KR101597999B1 - 질소 가스 제조 방법, 가스 분리 방법 및 질소 가스 제조 장치 - Google Patents

질소 가스 제조 방법, 가스 분리 방법 및 질소 가스 제조 장치 Download PDF

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Abstract

PSA 방식에 의해 원료 가스로부터 질소 가스를 제조하는 방법으로서, 제1 흡착제가 충전된 2개의 주 흡착 탱크를 접속하는 라인에 설치된 부 흡착 탱크에 충전된 제2 흡착제에 의해, 감압 균압 공정에 있는 주 흡착 탱크로부터 도출된 회수 가스 중의 산소 농도를 저감시키고, 상기 가스를 가압 균압 공정에 있는 주 흡착 탱크에 도입하는 것을 특징으로 하는 질소 가스 제조 방법을 제공한다.

Description

질소 가스 제조 방법, 가스 분리 방법 및 질소 가스 제조 장치{METHOD FOR PRODUCING NITROGEN GAS, METHOD FOR SEPARATING GAS AND DEVICE FOR PRODUCING NITROGEN GAS}
본 발명은 질소 가스 제조 방법, 가스 분리 방법 및 질소 가스 제조 장치에 관한 것이다.
본원은 2011년 11월 10일에 일본에 출원된 특허출원 2011-246604호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
일반적으로, 압력 변동 흡착 방식(Pressure Swing Adsorption: PSA 방식)에 의한 질소 가스 제조 장치(질소 PSA 장치)는 간편한 질소 가스 공급 수단으로서 다양한 용도로 사용되고 있다. 이러한 질소 가스 제조 장치에 대해서는, 근래에는 사용자의 요구로서 한층 더 저전력화, 소공간화가 요구되고 있다.
종래, 이러한 종류의 질소 가스 제조 장치로서, 이하에 나타내는 장치가 알려져 있다. 도 9는 종래의 질소 가스 제조 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 질소 가스 제조 장치(101)는 압축기(102)와, 2개의 흡착 탱크(제1 흡착 탱크(103) 및 제2 흡착 탱크(104))와, 제품 탱크(105)와, 각각의 흡착 탱크의 입구 및 출구에 설치된 자동 전환식의 개폐 밸브(111a, 111b, 112a, 112b, 113a, 113b, 114, 115)와, 유량 조정 밸브(116) 및 제품 가스 출구 밸브(117)를 구비하고 있다.
압축기(102)는 원료 가스(공기)를 가압하기 위한 장치이다. 또한, 2개의 흡착 탱크(103, 104)에는 원료 가스 중의 산소를 우선적으로 흡착하는 흡착제(109)가 각각 충전되어 있다. 각 흡착 탱크(103, 104)에 있어서 원료 가스 중의 산소를 흡착 제거하여, 질소가 풍부한 제품 가스를 얻는다.
또한, 제1 흡착 탱크(103)와 제2 흡착 탱크(104)는 탱크의 하류측 및 상류측에 있어서, 서로 배관을 개재하여 접속되어 있다.
여기서, 탱크의 상류측이란 탱크의 하부측(원료 가스 입구측)을 말하고, 탱크의 하류측이란 탱크의 상부측(제품 가스 출구측)을 말하며, 원료 가스의 흐름으로는 하류측에 해당하는 위치를 가리키고 있다.
제품 탱크(105)는 2개의 흡착 탱크(103, 104)의 하류측에 설치되어 있고, 제1 흡착 탱크(103)와는 개폐 밸브(113a)를 통해, 제2 흡착 탱크(104)와는 개폐 밸브(113b)를 통해 접속되어 있다.
이러한 PSA 방식의 질소 가스 제조 장치(101)를 사용하여 원료 가스로부터 질소 가스를 분리하는 방법으로는 가압 흡착 공정과, 감압 균압 공정과, 감압 재생 공정과, 가압 균압 공정의 각 공정을 반복하는 방법이 알려져 있다.
PSA 방식에서는 제1 흡착 탱크(103) 및 제2 흡착 탱크(104) 중 일방이 가압 흡착 공정시에는 타방은 감압 재생 공정이 되고, 일방이 감압 균압 공정시에는 타방이 가압 균압 공정이 되는 관계로 되어 있다. 따라서, 제1 흡착 탱크(103)에서 가압 흡착 공정, 감압 균압 공정, 감압 재생 공정 및 가압 균압 공정이 이 순서대로 행해졌을 때는, 제2 흡착 탱크(104)에서는 감압 재생 공정, 가압 균압 공정, 가압 흡착 공정, 감압 균압 공정이 이 순서대로 행해지게 된다. 이하에서는, 제1 흡착 탱크(103)의 공정을 기준으로 하여 설명한다.
우선, 가압 흡착 공정에서는 압축기(102)에 의해 가압한 원료 가스를 제1 흡착 탱크(103)에 도입하고 제1 흡착 탱크(103) 내를 가압하여, 원료 가스 중의 산소를 흡착제(109)에 우선적으로 흡착시켜 질소가 풍부한 가스를 얻는다.
다음으로, 감압 균압 공정에서는 제1 흡착 탱크(103) 내에 잔류하는 가스를 제2 흡착 탱크(104)로 송기한다.
다음으로, 감압 재생 공정에서는 제1 흡착 탱크(103)를 대기에 해방시켜 압력을 저하시킴과 함께 흡착제(109)로부터 산소를 탈착시켜 흡착제(109)를 재생한다.
가압 균압 공정에서는, 제1 흡착 탱크(103)는 제2 흡착 탱크(104)로부터 가스를 도입한다.
도 9에 기초하여 더욱 구체적으로 설명하면, 제1 흡착 탱크(103)가 가압 흡착 공정에 있을 때는, 개폐 밸브(111a, 113a)는 열려 있고 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
따라서, 압축기(102)에 의해 압축된 원료 가스는 개폐 밸브(111a)를 통해 제1 흡착 탱크(103)에 도입된다.
제1 흡착 탱크(103)에서는 흡착제(109)에 의해 원료 가스 중의 산소가 흡착되고, 질소분이 풍부한 제품 가스가 개폐 밸브(113a)를 통해 제품 탱크(105)로 보내진다.
제1 흡착 탱크(103)로부터 도출된 제품 가스의 일부는 유량 조정 밸브(116)를 통해 제2 흡착 탱크(104) 내에 도입되어 흡착제(109)의 재생에 사용된다. 공정 시간의 경과와 함께 산소를 흡착하는 흡착제 영역은 제품 출구 가장자리에 가까워지기 때문에, 소정 시간으로 가압 흡착 공정은 중지된다.
다음으로, 제1 흡착 탱크(103)가 감압 균압 공정에, 제2 흡착 탱크(104)가 가압 균압 공정에 들어가면, 개폐 밸브(114, 115)가 열린 상태가 되고 다른 개폐 밸브는 닫힌 상태가 된다.
이 공정에 있어서는 제1 흡착 탱크(103)로부터 제2 흡착 탱크(104)로, 개폐 밸브(114, 115)를 통해 제1 흡착 탱크(103) 내의 상대적으로 고압이며 또한 제품 품위에는 미치지 못하나, 비교적 질소분이 풍부한 가스(균압 가스)가 공급된다.
이와 같이, 제1 흡착 탱크(103)의 제품 가스 출구측(상부측)으로부터 제2 흡착 탱크(104)의 제품 가스 출구측(상부측)으로, 제1 흡착 탱크(103)의 원료 가스 입구측(하부측)으로부터 제2 흡착 탱크(104)의 원료 가스 입구측(하부측)으로 가스를 도입하는 방법을 상·하부 동시 균압법이라고 한다. 상·하부 동시 균압법에 대해서는, 예를 들면, 비특허문헌 1, 특허문헌 1 등에 개시되어 있다.
다음으로, 제1 흡착 탱크(103)의 개폐 밸브(112a)를 여는 것으로서, 제1 흡착 탱크(103)는 감압 재생 공정에 들어간다. 감압 재생 공정으로 탱크 내에 잔류한 가스가 개폐 밸브(112a)로부터 대기로 방출되고, 탱크 내의 압력이 저하됨에 따라, 흡착제(109)에 흡착되어 있던 산소가 탈착된다. 이 때, 제2 흡착 탱크(104)로부터 도출된 제품 가스의 일부는 유량 조정 밸브(116)를 통해 제1 흡착 탱크(103) 내에 도입되어 탱크 내의 퍼지가 행해진 후, 흡착제(109)의 재생에 사용된다.
그 후, 개폐 밸브(114, 115)를 열고 다른 개폐 밸브를 닫음으로써, 제1 흡착 탱크(103)는 가압 균압 공정에 들어가고, 제2 흡착 탱크(104)는 감압 균압 공정에 들어간다. 이 공정에 있어서, 제2 흡착 탱크(104)로부터 제1 흡착 탱크(103)로, 제2 흡착 탱크(104) 내의 상대적으로 고압이며 또한 제품 품위에는 미치지 못하나 비교적 질소가 풍부한 가스(균압 가스)가 공급된다.
이상의 공정을 반복함으로써, 원료 가스로부터 질소 가스를 분리한다.
특허문헌 2에는 상기의 기본적인 질소 가스 제조 장치를 개량한 제품 질소 발생량을 증가시키기 위한 질소 가스 제조 장치가 개시되어 있다. 이 질소 가스 제조 장치는 2개의 흡착 탱크와, 이들 흡착 탱크의 제품을 꺼내는 측에 설치된 균압용 배관 도중에, 균압용 기체 중의 산소 분자를 흡착하기 위한 흡착 탱크(이하, 「균압 흡착 탱크」라고 한다)가 설치되어 있다.
일본 공개특허공보 소51-50298호 일본 공개특허공보 평5-103937호
Separation Science and Technology, 23, 2379(1988)
그런데, 근래에는 이러한 종래의 PSA 방식에 의한 질소 가스의 제조 방법에 대해서, 추가적인 장치의 소형화나, 질소 가스의 수율을 향상시켜 저전력화하는 것이 요구되고 있지만, 적절한 것이 제공되고 있지 않은 것이 실정이었다.
특허문헌 2에는 균압 흡착 탱크를 갖는 질소 가스 제조 장치가 개시되어, 종래의 것보다 고순도 질소 가스의 발생량을 증가시킬 수 있다는 기재가 있는 한편으로, 제품 질소의 농도나 증가한 발생량에 대한 구체적인 기재는 없다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 제공하고 있다.
(1) PSA 방식에 의해 원료 가스(공기)로부터 질소 가스를 제조하는 방법으로서, 제1 흡착제가 충전된 2개의 주 흡착 탱크를 접속하는 라인에 설치된 부 흡착 탱크에 충전된, 상기 제1 흡착제보다 산소 흡착 속도가 빠른 제2 흡착제에 의해, 감압 균압 공정에 있는 주 흡착 탱크로부터 도출된 가스 중의 산소 농도를 저감시키고, 상기 가스를 가압 균압 공정에 있는 주 흡착 탱크에 도입하는 질소 가스 제조 방법.
(2) 상기 2개의 주 흡착 탱크를 접속하는 상기 라인이 상기 각 주 흡착 탱크의 상류측끼리 또는 중간부와 상류측을 접속하는 라인인 상기 (1)에 기재된 질소 가스 제조 방법.
(3) 상기 주 흡착 탱크에 충전된 상기 제1 흡착제가 분자체 활성탄인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 질소 가스 제조 방법.
(4) 상기 부 흡착 탱크에 충전된 상기 제2 흡착제가 분자체 활성탄인 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 질소 가스 제조 방법.
(5) PSA 방식에 의해 원료 가스로부터 질소 가스를 제조하는 방법으로서, 흡착제가 충전된 2개의 주 흡착 탱크의 상류측끼리 또는 중간부와 상류측을 라인으로 접속하고, 상기 라인을 사용하여 일방의 상기 주 흡착 탱크로부터 타방의 상기 주 흡착 탱크에 가스를 도출함으로써 균압하는 공정을 가지며, 상기 균압 공정에 있어서, 일방의 주 흡착 탱크로부터 도출된 상기 가스가 타방의 주 흡착 탱크에 도입될 때까지의 사이에, 산소 제거 수단에 의해 산소 농도가 저감되는 질소 가스 제조 방법.
(6) 제1 흡착제 및 제2 흡착제에 대해 이(易)흡착성인 이흡착 성분과, 상기 흡착제에 대해 난흡착성인 난흡착 성분을 포함하는 원료 가스를 사용하고, 상기 원료 가스로부터 상기 이흡착 성분과 상기 난흡착 성분을 회수하는 가스 분리 방법으로서, 상기 제1 흡착제가 충전된 2개의 주 흡착 탱크를 라인으로 접속하고, 상기 라인을 사용하여 일방의 상기 주 흡착 탱크로부터 타방의 상기 주 흡착 탱크에 가스를 도출함으로써 균압하는 공정을 가지며, 상기 균압 공정에 있어서, 일방의 상기 주 흡착 탱크로부터 도출된 가스를 상기 라인에 설치된 부 흡착 탱크에 충전된, 상기 제1 흡착제보다 상기 이흡착 성분의 흡착 속도가 빠른 상기 제2 흡착제에 의해 상기 이흡착 성분을 저감시킨 후에, 타방의 상기 주 흡착 탱크에 도입하는 가스 분리 방법.
(7) PSA 방식에 의해 원료 가스로부터 질소를 제조하기 위한 질소 가스 제조 장치로서, 원료 가스를 가압하는 압축기와, 제1 흡착제가 충전된 2개의 주 흡착 탱크와, 상기 2개의 주 흡착 탱크 사이를 접속하는 라인에 설치되며, 가스 중의 산소 농도를 저감시키기 위한 제2 흡착제가 충전된 부 흡착 탱크로 이루어지고, 상기 제2 흡착제의 산소 흡착 속도가 상기 제1 흡착제의 산소 흡착 속도보다 빠른 질소 가스 제조 장치.
(8) 상기 2개의 주 흡착 탱크를 접속하는 상기 라인이 상기 각 주 흡착 탱크의 상류측끼리 또는 중간부와 상류측을 접속하는 라인인 상기 (7)에 기재된 질소 가스 제조 장치.
(9) 상기 주 흡착 탱크에 충전된 상기 제1 흡착제가 분자체 활성탄인 상기 (7) 또는 (8)에 기재된 질소 가스 제조 장치.
(10) 상기 부 흡착 탱크에 충전된 상기 제2 흡착제가 분자체 활성탄인 상기 (7) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 질소 가스 제조 장치.
본 발명에 의하면, 주 흡착 탱크에 충전하는 흡착제를 감량시킬 수 있어 질소 가스 제조 장치의 소형화가 가능해진다. 또한, 질소 가스의 회수율을 향상시킬 수 있어, 그 결과 질소 가스 제조 장치의 저전력화가 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태인 질소 가스 제조 장치의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시형태인 질소 가스 제조 방법을 나타내는 공정도의 조작 1의 공정을 나타내고 있다.
도 2b는 본 발명의 제1 실시형태인 질소 가스 제조 방법을 나타내는 공정도의 조작 2의 공정을 나타내고 있다.
도 2c는 본 발명의 제1 실시형태인 질소 가스 제조 방법을 나타내는 공정도의 조작 3의 공정을 나타내고 있다.
도 2d는 본 발명의 제1 실시형태인 질소 가스 제조 방법을 나타내는 공정도의 조작 4의 공정을 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태인 질소 가스 제조 장치의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시형태인 질소 가스 제조 방법을 나타내는 공정도의 조작 1의 공정을 나타내고 있다.
도 4b는 본 발명의 제2 실시형태인 질소 가스 제조 방법을 나타내는 공정도의 조작 2의 공정을 나타내고 있다.
도 4c는 본 발명의 제2 실시형태인 질소 가스 제조 방법을 나타내는 공정도의 조작 3의 공정을 나타내고 있다.
도 4d는 본 발명의 제2 실시형태인 질소 가스 제조 방법을 나타내는 공정도의 조작 4의 공정을 나타내고 있다.
도 5a는 부 흡착 탱크의 유무에 의한 수율과 제품 가스 중의 산소 농도의 관계에 대해 나타낸 그래프이다.
도 5b는 부 흡착 탱크의 유무에 의한 능력과 제품 가스 중의 산소 농도와의 관계에 대해 나타낸 그래프이다.
도 6a는 부 흡착 탱크에 충전하는 흡착 속도가 상이한 각 흡착제에 대한 수율과 제품 가스 중의 산소 농도의 관계에 대해 나타낸 그래프이다.
도 6b는 부 흡착 탱크에 충전하는 흡착 속도가 상이한 각 흡착제에 대한 능력과 제품 가스 중의 산소 농도와의 관계에 대해 나타낸 그래프이다.
도 7은 용적이 상이한 각 부 흡착 탱크에 대한 수율 및 능력의 관계에 대해 나타낸 그래프이다.
도 8은 흡착제의 흡착 속도에 대해 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 종래의 질소 가스 제조 장치의 개략을 나타내는 계통도이다.
이하, 본 발명을 적용한 질소 가스 제조 장치 및 질소 가스 제조 방법에 대해, 도면을 사용하여 상세하게 설명한다.
(제1 실시형태)
이하, 본 발명의 제1 실시형태에 대해 설명한다.
＜질소 가스 제조 장치＞
본 발명의 질소 가스 제조 장치(1)는 PSA 방식의 제조 장치로서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 압축기(2)와, 제1 주 흡착 탱크(4)와, 제2 주 흡착 탱크(5)와, 부 흡착 탱크(6)와, 제품 탱크(3)로 개략 구성되어 있다.
압축기(2)는 원료 가스(공기)를 압축하는 장치이며, 제1 주 흡착 탱크(4)와는 입구 밸브(41a)를 통해 배관(21, 22, 23)을 개재하고, 제2 주 흡착 탱크(5)와는 입구 밸브(41b)를 통해 배관(21, 22, 24)을 개재하여 접속되어 있다.
또한, 제1 주 흡착 탱크(4) 및 제2 주 흡착 탱크(5)에는 원료 가스 중의 질소보다 산소를 우선적으로 흡착하는 흡착제(9)(제1 흡착제)가 충전되어 있다. 이 흡착제(9)는 분자체 활성탄을 사용하는 것이 바람직하다.
분자체 활성탄은 평형 흡착량으로서 산소, 질소 모두 거의 동일한 양을 흡착하는 성질을 가지고 있지만, 질소에 비하여 분자 직경이 작은 산소를 보다 빠른 흡착 속도로 흡착한다. 사용하는 분자체 활성탄에 걸맞은 적절한 사이클 타임의 선정에 의해, 질소를 선택적으로 농축 분리할 수 있다.
일반적으로 흡착 속도가 빠른 흡착제는 짧은 사이클 조작이 적당하다는 점에서 질소 가스 생산성이 높다. 흡착 속도가 느린 흡착제는 산소와 질소의 흡착 속도차가 커지기 때문에 비교적 큰 분리비(질소 회수율)를 가지며, 질소 회수율을 향상시키는 것이 가능하다고 여겨진다.
즉, 질소 생산성과 분리비는 트레이드 오프의 관계이며, PSA 장치 메이커는 시판되고 있는 분자체 활성탄으로부터 각각의 판단에 의해 선정하고 있다.
제품 탱크(3)는 제1 주 흡착 탱크(4) 및 제2 주 흡착 탱크(5)로부터 도출되는 질소 가스를 저장하는 탱크이며, 제1 주 흡착 탱크(4)와는 출구 밸브(45a)를 통해 배관(25, 26, 27)을 개재하고, 제2 주 흡착 탱크(5)와는 출구 밸브(45b)를 통해 배관(28, 26, 27)을 개재하여 접속되어 있다.
제품 탱크(3) 내에 저장된 제품 가스인 질소 가스는 제품 가스 출구 밸브(14)가 설치된 배관(29)을 개재하여 도출되도록 구성되어 있다.
또한, 제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측 및 하류측은 각각 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측 및 하류측과 접속되어 있다.
제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측과 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측은 배관(23)과 배관(24)을 개재하여 접속되어 있지만, 배관(23)과 배관(24) 사이는 4개의 배관(22, 30, 31, 32)으로 접속되어 있다.
배관(22)에는 입구 밸브(41a, 41b)가 설치되어 있고, 이 입구 밸브(41a)와 입구 밸브(41b) 사이에 배관(21)이 접속되어 있다. 또한, 배관(30)에는 배기 밸브(42a, 42b)가 설치되어 있고, 이 배기 밸브(42a)와 배기 밸브(42b) 사이에는 외기와 통하는 배관(35)이 접속되어 있다.
배관(31)에는 부 흡착 탱크 입구 밸브(43a, 43b)가 설치되어 있고, 이 부 흡착 탱크 입구 밸브(43a)와 부 흡착 탱크 입구 밸브(43b) 사이에는 배관(36)이 접속되어 있다. 또한, 배관(32)에는 부 흡착 탱크 출구 밸브(44a, 44b)가 설치되어 있고, 이 부 흡착 탱크 출구 밸브(44a)와 부 흡착 탱크 출구 밸브(44b) 사이에는 배관(37)이 접속되어 있다.
배관(36)은 부 흡착 탱크(6)의 상류측과 접속되어 있고, 배관(37)은 부 흡착 탱크(6)의 하류측과 접속되어 있다. 부 흡착 탱크(6)에는 질소보다 산소를 우선적으로 흡착하는 흡착제(15)(제2 흡착제)가 충전되어 있다. 이 제2 흡착제의 산소 흡착 속도는 제1 흡착제의 속도보다 빠르다.
또한, 제1 주 흡착 탱크(4)의 하류측과 제2 주 흡착 탱크(5)의 하류측은 배관(25)과 배관(28)을 개재하여 접속되어 있고, 배관(25)과 배관(28) 사이는 2개의 배관(33, 34)으로 접속되어 있다. 배관(34)에는 균압 밸브(46)가, 배관(33)에는 재생용 가스의 유량을 조정하는 유량 조정 밸브(47)가 설치되어 있다.
배관(26)에는 출구 밸브(45a, 45b)가 설치되어 있고, 이 출구 밸브(45a)와 출구 밸브(45b) 사이에 배관(27)이 접속되어 있다.
＜질소 가스 제조 방법＞
다음으로, 본 실시 형태의 질소 가스 제조 방법에 대해 설명한다.
본 실시 형태의 질소 가스 제조 방법은 가압 흡착 공정과, 감압 균압 공정과, 감압 재생 공정과, 가압 균압 공정의 각 공정을 반복하는 방법으로 되어 있다.
제1 주 흡착 탱크(4) 및 제2 주 흡착 탱크(5) 중 일방이 가압 흡착 공정시에는 타방은 감압 재생 공정이 되고, 일방이 감압 균압 공정시에는 타방이 가압 균압 공정이 되는 관계로 되어 있다. 따라서, 제1 주 흡착 탱크(4)에서 가압 흡착 공정, 감압 균압 공정, 감압 재생 공정 및 가압 균압 공정이 이 순서대로 행해졌을 때는, 제2 주 흡착 탱크(5)에서는 감압 재생 공정, 가압 균압 공정, 가압 흡착 공정, 감압 균압 공정이 이 순서대로 행해지게 된다. 이하에서는, 제1 주 흡착 탱크(4)에 있어서의 공정을 중심으로 설명한다.
가압 흡착 공정에서는 압축기(2)에 의해 적당한 압력으로 가압한 원료 가스를 제1 주 흡착 탱크(4)에 도입하고, 제1 주 흡착 탱크(4) 내를 소정의 압력으로 하여 원료 가스 중의 흡착되기 쉬운 산소를 흡착제(9)에 우선적으로 흡착시키고, 흡착되기 어려운 질소를 제품 탱크(3)로 도출한다.
감압 균압 공정에서는 제1 주 흡착 탱크(4) 내에 잔류하는 가스를 제2 주 흡착 탱크(5)로 송기한다.
감압 재생 공정에서는 제1 주 흡착 탱크(4)를 대기에 해방시켜 압력을 저하시키고, 흡착제(9)에 흡착되어 있던 산소를 탈착시켜 흡착제(9)를 재생한다.
가압 균압 공정에서는, 제1 주 흡착 탱크(4)는 제2 주 흡착 탱크(5)로부터 가스를 받아 들인다.
다시 제1 주 흡착 탱크(4)는 가압 흡착 공정으로 이행하고, 이상의 공정을 반복함으로써 원료 가스로부터 질소 가스를 분리한다. 즉, 제1 주 흡착 탱크(4)와 제2 주 흡착 탱크(5)는 흡착과 재생을 교대로 반복함으로써 연속적으로 원료 가스로부터 질소 가스를 제조한다.
상기 질소 제조 장치(1)를 사용한 질소 가스의 제조 방법에 대해, 도 2 및 표 1을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 각각 조작 1, 조작 2, 조작 3 및 조작 4의 각 공정을 나타내는 도면으로, 도면 중의 화살표는 가스의 흐름을 나타내고, 도면 중의 굵은 선은 가스가 유통되고 있는 배관을 나타내고 있다. 또한, 표 1은 제1 주 흡착 탱크(4), 제2 주 흡착 탱크(5) 및 부 흡착 탱크(6)에 있어서의 각 공정의 관계를 나타내고 있다.
Figure 112014042618055-pct00001
도 2a에 나타내는 조작 1에서는, 제1 주 흡착 탱크(4)에서는 가압 흡착 공정이 행해지고, 제2 주 흡착 탱크(5)에서는 감압 재생 공정이 행해지며, 부 흡착 탱크(6)에서는 감압 재생 공정이 행해진다.
조작 1에서는 입구 밸브(41a)와, 출구 밸브(45a)와, 배기 밸브(42b)와, 부 흡착 탱크 입구 밸브(43b)가 열리고, 유량 조정 밸브(47)에서는 제1 주 흡착 탱크(4)의 하류측으로부터 제2 주 흡착 탱크(5)의 하류측으로 유출되는 가스의 유량이 적절하게 제어되고 있으며, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
이 조작 1에서는 입구 밸브(41a)가 열려 있기 때문에, 압축기(2)에 의해 압축된 원료 가스가 배관(21, 22, 23)을 개재하여 제1 주 흡착 탱크(4)에 도입되고, 제1 주 흡착 탱크(4) 내가 가압된다.
제1 주 흡착 탱크(4) 내에 있어서, 원료 가스 중의 흡착되기 쉬운 산소가 흡착제(9)에 우선적으로 흡착되고, 흡착되기 어려운 질소가 제1 주 흡착 탱크(4)로부터 도출된다.
출구 밸브(45a)가 열려 있기 때문에, 제1 주 흡착 탱크(4)로부터 도출된 질소 가스는 배관(25, 26, 27)을 개재하여 제품 탱크(3)에 도입된다.
한편, 제2 주 흡착 탱크(5)에 있어서는, 배기 밸브(42b)가 열려 있기 때문에, 제2 주 흡착 탱크(5) 내의 가스는 배관(24, 30, 35)을 개재하여 대기로 방출되므로, 제2 주 흡착 탱크(5) 내의 압력은 저하(감압)된다.
또한, 제1 주 흡착 탱크(4)로부터 도출되는 질소 가스의 일부가, 배관(33)을 통해 유량 조정 밸브(47)에 의해서 원하는 유량이 되어 제2 주 흡착 탱크(5)에 도입되고, 이 질소 가스에 의해 제2 주 흡착 탱크(5)의 흡착제(9)로부터 탈착된 산소가 세정되어 흡착제(9)의 재생이 촉진된다(퍼지 재생).
이 때, 부 흡착 탱크 입구 밸브(43b)가 열려 있기 때문에, 부 흡착 탱크(6) 내의 가스는 배관(36, 31, 30, 35)을 개재하여 대기로 방출되므로, 부 흡착 탱크(6) 내의 압력이 저하되고(감압되고), 흡착제(15)의 재생이 행해진다.
다음으로, 도 2b에 나타내는 조작 2에서는 제1 주 흡착 탱크(4)에서는 감압 균압 공정이 행해지고, 제2 주 흡착 탱크(5)에서는 가압 균압 공정이 행해지며, 부 흡착 탱크(6)에서는 가압 흡착 공정이 행해진다.
이 조작 2에서는 가압 흡착 공정이 종료한 후 탱크 내의 압력이 상대적으로 높은 제1 주 흡착 탱크(4) 내의 가스가, 감압 재생 공정이 종료한 후 탱크 내 압력이 상대적으로 낮은 제2 주 흡착 탱크(5)에 회수되어, 결과적으로 제1 주 흡착 탱크(4)는 감압되고, 제2 주 흡착 탱크(5)와 부 흡착 탱크(6)는 가압된다.
조작 2에서는 부 흡착 탱크 입구 밸브(43a)와, 부 흡착 탱크 출구 밸브(44b)와, 균압 밸브(46)가 열려 있고, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
제1 주 흡착 탱크(4) 내의 가스는 제1 주 흡착 탱크(4)의 하류측으로부터 배관(25, 34, 28)을 개재하여 제2 주 흡착 탱크의 하류측에 도입된다.
유량 조정 밸브(47)에서는 유량이 조정되므로, 제1 주 흡착 탱크(4)로부터 도출된 가스의 대부분은 배관(33)을 통과하지 않고, 배관(34)을 통과하여 제2 주 흡착 탱크(5)에 도입되게 된다.
부 흡착 탱크 입구 밸브(43a)와 부 흡착 탱크 출구 밸브(44b)가 열려 있기 때문에, 제1 주 흡착 탱크(4) 내의 가스는 제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측으로부터 배관(23, 31, 36), 부 흡착 탱크(6), 배관(37, 32, 24)을 개재하여 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측에 도입된다.
PSA법에 의한 질소 분리에 있어서, 가압 흡착 공정 종료시에는 흡착 탱크의 제품 가스 출구 부근에 존재하는 가스는 제품 품위로서 하한에 가까운 값으로 되어 있다. 한편, 원료 가스 입구 부근에 존재하는 가스는 거의 공기 조성으로 되어 있다. 흡착 탱크 내에 분포하는 질소의 농도는 제품 가스 출구로부터 원료 가스 입구를 향해 농도 분포를 형성하고 있다.
제1 주 흡착 탱크(4)의 하류측으로부터 도출되는 가스는 제1 주 흡착 탱크(4) 내의 흡착제(9)에 의해 산소가 흡착된 후의 가스이기 때문에, 제품 품위에는 미치지 못하나 비교적 순도가 높은 질소 가스로 되어 있다. 그러나, 제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측으로부터 도출되는 가스는 아직 충분히 흡착제(9)에 의해 산소가 저감되어 있지 않은 가스이기 때문에, 공기에 가까운 질소 농도의 가스라고 생각할 수 있다.
이 제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측으로부터 도출되는 상대적으로 낮은 질소 농도의 가스를 부 흡착 탱크(6)의 상류측에 도입하면, 부 흡착 탱크(6) 내는 가압되고, 부 흡착 탱크(6) 내에 충전된 흡착제(15)(산소 제거 수단)에 의해 저순도의 질소 가스 중의 산소가 흡착되어 산소 농도가 저감된다.
이 결과, 부 흡착 탱크(6)의 하류측으로부터 도출되고 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측에 도입되는 가스(회수 가스)는 순도가 높은 질소 가스가 되어, 제2 주 흡착 탱크(5)가 저순도의 질소 가스에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다.
부 흡착 탱크(6)에 흘리는 가스 속도(유량)에 대해서는 오리피스 등에 의한 조정에 의해 최적 조정이 가능하다.
부 흡착 탱크(6)가 커지는 것은 설비 비용의 상승을 부른다는 점이나, 부 흡착 탱크(6)가 유지하는 가스량이 커진다는 점에 의해, 각 주 흡착 탱크(4, 5)로 회수하는 가스량의 저하 등의 악영향도 있기 때문에, 이들의 균형을 고려하여 부 흡착 탱크(6)의 사이즈를 선정하면 된다.
또한, 부 흡착 탱크(6) 내를 흐르는 가스는 각 주 흡착 탱크(4, 5)를 흐르는 원료 가스보다 유속이 빠르고, 흡착제(15)와 접촉하는 시간이 짧다. 즉, 부 흡착 탱크(6)에 충전된 흡착제(15)는 주 흡착 탱크(4, 5)에서의 흡착 조작과는 상이하게, 균압 시간 내의 단시간이면서 고유속에서의 조작이 된다.
따라서, 부 흡착 탱크(6)에 충전되는 흡착제(15)는 각 주 흡착 탱크(4, 5)에 충전한 흡착제(9)보다 산소의 흡착 속도가 빠른 것이 바람직하다.
이러한 흡착제(15)에는, 예를 들면 이하와 같은 방법에 의해 산소의 흡착 속도를 조정한 것을 사용하면 된다.
일반적으로, 분자체 활성탄은 다공성 탄소재를 400∼900℃로 가열하면서 벤젠·톨루엔 등의 탄화수소를 포함하는 불활성 가스와 수 분∼수십 분간 접촉시키고, 탄화수소의 열분해 탄소를 다공성 탄소재의 세공 입구에 침착시켜 제조하고 있다.
따라서, 탄소 침착 정도를 가감함으로써 흡착 속도가 빠른 흡착제, 느린 흡착제를 구분하여 만드는 것이 가능하다. 이러한 수단으로 조정된 분자체 활성탄을 입수하여 그 흡착 속도 측정을 행함으로써, 주 흡착 탱크에 충전하는 흡착제보다 빠른 흡착 속도의 흡착제를 선정할 수 있다.
또한, 흡착제의 입자 직경을 작게 하는 것으로도 흡착 속도를 빠르게 만드는 것이 가능하다.
즉, 산소의 흡착 속도가 빠른 흡착제로는, 펠릿 직경을 작게 조립한 흡착제나 세공 직경을 크게 조정한 것 등을 이용하면 된다.
다음으로, 도 2c에 나타내는 조작 3에 대해 설명한다. 조작 3에서는 조작 1의 제1 주 흡착 탱크(4)와 제2 주 흡착 탱크(5)의 역할이 바뀌어 있어, 제1 주 흡착 탱크(4)에서는 감압 재생 공정이 행해지고, 제2 주 흡착 탱크(5)에서는 가압 흡착 공정이 행해지며, 부 흡착 탱크(6)에서는 감압 재생 공정이 행해진다.
조작 3에서는 입구 밸브(41b)와, 출구 밸브(45b)와, 배기 밸브(42a)와, 부 흡착 탱크 입구 밸브(43a)가 열려 있고, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
이 조작 3에서는 입구 밸브(41b)가 열려 있기 때문에, 압축기(2)에 의해 압축된 원료 가스가 배관(21, 22, 24)을 개재하여 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측에 도입되어, 제2 주 흡착 탱크(5) 내가 가압된다. 제2 주 흡착 탱크(5) 내에 있어서, 원료 가스 중의 흡착되기 쉬운 산소가 흡착제(9)에 우선적으로 흡착되고, 흡착되기 어려운 질소가 제2 주 흡착 탱크(5)의 하류측으로부터 도출된다.
출구 밸브(45b)가 열려 있기 때문에, 제2 주 흡착 탱크(5)로부터 도출된 질소 가스는 배관(28, 26, 27)을 개재하여 제품 탱크(3)에 도입된다.
또한, 배기 밸브(42a)가 열려 있기 때문에, 제1 주 흡착 탱크(4) 내의 가스는 배관(23, 30, 35)을 개재하여 대기로 방출되므로, 제1 주 흡착 탱크(4) 내의 압력은 저하(감압)된다.
또한, 제2 주 흡착 탱크(5)의 하류측으로부터 도출되는 질소 가스의 일부가, 배관(28, 33, 25)을 통해 유량 조정 밸브(47)에 의해서 원하는 유량이 되어 제1 주 흡착 탱크(4)에 도입된다. 이 질소 가스에 의해, 제1 주 흡착 탱크(4)의 흡착제(9)로부터 탈착된 산소가 세정되어 흡착제(9)의 재생이 촉진된다(퍼지 재생).
또한, 부 흡착 탱크 입구 밸브(43a)가 열려 있기 때문에, 부 흡착 탱크(6) 내의 가스는 배관(36, 31, 30, 35)을 개재하여 대기로 방출되므로, 부 흡착 탱크(6) 내의 압력이 저하되고(감압되고), 흡착제(15)의 재생이 행해진다.
다음으로, 도 2d에 나타내는 조작 4에 대해 설명한다. 조작 4에서는 조작 2의 제1 주 흡착 탱크(4)와 제2 주 흡착 탱크(5)의 역할이 바뀌어 있어, 제1 주 흡착 탱크(4)에서는 가압 균압 공정이 행해지고, 제2 주 흡착 탱크(5)에서는 감압 균압 공정이 행해지며, 부 흡착 탱크(6)에서는 가압 흡착 공정이 행해진다.
이 조작 4에서는 가압 흡착 공정이 종료한 후 탱크 내 압력이 상대적으로 높은 제2 주 흡착 탱크(5) 내의 가스가, 감압 재생 공정이 종료한 후 탱크 내 압력이 상대적으로 낮은 제1 주 흡착 탱크(4)에 회수되어, 결과적으로 제2 주 흡착 탱크(5)는 감압되고, 제1 주 흡착 탱크(4)와 부 흡착 탱크(6)는 가압된다.
조작 4에서는 부 흡착 탱크 입구 밸브(43b)와, 부 흡착 탱크 출구 밸브(44a)와, 균압 밸브(46)가 열려 있고, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
균압 밸브(46)가 열려 있기 때문에, 제2 주 흡착 탱크(5) 내의 가스는 제2 주 흡착 탱크(5)의 하류측으로부터 배관(28, 34, 25)을 개재하여 제1 주 흡착 탱크(4)의 하류측에 도입된다.
유량 조정 밸브(47)에서는 유량이 조정되므로, 제1 주 흡착 탱크(4)에 도입되는 가스의 대부분은 배관(33)을 통과하지 않고, 배관(34)을 통과하게 된다.
또한, 부 흡착 탱크 입구 밸브(43b)와 부 흡착 탱크 출구 밸브(44a)가 열려 있기 때문에, 제2 주 흡착 탱크(5) 내의 가스는 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측으로부터 배관(24, 31, 36), 부 흡착 탱크(6), 배관(37, 32, 23)을 개재하여 제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측에 도입된다.
조작 2와 동일하게, 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측으로부터 도출되는 회수 가스는 부 흡착 탱크(6)의 상류측에 도입됨으로써, 부 흡착 탱크(6) 내는 가압되고, 부 흡착 탱크(6) 내에 충전된 흡착제(15)에 의해 저순도의 질소 가스 중의 산소가 흡착되어 저감된다.
이 결과, 부 흡착 탱크(6)의 하류측으로부터 도출되고 제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측에 도입되는 회수 가스는 순도가 높은 질소 가스가 되어, 제1 주 흡착 탱크(4)가 저순도의 질소 가스에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다.
이상과 같은 조작 1 내지 조작 4를 반복함으로써, 각 주 흡착 탱크(4, 5)에 대해서는, 가압 흡착 공정, 감압 균압 공정, 감압 재생 공정, 가압 균압 공정의 각 공정을 반복하게 되어, 원료 가스로부터 질소 가스를 분리하여 효율적으로 제품 질소 가스를 얻을 수 있다.
상기 실시형태에서는 출구 밸브(45a, 45b)를 개폐 밸브로 하는 경우에 대해 설명하였으나, 역류 방지 밸브로 해도 되고, 부 흡착 탱크 출구 밸브(44a, 44b)를 역류 방지 밸브로 해도 된다. 또한, 유량 조정 밸브(47)를 대신하여 오리피스나, 배관 직경을 작게 하는 것을 통한 유량 조정법을 이용해도 상관없다.
본 실시형태의 질소 가스 제조 장치(1) 및 질소 가스 제조 방법에 의하면, 제1 주 흡착 탱크(4) 및 제2 주 흡착 탱크(5)에 충전하는 흡착제를 감량시킬 수 있어, 장치의 소형화가 가능해진다. 또한, 질소 가스의 회수율을 향상시킬 수 있어, 그 결과 질소 가스 제조 장치의 저전력화도 가능해진다.
즉, 종래의 질소 가스 제조 장치는 가압 균압 공정에 있어서, 일방의 흡착 탱크의 상류측에 타방의 흡착 탱크의 상류측으로부터 도출된 회수 가스가 그대로 도입되고 있었다.
그러나, 가압 흡착 공정으로부터 감압 균압 공정으로 전환된 시점의, 흡착 탱크의 상류측으로부터 도출되는 질소 가스에는 불순물인 산소가 많이 포함된다는 것을 본원 발명자들은 알아내었다.
거기서 본 실시형태에서는, 가압 균압 공정에 있어서, 일방의 주 흡착 탱크의 상류측으로부터 도출되는 산소가 비교적 많이 포함되는 질소 가스를 부 흡착 탱크(6)에 도입하고, 부 흡착 탱크(6)에 충전된 흡착제에 의해 산소를 흡착하여 저감시킨 후에, 타방의 주 흡착 탱크의 상류측에 도입하도록 하였다.
이로 인해, 가압 균압 공정에 있어서 타방의 주 흡착 탱크가 오염되는 것을 방지할 수 있고, 그 결과 질소 회수율이 향상됨과 함께 질소 발생 능력이 향상되어, 각 주 흡착 탱크에 충전하는 흡착제량을 저감시키는 것이 가능해졌다.
일반적으로, 질소 가스 생산성(발생하는 질소량을 PSA 장치에 사용되는 흡착제의 양으로 나눈 값=능력) 및 질소 회수율이 PSA 장치의 성능을 평가하기 위한 기준이 된다.
따라서, 본 실시형태에 의하면, 주 흡착 탱크에 충전하는 흡착제의 양을 줄일 수 있기 때문에 질소 가스 생산성이 우수하다고 할 수 있으며, 또한 질소 회수율도 향상되어 있기 때문에 질소 가스 제조 장치로서 우수한 장치라고 할 수 있다.
또한, 질소 회수율이 높다고 하는 것은 동일한 원료 가스량이어도 보다 많은 질소를 분리하여 제품으로 할 수 있다. 반대로, 동일한 제품 가스량으로 했을 경우에는, 원료 가스를 줄일 수 있어 공기 압축기 동력의 저전력을 달성할 수 있다.
본 실시형태의 부 흡착 탱크(6)에 충전하는 흡착제(15)는 각 주 흡착 탱크(4, 5)에 충전한 흡착제(9)보다 산소의 흡착 속도가 빠른 것이 바람직하다. 이러한 흡착제(15)를 사용함으로써, 부 흡착 탱크(6)를 설치하여 회수 가스로부터 산소를 제거하는 효과가 가장 바람직하게 발휘된다.
무엇보다, 각 주 흡착 탱크(4, 5)에 충전한 흡착제(9)와 동일 특성의 흡착제를 사용해도, 부 흡착 탱크(6)를 설치하지 않는 경우와 비교하면 충분히 효과는 있다.
(제2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 대해 설명하지만, 제1 실시형태와의 차이점을 중심으로 설명하고, 동일한 사항에 대해서는 그 설명을 생략한다.
＜질소 가스 제조 장치＞
본 발명의 제2 실시형태의 질소 가스 제조 장치(1)는 PSA 방식의 제조 장치로서, 도 3에 나타내는 바와 같이, 압축기(2)와, 제1 주 흡착 탱크(4)와, 제2 주 흡착 탱크(5)와, 부 흡착 탱크(6)와, 제품 탱크(3)로 개략 구성되어 있다.
제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측과 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측은 배관(23)과 배관(24)을 개재하여 접속되어 있지만, 배관(23)과 배관(24) 사이는 3개의 배관, 즉, 배관(22), 배관(30) 및 배관(31, 36, 37, 32)으로 접속되어 있다.
배관(31)에는 부 흡착 탱크 출입구 밸브(50a)가 설치되어 있고, 이 부 흡착 탱크 출입구 밸브(50a)와 부 흡착 탱크 사이에는 배관(36)이 접속되어 있다. 또한, 배관(32)에는 부 흡착 탱크 출입구 밸브(50b)가 설치되어 있고, 이 부 흡착 탱크 출입구 밸브(50b)와 부 흡착 탱크 사이에는 배관(37)이 접속되어 있다.
부 흡착 탱크(6)에는 질소보다 산소를 흡착하는 흡착제(15)(제2 흡착제)가 충전되어 있다. 이 제2 흡착제는 각 주 흡착 탱크(4, 5)에 충전되어 있는 제1 흡착제보다 산소의 흡착 속도가 빠른 것이다.
＜질소 가스 제조 방법＞
다음으로, 제2 실시형태의 질소 가스 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, 제2 실시형태의 질소 가스 제조 방법은 가압 흡착 공정과, 감압 균압 공정과, 감압 재생 공정과, 가압 균압 공정의 각 공정을 반복하는 방법으로 되어 있다.
상기 질소 제조 장치(1)를 사용한 질소 가스의 제조 방법에 대해, 도 4 및 상기 표 1을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 각각 조작 1, 조작 2, 조작 3 및 조작 4의 각 공정을 나타내는 도면으로, 도면 중의 화살표는 가스의 흐름을 나타내고, 도면 중의 굵은 선은 가스가 유통되고 있는 배관을 나타내고 있다.
도 4a에 나타내는 조작 1에서는, 제1 주 흡착 탱크(4)에서는 가압 흡착 공정이 행해지고, 제2 주 흡착 탱크(5)에서는 감압 재생 공정이 행해지며, 부 흡착 탱크(6)에서는 감압 재생 공정이 행해진다.
조작 1에서는 입구 밸브(41a)와, 출구 밸브(45a)와, 배기 밸브(42b)와, 부 흡착 탱크 출입구 밸브(50b)가 열리고, 유량 조정 밸브(47)에서는 제1 주 흡착 탱크(4)의 하류측으로부터 제2 주 흡착 탱크(5)의 하류측으로 유출되는 가스의 유량이 적절하게 제어되고 있으며, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
부 흡착 탱크 출입구 밸브(50b)가 열려 있기 때문에, 부 흡착 탱크(6) 내의 가스는 배관(37, 32, 30, 35)을 개재하여 대기로 방출되므로, 부 흡착 탱크(6) 내의 압력이 저하되고(감압되고), 흡착제(15)의 재생이 행해진다.
다음으로, 도 4b에 나타내는 조작 2에서는 제1 주 흡착 탱크(4)에서는 감압 균압 공정이 행해지고, 제2 주 흡착 탱크(5)에서는 가압 균압 공정이 행해지며, 부 흡착 탱크(6)에서는 가압 흡착 공정이 행해진다.
이 조작 2에서는 가압 흡착 공정이 종료한 후 탱크 내의 압력이 상대적으로 높은 제1 주 흡착 탱크(4) 내의 가스가, 감압 재생 공정이 종료한 후 탱크 내 압력이 상대적으로 낮은 제2 주 흡착 탱크(5)에 회수되어, 결과적으로 제1 주 흡착 탱크(4)는 감압되고, 제2 주 흡착 탱크(5)와 부 흡착 탱크(6)는 가압된다.
다음으로, 도 4c에 나타내는 조작 3에 대해 설명한다. 조작 3에서는 조작 1의 제1 주 흡착 탱크(4)와 제2 주 흡착 탱크(5)의 역할이 바뀌어 있어, 제1 주 흡착 탱크(4)에서는 감압 재생 공정이 행해지고, 제2 주 흡착 탱크(5)에서는 가압 흡착 공정이 행해지며, 부 흡착 탱크(6)에서는 감압 재생 공정이 행해진다.
조작 3에서는 입구 밸브(41b)와, 출구 밸브(45b)와, 배기 밸브(42a)와, 부 흡착 탱크 출입구 밸브(50a)가 열려 있고, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
다음으로, 도 4d에 나타내는 조작 4에 대해 설명한다. 조작 4에서는 조작 2의 제1 주 흡착 탱크(4)와 제2 주 흡착 탱크(5)의 역할이 바뀌어 있어, 제1 주 흡착 탱크(4)에서는 가압 균압 공정이 행해지고, 제2 주 흡착 탱크(5)에서는 감압 균압 공정이 행해지며, 부 흡착 탱크(6)에서는 가압 흡착 공정이 행해진다.
이 조작 4에서는 가압 흡착 공정이 종료한 후 탱크 내 압력이 상대적으로 높은 제2 주 흡착 탱크(5) 내의 가스가, 감압 재생 공정이 종료한 후 탱크 내 압력이 상대적으로 낮은 제1 주 흡착 탱크(4)에 회수되어, 결과적으로 제2 주 흡착 탱크(5)는 감압되고, 제1 주 흡착 탱크(4)와 부 흡착 탱크(6)는 가압된다.
조작 4에서는 부 흡착 탱크 출입구 밸브(50a, 50b)와 균압 밸브(46)가 열려 있고, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
균압 밸브(46)가 열려 있기 때문에, 제2 주 흡착 탱크(5) 내의 가스는 제2 주 흡착 탱크(5)의 하류측으로부터 배관(28, 34, 25)을 개재하여 제1 주 흡착 탱크(4)의 하류측에 도입된다.
유량 조정 밸브(47)에서는 유량이 조정되므로, 제1 주 흡착 탱크(4)에 도입되는 가스의 대부분은 배관(33)을 통과하지 않고, 배관(34)을 통과하게 된다.
또한, 부 흡착 탱크 출입구 밸브(50a, 50b)가 열려 있기 때문에, 제2 주 흡착 탱크(5) 내의 가스는 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측으로부터 배관(24, 32), 부 흡착 탱크(6), 배관(36, 31, 23)을 개재하여 제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측에 도입된다.
조작 2와 동일하게, 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류측으로부터 도출되는 회수 가스는 부 흡착 탱크(6)에 도입됨으로써, 부 흡착 탱크(6) 내는 가압되고, 부 흡착 탱크(6) 내에 충전된 흡착제(15)에 의해 저순도의 질소 가스 중의 산소가 흡착되어 저감된다.
이 결과, 부 흡착 탱크(6)로부터 도출되어 제1 주 흡착 탱크(4)의 상류측에 도입되는 회수 가스는 순도가 높은 질소 가스가 되어, 제1 주 흡착 탱크(4)가 저순도의 질소 가스에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다.
상기 실시형태에서는 유량 조정 밸브(47)를 대신하여 오리피스나, 배관 직경을 작게 하는 것을 통한 유량 조정법을 이용해도 상관없다.
이상으로 본 발명을 실시형태에 기초하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않으며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 제1 주 흡착 탱크(4)와 제2 주 흡착 탱크(5)가 상류측에서 접속됨으로써 균압 공정이 행해지는 경우에 대해 설명했지만, 이러한 경우로 한정되지 않는다. 제1 주 흡착 탱크(4)의 중간부(상류측과 하류측 사이의 중간적인 위치)와 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류부를 배관으로 접속함으로써, 제1 주 흡착 탱크(4)와 제2 주 흡착 탱크를 접속하는 라인을 형성하여 균압 공정을 행하는 경우에 있어서도, 부 흡착 탱크를 설치하는 효과는 발휘된다.
제1 주 흡착 탱크(4)의 중간부와 제2 주 흡착 탱크(5)의 상류부를 접속하는 라인에 부 흡착 탱크(6)를 설치해도 상관없다.
또한, 제1 주 흡착 탱크(4)의 하류측과 제2 주 흡착 탱크(5)의 하류측을 접속하는 라인에 부 흡착 탱크(6)를 설치해도 된다. 무엇보다, 각 주 흡착 탱크(4, 5)의 하류측으로부터 도출되는 질소 가스는 비교적 고순도이기 때문에, 이 가스를 부 흡착 탱크(6)에 도입하여 산소를 흡착시킨다 해도 그다지 효과는 얻을 수 없다. 부 흡착 탱크(6)를 사용하지 않았던 경우보다는 다소 우위성이 있으나, 수율비에 있어 0.5％ 증가하는 정도이다.
부 흡착 탱크의 재생에 대해서도, 여기서 서술한 라인을 사용하는 것으로 한정되지 않는다. 주 흡착 탱크의 재생 가스가 부 흡착 탱크를 흐르는 라인 구성도 가능하며, 이 경우에 있어서도 부 흡착 탱크의 효과를 저해시키지 않는다.
또한, 상기 실시형태에서는 주 흡착 탱크의 수가 2개인 경우에 대해 설명했지만, 흡착 탱크의 수를 한정하는 것은 아니다. 1 탱크식이어도 균압 탱크를 설치하는 경우에는, 흡착 탱크와 균압 탱크의 접속 라인에 부 흡착 탱크를 설치할 수 있다.
또한, 원료 가스(공기)로부터 질소 가스를 제조하는 경우에 대해 설명했지만, 반드시 원료 가스 및 제조 가스의 조합은 이로 한정되지 않으며, 흡착제를 사용하여 원료 가스로부터 이흡착 성분과 난흡착 성분을 회수하는 가스 분리 방법에 널리 적용시킬 수 있다.
본 발명을 실시예를 통해 설명한다. 다만, 본 발명은 이하의 실시예에 의해 전혀 한정되지 않는다.
실시예 1
실시예 1에서는 부 흡착 탱크의 유무에 의한 성능차에 대해 조사하였다. 구체적으로는, 도 1에 나타낸 본 발명의 질소 가스 제조 장치를 사용했을 경우와, 도 9에 나타낸 일반적인 질소 가스 제조 장치를 사용했을 경우의 수율(질소 가스 회수율) 및 능력(질소 가스 생산성)에 대해 조사하였다.
본 실시예에 있어서의 부 흡착 탱크는 주 흡착 탱크의 1/10의 용적인 것을 사용하고, 흡착제는 후술하는 실험예에서 나타낸 흡착제 A를 충전하였다.
각 공정의 조작 조건은 흡착 공정에서의 최고 압력을 약 0.7MPaG, 가압 흡착 공정 시간(감압 재생 공정 시간)을 56초, 균압 공정 시간을 4초로 하였다.
일반적인 질소 가스 제조 장치에서는, 균압 공정에 있어서 감압측과 가압측이 거의 동압이 되었다.
부 흡착 탱크를 설치한 본 발명의 질소 가스 제조 장치에서는, 부 흡착 탱크의 압력은 균압 공정 개시와 함께 신속하게 약 0.5MPaG까지 상승한 후, 감압 균압 공정에 있는 흡착 탱크의 압력과 거의 동일한 값을 나타내면서 저하하여 균압 공정을 종료하였다. 균압 공정 종료시에는 양 탱크에서 0.02 에서 0.04MPa 정도의 압력차가 관찰되었다.
또한, 일방의 주 흡착 탱크가 감압 재생 공정에 들어가면, 부 흡착 탱크의 압력은 주 흡착 탱크의 압력과 함께 신속하게 대기압까지 저하하였다.
수율은 제품 질소 가스 유량/원료 공기 유량으로 구하고, 능력은 제품 질소 가스 유량/주 흡착 탱크 충전 흡착제 총량(2개의 주 흡착 탱크에 충전되는 흡착제의 총량으로, 부 흡착 탱크에 충전되는 흡착제를 포함하지 않는다)으로 구하였다. 결과를 도 5a 및 도 5b에 나타낸다.
모두 세로축은 부 흡착 탱크가 없는 경우에 있어서의 제품 가스 중 산소 농도 100ppm(volume)에서의 수율 또는 능력을 1로 하였을 때의 상대값으로 나타내었다.
도 5a 및 도 5b에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 제품 가스 중 산소 농도가 100ppm(volume)일 때는, 부 흡착 탱크가 있는 경우는 없는 경우에 비해 수율이 약 9.0％ 개선되어 있다. 또한, 부 흡착 탱크가 있는 경우는 없는 경우에 비해 능력이 약 8.0％ 개선되어 있다.
실시예 2
실시예 2에서는 부 흡착 탱크에 충전하는 흡착제에 대해, 흡착 속도가 상이한 분자체 활성탄을 사용했을 경우에 대해 조사하였다. 구체적으로는, 주 흡착 탱크에 사용한 흡착제와 비교하여, 동일 특성의 흡착제, 흡착 속도가 빠른 것, 혹은 흡착 속도가 느린 것을 사용한 각각의 경우에 대해서, 주 흡착 탱크의 1/10의 용적인 부 흡착 탱크를 사용하여 수율 및 능력을 조사하였다. 결과를 도 6a 및 도 6b에 나타낸다. 여기서, 흡착 속도가 빠른 흡착제, 동일 특성의 흡착제, 흡착 속도가 느린 흡착제는, 각각 후술하는 실험예에서 나타낸 흡착제 A, 흡착제 B, 흡착제 C에 상당한다.
도 6a 및 도 6b에 있어서는, 비교를 위해 부 흡착 탱크를 사용하지 않는 경우에 대해서도 기재되어 있다.
도 6a 및 도 6b에 나타내는 바와 같이, 수율 및 능력을 비교한 그래프에 있어서, 예를 들면 제품 가스 중의 산소 농도 100ppm(volume)일 때에서 비교하면, 주 흡착 탱크보다 흡착 속도가 느린 흡착제를 사용했을 경우에도, 부 흡착 탱크를 설치하지 않은 경우와 비교하여 실험값은 상방향에 있다. 이 경향은 흡착 속도가 빨라짐에 따라 보다 명확해진다.
실시예 3
실시예 3에서는 부 흡착 탱크의 용적에 대한 성능에 대해 조사하였다. 구체적으로는, 부 흡착 탱크의 용적을 주 흡착 탱크의 용적의 1/5, 1/7, 1/10, 1/20, 1/40으로 했을 경우에 대해, 수율 및 능력을 조사하였다. 부 흡착 탱크에 충전한 흡착제는 후술하는 실험예에서 나타낸 흡착제 A이다. 결과를 도 7에 나타낸다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 어느 용적의 부 흡착 탱크여도, 부 흡착 탱크가 없는 경우와 비교하여 성능이 높아지는 것을 알 수 있었다.
적어도, 부 흡착 탱크의 용적이 주 흡착 탱크의 용적의 40분의 1 이상 5분의 1 이하인 경우에는, 부 흡착 탱크가 없는 경우보다 성능이 높아지며 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 도 7은 제품 가스 중의 질소 농도가 99.99％(volume)인 경우에 있어서의 성능을 나타낸 것이지만, 질소 농도가 99％(volume)∼99.999％(volume)인 범위에 있어서, 부 흡착 탱크를 설치하면 동일하게 성능이 높아지는 결과가 얻어졌다.
부 흡착 탱크가 커지면 설비비의 상승을 초래하며, 또한 부 흡착 탱크가 유지하는 가스량이 커지는 것에 의해 주 흡착 탱크로 회수하는 가스량의 저하 등 악영향도 있기 때문에, 이들의 균형을 고려하여 부 흡착 탱크의 사이즈를 선정하면 된다.
(실험예)
실험예에서는 흡착제의 흡착 속도에 대해서, 정용식 흡착 속도 측정 장치(일본 벨사 제조 벨소프)를 이용하여 조사하였다. 구체적으로는, 산소 가스, 질소 가스를 각각 흡착제에 접촉시키고, 시간 경과에 대한 압력 저하를 측정하였다.
결과를 도 8에 나타낸다. 도 8에 있어서, 가로축은 흡착 시간을 나타내고, 세로축은 초기압(P0)과 평형압(PE)의 차이에 대한 임의 시간의 압력(P)과 평형압(PE)의 차이를 상대화한 (P－PE)/(P0－PE)를 나타낸다.
(P－PE)/(P0－PE)=1과 곡선과의 차이가 각 흡착제의 흡착량에 대응한다. 즉, 흡착제가 가스와 접촉한 시점(t=0)에서는, 압력(P)은 초기압(P0)과 동일하고, (P－PE)/(P0－PE)=1이 된다. 시간의 경과와 함께 흡착량이 증가하고, 각 흡착제의 (P－PE)/(P0－PE)의 값이 서서히 감소하여 압력(P)이 평형압(PE)과 동일해진 시점이 흡착 포화 상태이며, (P－PE)/(P0－PE)=0이 된다.
도 8에 있어서, 좌측에 있는 곡선일수록 짧은 시간에 압력이 저하된다는 점에서, 흡착하는 속도가 빠르다는 것을 나타낸다. 일반적으로, 산소의 흡착 속도와 질소의 흡착 속도는 쌍을 이루는 흡착 특성을 나타낸다. 즉, 산소의 흡착 속도가 빠른 흡착제는, 상대적으로 질소의 흡착 속도도 빠르다. 따라서, 도 8에 의하면, 흡착제 A가 가장 흡착 속도가 빠른 흡착제이며, 이어서 흡착제 B, 흡착제 C의 순서가 된다.
흡착제 A에 대해서, 실시예 1에 기재한 가압 균압 공정 종료(가압 균압 공정 개시로부터 4초 후) 시점에서의 흡착량을 도 8에서 보면, 산소의 흡착량은 평형 흡착량의 80％강에 이르러 있지만, 질소의 흡착량은 10％강에 머무르고 있다.
한편, 가장 흡착 속도가 느린 흡착제 C에 대해 도 8을 보면, t=4초에 있어서의 산소의 흡착량은 평형 흡착량의 20％강이지만, 질소의 흡착량은 거의 0이다.
실시예 2에 있어서의 주 흡착 탱크에 충전된 흡착제보다 흡착 속도가 빠른 흡착제, 동일 특성의 흡착제 및 흡착 속도가 느린 흡착제란, 각각 본 실험예에 있어서의 흡착제 A, 흡착제 B 및 흡착제 C이다.
실시예 2에서는 부 흡착 탱크를 설치한 쪽이 질소 제조 장치로서의 성능이 높아지고, 또한, 흡착 속도가 빠른 흡착제를 부 흡착 탱크에 충전한 쪽이 본 발명의 효과가 높다는 것을 나타내었다.
따라서, 실시예 2와 본 실험예의 결과로부터 다음과 같이 추정된다. 즉, 부 흡착 탱크에는 흡착 속도가 빠른 흡착제를 충전한 쪽이 부 흡착 탱크를 설치하는 효과가 높아진다는 점에서, 보다 흡착 속도가 빠르고, 산소/질소의 흡착 속도차가 어느 정도 큰 흡착제를 입수할 수 있다면, 본 발명의 부 흡착 탱크의 효과를 더욱 높이는 것이 가능해진다.
종래와 비교하여 수율 및 능력이 향상되고, 더욱 소형화되며 저전력화된 PSA식의 질소 가스 제조 방법, 가스 분리 방법 및 질소 가스 제조 장치를 제공할 수 있다.
1 질소 가스 제조 장치
2 압축기
3 제품 탱크
4 제1 주 흡착 탱크
5 제2 주 흡착 탱크
6 부 흡착 탱크
9, 15 흡착제
21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 배관
41a, 41b 입구 밸브
42a, 42b 배출 밸브
43a, 43b 부 흡착 탱크 입구 밸브
44a, 44b 부 흡착 탱크 출구 밸브
45a, 45b 출구 밸브
46 균압 밸브
47 유량 조정 밸브
50a, 50b 부 흡착 탱크 출입구 밸브

Claims (10)

  1. PSA 방식에 의해 원료 가스로부터 질소 가스를 제조하는 방법으로서,
    제1 흡착제가 충전된 2개의 주 흡착 탱크를 접속하는 라인에 설치된 부 흡착 탱크에 충전된, 상기 제1 흡착제보다 산소 흡착 속도가 빠른 제2 흡착제에 의해, 감압 균압 공정에 있는 주 흡착 탱크로부터 도출된 가스 중의 산소 농도를 저감시키고, 상기 가스를 가압 균압 공정에 있는 주 흡착 탱크에 도입하고,
    상기 2개의 주 흡착 탱크를 접속하는 상기 라인이 상기 각 주 흡착 탱크의 상류측끼리 또는 중간부와 상류측을 접속하는 라인인 질소 가스 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 흡착 탱크에 충전된 상기 제1 흡착제가 분자체 활성탄인 질소 가스 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 부 흡착 탱크에 충전된 상기 제2 흡착제가 분자체 활성탄인 질소 가스 제조 방법.
  5. PSA 방식에 의해 원료 가스로부터 질소 가스를 제조하는 방법으로서,
    흡착제가 충전된 2개의 주 흡착 탱크의 상류측끼리 또는 중간부와 상류측을 라인으로 접속하고, 상기 라인을 사용하여 일방의 상기 주 흡착 탱크로부터 타방의 상기 주 흡착 탱크에 가스를 도출함으로써 균압하는 공정을 가지며,
    상기 균압 공정에 있어서, 일방의 주 흡착 탱크로부터 도출된 상기 가스가 타방의 주 흡착 탱크에 도입될 때까지의 사이에, 산소 제거 수단에 의해 산소 농도가 저감되는 질소 가스 제조 방법.
  6. 제1 흡착제 및 제2 흡착제에 대해 이흡착성인 이흡착 성분과, 상기 흡착제에 대해 난흡착성인 난흡착 성분을 포함하는 원료 가스를 사용하고, 상기 원료 가스로부터 상기 이흡착 성분과 상기 난흡착 성분을 회수하는 가스 분리 방법으로서,
    상기 제1 흡착제가 충전된 2개의 주 흡착 탱크를 라인으로 접속하고, 상기 라인을 사용하여 일방의 상기 주 흡착 탱크로부터 타방의 상기 주 흡착 탱크에 가스를 도출함으로써 균압하는 공정을 가지며,
    상기 균압 공정에 있어서, 일방의 상기 주 흡착 탱크로부터 도출된 가스를 상기 라인에 설치된 부 흡착 탱크에 충전된, 상기 제1 흡착제보다 상기 이흡착 성분의 흡착 속도가 빠른 상기 제2 흡착제에 의해 상기 이흡착 성분을 저감시킨 후에, 타방의 상기 주 흡착 탱크에 도입하고,
    상기 2개의 주 흡착 탱크를 접속하는 상기 라인이 상기 각 주 흡착 탱크의 상류측끼리 또는 중간부와 상류측을 접속하는 라인인 가스 분리 방법.
  7. PSA 방식에 의해 원료 가스로부터 질소를 제조하기 위한 질소 가스 제조 장치로서,
    원료 가스를 가압하는 압축기와,
    제1 흡착제가 충전된 2개의 주 흡착 탱크와,
    상기 2개의 주 흡착 탱크 사이를 접속하는 라인에 설치되며, 가스 중의 산소 농도를 저감시키기 위한 제2 흡착제가 충전된 부 흡착 탱크로 이루어지고, 상기 제2 흡착제의 산소 흡착 속도가 상기 제1 흡착제의 산소 흡착 속도보다 빠르고,
    상기 2개의 주 흡착 탱크를 접속하는 상기 라인이 상기 각 주 흡착 탱크의 상류측끼리 또는 중간부와 상류측을 접속하는 라인인 질소 가스 제조 장치.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 주 흡착 탱크에 충전된 상기 제1 흡착제가 분자체 활성탄인 질소 가스 제조 장치.
  10. 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 부 흡착 탱크에 충전된 상기 제2 흡착제가 분자체 활성탄인 질소 가스 제조 장치.
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