KR102194968B1 - 관련 스윙 흡착 공정을 위한 장치 및 시스템 - Google Patents

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로버트 에프. 탐메러
브루스 티. 켈리
세바스티안 치알보
아난다 케이. 나가버라푸
윌리엄 바니스
트레이시 에이. 파울러
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엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
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Abstract

스윙 흡착 공정을 수행하기 위한 장치 및 시스템이 제공된다. 이러한 스윙 흡착 공정은 스트림으로부터 물과 같은 오염물들을 제거하기 위해 흡착제 베드 유닛을 통해 스트림을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 공정의 일부로서, 흡착제 베드 유닛은 밸브, 도관 및 매니폴드 중 하나 이상을 제거하지 않고도 흡착제 베드 유닛 내의 흡착제 물질에 접근성을 제공할 수 있다.

Description

관련 스윙 흡착 공정을 위한 장치 및 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2016 년 3 월 18 일자로 출원되고 발명의 명칭이 "관련 스윙 흡착 공정을 위한 시스템 및 장치 "인 미국 특허 가출원 제 62/310,289 호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에 참고로 합체되어 있다.
분야
본 기술은 개선된 스윙 흡착 공정과 관련된 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 시스템은 흡착제 베드 유닛을 사용하여 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 스윙 흡착 공정에 관한 것이다.
가스 분리는 많은 산업 분야에서 유용하며, 공급물 스트림 중의 하나 이상의 가스 성분을 우선적으로 흡착하면서 하나 이상의 다른 가스 성분은 흡착하지 않는, 흡착제 물질 위에 가스 혼합물을 유동시킴으로써 전형적으로 달성될 수 있다. 비흡착 성분은 별도의 생성물로 회수된다. 흡착에 의한 가스 성분의 분리는 다양한 접근법으로 수행되는 통상적인 기술이다. 예를 들어, 흡착 분리는 다양한 가스 성분의 평형 친화성(equilibrium affinities)(예: 평형 분리)의 차이 또는 가스 성분의 흡착 동력(예: 동력 분리)의 차이에 기초할 수 있다.
가스 분리 기술의 하나의 특정 유형은 온도 스윙 흡착(TSA), 압력 스윙 흡착(PSA), 부분 압력 스윙 흡착(PPSA), 고속 순환 압력 스윙 흡착(RCPSA), 고속 순환 부분 흡착 압력 스윙 흡착(RCPPSA)과 같은 스윙 흡착이고 압력 및 온도 스윙 흡착과 같은 앞서 언급된 공정들의 조합들로 제한되지는 않는다. 예를 들어, PSA 공정은 가스 성분이 가압 중일 때 흡착제 물질의 기공 구조체 또는 자유 용적(free volume) 내에서 보다 쉽게 흡착되는 특정 가스 성분의 현상에 의존한다. 즉, 가스 압력이 높을수록 쉽게 흡착된 가스의 흡착량이 많아진다. 압력이 감소되면, 흡착된 가스 성분은 흡착제 물질로부터 방출되거나 탈착된다.
상이한 가스 성분이 상이한 범위로 흡착제 물질의 미세 공을 채우는 경향이 있기 때문에, 스윙 흡착 공정들(예: PSA 및 TSA)이 가스 혼합물의 가스 성분을 분리시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 천연 가스와 같은 가스 혼합물이 메탄보다 이산화탄소에 대해 보다 선택적인 흡착제 물질을 함유하는 흡착제 베드 유닛 또는 용기(vessel)로 지칭될 수 있는 흡착제 베드 유닛을 통해 가압 하에 통과되면, 이산화탄소의 적어도 일부는 흡착제 물질에 의해 선택적으로 흡착되고, 흡착제 베드 유닛을 나가는 가스는 메탄이 농축된다. 흡착제 물질이 이산화탄소를 흡착하는 용량의 한계에 도달하면, 압력을 감소시키고 그에 의해서 흡착된 이산화탄소를 방출함으로써 재생된다. 그 다음 흡착제 물질은 전형적으로 퍼지되고 재가압된다. 그 다음, 흡착제 물질은 또 다른 흡착 순환을 위해 준비된다.
스윙 흡착 공정은 전형적으로 흡착제 베드 유닛의 하우징 내에 배치된 흡착제 물질을 포함하는 흡착제 베드 유닛을 포함한다. 이들 흡착제 베드 유닛은 흡착제 베드 구조체에서 상이한 패킹 재료를 사용한다. 예를 들어, 흡착제 베드 유닛은 체커 벽돌(checker brick), 페블 베드(pebble bed) 또는 기타 사용 가능한 패킹을 사용한다. 개선으로서, 일부 흡착제 베드 유닛은 흡착제 베드 구조체 내에서 가공 패킹을 사용할 수 있다. 가공된 패킹은 벌집, 세라믹 형태 등과 같은 특정 형상으로 제공된 재료를 포함할 수 있다. 가공된 패킹은 흡착제 물질로부터 형성될 수 있거나 또는 구조체 또는 지지체 상의 코팅일 수 있다.
또한, 다양한 흡착제 베드 유닛은 도관, 매니폴드 및 밸브와 함께 연결되어 유체의 유동을 관리할 수 있다. 이들 흡착제 베드 유닛을 조율하는 것은 각각의 흡착제 베드 유닛과 시스템 내의 다른 흡착제 베드 유닛에 대한 순환을 조정하는 것을 포함한다. 완전한 순환은 하나 이상의 흡착제 베드 유닛을 통해 복수의 가스 스트림을 전달할 때 수초에서 수분으로 변할 수 있다.
그러나, 스윙 흡착 공정은 고속 순환 흡착 공정과 같은 여러 기술 요소로 인해 특정 과제를 제시한다. 이러한 요소는 흡착제 베드를 통한 낮은 압력 강하 유지, 흡착제 베드 내외의 양호한 유동 분배 및 흡착제 베드에서의 농도 프론트(concentration front)의 최소 분산(예: 축방향 스프레딩)을 포함할 수 있다. 또한, 다른 요소로는 고속 작동 및 낮은 사적(dead-volume) 밸브가 포함된 고속 순환 시간이 포함될 수 있다. 마지막으로, 또 다른 요소는 흡착제 베드 유닛이 특정 압력에서 흡착제 베드를 수용하도록, 고속 작동 밸브를 지지하고 흡착제 베드 유닛 내의 사적을 최소화하도록 구성되어야 한다는 것일 수 있다.
이러한 도전은 흡착제 베드 유닛의 유지보수를 위해 훨씬 더 복잡하다. 종래의 고속 순환 흡착제 베드 유닛은 사적을 최소화하기 위해 평평한 단부 플레이트(헤드)를 갖는 수직 실린더로서 구성된다. 유동은 흡착제 물질에 인접한 평평한 헤드 상에 장착된 고속 작동 밸브를 통해 흡착제 베드 유닛으로 들어가고 빠져 나간다. 헤드 상의 밸브의 위치는 흡착제 베드의 교체에 상당한 도전을 야기한다. 예를 들어, 종래의 흡착제 베드 구성에서, 흡착제 베드의 한 단부 상의 밸브는 흡착제 베드에 접근하기 위해 임의의 관련 매니폴드 및/또는 도관과 함께 제거되어야 한다. 밸브, 매니폴드 및 도관의 제거는 노동 집약적이며 시간 소모적이고 시스템의 운영 비용을 증가시킨다. 이와 같이, 유닛 내의 흡착제 베드의 교체는 문제가된다.
따라서, 흡착제 베드로의 유체의 유동을 관리하기 위한 개선을 제공하는 장치, 방법 및 시스템에 대한 업계의 요구가 여전히 남아 있다. 본 기술은 흡착제 베드 유닛 내의 흡착제 물질에 헤드를 통한 접근을 제공함으로써 종래의 스윙 흡착 접근법의 결점을 극복한다. 본 기술은 종래의 접근법 및 시스템과 비교하여 흡착제 베드 유닛에 관한 유지보수와 관련된 유지보수 정지시간을 줄이고 노동력 및 비용을 줄인다.
일 실시예에 있어서, 본 기술은 가스 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 순환 스윙 흡착제 베드 유닛을 기술한다. 순환 스윙 흡착제 베드 유닛은 가스 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하도록 구성될 수 있다. 상기 흡착제 베드 유닛은 내부 영역을 형성하는 하우징으로서, 제 1 헤드와 제 2 헤드 사이에 고정된 본체 부분을 포함하는, 상기 하우징; 상기 내부 영역 내에 배치된 흡착제 베드; 및 상기 하우징에 고정된 복수의 제 1 밸브들로서, 상기 복수의 제 1 밸브들 각각은 상기 하우징 외부의 위치로부터 도관을 통해 그리고 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되며, 상기 복수의 제 1 밸브들 각각은 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는 상기 복수의 제 1 밸브들을 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정이 기술된다. 상기 공정은: a) 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 흡착 단계 각각은: (i) 가스 공급물 스트림을 공급물 입구 도관으로부터 흡착제 베드 유닛의 하우징의 내부 영역에 배치된 흡착제 베드로 통과시키기 위해 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브를 개방시키는 단계로서, 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브는 상기 공급물 입구 도관과 직접 유동 교통하고 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 공급물 입구 도관을 통해 그리고 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 배치된 제 1 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브를 개방시키는 단계, (ⅱ) 하나 이상의 오염물을 상기 가스 스트림으로부터 분리시켜 생성물 스트림을 형성하기 위해서 상기 가스 스트림을 상기 흡착제 베드에 노출시키는 단계, 및 (iii) 상기 하우징 내의 내부 영역으로부터 생성물 도관으로 상기 생성물 스트림을 멀리 안내하기 위해 하나 이상의 생성물 포핏 밸브를 개방시키는 단계를 포함하는, 상기 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계; b) 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 퍼지 단계 각각은 퍼지 출력 스트림에서 하나 이상의 오염물의 적어도 일부를 멀리 안내하기 위해 퍼지 스트림을 상기 흡착제 베드 유닛으로 통과시키는 단계를 포함하고, 상기 퍼지 출력 스트림은 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브를 통과하고, 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역 외부에 배치된 제 2 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계; 그리고 c) 순환 지속 시간이 1초 초과 600초 미만인 기간에 대해서 적어도 하나의 추가 순환 동안 상기 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계를 포함한다. 상기 공정은 순환을 중단시키는 단계; 상기 내부 영역에 대한 개방부를 노출시키기 위해 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브 및 상기 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브 근처의 상기 흡착제 베드 유닛으로부터 헤드를 제거하는 단계; 및 상기 내부 영역으로부터 상기 흡착제 베드를 제거하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브 및 상기 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브는 상기 흡착제 베드 유닛에 결합된다. 상기 공정은 제 2 흡착제 베드를 내부 영역에 배치하는 단계; 상기 헤드를 상기 흡착제 베드 유닛에 고정시키는 단계; 상기 공정에 대한 순환을 재개하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 공정은 열 팽창 링으로 상기 내부 영역 내에서 흡착제 베드 유닛을 안내하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 상술한 장점 및 다른 이점은 실시예의 비제한적인 예에 대한 다음의 상세한 설명 및 도면을 검토할 때 명확해질 수 있다.
도 1은 6개의 종래의 흡착제 베드 유닛 및 상호 연결 파이프를 갖는 스윙 흡착 시스템의 3 차원 다이애그램이다.
도 2는 종래의 흡착제 베드 유닛의 일부의 개략도이다.
도 3은 흡착제 베드의 각각의 단부에서 초과 사적의 해로운 영향의 차이를 나타내는 차트이다.
도 4a 및 도 4b는 본 기술의 대안 실시예에 따른 관련 밸브 조립체를 갖는 흡착제 베드 유닛의 일부분의 다이애그램이다.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 본 기술의 대안 실시예에 따른 관련 밸브 조립체를 갖는 흡착제 베드 유닛의 일부의 추가 다이애그램이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d 및 도 6e는 본 기술의 일 실시예에 따른 다양한 구조 요소를 갖는 도관을 제공한다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e 및 도 7f는 본 기술의 일 실시예에 따른 예시적인 흡착제 베드 유닛의 다이애그램이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 본 기술의 일 실시예에 따른 흡착제 베드 유닛 및 관련 열 팽창 링의 일부의 다이애그램이다.
도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 9d 및 도 9e는 본 기술의 일 실시예에 따른 캐치 기구의 다이애그램이다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 본 기술의 일 실시예에 따른 4개의 흡착제 베드 유닛 및 상호 연결 파이프를 갖는 스윙 흡착 시스템의 3 차원 다이애그램이다.
도 11a, 도 11b, 도 11c, 도 11d, 도 11e 및 도 11f는 본 기술의 일 실시예에 따른 대안 흡착제 베드 구성의 다이애그램이다.
도 12는 본 기술의 일 실시예에 따른 음향 감쇠 시스템에 배치된 흡착제 베드 유닛의 3 차원 다이애그램이다.
달리 설명하지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자들에게는 공통으로 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 단일 용어들인 관사(a, an 및 the)는 그 내용이 명확하게 달리 명기하지 않는 한 복수의 지시 대상들을 포함한다. 마찬가지로, 용어 "또는"은 그 내용이 명확하게 달리 명기하지 않는 한 "및 "을 포함하도록 의도된다. 용어 "포함하는"은 "구비하는"을 의미한다. 본원에 언급된 모든 특허 및 공보들은 달리 지시하지 않는한 참고를 위해 그 전체가 본원에 통합된다. 용어나 구문의 의미와 상충되는 경우, 용어들의 설명을 포함하는 본 명세서는 조절된다. 본원에서 "상부 ", "하부 ", "상단 ", "저부 ", "전방 ", "후방 ", "수직" 및 "수평 "과 같은 방향성 용어들은 다양한 요소들 사이의 관계를 표시하고 명료화하기 위해 사용된다. 이와 같은 용어들은 절대적인 배향을 의미하지 않는다는 사실을 이해해야 한다(예: "수직" 성분은 장치를 회전시킴으로써 수평으로 될 수 있다). 본원에 인용된 재료들, 공정들 및 예들은 오직 설명을 위한 것이며 제한을 목적으로 의도되지 않는다.
본원에 사용된 바와 같은, "스트림"은 다양한 장비를 통해 안내되는 유체(예: 고체, 액체 및/또는 가스)와 관련된다. 상기 장비는 도관, 용기, 매니폴드, 유닛 또는 기타 적합한 장치를 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같은 "도관"은 임의의 것이 운반되는 채널을 형성하는 관형 부재와 관련된다. 이와 같은 도관은 하나 이상의 파이프, 매니폴드, 튜브 등을 포함할 수 있다.
"직접 유동 교통" 또는 "직접 유체 교통"이란 용어는 중간에 밸브 또는 유동을 방해하기 위한 기타 폐쇄 수단없이 직접적인 유동 교통을 의미한다. 그러나, "직접 유동 교통"이라는 용어는 유동 경로를 따라 유동을 분배하기 위한 분배기 또는 다른 분배 기구를 포함할 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 변형도 본 기술의 범위 내에서 고려될 수 있다.
용어 "계면 단면 영역"은 스트림이 흡착제 베드에 진입하거나 흡착제 베드를 빠져 나가는 흡착제 베드의 단부의 단면 영역을 의미한다. 예를 들어, 공급물 스트림이 제 1 단부의 흡착제 베드에 진입하면, 제 1 단부의 단면 영역은 계면 단면 영역이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 변형도 본 기술의 범위 내에서 고려될 수 있다.
용어 "밸브 단면 영역"은 스트림이 밸브에 들어가거나 나오는 밸브의 단부에 대한 밸브의 단면 영역을 의미한다. 예를 들어, 밸브 개방부는 밸브 단면 영역일 수 있다. 특히, 포핏 밸브의 경우, 디스크 요소가 개방 위치에 있을 때 디스크 요소 주변부에 유동 통로를 제공하도록 디스크 요소가 이동한다. 따라서, 밸브 시트로부터의 디스크 요소의 이동에 의해 형성된 밸브 개방부는 디스크 요소의 단면 영역일 수 있는 포핏 밸브의 밸브 단면 영역을 결정하는데 사용된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 변형도 본 기술의 범위 내에서 고려될 수 있다.
용어 "적어도 부분적으로 계면 단면 영역 내에 배치된 밸브 단면 영역"은 주요 유동 경로를 따라 흡착제 베드를 직접 통과하는 축을 따라 보았을 때 밸브 단면 영역이 적어도 부분적으로 계면 단면 영역의 내부에 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 흡착제 베드는 유동이 흡착제 베드에 진입하거나 흡착제 베드를 나가는 일 단부에 계면을 갖는다. 계면은 길이와 폭을 가지며, 깊이는 흡착제 베드를 통과하여 주요 유동 경로를 따라 스트림이 흐르는 방향이다.
"계면 단면 영역 외부에 배치된 밸브 단면 영역"이라는 용어는 주요 유동 경로를 따라 흡착제 베드를 직접 통과하는 축을 따라 볼 때 밸브 단면 영역이 계면 단면 영역을 지나서 또는 외부에 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 흡착제 베드는 유동이 흡착제 베드에 진입하거나 흡착제 베드를 빠져 나가는 일 단부에 계면을 갖는다. 계면은 길이 및 폭을 가지며, 깊이는 흡착제 베드를 통과하는 주요 유동 경로를 따라 스트림이 흐르는 방향이다.
"계면 단면 영역 내에 배치된 밸브 단면 영역"이라는 용어는 주요 유동 통로를 따라 흡착제 베드를 직접 통과하는 축을 따라 볼 때 밸브 단면 영역이 계면 단면 영역 내에 또는 계단 단면 영역에 있다는 것을 의미한다.
본 기술은 고속 순환된 흡착제 베드를 사용하여 공급물 스트림(예, 천연 가스)으로부터 오염물들을 제거하기 위한 스윙 흡착 공정(예: 고속 순환 공정)에 관한 것이다. 본 기술은 흡착제 베드 유닛 내의 사적과 흡착제 베드 유닛과 관련된 유지 및 작동성의 균형을 맞춘다. 많은 구성에서, 스윙 흡착 공정의 사적을 줄이기 위해 흡착제 베드 유닛의 헤드에 밸브가 배치된다. 그러나, 흡착제 물질을 주기적으로(예: 1 년에 1 회 또는 2 년마다) 교체해야 하기 때문에, 흡착제 물질에 대한 접근은 전형적으로 흡착제 물질에 접근하기 위해 밸브, 관련 도관 및 관련 매니폴드를 제거하는 것을 포함한다. 이 장비의 제거는 노동 집약적이며 시스템을 고장나게 할 수 있고 흡착제 베드 유닛의 유지보수 기간을 연장시킨다. 따라서, 본 기술은 추가의 사적으로부터 성능 문제를 감소시키기 위해 특정 구성의 흡착제 베드 유닛의 사적을 관리하면서 흡착제 물질에 필요한 접근을 수용하는 흡착제 베드 유닛을 제공한다. 이 구성에서, 헤드들 중 하나의 밸브는 계면 단면 영역(예: 단면이 흡착제 베드에 대한 계면에 의해 형성됨)을 지나서 또는 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다.
종래의 접근법과는 대조적으로, 본 기술은 계면 단면 영역 외부(예: 헤드 단면 영역 외부)에 밸브를 배치함으로써 흡착제 베드 유닛의 유지보수를 수용하기 위해 흡착제 물질에 접근할 수 있게 한다. 종래의 구성에서, 흡착제 베드는 계면 단면 영역을 가지며, 계면 단면 영역은 흡착제 베드에 직접 인접하게 그리고 계면 단면 영역 내에 직접 배치된 흡착제 베드와 직접 유동 교통하는 밸브를 갖는다. 본 기술에서, 헤드들 중 하나에 대한 밸브는 흡착제 베드의 계면 단면 영역 외부 및 흡착제 베드 유닛의 헤드 단면 영역 외부에 배치된다. 특히, 헤드들 중 하나에 대한 밸브는 흡착제 베드 유닛의 헤드의 외부 주변부 밖에 배치된다. 따라서, 본 기술은 흡착제 베드 유닛과 관련된 다른 장비를 제거하지 않고(예: 밸브, 도관 또는 매니폴드를 제거하지 않고) 단일 헤드를 통해 흡착제 물질에 접근할 수 있게 하고, 이는 유지보수 비용, 유지보수 시간 및 장비에 대한 손상을 감소시켜서, 사적을 허용 가능한 수준으로 관리하고, 흡착제 베드에 허용 가능한 유동 분배를 제공한다.
하나 이상의 실시예에서, 흡착제 베드 유닛은 흡착제 베드의 계면 단면 영역 내에 또는 심지어 부분적으로도 흡착제 베드의 계면 단면 영역 내에 배치되지 않은 흡착제 베드 유닛의 한 헤드에 대한 유동 밸브를 갖도록 구성되는 변형된 수직 원통형 흡착제 베드 유닛일 수 있다. 예를 들어, 한 헤드에 대한 유동 밸브는 흡착제 베드에 직접 인접한 흡착제 베드 유닛의 헤드 상에(예: 계면 단면 영역 내 또는 부분적으로) 배치될 수 있는 반면, 제 2 헤드에 대한 유동 밸브는 외부 위치에 배치(예: 계면 단면 영역 외부에 배치)되도록 구성된다. 이 구성은 흡착제 베드에 유지보수 접근을 제공한다. 외부 밸브 장착 위치는 유닛의 헤드와 일체로 형성될 수 있거나 또는 유닛 플랜지와 유닛의 헤드 사이에 위치하는 별도의 플레이트에 형성될 수 있다. 단일 밸브가 다른 위치에 배치될 수 있지만, 특정 적용의 요구 사항에 따라 다수의 밸브들이 사용될 수도 있다. 또한, 밸브는 능동 제어식 밸브 및/또는 수동 제어식 밸브일 수 있다. 수동 제어식 밸브는 이동 요소를 달리 작동시킬 필요없이 이동 요소(예: 디스크 요소)를 가로질러 작용하는 차압에 의해 개방될 수 있다.
특정 실시예에서, 다양한 특징이 흡착제 베드 유닛을 더욱 개선시키기 위해 제공될 수 있다. 예를 들어, 열 팽창 링이 흡착제 베드와 흡착제 베드 유닛 헤드들 중 하나(예: 계면 단면 영역 내에 또는 부분적으로 배치된 밸브들을 갖는 헤드) 사이에 배치될 수 있다. 열 팽창 링은 흡착제 베드를 안내하고, 흡착제 베드 유닛 내에서 흡착제 베드를 정렬시키고, 열 팽창을 조절하고, 흡착제 베드 유닛에 삽입하는 동안 흡착제 베드를 안내하도록 구성될 수 있다. 또한, 흡착제 베드 유닛은 임시 박편 포일(debris foil)을 포함할 수도 있다. 박편 포일은 흡착제 물질(예: 흡착제 베드)의 교환 동안 흡착제 베드 유닛 내로 떨어지는 박편을 수집하기 위해 유지보수 동안 사용될 수 있고, 흡착제 베드와 단부들 중 하나 근처(예: 헤드들 중 하나 근처)의 밸브들 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 흡착제 베드가 수직 배향 구성인 경우, 박편 포일은 흡착제 베드 제거가 시작되기 전에 하부 밸브와 흡착제 베드 사이의 편향 포트 내로 삽입될 수 있다. 그 다음, 임의의 박편이 박편 포일로 떨어져서 흡착제 베드 유닛으로부터 제거될 수 있다. 흡착제 베드 유닛의 삽입 후에, 박편 포일은 제거될 수 있고, 편향 포트는 작동을 위해 플러그결합될 수 있다.
본 기술은 스윙 흡착 공정을 개선시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 스윙 흡착 공정을 위한 순환은 합쳐져서 순환 시간으로 합산되는 임의의 시간 간격을 각각 구비하는 둘 이상의 단계들을 포함할 수 있다. 이러한 단계는 압력 스윙, 진공 스윙, 온도 스윙, 퍼징(공정에 적합한 임의의 유형의 퍼지 유체를 통한) 및 이들의 조합을 포함하는 다양한 방법을 사용하는 흡착 단계 이후의 흡착제 베드의 재생을 포함한다. 예로서, 스윙 흡착 순환은 흡착, 감압, 퍼지 및 재가압 단계를 포함할 수 있다. 고압에서 분리를 수행하는 경우, 감압 및 재가압(평형화 단계라고도 함)을 여러 단계로 수행하여 각 단계의 압력 변화를 줄이고 효율을 개선시킨다. 고속 순환 스윙 흡착 공정과 같은 일부 스윙 흡착 공정에서, 전체 순환 시간의 상당 부분은 흡착제 베드의 재생에 수반된다. 따라서, 재생 시간을 줄이면, 총 순환 시간이 단축된다. 이러한 감소는 또한 스윙 흡착 시스템의 전체 크기를 감소시킬 수 있다.
이해할 수 있는 바와 같이, 본 기술은 공급물 스트림 및 퍼지 스트림을 위한 다양한 압력을 포함할 수 있다. 결과적으로, 흡착제 베드 유닛은 5 psia(pounds per square inch absolute) 내지 1,400 psia의 압력 범위에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 공급 압력은 400 psia 내지 1,400 psia 범위, 600 psia 내지 1,200 psia 범위일 수 있는, 적절한 흡착 공급 압력에 기초할 수 있다. 또한, 상기 퍼지 압력은 50 psia 내지 800 psia 범위에 있거나 또는 400 psia 내지 600 psia 범위일 수 있는 양호한 흡착제 퍼지 압력에 기초할 수 있다.
본 기술들은 다양한 구성들로 통합될 수 있다. 예를 들어, 흡착제 베드 유닛은 구조화 또는 비구조화된 흡착제 베드를 포함할 수 있고, 그리고 흡착제 베드 유닛은 또한, 유동 직선화 및 유동 분배를 용이하게 하기 위하여 추가 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 기술들은 극저온 천연 가스 액체(NGL) 회수 이전에 탈수화에 사용되고 상기 극저온 천연 가스 액체(NGL) 회수에 통합될 수 있지만 이에 국한되지 않고 극저온 처리 공급 가스 사양에 대한 오염물들을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 통합들로서 액화 천연 가스(LNG) 설비 또는 다른 설비들을 포함할 수 있다. 여하튼, 본 기술들은 과다한 양의 오염물 즉, 수분과 CO2를 수용하는 공급물 스트림들을 처리하기 위해 사용될 수 있다. 본 기술들은 또한, 극저온 천연 가스 액화 회수 설비를 위해 극저온 천연 가스 액화 사양들과 같은 다른 사양들로 오염물들을 제거하기 위해 사용될 수 있다.
하나 이상의 실시예들에 있어서, 본 기술들은 어떠한 유형의 스윙 흡착 공정에 대해서도 사용될 수 있다. 본 기술을 위한 비제한적인 스윙 흡착 공정들은 압력 스윙 흡착(PSA), 진공 압력 스윙 흡착(VPSA), 온도 스윙 흡착(TSA), 부분 압력 스윙 흡착(PPSA), 고속 순환 압력 스윙 흡착(RCPSA), 고속 순환 서멀 스윙 흡착(RCTSA), 고속 순환 부분 압력 스윙 흡착(RCPPSA), 뿐만 아니라 압력/온도 스윙 흡착과 같은 상기 공정들의 혼합을 포함할 수 있다. 예시적인 동력학적 스윙 흡착 공정들에 대하여는 미국 특허 출원 공보 제2008/0282892호, 제2008/0282887호, 제2008/0282886호, 제2008/0282885호, 제2008/0282884호 및 제2014/0013955호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 전체로서 참고를 위해 본원에 통합되었다.
특정 실시예에서, 흡착제 베드 유닛은 실질적으로 가스 불투과성 분할벽을 형성하는 헤드 부분 및 다른 본체 부분, 하우징 내에 배치된 흡착제 베드 및 하우징의 내부 영역과 하우징의 내부 영역 외부의 위치 사이에서 하우징 내의 개방부를 통해 유체 유동 통로를 제공하는 복수의 밸브들(예: 포핏 밸브)을 포함할 수 있는 하우징을 포함할 수 있다. 각각의 포핏 밸브는 헤드 내에 좌정 가능한 디스크 요소 또는 헤드 내에 삽입된 개별 밸브 시트 내에 좌정 가능한 디스크 요소를 포함할 수 있다. 포핏 밸브의 구성은 임의의 다양한 밸브 패턴 또는 포핏 밸브 유형의 구성일 수 있다. 예로서, 흡착제 베드 유닛은 상이한 스트림과 관련된 상이한 도관과 각각 유동 교통하는 하나 이상의 포핏 밸브를 포함할 수 있다. 포핏 밸브는 흡착제 베드와 각각의 도관, 매니폴드 또는 헤더 중 하나 사이의 유동 교통을 제공할 수 있다.
흡착 분리 공정, 장치 및 시스템은 상술한 바와 같이 가스 및 오일 처리와 같은 탄화수소의 개발 및 제조에 유용하다. 특히, 제공된 공정, 장치 및 시스템은 가스 혼합물로부터 다양한 타겟 가스를 신속하고, 대규모로, 효율적으로 분리하는데 유용하다. 특히, 공정, 장치 및 시스템은 오염물 및 중질 탄화수소(예: 적어도 2개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소)를 제거함으로써 공급 생성물(예: 천연 가스 생성물)을 제조하는데 사용될 수 있다. 제공된 공정, 장치 및 시스템은 분리 적용을 포함하여 유틸리티에서 사용하기 위한 가스 공급물 스트림을 제조하는데 유용하다. 분리 적용은 이슬점 제어; 감미료 및/또는 해독; 부식 방지 및/또는 제어; 탈수; 가열 값; 조절; 및/또는 정화를 포함할 수 있다. 하나 이상의 분리 적용을 사용하는 유틸리티의 예로는 연료 가스의 생성; 밀봉 가스; 비식용수; 블랭킷 가스(blanket gas); 계기 및 제어 가스; 냉각제; 불활성 가스; 및/또는 탄화수소 회수를 포함한다.
다른 실시예에서, 본 기술은 스윙 흡착 공정에 의해 스트림의 오염물을 특정 레벨로 감소시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 본 기술은 흡착제 베드의 계면 단면 영역 외부에 밸브를 배치함으로써 포핏 밸브와 같은 밸브를 위한 추가적인 공간을 제공한다(예: 밸브는 흡착제 베드 유닛 헤드들 중 하나에 대한 흡착제 베드의 계면 단면 영역 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다). 본 기술은 이하의 도 1 내지 도 8c를 참조할 때 더 이해될 수 있다.
도 1은 6개의 종래의 흡착제 베드 유닛 및 상호 연결 파이프를 갖는 스윙 흡착 시스템(100)의 3 차원 다이애그램이다. 이러한 구성은 통상적인 스키드의 특정 예이지만, 이 특정 구성은 상이한 수의 흡착제 베드 유닛들을 포함할 수 있는 다른 구성으로서 예시적인 목적을 위한 것이다.
이 시스템에서, 흡착제 베드 유닛(102)과 같은 흡착제 베드 유닛들은 공급물 스트림(예: 유체, 가스 또는 액체)으로부터 오염물들을 제거하기 위한 순환 스윙 흡착 공정을 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 흡착제 베드 유닛(102)은 흡착제 베드 유닛(102) 내의 흡착제 베드를 통해, 흡착제 베드로 또는 흡착제 베드로부터 흐르는 유체의 유동을 관리하기 위한 다양한 도관[예: 도관(104)]을 포함할 수 있다. 흡착제 베드 유닛(102)으로부터의 도관들은 매니폴드[예: 매니폴드(106)]에 연결되어서, 구성요소들로, 구성요소들로부터 또는 구성요소들 사이에서 스트림의 유동을 분배한다. 흡착제 베드 유닛 내의 흡착제 베드는 하나 이상의 오염물을 공급물 스트림으로부터 분리하여 생성물 스트림을 형성할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 흡착제 베드 유닛은 퍼지 스트림, 감압 스트림 등과 같은 공정의 일부로서 다른 유체 스트림을 제어하기 위한 다른 도관을 포함할 수 있다. 또한, 흡착제 베드 유닛은 흡착제 베드 유닛 전용이고 스윙 흡착 공정의 하나 이상의 단계에 전용될 수 있는, 평형화 용기(equalization vessel;108)와 같은 하나 이상의 평형화 용기를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이하에 더 설명되는 바와 같이, 흡착제 베드 유닛(102)은 하우징을 포함할 수 있고, 상기 하우징은 실질적으로 가스 불 침투성 분할벽을 형성하는 헤드 부분 및 다른 본체 부분, 하우징 내에 배치된 흡착제 베드 및 하우징의 내부 영역과 하우징의 내부 영역 밖의 위치 사이에서 하우징 내의 개방부를 통해 유체 유동 통로를 제공하는 복수의 밸브들을 포함할 수 있다. 흡착제 베드는 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 성분을 흡착할 수 있는 고체 흡착제 물질을 포함할 수 있다. 그러한 고체 흡착제 물질은 흡착제 베드 유닛(102) 내의 물리적 및 화학적 조건에 대해 내구성이 있도록 선택되고 흡착 공정에 따라 금속, 세라믹 또는 다른 재료를 포함할 수 있다. 흡착제 물질의 추가의 예가 하기에 추가로 기재되어 있다.
특정 예로서, 도 2는 종래의 흡착제 베드 유닛(200)의 부분도의 개략도를 도시한다. 흡착제 베드 유닛(200)은 밸브 보어 또는 밸브 포트(204)를 갖는 편평한 헤드(202)를 포함한다. 평평한 헤드(202)는 이 부분도에서 절결된 볼트(208)를 통해 플랜지형 원통형 유닛 또는 본체(206)에 연결된다. 이 다이애그램에서, 밸브(미도시)는 밸브 포트(204) 내에 배치된다. 이들 밸브 포트는 직경부(210) 및 주변부(212)에 기초한 흡착제 베드의 계면 단면 내에 있다.
이러한 통상적인 흡착제 베드 유닛(200)에 제시된 바와 같이, 밸브 포트(204)에 배치된 밸브는 주변부(212) 내의 흡착제 베드 바로 위에(예: 계면 단면 영역 내에) 위치된다. 그러나, 흡착제 베드 유닛(200) 내의 흡착제 물질에 접근하기 위해 평평한 헤드(202)를 제거하는 것은 접근을 제공하기 위해 밸브, 관련 도관 및 관련 매니폴드를 제거하는 것을 포함한다.
대부분의 고속 순환 스윙 흡착 공정에 있어서, 사적은 최소화되어야 한다. 예로서, LNG 적용을 위한 탈수 순환이 고려될 수 있다. 이러한 공정에서, 순환은 공급물 스트림으로부터의 오염물들을 흡착하는 공급 단계 및 하나 이상의 퍼지 단계에 있을 수 있는 흡착제 베드를 통해 퍼지 스트림을 통과시킴으로써 오염물들을 제거하는 재생 단계를 포함할 수 있다. 이러한 공정의 공정 인벤토리는 낮으며 초과 사적은 공정이 사양을 벗어나 작동하게 할 수 있다. 이러한 과제는 초과 사적의 열 손실로 인해 가열 유체 온도가 낮아지는 공정의 일부로서 온도 스윙과 관련된 공정에서 특히 치명적이다.
또한, 초과 사적은 공정의 한쪽 끝에 더 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 생성물 측 또는 생성물 단부의 과다한 사적은 공급 측 또는 공급 단부의 과다한 사적보다 더 치명적일 수 있다. 이것은 퍼지 단계가 시작되기 전에 초과 사적 내에서 더 냉각 가스를 갖는 생성물 단부 상의 초과 사적의 결과이다. 퍼지가 시작되면, 퍼지 스트림의 고온 퍼지 가스가 초과 사적의 냉각 가스와 혼합되어, 퍼지 가스가 흡착제 베드로 전달될 때 냉각되는 퍼지 가스를 유도한다. 불행하게도, 더 냉각 퍼지 스트림은 더 뜨거운 퍼지 스트림만큼 효율적으로 흡착제 베드를 재생하지 못한다. 또한, 추가 헤더 용적은 고온 퍼지 가스가 접촉하는 표면적 및 열 질량을 증가시킬 수 있다. 이는 퍼지 가스로부터 주위(예: 흡착제 베드의 상류에 있는 흡착제 베드의 상류 영역)로의 열 손실을 증가시키며, 이는 또한 흡착제 베드의 재생 효율을 감소시킨다.
흡착제 베드의 각각의 단부에서 초과 사적의 해로운 영향이 도 3에 설명되어 있다. 도 3은 흡착제 베드의 각각의 단부에서의 초과 사적의 해로운 영향의 차이의 차트(300)이다. 차트(300)는 길이 축(302)을 따른 흡착제 베드의 표준화된 길이(z/L)에 대한 흡착 축(304)을 따른 그램 당 밀리몰(mmol/g) 단위의 H2O 흡착의 모델링된 값인 반응(306, 308 및 310)을 포함한다. 이 차트(300)에서, 퍼지 가스와 초과 사적의 금속 표면 사이의 열 전달 효과는 다양한 반응(306, 308 및 310)을 통해 도시된다. 반응(306)은 사적이 1.6L로 최소화되는 모델링된 반응(예: 실선)이고, 반응(308)은 사적이 19.2L로 증가되고 상기 영향들이 모두 고려되는 모델링된 반응(예: 점선)이며, 반응(310)은 사적이 증가하지만 위의 제 1 영향만 고려되는 모델링된 반응(예: 사각형)이다. 이 차트(300)에 도시된 바와 같이, 생성물 측에서 사적을 증가시키는 1차 문제점은 주위로의 열 손실이 증가하여 재생 온도가 낮아진다는 것이다. 이와 같이, 추가 사적이 필요한 경우, 퍼지 가스 및 퍼지 가스와 접촉하는 임의의 금속 사이의 열 전달을 줄이기 위한 단계들을 취해야 한다.
상술한 바와 같이, 도 2에 도시된 바와 같은 흡착제 베드 유닛의 종래의 구성은 계면 단면 영역 내에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역 내에 밸브를 배치하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡착제 베드는 양 단부에 플랜지형의 평평한 헤드를 갖는 수직 실린더 내에 설치될 수 있다. 포핏 밸브는 흡착제 베드와 외부 위치 사이의 유동을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있으며, 평평한 헤드의 상부에 직접 설치될 수 있고, 이는 흡착제 베드 유닛의 사적을 최소화한다. 혼합 구역은 흡착제 베드 유닛의 각각의 단부에서 흡착제 베드와 밸브 사이의 영역이다. 정상 작동 중, 공급물 스트림은 상부 헤드의 밸브들 중 하나를 통해 도입되고 하부 헤드의 밸브들 중 하나를 통해 처리된 생성물로서 제거된다. 유사하게, 재생 단계 동안, 퍼지 스트림은 하부 헤드 상의 밸브들 중 하나를 통해 도입되고 상부 헤드 상의 밸브들 중 하나로부터 제거된다. 특정 공정에 따라, 다른 스트림이 흡착제 베드 유닛으로 도입될 수 있다. 또한, 단일 서비스에 대해 하나 초과의 밸브를 사용하거나 여러 서비스에 단일 밸브를 사용할 수 있다.
예를 들어, 위와 같은 구성의 경우, 공정에 대해 4개의 서비스만 고려할 수 있다. 따라서, 상기 구성은 상부 평평한 헤드 상의 공급물 입구 및 퍼지 출구 및 하부 평평한 헤드 상의 생성물 출구 및 퍼지 입구를 포함할 수 있다. 각 서비스는 단일 밸브를 사용할 수 있지만, 다른 구성은 이중 서비스 밸브를 포함할 수 있다. 또한, 밸브는 능동 제어식 밸브 및/또는 수동 제어식 밸브일 수 있다는 것을 알아야 한다. 이러한 구성에서, 포핏 밸브와 흡착제 베드 사이의 영역은 사적이다. 이 사적은 용기의 양측에 있는 2 서비스로부터의 유체 스트림이 혼합되어 주변 금속에 열이 전달되는 혼합 구역이다. 이해할 수 있는 바와 같이, 효율적인 공정 작동을 위해, 혼합 구역은 바람직하게 최소화된다. 그러나, 이러한 구성으로 인해, 흡착제 베드와 같은 흡착제 물질에 대한 접근은 전체 밸브 조립체가 제거되어야 하므로 어려워진다. 이러한 제거는 노동 집약적일 수 있으며, 밸브 조립체의 제거는 다양한 유압 연결부(예: 각 밸브 조립체에 대해 3 내지 7 개)를 제거하는 것을 포함할 수 있기 때문에, 장비의 수명 순환을 단축시킬 수 있다.
본 기술은 흡착제 베드 유닛 내의 흡착제 물질에 대한 접근 제한을 극복하기 위한 실시예를 제공한다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b는 본 기술의 대안 실시예에 따른 관련 밸브 조립체를 갖는 흡착제 베드 유닛의 일부의 다이애그램(400 및 420)이다. 각각의 다이애그램(400 및 420)에 대해, 도 1과 유사한 다중 흡착제 베드 구성에서 사용될 수 있는 흡착제 베드 유닛의 일부는 본체 또는 하우징을 포함하며, 상기 본체 또는 하우징은 상부 헤드(406) 및 하부 헤드(408)와 함께 원통형 벽 및 원통형 절연 층(404) 내에 배치된 흡착제 베드(402)를 포함할 수 있다.
상부 헤드(406) 및 하부 헤드(408)는 헤드(406 또는 408) 중 하나가 흡착제 베드(402)에 접근할 수 있도록 상이한 구성을 가질 수 있다. 흡착제 베드 유닛은 상이한 매니폴드(미도시)에 결합되어 흡착제 베드로 유체를 제공하고 안내한다. 다이애그램(400 및 420)에서, 상부 헤드(406)는 임의의 밸브를 포함하지 않고, 하부 헤드(408)는 밸브 조립체(412 및 414)(예: 포핏 밸브)와 같은 밸브 조립체를 포함한다. 흡착제 베드의 상부 영역에 대해, 유체는 상이한 도관 구성을 통해 연결된 밸브(416 및 418)와 같은 밸브 구조체를 통해 헤드(406)와 흡착제 베드(402) 사이의 상부 개방 유동 경로 용적 내외로 유동한다. 이러한 도관 구성은 각각의 다이애그램(400 및 420)에서 보다 상세히 논의된다. 각각의 헤드(406 또는 408)와 흡착제 베드(402) 사이의 상부 또는 하부 개방 유동 경로 용적은 또한 유체를 흡착제 베드(402) 내로 균일한 방식으로 직접 도입하는 유동 분배기(미도시)를 수용할 수 있다. 유동 분배기는 천공된 플레이트, 원형 플레이트 또는 유동을 흡착제 베드 상에 분배하는 다른 장치를 포함할 수 있다.
밸브 조립체(412, 414, 416 내지 418)가 포핏 밸브인 경우, 각각은 부싱 또는 밸브 가이드 내에 위치될 수 있는 스템 요소에 연결된 디스크 요소를 포함할 수 있다. 스템 요소는 각각의 밸브가 각각의 스템에 선형 이동을 부여하도록 구성된 작동 수단(미도시)과 같은 작동 수단에 연결될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 작동 수단은 단일 밸브를 작동시키기 위해 공정의 상이한 단계들에 대해 독립적으로 작동될 수 있거나 또는 단일 작동 수단이 2 개 이상의 밸브들을 제어하도록 사용될 수 있다. 또한, 개방부가 실질적으로 유사한 크기일 수 있지만, 입구 매니폴드의 개방부 및 입구 밸브는 입구를 통과하는 가스 용적이 출구를 통과하는 생성물 용적보다 작을 수 있으므로 출구 매니폴드의 개방부 및 입구 밸브보다 작은 직경을 가질 수 있다.
이러한 구성에서, 계면은 헤드(406 및 408)에 인접한 흡착제 베드(402)의 단부이다. 계면 단면 영역은 헤드(406 및 408)에 인접한 각각의 단부에서 흡착제 베드(402)의 단면 영역이다. 이러한 구성에 대해서, 밸브(412, 414)는 계면 단면 영역 내에 또는 부분적으로 배치되는 한편, 밸브(416, 418)는 흡착제 베드(402)에 의해 형성되는 계면 단면 영역의 외부에 또는 지나서 배치된다. 또한, 밸브들에 대한 밸브의 단면 영역은 흡착제 베드(402)에 인접한 밸브의 형상(또는 계면 단면 영역 외부의 밸브에 대한 베드를 향한 최인접면)에 의해 형성되는 반면, 계면 단면 영역은 흡착제 베드(402)의 형상에 의해서 형성된다. 이 구성에서, 밸브(412, 414)는 도관과 직접 유동 교통하고, 하우징 밖의 위치로부터 도관을 통해서 그리고 흡착제 베드(402)로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되고, 상기 밸브(412, 414)는 흡착제 베드(402)의 계면 단면 영역 내에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는 한편, 밸브(416, 418)는 흡착제 베드(402)의 계면 단면 영역 외부의 밸브 단면 영역을 가진다.
상술한 바와 같이, 밸브(416 및 418)는 헤드 주변부 외부에 있다(예: 흡착제 베드(402)의 계면 단면 영역 외부의 밸브 단면 영역을 갖는다). 다이애그램(400,420)에서, 상이한 구성들에는 흡착제 베드(402)로 통과하고 흡착제 베드로부터 멀리 안내되는 유체에 대한 상이한 유동 경로들이 제공된다. 다이애그램(400)의 경우, 밸브(416 및 418)는 도관(417)을 통한 유동 경로를 제공하며, 상기 유동 경로는 밸브들 사이에서 공유된다. 이들 밸브(416 및 418)로부터의 유체의 유동은 흡착제 베드를 통과하는 주요 유동 경로를 따르도록 전환되어야 한다. 이 구성에서, 도관(417)은 헤드(406)(예: 상부 평평한 헤드)에 연결된 90도 엘보우이다. 이 엘보우의 다른 단부에는 2개의 밸브(416 및 418)가 설치된다. 도관은 밸브(416 및 418)의 밸브 조립체를 제거하지 않고 이들 플랜지를 제거하면 헤드(406) 및 흡착제 베드(402)에 용이하게 접근할 수 있도록 플랜지될 수 있다. 이러한 구성에서, 도관(417)은 도관(417)을 통해서 각각의 밸브(416 및 418)로 흐르는 냉온 가스 스트림에 노출된다. 결과적으로, 이 구성에서 큰 열 전달 손실이 나타날 수 있다.
다이애그램(420)의 경우, 밸브(416 및 418)는 각각 도관(422 및 424)을 통한 유동 경로를 제공한다. 이들 도관(422, 424)은 주요 유동 경로와 실질적으로 반대 방향으로부터 만곡된 유동 경로를 제공한다. 이와 같이, 이들 밸브(416, 418)로부터의 유체의 유동은 흡착제 베드(402)를 통하는 주요 유동 경로를 따르도록 전환되어야 한다. 이들 도관(422, 424)은 헤드(406)에 연결된 U-벤드로 만곡지고, 각각의 밸브(416, 418)는 이들 U-벤드의 다른 단부에 설치된다. U-벤드는 각각의 밸브(416 및 418)를 제거하지 않고 이들 플랜지를 제거하면, 헤드(406) 및 흡착제 베드(402)에 용이하게 접근할 수 있도록 플랜지될 수 있다. 이러한 구성에서, 각각의 도관(422 및 424)은 거의 일정한 온도의 움직이는 유체에 노출되기 때문에 공정 전체에서 거의 동일한 온도가 유지된다. 예를 들어, 생성물 밸브가 개방될 때, 이 밸브와 연결되는 도관을 통해서 냉각 가스가 흐르고 다른 도관은 거의 데드-레그(a dead-leg)와 같이 작동한다. 유사하게, 퍼지 입구 밸브가 개방될 때, 이 밸브에 연결된 도관을 통해 고온의 퍼지 가스가 흐르고 다른 도관은 거의 데드 레그와 같이 작동한다. 이와 같이, 퍼지 가스 스트림으로부터의 열 손실은 최소화된다. 혼합 구역은 또한 대체로 헤드(406)와 흡착제 베드(402) 사이의 좁은 영역으로 제한된다. 소량의 혼합이 도관(422 및 424)에서 발생할 수 있지만, 이는 성능에 해로울 것으로 예상되지는 않는다.
추가의 개선으로서, 흡착제 베드 유닛의 구성에 대한 추가적인 제한이 이행될 수 있다. 예를 들어, 흡착제 베드 유닛은 일련의 고속 작동 공정 스트림 밸브에 추가로 부착된 하우징에 일체로 고정된 도관을 갖는 수직 축방향 평면에서 배향될 수 있다. 밸브는 일련의 공정 공급부 및 생성물 헤더에 연결될 수 있다. 흡착제 베드 유닛의 최고 한계는 흡착제 베드와 같은 흡착제 베드 유닛의 내부에 접근하기 위해 사용되는 볼트-온 커버(예: 헤드)에서 종결될 수 있고, 일체형 유동 베인 또는 유동 전환기를 기계적으로 지지한다. 또한, 유동 베인은 가스 스트림 경로를 흡착제 베드로 또는 흡착제 베드로부터 분배하는 기구를 제공하는 공정 스트림 밸브에 정렬될 수 있다. 또한, 흡착제 베드 유닛의 최저 한계는 일련의 고속 작동 공정 스트림 밸브를 추가로 부착하는 매니폴드에서 종료될 수 있다. 최저 매니폴드는 상부 영역과 유사한 목적을 갖는 유사한 유동 베인을 지지한다.
흡착제 베드 유닛은 흡착제 베드 유닛의 수직축에 축방향으로 정렬된 원형, 정사각형, 직사각형 또는 다른 다각형의 횡단면 형상을 가질 수 있고 흡착제 베드 유닛의 수직축과 축방향으로 정렬되는 흡착제 베드를 포함한다. 흡착제 베드는 흡착제 베드 종결 단부들 모두에 위치한 일체형 유동 분배 하드웨어를 갖는 모놀리 식 금속 쉘 또는 라이너에 수납될 수 있다. 흡착제 베드는 동심원적으로 지지되고 복수의 체결구에 의해 상부 흡착제 베드 말단과 정렬될 수 있다. 지지 접촉면은 우회 가스 스트림이 흡착제 베드를 통하는 것 이외의 다른 곳으로 이동하는 것을 방지하는 동심의 밀봉부 링에 일체형일 수 있다. 하부 흡착제 베드는 축방향(예: 열 팽창 링에서)에서 서멀 베드 팽창을 허용하는 일련의 균등하게 이격된 금속 프롱(prong)과 동심원으로 정렬되도록 종료될 수 있다. 프롱은 수평면에서 흡착제 베드의 이동을 제한할 수 있다.
또한, 본 기술은 유연한 공정 밸브 구성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 기술은 최고 한계 밸브가 하우징 주변부 주위의 임의의 원하는 각도로 배열될 수 있는 것과 같은 대안 공정 밸브 위치를 포함할 수 있다. 또한, 반대편 밸브가 바람직하지 않을 때 흡착제 베드로의 공정 스트림 유동 정렬을 개선시키기 위해 밸브 배치가 사용될 수 있다. 본 기술은 원하는 사적 기준에 적합하도록 임의의 원하는 수직 배향으로 배치될 수 있는 최저 한계 밸브와 같은 대안 공정 밸브 배치를 추가로 제공한다.
또한, 본 기술은 턴어라운드 및 흡착제 베드 유지보수성을 개선시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 기술은 복잡하거나 기계화된 장치없이 내부 흡착제 베드에 접근, 제거 및 교체하는 단순한 방법을 제공한다. 1차 지지체가 볼트결합해제되면, 흡착제 베드 조립체는 수직 평면에서 흡착제 베드 유닛으로부터 들어 올려진다. 교체용 흡착제 베드 조립은 역순으로 설치된다. 또한, 흡착제 베드 바로 아래에 위치한 공정 스트림 밸브는 캐치 기구(예: 일시적인 박편 포일)로 보호될 수 있다. 박편 포일은 제거 가능한 커버 플레이트를 통해 설치될 수 있다. 보호 박편 포일은 유닛 턴어라운드 및 유지보수 작업 중에 외부 박편으로 밸브가 막히는 것을 줄이거나 피할 수 있다. 또한, 또 다른 장점으로서, 공정 도관 및 관련 공정 밸브 및 그들의 유압 유틸리티 서비스 시스템을 분해할 필요가 없는 흡착제 베드 조립체의 제거 및 교체는 유지보수 작업 및 비용을 감소시킨다.
또한, 본 기술은 종래의 흡착제 베드 유닛과 비교하여 다양한 비용 절약 인센티브를 제공한다. 예를 들어, 주문 제작된 융기된 면 용접 네크 플랜지로 종결되는 용기 폐쇄 부를 갖는 유사한 서비스를 갖는 종래의 흡착제 베드 유닛은 각각의 공정 밸브 사이의 밸브 동적 부하 및 최소 재료 리거먼트(material ligament)에 의해서 부여로 인한 수직 편향을 극복하도록 상당히 두꺼운 평평한 폐쇄 커버 상으로 모든 공정 밸브들을 위치시킨다. 이와 비교하여, 본 기술은 제안된 구성에서 최소 재료 두께를 갖는 단순한 폐쇄 커버 플레이트를 사용할 수 있다. 따라서, 종래의 흡착제 베드 유닛의 흡착제 베드를 서비스하기 위해서는, 내부 접근을 얻기 위해 폐쇄 커버 및 모든 공정 밸브와 인접한 도관을 제거해야 한다. 그러나, 본 기술은 흡착제 베드 유닛의 내부에 접근할 때 공정 스트림 밸브 또는 인접 도관을 강제적으로 분해할 필요가 없다. 또한, 종래의 흡착제 베드 유닛은 또한 대구경 공정 파이프로 통합되는 모든 공정 스트림 밸브로부터 및 모든 공정 스트림 밸브로부터의 도관들의 복잡한 배열을 요구할 수 있다. 이와 비교하여, 본 기술은 단순한 컴팩트한 파이프 배치를 채용한다. 상술한 재료의 용적과 컴팩트한 파이프-런 구성의 조합된 절감은 초기 제작, 미래 유지보수 및 장거리 유닛 운영 비용과 같은 직접적인 비용 절감 효과가 있다.
본 기술은 흡착제 베드 유닛 내의 흡착제 물질에 대한 접근 제한을 극복하기 위한 실시예를 제공한다. 예를 들어, 도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 본 기술의 대안 실시예에 따른 관련 밸브 조립체를 갖는 흡착제 베드 유닛의 일부의 추가 다이애그램(500, 520, 540 및 560)이다. 각각의 다이애그램(500, 520, 540 및 560)에 대해, 도 1과 유사한 구성으로 사용될 수 있는 흡착제 베드 유닛의 부분은 상부 헤드(506) 및 하부 헤드(508)와 함께 원통형 벽(502) 및 원통형 절연 층(504)을 포함할 수 있는 본체 또는 하우징을 포함한다. 상부 헤드(506) 및 하부 헤드(508)와 절연 층(504) 사이에 흡착제 베드(510)가 배치되어, 실질적으로 개방 유동 경로 용적으로 구성되는 상부 개방 구역 및 하부 개방 구역을 형성한다. 흡착제 베드 유닛의 개방 유동 경로 용적은 다양한 단계를 위해 관리되어야 하는 가스를 포함한다. 하우징은 예를 들어, 내부 영역 내에서 0.1 bara 내지 100 bara의 압력을 유지하도록 구성될 수 있다.
상부 헤드(506) 및 하부 헤드(508)는 헤드(506 또는 508) 중 하나가 흡착제 베드(510)에 접근할 수 있도록 상이한 구성을 가질 수 있다. 흡착제 베드 유닛은 상이한 매니폴드(미도시)에 결합되어서 흡착제 베드로 유체를 제공하고 안내한다. 다이애그램(500, 520, 540 및 560)에서, 상부 헤드(506)는 임의의 밸브를 포함하지 않지만, 하부 헤드(508)는 각각 밸브 조립체(512 및 514)와 같은 밸브 구조체(예: 포핏 밸브)가 삽입될 수 있는 개방부를 수용한다. 흡착제 베드의 상부 영역에 대해, 유체는 상이한 도관 구성을 통해 연결된 밸브(516 및 518)와 같은 밸브 구조체를 통해 헤드(506)와 흡착제 베드(510) 사이의 상부 개방 유동 경로 용적 내외로 유체가 유동한다. 이들 도관 구성들은 각각의 다이애그램(500, 520, 540 및 560)에서 하기 추가 논의된다. 각각의 헤드(506 또는 508)와 흡착제 베드(510) 사이의 상부 또는 하부 개방 유동 경로 용적은 또한 균일한 방식으로 흡착제 베드(510)로 유체를 직접 도입하는 유동 분배기(미도시)를 수용할 수 있다. 유동 분배기는 천공된 플레이트, 원형 플레이트 또는 유동을 흡착제 베드 상에 분배하는 다른 장치를 포함할 수 있다.
밸브 조립체(512, 514, 516 내지 518)가 포핏 밸브인 경우, 각각은 부싱 또는 밸브 가이드 내에 위치될 수 있는 스템 요소에 연결된 디스크 요소를 포함할 수 있다. 스템 요소는 각각의 밸브가 각각의 스템에 선형 이동을 부여하도록 구성된 작동 수단(미도시)과 같은 작동 수단에 연결될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 작동 수단은 단일 밸브를 작동시키기 위해 공정의 상이한 단계들에 대해 독립적으로 작동될 수 있거나 단일 작동 수단이 2개 이상의 밸브를 제어하도록 사용될 수 있다. 또한, 개방부가 실질적으로 유사한 크기일 수 있지만, 입구 매니폴드의 개방부 및 입구 밸브는 입구를 통과하는 가스 용적이 출구를 통과하는 생성물 용적보다 작을 수 있으므로 출구 매니폴드의 입구 및 입구 밸브보다 작은 직경을 가질 수 있다.
이러한 구성에서, 계면은 헤드(506 및 508)에 인접한 흡착제 베드(510)의 단부이다. 계면 단면 영역은 헤드(506 및 508)에 인접한 각각의 단부에서 흡착제 베드(510)의 단면 영역이다. 이 구성에 있어서, 밸브(512 및 514)는 계면 단면 영역 내에 또는 부분적으로 배치되는 반면, 밸브(516 및 518)는 흡착제 베드(510)에 의해 형성된 계면 단면 영역의 외부에 또는 넘어서 배치된다. 또한, 밸브에 대한 밸브 단면 영역은 흡착제 베드(510)에 인접한 밸브의 형상(또는 계면 단면 영역 외부의 밸브에 대해서 베드를 향한 최인접면)에 의해 형성되는 반면, 계면 단면 영역은 흡착제 베드(510)의 형상에 의해서 형성된다. 다이애그램(500)의 예로서, 밸브(512)가 원형 디스크 요소를 갖는 포핏 밸브이고 흡착제 베드(510)가 원형 프리즘의 형상을 갖는다면, 밸브(512)에 대한 밸브 단면 영역은 직경(505)을 갖는 원의 면적인 반면, 흡착제 베드(510)에 대한 계면 단면 영역은 직경(507)을 갖는 원의 면적이다. 유사하게, 밸브(516)가 원형 디스크 요소를 갖는 포핏 밸브이라면, 밸브(516)에 대한 밸브 단면 영역은 직경(509)을 갖는 원의 면적이다. 이 구성에서, 밸브(512 및 516)는 도관과 직접 유동 교통하고 도관을 통해서 하우징 밖의 위치로부터 흡착제 베드(510)로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되고, 밸브(512)는 흡착제 베드(510)의 계면 단면 영역 내에 배치된 밸브 단면 영역을 가지며, 밸브(516)는 흡착제 베드(510)의 계면 단면 영역 외부의 밸브 단면 영역을 가진다. 다른 구성들에서, 밸브들(512 및 514)은 흡착제 베드(510)의 계단 단면 영역 내에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 밸브(516 및 518)는 헤드 주변부 외부에 있다[예: 흡착제 베드(510)의 계면 단면 영역 외부의 밸브 단면 영역을 갖는다]. 다이애그램(500, 520, 540 및 560)에 있어서, 흡착제 베드(510)로 전달되고 흡착제 베드로부터 멀리 안내되는 유체에 대한 상이한 유동 경로들에 상이한 구성이 제공된다. 다이애그램(500)에 대해서, 밸브(516, 518)는 각각의 도관(517, 519)을 통한 유동 경로를 제공한다. 밸브(516, 518)로부터의 유체 유동은 흡착제 베드를 통과하는 주요 유동 경로를 따르도록 전환되어야 한다. 다이애그램(520)에서, 밸브(516, 518)는 각각 도관(522, 524)을 통한 유동 경로를 제공한다. 이들 도관(522, 524)은 주요 유동 경로와 실질적으로 반대 방향으로부터 만곡된 유동 경로를 제공한다. 이와 같이, 이들 밸브(516, 518)로부터의 유체의 유동은 흡착제 베드(510)를 통과하는 주요 유동 경로를 따르도록 전환되어야 한다. 다이애그램(540)에 있어서, 밸브(516, 518)는 각각 도관(542, 544)을 통과하는 유동 경로를 제공한다. 이들 도관(542, 544)은 주요 유동 경로와 실질적으로 동일한 방향으로부터 각진 유동 경로를 제공한다. 이와 같이, 이들 밸브(516 및 518)로부터의 유체의 유동은 보다 적은 압력 강하를 겪을 수 있지만, 흡착제 베드(510)를 통과하는 주요 유동 경로를 따르도록 전환되어야 한다. 다이애그램(560)의 경우, 밸브(516 및 518)는 각각 도관(562, 564)을 통과하는 유동 경로를 제공한다. 이들 도관(562, 564)은 주요 유동 경로와 실질적으로 동일한 방향으로부터 만곡된 유동 경로를 제공한다. 이와 같이, 이들 밸브(516 및 518)로부터의 유체의 유동은 보다 적은 압력 강하를 겪을 수 있는 반면, 흡착제 베드(510)를 통과하는 주요 유동 경로를 따르도록 전환되어야 한다.
구성을 더욱 개선시키기 위해, 구조 요소가 밸브의 도관 또는 하우징 통로에 근접한 플러그 유동을 제공하기 위해 밸브로부터의 통로에 사용될 수 있다. 이는 혼합량 및 대응하는 열 손실을 어느 정도 감소시킬 수 있다. 이러한 구성은 스트림이 흡착제 베드의 안팎으로 움직일 때 온도 프론트를 관리하기 위한 각진 유동 경로를 포함할 수 있다. 따라서, 흡착제 베드로의 유동을 위한 도관 또는 하우징 내에서의 각도 및 벤드는 벤드를 통한 근접한 플러그 유동 체제를 유지해야 한다. 따라서, 벤드를 형성하는 도관 또는 하우징은 플러그 유동 밸런싱 압력 강하 및 열교환에 참여하는 열 질량을 제공하기 위해 다양한 구조 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d 및 도 6e는 본 기술의 일 실시예에 따른 다양한 구조 요소를 갖는 도관을 제공한다. 도 6a에서, 내부 통로를 9개의 개별 통로로 분할하는데 사용되는 구조 요소(602, 603, 604 및 605)를 갖는 도관의 다이애그램(600)이 도시되어 있다. 또한, 도 6b는 통로를 2개의 개별 통로로 분할하는 단일 구조 요소(612)에 대한 단면의 다이애그램(610)을 제공한다. 도 6c는 통로를 3개의 개별 통로로 분할하는 2개의 실질적으로 평행한 구조 요소(622, 624)에 대한 단면의 다이애그램(620)을 제공한다. 도 6d는 통로를 4개의 개별 통로로 분할하는 2개의 교차 구조 요소(632 및 634)(예: 서로 수직)에 대한 단면의 다이애그램(630)을 제공한다. 도 6e는 통로를 6개의 개별 통로로 분할하도록 구성된 2개의 평행한 구조 요소에 대한 2개의 평행한 구조 요소(642, 644) 및 하나의 수직 구조 요소(646)에 대한 단면의 다이애그램(640)을 제공한다.
또한, 흡착제 베드 외부 영역에 대해, 충전제 요소 또는 구조체를 사용하여 사적을 감소시킬 수 있다. 충전제 구조체는 유동 경로를 관리하고 흡착제 베드 유닛 내의 사적을 줄이는데 사용될 수 있는 충전제 재료, 채널 및/또는 배플을 포함할 수 있다. 또한, 밸브 조립체와 같은 밸브는 상이한 스트림에 대한 리프트 플레이트 또는 다른 작동 기구과 같은 공통 작동 기구를 통해 작동(예: 개방 또는 폐쇄)하도록 구성될 수 있다.
유리하게, 본 기술은 다양한 개선을 제공한다. 하나의 개선은 밸브, 도관 또는 매니폴드를 제거하지 않고 흡착제 베드를 교체할 수 있는 능력이다. 다른 개선은 허용 가능한 순환 성능을 달성하기 위해 사적을 허용 가능한 수준으로 제한하는 것이다. 또 다른 개선은 흡착제 베드 입구로의 허용 가능한 유동 분배를 유지하는 것이다.
유리하게, 본 기술은 다양한 개선을 제공한다. 하나의 개선은 밸브, 도관 또는 매니폴드를 제거하지 않고 흡착제 베드를 교체할 수 있는 능력이다. 다른 개선점은 허용 가능한 순환 성능을 달성하기 위해 사적을 허용 가능한 수준으로 제한하는 것이다. 또 다른 개선은 흡착제 베드 입구로의 허용 가능한 유동 분배를 유지하는 것이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e 및 도 7f는 본 기술의 일 실시예에 따른 예시적인 흡착제 베드 유닛의 다이애그램(700, 720, 740, 750, 760 및 770)이다. 이들 다이애그램(700, 700, 720, 740, 750, 760 및 770)은 도 5d의 다이애그램(560)에서 흡착제 베드 유닛의 일 실시예이다. 다이애그램(700, 700, 720, 740, 750, 760 및 770)에서, 하우징(702)은 밸브 개방부(704, 706, 708 및 710), 상부 헤드(712) 및 하부 헤드(714)를 갖는 것으로 도시된다. 밸브 개방부(708, 710)는 하우징의 개별적인 도관 또는 제조된 부분일 수 있는 각각의 만곡된 본체 부분(709, 711)을 따라 하우징의 내부 영역 내로 유동 경로를 제공한다. 또한, 구조 요소(716)는 작동 중에 흡착제 베드 유닛을 지지 및 안정화시키는데 사용될 수 있다. 이 구성에서, 밸브 개방부(704 및 706)는 헤드(714)의 주변부 내에 배치되어, 밸브 개방부(704 및 706)에 설치된 임의의 밸브는 적어도 부분적으로 계면 단면 영역 내에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다. 밸브 개방부(708, 710)는 헤드(712)의 주변부의 외부에 배치되어, 밸브 개방부(708, 710)에 설치된 임의의 밸브는 계면 단면 영역 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다.
도 7a는 흡착제 베드 유닛의 입면도의 다이애그램(700)이다. 도 7b는 도 7a의 흡착제 베드 유닛의 절단면도의 다이애그램(720)이다. 이 다이애그램(720)에서, 흡착제 베드(722)는 하우징(702) 내에 배치된다. 또한, 헤드(712)는 폐쇄 커버(724), 공급 유동 전환기(726) 및 가스켓(728)을 포함하지만, 하부 헤드(714)는 생성물 유동 전환기(730)를 포함한다. 폐쇄 커버(724)는 생성물 유동 전환기(730)를 포함하는 반면, 하부 헤드(714)는 생성물 유동 전환기(730)를 포함한다. 폐쇄 커버(724)는 사적을 줄이고 헤드(712)를 향한 유체 유동을 방해하며, 공급 유동 전환기(726)는 만곡된 본체 부분(709 또는 711)로부터 흡착제 베드(722)를 향하여 공급 스트림을 지향시키고, 가스켓(728)은 헤드(712)로부터의 외부 위치로의 유동을 방해하는 밀봉 기구를 제공한다. 생성물 공급 전환기(730)는 생성물 스트림을 흡착제 베드(722)로부터 밸브 개방부(704 또는 706) 중 하나를 향하게 한다. 도 7c는 도 7a의 흡착제 베드 유닛의 분해도의 다이애그램(740)이다. 이 다이애그램(740)에서, 흡착제 베드(722) 및 헤드(712)의 상이한 구성요소가 도시되어 있다. 예를 들어, 내부 밀봉부(742)는 임의의 유체의 유동을 방해하고 유체가 흡착제 베드(722)를 우회하는 것을 줄이거나 방지하기 위해 흡착제 베드(722)와 하우징(702) 사이에 배치된다. 또한, 베드 고정 요소(744)는 흡착제 베드(722)를 하우징(702)에 고정하는데 사용되는 반면, 고정 요소(746)는 헤드(712)를 하우징(702)에 고정하는데 사용된다. 도 7d는 도 7a의 흡착제 베드 유닛의 상부의 절단면도의 다이애그램(750)인 반면, 도 7e는 도 7a의 흡착제 베드 유닛의 상부 부분의 대안 절단면도의 다이애그램(760)이다. 도 7f는 도 7a의 흡착제 베드 유닛의 하부 부분의 절단면도의 다이애그램(770)이다. 이 다이애그램(770)에서, 열 팽창 링(772)은 흡착제 베드(722)와 헤드(714) 사이에 배치된다. 열 팽창 링(772)은 흡착제 베드를 동심원 형태로 고정하고, 흡착제 베드(722)의 축방향 열 팽창을 제공하는 인장 링일 수 있다.
다이애그램(700, 700, 720, 740, 750, 760 및 770)의 흡착제 베드 유닛은 스윙 흡착 공정을 수행하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 스윙 흡착 공정은 순환을 형성하는 공급 단계 및 재생 단계(예: 퍼지 단계)를 포함한다. 공급 단계는 공급물 스트림을 밸브 개방부(708)를 통해 흡착제 베드(722)로 통과시키고 생성물 스트림을 밸브 개방부(704)를 통해 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 일단 공급물 스트림이 차단되면, 재생 단계는 하나 이상의 감압 단계 및/또는 하나 이상의 퍼지 단계를 포함할 수 있다. 감압 단계는 흡착제 베드(722)로부터 밸브 개방부(710)를 통해 유체를 유동시키는 것을 포함할 수 있지만, 퍼지 단계는 밸브 개방부(706)를 통해 흡착제 베드(722)로 퍼지 스트림을 통과시키고 퍼지 벤트 스트림을 흡착제 베드(722)로부터 밸브 개방부(710)를 통해 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 추가의 공정 스트림이 다른 실시예에서 추가의 밸브를 갖는 공정에 포함될 수 있다.
이해할 수 있는 바와 같이, 헤드들 중 하나의 베인 또는 전환기는 흡착제 베드로부터 또는 흡착제 베드를 통한 유체의 유동을 관리하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7b에 도시된 바와 같이, 공급 유동 전환기(726)[예: 헤드(712) 내의 베인]의 각도는 내부에 진입하는 각각의 만곡된 본체 부분(709 또는 711)(예: 밸브 도관)의 각도와 대략 동일할 수 있고 이 각도는 도관 및/또는 베인의 최내부 표면이 흡착제 베드(722)의 반대 에지로 선형으로 돌출하도록 선택되어, 전체 흡착제 베드(722)를 가로질러 유동을 분배할 수 있다. 상이한 구성에서, 만곡된 본체 부분(709 또는 71)과 같은 밸브 도관은 주요 흡착제 유동 방향과 실질적으로 수직일 수 있고 서로 직접 대향할 수 있다(예: 도 5a에 도시된 바와 같이). 이러한 구성들에서, 전환기 또는 베인은 유체 유동 경로를 편향시켜 하나의 도관으로부터의 유동이 반대편 도관을 향하여 직접 안내되어 진입하는 것을 방지할 수 있다. 만곡된 도관 또는 본체 부분은 유체가 도관과 흡착제 베드 사이를 통과함에 따라 임의의 압력 강하를 감소시킨다. 또한, 압력 강하를 감소시키는 것 이외에, 밸브 도관 또는 본체 부분의 만곡된 형상은 밸브의 수직 배향을 유지하는데 사용될 수 있으며, 이는 밸브 구성요소의 불균일한 하중으로 인해 밸브(예: 밸브 스템)의 마모를 감소시킬 수 있다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 본 기술의 일 실시예에 따른 흡착제 베드 유닛 및 관련 열 팽창 링의 일부의 다이애그램(800, 820 및 840)이다. 다이애그램(800, 820 및 840)은 상이한 구성의 흡착제 베드(802) 및 열 팽창 링(804)의 부분을 포함한다.
예를 들어, 도 8a는 흡착제 베드(802)의 일부 및 열 팽창 링(804)의 일부의 예시적인 실시예의 부분 절결도(800)이다. 언로딩 상태 또는 팽창 상태인 열 팽창 링(804)은 흡착제 베드(802)와 흡착제 베드 유닛의 하우징 또는 헤드(미도시) 사이에 배치된다. 도 8b는 흡착제 베드 유닛의 하우징(824) 내의 흡착제 베드(802) 및 열 팽창 링(804)의 일부의 분해도(820)의 부분 절개도이다. 이 다이애그램(820)에서, 열 팽창 링(804)은 흡착제 베드(802)와 헤드(822) 사이에 배치되지만, 언로드되거나 팽창된 상태로 남아있다. 도 8c는 흡착제 베드 유닛의 하우징(824) 내의 흡착제 베드(802) 및 열 팽창 링(804)의 일부의 다이애그램(820)의 부분 절개도이다. 이 다이애그램(840)에서, 열 팽창 링(804)은 흡착제 베드(802)와 헤드(822) 사이에 배치되어 압축된 상태에 있다. 열 팽창 링(804)은 로딩 또는 압축 상태에서 가요성을 제공하기 위해 다양한 노치(842)를 포함한다.
이해할 수 있는 바와 같이, 열 팽창 링(804)은 흡착제 베드(802)를 지지하기 위해 상이한 개선을 갖는다. 예를 들어, 열 팽창 링의 곡률은 언로딩 상태로부터 압축된 상태로 구부러지도록 구성된다. 또한, 열 팽창 링(804)의 노치(842)는 열 팽창 링(804)의 피로를 줄이는데 사용될 수 있다. 또한, 열 팽창 링(804)은 강철과 같은 재료로 제조될 수 있다.
도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 9d 및 도 9e는 본 기술의 일 실시예에 따른 캐치 기구의 다이애그램(900, 920, 940, 960 및 970)이다. 이러한 캐치 기구는 흡착제 베드를 교환하는 것과 같은 유지보수 작업 중에 흡착제 베드의 내부 영역으로 떨어질 수 있는 이물질 박편을 편향시키는데 사용될 수 있다. 캐치 기구는 흡착제 베드 유닛의 하부 헤드 또는 부분 내의 재료에 대한 경로 및 접근을 제공할 수 있다.
예를 들어, 도 9a 및 도 9b는 흡착제 베드 유닛용 캐치 기구의 예시적인 실시예이다. 이들 다이애그램(900 및 920)에서, 도 4a 내지 도 4b, 도 5a 내지 도 5d 또는 도 7a 내지 도 7f의 흡착제 베드 유닛들 중 하나일 수 있는 흡착제 베드 유닛의 일부가 도시되어 있다. 이들 다이애그램(900 및 920)에서, 흡착제 베드 유닛의 일부는 본체 부분 또는 하우징(904) 및 헤드(906) 내에 배치된 흡착제 베드(902)를 포함한다. 밸브(908 및 910)와 같은 밸브들은 헤드(906)에 부착되어서, 흡착제 베드(902)와 외부 위치 사이의 유동 경로를 제공한다.
유지보수 동안 흡착제 베드 유닛 내의 박편을 편향시키기 위해, 스윙 흡착 작업 동안 밀봉을 제공하고 흡착제 베드 유닛의 내부 영역으로부터 박편을 제거하는데 캐치 기구가 사용될 수 있다. 캐치 기구는 유지보수 포트(912) 및 박편 포일(914)을 포함할 수 있다. 다이애그램(900)에서, 박편 포일(914)은 유지보수 포트(912)를 통해 배치되고, 내부 영역으로 들어가고 헤드(906)를 향하여 이동되는 임의의 박편들이 캐치 플랫(914)에 의해 밸브(908 및 910)로부터 차단되도록 각도형성된다. 다이애그램(920)에서, 박편 포일(914)이 제거되고 플러그(미도시)가 유지보수 포트(912) 내로 설치된다. 플러그는 포트를 밀봉하고 유지보수 포트(912)와 흡착제 베드 유닛의 내부 영역의 외부 위치 사이의 유체 유동을 방지하는데 사용될 수 있다.
다른 예로서, 도 9c, 도 9d 및 도 9e는 흡착제 베드 유닛에 대한 다른 캐치 기구의 예시적인 실시예이다. 이들 다이애그램(940, 960 및 970)에서, 흡착제 베드 유닛의 일부가 도시되어 있으며, 이는 하부 밸브 배치 및 관련 헤드를 제외한 상태에서, 도 4a 내지 도 4b, 도 5a 내지 도 5d 또는 도 7a 내지 도 7f의 흡착제 베드 유닛과 유사할 수 있다. 이들 다이애그램(940, 960 및 970)에서, 흡착제 베드 유닛의 일부는 본체 부분 또는 하우징(944) 및 헤드(946) 내에 배치된 흡착제 베드(942)를 포함한다. 포핏 밸브(948 및 950)와 같은 밸브는 헤드(946)에 부착되어서, 흡착제 베드(942)와 외부 위치 사이에 유체 유동 경로를 제공한다.
상기 구성과 유사하게, 스윙 흡착 작동 중에 밀봉을 제공하고 흡착제 베드 유닛의 내부 영역으로부터 박편을 제거하기 위해 캐치 기구가 사용될 수 있다. 캐치 기구는 유지보수 포트(952) 및 박편 포일(954) 및 캐치 플러그(956)를 포함할 수 있다. 도 9c의 다이애그램(940)에서, 박편 포일(954)은 유지보수 포트(952)를 통해 배치되고 내부 영역으로 들어가고 헤드(956)를 향하여 이동하는 임의의 박편이 박편 포일(954)에 의해 밸브(948 및 950)로부터 차단되도록 각도형성된다. 또한, 캐치 플러그(956)는 유지보수 포트(952) 내의 박편 포일(954) 및 흡착제 베드 유닛의 상기 부분에 대한 접근을 제공하기 위해 유지보수 포트(952)로부터 결합해제된다. 도 9d의 다이애그램(960)에서, 박편 포일(954)은 제거되고 캐치 플러그(956)는 체결구에 의해서 유지보수 포트(952)에 설치된다. 캐치 플러그(956)는 포트를 밀봉하고 유지보수 포트(952)와 흡착제 베드 유닛의 내부 영역 외부 위치의 임의의 유체 유동을 방해하는데 사용될 수 있다. 도 9e의 다이애그램(970)에서, 도 9c 및 도 9d의 흡착제 베드 유닛의 일부의 평면도가 도시되어 있다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 본 기술의 일 실시예에 따른 4개의 흡착제 베드 유닛 및 상호 연결 파이프를 갖는 스윙 흡착 시스템의 3차원 다이애그램(1000, 1020 및 1040)이다. 이 구성은 스키드의 특정 예이지만, 이 특정 구성은 다른 수의 흡착제 베드 유닛을 포함할 수 있는 예시적인 목적을 위한 것이다.
이 시스템에서, 흡착제 베드 유닛(1002)과 같은 흡착제 베드 유닛은 공급물 스트림(예: 유체, 가스 또는 액체)으로부터 오염물들을 제거하기 위한 순환 스윙 흡착 공정을 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 흡착제 베드 유닛(1002)은 흡착제 베드 유닛(1002) 내의 흡착제 베드를 통과하는, 흡착제 베드로의 또는 흡착제 베드로부터의 유체 유동을 관리하기 위한 다양한 도관[예: 도관(1004)]을 포함할 수 있다. 흡착제 베드 유닛(1002)으로부터의 도관은 매니폴드[예: 매니폴드(1006)]에 결합되어서 구성요소로 또는 구성요소로부터 또는 구성요소들 사이에서 스트림의 유동을 분배한다. 흡착제 베드 유닛 내의 흡착제 베드는 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물을 분리하여 생성물 스트림을 형성할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 흡착제 베드 유닛은 퍼지 스트림, 감압 스트림 등과 같은 공정의 일부로서 다른 유체 증기를 제어하기 위한 다른 도관을 포함할 수 있다.
스윙 흡착 시스템의 이러한 구성은 공정의 작동을 다양하게 개선시킨다. 예를 들어, 시스템은 외부 [예: 헤드(1008)의 주변부 및 흡착제 베드(미도시)의 계면 단면 영역 외부] 위치들에 배치된 상부 또는 제 1 헤드(1008)와 같은 헤드들 중 하나를 위한 밸브를 포함한다. 헤드(1010)와 같은 하부 또는 제 2 헤드용 다른 밸브는 적어도 부분적으로 제 2 헤드의 주변부 또는 흡착제 베드의 계면 단면 영역 내에 배치된다. 이러한 방식으로, 흡착제 베드 유닛 내의 흡착제 베드는 임의의 밸브, 도관 및/또는 매니폴드를 제거하지 않고도 접근될 수 있다.
도 11a, 도 11b, 도 11c, 도 11d, 도 11e 및 도 11f는 본 발명의 일 실시예에 따른 대안 밸브 조립체 및 매니폴드를 갖는 흡착제 베드 유닛의 일부의 다이애그램(1100, 1110, 1120, 1130, 1140 및 1150)이다. 대안 밸브 구성은 스키드에서 설비의 분배를 관리하는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 11a 및 도 11b는 흡착제 베드 유닛의 일부에 대한 제 1 대안 실시예의 예시적인 실시예이다. 이들 다이애그램(1100, 1110)에는, 도 4a 내지 도 4b, 도 5a 내지 도 5d 또는 도 7a 내지 도 7f의 흡착제 베드 유닛들 중 하나일 수 있는 흡착제 베드 유닛의 일부가 도시되어 있다. 이들 다이애그램(1100 및 1110)에서, 흡착제 베드 유닛의 일부는 본체 부분 또는 하우징(1104) 및 헤드(1106) 내에 배치된 흡착제 베드(미도시)를 수용하기 위한 내부 영역(1102)을 포함한다. 포핏 밸브(1107 및 1108)와 같은 밸브들은 헤드(1106)에 부착되어 흡착제 베드와 외부 위치 사이에 유체 유동 경로를 제공한다. 이 구성의 밸브는 동일한 작동 평면에서 비반대편 밸브로서 배치된다. 다이애그램(1100)은 흡착제 베드 유닛의 일부의 평면도이고, 도 11b의 다이애그램(1110)은 흡착제 베드 유닛의 일부의 측면도이다. 이 다이애그램(1110)에서, 캐치 기구(1112)는 도 9a 내지 도 9e를 참조하여 상술된 바와 같이 작동할 수 있는 헤드(1106)의 하부 부분에 배치된다.
다른 예로서, 도 11c 및 도 11d는 흡착제 베드 유닛의 일부에 대한 제 2 대안 실시예의 예시적인 실시예이다. 이들 다이애그램(1120, 1130)에는, 도 4a 내지 도 4b, 도 5a 내지 도 5d, 도 7a 내지 도 7f 또는 도 8c 내지 도 8e의 흡착제 베드 유닛들 중 하나일 수 있는 흡착제 베드 유닛의 일부가 도시되어 있다. 이들 다이애그램(1120 및 1130)에서, 흡착제 베드 유닛의 일부는 본체 부분 또는 하우징(1124) 및 헤드(1126) 내에 배치된 흡착제 베드(1122)를 포함한다. 포핏 밸브(1127 및 1128)와 같은 밸브는 헤드(1126)에 부착되어서 흡착제 베드와 외부 위치 사이의 유체 유동 경로를 제공한다. 이 구성의 밸브는 반대 방향으로의 대안 밸브 배치로서 배치된다. 다이애그램(1120)은 흡착제 베드 유닛의 일부의 평면도이고, 다이애그램(1130)은 흡착제 베드 유닛의 일부의 측면도이다. 이 다이애그램(1130)에서, 캐치 기구(1132)는 도 9c 내지 도 9e를 참조하여 상술한 바와 같이 작동할 수 있는 헤드(1126)의 하부 부분에 배치된다.
또 다른 예로서, 도 11e 및 도 11f는 흡착제 베드 유닛의 일부에 대한 제 3 대안 실시예의 예시적인 실시예이다. 이들 다이애그램(1140, 1150)에는, 도 4a 내지 도 4b, 도 5a 내지 도 5d, 도 7a 내지 도 7f의 흡착제 베드 유닛들 중 하나일 수 있는 흡착제 베드 유닛의 일부가 도시되어 있다. 이러한 다이애그램(1140 및 1150)에서, 흡착제 베드 유닛의 일부는 본체 부분 또는 하우징(1144) 및 헤드(1146) 내에 배치된 흡착제 베드(1142)를 포함한다. 포핏 밸브(1147, 1148)와 같은 밸브는 헤드(1146)에 부착되어서 흡착제 베드와 외부 위치 사이에 유체 유동 경로를 제공한다. 이 구성의 밸브는 동일한 작동 평면에서 대안 배치로 배치된다. 다이애그램(1140)은 흡착제 베드 유닛의 일부의 평면도이고, 다이애그램(1150)은 흡착제 베드 유닛의 일부의 측면도이다.
또 다른 구성에서, 도 12는 본 기술의 일 실시예에 따른 음향 감쇠 시스템에 배치된 흡착제 베드 유닛(1202)의 3 차원 다이애그램(1200)이다. 이 구성에서, 흡착제 베드 유닛(1202)은 밸브(1204, 1205, 1206 및 1207)와 같은 다양한 포핏 밸브를 포함한다. 고속 스윙 흡착 공정을 위한 이들 포핏 밸브의 작동은 다량의 소음을 생성할 수 있다. 따라서, 흡착제 베드 유닛(1202)으로부터 생성된 소리를 억제하기 위해 음향 감쇠 시스템이 사용될 수 있다. 상기 음향 감쇠 시스템은 흡착제 베드 유닛(1202) 주위에 배치된 다양한 음향 패널(1210, 1212, 1214, 1216, 1218 및 1220)을 포함할 수 있다. 이들 음향 패널(1210, 1212, 1214, 1216, 1218 및 1220)은 음향 감쇠 시스템 내의 음향 파를 반사시키도록 구성되거나 또는 흡착제 베드 유닛에 의해 생성된 음향 파의 일부를 흡수하도록 구성될 수 있다.
이해할 수 있는 바와 같이, 음향 감쇠 시스템은 다양한 개선을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 음향 감쇠 층[예: 음향 패널(1210, 1212, 1214, 1216, 1218 및 1220)]의 주위에 제 2 음향 감쇠 층을 형성함으로써 음향 패널(1210, 1212, 1214, 1216, 1218 및 1220)을 둘러싸도록 제공될 수 있다. 또한, 다른 예로서, 하나 이상의 엔클로저가 밸브들(1204, 1205, 1206 및 1207)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 본 기술은 스윙 흡착 공정을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정은 하나 이상의 흡착 단계 및 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 것을 포함할 수 있다. 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행함에 있어서, 각각의 흡착 단계는 (i) 가스 공급물 스트림을 공급물 입구 도관으로부터 흡착제 베드 유닛의 하우징의 내부 영역에 배치된 흡착제 베드로 통과시키기 위해 복수의 공급물 포핏 밸브를 개방시키는 단계, 그리고 (ii) 가스 공급물 스트림으로부터 하나 이상의 오염물을 분리시켜 생성물 스트림을 형성하기 위해 가스 공급물 스트림을 흡착제 베드에 노출시키는 단계 및 (iii) 하우징 내의 내부 영역으로부터 생성물 도관으로 생성물 스트림을 멀리 안내하기 위해 하나 이상의 생성물 포핏 밸브를 개방시키는 단계를 포함한다. 복수의 공급물 포핏 밸브들 각각은 공급물 입구 도관과 직접 유동 교통할 수 있고 하우징 외부의 위치로부터 공급물 입구 도관을 통해 그리고 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 흡착제 베드의 한 단부에 대한 복수의 포핏 밸브들 중 적어도 하나는 흡착제 베드의 계면 단면 영역 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다. 다른 단부 또는 제 2 단부에서, 흡착제 베드의 다른 단부에 대한 복수의 포핏 밸브들 중 적어도 하나는 흡착제 베드의 계면 단면 영역 내에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다. 또한, 하나 이상의 퍼지 단계를 수행함에 있어서, 하나 이상의 퍼지 단계 각각은 퍼지 출력 스트림에서 하나 이상의 오염물의 적어도 일부를 멀리 안내하기 위해 퍼지 스트림을 흡착제 베드 유닛 내로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 다음, 흡착 및 퍼지 단계는 적어도 하나의 추가 순환 동안 반복될 수 있고, 상기 순환 지속 시간은 1초 초과 600초 미만의 기간이다.
또한, 공정은 다른 개선 사항을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공정은 복수의 밸브를 개방하기 위해 공통 작동 기구를 이동시키는 단계; 상기 가스 공급물 스트림을 상기 흡착제 베드에 인접하게 배치된 충전제 재료 주위의 유동 경로를 통과시키는 단계; 흡착제 베드와 복수의 공급물 포핏 밸브들 사이에 배치된 유동 분배기를 통해 가스 공급물 스트림을 흡착제 베드에 분배하는 단계; 및/또는 적어도 하나의 공급 밸브 스템에 연결된 공급 디스크 요소와 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 공급 시트 사이에 공급 개방부를 제공하기 위해 적어도 하나의 공급 밸브 스템에서 공급 작동 기구과 함께 선형으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 공정은 1초 초과 90초 미만의 기간 동안 하나 이상의 오염물을 가스 공급물 스트림으로부터 분리하여 생성물 스트림을 형성시키는 순환 지속 기간; 공급물 스트림의 총 용적을 기준으로 1 용적% 초과의 탄화수소 함유 스트림인 가스 공급물 스트림을 제공하는 단계; 및/또는 흡착 단계 동안 400 psia(pounds per square inch absolute) 내지 1,400 psia 범위의 공급 압력을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
시스템 및/또는 흡착제 베드 유닛을 제조하기 위해, 다양한 제조 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛의 제조 방법은, 내부 영역을 갖는 하우징을 형성하는 단계로서, 상기 하우징이 본체 부분, 제 1 헤드 및 제 2 헤드를 포함하는 상기 하우징을 형성하는 단계; 상기 하우징의 내부 영역 내에 흡착제 베드를 배치하는 단계; 상기 제 1 헤드에 복수의 제 1 밸브들을 고정시키는 단계; 제 2 헤드 근처의 단부에서 하우징에 제 2 복수의 밸브를 고정시키는 단계로서, 상기 제 2 헤드는 임의의 밸브를 구비하지 않는, 상기 하우징에 제 2 복수의 밸브를 고정시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 복수의 제 1 및 제 2 밸브들 각각은 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되며, 상기 복수의 제 1 밸브들 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 흡착제 베드의 계면 단면 영역 내에 배치된 밸브 단면 영역을 가지며, 복수의 제 2 밸브들 각각은 흡착제 베드의 계면 단면 영역 및/또는 제 2 헤드의 단면 영역 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는다.
하나 이상의 실시예에서, 재료는 비흡착제 지지체 상에 지지된 흡착제 물질을 포함할 수 있다. 흡착제 물질의 비제한적인 예는 알루미나, 미세다공성 제올라이트, 탄소, 양이온 제올라이트, 고 실리카 제올라이트, 고도로 규소질된 메조포러스 재료(highly siliceous ordered mesoporous material), 졸 겔 재료, 알루미늄인 및 산소(ALPO) 재료(주로 알루미늄 인 및 산소를 함유하는 미세다공성 및 메조포러스 재료, 규소 알루미늄 인 및 산소(SAPO) 재료(규소 알루미늄 인 및 산소를 주로 함유하는 미세다공성 및 메조포러스 재료), 금속 유기 골격(MOF) 재료(금속 유기 골격으로 구성된 미세다공성 및 메조포러스 재료) 및 제올라이트 이미 다졸 레이트 골격(ZIF) 재료(제올라이트 이미다졸레이트 골격으로 구성된 미세다공성 및 메조포러스 재료)를 포함할 수 있다. 다른 재료에는 작용기로 작용화된 미세다공성 및 메조포러스 솔벤트가 포함된다. CO2 제거에 사용될 수 있는 작용기의 예로는 1 급, 2 급, 3 급 및 기타 비양자 염기성 기(non protogenic basic group), 예컨대 아미딘, 구아니딘 및 비구아니드가 포함될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 흡착제 베드 유닛은 공급물 스트림으로부터 오염물을 분리하는데 사용될 수 있다. 상기 방법은 하나 이상의 오염물을 상기 가스 공급물 스트림으로부터 분리하여 생성물 스트림을 형성하기 위해 흡착제 접촉기를 갖는 흡착제 베드 유닛을 통해 공급 압력에서 가스 공급물 스트림을 통과시키는 단계; 가스 공급물 유동의 유동을 차단하는 단계; 상기 흡착제 베드 유닛 내의 압력을 감소시키는 감압 단계를 수행하는 단계; 상기 흡착제 베드 유닛 내의 압력을 감소시키는 퍼지 단계를 수행하는 단계; 상기 흡착제 베드 유닛 내의 압력을 증가시키는 재가압 단계를 수행하는 단계; 및 a) 내지 e) 단계를 적어도 하나의 추가 순환 동안 반복하는 단계를 포함한다.
또한, 하나 이상의 실시예에서, 흡착제 베드 유닛은 가스 혼합물로부터 타겟 가스의 분리를 위해 사용될 수 있는 흡착제 베드를 포함할 수 있다. 흡착제는 일반적으로 비흡착제 지지체 또는 접촉기에 지지된 흡착제 물질로 구성된다. 이러한 접촉기는 실질적으로 평행한 유동 채널을 포함하며, 여기서 유동 채널을 제외한 접촉기의 개방 공극 용적의 20 용적 %, 바람직하게는 15 용적 % 이하가 약 20 옹스트롬보다 큰 공극 내에 있다. 안정된 상태에서 공급물 스트림이 접촉기로 들어가는 지점 또는 장소와 생성물 스트림이 접촉기를 빠져 나가는 지점 또는 장소 사이에 압력차가 인가되면, 유동 채널은 가스가 흐르는 접촉기의 부분으로 간주된다. 접촉기에서, 흡착제는 유동 채널의 벽 내에 통합된다.
또 다른 실시예에서, 가스 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 순환 스윙 흡착제 베드 유닛이 기술된다. 흡착제 베드 유닛은: 내부 영역을 형성하는 하우징; 상기 내부 영역 내에 배치된 흡착제 베드; 및 상기 하우징에 고정된 복수의 밸브를 포함하며, 상기 복수의 밸브 각각은 도관을 통해 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 흡착제 베드로 연장된는 유동 경로를 따라 유체 유동을 제어하도록 구성되며, 상기 헤드들 중 하나는 헤드의 주변부 또는 헤드의 단면 내에 배치된 어떠한 밸브도 갖지 않는다.
또한, 흡착제 베드 유닛은 능동 제어식 포핏 밸브 및 수동 제어식 밸브를 포함할 수 있다. 능동 제어식 포핏 밸브 조립체로 지칭될 수 있는 능동 제어식 포핏 밸브 각각은 헤드 내에 착석 가능한 디스크 요소에 고정된 스템 요소 또는 헤드 내에 삽입된 개별 밸브 시트 내에 착석 가능한 디스크 요소를 포함할 수 있다. 스템 요소는 각각의 밸브가 각각의 스템 요소에 선형 이동을 부여하도록 구성된 전자 유압식 또는 전기-공압식 작동 기구과 같은 작동 기구에 연결될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 작동 기구는 단일 밸브를 작동시키기 위해 공정의 상이한 단계에 대해 독립적으로 작동될 수 있거나 또는 단일 작동 기구가 2 개 이상의 밸브를 제어하도록 사용될 수 있다. 일 예로서, 능동 제어식 포핏 밸브를 개방시키는 것은 적어도 하나의 밸브 스템에 결합된 디스크 요소와 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 시트 사이에 개방부를 제공하기 위해 적어도 하나의 밸브 스템을 작동 기구와 함께 선형 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 능동 제어식 포핏 밸브를 개방시키는 것은 개방부를 제공하기 위해 밸브 스템에 고정된 리프트 플레이트를 작동 기구에 의해 선형으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있으며, 밸브 스템 각각은 디스크 요소에 고정되고 각각의 개방부는 디스크 요소와 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 관련 시트 사이에 갭 또는 유동 경로를 형성한다.
수동 제어식 밸브는 수동 제어식 포핏 밸브, 수동 제어식 체크 밸브, 수동 제어식 리드 밸브 및 기타 적절한 수동 제어식 밸브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수동 제어식 포핏 밸브 조립체로 지칭될 수 있는 수동 제어식 포핏 밸브는 각각 헤드 내에 착석 가능한 디스크 요소 또는 헤드 내에 삽입된 개별 밸브 시트 내에 착석 가능한 디스크 요소에 고정된 스템 요소를 포함할 수 있다. 스템 요소는 각각의 밸브가 각각의 스템 요소에 선형 이동을 부여하게 하도록 구성된 스프링 또는 다른 편향 기구과 같은 편향 기구에 연결될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 편향 기구는 공정의 상이한 단계에 대해 독립적으로 작동될 수 있고 단일 밸브 또는 2 개 이상의 밸브를 작동시키기 위해 압력 차에 기초하여 작동될 수 있다. 수동 제어식 포핏 밸브의 한 구성은 스프링 로딩된 수동 제어식 포핏 밸브를 포함할 수 있다. 이러한 스프링-로딩된 구성에서, 디스크 요소는 중공의 스템 요소 내에 적어도 부분적으로 배치된 스프링을 갖는 중공의 스템 요소와 일체인 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 수동 제어식 포핏 밸브의 개방은 적어도 하나의 생성물 밸브 스템에 결합된 생성물 디스크 요소와 흡착제 베드 유닛의 하우징에 고정된 생성물 시트 사이에 생성물 개방을 제공하기 위해 생성물 편향 기구로 적어도 하나의 생성물 밸브 스템을 선형으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 생성물 편향 기구는 특정 임계치를 초과하는 내부 영역과 생성물 도관 사이의 압력 차에 기초하여 선형적으로 이동하도록 구성될 수 있다. 다른 구성에서, 압력 차에 기초한 선형 이동은 동 위상으로 작동하는 다양한 밸브에 대해 상이할 수도 있다. 예를 들어, 동 위상으로 작동하는 수동 제어식 밸브는 25 % 미만, 20 % 미만 또는 10 % 미만의 범위 또는 차동 창을 포함할 수 있다(예: 차동 창은 최고 압력 차동에서 최저 차압을 뺀 값으로 계산될 수 있고 그 차는 최대 차압으로 나누어짐). 또 다른 예로서, 수동 제어식 밸브는 일 단부에 고정되고 수동 제어된 유동 영역을 개방하도록 구부러지는 금속 또는 복합 재료의 가요성 스트립으로 이루어진 리드 밸브로서 구성될 수 있다. 수동 제어식 리드 밸브는 주어진 풋 프린트에서 주어진 차압에서 더 많은 유동을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 본 기술에서의 고속 순환 스윙 흡착 공정은 고속 순환 온도 스윙 흡착(RCTSA) 및 압력 스윙 흡착(PSA)이다. RCTSA의 경우, 총 순환 시간은 통상적으로 600초 미만, 바람직하게는 200초 미만, 보다 바람직하게는 100초 미만, 더욱 더 바람직하게는 60초 미만이다.
개시된 발명의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예를 고려할 때, 예시적인 실시예는 본 발명의 바람직한 예일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 인식해야 한다.

Claims (22)

  1. 가스 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하기 위한 순환 스윙 흡착제 베드 유닛으로서,
    내부 영역을 형성하는 하우징으로서, 제 1 헤드와 제 2 헤드 사이에 고정된 본체 부분을 포함하는, 상기 하우징;
    상기 내부 영역 내에 배치된 흡착제 베드; 및
    상기 하우징에 고정된 복수의 제 1 밸브들로서, 상기 복수의 제 1 밸브들 각각은 상기 하우징 외부의 위치로부터 도관을 통해 그리고 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따르는 유체 유동을 제어하도록 구성되며, 상기 복수의 제 1 밸브들 각각은 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역 외부에 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 복수의 제 1 밸브들;을 포함하고,
    상기 복수의 제 1 밸브들은 포핏 밸브들이고, 상기 흡착제 베드는 비흡착제 지지체 상에 지지된 흡착제 물질로 구성되며, 상기 지지체는 실질적으로 평행한 유동 채널들을 포함하고, 상기 흡착제 베드는 상기 하우징으로부터 상기 복수의 제 1 밸브들을 제거하지 않고 상기 제 1 헤드를 제거함으로써 달성되는 상기 내부 영역으로의 접근에 의해 제거되고 교체될 수 있는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 헤드에 고정된 복수의 제 2 밸브들을 추가로 포함하고, 상기 복수의 제 2 밸브들 각각은 상기 하우징 외부의 위치로부터 도관을 통해 그리고 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따르는 유체 유동을 제어하도록 구성되며, 상기 복수의 제 2 밸브들 각각은 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역 내에 적어도 부분적으로 배치된 밸브 단면 영역을 갖는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  3. 제 2 항에 있어서,
    박편 포일(debris foil)을 상기 흡착제 베드 유닛의 내부 영역으로 통과시키도록 구성된 유지보수 포트를 포함하는 캐치 기구를 추가로 포함하고, 상기 캐치 기구는 상기 복수의 제 2 밸브들 중 하나로부터 박편을 편향시키도록 구성되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착제 베드 유닛은 상기 흡착제 베드와 상기 복수의 제 1 밸브들 사이에 배치된 유동 분배기를 추가로 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은 5 psia(pounds per square inch absolute) 내지 1,400 psia의 압력을 유지하도록 구성되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 밸브들은 각각 능동 제어식 밸브인, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 밸브들은 복수의 매니폴드들 중 하나와 각각 유체 교통하고, 수직 유동 배향으로 배치되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착제 베드와 상기 하우징 사이에 배치되고 상기 하우징과 상기 흡착제 베드 사이의 유체 유동을 방해하도록 구성된 우회 밀봉부를 추가로 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착제 베드와 상기 하우징 사이에 배치되고 상기 흡착제 베드 유닛 내에 상기 흡착제 베드를 정렬시키도록 구성된 열 팽창 링을 추가로 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열 팽창 링은 상기 흡착제 베드에 용접되는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 헤드 내에 배치되고 유체 유동을 상기 도관으로부터 상기 흡착제 베드로 분배하도록 구성된 유동 베인을 추가로 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도관은 상기 도관을 통해 상기 유동을 안내하여 상기 도관을 통해 근접 플러그 유동 체제를 유지하기 위해 하나 이상의 구조 요소를 포함하는, 순환 스윙 흡착제 베드 유닛.
  13. 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정으로서,
    a) 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 흡착 단계 각각은: (i) 가스 공급물 스트림을 공급물 입구 도관으로부터 흡착제 베드 유닛의 하우징의 내부 영역에 배치된 흡착제 베드로 통과시키기 위해 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브를 개방시키는 단계로서, 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브는 상기 공급물 입구 도관과 직접 유동 교통하고 상기 하우징 외부의 위치로부터 상기 공급물 입구 도관을 통해 그리고 상기 흡착제 베드로 연장되는 유동 경로를 따르는 유체 유동을 제어하도록 구성되고, 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역의 외부에 배치된 제 1 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브를 개방시키는 단계, (ⅱ) 하나 이상의 오염물을 상기 가스 공급물 스트림으로부터 분리시켜 생성물 스트림을 형성하기 위해 상기 가스 공급물 스트림을 상기 흡착제 베드에 노출시키는 단계, 및 (iii) 상기 하우징 내의 내부 영역으로부터 생성물 도관으로 상기 생성물 스트림을 안내하기 위해 하나 이상의 생성물 포핏 밸브를 개방시키는 단계를 포함하는, 상기 흡착제 베드 유닛에서 하나 이상의 흡착 단계를 수행하는 단계;
    b) 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계로서, 상기 하나 이상의 퍼지 단계 각각은 퍼지 출력 스트림에 상기 하나 이상의 오염물의 적어도 일부를 안내하기 위해 퍼지 스트림을 상기 흡착제 베드 유닛으로 통과시키는 단계를 포함하고, 상기 퍼지 출력 스트림은 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브를 통과하고, 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브는 상기 흡착제 베드의 계면 단면 영역 외부에 배치된 제 2 밸브 단면 영역을 갖는, 상기 하나 이상의 퍼지 단계를 수행하는 단계; 그리고
    c) 적어도 하나의 추가 순환 동안 상기 단계 a) 내지 b)를 반복하는 단계로서, 순환 지속 시간이 1초 초과 600초 미만인 기간 동안인, 상기 반복하는 단계;를 포함하고
    상기 하우징은 제 1 헤드와 제 2 헤드 사이에 고정된 본체 부분을 포함하며; 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브 및 상기 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브는 상기 하우징에 고정되고; 상기 흡착제 베드는 비흡착제 지지체 상에 지지된 흡착제 물질로 구성되며; 상기 지지체는 실질적으로 평행한 유동 채널들을 포함하고; 상기 흡착제 베드는 상기 하우징으로부터 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브 또는 상기 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브를 제거하지 않고 상기 제 1 헤드를 제거함으로써 달성되는 상기 내부 영역으로의 접근에 의해 제거되고 교체될 수 있는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브 및 상기 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브는 도관을 통해 상기 흡착제 베드와 직접 유체 교통하는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브는 제 1 도관을 통해 상기 흡착제 베드와 직접 유체 교통하고, 상기 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브는 제 2 도관을 통해 상기 흡착제 베드와 직접 유체 교통하는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브들을 개방시키는 단계는 상기 흡착제 베드와 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브 사이에 배치된 유동 전환기를 통해 상기 흡착제 베드에 상기 가스 공급물 스트림을 분배하는 단계를 추가로 포함하는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
  17. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브를 개방시키는 단계는 적어도 하나의 밸브 스템을 제 1 작동 기구로 선형 이동시켜서 상기 적어도 하나의 밸브 스템에 결합된 디스크 요소와 상기 흡착제 베드 유닛의 일부에 고정된 시트 사이에 개방부를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
  18. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 순환을 중단시키는 단계;
    상기 내부 영역에 대한 개방부를 노출시키기 위해 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브 및 상기 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브 근처에 있는 상기 제 1 헤드 또는 상기 제 2 헤드를 상기 흡착제 베드 유닛으로부터 제거하는 단계; 및
    상기 내부 영역으로부터 상기 흡착제 베드를 제거하되, 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브 및 상기 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브는 상기 흡착제 베드 유닛에 결합된 상태로 유지되는 단계;를 추가로 포함하는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
  19. 제 18 항에 있어서,
    제 2 흡착제 베드를 상기 내부 영역에 배치하는 단계;
    상기 제 1 헤드 또는 상기 제 2 헤드를 상기 흡착제 베드 유닛에 고정시키는 단계; 및
    상기 공정을 위해 상기 순환을 재개하는 단계;를 추가로 포함하는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
  20. 제 18 항에 있어서,
    열 팽창 링으로 상기 내부 영역 내에서 상기 흡착제 베드 유닛을 안내하는 단계를 추가로 포함하는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 헤드 또는 상기 제 2 헤드를 제거하기 전에 박편 포일을 포트 내에 삽입하는 단계를 추가로 포함하는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 내부 영역으로부터 상기 흡착제 베드를 제거하는 단계는 상기 적어도 하나의 제 1 포핏 밸브, 상기 적어도 하나의 제 2 포핏 밸브 또는 임의의 관련 도관들 중 임의의 하나 이상을 상기 흡착제 베드 유닛으로부터 제거하는 단계를 포함하지 않는, 공급물 스트림으로부터 오염물들을 제거하는 공정.
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