KR20200048067A - 에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법 - Google Patents

에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법 Download PDF

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    • B01D2259/4009—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating using hot gas

Abstract

본 발명은 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 컴프레서; 상기 컴프레서 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수하는 열교환기; 상기 열교환기 일측에 배치되며, 압축공기 중 불순물을 제거하는 프리필터; 상기 프리필터와 연통되며, 흡착제가 충전되어 밸브의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 수분이 흡착되어 건조공기를 형성하거나, 상기 열교환기에서 회수되는 압축열을 보유하는 건조공기를 전달받아 흡착제의 수분이 탈착되는 한 쌍의 흡착타워; 및 상기 흡착타워의 일측에서 연장되어 수분이 제거된 건조공기의 불순물을 제거하는 애프터필터를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어를 제공한다.

Description

에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법{Energy saving type air dryer and preparing method of dry air using the same}
본 발명은 에너지를 절약하여 건조공기를 제조하는 에어드라이어 및 이를 이용하여 수분을 함유하는 대기에서 수분을 제거하여 건조공기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
대기는 항상 수분 또는 수증기를 포함하고 있으며, 산업현장에서 압축하여 사용되는 압축공기는 대기를 그대로 압축하기 때문에 수분을 포함하는 오염물질을 함유하는 경우가 있다.
이 경우 압축공기를 공급하는 에어라인의 부식 및 에어의 유출을 유발하고, 에어공구의 동력 및 효율을 저하시킨다. 또한 에어라인의 윤활제를 제거하거나, 고형물을 발생시켜 에어라인의 유지 보수 비용을 매우 증가시킨다.
공기압축기로 흡입되는 공기를 단순한 구조의 필터 등에 의해 수분 및 오염물질을 분리하는 과정을 거쳐 압축공기 내의 수분과 오염물질을 제거하게 되므로 이를 각종 공압기기 또는 여러 가지 용도로 사용하게 된다.
이러한 압축공기는 상기 단순구조의 필터 등에 의한 분리공정으로 압축공기 내의 수분을 액체상태로 분리하게 되기 때문에 사용에 따라 필터에 수분이 누적되면 그 효율이 저하되게 되므로 이때부터는 압축공기 내의 수분을 우수하게 제거하지 못하는 상태로 공급하게 된다.
상기와 같이 수분이 충분히 제거되지 못한 압축공기를 산업현장 등에서 사용하게 되면 각종 공업기기는 물론 그 사용되는 장치들의 고장을 유발하게 되고, 특히 정밀한 작업이 요구되는 작업장에서는 그 사용에 따른 문제점이 더욱 심각하게 대두되게 된다.
따라서 각종 산업현장에서는 에어드라이어 장치를 사용하여 수분 및 오염물질이 제거된 건조공기를 제조하여 공급한다.
에어드라이어는 공기의 온도를 감소시켜 공기 중에 포함된 수분을 응축시키고, 이를 배출시키는 냉동식 에어드라이어와 흡착제로 충진된 타워를 압축공기를 통화시켜 압축 공기 중에 포함된 수분을 강제로 탈습 시키는 흡착식 드라이어가 있다.
흡착식 드라이어는 단순한 필터를 이용하는 경우에 비해 복수의 흡착제에 의해 교대로 건조해 가면서 수분 및 오염물질을 제거하게 되므로 수분 및 오염물질의 제거가 매우 우수하나, 상기 흡착제에 의해 압축공기 내의 수분을 액상체로 분리하게 되기 때문에 수분이 누적되어 효율문제가 여전히 내재되어 있고 이를 최소화하기 위해서는 상기 복수의 타워의 교대가 자주 이루어져야만 한다.
대한민국 특허 1774862호(특허문헌 1)에서 제1탱크측의 제습작용이나 재생작용이 완료되고, 제2탱크측의 재생작용이나 제습작용으로 기능이 전환될 때 사용처로 공급되는 건조공기의 압력이 저하되지 않도록 하는 에어드라이어의 제어방법에 관하여 개시하고 있으며, 에어드라이어의 공기흐름을 제어하는 기술이 개시될 뿐 재생 가능한 흡착제를 선택하여 에어드라이어를 구성하지는 않는다.
따라서 흡착제 사용 효율을 증가시킨 에어드라이어와 이를 이용하여 건조공기를 제조하되, 새로운 수분 흡착제로 금속-유기 구조체를 선택하여 저온에서 재생이 가능하도록 하는 방법으로 공정비용을 감소시켜 건조공기를 제조하는 장치 및 이를 이용한 건조공기의 제조방법의 개발이 매우 필요한 실정이다.
이와 관련된 선행문헌으로는 대한민국 특허 제1774862호 (공고일: 2017.08.30)에 개시된 에어드라이어를 제어하는 방법(특허문헌 1)과, 대한민국 특허 특0147313호(공개일: 1996.07.18)에 개시되어 있는 건조공기 제조방법(특허문헌 2)이 있다.
대한민국 특허 제1774862호 (공고일: 2017.09.19) 대한민국 특허 특0147313호 (공개일: 1996.07.18)
따라서, 본 발명은 수분 흡착제를 충진한 흡착타워를 포함하는 에어드라이어로 건조공기를 생산하되, 저온에서 수분이 탈착되어 재생이 가능한 흡착제를 흡착타워에 충진하고, 대기를 압축하는 동안 발생되는 저온의 압축열을 활용하여 흡착제에 흡착된 수분을 탈착시켜 재생함으로써 공정비용을 감소시켜 건조공기를 생산하는 장치 및 이를 이용한 건조공기 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는
대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 컴프레서;
상기 컴프레서 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수하는 열교환기; 상기 열교환기 일측에 배치되며, 압축공기 중 오염물질을 제거하는 프리필터;
상기 프리필터와 연통되며, 흡착제가 충전되어 밸브의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 수분이 흡착되어 건조공기를 형성하거나, 상기 열교환기에서 회수되는 압축열을 보유하는 건조공기를 전달받아 흡착제의 수분이 탈착되는 한 쌍의 흡착타워; 및
상기 흡착타워의 일측에서 연장되어 수분이 제거된 건조공기의 오염물질을 제거하는 애프터필터를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어를 제공한다.
또한 상기 흡착제는 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생될 수 있다.
또한 상기 흡착제는 메탈 트리메세이트(metal trimesate)계 금속-유기 구조체(metal organic framework) 또는 메탈 테레프탈레이트(metal terephthalate)계 금속-유기 구조체 또는 실리코알루미노포스페이트(silicoaluminophosphate)계 제올라이트일 수 있다.
또한 상기 흡착타워에서 생성되는 건조공기의 일부는 상기 열교환기로 회수되고 압축열을 보유하는 압축공기와 열교환되어 가열될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명은
대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 컴프레서;
상기 컴프레서 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수하는 열교환기;
상기 열교환기 일측에 배치되며, 압축공기 중 불순물을 제거하는 프리필터;
상기 프리필터 주위에 배치되며, 일측으로 냉매가 유입되어 상기 압축공기를 냉각하여 압축공기 중 수분을 응축시켜 응축수를 배출하는 냉각건조기;
상기 냉각건조기와 연결되며, 흡착제가 충전되어 밸브의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 수분이 흡착되어 건조공기를 형성하거나, 상기 열교환기에서 회수되는 압축열을 보유하는 건조공기를 전달받아 흡착제의 수분이 탈착되는 한 쌍의 흡착타워; 및
상기 흡착타워의 일측에서 연장되어 수분이 제거된 건조공기의 불순물을 제거하는 애프터필터를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어를 제공한다.
또한 상기 흡착제는 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생될 수 있다.
또한 상기 흡착제는 메탈 트리메세이트(metal trimesate)계 금속-유기 구조체(metal organic framework) 또는 메탈 테레프탈레이트(metal terephthalate)계 금속-유기 구조체 또는 실리코알루미노포스페이트(silicoaluminophosphate)계 제올라이트일 수 있다.
또한 상기 열교환기는 상기 컴프레서가 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 과정에서 생성되는 압축열을 회수하여 건조공기에 압축열을 전달할 수 있다.
또한 상기 흡착타워에서 생성되는 건조공기의 일부는 상기 열교환기로 회수되고 압축열을 보유하는 압축공기와 열교환되어 가열될 수 있다.
또한 상기 냉각건조기는 일측으로 냉매가 도입되어, 상기 건조공기를 4 내지 6 ℃로 냉각하고, 건조공기 중의 수분을 응축수로 포집하여 배출할 수 있다.
또한 상기 흡착타워는 도입되는 압축공기 중의 수분을 총 수분함유량 대비 1 내지 30 wt%의 수분을 흡착하여 건조공기를 배출할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명은 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 단계(제1단계):
압축공기를 열교환하여 예비 냉각하는 단계(제2단계);
압축공기를 냉각건조기에 도입하고 냉매와 열교환하여 응축수를 형성하고 배출하여 압축공기 중 수분을 일부 제거하는 단계(제3단계);
수분이 일부 제거된 압축공기를 흡착제와 접촉시켜 건조공기를 제조하는 단계(제4단계);
건조공기 일부를 바이패스하고 압축되어 압축열을 가지는 압축공기와 열교환하여 건조공기를 가열하는 단계(제5단계); 및
상기 가열된 건조공기를 수분이 흡착된 흡착제와 접촉시켜 수분을 탈착시키는 단계(제6단계)를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어를 통한 건조공기 제조방법을 제공한다.
또한 상기 제4단계에서 상기 흡착제는 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생되는 메탈 트리메세이트(metal trimesate)계 금속-유기 구조체(metal organic framework) 또는 메탈 테레프탈레이트(metal terephthalate)계 금속-유기 구조체 또는 실리코알루미노포스페이트(silicoaluminophosphate)계 제올라이트일 수 있다.
본 발명에 따르면, 수분 흡착량이 높으며, 수분과의 흡착 에너지가 낮아서 저온에서 수분을 탈착하여 재생이 가능한 금속 유기 구조체 또는 랭뮤어(Langmuir)형 흡착 등온선을 따르는 흡착제가 충진된 흡착타워에 압축공기를 투입하고 수분을 탈착하여 수분 함유량이 압력하 노점 -40 ℃ 이하인 고품질 건조공기를 제조할 수 있다.
또한 열교환기를 통한 예비 열교환과 냉각건조기를 통한 냉매와 본 열교환으로 응축수를 형성하여 압축공기 중 수분의 일부가 흡착타워에 유입되기 전 전체 수분량 대비 90 wt% 이상으로 제거되어 흡착타워로 유입되어 흡착타워의 수분 흡착 부하가 감소되어 전체 건조공기 제조 효율을 증가시킬 수 있다.
또한 생성되는 건조공기의 일부를 바이패스하여 압축공기를 형성하는 과정에서 생성되는 80 내지 100 ℃의 압축열과 열교환하여 건조공기를 100 ℃ 이하로 가열하고, 가열된 건조공기를 흡착타워에서 도입하여 흡착제를 탈착시켜 소실되는 저온의 압축열을 이용하여 흡착제를 재생하기 때문에 건조공기 제조에 필요한 에너지 사용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어의 구성을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 흡착타워에 충전된 흡착제의 종류에 따른 흡착등온선이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어의 구성을 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 흡착공정이 수행되는 경우 압축공기의 흐름을 나타낸 공정도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 탈착공정이 수행되는 경우 건조공기의 흐름을 나타낸 공정도이다.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 절약형 에어드라이어를 통한 건조공기 제조방법의 순서를 나타낸 공정흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착제 종류에 따른 수분 파과곡선이다.
도 8은 종래의 상업용 흡착제(molecular sieve+silica gel)에 대한 건조공기 생산 사이클을 나타낸 곡선이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIL-100Fe 흡착제에 대한 건조공기 생산 사이클을 나타낸 곡선이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명을 상세하기 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
본 발명의 발명자들은 건조공기를 제조하는 방법을 연구하는 중 종래 분자체 혼합물(molecular sieve + silica gel), 활성 알루미나(Activated alumina) 또는 실리카겔(Silica gel) 흡착제를 사용하는 에어드라이어는 압축공기 중의 수분의 흡착성능이 매우 높으나, 흡착제를 재생하기 위한 공정에서 재생온도가 150 ~ 180 ℃로 높아서 재생 시 다량의 에너지가 소모되는 문제점을 확인하였다.
이를 해결하기 위하여 보다 저온인 100 ℃ 이하에서 수분이 탈착되어 재생이 가능한 흡착제를 이용하여 건조공기를 생산하는 방법을 고민하던 중 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생가능한 흡착제를 선택하고 선택하고 압축공기 형성 시 발생되어 소실되는 압축열을 회수하여 흡착제를 재생하는 방법으로 100 ℃ 이하의 저온에서 수분의 흡착(adsorption) 및 탈착(desorption) 공정이 가능한 에너지 절약형 에어드라이어를 완성하고, 이를 이용하여 에너지를 매우 절약하여 수분함량이 압력하 노점 -40 ℃ 이하인 고품질 건조공기를 대량으로 생산할 수 있는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어의 구성을 나타낸 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어는 컴프레서(100), 열교환기(200), 프리필터(400), 흡착타워(600) 및 애프터필터(700)를 포함한다.
이하에서 압축공기로(10), 건조공기도입로(20), 가열건조공기도입로(30), 및 건조공기유출로(40)는 압축공기, 건조공기, 가열된 건조공기, 및 최종 생성물인 건조공기가 각각 흐르는 관로를 제공하며, 관로의 말단에 구비되는 제1흡착유입선택밸브(11), 제2흡착유입선택밸브(12), 제1흡착유출선택밸브(21), 제2흡착유출선택밸브(22), 퍼지배출밸브(15), 제1재생선택밸브(31), 제2재생선택밸브(32), 제1건조공기유출선택밸브(41) 및 제2건조공기유출선택밸브(42)는 컨트롤러(미도시)에 의하여 제어되는 것이다.
상기 컴프레서(100)는 대기를 압축하여 압축공기를 형성한다.
상기 컴프레서(100)에서 대기를 압축하는 동안 압축열이 발행될 수 있으며, 상기 압축열은 열교환되어 회수될 수 있다.
상기 컴프레서(100)의 압축에 의하여 압축공기는 압축열로 인하여 80 내지 100 ℃로 가열된다.
상기 컴프레서(100)에서 압축된 압축공기는 열교환기(200)에 도입된다.
상기 열교환기(200)는 상기 컴프레서(100) 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수한다.
상기 압축열을 회수하지 않는 경우 폐열로 소실되나, 상기 열교환기(200)를 사용하여 일측으로 도입되는 건조공기와 예비 열교환하는 경우에는 압축열을 건조공기를 가열하는데 유용하게 사용할 수 있다.
이때 상기 압축공기는 상온 20 내지 30 ℃로 냉각되며, 냉각으로 인하여 압축공기는 내의 수분이 응축되어 응축수가 발생된다.
세퍼레이터(210)는 상기 열교환기(200) 일측에 배치되고, 압축공기의 냉각으로 인하여 생성되는 응축수를 포집하여 배출할 수 있다.
상기 프리필터(300)는 상기 열교환기(200) 일측에 배치되며, 압축공기 중 오염물질을 제거한다.
상기 프리필터(300)에서 제거되는 오염물질은 평균입자 크기가 수증기보다 큰 것일 수 있다.
대기를 압축하는 경우 수분함량이 증가되고, 대기 중 먼지, 유분 등 오염물질 또한 증가되기 때문에 상기 프리필터(300)를 사용하면 오염물질을 제거하여 고품질의 압축공기를 생산할 수 있다.
상기 가열건조공기도입로(30)의 말단에는 제1재생선택밸브(31) 및 제2재생선택밸브(32)가 구비되어 가열된 건조공기가 도입되는 한 쌍의 흡착타워(600) 중 일측의 제2흡착타워(620)로 선택되어 도입될 수 있도록 한다.
상기 압축공기는 프리필터(300)를 통과하여 압축공기로(10)를 따라 상기 흡착타워(600)에 유입된다.
상기 흡착타워(600)는 한 쌍으로 구비되어, 상기 프리필터(300)와 연통되며, 흡착제가 충전되어 제1흡착유입선택밸브(11), 제2흡착유입선택밸브(12)의 개폐에 따라 압축공기가 일측으로 유입되어 수분이 흡착되어 건조공기를 형성하거나, 상기 열교환기(200)에서 회수되는 압축열을 보유하는 건조공기를 전달받아 내부에 충진된 흡착제의 수분이 탈착된다.
상기 압축공기로(10)의 말단에는 제1흡착유입선택밸브(11)와 제2흡착유입선택밸브(12)가 설치된다.
상기 제1흡착유입선택밸브(11)와 제2흡착유입선택밸브(12)가 구비되어 응축되어 수분이 일부 제거된 압축공기는 상기 한 쌍의 흡착타워(600) 중 일측으로 선택되어 유입될 수 있다.
상기 흡착타워(600)는 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생되는 흡착제가 충진된다.
구체적으로 상기 흡착제는 메탈 트리메세이트(metal trimesate)계 금속-유기 구조체(metal organic framework; 이하 'MOF') 또는 메탈 테레프탈레이트 (metal terephthalate)계 금속-유기 구조체 또는 실리코알루미노포스페이트 (silicoaluminophosphate)계 제올라이트일 수 있다.
상기 MOF는 다공성 배위 고분자 화합물로 결정성 골격을 가지며, 금속이온의 클러스터와 유기 리간드가 배위되어 골격을 형성한다.
상기 MOF는 실리카겔 또는 제올라이트에 비해 비표면적이 3 ~ 5배 더 넓고, 이에 따라 수분 흡착량도 2 ~ 4배 더 많아서 수분 흡착제로 사용이 가능하며, 에어드라이어의 흡착타워(600)에 흡착제로 사용하는 경우 비표면적이 증가되어 높은 수분 흡착량을 나타내고, 저온에서도 매우 효과적으로 탈착이 가능하다.
상기 MOF는 압축공기 생성 시 발생하는 압축열만을 회수하여도 흡착제가 흡착한 수분의 탈착이 가능하여 바람직하다.
구체적으로 상기 MOF 는 metal trimesate계 MIL-100X (X= Fe, Cr, Al 및V으로 이루어지는 금속 중 어느 하나임) 및 이의 유도체, metal terephthalate계 MIL-101X (X=Cr, Fe 및 Al로 이루어지는 금속 중 어느 하나임) 및 이의 유도체일 수 있다.
본 발명에서 상기 흡착제는 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 갖는 MIL-100Fe, MIL-101Cr 또는 SAPO-34일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 흡착타워에 충전된 흡착제의 흡착등온선이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 MIL-100Fe와 SAPO-34는 0.3 이하의 상대압력(P/P0)에서 랭뮤어형 수분 흡착등온선을 나타내며 또한 상대 습도 0 근처에서 흡착한 90% 이상을 탈착하여 저온에서 수분을 탈착하기 매우 용이하다.
반면 상업용 흡착제는 상대 습도 0 근처에서 흡착된 수분의30% 이하로 탈착하는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 흡착제는 압축공기의 압축열 만으로 수분을 탈착시켜 재생할 수 있으므로 건조공기 제조 효율을 증가시킬 수 있다.
또한 수분 함유량이 적어서 상대 습도가 낮으며 고품질의 건조공기를 소량 생산하는 경우에는 랭뮤어(Langmuir)형 흡착 등온선을 가지는 흡착제를 선택하는 것이 매우 바람직하다.
상기 압축공기로(10)를 통하여 유입된 압축공기는 흡착타워(600) 중 일측 제1흡착타워(610)로 유입되어 흡착제와 접촉되어 수분이 흡착되어 건조공기로 변화된다.
수분이 흡착된 건조공기는 건조공기유출로(40)를 따라 배출되어 애프터필터(700)에 전달된다.
상기 흡착타워(600)에서 생성되는 건조공기의 일부는 상기 열교환기(200)로 회수되고 압축열을 보유하는 압축공기와 열교환되어 온도가 70 내지 80 ℃로 가열될 수 있다.
상기 흡착타워(600)에서 생성되는 건조공기의 일부는 제1재생선택밸브(31)의 개방에 따라 바이패스되며, 건조공기도입로(20)를 따라서 상기 열교환기(200)에 도입되어 압축열을 가지는 압축공기와 열교환되어 가열된다.
가열된 건조공기는 가열건조공기도입로(30)를 따라 이송하고, 제2재생선택밸브(32)의 개방에 따라 다시 흡착타워 중 타측의 제2흡착타워(620)로 유입되어 흡착제를 가열하여 흡착제를 탈착시키고 퍼지배출밸브(15)를 통하여 배출된다.
상기 열교환기(200)를 통하여 압축공기 제조 시 발생되는 압축열을 건조공기에 전달하고 가열된 건조공기를 흡착제의 재생에 사용하여 건조공기 제조효율을 크게 증가시킬 수 있다.
상기 애프터필터(700)는 상기 흡착타워의 일측에서 연장되어 수분이 제거된 건조공기의 오염물질을 제거할 수 있다.
상기 건조공기의 품질이 수분의 함량만으로 결정되는 것이 아니며, 건조공기 중의 오염물질 함량이 제한되는 경우 상기 애프터필터(700)를 사용하여 오염물질 함량을 감소시켜 고품질의 건조공기를 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어의 구성을 나타낸 공정도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따란 에너지 절약형 에어드라이어는 컴프레서(100), 열교환기(200), 프리필터(300), 냉각건조기(400), 흡착타워(600), 및 애프터필터(500)를 포함한다.
상기 컴프레서(100)는 대기를 압축하여 압축공기를 형성한다.
상기 컴프레서(100)에서 대기를 압축하는 동안 압축열이 발행될 수 있으며, 상기 압축열은 열교환되어 회수될 수 있다.
상기 컴프레서(100)의 압축에 의하여 압축공기는 압축열로 인하여 80 내지 100 ℃로 가열된다.
상기 컴프레서(100)에서 압축된 압축공기는 열교환기(200)에 도입된다.
상기 열교환기(200)는 상기 컴프레서(100) 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수한다.
상기 열교환기(200)는 상기 컴프레서(100)가 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 과정에서 생성되는 80 내지 100 ℃의 압축열을 회수하여 건조공기에 압축열을 전달한다.
상기 압축열을 회수하지 않는 경우 폐열로 소실되나, 상기 열교환기(200)를 구비하여 일측으로 도입되는 건조공기와 예비 열교환하는 경우에는 압축열을 건조공기를 가열하는데 유용하게 사용할 수 있다.
이때 상기 압축공기는 열교환에 따른 열손실로 인하여 상온 30 내지 40 ℃로 냉각되며, 냉각으로 인하여 압축공기는 내의 수분의 일부가 응축되어 응축수가 발생된다.
상기 열교환기(200) 일측에는 세퍼레이터(210)가 구비된다.
상기 세퍼레이터(210)는 상기 열교환기(200) 일측에 배치되어 압축공기의 냉각으로 인하여 생성되는 응축수를 포집하여 배출할 수 있다.
상기 프리필터(300)는 상기 열교환기(200) 일측에 배치되며, 압축공기 중 오염물질을 제거한다.
상기 프리필터(300)에서 제거되는 오염물질은 수증기보다 평균입자 크기가 큰 것일 수 있다.
대기를 압축하는 경우 수분함량이 증가되고, 대기 중 먼지, 유분 등 오염물질 또한 증가되기 때문에 상기 프리필터(300)를 사용하면 오염물질을 제거하여 고품질의 건조공기를 제거할 수 있다.
상기 가열건조공기도입로(30)의 말단에는 제1재생선택밸브(31) 및 제2재생선택밸브(32)가 구비되어 가열된 건조공기가 한 쌍의 흡착타워(600) 중 일측의 흡착타워로 선택되어 도입될 수 있도록 한다.
상기MOF는 저온 재생이 가능하여 건조공기를 가열하지 않고 열교환기를 통하여 회수한 압축열만으로 흡착타워 내 충진된 흡착제의 재생이 가능하다.
상기 냉각건조기(400)는 상기 열교환기(200) 프리필터(300) 주위에 배치되며, 일측으로 냉매가 유입되어 상기 압축공기를 냉각하여 압축공기 중 수분을 응축시켜 응축수를 배출한다.
상기 냉각건조기(400) 일측에는 세퍼레이터(410)가 구비된다.
상기 세퍼레이터(410)는 상기 열교환기(200) 일측에 압축공기의 냉각으로 인하여 생성되는 응축수를 포집하여 배출할 수 있다.
상기 냉각건조기(400)는 일측으로 냉매가 도입되어, 상기 압축공기를 4 내지 6 ℃로 냉각하고, 압축공기 중의 수분을 응축수로 포집하여 배출할 수 있다.
상기 응축수는 세퍼레이터(410)에 포집되어 배출된다.
상기 열교환기(200)를 통하여 압축공기와 건조공기를 열교환하는 경우 에너지 소모 없이 열전달에 의하여 압축공기 중 포함된 전체 수분의 일부를 제거하고, 상기 냉각건조기(400)가 구비되는 경우 압축공기 중에 포함된 전체 수분의 일부를 더 제거할 수 있어서 매우 효과적이다.
상기 열교환기(200)에서 예비 열교환으로 수분을 제거하고, 다시 냉각건조기를 사용하여 본 열교환하는 경우 압축공기 중 수분은 전체 수분 흡착량 중에서 93 내지97 wt%가 제거될 수 있다.
따라서 상기 열교환기(200) 및 냉각건조기(400)를 통하여 압축공기 중의 수분을 다량 제거하여 흡착타워(600)가 흡착해야 하는 수분의 부하를 크게 감소시켜, 흡착제 재생효율을 증가시킬 수 있다.
상기 냉각건조기(400)를 통하여 수분이 제거된 압축공기는 압축공기로(10)를 통하여 흡착타워(600)에 유입된다.
상기 압축공기로(10)의 말단에는 제1흡착유입선택밸브(11)와 제1흡착유입선택밸브(12)가 설치된다.
상기 제1흡착유입선택밸브(11)와 제1흡착유입선택밸브(12)가 구비되어 수분이 일부 제거된 압축공기는 상기 한 쌍의 흡착타워(600) 중 일측으로 선택되어 유입될 수 있다.
상기 흡착타워(600)는 한 쌍으로 구비되어 제1흡착타워(610)과 제2흡착타워(620)으로 이루어지고, 상기 냉각건조기(400)와 연결되며, 흡착제가 충전되어 제1흡착유입선택밸브(11) 또는 제1흡착유입선택밸브(12)의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 수분이 흡착되어 건조공기를 형성하거나, 상기 열교환기(200)에서 회수되는 압축열을 보유하는 건조공기를 전달받아 흡착제의 수분을 탈착시킨다.
상기 흡착타워(600)는 일측으로 압축공기로(10)와 연결되며, 타측으로 건조공기유출로(40)와 연결되며, 퍼지배출밸브(15)를 구비한다.
상기 건조공기유출로(40)는 일단에 제1 건조공기유출선택밸브(41) 및 제2 건조공기유출선택밸브(42)를 구비하여 한 쌍의 흡착타워(600) 중 일측의 흡착타워에서 배출된 제조된 건조공기를 건조공기유출로(40)를 따라 애프터필터(700)에 전달할 수 있다.
상기 흡착타워(600)는 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생 가능한 에너지 절약형 흡착제가 충진된다.
구체적으로 metal trimesate계 금속-유기 구조체(metal organic framework) 또는 metal terephthalate계 금속-유기 구조체 또는 silicoaluminophosphate계 제올라이트일 수 있다.
상기 MOF는 다공성 배위 고분자 화합물로 결정성 골격을 가지며, 금속이온의 클러스터와 유기 리간드가 배위되어 골격을 형성한다.
상기 MOF는 실리카겔 또는 제올라이트에 비해 비표면적이 3 ~ 5배 더 넓고, 이에 따라 수분 흡착량도 2 ~ 4배 더 많아서 수분 흡착제로 사용이 가능하며, 에어드라이어의 흡착타워에 흡착제로 사용하는 경우 비표면적이 증가되어 높은 수분 흡착량을 나타내고, 저온에서도 매우 효과적으로 탈착이 가능하다.
따라서 압축공기 생성 시 발생하는 압축열 만을 회수하여도 흡착제가 흡착한 수분의 탈착이 가능하다
한편 알루미노실리케이트 제올라이트는 재생온도가 MOF 보다 매우 높아서 건조공기 생산 공정에서 에너지가 추가적으로 소모되며, 낮은 상대습도부터 높은 상대습도까지 수분 흡착력이 우수하여 상대습도가 낮은 압축공기에서도 수분을 흡착하여 고품질 건조공기를 생산할 수 있으나, 상대 습도가 낮은 압축공기를 대량으로 생산하는 경우에는 적합하지 않다.
수분이 다량으로 함유되어 상대 습도가 높으며, 대량으로 건조공기를 생산하는 경우에는 MOF를 흡착제로 선택하고, 수분 함유량이 적어서 상대 습도가 낮으며 고품질의 건조공기를 소량 생산하는 경우에는 랭뮤어(Langmuir)형 흡착 등온선을 가지는 흡착제를 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 흡착제는 MIL-100Fe 또는 SAPO-34일 수 있다.
상기 일측 흡착타워를 통과한 압축공기는 흡착제와 접촉되어 수분이 흡착되어 건조공기로 변화된다.
상기 흡착타워(600)는 도입되는 압축공기 중의 수분을 총 수분 흡착량 대비 1 내지 30 wt%의 수분을 흡착하여 건조공기를 배출할 수 있다.
상기 흡착타워(600)를 통과하여 수분이 흡착된 건조공기는 상기 건조공기유출로(40)를 따라 애프터필터(700)에 전달된다.
한편 상기 흡착타워(600)에서 생성되는 건조공기의 일부는 바이패스되어 건조공기도입로(20)를 따라서 상기 열교환기(200)에 도입되어 압축열을 가지는 압축공기와 열교환하여 가열된다.
상기 건조공기도입로(20)의 일단에는 제1흡착유출선택밸브 (21) 및 제2 흡착유출선택밸브(22)가 구비되어 건조공기도입로(20)로 건조공기의 도입여부를 결정할 수 있다.
상기 흡착타워(600)에서 생성되는 건조공기의 일부는 상기 열교환기(200)로 회수되고 압축열을 보유하는 압축공기와 열교환되어 70 내지 80 ℃로 가열될 수 있다.
상기 열교환기(200)는 가열건조공기도입로(30)를 통하여 상기 한 쌍의 흡착타워(600)와 연결된다.
상기 열교환기(200)에서 가열된 건조공기는 가열건조공기도입로(30)를 따라 한 쌍의 흡착타워(600) 중 타측 흡착타워(620)로 유입되어 흡착제를 가열하여 흡착제를 탈착시키고 퍼지배출밸브(15)를 통하여 배출된다.
상기 열교환기(200)를 통하여 압축공기 제조 시 발생되는 압축열을 건조공기에 전달하고 가열된 건조공기를 흡착제의 재생에 사용하여 건조공기 제조효율을 크게 증가시킬 수 있다.
상기 흡착제는 70 내지 80 ℃에서 재생이 가능하기 때문에 가열된 건조공기를 통하여 재생되며, 재생에 소모되는 에너지를 추가할 필요가 없어서 에어드라이어의 전체 효율을 크게 증가시킨다.
상기 애프터필터(700)는 상기 흡착타워(600)의 일측에서 연장되어 수분이 제거된 건조공기의 오염물질을 제거한다.
상기 건조공기의 품질이 수분의 함량만으로 결정되는 것이 아니며, 오염물질 함량이 결정되는 경우 상기 애프터필터(700)를 사용하여 오염물질 함량을 감소시켜 고품질의 건조공기를 제조할 수 있다.
상기 건조공기는 흡착타워(600)를 통과하여 함유되는 수분이 압력하 노점 -40℃ 이하이고, 오염물질이 제거되어 고품질 건조공기를 요구하는 공정에 사용될 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 흡착제의 선택을 위하여 시간에 따른 흡착성능을 확인하여 생산 사이클을 확인하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착제 종류에 따른 수분 파과곡선이다.
우선 도 7을 참조하면, 상업용 흡착제(molecular sieve+silica gel)의 경우 건조 공기 생산 단계에서180분 이후부터 수분의 파과곡선이 나타나며, SAPO-34의 경우도 상업용 흡착제와 비슷한 파과곡선을 나타내었다.
이에 반해 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 탈착 성능을 보이는 MIL-100Fe의 경우 수분의 파과곡선이 220분 이후부터 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
또한 저온 탈착 성능이 우수한 Al-fumarate의 경우 수분의 파과곡선이 20분 이후부터 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
Cu-BTC의 경우 80분 이후부터 수분의 파과곡선이 나타나는 것을 확인하였다.
따라서 수분 흡착 성능만을 비교하면 MIL-100Fe가 가장 높고 SAPO-34, 상업용 흡착제(molecular sieve + silica gel), Cu-BTC, Al-fumarate 순으로 나타나는 것을 확인하였다.
이 흡착제 중 성능이 우수한 MIL-100Fe 및 상업용 흡착제(molecular sieve+silica gel) 흡착제에 대한 건조 공기 생산 사이클을 진행하였다.
도 8은 종래의 상업용 흡착제(molecular sieve+silica gel)에 대한 건조공기 생산 사이클을 나타낸 곡선이다.
도 8를 참조하면, 수분 흡탈착 사이클 결과는 흡착 온도 30℃, 흡착압력 7 bar, 흡착 유량 4 L/min, 흡탈착 사이클 시간 120분(흡착 60분, 탈착 60분), 탈착 유량 0.3 L/min 및 탈착 온도 140 ~ 160℃로 진행하였다.
상업용 흡착제의 경우, 140 ℃에서 수분을 탈착할 경우 3번째 사이클부터 재생이 안 되는 것을 알 수 있다.
반면, 160 ℃로 수분을 탈착할 경우 10 사이클 이상까지 수분 흡탈착이 반복되는 것을 확일 할 수 있었다.
상업용 흡착제의 경우 건조공기를 생산하기 위하여 고온으로 반복 재생하여야 하는 것을 확인하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIL-100 흡착제에 대한 건조공기 생산 사이클을 나타낸 곡선이다.
도 9를 참조하면, 수분 흡탈착 사이클 결과는 흡착 온도 30 ℃, 흡착압력 7 bar, 흡착 유량 4 L/min, 흡탈착 사이클 시간 170분(흡착 85분, 탈착 85분), 탈착 유량 0.3 L/min 및 탈착 온도 60~80도로 진행하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MIL-100Fe 흡착제의 경우 80℃에서 수분을 탈착할 경우 20 사이클 이상까지 수분 흡탈착이 반복되는 것을 확인 할 수 있었다.
이는 상압용 흡착제 대비 80 ℃ 이상의 탈착 온도를 감소 시킬 수 있는 것을 확인 할 수 있었다.
따라서 본 발명의 일 실시예에서는 수분흡착량, 생산 사이클 및 탈착온도를 고려하여 랭뮤어(Langmuir)형 흡착 등온선을 따르는 MIL-100Fe 또는 SAPO-34를 흡착제로 선정하였다.
이하에서 에너지 절약형 에어드라이어의 작동순서를 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 흡착공정이 수행되는 경우 압축공기의 흐름을 나타낸 공정도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 절약형 에어드라이어에 있어서 탈착공정이 수행되는 경우 건조공기의 흐름을 나타낸 공정도이다.
도 4를 참조하여 흡착사이클을 설명하면, 컴프레서(100)에서 생성된 압축공기는 열교환기(200)를 거처 예비 열교환으로 압축공기 중 일부 수분이 제거되고, 다시 냉각건조기(400)에 도입된다.
상기 냉각건조기(400)에서 압축공기는 냉매와 본 열교환으로 냉각되며 수분의 일부가 냉각되어 응축수를 형성한다.
수분이 일부 제거된 압축공기는 압축공기로(10)를 따라 일측의 흡착타워(610)에 유입되고 흡착제와 접촉되어 수분이 흡착된다.
상기 압축공기는 압축공기로(10)의 말단에 구비되는 제1흡착유입선택밸브(11)가 개방되어 일측의 흡착타워에 유입되며, 이 때 타측 흡착타워(620)에 연결된 제2흡착유입선택밸브(12)는 폐쇄된다.
상기 흡착타워(610)는 압축공기의 수분을 흡착하여 건조공기를 생산한다.
상기 한 쌍의 흡착타워(600) 일측에 구비된 퍼지배출밸브(15)는 폐쇄되며, 건조공기유출로(40) 말단에 구비된 제1건조공기유출선택밸브(41)가 개방되어 상기 건조공기는 건조공기유출로(40)를 따라 이동하여 애프터필터(700)에 전달된다.
상기 건조공기는 애프터필터(700)에서 여과되어 고품질의 건조공기를 요구하는 공정에 전달된다.
한편 상기 건조공기는 일부가 바이패스되어 상기 열교환기(200)로 전달된다.
상기 흡착타워(610)에서 생성된 건조공기는 제1흡착유출선택밸브(21)가 개방되어 건조공기도입로(20)를 따라 열교환기(200)로 유입된다.
상기 열교환기(200)에서 압축공기의 압축열을 전달받아 후술하는 탈착사이클로 도입된다.
상기 애프터필터(700)는 건조공기를 여과하여 오염물질을 제거하고 건조공기를 배출한다.
도 5를 참조하여 탈착사이클을 설명하면, 상기 제1흡착유출선택밸브(21)가 개방되고, 건조공기는 건조공기도입로(20)를 따라 열교환기(200)로 유입된다.
상기 건조공기는 열교환기(200)에서 압축되어 압축열이 생성된 압축공기와 예비 열교환하여 압축열을 전달받아 가열된다.
상기 건조공기는 80 내지 100 ℃로 가열될 수 있다.
상기 가열건조공기도입로(30) 말단에 배치된 제1재생선택밸브(31)가 폐쇄되며, 제2재생선택밸브(32)가 개방되어 가열된 건조공기는 타측의 흡착타워(620)로 유입된다.
이 때 상기 가열된 건조공기는 흡착타워(620)의 하방을 향하여 이동하면서 수분을 함유한 흡착제를 탈착시킨다.
압축공기가 유입되어 수분을 흡착하는 경우 흡착타워의 하부에 위치하는 흡착제가 먼저 수분을 흡착하고 상부의 흡착제는 수분이 거의 흡착되지 않는다.
가열된 건조공기는 흡착타워(600)의 상부에서 도입되어 하방으로 이동하는 경우 수분이 흡착되지 않은 흡착제에 영향을 주지 않고, 하부에 위치하여 수분을 다량 함유하는 흡착제 만을 가열하여 효과적으로 탈착할 수 있다.
상기 타측의 흡착타워(620)는 흡착사이클을 통하여 수분이 흡착된 상태의 흡착된 것일 수 있으며, 최초 흡착공정 전에 잔류하는 소량의 수분을 탈착시키기 위하여 준비가 필요한 흡착타워(620)일 수 있다.
상기 가열된 건조공기는 흡착제가 흡착한 수분을 탈착시키고 흡착제를 재생시킨 후에 흡착타워(620) 일측에 구비된 퍼지배출밸브(15)가 개방되어 배출된다.
상기 흡착타워(600)는 한 쌍으로 구비되어, 일측 흡착타워에 흡착제가 수분을 흡착하며, 타측 흡착타워는 건조공기 유입되어 수분을 탈착하여 흡착제를 재생하게 되며, 수분의 흡착과 탈착을 교대로 반복 수행하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 절약형 에어드라이어를 통한 건조공기 제조방법의 순서를 나타낸 공정흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명은 대기를 압축하여 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 단계(제1단계):
압축공기를 열교환하여 예비 냉각하는 단계(제2단계);
압축공기를 냉각건조기에 도입하고 냉매와 열교환하여 응축수를 형성하고 배출하여 압축공기 중 수분을 일부 제거하는 단계(제3단계);
수분이 일부 제거된 압축공기를 흡착제와 접촉시켜 건조공기를 제조하는 단계(제4단계);
건조공기 일부를 바이패스하고 압축되어 압축열을 가지는 압축공기와 열교환하여 건조공기를 가열하는 단계(제5단계); 및
상기 가열된 건조공기를 수분이 흡착된 흡착제와 접촉시켜 수분을 탈착시키는 단계(제6단계)를 제공한다.
우선 대기를 압축하여 압축공기를 생성한다(S100).
상기 압축공기를 형성하는 과정에서 압축열을 생성한다.
상기 압축열을 열교환으로 회수하여 흡착제에 흡착된 수분을 탈착할 수 있다.
압축공기는 열교환기를 통하여 열교환으로 예비냉각되며, 이 때 압축공기 내의 일부 수분이 응축되어 배출된다(S200).
상기 냉각건조기에서는 본 열교환이 수행되며, 냉매에 의한 압축공기의 냉각으로 압축공기의 내의 수분을 다량 응축하여 배출할 수 있다(S300).
상기 S200 및 S300의 열교환을 통하여 압축공기 중 수분은 총 수분 흡착량 중에서 85 내지95 wt%가 제거될 수 있다.
상기 열교환을 통하여 압축공기 중의 수분은 다량으로 제거된 이후에 흡착제와 접촉하여 흡착제의 수분 흡착량의 부하를 크게 감소시킬 수 있다.
이후에 수분이 일부 제거된 압축공기를 흡착제와 접촉시켜 건조공기를 제조한다(S400).
상기 S400에서 상기 흡착제는 흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생 가능한 에너지 절약형 흡착제가 충진된다.
구체적으로 metal trimesate계 금속-유기 구조체(metal organic framework) 또는 metal terephthalate계 금속-유기 구조체 또는 silicoaluminophosphate계 제올라이트일 수 있다.
상기 흡착제는 종래의 상용 흡착제에 비교하여 저온에서 수분이 탈착되어 재생 가능하여 건조공기 제조비용 및 공정 효율을 크게 증가시킨다.
상기 수분이 일부 제거된 압축공기는 흡착제와 접촉하여 수분이 흡착되어 건조공기로 변화된다.
상기 S400에서 압축공기를 흡착제와 접촉시켜 총 수분 중 1 내지 30 wt%의 수분을 흡착할 수 있다.
상기 흡착제와 접촉되어 수분이 흡착된 건조공기는 압력하 노점이 -40℃ 이하인 고품질 건조공기일 수 있다.
상기 흡착제와 접촉되어 수분이 흡착된 건조공기의 일부는 회수되어 제2단계의 열교환 공정으로 도입되고, 압축열을 가지는 압축공기와 열교환되어 가열된다.
가열된 건조공기는 다시 수분이 흡착된 흡착제와 접촉시켜 수분을 탈착시켜 흡착제를 재생한다.
상기 S400 및 S600은 서로 교차하여 수행될 수 있으며, S100에서 S400까지 건조공기를 제조하는 단계들은 고품질 건조공기를 수득하기 위하여 반복 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법에 의하면, 저온 재생이 가능한 흡착제를 선택하고 압축공기 제조 시 생성되는 압축열을 열교환으로 회수하여 수분이 흡착된 흡착제를 탈착시키는 재생공정을 완성하여 고품질의 건조공기를 에너지를 저감하여 대량으로 생산할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 에너지 절약형 에어드라이어 및 이를 이용한 건조공기 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 압축공기로 11 : 제1흡착유입선택밸브
12 : 제2흡착유입선택밸브 21 : 제1흡착유출선택밸브
22 : 제2흡착유출선택밸브 15 : 퍼지배출밸브
20 : 건조공기도입로 30 : 가열건조공기도입로
31 : 제1재생선택밸브 32 : 제2재생선택밸브
40 : 건조공기유출로 41 : 제1건조공기유출선택밸브
42 : 제2건조공기유출선택밸브
100 : 컴프레서 200 : 열교환기
210 : 세퍼레이터 300 : 프리필터
400 : 냉각건조기 410 : 세퍼레이터
600 : 흡착타워 610 : 제1흡착타워
620 : 제2흡착타워 700 : 애프터필터

Claims (13)

  1. 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 컴프레서;
    상기 컴프레서 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수하는 열교환기;
    상기 열교환기 일측에 배치되며, 압축공기 중 오염물질을 제거하는 프리필터;
    상기 프리필터와 연통되며, 흡착제가 충전되어 밸브의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 수분이 흡착되어 건조공기를 형성하거나, 상기 열교환기에서 회수되는 압축열을 보유하는 건조공기를 전달받아 흡착제의 수분이 탈착되는 한 쌍의 흡착타워; 및
    상기 흡착타워의 일측에서 연장되어 수분이 제거된 건조공기의 오염물질을 제거하는 애프터필터를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착제는
    흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생되는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 흡착제는
    메탈 트리메세이트(metal trimesate)계 금속-유기 구조체(metal organic framework) 또는 메탈 테레프탈레이트(metal terephthalate)계 금속-유기 구조체 또는 실리코알루미노포스페이트(silicoaluminophosphate)계 제올라이트인 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착타워에서 생성되는 건조공기의 일부는 상기 열교환기로 회수되고 압축열을 보유하는 압축공기와 열교환되어 가열되는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  5. 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 컴프레서;
    상기 컴프레서 일측에 배치되며, 압축공기의 압축열을 회수하는 열교환기;
    상기 열교환기 일측에 배치되며, 압축공기 중 불순물을 제거하는 프리필터;
    상기 프리필터 주위에 배치되며, 일측으로 냉매가 유입되어 상기 압축공기를 냉각하여 압축공기 중 수분을 응축시켜 응축수를 배출하는 냉각건조기;
    상기 냉각건조기와 연결되며, 흡착제가 충전되어 밸브의 개폐에 따라 압축공기가 유입되어 수분이 흡착되어 건조공기를 형성하거나, 상기 열교환기에서 회수되는 압축열을 보유하는 건조공기를 전달받아 흡착제의 수분이 탈착되는 한 쌍의 흡착타워; 및
    상기 흡착타워의 일측에서 연장되어 수분이 제거된 건조공기의 불순물을 제거하는 애프터필터를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 흡착제는
    흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생되는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 흡착제는
    메탈 트리메세이트(metal trimesate)계 금속-유기 구조체(metal organic framework) 또는 메탈 테레프탈레이트(metal terephthalate)계 금속-유기 구조체 또는 실리코알루미노포스페이트(silicoaluminophosphate)계 제올라이트인 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 열교환기는
    상기 컴프레서가 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 과정에서 생성되는 압축열을 회수하여 건조공기에 압축열을 전달하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 흡착타워에서 생성되는 건조공기의 일부는 상기 열교환기로 회수되고 압축열을 보유하는 압축공기와 열교환되어 가열되는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 냉각건조기는
    일측으로 냉매가 도입되어, 상기 건조공기를 4 내지 6 ℃로 냉각하고, 건조공기 중의 수분을 응축수로 포집하여 배출하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 흡착타워는
    도입되는 압축공기 중의 수분을 총 수분 흡착량 대비 1 내지 30 wt%의 수분을 흡착하여 건조공기를 배출하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어.
  12. 대기를 압축하여 압축공기를 형성하는 단계(제1단계):
    압축공기를 열교환하여 예비 냉각하는 단계(제2단계);
    압축공기를 냉각건조기에 도입하고 냉매와 열교환하여 응축수를 형성하고 배출하여 압축공기 중 수분을 일부 제거하는 단계(제3단계);
    수분이 일부 제거된 압축공기를 흡착제와 접촉시켜 건조공기를 제조하는 단계(제4단계);
    건조공기 일부를 바이패스하고 압축되어 압축열을 가지는 압축공기와 열교환하여 건조공기를 가열하는 단계(제5단계); 및
    상기 가열된 건조공기를 수분이 흡착된 흡착제와 접촉시켜 수분을 탈착시키는 단계(제6단계)를 포함하는 에너지 절약형 에어드라이어를 통한 건조공기 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제4단계에서
    상기 흡착제는
    흡착등온선에서 상대 습도 10 % (P/P0 ≤ 0.1) 이하 영역에서 흡착제 중량 대비 10 wt% 이상의 수분 흡착량을 가지며, 흡착 단계에서 흡착제의 흡착된 수분이 100도 이하의 건조공기로 재생되는 메탈 트리메세이트(metal trimesate)계 금속-유기 구조체(metal organic framework) 또는 메탈 테레프탈레이트(metal terephthalate)계 금속-유기 구조체 또는 실리코알루미노포스페이트(silicoaluminophosphate)계 제올라이트인 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 에어드라이어를 통한 건조공기 제조방법.
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