KR100559254B1 - 산소를 고농도로 농축시키는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소를 고농도로 농축시키는 장치 및 방법에 관한 것으로, 외부에서 유입되는 공기의 먼지나 이물질을 제거하기 위한 에어필터와; 유입된 공기로부터 산소를 90~93%로 농축하는 제1 흡착탑과; 90~93%로 농축된 산소를 다시 정제하여 농도 95~99%로 농축하는 제2 흡착탑과; 90~93% 농도의 산소를 저장하는 저장탱크와; 공기 및 산소를 이송하는 제1 및 제2 이송장치와; 압축된 공기 및 산소를 냉각시키는 제1 및 제2 에어쿨러로 구성되는 것을 특징으로 하며, 구성이 간단하고, 제작비 및 운전비가 저감되며, 공기를 원료로 한 기존 흡착분리공정에서 얻을 수 없었던 농도 95~99%의 고농도 산소를 얻을 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.

고농도 산소, PSA, 흡착탑, 공기분리

Description

산소를 고농도로 농축시키는 장치 및 방법{Apparatus for concentrating an oxygen and method thereof}

도 1은 본 발명에 의한 산소를 고농도로 농축시키는 장치를 개략적으로 나타내는 공정도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소농축과정을 나타내는 흐름도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 흡착탑의 탈착과정을 나타내는 흐름도,

도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 저장탱크의 배기과정을 나타내는 흐름도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이송장치와 제2 에어쿨러의 배기과정을 나타내는 흐름도,

도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 고농도 산소 회수과정을 나타내는 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...에어필터, 20a, 20b...제1, 제2 흡착탑,

30...저장탱크, 40a, 40b...제1, 제2 이송장치,

50a, 50b...제1, 제2 에어쿨러,

61, 62, 63, 64, 65, 66, 67...제1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 삼방변,

71...압력조절밸브, 73...이방변.

본 발명은 흡착제를 이용한 PSA(Pressure Swing Adsorption)법을 이용하여 산소를 고농도로 농축시키는 농축장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기 중에 함유된 산소를 1차로 90~93%로 농축하고, 2차로 95~99%로 농축하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

공기는 산소와 질소 외에 아르곤과 소량의 기타 기체를 포함하는 일종의 혼합기체이며, 보통의 공기 중에는 약 21% 정도의 산소가 함유되어 있다.

이러한 공기를 원료로 하여 산소 농도를 높이는 방법으로는 공업적으로 심랭분리법, 막분리법, 흡착분리법 등이 널리 사용되고 있다.

심랭분리법은 공기를 액화하여 분리하는 방법으로 고농도의 산소를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에 초저온을 사용해야 하므로 장치가 복잡하고, 시설비가 많이 드는 단점이 있으며, 막분리법은 공기에 압력을 가해 막을 통과시키면서 산소를 농축하기 때문에 장치가 간편하나 산소의 농도를 40% 이상 높이기 어려운 단점이 있다.

그리고, 흡착분리법은 압축기나 송풍기를 사용하여 흡착제로써 ZMS(Zeolite Molecular Sieve)가 장착된 흡착탑 내에 공기를 불어넣고, 흡착제에 대한 공기 성 분의 흡착 성능 차이를 이용하여 산소의 농도를 높이는 방법으로 심랭분리법 보다는 농도가 낮으나 막분리법 보다는 높은 농도의 산소를 얻을 수 있다.

한편, 흡착분리법에서 압축기를 사용하여 흡착탑의 압력을 대기압보다 높은 압력으로 가압한 후 대기압으로 감압하여 흡착된 물질을 탈착시키는 방법을 PSA(Pressure Swing Adsorption)라 하고, 송풍기를 사용하여 흡착탑의 압력을 대기압 보다 조금 높게 하고, 진공펌프를 사용하여 흡착탑 내에 흡착된 물질을 진공으로 탈착시키는 방법을 VSA(Vacuum Swing Adsorption)라 한다.

이러한 두가지 공정은 흡착탑의 압력차를 이용하여 산소를 제조한다는 점에서 넓은 의미로 PSA법이라고 하며, 공기 중에서 산소의 농도를 높이는 방법으로 모두 사용되고 있다. PSA법을 이용하는 종래의 방법은 ZMS가 장착된 2개 또는 3개의 흡착탑에 가압과 감압을 반복하여 산소의 농도를 농축한다.

그러나, 기존의 PSA법으로는 농축된 산소에 아르곤 등이 함께 섞이기 때문에 이론적으로 산소의 농도가 95% 이상을 넘을 수 없다. 따라서, 기존의 PSA법에 따라 산소의 농도를 높이게 되면 산소의 농도는 95% 이하, 즉 90~93% 정도의 농도를 갖는 산소가 생산된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 ZMS가 장착된 흡착탑을 사용하는 산소제조 공정에 CMS(Carbon Molecular Sieve)가 장착된 흡착탑을 추가로 병렬연결하여 산소의 농도를 95% 이상으로 높이는 방법이 개발되었으나, 흡착탑의 추가설치로 인한 장치비의 증가 및 장치비의 증가에 따른 전반적인 제조비용의 상승으로 인해 경제성이 떨어지는 문제점과 추가로 설치되는 흡착탑으로 인하여 전체적인 구성이 복잡 해진다는 문제점이 발생해 현재까지 실용화되지 못하는 실정이다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 구성이 간단하고, 제작비 및 운전비가 저감되며, 공기를 원료로 한 기존 흡착분리공정에서 얻을 수 없었던 농도 95~99%의 고농도 산소를 얻을 수 있는 산소를 고농도로 농축시키는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 산소를 고농도로 농축시키는 장치에 있어서, 외부에서 유입되는 공기의 먼지나 이물질을 제거하기 위한 에어필터와; 유입된 공기로부터 산소를 90~93%로 농축하는 제1 흡착탑과; 90~93%로 농축된 산소를 다시 정제하여 농도 95~99%로 농축하는 제2 흡착탑과; 90~93% 농도의 산소를 저장하는 저장탱크와; 공기 및 산소를 이송하는 제1 및 제2 이송장치와; 압축된 공기 및 산소를 냉각시키는 제1 및 제2 에어쿨러로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 외부에서 유입되는 공기의 먼지나 이물질을 제거하기 위한 에어필터와; 공기를 이송하기 위한 제1 이송장치와 상기 제1 이송장치에 의해 압축된 공기를 냉각시키는 제1 에어쿨러 및 공기 중 질소를 흡착제거하여 90~93% 농도의 산소를 농축하기 위한 ZMS가 장착된 제1 흡착탑과 상기 90~93% 농도의 산소를 저장하기 위한 저장탱크와; 상기 90~93% 농도의 산소를 이송하기 위한 제2 이송장치와 상기 제2 이송장치에 의해 압축된 상기 90~93% 농도의 산소를 냉각시키는 제2 에어쿨러 및 질소, 아르곤 등을 제거하여 95~99% 농도의 산소를 농축하기 위한 CMS가 장착된 제2 흡착탑이 차례로 연결되되, 상기 에어필터와 상기 제1 이송장치 사이에 제1 삼방변이 설치되어 제1 흡착탑 입구측의 유로와 연결되고, 상기 제1 에어쿨러와 상기 제1 흡착탑 사이에 제2 삼방변이 설치되어 배기관과 연결되고, 상기 제1 흡착탑과 상기 저장탱크 사이에 제3 삼방변이 설치되고, 상기 저장탱크와 제2 이송장치 상이에 제4 삼방변이 설치되고, 상기 제2 에어쿨러와 상기 제2 흡착탑 사이에 제5 삼방변이 설치되고, 상기 제5 삼방변과 상기 제2 흡착탑 사이에 제6 삼방변이 설치되고, 상기 제6 삼방변과 상기 제2 흡착탑 사이에 제7 삼방변이 설치되며, 상기 제3 삼방변과 상기 제5 삼방변이 서로 연결되고, 상기 제4 삼방변과 상기 제7 삼방변이 서로 연결되며, 상기 제6 삼방변은 농축된 상기 95~99% 농도의 산소가 회수되는 유로와 연결된 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제1, 제2 이송장치가 압축기 또는 송풍기로 각각 이루어진다.

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또한, 상기 제2 흡착탑의 출구측에 압력조절밸브가 구비되고, 압력조절밸브의 출구측에 이방변이 구비되는 것이 좋다.
본 발명의 산소농축방법은 외부의 공기가 에어필터로 유입되고, 유입된 외부공기가 제1 삼방변을 통하여 제1 이송장치로 유출되며, 상기 제1 이송장치에 유입된 공기가 압축되어 제1 에어쿨러로 유출되고, 상기 제1 에어쿨러에 유입된 공기가 상온상태로 변환되어 제2 삼방변을 거쳐 제1 흡착탑으로 유출되는 단계와; 상기 제1 흡착탑에 유입된 공기 중 질소가 ZMS에 의하여 흡착되는 단계와; 상기 유입된 공기는 질소가 흡착제거됨으로써 90~93%의 농도를 갖는 산소로 농축되어 상기 저장탱크 내에 저장되는 단계와; 상기 저장탱크에 유입된 90~93% 농도의 산소가 제4 삼방변을 거쳐 제2 이송장치로 유출되고, 상기 제2 이송장치에 유입된 90~93% 농도의 산소가 압축되어 제2 에어쿨러로 유출되며, 상기 제2 에어쿨러에 유입된 90~93% 농도의 산소가 상온상태로 변환되어 제5, 6, 7 삼방변을 거쳐 제2 흡착탑으로 유출되는 단계와; 상기 제2 흡착탑에 유입된 90~93% 농도의 산소(가스) 중 질소와 아르곤이 산소보다 CMS를 먼저 통과하여 압력조절밸브와 이방변을 통하여 외부로 배출 및 제거되는 단계와; 상기 90~93% 농도의 산소(가스)에서 질소와 아르곤이 배출 및 제거됨으로써 95~99% 정도의 농도를 갖는 산소로 농축되는 단계로 이루어짐으로써 고농도 산소를 회수하는 것이다.
본 발명의 제1 흡착탑의 질소탈착방법은 상기 제3 삼방변의 유로를 변경함으로써 제1 흡착탑에 흡착된 질소가 포화점을 넘어 저장탱크로 유입되는 것을 막은 다음, 제1 삼방변의 유로를 변경시켜 상기 제1 흡착탑 내에 존재하는 질소가 제1 삼방변으로 유입되는 단계와; 상기 제1 삼방변에 유입된 질소가 제1 이송장치 및 제1 에어쿨러를 통과한 후 제2 삼방변을 통하여 대기로 방출되는 단계로 이루어진다.
본 발명의 저장탱크의 배기방법은 상기 제3 삼방변의 유로를 변경하여 제5 삼방변과 제3 삼방변 사이의 90~93% 농도의 산소가 저장탱크로 이송되는 단계; 상기 저장탱크와 제4 삼방변 사이의 90~93% 농도의 산소가 제2 이송장치 및 제2 에어쿨러를 통하여 제2 흡착탑으로 이송되는 단계; 제2 흡착탑 내에 정제되어 남아 있는 95~99% 농도의 산소가 외부로 배출되는 것을 막기 위하여 상기 이방변의 유로를 폐쇄하는 단계로 이루어진다.
본 발명의 제2 이송장치와 제2 에어쿨러의 배기방법은 상기 제4 삼방변의 유로를 변경시켜 제7 삼방변과 제4 삼방변 사이의 90~93% 농도의 산소가 제2 이송장치와 제2 에어쿨러로 이송되는 단계; 제5 삼방변의 유로를 변경시켜 제2 에어쿨러를 통과한 90~93% 농도의 산소가 제5 삼방변과 제3 삼방변을 통해 저장탱크로 이송되는 단계로 이루어진다.
본 발명의 고농도 산소농축방법은 제2 흡착탑 내에서 95~99% 농도의 산소로 농축시킨 다음, 상기 이방변을 폐쇄하고 제7 삼방변의 유로를 변경시켜 제2 흡착탑에 저장된 95~99% 농도의 산소가 제7 삼방변을 통하여 제4 삼방변 방향으로 이송되는 단계; 상기 제4 삼방변으로 이송된 95~99% 농도의 산소가 제2 이송장치로 유입되고, 제2 이송장치에 유입된 95~99% 농도의 산소가 제2 에어쿨러로 유출되는 단계; 제5 삼방변의 유로를 변경하여 상기 제2 에어쿨러에서 유출되는 95~99% 농도의 산소를 제6 삼방변으로 이송하는 단계; 상기 제6 삼방변에 도달한 95~99% 농도의 산소를 제6 삼방변의 유로를 변경하여 외부로 배출하여 회수하는 단계로 이루어진다.

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이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 산소를 고농도로 농축시키는 농축장치를 나타내는 공정도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 산소를 고농도로 농 축시키는 농축장치는 에어필터(10)와, 제1 및 제2 흡착탑(20a, 20b)과, 저장탱크(30)와, 제1 및 제2 이송장치(40a, 40b)와, 제1 및 제2 에어쿨러(50a, 50b)로 구성된다.

상기 에어필터(10)는 외부에서 유입되는 공기 중의 먼지나 이물질 등의 불순물을 제거한다.

상기 에어필터(10)의 일측에는 공기 내에 잔재하는 질소를 흡착하기 위한 흡착제로써 제올라이트를 포함하는 ZMS가 장착되는 제1 흡착탑(20a)이 구비된다.

상기 제1 흡착탑(20a)의 출구측에는 제1 흡착탑(20a)을 통하여 질소가 흡착되어 농축된 90~93% 농도의 산소(실제 가스로서 여기에는 아르곤, 질소 등이 포함된다.)가 저장되기 위한 저장탱크(30)가 구비된다.

상기 저장탱크(30)의 일측에는 90~93% 농도의 산소 내에 잔류하는 미량의 불순물(아르곤 등)을 흡착하기 위한 흡착제로써 CMS가 장착된 제2 흡착탑(20b)이 구비되고, 상기 제2 흡착탑(20b)은 그 내부를 통과하는 공기 조성성분(질소, 아르곤, 산소 등)의 통과속도 차이에 의해 90~93% 농도의 산소 내에 잔류하는 미량의 아르곤 및 질소가 산소와 분리되도록 이루어진다. 즉, 제2 흡착탑(20b)에 유입되는 90~93% 농도의 산소를 포함하는 가스 중 질소와 아르곤이 산소보다 먼저 CMS를 통과하는 성질에 의하여 불순물인 질소와 아르곤등이 산소와 분리되는 것이다.

상기 에어필터(10)와 제1 흡착탑(20a) 사이에는 제1 이송장치(40a)와 제1 에어쿨러(50a)가 구비되고, 상기 제1 이송장치(40a)는 에어필터(10)를 통하여 먼지나 이물질 등의 불순물이 제거된 공기를 제 1에어쿨러(50a)로 이송하는 역할을 담당한다. 이때, 상기 제1 이송장치(40a)를 통과하여 제1 에어쿨러(50a)로 이송되는 공기는 압력이 상승되어 고온을 이룬다. 상기와 같이 제1 이송장치(40a)를 통과하여 고 온상태를 이루는 공기는 상기 제1 에어쿨러(50a)에 의하여 상온상태로 변하게 된다.

상기 저장탱크(30)와 제2 흡착탑(20b) 사이에는 제2 이송장치(40b)와 제2 에어쿨러(50b)가 구비되고, 상기 제2 이송장치(40b)는 저장탱크(30) 내에 저장된 90~93% 농도의 산소를 제2 에어쿨러(50b)로 이송하는 역할을 담당할 뿐만 아니라, 상기 제2 에어쿨러(50b)로 이송되는 90~93% 농도의 산소를 고온압축시킨다. 상기와 같이 제2 이송장치(40b)를 통과하면서 고온 압축된 상태를 이루는 90~93% 농도의 산소는 상기 제2 에어쿨러(50b)에서 상온상태로 변하게 된다.

한편, 상기 제1, 제2 이송장치(40a, 40b)는 압축기 또는 송풍기로 이루어지며, 공기가 유입되는 유입부는 각 흡착탑(20a, 20b) 내에 흡착된 가스를 뽑아내는 진공펌프의 역할을 하며, 토출구는 가압용으로 사용되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 각 구성요소의 소정위치에는 다수개의 삼방변(61, 62, 63, 64, 65, 66, 67)이 각각 구비된다. 즉, 상기 에어필터(10)와 제1 이송장치(40a) 사이에는 제1 삼방변(61)이 구비되고, 상기 제1 에어쿨러(50a)와 제1 흡착탑(20a) 사이에는 제2 삼방변(62)이 구비되며, 상기 제1 흡착탑(20a)과 저장탱크(30) 사이에는 제3 삼방변(530이 구비되고, 상기 저장탱크(30)와 제2 이송장치(40b) 사이에는 제4 삼방변(64)이 구비된다.

또한, 상기 제2 에어쿨러(50b)와 제2 흡착탑(20b) 사이에는 제5, 제6, 제7 삼방변(65, 66, 67)이 순차적으로 각각 구비되고, 상기 제2 흡착탑(20b)의 출구측에는 압력조절밸브(71)와 이방변(73)이 각각 구비된다.

상기와 같이 방향전환밸브 개폐장치로써 구비되는 삼방변(61, 62, 63, 64, 65, 66, 67)에 의하여 일측으로 흐르는 공기 및 산소의 방향전환이 자유롭다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 방향전환밸브 개폐장치로써 삼방변(61, 62, 63, 64, 65, 66, 67)이 구비되어 있으나, 흐르는 공기의 방향을 전환하고, 개방 및 폐쇄가 용이하다면 기타 다른 구조의 방향전환밸브 개폐장치가 구비되는 것도 가능하다.

이하, 본 발명에 의한 산소농축장치의 작동 및 공정을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소농축과정을 나타내는 흐름도로서 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 외부의 공기가 에어필터(10)로 유입되어 공기 중 먼지나 이물질 등의 불순물이 제거되고, 불순물이 제거된 공기는 제1 삼방변(61)을 통하여 제1 이송장치(40a)로 이송되며, 제1 이송장치(40a)로 이송된 공기는 고압압축되어 제1 에어쿨러(50a)로 이송되고, 상기 제1 에어쿨러(50a)로 이송된 고온상태의 공기는 제1 에어쿨러(50a)에 의하여 상온상태로 변환된다.

상기와 같이 상온상태로 변환된 공기는 제2 삼방변(62)을 통하여 흡착제로써 제올라이트를 포함한 ZMS가 장착된 제1 흡착탑(20a)으로 유입되며, 상기 제1 흡착탑(20a)으로 유입된 공기는 흡착제에 의하여 질소가 흡착 및 제거되어 90~93%의 농도를 갖는 산소로 변환된다. 그리고, 상기 제1 흡착탑을 통과한 90~93%의 농도를 갖는 산소는 제3 삼방변(63)을 통하여 저장탱크(30)로 이송된다. 상기 저장탱크(30)로 이송된 90~93% 농도의 산소는 다시 제4 삼방변(64)을 거쳐 제2 이송장치(40b)를 통과하면서 재차 고온압축상태로 변환되고, 제2 에어쿨러(50b)를 통과하면서 상온상태로 변환된다.

상기와 같이 제2 이송장치(40b)와 제2 에어쿨러(50b)를 통과한 상온상태의 90~93% 농도의 산소는 제5, 6, 7 삼방변(65, 66, 67)을 순차적으로 거치고, 내부에 흡착제로써 CMS가 장착된 제2 흡착탑(20b)으로 유입된다.

상기 제2 흡착탑(20b)으로 유입된 90~93% 농도의 산소(가스)는 공기 조성성분에 따른 흡착제 통과속도의 차이에 의해 산소보다 질소 및 아르곤이 먼저 제2 흡착탑(20b)을 통과하여 제2 흡착탑(20b)의 상부로 배출되고, 95~99% 정도의 농도를 갖는 산소만이 제2 흡착탑(20b)의 내부에 존재하게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 흡착탑의 탈착과정을 나타내는 흐름도로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 제1 흡착탑(20a)의 탈착은 다음과 같은 공정에 의하여 수행된다. 먼저, 제3 삼방변(63)의 유로를 폐쇄하여 제1 흡착탑(20a)에서 질소가 포화점을 넘어 저장탱크(30)로 유입되는 것을 막은 다음 제1 흡착탑(20a) 내에 존재하는 질소를 제1 삼방변(61) 방향으로 이송시킨다. 이때, 제1 및 제2 삼방변(61, 62)의 유로를 변경하여 제1 삼방변(61) 방향으로 이송되는 질소가 제1 삼방변(61)을 거쳐 제1 이송장치(40a) 및 제1 에어쿨러(50a)를 통과한 후 제2 삼방변(62)을 통하여 대기로 방출되도록 함으로써 제1 흡착탑(20a)의 탈착공정이 완료된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장탱크의 배기과정을 나타내는 흐름도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 상기 저장탱크(30)의 배기는 다음과 같은 공정에 의하여 수행되며, 아래에 상술하는 제2 이송장치(40b) 및 제2 에어쿨러(50b)의 배기와 동시에 수행된다.

상기 제3 삼방변(63)의 유로를 변경하여 가스가 제1 흡착탑(20a)으로부터 유입되는 것을 중단시키면 저장탱크(30)의 압력은 상기 제2 이송장치(40b)에 의하여 진공상태로 변하게 된다. 그 다음, 저장탱크(30) 및 저장탱크(30)의 주변 배관에 잔류하는 90~93%의 농도를 갖는 산소를 제2 이송장치(40b)와 제2 에어쿨러(50b)로 이송하여 제2 이송장치(40b) 및 제2 에어쿨러(50b)를 통과 시킨 다음 제6 삼방변(66) 방향으로 이송되도록 하고, 제7 삼방변(67)을 통과하여 제2 흡착탑(20b)으로 이송되게 한다.

이때, 상기 이방변(73)은 유로를 폐쇄하여 제2 흡착탑(20b) 내에 정제되어 남아있는 95~99%의 농도를 갖는 산소가 외부로 배출되는 것을 막는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 이송장치와 제2 에어쿨러의 배기과정을 나타내는 흐름도로서, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 제2 이송장치(40b)와 제2 에어쿨러(50b)의 배기는 다음과 같이 이루어진다. 상기 제7 삼방변(67)의 유로를 폐쇄하고, 제4 삼방변(64)의 유로를 변경하여 제7 삼방변(67)과 제4 삼방변(64) 사이의 90~93% 농도를 갖는 산소를 제2 이송장치(40b)와 제2 에어쿨러(50b)로 이송한 다음, 제5 삼방변(65)의 유로를 변경한 후, 제5 삼방변(65)을 통하여 제3 삼방변(63) 방향으로 보내고, 상기 제3 삼방변(63)으로 이송된 90~93% 농도의 산소(가스)를 저장탱크(30)로 보낸다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 산소 회수과정을 나타내는 흐름도로서, 본 발명의 최종단계로 제2 흡착탑(20b)에 저장된 95~99% 정도의 농도를 갖 는 산소를 회수하기 위한 방법을 나타낸다.

상기 제2 흡착탑(20b)에 존재하는 95~99% 정도의 농도를 갖는 산소를 회수하기 위해서는 상기 제2 흡착탑(20b)의 일측에 구비되는 이방변(73)을 폐쇄하여 제2 흡착탑(20b) 내부에 존재하는 95~99%의 농도를 갖는 산소의 외부 유출을 막는다.

이때, 상기 제7 삼방변(67) 및 제4 삼방변(64)의 유로를 변경하면 제2 흡착탑(20b)의 압력은 제2 이송장치(40b)에 의하여 진공상태까지 변하게 되며, 동시에 제5 삼방변(65)과 제6 삼방변(66)의 유로를 변경하여 제2 흡착탑(20b) 내의 95~99%의 농도를 갖는 산소가 외부로 배출되어 회수되도록 이루어진다.

한편, 상기와 같이 산소를 고농도로 배출하기 위해서는 상기 제5, 6, 7 삼방변(65, 66, 67)의 연결은 최단거리로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 공정에 의하여 에어필터(10)로 유입된 외부의 공기는 95% 이상의 고농도를 갖는 산소로 변환되어 외부로 배출된다.

그리고, 상기와 같은 공정이 모두 완료된 직후에 각각의 삼방변(61, 62, 63, 64, 65, 66, 67) 및 이방변(73)은 공정 초기의 상태로 되돌아 간다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은 구성이 간단하고, 제작비 및 운전비가 저감되며, 공기를 원료로 한 기존 흡착분리공정에서 얻을 수 없었던 농도 95~99%의 고농도 산소를 얻을 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (11)

1. 산소를 고농도로 농축시키는 장치에 있어서,

   외부에서 유입되는 공기의 먼지나 이물질을 제거하기 위한 에어필터와;

   공기를 이송하기 위한 제1 이송장치와 상기 제1 이송장치에 의해 압축된 공기를 냉각시키는 제1 에어쿨러 및 공기 중 질소를 흡착제거하여 90~93% 농도의 산소를 농축하기 위한 ZMS가 장착된 제1 흡착탑과 상기 90~93% 농도의 산소를 저장하기 위한 저장탱크와;

   상기 90~93% 농도의 산소를 이송하기 위한 제2 이송장치와 상기 제2 이송장치에 의해 압축된 상기 90~93% 농도의 산소를 냉각시키는 제2 에어쿨러 및 질소, 아르곤 등을 제거하여 95~99% 농도의 산소를 농축하기 위한 CMS가 장착된 제2 흡착탑이 차례로 연결되되,

   상기 에어필터와 상기 제1 이송장치 사이에 제1 삼방변이 설치되어 제1 흡착탑 입구측의 유로와 연결되고, 상기 제1 에어쿨러와 상기 제1 흡착탑 사이에 제2 삼방변이 설치되어 배기관과 연결되고, 상기 제1 흡착탑과 상기 저장탱크 사이에 제3 삼방변이 설치되고, 상기 저장탱크와 제2 이송장치 상이에 제4 삼방변이 설치되고, 상기 제2 에어쿨러와 상기 제2 흡착탑 사이에 제5 삼방변이 설치되고, 상기 제5 삼방변과 상기 제2 흡착탑 사이에 제6 삼방변이 설치되고, 상기 제6 삼방변과 상기 제2 흡착탑 사이에 제7 삼방변이 설치되며,

   상기 제3 삼방변과 상기 제5 삼방변이 서로 연결되고, 상기 제4 삼방변과 상기 제7 삼방변이 서로 연결되며, 상기 제6 삼방변은 농축된 상기 95~99% 농도의 산소가 회수되는 유로와 연결된 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 산소를 고농도로 농축시키는 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1, 제2 이송장치는 압축기 또는 송풍기로 각각 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소를 고농도로 농축시키는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제2 흡착탑의 출구측에 압력조절밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 산소를 고농도로 농축시키는 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 압력조절밸브의 출구측에 이방변이 구비되는 것을 특징으로 하는 산소를 고농도로 농축시키는 장치.
5. 외부의 공기가 에어필터로 유입되고, 유입된 외부공기가 제1 삼방변을 통하여 제1 이송장치로 유출되며, 상기 제1 이송장치에 유입된 공기가 압축되어 제1 에어쿨러로 유출되고, 상기 제1 에어쿨러에 유입된 공기가 상온상태로 변환되어 제2 삼방변을 거쳐 제1 흡착탑으로 유출되는 단계와;

   상기 제1 흡착탑에 유입된 공기 중 질소가 ZMS에 의하여 흡착되는 단계와;

   상기 유입된 공기는 질소가 흡착제거됨으로써 90~93%의 농도를 갖는 산소로 농축되어 상기 저장탱크 내에 저장되는 단계와;

   상기 저장탱크에 유입된 90~93% 농도의 산소가 제4 삼방변을 거쳐 제2 이송장치로 유출되고, 상기 제2 이송장치에 유입된 90~93% 농도의 산소가 압축되어 제2 에어쿨러로 유출되며, 상기 제2 에어쿨러에 유입된 90~93% 농도의 산소가 상온상태로 변환되어 제5, 6, 7 삼방변을 거쳐 제2 흡착탑으로 유출되는 단계와;

   상기 제2 흡착탑에 유입된 90~93% 농도의 산소(가스) 중 질소와 아르곤이 산소보다 CMS를 먼저 통과하여 압력조절밸브와 이방변을 통하여 외부로 배출 및 제거되는 단계와;

   상기 90~93% 농도의 산소(가스)에서 질소와 아르곤이 배출 및 제거됨으로써 95~99% 정도의 농도를 갖는 산소로 농축되는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소를 고농도로 농축시키는 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제3 삼방변의 유로를 변경함으로써 제1 흡착탑에 흡착된 질소가 포화점을 넘어 저장탱크로 유입되는 것을 막은 다음, 제1 삼방변의 유로를 변경시켜 상기 제1 흡착탑 내에 존재하는 질소가 제1 삼방변으로 유입되는 단계와;

   상기 제1 삼방변에 유입된 질소가 제1 이송장치 및 제1 에어쿨러를 통과한 후 제2 삼방변을 통하여 대기로 방출되는 단계로 이루어지는 제1 흡착탑의 탈착과정을 더 구비하는 산소를 고농도로 농축시키는 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제3 삼방변의 유로를 변경하여 제5 삼방변과 제3 삼방변 사이의 90~93% 농도의 산소가 저장탱크로 이송되는 단계;

   상기 저장탱크와 제4 삼방변 사이의 90~93% 농도의 산소가 제2 이송장치 및 제2 에어쿨러를 통하여 제2 흡착탑으로 이송되는 단계;

   제2 흡착탑 내에 정제되어 남아 있는 95~99% 농도의 산소가 외부로 배출되는 것을 막기 위하여 상기 이방변의 유로를 폐쇄하는 단계로 이루어지는 저장탱크의 배기과정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 산소를 고농도로 농축시키는 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제4 삼방변의 유로를 변경시켜 제7 삼방변과 제4 삼방변 사이의 90~93% 농도의 산소가 제2 이송장치와 제2 에어쿨러로 이송되는 단계;

   제5 삼방변의 유로를 변경시켜 제2 에어쿨러를 통과한 90~93% 농도의 산소가 제5 삼방변과 제3 삼방변을 통해 저장탱크로 이송되는 단계로 이루어지는 제2 이송장치와 제2 에어쿨러의 배기과정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 산소를 고농도로 농축시키는 방법.
9. 제8항에 있어서,

   제2 흡착탑 내에서 95~99% 농도의 산소로 농축시킨 다음, 상기 이방변을 폐쇄하고 제7 삼방변의 유로를 변경시켜 제2 흡착탑에 저장된 95~99% 농도의 산소가 제7 삼방변을 통하여 제4 삼방변 방향으로 이송되는 단계;

   상기 제4 삼방변으로 이송된 95~99% 농도의 산소가 제2 이송장치로 유입되고, 제2 이송장치에 유입된 95~99% 농도의 산소가 제2 에어쿨러로 유출되는 단계;

   제5 삼방변의 유로를 변경하여 상기 제2 에어쿨러에서 유출되는 95~99% 농도의 산소를 제6 삼방변으로 이송하는 단계;

   상기 제6 삼방변에 도달한 95~99% 농도의 산소를 제6 삼방변의 유로를 변경하여 외부로 배출하여 회수하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 산소를 고농도로 농축시키는 방법.
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