KR20100057514A - 압력 스윙 흡착 시스템의 얕은 베드에 있어서의 성능 안정성 - Google Patents

압력 스윙 흡착 시스템의 얕은 베드에 있어서의 성능 안정성 Download PDF

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티모시 크리스토퍼 골든
로저 딘 휘틀리
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명에 따른 산소 생성용 PSA 공정은 (a) 물에 대한 선택성을 갖는 흡착제로 이루어진 제1 층과 질소에 대한 선택성을 갖는 흡착제로 이루어진 제2 층을 구비하는 흡착 용기를 제공하는 단계로서, 제1 층의 흡착제 상에서의 물의 흡착열은 흡착제 1 그램당 약 0.05 mmol 미만의 흡착수 적재량에서 약 14 kcal/mole 이하인 흡착 용기의 제공 단계; (b) 적어도 산소, 질소 및 물을 포함하는 공급 가스를 제1 층과 제2 층에 연속적으로 통과시켜, 제1 층의 흡착제에서 물을 흡착하고, 제2 층의 흡착제에서 질소를 흡착하는 단계로서, 제1 층에서의 물의 물질 전달 계수는 약 125∼약 400 sec-1의 범위 내에 있으며, 공급 가스의 제1 층에서의 표면 접촉 시간은 약 0.08∼약 0.50 초인 흡착 단계; 및 (c) 산소가 농후한 생성물을 흡착 용기로부터 취출하는 단계를 포함한다.

Description

압력 스윙 흡착 시스템의 얕은 베드에 있어서의 성능 안정성{PERFORMANCE STABILITY IN SHALLOW BEDS IN PRESSURE SWING ADSORPTION SYSTEMS}
본 발명은 산소 생성을 위한 압력 스윙 흡착 방법에 관한 것이다.
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2006년 10월 4일에 출원되고 그 전문이 본원에 참고 인용된 미국 제11/542,948호의 부분계속출원이다.
발명의 배경 기술
처리 및 흡착 기술에 있어서의 최근의 발전에 따라 전형적인 대형 압력 스윙 흡착(PSA) 시스템을 매우 짧은 유지 시간의 고속 사이클로 작동하는 휠씬 더 작은 시스템으로 축소할 수 있게 되었다. 이러한 소형 고속 사이클 PSA 시스템은, 예컨대 주위 공기로부터 산소를 회수하는 이동식 의료 산소 농축기에 사용될 수 있다. 이러한 농축기의 시장이 성장함에 따라, 산소 치료를 받는 환자들을 위해 보다 소형이고 가벼우며 휴대성이 향상된 유닛 개발에 대한 동기가 유발된다.
공급 가스 불순물이 흡착제에 미치는 영향은 다수의 PSA 시스템에 있어서 일반적인 문제이고, 이러한 영향은 소형의 고속 사이클 PSA 시스템에 필요한 소형 흡 착제 베드에 있어서 특히 심각하다. 예를 들어, 공기 중의 물과 이산화탄소 불순물은, PSA 사이클의 재생 단계 동안에 불완전하게 제거되는 흡착 불순물로 인해, 흡착제를 점진적으로 탈활성화하여 소형 PSA 공기 분리 시스템의 성능을 현저히 저하시킬 수 있다. 이러한 점진적인 탈활성화 때문에, 산소의 회수율은 시간이 경과함에 따라 감소될 것이고, 정기적으로 흡착제를 교체할 필요가 있다. 대안으로서, 점진적인 흡착제의 탈활성화를 해결하기 위해 흡착제 베드를 특대형으로 형성할 수 있다. 이들 두 경우 모두, 산소 농축기 시스템의 비용 및 중량을 증가시키기 때문에, 바람직하지 않다.
당업계에서는, 소형의 이동식 고속 사이클 PSA 산소 농축기의 설계 및 작동에 있어서 불순물, 특히 물을 제거하는 개량된 방법에 대한 요구가 존재한다. 이러한 요구는 이하에 기술되어 있고 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 구체예에 의해 해결된다.
본 발명의 제1 구체예는,
(a) 공급 단부와 생산 단부를 구비하는 하나 이상의 흡착 용기를 제공하는 단계로서, 이 흡착 용기는 공급 단부에 인접하며 흡착제 재료로 이루어지는 제1 층과, 생산 단부와 제1 층 사이에 배치되며 흡착제 재료로 이루어지는 제2 층을 포함하고, 제1 층의 흡착제는 물, 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 물을 선택적으로 흡착하며, 제2 층의 흡착제는 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 질소를 선택적으로 흡착하고, 그리고 제1 층의 흡착제 재료 상에서의 물의 흡착열은 흡착제 1 그램당 약 0.05 mmol 미만의 흡착수(吸着水) 적재량에서 약 14 kcal/mole 이하인 흡착 용기의 제공 단계;
(b) 적어도 산소, 질소 및 물을 포함하는 가압 공급 가스를 흡착 용기의 공급 단부에 도입하고, 이 가스를 제1 층과 제2 층에 연속적으로 통과시켜, 제1 층의 흡착제 재료에서 물의 적어도 일부분을 흡착하고, 제2 층의 흡착제 재료에서 질소의 적어도 일부분을 흡착하는 단계로서, 흡착제 재료로 이루어진 제1 층에서 물의 물질 전달 계수는 약 125∼약 400 sec-1의 범위 내에 있으며, 가압 공급 가스의 제1 층에서의 표면 접촉 시간은 약 0.08∼약 0.50 초인 흡착 단계; 및
(c) 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 단계를 포함하는, 산소 생성을 위한 압력 스윙 흡착 방법에 관한 것이다.
상기 제1 층의 흡착제 재료는 활성 알루미나를 포함할 수 있고, 이 활성 알루미나는 약 0.3 ㎜∼약 0.7 ㎜의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 상기 제2 층의 흡착제 재료는 아르곤 및 산소를 포함하는 혼합물로부터 아르곤을 선택적으로 흡착할 수 있다. 상기 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출되는 상기 생성물 가스에서의 산소의 농도는 85 용적% 이상일 수 있다. 상기 가압 공급 가스는 공기일 수 있다.
상기 제1 층의 깊이는 제1 층과 제2 층의 총 깊이의 약 10%∼약 40%일 수 있고, 상기 제1 층의 깊이는 약 0.7 ㎝∼약 13 ㎝일 수 있다. 상기 흡착 용기는 원통형일 수 있고, 제1 층과 제2 층의 총 깊이 대 흡착 용기의 내경의 비는 약 1.8∼약 6.0일 수 있다.
상기 압력 스윙 흡착 방법은 반복 사이클로 행해질 수 있는데, 이 반복 사이클은, 가압 공급 가스를 흡착 용기의 공급 단부에 도입하고 상기 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 공급 단계와, 제1 층과 제2 층의 흡착제 재료를 재생시키기 위하여 흡착 용기의 공급 단부로터 가스를 빼내는 감압 단계, 그리고 하나 이상의 재가압 가스를 흡착 용기에 도입하여 흡착 용기를 가압하는 재가압 단계를 적어도 포함하는 것이며, 상기 공급 단계의 지속 기간은 약 0.75∼약 45 초인 것이다. 상기 사이클의 총 지속 기간은 약 6∼약 100 초일 수 있다. 상기 산소가 농후한 생성물 가스의 유량은 약 0.1∼약 3.0 slpm(분당 표준 리터)일 수 있다.
생성물 가스의 산소 순도가 93%인 상태에서, 제1 층의 흡착제 재료의 중량(g) 대 생성물 가스의 유량(slpm)의 비는 약 50 g/slpm 미만일 수 있다. 생성물 가스의 산소 순도 93%에서, 생성물 가스에 회수되는 산소량은 가압 공급 가스의 산소량의 약 35% 초과일 수 있다.
상기 제2 층의 흡착제 재료는 X-형 제올라이트, A-형 제올라이트, Y-형 제올라이트, 체바자이트, 모데나이트 및 클리놉틸로라이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 흡착제를 포함할 수 있다. 이러한 흡착제 재료는, 활성 부위(active site)의 양이온의 적어도 약 85%가 리튬인 리튬-교환 저실리카 X-형 제올라이트일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예는,
(a) 공급 단부와 생산 단부를 구비하는 하나 이상의 흡착 용기를 제공하는 단계로서, 이 흡착 용기는 공급 단부에 인접하며 흡착제 재료로 이루어지는 제1 층과, 생산 단부와 제1 층 사이에 배치되며 흡착제 재료로 이루어지는 제2 층을 포함하고, 제1 층의 흡착제는 물, 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 물을 선택적으로 흡착하며, 제2 층의 흡착제는 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 질소를 선택적으로 흡착하고, 그리고 제1 층의 흡착제 재료 상에서의 물의 흡착열은 흡착제 1 그램당 약 0.05 mmol 미만의 흡착수 적재량에서 약 14 kcal/mole 이하인 흡착 용기의 제공 단계;
(b) 적어도 산소, 질소 및 물을 포함하는 가압 공급 가스를 흡착 용기의 공급 단부에 도입하고, 이 가스를 제1 층과 제2 층에 연속적으로 통과시켜, 제1 층의 흡착제 재료에서 물의 적어도 일부분을 흡착하고, 제2 층의 흡착제 재료에서 질소의 적어도 일부분을 흡착하는 단계로서, 흡착제 재료로 이루어진 제1 층에서 물의 물질 전달 계수는 약 125∼약 400 sec-1의 범위 내에 있는 것인 흡착 단계; 및
(c) 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 단계로서, 생성물 가스의 산소 순도 93%에서, 제1 층의 흡착제 재료의 중량(g) 대 생성물 가스의 유량(slpm)의 비는 약 50 g/slpm 미만인 것인 취출 단계를 포함하는 산소 생성을 위한 압력 스윙 흡착 방법에 관한 것이다.
상기 제1 층의 흡착제 재료는 활성 알루미나를 포함할 수 있고, 이 활성 알루미나는 약 0.3 ㎜∼약 0.7 ㎜의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 상기 제2 층의 흡착제 재료는 아르곤 및 산소를 포함하는 혼합물로부터 아르곤을 선택적으로 흡착할 수 있다. 상기 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출되는 상기 생성물 가스에 있어서 산소의 농도가 93 용적% 이상일 수 있다. 상기 가압 공급 가스는 공기일 수 있다.
상기 제1 층의 깊이는 제1 층과 제2 층의 총 깊이의 약 10%∼약 40%일 수 있고, 상기 제1 층의 깊이는 약 0.7 ㎝∼약 13 ㎝일 수 있다. 상기 흡착 용기는 원통형일 수 있고, 제1 층과 제2 층의 총 깊이 대 흡착 용기의 내경의 비는 약 1.8∼약 6.0일 수 있다.
상기 압력 스윙 흡착 방법은 반복 사이클로 행해질 수 있는데, 이 반복 사이클은, 가압 공급 가스를 흡착 용기의 공급 단부에 도입하고 상기 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 공급 단계와, 제1 층과 제2 층의 흡착제 재료를 재생시키기 위하여 흡착 용기의 공급 단부로터 가스를 빼내는 감압 단계, 그리고 하나 이상의 재가압 가스를 흡착 용기에 도입하여 흡착 용기를 가압하는 재가압 단계를 적어도 포함하는 것이며, 상기 공급 단계의 지속 기간은 약 0.75∼약 45 초인 것이다.
상기 사이클의 총 지속 기간은 약 6∼약 100 초일 수 있다. 상기 산소가 농후한 생성물 가스의 유량은 약 0.1∼약 3.0 slpm일 수 있다. 생성물 가스의 산소 순도 93%에서, 생성물 가스에 회수되는 산소량은 가압 공급 가스의 산소량의 약 35% 초과일 수 있다. 상기 제2 층의 흡착제 재료는 X-형 제올라이트, A-형 제올라이트, Y-형 제올라이트, 체바자이트, 모데나이트 및 클리놉틸로라이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 흡착제를 포함할 수 있다. 이러한 흡착제 재료는, 활성 부위의 양이온의 적어도 약 85%가 리튬인 리튬-교환 저실리카 X-형 제올라이트일 수 있다.
본 발명에 따르면, 소형의 이동식 고속 사이클 PSA 산소 농축기에 있어서 불순물, 특히 물을 제거하는 방법이 개선된다.
처리 및 흡착 기술에 있어서의 최근의 발전에 따라 전형적인 대형 압력 스윙 흡착(PSA) 공정 설계를 더 소형의 시스템으로 축소할 수 있게 되었다. 이러한 소형 시스템은, 예컨대 공기로부터 산소를 회수하는 의료용 산소 농축기 등의 이동식 장치에 특히 유용하다. 이러한 의료용 산소 농축기의 시장이 발달함에 따라, 산소 치료를 받는 환자들을 위해 보다 소형이고 가벼우며 이동성이 향상된 장치에 대한 수요가 증가하고 있다.
산소 PSA 시스템에서 대개 질소 선택적 흡착제로서 사용되는 제올라이트 흡착제는, 주변 공기에 존재하는 오염 물질, 특히 물과 이산화탄소에 민감하며, 물은 가장 심각하고 통제해야 하는 오염 물질이다. 질소 선택적 제올라이트 흡착제는 이들 불순물에 대한 친화도가 높아서, PSA 공정의 재생 단계 동안에 불순물이 충분히 제거되지 않으면 급격한 탈활성화가 일어날 수 있다. 이들 불순물을 공급 가스로부터 제거하기 위한 많은 기술이 해당 기술 분야에서 사용되어 왔다. 단일 베드 시스템 혹은 복수 베드 시스템에서는 용기에 흡착제의 층을 형성하는 것이 일반적인데, 이러한 용기에서는 불순물 선택적 흡착제로 이루어진 전처리 층이 공급 입구에 사용되고 그 뒤에 질소 선택적 흡착제로 이루어진 하나 이상의 층이 제공된다. 불순물 선택적 전처리 흡착제는, 하류의 흡착제의 탈활성화 진행을 방지하기 위해 물 및/또는 이산화탄소를 감소시키거나 제거하는 것을 목적으로 한다.
불순물이 질소 선택적 흡착제의 성능에 미치는 영향은, 대형의 산업용 PSA 시스템에서보다는 이동식 산소 농축기에 사용되는 소형 PSA 시스템에서 훨씬 크다. 불순물이 소형 PSA 시스템에서 적절히 제거되지 않는다면, 불순물이 질소 흡착 베 드를 통과해 더 진행하여, 오랜 기간에 걸쳐서 PSA 시스템 성능을 서서히 저하시킬 수 있다. 오염 물질이 PSA 공급 단계 동안에 전처리 층에 의해 제거될 수 있지만, 퍼지 단계 동안에 이 전처리 층의 재생이 불충분하게 이루어져, 질소 흡착제가 서서히 탈활성화될 수 있다. 이러한 문제점에 대한 해결책은 후술하는 본 발명의 구쳬예에 의해 제시된다.
본원에 사용된 일반적 용어인 "압력 스윙 흡착"(PSA)은 최대 압력과 최소 압력 사이에서 작동하는 모든 흡착 분리 시스템에 적용된다. 최대 압력은 대개 대기압보다 높은 압력이고, 최소 압력은 대기압보다 높거나 낮은 압력일 수 있다. 최소 압력은 대기압보다 낮은 압력이고 최대 압력은 대기압보다 높은 압력인 경우에, 이러한 시스템을 대개 압력 진공 스윙 흡착(PVSA) 시스템이라 한다. 최대 압력은 대기압이거나 대기압보다 낮은 압력이고 최소 압력은 대기압보다 낮은 압력인 경우에, 이러한 시스템을 대개 진공 스윙 흡착(VSA) 시스템이라 한다.
본원에 사용된 단수 형태는, 상세한 설명 및 특허청구범위에 기술된 본 발명의 구체예에 있어서의 임의의 부분에 적용되는 경우에 하나 이상을 의미한다. 단수 형태의 사용은, 단수라는 한정이 구체적으로 언급되어 있지 않으면 하나의 부분을 의미하는 것으로 한정되지 않는다. 단수 또는 복수의 명사 혹은 명사절 앞에 붙여진 "상기"는 특별히 지정된 부분(들)을 나타내며, 사용되는 문맥에 따라 단수 또는 복수의 의미를 가질 수 있다. 형용사 "임의의"는 어떤 양의 하나, 일부 또는 모두를 무차별적으로 의미한다. 제1 실체와 제2 실체 사이에 위치하는 "및/또는"이란 용어는, (1) 제1 실체, (2) 제2 실체, 그리고 (3) 제1 실체 및 제2 실체 중 하나를 의미한다.
최신식의 이동식 산소 농축기는 PSA 시스템을 이용하며, 배터리로 구동되어 보행할 수 있는 환자가 동력원에 대한 연결 없이도 적당한 기간 동안 독립적으로 돌아다닐 수 있게 한다. 이러한 산소 농축기의 성공적인 개발 및 사용을 위해서는 경량인 것이 꼭 필요하며, 이를 실현하기 위한 중요한 설계 인자로는, 진보된 흡착제 재료, 소형 압축기 기술, 개량된 배터리 화학, 경량의 구성 재료, 새로운 밸브 기술, 축소된 전자 부품 및 개량된 보존 장치 등이 있다. 또한, PSA 사이클 및 흡착제의 적절한 선택을 통해 산소의 회수가 크게 향상될 수 있고, 그 결과 시스템을 작동시키는데 필요한 배터리와 흡착제의 중량을 줄일 수 있다.
임의의 PSA 공정에 있어서, 양호한 흡착능 및 동역학적 특성을 갖는 흡착제 재료를 고속 사이클에 사용하면, 회수율을 개선할 수 있다. 고속 사이클 공정에서, 흡착 동역학은 흡착 베드의 크기를 줄이는데 있어서 중요한 인자이다. 전술한 바와 같이, 흡착제 베드는 전처리 영역과 주 흡착 영역을 포함할 수 있는데, 상기 전처리 영역에서는 다양한 농도의 공급 오염 물질이 제거되며, 상기 주 흡착 영역에서는 주된 분리가 일어난다. PSA 산소 농축기에서, 오염 물질은 대개 물, CO2, 아민, 산화황, 산화질소 및 미량의 탄화수소를 포함한다. 상기 주된 분리는 질소 선택적 흡착제에서 질소를 흡착하는 것에 의해 수행된다.
질소 선택적 흡착제는 상기 오염 물질에 대한 흡착 친화도가 크기 때문에, 흡착된 오염 물질은 일단 흡착되면 떼어내기가 어렵다. 이는, 오염 물질이 전처리 흡착제에 의해 제거되고 이 전처리 흡착제는 퍼지 단계에서 재생되는 산소 PSA 시스템에 있어서, 질소/산소 분리 효율에 부정적인 영향을 미친다. 본 발명의 구체예가 지향하는 바는, 전처리 층에서 흡착제의 양을 줄이는 동시에 다양한 주변 작동 조건하에서 질소 선택적 흡착제의 성능을 유지하는 것이다. 적당한 공급 가스 전처리의 중요성은, LiX 제올라이트에 흡착된 상(相)(중량%)(물 및 CO2)과 건조 질소의 흡착능의 관계를 플롯한 도면인 도 1에 예시되어 있다. 흡착된 물과 CO2의 레벨이 낮을 때, 질소 선택적 흡착제의 평형 흡착능이 현저히 저하하는 것으로 나타나 있다.
수증기는 주변 공기로부터 산소를 회수하는 PSA 시스템에서 중대한 공급 오염 물질이다. X-형 제올라이트 및 리튬 함유 저실리카 제올라이트 등과 같은 질소 선택적 흡착제는 물을 강하게 흡착하고, 재생시 흡착수를 제거하는데 있어서 높은 활성화 에너지를 필요로 한다. PSA 공기 분리에 사용되는 제올라이트에 있어서 물의 오염은, 도 1에 도시된 바와 같이 질소 흡착능의 현저한 저하를 초래한다. 산소 농축기는 온도, 고도 및 습도 레벨과 관련하여 넓은 범위의 환경 조건에서 작동하므로, 이동식 산소 농축기로의 공급 공기에는 넓은 범위의 물 농도가 존재할 수 있다. 따라서, 임의의 이동식 산소 농축기 시스템은 넓은 범위의 공급 가스 오염 물질 레벨에 맞춰 설계되어야 한다.
PSA 시스템의 작동을 설명하는데 사용되는 핵심 파라미터는, 가스의 흡착 베드에서의 표면 접촉 시간(superficial contact time)이다. 이 파라미터는 다음 식 으로 정의되는데,
Figure 112009071356320-PAT00001
[1]
여기서, L은 베드의 길이이고, v o 는 비어있는 베드의 체적에 기초한, 베드를 통과하는 공급 가스의 공탑 속도(superficial velocity)이다. 전처리 층을 포함하는 베드의 모든 흡착제에 대해서 상기 표면 접촉 시간을 정할 수 있고, 또는 별법으로서 전처리 층에 대해서만 상기 표면 접촉 시간을 정할 수도 있다. 오염 물질 제거용 흡착제를 선택하는데 있어서는 최소 표면 접촉 시간이 필요하다.
통상의 주변 조건(예컨대, 주변 공기 공급물에서의 10∼20%의 상대 습도) 하에서, 산소 PSA 시스템에서 전처리 흡착제 없이 제올라이트 베드를 작동시키면, 단기간에 시스템 성능이 현저히 저하될 것이다. 이는, 전처리층 없이 질소 선택적 LiX 흡착제로 이루어진 풀 베드(full bed)를 사용하는 단일 베드 산소 PVSA 시스템을 이용하여 실시한 실험에 예시되어 있다. UOP Oxysiv-MDX 흡착제로 이루어진 단일 베드를 4단계 공정(공급물 재가압, 공급/생산물 형성, 배출, 퍼지)에서 사이클링시켰다. 베드의 내경(ID)은 0.88 인치이었고, 베드의 높이는 2.47 인치이었으며, 총 사이클 시간은 19초이었고, 베드 공급물의 공탑 속도 약 0.38 ft sec-1에서 생산 속도는 43∼48 sccm이었다. 이 실험의 결과는, 산소 생성물 순도와, 80,000 사이클에 걸친 시간의 관계를 플롯한 도면인 도 2에 제시되어 있다. 전처리 층이 없기 때문에 시간이 경과함에 따라 생성물 순도의 감소가 거의 즉시 일어나고, 이러한 감 소는 실험 기간에 걸쳐 거의 변화없이 계속된다.
통상의 이동식 산소 농축기 설계를 위한 공정 조건은, PVSA 공정에 있어서 약 0.4 atma∼약 1.7 atma, PSA 공정에 있어서 약 1 atma∼약 6 atma의 사이클 차압을 포함할 수 있다. 65%의 산소 회수율(즉, 공급 가스 중의 산소가 생성물로서 회수되는 비율)을 달성하기 위해, 93% 순도의 산소를 0.25∼5.0 slpm으로 생산하는데 약 2 slpm∼약 40 slpm의 공급물 유량이 필요하다. 산소 농축기의 작동 온도는 대개 ∼70℉이지만, 산소 농축기의 위치에 따라 작동 온도의 범위는 0℉∼100℉일 수 있다. 고도의 범위는 해수면 높이 내지 해발 6000 ft일 수 있다. 표준 조건은 21.1℃와 1 atm으로서 정의되어 있다.
흡착 베드에서 오염 물질을 효율적으로 처리하려면, 양호한 평형 특성과 물질 전달 특성을 갖는 전처리 흡착제가 필요하다. 공급 오염 물질을 줄이거나 제거하는 일을 수행하는데 다양한 흡착제를 이용할 수 있다. 도 3은 물의 흡착열과, 통상의 전처리 흡착제에 대한 물의 적재량의 관계를 플롯한 도면이다.
전처리 흡착제와 질소 선택적 제올라이트의 흡착 동역학은 물질 전달 계수 k i 에 의해 정량화될 수 있는데, k는 적당한 물질 전달 모델을 사용한 흡착물 i에 대한 속도 상수이다. 이 파라미터는 실험을 통해 얻어낸 결과나 사이클 데이터를 피팅함으로써 결정될 수 있다. 사이클 데이터의 피팅은 실제 공정에 존재하는 물질 전달 저항의 모든 메카니즘의 완전한 조합을 설명하며, 공정의 동역학에 대한 보다 정확한 모델은 사이클 데이터에서 얻은 물질 전달 파라미터로부터 결정된다.
소정의 흡착제에서의 물 흡착과 관련된 물질 전달 파라미터를 구하기 위해, 실험용의 단일 베드 PSA 장치를 구성하였다. 이 장치에서는 실험용 공정이 실시될 수 있는데, 이러한 공정에서 베드의 압력과 공급 유량은 변경될 수 있다. 대표적인 물질 전달 계수 k를 결정하기 위해, 실제 공정 혹은 계획된 실물 규모의 공정의 압력과 공급 속도에 맞춰 선택한 압력과 공급 속도로 상기 장치를 작동시켰다.
도 4는 실험용의 단일 베드 시스템의 개략적인 흐름도이다. 이 테스트 시스템은 흡착제를 수용하는 흡착 용기(110)와, 비어있는 생성물 탱크(111), 그리고 공기 공급 흐름을 제공할 뿐만 아니라 배출 동안에는 진공을 제공하는 공기 압축기(101)를 포함하였다. 이 공기 공급 유량은 밸브(102)를 통과하는 유출 흐름을 교축하는 것에 의해 조정되었고, 유량계(103)에 의해 측정되었다. 소음기/필터(104)를 공급 입구/진공 출구에 배치하였다. 공압 밸브 블록(105∼108, 112)은 프로그램 가능한 논리 제어기(119)에 의해 순차적으로 작동되었다. PSA 사이클에 있어서 공정 단계의 지속 기간은 프로그램 가능한 논리 제어기에 의해 조절되었다. 흡착 베드의 생산 단부에 제공된 압력 센서(109)와 생성물 탱크의 입구 단부에 제공된 압력 센서(115)에 의해 압력을 측정하였다. 체크 밸브(113)는 생성물 탱크(111)로의 가스 흐름의 타이밍을 제어하였다. 니들 밸브(118)로 생성물 흐름을 조정하였고, 상자성(常磁性) 산소 분석기(116)로 산소의 순도를 측정하였으며, 유량계(117)로 유량을 측정하였다. 공급 가스의 온도 및 습도는 시스템에 대한 공급 입구에서 측정되었다. 시스템은 환경의 제어가 이루어지는 실험실에 설치되었다.
흡착제의 물질 전달 특성을 평가하기 위해 표준 테스트 절차를 사용하였다. 베드의 압력은 약 0.3 atm로부터 약 1.2 atm까지 순환되었고, 산소 생성물의 순도는 93%로 유지되었으며, 공급 가스와 배출 가스의 공탑 속도는 약 0.39 ft sec-1이었다. 이러한 목표치를 달성하기 위해 사이클 횟수를 조금 변경하고 생성물의 유량을 변경할 필요가 있었다. 공급 가스의 습도, 압력, 온도 및 유량은 직접 측정에 의해 결정되었다. 생성물의 유량과 농도는 주기적 정상 상태에서 측정되었다. 테스트를 받은 흡착제에 대한 물질 전달 계수 k를 결정하기 위해, 수집된 공정 데이터 모두를 사용하여 컴퓨터 시뮬레이터 모델을 개발하였다. 이러한 컴퓨터 모델인 SIMPAC은 하나 이상의 흡착 베드와 다성분의 공급 가스를 갖는 사이클에 대한 에너지, 질량 및 운동량 균형의 해를 구하는 공정 시뮬레이터이다. 이 공정 시뮬레이터는 소정 범위의 물질 이동 및 평형 모델을 사용할 수 있다. SIMPAC의 사용 및 증명은 미국 특허 5,258,060호에 기술되어 있는데, 이 특허는 그 내용이 본원에 참조로 인용되어 있다. 선택한 물질 전달 모델에서, k는 분압 구동력을 이용하는 잘 알려진 선형 구동력 모델로부터 구한 속도 상수이다.
Figure 112009071356320-PAT00002
[2]
여기서
Figure 112009071356320-PAT00003
는 펠릿에 흡착되는 평균량이고, q *는 흡착제의 단위 체적당 흡착된 평형량이며, k는 물질 전달 계수이다.
평형 특성을 설명하기 위해 단일 성분의 등온선을 사용하였고, 축방향 분산은 무시할 수 있는 것으로 결정되었으며, 자연 대류 열 전달 모델을 비등온 에너지 균형에 사용하였다. 확인된 재료에서의 물 흡착과 관련한 물질 전달 거동을 결정하는데 있어서, 2개의 흡착제 층을 구비한 베드를 사용하였다. 제1 층은 물과 이산화탄소만을 흡착하는 반면에, 제2 층은 공급 가스 내의 모든 성분에 대하여 친화성을 갖는다. 제2 층은 순수 성분의 등온선과 물질 전달 계수 모두가 알려져 있는 양호한 특성을 지닌 재료이다. 주기적 실험 이외에도, 실험이 완료된 이후에 양호하게 유지된 섹션의 흡착제 칼럼으로부터 재료를 제거하고, 이 재료를 열중량 분석(TGA)에 의해 혹은 바람직하게는 탈착 가스의 적외선 탐지를 이용한 열중량 분석(TGA-IR)에 의해, 수분 함량에 관하여 분석하였다. 이러한 직접적인 측정으로부터 흡착수의 프로파일을 확보하였고, 이 프로파일을 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 대해 매칭시켰다. 그 결과로서, k 파라미터를 결정하였다.
알칸 AA-300 및 AA-400과 UOP 알루미나를 다양한 입자 크기로 체분급하고, 전술한 절차를 이용하여 테스트하였다. 베드의 높이는 2.4∼3.2 인치이고, 내측 베드의 직경은 0.88 인치이었다. 전처리 베드의 높이는 1 ㎝이었고, 공급의 선속도는 약 0.4 ft sec-1이었다. 전술한 바와 같이 이들 재료에 대하여 결정한 물질 전달 파라미터를 표 1에 나타내었다.
전처리 알루미나 상에 있는 물에 관한 대략의 k값
흡착제 k 물, sec-1
알칸 AA300, 활성화, 14x20 메시 30
알칸 AA400G, 활성화, 20x28 메시 125
알칸 AA400G, 활성화, 28x48 메시 190
알칸 AA400G, 활성화, 32x35 메시 200
UOP, 활성화, 12x32 메시 105
전처리의 동역학적 파라미터가 공정의 핵심 특성에 미치는 전반적인 영향을 결정하는데까지 단일 베드 실험을 확장하였다. 표 2는 전처리 동역학이 전반적인 회수율 및 베드 크기 인자(BSF)에 미치는 영향을 보여준다. 흡착 베드의 주 부분에 사용된 흡착제는 UOP Oxysiv MDX, UOP Oxysiv-7 및 파일럿 규모의 LiLSX 재료이다. k 값이 큰 전처리 재료가 사용되는 경우에, 주 베드의 흡착제가 동일한 시스템간의 성능 비교에서는, 구별 가능한 차이가 나타난다. 예컨대, 동일한 Oxysiv-MDX를 사용하고 베드의 분할이 30/70인 사례 1과 사례 7을 비교할 수 있다. k 값이 보다 큰(30 sec-1에 대비해서 200 sec-1) 전처리 재료를 사용하면, 회수율이 29%에서 45%로 향상되며, 사례 7의 베드 크기 인자는 사례 1의 베드 크기 인자의 73%이다.
전처리 흡착제가 단일 베드 VPSA 공정의 전반적인 성능에 미치는 영향
사례 주 베드의
체		 전처리:
주 베드 비		 총 베드 h
(인치)		 k 물, sec-1 O2 회수율
(%)		 정규화 BSF
lb/TPDc
1 Oxysiv-MDX 30/70 3.1 30 29% 1.00
2 Pilot LiLSX 10/90 2.6 30 15% 1.54
3 Oxysiv-7 30/70 3.2 125 22% 1.36
4 Pilot LiLSX 10/90 2.6 125 26% 1.29
5 Oxysiv-MDX 30/70 3.2 125 41% 0.97
6 Oxysiv-MDX 25/75 3.2 190 56% 0.74
7 Oxysiv-MDX 30/70 3.2 200 45% 0.73
8 Oxysiv-MDX 25/75 3.2 105 50% 0.67
실시예 1
전처리 흡착제의 물질 전달 특성을 또한 사용하여, 특허 출원 EP1598103A2호에 이미 기술되어 있는 사이클 시간이 6.0∼8.0 초이고 개개의 단계의 시간이 0.75∼1.0 초인 4-베드 공정의 성능을 예상하였다. 이전에는 인지되지 않았던 이동식 시스템에 있어서 전처리 층에서의 오염 물질의 동역학과 전체적인 생성물 회수율 및 베드 크기 인자와의 사이의 관계를 보여주기 위해, 상기 4-베드 공정을 모의로 그리고 실험적으로도 실시하였다. 표 3은 이러한 실험의 결과를 요약하여 보여준다.
전처리 흡착제가 4-베드 VPSA 공정의 전반적인 성능에 미치는 영향
4-베드
실험		 주 베드의
체		 전처리:
주 베드 비		 k 물, sec-1 93% O2에서의
생산(slpm)		 회수율
(%)		 BSF
(lb/TPDc)
BB326 Oxysiv-MDX 30/70 125 3.1 66% 156
PB334 Oxysiv-MDX 25/75 190 3.2 65% 147
고속 사이클 공정에 있어서, 전처리 층에서 제거한 물의 양은 질소 제거의 유효성에 강한 영향을 미치는데, 이는 주 베드의 흡착제의 일부분이 비가역적으로 오염되기 때문이다. 이러한 주 베드의 오염을 최소화하는 것은 바람직한 성능을 유지하는데 있어서 중요하다. 앞서 언급한 바와 같이, 흡착능 및 흡착 동역학은 공급 가스로부터 물을 제거하는데 있어서 중요하다. 전처리 흡착제는 상당히 낮은 활성화 에너지(흡착열)와 높은 흡착 동역학을 가져야 한다. 임의의 흡착제에 있어서 물에 대한 흡착열은 무시할 수 있는 것이 아니기 때문에, 흡착 베드 내의 열 프로파일은 오염 물질의 제거 및 재생의 유효성에 기여하는 인자가 된다. 주 흡착 베드 내의 질소 선택적 흡착제에 관한 물의 탈착열이 낮은 시스템에 있어서는, 등온 조건과 근사한 상태로 시스템을 작동시키는 것이 유익하다.
완전 등온 상태로 실시될 수 있는 공정은 없지만, 등온 조건과 근사한 상태의 시스템은 흡착 공정으로부터 주변 환경으로의 열 전달 정도가 큰 시스템으로서 정의된다. 종래 기술에 나타나 있는 바와 같이, 여러가지 이유로 "저온 구역"이라 하는 온도 효과가 층상 베드의 계면 부근에서 관찰되는데, 이 층상 베드의 계면 부근에서는 베드의 온도 프로파일이 공급 입구의 온도에 비해 매우 낮게 강하한다. 열 전달이 향상되면, 이러한 온도 강하가 최소화될 수 있다. 예컨대, 흡착 베드로부터 칼럼 벽으로의 열 전달 정도는 단일 열 전달 파라미터 h w 에 의해 나타내어지는데, 여기서는 h w 값이 높아질수록 베드의 온도 프로파일의 폭이 좁아지는 것으로 나타난다. 베드 온도가 크게 하강하면, 상기 "온도 강하"가 발생하는 영역의 재생에 있어서 보다 큰 에너지를 필요로 하게 된다. 소형의 이동식 흡착 시스템에서, 진공 에너지의 증가는 압축기 용량의 증가의 형태로, 나아가 동력 및 중량의 증가의 형태로 귀결되며, 이는 많은 비용이 드는 것이다.
이러한 문제점에 대한 해결책은, 층상의 흡착 베드를 사용하는 것인데, 이 때 전처리 흡착제를 재생시키는데 필요한 에너지가 최소화되고, 흡착열 및 재생열이 흡착 베드의 여기저기로 쉽게 전달된다. 이러한 향상이 미치게 되는 영향이, 전술한 4-베드 시스템의 성능을 보여주는 표 4 및 도 5에 나타나 있는데, 이 시스템에서 전체적인 생성물 회수율과 베드 크기 인자는 h w 에 의존하는 것으로 나타나 있다.
압력 하강의 영향은 전처리 흡착제를 선택하고 최적화하는데 있어서 중요하다. 입자의 크기가 작을수록 물질 전달 특성이 더 양호해지고 k 값이 높아질 것이므로, 작은 입자는 고속 사이클 시스템에 바람직하다. 그러나, 흡착제 입자의 크기가 줄어들면, 특정 크기 미만의 입자를 팩 베드로 실시할 수 없게 만드는 취급 및 압력 하강과 관련한 중대한 문제점이 존재한다.
실시예 2
예 1에서 기술한 4-베드 공정을 사용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 주변 조건은 1 atm, 73 ℉ 및 25%의 상대 습도로 가정하였다. 알칸 AA400G 알루미나 전처리 층과 고(高)교환 LiLSX 주 베드 층의 베드는 25/75의 비(전처리 층/주 층)로 사용되었다. 총 사이클 시간은 8 초이었고, 0.87 BTU lb-1 hr-1 ℉-1 의 열 전달 계수가 사용되었다. 이 시뮬레이션은 전처리 흡착제의 입자 크기 및 물의 물질 전달 계수 k w 의 여러 값에 대하여 실시되었다. k w 의 값은 다음 식에 따라 변경된다.
Figure 112009071356320-PAT00004
[3]
여기서는 유효 확산 계수 D eff 가 모든 입자 크기에 대하여 일정한 것으로 가정하였다. 비교를 위해 각 사례 별로 비(比) 단열 동력을 결정하였다.
결과가 도 6에 나타나 있는데, 도 6은 압력 하강을 증가시키면서 작은 비드 입자를 사용하는 것이 생성물의 회수에 미치는 영향을 보여주고, 보다 작은 입자가 사용되는 경우에 동력의 증가가 뚜렷히 나타난다는 것을 보여준다. 도 6의 작동 데이터에서 획득되지 않는 작동 문제점으로는 입자의 마찰로 인한 분말의 발생이 있는데, 이러한 문제점은 작은 입자를 이동 및 진동시키는데 필요한 에너지가 큰 입자를 이동 및 진동시키는데 필요한 에너지보다 작아서, 입자가 작을수록 마멸 가능성이 증대되기 때문에 발생한다. 이러한 미립자 및 가루는 하류의 시스템 구성 요소, 특히 밸브의 막힘 및 오작동을 야기할 수 있다. 다른 문제점은, 작은 입자에 미치는 흡착막 효과로 인하여 물질 전달 저항성이 증대된다는 것이다.
열 전달이 4-베드 공정에 미치는 영향(상수 k)
사례 전처리:
주 베드 비		 HTC,
BTU lb-1 hr-1 ℉-1 		O2 회수율
(%)		 정규화 BSF
lb/TPDc
9 25:75 0.05 55% 1.00
10 25:75 0.10 63% 0.89
11 25:75 0.15 66% 0.86
12 25:75 0.20 68% 0.84
13 25:75 0.25 69% 0.84
14 25:75 0.50 70% 0.83
15 25:75 1.00 70% 0.84
실시예 3
전술한 공정과 유사한 4-단계 공정을 이용하여 단일 베드 실험을 실시하였다. 흡착제 칼럼에 평균 입자 직경이 0.8 ㎜인 LiLSX와 평균 입자 직경이 2.0 ㎜인 Alcoa AL H152 전처리 흡착제를 충전하였다. 사이클 시간은 공급 시간이 25∼45 초에서 변화하면 85∼105 초에서 변화하였다. 공급 선속도 범위는 0.2∼0.4 ft/초이었다. 흡착제 칼럼의 길이는 17 인치이었고, 총 길이의 30%가 전처리 층이었다. 산소 생성물의 순도는 90%이었고, 이 실험이 완료되기 전에 약 300 시간 동안 정상 상태로 유지되었다. 칼럼의 열 전달 계수(HTC)는 약 0.15 BTU lb-1 hr-1 ℉-1이었다.
상기 제시한 실험 및 실시예는 고속 사이클 PSA 공정의 작동을 예시하는데, 여기서 각각의 흡착 용기는 적어도 물, 질소 및 산소를 함유하는 공급 가스로부터 물을 제거하기 위해 공급 단부에 흡착제 재료로 이루어진 제1 층을 포함한다. 흡착제 재료로 이루어진 제2 층을 사용하여 건조된 공급 가스로부터 질소를 우선적으로 흡착시켜 산소 생성물을 제공한다. 이들 실험 및 실시예의 결과를 기초로 하여, 제1 층의 흡착제 재료의 물성, 즉 일정 범위의 흡착수 적재량에서 흡착제 재료에 대한 물의 흡착열과, 제1층에 대한 PSA 작동 파라미터, 즉 제1 흡착제 재료 층에서의 물의 물질 전달 계수의 특정 조합에 대해서 가장 효과적인 PSA 성능이 얻어진다는 것이 관찰되었다.
제1 층의 흡착제 재료에서의 선택된 물의 흡착열은 흡착제 1 g당 흡착수 약 0.05 mmol 미만의 적재량에서 약 14 kcal/몰 이하이고, 제1 흡착제 층의 선택된 물의 물질 전달 계수는 약 125∼약 400 sec-1의 범위이다. 수분 선택적 흡착에 대한 파라미터 흡착열 대 적재량이 도 3에 플롯되어 있는데, 여기서 이들 흡착제 중 일부는 선택된 흡착수 적재량 및 흡착열의 범위에 속하지만 나머지는 그렇지 않다. 이들 선택된 범위의 물성과 물질 전달 특성을 가지는 제1 층의 흡착제는, 제1 층의 공급 가스의 표면 접촉 시간이 약 0.08 초∼약 0.50 초인 고속 사이클 PSA 공정에 유리하게 사용할 수 있다.
도 1은 LiX 제올라이트 상의 흡착된 상(相)(중량%)(물 및 CO2)과 건조 질소의 적재능의 관계를 플롯한 도면이다.
도 2는 산소 생성물 순도와, 물의 제거를 위해 전처리를 행한 상태와 행하지 않은 상태에서 Oxysiv-MDX 흡착제로 이루어진 베드를 사용하는 단일 베드 PSA 시스템의 작동 시간의 관계를 플롯한 도면이다.
도 3은 다양한 흡착제에 대한 물의 적재량과 물의 흡착열의 관계를 플롯한 도면이다.
도 4는 흡착제 재료의 특성을 측정하는데 사용되는 공정 테스트 유닛을 예시하는 도면이다.
도 5는 산소 회수율 및 베드 크기 인자와, 물의 제거를 위해 전처리를 행한 상태에서의 4-베드 PVSA 공정에 관한 열 전달 계수의 관계를 플롯한 도면이다.
도 6은 전처리를 행한 흡착제의 입자 크기가, 정규화된 단열 동력에 미치는 영향을 플롯한 도면이다.

Claims (19)

  1. (a) 공급 단부와 생산 단부를 구비하는 하나 이상의 흡착 용기를 제공하는 단계로서, 이 흡착 용기는 공급 단부에 인접하며 흡착제 재료로 이루어지는 제1 층과, 생산 단부와 제1 층 사이에 배치되며 흡착제 재료로 이루어지는 제2 층을 포함하고, 제1 층의 흡착제는 물, 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 물을 선택적으로 흡착하며, 제2 층의 흡착제는 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 질소를 선택적으로 흡착하고, 그리고 제1 층의 흡착제 재료 상에서의 물의 흡착열은 흡착제 1 그램당 약 0.05 mmol 미만의 흡착수(吸着水) 적재량에서 약 14 kcal/mole 이하인 흡착 용기의 제공 단계;
    (b) 적어도 산소, 질소 및 물을 포함하는 가압 공급 가스를 흡착 용기의 공급 단부에 도입하고, 이 가스를 제1 층과 제2 층에 연속적으로 통과시켜, 제1 층의 흡착제 재료에서 물의 적어도 일부분을 흡착하고, 제2 층의 흡착제 재료에서 질소의 적어도 일부분을 흡착하는 단계로서, 흡착제 재료로 이루어진 제1 층에서 물의 물질 전달 계수는 약 125∼약 400 sec-1의 범위 내에 있으며, 제1 층에서의 가압 공급 가스의 표면 접촉 시간은 약 0.08∼약 0.50 초인 흡착 단계; 및
    (c) 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 단계
    를 포함하는 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출되는 상기 생성물 가스 중 산소의 농도는 85 용적% 이상인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산소가 농후한 생성물 가스의 유량은 약 0.1∼약 3.0 slpm(분당 표준 리터)인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  4. 제3항에 있어서, 생성물 가스의 산소 순도 93%에서, 제1 층의 흡착제 재료의 중량(g) 대 생성물 가스의 유량(slpm)의 비는 약 50 g/slpm 미만인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  5. (a) 공급 단부와 생산 단부를 구비하는 하나 이상의 흡착 용기를 제공하는 단계로서, 이 흡착 용기는 공급 단부에 인접하며 흡착제 재료로 이루어지는 제1 층과, 생산 단부와 제1 층 사이에 배치되며 흡착제 재료로 이루어지는 제2 층을 포함하고, 제1 층의 흡착제는 물, 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 물을 선택적으로 흡착하며, 제2 층의 흡착제는 산소 및 질소를 포함하는 혼합물로부터 질소를 선택적으로 흡착하고, 그리고 제1 층의 흡착제 재료 상에서의 물의 흡착열은 흡착제 1 그램당 약 0.05 mmol 미만의 흡착수 적재량에서 약 14 kcal/mole 이하인 흡착 용기의 제공 단계;
    (b) 적어도 산소, 질소 및 물을 포함하는 가압 공급 가스를 흡착 용기의 공 급 단부에 도입하고, 이 가스를 제1 층과 제2 층에 연속적으로 통과시켜, 제1 층의 흡착제 재료에서 물의 적어도 일부분을 흡착하고, 제2 층의 흡착제 재료에서 질소의 적어도 일부분을 흡착하는 단계로서, 흡착제 재료로 이루어진 제1 층에서 물의 물질 전달 계수는 약 125∼약 400 sec-1의 범위 내에 있는 것인 흡착 단계; 및
    (c) 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 단계로서, 생성물 가스의 산소 순도 93%에서, 제1 층의 흡착제 재료의 중량(g) 대 생성물 가스의 유량(slpm)의 비는 약 50 g/slpm 미만인 취출 단계
    를 포함하는 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 층의 흡착제 재료는 활성 알루미나를 포함하는 것인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 활성 알루미나는 평균 입자 직경이 약 0.3 ㎜∼약 0.7 ㎜인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  8. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 제2 층의 흡착제 재료는 아르곤 및 산소를 포함하는 혼합물로부터 아르곤을 선택적으로 흡착하는 것인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출되는 상기 생성물 가스 중 산소의 농도는 93 용적% 이상인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  10. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 층의 깊이는 제1 층과 제2 층의 총 깊이의 약 10%∼약 40%인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 층의 깊이는 약 0.7 ㎝∼약 13 ㎝인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 흡착 용기는 원통형이고, 제1 층과 제2 층의 총 깊이 대 흡착 용기의 내경의 비는 약 1.8∼약 6.0인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  13. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 압력 스윙 흡착 방법은, 가압 공급 가스를 흡착 용기의 공급 단부에 도입하고 상기 산소가 농후한 생성물 가스를 흡착 용기의 생산 단부로부터 취출하는 공급 단계와, 제1 층과 제2 층의 흡착제 재료를 재생시키기 위하여 흡착 용기의 공급 단부로터 가스를 빼내는 감압 단계, 그리고 하나 이상의 재가압 가스를 흡착 용기에 도입하여 흡착 용기를 가압하는 재가압 단계를 적어도 포함하는 반복 사이클로 실시되고, 상기 공급 단계의 지속 기간은 약 0.75∼약 45 초인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 사이클의 총 지속 기간은 약 6∼약 100 초인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  15. 제5항에 있어서, 상기 산소가 농후한 생성물 가스의 유량은 약 0.1∼약 3.0 slpm인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  16. 제1항 또는 제5항에 있어서, 생성물 가스의 산소 순도 93%에서, 생성물 가스 중에 회수되는 산소량은 가압 공급 가스의 산소량의 약 35% 초과인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  17. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 제2 층의 흡착제 재료는 X-형 제올라이트, A-형 제올라이트, Y-형 제올라이트, 체바자이트, 모데나이트 및 클리놉틸로라이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 흡착제를 포함하는 것인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 층의 흡착제 재료는, 활성 부위의 양이온의 약 85% 이상이 리튬인 리튬-교환 저실리카 X-형 제올라이트인 산소 생성용 압력 스윙 흡착 방법.
  19. 제1항 또는 제5항에 있어서, 가압 공급 가스는 공기인 산소 생성용 압력 스 윙 흡착 방법.
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