KR100694376B1 - 심냉 공기 분리 장치 및 그 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

수요처에 보다 고압의 제품 산소 가스를 공급할 수 있고, 게다가 운전 비용의 증대를 억제하는 것이 가능한 심냉 공기 분리 장치를 제공한다.
심냉 공기 분리 장치는, 복식 정류탑(11)으로부터 취출된 전체 제품 산소량의 일부를 제 2 제품 산소 라인(6)을 거쳐 취출하고, 취출된 액체 산소를 액체 산소 펌프(6a)에서 소요 압력으로 가압한 후에 주 열교환기에서 증발, 가온하여 제품 산소 가스로 하고, 나머지의 산소를 제 1 제품 산소 라인(5)을 거쳐 산소 가스로서 취출하고, 취출된 산소 가스를 주 열교환기(2)에서 가온한 후에 산소 가스 압축기(5a)에서 소요 압력으로 압축하여 제품 산소 가스로 하는 구성으로 되어 있다.

Description

심냉 공기 분리 장치 및 그 운전 방법{SUB-ZERO AIR SEPARATION APPARATUS AND AN OPERATING METHOD OF THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치의 모식적 계통도,
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 심냉 공기 분리 장치의 모식적 계통도,
도 3은 종래예에 따른 터빈 일체식의 가스 송풍기를 구비한 심냉 공기 분리 장치의 회로 구성을 도시하는 도면.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 원료 공기 공급 라인 1a : 원료 공기 압축기
1b : 흡착탑 유닛 2 : 주 열교환기
3 : 제 1 원료 공기 라인 4 : 제 2 원료 공기 라인
4a : 송풍기 4b : 냉각기
4c : 팽창 터빈 5 : 제 1 제품 산소 라인
5a : 산소 가스 압축기 6 : 제 2 제품 산소 라인
본 발명은 심냉 공기 분리 장치 및 그 운전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수요처에 보다 고압의 제품 산소 가스를 공급할 수 있고, 게다가 운전 비용의 증대를 제어하는 것을 가능하게 하는 심냉 공기 분리 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
철강업 등의 공업 분야에 있어서, 가스 산소(제품 산소)는 유틸리티 또는 원재료로서 사용되고 있고, 그 공급원으로서 심냉 공기 분리 장치가 사용되고 있다. 이와 같은 심냉 공기 분리 장치의 경우에는, 통상, 제품 산소 가스는 복식 정류탑의 상부탑의 조작 압력인 0.01MPaG 내지 0.02MPaG 정도의 압력으로 상부탑으로부터 취출하고, 취출된 산소 가스를 소요 압력으로 승압하여 수요처에 공급하고 있다. 그러나, 산소 가스를 소요 압력으로 승압하는 산소 가스 압축기의 소요 동력이 과대해지고, 소요 압력의 저감에 대한 강한 소망이 있었다.
산소 가스 압축기의 소요 압력의 저감을 가능하도록 한 것으로서는, 예컨대 후술하는 구성으로 이루어진 것이 공지되어 있다. 이하, 이 종래예에 따른 심냉 공기 분리 장치를, 터빈 일체식의 가스 송풍기를 구비한 심냉 공기 분리 장치에 있어서의 제어 회로 구성을 도시한 도면인 도 3을 참조하여 설명한다.
즉, 이 종래예에 따른 심냉 공기 분리 장치는, 원료 공기를 압축하는 원료 공기 압축기(51)와, 이 원료 공기 압축기(51)에서 압축되는 동시에 사전 냉각 장치(52)에서 냉각된 원료 공기를 사전 처리하는 흡착탑 유닛(53)과, 이 흡착탑 유닛(53)에 의해 사전 처리된 공기가 원료로서 송입되고, 이 송입된 원료 공기로부터 심냉 분리법에 의해 질소나 산소를 분리 연속 생산하는 정류탑(57, 58)과, 상기 송입된 원료 공기를 단열 팽창시켜서 상기 정류탑으로 유입시킨 한랭(寒冷)을 발생시키기 위한 팽창 터빈(56)을 갖는 콜드 박스(cold box)(55)를 갖고 있고, 제품 산소 등의 제품 가스 압력을 정류탑의 상부탑(57)의 운전 압력보다 고압으로 하는 것이 필요한 플랜트에 적용된다. 제품 가스(예컨대, 제품 산소)를 심냉 상태에서 정류 분리하는 정류탑은 하부탑(중압탑)(58)과 상부탑(저압탑)(57)으로 구성되고, 양자는 주 응축기(90)에서 서로 열교환을 실행하도록 되어 있다. 이 주 응축기(90)에는 하부탑(58)의 상부로부터 질소 가스가 공급되고, 액화된 질소는 하부탑(58)의 상부로 복귀되도록 구성되어 있다.
이 종래예에 따른 심냉 공기 분리 장치에 따르면, 0.03MPaG 정도의 제품 가스(예컨대, 제품 산소)(89)를 상부탑(저압탑)(57)으로부터 가스 상태로 취출하여, 공기 열교환기(63)에서 온도 회수시킨 후, 팽창 터빈(56)의 상온측(한쪽)의 브레이크 팬을, 제품 가스(예컨대, 제품 산소)(89)를 승압하기 위한 가스 송풍기(66)로서 사용된다. 즉, 이 가스 송풍기(66)는 제품으로 되는 가스(예컨대, 제품 산소)의 압력이 상부탑(57)의 운전 압력보다 높은 압력 레벨로 취합할 수 있도록, 팽창 터빈(56)의 회전력을 받아 제품 가스(89)를 압력비로 1.36 내지 1.6 정도로 승압하는 것이다. 이와 같이, 제품으로 되는 가스(예컨대, 제품 산소)의 압력이 상부탑(57)의 운전 압력보다 높은 압력 레벨로 취합하는 것이 요구된 플랜트에 있어서, 상부탑(57)으로부터 제품 가스(제품 산소 등)를 가스 상태로 취출하고, 이 취출된 제품 가스를 한랭 발생을 위한 팽창 터빈(56)의 한쪽에 설치된 브레이크용 가스 송풍기(66)에서 승압함으로써, 제품 가스(예컨대, 제품 산소)(89)를 소정 압력으로 송출하는 것이다. 또한, 도 3에 있어서, 정류탑의 우측에 도시되어 있는 참조부호(62)는 과냉각기이다(예컨대, 일본 특허 공개 제 2003-166783 호 공보 참조).
상기 종래예에 따른 심냉 공기 분리 장치에 따르면, 콜드 박스로부터 취출된 제품 산소 가스의 압력이 0.02MPaG 내지 0.08MPaG로 한정되어 있다. 따라서, 수요처에 있어서 제품 산소 가스의 필요 압력이, 이 압력에 일치하고 있는 경우에는 대단히 유효한 장치이다.
그러나, 이들 이상의 압력을 필요로 하는 경우에는, 이 심냉 공기 분리 장치를 사용할 수 없다. 물론, 산소 가스 압축기를 설치하면, 보다 고압의 제품 산소 가스를 수요처에 공급할 수 있지만, 산소 가스 압축기의 구동에 큰 동력 에너지를 요구하므로, 심냉 공기 분리 장치의 운동 비용에 관하여 경제적으로 바람직하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 수요처에 보다 고압의 제품 산소 가스를 공급할 수 있고, 게다가 운전 비용의 증대를 제어하는 것이 가능한 심냉 공기 분리 장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 청구항 1에 따른 심냉 공기 분리 장치가 채용된 수단은, 원료 공기를 압축하는 원료 공기 압축기를 구비하고, 이 원료 공기 압축기에서 압축된 압축 공기중의 불순물을 제거하는 흡착탑 유닛을 구비하고, 불순물 제거 후의 압축 공기를 냉각하는 주 열교환기를 구비하는 동시에, 상부탑과 하부탑으로 이루어지고, 상기 주 열교환기에서 냉각되어서 도입된 공기를 산소와 질소로 분리하는 복식 정류탑을 갖는 공기 분리부를 구비한 심냉 공기 분리 장치에 있어서, 상기 주 열교환기를 지나 하부탑에 연통하고, 흡착탑 유닛을 지난 원료 공기의 일부를 하부탑으로 도입하는 제 1 원료 공기 라인과, 이 제 1 원료 공기 라인으로부터 분기하여 상부탑에 연통하고, 상기 주 열교환기의 상류측에 송풍기가 개재되는 동시에, 주 열교환기의 하류측에 팽창 터빈이 개재되고, 흡착탑 유닛을 지난 원료 공기의 나머지를 상부탑으로 도입하는 제 2 원료 공기 라인과, 상부탑으로부터 주 열교환기를 거쳐 제품 산소 가스를 수요처로 공급하고, 주 열교환기의 하류측에 산소 가스 압축기가 개재되어 있는 제 1 제품 산소 라인과, 상부탑의 바닥부로부터 주 열교환기를 거쳐 제품 산소 가스를 수요처로 공급하고, 주 열교환기와 상부탑 사이에 액체 산소 펌프가 개재되고, 상기 제 1 제품 산소 라인의 상기 산소 가스 압축기의 하류측에 연통하는 제 2 제품 산소 라인을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 2에 따른 심냉 공기 분리 장치가 채용된 수단은, 원료 공기를 압축하는 원료 공기 압축기를 구비하고, 이 원료 공기 압축기에서 압축된 압축 공기중의 불순물을 제거하는 흡착탑 유닛을 구비하고, 불순물 제거 후의 압축 공기를 냉각하는 주 열교환기를 구비하는 동시에, 상부탑과 하부탑으로 이루어지고, 상기 주 열교환기에서 냉각되어서 도입된 공기를 산소와 질소로 분리하는 복식 정류탑을 갖는 공기 분리부를 구비한 심냉 공기 분리 장치에 있어서, 상기 주 열교환기를 지나 하부탑에 연통하고, 흡착탑 유닛을 지난 원료 공기의 일부를 상부탑으로 도입하는 제 1 원료 공기 라인과, 이 제 1 원료 공기 라인으로부터 분기하여 상부탑에 연통하고, 상기 주 열교환기의 상류측에 송풍기가 개재되는 동시에, 주 열교환기의 하류측에 팽창 터빈이 개재되고, 흡착탑 유닛을 지난 원료 공기의 나머지를 상부탑으로 도입하는 제 2 원료 공기 라인과, 상부탑으로부터 주 열교환기를 거쳐 제품 산소 가스를 제 1 수요처로 공급하고, 주 열교환기의 하류측에 산소 가스 압축기가 개재되어 있는 제 1 제품 산소 라인과, 상부탑의 바닥부로부터 주 열교환기를 거쳐 제품 산소 가스를 제 2 수요처로 공급하고, 주 열교환기와 상부탑 사이에 액체 산소 펌프가 개재되어 있는 제 2 제품 산소 라인을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 3에 따른 심냉 공기 분리 장치의 운전 방법이 채용된 수단은, 청구항 1 또는 2중 어느 한 항에 기재된 심냉 공기 분리 장치의 운전 방법에 있어서, 상기 복식 정류탑으로부터 취출된 전체 제품 산소량의 일부를 상기 제 2 제품 산소 라인을 거쳐 액체 산소로서 취출하고, 취출된 액체 산소를 액체 산소 펌프에 의해 소요 압력으로 가압한 후에 주 열교환기에서 증발시키는 동시에 가온하여 제품 산소 가스로 하고, 나머지 산소를 제 2 제품 산소 라인을 거쳐 산소 가스로서 취출하고, 취출된 산소 가스를 주 열교환기에서 가온한 후에 산소 가스 압축기에 의해 소요 압력으로 압축하여 제품 산소 가스로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 4에 따른 심냉 공기 분리 장치의 운전 방법이 채용된 수단은, 청구항 3에 기재된 심냉 공기 분리 장치의 운전 방법에 있어서, 상기 제 2 제품 산소 라인을 거쳐 압력이 P(MPaG)인 제품 산소 가스를 수요처에 공급함에 있어서, 전체 제품 산소량의 16.4×P-0.8% 이하의 산소 가스가 얻어지는 양의 액체 산소를 취출하여 상기 액체 산소 펌프에 의해 압축하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 본 발명의 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치를 그의 모식적 계통도인 도 1을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 도시하지 않은 필터를 거쳐 흡인된 원료 공기를 압축하는 원료 공기 압축기(1a)와, 이 원료 공기 압축기(1a)에서 압축된 압축 공기중의 불순물을 제거하는 흡착탑 유닛(1b)이 개재되어 있는 압축 공기 공급 라인(1)을 구비하고 있다. 이 원료 공기 공급 라인(1)으로부터 제 1 원료 공기 라인(3)이 분기되어 있고, 이 제 1 원료 공기 라인(3)은 주 열교환기(2)를 거쳐 후술하는 구성으로 이루어진 공기 분리부(10)에 연통되어 있다. 즉, 흡착탑 유닛(1b)에서 불순물이 제거된 압축 공기의 일부는 제 1 원료 공기 라인(3)을 흘러, 주 열교환기(2)에서 냉각되어 공기 분리부(10)로 도입되도록 되어 있다.
또한, 이 원료 공기 공급 라인(1)으로부터 제 2 원료 공기 라인(4)이 분기되어 있고, 이 제 2 원료 공기 라인(4)은 주 열교환기(2)를 거쳐 공기 분리부(10)에 연통되어 있다. 즉, 흡착탑 유닛(1b)에서 불순물이 제거된 압축 공기의 나머지가 이 제 2 원료 공기 라인(4)을 거쳐 공기 분리부(10)로 도입되도록 되어 있다. 이 제 2 원료 공급 라인(4)의 분기부와 주 열교환기(2) 사이에, 원료 공기를 압축하는 송풍기(4a)와, 이 송풍기(4a)에 의해 압축된 원료 공기를 냉각하는 냉각기(4b)가 개재되어 있다. 또한, 이 제 2 원료 공기 라인(4)의 주 열교환기(2)와 공기 분리부(10) 사이에 팽창 터빈(4c)이 설치되어 있고, 공기 분리부(10)에 필요한 한랭을 발생시키도록 구성되어 있다.
한편, 공기 분리부(10)로부터 도시하지 않은 제품 수요처에, 제품 산소 가스를 공급하는 제 1 제품 산소 라인(5)이 주 열교환기(2), 산소 가스 압축기(5a)를 거쳐 연통되어 있다. 또한, 이 제 1 제품 산소 라인(5)의 산소 가스 압축기(5a)의 하류측에, 공기 분리부(10)로부터 액체 산소 펌프(6a), 주 열교환기(2)를 거쳐 제 2 제품 산소 라인(6)이 합류되어 있다.
상기 공기 분리부(10)는 상부탑(11a)과, 이 상부탑(11a)의 바닥부에 배치되어 있는 응축기(11b)와, 이 상부탑(11a)의 하측의 하부탑(11c)으로 이루어진 복식 정류탑(11)과, 과냉각기(12)를 구비하고 있다. 복식 정류탑(11)의 하부탑(11c)의 바닥 부근에 상기 제 1 원료 공기 라인(3)이 연통되는 동시에, 상부탑(11a)의 상하방향의 중간 부근에 상기 제 2 원료 공기 라인(4)이 연통되어 있다. 또한, 상기 제 2 제품 산소 라인(6)의 기단부는 복식 정류탑(11)의 상부탑(11a)의 바닥부에 접속되어 있다. 또한, 상기 복식 정류탑(11)의 상부탑(11a)의 정상부로부터, 과냉각기(12)를 거쳐 도시하지 않은 질소 수요처에 제품 질소 가스(GN)를 공급하는 제품 질소 라인(7)이 주 열교환기(2)를 거쳐 연통되어 있다. 또한, 복식 정류탑(11)의 상부탑(11a)의 상부 부근으로부터, 과냉각기(12)를 거쳐 상기 흡착탑 유닛(1b) 등에 폐질소 라인(8)이 연통되어 있다.
이 폐질소 라인(8)은 주로 흡착제를 재생하기 위한 흡착탑 유닛(1b)에 폐질소 가스(WN)를 공급하는 동작을 하는 것이다. 또한, 흡착제를 재생한 폐질소 가스(WN)는 도시하지 않은 소음 장치를 거쳐 대기중으로 방출된다.
그리고, 하부탑(11c)의 바닥부로부터 제 1 라인(13)이 과냉각기(12)를 거쳐 상부탑(11a)에 연통되어 있고, 하부탑(11c)의 바닥부의 산소 풍부한 액체 공기를 과냉각하여 상부탑(11a)으로 도입하도록 구성되어 있다. 또한, 하부탑(11c)의 상기 제 1 라인(13)의 연통부의 상측으로부터 과냉각기(12)를 거쳐 상부탑(11a)의 상기 제 1 라인(13)의 연통부의 상측에 제 2 라인(14)이 연통되어 있고, 하부탑(11c)의 중간 위치의 질소 풍부한 액체 공기를 과냉각하여 상부탑(11a)으로 도입하도록 구성되어 있다. 또한, 하부탑(11c)의 정상부로부터 과냉각기(12)를 거쳐 제 3 라인(15)이 상부탑(11a)의 정상부 부근에 연통되어 있고, 하부탑(11c)의 상부 위치의 고밀도 질소를 과냉각하여 상부탑(11a)으로 도입하도록 구성되어 있다.
상기 제 1 원료 공기 라인(3)을 거쳐 하부탑(11c)의 바닥부에 도입된 냉각된 원료 공기(GA)는 탑내를 상승하는 동안에 점점 질소가 풍부해져서, 하부탑(11c)의 정상부에서는 고밀도 질소로 된다. 또한, 상부탑(11a)에 도입된 산소 풍부한 액체 공기는 탑내를 흘러내려오면서 점점 산소가 응축되어, 바닥부에 있어서 고밀도 액체 산소로 되어, 이 상부탑(11a)의 바닥부에 모이는 것이다. 또한, 일점 쇄선으로 도시되고, 주 열교환기(2), 팽창 터빈(4c), 액체 산소 펌프(6a) 및 공기 분리부(10)를 둘러싸고 있는 것은 콜드 박스(9)이다.
이하, 본 발명의 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치의 작용 상태를 도 1을 참조하여 설명한다. 즉, 원료 공기 압축기(1a)에서 압축되는 동시에, 흡착탑 유닛(1b)에서 불순물이 제거된 원료 공기의 일부는 제 1 원료 공기 라인(3)으로 유입되고, 주 열교환기(2)에서 대략 비등점 온도까지 냉각되어서 공기 분리부(10)의 하부탑(11c)의 바닥부에 도입된다. 원료 공기의 나머지의 부분은 제 2 원료 공기 라인(4)으로 유입되어, 송풍기(4a)에 의해 승압되고, 냉각기(4b)에서 냉각된 후에 주 열교환기(2)에서 냉각되어 상부탑(11a)의 상하방향의 중간에 도입된다. 공기 분리부(10)의 복식 정류탑(11)에 도입된 원료 공기는 정류되고, 상부탑(11a)의 바닥부로부터 제 2 제품 산소 라인(6)을 거쳐 액체 산소(LO)가 도출되고, 상부탑(11a)의 하부로부터 제 1 제품 산소 라인(5)을 거쳐 산소 가스(GO)가 도출된다. 그리고, 상부탑(11a)의 정상부로부터 제품 질소 라인(7)을 거쳐 제품 질소 가스(GN)가 도출된다.
본 발명의 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치에 따르면, 산소 가스 압축기(5a)에서 압축된 산소 가스에, 액체 산소 펌프(6a)에서 압축된 액체 산소(LO)를 주 열교환기(2)에 의해 원료 공기와 열교환시켜 증발시키고, 증발된 산소 가스를 합류시켜, 제 1 제품 산소 라인(5)을 거쳐 수요처에 제품 산소 가스를 공급할 수 있다. 그런데, 제 2 제품 산소 라인(6)으로부터 액체 산소(LO)로서 취출된 양은 제품 산소 가스의 압력을 P(MPaG)라고 한 경우에, 전체 제품 산소량의 16.4×P-0.8% 이하이다. 보다 상세하게는, 액체 산소(LO)의 양은, 원료 공기의 전체량에 의해 완전히 증발시킬 수 있는 양이 되도록 설정되어 있으므로, 주 열교환기(2)의 온도 밸런스를 유지하면서, 취출된 액체 산소(LO)의 전체량을 완전히 증발시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치에 따르면, 제품 산소 가스의 압력이 0.02MPaG 내지 0.08MPaG로 한정되어 있는 종래예에 따른 심냉 공기 분리 장치와 상이하고, 훨씬 고압, 더구나 임의의 압력의 제품 산소 가스를 수요처에 공급할 수 있다.
또한, 본 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치에 따르면, 상기한 바와 같이, 산소 가스 압축기(5a)와 액체 산소 펌프(6a)를 구동하여 수요처에 제품 산소 가스를 공급하지만, 액체 산소 펌프(6a)의 구동력은 산소 가스 압축기(5a)의 구동력보다도 훨씬 작은 동력이라도 좋으므로, 수요처에 공급하는 제품 산소 가스의 전체량을 산소 가스 압축기에서 압축하여 공급할 필요가 있는 종래예에 비하여 소요 동력을 삭감할 수 있다.
이하, 본 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치의 소요 동력에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
예컨대, 제품 산소 가스의 소요 유량과 압력이 각각 10,000N㎥/h, 2.5MPaG인 경우, 종래예에 따른 심냉 공기 분리 장치에서는 10,000N㎥/h의 산소 가스를 산소 가스 압축기에서 소요 압력 2.5MPaG까지 압축하고, 제품 산소 가스로서 수요처에 공급하였다. 산소 가스 압축기의 소요 동력은 산소 가스 1N㎥/h당 대략 0.15kW이므로, 이 경우에는 1,500kW의 동력이 필요하다.
한편, 본 발명의 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치의 경우에는, 상기한 바와 같이, 전체 제품 산소량의 16.4×P-0.8% 이하=7.9% 이하, 예컨대 5%인 500N㎥/h의 산소 가스를 얻을 수 있는 양의 액체 산소(예컨대, 표현을 간략화하기 위해 500N㎥/h의 액체 산소라 하고, 액체 산소량에 관계없이 유사한 표현을 이용하는 것으로 함)(LO)를 상부탑(11a)으로부터 취출하고, 나머지의 9,500N㎥/h의 산소 가스(GO)를 상부탑(11a)으로부터 취출한다. 이 9,500N㎥/h의 산소 가스는 종래예와 마찬가지로 산소 가스 압축기(5a)에서 2.5MPaG까지 압축한다. 그리고, 500N㎥/h의 액체 산소(LO)는 액체 산소 펌프(6a)에 의해, 2.5MPaG까지 압축되어 제 2 제품 산소 라인(6)을 흘러서, 제 1 제품 산소 라인(5)의 산소 가스 압축기(5a)의 하류측으로 유입되어, 산소 가스 압축기(5a)에서 압축된 산소 가스와 합류되어 수요처에 공급된다.
이 경우, 산소 가스 압축기(5a)에 의해 압축하는 산소 가스량은 9,500N㎥/h이므로, 산소 가스 압축기(5a)의 소요 동력은 1,425kW이다. 또한, 500N㎥/h의 액체 산소를 가압하는 액체 산소 펌프(6a)의 동력이 필요하지만, 액체는 기체에 비하여 밀도가 매우 커서 체적이 작기 때문에, 액체 산소를 2.5MPaG까지 가압하는데 필요한 동력은 액체 산소 1N㎥/h당 대략 0.002kW이므로, 액체 산소 펌프(6a)의 소요 동력은 1kW이다. 따라서, 산소의 압축에 필요한 동력은 1,426kW이다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 산소 가스 압축기에 비하여 저비용의 액체 산소 펌프(6a) 및 그 주위의 배관을 추가 설치할 뿐이므로, 임의의 압력의 제품 산소 가스를 저렴하게 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 제품 산소 가스의 소요 유량과 압력이 각각 10,000N㎥/h, 2.5MPaG인 경우, 대략 74kW 저감되므로, 전기료가 가령 10엔/kWh이라면, 연간 대략 640만엔의 전기료를 저감할 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예 2에 따른 심냉 공기 분리 장치를 그의 모식적 계통도인 도 2를 참조하여 설명한다. 또한, 본 실시예 2에 따른 심냉 공기 분리 장치가 상기 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치와 상이한 점은 압력이 상이한 제품 산소 가스의 수요처가 2곳인 것이고, 주요 구성은 전체적으로 동일하다. 따라서, 동일한 것 및 동일 기능을 갖는 것에 동일 부호를 부여하고, 또한 동일 명칭을 써서 그의 상이한 점에 대해 설명한다.
본 발명의 실시예 2에 따른 심냉 공기 분리 장치는, 도 2와, 실시예 1에 따른 심냉 공기 분리 장치의 모식적 계통도인 도 1의 비교에 있어서 잘 이해되도록, 제 2 제품 산소 라인(6)이 제 1 제품 산소 라인(5)의 산소 가스 압축기(5a)의 하류측에서 합류하지 않고, 제 1 제품 산소 라인(5)을 거쳐 도시하지 않은 수요처 2에, 제 2 제품 산소 라인(6)을 거쳐 도시하지 않은 수요처 1에, 압력이 상이한 제품 산소 가스를 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
본 발명의 실시예 2에 따른 심냉 공기 분리 장치에 따르면, 예컨대 제품 산소 가스의 소요 유량과 압력이 2종류 존재하고, 수요처 1에 1,000N㎥/h, 1.5MPaG의 제품 산소 가스를 수요처 2에 9,000N㎥/h, 2.5MPaG의 제품 산소 가스를 공급하는 경우에 우수한 효과를 발휘할 수 있다.
예컨대, 종래예의 경우에는, 2종류의 산소 가스 압축기를 설치하고, 제 1 산소 가스 압축기에서 10,000N㎥/h의 산소 가스를 1.5MPaG까지 압축하고, 그 중의 1,000N㎥/h를 제품 산소 가스로서 수요처 1에 공급한다. 그리고, 나머지의 9,000N㎥/h를 제 2 산소 가스 압축기에서 2.5MPaG까지 압축하여 제품 산소 가스로서 수요처 2에 공급하도록 운전된다. 이 경우, 2종류의 산소 가스 압축기가 필요하기 때문에, 설비 이용에 관하여 불리하게 되는 것이 명백하다. 또한, 1종류의 산소 가스 압축기에서 10,000N㎥/h의 산소 가스를 2.5MPaG까지 압축하고, 그 중의 9,000N㎥/h를 제품 산소 가스로서 수요처 2에 공급하고, 나머지의 1,000N㎥/h를 1.5MPaG까지 감압하여 제품 산소 가스로서 수요처 1에 공급하는 것 같은 운전 방법도 고려된다. 그러나, 1.5MPaG여도 좋은 수요처 2에, 2.5MPaG까지 압축한 산소 가스를 감압하여 공급하기 때문에, 소비 동력에 관하여 불리하게 되는 것이 명백하다.
이와 같은 종래예에 대해, 본 발명의 실시예 2에 따른 심냉 공기 분리 장치에 따르면, 1,000N㎥/h의 액체 산소가 제 2 제품 산소 라인(6)으로부터 취출되고, 9,000N㎥/h의 산소 가스가 제 1 제품 산소 라인(5)으로부터 취출된다. 이 9,000N㎥/h의 산소 가스는 종래예의 경우와 마찬가지로 산소 가스 압축기(5a)에서 소요의 2.5MPaG까지 압축되고, 제품 산소 가스로서 제 1 제품 산소 라인(5)을 거쳐 수요처 2에 공급되는 것으로 된다.
한편, 1,000N㎥/h의 액체 산소가 액체 산소 펌프(6a)에서 소요의 1.5MPaG까지 압축되고, 주 열교환기(2)에서 증발, 가온되어, 제품 산소 가스로서 제 2 제품 산소 라인(6)을 거쳐 수요처 1에 공급된다. 이와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 심냉 공기 분리 장치에 따르면, 제품 산소 가스의 소요 유량과 압력이 2종류 존재하는 경우에 있어서, 설비 비용과, 소비 동력을 증대시키지 않고, 수요처의 요구에 대응할 수 있는 우수한 효과를 발휘할 수 있다.
상기 실시예 1 및 2에 있어서는, 수요처에 제품 산소 가스와 제품 질소 가스를 공급할 수 있는 구성의 심냉 공기 분리 장치를 예로서 설명하였다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상을 제품 질소 가스를 제품으로서 제조하지 않는 장치에 대해서도 사용할 수 있으므로, 상기 실시예 1 및 2에 따른 심냉 공기 분리 장치의 용도에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 청구항 1 및 2에 따른 심냉 공기 분리 장치 또는 청구항 3에 따른 심냉 공기 분리 장치의 운전 방법에 따르면, 산소 가스를 산소 가스 압축기에서 압축함으로써, 제 1 제품 산소 라인을 거쳐 수요처에 제품 산소 가스를 공급할 수 있다. 또한, 액체 산소를 액체 산소 펌프에 의해 압축한 후, 주 열교환기에서 가온함으로써, 제 2 제품 산소 라인을 거쳐 수요처에 제품 산소 가스를 공급할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 산소 가스 압축기와 액체 산소 펌프를 구동하여 수요처에 제품 산소 가스를 공급하지만, 액체 산소 펌프의 구동력은 산소 가스 압축기의 구동력보다도 훨씬 작은 동력이라도 좋으므로, 수요처에 공급하는 제품 산소 가스의 전체량을 산소 가스 압축기에서 압축하여 공급하는 경우에 비하여, 소요 동력을 삭감할 수 있다. 또한, 본 발명의 청구항 2에 따른 심냉 공기 분리 장치에 따르면, 소요 압력이 상이한 2개의 수요처에, 그들의 수요처가 요구하는 압력의 제품 산소 가스를 별개로 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 청구항 4에 따른 심냉 공기 분리 장치의 운전 방법에 따르면, 주 열교환기에 의해 액체 산소와 원료 공기를 열교환시켜 액체 산소를 증발시켜서, 제품 산소 가스로서 수요처에 공급하지만, 전체 제품 산소량의 16.4×P-0.8% 이하의 산소 가스가 얻어지는 양의 액체 산소가 상부탑으로부터 취출된다. 상부탑으로부터 취출된 액체 산소의 양은 원료 공기의 전체량에 의해 완전히 증발시킬 수 있는 양이 되도록 결정된 양이므로, 주 열교환기의 온도 밸런스를 유지하면서, 취출된 액체 산소의 전체를 증발시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 원료 공기를 압축하는 원료 공기 압축기를 구비하고, 이 원료 공기 압축기에서 압축된 압축 공기중의 불순물을 제거하는 흡착탑 유닛을 구비하고, 불순물 제거 후의 압축 공기를 냉각하는 주 열교환기를 구비하는 동시에, 상부탑과 하부탑으로 이루어지고, 상기 주 열교환기에서 냉각되어서 도입된 공기를 산소와 질소로 분리하는 복식 정류탑을 갖는 공기 분리부를 구비한 심냉 공기 분리 장치에 있어서,
    상기 주 열교환기를 지나 하부탑에 연통하고, 흡착탑 유닛을 지난 원료 공기의 일부를 하부탑으로 도입하는 제 1 원료 공기 라인과, 이 제 1 원료 공기 라인으로부터 분기하여 상부탑에 연통하고, 상기 주 열교환기의 상류측에 송풍기가 개재되는 동시에, 주 열교환기의 하류측에 팽창 터빈이 개재되고, 흡착탑 유닛을 지난 원료 공기의 나머지를 상부탑으로 도입하는 제 2 원료 공기 라인과, 상부탑으로부터 주 열교환기를 거쳐 제품 산소 가스를 수요처로 공급하고, 주 열교환기의 하류측에 산소 가스 압축기가 개재되어 있는 제 1 제품 산소 라인과, 상부탑의 바닥부로부터 주 열교환기를 거쳐 제품 산소 가스를 수요처로 공급하고, 주 열교환기와 상부탑 사이에 액체 산소 펌프가 개재되고, 상기 제 1 제품 산소 라인의 상기 산소 가스 압축기의 하류측에 연통하는 제 2 제품 산소 라인을 구비한 것을 특징으로 하는
    심냉 공기 분리 장치.
  2. 원료 공기를 압축하는 원료 공기 압축기를 구비하고, 이 원료 공기 압축기에서 압축된 압축 공기중의 불순물을 제거하는 흡착탑 유닛을 구비하고, 불순물 제거 후의 압축 공기를 냉각하는 주 열교환기를 구비하는 동시에, 상부탑과 하부탑으로 이루어지고, 상기 주 열교환기에서 냉각되어서 도입된 공기를 산소와 질소로 분리하는 복식 정류탑을 갖는 공기 분리부를 구비한 심냉 공기 분리 장치에 있어서,
    상기 주 열교환기를 지나 하부탑에 연통하고, 흡착탑 유닛을 지난 원료 공기의 일부를 하부탑으로 도입하는 제 1 원료 공기 라인과, 이 제 1 원료 공기 라인으로부터 분기하여 상부탑에 연통하고, 상기 주 열교환기의 상류측에 송풍기가 개재되는 동시에, 주 열교환기의 하류측에 팽창 터빈이 개재되고, 흡착탑 유닛을 지난 원료 공기의 나머지를 상부탑으로 도입하는 제 2 원료 공기 라인과, 상부탑으로부터 주 열교환기를 거쳐 제품 산소 가스를 제 1 수요처로 공급하고, 주 열교환기의 하류측에 산소 가스 압축기가 개재되어 있는 제 1 제품 산소 라인과, 상부탑의 바닥부로부터 주 열교환기를 거쳐 제품 산소 가스를 제 2 수요처로 공급하고, 주 열교환기와 상부탑 사이에 액체 산소 펌프가 개재되어 있는 제 2 제품 산소 라인을 구비한 것을 특징으로 하는
    심냉 공기 분리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 심냉 공기 분리 장치를 운전하는 방법에 있어서,
    상기 복식 정류탑으로부터 취출된 전체 제품 산소량의 일부를 상기 제 2 제품 산소 라인을 거쳐 액체 산소로서 취출하고, 취출된 액체 산소를 액체 산소 펌프에 의해 소요 압력으로 가압한 후에 주 열교환기에서 증발시키는 동시에 가온하여 제품 산소 가스로 하고, 나머지 산소를 제 1 제품 산소 라인을 거쳐 산소 가스로서 취출하고, 취출된 산소 가스를 주 열교환기에서 가온한 후에 산소 가스 압축기에서 소요 압력으로 압축하여 제품 산소 가스로 하는 것을 특징으로 하는
    심냉 공기 분리 장치의 운전 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 제품 산소 라인을 거쳐 압력이 P(MPaG)인 제품 산소 가스를 수요처에 공급함에 있어서, 전체 제품 산소량의 16.4×P-0.8% 이하의 산소 가스가 얻어지는 양의 액체 산소를 취출하여 상기 액체 산소 펌프에 의해 압축하는 것을 특징으로 하는
    심냉 공기 분리 장치의 운전 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제품 산소 가스에서 차지하는 제 2 제품 산소 라인에 의해 공급되는 산소량의 비율을, 제 2 제품 산소 라인의 액체 산소의 양이 원료 공기의 전체량에 의해 완전히 증발시킬 수 있는 비율보다 낮아지도록 설정하는 것을 특징으로 하는
    심냉 공기 분리 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    제품 산소 가스에서 차지하는 제 2 제품 산소 라인에 의해 공급되는 산소량의 비율을, 제 2 제품 산소 라인의 액체 산소의 양이 원료 공기의 전체량에 의해 완전히 증발시킬 수 있는 비율보다 낮아지도록 설정하는 것을 특징으로 하는
    심냉 공기 분리 장치.
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