KR20170091008A - Tepsa 시스템용 히터 장치 - Google Patents

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크리스토퍼 제임스 레이즈웰
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Abstract

본 발명은, 덜 강하게 흡착되는 성분과 더 강하게 흡착되는 성분을 포함하는 적어도 2개의 성분을 가스 혼합물로부터 제거하기 위한 온도 강화 압력 스윙 흡착(TEPSA) 프로세스로서, 상기 프로세스는, 하나의 단일 히터와 적어도 2개의 흡착 용기를 사용하는 것을 포함하고, 각 흡착 용기에서는 흡착 시기와 이후의 재생 시기를 포함하는 반복 사이클이 수행되는 것인 TEPSA 프로세스에 관한 것이다.

Description

TEPSA 시스템용 히터 장치{HEATER ARRANGEMENT FOR TEPSA SYSTEM}
본 발명은, 극저온 증류 전에 공기를 사전 정화하고, 단일 히터 및 적어도 2 개의 흡착 용기를 적용하는, TEPSA(Thermally Enhanced Pressure Swing Adsorption: 온도 강화 압력 스윙 흡착) 프로세스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기한 TEPSA 프로세스에서 사용하기 위한 장치에 관한 것이다.
고체 흡착제에 흡착시키는 것을 통해 규칙적으로 가스 흐름으로부터 가스 성분을 제거하는 것이 필요하다. 특히, 사전 정화 단계는 일반적으로, 극저온 공기 분리 프로세스를 수행할 때 이용된다. 따라서, 이와 같이 제거된 가스 성분들이 실질적으로 가치가 있는 것일 수 있거나 또는 가스 혼합물 내의 가스 성분을 오염시키고 있을 수 있으므로, 흡착제의 주기적인 재생이 필요하다.
이러한 프로세스에서, 가스는 통상적으로, 제거 대상 성분 또는 성분들을 흡착하도록 흡착 용기에 들어 있는 고체 흡착제, 그리고 상기 흡착제에 점차적으로 축적되는 제거 대상 성분과 접촉하게 공급된다. 상기 흡착제에 있어서 제거된 성분 또는 성분들의 농도는 점차적으로 상승하고, 프로세스가 충분한 기간 동안 계속되는 경우, 흡착된 성분들은 흡착제 베드의 하류측 단부를 돌파할 것이다. 이러한 일이 발생하기 전에, 흡착제를 재생할 필요가 있다.
사전 정화 단계들을 수행하기 위해, TSA(Thermal Swing Adsorption: 열 스윙 흡착), PSA(Pressure Swing Adsorption: 압력 스윙 흡착) 및 TEPSA(온도 강화 압력 스윙 흡착) 등과 같은 다양한 프로세스들이 적용된다.
PSA 프로세스에서, 탈착은, 처리 대상 가스의 흡착제로의 흐름을 정지시키고, 흡착제를 감압하며, 일반적으로 흡착제 베드에 흡착된 가스 성분의 함량이 낮은 재생 가스의 흐름을 생성물 공급 방향의 반대 방향으로 상기 흡착제 베드를 통과시키는 것에 의해 실시된다.
TSA 프로세스는 일반적으로 극저온 공기 분리 유닛(ASU)의 상류측에서 공기를 사전 정화하는 데 사용된다. TSA 프로세스는 흡착 프로세스의 고온(일반적으로 100℃보다 훨씬 높은) 재생과 긴 고온 재생 기간을 특징으로 한다. TSA 프로세스와 관련된 열 플럭스가 강하고 길기 때문에, 열 펄스 품질의 저하가 TSA 탈착 프로세스에 대해 최소의 영향을 준다. 히터에 의해 TSA 프로세스에 제공되는 열은, 강하게 흡착되는 성분, 즉 흡착열이 높은 물을 탈착시키는 데 주로 사용된다.
TSA 프로세스의 변형예로는, 예를 들어 미국 특허 제5,614,000호에 기재된 TEPSA 프로세스가 있다. TEPSA는, 온도가 일반적으로 100℃보다 낮고 단기간으로만 가열을 행하는 저온 재생 프로세스이다. TSA 프로세스와는 달리, 히터에 의해 제공되는 열은 "가장 덜 강하게" 흡착되는 오염물, 즉 CO2를 제거하는 데 사용된다. TEPSA 프로세스와 관련된 열 플럭스는 약한 것으로 기술될 수 있으므로, 흡착제 베드로 향해 이동하는 과정에서의 작은 열 손실이라도, 열 펄스에 의해 전달되는 열의 품질을 크게 저하시킬 수 있다.
이는, 100℃보다 훨씬 높은 고온 재생 온도와 10분보다 훨씬 긴 고온 재생 기간을 특징으로 하는 종래의 TSA 프로세스와는 대조되는 것이다. 상기한 TSA 프로세스의 보다 극단적인 조건으로 인해, 적정 거리(예컨대, 흡착 용기로부터 20 m 이상 이격되어) 내에서의 히터의 위치는, 재생 프로세스에 거의 영향을 미치지 않는다(미국 특허 제9,108,145호 참조).
미국 특허 제5,614,000호 뿐만 아니라 미국 특허 제8,734,571호에서는, 고온 재생 가스를 제공하기 위한 하나의 외부 히터만을 포함하는 TEPSA용 장치 구성이 기재되어 있다. 흡착 용기에 인접하게 배치되어 있지 않은 하나의 외부 히터만을 포함하는 상기한 구성은, 열 손실이 쉽게 일어나서, 흡착제 베드로 보내어지는 (이상적으로는 직사각 형상을 갖는) 열 펄스의 품질을 크게 저하시킨다고 하는 단점을 갖는다.
이것은, 지금까지의 TEPSA 프로세스의 실행에 있어서, 상기한 구성이 적용되는 것이 아니라, 미국 특허 제7,066,986호에 기재된 바와 같은 구성이 이용되고 있는 이유이다. 이러한 특허 문헌에는, 모든 흡착 용기가 별개의 히터를 구비하는 TEPSA 프로세스용 2상(床) 히터 장치가 개시되어 있다. 히터들은, 흡착 용기의 입구 노즐에 놓이는 별개의 히터 요소가 모든 흡착 용기에 장착되는 방식으로 배치된다. 이러한 TEPSA 장치에 의해, 열 손실, 열 펄스의 가변 품질 등과 같은 단점들이 최소화될 수 있다. 게다가, 히터와 흡착제 베드 사이의 거리를 최소화하여, 흡착제 베드와의 접촉 전에 열 펄스의 품질을 유지한다.
미국 특허 제7,066,986호에 기술된 바와 같은 히터 장치의 문제점은, 다수의 히터가 사용되어야 한다는 것이며, 다시 말하자면 각각의 흡착 용기마다 하나의 히터가 사용되어야 한다는 것이다. 이러한 장치는, 다수의 히터가 필요하다는 점과 이들 히터가 흡착 용기에 인접하게 배치될 필요가 있다는 점으로 인해, 유지 보수에 드는 노력이 증가되는 것을 초래한다. 또한, 히터가 흡착 용기의 입구 노즐에 포함되어 있다는 점으로 인해, 이러한 흡착 용기들은, 용기 장치들이 그 벌크성 때문에 더 복잡해지는 점을 방지한다. 또한, 다수의 히터는 재료 및 에너지 입력의 증가로 인하여 비용면에서 악영향을 미친다. 또한, 유지 보수 비용도 더 높다.
따라서, TEPSA 프로세스를 개선할 필요가 있다. 본 발명은 당업계에 알려진 TEPSA 프로세스의 단점을 극복하는 것을 목적으로 하고, 특히 덜 복잡하고 저렴하며 동시에 흡착제 베드(들)에 안정적인 열 펄스를 제공하는 장치 구성을 필요로 하는 프로세스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명은, 현재의 프로세스를 비용 절감하고 단순화하기 위해, 공기의 극저온 분리 이전의 공기의 정화와 관련이 있는, 낮은 재생 온도의 TEPSA를 작동시키기 위한 강화를 처리하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 이러한 TEPSA 프로세스에 사용될 수 있는 장치의 제공에 관한 것이다.
본 발명은, 단일 히터 및 적어도 2개의 별개의 흡착 용기를 사용하는 TEPSA 프로세스에 의해 상기한 문제들이 극복될 수 있다는 발견에 기초한 것이며, 이에 따라 흡착 용기의 재생 가스 입구에서 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 20℃ 이하이다.
따라서, 본 발명은 제1 양태에서, 덜 강하게 흡착되는 성분과 더 강하게 흡착되는 성분을 포함하는 적어도 2개의 성분을 가스 혼합물로부터 제거하기 위한 온도 강화 압력 스윙 흡착(TEPSA) 프로세스로서, 상기 프로세스는, 하나의 단일 히터와 적어도 2개의 흡착 용기를 사용하는 것을 포함하고, 각 흡착 용기에서는 흡착 시기와 이후의 재생 시기를 포함하는 반복 사이클이 아래와 같이 수행되는데:
상기 흡착 시기에서, 상기 가스 혼합물은 흡착 용기에 들어 있는 흡착제 베드를 제1 방향으로 통과하고, 그 결과 상기 가스 혼합물은 상기 적어도 2개의 성분이 상기 흡착제 베드에서 흡착됨으로써 정화되며,
제1 재생 시기에서, 20℃ 내지 100℃ 범위 내의 온도이도록 선택되는 목표 온도를 갖는 고온 재생 가스가, 상기 흡착 베드를 상기 흡착 시기 동안의 흐름 방향과 반대인 흐름 방향으로 통과하고,
제2 재생 시기에서, 5℃ 내지 65℃ 범위 내의 온도이도록 선택되는 목표 온도를 갖는 저온 재생 가스가, 상기 흡착 베드를 상기 흡착 시기 동안의 흐름 방향과 반대인 흐름 방향으로 통과하며,
재생 가스를 공급원으로부터 상기 재생 가스가 가열되는 상기 히터로 이동시키고, 그리고 상기 히터에서 나가는 고온의 재생 가스를 각 흡착 용기로 이동시킴으로써, 각 흡착 용기에 고온 재생 가스가 제공되며,
재생 가스를 공급원으로부터 히터를 우회하여 각 흡착 용기로 보냄으로써, 각 흡착 용기에 저온 재생 가스가 제공되고,
흡착 용기의 재생 가스 입구에서 상기 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 20℃ 이하인 것인 TEPSA 프로세스를 제공한다.
본 발명에 따른 TEPSA 프로세스는, 본원에 기술된 바와 같은 특정 구성에 의해 얻어지는 여러 이점을 갖는다. 재생 시기 동안의 열 손실은 최소로 유지되고, 제1 재생 시기 동안에 안정적이고 모가 나 있는 (보다 직각 형상인) 열 펄스가 생성될 수 있으며 흡착제 베드 위로 지나갈 수 있다. 게다가, 상기 프로세스에 단 하나의 히터가 필요하므로, 유지 보수에 드는 노력이 크게 줄어들 수 있으며, 상기 프로세스를 보다 경제적으로 만들고 보다 지속 가능하게 만드는 에너지 절감이 달성될 수 있다.
일반적으로, 상이한 흡착제 베드에서 교대로 흡착 및 재생이 수행되도록, 즉 2개의 흡착 용기가 사용되는 경우, 용기 1에서는 흡착이 일어나고 이와 동시에 용기 2에서는 재생이 일어나도록, 본 발명의 프로세스가 수행된다.
2개를 초과하는, 예를 들어 3개 또는 4개의, 흡착제 베드가 사용되는 경우, 각 흡착 용기의 제1 재생 시기에서 사용되는 재생 가스를 가열하기 위해 여전히 하나의 단일 히터가 사용될 수 있는데, 이는 가열된 가스가 각 용기에 교대로 제공될 수 있도록, TEPSA 프로세스에서의 상기한 시기가 비교적 짧기 때문이다.
여하튼, 청구 대상 프로세스에서는, 제2 재생 시기에서 사용된 저온 재생 가스가, 스위치 오프되어 있을 수 있는 히터의 위로 지나가는 것이 아니라 히터를 우회한다는 것이 중요하다.
제2 양태에서, 본 발명은 상기 제1 양태에 따른 프로세스로서, 흡착 용기의 재생 가스 입구에서 상기 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 15℃ 이하인 것인 프로세스를 제공한다.
제3 양태에서, 본 발명은 전술한 양태들에 따른 프로세스로서, 상기 제1 재생 시기에서의 고온 재생 가스는, 20℃ 내지 70℃ 범위 내의 온도이도록 선택되는 목표 온도를 갖는 것인 프로세스를 제공한다.
제4 양태에서, 본 발명은 전술한 양태들에 따른 프로세스로서, 상기 제2 재생 시기에서의 저온 재생 가스는, 10℃ 내지 55℃ 범위 내의 온도이도록 선택되는 목표 온도를 갖는 것인 프로세스를 제공한다.
제5 양태에서, 본 발명은 전술한 양태들에 따른 프로세스로서, 상기 제1 재생 시기에서의 고온 재생 가스의 목표 온도와 제2 재생 시기에서의 저온 재생 가스의 목표 온도의 차이가 15℃ 이상인 것인 프로세스를 제공한다.
제6 양태에서, 본 발명은 전술한 양태들에 따른 프로세스로서, 상기 제1 재생 시기에서의 고온 재생 가스의 피크 온도는 45℃ 이상인 것인 프로세스를 제공한다.
제7 양태에서, 본 발명은 전술한 양태들에 따른 프로세스로서, 상기 제1 재생 시기는 20분 이하 동안 일어나는 것인 프로세스를 제공한다.
제8 양태에서, 본 발명은 전술한 양태들에 따른 프로세스로서, 상기 제2 재생 시기는 80분 이하 동안 일어나는 것인 프로세스를 제공한다.
제9 양태에서, 본 발명은 전술한 양태들에 따른 프로세스로서, 전체 재생 사이클 시간(온라인 시간)은 120분 이하인 것인 프로세스를 제공한다.
제10 양태에서, 본 발명은 전술한 양태들 중 임의의 것에 따른 TEPSA 프로세스에서 사용하기 위한 장치로서, 하나의 단일 히터와 적어도 2개의 흡착 용기를 포함하고, 각 흡착 용기는,
- 흡착제 베드를 수용하는 흐름 챔버를 포함하는 흐름 경로에 의해 분리된 정화 대상 가스 혼합물용 입구 및 정화된 가스용 출구,
- 상기 흐름 챔버를 포함하는 흐름 경로에 의해 분리된 재생 가스용 입구 및 출구를 포함하며,
상기 장치는,
- 정화 대상 가스 혼합물의 공급원을 각 흡착 용기의 가스 혼합물용 입구와 연결하는 라인,
- 히터를 재생 가스의 공급원과 연결하는 라인,
- 히터를 각 흡착 용기의 재생 가스용 입구와 연결하는 라인, 및
- 재생 가스의 공급원을 각 흡착 용기의 입구와 연결하며 히터를 우회하는 라인을 더 포함하고,
제1 재생 시기 동안에, 고온 재생 가스는, 재생 가스를 공급원으로부터 재생 가스를 가열하는 히터로 보내는 것에 의해, 그리고 각 흡착 용기의 재생 가스 입구에서 상기 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 20℃ 이하로 되도록 상기 가열된 재생 가스를 각 흡착 용기의 입구로 보내는 것에 의해, 각 흡착 용기에 제공되며,
저온 재생 가스는, 재생 가스를 공급원으로부터 히터를 우회하여 각 흡착 용기로 보냄으로써, 각 흡착 용기에 제공되는 것인 장치를 제공한다.
제11 양태에서, 본 발명은, 제10 양태에 따른 장치로서, 가열된 재생 가스용 단일 라인이 히터에서 나오며, 각 흡착 용기의 재생 가스용 입구로 각각 이어지는 라인들로 분할되는 것인 장치를 제공한다.
제12 양태에서, 본 발명은, 제11 양태에 따른 장치로서, 상기 히터에서 나오는 단일 라인은, 재생 가스 공급원에서 나오며 히터를 우회한 단일 라인과 합쳐져, 단일의 공통 재생 가스 라인을 형성하고, 이후에 상기한 단일의 공통 재생 가스 라인은, 각 흡착 용기의 재생 가스용 입구로 각각 이어지는 라인들로 분할되는 것인 장치를 제공한다.
제13 양태에서, 본 발명은, 제12 양태에 따른 장치로서, 상기 히터로부터 상기 히터를 우회한 라인과의 합류부까지의 상기 단일 라인의 길이 X는 1 m 내지 9 m인 것인 장치를 제공한다.
제14 양태에서, 본 발명은, 제12 양태 또는 제13 양태에 따른 장치로서, 상기 히터에서 나오는 단일 라인과 상기 히터를 우회한 단일 라인의 합류부와, 각 흡기 용기의 재생 가스용 입구 사이에서의 라인의 길이 Y는 6 m 이하인 것인 장치를 제공한다.
제15 양태에서, 본 발명은, 제10 양태 내지 제14 양태에 따른 장치로서, 상기 재생 가스 공급원에서 나오는 단일 라인이, 히터로 이어지는 라인과 히터를 우회하는 라인으로 분할되는 것인 장치를 제공한다.
제16 양태에서, 본 발명은, 제12 양태 내지 제15 양태에 따른 장치로서, 길이 X를 따라 있는 라인은 절연되어 있는 것인 장치를 제공한다.
본 발명의 프로세스에서, 반복되는 작동 사이클은 흡착 시기를 포함하는데, 이 흡착 시기 동안에, 더 강하게 흡착될 제1 성분과 덜 강하게 흡착될 제2 성분을 흡착할 수 있는 고체 흡착제와 접촉하게, 공급 가스 혼합물이 공급 방향으로 제1 압력 및 제1 온도로 흘러, 상기 제1 성분은 상기 흡착제에 있어서 상류측 부분에 흡착되고 상기 제2 성분은 상기 흡착제에 있어서 더 하류측 부분에 주로 흡착된다.
상기 흡착 시기 이후에, 상기 공급 가스의 흐름은 중지되고, 상기 흡착제와 접촉하는 가스는 보다 낮은 제2 압력으로 감압된다.
감압 이후에, 재생 시기가 전술한 바와 같이 수행된다. 제1 재생 시기 동안에는, (상기 흡착 시기 동안의 가스 혼합물의 흐름에 관하여) 상기 더 하류측 부분에서 덜 강하게 흡착되는 제1 성분이 주로 탈착되고, 제2 재생 시기에서는, 상기 흡착제의 상기 상류측 부분에서 더 강하게 흡착되는 제2 성분이 주로 탈착된다.
본 발명에 따른 프로세스에서, 흡착 용기의 재생 가스 입구에서 상기 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 20℃ 이하이다. 이는 제1 재생 시기 동안에 열 펄스의 고품질을 보장하기 위한 것이다.
바람직하게는, 상기 온도차는 18℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 15℃ 이하이며, 보다 더 바람직하게는 13℃ 이하이고, 가장 바람직하게는 11℃ 이하이다.
일반적으로, 흡착 용기의 재생 가스 입구에서 상기 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 5℃ 이상이다.
이러한 온도차는, 전체 제1 재생 시기 동안에 흡착 용기의 재생 가스 입구에서 온도를 연속적으로 측정하고 가장 높은 측정 온도 값으로부터 가장 낮은 측정 온도 값을 빼는 것에 의해 결정된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 프로세스에서는, 제1 재생 시기에서의 고온 재생 가스의 목표 온도가 20℃ 내지 90℃ 범위, 바람직하게는 20℃ 내지 80℃ 범위, 더 바람직하게는 20℃ 내지 70℃ 범위, 보다 더 바람직하게는 30℃ 내지 70℃ 범위, 보다 더 바람직하게는 30℃ 내지 65℃ 범위, 가장 바람직하게는 30℃ 내지 60℃ 범위 내의 온도이도록 선택된다.
본 발명에 따른 프로세스에서는, 제2 재생 시기에서의 저온 재생 가스의 목표 온도가 10℃ 내지 65℃ 범위, 바람직하게는 15℃ 내지 65℃ 범위, 더 바람직하게는 15℃ 내지 60℃ 범위, 가장 바람직하게는 15℃ 내지 55℃ 범위 내의 온도이도록 선택된다.
상기 목표 온도는 재생 시기에서 흡착제 베드의 상면에 인접한 곳에서의 최고 온도이다.
바람직하게는, 제1 재생 시기에서의 고온 재생 가스의 목표 온도와 제2 재생 시기에서의 저온 재생 가스의 목표 온도의 차이가 15℃ 이상이고, 더 바람직하게는 20℃ 이상이다.
제1 재생 시기에 있어서 흡착 용기의 재생 가스 입구에서의 고온 재생 가스의 피크 온도, 즉 가장 높은 측정 온도는 45℃ 이상이다.
언급한 바와 같이, TEPSA 프로세스에 있어서, 가열된 재생 가스가 흡착제 베드 위로 지나가는 동안의 기간은 상당히 짧다. 따라서, 본 발명에 따른 프로세스에서, 제1 재생 시기는 30분 이하 동안, 바람직하게는 25분 이하 동안, 더 바람직하게는 20분 이하 동안, 보다 더 바람직하게는 15분 이하 동안, 가장 바람직하게는 12분 이하 동안 일어난다.
일반적으로, 제1 재생 시기의 기간은 5분 이상, 바람직하게는 10분 이상이다.
본 발명에 따른 프로세스에서, 제2 재생 시기는 바람직하게는 90분 이하 동안, 더 바람직하게는 80분 이하 동안, 보다 더 바람직하게는 70분 이하 동안, 보다 더 바람직하게는 55분 이하 동안, 보다 더 바람직하게는 45분 이하 동안, 보다 더 바람직하게는 30분 이하 동안, 가장 바람직하게는 25분 이하 동안 일어난다.
일반적으로, 제2 재생 시기의 기간은 5분 이상, 바람직하게는 10분 이상, 더 바람직하게는 15분 이상이다.
본 발명에 따른 프로세스에서, 전체 재생 사이클 시간(온라인 시간), 즉 모든 재생 시기를 포함하는 시간은, 120분 이하, 바람직하게는 105분 이하, 더 바람직하게는 90분 이하, 보다 더 바람직하게는 75분 이하, 보다 더 바람직하게는 60분 이하, 가장 바람직하게는 45분 이하이다.
일반적으로, 전체 재생 사이클 시간은 10분 이상, 바람직하게는 15분 이상, 더 바람직하게는 30분 이상이다.
바람직하게는, 본 발명의 프로세스에서, 히터와, 선택적으로는 아래에 기술된 바와 같이 "임계 길이 X"를 갖는 하류측 라인은, 항상 보온된다. 이는 제1 재생 시기 동안에 열 펄스의 무결성을 향상시키기 위해 실시된다. 바람직하게는, "임계 길이 X"를 갖는 하류측 라인은 절연된다.
바람직하게는, 본 발명의 프로세스에서, 아래에 기술된 바와 같이 "길이 Y"를 갖는 하류측 라인도 또한 절연된다. 이는 제1 재생 시기 동안에 열 펄스의 무결성을 향상시키기 위해 실시된다. 또한, 절연은 개인 보호에 기여한다.
바람직하게는, 히터의 온도는 전체 프로세스 동안에 제1 재생 시기의 목표 온도보다 20℃ 이하, 바람직하게는 15℃ 이하, 더 바람직하게는 10℃ 이하, 가장 바람직하게는 5℃ 이하로 떨어지지 않는다. 이는, 짧은 기간 동안에만 히터를 스위칭 오프하거나 프로세스 동안에 히터를 전혀 스위칭 오프하지 않는 것 등과 같은 적절한 수단에 의해, 및/또는 히터가 정상 작동 온도로, 또는 이에 가까운 온도로, 항상 유지될 수 있게 하는 라인(통상의 배관) 장치의 적용에 의해, 달성될 수 있다.
더 바람직하게는, 히터의 반대편 단부에 있는 길이 X의 하류측 라인에서의 온도는, 전체 프로세스 동안에 제1 재생 시기의 목표 온도보다 25℃ 이하, 바람직하게는 20℃ 이하, 더 바람직하게는 15℃ 이하, 가장 바람직하게는 10℃ 이하로 떨어지지 않는다.
바람직한 실시형태에서, 본 발명의 프로세스에서는 정화 대상 가스 혼합물이 공기이다.
더 바람직하게는, 가스 혼합물로부터 흡착되는 상기 덜 강하게 흡착되는 성분은 이산화탄소이다.
바람직하게는, 정화 대상 가스 혼합물에서의 CO2 농도는 50 ppm 내지 2000 ppm, 바람직하게는 100 ppm 내지 1500 ppm, 더 바람직하게는 100 ppm 내지 1000 ppm, 보다 더 바람직하게는 200 ppm 내지 800 ppm, 가장 바람직하게는 300 ppm 내지 600 ppm이다.
정화 대상 가스 혼합물은 또한 N2O를 함유할 수 있고, 존재한다면 N2O의 농도는 100 ppb 내지 1000 ppb, 바람직하게는 100 ppb 내지 900 ppb, 더 바람직하게는 200 ppb 내지 700 ppb, 가장 바람직하게는 300 ppb 내지 500 ppb이다.
한층 더 바람직하게는, 가스 혼합물로부터 흡착되는 상기 더 강하게 흡착되는 성분은 물이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 흡착 시기 동안에 상기 정화 대상 가스 혼합물의 유량은 250 N㎥/hr 내지 200,000 N㎥/hr, 바람직하게는 250 N㎥/hr 내지 175,000 N㎥/hr, 더 바람직하게는 250 N㎥/hr 내지 125,000 N㎥/hr, 보다 더 바람직하게는 350 N㎥/hr 내지 100,000 N㎥/hr, 보다 더 바람직하게는 350 N㎥/hr 내지 50,000 N㎥/hr, 가장 바람직하게는 500 N㎥/hr 내지 20,000 N㎥/hr이다. 다른 실시형태에서, 제1 재생 시기 및/또는 제2 재생 시기 동안에 상기 재생 가스의 유량은 250 N㎥/hr 내지 150,000 N㎥/hr, 바람직하게는 250 N㎥/hr 내지 125,000 N㎥/hr, 더 바람직하게는 250 N㎥/hr 내지 100,000 N㎥/hr, 보다 더 바람직하게는 250 N㎥/hr 내지 50,000 N㎥/hr, 보다 더 바람직하게는 250 N㎥/hr 내지 15,000 N㎥/hr, 가장 바람직하게는 500 N㎥/hr 내지 15,000 N㎥/hr이다.
퍼지/공기 비(P/A 비)농도는 0.1 내지 0.9, 바람직하게는 0.2 내지 0.8, 더 바람직하게는 0.2 내지 0.7, 보다 더 바람직하게는 0.25 내지 0.6, 가장 바람직하게는 0.3 내지 0.5이다.
정화 대상 가스 혼합물(공급 흐름)의 압력은 1 bara 내지 50 bara, 바람직하게는 2 bara 내지 45 bara, 더 바람직하게는 3 bara 내지 40 bara, 보다 더 바람직하게는 3.5 bara 내지 30 bara, 보다 더 바람직하게는 3.5 bara 내지 20 bara, 가장 바람직하게는 4 bara 내지 10 bara이다.
본 발명의 프로세스의 더 바람직한 실시형태는, 상기한 실시형태들 중 임의의 것에 후술하는 바와 같은 장치를 이용하는 것을 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 전술한 실시형태들 중 임의의 것에 기술된 TEPSA 프로세스에서 사용하기 위한 장치로서, 하나의 단일 히터와 적어도 2개의 흡착 용기를 포함하고, 각 흡착 용기는,
- 흡착제 베드를 수용하는 흐름 챔버를 포함하는 흐름 경로에 의해 분리된 정화 대상 가스 혼합물용 입구 및 정화된 가스용 출구,
- 상기 흐름 챔버를 포함하는 흐름 경로에 의해 분리된 재생 가스용 입구 및 출구를 포함하며,
상기 장치는,
- 정화 대상 가스 혼합물의 공급원을 각 흡착 용기의 가스 혼합물용 입구와 연결하는 라인,
- 히터를 재생 가스의 공급원과 연결하는 라인,
- 히터를 각 흡착 용기의 재생 가스용 입구와 연결하는 라인, 및
- 재생 가스의 공급원을 각 흡착 용기의 입구와 연결하며 히터를 우회하는 라인을 더 포함하고,
제1 재생 시기 동안에, 고온 재생 가스는, 재생 가스를 공급원으로부터 재생 가스를 가열하는 히터로 보내는 것에 의해, 그리고 각 흡착 용기의 재생 가스 입구에서 상기 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 20℃ 이하로 되도록 상기 가열된 재생 가스를 각 흡착 용기의 입구로 보내는 것에 의해, 각 흡착 용기에 제공되며,
저온 재생 가스는, 재생 가스를 공급원으로부터 히터를 우회하여 각 흡착 용기로 보냄으로써, 각 흡착 용기에 제공되는 것인 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시형태에서, 가열된 재생 가스용 단일 라인이 히터에서 나오며, 각 흡착 용기의 재생 가스용 입구로 각각 이어지는 라인들로 분할되는 것이다.
더 바람직하게는, 상기 히터에서 나오는 단일 라인은, 재생 가스 공급원에서 나오며 히터를 우회한 단일 라인과 합쳐져, 단일의 공통 재생 가스 라인을 형성하고, 이후에 상기한 단일의 공통 재생 가스 라인은, 각 흡착 용기의 재생 가스용 입구로 각각 이어지는 라인들로 분할되는 것이다.
본 발명의 특히 바람직한 실시형태에서, 상기 히터로부터 상기 히터를 우회한 라인과의 합류부까지의 상기 단일 라인의 길이 X는 1 m 내지 9 m이고, 바람직하게는 1 m 내지 6 m이다.
상기 히터에서 나오는 라인과 상기 히터를 우회한 라인과의 합류부와, 상기 히터 사이에서의 라인의 "임계 길이 X"를 1 m 내지 9 m로 유지함으로써, 특히 모가 나 있는 열 펄스가 제1 재생 시기 동안에 흡착제 베드에 제공될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 프로세스에서, 히터와, 가능하다면 전술한 바와 같이 "임계 길이 X"를 갖는 하류측 라인도 또한, 항상 보온된다. 따라서, 길이 X를 따라 있는 라인이 절연되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 장치의 바람직한 실시형태에서, 상기 재생 가스 공급원에서 나오는 단일 라인이, 히터로 이어지는 라인과 히터를 우회하는 라인으로 분할된다.
본 발명의 장치의 바람직한 실시형태에서, 상기 히터에서 나오는 단일 라인과 상기 히터를 우회한 단일 라인의 합류부와, 각 흡기 용기의 재생 가스용 입구 사이에서의 라인의 총 길이, "길이 Y"는, 6 m 이하이고, 더 바람직하게는 4 m 이하이며, 가장 바람직하게는 3 m 이하이다.
본 발명에 따른 장치는 여러 장점을 갖는다. 흡착 용기의 입구 노즐에 직접 연결되지 않은 또는 포함되지 않은 단일 히터의 적용은, 보다 간단한 장치를 허용한다. 이러한 간단하고 보다 경제적인 장치는 또한, 보다 효율적인 유지 보수를 허용하고, 그 결과 유지 보수 시간 뿐만 아니라 유지 보수 비용이 절약된다. 또한, 히터의 온도는 주위 온도로 저하되지 않을 것이므로, 본 발명의 장치를 통해, 흐름이 히터 및 흡착제 용기로 경로 변경될 때, 더 네모진 온도 프로파일이 확보될 수 있다. 라인 온도의 감소는 줄어들고, 이 때문에 본 발명의 장치를 통해 더 모가 나 있는 온도 프로파일이 확보될 수 있다.
도 1은 당업계에 알려진 바와 같은 통합된 히터를 갖는 TEPSA 장치를 수용하는 2개의 흡착 용기[2상(床)]를 보여주고;
도 2는 외부 히터와 우회 라인을 갖는 TEPSA 장치를 수용하는 2개의 흡착 용기[2상]를 보여주며;
도 3은 라인 길이 "X" (거리 X) 및 라인 길이 "Y" (거리 Y)를 도시한 간소화된 "핫 스탠바이" 히터 장치를 보여주고;
도 4는 외부 히터와 우회 라인을 갖는 TEPSA 장치를 수용하는 3개의 흡착 용기(3상)를 보여주며;
도 5는 X=1 m인 경우의, "핫 스탠바이" 히터 장치를 갖지 않은 TEPSA 재생 흐름 온도 프로파일을 보여주는 다이어그램이고;
도 6은 X=1 m인 경우와 X=9 m인 경우의, "핫 스탠바이" 히터 장치를 갖지 않은 TEPSA 재생 흐름 온도 프로파일을 보여주는 다이어그램들의 비교도이며;
도 7은 X=9 m인 경우의, 절연부를 갖는 "핫 스탠바이" 재생 및 스탠바이 프로파일과, X=1 m인 경우의, 절연부를 갖는 "핫 스탠바이" 재생 및 스탠바이 프로파일을 보여주는 다이어그램들의 비교도이고;
도 8은 X=9 m인 경우의, 절연부를 갖지 않는 "핫 스탠바이" 재생 및 스탠바이 프로파일과, X=1 m인 경우의, 절연부를 갖지 않는 "핫 스탠바이" 재생 및 스탠바이 프로파일을 보여주는 다이어그램들의 비교도이며;
도 9는 X=1 m인 경우의, 절연부를 갖는 "핫 스탠바이" 재생 및 스탠바이 프로파일과, X=1 m인 경우의, 절연부를 갖지 않는 "핫 스탠바이" 재생 및 스탠바이 프로파일과, X=1 m인 경우의, "핫 스탠바이" 히터 장치를 갖지 않고 절연부를 갖지 않는 재생 흐름 온도 프로파일을 보여주는 다이어그램들의 비교도이고;
도 10은 X=9 m인 경우의, 절연부를 갖는 "핫 스탠바이" 재생 프로파일 대비 X=9 m인 경우의, "핫 스탠바이" 히터 장치를 갖지 않는 재생 흐름 온도 프로파일을 보여주는 다이어그램들의 비교도이며;
도 11은 X=9 m인 경우의, 절연부를 갖는 "핫 스탠바이" 재생 프로파일 대비 X=1 m인 경우의, "핫 스탠바이" 히터 장치를 갖지 않는 재생 흐름 온도 프로파일을 보여주는 다이어그램들의 비교도이다.
도 1에 도시된 장치는, TEPSA 프로세스에 대한 종래의 셋업으로서, 상기 장치가 실제로 현재 어떻게 사용되고 있는가를 보여준다. 확인 가능한 바와 같이, 고온 재생 가스를 흡착제 베드에 제공하기 위한 하나의 단일 히터(만)가 사용되는 것이 아니라, 각각의 흡착 용기의 재생 가스 입구에 인접하게, 각 흡착 용기마다 재생 가스의 가열용의 개별 히터가 존재한다.
따라서, 도 1에서는 2개의 히터(62, 62')가 각 흡착 용기(20, 22)에 인접하게 위치해 있다. 이러한 구성에 의해, 흡착제 베드에 대한 열 펄스의 무결성이 보장되지만, 모든 흡착 용기(20, 22)에 별개의 히터가 장착될 필요가 있으므로, 장치가 복잡해지는데, 이는 결과적으로 더 높은 투자 비용을 의미한다.
도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 구성을 보여준다. 재생 가스는 재생 가스 공급원으로부터 유래된다. 단일 히터(62)는 재생 가스의 경로를 제어하는 2개의 밸브(58, 60)를 통해 격리되는 재생 가스 라인에 위치해 있다. 이 때문에, 재생 가스는, 개방된 밸브(60)를 경유하여 히터(62)를 통과하게 보내어지거나, 또는 밸브(60)가 폐쇄되어 있고 밸브(58)가 개방되어 있는 상태에서는 히터를 우회하게 보내어질 수 있다. 거리 X에서, 즉 흡착 용기 쪽으로의 ["흡착 용기(20, 22)" 쪽으로 도시됨; 도 3 참조] 방향으로 히터에서 나가며 길이가 X인 라인과, 밸브(58)를 통해 제어되는 저온 재생 가스용 우회 라인이 합쳐진다. 상기한 합류부까지의 라인의 길이 X는, 거리 X로서 도시되어 있고, 예를 들어 상기 라인의 절연을 비롯한 수단에 의해, 항상 보온된다. 도 3은 또한 라인 길이 Y(거리 Y)를 도시하는데, 여기서 재생 가스 입구["흡착 용기(20, 22)" 쪽으로만 도시됨)는 도시되어 있지 않다. 그러나, 라인 길이 Y는, 흡착 용기 쪽으로의 방향으로 히터에서 나오며 길이가 X인 라인과 밸브(58)를 통해 제어되는 저온 재생 가스용 우회 라인의 합류부와, 흡착 용기의 재생 가스 입구 사이의 거리이다. 상기 합류부로부터 각 흡착 용기로 이어지는 각 라인마다 길이 Y가 개별적으로 측정된다는 점을 주목해야 할 필요가 있다. 상기 "핫 스탠바이" 히터 장치의 세부 사항이 도 3에도 또한 도시되어 있다.
도 2에 따르면, 정화 대상 공기(공급 흐름)가 입구(12)에서 주 공기 압축 시스템(10)에 공급되고, 상기 주 공기 압축 시스템에서 상기 정화 대상 공기는, 물과의 열 교환에 의해 중간에 그리고 나중에 냉각하는, 다단 압축기에 의해 압축된다. 냉각된 압축 공기는, 입구 제어 밸브(16, 18)를 포함하는 입구 매니폴드(14)에 공급되고, 이 입구 매니폴드에는, 흡착제 베드가 들어 있는 한 쌍의 용기(20, 22)가 연결된다. 입구 매니폴드는, 각 흡착 용기(20, 22)의 상류측 단부와 소음기(消音器)(32)를 경유한 배기부(30) 사이의 연결을 개폐하는 역할을 하는, 배기 밸브(26, 28)를 포함하는 배기 매니폴드(24)에 의해 제어 밸브(16, 18)의 하류측에서 가교된다. 2개의 흡착제 베드(20, 22) 각각은, 적어도 2개의 흡착제를 포함한다. 각 흡착제 베드에서, 공급측 흡착제는 도면부호 34, 34'로 표시되어 있고, 생산측 흡착제는 도면부호 36, 36'로 표시되어 있다.
장치는, 2개의 흡착 용기(20, 22)의 하류측 단부에, 출구 제어 밸브(42, 44)를 포함하는 출구 매니폴드(40)를 통해 연결되는 출구(38)를 구비한다.
출구 매니폴드(40)는, 재생 가스 제어 밸브(48, 50)를 포함하는 재생 가스 매니폴드(46)에 의해 가교된다. 재생 가스 매니폴드(46)의 상류측에서, 제어 밸브(54)를 포함하는 라인(52)이 또한 출구 매니폴드(40)를 가로질러 가교한다. 재생 가스용 입구로서, 제어 밸브(58, 60)를 거쳐, 히터(62)를 통과해 또는 우회 라인(64)을 경유하여 재생 가스 매니폴드(46)로 가는 것인, 재생 가스용 입구에 도면부호 56가 부여되어 있다.
밸브의 작동은, 당업계에 알려진 바와 같이 (도시 생략된) 적절한 프로그램 가능한 타이밍 및 밸브 작동 수단에 의해 제어될 수 있다.
작동 시에, 공기가 주 공기 압축 시스템(10)에서 압축되고, 입구 매니폴드(14)에 공급되며, 흡착제가 들어 있는 2개의 용기 중 하나를 통과한다. 공기가 개방 밸브(16)를 통과하여 흡착 용기(20)로 가고, 개방 밸브(42)를 통과하여 출구(38)로 가는 위치에서 시작하여, 입구 매니폴드의 밸브(18)가 바로 폐쇄되어, 정화를 위한 공기의 공급으로부터 흡착 용기(22)를 차단할 것이다. 밸브(44)도 또한 바로 폐쇄될 것이다. 이 단계에서, 밸브(48, 50, 54, 26)가 폐쇄된다. 따라서, 베드(20)는 온라인 상태이고 베드(22)는 재생하기로 되어 있다.
베드(22)의 감압을 개시하기 위해, 밸브(28)가 개방되고, 일단 용기(22) 내의 압력이 소기의 레벨로 떨어지는 경우, 재생 가스의 흐름을 개시하도록 밸브(50)가 개방되는 동안에, 밸브(28)는 개방된 채로 유지된다. 재생 가스는 통상적으로, 공기 분리 유닛 콜드 박스로부터 얻어지며, 가능하다면 소량의 아르곤, 산소 및 다른 가스를 포함하는, 무(無)-CO2 건조 질소의 흐름일 것인데, 도시된 장치에서 정화되는 공기는 상기 흐름으로 보내어진다. 재생 가스가 용기(22) 안으로 보내지기 전에 예컨대 70℃의 온도로 가열되도록, 밸브(60)가 폐쇄되고 밸브(58)가 개방된다. 재생 가스는 선택된 높은 온도로 용기(22)에 들어가더라도, 용기에서는 상류측, 하류측의 흡착제 부분(36')에서 이산화탄소를 탈착하기 위해 열을 포기함으로써, 재생 가스는 아주 조금 냉각된다. 열 펄스는 시스템 내에서 유지되므로, 빠져나가는 퍼지 가스는 냉각된 상태로 배기 출구(30)로부터 나온다. 계속해서, 이산화탄소가 없어짐에 따라, 열파(heat wave)가 상측 흡착제(36')를 통과한다. 소기의 기간 이후에, 열 펄스가 상측 흡착제(36')를 통과하는 도중일 때, 밸브(58)는 폐쇄되고 밸브(60)는 개방되어, 이제 재생 가스의 흐름이 이제 냉각된다. 냉각된 재생 가스는 열 펄스를 상측 흡착제(36')를 통해 더 이동시킨다.
이와 같이 상측 흡착제가 TSA에 의해 재생되었을 때, 저온 재생 가스는 계속해서 하측 흡착제를 통과해 흐르고, 그 감압으로 인하여, 물과 이산화탄소를 PSA에 의해 상류측 흡착제로부터 탈착한다. 할당된 재생 기간의 끝에, 밸브(50)는 재생 가스의 흐름을 끝내도록 폐쇄될 수 있고, 밸브(54)는 흡착제로부터 질소를 이동시키도록, 그리고 밸브(28)의 폐쇄 이후에, 정화된 공기로 용기(22)를 재가압하도록, 개방될 수 있다. 그 후에, 용기(22)를 온라인 상태로 되돌리도록, 밸브(54)는 폐쇄될 수 있고 밸브(18, 44)는 개방될 수 있다. 베드에 남아 있는 잔열은 정화된 공기에 의해 온도 펄스로서 제거될 수 있고, 이 온도 펄스는 하류측 열 교환기에서 제거될 수 있다. 그 후에, 용기(20)는 유사한 방식으로 재생될 수 있고, 전체 시퀀스가 계속되어, 용기들은 단계화된 작동 사이클에서 온라인 상태가 되는 단계, 감압 단계, 재생 단계, 재가압 단계, 및 온라인 상태로 복귀하는 단계로 진행된다.
본 발명에 따르면, 재생 중에 열 펄스는, 흡착제에 있어서 물이 흡착되는 부분의 경계까지는 침투하지 않는다. 이는, 도면들에 도시된 영역(34, 34') 내에서 영역(36, 36')과의 경계 아래의 어딘가에 위치해 있을 것이다. 영역(34, 34')과 영역(36, 36')의 실제 비율은 작동 조건, 예컨대 공급 압력, 공급 온도, 사이클 시간 및 퍼지/공기 비 등에 따라 좌우된다.
도 4는 "핫 스탠바이" 용례에 관한 본 발명의 해결 방안인 3개의 흡착 용기를 보여주는데, 여기서는 3개의 개별 히터를 사용하는 대신에, 단일 히터가 흡착 용기들 사이의 적절한 위치에 설치되어 "공유"된다. 이러한 장치를 통해 크게 간단해지며, 이러한 장치는 또한 에너지, 유지 보수 시간을 절약하므로 보다 더 지속 가능하고 보다 효율적으로 작동될 수 있다.
실시예
"핫 스탠바이"를 이용한 장치와 "핫 스탠바이"를 이용하지 않는 장치에서 제1 재생 시기 동안에 흡착 용기로 보내지는 열 펄스의 무결성(형상)을 테스트하기 위해, 시뮬레이션을 행하였다.
"핫 스탠바이 히터를 이용하는" 장치는 도 3에 도시된 장치에 상당한다. 도 2에 따른 TEPSA 장치에서 실험을 행하였는데, 여기서 도 3의 것에 상당하는 "핫 스탠바이 히터"가 사용되었다. "핫 스탠바이 히터를 이용하지 않는" 장치에서는 모든 재생 가스가 히터를 통과하는데, 이에 따라 히터는 제1 재생 시기에 요구되는 재생 가스의 가열 후에 스위치 오프될 필요가 있고, 다음 제1 재생 시기의 초반에만, 재생 가스를 소기의 온도로 가열하도록, 다시 스위치 온 된다.
또한, 실험은, 절연된 배관을 갖는 "핫 스탠바이" 히터 장치와 절연된 배관을 갖지 않는 "핫 스탠바이" 히터 장치를 이용하여 수행되었다.
상기 실험에 사용된 테스트 장치는 최대 이용 가능 유량이 1500 N㎥/hr이었다. 파이프와 히터 듀티는 각각 4"와 24 kW이었다.
유량은 엘보우 유량계를 사용하여 히터의 상류측에서 측정되었고, 압력은 히터의 상류측 및 하류측에서 측정되었다.
열전쌍은 다음 위치에 설치되었다:
a) 히터의 상류측; 히터에 걸쳐서의 온도 상승을 측정하기 위해 가스의 온도를 측정하기 위함;
b) 주변 위치; 열 손실을 산출하기 위함; 및
c) 0.2 m, 1 m, 그리고 이후로는 1 m 간격으로 9 m까지; 히터로부터 점점 멀어지는 거리에서, 복수의 온도 대 시간 곡선을 동시에 참작하기 위함.
공기 유량은 TEPSA 용기로의 공급 흐름의 공급 유량을 나타낸다. 적용되는 실험 장치는 재생 가스의 가열만을 모델링하므로, 퍼지 유량이 사용되었다. 따라서, 이하에서 공기 유량은 퍼지 유량을 나타낸다. 퍼지 유량은 가열 및 냉각 단계 모두에서 동일하게 유지된다. 핫 스탠바이 장치에서, 테스트 장치를 통과하는 유량은, 히터 내에 정체된 가스를 모방하기 위해 0으로 감소된다.
ΔT는 TEPSA 용기로의 공급 흐름 온도와 흡착제 베드의 상부에서의 재생 온도 사이의 차로서 정의된다. 모든 실시예에서, 필요 ΔT는 30℃이므로, 실험 동안에 달성되는 ΔT는 적어도 30℃일 필요가 있다. 이는, 모든 실시예에서, 30℃의 필요 ΔT는 재생 요건을 충족시키기 위해 달성해야 할 필요가 있는 흐름 온도에서의 최소 온도 상승인 것을 의미한다. 이 요건은 모든 실시예에서 충족된다.
비교예 1(CE1)
비교예 1에 대해서는, 표 1에 나타내어진 조건이 적용되었다.
Figure pat00001
표 1: 비교예 1 및 2에 대한 실험 조건.
CE1(도 5의 다이어그램 참조)은, 저온 위치로부터 히터를 나가는 온도 펄스 진행을 보여주는데, 여기서는 "핫 스탠바이"가 적용되어 있지 않다. 히터는 재생 가스를 재생 가스 공급원으로부터 TEPSA 프로세스로 제공하는 공통 라인에 설치된다. 가열 시간은 10분이다. 온도는 히터의 하류측 X=1 m의 거리에서 측정된다.
도 5로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 온도 펄스 상승은 느리게 진행된다. 히터가 스위치 오프된 후에, 히터 및 관련 파이프가, 이제는 흡착제 베드에 대한 "저온" 퍼지일 것인 가스에 의해 냉각됨에 따라, 열은 흡착제 베드에 여전히 공급된다.
비교예 2(CE2)
비교예 2에 대해서는, CE1에 사용된 테스트 조건 및 설정이 적용되었다.
그러나, 온도는 히터의 하류측 X=9 m의 거리에서 측정되었다. 그 결과가 도 6에 도시되어 있다. 도 6에서는, CE1에 대한 거리 X=1 m에서의 온도 프로파일과 CE2에 대한 거리 X=9 m에서의 온도 프로파일 각각이 비교된다. 히터가 흡착 용기로부터 멀리 떨어져 있을수록, 열 펄스가 추가적으로 저하됨을 확인할 수 있다. 히터로부터의 거리가 증가함에 따라, 흐름 온도의 상승이 더 느려지고, (10분에서의) 피크 온도는 더 낮아진다.
냉각 단계 동안의 흐름 온도의 감소 속도는 히터로부터 더 멀리 떨어진 거리에서 더 낮다(도 6 참조). 이러한 차이로 인해, 히터가 스위치 오프된 이후의 짧은 시간 동안에는, 히터로부터 가장 먼 곳에서의 흐름 온도가 히터의 바로 뒤보다 높다. 이러한 차이는, 즉 냉각 단계의 어느 한 시점에서, 5℃정도로 현저할 수 있다. 9 m에서의 흐름 온도는 1 m에서의 흐름 온도보다 5℃ 더 높았다.
실시예 1(IE1)
실시예 1에 대해서는, 표 2에 나타내어진 조건이 적용된다.
Figure pat00002
표 2: 실시예 1에 대한 실험 조건.
히터에 대한 "핫 스탠바이" 설정이 사용되었고 절연이 적용되었다. 적용된 절연 재료는 재활용 섬유이다.
짧은 저온 사이클(< 70℃, < 10분)의 경우에, 대규모의 열 펄스 저하가, 배관 뿐만 아니라 히터 자체의 열 질량에 의해 야기된다. 그래서, 절연은 주로 환경에 대한 열 손실을 방지하는 데, 즉 사용하지 않을 때에는 "핫 스탠바이" 부품 냉각을 방지하는 데 유용하다. 게다가, 히터를 "핫 스탠바이" 모드로 유지함으로써, 저온 재생 가스에 의한 히터의 냉각이 방지된다.
온도는 히터의 물리적 위치로부터 X=1 m 및 X=9 m의 거리(거리 X)에서 측정되었다. 밸브(58)를 폐쇄하고 밸브(60)를 개방함으로써(도 3 참조), 저온 퍼지가 우회부를 통해 보내지는 동안, 하류측 파이프가 보온되었다.
도 7은 X=1 m인 경우와 X=9 m인 경우의, 절연부가 있는 핫 스탠바이 장치를 이용하는 IE1에 대한 측정값의 온도 프로파일을 보여준다. 히터가 흡착 용기로부터 멀리 떨어져 있을수록, 열 펄스가 추가적으로 저하됨이 관찰된다.
실시예 2(IE2)
IE2에 적용된 실험 조건은 아래의 표 3에 기술되어 있다.
Figure pat00003
표 3: 실시예 2에 대한 실험 조건.
도 8에서는, X=1 m인 경우와 X=9 m인 경우의, 절연부가 없는 핫 스탠바이 장치를 이용하는 IE2의 측정값에 대한 온도 프로파일이 도시되어 있다. 분명하게 확인할 수 있듯이, 히터가 흡착 용기로부터 멀리 떨어져 있을수록, 열 펄스가 추가적으로 저하된다. 이러한 결론은, 이미 도 6에 도시된 바와 같은 무(無) "핫 스탠바이" 장치의 결론과 일치한다.
또한, 도 8에서는, X=1 m인 경우와 X=9 m인 경우의, IE2에 대한 피크 온도가 IE1에 비해 낮다는 것이 유추될 수 있다. 이것은 없어진 절연부로 추적될 수 있다.
이하에서는, CE1, CE2 및 IE2에서의 30℃ 온도 증가 시간에 대한 결과가 아래의 표 4에 열거되어 있다.
Figure pat00004
표 4: CE1, CE2 및 IE2에서의 30℃ 온도 증가 시간
표 4로부터, CE1, CE2 및 IE2에서의 ΔT 상승 시간의 상이한 값들에 의해 분명히 나타내어진 바와 같이, 거리 X가 온도 증가 시간에 중요한 영향을 미친다는 것이 유추될 수 있다. 게다가, "핫 스탠바이" 장치가 ΔT 상승 시간을 현저하게 감소시킨다는 것도 보여준다.
표 5에서는, X=1 m인 경우의, 절연부를 이용하는 핫 스탠바이의 효과와 절연부를 이용하지 않는 핫 스탠바이의 효과에 관한 측정의 결과를 보여준다. CE1 뿐만 아니라 IE1 및 IE2에 대한 온도 피크 및 ΔT 상승 시간을 비교한다. 그 결과가 표 5에 제공되어 있다.
Figure pat00005
표 5: 핫 스탠바이 효과의 결과.
도 9는 거리 X=1 m인 경우의, CE1, IE1 및 IE2의 온도 프로파일을 도시한다.
실시예와 비교예의 비교는, 핫 스탠바이 모드와 절연부를 갖는 핫 스탠바이가, 온도 피크 및 상승 시간을 향상시켰음을 분명히 보여준다.
도 10 및 도 11은, X=9 m인 경우의 IE1에 대해 얻어진 온도 프로파일과, CE1에 대해 얻어진 결과(도 11 참조) 및 CE2에 대해 얻어진 결과(도 10 참조)의 비교를 제공한다.
도 11은 CE1(X=1 m)의 온도 프로파일과 IE1(X=9 m)의 온도 프로파일을 도시한다.
IE1를 CE1과 비교한 경우에 IE1에 대해 분명하게 확인할 수 있듯이, 히터에서 바로 나가는 가열 프로세스의 초기에서의 온도 강하, 즉 상기 제1 재생 시기 동안의 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 차이는, 45℃에서 약 12℃로 줄어든다. 유사한 효과가 CE2와 비교할 때 나타난다. 따라서, IE1에 대해 적용된 조건과 장치는, 훨씬 더 많은 양의 높은 등급의 열이 TEPSA 프로세스에 도입되는 것을 허용한다. 게다가, 더 높은 피크 온도가 얻어질 수 있다. 또한, 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 차이가 현저히 감소되므로, 피크 온도에 도달하는 데 필요한 에너지가 줄어든다.
표 6에서는, X=1 m인 경우의 CE1과 X=9 m인 경우의 IE1에 대한 측정의 결과를 보여준다(온도 곡선은 도 11에 도시되어 있음). CE1 및 IE1에 대한 온도 피크 및 ΔT 상승 시간을 비교한다. 그 결과가 아래에 표 6에 제공되어 있다.
Figure pat00006
표 6: 가변 길이 X에 있어서 절연부를 이용하는 핫 스탠바이 효과와 절연부를 이용하지 않은 핫 스탠바이 효과의 비교.
도 11 및 표 6에서 유추 가능한 바와 같이, 절연부를 이용하는 핫 스탠바이, 즉 IE1의 경우(각 상측 쇄선 곡선 참조), 길이 X가 X=1 m(CE1)로부터 X=9 m(IE1)까지 연장되더라도, 온도 피크와 ΔT 상승 시간은 향상된다. 도 10에 도시된 바와 같은 CE2 (X=9 m)와 IE1 (X=9 m)의 비교는, 절연부를 이용하는 본 발명의 핫 스탠바이 장치와, 통상의 설정의 사이에서, 더 강한 차이를 보여준다.
본 발명의 원리가 바람직한 실시형태와 관련하여 앞서 설명되었지만, 이 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라 단지 예로서 이루어지고 있는 것으로 분명히 이해되어야 한다.

Claims (16)

  1. 강하게 흡착되는 성분과 더 강하게 흡착되는 성분을 포함하는 적어도 2개의 성분을 가스 혼합물로부터 제거하기 위한 온도 강화 압력 스윙 흡착(TEPSA) 프로세스로서, 상기 프로세스는, 하나의 단일 히터와 적어도 2개의 흡착 용기를 사용하는 것을 포함하고, 각 흡착 용기에서는 흡착 시기와 이후의 재생 시기를 포함하는 반복 사이클이 아래와 같이 수행되는데:
    상기 흡착 시기에서, 상기 가스 혼합물은 흡착 용기에 들어 있는 흡착제 베드를 제1 방향으로 통과하고, 그 결과 상기 가스 혼합물은 상기 적어도 2개의 성분이 상기 흡착제 베드에서 흡착됨으로써 정화되며,
    제1 재생 시기에서, 20℃ 내지 100℃ 범위 내의 온도이도록 선택되는 목표 온도를 갖는 고온 재생 가스가, 상기 흡착 베드를 상기 흡착 시기 동안의 흐름 방향과 반대인 흐름 방향으로 통과하고,
    제2 재생 시기에서, 5℃ 내지 65℃ 범위 내의 온도이도록 선택되는 목표 온도를 갖는 저온 재생 가스가, 상기 흡착 베드를 상기 흡착 시기 동안의 흐름 방향과 반대인 흐름 방향으로 통과하며,
    재생 가스를 공급원으로부터 상기 재생 가스가 가열되는 상기 히터로 이동시키고, 그리고 상기 히터에서 나가는 고온의 재생 가스를 각 흡착 용기로 이동시킴으로써, 각 흡착 용기에 고온 재생 가스가 제공되며,
    재생 가스를 공급원으로부터 히터를 우회하여 각 흡착 용기로 보냄으로써, 각 흡착 용기에 저온 재생 가스가 제공되고,
    흡착 용기의 재생 가스 입구에서 상기 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 20℃ 이하인 것인 TEPSA 프로세스.
  2. 제1항에 있어서, 흡착 용기의 재생 가스 입구에서 상기 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 15℃ 이하인 것인 TEPSA 프로세스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 재생 시기에서의 고온 재생 가스는, 20℃ 내지 70℃ 범위 내의 온도이도록 선택되는 목표 온도를 갖는 것인 TEPSA 프로세스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 재생 시기에서의 저온 재생 가스는, 10℃ 내지 55℃ 범위 내의 온도이도록 선택되는 목표 온도를 갖는 것인 TEPSA 프로세스.
  5. 제1항에 있어서, 제1 재생 시기에서의 고온 재생 가스의 목표 온도와 제2 재생 시기에서의 저온 재생 가스의 목표 온도의 차이가 15℃ 이상인 것인 TEPSA 프로세스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 재생 시기에서의 고온 재생 가스의 피크 온도는 45℃ 이상인 것인 TEPSA 프로세스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 재생 시기는 20분 이하 동안 일어나는 것인 TEPSA 프로세스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 재생 시기는 80분 이하 동안 일어나는 것인 TEPSA 프로세스.
  9. 제1항에 있어서, 전체 재생 사이클 시간(온라인 시간)은 120분 이하인 것인 TEPSA 프로세스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 TEPSA 프로세스에서 사용하기 위한 장치로서, 하나의 단일 히터와 적어도 2개의 흡착 용기를 포함하고, 각 흡착 용기는,
    - 흡착제 베드를 수용하는 흐름 챔버를 포함하는 흐름 경로에 의해 분리된 정화 대상 가스 혼합물용 입구 및 정화된 가스용 출구,
    - 상기 흐름 챔버를 포함하는 흐름 경로에 의해 분리된 재생 가스용 입구 및 출구를 포함하며,
    상기 장치는,
    - 정화 대상 가스 혼합물의 공급원을 각 흡착 용기의 가스 혼합물용 입구와 연결하는 라인,
    - 히터를 재생 가스의 공급원과 연결하는 라인,
    - 히터를 각 흡착 용기의 재생 가스용 입구와 연결하는 라인, 및
    - 재생 가스의 공급원을 각 흡착 용기의 입구와 연결하며 히터를 우회하는 라인을 더 포함하고,
    제1 재생 시기 동안에, 고온 재생 가스는, 재생 가스를 공급원으로부터 재생 가스를 가열하는 히터로 보내는 것에 의해, 그리고 각 흡착 용기의 재생 가스 입구에서 상기 제1 재생 시기 동안에 최고 온도 값과 최저 온도 값 사이의 온도차가 20℃ 이하로 되도록 상기 가열된 재생 가스를 각 흡착 용기의 입구로 보내는 것에 의해, 각 흡착 용기에 제공되며,
    저온 재생 가스는, 재생 가스를 공급원으로부터 히터를 우회하여 각 흡착 용기로 보냄으로써, 각 흡착 용기에 제공되는 것인 장치.
  11. 제10항에 있어서, 가열된 재생 가스용 단일 라인이 히터에서 나오며, 각 흡착 용기의 재생 가스용 입구로 각각 이어지는 라인들로 분할되는 것인 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 히터에서 나오는 단일 라인은, 재생 가스 공급원에서 나오며 히터를 우회한 단일 라인과 합쳐져, 단일의 공통 재생 가스 라인을 형성하고, 이후에 상기한 단일의 공통 재생 가스 라인은, 각 흡착 용기의 재생 가스용 입구로 각각 이어지는 라인들로 분할되는 것인 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 히터로부터 상기 히터를 우회한 라인과의 합류부까지의 상기 단일 라인의 길이 X는 1 m 내지 9 m인 것인 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 히터에서 나오는 단일 라인과 상기 히터를 우회한 단일 라인의 합류부와, 각 흡기 용기의 재생 가스용 입구 사이에서의 라인의 총 길이는 6 m 이하인 것인 장치.
  15. 제10항에 있어서, 상기 재생 가스 공급원에서 나오는 단일 라인이, 히터로 이어지는 라인과 히터를 우회하는 라인으로 분할되는 것인 장치.
  16. 제12항에 있어서, 길이 X를 따라 있는 라인이 절연되어 있는 것인 장치.
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