KR100388032B1 - 탄소 섬유메트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 중에서 산소 및 질소를 생산하는 심냉 분리법에 사용되는 흡착탑(adsorber)에 관한 것으로, 산소 및 질소를 생산하고자 하는 공기로부터 불순물로 판단되는 공기중의 수분 및 이산화탄소를 심냉 분리 전에 효과적으로 제거하여 분리효율을 증대시키고 산소 및 질소 생산성을 향상시키기 위한 흡착탑에 관한 것이다.

본 발명은, 케이싱의 내부에 활성알루미나층과 제올라이트 분자체를 구비하여 공기 중에서 산소 및 질소를 생산하는 심냉 분리법에 사용되는 흡착탑(adsorber)에서, 상기 활성알루미나층과 제올라이트 분자체의 사이에는 열전도도가 좋은 탄소섬유 매트를 분리 격판상에 위치시켜 사용함으로서 열전달 속도의 향상 및 기체의 고른 분포를 이루고, 상기 탄소섬유 매트의 외주 모서리에는 방열판을 장착하여 케이싱의 외측으로 돌출토록 함으로써 냉각 효율을 향상시키도록 구성되는 탄소 섬유메트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑을 제공한다.

Description

탄소 섬유메트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑{PRE-TREATMENT ADSORBER FOR AIR SEPARATION WITH CARBON FIBER MAT}

본 발명은 공기 중에서 산소 및 질소를 생산하는 심냉 분리법에 사용되는 흡착탑(adsorber)에 관한 것으로, 보다 상세히는 산소 및 질소를 생산하고자 하는 공기로부터 불순물로 판단되는 공기중의 수분 및 이산화탄소를 심냉 분리 전에 효과적으로 제거하여 분리효율을 증대시키고 산소 및 질소 생산성을 향상시키기 위한 흡착탑에 관한 것이다.

일반적으로, 공기는 함유된 산소 및 질소외에 수분과 이산화탄소를 갖는다. 이러한 수분과 이산화탄소는 심냉 분리시, 그 액화온도가 질소 및 산소에 비해 매우 높아서 이 성분들은 사전에 제거되지 않고, 심냉 증류탑으로 유입되는 경우 액화상태로 배관의 폐쇄등을 일으켜 분리 조업을 중단시키는 원인이 된다.

따라서, 산소 및 질소를 분리하고자 하는 공기로부터 전처리 장치를 통하여 공기중에 함유된 수분 및 이산화탄소를 완전히 제거하여야 하며, 이를 위하여 종전에는 열교환 방법을 이용하여 이를 제거하였고, 그 후에는 흡착법을 이용하여 온도 스윙 흡착법으로 이를 제거하여 왔다.

상기에서 온도 스윙 흡착법이란 수분 및 이산화탄소를 흡착하기 위한 흡착제를 내부에 충진한 흡착탑을 복수개 마련하고, 그 중의 1기는 흡착과정을 진행시키고, 나머지 1기는 흡착조작이 완료된 흡착제를 재생하기 위하여 이를 가열한다. 그리고, 흡착과정중인 흡착탑을 다시 재생하여 사용하기 위해서는, 재생이 완료된 흡착탑으로 공기를 유입시키고, 다른 하나는 재생시키게 되며, 이와 같이 번갈아서 흡착작업을 실시하는 것이다.

이와 같은 온도스윙 흡착법에서 흡착제가 내부에 담긴 흡착통을 가열하여 이를 재생시키고자 할 때, 이때 그 작업 효율 증대에 있어서 중요한 것은 흡착제에 포집된 흡착통내의 기체(이산화탄소, 수분등)의 적절한 분포와 가열 재생시의 온도전달 현상이다.

현재, 이러한 기술은 도 1에 도시된 바와 같이, 흡착통(100)의 하부층에 수분제거를 위한 활성 알루미나층(110)을 충진하고, 그 상부층에는 이산화탄소를 제거하기 위한 제올라이트 분자체(120)를 이용하고 있다. 그리고, 상기 두가지 활성알루미나층(110)과 제올라이트 분자체(120) 사이에는 적절한 다공성 격판(130)이 설치되어 있어 두 흡착제 층을 구분하고 있다.

또한, 흡착탑(100) 내부의 수분과 이산화 탄소의 분포를 신속하게 하기 위한 종래의 방법이 제시되어 있으며, 이는 흡착탑(100)의 측면에서 내부로 공기를 공급하는 기술도 제안되어 있다.

그리고, 수분과 이산화탄소의 흡착 및 재생시에 있어서 균일한 기체분포를 위한 종래의 방안으로 구형 알루미나(미도시)를 흡착제 하부에 충진시켜 흡착통(100) 내부에서 흐르는 기체분포를 균일하게 하는 방안도 제안되어 있지만, 이러한 구형 알루미나는 흡착제의 재생시에 아무런 역할도 하지 못하고 있다.

특히, 흡착제의 재생시에는 가열된 공기가 흡착시와는 반대의 방향으로 흐르면서 흡착제(110)(120)에 포집된 수분과 이산화탄소를 탈착시켜 재생하고 있으며, 이때 흡착제로의 열전달 속도는 수분과 이산화탄소의 탈착 속도에 매우 중요한 역할을 하고 있으나, 열전달 속도의 변화는 기대하기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하고자 한 것으로서, 그 목적은

산소와 질소를 분리하려고 하는 공기로 부터 수분 및 이산화탄소를 제거하는 공정에서, 흡착탑내부의 기체분포를 균일하게 하고, 흡착제로부터 수분 및 이산화탄소의 탈착시 열전달을 효율적으로 이룸으로서, 분리효율을 증대시키고, 산소와 질소의 분리수집 작업의 생산성을 향상시키도록 된 탄소 섬유메트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 종래의 기술에 따른 심냉분리법을 이용하는 흡착탑을 도시한 단면도;

도 2는 본 발명에 따른 탄소 섬유메트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑을 도 시한 단면도;

도 3은 본 발명에 따른 흡착탑에 구비된 탄소 섬유메트와 방열판을 도시한 분해사시도;

도 4는 본 발명에 따른 흡착탑에 구비된 탄소 섬유메트와 다공성 격판 및 방 열판들이 흡착탑 케이싱에 연결되는 상태를 확대하여 도시한 단면 도;

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 결과를 도시한 그래프도;

도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 결과를 도시한 그래프도;

도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 결과를 도시한 그래프도;

도 8은 본 발명의 실시예 4에 따른 결과를 도시한 그래프도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

5..... 케이싱(casing) 10..... 탄소섬유 매트

20.... 다공성 격판 30..... 방열판

40.... 기체 인입구 100.... 흡착탑

110... 활성 알루미나층 120.... 제올라이트 분자체

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 케이싱의 내부에 활성알루미나층과 제올라이트 분자체를 구비하여 공기 중에서 산소 및 질소를 생산하는 심냉 분리법에 사용되는 흡착탑(adsorber)에 있어서, 상기 활성알루미나층과 제올라이트 분자체의 사이에는 열전도도가 좋은 탄소섬유 매트를 분리 격판상에 위치시켜 사용함으로서 열전달 속도의 향상 및 기체의 고른 분포를 이루고, 상기 탄소섬유 매트의 외주 모서리에는 방열판을 장착하여 케이싱의 외측으로 돌출토록 함으로써 냉각 효율을 향상시키도록 구성됨을 특징으로 하는 탄소 섬유메트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑을 마련함에 의한다.

그리고, 본 발명은, 상기 케이싱의 입,출구측에 또 다른 탄소 섬유메트들을 장착함으로서 흡착탑내에서의 출입기체의 분포를 균일하게 함을 특징으로 하는 탄소 섬유메트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑을 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 흡착탑(1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 케이싱(5)의 내부에 활성알루미나층(110)과 제올라이트 분자체(120)를 구비하여 공기 중에서 산소 및 질소를 생산하는 심냉 분리법에 사용된다. 본 발명의 흡착탑(adsorber)(1)은, 상기 케이싱(5)의 내부에 장입된 활성 알루미나층(110)과 제올라이트 분자체(120)의 사이에 열전도도가 좋은 탄소섬유 매트(10)를 다공성 격판(20)위에 장착하여 사용하고 있다.

즉, 그리고 2종류의 흡착제, 즉 활성알루미나층(110)과 제올라이트 분자체(120)를 구분하기 위한 격막으로서, 탄소섬유매트(10)와 격판(20)을 이용하며 이것은 외부의 방열판(30)에 연결되어 있다. 이러한 구조는 흡착 시에 기체의 분포를 균일화하는 효과가 있으며, 수분과 이산화탄소의 탈착 시에는 탄소섬유의 높은 열전도 도를 이용하여 흡착제 전폭에 걸친 신속한 열의 전도 및 냉각시간을 단축할 수 있는 효과를 준다.

그리고, 상기 탄소섬유 매트(10)의 외주 모서리에 장착된 방열판(30)은 케이싱(5)의 외측으로 돌출토록 함으로써 냉각 효율을 향상시키도록 된다.

상기 탄소섬유매트(10)는 원판형의 다공성 격판(20)상에 위치되고, 상기 탄소섬유매트(10)와 다공성 격판(20)은 링 형상의 방열판(30)에 고정된다. 상기에서 탄소섬유 매트(10)의 하방에 위치된 격판(20)은 그 상부측에 위치된 제올라이트 분자체(120)의 하중을 지탱하여 탄소섬유 매트(10)의 기능이 유지되도록 한다. 그리고, 상기 방열판(30)은 알루미늄 또는 구리와 같은 열전도도가 양호한 재료이며, 케이싱(5)의 플랜지(5a)들 사이에 협지되고, 상기 플랜지(5a)부에 형성된 볼트구멍(5b)을 통하여 삽입되는 볼트(5c)들에 의하여 고정됨으로써 케이싱(5)에 장착되며, 상기 방열판(30)의 외경은 케이싱(5)의 외경보다 커서 케이싱(5)의 외부측으로 도 4와 같이 돌출된다.

한편, 활성 알루미나층(110)의 하부에는 흡착탑(1) 하부의 기체 인입관(40)을 통하여 들어온 기체를 한층 더 균일화시키기 위해 기체 인입관(40)의 상부에 탄소섬유매트(10)와 격판(20)을 설치하여 기체 흐름의 균일화를 향상시키고자 한 것이며, 이때 탄소섬유 매트(10)에 의한 압력손실은 무시할 정도이다.

그리고, 흡착제로부터 수분 및 이산화탄소들을 탈착시키고자 하는 경우, 탈착 기체의 균일한 분포를 위하여 흡착제의 상부에 탄소섬유매트(10)를 설치하고 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 기체의 분포도가 향상된 본 발명의 직용효과를 설명한다.

실시예1) 대기중의 공기를 탄소섬유매트(10)를 이용하지 않고, 알루미나 비드를 흡착층 하부에 충진시킨 후, 공기중의 수분을 제거한 결과, 출구측 공기의 이슬점 변화는 도 5와 같다. 여기서 보면 P1으로 도시된 곡선으로 보여지듯이 이슬점의 하강이 완만하게 이루어지고 있으며, 이는 공기의 분포가 흡착탑의 하부에서 균일하게 이루어지지 않았기 때문으로 보인다. P2로 도시된 곡선은 흡착제의 온도이다.

실시예2) 상기 실시예1)과 동일한 흡착탑에서 하부에 본 발명과 같은 탄소섬유매트(10)를 넣어 수분을 제거한 결과, 도 6에서 P1 곡선으로 도시한 바와 같이, 이슬점의 하강이 급격히 이루어지고 있으며, 이것은 입구측의 공기의 분포가 탄소섬유 매트(10)에 의하여 흡착제의 전체에 걸쳐서 균일하게 분포된 결과로 판단된다.

실시예3)

본 발명에 의한 탄소섬유 매트(10)를 설치한 흡착탑의 경우, 수분과 이산화탄소의 탈착시에 효과를 측정한 결과가 도 7에 도시되어 있다. 도 7에서 보면, 흡착탑 상부의 온도는 신속하게 목표온도에 도달하였으며, 냉각시에도 P3으로 도시된 곡선으로 보여지듯이 온도하강이 급격히 나타나고 있다.

실시예4)

탄소섬유매트(10)를 설치하지 않고 종래의 방법에 의한 탈착 결과, 도 8에 P4로 도시된 바와 같이, 흡착탑(1) 상부의 온도는 탄소섬유매트(10)를 설치한 것보다 늦게 도달하였으며 냉각시의 온도하강도 완만함을 보여주고 있다

상기와 같이 본 발명에 의하면, 공기중 수분 및 이산화탄소를 제거하기 위한 흡착탑에서 탄소섬유매트(10)를 이용하여 기체분포를 균일화하고, 냉각속도를 신속히 한 결과, 유입되는 공기의 이슬점은 -50℃까지 신속하게 떨어졌으며 탄소섬유매트(10)를 이용하지 않은 흡착탑에 비해 60분 정도의 시간을 단축할 수 있는 것으로 보아, 기체의 균일한 분포에 대한 효과가 큼을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 산소와 질소를 분리하려고 하는 공기로부터 수분 및 이산화탄소를 제거하는 공정에서, 흡착탑 내부의 기체분포를 균일하게 하고, 흡착제로부터 수분 및 이산화탄소의 탈착 시, 열전달을 효율적으로 이룸으로서, 분리효율을 증대시키고, 산소와 질소의 분리수집 작업의 생산성을 향상시키는 효과가 얻어지게 된다.

Claims (3)

1. 케이싱(5)의 내부에 활성알루미나층(110)과 제올라이트 분자체(120)를 구비하여 공기 중에서 산소 및 질소를 생산하는 심냉 분리법에 사용되는 흡착탑(adsorber)에 있어서, 상기 활성알루미나층(110)과 제올라이트 분자체(120)의 사이에는 열전도도가 좋은 탄소섬유 매트(10)를 다공성 격판(20)상에 위치시켜 사용함으로서 열전달 속도의 향상 및 기체의 고른 분포를 이루고, 상기 탄소섬유 매트(10)의 외주 모서리에는 방열판(30)을 장착하여 케이싱(5)의 외측으로 돌출토록 함으로써 냉각 효율을 향상시키도록 구성됨을 특징으로 하는 탄소 섬유매트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방열판(30)은 알루미늄 또는 구리와 같은 열전도도가 양호한 재료이며, 상기 방열판(30)의 외경은 케이싱(5)의 외경보다 커서 케이싱(5)의 외부측으로 돌출하도록 구성됨을 특징으로 하는 탄소 섬유매트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑.
3. 제 1항에 있어서, 상기 활성 알루미나층(110)의 하부에는 기체 인입관(40)을 통하여 들어온 기체를 한층 더 균일화시키기 위해 탄소섬유매트(10)와 격판(20)을 추가 설치하며, 흡착제로부터 수분 및 이산화탄소들을 탈착시키고자 하는 경우, 탈착 기체의 균일한 분포를 위하여 흡착제의 상부에 탄소섬유매트(10)를 추가 설치하고 있음을 특징으로 하는 탄소 섬유매트를 가진 공기분리 전처리 흡착탑.