KR101040677B1 - 내산성 고온냉각기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내산성 고온냉각기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강산 반응계통에 적용되어 가열기 또는 반응로 등으로부터 배출되는 고온의 강산 가스를 냉각시키는 냉각기에 있어서, 고온, 고압의 강산에 대하여 내열성/내부식성이 우수한 헥살로이(Hexalloy : SiC)로 구성되되, 고온에 의한 이송관의 열 팽창을 효과적으로 흡수하는 동시에, 공냉식 및 수냉식의 이단계 냉각을 수행하여 이송관에 가해지는 열충격을 최소화함으로써 고온, 고압의 강산 가스를 안정적으로 냉각할 수 있는 내산성 고온냉각기에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 강산 반응계통에 적용되어 고온의 강산을 냉각하기 위한 장치에 있어서, 강산을 통과시키는 다수개의 이송관, 상기 이송관의 입력단에 결합되어 상기 이송관을 반응계통의 배관과 연결시키는 플레넘, 상기 이송관의 입력단측 외부에 배치되어 이송관을 통과하는 고온의 강산을 1차적으로 냉각시키는 냉각팬, 상기 냉각팬에 의해 1차 냉각된 이송관의 후단을 내부에 수용하여 저장된 냉각수를 통해 이송관 내부의 강산을 2차적으로 냉각하는 냉각 챔버 및 상기 플레넘과 냉각챔버를 결합시키는 다수의 지지 볼트를 포함한다.

강산, 고온, 냉각기, 반응계통, 냉각팬, 냉각 챔버

Description

내산성 고온냉각기{A high temperature cooler for acid fluid}

본 발명은 내산성 고온냉각기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강산 반응계통에 적용되어 가열기 또는 반응로 등으로부터 배출되는 고온의 강산 가스를 냉각시키는 냉각기에 있어서, 고온, 고압의 강산에 대하여 내열성/내부식성이 우수한 헥살로이(Hexalloy : SiC)로 구성되되, 고온에 의한 이송관의 열 팽창을 효과적으로 흡수하는 동시에, 공냉식 및 수냉식의 이단계 냉각을 수행하여 이송관에 가해지는 열충격을 최소화함으로써 고온, 고압의 강산 가스를 안정적으로 냉각할 수 있는 내산성 고온냉각기에 관한 것이다.

일반적으로 강산은 물과 결합된 수용액 상태에서 해리도가 1에 가까워 수소 이온을 다량으로 발생시키는 산으로서 그 대표적인 물질로는 염산, 질산 및 황산 등을 들 수 있다.

이러한 강산은 부식성이 매우 강하여 통상 물과 결합하여 강산 용액으로 액화되어 사용되고 있으며, 금속의 박막이나 황산동 생산 또는 원자력 수소 생산 등 의 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.

상술한 바와 같은 황산동 생산이나 원자력 수소 생산 장치 등의 공정에서는 고압의 조건에서 강산을 끓는 온도 이상의 고온으로 가열하여 공정반응을 달성한 후 냉각기를 통해 상기 고온의 강산을 저온으로 냉각 처리한다.

이에 따라, 냉각기는 고온, 고압으로 인해 그 부식성이 현저하게 증가된 강산을 수용하기 위하여 고온, 고압에서의 강산의 높은 부식성을 견딜 수 있도록 구성되는 것이 요구된다.

종래의 강산 냉각 시스템에서는 강산 용액에 대한 내부식성이 좋은 하스텔로이(Hastelloy) 또는 유리나 테프론(Teflon) 등의 재질로 구성된 강산 냉각기가 주로 사용되어 왔으나, 이와 같은 종래의 강산 냉각기는 통상 3기압, 250℃ 정도의 온도 및 압력 조건이 그 수용 한계이며, 이보다 가혹한 온도 및 압력조건에서는 내부가 손상되어 사용할 수 없는 문제점이 있다.

특히, 최근 원자력 수소의 생산과 관련하여 요구되는 황산 계통에서는 통상 10기압 정도의 압력조건에서 600℃이상의 고온이 요구되는 바, 이러한 가혹한 온도 및 압력 조건하에서도 안정적으로 수소생산 부품들을 검증할 수 있는 실험장치에 내산성 냉각기의 구성이 절실하게 요구된다.

이에 따라, 본 발명은 고온, 고압의 강산을 안정적으로 냉각할 수 있는 내산성 고온냉각기를 제공하기 위한 것으로서, 고온의 강산이 통과하는 이송관을 내부식성이 강한 헥살로이(Hexalloy : SiC)로 구성시킴으로써 고온, 고압의 한계에서도 안정적으로 강산을 냉각할 수 있도록 한다.

또한, 온도차로 인한 이송관의 열팽창을 흡수하도록 구성함과 동시에, 고온의 강산을 단계적으로 냉각하도록 구성함으로써 냉각기 내부의 구조적 손상을 방지하고 안정적으로 고온의 강산을 냉각할 수 있도록 한다.

본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 내산성 고온냉각기를 고온 고압의 환경하에서 강한 내부식성을 갖는 헥살로이(Hexalloy : SiC)를 재질로 하여 구성함으로써 고온의 강산을 저온으로 냉각시키는 데에 있다.

또한, 고온의 강산을 유입하여 저온으로 냉각하는 데 있어서 발생하는 온도차로 인한 이송관의 팽창 또는 수축을 효과적으로 수용할 수 있도록 구성함과 동시에, 고온의 강산을 단계적으로 냉각하도록 구성함으로써 냉각기 내부의 구조적 손상을 방지하고 안정적으로 고온의 강산을 냉각시키는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 강산 반응계통에 적용되어 고온의 강산을 냉각하기 위한 장치에 있어서, 강산을 통과시키는 다수개의 이송관, 상기 이송관의 입력단에 결합되어 상기 이송관을 계통의 배관과 연결시키는 플레넘, 상기 이송관의 입력단측 외부에 배치되어 이송관을 통과하는 고온의 강산을 1차적으로 냉각시키는 냉각팬, 상기 냉각팬에 의해 1차 냉각된 이송관의 후단을 내부에 수용하여 저장된 냉각수를 통해 이송관 내부의 강산을 2차적으로 냉각하는 냉각 챔버 및 상기 플레넘과 냉각챔버를 결합시키는 다수의 지지 볼트를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의하면 내산성 고온냉각기는 고온 고압의 환경하에서 강한 내부식성을 갖는 헥살로이(Hexalloy : SiC)를 재질로 구성되어 고온의 강산에 대한 부식을 충분히 견딜 수 있음으로써 고온, 고압의 강산을 안정적으로 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 고온의 강산을 저온으로 냉각하는 데 있어서 발생하는 온도차로 인한 급격한 이송관의 열팽창을 흡수하도록 구성하는 동시에, 고온의 강산을 단계적으로 냉각시켜 온도 변화로 인해 발생하는 열충격을 최소화함으로써 이송관의 파손을 방지하여 고온 냉각기의 구조적 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 내산성 고온냉각기를 보여주는 단면도이며, 도 1(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내산성 고온냉각기를 보여주는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내산성 고온냉각기를 보여주는 사시도이다.

도 1(a), 도 1(b) 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 내산성 고온냉각기는 강산을 통과시키는 다수의 이송관(100), 상기 이송관(100)의 입력단 및 출력단에 결합되어 상기 이송관을 반응계통의 배관과 연결시키는 플레 넘(200), 상기 이송관(100)의 입력단측 외부에 배치되어 이송관(100)을 통과하는 고온의 강산을 1차적으로 냉각시키는 상기 냉각팬(300)에 의해 1차 냉각된 이송관(100)의 후단을 내부에 수용하여 저장된 냉각수를 통해 이송관(100) 내부의 강산을 2차적으로 냉각하는 냉각 챔버(400) 및 상기 플레넘(200)과 냉각챔버(400)를 결합시키는 다수의 지지 볼트(600)로 구성된다.

이송관(100)은 강산이 통과되는 배관으로서 다수개의 관으로 형성되며, 고압 고온에서도 강산에 의해 부식되지 않는 헥살로이(Hexalloy : SiC)로 구성되어 진다.

플레넘(200)은 이송관(100)의 입력단 및 출력단에 형성되어, 상기 이송관(100)과 반응계통의 배관을 연결시켜 줌으로써, 고온의 강산이 계통의 배관으로부터 다수개의 이송관(100)으로 유입되거나 또는 다수개의 이송관(100)으로부터 계통의 배관으로 배출되도록 해준다.

이러한 플레넘(200)은 내부에 강산을 수용하도록 중공부가 형성되는 몸체 형상으로, 일단에는 실링플랜지부(210, 410)가 형성되고, 타단에는 반응계통의 배관과 연결되도록 개구단이 형성된다.

실링플랜지부(210, 410)는 헥살로이 재질의 실링 블록(210a, 410a)과, 실링 블록(210a, 410a) 양단에 각각 형성되어 실링 블록(210a, 410a)을 지지하는 환형의 스테인레스 스틸 재질의 지지플랜지(210b, 410b) 및 상기 실링 블록(210a, 410a)과 한 쌍의 지지플랜지(210b, 410b)를 결합시켜주는 체결 볼트(210c, 410c)로 구성된다.

이러한 실링플랜지부(210, 410)의 구성은, 장치의 장기간 운전으로 인해 부품이 손상될 시, 부품의 교체를 용이하게 할 수 있도록 하기 위함이다.

실링플랜지부(210, 410)의 중앙부에는 다수개의 이송관(100)이 삽입, 관통될 수 있도록 다수개의 삽입홀이 형성되고, 외곽부에는 체결 볼트(210c, 410c) 및/또는 지지 볼트(600)가 관통되도록 다수의 고정홀이 형성되어 있다.

상기 실링플랜지부(210, 410)의 삽입홀의 각각에는 이송관(100)과 플레넘(200)을 연결시키되, 고온 강산의 냉각과정에서의 온도차에 의한 이송관(100)의 팽창을 흡수하는 동시에, 강산의 누출을 방지하는 실링 부재(500)가 구비된다.

여기서, 상기 실링 부재(500)에 대한 상세한 설명은 도 3을 통해 상세히 설명하기로 한다.

냉각팬(300)은 이송관(100)의 입력단측 즉, 고온단측의 외부에 배치되어 냉풍을 제공함으로써 고온의 이송관(100)이 1차적으로 냉각되도록 해주며, 필요에 따라 다수개의 냉각팬(300)이 구비될 수 있다.

냉각 챔버(400)는 내부에 중공부가 형성되는 원통형으로 구성되며, 입력단 및 출력단에는 상술한 바와 같은 실링플랜지부(410)가 각각 형성되고, 냉각팬(300)에 의해 1차 냉각된 이송관(100)의 후단부를 수용하도록 구성되어, 중공부에 저장된 냉각수를 통해 이송관(100) 내부를 통과하는 강산을 냉각한다.

냉각 챔버(400)의 입력단에 형성된 실링플랜지부(410)는 외곽부에 형성된 고정홀에 상기 플레넘(200)의 실링플랜지부(410)의 고정홀을 관통하는 지지 볼트(600)가 관통되어, 플레넘(200)과 냉각 챔버(400)가 상기 지지 볼트(600)를 통해 서로 결합 및 지지되어 지고, 실링플랜지(210)의 중앙부에 형성된 삽입홀에는 삽입홀을 관통하는 이송관(100)을 수용하는 실링 부재(500)가 구비된다.

냉각 챔버(400)의 출력단에 형성된 실링플랜지부(410)는 일단에 플레넘(200)이 형성되어 저온의 강산 가스가 집결되어 배출되어 지고, 실링플랜지(410)의 중앙부에는 실링 부재(500)가 구비되어 이송관을 수용하고 있다.

이때, 상술한 바와 같은 냉각 챔버(400)의 출력단에 형성된 실링플랜지부(410)는 저온의 강산 가스를 수용하기 때문에, 도 1(b)에서와 같이, 실링플랜지부(410)의 실링 블록(410a)은 헥살로이 이외의 테프론 재질의 블록으로 구비될 수 있으며, 이송관(100)을 실링하는 실링 부재(500)는 통상의 이중 오링(700)으로 구비되어 이송관(100)을 실링할 수 있다.

이와 같이, 냉각 챔버(400)의 각 실링플랜지부(410)의 중앙부에 형성된 다수개의 삽입홀의 각각에는 실링 부재(500)가 구비되어 있는데, 상기 실링 부재(500)는 냉각 챔버(400) 내부에 저장되어 있는 냉각수의 누출을 방지하고, 냉각과정에서의 온도차에 의한 이송관(100)의 팽창 및 수축을 흡수함으로써, 이송관(100)의 팽창을 효율적으로 수용한다.

이러한 실링 부재(500)는 상기 플레넘(200)을 구성하는 실링 부재(500)와 그 기본적인 구성이 동일한 바, 실링 부재(500)에 대한 상세한 설명은 도 3에서 상세히 설명하기로 한다.

냉각 챔버(400)에는 냉각수를 공급받는 송수관(420) 및 냉각수를 외부로 배출시키는 배수관(430)이 각각 적어도 하나 이상으로 구비되는데, 상기 송수관(420) 및 배수관(430)의 개수나 설치 위치는 냉각 조건에 따라 다양하게 선택될 수 있다.

이와 같이, 이송관(100)을 1차적으로 공기에 노출시켜 냉각팬(300)으로 냉각시킨 후 냉각수로 2차 냉각하는 이유는, 고온, 고압 상태의 이송관(100)에 냉각수를 직접적으로 공급할 경우, 이송관(100)의 온도가 급격하게 변화하게 되고, 이에 따른 열충격으로 인해 이송관(100)이 손상될 위험이 있기 때문이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 내산성 고온냉각기는 고온의 강산이 유입되는 이송관(100)의 고온단을 냉각팬(300)을 통해 1차적으로 냉각시키고, 이후 이송관(100)을 냉각 챔버(400)의 냉각수를 통해 2차적으로 냉각시킴으로써 고온의 강산을 안정적으로 냉각시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내산성 고온냉각기의 플레넘(200)과 냉각 챔버(400)에 적용되는 실링 부재(500)를 설명하기 위한 도면이다.

도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 실링 부재(500)는 플레넘(200)과 냉각 챔버(400)에 모두 적용되며, 플레넘(200)에서는 고온의 강산이 누출되는 것을 방지하고, 냉각 챔버(400)에서는 냉각수가 외부로 누출되는 것을 방지한다.

또한, 실링 부재(500)는 플레넘(200)과 냉각 챔버(400)의 내부에 삽입 또는 관통되는 이송관(100)에 있어서, 고온 강산의 냉각과정에서의 온도차에 의한 이송관(100)의 팽창을 효과적으로 흡수함으로써 이송관(100)의 내부 균열을 방지하여 고온냉각기의 구조적 손상을 방지해준다.

이러한 실링 부재(500)는 상기 플레넘(200) 및 냉각 챔버(400)에 형성된 각 실링플랜지부(210, 410)의 삽입홀(211, 411) 내부에 충진되는 다수개의 패킹(510) 과, 상기 패킹(510)을 삽입홀(211, 411) 내부로 밀착하는 압축판(520) 및 상기 압축판(520)을 실링플랜지부(210, 410)에 압축 고정시키는 압축 볼트(530)로 구성된다.

패킹(510)은 링 형상으로 다수개 형성되어 실링플랜지부(210, 410)의 삽입홀(211, 411)과 상기 삽입홀(211, 411)에 관통되는 이송관(100) 사이에 형성되는 틈에 충진되어 진다.

이러한, 패킹(510)은 고온의 강산을 통과시키는 이송관의 냉각과정에서 온도차로 인해 이송관(100)이 팽창 또는 수축될 경우, 이를 흡수함으로써 이송관(100) 내부가 열응력(Thermal stress)로 인해 손상되지 않도록 해준다.

이를 위하여, 패킹(510)은 고온, 고압의 강산에 의한 내열성/내부식성이 좋은 그래파이트 실란트(Graphite sealant)로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 틈에 충분히 충진되도록 3개 내지 5개의 링으로 구성되는 것이 바람직하다.

단, 냉각 챔버(400)의 저온단측 실링플랜지부(410)에 구비되는 패킹(510)은 저온단측 실링플랜지부(410)를 관통하는 이송관(100)의 온도가 냉각수를 통해 현저하게 낮아지는 바, 상기 냉각 챔버(400)의 저온단측 실링플랜지부(410)에 구비되는 패킹(510)은 일반적인 오링 또는 백업(Back up)링 등으로 구성될 수도 있다.

압축판(520)은 중앙부가 돌출된 형상으로, 중앙부에는 실링플랜지부(210, 410)의 삽입홀(211, 411)을 관통한 이송관(100)이 관통되도록 수용홀(521)이 형성되어 있으며, 외곽부에는 압축 볼트(530)가 삽입될 압축홀(522)이 형성되어 있다.

이러한 압축판(520)은 실링플랜지부(210, 410)의 삽입홀(211, 411)의 틈에 삽입되면서 상기 틈에 충진된 패킹(510)을 돌출부로 밀착함으로써 상기 틈이 충분히 메꿔지도록 하여 플레넘(200) 및 냉각 챔버(400) 내의 유체 즉, 고온의 강산 또는 냉각수가 외부로 누출되지 않도록 해준다.

압축 볼트(530)는 압축판(520)의 압축홀(522)에 삽입되어 실링플랜지부(210, 410)에 고정됨으로써 상기 압축판(520)이 실링플랜지부(210, 410)에 결합되도록 해주고, 동시에 압축판(520)이 패킹(510)을 보다 밀착시킬 수 있도록 해준다.

상술한 바와 같이, 실링 부재(500)는 플레넘(200)로부터 고온의 강산이 이송관(100)으로 유입될 시, 고온의 강산이 누출되지 않도록 해줌과 동시에, 강산을 고온에서 저온으로 냉각하는 과정에 있어서, 이송관(100)이 온도차로 인해 팽창 및 수축할 시, 이를 흡수함으로써 고온냉각기의 구조적 손상을 방지해준다.

또한, 냉각 챔버(400)의 내부로 냉각수가 저장될 시, 냉각수가 냉각 챔버(400) 외부로 새지않도록 해줌으로써 이송관(100)이 보다 효율적으로 냉각될 수 있도록 해준다.

이와 같이, 본 발명에 따른 내산성 고온냉각기는 고온 고압의 환경하에서 강한 내부식성을 갖는 헥살로이(Hexalloy : SiC)를 재질로 구성되어 고온의 강산에 대한 부식을 충분히 견딜 수 있음으로써 고온, 고압의 강산 안정적으로 냉각시킬 수 있다.

또한, 고온의 강산을 저온으로 냉각하는 데 있어서 발생하는 온도차로 인한 급격한 이송관의 열팽창을 흡수하도록 구성하는 동시에, 고온의 강산을 단계적으로 냉각시켜 온도 변화로 인해 발생하는 열충격을 최소화함으로써 이송관의 파손을 방 지하여 고온 냉각기의 구조적 손상을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 부에내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

도 1(a)는 본 발명의 일실시예에 따른 내산성 고온냉각기를 보여주는 단면도.

도 1(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내산성 고온냉각기를 보여주는 단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내산성 고온냉각기를 보여주는 사시도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내산성 고온냉각기의 플레넘과 냉각 챔버에 적용되는 실링 부재를 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 이송관 200 : 플레넘

210, 410 : 실링플랜지부 210a : 실링 블록

210b : 지지플랜지 210c : 체결 볼트

211, 411 : 삽입홀 212, 412 : 고정홀

300 : 냉각팬 400 : 냉각 챔버

420 : 송수관 430 : 배수관

500 : 실링 부재 510 : 패킹

520 : 압축판 530 : 압축 볼트

600 : 지지 볼트 700 : 오링

Claims (6)

1. 강산 반응계통에 적용되어 고온의 강산을 냉각하기 위한 장치에 있어서,

   강산을 통과시키는 다수개의 이송관;

   상기 이송관의 입력단에 결합되어 상기 이송관을 반응계통의 배관과 연결시키는 플레넘;

   상기 이송관의 입력단측 외부에 배치되어 이송관을 통과하는 고온의 강산을 1차적으로 냉각시키는 냉각팬;

   상기 냉각팬에 의해 1차 냉각된 이송관의 후단을 내부에 수용하여 저장된 냉각수를 통해 이송관 내부의 강산을 2차적으로 냉각하는 냉각 챔버; 및

   상기 플레넘과 냉각챔버를 결합시키는 다수의 지지 볼트;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내산성 고온냉각기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 플레넘의 일단에는 중앙부에 이송관이 관통되도록 다수개의 삽입홀이 형성되고, 외곽부에 지지 볼트가 관통되도록 다수개의 고정홀이 형성되는 실링플랜지부가 형성되어 있으며,

   타단에는 실험 루프의 배관과 연결되도록 개구단이 형성되되,

   상기 실링플랜지부의 삽입홀 각각에는 상기 이송관과 플레넘을 연결하여 밀 폐하는 실링 부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 내산성 고온냉각기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각 챔버는,

   양단에 실링플랜지부가 각각 형성되고 내부에 중공부가 형성되는 원통형으로 구성되되,

   상기 실링플랜지부의 중앙부에는 상기 다수개의 이송관이 내부를 관통하도록 다수개의 삽입홀이 형성되고, 외곽부에는 지지 볼트가 관통되는 다수개의 고정홀이 형성되어 있으며,

   냉각수를 공급받는 송수관 및 냉각수를 외부로 배출시키는 배수관이 각각 적어도 하나 이상으로 형성되고,

   상기 실링플랜지부의 삽입홀 각각에는 상기 이송관과 냉각 챔버를 연결해주는 실링 부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 내산성 고온냉각기.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 실링 부재는,

   상기 실링플랜지부의 삽입홀과 삽입홀을 관통하는 이송관 사이의 틈에 충진되는 다수개의 패킹;

   중앙부가 돌출되도록 형성되되, 중앙부에는 상기 이송관이 관통되도록 수용홀이 형성되고, 외곽부에는 압축 볼트가 관통되도록 압축홀이 형성되어, 상기 패킹을 틈 내부로 밀착시키는 압축판; 및

   상기 압축판의 압축홀에 삽입되어 상기 압축판을 실링플랜지부에 압축 고정시키는 압축 볼트;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내산성 고온냉각기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 이송관은 헥살로이(Hexalloy : SiC)로 구성되는 것을 특징으로 하는 내산성 고온 냉각기.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 패킹은

   그래파이트 실란트(Graphite sealant)로 구성되는 것을 특징으로 하는 내산성 고온냉각기.

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