KR20060063384A - 저농도 산소농축방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡착제에 압력차이를 가하여 혼합공기로부터 산소를 농축하는 산소농축장치의 산소농축방법에 관한 것으로, 특히 PSA 및 VPSA에 의해 구동되는 소형 산소농축기에 있어서 효율적으로 저농도의 농축산소를 생산하는 방법에 관한 것이다. 공기압축기에 의하여 제공되는 압축 혼합공기는 흡착베드로 공급되는 이외에 일부는 분기하여 흡착베드를 통과한 농축산소와 합쳐지며, 상기 분기한 혼합공기의 누출로 인한 흡착베드 내의 압력손실은 흡착베드간을 연결하는 미세관의 저항증가량과 흡착베드의 흡착시간증가를 통하여 보상된다. 본 방법은 고압을 사용할 수 없는 소형 공기압축기를 사용하는 소형 산소농축기에 효과적으로 적용될 수 있다.

산소농축, PSA, VPSA

Description

저농도 산소농축방법{Gas concentration method for low purity}

도 1 은 종래기술에 의한 VPSA 방식에 의하여 운전되는 장치의 도식도이다.

도 2 는 본 발명에 의한 VPSA 방식에 의하여 운전되는 장치의 도식도이다.

도 3 은 본 발명에 의한 PSA 방식에 의하여 운전되는 장치의 도식도이다.

본 발명은 혼합공기로부터 산소를 분리하여 농축하는 산소농축기의 산소농축방법 관한 것으로, 특히 흡착제의 산소와 질소에 대한 선택적인 흡착특성을 이용하여 흡착제에 압력차이를 가함으로써 산소를 분리하여 농축하는 산소농축장치의 저농도 산소농축방법에 관한 것이다.

흡착제의 산소와 질소에 대한 흡착특성을 이용하여 가스 혼합물로부터 목적공기를 분리하는 방법 및 장치는 압력스윙흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 방식을 기초로 하여 많은 공정과 장치가 공지되어 있다. 최초의 PSA 공정은 Skarstrom이 출원한 미국특허 US2,944,627호에 게시되어 있으며, 통상적으로 흡착단계, 감압단계, 퍼지단계 및 재가압단계의 기본 4단계를 갖는다. 상기 PSA 공정에 의한 장치는 US5,176,722에 공지된 바와 같이 많은 수정이 이루어져 현재에 이 르기까지 많은 변형공정 및 장치가 사용되고 있으나 기본 형태는 거의 동일하다. 산업용에 있어서는 초기 투자비용과 장기적인 운전비용에 초점을 맞추어 설계되고, 특히 소형으로서 의료용이나 가정용의 산소농축기와 같은 기기에의 적용은 단순화 및 저가화에 초점을 맞추어 설계되어 왔으며, 환자에의 산소공급과 에어컨, 정수기 및 공기청정기와 결합되어 농축산소를 공급하는 데에 사용되고 있다.

흡착제를 포함하는 흡착베드에 공기 압축기를 사용하여 압축공기를 공급하여 압력차이를 만들어내는 이외에, 탈착공정 수행시에 별도의 진공펌프를 사용하여 진공압하에서 탈착을 수행하는 공정 및 장치도 많이 사용되고 있으며, 이를 PSA 공정중에서 세분하여 진공-압력스윙흡착(VPSA) 방식으로 부른다. 이 공정은 운전에너지 면에서 유리하여 산업용에 많이 적용되어 왔으며, 일부 소형 의료용에도 성공적으로 적용되었다. 이러한 공정은 일본특허 소59-160515, 특개평5-184851, 특개평8-294613, 그리고 미국특허 US4,781,735, US5,015,271, US5,429,666 및 US2001/0023640 A1 등에 다수 공지되어 있다. 이러한 PSA나 VPSA 방식에 의하여 구동되는 장치는 통상적으로 공기압축기와 진공펌프 이외에 흡착베드와 밸브수단 그리고 기타 기계장치와 배관으로 구성되어 있다. 기타 방식으로는 흡착베드가 대기압 이하에서만 구동되는 순수 VSA방식이 존재하며, 기본 구성은 거의 대동소이하다.

도 1은 상기의 VPSA 방식에 의하여 구동되는 장치의 구성을 간략화하여 나타낸 도식도이다. 간단히 그 동작을 설명하면 다음과 같다.

공기압축기(1)에 의해 압축된 혼합공기는 밸브(3)를 통하여 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드(9)로 유입된다. 이때, 밸브(4,5)는 잠겨져 있으며, 밸브(3,6)은 열린상태이다. 유입된 혼합공기는 흡착베드(9) 내의 흡착제에 의하여 흡착이 이루어지며, 이때 흡착베드(10)는 밸브(6)를 통하여 진공펌프(2)와 연결되어 진공압을 받아 흡착제에 흡착된 질소가 탈착되는 작용을 수행하게 된다. 밸브(7,8)는 산소농축기와 같이 혼합공기가 공기인 경우에 효율을 높이기 위해 사용되는 것으로, 흡착베드(10)가 진공펌프(2)에 의하여 진공압을 받아 내부가 대기압 이하가 되면 외기로부터 밸브(7)를 통하여 혼합공기가 유입되게 되며, 흡착베드(10) 내의 압력이 대기압이 되면 밸브(7)는 닫히고 밸브(5)를 통하여 흡착베드(10)내로 혼합공기가 유입되게 된다. 밸브(8)의 기능은 흡착베드(9,10)의 퍼지시에 흡착베드(9,10) 내의 압력이 대기압 이상일때 열리게 되어, 진공펌프(2)에 의한 질소배출 이외에 대기압과의 압력차이에 의하여 밸브(8)를 통하여 질소가 배출되게 된다. 흡착베드(9,10)를 통과한 농축산소는 밸브(12,13)를 통과하여 탱크(14)에 모이고, 밸브(15)의 조절에 의하여 유량 및 농축공기 압력을 조절하여 생산되게 된다. 밸브(11)는 두 흡착베드(9,10)의 압력평형단계에 사용되어 에너지 효율을 높이게 되고, 미세관(16)은 일부 생산농축공기의 다른 흡착베드로의 전달을 통해 흡착제 세정을 돕게된다.

PSA 공정은 기본적으로 상기와 동일하며, 진공펌프(2)를 사용하지 않는 점이 가장 큰 차이점이다. 따라서, 밸브(7,8)는 필요없으며 공기압축기(1)에 의한 압력과 대기로의 퍼지를 통한 대기압 사이에서 운전되게 된다.

상기와 같은 VPSA와 PSA 공정은 본질적으로 산업용으로 개발된 공정으로서, 그 적용이 통상적으로 고농도 산소나 질소와 같이 고순도의 공기를 얻기위하여 개발된 것이다. 따라서, 공기조화와 같이 저농도의 산소를 다량으로 얻기 위하여는 고농도의 공기를 농축한 후 별도의 장치에 의하여 상기 농축공기와 혼합하여 공급하는 방법을 사용한다. 즉, 산소농축기를 예로들면 통상적으로 90% 이상의 농축산소를 생산한 후 별도의 공기압축기를 사용하여 상기 농축산소와 혼합하여 40% 이하의 농축산소상태로 만들어 실내로 공급하게된다. 미국특허 US4,867,766에서는 90%이상의 농축산소를 PSA에 장치에의하여 생산한 후 혼합장치를 구성하여 30~60%의 농축산소를 생산하는 장치를 구성하며, 미국 PraxAir사의 국내출원 1998/000515호에서는 별도의 VPSA용 공정을 개발하여 저순도 산소를 생산하게된다. 국내특허 0372032호는 별도의 제어기구들을 사용하여 원하는 농도의 산소를 목적공간에 공급하며, 국내에 판매되는 제품중에는 별도의 공기청정기의 청정공기와 혼합장치를 구성하여 22~23% 정도의 농축산소를 공급하는 장치가 공지되어 있다.

본 출원인에 의하여 공지된 바와 같이 단일 공기압축기에 의하여 공급되는 혼합공기의 일부를 농축산소와 혼합하여 농도와 유량을 조절하는 장치가 공지되어 있으며, 이것은 도 2에 도시된 바와 같이 별도의 조절기(21)를 추가하여 단순히 그 유로의 흐름저항을 조절함으로써 농축공기와 원료공기를 혼합하여 농도와 유량을 조절하였다. 그러나, 상기와 같은 조합은 압축기의 성능을 일부 손실시키는 것으로 단순히 일부 유량을 혼합하는 것만으로는 전체 장치의 효율저하와 성능저하의 문제점이 있다. 또한, 산소농축기의 경우에 사용되는 제올라이트와 같은 흡착제의 경우에 단순 PSA 공정으로 저농도 산소를 생산하였을 경우에 흡착베드 내의 탈착공 정이 최적화되지 않으면 제올라이트의 성능이 급속히 떨어져 그 수명이 얼마가지 못하는 단점이 있다. 이것은 제올라이트가 진공압을 받는 VSA 공정이나 VPSA 공정이 적용되는 경우는 탈착공정이 진공압에 의하여 이루어져 그 영향이 상대적으로 적으나, 대기압으로 퍼지되는 일반 PSA 공정이 적용되는 경우에는 제올라이트의 세정이 단순히 산소와 질소의 분압차이에 의하여 이루어져야 하므로 단순 조절기(21)에 의한 조절은 흡착제의 수명을 단축시키는 단점이 있다. 특히 소형화를 위하여 제올라이트가 CaX 타입이나 NaX 타입이 아닌 최근에 계속 개발되고 있는 리튬이 치환된 LiX 타입(SiO₂/Al₂O₃ 비율이 2~3정도, 미국 UOP사의 oxyiv7이나 프랑스 CECA사의 nitroxy51 이상급)의 고흡착력 흡착제의 경우는 그 민감도가 심하여 몇일의 가동의 의해서도 그 흡착성이 과도하게 저하되는 단점이 있다. 따라서, LiX 타입의 고흡착력을 가지는 제올라이트를 흡착제로 사용하는 경우에 있어서, 통상의 CaX 타입과 NaX 타입보다 LiX 타입이 불순물과 수분에 더욱 민감하므로 그 재생공정이 중요하므로 단순 혼합공기와 혼합은 흡착제의 성능을 보장할 수 없으므로 농축산소생산단과 압축혼합분기 유량의 적절한 조합이 중요해진다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저순도의 농축공기를 생산하는 PSA 혹은 VPSA 방식에 의한 산소농축방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 고흡착력을 가진 흡착제를 사용하여 저순도 농축산소를 생산하며, 흡착제의 수명이 보장되는 산소농축방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 고농도의 농축산소를 생산하는 데에 목적이 있지 아니하고, 30~70% 정도의 저농도 농축산소를 생산하며 유량을 증대시켜 전체 생산량을 극대화 하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 소형 산소농축기에 적용됨으로써 컴팩트한 저가형의 공기조화용 및 개인 흡입용에 적용할 수 있는 산소농축장치를 구성하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 산소농축방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다. 즉, 흡착제의 산소와 질소에 대한 선택적인 흡착도를 사용하여 상기 흡착제에 압력차이를 가하여 혼합공기로부터 산소를 농축하는 방법에 있어서,

공기압축기를 구비하여 상기 공기압축기에 의하여 공급되는 압축된 혼합공기를 흡착제를 포함하는 흡착베드와 농축산소 생산단으로 분기시키는 단계와, 상기 분기된 압축혼합공기를 흡착베드에 공급하여 질소를 흡착제에 흡착시켜 흡착베드의 공급단부에서 56%이상의 농축산소를 생산하는 동시에 다른 흡착베드를 구비하여 흡착제에 200mmHg 이상의 진공압을 가하여 흡착된 질소를 탈착하는 단계, 그리고 상기 농축산소 생산단으로 상기 공기압축기에서 분기된 일부 혼합공기와 상기 농축산소를 혼합하는 단계로 이루어 진다. 상기 흡착베드는 두 개 이상이 구비되어 상기 농축공기 생산단계 이후에 재생단계가 이루어 지는 동안에 다른 흡착베드의 생산이 이루어져 지속적인 농축산소의 생산이 이루어지게 된다. 상기 흡착제로서 LiX 타 입의 제올라이트가 사용되는 경우에는 상기 흡착베드를 통과하는 농축산소는 61% 이상으로 생산된다. PSA의 경우에는 대기압으로 퍼지되어 흡착제는 대기압에서 질소 탈착이 이루어지며, LiX 타입의 제올라이트가 흡착제로 사용되는 경우에 흡착베드를 통과하는 농축산소는 67% 이상으로 생산된다. VPSA의 경우에는 상기와 같이 별도의 진공펌프수단에 의하여 진공압이 만들어 질 수 있으나 소형산소농축기 구현을 위하여 하나의 모터에 두 개를 펌프헤드를 구비하여 흡착과 재생공정이 이루어지게 된다.

상기와 같은 단계를 포함하는 방법은 통상적인 밸브 제어수단에 의하여 흡착베드로의 혼합공기공급 시간이 결정되며, 흡착베드를 통하여 생산되는 농축산소는 조절기에 의한 조정으로 상기 혼합공기와 혼합된 최종 농축공기의 전체 생산량을 극대화하도록 농도와 유량이 결정된다.

본 발명에 의한 방법은 도면을 기초로 상세히 설명된다.

도 2는 본 발명에 의한 방법을 구성하는 VPSA 장치를 나타낸 도식도로서, 상기 장치는 통상적인 산소농축기를 구성하는, 혼합공기로부터 먼지등의 불순물을 걸러주는 필터(20)와, 상기 필터(20)를 통과한 혼합공기를 압축하여 압축공기를 제공하는 공기압축기(1)와, 상기 압축된 혼합공기를 안내하는 유로는 결정하여 주는 밸브(25)와, 상기 밸브(25)를 통과한 혼합공기로부터 산소와 질소를 선택적으로 흡착하는 흡착제를 포함하는 두 개 이상의 흡착베드(9,10)와 상기 흡착베드(9,10)를 통과한 농축산소를 목적공간으로 공급하는 양을 조절하여 주는 조절기(26,26',27)로 구성된다. 기타 구성수단으로서 흡착제보호를 위한 밀폐형 체크밸브가 구비되며, 농축산소의 농도와 유량을 조절하여 주는 조절기(21), 그리고 도 1의 밸브(12,13)를 대치하는 체크밸브와 흡착베드(9,10)의 세정을 위한 미세관(16)은 필요에 따라 구성이 가능하다. 이러한 기타 구성수단은 PSA 공정 및 VPSA 공정 모두에 의하여 구동되는 경우에 구비될 수 있으며, VPSA에 의하여 구동되는 경우에는 별도의 진공펌프(2)를 추가로 필요로 한다.

본 장치의 동작은 기본적으로 도 1의 장치와 동일하며,구체적인 설명을 위하여 혼합공기를 일반 공기로 가정하고, 두 개의 흡착베드를 가지는 산소를 농축시키는 산소농축기를 가정하여 동작을 설명하면 다음과 같다. 혼합공기는 필터(20)를 거치며 불순물이 제거되어 공기압축기(1)로 유입된다. 상기 필터(20)는 통상적인 먼지필터 이외에 수분필터등이 포함될 수도 있다. 상기 공기압축기(1)에 의해 압축된 혼합공기는 밸브(25)를 거쳐 흡착베드(10)로 유입되게 된다. 도면에 도시되어있지는 않으나 통상적인 산소농축기에서 상기 공기압축기(1)에 의하여 압축된 압축공기는 열교환기를 거쳐 냉각될 수 있으며, 수분필터를 추가하여 충분히 수분을 제거할 수 있다. 도면에 도시된 밸브(25)는 5포트 2위치밸브를 도시한 것으로 일반적으로 소형에 사용되는 밸브를 도시하였다. 도 2에서는 흡착베드(10)가 압축공기 유입에 의한 흡착상태를, 흡착베드(9)는 진공펌프(2)에 의한 탈착상태를 도시한 것이다. 압축된 혼합공기는 흡착베드(10)로 유입되어 질소가 주로 흡착되고 농축된 산소는 조절기(26',27)를 거쳐 목적공간으로 분사되게 된다. 상기 농축산소는 하기에 기술할 농도 56% 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 여기서, 도시하지는 않았지만 산소탱크는 필요에 의하여 부착될 수 있으며, 조절기(26,26')는 통상적으 로 소형 산소농축기에서는 간단한 체크밸브가 사용되거나, 보다 간단한 실시예로는 미세구멍을 가진 오리피스로 구성할 수도 있다. 또 다른 하나의 조절기(27)는 밀폐를 위한 체크밸브나 유량조절을 위한 밸브가 주로 사용되어 생산되는 농축산소의 유량을 조절하며, 보다 간단하게는 미세구멍을 가진 오리피스로 구성할 수도 있다. 본 출원인에 의하여 출원된 바와 같이 공기압축기(1)에서 배출되는 압축혼합공기의 일부는 조절수단(21)의 구비에 의하여 상기 농축산소로 더하여져 생산 농축산소의 농도와 유량조절이 이루어질 수 있으며, 별도의 수분필터를 통과시켜 수분이 포함된 공기를 추가하여 농축공기를 생산할 수 있다.

상기와 같이 흡착베드(10)에 압축공기가 유입되는 동안에 또 다른 흡착베드(9)는 진공펌프(2)에 의하여 진공압을 받게되어 내부의 흡착제에 포함된 질소와 불순물을 밸브(25)를 거쳐 외부로 배출하게 된다. 오리피스로 구현되는 미세관(16)는 흡착베드(10)에서 생산되는 농축공기의 일부를 다른 흡착베드(9)로 전달하여 분압차이에 의한 세정작용을 돕게된다. 상기와 같은 동작은 흡착베드(9,10)에 있어서 교대로 일어나게 되며, 압력평형 공정단계등의 필요 공정에 따라 두개의 흡착베드(9,10)를 동시에 공기압축기(1)를 향하여 압축공기쪽으로 연결하거나, 진공펌프(2)를 향하여 연결하여 구현할 수 있다.

상기 공기압축기(1)에 의하여 분기된 혼합공기는 연속적으로 농축산소 생산단으로 공급되며, 상기 흡착베드(9,10)를 통과한 농축산소와 지속적으로 혼합된다. 흡착베드(9,10) 내의 흡착제는 진공압에 의한 재생과 분압차이에 의한 재생에 의하여 연속적인 농축산소의 생산이 이루어지는데, 상기와 같은 VPSA 공정에 의한 장치 인 경우에는 두 가지 세정 방법이 공존하게 된다. 즉, 기체간의 분압차이에 의한 세정과 직접적인 진공압에 의한 세정이 그것이다. 이론적으로 분압차이에 의한 세정방법은 한쪽 흡착베드에서 생산되는 농축산소의 일부를 다른쪽 흡착베드로 공급함으로써 질소를 탈착하는 방법으로 산소농도가 50%를 초과하여야만 가능하며, 고농도 일수록 세정효과는 증가한다. 통상적으로 진공펌프를 사용하지 않는 PSA 공정에 의한 의료용 산소농축기의 경우는 대부분 90% 이상의 농축산소를 생산하므로 질소탈착 세정공정에 문제가 없지만, 가정용과 같은 가전용 응용인 경우에 70% 이상 정도의 농축산소, 심지어는 청정기와 같은 경우는 50%정도의 농축산소를 생산하므로 완전한 세정공정이 이루어지지 않아 의료용보다는 흡착제 수명이 단축되는 단점이 있다. 그러나, 가전제품과 같이 특정기간의 성능을 보장하는 기기에 적용되는 경우는 충분한 고농도의 세정이 반드시 필요하게 되지는 않는다. 본 발명에 의한 방법의 특징은 상기와 같이 고농도의 농축산소 생산에 목적이 있지 않으므로, 최종 농축산소의 전체 생산량을 극대화하면서 흡착제의 수명을 적절히 보장하는 방법을 제공하는 것이다. 특히, 분자체가 LiX 타입의 고흡착력을 가지는 제올라이트를 흡착제로 사용하는 경우에 있어서, 통상의 CaX 타입과 NaX 타입보다 LiX 타입이 불순물과 수분에 더욱 민감하여 그 재생공정이 중요하므로 단순한 종래의 PSA 공정에 의하여 저농도 산소를 생산하거나, 조절기 조절에 의한 혼합공기와 농축산소와의 혼합은 흡착제의 충분한 세정을 할 수없는 경우가 있으므로 주어진 흡착제의 성능을 보장할 수 없다.

상기에 언급한 바와 같이 또 다른 흡착제의 재생과정은 직접적인 진공압에 의하여 이루어지며, 도 2와 같은 VPSA 공정의 경우는 별도의 진공펌프(2)에 의한 진공압으로 흡착제의 재생이 병행하여 이루어진다. 흡착베드 내의 압력이 고진공일 수록 그 재생효과는 증가하며, 이 경우는 흡착베드(9,10)를 통과하는 농축산소의 농도가 상대적으로 저농도 이어도 전체 재생공정은 진공압에 의하여 효과적으로 이루어지게 된다. 진공펌프에 의해 흡착베드에 걸리는 진공압은 생산 농축산소의 규모와 공정설계에 의하여 결정되게 되는데, 통상적으로는 게이지 진공압 200~700mmHg 정도를 사용한다. 분자체 구조 CaX 타입과 NaX 타입의 제올라이트를 사용하고, 흡착제 80~100그램, 내경 27밀리에 길이 120미리 정도의 두개의 흡착베드를 가지는 소형 산소농축기를 구성하고, 실험적으로 통상적으로 가해지는 최저 진공압인 게이지 진공압 200mmHg 정도의 탈착진공압을 가하고, 흡착압력 최대 1bar를 가하여 흡착베드를 통과하는 농축산소의 농도를 변화시켜가면서 그 내구성을 측정하였다. 실험결과는 흡착베드를 통과하는 농축산소의 농도가 56% 이상인 경우에는 통상의 재생공정이 가능한 것으로 나왔다. 농축산소의 농도가 55% 이하인 경우에는 농도계의 계측오차(+-0.5%)를 벗어나 꾸준한 농도저하 현상을 나타냈으며, 좀더 산소농도를 낮추어 50% 이하로 세팅한 경우에 가동 한달만에 10% 이상의 농도저하 현상을 나타내었다.

진공펌프를 제거하여 게이지 진공압 0mmHg로 탈착진공압을 대기압으로 하고 생산 농축산소의 농도를 56%로 세팅하여 세정공정에 사용하였을 경우에 한달운전 후 역시 11% 정도의 농도저하 현상을 보였다. 이러한 결과는 당연한 것으로 진공압에 의한 재생효과가 적용되지 못한 결과이다. 재생진공압을 200mmHg 이상 가 하였을 경우는 흡착베드를 통과하는 농축산소가 56%가 넘을 경우 측정기기 오차범위 이내의 농도저하 현상을 보였고, 그 이하의 진공압인 0~200mmHg 사이에서는 0~10% 사이 값의 농도저하 현상을 보였다. 따라서, VPSA 공정이 적용된 소형 가전용 산소농축기 응용에 있어서는 진공압 200mmHg 이상, 세정용 농축산소농도 56% 이상으로 공정설계하는 것이 바람직하다.

상기 데이타는 통상적으로 사용되는 CaX나 NaX 타입의 제올라이트와 같은 흡착제에 대한 것으로서, LiX 타입의 고흡착력을 가진 제올라이트의 경우는 상기 재생 진공압을 증가시켜야 하며, 효과적인 세정을 위해서는 재생용 농축산소의 농도 또한 증가시키는 것이 바람직하다. 상기와 같은 충분한 재생공정 수행의 목적을 달성하기 위하여 재생 진공압을 변경시키는 경우에, 장치의 선정에 있어서 통상적으로 진공펌프의 규모변경은 기계적인 문제로 인하여 매우 제한적이므로, 흡착베드의 크기 선정이나 공정설계 그리고 조절기(21,26,26')에 의하여 재생공정용 농축산소의 농도를 조절하는 것이 바람직하다. 실험적으로 상기와 동일한 조건에서 통상적으로 사용하는 최저의 재생 진공압 200mmHg로 세팅하고, LiX타입의 제올라이트(SiO₂/Al₂O₃ 비율이 2.5정도)를 두개의 흡착베드용기에 100그램정도를 충진하여 사용하는 경우에 상기 재생용 농축산소의 농도는 61% 이상이 되어야 안전한 재생공정을 수행하는 것으로 측정되었다. 이경우에 상기와 동일한 공기압축기를 사용하였을 경우에 흡착베드를 통과하는 농축산소의 유량은 상기 NaX 타입을 사용하는 경우보다 감소되므로 단순히 상기 농축산소를 공기압축기(1)에서 분기된 혼합공기와 혼합 하는 경우에는 전체 생산유량은 감소하게 된다. 그러나, 조절기(21)의 조절과 흡착공정 시간조절을 통하여 전체 생산량(productivity)을 최대화하도록 공정 최적화를 함으로써 농축산소 생산효율을 거의 감소시키지 않도록 조절할 수 있다. 특히, 미세관(16)의 조절에 의한 다른 흡착베드로의 피드백 산소량을 조절하고, 상기 조절기(21)에 의한 흡착베드 내의 압력을 조절하여 줌으로써 전체 생산산소 효율을 극대화 하는 것이 바람직하다. 상기에서 재생진공압을 0mmHg로 세팅하는 경우는 재생용 농축산소의 농도가 67% 이상이 되어야 재생공정이 수행되어 통상적으로 2년정도인 가정용으로 사용되는 제품수명을 보장하는 것으로 측정되었다. 이 경우는 진공펌프가 제거되어 재생진공압이 없어지는 PSA 공정에 해당하는 것으로서, 도 3에 PSA 공정에 의한 장치를 도시하였다.

상기와 같은 내용을 기초로 도 3의 PSA 장치는 다음과 같은 방법으로 최대 생산량이 생산되도록 세팅된다. 흡착제는 LiX 타입의 제올라이트를 기준으로 우선 조절기(27)를 조절하여 흡착베드(9,10)를 통과하여 생산되는 농축산소의 농도를 통상의 PSA와 동일하게 90% 이상으로 맞춘다. 다음단계로 조절기(21)를 조절하여 서서히 조절기(21)를 통과하는 혼합공기의 양을 증가시킨다. 이 때에 공기압축기(1)의 흡착베드(9,10)로의 공급 혼합공기의 양이 줄어들므로 흡착공정과 탈착공정의 싸이클을 조절하여 최대의 생산량이 되도록 전체 싸이클 시간을 조절한다. 상기와 같은 작동을 반복하여 상기 흡착베드(9,10)를 통과하는 농축산소의 농도가 67% 이상인 상태에서 조절기(21)의 유량조절에 의하여 최대 생산량이 세팅되면 그 과정을 멈추며, 계속하여 최대생산량이 증가하면 상기 농도를 67%로 세팅하여 과정을 마친 다. 상기 흡착베드를 통과하는 농축산소의 농도가 변화할 수 있는 것은 흡착베드의 사이즈와 길이 및 흡착제의 양에 따라 그 싸이클시간과 흡착베드를 통과하는 농축기체의 산소농도가 결정되기 때문이다. 통상적으로 상기와 같은 세팅에 의하여 최종 농축산소는 26~45% 정도의 산소농도를 가지게 된다. 이러한 산소농도는 청정기나 일반호흡용에 사용되기에 알맞은 농도이다.

상기 조절기(27)는 초기 흡착베드를 통과하는 농축산소 결정단계에서 상기 흡착베드(9,10)를 통과하는 농축산소의 농도와 유량을 조절하게 된다. 일단 조절기(21,27)의 흐름저항값이 결정되면 고정 오리피스로 대치하는 것이 바람직하다. 열교환기(60)는 통상적으로 PSA 공정에서 발생하는 공기압축기(1)에 의한 가열된 혼합공기의 온도를 낮추는 장치로 선택적인 구성이 가능하다. 체크밸브(24)는 본 출원인에 의해 공지된 바와 같이 밸브(25)의 미가동시의 밀폐성이 불완전할 때에 흡착제를 외부와 차단함으로써 불순물로부터의 보호를 위하여 사용되는 선택적으로 사용이 가능한 밀폐형 체크밸브이다.

PSA와 VPSA 공정에 대한 선택은 기계장치인 공기압축기와 진공펌프의 선정에 의하여 결정되며, 보다 정숙한 운전을 위해서는 하나의 모터에 두개의 펌프헤드를 부착하여 각각의 헤드가 압축과 진공펌프 작용을 수행하도록 하여 VPSA 공정에 의해 수행되는 농축공정을 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 장치의 구성에 의하여 보다 간단하고 저렴한 저농도형 소형 산소농축기의 구현이 가능하다.

본 발명에 의한 방법에 의해 고흡착력을 가진 흡착제를 사용하여 생산량을 극대화하는 동시에 흡착제의 내구성을 보장할 수 있는 산소농축기의 구현이 가능하다.

본 발명의 방법에 의한 장치에 의하여 공기청정기와 결합하거나 일반인의 호흡용에 적용이 가능한 저농도형 산소농축기의 구현이 가능하다.

Claims (4)

1. 산소와 질소에 대하여 선택적인 흡착도를 갖는 흡착제를 포함하는 두 개이상의 흡착베드와, 상기 흡착베드에 압축공기를 공급하는 공기압축기와, 상기 공기압축기에 공급되는 혼합공기를 걸러주는 필터와, 상기 흡착베드에 진공압을 가하는 진공펌프와, 상기 흡착베드와 공기압축기 그리고 진공펌프를 연결하는 유로를 형성하며 상기 유로를 제어하는 밸브와, 상기 각 흡착베드의 농축산소 생산단을 연결하는 유로에 구비된 오리피스와, 상기 각 흡착베드의 생산단에 구비된 조절기를 구비하여, 상기 흡착베드에 공기압축기에 의한 압력과 진공펌프에 의한 진공압과의 차이를 상기 흡착제에 가함으로써 공기로부터 90%이하의 저농소 산소를 농축시키는 방법에 있어서,

   상기 공기압축기에 의하여 공급되는 압축된 혼합공기를 주로 상기 흡착베드로 공급하는 동시에 그 일부를 조절기를 구비하여 농축산소 생산단으로 분기시키는 단계와, 상기 분기된 압축혼합공기를 흡착베드에 공급하여 질소를 흡착제에 흡착시켜 흡착베드의 농축산소 공급단부에서 56%이상의 농축산소를 생산하는 동시에 다른 흡착베드를 구비하여 상기 농축산소의 일부를 사용하여 세정에 사용함과 동시에 흡착제에 200mmHg 이상의 진공압을 가하여 흡착된 질소를 탈착하는 단계, 그리고 상기 농축산소 생산단으로 상기 공기압축기에서 분기된 일부 혼합공기와 상기 생산된 농축산소를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저농도 산소농축방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기압축기와 진공펌프는 동일한 단일 모터에 구비되는 두개의 펌프헤드에 의하여 구성되어 압축공기와 진공압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 저농도 산소농축방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 흡착제는 리튬이 치환된 LiX 타입의 제올라이트이며, 상기 흡착베드를 통과하여 생산되는 농축산소의 농도가 61% 이상인 것을 특징으로 하는 저농도 산소농축방법.
4. 산소와 질소에 대하여 선택적인 흡착도를 갖는 흡착제를 포함하는 두 개이상의 흡착베드와, 상기 흡착베드에 압축공기를 공급하는 공기압축기와, 상기 공기압축기에 공급되는 혼합공기를 걸러주는 필터와, 상기 흡착베드와 공기압축기 그리고 외부 대기로 연결하는 유로를 형성하며 상기 유로를 제어하는 밸브와, 상기 각 흡착베드의 농축산소 생산단을 연결하는 유로에 구비된 오리피스와, 상기 각 흡착베드의 생산단에 구비된 조절기를 구비하여, 상기 흡착베드에 공기압축기에 의한 압력과 외부 대기에 의한 대기압과의 차이를 상기 흡착제에 가함으로써 공기로부터 90%이하의 저농소 산소를 농축시키는 방법에 있어서,

   상기 흡착제는 리튬이 치환된 LiX 타입의 제올라이트 이며,

   상기 공기압축기에 의하여 공급되는 압축된 혼합공기를 주로 상기 흡착베드에 공급하는 이외에 그 일부를 조절기를 구비하여 농축산소 생산단으로 분기시키는 단계와, 상기 주로 분기된 압축혼합공기를 흡착베드에 공급하여 질소를 흡착제에 흡착시켜 흡착베드의 농축산소 공급단부에서 67%이상의 농축산소를 생산하는 동시에 다른 흡착베드를 구비하여 상기 농축산소의 일부를 사용하여 세정에 사용함과 동시에 대기압으로 퍼지함으로써 흡착된 질소를 탈착하는 단계, 그리고 상기 농축산소 생산단으로 상기 공기압축기에서 분기된 일부 혼합공기와 상기 농축산소를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저농도 산소농축방법.

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