KR100679175B1 - 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한기체농축방법 및 장치 - Google Patents

순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한기체농축방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화가 순차적이며 또한 동시에 구현되는 기체농축방법 및 장치에 관한 것으로,
흡착탑(32)(34) 상방에 위치하며, 제1흡착탑(32)과 제2흡착탑(34)에 각각 연결된 각각의 체크밸브(16)(18)와의 사이에 오리피스(12)와 제 1솔레노이드밸브(12)를 병열/접속하여 각 흡착탑(32)(34)내 압력을 소정의 제어에 따라 균등화를 이루도록 하는 상부 균등화부(10); 및 상기 각 흡착탑(32)(34) 하부에 상기 흡착탑(32)(34) 하방으로 고압기체를 공급하기 위한 압축기(24)와, 제 2솔레노이드밸브(22)로 이루어진 하부균등화부(20)를 포함하여 생산(흡착)세정시의 흡착탑의 압력차가 최대로 되었을 때 상부 솔레노이드밸브를 통하여 두개의 흡착탑 상부를 연통시켜 고압측 흡착탑 상부에 있는 생성가스의 일부를 저압측으로 이동시키는 상부 균등화공정중에 흡착탑 하부를 연통시켜 고압측 흡착탑 고압기체가 저압측 흡착탑을 가압하는 하부 균등화공정이 동시에 수행되는 상/하부 복합 균등화 공정을 포함하는 압력순환흡착을 이용한 기체농축방법이다.
기체농축장치, 상부균등화, 하부 균등화, 상/하부 복합 균등화

Description

순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축방법 및 장치{Gas concentrating method and apparatus for having sequential upper equalizatioin steps and upper/lower combination equalizatioin steps}
도 1a는 종래 상부균등화부를 갖는 기체농축장치의 구성도이고,
도 1b는 종래 하부균등화부를 갖는 기체농축장치의 도면이고,
도 2는 본 발명 상/하부 복합 균등화가 구현된 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치의 도면이고,
도 3a 내지 도 3h는 본 발명 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치의 공정 과정을 나타내는 도면들이고,
도 4a는 종래 상부균등화부를 갖는 기체농축장치의 압력분포그래프이고,
도 4b는 종래 하부균등화부를 갖는 기체농축장치의 압력분포그래프이고,
도 4c는 본 발명 상/하부균등화가 구현된 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축방법 및 장치의 압력분포그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10:상부균등화부, 20:하부균등화부, 32:제1흡착탑, 34:제2흡착탑,
12:제1솔레노이드밸브, 22:제2솔레노이드밸브, 24:압축기,
본 발명은 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히, 독립적으로 상부균등화공정이 진행된 후에 상부균등화공정과 하부균등화공정이 복합적으로 진행되는 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축방법 및 장치에 관한 것이다.
종래 알려진 첨부 도면 중 도 1a의 기체농축장치는 상부 오리피스와 나란하게 평형밸브를 설치하여 상부균등화가 이루어진 기체농축장치이고, 도 1b의 기체농축장치는 본 출원인들이 개발한 하부균등화만의 기체농축장치를 나타낸다.
상기 도면들에 따르는 종래 기체농축장치에 따르는 기체농축방법들은 상부균등화 혹은 하부균등화중 어느 하나만을 구현한 기체농축장치로서 그에 따른 압력 대비 시간 혹은 소비전력, 순도,순산소 부화량 및 회수율을 첨부 도면 도 4a,도 4b에 의하여 살펴 보면 다음과 같다.
도 1a와 같이 종래 상부균등화가 가능한 기체농축장치는 제1흡착탑(32)의 고압 기체 일부가 제2흡착탑(34)으로 기체이동이 이루어지면서 제1흡착탑(32)의 압력이 약간 저하되고, 제2흡착탑(34)내 압력이 상승되는 상부균등화로서 질소 탈착/배출시키며,이것은 도 4a의 그래프 압력이 약간 하강되는부분(원표시)(상부균등화)을 형성하게 된다.
도 1b에서 도시하는 바와 같이 종래 하부균등화만이 가능한 기체농축장치는,솔레노이드(22)의 밸브의 양단을 오프(OFF)시켜 제 1흡착탑(32)의 하부를 통한 고 압기체가 제2흡착탑(34)의 하방으로 공급됨으로써 흡착탑 하방의 압력을 일치시키는 하부균등화방식으로 이루어진다.
이러한 상부균등화와 하부균등화중 어느 하나만의 기체농축장치의 압력대비 시간에 나타난 효율은 상부균등화만의 기체농축시의 그래프는 후술하는 바와 같이 도 4a에서 나타나듯이 흡착탑의 반사이클당 소요되는 시간은 약 9초 정도이나, 하부균등화만의 기체농축시에는 후술하는 도 4b의 그래프에서 보듯이 흡착탑의 반사이클당 시간은 약8.5초에 이른다.
이러한 사이클당 걸리는 시간은 후술하는 표 1,2에서 보는 바와 같이 압축기의 압축기 작동에너지의 증가원인이므로 이를 줄일 경우 소비전력이 줄어듬을 알 수 있다. 이러한 소비전력의 감소와 더불어 배출소음도 감소하기 위해서는 그 배출기체의 압력이 보다 낮아야 한다.
따라서 압축기의 작동에너지를 감소함과 아울러 그 소비전력의 효과적인 절약은 배출소음의 감소는 물론 순도를 향상시키며, 순산소 부화량도 증가시키고, 회수율도 향상시킬 수 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 알려진 상부균등화만의 기체농축방법과 장치 및 하부균등화만의 기체농축방법과 장치를 통하여 발생된 상기 문제점과 필요성을 감안하여 상부균등화 공정후 상/하부균등화가 동시적(연속적)으로 구현되는 순차적 상부균등화 및 상/하부 균등화 공정을 포함한 기체농축장치 및 방법을 제공하므로서 이러한 종래 기체농축방법 및 장치가 갖는 단점을 개선하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은 기체농축시의 사이클당 소요되는 시간을 단축시켜 기체 압축에 따른 압축기의 기계적 에너지와 소비전력을 보다 감소시킨 기체농축방법및 장치를 제공하고자 하는 데에 그 목적이 있다.
이러한 본 발명의 목적을 달성함과 아울러 본 발명의 다른 목적은 종래 하부균등화만을 혹은 상부균등화만을 가지는 기체농축방법에서, "가압 - 흡착(생산) - 균등화 (상부측 혹은 하부측) - 감압 - 세정 - 균등화" 로 반복되는 6단계 공정을, "가압-흡착(생산) - 상부균등화 - 상/하부 균등화 - 감압- 세정 - 상부균등화 - 상/하부균등화로 반복되는 8단계 공정으로 개선하고자 하는 데에도 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이와 같은 8단계 공정과 이를 수행하는 장치를 통하여 종래 단지 상부균등화만 혹은 하부균등화만의 기체농축방법이 갖는 단점을 개선하여 상부 고압을 저압측으로 일부 이동시켜 흡착기체를 탈착,배출되게 하는 상부균등화만의 과정이 진행되고 난 후 이러한 상부균등화의 작용중에 하부 고압기체에서 저압기체로 기체를 이동시켜 압력을 균등화시키는 하부균등화가 동시에 복합적으로 수행되게 하는 소위 상/하부균등화공정을 포함한 기체농축방법 및 장치를 제공하고자 하는 데에도 있다.
본 발명은 생산기체의 순도를 높이며, 기체농축 사이클당 시간을 단축시키며, 압축기의 기계적 에너지와 소비전력을 보다 감소시키고, 농축기체의 순도, 순산소 부화량 및 회수율을 향상시키도록 상부균등화후 상/하부복합균등화공정이 포함된 기체농축방법 및 장치를 제공하는 데에도 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 순차적 상부균등화 및 상/하부 균등화 농축방법은,
생산(흡착)세정시의 흡착탑의 압력차가 최대로 되었을 때 상부 솔레노이드밸브를 통하여 두개의 흡착탑 상부를 연통시켜 고압측 흡착탑 상부에 있는 생성가스의 일부를 저압측으로 이동시키는 상부 균등화공정; 및 상부균등화 공정이 일정시간 지속된 이후에 이에 더하여 두개의 흡착탑 하부를 연통시켜 고압측 흡착탑 고압기체가 저압측 흡착탑을 가압하는 하부 균등화공정과 함께 상기 상부 균등화공정이 하부 균등화공정과 동시에 이루어지는 상/하부복합균등화 공정을 포함하는 압력순환흡착을 이용한 기체농축방법으로서 상부균등화, 상/하부 균등화가 연속적으로 이루어지는 특징을 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 순차적 상부균등화 및 상/하부복합균등화 공정을 구비한 기체농축장치는 상기 흡착탑을 기준으로 그 상방에 위치하며, 제1흡착탑과 제2흡착탑에 각각 연결된 각각의 체크밸브와의 사이에 오리피스와 제 1솔레노이드밸브를 병열/접속하여 각 흡착탑내 압력을 소정의 제어에 따라 균등화를 이루도록 하는 상부 균등화부; 및 상기 각 흡착탑 하부에 상기 흡착탑 하방으로 고압기체를 공급하기 위한 압축기와, 농축후의 질소가스를 배출함과 아울러 이를 소정의 흡착탑 내부 압력에 따라 공급과 배출을 전환시키는 제 2솔레노이드밸브로 이루어진 하부균등화부를 포함하는 압력순환 흡착을 이용한 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치로서 달성된다.
본 발명 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축 장치의 상기 제 1솔레노이드밸브는 2포트2웨이 솔레노이드밸브가 바람직하다.
본 발명 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치의 상기 제 2솔레노이드밸브는 복수의 3포트2웨이 솔레노이드밸브로 함이 바람직하다.
본 발명 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치의 상기 제 2솔레노이드밸브는 5포트3웨이 솔레노이드밸브가 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면과 함께 설명하면 다음과 같다.
첨부 도면중 도 2는 본 발명 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치를 나타내는 도면이다.
상기 도면에 따르는 본 발명 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화부를 구비한 기체농축장치는 각 흡착탑(32)(34) 상부에 체크밸브(16)(18)를 각각 구성하되 그 사이에 오리피스(14)를 연결하고, 각 체크밸브(16)(18)를 통과한 농축산소는 저장탱크(42),레귤레이터(44),니들밸브(46)들을 거쳐배출되도록 하고, 상기 흡착탑(120) 하방에는 흡입기체를 소정압력으로 공급하기 위한 압축기(24),흡기필터(52),흡기소음기(54)로서 압축기체를 공급함과 아울러 소정의 밸브(22)로서 흡착탑 내 질소가스를 배출토록 하여서 된다.
특히, 상기 복수의 체크밸브(16)(18)사이에는 소정 제어수단(70)에 의하여 제어되는 솔레노이드밸브(12)를 부설하여 상부균등화부(10)를 형성한다.
즉, 상기 흡착탑(32)(34)을 기준으로 그 상방에 위치하며, 제1흡착탑(32)과 제2흡착탑(34)에 각각 연결된 각각의 체크밸브(16)(18)와의 사이에 오리피스(14)와 제 1솔레노이드밸브(12)를 병열/접속하여 각 흡착탑(32)(34)내 압력을 소정의 제어에 따라 균등화를 이루도록 하는 상부 균등화부(10)를 형성한다.
특히, 상기 제 1솔레노이드밸브(12)는 2/2(2포트2웨이)솔레노이드밸브로 함이 바람직하다.
한편, 상기 각 흡착탑(32)(34) 하부에는 이들 흡착탑(32)(34) 하방으로 고압기체를 공급하기 위한 압축기(24)와, 농축후의 질소가스를 배출함과 아울러 이를 소정의 흡착탑 내부 압력에 따라 공급과 배출을 전환시키는 제 2솔레노이드밸브(22)로 이루어진 하부균등화부(20)가 설치된다.
이러한 하부균등화부(20)의 상기 제 2솔레노이드밸브(20)는 5/3(5포트3웨이) 솔레노이드 밸브로 함이 바람직하다.
아울러 상기 제 2솔레노이드밸브(22)를 3/2(3포트2웨이) 솔레노이드 밸브로 실시하여도 무방하다.
본 발명은 상기와 같은 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치의 기체농축과정은 가압과 감압을 교번으로 작동시켜 가압(생산)과 감압(세정)시의 압력차가 최대로 되었을 때 상부에 설치된 밸브를 통하여 생성가스의 일부를 저압측으로 이동시키는 상부 균등화를 이루게 된다.
즉, 상기 각 흡착탑(32)(34) 상부의 각 체크밸브(16)(18)사이에 오리피스(14)외에 소정 제어수단(70)에 의하여 제어되는 솔레노이드밸브(12)를 부설하므로서 상기 흡착탑(32)(34)중 어느 하나에서 고압의 농축과정이 진행되는 사이 다른 하나의 흡착탑에서는 저압의 질소배출과정을 수행하게 되므로 고압기체의 일부를 저압흡착탑측으로 이송하도록 하여 순간적으로 양측 흡착탑 사이에 소정압력의 균등화가 이루어지도록 하는 것이다.
특히, 상기 복수의 체크밸브(16)(18)사이에는 소정 제어수단(70)에 의하여 제어되는 솔레노이드밸브(12)를 부설하여 상부균등화부(10)구성을 형성한다.
즉, 상기 흡착탑(32)(34)을 기준으로 그 상방에 위치하며, 제1흡착탑(32)과 제2흡착탑(34)에 각각 연결된 각각의 체크밸브(16)(18)와의 사이에 오리피스(14)와 제 1솔레노이드밸브(12)를 병열/접속하여 각 흡착탑(32)(34)내 압력을 소정의 제어에 따라 균등화를 이루도록 하는 상부 균등화부(10)를 형성한다.
한편, 상기 각 흡착탑(32)(34) 하부에는 이들 흡착탑(32)(34) 하방으로 고압기체를 공급하기 위한 압축기(24)와, 농축후의 질소가스를 배출함과 아울러 이를 소정의 흡착탑 내부 압력에 따라 공급과 배출을 전환시키는 제 2솔레노이드밸브(22)로 이루어진 하부균등화부(20)가 설치되어 후술하는 하부균등화작용을 상부균등화작용과 동시에 구현하게 되므로 이것을 후술하는 바와 같이 상/하부균등화작용이라한다.
즉, 이것은 생산(흡착)세정시의 흡착탑의 압력차가 최대로 되었을 때 상부 솔레노이드밸브를 통하여 두개의 흡착탑 상부를 연통시켜 고압측 흡착탑 상부에 있는 생성가스의 일부를 저압측으로 이동시키는 상부균등화작용과, 상부균등화 공정이 일정시간 지속된 이후에 이에 더하여 두개의 흡착탑 하부를 연통시켜 고압측 흡착탑 고압기체가 저압측 흡착탑을 가압하는 하부균등화작용과 함께 상기 상부균등화작용이 동시에 이루어지는 상,하부동시균등화작용으로 이루어지기 때문이다.
특히, 상기 제 1솔레노이드밸브(12)는 2/2(2포트2웨이)솔레노이드밸브로 함이 바람직하고, 하부균등화부(20)의 상기 제 2솔레노이드밸브(20)는 5/3(5포트3웨이) 솔레노이드 밸브로 함이 바람직하며, 상기 제 2솔레노이드밸브(22)를 3/2(3포트2웨이) 솔레노이드 밸브 2개로 실시하여도 무방하다.
이러한 작동과정을 첨부 도면 도3a 내지 도3h와 도4c의 그래프에 의하여 제1흡착탑을 기준으로 설명한다.
<제1공정>
본 공정은 "가압공정"으로도 칭한다.
도 3a에서 도시하는 바와 같이 체크밸브(18)가 닫힌상태에서 압축기(24)를 통한 고압 기체는 제2솔레노이드밸브(22)의 (가)단 온(ON),(다)단 오프(OFF)에 따라 제1흡착탑(32)을 가압하고, 제2흡착탑(34)은 점차 감압된다.(감압단계)
이때 제1솔레노이드(12)는 오프(OFF)상태를 유지하므로 제1흡착탑(32)는 도 4c의 그래프상에서 가압상태(①)이고, 흡착탑내부의 기체 순도는 점차적으로 높아진다.
<제2공정>
본 공정은 흡착(생산)공정으로도 칭한다.
도 3b에서 도시하는 바와 같이 압축기(24)를 통한 고압 기체는 제2솔레노이드(22)가 계속 (가)단 온(ON),(다)단 오프(OFF)됨 따라 제1흡착탑(32)의 압력이 저장탱크부의 압력과 같아지는 시점에서 가압측 체크밸브(좌측, 18)가 열리며. 고순도 산소가 생산되는 단계이다. 제1솔레노이드(12)는 계속 오프(OFF)상태를 유지하 며, 제2흡착탑(34)은 최소 압력으로 감압되면서 질소의 배출이 이루어진다.(세정단계)
또한, 흡착탑내부의 압력상승은 상기의 제 1공정 보다 완만함을 알수 있다.
<제3공정>
본 공정은 " 상부 균등화 공정"이다.
도 3c에서 도시하는 바와 같이 제어수단(70)의 제어로서 제 2솔레노이드(22)는 상기 공정들과 그대로 인 상태에서 제 1솔레노이드(12)만 턴온(ON)시켜 제1흡착탑(32)의 고압 기체가 제2흡착탑(34)으로 이동되므로 제1흡착탑(32)의 압력이 약간 저하됨과 동시에 제2흡착탑(34)은 압력이 약간 상승됨을 보여준다. 도 4c의 압력곡선에서 보여주듯이 제1흡착탑(32)의 곡선이 초기 하강상태를 이루면서 제2흡착탑(34)의 압력 역시 약간 상승하는 상부균등화(③)를 이룬다. 본 공정 결과 제 1흡착탑의 생성된 산소기체의 일부를 회수하게 된다.
<제4공정>
본 공정은 특히,상기 상부균등화공정과 동시에 하부균등화공정이 이루어지는 "상/하부 복합 균등화 공정"이다.
도 3d에서 보는 바와 같이 제2솔레노이드밸브(22)는 양측 (가),(다) 모두 오프(OFF)상태이고, 중립(나)단을 통하여 제1,제2흡착탑(32)(34)이 연통된다(하부균등화).
즉, 하부균등화가 진행되는 것으로 제 1흡착탑(32)의 하부를 통한 고압기체가 제2흡착탑(34)의 하방으로 공급되므로서 흡착탑 하방의 압력이 동일해진다.
특히, 이러한 하부균등화(④)가 진행되는 동안 제3공정의 상부균등화(③)도 함께 진행되므로서 제1흡착탑(32)의 압력이 빠르게 점점 낮아지고,제2흡착탑(34)의 압력도 빠르게 점차 상승되므로, 제1,제2흡착탑(32)(34)압력이 같아지는 점
(절대압력: 2.3bar)까지 짧은 시간(반사이클 동안 약 7.0sec초, 종래 상부균등화만의 반사이클은 약9초)에 도달한다.
이러한 압력의 상/하부균등화가 동시에 진행되어 압축기의 압축 작동시간이 짧아져 기계적 손실이 줄어들어 효율이 개선된다.
<제5공정>
본 공정은 "감압공정"이다.
첨부 도면 도 3e에서 도시하는 바와 같이 제어수단(70)을 제어하므로서 제 1솔레노이드(12)는 오프(OFF), 제2솔레노이드(22)의 (가)단 오프(OFF), (다)단은 온(ON)상태로 되어 제1흡착탑(32)은 소음기(60)와 연통되면서 급속히 대기압 근처의 압력으로 하강하고, 제2흡착탑(34)은 압축기(24)의 고압기체가 공급되면서 흡착탑 상부의 체크밸브(18)가 열리기 전까지 흡착탑의 내부 압력이 서서히 증가한다. (제1흡착탑의 "가압공정"과 동일상태)
첨부 도면 도 4c의 그래프 곡선이 도시하는 바와 같이 흡착탑이 바뀐 상태에서 제1흡착탑(32)은 감압(⑤되고, 제2흡착탑(34)은 제2흡착탑의 압력이 탱크부의 압력과 같아지는 지점(체크밸브가 열리기전)까지 가압된다.
또한 첨부 도면 도 4c의 그래프에서 감압단계가 시작되는 점의 압력(절대압력 : 2.3bar)은 기존 공정과 비교하면 각각 3.2bar/2.5bar (절대압력)보다 낮은 압 력에서 밸브가 전환되어 소음기를 통해 대기로 방출되므로 소음 절감효과가 있다고 할 수 있다.
<제 6 공정>
본 공정은 "세정공정"이다.
도 3f에서 도시하는 바와 같이 압축기(24)를 통한 고압 기체는 제2솔레노이드밸브(22)가 계속 (가)단 오프(OFF),(다)단 온(ON)됨 따라 제1흡착탑(32)은 대기압근처로 감압된 상태에서 탈착 및 세정이 이루어지며, 제2흡착탑(34)은 흡착탑 상단의 체크밸브(18/우측)가 열리고 고순도의 산소가 생산된다.
<제7공정>
본 공정은 "상부 균등화 공정"이다.
도 3g에서 도시하는 바와 같이 제어수단(70)의 제어로서 제 2솔레노이드(22)는 상기 공정들과 같은 상태에서 제 1솔레노이드(12)만 턴온(ON)시켜 제2흡착탑(34)의 고압 고순도 기체가 제1흡착탑(32)으로 이동되므로 제2흡착탑(34)의 압력이 약간 저하됨과 동시에 제1흡착탑(32)은 압력이 최저압에서 부터 약간 상승됨을 보여준다. 도 4c의 압력곡선에서 보여주듯이 제2흡착탑(34)의 곡선이 초기 하강상태를 이루면서 제1흡착탑(32)의 압력 역시 약간 상승하는 상부균등화(⑦)가 된다.
<제8공정>
본 공정은 전술한 제1,제2흡착탑의 흡착작용이 바뀐 상태에서 상기 상부균등화공정과 동시에 하부균등화공정이 이루어지는 "상/하부 복합 균등화 공정"에서 그 공정이 같다.
도 3h에서 보는 바와 같이 제2솔레노이드밸브(22)는 양측 (가),(다) 모두 오프(OFF)상태이고, 중립(나)단을 통하여 제1,제2흡착탑(32)(34)이 연통된다(하부균등화).
즉, 하부균등화로서 제 2흡착탑(34)의 하부를 통한 고압기체가 제1흡착탑(32)의 하방으로 공급되므로서 양쪽 흡착탑 압력이 동일해진다.
특히, 이러한 하부균등화가 진행되는 동안 제7공정의 상부균등화도 동시에 진행되므로서 제2흡착탑(34)의 압력이 빠르게 점점 낮아지고,제1흡착탑(32)의 압력도 빠르게 점차 상승되므로, 제1,제2흡착탑(32)(34)압력이 같아지는 점(2.3bar)까지 짧은 시간(반사이클 동안 약 7초, 종래 상부균등화만의 반사이클은 약9초)에 도달한다.
이러한 압력의 상,하부균등화가 동시에 진행되어 압축기의 압축 작동시간이 짧아져 기계적 손실이 줄어들어 효율이 개선된다.
특히, 이러한 압력대비 시간의 상태를 종래 상부균등화만의 기체농축시의 그래프(도 4a)와,하부균등화만의 기체농축시의 그래프(도 4b) 및 본 발명 상/하부균등화가 동시에 구현된 기체농축시의 그래프(도 4c)와 비교하여 살펴 보면,
도 4a의 상부균등화시에는 두 흡착탑의 반사이클에 걸리는 시간은 약 9초이고, 도 4b의 반사이클에 걸리는 시간은 약 8.5초이나, 본 발명의 반사이클에 걸리는 시간은 약 7초 이다.
따라서 본 발명은 압축기를 통한 고압기체의 공급시간이 짧아 기계적 에너지가 종래 상부균등화만 혹은 하부 균등화만의 기체농축에 비하여 적게 사용됨을 알 수 있으며, 상부균등화 공정을 통해 생성기체의 일부를 재가압에 이용하고, 하부균등화 공정을 통해 가압공기를 타측 흡착탑의 재가압에 이용하므로 그 만큼 기계적에너지를 회수할 수 있는 것이다.
뿐만아니라 소음의 발생도 낮은 저압상태에서 소음기로 질소를 배출하므로 소음 절감효과도 얻는 것이다.
상기 공정을 통한 본 발명 연속적 상,하부균등화방법 및 그 장치는 다음과 같이 표 1,2에서 나타나는 바와 같이 그 소비전력과 순도,순산소 부화량, 회수율이 개선됨을 알 수 있었다.
<표 1>
동일 산소토출량(LPM)@ 산소순도(%)을 기준으로 한 소비전력비교
구 분 항 목
순 도 (%) 소비전력(W)
상부균등화만의 기체농축 93 320
하부균등화만의 기체농축 93 320
본 발명 기체농축(상/하부균등화를 동시 구현함) 93 260
※ 1)토출산소 유량(LPM) 대비 순도(%) : 5±0.2 @ 93
2)제오라이트 : 동일한 제오라이트 사용(13X 계열).
3) 순산소 부하량 = {산소발생순도(%)-대기순도(약21%)}×산소토출량
4) 회수율 = {(산소발생순도(%)×산소토출량)/(입력공기량)×21%}×100
상기 표 1에서 나타나는 바에 따라 본 발명의 상부균등화와 하부균등화가 동시 구현된 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치의 소비전력은 260W로서 기존 상부균등화만의 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치나 하부균등화만의 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치에 비하여 소비전력이 크게 감소된 효과를 거두게 됨을 알 수 있다. 저전력 저유량 압축기를 사용하여 동일사양의 성능을 얻는 것이므로 회수율면에서 기존 공정방법에 비하여 개선되는 것임.
<표 2>
동일 컴프레셔(동일 입력유량)를 기준으로 한 산소토출량(LPM)@ 산소순도(%)
구 분 항 목
순도(%) 순산소 부화량(LPM) 회수율(%)
상부균등화만의 기체농축 78 4.56 30.1
하부균등화만의 기체농축 80 4.72 30.4
본 발명 기체농축(상/하부균등화 동시 구현) 90 5.52 31.2
※ 1)동일 컴프레셔 사용(입력유량 : 110LPM/1bar)
2)동일 산소토출량 : 8LPM±0.2
3) 동일 제오라이트{13X계열) 및 무게(약 2.2kg)}
4) 순산소 부하량 = {산소발생순도(%)-대기순도(약21%)}×산소토출량
5) 회수율 = {(산소발생순도(%)×산소토출량)/(입력공기량)×21%}×100
상기 표 2에서 나타나는 바와 같이 본 발명의 상부균등화와 하부균등화가 동시 구현된 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치에서 얻어지는 순도는 90%이고, 순산소 부화량도 5.52로 증가되며, 회수율도 31.2로 크게 향상되므로서 종래 상부균등화만의 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치나 하부균등화만의 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치에 비하여 순도 10%, 순산소 부화량은 약 1LPM 증가,회수율도 약1%증가된 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 종래 하부균등화만을 혹은 상부균등화만을 가지는 기체농축방법에 있어서, "가압 - 흡착(생산) - 균등화 (상부측 혹은 하부측) - 감압 - 세정 - 균등화" 로 반복되는 6단계 공정을, "가압-흡착(생산) - 상부균등화 - 상/하부 균등화 - 감압- 세정 - 상부균등화 - 상/하부균등화로 반복되는 8단계 공정으로 개선하게 되어 생산기체의 순도를 높이며, 공기압축기의 기계적에너지를 회수함과 동시에 소비전력을 줄일 수 있으며, 배기소음을 줄일 수 있는 효과를 얻었다.
특히, 본 발명은 이와 같은 종래 상부 고압을 저압측으로 일부 이동시켜 흡착기체를 탈착,배출되게 하는 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축방법 및 장치를 제공하여 기체농축 사이클에 이르는 시간을 단축시켜 압축기의 기계적 에너지와 소비전력을 보다 감소시키고, 농축기체의 순도, 순산소 부화량 및 회수율을 향상시킨 효과도 있다.

Claims (5)

  1. 제1흡착탑을 가압 지속으로 기체농축을 수행하고, 그 사이 제2흡착탑은 감압지속으로 탈착, 세정후 배출이 이루어지고, 다시 제1,제2흡착탑의 가압,감압공정을 바꾸어 가,감압함으로써 기체농축이 이루어지는 기체농축방법에 있어서,
    생산(흡착)세정시의 흡착탑의 압력차가 최대로 되었을 때 상부 솔레노이드밸브를 통하여 두개의 흡착탑 상부를 연통시켜 고압측 흡착탑 상부에 있는 생성가스의 일부를 저압측으로 이동시키는 상부 균등화공정; 및
    상부 균등화 공정이 일정시간 지속된 이후에 이에 더하여 두 개의 흡착탑 하부를 연통시켜 고압측 흡착탑 고압기체가 저압측 흡착탑을 가압하는 하부 균등화공정과 함께 상기 상부 균등화공정이 하부 균등화공정과 동시에 이루어지는 상/하부 복합 균등화 공정을 포함하는 압력순환흡착을 이용한 기체농축방법.
  2. 각 흡착탑(32)(34) 상부에 체크밸브(16)(18)를 각각 구성하되 그 사이에 오리피스(12)를 연결하고, 각 체크밸브(16)(18)를 통과한 농축산소는 저장,조절,배출되고, 상기 흡착탑(32)(34) 하방에는 흡입기체를 공급하기 위한 압축기(24)로서 압축기체를 공급함과 아울러 소정의 밸브(22)로서 흡착탑 내 질소가스를 배출토록 하는 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치에 있어서,
    상기 흡착탑(32)(34)을 기준으로 그 상방에 위치하며, 제1흡착탑(32)과 제2 흡착탑(34)에 각각 연결된 각각의 체크밸브(16)(18)와의 사이에 오리피스(12)와 제 1솔레노이드밸브(12)를 병열/접속하여 각 흡착탑(32)(34)내 압력을 소정의 제어에 따라 균등화를 이루도록 하는 상부 균등화부(10); 및
    상기 각 흡착탑(32)(34) 하부에 상기 흡착탑(32)(34) 하방으로 고압기체를 공급하기 위한 압축기(24)와, 농축후의 질소가스를 배출함과 아울러 이를 소정의 흡착탑 내부 압력에 따라 공급과 배출을 전환시키는 제 2솔레노이드밸브(22)로 이루어진 하부균등화부(20)를 포함하여,
    하부균등화부(20)와 상기 상부균등화부(10)가 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1솔레노이드밸브(12)는 2/2(2포트2웨이)솔레노이드밸브인 것을 특징으로 하는 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2솔레노이드밸브(22)는 5/3(5포트3웨이) 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2솔레노이드밸브(22)는 복수의 3/2(3포트2웨이) 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 순차적 상부균등화 및 상/하부 복합 균등화 공정을 구비한 기체농축장치.
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