PSA공정을 이용한 소형 산소발생장치의 제작에 관한 연구

최완규, 여영구, 최재욱*, 이화웅*, 송형근*, 나병기*

한양대학교 화학공학과, *한국과학기술연구원

A Study on Small Oxygen Generator using PSA process

Wan-Kyu Choi, Yeong-Koo Yeo, Jae-Wook Choi*,

Hwaung Lee*, Hyung Keun Song*, Byung-Ki Na*

Dept.of Chem.Eng, Hanyang University,

*Korea Institute of Science and Technology

서론

기체의 분리 및 정제 공정으로써 상용화되어 있는 PSA 공정으로는 공기의 건조 공정, 수소의 정제 및 회수 공정, CH4의 회수 공정, 배가스로부터 CO2의 회수 공정, 혼합 가스로부터 미량 성분의 제거 공정, 그리고 공기로부터 산소와 질소의 분리 및 농축 공정 등이 있으며, 현재에도 PSA 공정의 적용성 확대와 공정 개선을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

본 연구의 연구대상인 공기로부터 산소를 분리, 농축하는 공정은 생물학적 폐수 처리 공정, 폐수처리용 오존발생장치로의 공급류, 펄프의 표백 공정, 생물학적 반응기, 의료용 산소 발생기 등에 이용되고 있다. 하지만 국내에는 PSA 공정을 이용한 산소 발생장치에 관련된 기반 기술이 제대로 확립되어 있지 않아 공정을 외국에서 수입하고 있는 실정이다. PSA 공정을 이용한 공기로부터의 산소의 농축은 이렇듯 여러 잠재적 응용 분야가 있고 그 응용범위가 확대되고 있으므로 앞으로도 계속 발전될 것으로 기대된다.

본 연구에서는 공기로부터 산소를 농축하는 소형 2탑 PSA 공정의 기초 연구를 바탕으로 산소 농축 공정의 제반 기술을 확립하고 공정을 최적화하여, 분당 1∼10리터의 비교적 넓은 범위의 제품유량을 갖는 소형 산소발생기를 개발하였으며 이를 경제성을 고려하여 시제품화하는데 중점을 두었다.

실험

흡착탑은 내경 77□, 길이 580□의 PVC로 제작되었으며, 흡착탑 길이의 영향을 알아보기 위해 길이 480□인 탑도 제작하였다. 흡착제로써 Zeolite 13X (20mesh, Aldrich)를 사용하였고, 탑 하단에 알루미나를 채움으로써 흡착제를 공기중의 수분으로부터 보호하였다. 즉, 흡착탑 내부에 알루미나가 차지하는 공간 및 기타 Distributer, Sieve 등을 제외하면 실제로 흡착제가 충진된 부분의 탑 내의 높이는 각각 500□ 및 400□이다. Fig.1에 그 공정도를 나타냈으며, (a)는 가압·흡착, 감압·정화단계를 적용한 공정(Process 1) 및 여기에 생성물 배출부 간의 압력균등화단계를 추가한 공정(Process 2)이며, (b)는 변형된 압력균등화단계를 도입한 공정으로써 압력균등화가 각 흡착탑의 원료 공급부과 생성물 배출부 간에 이루어지는 공정(Process 3)을 적용한 공정도이다. 각각은 기체의 공급과 배출을 조절하기 위해 체크밸브와 6개의 솔레노이드 밸브를 사용하여 PLC(Programmable Logic Controller, LG산전, Master-K10s1)에 의해 1/100초 단위로 제어하였으며, 정화단계에 사용되는 퍼지가스의 양은 Metering 밸브로 조절했다. 흡착단계에서 흡착압력을 유지시켜 주는 Back Pressure Regulator 대신 Line Regulator를 Product Tank의 배출부에 사용하였으며, 최종 생산물의 유량은 유량계를 사용하여 조절하였다. 원료 기체는 Compressor를 이용하여 실제 대기 중의 공기를 공급하였고, MFM(Mass Flow Meter)을 이용하여 그 공급량을 계산했다. 또한, Compressor를 통과하는 동안 상승된 공기의 온도를 낮추기 위한 열교환기와 공기 중의 수분과 먼지를 제거하기 위한 Air Filter를 Compressor의 출구 부분에 설치하였다. 생산물의 산소 농도 분석은 시간에 따른 농도 변화를 관찰하기 위해 Mass Spectrometer(Balzers, QMS 200)를 사용하였다.

현재 상용화되어 있는 의료용 산소 발생기는 생산물 유량 5LPM에서 산소 순도 90%로 디자인되어 있다. 따라서, 본 연구에서는 5LPM의 유량에서 순도 90%이상을 얻는 것을 목표로 하였다.

Process 1         Process 2	Process 3

PZ+FD	BD+PU
BD+PU	PZ+FD

PZ+FD	PE	BD+PU	PE
BD+PU	PE	PZ+FD	PE

PZ+FD	PE	BD+PU	PE
BD+PU	PE	PZ+FD	PE

(a)	(b)

1	Compressor	5	Solenoid Valve	9	Check Valve	13	Filter	PU	Purge
2	Heat Exchanger	6	Adsorption Bed	10	Line Regulator	PZ	Pressurization	PE	Pressure
3	Air Filter	7	Product Tank	11	Flow meter	FD	Feed		Equalization
4	MFM	8	Pressure Transmitter	12	Metering Valve	BD	Blowdown

Fig 1. Schematic diagram of PSA air separation unit

결과 및 토의

일반적인 산소분리 PSA 공정에서는 가압이 진행되는 동안 흡착탑으로부터 생산물이 생성되지 않는다는 단점이 있으나, 본 연구에서는 흡착압력을 유지시켜 주는 Back Pressure Regulator 대신 Line Regulator를 사용하여 Product Tank 배출부의 배출압력을 조절함으로써 가압과 흡착이 동시에 이루어지게 하였다. 따라서, 흡착탑이 가압되는 동안에도 생산물이 연속적으로 생성되어 생산물의 유량이 안정되었고, 흡착탑과 Product Tank간의 압력차이로 인한 역류현상은 체크밸브를 이용하여 방지할 수 있었다.

Fig.2에 파과실험 결과를 나타내었다. 길이 500□ 탑에서 30psig의 흡착압력 및 34LPM의 공급유량으로 공기의 흡착을 진행시켰을 때, 약 흡착질인 산소가 배출되기 시작한지 약 10초 후 산소의 최대농도 90%를 얻을 수 있으며 그 후 강 흡착질인 질소가 파과됨을 알 수 있다.

Fig.3에서는 여러 공정으로 조업했을 때 공정의 성능을 비교하였다. 그림에서 (a)는 Process 1의 경우로써, 실험결과 생산물의 산소 농도 자체가 약간 요동하였으며 생산물의 유량이 4LPM 이상일 때부터 산소농도가 급격히 감소함을 알 수 있다. (b)는 Process 2의 경우로써, 일반적인 두 흡착탑 배출부간의 압력균등화 단계가 추가된 공정으로 5LPM의 유량에서도 순도 90%이상의 산소를 얻을 수 있었다. 즉, Process 1보다 4∼10LPM의 생산물 유량에서 산소 농도가 10∼20% 더 높음을 알 수 있다. 이는 두 공정이 모두 흡착단계시 압력이 약 30psig까지 올라가는 것을 고려할 때 Process 2가 흡착탑의 가압에 필요한 시간이 상대적으로 줄여 질 수 있으며, 또한 흡착단계가 끝난 후 탑 배출부 근처의 고농도 잔류 산소를 다른 탑의 재생에 이용할 수 있어 그로 인해 성능이 증가한 것이다. (c)는 Process 3의 경우로써, 압력균등화단계를 기존의 공정과 달리 흡착단계가 끝난 탑의 배출부와 정화단계가 끝난 탑의 공급부를 통하여 실험한 결과로 일반적인 압력균등화 단계를 했을 때에 비해 생산물의 산소농도가 상승함을 알 수 있다. 특히 최종생산물의 유량이 6LPM 이상일 경우 순도가 약 5% 더 우수함을 알 수 있다. 이는 흡착단계가 끝난 후 흡착탑 배출부 근처의 고농도 잔류 산소를, 재생이 완전히 되지 못하여 잔류 질소가 남아있는 다른 탑의 공급부로 흘려주어 잔류 질소를 제거시킴으로써 일반적인 압력균등화를 적용한 공정보다 흡착탑 재생이 더 잘되는 것으로 판단되어진다. 이는 차후에 전산모사 등을 통해 좀더 정확한 규명이 필요하다.

Fig.4는 흡착탑의 길이에 따른 영향을 보여주는 그림으로, (a)와 (b)는 각각 400□ 탑에서의 Process 1, 2의 결과이며, (c)와 (d)는 각각 500□ 탑에서의 Process 1, 2의 결과이다. 3LPM 이하의 낮은 생산물 유량에서는 흡착탑 길이 및 공정의 영향은 거의 없으나, 4LPM이상부터 차이가 커져 5LPM의 유량에서는 400□ 탑에서의 산소농도가 500□ 탑에 비해 Process 1의 경우에는 약 5%, Process 2의 경우에는 약 8% 낮아짐을 알 수 있다. 이는 흡착탑의 길이가 짧아짐으로써 산소와 질소의 파과시간 간격이 더 짧아지고 그로 인해 산소농도가 Fig.2와 같이 90%에 미치지 못하기 때문이다. 따라서, 목표인 5LPM에서 90%이상의 산소농도를 얻기 위해서는 흡착탑의 직경이 77□일 때 길이가 500□이상이 되어야 함을 알 수 있다. 또한 이는 탑 내에서 흡착제 이외의 기타 부분들이 차지하는 공간을 포함한다면 실제 탑 외형의 길이는 580□로써, 흡착탑 길이의 영향으로 본 실험결과에서도 알 수 있듯 탑 내의 이러한 기타부분들이 차지하는 공간을 줄인다면 좀더 높은 산소농도를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

이상과 같은 실험결과를 바탕으로 하여 1∼5LPM의 생산물 유량에서 순도 91∼94%의 산소를 생산하는 산소발생장치를 시제품화하였다. 여기에서는 Metering 밸브를 Speed Controller로 대체하여 퍼지가스의 유량을 조절했으며, Line Regulator 또한 Speed Controller로 대체하여 흡착압력 유지 및 생산물 유량을 균일하게 유지시켰다. 그럼으로써 위의 실험들과 거의 동일한 결과를 나타내면서도 좀더 경제성을 갖출 수 있었다. Fig.5에는 제작한 산소발생장치의 조업시간에 따른 최종생산물의 산소 순도의 변화를 나타내었다. 조업은 생산물 유량 5LPM을 기준으로 한 것으로, 그림에서 알 수 있듯이 조업을 시작한 지 7분 정도가 경과하면 순도 90%의 산소를 얻을 수 있고, 약 10분이 지나면서 순도 92%로 정상상태에 도달함을 알 수 있다.

참고 문헌

1. D.M. Ruthven., S. Farooq and K.S. Knaebel, "Pressure Swing Adsorption",

VCH, 1994

2. Ralph T.Yang, "Gas separation by Adsorption Processes", Butterworths,1987

3. Motoyuki Suzuki, "Adsorption Engineering", ELSEVIER, 1990

Fig 2. Breakthrough curve of 500□

bed (pressure of adsorption

30psig, feed flow rate 34LPM)

Fig 3. Comparison of processes

on the product purity

(bed length 500□)

Fig 4. Comparison of bed length

and processes on the

product purity

Fig 5. Time-on-stream of product

purity (product flow rate

5LPM and bed length 500□)