KR20000076623A - 단일 베드 압력 스윙 흡착 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

PSA 방법과 시스템은 주기적 공급, 배출, 퍼즈 및 재가압 단계를 사용하여 공급 성분의 하나가 농축되어 있는 최종 가스 생성물을 제공한다. 상기 방법은 흡착기 용기와 송풍기 간의 가스 흐름을 조절하기 위한 하나의 2방향 4포트 밸브를 사용하는 간단한 시스템으로 수행된다. 여기서 송풍기는 공급가스를 흡착기로의 도입과 흡착기로부터의 가스배출용으로 사용된다. 흡착기 용기와 생성물 가스 저장 탱크 사이에서 어느 한 방향으로 흐르는 가스흐름의 제어는 이 용기와 탱크 사이에 평형하게 설치되어 있는 2개의 체크 밸브에 의해 수행된다.

Description

단일 베드 압력 스윙 흡착 방법 및 시스템{SINGLE BED PRESSURE SWING ADSORPTION PROCESS AND SYSTEM}
압력 스윙 흡착법은 부피가 큰 가스 혼합물의 분리 및 불필요한 성분들을 저농도로 함유하는 가스 스트림의 정제에 사용되는 공지된 방법이다. 이 방법은 다양한 범위의 조작 조건, 생성물 순도 및 생성율면에서 개발되어 왔고, 적용되어 왔다. 많은 압력 스윙 흡착 시스템은 선택된 베드에 의해 흡착, 감압, 탈착, 퍼지, 압력 평형화, 재가압 및 기타 관련 단계를 비롯한 다양한 단계들을 진행하면서 생성물 유속을 일정하게 유지시키기 위해 순환적인 순서로 작동되는 두개 이상의 흡착기 베드를 사용한다. 값비싼 기체 생성물(예, 수소, 탄소산화물, 합성 가스, 경탄화수소 등)을 고순도 및/또는 고회수율로 얻기 위해서는 공정 단계가 많은 다중 흡착기 베드가 사용된다. 대개 이러한 유용한 성분을 함유하는 공급 가스 혼합물을 생성시키는 데는 비용이 많이 들며, 특정 생성물에 대해서는 높은 순도를 요하므로 다중 베드 압력 스윙 흡착 시스템의 복잡성 및 경비를 가중시킨다.
수많은 단일 베드 압력 스윙 흡착(PSA) 공정이 개발되어 왔고, 이는 당해 기술 분야에 공지되어 있다. 이들 공정 중 많은 것들이 부분적으로 대기압 이하에서 작동되는데, 이를 진공 스윙 흡착(VSA) 또는 진공 압력 스윙 흡착(VPSA) 공정으로 기술한다. 본 명세서에서는, 작동 압력 수준과는 무관하게 모든 유형의 순환식 흡착 시스템을 기술하기 위한 일반적인 용어로서 압력 스윙 흡착(PSA)이란 용어를 사용한다.
PSA에 의해 쉽게 회수될 수 있는 기타 기체 생성물은 앞에서 명명한 생성물의 고순도 및/또는 고회수율을 요하지 않는다. 예컨대, PSA에 의해 공기로부터 산소 및 질소를 회수하는 경우, 산소를 90 내지 95 부피% 함유하는 저순도 생성물이 많은 최종 용도에서 허용될 수 있으며, 이러한 생성물을 제공하는 데 더 단순한 PSA 시스템을 사용할 수 있다. 이 더 단순한 PSA 시스템은 앞에서 기술한 다중 베드 시스템에 비해 자본 및 작동 단가가 현저히 낮다. 이들 공기 분리 PSA 시스템 중 가장 단순한 것은 생성물을 일정하게 흐르게 하고 PSA 사이클의 재생 단계 중 흡착기 퍼지 및 가압용 가스를 제공하는 한개 이상의 가스 저장 용기와 조합된 단일 흡착제 베드를 사용하는 것이다.
미국 특허 제4,561,865호는 3단계 사이클로 공급물 압축기와 함께 작동되는 흡착기 및 서지 탱크를 포함하는 단일 베드 PSA 시스템을 개시하고 있다. 먼저, 압축된 공급 공기는 흡착기 내로 도입되는데, 이는 흡착기 내의 압력을 증가시킴과 동시에 흡착기 유출물을 서지 탱크로 배출시킨다. 그 가스의 일부는 서지 탱크로부터 고농도의 산소 생성물로서 배출된다. 그 후, 흡착기 공급을 중단하고, 대기압까지 흡착기를 역류 방향으로(즉, 흡착기 공급 단부를 통해) 통기시킨다. 이같은 통기 단계 중, 서지 탱크로부터 나온 퍼지 가스를 흡착기의 생성 단부로 도입한다. 통기/퍼지 단계를 완료한 후, 흡착기와 서지 탱크를 흡착기 생성 단부를 통해(즉, 역류 방향으로) 압력 평형화시킨다. 이 단계들은 순환적인 방법으로 반복된다. 미국 특허 제4,511,377호에는 이러한 PSA 공정을 사용하는 모듈식 장치가 기재되어 있다.
일련의 단계들을 수행하기 위한 서지 탱크, 공급물 압축기 및 스위치 밸브와 조합된 흡착기를 사용하는 단일 베드 PSA 시스템이 미국 특허 제4,892,566호에 기재되어 있다. 먼저, 압축된 공급 공기가 흡착기 내로 도입되는데, 이는 흡착기 내의 압력을 증가시킴과 동시에 흡착기 유출물을 서지 탱크로 배출시킨다. 그 가스의 일부는 서지 탱크로부터 고농도의 산소 생성물로서 배출된다. 이어서, 흡착기 공급을 중단하고, 흡착기 배출구를 닫은 후, 흡착기를 역류 방향으로(즉, 흡착기 공급 단부를 통해) 대기압까지 통기시킨다. 서지 탱크로부터 나온 가스를 역류 방향으로(즉, 흡착기 공급 단부를 통해) 흡착기에 도입하고 흡착기 및 서지 탱크 내 압력을 평형화시킨다. 그 후, 흡착기를 공급 단부를 통해 공급 공기로 가압시키고 서지 탱크와 압력 평형화시킨다. 이 흡착기를 서지 탱크의 압력보다 큰 압력으로 추가 가압한 후, 마지막으로 흡착기 및 서지 탱크의 압력을 평형화시킨다. 이 후, 이 단계들은 순환적인 방법으로 반복한다.
미국 특허 제5,032,150호에는 공기를 분리하기 위해 PSA 사이클 내 다중 가스 저장 탱크를 사용하는 단일 베드 PSA 공정이 개시되어 있다. 공기 공급 탱크로부터 나온 압축 공기를 전(前) 사이클로부터 얻은 고농도의 산소 가스로 미리 포화시킨 흡착기에 공급하고, 그 흡착기 유출물을 생성물 회수기 탱크로 유도한다. 이곳으로부터 그 가스의 일부를 고농도의 산소 생성물로서 배출시킨다. 그 후, 흡착기 배출구를 닫고, 흡착기를 공기 공급 탱크와 압력 평형화시킨다. 다음, 질소 생성물 탱크로부터 나온 고농도 질소 가스로 상기 흡착기를 소제하고, 교체된 가스를 공기 공급 탱크에 저장한다. 그 후, 이 질소 포화된 흡착기를 역류 방향으로(즉, 흡착기 공급 단부를 통해) 질소 생성물 탱크 내로 감압시킨다. 질소는 필요에 따라 생성물로서 배출할 수 있다. 마지막으로, 생성물 회수기 탱크로부터 얻은 고농도 산소 가스로 상기 흡착기를 역류 방향으로 퍼지하여 내부 질소를 교체한 후, 고농도 산소 가스로 흡착 압력까지 역류 방향으로 가압한다. 이 단계들은 순환적인 방법으로 반복한다.
용기가 이중 흡착층을 지니며 연속 공급 가스와 두개의 연속 생성물 스트림이 교대 유형으로 작동되는 단일 용기 고속 PSA 시스템이 미국 특허 제5,071,449호에 기재되어 있다. 생성물 서지 탱크는 사용하지 않는다. 30초 이하의 사이클로 조작되는 단일 흡착제 베드를 사용하는 또 다른 고속 PSA 시스템이 미국 특허 제4,194,892호에 기재되어 있다. 흡착기 유출물을 임의로 생성물 서지 탱크에 통과시켜서 흡착기 사이클 중의 흐름 변동을 감소시킨다.
생성물 서지 탱크와 평형화 탱크를 구비한 단일 베드 PSA 시스템이 미국 특허 제5,370,728호에 개시되어 있다. 이 시스템의 작동 시, 압축 공기 공급물이 흡착제 베드 내로 도입되어 그 베드를 중간 압력에서 최대 흡착 압력으로 가압한 후, 상기 베드로부터 유출 생성물을 생성물 서지 탱크로 배출시킨다. 그 후, 흡착제 베드를 분리하고 역류 방향으로(즉, 흡착기 공급 단부를 통해) 중간 압력의 평형화 탱크로 감압한다. 이후, 그 베드를 더 낮은 탈착 압력으로 역류 방향으로(즉, 공급 단부를 통해) 추가 감압하고, 그 베드를 생성물 서지 탱크로부터 나온 가스를 사용하여 역류 방향으로 퍼지한다. 마지막으로, 상기 베드를 공급 공기로 가압하며, 이 단계들을 순환적으로 반복한다.
기타의 단일 베드 PSA 공정들이 미국 특허 제4,065,272호, 제4,477,264호, 제5,228,888호, 제5,415,683호, 제5,658,371호, 제5,679,134호, 제5,772,737호 및 일본 특허 출원 공개 제97-77502호, 제98-1947080호, 및 유럽 특허 출원 EP 0 771 583 A1에 기재되어 있다.
앞에서 인용한 문헌 중 몇몇은 퍼지 가스 및 재가압 가스를 제공하는 다중 가스 저장 탱크를 개시하고 있다. 미국 특허 제5,370,728호, 미국 특허 제5,658,371호, 및 유럽 특허 출원 EP 0 771 583 A1는 산소 회수용 단일 베드 공기 분리 시스템에 이중 가스 저장 탱크를 사용할 것을 기재하고 있다. 한 탱크에는 산소 순도가 낮은 기공 공간 가스 또는 부분적인 감압 가스를 저장하며, 나머지 탱크에는 고순도의 산소 생성물 가스를 저장한다. 산소 순도가 낮은 저장 가스는 흡착기의 부분적인 재가압에 사용되는 반면 저장된 고순도 생성물 가스의 일부는 흡착기의 퍼지에 사용된다. 미국 특허 제5,032,150호는 다중 가스 저장 탱크를 사용하여 PSA 시스템 내 공기로부터 질소를 회수하는 것이 기재되어 있는데, 한 탱크는 흡착기 퍼지용 고농도 산소 가스를 저장하며, 또 다른 탱크는 퍼지를 완료한 후 흡착기로부터 산소를 교체시키기 위한 고농도의 질소 생성물을 저장한다.
전술한 PSA 공정 및 시스템은 공급 가스 혼합물로부터 농축 기체를 효율적으로 생성하는 데 사용된다. 이들 단일 베드 공정은 순환적인 흡착, 감압, 배기 및 재가압 단계 중의 가스 유속 및 흐름 방향을 제어하기 위해 다중 밸브 및 적절한 제어 시스템을 필요로 한다. 이러한 사항의 앞으로의 개선은 이들 단일 베드 공정 및 시스템의 사용을 확장시킬 것이며, 이러한 개선 사항으로는 PSA 공정에서 필요로 하는 장비, 특히 송풍기, 밸브 및 회합 가스 유속 제어 시스템의 단순화를 포함하여야 한다. 이하에 기술되어 있으며 첨부한 특허청구범위에서 정의한 본 발명은 향상된 PSA 공정과 시스템을 제공하며, 기지의 PSA 공정 기술과 비교해 볼때 밸브의 수가 최소화되어 가스 흐름 조절이 매우 간편화된 것이 특징이다.
도 1은 본 발명의 실시태양의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 공정 사이클에 있어서 흡착기 및 가스 저장 탱크의 압력 대 시간의 플롯이다.
본 발명은 흡착성이 강한 1종 이상의 성분 및 흡착성이 약한 1종 이상의 성분을 함유하는 가압 공급 가스를 분리하기 위한 압력 스윙 흡착 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 하기 (a) 내지 (f)단계를 포함한다:
(a) 일정 공급 압력의 가압 공급 가스를 흡착성이 강한 성분을 선별적으로 흡착하는 고체 흡착제를 함유하는 흡착기 용기의 공급 단부에 도입하여, 흡착기 용기의 생성 단부로부터 흡착성이 약한 성분이 농축되어 있는 흡착기 유출 가스를 배출시키고, 이 흡착기 유출 가스의 일부 이상을 가스 저장 탱크 내로 도입시키는 단계,
(b) 가압 공급 가스의 흡착기 용기 내 도입을 종료시키고, 그 흡착기 용기의 공급 단부로부터 가스를 배기시킴으로써 흡착기 용기를 감압시키는 단계,
(c) 흡착기 용기의 공급 단부로부터 가스를 계속적으로 배기시킴과 동시에 가스 저장 탱크로부터 저장된 흡착기 유출 가스를 흡착기 용기 내 압력이 최소 흡착기 압력에 도달할 때까지 흡착기 용기의 생성 단부로 도입시키는 단계,
(d) 흡착기 용기의 공급 단부로부터의 가스 배기를 종료시키고, 가스 저장 탱크로부터 저장된 흡착기 유출 가스를 흡착기 용기의 생성 단부 내로 계속 도입시키면서 가압 공급 가스를 흡착기 용기의 공급 단부 내로 도입시킴으로써 최소 흡착기 압력에서 중간 압력까지 흡착기 용기를 재가압하는 단계,
(e) 가압된 공급 가스를 흡착기 용기의 공급 단부 내에 계속 도입시킴으로써 흡착기 용기를 공급 압력으로 추가로 재가압시키는 단계, 및
(f) 단계(a) 내지 (e)를 순환적으로 반복하는 단계.
최종 생성물 가스는 흡착성이 약한 성분이 농축되어 있는 흡착기 유출 가스의 일부를 배출시킴으로써 또는 대안적으로 가스 저장 탱크로부터 저장된 유출 가스의 일부를 배출시킴으로써 단계(a) 중에 얻을 수 있다. 저장된 흡착기 유출 가스의 일부는 단계(b),(c),(d) 및 (e) 동안 최종 생성물 가스로서 가스 저장 탱크로부터 배출시킬 수 있다.
공급가스는 공기일 수 있는데, 공기에서 흡착성이 강한 성분은 질소이고 흡착성이 약한 성분은 산소이다. 고체 흡착제는 타입 A, 타입 X 또는 모르데나이트 구조를 갖는 1가 또는 2가 양이온 교환 제올라이트로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
(a)단계동안에, 흡착기 유출 가스는 가스 저장탱크로 도입되기에 앞서 제1 체크 밸브를 통해 흐르는 것이 바람직하다. (b), (c), (d) 및 (e) 단계동안에도 가스 저장탱크로부터의 어떤 가스도 제1 체크 밸브를 통해 흡착기 용기로 흐르지 않는다.
(c)와 (d) 단계동안, 가스 저장탱크로부터의 가스는 제2 체크 밸브를 통해서 흡착기 용기로 흐르는 것이 바람직하다. (a), (b) 및 (e) 단계동안에는 어떤 흡착기 유출 가스도 제2 체크 밸브를 통해 흐르지 않는다. 전형적으로 최저 흡착기 압력은 대기압 이하이다.
또한, 본 발명은 1종 이상의 흡착성이 강한 성분과 1종 이상의 흡착성이 약한 성분을 함유하는 공급가스를 분리하는 압력 스윙 흡착 시스템에 관한 것으로, 하기 (a)∼(h)를 포함한다.
(a) 우선적으로 흡착성이 강한 성분을 흡착하는 고체 흡착제를 함유하고, 공급 단부와 생성 단부를 가진 흡착기 용기;
(b) (1)공급가스를 흡착기 용기의 공급단부로 도입하고 (2)흡착기 용기의 공급단부로부터 배기가스를 배출시키는 송풍기, 밸브 및 배관 수단;
(c) 흡착성이 약한 성분이 농축되어 있는 흡착기 유출 가스를 흡착기 용기의 생성 단부로부터 배출시키는 배관 수단;
(d) 흡착기 용기의 생성 단부로부터 배출된 흡착기 유출 가스의 일부를 보유하는 가스 저장 탱크;
(e) 흡착기 유출 가스의 일부를 가스 저장 탱크로 도입하고 가스 저장 탱크로부터의 흡착기 유출 가스를 흡착기 용기로 전달하는 배관 수단;
(f) 흡착기 용기와 가스 저장 탱크간의 차압이 제1 체크 밸브의 토출차압(differential opening pressure) 이상일때에만, 흡착기 유출 가스를 가스 저장 탱크로 흐르게 하는 제1 체크 밸브;
(g) 가스 저장 탱크와 흡착기 용기간의 차압이 제2 체크 밸브의 토출차압 이상일때에만, 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기로 흐르게 하는 제2 체크 밸브;
(h) 흡착성이 약한 성분이 농축된 최종 생성물 가스로서 흡착기 유출 가스의 일부 이상을 배출시키는 배관수단.
바람직하게는, (b)의 밸브수단는 2방향 4포트 밸브를 포함하는 것으로, 이 밸브는
(1) 제1 밸브 위치에서, 가스가 공급 유입구/배출구 라인, 밸브, 송풍기 흡입 라인, 송풍기, 송풍기 방출 라인, 밸브, 흡착기 용기 공급 단부에 연결된 라인을 통해 차례로 흘러들어가 흡착기 용기로 흐르도록 하고,
(2) 제2 밸브 위치에서, 가스가 흡착기 용기로부터 흡착기 용기 공급 단부에 연결된 라인, 밸브, 송풍기 흡입 라인, 송풍기, 송풍기 방출 라인, 밸브 및 공급 유입구/배출구 라인을 통해 차례로 흐르도록 한다.
제1 체크 밸브의 토출차압은 약 0.05psid 내지 약 1.0psid인 것이 바람직하고, 제2 체크 밸브의 토출차압은 약 2psid 내지 약 10psid인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 본 발명의 시스템은 흡착성이 약한 성분이 농축된 최종 생성물 가스로서 흡착기 유출물 가스의 일부 이상을 배출시키는 배관수단에 연결된 흐름 조절 밸브를 추가적으로 포함한다. 상기 공급 가스는 공기일 수 있으며, 이러한 경우에 공급 유입구/배출구 라인은 대기와 유체 연통 상태에 있다.
본 발명은 공급 성분들 중 하나가 농축되어 있는 최종 가스 생성물을 제공하기 위해 순환하는 공급, 배기, 퍼지 및 재가압 단계의 독특한 조합을 이용한 PSA 방법에 관한 것이다. 이 방법은 흡착기 용기와 송풍기간 가스 흐름을 제어하기 위한 하나의 2방향 4포트 밸브를 사용하는 단순한 시스템으로 수행되는데, 상기 송풍기는 흡착기 내로 공급 가스를 도입시키고 흡착기로부터 가스를 배기시키는 데 사용된다. 흡착기 용기와 생성물 가스 저장 탱크 사이에서 어느 한방향으로 흐르는 가스 흐름의 제어는 상기 용기와 탱크 사이에 평행하게 설치된 2개의 체크 밸브를 통해 이루어진다. 따라서, 이 시스템은 단 두개의 기계적 구동 수단(driver)(하나는 2방향 4포트 밸브를 조작하기 위한 것이고 다른 하나는 송풍기를 조작하기 위한 것임)을 사용하여 작동된다. 흡착기와 가스 저장 탱크 간 체크 밸브는 흡착기와 저장 탱크 간 가스 차압에 의해 직접적이고 자동적으로 활성화된다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 실시태양의 설명에 사용된 구체적인 용어는 다음과 같은 의미를 갖는 것으로 설명한다.
공급 단계는 가압 공급 가스가 흡착기 용기 내로 도입되는 시간에 해당한다. 감압이란 흡착기 압력을 감소시킴으로써 수반되는 흡착기 용기로부터의 가스 배출로 정의된다. 감압은 초대기압에서 대기압으로 가스를 직접 통기시킴으로써 달성될 수 있거나 또는 대안적으로 더 낮은 압력의 다른 공정 용기 또는 밀봉 부피로 가스를 통기시킴으로써 달성될 수 있다. 또한, 감압은, 진공 펌프 또는 송풍기와 같은 기계적 수단에 의한 흡착기로부터의 가스 배출로 정의되는 배기 조작에 의해서도 달성될 수 있다. 배기는 어떠한 흡착기 압력 범위에서도 수행될 수 있으나, 전형적으로는 감압, 즉 진공 하에서 수행된다. 재가압이란 흡착기 압력을 증가시킴으로써 수반되는 흡착기 용기 내로의 가스 도입으로 정의된다.
퍼지란 퍼지 가스, 전형적으로는 생성물 가스를 흡착기의 한 단부에 도입하면서 유출 가스를 용기의 다른 단부로부터 배출시키는 것으로 정의된다. 퍼지는 어떠한 압력에서도 수행될 수 있으나, 감압 하에서가 가장 효과적이다. 퍼지는 감압, 배기 또는 재가압 과정 중 수행될 수 있으므로, 흡착기 압력은 퍼지 단계 중 임의의 기간동안 증가될 수도, 감소될 수도 또는 일정하게 유지될 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 퍼지 과정은 감압 또는 배기 단계의 뒷 부분에서 수행하는 것이 바람직하다.
차압(또는 압력 차)이란 고압 용기 또는 탱크와 저압 용기 또는 탱크 사이의 가스 압력의 + 차로 정의된다. 체크 밸브의 토출 차압은 밸브를 개방하고 가스를 유입구로부터 배출구로 흐르게 하는 데 요구되는 유입구와 배출구 사이의 압력 차이다.
기공 공간(void space) 가스는 흡착기 용기 내부의 극간(隙間) 또는 입자간 부피 내에 함유된 미흡착 가스로 정의되는데, 이는 흡착제로 점유되지 않은 배관 및 용기 무용 부피(dead volume) 내의 가스를 포함한다.
흡착기 용기로부터 나온 흡착기 유출 가스의 일부(이는 또한 흡착기 생성물 가스로 정의하기도 함)는 생성물 가스 저장 탱크에 저장된다. 외부 소비용으로 배출된 가스는 최종 생성물 가스(또는 최종 가스 생성물)로 정의되며, 이 최종 생성물 가스는 생성물 가스 저장 탱크로부터 배출됨으로써 또는 흡착기 생성물 가스의 일부로서 공급될 수 있다.
본 발명의 방법은 도 1에 개략적으로 도시된 압력 스윙 흡착 시스템 내에서 수행된다. 공급 가스 및 폐 배기 가스(이하에 정의됨)는 가스 흡입 및 배기 시 소음을 감소시키는 소음기(3)에 연결된 흡입/통기 라인(1)을 통해 흐른다. 어느 방향으로든 가스가 흐르는 라인(5)는 유입구/배출구 포트(7a)에서 2방향 4포트 밸브(7)에 연결된다. 어느 방향으로든 가스가 흐르는 라인(9)는 2방향 4포트 밸브(7)의 유입구/배출구 포트(7b)를 송풍기(11)에 연결한다. 어느 방향으로든 가스가 흐르는 라인(13)는 2방향 4포트 밸브(7)의 유입구/배출구 포트(7c)를 송풍기(11)에 연결한다. 어느 방향으로든 가스가 흐르는 라인(15)는 2방향 4포트 밸브(7)의 유입구/배출구 포트(7d)를 흡착기 용기(17)에 연결한다.
2방향 4포트 밸브(7)는 두 방향으로 가스가 흐르도록 두개의 위치에서 조작될 수 있는 것이라면 어떠한 시판용 2방향 4포트 밸브도 사용할 수 있다. 이 밸브는 전형적으로 브레이크를 구비한 전기 역전 모터 작동기에 의해 작동되는 이중 각도 또는 이중 L 볼을 지닌 4 포트의 볼 밸브이다. 이러한 기능을 수행하는 데 적당한 밸브 및 작동기들이 시판되고 있는데, 예컨대 피츠버그 브라스 매뉴팩춰링 컴패니(Pittsburgh Brass Manufacturing Co.) 및 암스코(AMSCO) 세일즈 코포레이션에서 입수할 수 있다.
흡착기 용기(17)는 공급 가스 혼합물 내 1종 이상의 성분들을 선택적으로 흡착하는 흡착제 물질을 함유하므로, 후술되는 바와 같이 나머지 성분들 내에서 미흡착 가스 농도가 증가된다. 어느 방향으로든 가스가 흐르는 라인(19)은 흡착기 용기의 생성 단부에 연결된다.
도시된 바와 같이 단지 한 방향으로만 가스가 흐르는 라인(21)은 체크 밸브(23)의 유입구에 연결된다. 도시된 바와 같이 단지 한 방향으로만 가스가 흐르는 라인(25)은 체크 밸브(23)의 배출구에 연결된다. 체크 밸브(23)는 흡착기 용기(17)(고압)와 가스 저장 탱크(39)(저압) 간 차압이 목적하는 값과 같거나 더 큰 경우에만, 단지 흡착기 용기(17)로부터 가스 저장 탱크(39)로, 즉 도시된 방향으로 가스가 흐르게 한다. 이 차압이 체크 밸브의 토출 차압이다. 상기 차압이 이 값보다 적은 경우, 체크 밸브(23)는 닫힌다. 이 목적하는 차압 값은 전형적으로 약 0.05 내지 1.0 lb/in2차(psid)인데, 이는 사용되는 구체적인 체크 밸브 디자인에 의해 정해진다. 양 방향으로 가스가 흐르는 라인(29)는 라인(31)에 연결되며, 이를 통해 가스가 제어 밸브(33)의 유입구로 흐른다. 최종 생성물 가스 라인(35)은 제어 밸브(33)의 배출구에 연결된다. 양 방향으로 가스가 흐르는 라인(37)은 라인(29) 및 가스 저장 탱크(39)에 연결된다.
도시된 바와 같이, 단지 한 방향으로만 가스가 흐르는 라인(41)은 체크 밸브(43)의 유입구에 연결된다. 도시된 바와 같이 단지 한 방향으로만 가스가 흐르는 라인(45)은 체크 밸브(43)의 배출구와 라인(19)에 연결된다. 체크 밸브(43)는 가스 저장 탱크(39)(고압)와 흡착기 용기(17)(저압) 간 차압이 목적하는 값과 같거나 더 큰 경우에만, 가스 저장 탱크(39)로부터 흡착기 용기(17)로, 즉 도시된 방향으로 가스가 흐르게 한다. 이는 체크 밸브의 토출 차압이다. 이 차압이 목적값보다 작은 경우, 체크 밸브(43)는 닫힌다. 상기 목적하는 차압 값은 전형적으로 약 2.0 내지 20 lb/in2차(psid)인데, 이는 사용되는 구체적인 체크 밸브 디자인에 의해 정해진다.
최종 생성물 가스를 배출하는 대안의 유형이 도 1에 도시되어 있는데, 여기서 생성물은 도시된 바와 같이 라인(31), 밸브(33) 및 생성물 라인(35)을 통해 가스 저장 탱크(39)로부터 직접 배출된다.
도 1의 시스템을 사용한 본 발명의 방법에 대한 설명은 이하에 기술하였다. 이 방법은 공기로부터 산소를 회수하는 것으로 예시되나, 후술한 바와 같은 기타 가스 혼합물을 분리하는 데도 사용할 수 있다.
1) 공기 공급 단계
대기, 바람직하게는 공지의 방법(도시되지 않음)으로 여과하여 유해한 미립 물질을 제거한 공기는 흡입/통기 라인(1), 소음기(3), 라인(5), 포트(7a 및 7b)를 거치는 2방향 4포트 밸브(7) 및 라인(9)을 지나 송풍기(11)의 유입구 내로 흐른다. 송풍기(11)는 전형적인 회전식 로브 루트(Roots) 유형 송풍기로서, 공기를 전형적으로 18 내지 23 psia 범위의 공급 압력으로 압축시킨다. 임의로, 송풍기 뒤에 후냉각기(도시되지 않음)를 사용할 수 있다. 가압 공급 가스는 라인(13), 포트(7c 및 7d)를 거치는 2방향 4포트 밸브(7) 및 라인(15)를 지나 질소, 즉 공기 공급물 중 더욱 강하게 흡착되는 성분을 선택적으로 흡착하는 흡착제 물질을 함유하는 흡착기 용기(17)로 흐른다. 흡착기 용기(17) 압력은 처음에는 선행 재가압 단계(후술함)에 의해, 전형적인 중간 압력 범위인 약 14.5 내지 15.5 psia이고, 흡착기 용기(17) 내 압력과 가스 저장 탱크(39) 내 압력은 체크 밸브(23)를 개방 상태로 유지하는 데 필요한 차압을 제외하고는 거의 같다. 가압 공급 공기는 약 13 ∼ 30초 동안 흡착기 용기 내 압력을 충분한 흡착 압력인 약 18 ∼ 23 psia로 증가시킨다. 대기 중에 존재하는 수분은 공지된 방법에 의해 흡착기 용기(17)의 상류로 제거될 수 있거나 또는 대안적으로 흡착기 유입구 단부에 물을 선별적으로 흡착하는 한 층의 흡착제를 사용함으로써 제거될 수 있다.
가압 공기 공급물이 흡착기 용기를 통과함에 따라, 이 공기 공급물 중 흡착성이 더 약한 성분인 산소가 농축된다. 전형적으로 85 내지 95 부피%의 산소를 함유하는 농축 산소 흡착기 유출물은 라인(19), 라인(21), 체크 밸브(23) 및 라인(29)를 통해 배출된다. 흡착기 유출 가스의 일부는 라인(37)을 통해 가스 저장 탱크(39)로 유입되며, 나머지는 흐름 제어 밸브(33) 및 라인(35)를 거쳐 최종 산소 생성물 가스를 제공한다.
공기 공급 단계는 흡착제가 목적하는 수준의 질소 흡착량에 접근할 때까지, 그리고 공급 공기에서 완전한 흡착 평형화가 이루어지기 전까지 지속되며 흡착 평형화가 완전히 이루어졌을 때 상기 단계는 종료한다. 공기 공급 단계 기간은 전형적으로 약 13 ∼ 30 초이다.
흡착기 용기(17)는 질소를 선별적으로 흡착하여 흡착기 유출물 내에 산소 농도를 증가시키는 1종 이상의 흡착제를 함유한다. 이러한 흡착제들은 타입 A, 타입 X 또는 모데나이트 구조를 갖는 일가 또는 이가의 양이온 교환된 제올라이트로 이루어지는 군 중에서 선택될 수 있다. 구체적인 예로는 NaX, NaA, CaX 및 CaA 타입 제올라이트가 있다.
2) 배기 단계
공기 공급 단계는 송풍기(11)가 흡착기 용기(17)를 배기시키도록 2방향 4포트 밸브(7)의 위치를 변화시킴으로써 종료된다. 이로써, 기공 공간 및 흡착기로부터 나온 탈착 가스는 라인(15), 포트(7d 및 7b)를 거치는 2방향 4포트 밸브(7), 송풍기(11) 및 라인(13)을 지난다. 공기 공급 단계가 종료한 직후, 흡착기 용기(17)(고압)와 가스 저장 탱크(39)(저압) 간 차압이 0.05 내지 1.0 psid 범위의 목적하는 값 보다 낮으면 체크 밸브(23)는 자동적으로 닫힌다. 그러므로, 체크 밸브(23)는 대부분의 배기 단계동안 닫혀있다. 배기된 가스는 포트(7c 및 7a)를 거치는 2방향 4포트 밸브(7), 라인(5) 및 소음기(3)을 통과하여 흐르며, 흡입/통기 라인(1)을 통해 대기와 통기된다. 흡착기 용기(17)는 역류 방향으로(즉, 공급 단계와 반대 흐름 방향) 배기되는데, 이는 공기 공급 단계 중에 흡착된 질소를 탈착시킴으로써 다음 공기 공급 단계를 위해 흡착제를 부분적으로 재생시킨다. 배기는 약 4 ∼ 10 psia의 중간 흡착기 압력에 도달할 때까지 계속한다.
3) 배기와 퍼지의 병합 단계
가스 저장 탱크(39)(고압)와 흡착기 용기(17)(저압)간 차압이 목적하는 값인 약 2 ∼ 10 psid로 증가되면, 체크 밸브(43)는 자동적으로 개방되고 농축 산소 생성물 가스는 탱크(39)로부터 라인(37, 29, 41, 45 및 19)을 지나 흡착기 용기(17)로 흐른다. 퍼지 가스의 이러한 역류 흐름은 흡착제를 소제하고 추가로 잔여 질소를 탈착시킨다. 퍼지 가스 진입 속도는 흡착기 용기(17) 내 압력을 지속적으로 감소시키는 것으로 한다. 약 4 ∼ 10 psia의 목적하는 최소 흡착기 압력에 도달하면, 배기와 퍼지 병합 단계가 종료한다. 전형적으로 상기 단계는 약 2 내지 약 8 초간 지속된다. 상기 단계는, 송풍기(11)를 배기 모드에서 전술한 공급물 압축 모드로 변화시키도록 2방향 4포트 밸브(7)의 위치를 개폐(switching)함으로써 종료된다. 경우에 따라서는, 체크 밸브(43)를 통해 공급되는 퍼지 가스의 속도 및 밸브(7)의 개폐 시간을 병합된 배기 단계와 퍼지 단계가 최소 흡착기 압력에서 일정한 기간 동안 수행되도록 선택할 수 있다.
4) 이중 단부 재가압
흡착기 용기(17)의 재가압은 공기 공급 단계에서 전술한 바와 같이, 라인(15)를 통해 압축 공급 공기를 도입시킴으로써 개시된다. 공기는 흡입/통기 라인(1), 소음기(3), 라인(5), 포트(7a 및 7b)를 거치는 2방향 4포트 밸브(7) 및 라인(9)를 지나 송풍기(11)의 유입구 내로 흐른다. 따라서, 송풍기(11)는 증가하는 압력의 공급 공기를 흡착기 용기(17)로 도입시킨다. 가압 공급 공기는 라인(13), 포트(7c 및 7d)를 거치는 2방향 4포트 밸브(7) 및 라인(15)을 지나 흡착기 용기(17)로 유입된다. 가스 저장 탱크(39)로부터 나온 저장된 생성물 가스는 라인(37), 라인(29), 라인(41), 체크 밸브(43), 라인(45) 및 라인(19)을 지나 흡착기 용기(17) 내로 계속 유입된다. 가스 저장 탱크(39)(고압)와 흡착기 용기(17)(저압)간 차압이 약 2 내지 10 psid 범위의 목적하는 값으로 감소되면, 체크 밸브(23)는 자동적으로 닫히고, 이중 단부 재가압 단계가 종료한다. 이중 단부 재가압 단계의 기간은 전형적으로 약 2 ∼ 8 초이다.
5) 공급 재가압
계속하여 가압 공기가 공급됨에 따라, 흡착기 용기(17) 내 압력은 공급 압력까지 증가한다. 이 때, 전술한 공기 공급 단계를 시작으로 상기 사이클이 반복된다. 이 단계의 말기에, 체크 밸브(23)가 개방되어 흡착기 생성물 유출 가스가 라인(19), 라인(21), 체크 밸브(23), 라인(25) 및 라인(29)을 거쳐 흐르기 시작한다. 흡착기 용기(17)(고압)와 가스 저장 탱크(39)(저압)간 차압이 0.05 내지 1.0 psid 범위의 목적하는 값으로 감소되면, 체크 밸브(23)는 자동적으로 개방된다. 생성물 가스의 일부는 라인(37)을 따라 가스 저장 탱크로 유입되고 나머지는 라인(31), 제어 밸브(33) 및 라인(35)을 거쳐 최종 산소 생성물 가스로서 배출된다.
전술한 단계 1 내지 5 동안, 최종 산소 생성물 가스는 밸브(33) 및 라인(35)을 따라 지속적으로 배출된다. 단계 1 동안, 전체 가스는 흡착기 용기(17)로부터 라인(19, 21, 25 및 29)을 지나, 라인(37)을 거쳐 저장 탱크(39)에 가스를 제공하며, 라인(35)을 거쳐 최종 산소 생성물 가스를 제공한다. 단계 2 내지 5 동안, 최종 산소 생성물 가스는 가스 저장 탱크(39)로부터 라인(37 및 31)을 거쳐 배출된다. 또한, 단계 2, 3 및 4 동안, 생성물 가스는 가스 저장 탱크(39)로부터 흡착기 용기 퍼지 및 재가압용 라인(37, 29, 41, 45 및 19)을 거쳐 배출된다. 가스 저장 탱크(39)는 목적하는 압력과 유속의 최종 산소 생성물 가스를 제공하면서 퍼지 및 재가압 가스를 제공하기에 충분한 부피를 갖도록 설계된다.
본 발명의 대안적인 실시태양에서, 모든 흡착기 유출 가스는 라인(29 및 37)을 거쳐 가스 저장 탱크(39)에 도입될 수 있다. 최종 생성물 가스는 도시된 바와 같이, 가스 저장 탱크(39)로부터 라인(31), 밸브(33) 및 생성물 라인(35)을 거쳐 직접 배출된다. 흡착기 퍼지 및 재가압용 가스는 전술한 바와 같이 라인(37 및 29)를 통해 배출된다.
전술한 PSA 사이클에 대한 개요를 하기 표 1에 수록하였다. 표 1에는 전술한 사이클의 각 사이클 단계에서의 밸브 위치 및 기간을 나타내었다. 후술하는 실시예에 있어서의 흡착기 용기(17) 및 가스 저장 탱크(39) 내 절대 압력을 시간에 대한 함수 플롯으로서 도 2에 도시하였다. 도 2의 시간축은 반드시 눈금화할 필요는 없으며, 도시된 사이클 단계들의 기간은 단지 설명을 위한 것이다.
사이클 및 밸브 위치 요약(도 2에 표시된 시간)
시간 2방향 4포트 밸브(7) 체크 밸브
사이클 단계 기간 초 포트 연결부 23 43
1)공기 공급 t0-t1 15 ∼ 30 7a 내지 7b; 7c 내지 7d O C
2)배기 t1-t2 15 ∼ 36 7d 내지 7b; 7c 내지 7a C C*
3)배기/퍼지 t2-t3 2 ∼ 8 7d 내지 7b; 7c 내지 7a C O
4)이중 단부 재가압 t3-t4 2 ∼ 8 7a 내지 7b; 7c 내지 7d C O
5)공급물 재가압 t4-tf 2 ∼ 8 7a 내지 7b; 7c 내지 7d C C
밸브 위치: O = 개방, C = 닫힘, C*= 단계 2가 시작된 후 약간 닫힘, t0-tf의 총 사이클 시간은 전형적으로 36 내지 94초 범위임
본 발명의 PSA 공정 사이클은 산소 생성을 위한 공기 분리 용도로 바람직하다는 것을 전술한 바 있다. 또한, 상기 공정 사이클은 흡착제(들) 및 사이클 시간을 적절히 사용함으로써 기타의 가스 혼합물을 분리하는 데도 이용될 수 있다. 예컨대, 석유 정련 오프 가스로부터 적정 순도의 수소를 회수하는 데, 공기를 건조시키는 데, 그리고 천연가스로부터 중 탄화수소를 제거하는 데 이용할 수 있다. 이들 분리에 유용한 흡착제로는 활성 탄소, 타입 A 및 X 제올라이트 및 모데나이트를 들 수 있다. 전술한 시스템은 단일 흡착기를 사용하나, 더 높은 생성율이 요구되는 경우, 다중 흡착기를 평행한 배열로 사용할 수 있다.
실시예
도 1의 PSA 시스템은 전술한 바와 같이, 그리고 표 1에 요약된 바와 같이 공기로부터 산소를 회수하도록 조작된다. 체크 밸브(23)를 통과시키는 데 필요한 흡착기(17)와 가스 저장 탱크(39)간 최소 차압은 0.25 psid이다. 따라서, 체크 밸브(23)의 토출 차압은 0.25 psid이다. 체크 밸브(43)를 통과시키는 데 필요한 가스 저장 탱크(39)와 흡착기(17)간 최소 차압은 10 psid이다. 따라서, 체크 밸브(43)의 토출 차압은 10 psid이다.
이 사이클을 도 2에 도시하였다. 이는 흡착기 용기(17) 및 가스 저장 탱크(39)의 압력-시간 프로파일을 나타낸다. 이 사이클 및 공기 공급 단계(1)는 흡착기 용기(17) 내 초기 압력이 17.0 psia인 시간 t0에서 시작된다. 상기 시스템을 통과하는 가스 흐름은 앞의 공기 공급 단계(1)에서 전술한 바와 같이 진행하며 밸브는 표 1에 요약된 위치로 조작한다. 체크 밸브(23)를 통과하는 흐름을 유지시키는 데 요구되는 최소 차압은 0.25 psid이므로, 가스 저장 탱크(39) 내의 t0에서의 압력은 흡착기 용기(17) 내 압력보다 0.25 psia 낮다. 흡착기 용기(17) 내 압력은 t0에서 t1까지 거의 선형으로 증가하는 반면, 가스 저장 탱크(39) 내 압력은 라인(29) 내 생성물 가스의 단지 일부만이 라인(37)을 통해 탱크(39) 내로 유입되기 때문에 더욱 서서히 증가한다.
흡착기 압력이 22 psia에 도달하는 때인 시간 t1(시간 t0후 20 초 경과)에서, 공기 공급 단계는 종결되며, 전술한 바와 같이 공급 밸브(7)의 위치를 개폐시킴으로써 배기 단계가 개시된다. 즉각적으로, 송풍기(11)는 흡착기 용기(17)로부터 배기 가스를 배출시키기 시작하여, 그 내부 압력이 급속히 감소된다. 시간 t1직후, 흡착기(17)와 탱크(39)간의 차압이 0.25 psid 미만으로 떨어지면, 체크 밸브(23)를 통과하는 흐름이 멈춘다. 배기가 진행되고 흡착기(17) 내 압력이 계속 감소된다.동시에 최종 산소 가스 생성물은 저장 탱크(39)로부터 라인(31)을 거쳐 배출되어 탱크 내 압력이 서서히 감소한다.
시간 t2(시간 t1후 30 초 경과)에서, 배기 단계는 자동적으로 종결되며, 가스 저장 탱크(39)와 흡착기(17)간의 차압이 10 psid를 초과하면, 병합된 배기 및 퍼지 단계가 개시된다. 이는 산소 탱크(39)로부터 나온 산소 생성물 가스가 체크 밸브(43)를 지나 흡착기 용기(17)로 흐르는 것으로 시작하는데, 이로써 흡착기 공급 단부로부터의 배기를 지속하면서 퍼지 가스를 흡착기 생성 단부에 제공한다. 퍼지 가스 및 최종 생성물 가스가 둘다 배출됨에 따라 흡착기(17) 내 압력은 다소 느린 속도이기는 하나 계속적으로 감소하며 저장 탱크(39) 내 압력은 더욱 빠르게 감소한다.
시간 t3(시간 t2후 8 초 경과)에서, 흡착기 용기(17)는 4.0 psia의 압력에 도달하며, 송풍기(11)가 전술한 바와 같이 배기 모드에서 공급물 압축 모드로 변화되도록 2방향 4포트 밸브(7)의 위치를 개폐함으로써 배기/퍼지 단계는 종료된다. 이 스위치는 압축된 공급 공기를 흡착기(17)의 공급 단부 내로 도입시키는 반면, 생성물 가스는 저장 탱크(39)로부터 흡착기(17) 내로 계속하여 유입된다. 이로써 흡착기의 이중 단부를 재가압한다. 이 단계는 흡착기 내 압력이 증가하고 가스 저장 탱크 내 압력이 감소함에 따라 계속된다.
시간 t4(시간 t3후 4 초 경과)에서, 이중 단부 재가압 단계는 자동적으로 종료하며, 가스 저장 탱크(39)와 흡착기(17) 간 최소 차압이 10 psid 미만으로 떨어지면, 공급물 재가압 단계가 개시된다. 이는 체크 밸브(43)가 닫힘에 따라 탱크(39)로부터 체크 밸브(43)를 통해 흡착기 용기(17) 내로 가는 산소 생성물 가스의 흐름을 종결시키므로, 공급물 재가압은 흡착기 압력이 초기 공급 압력인 17.0 psia에 도달할 때까지 계속한다. 저장 탱크(39) 내 압력은 최종 생성물 가스가 라인(31)을 통해 지속적으로 배출됨에 따라 계속 감소되나, 다소 느린 속도로 감소된다. 시간 tf(시간 t4후 6 초 경과)에서, 흡착기(17)와 탱크(39) 간 최소 차압이 0.25 psid를 초과하면, 체크 밸브(23)를 통과하는 흐름이 개시된다. 이 점에서, 사이클은 공기 공급 단계로 시작하여 반복된다.
본 실시예에서 사이클 단계의 구체적인 기간 및 압력을 기술하였으나, 요구되는 생성율 및 순도, 흡착기 크기, 상온, 및 흡착제 유형에 따라 다른 사이클 단계 및 압력도 사용할 수 있다. 도 2에 도시된 PSA 사이클의 주부분들에서의 상대적인 기간 및 압력, 이를 테면 공기 공급 단계의 상대적인 기간(t0-t1), 배기 단계의 상대적인 기간(t1-t3) 및 재가압 단계의 상대적인 기간(t3-tf)은 2방향 4포트 밸브(7)의 개폐 시간에 따라 조절된다. 배기 단계의 상대적인 기간(t1-t2), 배기 및 퍼지 단계의 상대적인 기간(t2-t3) 및 이중 단부 재가압 단계의 상대적인 기간(t3-t4) 및 생성물 재가압 단계의 상대적인 기간(t4-tf)은 체크 밸브(23 및 43)가 개방되었을 때의 차압을 선택함으로써 조절한다. 예컨대, 체크 밸브(43)에 대한 이러한 차압의 값이 더 큰 것을 선택하면, 배기 단계 및 생성물 재가압 단계가 길어질 것이며 이중 단부 재가압 단계 및 배기 및 퍼지 단계는 더 짧아질 것이다. 역으로, 체크 밸브(43)에 대한 이러한 차압의 값이 더 적은 것을 선택하면, 배기 단계 및 생성물 재가압 단계는 짧아질 것이며 이중 단부 재가압 단계 및 배기 및 퍼지 단계는 더 길어질 것이다.
상기 기술한 본 발명의 방법은 흡착기 용기와 송풍기 간 가스 흐름을 조절하기 위해 하나의 2방향 4포트 밸브를 사용하는 단순한 시스템으로 수행되며, 송풍기는 흡착기 내로 공급 가스를 도입하는 데, 그리고 흡착기로부터 가스를 배기시키는 데 사용한다. 흡착기 용기와 생성물 가스 저장 탱크 사이 어느 방향으로든 가스 흐름은 상기 용기와 탱크 사이에 평행하게 설치된 두개의 체크 밸브에 의해 자동적으로 제어된다. 따라서, 본 발명의 시스템은 단 두개의 기계적 구동 수단(하나는 2방향 4포트 밸브를 작동시키기 위한 것이고 다른 하나는 송풍기를 작동시키기 위한 것임)에 의해 작동된다. 흡착기와 가스 저장 탱크 간 체크 밸브는 흡착기와 저장 탱크 간 가스 차압에 의해 직접적이고 자동적으로 활성화된다. 따라서, 본 발명의 PSA 시스템의 디자인은 다양한 PSA 단계들에서의 가스 흐름을 유도하기 위해 다수 밸브의 기계적 개폐를 제어할 것을 요구하였던 선행 기술에 비해 비용을 감소시키고 조작 신뢰도를 증가시킨다.
본 발명의 PSA 시스템은 단하나의 작동 밸브와 단하나의 송풍기만을 요구하므로, 단순하고 간편하다. 이 하나의 2방향 4포트 밸브는 체크 밸브와 함께 사용하면 사이클을 제어하는 더욱 복잡한 마이크로프로세서를 필요로 하지 않는 단일 타이머에 의해 조절된다.
본 발명의 주된 특징은 앞에서 충분히 기술하였다. 당업자라면 본 발명을 이해할 수 있을 것이며 본 발명의 기본적인 취지를 벗어나지 않는한, 그리고 첨부한 특허청구범위 및 그 균등 범위를 벗어나지 않는한 다양한 방식으로 수정을 가할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 흡착성이 강한 1종 이상의 성분 및 흡착성이 약한 1종 이상의 성분을 함유하는 가압 공급 가스를 분리하기 위한 압력 스윙 흡착 방법으로서, 하기 (a) 내지 (f)단계를 포함하는 것이 특징인 방법:
    (a) 일정 공급 압력의 가압 공급 가스를 흡착성이 강한 성분을 선별적으로 흡착하는 고체 흡착제를 함유하는 흡착기 용기의 공급 단부에 도입하여, 흡착기 용기의 생성 단부로부터 흡착성이 약한 성분이 농축되어 있는 흡착기 유출 가스를 배출시키며, 흡착기 유출 가스의 일부 이상을 가스 저장 탱크 내로 도입시키는 단계,
    (b) 가압 공급 가스의 흡착기 용기 내 도입을 종료시키고, 그 흡착기 용기의 공급 단부로부터 가스를 배기시킴으로써 흡착기 용기를 감압시키는 단계,
    (c) 흡착기 용기의 공급 단부로부터 가스를 계속적으로 배기시킴과 동시에 가스 저장 탱크로부터 저장된 흡착기 유출 가스를 흡착기 용기 내 압력이 최소 흡착기 압력에 도달할 때까지 흡착기 용기의 생성 단부로 도입시키는 단계,
    (d) 흡착기 용기의 공급 단부로부터의 가스 배기를 종료시키고, 가스 저장 탱크로부터 저장된 흡착기 유출 가스를 흡착기 용기의 생성 단부 내로 계속 도입시키면서 가압 공급 가스를 흡착기 용기의 공급 단부 내로 도입시킴으로써 최소 흡착기 압력에서 중간 압력까지 흡착기 용기를 재가압하는 단계,
    (e) 가압된 공급 가스를 흡착기 용기의 공급 단부 내에 계속 도입시킴으로써 흡착기 용기를 공급 압력으로 추가로 재가압시키는 단계, 및
    (f) 단계(a) 내지 (e)를 순환적으로 반복하는 단계.
  2. 제1항에 있어서,
    흡착성이 약한 성분이 농축된 흡착기 유출 가스의 일부를 단계(a) 동안 최종 생성물 가스로서 배출시키는 것이 특징인 압력 스윙 흡착 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    흡착성이 약한 성분이 농축된 저장된 흡착기 유출 가스의 일부를 단계(a) 동안 최종 생성물 가스로서 가스 저장 탱크로부터 배출시키는 것이 특징인 압력 스윙 흡착 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    가스 저장 탱크로부터 나온 저장된 흡착기 유출 가스의 일부를 단계(b),(c),(d) 및 (e) 동안 최종 생성물 가스로서 배출시키는 것이 특징인 압력 스윙 흡착 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    공급가스가 공기이고, 흡착성이 강한 성분이 질소이며, 흡착성이 약한 성분이 산소인 것이 특징인 압력 스윙 흡착 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    고체 흡착제는 타입 A, 타입 X 또는 모르데나이트 구조를 갖는 1가 또는 2가 양이온 교환 제올라이트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인 압력 스윙 흡착 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    (a)단계동안에는, 흡착기 유출 가스가 가스 저장탱크로 도입되기에 앞서 제1 체크 밸브를 통해 흡착기 유출 가스가 흐르고, (b), (c), (d) 및 (e) 단계동안에는 가스 저장탱크로부터의 어떤 가스도 제1 체크 밸브를 통해 흡착기 용기로 흐르지 않는 것인 압력 스윙 흡착 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    (c)와 (d) 단계동안, 가스 저장탱크로부터의 가스는 제2 체크 밸브를 통해서 흡착기 용기로 흐르고 (a), (b) 및 (e) 단계동안 어떤 흡착기 유출 가스도 제2 체크 밸브를 통해 흐르지 않는 것인 압력 스윙 흡착 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    최저 흡착기 압력은 대기압 이하인 것인 압력 스윙 흡착 방법.
  10. 1종 이상의 흡착성이 강한 성분과 1종 이상의 흡착성이 약한 성분을 함유하는 공급가스를 분리하는 압력 스윙 흡착 시스템으로서, 하기 (a)∼(h)를 포함하는 것이 특징인 시스템.
    (a) 우선적으로 흡착성이 강한 성분을 흡착하는 고체 흡착제를 함유하고, 공급 단부와 생성 단부를 가진 흡착기 용기;
    (b) (1)공급가스를 흡착기 용기의 공급단부로 도입하고 (2)흡착기 용기의 공급단부로부터 배기 가스를 배출시키는 송풍기, 밸브 및 배관 수단;
    (c) 흡착성이 약한 성분이 농축되어 있는 흡착기 유출 가스를 흡착기 용기의 생성 단부로부터 배출시키는 배관 수단;
    (d) 흡착기 용기의 생성 단부로부터 배출된 흡착기 유출 가스의 일부를 보유하는 가스 저장 탱크;
    (e) 흡착기 유출 가스의 일부를 가스 저장 탱크로 도입하고 가스 저장 탱크로부터의 흡착기 유출 가스를 흡착기 용기로 전달하는 배관 수단;
    (f) 흡착기 용기와 가스 저장 탱크간의 차압이 제1 체크 밸브의 토출차압(differential opening pressure) 이상일때에만, 흡착기 유출 가스를 가스 저장 탱크로 흐르게 하는 제1 체크 밸브;
    (g) 가스 저장 탱크와 흡착기 용기간의 차압이 제2 체크 밸브의 토출차압 이상일때에만, 가스를 가스 저장 탱크로부터 흡착기 용기로 흐르게 하는 제2 체크 밸브;
    (h) 흡착성이 약한 성분이 농축된 최종 생성물 가스로서 흡착기 유출 가스의 일부 이상을 배출시키는 배관수단.
  11. 제10항에 있어서,
    (b)의 밸브수단는 2방향 4포트 밸브를 포함하는 것으로, 이 밸브는 제1 밸브 위치에서, 가스가 공급 유입구/배출구 라인, 밸브, 송풍기 흡입 라인, 송풍기, 송풍기 방출 라인, 밸브, 흡착기 용기 공급 단부에 연결된 라인을 통해 차례로 흘러 들어가 흡착기 용기로 흐르도록 하고, 제2 밸브 위치에서, 가스가 흡착기 용기로부터 흡착기 용기 공급 단부에 연결된 라인, 밸브, 송풍기 흡입 라인, 송풍기, 송풍기 방출 라인, 밸브 및 공급 유입구/배출구 라인을 통해 차례로 흐르도록 하는 것인 압력 스윙 흡착 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    제1 체크 밸브의 토출 차압은 약 0.05psid 내지 약 1.0psid인 것인 압력 스윙 흡착 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    제2 체크 밸브의 토출차압은 약 2psid 내지 약 10psid인 것인 압력 스윙 흡착 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    흡착성이 약한 성분이 농축된 최종 생성물 가스로서 흡착기 유출 가스의 일부 이상을 배출시키는 배관 수단에 연결된 흐름 조절 밸브를 추가적으로 포함하는 것인 압력 스윙 흡착 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 공급 가스는 공기이며, 공급 유입구/배출구 라인은 대기와 유체 연통상태에 있는 것인 압력 스윙 흡착 시스템.
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