KR101985551B1 - 가스의 분리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 혼합물을 각각 증가된 순도를 갖는 두 분획으로 분리하기 위한 특정 장치, 보다 특히 일련의 가스 분리 막 모듈에 관한 것이다.
Description
본 발명은 가스 혼합물을 각각 증가된 순도의 두 분획으로 분리하기 위한 특정 장치, 보다 특히 일련의 가스 분리 막 모듈에 관한 것이다.
가스 분리 막을 수단으로, 중합체 내에서의 개별 가스의 상이한 투과성 (= 단위 시간, 단위 면적, 압력 차이 및 층 두께당 유량)을 기초로 가스 혼합물을 분리하는 것이 가능하다. 중합체는 일반적으로 중공 섬유 또는 편평한 막을 제공하도록 가공된다. 막은, 막의 투과율 (단위 시간, 단위 면적 및 압력 차이 당 유량)이 최대이도록 하는 막의 표면에서의 매우 얇은 분리 층이 주지된다.
단일 통과에서 막으로 달성가능한 분리 결과는 막의 선택도에만 좌우되는 것이 아니라, 또한 막의 고압측 및 저압측 사이의 압력비에 좌우된다. 압력비가 클수록, 보다 우수한 최대 분리 결과가 달성가능하다.
낮은 압력비 범위에서, 상이한 선택도에 대한 곡선은 서로 가깝게 그려진다 (도 1 참고). 이러한 범위에서의 분리 결과는 압력비에 의해 결정된다. 이러한 범위는 따라서 "압력-제한됨"으로 지칭된다. 높은 압력비 범위에서, 분리 결과는 압력비에 의해 거의 영향을 받지 않을 수 있다. 이러한 범위는 "선택도-제한됨"으로 지칭된다.
가스의 분리를 위한 일련의 막 연결 배열은 문헌에 공지되어 있다. 문헌 [Baker, IndEngChemRes, Natural Gas Processing with Membranes, 47 (2008)]에는 다양한 공지된 연결 배열의 종합적인 리스트가 있다. 예를 들어, 도 2에 따른 단순한 1-단계 막 분리 단계로 메탄 (보유물 가스)과 CO2 (투과물 가스)의 분리 예를 이용하여, 생성물 스트림에서 높은 순도 (98% CH4)를 달성할 수 있다. 그러나, 투과물-측 오프가스의 품질은 영향을 받을 수 없고, 순도가 낮다 (44% CO2). 이에 상응하여 큰 불이행, 즉 메탄의 손실이 일어난다.
재순환되는 1-단계 연결 배열의 경우에 (도 3), 순도를 약간 증가시킬 수 있다. 그러나, 이를 통해 낮은 보유물 가스 수율 및 투과물 가스 품질의 근본적인 문제를 해결하는 것은 불가능하다.
보다 높은 투과물 순도 및 보다 높은 유지되는 성분의 수율을 위해, 일련의 다단계 연결 배열이 공지되어 있다. 단일 투과 단계와 제1 투과물의 재압축 및 재순환을 갖는 연결 배열에서 (도 4), 투과물 순도 (86%) 및 메탄 수율을 개선시키는 것이 가능하다.
보다 우수한-투과물 성분이 증가된 농도 (30%)로 존재하면, 도 5에 따른 연결 배열이 상기 문헌에 따라 유리할 수 있다. 두 개의 투과물 가스-농후 스트림 (82% CO2, 93% CO2) 및 한 개의 보유물 가스-농후 스트림 (82% CH4)이 생성된다.
문헌 [Bhide (MemSci, Hybrid processes for the removal of acid gases from natural gas, 1998)]에는 천연 가스로부터 산 가스를 제거하는 3-단계 작업이 개시되어 있다 (도 6). 처리할 가스 스트림을 상류 막에서 대략적으로 정제한다. 압력측에 남아있는 예비정제된 천연 가스를 추가적인 막을 통과시킨다. 보유측 상에서, 표적 생성물 스트림이 형성되고, 천연 가스에서 산 가스가 고갈된다. 투과측 상의 산 가스-농후 스트림이 압축되고, 추가적인 막 단계로 공급된다. 이러한 단계의 보유물은 그의 상류 단계 및 재순환된 상류의 압력 수준으로 압축된다. 이러한 부가적 에너지 소비 및 재정적 투자는 메탄을 수율을 증가시킬 것으로 의도된다. 이러한 연결 배열의 단점은 압축기에 있어서의 소비 및 산 가스-농후 스트림의 부적합한 순도이다.
문헌 [Chenar (MemSci Application of Cardo-type polyimide (PI) and polyphenylene oxide (PPO) hollow, 2008)]에는 재압축되는 투과물에 대한 단계적 배열을 이용한 작업이 기재되어 있다 (도 7). 이러한 연결 배열의 단점은 보유물 가스의 극히 제한된 순도 및 재압축을 위한 부가적 소비이다.
EP0 799 634에는 도 8에 따른 연결 배열이 개시되어 있다. 그러나, 단점은 밀봉제 및 윤활제로서 오일 또는 물의 부가적 잠재적인 도입, 부가적 높은 자본 비용, 부가적 압축에 의해 초래되는 증가된 에너지 소비 및 이동부에 의한 증가된 고장 가능성이다.
상기 언급된 공정들의 단점은 부가적 재압축 및 전체 보유물 스트림 중 여전히 너무 낮은 보유물 가스의 순도, 및 보유물 스트림 중 보유물 가스의 불충분한 수율이다.
도 9에는 빈번히 제안되고 또한 바이오가스의 가공에 있어서 특히 실행되어 온 기술이 보여진다 (에어 리퀴드 (Air Liquide) 및 하라섹 (Harasek)). 제2 단계로부터 투과물이 재순환되는 보유물을 위한 단계적 배열을 갖는 연결 배열이 개시되어 있다.
아인트호벤 기술대학교 (Eindhoven University of Technology)는, 90% 초과의 메탄 순도를 가능하게 하는 내부 단계적 배열을 갖는 연결 배열을 개발했다 (도 10 참고). 이러한 연결 배열의 단점은 보유물 가스의 부적합한 순도이다.
EP 0 603 798에는 질소의 생성을 위한 다단계 연결 배열이 개시되어 있다. 이러한 공정의 단점은 투과물 성분의 불충분한 순도 및 2개 이상의 압축기의 사용이다.
EP0695574에는 최대 순도의 보유물 생성을 위한 스위프(sweep) 스트림으로서 투과물 스트림을 부분적으로 이용하는 연결 배열이 개시되어 있다. 이러한 공정의 단점은 전체 투과물의 불충분한 품질이다.
US5753011에는 투과물을 위한 단계적 배열을 갖는 막 분리 단계와 압력 스윙 흡착 (PSA)의 조합이 두 생성물 스트림에 있어서의 높은 순도를 달성하는 공정이 개시되어 있다. 이러한 공정의 단점은 비싸고 불편한 PSA를 사용하는 것이다.
EP1634946에는 바이오가스의 가공 방법이 개시되어 있다. 메탄-고갈된 스트림으로부터의 메탄의 열 이용이 기재되어 있다. 단점은 높은 비용 및 가스의 손실이다.
마지막으로 EP0596268에는 3가지 가스 조성물의 생성을 위한 다양한 연결 배열이 개시되어 있다.
US 6,565,626 B1 및 US 6,168,649 B1에는 각각 3개의 막 분리 단계를 갖는 막 분리 공정이 기재되어 있고, 여기서 각각 단계 2 및 3으로부터의 보유물 스트림 및 투과물 스트림은 조 가스 스트림으로 재순환된다.
선행 기술로부터 공지된 공정의 단점은 투과물 가스의 높은 순도 또는 보유물 가스의 높은 순도 중 하나가 달성될 수 있다는 점이다. 예를 들어 메탄 순도에 대한 높은 요구의 결과 및 메탄 불이행의 제한의 결과로서 천연 가스 그리드로의 바이오가스의 가공 및 공급에서, 필요한 정도의 투과물 가스 및 보유물 가스의 높은 순도의 동시 달성을 위해, 투과물 또는 보유물 스트림의 재압축 단위 또는 추가의 정제 (예를 들어, 투과물 스트림의 열 후연소 또는 보유물 스트림에 대한 압력 스윙 흡착)가 요구되지 않는 공정은 존재하지 않는다.
이러한 선행 기술로부터 기인하여, 본 발명의 목적은 선행 기술 공정 및 장치의 단점을, 만약 갖는다면, 감소된 정도로만 갖는, 가스 혼합물의 분리 및 정제를 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이었다. 보다 특히, 투과물 가스 및 보유물 가스를 둘 다 제공하는 방법 및 장치는 높은 순도로 제공해야 한다. 추가의 특정 목적에서, 이러한 방법 및 이러한 장치는 투자 및 작업 비용의 관점에서 유리해야 하고/하거나 보다 단순한 공정 계획을 가능하게 해야 한다.
다음 특정 목적에서, 임의의 목적하는 가스 혼합물에 있어서 최대 보편성으로 사용가능한 방법/장치가 제공되어야 한다. 보다 특히, 바이오가스 및 천연 가스의 생성물에서 수득되거나, 다른 가스, 예컨대 물, 수소, 황화수소의 존재하에서 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 가스 스트림을 분리할 수 있어야 한다.
본 발명의 추가의 특정 목적은, 선행 기술 공정과 비교하여, 동일한 처리량에서 감소된 메탄 방출량을 갖는 메탄-함유 조 가스 스트림의 정제를 가능하게 하여 따라서 이러한 강한 온실 가스에 의한 환경 오염을 감소시키는 방법 또는 장치를 제공하는 것이었다.
명확하게 기재되지 않은 추가의 목적은 후속되는 청구범위, 상세한 설명, 실시예 및 도면의 전체 맥락으로부터 명백하다.
이제 놀랍게도, 특허청구범위 제1항 또는 그의 종속항 중 하나에 따른 장치가, 1개 초과의 압축기를 요구하지 않거나 다른 방법으로 추가로 투과물 또는 보유물 스트림을 정제할 필요 없이 투과물 및 보유물의 순수한 스트림을 제공할 수 있다는 것을 확인했다. 본 발명의 장치는 따라서 투과물 및 보유물 스트림의 높은 순도의 동시 달성을 가능하게 한다. 플랜트를 위한 자본 비용은 낮고, 어떠한 부가적 하류 정제 공정도 필요하지 않다. 따라서 순수한 막 분리 공정으로 상기 목적을 달성하는 것이 가능했다.
본 발명의 청구범위는 따라서 제1항 내지 제12항 및 제13항 내지 제18항 각각에 청구되고, 후속되는 상세한 설명, 실시예 및 도면 11에 상세히 기재되는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 이후 상세히 기재된다. 먼저, 일부 중요한 용어를 정의한다.
개별 가스의 투과율의 지수는 두 가스와 관련하여 분리를 위한 막의 선택도를 제공하고, 따라서 두 가스와 관련하여 막이 가스 혼합물을 얼마나 잘 분리할 수 있는지를 나타낸다. 투과물은 막, 막 모듈 또는 막 분리 단계의 저압측 상에서 수득되는 전체 스트림을 지칭한다.
투과물 가스는, 각각의 경우 막, 막 모듈 또는 막 분리 단계에서 각각의 경우 해당 투입 스트림에 대한 투과물 스트림 중에 농후한 성분(들)을 지칭한다.
보유물은 막, 막 모듈 또는 막 분리 단계의 고압측 상에서 수득되고 막을 통과하지 않는 전체 스트림을 지칭한다.
보유물 가스는 막, 막 모듈 또는 막 분리 단계에서 각각의 경우 해당 투입 스트림에 대한 보유물 스트림 중에 농후한 성분(들)을 지칭한다.
조 가스 또는 조 가스 혼합물 또는 조 가스 스트림 (17)은 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명의 장치를 수단으로 분리해야 하는 둘 이상의 가스의 가스 혼합물 또는 상기 가스 혼합물의 스트림을 지칭한다.
공급 스트림 (5)은 공급 스트림 분리 단계 (1)에 공급되는 가스 스트림을 지칭한다. 방법의 수행을 위해 상기 스트림은 조 가스 스트림 (17) 또는 압축기에 의해 압축되는 조 가스 스트림에 상응할 수 있다. 제2 투과물 스트림 (9)의 재순환 또는 제3 보유물 스트림 (10)의 재순환 이후, 공급 스트림 (5)은 조 가스 스트림 (17), 제2 투과물 스트림 (9) 및 제3 보유물 스트림 (10) 가스로 이루어진다. 공급 스트림 (5)은 스트림 (9) 및 (10) 둘 다를 압축되지 않은 조 가스 스트림 (17)과 혼합하거나, 둘 다를 압축된 조 가스 스트림과 혼합하거나, 둘 중 하나를 압축되지 않은 조 가스 스트림과 다른 하나는 압축된 조 가스 스트림과 혼합하거나, 압축기 내에서 스트림 (9) 및/또는 (10)과 조 가스 스트림 (17)을 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 기재된 변형예의 조합 또한 본 발명에 포함된다.
공급 스트림 분리 단계 (1)는 공급 스트림 (5)을 제1 투과물 스트림 (6) 및 제1 보유물 스트림 (7)으로 분리하기 위한 막 분리 단계를 지칭한다.
보유물 분리 단계 (2)는 제1 보유물 스트림 (7)을 제2 투과물 스트림 (9) 및 제2 보유물 스트림 (8)으로 분리하기 위한, 공급 스트림 분리 단계 (1)의 구성과 동일하거나 상이할 수 있는 막 분리 단계를 지칭한다.
투과물 분리 단계 (3)는 제1 투과물 스트림 (6)을 제3 투과물 스트림 (11) 및 제3 보유물 스트림 (10)으로 분리하기 위한, 공급 스트림 분리 단계 (1) 및 보유물 분리 단계 (2)의 구성과 동일하거나 상이할 수 있는 막 분리 단계를 지칭한다.
후속되는 본 발명에 따른 방법의 바람직한 및 특정 실시양태 및 바람직한 및 특히 적합한 실행에 대한 설명 및 도면 및 도면에 대한 설명은 단지 예로서 본 발명을 상세히 예시하며, 이는 이러한 실행 및 사용예 또는 개별 실행 예 내의 해당 특징부의 조합에 제한되지 않음을 의미한다.
특정 실행 예와 관련하여 상술되고/되거나 기재되는 개별 특징부는 이러한 실행 예 또는 이러한 실행 예의 다른 특징부와의 조합에 제한되지 않고, 대신 심지어 본 특허 문헌에서 구체적으로 논의되지 않더라도 이는 기술적 가능성의 범위 내에서 임의의 다른 변형예와 조합될 수 있다.
개별 도면 및 도면의 다이어그램의 동일한 레퍼런스 기호는 동일하거나 유사하거나 동일하게 또는 유사하게 작업하는 구성요소를 지칭한다. 도면 내 다이어그램은 또한 레퍼런스 번호가 제공되지 않은 특징부를 명확히 나타낸다 (이러한 특징부가 이후 기재되거나 기재되지 않는지에 상관 없이). 반면, 본 명세서에 포함되나 도면에 나타나거나 표시되지 않는 특징부는 또한 당업자가 바로 이해할 수 있는 것이다.
본 발명의 장치 (예를 들어, 도면 11 참고)는 세 개의 막 분리 단계의 사슬을 포함한다. 각각의 단계는 하나 이상의 물리적 가스 분리 모듈로 이루어지며, 이는 한 단계 내에서 병렬 및/또는 직렬로 연결된다. 모듈 내 가스 분리를 위해 생성되는 구동력은 해당 막 분리 단계에서 보유측과 투과측 사이의 부분압 차이이다. 부분압 차이는 공급 스트림 분리 단계 (1)의 공급측 상에 배열된 압축기 (4)를 수단으로 및/또는 바람직하게는 보유물 분리 단계 (2)의 투과측 상의 제2 투과물 스트림 (9) 및/또는 투과측 투과물 분리 단계 (3) 상의 제3 투과물 스트림 (11) 내의, 1개 이상, 바람직하게는 1개 또는 2개의 진공 펌프(들) (도 11에 보여지지 않음)를 수단으로 생성될 수 있다. 막 분리 단계 중 적어도 하나에서 투과측 퍼지 가스 스트림을 수단으로 부분압 차이를 생성 또는 증강시키는 것이 임의적으로 유리할 수 있다.
본 발명의 바람직한 배치에서, 압축기 (4)는 조 가스 혼합물 또는 조 가스 스트림 (17) 및 제2 투과물 스트림 (9) 및/또는 제3 보유물 스트림 (10)의 가스 혼합물을 5 내지 100bar, 바람직하게는 9 내지 75bar의 목적하는 압력으로 만든다. 생성된 공급 스트림 (5)은 공급 스트림 분리 단계 (1)로 도입된다. 공급 스트림 분리 단계 (1)에서, 제1 단계의 투과물 내로 주로 들어가는 보다 쉽게 투과되는 성분 (투과물 가스) 및 막에 의해 주로 보유되고 보유물 중에서 농축되는 덜 빠르게 투과되는 성분 (보유물 가스)으로의 조 가스 혼합물의 예비분리가 수득된다.
본 발명에 따른 방법 또는 본 발명의 장치는, 공급 스트림 분리 단계 (1)의 1종 이상의 투과물 가스의 농도가, 제2 투과물 스트림 (9)의 재순환 및 제3 보유물 스트림 (10)의 재순환 이후, 각 경우에 조 가스 스트림 (17) 중 농도와 비교하여, 공급 스트림 (5) 중에서 바람직하게는 2% 이상, 보다 바람직하게는 3% 이상, 가장 바람직하게는 3 내지 40% 증가하도록 구성되는 것이 주지된다. 증가는 조 가스 스트림 (17)의 조성에 좌우될 수 있고, 특히 투과물 가스의 낮은 농도의 경우 특히 뚜렷하다 (10 내지 20%). 일반적으로, 조 가스 스트림 (17) 중 투과물 가스의 함량이 30 내지 70%일 때, 투과물 가스 중 하나의 농도 증가는 2 내지 15%, 보다 바람직하게는 3 내지 8%이다. 이는 공급 스트림 분리 단계 (1) 중 투과물 가스의 농도가 증가할 때, 전체 공정 중 보유물 가스의 수율이 증가하고, 따라서 보유물 가스의 손실이 감소함을 확인했기 때문이다. 분리 단계 중 동일한 커트(cut) (= 해당 단계에서 투과물 스트림 대 공급 스트림의 비율)에서, 공급 스트림 분리 단계 (1)에서 비교적 쉽게 투과되는 1종 이상의 성분 A의 또는 투과물 가스 (A)의 농도가 공급 스트림 (5) 중에서 증가할 때, 훨씬 적은 투과물 가스가 공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물 내로 들어간다. 유사하게, 정제해야 하는 공급 스트림 (5) 중 성분 A의 또는 투과물 가스 A의 농도가 감소될 때 저하가 확인되었다. 예를 들어, 정제 해야하는 공급 스트림 (5) 중 50% 농도의 성분 A 또는 투과물 가스 A를 위한 분리 단계 중 커트는 10 내지 60%, 바람직하게는 15 내지 55%, 보다 바람직하게는 20 내지 50%이다. 본 발명의 특히 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명의 장치는 따라서, 공급 스트림 (5) 중 공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물 가스(들)의 함량이, 제2 투과물 스트림 (9)의 재순환 및 제3 보유물 스트림 (10)의 재순환 이후, 공급 스트림 (5)의 부피를 기준으로 40부피% 이상, 바람직하게는 50부피% 초과, 매우 특히 55부피% 초과이도록 구성된다.
이러한 공급 스트림 (5) 중 투과물 가스의 농도 증가는 이미 설명한 바와 같이 공급 스트림 분리 단계 (1)의 효율을 높이고, 그 결과 제1 투과물 스트림 (6) 내로 보유물 가스 B가 적게 들어간다. 이는 따라서 투과물 분리 단계 (3)의 효율성을 증가시키고, 제3 투과물 스트림 (10) 내로도 원치않는 보유물 가스가 적게 들어가는 것을 보장한다. 특히 메탄-함유 조 가스의 분리의 경우, 이는 기후에 유해한 원치않는 메탄의 방출이 유의하게 감소된다는 장점을 야기한다.
일반적으로, 공급 스트림 분리 단계 (1)에서, 바람직하게는 20 내지 100%, 보다 바람직하게는 40 내지 70%의 성분 A 또는 투과물 가스 A가 공급 스트림 (5)에서 투과물로 전달되는 것으로 기술할 수 있다.
임의로 현 압력-감소 밸브 (12)에 의해 압력이 임의로 감소되거나, 압력이 증가된 공급 스트림 분리 단계 (1)의 보유물이, 제1 보유물 스트림 (7)에 의해 정교한 정제가 이루어지는 보유물 분리 단계 (2)로 공급된다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유측 상에, 즉, 제2 보유물 스트림 (8)에, 바람직하게는 압력-감소 밸브 (13)가 있고, 이를 수단으로 시스템 내 압력이 유지되고 상수로 일정할 수 있다. 덜 쉽게 투과되는 성분 또는 보유물 가스 B의 함량이 보유물 분리 단계 (2)에서 추가로 증가되며, 제2 보유물 스트림 (8)에서 성분 B의 또는 보유물 가스 B의 함량이 90% 초과, 바람직하게는 95% 초과, 보다 바람직하게는 97% 초과이도록 증가된다. 특히 바람직한 변형예에서 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명의 장치는 따라서, 조 가스 스트림 (17)과 함께 장치로 도입된 공급 스트림 분리 단계 (1)의 보유물 성분의 95% 이상, 바람직하게는 97% 이상, 보다 바람직하게는 99% 이상, 가장 바람직하게는 99.5% 이상이 제2 보유물 스트림 (8)을 통해 배출되는 것이 주지된다.
제1 보유물 스트림 (7) 중 50%의 성분 A의 또는 투과물 가스 A의 농도에서, 보유물 분리 단계 (2)의 분리 단계에서의 커트는 10 내지 60%, 바람직하게는 20 내지 50%이다.
보유물 분리 단계 (2)의 투과물은 제2 투과물 스트림 (9)을 수단으로 재순환되고, 공급 스트림 (5)으로 공급되고, 재가공된다. 이는 상기 용어 "공급 스트림"의 정의에서 이미 설명한 바와 같이, 압축기 (4) 또는 심지어 다단계 압축기 (4)가 사용되는 지에 따라 다른 방식으로 이루어질 수 있다. 1-단계 압축기 (4)의 경우, 제2 투과물 스트림 (9)은 바람직하게는 압축기 (4)의 흡인측에 공급된다 (도 11 참고). 다단계 압축기가 사용되면, 제2 투과물 스트림 (9)이 두 압축 단계 사이의 압축기 내로 도입되는 것이 바람직하다.
성분 A 또는 투과물 가스 A가 크게 농후한 공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물은 제1 투과물 스트림 (6)을 수단으로 투과물 분리 단계 (3)에 공급된다. 필요한 경우, 투과물 분리 단계 (3)의 보유물 스트림, 즉 제3 보유물 스트림 (10)에서 압력-감소 밸브 (14)를 수단으로, 공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물의 압력이 상압으로 감소되는 것을 방지하는 것이 가능하다 (도 11 참고). 이렇게 하여, 투과물 분리 단계 (3)를 위한 구동력이 유지될 수 있다. 투과물 분리 단계 (3)는, 제3 투과물 스트림 (11)을 통해 장치로부터 배출되는, 95% 초과, 바람직하게는 97% 초과, 보다 바람직하게는 99% 초과의 성분 B의 또는 보유물 가스 B의 함량을 갖는 투과물을 생성한다. 특히 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 장치는, 조 가스 스트림 (17)과 함께 장치 내로 도입되는 공급 스트림 분리 단계 (1)의 보유물 성분의 5% 이하, 바람직하게는 3% 이하, 보다 바람직하게는 1% 이하, 가장 바람직하게는 0.5% 이하가 제3 투과물 스트림 (11)을 통해 배출되도록 구성된다.
투과물 분리 단계 (3)의 분리 단계에서 커트는 50 내지 95%, 바람직하게는 70 내지 93%이다.
제3 보유물 스트림 (10)은 재순환되고, 공급 스트림 (5)에 공급되고 재가공된다. 이는 앞서 이미 설명한 바와 같이, 여러 방식으로 이루어질 수 있고, 예를 들어 압축기 (4) 또는 심지어 다단계 압축기 (4)가 사용되는지의 여부에 좌우될 수 있다. 1-단계 압축기 (4)의 경우, 제3 보유물 스트림 (10)은 바람직하게는 압축기 (4)의 흡인측에 공급된다 (도 11 참고). 다단계 압축기가 사용된다면, 제3 보유물 스트림 (10)이 두 압축 단계 사이의 압축기 내로 도입된다. 바람직한 실시양태에서, 투과물 분리 단계 (3)의 보유물이 완전 압축해제 되지 않으면서 압축기 (4)의 증가된 압축 단계로 재순환되고/거나, 제2 단계의 투과물이 압축기 (4)의 증가된 압축 단계로 재순환된다.
본 발명에 따른 방법 또는 본 발명의 장치는 특히, 제2 투과물 스트림 (9) 및 제3 보유물 스트림 (10)으로 재순환되는 가스 부피의 합이 조 가스 스트림 (17)의 60부피% 미만, 바람직하게는 10 내지 50부피%, 가장 바람직하게는 20 내지 40부피% 미만이도록 구성되는 것이 주지된다. 재순환되는 보유물 가스 스트림의 양의 제어는, 예를 들어, 막 분리 단계 (1) 내지 (3)에서 해당 막 모듈의 선택 또는 시스템 내 압력 또는 흐름을 통해 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법 또는 장치는, 앞서 상세히 설명한 바와 같이, 매우 적은 회수 스트림에도 불구하고, 공급 스트림 (5) 중 투과물 성분의 농도 증가가 보장되는 것이 주지된다. 이는 전체 공정의 효율성을 현저하게 증가시킨다.
제1 투과물 스트림 (6)은 바람직하게는 투과물 분리 단계 (3)의 공급 압력이, 바람직하게는 투과물 분리 단계 (3)의 보유측 상의 압력-감소 밸브 (14)를 수단으로, 1 내지 30bar, 바람직하게는 2 내지 20bar, 보다 바람직하게는 3 내지 10bar이도록 이루어진다.
앞서 설명한 바와 같이, 다단계 압축기 (4)가 사용되는 것이 특히 유리하다. 이는 투과물 분리 단계 (3)의 보유물이 압축기 (4)의 두 압축기 단계 사이로 공급될 수 있으므로, 이러한 경우 투과물 분리 단계 (3)의 보유물의 완전 압력해제를 생략하는 것이 가능하기 때문이다.
공급 압력으로의 압축해제의 경우, 보유물 분리 단계 (2)가 선택도-제한된 범위 내에서 일반적으로 조작될 것이므로, 제2 투과물 스트림 (9)을 다단계 압축-증가 단위, 즉 다단계 압축기 (4)의 보다 높은 압력 수준으로만 압축해제하는 것이 권고될 수 있는데, 이는 분리 결과를 현저히 악화시키지 않으면서 압축 단위에 대한 조작 비용을 감소시키기 때문이다. 본 발명의 특히 바람직한 실시양태에서, 따라서 다단계 압축기 (4)가 사용되고, 가스 스트림 (9) 및 (10)이 각 경우 두 압축 단계 사이의 상기 압축기에 공급된다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 장치는 하나 이상의 압력-감소 밸브 (12), (13) 또는 (14)를 포함할 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 바람직하게는 압력-감소 밸브 (14)를 수단으로, 공급 스트림 분리 단계 (1)에 걸친 압력 감소가 1 내지 30bar, 바람직하게는 2 내지 20bar, 보다 바람직하게는 3 내지 10bar로 제한되는 것이 보장된다. 동시에 또는 대안적으로, 바람직하게는 압력-감소 밸브 (13)를 수단으로, 공급 스트림 분리 단계 (1) 및 보유물 분리 단계 (2)에 걸친 압력 감소가 1 내지 100bar, 바람직하게는 5 내지 80bar, 보다 바람직하게는 10 내지 70bar로 제한되는 것이 보장된다.
본 발명의 장치 또는 본 발명에 따른 방법는 원리적으로 2원 가스 혼합물 또는 멀티가스 혼합물을 분리할 수 있는 모든 막을 사용하여 실행할 수 있다. 사용되는 막 재료는 바람직하게는 중합체에 국한되지 않는다. 분리-활성 층에서 유용한 중합체는 더 바람직하게는 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리술폰, 셀룰로스 아세테이트 및 유도체, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리실록산, 고유한 미세다공성을 갖는 중합체, 혼합된 매트릭스 막, 촉진된 수송 막, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리프로필렌 옥시드, 탄소 막 또는 제올라이트, 또는 그의 혼합물이다.
특히 바람직한 막은, 분리-활성 층을 위한 재료로서, 또는 완전한 막을 위한 재료로서 하기 화학식의 폴리이미드를 포함한다.
상기 식에서,
R은 
으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
x, y는 0 < x < 0.5 및 1 > y > 0.5인 몰 분획이다.
이러한 막은 에보닉 피브레 게엠베하(Evonik Fibres GmbH)로부터 폴리이미드 P84 및 폴리이미드 P84 HT라는 명칭으로 입수가능하다. 이러한 바람직한 막을 제조하는 방법은 WO 2011/009919 A1에 개시되어 있다. 상기 문헌에 개시된 모든 막은 본 발명에 따른 방법에서 바람직하게 사용될 수 있다. 단순 반복을 피하기 위해, 전문이 본 특허 출원의 내용에 참고된다. 이러한 막이 최량의 분리 결과를 달성할 수 있음이 확인되었다
막은 중공 섬유 막 및/또는 편평한 막의 형태로 바람직하게 사용된다. 막은 모듈로 조립되고, 이는 그 후 분리 과제에 사용된다. 사용되는 모듈은 선행 기술에 공지된 모든 가스 분리 모듈일 수 있으며, 예를 들어 중공 섬유 가스 분리 모듈 뿐만 아니라, 나선으로 감긴 가스 분리 모듈, 쿠션 가스 분리 모듈 또는 관 다발 가스 분리 모듈일 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스 분리 막 모듈은 30 이상, 바람직하게는 35 이상, 보다 바람직하게는 40 이상, 더욱 더 바람직하게는 45 이상, 특히 바람직하게는 45 이상 내지 80의 성분 A 및 B의 혼합 가스 선택도 (= 막을 통한 스트림 A 대 스트림 B의 비율)를 갖는다. 보다 높은 선택도의 막은, 분리가 더욱 효과적으로 되고 보유물 분리 단계 (2)로부터 적은 투과물이 또는 투과물 분리 단계 (3)로부터의 적은 보유물이 재순환된다는 장점을 갖는다. 따라서, 특히 1-단계 압축기 (4)를 사용하는 경우, 적은 가스를 2회 압축하는 것이 필요하고, 이는 플랜트의 작동에서 경제적인 장점을 수반한다. 45의 선택도를 갖는 매우 선택적인 막 모듈의 경우, 조 가스로서 공급 스트림 분리 단계 (1)로 도입되는 가스의 오직 대략 35%만이 2회 압축되어야 하고, 선택도가 오직 10인 막 모듈의 경우, 이중 압축이 300%에까지 이를 수 있다. 35% 및 300%의 수치는 성분 A 및 B (= 공급)의 등몰량을 갖는 가스 혼합물을 적용한 실험을 기초로 하며, 98.5%의 성분 B가 단계 (2)의 보유물 가스 중에 존재하고, 99%의 성분 B가 단계 (3)의 투과물 스트림 중에 존재한다.
본 발명의 작업이 보다 선택적인 막을 사용하여 보다 경제적으로 실행가능한 방식으로 수행될 수 있고, 압축기의 필요한 크기 및 요구되는 에너지를 감소시킬 수 있다는 것이 명백하다.
본 발명에 따른 방법/본 발명의 장치는 순수한 막 공정이고, 다수의 적용을 위해 투과물 및/또는 보유물 스트림 (11) 또는 (8)의 임의의 부가적 정제가 필요하지 않다는 특정 장점을 갖는다. 예를 들어, 바이오가스 또는 천연 가스의 정제 (= 메탄으로부터 이산화탄소의 제거)의 경우, 보유물의 정교한 정제를 위한 압력 스윙 흡착 또는 아민 스크러빙이 더이상 전혀 필요하지 않고, 따라서 천연 가스 그리드 내로 공급될 수 있다.
부가적으로, 본 발명에 따른 방법/본 발명의 장치를 사용하여, 바이오가스 및 천연 가스 정제에서 동시에 순수한 보유물 스트림 (8) 및 순수한 투과물 스트림 (11)을 생성하는 것이 가능하다. 따라서, 이는 메탄의 어떠한 큰 손실없이 그리고 환경에 어떠한 큰 손상을 주지 않고, 촉매적 후연소에 의한 가스의 추가적 처리 또는 조합된 열 및 발전 장치 이용의 어떠한 필요없이 대기 중으로 배출될 수 있다. 따라서, 바이오가스 및 천연 가스를 위한 보다 경제적으로 실행가능한 정제 공정을 야기하는, 추가적인 플랜트 부분에 투자를 할 필요가 없다.
추가적 장점은 공지된 선행 기술 공정보다 본 발명에 따른 방법/본 발명의 장치에 훨씬 낮은 수준의 장치 복잡도 및 에너지 소비가 필요한 것으로 고려된다.
특히, 혼합 가스 선택도, 재순환된 보유물 스트림의 양의 제어 및 공급 스트림 (5) 중 투과물 성분의 증가의 조합을 통해, 선행 기술 공정보다 우수한 장치 또는 공정을 제공할 수 있다.
본 발명의 장치 또는 본 발명에 따른 방법은, 둘 이상의 가스를 포함하는 가스 혼합물의 분리를 위해 특히 사용할 수 있고, 분리되는 가장 바람직한 가스 혼합물은 주로 그러나 비배타적으로 이산화탄소 및 메탄의 혼합물 또는 주로 그러나 비배타적으로 수소 및 메탄의 혼합물 또는 주로 그러나 비배타적으로 일산화탄소 및 수소의 혼합물 또는 조 바이오가스 또는 조 천연 가스이다.
하기 실시예는 본 발명을 상세하게 예시 및 설명하기 위한 것이며, 어떠한 방식으로도 제한하지 않는다.
하기 실시예에서, 본 발명의 모듈의 연결 배열 및 특정 압력의 적용에 따라, 50 대 50 비율의 이산화탄소 및 메탄의 혼합물로부터 96% 초과의 순도의 메탄과 97% 초과의 순도의 이산화탄소를 동시에 제조하는것이 가능하다는 것이 나타났다.
비교 실시예 1: 중간정도의 선택적 폴리이미드 막을 사용한 50 대 50 혼합비를 갖는 메탄 및 이산화탄소의 혼합물의 분리
도 11에 보여진 연결 배열을 사용했다. 각각의 단계는 UBE로부터의 (NM B01 A 유형) 중공 폴리이미드 섬유로 이루어진 중공 섬유 막 모듈로 이루어졌다. 1.78m3/h의 50% 메탄 및 50% 이산화탄소의 조 가스 혼합물 (대략 바이오가스의 가스 혼합물에 상응함)을 혼합 챔버 (도 11에 보여지지 않음) 안에 도입하고, 그 후 가스 스트림 (9) 및 (10)으로 이루어진 재순환된 가스와 함께 25bar로 압축했다. 압축시키고 20℃로 냉각시킨 가스를 공급 스트림 분리 단계 (1)에 적용했다. 공급 스트림 분리 단계 (1)의 보유물을 후속하여 제1 보유물 스트림 (7)을 통해 보유물 분리 단계 (2)로 전달한다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유측 상의 감소 밸브 (13)를 18.2bara로 설정하고, 그에 따라 막 분리 단계 (1) 및 (2)의 막을 통한 구동력을 결정했다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유물의 함량은 98.5% 메탄 및 1.5% 이산화탄소였다. 0.895m3/h의 상기 혼합물이 보유물 분리 단계 (2)에서 나간다. 보유물 분리 단계 (2)의 투과물의 부피 유량은 0.743m3/h이고 메탄 함량은 34.5%이고 이산화탄소 함량은 65.5%이며, 이는 제2 투과물 스트림 (9)을 통해 혼합 챔버로 재순환되고, 다시 압축기 (4)에 의해 압축된다.
공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물의 부피 유량은 1.67m3/h이고 이산화탄소 함량은 91.0%이고 메탄 함량은 9.0%이며, 이는 공급물로서 제1 투과물 스트림 (6)을 통해 투과물 분리 단계 (3)로 전달된다. 단계 (1)의 막에 걸친 압력 감소는 상압까지 연장되지 않으며, 투과물 분리 단계 (3)의 보유측 상에서 감소 밸브 (14)에 의해 4.2bara로 제한된다. 이는 99.0% 이산화탄소 및 오직 1.0% 메탄의 조성으로 0.885m3/h의 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 투과물 스트림 (11)을 제공한다. 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 보유물 스트림 (10)은 17.9% 메탄 및 82.1% 이산화탄소의 조성을 갖고 0.801m3/h이고, 이는 혼합 챔버 내로 재순환되고, 다시 압축된다. 재순환된 가스 스트림 (9) 및 (10)의 합은 따라서 1.544m3/h이거나, 공급된 분리될 가스의 양을 기준으로 86.7%이다. 순수한 생성물 스트림은 비교적 높은 이중 압축률로 수득된다. 사용된 막은 메탄에 대한 이산화탄소의 20의 중간 정도의 혼합 가스 선택도를 갖는다.
실시예 1: 고도의 선택적 폴리이미드 막을 사용한 50 대 50 혼합비를 갖는 메탄 및 이산화탄소의 혼합물의 분리
도 11에 보여진 연결 배열을 사용했다. 각각의 단계는 모듈 당 약 5m2의 분리 면적을 갖는 고도의 선택적 중공 폴리이미드 섬유로 이루어진 중공 섬유 막 모듈로 이루어졌다. 이러한 중공 폴리이미드 섬유는, 10℃가 아닌 40℃의 침전 조 온도를 사용하여 실시한 것을 제외하고는 오스트리아 특허 출원 A1164/2009의 실시예 19에 따라 제조했다. 대략 바이오가스의 가스 혼합물에 상응하는, 1m3/h의 50% 메탄 및 50% 이산화탄소의 조 가스 혼합물을 혼합 챔버 내로 도입한 후, 가스 스트림 (9) 및 (10)으로 이루어진 재순환된 가스와 함께 25bar로 압축했다. 압축시키고 20℃로 냉각시킨 가스를 공급 스트림 분리 단계 (1)에 적용했다. 이 단계의 보유물을 제1 보유물 스트림 (7)을 통해 보유물 분리 단계 (2)로 전달한다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유측 상의 감소 밸브 (13)를 18.4bara로 설정하고, 그에 따라 막 분리 단계 (1) 및 (2)의 막을 통한 구동력을 결정했다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유물의 함량은 98.5% 메탄 및 1.5% 이산화탄소였다. 0.503m3/h의 상기 혼합물이 보유물 분리 단계 (2)에서 나간다. 보유물 분리 단계 (2)의 투과물의 부피 유량은 0.262m3/h이고 메탄 함량은 24.6%이고 이산화탄소 함량은 75.4%이며, 이는 제2 투과물 스트림 (9)을 통해 혼합 챔버로 재순환되고, 다시 압축기 (4)에 의해 압축된다.
공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물의 부피 유량은 0.547m3/h이고 이산화탄소 함량은 92.4%이고 메탄 함량은 7.6%이며, 이는 공급물로서 제1 투과물 스트림 (6)을 통해 투과물 분리 단계 (3)로 전달된다. 단계 (1)의 막에 걸친 압력 감소는 상압까지 연장되지 않으며, 투과물 분리 단계 (3)의 보유측 상에서 감소 밸브 (14)에 의해 5.0bara로 제한된다. 이는 99.0% 이산화탄소 및 오직 1.0% 메탄의 조성으로 0.497m3/h의 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 투과물 스트림 (11)을 제공한다. 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 보유물 스트림 (10)은 0.050m3/h이다. 재순환된 가스 스트림 (9) 및 (10)의 합은 따라서 0.312m3/h이거나, 공급된 분리될 가스의 양을 기준으로 31.2%이다. 순수한 생성물 스트림은 중간 정도의 이중 압축률로 수득된다. 사용된 막은 메탄에 대한 이산화탄소의 45의 높은 혼합 가스 선택도를 갖는다. 따라서, 비교 실시예에서의 20과 비교하여 45의 높은 선택도는, 86.7%가 아닌 31.2%의 보다 낮은 재압축에 의한 경제적으로 보다 바람직한 공정을 가능하게 한다.
실시예 2: 고도의 선택적 폴리이미드 막을 사용한, 투과물 스트림 중 메탄 함량이 0.5% 미만인, 50 대 50 혼합비를 갖는 메탄 및 이산화탄소의 혼합물의 분리
여러 입법자들을 만족시키기 위해, 대기로의 메탄 손실을 최소화시키는 것이 필요하다. 도 11에 보여진 연결 배열을 사용하여 제3 투과물 스트림 (11) 중 메탄의 농도를 0.5부피% 미만으로 감소시켰다. 각각의 단계는 모듈 당 약 5m2의 분리 면적을 갖는 고도의 선택적 폴리이미드로 이루어지는 중공 섬유 막 모듈로 이루어졌다. 이러한 중공 폴리이미드 섬유는 10℃가 아닌 40℃의 침전 조 온도를 사용하여 실시한 것을 제외하고는 오스트리아 특허 출원 A1164/2009의 실시예 19에 따라 제조했다. 대략 바이오가스의 가스 혼합물에 상응하는, 1m3/h의 50% 메탄 및 50% 이산화탄소의 조 가스 혼합물을 혼합 챔버 내로 도입한 후, 가스 스트림 (9) 및 (10)으로 이루어진 재순환된 가스와 함께 25bar로 압축했다. 압축시키고 20℃로 냉각시킨 가스를 공급 스트림 분리 단계 (1)에 적용했다. 이 단계의 보유물을 제1 보유물 스트림 (7)을 통해 보유물 분리 단계 (2)로 전달한다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유측 상의 감소 밸브 (13)를 18.1bara로 설정하고, 그에 따라 막 분리 단계 (1) 및 (2)의 막을 통한 구동력을 결정했다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유물의 함량은 98.5% 메탄 및 1.5% 이산화탄소였다. 0.505m3/h의 상기 혼합물이 보유물 분리 단계 (2)에서 나간다. 보유물 분리 단계 (2)의 투과물의 부피 유량은 0.244m3/h이고 메탄 함량은 26.1%이고 이산화탄소 함량은 73.9%이며, 이는 제2 투과물 스트림 (9)을 통해 혼합 챔버로 재순환되고, 다시 압축기 (4)에 의해 압축된다.
공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물의 부피 유량은 0.607m3/h이고 이산화탄소 함량은 93.1%이고 메탄 함량은 6.9%이며, 이는 공급물로서 제1 투과물 스트림 (6)을 통해 투과물 분리 단계 (3)로 전달된다. 단계 (1)의 막에 걸친 압력 감소는 상압까지 연장되지 않으며, 투과물 분리 단계 (3)의 보유측 상에서 감소 밸브 (14)에 의해 4.4bara로 제한된다. 이는 99.5% 이산화탄소 및 오직 0.5% 메탄의 조성으로 0.495m3/h의 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 투과물 스트림 (11)을 제공한다. 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 보유물 스트림 (10)은 0.112m3/h이고, 35% 메탄 및 65% 이산화탄소의 조성을 갖고, 이는 혼합 챔버 내로 재순환되고, 다시 압축된다. 재순환된 가스 스트림 (9) 및 (10)의 합은 따라서 0.356m3/h이거나, 공급된 분리될 가스의 양을 기준으로 35.6%이다. 순수한 생성물 스트림은 중간 정도의 이중 압축률로 수득된다. 사용된 막은 메탄에 대한 이산화탄소의 45의 높은 혼합 가스 선택도를 갖는다.
실시예 3: 단계 2의 투과물을 위해 진공 펌프로 보조한, 고도의 선택적 폴리이미드 막을 사용한, 투과물 스트림 중 메탄 함량이 0.5% 미만인, 50 대 50 혼합비를 갖는 메탄 및 이산화탄소의 혼합물의 분리
여러 입법자들을 만족시키기 위해, 대기로의 메탄 손실을 최소화시키는 것이 필요하다. 도 11에 보여지지 않은 진공 펌프로 보조한 도 11에 보여진 연결 배열을 사용하여 제3 투과물 스트림 (11) 중 메탄의 농도를 0.5부피% 미만으로 감소시켰다. 각각의 단계는 모듈 당 약 5m2의 분리 면적을 갖는 고도의 선택적 중공 폴리이미드로 이루어지는 중공 섬유 막 모듈로 이루어졌다. 이러한 중공 폴리이미드 섬유는 10℃가 아닌 40℃의 침전 조 온도를 사용하여 실시한 것을 제외하고는 오스트리아 특허 출원 A1164/2009의 실시예 19에 따라 제조했다. 대략 바이오가스의 가스 혼합물에 상응하는, 1m3/h의 50% 메탄 및 50% 이산화탄소의 조 가스 혼합물을 혼합 챔버 내로 도입한 후, 가스 스트림 (9) 및 (10)으로 이루어진 재순환된 가스와 함께 25bar로 압축했다. 압축시키고 20℃로 냉각시킨 가스를 공급 스트림 분리 단계 (1)에 적용했다. 이 단계의 보유물을 제1 보유물 스트림 (7)을 통해 보유물 분리 단계 (2)로 전달한다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유측 상의 감소 밸브 (13)를 14.5bara로 설정하고, 그에 따라 막 분리 단계 (1) 및 (2)의 막을 통한 구동력을 결정했다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유물의 함량은 98.5% 메탄 및 1.5% 이산화탄소였다. 0.505m3/h의 상기 혼합물이 보유물 분리 단계 (2)에서 나간다. 진공 펌프에 의해 확립된 보유물 분리 단계 (2)의 투과물의 압력은 0.2bara이고, 부피 유량은 0.371m3/h이고 메탄 함량은 13.3%이고 이산화탄소 함량은 86.7%이다. 가스 스트림은 진공 펌프의 압력측으로부터 제2 투과물 스트림 (9)을 통해 혼합 챔버로 재순환되고, 다시 압축기 (4)에 의해 압축된다.
공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물의 부피 유량은 0.542m3/h이고 이산화탄소 함량은 94.8%이고 메탄 함량은 5.2%이며, 이는 공급물로서 제1 투과물 스트림 (6)을 통해 투과물 분리 단계 (3)로 전달된다. 단계 (1)의 막에 걸친 압력 감소는 상압까지 연장되지 않으며, 투과물 분리 단계 (3)의 보유측 상에서 감소 밸브 (14)에 의해 4.4bara로 제한된다. 이는 99.5% 이산화탄소 및 오직 0.5% 메탄의 조성으로 0.495m3/h의 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 투과물 스트림 (11)을 제공한다. 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 보유물 스트림 (10)은 0.047m3/h이고, 54.9% 메탄 및 45.1% 이산화탄소의 조성을 갖고, 이는 혼합 챔버 내로 재순환되고, 다시 압축된다. 재순환된 가스 스트림 (9) 및 (10)의 합은 따라서 0.417m3/h이거나, 공급된 분리될 가스의 양을 기준으로 41.7%이다. 순수한 생성물 스트림은 중간 정도의 이중 압축률로 수득된다. 사용된 막은 메탄에 대한 이산화탄소의 45의 높은 혼합 가스 선택도를 갖는다. 상기 실시예 2와는 대조적으로 낮은 압력이 요구되고 (18.1bar가 아닌 14.5bar = 압력의 80.1%), 오직 6.1% 더 이중 압축되고 이는 압축 작업에서 절약을 야기한다.
실시예 4: 단계 2의 투과물을 위해 진공 펌프로 보조한, 고도의 선택적 폴리이미드 막을 사용한, 투과물 스트림 중 메탄 함량이 0.5% 미만이고 개선된 보유물 순도를 갖는 50 대 50 혼합비를 갖는 메탄 및 이산화탄소의 혼합물의 분리
여러 입법자들을 만족시키기 위해, 대기로의 메탄 손실을 최소화시키는 것이 필요하다.
도 11에 보여지지 않은 진공 펌프로 보조한 도 11에 보여진 연결 배열을 사용하여 제2 보유물 스트림 (8) 중 메탄의 농도를 증가시켰다. 구동력이 증가되고 제2 보유물 스트림 (8) 내에서 보다 높은 순도가 달성되도록, 진공은 제2 투과물 스트림 (9) 중 압력을 감소시킴으로써 보유물 분리 단계 (2)에서 압력비를 개선시킨다.
각각의 단계는 모듈 당 약 5m2의 분리 면적을 갖는 것으로 이루어졌다. 이러한 중공 폴리이미드 섬유는 10℃가 아닌 40℃의 침전 조 온도를 사용하여 실시한 것을 제외하고는 오스트리아 특허 출원 A1164/2009의 실시예 19에 따라 제조했다. 대략 바이오가스의 가스 혼합물에 상응하는, 1m3/h의 50% 메탄 및 50% 이산화탄소의 조 가스 혼합물을 혼합 챔버 내로 도입한 후, 가스 스트림 (9) 및 (10)으로 이루어진 재순환된 가스와 함께 25bar로 압축했다. 압축시키고 20℃로 냉각시킨 가스를 공급 스트림 분리 단계 (1)에 적용했다. 이 단계의 보유물을 제1 보유물 스트림 (7)을 통해 보유물 분리 단계 (2)로 전달한다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유측 상의 감소 밸브 (13)를 18.1bara로 설정하고, 그에 따라 막 분리 단계 (1) 및 (2)의 막을 통한 구동력을 결정했다. 보유물 분리 단계 (2)의 보유물의 함량은 99.7% 메탄 및 0.3% 이산화탄소였다. 0.499m3/h의 상기 혼합물이 보유물 분리 단계 (2)에서 나간다. 진공 펌프에 의해 확립된 보유물 분리 단계 (2)의 투과물의 압력은 0.2bara이고, 부피 유량은 0.258m3/h이고 메탄 함량은 25.8%이고 이산화탄소 함량은 74.2%이다. 가스 스트림은 진공 펌프의 압력측으로부터 제2 투과물 스트림 (9)을 통해 혼합 챔버로 재순환되고, 다시 압축기 (4)에 의해 압축된다.
공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물의 부피 유량은 0.608m3/h이고 이산화탄소 함량은 93.2%이고 메탄 함량은 6.8%이며, 이는 공급물로서 제1 투과물 스트림 (6)을 통해 투과물 분리 단계 (3)로 전달된다. 단계 (1)의 막에 걸친 압력 감소는 상압까지 연장되지 않으며, 투과물 분리 단계 (3)의 보유측 상에서 감소 밸브 (14)에 의해 4.4bara로 제한된다. 이는 99.5% 이산화탄소 및 오직 0.5% 메탄의 조성으로 0.501m3/h의 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 투과물 스트림 (11)을 제공한다. 투과물 분리 단계 (3)로부터의 제3 보유물 스트림 (10)은 0.107m3/h이고, 36.2% 메탄 및 63.8% 이산화탄소의 조성을 갖고, 이는 혼합 챔버 내로 재순환되고, 다시 압축된다. 재순환된 가스 스트림 (9) 및 (10)의 합은 따라서 0.366m3/h이거나, 공급된 분리될 가스의 양을 기준으로 36.6%이다. 순수한 생성물 스트림은 중간 정도의 이중 압축률로 수득된다. 사용된 막은 메탄에 대한 이산화탄소의 45의 높은 혼합 가스 선택도를 갖는다. 상기 실시예 3과는 대조적으로 보유물 분리 단계 (2)의 투과측 상에서의 진공 펌프의 사용은 동일한 압축기 출력으로 훨씬 더 깨끗한 보유물을 제공한다 (98.5%가 아닌 99.7% 메탄).
[도면의 간단한 설명]
도 1: 분리 결과에 대한 압력비 및 선택도의 영향
도 2: 재순환되지 않는 1-단계 막 분리 단계
도 3: 재순환되는 1-단계 막 분리 단계
도 4: 재압축 및 재순환되는 2-단계 막 분리 단계
도 5: 제1 보유물 단계의 상류의 제2 보유물 단계에서 재압축 및 재순환되는 보유물 및 투과물을 위한 단계적 배열
도 6: 제2 보유물 단계의 상류의 제2 보유물 단계에서 재압축 및 재순환되는 보유물 및 투과물을 위한 단계적 배열
도 7: 재압축되는 투과물을 위한 단계적 배열
도 8: 제2 단계로부터 투과물이 재순환되는 단계적 배열 및 재압축되는 투과물을 위한 단계적 배열
도 9: 제2 단계로부터 투과물이 재순환되는 보유물을 위한 단계적 배열
도 10: 투과물을 위한 내부 단계적 배열을 갖는 연결 배열
도 11: 본 발명에 따른 여러 막 모듈의 예시적 연결 배열
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1: 공급 스트림 분리 단계
2: 보유물 분리 단계
3: 투과물 분리 단계 3
4: 1-단계 또는 다단계 압축기
5: 공급 스트림
6: 제1 투과물 스트림
7: 제1 보유물 스트림
8: 제2 보유물 스트림
9: 제2 투과물 스트림
10: 제3 보유물 스트림
11: 제3 투과물 스트림
12: 제1 보유물 스트림 7 내 임의적 압력-감소 밸브
13: 제2 보유물 스트림 8 내 임의적 압력-감소 밸브
14: 제3 보유물 스트림 10 내 임의적 압력-감소 밸브
15: 진공 펌프 (도면에 보여지지 않음)
16: 혼합 챔버 (도면에 보여지지 않음)
17: 조 가스 스트림
2: 보유물 분리 단계
3: 투과물 분리 단계 3
4: 1-단계 또는 다단계 압축기
5: 공급 스트림
6: 제1 투과물 스트림
7: 제1 보유물 스트림
8: 제2 보유물 스트림
9: 제2 투과물 스트림
10: 제3 보유물 스트림
11: 제3 투과물 스트림
12: 제1 보유물 스트림 7 내 임의적 압력-감소 밸브
13: 제2 보유물 스트림 8 내 임의적 압력-감소 밸브
14: 제3 보유물 스트림 10 내 임의적 압력-감소 밸브
15: 진공 펌프 (도면에 보여지지 않음)
16: 혼합 챔버 (도면에 보여지지 않음)
17: 조 가스 스트림
Claims (18)
- 막 분리 단계 (1) 내지 (3), 1개 이상의 압축기 (4) 및/또는 1개 이상의 진공 펌프(들) (15)을 포함하며,
공급 스트림 분리 단계 (1)는 2종 이상의 성분으로 이루어진 공급 스트림 (5)을 제1 투과물 스트림 (6) 및 제1 보유물 스트림 (7)으로 분리하고,
보유물 분리 단계 (2)는 제1 보유물 스트림 (7)을, 공급 스트림 (5)으로 공급되는 제2 투과물 스트림 (9) 및 생성물로서 인출되는 제2 보유물 스트림 (8)으로 분할시키고,
투과물 분리 단계 (3)는 제1 투과물 스트림 (6)을, 공급 스트림 (5)으로 공급되는 제3 보유물 스트림 (10) 및 생성물로서 인출되는 제3 투과물 스트림 (11)으로 분할시키고,
- 제1 투과물 스트림 (6)을 임의의 재압축에 적용시키지 않고,
- 적어도 공급 스트림 분리 단계 (1)에서, 투과물 가스 A 및 보유물 가스 B에 대한 30 이상의 혼합 가스 선택도를 갖는 가스 분리 막 모듈을 사용하고,
- 제2 투과물 스트림 (9) 및 제3 보유물 스트림 (10)에서 재순환되는 가스 부피의 합이 조 가스 스트림 (17)의 부피의 60부피% 미만이도록 장치를 구성하고,
- 공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물 가스 A의 농도가, 제2 투과물 스트림 (9)의 재순환 및 제3 보유물 스트림 (10)의 재순환 이후, 조 가스 스트림 (17) 내에서의 투과물 가스 A의 농도와 비교하여, 공급 스트림 (5) 내에서 증가하는 것
을 특징으로 하는, 가스를 분리하기 위한 장치. - 제1항에 있어서, 제2 투과물 스트림 (9) 및 제3 보유물 스트림 (10)이 재가공을 위해 압축기 (4)의 흡인측을 따라 전달되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 다단계 압축기 (4)가 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제3항에 있어서, 제2 투과물 스트림 (9) 및/또는 제3 보유물 스트림 (10)이 두 압축 단계 사이의 압축기 (4) 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 제1 보유물 스트림 (7) 및/또는 제2 보유물 스트림 (8) 및/또는 제3 보유물 스트림 (10)이 압력-감소 밸브를 통과하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 35 이상의 혼합 가스 선택도를 갖는 가스 분리 막 모듈이 막 분리 단계 (1) 내지 (3) 중 적어도 하나에서 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 막 분리 단계 (1) 내지 (3) 중 적어도 하나가 병렬 및/또는 직렬로 연결된 하나 초과의 가스 분리 막 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 가스 분리 막 모듈(들)이 중공 섬유 막 및/또는 편평한 막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 막의 분리-활성 층에 사용되는 재료가 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리술폰, 셀룰로스 아세테이트, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리실록산, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리프로필렌 옥시드 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제9항에 있어서, 막의 분리-활성 층에 사용된 재료가 하기 화학식의 폴리이미드인 것을 특징으로 하는 장치.
상기 식에서,
R은으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
x, y는 0 < x < 0.5 및 1 > y > 0.5인 몰 분획이다. - 제1항에 있어서, 조 가스 스트림 (17)과 함께 장치 내로 도입된 공급 스트림 분리 단계 (1)의 보유물 성분의 95% 이상이 제2 보유물 스트림 (8)을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 조 가스 스트림 (17)과 함께 장치 내로 도입된 공급 스트림 분리 단계 (1)의 보유물 성분의 5% 이하가 제3 투과물 스트림 (11)을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물의 분리 방법.
- 제13항에 있어서, 사용되는 가스 혼합물이 이산화탄소 및 메탄을 포함하거나, 또는 수소 및 메탄을 포함하거나, 또는 일산화탄소 및 수소를 포함하거나, 또는 조 바이오가스, 또는 조 천연 가스인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제13항에 있어서, 공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과측 (6) 상의 압력을 1 내지 30bar로 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제13항에 있어서, 제1 및 제2 보유물 스트림 (7) 및 (8)의 압력을 1 내지 100bar로 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제13항에 있어서, 분리 과제에 사용되는 구동력이 각각의 막 분리 단계에서의 보유측과 투과측 사이의 부분압 차이이고, 부분압 차이를 다음 중 하나 이상에 의해 생성하는 것을 특징으로 하는 방법:
공급 스트림 (5) 내 압축기;
제2 투과물 스트림 (9) 내 진공 펌프 (15);
제3 투과물 스트림 (11) 내 진공 펌프 (15); 및
투과측 퍼지 가스 스트림. - 제16항에 있어서, 투과물 분리 단계 (3)의 보유물과 투과물 사이에 여전히 부분압 차이가 존재하도록 공급 스트림 분리 단계 (1)의 투과물의 압력이 주위 압력에 대하여 동일하거나 더 높고, 따라서 투과물 분리 단계 (3)의 투과물이 주위 압력에 있거나 또는 감압에 적용된 경우에 구동력이 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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