KR101540585B1 - 기체회수장치 및 방법 - Google Patents

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KR101540585B1 KR1020140075902A KR20140075902A KR101540585B1 KR 101540585 B1 KR101540585 B1 KR 101540585B1 KR 1020140075902 A KR1020140075902 A KR 1020140075902A KR 20140075902 A KR20140075902 A KR 20140075902A KR 101540585 B1 KR101540585 B1 KR 101540585B1
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이순재
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 하나의 기체분리막모듈과 복수의 기체저장탱크를 기반으로 회수기체 내의 목표기체 농도를 증가시킬 수 있는 기체회수장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 기체회수장치는 n 번의 농축공정(n은 자연수)을 진행하며, 각 농축공정을 통해 주입기체를 투과기체와 회수기체로 분리하는 기체분리막모듈 및 (n+1) 개의 기체저장탱크를 포함하여 이루어지며, 제 n 농축공정은, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 회수기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n-1) 기체저장탱크에 저장되고 제 n 회수기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되는 것을 특징으로 한다.

Description

기체회수장치 및 방법{Apparatus and method for recovery of retentate}
본 발명은 기체회수장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 기체분리막모듈과 복수의 기체저장탱크를 기반으로 회수기체 내의 목표기체 농도를 증가시킬 수 있는 기체회수장치 및 방법에 관한 것이다.
SF6은 전력기기의 대표적인 전기절연물질이며, 반도체 웨이퍼나 LCD 패널 등의 제조시 세척과정에서 사용되고 있는 물질이다. 이와 같은 SF6은 지구 온난화에 미치는 영향력이 이산화탄소에 비해 약 23900배 이상 높은 것으로 알려져 있으며, 1997년 교토에서 개최된 기후변화협약 당사자회의에서 지구 온난화 지수가 가장 큰 6가지 물질 중 하나로 지목된 바 있다. 따라서, SF6에 대한 처리가 시급히 요구되고 있다.
SF6에 대한 처리 방법으로, 먼저 SF6을 분해하는 방법이 있다. SF6은 매우 안정하기 때문에 분해하기 위해서는 플라즈마와 같은 높은 에너지가 필요하고, 분해 과정에서 S2F10, SF4, HF와 같은 높은 독성과 부식성을 갖는 부산물이 생성되는 단점이 있다. 이와 같은 분해시의 문제점과 함께 SF6의 지속적인 가격 상승을 고려하면 SF6을 효과적으로 회수하여 재사용을 도모하는 것이 생산비용의 절감 측면에서 매우 바람직하다.
SF6을 회수하는 기술은 SF6이 포함된 혼합기체 중 SF6만을 회수하는 기술로서, 세부적으로 심냉법, PSA(pressure swing adsorption)법, 막분리법 등의 방법이 있으며, 이 중 기체 분리막 모듈을 이용한 막분리법에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 막분리법은 설비의 구성이 상대적으로 간소하고 회수율이 비교적 우수한 장점이 있다. 막분리법의 일 예는 한국등록특허 제10-1249261호에 개시되어 있다.
막분리법은, 폐가스를 분리막 모듈에 주입하고 분리막 모듈은 주입된 폐가스를 SF6(회수기체)와 그 이외의 기체(투과기체)로 분리하는 방식으로 진행된다. 막분리법의 처리 특성은 분리막 모듈의 선택도와 투과도에 의해 결정되는데, 분리막 모듈의 투과도가 높으면 처리 용량이 크다는 장점이 있으나 투과도가 높은 분리막은 선택도가 낮아 회수기체에 대한 분리 성능이 낮다는 문제점이 있다.
이와 같이 분리막 모듈의 선택도와 투과도는 상충 관계(trade-off)를 갖고 있어, 종래의 경우 복수의 분리막 모듈을 다단의 형태로 구성하여 일정 수준의 분리 성능 및 처리 용량을 가능하도록 하고 있다. 그러나, 복수의 분리막 모듈을 다단 형태로 반복적으로 구성하는 경우, 장치 구성이 복잡해지는 단점이 있다. 이를 해소하기 위해 본 출원인은 한국특허출원 제2013-118138호를 통해 2개의 분리막 모듈(제 1 분리막모듈과 제 2 분리막 모듈)을 구비시키고, 제 1 분리막 모듈의 회수기체 및 투과기체를 각각 순환시켜 회수율을 향상시키는 기술을 제시한 바 있다.
한국등록특허 제10-1249261호 한국특허출원 제2013-118138호
본 발명은 하나의 기체분리막모듈과 복수의 기체저장탱크를 기반으로 회수기체 내의 목표기체 농도를 증가시킬 수 있는 기체회수장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기체회수장치는 n 번의 농축공정(n은 자연수)을 진행하며, 각 농축공정을 통해 주입기체를 투과기체와 회수기체로 분리하는 기체분리막모듈 및 (n+1) 개의 기체저장탱크를 포함하여 이루어지며, 제 n 농축공정은, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 회수기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n-1) 기체저장탱크에 저장되고 제 n 회수기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 (n+1) 기체저장탱크에 제 n 회수기체와 제 (n+2) 투과기체가 저장된다.
각 농축공정시 기체분리막모듈의 SC값을 제어하는 SC조절기가 구비되며, 제 n 농축공정의 SC값(θn)은 아래의 식으로 설정된다.
(식)
Figure 112014057942444-pat00001
(θn은 제 n 농축공정에서의 SC값, en는 제 n 농축공정의 목표농축도, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 목표기체 농도, α는 기체분리막모듈의 선택도)
공급압력 제어장치가 더 구비되며, 상기 공급압력 제어장치는 각 농축공정을 통해 기체분리막모듈에 공급되는 기체의 압력을 일정한 압력(P0)으로 제어한다. 또한, 제 1 기체저장탱크에 목표기체를 포함하는 폐가스를 공급하는 폐가스 공급부가 더 구비되며, 제 1 기체저장탱크에는 폐가스 공급부로부터 공급되는 폐가스와 제 2 투과기체가 저장되며, 제 1 농축공정의 제 1 투과기체는 외부로 배출된다.
제 n 농축공정에서 분리된 제 n 투과기체의 목표기체 농도(yn)는 아래의 식을 통해 산출된다.
(식)
Figure 112014057942444-pat00002
(yn은 제 n 농축공정의 제 n 투과기체 내에 포함되어 있는 목표기체 농도, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 목표기체 농도, α는 기체분리막모듈의 선택도)
상기 기체분리막모듈의 막면적은 아래의 식을 통해 설정된다.
(식)
Figure 112014057942444-pat00003
(A는 기체분리막모듈의 막면적, f1은 제 1 농축공정의 주입기체 유량, θ1은 제 1 농축공정의 제 1 SC값, P0는 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체의 공급압력, PA는 투과기체의 투과도, PB는 목표기체의 투과도, x0는 폐가스 내의 목표기체 농도)
제 1 농축공정의 운전시간(T1)은 아래의 식 1을 만족하고, 제 n 농축공정(n은 2이상의 자연수)의 운전시간(Tn)은 아래의 식 2를 만족한다.
(식 1)
Figure 112014057942444-pat00004
(T1은 제 1 농축공정의 운전시간, C1은 제 1 기체저장탱크의 용량, P1,max는 제 1 기체저장탱크 내의 최대 기체 압력, P0는 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 공급압력, fF,1는 제 1 농축공정시 주입기체의 유량, f0는 제 1 농축공정시 폐가스의 유량)
(식 2)
Figure 112014057942444-pat00005
(Tn(n은 2이상의 자연수)은 제 n 농축공정의 운전시간, Cn은 제 1 기체저장탱크의 용량, Pn,max는 제 1 기체저장탱크 내의 최대 기체 압력, P0는 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 공급압력, fF,n는 제 n 농축공정시 주입기체의 유량)
본 발명에 따른 기체회수방법은 하나의 기체분리막모듈과 (n+1) 개의 기체저장탱크(n은 자연수)를 이용하며, 상기 기체분리막모듈은 n 번의 농축공정(n은 자연수)을 진행하며, 각 농축공정을 통해 주입기체를 투과기체와 회수기체로 분리하며, 제 n 농축공정은, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 회수기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n-1) 기체저장탱크에 저장되고 제 n 회수기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 기체회수장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
하나의 기체분리막모듈을 통해 회수기체 내의 목표기체 농도를 극대화시킬 수 있으며, 이를 통해 기체회수장치의 장치 구성을 간략화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체회수장치의 구성도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체회수장치에서의 농축공정을 설명하기 위한 참고도.
본 발명은 기체분리막모듈을 통해 주입기체를 투과기체와 회수기체로 분리하여 회수기체를 회수함에 있어서, 회수기체 내에 포함되어 있는 목표기체의 농축률을 최대화할 수 있는 기술에 관한 것이다.
통상, 목표기체의 농축률을 증가시키기 위해서는 복수의 기체분리막모듈을 사용하는 것이 전제되나, 본 발명은 하나의 기체분리막모듈을 이용하여 목표기체의 농축률을 최대화시키는 기술을 제시한다.
본 발명에 사용되는 기체분리막모듈은 상대적으로 분자크기가 작은 고투과성 기체(이하, '투과기체'라 함)는 기공을 통해 투과시키고, 상대적으로 분자크기가 큰 저투과성 기체(이하, '회수기체'라 함)는 기체분리막모듈 내에 잔류시켜 회수하는 장치이며, 주입기체가 기체분리막모듈에 공급되면 기체분리막모듈에 의해 투과기체와 회수기체로 분리된다. 또한, 목표기체라 함은 기체분리막모듈을 통해 최종적으로 회수하고자 하는 기체로서, 일 예로 폐가스 내에 포함되어 있는 SF6를 의미한다. 목표기체(SF6)는 폐가스 내에 일정 농도로 포함되어 있으며, 폐가스가 기체분리막모듈에 의해 투과기체와 회수기체로 분리되면 목표기체의 상당수는 회수기체 내에 포함되어 있고 투과기체 내에는 소량의 목표기체가 포함된다.
본 발명에 있어서, 하나의 기체분리막모듈을 통해 목표기체의 농축률을 증가시키기 위해 복수의 기체저장탱크가 적용되며, 하나의 기체분리막모듈과 복수의 기체저장탱크를 이용한 복수의 농축공정이 순차적으로 진행된다. 복수의 농축공정의 순차적 진행을 통해 회수기체 내에 포함되어 목표기체의 농도를 점진적으로 증가시킬 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기체회수장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체회수장치는 폐가스 공급부(110), 복수의 기체저장탱크(120), 공급압력 제어장치(130), 기체분리막모듈(140) 및 SC조절기(150)를 포함하여 구성된다.
상기 폐가스 공급부(110)는 목표기체를 포함하는 폐가스를 제 1 기체저장탱크(121)에 공급하는 역할을 한다. 상기 목표기체는 기체분리막모듈(140)을 통해 회수하고자 하는 기체이며, 목표기체를 포함하는 폐가스로는 SF6를 포함하는 폐가스 또는 NF3, CF4 등의 불화가스를 포함하는 폐가스가 적용될 수 있으며, SF6, NF3, CF4 등이 목표기체에 해당된다. 상기 폐가스 내에는 목표기체가 일정 농도로 혼합되어 있다. 이하의 설명에서는 SF6를 포함하는 폐가스를 기준으로 하여 설명하기로 한다.
상기 복수의 기체저장탱크는 각 농축공정에서 발생되는 투과기체 및 회수기체를 저장함과 함께 기체분리막모듈(140)에 저장된 기체를 주입기체로 공급하는 역할을 한다. 상기 농축공정이라 함은 기체분리막모듈(140)에 의한 투과기체와 회수기체의 분리 과정을 일컫는다. 본 발명에서는 복수의 농축공정이 적용되며, 각 농축공정 진행시 기체분리막모듈(140)에 주입되는 주입기체는 서로 다르며, 각 농축공정에서 분리된 투과기체와 회수기체는 복수의 기체저장탱크에 선택적으로 저장된다.
구체적으로, 제 1 농축공정의 경우(도 2a 참조), 제 1 기체저장탱크(121)에 저장된 기체가 기체분리막모듈(140)에 주입기체로 공급되며, 기체분리막모듈(140)에 의해 분리된 제 1 투과기체는 외부로 배출되고 기체분리막모듈(140)에 의해 분리된 제 1 회수기체는 제 2 기체저장탱크(122)에 저장된다. 상기 제 1 기체저장탱크(121)에는 상기 폐가스 공급부(110)로부터 공급되는 폐가스와 후술하는 제 2 농축공정에서 분리된 제 2 투과기체가 저장된다.
제 2 농축공정의 경우(도 2b 참조), 제 2 기체저장탱크(122)에 저장된 기체가 기체분리막모듈(140)에 공급되어 제 2 투과기체와 제 2 회수기체로 분리되며, 제 2 투과기체는 제 1 기체저장탱크(121)에 저장되고 제 2 회수기체는 제 3 기체저장탱크(123)에 저장된다. 또한, 제 3 농축공정의 경우(도 2c 참조), 제 3 기체저장탱크(123)에 저장된 기체가 기체분리막모듈(140)에 공급되어 제 3 투과기체와 제 3 회수기체로 분리되며, 제 3 투과기체는 제 2 기체저장탱크(122)에 저장되고, 제 3 회수기체는 제 4 기체저장탱크(124)에 저장된다.
각 농축공정의 진행시 기체분리막모듈(140)에 주입기체를 공급하는 기체저장탱크, 기체분리막모듈(140)에 의해 분리된 투과기체와 회수기체가 저장되는 기체저장탱크의 관계는 다음과 같이 정리될 수 있다.
제 n 농축공정(n은 자연수)의 경우, 제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈(140)에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 회수기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n-1) 기체저장탱크에 저장되고 제 n 회수기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장된다. 다만, 제 1 농축공정의 제 1 투과기체는 기체저장탱크에 저장되지 않고 외부로 배출된다.
기체저장탱크에 저장되는 기체의 종류 측면에서 보면, 제 2 기체저장탱크(122)에는 제 1 회수기체와 제 3 투과기체가 저장되고, 제 3 기체저장탱크(123)에는 제 2 회수기체와 제 4 투과기체가 저장되며, 제 4 기체저장탱크(124)에는 제 3 회수기체와 제 5 투과기체가 저장된다. 정리하면, 제 (n+1) 기체저장탱크(n은 자연수)에는 제 n 회수기체와 제 (n+2) 투과기체가 저장된다. 다만, 제 1 기체저장탱크(121)에는 폐가스 공급부(110)로부터 공급되는 폐가스와 제 2 투과기체가 저장된다.
복수의 농축공정이 순차적으로 진행됨에 있어서, 제 1 농축공정의 제 1 투과기체는 외부로 배출됨에 따라, 복수의 농축공정을 통해 제 2 기체저장탱크(122) 내지 제 n 기체저장탱크에 저장되는 기체들은 제 1 회수기체에서 분리된 기체라 할 수 있으며, 전단의 기체저장탱크에 저장된 기체에서 분리된 회수기체가 후단의 기체저장탱크에 저장되는 방식임에 따라, 농축공정이 진행될수록 회수기체 내의 목표기체 농도가 점차적으로 증가된다.
상기 복수의 농축공정 즉, 제 1 농축공정 내지 제 n 농축공정은 순차적으로 진행되거나, 운전 상황에 따라 농축공정의 순서를 변경하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제 1 농축공정, 제 2 농축공정, ··, 제 n 농축공정의 순서대로 기체회수방법을 진행하거나, 제 1 농축공정-제 2 농축공정-제 3 농축공정-제 1 농축공정-제 4 농축공정의 순서와 같이 농축공정의 진행 순서를 변경하여 진행할 수도 있다.
한편, 상기 각각의 기체저장탱크의 전단에 기체를 압축하기 위한 컴프레셔(compressor) 형태의 압축장치(160)가 더 구비될 수도 있다.
다음으로, 상기 공급압력 제어장치(130)는 각각의 기체저장탱크에 저장된 기체를 기체분리막모듈(140)에 공급함에 있어서 해당 기체가 일정한 압력으로 기체분리막모듈(140)로 공급되도록 기체의 압력을 제어하는 역할을 한다. 상기 각각의 기체저장탱크에 저장되어 있는 기체들은 농축공정의 진행에 따라 투과기체 및 회수기체가 유입, 유출됨으로 인해 기체의 압력이 변동되며, 이에 기체분리막모듈(140)에 일정한 압력으로 기체를 공급하기 위해서는 각각의 기체저장탱크에서 기체분리막모듈(140)로 공급되는 기체를 일정한 압력(P0)으로 제어할 필요가 있다.
상기 기체분리막모듈(140)은 각각의 기체저장탱크로부터 공급되는 기체를 투과기체와 회수기체로 분리하는 역할을 하며, 전술한 바와 같이 상기 기체분리막모듈(140)에 의해 제 1 농축공정, 제 2 농축공정 내지 제 n 농축공정이 순차적으로 진행된다.
상기 기체분리막모듈(140)은 표면에 기공이 형성된 중공사 형태의 분리막 집합체로서, SF6 기체를 제외한 O2, N2, CO2 등의 상대적으로 분자크기가 작은 기체는 분리막의 기공을 빠르게 투과하여 배출되며, 상대적으로 분자크기가 큰 SF6는 기공을 투과하지 않고 분리막의 일단에서 회수된다. 분리막의 기공을 투과하여 배출되는 기체는 투과기체, 분리막의 일단에서 회수되는 기체는 회수기체이다. 이 때, 상대적으로 분자크기 작은 기체(O2, N2, CO2 등)뿐만 아니라 상대적으로 분자크기가 큰 SF6 기체 역시 분리막의 기공을 투과하여 배출되는데, SF6 기체의 투과도가 O2, N2, CO2 등의 투과도보다 상대적으로 낮기 때문에 SF6 기체는 회수기체로 회수가 가능한 것이며, 실질적으로 O2, N2, CO2 등의 기체는 고투과성 기체, SF6 기체는 저투과성 기체라 할 수 있다.
상기 SC조절기(150)는 각 농축공정에서의 기체분리막모듈(140)의 SC(stage-cut)값을 제어하는 역할을 한다. SC값은 아래 식 2에 나타낸 바와 같이 주입기체 유량 대비 투과기체 유량의 비를 의미한다. 예를 들어, SC값이 0.95인 경우 주입기체 유량 대비 투과기체 유량은 95% 이고, 회수기체 유량은 5%이며, 전체 주입기체 중 5%가 회수되는 것을 의미한다(식 1 및 식 2 참조).
(식 1) 주입기체 유량(Ff) = 투과기체 유량(Fp) + 회수기체 유량(Fr)
(식 2) SC = 투과기체 유량(Fp) / 주입기체 유량(Ff)
한편, 각각의 농축공정에 적용되는 SC값은 농축공정이 진행될수록 SC값이 작아지도록 설정된다. 그 이유는, 전술한 바와 같이 제 1 농축공정에서 분리된 제 1 투과기체가 외부로 배출된 상태에서 제 1 회수기체를 기반으로 후속의 농축공정이 진행되고, 전단의 기체저장탱크에 저장된 기체에서 분리된 회수기체가 후단의 기체저장탱크에 저장되는 방식임에 따라, 농축공정이 진행될수록 회수기체의 유량은 상대적으로 커지고 투과기체의 유량은 상대적으로 작아지기 때문이다.
각각의 농축공정에 적용되는 SC값은 목표농축도(e), 기체분리막모듈(140)의 선택도(α), 주입기체 내의 목표기체 농도(xf)에 의해 결정된다. 목표농축도(e)는 주입기체 내의 목표기체 농도(xf) 대비 회수기체 내의 목표기체 농도(xr)의 비를 의미하며(식 3 참조), 주입기체 내의 목표기체 농도(xf)가 정해진 상태에서 회수기체 내의 목표기체 농도(xr)를 설정하면 목표농축도(e)를 산출할 수 있다. 기체분리막모듈(140)의 선택도(α)는 목표기체의 투과도(PB) 대비 투과기체의 투과도(PA)의 비를 의미한다(식 4 참조).
제 n 농축공정에 적용되는 제 n SC값(θn)은 아래의 식 5와 같이 정의되며, 농축공정이 진행될수록 각 농축공정에 적용되는 SC값은 점차적으로 작아지도록 설정된다.
(식 3) 목표농축도(e) = xr / xf
(e는 목표농축도, xf는 주입기체 내의 목표기체 농도, xr은 회수기체 내의 목표기체 농도)
(식 4) α = PA / PB
(α는 기체분리막모듈(140)의 선택도, PB는 목표기체의 투과도, PA는 투과기체의 투과도)
(식 5)
Figure 112014057942444-pat00006
(θn은 제 n 농축공정에서의 SC값, en는 제 n 농축공정의 목표농축도, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈(140)에 주입되는 주입기체 내의 목표기체 농도, α는 기체분리막모듈(140)의 선택도)
한편, 전술한 바에 있어서 제 1 투과기체는 기체저장탱크에 저장되지 않고 외부로 배출됨을 기술하였는데, 이는 제 1 투과기체 내의 목표기체 농도 즉, 제 1 투과기체 내의 SF6 농도가 배출기준을 충족할 정도로 낮음이 전제된다. 제 1 투과기체 내의 목표기체 농도가 배출기준에 부합되지 않는 경우 제 1 기체저장탱크(121)에 저장되도록 하여 제 1 농축공정을 재차 거치도록 할 수도 있다. 또한, 제 2 투과기체, 제 3 투과기체 등은 기체저장탱크에 저장되어 농축공정을 거치게 되는데, 제 2 투과기체, 제 3 투과기체 등의 경우에서도 해당 투과기체 내에 포함되어 있는 목표기체 농도가 배출기준에 부합된다면 기체저장탱크에 저장되지 않고 외부로 배출될 수 있다.
투과기체 내의 목표기체 농도가 배출기준에 부합되는지 여부를 판단하기 위해서는 해당 투과기체 내의 목표기체 농도가 정확히 계산되어야 하는데, 각 농축공정에서 발생되는 투과기체의 목표기체 농도는 아래의 식 6을 통해 산출 가능하다.
(식 6)
Figure 112014057942444-pat00007
(yn은 제 n 농축공정의 제 n 투과기체 내에 포함되어 있는 목표기체 농도, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈(140)에 주입되는 주입기체 내의 목표기체 농도, α는 기체분리막모듈(140)의 선택도)
또한, 본 발명의 복수의 농축공정을 수행하기 위한 기체분리막의 최적 막면적의 설계도 가능하며, 기체분리막의 최적 막면적은 식 7과 같이 설계된다.
(식 7)
Figure 112014057942444-pat00008
(A는 기체분리막모듈(140)의 막면적, f1은 제 1 농축공정의 주입기체 유량, θ1은 제 1 농축공정의 제 1 SC값, P0는 기체분리막모듈(140)에 주입되는 주입기체의 공급압력, PA는 투과기체의 투과도, PB는 목표기체의 투과도, x0는 폐가스 내의 목표기체 농도)
한편, 상기 복수의 농축공정을 진행함에 있어서, 각 농축공정의 최적 운전시간을 설정할 수 있다.
먼저, 제 1 농축공정의 최적 운전시간에 대해 정리하면 다음과 같다.
제 1 농축공정의 운전시간(T1) 동안, 제 1 기체저장탱크에 유입되는 폐가스의 부피(Vin) 및 제 1 기체저장탱크로부터 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 부피(Vout)는 각각 아래의 식 8, 식 9와 같이 정리된다. 식 8 및 식 9에 근거하여, 제 1 농축공정의 완료 시점에서의 제 1 기체저장탱크 내의 부피 감소량(Vout-Vin)은 식 10과 같이 정리된다.
한편, 제 1 농축공정 진행시 제 1 기체저장탱크 내의 압력은 제 1 농축공정의 시작 시점에서 가장 높으며(P1,max), 이 때 제 1 기체저장탱크 내의 부피는 C1·P1,max(C1은 제 1 기체저장탱크의 용량)로 정리된다. 제 1 농축공정이 진행되는 과정에서 제 1 기체저장탱크 내의 기체 부피는 서서히 감소하며, 그에 따라 제 1 기체저장탱크 내의 기체 압력 또한 감소되는데, 제 1 기체저장탱크 내의 기체 압력이 기체분리막모듈로의 공급압력(P0)보다 작게 되면 기체분리막모듈로의 기체 공급이 진행되지 않음에 따라 제 1 농축공정 진행시 제 1 기체저장탱크 내의 최소 부피는 C1·P0 보다 커야 한다. 따라서, 제 1 농축공정 진행시 제 1 기체저장탱크에서의 기체 최대 감소량(Vo-i,max)은 식 11과 같이 정리될 수 있다.
이와 같은 정리 하에, 제 1 농축공정의 완료 시점에서의 제 1 기체저장탱크 내의 부피 감소량(Vout-Vin)은 제 1 농축공정 진행시 제 1 기체저장탱크에서의 기체 최대 감소량(Vo-i,max)과 같거나 작아야 하며(식 12 참조), 이와 같은 조건을 만족하는 제 1 농축공정의 최적 운전시간은 식 13과 같이 설정될 수 있다.
(식 8)
Figure 112014057942444-pat00009
(Vin는 제 1 농축공정의 운전시간 동안 제 1 기체저장탱크에 유입되는 폐가스의 부피, T1은 제 1 농축공정의 운전시간, f0는 제 1 농축공정시 폐가스의 유량)
(식 9)
Figure 112014057942444-pat00010
(Vout은 제 1 농축공정의 운전시간 동안 제 1 기체저장탱크로부터 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 부피, T1은 제 1 농축공정의 운전시간, fF,1는 제 1 농축공정시 주입기체의 유량)
(식 10)
Figure 112014057942444-pat00011

(식 11)
Figure 112014057942444-pat00012
(Vo-i,max는 제 1 농축공정 진행시 제 1 기체저장탱크에서의 기체 최대 감소량, C1은 제 1 기체저장탱크의 용량, P1,max는 제 1 기체저장탱크 내의 최대 기체 압력, P0는 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 공급압력)
(식 12)
Figure 112014057942444-pat00013
Figure 112014057942444-pat00014

(식 13)
Figure 112014057942444-pat00015
(T1은 제 1 농축공정의 운전시간, C1은 제 1 기체저장탱크의 용량, P1,max는 제 1 기체저장탱크 내의 최대 기체 압력, P0는 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 공급압력, fF,1는 제 1 농축공정시 주입기체의 유량, f0는 제 1 농축공정시 폐가스의 유량)
이상, 제 1 농축공정의 최적 운전시간에 대해 설명하였다. 제 1 농축공정 이외의 제 n 농축공정에 대해서도 최적 운전시간 설정이 가능하다. 제 n 농축공정의 최적 운전시간(n은 2이상의 자연수)은 아래의 식 14와 같이 설정되며, 제 n 농축공정(n은 2이상의 자연수)의 경우 제 n 기체저장탱크(n은 2이상의 자연수)에 폐가스가 공급되지 않음에 따라, 폐가스의 유량(f0)은 변수에서 생략된다.
(식 14)
Figure 112014057942444-pat00016
(Tn(n은 2이상의 자연수)은 제 n 농축공정의 운전시간, Cn은 제 1 기체저장탱크의 용량, Pn,max는 제 1 기체저장탱크 내의 최대 기체 압력, P0는 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 공급압력, fF,n는 제 n 농축공정시 주입기체의 유량)
상기 식 13 및 식 14에 적용되는 제 1 농축공정시 주입기체의 유량(fF,1) 및 제 n 농축공정시 주입기체의 유량(fF,n)은 각각 식 15, 식 16과 같이 정리될 수 있다.
(식 15)
Figure 112014057942444-pat00017
(fF,1는 제 1 농축공정시 주입기체의 유량, θ1은 제 1 농축공정의 제 1 SC값, A는 기체분리막모듈의 막면적, P0는 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체의 공급압력, PA는 투과기체의 투과도, PB는 목표기체의 투과도, x0는 폐가스 내의 목표기체 농도)
(식 16)
Figure 112014057942444-pat00018
(fF,n(n은 자연수)은 제 n 농축공정시 주입기체의 유량, θn은 제 n 농축공정의 제 1 SC값, A는 기체분리막모듈의 막면적, P0는 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체의 공급압력, PA는 투과기체의 투과도, PB는 목표기체의 투과도, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 목표기체 농도)
또한, 제 1 농축공정시 주입기체의 유량(fF,1)은 폐가스 유량(f0)과 농축공정의 운전시간(Ti)의 관계 측면에서 다음의 식 17과 같이 정리될 수도 있다. 아래의 식 17은 본 발명의 기체회수장치의 복수의 농축공정을 통해 처리되는 기체의 총 부피(f0·ΣTi)는 제 1 농축공정의 운전시간 동안 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체의 부피(fF,1·T1)에 상응하다는 전제에서 도출된 것이다.
(식 17)
Figure 112014057942444-pat00019
(fF,1는 제 1 농축공정시 주입기체의 유량, f0는 폐가스 유량, ΣTi는 복수의 농축공정의 운전시간의 합, T1은 제 1 농축공정의 운전시간)
110 : 폐가스 공급부 120 : 복수의 기체저장탱크
121 : 제 1 기체저장탱크 122 : 제 2 기체저장탱크
123 : 제 3 기체저장탱크 124 : 제 4 기체저장탱크
130 : 공급압력 제어장치 140 : 기체분리막모듈
150 : SC조절기 160 : 압축장치

Claims (16)

  1. n 번의 농축공정(n은 자연수)을 진행하며, 각 농축공정을 통해 주입기체를 투과기체와 회수기체로 분리하는 기체분리막모듈; 및
    (n+1) 개의 기체저장탱크를 포함하여 이루어지며,
    제 n 농축공정은,
    제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 회수기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n-1) 기체저장탱크에 저장되고 제 n 회수기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되며,
    상기 제 (n+1) 기체저장탱크에 제 n 회수기체와 제 (n+2) 투과기체가 저장되는 것을 특징으로 하는 기체회수장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 각 농축공정시 기체분리막모듈의 SC값을 제어하는 SC조절기가 구비되는 것을 특징으로 하는 기체회수장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 제 n 농축공정의 SC값(θn)은 아래의 식으로 설정되는 것을 특징으로 하는 기체회수장치.
    (식)
    Figure 112014057942444-pat00020

    (θn은 제 n 농축공정에서의 SC값, en는 제 n 농축공정의 목표농축도, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 목표기체 농도, α는 기체분리막모듈의 선택도)
  5. 제 1 항에 있어서, 공급압력 제어장치가 더 구비되며,
    상기 공급압력 제어장치는 각 농축공정을 통해 기체분리막모듈에 공급되는 기체의 압력을 일정한 압력(P0)으로 제어하는 것을 특징으로 하는 기체회수장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 제 1 기체저장탱크에 목표기체를 포함하는 폐가스를 공급하는 폐가스 공급부가 더 구비되며,
    제 1 기체저장탱크에는 폐가스 공급부로부터 공급되는 폐가스와 제 2 투과기체가 저장되며, 제 1 농축공정의 제 1 투과기체는 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 기체회수장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 n 농축공정에서 분리된 제 n 투과기체의 목표기체 농도(yn)는 아래의 식을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 기체회수장치.
    (식)
    Figure 112014057942444-pat00021

    (yn은 제 n 농축공정의 제 n 투과기체 내에 포함되어 있는 목표기체 농도, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 목표기체 농도, α는 기체분리막모듈의 선택도)
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 기체분리막모듈의 막면적은 아래의 식을 통해 설정되는 것을 특징으로 하는 기체회수장치.
    (식)
    Figure 112014057942444-pat00022

    (A는 기체분리막모듈의 막면적, f1은 제 1 농축공정의 주입기체 유량, θ1은 제 1 농축공정의 제 1 SC값, P0는 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체의 공급압력, PA는 투과기체의 투과도, PB는 목표기체의 투과도, x0는 폐가스 내의 목표기체 농도)
  9. 제 1 항에 있어서, 제 1 농축공정의 운전시간(T1)은 아래의 식 1을 만족하고, 제 n 농축공정(n은 2이상의 자연수)의 운전시간(Tn)은 아래의 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 기체회수장치.
    (식 1)
    Figure 112014057942444-pat00023

    (T1은 제 1 농축공정의 운전시간, C1은 제 1 기체저장탱크의 용량, P1,max는 제 1 기체저장탱크 내의 최대 기체 압력, P0는 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 공급압력, fF,1는 제 1 농축공정시 주입기체의 유량, f0는 제 1 농축공정시 폐가스의 유량)
    (식 2)
    Figure 112014057942444-pat00024

    (Tn(n은 2이상의 자연수)은 제 n 농축공정의 운전시간, Cn은 제 1 기체저장탱크의 용량, Pn,max는 제 1 기체저장탱크 내의 최대 기체 압력, P0는 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 공급압력, fF,n는 제 n 농축공정시 주입기체의 유량)
  10. 하나의 기체분리막모듈과 (n+1) 개의 기체저장탱크(n은 자연수)를 이용하며,
    상기 기체분리막모듈은 n 번의 농축공정(n은 자연수)을 진행하며, 각 농축공정을 통해 주입기체를 투과기체와 회수기체로 분리하며,
    제 n 농축공정은,
    제 n 기체저장탱크에 저장된 기체가 기체분리막모듈에 공급되어 제 n 투과기체와 제 n 회수기체로 분리되며, 제 n 투과기체는 제 (n-1) 기체저장탱크에 저장되고 제 n 회수기체는 제 (n+1) 기체저장탱크에 저장되며,
    각 농축공정을 통해 기체분리막모듈에 공급되는 기체의 압력은 일정하게 제어되는 것을 특징으로 하는 기체회수방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 제 1 농축공정의 제 1 투과기체는 외부로 배출되며,
    제 1 기체저장탱크에는 폐가스 공급부로부터 공급되는 폐가스와 제 2 투과기체가 저장되는 것을 특징으로 하는 기체회수방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 제 n 농축공정시 기체분리막모듈의 SC값을 제어하는 SC조절기가 구비되며, 제 n 농축공정의 SC값(θn)은 아래의 식으로 설정되는 것을 특징으로 하는 기체회수방법.
    (식)
    Figure 112014057942444-pat00025

    (θn은 제 n 농축공정에서의 SC값, en는 제 n 농축공정의 목표농축도, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 목표기체 농도, α는 기체분리막모듈의 선택도)
  13. 삭제
  14. 제 10 항에 있어서, 제 n 농축공정에서 분리된 제 n 투과기체의 목표기체 농도(yn)는 아래의 식을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 기체회수방법.
    (식)
    Figure 112014057942444-pat00026

    (yn은 제 n 농축공정의 제 n 투과기체 내에 포함되어 있는 목표기체 농도, xn은 제 n 농축공정에서 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체 내의 목표기체 농도, α는 기체분리막모듈의 선택도)
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 기체분리막모듈의 막면적은 아래의 식을 통해 설정되는 것을 특징으로 하는 기체회수방법.
    (식)
    Figure 112014057942444-pat00027

    (A는 기체분리막모듈의 막면적, f1은 제 1 농축공정의 주입기체 유량, θ1은 제 1 농축공정의 제 1 SC값, P0는 기체분리막모듈에 주입되는 주입기체의 공급압력, PA는 투과기체의 투과도, PB는 목표기체의 투과도, x0는 폐가스 내의 목표기체 농도)
  16. 제 10 항에 있어서, 제 1 농축공정의 운전시간(T1)은 아래의 식 1을 만족하고, 제 n 농축공정(n은 2이상의 자연수)의 운전시간(Tn)은 아래의 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 기체회수방법.
    (식 1)
    Figure 112014057942444-pat00028

    (T1은 제 1 농축공정의 운전시간, C1은 제 1 기체저장탱크의 용량, P1,max는 제 1 기체저장탱크 내의 최대 기체 압력, P0는 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 공급압력, fF,1는 제 1 농축공정시 주입기체의 유량, f0는 제 1 농축공정시 폐가스의 유량)
    (식 2)
    Figure 112014057942444-pat00029

    (Tn(n은 2이상의 자연수)은 제 n 농축공정의 운전시간, Cn은 제 1 기체저장탱크의 용량, Pn,max는 제 1 기체저장탱크 내의 최대 기체 압력, P0는 기체분리막모듈에 공급되는 주입기체의 공급압력, fF ,n는 제 n 농축공정시 주입기체의 유량)
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