KR101536766B1 - 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 그 측정장치는 여러 반응들을 거치고 응축기에서 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황이 황 트랩을 거친 후 황 저장소로 이동할 때, 상기 액체 황의 유량을 측정하는 장치에 있어서, 상기 황 트랩과 황 저장소를 연결하는 유동관과; 상기 유동관의 선단부위로부터 후단부위로 연결되는 분기관을 포함하되, 상기 분기관은 상기 유동관과는 다른 방향으로 형성되며, 상기 분기관에는 액체 황의 유량을 측정하기 위한 게이지가 설치된 것을 특징으로 하며, 이러한 측정장치를 이용하여 실시간으로 설정 시간 동안 생산되는 액체 황의 유량을 측정함으로써, 조업자가 직접 액체 황에 접촉되는 위험 없이 필요시마다 액체 황의 생산 유량을 육안으로 확인할 수 있게 되어 산업재해 등의 우려가 불식되는 등 안전성이 크게 확보되는 효과가 제공됨은 물론 황 회수 공정이 문제 없이 제대로 이루어지고 있는지를 실시간으로 확인하여 혹여 있을지 모를 문제점을 신속히 파악한 후 대처할 수 있게 되는 효과도 제공된다.

Description

황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치 및 측정방법 {Apparatus and method for flow rate measurement of sulfur in sulfur recovery process}

본 발명은 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 천연가스의 처리 공정 중에 황 성분을 제거하기 위한 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 석유화학 산업과 관련된 위험 요인은 유독성인 황화수소(H₂S)를 대기 중에 방출한다는 것이다. 황화수소는 황이나 다른 연소 가능한 물질을 포함한 연료를 태우는 산업 공정으로부터 발생하는 미정제 싸우어 기류(sour gas stream) 또는 잔류 기류(테일 기류(tail gas stream))와 같은 여러 가지 배출가스에서 발견된다.

이에, 매우 유독성인 황화수소는 산업 공정에서 발생된 부산물들이 대기 중으로 유출되기 전에 제거되어야 하는 법규를 따라야 한다. 법규들은 황을 회수하고 대기 속으로 배출되는 H₂S 및 SO₂의 양을 줄이는 방법들의 개발을 필요로 하고 있다.

최근에, 대기 속으로 배출되는 황 성분의 양은 H₂S 및 SO₂를 원소상태 황으로 변환시켜 줄이고 있다. 오늘날 산업분야에서 통상적으로 사용되는 이 방법은 변형 클라우스 공정(modified Claus process)으로 공지되어 있고, 1883년 영국 런던의 화학자인 칼 프리드리히 클라우스에 의해 처음으로 개발되었다. 이 방법은 클라우스 반응(Claus reaction)을 기초로 한다

2H₂S + SO₂ <--> 3/8S₈ + 2H₂O (1)

변형 클라우스 공정은 두 개의 과정이다: 1) 반응로에서 아래 반응식에 따라 황화수소(H₂S)를 이산화황(SO₂)으로 산화시키는 과정: 및

H₂S + 3/2O₂ <--> SO₂ + H₂O (2)

2) 클라우스 반응(1)을 통해 이산화황과 잔여 황화수소의 원소상태 황으로의 반응. 상기 제 2 단계인 황화수소와 이산화황의 원소상태 황으로의 반응은 일반적으로 연속되는 촉매반응기를 이용하여 완료하는데 이는 클라우스 반응은 평형반응이기 때문이다. 결과적으로, 여러 개의 촉매반응기를 연속하여 사용하는 것은 일반적이며 각각의 촉매반응기를 거칠수록 더 많은 양의 원소상태 황이 제거되게 되며 더 많은 양의 황을 회수할 수 있다.

그러나, 열역학적으로 연속된 촉매반응기만으로는 모든 황을 회수할 수 있는 것이 아니다. 소량의 황화수소가 테일 기류에 잔류하게 되며, 테일 가스 정제의 추가 단계(이하에서 "TGCU")를 필요하게 한다. 현재 16가지의 TGCU 공정이 사용되고 있는 것으로 알려져 있으며 그 중 9가지 공정은 기술적으로 증명된 것들이다.

TGCU 장치들은 클라우스나 수정된 클라우스 황 회수 장치(이하에서 SRU)들과 함께 사용된다. 전형적인 SRU는 황화수소를 흡수하거나 탈착하여 황화수소를 농축시키는 아민 처리 장치를 통과하는 미정제 가스 공급류를 포함한다. 그런 후에 농축된 황화수소는 촉매반응기들로 들어가고 여기서 산소가 충분한 연소공기가 공급되는 환경에서 클라우스 버너에 의해 연소되어 아래 반응식(3) 대로 황화수소와 이산화황을 생산한다.

H₂S + aO₂ → bH₂S + cSO₂ + dS(원소상태) + eCOS + fCS₂ + gH₂O (3)

다음에, 원소상태 황과 황화수소는 기류의 온도를 낮추는 응축에 의해 부분적으로 처리된 기류로부터 분리된 후, COS, CS₂, 원소상태 황이 제거되는 촉매반응기를 연속적으로 통과한다. 황화수소와 이산화황은 상기 클라우스 반응(1)을 거치게 되며, COS와 CS₂는 다른 반응인(4) 및 (5)를 거쳐 황화수소와 원소상태 황을 생

산하게 된다.

COS + H₂O → CO₂ + H₂S (4)

CS₂+ 2H₂O → CO₂ + 2H₂S (5)

이러한 클라우스 반응을 이용한 클라우스 타입의 황회수 장치의 공정 중, 클라우스 버너는, 앞서 설명한 바와 같이, 농축된 황화수소를 연소시켜서 반응식(3)과 같이 황화수소와 이산화황을 생산하게 되는데, 이때 클라우스 버너는 초기 점화시를 제외하고 열원으로 쓰이는 별도의 연료 주입이 없으므로, 아민 공정(Amine Process)이나 사워 워터 스트리핑 공정(Sour Water Stripping Process)에서 유입되는 미정제 가스인 산성가스와, 연소공기 중 산소와의 반응으로 연속적인 연소반응이 발생하게 된다.

여기서, 상기와 같은 황 회수 공정 중, 어느 단계에서든 문제가 발생될 수 있는데, 독성 가스를 다루는 공정의 위험성과, 전 공정인 아민 공정과 사워 워터 스트리핑 공정과의 연계성으로 인하여 어느 단계에서 어떠한 문제점이 발생되었는지 그 원인을 규명하기는 매우 어려웠었다. 이에, 문제가 발생되는 단계와 원인을 파악하기 위하여 여러 가지 계장기기를 통하여 각각 측정되는 값을 이용하기도 하지만, 사용할 수 있는 계장기기는 매우 제한적이고 또한 측정되는 값으로부터 직접적원 원인 규명이 어렵게 때문에 문제점 해결에 많은 제약이 따랐었다.

이에 종래에는 상기한 바와 같은 여러 반응들을 거치고 응축기에서 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황의 생산 유량을 필요시마다 측정하여 황 회수 공정이 문제 없이 제대로 이루어지는지를 파악하고 있는 실정이다.

즉, 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황은 도 1에 도시된 바와 같이, 황 트랩(Sulfur Trap)(미도시됨)을 거쳐 유동관(10)을 따라 흐른 후, 황 저장소(Sulfur Pit)(미도시됨)로 모이게 된다. 이때 상기 유동관(10)에는 룩 박스(Look Box)(20)가 설치되어 있으며, 황 회수 공정 중 액체 황의 생산 유량을 측정하기 위해서는 조업자가 상기 룩 박스를 열어 컵을 놓고 이 컵에 액체 황이 담기는 시간을 재서 액체 황의 생산 유량을 측정하였었다.

그러나, 상기와 같이 종래에 액체 황의 생산 유량을 측정하고자 룩 박스를 열고 컵을 담은 후, 상기 컵에 액체 황이 담기는 시간을 재는 측정방법은 액체 황에 포함되어 있는 독성가스인 황화수소(H₂S) 때문에 매우 위험하여 실제 황 회수 공정설비를 갖춘 공장에서 제대로 사용되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 조업자가 직접 액체 황에 접촉되는 위험 없이 필요시마다 액체 황의 생산 유량을 육안으로 확인할 수 있도록 함으로써, 산업재해 등의 우려를 불식시키는 등 안전성을 확보하도록 한 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치 및 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 설정 수위만큼 액체 황이 채워지는 시간을 체크하여 황 회수 공정 중 액체 황이 생산되는 양을 산출함으로써, 황 회수 공정이 문제 없이 제대로 이루어지고 있는지를 실시간으로 확인하여 혹여 있을지 모를 문제점을 신속히 파악한 후 대처할 수 있도록 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치 및 측정방법을 제공하는데에도 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 황 회수 공정의 액체 황 측정장치는, 여러 반응들을 거치고 응축기에서 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황이 황 트랩을 거친 후 황 저장소로 이동할 때, 상기 액체 황의 유량을 측정하는 장치에 있어서, 상기 황 트랩과 황 저장소를 연결하는 유동관과; 상기 유동관의 선단부위로부터 후단부위로 연결되는 분기관을 포함하되, 상기 분기관은 상기 유동관과는 다른 방향으로 형성되며, 상기 분기관에는 액체 황의 유량을 측정하기 위한 게이지가 설치된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 분기관의 선단을 이루는 제1분기관은 상기 유동관의 선단측으로부터 분기되고, 후단을 이루는 제2분기관은 상기 유동관의 후단측으로 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분기관은 수직방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 게이지는, 상기 분기관을 이루는 제1분기관과 제1개폐밸브를 사이에 두고 연결되고, 제2분기관과는 제2개폐밸브를 사이에 두고 연결되는 것이 바람직하다.

또, 상기 게이지는 내부가 빈 통형으로 이루어지며, 그 외면으로 드러나는 눈금이 형성되는 것이 바람직하다.

참고로, 상기 게이지 내면에 고착된 고형화된 황을 세척하기 위한 스팀분사장치가 구비되거나, 상기 게이지 내면에 황이 고형화되어 고착되는 것을 방지하도록 상기 게이지 내부 온도를 설정온도 이상으로 유지시키는 트레이싱 또는 가열장치가 더 구비될 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 황 회수 공정의 액체 황 측정방법은, (a) 여러 반응들을 거치고 응축기에서 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황이 황 트랩를 통과하는 단계; (b) 상기 황 트랩을 통과한 액체 황의 유량을 상기 청구항 1 내지 청구항 5 중, 어느 하나의 항에 기재된 액체 황 유량 측정장치를 이용하여 실시간으로 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 황 트랩을 통과한 액체 황이 눈금이 표시된 게이지로 유입되도록 하는 단계; (b2) 상기 게이지로 유입되는 액체 황이 설정 수위까지 채워지는 시간을 재는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분기관은, 제1분기관과 제2분기관으로 이루어지고, 상기 제1분기관 및 제2분기관과 각각 제1개폐밸브와 제2개폐밸브를 사이에 두고 상기 게이지가 설치되며, 상기 (b1) 단계 이전에, 상기 제1개폐밸브는 개방시키고, 상기 제2개폐밸브는 폐쇄시키는 단계를 더 포함하고, 상기 (b2) 단계 이후에, 상기 제1개폐밸브는 폐쇄시키고, 상기 제2개폐밸브는 개방시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 황 회수 공정의 액체 황 측정장치 및 측정방법에 의하면, 조업자가 직접 액체 황에 접촉되는 위험 없이 필요시마다 액체 황의 생산 유량을 육안으로 확인할 수 있게 됨으로써, 산업재해 등의 우려가 불식되는 등 안전성이 크게 확보되는 효과가 제공된다.

특히, 본 발명은 설정 수위만큼 액체 황이 채워지는 시간을 체크하여 황 회수 공정 중 액체 황이 생산되는 양을 산출하게 됨으로써, 황 회수 공정이 문제 없이 제대로 이루어지고 있는지를 실시간으로 확인하여 혹여 있을지 모를 문제점을 신속히 파악한 후 대처할 수 있게 되는 효과도 제공된다.

도 1은 종래의 황 회수 공정의 액체 황 측정을 위하여 룩 박스가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따라 황 회수 공정의 액체 황 측정을 위하여 게이지가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따라 황 회수 공정의 액체 황 측정을 위하여 게이지가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 구성도이다.

참고로, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 종래에 있어서와 동일한 동일한 부분에 대한 반복설명은 생략하기로 한다.

여러 반응들을 거치고 응축기에서 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황은, 황 트랩을 거친 후, 액체 황 유량 측정장치를 거쳐 황 저장소로 이동하게 된다.

상기 액체 황 유량 측정장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 황 트랩과 황 저장소를 연결하는 유동관(10)과, 이 유동관(10)의 선단부위로부터 후단부위로 연결되는 분기관(100)을 포함하여 구성된다.

여기서, 분기관(100)은 유동관(10)과는 다른 방향으로 형성되되, 그 선단을 이루는 제1분기관(102)은 유동관(10)의 선단측으로부터 분기되고, 후단을 이루는 제2분기관(104)은 유동관(10)의 후단측으로 연결된다.

상기 분기관(100)은 수직방향으로 형성되고, 그 중간단에 눈금이 표시된 게이지(110)가 설치되어 있는데, 이 게이지(110)는 분기관(100)을 이루는 제1분기관(102)과 제1개폐밸브(120)를 사이에 두고 연결되고, 제2분기관(104)과는 제2개폐밸브(130)를 사이에 두고 연결된 구성으로 이루어져 있다.

참고로, 상기 게이지(110)는 내부가 빈 통형으로 이루어지며, 그 외면에 눈금이 형성되어 있다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치를 이용하여 액체 황 유량을 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

여러 반응들을 거치고 응축기에서 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황은, 황 트랩을 거친 후 유동관(10)으로 흐르게 된다.

이때, 평상시에는 분기관(100)에 설치된 제1개폐밸브(120)와 제2개폐밸브(130)는 폐쇄된 상태를 유지하도록 한다.

따라서, 황 트랩을 거쳐 유동관(10)으로 유입되는 액체 황은, 유동관(10)을 따라 황 저장소로 유입되어 저장이 이루어지게 된다.

이 상태에서 황 회수 공정이 문제 없이 제대로 이루어지는지를 확인하고자 생산되는 액체 황의 유량을 확인하고자 할 경우에는, 상기 제1개폐밸브(120)와 제2개폐밸브(130) 중, 제1개폐밸브(120)만을 개방시키면 된다.

이와 같이 제1개폐밸브(120)를 개방시키게 되면, 황 트랩을 거쳐 유동관(10)으로 유입되는 액체 황은 유동관(10)의 선단측으로부터 분기된 분기관(100)을 따라 흐르게 된다. 즉, 분기관(100)의 제1분기관(102)을 통해 아래로 낙하하여 게이지(110)로 유입된다.

이때, 제2개폐밸브(130)는 폐쇄된 상태를 유지하고 있기 때문에, 게이지(110)로 유입되는 액체 황은 지속적으로 그 수위가 높아지게 되는바, 설정 수위를 정하고 이 설정 수위까지 액체 황이 채워지는 시간을 재게 되면 생산되는 액체 황의 유량을 실시간으로 확인할 수 있게 된다.

즉, 설정 수위만큼 액체 황이 채워지는 시간을 체크하여 황 회수 공정 중 액체 황이 생산되는 양을 산출함으로써, 황 회수 공정이 문제 없이 제대로 이루어지고 있는지를 실시간으로 확인할 수 있게 된다.

예컨대, 게이지(110)의 설정 수위만큼 액체 황이 채워지는 시간이 1시간일 경우, 황 회수 공정이 별다른 문제 없이 제대로 이루어지고 있다고 가정하고, 필요시마다 액체 황의 유량을 체크할 때, 설정 수위만큼 액체 황이 채워지는 시간이 크게 단축되거나 또는 크게 증가되면 황 회수 공정의 이상을 확인하여 문제점을 즉각적으로 파악할 수 있게 된다.

따라서, 보다 효율적이면서 경제적으로 황 회수 공정을 수행할 수 있게 된다.

참고로, 상기 게이지(110)에 액체 황이 채워지는 설정 수위는, 게이지(110)의 외면에 드러나도록 형성되는 눈금으로 확인할 수 있다.

이와 같이, 액체 황의 생산 유량 측정이 완료되면, 제1개폐밸브(120)를 폐쇄하여 더 이상 액체 황이 게이지(110)로 유입되지 않도록 함과 아울러 제2개폐밸브(130)를 개방하여 게이지(110) 내의 액체 황이 제2분기관(104)과 유동관(10)의 후단을 통해 황 저장소로 유동되도록 하면 된다.

한편, 상기와 같이 게이지(110) 내부로 반복해서 액체 황을 유입시키거나 배출시킴에 따라 상기 게이지(110) 내부에는 고형화 된 황 성분이 적재될 수 있으며, 이와 같이 적재된 고형화 된 황 성분은 눈금을 가려 조업자가 눈금을 통해 액체 황의 수위를 육안으로 확인하는데 방해요소로 작용될 수 있다.

상기 액체 황은 설정온도 이하(대략 120도 이하)에서 고형화가 이루어질 수 있는바, 게이지(110) 내부의 온도가 설정온도 이하일 경우 게이지(110) 내면을 세척하도록 하는 스팀분사장치(미도시됨)가 설치되는 것이 바람직하다.

또 한편으로, 상기 게이지(110) 내부 온도가 설정온도 이하로 떨어지지 않도록 게이지 내부 온도가 설정온도 이상을 유지하도록 하는 트레이싱(tracing) 또는 가열장치가 설치될 수도 있다.

이상에서와 같은 본 발명의 실시 예에서 설명한 기술적 사상은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수도 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시 예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 유동관 100 : 분기관
102 : 제1분기관 104 : 제2분기관
110 : 게이지 120 : 제1개폐밸브
130 : 제2개폐밸브

Claims (10)

1. 여러 반응들을 거치고 응축기에서 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황이 황 트랩을 거친 후 황 저장소로 이동할 때, 상기 액체 황의 유량을 측정하는 장치에 있어서,
   상기 황 트랩과 황 저장소를 연결하는 유동관과; 상기 유동관의 선단부위로부터 후단부위로 연결되는 분기관을 포함하되, 상기 분기관은 상기 유동관과는 다른 방향으로 형성되고,
   상기 분기관에는 액체 황의 유량을 측정하기 위한 게이지가 설치되며,
   상기 게이지 내면에 고착된 고형화된 황을 세척하기 위한 스팀분사장치가 구비된 것을 특징으로 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 분기관의 선단을 이루는 제1분기관은 상기 유동관의 선단측으로부터 분기되고, 후단을 이루는 제2분기관은 상기 유동관의 후단측으로 연결되는 것을 특징으로 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 분기관은 수직방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 게이지는, 상기 분기관을 이루는 제1분기관과 제1개폐밸브를 사이에 두고 연결되고, 제2분기관과는 제2개폐밸브를 사이에 두고 연결되는 것을 특징으로 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 게이지는 내부가 빈 통형으로 이루어지며, 그 외면으로 드러나는 눈금이 형성된 것을 특징으로 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치.
   
6. 삭제
7. 여러 반응들을 거치고 응축기에서 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황이 황 트랩을 거친 후 황 저장소로 이동할 때, 상기 액체 황의 유량을 측정하는 장치에 있어서,
   상기 황 트랩과 황 저장소를 연결하는 유동관과; 상기 유동관의 선단부위로부터 후단부위로 연결되는 분기관을 포함하되, 상기 분기관은 상기 유동관과는 다른 방향으로 형성되고,
   상기 분기관에는 액체 황의 유량을 측정하기 위한 게이지가 설치되며,
   상기 게이지 내면에 황이 고형화되어 고착되는 것을 방지하도록 상기 게이지 내부 온도를 설정온도 이상으로 유지시키는 트레이싱 또는 가열장치가 구비된 것을 특징으로 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정장치.
   
8. (a) 여러 반응들을 거치고 응축기에서 응축되어 액체 형태로 변환된 액체 황이 황 트랩를 통과하는 단계;
   (b) 상기 황 트랩을 통과한 액체 황의 유량을 상기 청구항 1 또는 청구항 7에 기재된 액체 황 유량 측정장치를 이용하여 실시간으로 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정방법.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   (b1) 상기 황 트랩을 통과한 액체 황이 눈금이 표시된 게이지로 유입되도록 하는 단계;
   (b2) 상기 게이지로 유입되는 액체 황이 설정 수위까지 채워지는 시간을 재는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정방법.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 분기관은, 제1분기관과 제2분기관으로 이루어지고, 상기 제1분기관 및 제2분기관과 각각 제1개폐밸브와 제2개폐밸브를 사이에 두고 상기 게이지가 설치되며,
    상기 (b1) 단계 이전에,
    상기 제1개폐밸브는 개방시키고, 상기 제2개폐밸브는 폐쇄시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 (b2) 단계 이후에,
    상기 제1개폐밸브는 폐쇄시키고, 상기 제2개폐밸브는 개방시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 황 회수 공정의 액체 황 유량 측정방법.

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