KR20110117465A

KR20110117465A - 연속 가스분리장치 및 연속 가스분리방법

Info

Publication number: KR20110117465A
Application number: KR1020100036937A
Authority: KR
Inventors: 이관영; 이창하; 한윤진
Original assignee: 주식회사 씨엔엘에너지
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-10-27

Abstract

본 발명은,혼합가스 중에서 고순도의 목적가스를 연속적으로 얻기 위한, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈을 상호 연결한 구조의 연속 가스분리장치 및 상기 가스분리장치를 이용한 연속 가스분리방법에관한 것이다. 본 발명에 따른 연속 가스분리장치 및 연속 가스분리방법은, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈을 사용하여 막과 흡착제의 분리능을 함께 이용할 수 있어 분리효율이 높고, 막과 흡착제가 한 반응기 안에 위치하여 장치가 차지하는 공간을 최소화 할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 연속 가스분리장치 및 연속 가스분리방법은 가스의 투과단계 및 재생, 가압단계가 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈에서 각각 교대로 동시에 행해지게 되므로, 연속적인 분리공정이 가능하여 가스의 분리효율이 매우 높다는 장점이 있다.

Description

연속 가스분리장치 및 연속 가스분리방법 {Apparatus for Continuous Gas Separation and Method for Continuous Gas Separation}

본 발명은연속 가스분리장치 및 연속 가스분리방법에 관한 것으로, 구체적으로는 혼합가스 중에서 고순도의 목적가스를 연속적으로 얻기 위한, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈을 상호 연결한 구조의 연속 가스분리장치 및 상기 가스분리장치를 이용한 연속 가스분리방법에관한 것이다.

일반적으로, 가스를 분리하기 위한 방법으로는 고체의 미세 공극에 선택적으로 흡착되도록 하여 분리하는 흡착법 및 상온에서 가스의 온도를 급격히 저하시켜 액체로 만든 후 증류를 통해 목적가스를 분리하는 심냉법 등이 있으며, 이 외에도 세라믹 막을 이용한 분리방법이 있다.

그러나, 심냉법은 공기를 급속냉각 하는 대형의 냉각장치와, 냉각된 공기를 증류하는 대형의 증류장치를 모두 구비하여야 하므로, 장치 구입 및 설치에 따른 과다한 투자비용이 발생하는 문제점이 있고, 흡착법은 강 흡착질의 흡착 및 흡착 열로 인해 분리 효율이 떨어지며, 이에 대한 처리를 위해서는 공정 규모가 커지는 단점이 있다.

또한, 세라믹 막을 이용한 막 분리는 세라믹 막이 단독으로 사용될 경우에 기공의 크기를 늘려 투과율을 높이면 선택도가 저하되어 혼합가스에서 저순도의 목적가스가 나오게 되며, 세라믹 막의 기공 크기를 줄여 목적가스의 순도를 높일 경우에는 투과율이 떨어져 경제성이 떨어지게 된다. 기존 막 분리 장치는 주입 원료가 막을 투과하여 생산물을 얻고, 원료 중 일부는 배출되는 형태이기 때문에 생산물의 순도는 막의 성능에 의존하고, 특히 목표 순도가 높은 경우 분리도가 높은 막이 생산 가능하여도 투과되는 양이 적어지게 되는 단점이 있다. 따라서, 막이 생산물 순도를 맞추지 못하는 경우 다단의 막을 연결하는 구성을 가질 수 밖에 없으나, 이 경우 분리기가 차지하는 공간이 넓어지고, 운전 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

한편, 압력순환식 흡착공정(PSA)의 경우 연속적으로 가스분리가 가능하나 흡착제의 선택도가 한정되어 가스분리에 있어 다수의 흡착탑을 사용하거나, 높은 압력 조건 운전, 길이가 긴 흡착탑을 사용할 수 밖에 없어 운전 효율이 저하되는 단점이 존재하였다.

따라서, 흡착공정과 막 공정을 연결하여 목표 생산물을 얻고자 하는 시도가 있어왔으나, 장치가 차지하는 공간이 넓고 공정 운전에 어려움이 있어 실용화된 기술이 없는 실정이었다.

이에 본 발명자들은 상술한 종래기술 상의 문제점을 해결할 수 있는 시스템을 개발하고자 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

결국, 본 발명의 목적은 혼합가스 중에서 고순도의 목적가스를 연속적으로 얻기 위해 가스분리막과 흡착제의 분리능을 함께 이용할 수 있고 장치가 차지하는 공간이 작은, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈을 상호 연결한 구조의 연속 가스분리장치 및 상기 가스분리장치를 이용한 연속 가스분리방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 제1가스분리용 모듈 및 제2가스분리용 모듈을 구비하는 가스분리장치를 이용하는 연속 가스분리방법으로서, 상기 제1가스분리용 모듈에서는, 제1가스분리용 모듈로 혼합가스가 공급되어, 흡착제 및 가스분리막을 투과하여 분리된 목적가스가 수집되는 투과단계가 진행되는 동시에, 상기 제2가스분리용 모듈에서는, 상기 분리된 목적가스의 일부가, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 제2가스분리용 모듈로 이송되고, 감압용 솔레노이드 밸브를 제어하여 상기 제2가스분리용 모듈에서 대기압으로 감압이 일어나며, 상기 공급된 목적가스는 상기 제2가스분리용 모듈의 가스분리막 및 흡착제를 투과하면서 상기 흡착제에 흡착되어 있는 가스를 제거하여 상기 흡착제를 재생하는 단계; 및 상기 제2가스분리용 모듈에 연결된 상기 혼합가스 주입부로부터 혼합가스가 공급되면서 목적압력까지 가압되는 단계가 진행되며, 상기 투과단계와 재생 및 가압단계는, 상기 제1가스분리용 모듈 및 제2가스분리용 모듈에서 상호 교차되며 연속적으로 행해지는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 가스분리장치는 한 개 이상의 가스분리용 모듈을 추가로 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 흡착제는 제올라이트, 활성탄, 알루미나, 실리카, 및 탄소분자 시브(sieve)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제2가스분리막은 세라믹 막일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 세라믹 막은 3Å의 균일한 기공 반경을 갖는 비정질 실리카 세라믹 막일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 혼합가스는 H₂/CH₄, H₂/N₂ 및 H₂/CO로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 혼합가스 주입부(60)로부터 공급된 혼합가스로부터 목적가스를 분리하고, 분리된 목적가스를 목적가스 수집부(160)로 이송하는 연속 가스분리장치에 있어서, 제1혼합가스 유입구(4), 제1혼합가스 배출구(5) 및 제1목적가스 유출입구(6)를 구비한 제1반응기(3)와, 상기 제1반응기(3) 내부에서 상기 제1혼합가스 유입구(4)와 상기 제1혼합가스 배출구(5)를 연결하는 제1혼합가스 이동경로를 한정하고 혼합가스 중 목적가스만을 투과시키는, 흡착제(1)가 충진된 제1가스분리막(2)을 포함하는 제1가스분리용 모듈(100); 제2혼합가스 유입구(10), 제2혼합가스 배출구(23) 및 제2목적가스 유출입구(11)를 구비한 제2반응기(9)와, 상기 제2반응기(9) 내부에서 상기 제2혼합가스 유입구(10)와 상기 제2혼합가스 배출구(23)를 연결하는 제2혼합가스 이동경로를 한정하고 혼합가스 중 목적가스만을 통과시키는, 흡착제(7)가 충진된 제2가스분리막(8)을 포함하는 제2가스분리용 모듈(200); 상기 제1목적가스 유출입구(6)와 상기 목적가스 수집부(160)를 연결하는 제1목적가스 이송라인(80); 상기 제2목적가스 유출입구(11)와 상기 목적가스 수집부(160)를 연결하는 제2목적가스 이송라인(90); 상기 제1목적가스 이송라인(80)과 상기 제2목적가스 이송라인(90)을 상호 연결하는 목적가스 분기라인(110); 상기 제1혼합가스 유입구(4)와 상기 혼합가스 주입부(60)를 연결하는 제1혼합가스 이송라인(120); 상기 제2혼합가스 유입구(10)와 상기 혼합가스 주입부(60)를 연결하는 제2혼합가스 이송라인(130); 상기 제1혼합가스 이송라인(120)과 제2혼합가스 이송라인(130)을 상호 연결하는 혼합가스 분기라인(140); 및 상기 혼합가스 분기라인(140)에서 분기되어 외부대기로 통하고, 외부대기로 통하는 말단부분에 감압용 솔레노이드 밸브(22)가 형성된 감압라인(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연속 가스분리장치는 한 개 이상의 가스분리용 모듈을 추가로 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1혼합가스 배출구(5)와 상기 제2혼합가스 배출구(23)를 연결하는 혼합가스 배출라인(170) 및 상기 혼합가스 배출라인(170)에서 분기된 라인 상에 압력제어밸브(40)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 혼합가스 배출라인(170) 상에 형성된 제1혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(16) 및 제2혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(17)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1목적가스 이송라인(80) 및 제2목적가스 이송라인(90) 상에 각각 형성된 목적가스 조절 솔레노이드 밸브(18, 20)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1혼합가스 이송라인(120) 및 제2혼합가스 이송라인(130) 상에 각각 형성된 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(12, 15); 및 상기 혼합가스 주입부(60)와 상기 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(12, 15) 사이에 형성된 유량제어밸브(70)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 목적가스 분기라인(110) 상에 형성된 솔레노이드 밸브(19) 및 유량제어밸브(30)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 혼합가스 분기라인(140) 상에 형성된 감압용 솔레노이드 밸브(13, 14)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 감압라인(150)에서 분기된 진공펌프 (50)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 연속 가스분리장치 및 연속 가스분리방법은, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈을 사용하여 막과 흡착제의 분리능을 함께 이용할 수 있어 분리효율이 높고, 막과 흡착제가 한 반응기 안에 위치하여 장치가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 연속 가스분리장치 및 연속 가스분리방법은 가스의 투과단계 및 재생, 가압단계가 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈에서 각각 교대로 동시에 행해지게 되므로, 연속적인 분리공정이 가능하여 가스의 분리효율이 매우 높다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈이 연계된 연속 가스분리장치의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 가스분리장치에서, 제1가스분리용 모듈에서는 투과단계가 행해지고, 제2가스분리용 모듈에서는 재생 및 가압단계가 행해질 때 모듈 내부의 가스의 흐름을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 가스분리장치에서, 제1가스분리용 모듈에서는 재생 및 가압단계가 행해지고, 제2가스분리용 모듈에서는 투과단계가 행해질 때 모듈 내부의 가스의 흐름을 나타낸 것이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈이 연계된 연속 가스분리장치의 구조도이다.

본 발명은, 혼합가스 주입부(60)에서 공급된 혼합가스로부터 목적가스를 분리하고, 분리된 목적가스를 목적가스 수집부(160)로 이송하는 연속 가스분리장치에 있어서, 제1혼합가스 유입구(4), 제1혼합가스 배출구(5) 및 제1목적가스 유출입구(6)를 구비한 제1반응기(3)와, 상기 제1반응기(3) 내부에서 상기 제1혼합가스 유입구(4)와 상기 제1혼합가스 배출구(5)를 연결하는 제1혼합가스 이동경로를 한정하고 혼합가스 중 목적가스만을 투과시키는, 흡착제(1)가 충진된 제1가스분리막(2)을 포함하는 제1가스분리용 모듈(100); 제2혼합가스 유입구(10), 제2혼합가스 배출구(23) 및 제2목적가스 유출입구(11)를 구비한 제2반응기(9)와, 상기 제2반응기(9) 내부에서 상기 제2혼합가스 유입구(10)와 상기 제2혼합가스 배출구(23)를 연결하는 제2혼합가스 이동경로를 한정하고 혼합가스 중 목적가스만을 통과시키는, 흡착제(7)가 충진된 제2가스분리막(8)을 포함하는 제2가스분리용 모듈(200); 상기 제1목적가스 유출입구(6)와 상기 목적가스 수집부(160)를 연결하는 제1목적가스 이송라인(80); 상기 제2목적가스 유출입구(11)와 상기 목적가스 수집부(160)를 연결하는 제2목적가스 이송라인(90); 상기 제1목적가스 이송라인(80)과 상기 제2목적가스 이송라인(90)을 상호 연결하는 목적가스 분기라인(110); 상기 제1혼합가스 유입구(4)와 상기 혼합가스 주입부(60)를 연결하는 제1혼합가스 이송라인(120); 상기 제2혼합가스 유입구(10)와 상기 혼합가스 주입부(60)를 연결하는 제2혼합가스 이송라인(130); 상기 제1혼합가스 이송라인(120)과 제2혼합가스 이송라인(130)을 상호 연결하는 혼합가스 분기라인(140); 상기 혼합가스 분기라인(140)에서 분기되어 외부대기로 통하고, 외부대기로 통하는 말단부분에 감압용 솔레노이드 밸브(22)가 형성된 감압라인(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에서는 도 1에 도시한 바와 같이 제1혼합가스 유입구(4), 제1혼합가스 배출구(5) 및 제1목적가스 유출입구(6)를 구비한 제1반응기(3)와, 상기 제1반응기(3) 내부에서 상기 제1혼합가스 유입구(4)와 상기 제1혼합가스 배출구(5)를 연결하는 제1혼합가스 이동경로를 한정하고 혼합가스 중 목적가스만을 투과시키는, 흡착제(1)가 충진된 제1가스분리막(2)을 포함하는 제1가스분리용 모듈(100); 및 제2혼합가스 유입구(10), 제2혼합가스 배출구(23) 및 제2목적가스 유출입구(11)를 구비한 제2반응기(9)와, 상기 제2반응기(9) 내부에서 상기 제2혼합가스 유입구(10)와 상기 제2혼합가스 배출구(23)를 연결하는 제2혼합가스 이동경로를 한정하고 혼합가스 중 목적가스만을 통과시키는, 흡착제(7)가 충진된 제2가스분리막(8)을 포함하는 제2가스분리용 모듈(200)이 연결된 구조를 가진다.

상기 제1가스분리막(2) 및 제2가스분리막(8)으로는 세라믹 막이 통상 사용되는데, 통상의 세라믹 막이라면 제한이 없고, 본 발명의 일 실시예에서는 3Å의 균일한 기공 반경을 갖는 비정질 실리카 세라믹 막이 사용되는 것이 바람직하다. 세라믹 막에는 나노(10^-9 m) 크기의 기공이 형성되어 있어 대기압 하에서 가스의 통과가 불가능하고, 가스의 분리 시 혼합가스 배출구(5, 23)의 분위기를 대기압의 3배 이상인 고압분위기로 만들게 된다. 즉, 혼합가스 유입구(4, 10)를 통해 공급되는 혼합가스는 혼합가스 배출구(5. 23)에 조성된 고압분위기에 의해 외부로 배출되지 못하고 계속적으로 반응기(3, 9) 내에 정체되면서 압축되며, 이에 따라 그 압력이 증대되면서 세라믹 막을 통과하게 되는 것이다. 이때, 세라믹 막은 혼합가스 중 큰 입자의 통과가 불가능하여 자연적으로 불순물을 필터링하게 되고, 흡착제(1, 7)는 혼합가스 중 불필요한 성분을 선택적으로 흡착하여 가스를 분리하게 된다. 그리고, 혼합가스 유입구(4, 10)를 통해 주입된 혼합가스가 세라믹 막과 흡착제(1, 7)에 의해 분리된 후, 목적가스 유출입구(6, 11)를 통해 배출되면 이를 수집하게 되고, 이때 수집된 가스는 종래에 비해 현저히 높아진 순도를 갖게 된다. 본 발명에서 분리되는 혼합가스는 분자크기가 다른 기체들이 혼합된 가스이고, 특별히 한정되지는 않으나, 본 발명의 일 실시예에서는 H₂/CH₄, H₂/N₂, 및 H₂/CO가 사용되는 것이 바람직하다.

상기에서 흡착제로 쓰이는 것은 특히 제한되지 아니하나, 본 발명의 일 실시예에서는 제올라이트, 활성탄, 알루미나, 실리카, 및 탄소분자 시브(sieve)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 제올라이트의 경우 기공크기는 제한이 없으나, 제올라이트 A, X, Y 등으로 다양한 기공 크기를 가질 수 있으며, 다른 흡착제의 경우도 기공크기는 특히 제한이 있는 것은 아니다.

제1가스분리용 모듈(100)과 제2가스분리용 모듈(200)은 상기와 같이 같은 구조를 가지고 있다. 혼합가스 유입구(4, 10)는 최초 혼합가스가 유입되는 입구이고, 혼합가스 배출구(5, 23)는 목적가스가 분리되고 남은 잔여 가스가 배출되는 출구이다. 또한, 목적가스 유출입구(6, 11)에서는 목적가스가 배출되거나, 유입되게 된다. 목적가스 이송라인(80, 90)은 목적가스 유출입구(6, 11)와 상기 목적가스 수집부(160)를 연결하는 라인으로 목적가스가 이동하게 되는 통로이다. 목적가스 분기라인(110)은 제1목적가스 이송라인(80)과 상기 제2목적가스 이송라인(90)을 상호 연결해 주어, 분리된 목적가스의 일부를 다른 가스분리용 모듈로 이송시켜주는 역할을 한다.

또한, 혼합가스 이송라인(120, 130)은 혼합가스 유입구(4, 10)와 상기 혼합가스 주입부(60)를 각각 연결해 주어, 가스분리용 모듈로 혼합가스를 공급해 줄 수 있게 하는 구조이다. 혼합가스 분기라인(140)은 제1혼합가스 이송라인(120)과 제2혼합가스 이송라인(130)을 상호 연결하는 라인으로, 감압용 솔레노이드 밸브(13, 14)가 위치하여 감압을 행할 수 있게 한다. 아울러, 감압라인(150)은 상기 혼합가스 분기라인(140)에서 분기되어 외부대기로 통하고, 외부대기로 통하는 말단부분에 감압용 솔레노이드 밸브(22)가 형성되어 있다. 이러한 감압용 솔레노이드 밸브(22)는 상기 감압용 솔레노이드 밸브(13, 14)와 함께 개방되어 감압을 행할 수 있게 하는 역할을 한다.

한편, 혼합가스 배출라인(170)은 제1혼합가스 배출구(5)와 상기 제2혼합가스 배출구(23)를 연결하는 구조로, 분기된 라인 상에 압력제어밸브(40)를 포함하여 모듈 내의 잔여 가스를 배출시키고, 모듈 내의 압력을 일정하게 하는 역할을 한다. 상기 혼합가스 배출라인(170) 상에는 제1혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(16) 및 제2혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(17)가 형성되어 투과단계가 일어나는 가스분리용 모듈에 위치한 혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브가 각각 개방되게 된다.

아울러, 목적가스 조절 솔레노이드 밸브(18, 20)는 제1목적가스 이송라인(80) 및 제2목적가스 이송라인(90) 상에 각각 형성되어, 투과단계가 일어나는 가스분리용 모듈 쪽의 목적가스 조절 솔레노이드 밸브가 각각 개방되게 된다. 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(12, 15)는 제1혼합가스 이송라인(120) 및 제2혼합가스 이송라인(130) 상에 각각 형성되어 있어, 혼합가스의 공급을 조절하고, 유량제어밸브(70)는 혼합가스 주입부(60)와 상기 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(12, 15) 사이에 형성되어서, 혼합가스의 유량을 조절하는 역할을 한다.

또한, 솔레노이드 밸브(19) 및 유량제어밸브(30)는 목적가스 분기라인(110) 상에 형성되어서, 투과단계에 따른 목적가스의 다른 가스분리용 모듈로의 이송 시에 개방되고, 유량을 제어하게 된다. 감압용 솔레노이드 밸브(13, 14)는 혼합가스 분기라인(140)상에 형성되어, 감압용 솔레노이드 밸브(22)와 함께 감압 시 조절되게 된다. 또한, 진공펌프(50)는 감압라인(150)에서 분기된 라인에 연결되어 있는데, 이는 효과적인 재생단계를 위해 대기압 이하로 감압을 하려고 할 때 선택적으로 사용될 수 있다.

이하에서는, 상기 연속 가스분리장치에 의해 연속적으로 가스가 분리되는 방법을 상세히 설명한다.

혼합가스 주입부(60)에서 공급되는 혼합가스는, 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(12)를 개방하여, 제1혼합가스 이송라인(120)을 따라, 제1혼합가스 유입구(4)를 통해 제1 가스분리용 모듈(100)로 공급되고, 제1 가스분리용 모듈(100)에서는 내부로 공급된 혼합가스가 흡착제(1)와 제1가스분리막(2)을 통해 분리되고, 제1목적가스 유출입구(6)로 유출되어 제1목적가스 이송라인(80)을 따라 개방된 목적가스 조절 솔레노이드 밸브(18)를 통해 목적가스 수집부(160)로 이송된다. 한편, 제1가스분리용 모듈(100)내의 잔여 가스는 혼합가스 배출라인(170)을 따라 개방된 제1혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(16)를 통해 배출되게 되는데, 압력제어밸브(40)는 상기 잔여 가스가 배출되는 과정에서 제1 가스분리용 모듈(100) 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 제어하게 된다.

이때, 제1 가스분리용 모듈(100)에 공급되는 혼합가스의 대략적인 흐름은 A→B→C 이며, 분리되는 목적가스의 대략적인 흐름은 B→D→E 인데, 이때 B에서 흡착제(1)에 의해 불필요한 가스가 선택적으로 흡착되고, B→D과정에서 제1가스분리막(2)에 의해서 부피가 큰 가스분자가 정제되어, E에서 고순도의 목적가스를 얻게 된다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 가스분리장치에서, 제1가스분리용 모듈에서는 투과단계가 행해지고, 제2가스분리용 모듈에서는 재생 및 가압단계가 행해질 때 모듈 내부의 가스의 흐름을 나타낸 것이다.

개방된 제1혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(16)를 통해 배출되는 잔여 가스는 혼합가스 주입부(60)로부터 공급되는 혼합가스에 비해 목적가스의 농도가 현격히 낮아진 상태인데, 이는 제1 가스분리용 모듈(100)을 거치는 동안 모듈 내부의 흡착제(1)와 제1가스분리막(2)을 통해 목적가스가 분리되면서 목적가스 외의 가스의 농도가 상대적으로 높아지게 되기 때문이다.

상기와 같이, 제1 가스분리용 모듈(100)에서 투과단계가 진행되는 동안, 제2 가스분리용 모듈 (200)에서는 재생, 가압단계가 진행되게 된다.

재생단계에서는, 개방된 감압용 솔레노이드 밸브(14, 22)를 통해 대기압으로 감압이 이루어지면서, 목적가스 분기라인(110)상에 형성된 개방된 솔레노이드 밸브(19)를 통해 제1 가스분리용 모듈(100)에서 분리된 목적가스의 일부가 제2목적가스 유출입구(11)을 통해 제2가스분리용 모듈(200)로 공급된다. 제2가스분리용 모듈 (200)로 공급된 목적가스는 제2가스분리막(8)을 투과하고, 흡착제(7)를 통과하면서 흡착제(7)에 흡착되어 있는 목적가스 외의 가스들과 결합하게 되어, 제2혼합가스 유입구(10)로 나오게 되고, 개방된 감압용 솔레노이드 밸브(14)를 통해 감압라인(150)을 따라 배출되어, 흡착제(7)의 재생이 이루어지게 된다. 이때, 효과적인 흡착제(7) 재생을 위해 감압라인(150)에서 분기된 진공펌프(50)가 사용될 수 있으며, 이러한 단계에서의 대략적인 가스의 흐름은 I→H→G→F이다.

가압단계에서는 제2혼합가스 이송라인(130)을 따라 개방된 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(15)를 통해 혼합가스 주입부(60)로부터 가스가 공급되면서 목적압력까지 가압이 이루어지면서 다음 투과단계를 위한 준비를 하게 된다.

상기 단계를 거치는 동안 감압용 솔레노이드 밸브(13), 제2혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(17), 및 목적가스 조절 솔레노이드 밸브(20)는 닫힌 상태로 있게 된다, 또한, 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(15)는 제2 가스분리용 모듈(200)의 가압단계, 솔레노이드 밸브(19)는 제2 가스분리용 모듈(200)의 재생단계를 제외하고는 닫힌 상태로 있게 된다.

상기 단계 후, 제1 가스분리용 모듈(100)은 재생, 가압단계를 거치게 되며, 제1 가스분리용 모듈(100)이 재생, 가압단계를 거치는 동안, 제2가스분리용 모듈(200)에서는 목적가스 분리가 이루어지는 투과단계가 진행되게 된다.

제1 가스분리용 모듈(100)은 재생단계를 거치면서, 개방된 감압용 솔레노이드 밸브(13) 및 감압용 솔레노이드 밸브(22)를 통해 모듈 내부의 압력이 대기압으로 감압이 이루어지면서, 목적가스 분기라인(110)상에 형성된 개방된 솔레노이드 밸브(19)를 통해 제2 가스분리용 모듈(200)에서 분리된 목적가스의 일부가 제1목적가스 유출입구(6)을 통해 제1가스분리용 모듈(100)로 공급된다. 제1가스분리용 모듈 (100)로 공급된 제1가스분리막(2)을 투과하고, 흡착제(1)를 통과하면서 흡착제(1)에 흡착되어 있는 목적가스 외의 가스들과 결합하게 되어, 제1혼합가스 유입구(4)로 나오게 되고, 개방된 감압용 솔레노이드 밸브(13)를 통해 감압라인(150)을 따라 배출되어, 흡착제(1)의 재생이 이루어지게 된다. 이때, 효과적인 흡착제(1) 재생을 위해 감압라인(150)에서 분기된 진공펌프(50)가 사용될 수 있고, 이러한 공정에서의 대략적인 가스의 흐름은 E→D→B→A이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 가스분리장치에서, 제1가스분리용 모듈에서는 재생 및 가압단계가 행해지고, 제2가스분리용 모듈에서는 투과단계가 행해질 때 모듈 내부의 가스의 흐름을 나타낸 것이다.

가압단계에서는 제1혼합가스 이송라인(120)을 따라 개방된 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(12)를 통해 혼합가스 주입부(60)로부터 혼합가스가 공급되면서 목적압력까지 가압이 이루어지면서 투과단계를 위한 준비를 끝내게 된다.

제1 가스분리용 모듈(100)이 상기 재생, 가압단계를 거치는 동안 제2가스분리용 모듈 (200)에서는 투과 공정이 이루어지는데, 혼합가스 주입부(60)에서 공급되는 혼합가스는 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(15)를 개방하여, 제2혼합가스이송라인(130)을 따라 제2혼합가스 유입구(10)를 통해 제2가스분리용 모듈(200)로 공급되고, 제2가스분리용 모듈(200)에서는 내부로 공급된 혼합가스가 흡착제(7)와 제2가스분리막(8)을 통해 분리되고, 제2목적가스 유출입구(11)로 유출되어 제2목적가스 이송라인(90)을 따라 개방된 목적가스 조절 솔레노이드 밸브(20)를 통해 목적가스 수집부(160)로 이송된다.

제2가스분리용 모듈(200) 내의 잔여 가스는 혼합가스 배출라인(170)을 따라 개방된 제2혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(17)를 통해 배출되게 되는데, 압력제어밸브(40)는 가스가 배출되는 과정에서 제2가스분리용 모듈(200) 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 제어하는 역할을 한다.

이때, 제2가스분리용 모듈(200)에 공급되는 혼합가스의 대략적인 흐름은 F→G 이며, 생산되는 가스의 대략적인 흐름은 F→G→H→I 순으로 이루어지는데, 이때 G에서 흡착제(7)에 의해 불필요한 가스가 선택적으로 흡착되고, G→H 과정에서 제2가스분리막(8)에 의해서 부피가 큰 가스분자가 정제되어, I에서 고순도의 목적가스를 얻게 된다.

개방된 제2혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(17)를 통해 배출되는 잔여 가스는 혼합가스 주입부(60)로부터 공급되는 혼합가스에 비해 목적가스의 농도가 현격히 낮아진 상태인데, 이는 제2가스분리용 모듈(200)을 거치는 동안 모듈 내부의 흡착제(7)와 제2가스분리막(8)을 통해 목적가스가 분리되면서 목적가스 외의 농도가 상대적으로 높아지기 때문이다.

상기 단계를 거치는 동안 감압용 솔레노이드 밸브(14), 제1혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브(16), 및 목적가스 조절 솔레노이드 밸브(18)는 닫힌 상태로 있게 되며, 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브(12)는 제1가스분리용 모듈(200)의 가압단계, 솔레노이드 밸브(19)는 제1가스분리용 모듈(200)의 재생단계를 제외하고는 닫힌 상태로 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 제1 가스분리용 모듈(100)과 제2 가스분리용 모듈 (200)에서 투과 단계 및 재생, 가압 단계가 교대로 실시되면서 고순도의 목적가스를 분리, 정제한 후 생산해 낼 수 있도록 구성된다. 이러한 본 발명의 특징으로 인해, 가스의 투과단계 및 재생, 가압단계가 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 가스분리용 모듈에서 각각 교대로 동시에 행해지게 되므로, 연속적인 분리공정이 가능하여 가스의 분리효율이 매우 높게 된다.

본 발명의 상기 일 실시예에 따른 목적가스 분리의 1 사이클을 다음의 표 1과 같이 나타낼 수 있다.

제 1가스분리용 모듈	투과			감압	재생	가압
제 2가스분리용 모듈	감압	재생	가압	투과

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

1, 7 : 흡착제
2 : 제1가스분리막
8 : 제2가스분리막
3 : 제1 반응기
9 : 제2반응기
4 : 제1혼합가스 유입구
5 : 제1혼합가스 배출구
6 : 제1목적가스 유출입구
11 : 제2목적가스 유출입구
10 : 제2혼합가스 유입구
23 : 제2혼합가스 배출구
100 : 제1 가스분리용 모듈
200 : 제2 가스분리용 모듈
80 : 제1목적가스 이송라인
90 : 제2목적가스 이송라인
110 : 목적가스 분기라인
120 : 제1혼합가스 이송라인
130 : 제2혼합가스 이송라인
140 : 혼합가스 분기라인
150 : 감압라인
160 : 목적가스 수집부
22, 13, 14 : 감압용 솔레노이드 밸브
60 : 혼합가스 주입부
170 : 혼합가스 배출라인
40 : 압력제어 밸브
16 : 제1혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브
17 : 제2혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브
50 : 진공펌프
18, 20 : 목적가스 조절 솔레노이드 밸브
12, 15 : 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브
19 : 솔레노이드 밸브
30, 70 : 유량제어 밸브
A, B, C, D, E, F, G, H, I : 가스의 흐름

Claims

흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 제1가스분리용 모듈 및 제2가스분리용 모듈을 구비하는 가스분리장치를 이용하는 연속 가스분리방법으로서,
상기 제1가스분리용 모듈에서는, 제1가스분리용 모듈로 혼합가스가 공급되어, 흡착제 및 가스분리막을 투과하여 분리된 목적가스가 수집되는 투과단계가 진행되는 동시에,
상기 제2가스분리용 모듈에서는, 상기 분리된 목적가스의 일부가, 흡착제가 충진된 가스분리막이 내장된 제2가스분리용 모듈로 이송되고, 감압용 솔레노이드 밸브를 제어하여 상기 제2가스분리용 모듈에서 대기압으로 감압이 일어나며, 상기 공급된 목적가스는 상기 제2가스분리용 모듈의 가스분리막 및 흡착제를 투과하면서 상기 흡착제에 흡착되어 있는 가스를 제거하여 상기 흡착제를 재생하는 단계; 및 상기 제2가스분리용 모듈에 연결된 상기 혼합가스 주입부로부터 혼합가스가 공급되면서 목적압력까지 가압되는 단계가 진행되며,
상기 투과단계와 재생 및 가압단계는, 상기 제1가스분리용 모듈 및 제2가스분리용 모듈에서 상호 교차되며 연속적으로 행해지는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리방법.
제1항에 있어서,
상기 가스분리장치는 한 개 이상의 가스분리용 모듈을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리방법.
제1항에 있어서,
상기 흡착제는 제올라이트, 활성탄, 알루미나, 실리카, 및 탄소분자 시브(sieve)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연속 가스분리방법.
제1항에 있어서,
상기 가스분리막은 세라믹 막인 것을 특징으로 하는 연속 가스분리방법.
제4항에 있어서,
상기 세라믹 막은 3Å의 균일한 기공 반경을 갖는 비정질 실리카 세라믹 막인 것을 특징으로 하는 연속 가스분리방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합가스는 H₂/CH₄, H₂/N₂ 및 H₂/CO로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연속 가스분리방법.
혼합가스 주입부로부터 공급된 혼합가스로부터 목적가스를 분리하고, 분리된 목적가스를 목적가스 수집부로 이송하는 연속 가스분리장치에 있어서,
제1혼합가스 유입구, 제1혼합가스 배출구 및 제1목적가스 유출입구를 구비한 제1반응기와, 상기 제1반응기 내부에서 상기 제1혼합가스 유입구와 상기 제1혼합가스 배출구를 연결하는 제1혼합가스 이동경로를 한정하고 혼합가스 중 목적가스만을 투과시키는, 흡착제가 충진된 제1가스분리막을 포함하는 제1가스분리용 모듈;
제2혼합가스 유입구, 제2혼합가스 배출구 및 제2목적가스 유출입구를 구비한 제2반응기와, 상기 제2반응기 내부에서 상기 제2혼합가스 유입구와 상기 제2혼합가스 배출구를 연결하는 제2혼합가스 이동경로를 한정하고 혼합가스 중 목적가스만을 통과시키는, 흡착제가 충진된 제2가스분리막을 포함하는 제2가스분리용 모듈;
상기 제1목적가스 유출입구와 상기 목적가스 수집부를 연결하는 제1목적가스 이송라인;
상기 제2목적가스 유출입구와 상기 목적가스 수집부를 연결하는 제2목적가스 이송라인;
상기 제1목적가스 이송라인과 상기 제2목적가스 이송라인을 상호 연결하는 목적가스 분기라인;
상기 제1혼합가스 유입구와 상기 혼합가스 주입부를 연결하는 제1혼합가스 이송라인;
상기 제2혼합가스 유입구와 상기 혼합가스 주입부를 연결하는 제2혼합가스 이송라인;
상기 제1혼합가스 이송라인과 제2혼합가스 이송라인을 상호 연결하는 혼합가스 분기라인; 및
상기 혼합가스 분기라인에서 분기되어 외부대기로 통하고, 외부대기로 통하는 말단부분에 감압용 솔레노이드 밸브가 형성된 감압라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 연속 가스분리장치는 한 개 이상의 가스분리용 모듈을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 흡착제는 제올라이트, 활성탄, 알루미나, 실리카, 및 탄소분자 시브(sieve)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 및 제2가스분리막은 세라믹 막인 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제10항에 있어서,
상기 세라믹 막은 3Å의 균일한 기공 반경을 갖는 비정질 실리카 세라믹 막인 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 혼합가스는 H₂/CH₄, H₂/N₂ 및 H₂/CO로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 제1혼합가스 배출구와 상기 제2혼합가스 배출구를 연결하는 혼합가스 배출라인 및 상기 혼합가스 배출라인에서 분기된 라인 상에 압력제어밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제13항에 있어서,
상기 혼합가스 배출라인 상에 형성된 제1혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브 및 제2혼합가스 배출용 솔레노이드 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 제1목적가스 이송라인 및 제2목적가스 이송라인 상에 각각 형성된 목적가스 조절 솔레노이드 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 제1혼합가스 이송라인 및 제2혼합가스 이송라인 상에 각각 형성된 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브; 및 상기 혼합가스 주입부와 상기 혼합가스 조절 솔레노이드 밸브 사이에 형성된 유량제어밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 목적가스 분기라인 상에 형성된 솔레노이드 밸브 및 유량제어밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 혼합가스 분기라인 상에 형성된 감압용 솔레노이드 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.
제7항에 있어서,
상기 감압라인에서 분기된 진공펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 가스분리장치.