KR20020018452A - 공기정화 산소발생용 압력순환식 흡착시스템 및 그 운영방법 - Google Patents

공기정화 산소발생용 압력순환식 흡착시스템 및 그 운영방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
공기정화 산소발생용 압력순환식 흡착시스템 및 그 운영방법.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
흡착 및 재생과정이 빠르게 진행되도록 하여, 효과적으로 공기를 정화하고 동시에 공기보다 높은 농도의 산소를 포함한 기체를 생산하고자 함.
3. 발명의 해결방법의 요지
다수개의 밸브와, 적어도 두 개 이상의 흡착제와, 적어도 하나 이상의 압축기와, 그리고 적어도 한 개 이상의 흡착탑을 구비한 압력순환식 흡착시스템에 있어서, 압축기로 압축된 혼합기체를 상기 체크밸브를 통해 흡착탑으로 유입시키는 단계; 상기 유입된 혼합기체를 흡착탑 내에서 원하는 압력까지 릴리프밸브를 통해 압축하는 단계; 상기 유입된 혼합기체 내에 포함된 강흡착질을 흡착하여 깨끗하고 농축된 생산물이 릴리프밸브를 통해 출력하는 단계; 및 상기 흡착탑의 재생을 위해 유입된 기체와 흡착된 기체가 솔레노이드 밸브를 통해 외부로 방출되고, 체크밸브를 통해 압축기로 역류되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
4. 발명의 중요한 용도
오염공기 정화 및 산소농도 25 vol.%에서 60 vol.%를 포함하는 공기 생산.

Description

공기정화 산소발생용 압력순환식 흡착시스템 및 그 운영방법{APPARATUS AND OPERATING METHOD OF PRESSURE SWING ADSORPTION FOR AIR SEPARATION AND PURIFICATION}
본 발명은 공기정화 및 산소발생을 위한 압력순환식 흡착시스템 및 그 운용방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 압력순환식 흡착시스템에 있어서, 흡착 및 재생과정이 빠르게 진행되도록 하여, 효과적으로 공기를 정화하고 동시에 공기보다 높은 농도의 산소를 포함한 기체를 생산하고자 하는 흡착시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.
일반적으로 압력순환식 흡착공정에서는 흡착과 탈착를 일으키는 동인으로 압력 순환을 이용한다. 즉, 압력순환식 흡착시스템에서는 혼합기체 중 제거하기를 원하는 기체를 흡착제에 의하여 선별적으로 흡착하여 순도가 높은 생성물을 생산하고, 혼합기체 중 흡착제에 의하여 제거되어지는 기체인 강흡착질에 의해 오염된 흡착제를 재생하게 되는데, 이와 같은 흡착과 탈착을 일으키는 동인으로 압력 순환을 이용한다.
하지만 상기와 같은 종래의 압력순환식 흡착시스템은 적어도 한 개 이상의 흡착탑과 다양한 단계의 순환공정 구성 및 이를 연결하는 다수의 솔레노이드 밸브, 압력을 유지하기 위해 적어도 한 개 이상의 백프레셔 조절기(Back pressure regulator)의 필요성으로 인해 공정의 복잡성 및 공정 가격 상승의 문제점이 있었다. 또한 분리용 흡착제와 정제용 흡착제를 사용하는 흡착탑을 따로 사용함에 따라 공정은 더 복잡해진다.
공기정화 및 산소발생용 압력순환식 흡착시스템을 실용화하기 위해서는 이러한 단점을 해결하기 위한 시스템의 구성이 필수적이며, 또한 이러한 효과를 거두면서도 공정이 단순해야 한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하면서 상기와 같은 조건들을 충족시키기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 체크밸브, 릴리프밸브와 솔레노이드 밸브를 구비하여 공정운전을 단순하게 구성하며, 적어도 두개 이상의 흡착제를 충전한 적어도 한 개의 흡착탑을 이용하여 흡착과 재생과정이 빠르게 진행되도록 한 공기정화 및 산소발생용 흡착시스템 및 그 운영방법을 제공하는데 있다.
도1은 본 발명에 따른 공기정화 산소발생용 압력순환식 흡착시스템의 흡착탑.
도2는 본 발명에 따른 공기정화 산소발생용 압력순환식 흡착시스템의 전체구조도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
도1
11 : 흡착탑
12 : 흡착탑 제 1 흡착제
13 : 흡착탑 제 2 흡착제
14 : 흡착탑 제 3 흡착제
도2
21 : 체크밸브(Check valve)
22 : 릴리프밸브(Relief valve)
23 : 솔레노이드밸브(Solenoid valve)
24 : 압축기(Compressor)
25 : 흡착탑
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력순환식 흡착시스템은 다수개의 밸브와, 적어도 두 개 이상의 흡착제와, 적어도 하나 이상의 압축기와, 그리고 적어도 한 개 이상의 흡착탑을 구비한 압력순환식 흡착시스템에 있어서, 압축기를 통해 흡착탑에 유입된 혼합기체가 흡착단계가 수행되는 상기 흡착탑에서 일정 압력까지 유지된 후 생산기체를 생산하는 릴리프밸브 설치 수단; 및 상기 흡착탑의 재생을 위해 유입되었던 기체가 외부로 방출되는 과정에서 압축기로 역류되는 것을 방지하기 위한 체크밸브 설치 수단; 및 혼합기체 분리 효율을 향상시키기 위해 적어도 두개 이상의 흡착제가 하나의 흡착탑에 충전되는 수단을 더 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 압력순환식 흡착시스템의 운영방법은, 다수개의 밸브와, 적어도 두 개 이상의 흡착제와, 적어도 하나 이상의 압축기와, 그리고 적어도 한 개 이상의 흡착탑을 구비한 압력순환식 흡착시스템에 적용되는 운영방법에 있어서, 압축기로 압축된 혼합기체를 상기 체크밸브를 통해 흡착탑 내로 유입시키는 제1단계; 상기 유입된 혼합기체를 흡착탑 내에서 원하는 압력까지 릴리프밸브를 통해 압축하는 제2단계; 상기 유입된 혼합기체 내에 포함된 강흡착질을 흡착하여 깨끗하고 농축된 생산물이 릴리프밸브를 통해 출력하는 제3단계; 및 상기 흡착탑의 재생을 위해 유입된 기체와 흡착된 기체가 솔레노이드 밸브를 통해 외부로 방출되고, 체크밸브를 통해 압축기로 역류되는 것을 방지하는 제4단계를 수행하되, 상기 제3단계에서 산소농도 25 vol.%에서 60 vol.%까지 포함하는 공기를 생산하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 압력순환식 흡착시스템의 흡착탑은, 적어도 두 개 이상의 흡착제가 하나의 흡착탑에 충전되는 것을 특징으로 하는 다층 흡착탑에 있어서, 다층 흡착탑의 구조는 흡착탑 유입 공기 중에 포함되어 있는 이산화탄소, 일산화탄소, SOx, NOx, 휘발성 유기용제와 악취를 제거하기 위해 활성탄 또는 활성탄과 제올라이트가 결합된 흡착제를 제 1 흡착제로 충전하며, 공기 중 질소를 제거하기 위하여 제올라이트 5A 또는 13X를 제 2 흡착제로 충전하는 구성을 가지되, 상기 제 1 흡착제인 활성탄 또는 활성탄과 제올라이트가 결합된 흡착제는기체 유입구와 연결된 흡착탑 하단에 충전하는 구성을 가지며, 상기 제올라이트 5A 또는 13X는 제 1 흡착제와 생산물 산소가 배출되는 출력단 사이에 충전되는 구성을 가지는 것을 특징으로 한다. 또한, 다층 흡착탑의 구조에 있어서, 유입 공기 혼합기체에 포함된 수분을 제거할 경우 실리카 젤 또는 알루미나를 기체 유입구와 제 1 흡착제 사이에 충전하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명에 따른 압력순환식 흡착시스템 중 다층흡착탑의 구조도로서, 도면에서 11은 흡착탑, 12는 흡착탑하단부에 위치한 제 1 흡착제, 13은 흡착탑상단부에 위치한 제 2 흡착제, 14는 유입 공기 혼합기체에 포함된 수분을 제거할 경우 제 1 흡착제 하단에 충전되는 제 3 흡착제 각각 나타낸다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 압력순환식 흡착시스템에서 흡착탑의 작용을 살펴보면 아래와 같다.
제 1 흡착제(12)는 활성탄 또는 활성탄과 제올라이트가 결합된 흡착제로 흡착탑(11) 유입 공기 중에 포함되어 있는 이산화탄소, 일산화탄소, SOx, NOx, 휘발성 유기용제와 악취를 제거하기 위해 기체 유입구와 연결된 흡착탑 하단에 충전하며, 제 2 흡착제(13)는 제올라이트 5A 또는 13X로 공기 중 질소를 제거하기 위하여 제 1 흡착제와 생산물 산소가 배출되는 출력단 사이에 충전되며, 유입 공기 혼합기체에 포함된 수분을 제거할 경우 실리카 젤 또는 알루미나(14)를 기체 유입구와 제 1 흡착제 사이에 충전하는 것을 특징으로 한다.
도2는 본 발명에 따른 압력순환식 흡착시스템의 전체 구조도로서, 도면에서 21은 체크(check)밸브, 22는 릴리프(relief)밸브, 23은 솔레노이드(solenoid)밸브, 24는 압축기(compressor), 25는 흡착탑을 각각 나타낸다.
본 발명의 실시에서는 하나의 흡착탑(25)을 연결하여 연속적으로 생산될 수 있도록 하였으며, 전체적으로 유입-압축-흡착-재생의 4단계로 수행된다.
본 발명에 따른 압력순환식 흡착시스템의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
흡착탑(25)의 공기 유입구인 하단부에 설치된 체크밸브(21)와, 흡착탑(25)의 생산물 배출구인 상단부에 설치된 릴리프(22)밸브와, 흡착탑 기체의 외부 배출단 사이에 설치되는 솔레노이드 밸브(23)와, 압축기(24)를 포함하되, 상기 체크밸브(21)는 제1단이 압축기(24) 배출구에, 제2단이 상기 흡착탑(25)의 하단에 연결되는 구성을 가지며, 상기 릴리프밸브(22)는 제1단이 상기 흡착탑(25)의 상단에, 제2단이 생산물 출력단에 연결되는 구성을 가지며, 상기 솔레노이드 밸브(23)는 제1단이 상기 흡착탑(25)의 하단의 연결관에 연결되고, 제2단이 흡착탑(25) 기체의 외부 배출단에 연결된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 압력순환식 흡착시스템의 동작을 살펴보면 아래와 같다.
먼저, 압력순환식 흡착시스템에서의 유입단계를 살펴본다.
외부 공기를 압축기(24)로 압축한 공기 혼합기체는 1/3에서 10psig 사이의 체크밸브(21)를 통해 흡착탑(25) 내로 유입된다.
다음, 압력순환식 흡착시스템에서의 압축단계를 살펴본다.
체크밸브(21)를 통해 흡착탑(25)에 유입된 공기는 20에서 60psig사이의 릴리프밸브(22)에 의해 흡착탑에서 압축된다.
다음, 압력순환식 흡착시스템에서의 흡착단계를 살펴본다.
흡착탑(11)에서 압축된 공기는 공기 중 포함된 수분을 제거할 필요가 있을 경우 흡착탑(11) 최하단에 충전된 실리카 젤 또는 알루미나(14)를 통하여 제거된다. 다음 단에 있는 제 1 흡착제인 활성탄 또는 활성탄과 제올라이트가 결합된 흡착제(12)는 수분을 제거할 필요가 없는 경우 최하단에 위치하며, 흡착탑(11) 유입 공기 중에 포함되어 있는 이산화탄소, 일산화탄소, SOx, NOx, 휘발성 유기용제와 악취를 제거한다. 다음 상기 유입된 혼합기체 내에 포함된 강흡착질인 질소를 제 2 흡착제인 제올라이트 5A 또는 13X에 흡착하여 릴리프밸브(22)를 통해 산소가 농축된 공기 생산물을 출력한다.
다음, 압력순환식 흡착시스템에서의 재생단계를 살펴본다.
상기 흡착탑(25)의 흡착제를 재생하기 위해 솔레노이드밸브(23)를 통해 외부대기로 배출하여, 상기 흡착탑은 최소 대기압 상태의 압력을 유지한다. 이때 체크밸브(21)는 압축기(24)로 배출기체가 역류하는 것을 방지해 준다.
이 모든 단계를 통틀어 하나의 주기가 완료된다. 상기 제3단계인 흡착단계에서 산소농도 25 vol.%에서 60 vol.%까지 포함하는 공기를 생산한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 흡착탑에 다수의 흡착제를 동시 충전함으로서 탈습, 공기정화, 산소농축을 동시에 이루어지도록 하고 있으며, 하나의 흡착탑과 하나의 체크밸브와 하나의 릴리프밸브를 사용하여 흡착단계에서 압력유지 및 재생단계에서 압축기로의 역류를 방지하여 공정을 단순화시킨 효과가 있다. 또한 하나의 솔레노이드밸브만을 사용하여 연속공정 조절을 단순화하였으며, 또한 4단계의 단순한 연속공정을 적용하여 압력순환식 흡착시스템의 공정효율을 향상시킨 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 다수개의 밸브와, 적어도 두 개 이상의 흡착제와, 적어도 하나 이상의 압축기와, 그리고 적어도 한 개 이상의 흡착탑을 구비한 압력순환식 흡착시스템에 있어서,
    압축기를 통해 흡착탑에 유입되는 공기 혼합기체를 체크밸브를 통해 유입시키고, 압축단계가 수행되는 상기 흡착탑에 릴리프밸브를 통해 압축하는 단계; 및
    상기 흡착탑에서 공기를 정화하고, 약 흡착질인 산소를 농축하여 흡착단계에서 릴리프밸브를 통해 생산하는 단계; 및
    상기 흡착탑의 재생을 위해 유입된 기체와 흡착된 기체가 솔레노이드 밸브를 통해 외부로 방출되고, 체크밸브가 기체의 압축기로의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 두 개 이상의 흡착제가 하나의 흡착탑에 충전되는 것을 특징으로 하는 다층 흡착탑 압력순환식 흡착시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    다층 흡착탑의 구조는,
    흡착탑 유입 공기 중에 포함되어 있는 이산화탄소, 일산화탄소, SOx, NOx,휘발성 유기용제와 악취를 제거하기 위해 활성탄 또는 활성탄과 제올라이트가 결합된 흡착제를 제 1 흡착제로 충전하며,
    공기 중 질소를 제거하기 위하여 제올라이트 5A 또는 13X를 제 2 흡착제로 충전하는 구성을 가지되,
    상기 제 1 흡착제인 활성탄 또는 활성탄과 제올라이트가 결합된 흡착제는 기체 유입구와 연결된 흡착탑 하단에 충전하는 구성을 가지며,
    상기 제올라이트 5A 또는 13X는 제 1 흡착제와 생산물 산소가 배출되는 출력단 사이에 충전되는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 다층 흡착탑 구조.
  4. 제 3 항에 있어서,
    다층 흡착탑의 구조는,
    유입 공기 혼합기체에 포함된 수분을 제거할 경우 실리카 젤 또는 알루미나를 기체 유입구와 제 1 흡착제 사이에 충전하는 것을 특징으로 하는 다층 흡착탑 구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브는 1/3부터 10psig 사이의 체크밸브, 20부터 60psig 사이의 릴리프밸브와 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 다수개의 밸브는,
    흡착탑의 공기 유입구에 설치된 체크밸브와, 생산물 출력단에 설치된 릴리프밸브와, 공기 유입구와 흡착탑 기체의 외부 배출단 사이에 설치되는 솔레노이드 밸브를 포함하되,
    상기 체크밸브는 제1단이 압축기 배출구에, 제2단이 상기 흡착탑의 하단에 연결되는 구성을 가지며,
    상기 릴리프밸브는 제1단이 상기 흡착탑의 상단에, 제2단이 생산물 출력단에 연결되는 구성을 가지며,
    상기 솔레노이드 밸브는 제1단이 상기 제1단 상기 흡착탑의 하단에, 제2단이 흡착탑 기체의 외부 배출단에 연결되는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착시스템.
  7. 다수개의 밸브와, 적어도 두 개 이사의 흡착제와, 적어도 하나 이상의 압축기와, 그리고 적어도 한 개 이상의 흡착탑을 구비한 압력순환식 흡착시스템에 적용되는 운용방법에 있어서,
    압축기로 압축된 혼합기체를 체크밸브를 통해 흡착탑 내로 유입시키는 제1단계;
    상기 유입된 흔합기체를 흡착탑내에서 릴리프밸브를 통해 압축하는 제2단계;
    상기 유입된 혼합기체내에 포함된 강흡착질을 흡착하여 릴리프밸브를 통해 깨끗한 생산물을 출력하는 제3단계;
    상기 흡착탑의 흡착제를 재생하기 위해 솔레노이드밸브를 통해 외부 대기로 배출하는 제4단계; 및
    상기 제3단계에서 공기를 정화하고, 산소농도 25vol.%에서 60vol.%까지 포함하는 공기를 생산하도록 한 것을 특징으로 하는 압력순환식 흡착시스템의 운영방법.
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