KR101099855B1 - 공기분리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산소가스를 에너지를 절감하여 제조할 수 있고 장치를 현저하게 소형화할 수 있는 공기분리장치를 제공하는 것으로, 외부로부터 공기를 취입하여 압축하는 공기압축기(1), 상기 공기압축기(1)에 의해 압축된 압축공기 중의 산소가스를 농축하는 제 1 흡착탑(2,3), 상기 제 1 흡착탑(2, 3)을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 다시 압축하는 산소공기 압축기(11), 상기 산소공기 압축기(11)를 거친 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 냉각하는 주열교환기(21), 상기 주열교환기(21)를 경유하여 저온으로 냉각된 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 각 성분 가스의 비등점 차이를 이용해서 분리하여 산소가스를 취출하는 고압정류탑(23) 및 저압 정류탑(28)을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

공기분리장치{AIR SEPARATOR}
본 발명은 산소가스를 에너지 절감하여 제조할 수 있고 장치를 현저하게 소형화할 수 있는 공기분리장치에 관한 것이다.
일반적으로 질소가스(GN2), 산소가스(GO2), 아르곤(Ar) 등은 도 6에 도시한 바와 같이, 공기를 원료로 하고 이를 공기압축기(61)에서 압축한 후, 흡착탑(62)에 넣어 압축공기 중의 물(H2O), 탄산가스(CO2) 및 탄화수소가스(CnMm)를 흡착 제거하고, 또한 냉각박스(63) 내의 주열교환기(도시하지 않음)를 통하여 냉매와 열교환시켜 초저온으로 냉각하고, 다음에 정류탑(도시하지 않음) 내에서 심냉 분리하여 제품가스(질소가스, 산소가스 등)를 제조하고 이를 상기 주열교환기를 통하여 상온 근처까지 온도를 상승시키는 공정을 거쳐 제조된다. 또한, 냉각박스(63)로부터 취출되는 폐가스는 흡착탑(62)의 재생용으로서 이용되고 있다(예를 들어, 일본 공개특허공보 평8-261644호 참조). 도 6에서 "64"는 재생·배기용 히터이다.
이와 같은 공기분리장치에서는 공기 압축기(61)로서, 통상 토출압력이 5㎏/㎠G〔0.5 MPaG(게이지압)〕 정도의 공기압축기(61)가 사용되고 있지만, 상기 공기압축기(61)를 사용하여 10,000㎥/h(노멀)의 산소가스를 제조하고자 하면, 이에 필 요한 공기량은 공기의 각 성분가스의 성분비율(체적%)이 산소 20.9% : 질소 78.1% : 아르곤 0.9%이므로, 산소가스의 회수효율을 97%로 하면 이론상에서는 공기량 = (10,000÷0.209)÷0.97로 산출되고, 약 50,000㎥/h(노멀)의 공기량이 필요해진다. 이 때문에, 상기 필요한 공기량에 알맞는 흡착탑(62), 주열교환기, 정류탑 등을 사용할 필요가 있어 장치 전체가 대규모가 되고 있다. 또한, 10,000㎥/h(노멀)의 산소가스를 제조하는 경우, 이에 필요한 공기압축기(61)의 압축동력(이 압축동력은 통상, 상기 필요한 공기량의 수치에 약 0.09를 곱한 값으로 되어 있음)이 4500kW 정도이고 흡착탑(62)의 재생·배기용 히터(64)의 구동동력이 500kW 정도이므로, 합계 5000kW 정도의 큰 동력을 필요로 하고, 산소가스의 제조에 많은 에너지를 필요로 하고 있다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안한 것으로 산소가스를 에너지를 절감하여 제조할 수 있고, 심냉분리기구(냉각박스 및 그 내부기기) 등을 대폭 소형화할 수 있는 공기분리장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 공기분리장치는 외부로부터 공기를 취입하여 저압으로 압축하는 공기압축수단, 상기 공기압축수단에 의해 압축된 압축 공기 중의 산소가스를 농축하는 산소농축수단, 상기 산소농축수단을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 다시 압축하는 산소공기 압축수단, 상기 산소공기 압축수단을 거친 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 냉각하는 열교환기 및 상기 열교환기를 경유하여 저온으로 냉각된 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 각 성분 가스의 비등점 차이를 이용해서 분리하여 산소가스를 취출하는 정류탑을 구비하는 구성을 갖는다.
즉, 본 발명의 공기분리장치는 공기압축수단에 의해 원료공기를 저압력으로 압축하고, 상기 공기압축수단에 이어 그 압축공기 중의 산소가스를 농축하는 산소농축수단을 설치하여 원료공기 중의 산소농도를 높이고, 이를 산소공기 압축수단, 열교환기를 경유하여 정류탑에 공급하고 있다. 그 때문에, 동일량의 산소가스 등을 제조하는 경우, 대폭적인 에너지 절약이 가능함과 동시에, 산소농축수단 이후의 각 수단의 유통유량의 대폭적인 감소를 실현함으로써, 이를 종래의 반 이하로 소형화할 수 있고, 결과적으로 장치 전체의 현저한 소형화를 달성할 수 있다. 여기에서, 상기 저압이라는 것은 산소공기 압축수단에 의한 압축압력 보다도 작은 것을 말하고 통상은 산소공기 압축수단의 압축압력의 1/3 이하, 바람직하게는 1/5 이하, 보다 바람직하게는 1/10 이하인 것을 말한다.
또한, 상기 산소농축수단을 압축공기 중의 질소가스를 흡착하는 흡착제를 수용하는 흡착탑으로 하고, 상기 흡착제에서 압축 공기 중의 수분 등의 불순물도 제거하도록 한 경우에는 상기 흡착탑의 흡착제의 작용에 의해 압축공기 중의 산소가스를 농축시킬 수 있고 압축공기 중의 수분도 제거할 수 있으므로, 산소농축수단에 이은 산소공기 압축수단으로 압축하는 대상은 보다 건조된 것이 되어 압축동력을 보다 감소시킬 수 있다.
또한, 산소공기 압축수단과 열교환기 사이에, 고농도 산소함유 압축공기(Y) 중의 불순물을 제거하는 제거수단을 설치했을 때에는 상기 고농도 산소함유 압축공기(Y) 중에 미량 잔존하는 탄화수소, 수분, NOx 등을 제거할 수 있고 원료공기로서 해안 연안의 공기(나트륨 이온 많음) 또는 도로변의 공기(자동차 배기가스 많음) 등, 질이 나쁜 공기도 이용할 수 있게 된다.
또한, 산소농축수단을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 산소공기 압축수단에 도입하는 도입로에, 공기압축수단에 의해 압축된 압축공기의 일부를 산소농축수단을 경유시키지 않고, 직접 공급하도록 한 경우에는 공기압축수단을 거친 후 상기 도입로에 직접 공급되는 압축공기의 일부와, 공기압축수단을 거친 후 산소농축수단에 도입되어 여기에서 고농도 산소함유 압축공기(X)가 되고 상기 도입로에 공급되는 압축공기의 잔부를 상기 도입로에서 합류시키고, 이에 의해 고농도 산소함유 압축공기(X) 중의 산소농도를 감소시킬 수 있으므로, 산소 제조량을 적게 하고 싶을 때에는 상기 도입로에 직접 공급하는 압축 공기량을 조정함으로써 대응할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 공기분리장치의 한 실시형태를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 공기분리장치의 다른 실시형태를 도시한 구성도,
도 3은 본 발명의 공기분리장치의 또 다른 실시형태를 도시한 구성도,
도 4는 본 발명의 공기분리장치의 또 다른 실시형태를 도시한 구성도,
도 5는 본 발명의 공기분리장치의 또 다른 실시형태를 도시한 구성도 및
도 6은 종래예를 도시한 구성도이다.
도 1은 본 발명의 공기분리장치의 한 실시형태를 도시하고 있다. 도면에서 "1"은 대기를 취입하여 압축하는 공기압축기(공기압축수단)이고, 그 토출압력은 0.1㎏/㎠G〔0.01MPaG(게이지압)〕 정도의 저압으로 설정되어 있다. "1a"는 공기압축기(1)를 거친 압축공기를 제 1 흡착탑(2, 3)에 공급하는 제 1 공급 파이프이다. 제 1 흡착탑(산소농축수단)(2, 3)은 내부에, 상류측에 실리카겔 등의 흡착제가 충전되고, 하류측에 당출원인이 개발한 모레큘러시브스제 흡착제(에어워터사 제조 AW0203)가 충전되어 있다. 상기 제 1 흡착탑(2,3)은 2개가 한쌍이 되어 있어 흡착·재생을 번갈아 전환하여 운전한다. 상기 실시형태에서는 제 1 흡착탑(2,3)의 흡착제의 작용(질소가스 흡착작용)에 의해 공기압축기(1)를 거친 저압의 압축공기 중의 각 성분 가스의 성분비율(체적 %)을, 예를 들어 산소가스 50%: 질소가스 47.5%: 아르곤가스 2.5% 정도로 하고, 압축공기 중의 질소가스의 농도를 20.9 체적%에서 50체적%로 농축하고 있다. 제 1 흡착탑(2,3)은 상기 농축과 동시에 흡착제의 작용에 의해 압축 공기 중의 물(H2O), 탄산가스(CO2) 및 탄화수소가스(CnHm) 등을 흡착 제거한다. "4"는 제 1 흡착탑(2,3)의 재생·배기용 진공펌프이고 "4a"는 제 1 방출 파이프이고, 제 1 흡착탑(2, 3)의 흡착제에 흡착된 폐가스를 대기에 방출하여 흡착제를 재생하는 작용을 한다. 이와 같이, 제 1 흡착탑(2, 3) 및 개폐밸브(6a, 6b, 8a, 8b)가 부착된 파이프 경로 및 진공펌프(4)로 이루어진 계(system)는 VSA(Vacuum Swing Adsorption)의 막분리가 되어 있어 한쪽의 제 1 흡착탑(2 또는 3)이 흡착 작동하고 있을 때에는 다른 쪽 제 1 흡착탑(3 또는 2)은 진공펌프(4)의 진공 흡인에 의해 재생된다. 또한, 상기 공기 압축기(1)와 제 1 흡착탑(2, 3) 사이에는 공기 압축기(1)에 의해 압축된 압축공기 중의 수분을 제거하는 물 분리기(도시하지 않음), 경우에 따라 상기 물 분리기를 거친 압축공기를 냉각하는 프론(fron) 냉각기(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 또한, 상기 실시형태에서는 상기의 계는 VSA이지만, PSA(Pressure Swing Adsorption), TSA(Thermal Swing Adsorption)의 막분리이어도 좋다. 도면에서, "6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b"는 제 1 흡착탑(2, 3)을 번갈아 흡착·재생운전시키기 위한 개폐 밸브이다.
"11"은 제 1 흡착탑(2, 3)을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 추가로 압축하는 소형의 산소공기 압축기(유통하는 기체가 종래의 1/2 이하가 되므로, 1/2 이하의 소형 크기로 충분하다)〔산소공기 압축수단〕이다. 상기 실시형태에서는 상기 산소공기압축기(11)로서, 고농도 산소함유 압축공기(X)를 추가로 압축하는 소형의 산소공기 압축기(oilless centrifugal compressor: 토출압력 5㎏/㎠G〔0.5MPaG(게이지압)〕 정도의 산소공기 압축기)가 사용되고 있다. 상기 산소공기 압축기(11)는 고농도 산소함유 압축공기(X)를 추가로 압축할 때의 폭발을 방지하기 위해, 오일리스 등의 구조로 되어 있다. "11a"는 산소공기 압축기(11)를 거친 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 제 2 흡착탑(12, 13)으로 보내는 제 2 공급 파이프이다. "12, 13"은 내부에 시판 모레큘러시브스 등의 흡착제가 충전되고, 번갈아 흡착·재생을 실시하는 2개 1조의 소형의 제 2 흡착탑(종래의 1/2 이하의 소형 사이즈임)이고, 산소 공기 압축기(11)에 의해 보다 압축된 고농도 산소함유 압축공기 (Y) 중에 미량 잔존하는 물, 탄산가스, CnMm 및 NOx 등을 흡착 제거하는 작용을 한다. "14"는 제 2 방출 파이프로, 제 2 흡착탑(12, 13)에서 재생 작용을 마친 폐가스를 대기로 방출하는 작용을 한다. 상기 제 2 흡착탑(12, 13) 및 개폐 밸브(16a, 16b, 19a, 19b)가 부착된 파이프 경로로 이루어진 계는 TSA로 되어 있다. 도면에서 "16a", "16b", "17a", "17b", "18a", "18b", "19a", "19b"는 제 2 흡착탑(12, 13)을 번갈아 흡착·재생 운전시키기 위한 개폐 밸브이다.
"21"은 주열교환기이고, 플레이트 핀형 등으로 이루어지고, 제 2 흡착탑(12, 13)에 의해 미량의 물 및 탄산가스 등이 흡착 제거된 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 초저온으로 냉각한다. 상기 주열교환기(21)도 종래의 것의 1/2의 유통기체의 처리량이 되는 점에서, 약 1/2 이하의 소형의 크기가 된다. "22"는 주열교환기(21)에 의해 초저온으로 냉각된 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 고압 정류탑(23)의 하부로 보내는 공급 파이프이다. 상기 고압 정류탑(트레이 타워식 또는 충전탑식)(23)도 유통하는 기체가 종래의 1/2 이하가 되는 점에서, 1/2 이하의 능력으로 좋아지고 1/2 이하의 크기가 된다. 상기 고압 정류탑(23)의 내부에서는 공급 파이프(22)로부터 보내어진 고농도 산소함유 압축공기(Y) 중, 액체의 고농도 산소함유 액체공기(24)가 바닥부에 모이고 질소가스가 상부로 상승한다. 상부에 상승하는 질소가스는 그 일부가 제 1 환류용 파이프(31)를 경유하여 저압 정류탑(28) 하부의 응축기(condenser)(30)에 도입되고 잔부가 질소가스 취출 파이프(26)를 경유하여 팽창 터빈(37)의 구동가스가 된다. 그리고, 응축기(30)에 도입된 질소가스는 거기 에서 액화되어 액체 질소가 되고, 제 2 환류용 파이프(32)를 거쳐 고압 정류탑(23)의 상부에 환류액으로서 되돌아가 고압 정류탑(23) 내를 하방으로 흐르고, 하방으로부터 상승하는 기체의 고농도 산소함유 압축공기(Y)와 향류(向流)적으로 접촉하고, 고농도 산소함유 압축공기(Y)의 고비등점 성분 가스(산소가스)를 액화하여 흘러내리게 한다. 이 때문에, 바닥부에 고이는 액체의 고농도 산소함유 액체공기(24)는 추가로 산소가 풍부해져 저비등점 성분가스(질소가스)는 고압 정류탑(23)의 상부를 향하여 상승한다. 질소가스 취출 파이프(26)로부터 취출된 질소가스는 주열교환기(21)에 보내어지고, 상기 주열교환기(21)를 통과하는 압축공기를 냉각한 후, 제 1 연결 파이프(26a)를 경유하여 팽창 터빈(37)에 공급되고 앞서 설명한 바와 같이 팽창 터빈(37)의 구동원이 되어 한랭을 발생한다. "38"은 개폐 밸브(38a)가 부착된 우회로이다. 즉, 질소가스 취출 파이프(26), 개폐 밸브(26b)가 부착된 제 1 연결 파이프(26a)를 거쳐 팽창 터빈(37)에 도입된 질소가스는 내부에서 팽창하고, 열 역학적 외부 일(work)을 행함으로써 현저하게 저온이 되어 장치에 필요한 한랭량을 발생시키고, 그 상태에서 제 2 연결 파이프(37a)를 경유하여 주열교환기(21)에 들어가고, 여기에서 원료 공기와 열교환하고, 발생 한랭을 원료 공기에 부여하여 그 자신은 상온이 되고 그 대부분은 폐가스로서 방출 파이프(37b)를 경유하여 방출되고, 일부가 분기 파이프(40)를 경유하여 제 2 흡착탑(12, 13)의 흡착제의 재생 가스가 된다. 상기 분기 파이프(40)는 도입된 질소가스를 히터(41)를 갖는 제 1 파이프(42) 또는 히터가 없는 제 2 파이프(43)에 공급하는 작용을 한다. "44"는 제 3 파이프이고, 제 1 파이프(42) 또는 제 2 파이프(43)를 거친 질소가스 를 제 2 흡착탑(12, 13)에 흡착제 재생용 가스로서 공급하는 작용을 한다.
"28"은 고압 정류탑(23)의 상방에 설치된 저압 정류탑(트레이 타워식 또는 충전탑식)이고, 고압 정류탑(23)의 바닥부에 고이는 액체의 고농도 산소함유 액체 공기(24)가 팽창밸브(29a)가 부착된 공급 파이프(29)를 거쳐 보내어진다. 상기 저압 정류탑(28)에는 그 바닥부에 응축기(30)가 설치되어 있고, 거기에서 고압 정류탑(23)으로부터 취출된 질소가스의 일부가 제 1 환류용 파이프(31)를 통하여 도입된다. 상기 질소가스는 저압 정류탑(28)의 바닥부에 고이는 액체산소(LO2: 순도 99.7 체적 % 정도)(34)를 가온하여 액체 산소(34)를 기화시키는 작용을 하고, 그 자신은 액체 산소(34)의 냉열에 의해 액화되고, 그 일부가 앞서 설명한 바와 같이, 유량 조정밸브(32a)가 부착된 제 2 환류용 파이프(32)를 지나 고압 정류탑(23)의 상부로 환류하여 환류액이 된다. 또한, 상기 액체질소(34)의 잔부는 유량조정밸브(33a)가 부착된 분기 파이프(33)를 통과하여 저압 정류탑(28)의 상부에 도입되어 환류액이 되고 저압 정류탑(28) 내를 흘러내려 기액분리작용을 한다. "35"는 저압 정류탑(28)의 하부측으로부터 연장되는 제품산소가스 취출 파이프이고, 저압 정류탑(28)의 바닥부에 고이는 액체 산소(34)로부터 기화한 고순도의 산소가스를 취출하여 주열교환기(21) 내에 안내하고, 고농도 산소함유 압축공기(Y)와 열교환시켜 상온으로 하여 제품산소가스로서 장치 밖으로 송출하는 작용을 한다. "36"은 저압 정류탑(28)의 상부로부터 연장되는 제품 질소가스 취출 파이프이고, 저압 정류탑(28)의 상부로 상승한 질소 가스를 취출하여 주열교환기(21)에 보내고, 고농도 산 소함유 압축공기(Y)를 냉각시킴과 동시에, 그 자신을 상온으로 상승시켜 제품 질소가스로서 장치 밖으로 송출하는 작용을 한다. 도면에서 "39"는 냉각박스이고, 내부에 저온 단열에 사용되는 펄라이트(pearlite) 등의 단열재(도시하지 않음)가 채워져 있다. 또한, 상기 실시형태에서는 제 1 흡착탑(2, 3)의 라인은 질소가스 흡착에 의해 산소를 농축하고 있지만, 산소가스를 흡착하는 흡착제를 사용하여 흡착제에 흡착되고 농축된 산소가스를 취출하도록 해도 좋다.
상기 장치를 사용하여, 다음과 같이 하여 질소가스 및 산소가스를 제조할 수 있다. 즉, 우선 공기 압축기(공기압축수단)(1)로부터 외부의 공기를 취입하고 여기에서 공기를 저압으로 압축하고, 물 분리기(도시하지 않음)에 의해 압축된 공기 중의 수분을 제거하여, 그 상태에서 제 1 흡착탑(산소농축수단)(2, 3)에 보내고, 압축공기 중의 질소가스, 수분, 탄산가스 및 탄화수소가스(CnHm) 등을 흡착 제거한다. 이에 의해, 압축 공기 중의 산소가스를 농축한다. 이것이 본 발명의 최대의 특징이다. 다음에, 제 1 흡착탑(2, 3)을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 산소공기 압축기(산소공기 압축수단)(11)에 도입하고, 상기 산소공기 압축기(11)에 의해 고농도 산소함유 압축공기(X)를 추가로 압축하고 고농도 산소함유 압축공기(Y)로 한 후 제 2 흡착탑(12, 13)에 보내고, 고농도 산소함유 압축공기(Y) 중의 물, 탄산가스 및 NOx 등을 흡착 제거한다. 다음에, 물, 탄산가스 및 NOx 등이 흡착 제거된 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 주열교환기(21) 내로 보내어 초저온으로 냉각하고, 그 상태에서 고압 정류탑(23)의 하부에 도입한다. 다음에, 고압 정류탑 (23)내에서, 상기 고농도 산소함유 압축공기(Y)와 저압 정류탑(28)에서 만들어진 환류액체를 향류(向流) 접촉시켜 압축 공기를 정류하고 질소와 산소의 비등점의 차이(산소의 대기압에서의 비등점 -183℃, 동일하게 질소의 비등점 -196℃)에 의해 고농도 산소함유 압축공기(Y) 중의 고비등점 성분인 산소를 액화시키고 질소를 기체로 한다. 상기 질소가스를 질소가스 취출파이프(26)로부터 취출하여 주열교환기(21)에 보낸 후 팽창 터빈(37)에 공급하고, 여기에서 한랭을 발생시킨 후 그 대부분을 장치 밖으로 방출하고 일부를 제 2 흡착탑(12, 13)의 재생 가스로 한다.
또한, 저압 정류탑(28)의 상부에 고인 질소가스를 제품질소가스 취출 파이프(36)로부터 취출하여 주열교환기(21)로 보내어, 상온 근처까지 상승시킨 후, 제품 질소가스로서 장치 밖으로 송출한다. 한편, 고압 정류탑(23)의 바닥부에 고인 액체의 고농도 산소함유 액체공기(24)를 공급 파이프(29)를 거쳐 저압 정류탑(28)에 보내고, 질소를 기화 제거한 액체 산소(34)로서 저압 정류탑(28)의 바닥부에 모으고, 저압 정류탑(28) 바닥부의 응축기(30)를 통과하는 질소가스와 열교환시켜 기화시킨다. 상기 기화시킨 산소가스를 제품산소가스 취출 파이프(35)로부터 취출하여 주열교환기(21)에 보내어 상온 근처까지 상승시킨 후, 제품산소가스로서 장치 밖으로 송출한다. 이와 같이 하여 제품산소가스 및 질소가스가 얻어진다.
상기 실시형태에서는 제 1 흡착탑(2, 3)에 의해 압축공기 중의 산소가스의 농도가 20.9 체적%에서 50체적% 정도로 농축되어 있으므로 10,000㎥/h(노멀)의 산소가스를 제조하는 데에 필요한 공기량은 산소가스의 회수효율을 97%로 하면, 이론상에서는 공기량=(10,000÷0.500)÷0.97로 산출되어 약 20,600㎥/h(노멀)의 공기량이고, 모두에서 설명한 종래의 41% 정도로 감소되어 있다. 또한, 10,000㎥/h(노멀)의 산소가스를 제조하는 데에 필요한 산소공기 압축기(11)의 압축동력이 2000kW 정도까지 감소하고, 또한 공기 압축기(1)의 압축동력이 300kW 정도, 진공 펌프(4)의 구동동력이 900kW 정도, 전기 히터(41)의 전력량이 200kW 정도가 되는 것으로 추측되므로, 합계 3400kW가 되고 종래의 70% 정도로 감소하고 있다. 따라서, 30% 이상의 에너지 절감을 실현할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는 원료공기를 압축하는 공기 압축기(1)에 이어 그 압축공기 중의 산소가스를 농축하는 제 1 흡착탑(2, 3)을 설치하고, 원료 공기 중의 산소농도를 높이고 이를 산소공기 압축기(11), 주열교환기(21)를 경유하여 고압 정류탑(23), 저압 정류탑(28)에 공급하고 있다. 그 때문에, 산소공기 압축기(11) 이후의, 주열교환기(21), 두 정류탑(23, 28)과 같은 각 기기의 유통유량의 대폭적인 감소를 실현함으로써, 이를 종래의 것의 반 이하로 소형화할 수 있어 결과적으로 장치 전체의 현저한 소형화를 달성할 수 있다.
예를 들어, 70,000㎥/h(노멀)의 산소가스를 제조하는 경우, 종래의 것에서는 고압 정류탑(23)의 직경이 7m(당사 계산값)가 되고 이를 공장에서 조립하여 현지로 운반하는 것은 운송수단이 없으므로, 부득이하게 현지에서 조립하지 않을 수 없었지만, 상기 실시형태에서는 동량의 산소를 제조하는 경우, 정류탑을 유통하는 기체가 1/2 이하가 되므로, 상기 정류탑의 직경을 약 4.2m로 할 수 있다. 그 때문에, 공장에서 조립하여 현지로 운반하는 것이 가능해져 대폭 수고를 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 공기분리장치의 다른 실시형태를 도시하고 있다. 상기 실 시형태에서는 제 2 흡착탑(12, 13)을 생략하고 있다. 즉, 제 2 흡착탑(12, 13), 제 2 방출 파이프(14), 개폐밸브(16a, 16b, 17a, 17b, 18a, 18b, 19a, 19b)가 부착된 파이프 경로, 분기 파이프(40) 및 제 1~제 3 파이프(42~44)를 생략하고 있다. 그 이외의 부분에는 상기 실시형태와 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 상기 실시형태에서는 장치를 원료 공기로서 청정한 공기를 사용하는 장소 등에 설치함으로써, 상기 실시형태와 동일한 효과를 갖는 측면에서 장치의 간소화, 소형화를 달성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 공기분리장치의 또 다른 실시형태를 도시하고 있다. 상기 실시형태에서는 도 2에 도시한 실시형태에서 팽창 터빈(37)을 대신하여, 장치 밖으로부터 탱크로리 등에서 액체 산소(LO2)가 공급되는 액체산소 저장조(도시하지 않음)를 사용하여 그 액체 산소를 한랭원으로 하고 있는 이외에는 실질적으로 도 2에 도시한 장치와 동일하다. 도면에서 "47"은 액체산소 저장조로부터의 액체산소를 한랭원으로 저압정류탑(28)의 하부에 도입하는 도입 파이프이고, 상기 도입 파이프(47)로부터 도입된 액체산소가 저압 정류탑(28)의 바닥부에 흘러내려 상기 바닥부에 고이는 액체산소(34)에 합류한다. "48"은 저압 정류탑(28)으로부터 연장되는 배출용 파이프이고, 저압 정류탑(28)의 트레이 타워(또는 충전탑)(28a)의 상부에 고이는 질소가스(폐 GN2)를 취출하여 과냉각기(49)에 도입하고, 상기 과냉각기(49)를 거친 폐질소 가스를 주열교환기(21) 내에 안내하고, 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 냉각한 후 외부에 방출하는 작용을 한다. 상기 과냉각기(49)는 그 내부에 공급 파이프(29) 내의 고농도 산소함유 액체공기(24), 분기 파이프(33) 내의 액체 질소(환류액), 제품 질소 가스 취출 파이프(36) 내의 제품 질소 가스 및 배출용 파이프(48) 내의 폐질소 가스를 통과시키고, 공급 파이프(29) 내의 고농도 산소함유 액체공기(24)를 냉각하는 작용을 한다. "50"은 저압 정류탑(28)의 바닥면으로부터 연장되는 액체산소취출 파이프이고, 저압 정류탑(28)의 바닥부에 고이는 액체산소를 취출하여 주열교환기(21) 내에 안내하고, 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 냉각시킴과 동시에, 그 자신을 상온으로 상승시켜 제품산소가스로서 제품 산소 가스 취출 파이프(35)에 도입하는 작용을 한다. "51"은 제품질소가스 취출 파이프(36)에 설치한 제품질소가스 압축기이고, 제품 질소 가스 취출 파이프(36) 내를 지나는 제품 질소 가스를 소정의 압력으로 상승시키는 작용을 한다. "52"는 제품 산소 가스 취출 파이프(35)에 설치한 제 1 제품 산소 가스 압축기이고, 제품 산소 가스 취출 파이프(35) 내를 지나는 제품산소가스를 소정의 압력으로 상승시키고 저압 제품 산소 가스 취출 파이프(53)에 공급하는 작용을 한다. "54"는 제 2 제품산소가스 압축기이고, 제 1 제품산소가스 압축기(52)를 거친 제품산소가스를 추가로 상승시켜 고압 제품 산소가스 취출파이프(55)에 공급하는 작용을 한다. 또한, 상기 실시형태에서는 고압정류탑(23)의 천정면과 상기 고압정류탑(23)의 상방에 설치한 저압정류탑(28)의 바닥면을 일체화하여 동일재로 형성하고 있다. 도면에서, "36a"는 제품질소가스 취출 파이프(36) 내를 지나는 제품질소가스를 배출용 파이프(48)에 공급하는 파이프이다. "39A"는 냉각박스이고 내부에 펄라이트 등의 단열재가 충전되어 진공 흡입되어 있다. 그 이외의 부분에는 도 2에 도시한 실시형태와 동일하고 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
상기 장치를 사용하여 다음과 같이 하여 질소가스 및 산소가스를 제조할 수 있다. 즉, 도 2에 도시한 실시형태와 동일하게 하여 공기압축기(공기압축수단)(1)로부터 외부의 공기를 취입하고 여기에서 공기를 저압으로 압축하고, 물 분리기(도시하지 않음)에 의해 압축된 공기 중의 수분을 제거하고, 그 상태에서 제 1 흡착탑(산소농축수단)(2,3)에 보내고 압축공기 중의 질소가스, 수분, 탄산가스 및 탄화수소가스(CnHm) 등을 흡착 제거한다. 이에 의해, 압축 공기 중의 산소가스를 농축한다. 다음에, 제 1 흡착탑(2, 3)을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 산소공기 압축기(산소공기 압축수단)(11)에 도입하고, 상기 산소공기 압축기(11)에 의해 고농도 산소함유 압축공기(X)를 추가로 압축하여 고농도 산소함유 압축공기(Y)로 한다. 다음에, 상기 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 주열교환기(21) 내에 보내어 초저온으로 냉각하고, 그 상태에서 고압 정류탑(23)의 하부에 도입한다. 다음에, 고압 정류탑(23) 내에서 상기 고농도 산소함유 압축공기(Y)와 저압 정류탑(28)에서 만들어진 환류 액체를 향류 접촉시켜 압축공기를 정류하고, 질소와 산소의 비등점의 차(산소의 대기압에서의 비등점 -183℃, 동일하게 질소의 비등점 -196℃)에 의해, 고농도 산소함유 압축공기(Y) 중의 고비등점 성분인 산소를 액화시키고 질소를 기체로 한다.
또한, 저압 정류탑(28)의 상부에 고인 질소가스를 제품질소가스 취출 파이프(36)로부터 취출하여 과냉각기(열교환기)(49)에 보내고, 주열교환기(21)에 도입하 여 주열교환기(21)에서 상온 가까이까지 상승시킨 후, 제품질소가스로서 장치 밖으로 송출한다. 한편, 고압 정류탑(23)의 바닥부에 고인 고농도 산소함유 액체공기(24)를 공급 파이프(29)를 통해 과냉각기(49)에 보내고, 여기에서 냉각한 기체-액체 혼합상태의 고농도 산소함유 액체공기(24)를 저압 정류탑(28)에 보내어 질소를 기화 제거한 액체산소(34)로서 저압 정류탑(28)의 바닥부에 고이고, 저압 정류탑(28) 바닥부의 응축기(30)를 통과하는 질소가스와 열교환시켜 기화시킨다. 상기 기화시킨 산소가스를 제품산소가스 취출 파이프(35)로부터 취출하여 주열교환기(21)에 보내어 상온 근처까지 온도를 상승시킨 후, 제 1 제품 산소 압축기(52)를 경유한 제품산소가스를 저압 제품 산소 가스 취출 파이프(53)에 의해 장치 밖으로 송출하고, 제 2 제품 산소 압축기(54)를 경유한 제품 산소 가스를 고압 제품 산소가스 취출파이프(55)에 의해 장치 밖으로 송출한다. 이와 같이 하여 제품 산소 가스 및 질소 가스가 얻어진다.
상술한 바와 같이, 상기 실시형태에서도 도 2의 실시형태와 동일한 작용·효과를 갖는다.
도 4는 본 발명의 공기분리장치의 또 다른 실시형태를 나타내고 있다. 상기 실시형태에서는 도 2에 도시한 실시형태에서 팽창 터빈(37)을 대신하여 장치 밖으로부터 탱크로리 등으로 액체 질소(LN2)가 공급되는 액체질소 저장조(도시하지 않음)를 사용하여 그 액체질소를 한랭원으로 하고 있는 이외에는 실질적으로 도 2에 도시한 장치와 동일하다. 즉, "47a"은 액체질소 저장조로부터의 액체질소를 한랭 원으로서 고압 정류탑(23)의 상부에 도입하는 도입 파이프이고, 상기 도입 파이프(47a)로부터 도입된 액체 질소와 저압 정류탑(28) 하부의 응축기(30)에서 액화된 액체질소의 일부가 고압 정류탑(23)의 상부에 도입된다. 그 이외의 부분은 도 2에 도시한 실시형태와 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 5는 본 발명의 공기분리장치의 또 다른 실시형태를 나타내고 있다. 상기 실시형태에서는 도 1에 도시한 실시형태에서 공기압축기(1)를 거친 압축공기를 제 1 흡착탑(2,3)에 공급하는 제 1 공급 파이프(1a)와, 제 1 흡착탑(2,3)을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 산소공기 압축기(11)에 도입하는 도입 파이프(57)(도 1에 도시한 부호 57을 붙이고 있지 않다)는 개폐 밸브(또는 유량조정밸브)(58a)가 부착된 연결 파이프(58)로 연결되어 있다. 그리고, 상기 개폐밸브(58a)를 개방하여, 공기 압축기(1), 물 분리기(도시하지 않음)는 거친 압축공기의 일부를 상기 연결 파이프(58)를 통하여 직접적으로(즉, 제 1 흡착탑(2,3)을 경유시키지 않음) 도입 파이프(57)에 보내고, 또한 잔부를 제 1 흡착탑(2,3)을 경유시켜 도입 파이프(57)에 보내어 상기 도입 파이프(57)에서 양자를 합류시켜, 연결 파이프(58)를 통하여 도입 파이프(57)에 도입한 압축공기의 일부에 의해 제 1 흡착탑(2,3)을 경유시켜 도입 파이프(57)에 도입한 압축공기 잔부의 산소가스의 농도를 감소시키도록 하고 있다. 그 이외의 부분은 도 1에 도시한 실시형태와 동일하고, 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 상기 실시형태에서도 도 1에 도시한 실시형태와 동일한 작용·효과를 갖는다. 또한, 고압 정류탑(23)의 하부에 공급되는 압축공기 중의 산소가스의 농도가 낮아지고, 제품 산소 가스량을 적게 할 수 있다. 따라서, 제품 산소 가스량을 감소시키고 있을 때에는 이에 대응할 수 있다. 또한, 이와 같은 개폐 밸브(58a)가 부착된 연결 파이프(58)는 도 2~도 4에 도시한 실시형태에서도 사용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 외부로부터 공기를 취입하여 저압으로 압축하는 공기압축수단,
    상기 공기압축수단에 의해 압축된 압축공기 중의 산소가스를 농축하는 산소농축수단,
    상기 산소농축수단을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 다시 압축하는 산소공기 압축수단,
    상기 산소공기 압축수단을 거친 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 냉각하는 열교환기 및
    상기 열교환기를 경유하여 저온으로 냉각된 고농도 산소함유 압축공기(Y)를 각 성분가스의 비등점 차이를 이용해서 분리하여 산소가스를 취출하는 정류탑을 구비하고,
    상기 공기압축수단, 산소농축수단 및 산소공기 압축수단을 하나의 라인에 배열 설치하고
    상기 산소농축수단을 사이에 두고 상류측에 공기압축수단을 배치하고 하류측에 산소공기 압축수단을 배치하며, 또한 상기 공기압축수단에 의해 압축된 압축공기의 전량을 산소공기 압축수단에 공급하여, 상기 공기압축수단의 압축도와 상기 산소공기 압축수단의 압축도를 합하여 산소공기에 부여하도록 한 것을 특징으로 하는 공기분리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소농축수단을 압축공기 중의 질소가스를 흡착하는 흡착제를 수용하는 흡착탑으로 하고, 상기 흡착제로 압축공기 중의 불순물인 수분과 탄화수소 및 NOx를 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 공기분리장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산소공기 압축수단과 열교환기 사이에 고농도 산소함유 압축공기(Y) 중의 불순물인 수분과 탄화수소 및 NOx를 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 공기분리장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산소농축수단을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 산소공기 압축수단에 도입하는 도입경로에서, 공기압축수단에 의해 압축된 압축공기의 일부를 산소농축수단을 경유시키지 않고 직접 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 공기분리장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 산소농축수단을 거친 고농도 산소함유 압축공기(X)를 산소공기 압축수단에 도입하는 도입경로에서, 공기압축수단에 의해 압축된 압축공기의 일부를 산소농축수단을 경유시키지 않고 직접 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 공기분리장치.
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