KR20120096702A - 폐냉매의 공기 분리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐냉매의 공기 분리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 멤브레인 모듈을 이용하여 폐차량에서 회수한 폐냉매 중 공기를 분리하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 이송된 폐냉매를 레귤레이터를 통해 액화가 일어나지 않는 압력 이하로 조정하고, 상기 압력 조정된 폐냉매를 멤브레인 모듈에 투입하여서,
상기 멤브레인 모듈에 투입한 폐냉매 가스와 이에 혼입된 공기 간의 투과도 차이에 의해 폐냉매 가스와 공기를 분리 배출하여 폐냉매 가스에서 공기를 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 폐냉매의 공기 분리 방법을 제공한다.

Description

폐냉매의 공기 분리 방법 {METHOD SEPARATING AIR OF USED REFRIGERANT}

본 발명은 폐냉매의 공기 분리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 멤브레인 모듈을 이용하여 폐차량에서 회수한 폐냉매 중 공기를 분리하는 방법에 관한 것이다.

현재 국내에서 수집 및 회수되거나 또는 차량의 폐기과정에서 발생하는 폐냉매는 적절한 처리없이 대기 중으로 방출되고 있다. 주로 발생되는 폐냉매로는 오존층파괴물질인 CFC와 지구온난화물질인 HFC가 대표적이며, 국내의 경우 자동차, 가정용, 업무용에서 발생하는 폐냉매를 안정적으로 처리하는 시설이 전무하여 폐냉매 처리가 불가능한 실정이다. 그 중 HFC-134a는 오존층파괴물질인 CFC-12의 대체물질로서 1990년 후반부터 자동차 냉매로 사용되었다.

그러나, 이러한 자동차 냉매는 차량의 냉매 재충진 및 폐냉매 회수시 냉매(HFC-134a) 이외에 공기가 혼입되는 문제가 발생하였다.

보통 공기는 비응축가스로서, 차량 냉매에 혼입시 컴프레셔 고장, 에어컨 성능 열세 등의 문제를 초래한다.

현재 사용되고 있는 재활용 장비는 폐냉매에서 공기를 분리하지 않고 공기를 포함한 기상냉매를 대기 중으로 방출하는 문제점이 있으며, 또한 냉각기 방식의 단순증류를 채택한 재활용 장비의 경우 폐냉매로부터 공기를 제거하긴 하나, 높은 재활용 비용을 수반하는 단점이 있다.

한편, 도 1에 도시한 바와 같은 폐냉매의 여과식 재활용 공정은 폐냉매로부터 수분, 오일, 입자상물질의 제거는 가능하나, 공기 분리는 불가능하다.

구체적으로 살펴보면, 폐냉매 용기 내 냉매는 1차 유분 분리기를 통해 오일이 분리된 후 압축기로 압축시켜 다시 2차 유분 분리기를 거쳐 오일이 분리되고, 응축기 및 필터/드라이어를 통과하여 수분과 입자상물질이 분리된다. 수분, 오일 및 입자상물질이 제거된 냉매는 재생냉매 용기에 저장되며, 공기를 포함하는 기상냉매를 일부 대기로 방출하여 공기를 제거하게 된다. 이러한 방식의 공기 분리는 재생냉매의 손실이 있으며, 온실가스 물질인 HFC-134a가 대기 중으로 방출되는 문제가 있다.

또한, 도 2에 도시한 바와 같은 폐냉매의 단순증류식 재활용 공정은 폐냉매로부터 수분, 오일, 입자상물질을 제거한 다음, 기체/액체 분리기를 통해 공기를 분리한다.

구체적으로 설명하면, 상기 여과식 재활용 공정과 같이 폐냉매 용기 내 냉매는 1차 유분 분리기를 통해 오일이 분리된 후 압축기로 압축시켜 다시 2차 유분 분리기를 거쳐 오일이 분리되고, 응축기 및 필터/드라이어를 통과하여 수분과 입자상물질이 분리되며, 냉각기 형태의 기체/액체 분리기를 통해 공기가 분리된 후, 최종적으로 재활용 냉매로서 재생냉매 용기에 저장된다.

그러나, 이러한 단순증류식 재활용 공정은 에너지 소비가 크며, 경제적으로 처리비용이 높고, 공정 운영이 어렵다는 결점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 폐냉매에 혼입된 공기를 분리하기 위하여 선택적 가스투과가 가능한 멤브레인 모듈, 특히 폴리이미드(polyimide) 멤브레인 모듈을 이용하여 폐냉매 내 공기를 분리하여 제거하는 폐냉매의 공기 분리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 이송된 폐냉매를 레귤레이터를 통해 액화가 일어나지 않는 압력 이하로 조정하고, 상기 압력 조정된 폐냉매를 멤브레인 모듈에 투입하여서,

상기 멤브레인 모듈에 투입한 폐냉매 가스와 이에 혼입된 공기 간의 투과도 차이에 의해 폐냉매 가스와 공기를 분리 배출하여 폐냉매 가스에서 공기를 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 폐냉매의 공기 분리 방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 멤브레인 모듈의 멤브레인은 폐냉매 가스에 비해 공기의 투과도가 큰 멤브레인, 특히 폴리이미드 멤브레인인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 멤브레인 모듈은 멤브레인 표면으로 배출되는 공기를 배출하기 위한 투과가스 배출구가 하나 이상 형성되고, 상기 멤브레인의 중공부분을 통과하여 배출되는 폐냉매 가스를 배출하기 위한 농축가스 배출구를 가진 구조로 형성된다.

더욱 바람직하게, 상기 레귤레이터를 통과하기 전, 폐냉매를 필터를 통과시켜서 수분, 오일, 입자상 물질을 제거하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 폐냉매의 공기 분리 방법은 다음과 같은 장점이 있다.

① 온실가스 물질인 HFC-134a의 대기방출을 최소화하여 폐냉매에 혼입된 공기를 제거할 수 있다.

② 폐냉매의 공기 제거시, 기존 공정 대비 에너지 소비가 작고, 경제적으로 처리비용이 감소되며, 공정 운영이 수월하다.

③ 본 발명의 공기 분리 공정을 위한 시스템을 설치하는데 있어, 종래 단순증류식 재활용 공정과 같은 넓은 설치장소가 필요 없으며, 초기 설비투자비용이 저감된다.

④ 폐냉매로부터 HFC-134a를 분리하는 동시에, 수분, 오일, 입자상 물질 등의 불순물을 제거할 수 있다.

도 1은 종래 폐냉매의 여과식 재활용 공정을 위한 시스템을 도시한 도면
도 2는 종래 단순증류식 재활용 공정을 위한 시스템을 도시한 도면
도 3은 본 발명에 따른 폐냉매의 공기 분리 공정을 위한 시스템을 도시한 도면
도 4는 도 3의 멤브레인 모듈의 구조를 도시한 도면,
도 5는 도 3의 시스템에 의한 공기 분리 공정을 개략적으로 도시한 도면

본 발명은 폴리이미드(polyimide) 멤브레인 모듈을 이용하여 폐차량에서 회수한 냉매에 혼입된 공기를 분리하는 방법에 관한 것으로, 멤브레인 전단부에서 폐냉매 내 수분, 오일, 입자상 물질을 제거한 다음 멤브레인을 통해 폐냉매에 혼입된 비응축가스인 공기를 분리하도록 함이 가능하다.

보통 멤브레인 공정은 고분자 막의 일측에 공급된 기체 상의 혼합물 중 한 성분 또는 둘 이상의 성분들이 선택적으로 수착(sorption)되어 그 막을 통해 확산되고 막의 타측(고분자 막에서 수착이 발생하는 측의 반대편)에서 탈착되며 증발되는 분리공정이다.

이러한 멤브레인 공정의 투과 메카니즘을 살펴보면 공급물질과 투과물질은 동일상인 기체 상으로 막하부 표면으로부터 제거된다. 기체투과 메카니즘은 다음의 네 단계로 이루어지는데, 첫째 공급물질이 공급되는 막 표면의 경계층에서의 농도분극이 일어나고, 둘째 공급물질(공급물질 혼합물)과 팽윤된 막 사이에서 투과물질의 막상부 침투가 발생하며, 셋째 팽윤된 막을 통한 투과물질의 확산이 일어나고, 넷째 막하부 표면에서 매우 낮은 압력에 의해 투과물질의 탈착 또는 증발 순으로 투과가 일어나게 된다.

본 발명에서 공급물질은 공기가 혼입된 폐냉매 가스이고, 투과물질은 폐냉매 가스에 혼입된 공기라고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 멤브레인의 선택적 투과속도의 차이를 이용한 '가스투과(Gas permeation)' 공정으로서, 기존의 단순증류식 재활용 공정에 비해 공정 진행을 위한 에너지 소비가 적고 경제적으로 처리비용이 적게 소요되는 이점이 있으며, 또한 설치공간이 상대적으로 작고 초기 설비투자비용 역시 적게 요구되는 폐냉매의 공기 분리 방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세하게 설명하도록 한다.

먼저, 폐냉매를 투과시킬 시 폐냉매와 폐냉매에 혼입되어 있는 물질들, 예컨대 공기의 주성분인 질소/산소, 간에 투과속도(투과도) 차를 가능한 크게 둘 수 있는 최적의 멤브레인을 선정하기 위해, 실리콘(PDMS)과 폴리설폰(Polysulfone), 폴리이미드(Polyimide) 소재의 각 멤브레인들에 대해 폐냉매 HFC-134a 와 공기의 주성분인 질소, 산소의 투과도를 평가하고, 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다.

투과도는 특정 가스가 멤브레인을 통과하는 속도(10^-6 cm³/cm² sec cmHg)로, 멤브레인으로 공급되는 가스들 간의 투과도 차이가 클수록 폐냉매의 분리효율이 크다.

표 1의 투과도 평가결과와 같이, 폴리이미드 소재의 투과막이 HFC-134a와 질소/산소 간에 가장 큰 투과도 차를 보였으며, 따라서 본 발명의 일실시예에서는 폐냉매 가스와 가장 큰 투과도 차를 보인 폴리이미드 멤브레인을 선정하여 이용하도록 한다.

본 실시예에서는 폐냉매와 공기 간의 분리 공정을 위한 최적의 멤브레인으로 폴리이미드 멤브레인을 선정하였으나, 본 발명의 멤브레인이 폴리이미드 재질로 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명에 따른 폐냉매의 공기 분리 공정을 위한 시스템의 구성을 나타낸다.

도 3의 도면을 참조하면, 폐냉매의 공기 분리 공정을 위한 시스템은 폐냉매와 이에 혼입된 공기를 분리하기 위하여, 폐냉매 가스를 압축할 수 있는 컴프레서와, 압축된 폐냉매 가스의 압력을 조정하기 위한 레귤레이터와, 투입된 폐냉매 가스를 투과도 차이에 따라 분리 배출하기 위한 멤브레인 모듈로 이루어지고, 상기 컴프레서와 레귤레이터 사이에는 폐냉매 가스에 함유되어 있는 수분, 오일, 입자상 물질을 필터링하여 제거하기 위한 필터가 구성된다.

또한, 레귤레이터의 후단부에는 레귤레이터를 통과한 폐냉매 가스의 압력 측정을 위한 압력계가 구성된다.

도 4는 본 발명에 따른 폐냉매의 공기 분리 공정을 위한 시스템의 폴리이미드 멤브레인 모듈을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 폴리이미드 멤브레인 모듈은 다수의 중공사막(3, 혹은 멤브레인)으로 형성되며, 각 중공사막(3)은 폴리이미드 중공사막이다.

폴리이미드 중공사막(3)은 고분자 방사용액을 방사하여 제조할 수 있는데, 예컨대 (가) 선택적 투과성을 가지는 고분자 물질인 폴리이미드를 20 내지 40 중량% 로 하고, (나) 30 내지 35 중량% 의 상기 고분자 물질의 용매, (다) 끓는점이 100℃ 이하인 빈용매 및 비용매 첨가제의 4성분계 고분자 혼합용액을 방사노즐부의 온도를 비점보다 낮은 온도인 50℃?70℃로 한 상태에서 방사하여 -10℃?15℃의 비용매조에 침전시켜 성막시킴으로써 제조할 수 있다.

상기 고분자 물질의 용매는 N-메틸피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-디메틸설폭사이드 중 선택된 하나 또는 둘이상의 혼합물을 사용하고, 상기 빈용매 또는 비용매 첨가제는 테트라하이드로퓨란, 에탄올, 디옥산, 이소프로필알콜, 물 중에서 선택된 유기용매를 사용한다.

도 4의 일반적인 멤브레인 모듈의 구조를 제조과정을 통해 살펴보면, 다수의 중공사막(3)을 제조하여 준비하고, 중공사막 다발을 제조할 멤브레인 모듈의 크기에 따라 적절하게 재단하고, 재단된 중공사막 다발은 중공형의 모듈하우징(1) 내부에 삽입 장착한 상태에서 양단부에 포팅캡을 조립하고 포팅수지를 이용하여 포팅작업을 한다. 포팅작업이 완료된 중공사막 모듈은 포팅수지가 완전히 경화된 후 포팅캡을 분리하고 중공사막(1)의 중공부분이 막히지 않도록 경화된 포팅수지를 절단한다. 이렇게 제조된 멤브레인 모듈은 모듈하우징(1)의 양단부에 모듈캡(2)을 조립하여 완성하게 된다.

또한, 도시된 바와 같이, 상기의 멤브레인 모듈은 모듈하우징(1)의 외주면에 멤브레인(3) 표면으로 배출되는 공기를 배출하기 위한 투과가스 배출구(6)가 적어도 하나 이상 형성된다. 그리고, 상기 모듈하우징(1)의 양측에는 각기 폐냉매 가스가 유입되는 공급가스 유입구(5)와, 멤브레인(3)의 중공부분을 통과하여 배출되는 폐냉매 가스를 배출하기 위한 농축가스 배출구(7)가 형성된다. 또한, 중공사막 다발의 양단부에 에폭시 튜브 시트(4)는 각 중공사막(3)들 사이 그리고 중공사막 다발과 모듈하우징(1) 사이를 씰링하는 역할을 하므로, 공급가스 유입구(5)와 투과가스 배출구(6) 및 상기 투과가스 배출구(6)와 농축가스 배출구(7) 사이의 가스 유동을 차단하게 된다.

상기 멤브레인 모듈에 투입된 폐냉매와 공기의 혼합가스는 각 중공사막(3)의 내부(중공부분)로 투입되어 멤브레인 모듈을 통과하게 된다.

도 5를 참조하여 본 발명에 따른 폐냉매의 공기 분리 공정을 살펴보면, 폐냉매 용기 내 냉매가스 HFC-134a와 산소, 질소 등의 공기 성분이 혼입된 상태로 존재할 시, 폐냉매 용기의 냉매가스는 컴프레서를 통해 압축되어 시스템(폐냉매의 공기를 분리하기 위한 시스템)으로 이송되어서, 시스템의 필터를 통해 수분, 오일, 입자상 물질이 여과, 제거된다. 상온에서 냉매가스 HFC-134a의 압력(증기압)은 0.57Mpa 로, 이 이상의 압력에서는 HFC-134a의 액화가 일어나므로 상기 필터를 통과한 폐냉매를 레큘레이터를 통해 액화가 일어나지 않는 압력, 즉 0.57Mpa 이하로 압력 조정한다. 압력 조정된 폐냉매는 폴리이미드 멤브레인 모듈로 투입되어 이 멤브레인 모듈을 통과하게 되는데, 이때 멤브레인 모듈 내의 중공사(Hollow fiber)(3)로 투입되어 중공사막(3) 표면에서 상대적으로 투과도가 큰(높은) 산소와 질소가 배출되어 모듈의 투과(Permeate)가스 배출구(6)로 배출되고, 또한 상대적으로 투과도가 작은(낮은) 냉매가스 HFC-134a의 경우 일부는 투과가스 배출구(6)로 배출되고 나머지는 농축(Retentate)가스 배출구(7)로 배출된다. 이에 따라, 농축가스 배출구(7)로 배출된 폐냉매에서 공기를 분리하여 제거한 효과를 얻게 된다.

본 발명은 상기와 같은 과정을 거쳐 폐냉매에 혼입된 공기의 함유량을 감소시킬 수 있으며, 이러한 공기 분리 공정을 반복적으로 수행함으로써 폐냉매에 혼입된 공기를 분리 및 제거할 수 있다.

예컨대, 상기 농축가스 배출구(7)에서 배출된 가스를 다시 시스템의 레귤레이터로 공급하여 액화가 일어나지 않는 압력으로 조정한 다음 멤브레인 모듈을 통과시켜 폐냉매 내 공기를 분리시킴으로써 폐냉매의 순도를 높일 수 있다.

한편, 표 2와 표 3은 폐차장에서 회수한 냉매를 본 발명의 공기 분리 공정(폴리이미드 멤브레인 공정)을 적용하여 공기를 분리시킨 후 평가한 결과를 나타낸 표이다.

이때, 폐차장에서 회수한 냉매는 HFC-134a 이 외에 산소와 질소 등의 공기가 혼입된 폐냉매이다.

상기 표 2 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 폴리이미드 멤브레인에 대해 상대적으로 큰 투과도를 가진 공기는 멤브레인 모듈을 통과하면서 멤브레인 모듈의 투과가스 배출구로 배출되었으며, 농축가스 배출구에서 배출된 폐냉매에서는 공기가 제거되었음을 확인할 수 있었다.

이와 같이 본 발명에 따른 폐냉매의 공기 분리 방법은 폐냉매 가스의 대기방출 없이 혹은 대기방출을 최소화하여 폐냉매에 혼입된 공기를 분리하여 제거할 수 있다.

1 : 모듈하우징
2 : 모듈캡
3 : 멤브레인(중공사막)
4 : 에폭시 튜브 시트
5 : 공급가스 유입구
6 : 투과가스 배출구
7 : 농축가스 배출구

Claims (5)

1. 이송된 폐냉매를 레귤레이터를 통해 액화가 일어나지 않는 압력 이하로 조정하고, 상기 압력 조정된 폐냉매를 멤브레인 모듈에 투입하여서,
   상기 멤브레인 모듈에 투입한 폐냉매 가스와 이에 혼입된 공기 간의 투과도 차이에 의해 폐냉매 가스와 공기를 분리 배출하여 폐냉매 가스에서 공기를 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 폐냉매의 공기 분리 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 멤브레인 모듈의 멤브레인은 폐냉매 가스에 비해 공기의 투과도가 큰 멤브레인인 것을 특징으로 하는 폐냉매의 공기 분리 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 멤브레인 모듈의 멤브레인은 폐냉매 가스에 비해 공기의 투과도가 큰 폴리이미드 멤브레인인 것을 특징으로 하는 폐냉매의 공기 분리 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 멤브레인 모듈은 멤브레인 표면으로 배출되는 공기를 배출하기 위한 투과가스 배출구가 하나 이상 형성되고, 상기 멤브레인의 중공부분을 통과하여 배출되는 폐냉매 가스를 배출하기 위한 농축가스 배출구를 가진 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 폐냉매의 공기 분리 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 레귤레이터를 통과하기 전, 폐냉매를 필터를 통과시켜서 수분, 오일, 입자상 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐냉매의 공기 분리 방법.

Images