KR100753207B1 - 질소 발생장치의 흡착탑 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡착탑 구조에 관한 것으로서, 특히 미세공의 크기가 다른 다층의 활성탄(CMS)을 충진함으로써, 저렴하고 버리는 질소(N₂)의 양이 적으며 저용량의 컴프레셔를 사용할 수 있으면서도 저유량으로 고순도의 질소(N₂)제품을 얻을 수 있는 질소 발생장치의 흡착탑 구조에 관한 것이다.

본 발명은 결정성 고체 화합물의 흡탈착 원리를 이용하여 공급공기로부터 질소를 분리하는 질소 발생장치의 흡착탑 구조에 있어서, 미세공의 크기가 2.8~3.1Å인 활성탄 10~50%가 충진되는 제1 흡착층과; 상기 제1 흡착층의 상부에 미세공의 크기가 3.8~4.1Å인 활성탄 50~90%가 충진되는 제2 흡착층과; 상기 제1 흡착층과 제2 흡착층의 사이에 개재되는 분리망; 으로 구성된다.

흡착탑 구조, 질소 발생장치, 활성탄(CMS), 압력진동흡착(PSA:Pressure Swing Absorption)

Description

질소 발생장치의 흡착탑 구조{STRUCTURE OF ABSORPTION TOWER FOR NITROGEN GENERATOR}

도 1은 본 발명에 따른 질소 발생장치의 흡착탑 구조를 나타내는 단면도,

도 2는 흡착탑 구조가 적용된 질소 발생장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 오일분리기 2,3: 흡착탑

4: 저장탱크 20: 흡착층

21: 제1 흡착층 22: 제2 흡착층

23: 분리망 31: 실리카겔층

32: 분리망

본 발명은 흡착탑 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제조비용이 저렴하고 유량에 비해 고순도의 질소제품(N₂)을 얻을 수 있는 질소 발생장치의 흡착탑 구조에 관한 것이다.

기체분리법으로는 주로 화학반응법, 전기분해법 및 물리적 분리법이 이용되고 있으며, 물리적 분리법에는 기체의 물질에 대한 극성의 차이와 기체분자 크기의 상이성을 이용하여 기체를 분리하는 막분리 방식과 결정성 고체 화합물의 흡탈착 원리를 이용하여 기체를 분리하는 압력진동흡착(PSA:Pressure Swing Absorption) 기술이 있다.

일반적으로 고순도의 질소는 여러 화학공정과 제강, 제련 및 기타 산업용도로 사용되며, 공기를 분리하여 질소를 생산하는 방법에도 다양한 기술이 알려져 있으나, 비교적 적은 양의 질소를 생산하는 경우 저온 공기분리 플랜트 보다는 압력진동흡착(PSA) 방식을 이용하는 것이 경제성이 높다.

기체분리를 위한 통상의 압력진동흡착(PSA) 공정에서는 공급공기를 용이하게 흡착할 수 있는 성분으로 이루어진 흡착베드를 높은 흡착압력으로 통과시켜 질소나 산소를 선택적으로 흡착하고, 그 후에 흡착베드를 낮은 탈착압력으로 감압하여 질소 또는 산소를 흡착베드로부터 탈착시켜 제거하고, 공기를 다시 공급하여 흡착베드 내에서 흡착 및 탈착과정이 반복적으로 이루어지도록 한다.

그리고, 99.5% 이상의 순도를 가지는 질소를 생산하기 위해서는 압력진동흡착 공정에서 빠른 순환공정 중 속도에 선택성이 있는 탄소분자체(CMS)를 흡착제로 사용하며, 이 탄소분자체(CMS)는 용이하게 흡착할 수 있는 성분으로서 산소를 선택적으로 흡착하여, 흡착압력에서 비교적 낮은 이슬점을 갖는 질소를 생산하게 된다.

그러나, 종래의 질소 발생장치의 흡착탑은 미세공의 크기가 크거나 작은 탄소분자체(CMS) 중 어느 하나를 선택하여 충진하기 때문에, 고순도의 질소를 얻기 위해서는 설치비가 많이 드는 반면, 설치비를 줄이는 경우 순도가 현저히 저하되는 단점이 있었다.

또한, 질소생성을 위해 외부 유입공기로부터 질소를 분리하기 전에 흡입공기 속에 포함된 수분을 제거하기 위한 건조기가 별도로 분리 설치되므로, 전체적인 설치공간을 크게 차지하여 공간적인 면과 비용적인 면에서 효율성이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 설치비가 저렴하면서도 유량에 비해 순도 높은 질소제품(N₂)을 얻을 수 있고, 전체적인 설치공간의 효율성이 향상되는 질소 발생장치의 흡착탑 구조에 관한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 질소 발생장치의 흡착탑 구조는,

결정성 고체 화합물의 흡탈착 원리를 이용하여 공급공기로부터 질소를 분리하는 질소 발생장치의 흡착탑 구조에 있어서,

미세공의 크기가 2.8~3.1Å인 활성탄 10~50%가 충진되는 제1 흡착층과;

상기 제1 흡착층의 상부에 미세공의 크기가 3.8~4.1Å인 활성탄 50~90%가 충진되는 제2 흡착층과;

상기 제1 흡착층과 제2 흡착층의 사이에 개재되는 분리망;

으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 흡착층의 하부에는 실리카겔층이 제1,2 흡착층 전체의 5~20%로 충진되며, 제1 흡착층과 실리카겔층의 사이에는 분리망이 개재되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 질소 발생장치의 흡착탑 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 흡착탑 구조가 적용된 질소 발생장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 결정성 고체 화합물의 흡탈착 원리를 이용하여 공급공기로부터 질소를 분리하는 흡착탑 구조가 적용된 질소 발생장치를 개략적으로 살펴보면, 먼저 분리하고자 하는 공기를 오일분리기(1)를 경유시켜 유분을 제거한 후에 병렬 설치된 두 개의 흡착탑(2,3)의 하부로부터 상부로 통과시켜 산소가 배제된 질소만을 저장탱크(4)로 송출한다.

도면에서 미설명 부호는 공지된 구성인 여과기(strainer)(5), 압력게이지(pressure gauge)(6), 유량측정기(flow meter)(7), 산소분석기(oxygen analyzer)(8), 솔레노이드 밸브(solenoid valve)(9), 소음기(silencer)(10), 감압밸브(11)(pressure reducing valve), 볼밸브(12)(ball valve), 체크밸브(13)(check valve), 글로브 밸브(14)(globe valve) 등이다.

여기서, 두 개의 흡착탑(2,3)은 제1 흡착층(21), 제2 흡착층(22)이 적층된 구조로 이루어지거나 여기에 실리카겔층(31)이 더 포함된 구조로 이루어진다.

제1 흡착층(21)은 유분이 제거된 상태에서 공급되는 6.5kg/㎠g의 압축공기(oil free, dry air)로부터 산소(O₂)와 이산화탄소(CO₂) 등을 일부 포집하기 위해 흡착탑(2,3)의 하부에 충진되는 활성탄(CMS: Coulm Molecular Sieves)이다.

이 제1 흡착층(21)은 무연탄으로 이루어지고, 분자의 크기가 2.8~3.0Å인 산소(O₂)를 포집하기 위해 그 미세공의 크기가 2.8~3.1Å이며, 전체 흡착층(20)의 10~50%를 채운다.

제2 흡착층(22)은 상기 제1 흡착층(21)에서 일부 포집되지 못한 산소(O₂)를 완전히 포집하기 위해 제1 흡착층(21)의 상부에 충진되는 활성탄(CMS: Coulm Molecular Sieves)이다.

이 제2 흡착층(22)은 식물성 야자열매를 재료로 하고, 분자의 크기가 2.8~3.0Å인 산소(O₂)를 완전히 포집하기 위해 그 미세공의 크기가 3.8~4.1Å이며, 전체 흡착층(20)의 50~90%를 충진한다.

그리고, 상기 제1 흡착층(21)의 하부에는 유분이 제거된 상태에서 공급되는 공기(air)에 함유된 수분을 제거하기 위해 실리카겔층(silicagel)(31)이 전체 흡착층(20)의 5~20%로 충진된다.

여기서, 상기 제1 흡착층(21)과 제2 흡착층(22)의 사이 및 제1 흡착층(21)과 실리카겔층(31)의 사이에는 미세공의 크기가 다른 활성탄끼리 또는 활성탄과 실리카겔끼리 혼합되지 않도록 금속재질(스테인레스 등)이나 합성수지로 이루어진 분리망(mesh)(23,32)을 개재시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 질소 발생장치의 흡착탑 구조는 다음과 같이 작용한다.

본 발명의 질소 발생장치의 흡착탑 구조는 우선, 하부에 실리카겔층(silicagel)(31)이 전체 흡착층(20)의 5~20%로 충진되기 때문에, 유분 및 먼지가 제거된 상태에서 공급되는 압축공기(air)에 함유된 수분과 기타 질소(N₂), 산소(O₂), 일산화탄소(CO) 등을 제거한다.

그리고, 미세공의 크기가 2.8~3.1Å의 활성탄(CMS)인 제1 흡착층(21)이 상기 실리카겔층(31)의 상부에 전체 흡착층(20)의 10~50%로 충진되므로, 수분이 제거된 공기(air)로부터 산소(O₂)와 이산화탄소(CO₂)를 일부 포집(분자의 크기가 2.8~3.0Å인 산소(O₂)가 용이하게 포집)한다.

다음으로, 미세공의 크기가 3.8~4.1Å의 활성탄(CMS)인 제2 흡착층(22)이 상기 제1 흡착층(21)의 상부에 전체 흡착층(20)의 50~90%로 충진되어서, 제1 흡착층(21)에서 일부 포집되지 못한 산소(O₂)와 이산화탄소(CO₂)를 완전히 포집한다.

이때, 제2 흡착층(22)에서 분자의 크기가 2.8~3.0Å인 산소(O₂)는 매우 용이하게 포집되며, 분자의 크기가 3.8~4.1Å인 질소(N₂)가 미량 포집될 수 있다.

따라서, 공급공기로부터 산소(O₂), 일(이)산화탄소(CO,CO₂) 등이 제거되면서 제2 흡착층(22)으로부터 고순도의 질소제품(N₂)을 획득할 수 있는 것이다.

특히, 흡착층(20) 전체를 미세공의 크기가 2.8~3.1Å의 활성탄(CMS)으로만 충진할 경우 비용이 많이 들고 질소제품(N₂)의 순도가 낮은 문제가 있고, 흡착층(20) 전체를 미세공의 크기가 3.8~4.1Å의 활성탄(CMS)으로만 충진할 경우 산소(O₂)가 거의 포집됨으로써 고순도의 질소제품(N₂)을 얻을 수는 있지만, 포집되어 버리는 질소(N₂)의 양이 많고 고용량의 컴프레셔를 사용해야만 하는 문제가 있는데, 본 발명의 흡착탑 구조는 미세공의 크기가 2.8~3.1Å의 활성탄(CMS)이 10~50%, 미세공의 크기가 3.8~4.1Å의 활성탄(CMS)이 50~90%로 순차적인 다층(multi-layer)의 포집과정을 거치므로 비용이 저렴하고 버리는 질소(N₂)의 양이 적으며 저용량의 컴프레셔를 사용할 수 있으면서도 저유량으로 고순도의 질소(N₂)제품을 획득할 수 있게 된다.

게다가, 실리카겔층(31)이 제1 흡착층(21)의 하부에 충진됨으로써, 건조기를 별도로 구비하지 않아도 되므로 설치비용이 저렴하고 공간활용도도 우수해진다.

이에 더하여, 제1 흡착층(21)과 제2 흡착층(22)의 사이 및 제1 흡착층(21)과 실리카겔층(31)의 사이에는 분리망(mesh)(23,32)을 개재되기 때문에, 미세공의 크기가 다른 활성탄끼리 또는 활성탄과 실리카겔끼리 혼합되지 않는다.

마지막으로, 활성탄(CMS)에 의해 흡착된 산소(O₂)와 이산화탄소(CO₂)는 대기압으로 감압해서 배출함으로써, 활성탄(CMS)을 계속해서 재생하여 질소가스를 연속적으로 생산할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 질소 발생장치의 흡착탑 구조는 고순도의 질소제품(N₂)을 얻을 수 있고 포집되어 버리는 질소(N₂)의 양이 적으며, 저용량의 컴프레셔를 사용할 수 있고 설치비용이 저렴하고 공간활용도가 우수해질 뿐만 아니라 활성탄과 실리카겔이 혼합되지 않고 재생되는 유용한 효과를 발휘한다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 다양하게 변경 또는 변형하여 실시할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게는 자명한 것이며, 따라서 그러한 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (2)

1. 결정성 고체 화합물의 흡탈착 원리를 이용하여 공급공기로부터 질소를 분리하는 질소 발생장치의 흡착탑 구조에 있어서,

   미세공의 크기가 2.8~3.1Å인 활성탄 10~50%가 충진되는 제1 흡착층과;

   상기 제1 흡착층의 상부에 미세공의 크기가 3.8~4.1Å인 활성탄 50~90%가 충진되는 제2 흡착층과;

   상기 제1 흡착층과 제2 흡착층의 사이에 개재되는 분리망;

   으로 구성되는 것을 특징으로 하는 질소 발생장치의 흡착탑 구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 흡착층의 하부에는 실리카겔층이 제1,2 흡착층 전체의 5~20%로 충진되며, 제1 흡착층과 실리카겔층의 사이에는 분리망이 개재되는 것을 특징으로 하는 질소 발생장치의 흡착탑 구조.

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