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KR101681543B1 - 질소 농축 가스 제조 방법, 가스 분리 방법 및 질소 농축 가스 제조 장치 - Google Patents

질소 농축 가스 제조 방법, 가스 분리 방법 및 질소 농축 가스 제조 장치 Download PDF

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KR101681543B1
KR101681543B1 KR1020147020851A KR20147020851A KR101681543B1 KR 101681543 B1 KR101681543 B1 KR 101681543B1 KR 1020147020851 A KR1020147020851 A KR 1020147020851A KR 20147020851 A KR20147020851 A KR 20147020851A KR 101681543 B1 KR101681543 B1 KR 101681543B1
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adsorption
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히데히사 사카모토
마키야 고쿠부
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다이요 닛산 가부시키가이샤
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Abstract

압축기가 갖는 성능을 충분히 발휘하기 위해 압축기의 부하 변동을 줄인 질소 농축 가스 제조 방법 및 질소 농축 가스 제조 장치를 제공한다. 흡착제가 충전된 복수의 흡착 탱크를 사용하여, 질소 가스를 포함하는 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 분리하는 질소 농축 가스 제조 방법으로서, 가압 흡착 공정과, 감압 균압 공정과, 감압 재생 공정과, 가압 균압 공정을 가지고, 상기 가압 또는 감압 균압 공정에 있어서, 상기 압축기와 상기 흡착 탱크 사이에 분기하여 설치된 압축 원료 공기 탱크에 상기 압축기에 의해 압축된 상기 원료 공기를 저장하며, 상기 가압 흡착 공정에 있어서, 상기 압축 원료 공기 탱크에 저장된 압축된 상기 원료 공기를 상기 흡착 탱크 내에 도입함으로써, 상기 흡착 탱크 내를 가압하는 가스의 일부로서 사용하는 것을 특징으로 하는 질소 농축 가스 제조 방법.

Description

질소 농축 가스 제조 방법, 가스 분리 방법 및 질소 농축 가스 제조 장치{NITROGEN-ENRICHED GAS MANUFACTURING METHOD, GAS SEPARATION METHOD AND NITROGEN-ENRICHED GAS MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은 질소 농축 가스 제조 방법, 가스 분리 방법 및 질소 농축 가스 제조 장치에 관한 것이다. 본원은 2012년 1월 30일에 일본에 출원된 특허출원 2012-016575호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
일반적으로, 압력 변동 흡착(Pressure Swing Adsorption; PSA) 방식에 의해 질소를 포함하는 원료 공기(이하, 단순히 「원료 공기」라고 한다)로부터 분리·정제된 질소가 풍부한 가스(이하, 「질소 농축 가스」라고 한다)는 방폭용의 퍼지 가스나 열처리로의 분위기 가스용 등, 다양한 용도로 이용되고 있다.
이 PSA 방식에 의한 질소 농축 가스의 분리·정제에 있어서는 동력으로서 오로지 전기가 사용되고 있고, 근래에는 러닝 코스트(running cost)의 절감이나 저에너지화를 위한 저전력화가 한층 더 요구되고 있다.
종래, 이러한 종류의 PSA 방식에 의한 질소 농축 가스 제조 장치(이하, 「질소 PSA 장치」라고 한다)로는 도 7에 나타내는 것이 알려져 있었다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 질소 PSA 장치(101)는 원료 공기를 가압하기 위한 원료 공기 압축기(102)와, 2개의 흡착 탱크(제1 흡착 탱크(103A) 및 제2 흡착 탱크(103B))와, 제품 탱크(104)를 구비하고 있다.
또한, 각각의 흡착 탱크(103A, 103B)의 원료 공기 압축기(102)가 접속된 측(이하, 「상류측」이라고 한다) 및 제품 탱크(104)가 접속된 측(이하, 「하류측」이라고 한다)에는 자동 전환식의 개폐 밸브(111a, 111b, 116a, 116b)가 설치되어 있고, 그 밖에 질소 PSA 장치(101)에는 자동 전환식의 개폐 밸브(112a, 112b, 113, 115)와, 유량 조정이 가능한 유량 조정 밸브(114)가 설치되어 있다. 또한, 제품 탱크(104)의 출구 측에는 자동 전환식의 개폐 밸브(106)가 설치되어 있다.
또한, 2개의 흡착 탱크(103A, 103B)에는 각각 원료 공기 압축기(102)로부터 송출되는 압축 원료 공기 중의 산소나 이산화탄소 등의 불필요 성분을 우선적으로 흡착하는 흡착제(105)가 충전되어 있다.
이러한 질소 PSA 장치(101)를 사용하여 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 분리하는 방법으로는 가압 흡착 공정과, 감압 균압 공정과, 감압 재생 공정과, 가압 균압 공정의 각 공정을 반복하는 방법이 알려져 있다.
이 방법의 경우, 제1 흡착 탱크(103A) 및 제2 흡착 탱크(103B) 중 일방이 가압 흡착 공정시에는 타방은 감압 재생 공정이 되고, 일방이 감압 균압 공정시에는 타방이 가압 균압 공정이 되어 있다. 따라서, 제1 흡착 탱크(103A)에서 가압 흡착 공정, 감압 균압 공정, 감압 재생 공정 및 가압 균압 공정이 이 순서대로 행해졌을 때는, 제2 흡착 탱크(103B)에서는 감압 재생 공정, 가압 균압 공정, 가압 흡착 공정, 감압 균압 공정이 이 순서대로 행해지게 된다. 이하에서는, 제1 흡착 탱크(103A)의 공정을 기준으로 하여 설명한다.
우선, 가압 흡착 공정에서는 원료 공기 압축기(102)에 의해 가압된 압축 원료 공기를 제1 흡착 탱크(103A) 내에 도입하여 제1 흡착 탱크(103A) 내를 가압하고, 원료 공기 중의 불필요 성분을 우선적으로 흡착제(105)에 흡착시킴으로써 질소 농축 가스를 얻는다. 다음으로, 감압 균압 공정에서는 제1 흡착 탱크(103A) 내에 잔류하는 상대적으로 고압인 가스를 제2 흡착 탱크(103B) 내에 도입한다.
다음으로, 감압 재생 공정에서는 제1 흡착 탱크(103A)를 대기에 해방시켜 제1 흡착 탱크(103A) 내의 압력을 저하시키고, 흡착제(105)에 흡착되어 있던 불필요 성분을 이탈시켜, 제1 흡착 탱크(103A) 밖으로 배출한다. 이 때, 가압 흡착 공정을 실시하고 있는 제2 흡착 탱크(103B)의 하류측으로부터 꺼낸 질소 농축 가스를 제1 흡착 탱크(103A)의 하류측을 통하여 제1 흡착 탱크(103A) 내에 도입함으로써, 불필요 성분의 이탈을 촉진시키는 것이 바람직하다.
그리고, 가압 균압 공정에서는 가압 흡착 공정이 완료된 제2 흡착 탱크(103B) 내에 잔류하는 상대적으로 고압인 가스를 감압 재생 공정이 완료된 제1 흡착 탱크(103A) 내에 도입한다.
도 7에 기초하여 더욱 구체적으로 설명하면, 제1 흡착 탱크(103A)가 가압 흡착 공정에 있을 때(즉, 제2 흡착 탱크(103B)가 감압 재생 공정에 있을 때), 개폐 밸브(111a, 112b, 116a)는 열려 있고 그 밖의 개폐 밸브는 닫혀 있다.
따라서, 원료 공기 압축기(102)에 의해 압축된 압축 원료 공기는 개폐 밸브(111a)를 통해 제1 흡착 탱크(103A) 내에 도입된다.
제1 흡착 탱크(103A) 내에 도입된 압축 원료 공기는 산소나 이산화탄소 등의 불필요 성분이 흡착제(105)에 흡착되어 질소 성분이 풍부한 질소 농축 가스가 되고, 개폐 밸브(116a)를 통해 제품 탱크(104)로 보내져서 제품 가스가 된다. 이 때, 질소 농축 가스의 일부는 유량 조정 밸브(114)를 통해 제2 흡착 탱크(103B) 내로 도입되어, 제2 흡착 탱크(103B) 내의 흡착제(105)의 재생에 사용된다.
다음으로, 제1 흡착 탱크(103A)가 감압 균압 공정에, 제2 흡착 탱크(103B)가 가압 균압 공정에 들어가면, 개폐 밸브(113, 115)는 열리고 그 밖의 개폐 밸브는 닫히게 된다.
따라서, 이 감압 균압 공정에 있어서는 제1 흡착 탱크(103A) 내에 잔류하는 상대적으로 고압인 가스가 개폐 밸브(113, 115)를 통해 제1 흡착 탱크(103A)로부터 제2 흡착 탱크(103B) 내에 도입된다.
다음으로, 개폐 밸브(111b, 112a, 116b)를 열고 그 밖의 개폐 밸브를 닫음으로써, 제1 흡착 탱크(103A)는 감압 재생 공정에, 제2 흡착 탱크(103B)는 가압 흡착 공정에 들어간다.
이 공정에서는 제1 흡착 탱크(103A) 내에 잔류한 가스가 개폐 밸브(112a)를 통해 대기에 방출되고, 제1 흡착 탱크(103A) 내의 압력이 저하됨에 따라, 제1 흡착 탱크(103A) 내의 흡착제(105)에 흡착되어 있던 불필요 성분이 이탈한다. 이 때, 제2 흡착 탱크(103B)로부터 도출된 질소 농축 가스의 일부는 유량 조정 밸브(114)를 통해 제1 흡착 탱크(103A) 내에 도입되어, 제1 흡착 탱크(103A) 내의 흡착제(105)를 재생하기 위한 퍼지 가스로서 사용된다.
그 후, 개폐 밸브(113, 115)를 열고 그 밖의 개폐 밸브를 닫음으로써, 제1 흡착 탱크(103A)는 가압 균압 공정에 들어가고, 제2 흡착 탱크(103B)는 감압 균압 공정에 들어간다.
이 공정에 있어서, 제2 흡착 탱크(103B)로부터 제1 흡착 탱크(103A)로, 제2 흡착 탱크(103B) 내의 상대적으로 고압인 가스(균압 가스)가 공급된다.
이상의 공정을 반복함으로써, 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 분리한다.
그런데, 가압 균압 공정 또는 감압 균압 공정시에는 개폐 밸브(111a, 111b)가 폐지되기 때문에, 그 동안은 원료 공기 압축기(102)로부터 흡착 탱크(103A, 103B)로 압축 원료 공기를 공급하지 못하여, 원료 공기 압축기(102)의 출구부에서 급격한 압력 상승이 일어나는 문제가 있다.
여기서, 질소 PSA 장치(101)의 개폐 밸브(111a, 111b)의 폐지에 의한 급격한 압력 상승을 방지하기 위해, 도 8과 같이 원료 공기 압축기(102)의 하류측에 압축 원료 공기 탱크(107)를 설치하는 경우가 있다.
또한, 그 밖에 압축 원료 공기 탱크(107)를 사용한 압축 원료 공기의 유효 이용 방법으로서, 압축 원료 공기 탱크(107) 내의 압력을 매번 검지하여, 원료 공기 압축기(102)의 모터 회전수를 제어하는 방법이 알려져 있다(특허문헌 1).
일본 공개특허공보 2011-156530호
그러나, 도 8과 같은 압축 원료 공기 탱크(107)를 사용하는 방법에서는 가압 균압 공정 또는 감압 균압 공정 직전의 제1 흡착 탱크(103A) 또는 제2 흡착 탱크(103B) 내의 압력이 원료 공기 압축기(102)의 최대 사용 압력과 근사한 경우(즉, 압축 원료 공기 탱크(107) 내의 압력이 원료 공기 압축기(102)의 최대 사용 압력과 근사한 경우), 균압 공정시의 압력 상승 보호에는 기여할 수 없다.
또한, 무부하 운전 기구를 갖는 원료 공기 압축기(102)를 사용함으로써, 균압 공정시에 원료 공기 압축기(102)를 무부하 운전으로 전환하여 압력 상승을 방지하는 것은 가능하지만, 한 번 무부하 운전으로 전환된 원료 공기 압축기(102)는 다시 부하 운전으로 전환되기까지 시간을 필요로 한다는 문제가 있다. 또한, 원료 공기 압축기(102)가 무부하 운전으로 전환됨으로써, 가압 흡착 공정시에 있어서의 흡착 탱크 내의 압력 상승이 느려져 압축기로서의 성능을 충분히 이용할 수 없고, 또한 원료 공기 압축기(102)에서 가압하는 용적이 압축 원료 공기 탱크(107)만큼 증가한다는 점에서, 가압 흡착 공정시의 승압에 불리해지고 PSA 성능의 저하를 초래한다는 문제가 있었다.
또한, 특허문헌 1에 기재되어 있는 방법에서는 원료 공기 압축기(102)를 효율적으로 이용하기 위해 인버터 제어 시스템을 채용할 필요가 있어, 비용이 증가한다는 문제가 있었다.
또한, 이러한 제어 시스템을 채용한 경우에도, 균압 공정시에 있어서는 제1 흡착 탱크(103A), 제2 흡착 탱크(103B)의 상류측에 있는 개폐 밸브(111a, 111b)가 폐지되기 때문에, 원료 공기 압축기(102)의 회전수를 감소시키게 된다. 그 결과, 압축기가 갖는 성능을 만족스럽게 발휘하지 못하고, 선정해야 할 원료 공기 압축기(102)의 필요 능력의 증대로 이어져 장치가 비대화하여, 저전력화의 관점에서도 바람직하지 못하다는 문제가 있었다.
이러한 배경하, 저전력, 저비용, 소공간의 관점에서 압축기가 갖는 성능을 충분히 발휘할 수 있는 운전 방법 및 장치가 요구되고 있다는 점에서, 압축기의 부하 변동을 줄이고 보다 연속적인 운전을 행하는 방법이 요망되고 있었지만, 유효 적절한 방법이 제공되고 있지 않은 것이 실정이었다.
본 발명은 상기 과제를 해결한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 제공하고 있다. 이하에서는 제1 흡착 탱크의 공정을 기준으로 하여 설명한다.
제1 발명은 흡착제가 충전된 복수의 흡착 탱크를 사용하여, 질소 가스를 포함하는 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 분리하는 질소 농축 가스 제조 방법으로서, 제1 흡착 탱크 내에 압축기에 의해 압축된 상기 원료 공기를 도입하여 상기 제1 흡착 탱크 내를 가압하고, 상기 원료 공기 중의 산소나 이산화탄소 등의 불필요 성분을 상기 제1 흡착 탱크 내의 흡착제에 우선적으로 흡착시켜 질소가 농축된 가스를 얻는 가압 흡착 공정과, 상기 제1 흡착 탱크 내에 잔류하는 가스를 제2 흡착 탱크 내에 도입하는 감압 균압 공정과, 상기 압축기에 의해 압축된 원료 공기를 상기 제2 흡착 탱크 내에 도입함과 함께, 상기 제1 흡착 탱크를 대기에 개방시켜 상기 제1 흡착 탱크 내의 압력을 저하시키고, 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제로부터 상기 불필요 성분을 이탈시킴으로써 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제를 재생하는 감압 재생 공정과, 상기 제2 흡착 탱크 내에 잔류하는 가스를 상기 제1 흡착 탱크 내에 도입하는 가압 균압 공정을 가지고, 상기 가압 균압 공정에 있어서, 상기 압축기와 상기 제1 흡착 탱크 사이의 배관으로부터 분기하여 설치된 압축 원료 공기 탱크에 상기 압축기에 의해 압축된 상기 원료 공기를 저장하며, 상기 가압 흡착 공정에 있어서, 상기 압축 원료 공기 탱크에 저장된 상기 원료 공기를 상기 제1 흡착 탱크 내에 도입함으로써, 상기 제1 흡착 탱크 내를 가압하는 가스의 일부로서 사용하는 것을 특징으로 하는 질소 농축 가스 제조 방법이다.
또한, 제2 발명은 흡착제가 충전된 복수의 흡착 탱크를 사용하여, 상기 흡착제에 대해 이(易)흡착성인 이흡착 성분과, 상기 흡착제에 대해 난흡착성인 난흡착 성분을 포함하는 원료 가스로부터 상기 이흡착 성분과 상기 난흡착 성분을 분리하는 가스 분리 방법으로서, 제1 흡착 탱크 내에 압축기에 의해 압축된 상기 원료 가스를 도입하여 상기 제1 흡착 탱크 내를 가압하고, 상기 원료 가스 중의 상기 이흡착 성분을 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제에 우선적으로 흡착시켜, 상기 난흡착 성분이 농축된 가스를 얻는 가압 흡착 공정과, 상기 제1 흡착 탱크 내에 잔류하는 상대적으로 고압인 가스를 제2 흡착 탱크 내에 도입하는 감압 균압 공정과, 상기 압축기에 의해 압축된 원료 가스를 상기 제2 흡착 탱크 내에 도입함과 함께, 상기 제1 흡착 탱크를 대기에 개방시켜 상기 제1 흡착 탱크 내의 압력을 저하시키고, 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제로부터 상기 이흡착 성분을 이탈시킴으로써 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제를 재생하는 감압 재생 공정과, 상기 제2 흡착 탱크 내에 잔류하는 가스를 상기 제1 흡착 탱크 내에 도입하는 가압 균압 공정을 가지고, 상기 가압 균압 공정에 있어서, 상기 압축기와 상기 제1 흡착 탱크 사이의 배관으로부터 분기하여 설치된 압축 원료 가스 탱크에 상기 압축기에 의해 압축된 상기 원료 가스를 저장하며, 상기 가압 흡착 공정에 있어서, 상기 압축 원료 가스 탱크에 저장된 압축된 상기 원료 가스를 상기 제1 흡착 탱크 내에 도입함으로써, 상기 제1 흡착 탱크 내를 가압하는 가스의 일부로서 사용하는 것을 특징으로 하는 가스 분리 방법이다.
또한, 제3 발명은 흡착제가 충전된 복수의 흡착 탱크를 사용하여, 질소 가스를 포함하는 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 분리하기 위한 질소 농축 가스 제조 장치로서, 원료 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 원료 공기가 도입되는 복수의 흡착 탱크와, 상기 압축기와 상기 흡착 탱크를 접속하는 배관과, 상기 배관에 분기하여 설치된 분기관과, 상기 분기관에 접속된 압축 원료 공기 탱크를 구비하고, 상기 압축 원료 공기 탱크는 상기 흡착 탱크가 상기 압축기로부터 압축된 원료 공기를 도입하지 않거나 또는 도입 유량을 제한하는 경우에, 상기 압축기에 의해 압축된 원료 공기를 저장하는 기능을 가지며, 상기 흡착 탱크 내를 가압할 때에, 가압하는 가스의 일부로서 상기 압축 원료 공기 탱크 내에 저장되어 있던 원료 공기를 상기 흡착 탱크에 도출하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 질소 농축 가스 제조 장치이다.
본 발명에 의하면, 원료 공기 압축기를 간헐적이지 않고 연속적으로 안정되게 사용할 수 있으며, 압축기의 최대(정격) 풍량을 낮추는 것이 가능해져, 그 결과 질소 PSA 장치의 저전력화를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태인 질소 농축 가스 제조 장치의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태인 질소 농축 가스 제조 방법의 조작 1의 공정을 나타내는 공정도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시형태인 질소 농축 가스 제조 방법의 조작 2의 공정을 나타내는 공정도이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시형태인 질소 농축 가스 제조 방법의 조작 3의 공정을 나타내는 공정도이다.
도 2d는 본 발명의 일 실시형태인 질소 농축 가스 제조 방법의 조작 4의 공정을 나타내는 공정도이다.
도 2e는 본 발명의 일 실시형태인 질소 농축 가스 제조 방법의 조작 5의 공정을 나타내는 공정도이다.
도 2f는 본 발명의 일 실시형태인 질소 농축 가스 제조 방법의 조작 6의 공정을 나타내는 공정도이다.
도 3은 PSA 방식의 질소 농축 가스 제조 장치에 있어서의, 압축 원료 공기 탱크의 유무에 따른 원료 공기 압축기의 필요 풍량을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태인 질소 농축 가스 제조 장치의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 5는 압축 원료 공기 탱크의 유무에 따른 수율과 제품 가스 중의 산소 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 압축 원료 공기 탱크의 유무에 따른 능력과 제품 가스 중의 산소 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래의 질소 농축 가스 제조 장치의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 8은 종래의 질소 농축 가스 제조 장치의 개략을 나타내는 계통도이다.
이하, 본 발명을 적용한 질소 농축 가스 제조 장치 및 질소 농축 가스 제조 방법에 대해, 도면을 사용하여 상세하게 설명한다.
〈질소 농축 가스 제조 장치〉
본 실시형태의 질소 농축 가스 제조 장치(1)는 PSA 방식의 제조 장치로서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 원료 공기 압축기(2)와, 압축 원료 공기 탱크(3)와, 2개의 흡착 탱크(제1 흡착 탱크(4A) 및 제2 흡착 탱크(4B))와, 제품 탱크(5)를 구비한 구성으로 되어 있다.
원료 공기 압축기(2)는 원료 공기를 압축하는 장치이며, 제1 흡착 탱크(4A)와는 입구 밸브(11a)를 통해 배관(31, 34, 37)을 개재하고, 제2 흡착 탱크(4B)와는 입구 밸브(11b)를 통해 배관(31, 34, 38)을 개재하여 접속되어 있다.
또한, 제1 흡착 탱크(4A) 및 제2 흡착 탱크(4B)에는 원료 공기 중의 질소보다 산소나 이산화탄소 등의 불필요 성분을 우선적으로 흡착하는 흡착제(6)가 충전되어 있다. 이 흡착제(6)로는 분자체 활성탄을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 배관(37) 및 배관(38)에는 각각 제1 흡착 탱크(4A) 또는 제2 흡착 탱크(4B) 내에 도입하는 가스의 압력을 측정하는 압력계(21a, 21b)가 설치되어 있다.
압축 원료 공기 탱크(3)는 배관(31)에 분기하여 설치된 분기관(32)을 개재하여 원료 공기 압축기(2)와 접속되어 있다. 또한, 압축 원료 공기 탱크(3)는 제1 흡착 탱크(4A)와는 입구 밸브(11a)를 통해 배관(32, 31, 34, 37)을 개재하고, 제2 흡착 탱크(4B)와는 입구 밸브(11b)를 통해 분기관(32)과 배관(31, 34, 38)을 개재하여 접속되어 있다.
즉, 압축 원료 공기 탱크(3)는 원료 공기 압축기(2)와 흡착 탱크(4A, 4B) 사이에 있어서 분기하여 설치되어 있다.
분기관(32)에는 자동 전환식의 개폐 밸브인 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(17)가 설치되어 있고, 이 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(17)의 상류측과 하류측을 연결하도록 다른 배관(33)이 설치되어 있다.
또한, 압축 원료 공기 탱크(3)에는 압축 원료 공기 탱크(3) 내의 압력을 측정하는 압력계(도시 생략)가 설치되어 있다.
이 압축 원료 공기 탱크(3)는, 후술하는 바와 같이 제1 흡착 탱크(4A) 및 제2 흡착 탱크(4B)가 원료 공기 압축기(2)로부터 압축된 원료 공기를 도입하지 않거나 또는 도입 유량을 제한하는 경우에, 원료 공기 압축기(2)에 의해 압축된 원료 공기를 저장하는 기능을 갖고 있다. 또한, 제1 흡착 탱크(4A) 또는 제2 흡착 탱크(4B) 내를 가압할 때, 가압 가스의 일부로서 압축 원료 공기 탱크(3)에 저장되어 있던 원료 공기를 제1 흡착 탱크(4A) 또는 제2 흡착 탱크(4B)에 도출하는 기능도 갖고 있다.
또한, 배관(33)에는 압축 원료 공기 탱크(3)측으로부터 순서대로 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18) 및 압축 원료 공기 탱크 출구 유량 조정 기구(19)가 설치되어 있다.
압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18)는 개폐 밸브여도 되고 역류 방지 밸브여도 되며, 압축 원료 공기 탱크 출구 유량 조정 기구(19)는 니들 밸브나 오리피스, 또는 배관 직경을 변경하는 등의 수단에 의해 유량 조정이 가능하면 어떠한 구성이어도 상관없다. 또한, 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18) 및 압축 원료 공기 탱크 출구 유량 조정 기구(19)는 제어가 가능한 유량 조절 밸브 등의 1개의 기구여도 상관없다.
제품 탱크(5)는 제1 흡착 탱크(4A) 및 제2 흡착 탱크(4B)로부터 도출되는 질소 농축 가스를 저장하는 탱크이며, 제1 흡착 탱크(4A)와는 출구 밸브(16a)를 통해 배관(39, 43, 44)을 개재하고, 제2 흡착 탱크(4B)와는 출구 밸브(16b)를 통해 배관(40, 43, 44)을 개재하여 접속되어 있다.
제품 탱크(5) 내에 저장된 제품 가스는 제품 가스 출구 밸브(25)가 설치된 배관(45)을 개재하여 원하는 용도에 제공하기 위해 도출되도록 구성되어 있다.
또한, 배관(45)에는 제품 가스의 산소 농도를 측정하는 산소 농도계(22)와, 제품 가스의 압력을 조정하는 제품 감압 밸브(23)와, 제품 가스의 유량을 측정하는 제품 가스 유량계(24)가 설치되어 있다.
또한, 제1 흡착 탱크(4A)의 상류측 및 하류측은 각각 제2 흡착 탱크(4B)의 상류측 및 하류측과 접속되어 있다.
제1 흡착 탱크(4A)의 상류측과 제2 흡착 탱크(4B)의 상류측은 배관(37)과 배관(38)을 개재하여 접속되어 있지만, 배관(37)과 배관(38) 사이는 3개의 배관(34, 35, 36)으로 접속되어 있다.
배관(34)에는 개폐 밸브인 입구 밸브(11a, 11b)가 설치되어 있고, 이 입구 밸브(11a)와 입구 밸브(11b) 사이에 배관(31)이 접속되어 있다.
또한, 배관(35)에는 개폐 밸브인 배기 밸브(12a, 12b)가 설치되어 있고, 이 배기 밸브(12a)와 배기 밸브(12b) 사이에는 대기와 통하는 배관(46)이 접속되어 있다.
또한, 배관(36)에는 개폐 밸브인 균압 밸브(13)가 설치되어 있다.
또한, 제1 흡착 탱크(4A)의 하류측과 제2 흡착 탱크(4B)의 하류측은 배관(39)과 배관(40)을 개재하여 접속되어 있고, 배관(39)과 배관(40) 사이는 3개의 배관(41, 42, 43)으로 접속되어 있다.
배관(41)에는 재생 가스의 유량을 조정하는 유량 조정 기구(14)가 설치되어 있고, 배관(42)에는 개폐 밸브인 균압 밸브(15)가 설치되어 있다. 유량 조정 기구(14)는 니들 밸브나 오리피스, 또는 배관 직경을 변경하는 등의 수단에 의해 유량 조정이 가능하면 어떠한 구성이어도 상관없다.
또한, 배관(43)에는 출구 밸브(16a, 16b)가 설치되어 있고, 이 출구 밸브 (16a)와 출구 밸브(16b) 사이에 배관(44)이 접속되어 있다.
또한, 입구 밸브(11a, 11b)와, 배기 밸브(12a, 12b)와, 균압 밸브(13, 15)와, 출구 밸브(16a, 16b)와, 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(17)와, 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18)는 후술하는 각 공정에 있어서, 전환 프로그램에 의해 자동적으로 개폐 가능하도록 구성되어 있다.
〈질소 농축 가스 제조 방법〉
다음으로, 본 실시형태의 질소 농축 가스 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, 본 실시형태의 질소 농축 가스 제조 방법은 가압 흡착 공정과, 감압 균압 공정과, 감압 재생 공정과, 가압 균압 공정의 각 공정을 반복하는 방법으로 되어 있다.
또한, 제1 흡착 탱크(4A) 및 제2 흡착 탱크(4B) 중 일방이 가압 흡착 공정시에는 타방은 감압 재생 공정이 되고, 일방이 감압 균압 공정시에는 타방은 가압 균압 공정이 되는 관계로 되어 있다. 이하에서는, 제1 흡착 탱크(4A)의 공정을 기준으로 하여 설명한다.
우선, 가압 흡착 공정은 원료 공기 압축기(2)에 의해 가압된 원료 공기를 제1 흡착 탱크(4A) 내에 도입하고, 제1 흡착 탱크(4A) 내를 소정의 압력으로 하여 원료 공기 중의 흡착되기 쉬운 산소나 이산화탄소 등의 불필요 성분을 흡착제(6)에 우선적으로 흡착시키고, 흡착되기 어려운 질소 농축 가스를 제품 탱크(5)에 도출한다.
다음으로, 감압 균압 공정에서는 제1 흡착 탱크(4A) 내에 잔류하는 상대적으로 고압인 가스를 제2 흡착 탱크(4B) 내에 도입한다.
다음으로, 감압 재생 공정에서는 제1 흡착 탱크(4A)를 대기에 해방시켜 압력을 저하시키고, 흡착제(6)에 흡착되어 있던 산소나 이산화탄소 등의 불필요 성분을 이탈시켜 흡착제(6)를 재생한다. 이 때, 가압 흡착 공정을 실시하고 있는 제2 흡착 탱크(4B)의 하류측으로부터 꺼낸 질소 농축 가스를 제1 흡착 탱크(4A)의 하류측을 통하여 제1 흡착 탱크(4A) 내에 도입함으로써, 불필요 성분의 이탈을 촉진시키는 것이 바람직하다.
그리고, 가압 균압 공정에서는 제2 흡착 탱크(4B) 내에 잔류하는 상대적으로 고압인 가스를 제1 흡착 탱크(4A) 내에 도입한다.
그 후, 제1 흡착 탱크(4A)는 다시 가압 흡착 공정으로 이행하고, 이상의 공정을 반복함으로써 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 분리한다. 즉, 제1 흡착 탱크(4A)와 제2 흡착 탱크(4B)는 흡착과 재생을 교대로 반복함으로써 연속적으로 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 제조한다.
상기 질소 농축 가스 제조 장치(1)를 사용한 질소 농축 가스 제조 방법에 대해, 도 2(도 2a 내지 도 2f) 및 표 1을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
또한, 도 2a 내지 도 2f는 각각 조작 1 내지 조작 6의 각 공정을 나타내는 도면으로, 도면 중의 화살표는 가스의 흐름을 나타내고, 도면 중의 굵은 선 부분은 가스가 유통되고 있는 배관을 나타내고 있다.
또한, 표 1은 각 공정에 있어서의 원료 공기 압축기, 압축 원료 공기 탱크, 제1 흡착 탱크, 제2 흡착 탱크의 각 상태를 나타내고 있다.
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《조작 1》
도 2a에 나타내는 조작 1은 제1 흡착 탱크(4A)가 가압 흡착 공정을 행하고 있는 상태이고, 제2 흡착 탱크(4B)가 감압 재생 공정을 행하고 있는 상태이다. 구체적으로는, 입구 밸브(11a)와, 배기 밸브(12b)와, 출구 밸브(16a)와, 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18)가 열려 있고, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
이 조작 1에서는 입구 밸브(11a)가 열려 있기 때문에, 원료 공기 압축기(2)에 의해 압축된 압축 원료 공기는 배관(31, 34, 37)을 개재하여 제1 흡착 탱크(4A) 내에 도입되고, 제1 흡착 탱크(4A) 내가 가압된다. 그리고, 원료 공기 중의 산소나 이산화탄소 등의 불필요 성분이 제1 흡착 탱크(4A) 내의 흡착제(6)에 의해 우선적으로 흡착되어, 질소가 농축된 질소 농축 가스가 얻어진다. 이 얻어진 질소 농축 가스는 출구 밸브(16a)가 열려 있기 때문에, 배관(39, 43, 44)을 개재하여 제1 흡착 탱크(4A)로부터 제품 탱크(5)로 도출된다.
또한 배기 밸브(12b)가 열려 있기 때문에, 제2 흡착 탱크(4B)는 배관(38, 35, 46)을 개재하여 대기에 개방되어 있어, 제2 흡착 탱크(4B) 내의 압력이 저하되고 제2 흡착 탱크(4B) 내의 흡착제(6)로부터 불필요 성분이 이탈하여, 흡착제(6)가 재생된다.
이 때, 제1 흡착 탱크(4A)로부터 토출되는 질소 농축 가스의 일부는 유량 조정 기구(14)에 의해 유량 조정되면서, 배관(39, 41, 40)을 개재하여 제2 흡착 탱크(4B)의 하류측으로부터 제2 흡착 탱크(4B) 내에 도입된다. 그리고, 이 도입된 질소 농축 가스에 의해 제2 흡착 탱크(4B) 내가 퍼지됨으로써, 제2 흡착 탱크(4B) 내의 흡착제(6)의 재생이 촉진된다.
또한, 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18)가 열려 있기 때문에, 압축 원료 공기 탱크(3)에 저장된 원료 공기는 압축 원료 공기 탱크 출구 유량 조정 기구(19)에 의해 적당한 유량으로 조정되면서, 분기관(32) 및 배관(33, 31, 34, 37)을 개재하여 제1 흡착 탱크(4A) 내에 도입되어, 제1 흡착 탱크(4A)를 가압하는 가스의 일부로서 사용된다.
즉 조작 1에 있어서, 제1 흡착 탱크(4A)에 대한 압축 원료 공기의 공급은 원료 공기 압축기(2)와 압축 원료 공기 탱크(3) 양쪽 모두에서 행해지고 있다.
또한, 압축 원료 공기 탱크 출구 유량 조정 기구(19)가 설치되어 있기 때문에, 압축 원료 공기 탱크(3)로부터 제1 흡착 탱크(4A)에 공급되는 압축 원료 공기의 유량은 조정된다. 이로 인해, 압축 원료 공기 탱크(3)로부터 압축 원료 공기를 공급할 때, 압축 원료 공기를 급격하게 도입하여 제1 흡착 탱크(4A) 내의 농도 분포를 교란시키고, 성능에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
《조작 2》
다음으로, 도 2b를 참조하여 조작 2에 대해 설명한다.
여기서, 조작 1과 조작 2의 전환은 제1 흡착 탱크(4A)와 압축 원료 공기 탱크(3)의 차압이 없어질 때 행하는 것이 바람직하다.
조작 2도 조작 1과 동일하게, 제1 흡착 탱크(4A)가 가압 흡착 공정을 행하고 있는 상태이고, 제2 흡착 탱크(4B)가 감압 재생 공정을 행하고 있는 상태이다.
무엇보다 조작 1과 상이하게, 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18)가 닫혀 있기 때문에, 압축 원료 공기 탱크(3)로부터 압축된 원료 공기가 공급되지 않으며, 제1 흡착 탱크(4A)에 대한 압축 원료 공기의 공급은 원료 공기 압축기(2)만이 된다.
다른 개폐 밸브에 대해서는 조작 1과 동일한 상태이다.
《조작 3》
다음으로, 도 2c를 참조하여 조작 3에 대해 설명한다.
조작 3에서는 제1 흡착 탱크(4A)가 가압 흡착 공정에서 감압 균압 공정으로 전환되고, 제2 흡착 탱크(4B)가 감압 재생 공정에서 가압 균압 공정으로 전환된 상태이다. 구체적으로는, 균압 밸브(13, 15)와 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(17)는 열려 있고, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
이 조작 3에서는 균압 밸브(15)가 열려 있기 때문에, 제1 흡착 탱크(4A) 내의 상대적으로 고압인 가스는 제1 흡착 탱크(4A)의 하류측으로부터, 배관(39, 42, 40)을 개재하여 제2 흡착 탱크(4B)의 하류측을 통해 제2 흡착 탱크(4B) 내에 도입된다.
또한, 이 때 유량 조정 기구(14)에서는 유량이 조정되기 때문에, 제1 흡착 탱크(4A)를 도출한 가스의 대부분은 배관(41)을 통과하지 않고, 배관(42)을 통과하여 제2 흡착 탱크(4B) 내에 도입된다.
또한, 균압 밸브(13)가 열려 있기 때문에, 제1 흡착 탱크(4A) 내의 상대적으로 고압인 가스는 제1 흡착 탱크(4A)의 상류측으로부터, 배관(37, 36, 38)을 개재하여 제2 흡착 탱크(4B)의 상류측을 통해 제2 흡착 탱크(4B) 내에 도입된다.
또한, 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(17)가 열려 있기 때문에, 원료 공기 압축기(2)로부터 토출된 압축 원료 공기는 압축 원료 공기 탱크(3) 내에 도입되어 저장된다.
이 균압 공정은 가압 흡착 공정이 종료된 제1 흡착 탱크(4A) 내에 잔류하는 상대적으로 고압인 가스를 감압 재생 공정이 종료되어 있는 제2 흡착 탱크(4B) 내에 회수하기 위해 행해진다.
《조작 4》
다음으로, 도 2d를 참조하여 조작 4에 대해 설명한다.
조작 4에서는 제1 흡착 탱크(4A)가 감압 재생 공정으로 전환되고, 제2 흡착 탱크(4B)가 가압 흡착 공정으로 전환된 상태이다. 구체적으로는, 입구 밸브(11b)와, 배기 밸브(12a)와, 출구 밸브(16b)와, 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18)가 열려 있고, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
입구 밸브(11b)가 열려 있기 때문에, 원료 공기 압축기(2)에 의해 압축된 원료 공기는 배관(31, 34, 38)을 개재하여 제2 흡착 탱크(4B) 내에 도입되고, 제2 흡착 탱크(4B) 내가 가압된다. 그리고, 원료 공기 중의 산소나 이산화탄소 등의 불필요 성분이 제2 흡착 탱크(4B) 내의 흡착제(6)에 의해 우선적으로 흡착되어, 질소가 농축된 질소 농축 가스가 얻어진다. 이 얻어진 질소 농축 가스는 출구 밸브(16b)가 열려 있기 때문에, 배관(40, 43, 44)을 개재하여 제2 흡착 탱크(4B)로부터 제품 탱크(5)로 도출된다.
또한 배기 밸브(12a)가 열려 있기 때문에, 제1 흡착 탱크(4A)는 배관(37, 35, 46)을 개재하여 대기에 개방되어 있어, 제1 흡착 탱크(4A) 내의 압력이 저하되고 제1 흡착 탱크(4A) 내의 흡착제(6)로부터 불필요 성분이 이탈하여, 흡착제(6)가 재생된다.
이 때, 제2 흡착 탱크(4B)로부터 토출되는 질소 농축 가스의 일부는 유량 조정 기구(14)에 의해 유량 조정되면서, 배관(40, 41, 39)을 개재하여 제1 흡착 탱크(4A)의 하류측으로부터 제1 흡착 탱크(4A) 내에 도입된다. 그리고, 이 도입된 질소 농축 가스에 의해 제1 흡착 탱크(4A) 내가 퍼지됨으로써, 제1 흡착 탱크(4A) 내의 흡착제(6)의 재생이 촉진된다.
또한, 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18)가 열려 있기 때문에, 압축 원료 공기 탱크(3)에 저장된 원료 공기는 압축 원료 공기 탱크 출구 유량 조정 기구(19)에 의해 적당한 유량으로 조정되면서, 분기관(32) 및 배관(33, 31, 34, 38)을 개재하여 제2 흡착 탱크(4B) 내에 도입되어, 제2 흡착 탱크(4B)를 가압하는 가스의 일부로서 사용된다.
즉 조작 4에 있어서, 제2 흡착 탱크(4B)에 대한 압축 원료 공기의 공급은 원료 공기 압축기(2)와 압축 원료 공기 탱크(3) 양쪽 모두에서 행해지고 있다.
《조작 5》
다음으로, 도 2e를 참조하여 조작 5에 대해 설명한다.
여기서, 조작 4와 조작 5의 전환은 제2 흡착 탱크(4B)와 압축 원료 공기 탱크(3)의 차압이 없어질 때 행하는 것이 바람직하다.
조작 5도 조작 4와 동일하게, 제1 흡착 탱크(4A)가 감압 재생 공정을 행하고 있는 상태이고, 제2 흡착 탱크(4B)가 가압 흡착 공정을 행하고 있는 상태이다.
무엇보다 조작 4와 상이하게, 조작 5에서는 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(18)가 닫혀 있기 때문에, 압축 원료 공기 탱크(3)로부터 압축된 원료 공기가 공급되지 않으며, 제2 흡착 탱크(4B)에 대한 압축 원료 공기의 공급은 원료 공기 압축기(2)만이 된다.
다른 개폐 밸브에 대해서는 조작 4와 동일한 상태이다.
《조작 6》
다음으로, 도 2f를 참조하여 조작 6에 대해 설명한다.
조작 6에서는 제1 흡착 탱크(4A)가 감압 재생 공정에서 가압 균압 공정으로 전환되고, 제2 흡착 탱크(4B)가 가압 흡착 공정에서 감압 균압 공정으로 전환된 상태이다. 구체적으로는, 균압 밸브(13, 15)와 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(17)는 열려 있고, 다른 개폐 밸브는 닫혀 있다.
균압 밸브(15)가 열려 있기 때문에, 제2 흡착 탱크(4B) 내의 상대적으로 고압인 가스는 제2 흡착 탱크(4B)의 하류측으로부터, 배관(40, 42, 39)을 개재하여 제1 흡착 탱크(4A)의 하류측을 통해 제1 흡착 탱크(4A) 내에 도입된다.
또한, 이 때 유량 조정 기구(14)에서는 유량이 조정되기 때문에, 제2 흡착 탱크(4B)의 하류측으로부터 도출된 가스의 대부분은 배관(41)을 통과하지 않고, 배관(42)을 통과하여 제1 흡착 탱크(4A) 내에 도입된다.
또한, 균압 밸브(13)가 열려 있기 때문에, 제2 흡착 탱크(4B) 내의 상대적으로 고압인 가스는 제2 흡착 탱크(4B)의 상류측으로부터, 배관(38, 36, 37)을 개재하여 제1 흡착 탱크(4A)의 상류측을 통해 제1 흡착 탱크(4A) 내에 도입된다.
또한, 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(17)가 열려 있기 때문에, 원료 공기 압축기(2)로부터 토출된 압축 원료 공기는 압축 원료 공기 탱크(3) 내에 도입되어 압축 저장된다.
이 균압 공정은 가압 흡착 공정이 종료된 제2 흡착 탱크(4B) 내에 잔류하는 상대적으로 고압인 가스를 감압 재생 공정이 종료되어 있는 제1 흡착 탱크(4A) 내에 회수하기 위해 행해진다.
이상과 같은 가압 흡착 공정, 감압 균압 공정, 감압 재생 공정, 가압 균압 공정의 각 공정을 반복함으로써, 질소를 포함하는 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 분리한다.
본 실시형태에 의하면, 원료 공기 압축기를 간헐적이지 않고 연속적으로 안정되게 사용할 수 있으며, 원료 공기 압축기의 최대(정격) 풍량을 낮추는 것이 가능해져, 그 결과 질소 PSA 장치의 저전력화가 가능해진다.
구체적으로 서술하면, 본 실시형태에서는 압축 원료 공기 탱크(3)에 대한 압축 원료 공기의 출입을 행함으로써, 원료 공기 압축기(2)의 부하 변동 방지를 도모하고 있다. 즉, 원료 공기 압축기(2)에 의해 압축된 원료 공기가 제1 흡착 탱크(4A), 제2 흡착 탱크(4B) 내에 도입되지 않거나 또는 도입 유량을 제한하는 균압 공정에 있어서도, 원료 공기 압축기(2)를 무부하 운전으로 전환하지 않고 압축된 원료 공기를 압축 원료 공기 탱크(3) 내에 도입하고 있다.
따라서, 원료 공기 압축기(2)는 질소 농축 가스 제조 장치(1)에 필요한 최대 풍량을 충분히 만족할 수 있는 성능을 갖는 기종을 선정하면 된다.
그리고, 원료 공기 압축기(2)의 풍량을 안정시켜 사용함으로써 필요한 최대 풍량을 저감시킬 수 있고, 그 결과 원료 공기 압축기(2)의 설비 전력 저감으로 이어진다.
여기서, 동일 성능의 PSA 방식의 질소 농축 가스 제조 장치에 있어서의 압축 원료 공기 탱크의 유무에 따른 원료 공기 압축기의 필요 풍량의 개념을 도 3에 나타낸다.
도 3으로부터, 압축 원료 공기 탱크가 없는 경우, 균압 공정시에 원료 공기 압축기가 무부하 운전으로 전환됨으로써, 가압 흡착 공정시에 필요한 원료 공기 압축기의 유량 최대값이 압축 원료 공기 탱크가 있는 경우와 비교하여 커지는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면 원료 공기 압축기(2)의 유량의 최대값을 낮출 수 있어, 설비 전력 저감으로 이어진다.
또한, 본 실시형태에서는 압축 원료 공기 탱크(3)를 사용한 결과, 균압 공정시에 원료 공기 압축기(2)를 무부하 운전으로 전환하지 않아도 되기 때문에, 무부하 운전에서 부하 운전으로 전환될 때 필요한 시간만큼의 공기 손실을 방지할 수 있다.
이상으로 본 발명을 실시형태에 기초하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않으며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 제조하는 경우에 대해 설명하였으나, 반드시 원료 가스 및 제조 가스의 조합은 이로 한정되지 않으며, 흡착제를 사용하여 원료 가스로부터 이흡착 성분과 난흡착 성분을 회수하는 가스 분리 방법에 널리 적용시킬 수 있다. 이 가스 분리 방법은 상기 실시형태의 산소나 이산화탄소 등의 불필요 성분을 이흡착 성분으로, 질소를 난흡착 성분으로, 압축 원료 공기 탱크를 압축 원료 가스 탱크로 치환함으로써 설명할 수 있다.
또한, 원료 공기 압축기(2)와 제1 흡착 탱크(4A), 제2 흡착 탱크(4B) 사이의 배관으로부터 분기한 압축 원료 공기 탱크(3)의 위치는 도 1에 나타낸 경우로 한정되지 않는다.
가압 균압 공정 혹은 감압 균압 공정에 있어서, 원료 공기 압축기(2)가 무부하 운전으로 전환되지 않도록 압축 원료 공기 탱크(3) 내에 압축 원료 공기를 저장할 수 있고, 가압 흡착 공정에 있어서, 이 압축 원료 공기 탱크(3) 내에 저장된 압축 원료 공기를 제1 흡착 탱크(4A)(혹은 제2 흡착 탱크(4B)) 내를 가압하는 가압 가스의 일부로서 사용할 수 있는 유량 조정 기구를 갖고 있으면 된다.
예를 들면 도 4에 나타내는 바와 같이, 분기관(51)의 양단을 배관(31)에 접속시키고, 분기관(51)에 원료 공기 압축기(2)측으로부터 순서대로 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(52), 압축 원료 공기 탱크(53), 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(54), 압축 원료 공기 탱크 출구 유량 조정 기구(55)가 설치된 구성이어도 된다.
이 경우, 가압 균압 공정(혹은 감압 균압 공정)시에는 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(52), 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(54)를 연다. 원료 공기 압축기(2)로부터의 원료 공기는 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브(52) 및 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(54)를 개재하여 압축 원료 공기 탱크(53) 내에 도입된다.
그리고 가압 흡착 공정(혹은 감압 재생 공정)에 있어서는 개폐 밸브(52)가 닫힘으로써, 제1 흡착 탱크(4A)(혹은 제2 흡착 탱크(4B)) 내에는 원료 공기 압축기(2)와 압축 원료 공기 탱크(53)로부터 압축 원료 공기가 도입된다. 여기서, 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브(54)는 압축 원료 공기 탱크(53)와 가압 흡착 공정에 있는 제1 흡착 탱크(4A)(혹은 제2 흡착 탱크(4B))와의 압력차가 거의 없어질 때 닫는 것이 바람직하다.
실시예
이하에서는 압축 원료 공기 탱크가 있는 경우와 없는 경우에 있어서의 효과 차이에 대해, 실시예 및 비교예를 이용하여 설명한다. 다만, 본 발명은 이하의 실시예에 의해 전혀 한정되지 않는다.
실시예(압축 원료 공기 탱크 있음)에서는 상기 실시형태에 나타낸 대로, 도 1에 나타낸 바와 같은 계통을 갖는 질소 농축 가스 제조 장치를 사용하고, 도 2a 내지 도 2f에 나타내는 바와 같은 조작을 행하여 질소 농축 가스를 제조하였다.
비교예(압축 원료 공기 탱크 없음)에서는 압축 원료 공기 탱크가 없는 것으로서 도 7에 나타낸 바와 같은 계통을 갖는 질소 농축 가스 제조 장치를 사용하여, 가압 흡착 공정과, 감압 균압 공정과, 감압 재생 공정과, 가압 균압 공정을 반복함으로써 질소 농축 가스를 제조하였다.
실시예 및 비교예에 있어서의 수율 결과를 도 5에, 능력 결과를 도 6에 나타낸다. 또한, 도 5의 세로축은 수율비이며, 각 산소 농도에 있어서의 수율값을 압축 원료 공기 탱크가 없는 경우의 산소 농도값 100(Vppm)에 있어서의 수율값으로 나눈 값이다. 또한, 도 6의 세로축은 능력비이며, 각 산소 농도에 있어서의 능력값을 압축 원료 공기 탱크가 없는 경우의 산소 농도값 100(Vppm)에 있어서의 능력값으로 나눈 값이다.
여기서 수율(％)이란, 제품 질소 농축 가스 유량(Nm3/h)/압축 원료 공기 최대 필요 유량(Nm3/h)을 가리키며, 능력(Nm3/h·ton)이란, 제품 질소 농축 가스 유량(Nm3/h)/흡착제 충전량(ton)을 가리키고 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 압축 원료 공기 탱크를 가짐으로써, 제품 가스 중의 산소 농도 100ppm에 있어서의 수율비는 약 8％ 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 압축 원료 공기 탱크를 부가한 프로세스를 채용함으로써, 원료 공기 압축기 능력의 필요 풍량을 보다 작게 할 수 있고, 그만큼 설비 전력을 낮추는 것이 가능해진다.
또한 도 6에 나타내는 바와 같이, 압축 원료 공기 탱크의 유무에 따른 능력 성능 저하가 없다는 점에서, 압축 원료 공기 탱크에 저장된 압축 원료 공기는 압축 원료 공기 탱크 출구 유량 조정 기구에 의해 유량 조정된 후에 흡착 탱크에 도입함으로써, 흡착 탱크 내의 농도 분포를 교란시키지 않으며 가압 가스의 일부로서 사용하는 것이 가능하다고 할 수 있다.
또한, 도 5 및 도 6은 모두 흡착 탱크에 대한 원료 공기 도입 유량을 변화시켜, 가압 흡착 공정에 있어서의 흡착 탱크의 최고 도달 압력을 일정하게 한 측정 결과이지만, 흡착 탱크에 대한 원료 공기 도입 유량을 일정하게 하고 흡착 탱크의 최고 도달 압력을 변화시켰을 경우에는, 압축 원료 공기 탱크를 갖는 쪽이 갖지 않는 쪽보다 흡착 탱크의 최고 도달 압력이 높아지기 때문에, 흡착제의 흡착 성능이 향상되고, 능력 성능도 향상된다.
본 발명에 의하면, 원료 공기 압축기를 간헐적이지 않고 연속적으로 안정되게 사용할 수 있으며, 필요한 원료 공기 압축기의 유량 최대값을 낮추는 것이 가능해져, 그 결과 질소 PSA 장치의 저전력화가 가능하기 때문에 산업상 이용 가능성이 있다.
1 질소 농축 가스 제조 장치
2 원료 공기 압축기
3, 53 압축 원료 공기 탱크
4A 제1 흡착 탱크
4B 제2 흡착 탱크
5 제품 탱크
6 흡착제
11a, 11b 입구 밸브
12a, 12b 배기 밸브
13, 15 균압 밸브
14 유량 조정 기구
16a, 16b 출구 밸브
17, 52 압축 원료 공기 탱크 입구 밸브
18, 54 압축 원료 공기 탱크 출구 밸브
19, 55 압축 원료 공기 탱크 출구 유량 조정 기구
31, 33~44 배관
32, 51 분기관

Claims (3)

  1. 흡착제가 충전된 복수의 흡착 탱크를 사용하여, 질소 가스를 포함하는 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 분리하는 질소 농축 가스 제조 방법으로서,
    제1 흡착 탱크 내에 압축기에 의해 압축된 상기 원료 공기를 도입하여 상기 제1 흡착 탱크 내를 가압하고, 상기 원료 공기 중의 불필요 성분을 상기 제1 흡착 탱크 내의 흡착제에 우선적으로 흡착시켜 질소가 농축된 가스를 얻는 가압 흡착 공정과,
    상기 제1 흡착 탱크 내에 잔류하는 가스를 제2 흡착 탱크 내에 도입하는 감압 균압 공정과,
    상기 압축기에 의해 압축된 원료 공기를 상기 제2 흡착 탱크 내에 도입함과 함께, 상기 제1 흡착 탱크를 대기에 개방시켜 상기 제1 흡착 탱크 내의 압력을 저하시키고, 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제로부터 상기 불필요 성분을 이탈시킴으로써 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제를 재생하는 감압 재생 공정과,
    상기 제2 흡착 탱크 내에 잔류하는 가스를 상기 제1 흡착 탱크 내에 도입하는 가압 균압 공정을 가지고,
    상기 가압 균압 공정에 있어서, 상기 압축기와 상기 제1 흡착 탱크 사이의 배관으로부터 분기하여 설치된 압축 원료 공기 탱크에 상기 압축기에 의해 압축된 상기 원료 공기를 저장하며,
    상기 가압 흡착 공정에 있어서, 상기 압축 원료 공기 탱크에 저장된 상기 원료 공기를 상기 제1 흡착 탱크와 상기 압축기와의 사이의 배관에 공급하여 상기 제1 흡착 탱크 내에 도입함으로써, 상기 제1 흡착 탱크 내를 가압하는 가스의 일부로서 사용하는 것을 특징으로 하는 질소 농축 가스 제조 방법.
  2. 흡착제가 충전된 복수의 흡착 탱크를 사용하여, 상기 흡착제에 대해 이흡착성인 이흡착 성분과, 상기 흡착제에 대해 난흡착성인 난흡착 성분을 포함하는 원료 가스로부터 상기 이흡착 성분과 상기 난흡착 성분을 분리하는 가스 분리 방법으로서,
    제1 흡착 탱크 내에 압축기에 의해 압축된 상기 원료 가스를 도입하여 상기 제1 흡착 탱크 내를 가압하고, 상기 원료 가스 중의 상기 이흡착 성분을 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제에 우선적으로 흡착시켜 상기 난흡착 성분이 농축된 가스를 얻는 가압 흡착 공정과,
    상기 제1 흡착 탱크 내에 잔류하는 상대적으로 고압인 가스를 제2 흡착 탱크 내에 도입하는 감압 균압 공정과,
    상기 압축기에 의해 압축된 원료 가스를 상기 제2 흡착 탱크 내에 도입함과 함께, 상기 제1 흡착 탱크를 대기에 개방시켜 상기 제1 흡착 탱크 내의 압력을 저하시키고, 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제로부터 상기 이흡착 성분을 이탈시킴으로써 상기 제1 흡착 탱크 내의 상기 흡착제를 재생하는 감압 재생 공정과,
    상기 제2 흡착 탱크 내에 잔류하는 가스를 상기 제1 흡착 탱크 내에 도입하는 가압 균압 공정을 가지고,
    상기 가압 균압 공정에 있어서, 상기 압축기와 상기 제1 흡착 탱크 사이의 배관으로부터 분기하여 설치된 압축 원료 가스 탱크에 상기 압축기에 의해 압축된 상기 원료 가스를 저장하며,
    상기 가압 흡착 공정에 있어서, 상기 압축 원료 가스 탱크에 저장된 압축된 상기 원료 가스를 상기 제1 흡착 탱크와 상기 압축기와의 사이의 배관에 공급하여 상기 제1 흡착 탱크 내에 도입함으로써, 상기 제1 흡착 탱크 내를 가압하는 가스의 일부로서 사용하는 것을 특징으로 하는 가스 분리 방법.
  3. 흡착제가 충전된 복수의 흡착 탱크를 사용하여, 질소 가스를 포함하는 원료 공기로부터 질소 농축 가스를 분리하기 위한 질소 농축 가스 제조 장치로서,
    원료 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 원료 공기가 도입되는 복수의 흡착 탱크와, 상기 압축기와 상기 흡착 탱크를 접속하는 배관과, 상기 배관에 분기하여 설치된 분기관과, 상기 분기관에 접속된 압축 원료 공기 탱크를 구비하고,
    상기 압축 원료 공기 탱크는 상기 흡착 탱크가 상기 압축기로부터 압축된 원료 공기를 도입하지 않거나 또는 도입 유량을 제한하는 경우에, 상기 압축기에 의해 압축된 원료 공기를 저장하는 기능을 가지며, 상기 흡착 탱크 내를 가압할 때에, 가압하는 가스의 일부로서 상기 압축 원료 공기 탱크 내에 저장되어 있던 원료 공기를 상기 흡착 탱크와 상기 압축기와의 사이의 배관에 공급하여 상기 흡착 탱크에 도출하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 질소 농축 가스 제조 장치.
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