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KR100985870B1 - Device to separate / extract oxygen and nitrogen from air - Google Patents

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KR100985870B1
KR100985870B1 KR1020080044998A KR20080044998A KR100985870B1 KR 100985870 B1 KR100985870 B1 KR 100985870B1 KR 1020080044998 A KR1020080044998 A KR 1020080044998A KR 20080044998 A KR20080044998 A KR 20080044998A KR 100985870 B1 KR100985870 B1 KR 100985870B1
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Abstract

본 발명은 공기에서 산소와 질소를 분리ㆍ추출하는 장치에 관한 것으로서, 중공사형 기체분리막이 내장된 복수의 기체분리막 모듈과, 공기를 압축하여 상기 기체분리막 모듈로 공급하는 기체압축기가 서로 유통가능하게 구성된 것으로서, 중공사형 기체분리막을 통과하기 쉬운 고순도의 산소를 얻는 동시에 중공사형 기체분리막을 통과하기 어려운 고순도의 질소를 얻을 수 있는 장치를 제공한다. 본 발명에 따른, 공기에서 산소와 질소를 분리ㆍ추출하는 장치를 사용함으로써 고순도의 산소와 고순도의 질소를 동시에 얻을 수 있는 이점이 있으며, 특히 산소와 질소를 동시에 이용하여 작업을 행하는 경우, 예를 들면 용접작업시 고압 산소탱크와 질소탱크를 별도로 준비하지 않고도 본 장치를 이용하여 편리하고 안전하게 작업을 수행할 수 있다The present invention relates to an apparatus for separating and extracting oxygen and nitrogen from air, comprising: a plurality of gas separation membrane modules having a hollow fiber gas separation membrane and a gas compressor for compressing air and supplying the gas separation membrane module to each other; The present invention provides an apparatus capable of obtaining high purity oxygen easily passing through the hollow fiber type gas separation membrane and at the same time obtaining high purity nitrogen that is difficult to pass through the hollow fiber type gas separation membrane. By using the device for separating and extracting oxygen and nitrogen from the air according to the present invention, there is an advantage in that it is possible to simultaneously obtain high purity oxygen and high purity nitrogen, and in particular, when working with oxygen and nitrogen simultaneously, For example, this equipment can be used conveniently and safely without welding high pressure oxygen tank and nitrogen tank.

공기, 산소, 질소, 분리, 기체분리막 Air, oxygen, nitrogen, separation, gas separation membrane

Description

공기에서 산소와 질소를 분리/추출하는 장치{apparatus for separating and extracting oxygen and nitrogen from air}Device for separating and extracting oxygen and nitrogen from air

본 발명은 공기에서 산소와 질소를 분리 추출하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for separating and extracting oxygen and nitrogen from air.

본 발병은 공기에서 산소와 질소를 분리 추출하는 장치로서, 특히 기체분리막 모듈을 이용하여 공기에서 고순도의 산소와 질소를 동시에 별개로 추출할 수 있는 장치에 관한 것이다.The present invention is a device for separating and extracting oxygen and nitrogen from the air, and particularly relates to a device that can simultaneously separate the high-purity oxygen and nitrogen from the air by using a gas separation membrane module.

일반적으로 공기로부터 산소와 질소를 추출하는 방법으로는 흡착제를 이용하는 방법(Pressure Swing Adsorption:PSA)과, 기체의 확산ㆍ투과 속도 차이를 이용하는 기체분리막법(Gas Separation Membrane) 등이 있다.In general, extraction methods of oxygen and nitrogen from air include a method using an adsorbent (Pressure Swing Adsorption (PSA)) and a gas separation membrane method (Gas Separation Membrane) using a difference in gas diffusion and permeation rate.

흡착제를 이용하는 방법은 순도 50%를 초과하는 고순도의 산소를 얻기에는 적합한 면이 있으나, 장치가 복잡하고 제작비가 상대적으로 많이 들며, 산소 및 질소 모두를 고순도로 얻기 위해서는 추가 장치가 설치되어야 한다.The method using the adsorbent is suitable for obtaining high purity oxygen of more than 50% purity, but the apparatus is complicated, the manufacturing cost is relatively high, and additional equipment must be installed to obtain both oxygen and nitrogen with high purity.

또한 기체분리막법을 이용하여 고순도의 산소를 추출하는 장치 또는 고순도 의 질소를 추출하는 장치가 게시되어 있으나, 고순도의 산소와 질소를 동시에 별개로 얻을 수 있는 장치는 제공되지 못하고 있다. 그 이유는 장치구성이 간단하면서 고순도의 산소와 질소를 동시에 별개로 얻기 위한 운전조건의 세팅에 어려움이 있기 때문이다.In addition, a device for extracting high purity oxygen or a high purity nitrogen extract by using a gas separation membrane method has been published, but a device for simultaneously obtaining high purity oxygen and nitrogen separately is not provided. The reason for this is that the device configuration is simple and it is difficult to set operating conditions for simultaneously obtaining high purity oxygen and nitrogen separately.

따라서, 현재 별개의 탱크에 고순도의 질소와 산소를 고압으로 충전시켜 각종 작업에 이들을 이용하고 있다. 예를 들면 산소 및 질소를 동시에 이용하여 용접작업을 행하는 경우에, 고압 산소충전탱크 및 질소충전탱크는 운반기구에 싣거나 이들이 인력으로 작업위치로 옮겨지게 된다. 운반시 충전탱크의 고 중량으로 인한 신체의 손상, 고압 충전탱크의 폭발 위험성 및 작업 중 충전탱크에 저장된 기체가 소진될시 탱크교환으로 인한 시간낭비 등의 문제가 발생하게 된다.Therefore, high-purity nitrogen and oxygen are charged to separate tanks at high pressure, and these are used for various operations. For example, when performing a welding operation using oxygen and nitrogen at the same time, the high-pressure oxygen filling tank and the nitrogen filling tank are loaded on a transport mechanism or they are moved to a work position by a manpower. Problems such as damage to the body due to the high weight of the filling tank, risk of explosion of the high-pressure filling tank, and wasted time due to tank replacement when the gas stored in the filling tank is exhausted during operation.

도 1은 산소 용접한 파이프 내부를 나타낸 사진이다.1 is a photograph showing an inside of a pipe welded with oxygen.

2개의 파이프 각각의 일단을 서로 맞닿음 시킨 후, 이들 파이프들의 내부를 도 1에서 표시한 농도의 질소가스로 퍼지(purge)하면서 이들의 맞닿음부에 산소용접을 시행하고 용접완료된 파이프의 내부에 대한 그을음 발생정도를 관찰하였다. 질소농도가 99% 미만일 경우 파이프 이음부 내부에 그을음이 발생되었는데, 이러한 그을음은 파이프에 접속된 각종 탱크나 유체기계에 유입되어 이들이 고장나게 되는 원인으로 작용할 수 있다. 이러한 그을음은 농도 99% 이상의 퍼지용 질소가스와 농도 60% 이상의 산소용접용 산소가스를 용접작업에 제공함으로써 해결될 수 있다.One end of each of the two pipes is brought into contact with each other, and then the inside of these pipes is purged with nitrogen gas having the concentration shown in FIG. The degree of soot was observed. When the nitrogen concentration is less than 99%, soot was generated inside the pipe joint, and the soot may flow into various tanks or fluid machines connected to the pipe and cause a failure of them. This soot can be solved by providing a welding operation with a purge nitrogen gas having a concentration of 99% or more and an oxygen welding oxygen gas having a concentration of 60% or more.

따라서 중소형 규모의 고순도 산소 및 질소 분리 추출장치로서, 장치가 간단하고 비용이 적게 드는 개량된 장치의 필요성이 대두되고 있다.Therefore, there is a need for an improved apparatus, which is simple and inexpensive, for small and medium scale high purity oxygen and nitrogen separation extractors.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구조가 간단하면서, 공기로부터 산소와 질소를 효과적으로 추출하여 고순도의 산소와 질소를 동시에 얻을 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and its object is to provide a device which is simple in structure and can efficiently obtain oxygen and nitrogen of high purity by effectively extracting oxygen and nitrogen from air.

본 발명은 중공사형 기체분리막이 내장된 복수의 기체분리막 모듈과, 공기를 압축하여 상기 기체분리막 모듈로 공급하는 기체압축기가 서로 유통가능하게 구성된 것으로서, 중공사형 기체분리막을 통과하기 쉬운 고순도의 산소와 중공사형 기체분리막을 통과하기 어려운 고순도의 질소를 동시에 별개로 얻게 함으로써 상기 과제를 해결할 수 있다.According to the present invention, a plurality of gas separation membrane modules having a hollow fiber type gas separation membrane and a gas compressor for compressing air to be supplied to the gas separation membrane module are configured to be circulated with each other, and have high purity oxygen easily passing through the hollow fiber type gas separation membrane. The above problem can be solved by simultaneously obtaining high purity nitrogen which is difficult to pass through the hollow fiber type gas separation membrane.

본 발명은 상기와 같은 과제 해결 수단에 의해, 고순도의 산소와 고순도의 질소를 동시에 별개로 얻을 수 있는 이점이 있으며, 중소형 규모로 제작가능하므로 필요한 장소에 옮겨서 사용 가능하다. 특히 산소와 질소를 동시에 이용하여 작업을 행하는 경우, 예를 들면 용접작업시 고압 산소탱크와 질소탱크를 별도로 준비하지 않고도 본 장치를 이용하여 편리하고 안전하게 작업을 수행하는 것을 가능하게 한다.The present invention has the advantage that the high-purity oxygen and high-purity nitrogen can be obtained separately at the same time by means of the above-described problem solving means, and can be manufactured in a small and medium scale, so that it can be moved to a necessary place. In particular, when the operation using oxygen and nitrogen at the same time, it is possible to perform the operation conveniently and safely using this apparatus, for example, without separately preparing a high-pressure oxygen tank and nitrogen tank during the welding operation.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.

도 2는 본 발명에 따른, 공기로부터 산소 및 질소를 분리 추출하는 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.2 is a view showing an embodiment of a device for separating and extracting oxygen and nitrogen from the air according to the present invention.

도 2에는, 본 실시예의 산소와 질소를 추출하는 장치가 부호 1로서 지시되어 다. 상기 추출장치(1)는 제1 및 제2기체압축기(101, 201); 하나의 입구, 비투과출구 및 투과출구를 구비한 제1 내지 제4기체분리막 모듈(103, 105, 107, 203); 제1 및 제2유량조절밸브(109, 205) 및 상기 각 구성요소들을 서로 유통가능하게 접속한 배관들을 포함한다.In Fig. 2, an apparatus for extracting oxygen and nitrogen of the present embodiment is indicated by the reference numeral 1. The extraction device 1 includes first and second gas compressors 101 and 201; First to fourth gas separation membrane modules 103, 105, 107, and 203 having one inlet, a non-permeable outlet, and a permeate outlet; First and second flow rate control valves (109, 205) and the pipes connected to each of the above components in a flowable manner.

이를 상세히 설명하면 다음과 같다.This will be described in detail as follows.

본 실시예의 산소와 질소를 추출하는 장치(1)는 제1기체압축기(101)의 출구에 일단이 유통가능하게 접속되어 있고 제1기체분리막 모듈(103) 입구에 타단이 유통가능하게 접속된 압축공기공급배관(102), 제1기체분리막 모듈(103)의 비투과출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 제2기체분리막 모듈(105)의 입구에 타단이 유통가능하게 접속된 제1질소부화(窒素富化)가스배관(104), 제2기체분리막 모듈(105)의 비투과출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 제3기체분리막 모듈(107)의 입구에 타단이 유통가능하게 접속된 제2질소부화가스배관(106), 제1기체분리막 모듈(103)의 산소부화(酸素富化)가스출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 제2기체압축기(201)의 흡입구에 타단이 유통가능하게 접속된 제1산소부화가스배관(110), 상기 제2기체 압축기(201)의 토출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 제4기체분리막 모듈(203)의 입구에 타단이 유통가능하게 접속된 제2산소부화가스배관(202), 상기 제3 기체분리막 모듈(107)의 비투과출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 도중에 제1유량조절밸브(109)가 개재되어 있는 고순도 질소가스배관(108) 및 상기 제4 기체분리막 모듈(203)의 비투과출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 도중에 제2유량조절밸브(205)가 개재되어 있는 배출관(204)을 포함하고 있다.The apparatus 1 for extracting oxygen and nitrogen of this embodiment has one end connected to the outlet of the first gas compressor 101 so as to be circulated, and the other end connected to the inlet of the first gas separation membrane module 103 so as to be circulated. A first nitrogen incubator having one end connected to the non-permeable outlet of the air supply pipe 102 and the first gas separation membrane module 103 and the other end connected to the inlet of the second gas separation membrane module 105 so as to be flowable. Second nitrogen enrichment having one end connected to the non-permeate outlet of the gas pipe 104 and the second gas separation membrane module 105, and the other end to the inlet of the third gas separation membrane module 107 so as to be flowable. One end connected to the gas pipe 106 and the oxygen enriched gas outlet of the first gas separation membrane module 103 so as to be circulated, and the other end circulated to the inlet of the second gas compressor 201. One end of the oxygen-enriched gas piping 110, the discharge port of the second gas compressor 201 One end of the second oxygen enriched gas pipe 202 and the non-permeable outlet of the third gas separation membrane module 107, which are connected to each other through the inlet of the fourth gas separation membrane module 203, are connected to each other. One end is connected to the non-permeate outlet of the high purity nitrogen gas pipe 108 and the fourth gas separation membrane module 203 with the first flow rate control valve 109 interposed therebetween, and the second flow rate control valve on the way. The discharge pipe 204 which includes the 205 is included.

또한, 산소와 질소를 추출하는 장치(1)는 제2기체분리막 모듈(105), 제3기체분리막 모듈(107) 및 제4기체분리막 모듈(203) 각각의 투과출구에 배출관(111), 배출관(112) 및 고순도 산소가스배관(206) 각각의 일단이 유통가능하게 접속되어 있다.In addition, the apparatus 1 for extracting oxygen and nitrogen includes a discharge pipe 111 and a discharge pipe at a permeate outlet of each of the second gas separation membrane module 105, the third gas separation membrane module 107, and the fourth gas separation membrane module 203. One end of each of the 112 and the high purity oxygen gas pipe 206 is circulated.

이와 같은 구성을 가진 산소와 질소를 추출하는 장치(1)는 다음과 같이 작동될 수 있다.The device 1 for extracting oxygen and nitrogen having such a configuration can be operated as follows.

외부의 공기는 외부공기 인입배관(100)을 통하여 제1기체압축기(101)로 유입되어 6bar의 압력으로 압축된 후 55ℓ/min의 유량으로 압축공기 공급배관(102)을 통하여 제1기체분리막 모듈(103)로 보내진다. 본 발명에서 사용된 압력표시는 계기압을 기준으로 하였고, 순도는 부피%이며 이하 동일하다.The outside air flows into the first gas compressor 101 through the external air inlet pipe 100 and is compressed at a pressure of 6 bar, and then the first gas separation membrane module through the compressed air supply pipe 102 at a flow rate of 55 l / min. Is sent to (103). The pressure indication used in the present invention is based on the gauge pressure, the purity is by volume and is the same below.

제1기체분리막 모듈(103) 케이스의 내부에는 폴리술폰(Polysulfone) 수지로 제작된 중공사형 기체분리막이 다발로 묶여져 이루어지며, 케이스 내부공간의 길이방향으로 배치되어 있다. 중공사형 기체분리막 모듈의 분리원리는, 기체혼합물이 막 표면에 접촉하여 막 속으로 용해ㆍ확산할 때 막 물질에 따른 기체의 용해ㆍ확산속도 차이를 이용하여 분리를 행하는 방식이다. 중공사형 기체분리막의 막 면적은 4.75㎡이고 산소/질소 분리계수는 5∼7로써 고순도ㆍ저투과량의 특성이 있으며, 상기 산소/질소 분리계수는 1bar 압력하에서 산소투과량(ℓ/min)을 질소투과량(ℓ/min)으로 나눈 값이다. Inside the case of the first gas separation membrane module 103, a hollow fiber-type gas separation membrane made of polysulfone resin is bundled and arranged in a longitudinal direction of the inner space of the case. The separation principle of the hollow fiber type gas separation membrane module is a method in which the gas mixture is separated by using a difference in dissolution and diffusion rates of gases depending on the membrane material when the gas mixture is dissolved and diffused into the membrane. The membrane area of the hollow fiber type gas separation membrane is 4.75㎡ and the oxygen / nitrogen separation coefficient is 5-7, which has the characteristics of high purity and low permeability. The oxygen / nitrogen separation coefficient is the oxygen permeation amount (l / min) under 1 bar pressure and the nitrogen permeation amount. It is divided by (l / min).

압축공기는 제1기체분리막 모듈(103) 내부에 설치된 다수의 중공사형 기체분리막을 통과하면서 투과속도가 빠른 산소는 중공사형 기체분리막을 통과하여 제1기체분리막 모듈(103) 케이스의 외주면에 연결된 투과출구인 제1산소부화가스배관(110)으로 배출되며, 상대적으로 투과속도가 느린 질소는 중공사형 기체분리막을 통과하지 않고 비투과출구인 제1질소부화가스배관(104)으로 배출되어 진다. 제3기체분리막 모듈(107)의 비투과출구 하류측에 위치한 고순도 질소가스 유량조절밸브(109)를 조절하여 고순도 질소가스배관(108)에 흐르는 질소가스의 유량을 5ℓ/min로 세팅한 후 제1산소부화가스배관(110)으로 배출되는 기체의 산소농도를 측정하여 산소순도 46%, 유량 12ℓ/min의 결과를 얻었다.Compressed air passes through a plurality of hollow fiber-type gas separation membranes installed inside the first gas separation membrane module 103, and oxygen having a high permeation rate passes through the hollow fiber-type gas separation membrane and permeately connected to the outer circumferential surface of the first gas separation membrane module 103 case. The outlet is discharged to the first oxygen-enriched gas pipe 110, the nitrogen is relatively slow permeation rate is discharged to the first nitrogen-enriched gas pipe 104, which is a non-permeable outlet without passing through the hollow fiber type gas separation membrane. After adjusting the high purity nitrogen gas flow rate control valve 109 located downstream of the non-permeate outlet of the third gas separation membrane module 107 to set the flow rate of nitrogen gas flowing in the high purity nitrogen gas pipe 108 to 5 l / min, The oxygen concentration of the gas discharged into the oxygen enriched gas piping 110 was measured to obtain a result of 46% oxygen purity and 12 L / min flow rate.

제1질소부화가스배관(104)으로 배출된 질소부화가스는 제2기체분리막 모듈(105)로 보내져 제2기체분리막 모듈(105) 내부에 설치된 다수의 중공사형 기체분리막을 통과하면서 투과속도가 빠른 산소는 중공사형 기체분리막을 통과하여 제2기체분리막 모듈(105) 케이스의 외주면에 연결된 배출관(111)으로 배출되며, 상대적으로 투과속도가 느린 질소는 중공사형 기체분리막을 통과하지 않고 제2질소부화가스배관(106)으로 배출되어 제2기체분리막 모듈(105) 인입부의 제1질소부화가스배관(104)에서의 질소농도보다 좀더 고순도의 질소로 농축되어 진다. 제2기체분리막 모듈(105)의 내부구조는 제1기체분리막 모듈(103)과 동일하나, 중공사형 기체분리막의 산소/질소 분리계수가 2∼5로써 저순도ㆍ고투과량의 특성이 있다는 면에서 차이점이 있다. 제3기체분리막 모듈(107)의 배출 측에 위치한 고순도 질소가스 유량조절밸브(109)를 조절하여 고순도 질소가스배관(108)에 흐르는 질소가스의 유량을 5ℓ/min로 세팅한 후 배출관(111)으로 배출되는 기체의 산소농도를 측정하여 산소순도 19.7%, 유량 30ℓ/min의 결과를 얻었다.Nitrogen enriched gas discharged to the first nitrogen enriched gas pipe 104 is sent to the second gas separation membrane module 105 to pass through a plurality of hollow fiber type gas separation membranes installed inside the second gas separation membrane module 105 and have a high permeation rate. Oxygen is passed through the hollow fiber-type gas separation membrane and discharged to the discharge pipe 111 connected to the outer circumferential surface of the case of the second gas separation membrane module 105. Nitrogen having a relatively low permeation rate does not pass through the hollow fiber-type gas separation membrane and the second nitrogen enrichment is carried out. It is discharged to the gas pipe 106 and concentrated with nitrogen of higher purity than the nitrogen concentration in the first nitrogen-enriched gas pipe 104 of the inlet of the second gas separation membrane module 105. The internal structure of the second gas separation membrane module 105 is the same as that of the first gas separation membrane module 103, but the oxygen / nitrogen separation coefficient of the hollow fiber type gas separation membrane is 2 to 5, so that it has low purity and high permeability characteristics. There is a difference. After adjusting the high purity nitrogen gas flow rate control valve 109 located on the discharge side of the third gas separation membrane module 107 to set the flow rate of nitrogen gas flowing in the high purity nitrogen gas pipe 108 to 5 l / min and then discharge pipe 111 The oxygen concentration of the gas discharged from the gas was measured to obtain an oxygen purity of 19.7% and a flow rate of 30 l / min.

비교예로서, 상기 제2기체분리막 모듈(105)을 제1기체분리막 모듈(103)과 동일한 장치로 교체하여 시험하였다.As a comparative example, the second gas separation membrane module 105 was tested by replacing with the same device as the first gas separation membrane module 103.

제1기체분리막 모듈(103)의 산소/질소 분리계수가 5∼7로써 고순도ㆍ저투과량의 특성으로 인하여 고순도의 산소가스(산소농도 45%)가 분리 추출되어지나, 저투과량으로 인한 장치 내부의 압력이 정상운전압력 6bar에서 8bar 이상으로 상승되므로 공기압축기의 정상운전압력을 초과하게 되어 바람직하지 않다.Although the oxygen / nitrogen separation coefficient of the first gas separation membrane module 103 is 5-7, high-purity oxygen gas (oxygen concentration 45%) is separated and extracted due to the characteristics of high purity and low permeability, but due to low permeation Since the pressure rises from the normal operating pressure of 6 bar to 8 bar or more, it is not preferable because the pressure exceeds the normal operating pressure of the air compressor.

다른 비교예로서, 상기 비교예에서와 같이 제2기체분리막 모듈(105)을 제1기체분리막 모듈(103)과 동일한 장치로 교체한 상태에서, 제1공기압축기(101)를 제2공기압축기(201)와 동일한 장치로 교체하여 시험하였다.As another comparative example, in the state where the second gas separation membrane module 105 is replaced with the same device as the first gas separation membrane module 103 as in the comparative example, the first air compressor 101 is replaced with the second air compressor ( Test by replacing with the same device as 201).

제2공기압축기(201)의 토출유량은 25ℓ/min로써 제1공기압축기(101)의 토출유량 55ℓ/min의 절반 미만이 되므로, 기체분리막 모듈의 운전압력은 5.5bar로 정 상을 유지하였으나, 제1기체분리막 모듈(103)의 투과출구에서의 산소농도가 40%이고 유량이 9ℓ/min로 나타나 본 발명의 실시예(산소순도 46%, 유량 12ℓ/min)에 비하여 성능이 저하되는 것을 확인하였다.Since the discharge flow rate of the second air compressor 201 is 25 l / min, which is less than half of the discharge flow rate 55 l / min of the first air compressor 101, the operating pressure of the gas separation membrane module was maintained at 5.5 bar. The oxygen concentration at the permeate outlet of the first gas separation membrane module 103 was 40% and the flow rate was 9 L / min, confirming that the performance was lowered compared to the embodiment of the present invention (46% oxygen purity, 12 L / min flow rate). It was.

제2질소부화가스배관(106)에 배출된 질소부화가스는 제3기체분리막 모듈(107)로 보내져 제3기체분리막 모듈(107) 내부에 설치된 다수의 중공사형 기체분리막을 통과하면서 투과속도가 빠른 산소는 중공사형 기체분리막을 통과하여 제3기체분리막 모듈(107) 케이스의 외주면에 연결된 배출관(112)으로 배출되며, 상대적으로 투과속도가 느린 질소는 중공사형 기체분리막을 통과하지 않고 고순도 질소가스배관(108)으로 배출되어 제3기체분리막 모듈(107) 인입부의 제2질소부화가스배관(106)에서의 질소농도보다 좀더 고순도의 질소로 농축되어 진다. 제3기체분리막 모듈(107)은 구조 및 특성은 상기 제1기체분리막 모듈(103)과 동일하다. 제3기체분리막 모듈(107)의 배출 측에 위치한 고순도 질소가스 유량조절밸브(109)를 조절하여 고순도 질소가스배관(108)에 흐르는 질소가스의 유량을 5ℓ/min로 세팅한 후 배출관(112)으로 배출되는 기체의 산소농도를 측정하여 산소순도 6.3%, 유량 6.5ℓ/min의 결과를 얻었고, 고순도 질소가스배관(108)으로 배출되는 기체의 질소농도를 측정하여 질소순도 99.2%의 결과를 얻었다.Nitrogen enriched gas discharged to the second nitrogen enriched gas pipe 106 is sent to the third gas separation membrane module 107 and passes through a plurality of hollow fiber-type gas separation membranes installed inside the third gas separation membrane module 107 and has a high permeation rate. Oxygen is passed through the hollow fiber-type gas separation membrane and discharged to the discharge pipe 112 connected to the outer circumferential surface of the case of the third gas separation membrane module 107. Nitrogen having a relatively low permeation rate does not pass through the hollow fiber-type gas separation membrane and is a high purity nitrogen gas pipe. It is discharged to 108 and is concentrated with nitrogen of higher purity than the nitrogen concentration in the second nitrogen enriched gas piping 106 of the inlet of the third gas separation membrane module 107. The third gas separation membrane module 107 has the same structure and characteristics as the first gas separation membrane module 103. By adjusting the high purity nitrogen gas flow control valve 109 located on the discharge side of the third gas separation membrane module 107 to set the flow rate of the nitrogen gas flowing in the high purity nitrogen gas pipe 108 to 5 l / min and then discharge pipe 112 By measuring the oxygen concentration of the gas discharged to obtain a result of oxygen purity of 6.3%, the flow rate of 6.5ℓ / min, the nitrogen concentration of the gas discharged to the high-purity nitrogen gas pipe 108 to obtain a result of nitrogen purity of 99.2%. .

상기 제1기체분리막 모듈(103)에 연결된 제1산소부화가스배관(110)의 산소부화가스는 제2기체압축기(201)로 유입되어 6bar의 압력으로 재압축된 후 제2산소부화가스배관(202)을 통하여 제4기체분리막 모듈(203)로 보내진다. 압축기체는 제4기 체분리막 모듈(203) 내부에 설치된 다수의 중공사형 기체분리막을 통과하면서 투과속도가 빠른 산소는 중공사형 기체분리막을 통과하여 제4기체분리막 모듈(203) 케이스의 외주면에 설치된 고순도 산소가스배관(206)으로 보내지며, 상대적으로 투과속도가 느린 질소는 중공사형 기체분리막을 통과하지 않고 배출가스 유량조절밸브(205)와 연결된 배출관(204)으로 배출되어 진다. 제4기체분리막 모듈(203)은 구조 및 특성은 상기 제1기체분리막 모듈(103)과 동일하다. 배출가스 유량조절밸브(205)를 조절하여 고순도 산소가스배관(206)에서 산소순도 65%, 유량 8ℓ/min의 결과를 얻을 수 있었다.The oxygen enriched gas of the first oxygen enriched gas pipe 110 connected to the first gas separation membrane module 103 flows into the second gas compressor 201 and is recompressed to a pressure of 6 bar, and then the second oxygen enriched gas pipe ( It is sent to the fourth gas separation membrane module 203 through 202. While the compressor body passes through a plurality of hollow fiber-type gas separation membranes installed inside the fourth gas separation membrane module 203, the oxygen having a high permeation rate passes through the hollow fiber-type gas separation membrane and is installed on the outer circumferential surface of the case of the fourth gas separation membrane module 203. Nitrogen is sent to the high purity oxygen gas pipe 206, the nitrogen is relatively slow permeation rate is discharged to the discharge pipe 204 connected to the exhaust gas flow control valve 205 without passing through the hollow fiber type gas separation membrane. The fourth gas separation membrane module 203 has the same structure and characteristics as the first gas separation membrane module 103. By adjusting the exhaust gas flow regulating valve 205, a high purity oxygen gas pipe 206 was obtained with an oxygen purity of 65% and a flow rate of 8 l / min.

이와 같이 본 발명에 따른 산소와 질소를 추출하는 장치(1)는 고순도 질소가스배관(108)을 통하여 99.2%의 고순도 질소가 분리되고, 고순도 산소가스배관(206)을 통하여 65%의 고순도 산소가 분리된다. 이와 같이 장치가 간단하면서 고순도의 질소와 산소를 동시에 제공할 수 있으므로 산업 다방면으로 활용도가 높다고 할 것이다.As described above, in the apparatus 1 for extracting oxygen and nitrogen according to the present invention, 99.2% of high purity nitrogen is separated through the high purity nitrogen gas pipe 108 and 65% of high purity oxygen is separated through the high purity oxygen gas pipe 206. Are separated. Thus, since the device is simple and can provide nitrogen and oxygen of high purity at the same time, it will be said that it is highly utilized in various fields of industry.

지금까지 본 발명의 구성 및 작동원리를 상기의 일 실시예를 기준으로 설명하였으나, 상기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 기체분리막 모듈을 추가로 설치하여 본 장치를 구성함으로써, 여러 가지 농도의 산소가스 또는 질소가스를 발생시키는 것도 가능하다.So far, the configuration and operation principle of the present invention have been described with reference to one embodiment, but the above embodiments are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited to the above embodiments. For example, by additionally providing a gas separation membrane module to configure the apparatus, it is also possible to generate various concentrations of oxygen gas or nitrogen gas.

도 1은 산소 용접한 파이프 내부를 나타낸 사진이다.1 is a photograph showing an inside of a pipe welded with oxygen.

도 2는 본 발명에 따른, 공기 중의 산소 및 질소 분리장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.2 is a view showing an embodiment of the oxygen and nitrogen separation device in the air according to the present invention.

Claims (3)

기체를 흡입한 후 압축하여 기체분리막 모듈로 공급하는 제1 및 제2기체압축기(101, 201); 하나의 입구, 비투과출구 및 투과출구를 구비하고, 공기에서 산소와 질소를 분리 추출하는 제1 내지 제4기체분리막 모듈(103, 105, 107, 203); 및 장치 내부의 기체 흐름을 조절하는 제1 및 제2유량조절밸브(109, 205)를 포함하고 있는, 공기에서 산소와 질소를 분리 추출하는 장치에 있어서,First and second gas compressors 101 and 201 for sucking and compressing gas and supplying the compressed gas to the gas separation membrane module; First to fourth gas separation membrane modules (103, 105, 107, 203) having one inlet, a non-permeable outlet, and a permeate outlet for separating and extracting oxygen and nitrogen from air; And first and second flow control valves (109, 205) for regulating gas flow inside the device, wherein the device separates and extracts oxygen and nitrogen from the air. 상기 제1기체압축기(101)의 출구에 일단이 유통가능하게 접속되어 있고 상기 제1기체분리막 모듈(103) 입구에 타단이 유통가능하게 접속된 압축공기공급배관(102)이 개재되고,One end of the first gas compressor 101 is connected to the outlet of the first gas compressor 101, and the other end of the compressed air supply pipe 102 is connected to the inlet of the first gas separation membrane module 103, and 상기 제1기체분리막 모듈(103)의 비투과출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 상기 제2기체분리막 모듈(105)의 입구에 타단이 유통가능하게 접속된 제1질소부화가스배관(104)이 개재되고,A first nitrogen enriched gas pipe 104 having one end connected to the non-permeable outlet of the first gas separation membrane module 103 and the other end connected to the inlet of the second gas separation membrane module 105 so as to be flowable interposed therebetween. Become, 상기 제2기체분리막 모듈(105)의 비투과출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 상기 제3기체분리막 모듈(107)의 입구에 타단이 유통가능하게 접속된 제2질소부화가스배관(106)이 개재되고,A second nitrogen enriched gas pipe 106 having one end connected to the non-permeable outlet of the second gas separation membrane module 105 and the other end connected to the inlet of the third gas separation membrane module 107 so as to be flowable therebetween. Become, 상기 제1기체분리막 모듈(103)의 산소부화가스출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 상기 제2기체압축기(201)의 흡입구에 타단이 유통가능하게 접속된 제1산소부화가스배관(110)이 개재되고,The first oxygen enriched gas pipe 110 having one end connected to the oxygen enriched gas outlet of the first gas separation membrane module 103 so as to be flowable and the other end connected to the intake port of the second gas compressor 201 to be flowable. Intervening, 상기 제2기체압축기(201)의 토출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 상기 제4기체분리막 모듈(203)의 입구에 타단이 유통가능하게 접속된 제2산소부화가스배관(202)이 개재되고,A second oxygen-enriched gas pipe 202 having one end connected to the outlet of the second gas compressor 201 for circulation and the other end connected to the inlet of the fourth gas separation membrane module 203 for distribution is interposed therebetween. 상기 제3기체분리막 모듈(107)의 비투과출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 도중에 상기 제1유량조절밸브(109)가 개재되어 있는 고순도 질소가스배관(108)이 개재되고,One end is connected to the non-permeate outlet of the third gas separation membrane module 107 so as to be circulated, and a high purity nitrogen gas pipe 108 interposed with the first flow control valve 109 is interposed therebetween. 상기 제4 기체분리막 모듈(203)의 비투과출구에 일단이 유통가능하게 접속되고 도중에 상기 제2유량조절밸브(205)가 개재되어 있는 배출관(204)이 개재되고,A discharge pipe 204 having one end connected to the non-permeable outlet of the fourth gas separation membrane module 203 so as to be flowable and interposed with the second flow control valve 205 interposed therebetween, 상기 제2기체분리막 모듈(105), 상기 제3기체분리막 모듈(107) 및 상기 제4기체분리막 모듈(203) 각각의 투과출구에 배출관(111), 배출관(112) 및 고순도 산소가스배관(206) 각각의 일단이 유통가능하게 접속되어 있으며,A discharge pipe 111, a discharge pipe 112, and a high purity oxygen gas pipe 206 at a permeate outlet of each of the second gas separation membrane module 105, the third gas separation membrane module 107, and the fourth gas separation membrane module 203. ) Each end is connected for distribution. 상기 제1기체분리막 모듈(103), 상기 제3기체분리막 모듈(107) 및 상기 제4기체분리막 모듈(203)의 기체분리막은 산소/질소 분리계수가 5∼7인 고순도ㆍ저투과량의 특성이 있고, 상기 제2기체분리막 모듈(105)의 기체분리막은 산소/질소 분리계수가 2∼5인 저순도ㆍ고투과량의 특성이 있는 것을 특징으로 하는, 공기에서 산소와 질소를 분리 추출하는 장치.The gas separation membranes of the first gas separation membrane module 103, the third gas separation membrane module 107, and the fourth gas separation membrane module 203 have high purity and low permeability characteristics having an oxygen / nitrogen separation coefficient of 5 to 7. And the gas separation membrane of the second gas separation membrane module (105) has low purity and high permeability characteristics with an oxygen / nitrogen separation coefficient of 2 to 5. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1기체압축기(101)의 토출유량은, 상기 제2기체압축기(201)의 토출유량보다 큰 것을 특징으로 하는, 공기에서 산소와 질소를 분리 추출하는 장치.The discharge flow rate of the first gas compressor (101) is larger than the discharge flow rate of the second gas compressor (201), the device for separating and extracting oxygen and nitrogen from the air. 삭제delete
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