KR960004605B1 - 3단 막 가스분리 공정 및 시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

3단 막 가스분리 공정 및 시스템

제1도는 본 발명의 3단 막 시스템의 구현예를 나타낸 공정 흐름 선도.

제2도는 본 발명의 최적의 면적 분포를 갖는 3단 막 시스템에 있어서 질소 화수율에 대한 질소 생성물 순도의 작용을 2단 막 시스템과 비교하여 나타낸 그래프.

제3도는 본 발명의 최적의 면적 분포를 갖는 3단 막 시스템과 관련하여 동력 및 막표면적을 설명한 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2, 17 : 공기 압축기 4 : 제1단막

6, 13 : 진공펌프 9 : 제2단막

11 : 제3단막

본 발명은 공기로부터 질소를 제조하는 것에 관한 것이다. 더 상세하게는 고순도 질소를 제조하는 것에 관한 것이다.

투과성 막 공정 및 시스템은 질소를 제조하기 위한 공기분리 조작에서 증가되어 사용되어 왔다. 그러한 조작에서 공급 공기는 막 표면과의 접촉부로 이송되어 공기 중 더 용이하게 투과할 수 있는 성분으로서의 산소는 막을 통해 통과되는 한편, 공기중 용이하지 않게 흡착될 수 있는 성분은 비-투과 생성물 스트리임으로서 막 시스템으로부터 회수된다.

막을 사용한 공기분리의 원리는 오랜기간동안 공지되어 왔지만, 최근까지 막 제작 및 팩킹 기술은 산업적인 공기 및 다른 가스분리에 대해서 경제적으로 유리한 막 기술로 발전시키지는 못하였다. 막 기술의 그러한 발전과 고유한 단순성 때문에, 공기분리 적용 분야에서 주목할만하게 높은 수준의 관심과 활동이 막 기술분야에서 가스분리에 관해 실재하고 있다.

단일 단 중공 섬유 막 공정 및 시스템이 공기로부터 농후화된 질쇠를 제조하기 위해 개발되어왔다. 이것은 막 스테이징(staging), 제작, 배관등과 관련하여 자본 비용을 최소화하는 장점을 달성하였다. 의도한 질소의 순도 수준을 증가되지만, 생성물 회수율은 감소되고, 그리고 동력 및 막 표면적 요구가 증가되어 이에 따라 전체적 관점에서 보면 단일 단 조작은 바람직하지 않다.

약 94% 이상의 질소 생성물 순도를 위해서는, 2단 막 공정이 단일 막 조작에 대한 대안으로서 바람직하다. 2단 조작에서 산소는 공급 공기중 더 많이 선택적으로 투과할 수 있는 성분으로 그리고 질소는 이것의 더 적게 선택적 투과될 수 있는 성분으로서, 제2단으로부터의 투과 가스는 전형적으로 재순환된다. 막시스템에서 공기와 비교하여 질소-농후화된 투과가스와 시스템에 대한 공급공기가 혼합되어 시스템에 대한 공급물의 산소 함량을 감소시키고 단일 막 단을 사용하여 수득될 수 있는것 이상으로 질소 회수율을 향상시킨다. 그러한 2단 막 조작에 있어서, 제2단으로부터의 저압의 투과 재순환물은 공급가스 압축기의 흡입면으로 되돌려지므로 다른 기계류는 필요하지 않다. 그러한 2-단 막 조작은 ＂Inert Gas Generation Systems for Offshore Platforms＂, Beaver Graham, Energy Progress, Vol. 6, No. 3, September, 1986, PP. 149-154, 특히 P15_ℓ의 제3도에 도시되어 있다. 2단 막 시스템은 통상적으로 사용되어 약 97% 내지 약 99.9%의 순도 수준에서 질소 생성물을 생성하고, 이때 98% 질소 생성물은 그러한 막 조작의 전형적 생성물이다. 그러나 99% 이상의 높은 질소 순도에서는, 2개의 막 시스템은 매우 비용이 많이 들게 되는 경향이 있다. 이에 따라서 주어진 막 투과 압력에서 그러한 높은 수도 수준을 생성하는데는 더 많은 동력과 증가된 막 표면적이 요구된다. 이와달리 주어진 표면적 막 시스템에 대해서는 그러한 질소를 생성하는데 더 많은 동력과 증가된 교차-막 압력이 요구되어진다. 단일 단 시스템에서와 같이, 2단 조작을 사용하여 99.99%이상의 순도 수준에서의 질소생성물을 제조할 수 있는 반면, 그러한 단일 2단 시스템을 사용하는데 따른 전체의 기술적 및 경제적 가능성은 상기 고순도 수준에서 그러한 조작의 높은 비용에 의해 감소된다.

매우 바람직한 막 접근 방법에 의해 매우 고순도한 질소 생성물을 예를 들어 99.5% 이상으로 달성하기 위해서는 2단 공기 분회 막 시스템은 공기분리 막 시스템은 공기분리 막 시스템으로부터 이동된 질소 스트리이중 잔류 산소가 수소 도는 메탄과 같은 연료 가스가 반응되는 탈산 장치를 조합하여 사용하였다.

Prasad, U,S 4,931,070에 기술되고 설명된 그러한 조합된 막/탈산 시스템을 사용하면, 약 99.95% 이하의 순도 또는 약 99.99% 정도의 초-고순도 수준과 같은 더 높은 수준을 갖는 질소 생성물을 생성한다. 그러한 조합된 2단 막/탈산 시스템을 초-고순도 질소를 포함하는 매우 고순도한 질소 생성물이 종래 기술분야의 상기에 언급된 1 또는 2단 막 시스템을 사용해서는 가능하지 않는 방법으로 달성되게 하는 반면, 그러한 증가되는 높은 질소순도 요구가 더욱 경제적으로 가능한 것을 토대로 하거나 또는 수소 또는 다른 연료가스를 사용하지 않고 충족되도록 하기위해 이 기술분야에서의 추가의 향상이 바람직하다.

공기분리, 뿐만 아니라 다른 가스분리에 있어서 매우 유리한 막의 기술적 접근방법에 대한 그러한 산업적 요구와 기대에 비추어, 탈산 단위와 2단 시스템의 사용에 대한 대안으로서 3단 막 시스템에서 주의를 기울여왔다. 이에 관해서, 주목할 것은 공급가스 혼합물의 투과 성분의 농후화를 달성하기 위한 소위 케스케이트(cascade) 분리 접근방법에서 3 또는 그 이상의 막 단을 사용하여 온 것이다. 이 목적을 위해, 각각 막단으로부터 분리된 투과가스는 공급가스로서 다음의 연속되는 막 단으로 통과되며 이때 농후화된 투과가스, 예컨대 공기분리의 경우에는 산소는 최종막단으로부터 회수된다. 비 투과 가스, 예컨대 질쇠는 각각의 그러한 단으로부터 이동된다. 이 접근방법은 비-투과 가스의 향상된 순도 수준을 달성하지 못하였으며 ＂Operating Lines in Cascade Separation Of Binary Mixtures＂, Hwang and Kammermeyer, The Canadian Journal of Chemical Engineering, Febraury, 1965, PP. 36-37.에 기술되어 있다.

매우 고순도한 질소 제조를 위해 공기분리에서의 3개의 막단을 사용하는 것은 1989년 9월 10-15일 벨기에, 안트베르프에서의 심포지움의 논문 ＂Nitrogen Production Using Menbtanes＂, Thompson, Prasad, Gottzmann and Real-Heeren에 기술되어 왔다. 상기 논문의 제1도는 공기분리에 의한 질소 회수를 위한 1,2 및 3단 막 시스템을 기술하였다. 여기에 나타낸 3단 시스템에서는 공급공기는 공급 압축기로부터 제1단 막으로 통과되고, 이것으로부터 더많은 선택적으로 투과할 수 있는 투과할 수 있는 산소 스트림은 폐기구로 배출되고, 이때 이것으로부터 분리된 더적게 투과되는 질소 스트리임을 제2단으로 통과된다. 상기 제2단으로 통과된다. 상기 제2단으로부터의 투과 스트리임은 압축을 위해 재순환되고 공급공기의 추가 양은 막 시스템으로 통과된다. 제2단 비-투과가스는 제3단 막으로 통과되고, 이것으로부터 매우 고순도한 질소 생성물은 비-투과 가스로서 회수된다. 제3단으로부터의 투과 가스에 포함되는 산소는 추가 양의 제1단 투과 가스와 함께 제2단 막으로 통과하기 위해 압축되고 재순환된다.

제3단 막 시스템은 초-고순도 수준에서의 질소 제조는 예외로 하고 높고 그리고 매우 높은 순소 수준의 질소 제조를 위해, 2개의 막 단과 함께 탈산 단위를 사용하는 것에 대한 잠재적인 바람직한 대안을 제공한다. 제2단 막에 대한 유입부로의 제3단 투과 가스의 바람직한 재순환에는 제2단 막으로의 상기 가스의 재순환을 위해 제3단 투과 가스를 의도한 투과 압력 수준으로 올리기 위한 추가의 압축기의 사용을 필요로 하는 것을 인지하게 될것이다. 더 높은 생성물, 회수율보다 적은 막 면적등과 같은 추가의 제3단 재순환의 사용으로부터 유도된 잇점은 추가의 압축기와 같은 제3단 재순환 특징을 제공하는 것과 관련한 자본 및 조작비용을 능가해야만 함은 당해 기술분야에서 숙련된 사람들에겐 용이하게 인지되어 질 것이다. 당해 기술분야에서의 진정한 필요성과 요구는 막 접근 방법의 고유한 단순성과 장점이 그러한 고순도 수준을 달성하기 위한 탈산 단위 또는 임의의 다른 그러한 수단과 사용되는 막 시스템을 조합할 필요없이 공기로부터 고순도 질소의 제조를 더욱 확장하도록 하는 경제적인 방법으로 그러한 추가의 잇점을 달성하는 것이다.

본 발명의 목적은 공기로부터 높은 그리고 매우 높은 순도에서의 질소 제조를 위한 막 공정 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 공기분리에 의해 높고 그리고 매우 높은 순도의 질소를 제조하기 위해 23 또는 그 이상의 막 단을 사용하는 개선된 공정 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은 탈산 장치와 결합할 필요없이 공기의 분리 및 높고 그리고 매우 높은 순도의 질소를 제조하기 위한 막 공정 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에서 본원의 이들 및 다른 목적은 다음에 더 상세하게 기재되며 이들의 신규한 특징은 특히 첨부된 청구범위에 나타내었다.

막 공정 및 시스템은 3단을 사용하고, 제2 및 제3단으로부터의 재순환되는 비 투과 가스는 다음 선행단으로 재순환되고, 막의 표면적은 전체 시스템의 자본 및 조작 비용을 최소화하도록 3개의 단들 사이에 분포된다. 매우 고순도한 질소는 질소 생성물로부터 잔류 산소를 제거하기 위한 탈산 장치를 사용할 필요없이 회수된다.

본 발명의 목적은 탈산 장치와는 결합되지 않지만, 공기 분리에 의해 막 99%이상의 매우 고순도한 질소 생성물을 효과적으로 생성하도록 제1, 제2, 및 제3단 사이에 최적의 면적 분포를 갖는 3 또는 그 이상의 단막 공정 및 시스템을 사용함에 의해 달성된다.

질소의 3개의 막 단에서 공기로부터 바람직하게 생성되는 본 발명의 실시에서, 일반적으로 약 50 내지 약 300paig, 전형적으로는 약 150paig 범위의 공급공기 압력에서, 일반적으로 약 90℉ 정도의 온도에서 압축된 공기를 상기 단들을 포함하는 막 모듈로 통과시킨다. 산소 가스는 상기 모듈에서 사용되는 막 재료를 선택적으로 투과하고 그리고 막의 비교적 저압, 투과면에서는 투과하지 못한다. 질소 농후화 비 투과 가스는 본질적으로는 높은 공급 공기 압력에서 회수된다. 공기 보다 더 적은 산소 농도를 갖는 제2단으로부터의 투과 가스는 바람직하게는 막 시스템에서 압축 및 재순환을 위해 프랜트의 상부로 재순환된다. 또한 제2단으로 공급되는 제1단 비-투과 가스보다 더 적은 산소 함량을 갖는 제3단으로부터의 투과 가스는 바람직하게는 상기 제2단의 공급물에 재순환된다. 본 발명의 3단 공정은 약 99% 이상, 고순도, 예컨대 약 99.99% 까지의 매우 고순도한 질소 생성물을 생성할 수 있지만, 약 99.999% 이상의 초 고순도한 수준과 함께 99.5% 또는 그 이상의매우 고순도한 질소 생성물 순도의 제조를 위한 2단 막 시스템에서와 같이, 촉매 탈산화 또는 탈산 장치는 본 발명의 실시에서는 사용될 필요가 없다.

본 발명의 의도되고 바람직한 3단 시스템에 관해서는, 제1도에서 도시한 바와 같이, 공급 공기는 선(1)에서 공기 압축기(2)로 통과되고 이것으로부터 압축된 공급 공기는 선(3)에서 상기 3단 공기분리 막 시스템의 제1단 막(4)로 통과한다. 공기의 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 산소 성분으로 이루어진 투과가스는 폐기부로 배출 또는 시스템 외부에서 사용하기 위해 막(4)로 부터 선(5)를 통해 회수된다. 만약 필요하다면, 상기 제1단 투과 가스는 주요 막 시스템 외부에서 사용하기 위해 임의의 압축기 또는 진공 펌프(6)에서 압축될 수 있다. 더 적게 투과될 수 있는 질소로 이루어진 상기 막(4)로 부터의 비-투과 가스는 선(7)에서, 만약 특정한 적용분야에 사용되는 조작 조건에 따라 사용된다면, 임의의 압축기(8) 그리고 제2단 막(9)로 통과된다. 막(9)로부터의 추가의 비-투과가스는 선(10)에서 임의의 압축기(17) 그리고 제3단 막(11)로 통과되고, 반면에 상기 막(9)로부터의 투과 가스는 3부가 양의 공급 공기와 함께, 부가적 압축 및 재순환을 위해 선(1), 제2단 막(4)로 재순환 하기 위해 선(12) 그리고 만약 사용된다면 임의의 진공 펌프(13)을 통해 통과한다. 제3단 막(11)로부터의 비-투과 가스는 높거나 또는 매우 높은 순도의 질소 생성물 가스로서 선(14)를 통해 회수된다. 상기 막(11)로 부터의 투과 가스는 제1단 막으로부터의 비투과 가스와 함께 제2단 막(9)로 통과하기 위해 선(7)로 재순환하기 전에 의도한 투과 압력으로 압축하기 위해서 선(15)에서 임의의 진공 펌프(16) 및 압축기(17)로 통과된다. 임의의 막 단으로부터 회수된 비-투과 가스는 본질적으로는 공급 압력으로 있는 한편, 이 공급 압력은 중간-단 압축없이 단에서 단으로 약간 감소되는 것으로 이해되어질 것이다.

상기에 지적한 바와 같이 현재 당해 기술분야에서 구입이 용이한 실제 막 재료는 선택적으로 질소보다 더 빨리 산소를 투과한다. 공기 공급 스트리임이 막을 거쳐 흘러서 공급 스트리임이 막의 생성 단부에 도달하는 동안 섬유 또는 다른 막 배치를 통해 통과하는 구역 투과 스트리임에서의 산소 농도를 감소한다. 단일단 막 시스템은 막우 전페 길이에 걸쳐, 구역 투과물이 공급 공기중에 존재하는 것보다 적은 의도한 질소 성분을 포함하도록 하여 구역 투과물중 산소 함량이 공급 공기중에서 보다 큰 경우에는 최적이다. 그러한 상황은 저 순도 질소의 제조와 관련되고 그리고 단일 막 공정 및 시스템은 그러한 적용에 대해 가장 최적이다.

그리고 생성물 질소 순도 요구가 증가하게 되면, 새성물 단부 근처의 막을 통해 통과하는 구역 투과 스트리임을 공기에 관해 질소 농후화되도록 개시된다. 질소가 의도하는 생성물이기 때문에, 공기보다 질소가 더 농후화된 임의의 스트리임은 공급 스트리임으로서 공기보다 더 농후화 해야함이 이해되어질 것이다. 따라서 공급 압축기로 들어가는 공기와 혼합하여 위해 모든 질소-농후 구역적 투과 스트립을 재순환하는 것이 바람직하다. 실시에서, 막 시스템을 연쇄적으로 2단으로 나누어 제1단에서의 모든 구역 투과 스트리임은 산소 농후물이고, 그리고 제2단의 스트림은 공기와 관련하여 질소 농후물이다. 따라서 제1단 투과물은 시스템으로부터 배출되고 한편, 제2단 투과물은 상기에 지적한 바와 같이 공급 압축기의 유입부로 재순환된다. 단일 단 조작과 2단 막 공정 및 시스템이 구별되는 특징은 제2단 투과 재순화 스트리임의 존재이다. 이 질소 농후(공기와 관련함) 투과 스트리임의 재순환 유입 가스의 산소 함량을 감소시키고 그리고 질소 회수율은 향상시킨다. 제2단으로부터의 저압 투과 가스는 공급 압축기 흡입 유입부에서 공급 공기와 혼합되므로 인해 다른 기계류는 요구되지 않는다.

만약 생성물 질소 순도가 충분히 높다면, 2단 시스템의 제2단의생성물 단부근처에서 막을 통해 통과하는 구역 투과 스트림은 제2단에 대한 공급물에 관해 질소 농후화된다. 그러한 상황하에서 전체 막 면적을 3단으로 분리하고 그리고 상기 제2단으로의 통과를 위해 제1단으로부터의 비-투과물 또는 화학 잔류물에 관해 질소 농후화 된 제3단으로부터의 투과물을 재순환시키는 것이 유리하게 된다. 2단 시스템의 제2단으로부터의 투과물의 재순환은 추가의 압축기를 필요로하지 않는 반면, 제3단으로부터 3단 세스템의 제2단으로의 투과 가스의 재순환은 상기에 지적한 바와 같이, 투과 스트리임의 압력을 제2단에 대한 공급물의 압력을 승압시키는 재순환 압축기를 필요로 한다. 그러나 그러한 재순환 압축을 위한 추가의비용 때문에, 제3단에 대한 공급물에서 산소 농도는 농도 제3단 투과물 재순환 압축기의 추가의 비용 및 이것의 동력 소모가 정당화되도록 하는 특정한 방법으로 3단 시스템의 전체 막 면적은 막 단들 사이에 분포되어야만 하는 것을 발견하였다. 제1도의 도면에 도시된 바와 같이 이것으로부터 투과물이 재순환하는 제3단을 단지 제공하는 것은 매우 고순도한 질소 생성 조작에서의 실제적 잇점을 달성하는 것은 그 자체로는 적당하지 않다. 이 보다는 3단들 사이의 면적 분포는 제3단 투과물에서의 산소 농도는 제2단 막으로의 공급물의 산소 농도와 비교하여 충분히 낮도록 하여야 하며 전체 막 면적에서의 임의의 투과성 감소와 함께 수득된 더 높은 질소 생성물 회수율이 제3단 재순환 조작과 관련된 자본 및 조작 비용을 능가하도록하여야만 한다.

3단 막 조작의 그러한 잇점을 달성하는 단들 사이의 면적 분포는 주로 생성물 순도, 가스성분 예컨대 공기분리에 대한 산소/질소를 분리하는데 사용되는 막 재료의 분리인자, 막을 교체하는 압력 비 및 더 적은 범위로는 막 면적 비용에 미치는 기능이 있음을 발견하였다. 일반적으로 제1 및 제2단에서의 전체 막 면적의 부분은 분리인자가 증가하면서, 압력 비(공급 압력/투과 압력)가 증가하면서 그리고 생성물 순도 요구는 감소되면서 증가됨이 발견되어진다. 일반적으로 99%에서 99.9% 질소 순도범위로 매우 높은 순도 조작으로의 향상을 위해서는 7.8 내지 18.0의 전형적 입력 비에서 그리고 제공 피트당 1.5 내지 10.0의 통상적 범위에서의 막 면적 비용을 사용하여, 분리인자가 증가하는 경우에는, 상기 단에서의 투과물은 산소로 더욱 농후화되고, 전체 막 면적의 더 작은 부분이 제2단으로의 공급물로서 통과되는 제1단 비 투과 가스 또는 공기에 관해 질소 농후화되고 그리고 재순환을 위해 적절한 투과물을 생성함을 발견하였다. 따라서 제1 및 제2단에서의 막 표면적의 막 표면적의 부분은 막 재료의 분리인자가 증가할때 증가한다.

현재 개발중인 공기분리 막 기술분야의 실제 산업적 구현예에 있어서, 통상적으로 구입이 용이한 막 재료의 산소/질소에 대한 분리인자의 범위는 일반적으로 약 2 내지 약 12이며, 전형적으로 공기분리 막의 실제적이며 산업적인 구현예에서는 약 4 내지 약 8의 분리인자를 갖는다. 상기에서 논의된 것을 합리적으로 적용하여 제3단 투과물 압축 및 제2단으로 재순환하는 3단 막 시스템을 사용하는 실제 산업적인 공기분리 조작에 있어서, 단들 사이에 특정한 면적 분포를 갖는 그러한 시스템은 매우 고순도한 질소의 제조를 위한 공기분리 조작의 효과적인 전체적 성능을 위해 사용되어야만 한다. 상기에서 논의된 것으로부터, 이 면적분포는 전형적 및 경제적인 가능하나한 전체적 조건하에서 수행하는 주어진 적용분야에서 사용되는 막 분리인자의 기능이 있음이 이해되어질 것이다. 따라서 제1단의 막 표면적은 분리인자가 약 4인 경우에는 범위가 약 8% 내지 약 45%인데 비해 분리인자가 약 10인 경우에는 범위가 약 20% 내지 약 64%임을 발견되었다. 상기에 지적된 것은 분리인자가 클수록 더 많은 표면적이 시스템의 초기 단에 제공되고, 분리인자가 낮을수록 더 많은 분리 면적 분포가 다음 단으로 이동되는 것을 반영하고 있다.

이와 유사하게, 제2단의 막 표면적은 분리인자 4인 경우에는 범위가 약 10% 내지 30%인데 비해 분리인자가 10인 경우에는 범위가 약 20% 내지 약 30%임이 발견되었다. 상기 양쪽의 제1 및 제2단 분포에 있어서, 단에서 사용되는 전체 표면적의 비율은 분리인자가 약 4 내지 약 10으로 증가하는 동안 선형적으로 증가하여 변환한다.

본 발명의 실시에서 제3단에 대한 면적 분포는 상기에 지적된 제1 및 제2면적 분포의 전체 면적과 제1, 제2 및 제3단의 전체 면적의 차이가 될 것이다. 일반적으로 3단 조작이 매우 고순도한 질소 조작에 있어서 유리한 한편, 제3단 투과물이 압축되고 그리고 제2단으로 재순환될때 상기 제공된 바와 같이 전체 막 면적이 단 사이에 분포될때, 주목해야할 것은 실제 본 발명은 단지 3단의 사용에만 유일하게 제한되지 않는다는 것이다. 따라서 본 발명의 범위 안에는 본원에서 기술된 바와 같은 3막 단들을 사용할 수 있지만 또한 비-투과 질소 생성물의 추가의 정체를 위해 또는 시스템으로부터, 마찬가지로 시스템의 제1단으로부터 제거된 투과물 가스의 처리를 위해 하나 또는 그 이상의 추가의 단들로부터의 투과물은 이전 단들의 공급물로 임의적으로 재순환되어 성능을 향상 시킬수도 있다. 그 밖에, 주목해야할 것은 본 발명은 약 10이상의 분리인자를 갖는 막 재료를 사용하여 실시될 수 있지만 그러한 재료는 3 또는 그 이상의 단 시스템을 사용하는 데는 바람직하지 않는 경향이 있다. 최신의 더 큰 분리인자의 막 재료는 산업적으로 적절한, 예컨대 촉진된 전달 막 재료가 개발됨으로 인해 그러한 재료에 의해 수득될 수 있는 분리의 더 높은 선택성은 바람직한 생성물 회수 수준에서 높거나 또는 매우 순도의 질소 생성물을 수득하기 위한 3 또는 그 이상의 막 단의 사용을 불필요하게 한다.

면적 분포를 이용한 3단 막 접근 방법의 실시의 잇점은 본원에 기술하고 청구하였으며, 이와 비교하여 최적화한 2단 조작을 제2도의 도면에 나타내었다. 본원에 요약해 놓은 비교 자료는 동일 복합 중공섬유 막 다발 및 모듈 배치를 토대로 수득하였고, 그리고 사용한 다공성 폴리술폰 중공섬유 기재는 분리인자 6, 및 3.2×10⁵장벽/cm 투과성 플럭스(투과성/두께)를 갖는 매우 얇은 분리층으로 피복하였다. 100psig와 150psig의 공급압력으로 조사하였다. 이로인해 알 수 있는 바와 같이, 100psig 및 150psig에서 생성물로서 회수된 공급 공급층 질소의 %로서 측정된 질소 회수율은 2단 시스템에 대해서는 감소하였고, 이 2단 시스템을 공기와 비교하여 질소에서 농후화된 제2단 투과물의 재순환을 위해 제공하였다. 이에 따라서 이 생성물 회수율은 99%의 고순도에서 질소를 제조하는데 대해 100psig에서 2단 시스템을 사용하여 약 46%이었다 이 생성물 회수율은, 의도한 질소 생성물 순도가 증가할 때는 감소하며, 이때 회수율이 약 32%이면 99.9% 순도에서 질소 제조가 달성된다. 2단 시스템을 150psig의 압력에서 더 높은 성능을 위해 제공하였지만 그러나 다시, 질소 생성물 회수율은 생성물 순도 요구가 증가될때는 감소하였다. 이에따라 150psig에서 2단 시스템을 사용하면, 약 51% 질소 생성물 회수율이 99% 순도 수준에서 수득되었고, 이때 그러한 회수율은 99.9% 질소 생성물 순도에서는 약 38% 감소하였다.

이와는 대조적으로 놀랍게도 상기에 기술한 바와 같은 면적 분포와 100 및 150psig 압력 수준에서 제2단에 제3단 투과물의 재순환을 사용하는 3단 조작에서는 질소 생성물 회수율은 질소 생성물 순도가 증가하면서 증가된다. 이에따라 약 51%의 질소 생성물 회수율이 99% 질소 순도의 제조에 대해 100psig 조작에서 달성되며, 이때 그러한 회수율은 99.9% 질소 생성물 순도 수준에서 약 55%로 증가하였다. 상기 150psig 투과 입력을 사용하여 수득될 수 있는 더 높은 성능 수준에서는 질소 생성물 회수율이 99% 질소 순도의 제조에 대해 약 54%이며, 이때 상기 회수율은 99.9% 순도 수준에서 약 57%로 증가하였다. 이에 따라서 실질적 잇점을 의도한 생성물 수준에 관해 비교 될만한 2단 시스템 대신에 3단 막 시스템을 사용함에 의해 특히 질소 순도에 대한 요구가 99% 내지 약 99.9%로 증가하면서 달성될 수 있음을 인지하게 될 것이다. 3단 시스템은, 그것의 높은 회수율로 인해, 회수하고자 하는 생성물 질소보다 더욱 고가인 경우 예컨대 크립톤과 크세논 또는 공기와 달리 공급 스트리임이 유리되지 않는 경우에도 매우 바람직함을 깨닫게 될 것이다.

질소 생성물 회수율이 막 고리 분리조작에서의 중요한 특징이 있는 한편, 또한 3단 시스템의 막 면적 및 동력 요구는 제3단 압축 및 제2단으로 재순환하게 되는 제3단을 포함함에 의해 얻어진 잇점과 본 발명의 면적 분포가 그러한 3단 막 조작을 정당화시키기에 충분한지에 관한 전체적 평가에 있어서 적절하다. 상기에 언급된 비교되는 2단 시스템을 사용하여 동일 압력 수준에 수득될 수 있는 것과 그것의 막 면적과 동력 요구를 비교하기 위해, 제3도에는 제2도에서 나타낸 실시예에서 사용된 3단 막 시스템의 조작을 기술하였다. 이 목적을 위해 그러한 막 면적 및 동력 요구는 편의를 위해 2단 막 시스템에 대한 최적 값으로 표준화하였다. 제3도에서 알 수 있는 바와 같이, 막 면적 및 동력 요구는 비교되는 2개 단 시스템에 대한 것보다 본 발명의 3단 막 공정 및 시스템에 대한 것이 적다. 이에 따라서, 막 면적을 상기 순도 수준에서의 2단 시스템에 대한 1.0의 표준 값과 비교하여 99% 질소 순도 수준에서 약 0.94%의 표준 값을 갖는 것이 발견되었다. 3단 시스템의 상대적 장점을 3단 막 시스템의 상기 막 면적 요구에 대한 표준 값이 약 0.83으로 감소되는 경우에 질소 순도 요구가 99.9% 질소 순도 수준까지 증가할때 상당하게 증가됨을 알 수 있다. 이와 유사하게 3단 시스템의 동력 요구는 상술된 순도 요구 범위의 더 낮은 수준에서도 2단 시스템보다 상당하게 낮음을 알 수 있고, 더 높은 생성물 수준에서 상당하게 증가함을 알 수 있다. 이에 따라서 3단 시스템에 대한 동력 비용의 표준값는 99% 순도 수준에서 0.96이고 99.9% 순도 수준에서는 약 0.83으로 감소되었다 본 발명을 실시하여 얻을 수 있는 질소 생성물 회수율에서의 유리한 개선점을 조합함에 의한 본원에 기술되고 청구된 바와 같은 3단 막 시스템을 사용하여 얻을 수 있는 막 면적 및 전체 동력 요구에 관한 잇점을 상기 3단 막 조작과 관련된 99.999% 질소 생성물 순도와 같은 초고순도 수준에서 질소를 제조하는것 이외에는, 탈산 처리 장치를 사용하지 않는 본 발명의 그러한 3단 조작을 탈산 단위를 갖는 2개의 막 단에 사용에 대한 유리한 대안을 제공한다.

본 발명은 실시에서 제2막 단으로부터의 비 투과 가스는 그 안에 있는 투과 가스의 잔류 양을 촉매 반응시키기 위한 촉매 반응 단위 대신에 제3막단으로 통과된다. 공기분리를 통상적으로 실시함에 있어서, 예를 들어, 통상적으로 제2단 비 투과 가스는 약 1% 내지 2%의 범위내에 있는 양으로 잔류하는 산소 투과가스를 포함하고, 그리고 탈산 단위는 수소 또는 연료가스와 그러한 잔류 산소를 반응시키는데 사용된다. 본 발명을 그러한 통상적인 탈산처리장치에 대한 필요성이 제거되는 한편, 본 발명의 실시에서 얻어진 높거나 또는 매우높은 순도의 생성가스는 임의적으로 그것으로의 미량의 투과 가스를 제거하기 위한 흡착/화학/또는 흡수 기술과같은 후속 세척 기술이 쓰일수도 있음을 인지하게 될것이다. 공기분리 공정에 있어서, 예를 들어 흡착 베드를 사용하는 것과 같은 그러한 기술을 사용하여 질소 생성물로부터 미량의 산소를 제거하고 일반적으로 약 0.5% 또는 그 이하, 더욱 전형적으로는 약 0.1% 또는 그 이하로 존재하는 산소를 제거한다.

첨부된 청구범위에 기술된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 본원에 기술된 막 공정 및 시스템을 상세하게 다양하게 변화 및 변경시킬 수 있다. 이에따라 일반적으로 중공섬유 막이 바람직한 반면, 예컨대 나선형으로 감긴 막과 같은 다른 막 배치가 사용될 수 있다. 이 나선형으로 감긴 형태의 막을 우세한 성능이 아닌 교차-흐름 형태 투과를 위한 모델에 따라 수행되는 경향이 있지만, 본 발명의 3단 접근방법의 사용에는 향류 형태의 투과의 더욱 바람직한 특성을 갖게되어 이에따라 그것의 성능이 개선되는 그러한 막을 제공한다. 본 발명을 실시함에 있어서, 사용되는 가스 흐름 형태는 교차흐름 형태가 될 수도 있고 또한 일반적으로 더욱 바람직하게는 향류 흐름 형태가 될 수 있다. 매우 유리한 중공섬유 막 배치를 사용하에 있어서, 공급 흐름을 공급 공기가 그것을 통해 막 다발의 쉘면으로 통과되도록 중공섬유의 구멍으로 통과되는 내면-외부(inside-out)일수도 있고 또는 공급 공기가 막 다발의 외면 표면으로 통과되어 투과가스가 중공섬유의 구멍으로부터 회수도는 외면 내부(outside-in)흐름일 수 있다. 중공섬유의 구멍안에 있는 가스와 막 다발의 외부 표면상에서의 가스 사이의 향류 흐름 형태를 이룩하기 위해서는 중공섬유 다발은 1987년 6월 24일 공고된 유럽특허 출원공고 No 0226431에서 알 수 있는 바와 같이 시스템 내부 또는 외부로의 가스흐름을 위한 비-봉입된 주위 표면을 제외한, 그것의 길이방향 외부 면적의 전체에 걸쳐 불투과성 장애물 안에 봉입한다.

본 발명의 실시에서 사용되는 중공섬유 또는 다른 바람직한 막을 복합막 도는 비대칭 막으로 이루어질 수도 있다. 복합 형태의 막은 다공성 기재에 부착되 매우 얇은 분리층을 갖는다. 막의 선택적 특성을 결정하는 분리층은 폴리술폰과 같은 통상적인 기재 재료 상에 부착된 에틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트와 같은 임의의 의도한 막 재료가 될 수 있다. 비대칭 막은 2개의 분리 형태적 영역을 갖는 폴리술폰과 같은 재료로 이루어지며, 이것은 막의 선택적 특성을 결정하는 얇은, 조밀한 표피 영역과 조밀하지 않는 다공성 지지영역으로 이루어진다. 이 양쪽 형태의 막은 그 안에서 단점등을 제거하기 위한 다른 피복 재료와 처리함에 의해 그 안에서 변화할 수 있다.

본 발명은 특히 매우 고순도한 질소 생성가스의 제조에서 공기 분리를 위한 3단 막의 사용에 관해 기술하였지만, 본 발명은 또한 혼합물의 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분의 향상된 분리 및 회수를 달성하는데 바람직한 다른 가스 혼합물의 분리를 위해 사용될 수 있음을 이해하게 될 것이다. 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분이 더 고가일수록, 본 발명을 실시하게 얻을 수 있는 바와 같은 높은 회수 수준에서 그것의 제조에 더 중점되어진다. 산소와 그것의 혼합물로부터 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분으로서 아르곤의 회수는 본 발명의 실시에서 달성될 수 있는 상업적으로 중대한 가스분리 조작의 실례이다. 본 발명의 다른 적절한 분리 적용은 더 많이 투과될 수 있는 이산화탄소로부터, 3차 오일 회수 조작에서 질소로부터 메탄의 분리와 통상적으로 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 불순물과 이것의 혼합물로부터 네온, 크립톤 및 크세논과 같은 희박한 가스의 분리를 들 수 있다. 높고 그리고 매우 높은 순도의 질소의 제조에 관한 상기에 언급된 구현예에서와 같은 적용에 있어서, 제3단 투과물은 압축되고 제2단으로 재순환되고, 제1, 제2 및 제3단 사이의 면적 분포는 본원에서 기술된 바와 같다. 공기분리에 관한 상기에 기술된 표면적 분포는 일반적으로는 그러한 다른 바라직한 가스분리에 관해 관련됨이 이해되어질 것이다. 그러한 비-공기 분리 적용을 위해 사용되는 막 재료의 분리인자는 일반적으로 상기에 언급된 약 2 내지 약 12의 범위일 것이며, 당해 기술분야에서 숙련된 사람은 이산화탄소로부터 메탄과 같은 특정한 분리에 있어서, 통상적으로는 이들 보다 매우 큰 분리인자가 사용되며 그리고 이 경우에는 2단 시스템이 바람직함을 인지하게 것이다.

그들의 고유한 단순성 및 장점때문에, 가스분리 막은 매우 고순도한 수준에서 그리고 향상된 생성된 회수수준으로 효과적으로 질소를 생성하는 공기분리에 대한 필요성과 같은 산업적 가스분리 적용의 넓은 다양성에 대해 매우 바람직하다. 막을 분리 탈산 처리에 대한 필요성을 제거할 수 있는 능력을 포함하는 그러한 요구를 만족시킴에 의해 본 발명은 유효한 방법으로 현대 산업의 활동도의 증가하는 필요성을 다루는 바람직한 막의 기술의 적용범위를 확대한다.

Claims (4)

1. (a) 적어도 3개의 단들을 포함하는 막 시스템에 있어서, 이 시스템은 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분을 선택적으로 투과할 수 있고, 이 막 시스템이 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분/선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분에 대해 약 2 내지 약 12의 분리인자를 갖는 막 재료를 포함하고, 상기 3개의 단의 제1 및 제3단에 포함된 막 표면적의 비율이 상기 범위 중 더 큰 분리 인자에서 더 크고 그리고 상기 범위 중 더 낮은 분리인자에서는 더 적은 적어도 3개의 단들을 포함하는 막 시스템의 제1단으로 공급 가스 혼합물을 공급압력에서 도입하는 단계; (b) 비 투과가스로서 공급압력에서 상기 제1단으로부터 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분과 투과가스로서 공급압력 보다 더 낮은 투과 압력에서 이것으로 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분을 분리하여 이동시키는 단계; (c) 그것에 대한 공급 가스로서 공급 압력에서 제1단으로 부터 상기 막 시스템의 제2단으로 상기 비-투과 가스를 통과시키는 단계; (d) 공급압력에서 비-투과 가스로서 상기 제2단으로 부터 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분과 투과가스로서 공급압력 보다 낮은 투과압력에서 그것으로부터 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분을 이동시키는 단계; (e) 추가양의 상기 공급 가스 혼합물과 함께, 공급 압력에서 막 시스템의 제1단으로 통과시키기 위해 제2단으로부터 상기 투과가스를 재순환하는 단계; (f) 그 안에 잔류하는 투과 가스의 촉매반응을 위한 촉매 반응 단위로 통과시키는 단계없이, 공급 압력에서 그것에 대한 공급 가스로서 제2단으로부터 상기 막 시스템의 제3단으로 상기 비 투과 가스를 통과시키는 단계; (g) 상기 3개의 막 단들사이에서의 표면적의 분포는 제3단 투과 가스중에서 선택적으로 더 많은 투과될 수 있는 성분의 농도가 제1단으로부터의 비투과 가스보다 더 작게 되도록 하고 제2단 투과 가스중에서 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분의 농도가 제1단으로 도입되는 가스에서 보다 더 적게 되도록하여, 공급 압력에서 비-투과 가스로서 상기 제3단으로부터의 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분과 상기 공급압력 보다 더 낮은 투과 압력에서 그것으로 부터의 선택적으로 더 많은 투과될 수 있는 성분을 분리하여 이동시키는 단계; (h) 상기 제3단 투과 가스를 압축하고 그리고 제1단으로부터의 추가양의 비-투과가스와 함께 공급압력에서 막 시스템의 제2단으로 통과시키기 위해 막 시스템의 시스템의 제2단으로 상기 투과 가스를 재순화하는 단계; (i) 그것으로부터 선택적으로 더 많이 투과될 수있는 성분의 잔류양을 제거하기 위한 비-막 처리없이 늦거나 또는 매우 높은 순도의 가스로서 제3단 비-투과가스를 회수하는 단계로 이루어져서 이로인해 용이하게 투과될 수 없는 성분의 향상된 회수 수준에서 높거나 또는 매우 순도의 생성 가스로서 유리하게 회수되는 것을 특징으로 하는 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분과 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분을 포함하는 공급가스 혼합물중에서 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분을 높거나 또는 매우 높은 순도로 제조하기 위한 개선된 막 공정.
2. 제1항에 있어서, 막 시스템의 제1단으로 도입하기 전에 공급가스 혼합물과상기 제2단 투과 가스를 공급압력으로 압축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
3. 제2항에 있어서, 3개의 막 단들 사이의 표면적 분포화 (1) 제1단에 있어서는 분리인자가 약 4인 경우에는 범위가 약 8% 내지 약 45%인데 비해 분리인자가 약 10인 경우에는 약 20% 내지 약 64%이고; (2) 제2단에 있어서는, 분리인자가 약 4인 경우에는 범위가 약 10% 내지 약 30%인데 비해 분리인자가 약 10인 경우에는 약 20% 내지 30%이고; 및 (3) 제3단에 있어서는, 제1 및 제2표면적 분포의 전체 표면적과 3개의 단들의 전체 막 표면적 사이의 차이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공정.
4. 상기 막 시스템이 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분/선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분에 대해 약 2 내지 약 12의 분리인자를 갖는 막 재료를 포함하고,상기 3개 단의 제1 및 제2단에 포함되는 전체 막 표면적의 비율이 상기 범위중 일반적으로 더 큰 분리인자에서는 더 크고 그리고 상기 범위중 더 적은 분리인자에서는 더 적으며, 상기 3개의 막 단들 사이의 표면적 분포는 제3단 투과가스에서의 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분의 농도가 제2단으로 통과되는 제1단에서의 비-투과 가스중에서 보다 더 적도록하고 그리고 제2단에서 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분의 농도가 제1단으로 도입되는 가스중에서 보다 더 적도록 한 적어도 3개 단을 포함하고 상기 공급가스 혼합물중 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분을 선택적으로 투과할 수 있는 막 시스템; (b) 공급압력에서 공급 가스 혼합물을 막 시스템의 제1단에 도입하기 위한 도관 수단; (c) 공급 압력에서 비-투과 가스로서 제1단으로부터 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분과 공급압력 보다 더 낮은 투과압력에서 투과가스로서 그것으로부터 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분을 선택적으로 이동시키고, 공급 압력에서 그것에 대한 공급 가스로서 상기 비-투과 가스를 제1단으로부터 막 시스템의 제2단으로 통과시키기 위한 수단을 포함하는 도관 수단; (d) 공급압력에서 비 투과가스로서 상기 제2단으로부터 선택적으로 더 작게 투과될 수 있는 성분과 공급 압력보다 더 낮은 투과 압력에서 투과가스로서 그것으로부터 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분을 선택적을 이동시키고, 그 안에는 잔류 투과 가스의 반응을 위한 촉매 반응 단위로 통과시키는 단계없이, 공급 압력에서 그것에 대한 공급가스로서 상기 비-투과 가스를 통과시키기 위한 수단을 포함하고; 그리고 추가 양의 상기 공급 가스 혼합물과 함께 공급압력에서 막 시스템의 제1단으로 통과시키기 위해 제2단으로부터의 투과 가스를 재순환시키는 수단을 포함하는 도관수단; (e) 공급 압력에서 비-투과가스로서 제3단으로 부터 높거나 또는 매우 높은 순도 가스로 이루어진 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분과 공급압력보다 더 낮은 투과압력에서 투과 가스로서 그것으로부터 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분을 선택적으로 이동시키고, 추가 양의 상기 제1단 비-투과 가스와 함께 공급 압력에서 막 시스템의 제2단으로 통과시키기 위해 제3단으로부터 상기 투과 가스를 재순환시키는 수단을 포함하는 도관수단; (f) 상기 제2단으로 통과되기 전에 상기 제3단 투과 가스를 공급압력 보다 낮은 투과 압력으로부터 상기 공급 압력으로 압축하기 위한 압축 수단으로 이어져서 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분이 향상된 회수 수준에서 높거나 또는 매우 높은 순도의 생성 가스로서 유리하게 회수되는 것을 특징으로 하는 선택적으로 더 적게될 수 있는 성분과 선택적으로 더 많이 투과될 수 있는 성분을 포함하는 공급 가스 혼합물중 선택적으로 더 적게 투과될 수 있는 성분을 높거나 또는 매우 높은 순도로 제조하기 위한 개선된 막 시스템.