KR100193515B1 - 심랭법에 의해 공기로부터 질소를 분리시키는 제조장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심랭법에 의해 공기로부터 기체질소를 분리, 생산하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 제품의 회수율, 순도 및 제작, 운전의 효율성이 높은 장치를 제공하고자 하는 목적을 가지고 있으며 상기 목적에 따라 단일탑에 의한 기체질소를 분리 생산하는 방법은 압축된 공기에 포함되어 있는 불순물인 습기, 이산화탄소 등을 제거하는 단계, 불순물이 없는 공기가 주열교환기를 통하여 비점 상태까지 냉각되는 단게, 정류탑에서 정류 작용에 의해 상단으로부터 기체질소가 모여 질소응축기 상부로 나와 냉각재로서 주열교환기로 들어가는 단계, 기체질소가 주열교환기에서 열교환된 후 상온으로 되어 제품으로 되는 단계, 정류탑 하부로부터 나온 산소분이 많은 액체공기가 정류탑 상부의 질소응축기의 냉각제로 작용한 뒤 주열교환기에 들어가 열교환된 후 폐가스로 배출되어 재생 가스로 이용되는 단계, 한랭원으로 외부 탱크에서 액체질소를 공급받아 사용하는 단계로 구성된다.

Description

심랭법에 의해 공기로부터 질소를 분리시키는 제조 장치 및 방법

본 발명은 심랭법에 의해 공기로부터 기체질소를 분리, 생산하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 제품의 회수율, 순도 및 제작, 운전의 효율성이 높은 장치를 제공하고자 하는 목적을 가지고 있다.

기존의 공정에서는 질소 분리에 필요한 한랭원을 제공하는 방법으로, 공기 또는 질소 가스로 팽창 터빈을 작동시켜서 한랭원을 제공해 주는 방법과 외부의 액체질소를 장치 내로 주입시키는 방법이 있다. 전자의 방법은 액체질소를 제품으로 생산하거나 대용량의 기체질소를 생산할 경우에 경제적이지만 운전과 유지 상의 어려움이 따른다. 후자의 방법은 팽창 터빈이 생략됨으로 장치가 저렴하고 운전과 유지 보수가 간단하여 중소 용량의 기체 전용 생산시 유리하다. 그러나, 기존의 액체질소를 한랭원으로 사용하는 방법에서는 질소가스를 질소응축기 이전에 제품으로 회수하고 액화에 필요한 양만을 질소응축기로 보내는데 이때는 질소응축기 상부에 축적되는 헬륨과 같은 불활성 가스를 제거하기 위해 별도의 배관을 설치해야 되고 액체공기열교환기에는 액체증기 배관 이외에 불활성 가스 배관이 도입됨으로 장치가 복잡해진다.

또한, 액체공기분리기 하부의 액체공기는 아세틸렌 축적에 의한 폭발 위험성이 있어 이를 제거하기 위해 약간 량을 대기로 방출시키고 있는데 이것을 대기 중으로 내보내기 전에 액체공기열교환기에서 원료 공기의 일부와 열교환시켜 상온으로 만든 다음 방출시키고 있다. 이렇게 냉각된 원료 공기는 액체공기분리기에서 배출된 기체와 합류되어 팽창 터빈을 통하여 한랭원을 제공해 주고 공기 불순물을 제거하는 흡착탑의 재생 가스로 사용된다. 이 방법은 한랭원을 더 공급해 줄 수 있다는 장점이 있지만 원료 공기에 대한 질소 제품의 회수율을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.

한편 정류탑 상부에 모여진 질소가스는 정류탑 상부에 있는 질소응축기로 들어가 액체공기분리기에서의 액체공기와 열교환하여 부분 응축된 후 응축이 안된 기체질소는 제품으로서 생산하게 되고 나머지 응축된 질소는 정류탑으로 환류시켜 주고 있다. 기존의 질소응축기는 대부분이 부분응축기를 사용하고 있어 상승되는 모든 질소를 질소응축기로 통과시킨 후 일부는 제품 회수하고 일부는 액체로 정류탑의 환류액으로 사용한다. 이 방법은 상승되는 기체질소가 모두 질소응축기를 통과해야 됨으로 열교환기의 열교환 면적이 켜야 된다.

본 발명은 단일탑에 의해 기체질소를 분리 생산하는 방법으로 압축된 공기에 포함되어 있는 불순물인 습기, 이산화탄소 등을 제거하는 단계, 불순물이 없는 공기가 주열교환기를 통하여 비점 상태까지 냉각되는 단계, 정류탑에서 정류 작용에 의해 상단으로부터 기체질소가 모여 질소응축기 상부로 나와 냉각재로서 주열교환기로 들어가는 단계, 기체질소가 주열교환기에서 열교환된 후 상온으로 되어 제품으로 되는 단계, 정류탑 하부로부터 나온 산소분이 많은 액체가 정류탑 상부의 질소응축기의 냉각제로 작용한 뒤 주열교환기에 들어가 열교환된 후 폐가스로 배출되어 재생 가스로 이용되는 단계, 한랭원으로 외부 탱크에서 액화 질소를 공급받아 사용하는 단계를 제공하고자 하는 목적을 가지고 있다.

제1도는 콜드박스라 불리는 단열 장치 내의 압축 건조 공기를 열교환기, 정류탑등을 이용하여 질소를 분리시키는 본 발명의 공정 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,2,3,4 : 원료공기라인 5 : 액체질소 공급라인

6,7 : 액체공기라인 8,9 : 질소가스환류라인

11 : 제품질소생산라인 12,14 : 아세틸렌 제거라인

13 : 원료공라인 15 : 제품질소생산라인

16 : 폐가스라인 17 : 계장공기라인

18 : 주열교환기 19 : 정류탑

20 : 질소응축기 21 : 액체공기분리기

22 : 액체공기열교환기 23 : 팽창밸브

24 : 액체질소저장탱크(CE 탱크) 25 : 콜드박스

본 발명은 질소 생상 공정에서 제품의 회수율 및 효율성을 높이는 방법에 관한 것으로 구성은 다음과 같다.

단일탑에 의한 기체질소를 분리 생산하는 방법은 압축된 공기에 포함되어 있는 불순물인 습기, 이산화탄소 등을 제거하는 단계, 불순물이 없는 공기가 주열 교환기를 통하여 비점 상태까지 냉각되는 단계, 정류탑에서 정류 작용에 의해 상단으로부터 기체질소가 모여 질소응축기 상부로 나와 냉각재로서 주열교환기로 들어가는 단계, 기체질소가 주열교환기에서 열교환된 후 상온으로 되어 제품으로 되는 단계, 정류탑 하부로부터 나온 산소분이 많은 액체공기가 정류탑 상부의 질소응축기의 냉각제로 작용한 뒤 주열교환기에 들어가 열교환된 후 폐가스로 배출되어 재생 가스로 이용된 단계, 한랭원으로 외부 탱크에서 액체질소를 공급받아 사용하는 단계로 구성된다.

본 공정의 흐름은 다음과 같다(제1도 참조).

본 공정은 초저온 상태에서 이루어지기 때문에 모든 장치는 콜드박스(25)라고 불리는 단열장치내에 설치되어 있다. 압축기 및 정제기를 통과한 압축된 원료 공기(1)는 주열교환기(18)에서 열교환된 후 비점 상태까지 냉각되어 정류탑(19) 하부로 들어가고, 정류탑으로 들어간 공기는 비점차에 의해 분리가 되어 탑 상부에는 저비점 성분인 질소가스가 모이게 되고 탑 하부에는 고비점 성분인 상소분이 많은 액체공기가 모이게 된다. 정류탑 하부의 액체는 팽창밸브(23)를 통과하면서 온도, 압력이 낮아진 기체, 액체 혼합 상태로 액체공기분리기(21)로 들어가게 된다. 이 액체공기는 정류탑 상부에 있는 질소응축기내(20)의 질소와 열교환 작용하여 기체 상태가 된 뒤 액체공기분리기의 상단(10)으로 배출되어 주열교환기(18)로 들어가 원료공기(2)와 열교환한 뒤 정제탑의 재생 가스(16)로 사용되게 된다.

한편 정류탑 상부에 모인 기체질소는 탑 상부에 있는 질소응축기(20)로 올라간 후 질소응축기 상단에서 일부는 제품 질소(11)로 생산하게 되고 나머지 기체질소는 질소응축기를 통과하면서 액체공기분리기(21)속의 액체공기와 열교환됨으로서 액체로 응축된 후 정류탑 상단(9)으로 환류된다. 액체공기분리기 하단에서 아세틸렌이 농축될 경우 폭발 위험성이 있음으로 액체공기분리기의 하단에서 액체공기의 약간량을 뽑아 낸 후(12) 액체공기열교환기(22)에서 열교환을 통해 원료공기(13)는 주열교환기(18)에서 냉각된 원료 공기(3)와 합쳐져서 정류탑으로 들어간다. 이 공정에서 공기를 액화시키는데 소요되는 한랭원은 액체질소 저장 탱크(24)로부터 액체질소를 공급받아 정류탑 상부에 공급함(5)으로서 보충한다.

제1도에 나타나 있는 공정에 따라 제품 질소 생산 과정에 대한 공정 모사를 실시하였다. 이를 통하여 각 장치의 물질 수지 및 에너지 수지를 세웠으며, 각 라인의 유량, 온도, 조성 등의 조건을 계산하였다. 또한 한랭원으로 사용된 액체질소의 양을 계산하였으며, 이에 대한 결과를 (표 1)에 나타내었다.

이 결과를 보면 원료 공기 유량이 3600Nm³/h의 경우, 한랭원으로 보충되어야 할 액화 질소량이 60Nm³/H정도여서 팽창 터빈을 사용하는 경우의 동력비, 운전 보수비보다 원가가 적게 든다. 또한 액체공기열교환기에사 냉각된 원료 공기를 정류탑으로 보냄으로써 일정량의 제품 질소를 생산할 때 환류작용이 많이 증가하여 제품의 순도 및 회수율을 증가시킬 수 있었다. 또한 질소응축기의 열교환 용량을 감소시킬 수 있었다.

본 발명의 공정모사에 대한 결과

본 발명은 액체질소를 한랭원으로 사용함에 따라 장치가 간단하면서도 종래의 액체질소 사용 장치의 단점인 질소응축기 및 액체공기열교환기의 공정 구성을 더욱 단순화시켰다. 즉, 제품 질소가스의 회수는 질소응축기 상부에서 이루어지도록 하였기 때문에 질소응축기 내부로 유입되는 질소가스량을 감소시켜 열교환면적이 적어져 응축기의 크기가 작아지는 동시에 질소응축기 상단에 축적되는 헬륨과 같은 저비점 불활성 가스의 제거 효과도 동시에 얻을 수 있게 하였다. 또한 액체공기열교환기 하단 공정을 개선하여 유입되는 원료 공기를 폐가스로 사용하지 않고 정류탑 하단으로 보냄으로써 원료 공기의 손실을 막고 또한 불활성 가스의 라인을 생략해 공정 구성이 간단해짐에 따라 장치 제작 및 조작이 수월해지도록 하였다. 이로 인해 종래의 공정과 비교하여 전체적인 효율 향상을 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 심랭법에 의한 질소응축장치(25)에 있어서, 질소가스의 회수는 질소응축기(20) 상부에서 이루어지도록 구성되며, 원료공기라인(13)을 거치는 공기는 액체공기열교환기(22)에서 액체공기(12)에 의해 냉각된후 원료공기라인(3)의 공기와 합류하여 정류탑(19)으로 흐르도록 구성된 것을 특징으로 하는 질소 응축장치.
2. 심랭법에 의한 질소응축방법에 있어서, 질소가스의 회수는 질소응축기(20) 상부에서 이루어지도록하고, 원료공기라인(13)을 거치는 공기는 액체공기열교환기(22)에서 액체공기(12)에 의해 냉각된 후 원료공기라인(13)의 공기와 합류하여 정류탑(19)으로 이동하는 것을 특징으로 하는 질소 응축방법.