KR100506554B1 - 기체농축방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡착제에 압력차이를 가하여 농축기체를 얻는 방법에 관한 것으로, 특히 생산기체의 농도 보다는 생산량에 초점을 맞추어 다량의 부화기체를 얻는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 종래의 압력스윙흡착방법(PSA)의 공정을 일부 개선하여 두 개의 흡착베드 만으로도 압력 변동을 최소로 하는 동시에 연속생산이 가능하게 하며, 복잡한 다단계 공정을 탈피하여 최대한 단순화된 공정을 사용함으로써 기기로서 구현하였을 때에 최대한 저렴하게 실현할 수 있도록 구성하였다. 산업용으로의 응용보다는 소형기기에의 적용을 위한 방법에 적합하며, 특히 소형 산소농축기에 적용하였을 경우에 의료용 이외에 공기조화용 및 정수기 등에 응용할 수 있도록 구성하였다.

Description

기체농축방법{Gas Concentration Method}

본 발명은 각 기체에 대하여 선택적인 흡착력을 가지는 흡착제에 압력차이를 가하여 혼합기체로부터 특정 기체를 분리하여 원료 기체로부터 특정 기체의 농도를 증가시킨 부화기체를 얻는 방법에 관한 것이다.

흡착제를 사용하여 특정 기체의 농도를 증가시키는 농축방법에는 대표적으로 기체분리막에 압력을 가하여 기체들의 통과 속도 차이를 이용하는 방법과 제올라이트 분자체(Zeolite Molecular Sieve,ZMS)나 카본 분자체(CMS)를 이용하여 이들을 채운 용기에 압력차이를 가하여 특정 성분의 기체를 흡착제에 흡착시키고 상대적으로 흡착이 잘 이루어지지 않는 성분을 뽑아내는 압력스윙흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 방식이 있다.

PSA 방식은 보통 상압 이상에서 기체를 흡착시키며 대기압에서 탈착 및 재생과정을 수행하게 된다. 1950년대 이래로 발전된 PSA 방식은 산업적으로 산소 및 질소 등을 생산하는 데에 많이 사용되고 있으며, 공기건조, 산소농축, 수소정제외에도 최근에는 정수기나 공기청정기 및 의료기기 등에 적용되어 소형화된 제품에도 적용되고 있다. 특히, 최근에는 공기오염에 따라 사무실과 가정의 공조용으로 적용되기 시작하였다. 도 1은 대표적인 PSA공정의 두개의 흡착베드를 사용한 4단계 공정을 도시한 것이다. 여기서 Pl과 Ph는 각각 운전되는 압력의 최저치와 최고치를 나타낸다. 이와 같은 공정은 토출압력의 심한 변화를 나타내게 되어 흡착베드의 수를 늘려야 하는 단점이 있다. 멀티베드 시스템은 효율이 좋으나 소형화에 한계가 있으며 초기 비용이 상대적으로 많이 든다.

PSA 방식은 운전되는 압력에 따라 진공압과 대기압 이상에서 작용하는 VPSA와 대기압 이하에서 운전되는 VSA로 세분하여 부를 수 있으며, VSA와 VPSA는 혼용되어 사용되기도 하며, 포괄하여 PSA로 부른다. PSA 공정의 평가요소는 농도, 회수율 그리고 생산성으로 대표되는데, 종래의 방식들은 산업용에 그 초점이 맞추어져 주로 농도와 회수율 그리고 초기 설비투자비와 운전비를 고려하여 공정설계와 시스템설계가 이루어졌다. 1970년대에 개발된 RPSA(Rapid PSA)는 생산 기체의 생산량에 초점을 맞추어 개발된 공정으로, 대부분의 PSA 공정이 흡착베드 내부의 압력강하가 거의 없거나 무시되는 것과는 달리 흡착베드 내부에 작은 입자들을 채워 압력 강하를 발생시키고 이를 이용하여 4배에 달하는 산소부화공기를 생산할 수 있었다. 이는 NASA의 비행사들의 비상용 산소공급장치에 적용되기도 하였으나 상용화된 소형 가전제품에의 응용은 이루어지지 못하였다.

가정용 공기청정기와 결합되거나 에어컨과 결합되는 소용량 산소농축기의 경우 목적 공간의 최종적인 산소농도는 사람이 쾌적함을 느끼는21~23% 정도의 수준이므로 사실상 산업용에서의 고농도는 의미가 없게되며, 정수기에의 적용일 경우에도 60% 이상이면 충분히 용존 산소량을 증대시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, RPSA와 같은 고생산량을 달성할 수 있는 공정의 채택이 소형 기기에는 바람직함을 알 수 있다.

상압 이상에서 작동하는 PSA의 경우는 소형화 할 경우 그 효율이 좋으나, 보통 2 기압 내지 5기압 정도의 압력을 사용할 경우 펌프의 소음문제와 열문제, 그리고 내구성 문제가 가장 큰 문제로 대두되어 실내용 가전용 기기에는 사용이 거의 불가능한 것으로 알려져 있다. 최근에는 미국특허 US5,074892, US6,010,555 및 US6,506,234등과 같이 흡탈착 압력비를 최대한 낮추고 회수율을 높이는 방법들이 제안되고 있으나, 이를 위해서는 고성능의 흡착제가 사용되어야 하고 이들의 재생문제가 어려워 그 적용에 한계가 있다. 또한, 이들 역시 소형 기기와 생산성에 초점을 두지 않아 소형 가전에의 적용은 적합하지 않다. 이를 소형 가전에 적용시키기 위하여는 저전력으로 최대의 생산성을 내는 공정이 필요하게 된다.

대기압 이상과 진공압 사이에서 운전하는 VPSA 방식의 경우 PSA 보다 정숙한 운전을 보장해 주기는 하지만 종래의 공정에 의한 방식은 상기와 마찬가지로 복잡한 다단계 제어와 밸브장치 및 서지탱크 등의 사용으로 저렴하게 구성하기에는 어려움이 있다.

대기압 이하에서만 작용하는 순수 VSA의 경우는 일본국 특허 JP5015721과 JP10314532에서와 같이 메인 진공펌프를 구비하여 흡착과 탈착을 수행하고 송풍기를 사용하여 농축산소를 공급하는 방식을 사용한다. 이 같은 방식은 압력 차이가 작으므로 소형 기기에 응용할 경우 고성능 흡착제의 사용이 필수요건이 되며, 상기 특허에서와 같이 흡착베드를 세개 이상 구비하여 구성할 경우 밸브 제어가 복잡하게 되므로 소형 일반 공조용으로는 적합하지 않게 된다.

최근에 본 출원인에 의하여 출원된 VSA 방식은 주로 두개의 흡착베드를 사용하는 방식으로 상기 일본국 특허와 유사하게 메인 진공펌프와 산소부화공기 공급장치를 구비하여 구동된다. 도 2는 이를 간략하게 도시한 것으로, 부화공기 공급장치의 진공압에 의하여 토출기체의 압력변동을 최소화하며 연속생산을 이루게 된다. 이 경우에 저압차를 사용하므로 소음 및 열문제가 상당히 해결되어, 최대 생산량을 구현하는 공정과 결합될 경우에 소형 기기에의 적용이 가능하게 된다. 따라서, 주로 VSA 시스템에 적합한 최적의 공정이 필요로 하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 간단한 공정을 사용하여 소형 기체농축장치의 단순화에 따른 저가격화를 이루고, 생산량에 초점을 맞춘 공정을 통하여 소형 장치에서 다량의 농축기체를 얻도록 하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 높은 압력과 대기압에서 작동하는 PSA 방식 보다는 상대적으로 저소음, 저발열 및 내구성에 유리한 VPSA나 VSA 방식을 사용하여 고생산성 및 단순공정을 구현하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 산업용과는 달리 소형 가전기기에 적합한 공정을 구현하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 도면을 참조로 각 단계가 설명된다.

도 3은 본 발명에 의한 공정을 나타낸 도식도이다. 표준 4단계 공정으로 구성되며, Pl과 Ph는 각각 상대적으로 낮은 압력과 높은 압력을 의미한다. 도면에서는 흡착 생산단계는 모든 공정에서 이루어 지어 연속 생산이 이루어지며, 전체 싸이클은 20초 이내의 빠른 공정을 수행하게 된다. 개인용과 같은 초소형으로 구성하였을 경우에는 5초이하의 싸이클을 구성할 수 있다. 주로 산소농축의 경우를 실시예로 설명된다.

도 1의 공정은 실제는 생산공정이 불연속적으로 이루어져 각 스텝에 따라 생산 유량의 변화가 심하여 서지탱크가 필수로 필요하게 된다. 혹은 멀티베드 공정으로 확장하여 압력변화를 줄이고, 밸브는 회전밸브를 주로 사용하여 흡착 및 탈착을 컨트롤한다. 이에 비하여 도 3은 모든 공정에서 연속생산이 이루어지므로 부가적인 서지 탱크는 없어도 무방하며, 두 개의 흡착베드 만으로도 부화공기 토출압력변화가 매우 작게 된다.

도면 3에서 각 단계를 살펴보면, 첫번째 단계는 흡착베드1이 탈착과정, 흡착베드2는 흡착과정을 겪고 있는 상태를 나타내며, 흡착베드2에서 생산단부를 통하여 생산되는 생산기체 중의 일부는 흡착베드1의 생산단부를 통하여 유입되어 상대적 고압으로 리플럭스(refulx)되어 흡착된 질소를 세척하게 된다.

스텝2는 스텝1에 비하여 비교적 짧은 시간동안에 일어나는 단계로서, 흡착베드2의 하단부인 공급단부(흡입부)는 탈착단계가 이루어지기 시작하고 흡착베드1의 상단부인 공급단부(도면에서 윗부분)는 흡착단계가 발생하기 시작한다. 그러나, 아직 흡착베드 내에는 압력구배가 존재하여 여전히 일부 산소부화공기가 흡착베드2에서 베드1으로 생산단부를 통하여 이동하게된다. 스텝3는 흡착베드1의 압력이 완전히 흡착베드2의 생산단부에 비하여 높은 상태로 되어, 스텝1과 마찬가지로 흡착베드1에서 흡착베드2로 일부 생산물이 리플럭스되고, 생산기체는 연속적으로 배출되게 된다. 스텝4는 스텝2와 같이 흡착베드 간의 흡착 및 탈착이 전환되는 과도 시기에 흡착베드 내부의 압력구배로 인하여 생산기체의 일부가 여전히 스텝3와 같은 방향으로 진행되면서 기체가 생산되는 단계이다.

본 공정은 PSA, VPSA 및 VSA 공정에 사용될 수 있으나, 각 단계에서 연속생산을 하는 데에는 별도의 생산기체 토출용 펌프를 사용하는 도 2와 같은 VSA 공정용 장치에 보다 적합하다. 상기와 같은 공정은 밸브제어와 펌프제어를 통하여 구현할 수 있으며, 특히 도 2와 같은 VSA용 장치에 적용하는 경우에는 복잡한 밸브제어 없이 스텝2와 스텝4를 구현할 수 있다. 즉, 스텝1과 4는 흡탈착 유로방향이 동일하고 스텝2와 3는 또한 동일하므로 밸브의 단순한 온오프를 통하여도 흡착베드 내의 압력구배를 형성하여 4가지 스텝을 구현할 수 있다. 스텝2와 스텝4는 일종의 산소부압공정과 평형공정과 유사하다고 볼 수 있다. 스텝2와 4는 흡착베드의 길이와 흡착제의 알갱이 입자의 크기로 조절될 수 있다. 즉, 흡입 저항을 조절하여 압력구배 변환 시간을 조절함으로써 스텝의 진행시간을 조절할 수 있다.

도 4는 흡착베드 내의 길이별 압력분포를 대략적으로 나타낸 것이다. 보는 바와 같이 RPSA와 유사하게 흡착베드 내부의 흡착제 알갱이를 작은 것을 사용하여 압력강하를 나타나게 한다. 흡착베드는 되도록 작은 크기의 흡착제들로 채우고, 단계와 단계는 매우 짧은 시간에 일어나므로 입구와 출구 사이의 압력구배가 존재하게 되고, 이러한 과정 중에 단계 2와 4가 발생하여 스텝2에서 흡착베드1의 흡착단계가 시작되기 전에 이미 베드1의 생산단에 부화기체가 약간 존재하게 된다. 이것은 흡착베드1과 2의 생산단의 압력이 평형을 이룰 때 까지 진행되게된다. 공정이 진행되어 흡착베드1의 생산단 압력은 베드2의 생산단 압력보다 증가하게 되어 스텝3와 같이 흡착베드1에서 2로의 리플럭스 및 생산이 이루어지게 된다.

흡착과 탈착압력은 PSA냐 VSA냐 따라 결정되어 지겠지만, 연속적으로 생산하는 방식으로는 상기에서 언급한 바와 같이 도 2와 같은 VSA 방식이 적합하다. 이것은 본 발명이 소형 산소농축기와 같은 응용에 있으므로 정숙운전 및 다량생산의 입장에서 보면 최근에 개발되는 고성능 흡착제를 사용해야 하므로, 탈착압력이 진공압이하에서 설정되는 것이 바람직하다. 단순 대기압 퍼지상태와 고농도 산소세척으로는 고성능 흡착제의 재생이 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서, 대기압 이상과 진공압사이에서 운전하거나, 도2와 같이 완전이 대기압 이하에서 운전되는 것이 바람직하다.

도 2와 같은 VSA 시스템에 사용되는 경우에, 단계 2와 단계 4의 공정시간은 흡착베드의 길이와 흡착제 입자의 크기를 조절하여 흡입 기체의 저항을 조절함으로써 압력구배가 변화하여 시간 조절이 가능하게 된다. 또한, 진공펌프수단(6)과 체크밸브(5)의 진공압과 저항값을 조절하여 2단계와 4단계의 조절이 가능하다. 이러한 조절은 농도와 유량의 조절에 중요하며, 조절수단(10)은 보조적으로 사용될 수 있다.

전체 싸이클타임은 수십초 내로 설정될 수 있으며, 개인용등의 소형인 경우에는 10초 미만의 짧은 시간으로 전체 싸이클 타임을 설정함으로써, 단위 흡착제당 생산량을 최대화 할 수 있다.

본 발명은 소형 기체농축기에 사용되어 다량의 농축기체를 생산할 수 있으며, 특히 산소농축기에 응용되어 가전기기와 결합되거나 휴대용 산소농축기에 사용되어 소형화, 저가격화 및 고효율의 기기를 구성할 수 있다.

본 발명은 VSA 공정을 사용하는 시스템에 적용되어 종래의 장치들이 가지는 소음문제를 극복하는 동시에 보다 많은 양의 부화공기를 생산할 수 있다.

도 1 은 종래의 표준 4단계 공정을 나타낸 도면이다.

도 2 는 종래의 VSA 방식에 의한 장치의 실시예이다.

도 3 은 본 발명에 의한 표준공정 4단계를 나타낸 도면이다.

도 4 는 본 발명에 의한 흡착베드 내의 압력분포를 나타낸 그래프이다.

--도면의 간단한 설명--

1,9..흡착베드 2..진공펌프수단

3..흡입필터 4..밸브수단

5..체크밸브 6..진공펌프수단

7..생산단부 8..공급단부

10..조절수단 11..미세관

Claims (8)

1. 특정 기체에 대하여 선택적인 흡착특성을 갖는 흡착제에 압력차이를 가하여 기체를 분리하는 압력스윙흡착 방법에 있어서,

   제 1 흡착베드 내의 압력이 공급 혼합기체의 압력보다 낮아 흡착베드의 공급 단부내로 혼합기체가 유입되어 강한 흡착성 성분이 우선적으로 흡착제에 흡착되고, 다른 또 하나의 제 2 흡착베드는 내부 압력이 감소되어 흡착되어 있는 성분이 탈착되며, 상기 제 1 흡착베드에서 상대적으로 덜 흡착되는 성분은 제 1 흡착베드의 생산단부를 통하여 외부로 배출되어 부화기체를 생산하며, 생산되는 부화기체의 일부를 상기 제 2 흡착베드의 생산단부로 일부 공급하는 제 1 단계와,

   상기 제 1 흡착베드 내의 압력을 공급단부에서부터 감소시켜 흡착된 성분을 탈착하는 과정을 수행하며, 제 2 흡착베드는 공급단부에서부터 압력을 증가시켜 강한 흡착성분을 흡착시키고, 상기 과정 중에 상기 제 1 및 제 2 흡착베드에 생산단부와 공급단부를 따라 압력구배가 존재하여 제 1 흡착베드의 생산단부는 제 2 흡착베드의 생산단부보다 압력이 높아 제 1 흡착베드에서 제 2 흡착베드로 생산기체의 일부가 공급되며, 이 과정 중에도 생산기체는 연속하여 외부로 배출되는 제 2 단계와,

   상기 과도기 적인 제 2단계에서 제 1 흡착베드의 생산단부와 제 2 흡착베드의 생산단부의 압력이 역전되어 제 1 단계와 동일하게 제 1 흡착베드는 탈착과정이 거의 전 흡착베드에 걸쳐 일어나고 제 2 흡착베드는 흡착과정이 일어나며 부화기체는 계속 생산되는 제 3 단계와,

   상기 제 2 단계와 마찬가지고 흡착베드 내의 압력구배에 의하여 제 2 흡착베드에서 제 1 흡착베드로 일부 생산기체가 공급되며, 제 1 흡착베드는 공급단부에서 부터 압력이 증가하여 흡착과정이 발생하고, 제 2 흡착베드는 공급단부부터 압력이 감소하여 탈착과정이 발생하는 동시에 부화기체를 연속생산하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력스윙흡착 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 혼합기체는 공기이고, 강한 흡착성분은 질소이며 덜 강한 흡착성분은 산소인 것을 특징으로 하는 압력스윙흡착방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 흡착압력은 대기압이며 탈착압력은 진공펌프에 의하여 결정되는 진공압임을 특징으로 하는 압력스윙흡착방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 두 개의 진공펌프수단을 사용하여 진공압을 발생시켜, 상기 흡착압력은 대기압이며 탈착압력은 하나의 진공펌프수단에 의하여 결정되는 진공압으로 하고, 다른 하나의 진공펌프수단을 사용하여 흡착베드의 생산단부로부터 부화기체를 흡입하여 공급하는 것을 특징으로 하는 압력스윙흡착방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 흡착제는 Li 이온이 치환된 합성제올라이트 임을 특징으로 하는 압력스윙흡착방법.
6. 제 4 항에 있어서, 제 2 단계와 제 4 단계의 시간조절은 흡착베드의 길이와 흡착제의 입자크기를 조절하여 컨트롤 하는 것을 특징으로 하는 압력스윙흡착방법.
7. 제 4 항에 있어서, 부화공기를 공급하는 진공펌프수단과 흡착베드 생산단부 사이에 체크밸브를 구비하여, 진공펌프수단의 진공압과 체크밸브의 개폐압력을 조절하여 제 2 단계와 제 4 단계의 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 압력스윙흡착방법.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 전체 싸이클 시간은 10초 이내인 것을 특징으로 하는 압력스윙흡착방법.