KR19990013799A - 반경 방향 흐름 용기에 다중 흡착제를 적재하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

반경 방향 흐름 용기에 다중 흡착제를 적재하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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제퍼트 존 노오빌스키
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조안 엠. 젤사
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Abstract

본 발명은 내부 및 외부 반경 방향으로 위치된 동심 입자층으로 이루어지는 입자 베드를 형성하기 위해 용기 내부에 입자를 적재하기 위한 입자 적재기 조립체에 관한 것이며, 상기 내부층은 상기 외부층 내에 포함된 입자 형태로부터 다른 입상측정, 또는 조성, 또는 두가지의 입상측정 및 조성을 갖는 적어도 하나의 형태을 포함한다.

Description

반경 방향 흐름 용기에 다중 흡착제를 적재하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 유체의 성분 분리 특히, 공기로부터 산소(또는 질소)를 분리하기 위해 열 스윙(TSA), 압력 스윙(PSA), 진공 스윙(VSA), 또는 진공 압력 스윙(VPSA) 흡착 공정을 이용하는 플랜트에서 사용되는 흡착제를 고정하는 반경 방향 흐름 용기 상으로 두 개 이상의 개별적인 흡착제층을 적재하기 위한 것이며, 보다 상세히 설명하면 본 발명은 다른 조성 또는 입상측정(granulometry)을 갖는 반경 방향으로 위치된 두 개 이상의 별개의 동심 층(concentric layer)을 임의의 용기(특히, 흡착 용기)에 적재하기 위한 것이다.
임의의 흡착 용기에서, 흡착제를 통해 유체가 유동하는 것과 같이 유체의 다른 성분을 제거하거나 처리하기 위해 용기 흡착층의 다양한 영역 위에 다른 종류의 흡착제를 위치시키는 것이 때때로 바람직하다. 축선 흐름 용기에서, 쉽게 수행될 수 있는 수평층 내의 용기에 흡착제를 위치시킨다. 반경 방향 흐름용기(즉, 처리되어질 유체는 흡착제 베드를 통해 흐르는 반면 반경(일반적으로, 내부 반경) 방향으로 흐르는 용기)에서는, 층들이 반경 방향으로 위치되고 상기 층들 사이의 계면이 중력장과 평행하게 향해 있기 때문에 적재가 어렵다.
종래 기술은 이러한 문제점을 두가지의 방식으로 해결하고자 했다. 첫째는, 층 내에 조성된 격벽을 사용하여 상기 흡착제 층 영역을 복수의 개별적인 동심 흡착제 층으로 분할하여 각각 적재할 수 있도록 하는 것이다. 이는 각각의 촉매 층을 보유하기 위한 영구 장착된 동심 천공 실린더를 사용하는 것으로 미국 특허 제 3,620,685호와 각각의 흡착제 층을 유지하기 위한 원형 격자를 사용하는 미국 특허 제 4,541,851호에 개시되어 있다. 이러한 경우, 각각의 용기에 상당 구조물이 부가되어 용기의 비용을 증가시킨다. 압력 강하의 증가 이외에도, 이러한 격벽의 존재는 관련 기술에서 새도우잉(shadowing) 이라 불리는 현상인 유체와 흡착제 사이의 접촉에 악영향을 미칠 수 있다.
두 번째 방법에서, 반경 방향 흐름 층은 고형질의 수평 격벽에 의해 분리된 적층된 수직 베드 섹션으로 분할된다. 제 1 층 섹션이 하나의 흡착제 형태로 적재된 이후에, 격벽은 설치되고 제 2 섹션은 미국 특허 제 5,232,479호에서와 같이 다른 흡착제 형태로 적재된다. 선택적으로, 각각의 섹션은 미국 특허 제 4,698,072 호에 기술되어진 것처럼 각각의 충전 파이프를 통해 각각 적재될 수 있다. 이는 용기에 상당 구조물을 부가하고, 또한 (i)유동 분포 불량,(ii) 흡착제 베드를 가로지른 증가된 압력 강하, 및 (iii) 증가된 공극 체적 등의 위험이 가중되는 흡착제 베드의 높이를 증가시킨다. 전술한 사항중의 하나는 상기 용기의 작동 효율에 악영향을 미친다.
특정 재료로 용기를 적재하는 장치의 여러 형태는 미국 특허 제 3,972,686호 및 제 4,159,785호에 기술되어진 것과 같이 개선되어졌다. 그러나, 이러한 장치는 단일형태 또는 특정 입자의 단일 층에서만 가능하며 두 개 이상의 다른 입자 형태에서 동시에 분배될 수 없으며, 반경 방향으로 위치된 동심 층내에 다수의 흡착제를 분배할 수 없다.
미국 특허 제 5,324,159호는 한번에 단일 형태의 입자를 분배시키기 위한 입자 적재기에 관한 것이다. 상기 특허는 충돌시 제어하는 조건하에 완전히 참고로 구체화되어 있다.
따라서, 두 개 이상의 별개의 동심 반경 방향으로 위치된 입자 층으로 용기(특히, 대용량) 적재가 편리하고 비용 효율적인 기술이 필요하다. 이러한 필요성은 흡착제 입자를 고정하는 대형 용기와 비용 문제에 민감한 다양한 PSA, VSA, 또는 VPSA 공정에서 공기로부터 산소 또는 질소의 분리에 사용되는 흡착제 입자에서 특히 중요하다. 이러한 공정에서, 자본 비용 및 작업 비용을 줄이고 품질 특히 순도를 손상시키기지 않고 총괄 비용을 낮추어야 하는 필요성이 있다.
이후, VPSA 의 참조문은 PSA 또는 VSA의 참조문을 포함한다. 흡착제에 대한 참조문은 (제오라이트와 같은) 흡착제 입자와 촉매 입자 또는 유동 분포의 비 흡착제 입자와 같은 반경 방향 흐름 용기에 사용되는 다른 형태의 입자를 포함한다.
VPSA 와 관련하여, 대형 용기는 6 ft 보다 큰 직경을 갖는 용기이다. 대형 용기의 작업 처리량은 하루에 60톤 이하의 공기이다.
본분에 사용되는 용어 입상 측정(granulometry)은 (바람직하게 6 mm 이상의)크기, (구형, 원형, 또는 압출 또는 비균일의) 형상, 또는 결(texture)과 같은 입자 특성을 의미한다.
본문에 사용되는 용어 다른 흡착제, 다른 입자 형태, 다른 입자 재료는 조성 또는 입상 측정에서 서로 다른 두 개 이상의 흡착제 또는 입자(흡착제 또는 입자 혼합물의 형태를 갖는 적어도 하나)를 의미한다.
본 발명은 반경 방향으로 위치된 적어도 두 개의 별개의 다른 입자 재료의 동심 층을 용기에 적재하기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은
(1) 두가지(또는 모든) 흡착제 형태로 용기를 충전하고 동시에 연달아 충전 작업이 계속됨으로써 용기 충전 작업을 적절한 속도로 수행할 수 있으며,
(2) 전체 용기 충전 작업(바람직하게, 작업자 1명에 의해서)을 수행하고 관리하기 위해 소수의 인원을 고용할 수 있으며,
(3) 입자 층을 구분하여 유지시키도록 설계된 독립된 분배기 또는 격벽과 같은 용기의 자본 비용을 부가하나 충전된 용기가 수행되도록 설계된 흡착 작업의 효율에 유용하지 못한, 영구 용기 구조물의 필요가 없으며,
(4) 각층에 걸쳐 균일하고 높은 충전 밀도를 이룰 수 있으며,
(5) 인접한 입자층 사이에 들쭉날쭉한 계면이 아닌 정돈된(수직인) 계면을 이룰 수 있으며, 그리고
(6) 뚜렷한 계면을 이룰 수 있다. 즉, 두 흡착제 층으로부터 입자를 함유한 계면 혼합 영역의 반경 방향 너비를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 방법 및 장치로 베드가 채워져 있는,두 개의 명확한 반경방향으로 위치된 동심 흡착제층 A,B를 포함한 흡착제를 갖는 반경 방향 흐름 용기의 축선 횡단면도를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 대칭으로 위치된 두 개의 회전식 아암을 가지며, 각각의 아암이 두 개의 다른 흡착제 층을 증착하는 특정 적재 장치의 축선 횡단면도.
도 3은 도 2의 실시예에 따른 회전식 아암의 축선 횡단면도의 상세도.
도 4a 및 도 4b는 또 다른 적재기 조립체의 축선 횡단면도 및 각각의 반경 방향으로 위치된 층 내에 3개의 흡착제 형태로 분배됨을 나타낸 도면.
도 5는 하나의 회전식 아암이 제 1 흡착제 층을 증착하며, 또 다른 회전식 아암이 제 2 흡착제 층을 증착하는데 사용되는 이중 회전식 아암의 또 다른 실시예를 나타낸 축선 횡단면도.
도 6a 내지 도 6e는 두 개의 층 사이의 계면에서 두가지 형태의 흡착제의 혼합을 감소시키기 위해 제공된 본 발명에 따른 입자 적재기와 연결되어 사용될 수 있는 일련의 격벽 장치의 단순 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 :반경방향 흐름 용기 2 : 흡착제 베드 섹션
3,4 :측벽 5 : 흡착제 베드 기저부
9 : 계면 17 : 도관
22 : 원형 챔버 24 : 유체 장벽
201 : 적재기 240 : 회전 조립체
243 : 제어기 245 : 고정 플랜지
본 발명은 입자 적재기 및 적어도 두가지 형태의 흡착제 또는 다른 입상 또는 미립자 재료를 용기 내에 반경 방향으로 위치된 별개의 동심 입자층 내에 동시에 위치시키는 방법이 기술되어 있다. 각 층의 반경 방향 너비 및 반경 방향 위치는 미리정해져 있으며 제어될 수 있다. 다른 흡착제는 용기내의 각각의 섹션 상에 단위 표면적당 동일한 체적 속도(ft3/sec/ft2)에서 동시에 떨어질 수 있다. 그 결과, 용기의 흡착제 베드 부분은 균일한 속도로 충전되며 수행되어진 것보다 균일하고 (종래 기술의 방법에 의한 것보다 적어도 5- 10% 높은)높은 충전 밀도를 갖는다. 본 발명은 다양한 형태의 흡착제의 각각의 동심 층 및 각각의 층 내에서 균일한 흡착제 충전 밀도를 유지할 수 있다. 본 발명은 동심의 수직 베드 섹션보다 쌓여진 베드 섹션을 수용하기 위해 용기 높이를 증가시키고 용기에 영구적인 독립 구조물을 부가할 필요가 없다. 충전 작업은 산업상 허용가능한 속도로 진행되며, 단일 작업자에 의해 제어될 수 있다. 전술한 결과는 낮은 비용의 용기, 압력 강하가 감소된 공정, 감소된 용기의 공극 체적, 흡착제의 균일하고 높은 충전 밀도, 및 베드를 가로지른 개선된 반경 방향 흐름 분포 중의 하나 이상의 잇점을 갖는다.
본 발명의 장치는 다양한 입자 형태를 수용하고 이러한 입자 형태를 각각의 입자 흐름으로 유지하고 특정 흡착제 층이 증착되어진 용기의 소정 섹션에 각각의 흡착제 형태를 지향하게 하기 위한 다중 섹션 공급 시스템 및 다중 호퍼가 제공된다. 본 발명은 VPSA의 사용으로 공기로부터 산소 또는 질소의 분리를 위한 반경 방향 흐름 용기에 특별한 적응성을 갖는다.
도 1에 축선 횡단면으로 도시된 반경 방향 흐름 용기(1)는 외부 측벽(3) 및 내부 측벽(4)을 포함하는 흡착제 베드 섹션(2)을 포함한다. 두 측벽(3,4)은 원형이며 흡착제 베드를 통해 유체가 균일하게 분포될 수 있도록 유체의 흐름이 용기내에서 처리될 수 있도록 한다. 흡착제 베드 기저부(5)는 환형이며 유체가 침투되지 못하며, 흡착제 베드 상층부(6)에서도 똑같이 적용된다. 흡착제 베드 섹션(2)은 동심의 흡착제 층(7,8)을 포함한다. 외부 층(7)은 흡착제(A)로 구성되며 내부 층(8)은 흡착제(B)로 구성된다. 두개의 층은 베드의 기저부(5)와 상층부(6)사이에 높이(H)를 갖는다. 흡착제(A,B)의 계면(9)은 상기 실시예에서 임의의 격벽 또는 용기 구조물의 다른 요소를 포함하지 않는다.
이상적으로, 계면(9)은 도 1에 도시되어진 것과 같이 적당한 반경 방향 너비가 없는 원형면이다. 그러나, 실행시에 (도시되지 않은) 반경 방향 너비를 갖도록 하는 계면에서 흡착제 (A,B)의 일부 혼합이 있을 수 있다. 본 발명은 다른 흡착제 사이의 계면의 반경 방향 너비를 감소시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 부가적으로, 상기 층들의 동시 충전, 및 균일한 충전 속도로 인해, 계면은 들쭉날쭉하거나 오늬 무늬의 형상이 아닌 직선 형상을 갖는다. 즉, 계면은 0.64 cm 내지 1.27cm(0.25 내지 0.5 inch) 이상의 수직으로 떨어진 톱니 모양의 계면에 들쭉날쭉하거나 오늬 무늬의 형상의 한 흡착제 층과 다른 흡착제 사이에 불연속 장입 영역이 없다.
도 1은 용기 외부 바닥 벽(18)과 용기(1)의 바닥 내부에 위치된 유입 확산 원뿔형 용기(19) 사이, 및 용기 외부 측벽(20)과 흡착제 베드 섹션(2)의 높이에서의 흡착제 베드 외부 측벽(3) 사이에 형성된 방사상 유입 도관(17)을 포함한다. 용기내의 유체 유출 시스템은 흡착제 베드 단면 내부 원형 측벽(4), 기저부(23), 및 환형의 유체 장벽(24)에 의해 형성된 환형의 원형 챔버(22)를 포함한다. 챔버(22)는 흡착제 베드(2)를 벗어나 반경 방향으로 흐르는 유체를 수용하고 유체 장벽(24)의 내부 원형 벽(26)에 의해 형성된 도관(25)에 연결된다. 도관(25)은 유체 출구(27)에 연결된다.
VPSA 공정과 같은 흡착 상태중에 공기와 같은 처리되어질 유체는 유입구(16)를 통해 용기(1) 내부로 흐르며, 유입 도관(17) 내에서 외부 및 상향으로 반경 방향으로 흘러 외부 벽(20)과 베드 측벽(3)에 의해 형성된 도관(17)의 부분(17')내에서 내부 및 상향으로 흘러 들어간다. 이러한 유체는 흡착제 베드 섹션(2)을 통해 내부로 반경 방향으로 흐른다(먼저 흡착제 A(외부층 7)를 통과하고 그다음 흡착제 B(내부층 8)를 통과한다). 그 다음 침투성 벽(4)을 통해 통과하여 도관(22) 내의 아래로, 도관(22)의 바닥(22')에서 방사상으로 내부로 흐르며 도관(25)을 통해 위로 상승하여 출구(26)를 통해 용기 외부로 나간다.
도 2는 본 발명에 따른 회전식 아암 입자 적재기의 일실시예를 도시한 축선 횡단면도이다. 상기 실시예는 두 개의 회전식 아암(230,230')을 포함하며, (단일의 회전식 아암 또는 3개 이상의 회전식 아암이 사용된다 하더라도) 바람직하다. 도 2에서, (도 1의 용기의 베드와 같은) 반경 방향 흐름 흡착제 베드용 이중의 흡착제 적재기(201)가 도시되어 있다. 이러한 적재기(201)는 지지체 및 회전 조립체(240) 상에 회전가능하게 장착되어 있다. 조립체(240)는 직립 지지체(246)상의 L 형상의 고정 플랜지(245), 구동 벨트(242), 모터(241), 및 제어기(243)를 포함한다. 플랜지(245)는 적재기의 회전을 허용하기 위한 호퍼(203)에 고정된 회전 플랜지(249)와 협력하고 있다. 지지체(246)는 고정된 장착판(247)과 조립체(240) 부분에 장착된다. 장착판(247)은 지지체 아암(248)을 통해 (도시되지 않은) 흡착 용기의 상부에 고정된다. 호퍼 조립체(202,203), 및 회전식 아암(230,230')은 벨트(242)에 의해 구동되는 중심 수직 축을 중심으로 회전한다. 모터(241)는 벨트 구동부(242)를 구동시킨다. 흡착제 층의 증착과 적재기(201) 회전 및 적재는 흡착제용 흐름 속도와 회전 속도를 제어하는 제어기(243)에 의해 제어된다. 입자는 드럼(244)과 같은 드럼으로부터 적재기(201) 상으로 적재된다.
도 2를 참조하여, 내부 호퍼 조립체(202)는 내부 흡착제(도 1의 B)를 적재한다. 외부 호퍼 조립체(203)는 외부 흡착제(도 1의 A)를 적재한다.
내부 호퍼 조립체(202)는 회전식 아암(230,230')의 내부 흡착제 낙하 도관(231,231')과 입자 흐름 연통하고 차례로 연결된 둥근 횡단면 도관(210)과 입자 흐름 연통하며 연결된 원뿔형 공급기(208)로 바닥에서 종결되고 선반 부분(206)을 포함하는 호퍼(204)로 이루어진다. 회전식 아암(230,230')은 반경 방향으로 외부로 그리고 도관(210)의 중심으로부터 하향으로 약간 연장한다. 도 3에 도시되어진 회전식 아암(230,230')의 원심 단부(304)는 (도 1의 벽(3)과 같이)적재되어질 용기의 흡착제 베드 섹션의 외부 측벽의 부근에 도달하며 용기의 흡착제 베드 섹션의 내주부 둘레로 회전 형태로 이동한다.
회전식 아암(230)의 확대 횡단면도가 도 3에 도시되어 있다. 회전식 아암(230)은 서로 연통하지 않는 두 개의 낙하 도관 즉, 둥근 횡단면 도관(210)과 연통하고 베드 상에서 도관에 분배되기 위해 내부 흡착제를 나르는 낙하 도관(231), 및 하기에 기술되어질 베드상에서 외부 흡착제를 분배하여 나르는 낙하 도관(233)으로 이루어진다. 도 2에서, 낙하 도관(231,233)은 회전식 아암(230)과 일체식으로 도시되어 있으나 이는 선택적이다. 도관(233)이 도관(231)의 상층에 도시되어 있으나 이도 역시 선택적이다. 예를 들어, 외부 흡착제 층의 낙하 도관은 내부 흡착제의 길이를 따라 내부 흡착제용 도관에 의해 둘러싸여 있으며 동심을 이루며 내부 흡착제의 원심 단부를 통해 연장한다. 선택적으로, 도관(231,233)은 도 5의 실시예에서와 같이 나란히 위치되거나 180°로 펼쳐져 있다. 그러나, 도 2에 도시되어 있는 회전축을 중심으로 대칭으로 위치되어진 이중의 회전식 아암의 배열이 바람직하다.
도 2를 참조하여, 낙하 도관(231)은 용기 내부로 내부 흡착제 층의 입자를 낙하시키기 위한 구멍(231의 경우 234)이 제공되어 있다. 분배판(232)은 낙하 도관(231)의 원심 단부를 나타내며 낙하 도관(233)의 하부(302)의 구멍(303)으로부터 내부 흡착제의 흐름을 방지함으로써 내부 흡착제 층의 증착의 경계를 나타낸다. 구멍(234,303)의 크기 및 분포는 미국 특허 제 5,324,159호에 기술되어진 회전식 아암의 원심 단부 부근에 보다 큰 구멍이 놓여져 각각의 층 및 모든 층을 통해 동일한 속도의 체적 흐름 속도를 유지하도록 하는 것과 같이 분포되어 있다.
내부 층을 형성하는 흡착제는 호퍼(204)위에 적재되며, 도관(210)을 통해 회전식 아암(230,230')사이로 분리되며, 회전식 아암(230)의 낙하 도관(231)내부로 이동하며 흡착제 베드의 소정의 방사상 위치와 소정의 방사상 두께로 구멍(234)을 통해 떨어진다. 동시에, 외부 흡착제는 하기에 기술되어질 구멍(303)을 통해 방출된다.
도 2에서, 외부 호퍼 조립체(203)를 통한 외부 흡착제 층은 용기 위에 적재되어 둘러싸여 내부 호퍼 조립체(202)와 동심을 이룬다. 외부 호퍼 조립체(203)의 외부 벽(205)은 내부 호퍼 내부 호퍼 선반 부분(206) 아래에 벽(204) 둘레로 구성된다. 상단부에, 벽(205)은 노즐(209)를 통해 드럼(244)으로부터 외부 흡착제를 수용하기 위해 사용되는 굴뚝(207)을 형성하기 위해 외부로 뛰어 나온다. 굴뚝(207)은 원추형이 잘려진 형상으로 유연성의 보호 스커트(211)와 설치되어 있다. 스커트(211)는 (고무와 같은) 임의의 수증기 불침투성 재료로 제조되며 주위 수증기와 건조 흡착제 사이의 접촉을 방지하도록 제공된다. 스커트(211)는 드럼 노즐(209)위를 덮을 만큼 충분한 대형이므로 수증기의 접촉을 충분히 보호할 수 있다.
외부 흡착제가 굴뚝(207) 상에서 적재되는 것과 같이 굴뚝(207)은 중심 축 주위를(전체 로우더(201)를 따라) 회전한다. 노즐(209)은 고정되며 회전되지 않는 반면, 입자는 외부 호퍼 조립체(203) 상으로 적재된다.
노즐(209)은 외부 흡착제 흐름을 제어하기 위해 게이트 밸브(215)가 제공된다. (내부 흡착제 입자는 동일한 형태의 게이트 밸브와 노즐 조립체를 사용하여 드럼으로부터 적재될 수 있다.) 외부 흡착제는 굴뚝(207)으로 유입하여 벽(205), 내부 호퍼 선반(206), 및 벽(204) 사이에 형성된 환형의 실린더(217) 아래로 흐른다. 원추형 공급기(208)와 동심인 원추형 공급기(219)는 벽(205)의 바닥에 제공되며 횡단면 영역이 완만하게 감소하며, 상기 영역을 통해 외부 흡착제가 환형 실린더(217)와 도관(210)을 둘러싼 동심의 환형의 도관(221) 사이로 흐른다. 외부 원통형 벽(223)과 도관(210)의 원통형 벽(212) 사이에 도관(221)이 형성된다. 도관(221)은 외부 흡착제를 회전식 아암(230)의 낙하 도관(233) 위로 안내한다. 역 V판(235)은 외부 흡착제 흐름을 회전식 아암(230)의 도관(233)과 그 반대편의 도관(233') 사이로 동일하게 분할하는 도관(221) 내부에 설치된다. 상기 판(235)의 각 면은 구멍(235a)을 가지며 그 구멍을 통해 외부 흡착제가 도관(233,233') 내부로 흐른다.
회전식 아암(230,230')은 벽(223) 위에 고정되며 전체 조립체(201)와 일체식으로 구성된다. 외부 흡착제는 아암(230)의 도관(233) 내부로 흐르고 회전식 아암(230)의 원심 단부(301)(도 3)를 향해 외부로 반경 방향으로 도관(233) 내부로 흐른다. 외부 흡착제가 판(232)에 도달했을 때, 소정의 반경 방향 위치에서 소정의 방사상 두께로 외부 흡착제 층을 증착하는 용기에 구멍(303)을 통해 도관(233)의 하부 원심 부분(302)으로 떨어진다.
입자의 흐름은 호퍼의 크기, 원추형 공급기, 및 회전 속도에 관련된 게이트 밸브에 의해서, 그리고 (도 3의) 구멍(234,303)의 크기, 수, 및 간격에 의해 제어된다. 회전 속도와 관련하여, 본 발명은 미국 특허 제 5,324,159호와는 다르다. 두가지 경우에서, 보다 빠른 속도에서, 접선 요소의 입자 속도는 흡착제 베드의 벽을 향해 반경 방향으로 외부로 누른다. 전술한 특허에서와 같이 단일 흡착제 또는 하나의 흡착제 혼합물이 증착되어진 경우에는, 베드 주변부 벽에 대해 눌려진 흡착제 입자로부터 역효과가 나타난다. 그러나, 하나 이상의 다른 흡착제가 사용될 때, 층들 사이의 계면은 고속에서 반경 방향으로 외부로 위치된다(계면에서 혼합 지대는 증가된다). 계면의 변이는 두 개의 층의 깊이를 변화시키며 불균등한 충전 밀도를 초래한다.
반면에, 용기를 보다 신속하게 채우고 증가된 밀도 잇점을 얻기 위해 충분히 높은 회전 속도에서 유지하는 것이 중요하다.
따라서, 회전 속도는 각각의 흡착제 베드 크기, 층의 수, 각각의 층의 입자 및 조성, 및 요구되는 층 사이의 계면의 선명도에 따라 최적화될 수 있다. 본 발명에 따라 회전 아암의 회전 속도는 하부 회전 속도가 다수의 회전 아암을 갖는 상황에서도 바람직하게 2 내지 10 rpm 사이의 범위내에 있다. 최적의 회전 속도는 실험치 또는 시뮬레이션에 의해 얻을 수 있다. 첫 번째 시도 속도는 4 rpm 이다. 계면의 방사상 변이는 아암의 회전 속도의 다항 함수이며 계면(그리고 아암의 반경은 베드의 반경에 따라 달라진다)에 대응하는 위치에서 회전식 아암의 반경의 다항 함수이다. 대략 2 feet 또는 그 이상의 강하 높이와 4 rpm의 회전 속도에서, 입자의 방사상 외부 이동은 공기 항력에 의해 대응하기 때문에 강하 높이의 함수가 아니다. 보다 빠른 회전 속도, 입자 재료의 방사상 변이는 강하 높이의 증가로 증가한다. 입자 조성, 배치, 및 중량은 최적의 회전 속도의 결정에 기여하며, 이는 실험 수치 및 시뮬레이션이 추천되는 이유이다.
용기 충전 속도을 증가시키기 위해 바람직하다면, 낙하 도관의 구멍은 보다 크게 제조될 수 있다. 구멍의 분포는 흡착제 층 내의 모든 층을 가로질러 일정한 체적 흐름 속도를 유지하는데에 중요하다. 낙하 도관의 보다 큰 직경의 구멍은 회전 속도를 증가시킨다.
전술한 조립체(201)를 통해 개별 흐름으로 흐른 결과, 내부 및 외부 흡착제 입자는 각각 유지되며 용기(1)의 흡착제 베드(2)의 다른 반경 방향 위치에서 회전식 아암으로부터 방출되며(도 1), 흡착제 베드(2)내부에 반경 방향으로 위치된 흡착제 각 층의 두 개의 개별적인 동심 층을 발생시키며 소정의 높이 및 방사상 두께를 가지며 독립되어 있는 구조물 요소가 없는 계면의 인접층에 접하고 있다.
각각의 흡착제의 흐름의 체적 속도는 하나의 흡착제의 입자의 흐름 속도와 다른 흡착제의 흐름 속도를 제어함으로써 동일하게 유지된다. 높고 균일한 충전 밀도는 각 흡착제 층에서 이루어지며, 상기 층들은 동시에 증착된다. 입자의 전체 하중이 용기(층을 분할하기 위해 구조 격벽이 사용되는 종래의 기술에서와 같이)의 흡착제 베드 섹션 내부로 방출될 때 보다 높은 충전밀도를 갖는다. 이론적으로, 각 흡착제의 매우 얇은 수평층의 증착 사이를 수동으로 변경함으로써 방사상 층을 충전하는 것이 가능하다. 각각의 수평 층의 두께에 따라, 계면은 명확하게 경계지어지지 않는다. 그러나, 충전속도는 매우 느리며, 공정은 노동 집약적이며 최종적인 충전 밀도는 본 명세서의 서론 부분에서 논의된 종래 기술보다 낮다.
두 개의 동심 층 사이의 계면의 명료성은 내부층의 입자와 외부층의 입자 사이에서 발생하는 혼합에 따라 달라진다. 흡착제 베드의 표면을 침으로써, 입자 재료 일부는 베드 표면으로부터 튀어 올라 일부는 베드 표면 내부로 더 깊게 구동되며 일부는 베드 내의 다른 입자가 이동되도록 초래한다. 베드 표면이 편평하지 않고 입자로 제조되었다면, 다시 튀어올라(눌러지거나 또는 이동을 초래하는) 떨어지는 입자는 임의의 각도로 이동하며, 입자중의 일부가 판(232)으로부터 연장하고 이상적인 계면(9)에 대응하는 가상 원형 표면을 횡단하도록 하는 각도를 포함한다. 상기 이상적인 계면을 가로지른 입자는 다른 층 내에서 종결되며, 일부 입자의 혼합이 발생한다. 입자의 양이 적을수록, 혼합은 적게 발생하며 인접한 흡착제 층 사이의 계면은 보다 좁아질 것이다. 그러므로, 좁은 계면을 유지하기 위해서는 튀어오르거나 이동하는 입자의 수와, 베드 표면을 치고 다른 입자에 의해 이동한 후에 이동 거리는 최소가 된다. 선택적으로, 또는 부가적으로 상기 이동 방향은 제어될 수 있다.
튀어오르거나 눌려진 입자에 의해 이동된 거리와 튀어오르거나 눌려진 입자의 수는 입자가 하강하는(입자는 종결 속도에 도달하지 못했을 것이다) 높이의 함수인 베드를 치는 입자 에너지의 함수이다. 높이는 회전식 아암의 구멍과 베드 표면 사이의 거리이다(즉, 충전되기 이전의 도 1의 기저부(5) 및 충전된 이후의 흡착제 베드의 상층부(6)).
전술한 가정은 VPSA 에서 입자는 대부분의 흡착제 및 용기를 고정하는 종결 속도에 도달하지 못한다는 것이었다. 임의의 경우에서, 종결 속도에 도달하는 낙하 거리는 입자의 항력 계수, 입자의 직경, 입자의 밀도, 및 입자가 하강하는 유체 매체(일반적으로 건식 N2)의 밀도로부터 공지되어진 것처럼 계산될 수 있다. 이러한 가정의 유효성은 각각의 특정 경우에 따라 결정될 수 있다. 구멍과 베드 표면 사이의 높이가 너무 높아서 혼합이 발생한다면, 측정은 계면을 뚜렷하게 하여 수행될 수 있다. 반면에, 최소 하강 높이는 소정의 높은 충전밀도를 이루기 위해 베드 상에 입자를 구동시키기에 필요한 에너지를 분배하는데 필요하다. 입자 재료의 균일도 및 밀도에 영향을 미치는 요소는 하강 높이, 회전 아암의 수, 특정 흐름 속도, 및 아암 회전속도를 포함한다. 계면에서 허용되는 혼합 횟수는 특정 적용에 따라 달라진다. VPSA에서, 허용되는 혼합 수는 분리되어질 가스의 형태(즉, 계면은 VPSA 흡착 주기에서 수증기 제거층과 질소 보유 층 사이에서 선명해져야 한다), 인접한 흡착제 층의 두께(흡착제 층이 매우 얇다면, 외부 흡착제 층에서 흔한 경우에서와 같이 외부층의 성능에 악영향을 미치지 않게 하기 위해 혼합은 감소되어야 한다)와 같은 다양한 변수에 따라 달라진다. 이러한 변수들은 당업자들에 의해 통상적인 지식 및 실험치를 사용한 본 명세서의 판독으로부터 평가될 수 있다.
주위 조건에서 공기를 통해 하강하는 두 개의 다른 착색 13X 제오라이트 입자 8X 12를 포함한 실험치에서, 종결 속도는 자유 낙하의 대략 40 ft에서 도달할 수 있으며, 대용량의 용기에서만 가능하다. 동일한 색의 흡착제 입자는 분할된 용기의 두 개의 격벽의 하나에 위치되며, 콘테이너의 바닥내에서 동일하게 이격된 일련의 구멍을 통해 고정된 높이에서 하강하도록 한다. 용기 충전의 시뮬레이팅 상황에서 동일한 입자를 포함하는 6feet의 자유 낙하 이후에, 층들 사이의 혼합의 90%는 이상적인 계면을 걸친 3.8cm 내지 5.1cm(1.5 내지 2.0 inch)의 영역 내에서 발생한다. 5.1cm(2.0inch)의 혼합 영역은 대부분의 적용에서 허용되나, VPSA 적용에서, 3.2 cm 내지 1.27cm (0.25 내지 0.5 inch)의 폭에서 90%의 혼합 영역이 한정되는 것이 바람직하다.
동일한 입자를 사용한 시뮬레이션에서 자유 하강 높이가 10 feet로 증가한다면, 입자의 운동 에너지는 56%로 증가되고 입자는 충격에 의한 종결 속도가 77%에 도달할 것이다. 90% 혼합영역의 폭은 7.6 cm 내지 10.2 cm(3 내지 4 inch)로 증가한다. 10.2cm(4 inch)의 혼합 영역은 일부 적용예에서 허용되며, 특히 보다 깊은 베드를 포함한 각각의 흡착제 층이 2feet 이상의 깊이를 갖는 경우에 허용된다. 그러나, 하나 이상의 층이 15.2cm(6 inch)또는 그 이하의 깊이를 갖는 베드의 경우에는, 10.2cm(4 inch)의 혼합 영역은 허용되지 않을 것이다.
본 발명은 하강 거리가 커서 입자 운동 에너지 상태가 특정 용기 및 적용에 불리한 경우에 충격을 가하기 이전에 종결 속도에 도달하는 경우에도 선명한 계면을 유지하기 위해 도 6(6a 내지 6e)에 나타난 방법 및 장치를 포함한다.
1. 도 6a에 나타나 있는 격벽(601)은 소정의 계면위에 직접 놓여 있는 지점(도 2의 판(232), 그리고 도 1의 계면(9)위)에서 회전식 아암으로부터 연장한다. 격벽(601)은 바람직하게 7.6cm x 15.2 cm(3 x 6 inch)와 같은 적당한 치수를 갖는 판이다. 격벽(601)은 회전식 아암(230,231')과 일체식이거나 또는 회전식 아암으로부터 매달려 있다. 격벽(601)의 높이는 1 ft 이상일 필요가 없으며 대략 7.6cm (3 inch)의 높이를 갖는다. 보다 큰 치수가 허용가능하나 필요하지 않다. 격벽은 회전식 아암에서 구멍(예를 들어, 도 3의 303 또는 234)의 외부에 놓여진 것과 같이 원추 내부로 뻗는 재료를 제한하며, 회전식 아암으로부터 베드 표면까지 자유 입자 낙하시에 두 흡착제의 혼합을 감소시킨다.
2. 도 6b의 신축성 격벽(602)은 도 6의 흡착제 베드의 표면위에서와 같이 소정의 계면위에서 회전식 아암으로부터 연장한다. 베드가 적재됨에 따라 격벽은 점진적으로 수축된다. 예를 들어, 격벽은 도 6a 및 도 6b에 도시되어진 것처럼, 천공된 베니식 블라인드(slotted venetian blind)와 동일한 방식으로 수축되거나, 윈도우 가리개(window shade)와 같이 상층 및 바닥으로부터 말아 올린다. 바람직한 격벽 치수는 15.2cm 내지 30.5cm(6 내지 12 inch)이다. 격벽(601)은 격벽(602)과 연결되어 사용될 수 있다.
3. 도 6c의 격벽(603)은 베드의 상층부 바로 위에서부터 베드위의 1ft 까지의 높이에서 매달려 있다. 격벽(603)은 와이어(604)에 의해 회전식 아암으로부터 고정된다. 격벽(603)은 회전식 아암과 회전하며 베드가 충전되어진 것(230)과 같이 와이어를 수축시킴으로써 상향으로 위로 이동할 수 있다.
4. 도 6d에 축선 횡단면으로 도시되어 있는 원형 격벽(605)은 회전식 아암에 연결되어 있지 않고 베드 내부 및 위로 짧게 연장한다. 베드는 다수의 단계로 채워져 있다. 각각의 충전 단계(흡착제 베드에 격벽(605)에 묻히는 충분한 높이로 부가된다)이후에, 격벽(605)은 끌어 당겨지며 베드로부터 완전히 빠져 나오지 않는다. 이때 충전이 다시 개시된다. 충전이 완료되었을 때(또는 베드의 높이가 혼합에 문제되지 않는 짧은 하강 높이일 때), 격벽(605)은 제거될 수 있으며 (종래 기술과는 달리)충전된 용기의 영구 요소는 아니다.
5. 도 6e의 원형의 스크린 격벽(606)은 충전후에 베드 내에 제공되어 남아있다. 격벽은 혼합 영역의 폭이 입자가 보다 넓은 거리에서 하강하는 베드의 바닥을 향해서만 제어될 필요가 있기 때문에 흡착제 베드의 전체 높이를 연장하지 않는다. 스크린의 양쪽 면상에 흡착제 베드 층이 동시에 충전됨으로 인해, 스크린은 독립될 필요가 없으며 용기의 비용을 증가시키는 것과 같은 구조적인 부재가 아니다. 사실상, 격벽(606)은 용기가 비어있고 위로부터 매달려 있을 때 자체의 중량으로 지지될 필요가 없다.
6. (도시되지 않은)적재기 아암 조립체가 사용될 수 있다. 적재기 아암 조립체는 사실상 일부 거리에서 입자 분배 작업을 용기 내부로 하강시켜, 입자의 자유 낙하 높이를 조정한다. 적재기 아암 조립체는 흡착제 각각의 형태중 하나인, 회전식 아암으로부터 하향으로 연장하는 두 개 이상의 개별적인 격실을 가진다. 각각의 격실은 회전식 아암의 대응 도관과 연통하는 입자 흐름이며, 흡착제 하나의 형태와 분배되도록 제공된다. 적재기 아암 조립체는 베드 내부로 연장하고 입자의 하강 높이를 완전한 소정의 입자 충전 밀도치에 허용가능한 수치로 제한한다. 베드가 적재기 아암 조립체의 바닥을 채우는 경우에는, 적재는 멈추어질 수 있으며, 조립체는 보다 높게 재위치되며, 조립체는 수축되거나 분해되거나 축소되며, 입자 적재가 다시 시작된다. 선택적으로, 조립체는 아암이 입자의 하강 높이를 일정하게 유지하는 속도에서 상승된다.
또 다른 실시예에서, 적재기 위치가 고정되어 있는 상황이 요구되는 경우에는, 흐름 속도 및 회전 속도를 포함한 변수는 소정의 충전 밀도를 보장하고 계면의 혼합을 최소화하기 위해서는 베드가 충전됨에 따라(그리고, 하강 높이가 감소됨에 따라) 조절된다.
상기와 같은 변경예의 선택은 공지된 기술 범위내에 있다.
전술한 실시예 상의 많은 변형예는 하기의 사항을 포함한 경우에 예상된다.
- 이중 회전식 아암중의 각각의 아암은 한가지의 흡착제만을 분배한다. 이는 도 5에 도시되어 있다. 보다 짧은 회전식 아암(530)이 내부 흡착제를 분배한다. 보다 긴 회전식 아암(531)이 낙하 도관(532)의 외부로 외부 흡착제를 분배한다.
- 두 개이상의 다른 흡착제 또는 다른 재료(조성 또는 입자의 입상측정이 다르거나, 또는 다른 조성 및 입상측정의 입자의 하나 이상의 조합인)는 연속 수직 반경 방향으로 위치된 동심층내에 증착될 수 있다. 이는 도 4a 및 4b 에 3개의 흡착제로 도시되어 있으며 호퍼 조립체(202)에 동심이며 둘러싸인 하나 이상의 부가 호퍼 조립체(203,401)을 제공함으로써 수행된다.
조립체(401)는 전술한 조립체(203)와 같은 동일한 요소를 포함한다. 회전식 아암(430,430')베드 내의 미리 정해진 반경 방향 위치에서 층을 생성하기 위해 하나의 형태의 흡착제를 각각 분배하는 3개의 각각의 낙하 도관(431,433,435)를 포함하고 있으며, 각각의 층은 미리 정해진 반경방향 깊이를 갖는다.
본 발명의 또 다른 변경예는 흡착제의 혼합을 제공한다. 즉, 하나 이상의 흡착제의 수직층을 발생시키며 층은 다른 조성 또는 입상측정 및 흡착 특성을 갖는 적어도 두 개의 입자 재료를 포함한다. 상기 변경예에서, 두 개의 회전식 아암은 동일한 길이를 갖는다. 각각의 회전식 아암은 다른 흡착제를 포함한 호퍼와 입자 연통한다. 각각의 회전 아암은 다른 회전 아암에 의해 입자의 다른 얇은 층을 분산시킴으로써 입자의 다른 얇은 층의 분산에 의해 수반되는, 1회 회전시에 얇은 입자 층을 발생하는 하나의 형태의 흡착제를 분배한다. 입자는 상당한 운동 에너지를 가짐으로, 상당한 혼합이 발생하며 층은 계층화된다. 각각의 재료의 흐름 속도는 각각의 재료의 소정량이 혼합물 내에 포함되도록 각각의 낙하 도관내에 구멍의 크기 및 수에 의해 제어된다. 입자가 하강한 후에, 베드 표면를 쳐서 정지하게 되면, 최종적인 입자 분포는 입자 직경과 비슷하게 혼합된다.
선택적으로, 굴뚝의 출구 영역을 제어함으로써 하중 굴뚝 아래의 소정의 부분 내에서 예비혼합될수 있다. 더욱이, 구멍으로부터 하강중에 또는 충격시에 혼합이 발생할 수 있다. 흡착제 혼합물을 발생하기 위한 본 발명의 방법 및 장치는 입자의 예비혼합을 방지할 수 있으며 침투 및 오염의 방지를 도와준다.
회전 속도는 전술되어진 바와 같이 고려되어질 필요가 있으며 낮은 범위에서 유지되도록 하여, 낙하 도관의 구멍으로부터 하강하는 입자는 전술한 바와 같은 계면에서 과다한 혼합과 반경 방향 외부 변이에, 불균등한 층의 증착을 초래하는 과다한 반경 방향 이동 성분을 갖지 않도록 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 흡착제 재료로만 제한되지 않는다. 더욱이, 적재기는 다른 조성 및 입상측정을 갖는 임의의 미립자 재료와 연결되어 사용된다.
상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명으로 인해 두 개 이상의 흡착제 또는 입자 재료를 용기내에 비용 효율적으로 편리하게 적재할 수 있다.

Claims (10)

  1. 내부 및 외부 반경 방향으로 위치된 동심 입자층으로 이루어지는 입자 베드를 형성하기 위해 용기 내부에 입자를 적재하기 위한 입자 적재기 조립체로서, 상기 내부 층은 상기 외부층 내에 포함된 입자 형태로부터 다른 입상측정, 또는 조성, 또는 입상측정 및 조성을 갖는 적어도 하나의 형태를 갖는 조립체에 있어서,
    내부층용 입자를 공급하기 위한 제 1 공급 호퍼 수단과,
    외부층용 입자를 공급하기 위한 제 2 공급 호퍼 수단과,
    상기 공급 호퍼에 근접한 제 1 단부와 상기 호퍼에 말단인 제 2 단부를 갖는 하나 이상의 회전식 아암과,
    상기 호퍼 수단과 상기 회전식 아암을 회전시키기 위한 구동 수단으로서, 상기 호퍼 수단의 회전은 상기 조립체를 통해 상기 입자의 흐름내의 입자의 균일한 분포를 용이하게 하는 구동 수단과, 그리고
    상기 조립체의 공급 및 회전 속도를 제어하기 위한 제어 수단을 포함하며,
    상기 회전식 아암은
    상기 제 1 공급 호퍼와 입자 연통하고 상기 제 1 공급 호퍼에 의해 공급된 입자를 균일한 흐름 속도에서 분배하고 상기 아암이 회전함에 따라 상기 내부 층을 형성하도록 되어 있는 제 1 낙하 도관, 및
    상기 제 2 공급 호퍼와 입자 연통하고 상기 제 2 공급 호퍼에 의해 공급된 입자를 상기 호퍼의 원심 단부에서 균일한 흐름 속도로 분배하고 상기 회전식 아암이 회전함에 따라 상기 내부층을 형성하도록 되어 있어, 상기 내부 및 외부 층이 계면에서 서로 접하는 제 2 낙하 도관을 포함하는 조립체.
  2. 제 1항에 있어서, 이중 회전식 아암을 포함하는 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 회전식 아암의 제 1 낙하 도관과 상기 제 1 공급 호퍼 수단 사이에 입자 흐름 연통을 발생하는 제 1 연결 도관을 더 포함하는 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 연결 도관을 둘러싸고 있는 제 2 연결 도관을 더 포함하고 있으며, 상기 제 2 공급 호퍼 수단과 상기 회전식 아암의 상기 제 2 낙하 도관 사이에 입자 흐름 연통을 발생시키는 상기 제 2 연결 도관과 동심인 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 회전식 아암의 상기 제 1 낙하 도관은 상기 회전식 아암의 상기 제 2 낙하 도관과 일체식으로 구성되어 있는 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 호퍼 수단 사이에 위치되어 있으며, 상기 외부층과 상기 내부층 사이의 상기 입자 베드 내부에 위치된 입자의 적어도 하나의 중간층 입자를 공급하기 위한 적어도 하나의 부가 공급 호퍼 수단, 및
    상기 적어도 하나의 부가 공급 호퍼 수단과 결합되고 입자 연통하며, 상기 적어도 하나의 부가 공급 호퍼에 의해 공급된 상기 균일한 흐름 속도에서 입자를 분배하고 상기 회전식 아암이 회전함에 따라 상기 적어도 하나의 중간층을 형성하도록 되어 있는 적어도 하나의 부가 낙하 도관을 더 포함하는 조립체.
  7. 제 1항에 있어서, 두 개의 회전식 아암으로 이루어진 이중 회전식 아암을 포함하며, 상기 제 1 회전식 아암은 상기 제 1 낙하 도관을 포함하며, 상기 제 2 회전식 아암은 상기 제 2 낙하 도관을 포함하는 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 및 외부 층 사이의 계면에서 입자의 혼합 영역의 반경 방향의 폭을 감소시키기 위해 상기 조립체로부터 매달려 있는 수단을 더 포함하며, 상기 반경 방향의 폭을 감소시키기 위한 수단은 튀어오름을 억제하도록 배치되어 있으며 상기 용기의 상기 외부 및 내부층과 접하지 않고 입자를 밀어내는 조립체.
  9. 내부 및 외부 반경 방향으로 위치된 동심 입자층으로 이루어지는 입자 베드를 형성하기 위해 용기 내부로 입자를 적재하기 위한 방법으로서, 상기 내부 층은 상기 외부층 내에 포함된 입자 형태로부터 다른 입상측정, 또는 조성, 또는 입상측정 및 조성을 갖는 적어도 하나의 형태를 갖는 입자 적재 방법에 있어서,
    (a) 상기 내부층을 형성하기 위해 제 1 흐름이 상기 용기 위의 소정의 높이로부터 회전 이동을 하고 있는 동안 상기 제 1 흐름을 낙하시킴으로써 제 1 입자 흐름 내의 입자를 균일한 체적 속도에서 분배시키는 단계와,
    (b) 상기 외부층을 형성하기 위해 제 2 흐름이 상기 높이로부터 회전 이동을 하고 있는 동안 상기 제 2 흐름을 낙하시킴으로서 상기 제 2 입자 흐름내의 입자를 균일한 체적 속도에서 상기 (a) 단계와 동시에 분배시키는 단계와,
    (c) 입자 베드가 형성되는 동안 상기 (a) 및 (b) 단계가 계속되는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 흐름은 제 1 소정의 반경 방향 위치와 상기 용기내의 반경 방향의 폭에 걸쳐 있으며,
    상기 제 2 흐름은 제 2 소정의 반경 방향 위치와 상기 내부층에 인접한 용기 내의 반경 방향의 폭에 걸쳐 있으며, 상기 내부 및 외부층은 계면에서 접하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 회전 이동의 회전 속도를 2 내지 10 rpm 범위로 유지시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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