Adsorber (moisture dryer) TSA design (Based on GPSA)

Tower는 흡착제가 수분으로 포화되기 전에 switching해야 하며, 건조 가스 일부를 이용하여 재생 및 냉각에 사용되고 inlet separator로 recycle된다.

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흡착탑은 glycol dehydration보다 투자비와 운전비가 높아, solid 흡착탑은 대부분 H2S농도가 높은 가스나 water dew point가 매우 낮게 요구될 때, 물과 HC dewpoint를 동시에 만족해야 할 경우, 그리고 O2를 포함하는 special case에 국한된다.

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아울러 후단이 초저온 공정일 경우 hydrate와 ice형성을 방지하기 위해 전통적인 methanol injection보다는 solid desiccant dehydration을 선호한다. Solid desiccant는 NGL liquid의 drying이나 sweetening에도 적용된다.

 

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desiccant종류는 아래와 같다.

desiccant	특징
Gel	친수성을 갖도록 알루미나나 실리카 겔을 제조 및 conditioning함. 실리카 겔은 황산과 sodium silicate로부터 제조되는 SiO2임. 가스와 액체 dehydration과 천연가스로부터 C5이상의 HC recovery에 이용되며 dehydration에 이용할 경우 outlet dew point는 약 -60F (-51C)임.
Alumina	Aluminum oxide를 가열하여 활성화시킴. Alumina oxide (Al2O3)의 hydrated 형태이며 가스와 액체 dehydration에 이용되며 outlet dew point는 약 -90F (-68C)임. 알루미나와 실리카 겔을 재생하는데 molecular sieve보다 더 적은 열이 필요하며 재생온도도 낮다.
Molecular sieve	결정화 구조에 따른 선택도를 보여주는 aluminosilicate의 종류임. 가스와 액체를 동시에 건조 및 sweetening하는데 이용할 수 있다. 에탄을 회수하기 위한 극저온에서 운전되는 NGL recovery plant전단에서 사용됨. 다른 흡착제보다 비싸지만 outlet dew point는 약 -150F (-101C)임.

 

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Typical desiccant properties

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Static equilibrium capacity vs. relative humidity for various desiccant

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4A-DG MOLSIV pellet- water adsorption isotherm (UOP adsorbent)

 

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위 chart는 공기 외에 천연가스 내 수분 제거에도 이용될 수 있다. 보통 bed는 흡착을 8~24시간 동안 수행하도록 설계되며, 재생은 375~600F로 가열하여 물을 제거한다. 실리카겔은 375F, molecular sieve는 600F이며, alumina gel과 activated alumina는 그 사이의 온도에서 재생이 된다. 재생은 보통 dry gas의 slipstream을 이용한다. 열원이 주요 운전비용임에 따라 폐열을 활용하는 것이 경제성을 높일 수 있다.

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흡착은 일반적으로 downflow이며 이는 보다 빠른 속도를 허용하더라도 bed가 부유하지 않고 bed의 직경도 줄일 수 있기 때문이다. 반면 재생시 가열은 upflow방향이며 desiccant에 남을 수 있는 잔여 수분이 bottom이 아닌 top에 존재할 수 있어서 결국 흡착시 downflow로 흐르므로 (bottom bed에는 수분이 없으므로) performance를 맞출 수 있다. 아울러 upflow heating에 의해 bed top으로부터 오염물들을 제거함으로서 desiccant life를 연장할 수 있다.

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냉각시 수분이 완벽이 제거된 dry 가스를 이용한다면 재생가스는 upflow일 수 있으며 이 경우 가열절차와 동일하여 tower당 2개의 switching valve를 줄일 수 있다. 만약 cooling gas내에 수분이 있다면 bed bottom에서 물로 인한 desiccant의 preloading을 피하기 위해 냉각은 downflow이어야 한다. 즉 upflow일 경우 bed bottom에 물이 preloading될 수 있다.

 

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Design

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먼저 bed직경을 구하되 이는 가스의 superficial velocity에 의존하며, 직경이 클수록 channeling을 방지하기 위해 더 많은 재생 가스량이 필요하다. 반면 직경이 작을수록 차압이 커지고 sieve에 손상을 줄 수 있다. 차압은 modified Ergun equation에 의해 계산이 되며 이는 superficial velocity와도 관련이 된다.

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위 식에서 단위길이당 차압을 0.33psi/ft로 가정하고 가스 조성과 온도를 가정하여 아래와 같은 그래프를 유도할 수 있다.

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Bed를 통한 차압은 5psi가 되어야 하며 8psi이상이 되면 desiccant가 깨지기 쉽고 bed 무게와 차압 힘에 의해 crushing될 수 있다. Bed 높이가 결정되고 나서 차압을 꼭 check해야 한다. 일단 허용되는 superficial velocity가 estimation된 후 이 값으로 부피유량을 나누면 단면적을 얻고 이후 bed의 최소 직경을 계산하여 가장 작은 표준 직경을 선정한다.

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선정된 직경에 대해 다시 adjusted superficial velocity를 구한다. 최대 superficial velocity는 아래와 같이 재배열할 수 있고 오른쪽의 두 번째 term은 다른 것에 비해 매우 작아 삭제하기도 한다.

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단위 길이당 최대 차압은 sieve type, size, 모양에 의존하지만 typically 0.33psi/ft를 적용한다.

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다음 단계가 흡착시간을 선정하고 필요로 하는 desiccant양을 계산한다. 흡착시간으로 보통 8~12시간을 사용하며 만약 feed gas가 물로 포화되어 있지 않다면 12시간 이상 적용할 수 있다. 흡착시간이 길수록 재생 회수가 작아져 결국 sieve life가 길어지지만, bed크기가 커짐에 따라 투자비가 증가할 수 있다.

 

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흡착시 3 zone 형태로 운전이 된다. Top zone은 포화 혹은 평형존이라고 하여 이 영역의 desiccant는 wet inlet gas와 평형을 이룬다. 다음 middle 혹은 MTZ (Mass Transfer Zone)이라고 하여 이 영역에서의 가스중 수분 농도가 inlet 농도에서 1ppm이하로 줄어든다.

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Bottom zone은 미사용 desiccant로서 active zone이라고 하며 만약 흡착과정이 너무 길게 지연이 되면 MTZ가 bed bottom으로 이동하여 breakthrough를 야기하여 수분을 제거할 수 없게 된다.

 

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물을 흡착하는 capacity나 흡착률은 시간이 지나면서 감소하므로 충분한 desiccant를 설치해야 하며 3~5년이 지난 후에는 MTZ이 흡착기간의 끝부분에서 bed의 bottom으로 이동될 것이다.

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Saturation zone에서 molecular sieve는 sieve 100lb당 수분 13lb를 흡착할 수 있으며 이는 3~5년의 life time에서의 정보이며, 새로운 molecular sieve는 20% 가까이 흡착할 수 있다.

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하지만 이 capacity는 가스가 물로 포화되지 않았거나 온도가 75F이상일 경우에는 adjusted되어야 한다. 아래는 mol sieve의 correction factor이다.

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Saturation zone에서 필요로 하는 desiccant양을 계산하기 위해 먼저 제거해야 할 수분의 양을 결정한 후 effective capacity로 나눈다.

 

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Mol sieve의 spherical particle의 경우 bulk density는 42~46 lb/ft3이고, extruded cylinder는 40~44lb/ft3이다.

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비록 MTZ에도 물을 포함하지만 (대략 equilibrium capacity의 50% 정도) 보수적으로 saturation zone에서 제거될 모든 수분을 포함하는 것으로 가정하여 그 양을 추정한다.

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MTZ의 길이는 아래와 같이 계산한다. Z의 경우 1/8” sieve일 경우 1.7ft, 1/16” sieve일 경우 0.85ft를 적용한다.

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전체 bed 높이는 saturation zone과 MTZ의 높이의 합이며, 다만 vessel 직경 혹은 6ft 중 큰 값보다 작아서는 안된다.

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다음은 bed를 통한 차압을 계산하며, selected diameter에서의 차압은 아래 식을 통해 계산된다.

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계산결과 전체 차압은 5~8psi범위이어야 하며, 3년 동안 운전할 경우의 차압은 초기 차압의 2배 가까이 증가하게 되며 차압이 너무 커지고 bed 무게로 인해 sieve가 crushing될 수도 있다. 만약 차압이 8psi를 초과하게 되면 bed 직경을 키우고 sieve양과 vessel dimension을 재계산해야 한다.

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두 번째 방법으로 아래 식을 이용하되, 13%의 saturation capacity를 effective desiccant capacity로 교체하며, effective desiccant capacity는 MTZ effect, 온도 및 상대습도 보정을 포함한다.

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이 방법을 적용시 8~10%의 effective capacity를 적용하며 이는 초기 planning이나 feasibility 계산시 유용하게 사용될 수 있다.

 

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마지막으로 tower의 길이를 추정하기 위해 ​bed 높이에 3ft를 더하며 이 공간은 inlet distributor, sieve bed 아래와 위의 bed support, hold down ball을 설치한다.

 

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재생 계산

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물을 탈착하기 위해 필요한 열, desiccant와 vessel을 가열하기 위한 열 그리고 heat loss는 10%를 고려한다.

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Trg는 외부 단열을 기준으로 bed와 vessel이 가열되어야 할 온도이며, 이는 보통 tower로 들어가는 뜨거운 재생 가스 온도보다 약 50F 낮다.

 

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Vessel ID에 따른 ASME VIII기준 두께는 아래와 같다. 이는 SA516 Grade 70 steel이 650F 및 welded joint efficiency 1에서 최대 허용되는 tensile stress 18,800 psi기준이며, 600F에서는 19,400psi에 해당된다. 설계압력은 MOP의 110%에서 고려한다.

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아래 식의 0.125는 부식여유율로서 inch단위이다. 0.75는 tower head에 대한 무게를 고려한 것이며, 3은 inlet distributor, support ball, hold down ball에 대한 공간 높이를 의미한다.

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재생가스 유량을 결정하기 위해 먼저 재생에 필요한 total load를 계산한다. 아래 식의 2.5는 재생기간 동안 시간에 따른 bed를 통한 온도차이의 변화를 보정한 것이다.

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이는 total heat의 40%만이 hot 가스로부터 bed, vessel로 열전달 그리고 대기로 heat loss를 고려하고 나머지는 hot gas 형태로 나간다는 의미임. 재생가스 유량은 아래 식으로부터 계산이 된다.

Heat capacity는 아래와 같이 계산이 되며 다양한 압력에서의 HT선도로부터의 엔탈피를 이용한다.

Hot gas 온도인 Thot은 Bed가 가열되어야 할 온도인 Trg온도보다 약 50F 높다. Tb는 bed온도이며 재생 초기의 온도이고 이는 dehydration plant feed온도와 같다.

 

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Heating time은 보통 전체 재생시간의 50~60%이며 typical한 온도 프로파일은 아래와 같다. 8시간의 흡착기간에 대해 재생의 가열은 4.5시간, 냉각은 3시간, switching 및 stand-by는 약 30분 정도이다.

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오랜 운전 시간 이후 bed를 통한 even flow distribution을 위해 최소 차압이 적어도 0.01psi/ft를 유지할 경우 가열시간은 더 연장될 수 있다.

 

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재생시의 재생가스의 superficial velocity는 최소 필요 차압인 0.01psi/ft를 유지할 수 있는 유속보다 작아서는 안된다. 가스 조성과 온도 및 bed 길이당 차압을 0.01psi/ft로 가정하여 아래와 같은 plot을 이용할 수 있다. 만약 계산된 속도가 이 값보다 작다면 재생가스 유량을 속도 비율만큼 늘리고 반면 재생 시간은 속도 비율만큼 줄인다.

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Min superficial velocity는 아래 식을 이용하되 max값을 min값으로 고려하여 적용한다.

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Minimum regeneration velocity for mol sieve dehydrator

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General comment

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재생 사이클은 종종 운전압력이 고압일 경우 속도 기준을 맞추기 위해 재생가스 부피를 최대화하거나 재생가스 압력과 matching하기 위해 감압 및 가압 과정을 포함할 수 있다. 이 경우 감압 및 가압은 50psi/min을 초과해서는 안된다.

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Moisture (dew point) analyzer의 경우 probe는 온도 sensor처럼 gas phase의 중간까지 도달되어야 하므로 가스 유속 및 fine으로 인한 damage가 되지 않도록 주의해야 한다.

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재생시간이 극히 제한적일 경우에는 refractory를 고려하며 이 경우 에너지를 절약할 수 있고 가열시간과 냉각시간을 줄일 수 있다. 하지만 단점으로 흡착과정에서 wet gas가 refractory의 결함이나 crack을 통해 desiccant를 bypass할 수 있다.

 

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재생가스로서 흡착탑 후단의 dry gas를 이용할 경우 그 양만큼 feed gas에 더해져야 하며 trial & error를 통해 확정한다. Initial guessing은 feed gas의 10%를 고려한다.

 

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Bottom bed support로 3~5 layer의 ceramic ball을 설치하고 bed top에도 hold down grid와 ceramic ball이 설치된다. 다만, 가격이 상대적으로 저렴한 desiccant를 bed top에 설치할 수도 있다. Free water, glycol, HC, amine등 불순물을 제거하여 bed의 수명을 늘릴 수 있다.

 

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흡착탑 운전동안 dust가 생길 수 있으므로 후단에 1마이크론 필터를 설치하여 후단 설비를 보호한다. 운전간에 주기적으로 성능을 check하여 필요시 흡착 사이클 길이를 조정해야 하며, 보통 초기에는 1달 기준, 이후 6개월 term을 두어 성능 테스트를 해야 한다.

 

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