KR100524425B1 - 압력 스윙 흡착 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 흡착기(들)의 양 말단부의 동시 퍼지 및 배기를 이용하여, 흡착기 층(들)에서 조절된 감압을 수행하므로써 흡착기 입구(들)로부터 회수되는 이산화탄소로 농축된 생산물 스트림의 일정한 순도를 유지시키는, 다성분 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 회수하기 위한 저압 스윙 흡착 방법 및 장치에 관한 것이다.
Description
발명이 속하는 기술분야
본 발명은 다성분 기체 혼합물에서 보다 더 강하게 흡착되는 기체 성분을 회수하기 위한, 개선된 압력 스윙 흡착 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 더 상세하게는, 질소, 산소, 수소, 메탄, 및 일산화탄소와 같은 보다 더 약하게 흡착되는 성분을 포함한 스트림으로부터 이산화탄소를 회수하기 위한 압력 스윙 흡착 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래기술
고순도 액체 이산화탄소(99.99+%)는 일반적으로 95% 초과의 이산화탄소를 포함하는 기체 스트림의 직접적인 액화에 의해 생산된다. 이러한 고농도 공급원은 암모니아 합성과 같은 화학 공정에서 나오는 부산물 스트림으로서 직접적으로 입수가능하다. 결과적으로, 이산화탄소 액화 공장의 위치는 전통적으로 이러한 공급원의 위치 및 입수가능성에 의해 결정된다.
많은 이산화탄소의 수요자들은 순도 99.99+%의 액화 이산화탄소를 필요로 하지 않는다. pH 조절 및 탄산염 생산과 같은 용도로는 순도 80% 내지 90%의 범위인 기체 이산화탄소가 효과적으로 제공될 수 있다. 때때로, 보다 낮은 순도의 기체 이산화탄소가 요구되는 곳은 입수가능한 저농도의 이산화탄소, 즉 일반적으로 20% 미만의 이산화탄소를 포함하는, 대체 공급원을 가진다. 따라서, 보일러 또는 기타 연소원에서 나오는 연도 가스와 같은 저급의 공급원으로부터 경제적인 이산화탄소 현지 생산이 가능한 신기술에 대한 가망이 있다.
저농도 및 중간 농도 공급원으로부터 이산화탄소를 회수하는 여러 가지 방법들이 공지되어 있다. 다성분 기체 스트림에서 액체 흡수제로 이산화탄소를 화학적으로 흡수한 후, 용액으로부터 이산화탄소를 탈거(strip)하기 위하여 가열하는 방법이 99+% 순도의 기체 이산화탄소를 회수하는데 사용된다. 다양한 액체 아민, 또는 탄산 칼륨이 흡수제 매질로서 사용될 수 있다. 이러한 방법들의 주된 문제점은, 흡수제의 열적 재생에 상당한 에너지가 필요하고, 적당량의 산소가 다성분 기체 스트림에 존재할 때 흡수제 커패시티(capacity)가 감소하는 것이다.
막 분리 방법도 이산화탄소의 회수에 사용될 수 있으나, 이러한 방법들은 종종 이산화탄소에 대한 적당한 투과성을 얻기 위해 높은 공급 압력을 필요로 한다. 고가의 다단계 막 방법이 연도 가스와 같은 저농도의 공급원으로부터 고순도 이산화탄소를 생산하는데 필요하다.
압력 스윙 흡착(PSA) 분리법은 다른 이산화탄소 회수 방법과 비교할 때 상당한 유효한 장점을 제공한다. 따라서, PSA는 액화 및 액체 이산화탄소의 수송의 보다 전통적인 방법과 비교하여, 특히 수송 비용이 고가이거나 이산화탄소 액화에 대해 관심을 끄는 공급 재료를 얻을 수 없을 때, 보다 더 저렴한 비용의 이산화탄소 농축 및 수송의 가능성을 제공한다. PSA 기술의 다른 주된 장점은 여러 가지 순도의 이산화탄소 생산물을 생산하는 융통성에 있다. 흡착 및 탈착 압력은 다른 공정 파라미터와 함께, 특정 용도를 위해 최소로 요구되는 생산물의 순도를 얻기 위하여 조정될 수 있다. 이는 고순도 생산물이 요구되지 않을 때 전력 필요량이 감소되도록 한다. 흡수제의 열적 탈거는 생산물을 항상 99+%의 순도로 산출하기 때문에, 액체 흡수법에서 유사한 전력 소비의 감소를 얻기는 어렵다. PSA는 흡수법에서와 같이 재생용 스팀과 같은 고온 에너지원을 필요로 하지 않는다. 결과적으로, PSA는 스팀을 이용할 수 없거나 고가인 장소를 위한 흥미로운 대체 방법이다. 일반적으로, 흡착 분리는 신뢰할 만하고, 융통성이 있으며, 보다 더 저렴할 수 있는 이산화탄소 회수 방법으로서, 특히 99% 초과의 기체상 순도가 요구되지 않는 때에 그러하다.
연소 연도 가스, 석회 가마의 폐가스, 수소 공장 테일 가스(tail gas) 및 다른 공급원 으로부터의 이산화탄소 생산을 위하여, 주된 흡착제의 기능은 보다 더 가벼운 성분은 통과하도록 하는 반면, 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 것이다. 이산화탄소 보다 일반적으로 더 강하게 흡착되는 물이 존재할 수 있으나, 흡착제의 전처리 층에서 효과적으로 제거될 수 있다. 따라서, PSA를 사용한 이산화탄소의 생산은 무거운 성분의 회수, 즉 다성분 혼합물에서 보다 더 강하게 흡착되는 성분의 회수에 유효한 방법을 필요로 한다.
저농도 공급원으로부터의 이산화탄소의 생산을 포함하여 무거운 성분의 회수를 위한 많은 PSA법이 종래 기술 분야에서 기술되어 왔다. 예컨대, 하기 미국 특허를 참조하라: Werner et al. 4,599,094; Fuderer 4,723,966; Lagree et al. 4,810,265; Hay 4,840,647; Schmidt et al. 4,892,565; Krishnamurthy et al. 4,963,339; Kumar 5,026,406; Knaebel 5,032,150; Kumar 5,248,322 및 5,354,346; LaSala et al. 5,370,728; Leavitt 5,415,683; 및 Couche 5,669,960. 무거운 성분 의 회수에 대한 가장 일반적인 적용은 제올라이트 흡착제를 이용한 N2/O2 분리, 및 제올라이트, 활성탄, 실리카겔 또는 기타 흡착제를 이용한 CO2/N2, CO2/CH4 및 CO2/H2 분리이다. 일반적으로, 종래 기술의 방법들은 상승된 흡착 압력으로 공급물의 압축, 무거운 성분 생산물의 회수를 위한 배기(evacuation) 및 무거운 성분에 의한 린싱(rinsing)에 의존한다. 종래 기술의 방법들은 생산물 유동 및 순도의 변동을 감소시키는데 사용되는 서지 탱크가 장착된 장비의 연속적 이용을 보장하기 위하여 일반적으로 다중 층을 사용한다. 무거운 성분의 회수 또는 가벼운 성분 및 무거운 성분을 함께 회수하기 위한 종래 기술 방법들은 3개의 일반적인 유형으로 분류될 수 있다: 재래식 사이클, 전환 사이클, 환류 사이클. 재래식 사이클에서는, 흡착이 보다 더 높은 압력에서 일어나고, 무거운 성분의 퍼지(purge) 및 회수는 보다 더 낮은 압력에서 일어난다. 전환 사이클에서는, 흡착이 보다 더 낮은 압력에서 일어나고, 퍼지는 보다 더 높은 압력에서 일어난다. 환류 사이클에서 각 흡착제 층은 재래식 층 부분과 전환 층 부분을 포함하고, 층 사이에서 가벼운 성분 및 무거운 성분이 환류된다. 환류 사이클의 장점은 가벼운 성분 및 무거운 성분 양자가 고순도 및 고회수율로 회수될 수 있다는 점이다. 그러나, 이러한 방법은 가벼운 성분의 회수가 필요하지 않은 경우에는 에너지 집약적이고 별 매력이 없다. 전환 사이클은 무거운 성분 생산물을 고순도로 회수하는데 사용될 수 있으나, 상당량의 전력 소비를 필요로 한다. 재래식 사이클은 전력은 보다 더 적게 소비될 수 있으나, 무거운 성분 생산물의 순도가 사이클을 통해 변화한다. 전환 사이클의 추가적인 단점은 공급물이 주된 흡착제 용기내로 들어가기 전에 물 또는 기타 무거운 성분을 별도의 용기로 제거할 필요가 있다는 점이다. 재래식 PSA 사이클에서 각 단계는 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 기본 사이클에서 첫 단계는, 다성분 공급 기체가 상승된 흡착 압력에서 흡착제 층으로 전달되는 흡착단계이다. 이 단계 동안, 기체상이 보다 덜 선택적으로 흡착된 성분에서 농축되는 반면, 보다 더 선택적으로 흡착된 성분은 흡착제에 의해 보유된다. 일반적으로, 흡착 단계는 물질 전달 전선이 흡착 층의 출구에 도달하기 전에 종결된다. 흡착 후에, 흡착기 용기는 역류적 블로우다운(blowdown) 및/또는 배기에 의해 감압된다. 압력이 감소됨에 따라, 기체상은 무거운 성분으로 농축된다. 감압 단계 중에 방출되는 기체의 일부 또는 전부가 무거운 성분 생산물로 간주된다. 감압 후에, 흡착기 용기는 흡착 압력으로 재가압되고, 사이클이 반복된다. 기본 사이클은 흡착 단계 및 감압 단계 사이에 무거운 성분 생산물로 층을 린싱하는 단계를 포함하도록 변형될 수 있다. 이는 비흡착 기체를 층으로부터 제거하고 무거운 성분 생산물의 회수를 증가시킨다. 사이클은, 사이클이 반복되기 전에 흡착제를 좀더 재생하기 위하여 중압 또는 저압에서의 퍼지하는 단계를 포함할 수도 있다.
기체상태의 이산화탄소에 대하여 현장에서 가능한 응용장치 중 다수는 비교적 소형 예컨대, 이산화탄소를 포함한 생산물의 30톤/일 미만으로 작다. 1톤/일 내지 5톤/일 정도로 소규모 현장 이산화탄소 공장이 상정될 수 있다. 이 소규모 공장 크기는 간단하고, 신뢰할 수 있으며 공정 흐름도의 복잡성을 최소화하여 자본 비용을 최소화하는 방법에 대한 필요성을 지시한다. 공장 크기가 감소할수록, 심지어 상대적으로 간소한 자본 경비 및 고정비가 단위 생산 비용에 현저하게 추가될 수 있다. 4개 이상의 층 및 부속 밸브를 가지는 종래 기술 방법에 대한 자본 비용의 불이익은 공장의 커패시티가 매우 작을 때에는 중대하다. 생산물 순도의 변동을 감소시키기 위한 고가의 서지 탱크의 사용은 공정에 추가적인 비용을 부가한다. 상승된 압력에서의 흡착은, 많은 종래 기술에서와 같이, 다량의 가벼운 성분(폐성분)의 압축을 필요로 하고; 이것은 6 내지 10% 정도의 적은 양의 이산화탄소를 포함할 수 있는 연소 연도 가스와 같은 희박한 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 회수하는 데에 특별한 에너지 비용을 증가시킨다. 즉, 에너지는 결국 찌꺼기로서 폐기되는 90% 이상의 공급 기체를 압축하는데 소비된다.
이산화탄소를 회수하는 전형적인 종래 기술 방법은 제올라이트 13X 또는 BPL 활성탄과 같은 흡착제에 의존하여 왔다. 연도 가스와 같은 저농도의 공급원으로부터의 이산화탄소 회수에 있어서, 제올라이트 13X와 같은 비교적 강한 흡착제를 사용하는 장점은 공급 재료에 존재하는 낮은 이산화탄소 분압에서도 이산화탄소에 대하여 상당한 커패시티를 보유한다는 것이다. 단점은 재생을 위해 매우 낮은 압력이 필요하다는 점이다. BPL 활성탄은 보다 더 약한 이산화탄소 흡착제이고, 따라서 이러한 힘든 탈착 조건을 필요로 하지 않는다. 그러나, 이 흡착제는 이산화탄소와의 약하고 비특이적인 상호작용 때문에 연도 가스와 같은 저농도 공급원에 대해서는 그 유용성이 감소된다. 연도 가스 공급 조건에서, BPL 탄소에 대한 질소 및 이산화탄소의 평형 로딩은 거의 동일하며, 결과적으로 낮은 흡착 선택성을 나타낸다. 이러한 낮은 분리 효율은 공정에서 얻어질 수 있는 순도 및 회수율을 심하게 제한한다.
낮은 흡착 압력을 사용하고 층 간에 상호작용이 없는 흡착기술을 이용하여, 다성분 기체 혼합물로부터 이산화탄소와 같은 무거운 성분을 예정된 실질적으로 일정한 생산물 순도, 즉 원하는 생산물 순도의 +10% 또는 -10% 미만의 편차로 회수하기 위한 개선된 PSA 방법 및 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적 중의 하나이다.
본 발명의 다른 목적은 종래 기술, 특히 소규모 적용장치에 대한 것 보다 더 낮은 자본 및 운영비를 필요로 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 특정한 단열 분리 계수 및 동적인 이산화탄소 로딩 특성치를 갖는 제올라이트를 흡착제로 사용함으로써 다성분 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 회수하는 개선된 PSA 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적 및 기타 목적에 유의하여, 본 발명을 이하에서 상세히 기술하고, 그의 신규의 특징을 첨부한 청구범위에서 상세히 지적한다.
발명의 개요
본 발명에 따라 제공된, 다성분 기체 혼합물로부터 무거운 기체 성분, 예컨대 이산화탄소를 회수하는 압력 스윙 흡착(PSA) 방법은 하기 단계를 포함한다:
(1) 다성분 기체 혼합물을 바람직한 작동 조건 하에서(즉, 예정된 흡착 온도 및 압력에서) 유지되는 하나 이상의 흡착기의 입구에 공급하여 통과시켜, 기체 혼합물의 무거운 성분을 흡착기내의 흡착제에 흡착시키고, 혼합물중의 가벼운 성분으로 농축된 유출물을 흡착기 출구로부터 제거하며, 가벼운 성분이 농축된 유출물의 일부 또는 전부를 흡착기 출구와 연결된 압력 구역에 잔류시키는 단계;
(2) 가벼운 성분이 농축된 유출물의 일부를, 흡착기 출구를 통해 흡착 압력 미만의 압력으로 유지되는 흡착기와 연결된 진공 구역으로 병류적으로 블로잉 다운(blowing down)시키고, 동시에 탈착된 기체를 역류적 배기에 의하여 흡착기 입구를 통하여 흡착기로부터 제거하며, 총 작용은 출구로부터는 병류적으로, 입구로부터는 역류적으로 흡착기를 동시에 감압하여 역류적 배기 스트림에서 무거운 성분 생산물 농도의 실질적 증가 없이 흡착기 입구로부터 공극 기체의 제거를 가져오는 결과를 가져오는 단계;
(3) 흡착기 출구를 통해 블로우다운 기체의 유동을 종결하면서 흡착기 입구로부터 역류 배기 스트림을 계속 유동시켜, 흡착기에서의 압력이 진공 구역에서의 압력 미만이 될 때까지 흡착기를 감압하고, 무거운 기체 성분의 탈착을 역류 배기 스트림에서 예정 농도에 도달할 때까지 계속하는 단계;
(4) 블로우다운 기체를 퍼지 기체 스트림으로서 진공 구역으로부터 층의 출구로 보내 흡착기를 통하여 역류적으로 통과시킴과 동시에, 흡착기 입구로부터 유출물의 역류적인 유동을 계속시켜, 무거운 기체 성분이 농축된 생산물 스트림을 회수하되, 이러한 무거운 기체 성분이 유출 생산물의 압력 및 순도가 초기에 일정하게 유지된 후, 감압 단계를 도입하여 생산물 스트림에서 일정한 순도를 유지하도록 퍼지 스트림의 유동을 조절함으로써 예정된 일정한 순도로 생산되는 단계;
(5) 임의적으로, 진공 구역으로부터 나오는 블로우다운 기체가 단계(4)에서 퍼지 기체로서 모두 사용되지 않는 경우, 흡착기의 입구로부터의 유동을 종결하고 나머지 블로우다운 기체를 흡착기의 출구로 통과시켜, 진공 구역과 흡착기에서의 압력을 동일하게 하고 흡착기를 부분적으로 재가압하는 단계;
(6) 가벼운 성분이 농축된 유출물의 일부를 압력 구역으로부터 흡착기의 출구로 통과시켜 흡착기를 부분적으로 재가압하는 단계;
(7) 다성분 공급 기체 혼합물의 추가 부분을 흡착기의 입구로 통과시켜 흡착기를 그 흡착 압력까지 재가압시키는 단계; 및
(8) 상기 단계를 반복하여 일정한 순도의 무거운 성분을 함유한 생산물 스트림을 생산하는 단계.
바람직하게는, 본 발명의 PSA 방법 및 장치는, 연소 연도 가스, 석회 가마 폐가스 또는 수소 공장의 테일 가스와 같이 약 60% 이하의 이산화탄소를 포함하고, 질소, 산소, 수소, 메탄 및/또는 일산화탄소와 같은 보다 더 약하게 흡착되는 가벼운 성분이 혼합된 기체 스트림으로부터의 이산화탄소 회수와 같이 무거운 성분을 회수하는 데 경제적인 시스템을 제공한다. 이렇게 이용되는 경우, 공정은 바람직하게는 거의 대기압, 즉 2 미만 및 바람직하게는 약 1 내지 1.5기압에서 수행된다. 기타 용도는 공기로부터 질소의 회수, 천연 기체로부터 무거운 탄화수소의 회수, 및 공기로부터 산소의 회수를 포함한다.
상기와 같이, 연도 가스와 같은 잠재적 공급원은 6 내지 10% 정도로 적은 양의 이산화탄소를 포함할 수 있다. 따라서, 상승된 압력에서의 흡착은 다량의 가벼운 성분의 압축을 필요로 한다. 공급 스트림에서 가벼운 성분이 가치있는 생산물이 아니라면, 압축은 에너지를 보존하기 위하여 최소화되어야 한다.
본 발명의 방법은 장치내 압력 강하를 극복하기 위하여 최소의 공급물 압축만을 필요로 한다. 또한, 하기와 같이, 이용된 흡착제는 공급 농도 및 주위 압력에 가까운 흡착 압력에서 무거운 성분에 대한 동적 커패시티 및 선택성을 최대화하도록 선택된다. 마지막으로, 무거운 성분이 농축된 생산물 스트림에 의한 부분적인 병류적 배기가 무거운 성분의 회수를 증가시키고 연속적인 생산을 제공하기 위하여 이용되는 하기 사이클에서는, 배기 기체의 양이 최소화되므로, 동력 소비가 더욱 감소된다. 감소된 동력 소비는 압축 에너지를 회수하기 위하여 많은 종래 기술에서 사용된 동일화(equalization) 기술에 대한 필요성을 제거한다.
본 발명에서, 흡착기 입구로부터 배기 스트림의 제거와 동시에 가벼운 성분이 농축된 유출물을 블로우다운 기체로서 흡착기에서 외부 진공 구역으로 배기시킴에 의한 흡착기의 병류적/역류적 동시 감압의 추가 사용(단계(2))은 무거운 성분 생산물로부터 찌꺼기 기체를 배출시킨다. 재래식 사이클에서 감압 단계의 초기에, 층의 입구 말단부 공극에서의 무거운 성분의 농도는 공급물 농도와 동일하다. 압력이 감소됨에 따라, 층의 입구에서 기체상내의 무거운 성분의 농도는 이 초기 수치로부터 증가하기 시작한다. 감압의 초기 기간 동안, 존재하는 기체는 무거운 성분으로 농축되지만, 생산물의 품질을 높이지는 않는다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 층으로부터 저품질의 기체를 배기할 목적으로 흡착 단계의 완료후에 흡착제 층을 무거운 성분 생산물로 린싱하고, 그후 다른 흡착기를 재가압하기 위하여 그 배기된 유출물을 사용함으로써 그러한 작동으로부터 압력 에너지를 회수할 필요가 이전부터 있었다. 본 발명에서 그 문제점은 혼합 손실을 최소화하기 위하여 압력 및 유동을 조절하는 블로우다운 프로토콜에 의해 또는 감압이 시작되기 전에 초기 순도를 높이기 위하여 무거운 성분 생산물로 부분적인 병류적 린싱을 사용함으로써 최소화된다. 이 후자의 단계는 생산물이 블로우다운 직후에 회수되도록 하고, 층의 입구 말단부로부터 폐기물을 제거할 필요성을 배제한다.
현저하게, 그후 흡착기로부터 배기 스트림의 제거를 계속하는 동안 , 블로우다운 기체를 진공 구역으로부터 흡착기를 통해 퍼지 스트림으로서 역류적으로 반환시킴으로써(단계(4)), 흡착기 입구 쪽으로 무거운 성분 생산물을 이동시킬 뿐만 아니라 생산물 스트림에서 일정한 순도를 유지하기 위해 퍼지하는 동안 흡착기 층내 압력 감소 조절을 수행하기 위해 사용될 수 있는 조절된 퍼지가 본 발명에서 확립된다. 이로써, 감압 중에 일반적으로 생기는 무거운 성분 순도의 변동이 제거되며, 그러한 변동을 제거할 큰 서지 용기에 대한 필요성이 없어진다.
본 발명의 보다 더 바람직한 형태에 따르면, 입구에서 기체 혼합물의 병류적 배기를 수행하여 무거운 성분, 예컨대 이산화탄소의 입구 농도를 생산물 스트림의 바람직한 순도까지 증가시키기 위하여 상기 단계(4)에서 회수되는 생산물 스트림의 일부 또는 전부가 흡착기의 입구로 재순환된다. 요구되는 배기 기체의 최소량은 공급물 및 생산물 순도에 의하여 결정되며, 이 제거 기체의 최소량은 생산물의 예정 순도 요구의 준수를 보장하고, 또한 이와 관련된 전력 소비를 최소화하기 위하여 제공된다.
많은 종래 기술의 방법은 동일화 또는 퍼지 목적으로, 흡착제 층 간의 상호작용을 이용하며, 이들은 효율적인 사이클 작동을 위해 3개 이상의 동일한 흡착기를 일반적으로 필요로 한다. 결과적으로, 다중 흡수기 및 관련 밸브에 대한 자본 비용은 이러한 방법에 있어서 상당하다. 본 발명은 층 간의 상호작용을 제거함으로써, 요구되는 흡착기 및 스위칭 밸브의 수를 감소시킨다. 압력 및 진공 탱크는 재가압 및 퍼지 기체를 제공하고, 저압 흡착은 압력 에너지를 회복하기 위한 동일화의 필요성을 제거한다. 따라서, 본 발명의 방법은 하나의 흡착기 또는 바람직하게는 독립적이지만 진공 장치의 연속적인 이용을 허용하는 연속적으로 작동가능한 2개의 흡착기로 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 장치 측면에 따라, 하기를 포함하는 다성분 기체 혼합물의 기체 공급물로부터 무거운 기체 성분을 회수하는 PSA 장치가 제공된다:
(1) 입구 말단부 및 출구 말단부를 가지고, 기체 혼합물중 가벼운 성분에 비해 무거운 성분을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제의 층을 포함한 흡착기;
(2) 흡착기를 통한 기체의 유동을 확실히 하기 위하여 흡착기를 통한 압력 강하를 극복하기 위한 수단;
(3) 흡착기로부터 가벼운 성분이 농축된 유출물을 받아서 가벼운 성분이 농축된 유출물을 출구 말단부로 공급하기 위하여 흡착기의 출구 말단부와 연결되는 압력 탱크;
(4) 흡착기로부터 가벼운 성분이 농축된 유출물의 추가 부분을 받아서 가벼운 성분이 농축된 유출물을 블로우다운 기체로서 출구 말단부를 통해 흡착기로 공급하기 위하여 흡착기의 출구 말단부와 연결되는 진공 탱크;
(5) 흡착기를 감압 및 재가압하기 위하여 압력 탱크 및 진공 탱크를 흡착기의 출구와 연결되도록 선택적으로 배치시키는데 사용되는 출구 밸브 수단;
(6) 흡착기로부터 탈착 유출물을 회수하는 수단;
(7) 흡착기의 입구 말단부로의 기체 혼합물 공급 및 흡착기의 입구 말단부로부터의 생산물 스트림의 제거를 촉진하기 위하여 공급 기체의 공급 및 탈착 유출물의 회수 수단을 흡착기의 입구 말단부와 연결되도록 선택적으로 배치시키는 입구 밸브 수단;
(8) 가벼운 성분이 농축된 유출물을 블로우다운 기체로서 진공 탱크로부터 흡착기로 공급을 촉진하고, 흡착기로부터 배기 스트림 및 생산물 스트림의 제거를 촉진하고, 동시에 출구 말단부로부터 병류적으로, 입구 말단부로부터 역류적으로 흡착기를 감압하기 위하여, 출구 밸브 수단 및 입구 밸브 수단을 동시에 작동시키는 조절 수단.
상기와 같이, 본 발명의 장치는 흡착기의 재가압 및 퍼지를 촉진하기 위하여그의 출구 말단부와 연결되는 압력 탱크 및 진공 탱크, 및 무거운 성분이 농축된 배기 및 생산물 스트림을 제거하기 위하여 흡착기 입구와 연결되는 탈착 유출물 회수 수단, 예컨대 진공 펌프를 구비한, 단일 흡착기를 사용할 수 있다. 이러한 장치의 사용은 생산물 순도, 생산물 압력 또는 생산물 유동 속도의 변동을 감소시키기 위하여 고가의 대형 서지 탱크를 제공할 필요성을 제거하고, 이로써 PSA 기술을 수행하는데 있어서 자본 비용 및 에너지 경비를 감소시킨다. 이러한 본 발명의 장치가 다수의 흡착기 및 층간의 상호작용에 영향을 주는 상대적으로 복잡한 스위칭 수단에 대한 필요성을 제거하지만, 본 발명에 따르면, 흡착기의 입구 말단부로부터 생산물 스트림의 연속적 유동을 제공하기 위해 단계적인 순서로 작동되는 독립적으로 작동가능한 한 쌍의 흡착기를 사용하는 것이 바람직하다. 대안적이지만 덜 바람직하게는, 공급 스트림의 부분들은 흡착기를 통해 동시에 공급될 수 있고, 동시에 작동할 수 있다. 다른 경우에, 2개 흡착기로 작업하는 것은 어떠한 회전 장치(압축기 및 진공 펌프)도 보다 더 효율적으로 이용하게 하며, 이로써 커패시티 및 효율성이 증가된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 실질적으로 대기압에서 특정한 흡착제로 이산화탄소를 흡착하는 단계를 포함하여, 다성분 기체 혼합물로부터 이산화탄소를 선택적으로 회수하는 개선된 방법이 제공된다. 그 방법은 약 250 내지 450K, 보다 더 바람직하게는 300 내지 400K 및 약 90 내지 200kPa의 압력의 공급상태에서 흡착제에 기체 혼합물을 흡착하는 단계, 흡착제 층으로부터 이산화탄소를 탈착하기 위하여 흡착제 층을 대기압 미만으로 감압하는 단계, 및 이산화탄소 함유 생산물 스트림을 그 층으로부터 실질적으로 일정한 순도로 회수하는 단계를 포함하며, 여기서 흡착제는 공정 가동 상태에서 약 1 초과, 바람직하게는 2 초과의 단열 분리 계수 ΔCO2/ΔN2, 및 0.1mol/kg 이상의 동적 DCO2 로딩을 갖는다.
이러한 공정 상태로 흡착제를 맞추는 것은 흡착제의 개선된 효율성을 통한 추가적인 자본 비용의 감소를 제공한다. 바람직한 낮은 작동 압력 범위에서 높은 작업 커패시티 및 선택성을 제공하는 흡착제는 주어진 생산율에 요구되는 흡착제의 양을 감소시키는데 중요하다. 제올라이트 NaY 및 제올라이트 NaX(2.0)는 질소, 산소, 수소, 메탄, 및 일산화탄소와 같은 보다 더 약하게 흡착되는 성분을 포함하는 연소 연도 가스, 석회 가마 폐가스, 수소 공장 테일 가스 및 기타 공급원으로부터 이산화탄소를 생산하기 위하여 감소된 층 크기 계수를 제공하는 모범적인 이산화탄소 흡착제이다. 얕은 흡착층 및 짧은 사이클 타임으로 작동함으로써 흡착제 재료는 좀더 감소된다. 이는 흡착제의 생산성을 증가시키고, 또한 필요하다면 유동 속도 변동을 감소하기 위한 서지 용적의 크기를 최소화하도록 한다.
상기와 같이 본 발명은 다성분 기체 혼합물에서 보다 더 강하게 흡착되는 기체 성분을, 함께 혼합된 보다 더 약하게 흡착되는 성분과 분리 회수하는 것에 관한 것이다. 편의상, 보다 더 강하게 흡착되는 기체 성분을 "무거운" 성분과 동일한 것으로서 간주하고, 보다 더 약하게 흡착되는 성분은 기체 혼합물 중 "가벼운" 성분으로서 기술한다. 또한, 하기 설명에서는, 질소, 산소, 수소, 메탄, 일산화탄소 및/또는 기타 가벼운 성분을 포함하는 연소 연도 가스, 석회 가마 폐가스 및/또는 수소 공장 테일-기체와 같은 기체 혼합물의 무거운 성분으로서 이산화탄소의 회수가 주로 언급된다. 그러나, 본 발명은 주로 이러한 다성분 기체 혼합물로부터 이산화탄소의 회수에 관한 것이지만, 어떠한 특정 공급 기체원으로부터의 이산화탄소의 회수 또는 분리에 한정되지 않는 것으로 해석된다. 따라서, 본 발명의 방법 및 장치는 보다 더 선택적으로 흡착되는 성분이 필요한 생산물인 어떠한 다성분 분리에 대해서도 사용될 수 있다. 이는 질소-선택성 흡착제를 사용한 공기로부터의 질소 회수, 산소-선택성 흡착제를 사용한 공기로부터의 산소 회수, 일산화탄소-선택성 흡착제를 사용한 합성 기체로부터의 일산화탄소 회수, 및 산소-선택성 또는 아르곤-선택성 흡착제를 사용한 산소/아르곤 분리를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 당업자는 공정 조건이 관심있는 특정한 분리에 맞춰지는 것을 이해할 것이다.
단일층 시스템(도 1 내지 도 4)
본 발명의 기본 장치의 필수 구성요소는 도 1에서 나타난다. 여기 제시된 가장 기본적인 구체예에서는, 적당한 흡착제의 층(들)을 결합한, 입구 말단부(4A) 및 출구 말단부(4B)를 가진 단일 흡착기(4)가 사용된다. 흡착기의 입구 말단부(4A)는 다성분 기체 혼합물을 공급 라인(1)로부터 흡착기로 공급하기 위하여 양방향 밸브(3)를 통하여 공급 송풍기(2)로 연결되고, 주위 압력 미만으로 흡착기를 배기시키고 라인(12)을 통해 생산물 스트림을 회수하기 위하여 양방향 밸브(10)을 통하여 진공 펌프(11)로 연결된다. 바람직하게는, 공급 송풍기(2)는 공급 기체를 시스템을 통한 압력 강하를 극복하기 위한 정도로만 압축하고, 이로써 주위의 대기압을 약간 초과하는 압력에서 기체상태의 공급물을 제공한다. 공급 송풍기는 공급 기체가 시스템 ΔP를 극복하기에 충분한 압력에서 공급될 때 배제될 수 있다.
흡착기의 출구 말단부(4B)는 양방향 밸브(5)를 통해서, 유출물이 라인(7)을 통해 추가의 생산물 스트림으로서 회수를 위해 제거 또는 배출될 수 있는 압력 탱크(6)로 연결되거나, 조절 밸브(8)를 통해 진공 탱크(9)로 연결된다. 압력 탱크(6)는 주위 압력 이상에서 기체를 저장하기 위하여 사용된다; 진공 탱크(9)는 주위 압력 미만에서 기체를 저장하기 위해 사용된다. 압력 탱크는 바람직하게는 대략 주위 압력에서 작동하는 가변 용적의 용기이다.
작동 중에, 공급 기체는 흡착기(4)의 입구 말단부(4A)에 제공되고, 흡착기의 출구 말단부(4B)로부터 가벼운 성분 유출물은 압력 탱크(6)에 수집된 후 재가압 기체로서 재사용되며, 흡착기의 출구 말단부(4B)로부터 병류적인 블로우다운 기체는 진공 탱크(9)에 수집된 후 퍼지 기체로서 재사용되고, 무거운 성분이 농축된 생산물은 라인(12)를 통해 진공 펌프(11)의 유출부 쪽으로부터 회수된다. 가벼운 성분 유출물을 일부 또는 전부가 압력 탱크(6)에 수집된다. 약간의 가벼운 성분은 시스템으로 반송되지 않고 라인(7)을 통해 배기될 수 있다. 양방향 개폐 밸브(3, 10, 5)는 흡착기(4)가 송풍기(2), 진공 펌프(11) 및 압력 탱크(6)과 각각 택일적으로 연결되도록 한다. 조절 밸브(8)는 흡착기 및 진공 탱크(9) 간에 유동을 조절하기 위해 사용된다.
도 1에 나타난 단일층 시스템은 도 2에 제시된 기본 사이클 단계의 실시에 사용하는데 적합하다.
도 2에 예시된 단계(1) 동안, 공급 기체는 라인(1)을 통해 공급 송풍기(2)의 입구 쪽으로 전달된다. 양방향 밸브(3)는 송풍기(2)의 출구로부터 흡착기(4)의 입구 말단부(4A)로 유동이 되도록 개방된다. 흡착기(4)의 출구 말단부(4B)로부터의 유출물은 양방향 밸브(5)를 통해 압력 탱크(6)로 전달된다. 흡착기로부터의 유출물의 일부 또는 전부가 압력 탱크(6)에 저장되고, 유출물의 분획이 라인(7)을 통하여 배출되어 시스템으로부터 제거된다.
따라서, 다성분 공급 기체는 흡착 압력에서 흡착기의 입구로 공급되어, 무거운 성분은 흡착제에 의해 선택적으로 보유되고, 기체상은 가벼운 성분으로 농축된다; 흡착기의 출구 말단부로부터 유출되는 가벼운 성분의 일부 또는 전부가 이 단계 중에 압력 탱크내로 수집되어 보유된다.
그다음에 단계(2), 병류 및 역류적인 동시 감압은, 밸브(3) 및 밸브(5)를 폐쇄하고, 진공 탱크(9)로 유동이 되도록 조절 밸브(8)을 개방시키며, 진공 펌프(11)로 유동이 되도록 양방향 밸브(10)을 개방시킴으로써 수행된다. 이 단계 중에, 진공 펌프(11)로부터의 유출물은 라인(12)에서 회수되어 초기에는 폐기물로서 폐기하거나 공급물과 함께 재순환된다. 따라서, 단계(2)에서 흡착기는 그 출구 말단부로부터 병류적으로, 그 입구 말단부로부터 역류적으로 동시에 감압된다; 층 압력은 진공 탱크로 병류적인 감압을 위한 구동력을 제공하고, 층 압력 및 진공 펌프는 역류적인 감압에 대한 구동력을 제공한다. 병류적 감압 기체는 퍼지 기체로서의 차후 용도를 위해 주위 압력 미만에서 진공 탱크내로 수집된다; 이 단계에서 역류적 감압 기체는 흡착기 입구로부터의 공급 조성인 공극 기체로 주로 구성되고 초기에는 폐기되거나 공급물과 함께 재순환된다. 역류적 감압 기체에서 무거운 성분의 농축은 이 단계에서 역류 및 병류적인 블로우다운 유동의 조심스런 균형에 의하여 최소화된다.
계속적인 역류적 배기인 단계(3)는 밸브(10)가 개방되어 있는 동안 조절 밸브(8)를 폐쇄함으로써 수행된다. 따라서, 무거운 성분 생산물의 순도가 생산물 순도의 최소 요건을 만족시키고 흡착기 층의 압력이 진공 탱크의 압력 미만으로 될 때까지 진공 펌프를 사용한 역류적 배기를 계속하는 동안, 진공 탱크로부터 흡착기 층의 출구 말단부로의 유동은 종결된다; 이 역류적 배기 기체는 무거운 성분이 농축되어 있으며, 폐기물로 폐기되거나 공급재료와 함께 재순환된다.
생산물 제조 단계인 단계(4)의 초기에, 흡착기(4)에서의 압력은 진공 탱크(9)에서 보다 더 낮을 것이다. 진공탱크(9)로부터 흡착기(4)로의 퍼지 스트림 유동을 조절하기 위해 조절 밸브(8)가 개방되어 사용된다. 밸브(10)는 생산물이 진공 펌프(11)를 통해 라인(12)으로 회수되도록 개방이 유지된다. 따라서, 저압 퍼지 기체는 진공 탱크로부터 흡착기의 출구 말단부로 통과되는 동안, 무거운 성분 생산물은 흡착기의 입구 말단부로부터 제거된다. 퍼지 속도는 압력 및 생산물 순도가 초기에 일정하게 유지되도록 조절 밸브에 의해 조절된다. 생산물 순도가 감소하기 시작할 때, 일정한 생산물 순도가 유지되는 동안 흡착기에서의 압력이 하강하기 때문에 퍼지 속도가 감소된다. 이러한 일정한 순도의 생산물 제조 단계 후에, 층이 흡착 압력으로 재가압된다.
충분한 기체가 진공 탱크(9)에 남아 있으면, 단계(5)에서 층을 부분적으로 재가압하기 위하여 사용될 수 있다. 이 단계에서, 진공 탱크(9) 및 흡착기 용기(4)에서의 압력을 동일하게 하기 위해 밸브(10)가 폐쇄되고 조절 밸브(8)는 완전히 개방된다. 이상적으로는, 단계(2)에서 저장된 정확한 양의 기체가 단계(4)에서 퍼지 기체로서 사용되면 이 동일화 단계인 단계(5)는 배제될 수 있다. 따라서, 필요에 따라 단계(5)는 진공 탱크로부터 잔류하는 병류적인 감압 기체를 사용하여 흡착기를 그 출구 말단부로부터 역류적으로 부분적으로 재가압한다. 단계(4) 및 단계(5)의 말단부는 필요에 따라, 진공 탱크를 다음 단계에서 요구되는 저압으로 회복시키는데 쓰일 수 있음을 주목하라.
단계(6)에서, 가벼운 성분 유출물을 사용한 부분적인 재가압은 조절 밸브(8) 및 밸브(10)가 폐쇄된 동안 밸브(5)를 개방함으로써 이루어진다. 단계(1) 동안 압력 탱크(6)에 저장되었던 가벼운 성분 유출물은 흡착기(4)를 재가압시킨다. 따라서, 부분적인 역류적 재가압은 흡착기의 출구 말단부(4B)에서 압력 탱크로부터의 가벼운 성분을 가지고 실행된다.
사이클의 최종 단계인 단계(7)는 흡착 압력까지 재가압하는 것이다. 공급 기체가 흡착기(4)로 들어가도록 밸브(5)는 폐쇄되고 밸브(3)는 개방된다. 따라서, 흡착기는 흡착기 입구(4A)로 전달된 공급 기체를 사용하여 병류적 방향으로 흡착 압력까지 재가압된다. 재가압이 끝나면 사이클 순서는 완료되고 그 다음에 다음 사이클이 단계(1)부터 시작한다.
본 발명의 대안적인 구체예는 일부 공정 사이클 동안 무거운 성분 생산물을 사용한 병류적 배기를 이용한다. 이는 흡착기로 뒤이어 공급되는 무거운 성분 생산물의 일부를 수집하기 위한 추가적인 탱크를 필요로 한다. 병류적 배기를 위한 장치의 필수 구성요소는 도 3에 나타난다. 거기 나타난 VPSA 시스템의 구성요소(21 내지 32)는 도 1에 나타난 본 발명의 구체예의 같은 구성요소(1 내지 12)에 대응한다. 추가로, 흡착기(24)로부터 회수되는 생산물 스트림을 사용한 부분적인 병류적 린싱을 제공하기 위하여, 진공 펌프(31)의 유출부 쪽으로 연결되고, 유출 라인(34) 및 송풍기(22)의 입구 쪽에 연결되는 재순환 라인(35)이 장착된 무거운 성분 저장 탱크(33)가 제공된다. 밸브(36)는 배기 기체가 송풍기(22)의 입구 쪽으로 전달되도록 하기 위한 병류적 배기 동안 개방되는 양방향 밸브이다. 밸브(37)는 병류적 배기 단계 동안 공급 기체의 유동을 중지시키기 위하여 사용되는 양방향 밸브이다. 병류적 배기 기체는 진공 펌프의 유출 압력이 시스템에서 압력 하강을 극복하기에 충분히 높은 경우 송풍기(22)를 통과하지 않고 흡착기(24)로 직접적으로 전달될 수 있다.
따라서, 진공 펌프의 유출부 쪽으로부터 회수되는 무거운 성분 생산물의 일부는 무거운 성분 저장 탱크에 일시적으로 저장될 수 있고, 그 후 사이클에서 다음 단계 동안 공급 송풍기의 흡인부 쪽으로 공급될 수 있다. 이 무거운 성분 저장 탱크는 대략 주위 압력에서 작동하고 가변 용적의 용기일 수 있다. 무거운 성분 생산물의 일부만이 흡착기로 다시 재순환된다; 잔류 분획은 생산물로서 시스템으로부터 제거된다.
도 3에 나타난 단일층 시스템은 도 4에 나타난 병류적 배기 사이클용으로 적합하다. 첫 단계인 단계(1) 동안, 공급 기체(21)는 밸브(37)를 통해 공급 송풍기(22)의 입구 쪽으로 전달된다. 양방향 밸브(23)는 송풍기(22)의 출구에서 흡착기(24)의 입구 말단부(24A)로 유동이 되도록 개방된다. 흡착기(24)의 출구 말단부(24B)로부터의 유출물은 양방향 밸브(25)를 통하여 압력 탱크(26)로 전달된다. 흡착기로부터의 유출물의 일부 또는 전부가 압력 탱크(26)에 저장되고, 유출물의 분획은 라인(27)을 통해 존재하는 시스템으로부터 제거된 것이다. 따라서, 다성분 공급 기체는 흡착 압력에서 흡착기 입구로 전달되고, 그 동안 무거운 성분은 흡착 물질에 의하여 선택적으로 흡착되며, 기체상은 보다 더 가벼운 성분(들)으로 농축된다; 흡착기의 출구 말단부로부터 유출되는 가벼운 성분의 일부 또는 전부가 이 단계 중에 압력 탱크내에 수집되고 보유된다.
무거운 성분을 사용하여 부분적인 병류적 린싱을 하는 단계(2)는 생산물을 무거운 성분 저장 탱크(33)로부터 라인(35) 및 밸브(36)를 통해 송풍기(22)의 입구 쪽으로 전달시킴으로써 이루어진다. 밸브(23, 25)는 개방이 유지된다. 밸브(37)는 폐쇄된다. 흡착기(24)로부터의 유출물의 일부 또는 전부는 압력 탱크(26)에서 저장되고, 유출물의 분획은 라인(27)을 통해 존재하는 시스템으로부터 제거된 것이다. 따라서, 무거운 성분 생산물은 무거운 성분 저장 탱크로부터 흡착기의 입구로 전달된다; 이것은 큰 분획의 가벼운 성분을 포함한 비흡착 기체의 일부를 흡착기의 입구 말단부로부터 제거하고, 입구 말단부에서 무거운 성분의 기체상 농도를 증가시켜 최소 요구의 생산물 순도로 한다. 배기 기체의 양은 후속되는 감압 동안 층의 입구 말단부로부터 회수되는 무거운 성분의 농도가 최소로 요구되는 생산물 순도 미만으로 떨어지지 않도록 선택된다. 흡착기의 출구 말단부로부터의 유출물의 일부 또는 전부는 이 단계 중에 압력 탱크에 저장될 수 있다.
그 다음에 동시적인 병류 및 역류적 감압의 단계(3)가, 조절 밸브(28)는 진공 탱크(29)로 유동이 되도록 개방하고, 양방향 밸브(30)는 진공 펌프(31)로 유동이 되도록 개방한 동안, 밸브들(23, 25)을 폐쇄함으로써 수행된다. 이 단계 동안, 진공 펌프(31)로부터의 유출물은 라인(32)을 통해 무거운 성분 저장 탱크(33)로 전달된다. 후속되는 병류적 배기를 위해 보유되지 않은 생산물의 부분은 라인(34)을 통해 시스템으로부터 제거된다. 이 단계에서, 흡착기는 그 출구 말단부로부터 병류적으로, 그 입구 말단부로부터 역류적으로 동시에 감압되고, 층 압력은 진공 탱크로 병류적 감압을 위한 구동력을 제공하며, 층 압력 및 진공 펌프는 역류적 감압을 위한 구동력을 제공한다. 병류적 감압 기체는 주위 압력 미만에서 퍼지 기체로서 이후에 사용되기 위하여 진공 탱크내에 수집된다; 역류적 감압 기체는 무거운 성분 생산물로서 회수된다.
계속되는 역류적 배기 단계인 단계(4)는 밸브(30)가 개방된 동안 조절 밸브(28)를 폐쇄함으로써 이루어진다. 조절 밸브(28)는 흡착기 층내의 압력이 진공 탱크내의 압력 미만인 예정된 수치에 도달할 때까지 폐쇄된다; 이 역류적 배기 기체는 무거운 성분 생산물로서 회수된다.
단계(5)의 초기에, 흡착기(24)에서의 압력은 진공 탱크(29)에서 보다 낮을 것이다. 조절 밸브(28)는 개방되어 진공 탱크(29)로부터 흡착기로 유동을 조절하기 위하여 사용된다. 밸브(30)는 생산물이 진공 펌프(31)를 통해 라인(32)으로 회수되도록 개방된다. 이 단계에서, 흡착기의 입구 말단부로부터의 무거운 성분 유출물은 저압 퍼지 기체를 진공 탱크로부터 흡착기(24)의 출구 말단부로 전달시키는 동안 회수된다. 퍼지 속도는 압력 및 생산물 순도 양자가 초기에 일정하게 유지되도록 조절 밸브를 조절함으로써 조절된다; 생산물 순도가 감소되기 시작할 때, 퍼지 속도는 일정한 생산물 순도의 회복 및 유지를 위하여 흡착기내의 압력이 떨어지도록 감소된다.
일정한 순도 생산물의 제조 단계인 단계(5) 후에, 층은 단계(6)에서 부분적으로 재가압될 수 있다. 단계(3) 중에 진공 탱크(29)에 저장되었던 병류적 감압 기체는 그 전부가 단계(5) 동안 퍼지 기체로서 사용되지 않는 경우에, 단계(6)에서 층을 부분적으로 재가압하는데 사용될 수 있다. 단계(6) 동안, 진공 탱크(29) 및 흡착기(24)에서의 압력을 동일하게 하기 위하여 밸브(30)는 폐쇄되고, 조절 밸브(28)는 완전히 개방된다. 그러나, 이상적으로는, 단계(3)에서 저장된 정확한 양의 기체가 단계(5)에서 퍼지 기체로서 사용되고, 동일화 단계인 단계(6)는 배제될 수 있다.
단계(7)에서, 가벼운 성분 유출물을 사용한 부분적 재가압은 조절 밸브(28) 및 밸브(30)가 폐쇄된 동안 밸브(25)를 개방시킴으로써 이루어진다. 단계(1) 동안 압력 탱크(26)에 저장되었던 가벼운 성분 유출물은 흡착기(24)를 재가압시킨다.
사이클에서 최종 단계인 단계(8)는 흡착 압력까지 재가압하는 것이다. 밸브(25)는 폐쇄되고, 밸브(23)는 개방되어 공급 기체가 흡착기(24)로 들어가도록 한다. 따라서, 흡착기는 공급 압축기로부터 흡착기 입구로 전달되는 공급 기체를 사용하여 병류적 방향으로 그 작동 압력까지 재가압된다.
재가압이 끝날 때, 사이클 순서가 완료되고, 그 다음에 후속되는 사이클은 단계(1)로부터 시작할 수 있다.
2층 시스템(도 5 및 도 6)
본 발명의 PSA 시스템의 바람직한 구체예는 2개의 동일한, 독립적으로 작동가능한 흡착기를 사용하며, 그 흡착기를 통하여 다성분 기체 혼합물은 계속적으로 공급되고, 흡착/탈착 작업은 무거운 기체 성분을 필요한 순도로 포함한 생산물 스트림의 연속적인 유동을 제공하기 위하여 개개의 흡착기로부터 회수되는 생산물 스트림이 합류되도록 단계적인 순서로 수행된다. 각 흡착기는 압력 탱크, 진공 탱크, 공급 압축기 및 진공 펌프와 교대로 상호작용한다. 사이클 도중에 흡착기 간의 직접적인 상호작용은 없다.
기본적인 2층 장치의 필수 구성요소는 도 5에 나타난다. 구성요소(41 내지 48, 50 내지 53)는 도 1의 단일층 장치의 구성요소(1 내지 12)에 대응하는 제 1의 흡착기 트레인 A의 구성요소이고, 구성요소(54 내지 58)은 흡착기 트레인 A와 함께 순환되는 제 2의 흡착기 트레인 B를 나타낸다(따라서, 구성요소(54 내지 58)은 구성요소(43 내지 45, 48, 51)에 각각 대응한다). 조절 밸브(49)는 진공 탱크(50)와 각 흡착기 트레인 A 및 B 사이에 블로우다운 및 퍼지 유동을 조절하기 위하여 시스템에 결합된다.
도 5의 기본적 2층 장치에서 각 층에 대한 공정 사이클 단계는 도 1 및 도 2에서 단일 흡착기에 대한 것과 동일하다. 제 1의 흡착기에 대한 사이클은 하기 표 I에 지시된 바와 같이 제 2의 흡착기와 관련하여 단계를 달리하여 작동된다:
표 I: 2 층 기본 사이클
시간
층 A
층 B
0 5) V 재가압 2) 블로우다운
6) P 재가압 3) 배기
7) 공급 재가압 4) 생산물/퍼지
1) 흡착
t1/2 cycle
2) 블로우다운 5) V 재가압
3) 배기 6) P 재가압
7) 공급 재가압
4) 생산물/퍼지 1) 흡착
tcycle
바람직하게는, 사이클 단계들은 흡착기 트레인 B가 단계(2), 단계(3) 및 단계(4)를 거치는 동안 흡착기 트레인 A가 단계(5), 단계(6), 단계(7) 및 단계(1)를 거치도록 균형이 맞추어 진다. 이것은 흡착기에 대해 공전(空轉) 시간을 없앤 균형있는 사이클 작동을 제공하고, 회전 장치의 보다 더 효율적인 이용을 허용하며, 증가된 커패시티를 제공한다. 임의적인 동일화 단계인 단계(5)가 불필요한 경우, 사이클은 진공 펌프가 연속적으로 작동되도록 균형이 맞추어질 수 있다. 그렇지 않으면, 단계(5)에 필요한 시간과 동일한 공전 기간이 흡착기 및 진공 서지 탱크 양자간에 동시적인 상호작용을 방지하기 위해 필요하다.
도 6에 나타난, 본 발명의 가장 바람직한 구체예는 2개의 흡착기 및 무거운 성분 생산물에 의한 병류적 린싱을 이용한다. 각 흡착기는 도 3 및 도 4에서의 단일 흡착기에 대해서와 같이 동일한 사이클의 작동을 거친다. 각 흡착기는 압력 탱크, 진공 탱크, 공급 압축기 및 진공 펌프와 교대로 상호작용한다. 또한, 사이클 동안 흡착기 간에 직접적인 상호작용은 없다. 병류적인 린싱과 함께 2개의 흡착기의 작동은 회전 장치의 보다 더 효율적인 이용 뿐만 아니라 무거운 성분 생산물의 연속적인 생산을 허용하고, 결과적으로 최선의 공정 효율 및 최고의 생산 커패시티가 얻어진다.
병류적 배기의 필수 구성요소, 2개 흡착기 층 장치는 도 6에 나타난다. 구성요소(61 내지 78)는 도 5에 나타낸 2층 기본 장치의 구성요소(41 내지 58)에 대응한다. 진공 펌프(72)로부터 유출물을 라인(73)을 통하여 받아들이고, 제거 라인(80) 및 송풍기(62)의 입구 쪽으로 연결되는 재순환 라인(81)이 장착된 추가적인 무거운 성분 저장 탱크(79)는 병류적 배기(린싱)에 추가적으로 제공된다. 구성요소(72, 73, 79 내지 83)는 각각 도 3에 나타난 단일층 병류적 배기 장치의 구성요소(31 내지 37)에 대응하고, 그와 관련하여 기술된 바와 같은 방식으로 작동한다.
도 6의 병류적 배기, 2층 장치에서 각 층에 대한 공정 사이클 단계는 도 3 및 도 4에서 단일 흡착기에 대한 것과 동일하다. 한 용기에 대한 사이클은 하기 표 Ⅱ에 지시된 바와 같이 다른 용기와 관련하여 단계를 달리하여 작동된다.
표 Ⅱ: 2층 병류적 배기 사이클
시간
층 A
층 B
0 6) V 재가압 3) 블로우다운
7) P 재가압 4) 배기
8) 공급 재가압 5) 생산물/퍼지
1) 흡착
2) 병류적 배기
t1/2 cycle
3) 블로우다운 6) V 재가압
4) 배기 7) P 재가압
8) 공급 재가압
5) 생산물/퍼지 1) 흡착
2) 병류적 배기
tcycle
바람직하게는, 사이클 단계들은 흡착기 트레인 B가 단계(3), 단계(4) 및 단계(5)를 수행하는 동안 흡착기 트레인 A가 단계(6), 단계(7), 단계(8), 단계(1) 및 단계(2)를 거치도록 균형이 맞추어 진다. 이것은 흡착기에 대해 공전(空轉) 시간을 없앤 균형있는 사이클 작동을 제공하고, 회전 장치의 보다 더 효율적인 이용을 허용하며, 증가된 커패시티를 제공하고, 무거운 성분 생산물의 연속적인 생산을 제공한다. 임의적인 단계(6)이 배제되는 경우, 사이클은 진공 펌프가 연속적으로 작동되도록 균형이 맞추어질 수 있다. 그렇지 않으면, 단계(6)에 필요한 시간과 동일한 공전 기간이 흡착기 및 진공 서지 탱크 양자간에 동시적인 상호작용을 방지하기 위해 필요하다. 기본 사이클과 비교하여, 병류적 배기 사이클은 보다 더 높은 처리량 및 보다 더 높은 순도의 생산물을 제공할 수 있다. 이는 처리량 및 생산물 순도는 통상적으로 반비례적인 관계가 있기 때문에 놀라운 결과이다.
2개 흡착기 작동은 진공 장치의 연속적인 이용을 제공하기 때문에 바람직하다. 부분적인 병류적 배기를 갖춘 2개 흡착기 작동은 보다 더 높은 처리량 뿐만 아니라, 진공 장치의 연속적인 이용 및 무거운 성분 생산물의 연속적인 생산을 제공하기 때문에 특히 바람직하다.
사용된 흡착제(도 7 내지 도 9)
본 발명의 실시에 유용한 흡착제는 예컨대 Milton 미국특허 제2,882,243호 및 제2,882,244호에 공개된 제올라이트 A, X 및 Y 타입과 같이 공지된 분자체 타입의 흡착제를 포함한다.
사용된 흡착제는 흡착 압력, 온도 및 조성 하에서 흡착제에 대한 무거운 성분의 동적인 로딩 정도 및 다성분 기체 혼합물로부터 회수되는 무거운 성분 및 그의 보다 더 가벼운 성분들 간에 흡착/탈착 사이클의 종료시 분리 정도 양자를 최대화시키기 위해 선택된다. 흡착제는 단일층, 또는 1997년 4월 17일 출원된 출원번호 제08/837,411호(Case D-20347)에서 기술된 바와 같은 다층 흡착제 층으로 제공될 수 있다.
가장 바람직한 흡착기 구성은 사용된 흡착기(들) 내에 전처리 층 및 주된 흡착제 층을 포함한다. 하나 이상의 흡착제가 각 층에 포함될 수 있다. 전처리 층은 공급 입구에 가장 가까이 배치되고, 그 목적은 공급 스트림으로부터 바람직하지 못한 오염물질을 제거하기 위함이다. 전형적인 오염물은 물, SOx, NOx, 및 기타 강하게 흡착되는 종을 포함한다. 당업자들은 전처리 구역에서 다른 적당한 흡착제 뿐만 아니라 제올라이트, 활성 알루미나, 실리카겔의 사용을 이해할 것이다. 전처리 구역은 공급 스트림에서 오염물이 없다면 배제될 수 있다.
가장 바람직한 흡착 압력은, 특히 공급물에서 저농도의 무거운 성분에 대하여 감소된 전력 소비를 제공하기 위하여 주위 압력 부근 또는 이를 약간 초과한다. 바람직한 탈착 압력은 대기압 미만이다. 가장 바람직한 탈착 압력은 공급물 중에서 무거운 성분의 분압 미만이다.
연소 연도 가스, 석회 가마 기체, 수소 공장 테일 가스 및 기타 공급원으로부터의 이산화탄소 생산에 대하여, 주된 흡착제(들)의 임무는 더 가벼운 성분이 통과해 지나가는 동안 이산화탄소를 선택적으로 흡착하는 것이다. 이산화탄소는 특히 다른 영구 기체에 비해 대부분이 다공성인 흡착제에 강하게 흡착되지만, 흡착의 강도는 꽤 가변적이다.
도 7은 약 27℃(300˚K)에서 여러 흡착제에서의 이산화탄소 흡착에 대한 순수 성분의 등온선을 나타낸다. 이들 등온선은 이산화탄소와 약한 것(예컨대, 알루미나)에서 매우 강한 것(예컨대, 제올라이트 5A)에 이르는 고체 흡착제와의 다양한 상호작용의 정도를 나타낸다. 흡착의 강도는 저압에서 등온선의 기울기에 의해 주로 지시된다. 제올라이트 5A에 대하여, 20kPa에서 평형 로딩은 200kPa에서 평형 로딩의 대충 90%이다. 이와 같은 급경사진 등온선은 이산화탄소를 적당히 탈착하기 위해서 그리고 흡착 및 탈착 단계 사이에 우수한 이산화탄소 작업 커패시티 또는 동적 로딩을 달성하기 위하여 매우 낮은 탈착 압력을 필요로 한다. 보다 더 높은 압력에서 로딩에서의 미세한 변화는 공급물 압축을 그만두게 한다. 보다 더 낮은 압력에서 보다 덜 현저한 기울기를 가진 등온선은 압축을 보다 더 유리하게 할 수 있다.
주기적인 PSA 방법에서 흡착제의 성능은 강하게 흡착된 성분 및 약하게 흡착된 성분의 동적인 로딩의 비율과 크게 관련이 있다. 단열 분리 계수로서 계산되는이 비율은 흡착 및 탈착 단계의 완료시 흡착제 층에서의 가벼운 성분 및 무거운 성분 로딩의 적분에 의한 공정 시뮬레이션 결과로부터 가장 정확히 계산된다. 이 분리 계수의 합리적인 평형 근사치는 등온선으로부터 직접 얻어질 수 있다. 초기에는, 공급물의 온도, 기체 혼합물, 및 흡착 및 탈착 종료시의 압력 및 기체상 조성이 선택된다. 이러한 조건이 일단 특정화되면, 그 다음에 각 흡착제에 대한 대응하는 단열 온도 상승은 실험 또는 단순화된 에너지 균형의 반복적 해법에 의해 결정된다. 단열 분리 계수 분석의 적용은 상기 참조된 출원번호 제08/837,411호(D-20347)에서 기술되며, 여기서 참고문헌으로 통합된다.
연도 가스로부터 이산화탄소를 회수하기 위한 본 발명의 실시에 사용되는 가장 바람직한 흡착 압력은 폐가스의 불필요한 압축을 최소화하기 위하여 주위 압력 에 가까운 압력이다. 흡착기는 표준 진공 장치로 6kPa 정도로 낮게 경제적으로 배기될 수 있고, 그 수치는 최소 탈착 압력으로서 선택된다. 12% 이산화탄소 및 88% 질소의 공급 조성이 전형적인 연도 가스 스트림의 대표로서 선택된다. 바람직한 생산물 순도인 80% 이산화탄소가 본 분석을 위하여 선택된다.
상기한 인자들에 기초한 단열 분리 계수 분석의 결과는 도 8에 나타난다. 이 결과는 평형 단열 분리 계수에서의 개략적인 변화를 관심의 대상이 될 수 있는 여러 가지 흡착제에 대하여 흡착 단계의 종료시 층의 온도의 함수로서 나타낸다. 각 흡착제는 흡착 및 탈착 단계의 사이에서 일어나는 다른 열적 스윙(ΔT)을 특징으로 한다. 제올라이트 NaY 흡착제는 중간 정도의 커패시티 및 이산화탄소 선택성을 유지하지만, 적당한 조건에서 재생될 수 있고 종래의 흡착제에 대하여 상당한 개선점을 제공한다. 330˚K의 공급 온도에서, 제올라이트 NaY에 대한 분리 계수는 BPL 활성탄의 약 4배로 크다. 중간 정도의 공급온도(350˚K 이하)에 대하여, 제올라이트 NaY는 알려진 다른 종래의 흡착제에 비하여 이산화탄소 선택성에 있어서 장점을 제공한다.
공급원 및 이산화탄소 PSA 공장의 연도 가스 또는 다른 다성분 공급 기체 혼합물과의 근접성에 따라, 연도 가스는 보다 더 고온에서 입수될 수 있다. 흡착 온도가 증가함에 따라, 그 등온선이 보다 덜 경사지고 보다 더 선형이 되기 때문에 이산화탄소에 대한 보다 더 강한 흡착제가 바람직하다. 보다 더 고온에서(370˚K 초과), 제올라이트 13X의 성능은 제올라이트 NaY의 성능을 초과할 수 있다. 그러나, 제올라이트 NaX(2.0), 또는 SiO2/Al2SO3 비가 2.0인 NaX 제올라이트는 제올라이트 13X 또는 NaX(2.0)에 비해 상당히 개선된 성능을 나타낸다. 보다 더 낮은 Si/Al 비에 의해 제공된 추가적인 양이온 자리는 NaX(2.0)에 이산화탄소에 대한 훨씬 더 높은 커패시티 및 증가된 분리 계수를 제공한다. 350˚K 초과의 온도에서, 도 8에 나타난 결과는 NaX(2.0)가 다른 알려진 종래 흡착제에 비하여 우수한 흡착제라는 것을 나타낸다.
단열 분리 계수는 흡착제의 선택성을 특징화하고, 공정 사이클 조건으로 얻어질 수 있는 회수율 및 순도의 상대적 척도를 제공한다. 흡착 및 탈착 단계 사이에 이산화탄소 로딩의 변화는 흡착제의 생산성의 상대적 척도를 제공한다. 환언하면, 그것은 주어진 이산화탄소 생산율(층 크기 계수로서 관련되는)에 대해 어느 정도의 흡착제가 필요할 것인지를 결정한다. 다른 흡착제에서의 이러한 동적 로딩의 변화는 도 9에 나타난다. 보다 더 저온에서, 제올라이트 NaY는 최고의 동적 로딩 및 따라서 최소의 층 크기 계수를 가진다. 보다 더 고온에서, 제올라이트 NaX(2.0)는 최소의 층 크기 계수를 제공한다. 보다 더 작은 층 크기 인자는 흡착제의 양 및 흡착기 크기를 감소시키고, 종래 기술에 비하여 비용 감소를 제공한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시에 유용한 흡착제의 성질은 공정의 흡착 및 탈착 단계에서의 무거운 성분 및 가벼운 성분의 압력, 온도 및 조성에 의존할 것이다. 이산화탄소의 회수에 있어서, 약 300 내지 400˚K의 흡착 온도 및 약 90 내지 200kPa의 흡착 압력 하에서 약 2 초과의 단열 분리 계수 ΔCO2/ΔN2 및 0.1 mol/kg 초과의 이산화탄소 동적 로딩을 가지는 제올라이트 흡착제를 사용하는 것이 바람직하다.
이산화탄소 회수를 위한 2개의 가장 바람직한 흡착제인 제올라이트 NaY 및 제올라이트 NaX(2.0)는 종래 기술 분야에서 전통적으로 사용되는 흡착제에 비하여 상당히 유망한 개선점을 제공한다. 전형적인 연도 가스 공급에 대하여, 제올라이트 NaY는 중간 정도의 흡착 온도에서(340˚K 미만) 최고의 분리 계수 및 최고의 이산화탄소 작업 커패시티를 갖는다. 상승된 온도에서 NaX(2.0)는 비교적 높은 이산화탄소 작업 커패시티를 유지하는 동안, 보다 더 높은 분리 계수를 제공한다. 이 흡착제는 질소, 산소, 수소, 메탄, 또는 일산화탄소와 같은 보다 더 약하게 흡착되는 여러 가지 성분을 가진 혼합물로부터 이산화탄소를 회수하기 위한 본 발명의 PSA 법 또는 기타 압력 스윙, 진공 스윙 또는 진공/압력 스윙법에서 주된 흡착제 층으로서 사용될 수 있다.
실시예
이산화탄소 회수를 위한 본 발명의 방법 및 흡착제의 성능을 입증하기 위하여 시뮬레이션 및 파일럿 공장 실험을 사용하였다.
실시예 1 및 실시예 2
대표적 실시예는 12% 이산화탄소 및 88% 질소를 포함하는 연도 가스로부터 약 80% 이산화탄소 생산물을 회수하기 위한 제올라이트 NaY의 용도를 포함한다. 2 층 기본 사이클 및 2층 병류적 배기 사이클에 대한 시뮬레이션 결과는 하기 표 Ⅲ에 나타난다. 기본 사이클은 66%의 회수율에서 80%의 생산물 순도를 산출한다. 여기서 회수율은 생산물로서 회수되는 공급물중의 이산화탄소 분획으로서 정의한다. 이산화탄소를 포함한 생산물 1일·톤(미터법상)당 제올라이트 NaY 341 파운드(lb/mtpd)의 층 크기 계수(BSF)를 본 실시예에 대하여 얻었다. 본 발명의 2층 병류적 배기 사이클을 이용함으로써 보다 더 높은 회수율 및 생산성을 얻었다. 병류적 배기에 의해, BSF는 생산물의 1일·톤(미터법상)당 제올라이트 NaY 319 파운드로 감소한 반면, 생산물 회수율은 75%로 증가하였다.
표 Ⅲ
| 공급물: 12% CO2, 88% N2 흡착제: NaY 제올라이트 | 기본 사이클(실시예 1) | 병류적 배기 사이클(실시예 2) |
| 생산물 순도(% CO2) | 80 | 80 |
| 회수율(%) | 66 | 75 |
| 층 크기 계수(lb/mtpd) | 341 | 319 |
| 사이클 시간(sec) | 92 | 98 |
실시예 3 및 실시예 4
추가적인 대표 실시예는 54% 이산화탄소, 16% 메탄 및 30% 수소를 포함하는 수소 공장 테일 가스 스트림으로부터 약 92% 이산화탄소 생산물을 회수하는 방법에서 제올라이트 NaY의 용도를 포함한다. 2층 기본 사이클 및 2층 병류적 배기 사이클에 대한 시뮬레이션 결과는 표 Ⅳ에 나타난다. 기본 사이클은 87% 회수율로 92%의 이산화탄소 생산물을 생산한다. 층 크기 계수는 228 lb/mtpd이다. 2층 병류적 배기 사이클을 이용하여 보다 더 높은 회수율 및 약간 더 높은 생산성을 얻었다. 이 사이클에 의해, 층 크기 계수가 227 lb/mtpd에서 실질적으로 변화하지 않은 반면, 생산물 회수율은 92%로 증가하였다.
표 Ⅳ
| 공급물: 54%CO2, 30%H2, 16%CH4 흡착제: NaY 제올라이트 | 기본 사이클(실시예 3) | 병류적 배기 사이클(실시예 4) |
| 생산물 순도(% CO2) | 92 | 92 |
| 회수율(%) | 87 | 92 |
| 층 크기 계수(lb/mtpd) | 228 | 227 |
| 사이클 시간(sec) | 194 | 196 |
본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 상기 또는 첨부 도면에 묘사된 방법 및 장치에서 다양한 변화가 있을 수 있는 것으로 해석된다. 따라서, 바람직하게는, 본 방법이 2개의 흡착기 및 어떤 바람직하게 구성된 하나 이상의 저장탱크, 즉 일정한 용적 탱크 또는 일정한 압력 탱크와 함께 작동될지라도, 2개 초과의 흡착기 및 다중 저장 탱크를 사용할 수 있다. 또한, 본 발명은 흡착기를 통하여 축방향 유동, 방사방향 유동, 측부 유동 또는 다른 유동 패턴과 함께 이용될 수 있다. 개개의 흡착기에 관하여, 각 흡착기는 다른 성분, 예컨대 수증기의 흡착을 위한 전처리 층이 없거나 하나 이상의 전처리 층을 가진 다중의 주된 흡착 층을 포함할 수 있다. 또한, 각 흡착 층은 단일 흡착제 또는 2 이상의 흡착제의 혼합물을 포함할 수도 있다.
추가로, 바람직하게는, 주위 압력 부근의 흡착 압력에서 작동될지라도, 흡착 압력은 대기압 이상일 수 있다. 유사하게, 최소 탈착 압력은 대기압 이상 또는 미만일 수 있다.
본 발명에서 개시된 방법들은 이산화탄소 회수를 위한 주된 흡착제로서 제올라이트 NaY, 제올라이트 NaX(2.0) 또는 어떤 다른 특정 흡착제의 사용에 한정되지 않는다. 이 방법들은 하나 이상의 주된 흡착 층에 배치된 다른 흡착제와 함께 이산화탄소 회수에 사용될 수 있다. 이산화탄소 회수용 흡착제를 평가 및 선택하는데 사용된 단열 분리 계수법은 일반적이고, 다른 다성분 분리에 동일하게 잘 적용될 수 있다.
본 발명이 주로 다성분 공급 스트림으로부터의 이산화탄소 회수에 관한 것이지만, 여기 개시된 개념은 많은 다른 분리에 적용될 수 있다. 따라서, 개시된 방법들은, 적당한 흡착제를 조합하여, 이에 보다 선택적으로 흡착되는 성분이 필요한 생산물인, 다른 다성분 분리에 사용될 수 있다. 이것은 질소 선택성 흡착제를 사용한 공기로부터의 질소 회수, 산소 선택성 흡착제를 사용한 공기로부터의 산소 회수, 일산화탄소 선택성 흡착제를 사용한 합성기체로부터의 일산화탄소 회수, 및 산소 선택성이거나 아르곤 선택성인 흡착제를 사용한 산소/아르곤 분리를 포함하나 이에 한정되지 않는다. 추가적으로, 본 발명은 가벼운 성분 및 무거운 성분 양자의 공동생산, 예컨대 연도 가스로부터 농축된 질소 및 농축된 이산화탄소의 생산 또는 공기로부터 농축된 질소 및 산소의 생산에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명 특유의 특징은 그 자체로 본 발명에 따른 다른 특징들과 결합될 수 있기 때문에, 편의상으로만 하나 이상의 도면에 나타나거나 상기 설명으로서 개시된다. 당업자들은 본 발명의 실시에 사용될 수 있는, 첨부되는 청구범위의 범위에 포함되는 것으로 해석되는 다른 구체예를 인식할 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 효과는 다음과 같다.
본 발명의 방법 및 장치를 사용하여 다성분 기체 혼합물로부터 이산화탄소와 같은 무거운 성분을 예정된 상당히 일정한 생산물 순도로 회수할 수 있다.
본 발명의 방법은 낮은 흡착 압력을 사용하여 압력 에너지를 회복하기 위한 동일화 기술의 필요성을 제거하며, 동력 커패시티 및 공급 농도에서 및 주위 압력에 가까운 흡착 압력에서 무거운 성분에 대한 선택성을 최대화하도록 선택된 흡착제를 사용하고, 배기 기체의 양이 최소화된 병류적 배기 사이클을 사용함으로써 동력 소비가 감소되는 효과를 나타낸다.
본 발명의 장치는 흡착기 층 간의 상호작용을 제거함으로써 필요한 흡착기 및 스위칭 밸브의 수를 감소시키고, 생산물 순도, 생산물 압력 또는 생산물 유동 속도의 변동을 감소시키기 위하여 큰 고가의 서지 탱크를 제공할 필요성이 제거되므로, PSA 기술을 수행하는데 있어서 자본 비용 및 에너지 경비가 감소되는 효과를 나타낸다.
본 발명에서 사용된 흡착제는 주어진 공정 조건에서 높은 단열 분리 계수 및 이산화탄소 작업 커패시티를 제공하여, 층 크기 계수를 감소시키므로 주어진 생산율에 요구되는 흡착제의 양을 감소시킨다.
병류적 배기 사이클을 이용할 경우, 더 높은 회수율 및 생산성을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 단일층 PSA 장치의 특정 구체예의 흐름도이다.
도 2는 도 1의 단일층 장치를 사용한 본 발명의 PSA 방법의 기본 사이클 순서를 나타낸다.
도 3은 일부 공정 사이클 동안 무거운 성분 생산물을 흡착기의 입구에 공급하기 위하여 병류적 배기 시스템을 결합한, 본 발명의 단일층 PSA 장치의 추가적 구체예의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 도 3의 단일층 병류적 배기 시스템 장치에 대한 사이클 순서를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 2층 PSA 장치의 추가적 구체예의 개략적인 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 2층/병류적 배기 장치의 바람직한 구체예의 개략적인 흐름도이다.
도 7은 상이한 압력에서 여러 가지 흡착제에 대한 이산화탄소 흡착 등온선의 그래프이다.
도 8은 상이한 흡착 온도에서 여러 가지 흡착제에 대한 단열 분리 계수의 변동 그래프이다.
도 9는 상이한 흡착 온도에서 여러 가지 흡착제의 동적 이산화탄소 로딩(ΔCO2) 특성치의 변동 그래프이다.
Claims (10)
- 다성분 기체 혼합물로부터 하나 이상의 무거운 기체 성분을 회수하기 위한 압력 스윙 흡착 방법으로서,(1) 다성분 기체 혼합물을 하나 이상의 흡착기의 입구에 공급하여 흡착기를 통과시키고, 그 기체 혼합물의 무거운 성분을 흡착기 내의 흡착제에 흡착시키며, 혼합물중의 가벼운 성분으로 농축된 유출물을 흡착기로부터 그의 출구를 통해 제거하고, 가벼운 성분으로 농축된 유출물의 일부 또는 전부를 흡착기 출구와 연결된 압력 구역에 잔류시키는 단계;(2) 가벼운 성분으로 농축된 유출물의 일부를 흡착기 출구를 통해, 흡착 압력 미만의 압력으로 유지되고 흡착기와 연결되는 진공 구역으로 병류적으로 블로잉 다운하고, 이와 동시에 탈착된 기체를 흡착기 입구를 통하여 흡착기로부터 역류적 배기에 의하여 제거하여, 흡착기를 그 출구로부터는 병류적으로, 입구로부터는 역류적으로 동시에 감압시키는 단계;(3) 흡착기 입구로부터 탈착 기체의 역류적 배출을 계속하는 동안, 흡착기 출구를 통한 블로우다운 기체의 유동을 종결시켜, 흡착기에서의 압력이 진공 구역에서의 압력 미만이 될 때까지 흡착기를 추가로 감압시키는 단계;(4) 블로우다운 기체를 퍼지 기체 스트림으로서 진공 구역으로부터 흡착기 출구로 역류적으로 보내서 흡착기를 통과시킴으로써 무거운 기체 성분으로 농축된 생산물 스트림을 회수하는 단계;(5) 진공 구역으로부터의 블로우다운 기체의 유동을 종결시키고, 가벼운 성분으로 농축된 유출물을 압력 구역으로부터 흡착기의 출구로 전달시켜, 흡착기를 부분적으로 재가압시키는 단계;(6) 다성분 공급 기체 혼합물의 추가 부분을 흡착기의 입구로 전달시켜, 흡착기의 재가압을 완수하는 단계; 및(7) 상기 단계들은 반복하여, 무거운 성분을 함유한 생산물 스트림을 생산하는 단계를 포함하는 압력 스윙 흡착 방법.
- 제 1항에 있어서, 단계(1)의 흡착이 대기압에서 수행됨을 특징으로 하는 압력 스윙 흡착 방법.
- 제 1항에 있어서, 회수되는 무거운 성분이 이산화탄소이고, 이산화탄소가 분리되는 혼합물에 함유된 가벼운 성분이 질소, 산소, 수소, 메탄, 일산화탄소 또는 다른 가벼운 기체임을 특징으로 하는 압력 스윙 흡착 방법.
- 제 3항에 있어서, 흡착제가 제올라이트 NaY 또는 제올라이트 NaX(2.0)임을 특징으로 하는 압력 스윙 흡착 방법.
- 제 1항에 있어서, 다성분 기체 혼합물의 부분이 단계(1)에서는 2 이상의 독립적으로 작동가능한 흡착기를 통하여 공급되고, 그 후 단계(2) 내지 단계(7)가 각각의 흡착기에서 개별적으로 수행되며, 단계(4)에서 각 흡착기로부터 회수되는 생산물 스트림이 합류되어 무거운 기체 성분으로 농축된 생산물의 연속적인 유동을 제공함을 특징으로 하는 압력 스윙 흡착 방법.
- 제 1항에 있어서, 단계(4)에서 회수된 생산물 스트림의 일부 또는 전부가 재순환되어 그 후 흡착기 입구에서 기체 혼합물의 병류적 배기를 수행함으로써, 본 방법의 단계(1) 후에 입구에서 무거운 성분의 농도를 증가시킴을 특징으로 하는 압력 스윙 흡착 방법.
- 제 1항에 있어서, 단계(4)에서 퍼지 기체 스트림의 유속이 생산물 제조 단계 동안에 조절되어, 실질적으로 일정한 순도의 무거운 성분을 함유하는 생산물 스트림을 제공함을 특징으로 하는 압력 스윙 흡착 방법.
- 제 1항에 있어서, 단계(4)에서 블로우다운 기체의 유동을 종결시켜 생산물 스트림을 제조한 후, 진공 구역으로부터의 추가적인 블로우다운 기체를 흡착기 출구로 전달시켜 흡착기의 역류적 재가압을 증강시킴을 특징으로 하는 압력 스윙 흡착 방법.
- 질소, 산소, 수소, 메탄 및 일산화탄소로부터 선택된, 보다 덜 선택적으로 흡착가능한 성분을 포함한 다성분 기체 혼합물로부터 최소한 이산화탄소를 회수하는 방법으로서,(a) 기체 혼합물이 300˚ 내지 400˚K의 흡착 온도 및 90 내지 200kPa의 흡착 압력 하에서 흡착제 층으로 통과되어 흡착제와 접촉하고, 이산화탄소가 흡착제에 의해 선택적으로 흡착되는 흡착 단계;(b) 기체 혼합물의 흡착제 층 통과가 중단되고, 층에서의 압력이 흡착 압력에서 보다 더 낮은 탈착 압력으로 감소되어 층으로부터 이산화탄소를 탈착시키는 탈착 단계; 및(c) 이산화탄소를 포함한 층으로부터 생산물 스트림을 예정된 일정한 순도 이상으로 회수하는 단계를 포함하며,기체 혼합물이 상기 단계를 포함하는 주기적 단계에 의하여 이산화탄소의 흡착에 대해 선택적인 흡착제 물질을 포함한 하나 이상의 흡착기에서 접촉되고,흡착제는, 흡착제의 성능 특성이 이산화탄소 흡착 몰분율이 0.12이고, 이산화탄소 탈착 몰분율이 0.8이고, 탈착 압력이 6kPa인 표준 조건 하에서 측정된 경우에, 상기 흡착 온도 및 흡착 압력에서 2.0 초과의 단열 분리 계수 ΔCO2/ΔN2 및 0.1 mol/kg 초과의 이산화탄소의 동적 로딩을 가지는 방법.
- 다성분 기체 혼합물에서 무거운 기체 성분을 회수하기 위한 압력 스윙 흡착 방법을 수행하는 장치로서,(1) 입구 말단부 및 출구 말단부를 가지고, 기체 혼합물의 가벼운 성분에 비해 무거운 성분을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제의 한 층 이상을 결합한 하나 이상의 흡착기;(2) 흡착기의 입구 말단부와 연결되어 기체 혼합물을 흡착기로 공급하여 통과시키는 공급 송풍기;(3) 흡착기의 출구 말단부와 연결되어, 흡착기로부터 가벼운 성분으로 농축된 유출물을 받아서 가벼운 성분으로 농축된 유출물을 흡착기의 출구 말단부로 공급하는 압력 탱크;(4) 흡착기의 출구 말단부와 연결되어, 흡착기로부터 가벼운 성분으로 농축된 유출물의 추가 부분을 받아서 가벼운 성분으로 농축된 유출물을 블로우다운 기체로서 출구 말단부를 통해 흡착기로 공급하는 진공 탱크;(5) 압력 탱크 및 진공 탱크를 흡착기의 출구와 연결되도록 선택적으로 배치시켜, 흡착기를 감압 및 재가압시키는데 사용되는 출구 밸브 수단;(6) 공급 송풍기와 독립적이고, 흡착기의 입구 말단부와 연결되어, 기체 혼합물중 무거운 성분을 포함한 생산물 스트림을 예정된 일정한 농도로 제거하는 진공 펌프;(7) 공급 송풍기 및 진공 펌프를 흡착기의 입구 말단부와 연결되도록 선택적으로 배치시켜, 흡착기의 입구 말단부로의 기체 혼합물의 공급 및 흡착기의 입구 말단부로부터의 생산물 스트림의 제거를 촉진시키는 입구 밸브 수단;(8) 가벼운 성분으로 농축된 유출물을 블로우다운 기체로서 진공 탱크로부터 흡착기로 공급 촉진하고 흡착기로부터 배출 스트림의 제거를 촉진하며, 흡착기를 출구 말단부로부터는 병류적으로, 입구 말단부로부터는 역류적으로 동시에 감압시키기 위하여 출구 밸브 수단 및 입구 밸브 수단을 동시에 작동시키는 조절 수단을 포함하는 장치.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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