KR102179325B1 - 에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법 - Google Patents

에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 컴프레서, 상기 컴프레서 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수하는 열교환기, 상기 열교환기 일측에 배치되며, 압축공기 중 불순물을 제거하는 프리필터, 상기 프리필터 일측에 배치되고, 제1 흡착제가 충전되어 밸브의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 압축공기 내의 수분을 흡착하여 건조공기를 제조하는 제1흡착타워 및 상기 제1흡착타워 일측에 배치되고, 제2 흡착제가 충전되어 상기 제1흡착타워에서 배출되는 건조공기가 유입되고 상기 건조공기 내 잔류하는 수분을 흡착하는 제2흡착타워를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어를 제공한다.

Description

에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법{Energy saving air dryer and preparing method of dry air using the same}
본 발명은 에너지를 절약하여 건조공기를 제조하는 에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용하여 수분을 함유하는 대기에서 수분을 제거하여 건조공기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
대기는 항상 수분 또는 수증기를 포함하고 있으며, 산업현장에서 압축하여 사용되는 압축공기는 대기를 그대로 압축하기 때문에 수분을 포함하는 오염물질을 함유하는 경우가 있다.
이 경우 압축공기를 공급하는 에어라인의 부식 및 에어의 유출을 유발하고, 에어공구의 동력 및 효율을 저하시킨다. 또한 에어라인의 윤활제를 제거하거나, 고형물을 발생시켜 에어라인의 유지 보수 비용을 매우 증가시킨다.
공기압축기로 흡입되는 공기를 단순한 구조의 필터 등에 의해 수분 및 오염물질을 분리하는 과정을 거쳐 압축공기 내의 수분과 오염물질을 제거하게 되므로 이를 각종 공압기기 또는 여러 가지 용도로 사용하게 된다.
이러한 압축공기는 상기 단순구조의 필터 등에 의한 분리공정으로 압축공기 내의 수분을 액체상태로 분리하게 되기 때문에 사용에 따라 필터에 수분이 누적되면 그 효율이 저하되게 되므로 이때부터는 압축공기 내의 수분을 우수하게 제거하지 못하는 상태로 공급하게 된다.
상기와 같이 수분이 충분히 제거되지 못한 압축공기를 산업현장 등에서 사용하게 되면 각종 공업기기는 물론 그 사용되는 장치들의 고장을 유발하게 되고, 특히 정밀한 작업이 요구되는 작업장에서는 그 사용에 따른 문제점이 더욱 심각하게 대두되게 된다.
따라서 각종 산업현장에서는 에어드라이어 장치를 사용하여 수분 및 오염물질이 제거된 건조공기를 제조하여 공급한다.
에어드라이어는 공기의 온도를 감소시켜 공기 중에 포함된 수분을 응축시키고, 이를 배출시키는 냉동식 에어드라이어와 흡착제로 충전된 타워를 압축공기를 통화시켜 압축 공기 중에 포함된 수분을 강제로 탈습 시키는 흡착식 드라이어가 있다.
흡착식 드라이어는 단순한 필터를 이용하는 경우에 비해 복수의 흡착제에 의해 교대로 건조해 가면서 수분 및 오염물질을 제거하게 되므로 수분 및 오염물질의 제거가 매우 우수하나, 상기 흡착제에 의해 압축공기 내의 수분을 액상체로 분리하게 되기 때문에 수분이 누적되어 효율문제가 여전히 내재되어 있고 이를 최소화하기 위해서는 상기 복수의 타워의 교대가 자주 이루어져야만 한다.
대한민국 특허 1774862호(특허문헌 1)에서 제1탱크측의 제습작용이나 재생작용이 완료되고, 제2탱크측의 재생작용이나 제습작용으로 기능이 전환될 때 사용처로 공급되는 건조공기의 압력이 저하되지 않도록 하는 에어드라이어의 제어방법에 관하여 개시하고 있으나, 에어드라이어의 공기흐름을 제어하는 기술이 개시될 뿐 재생 가능한 흡착제를 선택하여 에어드라이어를 구성하지는 않는다.
따라서 흡착제 사용 효율을 증가시킨 에어드라이어와 이를 이용하여 건조공기를 제조하되, 새로운 수분 흡착제로 금속-유기 구조체를 선택하여 에너지를 저감하여 재생이 가능하도록 하는 방법으로 공정비용을 감소시켜 건조공기를 제조하고, 흡착제가 충전된 흡착타워를 효과적으로 배치하여 건조공기 제조효율을 증가시키는 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기의 제조방법의 개발이 매우 필요한 실정이다.
이와 관련된 선행문헌으로는 대한민국 특허 제1774862호 (공고일: 2017.09.19.)에 개시된 에어드라이어를 제어하는 방법(특허문헌 1)과, 대한민국 특허 특0147313호(공고일: 1998.08.17.)에 개시되어 있는 건조공기 제조방법(특허문헌 2)이 있다.
(1) 대한민국 등록특허공보 제1774862호 (공고일: 2017.09.19.) (2) 대한민국 등록특허공보 특0147313호 (공고일: 1998.08.17.)
따라서, 본 발명은 수분 흡착제를 충전한 흡착타워를 포함하는 에어드라이어로 건조공기를 생산하되, 건조공기의 상대습도에 대기를 압축하는 동안 발생되는 저온의 압축열을 활용하여 흡착타워에 흡착제에 흡착된 수분을 탈착시켜 재생함으로써 공정비용을 감소시키고, 복수개의 흡착타워를 배치하여 효과적으로 건조공기를 생산하는 장치 및 이를 이용한 건조공기 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는
대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 컴프레서;
상기 컴프레서 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수하는 열교환기;
상기 열교환기 일측에 배치되며, 압축공기 중 불순물을 제거하는 프리필터;
상기 프리필터 일측에 배치되고, 제1 흡착제가 충전되어 밸브의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 압축공기 내의 수분을 흡착하여 건조공기를 제조하는 제1흡착타워; 및
상기 제1흡착타워 일측에 배치되고, 제2 흡착제가 충전되어 상기 제1흡착타워에서 배출되는 건조공기가 유입되고 상기 건조공기 내 잔류하는 수분을 흡착하는 제2흡착타워;를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어를 제공한다.
또한 상기 제1흡착제는 흡착등온선에서 상대 습도 5 내지 40 % (0.05 = P/P0 = 0.5)인 영역에서 흡착제 중량 대비 30 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 100 ℃ 미만의 건조공기로 재생될 수 있다.
또한 상기 제2 흡착제는 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 = 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가질 수 있다.
또한 상기 제1흡착타워 및 제2흡착타워는 제1건조공기도입로를 통하여 직렬로 배치될 수 있다.
또한 상기 제 1 흡착타워의 일측에는 제1건조공기배출밸브가 구비되며, 상기 제1건조공기배출밸브를 통하여 이슬점이 2 ℃ 내지 10 ℃인 건조공기를 배출할 수 있다.
또한 상기 제1 또는 제2흡착타워에서 생산되는 건조공기의 일부는 분기되어 상기 열교환기로 유입되며, 상기 압축열과 열교환으로 가열되어 상기 제1 또는 제2흡착타워의 일측으로 회수되고 상기 제1또는 제2흡착제를 가열하여 흡착제에 흡착된 수분을 탈착할 수 있다.
또한 상기 압축열은 100 ℃ 미만으로 유지되며, 상기 압축열은 상기 열교환기에 도입되는 건조공기를 가열하며, 상기 제 1 흡착타워 일측으로 유입하고 제1흡착제에 흡착된 수분을 탈착하여 제1흡착제를 재생할 수 있다.
또한 상기 제2흡착타워에서 생산되는 건조공기의 일부는 분기되어 상기 열교환기로 회수되고, 상기 건조공기는 열교환기에서 열교환으로 가열되며, 상기 열교환기 일측에 구비된 히터를 통과하여 재가열되어 상기 제2흡착타워의 일측으로 유입되어 제2흡착제를 재생할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명은
대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 단계(제1단계):
상기 압축공기를 제1흡착타워에 도입하여 압축공기 내의 수분의 일부를 흡착하여 건조공기를 제조하는 단계(제2단계);
상기 건조공기를 일측으로 배출하여 공급하거나, 건조공기 내의 잔류 수분의 제거여부를 결정하는 단계(제3단계);
상기 건조공기를 제2흡착타워에 도입하여 건조공기 내의 잔류 수분을 흡착하여 건조공기를 제조하고 배출하는 단계(제4단계);
상기 제2단계의 건조공기 일부를 분기하고 압축열을 가지는 압축공기와 열교환하여 건조공기를 가열하는 단계(제5단계);
100 ℃ 미만으로 가열된 상기 건조공기는 제1흡착타워에 도입하여 제1흡착타워에 충전된 제1흡착제를 재생하는 단계(제6단계); 및
상기 제4단계에서 가열된 건조공기를 분기하여 히터로 가열하여 100 내지 200 ℃의 건조공기를 형성한 후 상기 제2흡착타워에 도입하여 제2 흡착제를 재생하는 단계(제7단계)를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제1흡착제는 흡착등온선에 따른 상대 습도 5 내지 40 % (0.05 = P/P0 = 0.5)인 영역에서 흡착제 중량 대비 30 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 100 ℃ 미만의 건조공기로 재생 가능하고,
상기 제2흡착제는 흡착등온선에 따른 상대 습도 10 % (P/P0 = 0.1) 이하인 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 100 내지 200 ℃ 이하의 건조공기로 재생 가능하다.
또한 상기 제2단계에서 제조되는 이슬점 2 내지 10 ℃의 건조공기를 일측으로 배출할 수 있다.
또한 상기 제4단계에서 이슬점 -40 ℃ 이하인 건조공기를 공급할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수분과의 흡착 에너지가 낮아서 저온에서 수분을 탈착하여 재생이 가능한 금속-유기구조체 또는 실리코알루미노포스페이트(silico-aluminophosphate)계인 흡착제가 충전된 복수개의 흡착타워에 압축공기를 투입하고 수분을 흡착하여 수분 함유량이 이슬점 2 내지 10 ℃ 또는 -40 ℃ 이하인 고품질 건조공기를 선택적으로 제조할 수 있다.
또한 압축공기를 제조하는 과정에서 발생되는 압축열을 이용하여 흡착제를 효과적으로 재생할 수 있기 때문에 에너지를 효과적으로 절약하여 건조공기를 제조할 수 있다.
또한 제조된 건조공기를 일부 회수하여 흡착제를 재생하는데 사용하여 고순도의 건조공기를 제조하는 과정에서 흡착제의 재생에 사용되는 건조공기의 사용량을 크게 감소시킬 수 있다.
또한 금속-유기구조체인 흡착제는 비가열식으로 재생하여 흡착제의 강도를 유지시킬 수 있어서 장기간 흡착제 재생 및 사용이 가능하다.
또한 복수개의 흡착타워를 직렬로 배치하고, 후단 흡착타워에는 친수성이 매우 강한 랭뮤어형 흡착제를 충전하여 전단 흡착타워를 통과하여 일정 수분이 제거된 건조공기 내의 잔류하는 수분을 효과적으로 흡착하여 고품질의 건조공기를 제조할 수 있다.
또한 건조공기의 요구조건에 따라 저품질의 건조공기를 공급하거나, 반도체공정 및 공압기기에서 요구되는 고품질의 건조공기를 선택적으로 제조하여 공급할 수 있으므로, 에너지 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어의 구성을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서, 흡착타워에 충전되는 충전제의 종류에 따른 흡착등온선이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 흡착타워에 충전되는 흡착제 종류에 따른 수분 파과곡선이다.
도 4는 종래의 상업용 흡착제(molecular sieve + silica gel)에 대한 건조공기 생산 사이클을 나타낸 곡선이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서, MIL-100 흡착제에 대한 건조공기 생산 사이클을 나타낸 곡선이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 제1흡착타워의 흡착공정이 수행되는 경우 압축공기의 흐름을 나타낸 공정도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 제1흡착타워의 탈착공정이 수행되는 경우 건조공기의 흐름을 나타낸 공정도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 제2흡착타워의 흡착공정이 수행되는 경우 압축공기의 흐름을 나타낸 공정도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서, 제2흡착타워의 탈착공정이 수행되는 경우 건조공기의 흐름을 나타낸 공정도이다.
도 10은 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법의 순서를 나타낸 공정흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명을 상세하기 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
본 발명의 발명자들은 건조공기를 제조하는 방법을 연구하는 중 종래 분자체 혼합물(molecular sieve + silica gel), 활성 알루미나(Activated alumina) 또는 실리카겔(Silica gel) 흡착제를 사용하는 에어드라이어는 압축공기 중의 수분의 흡착성능이 매우 높으나, 흡착제를 재생하기 위한 공정에서 재생온도가 150 ~ 180 ℃로 높아서 재생 시 다량의 에너지가 소모되는 문제점을 확인하였다.
이를 해결하기 위하여 흡착등온선에서 상대 습도 5 내지 40 % (0.05 = P/P0 = 0.5)인 영역에서 상대 증기압에 따라 흡착량이 급증하여 흡착등온선에서 시그모이드형(Sigmoid type) 흡착거동을 보이고, 흡착제 중량 대비 30 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 압축공기 제조 시 발생되어 소실되는 압축열을 회수하여 흡착제에 흡착된 수분의 탈착(desorption)이 가능한 흡착제를 흡착타워를 충전하여 수분 함량이 감소된 건조공기를 제조하여 공급할 수 있는 것을 확인하였다.
또한 수분 함량이 더욱 감소된 고품질의 건조공기가 요구되는 경우 친수성이 매우 강하고 흡착등온선에서 랭뮤어형(Langmuir type) 흡착거동을 보이는 흡착제가 충전된 흡착타워를 추가적으로 배치하여 수분이 조절된 건조공기를 다시 유입하여 이슬점 -40 ℃ 이하인 고품질의 건조공기를 제조하여 선택적으로 공급할 수 있는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어의 구성을 나타낸 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어는 컴프레서(100), 열교환기(200), 프리필터(300), 제1흡착타워(400) 및 제2흡착타워(500)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어는 이슬점 2 내지 10 ℃의 제1건조공기를 제조하는 제1흡착타워(400)와 이슬점 -40 ℃ 이하인 제2건조공기를 제조하여 공급하는 제2흡착타워(500)가 배치되어 건조공기의 품질을 결정하여 선택적으로 공급할 수 있다.
상기 컴프레서(100)는 압축공기로(10)와 연결되고, 상기 압축공기로(10)는 제1흡착타워(400)에 연결된다.
제1흡착타워(400)는 제1건조공기도입로(50)를 통하여 제2흡착타워(500)에 연결되고, 상기 제2흡착타워(500)는 제2건조공기유출로(80)와 연결된다.
이하에서 압축공기로(10), 제1건조공기유입로(20), 제1가열건조공기유입로(30), 제1건조공기유출로(40), 제1건조공기도입로(50), 제2건조공기유입로(60), 제2가열건조공기유입로(70), 제2건조공기유출로(80)는 압축공기, 건조공기, 압축공기와 열교환으로 가열된 건조공기, 수분일 일정하게 제거된 건조공기 및 고순도 건조공기가 각각 흐르는 관로를 제공하며, 각 관로의 말단에 구비되는 제1유입선택좌밸브(11), 제1유입선택우밸브(12), 제1퍼지좌밸브(13), 제1퍼지우밸브(14), 제1유출선택좌밸브(21), 제1유출선택우밸브(22), 제1재생선택좌밸브(31), 제1재생선택우밸브(32), 제1건조공기유출선택좌밸브(41), 제1건조공기유출선택우밸브(42), 제1건조공기유출선택삼방향밸브(43), 제1건조공기배출밸브(44), 제2유입선택좌밸브(51), 제2유입선택우밸브(52), 제2퍼지좌밸브(53), 제2퍼지우밸브(54), 제2유출선택좌밸브(61), 제2유출선택우밸브(62), 제2재생선택좌밸브(71), 제2재생선택우밸브(72), 제2건조공기유출선택좌밸브(81), 제2건조공기유출선택우밸브(82), 및 제2건조공기배출밸브(83)는 컨트롤러(미도시)에 연결되어 개폐가 제어될 수 있으며, 상기 컨트롤러는 건조공기 제조 공정 순서에 따라 각각의 밸브를 개폐여부를 결정할 수 있다.
상기 컴프레서(100)는 대기를 압축하여 압축공기를 형성한다.
상기 컴프레서(100)에서 대기를 압축하는 동안 공기의 마찰에 의해 압축열이 발생되며, 상기 압축열은 건조공기를 재생할 수 있는 에너지원으로 활용될 수 있다.
상기 컴프레서(100)의 압축에 의하여 압축공기는 압축열로 인하여 80 내지 100 ℃로 가열된다.
상기 컴프레서(100)에서 압축된 압축공기는 열교환기(200)에 유입된다.
상기 열교환기(200)는 상기 컴프레서(100) 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수한다.
상기 압축열을 회수하지 않는 경우 폐열로 소실되나, 상기 열교환기(200)를 배치하여 일측으로 유입되는 건조공기와 열교환하는 경우에는 압축열을 건조공기를 가열하는데 유용하게 사용할 수 있다.
상기 프리필터(300)는 상기 열교환기(200) 일측에 배치되며, 압축공기 중 오염물질을 제거한다.
상기 프리필터(300)에서 제거되는 오염물질은 평균입자 크기가 수증기보다 큰 것일 수 있다.
대기를 압축하는 경우 수분함량이 증가되고, 대기 중 먼지, 유분 등 오염물질 또한 증가되기 때문에 상기 프리필터(300)를 사용하면 오염물질을 제거하여 고품질의 압축공기를 생산할 수 있다.
상기 압축공기로(10)를 말단에는 압축공기가 제1흡착탱크(400)중 일측의 탱크로 선택적으로 유입되도록 결정할 수 있는 제1유입선택좌밸브(11), 제1유입선택우밸브(12)가 배치된다.
상기 제1유입선택좌밸브(11), 제1유입선택우밸브(12)는 서로 선택적으로 개방되며, 상기 제1유입선택좌밸브(11)가 개방되는 경우 제1유입선택우밸브(12)는 폐쇄되어 압축공기는 제1유입선택좌밸브(11)를 통하여 상기 제1흡착좌타워(410)로 유입될 수 있다.
상기 제1흡착타워(400)는 상기 프리필터(300) 일측에 배치되고, 제1 흡착제가 충전되어 밸브의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 압축공기 내의 수분을 흡착하여 건조공기를 제조한다.
상기 제1흡착타워(400)는 제1흡착좌타워(410), 제2흡착우타워(420)를 포함한다.
상기 제1흡착좌타워(410), 제2흡착우타워(420)는 제1흡착제가 충전되어 압축공기가 함유한 수분 중 일정량을 흡착하여 제1건조공기를 제조하여 공급한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서, 흡착타워에 충전되는 충전제의 종류에 따른 흡착등온선이다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 흡착제는 흡착등온선에서 상대 습도 5 내지 40 % (0.05 = P/P0 = 0.5)인 영역에서 흡착제 중량 대비 30 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 100 ℃ 미만의 건조공기로 재생 가능한 것일 수 있다.
구체적으로 상기 흡착제는 메탈 트리메세이트(metal trimesate)계 금속-유기 구조체(metal organic framework; 이하 'MOF') 또는 메탈 테레프탈레이트 (metal terephthalate)계 금속-유기 구조체일 수 있다.
상기 MOF는 다공성 배위 고분자 화합물로 결정성 골격을 가지며, 금속이온의 클러스터와 유기 리간드가 배위되어 골격을 형성한다.
상기 MOF는 실리카겔 또는 제올라이트에 비해 비표면적이 3 ~ 5배 더 넓고, 이에 따라 수분 흡착량도 2 ~ 4배 더 많아서 수분 흡착제로 사용이 가능하며, 에어드라이어의 흡착타워에 흡착제로 사용하는 경우 비표면적이 증가되어 높은 수분 흡착량을 나타내고, 저온에서도 매우 효과적으로 탈착이 가능하다.
상기 MOF는 압축공기 생성 시 발생하는 압축열만을 회수하여도 흡착제가 흡착한 수분의 탈착이 가능하여 바람직하다.
구체적으로 상기 MOF 는 흡착등온선에서 시그모이드형(Sigmoid type) 흡착거동을 보이고, 흡착제 중량 대비 30 wt% 이상의 수분 흡착량을 나타내는 metal trimesate계 MIL-100X (X= Fe, Cr, Al 및V으로 이루어지는 금속 중 어느 하나임) 및 이의 유도체, 또는 metal terephthalate계 MIL-101X (X=Cr, Fe 및 Al로 이루어지는 금속 중 어느 하나임) 및 이의 유도체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제1 흡착제는 MIL-100Fe 또는 MIL-101Cr인 것이 바람직하다.
상기 MOF가 MIL-100Fe 또는 MIL-101Cr로 선택되는 경우 상기 컴프레서(100)에서 대기의 압축과정에서 생성되는 80 내지 100 ℃의 압축열을 이용하여 재생이 가능하여 건조공기 제조효율이 매우 증가되며, 비가열식이므로 흡착제의 강도를 장시간 유지할 수 있는 장점이 있다.
상기 압축공기는 상기 제1흡착타워(400) 중 어느 일측의 흡착타워로 유입되고 제1흡착제에 의하여 수분이 흡착되어 이슬점 2 ℃ 내지 10 ℃인 건조공기로 변화된다.
상기 제 1 흡착타워(400)의 일측에는 제1건조공기배출밸브(44)가 구비되며, 상기 제1건조공기배출밸브(44)를 통하여 이슬점이 2 ℃ 내지 10 ℃인 건조공기를 공급할 수 있다.
상기 건조공기배출밸브(44)가 구비되어 압축공기 함유하는 수분 중 일정량을 제거한 건조공기를 배출하여 공급할 수 있다.
이하에서 상기 제1흡착타워(400)를 통과하여 제조된 건조공기는 제1건조공기이고, 제2흡착타워(500)를 통과하여 제조된 건조공기는 제2건조공기를 의미한다.
상기 제1흡착타워(400)는 압축되어 상대습도가 90 ~100 %로 매우 높은 압축공기의 수분을 매우 효과적으로 제거할 수 있으며, 상기 제1흡착타워(400)에 충전된 제1흡착제는 흡착등온선에서 증기압의 증가에 따라 흡착량이 급증하여 대량으로 건조공기를 생산하기 매우 유리하다.
상기 제1흡착타워(400) 상부에는 제1유출선택좌밸브(21), 및 제1유출선택우밸브(22)가 배치된다.
상기 제1유출선택좌밸브(21) 또는 제1유출선택우밸브(22)가 선택적으로 개방되어 상기 제1건조공기는 제1건조공기유입로(20)를 따라 열교환기(200)에 도입된다.
상기 제1흡착타워(400)에서 생산되는 건조공기의 일부는 분기되어 상기 열교환기(200)로 도입되면, 상기 압축열과 열교환으로 가열된다.
상기 열교환으로 가열된 제1건조공기는 제1가열건조공기유입로(30)을 따라 상기 제1흡착타워(400)의 일측으로 회수된다.
상기 제1가열건조공기유입로(30)의 말단에는 제1재생선택좌밸브(31) 및 제1재생선택우밸브(32)가 배치된다.
상기 제1재생선택좌밸브(31) 또는 제1재생선택우밸브(32)는 선택적으로 개방되어 상기 제1흡착타워(400) 중 어느 한 쪽의 흡착타워에 유입되어 수분이 흡착된 흡착제를 가열하여 수분을 탈착하여 흡착제를 재생할 수 있다.
상기 압축열은 100 ℃ 미만으로 유지되며, 100 ℃ 미만의 압축열이 생성되는 경우에는 상기 열교환기(200)에 도입되는 건조공기를 가열하여 상기 제 1 흡착타워(400) 일측으로 유입하고 제1흡착제에 흡착된 수분을 탈착하여 제1흡착제를 재생할 수 있다.
상기 제1흡착타워(400)의 상부에는 제1건조공기유출선택좌밸브(41), 제1건조공기유출선택우밸브(42)가 배치된다.
상기 제1건조공기유출선택좌밸브(41), 또는 제1건조공기유출선택우밸브(42)가 선택적으로 개방되어 제조된 제1건조공기가 유출될 수 있다.
한편 상기 제1흡착타워(400) 및 제2흡착타워(500)는 제1건조공기도입로(50)를 통하여 직렬로 배치된다.
상기 제1건조공기도입로(50)는 제1건조공기유출선택삼방향밸브(43)와 연결되어 상기 제1흡착타워(400)에서 제조된 제1건조공기가 선택적으로 도입된다.
상기 제2흡착타워(500)는 제1흡착타워(400) 일측에 배치되고, 제2흡착제가 충전되어 상기 제1흡착타워(400)에서 배출되는 건조공기가 유입되고 상기 제1건조공기 내 잔류하는 수분을 흡착한다.
상기 제2흡착타워(500)는 상기 제1흡착타워(400)와 직렬로 배치되며, 상기 제1흡착타워(400)에서 1차적으로 압축공기의 수분을 제거하는 전단 공정이 수행되고, 선택적으로 상기 제1흡착타워(400)에서 제조된 상기 제1 건조공기가 도입되어 건조공기 내 잔류하는 수분을 다시 흡착하고 제1건조공기보다 수분량이 매우 감소된 고품질의 건조공기를 제조하여 반도체공정 및 공압기기에 효과적으로 공급할 수 있다.
상기 제2흡착타워(500)는 제2흡착좌타워(510), 제2흡착우타워(520)를 포함한다.
상기 제1건조공기도입로(50)의 말단에는 상기 제1건조공기가 선택적으로 제2흡착타워(500)에 유입될 수 있도록 제2유입선택좌밸브(51) 및 제2유입선택우밸브(52)가 배치된다.
상기 제2유입선택좌밸브(51), 제2유입선택우밸브(52)는 서로 선택적으로 개방되며, 상기 제2유입선택좌밸브(51)가 개방되는 경우 제2유입선택우밸브(52)는 폐쇄되어 압축공기는 제2유입선택좌밸브(51)를 통하여 상기 제2흡착좌타워(510)로 유입될 수 있다.
상기 제2흡착좌타워(510), 제2흡착우타워(520)는 상기 제2흡착제가 충전된다.
상기 제2 흡착제는 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 = 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가질 수 있다.
상기 제2흡착제는 친수성이 강하고 흡착등온선에서 흡착등온선에서 랭뮤어형(Langmuir type) 흡착거동을 보일 수 있다.
상기 제2흡착제는 수분량이 적은 상대습도 범위에서도 수분흡착량이 커서 고품질의 건조공기를 제조하기 용이하나, 흡착제에 흡착된 수분을 탈착하기 위해서 상대적으로 높은 100 내지 200 ℃의 탈착온도를 요구하여 건조공기를 대량으로 제조하기 어렵기 때문에 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제2흡착제가 충전된 제2흡착타워는 고품질의 건조공기가 요구되는 경우 선택적으로 작동한다.
구체적으로 상기 제2흡착제는 실리코알루미노포스페이트계 제올라이트일 수 있다.
상기 제2흡착타워 상부에는 제2유출선택좌밸브(61), 제2유출선택우밸브(62)가 배치되어 제조된 건조공기를 선택적으로 유출하여 제2건조공기유입로(60)를 따라 상기 열교환기(200)로 이송시킬 수 있다.
상기 제2흡착타워(500)에서 제조된 제2건조공기는 상기 제2유출선택좌밸브(61) 및 제2유출선택우밸브(62)의 개폐에 따라 상기 열교환기(200)에 도입되고, 컴프레서(100)에서 대기를 압축하여 생성되는 압축열과 열교환하여 가열된다.
상기 제2건조공기는 열교환기(200)를 통과하여 100 ℃ 미만으로 가열된 이후에 상기 열교환기(200)의 일측에 배치된 히터(600)를 통과하여 100 내지 200 ℃로 가열될 수 있다.
상기 히터(600)는 제2가열공기유입로(70)와 연결되고, 상기 제2가열공기유입로(70)의 말단에는 제2재생선택좌밸브(71), 및 제2재생선택우밸브(72)가 배치된다.
상기 제2재생선택좌밸브(71) 또는 제2재생선택우밸브(72)가 선택적으로 개방되어 상기 가열된 제2건조공기는 상기 제2흡착타워(500) 중 어느 한쪽으로 유입되어 수분을 흡착한 제2흡착제를 가열하여 수분을 탈착시켜 제2흡착제를 재생시킬 수 있다.
상기 제2흡착타워(500)는 제2건조공기유출선택좌밸브(81), 제2건조공기유출선택우밸브(82), 및 제2건조공기배출밸브(83)를 구비한다.
상기 제2건조공기유출선택좌밸브(81) 또는 제2건조공기유출선택우밸브(82)는 선택적으로 개방되어 고품질의 제2건조공기를 유출한다.
상기 제2건조공기배출밸브(83)는 제2건조공기가 도달되면 개방되어 고품질의 건조공기를 공급할 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 흡착제의 선택을 위하여 시간에 따른 흡착성능을 확인하여 생산 사이클을 확인하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 흡착타워에 충전되는 흡착제 종류에 따른 수분 파과곡선이다.
우선 도 3을 참조하면, 상업용 흡착제(molecular sieve + silica gel)의 경우 건조공기 생산 단계에서180분 이후부터 수분의 파과곡선이 나타나며, SAPO-34의 경우도 상업용 흡착제와 비슷한 파과곡선을 나타내었다.
이에 반해 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 탈착 성능을 보이는 MIL-100Fe의 경우 수분의 파과곡선이 220분 이후부터 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
또한 저온 탈착 성능이 우수한 Al-fumarate의 경우 수분의 파과곡선이 20분 이후부터 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
Cu-BTC의 경우 80분 이후부터 수분의 파과곡선이 나타나는 것을 확인하였다.
따라서 수분 흡착 성능만을 비교하면 MIL-100Fe가 가장 높고 SAPO-34, 상업용 흡착제(molecular sieve + silica gel), Cu-BTC, Al-fumarate 순으로 나타나는 것을 확인하였다.
이 흡착제 중 성능이 우수한 MIL-100Fe 및 상업용 흡착제(molecular sieve + silica gel) 흡착제에 대한 건조공기 생산 사이클을 진행하였다.
도 4는 종래의 상업용 흡착제(molecular sieve + silica gel)에 대한 건조공기 생산 사이클을 나타낸 곡선이다.
도 4를 참조하면, 수분 흡탈착 사이클 결과는 흡착 온도 30 ℃, 흡착압력 7 bar, 흡착 유량 4 L/min, 흡탈착 사이클 시간 120분(흡착 60분, 탈착 60분), 탈착 유량 0.3 L/min 및 탈착 온도 140 ~ 160 ℃로 진행하였다.
상업용 흡착제의 경우, 140 ℃에서 수분을 탈착할 경우 3번째 사이클부터 재생이 안 되는 것을 알 수 있다.
반면, 160 ℃로 수분을 탈착할 경우 10 사이클 이상까지 수분 흡탈착이 반복되는 것을 확인할 수 있었다.
상업용 흡착제의 경우 건조공기를 생산하기 위하여 고온으로 반복 재생하여야 하는 것을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서, MIL-100 흡착제에 대한 건조공기 생산 사이클을 나타낸 곡선이다.
도 5를 참조하면, 수분 흡탈착 사이클 결과는 흡착 온도 30 ℃, 흡착압력 7 bar, 흡착 유량 4 L/min, 흡탈착 사이클 시간 170분(흡착 85분, 탈착 85분), 탈착 유량 0.3 L/min 및 탈착 온도 60~80 ℃로 진행하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MIL-100Fe 흡착제의 경우 80 ℃에서 수분을 탈착할 경우 20 사이클 이상까지 수분 흡탈착이 반복되는 것을 확인 할 수 있었다.
이는 상업용 흡착제 대비 80 ℃ 이상의 탈착 온도를 감소 시킬 수 있는 것을 확인 할 수 있었다.
따라서 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1흡착타워에 충전되는 제1흡착제는 수분흡착량, 생산 사이클 및 탈착온도를 고려하여 MIL-100Fe를 선택하는 것이 바람직한 것을 확인하였다.
이하에서 에너지 절약형 에어드라이어의 작동순서를 설명한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 제1흡착타워의 흡착공정이 수행되는 경우 압축공기의 흐름을 나타낸 공정도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 제1흡착타워의 탈착공정이 수행되는 경우 건조공기의 흐름을 나타낸 공정도이다.
우선 도 6를 참조하여 제1흡착타워(400)의 흡착공정을 설명하면, 상기 컴프레서(100)에서 생성된 압축공기는 압축되어 압축열을 가지고 압축공기로(10)를 따라 이동한다.
상기 압축공기는 열교환기(200)에 도입되고 일측으로 유입되는 건조공기에 압축열을 전달하고 냉각된 후 제1유입선택좌밸브(11)에 도달한다.
상기 열교환기(200)의 열교환은 흡착공정에서 압축열을 회수하는 공정과 탈착공정에서 도입되는 건조공기를 도입하는 공정이 교대로 반복되어 수행된다.
상기 제1유입선택좌밸브(11)가 개방되는 경우 제1유입선택우밸브(12)는 폐쇄되어 상기 압축공기는 제1유입선택좌밸브(11)를 따라 상기 제1흡착좌타워(410)로 유입된다.
상기 제1흡착좌타워(410)는 압축공기 내 수분을 흡착하여 제1건조공기를 제조한다.
상기 제1흡착타워(400)의 상부에는 상기 제1건조공기유출선택좌밸브(41)가 배치되고, 상기 제1건조공기유출선택좌밸브(41)가 개방되어 제1건조공기가 배출된다.
상기 제1건조공기는 상기 제1건조공기유출선택삼방향밸브(43)에 도달되어, 상기 제2흡착타워(500) 중 어느 한 쪽의 흡착타워에 도입되거나, 제1건조공기배출밸브(44)로 유출될 수 있다.
압축공기 중 수분량이 일정하게 감소된 건조공기를 대량으로 생산하고 고품질의 건조공기가 요구되지 않는 경우에는 상기 제1건조공기유출선택삼방향밸브(43)에서 제2흡착타워(500) 방향의 밸브는 폐쇄되고 제조된 상기 제1건조공기는 상기 제1건조공기배출밸브(44)에 도달하게 되고 상기 제1건조공기배출밸브(44)가 개방되어 제1건조공기를 공급한다.
상기 제1건조공기는 제1건조공기배출밸브(44)의 출구 압력하 이슬점이 2 내지 10 ℃이다.
상기 제1건조공기는 수분의 흡착에 필요한 제1흡착제의 재생에 사용되는 에너지를 크게 감소시킬 수 있으며, 압축공기의 압력범위 내에서 수분흡착량이 커서 건조공기를 대량으로 생산할 수 있다.
한편 반도체공정이나 고가의 공압기기의 경우 보다 고품질의 건조공기가 요구되어 상기 제1건조공기 내 잔류하는 수분을 제거할 필요성이 있으며, 이 경우 상기 제1건조공기는 제2흡착타워에 전달되어 수분량을 감소시키기 위한 후단공정에 도입된다.
도 7을 참조하면, 상기 제1건조공기의 일부는 상기 제1흡착좌타워(410)의 상부에 배치된 제1유출선택좌밸브(21)가 개방되어 제1건조공기유입로(20)에 도입된다.
상기 제1건조공기유입로(20)에 유입된 건조공기는 상기 열교환기(200)에 도입되고 열교환기 내의 압축열을 전달받아 100 ℃미만으로 가열된다.
가열된 건조공기는 제1가열건조공기유입로(30)를 따라 제1재생선택우밸브(32)에 도달하게 되고, 제1흡착우타워(420)에 도입되어 이미 흡착공정을 통하여 수분을 흡착한 탈착제를 가열하여 수분을 탈착시킨다.
상기 제1흡착우타워(420)의 일측에는 제1퍼지우밸브(14)가 배치되어 수분을 탈착한 건조공기는 제1흡착타워(400)로 순환되지 않고 외부로 배출된다.
상기 흡착공정과 탈착공정은 교대로 수행되며, 상기 제1흡착좌타워(410)에서 흡착공정이 수행되는 경우 제1흡착우타워(420)에서는 탈착공정이 수행되며, 흡착 및 탈착이 완료되어 다음 사이클에서는 반대로 제1흡착우타워(420)에서 흡착공정이 수행되고 제1흡착좌타워(410)에 탈착공정이 수행된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 제2흡착타워의 흡착공정이 수행되는 경우 압축공기의 흐름을 나타낸 공정도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서, 제2흡착타워의 탈착공정이 수행되는 경우 건조공기의 흐름을 나타낸 공정도이다.
도 8을 참조하면, 상기 제1흡착좌타워(410)에서 압축공기 중 수분이 일부 제거된 제1건조공기는 제1건조공기도입로(50)를 따라 제2유입선택좌밸브(51) 또는 제2유입선택우밸브(52)에 도달한다.
상기 제2유입선택좌밸브(51)가 개방되는 경우 제2유입선택우밸브(52)는 폐쇄되어 상기 제1건조공기는 상기 제2유입선택좌밸브(51)를 따라 상기 제2흡착좌타워(510)로 유입된다.
상기 제2흡착좌타워(510)에 충전된 제2흡착제는 상대적으로 낮은 상대 습도 10 % (P/P0 = 0.1) 이하의 제1건조공기 내 잔류하는 수분을 매우 효과적으로 흡착하여 고품질의 건조공기를 제조할 수 있다.
상기 제2흡착좌타워(510)를 통과하여 수분이 제거된 제2건조공기는 상기 제2흡착좌타워(510) 상부에 배치되는 제2건조공기유출선택좌밸브(81)을 따라 제2건조공기유출로(80)에 도입된다.
상기 제2건조공기는 제2건조공기유출로(80)를 통하여 제2건조공기배출밸브(83)에 도달되며, 제2건조공기배출밸브(83)의 개폐에 따라 고품질 건조공기를 공급할 수 있다.
상기 제2건조공기는 제2건조공기배출밸브(83)의 압력하 이슬점이 -40 ℃ 이하인 고품질 건조공기를 제조할 수 있다.
도 9를 참조하여 제2흡착타워(500)의 탈착공정을 설명하면, 상기 제2흡착좌타워(510)를 통과하여 수분이 제거된 제2건조공기의 일부가 분기되어 제2건조공기유입로(60)으로 도입된다.
상기 제2건조공기유입로(60)에 도입된 제2건조공기는 상기 열교환기(200)에 도달하여 압축공기의 압축열을 전달받아 100 ℃ 미만으로 가열된다.
상기 제2흡착제는 100 내지 200 ℃의 탈착온도를 가지기 때문에 상기 제2건조공기는 상기 히터(600)를 통과하여 150 ℃로 가열된다.
상기 히터(600)를 통과하여 더 가열된 제2건조공기는 제2가열건조공기유입로(70)를 통하여 제2재생선택우밸브(72)에 도달한다.
상기 제2건조공기는 제2흡착우타워(520)에 유입되고, 제2흡착제를 가열하여 흡착된 수분을 탈착시킨 후 상기 제2흡착우타워(520) 일측에 구비된 제2퍼지우밸브(54)를 통하여 외부로 배출된다.
제1흡착타워(400)의 흡착 및 탈착공정과 마찬가지로 제1흡착타워(500)에서 흡착공정과 탈착공정은 교대로 수행되며, 상기 제2흡착좌타워(510)에서 흡착공정이 수행되는 경우 제2흡착우타워(520)에서는 탈착공정이 수행되며, 흡착 및 탈착이 완료되고 다음 흡착 및 탈착 사이클에서는 반대로 제2흡착우타워(520)에서 흡착공정이 수행되고 제2흡착좌타워(510)에 탈착공정이 수행된다.
본 발명에 다른 측면에 따르면 본 발명은 에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법을 제공한다.
도 10은 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법의 순서를 나타낸 공정흐름도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법은 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 단계(제1단계):
상기 압축공기를 제1흡착타워에 도입하여 압축공기 내의 수분의 일부를 흡착하여 건조공기를 제조하는 단계(제2단계);
상기 건조공기를 일측으로 배출하여 공급하거나, 건조공기 내의 잔류 수분의 제거여부를 결정하는 단계(제3단계);
상기 건조공기를 제2흡착타워에 도입하여 건조공기 내의 잔류 수분을 흡착하여 건조공기를 제조하고 배출하는 단계(제4단계);
상기 제2단계의 건조공기 일부를 분기하고 압축열을 가지는 압축공기와 열교환하여 건조공기를 가열하는 단계(제5단계);
상기 100 ℃ 미만으로 가열된 건조공기는 제1흡착타워에 도입하여 제1흡착타워에 충전된 제1흡착제를 재생하는 단계(제6단계); 및
상기 제4단계에서 가열된 건조공기를 분기하여 히터로 가열하여 100 내지 200 ℃의 건조공기를 형성한 후 상기 제2흡착타워에 도입하여 제2 흡착제를 재생하는 단계(제7단계)를 포함한다.
우선 대기를 압축하여 압축공기를 형성한다(S100).
이때 압축공기는 압축열을 가지게 되고, 후술하는 건조공기에 압축열을 전달하여 상기 제1흡착제 및 제1흡착제를 가열하여 재생하는데 사용된다.
상기 압축공기를 제1흡착타워(400)에 도입하여 압축공기 내의 수분의 일부를 흡착하여 건조공기를 제조한다(S200).
상기 S200에서 제조되는 이슬점 2 내지 10 ℃의 건조공기를 일측으로 공급할 수 있다.
상기 건조공기를 일측으로 배출하여 공급하거나, 건조공기 내의 잔류 수분의 제거여부를 결정한다(S300).
상기 건조공기를 일측으로 배출하여 공급할 수 있어서 제1흡착타워(400)를 통하여 제조된 제1건조공기를 효율적으로 공급할 수 있으며, 고품질의 건조공기가 요구되는 경우 상기 제1건조공기를 제2흡착타워로 도입하는 제4단계로 도입하여 건조공기의 품질을 선택하여 제조할 수 있다.
한편 상기 제1흡착제는 흡착등온선에 따른 상대 습도 5 내지 40 % (0.05 = P/P0 = 0.5)인 영역에서 흡착제 중량 대비 30 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 100 ℃ 미만의 건조공기로 재생 가능하다.
상기 제1흡착제는 상기 상대습도의 범위에서 흡착제 중량 대비 다량의 수분을 흡착하여 건조공기를 대량으로 생산할 수 있으며, 또한 압축공기 생성시 발생하는 압축열을 회수하여 재생이 가능하여 에너지를 절약하여 건조공기를 효과적으로 제조하여 공급할 수 있다.
상기 건조공기를 제2흡착타워에 도입하여 건조공기 내의 잔류 수분을 흡착하여 건조공기를 제조하고 배출한다(S400).
제1건조공기보다 고품질의 건조공기가 요구되는 경우 상기 제2흡착타워에 도입하여 제1건조공기 내의 잔류 수분을 흡착하여 제2건조공기를 제조하여 공급할 수 있다.
상기 S400에서 이슬점 -40 ℃ 이하인 건조공기를 공급할 수 있다.
상기 제2흡착타워에 충전된 제2흡착제는 흡착등온선에 따른 상대 습도 10 % (P/P0 = 0.1) 이하인 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 100 내지 200 ℃ 이하의 건조공기로 재생 가능하다.
상기 S200의 건조공기 일부를 분기하고 압축열을 가지는 압축공기와 열교환하여 건조공기를 가열한다(S500).
상기 100 ℃ 미만으로 가열된 건조공기는 제1흡착타워에 도입되어 제1흡착타워에 충전된 제1흡착제를 재생한다(S600).
상기 S400에서 제조되는 고품질의 건조공기가 요구되지 않는 경우 상기 S500 및 S600은 상기 S300에 바로 연속하여 수행되며, S400은 수행되지 않을 수 있다.
마지막으로 상기S400에서 가열된 건조공기를 분기하여 히터로 가열하여 100 내지 200 ℃의 건조공기를 형성한 후 상기 제2흡착타워에 도입하여 제2 흡착제를 재생한다(S700).
따라서, 본 발명에 따른 에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법에 의하면, 건조공기를 수분량에 따라 선택적으로 제조할 수 있으며, 특히 일정한 상대습도 범위의 압축공기에서 수분을 제거하여 건조공기를 대량으로 생산하여 공급할 수 있으며, 선택적으로 반도체공정 또는 공압기기용 고품질의 건조공기를 매우 효과적으로 제조할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 컴프레서 200 : 열교환기
300 : 프리필터 400 : 제1흡착타워
410 : 제1흡착좌타워 420 : 제1흡착우타워
500 : 제2흡착타워 510 : 제2흡착좌타워
520 : 제2흡착우타워 600 : 히터
10 : 압축공기로
11 : 제1유입선택좌밸브 12 : 제1유입선택우밸브
13 : 제1퍼지좌밸브 14 : 제1퍼지우밸브
20 : 제1건조공기유입로
21 : 제1유출선택좌밸브 22 : 제1유출선택우밸브
30 : 제1가열건조공기유입로
31 : 제1재생선택좌밸브 32 : 제1재생선택우밸브
40 : 제1건조공기유출로
41 : 제1건조공기유출선택좌밸브 42 : 제1건조공기유출선택우밸브
43 : 제1건조공기유출선택삼방향밸브 44 : 제1건조공기배출밸브
50 : 제1건조공기도입로
51 : 제2유입선택좌밸브 52 : 제2유입선택우밸브
53 : 제2퍼지좌밸브 54 : 제2퍼지우밸브
60 : 제2건조공기유입로
61 : 제2유출선택좌밸브 62 : 제2유출선택우밸브,
70 : 제2가열건조공기유입로
71 : 제2재생선택좌밸브 72 : 제2재생선택우밸브
80 : 제2건조공기유출로
81 : 제2건조공기유출선택좌밸브 82 : 제2건조공기유출선택우밸브
83 : 제2건조공기배출밸브

Claims (12)

  1. 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 컴프레서;
    상기 컴프레서 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수하는 열교환기;
    상기 열교환기 일측에 배치되며, 압축공기 중 불순물을 제거하는 프리필터;
    상기 프리필터 일측에 배치되고, 제1 흡착제가 충전되어 밸브의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 압축공기 내의 수분을 흡착하여 건조공기를 제조하는 제1흡착타워; 및
    상기 제1흡착타워 일측에 배치되고, 제2 흡착제가 충전되어 상기 제1흡착타워에서 배출되는 건조공기가 유입되고 상기 건조공기 내 잔류하는 수분을 흡착하는 제2흡착타워;를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어로서,
    상기 제1 흡착제는 메탈 트리메세이트계 금속-유기 구조체(MOF) 또는 메탈 테레프탈레이트계 금속-유기 구조체(MOF)에서 선택되며, 흡착등온선에서 상대 습도 5 내지 40 % (0.05 = P/P0 = 0.5)인 영역에서 흡착제 중량 대비 30 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 100 ℃ 미만의 건조공기로 재생 가능하고,
    상기 제2 흡착제는 실리코알루미노포스페이트계 제올라이트에서 선택되며, 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 = 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지는 것을 특징으로 하는,
    에너지 절약형 에어드라이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 흡착제는
    MIL-100Fe 또는 MIL-101Cr인 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1흡착타워 및 제2흡착타워는
    제1건조공기도입로를 통하여 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 흡착타워의 일측에는 제1건조공기배출밸브가 구비되며, 상기 제1건조공기배출밸브를 통하여 이슬점이 2 ℃ 내지 10 ℃인 건조공기를 배출하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2흡착타워에서 생산되는 건조공기의 일부는 분기되어 상기 열교환기로 유입되며, 상기 압축열과 열교환으로 가열되어 상기 제1 또는 제2흡착타워의 일측으로 회수되고, 상기 제1또는 제2흡착제를 가열하여 흡착제에 흡착된 수분을 탈착하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 압축열은 100 ℃ 미만으로 유지되며, 상기 압축열은 상기 열교환기에 도입되는 건조공기를 가열하며, 가열된 건조공기가 상기 제 1 흡착타워 일측으로 유입되어 상기 제1흡착제에 흡착된 수분을 탈착하여 상기 제1흡착제를 재생하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제2흡착타워에서 생산되는 건조공기의 일부는 분기되어 상기 열교환기로 회수되고, 상기 건조공기는 열교환기에서 열교환으로 가열되며, 상기 열교환기 일측에 구비된 히터를 통과하여 재가열되어 상기 제2흡착타워의 일측으로 유입되어 상기 제2흡착제를 재생하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  9. 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 단계(제1단계):
    상기 압축공기를 제1흡착타워에 도입하여 압축공기 내의 수분의 일부를 흡착하여 건조공기를 제조하는 단계(제2단계);
    상기 건조공기를 일측으로 배출하여 공급하거나, 건조공기 내의 잔류 수분의 제거여부를 결정하는 단계(제3단계);
    상기 건조공기를 제2흡착타워에 도입하여 건조공기 내의 잔류 수분을 흡착하여 건조공기를 제조하고 배출하는 단계(제4단계);
    상기 제2단계의 건조공기 일부를 분기하고 압축열을 가지는 압축공기와 열교환하여 건조공기를 가열하는 단계(제5단계);
    100 ℃ 미만으로 가열된 상기 건조공기를 상기 제1흡착타워에 도입하여 제1흡착제를 재생하는 단계(제6단계); 및
    상기 제4단계의 건조공기를 분기하고 히터로 가열하여 100 내지 200 ℃의 건조공기를 형성한 후 상기 제2흡착타워에 도입하여 제2 흡착제를 재생하는 단계(제7단계);를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법으로서,
    상기 제1 흡착제는 메탈 트리메세이트계 금속-유기 구조체(MOF) 또는 메탈 테레프탈레이트계 금속-유기 구조체(MOF)에서 선택되며, 흡착등온선에서 상대 습도 5 내지 40 % (0.05 = P/P0 = 0.5)인 영역에서 흡착제 중량 대비 30 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 100 ℃ 미만의 건조공기로 재생 가능하고,
    상기 제2 흡착제는 실리코알루미노포스페이트계 제올라이트에서 선택되며, 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 = 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지는 것을 특징으로 하는,
    에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1흡착제는
    MIL-100Fe 또는 MIL-101Cr인 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제2단계에서
    제조되는 이슬점 2 내지 10 ℃의 건조공기를 일측으로 배출하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 제4단계에서
    이슬점 -40 ℃ 이하인 건조공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어를 이용한 건조공기 제조방법.
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