KR20040101068A

KR20040101068A - 산소발생장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20040101068A
Application number: KR1020040036388A
Authority: KR
Inventors: 이창하
Original assignee: 학교법인연세대학교
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: US20060162565A1; KR100605549B1; US7468096B2; JP4469841B2; WO2004103899A1; JP2006523592A

Abstract

본 발명은 외부의 공기 가압수단 및 감압수단과 연결되어 탑의 내부 압력이 증가 또는 감소되면서 산소 기체를 생산하는 제올라이트 탑 시스템 및 제올라이트 탑 시스템으로부터 생산된 산소를 흡착하고 미흡착 산소는 상기 제올라이트 탑 시스템으로 회수한 후, 탑의 내부 압력을 감압하여 산소를 생산하는 CMS 탑 시스템을 포함하는 산소발생장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 제올라이트 탑 시스템과 CMS 탑 시스템이 유기적으로 상호 연결되어 있어, 장치 및 운전비용을 절감할 수 있을 뿐 만 아니라, 97% 이상의 고순도 산소를 필요에 따라 선택적으로 생산할 수 있다.

Description

산소발생장치 및 그 제어방법{APPARATUS FOR PRODUCTING OXYGEN AND CONTROL METHOD THE SAME}

본 발명은 산소발생장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부의 공기 가압수단 및 감압수단과 연결되어 탑의 내부 압력이 증가 또는 감소되면서 산소 기체를 생산하는 제올라이트 탑 시스템 및 제올라이트 탑 시스템으로부터 생산된 산소를 흡착하고 미흡착 산소는 상기 제올라이트 탑 시스템으로 회수한 후, 탑의 압력을 감압하여 산소를 생산하는 CMS 탑 시스템으로 구성되어 고순도의 산소를 필요에 따라 선택적으로 생산해 낼 수 있도록 제어하게 되는 산소발생장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 공기 중에서 산소를 분리하기 위한 방법으로는 고체의 미세공극에 공기 중의 원소가 선택적으로 흡착되도록 하여 분리하는 흡착법과, 상온에서 기체의 온도를 급격히 저하시켜 액체로 만든 후, 증류를 통해 산소를 분리하는 심냉법이 있다.

그러나 심냉법은 공기를 급속 냉각할 수 있는 대형의 냉각장치 및 냉각된 공기를 증류할 수 있는 대형의 증류장치를 모두 구비하여야 하므로, 장치 구입 및 설치에 따른 과다한 투자비용이 발생하는 문제가 있다.

물론, 심냉법의 경우 투자비용이 많이 든다는 단점이 있는 반면, 순도 99% 이상의 산소를 생산할 수 있다는 이점이 있으므로 전술된 흡착법보다 선호되고 있었지만, 장치의 거대화 및 과다한 투자비로 인하여 중소규모에서는 사실상 설치가 불가능하다.

따라서 현재는 공기 중 특정 원소의 벌크(bulk)에 대응하는 미세공극이 형성된 고체를 이용하여 원소를 분리하는 흡착법이 주로 사용된다.

이러한 흡착법은 흡착제로서 질소에 대해서는 강 흡착제로 작용하고 산소에 대해서는 약 흡착제로 작용하는 특성을 갖는 제올라이트(Zeolite)를 주로 사용하고 있다.

그러므로, 제올라이트에 공기를 공급하면 질소는 제올라이트에 흡착되고 산소는 투과되어 배출되므로 질소가 현저히 배제된 산소를 생산할 수 있으며, 이때생산된 산소는 제올라이트에서 제거되지 않은 미량의 질소 및 산소와 비슷한 흡착능으로 인하여 흡착되지 않는 아르곤을 포함한다.

따라서, 일반적인 흡착법에 의한 산소생산 시스템은 내부가 제올라이트로 충전된 제올라이트 탑으로 구성되며, 경우에 따라서는 생산되는 산소의 순도를 높이기 위하여 2개 이상의 제올라이트 탑으로 구성된 시스템도 있다.

그러나, 이와 같은 흡착식 산소생산 시스템에 의하여 생산된 산소는 아르곤 분리의 어려움으로 인하여 산소의 순도가 최대 95%에 불과하므로, 산소생산회사들은 1980년대 이후부터 이 시스템을 이용하여 99% 이상의 고순도 산소를 생산하기 위한 공정을 개발하고 있다.

그리고, 현재는 미국의 BOC사 및 Crew Technology Division Amstrong Raboratory사와, 일본의 Sumitomo Seike 주식회사가 그 분야에 선두로 두각을 나타내고 있으며, 이 회사들은 현재 99.7%의 고순도 산소를 생산할 수 있는 시스템을 곧 상용화시킬 예정이다.

하지만, 이 회사들의 산소생산 시스템은 벌크 분리를 위한 흡착공정과 정화를 위한 흡착공정으로 이루어져 있기 때문에 벌크 분리용 흡착공정을 완전히 종료한 후, 다시 정화용 흡착공정을 수행하여야 하므로 각각의 흡착공정 운전으로 인하여 산소의 생산 단가가 고가인 것이 가장 큰 문제이다.

한편, 흡착법을 이용하여 고순도의 질소도 생산할 수 있으며, 이러한 경우에는 CMS(탄소분자체: Carbon molecular sieve)가 흡착제로 사용되며, 그 이유는 CMS에 산소가 질소나 아르곤 보다 수십 내지 수백배 이상 빠른 속도로 흡착되기 때문이다.

즉, CMS에 대한 산소의 흡착속도와 질소 및 아르곤의 흡착속도 차이로 인하여 산소는 CMS에 빠르게 흡착되는 반면, 질소와 아르곤은 흡착되지 못하고 CMS를 투과하게 되어 고순도의 질소를 생산할 수 있다.

이러한, CMS를 이용한 질소생산 시스템은 보통 CMS가 충전된 CMS 탑으로 구성되며, CMS 탑 역시 생산되는 질소의 순도 및 생산량을 높이기 위하여 2개 이상의 탑으로 구성할 수 있다.

한편, 최근에는 전술된 제올라이트 탑 시스템을 이용하여 질소 및 아르곤 등의 불순물을 포함하는 90~95%의 산소를 생산해 내고, 다시 그 산소를 전술된 CMS 탑 시스템으로 필터링하여 99% 이상의 산소를 생산하는 공정이 개발되었다.

하지만, 이 공정은 제올라이트 탑 시스템과 CMS 탑 시스템이 별개로 이루어져 독립적으로 운전되는 단순한 다단식 시스템이므로, 각각의 시스템을 모두 구비하여야 할 뿐만 아니라 개별적 독립운전으로 인한 이중의 운전비용 및 이중 에너지비용을 부담하여야 하며, 원료가 각각의 개별 시스템을 거쳐야하므로 산소의 회수율이 급격히 저하되는 등의 단점이 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제를 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 제올라이트 탑 시스템과 CMS 탑 시스템이 유기적으로 상호 연결되어 있어, 장치 및 운전비용을 절감할 수 있을 뿐 만 아니라, 97% 이상의 고순도 산소를 필요에 따라 선택적으로 생산할 수 있는 산소발생장치로서, 외부의 공기 가압수단 및 감압수단과 연결되어 탑의 내부 압력이 증가 또는 감소되면서 산소 기체를 생산하는 제올라이트 탑 시스템 및 제올라이트 탑 시스템으로부터 생산된 산소를 흡착하고 미흡착 산소는 상기 제올라이트 탑 시스템으로 회수한 후, 탑의 내부 압력을 감압하여 산소를 생산하는 CMS 탑 시스템을 포함하는 산소발생장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 예시하는 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18: 솔레노이드밸브, 30: 유량제어밸브, 40: 압력제어밸브, 50: 감압제어밸브, 100: 제 1 제올라이트 탑, 200: 제 2 제올라이트 탑, 300: 탄소분자체탑 B: 공기 가압수단, P: 감압수단

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 외부의 공기 가압수단 및 감압수단과 연결되어 탑의 내부 압력이 증가 또는 감소되면서 산소 기체를 생산하는 제올라이트 탑 시스템 및 제올라이트 탑 시스템으로부터 생산된 산소를 흡착하고 미흡착 산소는 상기 제올라이트 탑 시스템으로 회수한 후, 탑의 내부 압력을 감압하여 산소를 생산하는 CMS 탑 시스템을 포함하는 산소발생장치를 제공한다.

또한, 상기 산소발생장치에 있어서, 탄소분자체 탑 시스템에서 생산된 산소를 배출하는 부분은 생산되는 산소의 일부를 선택적으로 제올라이트 탑 시스템으로 회수할 수 있도록 제올라이트 탑 시스템에 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다.

더욱 구체적으로, 상기 산소발생장치에 있어서,

제올라이트 탑 시스템은 탑의 제 1 부분이 외부의 공기 가압수단 및 감압수단과 연결되어 내부 압력이 증가 또는 감소되는 제 1 제올라이트 탑 및

제 1 제올라이트 탑과 병렬로 연결되며, 탑의 제 1 부분이 외부의 공기 가압수단 및 감압수단과 연결되어 내부 압력이 증가 또는 감소되되, 상기 제 1 제올라이트 내의 압력이 증가할 때는 내부 압력이 감소되고, 상기 제 1 제올라이트 내의 압력이 감소할 때는 내부 압력이 증가되는 제 2 제올라이트 탑으로 구성되고,

CMS 탑 시스템은 제 1 또는 제 2 제올라이트 탑으로부터 생성된 산소가 탄소분자체 탑으로 공급되어 흡착되도록 상기 제 1 및 제 2 제올라이트 탑의 제 2 부분과 유체 흐름 가능하도록 연결되어 있고, 탑의 압력을 감압시켜 생산된 산소를 외부로 배출시키는 탑의 제 1 부분 및

미흡착 산소를 제 1 또는 제 2 제올라이트 탑으로 배출하도록 제 1 또는 제 2 제올라이트 탑의 제 2 부분과 유체 흐름 가능하도록 연결되어 있는 탑의 제 2 부분으로 구성되어 있되,

생산되는 산소의 일부를 추가적으로 제올라이트 탑으로 회수할 수 있도록 탑의 제 1 부분이 선택적으로 제 1 또는 제 2 제올라이트 탑의 제 2 부분과 유체 연결되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 산소발생장치는 제올라이트 탑 및 CMS 탑의 제 1 부분이 탑의 하부이고, 제올라이트 탑 및 CMS 탑의 제 2 부분이 탑의 상부인 것이 바람직하다.

본 명세서에서 사용한 용어, "탑 시스템"이란 1 개, 또는 수직적 또는 수평적으로 상호 연결된 2개 이상의 탑을 포함하는 장치를 의미한다. 따라서 제올라이트 탑 시스템이란 1 개, 또는 수직적 또는 수평적으로 상호 연결된 2 개 이상의 제올라이트 탑을 포함할 수 있으며, CMS 탑 시스템이란 1 개, 또는 수직적 또는 수평적으로 상호 연결된 2 개 이상의 CMS 탑을 포함할 수 있다.

또한 본 명세서에서 사용한 용어, "공기 가압수단"이란 제올라이트 탑 시스템에 공기를 공급할 수 있는 수단을 의미하고, 바람직하게는 송풍기 또는 가압기(compressor)를 포함하며, "감압수단"이란 제올라이트 탑 시스템의 내부 압력을 대기압 또는 진공상태로 감소시킬 수 있는 수단을 의미하고, 바람직하게는 밸브 또는 진공펌프를 포함한다.

따라서, 본 명세서에서 사용한 제올라이트 탑의 "감압" 또는 "압력의 감소"란 제올라이트 탑의 내부 압력을 대기압 또는 진공상태로 감소시키는 것을 의미한다.

본 발명은 또한 하기의 단계를 포함하는 제올라이트 탑 시스템과 CMS 탑 시스템으로 이루어진 장치를 제어하는 방법을 제공한다.

제올라이트 탑 시스템의 내부 압력을 증가시켜 질소를 흡착하여 산소를 생산하는 제 1 단계;

제올라이트 탑 시스템에서 생산된 산소를 CMS 탑 시스템으로 공급하여 내부 압력을 증가시키고 산소를 흡착시키는 제 2 단계;

CMS 탑 시스템에서 흡착되지 않은 산소를 제올라이트 탑 시스템으로 공급하여 질소를 흡착시키는 제 3 단계; 및

탄소 분자체 탑 시스템의 내부 압력을 감소시켜 그 내부에서 생산되는 산소를 외부 장치로 방출시키는 제 4 단계.

상기 방법은 제올라이트 탑 시스템을 구성하는 2개 이상의 제올라이트 탑 사이의 압력, 또는 CMS 탑 시스템을 구성하는 2개 이상의 CMS 탑 사이의 압력을 평등화시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 방법은 제 3 단계와 제 4 단계 사이에 탄소 분자체 탑 시스템의 내부 압력을 감소시켜 그 내부에서 생산되는 초기의 산소를 제올라이트 탑 시스템으로 선택적으로 회수하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.

더욱 구체적으로, 본 발명은 2개의 제올라이트 탑 및 1개의 CMS 탑을 포함하는 산소발생장치를 제어하는 방법을 제공하며, 그 방법은

제 1 제올라이트 탑의 내부 압력을 증가시켜 질소를 흡착하여 산소를 생산하고, 제 2 제올라이트 탑 내부 압력을 감소시켜 내부의 흡착제로부터 질소를 이탈, 제거시키는 제 1 단계;

제 1 제올라이트 탑에서 생산된 산소를 CMS 탑으로 공급하여 내부 압력을 증가시키고 산소를 흡착시키는 제 2 단계;

CMS 탑에서 흡착되지 않은 산소를 제 2 제올라이트 탑으로 공급하여 질소를 흡착시키는 제 3 단계;

제 1 제올라이트 탑의 내부 압력과 제 2 제올라이트 탑의 내부 압력을 평등화시키는 제 4 단계; 및

탄소 분자체 탑의 내부 압력을 감소시켜 그 내부에서 생산되는 산소를 외부 장치로 방출시키는 제 5 단계를 포함하되, 제 1 제올라이트 탑의 기능과 제 2 제올라이트 탑의 기능이 서로 바뀐 상태에서 제 1 단계 내지 제 5 단계의 공정이 반복적으로 실시되는 단계를 포함한다.

상기 제어방법에 있어서, 제 4 단계와 제 5 단계 사이에 탄소 분자체 탑의 내부 압력을 감소시켜 그 내부에서 생산되는 초기의 산소를 제올라이트 탑으로 선택적으로 회수하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 방법들에 있어서, 제 3 단계에서 제올라이트 탑으로 회수되는 산소의 평균 농도는 75 내지 85%인 것이 바람직하다. 산소의 평균 농도가 75% 미만인 경우 제올라이트 탑에서 생산되는 산소의 농도가 감소할 수 있으며, 85% 이상인 경우 산소 생산량이 감소할 수 있다.

또한 상기 방법들에 있어서, CMS 탑에서 생산되어 제올라이트 탑으로 회수되는 산소는 탄소분자체 탑의 총 감압 공정에 대하여 50% 이하의 초기 감압단계에서 회수되는 것이 바람직하다. 50% 이상의 감압 단계까지 제올라이트 탑으로 산소를 회수하는 경우, 산소의 순도는 조금 더 증가할 수 있으나, 생산량이 감소되므로 경제성 측면에서 바람직하지 않다.

도1은 본 발명의 일 실시예를 예시하는 구성도이며, 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도1에 도시한 바와 같이 제 1, 2 제올라이트 탑(100, 200)과 CMS 탑(300), 제 1 제올라이트 탑 또는 제 2 제올라이트 탑에 공기를 공급하여 가압하는 송풍기(B)와, 제 1 제올라이트 탑 또는 제 2 제올라이트 탑을 감압하는 진공펌프(P), 및 제1, 2, 3, 4 밸브부(500, 600, 700, 800)로 구성되어 있다.

이때, 제 1 밸브부(500)는 1, 2 ,3, 5번 밸브 그리고 유량제어밸브(30)로 구성되어 송풍기(B)로부터 공급되는 일정압력의 공기를 제 1 제올라이트 탑(100)이나 제 2 제올라이트 탑(200)에 공급하여 일정압력으로 가압하도록 제어하게 된다.

그리고, 제 2 밸브부(600)는 4, 6, 18번 밸브로 구성되어 진공펌프(P)의 진공을 제 1 제올라이트 탑(100)이나 제 2 제올라이트 탑(200)에 공급하여 감압시키도록 제어하게 된다.

또한, 제 3 밸브부(700)는 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14번 밸브 그리고 압력제어밸브(40)로 구성되어 제 1 제올라이트 탑(100) 또는 제 2 제올라이트 탑(200)의 산소를 CMS 탑(300)으로 공급하거나, 압력이 제어되는 CMS 탑의 산소를 제 1 제올라이트 탑이나 제 2 제올라이트 탑으로 배출하거나, 제 1 제올라이트 탑과 제 2 제올라이트 탑의 압력평등화를 제어하게 된다.

더욱이, 제 4 밸브부(800)는 15, 16번 밸브와 감압제어밸브(50)로 구성되어 CMS 탑(300)내의 산소를 선택적으로 배출하도록 제어하게 된다.

이처럼 구성되는 본 발명의 제어방법을 자세히 살펴보기로 한다.

가압 및 감압재생단계에서는 제 1 제올라이트 탑(100) 또는 제 2 제올라이트 탑(200)이 송풍기(B)에서 공급되는 공기에 의해 가압되거나, 진공펌프(P)에 의해 진공으로 감압되어 흡착제가 재생되도록 제어된다.

먼저, 제 1 제올라이트 탑(100)이 가압되고 제 2 제올라이트 탑(200)이 감압되도록 제어되는 가압 및 감압재생단계를 살펴보면, 송풍기(B)에 의해 공급되는 일정기압의 공기는 개방된 1번 밸브와 3번 밸브를 통해 제 1 제올라이트 탑(100)으로공급되고, 제 1 제올라이트 탑(100)에서는 공급되는 공기에 의해 일정압력까지 가압되면서 이 가압상태에서 내장된 질소흡착제를 이용하여 질소를 흡착하게 된다.

동시에, 제 2 제올라이트 탑(200)은 6번 밸브와 18번 밸브가 개방되면서 진공펌프(P)의 구동으로 진공감압이 이루어지면서 그 내부의 흡착제로부터 질소가 이탈 제거되어 흡착제의 재생이 이루어지게 된다.

그리고, 산소흡착 및 회수단계에서는 제 1 제올라이트 탑(100)내의 압력이 일정압력(약 1.5bar)에 이르면 1번 밸브를 닫는 동시에 유량제어밸브(30) 그리고 7번 밸브와 13번 밸브를 개방한다. 이때, 유량제어밸브(30)는 송풍기(B)로부터 제 1 제올라이트 탑(100)내로 공급되는 공기의 유량을 조절함으로써 제 1 제올라이트 탑(100)내의 유량을 일정유량으로 유지시키게 된다. 제 1 제올라이트 탑(100)에서는 흡착제를 이용하여 질소를 흡착함으로써 순도 90~94%의 산소를 생산하게 되고, 순도 90~94%의 산소는 개방된 7번 밸브와 13번 밸브를 통해 CMS 탑(Carbon Molecular Sieve Tower)(300)내에 공급된다.

여기서, 제 1 제올라이트 탑(100)에서 생산되는 순도 90~94%의 산소는 개방된 7번 밸브와 13번 밸브를 통해 CMS 탑(300)내를 가압하면서 그 내부의 흡착제에 흡착된다.

이때, CMS 탑(300)내의 압력이 일정압력에 이르면 14번 밸브를 개방하면서 CMS 탑(300)내에서 미처 흡착되지 않은 순도 약 80%정도의 산소를 배출하게 된다.

또한, 14번 밸브의 개방과 동시에 12번 밸브가 개방되면서 6번 밸브와 18번 밸브가 닫히게 되고, 이로써 CMS 탑(300)로부터 배출되는 순도 약 80%정도의 산소는 제 2 제올라이트 탑(200)내로 공급되면서 제 2 제올라이트 탑내에서 흡착제에 의해 질소가 흡착 제거된다.

여기서, 압력제어밸브(40)는 개방된 14번 밸브를 통해 배출되는 순도 약 80% 산소의 압력을 제어함으로써 CMS 탑(300)내의 압력을 일정압력으로 유지하도록 구성되어 있다.

따라서, 순도 약 80% 산소가 공급되는 제 2 제올라이트 탑(200)은 그 압력이 CMS 탑(300)의 압력보다 현저히 낮은 상태를 유지하게 된다.

그러나, CMS 탑(300)내에서 배출되는 산소의 순도가 약 80%를 현저히 초과하여 배출되면 CMS 탑내의 흡착제가 과포화되어 더 이상의 산소를 흡착할 수 없는 상태에 이르는 것으로 판단하여 개방되어 있는 7번 밸브, 13번 밸브, 14번 밸브, 12번 밸브를 닫게 된다.

이때, 압력평등화 및 산소생산단계에서는 9번 밸브 그리고 15번 밸브를 개방하게 되는데, 개방된 9번 밸브를 통해 제 1 제올라이트 탑(100)과 제 2 제올라이트 탑(200)의 압력평등화작업을 실시하게 되고, 개방된 15번 밸브를 통해 CMS 탑(300)내에 흡착된 산소를 생산하게 된다.

여기서, 개방된 9번 밸브를 통해 제 1 제올라이트 탑(100)의 고압이 상대적으로 저압상태인 제 2 제올라이트 탑(200)으로 공급되어 제 2 제올라이트 탑내를 가압하게 된다.

이처럼 개방된 9번 밸브를 통한 제 1 제올라이트 탑(100)과 제 2 제올라이트 탑(200)의 압력평등화작업에 의해 제 2 제올라이트 탑(200)은 일정압력으로 가압되어 있는 제 1 제올라이트 탑에 의해 가압이 이루어지게 된다. 이와 같은 압력평등화작업을 통해 제 2 제올라이트 탑(200)은 목표압력(1.5bar)에 대해 60%정도로 가압된 상태를 이루게 된다.

그리고, CMS 탑(300)에서는 흡착제에 의해 산소가 흡착된 상태를 이루게 되는데, 15번 밸브를 개방하여 대기압으로 감압하게 되면 흡착제내의 산소 뿐만 아니라 주로 흡착제와 흡착제 사이에 잔류하는 질소와 아르곤이 함께 방출되어 순도 약 97%의 산소를 생산하게 된다.

그러나, CMS 탑(300)의 산소생산시 15번 밸브를 개방하기 전에 5번 밸브와 16밸브를 개방한 상태에서 감압제어밸브(50)를 제어하여 30%정도로 감압하는 초기단계 즉, 감압제어밸브를 개방하여 시간당 감압율을 제어함으로써 대기압으로의 감압을 100%라할 때 약 30%정도의 감압을 실시하게 되면 CMS 탑과 제 2 제올라이트(200)의 압력차에 의해 CMS 탑내에서 흡착제내에 흡착되어 있는 산소보다는 주로 흡착제와 흡착제 사이에 잔류하는 질소와 아르곤 및 기중의 산소가 다량으로 먼저 배출된다.

이때, 감압제어밸브(50)에 의해 30% 정도로 감압된 상태에서 CMS 탑(300)으로부터 배출되는 산소는 개방된 16번 밸브와 5번 밸브를 통해 제 2 제올라이트 탑(200)으로 보내지고, 다시 16번 밸브와 5번 밸브를 닫은 상태에서 15번 밸브를 개방하여 CMS 탑을 대기압으로 감압하게 되면 순도 약 99%의 산소를 생산해 낼 수 있게 된다.

이와 같이, 압력평등화 및 산소생산단계에서 제 1 제올라이트 탑(100)과 제2 제올라이트 탑(200)의 압력평등화공정을 통해 제 2 제올라이트 탑이 가압되고, CMS 탑(300)의 산소생산공정을 통해 순도 약 97% 내지 약 99%의 산소가 생산되면 제 1 제올라이트 탑(100)의 가압공정 및 제 2 제올라이트 탑(200)의 감압재생공정을 통한 산소생산작업이 완료된다.

이어서 제 1 제올라이트 탑(100)의 감압재생공정 및 제 2 제올라이트 탑(200)의 가압공정을 통한 제어방법을 살펴보면, 가압 및 감압재생단계에서는 9번 밸브와 15번 밸브 그리고 2번 밸브, 3번 밸브를 닫으면서 1번 밸브와 5번 밸브를 개방하게 되면 송풍기(B)의 가압공기가 제 2 제올라이트 탑(200)으로 공급되면서 일정압력까지 가압이 이루어지게 되는데, 이때 제 2 제올라이트 탑은 제 1 제올라이트 탑과의 압력평등화공정을 통해 목표압력의 약 60%정도로 가압이 이루어진 상태이므로 가압시간이 현저히 감소하게 된다.

여기서, 제 2 제올라이트 탑(200)이 일정압력에 이르면 1번 밸브를 닫는 동시에 유량제어밸브(30)를 개방하게 되는데, 유량제어밸브(30)는 송풍기(B)로부터 제 2 제올라이트 탑내로 공급되는 공기의 유량을 조절함으로써 제 2 제올라이트 탑(200)내의 유량을 일정유량으로 유지시키게 되고, 제 2 제올라이트 탑(200)에서는 흡착제를 이용하여 순도 90~94%의 산소를 생산하게 된다.

동시에, 제 1 제올라이트 탑(100)은 4번 밸브와 18번 밸브가 개방되면서 진공펌프(P)의 구동으로 진공감압이 이루어지면서 그 내부의 흡착제로부터 질소가 이탈 제거되어 흡착제의 재생이 이루어지게 된다.

한편, 산소흡착 및 회수단계에서는 제 2 제올라이트 탑(200)에서 생산되는 순도 90~94%의 산소가 개방된 8번 밸브와 13번 밸브를 통해 CMS 탑(Carbon Molecular Sieve Tower)(300)내에 공급된다.

그리고, 개방된 8번 밸브와 13번 밸브를 통해 제 2 제올라이트 탑(200)에서 생산되는 순도 90~94%의 산소는 CMS 탑(300)내를 가압하면서 그 내부의 흡착제에 흡착된다.

이때, CMS 탑(300)내의 압력이 일정압력에 이르면 14번 밸브가 개방되면서 CMS 탑(300)내에서 미처 흡수되지 않은 순도 약 80%정도의 산소가 배출된다.

또한, 14번 밸브의 개방과 동시에 11번 밸브가 개방되면서 4번 밸브와 18번 밸브가 닫히게 되고, 이로써 CMS 탑(300)로부터 배출되는 순도 약 80%정도의 산소는 제 1 제올라이트 탑(100)내로 공급되면서 제 1 제올라이트 탑내에서 재생된 흡착제에 의해 질소가 흡수 제거된다.

따라서, 순도 약 80% 산소가 공급되는 제 1 제올라이트 탑(100)은 그 압력이 CMS 탑(300)의 압력보다 낮은 상태를 유지하게 된다.

그러나, CMS 탑(300)내에서 배출되는 산소의 순도가 약 80%를 현저히 초과하여 배출되면 CMS 탑내의 흡착제가 과포화되어 더 이상의 산소를 흡착할 수 없는 상태에 이르는 것으로 판단하여 개방되어 있는 8번 밸브, 13번 밸브, 14번 밸브, 11번 밸브를 닫게 된다.

그리고, 압력평등화 및 산소생산단계에서는 9번 밸브 그리고 15번 밸브를 개방하게 되는데, 개방된 9번 밸브를 통해 제 1 제올라이트 탑(100)과 제 2 제올라이트 탑(200)의 압력평등화작업을 실시하게 되고, 개방된 15번 밸브를 통해 CMS 탑(300)의 흡착제내에 흡착된 산소를 생산하게 된다.

여기서, 개방된 9번 밸브를 통해 제 2 제올라이트 탑(200)의 고압이 상대적으로 저압상태인 제 1 제올라이트 탑(100)으로 공급되어 제 1 제올라이트 탑내를 가압하는 압력평등화작업을 하게 된다.

이처럼 개방된 9번 밸브를 통한 제 1 제올라이트 탑(100)과 제 2 제올라이트 탑(200)의 압력평등화작업에 의해 제 1 제올라이트 탑(200)은 일정압력으로 가압되어 있는 제 1 제올라이트 탑에 의해 가압이 이루어지게 된다. 이와 같은 압력평등화작업을 통해 제 1 제올라이트 탑(100)은 목표압력에 대해 60%정도로 가압된 상태를 이루게 된다.

그러나, CMS 탑(300)의 산소생산시 15번 밸브를 개방하기 전에 3번 밸브와 16밸브를 개방한 상태에서 감압제어밸브(50)를 제어하여 30%정도로 감압하는 초기단계 즉, 감압제어밸브를 개방하여 시간당 감압율을 제어함으로써 대기압으로의 감압을 100%라할 때 약 30%정도의 감압을 실시하게 되면 CMS 탑과 제 1 제올라이트(100)의 압력차에 의해 CMS 탑내에서 흡착제내에 흡착되어 있는 산소보다는 주로 흡착제와 흡착제 사이에 잔류하는 질소와 아르곤 및 기중의 산소가 다량으로 먼저 배출된다.

이때, 감압제어밸브(50)에 의해 30% 정도로 감압된 상태에서 CMS 탑(300)으로부터 배출되는 산소는 개방된 16번 밸브와 3번 밸브를 통해 제 1 제올라이트 탑(100)으로 보내지고, 다시 16번 밸브와 3번 밸브를 닫은 상태에서 15번 밸브를 개방하여 CMS 탑을 대기압으로 감압하게 되면 순도 약 99%의 산소를 생산해 낼 수 있게 된다.

이와 같이, 제 1 제올라이트 탑(100)과 제 2 제올라이트 탑(200)의 압력평등화공정을 통해 제 1 제올라이트 탑이 가압되고, CMS 탑(300)의 산소생산공정을 통해 순도 약 97% 또는 약 99%의 산소가 생산되면 제 2 제올라이트 탑(100)을 통한 산소생산작업이 완료된다.

이처럼, 본 발명에서는 제 1 제올라이트 탑(100)과 제 2 제올라이트 탑(200)에 대한 가압공정 또는 감압재생공정을 교대로 실시하면서 계속적으로 CMS 탑(300)에서 산소를 생산할 수 있고, 더욱이 CMS 탑에서 필요에 따라 고순도의 산소를 선택적으로 생산해낼 수 있도록 구성되는데에 그 기술적 특징을 갖게 된다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 이는 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다.

그러므로, 본 발명의 실질적인 범위는 상술된 실시예에 의해 한정되어져서는 안되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 청구범위와 균등한 구성에 의해 정해져야 함은 당연하다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 3개의 탑, 각각 하나의 가압수단 및 감압수단만으로 구성할 수 있어 그 구조가 간단하여 설비 및 운전비용을 감소시킬 수 있고, 제올라이트 탑 시스템과 CMS 탑 시스템이 상호 유기적으로 결합되어 있어 산소의 회수율이 매우 높고, 더욱이 단순한 제어단계를 거쳐 97% 이상의 고순도의 산소를 필요에 따라 원하는 순도로 선택적으로 생산해 낼 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Claims

산소발생장치에 있어서,

외부의 공기 가압수단 및 감압수단과 연결되어 탑의 내부 압력이 증가 또는 감소되면서 산소 기체를 생산하는 제올라이트 탑 시스템 및

제올라이트 탑 시스템으로부터 생산된 산소를 흡착하고 미흡착 산소는 상기 제올라이트 탑 시스템으로 회수한 후, 탑의 내부 압력을 감압하여 산소를 생산하는 탄소분자체 탑 시스템을 포함하는 산소발생장치.
제1항에 있어서, 탄소분차체 탑 시스템에서 생산된 산소를 배출하는 부분은 생산되는 산소의 일부를 선택적으로 제올라이트 탑 시스템으로 회수할 수 있도록 제올라이트 탑 시스템에 유체 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제올라이트 탑 시스템은

탑의 제 1 부분이 외부의 공기 가압수단 및 감압수단과 연결되어 내부 압력이 증가 또는 감소되는 제 1 제올라이트 탑 및

제 1 제올라이트 탑과 병렬로 연결되며, 탑의 제 1 부분이 외부의 공기 가압수단 및 감압수단과 연결되어 내부 압력이 증가 또는 감소되되, 상기 제 1 제올라이트 내의 압력이 증가할 때는 내부 압력이 감소되고, 상기 제 1 제올라이트 내의 압력이 감소할 때는 내부 압력이 증가되는 제 2 제올라이트 탑으로 구성되고,

탄소분자체 탑 시스템은

제 1 또는 제 2 제올라이트 탑으로부터 생성된 산소가 탄소분차제 탑으로 공급되어 흡착되도록 상기 제 1 및 제 2 제올라이트 탑의 제 2 부분과 유체 흐름 가능하도록 연결되어 있고, 탑의 압력을 감압시켜 생산된 산소를 외부로 배출시키는 탑의 제 1 부분 및

미흡착 산소를 제 1 또는 제 2 제올라이트 탑으로 배출하도록 제 1 또는 제 2 제올라이트 탑의 제 2 부분과 유체 흐름 가능하도록 연결되어 있는 탑의 제 2 부분으로 구성되어 있되,

생산되는 산소의 일부를 추가적으로 제올라이트 탑으로 회수할 수 있도록 탑의 제 1 부분이 선택적으로 제 1 또는 제 2 제올라이트 탑의 제 2 부분과 유체 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
제 3 항에 있어서, 제올라이트 탑 및 탄소분자체 탑의 제 1 부분이 탑의 하부이고, 제올라이트 탑 및 탄소분자체 탑의 제 2 부분이 탑의 상부인 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
제올라이트 탑 시스템과 탄소분자체 탑 시스템을 포함하는 산소발생장치를 제어하는 방법에 있어서,

제올라이트 탑 시스템의 내부 압력을 증가시켜 질소를 흡착하여 산소를 생산하는 제 1 단계;

제올라이트 탑 시스템에서 생산된 산소를 탄소분자체 탑 시스템으로 공급하여 내부 압력을 증가시키고 산소를 흡착시키는 제 2 단계;

탄소분자체 탑 시스템에서 흡착되지 않은 산소를 제올라이트 탑 시스템으로 공급하여 질소를 흡착시키는 제 3 단계;

탄소 분자체 탑 시스템의 내부 압력을 감소시켜 그 내부에서 생산되는 산소를 외부 장치로 방출시키는 제 4 단계를 포함하는 산소 생산 제어방법.
제 5 항에 있어서, 제올라이트 탑 시스템을 구성하는 2개 이상의 제올라이트 탑 사이의 압력, 또는 탄소분자체 탑 시스템을 구성하는 2개 이상의 탄소분자체 탑 사이의 압력을 평등화시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 생산 제어방법.
제 5 항에 있어서, 제 3 단계와 제 4 단계 사이에 탄소 분자체 탑 시스템의 내부 압력을 감소시켜 그 내부에서 생산되는 초기의 산소를 제올라이트 탑 시스템으로 선택적으로 회수하는 단계를 추가적으로 포함하는 산소 생산 제어방법.
2개의 제올라이트 탑 및 1개의 탄소분자체 탑을 포함하는 산소발생장치를 제어하는 방법에 있어서,

제 1 제올라이트 탑의 내부 압력을 증가시켜 질소를 흡착하여 산소를 생산하고, 제 2 제올라이트 탑 내부 압력을 감소시켜 내부의 흡착제로부터 질소를 이탈,제거시키는 제 1 단계;

제 1 제올라이트 탑에서 생산된 산소를 탄소분자체 탑으로 공급하여 내부 압력을 증가시키고 산소를 흡착시키는 제 2 단계;

탄소분자체 탑에서 흡착되지 않은 산소를 제 2 제올라이트 탑으로 공급하여 질소를 흡착시키는 제 3 단계;

제 1 제올라이트 탑의 내부 압력과 제 2 제올라이트 탑의 내부 압력을 평등화시키는 제 4 단계; 및

탄소 분자체 탑의 내부 압력을 감소시켜 그 내부에서 생산되는 산소를 외부 장치로 방출시키는 제 5 단계를 포함하되,

제 1 제올라이트 탑의 기능과 제 2 제올라이트 탑의 기능이 서로 바뀐 상태에서 제 1 단계 내지 제 5 단계의 공정이 반복적으로 실시되는 단계를 포함하는 산소 생산 제어방법.
제 8 항에 있어서, 제 4 단계와 제 5 단계 사이에 탄소 분자체 탑의 내부 압력을 감소시켜 그 내부에서 생산되는 초기의 산소를 제올라이트 탑으로 선택적으로 회수하는 단계를 추가적으로 포함하는 산소 생산 제어방법.
제 5 항 또는 제 8 항에 있어서, 제 3 단계에서 제올라이트 탑으로 회수되는 산소의 평균 농도는 75 내지 85%인 것을 특징으로 하는 산소 생산 제어방법.
제 7 항 또는 제 9 항에 있어서 제올라이트 탑으로 회수되는 산소는 탄소분자체 탑의 총 감압 공정에 대하여 50% 이하의 초기 감압단계에서 회수되는 것을 특징으로 하는 산소 생산 제어방법.