KR100511192B1 - 기체농축방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡착제를 사용하여 특정기체를 농축시키는 기체농축기의 기체농축방법에 관한 것으로, 특히 진공스윙흡착방식에 의하여 운전되는 기체농축기의 공정에 관한 것이다. 전체 공정은 대기압 이하에서 수행되는 VSA 방식에 기초하며, 흡착제를 포함하는 흡착베드의 압력구배를 이용하여 연속생산을 수행하고, 하나의 흡착베드의 흡착 및 탈착시간을 조절하여 최대의 농축기체 농도를 생산한다. 본 발명에 의하여 흡착베드간의 압력평형 공정이 간단한 밸브조작을 통하여 이루어짐으로써 흡착제의 수명연장 및 시스템의 효율증대의 효과가 있다.

Description

기체농축방법{Gas Concentration Method}

본 발명은 특정 기체에 대하여 선택적인 흡착성을 가지는 흡착제를 사용하여 혼합기체로부터 특정기체를 분리하여 생산하는 압력스윙흡착공정에 관한 것으로, 특히 진공압과 대기압 이하에서 운전되는 공기 중으로부터 산소를 분리하는 진공스윙흡착방식에 관한 것이다.

기체분리 방식은 상업적으로 실용화되어 있는 방식으로는 크게 기체분리막에 의한 방식과 흡착제에 압력차이를 가하는 압력스윙방식으로 나뉜다. 공기중으로 부터 산소를 분리하는 경우에 기체분리막에 의한 방식은 고농도 생산보다는 현재 40% 이하의 산소부화기체를 생산하는 데에 사용되며, 최근에 건강 가전제품에 응용되어 공기청정기와 에어컨등에 부착되어 사용되고 있다. 제올라이트등의 흡착제를 사용하는 방법은 운전 압력에 따라 대기압 이상에서 운전되는 압축스윙흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption)방식과 대기압 이하에서 운전되는 진공스윙흡착(VSA) 방식 그리고 혼합형인 진공압축스윙방식(VPSA) 방식이 있으며, 일반적으로는 PSA 방식으로 부른다.

이들 흡착제를 사용하는 방식은 농도조절이 자유로워 산업용으로 고순도 수소, 산소 및 질소등을 생산하는 데에 사용되며, 기체분리막 방식과 경쟁하며 에어컨, 청정기 및 정수기등에 적용되고 있다. 가정용 가전제품에 산소농축기가 응용되기 시작하면서, 실외에 산소농축기를 설치하는 것 이외에 실내용으로도 설치가 되기 시작하여 소음 및 진동이 매우 중요한 인자로 떠오르게 되었다. 따라서, 소형의 산소농축기에는 고압의 압축공기를 가하는 공정은 거의 채택하지 않게 되었으며, 고성능 흡착제를 채택하여 압력비를 줄이고 사이즈를 줄이는 경향이 늘고 있다. 최근에는 PSA 방식보다는 상대적 저압력비를 사용하는 VSA방식의 채택이 늘고 있으며, 이에 따라 소형에 적합한 공정의 개발도 증가하고 있다.

본 방식에 채택하고 있는 VSA 공정은 일반적으로 혼용되어 불리는 VPSA 공정과는 달리 그 운전압력이 대기압 이하에서 고정되며, 산업적으로는 이러한 공정은 극히 제한적으로 사용되어 왔다. 농도나 회수율보다는 생산량에 초점이 맞추어진 공정이 본 출원인에 의하여 개발되어 출원되었으며, 특히 소형에 맞도록 구성된 간단한 공정을 통하여 전체 시스템이 단순하게 이루어지게 하였다. 이러한 두 개의 흡착베드로 구성된 VSA 시스템은 도 1에 도시되어 있으며, 그 기본 동작은 흡착베드(1,9) 내에 진공펌프수단(2)에 의하여 진공압을 형성하고 필터수단(3)을 통하여 상기 진공압에 의하여 외부 기체를 흡입하여 흡착베드(1,9) 내의 흡착제에 특정기체를 흡착시켜, 상대적으로 흡착도가 낮은 기체를 기체토출기(6)가 흡입하여 목적공간으로 분사시키는 구조로 되어있다. 두 개의 흡착베드(1,9)는 한개가 생산과정을 겪는 동안 다른 하나는 재생과정을 겪는데, 이러한 유로의 전환은 밸브수단(4)에 의하여 이루어진다.

상기와 같은 VSA 공정은 주로 기체토출기(6)의 흡입력과 체크밸브(5)의 개폐압력에 의하여 토출양과 시간이 결정되는 데, 본 출원인의 출원에 의한 공정에서는 도 2와 같이 연속생산에 초점을 맞추어 공정이 진행되었다. Ph와 Pl은 각각 상대적으로 고압과 저압을 표시한 것으로, 이 경우에 흡착베드(1,9)의 구경과 길이 변화에 따라 흡착베드(1,9)의 입력단(8)으로부터 생산단(7) 으로의 흡착속도가 달라져 흡착베드(1,9) 내의 시간에 따른 압력구배가 달라지게 된다. 이 때에는 기계적인 부품인 기체토출기(6)와 조절수단(10), 그리고 체크밸브(5)로는 최적의 공정을 만들어 내기는 어려운 점이 있다. 또한, 흡착베드(1,9)의 생산단(7) 쪽의 압력분포가 급격하게 이루어져 효율이 저하되는 단점이 있으며, 단계2와 단계3 사이의 생산단(7) 쪽의 압력평형시간이 매우 짧아 부압공정이 충분히 이루어지지 못하는 단점이 있다.

그리고, 도 2와 같은 경우에 입력단(8)의 관점에서 보면 흡입시간과 탈착시간이 동일하게 설정될 수 밖에 없으므로 상황에 따라서는 충분한 진공재생이 이루어지지 못하므로 흡착제의 수명이 줄어드는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 보완하기 위하여 안출된 것으로, 기계적인 부품이외에 밸브수단을 제어함으로써 효율을 증가시키는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 한 흡착베드에 있어서, 흡착시간과 탈착시간을 조절함으로써 효율증가는 물론, 진공재생압을 조절함으로써 흡착제의 수명을 증대시키는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 단일 밸브수단을 사용하지 않고 각 흡착베드에 연결된 각각의 밸브수단을 제어함으로써 각 흡착베드의 공정을 제어하여 원하는 생산기체의 유량과 농도를 제어하는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 흡착베드의 길이와 구경변화에 대응하여, VSA 공정의 연속생산을 위하여 체크밸브와 기체토출기, 그리고 밸브수단의 최적결합을 이룸으로써 전체 VSA 시스템의 최적화를 구축하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상기에 기술된 도 1과 같은 기본적인 장치의 구성을 갖는다. 그 기본 동작을 도 2와 연계하여 설명하면, 단계 1에서 흡착베드(1,Bed2)는 내부에 진공펌프수단(2)에 의하여 이전단계에서 진공압이 형성되어, 필터수단(3)을 통하여 상기 진공압과 흡입공기의 압력차이에 의하여 외부 기체가 흡입되어 흡착베드(1) 내의 흡착제에 특정기체를 흡착된다. 이 때, 상대적으로 흡착도가 낮은 기체는 흡착베드(1)를 통과하여 생산단(7)과 체크밸브(5)를 지나 기체토출기(6)가 이를 흡입하여 목적공간으로 분사시키는 동작을 수행한다. 흡착베드(9,Bed1)는 이 때 진공펌프수단(2)에 의하여 진공재생 과정을 겪고 있으며, 흡착베드(1)로부터 일부 부화공기가 유입되어 세척이 동시에 이루어진다.

유로의 전환은 밸브수단(4)에 의하여 이루어지며, 단계 2는 혼합기체의 유입단(8)과 연결된 밸브수단(4)이 전환되면서 흡착베드(1)는 유입단(8)에서부터 진공압을 받기 시작하고 흡착베드(9)는 혼합기체의 압력에 의해 혼합기체가 유입되기 시작하는 단계를 나타낸 것이다. 이 때 흡착베드(1,9) 내에는 압력구배가 생기고 흡착베드(1,9)의 상단인 생산단(7)은 여전히 흡착베드(1)에서 흡착베드(9)로의 부화기체의 유입이 이루어 지며, 압력구배 변화에 따라 압력파가 생산단(7)으로 전달되어 각 흡착베드(1,9)의 생산단(7) 압력이 같아지게 되면 단계 3으로 넘어가게 된다.

단계 3과 단계 4는 상기 단계 1과 단계 2와 동일하게 진행되며, 단지 흡착베드(1)와 흡착베드(9)의 진행과정이 바뀌어 수행된다. 이러한 4단계 대칭형 공정은 그 구성이 간단하고 밸브수단(4)의 선택과 제어가 단순하여, 4way 밸브 하나의 온오프 동작만으로도 체크밸브의 개폐압력이 조절된다면 그 구성이 가능한 장점이 있다. 그러나, 상기에서와 같이 보다 높은 효율과 흡착제의 수명연장, 그리고 다양한 길이와 구경의 흡착베드 사이즈에 대하여 대응하기 위해서는 각 흡착베드에 대하여 각각의 밸브수단이 제어하는 것이 필요하다.

도 3은 두 개의 흡착베드(1,9)에 각각 독립적으로 구동되는 두 개의 밸브수단(4)에 전달되는 온오프 동작신호의 실시예를 나타낸 것이다. 여기서 온(on) 상태를 흡착베드(1,9)에 혼합기체가 유입되는 상태이고, 오프(off) 상태를 진공펌프수단(2)이 흡착베드(1,9)에 작용하여 진공재생이 이루어지는 상태로 하면, 도 3에서 보듯이 실시예 1에서 밸브의 오프상태가 온상태보다 길므로 상대적으로 진공재생시간이 길어져 흡착베드(1,9) 내의 진공압은 증가하게 된다. 따라서, 흡착제의 입장에서는 유리하게 되어 불순물의 흡착제로부터의 분리가 용이하게 되며, 또한 혼합기체와의 진공압과의 차이가 커져 부화공기의 농도는 증가하게 된다. 물론, 전체적인 생산량은 약간 줄어들게 되지만 온오프 시간의 조절로 이것은 최소화할 수 있다.

여기서, △t는 두 개의 밸브가 동시에 오프상태에 있는 시간으로서, 동시에 두 흡착베드(1,9)가 진공펌프수단(2)의 진공압을 받게되는 상태이다. 이러한 공정으로 인하여 흡착베드(1,9)는 서로 어느 정도 압력균형을 이루게 되며, 이 공정의 시간이 길어지면 진공압 이하에서 두 개의 흡착베드(1,9) 내부의 압력을 평형화시킬 수 있다. 따라서, 도 2의 4단계 공정은 단계 1과 단계 2 사이에, 또한 단계 3과 단계 4 사이에 두 개의 흡착베드(1,9)가 동시에 진공압을 받는 또다른 단계가 추가 됨으로써 그 양상이 복잡하게 진행된다. 도 4는 이를 포함하는 단계를 도시한 것으로, 모두 단계 6으로 구성될 수 있으며, 여기서 도 2의 단계 2과 단계 4는 도 4의 단계 3과 단계 6에 각각 해당하게 되며, 그 시간이 무척 짧아져 실질적으로는 도 3의 단계 3과 단계 6은 거의 무시되는 4단계 공정으로 생각할 수도 있다. 도 4에서는 각 흡착베드 상단부인 생산단(7) 간의 압력이 같아지는 시간 까지가 단계 3과 단계 6을 나타낸다.

도 3의 실시예 2는 온 상태가 오프 상태보다 긴 제어방식으로서, 이것은 흡착베드의 길이가 구경에 비하여 길어 혼합기체의 압력이 생산단(7)에 전달되는 시간이 긴 경우에 흡착베드 내의 압력구배를 조절하는 데에 사용될 수 있는 방식이다. 또한, 전체 생산량을 증가시킬 때에도 사용될 수 있는데, 상기 △t에 해당하는 시간 동안에 두 개의 흡착베드(1,9)는 모두 온 상태이므로 상기 실시예 1 보다 생산단(7)의 절대압력이 빠른 시간 내에 증가하여 기체토출기(6)의 흡입이 용이하게 되고, 결과적으로 부화기체의 생산량은 증가하게 된다. 도 5는 이를 도시한 것으로, 도 4의 단계 2와 단계 5를 비교하면 입력단(8)의 기체이동 방향이 틀려지게 된다. 즉, 동시에 혼합공기가 흡입되는 과정을 보여준다. 도 4에서와 마찬가지로 도 5에서도 각 흡착베드 상단부인 생산단(7) 간의 압력이 같아지는 시간 까지가 단계 3과 단계 6을 나타낸다.

상기와 같이 체크밸브(5)의 개폐압력과 기체토출기(6)의 흡입력, 그리고 흡착베드(1,9)의 길이와 구경에 따른 압력구배 변화를 밸브수단(4)과 조합하여 제어함으로써 원하는 농도와 생산량, 그리고 흡착제의 수명을 고려한 설계가 가능하게 된다.

본 발명에 의한 VSA 공정에 의하여 구성된 기체농축기는 효율의 증대에 의한 부화기체의 농도증대의 효과와 흡착제의 수명증대의 효과가 있다.

본 발명에 의한 VSA 공정에 의하여 흡착베드의 구경과 길이에 따른 변화에 적합한 최적의 밸브제어 방법을 구현함으로써 시스템의 목적에 맞추어 생산량의 최대화나 농도, 수명등을 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 운전방법에 의한 VSA 시스템의 개략도이다.

도 2는 종래의 VSA 공정의 실시예를 나타낸 도면이다.

도 3은 밸브수단의 제어신호를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 실시예이다.

도 5는 본 발명에 따른 실시예이다.

- 도면 부호의 간단한 설명 -

1,9...흡착베드             2...진공펌프수단

       3...필터 수단              4...밸브수단

       5...체크밸브               6...기체토출기

       7...생산단                 8...입력단

10...조절수단         11...미세관

Claims (7)

1. 특정 기체에 대하여 선택적인 흡착특성을 갖는 흡착제에, 진공펌프수단을 구비하여 진공압을 만들고, 상기 진공압과 혼합기체의 압력과의 압력차이를 가하여 기체를 분리하고 기체토출기를 구비하여 목적공간으로 상기 분리된 부화기체를 상기 기체토출기를 사용하여 분사하는 기체농축방법에 있어서,

   상기 흡착제를 포함하는 두 개의 흡착베드를 구비하고,

   상기 각 흡착베드와 진공펌프수단에 연결되어 혼합기체의 압력과 진공펌프수단의 진공압을 선택적으로 받을 수 있는 두 개의 밸브수단을 구비하며,

   상기 각 밸브수단은 온오프동작을 규칙적으로 번갈아가며 되풀이하고,

   상기 각 밸브수단의 온 시간과 오프시간이 다르게 설정되어, 상기 각 흡착베드의 흡착과 탈착시간을 자유로이 설정하여 부화기체의 농도와 생산량을 조절하는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 밸브수단의 오프 시간은 상기 온 시간보다 길게 설정되는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 각 밸브수단의 온 시간은 상기 오프 시간보다 길게 설정되는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.
4. 특정 기체에 대하여 선택적인 흡착특성을 갖는 흡착제를 포함하는 흡착베드에, 진공펌프수단을 구비하여 생성한 진공압과 혼합기체의 압력 사이의 압력차이를 가하여 기체를 분리하는 기체농축방법에 있어서,

   제 1 흡착베드 내의 진공압이 혼합기체의 압력보다 낮아 흡착베드의 공급 단부내로 혼합기체가 유입되어 강한 흡착성 성분이 우선적으로 흡착제에 흡착되고, 다른 또 하나의 제 2 흡착베드는 상기 진공펌프수단에 의하여 내부 압력이 감소되어 진공압이 형성되어 흡착제에 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 흡착베드와 제 2 흡착베드 모두를 혼합기체로부터 차단하여 진공펌프수단 쪽으로 전환하고, 제 1 흡착베드에 잔류하는 기체의 일부가 제 2 흡착베드로 이동하며, 이와 병행하여 부화기체를 생산하는 제 2 단계와,

   상기 제 1 흡착베드 내의 압력을 공급단부에서부터 계속 감소시켜 흡착된 성분을 탈착하는 과정을 수행하며, 제 2 흡착베드는 공급단부에서부터 혼합기체의 입력에 의하여 압력을 증가시켜 강한 흡착성분을 흡착시키고, 상기 과정 중에 상기 제 1 및 제 2 흡착베드에 생산단부와 공급단부를 따라 압력구배가 존재하여 제 1 흡착베드의 생산단부의 압력이 제 2 흡착베드의 생산단부 압력과 같아질 때 까지 제 2 흡착베드로 생산기체의 일부가 공급되며, 이 과정 중에도 생산기체는 연속하여 외부로 배출되는 제 3 단계와,

   상기 과도기 적인 제 3 단계에서 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 4 단계와,

   상기 제 2 단계와 제 3 단계와 동일한 과정이 제 1 흡착베드와 제 2 흡착베드가 바뀌어진 형태로 동일하게 일어나는 제 5 단계와 제 6 단계 포함하는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.
5. 제 4 항에 있어서, 제 3 단계가 극히 짧은 시간에 발생하거나 제 2 단계에서 각 흡착베드의 생산단부의 압력이 거의 평형을 이루어 실질적으로 제 3 단계는 무시되며, 동일하게 제 6 단계도 극히 짧은 시간에 발생하거나 제 5 단계에 의하여 무시될 수 있어 실질적으로 4 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.
6. 특정 기체에 대하여 선택적인 흡착특성을 갖는 흡착제를 포함하는 흡착베드에, 진공펌프수단을 구비하여 생성한 진공압과 혼합기체의 압력 사이의 압력차이를 가하여 기체를 분리하는 기체농축방법에 있어서,

   제 1 흡착베드 내의 진공압이 혼합기체의 압력보다 낮아 흡착베드의 공급 단부내로 혼합기체가 유입되어 강한 흡착성 성분이 우선적으로 흡착제에 흡착되고, 다른 또 하나의 제 2 흡착베드는 상기 진공펌프수단에 의하여 내부 압력이 감소되어 진공압이 형성되어 흡착제에 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 2 흡착베드 혼합기체유입으로 전환하여 혼합기체가 제 2 흡착베드ㅇ로 유입되며, 제 1 흡착베드에 덜 흡착되어진 부화기체의 일부가 제 2 흡착베드로 이동하며, 동시에 부화기체를 생산하는 제 2 단계와,

   상기 제 1 흡착베드 내의 압력을 공급단부에서부터 계속 감소시켜 흡착된 성분을 탈착하는 과정을 수행하며, 제 2 흡착베드는 공급단부에서부터 혼합기체의 입력에 의하여 압력을 증가시켜 강한 흡착성분을 흡착시키고, 상기 과정 중에 상기 제 1 및 제 2 흡착베드에 생산단부와 공급단부를 따라 압력구배가 존재하여 제 1 흡착베드의 생산단부의 압력이 제 2 흡착베드의 생산단부 압력과 같아질 때 까지 제 2 흡착베드로 생산기체의 일부가 공급되며, 이 과정 중에도 생산기체는 연속하여 외부로 배출되는 제 3 단계와,

   상기 과도기 적인 제 3 단계에서 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 4 단계와,

   상기 제 2 단계와 제 3 단계와 동일한 과정이 제 1 흡착베드와 제 2 흡착베드가 바뀌어진 형태로 동일하게 일어나는 제 5 단계와 제 6 단계 포함하는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.
7. 제 6 항에 있어서, 제 3 단계가 극히 짧은 시간에 발생하거나 제 2 단계에서 각 흡착베드의 생산단부의 압력이 거의 평형을 이루어 실질적으로 제 3 단계는 무시되며, 동일하게 제 6 단계도 극히 짧은 시간에 발생하거나 제 5 단계에 의하여 무시될 수 있어 실질적으로 4 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.