KR100295024B1 - 온도순환식흡착시스템및그운용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡착 및 재생 과정에서의 에너지 절약 효과를 극대화하고, 흡착 및 재생 과정이 빠르게 진행되도록 한 온도순환식 흡착시스템 및 그 운용방법에 관한 것으로, 흡착제가 충진되어 있고, 흡착 단계와, 재생 및 냉각 단계를 통해 제품을 생산하기 위한 적어도 두 개 이상의 흡착탑; 기체의 흐름 방향을 조절하기 위한 다수개의 밸브; 유입되는 혼합기체를 저온 상태로 하여 흡착 단계가 수행되는 상기 흡착탑으로 유입시키고, 상기 흡착탑의 냉각 시에서는 정화기체를 저온 상태로 하여 냉각 단계의 상기 흡착탑으로 유입시키는 열 교환기; 상기 흡착탑의 재생을 위해 유입된 기체를 축열된 에너지를 이용해 예열하여 제공하고, 상기 흡착탑의 재생을 위해 유입되었던 기체가 외부로 방출되는 과정에서 기체내에 포함된 열 에너지를 회수하는 축열기; 및 상기 축열기에 의해 예열된 기체에 열을 가해 고온의 기체로 만들어, 재생중인 상기 흡착탑에 제공하는 히터를 포함하여, 상기 제1 흡착탑에서 흡착 단계(혹은 재생 및 냉각 단계)가 수행되면, 이와 동시에 상기 제2 흡착탑에서는 재생 및 냉각 단계(혹은 흡착 단계)가 이루어지고, 상기 흡착탑의 냉각 단계에서는 상기 열교환기를 포함하는 폐루프를 형성하여, 상기 열교환기에 의한 냉각 공기의 공급에 의해 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

온도순환식 흡착시스템 및 그 운용방법

본 발명은 온도순환식 흡착시스템 및 그 운용방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 온도순환식 흡착시스템에 있어서, 축열기 및 열 교환기를 구비하여 흡착 및 재생 과정에서의 에너지 절약 효과를 극대화하고, 흡착 및 재생 과정이 빠르게 진행되도록 한 흡착시스템 및 그 운용방법에 관한 것이다.

일반적으로 온도순환식 흡착 공정에서는 흡착과 탈착을 일으키는 동인으로 온도 순환을 이용한다. 즉, 온도순환식 흡착시스템에서는 혼합기체 중 제거하기를 원하는 기체를 흡착제에 의하여 선별적으로 흡착하여 순도가 높은 생성물을 생산하고, 혼합기체 중 흡착제에 의하여 제거되어지는 기체인 강흡착질에 의해 오염된 흡착제를 재생하게 되는데, 이와 같은 흡착과 탈착을 일으키는 동인으로 온도 순환을 이용한다.

하지만, 상기와 같은 종래의 온도순환식 흡착시스템은 외부 온도의 변화에 따른 흡착탑 내 온도의 반응이 매우 느리기 때문에, 압력순환식 흡착시스템보다 각각의 단계에서의 수행 시간이 길어져 전체적인 한 싸이클이 길어지는 문제점이 있었다. 또한, 재생을 위해서는 흡착탑 내의 온도 상승이 요구되는데, 종래의 온도 순환식 흡착시스템에서는 온도 상승을 위해 많은 에너지가 소비되는 문제점이 있었다.

온도순환식 흡착시스템을 실용화하기 위해서는 이러한 단점을 해결하기 위한 시스템의 구성이 필수적이며, 또한 이러한 효과를 거두면서도 공정이 단순해야 한다.

한편, 온도순환식 흡착시스템은 온도의 순환을 흡착제 재생 및 흡착질의 흡착을 위한 구동력으로 사용하기 때문에, 압력순환식 흡착공정보다 에너지 소비가 큰 만큼 흡착량, 즉 흡착제의 생산성은 커야 한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하면서 상기와 같은 조건들을 충족시키기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 축열기 및 열 교환기를 구비하여 흡착 및 재생 과정에서의 에너지 절약 효과를 극대화하고, 흡착 및 재생 과정이 빠르게 진행되도록 한 흡착시스템 및 그 운용방법을 제공하는데 있다.

제1도는 본 발명에 따른 온도순환식 흡착시스템의 전체 구조도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11, 12 : 흡착탑 13, 18 : 필터

14 : 열 교환기 15, 21 : 송풍기(Blower)

16, 17, 20, 23, 24, 25, 26 : 3방향 밸브

19 : 축열기 22 : 히터(Heater)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 온도순환식 흡착시스템은, 흡착제가 충진되어 있고, 흡착 단계와, 재생 및 냉각 단계를 통해 제품을 생산하기 위한 적어도 두 개 이상의 흡착탑; 기체의 흐름 방향을 조절하기 위한 다수개의 밸브; 유입되는 혼합기체를 저온 상태로 하여 흡착 단계가 수행되는 상기 흡착탑으로 유입시키고, 상기 흡착탑의 냉각 시에서는 정화기체를 저온 상태로 하여 냉각 단계의 상기 흡착탑으로 유입시키는 열 교환기; 상기 흡착탑의 재생을 위해 유입된 기체를 축열된 에너지를 이용해 예열하여 제공하고, 상기 흡착탑의 재생을 위해 유입되었던 기체가 외부로 방출되는 과정에서 기체내에 포함된 열 에너지를 회수하는 축열기; 및 상기 축열기에 의해 예열된 기체에 열을 가해 고온의 기체로 만들어, 재생 중인 상기 흡착탑에 제공하는 히터를 포함하여, 상기 제1 흡착탑에서 흡착 단계(혹은 재생 및 냉각 단계)가 수행되면, 이와 동시에 상기 제2 흡착탑에서는 재생 및 냉각 단계(혹은 흡착 단계)가 이루어지고, 상기 흡착탑의 냉각 단계에서는 상기 열교환기를 포함하는 폐루프를 형성하여, 상기 열교환기에 의한 냉각 공기의 공급에 의해 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 온도순환식 흡착시스템의 운용방법은, 다수개의 밸브와, 히터와, 적어도 하나 이상의 송풍기와, 적어도 두 개 이상의 필터와, 적어도 두 개 이상의 흡착탑, 적어도 하나의 열 교환기, 그리고 적어도 하나 이상의 축열기를 구비한 온도순환식 흡착시스템에 적용되는 운용방법에 있어서, 필터링된 혼합기체를 상기 열교환기를 이용해 저온 상태로 변환시켜 상기 제1 흡착탑 내로 유입시키는 제1단계; 상기 제1 흡착탑에서 상기 유입된 혼합기체내에 포함된 강흡착질을 흡착하여 깨끗한 생산물을 출력하는 제2단계; 상기 제1 흡착탑에서 흡착 단계가 수행되는 동안 상기 제2 흡착탑의 재생을 위해 축열된 에너지를 이용해 유입되는 기체를 예열하고, 상기 예열된 기체를 히터를 이용해 고온의 기체로 변환시켜 재생중인 상기 제2 흡착탑으로 유입시키는 제3단계; 상기 재생중인 제2 흡착탑으로부터 배출되는 기체 내에 포함된 열 에너지를 회수하여 축열하는 제4단계; 및 상기 재생단계가 완료되면 상기 제2 흡착탑을 흡착하기에 좋은 조건으로 냉각시키기 위해, 상기 제2 흡착탑으로부터 배출되는 기체를 상기 열교환기를 이용해 저온의 기체로 변환시킨 다음, 다시 상기 제2 흡착탑으로 유입시키는 제5단계를 포함하여, 상기 제1 흡착탑과 상기 제2 흡착탑이 흡착 단계와, 재생 및 냉각 단계를 교번적으로 수행하도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 따른 온도순환식 흡착시스템의 전체 구조도로서, 도면에서 11, 12는 흡착탑, 13, 18은 필터, 14는 열 교환기, 15, 21은 송풍기(Blower), 16, 17, 20, 23, 24, 25, 26은 3방향 밸브, 19는 축열기, 22는 히터(Heater)를 각각 나타낸다.

본 발명의 실시예에서는 두 개의 흡착탑(11, 12)을 연결하여 연속적으로 생산물이 생산될 수 있도록 하였으며, 전체적으로 흡착-재생-냉각의 3단계로 이루어지고, 만약 제1 흡착탑(11)에서 흡착 단계가 수행되면, 제2 흡착탑(12)에서는 재생과 냉각 단계가 수행된다.

본 발명에 따른 온도순환식 흡착시스템의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

제1 흡착탑(11)의 상하 측에는 제1 및 제2 3방향 밸브(16, 17)의 제1 단이 각각 연결되고, 마찬가지로 제2 흡착탑(12)의 상하 측에는 제3 및 제4 3방향 밸브(23, 24)의 제1 단이 연결된다. 그리고, 제1 흡착탑(11)에 연결된 제2 3방향 밸브(17)의 제2 단과 제2 흡착탑(12)에 연결된 제3 3방향 밸브(23)의 제2단은 생산물을 출력하는 유도관과 연결되며, 제2 3방향 밸브(17)의 제3단과 제3 3방향 밸브(23)의 제3단은 연결관을 통해 상호 연결된다.

또한, 제1 3방향 밸브(16)의 제2 단과 제4 3방향 밸브(24)의 제2단은 제1 송풍기(15)와 연결되며, 제1 3방향 밸브(16)의 제3단과 제4 3방향 밸브(24)의 제3단은 연결관을 통해 상호 연결된다.

혼합기체의 유입단에는 제1 필터(13)가 위치하며, 제1 필터(13)의 후단에는 열 교환기(14)가 연결된다. 그리고, 상기 열 교환기(14)는 상기 제1 송풍기(15)에 연결된다.

한편, 흡착탑을 재생시키기 위해 외부로부터 기체를 유입받는 유입관에는 제 2 필터(18)가 설치되며, 상기 제2 필터(18)의 후단에는 축열기(19)가 연결된다. 상기 축열기(19)의 후단에는 제5 3방향 밸브(20)의 제1단이 연결되고, 상기 제5 3방향 밸브(20)의 제2단은 제2 송풍기(21)와 연결되며, 상기 제5 3방향 밸브(20)의 제3단은 열 교환기(14)와 연결된다. 제2 송풍기(21)의 후단에는 제7 3방향 밸브(26)의 제1단이 연결되고, 상기 제7 3방향 밸브(26)의 제2단에는 히터(22)가 연결되며, 상기 제7 3방향 밸브(26)의 제3단은 상기 히터(22)를 통하지 않는 우회 경로를 제공하기 위해 상기 히터(22)의 출력단에 연결된다. 그리고, 상기 히터(22)의 출력단은 제2 3방향 밸브(17)의 제3단과 제3 3방향 밸브(23)의 제3단을 연결하는 연결관에 연결된다.

한편, 축열기(19)와 열 교환기(14) 사이에는 제6 3방향 밸브(25)가 연결되는데, 상기 제6 3방향 밸브(25)의 제3단은 제1 3방향 밸브(16)의 제3단과 제4 3방향 밸브(24)의 제3단을 연결하는 연결관에 연결된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 온도순환식 흡착시스템의 동작을 살펴보면 아래와 같다.

이하의 설명에서는 제1 흡착탑(11)에서 흡착 단계가 수행되고, 제2 흡착탑(12)에서 재생 및 냉각 단계가 수행되는 것을 예로 들어 설명한다.

먼저, 제1 흡착탑(11)에서의 흡착 단계를 살펴본다.

외부로부터 유입된 혼합기체는 제1 필터(13)에 의해 먼지와 같은 흡착탑에 오염을 일으킬 수 있는 오염원이 제거된 후, 열 교환기(14)로 유입된다. 상기 열교환기(14)에서는 유입된 혼합 기체를 흡착에 유리한 조건인 저온상태로 만들어 준다. 상기 열 교환기(14)를 통과한 혼합기체는 제1 송풍기(15)와 제1 3방항 밸브(16)를 통해 제1 흡착탑(11)으로 유입된다. 제1 흡착탑(11)은 유입된 혼합기체내에 포함된 강흡착질을 흡착하여 깨끗한 생산물(product)을 제2 3방향 밸브(17)를 통해 내보낸다. 이와 같이 제1 흡착탑(11)에서 흡착 단계가 수행되는 동안 제2 흡착탑(12)에서는 재생 및 냉각 단계가 수행된다.

다음, 제2 흡착탑(12)에서의 재생 및 냉각 단계를 설명한다.

재생을 위해 외부로부터 유입되는 기체는 제2 필터(18)에 의해 먼지와 같은 이물질이 제거된 후 축열기(19)로 유입된다. 이렇게 제2 필터(18)를 통해 축열기(19)로 유입된 기체는 재생을 위해 이전에 유입되었던 기체가 배출되는 과정에서 축열기(19)에 의해 회수된 열을 전달받는다. 그리고, 축열기(19)를 통과한 기체는 제5 3방향 밸브(20)와 제2 송풍기(21), 그리고 제7 3방향 밸브(26)를 통해 히터(22)로 유입되고, 상기 히터(22)에 의해 고온의 기체로 변환된 후, 제3 3방향 밸브(23)를 통해 제2 흡착탑(12)으로 유입된다. 이렇게 제2 흡착탑(12)으로 유입된 고온의 기체는 흡착질로 포화된 제2 흡착탑(12)을 재생시킨 후, 제4 3방향 밸브(24)와 제6 3방향 밸브(25)를 통해 축열기(19)를 거쳐 외부로 방출된다. 이 때, 축열기(19)는 배출되는 정화기체로부터 열을 회수한다.

한편, 이 재생단계가 끝나면 흡착탑의 상태를 흡착하기에 좋은 조건인 저온의 상태로 만들어 주기 위한 냉각 단계가 수행된다. 이 냉각 단계에서는 폐루프(close loop)를 사용하여 열 교환기(14)를 통해 저온의 기체로 변환시켜 흡착탑을 냉각시킨다. 이와 같은 냉각 단계에서는 히터(22)가 동작되지 않도록 한다.

냉각 단계에 사용되는 폐루프는 제2 흡착탑(12)-제4 밸브(24)-제6 밸브(25)-열 교환기(14)-제5 밸브(20)-제2 송풍기(21)-제7 밸브(26)-제3 밸브(23)-제2 흡착탑(12)으로 이루어지는 구성을 갖는다.

냉각 단계의 동작을 살펴보면, 제4 3방향 밸브(24)와 제6 3방향 밸브(25)를 통해 배출된 기체는 열 교환기(14)에 의해 저온의 기체로 변환된 후, 제5 3방향 밸브(20)와 제2 송풍기(21), 제7 3방향 밸브(26), 제3 3방향 밸브(23)를 통해 제2 흡착탑(12)으로 유입되어 흡착탑을 냉각시키며, 이와 같은 과정을 반복함으로써, 냉각 단계가 수행된다.

여기서, 제2 흡착탑(12)이 냉각단계일 때, 제1 흡착탑(11)은 흡착단계인데, 이 때, 본 발명의 실시예에서는 제1 흡착탑(11)에서 배출되는 깨끗한 생산물을 제2 3방향 밸브(17)와 제3 3방향 밸브(23)를 통해 조금씩 제2 흡착탑(12)으로 유입시켜 폐루프내의 정화기체를 더욱더 깨끗한 상태로 유지시켜 준다.

제1 흡착탑(11)에서의 흡착단계와 제2 흡착탑(12)에서의 재생 및 냉각 단계가 끝나면 두 흡착탑의 기능이 바뀌게 되며, 제1 흡착탑(11)은 재생 및 냉각 단계를 거치고, 제2 흡착탑(12)은 흡착 단계가 수행된다. 이 모든 단계를 통틀어 하나의 주기가 완료된다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 축열기를 사용하여 정화기체로서 유입되는 기체와 흡착탑의 재생 후 배출되는 기체사이에 열교환이 이루어지도록 하여 열을 효과적으로 이용할 수 있으며, 열 교환기를 이용해 흡착 단계가 빠르게 이루어지도록 하며, 또한 냉각 단계에서 폐루프를 사용하여 강흡착질의 유입을 차단하고, 다른 흡착탑으로부터 깨끗한 생산물을 폐루프 내로 유입시켜 냉각 뿐만 아니라 정화의 효과를 극대화 할 수 있으며, 흡착탑으로 유입되는 기체 및 냉각단계에 사용되는 기체를 하나의 열교환기에 연결시켜 공정을 단순화시킨 효과가 있다.

Claims (6)

1. 흡착제가 충진되어 있고, 흡착 단계와, 재생 및 냉각 단계를 통해 제품을 생산하기 위한 적어도 두 개 이상의 흡착탑; 기체의 흐름 방향을 조절하기 위한 다수개의 밸브; 유입되는 혼합기체를 저온 상태로 하여 흡착 단계가 수행되는 상기 흡착탑으로 유입시키고, 상기 흡착탑의 냉각 시에서는 정화기체를 저온 상태로 하여 냉각 단계의 상기 흡착탑으로 유입시키는 열 교환기; 상기 흡착탑의 재생을 위해 유입된 기체를 축열된 에너지를 이용해 예열하여 제공하고, 상기 흡착탑의 재생을 위해 유입되었던 기체가 외부로 방출되는 과정에서 기체내에 포함된 열 에너지를 회수하는 축열기; 및 상기 축열기에 의해 예열된 기체에 열을 가해 고온의 기체로 만들어, 재생중인 상기 흡착탑에 제공하는 히터를 포함하여, 상기 제1 흡착탑에서 흡착 단계(혹은 재생 및 냉각 단계)가 수행되면, 이와 동시에 상기 제2 흡착탑에서는 재생 및 냉각 단계(혹은 흡착 단계)가 이루어지고, 상기 흡착탑의 냉각 단계에서는 상기 열교환기를 포함하는 폐루프를 형성하여, 상기 열교환기에 의한 냉각 공기의 공급에 의해 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 온도순환식 흡착시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 밸브 각각은, 3방향 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도순환식 흡착시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다수개의 밸브는, 상기 제1 흡착탑의 상, 하에 각각 설치된 제1 및 제2 밸브와, 상기 제2 흡착탑의 상, 하에 각각 설치된 제3 및 제4 밸브와, 상기 축열기의 후단에 설치된 제5 밸브, 상기 열교환기와 상기 축열기 사이에 설치된 제6 밸브, 및 상기 히터의 전단에 설치된 제7 밸브를 포함하되, 상기 제1 밸브는 제1단이 상기 제1 흡착탑의 하단에, 제2단이 제1 송풍기에, 제3단이 상기 제2 흡착탑의 하단에 설치된 제4 밸브의 제3단에 연결되는 구성을 가지며, 상기 제2 밸브는 제1단이 상기 제1 흡착탑의 상단에, 제2단이 생산물의 출력단에, 제3단이 상기 제2 흡착탑의 상단에 설치된 제3 밸브의 제3단에 연결되는 구성을 가지며, 상기 제3 밸브는 제1단이 상기 제2 흡착탑의 상단에, 제2단이 생산물의 출력단에, 제3단이 상기 제2 밸브의 제3단에 연결되는 구성을 가지며, 상기 제4 밸브는 제1단이 상기 제2 흡착탑의 하단에, 제2단이 상기 제1 송풍기에, 제3단이 상기 제1 밸브의 제3단에 연결되는 구성을 가지며, 상기 제5 밸브는 제1단이 상기 축열기에, 제2단이 제2 송풍기에, 제3단이 상기 열교환기에 연결되는 구성을 가지며, 상기 제6 밸브는 제1단이 상기 열교환기에, 제2단이 상기 축열기에, 제3단이 상기 제1 밸브의 제3단과 상기 제4 밸브의 제3단을 연결하는 연결관에 연결되는 구성을 가지며, 상기 제7 밸브는 제1단이 상기 제2 송풍기에, 제2단이 상기 히터의 입력단에, 제3단이 상기 히터의 출력단에 연결되는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 온도순환식 흡착시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 흡착탑의 냉각 시의 폐루프는, 상기 냉각 단계인 흡착탑의 하단에 설치된 상기 밸브(제1 혹은 제4 밸브)-상기 제6 밸브-상기 열 교환기-상기 제5 밸브-상기 제2 송풍기-상기 제7 밸브-상기 냉각 단계인 흡착탑의 상단에 설치된 상기 밸브(제2 혹은 제3 밸브)의 경로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도순환식 흡착시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 흡착탑의 냉각 시에, 상기 제2 밸브의 제3단과 상기 제3 밸브의 제3단의 연결관을 통해 상기 흡착중인 흡착탑에서 생산되는 생산물의 일부를 상기 냉각 중인 흡착탑 내로 유입시키는 것을 특징으로 하는 온도순환식 흡착시스템.
6. 다수개의 밸브와, 히터와, 적어도 하나 이상의 송풍기와, 적어도 두 개 이상의 필터와, 적어도 두 개 이상의 흡착탑, 적어도 하나의 열 교환기, 그리고 적어도 하나 이상의 축열기를 구비한 온도순환식 흡착시스템에 적용되는 운용방법에 있어서, 필터링된 혼합기체를 상기 열교환기를 이용해 저온 상태로 변환시켜 상기 제 1 흡착탑 내로 유입시키는 제1단계; 상기 제1 흡착탑에서 상기 유입된 혼합기체내에 포함된 강흡착질을 흡착하여 깨끗한 생산물을 출력하는 제2단계; 상기 제1 흡착탑에서 흡착 단계가 수행되는 동안 상기 제2 흡착탑의 재생을 위해 축열된 에너지를 이용해 유입되는 기체를 예열하고, 상기 예열된 기체를 히터를 이용해 고온의 기체로 변환시켜 재생중인 상기 제2 흡착탑으로 유입시키는 제3 단계; 상기 재생중인 제2 흡착탑으로부터 배출되는 기체 내에 포함된 열 에너지를 회수하여 축열하는 제4단계; 및 상기 재생단계가 완료되면 상기 제2 흡착탑을 흡착하기에 좋은 조건으로 냉각시키기 위해, 상기 제2 흡착탑으로부터 배출되는 기체를 상기 열교환기를 이용해 저온의 기체로 변환시킨 다음, 다시 상기 제2 흡착탑으로 유입시키는 제5단계를 포함하여, 상기 제1 흡착탑과 상기 제2 흡착탑이 흡착 단계와, 재생 및 냉각 단계를 교번적으로 수행하도록 한 것을 특징으로 하는 온도순환식 흡착시스템의 운용방법.