KR20090041215A - 산소 생산 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기적으로 유체 연결되어 있는 제올라이트탑 시스템, CMS탑 시스템 및 저장 탱크를 포함하는 산소 생산 장치 및 이를 제어하여 산소를 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 제올라이트탑 시스템 및 CMS탑 시스템의 구동 조건을 제어하여, 질소와 산소의 흡착 공정을 반복적으로 수행하고, CMS탑 시스템으로부터 배출되는 산소 성분이 풍부한 가스 또는 제품 가스를 제올라이트탑 및 CMS탑의 승압, 세정 및 회수 공정에서 재활용함으로써, 제품 가스의 순도 및 회수율을 현저히 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

산소 생산 장치, 산소 생산 방법, 산소, 질소, 제올라이트탑 시스템, CMS탑 시스템, 저장 탱크

Description

산소 생산 장치 및 그 제어 방법 {Equipment for producing oxygen and method for controlling the same}

본 발명은 산소 생산 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 유기적으로 유체 연결되어 있는 제올라이트탑 및 CMS탑 시스템을 통하여 흡착 공정을 반복하여 수행하고, 상기 장치에서 생산되는 산소 성분이 풍부한 가스를 승압, 세정 및 회수 공정에서 재활용함으로써, 제품 가스의 회수율 및 순도를 향상시킨 산소 생산 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

산소를 생산하는 대표적인 방법으로는 흡착법 및 심냉법을 들 수 있다. 상기 중 흡착법은 산소 또는 질소 등을 선택적으로 흡착할 수 있는 미세 공극을 갖는 물질에 공기 중의 원소가 선택적으로 흡착되도록 하여 산소를 분리하는 방법이고, 심냉법은 기체의 온도를 급격히 저하시켜 액화시킨 후에, 증류 등을 통해 산소를 분리해 내는 방법이다.

상기 방법들 중에서 심냉법은 순도 99% 이상의 산소를 생산할 수 있다는 이 점이 있다. 그러나 심냉법은 공기를 급속 냉각할 수 있는 대형 냉각 장치와 냉각된 공기를 증류하기 위한 대형 증류 장치를 동시에 구비하여야 한다. 따라서 심냉법은 흡착법에 비하여 우수한 순도의 산소를 생산할 수 있다는 이점을 가지나, 대형 장치의 구입 및 설치를 위한 과다한 투자비가 소모되기 때문에 중소 규모에서는 사실상 사용이 불가능하다.

한편 흡착법은 공기 중 특정 원소에 대응하는 미세 공극을 갖는 물질로 목적 원소를 분리하는 방법으로서, 상기 물질의 대표적인 예로는 제올라이트(zeolite)를 들 수 있다. 제올라이트는 질소에 대해서는 강한 흡착 성능을 나타내고, 산소에 대해서는 약한 흡착 성능을 나타낸다. 이에 따라 제올라이트에 공기를 공급하면, 질소는 흡착되고 산소는 투과 배출되어 질소가 배제된 산소를 생산할 수 있다. 따라서, 흡착법의 일반적인 산소 생산 시스템은 제올라이트가 충전된 탑으로 구성되고, 산소의 순도를 높이기 위하여 2개 이상의 제올라이트탑으로 구성되기도 한다.

그러나, 제올라이트는 공기 중 포함되는 아르곤에 대한 흡착 성능이 떨어져, 이를 산소와 함께 투과시키기 때문에 분리된 산소의 순도가 95% 정도에 불과하다. 이에 따라 흡착법을 통하여 생산되는 산소의 순도를 높이기 위한 노력이 이루어지고 있으며, 미국이나 일본 등에서는 흡착법을 통해 산소 순도를 99.7%까지 올릴 수 있는 기술이 개발된 바 있다. 그러나, 상기 기술은 벌크 분리를 위한 흡착 공정 및 정화를 위한 흡착 공정이 별도로 이루어져야 한다. 즉, 상기 기술에서는 벌크 분리용 흡착 공정이 완전히 종료한 후에, 다시 정화용 흡착 공정을 추가로 수행하는데, 이와 같이 두 가지 공정이 반드시 함께 수행되어야 하기 때문에 생산 단가가 고가가 된다는 문제점이 있다.

한편, 흡착법을 이용하여 질소를 생산하는 것도 가능하며, 이 때 사용되는 대표적인 흡착제는 CMS(Carbon Molecular Seive)이다. 상기 CMS에는 산소가 질소와 아르곤에 비하여 수십 내지 수백배 이상의 빠른 속도로 흡착된다. CMS탑 시스템은 이와 같은 성질을 이용하여 질소를 생산하는 시스템이며, 역시 생산되는 질소의 순도를 높이기 위하여 2개 이상의 탑으로 구성될 수 있다.

최근에는 전술한 두 종류의 시스템을 혼용하여, 먼저 90 내지 95%의 산소를 제올라이트탑 시스템으로 생산하고, 생산된 산소를 CMS탑 시스템으로 다시 필터링하여 산소의 순도를 높이는 방법이 개발되었다. 그러나, 상기 공정은 별도로 구성된 제올라이트탑 시스템 및 CMS탑 시스템이 독립적으로 운전되는 단순한 다단식 시스템이다. 이에 따라 상기 시스템에서는 생산 비용 및 에너지 소비가 증가하고, 원료가 각각 개별의 시스템을 별도로 거쳐야 하므로, 산소 회수율이 저하된다.

한편, 대한민국 등록특허 제605549호는 공기 가압 수단 및 감압 수단과 연결되고, 산소를 생산하는 제올라이트탑 시스템 및 상기 시스템에서 생산되는 산소를 흡착하고, 감압 상태에서 산소를 생산하는 CMS탑 시스템으로 구성되는 산소 생산 장치 및 그 제어 방법을 개시한다. 그러나, 상기 기술에서는 다음과 같은 문제점으로 인해 제품 가스(산소)의 순도 및 회수율이 떨어지게 되는 단점이 있다. 즉, 상기 한국 특허의 기술에서는 (1) 압력 평등화 (균압) 공정이 제올라이트탑 시스템의 탈착 라인 밸브가 닫힌 상태에서 실시되기 때문에, 균압 공정에서 제올라이트탑 상부에서 흡착된 질소 가스 성분이 다른 제올라이트탑 상부로 순간적으로 유입될 수 있고, 하부에 흡착된 질소 가스 성분은 쉽게 탈착되지 않으며; (2) CMS탑 시스템의 탈착이 낮은 압력에서 수행되어 흡착제가 충분히 재생될 수 없고, (3) CMS탑에서 배출되는 산소 성분이 풍부한 가스를 제올라이트탑 시스템의 탈착 라인 밸브가 닫힌 상태에서 가압하기 때문에, 탑 내부의 질소 성분이 잘 배출되지 않는다. 또한, 전술한 한국 특허에서는 (4) CMS탑 내의 잔류하는 질소와 아르곤을 제거하는 공정이 비효율적이고, 제어방식이 까다롭다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술을 고려하여 이루어진 것으로, 산소 생산 공정에서 제품 가스의 회수율 및 순도를 개선시킬 수 있는 산소 생산 장치 및 이를 제어하여 산소를 생산하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 외부 가압 수단 및 감압 수단과 유체 연결되어 탑 내부의 압력을 증가 또는 감소시켜 질소를 흡착 또는 탈착할 수 있는 제올라이트탑 시스템; 상기 제올라이트탑 시스템과 유체 연결되어 제올라이트탑 시스템의 생성물 중 산소를 흡착한 후, 내부 압력을 감압하여 산소를 생산할 수 있는 CMS탑 시스템; 및 상기 CMS탑 시스템으로부터 배출되는 산소를 저장할 수 있는 저장 탱크를 포함하는 산소 생산 장치를 제공한다.

상기 본 발명의 장치에서 제올라이트탑 시스템은 제 1 차 및 제 2 차의 2개의 제올라이트탑을 포함하고, CMS탑 시스템은 1개의 CMS탑을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 산소 생산 장치는, 제올라이트탑 시스템 및 CMS탑 시스템과 유체 연결되어, 제올라이트탑 시스템의 생성물을 압축한 후, 압축된 생성물을 CMS탑 시스템으로 유입시킬 수 있는 압축기를 추가로 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 장치에서는, 제올라이트탑 시스템의 상부가 압축기와 유체 연결되어 있고, 하부는 외부 가압 수단 및 감압 수단과 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다.

또한 상기 산소 생산 장치에서는, CMS탑 시스템의 하부는 상기 압축기 및 상기 CMS탑 시스템으로부터 배출되는 생성물을 저장할 수 있는 저장 탱크와 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 장치에서는, CMS탑 시스템의 상부 및 하부가 상기 제올라이트탑 시스템가 추가로 유체 연결되어 있고; 그 상부는 상기 CMS탑 시스템으로부터 배출되는 생성물을 저장할 수 있는 저장 탱크와 추가로 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 제 1 차 및 제 2 차 제올라이트탑, 압축기, CMS탑 및 저장 탱크를 포함하는 산소 생산 장치를 제어하는 방법에 있어서,

CMS탑으로부터 배출되는 산소 성분이 풍부한 가스로 제 1 차 제올라이트탑을 승압하는 제 1 단계;

원료 가스를 공급하여 제 1 차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착시키고, 제 2 차 제올라이트탑을 감압시켜 질소를 탈착시키며, 제 1 차 제올라이트탑에서 배출된 생성물을 CMS탑으로 공급하여, 산소를 흡착시키는 제 2 단계;

CMS탑을 감압시켜 제품 가스를 생산하고, 이를 저장하는 제 3 단계;

저장된 제품 가스를 이용하여 CMS탑 및 제 2 차 제올라이트탑을 세정하는 제 4 단계; 및

저장된 제품 가스를 이용하여 CMS탑을 세정하면서, 제 1 차 및 제 2 차 제올라이트탑의 회수 및 균압 공정을 수행하는 제 5 단계를 포함하는 산소 생산 장치의 제어 방법을 제공한다.

상기 제어 방법의 제 2 단계에서는 제 1 차 제올라이트탑의 배출물을 CMS탑으로 도입하기 전에 상기 배출물을 압축기로 압축하는 공정을 추가로 수행하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 제어 방법의 제 2 단계에서는 CMS탑 시스템으로부터 배출되는 가스를 제올라이트탑 시스템의 전단으로 회수하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.

상기 제어 방법의 제 4 단계는 또한 제 2 차 제올라이트탑의 탈착 라인을 개방한 상태로 수행되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 제어 방법의 제 3 단계 및 제 4 단계의 진행 중에 원료 가스를 계속적으로 제 1 차 제올라이트탑으로 공급하여, 질소를 흡착시키는 것이 바람직하다.

상기 제어 방법의 제 5 단계는 또한 균압 공정을 제올라이트탑 시스템의 탈착 라인을 개방한 상태로 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제어 방법의 제 5 단계는 CMS탑을 세정한 후 배출되는 가스를 제올라이트탑 시스템의 전단으로 회수하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 제어 방법은 또한, 제 5 단계에 이어서 제 1 차 및 제 2 차 제올라이트탑의 구동 상태를 서로 교체하여 동일한 공정을 반복 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 제올라이트탑 시스템 및 CMS탑 시스템의 구동 조건을 제어하여, 질소와 산소의 흡착 공정을 반복적으로 수행하고, 장치로부터 배출되는 산소 성분이 풍부한 가스 또는 제품 가스(산소)를 제올라이트탑 및 CMS탑의 승압, 세정 및 회수 공정에서 재활용함으로써, 제품 가스(산소)의 순도 및 회수율을 현저히 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명은, 외부 가압 수단 및 감압 수단과 유체 연결되어 탑 내부의 압력을 증가 또는 감소시켜 질소를 흡착 또는 탈착할 수 있는 제올라이트탑 (이하 'ZMS탑'이라 칭함) 시스템;

상기 ZMS탑 시스템과 유체 연결되어 ZMS탑 시스템의 생성물 중 산소를 흡착한 후, 내부 압력을 감압하여 산소를 생산할 수 있는 CMS탑 시스템; 및 상기 CMS탑 시스템으로부터 배출되는 산소를 저장할 수 있는 저장 탱크를 포함하는 산소 생산 장치에 관한 것이다. 본 발명은 상기 ZMS탑 시스템 및 CMS탑 시스템의 구동 조건을 제어하여, 질소와 산소의 흡착 공정을 반복적으로 수행하고, 상기 장치로부터 생산되는 산소 성분이 풍부한 가스 또는 제품 가스(산소)를 ZMS탑 및 CMS탑의 승 압, 세정 및 회수 공정에서 재활용함으로써, 제품 가스(산소)의 순도 및 회수율을 현저히 개선시킬 수 있는 이점을 가진다.

이하, 본 발명의 산소 생산 장치를 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 산소 생산 장치는 내부에 ZMS가 충전된 ZMS탑, 또는 내부에 CMS가 충전된 CMS탑으로 구성되는 ZMS탑 시스템 또는 CMS탑 시스템을 포함한다. 본 발명에서 사용된 용어 『탑 시스템』은 1개; 또는 수직적 또는 수평적으로 상호 연결된 2개 이상의 탑을 포함하는 장치를 의미한다. 이 때 사용될 수 있는 ZMS탑 또는 CMS탑의 종류 및 구조는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야의 일반적인 ZMS탑 또는 CMS탑을 모두 사용할 수 있다. 이하, 본 발명의 명세서에서 『ZMS탑』 및 『CMS탑』은 각각 『ZMS탑 시스템』 및 『CMS탑 시스템』과 동일한 의미로 사용될 수 있다.

첨부된 도 1은 본 발명의 산소 생산 장치의 일 태양을 나타낸다. 즉, 본 발명에서는 산소 생산 장치의 ZMS탑 시스템이 제 1 차 및 제 2 차의 2개의 ZMS탑(5, 6)을 포함하고, CMS탑 시스템은 1개의 CMS탑(10)을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑(5, 6)의 구동 상태를 반복적으로 교체하면서 산소 생산 공정을 진행할 수 있다. 그러나, 상기와 같은 탑 시스템의 구성은 본 발명의 하나의 예에 불과하면, 본 발명에서는 필요에 따라서 다양한 조합의 탑 시스템을 제한 없이 채용할 수 있다.

첨부된 도면을 참조로 본 발명의 산소 생산 장치 구성의 일 태양을 보다 상세히 설명하면 하기와 같다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 산소 생산 장치에서는 ZMS탑 시스템(5, 6) 및 CMS탑 시스템(10)이 서로간에 유체 흐름이 가능하도록 유기적으로 서로 연결되어 있다. 이에 따라 상기 ZMS탑 시스템(5, 6)으로부터 배출되는 생성물을 CMS탑 시스템(10)으로 도입하여 산소 흡착 공정을 진행할 수 있으며, 또한 CMS탑 시스템 (10)에서 배출된 산소 성분이 풍부한 가스를 선택적으로 ZMS탑 시스템의 승압, 세정 및 회수 공정에 이용할 수 있다.

본 발명의 산소 생산 장치는 또한 상기 ZMS탑 시스템(5, 6) 및 CMS탑 시스템(10)과 유체 연결되어, ZMS탑 시스템(5, 6)의 생성물을 압축한 후, 압축된 생성물을 CMS탑 시스템(10)으로 유입시킬 수 있는 압축기(8)를 추가로 포함할 수 있다.

또한 본 발명에서는 상기 ZMS탑 시스템(5, 6)의 상부가 상기 ZMS탑 시스템의 상부 생성물을 압축할 수 있는 압축기(8)와 유체 연결되어 있고, 하부는 외부 가압 수단(2) 및 감압 수단(12)과 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 장치는 또한 ZMS탑 시스템 (5, 6) 상부 및 압축기(8)와 유체 연결되어, 상기 ZMS탑 시스템(5, 6)의 상부 생성물을 저장한 후, 그 전부 또는 일부를 압축기(8)로 이송할 수 있는 저장 탱크(7); 및 압축기(8) 및 CMS탑(10)의 하부와 유체 연결되어 압축기(8)에서 압축된 생성물을 저장한 후, CMS탑(10)으로 이송할 수 있는 저장 탱크(9)를 추가로 포함할 수 있다. 이 때 사용되는 압축기 및 저장 탱크의 구체적인 종류는 특별히 한정되지 않으며, 이 분야의 일반적인 압축기 또는 저장 탱크를 제 한 없이 사용할 수 있다.

또한, 상기에서 가압 수단은 ZMS탑 시스템 내부로 공기와 같은 원료 가스를 공급할 수 있는 수단을 의미한다. 본 발명에서는 상기와 같은 역할을 수행할 수 있다면, 가압 수단의 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 송풍기 또는 가압기 등과 같은 통상의 공기 가압 수단을 사용할 수 있다. 또한, 상기 감압 수단은 시스템 내부의 공기 등을 흡입하여 내부 압력을 대기압 또는 진공 상태로 감소시키는 역할을 하는 것으로, 이와 같은 역할을 수행할 수 있다면 그 구체적인 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 본 발명에서는 진공 펌프 등과 같은 이 분야의 일반적인 공기 감압 수단을 사용할 수 있다.

상기와 같은 외부 가압 수단으로 ZMS탑으로 공기 등의 원료를 주입하여, 가압시키면, 내부에 충전된 ZMS가 원료 가스 중 질소를 흡착하게 된다. 또한, 상기 감압 수단으로 ZMS탑 내부 압력을 감소시키면 흡착되어 있던 질소가 탈착(이탈 및 제거)되게 된다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 본 발명에서는 ZMS탑 시스템이 복수의 ZMS탑을 포함하고, 각각의 ZMS탑에서 가압 및 감압 공정을 교대로 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 발명의 ZMS탑 시스템이 도 1에 나타난 바와 같이 제 1 차 및 제 2 차의 탑을 포함하는 경우, 제 1 차 ZMS탑이 가압 상태일 경우에는 제 2 차 ZMS탑이 감압 상태이고, 반대로 제 2 차 ZMS탑이 가압 상태일 경우에는 제 1 차 ZMS탑이 감압 상태가 되도록 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 산소 생산 장치의 CMS탑 시스템(10)은 그 하부가 전술한 압 축기(8) 및 상기 CMS탑 시스템(10)으로부터 배출되는 생성물을 저장할 수 있는 저장 탱크(11)와 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같이 구성됨으로 해서, CMS탑 시스템(10)은 ZMS탑 시스템(5, 6)의 상부에서 배출되어 압축기(8)에 의해 압축된 생성물을 받아 산소 흡착 공정을 수행할 수 있다. 또한, CMS탑 시스템(10)의 하부와 저장 탱크(11)가 유체 연결됨으로써, CMS탑 시스템(10)의 내부 압력을 감소시켜 생산한 산소를 저장 탱크(11)에 저장할 수 있게 된다.

본 발명의 CMS탑 시스템(10)은 또한 그 상부 및 하부가 ZMS탑 시스템(5, 6)과 추가로 유체 연결되어 있고, 또한 그 상부가 상기 저장 탱크(11)와 추가로 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같이 구성함으로 해서, 저장 탱크(11) 내에 저장되어 있는 제품 가스의 전부 또는 일부를 사용하여 CMS탑 및 ZMS탑 시스템의 승압, 세정 및 회수 공정을 수행할 수 있다.

이상 설명한 산소 생산 장치에서 ZMS탑 시스템, CMS탑 시스템, 압축기 및 저장탱크 등은 유체 흐름을 제어할 수 있는 밸브를 포함하는 배관 등의 연결 수단에 의하여 상호 연결되어 있는 것이 바람직하다. 상기 밸브는 각 탑 시스템 내부의 압력 상태, 저장 탱크에서의 가스 저장량 및/또는 순도 등에 따라서 적절히 개방 또는 폐쇄되도록 제어되며, 이에 따라 산소 생산 장치의 동작 상태를 제어하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 같이 개방 및 폐쇄가 가능한 밸브를 통하여 장치를 제어함으로써, 본 발명에서는 고순도의 산소를 필요에 따른 적절한 시기에 용이하게 생 산할 수 있게 된다.

본 발명은 또한, 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑, CMS탑 및 저장 탱크를 포함하는 산소 생산 장치를 제어하는 방법에 있어서,

CMS탑으로부터 배출되는 산소 성분이 풍부한 가스로 제 1 차 ZMS탑을 승압하는 제 1 단계;

원료 가스를 공급하여 제 1 차 ZMS탑을 가압시켜 질소를 흡착시키고, 제 2 차 ZMS탑을 감압시켜 질소를 탈착시키며, 제 1 차 ZMS탑에서 배출된 생성물을 CMS탑으로 공급하여, 산소를 흡착시키는 제 2 단계;

CMS탑을 감압시켜 제품 가스를 생산하고, 이를 저장하는 제 3 단계;

저장된 제품 가스를 이용하여 CMS탑 및 제 2 차 ZMS탑을 세정하는 제 4 단계; 및

저장된 제품 가스를 이용하여 CMS탑을 세정하면서, 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑의 회수 및 균압 공정을 수행하는 제 5 단계를 포함하는 산소 생산 장치의 제어 방법에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 제어 방법의 일 태양을 보다 구체적으로 설명한다. 첨부된 도 2 내지 11은 본 발명의 제어 방법의 각 단계의 구동 상태 및 유체 흐름을 나타내는 개략도이다.

본 발명의 제 1 단계에서는, 도 2에 나타난 바와 같이, 3, 9, 11, 14, 17 및 19번 밸브가 개방된다. 이에 따라 전 단계에서 저장 탱크(9)에 저장되어 있던 가스(ZMS탑 시스템을 경유하여 질소 성분이 배제된 가스)는 14번 밸브를 경유하여 CMS탑(10)으로 도입되고, 상기는 CMS탑(10)을 가압하여, 산소 흡착 공정이 진행된다. 이 때 CMS탑 (10)으부터 배출되는 가스는 17, 11 및 9번 밸브를 순차 경유하여 제 1 차 ZMS탑(5)으로 도입되며, 이를 통해 제 1 차 ZMS탑(5)을 승압하게 된다. 이 경우 제 1 차 ZMS탑(5)을 승압하는 CMS탑(10) 배출 가스는 산소 성분이 풍부하므로, 제 1 차 ZMS탑(5)의 상부는 ZMS에 대해 약흡착 성분인 산소가 풍부해지게 되고, 또한 질소는 탑의 하부로 이동하게 된다.

본 발명에서는 전술한 제 1 차 ZMS탑 승압 공정 시에 제 2 차 ZMS탑(6)의 감압 공정을 함께 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제 2 차 ZMS탑(6)의 감압은 개방된 3 및 19번 밸브와 연결된 감압 수단인 진공 펌프(12)를 통하여 수행될 수 있다. 이와 같이 제 2 차 ZMS탑(6)의 내부가 감압되면, 흡착되어 있던 질소가 탈착되어 흡착제의 재생이 이루어지게 되며, 이에 따라 이어지는 단계에서 배출 가스의 순도 및 회수율을 높일 수 있게 되는 이점이 있다. 상기와 같은 본 발명의 제 1 단계는 약 3 내지 7초 동안 수행되는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 공정 시간은 본 발명의 일 태양에 불과하며, 본 발명에서는 목적하는 산소의 순도 및/또는 회수율을 고려하여 공정 시간을 자유롭게 변경할 수 있다.

첨부된 도 3은 본 발명의 제 2 단계의 장치 구동 상태를 나타내며, 상기 제 2 단계는 전술한 제 1 단계 후에 장치의 9 및 11번 밸브를 잠그고, 1, 7 및 12번 밸브를 새롭게 개방함으로써, 수행될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 제 2 단계에서는 개방된 1번 밸브를 통해 원료 가스 공급 장치(1)로부터 원료가 공급되고, 이로 인해 제 1 차 ZMS탑(5)이 승압되어 질소 흡착 공정이 수행되게 된다. 또한, 상기 제 1 차 ZMS탑(5)으로부터 배출된 가스는, 7 및 14번 밸브를 경유하여 CMS탑(10)으로 유입된다. 이 때 상기 ZMS탑(5)의 배출 가스는, 상기 ZMS탑 시스템(5, 6) 상부와 유체 연결된 압축기(8)에 의해 CMS탑(10)으로의 도입 전에 압축될 수 있다. 또한 상기 ZMS탑(5)의 배출 가스는 상기 압축기(8)의 양 방향에 존재하는 저장 탱크(7, 9)에서 압축 공정 전 후에 일시적으로 저장될 수도 있다.

상기와 같이 질소 성분이 배제된 가스가 유입되면, CMS탑(10)은 가압되고, 산소 흡착 공정을 수행하게 된다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 상기에서 가압되는 CMS탑(10) 내부 압력은 약 4 내지 5 kg/cm²g의 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 압력이 4 kg/cm²g보다 작으면, CMS탑에서의 흡착 공정이 원활히 수행되지 않아 산소 회수율 및 순도가 저하될 우려가 있고, 5 kg/cm²g를 초과하면, 경제성이 떨어진다.

본 발명의 제 2 단계는 또한 CMS탑(10)으로부터 배출되는 가스를 ZMS탑 시스템(5, 6)의 전단으로 회수하여, 이를 원료 가스에 포함시키는 것이 바람직하다. 즉, CMS탑(10)의 흡착 공정이 일정시간 지속되면, 상기 탑(10) 내부의 흡착제가 과포화 상태(파과 상태)가 되어 산소 흡착능력이 저하되게 된다. 따라서, 파과 상태 의 탑(10)을 경유한 가스를 ZMS탑 시스템으로 재공급하여 반복적으로 흡착 공정을 수행하게 되면, 제품 가스의 회수율을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 이와 같은 회수 공정을 수행하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 12 및 17번 밸브를 개방함으로써 수행될 수 있다. 이와 같이 밸브를 개방함으로써 CMS탑(10) 상부로부터 배출된 가스는 17 및 12번 밸브를 순차 경유하여 ZMS탑의 전단부로 회수된다. 이와 같은 제 2 단계는 약 30 내지 50초 동안 수행되는 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

이어지는 제 3 단계는 CMS탑(10)을 감압시켜, CMS에 흡착되어 있던 산소를 제품 가스로서 생산하게 되며, 상기는 CMS탑(10) 하부와 유체 연결된 저장 탱크(11)에 저장되게 된다. 이와 같은 제 3 단계는 도 4에 나타난 바와 같이, 제 2 단계에 이어서 15번 밸브를 새롭게 개방하고, 12, 14 및 17번 밸브를 잠금으로써 수행될 수 있다. 밸브의 상태를 상기와 같이 제어하게 되면, 개방된 15번 밸브를 통해서 CMS탑(10) 내부는 감압되어 제품 가스 (산소)가 생산되며, 상기는 저장 탱크(11)에 저장되게 된다. 이와 같은 공정은 약 1 내지 5초 동안 수행되는 것이 바람직하다. 그렇지만, 상기 공정 시간은 CMS탑(10) 내부에 흡착되어 있는 산소의 양에 따라 결정되는 것으로, 상기 특정된 범위에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 제 4 단계는 상기 저장 탱크(11)에 저장된 제품 가스의 전부 또는 일부를 사용하여 제 2 차 ZMS탑(6) 및 CMS탑(10)을 승압, 세정 및 회수하는 공정이 다. 즉, 제 4 단계에서는 도 5에 나타난 바와 같이, 10, 11, 16 및 18번 밸브를 새롭게 개방하고, 15번 밸브를 잠근다. 상기와 같이 밸브를 제어하게 되면, 제 3 단계에서 저장 탱크(11)에 저장된 제품 가스는 18번 밸브를 경유하여 CMS탑(10)으로 유입되어, 세정 공정을 수행하며, 그 후에 CMS탑 (10)의 하부로 배출된 가스는 16, 11 및 10번 밸브를 통해 제 2 차 ZMS탑(6)으로 유입되어, 세정 공정을 진행하게 된다.

특별히 한정되는 것은 아니지만, 상기와 같은 세정 공정은 제 2 차 ZMS탑(6)의 탈착 라인이 개방된 상태에서 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용하는 용어 『탈착 라인』은 ZMS탑 또는 CMS탑의 내부 압력을 감소시켜, 흡착된 물질의 이탈 및 제거를 수행할 수 있는 배관의 상태를 의미한다. 즉, 예를 들면 상기 제 2 차 ZMS탑(6)의 『탈착 라인의 개방』은 3 및 19번 밸브를 개방함으로써 수행될 수 있다. 이에 따라 진공 펌프(12)에 의해 제 2 차 ZMS탑(6)이 감압되어 탈착이 진행되게 된다. 상기와 같은 본 발명의 제 4 단계는 약 10 내지 16초 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 공정 시간이 10초보다 작으면, CMS탑(10) 및 제 2 차 ZMS탑(6)의 세정 효과가 저하될 우려가 있고, 16초를 초과하면, 더 이상의 세정 효과가 발휘되지 않는다.

전술한 본 발명의 제 3 단계 내지 및 제 4 단계가 진행되는 동안에 원료 가스를 제 1 차 ZMS탑(5)으로 공급하여, 질소 흡착 공정을 수행하고, 생산된 가스를 저장 탱크(9)에 저장하는 것이 바람직하다. 이와 같은 공정은, 상기 단계들이 진 행되는 동안 1 및 7번 밸브를 계속적으로 개방하여, 원료 가스의 공급 상태를 계속적으로 유지함으로써 수행될 수 있다. 또한, 상기에 의해 제 1 차 ZMS탑(5)으로부터 배출된 생성물은 저장탱크 (7) 및 압축기 (8)를 경유한 후, 저장 탱크(9)에 저장되는 것이 바람직하다. 이와 같이 저장된 가스는, CMS탑(10)의 배출가스로 ZMS탑을 예비 승압하는 과정(예를 들면, 상기 제 1 단계)에서 CMS탑(10)으로 공급된다. 상기와 같은 질소 흡착 공정이 계속되는 동안, 제 1 차 ZMS탑(5)의 내부 압력은 약 0.1 내지 0.5 kg/cm²g 정도로 유지되는 것이 바람직하다. 상기 압력이 0.1 kg/cm²g보다 작으면, 흡착 공정이 원활히 수행되지 않을 우려가 있고, 0.5 kg/cm²g를 초과하면, 경제성이 떨어진다.

본 발명의 제 5 단계에서는 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑(5, 6)의 내부 압력을 평등화시키는 공정(균압 공정)이 수행된다. 상기 공정은, 도 6에 나타난 바와 같이, 1, 7, 10 및 11번 밸브를 잠그고, 2 및 6번 밸브를 새롭게 개방함으로써 수행될 수 있다. 상기와 같이 밸브의 상태를 제어하면 상대적으로 고압 상태인 제 1 차 ZMS탑(5)으로부터 제 2 차 ZMS탑(6)의 방향으로 균압 공정이 진행된다.

특별히 한정되는 것은 아니지만, 상기 균압 공정은 ZMS탑 시스템의 탈착 라인을 개방한 상태로 진행하는 것이 바람직하다. 이 때 『탈착 라인』의 의미는 전술한 바와 같으며, ZMS탑 시스템, 즉 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑(5, 6)의 탈착 라인의 개방은 2, 3 및 19번 밸브를 개방함으로써 수행될 수 있다. 이와 같이 ZMS탑 시스템(5, 6)의 탈착 라인이 개방된 상태로 균압 공정을 수행함으로써, 제 1 차 ZMS탑(5) 상부에 흡착된 질소가스 성분이 순간적으로 제 2 차 ZMS탑(6) 상부로 유입하는 현상을 방지할 수 있고, 또한 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑(5, 6) 하부에 흡착된 잔류 질소 가스 성분을 제거할 수 있게 된다.

이러한 균압 공정은 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑(5, 6) 내의 압력이 대기압 수준에 이를 때까지 수행되는 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 제 5 단계에서는 또한 전술한 균압 공정과 함께, 저장 탱크(11)에 저장된 산소 성분이 풍부한 가스(제품 가스)로 CMS탑(10) 내부를 세정하는 공정을 수행한다. 이와 같은 공정은 균압 공정이 진행 중에 18번 밸브를 개방하여 둠으로써, 수행할 수 있다. 즉, 상기와 같이 밸브 상태를 제어하게 되면, 저장 탱크(11)에 저장된 제품 가스가 18번 밸브를 경유하여 CMS탑(10)으로 유입되어 세정 공정이 수행된다. 또한, 본 발명에서는 상기 공정 중 12 및 16번 밸브를 개방하여 둠으로써, CMS탑(10) 세정 공정 종료된 배출 가스를 ZMS탑 전단으로 회수할 수 있으며, 이에 따라 이어지는 질소 흡착 공정을 준비할 수 있다.

이상 설명한 산소 생산 장치의 구동 단계는 본 발명에서 제 1 차 ZMS탑(5)의 가압 및 흡착; 그리고 제 2 차 ZMS탑(6)의 감압 및 탈착 공정이 진행되면서 산소를 생산하는 단계이다. 본 발명의 방법에서는 또한, 상기 단계에 이어서 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑의 역할을 교체하여, 산소 생산 공정을 연속적으로 수행할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 전술한 단계에 이어서, 제 1 차 ZMS탑(5)에서는 감압 및 탈착, 그리고 제 2 차 ZMS탑(6)에서는 가압 및 흡착을 유도하여, 산소 생산 공정을 진행한다. 이 때 구동 단계는 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑의 역할이 교체된 점을 제외하면, 전술한 제 1 단계 내지 제 5 단계와 유사하며, 이하 밸브 구동 상태를 중심으로 이를 개략적으로 설명한다.

본 발명에서는 전술한 제 5 단계에 이어서 2. 10, 11, 14, 17 및 19번 밸브를 개방한다 (도 7 참조). 이에 따라 상기 제 3 단계 및 제 4 단계에서 저장 탱크(9)에 저장되어 있던 질소 성분이 배제된 가스가 CMS탑(10)으로 유입되어, 산소 흡착 공정이 진행된다. 또한 산소 흡착 후 배출된 가스는 17, 11 및 10번 밸브를 순차 경유하여 제 2 차 ZMS탑(6)으로 도입, 상기 탑(6)의 승압 및 세정 공정을 진행한다. 또한, 상기 단계에서는 제 1 차 ZMS탑(5)은 2 및 19번 밸브와 진공 펌프(12) (탈착 라인)에 의해 감압되어, 이전 단계에서 내부에 흡착된 물질을 이탈 및 제거한다 (재생 공정).

상기 단계에 이어서, 산소 생산 장치의 2, 4, 8, 12, 14, 17 및 19번 밸브를 개방한다 (도 8 참조). 이에 따라, 제 2 차 ZMS탑(6)은 송풍기(2)로부터 원료 가스를 받아 가압 및 흡착 공정을 진행하고, 제 1 차 ZMS탑(5)은 2 및 19번 밸브를 통하여 계속적으로 탈착된다. 또한 제 2 차 ZMS탑(6)으로부터의 배출 가스는 8 및 14번 밸브를 통하여 CMS탑(10)으로 유입되어, CMS탑(10)의 가압 및 흡착을 진행시킨다.

상기 단계를 약 30 내지 50초 동안 수행한 후, 15번 밸브를 새롭게 개방하 고, 12, 14 및 17번 밸브가 잠근다 (도 9 참조). 이에 따라 CMS탑(10)의 감압 및 탈착 공정이 진행되어 제품 가스를 생산 및 저장하게 된다. 이어서, 9, 11, 16 및 18번 밸브를 새롭게 개방하고, 15번 밸브를 잠그면, 탱크(11)에 저장되어 있던 산소 성분이 풍부한 제품 가스에 의해 CMS탑(10) 및 제 1 차 ZMS탑(5)을 순차 세정할 수 있다 (도 10 참조). 다음으로, 3, 6 및 12번 밸브를 새롭게 개방하고, 4, 8, 9 및 11번 밸브를 잠금으로써, 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑(5, 6)간의 균압 및 CMS탑(10)의 세정 공정을 수행할 수 있다 (도 11 참조).

이상 설명한 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑의 역할이 교체되면서 산소 생산 공정이 진행되는 한 세트의 단계를 정리하면 하기 표 1 및 2와 같다. 하기 표 1은 제 1 차 ZMS탑에서는 가압 및 흡착이 진행되고, 제 2 차 ZMS탑에서는 감압 및 탈착 공정이 일어나는 전술한 제 1 단계 내지 제 5 단계의 공정을 정리한 것이며, 표 2는 상기 단계에 이어서 제 1 차 및 제 2 차 ZMS탑의 역할이 교체되어 산소 생산 공정이 진행되는 과정을 정리한 것이다.

[표 1]

	제 1 단계	제 2 단계	제 3 단계	제 4 단계	제 5 단계
1st ZMS	PR	AD			PE
2nd ZMS	DE			PU	PE
CMS	AD		DE	PU	PU
개방 밸브	3, 9, 11, 14, 17, 19	1, 3, 7, 12, 14, 17, 19	1, 3, 7, 15, 19	1, 3, 7, 10, 11, 16, 18, 19	2, 3, 6, 12, 16, 18, 19
공정 시간	3 내지 7초	30 내지 50초	1 내지 5초	10 내지 16초	1 내지 5초

(PR; 승압: AD; 흡착: DE; 감압: PU; 세정: PE; 균압)

[표 2]

	제 6 단계	제 7 단계	제 8 단계	제 9 단계	제 10 단계
1st ZMS	DE			PU	PE
2nd ZMS	PR	AD			PE
CMS	AD		DE	PU	PU
개방 밸브	2, 10, 11, 14, 17, 19	2, 4, 8, 12, 14, 17, 19	2, 4, 8, 15, 19	2, 4, 8, 9, 11, 16, 18, 19	2, 3, 6, 12, 16, 18, 19
공정 시간	3 내지 7초	30 내지 50초	1 내지 5초	10 내지 16초	1 내지 5초

(PR; 승압: AD; 흡착: DE; 감압: PU; 세정: PE; 균압)

본 발명에서는 상기 표 1 및 2에 나타난 한 세트의 공정을 계속적으로 반복하면서, 산소 생산 공정을 진행할 수 있다. 이 때 반복 횟수는 특별히 한정되지 않으며, 목적하는 생산량 등에 따라서 적절히 선택될 수 있다. 본 발명에서는 상기와 같이 ZMS탑 시스템 및 CMS탑 시스템의 구동 조건을 제어하여, 질소와 산소의 흡착 공정을 반복적으로 수행하고, 장치로부터 배출되는 산소 성분이 풍부한 가스를 ZMS탑 및 CMS탑을 승압, 세정 및 회수 공정에 재활용함으로써, 제품 가스(산소)의 순도를 약 97% 이상으로 유지하면서, 53% 이상의 회수율을 달성할 수 있다.

이상 2개의 ZMS탑 및 1개의 CMS탑을 포함하는 본 발명의 산소 생산 장치의 일 태양을 위주로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, 필요에 따라서는 3개 이상의 ZMS탑 및/또는 2개 이상의 CMS탑이 포함된 경우에 있어서도, 상 기와 동일한 원리를 채용하여 산소 생산 공정을 진행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 산소 생산 장치를 나타내는 모식도이다.

도 2 내지 11은 본 발명의 일 태양에 따른 산소 생산 장치의 구동 상태를 나타내는 모식도이다.

<도면 부호의 설명>

AV: 밸브 번호

1: 원료 가스 공급 장치

2: 송풍기

3: 균압기

5: 제 1 차 제올라이트탑

6: 제 2 차 제올라이트탑

7, 9, 11: 저장 탱크

8: 압축기

12: 진공 펌프

Claims (14)

1. 외부 가압 수단 및 감압 수단과 유체 연결되어 탑 내부의 압력을 증가 또는 감소시켜 질소를 흡착 또는 탈착할 수 있는 제올라이트탑 시스템;

   상기 제올라이트탑 시스템과 유체 연결되어 제올라이트탑 시스템의 생성물 중 산소를 흡착한 후, 내부 압력을 감압하여 산소를 생산할 수 있는 CMS탑 시스템; 및

   상기 CMS탑 시스템으로부터 배출되는 산소를 저장할 수 있는 저장 탱크를 포함하는 산소 생산 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   제올라이트탑 시스템이 제 1 차 및 제 2 차의 2개의 제올라이트탑을 포함하고, CMS탑 시스템은 1개의 CMS탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 생산 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   제올라이트탑 시스템 및 CMS탑 시스템과 유체 연결되어, 상기 제올라이트탑 시스템의 생성물을 압축한 후, 압축된 생성물을 상기 CMS탑 시스템으로 유입시킬 수 있는 압축기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 생산 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   제올라이트탑 시스템의 상부가 상기 제올라이트탑 시스템의 상부 생성물을 압축할 수 있는 압축기와 유체 연결되어 있고, 하부는 외부 가압 수단 및 감압 수단과 유체 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 산소 생산 장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   CMS탑 시스템의 하부가 제올라이트탑 시스템의 상부 생성물을 압축할 수 있는 압축기; 그리고 상기 CMS탑 시스템으로부터 배출되는 생성물을 저장할 수 있는 저장 탱크와 유체 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 산소 생산 장치.
6. 제 3 항에 있어서,

   CMS탑 시스템의 상부 및 하부가 제올라이트탑 시스템과 추가로 유체 연결되어 있고; 그 상부는 상기 CMS탑 시스템으로부터 배출되는 생성물을 저장할 수 있는 저장 탱크와 추가로 유체 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 산소 생산 장치.
7. 제 1 차 및 제 2 차 제올라이트탑, CMS탑 및 저장 탱크를 포함하는 산소 생산 장치를 제어하는 방법에 있어서,

   CMS탑으로부터 배출되는 산소 성분이 풍부한 가스로 제 1 차 제올라이트탑을 승압하는 제 1 단계;

   원료 가스를 공급하여 제 1 차 제올라이트탑을 가압시켜 질소를 흡착시키고, 제 2 차 제올라이트탑을 감압시켜 질소를 탈착시키며, 제 1 차 제올라이트탑에서 배출된 생성물을 CMS탑으로 공급하여, 산소를 흡착시키는 제 2 단계;

   CMS탑을 감압시켜 제품 가스를 생산하고, 이를 저장하는 제 3 단계;

   저장된 제품 가스를 이용하여 CMS탑 및 제 2 차 제올라이트탑을 세정하는 제 4 단계; 및

   저장된 제품 가스를 이용하여 CMS탑을 세정하면서, 제 1 차 및 제 2 차 제올라이트탑의 회수 및 균압 공정을 수행하는 제 5 단계를 포함하는 산소 생산 장치의 제어 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   제 2 단계에서 제 1 차 제올라이트탑 상부 생성물을 CMS탑으로 도입하기 전에, 상기 생성물을 압축하는 공정을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   제 2 단계에서 CMS탑으로부터 배출되는 가스를 제올라이트탑 시스템의 전단으로 회수하는 공정을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 7 항에 있어서,

    제 4 단계의 세정 공정을 제 2 차 제올라이트탑의 탈착 라인을 개방한 상태로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 7 항에 있어서,

    제 3 단계 및 제 4 단계가 진행되는 동안에 원료 가스를 제 1 차 제올라이트탑으로 공급하여, 질소 흡착 공정을 계속적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 7 항에 있어서,

    균압 공정을 제 1 차 및 제 2 차 제올라이트탑의 탈착 라인을 개방한 상태로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 7 항에 있어서,

    제 5 단계에서 CMS탑 세정 후 배출된 가스를 제올라이트탑 시스템 전단으로 회수하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 7 항에 있어서,

    제 5 단계에 이어서,

    제 1 차 및 제 2 차 제올라이트탑의 구동 상태를 서로 교체하여 동일한 공정을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.

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