KR101195145B1 - 고순도 산소 생산 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

고순도 산소 생산 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고순도 산소 생산 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명은 제올라이트탑 시스템과, 제올라이트탑 시스템과 유체 연결되어 제올라이트탑 시스템으로부터 생산된 생성물을 압축하는 압축기와, 압축기와 유체 연결되어 압축된 생성물 중 산소를 흡착한 후에, 압축기의 전단과 유체 연결된 라인을 통하여 진공탈착에 의해 산소를 생산하는 CMS탑 시스템을 포함한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, CMS탑 내 탈착 시에 압축기를 이용한 진공탈착을 이용하여 산소 생산 시에 CMS탑 내에 잔류하는 고순도의 산소를 제품 가스로 생산하여 제품 가스의 순도를 더욱 높이는 효과가 있다.

Description

고순도 산소 생산 장치 및 그 제어 방법{Apparatus for producing high purity oxygen and method for controlling the same}
본 발명은 고순도 산소 생산 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산소 생산 시에 CMS탑 시스템의 진공탈착을 이용하여 고순도의 산소 가스를 생산하기 위한 고순도 산소 생산 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
현재 공기를 분리하여 산소를 생산하는 공업적인 방법으로 심냉법, 흡착법, 막분리법 등이 주로 사용되고 있다. 여기에서, 심냉법은 공기를 압축하고 정제한 후 열교환기를 이용하여 저온으로 냉각한 후 증류과정을 통하여 순수한 가스로 분리하는 공정으로서 대규모의 분리에 유리한 공정이다. 한편, 산소 생산 방법으로서 중·소규모로는 흡착법이 주로 이용되고 있으며, 막분리법은 소규모 용량이면서 40% 이하의 산소 생산이나 90~99% 의 질소 생산에 이용되고 있다. 이외에도 공기분리를 위한 흡수법과 무기막을 사용하는 ITM법은 개발 중에 있다.
상기 방법들 중에서 흡착법은 공기 중 특정 원소에 대응하는 미세 공극이 형성된 물질을 사용하여 원소를 분리하는 방법으로서, 상기 물질의 대표적인 예로는 제올라이트(Zeolite)를 들 수 있다. 제올라이트는 공기 중 질소에 대해서는 강한 흡착 성능을 나타내고, 산소에 대해서는 약한 흡착 성능을 나타낸다. 이에 따라 제올라이트에 공기를 공급하면, 질소는 흡착되고 산소는 투과 배출되어 질소가 배제된 산소를 생산할 수 있다. 따라서, 흡착법의 일반적인 산소 생산 시스템은 제올라이트가 충전된 탑으로 구성되고, 산소의 순도를 높이기 위하여 2개 이상의 제올라이트탑으로 구성되기도 한다.
그러나, 제올라이트는 공기 중 포함되는 아르곤에 대한 흡착 성능이 떨어져, 이를 산소와 함께 투과시키기 때문에 분리된 산소의 순도가 93 ~ 95% 정도에 불과하다. 이에 따라 흡착법을 통하여 생산되는 산소의 순도를 높이기 위한 노력이 이루어지고 있으며, 미국이나 일본 등에서는 흡착법을 통해 산소 순도를 99.7%까지 올릴 수 있는 기술이 개발된 바 있다. 그러나, 상기 기술은 벌크 분리를 위한 흡착 공정 및 정화를 위한 흡착 공정이 별도로 이루어져야 한다. 즉, 상기 기술에서는 벌크 분리용 흡착 공정이 완전히 종료한 후에, 다시 정화용 흡착 공정을 추가로 수행하는데, 이와 같이 두 가지 공정이 반드시 함께 수행되어야 하기 때문에 생산 단가가 고가가 된다는 문제점이 있다.
한편, 흡착법을 이용하여 질소를 생산하는 것도 가능하며, 이 때 사용되는 대표적인 흡착제는 CMS(Carbon Molecular Seive)이다. 상기 CMS에는 산소가 질소와 아르곤에 비하여 수십 내지 수백배 이상의 빠른 속도로 흡착된다. CMS탑 시스템은 이와 같은 성질을 이용하여 질소를 생산하는 시스템이며, 역시 생산되는 질소의 순도를 높이기 위하여 2개 이상의 탑으로 구성될 수 있다.
최근에는 전술한 두 종류의 시스템을 혼용하여, 먼저 93 내지 95%의 산소를 제올라이트탑 시스템으로 생산하고, 생산된 산소를 CMS탑 시스템으로 다시 필터링하여 산소의 순도를 높이는 방법이 개발되었다. 그러나, 상기 공정은 별도로 구성된 제올라이트탑 시스템 및 CMS탑 시스템이 독립적으로 운전되는 단순한 다단식 시스템이다. 이에 따라 상기 시스템에서는 생산 비용 및 에너지 소비가 증가하고, 원료가 각각 개별의 시스템을 별도로 거쳐야 하므로, 산소 회수율이 저하된다.
한편, 대한민국 등록특허 제605549호는 공기 가압 수단 및 감압 수단과 연결되고, 산소를 생산하는 제올라이트탑 시스템 및 상기 시스템에서 생산되는 산소를 흡착하고, 감압 상태에서 산소를 생산하는 CMS탑 시스템으로 구성되는 산소 생산 장치 및 그 제어 방법을 개시한다. 그러나, 상기 기술에서는 다음과 같은 문제점으로 인해 제품 가스(산소)의 순도 및 회수율이 떨어지게 되는 단점이 있다. 즉, 상기 한국 특허의 기술에서는 (1) 압력평등화 (균압) 공정이 제올라이트탑 시스템의 탈착 라인 밸브가 닫힌 상태에서 실시되기 때문에, 균압 공정에서 제올라이트탑 상부에서 흡착된 질소 가스 성분이 다른 제올라이트탑 상부로 순간적으로 유입될 수 있고, 하부에 흡착된 질소 가스 성분은 쉽게 탈착되지 않으며; (2) CMS탑 시스템의 탈착이 낮은 압력에서 수행되어 흡착제가 충분히 재생될 수 없고, (3) CMS탑에서 배출되는 산소 성분이 풍부한 가스를 제올라이트탑 시스템의 탈착 라인 밸브가 닫힌 상태에서 가압하기 때문에, 탑 내부의 질소 성분이 잘 배출되지 않는다. 또한, 전술한 한국 특허에서는 (4) CMS탑 내의 잔류하는 질소와 아르곤을 제거하는 공정이 비효율적이고, 제어방식이 까다롭다는 문제점을 가지고 있다.
이를 해결하기 위해, 대한민국 특허출원 10-2007-0106805호에서는 상기 사항을 개선한 산소 생산 장치 및 제어 방법을 개시였으며, 대한민국 등록특허 제 605549호의 대부분의 문제점을 보완하였다.
상기 특허에서의 제품 산소 생산 방법은 제올라이트 시스템에서 제조된 93%의 산소를 O2 Compressor를 이용하여 CMS탑 시스템에 가압하여 산소를 흡착시킨 후 감압탈착 시 고순도의 제품 산소를 생산한다. 여기에서, CMS탑 시스템에 충전된 CMS의 특성상 산소가 아르곤이나 질소에 비해 수십 내지 수백배 빠른 속도로 흡착함에 따라 약 1 내지 5초 간의 감압탈착 초기에, 고순도이나 미량의 아르곤과 질소를 함유한 산소가 생산되어지며 감압탈착이 진행될수록 아르곤 및 질소가 거의 포함되지 않는 산소를 생산하여 감압탈착 초기보다 끝나는 시점에서 더욱 고순도의 산소를 제조한다.
그러나, 상기 특허에서는 CMS탑 생산라인과 저장 탱크(Gas Holder)가 유체 연결되어 있어 CMS탑 감압탈착 시 저장 탱크는 제품 산소로 채워지게 되고, 채워지는 제품 산소로 인해 저장 탱크의 압력이 상승하고 저장탱크와 유체 연결되어 있는 CMS탑 내의 압력도 감압탈착이 끝나는 시점에서 압력이 존재하게 된다. 따라서, 감압탈착이 끝나는 시점에서 CMS탑 내에 남아있는 고순도 산소를 제품 산소로 취하지 못함에 따라 제품 산소의 순도를 더욱 높일 수 없는 한계를 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산소 생산 시에 CMS탑에 남아 있는 고순도의 산소를 제품 산소로 취할 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 가압 수단 및 감압 수단과 유체 연결되어 탑 내부의 압력을 증가 또는 감소시켜 질소를 흡착 또는 탈착할 수 있는 제올라이트탑 시스템과; 상기 제올라이트탑 시스템과 유체 연결되어 상기 제올라이트탑 시스템으로부터 생산된 생성물을 압축하는 압축기와; 상기 압축기와 유체 연결되어 압축된 생성물 중 산소를 흡착한 후에, 상기 압축기의 전단과 유체 연결된 라인을 통하여 진공탈착에 의해 산소를 생산하는 CMS탑 시스템과; 상기 제올라이트탑 시스템 및 CMS탑 시스템으로부터 배출되는 산소를 저장할 수 있는 적어도 하나 이상의 저장 탱크를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 제 1차 및 제 2차 제올라이트탑, CMS탑 및 상기 제 1차 및 제 2차 제올라이트탑에서 생성된 생성물을 저장하는 저장 탱크를 포함하는 고순도 산소 생산 장치를 제어하는 방법에 있어서, 원료 가스의 공급에 의해 상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시키고, 상기 제 2차 제올라이트탑에서는 진공 탈착이 실시되며, 상기 저장탱크에 저장된 생성물이 상기 CMS탑에 공급되어 가압 및 흡착을 실시하는 제 1단계와; 상기 원료 가스의 공급에 의해 상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착시키고, 상기 제 1차 제올라이트탑에서 생성된 생성물이 상기 CMS탑에 공급되어 가압 및 흡착을 실시하는 제 2단계와; 상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착시키고, 개방된 밸브를 통해 감압된 CMS탑에서 토출되는 가스를 원료가스 공급단에 유입시키는 제 3단계와; 상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착시키고, 상기 CMS탑에서 감압되어 토출되는 가스가 상기 제 2차 제올라이트탑으로 유입되어 세정하는 제 4단계와; 상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착, 제 2차 제올라이트탑은 진공탈착이 진행되고, 상기 CMS탑은 상기 압축기의 전단과 연결되어 진공으로 감압되며, 고순도의 산소 가스는 상기 압축기의 후단과 연결된 저장 탱크에 저장된 후에 제품 가스로 생산되는 제 5단계와; 상기 제 1차 제올라이트탑의 흡착이 끝나고 균압 공정을 수행하는 제 6단계를 포함한다.
본 발명에서는 CMS탑의 하부 라인이 압축기의 전단과 유체 연결되어 자동밸브를 이용한 유체 제어가 실시된다. 따라서, CMS탑 내 탈착 시에 압축기를 이용한 진공탈착을 이용하여 산소 생산 시에 CMS탑 내에 잔류하는 고순도의 산소를 제품 가스로 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 고순도 산소 생산 장치를 보인 모식도.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 태양에 따른 고순도 산소 생산 장치의 구동 상태를 보인 모식도.
이하 본 발명에 의한 고순도 산소 생산 장치 및 그 제어 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 고순도 산소 생산 장치는 내부에 제올라이트(이하 'ZMS'라 칭함)가 충전된 제올라이트탑(이하 'ZMS탑'이라 칭함) 또는 내부에 CMS가 충전된 CMS탑으로 구성되는 ZMS탑 시스템 또는 CMS탑 시스템을 포함한다. 본 발명에서 사용되는 용어 『탑 시스템』은 1개 또는 수직적 또는 수평적으로 상호 연결된 2개 이상의 탑을 포함하는 장치를 의미한다. 이때 사용될 수 있는 ZMS탑 또는 CMS탑의 종류 및 구조는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야의 일반적인 ZMS탑 또는 CMS탑을 모두 사용할 수 있다. 이하에서, ZMS탑 또는 CMS탑은 각각 ZMS탑 시스템 또는 CMS탑 시스템과 동일한 의미로 사용될 수 있다.
첨부된 도 1은 본 발명의 산소 생산 장치의 일 태양을 나타낸다. 즉, 본 발명에서는 산소 생산 장치의 ZMS탑 시스템이 제 1차 및 제 2차의 2개의 ZMS탑(5,6)을 포함하고, CMS탑 시스템은 1개의 CMS탑(10)을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제 1차 및 제 2차 ZMS탑(5,6)의 구동 상태를 반복적으로 교체하면서 산소 생산 공정을 진행할 수 있다. 그러나, 상기와 같은 탑 시스템의 구성은 본 발명의 하나의 예에 불과하며, 본 발명에서는 필요에 따라 다양한 조합의 탑 시스템을 제한 없이 채용할 수 있다.
첨부된 도면을 참조로 본 발명의 산소 생산 장치 구성의 일 태양을 보다 상세히 설명하면 하기와 같다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 산소 생산 장치에서는 ZMS탑 시스템(5,6) 및 CMS탑 시스템(10)이 서로간에 유체 흐름이 가능하도록 유기적으로 서로 연결되어 있다. 이에 따라 상기 ZMS탑 시스템(5,6)으로부터 배출되는 생성물을 CMS탑 시스템(10)으로 도입하여 산소 흡착 공정을 진행할 수 있으며, 또한 CMS탑 시스템 (10)에서 배출된 산소 성분이 풍부한 가스를 선택적으로 ZMS탑 시스템(5,6)의 승압, 세정 및 회수 공정에 이용할 수 있다.
본 발명의 산소 생산 장치는 또한 상기 ZMS탑 시스템(5,6) 및 CMS탑 시스템(10)과 유체 연결되어, ZMS탑 시스템(5,6)의 생성물을 압축한 후, 압축된 생성물을 CMS탑 시스템(10)으로 유입시킬 수 있는 압축기(8)를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 ZMS탑 시스템(5,6)의 상부 라인이 상기 ZMS탑 시스템의 상부 생성물을 압축할 수 있는 압축기(8)와 유체 연결되어 있고, 하부 라인은 가압 수단(2) 및 감압 수단(12)과 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 장치는 또한 ZMS탑 시스템 (5,6) 상부 라인 및 압축기(8)와 유체 연결되어, 상기 ZMS탑 시스템(5,6)의 상부 생성물을 저장한 후, 그 전부 또는 일부를 압축기(8)로 이송할 수 있는 저장 탱크(7); 및 압축기(8) 및 CMS탑(10)의 하부 라인과 유체 연결되어 압축기(8)에서 압축된 생성물을 저장한 후, CMS탑(10)으로 이송할 수 있는 저장 탱크(9)를 추가로 포함할 수 있다. 이 때 사용되는 압축기 및 저장 탱크의 구체적인 종류는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야의 일반적인 압축기 또는 저장 탱크를 제한 없이 사용할 수 있다.
또한, 상기에서 가압 수단은 ZMS탑 시스템(5,6) 내부로 공기와 같은 원료 가스를 공급할 수 있는 수단을 의미한다. 본 발명에서는 상기와 같은 역할을 수행할 수 있다면, 가압 수단의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 송풍기(2) 또는 가압기 등과 같은 통상의 공기 가압 수단을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 송풍기(2)를 통과한 가스는 열교환기(3)를 거쳐 제 1차 ZMS탑(5)으로 유입된다.
또한, 상기 감압 수단은 시스템 내부의 공기 등을 흡입하여 내부 압력을 대기압 또는 진공 상태로 감소시키는 역할을 하는 것으로, 이와 같은 역할을 수행할 수 있다면 그 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 본 발명에서는 진공펌프(12) 등과 같은 이 분야의 일반적인 공기 감압 수단을 사용할 수 있다.
상기와 같은 가압 수단으로 ZMS탑(5,6)으로 공기 등의 원료 가스를 주입하여, 가압시키면, 내부에 충전된 ZMS가 원료 가스 중 질소를 흡착하게 된다. 또한, 상기 감압 수단으로 ZMS탑(5,6) 내부 압력을 감소시키면 흡착되어 있던 질소가 탈착(이탈 및 제거)되게 된다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 본 발명에서는 ZMS탑 시스템(5,6)이 복수의 ZMS탑을 포함하고, 각각의 ZMS탑에서 가압 및 감압 공정을 교대로 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 발명의 ZMS탑 시스템(5,6)이 도 1에 나타난 바와 같이 제 1차 및 제 2차의 탑을 포함하는 경우, 제 1차 ZMS탑(5)이 가압상태일 경우에는 제 2차 ZMS탑(6)이 감압 상태이고, 반대로 제 2차 ZMS탑(6)이 가압 상태일 경우에는 제 1차 ZMS탑(5)이 감압 상태가 되도록 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 산소 생산 장치의 CMS탑 시스템(10)은 그 하부 라인이 전술한 압축기(8) 및 상기 CMS탑 시스템(10)으로부터 배출되는 생성물을 저장할 수 있는 저장 탱크(11)와 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같이 구성됨으로 해서, CMS탑 시스템(10)은 ZMS탑 시스템(5,6)의 상부 라인에서 배출되어 압축기(8)에 의해 압축된 생성물을 받아 산소 흡착 공정을 수행할 수 있다. 또한, CMS탑 시스템(10)의 하부 라인과 저장 탱크(11)가 유체 연결됨으로써, CMS탑 시스템(10)의 내부 압력을 감소시켜 생산한 산소를 저장 탱크(11)에 저장할 수 있게 된다.
본 발명의 CMS탑 시스템(10)은 또한 그 상부 및 하부 라인이 ZMS탑 시스템(5,6)과 추가로 유체 연결되어 있고, 또한 그 상부 라인이 상기 저장 탱크(11)와 추가로 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같이 구성함으로 해서, 저장 탱크(11) 내에 저장되어 있는 제품 가스의 전부 또는 일부를 사용하여 CMS탑 및 ZMS탑 시스템의 승압, 세정 및 회수 공정을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기 CMS탑 시스템(10)의 하부 라인은 상기 압축기(8)의 전단과 유체 연결되어 자동밸브를 이용한 유체 제어가 실시된다. 또한, 상기 압축기(8)의 후단은 상기 저장 탱크(11)와 유체 연결된다. 따라서, 상기 CMS탑(10)의 탈착 시에 압축기(8)를 이용한 진공탈착을 실시함으로써, 산소의 생산 시에 CMS탑(10) 내에 남아 있던 고순도의 산소를 제품 산소로 취할 수 있게 된다.
이상 설명한 산소 생산 장치에서 ZMS탑 시스템, CMS탑 시스템, 압축기 및 저장 탱크 등은 유체 흐름을 제어할 수 있는 밸브를 포함하는 배관 등의 연결 수단에 의하여 상호 연결되어 있는 것이 바람직하다. 상기 밸브는 각 탑 시스템 내부의 압력 상태, 저장 탱크에서의 가스 저장량 및/또는 순도 등에 따라서 적절히 개방 또는 폐쇄되도록 제어되며, 이에 따라 산소 생산 장치의 동작 상태를 제어하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 같이 개방 및 폐쇄가 가능한 밸브를 통하여 장치를 제어함으로써, 본 발명에서는 고순도의 산소를 필요에 따른 적절한 시기에 용이하게 생산할 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 고순도 산소 생산 장치의 제어방법을 구체적으로 설명한다. 도 2내지 도7은 본 발명의 일 태양에 따른 고순도 산소 생산 장치의 구동 상태를 보인 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1단계에서는 상기 제 1차 ZMS탑(5)는 가압공정만 수행된다. 그리고, 제 2차 ZMS탑(6)에서는 진공 탈착이 실시된다. 상기 탈착은 3, 19번 밸브가 개방된 상태에서 진공펌프(12)에 의해 제 2차 ZMS탑(6)이 감압되어 탈착이 진행되게 한다.
또한, 상기 저장 탱크(7)에 저장되어 있던 산소 가스는 압축기(8)를 통하여 저장 탱크(9)에 가압되어 저장되고, 상기 저장 탱크(9)에 가압되어 저장된 산소 가스는 제 1단계와 마찬가지로 CMS탑(10)에 가압되고, 상기 CMS탑(10)은 가압 및 흡착을 실시하게 된다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2단계에서는 개방된 1번 밸브를 통해 원료 가스 공급 장치(1)로부터 원료 가스가 공급되고, 이로 인해 상기 제 1차 ZMS탑(5)은 질소 흡착 공정이 수행된다. 그리고, 상기 제 1차 ZMS탑(5)에서 흡착되지 않은 산소 가스는 개방된 7번 밸브를 통해 저장 탱크(7)에 저장된다.
또한, 2차 ZMS탑(6)이 감압되어 탈착이 진행되는 것과 상기 저장 탱크(7)에서 CMS탑(10)으로 가스가 가압되는 것은 상술한 단계와 동일하다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 3단계에서는 상기 제 1차 ZMS탑(5)이 상술한 바와 같이 흡착되고, 흡착이 되지 않은 산소 가스는 제 4단계와 같이 개방된 7번 밸브를 통해 저장 탱크(7)에 저장된다. 상기 저장 탱크(7)에 저장되어 있던 산소 가스는 압축기(8)를 통하여 저장 탱크(9)에 가압되어 저장되고 2차 ZMS탑(6)이 감압되어 탈착이 진행된다.
또한, 상기 CMS탑(10)은 개방된 17번 밸브를 통하여 감압된다. 이때 흡착되지 않은 저순도의 산소 가스는 산소 성분이 풍부하기 때문에 개방된 12번 밸브를 통하여 원료가스 공급단, 즉, 송풍기(2)의 전단으로 유입되어 다시 흡착을 실시하게 된다.
다음으로, 도 5을 참조하면, 본 발명의 제 4단계에서는 제 3단계와 마찬가지로 상기 제 1차 ZMS탑(5)에서 흡착이 실시되고, 저장 탱크(9)에 산소 가스가 가압되어 저장되고 2차 ZMS탑(6)은 감압되어 탈착이 진행된다.
한편, 상기 CMS탑(10)은 개방된 17번 밸브를 통하여 감압하게 되는데, 제 3단계와 달리 여기에서 감압되어 토출되는 가스는 개방된 10번 밸브를 통하여 제 2차 ZMS탑(6)으로 유입되어 세정을 실시하게 된다. 세정을 실시한 가스는 진공펌프(12)를 통하여 폐가스로 배기된다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 5단계에서는 제 3단계 및 제 4단계와 마찬가지로 상기 제 1차 ZMS탑(5)에서 흡착이 실시되고, 저장 탱크(9)에 산소 가스가 가압되어 저장되고 제 2차 ZMS탑(6)이 감압되어 탈착이 진행된다.
그리고, 상기 CMS탑(10)은 압축기(8)의 전단과 연결된 16번 밸브를 통하여 진공으로 감압되고, 상기 압축기(8)의 후단과 저장 탱크(11)과 연결된 22번 밸브를 통하여 흡착되어 있던 고순도의 산소 가스를 저장 탱크(11)에 저장한 후에 제품 가스로 생산하게 된다.
다음으로, 도 7를 참조하면, 본 발명의 제 6단계에서는 제 1차 ZMS탑(5)의 흡착이 끝나게 되고, 제 1차 ZMS탑(5) 내의 산소가 풍부한 가스를 제 2차 ZMS탑(6)으로 유입시켜 균압 공정이 수행된다. 이때, 균압 공정을 원활하게 하기 위해 2, 3번 밸브가 개방된다. 상기 균압공정은 ZMS탑(5,6)의 탈착 라인을 개방한 상태로 진행하는 것이 바람직하다. 제 6단계에서도 상기 CMS탑(10)은 진공으로 감압되어 고순도의 산소 가스를 저장 탱크(11)에 저장한 후에 제품 가스로 생산하게 된다.
이상에서 설명한 산소 생산 장치의 구동 과정은 제 1차 ZMS탑(5)의 가압 및 흡착, 그리고 제 2차 ZMS탑(6)의 감압 및 탈착 공정이 진행되면서 산소를 생산하는 단계를 보인 것이다. 본 발명의 제어 방법에 의하면 상술한 제 1단계 내지 제 6단계에 이어서 상기 제 1,2차 ZMS탑(5,6)의 역할을 교체하여 산소 생산 공정을 연속적으로 수행할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 상술한 단계에 이어서 제 1차 ZMS탑(5)에서는 감압 및 탈착, 그리고 제 2차 ZMS탑(6)에서는 가압 및 흡착을 유도하여 산소 생산 공정을 진행하게 된다. 이때 구동 과정은 상술한 제 1단계 내지 제 6단계와 유사하고 이는 이하에 도시한 표 2를 참조하기로 한다.
이하의 표 1은 상술한 제 1단계 내지 제 6단계를 정리한 것이고, 표 2는 상기 제 1,2차 ZMS탑(5,6)의 역할을 바꾸어 진행한 것으로 제 7단계 내지 제 12단계로 정리한 것이다.
(PR : 가압, AD : 흡착, DE : 감압, VU : 진공탈착,PU : 세정, PE : 균압)
제1단계 제2단계 제3단계 제4단계 제5단계 제6단계
1st ZMS PR AD PE
2nd ZMS VU PU VU PE
CMS PR, AD DE VU
개방밸브 1,3,14,19,
20,21		 1,3,7,14,19,20,21 1,3,7,12,14,17,19,20,21 1,3,7,10,14,
17,19,20,21		 1,3,7,16,
19,22		 2,3,6,16,19,22
(PR : 가압, AD : 흡착, DE : 감압, VU : 진공탈착,PU : 세정, PE : 균압)
제7단계 제8단계 제9단계 제10단계 제11단계 제12단계
1st ZMS VU PU VU PE
2nd ZMS PR AD PE
CMS PR, AD DE VU
개방밸브 2,4,14,19,
20,21		 2,4,8,14,19,20,21 2,4,8,12,14,17,19,20,21 2,4,8,9,14,
17,19,20,21		 2,4,8,16,
19,22		 2,3,6,16,19,22
본 발명에서는 상기 표 1 및 표 2에 나타난 한 세트의 공정을 계속적으로 반복하면서, 산소 생산 공정을 진행할 수 있다. 이때 반복 횟수는 특별히 한정되지 않으며, 목적하는 생산량 등에 따라서 적절히 선택될 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
예를 들어, 본 발명에서는 2개의 ZMS탑 및 1개의 CMS탑을 포함하는 본 발명의 고순도 산소 생산 장치의 일 태양을 위주로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라서 3개 이상의 ZMS탑 및/또는 2개 이상의 CMS탑이 포함된 경우에 있어서도 상기와 동일한 원리를 채용하여 산소 생산 공정을 진행할 수 있다.
1 : 원료 가스 공급 장치 2 : 송풍기
3 : 열교환기 5 : 제 1차 제올라이트탑
6 : 제 2차 제올라이트탑 7,9,11 : 저장 탱크
8 : 압축기 10 : CMS탑
12 : 진공펌프 AV : 밸브

Claims (13)

  1. 가압 수단 및 감압 수단과 유체 연결되어 탑 내부의 압력을 증가 또는 감소시켜 질소를 흡착 또는 탈착할 수 있는 제올라이트탑 시스템과;
    상기 제올라이트탑 시스템과 유체 연결되어 상기 제올라이트탑 시스템으로부터 생산된 생성물을 압축하는 압축기와;
    상기 압축기와 유체 연결되어 압축된 생성물 중 산소를 흡착한 후에, 상기 압축기의 전단과 유체 연결된 라인을 통하여 진공탈착에 의해 산소를 생산하는 CMS탑 시스템과;
    상기 제올라이트탑 시스템의 생성물을 저장한 후, 상기 압축기로 이송하는 제 1저장탱크와;
    상기 압축기에서 압축된 생성물을 저장한 후, 상기 CMS탑 시스템으로 이송하는 제 2저장탱크와;
    상기 압축기의 후단과 유체 연결되고, 상기 CMS탑 시스템에서 최종적으로 생산된 고순도 산소를 저장하는 제 3저장탱크를 포함하는 고순도 산소 생산 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제올라이트탑 시스템은 2개의 제 1차 및 제 2차 제올라이트탑을 포함하고, 상기 CMS탑 시스템은 1개의 CMS탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제올라이트탑 시스템의 상부 라인은 상기 압축기와 유체 연결되고, 하부 라인은 상기 가압 수단 및 감압 수단과 유체 연결됨을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 CMS탑 시스템의 상부 및 하부 라인은 상기 제올라이트탑 시스템과 추가로 유체 연결되고, 상부 라인은 상기 저장 탱크와 추가로 유체 연결됨을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압 수단은 송풍기이고, 상기 감압 수단은 진공펌프임을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 CMS탑 시스템의 하부 라인은 상기 압축기의 전단과 유체 연결되고, 상기 압축기의 후단은 저장 탱크와 추가로 유체 연결됨을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치.
  7. 제 1차 및 제 2차 제올라이트탑, CMS탑 및 상기 제 1차 및 제 2차 제올라이트탑에서 생성된 생성물을 저장하는 저장 탱크를 포함하는 고순도 산소 생산 장치를 제어하는 방법에 있어서,
    원료 가스의 공급에 의해 상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시키고, 상기 제 2차 제올라이트탑에서는 진공 탈착이 실시되며, 상기 저장탱크에 저장된 생성물은 압축기에 의해 가압되어 상기 CMS탑에 공급되며, 상기 CMS탑은 상기 생성물 중에 산소 가스를 가압 및 흡착을 실시하는 제 1단계와;
    상기 원료 가스의 공급에 의해 상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착시키고, 상기 제 1차 제올라이트탑에서 생성된 생성물은 상기 압축기에 의해 가압되어 상기 CMS탑에 공급되며, 상기 CMS탑은 상기 생성물 중에 산소 가스를 가압 및 흡착을 실시하는 제 2단계와;
    상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착시키고, 개방된 밸브를 통해 감압된 CMS탑에서 토출되는 산소 가스를 원료가스 공급단에 유입시키는 제 3단계와;
    상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착시키고, 상기 CMS탑에서 감압되어 토출되는 산소 가스가 상기 제 2차 제올라이트탑으로 유입되어 세정하는 제 4단계와;
    상기 제 1차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착, 제 2차 제올라이트탑은 진공탈착이 진행되고, 상기 CMS탑은 상기 압축기의 전단과 연결되어 진공으로 감압되며, 고순도의 산소 가스는 상기 압축기의 후단과 연결된 저장 탱크에 저장된 후에 제품 가스로 생산되는 제 5단계와;
    상기 제 1차 제올라이트탑의 산소 가스의 흡착이 끝나고 균압 공정을 수행하는 제 6단계를 포함하는 고순도 산소 생산 장치의 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1단계 내지 제 6단계에서 상기 제 1차 제올라이트탑의 생성물은 압축되어 상기 CMS탑으로 도입됨을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치의 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 4단계에서 세정을 실시한 가스는 감압 수단에 의하여 폐가스로 배출됨을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치의 제어 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1단계 내지 제 3단계에서 상기 제 2차 제올라이트탑은 진공 탈착 공정을 수행함을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치의 제어 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 CMS탑은 상기 제 5단계 및 제 6단계에서 압축기 전단과 유체 연결된 라인을 이용하여 진공으로 감압되어 고순도의 산소를 생산하는 것을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치의 제어 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 균압 공정은 상기 제 1차 및 제 2차 제올라이트탑의 탈착 라인을 개방한 상태로 수행함을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치의 제어 방법.
  13. 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 6단계에 이어서,
    상기 제 1차 및 제 2차 제올라이트탑의 구동 상태를 서로 교체하여 동일한 공정을 반복하여 수행함을 특징으로 하는 고순도 산소 생산 장치의 제어 방법.
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