KR101779409B1

KR101779409B1 - 향상된 psa 방식을 이용한 산소 발생기

Info

Publication number: KR101779409B1
Application number: KR1020160093202A
Authority: KR
Inventors: 김학수; 홍승훈; 백승배; 강현식; 권순욱; 배희주; 김태호; 이수완
Original assignee: 선문대학교 산학협력단; 홍승훈
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2017-09-19
Anticipated expiration: 2036-07-22

Abstract

본 발명은 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기에 관한 것으로, 제올라이트 분자체가 충전되어 있는 두 개의 흡착 베드; 흡착 베드의 흡착/탈착 사이클에 따라, 상기 두 개의 흡착 베드가 서로 흡착/탈착을 변경할 때, 상기 두 개의 흡착 베드에 공급되는 압축공기의 스위칭을 수행하는 솔레노이드 밸브; 및 상기 두 개의 흡착 베드가 서로 흡착/탈착을 변경할 때 오픈되어 두 흡착 베드 사이의 압력 평형을 유지시키는 압력유지 밸브;를 포함하는 적어도 하나 이상의 PSA 세그먼트와, 소정의 시간 간격을 가지고 순차적으로 각 PSA 세그먼트에 압축공기를 공급하도록 상기 솔레노이드 밸브를 제어함으로써, 전체 PSA 세그먼트에서 발생되는 산소의 유량 및 압력을 일정하게 유지하는 제어부,를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기에 관한 것이다.

Description

향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기{APPARATUS FOR GENERAING OXYGEN USING ENHANCED PSA PRINCIPLE}

본 발명은 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, PSA 방식을 이용하여 공기로부터 질소를 분리하여 산소를 생산하는 데 있어서, 다수개의 PSA Segment를 이용하여 안정적으로 일정한 유량의 산소를 연속성 있게 생산할 수 있도록 한 산소 발생기에 관한 것이다.

현재 기체의 분리 및 정제 공정으로서 사용화되어 있는 PSA 공정으로는 공기의 건조공정, 수소의 정제 및 회수공정, CH4의 회수공정, 배가스로부터 CO2의 회수공정, 혼합가스로부터 미량 성분의 제거공정, 그리고 공기로부터 산소와 질소의 분리 및 농축공정 등이 있으며, 현재에도 PSA 공정의 적용성 확대와 공정 개선을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 중 본 발명은 공기로부터 산소를 분리, 농축하는 데 관한 것으로, 이는 생물학적 폐수처리공정, 펄프의 표백공정, 생물학적 반응기 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.

상기 PSA(Pressure Swing Adsorption)는, 제올라이트 분자체(Zeolite Molecular Sieve)의 가스에 대한 흡착력 차이를 이용하여 혼합가스부터 특정 가스를 추출해 내는 기술로서 사용되고 있는 것 중 하나로서, 다양한 가스의 혼합체인 공기로부터 질소, 이산화탄소, 산소 등을 분리할 수 있다.

이 중 본 발명의 기술 분야인 0₂-PSA 기술은 제올라이트의 가스에 대한 흡착력의 차이를 이용하여 공기 중의 질소를 흡착하고 산소를 배출하는 방법을 통해 산소를 생산하는 기술로서, 소규모/저전력 소모형 장치를 이용하여 산소를 생산할 수 있어, 산업, 가정, 차량, 선박 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.

도 1은 제올라이트 분자체의 공기 중의 가스에 대한 흡착력의 차이에 대해 나타난 것으로, 이에 도시되어 있는 바와 같이, 공기가 제올라이트 분자체가 채워져 있는 베드(Bed)를 통과할 때 상기 제올라이트에 대한 가스 분자의 상대적인 친화력의 순서에 따라 공기 중의 가스 분자가 층을 이루어 흡착되게 된다.

즉, 제올라이트와 가스 분자 간의 친화력 순서에 의해 공기 중의 가스 성분은 H₂O, CO/CO₂, HC, N₂, O₂, Ar 순으로 제올라이트 베드에 흡착되며, 고압력/저온도/고농도의 조건 하에서 흡착력이 배가되는 특징이 있다.

제올라이트 분자체가 채워져 있는 베드 끝까지 가스가 흡착된 후에는 상기 제올라이트 분자체의 재생을 위하여 반드시 흡착된 가스를 탈착하는 공정(Purge 단계)이 수행되어야 한다.

상기 Purge 단계는 베드의 압력을 줄이거나 산소와 같은 농축된 가스를 Back-Flushing 함으로써 가능하며, 이와 같은 가스 흡/탈착 공정의 주기를 적절히 설정함으로써, 베드 내부의 제올라이트 분자체가 닳거나 막힘이 없이 지속적으로 공기 중의 가스 성분을 분리할 수 있다.

상기와 같이 PSA를 이용한 산소 발생기는 공급원료로 공기를 사용하며, 고농도의 산소를 연속해서 생산할 수 있다. 도 2는 일반적인 PSA 산소발생기에 대해 설명하기 위한 도면이다.

우선 콤프레셔(Compressor)에서 압축된 공기는 흡착과정에서 흡착력을 높이기 위하여 열교환기(Heat Exchanger)에서 온도를 낮춘 후 두개의 베드 중 한 개의 베드에 인입되며, 공기 중의 질소 분자는 흡착력의 차이에 따라 산소 분자 보다도 먼저 제올라이트 분자체에 흡착되어진다.

제올라이트 분자체가 질소 분자에 의해 포화되면 전자제어 장치에 의해 밸브(Solenoid Valve)를 조작하여 다른 베드로 압축 공기가 이송되게 되어 산소를 생산하고, 동시에 질소 가스로 포화된 베드는 제올라이트 분자체의 재생을 위하여 Purge 단계를 수행한다.

이와 같은 반복 공정이 매 수십 초 마다 이루어지면서 연속해서 흡/탈착을 반복하게 되며, 이러한 흡/탈착의 반복 공정 가운데 두 개의 베드가 서로 흡/탈착을 변경(Cycle Reverse)할 때 밸브(Solenoid Valve)는 베드로 인입되는 모든 유체를 순간적으로 차단하며 크로스 오버 밸브(Cross-over Valve)를 열어 두 베드 사이의 압력의 평형을 유지한다.

상기 베드를 통과한 농축된 산소는 오리피스(Orifice)를 통과한 후 산소저장 탱크로 인입되며, 이렇게 생산되어진 산소 중 대부분은 감압 오리피스(Pressure Reducing Orifice)를 통과하여 질소로 포화된 베드의 제올라이트 분자체를 Purge 하기 위하여 사용되며 생산된 산소의 일부분만이 압력조절기와 유량조절 밸브를 경유하여 사용처에 전달된다.

또한 상기와 같은 PSA 방식을 이용하여 제올라이트 분자체가 충전된 베드를 다수개 구비 및 운용함으로써 다량의 산소를 생산할 수도 있다.

그러나, 상기와 같은 일반적인 PSA 방식으로는 흡착/재생 시 공기가 공급되는 베드가 스위칭 되는 과정에서 생산되는 산소의 유량 및 압력이 일정하지 못하는 문제점이 있었으며, 상기 베드를 여러 개 연결하여 많은 양의 산소를 생산할 때는 더욱 산소의 유량 및 압력이 일정하지 않아 보다 안정적이고 끊김없이(seamless) 일정한 양의 산소를 지속적으로 생산할 수 있도록 하는 기술이 필요한 실정이다.

이와 같은 실정에 따라, 본 발명은 PSA 방식을 이용하여 산소를 생산하는 데 있어서, 흡착 베드 2개로 구성되는 2 탑식 PSA Segment를 다수개 연결하고, 상기 Segment의 개수에 따라 각 Segment 별 공기 공급 압력, 유량 및 사이클을 제어하여, 안정적으로 일정한 유량의 산소를 연속성 있게 생산할 수 있도록 하는 산소 발생기에 관한 기술을 제시하고자 한다.

종래의 기술 중 PSA 장치에서 폐가스 또는 생산 가스의 유량을 제어하기 위한 기술로서, 한국등록특허 제10-1140541호(2012.04.19.)에는 PSA 흐름 변화의 향상된 제어를 위한 방법 및 장치에 관한 기술이 기재되어 있다. 상기 한국등록특허 제10-1140541호에는 복수개의 흡착 베드를 갖는 PSA 장치에서 폐가스 또는 생산 가스의 유량 또는 유량변동을 최소화하는 등의 유량 컨트롤을 위하여, 흡착/탈착 싸이클을 고려한 공급 가스 밸브 제어에 관한 기술이 기재되어 있으나, 본 발명과 같은 2개의 흡착베드를 1개의 세그먼트(Segment)로 하여, 세그먼트 개수와 흡착/탈착 스윙 싸이클 타임을 고려하여 순차적으로 각 세그먼트에 공기를 공급하는 방법을 통해 생산되는 산소의 양을 일정하도록 제어하는 기술은 기재되어 있지 않다.

이하 동 기술분야의 또 다른 선행기술에 대해 살펴보고 이와 차별하여 본 발명이 이루고자하는 바를 설명하도록 한다.

먼저 한국등록특허 제10-1069805호(2011.09.27.)는 무전원공급방식 오토 사이클링 밸브를 구비하는 PSA 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 종래의 PSA 장치에서 솔레노이드 밸브를 제어하기 위한 전자제어부의 고장이 PSA 장치의 전체 고장원인 중 90% 이상을 차지하는 문제를 해결하기 위하여 유체의 흐름을 솔레노이드 방식이 아닌 유체 압력과 유량을 이용하여 제어하는 무전원공급방식 오토 사이클링 밸브로 기체공급을 제어하는 PSA 장치에 관한 기술이 기재되어 있다.

또한, 한국등록특허 제10-1201520호(2012.11.08.)는 디씨용 피에스에이산소발생기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, PSA 방식의 산소분리를 위하여 공기압축기, 공압제어밸브, 전기.전자제어장치, 전압센서장치, 압력센서장치, 안전경보장치 등을 포함한 산소 발생기에 관한 기술이 기재되어 있다.

또한, 한국공개특허 제10-2014-0034236호(2014.03.19.)는 저 에너지 순환식 PSA 프로세스에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 낮은 에너지 소비로 고압에서 오프 가스 스트림을 회수하는 순환식 압력 변동 흡착 PSA 프로세스에 관한 기술이 기재되어 있다.

상기 선행기술문헌들은 PSA 방식을 이용하여 공기 혹은 합성가스로부터 특정 가스를 분리하는 데 관한 기술이 기재되어 있으나, 본 발명과 같이 흡착 베드 개수와 흡착/탈착 스윙 싸이클 타임을 고려하여 안정적으로 일정한 유량의 산소를 연속성 있게 생산할 수 있도록 하는 데 관한 기술은 기재되어 있지 않아 본 발명과는 차이점이 있다.

본 발명은 상기된 과제를 해결하기 위해 창작된 것으로, PSA 방식을 이용하여 산소를 생산하는 데 있어서, 제올라이트 분자체(Zeolite Molecular Sieve)가 충전되어 있는 흡착 베드 2개로 구성되는 2 탑식 PSA Segment를 다수개 배치하고, 상기 Segment의 개수에 따라 각 Segment 별 공기 공급 압력, 유량 및 사이클이 제어되도록 함으로써, 안정적으로 일정한 유량의 산소를 연속성 있게 생산할 수 있도록 하는 산소 발생기에 관한 기술을 제시하고자 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기는, 제올라이트 분자체가 충전되어 있는 두 개의 흡착 베드; 흡착 베드의 흡착/탈착 사이클에 따라, 상기 두 개의 흡착 베드가 서로 흡착/탈착을 변경할 때, 상기 두 개의 흡착 베드에 공급되는 압축공기의 스위칭을 수행하는 솔레노이드 밸브; 및 상기 두 개의 흡착 베드가 서로 흡착/탈착을 변경할 때 오픈되어 두 흡착 베드 사이의 압력 평형을 유지시키는 압력유지 밸브;를 포함하는 적어도 하나 이상의 PSA 세그먼트와, 소정의 시간 간격을 가지고 순차적으로 각 PSA 세그먼트에 압축공기를 공급하도록 상기 솔레노이드 밸브를 제어함으로써, 전체 PSA 세그먼트에서 발생되는 산소의 유량 및 압력을 일정하게 유지하는 제어부,를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제어부는, 하기 식 (1)에 의해 얻어지는 시간(t) 간격으로 순차적으로 각 PSA 세그먼트에 압축공기를 공급하도록 솔레노이드 밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.

t = T / n 식(1)

상기 식 (1)에서, T는 하나의 PSA 세그먼트 내에서 두 개의 흡착 베드가 1회 흡착 및 탈착을 수행하는 스윙 싸이클 타임이고, n은 전체 PSA 세그먼트의 수를 의미한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 제어부는, 각 PSA 세그먼트 내 솔레노이드 밸브 및 압력유지 밸브에 일정 시간(흡착/탈착 스윙 싸이클 타임/2) 간격으로 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 PSA 세그먼트에 압축공기를 공급하는 압축공기 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 압축공기 공급부는, 공기를 압축하는 콤프레셔; 및 흡착 효과를 높이기 위하여 상기 콤프레셔에서 압축된 공기의 온도를 낮추기 위한 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 상기 PSA 세그먼트는, 흡착 베드에서 배출되는 산소의 압력을 낮추기 위한 오리피스;를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로서, 각 PSA 세그먼트 내 두 개의 흡착 베드 중 하나의 흡착 베드에서 배출되는 산소 중 일부를 질소로 포화된 또 다른 흡착 베드에 공급하여 흡착된 질소를 탈취하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 산소 발생기는, 제올라이트 분자체가 충전되어 있는 두 개의 흡착 베드를 포함하여 구성되는 다수개의 PSA 세그먼트에 소정의 시간 간격을 가지고 순차적으로 각 PSA 세그먼트에 압축공기를 공급하여, 각 PSA 세그먼트에서 일정한 시간 간격으로 흡착 및 탈착 사이클이 진행되도록 함으로써, 안정적으로 일정한 유량의 산소를 연속성 있게 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 제올라이트 분자체의 공기 중의 가스에 대한 흡착력의 차이에 대해 나타난 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생 효과에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생 효과에 대해 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기(100)에 대해 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 산소 발생기(100)는 압축공기 공급부(110), 적어도 하나 이상의 PSA 세그먼트(120), 제어부(130) 및 산소저장 탱크(140)를 포함하여 구성되며, 상기 압축공기 공급부(110)에서 공급되는 압축공기를 상기 제어부(130)의 제어신호에 따라 적어도 하나 이상의 PSA 세그먼트(120)에 소정의 시간 간격으로 순서대로 공급하는 방법을 통해 산소 발생기(100) 전체에서 안정적으로 일정한 유량의 산소를 연속성 있게 생산하도록 할 수 있다.

상기 압축공기 공급부(110)는 공기를 압축하기 위한 콤프레셔(Compressor)(111)를 포함하며, 상기 콤프레셔(111)에서 압축된 공기를 상기 PSA 세그먼트(120)로 공급하여 질소흡착을 수행하도록 한다.

또한, 상기 압축공기 공급부(110)는 열교환기(Heat Exchanger)(112)를 더 포함할 수 있다. PSA 세그먼트(120) 내 흡착 베드(122)에 충전되어 있는 제올라이트 분자체는 공급되는 공기가 낮은 온도일 때 질소 흡착 효과가 상승하므로, 상기 열교환기(112)는 상기 콤프레셔(111)에서 압축된 공기의 온도를 낮추어 제올라이트 분자체에 질소 흡착 효과를 향상시키는 역할을 수행한다.

상기한 바와 같이, 압축공기 공급부(110)에서 압축 및 온도조절 된 공기는 상기 PSA 세그먼트(120)로 공급되며, 상기 제어부(130)의 제어신호에 따라 흡착 베드(122)로 공급되며, PSA 세그먼트(120)에 공급된 압축공기는 솔레노이드 밸브(121)(Solenoid Valve)를 통해 흡착 베드(122)로 인입되게 된다.

상기 PSA 세그먼트(PSA Segment)(120)는 솔레노이드 밸브(121), 두 개의 흡착 베드(122), 압력유지 밸브(123)를 포함하여 구성된다.

상기 흡착 베드(122)는 제올라이트 분자체(Zeolite Molecular Sieve)가 충전되어 있어, 공기가 흡착 베드(122)를 통과할 때 제올라이트 분자체와 친화력이 높은 질소 분자(N₂)를 흡착하고 산소(O₂)는 통과시키는 방법을 통해 공기로부터 산소를 생산할 수 있다.

또한, 상기 솔레노이드 밸브(121)는 상기 흡착 베드(122)의 흡착/탈착 사이클에 따라, 상기 두 개의 흡착 베드(122)가 서로 흡착/탈착을 변경할 때, 상기 두 개의 흡착 베드(122)에 공급되는 압축공기의 스위칭을 수행한다.

또한, 상기 압력유지 밸브(123)는 상기 두 개의 흡착 베드(122)가 서로 흡착/탈착을 변경할 때 오픈되어 두 흡착 베드(122) 사이의 압력 평형을 유지시키는 역할을 수행한다.

또한, 상기 PSA 세그먼트(120)는 흡착 베드(122)에서 배출되는 산소의 압력을 낮추기 위한 오리피스(124)를 적어도 하나 이상 포함할 수도 있다.

참고로, 본 발명의 산소 발생기(100)에서 하나의 PSA 세그먼트(120) 내에서 수행되는 흡착/탈착 공정은 다음과 같다.

상기 압축공기 공급부(110)에서 압축된 공기는 PSA 세그먼트(120)로 공급되고, 이와 같이 공급된 압축공기는 상기 제어부(130)의 제어신호에 따라 솔레노이드 밸브(121)를 통해 한 개의 흡착 베드(122)에 인입된다.

흡착 베드(122)에 인입된 공기는 제올라이트 분자체의 흡착력의 차이에 따라 산소 분자보다 질소 분자가 우선적으로 흡착되어 지며, 제올라이트 분자체가 질소 분자에 의해 포화되면 상기 솔레노이드 밸브(121)가 조작되어 해당 흡착 베드(122)로의 압축공기 공급이 중단되고 동시에 다른 흡착 베드(122)로 압축공기가 공급된다.

또한, 상기 두 개의 흡착 베드(122)가 서로 흡착/탈착을 변경할 때 압력유지 밸브(123)가 오픈되어 두 흡착 베드(122) 사이의 압력이 평형이 되도록 한다.

상기와 같이 질소분자로 포화된 흡착 베드(122)는 제올라이트 분자체의 재생을 위하여 탈착 단계를 수행하는데, 상기 탈착 단계는 다른 흡착 베드(122)에서 생산되는 산소 중 일부를 질소로 포화된 흡착 베드(122)에 역방향으로 공급하는 방법을 통해 수행된다.

즉, 흡착 베드(122)에서 생산되는 산소 중 일부는 탈착 단계를 위하여 다른 흡착 베드(122)로 공급되는데 사용되고, 탈착 단계에 사용되지 않은 산소가 산소저장 탱크(140)로 이송되게 된다.

상기와 같이 두 개의 흡착 베드(122)에서 질소 흡착 및 탈착이 1회 수행되는 시간을 스윙 싸이클 타임이라고 하며, 각 PSA 세그먼트에서는 두 개의 흡착 베드(122)에서 질소 흡착 및 탈착 공정이 연속해서 반복된다.

본 발명의 산소 발생기(100)는 상기와 같은 PSA 세그먼트(120)를 다수개 연결하여 구성할 수 있으며, 이때, 상기 제어부(130)는 소정의 시간 간격을 가지고 순차적으로 각 PSA 세그먼트 내 흡착 베드(122)에 압축공기를 공급하도록 상기 솔레노이드 밸브(121)를 제어하여, 전체 PSA 세그먼트에서 발생되는 산소의 유량 및 압력을 일정하게 유지하는 역할을 수행한다.

이 때 상기 제어부(130)는 하기 식 (1)에 의해 얻어지는 시간(t) 간격으로 순차적으로 각 PSA 세그먼트(120)에 압축공기를 공급하도록 각 PSA 세그먼트(120)의 솔레노이드 밸브(121)를 제어한다.

t = T / n 식(1)

상기 식 (1)에서, T는 하나의 PSA 세그먼트(120) 내에서 두 개의 흡착 베드(122)가 1회 흡착 및 탈착을 수행하는 스윙 싸이클 타임이고, n은 전체 PSA 세그먼트의 수를 의미한다.

예를 들어, 도 2는 예시적으로 5개의 PSA 세그먼트(120-1, 120-2, 120-3, 120-4, 120-5)로 구성되는 산소 발생기(100)에 대해 도시되어 있는데, 이때 PSA 세그먼트 내 두 개의 흡착 베드(122)의 스윙 싸이클 타임이 10초라고 가정할 경우, 상기 식 (1)에 의해 t = 10 sec(스윙 싸이클 타임) / 5(전체 PSA 세그먼트 개수)가 되므로, t = 2 sec 이 된다.

즉, 첫 번째 PSA 세그먼트(120-1)에서 첫 번째 흡착 베드(122)로 공기가 공급된 후, 2초 후에 두 번째 PSA 세그먼트(120-2)의 첫 번째 흡착 베드(122)로 공기가 공급되고, 이와 같은 순서에 따라 8초 후에는 마지막 다섯 번째 PSA 세그먼트(120-5) 내 첫 번째 흡착 베드(122)로 공기가 공급되며, 10초 후에는 1회 스윙 싸이클 타임이 지나 두 개의 흡착 베드(122)에서 1회 흡착 및 탈착이 수행된 첫 번째 PSA 세그먼트(120-1)의 첫 번째 흡착 베드(122)로 다시 공기가 공급된다.

이와 같이, 본 발명의 산소 발생기(100)는 PSA 세그먼트(120)의 개수와 스윙 싸이클 타임에 따라 소정의 시간 간격에 의해 각 PSA 세그먼트에서 흡착 및 탈착이 진행되므로, 산소 발생량이 일정하게 유지될 수 있다.

한편, 상기 제어부(130)는 각 PSA 세그먼트(120) 내 솔레노이드 밸브(121) 제어와 동시에 각 PSA 세그먼트(120) 내 압력유지 밸브(123)의 동작도 함께 제어한다.

즉, PSA 세그먼트 내 첫 번째 흡착 베드에 압축공기가 공급된 후, 상기 첫 번째 흡착 베드가 포화되는 시간인 흡착/탈착 스윙 싸이클 타임/2 초 후에 상기 압력유지 밸브(123)가 열리고, 그와 동시에 두 번째 흡착 베드를 통과하여 배출되는 산소 중 일부가 첫 번째 흡착 베드로 공급되어 제올라이트 분자체에 포화된 질소분자를 탈착시키게 된다.

상기 탈착된 질소분자는 상기 솔레노이드 밸브를 통해 배출되며, 이와 같이 질소를 배출하기 위하여 상기 제어부(130)는 솔레노이드 밸브에 제어신호를 전송한다.

보다 상세하게는, 첫 번째 흡착 베드(122A)에 압축공기가 공급되는 시간(흡착/탈착 스윙 싸이클 타임/2 초) 동안은 솔레노이드 밸브(121) 중 밸브 A와 밸브 b가 열리고 밸브 a와 밸브 B는 잠기게 되며(최초에는 탈착 단계가 수행되지 않으므로 b가 잠겨있을 수도 있다), 첫 번째 흡착 베드(122A)에 압축공기가 공급되는 시간(흡착/탈착 스윙 싸이클 타임/2 초) 후에는 솔레노이드 밸브(121) 중 밸브 B와 밸브 a가 열리고 밸브 A와 밸브 b는 잠겨, 밸브 B를 통해 압축공기가 두 번째 흡착 베드(122B)에 공급되고, 첫 번째 흡착 베드(122A)에서 탈착된 질소가 밸브 a를 통해 배출되게 된다.

그 후, 두 번째 흡착 베드(122B)에 압축공기가 공급되는 시간(흡착/탈착 스윙 싸이클 타임/2 초) 후에는 다시 솔레노이드 밸브(121) 중 밸브 A와 밸브 b가 열리고 밸브 a와 밸브 B는 잠겨, 밸브 A를 통해 압축공기가 첫 번째 흡착 베드(122A)에 공급되고, 두 번째 흡착 베드(122B)에서 탈착된 질소가 밸브 b를 통해 배출되도록 제어된다.

상기와 같은 제어부(130)의 솔레노이드 밸브 제어를 통하여 압축공기는 밸브 A 또는 B를 통해 흡착 베드(122A, 122B)로 공급되고, 탈착된 흡착 베드에서 탈착되는 질소는 밸브 a 또는 b를 통해 배출되게 된다.

이하, 본 발명의 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기(100)의 성능에 대해 도 3 및 도 4의 데이터를 통해 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생 효과에 대해 설명하기 위한 것으로, 1 내지 5개의 PSA 세그먼트(120)를 갖는 산소 발생기(100)의 산소 발생 데이터에 대해 나타낸 표이고, 도 4는 상기 도 3에 도시된 표의 데이터를 그래프로 도시화 한 것이다.

시험조건

PSA Inlet: 4Kg/cm² G/Temp:6~7℃

PSA Outlet: 2Kg/cm² G/Temp:6~7℃

Compressor: 15 HP(마력)

베드(BED) 용량: 685 L

실시예 1

상기와 같은 시험조건 하에서 1개의 베드(PSA 세그먼트)로 구성되는 산소 발생기를 구동하여 산소농도 별 산소발생량을 측정하였다.

분당 공급 공기 유량 : 1190 ~ 1210 N-lpm

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 시험조건 하에서 2개의 베드(PSA 세그먼트)로 구성되는 산소 발생기를 구동하여 산소농도 별 산소발생량을 측정하였다.

분당 공급 공기 유량 : 1035 ~ 1045 N-lpm

실시예 3

상기 실시예 1과 동일한 시험조건 하에서 3개의 베드(PSA 세그먼트)로 구성되는 산소 발생기를 구동하여 산소농도 별 산소발생량을 측정하였다.

분당 공급 공기 유량 : 945 ~ 960 N-lpm

실시예 4

분당 공급 공기 유량 : 300 ~ 945 N-lpm

실시예 5

시험결과

실시예 1의 시험결과, 1개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 분당 97.3% 농도의 산소가 16.7 L(N-lpm), 93.6% 농도의 산소가 20.0 L, 88.3% 농도의 산소가 23.0 L, 83.4% 농도의 산소가 25.0 L, 75.4% 농도의 산소가 30.0 L, 70.9% 농도의 산소가 33.3 L 발생되었다.

실시예 2의 시험결과, 2개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 분당 96.7% 농도의 산소가 35.0 L(N-lpm), 96.4% 농도의 산소가 40.0 L, 93.7% 농도의 산소가 41.7 L, 92.3% 농도의 산소가 45.0 L, 89.6% 농도의 산소가 50.0 L, 84.9% 농도의 산소가 55.0 L, 80.4% 농도의 산소가 58.3 L, 76.4% 농도의 산소가 60.0 L 발생되었다.

실시예 3의 시험결과, 3개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 분당 96.8% 농도의 산소가 35.0 L(N-lpm), 96.1% 농도의 산소가 50.0 L, 94.9% 농도의 산소가 55.0 L, 93.5% 농도의 산소가 58.3 L, 92.9% 농도의 산소가 60.0 L, 89.8% 농도의 산소가 65.0 L, 88.4% 농도의 산소가 66.7 L, 86.4 70.0 L 발생되었다.

실시예 4의 시험결과, 4개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 분당 96.9% 농도의 산소가 60.0 ~ 65.0 L(N-lpm), 95.8% 농도의 산소가 66.7 L, 95.0% 농도의 산소가 70.0 L, 92.9% 농도의 산소가 75.0 L, 90.4% 농도의 산소가 80.0 L, 88.0% 농도의 산소가 83.3 L, 87.3% 농도의 산소가 85.0 L, 83.4% 농도의 산소가 90.0 L, 81.8% 농도의 산소가 91.7 L, 80.0% 농도의 산소가 95.0 L 발생되었다.

실시예 5의 시험결과, 5개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 분당 96.7% 농도의 산소가 60.0 L(N-lpm), 96.6% 농도의 산소가 65.0 ~ 66.7 L, 96.4% 농도의 산소가 70.0 L, 95.9% 농도의 산소가 75.0 L, 95.1% 농도의 산소가 80.0 L, 93.6% 농도의 산소가 83.3 L, 92.9% 농도의 산소가 85.0 L, 90.1% 농도의 산소가 90.0 L, 89.6% 농도의 산소가 91.7 L, 87.4% 농도의 산소가 95.0 L, 84.4% 농도의 산소가 100.0 L 발생되었다.

상기 실시예 1 내지 5의 시험결과를 고농도의 산소 발생유량을 기준으로 비교하면, 1개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 97.3% 농도의 산소(O₂)가 분당 16.7 L 발생되었고, 2개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 96.7% 농도의 산소(O₂)가 분당 35 L 발생되었고, 3개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 96.8% 농도의 산소(O₂)가 분당 45 L 발생되었고, 4개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 96.9% 농도의 산소(O₂)가 분당 60 L 발생되었고, 5개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기에서는 96.7% 농도의 산소(O₂)가 분당 60 L 발생되었음을 알 수 있다.

즉, 본 발명의 산소 발생기(100)에서는 PSA 세그먼트(120)의 개수가 증가할수록 산소 발생량이 증가한 것을 알 수 있으며, 단지 4개의 PSA 세그먼트와 5개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기(100)에서의 97% 농도에 가까운 산소의 발생량이 60 L로 동일하였으나, 그 보다 적은 농도의 산소 발생량에 있어서는 5개의 PSA 세그먼트로 구성되는 산소 발생기(100)가 더욱 많은 양의 산소를 발생시키는 것으로 나타났다.

예로, 4개의 PSA 세그먼트를 포함하는 산소 발생기(100)에서는 90.4% 농도의 산소가 분당 80 L 발생된 것에 비해, 5개의 PSA 세그먼트를 포함하는 산소 발생기(100)에서는 90.1% 농도의 산소가 분당 90 L 발생하였으며 이와 같은 차이는 낮은 산소 농도에서 더욱 크게 벌어지는 것으로 나타났다.

상기 시험결과와 같이 본 발명의 산소 발생기(100)는 분당 산소 발생량이 일정하게 유지되며, 그 산소 발생량은 산소 발생기(100) 내 PSA 세그먼트(120)의 수에 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.

즉, 본 발명에 따른 산소 발생기(100)는 PSA 세그먼트의 수와 흡착/탈착 스윙 싸이클 타임에 따라 복수개의 PSA 세그먼트에서 진행되는 질소 흡착 및 탈착 시간을 공기공급 제어를 통해 조절함으로써, PSA 세그먼트의 개수가 증가하더라도 안정적으로 일정하게 산소를 발생시킬 수 있게 된다.

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하져야 할 것이다.

100 : 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기
110 : 압축공기 공급부
111 : 콤프레셔
112 : 열교환기
120 : PSA 세그먼트
121 : 솔레노이드 밸브
122 : 흡착 베드
123 : 압력유지 밸브
124 : 오리피스
130 : 제어부
140 : 산소저장 탱크

Claims

제올라이트 분자체가 충전되어 있는 두 개의 흡착 베드; 흡착 베드의 흡착/탈착 사이클에 따라, 상기 두 개의 흡착 베드가 서로 흡착/탈착을 변경할 때, 상기 두 개의 흡착 베드에 공급되는 압축공기의 스위칭을 수행하는 솔레노이드 밸브; 및 상기 두 개의 흡착 베드가 서로 흡착/탈착을 변경할 때 오픈되어 두 흡착 베드 사이의 압력 평형을 유지시키는 압력유지 밸브;를 포함하는 적어도 하나 이상의 PSA 세그먼트와,
소정의 시간 간격을 가지고 순차적으로 각 PSA 세그먼트에 압축공기를 공급하도록 상기 솔레노이드 밸브를 제어함으로써, 전체 PSA 세그먼트에서 발생되는 산소의 유량 및 압력을 일정하게 유지하는 제어부,를 포함하며,
상기 제어부는 하기 식 (1)에 의해 얻어지는 시간(t) 간격으로 순차적으로 각 PSA 세그먼트에 압축공기를 공급하도록 솔레노이드 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기.
t = T / n 식(1)
상기 식 (1)에서,
T는 하나의 PSA 세그먼트 내에서 두 개의 흡착 베드가 1회 흡착 및 탈착을 수행하는 스윙 싸이클 타임이고, n은 전체 PSA 세그먼트의 수를 의미한다.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
각 PSA 세그먼트 내 솔레노이드 밸브 및 압력유지 밸브에 일정 시간(흡착/탈착 스윙 싸이클 타임/2) 간격으로 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기.
제1항에 있어서,
상기 PSA 세그먼트에 압축공기를 공급하는 압축공기 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기.
제4항에 있어서,
상기 압축공기 공급부는,
공기를 압축하는 콤프레셔; 및
흡착 효과를 높이기 위하여 상기 콤프레셔에서 압축된 공기의 온도를 낮추기 위한 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기.
제1항에 있어서,
상기 PSA 세그먼트는,
흡착 베드에서 배출되는 산소의 압력을 낮추기 위한 오리피스;를 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기.
제1항에 있어서,
각 PSA 세그먼트 내 두 개의 흡착 베드 중 하나의 흡착 베드에서 배출되는 산소 중 일부를 질소로 포화된 또 다른 흡착 베드에 공급하여 흡착된 질소를 탈취하는 것을 특징으로 하는 향상된 PSA 방식을 이용한 산소 발생기.