KR100252333B1 - 동시처리압력순환흡착방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체 분리를 위한 압력 순환 방법은 중복 압력 순환 흡착을 이용하여 수행되며, 사용되는 시스템의 흡착 캐퍼시티가 증가하고 단위 전력 소모가 감소하며, 전체 조작의 효율이 증가한다.

Description

동시 처리 압력 순환 흡착 방법

제1도는 본 발명에 따른 중복 순환에 사용되는 공정 단계를 예시하는 도면이다.

본 발명은 흡착성이 작은 성분과 흡착성이 큰 성분을 함유하는 공급 기체 혼합물의 분리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 압력 순환 흡착(PSA, pressure swing adsorption) 방법을 사용하는 이러한 기체 분리 방법에 관한 것이다.

많은 화학 처리 공정, 정제, 금속 생산 및 다른 산업 분야에서, 고순도 기체 스트림이 다양한 목적으로 자주 사용된다. 예를 들어, 고순도 산소는 화학 처리 공정, 강 분쇄, 페이퍼 분쇄, 및 납 및 유리 제조 작업과 같은 다양한 산업에 사용된다. 이러한 많은 분야는 100,000ft³/h 이하 또는 그 이상의 유속에서 약 90 내지 93%의 산소 순도를 필요로 한다. 산소 및 질소는 다양한 공기 분리 기술에 의해 생성될 수 있지만, 다양한 분야에서, 특히 극저온 공기 분리 플랜트의 사용이 경제적으로 바람직하지 않을 수 있는 비교적 작은 규모의 작업에서는 공기 분리를 위해 PSA 방법이 특히 적합하다.

압력 순환 흡착(PSA) 방법에서, 흡착성이 큰 성분과 흡착성이 작은 성분을 함유하는 공급 기체 혼합물은 통상적으로 높은 흡착 압력에서 흡착성이 큰 성분을 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착증을 통과한다. 그후, 상기 층은 순환식 흡착-탈착-재가압 작업이 층에서 계속됨에 따라, 재가압 및 상기 층으로의 추가량의 공급 기체 혼합물의 도입 전에, 층으로부터의 흡착성이 큰 성분의 탈착 및 제거를 위해 더 낮은 탈착 압력으로 감압된다. 진공 압력 순환 흡착(VPSA) 방법에 있어서, 더 낮은 탈착 압력은 대기압 보다 낮은 탈착 압력 또는 진공 탈착 압력이다. 이러한 PSA/VPSA 방법은 다층 시스템으로 수행하는 것이 일반적이며, 각각의 층은 흡착 시스템의 나머지 층에서 PSA/VPSA 처리 순서를 수행하는 것과 상관하여 순환식으로 PSA/VPSA 처리 순서를 이용한다. 공기중의 흡착성이 작은 성분으로서 고순도 산소 생성물을 회수하도록 설계된 PSA/VPSA 시스템에서, 각각의 흡착층은 더 높은 흡착 압력으로부터 더 낮은 탈착 압력으로 층의 압력을 감소시킬 때에 질소를 연속적으로 탈착시키고 층으로부터 분리해내면서, 흡착성이 큰 성분으로서 질소를 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착 물질을 함유하는 것이 통상적일 것이다.

상기 제시된 공급 공기로부터의 산소의 생성과 같은 실시상 상업적 작업을 위해 PSA/VPSA 기술을 응용하는 다양한 처리 방법이 개발되어 왔다. 이러한 하나의 방법으로서, 나머지 층에서 단계를 수행하는 것과 상관하여 순환식으로 각각의 층에서 6가지 기본 단계를 수행하는 처리 순서에 공급 공기로부터 질소를 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착 물질을 갖는 2-층 VPSA 시스템이 사용된다. 각각의 층은 다음 단계를 수행한다:

(1) 감압이 일어나는 나머지 층의 상부 또는 생성 단부로부터 층의 상부로 균압 기체를 통과시키면서, 대기압 보다 낮은 탈착 압력으로부터 중간 압력으로 가압하는 단계;

(2) 층의 바닥 또는 공급 단부에 공급 공기를 도입함으로써 중간 압력으로부터 더 높은 흡착 압력으로 가압시키는 단계;

(3) 추가량의 공급 공기를 층의 바닥으로 도입시키고, 흡착성이 작은 성분인 산소를 생성물 회수 및 층의 정화를 위해 층의 상부로부터 배출시켜서 공급물-흡착-산소 생성물을 회수하는 단계;

(4) 기체를 층의 상부로부터 방출시키고, 중간 압력 범위에서 층 사이의 균압을 위해 재가압이 일어나는 나머지 층의 상부로 통과시켜서 병류 감압시키는 단계;

(5) 기체를 층의 바닥 단부로부터 방출시키면서, 대기압 보다 낮은 탈착 압력으로 배기시키거나 역류 감압시키는 단계;

(6) 상기 낮은 탈착 압력에서 정화시키는 단계.

시스템의 2개의 층에 대해 순환 작업을 동시에 수행하기 위해, 단계 (1) 내지 (3)이 하나의 층에서 수행되어, 높은 흡착 압력으로부터 낮은 탈착압력으로의 감압 및 재생을 일으키며, 반면에, 단계(4) 내지 (6)은 나머지 층에서 수행되어, 상기의 낮은 탈착 압력으로부터 높은 흡착 압력으로의 재가압을 일으키며, 생성물 기체의 생성을 위해 사용된다. 전체 순환 시간은 비교적 짧으며, 대표적으로 약 60초이다.

이러한 공정 순환의 실시에 있어서, 단계(1)의 균압화는 층의 압력을 대표적으로 약 0.35atm의 대기압 보다 낮은 탈착 압력 또는 진공 탈착 압력으로부터 약 0.67atm의 중간 압력으로 재가압시키며, 이러한 약 0.3atm의 압력 증가에는 전체 순환 시간의 5 내지 20%가 소요된다. 이러한 균압화 단계 동안, 2-층 VPSA 시스템에 사용되는 공급 및 진공 송풍기가 부하를 받지 않음이 이해될 것이다.

층의 재가압 단계(2) 동안, 공급 공기는 층을 통과하여 이것의 압력을 초기 균압화 동안 도달하는 낮은 중간 압력으로부터 초대기압 범위, 대표적으로 약 1.3 내지 1.5atm의 높은 흡착 압력으로 증가시킨다.

바람직한 높은 흡착 압력에 도달하면, 추가량의 공급 공기가 단계(3)에서 상기 높은 흡착 압력에서 층의 바닥을 통과하며, 이때에, 흡착성이 큰 질소 성분은 선택적으로 흡착되고, 흡착성이 작은 산소 생성물은 선택적으로 층을 통해 통과하고 층의 상부로부터 배출된다. 이와 같이 배출된 산소는 일반적으로 나머지 층에서 정화 기체로서 사용되도록 분류(divert)되는 일부분을 제외하고는, 바람직한 산소 생성물로서 회수된다. 초기에 배출된 산소는 일반적으로 생성물 기체로서 회수되며, 산소의 일부는 상기 단계(3)의 산소 생성물 회수 동안 정화를 위해 분류된다. 층의 재가압 단계(2), 및 배출된 산소를 일반적으로 생성물 기체로서 회수하는 단계(3)의 초기 부분은 구체예의 전반적인 조건에 따라 조건에 따라 변하지만, 일반적으로 전체 순환 시간의 약 30 내지 40%의 범위에 있는 전체 순환 시간의 일부를 이용한다. 추가의 산소 생성물이 회수되고, 산소의 일부가 정화용으로 분류되는 단계(3)의 추가 부분은 통상적으로 전체 순환 시간의 약 15 내지 30%를 필요로 한다.

단계(4)의 역류 감압-균압화 동안, 압력은 층 사이의 균압화의 결과로서 재가압이 일어나는 나머지 층의 압력에 따라 결정되는 중간 압력으로 감소된다. 단계(1)에서와 같이, 단계(4)의 개시부터 종료까지의 압력 변화는 약 0.3atm이며, 층은 0.9 내지 1.1atm의 중간 압력 수준에 도달하는 것이 통상적이다. 이에 대해, 층 사이의 균압화는 층 사이의 완전한 균압이 발생할 때 까지 계속하여 일어나기 보다는 부분 균압에서 종료되는 것이 일반적임을 유의해야 한다. 일반적인 실시에 있어서, 층들은 동일한 압력에서 완전히 평형을 이루지 않으며, 부분 균압의 완료시에 층들 사이의 압력차는 일반적으로 약 1 내지 10psi, 바람직하게는 약 3 내지 5psi이다.

병류 감압-균압화에 이어, 감압되는 층은 공정 순환의 단계(5)에서 대기압 보다 낮은 탈착 압력까지 배기된다. 층의 이러한 재생 부분에 있어서, 진공 송풍기를 사용하여, 층의 공급 단부로부터 또는 바닥 단부로부터 기체, 즉 사전 흡착된 질소를 방출시키면서, 바람직한 낮은 탈착 압력, 예를 들어 0.35atm의 압력까지 배기되는 것이 일반적이다.

공정 순환의 단계(6)에서, 정화 기체는 더 낮은 탈착 압력, 예를 들어 0.35atm에서 층의 상부 단부, 즉 생성 단부에 도입되어, 층의 바닥으로부터의 질소의 제거를 촉진시키며, 정화 기체는 이러한 정화용으로 분류되는 나머지 층으로부터 산소 생성물 기체 부분이다.

단계(3),(4) 및 (5)에서 각각의 층의 재생 후에, 층은 단계(1) 및 (2)에서 재가압되며, 생성물 산소는 공정 순서가 각각의 층에서 순환식으로 수행됨에 따라 추가량의 공급 공기가 층에 도입되는 순환의 단계(3)에서 생성된다.

당업자들은 공급 공기로부터 산소를 생성시키기 위해 사용되는 많은 PSA 및 VPSA 방법이 있음을 인지할 것이다. 이들 방법은 각각, 그 자체의 독특한 단계 또는 특징 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 기술된 특정 공정은 90 내지 95%의 고순도 산소의 경제적인 회수를 제공하다. 이와 같이, 상기 공정은 바람직한 잇점을 제공하지만, 당분야에서는 PSA/VPSA 공정의 추가의 개선이 계속 요구되고 있다. 이러한 개선점은 광범위한 상업적 응용을 위해 산소 및 다른 공업용 기체의 경제적 공급에서 더 높은 효율 수준에 대한 증가되고 있는 필요성을 충족시키는 것이 요구된다. 특히, 추가의 개선점은 PSA/VPSA 시스템의 용량을 증대시키고, PSA/VPSA 공정의 효율을 증가시키고 PSA/VPSA 작업의 단위 전력 요구량을 감소시키는 것이 요구된다.

본 발명의 목적은 기체를 분리시키기 위한 VPSA 방법을 포함하는 개선된 PSA 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 공기 분리에 의해 고순도 산소를 회수하기 위한 개선된 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 효율이 향상되고 단위 전력이 감소되고, 사용되는 시스템의 흡착 용량을 증대시킬 수 있는 VPSA 방법을 포함하는 PSA 방법을 제공하는 데에 있다.

상기 및 다른 목적을 고려하여, 본 발명은 하기에서 보다 상세히 기술되며, 본 발명의 신규한 특징은 특히 첨부된 특허청구의 범위에 기재되어 있다.

본 발명의 PSA/VPSA 방법은 중복 균압-가압 및 공급 기체 재가압 단계, 및 중복 균압-감압 및 탈착 또는 배기 단계를 이용한다. 결과적으로, 주어진 시간 단위로 처리될 수 있는 공급 기체의 양이 증가하고, 단위 전력 요구량이 감소하며, 방법의 전체 효율이 향상된다.

본 발명의 목적은 상기 기술된 바와 같이, 균압화 단계가 공정 순환중의 계속되는 다음 단계와 중복되는 중복 순환을 이용하여 PSA/VPSA 공정 순서를 수행함으로써 달성된다. 따라서, 낮은 탈착 압력으로부터 재가압이 일어나는 층은 층들 사이의 균압화에 의해 부분적으로 재가압되며, 이러한 균압화 단계는 공급 기체에 의해 바람직한 높은 흡착 압력으로 더 재가압시키는 계속되는 다음 단계와 중복되거나, 동시에 수행된다. 또한, 높은 흡착 압력으로부터 감압이 일어나는 층은 균압화를 위하여 재가압되는 나머지 층의 상부로 통과되는 층의 상부로부터 방출되는 기체에 의해 병류 감압되며, 단계 중 균압화 부분은 상기 층의 바닥 단부로부터 기체가 방출되어 감압되는, 탈착의 계속되는 다음 단계, 예를 들어 배기와 중복된다.

본 발명에 따른 공정 순서는 두가지 중요한 장점이 있다. 균압화 단계에서 기체 유량은 중복 단계를 포함한 결과로서 증가하며, PSA/VPSA 시스템의 작업시에 수득되는 생성물 회수량을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 병류 감압-균압화 동안에 다량의 산소가 나머지 층으로 전달되는 결과로서, 더 많은 산소가 전체 순환의 재생 부분에서 폐기되는 것보다는 시스템 내에 보유된다. 통상적으로, 이러한 추가량의 산소는 이와같이 나머지 층으로 전달되지 않고, 배기 단계 동안에 폐기물로서 방출된다. 두번째로, 가해지는 균압화는 2개의 층에서 순환 공정의 재가압/배기 부분과 동시에 일어나며, 균압화에만 사용되는 시간은 단축된다. 이로 인해, 공급 및 진공 송풍기에 대한 비부하 시간이 감소되며, 이러한 장치가 더 잘 이용된다. 이러한 특징은 또한, 층에서 선택적으로 흡착성이 큰 성분의 불순물 전방을 날카롭게 하여, 바람직한 생성물의 회수를 향상시키고, 전체 순환 시간을 단축시키고 시스템에 의해 처리되는 공기의 양을 증가시키기 위한 잠재성을 갖는다. 개선된 회수율 및 더 작은 비율의 비부하 시간은 집중적으로 시스템의 용량을 증가시키는 역할을 한다. 또한, 증가된 장치 이용으로 인해, 장치의 작업 압력이 변화됨을 주목해야 한다. 장치의 전체 전력 사용량은 증가하지만, 시스템의 생성 용량에 달성되는 증가에 의해 상쇄된다. 단위 전력 요구량은 대략 동일하게 유지될 것이지만, 생성 용량의 증가의 조절에 따라 개선될 것이다.

이와 같이, 본 발명은 상기의 배경 부분에서 기술한 VPSA 공정 순환의 매우 유용하게 개량된 발명인 것으로 보일 것이다. 본 발명은 일반적으로 생성 용량을 5 내지 10% 증가시키고, 상기 기존의 VPSA 순환과 비교하여 단위 전력을 5%까지 감소시키는 개선점을 제공한다. 상기 제시한 바와 같이, 실제 전력 사용량은 기존의 순환의 실시와 상반되게 증가하지만, 용량의 증가로 인해, 단위 전력은 상기 기존의 순환에 비해 동일하거나 종종 개선될 것이다. 이러한 상황하에, 달성되는 전력 절약의 정도는 본 발명의 소정의 양태에서 얻어지는 전체 전력 소모의 변동 및 용량의 증가를 기초로 변할 수 있다. 본 발명의 실시에서 달성되는 장점은 본질적으로 장치 또는 VPSA 시스템 설계의 변형없이, 그리고 기존 순환의 자동화 양태에서 사용되는 제어 논리에 대한 미세한 변화만으로 달성됨을 주목해야 한다. 이와 같이, 본 발명의 유용한 VPSA 공정 순서는 VPSA 시스템에 대한 추가 자본의 투자의 필요성 없이 상당한 비용 절감을 제공함이 자명해질 것이다. 부가적으로, 본 발명의 공정 순서에 의해 제공되는 장점은 더 큰 균압화 흐름으로부터 장치 이용율이 증가하고, 생성물 회수가 개선된다는 점이다. 이러한 장점은 주어진 공기 또는 다른 기체 분리 작업을 위해 VPSA 시스템에 사용되는 절대 작업 압력과 무관하게 달성됨을 주목해야 한다.

본 발명은 하기에서 중복 균압-가압 및 공급 기체 가압 단계 및 중복 균압-감암 및 배기 단계를 상기 언급한 기존의 PSA/VPSA 공정의 공정 순서에 결합시킨 것을 도시한 도면을 참조하여 추가로 설명된다. 공정 단계는 균압-가압 단계로 개시되어 2층 VPSA 시스템의 층 A에서 수행되는 것으로서 순환에 대해 설명되며, 여기에서 층 A는 낮은 탈착 압력으로부터 중간 압력으로 압력이 증가한다. 동일한 공정 단계가 동일한 순서로 층 B에서 수행되지만, 층 A가 높은 흡착 압력으로 가압되는 시간 동안 층 B가 높은 흡착 압력으로부터 감압되도록 연동함이 자명해질 것이다.

단계 1에서, 층 A는 초기에 대기압 보다 낮은 탈착 압력에서, 상부로부터 기체를 방출하는 층 B의 유동 감압에 의해 초기에 높은 흡착 압력에서 층 B로부터 제거되는 기체가 층 A의 상부(생성 단부)를 통과함에 의해 중간 압력 수준까지 압력이 증가한다. 이러한 단계 동안, VPSA 시스템에 사용되는 공급 및 진공 송풍기는 부하를 받지 않는다.

다음 단계인 중복 단계 1A 동안, 단계 1의 균압-가압은 층 A에서 계속되며, 동시에 공급 기체가 층 A의 바닥(공급 단부)으로 도입되어 압력을 바람직한 높은 흡착 압력으로 추가로 증가시킨다. 이러한 시간 동안, 층 B에서는 또한, 층 A에서의 단계 4A에 대하여 하기에 기술되는 바와 같이 동시 공정이 수행된다. 층 A가 상부 흡착 압력에 도달하면, 추가의 공급 기체가 층 A의 바닥에 도입되고, 생성물 기체, 즉 공급 기체 혼합물 중 흡착성이 작은 성분은 공정 순서에 단계 2에서 상기 층 A의 상부로부터 배출된다. 층의 바닥으로의 공급 기체의 이러한 첨가는 단계 3 동안 계속되며, 층 A의 상부로부터 회수되는 생성물 기체의 일부는 층 B의 상부로 통과하도록 분류되어 그 안에서 정화 기체로서 사용된다. 층 A의 공급 기체의 첨가 및 이로부터의 생성물의 회수는 층을 파괴시키거나 및 흡착성이 큰 성분을 생성물 스트림 내로 원하지 않게 방출시키지 않으면서, 층 A의 공급 단부에서 형성되는 흡착성이 큰 성분의 흡착 전방이 층을 통해 층의 상부의 근처로 전진할 때까지 계속되는 것이 일반적이다.

단계 3이 완료되면, 기체를 층 A의 상부로부터 배출시키고 균압화를 위해 층 B의 상부로 통과시키는 병류 감압-균압화 단계인 단계 4에 의해 층 A의 재생이 시작된다. 이러한 시간 동안, 공급 단부 배기 송풍기는 부하를 받지 않는다. 이러한 균압화는 중복 단계 4A에서 계속되며, 그 동안에 층 A가 역류 감압을 위해 층 A의 바닥으로부터 공급 기체 중의 흡착성이 큰 성분의 배출에 의해 동시에 감압된다. 이러한 중복 단계 동안, 층 B는 동시에 층의 바닥으로 공급 기체를 첨가함으로써 추가로 재가압된다.

중복 단계 4A에 이어, 층 A는 역류 감압에 의해 추가로 감압되며, 여기에서 추가량의 흡착성이 큰 성분이 단계 5에서 층 A의 바닥으로부터 배출된다. 층 A는 상기 단계에서, 층 A의 재생의 조장에서 VPSA 시스템에서 낮은 탈착 압력, 즉 대기압 보다 낮은(진공) 탈착 압력으로 감압된다.

이러한 재생은 단계 6에서 계속되며, 층 B의 상부로부터 배출되는 생성물 기체의 일부가 층 A를 통한 역류 통과를 위해 층 A의 상부로 정화 기체로서 통과하도록 분류되어, 흡착성이 큰 성분의 탈착, 및 상기 정화 기체와 함께 낮은 탈착 압력에서 층 A의 바닥으로부터의 상기 성분의 제거를 촉진시킨다.

중복 단계 4A, 단계 5 단계 6 동안, 기체는 층의 재생을 위해 층 A의 바닥으로부터 배출된다. 흡착성이 큰 성분이 풍부한 이러한 기체는, 기체/공기 분리에서 본 발명의 PSA/VPSA 시스템 이외의 용도로 일부 사용될 수도 있지만, 폐기물로 방출되는 것이 전형적이다.

단계 6이 완료되면, 층 A는 공정의 순환 작업이 계속됨에 따라, 단계 1의 균압화에 의해 개시되어, 재가압 및 추가량의 공급 기체의 도입을 위해 준비된 낮은 흡착 압력에서 재생 상태가 된다.

상기한 바로부터, 본 발명의 방법이 상기 PSA/VPSA 공정 순환에 적합하며, 여기에서 신규한 중복 단계, 즉 단계 1A 및 단계 4A가 발생하고, 순환 중 나머지 단계, 즉 공급 단계 및 정화 단계의 연속화는 본질적으로 기존의 순환에서와 동일하게 유지됨을 알 수 있을 것이다. 당업자들은 전체 순환 시간 및 개별 단계 시간이 바람직한 공정 압력 및 성능 결과가 얻어지도록 조절될 수 있음을 인지할 것이다. 특히, 단계 1 및 4의 균압화는 순환의 중복 부분 즉, 단계 1A 및 4A에 대해 시간이 경과함에 따라 감소될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시를 위한 전체 순환 시간은 상기 언급된 기존의 PSA/VPSA 공정의 순환 시간과 거의 동일하거나, 여러 양태에서 대표적으로 1 내지 2초 까지 감소할 수 있다. 또한, 정규 균압-가압 단계의 종료시에 압력은 상기 기존의 순환에 의한 것보다 더 낮지만, 후속 중복 단계, 즉 단계 1A 동안 층으로부터 층으로의 균압화 흐름의 연속은 층의 압력을 기존의 순환의 균압화 부분 동안 허용되는 것 보다 더 큰 압력으로 계속 상승시킴이 주목된다. 상기한 바와 같이, 기존의 순환의 균압-가압 단계는 언급되는 특정 양태에서, 층이 약 0.67atm에 도달한 경우에 종료된다. 본 발명의 실시에 있어서 단계의 중복으로, 공급 기체 도입 중복은 더 낮은 압력, 예를 들어 0.60atm에서 시작되며, 균압화는 예를 들어 0.77atm 보다 높은 압력에서 종료된다. 유사하게, 균압-감압 및 배기의 중복을 위해, 배기 중복은 약 1.07atm에서 균압 흐름이 종료되고 배기가 시작되는 기존의 순환과 비교하여, 예시적 양태에서, 1.14atm의 압력에서 시작되고, 균압-감압 흐름은 약 0.83atm에서 종료된다.

본 발명이 특정 예시적 양태에 대한 바람직한 사전 설정된 조건에 대하여 기술되었지만, 본 발명은 상기 VPSA 양태에서 실제 상업적인 작업에서의 바람직한 압력 상태의 범위에서 실시될 수 있음이 이해될 것이다. 이와 같이, 낮은 탈착 압력은 약 0.3atm 내지 약 0.75atm이 전형적일 것이며, 높은 흡착 압력은 약 1.3atm 내지 약 1.6atm이 전형적이다. 상기한 예시적 양태와 일치하는 특히 바람직한 양태에서, 낮은 흡착 압력은 약 0.37atm이며, 높은 흡착 압력은 약 1.3 내지 약 1.5atm이다.

상기 제시된 바와 같이, 본 발명은 생성물 회수율을 증가시킬 수 있고, 공급 및 진공 송풍기에 대한 비부하 시간을 감소시켜서, 장치가 보다 양호한 이용되게 된다. 하기의 표에서, 상대적 기준으로, 본 발명과 상기 언급된 기존의 순환의 비교가 기재되어 있으며, 특히 공기 분리와 관련하여 중복순환에 의해 달성되는 개선된 효율이 예시되어 있다:

[표]

이와 같이, 본 발명의 중복 순환은 상기 예에서 약 4% 단위 전력 감소와 함께 약 11.4%의 생성 용량을 증가시킨다.

최대의 이점이 얻어지도록 본 발명의 중복 특성을 갖는 VPSA 시스템을 적절하게 작동시키기 위해, 순환 시간 및 압력은 사용되는 시스템, 분리시키려는 공급 기체 혼합물, 및 특정 양태에 대한 바람직한 효율에 따라 조절되야 함이 이해될 것이다. 공지된 병류 감압-균압 단계를 위한 사용되는 시간은 약 25 내지 50%까지 감소되는 것이 전형적이다. 순환의 중복 부분의 시간은 많은 양태에 대한 균압화 시간의 감소와 거의 동일한 시간이다. 흡착/배기 시간은 기존의 비중복 순환에서와 같은 상부 및 바닥 압력이 얻어지도록 조절될 수 있다. 정화 단계는 영향을 받지 않고 유지되는 것이 일반적이다. 따라서, 층 압력 프로파일은 공급 기체가 약간 더 낮은 압력에서 도입되지만, 균압(층간) 흐름의 종단에서의 압력은 더 높아지도록 변하는 것으로 관찰된다.

본 발명이 특정 양태를 참고로 하여 설명되었지만, 당업자들은 다양한 변화 및 변형이 첨가된 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 상세하게 이루어질 수 있음을 인지할 것이다. 본 발명은 전술한 바와 같이, 매우 바람직한 공기 분리 조작에 유리하게 사용될 수 있으며, 여기에서, 공급 공기 중 흡착성이 작은 성분인 산소는 바람직한 생성물로서 회수되고, 흡착성이 큰 성분인 질소는 흡착 물질 상에 선택적으로 흡착된다. 공급 공기로부터 질소를 선택적으로 흡착시킬 수 있는 임의의 시판용 흡착 물질이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 5A 및 13X 제올라이트 분자체 물질과 같은 널리 공지된 분자체를 사용하는 것이 편리할 수 있다. 이러한 물질은 선택적으로 흡착성이 큰 성분, 예를 들어 질소의 흡착 지점을 층의 공급 단부에서 형성시키고, 공급 공기 중의 흡착성이 큰 성분인 질소와 흡착성이 작은 성분인 산소 사이의 층에서 이루어지는 층의 생성 단부를 향해 전진시키는 평형 타입이 일반적이다. 통상적인 제올라이트 분자체가 본 발명의 실시에서 흡착제로서 사용될 수 있지만, 제올라이트 X의 리튬 양이 온 형태의 흡착제와 같은 특정하게 개질된 다양한 물질이 또한 사용될 수 있다. 이러한 공지된 물질의 예로는 LiX 흡착제가 있으며, 여기에서 골격 Si/Al₂몰비는 약 2.0 내지 3.0, 바람직하게는 2.0 내지 2.5이고, AlO₂사면체 단위의 50% 이상, 바람직하게는 88% 이상, 더욱 바람직하게는 95% 이상이 리튬 양이온과 회합된다. 칼슘과 같은 또 다른 양이온과 함께 50% 이상의 리튬을 함유하는 혼합된 양이온이 또한 본 발명의 실시에 사용될 수 있다. 산소의 생성을 위한 공기 분리가 상기에 구체적으로 기술되었지만, 본 발명이 수소/암모니아, 질소/메탄 또는 수소/이산화탄소를 포함하는 다양한 다른 공급 기체 분리 및 다른 이러한 공급 기체 분리를 위해 사용될 수 있음이 인지될 것이다.

본 발명이 바람직한 2층 시스템에 대해 구체적으로 기술되었지만, 3층 시스템과 같은 임의의 바람직한 다층 시스템을 사용하는 것이 본 발명의 범위 내에 있으며, 단, 2개의 중복 단계가 공정 순서에 사용된다. 또한, 본 발명은 낮은 탈착 압력이 대기압보다 낮은(진공) 압력 범위에 있는 매우 바람직한 VPSA 시스템에 대해 구체적으로 기술되었지만, 낮은 흡착 압력이 대기압 또는 그 근처에 있고, 대기압보다 낮은 범위에 있지 않는 압력 순환 흡착(PSA) 시스템에서 본원에 기술되고 청구된 공정 순서를 사용하는 것이 또한 본 발명의 범위 내에 있다.

또한, 본 발명의 실시에 사용되는 기계의 비부하 시간을 감소시키도록 공정 단계가 동시에 수행될 수 있도록 다양한 다른 변화 및 변형이 이루어질 수 있음이 인지될 것이다. 이와 같이, 중복 단계는 하나의 용기로부터 또 다른 용기로의 흐름 뿐만 아니라 생성물 탱크 또는 분리 저장 탱크로부터 층으로의 흐름을 수반할 수 있다. 예를 들어, 생성물 가압과 층의 역류 송풍의 의한 대기압 까지의 배기에 의한 공급의 중복을 통해 기계를 보다 양호하게 이용할 수 있다. 총 시스템에 또한 적용할 수 있는 상기 타입의 다양한 조합이 전술한 바와 같은 기존의 공정에 비해 이점을 제공하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 중복 단계, 즉 단계 1A 및 4A를 수행하는 데에 있어서, 가능한 한 초기에 층의 바닥으로부터 동기 공급 기체 재가압을 시작하면서, 유동화를 완화시켜서 가능한 한 상기 중복에 대한 많은 시간을 제공하는 것이 유리함이 이해될 것이다. 공급 기체 가압 및 중복 단계는 층 사이의 균압이 본질적으로 전술한 바와 같이 완전하지 않은 부분 균압으로 종결되는 것이 공통적인 통상의 균압화가 실질적으로 완결되도록 층 사이의 균압이 진행될 때까지 계속된다. 그러나, 균압이 낮은 탈착 압력으로부터 바닥으로의 공급 기체의 도입이 원하지 않는 층 유동화 또는 층 상승 작용을 일으키지 않을 중간 압력 수준까지 재가압되는 층의 압력을 증가시킨 후에만, 공급 기체가 층, 층의 공급 단부 또는 바닥 단부, 예를 들어 중복 단계 1A에서의 층 A 또는 중복 단계 B에서의 층 B에 도입되는 것이 일반적임을 유의해야 한다.

주어진 단위 시간 내에 시스템에 의해 처리되는 공급 공기 또는 다른 기체의 양을 증가시킴으로써, 본 발명은 시스템의 전체 효율을 향상시키고, 시스템의 전력 요구량을 감소시키며, PSA/VPSA 시스템의 탈착 용량을 확대시킨다. 이와 같이, 본 발명은 편리한 압력 순환 흡착 기술의 사용에 의해 중용한 공업적 기체 분리를 달성시키는 중요하고 유용한 상업적으로 바람직한 방법을 나타낸다.

Claims (13)

1. 각각 공급 단부 및 생성 단부를 갖고, 공급 기체로부터 흡착성이 큰 성분을 선택적으로 흡착시킬 수 있는 흡착 물질을 함유하는 2개 이상의 흡착성을 갖는 흡착 시스템에서 흡착-탈착-재가압 순환으로 공급 기체 혼합물의 성분들을 분리하기 위한 압력 순환 방법으로서, 각각의 층이 순환식으로,

   (a) 흡착층들 사이에서 부분적 균압을 위해 시스템 중의 나머지 층의 생성 단부로부터 배출되는 기체를 흡착층의 생성 단부로 통과시킴으로써 낮은 탈착 압력으로부터 중간 압력으로 부분 재가압하는 단계;

   (b) 층의 압력을 높은 흡착 압력으로 재가압시키기 위해 공급 기체를 층의 공급 단부에 동시에 도입하면서, 단계(a)에서와 같이 층의 생성 단부로 기체를 통과시킴으로써 중간 압력으로부터 추가로 부분 재가압하는 단계로서, 상기의 나머지 층이 공정 순환의 하기 단계(f)를 동시에 수행하고, 추가의 부분 재가압은 단계(a)에서와 같이 공급 기체를 층의 공급 단부로 도입시켜서 층의 압력을 바람직한 높은 흡착 압력으로 계속 증가시킴으로써 층들 사이의 완전한 균압이 달성되면 종료되는 단계;

   (c) 높은 흡착 압력에서 층의 공급 단부에 추가량의 공급 기체를 도입시켜서, 흡착성이 큰 성분을 흡착 물질에 의해 선택적으로 흡착시키고, 흡착성이 작은 성분을 층을 통해 통과시켜서 바람직한 생성물 기체 스트림으로서 회수하는 단계;

   (d) 단계(c)에서와 같이 층의 공급 단부에 추가량의 공급 기체를 도입시키면서, 층의 생성 단부로부터 회수되는 흡착성이 작은 성분의 일부 또는 전부를 공정 순환의 하기 단계(h)가 진행되는 층을 정화시키기 위해 생성물 기체 스트림으로부터 분류시키는 단계;

   (e) 층의 생성 단부로부터 기체를 방출시킴으로써 높은 흡착 압력으로부터 중간 압력으로 병류 부분 감압시켜서, 기체를 나머지 층의 생성 단부로 통과시켜 층들 사이의 부분적 균압을 위해 재가압시키는 단계;

   (f) 층의 공급 단부로부터 기체를 방출시켜서 층을 동시 역류 감압시키면서, 상기 단계(e)에서와 같이 기체를 층의 생성 단부로부터 방출시켜 나머지 층의 생성 단부로 통과시킴으로써 중간 압력으로부터 추가로 부분 감압시키는 단계로서, 상기 나머지 층에서 단계(b)가 동시에 진행되며, 추가의 부분 감압은 상기 단계(e)에서와 같이 층들 사이에 완전한 균압이 달성되면 종료되는 단계;

   (g) 추가의 기체를 층의 공급 단부로부터 배출시켜 층의 압력을 낮은 탈착 압력으로 감소시키고, 층으로부터 흡착성이 큰 성분을 방출시킴으로써 층을 추가로 역류 감압시키는 단계;

   (h) 공정 순환 단계(d)가 진행되는 층의 생성 단부로부터 회수되고 정화용으로 분류되는 흡착성이 작은 성분을 정화 기체로서 층을 통한 통과를 위해 층의 생성 단부로 통과시켜서 층의 공급 단부로부터 흡착성이 큰 성분의 탈착 및 제거를 촉진시키는 단계; 및

   (i) 공정의 순환 작업이 계속됨에 따라 단계(a) 내지 (h)의 공정 순서를 반복하며, 공정의 실시에 사용되는 공급 및 배출 송풍기에 부하가 걸리지 않게 하면서 단계(a) 및 (e)에서 층의 균압화에 의해 소비되는 전체 순환 시간의 일부를 동시 중복 단계(b) 및 (f)에 의해 감소시키는 단계를 포함하여, 소정의 시간 동안 처리되는 공급 기체의 양을 증가시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 낮은 탈착 압력이 대기압보다 낮은 탈착 압력인 방법.
3. 제1항에 있어서, 흡착 시스템에 2개의 흡착층이 존재하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 흡착 시스템에 2개의 흡착층이 존재하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 공급 기체 혼합물이 공기를 포함하며, 흡착성이 작은 성분이 산소를 포함하고, 흡착성이 큰 성분이 질소를 포함하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 낮은 탈착 압력이 대기보다 낮은 탈착 압력인 방법.
7. 제6항에 있어서, 흡착 시스템에 2개의 흡착층이 존재하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 단계(c)에서, 흡착성이 큰 성분을 층으로부터 생성물 기체 스트림 내로 통과시키지 않으면서, 층의 공급 단부에서 형성되는 흡착성이 큰 성분의 흡착 전방이 층의 생성 단부에 가까이로 층을 통해 전진할 때까지, 공급 기체를 높은 흡착 압력에서 층의 공급 단부에 도입시키면서, 층을 통해 통과하고 이로부터 회수되는 흡착성이 작은 성분을 회수하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 흡착 물질이 층에서 흡착성이 큰 성분의 흡착 전방을 형성시킬 수 있는 평형 타입 흡착제인 방법.
10. 제7항에 있어서, 낮은 탈착 압력이 0.3 내지 0.75atm이고, 높은 흡착 압력이 1.3 내지 1.6atm인 방법.
11. 제10항에 있어서, 낮은 탈착 압력이 0.37atm이고, 높은 흡착 압력이 1.3 내지 1.5atm인 방법.
12. 제11항에 있어서, 단계(b)가 0.60atm의 중간 압력에서 시작되고, 이 단계의 균압이 0.77atm에서 종료하는 방법.
13. 제11항에 있어서, 단계(f)가 1.14atm의 압력에서 시작되고, 단계(e)에서와 같이 추가의 부분 감압이 0.83atm에서 종료되는 방법.