KR860001167B1 - 공기 분리방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

공기 분리방법

제1도는 곡선 A(증가하는 Ca/Na₂O의 기능으로서 약 1기압 및 약 30℃에서의 몇몇 에이 제올 라이트 샘플의 질소흡착능력)와 곡선 B(상응하는 산소흡착능력)로 도시되는 한 쌍의 그래프.

제2도는 약 30℃에서의 증가하는 압력의 기능으로서 다양한 에이 제올라이트의 질소흡착능력을 도시하는 일련의 그래프.

제3도는 본 발명의 실제 시스템을 도시하는 계통 흐름선도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10,11 : 흡착제칼럼 12,13 : 흡착제상

27,41,45 : 팽창실

본 발명은 기체분리에 관한 것으로, 특히 공기나 기타 기체 혼합물로 부터 산소 및/또는 질소를 분리해내는 것이다.

선별수착에 의해서 산소 및/또는 질소를 회수하는 분리 시스템은 공지된 기술로, 대부분의 이들 시스템은 제올라이트 분자체 흡착제를 사용하여 질소를 선별 유지하고 산소농축생성물류를 회수하는 것이다. 주기적으로, 상기 수착제상이 계획된 수착기체의 수준에 도달함에 따라 상은 탈착되거나 정화되어 함유된 질소가 제거되면서 류상조작으로 복귀된다.

흡착-탈착순환은 주로 상기 조작순환내 단계들의 압력 수준으로 스윙하는데 달려있다.

또한, 조작의 연속성유지를 위해 병렬조작되는데 한상은 상기 순환의 흡착단계상에서 조작되고 하나 이상의 동반상은 여러 재생단계에서 조작된다.

선별흡착에 의한 공기나 기타 기체혼합물의 성분분리를 위해 제시된 종래 공지기술은 미합중국 특허 제2,944,627호에 기술되어 있다. 상기 특허에 기술된 바와 같이 기체혼합물은 흡착단계시 비교적 높은 초기 고압에서 수착제칼럼에 도입된 후, 상의 압력이 낮아지면서 탈착된다.

상기 탈착상은 흡착단계에서 흡착되지 않은 일부 유출물에 의해 정화된 후, 이어서 상기상의 압력을 순환반복을 위해 초기 고압수준으로 조절한다.

상기 특허에는 분리된 기체혼합물 및/또는 회수될 성분에 따라 사용되는 여러 분자체 제올라이트와 기타 성분들이 기술되어 있다.

상기 특허에 기재된 바에 의하면, 공기분리에 의한 1차 유출물 같은 질소농축에 대해서는 약 4옹스트롱의 분자체를 사용하고 산소농축에 대해서는 5에이 또는 13엑스 분자체를 사용한다.

일반적으로, 상기 특허에 기술된 공기분류용 흡착제로 5에이 제올라이트(칼슘으로 교환된 소듐알루미노실리케이트 부분 염기)나 13엑스 제올라이트를 선별 사용하였다(예컨대, 미합중국 특허 제3,164,454:3,280,536:3,796,022호 참조).

상업용 5에이 제올 라이트는 출발제올라이트 내의 60-70중량% 나트륨이 칼슘으로 치환된 것이다.

공기로 부터 산소농축류를 제조하는 특히, 밀폐지역내에 산소농축 환경을 형성하는 것에 관한 미합중국 특허 제3,313,091호에 의하면, 상기 공기분리에 사용된 질소함유 흡착제가 진공하에 탈착된다는 것이다.

상기 특허에 기술된 공기분리 시스템은 진공탈착을 이용하여 질소함유 흡착제를 재생하는 것으로, 30-100% 가장 바람직하게 75-98%의 소듐양이온이 2가 2족 금속양이온이나 1가 은 양이온으로 치환된 엑스형 또는 에이형 분자체가 사용된다.

상기 특허의 유일한 조작실례는 스트론튬으로 효율높게 교환된 13엑스 분자체의 사용에 국한된다.

상기 특허의 13엑스-스트론튬 분자체는 상기 순환과정의 질소 탈착단계를 대기압 이상에서 수행할 경우 13엑스-나트륨 및 상업용 5에이 분자체(칼슘 형태)보다 열등하였다. 13엑스-스트론튬 제올라이트의 사용은 진공탈착을 이용하는 순환에만 양호하였다.

원료공기 도입권에 물과 이산화탄소를 제거하기 위해 예처리장치를 이용하는 공기 분류시스템은 질소선별 흡착제와 접촉시키는 것으로 미합중국 특허 제3,533,221호에 기술되어 있다. 질소함유 탈착제상은 진공탈착에 의해 재생되는데 상기 탈착질소는 탈착제상에 퇴적된 물과 이산화탄소의 일부를 제거시키는 예처리상을 통하여 역류한다.

또한, 외부 가열이나 예처리장치 통과에 의해서 축적된 물과 이산화탄소가 제거되면서 예처리장치에서 흡착제가 주기적으로 재생된다.

진공스윙흡착(VSA)에 의한 공기분류는 미합중국특허 제3,957,463;4,013,429 및 4,264,340호에 기술되어 있다. 질소를 선호적으로 지지하는 기타 분자체들이 기술되어 있는데 흡착제로서는 소듐모르데나이트가 바람직하다.

미합중국 특허 제2,882,243호에는 소듐형태의 에이형 제올라이트 분자체 제조 및 2가의 칼슘, 마그네슘 및 스트론튬을 함유하는 여러 양이온들에 의한 소듐제올라이트의 염기교환을 기술하고 있다. 칼슘 교환된 에이 분자체(85% 교환)는 액상공기온도에서 산소는 물론 질소도 흡수하는 것으로 알려져 있다.

13엑스-나트륨 제올라이트의 제조와 염기교환은 미합중국 특허 제2,882,244호에 기술되어 있다.

미합중국 특허 제4,056,370호에 의하면, 실온에서 질소에 대한 5에이 제올라이트의 흡착용량(약 60-70% 칼슘교환)이 수증기 존재하에 대기압에서 고온활성화(재생)에 의해 역영향을 받고 있다. 이러한 문제을 해소하기 위한 진공활성화가 상업적인 규모로 시도될 경우 다른 장애가 발생한다. 그러나, 에이제올라이트를 적어도 80%의 수준으로 칼슘 교환할 경우 상기 특허에서는 상기 제올라이트가 고온기체의 역효과에 덜 민감함을 시사하고 있다.

더우기, 교환도를 약 90% 이상으로 수행하는데 문제점이 없음을 시사하고 있는데 이는 칼슘의 고수준치환으로 인해서도 재생에 대한 제올라이트 감도가 감소되지 않기 때문이다.

에이형 제올라이트의 원래 소듐함량이 칼슘으로 교환됨에 따라 기공구의 크기가 초기 4-에이 제올라이트의 기공구로 부터 5-에이 제올라이트 기공구까지 증가한다. 약 25%의 칼슘 교환수준까지 소듐 제올라이트 에이의 특성을 갖는다.

25% 이하 및 약 40%의 칼슘교환까지 기공크기는 연속증가하고 제올라이트는 칼슘제올라이트 에이(5에이 분자체) 특성을 갖는다. 일반적으로, 상업용 5에이 분자체는약 60-70% 수준으로 칼슘교환에 의해 제조되는데, 5에이 분자체는 약 5 또는 6정도의 Ca/Na₂O 중량비를 갖는다.

탈수화 상태에서 출발하는 4에이 제올라이트는 하기 분자식에 상응한다.

(1.0±0.2) Na₂O. Al₂O₃(1.85±0.5) SiO₂

출발물질 내의 Na₂O/Al₂O₃의 몰비가 50%(0.8/1-1.2/1) 정도로 변화하므로, 칼슘교환된 에이제올라이트는 교환된 제올라이트의 Ca/Na₂O비 형태를 한다.

브렉크(제올라이트 분자체, 죤윌러 및 아들들, 뉴욕 1974)에 의한 641페이지 그래프에 나타난 바와 같이 에이 제올라이트의 질소 흡착능력(-196℃)은 실제로 제로로 유지되며 약 28%의 나트륨이 칼슘으로 치환될 때까지 칼슘에 의한 나트륨의 교환정도에 의해서는 상당한 영향을 받지 않는다.

이러한 점에서 원래 4에이 제올라이트는 5에이 제올라이트 성질을 나타내는데 상기 질소흡착 능력은 약 40%의 나트륨이 칼슘으로 치환될 때까지 칼슘에 의한 나트륨 치환이 증가하면서 급속히 증가하며 이 수준에서 플라토우(고평부)는 칼슘이온 교환이 에이 제올라이트의 질소흡착능력에 거의 영향을 나타내지 않을 정도로 도달한다. 칼슘 교환된 에이 제올라이트의 작용에 의해서 질소흡착은 물론 C₂및 C₇파라핀 같은 기타물질에 대해 실온에서 칼슘 교환된 에이 제올라이트의 흡착능력도 나타나는데, 반면에 이소부탄의 경우에 있어서는 약 50%의 나트륨이 치환된 후에도 칼슘교환이 거의 일어나지 않는다.

브렉크 등에 의하면, 제올라이트 에이 2가 이온교환은 약 25-40%(칼슘의 경우)의 분자체 물질구경을 형성한다. 약 40%의 범위에 미치지 못하면 기공직경이 거의 증가하지 않는다(밀톤, 미합중국 2,882,243칼럼 16 ; 하인즈외 다수, 미합중국 4,056,370, 칼럼 1 및 2 참조).

소튬이온의 90% 치환수준까지 연속된 칼슘에 의한 제올라이트 에이 내의 나트륨 이온교환은 상기 제올라이트의 질소흡착 성질에 상당한 영향을 미치지 못한다.

따라서. 종래 기술(나트륨이온 90% 이상)에 나타난 에이-제올라이트가 칼슘(밀톤, 미합중국 2,882,243참조)에 의해 치환되었을지라도 질소흡착에 대해 고효율로 교환된 에이 제올라이트의 특성은 공지된바 없다. 칼슘에 의해 약 75-80% 나트륨교환에 도달된 상기 플라토우 수준에 거의 미치는 칼슘교환의 결과로써 에이 제올라이트의 질소흡착능력이 증가하지 않았음을 지시해주는 선행연구에서 나타난 플라토우의 선행기술을 비추어 볼때, 고함량의 칼슘을 함유하는 상기 에이 제올라이트의 흡착 능력을 조사할 결정적인 것이 없었다. 제올라이트 에이의 Ca/Na₂O 몰비가 약 38.7(중량 25) 이상의 수준으로 칼슘이온에 의해 교환될 경우 질소에 대한 흡착능력이 급속도로 증가(상기 Ca/Na₂O비가 점차 증가함에 따라)함을 알았다.

상기 에이 제올라이트는 상업용 4에이 또는 5에이 제올라이트가 칼슘염에 의해 팽창된 염기교환에 의해 제조되어 상기 지시된 Ca/Na₂O비를 이룬다.

약 25 이상의 Ca/Na₂O중량비를 갖는 에이 제올라이트 흡착성질을 조사한 바, 질소흡착능력이 칼슘 함량증가로 인해 급속도로 증가하는 반면에 이에 상응하는 산소흡착능력이 상당히 느린 속도로 증가하였다.

따라서, 고함량의 칼슘이 치환된 에이 제올라이트의 성질들이 공기내의 산소나 기타 기체혼합물로 부터 질소가 흡착분리되는 이점을 나타냈다.

본 발명에 의하면, 공기 또는 산소와 질소로 구성되는 기타 기체 혼합물이 흡착칼럼(Ca/Na₂O중량비가 약 25이상인 에이 제올라이트상을 하유하는)을 통과하여 상기 상내에 질소를 선별유지하고 1차 기체유출물로서 산소 농축류를 회수하게 된다. 이러한 흡착단계는 질소유지가 양호하게 달성되는 소정시간까지 계속된다.

이에 따라, 질소가 회수되면서 상이 재생되고 류상흡착단계가 반복된다.

상기 발명의 실시예에 나타난 바에 의하면, 충진기체 혼합물 성분의 흡착분리는 고정순환시 병렬조작하는 다수의 흡착 칼럼의 시스템에서 수행되는데, 하나 이상의 상기 칼럼은 흡착단계에서 조작되고 다른 칼럼들은 흡착제 재생조작을 겪는다.

이상은 종래 기술 및 일반공업에 공지된 바와 같다.

상기 발명은 여기서 언급된 바는 없지만, 미합중국 특허 제4,013,429호에 기술된 바와 같은 공기분리공정 및 시스템에서 본 발명의 장점을 찾아볼 수 있다.

상기 특허에 기술된 바와 같이, 대기공기는 예처리 칼럼 내에서 수분과 이산화탄소를 유리시킨 후 흡착제를 함유하는 칼럼을 통하여 일련 통과되어 공급물 내의 질소를 선별 유지한다. 반면에, 흡수되지 않은 산소농축생성물 기체는 1차 유출물로서 회수된다.

흡착단계말에서, 흡착제칼럼은 상의 진공화를 포함하는 일련의 단계에 의해 재생되어 고순도의 질소를 탈착시키는데 이것을 양호한 용도로 회수된다.

일부 고순도의 질소는 진공화단계 전에 칼럼을 헹구는데 사용된다. 진공화에 이어서 상기상은 류상압력으로 회복되고 순환은 재도입되는 대기공에 의해 반복된다.

본 발명의 개선된 장점은 상업용 5에이 제올라이트나 13엑스 제올라이트 대신에 Ca/Na₂O중량비가 약 25이상인 상기에 기술된 에이 제올라이트의 사용으로 현실화되었다.

미합중국 특허 제4,013,428호 및 4,264,340호에 기술된 바와 같은 진공스윙 흡착에 의한 대기공기 분류에 있어서와 같이 산소를 함유하는 혼합기체류로 부터 질소를 선별분리하는 공정의 성능은 사용된 흡착제의 성질, 특히 질소 흡착능력 및 산소에 대한 질소 선택도에 의해 강하게 좌우된다. 에이형 제올라이트의 질소흡착 능력을 개선키 위한 연구를 시도한 바, 칼슘에 의한 나트륨 교환이 90% 수준으로 계속 될 때(약 95% 수준 이상까지도) 칼슘에 의한 상기 제올라이트의 나트륨치환(지금까지는 플라토우라 하였음)이 상기 제올라이트의 질소흡착능력을 거의 증가시키지 않는 수준밖으로 지속된 75% 수준임을 알아냈다.

그러나, 상기 이온교환수준으로 계속되어 38.7의 Ca/Na₂O몰비(25이상의 Ca/Na₂O 중량비에 상응하는)를 갖는 칼슘교환 에이 제올라이트를 얻었으며, 제올라이트의 질소흡착능력이 칼슘이온에 의한 나트륨 치환증가에 따라 급속 증가하였음을 알았다.

제1도를 참조하면, 곡선 A는 초기소듐 에이 제올라이트의 질소흡착능력이 상업용 5에이 제올라이트의 중량비에 상응하는 Ca/Na₂O 중량비가 약 2로 될 때까지(곡선상의 점 1) 칼슘 이온증가로 급속히 상승함을 나타내고 있다.

더우기, 곡선 A상의 점 2에 상응하는 수준으로 칼슘 교환됨에 따라 특히, 질소흡착능력이 증가함이 없이 칼슘 이온함량이 약 22을 초과하는 Ca/Na₂O중량비로 증가함을 나타냈다. 곡선 A 상의 점 3,4 및 5에 나타난 바와 같이 제올라이트의 질소흡착능력은 칼슘교환증가에 따라 급상승한다.

곡선 A 및 B상의 점들은 대기압 및 30℃에서의 질소 및 산소흡착능력을 나타낸

다.

하기 표 1은 0.1-1.0기압의 진공스윙 흡착공정에서의 제올라이트의 단열조작능력 및 산소에 대한 제올라이트의 질소 선택도와 마찬가지로, 30℃ 및 대기압에서 고함량의 칼슘이 교환된 5에이 제올라이트와 비교한 4에이 제올라이트 및 상업영 5에이 제올라이트의 질소와 산소흡착능력을 표로 나타낸 것이다.

고함량의 칼슘이 교환된 5에이 제올라이트는 상업용 5에이 제올라이트 보다 질소에 대한 단열조작 능력이 상당히 크다. 진공스윙흡착 공정의 진공화단계시 많은 질소가 탈착된다.

상기 공정에 필요한 질소헹굼기체도 상업용 5에이 제올라이트보다 크다(고함량의 칼슘이 교환된 5에이 제올라이트에 비해), 총 질소생성률은 탈착된 총질소와 질소헹굼기체의 요구량과의 차이로서 고함량 교환된 5에이 제올라이트의 경우보다 상당히 높다.

[표 1]

제2도를 참조하면, 곡선 C는 상업용 4에이 제올라이트의 성능, 곡선 D는 상업용 5에이 제올라이트의 성능, 곡선 E는 Ca/Na₂O 중량비가 4.43인 칼슘-에이 제올라이트의 성능, 곡선 F와 G는 2개의 상이한 고함량칼슘-에이 제올라이트의 성능을 나타낸다.

상기 제올라이트의 중성물을 하기 표2에 나타냈다.

[표 2]

(1) 산출된 Ca,CaO으로 분석

(2) 산출된 CaO, Ca로 분석

나트륨-에이 제올라이트가 칼슘에 의해 상업용 5에이 제올라이트(0-약 1.7의 Ca/Na₂O)의 약 75% 수준까지 교환되었을 때 질소단열조작능력 및 질소선택도가 증가하였으며, 동시에 흡착열도 증가하였다.

저함량 칼슘의 5에이 제올라이트에서 나타낸 것과는 달리 제1도의 곡선 A상의 점 3,4 및 5에 상응하는 더 많은 함량의 칼슘이 교환된 5에이 제올라이트에서는 질소선택도와 흡착열이 물질적으로 변화하지 않았다.

또한, 질소능력 증가에 따라 수착열도 증가하였는데, 고함량 교환된 칼슘-에이 제올라이트의 경우에는 증가하지 않았다.

따라서, 고함량 칼슘-에이 제올라이트의 단열조작능력은 최종결과로써, 약98% 이상의 칼슘 교환수준으로(약 30 이상의 Ca/Na₂O 중량비에 상응하는)공기 및 기타 산소-질소 기체 혼합물로부터 질소를 분리해내는 진공스윙흡착 공정이 상당히 개선(상업용 5에이 제올라이트에 비해 약 2배정도) 되었다.

본 발명의 고함량 칼슘교환된 제올라이트는 4에이나 상업용 5에이의 소듐과 수용성칼슘염(칼슘니트레이트 같은)과의 염기교환(이하, 공지된 이온교환법)에 의해 제조된다.

칼슘에 의한 소듐치환량이 증가함에 따라 이온 교환상에 어려움이 발생하여 신선한 칼슘염 용액에 의한 교환조작의 처리 및 반복온도를 상승시키는 기술이 요구되었다.

본 발명의 실제에 사용된 질소-산소 분리용 진공스윙 흡착공정의 공지된 시스템 및 조작조건은 고함량의 칼슘이 교환된 에이 제올라이트를 사용하고 있다.

대기공기로부터 산소농축초기 유출물과 고순도의 질소 탈착염을 회수하기 위한 조작으로써 미합중국 특허 제4,013,429호에 기술된 바와 같은 Ca/Na₂O 중량비가 약 30인 칼슘-에이 제올라이트가 시스템에 사용되었다.

상기 시스템은 질소수착용 고함량칼슘-에이 제올라이트를 함유하는 2개의 주수착제 칼럼으로 구성되는데 이들 각각은 실리카겔, 알루미나 또는 상업용 제올라이트(5에이나 13엑스 분자체)와 같은 수분 및 이산화탄소를 유지하기 위해 수착제를 함유하는 예처리 칼럼에서 처리된다.

8분(480초)간의 완전순환시 주상 및 예처리상 각각은 하기표 3에 나타난 바와 같은 조작의 스퀀스를 겪는다.

제3도를 참조하면, 질소 선택성 고함량 칼슘이 교환된 에이 제올라이트가 2개의 병렬흡착제 칼럼(10 및 11)에 충진되어 있어 타입스퀀스에 따라 교호적으로 조작된다.

칼럼(10 및 11) 각각의 상류는 도입기체로 부터 물과 이산화탄소를 제거한 후 칼럼(10 및 11)에 도입하는데 효율적인 고체흡착제를 함유하는 흡착제상(12 및 13)이다.

분류될 공기는 라인(15)을 통해, 송풍기(16)에 의해 다기관(17)으로 유출된다.

일련배열된 상(12 및 10)과 상(13 및 11)로 구성되는 흡착제 시스템으로 공급되는 교호적 기체공급은 타임시퀀스에 따라, 밸브(18 및 19)가 개폐되면서 이루어져 소정기간 동안 밸브(18)가 열리면서 라인(20)을 통해, 공급공기아 상(12)에 공급된 후 밸브(18)는 닫히고 밸브(19)가 열려져 라인(21)을 통해 공급공기가 상(13 및 11)에 공급된다.

류상기간이나 공기 송풍기간시에 수분과 이산화탄소를 함유하는 공기는 열림 밸브(18)를 통해 예처리상(12)으로 공급되고 예처리상과 상(10) 사이의 라인상에 있는 밸브(22)가 열린다.

수분과 이산화탄소는 상(12) 내의 흡착제에 의해 제거되고 공기에 의해 이들 오염제들이 건조ㆍ분해된 후, 질소의 선별흡착에 유용한 흡착제를 함유하는 상(10)을 통과하여 산소 농축기체가 라인(23)으로 유출되는데, 밸브(24)는 열리고 밸브(25)는 닫힌다.

라인(23)은 산소 농축기체가 포집되어 일시 저장된 팽창실(27)과 통하는 유출라인(26)에 연결되는데 이로부터 펌프(28)와 라인(29)에 의해 회수되어 저장, 사용되거나 더욱 처리된다.

전술된 공기송풍의 류상기간은 상(10)의 질소흡착능력에 관계된 시간동안 계속된다. 즉, 질소전선이 상(10)의 유출단을 통해 파리되기 시작하는 단시간은 산소농축 생성물의 질에 좌우된다.

예처리상의 크기는 류상공기송풍시, 유입공기중의 수분과 이산화탄소를 보충하고 유지하기에 충분할 정도의 흡착제를 함유해야만 수분과 이산화탄소가 상(10)내로 유입되지 못한다.

이 기간동안 상(10 및 12)은 공기송풍상에 있지만 상(11 및 13)은 진공화된다. 이러한 조작은 밸브(19)가 닫히고 상(11)과 상(13) 사이의 밸브(32)가 열리므로 라인(21)을 통해 완성된다.

상(11)에서 사전흡착된 질소는 상기상에 공급된 초기공기송풍에 대한 흐름 방향으로 탈착되고 첨부도면에 도시된 바와 같이 열림밸브(32)를 통한 상(11)의 윗방향으로 상(13)을 통과하고 라인(21)으로 흐른다.

도시된 바와 같이, 병렬라인(20 및 21)은 각각 밸브(34 및 35)를 통해 질소유출라인(33)과 연결된다.

또한, 라인(20 및 21)은 각각 밸브(37 및 38)를 통해 질소공급라인(36)과 연결된다.

상(11 및 13)의 진공화는 다음의 후행기간 동안 동일방법으로 조작 시퀀스에서 계속된다. 반면에, 상(12 및 10)은 공기송풍의 종말에서 질소로 헹구어진다.

상(12 및 10)의 질소헹굼은 상기 공기흐름과 같은 동일 기체흐름 방향으로 헹구어진다.

팽창실(41)에 저장된 질소는 펌프(42)에 의해 회수되어 라인(36)에 의해 열림밸브(37)를 통과하고 라인(20)을 통해 상(12)에 유입된다. 물론, 이러한 단계시에 밸브(18,19,34 및 38)는 닫힌채로 유지된다. 공급된 헹굼질소는 열림밸브(22)에 의해 상(12)으로 부터 상(10)으로 통과한다.

상(10)의 유출단계에 있는 밸브(24)는 닫히고 헹굼기체는 열림밸브(25)와 라인(44)를 통해 헹굼기체 포집실(45)로 흐른다.

이 기간을 통하여 상(12 및 10)은 질소로 헹구어지지만, 상(11 및 13)은 전술된 바와 같이 계속 진공화된다.

상기 시퀀스의 후속단계에서 상(12 및10)은 질소로 계속 헹구어지고 상(13)의 진공화가 계속되면서 상(11)은 산소농축기체로 헹구어지거나 가압 조절된다.

이러한 조작은 밸브(32)가 닫히면서 상(11)과 상(13)간의 기체흐름이 불연속적으로 연결되고 상(11)의 산소유출단에 있는 라인(47)의 밸브(46)가 열리므로써 완성된다.

실(27)로부터 산소농축기체가 진공화된 상(11)으로 흐르고 상기 상은 상기 결과의 류상공기송풍에 대한 조작압력으로 된다.

상기 시퀀스의 후속단계에서, 상(12 및 10)의 질소헹굼은 끝나고 이들 상은 진공화된다.

또한, 이 단계에서 상(13)이 열려져 밸브(32)는 열리고 밸브(35)는 닫히므로써(반면에 밸브 46은 열린 채로 유지) 상(11)을 통해 실(27)로부터 산소농축기체가 흐른다.

상(11 및 13)에 적용된 시퀀스의 사전단계에 기술된 바와 같이, 상(10 및 12)이 진공화되므로써 밸브(24 및 25)가 닫힘에 따라 상(10)으로 부터 사전 흡착된 질소기체는 흡입 탈착되고 상(12)으로 회수되어 라인(20)과 열려진 밸브(34)를 통해 진공펌프(40)하에 질소유출라인(33)과 실(41)로 흐른다.

상술된 방법으로 상(10 및 12)이 다음 2시간동안 계속 진공화되지만 소정의 조작변화가 상(11 및13)에서 연속적으로 일어난다. 상(11 및 13)은 실(27)로 부터 이들 상들에 유입된 산소농축기체에 의해 헹구어지고 가압조절되며 이들 상들은 분류될 공기를 수용하게 된다.

따라서, 상(12 및 10)은 계속 진공화되지만, 다기관으로 부터 흐르는 대기공기의 흐름은 라인(21)과 열림밸브(19)를 통해 상(13)으로 유입되어 밸브(35 및 38)는 닫힌채로 유지된다.

수분과 이산화탄소는 상(13)에 유입되는 공기로부터 제거되고 건조 및 예정화된 공기는 열림밸브(32)를 통해 상(11)으로 흐르는데 여기에서 질소는 선별 흡착되고 산술된 산소 농축공기는 상(11)으로 부터 라인(47)으로 유출되며 열림밸브(46)와 라인(26)을 통해 실(27)로 유입된다.

이러한 조작시, 실(45)로 부터 기체가 라인(50)을 통해 회수되고 라인(15)을 통해 공급된 공급 공기와 연결되는 펌프(16)입구에 채워진다. 따라서 실(45)로부터 재순환된 기체에 의해 희석되는 공급공기는 수분과 이산화탄소가 없는 것으로, 상(12 및 13)위에 놓여진 장입물을 교대로 감소시킨다.

상(13 및 11) 에 공기송풍를 할때, 밸브(19)는 닫히고 밸브(38)는 열려져 질소 헹굼기체가 상(13)으로 유입되고 실(41)로 부터 펌프되어라인(36)으로 흐른다. 질소 기체는 상(13)으로 부터 열림밸브(32)를 통해 상(11)으로 흐르고 라인(47)을 통해 유출된다.

이 동안에 밸브(46)는 닫히고 밸브(51)는 열려져 유출질소가 라인(44)을 통해 실(45)로 유입된다.

상(13 및 11)이 질소로 계속 헹구어지지만 상기 시퀀스의 다음 단계에서는 밸브(22)가 닫혀지므로 상(12)만이 진공화 되고 반면에 상(10)은 열림밸브(24)를 통하는 라인(26 및 23)을 경유하여 실(27)로 부터 유출되는 산소농축기체로 헹구어지거나 가압조절된다.

상(10)의 가압조절이 완결된 후 상(12)의 진공화가 완결되고 밸브(22)가 다시 열려져 산소농축 기체가 상(12)으로 유입되므로써 상기 상의 압력은 소정의 류상조작 압력으로 된다.

상기 상(12)의 가압조절은 상기 시퀀스의 마지막 단계로써, 실(45)로 부터 재순환 된 기체와 함께 라인(15)으로 대기공기가 류상공급되어 재개된 후 상술된 조작순환을 반복한다.

상기 시퀀스의 마지막단계시, 상(11 및 13)은 밸브(34,51 및 38)가 닫히고 밸브(35)가 열리므로써 진공화된 후 라인(33)을 통해 상(11 및 13)이 탈착되고 펌프(40)에 의해 실(41)로 옮겨진다. 실(41)에는 유출라인(55)이 연결되어 있어 고순도의 질소가 소정용도로 상시 실로부터 회수된다.

제3도는 참조하면, 예처리상이 구비된 병렬의 두개의 주흡착제상이 계획된 시퀀스로 조작하는데 각각의 주상은 순차적으로 공기송풍, 질소헹굼 및 진공화에 의한 질소탈착을 겪은후, 이어서 산소 농축기체에 의해 가압조절된다. 상기 시스템에서는 소정기간 동안 어떠한 주상도 대기공기를 수용하지 못한다.

상기 기간동안 밸브(18 및 19)는 닫히고, 라인(15)의 밸브(52)가 닫히면서 펌프(16)작동에 의해 공급공기가 일시적으로 차단,공전하게 된다.

교호적으로, 밸브(60)가 열리면서 공기송풍기가 재순환형식으로 조작된다. 경우에 따라서, 2 이상의 병렬칼럼이 사용되어 공기 송풍조작의 연속성을 유지시킨다.

하기표 3은 제시된 8분간의 순환을 이용하는 실시예를 기준으로 한 조작시퀀스의 여러단계에 대한 타임프로그램을 설명한 것으로 시퀀스 동안의 밸브위치를 지시하고 있다.

그러나, 전술된 8분간의 순환은 설명에 불과한 것으로 기타시간 사이클등은 상기 프로세스의 실제에 사용된다.

[표 3]

O=열린상태 C=닫힌상태

예처리상(12 및 13)에는 수분과 이산화탄소를 보유하는데 적합한 고체흡착제나 물리적 흡착제 혼합물을 사용한다. 실리카겔, 알루미나, 활성탄소 또는 천연이나 합성의 제올라이트분자체(모르데나이트나 상업용 5에이나 13엑스 제올라이트 같은).

상기 것들에 국한되는 것은 아니지만, 대기압 이하로 공기를 송풍시켜 흡착제상, 밸브 및 시스템의 라인을 통해 충분히 압력강하를 일으키는 것이 바람직하다.

주상(10 및 11)의 진공탈착에서는 30-100토르의 중간압력으로 유지된다.

예처리상(12 및 13)의 최종 진공 탈착의 최종압력은 10-50토르이다. 주탈착제상에 사용될 진공 수준의 선택은 회수된 기체생성물의 순도에 따른다.

물론, 가장 높은 순도에서는 산출량에 상응하는 손실이 있다. 예처리상들만의 진공화에 의해 산출된 최종압력이나 최저압력은 물과 이산화탄소의 제거를 위해 선택된 흡착제에 대한 물의 평형 증기압으로 설명된다.

그러나, 모든 경우에서 물-이산화탄소 흡착제상의 탈착시에 산출된 최종압력은 질소흡착제상의 최종압력보다 상당히 낮다.

상기 설명된 실시예는 위상으로 부터 프로그램된

사이클의 시간 스케줄에서 조작된 2개의 병렬 흡착제상을 사용하는 실제 시스템을 예견한 것으로, 생성기체의 연속 흐름과 기체조정장치의 효율적인 이용화를 보증해 준다.

몇몇 경우에서는 적합한 시간 시퀀스에서 3개 이상의 병렬흡착제 상을 기준으로 한 시간 스케줄을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 변형례에서의 조작순환시 밸브변화는 공지방법에 의해 프로그램되고 사이클타이머장치의 제어하에 자동 수행된다.

기타 공지된 진공스윙흡착장치는 고함량의 칼슘이 교환된 5에이 제올라이트를 유용화한 본 발명의 실제에 사용되는 바, 예컨대, 상기 장치는 미합중국 특허 제4,264,340호에 기술되어 있는 것으로 특히, 산소 농축 초기유출물외에 고순도의 건조질소류를 회수하는 것이다.

[실시예]

각각의 주상은 환형형태의 고함량 칼슘이 교환된 5에이 제올라이트를 약 1.2kg 함유하고 각각의 예처리상은 약 0.5kg의 13엑스 제올라이트를 함유한다.

약 90%의 산소를 함유하는 산소농축 생성물류를 포집하는 공기 송풍기간 동안 약 1.07바아의 압력으로 대기공기를 시스템에 채운다.

상기 주상과 예처리상을 진공화단계에서 탈착염으로 회수된 고순도 질소생성물의 일부로 헹군다.

질소헹굼에 이어서, 상기 상들은 85밀리바아의 수준까지 진공화시키고 예처리칼럼을 20밀리바아까지 진공화시키는 반면에 주상은 산소농축생성물 기체의 일부로 가압 조절한다.

탈착된 질소의 일부를 약 2.7sl/분의 속도로 99.8% 질소를 함유하는 생성물로써 회수한다.

상기 본 발명은 바람직한 실시예로 기술되었으나 본 기술에 숙련된 자들에 의해 본 발명의 영역 내에서 변형될 수 있으며 하기 청구범위로 부터 확인될 것이다.

Claims (2)

1. 사이클시퀀스에 의해 공기로 부터 고순도 질소와 산소농축 생성물을 제조함에 있어서, 적어도 약 25의 Ca/Na₂O 중량비를 갖는 에이형 분자체 제올라이트의 이차상 흡착제로 유용한 흡착제의 예처리상에 대기공기를 통과시켜 물과 이산화탄소를 제거하고 산소에 대응하는 것으로써 질소 보유에 선택성을 지닌 흡착제를 함유하는 이차흡착제상으로 유입한 후 일차 산소농축유출물을 형성하고 상기 흡착제상의 진공화에 따라 그 흐름에 의해 흡착된 질소를 상기 이차 흡착제상으로 부터 제거 유입시키고 상기 예처리상을 통해 이차상으로 부터 물과 이산화탄소를 탈착시키고 마지막으로, 상기 상들의 압력을 대기압으로 유지하여 상기 순환을 반복함을 특징으로 하는 공기 분리방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 흡착제상들을 진공화시키기 전에 이 상들을 고순도의 질소기체로 헹굼을 특징으로 하는 공기 분리방법.

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