KR20030052909A - 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리흡착탑을 통한 수분 제거 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 중의 수분 및 이산화탄소를 제거하기 위한 흡착탑에 관한 것으로 특히, 냉각과정에서 진공을 적용하여 흡착탑 내부에 남아 있는 수분을 효율적으로 제거하기 위한 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 본 발명의 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법은, 탈착시 이용되는 배관에 진공을 적용할 수 있는 진공배관을 서로 연통되도록 설치하되, 이 진공배관의 일측에는 진공펌프를 설치하고, 설치된 진공펌프를 통해 냉각과정에서부터 흡착탑의 탈착시 진공을 적용하여 흡착탑 내부에 잔존하는 수분을 제거하는 것으로 이루어진다.

이 같은 본 발명의 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법에 의하여 탈착가스의 사용량을 저감하는 동시에 탈착에 소요되는 시간을 단축시키며, 또한 수분을 효율적으로 제거할 수 있다.

Description

진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법{Moisture Removal Method Use Air Pretreatment Adsorber with Vacuum and Temperature Swing Adsorption}

본 발명은 공기 중에서 산소 및 질소를 분리하는 심냉 분리법에 있어서, 불순물로 판단되는 공기 중의 수분 및 이산화탄소를 심냉 분리전에 제거하기 위한 전처리 장치의 하나인 흡착탑의 운전 및 설계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각과정에서 진공을 적용하여 흡착탑 내부에 남아 있는 수분을 효과적으로 제거하기위한 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 공기 중에 함유된 산소 및 질소외의 수분과 이산화탄소는 심냉분리시 액화온도가 질소 및 산소에 비해 매우 높아서 이들 성분들이 사전에 제거되지 않고 심냉 증류탑에 유입되는 경우 배관의 폐쇄 등을 일으켜 분리 조업을 중단시키는 원인이 된다.

따라서 전처리 장치를 통하여 공기 중에 함유된 수분 및 이산화탄소를 완전히 제거하여야 하는데, 이를 위하여 종래에는 열교환 방법을 이용하여 이를 제거하였으며, 그 후 흡착법을 이용한 온도 스윙 흡착법으로 이를 제거하여 왔다.

상기 온도 스윙 흡착법은, 수분 및 이산화탄소를 흡착하기 위한 흡착제를 충진한 흡착탑에서 1기는 흡착과정을 진행 시키고 나머지 1기는 흡착조작이 완료된 것을 재생할 때 가열하여 이를 탈착시키는 조작으로서, 상기 온도 스윙 흡착법에 의한 효율 증대에 있어서 중요한 것이 적절한 가스의 분포와 탈착시의 온도 전달 현상이다.

현재 이러한 기술은 하부층에 수분 제거를 위한 활성 알루미나를 충진하고, 상부층에 이산화탄소를 제거하기 위한 제올라이트 분자체를 충진하여 이용하고 있다.

상기 활성 알루미나와 제올라이트 분자체인 두 흡착제 사이에는 적절한 격판이 설치되어 있어 두 흡착제 층을 구분하고 있다.

또한, 가스분포가 신속하게 이루어지도록 하기 위한 방법으로서, 측면에서의 가스공급에 관한 기술이 제안되었다.

그러고 흡착 및 재생시에 있어서, 균일한 가스분포를 위한 방안으로서, 구형 알루미나를 흡착제 하부에 충진시켜 가스분포를 균일하게 하는 것도 제안되었으나, 재생시에는 아무 역할도 하지 못한다는 문제가 있다.

상기 재생시 특히, 가열된 공기가 흡착시와는 반대의 방향으로 흐르면서 탈착을 시켜 재생하고 있으며 이때 열전달 속도는 탈착속도에 매우 중요한 역할을 하고 있으나, 이의 전달속도 변화는 기대하기가 어렵다.

흡착제에 흡착된 수분 및 이산화 탄소는 온도가 상승됨에 따라 흡착제에서분리되어 흡착탑 외부로 방출되며, 전적으로 탈착온도에만 의존하는 것은 아니고 탈착시에 공급되는 탈착가스의 양에 의해서도 탈착시간의 단축 및 탈착정도가 결정된다.

탈착가스는 일반적으로 심냉분리법에서 생산되는 질소가스를 이용하고 있고, 적어도 흡착공기의 30% 이상은 소모가 되고 있으며, 이때 탈착시에 냉각될 때도 계속적으로 흘려주므로서 탈착탑의 온도를 저하시키는 역할을 하고 있다.

그러나 흡착탑 내부에서 흡착된 수분이 탈착될 때 온도가 높아진 후 흡착제에서 탈착현상이 발생한 후 흡착탑 외부로 빠져 나올 때 완전히 빠져나오는데는 탈착가스의 유량에 의해 크게 영향을 받게 된다.

즉, 유량을 많이 흘려주면 흡착탑 내부에 탈착된 수분이 흡착탑 외부로 충분히 배출되지만 그렇지 못한 경우에는 수분의 상당량이 흡착탑 내부에 잔존하여 흡착시에 다시 흡착되므로 흡착탑의 흡착 능력 저하를 가져오게 된다.

첨부된 도면 중 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 흡착 및 탈착과정이 진행되는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 공기분리를 위한 공기의 공급이 대기로부터 원료공기로 공급되면 흡착탑 A(10)로 유입된다. 이때 제1 밸브(1)는 폐쇄된 상태이며, 제2 밸브(2)는 개방된상태로, 상기 흡착탑 A(10)에서 수분 및 이산화탄소가 흡착되어 제거되며 상기 수분 및 이산화탄소가 제거된 공기는 공기분리 증류탑(Air Separation Unit : ASU)으로 유입된다.

상기 흡착탑 A(10)에서 흡착이 진행되는 동안 흡착탑 B(20)는 흡착탑 내의흡착제가 수분 및 이산화탄소로 포화되어 있기 때문에 재생을 위한 탈착이 진행된다. 이때 제3 밸브(3)는 폐쇄되어 있으며, 제4 밸브(4)가 개방된 상태로, 공기분리증류탑(ASU)에서 생산된 질소가스의 일부가 상기 제4 밸브(4)를 통하여 흡착탑 B(20)로 유입되며 상기 흡착탑 B 하부의 제6 밸브(6)가 개방되면서 상기 흡착탑 B에 탈착된 물질이 외부로 배출된다.

상기한 탈착과정이 완전히 종료되면 흡착탑 A와 흡착탑 B는 역할을 교대하여 상기 흡착탑 A는 탈착과정을 진행하게 되며, 상기 흡착탑 B는 흡착과정을 진행하게 된다.

상기한 바와 같은 종래의 흡착 및 탈착방법에서는 수분의 제거를 위하여 많은 양의 탈착가스가 사용되는 문제점이 있으며, 또한 탈착에 소요되는 시간이 늘어나는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로서, 탈착 초기 또는 탈착이 진행되는 동안에 탈착탑에 대하여 진공을 적용하여 탈착탑 내에 존재하는 수분을 효과적으로 제거하는 방법에 의하여 탈착에 이용되는 탈착가스의 사용량을 저감하는 동시에 탈착에 소요되는 시간을 단축시키며, 또한 탈착가스만을 이용하여 탈착할 때 보다 수분을 효율적으로 제거할 수 있는 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 나타내는 개략도

도 2는 본 발명의 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 나타내는 개략도

도 3은 실시예 1에 따른 종래의 흡착탑에 의한 흡착과정에 대한 실험결과를 나타내는 그래프

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 실험결과를 나타내는 그래프

도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 실험결과를 나타내는 그래프

도 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 실험결과를 나타내는 그래프

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 제1 밸브2 : 제2 밸브

3 : 제3 밸브4 : 제4 밸브

5 : 제5 밸브6 : 제6 밸브

8 : 배관9 : 진공배관

10 : 흡착탑 A20 : 흡착탑 B

30 : 진공펌프

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법은, 탈착시 이용되는 배관에 진공을 적용할 수 있는 진공배관을 서로 연통되도록 설치하되, 진공배관의 일측에는 진공펌프를 설치하고, 설치된 진공펌프를 통해 냉각과정에서부터 흡착탑의 탈착시 진공을 적용하여 흡착탑 내부에 잔존하는 수분을 제거하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일 예를 첨부된 도면 중 도 2를 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

종래의 흡착탑에 있어서, 탈착시 이용되는 배관(8)에 진공을 적용할 수 있는 진공배관(9)을 서로 연통되도록 설치하되, 상기 진공배관(9)의 일측에는 진공펌프(30)를 설치한다.

즉, 흡착 및 탈착공정에서의 탈착되는 부분(제 5 밸브(5)와 제6 밸브(6) 사이)에 진공펌프(30)를 연결하여 탈착시에 약한 진공을 적용하여 탈착되는 공기를 적게 유입시켜도 탈착시의 수분을 충분히 계외로 배출시키거나 또는 잔존하는 수분을 계외로 배출시킨다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법에 대하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

(실시예 1)

실시예 1은 종래의 흡착탑에 의한 흡착과정에 대한 실험을 실시한 것으로서, 흡착탑 A 및 B(10, 20)에 활성 알루미나 600g을 장입한 후 흡착탑 A(10)에서 제2 밸브(2)를 개방하고 제1 밸브(1)는 폐쇄하며, 공기를 17000cc/min로 통과시켜 흡착을 진행시킨다. 이어서 파과점에 도달했을 때 상기 제2 밸브(2)는 폐쇄하고, 제1 밸브(1)와 제5 밸브(5)를 개방하여 180℃의 온도에서 6시간 동안 6000cc/min의 질소가스를 이용하여 탈착시킨 후 이를 다시 흡착시켰다.

상기한 흡착결과 흡착탑의 출구에서 측정한 이슬점의 변화는 도 3과 같다.

도 3에서 보면 이슬점이 -65℃까지 떨어지는데 60분이 소요되었으며, -70℃까지는 120분이 소요되었다. 그리고 190분이 경과되면 이슬점이 -70℃ 이상 되어 수분이 파과되기 시작하였고, 이러한 것은 흡착과정이 종료되었음을 의미하고 있으며, 또한 3시간 10분의 흡착시간을 가진 것으로 계산되었다.

(실시예 2)

실시예 2는 본 발명의 진공펌프를 이용한 흡착과정에 대한 실험을 실시한 것으로서, 상기 실시예 1과 동일한 흡착탑과 흡착제를 이용하여 흡착탑 A(10)에서 제2 밸브(2)를 개방하고 제1 밸브(1)는 폐쇄하며, 공기를 17000cc/min로 통과시켜 흡착을 진행시킨 후 파과점에 도달했을 때 상기 제2 밸브(2)는 폐쇄하고, 제1 밸브 (1)와 제5 밸브(5)는 개방시켜 탈착시킬 때, 상기 실시예 1과 같이 6000cc/min의탈착가스를 전체 탈착과정에 소요되는 시간의 1/2에 적용하고, 그 시간 이후부터는 탈착가스의 양을 4000cc/min로 감소시키되, 이때 진공펌프(30)를 이용하여 진공을 적용한 다음 나머지 탈착시간을 경과시킨 후 흡착과정을 거친 결과 이슬점의 변화는 도 4의 그래프에 나타내었다.

도 4에서 보면 초기의 이슬점 저하 속도는 상기 실시예1 보다 빠르게 진행되었는데, 이슬점이 -65℃에 도달하는 시간은 30분이 소요되었고, -70℃까지는 50분이 소요되었다. 그리고 흡착이 완료되는 기준으로 잡은 파과점인 -70℃에 다시 도달할 때까지는 210분이 소요되어 전체적인 흡착시간이 상기 실시예 1보다 20분 연장되었다.

즉, 이러한 것은 상기 실시예 1에서 탈착과정에서 흡착탑 외부로 수분이 충분히 배출되지 못하고, 탈착이 완료된 시점에도 상기 흡착탑의 내부에 수분이 존재하고 있는 것에 비해, 본 발명의 진공펌프에 의한 진공을 적용함에 따라 흡착탑 내부에 남아 있는 수분이 완전히 제거된 것을 나타내는 것이다.

(실시예 3)

실시예 3은 본 발명의 진공펌프를 이용하는 동시에 사용되는 질소의 양을 줄여 흡착과정에 대한 실험을 실시한 것으로서, 상기 실시예 1과 같이 흡착탑 A(10)에서 제2 밸브(2)를 개방하고 제1 밸브(1)는 폐쇄하며, 공기를 17000cc/min로 통과시켜 흡착을 진행시킨 후 파과점에 도달 했을 때 상기 제2 밸브(2)는 폐쇄하고 제1 밸브(1)와 제5 밸브(5)는 개방하여 상기 실시예 1과 동일 온도 및 동일양의 질소를흘려 탈착을 진행시킨 후 냉각 과정에서 질소의 유입량을 4000cc/min로 유입시키고, 제5 밸브(5)의 후단에 위치한 진공펌프(30)를 이용하여 진공을 적용한 다음 다시 흡착한 결과 이슬점의 변화를 도 5에 나타내었다.

도 5의 그래프에 나타낸 바와 같이 종래의 진공을 적용하지 않은 것에 비해 전체 흡착시간은 30분 정도 연장되었다.

즉, 흡착시간이 연장되었다는 것은 그 만큼의 많은 수분이 제거되었다는 것을 의미하는 것이다.

(실시예 4)

실시예 4는 상기 실시예 3과 같은 과정에서 냉각 중의 진공을 적용할 때 질소의 양을 2000cc로 흘러 보낸 경우 다시 흡착한 결과에 대한 실험을 실시한 것으로서, 이슬점의 변화는 도 6에 나타내었다.

도 6의 그래프에 나타낸 바와 같이, 초기 이슬점의 저하는 진공을 적용하지 않은 실시예 1 보다 빨리 도달하였지만 파과점은 상기 실시예 1과 같이 3시간 10분 정도로 흡착시간이 연장되지는 않았다.

이상에서와 같이 본 발명의 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법에 의하여, 탈착에 이용되는 탈착가스의 사용량을 절감할 수 있으며, 또한 탈착에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 동시에 수분을효율적으로 제거할 수 있다.

Claims (1)

1. 공기 중에서 산소 및 질소를 분리하는 심냉 분리법에서 불순물로 판단되는 공기 중의 수분 및 이산화탄소를 심냉 분리전에 제거하기 위한 전처리 장치의 하나인 종래의 흡착탑에 있어서, 탈착시 이용되는 배관(8)에 진공을 적용할 수 있는 진공배관(9)을 서로 연통되도록 설치하되, 상기 진공배관(9)의 일측에는 진공펌프 (30)를 설치하고, 설치된 상기 진공펌프(30)를 통해 냉각과정에서부터 흡착탑의 탈착시 진공을 적용하여 흡착탑 내부에 잔존하는 수분을 제거하는 것을 특징으로 하는 진공 및 온도 스윙 흡착법에 의한 공기 중 전처리 흡착탑을 통한 수분 제거 방법.