KR980008274A - 다중 열 맥동 압력 요동 흡착 방법 - Google Patents

다중 열 맥동 압력 요동 흡착 방법 Download PDF

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윌리암 액크리 마크
웰스 레아비트 프레데릭
노타로 프랑크
존 나우오빌스키 제프페르트
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도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 다중 열 맥동은 열 요동 흡착 공정에서 흡착기 베드의 세그먼트를 동시에 재생하는데 사용되고, 특히 퍼어지 유동을 감소시키고 재생 효율을 증가시키면서 공기 정제에 적용될 수 있는 공정을 제공한다.

Description

다중 열 맥동 압력 요동 흡착 방법
제1a-1c도는 종래의 단일 열 맥동 재생 공정을 도시한 것이다.
제2a-2d는 흡착 베드의 2개 구역이 2개의 열 프론트에 의해 동시에 반응되는 본 발명에 따른 다중 열 맥동 재생 공정을 도시한 것이다.
제3도는 본 발명에 따라 달성되는 다중 열 맥동 재생 공정의 한 방법을 도시한 것이다.
제4a-4f도는 본 발명에 따라 배치한 다중 열 프론트의 6개의 배치방법을 도시한 것이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
4 : 가열 구역 5 : 제 1 맥동
6 : 내부 가열기 8 : 가열기
9, 10 : 퍼어지 스트리임
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 많은 중요 화학 공정의 기초가 되는 유체의 흡착 공정 및 정제방법에 관한 것으로, 고순도 생성물을 생성하기에 효과적이고, 비용면에서도 효과적인 방법을 제공하는 것이다. 가스의 건조는 압력 요동 흡착(PSA) 및 열 요동 흡착(TSA)공정의 초기에 적용하는 하나의 방법이다. 저온 분리 공정전에 TSA를 사용하여 공기로 부터 수증기, 이산화 탄소 및 잔류 탄화수소를 제거하는 방법은 수십년에 걸쳐 폭넓게 사용되어 왔다. 이런 공정의 많은 개선이 있었지만, 조작 방법의 전체적인 효율을 개선시키고 그리고 사용폭을 넓혀서 싸이클을 더 짧게 하고, 재생 온도를 더 낮추고 및 퍼어지의 필요성을 더 낮추는 것이 가능할 것이다.
보다 높은 생성물 회수를 위한 역 열 교환기(RHX) 기술의 중요한 장점이 제공된 공기 예비 정제를 위해 제공된 TSA를 도입하는 것은 재생 가스에 대한 TSA의 필요성이 낮기 때문에 가능하다. 고온(〉500。F)에서 재생된 분자 체 흡착을 사용한 초기 TSA공정의 열은 흡착제의 완전한 회복을 보장하도록 풍부하게 공급된다. 재생 에너지는 공정의 주요 비용으로서 인식되었지만, 그러나 많은 종래기술에서 이 열의 회수를 개선 시키거나 감소시키는데 사용하였다. 탈착을 위해 필요한 흡착 특성에 의해 쓰이는 이 에너지(즉, 흡착 열)를 최소화시켜야 한다는 제약이 있다. 최근에, 공기 공급 온도의 증가, 싸이클의 단축, 베드의 소형화, 재생 온도의 감소로 높은 효율 및 보다 낮은 비용 해결책을 모색하고 있다. 조작 조건 및 흡착제 디자인의 이러한 변화는 필요 퍼어지 속도의 증가를 수반하였다. 더 나아가, 재생 가스에 대한 증가 요구는 생성물 회수 및 폐 가스, 예컨데, 압축된 공급물의 후 냉각에 필요하고 흡착제 재생에 필요한 폐 가스 사이의 경쟁을 유발하였다. 이러한 결과로, 상기와 같은 전략은 단지 상대적으로 좁은 조작 범위에 대해만 전체 공정을 개선시켰다.
흡착 공정은 하나 또는 그 이상의 오염물을 포함하는 유체, 변화되는 공급물의 불순물 농도, 및 가변적으로 요구되는 생성물 순도를 고려하여 유체 처리량의 폭 넓은 범위로 실시될 수 있다. 이에따라 공정은 등온으로부터 단열 공정을 범위로 할수도 있고 그리고 오염물 및 생성물의 상호흡착을 들수도 있다. 흡착제 크기는 생성물 순도 요구의 중요 인자일 것이다. 이러한 다양한 공정 요구/조건은 흡착제 열 및 물질 전달 특성의 동일한 다양한 조합을 생성한다는 것은 놀라운 사실이 아니다.
일반적으로 흡착 공정의 부분적인 조합에 불과하지만, 공기 정제는 이 다양성에 우수한 교차 구역을 제공한다. 예를들어, 기계 공기 제조(일반적으로 용인가능한 100ppm의 수분 수준), 고순도 공기 건조(요구된 0.1ppm의 수분 수준), 및 조합된 고순도 건조와 저온 공기 분리전의 CO2제거는 저온 공정의 흡착 및 재생 방법들에 따른 증가 수요를 나타낸다. 이에따라, 이들 공정들중 하나의 개선은 다른 것과 관련하여 필요한 것이 아니다.
순환 저온 공정의 이전의 개선점은 다음과 같은 일반 분야로 나눌 수 있다.
1) 흡착제 선택 및 배치
2) 공정 배치
3) 재생에 필요한 감소된 에너지 또는 개선된 효율.
많은 이들 개선점은 하나 또는 그이상의 다양한 공기 정제 공정을 지향한다.
흡착제의 선택은 오염물의 분리 능력 및 용량의 기초이다. 흡착제 층 및 세그멘트는 오염물 제거의 곤란성 및/또는 탈착의 곤란성과 관련하여 배치하였다. 분자체(전형적으로 13X) 또는 단지 활성 알루미나만을 포함하는 흡착제 및 분자체 다음에 활성 알루미나의 층을 사용하는 것은 이 산업 분야에서 통상적인 것으로서 수년간 사용되어 왔다. 흡착제 재료의 선택과 관련하여 공정내의 흡착제의 배치는 분리/정제의 달성도를 결정한다.
공정 배치는 개개의 공정들이 상세한 공정 단계 변화에 의해 차별화된 단일 싸이클 공정과 혼성 또는 다중 싸이클 공정사이의 차이를 나타낸다. 혼성 또는 다중 싸이클 공정의 실례는 일반적으로, 흡착제의 분리 조합으로 독립 싸이클로서 조작되지만, 소통될 수도 있는 공기로 부터의 CO2및 H2O의 제거를 위한 분리공정을 들 수 있다. 혼성 공정은 적어도 하나의 비 흡착 싸이클(예컨데, CO2제거를 위한 RHX)을 들 수 있다.
제3분야는 재생의 감소된 에너지 또는 개선된 효율을 들 수 있다. 상승된 온도에서 조작되는 큰 규모의 공정은 압축열(HOC)로부터 낮은 등급의 에너지(160。F-220。F)를 생성한다. 이러한 낮은 등급의 에너지는 흡착제 재생에 대해 요구된것과 비교하여 종종 상당한 과량이 될 때가 있다. US 특허 4,698,073에 기술된 한 공정은 흡착제 재생을 위한 이 HOC를 추출하기 위한 직접 접촉 재생기를 혼입한다. 이것은 퍼어지 가열기의 자본 비용 및 재생기의 비용 및 이것과 관련된 배관 비용이 소요되는 조작 경비를 대체한다.
흡착 열로서 배출된 에너지는 재생을 위해 회수되어 적용된다. US 특허 4,954,146호에 기재된 바와 같은 O/N 흡착 분리 공정은 흡착기사이의 액체-액체 및 증기-증기 소통되는 휘발성 열 교환 유체를 포함하는 폐쇄 루프 시스템을 혼입한다.
US 특허 5,213,593호와 같은 압축 공기 건조 공정은 흡착 베드의 연장된 길이에서 흡착 열을 포획함에 의해 재생을 위한 퍼어지를 가열하는 것을 배제한다. 이 기다란 흡착 베드는 단지 흡착 열 프론트를 유지하도록 사용된다. 온도 상승 동반 흡착은 흡착 특성, 유체 유동 및 제거하고자 하는 흡착제의 농도에 따라 좌우되지만, 결과되 온도는 종종 HOC로부터 유용한것보다 더 낮을 것이다. 나아가, 흡착에서 생성된 에너지 양은 이상적으로 재생에 필요한 것과 동가이다. 이런 이유로 인해, 흡착열로부터 재생에 필요한 모든 에너지를 뽑아내는 것은 곤란하다. 또한, 회수된 열은 베드내에 열 교환기를 부가함에 의해 증가되었다. 흡착 에너지를 포획하는데 필요한 추가의 흡착제는 추가 흡착제, 큰 용기 및 증가된 베드 압력 하강의 추가 비용으로 인해 큰 시스템으로 사용되지 않고 있다.
많은 양의 퍼어지가 초과 생성물 또는 세척 비활성 유체의 외부 원으로부터 유용한 공정에 있어서, TSA는 US 특허 5,232,474에 기재된바와 같은 PSA공정으로 완전히 대체된다. PSA공기 정제는 퍼어지 가열기와 일부 압축 공기 냉각 필요성(예컨데, 증발 냉각기)을 제거하지만, 가열기 공급 온도와 관련된 냉각 퍼어지 재생의 낮은 효율은 높은 오염 잔류물, 낮은 운동 용량 및 큰 흡착 질량을 결과한다. 이들 조건은 합리적인 흡착기 크기를 유지하도록 짧은 싸이클(〈1 시간)에서 조작하도록 공정에 영향을 미친다. 상대적으로 높은 퍼어지 분획(공급의 50%정도)과 관련된 이들 조건은 퍼어지 가열기 및 공급 면 증발 냉각기를 제거하여 얻어진 비축물을 감소시키는 경향이 있는 모든 감압 단계 동안 압축 공급물의 증가된 손실 및 높은 흡착 압력 강하를 낳는다.
진공 탈착은 천연가스 정제 공정(US 특허 3,738,084)의 재생 CO2탈착 단계를 위한 베드 가열과 조합된다. 소개(evacuation)는 오염물 부분 압력의 감소에 도움을 주며 그리고 일부의 가열 및/또는 퍼어지 필요성을 감소시킬수 있고, 공극 가스 손실은 상당히 증가하고 그리고 추가의 진공 펌프 비용에 나쁜 영향을 미친다.
재생 단계들의 차별화는 재생 효율을 개선시키기 위하 시도로서 종래기술의 가장 통상적인 접근 방법이다. '차별화'에 있어서, 종종 흡착된 오염물로 규정된 다양한 베드 세그먼트 또는 층들은 연속적 또는 일련의 조작으로 탈착된다. C2O 및 H2O의 탈착을 위한 연쇄적 재생 단계는 예를들어 US 특허 3,738,084 및 US 특허 4,627,856호에 기술되어 있다.
흡착기 가열의 증가 속도는 흡착기내에 장착되거나 또는 주변을 에워싸는 가열기를 사용한 '직접' 방법에 의해 '간접' 방법(외부 가열 퍼어지)으로 대체함에 의해 일부 공정들중에 청구하였다. 참조, 예를들어, US 특허 2,747,681, 3,593,983, 3,738,084, 4,541,851, 및 3,335,546. 이들 발명에 있어서, 완전한 흡착기(또는 압축기의 일부)는 재생 온도로 전체적으로 가열된다. 이 가열은 흡착제의 준 등온 탈착을 달성하도록 (통상적으로 단계적 방법으로)퍼어지, 배기 및/또는 소개와 관련될수도 있다. 그러나, 이들 방법중 단점은 모든 흡착제는 탈착 단계의 단부에서 높은 재생온도에서 남겨진다는 것이다. 이들 흡착제 매스내에 저장된 잔류 에너지는 냉각 단계동안 폐기물로서 배출된다. 이들 방법들에 대한 개선은 US 특허 3,378,084호에서와 같이 연속 냉각 단계에 회수되고 그리고 H2O층을 가열하기위해 사용되는 영역 내에서의 잔류 에너지를 사용하여, 단지 C2O구역만을 가열함에 의해 이루어진다. US 특허 3,335,546호에서는, 전체 흡착기가 가열되지만, 흡착제는 한 단부에서 다른 단부로 점진적으로 가열된다. 이것은 고온 재생동안 많은 베드에 대해 분산된 열 구배를 결과한다. 상술한 다른 공정과 유사하게, 전체 베드는 탈착 종결부에서 재생온도에 이르게 된다. US특허 제 4,541,851호에서와 같은 흡착기에 배치된 가열기는 외부 퍼어지 가열에 대해서는 선택적이지만, 퍼어지의 내부 가열을 제공한다.
TSA 공정의 탈착에서 사용되는 하나의 그러한 열 처리는 '열 맥동 재생'이다. 이 공정에서, 단일 열 맥동은 흡착제와 관련하여 상승된 온도에서 퍼어지를 공급함에 의해 유도된다. 탈착상태에서 퍼어지 흐름의 방향은 통상적으로 싸이클의 흡착 상태에서의 공급 스트리임의 방향과 반대이다. 대부분의 탈착은 열 구배가 개선되는 흡착제의 좁은 영역에서 일어난다. 구배 또는 '열 프론트'을 포함하는 이 영역은 상승된 온도에서 베드를 이탈하는 반응 재료를 통해 쳐져서 이동한다.
열 프론트가 베드의 일부를 가로지른후, 고온 퍼어지는 저온 퍼어지와 교체된다. 저온 퍼어지는 반응 흡착제에 저장된 열을 흡착제의 나머지 오염된 영역으로 전달하도록 사용하여, 저온 퍼어지 온도에서 반응된 흡착제를 이탈하게 된다. 오염물의 적은 잔류물이 흡착제 공급 유입부에서 유지되도록 한다면, 열 맥동은 베드내에서 품질을 떨어뜨려서 유지되지만 대부분의 에너지는 탈착단계에서 소모된 에너지가 최소화된다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
상기 한 사실로부터 알수 있듯이, 더 높은 오염물 농도 및 온도의 공급 스트리임을 정제하고 분리하는 능력, 더 짧은 싸이클의 사용, 및 더 낮은 열 구동력을 사용한 더 낮은 온도에서의 재생은 순환 흡착 공정의 효율 및/또는 비용을 개선시킬 잠재성을 갖춘 전략의 전부이다. 이러한 잠재적인 개선점은 흡착제가 적고, 흡착 및 탈착 싸이클 단계에서 흡착기를 가로지른 압력 강하가 더 낮고 그리고 양이 감소되고 그리고 필요한 재생 에너지의 비용이 낮은 작은 용기의 형태로 나타난다.
그러나, 종래기술의 내용에 있어서, 이들 방법들중 임의의 하나 또는 수개를 보완하는 것은 일반적으로 재생에 필요한 퍼어지 속도가 증가되게 한다. 필요한 추가의 퍼어지는 생성물 및/또는 다른 공정 스트리임, 예컨데, 압축 공급물의 후처리 냉각에 대한 경쟁적 요구로 인해 재생을 위해 유용하지 않을 수도 있다. 유용할 때라도, 증가된 퍼어지 속도는 흡착기를 가로지른 증가된 압력 하강이 동반되는데, 이 비용은 관련된 개선으로부터 얻어진 일부의 비축물을 감소시킨다.
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 낮거나 적절한 퍼어지 속도와 관련하여 작은 열 구동력을 사용하고 그리고 폐기물로서 소모되는 에너지를 최소화시키는 흡착제의 재생이 달성할수 있도록 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 더 짧은 싸이클을 사용하여 베드 크기를 감소시키고 한편으로는 낮은 온도 및 퍼어지 재생의 감소를 유지하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 적어도 2개의 열 맥동이 흡착제 베드내에서 흡착제 재료로부터 흡착된 가스를 탈착하는데 사용되는 흡착제 베드를 재생하는 공정을 제공하는 것이다.
다른 목적, 특징, 및 장점은 다음 바람직한 실시예 및 첨부된 도면의 다음 설명으로부터 당해업자에게 더욱 명백해질 것이다.
[발명의 구성 및 작용]
본 발명은 다른 흡착질 또는 흡착제는 재생에 대한 다른 필요성(예컨데, 온도, 퍼어지 흐름, 퍼어지 조성 및 압력)을 갖는다는 사실을 토대로 한다. 단일 맥동 시스템에서, 재생을 위한 조건의 단지 하나의 조합은 주어진 베드에서만 사용될 수 있다. 본 발명의 다중 맥동 시스템은 주어진 베드내에서 다른 흡착제 또는 흡착질에 대한 재생 조건에서도 맞추어지게 된다. 나아가, 본발명은 전술한 개선된 방법을 수행하면서 퍼어지 속도를 유지하거나 또는 감소되도록 한다. 최종적으로, 조작 범위는 흡착제가 작을수록 이전에는 달성할수 없었던 공정 조건 또는 제약하에서 더 짧은 싸이클로 조작될수있기 때문에 조작범위는 확대될수 있다.
본 발명에 있어서, 흡착제를 재생하는데 필요한 퍼어지 속도 및 시간은 다중 열 맥동의 적용에 의해 감소된다. 이러한 맥동은 흡착질의 분포와 수준, 흡착질의 타입 및 재생하기에 유용한 열 구동력에 의해 결정된 방법으로 공정중에 그리고 흡착제에 삽입된다. 이들 다중 열 맥동은 다양한 흡착 영역 또는 흡착제 층을 동시에 반응하도록 사용하는데, 이것은 평행 재생에 영향을 미친다. 다중 맥동 열 맥동 재생으로부터 결과된 퍼어지 속도의 감소는 재생 싸이클을 더 짧게 사용하도록 하고 그리고 열 재생 구동력을 더 작게하는 것과 같은 공정 방법을 더 효율적으로 할 수 있다.
통상적인 단일 열 맥동 공정은 제1a-1c도에 기술되어 있다. 상술한 바와 같이, 본 공정의 목적은 N2뿐만 아니라 H2O 및 C2O와 같은 흡착된 오염물을 제거함에 의해 예비정제기를 재생하는 것이다.
제1a-1c도에 도시된바와 같이, 전형적 베드(1)는 공급 공기가 화살표2로 도시한 바와 같은 좌측에서 우측방향으로 흡착 단계로 유동되는 적어도 2개의 단으로 나누어진다. 제1 및 제2단 A 및 B는 각각 HO를 흡착하기위한 활성 알루미나(AlO) 및 CO를 흡착하기위한 13X 분자체를 포함한다. 또한, N2은 13X에 의해 흡착될 수도있다. 이 완충 면적은 임의의 나머지 H2O 뿐만 아니라 C2O를 흡착한다.
t1의 재생공정에 있어서, 단일 열 고온 퍼어지 THP는 공급 공기가 도입되는 곳과 대칭되는 베드의 면상에 도입되고, 그리고 공급 공기 유동이 있는 것과 반대방향으로 유동된다. 퍼어지 THP의 온도는 흡착제 보다 더 크다.
열 구배가 개선된 대부분의 탈착은 흡착제의 좁은 구역에서 일어난다. 구배 또는 '열 프론트'(4)를 포함하는 이 구역은 반응 재료가 이탈하는 열 맥동이 상승 온도에서 쳐져서 일어나면서 베드를 통해 이동된다.
열 프론트가 베드의 일부분을 통해 가로지른 후, 고온 퍼어지는 시간 t2에서 제1b도에 도시된 바와 같이 저온 퍼어지 TCP로 대체된다. 저온 퍼어지는 반응된 흡착제에 저장된 열을 흡착제의 나머지 오염된 구역으로 전달하는데 사용되어, 더 많은 오염물을 탈착하게 하면서 저온 퍼어지 온도에서 반응된 흡착제를 떠나게 한다. 시간 t2- t3에 걸쳐, 저온 퍼어지는 제1b - 1c도에 도시된 바와 같이, 베드를 가로질러 고온 펄스를 ' 밀어낸다 '. 용어 ' 저온 퍼어지 '는 고온 퍼어지 이하 및 통상적으로는 주변 온도에서 또는 그 근처에서의 온도를 암시한다. 다중 단의 동시 재생을 하게 하는 본 발명의 방법은 제2a - 2d도와 관련하여 논의될 것이다.
제2a도는 비 흡착제 재료를 포함하는 임의의 가열 영역(5)가 도시된 것을 제외하고는 제1a도에 도시된 베드를 도시한 것이다.
제1a도에 도시한바와 같이, 퍼어지는 제1열 맥동을 생성하도록 흡착제 THP와 관련하여 상승된 온도에서 도입된다. 그러나 이외에도, 열Q로서 에너지는 제2열 맥동을 생성하도록 가열 구역(5)으로 도입된다. 2개의 구별된 열 맥동은 실질적인 동시적인 방법으로 흡착기의 다른 구역을 통해 이동된다.
제1맥동(4)의 열 프론트가 베드의 일부분을 가로지른 후, 고온 퍼어지는 제2b - 2d도에서 도시된 바와 같은 온도 TCP에서 저온 퍼어지로 대체된다. 이 결과로 각각의 구역은 반응되고, 냉각되고 그리고 연속적 흡착단계를 용이하게 하는 전체 베드를 떠나도록 가열, 탈착 및 냉각의 연쇄적 단계를 수행한다.
다음 실시예는 본 발명과 관련한 단일 열 맥동의 특성을 비교한 것이다. 이들은 단지 설명을 위한 것이지 제한하고자하는 것은 아니다.
[실시예]
본 발명의 주요 특징을 설명하기 위해 850톤 O2/일을 생산하는 공장에서의 저온 분리를 하기전의 공기 정제를 선택하였다. 흡착기 유입부에서의 공기의 공급 조건은 표 1에 요약하였다. 각각의 흡착기는 13X 분자 체 다음에 활성 알루미나가 배열된 층을 포함한다. 2개의 베드 시스템은 단일 5 단, 12시간 싸이클, 흡착(6.0 시간), 감압(0.25 시간), 향류 고온 및 저온 퍼어지 단(조합된 시간 5.5 시간), 및 재가압(0.25시간)으로 공기를 정제한다. 이 공정은 하나의 베드가 정제된 공기를 생성하는 스트리임상에 있는 반면에 (흡착) 다른 베드는 싸이클중 나머지 단계를 수행하도록 하는 통상적인 방법으로 조작된다. 이것은 예비정제기를 떠나는 생성물 공기중의 H2O 및 CO2농도가 각각 0.1ppm 및 0.25ppm보다 작아야만 하는 고순도 공정이다.
표 1
공급 공기 조건
이 공정은 상기 기술된 단일 열 맥동 개념을 사용하여 338。F의 고온 퍼어지 온도에서 (퍼어지 압력=18.6psia)폐기물 재생 에너지를 최소화하도록 최적화하였다. 이어서 감소된 열 구동력의 작용은 338。F에서 250。F로 고온 퍼어지 온도를 낮추는 한편 퍼어지 속도와 재생 에너지를 대략적으로 일정하게 유지하도록하여 조사하였다. 이것은 250。F에서 퍼어지 가열 시간을 연장시킴에 의해 달성하였다. 예상외로, 충분하고 안정된 반응은 유지되지 않았다. 전체 재생 에너지를 케이스 1과 1에서와 같이 거의 일정하게 유지하도록 퍼어지 가열 시간에 대해 조정하여 표2에 도시한바와 같이 우수한 반응(케이스 3)을 이루기 위해서 퍼어지 대 공급 비를 11.8%에서 15.5%로 증가시키는 것이 필요하다. 이러한 결과에 대한 설명은 열 프론트의 운동을 분석함에 의해 발견할 수 있다.
표 2
저온 퍼어지 연구
흡착 분석에서는 자주 사용되고 탈착 분석에서는 가끔 사용되는 널리 공지된 일정 전달 구역 근사법을 열 프론트(VZ)의 속도를 평가하기 위해 방정식(1)의 형태로 본원에 적용하였다.
J는 퍼어지 속도, △T는 열 구동력, △Hi는 흡착질 i에 대한 흡착 열, △Xi는 열 프론트를 가로지른 흡착제 부하 차이고,는 흡착제의 벌크 밀도, 그리고 Cpg및 Cps는 각각 가스와 고체의 비열이다. 방정식(1)은 베드 내에서의 흡착된 오염물의 분포에 따른 흡착기의 다른 구역, 예컨데, 도 1에 도시된바와 같이 H2O/알루미나 및 CO2/N2/13X 층 A 및 B에 대해 독립적으로 적용될수도 있다. 흡착기를 가로지르도록 하는 열 프론트에 대해 필요한 전체 시간(t)은 개개의 베드 구역을 가로지르는데 필요한 시간의 합이고, 그리고 방정식(2)을 사용하여 평가될 수 있다.
L 및 L은 상기에 규정한 흡착기 구역의 길이이다. 표 2에서 2개의 경우에 대해 방정식 (1) 및 (2)을 적용하여 각각 4.5시간 및 5.6시간의 전체 필요 퍼어지 시간에 대한 예상치를 제공하였는데, 단지 5.5시간만이 재생을 위해 유용하였다. 또한, 퍼어지가 이것의 최대 온도 수준에 도달하는데 필요한 시간이 0.5시간인 것을 고려한다면, 케이스 2에서 열 프론트의 이동이 순환 오염 부하를 포함하는데 필요한 흡착제의 양을 반응시키기에는 불충분하다는 것이 명백하다. 케이스 2에서 이동된 열 프론트가 부가 열로서 가열 시간을 연장시킴에 의해 증가시킬수 없는 거리는 단지 반응된 흡착제에 저장되고 그리고 결코 이것이 필요로 되는 흡착제의 면적에 이르지는 못할 것이다.
방정식 (1) 및 (2)는 유용한 5.5시간 단계내에서 180。F의 최대 온도에서 흡착기를 재생하는데 필요한 퍼어지(P/F=26%) 속도를 평가하도록 재배열하였다. 표 2에서의 케이스 4에서 알수있듯이 수회의 시험을 한후 24.5%의 최소 P/F에서 연속적이고 그리고 안정적인 조작을 달성하였다.
케이스 1-4에 대한 결과는 재생 온도(열 구동력에 보다 직접적임)가 감소되는 퍼어지 속도 제한을 명확하게 나타내었다. 재생 에너지가 거의 일정하게 유지되면서 퍼어지 속도가 2배이상이 필요하며 온도가 338。F에서 180。F로 감소된다.(열 구동력은 3개 인자에 의해 감소된다)
이러한 문제는 흡착제 베드의 다른 구역이 동시에 반응되도록 다중 열 맥동 Q1, Q2, 및 Q3 등을 도입함에 의해 본 발명을 통해 극복된다. 상술한 흡착기의 알루미나 및 13X층에 열 중간물을 도입함에 의해, 2개의 열 프론트가 생성되고 그리고 2개의 흡착층이 제2도에 예시하고 상술한바와 같이 평행하게 재생된다.
이들 열 프론트 또는 탈착 구역은 예를들어 제3도에 기술된 방법으로 도입할 수 있다. 이 실시예에서, 흡착제의 단 A 및 B는 각각 활성 알루미나 및 분자체에 대응한다. 흡착질은 H2O가 단 A에서 흡착되는 한편 CO2및 N2가 B에서 공동 흡착되도록 대략적으로 분포된다.
에너지 Q2는 층 A 및 B사이에 배치된 내부 가열기(6)에 제공된다. 퍼어지(7)은 제 1로 층B의 흡착기에 유입되기 전에 가열기(8)에서 에너지 Q1에 의해 가열되고 그리고 층 A 에 유입되기전에 가열기(6)에서 에너지 Q2에 의해 재가열된다. 탈착은 양쪽 층들에서 동시에 유도되기 때문에, 2개의 열 프론트는 제 2a-2d도에 도시된 열 맥동으로서 각 층을 통해 개선되어 이동된다. 케이스 4와 동일한 조건을 사용하여, 40%이상의 다중 맥동이 감소된 필요 퍼어지 속도를 제공한 표Ⅱ에서 케이스 5로 설명하였다. 다시 재생 에너지는 케이스 4와 동일하게 유지하였지만, 그러나, 이 에너지는 하나가 아닌 2개의 구별된 위치에서 케이스 5에서 흡착기로 나누어져서 도입된다.
열 프론트는 방정식(3) 및 (4)에 의해 규정된 특정 시간에서 그들의 각 층을 가로지른다.
이상적으로, 에너지 도입을 위한 내부 위치는 tA= tB를 이루도록 선택되는데, 예컨데, 층 A 및 B 는 동시에 완전히 탈착된다. 이 내측 위치는 조합 방정식 (1), (3) 및 (4)에 의해 결정된다. 이 위치는 2개의 다른 흡착제 타입사이의 계면 그렇지 않으면 다양한 흡착질 분호사이의 계면에 일치할 필요가 없다는 것을 인식하여야 한다. 사실상, 다중 맥동 개념은 단지 단일 흡착질 및/또는 흡착제만을 포함하는 흡착제 베드에 유사한 효과로 적용될 수 있다.
다중 맥동의 추가의 장점은 재생 단계전 감압 단계동안 일어나는 냉각 작용을 무효로 하도록 적용될 수 있다는 것이다. 공기 정제 공정에서의 이 냉각 작용은 가스의 팽창과 N2의 급속한 탈착으로 부터, 좁은 범위로, H2O의 늦은 탈착이 결과된다. 냉각 프론트는 감압 단계에서 생성되고 그리고 단일 퍼어지 재생의 퍼어지 단계 동안 열 프론트의 앞쪽으로 흡착기를 통해 이것의 운동을 계속한다. 이것은 탈착을 급격하게 낮추고 그리고 에너지 소모를 증가시키는 흡착기의 오염구역에서 감소된 온도를 결과한다. 이 작용은 감압 단계의 시작부에서 흡착기로 에너지를 내부로 도입함에 의해 최소화된다. 또한, 이것은 이 단계동안 퍼어지로서 공극 가스의 작용을 증가시킨다. 이에 따라서, 재생의 필요에 따라 다른 시간에 다중 맥동을 개시(또는 종결)하는 것이 유리할 수도 있다.
또한 다중 맥동 재생은 싸이클 시간을 감소시키는데 적용될 수있는데, 이에 따라 흡착기의 비용을 절감하게 하고 그리고 이것을 압력 강화를 생성한다. 첫 번째로, 단일 맥동 재생을 사용하여, 케이스 4에 있어서, 흡착 싸이클을 6.0시간에서부터 1.0 시간으로 감소시키는 작용을 고려하였다. 압력 변화 단계는 5.0분으로 감소하였고, 각각 고온 및 저온 퍼어지 단계에 대해 전체로 50.0분이 되었다. 이 베드 크기는 보다 짧은 흡착시간에서 운동 용량의 감소로 인해 싸이클 시간에 따라 직접적으로 확대되지 않는데, 예컨데, 흡착 물질 전달 구역은 더 짧은 싸이클로 흡착제 베드의 더 큰 분획을 소모하였다. 이에따라, 베드 크기와 재생 시간의 비는 더 큰 싸이클의 경우와 비교할 때 더 크다. 이에따라, 열 프론트 속도는 방정식(1) -(3)으로부터 명백해지도록 반응의 안정에 영향을 미치게하기 위해 더 커야만한다.
단일 맥동의 짧은 싸이클의 결과의 요약은 케이스 6으로 표 3에 나타내었다. 케이스 4와 비교할 때, 싸이클이 더 짧을 수록 베드 크기와 공급 압력 강하에 있어서 상당한 잇점을 생성하지만, P/F가 24.5%에서부터 40.0%로 증가하는 비용상의 문제가 있다. 케이스 6은 180。F 재생동안 실시될 수 있는데, 확실하지는 않지만, 생성물, 재생 퍼어지, 및 냉각 가스로서, N2에 대한 필요성은 N2의 유용성을 초과하기 때문이다.
상술한 짧은 싸이클로 이중 열 맥동을 사용함에 의해, 필요 속도는 표 3에 도시된 바와 같이 케이스 7에 대해 26.0%로 감소된다. 이에따라, 퍼어지 속도는 케이스 4와 거의 근접하게 유지되지만, 공정에 있어서의 상당한 개선은 더 짧은 싸이클 및 다중 맥동 재생의 결과로서 실현될 수 있는데, 예컨데, 공급 및 퍼어지 압력 강하는 각 4개 및 3개의 인자에 의해 급격하게 나타나고, 베드의 크기는 3개 인자에 의해 감소된다. H2O 에 대한 운동 용량이 더 짧은 싸이클에 대해 감소되지만, 이 손실은 이중 열 맥동이 적용될 때 크지는 않다. 다중 맥동으로 인해 개선되는 얕은 베드/짧은 싸이클의 방법은 물질 전달 구역 길이를 감소시키고 그리고 운동 용량을 증가시키도록 하는 작은 흡착제 입자를 혼입하는 바람직한 기회를 생성하는데, 예컨데, 0.5mm만큼 작은 입자를 사용할 수 있다. 작은 입자 크기에 대해 유동 제한에 의해 가해진 낮은 표면 속도는 베드 보정 방법을 사용함에 의해 극복될 수 있다. 공극 가스는 감압동안 손실되는 한편, 짧은 싸이클이 더 클수록, 처리하기가 쉽다.
표 3
다중 맥동 공정의 장점
흡착 공정에 있어서 재생을 위한 다중 열 맥동을 사용하여 공정 효율 및 비용 개선 뿐만아니라, 조작 범위 확대에 대해 뛰어난 융통성을 제공한다. 가장 큰 장점은 하나 또는 그이상의 다음 조건이 존재할 때 실현된다. 상기 조건은 고순도 생성물 필요성, 공급물 중 높은 오염물 수준, 높은 흡착열, 적절히 낮은 퍼어지 유용성, 짧은 싸이클, 재생을 위해 적절히 낮은 열 구동력, 낮은 재생온도등이다. 다중 맥동의 개념은 공기 정제 실례를 사용하여 기술하였지만, 임의의 순환 흡착 공정, 예컨데, 임의의 건조 공정, 천연가스 정제 등에 가능하게 적용될 수 있다. 나아가, 개념은 2개의 동시 열 프론트의 사용에 제한되지 않으며, 임의의 수의 맥동은 흡착층을 평행하게 반응시키도록 생성될 수도 있다. 더 많은 맥동은 더 낮은 열 구동력에서 더 적은 퍼어지를 사용하여 재생을 더 빠르게 촉진시키는 경향이 있다.
다중 맥동 재생은 다음과 같은 것으로 실시될 수도 있다는 것을 인식하여야 한다.
a) 균일하게 분포되고, 층으로 만들어지고 그리고 혼합된 흡착제, b) 하나 또는 그이상의 흡착제, c) 공급 스트리임에서 하나 또는 그이상의 오염물, d) 하나 또는 그이상이 흡착된 오염물, e) 압력 요동 또는 일정 압력, f) 축상, 반경상, 및 측면상의 유동 흡착기, g) 다수의 베드, h) 다른 유동 속도, 온도, 압력 및/또는 순도의 다중 퍼어지 스트리임.
다중 맥동 재생은 2개의 베드는 흡착을 수행하지만 제3베드는 재생되는 3개의 베드 공정에 잘 적용된다. (흡착을 위한 시간에 한배반 이하의) 고유한 짧은 재생 시간은 퍼어지 속도, 다중 열 프론트를 사용하여 완하시킬 수 있는 조건에 따라 상당히 요구가 증가되게 된다.
다중 맥동 재생은 지배 열 프론트 운동 방정식을 볼 때 가능한한 폭넓은 적용성을 갖는다. 퍼어지 속도(J) 및 열 구동력(△T)은 탈착 시간을 제어하도록 선택 될 수 도있다. 흡착기의 다양한 층 또는 구역은 퍼어지 속도와 재생 온도의 조합을 적용함에 의해 평행하게 그리고 독립적으로 반응될 수 있다. 제4a - 4f도에 설명되고 다음에 기술된 실시예는 배치되는 다중 열 프론트의 다양한 가능한 수단의 교차 구역을 나타내고 있다.
제4a도는 2개 또는 그 이상의 열 프론트가 생성되도록 하나 또는 그 이상의 내부 가열기 위치(6)에서 삽입될 수도 있다는 것을 도시한 것이다. 흡착기 베드는 생성된 열 프론트의 수와 같은 다수의 동시 탈착 세그먼트로 나누어진다. 에너지 삽입 위치는 흡착된양 및 흡착질/흡착제 특성에 따른 필요 반응 시간에 영향을 미치도록 선택될 수 있다.
제4b도는 에너지 Q2에 의해 가열된 2차 유체가 반응을 위해 에너지를 흡착기안으로 전달하는데 사용될 때, 동일한 열 교환기(6)가 유입부에서 또는 중간 흡착기 위치에서 공급 스트리임을 냉각시키도록 하는 흡착 단계동안 사용될수도 있다는 것을 도시한 것이다. 이러한 냉각은 이것이 하류 구역 'B'로 통과되기 전에 베드의 상류 구역 ‘A’에서 흡착하여 생성된 열 Q3를 제거하는데 사용된다. 오염물에 대한 용량이 상승된 베드 온도에서 낮기 때문에, 열 Q3의 제거는 나머지 오염물과 관련하여 흡착제의 하류 구역 'B ' 의 운동 용량을 효과적으로 증가시킨다.
제4c도는 2개의 독립 퍼어지 스트리임(9 및 10) 및 가열기의 사용과 흡착기의 다른 구역을 통해 반대 방향으로 운동되는 2개의 열 프론트를 나타낸다. Q2는 가장 큰 탈착열이 필요로 되는 흡착기내에서 가장 높은 오염 부하의 구역으로 에너지를 직접 유입하도록 위치된다. 퍼어지 스트리임(9 및 10)은 혼합되지 않는다.
제4d도는 베드를 통한 이 운동의 중간 지점에서 퍼어지(9)의 외부 재가열 열 Q2는 장착된 열 교환기(6)가 실행되지 않을 때, 열 교환기가 공정중의 다른 유닛들 사이에서 나누어질 때, 오염물이 흡착기의 중간 지점에서 퍼어지 스트리임으로부터 제거될 때 바람직할 수도 있는 실시예를 도시한 것이다. 이와 관련하여, 주목하여야 할 것은 탈착하는 동안, 오염물은 통상적으로 단지 전체 퍼어지의 일부분이 오염물을 포함하도록 퍼어지 가스 스트리임내에서 농축된다는 것이다. 만약 퍼어지 스트리임이 (예컨데, 다른 베드로) 재순환 된다면, 또는 만약 높은 농도의 오염물 스트리임을 재흡착될수 있는 구역A로 도입하는 것이 바람직하지 않다면, 이어서 밴트(13)를 통한 배출은 대부분의 오염물 스트리임을 선택적으로 제거하는 한편 다른 용도로 일부의 퍼어지 가스를 유지하는데 사용될 수도 있다. 어떤 상황에 있어서는, 오염물이 회수될수도 있다.
외부 에너지 Q1및 내부 에너지 Q2가 부가된 다중 퍼어지 스트리임(11 및 12)은 제4e도에 도시하였다. 구역 A에대한 퍼어지 속도는 스트리임(11 및 12)의 조합으로 인해 증가한다. 열 프론트 속도 관계로부터 이론적으로 유도된 것 이외에, 또한 이 방법은 낮은 순도의 퍼어지(스트리임(12))가 오염 구역 B없이, 베드의 구역A의 반응을 위해 보충 스트리임으로서 그렇지 않으면 단독으로 사용될 수 있도록 고순도 퍼어지(스트리임(11))가 제한되어 공급될 때 유용하다.
제4f도는 에너지 Q2가 베드에 대해 퍼어지(12) 외부를 가열하도록 부가되는 것을 제외하고는 제4e도와 유사한 장점을 제공하는 공정을 도시한 것이다. 이 실시예에서, Q2는 단지 퍼어지 스트리임(12)에 부가된다.
상기 실시예에 있어서, 주요 퍼어지 스트리임(7, 9 및 11)은 에너지 Q1가 부가됨에 의해 가열되는 것으로 도시되어 있다. 이들 퍼어지 스트리임은 흡착제 보다 더 큰 온도에서 흡착제에 공급되는 것만을 의미한다. 이러한 가열된 퍼어지가 어떻게 얻어지는가 하는 것은 본 발명을 실시하는데는 본질적인 것이 아니지만, 예를들어, 어떤 실시예에서는 통상적인 가스 발화, 전기 또는 스팀 가열기와 같은 직접 수단, 및 초단파 에너지 또는 탈착과 같은 간접 방법을 들 수도 있다. 그밖에도, 퍼어지는 다른 공정으로부터 또는 이 공정내에서부터 루트가 정해질수도있다. 이와 동일한 논의는 퍼어지 스트리임(10 및 12)의 가열에도 적용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 열 교환기 또는 흡착기는 흡착기 내부에 장착된 것으로 도시하였지만, 본 발명은 흡착기에서 이 위치를 통과하는 퍼어지의 온도를 계획적으로 증가시키는 임의의 수단을 사용하여 실시될 수 있다.
내부 가열 수단은 흡착기 교차 구역에 걸쳐 신속한 열 전도를 촉진하도록 비활성 재료의 층내에 또는 흡착제내에 장착될 수도 있다.
흡착제는 제3도 및 제4a - 4f도에 도시된 바와 같은 단일 용기내에 포함될수도 있고, 또는 예를들어 퍼어지 스트리임의 가열 또는 유동 증가를 촉진시키면서 흡착기의 흡착층 사이에서 이동되도록 다중 용기내에 분포될 수도 있는데, 예컨데, 주어진 흡착기는 수개의 용기로 구성될 수도 있다.
다중 맥동 재생은 배출 스트리임내의 오염물의 농축을 촉진시키도록 적용될 수 있다. 이 특징은 퍼어지 가스를 회수/재순환시킬 뿐만아니라 불순물을 회수하는데 적용될 수 있다. 제4c도 및 제4d도는 오염물 회수 또는 오염물의 선택적 배출에 영향을 미치는 본 발명의 배치를 나타낸 것이다.
[발명의 효과]
또한, 다중 열 맥동은 PSA 예비정제에 조력하는 열을 생성하도록 적용될 수 있다. 기초적 방법은 상술한 것과 동일하다. 유도된 주요 잇점으로는 흡착제의 증가된 운동 용량, 증가된 싸이클 시간, 및 퍼어지양의 감소를 들 수 있다. 그밖의 개선은 다음과 같은, 예컨데, 공급 공기 온도에 따른 싸이클 시간의 제어, 공급물의 냉각, 흡착제 입자 크기의 최적화, 재가압 가스를 위한 저장 탱크의 사용과 같은, 다중 맥동으로 다른 공정을 강화하고 조합함에 의해 가능하다.
본 발명의 특징은 하나 또는 그 이상의 도면을 사용하여 편리하게 도시하였으며, 각각의 특징은 본 발명에 따라 다른 특징과 조합할 수도 있다. 당해업자는 본 발명의 청구범위에 따른 다른 실시예를 인식할수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. a) 제1 및 제2 단부와 그 내부에 배치되고, 선택적으로 흡착된 가스를 갖춘 적어도 하나의 흡착제 료를 갗춘 흡착제를 제공하는 단계와, b) 열 에너지 Q1을 상기 베드의 제1 구역에 도입함에 의해 제1 열 맥동을 제공하는 단계와, 그리고 c) 상기 흡착 재료로부터 상기 선택적으로 흡착된 가스를 더탈착하도록 상기 제1 열 맥동에 의해 가열되어 있지 않은 상기 단부들사이의 적어도 하나의 구역에서 상기 베드로 열 에너지 Q2를 도입함에 의해 적어도 하나의 추가 열 맥동을 제공하는 단계를 포함하는 흡착체 베드를 재생하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 b) 및 c)가 동시에 일어나는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 b) 및 c) 로부터 결과된 상기 탈착이 동시에 일어나는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 베드가 적어도 2개의 흡착제 재료를 포함하고 그리고 각각의 상기 흡착제 재료가 상기 선택된 가스에 대해 다른 친화도를 갖는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흡착제 재료가 물에 대해 친화도를 갖는 제1 재료와 CO2에 대해 친화도를 갖는 제2 재료를 포함하고, 그리고 상기 선택된 가스가 물 및 CO2인 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 흡착제 재료가 상기 베드의 다른 구역으로 분리되는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가 열 맥동이 물에 대해 친화도를 갖는 재료를 포함하는 상기 베드의 상기 구역으로 도입되는 방법.
  8. 제5항에 있어서, 물에 대해 친화도를 갖는 상기 재료가 활성 알루미나이고, 그리고 CO2에 대해 친화도를 갖는 상기 재료가 분자체인 방법.
  9. 제1항에 있어서, Q1및 Q2가 상기 베드내의 외면으로 부터 그렇지 않으면 외면으로부터 상기 베드로 제공되는 방법.
  10. a) 제1 및 제2 단부와 그 내부에 배치되고, 선택적으로 흡착된 가스를 갖춘 적어도 하나의 흡착제재료를 갗춘 흡착제를 제공하는 단계와, b) 제1열 맥동을 생성하도록 상기 베드의 제1단부에서 제1퍼어지 스트리임을 제공하는 단계와, c) 상기 제1퍼어지 스트리임이 상기 베드의 한부분을 가로지르도록 하여, 상기 부분내의 상기 흡착 재료로부터 상기 선택적으로 흡착된 가스를 탈착하는 단계와, d) 상기 베드를 가로질러 상기 제1 퍼어지를 이동시키고 그리고 상기 탈착된 재료를 냉각시키도록 적어도 하나의 냉각기 퍼어지 스트리임을 제공하는 단계와, 그리고 e) 상기 흡착 재료로부터 상기 선택적으로 흡착된 가스를 더 탈착하도록 상기 제1열 맥동에 의해 가열되어 있지 않은 상기 단부들사이의 구역에서 상기 베드로 열 에너지 Q2를 도입함에 의해 적어도 하나의 추가 열 맥동을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 베드가 실질적으로 탈착되는 흡착체 베드를 재생하는 방법.
    ※ 참고사항：최초출원 내용에 의하여 공개하느 것임.
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