KR100351621B1 - 압력순환식 흡착공정을 이용한 다목적 산소 제조장치 및제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 공기로부터 산소를 분리하는데 있어서 흡착제의 흡착특성을 최대한 이용한 내부 열교환기를 이용하여 탈착성능을 극대화시키고, 역방향 압력균등화를 이용하여 산소의 순도를 최대화시키는 것을 특징으로 한다.

산소의 순도 조절이 극히 용이하며 원하는 농도의 산소를 얻을 수 있도록 개선된 본 발명의 산소 제조장치 및 제조방법을 이용하면 산소농도의 조절이 용이하고 고순도의 산소를 비롯하여 저순도의 산소도 필요에 맞게 이용할 수 있다.

Description

압력순환식 흡착공정을 이용한 다목적 산소 제조장치 및 제조방법{Multi Purpose Oxygen Generator using Pressure Swing Adsorption and Method}

본 발명은 압력순환식 흡착공정을 이용한 다목적 산소 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흡착단계에서는 온도를 낮추고 탈착단계에서는 온도를 높여서 흡착 및 탈착효율을 증가시킬 수 있는 열교환기 수단을 적용하고, 또 흡착이 종료된 탑의 상부와 세정이 종료된 탑의 중간을 연결하여 수분 및 산소의 이동을 제한하는 역방향 압력균등화 방법을 적용함으로써, 흡착 및 탈착단계에서 공정의 운전효율을 높일 수 있고 흡착단계에서 원하는 농도의 산소를 얻을 수 있도록 하여 전체적으로 공정의 효율성을 향상시킬 수 있도록 한 압력순환식 흡착공정을 이용한 다목적 산소 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 산소 발생기의 경우 세가지 방법으로 구현되는데, 그 하나는 과탄산소다 등의 화학물질을 이용하여 화학반응을 유도함으로써 단시간 동안 고순도의 산소를 발생시키는 방법이다(대한민국 공개특허 제86-8087호).

이 방법은 과탄산소다에 이산화망간이나 특정 효소를 촉매로 이용하여 물과 함께 반응시킴으로서 산소를 발생시키는 방법인데, 이 방법은 쉽게 산소를 만들 수 있다는 장점이 있지만 발생시간이 극히 짧아 응급을 요하는 환자에게 임시로 산소를 투여하는 정도로 밖에 사용할 수 없기 때문에 일반적인 용도의 산소 발생기로는 부적합하다.

또 하나의 방법은 물을 전기분해하는 방법으로 이는 전통적으로 많이 사용되는 방법이다.

이 방법은 전기의 소모가 많고 소모품의 가격이 높을 뿐만 아니라 순수한 물을 이용해야 하는 등 여러 제약조건이 따라 이용하기 매우 어렵다.

산소를 제조하는 세번째 방법으로는 공기를 이용하는 방법이 있는데, 규모가 클 경우에는 액화공기의 저온증류법을 이용하여 산소를 제조할 수 있겠으나, 규모가 작은 경우에는 흡착법을 이용하는 방법이 많이 사용되고 있다.

흡착법을 이용하여 공기로부터 산소를 제조하는 방법은 현재 많이 공개되어 있는 상태이고, 그 중에서 가장 많이 이용하고 있는 방법이 진공탈착을 이용한 진공순환흡착(VSA)을 이용한 것이다.

이러한 방법은 미국특허 제3,155,468호, 제3,164,454호, 제3,473,296호, 제3,797,201호, 대한민국 공개특허 공개번호 제1986-2098호, 제1989-4145호, 제1992-11903호, 제1998-63907호, 제1998-71318호, 제1998-86952호, 제1999-65850호, 대한민국 등록특허 제196102호 등에 잘 나타나 있다.

이들 방법은 흡착제에 흡착된 질소의 탈착을 위하여 진공감압을 실시하였는데, 이때 압축기 이외에 진공펌프가 추가적으로 사용되기 때문에 조업비가 상승하게 된다.

산소의 용도에 있어서 많은 산업분야, 예를 들면 화학공장, 제강공장, 제지공장 등에서는 90% 이상의 고순도 산소를 필요로 한다.

또한, 의료용 산소의 경우도 95% 이상의 고순도 산소를 요구하고 있다.

그러나, 그 이외의 용도에 있어서는 고순도 산소를 필요로 하지 않는 분야가 많기 때문에 지금까지 소규모의 산소 발생기를 보다 경제적으로 제조하고자 하는데 노력을 기울여 왔다.

그 결과 단일탑에서 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 발생기, 예를 들면 대한민국 등록특허 제196626호, 공개특허 제1998-86952호, 미국특허 제4,561,865호, 제4,892,566호, 제5,032,150호, 제5,370,728호, 제5,658,371호 등이 등장하게 되었는데, 이들 방법에 의하면 산소의 순도는 80 내지 90% 선에 머물러 있는 실정이어서 고순도의 산소를 공급하는데에는 문제가 있다.

공기로부터 산소를 제조하기 위한 상업적인 압력순환식 흡착방법에는 공정의 개선에 많은 노력을 기울여 왔으나, 아직도 개선해야 할 부분이 많이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 공기로부터 산소를 제조하는데 있어서 사용되는 에너지의 효율성을 높이고, 공기중에서 산소의 회수율을 증가시키기 위하여 좀더 개선된 압력순환식 흡착공정을 구성하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고순도의 산소 뿐만 아니라 수요자가 원하는 순도의 산소를 극히 간단하게 원하는 순도로 조절하여 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서는 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 흡착제의 흡착 및 탈착의 특성을 최대한으로 이용하였다.

순도의 향상에 있어서 흡착제의 특성을 이해하고 이를 최대한 이용하는 것은 공정의 에너지 효율성을 높이고, 산소의 회수율을 증가시키기 위하여 필수적이다.

본 발명에서 사용한 압력순환식 흡착공정은 가압 및 흡착단계, 압력균등화단계, 감압 및 세정단계, 생성기체 가압단계, 압력균등화단계를 순환 반복하게 구성되어 있다.

흡착과정은 발열반응으로서 열의 방출을 동반하게 되어 흡착제의 온도가 상승하며, 탈착과정은 흡열반응으로서 흡착제의 온도 감소를 유발한다.

따라서, 흡착과정은 흡착온도가 낮을수록 평형 흡착량이 증가하여 보다 많은 양을 흡착하게 되며, 탈착과정은 온도가 높을수록 탈착이 잘 일어나게 된다.

흡착시의 발열은 흡착제의 온도를 증가시켜서 흡착성능을 저하시키게 되고, 탈착시의 흡열은 흡착제의 온도를 감소시켜서 탈착량을 감소시키게 되므로 서로 좋지 않은 방향으로의 역할을 하게 된다.

따라서, 이들 온도를 각각 좋은 방향으로 유도함으로써 분리성능을 극대화시킬 수 있는 것이다.

이를 위하여는 흡착시에는 냉각을, 탈착시에는 가열이 필요하게 되는데, 이를 위하여 추가의 열원을 사용하는 경우에는 경제성을 저하시킨다.

흡착과정의 온도를 낮추어 흡착효율을 증가시키기 위한 방법으로 압축기를나온 공기를 냉각하여 흡착탑으로 공급하는 방법이 사용되고 있다.

또한, 흡착탑 내부에 금속구를 채워서 이 금속구의 열전도 현상을 이용한 자체 온도조절을 행하는 공정이 대한민국 등록특허 제153434호에 나타나 있다.

한편, 탈착시에 흡착제의 온도를 올려서 탈착효율을 증가시키는 방법은 별도의 열원을 공급하지 않으려는 이유로 말미암아 고려되지 않고 있었다.

본 발명에서는 공기를 압축하는 과정에서 발생하는 열을 이용하여 별도의 열원 없이 탈착공기를 가열할 수 있는 열교환기를 설치하여 이 문제를 해결하였다.

압축기를 통과하여 나오는 공기의 온도는 통상 60℃ 이상의 고온을 유지하게 된다.

종래의 방법에서는 흡착시 이 열의 영향을 배제하기 위하여 이 흐름에 방열판을 설치하여 기체의 온도를 냉각시키는 방법을 이용하였는데, 본 발명에서는 이 흐름을 이용하여 정화기체 흐름과 열교환을 실시함으로써 원료기체의 온도는 낮추는 한편, 정화기체의 온도를 상승시켜 탈착 효율을 극대화시키는 방법을 이용하였다.

이렇게 한번 열교환 된 원료기체 흐름은 다시 방열기를 거치면서 냉각되어 낮은 온도의 원료기체가 흡착탑에 도입되게 된다.

따라서, 이 방법을 이용하면 흡착시 원료기체의 온도는 낮은 상태로 유지되며, 반대로 탈착을 위한 세정기체의 온도는 높아지게 되어 흡착 및 탈착효과를 극대화시키게 되는 것이다.

본 발명에서 이용한 또 다른 방법은 압축공기중의 수분을 동일한 흡착탑 내부에서 함께 처리한다는 점이다.

흡착탑의 입구부의 10% 정도를 알루미나와 같은 1차 흡착제로 충진하고, 그 위에 주흡착제인 제올라이트를 충진하여, 전처리 필터를 거친 압축공기의 수분을 알루미나층에서 제거하고 순수한 공기만을 제올라이트층으로 유입시키는 방법이다.

이때, 알루미나층에 흡착된 수분은 감압 및 세정단계에서 함께 탈착되어 배출되기 때문에 지속적인 운전이 가능하다.

하지만, 이렇게 2층으로 된 흡착탑은 압력균등화단계를 도입하는 과정에 문제점을 야기시킬 수 있으므로, 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 압력균등화 방법을 도입하였다.

종래의 방법들에서는 압력균등화 단계를 수행하는데 있어서 같은 방향으로 실시하는 것이 보통이었다.

즉, 흡착탑의 상부면 상부끼리, 하부면 하부끼리 연결하는 방법이다.

탑의 상부끼리 연결하는 압력균등화 방법은 세정단계가 끝난 탑의 상부(배출부)에 흡착단계가 끝난 탑에서 배출되는 불순물(질소) 성분을 일부 도입시켜 산소의 순도가 낮아지게 된다.

반면에, 흡착탑의 하부(도입구)끼리 연결되는 압력균등화 방법은 흡착탑 내부가 제올라이트만으로 채워져 있을 경우 별 문제없이 수행될 수 있으나, 본 발명에서와 같이 흡착탑의 입구부에 알루미나를 충진한 경우는 흡착단계에서 흡착되어 있던 수분이 압력균등화 단계에서 다른 탑으로 이동하게 되어 제올라이트층에 수분이 흡착되므로 연속적인 조업에 문제가 생기게 된다.

압력균등화 단계에서는 짧은 시간에 두 탑의 압력이 동일하게 되므로, 이 과정에서 유체의 흐름이 매우 빠르게 되므로 세정이 끝난 탑의 하단부에 있는 알루미나층이 수분을 완전히 제거하지 못하므로 제올라이트층까지 수분이 이동하게 된다.

따라서, 압축일의 절약 및 성능의 증가를 위해 사용하는 압력균등화 단계는 탑의 배출부끼리 연결하여 사용하는 것이 지금까지는 일반적인 방법이었다.

그러나, 본 발명에서는 압력균등화 흐름을 탑의 배출구로부터 다른 탑의 하부 임의의 높이인 탑 중간으로 도입시킴으로써 이 문제를 해결하였다.

제올라이트계 흡착제를 이용하는 경우에 산소와 질소의 흡착량의 차이는 분명히 있으나, 실제 순도가 높은 산소를 얻을 수 있는 흡착시간은 상당히 짧다.

다시 말해서, 흡착탑의 출구쪽으로 농도가 높은 산소가 배출되는 시간은 흡착압력이 2기압인 경우에 20초 정도이며, 그 후에는 순도가 낮은 산소가 배출된다.

따라서, 흡착이 완료된 탑의 상부와 세정이 완료된 탑의 상부를 연결하는 압력균등화 과정중에 흡착이 완료된 탑에서 뒤따라 올라오는 질소성분이 순도가 높은 산소로 세정이 완료된 탑의 상부로 유입되어 질소로 오염되는 현상이 발생한다.

한편, 흡착이 완료된 탑의 상부와 세정이 완료된 탑의 하부를 연결하는 압력균등화 방법에서는 비교적 산소의 순도가 높은 생성물을 산소의 순도가 매우 낮은 탑의 하부로 도입시키는 결과를 가져오게 되고, 또한 알루미나층에 미처 탈착되지 못하고 남아 있던 수분이 제올라이트층으로 이동하여 흡착성능을 저하시키는 원인이 된다.

그러나, 도 3에 나타난 것과 같이 본 발명의 방법에서 처럼 제올라이트층의하부 쪽으로 직접 연결하게 되면 알루미나층에는 영향을 주지 않으면서 훌륭하게 압력균등화 작업을 수행할 수 있게 된다.

이때, 도입시키는 높이는 알루미나층의 상부이면서 흡착탑 내의 산소농도가 도입되는 기체의 산소농도와 비슷한 지점에 넣어주는 것이 가장 바람직하며, 이 높이는 흡착탑 높이의 15 내지 50% 범위이다.

본 발명에서 이용한 또 하나의 특징은 생성물인 산소의 순도 조절이 극히 용이하다는 점이다.

흡착단계에서 배출되는 고순도의 산소 스트림을 일부는 생성물 탱크로 보내고 일부는 상대탑의 출구부로 도입시켜 향류방향의 세정과정을 동시에 수행한다.

이때, 중간에는 별도의 압력탱크가 필요없게 되며 단지 중간의 세정유량조절밸브를 이용하여 세정기체의 유량을 조절하여 감압과정이 진행중인 탑에 고농도의 산소를 흘려줌으로써 세정이 진행된다.

한편, 산소유량조절밸브(21)를 이용하여 생성되는 산소의 배출량을 조절하면 산소의 순도가 변하게 되어 산소의 배출유량에 해당하는 순도의 산소가 얻어진다.

산소유량조절밸브(21)를 잠가 산소의 배출량을 줄이면 흡착단계에서 흡착탑과 산소탱크의 압력이 높아지게 되므로 흡착제에서 산소와 질소의 분리효율이 증가하게 되며, 동시에 세정유량조절밸브(20)을 통하여 흐르는 세정기체의 유량도 증가하게 되어 산소의 순도가 높아지게 된다.

산소유량조절밸브(21)를 열어서 산소의 배출량을 증가시키면 흡착제의 분리효율이 감소하고 세정기체의 유량도 감소하여 산소의 순도는 감소하게 된다.

산소의 순도를 조절할 수 있는 산소 발생장치의 예로는 대한민국 공개특허 제1999-28153호 및 등록특허 제160246호에서 제시한 바 있는데, 전자의 경우는 산소센서를 이용하여 생성물의 산소 농도를 측정하고 허용범위 이외에서는 장치를 정지시키는 방법을 사용하였고, 후자의 경우는 질소가 풍부한 감압흐름에 산소센서를 설치하여 이 값으로부터 역으로 생성물의 순도를 조절하게 되어 있다.

위의 두 경우 모두 센서 및 이에 따른 전자 회로가 필수적인 반면, 본 발명의 경우는 단지 산소유량조절밸브만을 조절함으로써 순도를 자동 조절할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 산소 제조장치를 나타내는 개략도

도 2는 종래의 장치를 이용하여 얻은 산소 순도와 산소 배출유량의 관계를 나타내는 그래프

도 3은 본 발명의 산소 제조장치를 나타내는 개략도

도 4는 본 발명의 장치를 이용하여 얻은 산소 순도와 산소 배출유량의 관계를 나타내는 그래프

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1,2 : 흡착탑 3 : 산소 저장탱크

4 : 공기 압축기 5 : 1차 필터

6 : 2차 필터 7 : 방열기

8 : 송풍팬 9 : 압력 조절기

10 : 세정기체 가열용 열 교환기 11,12,15,16,17,18 : 솔레노이드밸브

13,14,22 : 첵밸브 20 : 세정유량조절밸브

21 : 산소유량조절밸브 31 : 원료 도입관

32 : 세정기체 흐름관 33 : 생성기체 흐름관

34 : 배출기체 흐름관 35 : 압력균등화기체 흐름관

본 발명은 1단으로 알루미나 등의 흡수제와 2단으로 제올라이트계 흡착제를 채운 최소한 두 개의 흡착탑(1),(2)을 이용하여 조업하게 되는데, 이하 첨부된 도면을 이용하여 상세히 설명한다.

본 발명은 다음과 같은 순서를 이용함으로써 그 목적을 달성할 수 있으며, 첫째 공급기로부터 일부의 질소를 흡착탑에 선택적으로 흡착시키면서 공기공급물을 중간압력으로부터 시작하여 계속해서 가압시키면서 지속적으로 산소를 얻는 가압 및 흡착단계, 둘째 흡착이 완료된 순간 흡착탑 생성물측 단부로부터 다른 흡착탑의 중간 임의의 위치로 연결하는 압력균등화단계, 셋째 흡착탑의 공급측 단부로부터 기체를 향류방향으로 방출하면서 대기압까지 감압시키고, 흡착이 진행되는 흡착탑으로부터 산소 생성과 동시에 공급되는 산소기체를 향류방향으로 지속적으로 흘려줌으로써 질소의 탈착을 유도하는 감압 및 세정단계, 넷째 세정중인 흡착탑의 세정기체 배출구를 닫고 계속해서 도입되고 있는 산소기체를 모두 받아들임으로써 탑내 산소농도 증가와 더불어 가압이 이루어지는 생성기체 가압단계로 구성되어 있다.

상기의 단계들 중 하나의 흡착탑에서 흡착 및 가압단계가 진행되는 동안에 또 다른 흡착탑에서는 감압 및 세정, 생성기체가압의 단계가 순차적으로 동시에 진행되게 되며, 이 과정이 동시에 종료됨과 동시에 일정한 시간을 할당하여 두 탑간의 압력균등화단계가 실시된다.

대기중의 공기는 1차적으로 먼지 등의 불순물을 걸러주는 필터(5)를 거쳐 압축기(4)로 압축된다.

압축기에서 압축된 공기는 압축기에서 발생하는 열 때문에 온도가 상승한 채로 배출되게 되는데, 이 흐름은 세정기체 흐름관(32)과 열교환기(10)를 통해 1차 열교환이 행해지게 된다.

이 과정에서 탈착을 위한 세정기체는 온도가 상승하게 되고, 흡착을 위한 원료기체는 온도가 낮아지는 바람직한 방향으로 온도의 재분배가 일어난다.

이렇게 1차적으로 열교환된 원료기체는 다시 방열기(7)를 거치면서 완전 냉각되고, 다시 2차 필터(6)를 거쳐 공기의 가압단계에서 응축된 수분을 제거시킨 후 흡착탑으로 도입된다.

먼지나 유분 등의 불순물은 2단계의 필터를 거치면서 제거되지만 대기중의 수분은 습도 등의 대기 환경의 영향에 따라 완전히 제거되지 않는 경우가 생기는데, 이를 차단하기 위하여 흡착탑의 도입부 일부를 알루미나와 같은 흡수제를 채워주어 흡착제를 보호하게 된다.

기체의 도입 흐름은 원료 도입관(31)을 거쳐 솔레노이드밸브(12 혹은 17)로 방향이 조절되며, 흡착이 진행되는 탑 방향으로 도입되게 된다.

흡착이 진행되면서 순도가 높아진 산소는 생성물측 탑출구로 배출되어 생성기체 흐름관(33)과 첵밸브(13 혹은 14)를 통해 산소 저장탱크(3)로 이송되고, 일부는 세정기체 흐름관(32)과 열교환기(10) 및 세정유량조절밸브(20)를 거쳐 감압이 진행중인 상대탑의 배출단부로 도입되어 향류 세정이 이루어지게 된다.

세정이 시작됨과 동시에 세정이 이루어지는 탑의 도입부측에 있는 솔레노이드밸브(18 혹은 11)를 열어 세정에 의해 밀려나온 질소의 농도가 높은 기체를 배출시키게 되는데, 이 과정에서 감압과 세정이 동시에 이루어진다.

공급기체의 흡착이 진행되는 탑의 흡착시간이 종료되기 직전에, 세정이 진행되던 탑에서는 배출기체흐름관(34)에 위치한 솔레노이드밸브(11 혹은 18)를 폐쇄하여 세정기체를 모두 탑내에 받아들이는 생성기체가압이 이루어지게 되는데, 이는 흡착탑 내부의 압력을 일차적으로 일부 상승시켜 동력비의 절감을 꾀하는 동시에 순수한 산소기체를 흡착이 진행될 탑 상부에 포화시켜서 다음 순환주기에서 생성되는 초기 산소농도를 높이는 작용을 하게 된다.

이 과정은 5초 이내의 짧은 시간에서 이루어지는데 이 짧은 과정을 통하여 산소의 순도를 상승시킬 수 있다.

산소 저장탱크(3)의 도입부에는 첵밸브(22)가 설치되어 있어서 탱크 내의 산소가 감압이 진행중인 탑으로 다시 역류하는 것을 방지하게 되고, 탱크 내의 산소는 압력조절기(9)에서 정해준 일정한 압력을 유지하면서 산소유량조절밸브(21)를 통해 최종 산소 생성물로 얻어진다.

흡착이 끝난 탑은 상대 탑의 압력 증가를 위해 압력균등화를 통해 1차 감압되는데, 한쪽의 흡착탑(1)이 흡착 완료하여 다른 한쪽의 흡착탑(2)과 연결하는 경우에는 한쪽 솔레노이드밸브(16)를 열고 다른 한쪽 솔레노이드밸브(15)를 닫아 탑 상부와 반대 탑 중간과 연결하여 균등화작업을 수행하게 된다.

이 방법은 본 발명에서 개시하는 중요한 특징 중 하나로, 이러한 과정을 통하여 흡착이 끝난 탑의 상부에 존재하는 미량의 질소성분이 상대탑의 배출부를 오염시키는 현상을 완전히 배제하였다.

이 방법은 또한 흡착탑 내의 1단 흡착제인 알루미나 등의 흡수제의 재생에도 도움을 주게 되는데, 중간에서 도입된 기체 흐름은 축방향으로 양방향으로 압력을 가하게 되므로 일부의 하향류는 1단 흡착제에 흡착되어 있는 수분 등의 불순물이 탈착되어 탑 상부쪽으로 유입되는 것을 막고 역방향으로 밀어냄으로써 흡착점을 확보하여, 뒤이어 도입되는 원료기체 중 수분의 흡착을 원활히 유지시키는 역할을 하게되는 것이다.

가압,흡착단계를 거친 후, 압력균등화단계와 흡착탑 내 압력을 대기압까지 떨어뜨리는 향류감압단계를 거쳐 세정단계가 지속적으로 진행되게 되는데, 향류감압은 솔레노이드밸브(11 혹은 18)를 개폐함으로써 이루어지며 흡착단계와 마찬가지로 감압과 세정은 별도의 단계가 아닌 동시에 진행되어 세정 초기에 감압이 이루어지는 형태로 진행되게 된다.

이때, 이용되는 세정기체의 양은 전적으로 최종 산소유량조절밸브(21)의 조작에 의존하게 된다.

다시 말해서, 산소의 배출량을 늘이면 세정기체의 양은 감소하고, 반대로 산소의 배출량을 줄이면 세정기체의 양은 증가하게 되어 자동적으로 세정의 양이 조절되는 것이다.

이 결과는 산소의 순도로 나타나는데 배출량이 늘면 순도가 감소하고 배출량이 줄면 순도가 증가하는 결과를 가져오게 된다.

배출 유량에 따른 산소의 순도는 본 발명에서 제공하는 환산표에 의하여 용이하게 판단할 수 있다.

상기의 설명에서 언급한 바와 같이 본 발명에서는 생성물 배출을 위한 산소탱크(3) 이외에는 어떤 다른 보조탱크도 사용되지 않는다.

이는 고순도의 산소를 얻기 위한 종래의 방법들과 차별화되는 특징으로서 기체의 일반적인 흐름만 제어함으로써 원하는 순도를 얻을 수 있음은 물론 최소의 밸브를 이용하여 흡착탑 상,하부 원하는 위치에 원하는 흐름을 도입할 수 있는 구조로 이루어져 있어서 제작이 간단하고 보수가 용이하며 사용이 간단하다는 장점을 가지고 있다.

또한, 본 장치를 운전함에 있어서 밸브의 개폐 이외에는 어떠한 전자적인 제어가 불필요하다는 큰 장점이 있다.

종래의 방법들이 압축기나 진공펌프를 주기 과정에 맞게 켜고 끄는 동작을 반복하거나 센서를 이용한 측정 및 이를 이용한 전자적 제어가 포함되어 있는 것을감안할 때, 본 발명의 용이성은 충분히 이해될 것이다.

통상적으로 상기의 장치를 효율적으로 운전하기 위하여 상기 시스템 내에 밸브의 개폐를 조절하고 기체의 상태를 감시 또는 조절할 수 있는 통상적인 장치를 사용할 수 있음이 당연함은 쉽게 알 수 있을 것이다.

이하, 여러 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

본 실험은 공급물로서 대기중의 공기를 이용하였고, 도 3에 예시된 장치를 이용하여 수행하였다.

본 실험에 사용한 흡착제 및 흡착탑의 사양은 표 1에 나타나 있다.

작동주기는 표 2에 열거하였는데 이때 전체 주기시간은 44초이며 하기와 같이 분배시켰는데, 1단계 가압 및 흡착 20초, 2단계 압력균등화 2초, 3단계 감압 및 세정 18초, 4단계 생성기체가압 2초 및 다시 압력균등화 2초로써 44초동안의 같은 주기가 흡착탑을 바꾸어가며 연속적으로 작동된다.

흡착단계 최종상태에서의 최대 흡착압력은 240kPa(1.4 bar), 탈착압력은 대기압에서 이루어졌다.

흡착단계 중에 흡착탑에서 배출되는 산소는 산소유량조절밸브(21)에 의해 조절된 양 만큼 산소를 생성물로 배출하면서 나머지 산소가 열교환기(10)를 지나 가열되어 다른 탑의 세정에 이용되게 된다.

압력균등화를 위한 흐름에서 각 탑의 도입 단부로부터 15cm 가 되는 지점에 도입구를 만들어 압력균등화를 수행하였다.

이는 상기한 바와 같이 흡착탑의 배출단부가 질소로 오염되는 것을 막기 위한 방법이다.

이 높이는 흡착탑 도입 단부로부터 10 내지 29cm 에 이르는 지점에 위치시킬 수 있다.

본 과정을 통해 조업이 진행되면 10분 이내에 정상상태에 이르게 되어 최대순도를 나타내며 최대 순도는 산소유량이 분당 4 리터 미만인 경우 공히 95% 였다.

고순도의 산소를 원하지 않는 경우 더욱 많은 유량의 산소농축 공기를 얻을수 있는데 이는 산소유량조절밸브(21)의 개폐로 간단히 조작된다.

이때, 원하는 농도를 얻기 위한 배출 산소의 유량을 도 4의 그래프에서 곡선 A로 도시하였다.

그래프에서 볼 수 있는 바와 같이 산소의 유량이 분당 5리터 이하인 경우는 90% 이상의 고순도 산소를 얻을 수 있다.

[실시예 2]

본 발명에서 제시한 방법의 효과를 살펴보기 위하여 도 3에 도시한 본 발명의 장치와 도 1에 도시한 기존의 장치를 비교하여 실험을 수행하였다.

도 1에 나타난 장치는 압축기(4)를 지난 공기 흐름을 방열기(7)로 냉각시켜 바로 흡착탑에 도입시키게 되며, 압력균등화는 첵밸브(13과 14)를 솔레노이드밸브로 교체하여 흡착탑의 상부끼리 실시하는 방법을 이용하였다.

표 2에서 제시한 조업방법을 동일하게 이용하여 실시예 1에서와 동일한 장치와 도 1의 장치를 이용하여 실험한 결과를 도4의 그래프에서 곡선 B로 나타내었다.

도4에서 보는 바와 같이 본 발명의 장치를 이용하는 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하여 생성되는 산소 유량에 따라 1.5 내지 6% 까지 순도가 향상되었다.

[실시예 3]

본 발명에서 제시한 압력균등화와 생성기체가압 단계의 영향을 살펴보기 위하여 이들 단계를 하나씩 생략한 조합을 이용하여 실시예 1에 나타낸 것과 동일한 장치를 이용하여 실험을 수행하였다.

이때의 결과를 도 2에 도시하였는데 도면에서 볼 수 있는 바와 같이 압력균등화와 생성기체가압단계를 생략하고 기본 공정(표 2의 2, 4, 5단계를 생략한 공정; 곡선 A)을 이용하여 조업하는 경우에도 90% 이상의 고순도 산소를 얻을 수 있으나, 산소의 유량을 증가시키면 산소의 순도가 급격히 감소한다.

하지만, 압력균등화를 첨가한 공정(곡선 B)은 산소의 순도를 유지하면서 배출양을 늘여주는 경향을 보이며, 생성기체 가압까지 추가한 공정(곡선 C)은 순도를 상승시키는 효과를 나타내고 있다.

[실시예 4]

실시예 1에서 사용한 장치를 이용하여 주 흡착제를 5A 제올라이트로 채우고 실시예 1의 표 2에서와 같은 주기와 방법을 이용하여 실험을 수행하였다.

이때, 사용한 흡착탑과 흡착제의 사양을 표 3에 예시하였다.

표 3에 나타난 바와 같이 흡착탑의 크기가 13X 제올라이트를 이용하는 경우보다 작아졌음에도 불구하고 같은 산소배출유량으로 최고 순도는 공히 95% 를 얻었을 수 있었다.

상기와 같은 구성과 방법으로 대기중의 공기를 원료로 하여 원하는 순도의 산소를 손쉽게 얻을 수 있다.

이 방법은 순도의 조절이 용이하여 가정의 공기중의 산소농도를 높여주기 위한 가정용 산소 발생기부터 고순도 의료용 산소에 이르기까지 다양한 목적에 적용될 수 있다.

또한, 본 장치를 이용하면 장치의 규모를 대형화하기가 극히 용이하여 아주 대량의 산소를 필요로 하지 않는 중소규모 공장의 산소 발생원이나 수족관 등에서 필요로 하는 산소를 공급하기 위한 산소 발생기 등의 다용도로 활용이 가능하다.

또한, 장치가 간단하여 매우 경제성이 우수한 방법으로써 산소가 필요한 곳에서 가장 경제적으로 산소를 얻을 수 있는 훌륭한 대안으로 활용할 수 있다.

Claims (10)

1. 혼합기체 중 하나의 특정 기체를 더욱 많이 흡착하는 흡착제가 채워진 2개의 흡착탑으로 이루어져 하나의 흡착탑이 흡착을 수행하는 동안 다른 하나의 흡착탑이 탈착을 통한 재생이 이루어지도록 위상을 달리하여 연속적으로 작동되는 압력순환식 흡착공정으로 공기중에서 선택적으로 질소를 흡착하여 산소를 생성물로 회수하기 위한 산소 제조장치에 있어서,

   흡착제가 제1단으로 흡수를 위한 1차 흡착제로 일부 채워지고 그 상부에 2단으로 주흡착제가 채워진 양편 2개의 흡착탑(1),(2)과,

   흡착탑(1),(2)의 배출측과 공기 압축기(4) 및 방열기(7)의 사이에 배치되며 압축기(4)에 의해 압축된 공기의 온도를 이용하여 세정기체의 온도를 상승시켜 탈착시에 고온을 유지함으로써 탈착효율을 높일 수 있고 원료기체의 온도를 하강시켜 흡착시에 저온을 유지함으로써 흡착효율을 높일 수 있는 2개의 열교환기(10)와,

   첵밸브(22)로 흡착시스템과 독립되어 있어 항상 균일한 유량의 산소를 얻을 수 있는 산소 저장탱크(3)와,

   압력균등화의 목적을 가지고 흡착탑의 배출단부로부터 또 다른 흡착탑의 하부 임의의 중간지점으로 연결되는 솔레노이드밸브(15),(16)를 포함하는 압력균등화를 위한 압력균등화기체 흐름관(35)과,

   양쪽 2개의 흡착탑(1),(2) 및 중앙에 배치되는 산소 저장탱크(3)와 세정기체를 위한 열교환기(10)를 가장 짧은 길이로 연결하는 여러 흐름관 수단과,

   세정기체의 유량을 조절하여 고농도의 산소를 보내줄 수 있는 세정유량조절밸브(20) 및 산소의 배출량을 가변시켜 산소의 순도를 조절할 수 있는 산소유량조절밸브(21)와,

   흡착탑(1),(2)의 배출측과 산소 저장탱크(3)의 유입측에 사이에 설치되는 다수의 첵밸브(13),(14)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 다목적 산소 제조장치.
2. 공급기로부터 일부의 질소를 흡착탑에 선택적으로 흡착시키면서 공기 공급물을 중간압력으로부터 시작하여 계속해서 가압시키면서 지속적으로 산소를 얻는 가압 및 흡착단계와, 흡착이 완료된 순간 흡착탑 생성물측 단부로부터 다른 흡착탑의 중간 임의의 위치로 연결하는 압력균등화단계와, 흡착탑의 공급측 단부로부터 기체를 향류방향으로 방출하면서 대기압까지 감압시킴과 동시에 흡착이 진행되는 흡착탑으로부터 유입되는(산소 생성과 동시에 별도의 저장수단 없이 공급된다) 산소기체를 향류방향으로 지속적으로 흘려줌으로써 질소의 탈착을 유도하는 자체세정방법을 이용한 감압 및 세정단계와, 세정중인 흡착탑의 세정기체 배출구를 닫고 계속해서 도입되고 있는 산소기체를 모두 받아들임으로써 탑내 산소농도 증가와 더불어 가압이 이루어지는 생성기체 가압단계를 포함하고 있으며, 하나의 흡착탑에서 흡착 및 가압단계가 진행되는 동안에 또 다른 흡착탑에서는 감압 및 세정, 생성기체가압의 단계가 순차적으로 동시에 진행되게 되며, 이 과정이 동시에 종료됨과 동시에순간적으로 두 탑간의 압력균등화단계가 실시되도록 하는 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착탑(1),(2)에 채워지는 흡착제중에서 하나의 특정 기체를 더욱 많이 흡착하는 주흡착제는 제올라이트 13X와 제올라이트 5A인 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착탑(1),(2)에 채워지는 흡착제중에서 흡착탑 도입부의 제1단으로써 흡수를 위한 1차 흡착제는 활성알루미나인 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착탑(1),(2)에 채워지는 흡착제중에서 1차 흡착제와 주흡착제의 충진비율이 부피기준으로 5 내지 15%인 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 2개의 열교환기(10)는 세정유량조절밸브(20)를 중심으로 양쪽으로 대칭되게 나뉘어 있어서 세정기체의 흐름방향에 관계없이 일정한 열교환량을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조장치.
7. 제 1 항에 있어서, 산소 저장탱크(3)의 크기는 정상상태의 도달시간과 지속적인 배출유량의 유지를 모두 만족하기 위하여 흡착탑(1),(2) 크기의 30 내지 60%의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조장치.
8. 제 2 항에 있어서, 상기 가압 및 흡착단계를 각각 구분하지 않고 하나의 스텝으로 조업하며, 흡착 압력도 산소의 파과 직전의 시간으로 제어하여 단계 시간이 간단하게 조절되는 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조방법.
9. 제 2 항에 있어서, 상기 감압 및 세정단계를 각각 구분하지 않고 함께 실시하여 필요이상의 밸브조작을 방지하고 기체의 흐름을 자연스럽게 유지할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조방법.
10. 제 2 항에 있어서, 상기 탈착 및 세정단계의 직후 생성기체가압단계를 첨가하여 산소의 순도를 최대 2%까지 높일 수 있는 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착공정을 이용한 산소 제조방법.