KR20070028348A - Ｐｓａ를 이용해 기체에서 물과 이산화탄소를 분리하는장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PSA(pressure swing adsorption) 기술을 이용해 기체 혼합물에서 물과 이산화탄소를 분리하는 장치와 방법에 관한 것으로, 흡수컬럼이 2개이되, 각각의 컬럼 안에는 1차 흡수제와 2차 흡수제가 혼합물로 들어 있으며, 1차 흡수제는 물을 흡수하고 2차 흡수제는 이산화탄소를 흡수하되, 2차 흡수제가 고체 아민이다.

Description

ＰＳＡ를 이용해 기체에서 물과 이산화탄소를 분리하는 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR REMOVING WATER AND CARBON DIOXIDE FROM A GAS MIXTURE USING PRESSURE SWING ADSORPTION}
본 발명은 기체를 분리하는 장치와 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 PSA(pressure swing adsorption) 기술을 이용해 기체 혼합물에서 물과 이산화탄소를 분리하는 장치와 방법에 관한 것이다.
공지의 기체분리 기법으로 PSA가 있다. 압축공기에서 여러 기체나 불순물의 농도를 줄이는 PSA 드라이어에 이 기법이 가장 잘 이용된다. 예를 들어, PSA 드라이어는 질소/산소 액화기로 들어가는 공기에서 수증기를 제거하는데 이용된다. 질소/산소 액화기는 아주 낮은 압력에서 동작하는 2개의 통합 증류 컬럼을 갖추고 있다. 따라서, 이 액화기로 들어가는 기체에서 수증기와 이산화탄소를 제거하는 것은 기본이다. 이런 사전정화가 없으면, 액화기의 저압 구역에서 불순물이 농축되어 흐름을 차단한다. 막히는 것을 방지하려면, 액화기로 들어가는 기체중의 수증기와 이산화탄소의 농도를 수 ㎍/g 이하로 낮추어야 한다.
도 1에 종래의 PSA 드라이어(4)가 도시되었다. 이 장치는 순방향/역방향 사이클이 교대로 된다. 도면상의 순방향 사이클에서, 컴프레서(6) 하류측의 압축공 기(10)는 드라이어(4)로 들어가 4웨이밸브(12)를 통해 제1 컬럼(14)에 들어가고, 이 컬럼에 들어있는 분자여과 흡수제(28)는 압축공기중의 수증기를 흡수한다. 컬럼(14)을 나가는 건조공기의 대부분으로 이루어지는 생산류(11)는 제1 원웨이밸브(20)를 통과하여 정화된 생성물(22)로서 드라이어(4)를 나간다. 컬럼(14)을 나간 건조공기의 나머지로 이루어진 정화류(13)는 계량관(18)을 통과하면서 압력은 강하하고 체적은 증가한다. 건조한 정화류(13)는 이어서 흡수제(30)가 들어있는 제2 컬럼(26)을 통과하면서, 수증기를 흡수해 4웨이 밸브(12)를 통과하여 촉촉한 배출물(16)로서 드라이어(4)를 나간다. 일정 시간이 지난 뒤, 4웨이밸브(12)는 역방향으로 바뀌는바, 반시계 방향이 아닌 시계방향으로 흐르게 된다. 역방향 사이클의 동작은 순방향 사이클의 동작과 비슷하다. 역방향 사이클로 일정 시간 동작한 뒤, 4웨이밸브(12)는 다시 반대쪽으로 바뀐다.
매 사이클마다, 2개의 컬럼(14,26)중 하나는 수분을 흡수하고 나머지는 이전 사이클에서 흡수했던 수분을 배출한다. 정화류가 중량 기준으로는 고압류의 작은 부분을 차지할 뿐이지만, 한쪽 컬럼에서 수분을 취하는 저압 정화류의 체적은 다른 컬럼에 수분을 제공하는 고압 인입류의 체적보다 실제로 크다. 결과적으로, 건조한 정화류는 이전 사이클에서 컬럼이 흡수한 거의 모든 수분을 제거하여, 다음 사이클을 대비할 수 있으므로, 다음 사이클에서 컬럼은 다시 인입하는 고압류에서 수분을 흡수할 수 있는 것이다. 일반적으로 이용되는 분자여과 흡수제를 사용하는 PSA 드라이어는 인입되는 압축공기(10)의 수분함량을 줄여 최종생성물(22)의 수분 농도를 수 ㎍/g 이하로 낮출 수 있다.
그러나, PSA 드라이어를 사용하는 많은 경우, 이산화탄소, 아황산가스, 유증기 등의 2차 물질의 농도를 수 ㎍/g 이하로 낮추는 것이 중요하다. 예를 들어, 질소와 산소 액화기는 이런 2차 물질이 수 ㎍/g 이상일 경우 이산화탄소 등의 불순물로 쉽게 막히곤 한다.
이런 2차 물질의 농도를 낮추는 한가지 방법은 PSA 드라이어에 비가역 필터를 연결하는 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 컴프레서(6)와 드라이어(4) 사이에 프리필터(8)를 설치하여 PSA 드라이어로 들어가기 전의 압축공기에서 2차 물질을 제거한다. 한편, 최종생성물(22)을 여과하기 위해 이 필터(8)를 드라이어(4) 하류에 배치할 수도 있다. 일례로, 필터(8)는 수산화나트륨으로 석면을 코팅한 소형 비가역 필터일 수 있다. 이런 필터는 이산화탄소를 흡수하는데 사용된다. 이들 필터는 일반적으로 나이트-비전 주울-톰슨 극저온 냉각기에 사용된다. 그러나, 필터는 포화되므로 주기적으로 교체해야만 한다. 이들 필터는 드라이어의 비용을 상승시킬 뿐만아니라 유독성 폐기물을 발생시키고 취급하기가 곤란하다. 따라서, 이런 비가역 필터는 가능한한 배제하는 것이 좋다.
비가역 필터(8) 없이도, PSA 드라이어(4) 자체적으로 2차 물질의 농도를 어느정도는 낮출 수 있지만, 그 정도는 제한적이다. 예를 들어, 직경이 1nm 정도로 큰 분자를 흡수할 수 있는 분자여과 흡수제(28,30)를 이용하면, PSA 드라이어(4)가 이산화탄소, 아황산가스, 유증기 등의 2차 물질의 농도를 낮출 수 있다. 그러나, 종래부터 PSA 드라이어에 사용되던 이런 흡수제는 2차 물질보다는 수증기에 상당히 친숙하다. 그 결과, 수분함량을 수 ㎍/g까지 낮추는 PSA 드라이어라도 2차 물질의 농도는 그만큼 낮출 수 없다. 그러므로, 이산화탄소와 같은 2차 물질의 농도를 낮춘 최종생성물(22)의 2차 물질의 농도는 수 ㎍/g 보다는 상당히 높다.
최종생성물(22)의 2차 물질의 농도를 더 낮추기 위해 PSA 드라이어를 개조하는 한가지 방법은 흡수컬럼(14,26)의 사이즈를 키워 흡수제(28,30)의 체적을 늘리는 것이다. 이 방법에 의하면 생성물(22)내의 수분과 2차 물질의 농도를 낮출 수 있지만, 대형 흡수제에 의해 PSA 드라이어의 사이즈, 중량 및 가격이 상당히 증가하므로, 실질적으로는 대규모 공업용 PSA 드라이어에만 이 방법이 적용된다. 다른 방법은 정화류(16)의 양을 늘리는 것인데, 이 경우 압력을 높이기 위해 컴프레서(6)의 용량을 상당히 높여야 한다. 마찬가지로, 이 방법도 장치의 사이즈, 무게 및 가격을 높이는 것은 물론 전력소비도 증가시킨다. 따라서, 이 방법도 대규모 공업시설에만 이용할 수 있고, 소형 PSA 드라이어에는 적용하기가 곤란하다.
최종생성물(22)의 2차 물질의 농도를 낮추는 또다른 방법은 PSA 컬럼(14,26)내의 흡수제(28,30)의 효율을 더 높이는 것이다. 예컨대, Kanazirev의 미국특허 6,638,340은 제오라이트, 알루미나 및 금속으로 구성된 고체 흡수제를 소개한다. 이 흡수제는 PSA 과정중에 공기에서 수분이나 이산화탄소와 같은 여러 오염물을 제거하지만, 쉽게 구하기가 어려우며 제조에 사용되는 반응성 금속 때문에 신중한 취급을 요한다. 결과적으로, 이 흡수제는 제조비가 비교적 높다. 또, 이런 흡수제를 이용하는 PSA 드라이어는 대량의 정화류를 필요로 하므로 컴프레서가 대형이어야 한다. 따라서, 공업용의 대형 PSA 드라이어에만 이런 흡수제를 사용할 수 있다. 마찬가지로, Deng의 미국특허 6,358,302는 수증기 흡수제, 이산화탄소 흡수제, 및 탄 화수소나 질소산화물을 선택적으로 흡수하는 제3의 흡수제를 포함하는 복합흡수제를 소개한다. 이산화탄소 흡수제는 제오라이트이고, 수분흡수제는 활성 알루미나, 실리카겔 또는 비-제오라이트계 건조제이다. 그러나, 이런 흡수제는 수분보다는 이산화탄소에 대한 친밀도가 약하다. 그래서, 이런 흡수제를 사용하는 PSA 드라이어는 대량의 정화류를 필요로 하여 결국 대형 컴프레서가 있어야 한다는 단점을 갖는다. 종래의 이런 문제점을 감안하여, 소규모 작업에 필요한 소형 PSA 드라이어에 특히 적합하도록 종래의 여러 단점을 극복한다면 좋을 것이다.
본 발명은 기체에서 수분과 이산화탄소를 분리하는 흡수제가 들어있는 PSA 드라이어를 제공한다. 이 흡수제는 종래의 PSA 드라이어에 비해 필요한 정화류의 양을 줄인다. 흡수제 컬럼에는 1차 흡수제와 2차 흡수제가 혼합물로 들어 있으며, 1차 흡수제는 물을 흡수하고 2차 흡수제는 이산화탄소를 흡수하되, 2차 흡수제는 고체 아민이다. 예를 들어, 2차 흡수제로는 벤질아민기를 갖는 다공성 디비닐벤젠-가교결합 폴리머나, 다공성 레진구조에 아민기가 결합되어 있는 다공성 폴리스티렌 매트릭스가 바람직하다. 아민기는 고압기체류가 PSA 드라이어의 동작중에 흡수제를 통과할 때 산성 이산화탄소를 선택적으로 흡수한다. 2차 흡수제의 입경은 0.5mm 이상 1.2mm 이하가 보통이다. 일례로, 복합 흡수제는 체적 기준으로 80% 정도의 1차 흡수제와 20% 정도의 2차 흡수제를 포함한다. 이들 2가지 흡수제는 상부층, 하부층 및 상하층 사이의 중간층의 3층으로 이루어져 있되, 상부층과 하부층에는 1차 흡수제만 들어있고, 중간층에는 1차 및 2차 흡수제의 혼합물이 들어있는 것이 바람직하다. 상부층의 체적은 컬럼 전체의 20% 정도이고, 하부층의 체적은 20% 정도이며, 중간층이 나머지 60%를 차지하되, 그중 70%는 1차 흡수제가 나머지 30%는 2차 흡수제가 차지한다.
본 발명은 또한, PSA를 이용해 기체중의 물과 이산화탄소 농도를 줄이는 방법에 있어서: 제1 흡수컬럼에 기체를 통과시켜 물과 이산화탄소 농도가 감소된 건조한 기체를 만드는 단계; 건조한 기체를 생산류와 정화류로 나누는 단계; 정화류의 체적은 증가시키되 압력은 감소시켜 팽창된 정화류를 만드는 단계; 팽창된 정화류를 제2 흡수컬럼에 통과시켜 물과 이산화탄소 농도가 증가한 촉촉한 배출물을 만드는 단계; 및 제1 및 제2 흡수컬럼을 통한 흐름 방향을 바꾸는 단계;를 포함하고, 제1, 제2 흡수컬럼 각각에 1차 흡수제와 2차 흡수제의 혼합물이 들어있으며, 1차 흡수제는 물을 흡수하고 2차 흡수제는 이산화탄소를 흡수하되, 2차 흡수제가 고체 아민을 포함하는 방법을 제공한다. 이때, 2차 흡수제는 벤질아민기를 갖는 다공성 디비닐벤젠-가교결합 폴리머나, 다공성 레진구조에 아민기가 결합되어 있는 다공성 폴리스티렌 매트릭스를 포함한다. 또, 혼합물중의 2차 흡수제에 대한 1차 흡수제의 체적비는 80% 내지 20%이다. 또, 이 혼합물은 컬럼내에 뷸균일하게 층을 이루되, 가급적 컬럼내에 상부층, 하부층 및 상하층 사이의 중간층의 3층으로 이루어져 있으며, 상부층과 하부층에는 1차 흡수제만 들어있고, 중간층에는 1차 및 2차 흡수제의 혼합물이 들어있는 것이 바람직하다. 또, 중간층내의 2차 흡수제에 대한 1차 흡수제의 체적비는 80:20 내지 60:40이고, 상부층에 대한 중간층의 체적비는 60% 내지 20%이며, 하부층에 대한 중간층의 체적비는 60% 내지 20%이다.
도 1은 종래의 PSA 드라이어의 개략도;
도 2는 본 발명에 따른 복합 흡수컬럼을 갖춘 PSA 드라이어의 개략도.
먼저, 도 1에 도시된 종래의 PSA 드라이어(4)의 디자인과 기능에 대해 자세히 설명한다. PSA 드라이어를 고압(약 800kPa)으로 들어가는 압축공기(10)는 컴프레서(6)와 프리필터(8)를 통과한다. 물을 정화한 최종생성물(22)이 드라이어를 나간다. 이런 순방향 사이클에서, 압축공기(10)는 4웨이 밸브(12)를 통해 제1 컬럼(14)으로 들어가고, 이곳에서 압축공기중의 수증기를 흡수한다. 컬럼(14)을 나온 건조한 공기는 생성류(11)과 정화류(13)로 나뉜다. 82% 정도의 건조공기로 이루어진 생성류(11)는 제1 원웨이 체크밸브(20)를 통과하여 정화된 생성물(22)로서 장치를 나간다. 약 18% 정도의 나머지 건조공기로 이루어진 정화류(13)는 계량관(18)을 통과하면서 압력이 800 kPa에서 100 kPa 정도로 떨어지고 체적은 반비례하여 증가한다. 정화류의 압력이 계량관(18) 하류에서 강하하기 때문에, 정화류는 제2 원웨이밸브(24)를 통과하지 않고 제2 컬럼(26)으로 들어간다. 건조한 정화류는 컬럼(26)을 통과하면서 내부의 수증기를 흡수해 컬럼 밖으로 옮긴다. 이 수증기는 4웨이밸브(12)를 통해 배출물(16)로서 외부로 나간다. 이런 순방향 사이클로 동작하는 동안, 제1 컬럼(14)에 존재하는 수분은 증가하지만 제2 컬럼(26)에 존재하는 수분은 줄어든다. 이들 컬럼(14,26) 안에는 특히 수증기에 친밀도를 갖는 분자여과 흡수제(28,30)가 들어있다.
약 30초 뒤, 4웨이 밸브(12)는 순방향(도면에서 시계방향)에서 역방향(반시계방향)으로 방향이 바뀐다. 역방향 사이클 동안의 장치의 동작은 순방향 사이클과 비슷하다. 구체적으로, 장치로 들어간 압축공기(10)가 4웨이 밸브(12)를 통해 제2 컬럼(26)으로 들어가고, 이곳에서 수분이 흡수된다. 제2 컬럼(26)을 나간 건조한 공기는 생성류과 정화류로 나뉜다. 생성류는 원웨이 체크밸브(24)를 통해 최종생성물(22)로 장치를 나간다. 컬럼(26)을 나가는 건조공기의 작은 부분은 계량관(18)을 통과하면서 팽창한다. 팽창된 건조공기는 제1 컬럼(14)을 통과하면서 수분이 흡수된다. 컬럼(14)에서 나오는 수분은 4웨이밸브(12)를 통과하여 PSA 드라이어(4)에서 배출물(16)로 배출된다. 약 30초 뒤, 4웨이밸브(12)는 다시 방향이 바뀌어, 흐름이 반대로 된다. 이 장치는 이런 식으로 순방향 사이클과 역방향 사이클을 반복하면서 계속 동작한다. 매 사이클 동안, 한쪽 컬럼은 수분을 흡수하고 나머지 컬럼은 이전 사이클에서 흡수한 수분을 제거한다.
정화류가 계량관(18)을 통과하면서 압력이 800 kPa에서 100 kPa로 강하하기 때문에, 부피는 약 8배로 증가한다는 것은 중요하다. 따라서, 정화류가 고압류의 18% 밖에 없어도, 한쪽 컬럼에서 수분을 취한 저압 정화류의 체적은 실제로는 다른쪽 컬럼에 수분을 제공하는 고압 입력류의 체적보다 크다. 그 결과, 건조한 정화류가 이전 사이클에서 컬럼에 의해 흡수된 수분을 분리하여 다음 사이클에 대비할 수 있고, 다음 사이클에서는 주입되는 고압류에서 다시 수분을 흡수하게 된다.
일반적인 분자여과 흡수제를 사용하는 PSA 드라이어는 생성물의 수분함량을 몇 ㎍/g까지 줄일 수 있다. 이산화탄소와 같은 이차 성분을 분리하려면, 프리필 터(8)를 사용한다. 그러나, 이런 필터는 고가이면서 취급이 위험하여 주기적으로 유독성 폐기물로 폐기해야만 한다는 단점이 있다. 한편, 분자여과 흡수제(28,30)를 사용해 각종 2차 물질의 농도를 낮출 수 있다. 그러나, 일반적으로 PSA 드라이어에 사용되는 흡수제는 무엇보다도 수증기에 아주 높은 친밀도를 보인다. 이 때문에, 2차 물질의 농도를 충분히 낮추기 위한 개조를 해야만 한다. 예를 들어, 흡수제 컬럼과 흡수제의 부피를 증가시키거나, 정화류를 늘리기 위해 컴프레서 사이즈를 키울 수 있다. 그러나, 이런 방식은 PSA 드라이어의 가격, 크기, 중량 및 전력소비를 증가시킬뿐이다.
본 발명은 컴프레서나 흡수컬럼의 용량을 키우지 않고도 위의 문제를 해결할 수 있다. 구체적으로, 도 2와 같이, 흡수컬럼(32,42)을 갖는 PSA 드라이어(5)를 이용한다. 각각의 흡수컬럼에 들어있는 흡수제는 PSA 드라이어(5)를 통과하는 수증기로부터 1차 물질과 2차 물질을 동시에 선택적으로 흡수한다. 1차 흡수제는 물을 흡수하고, 2차 흡수제는 이산화탄소를 흡수한다. 1차 물 흡수제는 종래의 분자여과 흡수제이고, 2차 흡수제는 고체 아민을 포함한다. 구체적으로, 2차 흡수제는 높은 다공성을 갖는 폴리스티렌 매트릭스로서, 다공성 수지구조에 아민기가 결합되어 있다. 이 매트릭스의 입자 사이즈는 0.5mm 이상 1.2mm 이하이다. 2차 흡수제로 바람직한 것은 벤질아민기를 갖는 구형 비드 형태의 다공성 디비닐벤젠-가교결합 폴리머가 있다. 이 물질은 SYBRON 케미컬사에서 VPOC 1065란 상표로 생산된다. 기공의 직경은 평균 25nm이다. 이런 고체 아민 물질을 우주선 생명유지장치의 이산화탄소 분리에 사용하는 것에 대해 G.B.T. Tan, H. Funke, W. Knorr & L.Schauer in "Carbon Dioxide Removal" Preparing for the Future, vol. 5, no. 1 (March 1995), European Space Agency, <http://esapub.esrin.esa.it/pff/pffv5n1/tan15.htm>에 소개되어 있다.
대표적인 실시예에서, 각각의 흡수컬럼에는 흡수제가 여러층 들어있는데, 각 층마다 1-2차 흡수제가 특정 비율로 혼합되어 있다. 도 2에 의하면, 컬럼(32)은 3개 층(34,36,38)을 갖고 컬럼(42)은 3개 층(44,46,48)을 갖는다. 중간층(38,48)은 그 아래 위의 층이 순수한 물 흡수제로 이루어진데 비해 1-2차 흡수제가 혼합된 것이 바람직하다. 상부층(34,44)은 컬럼 체적의 20% 정도를 차지하고, 하부층(36,46)도 마찬가지로 컬럼 체적의 20% 정도를 차지하며, 나머지 60%는 중간층이 차지한다. 중간층에 채워지는 1-2차 흡수제의 혼합물은 중간층 체적의 70% 내지 30%를 차지한다. 따라서, 컬럼 전체에서 체적 기준으로 1차 흡수제는 80% 정도, 2차 흡수제는 20% 정도 차지한다. 이런 체적비는 1-2차 흡수제가 물과 이산화탄소에 대한 친밀도가 다른 것을 보상하도록 선택하되, PSA 드라이어가 물과 이산화탄소의 농도를 둘다 수 ㎍/g까지 줄이도록 한다.
도 2의 PSA 드라이어(5)의 개조된 흡수컬럼은 구조와 동작에 있어서 도 1의 종래의 PSA 드라이어(4)와 비슷하다. 그러나, 도 2의 PSA 드라이어가 종래의 것에는 없는 여러가지 장점을 갖는데, 이제 이에 대해 설명한다. 동작중에, 컴프레서(6)는 압축공기(10)를 만들고, 이 압축공기는 800kPa 정도의 압력으로 PSA 드라이얼 들어간다. 순방향 사이클에서, 압축공기(10)는 4웨이밸브(12)를 통해 제1 흡수컬럼(32)으로 들어가고, 이곳에서 압축공기중의 수증기와 이산화탄소가 흡수된 다. 수증기는 1차 흡수제에 흡수되지만, 산성 이산화탄소는 아민기에 의해 선택적으로 흡수된다. 그 이유는 아래와 같다:
(R-NH2)+CO2+H2O ↔ (R-NH3 ++HCO3 -) (식 1)
고체 아민 흡수제는 재생성 흡수제로서, 포화되면 약하게 결합된 이산화탄소가 배출에 의해, 이산화탄소 분압 변동에 의해, 또는 가열처리에 의해 분리된다. PSA 드라이어의 경우, 역방향 사이클에서의 이산화탄소 분압의 변동은 1차 재생 수단이지만, 배출가 온도가 2차 재생수단 역할을 하기도 한다.
고체 아민 흡수제의 사용, 1-2차 흡수제의 체적비, 1-2차 흡수제의 층상 구분, 및 물과 이산화탄소에 대한 이들 흡수제의 친밀도 모두 흡수컬럼들이 물과 이산화탄소 농도를 동시에 상당히 낮추는데 도움을 준다. 그 결과, 본 발명의 PSA 드라이어는 종래의 드라이어의 문제점들을 극복한다.
전술한 실시예의 3층 디자인에 있어서, 아민은 물의 존재하에 이산화탄소와 반응하고, 이런 반응은 식 1의 화학적 반응에서 알 수 있다. 물이 없으면, 이산화탄소를 방출하는 쪽으로 반응이 진행된다. 그러므로, 상하 2개 층은 물을 어느정도는 제거하되 그리 많이는 제거하지 않으므로, 컬럼의 중간층에 여전히 수분이 존재하고, 이곳에서 이산화탄소의 제거가 일어난다. 이런 층상 구조는 이산화탄소 흡수제의 양을 최소화하는데 좋다. 컬럼이 여러 층이 아니라 균일한 한개 층이라면, 컬럼의 건조한 단부에서는 이산화탄소 흡수가 일어나지 않고 거의 모든 물이 제거될 것이다. 따라서, 이산화탄소를 제거하는 중간층에 어느정도 물이 존재하고, 이산화 탄소를 중간층에서 제거한 뒤에 단부 층의 물을 제거하는 것이 바람직하다.
VP OC 1065 흡수제가 작은 알약 형태로만 판매된다는 것을 고려해야 한다. 이런 알약이 컬럼의 아래위 입출구를 막는 것을 방지하려면, 입출구에 있는 금속필터에서 이들 알약이 떨어져 있도록 하는 것이 좋다. 따라서, 순수한 물흡수제만 들어있는 상하층 사이에 혼합흡수제와 알약형태의 흡수제를 배치해 입출구에서 떨어지게 한다. 이들 상하층은 이런 격리기능을 할 정도로 충분히 두터우면서도 이산화탄소 반응을 계속할 수 있도록 중간층에 물을 공급할 수 있을 정도로는 얇은 것이 바람직하다. 본 발명자들의 연구에 의하면, 상하 완충구역이 차지하는 체적은 20% 정도가 바람직하다. 물론, 이런 가정은 컬럼내 흡수제의 순방향-역방향 대칭에도 적절하다.
적절한 컬럼을 준비할 때, 1-2차 흡수제를 중간층에서 미리 균일하게 혼합하되 플라스틱 컬럼을 채우기 전에 이런 흡수에서 생기는 열을 제거하는 것이 바람직하다. 흡수성능을 크게 해치지 않고 이산화탄소를 충분히 제거하기 위한 중간층내의 흡수제 비율은 70:30이 적당함이 밝혀졌다. 필요한 건조도나 용인될 이산화탄소 농도에 따라 다른 비율을 사용할 수도 있다.
본 실시예에서, 컬럼(32)을 나온 건조공기는 생산류(11)와 정화류(13)로 나누어진다. 건조공기의 약 82% 정도로 이루어진 생산류(11)는 제1 원웨이 체크벨브(20)를 통해 정화된 생산물(22)로서 시스템을 나간다. 컬럼(32)을 나가는 건조공기의 18% 정도를 포함하는 정화류(13)는 계량관(18)을 통과하면서 압력이 800kPa에서 100kPa로 강하되고 그 체적은 반비례하여 증가한다. 한편, 계량관(18)과 체크밸 브(20,24)의 기능들은 개조된 셔틀밸브(19)로 제공되기도 한다. 컬럼(32,42)의 하단은 셔틀밸브(19)의 양쪽에 연결되고, 흐름이 순방향과 역방향 사이로 바뀔 때 밸브의 방향도 바뀐다. 생산물(22)은 셔틀밸브(19)를 나가고, 계량관(18)의 기능은 셔틀밸브에 구멍뚫은 (직경 약 0.25mm 정도의) 작은 구멍으로 이루어진다. 이런 구멍은 흐름을 제한하는 오리피스 역할을 하고, 정화류(13)가 이곳을 통과한다.
건조한 정화류는 제2 흡수컬럼(42)을 통과하면서 컬럼내의 이산화탄소와 수증기를 흡수하여, 밸브(12)를 통해 드라이어(5) 밖으로 배출물(16)로서 내보낸다. 이런 순방향 사이클에서는, 제1 컬럼(32)내의 수분과 이산화탄소의 양은 증가하되 제2 컬럼(42)내의 수분과 이산화탄소의 양은 감소한다.
30초 뒤, 4웨이밸브(12)가 스위치되어 흐름이 역방향으로 바뀐다. 역방향 사이클중의 장치의 동작은 순방향 사이클과 비슷하다. 역방향 사이클로 30초 동작한 뒤, 4웨이밸브가 다시 전환되어 흐름이 반대로 된다. 이런식으로 순방향-역방향 사이클이 바뀌면서 계속 동작한다. 매 사이클동안, 한쪽 컬럼은 수분과 이산화탄소를 흡수하되, 나머지 컬럼은 이전 사이클에서 흡수된 수분과 이산화탄소를 제거한다.
본 실시예에서 설명한 고압/저압용의 밸브, 정화 체적비, 흡수제 혼합비, 흡수층 등은 설명을 위한 것일 뿐이다. 경우에 따라서는 다른 밸브를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 분리할 것이 주로 이산화탄소일 경우, 컬럼내에 물 흡수제는 거의 필요치 않을 것이다. 아민 흡수제는 이산화탄소와 물을 같이 취한다. 따라서, 한가지 물질이 2가지 역할을 할 경우에는 1-2차 흡수제를 반드시 구분할 필요는 없다.
다른 실시예에서, 설계조건이나 이용가능한 흡수제의 종류에 따라 비율, 혼 합비, 층의 구분을 달리할 수 있다. 경우에 따라서는, 흡수층을 여러층으로 하고, 체적은 일정하게 하거나 가변적으로 하며, 흡수비도 달리할 수 있다. 한편, 흡수층을 1-2층으로 할 수도 있다.
또, 압력과 정화류 양도 바뀔 수 있다. 정화류는 PSA에 사용된 압력비로 결정된다. P1이 정화압력(약 100 kPa)이고 P2가 고압이면, 정화류 체적은 건조공기의 압력비(P1/P2)보다 크게 하여, 저압기체의 정화체적이 각각의 반쪽 사이클에 흐르는 기체의 고압체적보다 크게 하여야 한다. 성능은 정화체적이 증가할수록 개선되지만, 정화체적을 가능한 낮게 유지하는 것이 비용면에서 바람직하다. 고압값은 저렴하고 소형 컴프레서를 사용하기에 충분히 낮게 유지되어야 한다.

Claims (16)

  1. 흡수컬럼이 2개인 PSA(pressure swing absorption) 드라이어에 있어서:
    각각의 컬럼 안에는 1차 흡수제와 2차 흡수제가 혼합물로 들어 있으며, 1차 흡수제는 물을 흡수하고 2차 흡수제는 이산화탄소를 흡수하되, 2차 흡수제가 고체 아민인 것을 특징으로 하는 PSA 드라이어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2차 흡수제가 벤질아민기를 갖는 다공성 디비닐벤젠-가교결합 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 PSA 드라이어.
  3. 제1항에 있어서, 상기 2차 흡수제가 다공성 레진구조에 아민기가 결합되어 있는 다공성 폴리스티렌 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 PSA 드라이어.
  4. 제1항에 있어서, 혼합물중의 2차 흡수제에 대한 1차 흡수제의 체적비가 80% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 PSA 드라이어.
  5. 제1항에 있어서, 상기 혼합물이 컬럼내에 뷸균일하게 층을 이루는 것을 특징으로 하는 PSA 드라이어.
  6. 제1항에 있어서, 상기 혼합물이 컬럼내에 상부층, 하부층 및 상하층 사이의 중간층의 3층으로 이루어져 있되, 상부층과 하부층에는 1차 흡수제만 들어있고, 중간층에는 1차 및 2차 흡수제의 혼합물이 들어있는 것을 특징으로 하는 PSA 드라이어.
  7. 제6항에 있어서, 상기 중간층내의 2차 흡수제에 대한 1차 흡수제의 체적비가 80:20 내지 60:40인 것을 특징으로 하는 PSA 드라이어.
  8. 제6항에 있어서, 상부층에 대한 중간층의 체적비가 60% 내지 20%이고, 하부층에 대한 중간층의 체적비는 60% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 PSA 드라이어.
  9. PSA를 이용해 기체중의 물과 이산화탄소 농도를 줄이는 방법에 있어서:
    a) 제1 흡수컬럼에 기체를 통과시켜 물과 이산화탄소 농도가 감소된 건조한 기체를 만드는 단계;
    b) 건조한 기체를 생산류와 정화류로 나누는 단계;
    c) 정화류의 체적은 증가시키되 압력은 감소시켜 팽창된 정화류를 만드는 단계;
    d) 팽창된 정화류를 제2 흡수컬럼에 통과시켜 물과 이산화탄소 농도가 증가한 촉촉한 배출물을 만드는 단계; 및
    제1 및 제2 흡수컬럼을 통한 흐름 방향을 바꾸는 단계;를 포함하고,
    제1, 제2 흡수컬럼 각각에 1차 흡수제와 2차 흡수제의 혼합물이 들어있으며, 1차 흡수제는 물을 흡수하고 2차 흡수제는 이산화탄소를 흡수하되, 2차 흡수제가 고체 아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 2차 흡수제가 벤질아민기를 갖는 다공성 디비닐벤젠-가교결합 폴리머를 포함하는것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 2차 흡수제가 다공성 레진구조에 아민기가 결합되어 있는 다공성 폴리스티렌 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 혼합물중의 2차 흡수제에 대한 1차 흡수제의 체적비가 80% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 혼합물이 컬럼내에 뷸균일하게 층을 이루는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 혼합물이 컬럼내에 상부층, 하부층 및 상하층 사이의 중간층의 3층으로 이루어져 있되, 상부층과 하부층에는 1차 흡수제만 들어있고, 중간층에는 1차 및 2차 흡수제의 혼합물이 들어있는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 중간층내의 2차 흡수제에 대한 1차 흡수제의 체적비 가 80:20 내지 60:40인 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상부층에 대한 중간층의 체적비가 60% 내지 20%이고, 하부층에 대한 중간층의 체적비는 60% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 방법.
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