KR100930316B1 - Ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production device - Google Patents

Ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production device Download PDF

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Abstract

본 발명은 효율이 높고 경제적이며 소규모의 액체질소 및 액체산소의 제조에 적합한 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치에 관한 것으로, 외부공기를 이용하여 저온저압의 기체공기를 생산하는 상온부와, 상기 상온부에서 생산된 저온저압의 기체공기를 액체질소 및 액체산소로 분리하는 저온부로 구성된다.

이 중에서 상기 상온부는, 외부공기가 유입되는 흡입구와, 흡입된 외부공기를 압축하는 압축기와, 압축된 공기에 포함된 수분 및 이물질을 제거하는 수분리기와, 수분리기에서 미처 제거되지 못한 수분(H2O), 탄산가스(CO2), 탄화수소가스(CmHn) 및 질화가스(NOx)를 제거하는 한 쌍의 흡착탑과, 이물질이 제거된 압축공기를 냉각하는 제 1 냉각기를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 저온부는, 제 1 냉각기에서 냉각된 기체공기를 냉각하는 주열교환기 및 보조열교환기와, 주열교환기에서 냉각된 기체공기로부터 기체질소를 분리하는 고압컬럼과, 고압컬럼에서 공급된 액체공기로부터 산소와 질소를 분리하는 저압컬럼과, 고압컬럼에서 공급된 액체공기를 기체스트림과 액체스트림으로 분리하여 저압컬럼으로 공급하는 기액분리기와, 고압컬럼에서 분리된 기체질소를 응축하는 응축기를 포함하여 구성된다.

Figure R1020080045526

The present invention relates to an ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus that is highly efficient, economical, and suitable for the production of small-scale liquid nitrogen and liquid oxygen. It consists of a low temperature section that separates the low-temperature low-pressure gas air produced by the unit into liquid nitrogen and liquid oxygen.

Among them, the room temperature unit includes a suction port through which external air is introduced, a compressor for compressing the suctioned external air, a water separator to remove moisture and foreign substances contained in the compressed air, and moisture not removed from the water separator (H). 2 O), a pair of adsorption towers for removing carbon dioxide (CO 2 ), hydrocarbon gas (C m H n ) and nitriding gas (NO x ), and a first cooler for cooling the compressed air to remove foreign matters It is composed.

The low temperature unit may further include a main heat exchanger and an auxiliary heat exchanger for cooling the gas air cooled in the first cooler, a high pressure column for separating gas nitrogen from the gas air cooled in the main heat exchanger, and oxygen from the liquid air supplied from the high pressure column. And a low pressure column separating nitrogen and nitrogen, a gas-liquid separator separating the liquid air supplied from the high pressure column into a gas stream and a liquid stream, and supplying it to the low pressure column, and a condenser condensing the gas nitrogen separated from the high pressure column. .

Figure R1020080045526

Description

초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING LIQUID NITROGEN AND LIQUID OXYGEN}Subminiature Liquid Nitrogen and Liquid Oxygen Production Equipment {APPARATUS FOR MANUFACTURING LIQUID NITROGEN AND LIQUID OXYGEN}

본 발명은 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치에 관한 것으로, 구체적으로는 효율이 높고 경제적이며 소규모의 액체질소 및 액체산소의 제조에 적합한 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus, and more particularly to an ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus suitable for the production of high efficiency and economical small-scale liquid nitrogen and liquid oxygen.

일반적으로 공기분리장치는 비점차를 이용한 정유 원리에 의해 고순도의 산소, 질소 및 아르곤 가스를 생산하기 위한 장치이다. 이러한 공기분리장치는 대기 중의 공기를 원료로 하고 비점 차이를 이용하여 산소, 질소 및 아르곤 등을 생산하는 제조설비는 여러 개의 공기분리장치로 이루어지고, 이 공기분리장치의 종래 구성은 도 2에 도시된 바와 같다.In general, the air separator is a device for producing high purity oxygen, nitrogen and argon gas by the refinery principle using the difference in boiling point. This air separation device is a production facility for producing oxygen, nitrogen and argon using the air in the air as a raw material and the boiling point difference is composed of a plurality of air separation device, the conventional configuration of this air separation device is shown in FIG. As it is.

공기압축기(10)에서 압축된 원료공기는 수세 냉각탑(20)으로 공급되어 공기 중에 포함된 먼지가 제거됨과 동시에 소정의 온도로 냉각된다. 그리고 주 열교환기(30)를 통과하여 공기 중에 포함된 수분 및 이산화탄소가 제거된 후 정류통(30)의 상탑(42)에서 분리되어 나오는 저온의 산소, 질소 및 불순질소 가스와의 열교환에 의해 냉각된다.The raw material air compressed by the air compressor 10 is supplied to the water washing cooling tower 20 to remove dust contained in the air and to cool to a predetermined temperature. Then, the water and carbon dioxide contained in the air passing through the main heat exchanger 30 are removed, and then cooled by heat exchange with low temperature oxygen, nitrogen, and impure nitrogen gas separated from the upper column 42 of the rectifier 30. do.

상기 주 열교환기(30)에서 냉각된 공기는 정류통(40)의 하탑(44)에 공급되며, 이 하탑(44)의 소정 압력 이상이 되면 한냉발생기(50)를 기동시켜 일부는 주 열교환기(30)를 거쳐 정류통(40)에서 생산된 질소가스와 함께 배관(61)을 통해 사용처에 공급되고, 나머지는 정류통(40)의 상탑(42)으로 공급된다. 또한, 정류통(40)의 하탑(44)으로 공급된 저온의 공기는 배관(63, 64, 65)들을 통해 상탑(42)으로 공급되며, 이 과정에서 1차적인 공기분리가 이루어져 액화공기는 하탑(44)으로 모여져 배관(63)을 통해 상탑(42)과 아르곤 분리기(50)로 이송되고, 하탑(44)에서 분리된 순수 질소가스 및 산소가 포함된 불순 질소가스가 배관(64, 65)을 상탑(42)으로 이송된다.Air cooled in the main heat exchanger (30) is supplied to the lower tower 44 of the rectifier (40), when the predetermined pressure of the lower tower 44 or more starts the cold-cooled generator (50), part of the main heat exchanger Via 30 and supplied to the place of use with the nitrogen gas produced in the rectifier 40 through the pipe 61, the rest is supplied to the top tower 42 of the rectifier (40). In addition, the low-temperature air supplied to the lower tower 44 of the rectifier 40 is supplied to the upper tower 42 through the pipes (63, 64, 65), the primary air separation in this process is the liquefied air Gathered to the lower tower 44, and transferred to the upper tower 42 and the argon separator 50 through the pipe 63, the pure nitrogen gas and impurity nitrogen gas containing oxygen separated from the lower tower 44 pipe (64, 65) ) Is transferred to the tower 42.

그리고 상탑(42)에서는 2차적인 분리가 이루어져 산소, 질소 및 불순질소 가스로 분리되며, 산소 가스의 일부는 기화되는 불순 질소 가스에 의해 액체산소로 만들어져 주 응축기(46) 하부에 모여져 하탑(44)의 불순 질소 가스를 냉각시키면서 순도 조정 단계를 거친 다음에 고 순도의 산소와 질소 가스로 생산되고, 이렇게 생산된 산소가스와 질소가스는 배관(61, 62)을 통해 각각 사용처로 보내진다.In the upper tower 42, secondary separation is performed and separated into oxygen, nitrogen, and impure nitrogen gas, and a part of the oxygen gas is made of liquid oxygen by vaporized impure nitrogen gas, which is collected under the main condenser 46, and the lower tower 44 After the purity adjustment step of cooling impurity nitrogen gas of), it is produced with high purity oxygen and nitrogen gas, and the produced oxygen gas and nitrogen gas are sent to the user through pipes 61 and 62, respectively.

또한, 아르곤 분리기(50)에서도 상탑(42)에서 공급된 산소 중의 아르곤 가스를 분리시켜 배관(66)을 통해 사용처로 보내지고, 전체 공기량의 60% 이상을 차지하는 미 응축 가스인 불순 질소 가스는 배관(67)을 통해 주 열교환기(30)를 거쳐 대기로 방출된다.In addition, in the argon separator 50, the argon gas in the oxygen supplied from the upper tower 42 is separated and sent to the place of use through the pipe 66, and the impurity nitrogen gas, which is an uncondensed gas that occupies 60% or more of the total air volume, Via 67 it is discharged to the atmosphere via the main heat exchanger 30.

상술한 종래의 공기분리장치는 그 규모가 크고 방대하여 대형 가스시설이나 대량의 가스를 사용하는 대형 플랜트에 주로 설치되어 사용되었다. 그러나 최근 들어 산업화가 가속되고 기술이 급속도로 발전함에 따라 모든 시설 및 플랜트는 소형화되는 추세이므로 이에 맞춰 액체산소와 액체질소를 소량 제조할 수 있는 소규모 공기분리장치가 요구되고 있는 실정이다.The conventional air separation apparatus described above is large and massive, and is mainly installed and used in a large gas facility or a large plant using a large amount of gas. However, in recent years, as industrialization accelerates and technology advances rapidly, all facilities and plants are miniaturized. Accordingly, a small air separation device capable of producing a small amount of liquid oxygen and liquid nitrogen is required.

본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서 소량의 액체질소 및 액체산소를 제조할 수 있는 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 소규모이면서도 액체질소 및 액체산소의 제조 효율이 높고 경제적인 액체질소 및 액체산소 제조장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide an ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus capable of producing a small amount of liquid nitrogen and liquid oxygen as to solve the above-mentioned problems. In addition, another object of the present invention is to provide a liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus that is small and high in production efficiency of liquid nitrogen and liquid oxygen.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치는, 외부공기를 이용하여 저온저압의 기체공기를 생산하는 상온부와, 상기 상온부에서 생산된 저온저압의 기체공기를 액체질소 및 액체산소로 분리하는 저온부로 구성된다.Ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus according to the present invention for achieving the above object, the room temperature unit for producing low-temperature low-pressure gas air using the outside air, and the low-temperature low-pressure gas air produced in the room temperature unit It consists of a low temperature section separating liquid nitrogen and liquid oxygen.

이 중에서 상기 상온부는, 외부공기가 유입되는 흡입구와, 흡입된 외부공기를 압축하는 압축기와, 압축된 공기에 포함된 수분 및 이물질을 제거하는 수분리기와, 수분리기에서 미처 제거되지 못한 수분(H2O), 탄산가스(CO2), 탄화수소가스(CmHn) 및 질화가스(NOx)를 제거하는 한 쌍의 흡착탑과, 이물질이 제거된 압축공 기를 냉각하는 제 1 냉각기를 포함한다.Among them, the room temperature unit includes a suction port through which external air is introduced, a compressor for compressing the suctioned external air, a water separator to remove moisture and foreign substances contained in the compressed air, and moisture not removed from the water separator (H). 2 O), a pair of adsorption towers for removing carbon dioxide (CO 2 ), hydrocarbon gas (C m H n ) and nitriding gas (NO x ), and a first cooler for cooling the compressed air from which foreign substances are removed. .

또한, 상기 저온부는, 제 1 냉각기에서 냉각된 기체공기를 냉각하는 주열교환기 및 보조열교환기와, 주열교환기에서 냉각된 기체공기로부터 기체질소를 분리하는 고압컬럼과, 고압컬럼에서 공급된 액체공기로부터 산소와 질소를 분리하는 저압컬럼과, 고압컬럼에서 공급된 액체공기를 기체스트림과 액체스트림으로 분리하여 저압컬럼으로 공급하는 기액분리기와, 고압컬럼에서 분리된 기체질소를 응축하는 응축기를 포함한다.The low temperature unit may further include a main heat exchanger and an auxiliary heat exchanger for cooling the gas air cooled in the first cooler, a high pressure column for separating gas nitrogen from the gas air cooled in the main heat exchanger, and oxygen from the liquid air supplied from the high pressure column. And a low pressure column separating nitrogen and a gas, a gas-liquid separator separating the liquid air supplied from the high pressure column into a gas stream and a liquid stream and supplying the low pressure column, and a condenser condensing the gas nitrogen separated from the high pressure column.

부가적으로 상기 제 1 냉각기와 보조열교환기의 사이에 저온에너지의 발생을 극대화하기 위한 제 2 냉각기 및 부스터팽창기가 구비된다. 또한, 상기 저압컬럼에서 분리된 아르곤 성분을 포함한 폐가스스트림을 제 1 및 제 2 흡착탑으로 공급하는 배관이 구비되되 상기 배관은 단일배관을 사용한다.In addition, a second cooler and a booster expander are provided between the first cooler and the auxiliary heat exchanger to maximize generation of low temperature energy. In addition, a pipe for supplying the waste gas stream including the argon component separated from the low pressure column to the first and second adsorption towers is provided, but the pipe uses a single pipe.

한편, 상기 기액분리기에서 분리된 액체스트림과 기체스트림을 저압컬럼에 공급하기 위한 배관과 폐가스스트림을 배출하는 상기 배관은 소정의 높이차를 두고 저압컬럼에 연결된다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 액체스트림, 기체스트림 및 폐가스스트림의 배관은 저압컬럼의 내부에 마련되는 재분배기의 상부에서 상향으로 소정의 높이차를 두고 연결된다.On the other hand, the pipe for supplying the liquid stream and gas stream separated from the gas-liquid separator to the low pressure column and the pipe for discharging the waste gas stream are connected to the low pressure column at a predetermined height difference. More specifically, the pipes of the liquid stream, the gas stream and the waste gas stream are connected with a predetermined height difference upward from the upper part of the redistributor provided inside the low pressure column.

다른 한편, 주열교환기 및 보조열교환기는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)를 사용하고, 상온부 및 저온부의 각 구성요소는 파운데이션 필드버스 방식에 의해 제어됨을 추가적인 특징으로 한다.On the other hand, the main heat exchanger and the auxiliary heat exchanger uses a printed circuit heat exchanger (PCHE), and each component of the room temperature section and the low temperature section is further characterized in that it is controlled by the foundation fieldbus method.

상술한 바와 같은 본 발명에 의한 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치는 기액분리기를 포함하여 구성되는 바, 고압컬럼에서 공급된 액체공기를 기체스트림과 액체스트림으로 분리하여 저압컬럼으로 공급함으로써 저압컬럼을 보다 안정적으로 가동할 수 있다. 특히, 기액분리기를 통하여 저압컬럼으로 공급되는 액체스트림, 기체스트림 및 폐가스스트림을 소정의 높이차를 두고 설치하고, 저압컬럼의 내부에서 기체스트림과 폐가스스트림의 노즐을 서로 반대방향에 위치시킴으로써 저압컬럼 내의 편류발생을 방지하여 증류효율을 높일 수 있다.Ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus according to the present invention as described above comprises a gas-liquid separator, by separating the liquid air supplied from the high pressure column into a gas stream and a liquid stream to supply a low pressure column by It can operate more stably. In particular, the liquid stream, the gas stream, and the waste gas stream supplied to the low pressure column through the gas-liquid separator are installed with a predetermined height difference, and the low pressure column is located inside the low pressure column by positioning the nozzles of the gas stream and the waste gas stream in opposite directions. It is possible to increase the distillation efficiency by preventing the occurrence of drift inside.

또한, 아르곤 성분을 포함한 폐가스스트림용 배관을 단일화하고, 주열교환기와 보조열교환기로 PCHE를 사용함으로써 소형화가 가능하다. 뿐만 아니라, 상기 부스터팽창기를 추가로 설치함으로써 저온에너지의 발생을 극대화하여 저온부에 필요한 저온에너지를 외부 냉각장치의 도움 없이 해결할 수 있다.In addition, it is possible to miniaturize the pipe for the waste gas stream containing the argon component and to use PCHE as the main heat exchanger and the auxiliary heat exchanger. In addition, by additionally installing the booster expander to maximize the generation of low-temperature energy to solve the low-temperature energy required in the low temperature portion without the help of an external cooling device.

도 1은 본 발명에 의한 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치를 도시하는 구성도로, 도 1에 도시된 바와 같이 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치는 상온부(100)와 저온부(200)를 포함하여 구성된다.1 is a block diagram showing a micro-liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus according to the present invention, the micro-liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus as shown in Figure 1 includes a room temperature portion 100 and a low temperature portion 200 It is composed.

상기 상온부(100)는, 외부공기가 유입되는 흡입구(110)와, 흡입된 외부공기를 압축하는 압축기(120)와, 압축된 공기에 포함된 수분 및 이물질을 제거하는 수분리기(130)와, 수분리기(130)에서 미처 제거되지 못한 수분(H2O), 탄산가스(CO2), 탄화수소가스(CmHn) 및 질화가스(NOx)를 제거하는 한 쌍의 흡착탑(140, 150)과, 이 물질이 제거된 압축공기를 냉각하는 제 1 냉각기(160)와, 후술할 저압컬럼(240)에서 배출된 폐가스스트림을 가열하는 히터(170)를 포함하여 구성된다.The room temperature unit 100 includes a suction port 110 through which external air is introduced, a compressor 120 for compressing the suctioned outside air, a water separator 130 for removing moisture and foreign substances contained in the compressed air; , A pair of adsorption towers 140 for removing moisture (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), hydrocarbon gas (C m H n ), and nitriding gas (NO x ) that were not removed in the water separator 130. 150, a first cooler 160 for cooling the compressed air from which the substance has been removed, and a heater 170 for heating the waste gas stream discharged from the low pressure column 240 to be described later.

또한, 제 1 냉각기(160)에서 냉각된 기체공기를 냉각하는 주열교환기(210) 및 보조열교환기(220)와, 주열교환기(210)에서 냉각된 기체공기로부터 기체질소를 분리하는 고압컬럼(230)과, 고압컬럼(230)에서 공급된 액체공기로부터 산소와 질소를 분리하는 저압컬럼(240)과, 고압컬럼(230)에서 공급된 액체공기를 기체스트림과 액체스트림으로 분리하여 저압컬럼(240)으로 공급하는 기액분리기(250)와, 고압컬럼(230)에서 분리된 기체질소를 응축하는 응축기(260)와, 상기 제 1 냉각기(160)에서 냉각된 기체공기를 재냉각하는 제 2 냉각기(270)와, 재냉각된 기체공기를 압축 및 팽창시키는 부스터팽창기(280)를 포함하여 구성된다.In addition, the high pressure column 230 for separating the gas nitrogen from the main heat exchanger 210 and the auxiliary heat exchanger 220 for cooling the gas air cooled in the first cooler 160 and the gas air cooled in the main heat exchanger 210. ), A low pressure column 240 for separating oxygen and nitrogen from the liquid air supplied from the high pressure column 230, and a low pressure column 240 for separating the liquid air supplied from the high pressure column 230 into a gas stream and a liquid stream. The gas-liquid separator 250 for supplying the gas, the condenser 260 for condensing the gas nitrogen separated from the high pressure column 230, and the second cooler for recooling the gas air cooled in the first cooler 160 ( 270 and a booster expander 280 that compresses and expands the recooled gas air.

여기서 상기 주열교환기(210) 및 보조열교환기(220)는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)로, 인쇄회로기판의 제작방법을 열교환기에 응용한 열교환기의 일종이며 에칭된 유로를 가진 다수의 금속판을 확산접합하여 제작한다. 이러한 PCHE는 동일한 열량의 쉘앤튜브형 열교환기에 비하여 부피가 작되 내압특성이 우수하고 사용온도영역이 넓은 바, 액체질소 및 액체산소 제조장치의 소형화가 가능함과 동시에 열효율을 향상시킬 수 있다.Here, the main heat exchanger 210 and the auxiliary heat exchanger 220 are PCHEs (Printed Circuit Heat Exchanger), which is a type of heat exchanger that applies a manufacturing method of a printed circuit board to a heat exchanger, and diffuses a plurality of metal plates having etched flow paths. It is produced by bonding. The PCHE is smaller in volume than the shell-and-tube heat exchanger of the same heat capacity, but has excellent pressure resistance characteristics and a wide use temperature range, thereby miniaturizing liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatuses and improving thermal efficiency.

또한, 상기 저압컬럼(240)의 일측에는 아르곤 성분을 포함한 폐가스스트림을 한 쌍의 흡착탑(140, 150)으로 공급하는 제 1 배출관(312)을 더 포함하되 상기 제 1 배출관(312)은 단일배관으로 형성되어, 주열교환기(210) 및 보조열교환기(220)와 함께 액체질소 및 액체산소 제조장치의 소형화를 가능하게 한다.In addition, one side of the low pressure column 240 further includes a first discharge pipe (312) for supplying a waste gas stream containing an argon component to a pair of adsorption tower (140, 150), the first discharge pipe 312 is a single pipe And the main heat exchanger 210 and the sub-heat exchanger 220 together with the main heat exchanger 210 and the subsidiary heat exchanger 220 to reduce the size of the liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus.

또한, 상기 기액분리기(250)는 고압컬럼(230)에서 공급된 액체공기를 액체스트림과 기체스트림으로 분리하여 저압컬럼(240)으로 공급한다. 이때, 상기 기액분리기(250)에서 분리된 스트림 중 액체스트림과 기체스트림을 저압컬럼(240)에 공급하는 제 1 공급관(322)과 제 2 공급관(324) 및 폐가스스트림을 배출하는 제 1 배출관(312)은 소정의 높이차를 두고 저압컬럼(240)에 연결된다. 즉, 제 1 공급관(322)과 제 2 공급관(324) 및 제 1 배출관(312)은 상기 저압컬럼(240)의 내부에 마련된 재분배기(242)의 상부에서 상향으로 이격된다. 따라서 상기 저압컬럼(240)의 내부에서 기체와 액체의 접촉이 원활하게 이루어지는 바, 저압컬럼(240)의 보다 안정적으로 운전할 수 있다. 특히, 상기 저압컬럼(240)의 내부에 위치된 제 2 공급관(324)의 노즐과 제 1 배출관(312)의 노즐을 서로 반대방향에 위치시킬 경우 저압컬럼(240) 내의 편류발생을 방지할 수 있어 더욱 효과적이다.In addition, the gas-liquid separator 250 separates the liquid air supplied from the high pressure column 230 into a liquid stream and a gas stream to supply the low pressure column 240. At this time, the first supply pipe 322 and the second supply pipe 324 for supplying the liquid stream and the gas stream of the stream separated by the gas-liquid separator 250 to the low pressure column 240 and the first discharge pipe for discharging the waste gas stream ( 312 is connected to the low pressure column 240 with a predetermined height difference. That is, the first supply pipe 322, the second supply pipe 324, and the first discharge pipe 312 are spaced upwardly from the upper portion of the redistributor 242 provided in the low pressure column 240. Therefore, the contact between the gas and the liquid smoothly inside the low pressure column 240, it is possible to operate the low pressure column 240 more stably. In particular, when the nozzles of the second supply pipe 324 and the nozzle of the first discharge pipe 312 positioned in the low pressure column 240 in the opposite direction to each other can prevent the occurrence of drift in the low pressure column 240. It is more effective.

한편, 상기 부스터팽창기(280)의 입력 라인에는 제 2 냉각기(270)가 마련되어 저온저압의 기체공기를 다시 한 번 압축 및 팽창하며 저온에너지의 발생을 극대화함으로써 상기 저온부(200)에 필요한 저온에너지를 외부 냉각장치의 도움 없이 해결할 수 있다.On the other hand, a second cooler 270 is provided in the input line of the booster expander 280 to compress and expand the low-temperature low-pressure gas air once again and maximize the generation of low-temperature energy to thereby obtain the low-temperature energy required for the low-temperature unit 200. It can be solved without the help of an external chiller.

상술한 바와 같이 구성된 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치에 의한 액체질소 및 액체산소의 제조과정을 살펴보도록 한다.It looks at the manufacturing process of liquid nitrogen and liquid oxygen by the ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus configured as described above.

우선, 상기 흡입구(110)를 통해 액체질소 및 액체산소를 제조하기 위한 원료, 즉 질소 78%, 산소 21% 및 아르곤 1% 정도가 함유된 일반적인 외부공기(feed air)가 공급되면, 압축기(120)를 통해 약 6㎏/㎠의 압력으로 압축되고, 수분리 기(130)를 거치며 응축수가 제거된 후 한 쌍의 흡착탑(140, 150)으로 공급된다. 상기 한 쌍의 흡착탑(140, 150)에서 흡착 및 재생과정을 통해 압축공기에 잔존하는 수분(H2O), 탄산가스(CO2), 탄화수소가스(CmHn) 및 질화가스(NOx)가 제거된 후, 제 1 냉각기(160)를 통해 40℃ 정도로 냉각하여 배출된다.First, when the raw material for producing liquid nitrogen and liquid oxygen, that is, general feed air containing about 78% of nitrogen, 21% of oxygen, and about 1% of argon is supplied through the suction port 110, the compressor 120 Compressed to a pressure of about 6㎏ / ㎠ through a), and through the water separator 130, the condensate is removed and then supplied to a pair of adsorption tower (140, 150). Water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), hydrocarbon gas (C m H n ) and nitriding gas (NO x ) remaining in the compressed air through adsorption and regeneration in the pair of adsorption towers 140 and 150 ) Is removed and then cooled by about 40 ° C. through the first cooler 160 to be discharged.

상술한 과정을 통해 상온부(100)에서 생산된 원료공기는 주열교환기(210)방향과 보조열교환기(220)방향으로 분기된다. 이 중, 주열교환기(210)방향으로 분기된 원료공기는 주열교환기(210)에서 열교환이 이루어져 비점 근처인 약 -170℃ 부근까지 냉각된 후 고압컬럼(230)으로 공급된다. 즉, 초저온고압의 기체상태로 고압컬럼(230)에 공급된다.Raw air produced in the room temperature unit 100 through the above-described process is branched to the main heat exchanger 210 direction and the auxiliary heat exchanger 220 direction. Among these, the raw air branched toward the main heat exchanger 210 is heat-exchanged in the main heat exchanger 210, cooled to about −170 ° C. near the boiling point, and then supplied to the high pressure column 230. That is, it is supplied to the high pressure column 230 in a gas state of ultra low temperature and high pressure.

반면, 보조열교환기(220)방향으로 분기된 원료공기는 부스터팽창기(280)로 공급되고, 상기 부스터팽창기(280)의 압축부(282)에서 소정의 압력으로 압축된 후, 제 2 냉각기(270)와 주열교환기(210)를 거치며 약 -100℃ 부근까지 냉각된다. 그리고 상기 부스터팽창기(280)로 회수되어 팽창부(284)를 통해 초저온저압의 기체상태가 된다. 그 상태로 보조열교환기(220)로 공급되며 상기 보조열교환기(220)에서 약 -170℃까지 냉각된 다음 저압컬럼(240)으로 공급된다.On the other hand, the raw air branched in the direction of the auxiliary heat exchanger 220 is supplied to the booster expander 280, is compressed to a predetermined pressure in the compression unit 282 of the booster expander 280, and then the second cooler 270 ) And the main heat exchanger 210 is cooled to about -100 ℃. And it is recovered to the booster expander 280 through the expansion portion 284 is a cryogenic low pressure gas state. In this state is supplied to the auxiliary heat exchanger 220 is cooled to about -170 ℃ in the auxiliary heat exchanger 220 and then supplied to the low pressure column (240).

상술한 부스터팽창기(280)는 팽창부(284)에서 발생된 에너지를 이용하여 압축부(282)에서 기체공기를 재압축시킴으로써 보다 높은 압력에서 기체공기를 팽창시켜 저온에너지의 발생을 극대화한다. 따라서 외부의 냉각장치 없이도 액체질소 및 액체산소를 생산하기 위하여 필요한 모든 저온에너지를 공급할 수 있다.The booster expander 280 described above maximizes generation of low-temperature energy by expanding the gas air at a higher pressure by recompressing the gas air in the compression unit 282 using the energy generated in the expansion unit 284. Therefore, it is possible to supply all the low-temperature energy necessary to produce liquid nitrogen and liquid oxygen without an external cooling device.

한편, 상기 고압컬럼(230)으로 공급된 초저온고압의 기체공기는 해당컬럼(230)에서 1차 공기분리가 이루어지며, 1차 공기분리시 분리된 기체질소는 상부로 상승하고 액체공기는 바닥에 모인다.On the other hand, the ultra low temperature and high pressure gas air supplied to the high pressure column 230 is the primary air separation is made in the corresponding column 230, the gas nitrogen separated during the primary air separation rises to the top and the liquid air to the bottom Gather.

이 중에서 상기 고압컬럼(230)의 바닥에 모인 액체공기는 제 1 연결관(332)을 통해 기액분리기(250)로 공급되고, 상기 기액분리기(250)에서 액체스트림과 기체스트림으로 분리된 후, 제 1 공급관(322)과 제 2 공급관(324)을 통해 저압컬럼(240)으로 공급된다. 이때, 상기 제 2 공급관(324)의 기체스트림은 제 3 공급관(326)을 통해 부스터팽창기(280)에서 생산된 초저온저압의 기체와 혼합되어 저압컬럼(240)으로 공급된다.Among these, the liquid air collected at the bottom of the high pressure column 230 is supplied to the gas-liquid separator 250 through the first connecting pipe 332, and separated from the gas-liquid separator 250 into a liquid stream and a gas stream. The low pressure column 240 is supplied through the first supply pipe 322 and the second supply pipe 324. In this case, the gas stream of the second supply pipe 324 is mixed with the ultra low temperature low pressure gas produced by the booster expander 280 through the third supply pipe 326 and supplied to the low pressure column 240.

반면, 상기 고압컬럼(230)의 상부로 상승한 기체질소 중 일부는 제 2 배출관(314)을 통해 주열교환기(210)로 공급되고, 상기 주열교환기(210)에서 상온부(100)로부터 공급된 기체공기를 냉각한 뒤 저장시설(410)로 배출된다. 또한, 기체질소 중 나머지는 제 2 연결관(334)을 통해 저압컬럼(240)의 내부에 마련된 응축기(260)로 공급되어 액화된 후, 고압컬럼(230)으로 회수되거나 보조열교환기(220)를 거쳐 저장시설(420)로 배출된다. 이때, 상기 보조열교환기(220)를 거친 액체질소 중 일부는 필요에 따라 제 3 연결관(336)을 통해 저압컬럼(240)으로 공급되기도 한다.On the other hand, a portion of the gas nitrogen raised to the upper portion of the high pressure column 230 is supplied to the main heat exchanger 210 through the second discharge pipe 314, the gas supplied from the room temperature unit 100 in the main heat exchanger 210 After cooling the air is discharged to the storage facility (410). In addition, the rest of the gaseous nitrogen is supplied to the condenser 260 provided inside the low pressure column 240 through the second connecting pipe 334 to be liquefied, and then recovered to the high pressure column 230 or the auxiliary heat exchanger 220 It is discharged to the storage facility 420 through. In this case, some of the liquid nitrogen that has passed through the auxiliary heat exchanger 220 may be supplied to the low pressure column 240 through the third connection pipe 336 as necessary.

다른 한편, 상기 기액분리기(250)를 통해 저압컬럼(240)으로 공급된 기체 및 액체공기는 해당컬럼(240)에서 2차 공기분리가 이루어지며, 2차 공기분리시 발생된 기체산소는 제 3 배출관(316)을 통해 주열교환기(210)로 공급되고, 상기 주열교환 기(210)에서 상온부(100)로부터 공급된 기체공기를 냉각한 뒤 저장시설(430)로 배출된다.On the other hand, the gas and liquid air supplied to the low pressure column 240 through the gas-liquid separator 250 is secondary air separation in the column 240, the gas oxygen generated during the secondary air separation is a third It is supplied to the main heat exchanger 210 through the discharge pipe 316, the gas air supplied from the room temperature unit 100 in the main heat exchanger 210 is cooled and discharged to the storage facility 430.

반면, 상기 2차 공기분리시 분리된 액체산소는 저압컬럼(240)의 바닥으로 모여 제 4 배출관(318)을 통해 보조열교환기(220)로 공급되고, 상기 보조열교환기(220)에서 과냉되어 저장시설(440)로 배출된다. 또한, 상기 2차 공기분리시 분리된 기체질소는 저압컬럼(240)의 하부에서 상부로 상승하되, 상기 제 3 연결관을 통해 공급된 액체질소(환류액)와 대향하여 접촉함으로써 일부는 액화되어 바닥으로 흘러내린다. 그리고 상기 저압컬럼(240)의 최상단까지 도달한 기체질소는 제 5 배출관(319)을 통해 보조열교환기(220)와 주열교환기(210)를 거쳐 저장시설(450)로 배출된다.On the other hand, the liquid oxygen separated during the secondary air separation is collected at the bottom of the low pressure column 240 is supplied to the auxiliary heat exchanger 220 through the fourth discharge pipe 318, and is supercooled in the auxiliary heat exchanger 220 Discharged to storage facility 440. In addition, the gas nitrogen separated during the secondary air separation rises from the lower portion of the low pressure column 240 to the upper portion, and partly liquefies by contacting with the liquid nitrogen (reflux) supplied through the third connecting pipe. Flow down to the floor The gas nitrogen reaching the uppermost end of the low pressure column 240 is discharged to the storage facility 450 through the auxiliary heat exchanger 220 and the main heat exchanger 210 through the fifth discharge pipe 319.

여기서 상기 2차 공기분리시 분리된 아르곤 성분을 포함한 폐가스는 상술한 바와 같이 제 1 배출관(312)을 통해 배출되고, 보조열교환기(220), 주열교환기(210) 및 히터(170)를 거쳐 상기 한 쌍의 흡착탑(140, 150)으로 공급되어 재생가스로 사용된다.Here, the waste gas including the argon component separated during the secondary air separation is discharged through the first discharge pipe 312 as described above, and is passed through the auxiliary heat exchanger 220, the main heat exchanger 210, and the heater 170. It is supplied to a pair of adsorption towers 140 and 150 and used as regeneration gas.

상술한 바와 같은 방법으로 액체질소 및 액체산소를 제조하는 본 발명은 종래와 달리 파운데이션 필드버스 컨트롤 시스템(foundation fieldbus control system)을 이용하여 액체질소 및 액체산소 제조장치를 제어한다.Unlike the conventional method of manufacturing liquid nitrogen and liquid oxygen in the above-described method, the liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus is controlled by using a foundation fieldbus control system.

상기 파운데이션 필드버스 컨트롤 시스템은 직렬통신 버스를 이용한 분산제어 기술로 본 발명의 액체질소 및 액체산소 제조장치의 컨트롤 시스템에서 사용되는 최하위 계측 장비들 간에 실시간 통신을 제공하는 시스템이다. 즉, 필드버스는 많은 계측기나 구동기, PC 등 각종 기기사이의 효율적인 데이터 교환을 위해서 공장이나 그 밖의 자동화가 필요한 환경에 설치할 수 있는 버스 형태의 구조를 가진 산업용 네트워크이다.The FOUNDATION fieldbus control system is a system for providing real-time communication between the lowest measurement equipment used in the control system of the liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus of the present invention by a distributed control technology using a serial communication bus. In other words, the field bus is an industrial network having a bus structure that can be installed in a factory or other environment for efficient data exchange between many instruments, drivers, PCs, and other devices.

이러한 파운데이션 필드버스 컨트롤 시스템은 각 제어기의 고속통신을 이용한 정보교환을 통하여 유기적인 결합을 이루고 멀티입력/멀티출력의 복잡한 시스템의 제어를 간단한 구성으로 가능하게 하는 특징이 있다. 또한, 적은 수의 전선, 적은 수의 본질 안전 베리어 (Instrinsic safety barrier), 적은 수의 제어 패널(Marshalling panel)을 사용함에 따라 설치비용을 절감할 수 있으며, 단일 버스에 여러 개의 현장 기기를 연결할 수 있어 요구되는 I/O 장비 및 제어 장비를 줄일 수 있다. 또한 필드버스의 기능 블럭(Function Block)은 현장 기기 수준에서 빠르고 쉽게 구축할 수 있고, 기능 블럭의 일관된 블럭 지향의 설계로 각기 다른 제조업체로부터 공급되는 현장 기기들을 통합된 형식으로 분산 제어한다.The FOUNDATION fieldbus control system is characterized by organic coupling through the high-speed communication of each controller, and enables the control of a complex system of multi-input / multi-output in a simple configuration. In addition, the use of fewer wires, fewer Instrinsic safety barriers and fewer Marshalling panels reduces installation costs and allows multiple field devices to be connected to a single bus. This reduces the required I / O equipment and control equipment. In addition, fieldbus function blocks can be quickly and easily deployed at the field device level, and a coherent block-oriented design of the function blocks provides distributed control of field devices from different manufacturers.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치 및 제조방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.Although the ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus and manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention has been shown in accordance with the above description and drawings, which are just described for example and various within the scope without departing from the spirit of the invention It will be understood by those skilled in the art that variations and modifications are possible.

도 1은 본 발명에 의한 공기액화분리장치를 도시하는 구성도.1 is a block diagram showing an air liquefaction separation apparatus according to the present invention.

도 2는 종래기술에 의한 공기액화분리장치를 도시하는 구성도.Figure 2 is a block diagram showing an air liquefaction separator according to the prior art.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

100: 상온부 110: 흡입구100: room temperature unit 110: suction port

120: 압축기 130: 수분리기120: compressor 130: water separator

140, 150: 흡착탑 160: 제 1 냉각기140, 150: adsorption column 160: first cooler

170: 히터 200: 저온부170: heater 200: low temperature part

210: 주열교환기 220: 보조열교환기210: main heat exchanger 220: auxiliary heat exchanger

230: 고압컬럼 240: 저압컬럼230: high pressure column 240: low pressure column

250: 기액분리기 260: 응축기250: gas-liquid separator 260: condenser

270: 제 2 냉각기 280: 부스터팽창기270: second cooler 280: booster expander

312 ~ 319: 제 1 내지 제 4 배출관312 to 319: first to fourth discharge pipes

322 ~ 326: 제 1 내지 제 3 공급관322 to 326: first to third supply pipes

332 ~ 336: 제 1 내지 제 3 연결관332 to 336: first to third connectors

Claims (7)

액체질소 및 액체산소 제조장치에 있어서,In liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus, 외부공기가 유입되는 흡입구(110)와, 흡입된 외부공기를 압축하는 압축기(120)와, 압축된 공기에 포함된 수분 및 이물질을 제거하는 수분리기(130)와, 수분리기(130)에서 미처 제거되지 못한 수분(H2O), 탄산가스(CO2), 탄화수소가스(CmHn) 및 질화가스(NOx)를 제거하는 한 쌍의 흡착탑(140, 150)과, 이물질이 제거된 압축공기를 냉각하는 제 1 냉각기(160)를 포함하는 상온부(100); 및The suction port 110 into which the outside air is introduced, the compressor 120 to compress the sucked outside air, the water separator 130 to remove moisture and foreign matter contained in the compressed air, and the water separator 130. A pair of adsorption towers 140 and 150 for removing the unremoved water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), hydrocarbon gas (C m H n ) and nitriding gas (NO x ), and foreign matters Room temperature unit 100 including a first cooler 160 for cooling the compressed air; And 제 1 냉각기(160)에서 냉각된 기체공기를 냉각하는 주열교환기(210) 및 보조열교환기(220)와, 주열교환기(210)에서 냉각된 기체공기로부터 기체질소를 분리하는 고압컬럼(230)과, 고압컬럼(230)에서 공급된 액체공기로부터 산소와 질소를 분리하는 저압컬럼(240)과, 고압컬럼(230)에서 공급된 액체공기를 기체스트림과 액체스트림으로 분리하여 저압컬럼(240)으로 공급하는 기액분리기(250)와, 고압컬럼(230)에서 분리된 기체질소를 응축하는 응축기(260)를 포함하는 저온부(200)로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치.A high pressure column 230 for separating gaseous nitrogen from the gas air cooled in the main heat exchanger 210 and the auxiliary heat exchanger 220, and cooling the gas air cooled in the first cooler 160; The low pressure column 240 separating oxygen and nitrogen from the liquid air supplied from the high pressure column 230 and the low pressure column 240 separates the liquid air supplied from the high pressure column 230 into a gas stream and a liquid stream. Ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus comprising a gas-liquid separator 250 for supplying, and a low temperature unit 200 including a condenser 260 for condensing the gas nitrogen separated from the high pressure column (230). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 냉각기(160)와 보조열교환기(220)의 사이에 제 2 냉각기(270) 및 부스터팽창기(280)가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 초소형 액체질소 및 액 체산소 제조장치.Ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus, characterized in that further provided between the second cooler (270) and the booster expander (280) between the first cooler (160) and the auxiliary heat exchanger (220). 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 저압컬럼(240)에서 분리된 아르곤 성분을 포함한 폐가스스트림을 한 쌍의 흡착탑(140, 150)으로 공급하는 배관(312)을 더 포함하되 상기 배관(312)은 단일배관인 것을 특징으로 하는 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치.Further comprising a pipe (312) for supplying a waste gas stream containing the argon component separated from the low pressure column 240 to a pair of adsorption tower (140, 150), the pipe 312 is a very small, characterized in that the single pipe Liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 기액분리기(250)에서 분리된 액체스트림과 기체스트림을 저압컬럼(240)에 공급하는 배관(322, 324)과 폐가스스트림을 배출하는 배관(312)은 소정의 높이차를 두고 저압컬럼(240)에 연결되는 것을 특징으로 하는 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치.The pipes 322 and 324 for supplying the liquid and gas streams separated from the gas-liquid separator 250 to the low pressure column 240 and the pipes 312 for discharging the waste gas stream have a low pressure column 240 with a predetermined height difference. Ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus characterized in that connected to). 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 저압컬럼(240)의 내부에는 재분배기(242)가 마련되고, 상기 액체스트림, 기체스트림 및 폐가스스트림의 배관(322, 324, 312)은 상기 재분배기(242)의 상부에서 상향으로 이격되는 것을 특징으로 하는 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치.A redistributor 242 is provided inside the low pressure column 240, and the pipes 322, 324, and 312 of the liquid stream, the gas stream, and the waste gas stream are spaced upwardly from the top of the redistributor 242. Ultra-small liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus, characterized in that. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 주열교환기(210) 및 보조열교환기(220)는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)인 것을 특징으로 하는 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치.The main heat exchanger 210 and the auxiliary heat exchanger 220 is a microcircuit liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus, characterized in that the PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger). 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 상온부(100) 및 저온부(200)의 각 구성요소는 파운데이션 필드버스 방식에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 초소형 액체질소 및 액체산소 제조장치.Each of the components of the room temperature unit 100 and the low temperature unit 200 is a micro liquid nitrogen and liquid oxygen production apparatus, characterized in that controlled by the foundation fieldbus method.
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