (2) 고압으로 압축하는 단계, (3) 상기 고압에서의 퍼어징단계 및 (4) 의도한 생성가스로서 선택적으로 더 많이 흡착되는 성분을 방출하기위한 감압단계로 이루어진다. 이 공정을 위해, 공급 가스, 예컨대 공기는 저압에서 흡착 단계로 도입된다. 본질적으로는, 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분인 베드로부터의 유출물은 고압으로 압축되고, 그리고 이 가스의 일부분은 향류 퍼어지 가스로서 사용되어 베드로브터 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분이 제거된다. 상기 유출물 가스의 일부분은 공기분리의 경우에 생성가스, 예컨대 질소로서 회수된다.
Wilson 특허의 공정은 외형상 소위 정상적 PSA 공정의 반대이다. 그러나 몇몇 중요사항에 비추어보면 이 역 PSA 공정은 정상적 PSA 공정과 다르다. 이 역 공정의 수회의 조작을 거친후에, 무거운 성분은 저압 유출물로 베드의 생성단부상에서 농후하게 될 것이다. 흡착-탈착 전선은 베드안의 생성물 단부에서 무거운 성분이 농후하게 되어 이루어지게 될 것이다. 이 전선은 각 순환의 저압단계 동안에 걸처 쉽게 파괴될 수 있으며, 이에 따라 약간의 가벼운, 예컨대 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분이 생성물 스트리임으로 흘러들어가게 된다. 이것과 그리고 다른 이유로 인해, 이 역 공정은 무거운 성분이 완전히 농후하게 되기전에 가능한한 높은 환류 또는 퍼어지 비로 많은 순환으로 조작되어야할 필요성이 있게 된다. Wilson은 정상적 PSA 공정이 저압 퍼어지 유출물의 질소 함량을 향상시키도록 최적화될 때, 공급가스로서 공기(80% 질소)를 사용하여 88% 질소 농도가 달성된 것을 기술하였다. Wilson은 이 역공정으로 질소 회수율이 31.5%이고, 96%로 질소가 농후하게됨을 기술하였다. 이것은 질소 제조를 위한 공기분리가 비교적 질소 회수율이 낮더라도 바람직한 몇몇의 적용분야에 있어서 충족되게 된다. 그러나 다른 적용에서, Wilson의 역 PSA 공정은 높은 수준의 생성물 회수율로 수득되어야만 하는 목적가스를 농후화 및 정제할 수는 없다.
가스 혼합물의 무거운, 예컨대 선택적으로 더 많이 농후화하기 위한 다른 수단은 PSA 공정의 병류-대체 형태를 사용한다. 이 형태의 PSA 공정은 정상 및 역 공정 양쪽의 몇몇 특징을 따서 사용한다. 따라서 공급가스, 예컨대 공기는 고압에서 베드의 공급단부로 도입되고 그리고 그것의 배출단부쪽으로 흐르고, 반면에, 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분 예컨대, 질소는 베드상에서 흡착된다. 가스 스트리임의 가벼운 성분, 예컨대 산소는 베드를 통해 통과되고 그리고 그곳으로부터 공-생성물 또는 폐 스트리임으로서 배출된다. 베드로 흐르는 공급가스, 예컨대 공기는, 예컨대 베드에서 흡착된 질소의 전선에 대응한 공기-산소 전선이 베드의 배출단부에 도달하기전에 멈추게 된다. 계속해서, 질소-농후 생성물 가스는 베드의 공급단부 안으로 도입되고, 공급단부는 베드안에서 제2전선, 예컨대 질소-공기 전선을 이룩한다. 이 질소-공기 전선은 공기-산소 전선보다 더 빠르게 이동되고, 공기-산소 전선은 궁극적으로 베드의 배출단부 근처에서 만나게 된다. 이 지점에서, 베드는 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 질소로 채워지게되고 또는 포화된다. 베드의 공급단부로부터 향류 감압할 때, 이 질소는 제1생성물로서 베드의 공급단부로부터 탈착되고 그리고 회수된다. 추가되는 질소 생성물은 퍼어지 가스로서 약간의 회수된 산소를 사용하여 그 배출 단부로부터 베드를 퍼어징함에 의해 수득된다. 이렇게 생성된 질소는 통상적으로 저장용기 안에 저장되고, 이때 상기된 약간의 질소가스는 병류 퍼어지 스트리임으로서 압축되고 그리고 사용된다. 전체 공정의 성능을 향상시키기 위해 압력 균일화 및 재순환을 위한 다양한 다른 공정 단계가 종종 사용된다.
공기로부터 질소를 제조하기위한 특정한 병류 대체 공정은 Werner와 Fay 특허 U.S. 4,599,094, 및 Lagree와 Leavitt 특허 U.S. 4,810,265에 기재되어 있다. 이들 공정은 공기로부터 질소와 산소의 양쪽 성분을 높은 회수율로 생성될 수 있게 하고 이 경우 통상적으로 질소가 주요한 생성물이 된다. 큰 지름의 흡착제 베드를 사용하는 실제 산업적 적용에 있어서, 고순도 질소가 생성되는 것과 동시에 고순도 산소를 생성하는 것은 어렵다.
병류 대체 순환이 공기로부터 높은 생성물 회수율로 질소를 수득하는데 있어 잘 조작되는 반면, 그러한 순환은 당해 기술분야에서 당면하게 되는 모든 상황을 만족시키는 것은 아니다. 이에 따르면, 무거운 성분이 비교적 낮은 농도로 존재할때는 공정이 특히 효과적이 아님을 발견하였다. 일반적으로, 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 탈착은 압력 조건이 다수의 가스분리 또는 정제 적용에 대해 적당하거나 또는 경제적이 아닌, 흡착 압력 보다 매우 낮은 진공 또는 압력하에 수행될때한해, 그러한 병류 대체 공정은 만족스럽게 수행될 수 있다.
실례는 다른 공기된 PSA의 공정은 D.M Ruthven, Wiley and Sons의＂Principles ofl Adsorption and Adsorption and Adsorption Precesses＂ 1984, pp. 396-405에 언급된 모의 이동 베드 공정이다. 이 공정은 어떤 상황하에 높은 생성물 회수율로 고순도 가스를 생성시킬 수 있지만, 그러나 통상적으로, 많은 흡착체 베드와 밸브를 요구하여, 비교적 복잡하고 그리고 고가이다. 또한, 무거운 성분의 흡착 등온선이 강하게 굽어질 때, 또는 다른 평형 등온선을 갖는 몇몇의 강하게 흡착된 성분이 있을때는 그러한 공정은 잘 수행되지 않는다.
Keller와 Kuo 특허 4,354,859 호에 기재된 다른 PSA 공정 접근 수단에서, 공급 가스는 흡착체 베드의 양 단부상에 순롼 압력 변환을 가함에 의해 2개의 생성물 스트리임으로 분리된다. 분자 주입구(gate)로서 언급된 이 공정 및 시스템은 피스톤을 사용하여 베드의 2개의 단부에서 순환 가스 흐름 및 압력 변환을 생성하는 한편 공급물은 중간 지점에서 주입된다. 구러한 대비된 피스톤 작용의 용적 변위는 공정의 생산성 및 선택성이 제어되도록 조정된다. 공정 및 시스템은 2개의 스트리임이 생성되도록 하는 반면, 이들은 산업적인 크기로 증가시키고 그리고 경제적으로 조작하는 것이 어렵다. 결과적으로, 분자 주입구 접근 수단은 가스 분리 또는 정제조작을 산업적으로 사용하지는 못하였다.
이에 따라, 당 기술분야에서는 비교적 간단하고, 단지 수개의 흡착체베드를 사용하고 그리고 공급가스 스트리임을 높은 회수율의 의도한 생성가스로 정제 또는 분리하는데 경제적으로 사용될 수 있는 개선된 PSA 공정에 대한 필요성이 상존하고 있다.
본 발명의 목적은 바람직하게 정제된 생성물 가스의 다소의 손실없이, 다성분 공급가스 스트리임을 2개의 정제된 스트리임으로 분리하기 위한 향상된 PSA 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이원가스 스트리임을 2개의 순수 가스 분획으로 상기 가스 스트리임의 두 성분은 높은 회수율로 효과적으로 분리하기위한 개선된 PSA 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 바람직한 생성물 가스의 높은 회수율을 갖는 정제된 가스 스트리임을 생성하도록 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가스로부터 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 불순물을 제거하기 위한 PSA 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 바람직한 생성물 가스의 높은 회수율을 갖는 정제된 가스 스트리임을 생성하도록 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 가스로부터 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 불순물을 제거하기 위한 PSA 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 추가의 목적은 불순한 이르곤 스트리임으로부터 미량의 질소를 제거하여, 정제된 아르곤 스트리임이 정제 공정에서 단지 아르곤 생성물의 무시할만한 손실로 생성되도록하는 개선된 PSA 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 목적은 이후에 상세히 기재되며, 이것의 신규한 특징은 특히 특허청구 범위에 나타내었다.
각 흡착 베드는 2개의 영역으로 나누어지고 이들 사이에 공급 지점을 가지며 결합 이중 PSA 공정 및 시스템을 제공한다. 한 영역은 정상적 PSA 공정으로서 조작되고, 그리고 제2영역은 역 PSA 공정의 방법으로 조작한다. 이 공정은 양쪽 영역에 대해 전체 공정의 각 단계동안 한 영역으로부터 다른 영역으로 매끄럽게 흘러서 수행된다. 정상 영역으로부터의 저압 유출물은 역 영역의 저압 공급부로 통과되고, 그리고 역 영역으로부터의 고압 유출물은 정상 영역의 공급단부로 통과된다. 혼합된 가스 또는 불순 가스 스트리임은 고압 또는 저압 단계중 하나 또는 모두가 진행되는 동안 정상 및 역 영역 사이의 공급지점에서 분사된다. 실제의 본 발명에서 PSA 공정 및 시스템은 완전한 2원 분리 시스템으로서 작용할 수 있고 그리고 그것의 높은 회수율을 가지며 높은 순도에서 가벼운 및/또는 무거운 성분 분획을 생성할 수 있다.
본 발명의 목적은 정상 및 역 PSA 접근수단의 특징을 조합한 PSA 공정을 제공함에 의해 달성된다. 본 발명의 결합 이중 공정 및 시스템은 정상적 PSA 공정 또는 역 PSA 공정중 하나로 조작함에 있어서, 고유하게 나타나는 바람직하지 않은 생성물 손실없이, 정제된, 또는 농후화된 생성물 스트리임을 생성할 수 있다. 본 발명은 특히 목적 가스로부터 가볍거나 또는 무거운 불순물을 제거하는데 유용하며, 여기서 이 생성 가스를 그것의 소량 또는 무시할만한 손실로, 예컨대 높은 생성물 회수율 수준에서 회수하는 것이 필수적이다.
당해 기술분야에서, 정상적 PSA 공정은 일반적으로 2개 또는 그 이상의 베드로 수행되고, 여기서, 순환 기초상에서 각 베드는 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 또는 무거운 성분은 더 높은 흡착 압력에서 흡착되고 그리고 더 낮은 탈착 압력에서 가압-탈착 연쇄를 수행한다. 각 베드의 그러한 정상적 공정 연쇄에서, 공급가스는 더 높은 흡착압력으로 압축하고 그리고 베드의 공급단부에서 주입하며, 이때, 무거운 성분(들)은 선택적으로 흡착되고 그리고 최소한 가벼운 성분(들)의 일부는 정제된 가벼운 가스 생성물로서 그것의 배출단부로부터 제거된다. 고압 흡착 단계 동안에 베드의 배출단부로 제거되는 나머지 가스는 시스템에서 또다른 베드의 배출단부로 통과되는 저압의, 향류흐름 퍼어지 가스를 제공하기위해 편리하게 팽창되어 사용된다. 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 흡착 전선이 베드를 통해 그것의 배출단분의 인접부로 통과되는 것과 같이, 제1베드의 흡착 용량이 거의 소모되었을 때, 베드로 흐르게 되는 공급가스는 종결되고, 그리고 순환의 감압 상태가 시작된다. 이 지점에서, 제1베드는 베드의 배출단부로부터 가스를 방출함에 의해 전형적으로 병류형으로 갑압된다. 이에 따라 베드의 배출단부로부터 방출된 가스는 압력의 균일화 및/또는 퍼어지 가스 목적을 위해, 시스템에서 제2베드 또는 다른 베드의 배출단부 안으로 바람직하게 팽창된다. 계속해서, 이 베드는 향류감압 및 베드의 공급단부로부터 가스를 방출함에 의해 더 낮은 탈착 압력 수준으로 추가로 감압되고, 이때 그러한 가스는 공급가스중의 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분으로 이루어지고, 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분이 의도한 생성물 가스일때는 소모시키거나 또는 달리 사용하기 위해 통과시킨다.
그것의 더 낮은 탈착 압력 수준에서 베드의 배출단부에 퍼어지 가스를 부가함에 의한 퍼어지에 이어, 베드는 더 높은 흡착 압력 수준으로 재압축된다. 전형적으로, 베드는 초기에 압력 균일화 목적을 위해 감압을 수행하는 시스템에서 제2베드 또는 다른 베드의 배출단부로부터 상기 제1베드의 배출단부로 통과함에 의해 더 낮은 탈착 압력으로부터 중간 압력으로 재압축된다. 계속해서, 공급 가스는 그것의 압력을 중간 압력으로부터 상한 흡착 압력으로 증가시키기 위해 베드의 공급단부로 통과된다. 이어서, 상한 흡착 압력에서 베드의 공급단부로의 공급가스의 통과가 계속되고, 이때, 용이하게더 적게 흡착될 수 있는 성분은 순환 조작이 상기 제1베드에서 연쇄될 때, 그것으로부터 회수된다.
효과적으로 조작하기 위하여, 본질적으로 모든 흡착된 무거운 성분(들)은 베드의 공 급단부로부터 제거되고 그리고 배출되어 소모되어야만 한다. 베드로부터 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 무거운 불순물을 탈착하고 퍼어지하기 위해서는, 포함한 성분, 베드에서 사용되는 흡착재료, 포함된 압력비에 따라, 특정한 소량의 가벼운 성분은 필수적으로 소모물로 손실된다. 가벼운 가스성분의 회수는 이 상황에 의해, 특히 그러한 PSA 공정에서 고유한 상한 흡착압력과 하한 탈착압력 사이의 압력비에 의해 고유하게 제한된다. 이에따라 이 정상적 PSA 공정은 선택적으로 저-급 공급 스트리임의 분리를 포함하는 적용에 있어서는, 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분(들)의 분리 및 회수로 제한된다.
상기에 기재된 정상적 PSA 공정은 다양한 공정 변환으로 수행될 수 있다. 이에 따라, 진공 및 변동압력 수준이 사용될 수도 있다. 또한 각 베드에서 순환공정 연쇄가 시스템의 각각의 다른 베드에서 상기 연쇄를 수행하는 것이 협력되는 순환을 기초하여 수행되는 다중 베드 시스템이 사용될 수도 있어서, 이 압력 변환단계는 전체 시스템의 공급 및 생성 흐름의 중단없이 사용될 수도 있다. 당해 기술분야에서는 감압변환, 압력 균일화 및 퍼어지 단계에 관해, 특정한 분리를 위한 공정 성능을 향상시키기 위해서, 다수의 다른 공정 연쇄가 기술되어 있다. 모든 이들 변환은 가벼운, 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분을 회수할 때, 동일하며, 고유한 제한이 따르게 된다.
실제 역 PSA 공정에서, 공급가스는 대기압과 같은 더 낮은 압력에서 시스템의 제1베드로 통과된다. 이 단계에서, 성분(또는 부분) 압력이 초기 베드내의 성분의 압력 보다 높고, 그리고 이후에는 전체 공정 연쇄의 각각의 감압 단계가 (1) 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분이 방출되는 저압에서의 흡착 (2) 가압, (3) 농후화된 제거물, 예컨대 고압에서 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분의 제거, 및 (4) 농후화된 순도의 의도한 생성물로서 저압에서 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분이 방출되는 감압 단계로 이루어지는 것으로 인해, 공급가스의 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분이 흡착된다. 이에 따라 가스 혼합물이 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분이 흡착체상에서 흡착된 상태로 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분이 대체되고 그리고 소모된다. 결과적으로, 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 전진된 가스상 영역은 선택적으로 더 많이 그리고 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가스성분 모두를 포함하는 가스상 영역을 앞서게 된다.
역 공정의 단계(2)에서 베드내의 압력을 증가시키는 것은 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 선택적 흡착을 야기시킨다. 이것은 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 가스상태로의 소모를 결과하고 그리고 이에 대응하는 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분의 가스상태로의 농후화를 결과한다. 단계(3)에서 흡착체 베드를 용이하게 흡착될 수 있는 성분으로 퍼어징하는 것은, 흡착체 베드로부터 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분으로 농후화된 가스상을 제거하게 한다. 이에따라, 흡착체 베드의 감압은 농후화된 순도 수준에서 베드로부터 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 방출을 결과한다. 압력 균일화 단계와 같은 추가되는 공정 특징은 실제의 바람직한 역 PSA 공정중에서 사용될 수 있다. 그러나 공정 특징 및 조건이 최적화 될 때라도, 약간 양의 무거운 성분(들)이 고압에서 단계(3)에서 제거된 제거 스트리임중에 존재할 것이다. 역 PSA 공정 및 시스템은 실제 산업적 조작에 따르면, 단지 저급의 공급 가스 스트리임이 진행될 때 무거운 성분 생성물의 농밀화를 위해 적당하다.
본 발명의 이중 PSA 공정 및 시스템은 제1도에 도시하였으며, 여기서 공급가스는 2개의 베드 시스템의 각 베드로 그것의 중간 지점으로 통과된다. 이와는 대조적으로, 공급가스는 상기에 언급된 정상적 PSA 및 영 PSA 공정 및 시스템의 각 베드의 공급단부로 통과된다. 제1도는 구현예에서, 선(1)에소의 공급가스는 압축기(2)를 수단으로 하여 압축되고, 그리고 밸브(3)을 통해 그것의 단부 사이의 중간지점(5)에서 흡착체 베드(4)로 또는 밸브(6)을 통해 그것의 중간지점(8)에서 흡착체 베드(7)로 번갈아 통과된다. 베드(4)의 상단부로부터 제거되는 가벼운 성분은 가벼운 성분 생성물 가스로서 회수를 위해 밸브(9)를 통해 선(10)으로 통과된다. 유사하게는 베드(7)의 상단부로부터 제거되는 가벼운 성분은 상기 가벼운 생성물 가스로서 회수를 위해 밸브(11)을 통해 상기 선(10)으로 통과된다. 이들 베드중 하나의 상부로부터 제거되는 일부분의 가벼운 성분은 밸브(13)을 포함하는 선(12)를 통해 통과함에 의해 다른 베드의 상부로 통과될 수 있다.
베드(4)의 바닥으로부터 제거되는 무거운 성분은 생성물 가스로서의 회수를 위해 밸브(15)를 포함하는 선(14)를 통해 통과되고 밸브(17)을 포함하는 선(16)으로 통과될 수 있다. 이와 유사하게, 베드(7)의 바닥으로부터 제거되는 무거운 성분은 상기 생성물 선(16)으로 통과시키기 위해 밸브(19)를 포함하는 선(18)을 통해 통과될 수 있다. 베드(4)와 (7)로 부터의 무거운 성분은 무거운 성분 생성물로서 회수 또는 시스템으로 재순환하기전에 또한 밸브(21)과 (21)을 통해, 압축기(22)로 그리고 임의의 저장용기(23)으로 통과될 수 있다. 벨브(24) 및(25)가 제공되어 시스템의 공급가스 및 무거운 성분 생성물 스트리임의 불필요한 압축이 없이 부하가 걸리지 않는 조건에서 가동이 계속되게 한다.
4개의 베드 시스템으로 나타나는 제2도에 도시된 시스템은 베드가 공급지점에서 나누어지는 것을 제외하고는 제1도의 2개-베드 이중 시스템과 본질적으로 동일하다. 이에따라, 제2도 구현에는 각각 분리된 쌍의 베드(4) 및 (4A) 및 (7) 및 (7a)를 사용하며, 이때 선(5)과 (8)로 통과하는 공급가스는 각 쌍의 베드 사이의 중간지점에서 각각 소통된다.
본 발명의 실시에서 이중 시스템의 상한부분 예컨대 제1도 구현예에서 베드(4)의 상한부분 및 제2도 구현예에서의 베드(4)와 (7)을 정상적인 PSA 공정을 위한 시스템의 가벼운 성분 단부에서 작동되는 것과 같은 작용을 하는 것이 이해되어질 것이다. 이와 유사하게 이중 시스템의 하한부분, 예컨대 제1도 구현예에서 베드(4)의 하한부분 및 제2도 구현예에서 베드(4a) 및 (7a)의 하한부분은 Wilson의 역 PSA 고정에서 무거운-생성물 단부에 작용하는 것과 같이 작용한다.
설명을 위해 기술된 제2도 구현예를 참조로하면, 가볍고 및 무거운, 예컨대 선택적으로 더 적게 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 이원 혼합물로 이루어진 공급가스는 높은 흡착 압력으로 압축을 위해 선(1)에서 압축기(2)로 통과된다. 전체 공정 순환중 일부분 동안에는, 압축된 공급가스는 베드(4)의 바닥으로 통과시키기 위해 밸브(3)을 통해 선(5)로 통과된다. 베드(4a)의 상단부로부터의 유출물과 조합된 이 공급가스는 베드를 통해 통과되며 그리고 베드(4)로부터 유출되는 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분이 유출되고, 무거운 성분이 흡착되는 베드(4)를 통해 윗쪽으로 흐른다. 일부분의 이 정제된 가벼운 가스 스트리임은 밸브(9)를 통해 통과되고 그리고 선(10)에서 가벼운 생성물로서 회수된다. 나머지 정제된 가벼운 가스는 밸브(13)을 통해 저압으로 팽창되고 그리고 베드(7)의 상한의, 가벼운 생성물 단부로 들어간다. 이 저압 가스는 순환공정의 초기단계에 그위에 이미 흡착된 무거운 성분을 베드로부터 대체하도록 작용하는 베드(7)을 통해 거꾸로 흐른다. 이에따라 베드로부터 그것의 바닥단부를 통해 제거되는 유출물은 선(8)을 통해 베드(7a)의 바닥 단부로부터 무거운 성분을 이동하게 하는 작용을 계속하는 베드(7a)의 상부에 직접적으로 통과된다. 베드(7a)로부터의 유출물은 밸브(21)을 통과되고, 압축기(22)에서 압축된후 저장용기(23)으로 들어간다.
일부분의 이 가스는 무거운 생성물로서 회수를 위해 선(16)과 밸브(17)를 통해 회수된다. 저장조(23)으로부터의 다른 일부의 가스는 선(14) 및 밸브(15)를 통해 베드(4a)의 바닥단부로 통과된다. 이어서 이 가스는 베드(4a)를 통해 그쪽으로 흘러서 그안의 가벼운 성분을 대체한다. 이상적으로는 공급 스트리임의 구성과 근사하게 될 수 있는 베드(4a)로 부터의 유출물은 베드의 하단부로의 통과를 위해 선(1) 및 밸브(3)을 통해 선(5)로 통과되는 공급가스와 조합된다. 전체 순환 공정 연쇄의 이 단계는 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분의 흡착 전선이 베드(4)를 통해 파괴되고 그리고 시스템으로부터 제거된 가벼운 생성물 및/또는 선(12) 및 밸브(13)를 통해 베드(7)의 상단부로 재순환되는 그것의 일부로 통과된다.
PSA 공정연쇄의 다음 단계동안에 베드(4) 및 (4a)는 상한 흡착 압력으로부터 감압되고, 베드(7) 및 (7a)는 하한 탈착압력으로부터 상기 상한 흡착압력으로까지 재가압된다. 한 바람직한 구현예에서, 압력 평형화 단계가 사용되어 바람직한 압력회수가 이루어질 수 있다. 이 목적을 위해서, 시스템에 대한 공급 및 시스템으로부터의 유출흐름은 베드 사이의 압력 평형화가 이루어지는 기간동안에 현탁될 수 있다. 그로써 밸브(3), (9), (11), (15), (19), (20) 및 (21)은 모두 폐쇄되는 반면, 밸브(13)은, 초기에는 상한 흡착압력에 있는 베드(4)의 상부로부터 초기에는 하한 탈착압력에 있는 베드(7)의 상부로까지의 가스의 통과에 의하여 압력이 어느 정도 평형화될때까지 개방된 채로 남겨진다. 밸브(13)은 그런다음 폐쇄되고, 밸브(20)과 (21)이 개방되어 베드(4)와 (4a)가 베드(4a)의 하부로부터의 가스의 통과에 의해 계속 감압될 수 있는 한편, 베드(7) 및 (7a)는 저장용기(23)으로부터 베드(7a)의 하단까지 가스의 흐름에 의하여 상한 흡착압력으로 계속 재가압된다. 이러한 단계가 진행되는 동안, 압축기(2) 및 (22)로부터의 흐름이 요구되지 않을 때 밸브(24) 및 (25)가 개방되어 상기 장치들이 하중되지않은 형태로 계속 작동할 수 있게된다.
공정 연쇄의 다음 단계동안에 압축기(2)로부터의 공급가스는 라인(8) 및 밸브(6)을 통과하여 상한 흡착압력의 베드(7)을 통하여 윗방향으로 흐른다. 베드(7)에서 선택적으로 보다 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분과 분리된 정제된 가벼운 생성물중 일부는 밸브(11)을 통과하여 통과되어 가벼운 생성물로서 회수된다. 나머지의 정제된 가벼운 생성물은 밸브(13)을 통해 팽창되어 베드(4)의 상단으로 통과되어, 그곳에서 베드를 통해 아랫쪽으로 흘러서 앞서 흡착된 무거운 생성물과 대체된다. 베드(4)로부터의 유출물은 라인(5)를 통하여 아랫쪽으로 통과하여 베드(4a)의 상단으로 들어가 그곳에서 앞서 흡착된 무거운 성분의 추가량을 운반하면서 아랫쪽으로 흐른다. 베드(4a)로부터의 유출물은 밸브(20)을 통과하여 압축기(22)에서 압축된 다음 저장용기(23)으로 보내진다. 저장용기(23)으로부터의 일부의 가스는 무거운 생성물로서 라인(16) 및 밸브(17)을 통하여 회수되는 반면, 상기 저장용기(23)으로부터의 추가의 가스는 라인(11)과 밸브(19)를 통과하여 베드(7a)의 하단으로 통과되는 대체가스로서 작용한다. 베드(7a)로부터의 유출물은 라인(8)에서 공급가스의 조합되어 베드(7)의 바닥으로 유입된다. 그러한 작동은 베드(7a) 및 (7)의 흡착 웨이브가 상기 베드들의 상단으로부터 제거된 유출물안으로 돌파되기 전에 종료된다.
전체 공정 연쇄의 마지막 부분에서, 압력 평형화는 그것의 제2부분에서는 같이 진행되어 초기에 상한 흡착압력에 있는 베드의 압력이 회복되고, 그로써 초기에 하한 탈착압력에 있는 베드가 보다 높은 중간 압력으로 가압된다. 압력 평형화의 종료시에 밸브(13)은 폐쇄되고, 밸브(15) 및 (21)은 개방되어, 베드(7) 및 (7a)은 계속 감압되고 베드(4) 및 (4a)는 재가압되는 것이 가능해진다. 그로써 공정연쇄가 완료되면 상기 개략적인 공정 연쇄로, 베드에 이송될 새로운 양의 공급가스로의 순환이 반복된다.
이로써, 본 발명의 실시로 인하여 시스템의 한 단부에서 보다 적게 선택적으로 흡착될 수 있는 가벼운 성분이 대체되고 회수되며, 보다 많이 선택적으로 흡착될 수 있는 무거운 성분이 시스템의 다른 단부에서 대체되고 회수되는 것이 가능해짐을 알 수 있을 것이다. 이중 압력 스윙 흡착 공정은, 보다 많이 선택적으로 흡착될 수 있는 무거운 성분과 보다 적게 선택적으로 흡착될 수 있는 가벼운 성분을 함유하고 있는 공급가스 혼합물로부터 상기 무거운 성분을 흡착할 수 있는 물질을 포함하는 최소한 하나의 압력스윙 흡착단을 가지는 시스템을 사용한다. 다양한 구현예에서, 주어진 응용 분야에 속하는 전체적인 상태 및 요구조건에 따라 2 또는 그 이상의 단을 사용하는 것이 바람직할 것이다. 그러한 선택적인 흡착시에, 상기의 보다 많이 선택적으로 흡착될 수 있는 무거운 성분의 흡착 전선은 흡착제 단에서 형성되려는 경향이 있다. 각각의 단은 상기에서 언급된 정상 베드 부분과 역 베드 부분을 갖는다. 각각의 단은 주기적으로 상술된 공정연쇄를 진행할 것이며, 이것을 보다 일반적으로 요약하면 다음과 같다.
상한 흡착압력에 있는 보다 많이 선택적으로 흡착될 수 있는 무거운 성분은 단의 역부분의 하단으로 통과되어 그곳의 보다 적게 선택적으로 흡착될 수 있는 가벼운 성분과 대체된다. 그로써 역 베드 부분의 상단으로부터 대체된 유출가스는 상한 흡착 압력에 있는 단의 정상 베드 부분의 하단으로 유입되어 그곳으로부터 다시 위쪽으로 통과된다. 선택적으로 보다 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분은 단의 정상 베드 부분의 상단으로부터 배출된다. 그런다음 그 단은 상한 흡착 압력으로부터 하한 탈착 압력으로 감압된다.
계속해서 선택적으로 보다 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분은 하한 탈착 압력에 있는 정상 베드부분이 상단으로 보내져서 그곳을 통하여 되돌이 방향으로 통과됨으로써 그곳의 앞서 흡착된 무거운 성분과 대체된다. 이렇게 하여 정상 베드 부분의 하단으로부터 대체된 유출가스는 하한 탈착압력에 있는 역 베드 부분의 상단으로 유입되어, 상기 하한 탈착압력에 있는 추가량의 무거운 성분과 대체된다. 선택적으로 보다 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분은 상기 하한 탈착 압력에 있는 역 베드 부분의 하단으로부터 배출된다. 그런다음 그 단은 하한 탈착압력으로부터 상한 흡착압력으로 가압된다.
분리하고자 하는 공급가스 혼합물은, (a) 단의 역 베드 부분의 하단으로 무거운 성분이 이송되는 단계, (b)상한 흡착압력으로부터 하한 탈착압력으로 단이 감압되는 단계, (c) 가벼운 성분이 단의 정상 베드부분의 상단으로 이송되는 단계, 그리고 (d) 하한 흡착압력으로부터 상한 흡착압력으로 단이 가압되는 단계들중 최소한 한 단계동안 정상 베드 부분과 그것의 역 베드 부분 사이의 중간점에서 단에 도입될 수 있음이 명백하다. 공정연쇄가 완료되는때, 공정단계들은 부가량의 공급가스 혼합물로,상기 공정연쇄를 수행하는 전체 시스템중 다른 단들과 바람직한 관계에 있는 단에서 반복된다.
특정 구현예에 대해서, 공급가스 혼합물은, 상한 흡착압력에 있는 단의 역 베드 부분의 하단으로 보다 많이 선택적으로 흡착될 수 있는 무거운 성분이 이송되는 동안 단에 유입되는 것이 바람직하다. 그러나, 다른 구현예에서는, 응용분야의 조건에따라, 보다 적게 선택적으로 흡착될 수 있는 가벼운 성분이 하한 탈착압력에 있는 정상 베드 부분의 상단에 이송되는 단계동안, 또는 재가압 또는 감압단계동안에, 또는 상기 단계들이 조합하여 이루어지는 동안 공급가스 혼합물이 첨가되는 것이 바람직할 수도 있다.
본 발명을 각 단의 정상 베드 부분의 하단 및 상단, 그리고 역 베드 부분에 관련하여 본원에 기재하는 한편으로, 이러한 상단 및 하단에 관한 참조는 단지 편의상으로 기재된 것으로서, 도면의 베드 부분들의 예시된 위치와 일치한다는 것이 명백하다. 그러나, 실제 산업적인 적용시에 다른 바람직한 배채에서 단, 그것의 개별적인 부분들, 및 상기 단 및 부분들로의 및 그것들로부터의 흐름을 적당하게 위치시키는 것도 본 발명의 범주내에 있다.
본 발명이 이중 압력 스윙 흡착 공정과 관련하여 상술되었지만, 열스윙 공정(thermal swing processing)구현예에서 이중 흡착 공정을 사용하여 유체 혼합물을 분리하는 것도 또한 본 발명의 범주내에 있다. 그러한 열 스윙 흡착(TSA) 조작에서, 하한 흡착온도는 상한 흡착압력에 해당하고, 상한 탈착온도는 하한 탈착압력에 해당할 것이다. PSA 공정 조작은 단 및 그것으로의 공급 스트리임을 압축 및 감압하기 위한 대비책을 포함하고 TSA 공정조작은 단 및 그것으로의 스트리임을 가열 및 냉각하기위한 대비책을 포함하는 것이 인지될 것이다. 그러한 가열조작을 위해서, 직접 가열 또는 단내에 삽입된 튜브의 사용에 의한 가열이 이용될 수 있다. 열교환기가 원하는 냉각을 위해 사용될 수 있으며, PSA 조작에서 원하는 흡착 및 탈착 수준을 이루기 위하여 압축 및 배출 수단이 쉽게 사용될 수 있다.
제1도 및 제2도의 구현예에 도시되어 있는 바와같이, 각각의 PSA 또는 TSA 단은 흡착제 물질로 이루어진 단일 베드로 이루어지거나, 또는 각각의 단은 각단의 정상 베드부분을 위한 개개의 흡착체 베드로 이루어질 수 있다. 최소한 2개의 PSA 또는 TSA 단이 통상 바람직하지만, 특수한 공정 조건을 갖는 특수한 유체 분리 공정에서는 1단 시스템이 바람직할 수도 있다.
본 발명의 실시에서, 단의 정상 베드 부분의 상단으로부터 배출된 선택적으로 보다 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분의 일부분은 대체로, 원하는 생성물 또는 부산물로서 사용하기위해 또는 유체 분리 조작의 폐스트리임으로서 시스템으로부터의 폐기를 위해 시스템으로부터 회수된다. 상기 가벼운 성분의 다른 부분은 통상 대체 단계동안 하나이상의 단의 상단으로의 통과를 위해 사용되는데, 그곳에서 가벼운 성분은, PSA 공정에 대해서는 하한 탈착압력에 있는, TSA 공정에 대해서는, 상한 탈착온도에 있는 단의 정상 베드 부분의 상단으로 통과된다. 마찬가지로, 단의 역 베드 부분의 하단으로부단 배출된 조다 많이 선택적으로 흡착될 수 있는 무거운 성분의 일부분은 통상 원하는 생성물 또는 부산물로서, 또는 시스템으로부터의 폐기를 위해 유체분리조작의 페스트리임으로서 회수된다. 상기 무거운 성분의 다른 부분은 통상 압축 또는 냉각된후 대체 단계동안 하나이상의 단의 하단으로 통과되는데, 그곳에서 무거운 성분은 PSA 공정에 대해서는 상한 흡착 압력에, TSA 공정에 대해서는 하한 흡착온도에 있는 단의 역 베드부분의 하단에 통과된다. 한단에서 배출된 상기 가벼운 성분 및 무거운 성분의 일부분들은 본 발명의 실시에 사용되는 전체 시스템이 속하는 주변환경에 따라, 다른 단에서, 또는 그것들이 배출된 그 단에서, 대체 유체로서 사용될 수 있다.
둘 또는 그이상의 PSA 또는 TSA단을 가지고 있는 시스템에서, 공정의 가압 및 감압단계, 또는 달리 냉각 및 가열단계는 상술된 바와같이 에너지 회수를 위해, 가스가 초기에 상한 압력 또는 온도에 있는 단으로부터 초기에 하한 압력 또는 온도에 있는 단으로 통과되는 평형화 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 공정은 광범위한 상업적으로 중요한 유체분리를 이루기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 PSA 구현예는 아르곤-산소 분리 및 아르곤정제 작업같은 가스분리를 위해 매우 바람직하다. 전형적인 아르곤-산소 분리 작업에서, 약 96%의 산소와 4%의 아르곤을 함유하고 있는 기류는 98% 이상, 예컨대 99.5%의 산소를 함유하고 있는 고순도 산소기류를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 아르곤-농후 기류는 또한 예컨대 50% 아르곤-50% 산소기류 또는 보다 높은 아르곤 순도의 기류, 예컨대 95% 아르곤 기류로서 얻어진다. 상기와 같은 조작에서, 아르곤은 선택적으로 보다 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분이며, 산소는 보다 많이 선택적으로 흡착될 수 있는 무거운 성분이다. 아르곤 정제조작에서, 가벼운 성분으로서의 아르곤은 무거운 불순물, 예컨대 산소, 또는 질소, 탄화수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 암모니아로부터 분리된다. 다른 아르곤 정제 조작에서는 무거운 아르곤 생성물이 수소, 헬륨 또는 네온같은 가벼운 불순물로부터 분리된다. 헬륨 또는 수소 정제는 본 발명의 다른 바람직한 적용으로, 이 조작에서 가벼운 헬륨 또는 수소 생성물이 질소 및 메탄과 같은 무거운 불순물로부터 회수된다. 다른 바람직한 PSA 분리에서, 본 발명은 천연가스로부터 메탄올; 메탄과 이산화탄소로부터 질소를; 일산화탄소로부터 질소를 분리하기위해; 무거운 불순물로부터 크세논 또는 크립톤 정제를 위해, 그리고 무거운 불순물로부터 질소 및 메탄 회수등을 위해 사용될 수 있다.
특수한 상업적 관심의 TSA 공정은 가스분리, 예컨대 무거운 일산화타소 및/또는 이산화탄소 성분으로부터의 가벼운 질소의 분리 및 회수, 및 액체분리, 예컨대 가벼운 성분으로서의 에탄올로부터 무거운 성분으로서의 물의 분리 및 회수, 및 정상탄화수소와 이소-탄화수소의 혼합물로부터 정상탄화수소의 분리 및 회수를 포함한다.
당업자들은 첨부된 특허청구범위에 망라된 바와같은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이, 본원에 기재된 본 발명의 상세한 설명에 다양한 변형 및 수정이 만들어질 수 있음을 인정할 것이다. 예를들어, 공정은 선택적으로 보다 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분과 보다 적게 선택적으로 흡착될 수 있는 가벼운 성분을 함유하고 있는 공급가스 또는 다른 유체 혼합물을 선택적으로 흡착할 수 있는 모든 흡착제 물질을 사용하여 수행될 수 있다. 평형타입 흡착체 물질, 예컨대 제올라이트 분자체, 예를 들면 종래의 13X 및 5A가, 활성탄 흡착체 및 4A 분자체 같은 속도-선택적 흡착체 물질과 같이 사용될 수 있다. 또한 사용되는 단의 수는 변할 수 있으며, PSA 및 TSA 기술분야에 공지된 구체예를 따라 특히 압력 온도변화단계에서 공정연쇄 변형이 만들어져서 전체적인 조작 및 그것으로부터 원하는 생성물의 흐름이 원활해질 수 있다는 것이 인정될 것이다.
본 발명의 이중 PSA 공정은 특히 중요하지만 흡착이 잘 안되는 가벼운 성분으로부터 무거운 불순물을 제거하는데 유용하다. 그러한 경우에 가벼운 가스의 고회수율이 요구되는데, 이것은 종래의 PSA 공정에 의해서는 이루어질 수 없다. 이러한 경우의 특수한 시례는 약 100ppm의 질소를 함유하고 있는 불순한 아르곤 기류로부터 질소의 제거이다. 초대기 조작은 주변공기가 아르곤 안으로 누출될 수 없도록 보장해주는 것이 바람직하다. 제1도에 도시된 것과 같은 시스템을 사용할 때, 불순한 아르곤 공급기류는 210kPa에서 사용되며, 이때의 탈착압력은 105kPa이고, 그로써 2 : 1의 압력비를 제공하고, 이런 경우 진공이 필요없게 된다. 주변온도가 300。K일때, 210kPa의 아르곤 중의 100ppm의 질소와 평형상태에 있는 13X 분자체 물질로된 흡착 베드는 105kPa의 상기 질소 172ppm과 평형상태에 있다. 본 발명의 저압 대체 단계에 의하여 보다 많이 선택적으로 흡착될 수 있는 질소를 제거하는 것은 흡착 베드로부터 최소한 58%의 유출물이 저압 대체 단계를 위하여 사용되는 것을 필요로 한다. 실제로, 이 경우에 60% 또는 그 이상의 대체 흐름이 공정의 모든 불요불급물을 보충하기 위하여, 그리고 원하는 순도의 달성을 보장하기 위하여 사용된다. 만약 60%정도로 낮은 대체 흐름으로 정상적인 공정이 사용되었다면, 아르곤 회수율은 약40%에 그칠 것이고, 이것은 실제 상업적인 견지에서는 수용될 수 없다. 이런 회수율은 단지 압력비의 증가에 의해서, 고압의 부하에 의해서, 또는 진공 탈착의 빈번한 반복에 의하여 증가될 수 있을 뿐이다. 그럼에도 불구하고 상기 종래 공정에 의한 회수율은 여전히 불량하며, 그런 공정은 상기 아르곤 정제 및 회수 조작에는 만족스럽지 못하다.
본 발명의 이중 공정에서, 정상 베드 부분으로부터의 유출 스트리임은 역 베드 부분안으로 통과된다. 이런 특수한 적용에 대해 이 부분은 매우 높은 환류비, 즉, 저압 스트리임의 후방 흐름에 대한 고압 대체물의 전방 흐름의 매우 높은 비율로 조작된다.
초기에 거의 순수한 아르곤으로 충만된 베드에 대해서, 저장용기의 질소 농도는, 제1도의 구현예의 밸브(17)을 통한 회수량에 따라 서서히 증가하여 한계점에 도달한다. 만약 1%의 가벼운 생성물 흐름이 밸브(17)을 통하여 유출된다면, 저장용기의 조성은 결국에는 아르곤중의 1% 질소에 도달하게 된다. 이것은 약 99%의 아르곤 회수율에 해당한다. 보다 높은 유출률을 얻기 위해서는 질소의 농도는 감소되고 회수율은 낮아지며, 반면 더 낮은 유출률을 얻기 위해서는 질소의 농도는 더 높아지며, 아르곤 회수율은 더 높아진다. 아르곤 회수에 대한 경제적인 한계점은 어떤 주어진 응용분야에 관련된 경제적 평가에 의해 결정되겠지만, 99% 이상의 회수율이 본 발명의 이중 공정을 실시함으로써 얻어질 수 있다. 산소(플러스 아르곤)와 질소로의 공기의 분리는, 정제된 가벼운 스트림 및 무거운 스트림으로의 공급 기류의 분리의 실례이다. 많은 상기와 같은 응용분야에서, 단지 단일 생성물, 즉, 산소 또는 질소만이 필요하며, 다른 성분들은 폐기 가스로서 배출된다. 이러한 경우, 주변 공기가 본 발명의 이중공정이 이 경우 필요없기 때문에 고생성물 회수율이 매우 중요하지는 않다. 만약 두가지 생성물이 가치있는 것이라면 폐기를 최소화하는 것이 바람직하며, 이중공정을 사용하는 것이 유리하다.
나아가, 공급공기가 압축되고 수증기 또는 이산화탄소를 제거하기 위하여 사전처리되는 경우, 예를들면 더 이상 경제적인 견지에서 고회수율이 중요하게 된다. 본 발명의 이중흡착공정은 원하는 회수율을 이룰 수 있다.
제2도의 구현예에 따르는 공기분리를 위한 본 발명의 실시에서, 가스는 베드(4) 및 (4a)에서는 고압에서 전방으로 흐르고, 베드(7) 및 (7a)에서는 저압에서 후방으로 흐른다. 질소는 탈착되어 베드(7) 및 (7a)로부터 대체되고, 베드(4a)에서 보다높은 분압에서 재흡착된다. 이 공기분리 적용에서 흡착전선의 이동은 무거운 생성물, 즉, 질소가 가벼운 성분, 즉, 산소 및 아르곤을 거의 함유하지 않는 매우 순수한 형태로 얻어지도록 조절됨을 안정하게 될 것이다. 그로써, 역 베드부분에서의 탈착전선의 돌파는 거의 또는 전혀 허용될 수 없다. 단의 각 부분에 대해서, 전선은 가스흐름이 전방인 경우 고압단계동안 흡착 전선으로서 전방으로 이동하고, 가스흐름이 후방일때는 저압단계동안 탈착전선으로서 후방으로 이동한다. 정상 베드부분에서, 전선은 이 적용의 전방-흐름 단계동안 후방-흐름 단계동안 후방으로 움직일 수 있는 것보다 더 멀리 전방으로 이동하지 않는 것이 바람직하다. 이것은 최종적인 전방 생성물 흐름과 관련하여 충분한 후방 대체 가스를 사용함으로써 보장될 수 있다.
역 베드부분에서, 전선은 전방흐름단계의 세팅동안 움직이는 것보다 후방흐름단계의 세팅동안 더 멀리 후방으로 이동하지 않는 것이 바람직하다. 이것은 간단히 최종적인 후방 생성물 흐름과 관련하여 충분한 전방 대체가스를 사용함에 의해 보장될 수 없는데, 왜냐하면 전선속도 대 가스유속의 비율이 저압에서보다 고압에서 더 낮기 때문이다. 최종적인 후방 생성물에 대해 남김없이 역 베드부분의 단부를 이탈하는 모든 가스가 전방 대체 가스로서 사용되었다 하더라도, 전선은 정압후방흐름 단계동안 더 멀리 움직일 것이다. 상기 공기 분리 응용과 관련된 이러한 상황에서의 돌파를 피하기 위하여 압력을 변화시키는 여러단계가 수행됨으로써 전선은 후방보다는 전방으로 더 멀리 이동한다. 나아가, 이것은 압력변화 단계들의 세팅동안 유의할만한 최종 전방가스 흐름의 사용없이 수행되는데, 왜냐하면 어떠한 상기 최종 흐름은 정압단계동안 균형있는 최종 후방흐름을 필요로 하기 때문이며, 이것은 상기 상황을 더 나쁘게 만드는 경향이 있다.
그 결과로서, 본 발명은 가압단계동안에 완전한 전방흐름을, 그리고 감압단계동안에는 완전한 후방흐름을 사용하여 상기 공기분리분야에 대하여 수행된다. 한 단계에서 전체 단, 즉, 정상베드부분과 욕 베드부분이 모두 역 베드부분의 최하단에서의 순수한, 무거운 성분-농후 가스의 전방 흐름 도입에 의해 가압된다. 상응하는 감압단계에서는 순수한 무거운 성분-농후 가스의 후방흐름이 역 베드부분의 하단부로부터 통과된다. 두 단계에 의한 평균 압력은 거의 동일하여서 흡착 전선속도 대 국부 가스 유속의 비율도 거의 동일하다. 역 베드부분의 하단부에서의 총 가스 흐름도 또한 거의 동일하다. 그러나, 전선의 평균 위치는 감압단계동안 보다는 가압단계 동안에 단의 역단부쪽에 더 가깝고, 국부 가스 흐름은 매우 다양하며 역 단부에 훨씬 더 가깝다. 국부 가스 유속의 이런 변화성은 흡착 전선 속도의 필요한 차이를 제공한다. 그 결과 정압단계동안 최종 후방 이동을 상쇄하기에 매우 충분하게 전선은 압력변화단계동안 최종적으로 전방으로 이동한다. 그 결과로서, 총 최종이동은 무시해도 좋으며, 주기적인 조작이 계속됨에 따라 0으로 수렴된다.
공기 분리 응용에 대하여, 적절한 압력변화 단계들의 사용은 전방 속도 이동의 균형을 맞추고, 무거운 생성물로의 바람직하지 않은 가벼운 성분의 돌파를 방지하기 위해 필요하다는 것이 안정될 것이다. 상기 언급한 아르곤 정제 응용에서와 같이, 단의 정상 베드 부분 단부에서의 상당량의 가스흐름의 사용이 일반적으로 이용된다. 그러나, 그런 공기분리 응용에서의 조작에서, 단의 역부분에서의 이동은 어떠한 양, 대량의 환류를 사용한다 하여도 균형이 이루어지지 않으며, 허용치를 넘는 가벼운 성분이 무거운 성분으로 빠져 들어갈 것이다.
공기 분리를 위한 이중공정의 조작에서 예를 들면 라인(27)의 밸브(26)을 개방시키고 다른 밸브들은 폐쇄시킴에 의해, 베드의 무거운 성분 부분단부에서의 압력 평형화를 수행하는 것이 바람직하다. 이 단계는 베드(4a) 및 (7a)의 압력이 거의 동등하게 될 때까지 계속된다. 베드(4) 및 (7)의 압력은 밸브(13)을 통한 흐름을 허용하면서 동시에 평형화될 수 있지만, 이 응용에 대해서는 밸브(26)을 통해서 모든 평형화 흐름이 흐르게 되는 것이 바람직하다. 압력의 평형화후에 밸브(26)과 밸브(13)은, 만약 그것들이 개방되어 있었다면 폐쇄되고, 밸브(20)과 (19)가 개방됨으로써, 압축기(22)가 베드부분(4) 및 (4a)의 압력부분을 감소시키고 베드부분(7) 및 (7a)의 압력을 증가시키기 위해 계속 작동될 수 있다.
본 발명의 일반적인 실시에서와 같이, 그리고 상기 예시된 구현예에서와 같이, 순환 공정의 나머지 단계들은 상기 공기분리응용에 대한 것과 유사한 방식으로 수행되며, 단 베드(4) 및 (7)의 위치와 베드(4a) 및 (7a)의 위치를 효과적으로 상호교환하기위한 밸브세트가 이용된다.
300°K에서의 공기분리를 위한 이중공정의 조작시에, 105kPa의 고압 및 70kPa의 저압, 13X 분자체 흡착체, 360㎡, 즉 252,000㎏의 총 베드 부피를 사용하여, 그리고 60초의 주기시간을 사용하여, 약 10ppm의 질소 농도를 가지는 총 회수율 99.9+%로 산소 및 아르곤의 가벼운 성분을 얻을 수 있으며, 약 5ppm의 산소 및 아르곤 함량을 가지는 총 회수율 99.9+%로 질소의 무거운 성분을 얻을 수 있다.
본 발명의 이중공정은 흡착기술분야에서 매우 바람직한 진보를 제공하는 것으로 볼 수 있다. 유체공급 혼합물중 보다 족게 선택적으로 흡착될 수 있는 가벼운 성분과 선택적으로 보다 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분이 향상된 순소 및 회수율로 얻어지는 것을 가능하게 함으로써, 본 발명은 바람직한 흡착 기술, 즉, 압력스윙흡착과 열스윙흡착 두 가지가 모두, 산업적 중요성이 증가하고 있는 실제 상업적 응용분야에서 효과적으로 응용되는 것을 가능하게 한다.

Claims (5)

  1. 공급가스 혼합물을 분리함에 있어서, 시스템이 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분과 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분으로 이루어진 상기 공급가스 혼합물로부터 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분을 흡착할 수 있는 흡착체 재료로 이루어진 적어도 하나이상의 압력 스윙 흡착 단을 포함하고, 이에따라 정상적 베드부분과 역 베드부분을 갖는 상기 흡착단에서 상기 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분의 흡착 전선을 형성하고, 그리고 (a) 상한 흡착 압력에서 상기 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분을 상기 단의 역 베드부분의 바닥단부로 통과시켜서, 거기에 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분을 대체하고, 이에따라 상기 역 베드부분의 상단부로부터 대체된 유출가스는 이곳을 통해 계속 통과시키기 위해 상기 상한 흡착 압력에서 상기 단의 정상적 베드의 하단부로 통과시키는 단계; (b) 상기 단의 정상적 베드부분의 상단부로부터 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분을 배출 하는 단계; (c) 상기 상한 흡착 압력으로부터 하한 탈착 압력으로 감압시키는 단계; (d) 그곳을 통해 역방향으로 통과시키기 위해 상기 하한 탈착 압력에서 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분을 정상적 베드부분의 상단부로 통과시키고, 이에따라 그곳으로부터 이미 흡착된 무거운 성분을 대체시키고, 이로 인해 정상적 베드 부분의 바닥단부로부터 대체된 유출가스는 상기 하한 탈착 압력에서 상기 역 베드부분의 상단부로 통과시켜 상기 하한 탈착 압력에서 그곳으로부터 무거운 성분의 추가량을 대체시키는 단계; (e) 상기 하한 탈착 압력에서 상기 역 베드부분의 바닥단부로부터 무거운 성분을 배출하는 단계; (f) 상기 하한 탈착 압력에서 상한 흡착압력으로 상기 단을 가압시키는 단계; (g) 적어도 하나이상의 상기 단계(a), (c), (d) 및 (f) 동안에 상기 정상적 베드부분과 역 베드부분 사이의 중간지점에서 상기 단으로 상기 공급 가스 혼합물로 통과시키는 단계; (h) 상기 공급가스 혼합물의 추가양을 부가하는 순환을 기초로 상기 단계(a)-(g)을 반복하는 단계로 이루어진 공정 연쇄를 기초로 수행하여, 이로인해 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분과 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분 모두가 향상된 순도 및 회수율 수준에서 회수되는 것을 특징으로 하는 이중 압력 스윙 흡착 공정.
  2. 제1항에 있어서, 상가 공급가스 혼합물이 단계(A) 동안에 중간 지점에서 단으로 도입되는 것을 특징으로 하는 공정.
  3. 공급가스 혼합물을 분리함에 있어서, 시스템이 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분과 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 성분으로 이루어진 상기 공급가스 혼합물로부터 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분을 흡착할 수 있는 흡착체 재료로 이루어진 적어도 하나이상의 압력 스윙 흡착 단을 포함하고, 이에 따라 정상적 베드부분과 역 베드부분을 갖는 상기 흡착단에서 상기 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분의 흡착 전선을 형성하고, 그리고 (a) 하단 흡착 온도에서 상기 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 성분을 상기 단의 역 베드부분의 바닥단부로 통과시켜서, 거기에 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분을 대체하고, 이에따라 상기 역베드부분의 상단부로부터 대체된 유출가스는 이곳을 통해 계속 통과시키기 위해 상기 상한 흡착 압력에서 상기 단의 정상적 베드의 하단부로 통과시키는 단계; (b) 상기 단의 정상적 베드부분의 상단부로부터 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분을 배출하는 단계; (c) 상기 하한 흡착 온도로부터 상한 탈착 온도로 감압시키는 단계; (d) 그곳을 통해 역방향으로 통과시키기위해 상기 상한 탈착 온도에서 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분을 정상적 베드부분의 상단부로 통과시키고, 이에따라 그곳으로부터 이미 흡착된 무거운 성분을 대체시키고, 이로인해 정상적 베드 부분의 바닥단부로부터 대체된 유출가스는 상기 상한 탈착 온도에서 상기 역 베드부분의 상단부로 통과시켜 상기 상한 탈착 온도에서 그곳으로부터 무거운 성분의 추가량을 대체시키는 단계 ; (e) 상기 상한 탈착 온도에서 상기 역 베드부분의 바닥단부로부터 무거운 성분을 배출하는 단계; (f) 상기 상한 탈착 온도에서 하한 흡착온도로 상기 단을 냉각시키는 단계 ; (g) 적어도 하나이상의 상기 단계(b), (c), (d), 및 (f) 동안에 상기 정상적 베드부분과 역 베드부분 사이의 중간지점에서 상기 단으로 상기 공급 가스 혼합물로 통과시키는 단계; (h) 상기 공급가스 혼합물의 추가양을 부가하는 순환을 기초로 상기 단계(a)-(g)을 반복하는 단계로 이루어진 공정 연쇄를 기초로 수행하여, 이로인해 선택적으로 더 적게 흡착될 수 있는 가벼운 성분과 선택적으로 더 많이 흡착될 수 있는 무거운 성분 모두가 향상된 순도 및 회수율 수준에서 회수되는 것을 특징으로 하는 이중 압력 스윙 흡착 공정.
  4. 제15항에 있어서, 상기 유체 혼합물이 단계(A) 동안에 중간 지점에서 단으로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제15항에 있어서, 유체 혼합물이 단계(d) 동안 상기 중간지점에서 단으로 도입되는 것을 특징으로 하는 공정.
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