KR860002063B1 - 혼합가스의 흡착분리 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

혼합가스의 흡착분리 장치

제1도는 종래의 공기의 흡착분리방법을 실시하는 장치의 블록선도 제2도 및 제3도는 각각 본 발명의 실시의 태양예의 블록선도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1)(2) : 흡착탑 (3)(4)(5)(6) : 집합관

(7)(9)(11)(13)(15)(17)(19)(21)(23)(25)(36)(68)(70) : 밸브

(8)(14) : 공기공급관 (10)(16) : 공기배출관

(12)(18)(53)(55) : N₂가스송출관 (20)(24)(51)(52) : O₂가스송출관

(22)(26) : O₂가스공급관 (27)(31) : 모우터

(28) : 승압기 (29) : 공기공급주관

(30) : 공기배출주관 (32) : 진공펌프

(34) : 감압밸브 (33)(58) : N₂가스송출주관

(35)(57) : O₂가스송출주관 (54)(56) : N₂가스공급관

(37) : O₂가스공급주관 (59) : N₂가스공급주관

(60) : 수냉식최종냉각기 (61)(62) : 열교환기

(63) : 팽창터어빈 (64)(65) : 연결관

(66) : N₂가스이송관 (67) : N₂가스환수주관(return mainpipe)

(69)(71) : N₂가스환수관(return pipe)

본 발명은 혼합가스, 예를들면 산소와 질소로 이루어진 공기, 혹은 공기와 습기분의 어느 하나의 특정가스를 흡착제에 흡착시켜서 분리하는 혼합가스의 흡착분리장치에 관한 것이다.

먼저, 공기를 O₂와 N₂로 분리하는 일반적인 흡착분리장치에 대하여 제1도에 의거하여 설명한다.

흡착탑(1)(2)의 양쪽에는 집합관(3)(4)(5)(6)이 부착되어 있다. 집합관(3)에는, 도중에 밸브(7)를 가진 공기공곱관(8), 도중에 밸브(9)를 가진 공기배출관(10) 및 도중에 밸브(11)를 가진 N₂가스송출관(12)이 연결되고, 집합관(5)도 마찬가지로 도중에 밸브(13)를 가진 공기공급관(14), 밸브(15)를 가진 공기배출관(16) 및 밸브(17)를 가진 N₂가스송출관(18)이 연결되어 있다. 집합관(4)에는, 도중에 밸브(19)를 가진 O₂가스송출관(20)관 밸브(21)를 가진 O₂가스공급관(22)이 연결되고, 집합관(6)도 마찬가지로 밸브(23)를 가진 O₂가스송출관(24)과 밸브(25)를 가진 O₂가스공급관(26)이 연결되어 있다. 공기공급관(8)(14)은 모우터(27)로 구동되는 승압기(28)와 연통된 공기공급주관(29)과 연결되어 있다. 승압기(28)의 하류측의 공기주관(29)의 도중에는 냉각기(42)가 배치되어 있다. 공기배출관(10)(16)은 공기배출주관(30)과 연결되고 O₂가수송출관(12)(18)은 모우터(31)로 구동되는 진공펌프(32)와 연통한 N₂가스송출주관(33)과 연결되어 있다.

O₂가스송출관(20)(24)는 도중에 감압밸브(34)를 가진 O₂가스송출주관(35)과 연결되어 있다. O₂가스공급관(22)(26)은 감압밸브(34)의 상류측에서 O₂가스송출주관(35)으로부터 분기되어, 도중에 밸브(36)를 가진 O₂가스공급주관(37)과 연결하고 있다.

흡착탑(1)(2)의 각각에는 N₂가스를 흡착하는 흡착제가 충전되어 있다. 공기는 모우터(27)로 구동되는 승압기(28)로 가압된 공기가 공기공급주관(29)를 통해서 흐르고 도중 냉각기(42)에서 공기는 냉각된다. 이제 흡착탑(1)에서 흡착공정, 흡착탑(2)에서 탈착공정이 행하여진다고 가정한다.

흡착탑(1)측의 밸브(7)와 밸브(19)를 열고 밸브(9)(11)(21)를 닫으며, 공기공급주관(29)내를 흐른 가압공기는, 공기공급관(8)에 흐르고, 밸브(7)를 지나서 집합관(3)에 들어가서 집합관(3)으로부터 흡착탑(1) 내에 들어간다. 가압공기가 흡착탑(1)내에 들어가서, 흡착탑(1)내를 통과할때, 흡착제에 의해서 공기중의 N₂가스가 흡착되고, 남은 O₂가스가 집합관(4)에서 꺼내져서 O₂가스는 밸브(19)를 지나서 O₂가스송출관(20)으로부터 O₂가스송출주관(35)에 들어가 감압밸브(34)를 통과해서 O₂가스는 상압(常壓)에 감압되어서 소정기기에 송출된다.

한편 흡착탑(2)에 있어서는, 탈착공정이 실시되나 먼저 밸브(15)를 열고, 다른 밸브(13)(17)(23)(25) 및 (36)을 닫는다. 밸브(15)를 열으므로서 흡착탑(2)내의 O₂가스가 주제가 되는 공기를 집합관(5)에서 꺼내고 밸브(15)를 지나서 공기배출관(18), 공기배출주관(30)을 통과시켜서 배출한다. 공기의 배출에 의해서 흡착탑(2)내가 소정압력, 예를들면 상압위(常壓位)까지 감압하면 밸브(15)를 닫고, 다음에 밸브(17)를 열음과 동시에 모우터(31)로 구동되는 진공펌프(32)로 N₂가스송출주관(33), N₂가스송출관(18) 및 밸브(17)를 게재해서 흡착탑(2)내를 다시 감압해서, 흡착제흡착된 N₂가스를 탈착시킨다. N₂가스를 탈착하고, 흡착탑(2)에서 송출한 후, 밸브(17)를 닫고, 밸브(36)(25)를 열고, O₂가스 송출주관(35)내를 흐르고 있는 가압 O₂가스의 1부(部)를 O₂가스공급주관(37), O₂가스공급관(26), 집합관(6)을 통과해서 흡착탑(2)내에 도입해서 흡착탑(2)내를 승압한다.

이러한 종래의 장치에 의하면, 원료가스인 공기를 승압시키기 위한 에너지 및 승압후의 공기를 냉각시키기 위한 에너지가 필요하며, 이들 에너지를 유효하게 회수하는 것은 아니었다.

그래서 본 발명은, 에너지 회수가 유효하게 행할 수 있는 혼합가스의 흡착분리방법을 이용하는 장치를 제공하는 목적으로 해서 이루어진 것으로써, 본 발명은 승압기로 승압된 후, 냉각된 상기 혼합가스를 흡착제가 충전되어 있는 흡착팀에 공급하여, 상기 혼합가스 중의 흡착성분가스를 상기 흡착제에 흡착시켜, 또한 남은 비흡착성분 가스를 상기 흡착탑에서 송출시켜서, 상기 혼합가스를 분리하는 혼합가스의 흡착분리하는 방법의 장치에 있어서, 상기 흡착탑에서 송출되는 상기 비흡착성분 가스와 승압후의 상기 혼합가스와의 열교환을 행하여 상기 혼합가스를 냉각하고, 상기 열교환후의 상기 비흡착성분가스를 상기 승압기를 작동시키는 단열팽창기관에 공급하여 동단열팽창기관을 구사하여, 동 단열팽창기관으로부터 배출되는 상기 비흡착 성분 가스와 승압전의 상기 혼합가스와의 열교환을 행하여, 상기 혼합가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 혼합가스의 흡착분리장치를 제공하는 것이다.

본 발명 방법에 의하면 흡착탑에서 나오는 비흡착성분 가스를 단열 팽창기관에 보내서, 단열팽창기관을 구동하여, 단열팽창기관에 의하여 승압기를 작동시키기 위하여 혼합가스 가압을 위한 에너지 1부를 회수 할 수 있고, 또한 단열팽창기관에 들어가기 전의 비흡착성분 가스를 승압후의 혼합가스와의 열교환을 행하여 승압후의 혼합가스를 냉각시킴으로서 비흡착성분 가스의 온도를 올리기 때문에, 팽창기관에서 나오는 저온의 비흡착가스와 승압전의 공기와의 열효율에 의하여 혼합가스를 저온으로 하여 혼합가스를 승압시킴으로 냉열을 유요하게 회수하는 동시에 승압기의 효율을 상승시킬 수가 있을 뿐만 아니라, 상기 흡착탑에서 송출되는 상기 비흡착성분 가스와 승압전의 혼합가스와의 열교환을 행하여 상기 승압기를 작동시키는 단열팽창기관에 공급하여 동 단열팽창기관을 구동하여 이 단열팽창기관에서 배출되는 상기 비흡착성분가스와 승압후의 상기 혼합가스와의 열교환을 행하여 혼합가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 혼합가스의 흡착분리장치를 제공하려는데 있다.

또한 본 발명의 장치에 의하여 흡착탑에서 나오는 비흡착성분가스를 단열팽창기관에 보내서 단열팽창기관을 구동하여, 이 단열팽창기관에 의하여 승압기를 작동시키기 위하여 혼합가스 가압을 위한 에너지의 1부를 회수할 수 있고 또한 단열팽창기관에 들어가기 전의 비흡착성분가스는 승압전의 혼합가스와의 열교환을 행하여 승압전의 혼합가스를 냉각시킴으로서 비흡착성분가스의 온도를 올리기 때문에 단열팽창기관의 출력엎(scale up)과 승압기의 효율을 상승시킬 수 있고, 또 흡착탑에서 나오는 비흡착성분가스의 냉열도 회수 할 수 있고, 또한 단열팽창기관에서 나온 비흡착성분가스의 냉열에 의하여, 승압후의 혼합가스를 냉각시킴으로써 냉열의 유효이용을 이용있게 본 발명의 장치를 제공하는 데 있다. 다음에 본 발명을 제2도에 표시하는 제1의 실시의 태양예의 의거하여 구체적으로 설명한다.

흡착탑(1)(2)내에는 O₂를 흡착하는 흡착제, 예를들면 순수한 Na-A형 제올라이트에 적어도 2가 이상의 가수를 가진 철을 용해한 제올라이트(이하 Fe-Na-A형 제올라이트 함) 혹은, 순수한 Na-A형 제올라이트에 적어도 2가 이상의 가수를 가진 철을 용해하고, 또한 Na의 일부를 K로 교환한 제올라이트(이하 Fe-K-Na-A형 제올라이트라 함)가 충전되어 있다. 흡착탑(1)(2)의 양측에는, 집합관(3)(4)(5)(6)이 부착되어 있다.

집합관(3)에는 도중에 밸브(7)를 가진 공기공급관(8), 도중에 밸브(9)를 가진 공기배출관(10) 및 도중에 밸브(11)를 가진 O₂가스송출관(51)이 연결되고, 집합관(5)도 마찬가지로, 도중에 밸브(13)를 가진 공기공급관(14), 밸브(15)를 가진 공기배출관(16), 및 밸브(17)를 가진 O₂가스송출관(52)이 연결되어 있다. 집합관(4)에는, 도중에 밸브(19)를 가진 N₂가스송출관(53)과 밸브(21)를 가진 N₂가스공급관(54)가 연결되고, 집합관(6)도 마찬가지로 밸브(23)를 가진 N₂가스송출관(55)과 밸브(25)를 가진 N₂가스공급관(56)이 연결되어 있다. 공기공급관(8)(14)은, 모우터(27)로 구동되는 승압기(28)와 연통된 공기공급주관(29)과 연결되어 있다. 공기배출관(10)(16)은, 공기배출주관(30)과 연결되고, O₂가스송출관(51)(52)은 모우터(31)로 구동되는 진공펌프(32)와 연통된 O₂가스송출주관(57)과 연결되어 있는 N₂가스공급관(53)(55)은 N₂가스송출주관(58)과 연결되어 있다.

N₂가스공급관(54)(56)은 감압밸브(36)의 상류측에서 N₂가스송출주관(58)으로부터 분기하고, 도중에 밸브(36)를 가진 N₂가스공급주관(59)과 연결되어 있다. 승압기(28)의 하류측의 공기공급주관(29)에는, 상류측으로부터 차례로, 수냉식 최종냉각기(60), 열교환기(61), 냉각기(42)가 배치되어 있다. 또 승압기(28)의 상류측의 공급공급주관(29)에도 열교환기(62)가 배치되어 있다. N₂가스송출주관(58)은 열교환기(61)의 냉매 입구측에 연결되고, 열교환기(61)의 냉매출구측은 모우터(27)와연결된 팽창터어빈(63)의 입구측과 연결판(64)에 의해서 연통하고, 팽창터어빈(63)의 출구측은 열교환기(62)의 냉매 입구측과 연결관(65)에 의해서 연통되어 있다. 열교환기(62)의 냉매축구측에는 N₂가스이송관(66)이 설치되어 있다.

흡착탑(1)(2)의 각각에는 O₂가스를 흡착하는 흡차제가 충전되어 있다. 공기는 열교환기(62)에서 냉각되고 모우터(27)로 구동되는 승압기(28)로 가압되어서 공기공급주관(29)를 지나서 흐르는 도중, 수냉식 최종냉각기(60), 열교환기(61), 냉각기(42)로 냉각된다. 이제, 흡착탑(1)에서 흡착공정, 흡착탑(2)에서 탈착공정이 행하여진다고 가정한다.

흡착탑(1)측의 밸브(7)(19)를 열고, 밸브(9)(11)(21)를 닫는다. 공기공급주관(29)내를 흐른 가압공기는, 공기공급관(8)에 흘러서, 밸브(7)를 지나서 집합관(3)으로 들어가고, 집합관(3)으로부터 흡착탑(1)내로 들어간다. 가압공기가 흡착탑(1)내로 들어가서, 흡착탑(1)내를 통과할때, 흡착제에 의해서 공기중의 O₂가스가 흡착되고, 남은 N₂가스가 집합관(4)에서 꺼내어져서, N₂가스를 밸브(19)를 지나서 N₂가스송출관(53)으로부터, N₂가스송출주관(58)에 들어가, N₂가스송출주관(58)을 지나서 열교환기(61)에 공급된다. 열교환기(61)에서 승압후의 공기와 열교환을 행하고, 공기는 냉각되고, N₂가스는 온도가 상승한다. 온도가 상승한 N₂가스는 연결관(64)을 지나서 팽창터어빈(63)에 들어가서, 단열팽창을 행한다. 팽창터어빈(63)의 출력은 모우터(27)로 들어가서, 모우터(27)의 부하를 경감한다. 단열팽창을 행한 N₂가스는 저온이 되고, 연결관(65)을 지나서 열교환기(62)로 들어가서, 여기서 승압전의 공기와 열교환이 행해져서, 공기는 냉각되고, N₂가스는 온도가 상승한다. 온도가 상승한 N₂가스는 N₂가스 이송관(66)에 의해서, 소정장소의 소정기기로 보내진다.

한편 흡착탑(2)에 있어서는, 탈착공정이 실시되나, 먼저 밸브(15)를 열고, 다른 밸브(13)(17)(23)(25) 및 (36)은 닫는다. 밸브(14)를 열으므로서, 흡착탑(2)내의 N₂가스가 주체인 공기를 집합관(5)에서 꺼내서 밸브(15)를 지나서 공기배출관(16), 공기배출관(30)를 통과시켜서, 배출한다. 공기의 배출에 의해서, 흡착탑(2) 내가 소정압력 예를들면 상압위까지 감압하면, 밸브(15)를 닫고, 다음에 밸브(17)를 열음과 동시에, 모우터(31)로 구동되는, 진공펌프(32)로 O₂가스송출주관(57), O₂가스송출관(52) 및 밸브(17)를 개재해서 흡착탑(2)내의 공기를 뽑아내고, 흡착탑(2)내를 다시 감압해서, 흡착제에 흡착된 O₂가스를 탈착시킨다. O₂가스를 탈착하고, 흡착탑(2)에서 송출한 후, 밸브(17)를 닫고, 밸브(25)를 열어서, N₂가스송출주관(58)내를 흐르고 있는 가압 N₂가스의 일부를 N₂가스공급주관(59), N₂가스공급관(56), 집합관(6)을 통과시켜서 흡착탑(2)내로 도입하여, 흡착탑(2)내를 승압한다.

본례에 의하면, 흡착제로 O₂를 흡착하기 때문에, 흡착되는 O₂의 양은 공기전체의 약 1/5이며, 작은용량의 가스를 흡착하는 것만으로 N₂와 O₂를 분리할수가 있고, 또, 흡착제에 흡착되지 않은 N₂가스는 공기의 약 4/5이며, 공기의 대부분을 차지하는 N₂가스를 흡착한 흡착탑(1)에서 팽창터어빈(63)에 보내고, 팽창터어빈(63)을 구동시켜서, 팽창터어빈(63)의 출력을 모우터(27)에 전달하므로 승압기(28)를 작동시키기 위한, 모우터(27)의 부하를 경감할 수 있고, 팽창터어빈(63)에서 송출되는, 온도가 낮은, N₂가스로 승압전의 공기의 온도를 저하시키기 때문에, 적은 에너지로 승압기(29)를 작동시켜서 공기를 소정압력으로 승압시킬 수가 있고, 즉, 승압기(29)의 효율의 상승이도모되고, 또, 승압전에 공기의 온도를 내리고 있기 때문에, 승압에 의한 온도상승도 억제할 수가 있고, 승압후의 공기의 온도저하 정도가 작아도 되며, 또, 흡착탑(1)으로 부터의 저온의 N₂가스로 승압후의 공기를 냉각시키기 때문에 냉각에너지의 경감을 도모할 수 있다. 또, N₂가스로열교환기(61)를 통하므로서, N₂가스를 상승시키고, 팽창터어빈(63)의 회수에너지도 약간 많아진다.

다음에 본례를 이용해서 공기를 N₂와 O₂로 흡착분리하는 구체적인 실험례에 대해서 설명한다.

[실험례 1]

제2도에 나타낸 장치의 팽창터어빈(63) 대신에 압력조정밸브를 또, 열교환기(61) 대신에 냉각기를 설치한 장치를 사용해서 공기의 분리테스트를 행하였다.

흡착탑(1)(2)에는 입자직경 약 1㎛의 Fe-K-Na-A형 제올라이트를 30㎏충전하였다.

25℃로 lata의 건조공기를 승압기(28)로 6. 5ata에 승압했다. 승압직후의 승압공기를 약 25℃까지 냉각해서 10N㎥/N의 비율로 흡착탑(1)에 공급하고, O₂가스를 Fe-K-Na-A형 제올라이트에 흡착시켰다. 이때의 흡착탑(1)내의 압력은 약 6ata이다. 흡착탑(1)으로부터는, 5. 6N㎥/H의 비율로 O₂농도분이 1%이하의 N₂가스가 송출되었다.

탈착공정이 행해지고 있는 흡착탑(2)으로부터는 2. 0N㎥/H의 비율로, O₂농도분이 78%의 O₂가스가 송출되어, 흡착탑(22)내의 최종압력을 0. 2ata까지 감압하였다.

이 실험에서는, 승압공기를 10N㎥/H의 비율로 공급하는 소형의 장치로 공기의 흡착분리를 테스트 하였으나, 이 경우, 송출가스량이 적으므로 팽창터어빈(63)의 작동은 불능하게 되어 있으나, 팽창터어빈(63)의 작동이 가능하도록 흡착탑(1)에 공급되는 승압공기가 10, 000N㎥/H가 되도록 장치를 스케일업 했을때도, 상기의 실험례와 같이 조작하면, 다음과 같은 N₂가스와 O₂가스가 얻어진다.

즉, 흡착공정시에는 송출되는 가스는, O₂농도가 1%이하로 5. 6N㎥/H의 N₂가스이며 탈착공정시에 송출되는 가스는, O₂농도가 78%로 2,000N㎥/H의 O₂가스이다.

다음에 승압공기 10, 000N㎥/H를 처리하는 장치에 있어서의 각기기에서의 열량을 계산한다. 이 경우, 공기, N₂가스, O₂가스의 엔탈피는 다소 다르다. 간단하게 하기 위해서 동일한 것으로 간주해서 계산한다.

승압기(28)로 25°Clata의 건조공기를 6. 5ata까지 단열압축 하였을때의 엔탈피차는 50kcal/kg이며, 이 때문에 10, 000N㎥/H(12. 95×10³kg/H)의 건조공기를 처리하기 위해서 필요한 동력은, 승압기(28)의 효율을 80%로 하면, 50kcal/kg×12. 95×10³kg/H÷0. 8=809×10³kg/H가 된다.

팽창터어빈(6)에서 흡착공정을 행하고 있는 흡착탑(1)에서 송출되는 25C6ata의 N₂가스를 1. 2ata까지 단열팽창한 경우의 엔탈피차는 26kcal/kg이며, 5, 600N㎥/H(7. 0×10³kg/H)의 N₂가스처리에 의해서얻어지는 동력은, 팽창터어빈의 효율을 80%로 하면, 260kcal/kg×7. 0×10³kg/H×0. 8=146×10³kg/H이다.

흡착탑(1)으로부터의 25℃의 N₂가스는, 냉매로서 열교환기(61)로 들어가서, 승압후의 건조공기와 열교환되어 35℃로 승온되어서 팽창터어빈(63)으로 들어간다. 팽창터어빈(63)에서, 35℃6ata의 N₂가스를 1. 2ata까지 단열팽창 하였을 때의 엔탈피차는 27kcal/kg이며, 이 때문에 팽창터어빈(63)에서 회수되는 동력은, 효율을 80%로 하면, 27kcal/kg×7. 0×10³kg/H×0. 8=151×10³kg/H가 된다.

팽창터어빈(63)에서 나오는 N₂가스는, 단열팽창에 의해서, 35℃로부터 약 -54℃까지 저하하고, 이것을 열교환기(62)에 냉매로서 보내고, 열교환기(62)에서 15℃로 꺼내어진다고 하면, 열교환기(62)에 들어간 승압전의 건조공기는 37℃의 강온이 가능하며, 열교환기(62)에서 나오는 승압전의 건조공기는 -12℃가 된다 -12℃ 1ata의 건조공기를 65ata까지 단열압축했을때의 엔탈피차는 44kcal/kg이고, 승압기(28)의 필요동력은, 효율을 80%로 하면, 44kcal/kg×12. 95×10³kg/H÷0. 8=712×10³kg/H가 된다.

따라서 열교환기(62)의 설치에 의해서 승압기(28)는, 809×10³kcal/H의 동력이 필요했던 것이, 712×10³kcal/H의 동력으로서 되며, 97×10³kcal/H의 동력절감이 되고, 또한 팽창터어빈(63)에서 15×10³kcal/H의 동력을 회수할 수 있어, 이 분량의 동력으로 승압기(27)의 동력을 절감할 수 있고, 전체로서 15×10³+97×10³kcal/H의 동력절감이며, 이것은 승압기(28)의 필요동력의 약 31%에 해당한다.

승압전의 건조공기를 팽창터어빈(63)에서 배출되는 저온의 N₂가스로 저하시키고, 또, 승압공기도, 흡착탑(1)에서 배출되는 N₂가스로 저하시키므로, 최종냉각기(60), 냉각기(42)등의 냉각부하를 경감시키는 것도 가능해진다.

[실험례 2]

제2도에 나타낸 장치의 팽창터어빈(63) 대신에 압력조정밸브를, 또 열교환기(61) 대신에 냉각기를 설치한 장치를 사용해서 공기의 분리테스트를 행하였다.

흡착탑(1)(2)에는 입자직경 약 1㎛의 Fe-Na-A형 제올라이트를 20kg충전하였다.

25℃에서 1ata의 건조공기를 승압기(29)로 6. 5ata로 승압시켰다. 승압직후의 승압공기를 약 0℃까지 냉각해서 10N㎥/H의 비율로 흡착탑(1)에 공급하고, O₂가스를 Fe-Ne-Na-A형 제올라이트에 흡착시켰다. 이때의 흡착탑(1)내의 압력은 약 6ata이다. 흡착탑(1)에서는 5. 8N㎥/H의 비율로 O₂농도분이 1%이하의 N₂가스가 송출된다.

탈착공정이 행해지고 있는 흡착탑(2)으로부터는, 2. 0N㎥/H의 비율로 O₂농도분이 81%인 O₂가스가 송출되고, 흡착탑(22)내의 최종압력을 0. 2ata까지 감압하였다.

이 실험에서는, 승압공기를 10N㎥/H의 비율로 공급하는 소형의 장치로 공기의 흡착분리를 테스트하였으나, 이 경우, 송출가스량이 적으므로 팽창터어빈(63)의 작동을 불가능하게 되어 있으나, 팽창터어빈(63)의 작동이 가능해지도록 흡착탑(1)에 공급되는 승압공기가 10, 000N㎥/H가 되도록 장치를 스케일업 했을때도, 상기의 실험례와 같이 조작하면, 다음과 같은 N₂가스와 O₂가스가 얻어진다.

즉, 흡착공정시에는 송출되는 가스는, O₂농도가 1%이하에서, 5, 800N㎥/H의 N₁가스이며, 탈착공정시에 송출되는 가스는, O₂농도가 81%이고, 2, 000Nm³/H의 O₂가스이다.

다음에 승압공기 10, 000Nm³/H를 처리하는 장치에 있어서의 기기에서의 열량을 계산한다. 이 경우, 공기 N₂가스, O₂가스의 엔탈피는 다소 상이하나, 간단하게 하기 위해서 등일하게 간주해서 계산한다.

승압기(28)로 25℃ 1ata의 건조공기를 6. 5ata까지 단열압축 했을때의 엔탈피차는 50kcal/kg이며, 이때문에 10, 000N㎥/H의 건조공기를 처리하기 위해서 필요한 동력은, 승압기(28)의 효율을 80%로 하면, 50kcal/kg×12.95×10³kg/H÷0. 8=809×10³kg/H가 된다.

팽창터어빈(63)에서 흡착공정을 행하고 있는 흡착탑(1)으로부터 송출된다. 0℃6ata의 N₂가스를 1. 2ata까지 단열팽창했을 경우의 엔탈피차는 24kcal/kg이며 5, 800N㎥/H의 N₂가스 처리에 의해서 얻어지는 동력은, 팽창터어빈의 효율을 80%로 하면, 24kcal/kg×7. 3×10³kg/H×0. 8=140×10³kcal/H이다.

흡착탑(1)으로부터의 0℃의 N₂가스는, 냉매로서 열교환기(61)로 들어가고, 승압후의 건조공기와 열교환 되어서 25℃로 승온되어서 팽창터어빈(63)으로 들어간다.

팽창터어빈(63)에서 25℃ 6ata의 N₂가스를 1. 2ata까지를 단열팽창했을때의 엔탈피차는 26kcal/kg이며, 이 때문에 팽창터어빈(63)에서 회수되는 동력은, 효율을 80%로 하면, 26×7. 3×10³×0. 8=152×10³kcal/H가 된다.

팽창터어빈(63)으로부터 나오는 N₂가스는, 단열팽창에 의해서, 25℃에서 약 -63℃까지 저하하고, 이것을 열교환기(28)에 냉매로서 보내고, 열교환기(62)에서 0℃로 꺼내어진다고 하면, 열교환기(62)에 들어간 승압공기는 36℃의 강온이 가능하며, 열교환기(62)로부터 나오는 승압전의 건조공기는, -11℃가 된다.

-11℃1ata의 건조공기를 6. 5ata까지 단열압축했을때의 엔탈피차는 44kcal/kg이며, 승압기(28)의 필요동력은, 효율을 80%로 하면, 44×12. 95×10³÷0. 8=712×10³kcal/H가 된다.

따라서, 열교환기(62)의 설치에 의해서, 승압기는, 809×10³kcal/H의 동력이 필요했던 것이 712×10³kcal/H의 동력으로도 되면, 97×10³kcal/H의 동력절감이 되고, 또한 팽창터어빈(63)에서 152×10³kcal/H의 동력을 회수할 수 있으며, 이 분량의 동력을 절감할 수 있고, 전체로서 152×10³+97×10³kcal/H의 동력절감이며, 이것은 승압기(28)의 필요동력의 약 31%에 해당한다.

승압전의 건조공기를 팽창터어빈(63)에서 배출되는 저온의 N₂가스로 저하시키고, 또, 승압공기도, 흡착탑(1)으로부터 배출되는 N₂가스로 저하시키므로, 최종냉각기(60), 냉각기(42)등의 냉각부하를 경감시키는 일도 가능해진다.

다음에 본 발명의 제3의 실시태양례를 제3도에 따라서 구체적으로 설명한다.

또한, 본례에 있어서는, 제2의 실시태양례와 같은 기기는 같은 부호를 붙히고 있으며, 여기서는 제2의 실시태양례와 상위하는 부분에 대해서만 설명한다.

제2의 실시태양례의 O₂가스송출라인(57)으로부터 진공펌프(32) 및 진공펌프(32)를 작동시키는 모우터(31)를 생략하고, N₂가스이송관(66)의 도중에서 N₂가스전환수주관(67)을 분리시켜, N₂가스환수주관(67)과 도중에 밸브(68)를 가진 N₂가스환수관(69)을 개재해서 집합관(4)을 연결하고, 다시 N₂가스환수주관(67)과 도중에 밸브(70)를 가진 N₂가스환수주관(71)을 개재해서 집합관(6)을 연결한 것이다.

본 실시태양례와 제2태양례와는, 흡착탑(2)내의 탈착이 상이할 뿐으로, 여기서는 상이하는 점만을 설명한다.

탈착공정을 실시함에 있어서의 흡착탑(2)내의 공기의 송출은 제2의 실시태양례와 같은 방법으로 행하고, 흡착탑(2)내의 공기를 송출해서 흡착탑(2)내의 압력을 상압위치까지 감압한다. 감압후, 밸브(15)를 닫고, 밸브(70)(25)(17)를 열어, N₂가스이송관(66)내를 흐르고 있는 N₂가스의 일부를 N₂가스환수주관(67), N₂가스환수관(71)을 개재해서 흡착탑(2)내로 도입한다. 흡착탑(2)엔서는 N₂가스가 도입되어, O₂가스의 분압이 저하하므로, O₂가스가 흡착제로부터 탈착해서, O₂가스송출관(52), O₂가스송출주관(57)을 지나서 꺼내어진다. O₂가스를 송출한 후, 밸브(17)(25)(70)를 닫고, 밸브(23)를 열어서 가압 N₂가스를 흡착탑(2)내에 공급한 흡착탑(2)내를 승압한다.

기타의 작용, 효과에 대해서는 제2의 실시태양례와 같으므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.

다음에 본 발명의 제4의 실시태양례를 제4도에 따라서 구체적으로 설명한다.

흡착탑(1)(2)내에는, O₂를 흡착하는 흡착제, 예를들면, 순수한 Na-A형 제올라이트에 적어도 2가 이상의 가수를 가진 철을 용해한 제올라이트(이하 Fe-Na-A형 제올라이트람 함)가 충전되어 있다. 흡착탑(1)(2)의 양측에는, 집합관(3)(4)(5)(6)이 부착되어 있다. 집합관(3)에는, 도중의 밸브(7)를 가진 공기공급관(8), 도중에 밸브(9)를 가진 공기배출관(10), 및 도중에 밸브(11)를 가진 O₂가스송출관(51)이 연결되고, 집합관(5)도 마찬가지로, 도중에 밸브(13)를 가진 공기공급관(14), 밸브(15)를 가진 공기배출관(16) 및 밸브(17)를 가진 O₂가스송출관(52)이 연결되어 있다. 집합관(4)에는, 도중에 밸브(19)를 가진 N₂가스송출관(53)과 밸브(21)를 가진 N₂가스공급관(54)이 연결되고, 집합관(6)도 마찬가지로 밸브(23)를 가진 N₂가스송출관(55)과 밸브(25)를 가진 N₂가스공급관(56)이 연결되어 있다. 공기공급관(8)(14)은, 모우터(27)로 구동되는 승압기(28)와 연통한 공기공급주관(29)과 연결되어 있다. 공기배출관(10)(16)은, 공기배출주관(30)과 연결되고, O₂가스송출관(51)(52)은 모우터(31)로 구동되는 진공펌프(32)와 연통된 O₂가스송출주관(57)과 연결되어 있다. N₂가스송출관(53)(55)은 N₂가스송출주관(58)과 연결되어 있다. N₂가스공급관(54)(56)은 N₂송출주관(58)에서 분기해서 도중에 밸브(36)를 가진 N₂가스공급주관(59)과 연결되어 있다. 승압기(28)의 하류측의 공기공급주관(29)에는 상류측으로부터 차례로 수냉식최종냉각기(60), 열교환기(61)가 배치되어 있다. 또, 승압기(28)의 상류측의 공기공급주관(29)에도 열교환기(62)가 배치되어 있다. N₂가스공급관(58)은 열교환기(62)의 냉매입구측에 연결해서, 열교환기(62)의 냉매출구측은 모우터(27)와 연결된 팽창터어빈(63)의 입구측과 연결관(64)에 의해서 연통되고, 팽창터어빈(63)의 출구측은 열교환기(61)의냉매입구측과 연결관(65)에 의해서 연통되어 있다. 열교환기(61)의 냉매출구측에는 N₂가스이송관(66)이 설치되어 있다. 흡착탑(1)(2)의 각각에는 O₂가스를 흡착하는 흡착제가 충전되어 있다. 공기는 열교환기(62)로 냉각되고, 모우터(27)로 구동되는 승압기(28)로 가압되어서 공기공급주관(29)을 지나서 흐르고, 도중의 수냉식 최종 냉각기(60), 열교환기(61)로 냉각된다.

이제, 흡착탑(1)에서 흡착공정, 흡착탑(2)에서 탈착공정이 행하여진다고 가정한다. 흡착탑(1)측의 밸브(7), 밸브(19)를 열고, 밸브(9)(11)(21)를 닫으면 공기공급주관(29)내로 흐른 가압공기는, 공기 공급관(8)에 흘러서, 밸브(7)를 지나서 집합관(3)으로 들어가서, 집합관(3)으로부터 흡착탑(1)내로 들어간다. 가압공기가 흡착탑(1)내로 들어가고, 흡착탑(1)내를 통과할때, 흡착제에 의해서 공기중의 O₂가스가 흡착되고, 남은 N₂가스가 집합관(4)에서 꺼내어져서, N₂가스는 밸브(19)를 지나서 N₂가스송출관(53)에서 N₂가스송출주관(53)으로 들어가고, N₂가스송출주관(58)을 지나서 열교환기(62)에 공급된다.

열교환기(62)에서 승압전의 공기와 열교환을 행하여, 공기는 냉각되고, N₂가스는 온도가 상승한다. 온도가 상승한 N₂가스는, 연결관(64)을 지나서 팽창터어빈(63)으로 들어가서, 단열팽창을 행한다. 팽창터어빈(63)의 출력은 모우터(27)로 들어가서, 모우터(27)의 부하를 경감한다. 단열팽창을 행한 N₂가스는 저온이 되고, 연결관(65)을 지나서 열교환기(61)로 들어가, 여기서 승압후의 공기와 열교환이 행하여지고, 공기는 냉각되어, N₂가스는 온도가 상승한다. 온도가 상승한 N₂가스는 N₂가스이송관(66)에 의해서, 소정장소의 소정기기로 보내진다.

한편 흡착탑(2)에 있어서는, 탈착공정이 실시되나, 먼저 밸브(15)를 열고, 다른 밸브(13)(17)(23)(25) 및 (36)은 닫는다. 밸브(15)를 열으므로서, 흡착탑(2)내의 N₂가스가 주체인 공기를 집합관(5)에서 꺼내어서, 밸브(15)를 지나서 공기배출관(16), 공기배출관(30)을 통과시켜서 배출한다. 공기의 배출에 의해서 흡착탑(2)내가 소정압력, 예를들면 상압위까지 감압하면, 밸브(15)를 닫고, 다음에 밸브(17)를 열음과 동시에 모우터(31)로 구등되는 진공펌프(32)로 O₂가스송출주관(57), O₂가스송출관(52) 및 밸브(17)를 개재해서 흡착탑(2)내의 공기를 뽑아내고, 흡착탑(2)내를 다시 감압해서, 흡착제에 흡착된 O₂가스를 탈착시킨다. O₂가스를 탈착해서, 흡착탑(2)에서 송출한 후, 밸브(17)를 닫고 밸브(36)(25)를 열고, N₂가스송출주관(58)내를 흐르고 있는 가압가스의 일부로 N₂가스공급주관(59), N₂가스공급관(56), 집합관(6)을 통과시켜서 흡착탑(2)내로 도입하고, 흡착탑(2)내를 승압한다.

본례에 의하면, 흡착제로 O₂를 흡착하기 때문에, 흡착되는 O₂의 량은 공기 전체의 약 1/5이며, 그 때문에 소형의 것이라도 N₂와 O₂를 분리할수가 있고, 또, 흡착제에 흡착되지 않은 N₂가스는 공기의 약 4/5이고, 공기의 대부분을 차지하는 N₂가스를 흡착탑(1)에서 팽창터어빈(63)으로 보내고, 팽창터어빈(63)을 구동시켜서, 팽창터어빈(63)의 출력을 모우터(27)에 전달하므로 승압기(28)를 작동시키기 위한 모우터(27)의 부하를 경감할 수 있고, 흡착탑(1)에서 송출되는 온도가 낮은 N₂가스로 승압전의 공기의 온도를 저하시키기 때문에, 적은 에너지로 승압기(28)를 작동시켜서, 공기를 소정압력으로 승압시킬수가 있으며, 즉 승압기(29)의 효율의 상승이 도모되고, 또 승압전에 공기의 온도를 내리고 있기 때문에 공기의 온도상승도 억제되고, 승압후의 공기의 온도저하 정도가 작아도 되고, 또, 단열팽창 후의 저온의 N₂가스로 공기를 냉각시키기 때문에 냉각에너지의 경감을 도모할 수 있는 것이다.

다음에 본례를 이용해서 공기를 N₂와 O₂로 흡착분리하는 구체적인 실험례에 대해서 설명한다.

[실험례 3]

제4도에 나타낸 장치의 팽창터어빈(63) 대신에 압력조정밸브를 또, 열교환기(61) 대신에 냉각기를 설치한 장치를 사용해서 공기의 분리테스트를 행하였다.

흡착탑(1)(2)에는 입자직경 약 1㎛의 Fe-Na-A형 제올라이트 20㎏충전하였다. 25℃에서 1ata의 건조공기를 승압기(28) 6. 5ata로 승압하였다. 승압직후의 온도는 약 230℃가 된다. 약 230℃의 승압공기를 약 0℃까지 냉각해서 10N㎥/H의 비율로 흡착탑(1)에 공급하고, O₂가스를 Fe-Na-A형 제올라이트에 흡착시켰다. 이때의 흡착탑(1)내의 압력은 약 6ata이다. 흡착탑(1)으로부터는, 5. 8N㎥/H의 비율로 O₂농도분이 1%이하의 N₂가스가 송출되었다.

탈착공정이 행하여지고 있는 흡착탑(2)으로부터는, 2. 0N㎥/H의 비율로, O₂농도분이 8%의 O₂가스가 송출되고, 흡착탑(2)내의 최종압력을 0. 2ata까지 감압했다.

이 실험에서는, 승압공기를 10N㎥/H의 비율로 공급하는 소형의 장치로 공기의 흡착분리를 테스트하였으나, 이 경우, 송출가스량이 적으므로 팽창터어빈(63)의 작동은 불가능하게 되어 있으나, 팽창터어빈(63)의 작동이 가능해지도록 흡착탑(1)에 공급되는 승압공기가 10, 000N㎥/H가 되도록 스케일업 했을 때에도, 상기의 실험례와 같이 조작하면, 다음과 같은 N₂가스와 O₂가스가 얻어진다.

즉, 흡착공정시에 송출되는 가스는, O₂농도가 1%이하에서, 5, 800N㎥/H의 N₂가스이며, 탈착공정시에 송출되는 가스는, O₂농도가 81%에서, 2, 000N㎥/H의 O₂가스이다.

다음에 승압공기 10, 000N㎥/H을 처리하는 장치에 있어서의 각기기에서의 열량을 계산한다. 이 경우, 공기, N₂가스, O₂가스의 엔탈피는 다소 상이하나, 간단하기 때문에 동일하게 간주해서 계산한다.

승압기(28)로 25℃1ata의 건조공기를 6. 5ata까지 단열압축하였을때의 엔탈피차는 50kcal/kg이며, 이 때문에 10, 000N㎥/H(12. 95×10³kg/H)의 건조공기를 처리하기 위해서 필요한 동력은, 승압기(28)의 효율을 80%로 하면, 50kcal/kg×12. 95×10³kg/H÷0. 8=809×10³kg/H가 된다.

팽창터어빈(63)으로 흡착공정을 행하고 있는 흡착탑(1)(2)에서 송출되는 0℃6ata의 N₂가스를 1. 2ata까지 단열팽창했을 경우의 엔탈피차는 24kcal/kg이며, 5, 800N㎥/H(7.3×10³kg/H)의 N₂가스처리에 의해서 얻어지는 동력은, 팽창터어빈(63)의 효율을 80%로 하면, 24kcal/kg×7. 5×10³kg/H×0. 8=140×10³kg/H이다.

흡착탑(1)으로부터의 0℃의 N₂가스는, 냉매로서 열교환기(62)로 들어가고, 승압전의 25℃의 건조공기를 10℃로 저하시켜, N₂가스는 18℃로 승온되어서 팽창터어빈(63)으로 들어간다. 이 때문에 10℃ 1ata의 건조공기를 6. 5ata까지 단열압축 했을때의 엔탈피차는 48kcal/kg이며, 승압기(29)의 필요동력은, 효율을 80%로 하면, 48kcal/kg×12. 95×10³kg/H÷0. 8=777×10³kcal/H가 되고, 팽창터어빈(63)으로, 18℃ 6ata의 N₂가스를 1. 2ata까지 단열팽창 했을 때의 엔탈피의 차는 26kcal/kg이며, 이 때문에 팽창터어빈(63)에서 회수되는 동력은, 효율을 80%로 하면, 26kcal/kg×7. 3×10³kcal/H×0. 8=152×10³kg/H가 된다.

따라서, 열교환기(62)의 설치에 의해서, 승압기(29)의 필요동력의 4%가 절감되고, 또한, 팽창터어빈(63)의 동력회수도 약 1%증가하였다. 즉, 전체적인 동력절감은, 809×10³kg/H의 동력이 필요했던 것이 777×10³kcal/H의 동력으로서 되며, 32kcal/H의 동력절감이 되고, 또한 152×10³kcal/H의 동력이 회수되므로, 이 분량의 동력을 절감할 수 있고, 전체로서 152×10³+32××10³kcal/H의 동력절감이며, 이것은, 전체의 약 23%에 해당한다.

또 팽창터어빈(63)에서 나오는 N₂가스는, 단열팽창에 의해서, 약 -69℃까지 저하하고 이것을 열교환기(61)에 냉매로서 보내고, 열교환기(61)로부터 0℃에서 꺼내어진다고 하면, 열교환기(61)에 들어간 승압공기는 39℃의 강온이 가능하며, 열교환기(61)에 들어가는 승압공기는 39℃이면 되므로, 승압후이 승압공기는 최종냉각기(60) 등으로 39℃까지 저하시키면 되고, 또, 승압전에 온도저하를 행하고 있으므로, 이들의 분량이 최종냉각기(60) 등의 냉각부하를 감소시키는 것도 가능하다.

다음에 제5의 실시태양례를 제5도에 따라서 설명한다.

또한, 본례에 있어서는, 제4의 실시태양례와 같은 기기는 같은 부호를 붙히고 있으며, 여기서는 제1의 실시태양례와 상위하는 부분에 대해서만 설명한다.

본례에 있어서는, 제4의 실시태양례의 O₂가스송출주관(57)으로부터 진공펌프(32) 및 진공펌프(32)를 작동시키는 모우터(31)를 생략하고, N₂가스이송관(66)의 도중에서 N₂가스환수주관(67)을 분기시키고 N₂가스환수주관(67)과 도중에 밸브(68)를 가진 N₂가스환수주관(69)을 개재해서 집합관(4)을 연결하고, 다시 N₂가스환수주관(67)과 도중에 밸브(70)를 가진 N₂가스환수관(71)을 개재해서 집합관(6)을 연결한 것이다, 본 태양례와 제7의 태양례와는, 흡착탑(2)내의 탈착이 상이할 뿐이고, 여기서는 상이하는 점을 설명한다.

탈착공정을 실시함에 있어서의 흡착탑(2)내의 공기의 송출은 제7의 실시태양례와 같은 방법으로 행하고 흡착탑(2)내의 공기와 송출해서 흡착탑(2)내의 압력을 상압위까지로 감압한다. 감압 후, 밸브(15)를 닫고, 밸브(70)(25)(17)을 열고 N₂가스이송관(66)내를 흐르고 있는 N₂가스의 일부를 N₂가스환수주관(67), N₂가스환수관(71)을 개재해서 흡착탑(2)내로 인도한다. 흡착탑(2)에서는, N₂가스가 도입되고, O₂가스의 분압이 저하하므로 O₂가스가 흡착제로부터 탈착하고, O₂가스송출관(52), O₂가스송출주관(57)을 지나서 꺼내어진다. O₂가스가스를 송출한 후, 밸브(17)(25)(70)를 닫고, 밸브(23)를 열어서 가압 N₂가스를 흡착탑(2)내에 공급해서 흡착탑(2)내를 승압시킨다.

기타의 작용 효과에 대해서는 제4의 실시태양례와 같으므로, 여기서는, 그 설명을 생략한다.

다음 제2, 제3의 실시태양례에 있어서, N₂가스공급주관(59), 밸브(36), N₂가스공급관(54)(56), 밸브(21)(25)를 생략하고, 예를들면 흡착탑(21)의 승압은, 밸브(23)를 열어서 가압 N₂가스를 N₂가스송출관(24)에서 인도해서 흡착탑(2)내로 공급하는 것에 의해서 행하여도 되며, 또한, 밸브(13)를 열어서 가압공기를 공급해서 승압해도 되며, 또한 흡착탑은, 두개탑에 한하지 않고, 몇개의 탑을 설치해도 되며, 또한, 집합관을 생략하고, 각각의 관을 직접 흡착탑에 연락해도 된다. 또, 본 발명은 O₂가스흡착제에 의한 공기분리만에 한하지 않고, N₂가스흡착에 의한 공기분리, 기타의 혼합가스 분리에 적용할 수 있다. 또한, 제4, 제5의 실시태양례에 있어서, N₂가스송출주관(59), 밸브(36), N₂가스공급관(54)(56), 밸브(21)(25)를 생략하고, 예를들면 흡착탑(2)의 승압은, 밸브(23)를 열어서 가압 N₂가스를 N₂가스송출관(55)에서 도입해서 흡착탑(2)내에 공급하는 것에 의해서 행해도 되며, 더우기는, 밸브(13)를 열어서 가압공기를 공급해서 승압해도 되고, 또한 흡착탑은, 두개의 탑에 한하지 않고, 몇개의 탑을 설치하여도 되고, 또한 집합관을 생략하고 각각의 관을 직접 흡착탑에 연결해도 된다.

또, 본 발명은 O₂가스흡착에 의한 공기분리에만 한하지 않고, N₂가스흡착에 의한 공기분리, 기타의 혼합가스의 분리에 적용할 수 있다.

Claims (1)

1. 승압기로 승압된 후, 냉각된 혼합가스를 흡착제가 충전되어 있는 흡착탑에 공급하여, 상기 혼합가스 중의 흡착하기 쉬운 흡착성분가스를 상기 흡착제에 흡착시키고, 또한 남은 비흡착성분 가스를 상기흡착탑에서 송출시켜서 상기 혼합가스를 분리하는 혼합가스의 흡착분리방법에 있어서, 상기흡착탑에서 송출되는 비흡착성분 가스와 승압전이나 후의 혼합가스와 열교환을 행하여 상기 혼합가스를 냉각하고, 이 열교한 후의 비흡착성분가스를 승압기를 작동시키기는 단열팽창기관에 공급하여 단열팽창기관을 구동케 하여서, 이 단열팽창기관에서 배출되는 비흡착성분가스와 승압전이나 승압후의 상기혼합가스와 열교환을 행하여 상기 혼합가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 혼합가스의 흡착분리장치.

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