KR101964331B1 - 공기분리설비 - Google Patents

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KR101964331B1
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성두만
정상근
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주식회사포스코
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Abstract

공기분리설비가 개시된다. 일 실시 예에 따른 공기분리설비는 공기분리장치에서 분리된 조 아르곤가스를 농축하고 제1 액화 아르곤가스로 분리시키는 제1 아르곤탑; 제1 밸브를 통과한 제1 액화 아르곤가스 중 질소 성분이 제거된 제2 액화 아르곤가스로 분리시키는 제2 아르곤탑; 및 제2 밸브를 통과한 제1 액화 아르곤가스를 저장하는 회수탱크;를 포함하되, 제1 밸브는 공기분리장치의 가동시에만 선택적으로 개방되고, 제2 밸브는 공기분리장치의 정지 시 또는 재 가동시에만 선택적으로 개방된다.

Description

공기분리설비{AIR SEPARATION PLANT}
본 발명은 공기분리설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아르곤가스의 농축시간 단축에 따른 아르곤가스 생산성을 향상시킬 수 있도록 설계된 공기분리장치에 관한 것이다.
일반적으로 공기분리장치는 비점차(산소: -183℃, 질소: -196℃, 아르곤: -186℃ )를 이용한 정유 원리에 의해 고순도의 산소, 질소 및 아르곤가스를 생산하기 위한 장치이며, 고장수리 등의 이유로 7일 이상 설비의 가동을 정지시킬 필요가 있는 경우에는, 저온의 상태에 있는 장치를 상온의 건조 가스를 이용하여 상온으로 회복시킨다.
대기중의 공기를 원료로 하고 비점 차이를 이용하여 산소, 질소 및 아르곤 등을 생산하는 제조설비는 여러 개의 공기분리장치로 이루어진다.
공기분리장치는 연속적으로 운전되고 있으나, 설비의 안전 점검이나 설비 고장 등에 의해 장시간에 걸쳐 가동이 정지될 필요가 있고, 이러한 경우 액체 산소의 하부에 고여있던 탄화수소가 폭발될 가능성이 있는 등 여러 가지 원인에 의해 공기분리장치 내에 있는 모든 저온 액체 즉, 액체산소 및 액체아르곤 등을 모두 대기로 배출시킨 후, 초저온의 상태인 공기분리장치의 각 구성요소들을 상온의 질소 가스를 이용하여 상온 상태로 회복시키게 된다.
공기분리장치의 재 가동 시 알곤 가스를 생산 하기 위하여서는 공정상의 문제로 많은 시간을 필요로 한다. 즉, 공기분리장치 정지 후 다시 장치를 기동하여 산소, 질소 가스의 생산을 시작하고, 아르곤 탑 에서는 대기의 공기 중 0.93% 인 알곤 가스를 장시간 농축하는 과정을 거치며, 농축이 완료되면 고순도의(10ppm이하) 알곤 가스를 생산하는 정상화가 이루어진다
종래에는 액화 아르곤가스을 아르곤 탑 내에서 시간이 지남에 따라 자연적으로 농축시키는 공정 기술을 이용하고 있었다.
다만, 종래의 자연 농축 기술에 의하게 되면, 아르곤가스 생산 설비를 재가동시켜 사용처에 아르곤을 재 공급하는 시간이 과도하게 소모되며, 이로 인해 공정의 대기로 인한 시간 및 비용적인 낭비를 발생하는 문제점이 존재한다.
일 실시 예는 공기분리장치의 재 가동 시, 아르곤 탑에서의 가스 농축시간을 단축함으로써 아르곤가스 생산의 정상화 시간을 단축시킬 수 있는 공기분리설비를 제공하고자 한다.
일 실시 예는 공정의 조업시간을 연장시키거나 중단시키지 않음으로써 제철소의 수익성을 향상시킬 수 있는 공기분리설비를 제공하고자 한다.
일 측면에 따른 공기분리설비는, 공기분리장치에서 분리된 조 아르곤가스를 농축하고 제1 액화 아르곤가스로 분리시키는 제1 아르곤탑, 제1 밸브를 통과한 상기 제1 액화 아르곤가스 중 질소 성분이 제거된 제2 액화 아르곤가스로 분리시키는 제2 아르곤탑 및 제2 밸브를 통과한 상기 제1 액화 아르곤가스를 저장하는 회수탱크를 포함하되, 상기 제1 밸브는 상기 공기분리장치의 가동시에만 선택적으로 개방되고, 상기 제2 밸브는 상기 공기분리장치의 정지 시 또는 재 가동시에만 선택적으로 개방된다.
또한, 상기 제1 액화 아르곤가스를 상기 제2 아르곤탑에 제공하는 제1 아르곤 공급라인 및 상기 제1 아르곤 공급라인에서 분기되어 마련되고, 상기 제1 액화 아르곤가스를 상기 회수탱크에 제공하거나 상기 회수탱크에 저장된 제1 액화 아르곤가스를 상기 제1 아르곤탑으로 제공하는 제1 아르곤 회수라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 아르곤 공급라인은 상기 제1 밸브를 포함하고, 상기 제1 아르곤 회수라인은 상기 제2 밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 밸브는, 상기 공기분리장치의 정지 시에는 상기 제1 액화 아르곤가스를 상기 회수탱크 방향으로 유동시킬 수 있되 반대방향으로의 역류는 방지하고, 상기 공기분리장치의 재 가동시에는 상기 회수탱크에 저장된 제1 액화 아르곤가스를 상기 제1 아르곤탑 방향으로 유동시킬 수 있되 반대방향으로의 역류는 방지할 수 있다.
또한, 상기 제2 액화 아르곤가스를 저장하는 저장탱크를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 액화 아르곤가스를 상기 저장탱크에 제공하는 제2 아르곤 공급라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회수탱크에 저장된 제1 액화 아르곤가스를 기화시켜 압력을 만드는 승압 기화기 및 상기 승압 기화기로 보내는 상기 제1 액화 아르곤가스의 양을 조절하는 제3 밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3 밸브는 상기 공기분리장치의 재 가동시에만 선택적으로 개방될 수 있다.
일 실시 예들은 아르곤가스 생산 설비의 재가동시간을 단축하여 설비생산성을 향상시킬 수 있는 공기분리설비를 제공할 수 있다.
일 실시 예들은 연속 공정을 가능하게 함으로써 설비 및 에너지 효율을 구현할 수 있는 공기분리설비를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 공기분리설비가 도시된 개략 구성도이다.
도 2는 공기분리장치의 정지 시, 일 실시 예에 따른 공기분리설비의 유체 흐름을 도시한 것이다.
도 3은 공기분리장치의 재 가동시, 일 실시 예에 따른 공기분리설비의 유체 흐름을 도시한 것이다.
이하에서는 일 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 일 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 일 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 종래의 공기분리설비가 도시된 개략 구성도이다.
도 1을 참조하면, 공기분리장치의 종래 구성은 도 1에 도시된 바와 같다.
원료공기 필터인 흡입필터(1)에서 먼지를 여과시킨 대기 중의 공기를 공기압축기(2)에서 압축하고, 압축된 공기는 수세냉각탑(3)을 거쳐 공기분리장치(100)로 제공된다.
공기분리장치(100)는 수세냉각탑(3)을 거친 깨끗한 원료공기를 제공받는 흡착기(4), 주 열교환기(6), 정류탑(7, 8)을 포함한다.
흡착기(4)에서 원료공기 중에 포함된 수분 및 이산화탄소가 제거된 후 팽창터빈으로 제공되고, 팽창터빈에서 단열 팽창된 원료공기는 정류탑(7, 8)으로 보내져 액체가스(산소, 질소, 아르곤)를 비점에 의해 분리하여 생산한다.
공기압축기(100)에서 압축된 원료공기는 수세냉각탑(3)으로 제공되어, 수세냉각탑(3)에 공급되는 냉각수의 분사에 의해 냉각됨과 동시에 공기 속의 수용성 먼지를 제거한다.
보다 구체적으로, 질소 78%, 산소 21%, 아르곤 1% 정도가 함유된 대기중의 공기를 흡입하여 공기압축기(2)에서 6㎏/㎠ 정도의 압력으로 압축시키고, 이렇게 압축된 원료공기는 수세 냉각탑(3)에 보내져 공기 속에 수용성 먼지를 제거시킴은 물론 공기의 온도를 약 30℃ 정도로 냉각시킨다.
계속하여, 주 열교환기(6)를 통과시켜 공기 중에 포함된 수분 및 이산화탄소를 제거시킨 후 정류통의 상탑(8)에서 분리되어 나오는 저온의 산소, 질소 및 불순질소 가스와의 열교환에 의해 약 -173℃ 정도로 냉각시킨다.
이 때, 냉수탑(미도시)을 통해, 상술한 냉각수는 공기정류통의 상탑(8)에서 분리되어 나오는 저온의 산소, 질소 및 불순질소 가스와의 열교환에 의해 냉각될 수 있다.
그리고, 불순물 흡착 설비인 흡착기(4)로 들어가서 공기 중에 포함된 수분 및 이산화탄소를 제거시킨다.
이 후, 압축공기 중 일부는 주 열교환기(6)를 통하여 정류탑의 하탑(7)으로 공급되면서 액화되고, 다른 일부의 압축공기는 팽창터빈으로 공급되어 고압으로 승압된 다음, 정류탑의 상탑(8)으로 공급된다.
주 열교환기(6)에서 냉각된 공기는 정류통의 하탑(7)에 공급되며, 이 하탑(7)의 압력이 4㎏/㎠ 이상이 되면 한냉발생기를 기동시켜 일부는 주 열교환기(6)를 거쳐 정류통에서 생산된 질소가스와 함께 배관을 통해 사용처에 공급되고, 나머지는 정류통의 상탑(8)으로 공급되는 것이다.
정류탑의 하탑(7)에 공급된 원료공기(A)는 내장된 정류판에 의해 액질과 불순액질 그리고 액체공기로 1차 분리가 이루어진 후, 상탑(8)으로 들어가서 액체공기는 산소가스(O), 질소가스(N), 아르곤가스, 불순질소가스로 2차 정류가 이루어진다.
즉, 또한, 정류통의 하탑(7)으로 공급된 저온의 공기는 배관들을 통해 상탑(8)으로 공급된다.
따라서, 상술한 과정에서 주 응축기와 트레이(Tray)에 의해 1차적인 공기분리가 이루어져 액화공기는 하탑(7)으로 수집되고, 배관을 통해 상탑(8)과 제1 아르곤탑(11)으로 이송되고, 하탑(7)에서 분리된 순수 질소가스 및 산소가 포함된 불순 질소가스가 배관을 통해 상탑(8)으로 이송된다.
그리고, 상탑(8)에서는 트레이에 의해 각 가스의 비점차이를 이용한 2차적인 분리가 이루어져 산소(O), 질소(N) 및 불순 질소 가스로 분리되며, 산소 가스의 일부는 기화되는 불순 질소 가스에 의해 액체산소로 만들어져 주 응축기 하부에 모여져 하탑(7)의 불순 질소 가스를 냉각시키면서 순도 조정 단계를 거친다.
이후, 고 순도의 산소(O)와 질소 가스(N)로 생산되고, 이렇게 생산된 산소가스(O)와 질소가스(N)는 배관을 통해 각각 사용처로 보내진다. 상탑(8) 에서 제조된 99.6% 의 액화 산소가스(O)는 산소 이송펌프(9)에 의해 주 열교환기(6)로 이송될 수 있다.
이 때, 2차적인 분리가 이루어진 아르곤 가스는 제1 아르곤탑(11)으로 이송되고, 제1 아르곤탑(11) 하부에서 생성된 액화 순 아르곤 가스는 아르곤 이송펌프(10) 에 의해 정류통 상탑(8)으로 이송되거나, 제2 아르곤 탑(12)으로 이송될 수 있다.
즉, 제1 아르곤 탑(11)으로부터 분리된 순 아르곤 가스인 제1 아르곤 가스는 제2 아르곤 탑(12)에 의해 질소 성분이 제거된 제2 아르곤 가스로 분리된 후, 극저온의 아르곤 액체가 저장탱크(13)에 저장되어 보관된다.
한편, 공정의 점검, 수리 등을 위해 공기분리장치(100)를 정지시킨 후 재 가동 시키는 경우, 아르곤 탑의 작동을 정상화 하여 아르곤 가스를 생산 하기까지 많은 시간이 소요될 수 있다.
공기분리장치 정지 후 다시 기동하여 산소, 질소 가스를 생산시작 하고 조 아르곤이 마련된 아르곤 탑에서는 대기의 공기 중 0.93% 인 아르곤 가스를 장시간 농축하는 과정을 거치고, 농축이 완료되면 고순도의(10ppm이하) 아르곤 가스를 생산하는 정상화 과정이 수행된다.
이 때, 아르곤 탑 내에서 분리된 액화 아르곤 가스가 자연적으로 농축되는 과정을 거칠 경우, 과도한 시간 및 비용이 소요될 수 있다는 문제점이 존재한다.
이에 따라, 일 실시 예에 의한 공기분리설비는, 공기분리장치(100)의 정지 시 세1 아르곤탑(11)에서 분리된 아르곤 가스를 회수하여 저장하는 회수탱크(14)를 포함함으로써, 공기분리장치(100)의 재 가동시 저장된 아르곤 가스의 잠열을 활용하여, 아르곤 가스 생산의 정상화를 위한 시간을 단축시킬 수 있도록 하였다.
이하에서는 일 실시 예에 따른 공기분리설비의 작용에 대하여 설명한다.
도 2는 공기분리장치의 정지 시, 일 실시 예에 따른 공기분리설비의 유체 흐름을 도시한 것이고, 도 3은 공기분리장치의 재 가동시, 일 실시 예에 따른 공기분리설비의 유체 흐름을 도시한 것이다.
도시된 바에 의하면, 일 실시 예에 의한 공기분리설비는, 공기분리장치(100)에서 분리된 조 아르곤가스를 농축하고 제1 액화 아르곤가스로 분리시키는 제1 아르곤탑(11), 제1 액화 아르곤가스 중 질소 성분이 제거된 제2 액화 아르곤가스로 분리시키는 제2 아르곤탑(12) 및 제1 액화 아르곤가스를 저장하는 회수탱크(14)를 포함한다.
또한, 제1 액화 아르곤가스를 제2 아르곤탑(12)에 제공하는 제1 아르곤 공급라인(18a) 및 상술한 제1 아르곤 공급라인에서 분기되어 마련되는 제1 아르곤 회수라인(17a)를 더 포함한다.
이 때, 도시된 바에 의하면, 실선으로 표시된 바와 같이, 제1 액화 아르곤가스를 회수탱크(14)에 제공하거나, 점선으로 표시된 바와 같이, 회수탱크(14)에 저장된 제1 액화 아르곤가스를 제1 아르곤탑(11)으로 제공한다.
상술한 제1 아르곤 공급라인에는 제1 밸브(18)가 마련되어, 제1 밸브(18)를 통과한 제1 액화 아르곤가스가 제2 아르곤탑(12)로 제공된다.
제1 밸브(18)는 공기분리장치(100)의 가동시에만 선택적으로 개방된다.
따라서, 도 2를 참조하면, 공기분리장치(100)의 작동이 정지될 때에는 제1 밸브(18)가 폐쇄된 상태로, 제1 아르곤탑(11)으로부터 분리된 제1 액화 아르곤 가스의 제2 아르곤탑(12)으로의 유동이 중단된다.
상술한 제1 아르곤 회수라인에는 제2 밸브(17)가 마련되어 제2 밸브(17)를 통과한 제1 액화 아르곤가스가 회수탱크(14)로 제공되거나 회수탱크(14)에 저장된 제1 액화 아르곤가스를 제1 아르곤탑(11)으로 제공된다.
제2 밸브(17)는 공기분리장치(100)의 정지 시 또는 재 가동시에만 선택적으로 개방된다.
보다 구체적으로, 공기분리장치(100)의 작동이 정지된 경우, 제2 밸브(17)는 개방상태로 전환됨으로써 제1 액화 아르곤가스를 회수탱크(14) 방향으로 유동시킬 수 있다. 다만, 반대방향으로의 역류는 방지한다.
아울러, 도 3을 참조하면, 공기분리장치(100)이 정지 후 재 가동된 경우, 제2 밸브(17)는 개방상태는 유지하되 작동방향을 전환한다. 즉, 회수탱크(14)에 저장된 제1 액화 아르곤가스를 제1 아르곤탑(11) 방향으로 유동시킬 수 있으나, 반대방향으로의 역류는 방지한다.
이로써, 공기분리장치(100)의 정지 시, 제1 아르곤탑(11)으로부터 회수되었던 제1 액화 아르곤가스의 재사용이 가능해짐으로써 제1 아르곤탑(11)에서 수행되는 가스 농축 공정의 시간을 단축할 수 있게 된다.
도시된 바에 의하면, 일 실시 예에 의한 공기분리설비는, 제2 액화 아르곤가스를 저장하는 저장탱크(13) 및 제2 액화 아르곤가스를 저장탱크(13)에 제공하는 제2 아르곤 공급라인(13a)을 더 포함할 수 있다.
또한, 공기분리장치(100)의 재 가동시, 회수탱크(14)로부터 제1 아르곤탑(11)으로 제1 액화 아르곤가스를 이송하기 위해 제1 액화 아르곤가스를 기화시켜 압력을 만드는 만드는 승압 기화기(15)와, 승압 기화기(15)로 보내는 제1 액화 아르곤가스의 양을 조절하는 제3 밸브(16)를 더 포함할 수 있다.
이 때, 제3 밸브(16)는 공기분리장치(100)의 정지 후 재 가동시에만 선택적 개방되도록 마련된다.
아울러, 제1 아르곤탑(11) 내부에서 아르곤 가스를 분리 하기 위해 정류작용 하는 정류판(미도시)과, 제1 아르곤탑(11) 하부에 마련된 산소가스의 농도를 지시해주는 하부분석계(O2%)(20) 및 제1 아르곤탑(11) 상부에 마련되어 아르곤가스 중 불순물인 산소가스 농도를 지시해주는 상부분석계(O2 ppm)(21)을 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 제1 액화 아르곤가스는 상술한 농축공정을 거친 후, 제1 아르곤탑(11) 내부에서 상술한 정류판에 의해 아르곤 액질과 불순액질 그리고 제2 액화 아르곤가스로 분리될 수 있다.
이상에서는 특정의 일 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 일 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
1: 흡입필터
2: 공기압축기
3: 수세냉각탑
4: 흡착기
6: 주 열교환기
7: 정츄통 하부탑
8: 정류통 상부탑
9: 산소 이송펌프
10: 아르곤 이송펌프
11: 제1 아르곤탑
12: 제2 아르곤탑
13: 저장탱크
13a: 제2 아르곤 공급라인
14: 회수탱크
15: 기화기
16: 제3 밸브
17: 제2 밸브
17a: 제1 아르곤 회수라인
18: 제1 밸브
18a: 제1 아르곤 공급라인
20: 하부분석계
21: 상부분석계
100: 공기분리장치
A: 원료공기
O: 분리된 산소가스
N: 분리된 질소가스

Claims (8)

  1. 공기분리장치에서 분리된 조 아르곤 가스(crude argon gas)를 농축하고 제1 액화 아르곤가스로 분리시키는 제1 아르곤탑;
    제1 밸브를 통과한 상기 제1 액화 아르곤가스 중 질소 성분이 제거된 제2 액화 아르곤가스로 분리시키는 제2 아르곤탑; 및
    상기 제1 아르곤탑 후단에 배치되고, 상기 제1 아르곤탑으로부터 분리되어 제2 밸브를 통과한 상기 제1 액화 아르곤가스를 저장하는 회수탱크;를 포함하되,
    상기 제1 밸브는
    상기 공기분리장치의 가동시에만 선택적으로 개방되고,
    상기 제2 밸브는
    상기 공기분리장치의 정지 시 또는 재 가동시에만 선택적으로 개방되고,
    상기 공기분리장치의 정지 시에는, 상기 제1 액화 아르곤가스를 상기 회수탱크 방향으로 유동시키되 반대방향으로의 역류는 방지하는 공기분리설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액화 아르곤가스를 상기 제2 아르곤탑에 제공하는 제1 아르곤 공급라인; 및
    상기 제1 아르곤 공급라인에서 분기되어 마련되고,
    상기 제1 액화 아르곤가스를 상기 회수탱크에 제공하거나, 상기 회수탱크에 저장된 제1 액화 아르곤가스를 상기 제1 아르곤탑으로 제공하는 제1 아르곤 회수라인;을 더 포함하는 공기분리설비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 아르곤 공급라인은 상기 제1 밸브를 포함하고,
    상기 제1 아르곤 회수라인은 상기 제2 밸브를 포함하는 공기분리설비.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 밸브는
    상기 공기분리장치의 재 가동시에는, 상기 회수탱크에 저장된 제1 액화 아르곤가스를 상기 제1 아르곤탑 방향으로 유동시키되 반대방향으로의 역류는 방지하는 공기분리설비.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 액화 아르곤가스를 저장하는 저장탱크;를 더 포함하는 공기분리설비.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 액화 아르곤가스를 상기 저장탱크에 제공하는 제2 아르곤 공급라인을 더 포함하는 공기분리설비.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회수탱크에 저장된 제1 액화 아르곤가스를 기화시켜 압력을 만드는 만드는 승압 기화기; 및
    상기 승압 기화기로 보내는 상기 제1 액화 아르곤가스의 양을 조절하는 제3 밸브;를 더 포함하는 공기분리설비.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 밸브는
    상기 공기분리장치의 재 가동시에만 선택적으로 개방되는 공기분리설비.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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