KR101173011B1 - 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 VOC 농축장치와 응축장치를 연계하여 VOC 회수장치를 구성함으로써 응축 시 풍량을 감소시켜 장치의 크기를 줄이고 농축에 의하여 응축 시 VOC 노점을 높임으로 냉각부하를 크게 감소시키도록 하고 있다. 종래에 VOC 응축 과정에서 VOC 농도가 낮아질수록 노점이 낮아지게 되어 VOC 가스 일부가 비응축상태로 배출될 수 있는데, 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 VOC 응축기로부터 나온 탈착공기를 혼합기로 흐르게 하여 VOC 가스등과 혼합한 후 농축기 로터의 흡착영역으로 재순환하여 비응축가스가 외부로 배출하는 것을 방지함으로써 VOC 처리효율을 제고하고 환경오염을 방지하는 것을 특징으로 한다.

Description

농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치 {Recovery method and apparatus of volatile organic compounds(VOC) by concentration and condensation}

본 발명은 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치에 관한 것이다.

휘발성 유기화합물(volatile organic compounds, 이하 VOC로 칭함)은 자연적으로도 토양, 습지, 초목, 토지 등에서도 일부 발생해 왔으나, 산업의 발전에 따라 인위적으로 발생되는 VOC의 양이 급속히 증가하여 자연적으로 분해되거나 처리 가능한 정도를 넘어서고 있어, 이러한 VOC를 제거하고 처리하기 위한 다양한 기술이 연구 및 개발되어 사용되어 왔다.

VOC의 발생원은 매우 다양하며 구체적으로 구성물질, VOC 발생환경 등에 따라 VOC의 제거 방식도 달라진다. 보다 구체적으로 설명하자면, VOC 제거 장치를 선택함에 있어서, 제거 효율, 조작 및 유지관리의 용이성, 안전성, 경제성, 배출가스의 종류와 조성, 공정변수, 장치의 위치, 발열량, 촉매독의 유무, 폐열의 이용목적, 회수 및 재활용 등이 고려되어야 한다. 이와 같이 다양한 요인에 의하여 최적의 VOC 제거 장치가 선택되어야 하는 바, 현재 VOC의 제거 장치로서, 직접연소장치, 축열연소장치, 촉매연소장치, 냉각응축장치, 흡수장치, 막분리법을 이용한 장치, 흡착법을 이용한 장치, 흡수(세정식)탈취장치, 생물탈취장치 등과 같이 매우 다양한 장치들이 사용되고 있다.

이 중에서도 특히 산업 현장에서 발생되는 VOC는, 산업 현장에서 사용되는 유기 용제로부터 발생되는 경우가 많다. 종래에는 이러한 VOC를 분해하여 무해화하는 방법이 많이 사용되었는데, 최근에는 VOC의 발생 원인이 되는 원료 물질인 용제를 회수하여 사용하는 방법이 보급되고 있다. 이러한 방법을 사용함으로써 VOC를 분해 처리하는데 드는 비용이 절약되고, 원료물질을 회수하여 재활용함으로써 경제성을 높일 수 있기 때문에, 이러한 회수 방식의 보급이 점차로 확대되고 있다.

상술한 바와 같은 VOC 회수 장치에 관한 여러 기술들이 종래에 개시되어 왔다.

한국특허등록 제0827568호("휘발성 유기화합물 회수 장치", 이하 선행기술 1)에는, 도 1(A)에 도시된 바와 같은, 휘발성 유기화합물 배출원으로부터 배출된 기체상태의 휘발성 유기화합물을 그 내부에 받아들이는 1차회수탑과; 상기 1차회수탑내의 휘발성 유기화합물을 소정 온도로 냉각하여 응축시키는 제 1냉각부와; 상기 1차회수탑에 연결되며 1차회수탑에서 응축되지 않은 휘발성 유기화합물을 받아들이는 2차회수탑과; 상기 2차회수탑에 유입된 휘발성 유기화합물을 냉각하되 1차회수탑보다 상대적으로 낮은 온도로 냉각하여 1차회수탑에서 응축되지 않았던 휘발성 유기화합물을 응축시키는 제 2냉각부와; 상기 제 2냉각부에 의한 응축과정을 마친 기체를 분석하여 그 내부에 포함된 휘발성 유기화합물의 농도를 체크하는 분석기와; 상기 분석기를 이용한 분석결과 휘발성 유기화합물의 농도가 허용치 이하일 경우 해당 기체를 대기로 방출하고, 허용치 이상일 경우 기체를 2차회수탑으로 다시 보내는 회수부와; 상기 제 1,2냉각부와 분석기와 회수부의 동작을 제어하는 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 회수장치가 개시되어 있다.

선행기술 1의 장치에서 사용되는 방법을 요약하자면, 제1냉각부에서 저온 응축하여 VOC를 회수하고, 응축되지 않은 VOC를 제2냉각부에 보내 제1냉각부보다 상대적으로 낮은 온도에서 저온 응축하여 VOC를 액상으로 회수하되, 이 때 VOC의 농도를 측정하여 농도가 허용치 이상일 경우 가스를 제2냉각부로 다시 보내는 과정을 반복 수행하는 것이다. 그런데, VOC 농도가 낮아지면 낮아질수록 노점 역시 크게 낮아지게 되므로 제2냉각부는 매우 낮은 온도로 운전해야 하기 때문에 일반적인 냉각 사이클을 이용하는 장치만으로 구성하기에는 비효율적인 문제가 있으며, 따라서 이 정도 수준까지 온도를 낮추기 위해서는 액체 질소 등을 사용하여 냉각을 수행하여야 하는데 이는 또한 고비용을 필요로 하는 바, 결과적으로 선행기술 1의 장치는 저농도로 갈수록 경제성이 낮아지게 될 수 있다는 문제점이 있다.

한국특허공개 제2007-0008446호("휘발성 유기화합물의 농축 장치 및 농축 방법, 및 휘발성유기화합물의 회수설비 및 회수 방법", 이하 선행기술 2)에는, 도 1(B)에 도시된 바와 같은, 흡착제를 담지한 통기틈새를 가지는 구조체가 축심주변으로 회전하는 흡착로터에 대해, 휘발성 유기화합물을 포함하는 기체를 상기 흡착로터의 축심과 평행하게 통기시키는 통기처리영역을 가지고, 상기 휘발성 유기화합물을 상기 흡착제에 흡착시키는 휘발성 유기화합물의 회수설비에 있어서, 상기 통기처리영역에 대해 흡착로터의 회전방향 하류측에, 가열된 불활성 가스를 통기시켜, 상기 구조체에 잔류하는 상기 휘발성 유기화합물을 탈리시키는 탈리처리영역을 가지는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물의 농축장치가 개시되어 있다.

선행기술 2의 장치에서 사용되는 방법을 요약하자면, 선행기술 2의 장치는 흡착제를 담지한 구조체가 축심을 중심으로 회전하는 흡착로터에 대해 VOC가스를 축심과 평행하게 통기시켜 흡착하는 VOC 회수설비로서, 회전방향 하류측에 불활성가스를 통기시켜 잔류 VOC를 불활성가스로 치환하는 불활성가스치환영역과, 그 하류에 가열된 불활성가스를 통기시켜 VOC가스를 탈착하는 탈리처리영역을 가지고 있다. 이 때 선행기술 2에서는, 상기 탈리처리영역으로부터 배출되는 불활성가스와 VOC가스를 응축하여 응축된 VOC는 회수하고 회수불활성가스는 메이크-업(make-up) 불활성가스를 보충하여 탈리처리영역으로 재순환하도록 하고 있다. 즉 선행기술 2의 장치에서 사용되는 방법은 고농도의 VOC를 응축하여 액상으로 회수하는 방법이라고 요약할 수 있다. 그런데, 이러한 방법을 사용할 경우 불활성가스를 메이크-업하는 비용이 추가되며, 응축 공정에서 미처 응축되지 않은 VOC가스가 불활성가스와 혼합되어 재순환되는 경우 불활성가스치환영역에서 일부 VOC가 대기로 방출될 문제가 있고, 또한 탈리처리영역에서 탈착효율이 저하될 수도 있다.

한국특허공개 제2004-0010599호("탄소 흡착제 베드로부터 휘발성 유기화합물을 회수하는 방법", 이하 선행기술 3)에는, 활성화된 탄소 함유 유닛을 사용하여 1종 또는 복수의 휘발성 유기화합물을 함유하는 공정 가스 스트림으로부터 상기 화합물을 분리하고, 상기 유닛의 탄소를 재생시키는 방법으로서, 활성화된 탄소 상에 흡착될 수 있는 휘발성 유기화합물을 함유하는 공정 가스를 활성화된 탄소 함유 유닛을 통해 통과시켜 상기 휘발성 유기화합물을 상기 탄소 상에 흡착시키는 단계; 상기 유닛으로 흐르는 공정 가스의 흐름을 차단시키고 상기 휘발성 유기화합물을 함유하는 공정 가스 흐름의 역방향으로 상기 유닛을 통해 증기를 통과시켜 상기 활성화된 탄소로부터 상기 휘발성 유기화합물을 탈착시키는 단계; 상기 증기와 휘발성 유기화합물을 응축시키고 이를 분리 회수하는 단계; 상기 유닛으로 흐르는 증기 흐름을 차단시키고, 유닛을 통해 대기 공기를 통과시켜 유닛에 함유된 탄소를 건조시키고 유닛의 온도를 소정의 온도로 저하시키는 단계; 및 이와 같이 얻어진 유닛을 온라인 작동 상태로 복귀시키는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있다.

선행기술 3의 방법은, 탄소함유유닛을 사용하여 VOC를 함유하는 공정가스로부터 VOC를 분리하고 유닛의 탄소를 재생시키는 방법이라고 요약할 수 있는데, 즉 선행기술 3에서는 도 1(C)에 도시된 바와 같은 2개의 탑에서 흡착과 탈착이 교대로 이루어지게 되는 것이다. 그런데 이 경우 증기로 탈착을 하게 되는 바 응축물에 다량의 수분이 포함될 수밖에 없으며, 따라서 회수된 VOC를 용제로 재활용할 경우 수분과 분리를 하여야 하는 문제가 있다.

이와 같이 종래에 VOC를 회수하는 장치 및 방법들은 경제성에 문제가 있거나, 회수 효율이 떨어지거나, 회수된 VOC를 용제로 활용하기 위해서는 별도의 공정이 더 필요해지는 등 문제들을 가지고 있어, 이러한 문제를 극복할 수 있는 VOC 회수장치에 대한 요구가 꾸준히 있어 왔다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 VOC의 농도가 낮아질수록 노점도 낮아져서 냉각부하가 증가하여 응축 효율이 저하되는 문제점을 개선하여, 비응축가스를 재순환시켜 재흡착이 이루어지도록 함으로써 공정 설비 및 운용 비용을 크게 절약하면서도 응축 및 VOC 회수 효율을 증대시키는, 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치를 제공함에 있다.

보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. VOC 가스를 응축에 의하여 용제로 회수하기 위하여 노점 이하로 냉각을 하여야 하는데, VOC의 농도가 높을 경우 노점이 높아지기 때문에 냉각부하가 그리 크지 않아 응축이 용이하나, 농도가 낮아질수록 노점이 낮아져 매우 낮은 온도에서 응축을 하여야 하므로 냉각부하가 크게 증가하여 경제성이 떨어지는 문제가 있었다. 본 발명에서는 농축 목적의 농축기 로터와 응축기를 연동하여 VOC 회수설비를 구성함으로써 냉각부하를 감소하도록 하고 있다. 간략히 그 구성을 설명하자면, 농축기 로터는 흡착, 탈착, 냉각부분으로 구성되며 로터가 회전하여 로터 내 내재하는 흡착제는 상기 3개 기능을 순차적이며 연속적으로 수행한다. 탈착 시 농축된 VOC 풍량은 흡착 풍량에 비하여 농축비의 만큼 적게 되는데, 탈착된 VOC는 응축과정에서 응축기온도가 VOC의 노점보다 낮으면 응축되지만 농도에 따라 노점이 변하므로 일부는 응축되지 않고 공기와 더불어 응축기 외부로 배출될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 응축기에서의 비응축가스를 농축기에 들어오는 VOC 가스와 섞어 농축기 로터에 보내어 재흡착하게 함으로써 응축 과정에서 VOC가 외부로 배출되지 않도록 하였다. 이와 같이 본 발명은 농축과 응축 공정을 연계함으로써 냉각부하를 감소시키고 응축과정에서 배출되는 비응축가스를 흡착공정으로 재순환하여 VOC 처리 효율을 제고한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치는, 흡착제가 수용 구비되어 회전하도록 형성되는 원통형 구조체로서, 축을 중심으로 하여 방사상으로 흡착영역(11), 탈착영역(13), 냉각영역(12)이 형성되어 각각의 영역으로 공기가 통과되도록 형성되되, 상기 흡착영역(11)에서는 VOC 가스가 통과되면서 흡착제로 VOC가 흡착되어 VOC가 제거된 공기가 배출되도록 하고, 상기 탈착영역(13)에서는 히터(22)에 의하여 가열된 탈착공기가 통과되면서 고온의 탈착공기에 의하여 흡착제에 흡착되어 있던 VOC가 탈착공기로 탈착되도록 하고, 상기 냉각영역(12)에서는 냉각공기가 통과되면서 상기 탈착영역(13)에서 가열된 흡착제가 다시 VOC를 흡착할 수 있도록 냉각되도록 형성되는 농축기 로터(10)와; 상기 탈착영역(13)을 통과하여 흡착제로부터 탈착된 VOC를 포함하게 된 탈착공기가 유입되어, 유입된 탈착공기를 제1냉각기(37)에 의해 냉각 순환되는 냉매와 열교환시킴으로써 탈착공기 내 수분을 응축시켜 수분 회수탱크(32)로 포집하는 수분 응축기(31)와; 상기 수분 응축기(31)를 통과하여 수분이 제거된 탈착공기가 유입되어, 유입된 탈착공기를 제2냉각기(38)에 의해 냉각 순환되는 냉매와 열교환시킴으로써 탈착공기 내 VOC를 응축시켜 VOC 회수탱크(36)로 회수하는 VOC 응축기(35); 를 포함하여 이루어져, 상기 농축기 로터(10)에 의하여 농축 공정을 수행하고 상기 수분 응축기(31) 및 상기 VOC 응축기(35)에 의하여 응축 공정을 수행하는 휘발성 유기화합물 회수장치(100)에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 저농도 VOC 가스 및 상기 흡착영역(11)으로 공급될 VOC 가스를 유입 및 혼합시킨 후 혼합된 가스를 상기 흡착영역(11)으로 유입시키는 혼합기(40); 를 포함하여 이루어져, 응축 공정에서 배출된 탈착공기가 농축 공정으로 재순환되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는 냉각공기 내 미량의 VOC를 회수하도록, 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기가 상기 혼합기(40)로 유입되어, 상기 혼합기(40)는 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기, 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 저농도 VOC 가스 및 상기 흡착영역(11)으로 공급될 VOC 가스를 유입 및 혼합시킨 후 혼합된 가스를 상기 흡착영역(11)으로 유입시키는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는 냉각공기가 탈착공기로서 활용되도록, 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기가 상기 히터(22)에 의해 가열되어 상기 탈착영역(13)으로 통과되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 저온이 된 탈착공기에 열을 공급하여 온도를 상승시킨 후 상기 혼합기(40)로 유입되도록, 상기 탈착영역(13)을 통과한 후 상기 수분 응축기(31)로 유입되기 전의 탈착공기와 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 탈착공기를 열교환시키는 열교환기(30); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는 상기 흡착영역(11)을 통과하여 나온 배출가스가 흘러가는 유로 상에 구비되어, 상기 흡착영역(11)으로부터 배출가스를 흡입하여 배출가스의 흐름을 원활하게 하는 ID팬(50); 을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는 상기 수분 응축기(31)로부터 배출된 탈착공기가 상기 VOC 응축기(35)로 흘러가는 유로 상에 구비되어, 상기 수분 응축기(31)로부터 상기 VOC 응축기(35)로의 탈착공기의 흐름을 원활하게 하는 송풍기(33); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

앞서 설명한 바와 같이 현재 특히 국내에서 VOC 발생원 중 가장 많은 비율을 차지하는 것은 용매 사용 부문이다. VOC로 배출된 용매를 회수하기 위해서는 응축에 의하여 기상에서 액상으로 전환을 시켜 주게 되는데, 이러한 응축 공정에서 가장 큰 영향을 미치는 인자는 냉각부하에 따른 비용과 VOC 회수율이다. 본 발명은 VOC 농축장치와 응축장치를 연계하여 VOC 회수장치를 구성함으로써, 응축 시 풍량을 감소시켜 장치의 크기를 줄이고 농축에 따른 VOC 노점을 높임으로 냉각부하를 크게 감소시켰다. 전술한 바와 같이 VOC 응축기 입구로 들어온 탈착공기는 출구로 이동하면서 응축이 이루어지는데, 이 과정에서 탈착공기가 유로를 따라 진행될수록 탈착공기 내의 VOC 농도가 낮아지게 되며, 농도가 낮아짐에 따라 노점도 낮아지기 때문에 동일한 온도 조건에서 VOC 응축기 입구에서 응축되던 VOC는 출구에서는 더 이상 응축하지 않을 수도 있어 VOC 일부가 비응축 상태로 나올 수 있다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, VOC 응축기로부터 나온 탈착공기를 혼합기로 흐르게 하여 VOC 가스 등과 혼합한 후 농축기 로터의 흡착 영역으로 재순환시킴으로써, 비응축가스가 외부로 배출되는 것을 방지하고 궁극적으로는 VOC 처리 효율을 제고하고 환경 오염을 방지하는 큰 효과가 있다. 물론, 상술한 바와 같이 회수 공정에서의 냉각부하를 크게 줄임으로써 운용 비용 및 운용에 필요한 에너지를 절약할 수도 있어, 에너지 절감 효과 및 경제적인 효과 또한 크다.

도 1은 종래기술들에 의한 VOC 회수장치들.
도 2는 본 발명에 의한 VOC 회수장치의 실시예.
도 3은 본 발명에 의한 VOC 회수장치의 다른 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

상술한 선행기술들과 본 발명의 VOC 회수장치의 상이점을 간략히 설명하자면 다음과 같다.

선행기술 1은 VOC를 액상으로 회수하는 방법으로서 저온에 의한 응축 방법만을 고려하였으나, 본 발명은 농축 기능을 수행하는 농축기 로터와 응축기능을 수행하는 VOC 응축기를 연계하여 구성함으로써 선행기술 1과 상이하다.

선행기술 2의 경우, 첫째, 선행기술 2는 탈착매체로 불활성가스를 사용하지만 본 발명은 탈착매체로 외부공기를 사용한다는 점이 상이하며, 둘째, 선행기술 2는 흡착로터의 구성이 흡착영역, 불활성가스치환영역, 탈리처리영역, 냉각치환영역(포함 또는 불포함)으로 구성되지만 본 발명은 농축기 로터의 구성이 흡착영역, 탈착영역, 냉각영역으로 구성된다는 점이 상이하며, 셋째, 선행기술 2는 응축 후 비응축가스를 탈리처리영역으로 재순환하지만 본 발명에서는 응축 후 비응축가스를 VOC 회수장치에서 처리할 VOC 가스와 혼합하여 흡착영역으로 재순환하는 점이 상이하다.

선행기술 3의 경우, 첫째, 선행기술 3은 VOC 농축수단으로 흡착탑을 사용하지만 본 발명에서는 농축기 로터를 사용한다는 점이 상이하며, 둘째, 선행기술 3은 탈착매체로 스팀을 사용하지만 본 발명에서는 고온의 공기를 사용한다는 점이 상이하며, 셋째, 선행기술 3은 응축단계에서 수분과 VOC를 동시에 응축하지만 본 발명에서는 수분과 VOC를 분리하여 응축하는 점이 상이하다.

이하에서 본 발명의 VOC 회수장치의 구성을 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 VOC 회수장치의 실시예를 도시한 것이다.

본 발명의 휘발성 유기화합물 회수장치(100, 이하 'VOC 회수장치'로 칭함)는, 앞서 설명한 바와 같이 기존의 VOC 회수장치에서 농축 과정과 응축 과정을 연계시킴으로써 냉각 부하를 낮추도록 한다. 따라서 본 발명의 VOC 회수장치(100)의 기본적인 구성은 선행기술 2 등에 개시된 바와 같은 종래의 VOC 회수장치와 유사하게 이루어진다. 본 발명의 원리에 대한 이해도를 높이기 위하여, 먼저 VOC 회수장치(100)의 기본 구성에 대하여 설명한다.

VOC 회수장치(100)는 크게 농축기 로터(10), 수분 응축기(31), VOC 응축기(35)를 포함하여 이루어진다. 상기 농축기 로터(10)에서는 농축 과정이 수행되며, 상기 수분 응축기(31) 및 상기 VOC 응축기(35)에서는 응축 과정이 수행되게 된다.

먼저 농축 과정에 대하여 설명한다. 농축 과정은 상기 농축기 로터(10)에서 이루어지게 되는데, 상기 농축기 로터(10)는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 흡착제가 수용 구비되어 회전하도록 형성되는 원통형 구조체 형태로 되어, 축을 중심으로 하여 방사상으로 흡착영역(11), 탈착영역(13), 냉각영역(12)이 형성되어 각각의 영역으로 공기가 통과되도록 형성된다. 상기 흡착영역(11)에서는 VOC 가스가 통과되면서 흡착제로 VOC가 흡착되어 VOC가 제거된 공기가 배출되게 되는데, 도시된 바와 같이 VOC를 최대한 많이 흡착할 수 있도록 상기 흡착영역(11)이 가장 넓은 면적을 가지도록 구성되는 것이 일반적이다. 상기 탈착영역(13)에서는 히터(22)에 의하여 가열된 탈착공기가 통과되면서 고온의 탈착공기에 의하여 흡착제에 흡착되어 있던 VOC가 탈착공기로 탈착되게 되는데, 즉 흡착제로부터 VOC를 탈착하는 이 영역에서 실질적인 VOC의 회수의 첫 단계가 이루어지게 된다. 다시 말해, 상기 탈착영역(13)을 통과하여 나온 탈착공기에 포함되어 있는 VOC를 어떻게 효율적으로 응축할 것인지가 바로 효율 개선의 관건이 되는 것이다. 마지막으로 상기 냉각영역(12)에서는, 냉각공기가 통과되면서 상기 탈착영역(13)에서 가열된 흡착제가 다시 VOC를 흡착할 수 있도록 냉각이 이루어지게 된다.

흡착제의 관점에서 상기 농축기 로터(10)의 각부의 역할을 다시 설명하자면 다음과 같다. 흡착제는 상온에서는 공기 중의 VOC를 흡착하고 고온에서는 흡착제에 흡착되어 있던 VOC가 탈착되어 공기 중으로 배출되도록 하는 성질을 가지고 있다. 흡착제가 수용되어 있는 상기 농축기 로터(10)가 천천히 회전함에 따라, 상기 농축기 로터(10) 내의 흡착제는 상기 흡착영역(11) - 상기 탈착영역(13) - 상기 냉각영역(12)을 순차적으로 통과하게 된다. 상기 흡착영역(11)에서 흡착제는 VOC 가스와 접촉하게 되고, VOC 가스 내의 VOC가 흡착제에 최대한 흡착됨으로써 VOC가 제거된 공기가 배출되게 된다. 상기 농축기 로터(10)가 회전함에 따라, VOC를 흡착한 흡착제가 상기 탈착영역(13)으로 들어가게 되면, 흡착제는 상기 히터(22)에 의하여 고온으로 가열된 탈착공기와 접촉하게 된다. 이에 따라 흡착제로부터 VOC가 탈착되어, 흡착제에 흡착되어 있던 VOC는 탈착공기로 이동하게 된다. 마지막으로 상기 농축기 로터(10)가 더 회전하여, 탈착이 이루어진 후의 흡착제가 상기 냉각 영역(12)으로 들어가게 되면, 흡착제가 냉각공기와 열교환함으로써 냉각되며, 상기 농축기 로터(10)가 더 회전함으로써 흡착제가 다시 상기 흡착영역(11)으로 들어갔을 때 (충분히 냉각되어 상온 상태가 됨으로써) 흡착제로 다시 원활하게 흡착이 이루어질 수 있게 된다.

부차적으로, 상기 흡착영역(11)을 통과하여 나온 배출가스가 흘러가는 유로 상에 구비되어, 상기 흡착영역(11)으로부터 배출가스를 흡입하여 배출가스의 흐름을 원활하게 하는 ID팬(50)이 더 구비될 수 있다. 도면 상에서 보면 상기 ID팬(50)이 상기 농축기 로터(10)의 하류에 구비되어 있도록 표시되어 있는데, 이러한 송풍 장치가 상기 농축기 로터(10)의 상류에 구비될 경우 상기 농축기 로터(10)로부터 공기가 새어나갈 수 있으므로 이와 같이 배치시키는 것이나, 물론 이에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

또한 탈착공기 또는 냉각공기를 각각 상기 탈착영역(13) 또는 상기 냉각영역(12)으로 유입시킴에 있어서, 탈착공기 또는 냉각공기의 풍량, 풍압 등을 안정적이고 적절하게 제어할 수 있도록, 탈착공기 또는 냉각공기의 공급 유로 상에는 댐퍼(20)(25) 및 로터미터(21)(26)가 더 구비될 수 있다. 일반적으로 VOC 가스 풍량에 비하여 탈착공기 풍량은 1/10이하, 냉각공기 풍량은 1/5이하로 조절되는 것이 적절하다는 것이 알려져 있으며, 이러한 풍량, 풍압 등의 제어는 ID팬(50), 상기 ID팬(50)에 연결 구비되는 인버터(51), 댐퍼(20)(25), 로터미터(21)(26), (도면 상에 표시되어 있으며 이후 설명하게 될) 송풍기(33), 상기 송풍기(33)에 연결 구비되는 인버터(34) 등을 적절하게 조절함으로써 이루어지게 된다.

다음으로 응축 과정에 대하여 설명한다. 응축 과정이란 상기 농축기 로터(10)의 상기 탈착영역(13)을 통과하여 나온 탈착공기 내의 VOC가 응축되어 회수되는 과정으로서, 상기 수분 응축기(31) 및 상기 VOC 응축기(35)에서 이루어지게 된다.

상기 수분 응축기(31) 및 상기 VOC 응축기(35)는 기상 및 액상의 유체가 그 내부로 통과하면서 서로 열교환할 수 있도록 된 열교환기 형태로 이루어진다. 이러한 열교환기 형태는 다양한 형태로 공지되어 있으며, 이 중 어떤 형태를 채용해도 되는 바 상기 수분 응축기(31) 및 상기 VOC 응축기(35)의 상세 구조에 대한 설명은 생략한다.

상기 수분 응축기(31)로는, 상기 탈착영역(13)을 통과하여 흡착제로부터 탈착된 VOC를 포함하게 된 탈착공기와, 제1냉각기(37)에 의해 냉각 순환되는 냉매가 각각 유입되게 된다. 상기 제1냉각기(37)에 의해 냉각된 냉매는 탈착공기로부터 열을 흡수하며, 이에 따라 1차적으로 탈착공기의 냉각이 이루어진다. 이와 같이 냉각된 탈착공기에서는, 먼저 수분의 응축이 이루어지게 된다. 즉 상기 수분 응축기(31)는, 상기 탈착영역(13)을 통과하여 흡착제로부터 탈착된 VOC를 포함하게 된 탈착공기가 유입되어, 유입된 탈착공기를 제1냉각기(37)에 의해 냉각 순환되는 냉매와 열교환시킴으로써 탈착공기 내 수분을 응축시켜 수분 회수탱크(32)로 포집하는 역할을 하게 된다.

상기 농축기 로터(10)에 내에 수용 구비되는 흡착제는 일반적으로 소수성 흡착제이다. 따라서 흡착제는 VOC 가스 중 VOC 성분을 주로 흡착하고 수분은 그대로 통과시켜 외부로 배출하게 되어 있다. 그러나 이상적으로는 흡착제에 수분이 흡착되지 않아야 하지만, 실제로는 소량의 수분이 흡착제에 흡착되는 현상을 피할 수 없음이 알려져 있다. 이와 같이 탈착공기 내에는 상기 탈착영역(13)에서 탈착되는 VOC와 함께 소량의 수분이 포함되게 되는데, 이러한 수분은 영하의 온도에서 작동되는 상기 VOC 응축기(35) 튜브 벽면에 얼음을 형성하여 열교환능력을 저하시키는 원인이 된다. 상기 수분 응축기(31)는 이러한 문제가 발생하는 것을 방지하기 위하여 사용되는 것으로, 일반적으로 2~3℃ 정도의 온도에서 작동되면서 탈착공기 내 수분을 제거하게 된다.

다음으로 상기 VOC 응축기(35)에서 최종적인 VOC의 응축 및 회수가 이루어지게 된다. 보다 상세히 설명하자면, 상기 수분 응축기(31)에서와 유사하게, 상기 VOC 응축기(35)로 상기 수분 응축기(31)를 통과하여 수분이 제거된 탈착공기가 유입된다. 또한 상기 VOC 응축기(35)로 제2냉각기(38)에 의해 냉각 순환되는 냉매가 유입된다. 따라서 냉매와의 열교환에 의해 탈착공기가 냉각됨으로써, 탈착공기 내의 VOC가 응축되어 회수될 수 있게 된다. 즉 요약하자면, 상기 VOC 응축기(35)는, 상기 수분 응축기(31)를 통과하여 수분이 제거된 탈착공기가 유입되어, 유입된 탈착공기를 제2냉각기(38)에 의해 냉각 순환되는 냉매와 열교환시킴으로써 탈착공기 내 VOC를 응축시켜 VOC 회수탱크(36)로 회수하는 역할을 하게 된다.

부차적으로, 상기 수분 응축기(31)로부터 배출된 탈착공기가 상기 VOC 응축기(35)로 흘러가는 유로 상에 구비되어, 상기 수분 응축기(31)로부터 상기 VOC 응축기(35)로의 탈착공기의 흐름을 원활하게 하는 송풍기(33)가 더 구비될 수 있다.

상술한 바와 같은 상기 농축기 로터(10), 상기 수분 응축기(31), 상기 VOC 응축기(35)로 이루어지는 VOC 회수장치의 구성은 종래에 공지되어 있는 것이다. 그런데, 종래의 VOC 회수장치에서 가장 문제가 되었던 점은, 상기 VOC 응축기(35)에서 응축이 일어날 때, 탈착공기 내 VOC 농도가 낮아짐에 따라 노점 또한 낮아지므로 VOC 응축기(35)를 초저온으로 운전하지 않으면 VOC 응축기(35) 출구 측에서는 응축기 운전온도가 노점보다 높아지게 되어 VOC 응축 및 회수 효율이 떨어진다는 것이었다.

이를 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 탈착공기가 상기 VOC 응축기(35) 내를 진행해 나가는 과정에서, 상기 VOC 응축기(35)로 막 유입되었을 시점에서는 탈착공기 내 VOC 농도가 높을 것이므로 노점도 높아서 극저온이 아닌 적절한 저온 환경만 만들어 주면 원활한 응축이 이루어지게 된다. 그런데, 탈착공기가 상기 VOC 응축기(35) 내를 진행하여 나갈수록 VOC가 응축되어 탈착공기로부터 빠져나가기 때문에 탈착공기 내 VOC 농도가 낮아지게 되고, 이에 따라 노점 또한 점점 낮아지게 된다. 열교환기 형태로 되어 있는 상기 VOC 응축기(35)를 작동함에 있어서, 실제 작동 시 냉매는 유입 시나 배출 시 온도가 그리 크게 변화하지 않는다. 즉 상기 VOC 응축기(35)의 전체적인 온도는 (냉매에 의하여) 거의 일정한 저온 상태로 유지가 되고 있다고 볼 수 있다. 그런데, 상술한 바와 같이 탈착공기가 진행해 감에 따라 VOC 농도 및 노점이 점점 낮아지게 되면, 어느 시점에서는 상기 VOC 응축기(35)의 작동 온도보다 노점이 낮아지게 되며, 따라서 이 시점 이후로는 VOC의 응축이 이루어지지 않게 되는 문제가 있는 것이다.

본 발명에서는 바로 이러한 문제를 해소하기 위하여, 본 발명의 VOC 회수장치(100)가 도 2( 및 도 3)에 도시된 바와 같은 혼합기(40)를 포함하여 이루어지도록 하고 있다. 간략히 설명하자면, 상기 혼합기(40)는 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 저농도 VOC 가스 및 상기 흡착영역(11)으로 공급될 VOC 가스를 유입 및 혼합시킨 후 혼합된 가스를 상기 흡착영역(11)으로 유입시키는 역할을 한다. 즉 상기 혼합기(40)는 응축 공정에서 배출된 탈착공기가 농축 공정으로 재순환되도록 하는 것이다. 부차적으로, 상기 혼합기(40)로 유입되는 VOC 가스 내의 타르 등의 이물질을 제거하기 위하여, 상기 혼합기(40)로 VOC 가스가 유입되는 유로 상에 필터(41)가 더 구비될 수 있다.

보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상술한 바와 같이 상기 VOC 응축기(35)를 통과하는 과정에서, VOC 농도가 어느 수준 이하가 되면 노점이 상기 VOC 응축기(35) 작동 온도 이하가 되어 더 이상 응축이 일어나지 않게 된다. 따라서 상기 VOC 응축기(35)로부터 배출되는 공기는 저농도이기는 하지만 VOC가 여전히 포함되어 있는, 저농도 VOC 가스가 되는 것이다. 이러한 문제를 해소하기 위하여 상기 VOC 응축기(35)의 작동 온도를 낮추고자 할 경우, 냉매를 순환시키는 냉각 사이클을 이용하는 일반적인 냉각 장치로는 극저온을 만드는 것이 매우 어려우므로 액체 질소 등과 같은 극저온 매체를 사용할 수밖에 없다. 그런데 이러한 극저온 매체를 지속적으로 공급해야 하는 데에서 또한 고비용이 발생하게 되어, 결과적으로 어떤 방법을 사용하더라도 경제성이 확보되지 못하는 문제가 있었다.

그런데 본 발명에서는, 이와 같이 상기 VOC 응축기(35)에서 배출된 저농도 VOC 가스를 외부로 배출시키는 대신 상기 혼합기(40)로 유입시킨다. 상기 혼합기(40)로는 또한, 상기 흡착영역(11)으로 유입시킬 VOC 가스가 유입되게 된다. 따라서 상기 VOC 응축기(35)에서 배출된 저농도의 VOC 가스와 상기 농축기 로터(10)에 유입되는 VOC 가스가 상기 혼합기(40) 내에서 혼합된 후, 상기 흡착영역(11)으로 유입되게 된다. 여기에서 저농도의 VOC 가스는 이미 농축 공정 및 응축 공정을 거쳐온 것으로, 결국 응축 공정 후 농축 공정으로 재유입되어 재순환이 이루어지게 된다. 따라서 저농도의 VOC 가스에 포함되어 있던 VOC는 상기 흡착영역(11)으로 유입되어 흡착됨으로써, 이후 농축 공정을 통해 다시 회수될 수 있게 되는 것이다.

일반적으로 VOC 처리효율(%)은 (VOC 회수장치에 들어오는 VOC량 - VOC 회수장치에서 외부로 나가는 VOC량) / (VOC 회수장치에 들어오는 VOC량) x 100로 결정된다. 따라서 본 발명에서와 같이 저농도의 VOC 가스가 외부로 배출되는 대신 지속적으로 재순환됨으로써, 상기 VOC 응축기(35)의 작동 온도를 극저온으로 만들지 않아도 VOC 처리효율을 크게 높일 수 있으며, 이에 따라 종래에 비해 향상된 경제적인 효과를 거둘 수 있게 된다.

도 2의 실시예에서는, 본 발명의 VOC 회수장치(100)는 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기가 상기 혼합기(40)로 더 유입되도록 하고 있다. 상기 농축기 로터(10)가 회전함에 따라 상기 탈착영역(13)에서 흡착제로부터 대부분의 VOC가 탈착되기는 하지만, 소량의 VOC가 흡착제에 잔존하고 있을 수 있다. 따라서 상기 냉각영역(12)으로 냉각공기가 통과하는 과정에서, 냉각공기 내로 미량의 VOC가 포함되게 될 가능성이 있다. 도 2의 실시예에서는 바로 이러한 냉각공기 내 미량의 VOC를 회수하도록, 상기 혼합기(40)로 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 저농도 VOC 가스 및 상기 흡착영역(11)으로 공급될 VOC 가스 뿐만 아니라, 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기까지 유입되어 혼합되게 하고 있다. 즉 도 2의 실시예에서는 상기 혼합기(40)는 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기, 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 저농도 VOC 가스 및 상기 흡착영역(11)으로 공급될 VOC 가스를 유입 및 혼합시킨 후 혼합된 가스를 상기 흡착영역(11)으로 유입시키는 역할을 하게 된다.

도 3은 본 발명에 의한 VOC 회수장치의 다른 실시예로서, 도 2의 실시예에서는 탈착공기와 냉각공기를 각각 별도의 라인을 통해 공급하도록 하였으나, 도 3의 실시예에서는 냉각공기가 탈착공기로서 활용되도록 함으로써 풍량 제어가 더욱 용이해지도록 한다. 즉 도 3의 실시예에서는, 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기가 상기 히터(22)에 의해 가열되어 상기 탈착영역(13)으로 통과되도록 형성됨으로써, 냉각공기가 탈착공기로 활용될 수 있게 하는 것이다.

더불어 본 발명에서, 상기 VOC 회수장치(100)는 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 저온이 된 탈착공기에 열을 공급하여 온도를 상승시킨 후 상기 혼합기(40)로 유입되도록, 상기 탈착영역(13)을 통과한 후 상기 수분 응축기(31)로 유입되기 전의 탈착공기와 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 탈착공기를 열교환시키는 열교환기(30)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 열교환기(30)에서 각각의 가스가 독립적인 유로를 통해 흐르면서 열교환하며, 앞서 설명한 바와 같이 이러한 열교환기는 다양한 형태로 공지 실시되어 있는 바 그 중 어떠한 형태를 채용하여도 무방하므로 상기 열교환기(30)의 상세한 구조에 대한 설명은 생략한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 기본 개념은, 상기 VOC 응축기(35)로부터 배출된 저농도 VOC 가스를 상기 혼합기(40)로 유입시켜 VOC 가스와 혼합시킴으로써 재순환시킨다는 것이다. 이 때, 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 탈착공기와 상기 탈착영역(13)으로부터 배출된 탈착공기를 열교환시키게 되면, 상기 탈착영역(13)으로부터 배출된 탈착공기가 미리 냉각된 후 상기 수분 응축기(31)로 유입될 수 있게 된다. 따라서 상기 열교환기(30)를 사용하여 상기 수분 응축기(31)로 유입될 탈착공기를 미리 냉각시켜 줌으로써, 상기 수분 응축기(31)에서의 냉각 부하를 낮출 수 있어 전체적인 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10: 농축기 로터 11: 흡착영역
12: 냉각영역 13: 탈착영역
20: 댐퍼 21: 로터미터
22: 히터
25: 댐퍼 26: 로터미터
30: 열교환기
31: 수분 응축기 32: 수분회수탱크
33: 송풍기 34: 인버터
35: VOC 응축기 36: VOC 회수탱크
37: 제1냉각기 38: 제2냉각기
40: 혼합기 41: 필터
50: ID팬 51: 인버터

Claims (6)

1. 흡착제가 수용 구비되어 회전하도록 형성되는 원통형 구조체로서, 축을 중심으로 하여 방사상으로 흡착영역(11), 탈착영역(13), 냉각영역(12)이 형성되어 각각의 영역으로 공기가 통과되도록 형성되되, 상기 흡착영역(11)에서는 VOC 가스가 통과되면서 흡착제로 VOC가 흡착되어 VOC가 제거된 공기가 배출되도록 하고, 상기 탈착영역(13)에서는 히터(22)에 의하여 가열된 탈착공기가 통과되면서 고온의 탈착공기에 의하여 흡착제에 흡착되어 있던 VOC가 탈착공기로 탈착되도록 하고, 상기 냉각영역(12)에서는 냉각공기가 통과되면서 상기 탈착영역(13)에서 가열된 흡착제가 다시 VOC를 흡착할 수 있도록 냉각되도록 형성되는 농축기 로터(10)와; 상기 탈착영역(13)을 통과하여 흡착제로부터 탈착된 VOC를 포함하게 된 탈착공기가 유입되어, 유입된 탈착공기를 제1냉각기(37)에 의해 냉각 순환되는 냉매와 열교환시킴으로써 탈착공기 내 수분을 응축시켜 수분 회수탱크(32)로 포집하는 수분 응축기(31)와; 상기 수분 응축기(31)를 통과하여 수분이 제거된 탈착공기가 유입되어, 유입된 탈착공기를 제2냉각기(38)에 의해 냉각 순환되는 냉매와 열교환시킴으로써 탈착공기 내 VOC를 응축시켜 VOC 회수탱크(36)로 회수하는 VOC 응축기(35); 를 포함하여 이루어져, 상기 농축기 로터(10)에 의하여 농축 공정을 수행하고 상기 수분 응축기(31) 및 상기 VOC 응축기(35)에 의하여 응축 공정을 수행하는 휘발성 유기화합물 회수장치(100)에 있어서,
   상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는
   상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 저농도 VOC 가스 및 상기 흡착영역(11)으로 공급될 VOC 가스를 유입 및 혼합시킨 후 혼합된 가스를 상기 흡착영역(11)으로 유입시키는 혼합기(40); 를 포함하여 이루어져, 응축 공정에서 배출된 탈착공기가 농축 공정으로 재순환되도록 하는 것을 특징으로 하는 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는
   냉각공기 내 미량의 VOC를 회수하도록, 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기가 상기 혼합기(40)로 유입되어, 상기 혼합기(40)는 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기, 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 저농도 VOC 가스 및 상기 흡착영역(11)으로 공급될 VOC 가스를 유입 및 혼합시킨 후 혼합된 가스를 상기 흡착영역(11)으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는
   냉각공기가 탈착공기로서 활용되도록, 상기 냉각영역(12)을 통과하여 나온 냉각공기가 상기 히터(22)에 의해 가열되어 상기 탈착영역(13)으로 통과되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는
   상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 저온이 된 탈착공기에 열을 공급하여 온도를 상승시킨 후 상기 혼합기(40)로 유입되도록, 상기 탈착영역(13)을 통과한 후 상기 수분 응축기(31)로 유입되기 전의 탈착공기와 상기 VOC 응축기(35)를 통과하여 나온 탈착공기를 열교환시키는 열교환기(30);
   를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는
   상기 흡착영역(11)을 통과하여 나온 배출가스가 흘러가는 유로 상에 구비되어, 상기 흡착영역(11)으로부터 배출가스를 흡입하여 배출가스의 흐름을 원활하게 하는 ID팬(50);
   을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 휘발성 유기화합물 회수장치(100)는
   상기 수분 응축기(31)로부터 배출된 탈착공기가 상기 VOC 응축기(35)로 흘러가는 유로 상에 구비되어, 상기 수분 응축기(31)로부터 상기 VOC 응축기(35)로의 탈착공기의 흐름을 원활하게 하는 송풍기(33);
   를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 농축 및 응축에 의한 휘발성 유기화합물 회수장치.

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