KR102199235B1 - 제논 회수를 위한 흡착 공정 - Google Patents

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네일 에이. 스티븐슨
니콜라스 알. 스튜커트
마이클 프레이어트
하이 두
레이첼 에이. 마신
가레트 알. 스윈들허스트
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

극저온(cryogenic) 액체 또는 가스 스트림으로부터의 제논 회수를 위한 흡착 공정이 기재되며, 본 흡착 공정에서는 흡착제의 베드가 상기 언급된 제논 함유 액체 또는 가스 스트림과 접촉되고, 이 유체 스트림으로부터 선택적으로 제논을 흡착한다. 흡착 베드는 제논에 대해 적어도 거의 완전한 파과에 이를 때까지 작동되어, 온도 스윙(swing) 방법을 사용하여 재생하기 전에, 다른 스트림 성분들의 극도의 배제(deep rejection)를 가능하게 한다. 재생 전에 제논에 대해 거의 완전한 파과에 이를 때까지 흡착 베드를 작동시키면, 흡착 베드로부터 고순도 생성물의 생성을 가능하게 하고, 추가로, 탄화수소가 공급 스트림에 공존하는 경우에도, 산소가 퍼지 가스로서 안전하게 사용될 수 있게 한다.

Description

제논 회수를 위한 흡착 공정
본 발명은 대체로 극저온(cryogenic) 액체 또는 가스 스트림으로부터의 제논 회수를 위한 흡착 공정에 관한 것으로, 본 흡착 공정에서는 흡착제의 베드가 제논 함유 액체 또는 가스 스트림과 접촉되고, 가스 스트림으로부터 선택적으로 제논을 흡착한다. 흡착 베드는 유출물 제논 농도가 입구 제논 농도의 70% 이상일 때까지 공급 상태(on feed)로 유지되는데, 이는 온도 스윙(swing) 방법을 사용하여 재생하기 전에 다른 스트림 성분들의 극도의 배제(deep rejection)를 가능하게 한다. 재생 전에 이러한 방식으로 흡착 베드를 작동시키면, 흡착 베드로부터 고순도 생성물의 생성을 가능하게 하고, 추가로, 탄화수소가 공급 스트림에 공존하는 경우에도, 산소가 퍼지 가스(purge gas)로서 안전하게 사용될 수 있게 한다.
베드의 출구에서의 Xe 농도가 입구 농도의 90% 이상일 때까지 흡착 베드를 공급 상태로 유지함으로써, 산소가 온도 스윙 흡착 공정을 위한 퍼지 유체로서 안전하게 사용될 수 있는 조건 하에서 공정이 작동될 수 있게 한다. 더욱이 이러한 방식으로, 베드는 다른 가스가 공흡착될 수 있는 압력 및 온도 조건 하에서 작동될 수 있다. 이는 종래 기술의 방법과 대비하여 본 발명의 공정에 사용가능한 공정 조건의 범위를 확대시키는 역할을 한다.
예로서, 시노(Shino) 등의 미국 특허 제5,039,500호에는 공기 분리 유닛의 주 응축기로부터의 액체 산소를 사용하여 고순도 제논을 생성하는 공정이 개시되어 있다. 시노 등의 공정에서는, 제논, 크립톤 및 탄화수소를 함유하는 액체 산소 스트림이 먼저 가스화된(gasified) 후, 흡착제 상에 제논은 흡착하지만, 산소 스트림 중에 함유된 산소, 크립톤 또는 탄화수소는 흡착되지 않도록 사전선택된 온도 및 압력에서 흡착제와 접촉된다. 흡착제는 퍼지 가스를 사용하여 그리고 가열에 의해 재생된다. 기본적인 흡착 공정은 제논의 순도를 증가시키기 위해 다른 단위 조작에 의해 확대될 수 있는데, 이러한 단위 조작에는 고체-가스 분리 컬럼, 촉매 컬럼, 수분 및 CO2 제거 컬럼 등이 포함된다. 이러한 공정의 불리한 점은 극저온 플랜트로부터의 액체 공급 스트림이 흡착 베드와 접촉되기 전에 가스 스트림으로 전환되어야 한다는 것이다. 더욱이, 청구항 1로부터, 흡착 공정은, 제논은 흡착되고 크립톤, 탄화수소 및 산소는 흡착되지 않도록 사전선택된 온도 및 압력 조건 하에서 작동되어야 한다. 이는 공정에 대한 작동 조건에 대한 제한을 둔다. 그러나, 실시 형태 1(제3 컬럼, 제20 내지 48 라인)부터, 제논은 흡착되고 산소, 크립톤 및 탄화수소는 흡착되지 않는 압력 및 온도 조건을 확인하는 이러한 접근법은 단지 부분적으로 성공적이었던 것으로 나타난다. 이 실시 형태에서는, 산소 매트릭스 중에 31 ppm의 제논, 70 ppm의 크립톤 및 38 ppm의 메탄 및 저농도의 다른 탄화수소를 함유하는 -170℃의 가스화된 스트림과 실리카 겔 흡착제를 Xe 파과(breakthrough)가 달성될 때까지 접촉시켰다. 가스를 120℃로 가열하여 흡착제를 재생한 후에, 유출물 농도는 1.4% 제논, 0.14% 크립톤, 0.066% 탄화수소 및 잔부 산소가 되었다. 크립톤 및 탄화수소가 제논과 동일한 방식으로 그들의 공급 농도를 넘어서 상당히 풍부해졌다는 사실은, 이들 성분이 또한, 청구된 바와 같은 공정에 명백히 모순되게, 흡착 공급 단계에 사용된 조건 하에서 흡착되었음을 시사한다. 따라서, 다른 성분, 특히 탄화수소 성분의 이러한 공흡착 및 이들의 흡착에 의한 풍부화로 인해, 그 이후의 실시 형태는 촉매 컬럼을 사용하여 이들 탄화수소 및 CO2 를 제거하고, 이후에 수분 제거 컬럼을 사용하여 촉매 위의 탄화수소 연소의 생성물을 제거한 것 같다. 대조적으로, 본 흡착 공정에서, 공급 스트림은 액체상 또는 가스상일 수 있고, 제논 생성물을 회수하기 위해 사용되는 퍼지 및 가열 단계 동안, 크립톤 및 탄화수소의 농도는 공급물 중의 그들의 농도보다 훨씬 더 적다. 시노 등의 기술에서, 실시 형태 1에 명시된 바와 같이, 공급물 중의 38 ppm의 메탄 및 저농도의 다른 탄화수소는 흡착 베드를 재생하는 데 사용되는 가열 단계 동안 0.066% 또는 660 ppm이 되었다. 이는 공급물 중의 탄화수소의 농도의 대략 17배의 풍부화이다.
또한 시노 등의 미국 특허 제4,874,592호는 흡착-탈착 공정을 개시하는데, 여기서는 제논이 흡착 및 탈착의 연속 단계에 의해, 배출된(vented) 액체 산소 스트림으로부터 농축되고, 탄화수소는 제1 흡착 단계 후에 회수된 제논 가스 스트림으로부터 촉매적으로 제거된다. 미국 특허 제4,874,592호의 실시예 1 및 실시예 2로부터 그리고 이의 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 정류 컬럼(rectifying column)으로부터 배출된 희가스 함유 스트림이 제1 흡착 컬럼 내로 도입되며, 여기서 제논을 선택적으로 흡착할 수 있는 실리카 겔 흡착제가 포화되게 한다. 이러한 제1 흡착 컬럼으로부터의 생성물 스트림은 압력을 감소시킴으로써 그리고 컬럼을 가열함으로써 수집된다. 생성물 스트림은 공급 조성보다 풍부화된 농도의 제논, 크립톤 및 탄화수소의 혼합물을 함유하였다. 희가스 생성물의 순도를 더욱 더 증가시키기 위해 사용된 제2 흡착 컬럼에 앞서, 촉매 단위 조작 및 후속하는 이산화탄소 및 물 제거 컬럼을 탄화수소 제거에 사용하였다. 이 특허의 실시예 1에 명시된 바와 같이, 액체 산소 스트림의 배출은 흡착 시스템에 대해 가스상 산소 공급 스트림을 생성한다. 전술된 바와 같이, 본 발명의 흡착 공정은 액체 또는 가스 공급물과 양립가능하며, 이에 따라 액체 산소의 배출 단계가 요구되지 않는다. 더욱이, 본 공정은 공급 스트림 중의 탄화수소의 농도를 넘어서는 그의 풍부화가 회피되고, 이에 따라 종래 기술에 기재된 바와 같은 촉매적 산화 단계가 요구되지 않도록 작동된다.
골든(Golden) 등의 미국 특허 제6,658,894호는 Li 및 Ag로 교환된 X형 제올라이트를 사용하여 제논 및/또는 크립톤을 선택적으로 흡착함으로써 산소-함유 가스 스트림으로부터 제논 또는 크립톤 중 적어도 하나를 회수하는 공정을 개시한다. 골든 등의 공정에서의 중요 단계들을 보여주는 실시예 7에 따르면, 17 ppm의 제논, 95 ppm의 메탄, 및 10 ppm의 아산화질소를 함유하는 액체 산소 스트림을 실리카 겔 베드에 통과시켰으며, 여기서 아산화질소를 제거하였다. 아산화질소 무함유 유출물을 113 K로 기화하고(vaporize), 이 가스 스트림의 일부를 리튬 및 은으로 교환된 X형 제올라이트를 함유하는 베드에 전송하였다. 메탄의 파과는 스트림 상태(on stream)에서 190분 후에 검출된 반면, 스트림 상태에서 1400분 후에도 제논의 파과는 일어나지 않았다. 이 시점에서, 공급 단계를 중단하고, 113 K의 질소 퍼지 가스를 사용하여 재생을 시작하였다. 골든 등의 특허의 도 4에서의 데이터로부터, 탈착 동안의 메탄 농도는 최대치가 8000 내지 9000 ppm까지 증가하였다. 흡착 베드를 추가로 가온함으로써 제논 생성물을 수집하였다. 골든 등의 기술의 주요 특징은 다음과 같다:
Figure 112019026536455-pct00001
Li 및 Ag 둘 모두로 교환된 X형 제올라이트의 사용.
Figure 112019026536455-pct00002
제논의 파과가 관찰되지 않은 시점까지의 흡착 공정의 작동.
Figure 112019026536455-pct00003
질소 하에서의 탈착 - 여기서, 출구에서의 메탄 농도는 공급 스트림 중의 메탄 농도를 상당히 초과한다(95 ppm vs. 8000 내지 9000 ppm).
본 발명의 공정에서, 탈착 동안의 메탄 수준은 골든 등에서 제시된 데이터에서 관찰된 이러한 풍부화 거동은 나타내지 않았다. 더욱이, 본 공정은 액체상에서 작동될 수 있으며, Li 및 Ag X형 제올라이트가 요구되지 않는다.
골로프코(Golovko)의 미국 특허 제3,971,640호는 공기 스트림으로부터 크립톤-제논 농축물을 회수하는 흡착 공정을 개시한다. 골로프코의 공정에서는, 크립톤, 제논 및 탄화수소의 혼합물을 함유하는 90 내지 110 K의 가스상 공기 스트림을 5 내지 150 Å의 기공-개구를 갖는 흡착제에 통과시키고, 이 시간 동안 크립톤, 제논, 질소, 산소 및 탄화수소가 흡착된다. 공급 단계는 크립톤이 흡착제의 출구에서 검출될 때 종료된다. 이 시점에서, 단계적 온도 탈착(staged temperature desorption)이 수행되는데, 여기서는 온도를 먼저 90 내지 110 K로부터 250 내지 280 K로 상승시켜 제논, 크립톤, 산소, 질소 및 탄화수소를 흡착제로부터 탈착시키고, 이후에 베드를 250 내지 280 K로부터 500 내지 650 K로 추가로 가열하며, 이 시점에서 탈착된 생성물은 대기로 폐기된다. 골로프코 등의 공정과는 달리, 본 발명의 공정의 탈착 단계 동안에는, 실질적으로 단지 제논 및 산소만이 임의의 추가 성분, 예컨대 탄화수소와 함께 탈착되는데, 이러한 추가 성분은 공급물 스트림 중의 그들의 농도보다 상당히 낮은 농도로 탈착된다. 골로프코에서의 실시예 2로부터, 탈착 동안 2%의 탄화수소 수준을 측정하였으며, 이 역시 흡착에 의한 이들 탄화수소의 상당한 흡착 및 농축을 시사하는데, 이는 본 발명의 공정에서는 일어나지 않는 것이다. 더욱이, 본 공정에서는, 최대 500 내지 650 K의 단계적 탈착 온도의 사용은 요구되지 않는다.
극저온 액체 또는 가스 스트림으로부터의 제논 회수를 위한 흡착 공정이 기재되며, 본 흡착 공정에서는 흡착제의 베드가 상기 언급된 제논 함유 액체 또는 가스 스트림과 접촉되고, 이 유체 스트림으로부터 선택적으로 제논을 흡착한다. 흡착 베드는 제논에 대해 적어도 거의 완전한 파과에 이를 때까지 작동되어, 온도 스윙 방법을 사용하여 재생하기 전에, 다른 스트림 성분들의 극도의 배제를 가능하게 한다. 재생 전에 제논에 대해 거의 완전한 파과에 이를 때까지 흡착 베드를 작동시키면, 흡착 베드로부터 고순도 생성물의 생성을 가능하게 하고, 추가로, 탄화수소가 공급 스트림에 공존하는 경우에도, 산소가 퍼지 가스로서 안전하게 사용될 수 있게 한다.
도 1은, 각각 단계 1 및 단계 2 동안 액체 공급 및 퍼지를 갖는 1-베드 흡착 공정을 위한 공정 단계들을 예시하는 개략도이다.
도 2는 공급(상측) 및 탈착(하측) 동안 CH4 및 Xe에 대한 흡착 베드의 출구에서의 농도 프로파일을 나타낸다.
도 3은 스트립핑(stripping) 단계 동안 CH4, Xe, Kr 및 N2O에 대한 흡착 베드의 출구에서의 농도 프로파일 vs. 시간을 나타낸다.
도 4a는 CH4 탈착을 위한 액체 산소 퍼지 및 재생 그리고 Xe 회수 단계에 대한 흡착 베드의 출구에서의 농도 프로파일 vs. 시간을 나타낸다.
도 4b는 Kr 탈착을 위한 액체 산소 퍼지 및 재생 및 Xe 회수 단계에 대한 흡착 베드의 출구에서의 농도 프로파일 vs. 시간을 도표로 나타낸다.
도 4c는 Xe 탈착을 위한 액체 산소 퍼지 및 재생 그리고 Xe 회수 단계에 대한 흡착 베드의 출구에서의 농도 프로파일 vs. 시간을 도표로 나타낸다.
도 5는 비교예 1에 대한 가스상 스트립핑 단계 동안의 흡착 베드의 출구에서의 농도 프로파일을 나타내는데, 이는 Xe 출구 농도 기준이 충족되지 않았고(상측), 공급 농도를 초과하는 메탄의 상당량이 베드 가온 동안 제논과 함께 탈착되었음(하측)을 보여준다.
도 6은 실온 가스 스트립핑 단계, 저온 가스 스트립핑 단계(130 K), 퍼지 및 Xe 회수 및 베드 재생 동안의 흡착 베드의 출구에서의 농도 프로파일을 나타낸다.
도 7은, 각각 단계 1a, 단계 1b 및 단계 2 동안 액체 공급 및 퍼지를 갖는 1-베드 흡착 공정을 위한 Kr 및 Xe 회수 공정 단계들을 개략적으로 예시한다.
도 8은 공급 단계 동안 Kr 및 CH4에 대한 흡착 베드의 출구에서의 농도 프로파일 vs. 시간을 나타낸다.
본 발명은, 재생 동안 퍼지 가스로서 산소가 안전하게 사용될 수 있는 조건 하에서 작동될 수 있는, 극저온 산소 유체 스트림으로부터의 제논 회수를 위한 흡착 공정에 관한 것으로, 본 공정은 제논뿐만 아니라 다른 성분의 흡착에 유리한 압력 및 온도 조건 하에서 작동될 수 있다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 극저온 산소 유체 스트림으로부터 제논을 회수하기 위한 흡착 공정에 관한 것으로, 다음과 같다:
1. 입구 및 출구를 갖는 극저온 온도의 흡착 베드가 산소, 제논 및 적어도 하나의 다른 흡착가능한 성분, 예컨대 크립톤 및/또는 메탄을 포함하는 유체 공급 스트림과 접촉된다. 흡착 베드는 베드의 출구에서의 제논 농도가 베드의 입구에서의 제논 농도의 70% 이상일 때까지; 다른 실시 형태에서는 베드의 입구에서의 제논 농도의 80% 이상, 그리고 또 다른 실시 형태에서는 베드의 입구에서의 제논 농도의 90% 이상일 때까지 공급 상태로 유지된다. 베드의 출구에서의 제논의 농도 수준이 소정의 농도 수준을 초과할 때까지 흡착 베드를 공급 상태로 유지하는 이유는 베드로부터의 원치 않는 모든 성분, 특히 탄화수소의 극도의 배제를 달성하기 위함이다. 더 상세하게는, 제논이 극저온 희가스 스트림에 일반적으로 존재하는 경질 탄화수소보다 흡착제 상에 더 강하게 흡착됨에 따라, 베드의 출구에서의 제논 농도가 베드의 입구에서의 제논 농도의 70% 이상일 때까지 베드를 공급 상태로 유지함으로써, 흡착제 상에 흡착된 임의의 탄화수소가 제논으로 강제로 대체되고, 그럼으로써 베드로부터의 탄화수소의 극도의 배제를 달성한다. 그러한 탄화수소의 예에는 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌 및 이들의 조합이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 명백한 안전상의 이유로, C1-C3 탄화수소의 공칭 농도보다 더 큰 농도로 산소 기반 유체 공급 스트림을 농축시키는 것은 해로운데, 이는 흡착 베드에서 일어날 수 있고 출구 농도 기준이 충족되지 않을 것이다.
2. 이 시점에서, 공급 단계를 종료하고, 흡착 베드를 퍼지 가스로 퍼지하여, 주로 베드의 비선택적 공극 공간으로부터 탄화수소 및 다른 흡착가능한 성분을 제거한다. 퍼지 가스는 일반적으로 산소, 질소, 아르곤 및/또는 이들의 혼합물을 포함한다. 일 실시 형태에서, 퍼지 가스에는 제논 및/또는 다른 흡착가능한 성분이 실질적으로 없다.
3. 흡착 베드의 온도를 제논 생성물을 탈착하기에 충분한 온도로 증가시키며, 이때 제논 생성물은 그대로 수집되고/되거나 그의 순도를 더욱 더 증가시키기 위해 추가로 처리될 수 있다.
4. 흡착 베드를 극저온 유체를 사용하여 극저온 온도로 냉각시킨다. 일 실시 형태에서, 극저온 유체에는 제논 및 다른 흡착가능한 성분이 실질적으로 없다. 다른 실시 형태에서, 극저온 유체는 산소 가스 및/또는 액체를 포함한다.
5. 단계 1 내지 단계 4를 순환 방식으로 반복한다.
본 발명의 공정은 하나 이상의 흡착 베드를 이용하여 작동될 수 있으며, 제논 회수 흡착 재료에 대해 공급 스트림을 간소화하는 것을 도울 수 있는 다른 흡착제 및/또는 공정, 예컨대 겔 트랩(gel trap) 또는 가드 베드(guard bed)와 함께 사용될 수 있다. 유용한 흡착제는, 실리카 대 알루미나 비가 3 미만으로 낮고 제논을 흡착하기에 충분히 큰 기공을 갖는, 은으로 교환된 제올라이트 이온을 포함한다. 본 발명의 공정에 유용한 흡착제의 비제한적인 예에는 X형 또는 LSX형의 은 이온 교환된 제올라이트(여기서, LSX는 X형 제올라이트의 저 실리카 변형체를 나타냄)를 포함하며, 이온 교환 수준은 당량 기준으로 적어도 80%의 Ag; 다른 실시 형태에서는 당량 기준으로 적어도 90%의 Ag이다.
본 발명의 흡착 공정은, 탄화수소가 또한 공급물 스트림 중의 그의 농도를 초과하여 풍부화된 생성물을 생성하지 않고서, 주로 유체 스트림(액체상 또는 가스상)으로부터 제논을 회수한다. 사실상, 바람직한 방식으로 작동될 때, 제논 생성물 스트림 중의 탄화수소 함량은 최대 2000 ppm을 함유하는 공급물로부터 50 ppm 이하, 그리고 바람직하게는 1 ppm 이하로 감소된다. 흡착제가 포화로부터 멀리 떨어져 있을 때, 즉 완전한 파과가 달성되지 않을 때, 흡착제는 그 다음의 최선의 것을 흡착할 것이며, 본 발명자들의 데이터는 이것이 탄화수소 - 메탄을 포함함 - 를 포함함을 나타낸다. 더 많은 제논이 베드 내로 도입됨에 따라, 메탄이 대체되고 흡착제로부터 방출되어 그것이 퍼지로 축출되게 할 수 있다. 흡착제를 완전한 파과에 이르기까지 작동시킴으로써, 흡착제 내에 탄화수소, 예컨대 메탄을 위해 남아 있는 용량이 없으며, 이에 따라 동일한 탄화수소 및 다른 탄화수소의 유일한 소스는 흡착 입자와 흡착 베드 내의 어딘가 다른 곳 사이의 공극 공간일 것이다. 이러한 공극 공간을 퍼지함으로써, 메탄/다른 탄화수소를 효과적으로 제거하고, 그럼으로써 제논 생성물을 위한 수집 단계 동안 잠재적인 위험요소를 감소시킨다.
본 흡착 공정에 의해 달성된 극도의 탄화수소 배제로 인해, 복잡한 탈착 프로토콜 또는 질소와 같은 불활성 퍼지 가스의 사용 및/또는 촉매적 탄화수소 제거와 같은 다른 단위 조작의 추가가 회피된다. 더욱이, 극저온 액체 산소 함유 공급 스트림을 처리하는 본 발명자들의 능력은 기화에 대한 필요성을 회피하게 되는데, 이때 기화는 탄화수소가 존재할 때 기화 동안 산소 유체 중의 그들의 농도로부터 안전성 문제를 제기할 수 있다.
본 발명의 한 가지 경제적 이점은 공정의 간소화 및 이에 따른 더 적은 자본 설비에 대한 요구로부터 생겨난다. 예를 들어, 액체 공급 스트림을 처리하는 능력은 기화기로 액체를 가스로 전환시키는 것에 대한 필요성을 없애준다. 산소 퍼지 가스를 사용하는 능력은 더 적은 타이-인(tie-in) 및/또는 보충 라인을 의미하는데, 예를 들어 골든 등의 기술에 따른 질소 라인의 추가가 요구되지 않는다. 생성물 중의 탄화수소의 부재는 또한 하류 처리를 간소화하는데, 이는, 연소 생성물을 제거하기 위한 추가의 자본 설비, 예컨대 촉매산화기(catox) 및 하류 예비정제기(pre-purifer)가 요구되지 않음을 의미한다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 적어도 ppm 수준의 제논 및 탄화수소를 포함하는 극저온 산소 유체 공급 스트림으로부터, 생성물 중의 50 ppm 이하로의 탄화수소의 극도의 배제 및 1% 이상의 농도로의 제논의 회수를 위한 흡착 공정에 관한 것이다. 이산화탄소, 아산화질소, 및 크립톤을 포함하는 다른 화학종이 또한 공급 스트림에 존재할 수 있다. 적합한 유체 스트림의 한 예는 하기를 포함한다:
Figure 112019026536455-pct00004
Xe 1 내지 200 ppm, 다른 실시 형태에서는 20 내지 180 ppm, 다른 실시 형태에서는 50 내지 150 ppm
Figure 112019026536455-pct00005
Kr 500 내지 2000 ppm
Figure 112019026536455-pct00006
탄화수소(메탄으로서) 500 내지 2000 ppm
Figure 112019026536455-pct00007
N2O 0 내지 100 ppm
Figure 112019026536455-pct00008
CO2 0 내지 100 ppm
Figure 112019026536455-pct00009
0 내지 1200 ppm의 Ar
Figure 112019026536455-pct00010
ppm 양의 다른 대기 중 가스 - N2를 포함함
Figure 112019026536455-pct00011
잔부 O2
상기 산소-풍부 스트림은 바람직하게는 120 K 이하, 다른 실시 형태에서는 90 K 이하의 극저온 온도이며 적어도 10 psig로 가압된다. 산소-풍부 스트림이 Xe보다 더 강하게 흡착되는 성분, 예컨대 CO2 및 N2O를 함유하는 경우, 이들 화학종은 공급 스트림을 주 흡착 베드와 접촉시키기 전에 겔 트랩, 가드 베드 및/또는 Xe 회수를 위한 흡착제를 수용하는 주 흡착 용기 내에 있는 흡착제의 층의 사용에 의해 먼저 실질적으로 제거되는 것이 바람직하다. 이들 강한 흡착종의 제거에 적합한 흡착제는 실리카 겔이다. 일 실시 형태에서, 실리카 겔은 패킹된 베드 흡착 공정에 적합한 형태, 예컨대 과립형 또는 비드형으로 형상화된다. 다른 실시 형태에서, 형상화된 재료의 평균 입자 크기는 적어도 0.5 mm 및 약 5 mm 이하이다. 일 실시 형태에서, Xe 회수를 위한 흡착제는 Ag 교환된 제올라이트, 다른 실시 형태에서는 Ag 교환의 정도가 당량 기준으로 적어도 80%, 다른 실시 형태에서는 적어도 90%인 AgX 제올라이트이다. AgX 제올라이트는 또한 유리하게는 형상화된 입자로서 배치되며, 비드, 압출물 또는 과립형 재료가 사용될 수 있다. 평균 입자 크기는 또한 유리하게는 적어도 0.5 mm 및 약 5 mm 이하이다.
추가의 실시 형태에서, 본 발명의 공정은 2개 이상의 흡착 용기를 사용하여 실시될 수 있다. 흡착 용기는 수직 유동 용기, 수평 유동 용기, 측방향 유동 용기, 또는 반경방향 유동 용기를 비롯한 임의의 알려진 유형의 것일 수 있다. 본 발명의 공정이 2개 이상의 용기를 사용하여 실시되는 경우, 베드의 작동의 위상조정(phasing)은 제2 베드가 오프라인으로 될 때 제1 베드의 온라인 기간이 시작되도록 하여 출력에 있어서 최소한의 변동이 있도록 변동될 수 있다. 대안적으로, 사이클은 베드들의 온라인 기간들 사이에 중첩이 있도록 위상조정될 수 있다.
흡착 공정 설명: 제논 회수 흡착 베드
단계 1: 스트립핑 단계
Xe에 대해 선택적인 흡착제를 함유하는 흡착 베드는 극저온 산소 유체를 사용하여 120 K 이하, 다른 실시 형태에서는 90 K 이하로 예비냉각된다. 산소 매트릭스 중에 적어도 ppm 수준의 Xe 및 탄화수소를 함유하는 공급 스트림이 제공되는데, 이 또한 120 K 이하, 다른 실시 형태에서는 90 K 이하이고 약 10 psig의 압력이다. Xe에 대해 선택적인 흡착제는 공급 스트림의 유동이 계속됨에 따라 Xe로 점진적으로 포화된다. 공급 단계는 베드의 출구에서의 Xe 농도가 베드의 입구에서의 Xe 농도의 적어도 70%, 다른 실시 형태에서는 적어도 80%, 다른 실시 형태에서는 적어도 90%, 그리고 또 다른 실시 형태에서는 적어도 95%일 때까지 의도적으로 계속된다. 이 시점에서, 공급 유동이 종료된다.
단계 2: 퍼지 단계
일단 베드의 출구에서의 Xe 농도가 베드의 입구에서의 Xe 농도의 적어도 70%, 다른 실시 형태에서는 적어도 80%, 다른 실시 형태에서는 적어도 90%, 그리고 또 다른 실시 형태에서는 적어도 95%라는 단계 1의 종료 기준이 달성되면, 베드는 120 K 이하의 산소, 질소, 아르곤 또는 이들의 혼합물의 군으로부터 선택되는 적합한 퍼지 가스로 퍼지되어 흡착 베드에 존재하는 비선택적 공극으로부터 탄화수소 및 Xe를 제거한다. 이러한 퍼지 단계는 흡착 베드의 출구에서의 탄화수소 수준이 50 ppm 이하; 다른 실시 형태에서는 10 ppm 이하, 그리고 또 다른 실시 형태에서는 1 ppm 이하일 때까지 계속되어야 한다.
단계 3: 재생 및 Xe 회수
이 시점에서, 흡착 베드의 온도는 극저온 온도로부터 적어도 250 K 및 최대 450 K로 증가되어, 1% 이상의 농도로 존재하고 메탄 당량으로서 측정될 때 최대 50 ppm의 탄화수소를 함유하는 Xe 생성물을 회수할 수 있다. 온도는 주위 온도 또는 고온 퍼지 가스를 사용함으로써 상승될 수 있으며, Xe 생성물의 순도는 사용되는 이러한 주위 온도 또는 고온 퍼지 가스의 양을 통해 제어될 수 있다.
단계 4: 베드 냉각
흡착 베드의 온도가 적어도 250 K에 도달하고 Xe 생성물이 회수된 후에, 베드는 다시 극저온 온도로 냉각된다. 이는, 주위 온도 또는 고온 퍼지 가스의 유동을 정지시키고 흡착 베드를 극저온 유체와 접촉시켜 베드를 120 K 이하, 그리고 바람직하게는 90 K 이하로 냉각시킴으로써 달성된다.
단계 1 내지 단계 4는 순환 방식으로 작동될 수 있다. 하나 이상의 흡착 베드를 사용하여 이러한 흡착 공정을 작동시키는 것이 또한 가능하다. 2개의 흡착 베드가 사용되는 경우, 이들 2개의 흡착 베드가 순차적으로 작동되어, 베드 1이 단계 1에 있는 동안에 베드 2는 단계 2, 단계 3 및 단계 4를 거치고 있도록 하는 상태로 공정을 작동시키는 것이 유리하다. 베드 1이 임의의 Xe 파과를 나타내기 전에, 단계 2, 단계 3 및 단계 4 후에 베드 2가 재생되도록 2-베드 공정을 작동시키는 것이 특히 유리하다. 이러한 방식으로, 이들 베드가 공급 단계의 일부에 대해 일련으로 연결될 때, 단계 1의 일부에 대해, 베드 1 및 베드 2 둘 모두가, 베드 1로부터의 출구 Xe 농도가 입구 농도의 적어도 70%, 다른 실시 형태에서는 적어도 80%, 다른 실시 형태에서는 적어도 90%, 그리고 또 다른 실시 형태에서는 적어도 95%가 될 수 있도록 일련으로 작동될 수 있으며, 동시에, 허용가능한 회수율로 전체 Xe 생성물 순도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태는 단계 2 및 단계 3 동안 퍼지 가스로서 산소를 사용하고, 단계 4에서 극저온 유체로서 극저온 산소 가스 및/또는 액체 산소를 사용한다. 이 실시 형태가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 퍼지로서의 주위 온도 또는 고온 산소 및 냉각 유체로서의 액체 산소의 사용은 공정에 필요한 타이-인의 수를 전체적으로 감소시킨다는 관점에서 유리하다. 단계 3에서의 최대 450 K까지의 고온 퍼지 가스의 사용은 베드를 재생하는 데 필요한 퍼지의 양이 감소될 수 있게 하며, 이는 Xe 생성물의 순도를 증가시키는 것을 도울 수 있을 뿐만 아니라, 재생 단계가 더 적은 시간 내에 완료되게 할 수 있다. 필요에 따라, 주위 온도보다 높은 온도까지 퍼지 가스의 온도를 상승시키기 위해 소형 트림 히터가 사용될 수 있다.
이제, 본 발명을 하기의 비제한적인 실시예에 의해 예시할 것이다.
실시예
실시할 본 발명의 주요 특징을 줄이기 위해 총 4개의 실시예가 제공된다. 이들 실시예는 가스상 및 액체상 공급 유동 둘 모두에 대해, 상이한 공급 스트림들로부터의 제논 회수를 예시하며, 일 실시 형태에서는, 제논에 더하여 일부 크립톤을 회수하기 위하여 기본적인 흡착 공정이 어떻게 변경될 수 있는지를 보여준다.
Figure 112019026536455-pct00012
실시예 1: 더 낮은 공급 농도 액체로부터의 Xe의 회수
Figure 112019026536455-pct00013
실시예 2: 더 높은 공급 농도 액체로부터의 Xe의 회수
Figure 112019026536455-pct00014
실시예 3: 더 높은 공급 농도 기체로부터의 Xe의 회수
Figure 112019026536455-pct00015
실시예 4: 공급 액체로부터의 Kr 및 Xe의 회수
Figure 112019026536455-pct00016
비교예: Xe 파과 기준이 충족되지 않을 때 미치는 영향.
실시예들이 보여주는 바와 같이, 본 발명은 필요에 따라 스트립핑 단계(단계 1) 동안 가스상 또는 액체상 공급물을 사용하여 실시될 수 있다. 실시예 1 및 실시예 2는 액체상 실험이고, 실시예 3은 가스상 실험이다. 더욱이, 본 발명의 공정은 제논에 더하여 일부 크립톤 회수를 가능하게 하도록 구성될 수 있다(실시예 4).
실시예 1: 50 ppm의 Xe, 500 ppm의 CH4, 잔부 O2를 함유하는 공급 액체로부터의 Xe 회수.
평균 입자 크기가 0.6 mm인 AgLSX 비드(당량 기준으로 99%가 Ag로 교환됨, 잔부 Na) 5.568 g을 입구 및 출구를 구비한 스테인리스 강 흡착 베드(0.62" ID × 3.5" 높이) 내로 패킹하였는데, 이때 온도 측정을 위하여 흡착 베드의 중간점 부근에는 열전쌍이 또한 배치되었다. AgLSX 흡착제를 건조 질소 하에서 350℃에서 4시간 동안 활성화하여, 칼 피셔(Karl Fischer) 적정 방법에 의해 측정하였을 때 잔류 수분 함량을 0.5 중량% 이하로 감소시켰다. 이제 이러한 활성화된 흡착 베드를 옥스포드 인스트루먼츠(Oxford Instruments)로부터의 액체 질소 냉각된 크라이오스탯(cryostat) 내부에 배치하였으며, 여기서 흡착 베드의 온도는 77 내지 300 K의 온도 범위 전체에 걸쳐 ± 1℃ 이내로 제어될 수 있었다. 50 ppm의 Xe, 493 ppm의 CH4, 잔부 O2를 함유하는 공급물이 흡착 베드를 통해 유동될 수 있게 하거나, 또는 퍼지 유체로서 사용된 UHP 등급 O2가 흡착 베드를 통해 유동될 수 있게 하는 매니폴드에 흡착 베드의 입구를 연결하였다. 이 시험 장치에서의 압력은 흡착 베드 뒤쪽의 출구 라인 상에 배치된 배압 조절기를 사용하여 제어하였다. 달리 명시되지 않는 한, 스트립핑 단계 동안의 압력은 100 psig이고, 퍼지 단계 및 온도 스윙 베드 재생 동안에는 50 psig였다. 파이퍼 배큠 아게(Pffeifer Vacuum AG)로부터의 200 원자 질량 단위 범위를 갖는 옴니스타(Omnistar) 잔류 가스 분석기(RGA)를 사용하여, 데이터 포인트당 약 0.1분의 시간 분해능으로 베드를 빠져나가는 가스의 조성을 측정하였다. 이 시험 장치는 공급 및/또는 퍼지 유체가 병류(co-current) 또는 향류(counter-current) 유동 경로 중 어느 하나로 흡착 베드에 통과될 수 있게 하는 밸브에 의해 완성되었다. 공급 조성이 언제든지 측정될 수 있게 할 뿐만 아니라 RGA의 보정을 용이하게 하기 위해 베드가 바이패스될 수 있도록 바이패스 루프를 또한 포함시켰다. 이 장치를 사용하여, Xe 및 CH4를 포함하는 모든 비-O2 성분에 대한 파과 곡선뿐만 아니라, 모든 비-O2 성분에 대한 탈착 농도 프로파일을 측정하였다. 탈착 곡선의 목적은 Xe 회수 단계 3 동안 제거된 CH4가 공정의 요건(예를 들어, CH4 농도 ≤ 50 ppm)을 충족시켰는지의 여부를 검출하는 것이었다.
흡착 베드를 UHP O2로 퍼지하여 임의의 대기 오염물을 제거한 후, 1.5 SLPM의 가스 등가 유량의 UHP O2를 사용하여 86 K로 냉각시키고 100 psig로 가압하였다. 베드가 온도에 있을 때, Xe 및 CH4를 함유하는 공급 혼합물을 동일한 압력, 온도 및 유동 조건에서 흡착 베드와 접촉시켰다. 5시간 후에, RGA는 CH4의 초기 파과를 검출하였다. CH4 농도는 약 6.5시간의 공급 시간 후에 입구 공급 농도에 도달하였다. 이 시점에서, Xe 파과는 일어나지 않았다. 공급 유동을 계속하였으며, 100.5시간 후에 Xe의 초기 파과가 측정되었다. 50 ppm의 입구 농도에 이르는 Xe의 파과(C/C0 = 1.0)는 145시간의 공급 시간 후에 달성되었다. 이 시점에서, 공급 유동을 종료하고, 0.5 SLPM의 UHP O2의 유동을 개시하여 베드 및 배관 내의 비선택적 공극을 세정하여 Xe 및 CH4 공급 성분을 제거하였다. 동시에, 베드 온도를 130 K로 증가시켰다. 일단 CH4 농도가 100 ppm 미만이면, 흡착 베드를 2 K/min의 속도로 130 K로부터 300 K로 가열하고, 흡착 베드 압력을 50 psig로 감소시키고, O2 퍼지 하에서 흡착 베드로부터 Xe를 탈착시켰다. 실제 Xe 탈착의 시작 시에, CH4 농도는 1 ppm이었으며 1.2시간 후에 0 ppm으로 떨어졌다. Xe 탈착은 6시간 후에 본질적으로 완료되었으며, 이 시점에서 온도는 약 300 K에 도달하였다. 공급 및 탈착 단계에 대한 농도 프로파일이 도 2에 나타나 있다.
실시예 2: 150 ppm의 Xe, 1500 ppm의 Kr, 1540 ppm의 CH4, 50 ppm의 N2O, 잔부 O2를 함유하는 공급 액체로부터의 Xe 회수
실시예 1로부터의 흡착 베드를 평균 입자 크기가 1.0 mm인 AgLSX(당량 기준으로 99%가 Ag로 교환됨, 잔부 Na) 1.83 g으로 패킹하였는데, 이는 이 베드를 단지 부분 충전시켰다. 베드 내의 추가의 공간을, 평균 입자 크기가 또한 1.0 mm인 본질적으로 비흡착성인 유리 비드로 가득 충전하였다. 이러한 변화는 주로 실험 시간을 감소시켰는데, 더 많은 AgLSX 흡착제가 사용된 실시예 1에 기재된 시험에서는 실험 시간이 150시간을 초과하였다. AgLSX 흡착제를 사용 전에 실시예 1에 기재된 바와 같이 활성화하였다. 공급 가스 중의 N2O의 존재의 결과로서, 3.54 g의 등급 40 그레이스 데이비슨(Grace Davison) 실리카 겔을 함유하는 겔 트랩을 AgLSX 흡착 베드 앞쪽에 배치하였다. 사용 전에, 실리카 겔을 200℃에서 4시간 동안 활성화하여 사용 전에 이 재료를 컨디셔닝하였다. 겔 트랩의 목적은 가능한 한 많은 N2O를 제거하여, Xe 포획 및 회수를 위해, 실시예 1에서 보여준 바와 같이, 더 고가의 AgLSX 흡착제가 기능할 수 있게 하기 위함이다. 시스템을 주위 온도에서 UHP O2로 퍼지하여 흡착 베드, 겔 트랩 및 관련 구성요소 및 배관으로부터 임의의 대기 오염물을 제거하였다. 배압 조절기를 사용하여 압력을 100 psig로 설정하였다. 이어서, 액체 N2를 사용하여 겔 트랩을 81.9 K의 평균 온도로 냉각시켰다. 이때에, (실시예 1에 기재된 바와 같이) 크라이오스탯 내부의 흡착 베드를, 여전히 UHP O2 유동 하에서 85.6 K의 평균 온도로 유사하게 냉각시켰다. 일단 겔 트랩 및 흡착 베드 온도가 안정화되었으면, 공급물을 UHP O2에서 하기 조성을 갖는 Xe 함유 혼합물로 교체하였다: 150 ppm의 Xe, 1502 ppm의 Kr, 1540 ppm의 CH4, 50 ppm의 N2O, 잔부 O2. 유량은 흡착 단계의 경우 0.5 SLPM이었다. C/C0 = 1에 이르기까지의 파과 시간이 표 1에 주어져 있다. 희가스 및 오염물 성분에 대한 농도 vs. 시간 프로파일이 도 3에 주어져 있다. 이들 데이터로부터, Kr 파과가 먼저 일어났고, 이어서 CH4가 일어났음이 명백한데, 이때 이들 화학종 둘 모두는 5시간 이내에 파과되었다. 대조적으로, Xe는 완전한 파과에 이르기까지 52시간 넘게 걸렸다. 이 흡착 단계 동안 출구에서 N2O는 검출되지 않았다.
[표 1]
Figure 112019026536455-pct00017
다음으로, 희가스 함유 혼합물의 공급을 종료하고, UHP O2에 의한 퍼지를 0.5 SLPM으로 그리고 시스템 압력을 50 psig로 감소된 상태로 개시하여, 흡착 베드 및 관련 배관을 퍼지하여, 공극 및 다른 비선택적 공간으로부터 임의의 미량의 희가스 함유 혼합물을 제거하였다. 퍼지 단계 동안, 흡착 베드 온도를 130 K로 점진적으로 증가시켰다. 퍼지 지속시간은 60분이었으며, 이후에 흡착 베드의 온도를 실온으로 점진적으로 1회 증가시켜 흡착된 Xe를 탈착시켰다. 탈착 단계 동안, UHP O2 퍼지 유량을 0.1 SLPM으로 낮추었다. Xe의 벌크가 약 2시간 후에 탈착되었으며, 이 시점에서 흡착 베드 온도는 대략 250 K에 도달하였다(도 4a 내지 도 4c 참조).
실시예 1 및 실시예 2 둘 모두는 본 명세서에 개시된 공정 단계를 따르는 것으로부터 그리고 제논 회수에 바람직한 AgX 흡착제를 사용함으로써 달성가능한 결과를 보여준다. 이들 2개의 실시예에서, 공급 조성은 제논 농도뿐만 아니라 불순물의 양 및 유형 둘 모두의 관점에서 상이하였다. 이러한 공급 조성 차이에도 불구하고, 시험 데이터는 AgX 흡착제가 액체상 스트립핑 단계(단계 1) 동안 제논 성분을 우선적으로 흡착함을 명백히 보여준다. 산소에 의한 퍼지(단계 2)는 베드 및 배관 내의 공극 공간이 단계 1의 종료 시에 용이하게 세정되어 공급 성분을 제거할 수 있음을 보여주었다. 단계 3에 기재된 바와 같은 베드의 가온은 낮은 ppm으로부터 퍼센트 수준으로의 풍부화를 수반하는 제논의 회수로 이어지며, 생성물 중의 탄화수소 수준은 두 경우 모두 1 ppm 이하였다. 최종 냉각 단계(단계 4)는 이들 2개의 실험으로 먼저 수행하여, 스트립핑 단계(단계 1)가 개시되기 전에, 흡착 베드, 및 강한 흡착 오염물, 예컨대 CO2 및 N2O의 제거에 필요한 임의의 겔 트랩 또는 가드 베드를 극저온 온도가 되게 하였다.
비교예 1: 49.7 ppm의 Xe, 500 ppm의 Kr, 508 ppm의 CH4, 49.2 ppm의 N2O, 잔부 O2를 함유하는 공급 가스로부터의 Xe 회수; 여기서는, 스트립핑 단계에 대한 Xe 파과 기준이 충족되지 않음.
실시예 1로부터의 흡착 베드를 평균 입자 크기가 1.0 mm인 AgLSX(당량 기준으로 99%가 Ag로 교환됨, 잔부 Na) 1.85 g으로 패킹하였는데, 이는 이 베드를 단지 부분 충전시켰다. 베드 내의 추가의 공간을, 평균 입자 크기가 또한 1.0 mm인 본질적으로 비흡착성인 유리 비드로 가득 충전하였다. 실시예 1에 기재된 바와 같이, AgLSX 흡착제를 사용 전에 활성화하였다. 공급 가스 중의 N2O의 존재의 결과로서, 2.85 g의 등급 40 그레이스 데이비슨 실리카 겔을 함유하는 겔 트랩을 AgLSX 흡착 베드 앞쪽에 배치하였다. 실시예 2에 기재된 바와 같이, 실리카 겔을 사용 전에 활성화하였다. 겔 트랩의 목적은, 실시예 2에서 논의된 바와 같이, 가능한 한 많은 N2O를 제거하는 것이었다. 시스템을 주위 온도에서 UHP O2로 퍼지하여 흡착 베드, 겔 트랩 및 관련 구성요소 및 배관으로부터 임의의 대기 오염물을 제거하였다. 이어서, 액체 N2를 사용하여 겔 트랩을 81.9 K의 평균 온도로 냉각시켰다. 이때에, (실시예 1에 기재된 바와 같이) 크라이오스탯 내부의 흡착 베드를, 여전히 UHP O2 유동 하에서 130 K의 평균 온도로 유사하게 냉각시키고, 흡착 베드 뒤쪽에 배치된 배압 조절기를 사용하여 압력을 60 psig로 설정하였다. 일단 겔 트랩 및 흡착 베드 온도가 안정화되었으면, 공급물을 UHP O2에서 하기 조성을 갖는 Xe 함유 혼합물로 교체하였다: 49.7 ppm의 Xe, 500 ppm의 Kr, 508 ppm의 CH4, 49.2 ppm의 N2O, 잔부 O2. 유량은 흡착 단계의 경우 1.0 SLPM이었다. 공급 단계를 5시간 동안 계속하였으며, 이 시간까지 Xe 파과는 일어나지 않았다(도 5 참조). 대조적으로, 이 시점에서 Kr 및 CH4 둘 모두는 완전히 파과되었다. 베드를 재생하고 Xe 생성물을 회수하기 위하여, 하기의 일련의 단계들은 사용하였다: 먼저, 흡착 베드 및 배관을 130 K 및 60 psig에서 3분 동안 UHP O2로 퍼지하여 적어도 흡착 베드 및 배관 내의 공극을 세정하여 공급 오염물을 제거하였다. 이러한 고압 퍼지 후에, 배압 조절기를 사용하여 흡착 베드 압력을 6 psig로 감소시키고, 130 K에서의 UHP O2 퍼지를 추가 20분 동안 계속하였다. 이러한 더 낮은 압력 퍼지 후에는, 유량을 0.1 SLPM으로 감소시키고, 흡착 베드로부터 오염물을 추가로 제거하려는 시도로, 흡착 베드를 N2로 4분 동안 퍼지하였는데, 이러한 오염물은 더 강하게 유지될 수 있고, 이에 따라 퍼지 가스에 대해 O2 대신에 더 극성인 N2를 사용하여 더욱 용이하게 제거될 수 있다. 이러한 짧은 N2 퍼지 후에, 병류 O2 퍼지를 대략 90분 동안 개시하여 흡착 베드 및 라인을 퍼지하여 N2가 없도록 제거하였는데, N2는 RGA 분석기 상에서 CH4 신호를 방해하였다. 이 시점에서, 가스를 유동 방향이 향류인 O2로 다시 교체하고, 베드의 온도를 300 K로 증가시켰다. 흡착 베드 가온 동안 유량을 0.5 SLPM으로 설정하였다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 이들 조건 하에서, Xe는 2075 ppm의 피크 순도에 도달하였고, CH4 피크 순도가 또한 3180 ppm으로 매우 상승하였다.
이 비교예에서는, 공급 농도의 적어도 90%, 그리고 바람직하게는 공급물 중의 그의 농도의 적어도 95%에 이르는 Xe 파과의 요건에 관한 교시를 따르지 않았다. 그 결과, 회수된 Xe의 순도는 더 낮았으며, 더 중요한 것은, Xe 생성물 중의 CH4 농도가 공급 가스 중의 그의 농도를 초과하였다는 것이다(3180 ppm vs. 508 ppm).
실시예 3: 150 ppm의 Xe, 1502 ppm의 Kr, 1540 ppm의 CH4, 50 ppm의 N2O, 잔부 O2를 함유하는 공급 가스로부터의 Xe 회수
평균 입자 크기가 1.0 mm인 AgLSX 흡착제1.85 g을 앞에서와 같이 흡착 베드 내로 로딩하였는데, 이때 추가의 공극 공간은 1.0 mm의 평균 입자 크기를 또한 갖는 유리 비드로 충전하였다. AgLSX 흡착제를 사용 전에 실시예 1에 기재된 바와 같이 활성화하였다. 실시예 2에 기재된 바와 같이, 2.85 g의 동일한 유형의 실리카 겔을 사용하는 겔 트랩을 또한 이 시험에 사용하였다. 실시예 2에 기재된 바와 같이, 실리카 겔을 활성화하였다. 겔 트랩, 흡착 베드 및 모든 관련 배관을 포함하는 전체 시험 장치를, 시험을 시작하기 전에, UHP O2로 실온에서 퍼지하여 임의의 대기 오염물을 제거하였다. 배압 조절기를 사용하여, 압력을 100 psig로 설정하였다. 겔 트랩을, 여전히 UHP O2의 유동 하에서, 81.9 K의 평균 온도로 냉각시켰다. 주위 온도 조건 하에서의 Xe 포획의 양을 연구하기 위해, 흡착 베드를 의도적으로 실온에 그대로 두었다. 일단 가드 베드가 온도에 있으면, 공급물을 하기를 함유하는 희가스 혼합물로 교체하였다: 150 ppm의 Xe, 1502 ppm의 Kr, 1540 ppm의 CH4, 50 ppm의 N2O 및 잔부 O2. 유량은 0.35 SLPM으로 설정하였다. 실온 공급의 경우, 공급 농도에 이르는 Xe 파과를 약 8시간 내에 달성하였다. 다음으로, 흡착 베드 온도를 크라이오스탯을 사용하여 실온으로부터 130 K로 감소시키고, 유량을 2.5 SLPM으로 증가시켰다. 온도를 감소시킨 후, 흡착 베드의 출구에서의 Xe 농도는 감소하였는데, 이는 Xe의 더 많은 흡착이 이러한 더 낮은, 그러나 여전히 가스상인 온도에서 일어나고 있었음을 나타낸다. 130 K에서 대략 8시간 후에, 공급 농도에 이르는 Xe의 파과를 다시 한번 재확립하였다. 이 시점에서, 퍼지 단계를 위해 공급물을 희가스 함유 혼합물로부터 UHP O2로 교체하고, 압력을 50 psig로 감소시키고, 유량을 0.5 SLPM으로 감소시켰다. 퍼지 단계를 60분 동안 계속한 후, Xe 회수 및 베드 재생의 단계를 위해 베드 온도를 130 K로부터 주위 온도로 점진적으로 증가시켰다. 도 6이 보여주는 바와 같이, Xe 회수의 단계 동안 CH4는 검출되지 않았지만, 소량의 N2O가 흡착제로부터 방출되었는데, 이는 2.5 SLPM의 높은 유량의 결과로서 그러하였을 가능성이 가장 높으며, 그 결과 전체 시험 시간이 감소되었다.
본 발명의 공정은 또한 적어도 Kr, Xe, CH4 및 잔부 산소를 함유하는 가스 또는 액체 스트림으로부터 크립톤을 회수하도록 조정될 수 있다. 도 7은, 단계 2 및 단계 3에서 산소가 퍼지 가스로서 사용되고, 단계 4에서 액체 산소가 베드 냉각에 사용되는 일 실시 형태를 나타낸다. 이 가스 혼합물로부터의 크립톤의 분리를 가능하게 하는 한 가지 공정 변형은 메탄 또는 제논과 대비하여 이 성분에 대하여 가장 적은 친화성을 갖는 AgX 흡착제를 이용한다. 그 결과, 메탄 및/또는 다른 탄화수소 및 제논에 앞서, 덜 강하게 유지된 크립톤의 파과가 먼저 일어난다. 따라서, 일부 크립톤은, 허용 불가능한 양의 메탄 및/또는 다른 탄화수소가 파과되기 전에, 그 기간 내에 회수될 수 있다. 크립톤 및 제논 회수를 위한 흡착 공정은 하기 단계들을 포함한다:
단계 1a: 스트립핑 단계 및 Kr 회수
극저온 산소 유체를 사용하여 120 K 이하, 그리고 바람직하게는 90 K 이하로 예비냉각된, Xe에 대해 선택적인 흡착제를 함유하는 흡착 베드에, 산소 매트릭스 중에 적어도 ppm 수준의 Kr, Xe 및 탄화수소를 함유하는, 또한 120 K 이하, 그리고 바람직하게는 90 K 이하이고 약 10 psig의 압력인 공급 스트림을 흡착 베드의 입구에 제공한다. Xe에 대해 선택적인 흡착제는, 탄화수소를 더 강하게 흡착하고 Kr이 흡착 베드를 먼저 파과할 수 있게 함으로써, 스트립핑 단계의 초반부 동안 탄화수소/Kr 분리를 가능하게 한다. Kr은 탄화수소 함량이 흡착 베드의 출구에서 10 ppm을 초과할 때까지 이 시점에서 회수될 수 있다.
단계 1b: 스트립핑 단계
일단 출구에서의 탄화수소 수준이 10 ppm을 초과하면, Kr의 회수가 종료되고, 공급 스트림의 유동이 계속됨에 따라 Xe 선택적 AgX 흡착제를 Xe로 점진적으로 포화시키도록 스트립핑 단계가 계속된다. 공급 단계는 베드의 출구에서의 Xe 농도가 베드의 입구에서의 Xe 농도의 적어도 90%, 그리고 바람직하게는 적어도 95%일 때까지 의도적으로 계속된다. 이 시점에서, 공급 유동이 종료된다.
단계 2: 액체 산소 퍼지 단계
일단 베드의 출구에서의 Xe 농도가 베드의 입구에서의 Xe 농도의 적어도 90%라는 단계 1b의 종료 기준이 달성되면, 베드는 120 K 이하의 산소, 질소, 아르곤 및 이들의 혼합물의 군으로부터 선택되는 퍼지 가스로 퍼지되어 흡착 베드에 존재하는 비선택적 공극으로부터 탄화수소 및 Xe를 제거해야 한다. 이러한 퍼지 단계는 흡착 베드의 출구에서의 탄화수소 수준이 50 ppm 이하, 그리고 바람직하게는 10 ppm 이하, 그리고 가장 바람직하게는 1 ppm 이하일 때까지 계속되어야 한다.
단계 3: 재생 및 Xe 회수
이 시점에서, 흡착 베드의 온도는 극저온 온도로부터 적어도 250 K로 증가되어, 메탄 당량으로서 측정될 때 최대 50 ppm의 탄화수소를 함유하는 퍼센트 수준의 Xe 생성물을 회수할 수 있다. 온도는 주위 온도 또는 고온(최대 450 K) 산소 가스를 사용함으로써 상승될 수 있으며, Xe 생성물의 순도는 사용되는 이러한 주위 온도 퍼지 가스의 양을 통해 제어될 수 있다.
단계 4: 베드 냉각
흡착 베드의 온도가 적어도 250 K에 도달하고 Xe 생성물이 회수된 후에, 베드는 다시 극저온 온도로 냉각되어야 한다. 이는, 주위 온도 또는 고온 퍼지 가스의 유동을 정지시키고 흡착 베드를 극저온 유체와 접촉시켜 베드를 120 K 이하, 그리고 바람직하게는 90 K 이하로 냉각시킴으로써 달성된다.
단계 1 내지 단계 4는 순환 방식으로 작동될 수 있다. 하나 이상의 흡착 베드를 사용하여 이러한 흡착 공정을 작동시키는 것이 또한 가능하다. 2개의 흡착 베드가 사용되는 경우, 이들 2개의 흡착 베드가 서로 위상이 일치하지 않고, 베드 1은 단계 1a 및 단계 1b에 있고, 베드 2는 단계 2, 단계 3 및 단계 4를 거치고 있는 상태로 공정을 작동시키는 것이 유리하다. 베드 1이 임의의 Xe 파과를 나타내기 전에, 단계 2, 단계 3 및 단계 4 후에 베드 2가 재생되도록 2-베드 공정을 작동시키는 것이 특히 유리하다. 이러한 방식으로, 단계 1a 및 단계 1b의 일부에 대해, 베드 1 및 베드 2 둘 모두가, 베드 1로부터의 출구 Xe 농도가 입구 농도의 95%를 초과할 수 있도록 일련으로 작동될 수 있으며, 동시에, 전체 Xe 및 Kr 회수율을 증가시킬 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시 형태는 단계 2 및 단계 3에서 퍼지 가스에 산소를 사용하고 단계 4에서 냉각 유체에 대해 액체 산소를 사용하는 것이다.
실시예 4: 150 ppm의 Xe, 1500 ppm의 Kr, 1540 ppm의 CH4, 50 ppm의 N2O, 잔부 O2를 함유하는 공급 액체로부터의 Kr 회수
실시예 1로부터의 흡착 베드를 평균 입자 크기가 1.0 mm인 AgLSX(당량 기준으로 99%가 Ag로 교환됨, 잔부 Na) 1.83 g으로 패킹하였는데, 이는 이 베드를 단지 부분 충전시켰다. 베드 내의 추가의 공간을, 평균 입자 크기가 또한 1.0 mm인 본질적으로 비흡착성인 유리 비드로 가득 충전하였다. AgLSX 흡착제를 사용 전에 실시예 1에 기재된 바와 같이 활성화하였다. 공급 가스 중의 N2O의 존재의 결과로서, 3.54 g의 등급 40 그레이스 데이비슨 실리카 겔을 함유하는 겔 트랩을 AgLSX 흡착 베드 앞쪽에 배치하였다. 이것을 사용 전에 실시예 2에 기재된 바와 같이 활성화하였다. 시스템을 주위 온도에서 UHP O2로 퍼지하여 흡착 베드, 겔 트랩 및 관련 구성요소 및 배관으로부터 임의의 대기 오염물을 제거하였다. 배압 조절기를 사용하여 압력을 100 psig로 설정하였다. 이어서, 액체 N2를 사용하여 겔 트랩을 81.9 K의 평균 온도로 냉각시켰다. 이때에, (실시예 1에 기재된 바와 같이) 크라이오스탯 내부의 흡착 베드를, 여전히 UHP O2 유동 하에서 85.6 K의 평균 온도로 유사하게 냉각시켰다. 일단 겔 트랩 및 흡착 베드 온도가 안정화되었으면, 공급물을 UHP O2에서 하기 조성을 갖는 Xe 함유 혼합물로 교체하였다: 150 ppm의 Xe, 1500 ppm의 Kr, 1540 ppm의 CH4, 50 ppm의 N2O, 잔부 O2. 유량은 흡착 단계의 경우 0.5 SLPM이었다. Kr, CH4 및 Xe에 대한 파과 곡선이 도 8에 주어져 있다. 이 도면에서의 데이터로부터, CH4 파과 전에 Kr 파과가 일어나서, CH4 파과가 일어나기 전에 일부 Kr 회수를 가능하게 함이 명백하다.

Claims (24)

  1. 제논을 함유하는 공급 스트림(feed stream)으로부터 제논을 회수하기 위한 흡착 공정으로서,
    i. 상기 공급 스트림을, 입구 및 출구를 갖고 내부에 흡착 베드를 수용하고 있는 흡착 용기의 입구 내로 공급하는 단계 - 상기 흡착 베드는 제논에 대해 선택적인 적어도 하나의 흡착제를 함유함 -,
    ii. 상기 흡착 베드의 출구에서의 제논 농도가 상기 흡착 베드의 입구에서의 제논 농도의 70% 이상일 때까지 상기 흡착 베드를 공급 상태(on feed)로 유지하는 단계,
    iii. 상기 흡착 베드에 대한 공급을 종료하고 퍼지 가스(purge gas)로 상기 흡착 베드를 퍼지하는 단계,
    iv. 상기 흡착 베드의 온도를 상기 흡착 베드 내의 흡착제로부터 모든 상기 제논을 탈착시키기에 효과적인 온도로 증가시키는 단계,
    v. 상기 흡착 베드로부터 탈착된 제논 생성물을 회수하는 단계,
    vi. 상기 흡착 베드를 유체를 사용하여 냉각시키는 단계, 및
    단계 i 내지 단계 vi을 순환 방식으로 반복하는 단계를 포함하는, 흡착 공정.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공급 스트림은 산소 공급 스트림이며, 상기 산소 공급 스트림은 제논에 더하여 적어도 하나의 다른 흡착가능한 성분을 포함하는, 흡착 공정.
  3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다른 흡착가능한 성분은 탄화수소 또는 크립톤인, 흡착 공정.
  4. 제3항에 있어서, 상기 탄화수소는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판 또는 이들의 조합인, 흡착 공정.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다른 흡착가능한 성분은 크립톤, 메탄, 또는 크립톤 및 메탄 둘 모두를 포함하는, 흡착 공정.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공급 스트림은 액체 상태 또는 가스 상태인, 흡착 공정.
  7. 제1항에 있어서, 상기 공급 스트림은 1 내지 200 ppm의 제논, 500 내지 2000 ppm의 Kr, 500 내지 2000 ppm의 탄화수소, 0 내지 100 ppm의 N2O, 0 내지 100 ppm의 CO2, 0 내지 1200 ppm의 Ar 및 ppm 양의 N2 및 다른 대기 중 가스, 잔부 O2를 포함하는, 흡착 공정.
  8. 제1항에 있어서, 상기 퍼지 가스는 산소, 질소 및/또는 아르곤을 포함하는, 흡착 공정.
  9. 제8항에 있어서, 상기 퍼지 가스에는 제논이 없는, 흡착 공정.
  10. 제1항에 있어서, 단계 i의 상기 흡착 베드는 120 K 이하의 온도로 예비냉각되는, 흡착 공정.
  11. 제5항에 있어서, 단계 i의 상기 흡착 베드는 90 K 이하의 온도로 예비냉각되는, 흡착 공정.
  12. 제3항에 있어서, 상기 퍼지 단계는 상기 흡착 베드의 출구에서의 상기 탄화수소 수준이 50 ppm 이하일 때까지 계속되는, 흡착 공정.
  13. 제3항에 있어서, 상기 퍼지 단계는 상기 흡착 베드의 출구에서의 상기 탄화수소 수준이 10 ppm 이하일 때까지 계속되는, 흡착 공정.
  14. 제1항에 있어서, 단계 iv에서, 상기 흡착 베드의 온도는 1% 이상의 제논 농도로 제논 생성물을 회수하기 위하여 적어도 250 K로 증가되는, 흡착 공정.
  15. 제12항에 있어서, 단계 iv에서, 상기 제논 생성물은 50 ppm 이하의 탄화수소를 함유하는, 흡착 공정.
  16. 제1항에 있어서, 단계 vi에서, 상기 흡착 베드는 120 K 이하의 온도로 냉각되는, 흡착 공정.
  17. 제1항에 있어서, 상기 흡착 베드는 상기 흡착 베드의 출구에서의 제논 농도가 상기 흡착 베드의 입구에서의 제논 농도의 95% 이상일 때까지 공급 상태로 유지되는, 흡착 공정.
  18. 제1항에 있어서, 적어도 2개의 흡착 베드를 포함하며, 상기 흡착 베드들은 서로 위상이 일치하지 않는, 흡착 공정.
  19. 제18항에 있어서, 상기 적어도 2개의 흡착 베드는 상기 공급 단계의 일부에 대해 일련으로 연결되는, 흡착 공정.
  20. 제1항에 있어서, 산소가 상기 퍼지 가스인, 흡착 공정.
  21. 제1항에 있어서, 산소 가스 및/또는 액체 산소가 단계 vi에서 상기 유체로서 사용되는, 흡착 공정.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제논 선택적 흡착제는 은 이온 교환된 X형 제올라이트이며, 이온 교환 수준은 당량 기준으로 적어도 80%의 Ag인, 흡착 공정.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제올라이트의 이온 교환 수준은 당량 기준으로 적어도 90%의 Ag인, 흡착 공정.
  24. 제3항에 있어서, 크립톤이 단계 i 동안 상기 흡착 베드의 출구로부터 회수되고, 크립톤의 회수는 크립톤 생성물 중의 탄화수소 농도가 50 ppm에 도달할 때까지 또는 상기 흡착 베드의 출구에서의 제논 농도가 상기 흡착 베드의 입구에서의 제논 농도의 70% 이상일 때까지 계속되는, 흡착 공정.
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