VPSA 및 PSA 산소 발생 기술 원리와 지원 시스템 심층 설명

1. VPSA 산소 발생 기술

진공 압력 변환 흡착(VPSA)은 공기에서 산소를 분리하는 첨단 기술입니다. 이는 흡착제에 대한 다양한 공기 성분의 흡착 능력 차이를 활용합니다. 흡착제는 압력이 증가할 때 가스를 선택적으로 흡착하고 진공 상태로 감압될 때 탈착하여 재생됩니다.

VPSA 산소 발생 장비 전력을 동력원으로, 공기를 원료로 사용합니다. 분자체가 양압에서 질소 흡착 능력이 증가하고 음압에서 감소하는 특성을 활용합니다. 2개의 흡착탑을 교대로 운전하여 양압 흡착 및 진공 탈착의 순환 공정을 구현함으로써 공기 중 산소와 질소를 분리하고 산업용 산소를 연속적으로 생산합니다.

VPSA 산소 발생 공정은 물리적 흡착 공정으로, 화학 반응이나 환경 오염이 없어 이상적인 산소 공급 방식입니다. 기존의 심냉식 산소 생산 방식과 비교하여 VPSA 공정은 구성과 공정이 더 간단하고, 조작이 용이하며, 기동이 신속하고, 상온·저압 운전이 안전 및 신뢰할 수 있으며, 에너지 소비가 낮고 산소 생산 비용이 현저히 낮다는 큰 장점을 제공합니다.

1.1 2탑식 VPSA 산소 발생 장비 공정

VPSA 산소 발생 장비는 공기를 원료로 사용합니다. 공기는 먼저 공기 필터를 통과하여 루츠 블로워로 들어가 압축된 후 재생이 완료되어 운전 중인 흡착기로 유입됩니다.

흡착기 내부에서 공기 중의 수분, 이산화탄소 및 기타 분자 가스가 우선 흡착됩니다. 건조된 공기는 산소 생산용 특수 분자체를 통과하여 질소가 흡착되고, 출구에서 산소가 농축됩니다. 농축된 산소 가스는 제어 밸브를 통해 압력이 조절되어 버퍼 탱크로 유입됩니다. 버퍼 탱크 출구에서 산소는 산소 압축기에 의해 더 압축되어 요구 압력에 도달합니다. 고압 산소는 냉각되어 산소 저장 탱크에 저장된 후 최종 사용자에게 공급됩니다.

연속적이고 안정적인 산소 공급을 보장하기 위해 VPSA 산소 발생 플랜트는 교대로 운전되는 2개의 흡착탑으로 설계되었습니다. 한쪽 탑이 산소를 생산하는 동안 다른 쪽 탑은 진공 재생을 수행합니다. 재생 중에 흡착된 농축 질소는 탈착되어 소음 처리 후 실외로 배출됩니다.

1.2 적용 분야

VPSA 산소 장비는 다양한 규모의 산업용 산소 생산에 적합하며, 약 80%–93% 순도의 산소를 제공합니다.

2. VPSA 산소 플랜트의 기본 구성 요소

VPSA 산소 유닛은 방사형 흡착기 시스템, 동력 시스템(블로워 및 진공 펌프), 계측 및 전기 시스템, 산소 버퍼 탱크, 산소 압축 시스템(선택 사항), 전기 제어 시스템 및 수처리 시스템 등 7가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.

VPSA 산소 발생 공정 흐름도

2.1 방사형 흡착기 시스템

산소-질소 분리 유닛은 산소 발생 장비의 핵심 구성 요소입니다. 주로 2개의 교대 운전 흡착탑과 공압 전환 버터플라이 밸브, 공압 조절 버터플라이 밸브, 수동 버터플라이 밸브로 구성됩니다. 양압 흡착 및 음압 탈착 공정에서 고효율 특수 산소 분자체에 대한 질소와 산소 분자의 흡착 능력 차이를 기반으로 산소와 질소의 분리가 이루어집니다.

프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)가 설정된 순서에 따라 솔레노이드 밸브를 제어하고, 이 솔레노이드 밸브가 공압 밸브를 조절하여 산소 시스템의 자동 운전을 가능하게 함으로써 연속적인 산소 생산을 보장합니다. 동시에 진공 펌프는 질소 및 기타 가스 성분을 배기 및 배출합니다.

2.1.1 흡착 용기

이중 흡착기 구조는 고객 수요를 충족시키기 위한 연속적인 가스 공급을 보장합니다. 흡착기 내부에는 탈수 분자체와 LiX 분자체가 충진되어 공기 성분을 효과적으로 분리하고 산소 생산 요구 사항을 충족시킵니다.

2.1.2 공압 전환 버터플라이 밸브

제어 시스템에 의해 솔레노이드 밸브가 제어되어 두 흡착기 사이의 가스 흐름을 주기적으로 전환함으로써 산소 장비의 안정적인 운전을 보장합니다.

2.1.3 공압 조절 버터플라이 밸브

압력 균등화 및 퍼지 공정 중에 공압 제어 버터플라이 밸브가 설치되어 균등화 및 퍼지 효과를 최적화합니다. 이 밸브는 등비례 조절성, 무누설, 긴 수명 등의 특징을 가집니다.

2.2 동력 시스템 – 블로워

전체 시스템의 공기 흡입 동력 구성 요소로서 블로워는 산소-질소 분리 시스템에 적절한 양압 가스 공급원을 제공하며, 시스템의 안정적이고 효율적인 운전을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 블로워 시스템은 흡입 공기 필터, 블로워 및 그에 맞는 모터, 바이패스 공압 전환 버터플라이 밸브, 수동 버터플라이 밸브, 열교환기, 벨로우즈 커넥터(또는 플렉시블 조인트) 및 기타 지원 완제품 장비를 포함합니다.

2.2.1 블로워 유닛 및 그에 맞는 모터

루츠 블로워는 용적식 가스 블로워입니다. 하우징 내부에서 두 개의 임펠러가 특정 맞물림 간극을 유지하고 동기 기어에 의해 구동되어 동일한 속도로 반대 방향으로 회전합니다. 이 메커니즘은 흡입된 가스를 입구에서 출구로 밀어내어 출구 측 고압 가스의 저항을 극복하고 강제 배기를 달성합니다.

하우징 내부에는 두 개의 8자형 로터가 한 쌍의 평행한 샤프트에 수직으로 설치됩니다. 로터는 1:1 전동비를 가진 한 쌍의 기어에 의해 구동되어 반대 방향으로 동기 회전합니다. 로터 사이와 로터와 펌프 하우징 내벽 사이에는 일정한 간극이 유지됩니다.

루츠 블로워의 핵심 부품은 로터이며, 로터의 핵심은 그 프로파일에 있습니다. 임펠러는 새로 설계된 특수 프로파일을 채택하여 두 로터 사이의 균일한 맞물림 간극을 보장하고 내부 누설을 줄이며 체적 효율을 향상시킵니다. 또한 동기 기어, 베어링 및 PTFE 씰과 같은 고정밀 및 고성능 부품은 낮은 진동으로 안정적인 운전을 보장합니다.

맞춤 모터는 보호 등급 IP23–IP54, 절연 등급 F의 3상 유도 전동기입니다. 고효율, 에너지 절약, 저소음, 저진동, 경량 설계, 신뢰할 수 있는 성능, 쉬운 설치 및 유지보수의 특징을 가집니다.

2.2.2 바이패스 공압 전환 버터플라이 밸브 및 수동 버터플라이 밸브

VPSA 및 PSA 공정 중 생성 가스의 회수율을 향상시키기 위해 2개의 흡착기는 일정 시간 동안 압력 균등화 공정을 거칩니다. 이 압력 균등화 단계에서 블로워는 바이패스하여 과잉 가스를 배출합니다. 또한 블로워 정지 시 역류를 방지하기 위해 바이패스 감압 보호 메커니즘이 필요합니다. 따라서 바이패스 시스템이 설치되며, 여기서 공압 전환 버터플라이 밸브는 프로그램 제어되어 외부로 배출됩니다. 또한 수동 버터플라이 밸브가 설정되어 블로워의 출구 압력을 효과적으로 조절합니다.

밸브는 더블 오프셋 하드씰 공압 버터플라이 밸브로, 짧은 주기의 빈번한 전환용으로 설계되었습니다. 무누설, 긴 수명, 짧은 전환 시간의 특징을 가집니다.

2.2.3 열교환기

블로워에 의한 가압 후 출구 공기 온도는 약 65°C에 도달하는 반면, 분자체의 최적 작동 조건은 30–40°C 사이입니다. 분자체의 효율적인 활용을 보장하기 위해 가열된 공기를 냉각시키는 열교환기가 필요합니다.

2.2.4 벨로우즈 커넥터

루츠 블로워 운전 중에는 상당한 진동이 불가피합니다. 진동이 후속 장비에 미치는 영향을 최소화하고 진동으로 인한 소음을 줄이기 위해 블로워의 입구와 출구에 한 쌍의 플렉시블 커넥터와 벨로우즈 커넥터가 설치됩니다.

2.3 동력 시스템 – 진공 펌프

흡착 중에 분자체가 동적 포화 상태에 도달하면 탈착 및 재생이 필요합니다. 연구에 따르면 분자체 재생은 음압(진공) 조건에서 더 효과적입니다. 진공 펌프 시스템은 전체 시스템의 필수 불가결한 구성 요소입니다. 진공 펌프 유닛 및 그에 맞는 모터, 바이패스 공압 전환 버터플라이 밸브, 수동 버터플라이 밸브, 벨로우즈 커넥터(또는 플렉시블 커넥터) 및 기타 보조 장비로 구성됩니다.

2.3.1 진공 펌프 유닛 및 모터

루츠 진공 펌프는 회전 용적식 진공 펌프로, 구조적으로 루츠 블로워에서 파생되었습니다. 작동 원리는 루츠 블로워와 동일합니다.

2.3.2 바이패스 공압 전환 버터플라이 밸브 및 수동 버터플라이 밸브

진공 펌프 정지 시 역류를 방지하기 위해 바이패스를 설치하여 사전에 압력을 해제함으로써, 무부하 시동 및 정지를 보장합니다. 이를 위해 바이패스 밸브가 설치됩니다. 또한, 수동 버터플라이 밸브를 사용하여 진공 펌프 흡입 압력을 미세 조정합니다.

이 밸브는 소프트 실 스위칭 버터플라이 밸브로, 장기간 스위칭 조건에서 무누설 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다.

2.3.3 벨로우즈 커넥터

루츠 진공 펌프 작동 중에는 상당한 진동이 발생할 수밖에 없습니다. 후속 장비에 대한 진동 영향을 최소화하고 진동으로 인한 소음을 줄이기 위해, 진공 펌프의 입구와 출구에 플렉시블 커넥터 또는 벨로우즈 커넥터가 설치됩니다.

2.4 계측 공기 시스템

공압 버터플라이 밸브와 공압 조절 버터플라이 밸브는 모두 자동 제어 스위칭 시 약 0.5~0.7 MPa의 계측 공기원이 액추에이터 구동력으로 필요합니다. 시스템은 공기원 처리 필터 및 공기 저장 탱크 등의 구성 요소로 이루어집니다. 가동률을 보장하기 위해, 잦은 유지보수 및 점검이 필요한 여과 유닛에 바이패스 밸브가 추가됩니다.

2.5 산소 버퍼 탱크

산소 버퍼 탱크 시스템은 주로 산소 버퍼 탱크, 오리피스 유량계, 산소 순도 분석기, 제어 밸브 및 압력 센서로 구성됩니다.

산소 버퍼 탱크는 흡착탑의 과도한 압력 변동을 완화하고 생성 산소의 압력과 순도를 안정화하는 핵심 조치 역할을 합니다.

2.6 산소 압축 시스템 (옵션)

산소 압축 시스템은 산소 전용 버터플라이 밸브, 산소 압축기 및 기타 구성 요소로 구성됩니다. 주요 기능은 생성 산소의 압력을 높여 사용자가 요구하는 압력으로 산소 저장 탱크에 공급하는 것입니다.

산소 저장 탱크 시스템은 산소 저장 탱크, 밸브, 압력 게이지, 안전 밸브 및 기타 구성 요소를 포함합니다. 주요 기능은 생성 산소의 일부를 저장하여 안정적인 산소 출력을 보장하는 것입니다. 또한, 예상치 못한 정전 시 일시적인 산소 공급을 제공하여 산소 공급 시스템이 정지되지 않도록 합니다.

2.7 전기 및 계측 제어 시스템

전기 및 계측 제어 시스템은 산업용 컴퓨터, 전기 제어 캐비닛, 계측 캐비닛, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 솔레노이드 밸브, 표시등, 제어 버튼 및 기타 구성 요소를 포함합니다.

시스템은 PLC에 편집된 프로그램에 따라 자동으로 작동하여 솔레노이드 밸브의 통전 및 차단을 제어하고, 이를 통해 공압 제어 시스템을 통해 공압 밸브를 개폐합니다. 다양한 신호를 수집 및 처리하여 산소 장비의 운전 상태를 표시합니다. 사용자는 산업용 컴퓨터에서 제어 매개변수를 설정 또는 수정하여 장비의 운전 상태를 구성하거나 확인할 수 있습니다.

2.8 수 시스템

수 시스템은 일반적으로 순환수 시스템과 밀봉수 시스템의 두 부분으로 구성됩니다. 순환수 시스템은 주로 냉각탑, 수 펌프, 필터, 급수 및 회수수 배관, 그리고 관련 밸브를 포함합니다. 전체 산소 시스템에 냉각 순환수를 공급합니다. 밀봉수 시스템은 주로 진공 펌프 임펠러에 물을 공급하여 밀봉을 강화함으로써 탈착 과정에서 더 높은 진공도를 달성하는 데 사용됩니다. 이를 위해 일반적으로 연수 또는 탈염수가 사용되며, 해당 생산 시스템은 전문 제조업체에서 제공합니다.

PKU Pioneer의 VPSA 및 PSA 산소 발생 기술 는 산업용 산소 공급을 위한 비용 효율적이고 유연하며 신뢰할 수 있는 솔루션으로 두각을 나타냅니다. 산소 유량 범위 50~100,000 Nm³/h 및 일반 순도 수준 80~94%를 제공하는 당사의 산소 시스템은 기존 ASU(공기 분리 장치) 또는 LOX(액체 산소) 방식에 비해 현저히 낮은 비용 이점을 제공합니다. 자체 생산 리튬 기반 흡착제와 혁신적인 방사형 타워 공정 설계는 더 큰 산소 용량, 최적의 성능 및 에너지 효율을 보장합니다. 지난 25년 동안 당사는 세계 최대 VPSA-O2 시스템 프로젝트(146,000 Nm³/h)와 중국 최대 VPSA-O2 플랜트(87,500 Nm)를 포함하여 전 세계적으로 400개 이상의 산소 플랜트 프로젝트를 성공적으로 수행했습니다.³/h)이 필요한 고객에게 이상적입니다.

PKU Pioneer는 20개 이상의 국가 및 지역에 VPSA/PSA 시스템을 수출하여 30개 이상의 산업 분야에서 입증된 전문성을 제공하고 있습니다. CE 인증을 받은 컨테이너형 SPOX VPSA-O2 발생기는 이탈리아에 수출되었으며, PSA-CO 플랜트는 미국에 구축될 예정입니다. 전 세계적으로 가장 많은 VPSA 및 PSA 레퍼런스를 보유한 PKU Pioneer는 효율적이고 지속 가능하며 맞춤형 산소 솔루션을 제공하여 더 많은 고객의 고유한 요구를 충족시키는 데 있어 업계를 계속 선도할 것입니다.