KR101012686B1 - gas concentration method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡착제에 압력차이를 가하여 농축기체를 얻는 방법에 관한 것으로, 특히 고농도보다는 저농도 및 고유량의 농축기체를 얻는 데에 유리한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 산업용의 대형 기체분리공정에 응용이나 의료용 산소를 생산하기 위한 것이 아니며, 일상 생활에서 사용되는 공조장치등에 응용하기 위한 것이다. 본 방법에 의한 흡착단계는 메인 진공펌프수단에 의한 진공압력과 대기압과의 압력차이에서 수행되나, 기체가 생산되는 흡착베드의 끝단은 다른 압력이력을 가지게 된다. 탈착단계는 메인 진공펌프수단에 의한 진공압에 의해 수행되나, 별도의 농축기체 토출수단에 의한 진공압이 탈착단계에 보조적으로 사용된다. 본 방법에 의한 장치는 저소음, 고유량 및 저가로 생산량을 극대화하여 구현할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a method for obtaining a concentrated gas by applying a pressure difference to the adsorbent, and more particularly to a method for obtaining a concentrated gas having a low concentration and a high flow rate rather than a high concentration. The present invention is not intended for application to large industrial gas separation processes or to produce medical oxygen, but for application to air conditioners and the like used in daily life. The adsorption step by this method is carried out at the pressure difference between the vacuum pressure and the atmospheric pressure by the main vacuum pump means, but the end of the adsorption bed where gas is produced has a different pressure history. The desorption step is performed by the vacuum pressure by the main vacuum pump means, but the vacuum pressure by a separate concentrated gas discharging means is used as auxiliary in the desorption step. Apparatus according to the present method has the advantage that can be implemented to maximize the production at low noise, high flow rate and low cost.

기체농축Gas concentration

Description

기체농축 방법{gas concentration method}Gas concentration method

도 1 은 본 발명의 방법에 따른 실시예인 가스농축모듈의 도식도.1 is a schematic view of a gas concentration module which is an embodiment according to the method of the present invention.

도 2 는 본 발명의 방법에 따른 흡착베드의 시간에 따른 압력변화도.Figure 2 is a pressure change over time of the adsorption bed according to the method of the present invention.

도 3 은 본 발명에 따른 방법에 따른 두개의 흡착베드를 가지는 장치의 도식도.3 is a schematic representation of an apparatus having two adsorptive beds according to the method according to the invention.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-Explanation of symbols on the main parts of the drawing

1...흡착베드 2...진공펌프수단1 ... adsorption bed 2 ... vacuum pump means

3...필터 수단 4...유로전환밸브3.Filter means 4.Euro switching valve

5...밸브수단 6...기체공급수단5.Valve means 6 ... Gas supply means

7...출력단 8...입력단7 ... Output 8 ... Input

9...흡착베드 10...가압수단9 ... Adsorption bed 10 ... Pressure means

11...체크밸브수단 11.check valve means

본 발명은 각 기체에 대하여 선택적인 흡착력을 가지는 흡착제에 압력차이를 가하여 혼합기체로부터 특정 기체를 분리하여 입력된 기체로부터 특정기체의 농도 를 증가시키는 기체농축방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas concentration method of increasing a concentration of a specific gas from an input gas by separating a specific gas from a mixed gas by applying a pressure difference to an adsorbent having a selective adsorption force for each gas.

흡착제를 사용하여 특정기체의 농도를 증가시키는 농축 방법은 흡착제를 포함하는 흡착베드 내에 일정압력 이상의 압축된 혼합기체를 공급하고 흡착베드 내에서 흡착된 특정기체를 대기압 상태에서 탈착, 배출시키고 상대적으로 흡착도가 떨어지는 기체를 생산하는 압축스윙흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption)이 1950년대 이래로 계속 발전되어 일반적으로 사용되고 있다. 이들은 대규모의 산업용으로 특정기체를 생산하는 이외에, 공기중으로부터 질소를 분리하여 소형으로서 주로 의료용과 기타 사무실이나 가정의 밀폐된 공간에 산소를 공급하는 용도와, 폐수처리장이나 양식장 등에 사용되고 있다.In the concentration method of increasing the concentration of a specific gas by using an adsorbent, a compressed gas of a predetermined pressure or more is supplied into an adsorption bed including an adsorbent, and the specific gas adsorbed in the adsorption bed is desorbed and discharged at atmospheric pressure and relatively adsorbed. Pressure Swing Adsorption (PSA), which produces inferior gases, has evolved since the 1950s and is commonly used. In addition to producing specific gases for large-scale industrial use, they separate nitrogen from the air and are small, and are mainly used for supplying oxygen to medical spaces and confined spaces in offices and homes, and wastewater treatment plants and farms.

상기와 같은 종래의 압축스윙흡착방식은 보통 2 내기 4기압 정도 사이의 압력을 사용하며, 공기중의 산소분리의 경우에는 산소농도가 의료용은 90%이상, 일반용은 40% 이상의 고농도를 생산한다. 이와 같이 고압을 사용하는 경우에는 소형의 경우에 그 효율이 좋아 상대적으로 장점을 가지고 있으나, 고압사용에 따른 소음문제와 열문제 및 공기압축기의 내구성문제가 가장 큰 문제로 나타나 있다.Conventional compression swing adsorption method as described above usually uses a pressure between about 2 and 4 atm, in the case of oxygen separation in the air oxygen concentration of 90% or more for medical use, 40% or more for general use. In the case of using high pressure as described above, the efficiency is small in the case of small size, and has relatively advantages, but the noise problem, the heat problem, and the durability of the air compressor due to the use of high pressure are shown as the biggest problems.

종래의 대형 산업용 생산설비에서는 상기와 같이 대기압과 고압 사이에서 작동하지 않고, 운전압력이 대기압 이하의 진공압과 대기압보다 약간 높은 수백 mmAq의 저압 사이에서 운전되는 진공스윙방식(VSA, Vacuum Swing Adsorption) 방식도 최초설비 단가 및 설비비, 유지비 등을 종합적으로 고려하여 사용되고 있다. 이러한 진공스윙방식은 소형의 경우에는 그 효율이 낮아 실제로는 제한적으로 적용되고 있으나, 저압의 사용에 의한 PSA 가 가지고 있는 소음 및 내구성 문제는 발생하지 않는 장점을 가지고 있다.In the conventional large industrial production facilities, the vacuum swing method (VSA, Vacuum Swing Adsorption), which does not operate between atmospheric pressure and high pressure, but operates between a vacuum pressure below atmospheric pressure and a low pressure of several hundred mmAq slightly higher than atmospheric pressure (VSA) The method is also used in consideration of the initial equipment cost, equipment cost, and maintenance cost. Such a vacuum swing method has a low efficiency in the case of a small size, but is practically limited, but the noise and durability problems of the PSA due to the use of low pressure do not occur.

공기중으로부터 산소를 농축시켜 산소부화공기를 얻는 경우에, 환자를 위한 의료용의 경우는 고순도의 산소가 필요하나, 일반적으로 가정이나 사무실에서 환기의 목적이나 쾌적한 환경조성을 위하여 공조의 목적으로 기체 농축기가 사용될 경우에는 약간의 산소농도 증가를 위하여 산소농축기가 사용되므로 고순도는 별 의미가 없으며, 실내로 공급되는 총 산소유량이 실내 산소농도를 결정하게된다. 따라서, 가정용 공기청정기와 결합되거나 에어컨으로 결합되는 소용량 산소농축기의 산소농도는 목적공간의 최종적인 산소농도 상승치에 맞추어 설계되는 것이 바람직하다. 즉, 사람들이 쾌적함을 느끼는 21~23% 정도의 농도상승이면 충분하므로 이론적으로도 공급 산소농도는 이보다 높으면 가능하다. 이로 인하여 현재 시판되는 산소농축기는 정화공기를 혼합하여 저농도, 고유량으로 실내에 공급하는 방법을 많이 사용하고 있다.When oxygen is enriched from air to obtain oxygen-enriched air, high-purity oxygen is required for medical use for patients, but in general, gas concentrators are used for the purpose of ventilation at home or office and for the purpose of creating a pleasant environment. When used, the oxygen concentrator is used to increase the oxygen concentration slightly, so high purity does not mean much, and the total oxygen flow to the room determines the indoor oxygen concentration. Therefore, the oxygen concentration of the small-capacity oxygen concentrator combined with the household air cleaner or the air conditioner is preferably designed according to the final oxygen concentration increase of the target space. In other words, the increase in concentration of about 21% to 23% is enough for people to feel comfortable, so theoretically, the supply oxygen concentration can be higher than this. For this reason, commercially available oxygen concentrators use a lot of methods for supplying indoors with low concentration and high flow rate by mixing purified air.

기체 농축시설은 전략적으로 첫째, 농도, 둘째, 생산성, 셋째 회수율을 기준으로 설계되며 상기에서 설명한 바와 같이 종래의 장치들은 농도에 최우선 순위를 두고 설계되었다. PSA의 경우에는 농도와 함께 전체 생산량을 고려하여 연속적으로 부화기체를 얻는 RPSA(Rapid PSA)가 개발되어, 가압, 지연, 생산의 기본단계를 기초로 생산성을 높이기도 하였다. 이 공정은 각 단계가 수초에 이르는 빠른 공정으로 단일 베드로도 연속생산이 가능하다.The gas enrichment plant is strategically designed on the basis of first, concentration, second, productivity, and third recovery rates, and as described above, conventional devices are designed with priority on concentration. In the case of PSA, RPSA (Rapid PSA) was developed to continuously incubate the gas in consideration of the concentration and the total production, thereby increasing productivity based on the basic stages of pressurization, delay, and production. This process is fast, with several steps in seconds, enabling continuous production on a single bed.

최근에 기체분리막의 저가화로 소형에 적용되어 50%이하의 산소부화공기를 생산할 수 있게 됨에 따라 이들 장치가 급속도로 소형 장치에 적용되고 있다. 기 체분리막에 의한 분리방법은 산소농축의 경우에 그 특성상 고농도를 만들어 낼 수 없으나, 흡착제에 의한 방법에 비교하여 저가로 구성할 수 있으므로 공조의 입장에서는 보다 유리할 수 있다고 하겠다.Recently, these devices are rapidly being applied to small devices as the gas separation membrane has been applied to the small size to produce oxygen enriched air of 50% or less. The separation method by gas separation membrane cannot produce high concentration in the case of oxygen concentration, but it can be more advantageous in terms of air conditioning because it can be configured at a lower cost than the method using an adsorbent.

농도에 관계없이 VSA에 기초한 생산성이 높은 공정은 특별히 존재하지 않으며, 공조의 목적에 의하여 단지 전체 생산량만을 높이기 위한 공정은 소형장치에 적용되지 못하였다.Regardless of the concentration, there are no high-productivity processes based on VSA, and for the purpose of air conditioning, a process to increase only the total yield has not been applied to small devices.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 종래의 PSA 방식의 일종인 진공스윙흡착(VSA, Vacuum Swing Adsorption)에 기초하여 고농도의 기체농축이 아닌 저농도의 부화기체를 효과적으로 생산하는 방법에 관한 것이다. The present invention has been made to solve this problem, and relates to a method for effectively producing a low concentration of incubation gas rather than a high concentration of gas based on the vacuum swing adsorption (VSA, a kind of conventional PSA method). will be.

본 발명의 목적은 PSA 방식이 가지고 있는 소음 및 내구성 문제를 갖지 않는 소형 기체농축기를 구성하는 데에 있다. 또한, 저농도, 고유량에 유리하며 연속적으로 기체분리할 수 있는, 특히 공기중으로부터 산소를 분리하는 방법을 제공하는 데에 있다. An object of the present invention is to construct a compact gas concentrator that does not have the noise and durability problems of the PSA system. It is also an object of the present invention to provide a method for separating oxygen from air, in particular for low concentration, high flow rate and continuous gas separation.

또한, 흡착제를 포함하는 흡착베드 내의 압력분포를 효과적으로 활용하여 VSA가 가지고 있는 저효율의 문제를 극복할 수 있는 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다. It is also an object of the present invention to provide a device that can effectively overcome the problem of low efficiency of the VSA by utilizing the pressure distribution in the adsorption bed containing the adsorbent.

본 발명은 기존의 VSA 와는 달리 공기분리의 경우에 진공압과 대기압보다 약간 높은 압력 사이에서 운전되는 것이 아니라, 정해진 진공압과 대기압사이에서 운전되며, 흡착베드의 흡입단은 대기압까지 도달하나, 부화기체 생산단은 대기압보다 약간 낮은 압력사이에서 운전된다. 이것은 본 발명의 목적이 고순도의 부화기체를 생산하는 것이 아니라, 저순도, 고유량의 부화기체를 연속적으로 생산하는 데에 있으므로 흡착제에 가해지는 압력차이를 최소화하여 소음 및 내구성 문제를 해결하고, 다시 이를 최적화하여 전체 생산량의 입장에서 효율을 극대화시키는 방법을 사용한다.Unlike the conventional VSA, the present invention is not operated between the vacuum pressure and the pressure slightly higher than the atmospheric pressure in the case of air separation, but is operated between the predetermined vacuum pressure and the atmospheric pressure, and the suction end of the adsorption bed reaches the atmospheric pressure, but hatches. The gas production stage is operated at a pressure slightly below atmospheric pressure. This is because the purpose of the present invention is not to produce a high purity incubation gas, but to continuously produce a low purity, high flow incubation gas, thereby minimizing the pressure difference applied to the adsorbent to solve the noise and durability problems, and again. By optimizing this, the method of maximizing efficiency in terms of the total output is used.

본 발명은 본 출원인에 의한 종래 출원에 의한 방법에 기초하며, 이를 보다 개선하여 메인 진공펌프의 용량을 최소화하고 부화기체의 생산량을 극대화하는 데에 그 목적이 있다. The present invention is based on the method according to the prior application by the present applicant, the object is to further improve to minimize the capacity of the main vacuum pump and to maximize the yield of the hatching gas.

본 발명은 농도를 높이기 위하여 별도의 가압수단을 추가할 수 있으며, 이 경우에는 어느 정도의 고농도, 고유량을 얻을 수 있으므로 특별한 적용에 사용될 수 도 있다.The present invention can add a separate pressurization means to increase the concentration, in this case can be used for a particular application because it can obtain a certain high concentration, high flow rate.

본 발명의 방법에 의한 장치는 기체농축기 전 분양에 광범위하게 사용될 목적이 아니라, 산소농축기의 사용 용도와 같이 단지 밀폐공간의 소량의 산소농도증가나, 특정 기체의 농도증가에 그 목적이 있으므로, 공기청정기나 에어컨과 같이 결합되어 사용되는 것이 바람직하다.The apparatus according to the method of the present invention is not intended to be widely used for pre-gas concentration, but for the purpose of increasing the concentration of oxygen in a small amount or increasing the concentration of a specific gas, such as the use of an oxygen concentrator. It is preferably used in combination with a purifier or air conditioner.

본 발명에 의한 방법의 각 단계는 후술하는 구성요소를 기초로 설명된다.Each step of the method according to the invention is explained on the basis of the components described below.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 흡착제를 포함하는 흡착베드와, 상기 흡착제에 진공압을 가하기 위한 진공펌프수단, 진공압과 대기압을 전환시키기 위한 유로전환밸브, 흡착베드로의 역류를 막아주는 체크밸브수단, 그리고 목 적공간으로 생산된 부화기체를 공급해주는 부화기체 공급수단을 필수 구성요소로 구성된다.The present invention provides an adsorptive bed comprising an adsorbent, a vacuum pump means for applying a vacuum pressure to the adsorbent, a flow path switching valve for converting a vacuum pressure and an atmospheric pressure, and preventing a backflow to the adsorptive bed. The check valve means and the incubation gas supply means for supplying the incubation gas produced to the target space are essential components.

본 발명은 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 상세히 설명된다.The invention is described in detail with reference to the embodiments of the accompanying drawings.

도 1 에는 본 발명에 따른 방법에 따라 구성된 필수 구성요소들을 간단히 나타낸 도식도이다. 즉, 제올라이트나 카본분자체 등의 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드(1)와, 상기 흡착베드(1) 내의 흡착된 기체 및 불순물을 외부로 배출하는 진공펌프수단(2), 수분 및 불순물을 걸러주는 필터수단(3), 유로를 전환하는 유로전환밸브(4), 흡착베드(1)를 통과한 생산기체를 통과시키며 흡착베드(1) 내의 압력과 농도 조절을 위해 사용되는 주로 체크밸브로 구성되는 밸브수단(5), 그리고 생산된 농축기체를 목적 공간으로 분사시키기 위한 기체공급수단(6)으로 구성된다.1 is a schematic representation of the essential components constructed in accordance with the method according to the invention. That is, the adsorption bed 1 including an adsorbent such as zeolite or carbon molecular material therein, the vacuum pump means 2 for discharging the gas and impurities adsorbed in the adsorption bed 1 to the outside, moisture and impurities The filter means (3) for filtering, the flow path switching valve (4) for switching the flow path, and the product gas passing through the adsorption bed (1) and is mainly used as a check valve used for pressure and concentration control in the adsorption bed (1) The valve means 5 is configured, and the gas supply means 6 for injecting the produced concentrated gas into the target space.

본 발명에 의한 방법은 다음과 같은 단계로 구성된다. 우선 진공펌프수단(2)이 흡착제를 포함하는 흡착베드(1)에 진공압을 가하여 흡착베드(1) 내에 진공압을 만드는 단계와, 유로전환밸브(4)에 의하여 상기 흡착베드(1)는 진공펌프수단(2)과 차단되고 필터수단(3)을 통과한 혼합기체의 압력을 받게되어 흡착베드(1) 내로 혼합기체가 유입되어 흡착제에 특정기체가 흡착되는 단계와, 별도의 가압펌프를 구비함이 없이 매우 적은 압력의 진공압을 발생시킬 수 있는 기체공급수단(6)을 구비하여 생산기체의 농도가 높아진 흡착베드(1)의 상단에 진공압을 가하여 생산 부화기체가 외부로 배출되는 단계를 필수 단계로 포함한다.
기체공급수단(6)은 200mmHg 이하의 저진공압을 가지는 것이 바람직하다.
이때, 상기 진공펌프수단(2)이 흡착베드(1) 내에 진공압을 형성하는 단계는 상기 기체공급수단(6)이 흡착베드(1)로부터 생산기체를 공급하는 단계와 일정시간 겹치게 되는데, 이는 통상적으로 종래 방법이 생산단계를 마친 후 밸브수단(5)을 닫고 탈착을 진행하지만 본 발명에서는 탈착이 시작된 후에도 생산이 일정시간 동안 계속되게 된다. 이것은 탈착과 생산을 병행하여 흡착베드(1) 내의 압력을 보다 빨리 떨어뜨리게 하기 위한 것으로 탈착과정 중에도 생산은 계속되게 된다. 이렇게 하면 농도는 감소하지만 주어진 싸이클 동안 많은 양을 생산할 수 있게 된다. 즉, 어떤 면에서는 기체공급수단(6)도 진공펌프수단의 일종으로 볼 수 있어 탈착 초기단계에서는 탈착작용을 병행한다고 볼 수 있다. 흡착베드(1) 내의 진공압력이 기체공급수단(6)의 진공압과 주로 체크밸브인 밸브수단(5)의 자체 압력에 의한 압력의 합보다 커지면 밸브수단(5)이 닫히게되어 진공펌프수단(2) 만이 흡착베드(1) 내에 진공압을 형성시키는 작용을 하게 된다. 이러한 오버랩 시간은 초기에 흡착베드(1) 내의 빠른 진공압 형성에 도움을 주는데, 기체공급수단(6)이 생산기체를 공급하는 동시에 자신이 가지는 진공압 만큼 흡착베드(1) 내의 탈착과정에 기여하도록 하여 생산성을 극대화하려는 것이다.
상술한 바와 같이, 진공펌프수단(2)이 흡착제를 포함하는 흡착베드(1) 내부에 진공압을 가하여 흡착베드(1) 내부에 진공압을 만드는 탈착단계와, 필터수단(3)을 통과한 혼합기체의 압력과 흡착베드(1) 내부의 진공압과의 압력차이에 의하여 흡착베드(1) 내로 혼합기체가 유입되어 흡착제에 특정기체가 흡착되는 흡착단계는, 동일한 시간 동안에 걸쳐 실시되며, 예를 들어 빠른 진공스윙 싸이클을 가지도록 2초 내지 5초의 흡탈착 시간을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 바와 같이 생산 기체의 농도가 높아진 흡착베드(1)의 상단에 진공압을 가하여 농축된 생산 기체를 외부로 배출하는 생산단계는, 별도의 체크밸브수단(5)을 구비하여 진공펌프수단(2)에 의한 탈착과정 중에 이 체크밸브수단이 닫힘으로써 마감되는 것이 바람직하다.
The method according to the invention consists of the following steps. First, the vacuum pump means (2) applies a vacuum pressure to the adsorption bed (1) containing the adsorbent to create a vacuum pressure in the adsorption bed (1), and the adsorption bed (1) by the flow path switching valve (4) The pressure of the mixed gas which is cut off from the vacuum pump means 2 and passes through the filter means 3 is introduced into the adsorption bed 1 so that the specific gas is adsorbed to the adsorbent. It is provided with a gas supply means (6) capable of generating a very low pressure vacuum pressure without being provided to apply a vacuum pressure to the upper end of the adsorption bed (1) where the concentration of the production gas is increased to discharge the production incubation gas to the outside Include a step as a required step.
The gas supply means 6 preferably has a low vacuum pressure of 200 mmHg or less.
At this time, the step of forming the vacuum pressure in the vacuum pump means (2) in the adsorption bed (1) overlaps with the gas supply means (6) for supplying the production gas from the adsorption bed (1) for a certain time. Typically, the conventional method is to close the valve means 5 after the completion of the production step and proceed with the desorption, but in the present invention, the production is continued for a certain time even after the desorption starts. This is to reduce the pressure in the adsorption bed (1) in parallel with the desorption and production, the production will continue even during the desorption process. This decreases the concentration but allows the production of large amounts for a given cycle. That is, in some respects, the gas supply means 6 may also be regarded as a kind of vacuum pump means, so that the desorption action may be performed in the initial stage of desorption. If the vacuum pressure in the adsorption bed 1 is greater than the sum of the vacuum pressure of the gas supply means 6 and the pressure caused by the self-pressure of the valve means 5, which is mainly a check valve, the valve means 5 is closed so that the vacuum pump means ( 2) only serves to create a vacuum pressure in the adsorption bed (1). This overlap time initially helps to form a rapid vacuum pressure in the adsorption bed 1, and the gas supply means 6 supplies the production gas and at the same time contributes to the desorption process in the adsorption bed 1 as much as the vacuum pressure it has. To maximize productivity.
As described above, the vacuum pump means (2) by applying a vacuum pressure inside the adsorption bed (1) containing the adsorbent to create a vacuum pressure inside the adsorption bed (1), and passed through the filter means (3) The adsorption step in which the mixed gas is introduced into the adsorption bed 1 by the pressure difference between the pressure of the mixed gas and the vacuum pressure inside the adsorption bed 1 and the specific gas is adsorbed to the adsorbent is carried out over the same time period. For example, it is preferable to have a desorption time of 2 to 5 seconds to have a fast vacuum swing cycle.
In addition, as described above, the production step of discharging the concentrated production gas to the outside by applying a vacuum pressure to the upper end of the adsorption bed (1) having a higher concentration of the production gas, the vacuum pump is provided with a separate check valve means (5) Preferably, this check valve means is closed by closing during the desorption process by means (2).

상기와 같은 일련의 과정은 도 2에 도시되며, 여기서 A는 흡착베드(1)의 혼합기체 입력단(8)의 시간에 따른 압력변화를 나타낸 것이고 B는 기체공급수단(6) 쪽의 출력단(7)의 시간에 다른 압력변화를 대략적으로 나타낸 것이다. X는 기체공급수단(6)이 흡착베드로부터 생산기체를 뽑아올려 공급할 수 있는 압력기준선을 나타내며, 따라서 B의 압력이 기준선 X보다 높으면 기체공급수단(6)은 생산기체를 공급하게 된다. C와 D는 도 3과 같이 두 개의 흡착베드를 사용하였을 때의 실시예에서 다른 쪽 흡착베드(9)의 입력단과 출력단의 시간에 따른 압력변화를 나타내며 A 및 B와 대칭인 구조로 되어있다. 세로로 표시된 일점쇄선 Y는 흡착베드(1)가 생산을 멈추는 기준선으로, 다른 쪽 흡착베드(9)는 이 선을 기점으로 동시에 혹은 적어도 이전에 생산기체의 생산을 시작함으로써 두 개의 베드가 연속생산을 이루게 된다. 물론 여러 개의 베드를 사용하는 멀티베드 시스템으로의 확장은 당업자 사이에서 자명하다. 도 2 및 3을 기초로 다시 설명하면, 한쪽 흡착베드(1)가 압력이 급속히 떨어지는 탈착과정을 시작하는 동시에 다른 쪽 흡착베드(9)는 혼합기체가 유입되는 흡착과정을 시작한다. 이때 한쪽 흡착베드(1)는 여전히 목적기체를 생산하고 있으며, 여기서 흡착베드(9)는 기체공급수단(6)과 연결된 출력단 부분이 기체공급수단이 가지는 진공압 이하가 될 때까지 목적기체는 생산하지 못한 채 내부 압력이 높아진다. 흡착베드(9) 상단이 기체공급수단(6)이 가지는 진공압보다 절대 압력이 높아지게 되면 흡착베드(9)는 목적기체 생산을 시작하게 되며, 목적기체를 생산하던 흡착베드(1)는 생산을 멈추게 되고 진공펌프수단(2)만에 의한 탈착과정을 겪게 된다.A series of such processes are shown in FIG. 2, where A represents the pressure change over time of the mixed gas input stage 8 of the adsorptive bed 1 and B represents the output stage 7 on the gas supply means 6 side. ) Shows the approximate pressure change at time of). X represents a pressure reference line through which the gas supply means 6 can pull out the production gas from the adsorption bed, and thus, if the pressure of B is higher than the reference line X, the gas supply means 6 supplies the production gas. C and D represent the pressure change with time of the input end and the output end of the other adsorption bed 9 in the embodiment when two adsorption beds are used as shown in FIG. 3 and are symmetrical with A and B. The vertical dashed line Y is the baseline at which the adsorption bed 1 stops production, while the other adsorption bed 9 starts the production gas at the same time or at least prior to the start of this line so that the two beds are continuously produced. Will be achieved. Of course, the expansion to a multibed system using multiple beds is apparent to those skilled in the art. 2 and 3 again, one adsorption bed 1 starts a desorption process in which pressure drops rapidly while the other adsorption bed 9 starts an adsorption process in which a mixed gas is introduced. At this time, one adsorption bed 1 still produces the target gas, where the adsorption bed 9 produces the target gas until the output end portion connected to the gas supply means 6 is below the vacuum pressure of the gas supply means. The internal pressure increases without doing so. When the upper end of the adsorption bed 9 has an absolute pressure higher than the vacuum pressure of the gas supply means 6, the adsorption bed 9 starts producing the target gas, and the adsorption bed 1, which produced the target gas, stops production. It stops and undergoes the desorption process by the vacuum pump means (2) only.

상기와 같이 탈착과정 중에 초기에 진공펌프수단(2)에 의한 탈착과정과 동시에 이루어지는 목적기체의 생산은 생산량을 극대화하는 데에 그 목적이 있으며, 흡착베드(1) 내의 압력을 초기에 급속히 떨어뜨려 전체 싸이클을 짧게 하는 효과가 있고, 생산 기체의 고농도화가 어려운 대신에 저농도, 고유량의 생산기체를 연속적으로 얻을 수 있는 과정이다.As described above, the production of the target gas simultaneously with the desorption process by the vacuum pump means 2 during the desorption process is aimed at maximizing the yield, and rapidly reducing the pressure in the adsorption bed 1 initially. It has the effect of shortening the entire cycle, and it is difficult to achieve high concentration of the production gas, but it is a process of continuously obtaining low concentration and high flow rate of production gas.

상기와 같은 단계를 거치는 동안 흡착베드(1,9) 내의 압력분포는, 혼합기체가 유입되는 쪽(A,C)은 진공펌프수단(2)에 의한 진공압과 유입되는 혼합기체의 압 력(공기의 경우에는 대기압)을 넘지 않으며, 생산기체를 공급하게 되는 상단부(B,D)는 생산 기체공급수단이 생산기체를 공급하기 위하여 만들어 내는 상단부의 진공압력에 놓이게 된다. 즉, 상단부와 하단부는 각기 다른 압력이력을 겪게 되며, 공급단인 상단부는 상기 진공펌프수단(2)에 의한 진공압과 기체공급수단(6)이 제공하는 진공압 사이에서 운전하게된다. 혼합기체가 흡입되는 흡착베드(1)의 하단부는 가장 압력차이가 큰 부분으로서, 진공펌프수단(2)에 의한 진공압과 혼합기체가 직접 유입됨으로 인한 압력(공기의 경우 대기압)을 받게된다. 따라서, 운전압력차이는 흡착베드의 입력단인 하단부에서 출력단인 상단부로 갈수록 줄어들게 된다.During the above steps, the pressure distribution in the adsorption beds (1, 9), the side (A, C) into which the mixed gas is introduced, the vacuum pressure by the vacuum pump means (2) and the pressure of the mixed gas ( Air does not exceed atmospheric pressure), and the upper end portions B and D, which supply the production gas, are placed at the vacuum pressure of the upper end generated by the production gas supply means to supply the production gas. That is, the upper end and the lower end undergo different pressure history, and the upper end, which is a supply end, operates between the vacuum pressure by the vacuum pump means 2 and the vacuum pressure provided by the gas supply means 6. The lower end of the adsorption bed 1 through which the mixed gas is sucked is the part with the largest pressure difference, and receives the pressure (atmospheric pressure in the case of air) due to the vacuum pressure by the vacuum pump means 2 and the flow of the mixed gas directly. Therefore, the operating pressure difference decreases from the lower end, which is the input end of the suction bed, to the upper end, which is the output end.

본 발명에 의한 장치를 구성하는 경우에 산소부화공기는 보통 40% 정도 까지 적절하며, 좀더 농도를 높이고 싶은 경우에는 별도의 가압수단(10)을 구비하여 흡착단계에 사용하면 흡착베드(1,9) 내의 압력을 대기압 이상으로 높일 수 있어 좀 더 고농도를 얻을 수 있다. 이 경우는 경제적인 면과 적용 대상을 고려하여 결정하여야 하며, 일반적으로 가압수단(10)은 약간의 압력상승 수단이므로 소형이면 충분하게 된다. 체크밸브수단(11)은 가압수단(10)이 흡착베드(1,9) 내로 가압시 외부로 압력이 누설되는 것을 방지한다.Oxygen-enriched air is usually suitable up to about 40% when constituting the apparatus according to the present invention, and if it is desired to further increase the concentration, it is provided with a separate pressurizing means 10 and used in the adsorption step (1, 9). The pressure inside the can be increased above atmospheric pressure, so that a higher concentration can be obtained. In this case, it should be determined in consideration of the economic aspect and the application object, and in general, the pressurizing means 10 is a slight pressure increase means, so that a small size is sufficient. The check valve means 11 prevents pressure from leaking to the outside when the pressurizing means 10 pressurizes into the adsorption beds 1 and 9.

밸브수단(5)의 경우에는 PSA 방식의 경우에는 솔레노이드 밸브나, 일정압력 이상에서만 열리는 체크밸브를 사용하지만, 본 장치와 같은 진공방식에서는 상기 방식은 적합하지 않다. 이것은 종래의 통상적인 VSA 방식의 경우에 흡착베드(1) 내의 압력을 공기의 경우에 대기압 이상으로 약간 올려주는 가압방식이 사용되는 경우에는 무방하지만, 본 장치와 같이 대부분의 베드 내의 압력이 대기압 이하의 압력만을 사용하는 경우에는 고유량, 저농도의 산소를 생성하기는 바람직하지 못하다. 따라서, 통상적으로 약간 열려있으며 생산기체를 출력하는 부분인 베드 상단부의 진공압이 기체공급수단(6)이 제공하는 진공압보다 일정수준 이상이 되었을 때에만 닫히는, 예를 들면 얇은 고무막으로 이루어진 매우 간결한 체크밸브수단이 바람직하다. In the case of the valve means 5, a solenoid valve or a check valve that opens only at a predetermined pressure or the like is used in the case of the PSA method. However, in the vacuum method such as the apparatus, the above method is not suitable. This is fine in the case of a conventional VSA method, in which a pressure method of raising the pressure in the adsorption bed 1 slightly above atmospheric pressure in the case of air is used. When only the pressure of is used, it is not preferable to generate high flow rate and low concentration of oxygen. Therefore, a very open, for example, thin rubber membrane, which is normally only slightly open and closes only when the vacuum pressure at the upper end of the bed, which is a part for outputting the production gas, is above a certain level above the vacuum pressure provided by the gas supply means 6 Concise check valve means are preferred.

상기와 같은 밸브수단(5)을 사용함으로써 기체공급수단(6)의 부담이 매우 경감되어 큰 진공압을 가지는 진공펌프나 중진공압을 가지는 블로워 외에도, 매우 작은 진공압을 발생시키는 기포발생기와 같은 저진공압을 가지는 진동기가 기체공급수단(6)으로 사용될 수 있다. 따라서, 상대적으로 기체공급수단(6)의 저진공압에 의한 저진동, 저가격, 고내구성의 장치의 구성이 가능해진다.By using the valve means 5 as described above, the burden on the gas supply means 6 is greatly reduced, and in addition to a vacuum pump having a large vacuum pressure or a blower having a medium vacuum pressure, a dust generator such as a bubble generator which generates very small vacuum pressure A pneumatic vibrator can be used as the gas supply means 6. Therefore, the structure of the low vibration, low cost, and high durability by the low vacuum pressure of the gas supply means 6 becomes possible relatively.

흡착베드(1) 내의 압력분포는 상기에 기술한 바와 같이 하단부와 상단부가 다르므로 흡착성능이 다른 흡착제를 고려하여 사용하는 멀티 레이어 흡착베드를 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 PSA 방식에서 흡착베드 내의 압력차이가 베드 길이에 따라 많이 변하지 않는 것과는 다른 방식이므로 압력차이가 큰 하단부에는 흡착력이 좋은 흡착제롤, 상단부에는 상대적으로 흡착력이 낮은 흡착제를 사용하는 것이 전체 효율과 크기 면에서 유리해진다. 물론 흡착제를 이와 반대로 배치하여 경제적으로 최적화하는 것도 가능하다.Since the pressure distribution in the adsorption bed 1 is different from the lower end and the upper end as described above, it is preferable to use a multi-layer adsorption bed which is used in consideration of adsorbents having different adsorption performance. This is different from the pressure difference in the adsorption bed in the PSA method, which does not change much according to the bed length. Therefore, it is better to use the adsorbent with good adsorption force at the lower end and the adsorbent with lower adsorption force at the upper end. Is advantageous in It is, of course, also possible to arrange the adsorbents in reverse and economically optimize them.

본 발명에 의한 장치를 빌딩에 설치한다거나 자동차에 산소공급용도로서 사용할 경우에는 진공펌프수단(2)이 별도의 진공펌프를 사용하는 것과 병행하거나 혹 은 독립적으로 이미 빌딩이나 자동차에 존재하는 진공원을 이용할 수 있다. 예를 들면, 자동차의 경우에는 엔진의 흡입력에 의한 진공압이 존재하므로 여기에 연결하면 별도의 진공펌프수단(2)이 필요하지 않거나 혹은 매우 작은 진공펌프수단(2)으로 장치의 구성이 가능하게 되며, 빌딩의 경우에도 공조장치에 존재하는 진공원을 이용하면 진공펌프수단(2)의 소형화가 가능하다.When the device according to the present invention is installed in a building or used for oxygen supply to a motor vehicle, the vacuum pump means 2 uses a separate vacuum pump in parallel or independently of a vacuum source already present in the building or motor vehicle. It is available. For example, in the case of automobiles, since there is a vacuum pressure due to the suction force of the engine, when connected thereto, a separate vacuum pump means (2) is not required, or a very small vacuum pump means (2) can be configured. In the case of a building, the vacuum pump means 2 can be miniaturized by using a vacuum source existing in the air conditioning apparatus.

본 발명의 실시예 이외에도, 일반적으로 사용되는 두 개의 흡착베드 시스템이외에 기타 멀티 베드 시스템 등의 다양한 수정이나 변경의 경우에도 본 발명의 기본 범위를 벗어나지 않는 장치의 구성이 가능하다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다.In addition to the embodiments of the present invention, those skilled in the art will recognize that in addition to the two commonly used adsorption bed system, various modifications or changes, such as other multi-bed systems, can be configured without departing from the basic scope of the present invention. will be.

본 발명에 의한 방법은 저농도, 고유량의 목적기체를 다량으로 생산할 수 있으며, 특히 본 방법에 의해 구성된 산소농축장치의 경우에는 공조기기로서 실내를 쾌적하며 통상의 산소농도보다 약간 높은 정도의 공기로 만드는 효과를 낼 수 있다. 또한, 고압의 공기를 사용하지 않고 저진공압 사이에서 운전하여 저소음, 고내구성의 장치 구현이 가능하다.The method according to the present invention can produce a large amount of low concentration, high flow of the target gas, especially in the case of the oxygen concentrating device configured by the present method as an air conditioner to comfort the room and to a level of air slightly higher than normal oxygen concentration. It can make a difference. In addition, it is possible to implement a device of low noise and high durability by operating between low vacuum pressure without using high pressure air.

별도의 정화공기혼합장치 없이 저농도, 고유량의 생산이 가능하여 가정 및 사무용 공기청정기와 에어컨과의 결합성이 우수하다. 또한, 흡착베드 길이에 따른 압력차이를 고려함으로써 소형 및 경량의 장치 구성이 가능하다.It is possible to produce low concentration and high flow rate without separate purifying air mixing device, so it is excellent to combine with home and office air purifier and air conditioner. In addition, by considering the pressure difference according to the length of the adsorption bed, it is possible to configure a compact and lightweight device.

Claims (13)

혼합기체로부터 특정기체에 대하여 선택적인 흡착력을 가지는 흡착제를 사용하여 압력차이에 의해 농축된 부화기체를 만드는 방법에 있어서, In the method of making the enriched gas enriched by the pressure difference using an adsorbent having a selective adsorption force for a particular gas from the mixed gas, 상기 방법은 압력차이를 만들기 위한 진공펌프수단을 구비하고, The method comprises a vacuum pump means for making a pressure difference, 상기 진공펌프수단이 흡착제를 포함하는 흡착베드 내부에 진공압을 가하여 흡착베드 내부에 진공압을 만드는 탈착단계와,Desorption step of the vacuum pump means to apply a vacuum pressure inside the adsorption bed containing the adsorbent to create a vacuum pressure inside the adsorption bed; 유로전환밸브에 의하여 상기 흡착베드는 상기 진공펌프수단과 차단되고 필터를 통과한 혼합기체의 압력과 상기 흡착베드 내부의 진공압과의 압력차이에 의하여 흡착베드 내로 혼합기체가 유입되어 흡착제에 특정기체가 흡착되는 흡착단계와, The adsorption bed is blocked by the flow path switching valve and the mixed gas is introduced into the adsorption bed by the pressure difference between the pressure of the mixed gas passing through the filter and the vacuum pressure inside the adsorption bed, and the specific gas is absorbed into the adsorbent. Adsorption step is adsorbed, 저압의 진공압을 발생시킬 수 있는 기체공급수단을 구비하여 생산 기체의 농도가 높아진 흡착베드의 상단에 진공압을 가하여, 농축된 생산 기체를 외부로 배출되는 생산단계를 포함하며,It includes a production step of discharging the concentrated production gas to the outside by applying a vacuum pressure to the upper end of the adsorption bed having a high concentration of the production gas having a gas supply means capable of generating a low pressure vacuum pressure, 상기 탈착단계는 생산단계가 끝나기 전에 시작되어 탈착단계와 병행하여 생산이 일정시간 발생하고, 상기 기체공급수단이 탈착과정을 단축시켜 상기 진공펌프수단과 기체공급수단에 의하여 흡착베드 내의 압력을 단시간 내에 떨어뜨리는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.The desorption step starts before the end of the production step, and the production takes place for a certain time in parallel with the desorption step, and the gas supply means shortens the desorption process, thereby reducing the pressure in the adsorption bed by the vacuum pump means and the gas supply means within a short time. Gas concentration method characterized in that the dropping. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착베드를 두 개 이상 구비하여 한쪽의 흡착베드가 탈착단계를 개시하는 동시에 다른 한쪽의 흡착베드는 흡착단계가 개시되어 한쪽 흡착베드에서의 생산단계가 끝나거나 생산단계가 이루어지는 동안 다른 한쪽 흡착베드에서 생산단계가 이루어져 연속생산을 하는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.According to claim 1, wherein two or more adsorption beds are provided so that one adsorption bed starts the desorption step while the other adsorption bed starts the adsorption step so that the production step in one adsorption bed is finished or Gas concentration method, characterized in that the production step is made in the other adsorption bed during the continuous production. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 혼합기체가 입력되는 흡착베드의 입력단은 혼합기체의 압력과 진공펌프수단의 진공압사이에서 운전되며, 생산기체가 공급되는 출력단은 기체공급수단이 제공하는 진공압과 진공펌프수단이 제공하는 진공압사이에서 운전되는 것을 특징으로 하는 기체농축방법. The input stage of the adsorptive bed into which the mixed gas is input is operated between the pressure of the mixed gas and the vacuum pressure of the vacuum pump means, and the output end to which the production gas is supplied is a vacuum pressure provided by the gas supply means. And a vacuum pressure provided by the vacuum pump means. 제 3 항에 있어서, 상기 혼합기체는 통상의 공기로서, 공기로부터 질소를 흡착하여 산소부화공기를 얻는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.4. The gas concentration method according to claim 3, wherein the mixed gas is ordinary air, and the oxygen-enriched air is obtained by adsorbing nitrogen from the air. 제 3 항에 있어서, 상기 기체공급수단은 200mmHg 이하의 저진공압을 가지는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.4. The gas concentration method according to claim 3, wherein the gas supply means has a low vacuum pressure of 200 mmHg or less. 제 3 항에 있어서, 탈착단계와 흡착단계는 동일 시간이며 2초 내지 5초의 흡 탈착시간을 갖는 빠른 진공스윙 싸이클을 특징으로 하는 기체농축방법.4. The gas concentration method according to claim 3, wherein the desorption step and the adsorption step are the same time and have a fast vacuum swing cycle having a desorption time of 2 to 5 seconds. 제 3 항에 있어서, 별도의 체크밸브수단을 구비하여 진공펌프수단에 의한 탈착과정 중에 체크밸브수단이 닫힘으로써 생산단계가 마감되는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.4. The gas concentration method according to claim 3, further comprising a separate check valve means, in which the check valve means is closed during the desorption process by the vacuum pump means. 혼합기체로부터 특정기체에 대하여 선택적인 흡착력을 가지는 흡착제를 사용하여 압력차이에 의해 농축된 부화기체를 만드는 방법에 있어서, In the method of making the enriched gas enriched by the pressure difference using an adsorbent having a selective adsorption force for a particular gas from the mixed gas, 상기 방법은 압력차이를 만들기 위한 진공펌프수단을 구비하고, The method comprises a vacuum pump means for making a pressure difference, 상기 진공펌프수단이 흡착제를 포함하는 흡착베드 내부에 진공압을 가하여 흡착베드 내부에 진공압을 만드는 탈착단계와,Desorption step of the vacuum pump means to apply a vacuum pressure inside the adsorption bed containing the adsorbent to create a vacuum pressure inside the adsorption bed; 유로전환밸브에 의하여 상기 흡착베드는 상기 진공펌프수단과 차단되고 필터를 통과한 혼합기체의 압력과 상기 흡착베드 내부의 진공압과의 압력차이에 의하여 흡착베드 내로 혼합기체가 유입되어 흡착제에 특정기체가 흡착되는 흡착제 1 단계와, 별도로 구비된 가압수단에 의하여 상기 흡착베드에 혼합기체를 가압하여 흡착제에 특정기체가 흡착되는 흡착 제 2 단계와,The adsorption bed is blocked by the flow path switching valve and the mixed gas is introduced into the adsorption bed by the pressure difference between the pressure of the mixed gas passing through the filter and the vacuum pressure inside the adsorption bed, and the specific gas is absorbed into the adsorbent. An adsorbent for adsorbing the adsorbent, and adsorbing the adsorbent for adsorbing the adsorbent onto the adsorbent bed by means of a separate pressurization means. 저압의 진공압을 발생시킬 수 있는 기체공급수단을 구비하여 생산 기체의 농도가 높아진 흡착베드의 상단에 진공압을 가하여, 농축된 생산 기체를 외부로 배출 되는 생산단계를 포함하며,It includes a production step of discharging the concentrated production gas to the outside by applying a vacuum pressure to the upper end of the adsorption bed having a high concentration of the production gas having a gas supply means capable of generating a low pressure vacuum pressure, 상기 탈착단계는 생산단계가 끝나기 전에 시작되어 탈착과 병행하여 생산이 일정시간 발생하고, 상기 기체공급수단이 탈착과정을 단축시켜 상기 진공펌프수단과 기체공급수단에 의하여 흡착베드 내의 압력을 단시간 내에 떨어뜨리는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.The desorption step starts before the end of the production step, and the production takes place for a certain time in parallel with the desorption, and the gas supply means shortens the desorption process, thereby reducing the pressure in the adsorption bed by the vacuum pump means and the gas supply means within a short time. Gas concentration method characterized in that floating. 제 8 항에 있어서, 상기 흡착베드를 두 개 이상 구비하여 한쪽의 흡착베드가 탈착단계를 개시하는 동시에 다른 한쪽의 흡착베드는 흡착단계가 개시되어 한쪽 흡착베드에서의 생산단계가 끝나거나 생산단계가 이루어지는 동안 다른 한쪽 흡착베드에서 생산단계가 이루어져 연속생산을 하는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.The method of claim 8, wherein two or more adsorption beds are provided so that one adsorption bed starts a desorption step while the other adsorption bed starts an adsorption step so that the production step in one adsorption bed is finished or Gas concentration method, characterized in that the production step is made in the other adsorption bed during the continuous production. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 혼합기체는 통상의 공기로서, 공기로부터 질소를 흡착하여 산소부화공기를 얻는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.10. The gas concentration method according to claim 8 or 9, wherein the mixed gas is ordinary air, and the oxygen-enriched air is obtained by adsorbing nitrogen from the air. 제 10 항에 있어서, 상기 기체공급수단은 200mmHg 이하의 저진공압을 가지는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.The gas concentration method according to claim 10, wherein the gas supply means has a low vacuum pressure of 200 mmHg or less. 제 10 항에 있어서, 탈착단계와 흡착단계는 동일 시간이며 2초 내지 5초의 흡탈착시간을 갖는 빠른 진공스윙 싸이클을 특징으로 하는 기체농축방법.The gas concentration method according to claim 10, wherein the desorption step and the adsorption step are the same time and have a fast vacuum swing cycle having a desorption time of 2 to 5 seconds. 제 10 항에 있어서, 별도의 체크밸브수단을 구비하여 진공펌프수단에 의한 탈착과정 중에 체크밸브수단이 닫힘으로써 생산단계가 마감되는 것을 특징으로 하는 기체농축방법.11. The gas concentration method according to claim 10, further comprising a separate check valve means, in which the check valve means is closed during the desorption process by the vacuum pump means.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US640652A (en) * 1899-06-07 1900-01-02 John F Rodifer Vehicle-wheel.
US5015271A (en) 1988-09-01 1991-05-14 Bayer Aktiengesellschaft Separation of gas mixtures by vacuum swing adsorption (VSA) in a two-adsorber system

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