KR101773437B1 - 흡착제가 복합 충진된 산소발생기용 흡착탑 - Google Patents

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Abstract

최적의 공정시간을 구현하고 산소의 생산량을 높여줄 수 있도록 질소성분에 대한 흡착성능이 향상된 흡착여제를 복합 충진시키는 산소발생기용 흡착탑이 개시된다. 이를 위하여 공기 중의 질소를 흡착하여 산소를 공급시키도록 한 산소발생기용 흡착탑에 있어서, 외부로부터 공기가 유입되는 입구와 상기 입구로 유입된 공기가 배출되는 출구가 각각 구비되고, 흡착제의 충진 공간이 마련된 하우징과, 상기 하우징의 입구 측에 충진된 나트륨계 흡착제, 및 상기 하우징의 출구 측에 충진된 리튬계 흡착제를 포함하는 산소발생기용 흡착탑을 제공한다. 본 발명에 의하면, 공기투입량 대비 산소 생산성이 9~10%로 상승하게 되며, 공기 주입량은 목표 산소량의 10~12배를 필요로 한다.

Description

흡착제가 복합 충진된 산소발생기용 흡착탑{ABSORBING TOWER HAVING COMPLEX ABSORPTION STRUCTURE FOR OXYGEN GENERATOR}
본 발명은 2종의 흡착제가 복합 충진된 산소발생기용 흡착탑에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최적의 공정시간을 구현하고 산소의 생산량을 높여줄 수 있도록 질소성분에 대한 흡착성능이 향상된 흡착제를 복합 충진시키는 산소발생기용 흡착탑에 관한 것이다.
일반적으로, 산소발생기는 대기 중에서 산소를 분리농축하는 장치로, 이러한 산소발생기의 작동원리는 제올라이트(Zeolite)라 불리는 흡착제가 소정의 기체분자를 흡착시키는 성질을 이용한다. 대기 중 약 80%를 차지하는 질소는 산소보다 제올라이트에 잘 흡착되므로 공기를 흡착제가 충전된 흡착베드에 유입시키게 되면 질소성분은 흡착되고, 질소성분이 줄어든 기체는 베드상단 출구로 배출된다. 결과적으로 이렇게 배출된 기체의 주성분으로 산소를 얻게 된다.
전술한 질소흡착과정은 가압기체를 소정의 흡착제를 통과시킴으로써 질소만이 흡착되고 나머지 기체는 통과시켜 공기 중의 산소를 분리하여 얻는 과정으로, 이때 흡착제인 제올라이트는 질소가 흡착되어 성능이 격감하므로 질소를 그로부터 분리(탈착)하여 원래의 성능을 회복시켜 주어야 된다. 이 과정이 탈착과정으로 흡착제에 흡착된 흡착기체를 통과하는 기체 중 일부를 저압상태에서 재순환시켜 탈착함으로써 흡착제를 세정하여 흡착능을 회복시키게 된다.
구체적으로, 산업용 산소발생기는 일반적으로 외부의 공기를 흡착탑 내부로 전송해 주는 공기압축기나 송풍기, 그리고 압축공기의 온도와 습기를 조절해 주는 냉각기와 건조기, 공기나 산소를 저장할 수 있는 저장탱크 및 압축공기로부터 산소와 질소를 분리해 주는 흡착탑 등으로 이루어져 있다.
이러한 산소발생기는 장비 구성이나 배치 및 운용방법에 따라 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식, VSA(Vacuum Swing Adsorption) 방식, VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsoption) 방식 등으로 나누어진다. 여기서, PSA 방식의 산소발생기는 나트륨(Sodium) 계열의 흡착제(Zeolite Molecular Sieve : ZMS)를 사용하여 산소를 농축한다.
각각의 산소발생 방식은 별도의 장비구성에 따른 운용방법 및 질소와 산소의 분리 압력조건에 따라서 각각의 명칭을 구분해 놓았을 뿐 흡착탑 내부에 공급된 압축공기로부터 흡착제(ZMS)를 이용하여 산소와 질소를 분리해 내는 공기분리방식이라는 점에서는 서로 같고, 그 분리공정 또한 가압→가압ㅇ생산→균압→탈착→세정→균압→가압의 형태로써 대동소이하다.
도 1을 참조하면, 종래 일반적인 방식에 따른 산소발생기 구조가 도시되는데, 이러한 산소발생기는 흡착탑 하부에 가압공기의 이송을 위한 하부배관(10)과 흡착탑 상부에 생산된 산소를 이송하기 위한 산소배관(11), 균압을 위한 균압배관(12) 및 세정을 위한 세정배관(13)이 구비되며, 각 배관마다 자동밸브를 장착하여 배관 관로의 개폐를 조정한다.
전술한 전통적인 산소발생기는 공기 투입량 대비 산소생산량이 7~8%로 낮으며, 공기투입량이 목표 산소발생량의 12~15배가 필요하여 에너지 소비가 높다는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 나트륨 계열 흡착제만이 충진되어 있어 흡착성능의 제한이 있으므로 장치의 면적 감소나 제작원가 절감에 한계에 봉착되었다.
이에 따라, 최근에는 질소성분에 대한 흡착성능이 14ml/g으로 제한된 나트륨 계열 흡착제 대신 흡착성능이 21ml/g으로 높은 리튬계열 흡착제를 사용한 산소발생기의 개발이 시도되었다.
그러나, 리튬계열 흡착제를 사용한 산소발생기는 2 BAR 미만의 저압 환경이 적용되는 소형 산소발생기로, 성능개선 및 체적감소 등의 효과가 있지만, 6~7 BAR의 고압 환경에 노출되는 경우 수분에 대한 과다한 흡착능의 배가로 조기 성능저하가 발생되기 때문에 수분에 대한 흡착능이 상대적으로 낮아 제어가 용이한 흡착제를 이용한 문제해결이 필요하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-1355161호(2014.01.28 공고) 대한민국 등록특허 제10-0334723호(2002.05.10 공고)
따라서, 본 발명의 목적은 흡착능력이 배가된 리튬(lithium) 계열의 흡착제를 추가로 채택하여 장치의 전체크기를 감소시켜 소형경량화 하면서도 산소순도 및 생산량을 배가시킨 산소발생기용 흡착탑을 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 공기 중의 질소를 흡착하여 산소를 공급시키도록 한 산소발생기용 흡착탑에 있어서, 외부로부터 공기가 유입되는 입구와 상기 입구로 유입된 공기가 배출되는 출구가 각각 구비되고, 흡착제의 충진 공간이 마련된 하우징과, 상기 하우징의 입구 측에 충진된 나트륨계 흡착제, 및 상기 하우징의 출구 측에 충진된 리튬계 흡착제를 포함하는 산소발생기용 흡착탑을 제공한다.
본 발명에 따른 흡착탑이 구비된 산소발생기는 공기투입량 대비 산소 생산성이 9~10%로 상승하게 되며, 공기 주입량은 목표 산소량의 10~12배를 필요로 한다.
또한, 본 발명에 따른 흡착탑은 나트륨 계열 흡착제와 리튬 계열 흡착제를 다층으로 충진하여 나트륨 계열에서는 상대적으로 탈부착이 용이한 수분 및 질소분자를 흡착하여 상부층에 적층된 리튬 계열에서는 전통적인 가스분리 공정이 원활히 이루어도록 전처리 공정이 일어나는 층을 구비함으로서, 고압하 운전에서도 리튬 계열의 흡착제가 수분의 흡착이 억지되므로 질소에 대한 안정적인 흡착성능을 유지할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 흡착탑은 고성능과 고효율을 나타내어 기존 흡착탑에 비해 50% 이상 소형화시킬 수 있으므로, 설치공간의 제약을 완화시킬 수 있다.
도 1은 종래의 산소발생기를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 산소발생기용 흡착탑을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 흡착제가 복합 충진된 산소발생기용 흡착탑(이하, '산소발생기용 흡착탑'이라 약칭함.)을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 산소발생기용 흡착탑을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 산소발생기용 흡착탑은 흡착제의 충진 공간을 제공하는 하우징(10)과, 상기 하우징(10)으로 공기가 유입되는 하우징 입구(12) 측에 충진되는 나트륨계 흡착제(20), 및 하우징(10)으로부터 공기가 배출되는 하우징 출구(14) 측에 충진되는 리튬계 흡착제(30)를 포함한다.
이러한 산소발생기용 흡착탑을 통과하는 공기는 수분, 일산화탄소, 이산화탄소, 탄화수소, 질소, 산소 순으로 흡착되어 비교적 흡착도가 낮은 산소가 농후한 기체로 배출된다.
이하, 도면을 참조하여 각 구성요소별로 보다 구체적으로 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 산소발생기용 흡착탑은 하우징(10)을 포함한다.
상기 하우징(10)은 산소발생기용 흡착탑의 외형을 제공하는 것으로, 하단부에 형성된 입구(12) 및 상단부에 형성된 출구(14)를 가지는 밀폐된 원통형상으로 형성될 수 있다.
이러한 하우징(10)은 내부에 공기 중의 특정기체를 우선적으로 흡착하는 흡착제, 바람직하게는 고형 흡착제가 충진되는 공간을 제공한다. 이때, 상기 흡착제로는 나트륨계 흡착제(20) 및 리튬계 흡착제(30)가 사용된다.
또한, 하우징(10)은 산소발생기의 공급밸브(미도시)와 연결되며, 공급밸브를 통과하여 하우징의 입구(12)로 유입된 압축공기로부터 특정기체를 분리하여 공기 중 특정기체를 제외한 기체를 하우징의 출구(14)로 배출한다. 이와 같이, 하우징(10)은 외부, 공기압축기나 송풍기로부터 제공된 공기가 유입되는 입구(12)가 일측에 형성되며, 상기 일측에 대향되는 타측에 하우징(10)의 내부를 통과한 공기가 배출되는 출구(14)가 형성된다.
필요에 따라, 상기 하우징(10)의 일측에는 하우징(10) 내부의 압력변화를 수시로 검출하여 표시함으로써 사용자가 용이하게 흡착탑 내부의 압력변화를 파악할 수 있도록 압력계(미도시)가 구비될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 산소발생기용 흡착탑은 나트륨계 흡착제(20)를 포함한다.
상기 나트륨계 흡착제(20)는 하우징(10)의 내부로 유입된 공기의 수분을 먼저 흡착시킬 수 있도록 하우징(10)의 입구(12) 측에 충진되는 것으로, 분말 또는 알갱이 형상을 갖는다.
이러한 나트륨계 흡착제(20)로는 수분의 흡착성이 우수한 알칼리 알루미노 규산염 등의 Sodium-X 계열을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 Sodium-X 계열은 기공의 평균직경이 0.9 내지 1㎚이다.
보다 구체적으로, 나트륨계 흡착제(20)는 100 부피%를 기준으로 20 내지 30 부피%로 하우징(10)에 충진될 수 있다. 이때, 나트륨계 흡착제(20)가 20 부피% 미만으로 하우징(10)에 충진되면, 공기 중에 포함된 수분이 충분히 제거되지 못하여 고압하 운전에서 리튬 계열의 흡착제에 수분이 지나치게 흡착되는 문제가 발생될 수 있다. 그리고 나트륨계 흡착제(20)가 30 부피%를 초과하도록 하우징(10)에 충진되면, 리튬계 흡착제(30)의 충진량이 줄어들기 때문에 목표 산소량 대비 공기 주입량이 늘어나는 문제가 발생될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 산소발생기용 흡착탑은 리튬계 흡착제(30)를 포함한다.
상기 리튬계 흡착제(30)는 나트륨계 흡착제(20)를 통해 수분 및 이산화탄소, 이산화탄소, 탄화수소 등과 질소성분이 일정부분 제거된 공기를 흡착시킬 수 있도록 하우징(10)의 출구(14) 측에 충진되는 것으로, 분말 또는 알갱이 형상을 갖는다.
상기 하우징(10)의 내부에 리튬계 흡착제만을 단독으로 충진하면, 2 BAR 미만의 저압하 운전에서는 효율적이나, 5~6 BAR 이상, 특히 5 내지 8 BAR의 고압하 운전에서 수분에 대한 흡착능이 배가되어 적정 공정시간 대비 수분의 조기흡착으로 인하여 공정제어에 어려움이 발생된다. 이때, 2 BAR보다 상대적으로 고압인 5~6 Bar에서 운전하는 것은 생산된 산소의 압력을 3~4 Bar정도로 가져갈 수 있기 때문이다. 이는, 저압생산시설에서는 생산된 산소의 압력이 0.2~0.5 Bar 정도로 낮기 때문에, 승압용 산소 압축기(compressor)를 이용하여야 하는데, 압축에 따른 위험에 대처해야 하는 장치제작이 필요하므로 상당한 고가의 산소 압축기를 사용해야 하는 문제가 발생된다.
반면, 본 발명에 따른 흡착탑에 충진된 리튬계 흡착제(30)는 나트륨계 흡착제(20)에 의해 수분 및 이산화탄소, 이산화탄소, 탄화수소 등과 질소성분이 1차로 제거된 공기가 접촉되므로, 고압하 운전에서 수분에 대한 흡착능이 배가되더라도 수분의 흡착량이 적기 때문에 전통적인 가스분리 공정이 원활히 이루어져 질소가스를 흡착하게 된다.
특정 양태로서, 리튬 등의 리튬계 흡착제(30)로는 Zeochem사의 Z10-05-03, Tosoh사의 NSA-700 등을 사용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 산소발생기용 흡착탑은 스트레이너(40)을 더 포함할 수 있다.
상기 스트레이너(40)는 나트륨계 흡착제(20)와 리튬계 흡착제(30)의 유실을 방지하고 공기를 통과시키기 위해 하우징(10)의 상부 및 하부 내측에 구비되는 것으로, 하우징(10)의 하부에 구비된 제1 스트레이너(40) 및 하우징(10)의 상부에 구비된 제2 스트레이너(40)로 구성된다.
이러한 스트레이너(40)는 공기를 통과시키고 흡착제의 통과를 차단시키기 위해 나트륨계 흡착제(20)와 리튬계 흡착제(30)보다 작은 내경을 갖는 타공이 형성된다.
또한, 상기 제1 스트레이너(40)는 하우징(10)의 입구(12)를 통해 하우징(10)의 내부로 유입된 공기가 나트륨계 흡착제(20)에 골고루 접촉될 수 있도록 하우징(10)의 입구(12)로부터 일정 간격으로 이격되게 설치되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 제2 스트레이너(40)는 하우징(10)의 출구(14)를 통해 리튬계 흡착제(30)를 통과한 공기가 안정적으로 배출될 수 있도록 하우징(10)의 출구(14)로부터 일정 간격으로 이격되게 설치되는 것이 바람직하다.
필요에 따라, 스트레이너(40)는 공기 중의 수분에 의한 부식 등을 방지할 수 있도록 알루미늄, 스테인레스스틸 등으로 형성되거나, 표면에 알루미늄이 코팅된 금속으로 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예 및 실험예를 통하여 보다 구체적으로 기술한다. 다만 본 실시예 및 실험예는 상술한 발명의 특정예의 이해를 돕기 위한 것으로 이에 의하여 권리범위 등이 제한적으로 해석되어서는 아니된다.
산소발생기
공기흡입구, 공기압축기, 수분필터, 병합필터, 에어 레귤레이터, 제 1 압력계, 제 1 안전밸브, 공급밸브, 소음기, 제 1 흡착탑, 제 2 흡착탑, 제 1 흡착탑의 유출구와 제 2 흡착탑의 유입구를 연결하고, 제 2 흡착탑의 유출구와 제 1 흡착탑의 유입구를 연결하는 순환밸브, 제 1 유량제어밸브, 제 2 유량제어밸브, 제 1 배출밸브, 제 2 배출밸브, 체크밸브, 니들밸브, 제 2 압력계, 저장탱크, 제 3 압력계, 제 2 안전밸브, 압력스위치, 제어부로 구성된 산소발생기를 제조하였다. 이때, 상기 산소발생기는 등록특허 제10-0861550호로 공지된 (주)원하이테크의 산소발생기를 이용하였다.
[실시예 1]
제1 흡착탑과 제2 흡착탑의 입구 측에 sodium-X계열 흡착제[Z10-04, Zeochem, Swiss]를 30 부피%로 충진하고, 나머지 70 부피%를 리튬계열 흡착제[Z10-05-03, Zeochem, Swiss]로 충진하였다.
[실시예 2]
제1 흡착탑과 제2 흡착탑의 입구 측에 sodium-X계열 흡착제[Z10-04, Zeochem, Swiss]를 25 부피%로 충진하고, 나머지 75 부피%를 리튬계열 흡착제[Z10-05-03, Zeochem, Swiss]로 충진하였다.
[비교예 1]
제1 흡착탑과 제2 흡착탑에 사용 전 리튬계열 흡착제[Z10-05-03, Zeochem, Swiss]를 100 부피%로 충진하였다.
[비교예 2]
제1 흡착탑과 제2 흡착탑에 사용 된 리튬계열 흡착제[Z10-05-03, Zeochem, Swiss]를 100 부피%로 충진하였다.
[비교예 3]
제1 흡착탑과 제2 흡착탑의 입구 측에 sodium-A계열 흡착제[Z4-01, Zeochem, Swiss]를 30 부피%로 충진하고, 나머지 70 부피%를 리튬계열 흡착제[Z10-05-03, Zeochem, Swiss]로 충진하였다.
[실험예]
상기 실시예 1,2와 비교예 1 내지 3을 통하여 저장탱크에 90% 농도의 산소가 저장되도록 산소발생기를 운영할 경우, 흡착제의 수분 흡착율을 평가하기 위하여 기능 평가 실험을 실시하였으며, 그 결과를 다음의 표 1에 나타내었다.
Figure 112017014734102-pat00001
[표 1]을 참조하면, 흡착탑에 리튬계열 흡착제만을 충진하여 산소발생기를 가동하면 처음에는 수분 흡착율이 현저히 낮지만, 반복 사용하면 수분 흡착율이 급격히 높아지는 것으로 나타났다.
또한, sodium-X계열 흡착제를 25 부피%와 30 부피%로 충진하면 리튬계열 흡착제에 수분 흡착이 현저히 줄어든 것으로 나타났으며, sodium-X계열 흡착제의 수분 제거율이 뛰어난 것으로 나타났다.
아울러, sodium-A계열 흡착제는 sodium-X계열 흡착제에 대비하여 수분 흡착능력이 현저히 낮았으며, 이로 인하여 리튬계열 흡착제에서 수분 흡착이 과다하게 일어나는 것으로 나타났다.
즉, 흡착탑을 반복적으로 사용하는 경우에는 sodium-X계열 흡착제와 리튬계열 흡착제를 2중으로 충진해야만 리튬계열 흡착제에 대한 질소 흡착의 효율성이 향상된 것으로 평가되었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 하우징 12 : 입구
14 : 출구 20 : 나트륨계 흡착제
30 : 리튬계 흡착제 40 : 스트레이너

Claims (5)

  1. 공기 중의 질소를 흡착하여 산소를 공급시키도록 한 산소발생기용 흡착탑에 있어서,
    외부로부터 공기가 유입되는 입구와 상기 입구로 유입된 공기가 배출되는 출구가 각각 구비되고, 흡착제의 충진 공간이 마련되며, 생산된 산소의 압력을 3 내지 4 BAR로 가져갈 수 있도록 5 내지 8 BAR의 고압하에서 운전되는 하우징;
    상기 하우징의 입구 측에 충진되되, 100 부피%를 기준으로 20 내지 30 부피%로 하우징에 충진되는 나트륨계 흡착제; 및
    상기 하우징의 출구 측에 충진되되, 100 부피%를 기준으로 70 내지 80 부피%로 하우징에 충진되는 리튬계 흡착제를 포함하는 산소발생기용 흡착탑.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 나트륨계 흡착제는
    기공의 평균직경이 0.9 내지 1㎚인 나트륨계 흡착제인 것을 특징으로 하는 산소발생기용 흡착탑.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 나트륨계 흡착제와 리튬계 흡착제의 유실을 방지하고 공기를 통과시키기 위해 상기 하우징의 상부 및 하부 내측에 구비되고 흡착제보다 작은 내경을 갖는 타공이 형성된 스트레이너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생기용 흡착탑.
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