KR100276289B1 - 산소반응기의 수소투입분할장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소의 함유량에 따라서 수소가스의 비율을 자동조정하여 반응기의 과도한 온도상승을 방지함은 물론 산소제거반응을 촉진함으로서 조알곤의 정제성능을 향상시키도록 개선된 산소반응기의 수소투입분할장치에 관한 것이다.

본 발명은 조알곤을 정제장치에 있어서, 개평연산기에서 출력된 조알곤 유량신호와, 산소분석기에서 출력된 산소함유율 신호 및, 제 2반응기의 출구잉여수소함유율 입력신호로 하고, 아래의 식 I)과 II)에 의한 출력값 A) 과 B)를 산출하여 출력값 A)은 제 1반응기의 수소량 비율로 하고, 출력값 B)은 제 2반응기의 수소량비율로 설정하는 비율 발생기를 추가 포함하며,

여기서, PV1 : 조알곤 유량, PV2 : 산소함유율, PV3 : 제 2반응기의 출구잉여 수소함유율, 상수 : 2 임을 특징으로 하는 산소반응기의 수소투입분할 장치를 제공한다.

Description

산소반응기의 수소투입분할장치

본 발명은 조알곤을 정제하여 순알곤을 생산하는 설비에서 조알곤내에 함유된 산소성분을 제거하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 조알곤내의 산소를 제거하기 위하여 반응기내의 조알곤으로 수소를 투입하는 경우, 산소의 함유량에 따라서 수소가스의 비율을 자동조정하여 반응기의 과도한 온도상승을 방지함은 물론 산소제거반응을 촉진함으로서 조알곤의 정제성능을 향상시키도록 개선된 산소 반응기의 수소투입분할장치에 관한 것이다.

일반적으로 알곤제조설비는 조알곤(알곤가스 95% + 산소가스 4.5% +질소가스 0.5%의 혼합가스)을 이용하여 고부가가치 제품인 순알곤(산소와 질소가 제거된 순수한 알곤)을 제조하기 위한 것으로 이는 화학반응과 온도의 비점차이를 이용하여 완제품가스를 생산하는 것이다.

이러한 알곤제조설비중 산소를 제거하는 산소제거장치(De-Oxo Unit)(100)는 제1도에 도시된 바와 같이, 압축기(110)에서 나온 조알곤은 제 1반응기(112)로 들어가서 수소조절계(115)에 의하여 공급된 수소와 아래의 식 1)과 같이 화학반응을 실시하여 산소가스를 제거하고, 냉각기(117)로 들어가서 온도를 강하시키며, 제 2반응기(120)로 들어가서 2차적인 화학반응을 통하여 산소가스를 전량제거한다.

2H2 + 02 = 2H2O + 136.8 Kcal 식(1)

그리고, 산소가 제거된 조알곤은 알곤생산 정류통(125)으로 들어가서 순알곤을 액화상태로 생산하며, 액화되지 않은 수소는 제 1반응기(112)로 복귀되어 재 사용된다.

제 1반응기(112)와 제 2반응기(120)에 공급되는 수소유량을 제어하는 종래의 기술을 보면 다음과 같다. 즉, 조알곤 유량검출기(122)에서 검출된 유량신호는 개평연산기(127)로 들어와서 차압신호가 유량신호로 변환되어 승산기(130)에 입력된다. 그리고, 승산기(130)에서 상기 신호는 산소분석기(133)에 의해서 검출된 신호와 계산이(조알곤량* 산소함유량) 이루어지면 조알곤속에 함유된 산소량이 출력된다. 그리고, 승산기(130)에 의해서 계산된 산소량신호는 2차 승산기(135)로 들어와 상수설정기(138)에 설정된 수치와 계산되며, 이 신호는 최종적으로 산소량에 따른 수소 총투입량이 되는 것이다.

그리고, 2차 승산기(135)에 의해서 출력된 총 수소요구량은 복수개의 3차 승산기(140)로 각각 입력되어 제 1 및 제 2반응기(112)(120)에서 각각 1/2씩 반응을 처리하기 위해 제 2상수설정기(142)에 의해 입력된 수치와 계산이 이루어지고, 총수소 요구량의 1/2씩 제 1반응기(112)의 수소유량 조절계(115)와 제 2 반응기(120)의 수소 설정치 보정 가산기(145)로 입력된다. 그리고, 상기 제 1반응기(112)의 수소 유량조절계(115) 출력신호는 유량조절밸브(115a)에 입력되어 제어되고, 제 2반응기(120)의 수소 유량조절계(150) 출력신호는 제 2반응기 수소유량조절변(150a)에 입력되어 제어된다. 또한, 제 2반응기(120)의 출구 조알곤속에는 산소성분을 완전히 제거하기 위하여 그리고 안정된 운전이 가능하도록 1.2%정도의 잉여수소를 공급하게 되며, 이를 위하여 제 1반응기(112)의 출구측에 수소 분석기(160)를 설치하고 있으며, 이러한 수소 분석기(160)의 출력신호는 수소량 조절계(162)로 입력되어 제어된다. 또한 수소량 조절계(162)의 출력신호는 승산기(164)로 들어와 상수설정기(166)에 의하여 입력된 수치와 계산되어 출력신호를 유량설정신호로 변환한다. 그리고, 승산기(164)에 의해서 게산된 수소량 신호는 가산기(170)로 들어와 상수설정기(172)에 의해서 입력된 수치와 계산을 하여 수소량 조절계(162)의 출력신호가 50%일 때 보정값이 ″0″으로 되도록 계산을 하게 된다. 그리고, 가산기(170)에 의해서 게산된 유량보정신호는 제 2반응기(120)의 수소유량 조절계(150)의 설정치에 보정되도록 2차 가산기(145)에 입력된다.

만일, 조알곤 250Nm3/H에 산소가스가 4.5% 함유된 경우, 수소조절계(115)(150)에 설정된 값을 보게 되면, 총수소 요구량 = 250 * 0.045 * 2 = 22.5 Nm3/H로서, 제 1반응기(112)에서는, 수소 공급량 = 22.5/2 + (복귀량 : 2.9 ) = 14.15Nm3/H,

제 2반응기(120)에서는, 수소 공급량 = 22.5/2 = 11.25 Nm3/H 이다.

그러나, 조알곤속에 함유되는 산소가스량이 감소할 경우, 감소량에 따라서 반응기에서 반응되는 반응비는 산소가스의 함유량이 적을수록 차이가 커진다.

그리고, 만일 조알곤 250 Nm3/H 속에 산소가스가 0.9% 함유되는 경우, 수소조절계(115)(150)에 설정된 값을 보게 되면, 총수소 요구량 = 250 * 0.009 * 2 = 4.5Nm3/H로서,

제 1반응기(112)에서는, 수소 공급량 = 4.5/2 + ( 복귀량 : 2.9 ) = 5.15Nm3/H

제 2반응기(120)에서는, 수소 공급량 = 4.5/2 = 2.25 Nm3/H 이다.

상기에서 알수 있듯이 제 1반응기(112)에 투입되는 수소량은 실제 2.25 Nm3/H 이지만 복귀되는 수소량을 감안한다면, 5.15 Nm3/H 로서 총수소 요구량보다 많이 공급되어 반응하는 것이다. 그러므로 제 2반응기(120)에 수소가 공급되더라도 제 1반응기(112)에서 산소가 전량 제거되기 때문에 제 2반응기(120)에서는 수소가 공급되어도 반응이 일어나지 않는다. 따라서, 제 1반응기(112)의 온도는 과도하게 상승하고, 제 2반응기(120)의 온도는 하강되어 제1반응기(112)의 온도상승에 의한 알곤생산중단과, 제2반응기(120)의 온도강하에 의한 반응성능 저하로 순도제어 불안정( 반응기의 온도가 80°C 이하가 되면, 반응에 지연이 발생함)을 초래하게 되므로 이 경우 조업자는 제 1반응기(112)에 공급되는 수소를 수소 조절계(115)에 의해서 차단하고, 제 2반응기(120)에 수소를 공급하는 방법을 사용하는 것이다.

따라서, 종래의 방식에서는 작업자가 이러한 수동조작을 빈번하게 수행하여야 함으로서 무인자동화작업을 불가능하게 하는 것이고, 제 1반응기(112)의 과도한 온도상승으로 인하여 설비의 폭팔과 같은 안전사고의 위험성이 있으며, 제 1반응기(112)에서의 성능저하로 전체적인 알곤정제능력의 저하를 초래하는 등의 여러 가지 문제점을 갖는 것이었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은 조알곤내의 산소를 제거하기 위하여 반응기내의 조알곤으로 수소를 투입하는 경우, 산소의 함유량에 다라서 수소가스의 비율을 자동조정하여 반응기의 과도한 온도상승을 방지함은 물론 산소제거반응을 촉진함으로서 조알곤의 정제성능을 향상시키도록 개선된 산소반응기의 수소투입분할장치를 제공하자 하는 것이다.

제1도는 종래의 기술에 따른 산소반응기를 도시한 구성도,

제2도는 본 발명에 따른 수소투입분할장치가 장착된 산소반응기의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 비율 발생기 110 : 압축기

112 : 제 1반응기 117 : 냉각기

120 : 제 2반응기 127 : 개평 연산기

130,140 : 승산기 160 : 수소측정기

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 조알곤을 정제하여 순알곤을 생산하는 설비에서 조알곤내에 함유된 산소성분을 제거하는 장치에 있어서, 개평연산기에서 출력된 조알곤 유량신호와, 산소분석기에서 출력된 산소함유율 신호 및, 제 2반응기의 출구잉여수소함유율을 입력신호로 하고, 아래의 식 I)과 식 II)에 의한 출력값 A) 과 B)를 산출하여 출력값 A)은 제 1반응기의 수소량 비율로 하고, 출력값 B)은 제 2반응기의 수소량비율로 설정하는 비율 발생기를 추가 포함하며,

여기서, PV1 : 조알곤 유량

PV2 : 산소함유율

PV3 : 제 2반응기의 출구잉여 수소함유율

상수 : 2

임을 특징으로 하는 산소반응기의 수소투입분할장치를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 산소반응기의 수소투입분할장치(1)는 압축기(110)에서 나온 조알곤이 제 1반응기(112)로 들어가서 수소조절계(115)에 의하여 공급된 수소와 화학반응을 실시하여 산소가스를 제거하고, 냉각기(117)로 들어가서 온도를 강하시키며, 제 2반응기(120)로 들어가서 2차적인 화학반응을 통하여 산소가스를 전량제거한다.

그리고, 산소가 제거된 조알곤은 알곤생산 정류통(125)으로 들어가서 순알곤을 액화상태로 생산하며, 액화되지 않은 수소는 제 1반응기(112)로 복귀되어 재 사용된다.

이런한 과정에서 본 발명에 따라서 제 1반응기(112)와 제 2반응기(120)에 공급되는 수소유량을 제어하는 기술을 보면 다음과 같다. 즉, 개평연산기(127)에서 출력된 조알곤 유량신호와, 산소분석기(133)에서 출력된 산소함유율 신호 및, 제 2반응기(120)의 출구잉여수소함유율을 입력신호로 하여 출력값 A) 과 B)를 산출하고 출력값 A)은 제 1반응기(112)의 수소량 비율로 하고, 출력값 B)은 제 2반응기(120)의 수소량비율로 설정하는 비율 발생기(10)를 추가 포함하며, 상기 비율발생기(10)는 개평연산기(127)와 산소측정기(133) 및 제 2반응기(120)의 수소측정기(160)에 전기적으로 연결되고, 제 1반응기(112) 및 제 2반응기(120)의 승산기(140)에 각각 전기적으로 연결되는 것이다.

그리고, 상기 개평연산기(127)에서 출력된 조알곤 유량신호와 산소분석기(133)에서 출력된 산소함유율 신호가 비율 발생기(10)에 PV1, PV2로 입력되고, 제 2반응기(120)의 출구 잉여수소 함유율이 PV3 로서 수소측정기(160)로부터 입력되면, 아래와 같은 연산식 I)과 II)에 의해서 출력값 A)와 B)가 계산되어 각각의 수소분할승산기(140)에 입력되어 총수소 요구량에 차등분할되는 것이다.

여기서, PV1 : 조알곤 유량

PV2 : 산소함유율

PV3 : 제 2반응기의 출구잉여 수소함유율

상수 : 2이다.

상기와 같은 본 발명에 의해서 제 1 및 제 2반응기(140)의 수소분할의 작용효과를 실시예에 의하여 설명하면 아래와 같다.

조알곤 250 Nm3/H 에 산소가 5.0% 함유된 경우, 반응기의 수소공급 총요구량(25.0 Nm3/H)에 대한 제 1반응기(112)와 제 2반응기(120)의 수소 할당량은 다음과 같다. 즉, 출력값

따라서, 제 1반응기(112)에 대해서는 25 * 38.4(%) = 9.6, 그리고 가스상태의 잉여 수소량 2.9를 포함하여 9.6 + 2.9 = 12.5 Nm3/H 가 구해지는 것이다.

그리고, 제 2반응기(120)를 위해서는 출력값=61.6%을 얻고, 이는 25 * 61.6(%) = 15.4 Nm3/H를 얻는 것이다.

한편, 상기에서 수소공급 총 요구량이 25 Nm3/H 인 이유는 조알곤이 250 Nm3/H 일 경우, 조알곤의 산소를 제거하고자 하면, 이는 산소 1분자당 수소 2분자가 투입되어야만 반응이 이루어지므로 조알곤속에 함유되어 있는 산소량에 2를 곱하면 250 * 0.05 * 2 = 25 Nm3/H 이다. 그리고, 상기에서 상수가 2인 이유는 산소제거시 산소 1분자당 수소는 2분자가 투입되어야만 반응이 이루어지므로 2를 곱하기 위하여 상수(Factor)를 2로 설정하게 된다.

그리고, 상기에서 PV3가 0.0116으로 계산된 이유는 알곤제조설비의 운전시 산소를 완전히 제거하기 위하여 수소가 남도록 과잉으로 수소를 공급하게 되는데 그표준운전값이 1.16%이며, 이 값은 백분율이므로 이를 제거하면 1.16 * 0.01 = 0.0116이 얻어진다.

또한 상기에서 가스상태의 잉여 수소량 2.9는 조알곤 250 Nm3/H 에 대한 과잉수소 비율 1.16% 임으로 250 * 0.0116 = 2.9 Nm3/H 인 것이다.

한편, 상기와 같은 과정을 통하여 조알곤 250 Nm3/H을 기준으로 산소함유량이 1.5%인 경우와, 3.0%인 경우 및, 5.0% 인 경우에 대한 제 1 및 제 2반응기의 수소 설정비를 구하고 이를 도표화하면 아래와 같다.

상기에서와 같이 본 발명에 의하면, 비율발생기(10)에 의해서 제 1반응기(112)와 제 2반응기(120)로 투입되는 수소량을 다르게 함으로서 제 1반응기(112)에서 처리되는 산소가스는 1/2정도이고, 제 1반응기(112)에 많은 양의 수소가 투입되더라도 여유분이 포함된 것으로서 실제 반응하는 온도는 제 1 및 제 2반응기(112)(120)가 서로 일치하거나 유사하게 형성됨으로서 산소반응기(112)(120)의 전반에 걸쳐서 안정적인 조업을 이룰수가 있는 것이다.

따라서, 본 발명에 의하면 조알곤내의 산소를 제거하기 위하여 반응기(112)(120)내의 조알곤으로 수소를 투입하는 경우, 산소의 함유량에 따라서 제 1 및 제 2반응기(112)(120)의 수소가스의 비율을 자동조정하여 제 1 및 제 2반응기(112)(120)의 과도한 온도상승과 온도강하를 방지함은 물론, 산소제거반응을 촉진함으로서 조알곤의 정제성능을 향상시키도록 개선된 효과가 얻어지는 것이다.

Claims (1)

1. 조알곤을 정제하여 순알곤을 생산하는 설비에서 조알곤내에 함유된 산소성분을 제거하는 장치에 있어서, 개평연산기(127)에서 출력된 조알곤 유량신호와, 산소분석기(133)에서 출력된 산소함유율 신호 및, 제 2반응기(140)의 수소측정기(160)에서의 출구잉여수소함유율을 입력신호로 하고, 아래의 식 I)과 식 II)에 의한 출력값 A) 과 B)를 산출하여 출력값 A)은 제 1반응기(112)의 수소량 비율로 하고, 출력값 B)은 제 2반응기(120)의 수소량비율로 설정하는 비율 발생기 (10)를 추가 포함하며,

   여기서, PV1 : 조알곤 유량

   PV2 : 산소함유율

   PV3 : 제 2반응기의 출구잉여 수소함유율

   상수 : 2

   임을 특징으로 하는 산소반응기의 수소투입분할장치.