KR101977500B1 - 공기분리설비 - Google Patents

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KR101977500B1
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박진수
박지환
정신교
이항재
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주식회사 포스코
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Abstract

본 발명은 공기분리설비에 관한 것으로서, 압축기에 연결되어 압축된 공기를 공급받는 수세냉각장치;와, 상기 수세냉각장치에 연결된 열교환장치; 및 배관유닛에 의해 상기 열교환장치에 연결되고, 공급받은 공기를 산소, 질소, 알곤 가스로 분리하는 정류장치;를 포함하고, 상기 배관유닛은, 상기 열교환장치와 상기 정류장치의 하탑을 연결하는 제1 배관;과, 상기 정류장치의 상탑과 상기 열교환장치를 연결하고, 냉각보조배관으로 분기되는 제2 배관; 및 상기 제2 배관의 분기지점에 구비되는 제어밸브;를 포함하며, 상기 냉각보조배관은 상기 제1 배관에 연결될 수 있다.

Description

공기분리설비{AIR SEPARATION DEVICE}
본 발명은 공기분리설비에 관한 것이다.
도 1에서 보이듯, 통상의 제철소 등에서 사용되는 공기분리설비(1)는 질소 78%, 산소 21%, 알곤 1% 정도가 함유된 대기중의 공기를 흡입하여 공기필터(미도시)에 의해 1차적으로 이물질을 제거하고, 이를 압축기(10)에서 압축한다.
압축기(10)에서 약 6㎏/㎠ 정도의 압력으로 압축된 공기를 수세냉각탑(11)에 보내 공기 속에 존재하는 수용성 먼지를 제거하고, 공기의 온도를 여름 약 25℃, 겨울 약 10℃ 정도로 냉각한다.
이어, 압축된 원료 공기는 흡착기(12)에서 수분 및 이산화탄소가 제거되며, 이후 팽창터빈(13)과 열교환기(14)를 거친 원료공기가 정류탑(15) 상탑에서 발생되는 산소, 질소 및 불순 질소 가스(약 -180℃ 이하)와 열교환하여 -173℃ 정도로 냉각된다.
이렇게 온도가 떨어진 원료 공기는 조알곤 정류탑(16), 순알곤 정류탑(17), 액체질소저장탱크(18), 액체산소저장탱크(19), 액체알곤저장탱크(20)와 연계된 정류탑(15)의 하탑에 공급된다.
그리고, 이 하탑의 압력이 4㎏/㎠ 이상이 되면 한냉발생기가 기동되고, 일부는 정류탑(15)에서 생산된 질소가스와 함께 배관을 통해 사용처에 공급되고, 나머지는 정류탑(15)의 상탑으로 공급된다.
또한, 정류탑(15)의 하탑으로 공급된 저온의 공기는 배관장치들을 통해 상탑으로 공급되는데, 이 과정에서 주 응축기와 트레이에 의해 1차적 공기 분리가 이루어져 액화공기는 하탑으로 모였다가 배관장치(미도시)등을 통해 상탑 또는 조알곤 정류탑(16)으로 보내진다. 그리고, 하탑에서 분리된 순수 질소가스는 사용처로 공급되며, 상탑에서 분리된 불순 질소가스와 산소가스는 다시 열교환기를 통해 열교환을 하여 불순 질소가스는 흡착기(12) 재생 및 수세냉각탑(11)으로 보내지고, 산소가스는 사용처로 공급된다.
이와 같은 공기분리설비는 가스 밸런스 수급에 맞춰 기동과 정지가 반복되기 때문에 재기동 시간을 단축하는 것이 생산 효율 향상 및 전력비 절감을 위해 매우 중요한 문제라고 할 수 있다.
KR 10-1481614 B1 (2015.01.06)
본 발명은 공기분리설비의 재기동 시간을 단축하여 생산 효율을 향상시키고, 소모되는 전력량을 절감하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은 공기분리설비에 관한 것으로서, 압축기에 연결되어 압축된 공기를 공급받는 수세냉각장치;와, 상기 수세냉각장치에 연결된 열교환장치; 및 배관유닛에 의해 상기 열교환장치에 연결되고, 공급받은 공기를 산소, 질소, 알곤 가스로 분리하는 정류장치;를 포함하고, 상기 배관유닛은, 상기 열교환장치와 상기 정류장치의 하탑을 연결하는 제1 배관;과, 상기 정류장치의 상탑과 상기 열교환장치를 연결하고, 냉각보조배관으로 분기되는 제2 배관; 및 상기 제2 배관의 분기지점에 구비되는 제어밸브;를 포함하며, 상기 냉각보조배관은 상기 제1 배관에 연결되고, 상기 제어밸브는, 설비의 재기동시, 상기 제2 배관의 내부 유체를 상기 냉각보조배관으로 유동시켜 상기 정류장치의 상탑의 압력을 떨어뜨린 이후에 상기 제2 배관에서 상기 냉각보조배관으로의 유체 이동을 차단하게 제공되며, 상기 냉각보조배관의 내부 유체는 상기 열교환장치의 동작 이전에 상기 제1 배관의 내부 유체를 냉각하게 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 배관은, 단면의 직경이 감소하는 직경감소구간;과, 상기 직경감소구간에 이어지고, 일정 크기의 단면의 직경이 유지되는 직경유지구간; 및 상기 직경유지구간에 이어지고, 단면의 직경이 증가하는 직경증가구간;을 포함하고, 상기 냉각보조배관은, 상기 직경유지구간에 연결될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 냉각보조배관은, 내부 유동을 제어하는 체크밸브;를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 직경감소구간은, 단면의 직경이 선형적으로 감소하게 제공되고, 상기 직경증가구간은, 단면의 직경이 선형적으로 증가하게 제공될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 냉각보조배관은, 상기 제1 배관의 상부에서 상기 직경유지구간에 연결될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 냉각보조배관은, 상기 제1 배관 내부의 유체의 흐름 방향과 동일한 방향으로 경사지게 상기 직경유지구간에 연결될 수 있다.
그리고 바람직하게, 상기 수세냉각장치에 연결된 흡착장치; 및 상기 열교환장치에 연결된 터빈장치;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 재기동 시간이 단축되어 생산 효율 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전력비 등을 절감하여 제조원가를 절감할 수 있다.
도 1은 통상의 공기분리설비를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 공기분리설비를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 제1 배관을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 제1 배관과 냉각보조배관의 연결 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 실시 예에 관한 설명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 동일한 부호로 기재된 요소는 동일한 요소이고, 각 실시 예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
또한, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위하여 종래의 기술에 의해 익히 알려진 요소와 기술에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하고, 당업자에 의해 특정 구성요소가 추가, 변경, 삭제된 다른 형태로도 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명과 동일한 사상의 범위 내에 포함됨을 밝혀 둔다.
이하에서 설명하는 본 발명의 유체 이동은 각각의 장치들을 연결하는 배관장치에 의해 이루어질 수 있다.
먼저, 도 2에는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 공기분리설비(100)가 개략적으로 도시되어 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 공기분리설비(100)는 압축기(110)에 연결되어 압축된 공기를 공급받는 수세냉각장치, 상기 수세냉각장치에 연결된 열교환장치(130) 및 배관유닛에 의해 상기 열교환장치(130)에 연결되고, 공급받은 공기를 산소, 질소, 알곤 가스로 분리하는 정류장치(140)를 포함할 수 있다.
원료 공기는 압축기(110)에서 다단 압축과정을 거치는데 이러한 과정에서 압축열을 제거하기 위해 별도의 냉각장치가 사용될 수 있다. 그러나, 압축기(110) 최종단을 통과한 원료 공기는 여전히 고온이므로 수세냉각장치(120)에서 냉각되게 된다.
수세냉각장치(120)는 압축기(110)의 최종단을 거친 고압의 뜨거운 공기를 냉각수와 직접 접촉시켜 열교환하는 장치로서, 수세냉각장치(120)에서 냉각된 원료 공기는 흡착장치(160)로 이송될 수 있다.
흡착장치는 압축된 원료 공기 속에 함유된 H2O 및 CO2를 완전히 제거하도록 하며, 흡착장치의 내부에는 흡착제가 충전되어 있어 목표한 수분과 불순물을 흡착할 수 있다.
약 15℃의 온도를 띄는 원료 공기는 열교환장치(130)에 공급되고, 정류장치(140)에서 나오는 초저온의 한냉 가스 및 터빈장치(170)에서 발생한 한냉과 열교환하여 그 비점인 약 -170℃까지 냉각되어 온도가 떨어진 원료 공기는 조알곤 정류장치(143), 순알곤 정류장치(143), 액체질소저장탱크(146), 액체산소저장탱크(147), 액체알곤저장탱크(145)와 연계된 정류장치(140)의 하탑(141)에 보내진다. 여기서, 상기 조알곤 정류장치(143), 순알곤 정류장치(143), 액체질소저장탱크(146), 액체산소저장탱크(147), 액체알곤저장탱크(145)와 연계된 정류장치(140)의 동작은 종래 기술에 의해 익히 알려진 것을 따를 수 있다.
한편, 하탑(141)에 보내진 원료 공기는 하탑(141) 내를 상승하는 사이에 환류 LN2와 접촉하고, 차츰 그의 N2농도가 높아져 고순도의 N2가 된다. 이 N2는 상탑(142)의 LO2와 열교환하여 농축함으로써 LN2가 된다.
이와 같이 정류장치(140)의 상탑(142)에는 하탑(141)에서 분리된 순수 질소가스 및 산소가 포함된 불순 질소가스가 공급된다.
그리고 상탑(142)에서는 트레이(미도시)에 의해 각 가스의 비점 차이를 이용한 2차적인 분리가 이루어져 산소, 질소, 불순 질소 가스로 분리되며, 산소 가스의 일부는 기화되는 불순 질소 가스에 의해 액체산소로 만들어져 응축기(미도시)에 모여 하탑의 불순 질소 가스를 냉각시키면서 순도 조정 단계를 거친 다음에 고 순도의 산소와 질소 가스로 생산된다.
이렇게 생산된 산소 가스와 질소 가스는 각각의 사용처로 보내지며, 알곤 분리기(143,144)에서도 상탑에서 공급된 산소 중의 알곤 가스를 분리시켜 사용처로 보내게 된다.
이때, 종래의 기술에서는 도 1에서 보이듯, 압축기에 초반에 유입된 원료 공기 전체의 60% 이상을 차지하는 미 응축 가스인 불순 질소 가스의 온도가 약 -197℃ ~ -192℃ 이므로, 정류탑(15)과 열교환기(14)를 연결하는 이송배관(21)에 의해 저온의 불순 질소 가스를 열교환기(14)로 이송하고, 일부 한냉 가스를 배출배관(22)의 밸브(23)를 열어 대기로 방출하며, 설비 재기동시 문제가 되는 상탑 압력 상승을 방지해왔다.
그런데 본 발명에서는 약 -197℃ ~ -192℃에 이르는 초저온의 가스를 대기로 방출하지 않고, 공기분리설비의 재기동시간을 단축시키기 위해 사용한다.
구체적으로 본 발명에서는 열교환장치(130)와 상기 정류장치(140)의 하탑을 연결하는 제1 배관(151), 상기 정류장치(140)의 상탑(142)과 상기 열교환장치(130)를 연결하고, 냉각보조배관으로 분기되는 제2 배관(153) 및 상기 제2 배관(153)의 분기지점에 구비되는 제어밸브(154)를 포함하는 배관유닛을 제공한다. 이때, 상기 냉각보조배관은 상기 제1 배관(151)에 연결될 수 있다.
따라서, 제1 배관(151)에는 약 -170℃까지 냉각되어 정류장치(140)의 하탑(141)에 보내지는 원료 공기가 흐르고, 제2 배관(153)에는 약 -197℃ ~ -192℃에 이르는 초저온의 가스가 흐른다.
이때, 상기 제2 배관(153)은 냉각보조배관(152)으로 분기될 수 있으며, 제2 배관(153)은 열교환장치(130)에 연결되고, 분기된 냉각보조배관(152)은 제1 배관(151)에 연결될 수 있다.
이때, 제2 배관(153)에는 제어밸브(154)가 설치되어 내부 유체가 열교환장치(130)로 가게 할 것인지, 제1 배관(151)으로 가게 할 것인지를 제어할 수 있다.
따라서, 공기분리설비의 유지, 보수 등으로 설비를 멈췄다가 재기동을 하는 경우, 제1 배관(151)에 존재하는 유체와 제2 배관(153)에 존재하는 유체의 온도는 설비의 정지시간에 따라 차이는 있겠으나 약 30℃~50℃의 온도차를 가진다.
즉, 제1 배관(151)에 존재하는 유체의 온도가 제2 배관(153)에 존재하는 유체보다 30℃~50℃ 정도 높기 때문에, 이와 같이 설비가 멈췄다가 재기동하는 경우에는 제어밸브(154)를 동작시켜 제2 배관(153)의 유체가 제1 배관(151)으로 가게 할 수 있다.
그러면 설비가 정지된 동안 어느 정도 상승한 제1 배관(151) 내부 유체의 온도는 제1 배관(151) 내부의 유체의 온도보다 약 30℃~50℃ 정도 낮은 제2 배관(153) 내부 유체에 의해 별다른 냉각처리 없이도 온도를 빠르게 하강시킬 수 있다.
이와 같이 제1 배관(151)과 제2 배관(153)의 유체를 함께 정류장치(140)의 하탑(141)으로 보내면 내부에 차압형성이 빨라 액공 생성을 가속하므로, 설비를 정지했다가 재기동함으로 인한 손실을 보상받을 수 있고, 재기동에 소모되는 전력비도 절감할 수 있다.
뿐만 아니라, 하탑(141)으로 공급되는 유체의 온도를 빠르게 하강시키면 정류장치(140)의 상탑에 축적되어 있던 액산이 열교환하여 상탑 액산이 기화되어 상승하는 압력의 폭이 좁아 안전변의 동작을 미연에 방지할 수 있고, 열교환장치(130)의 온도 밸런스도 균형있게 유지할 수 있어 정류장치(140) 하탑의 유체를 정류장치(140)의 상탑으로 더욱 빨리 이송할 수 있어 생산성 향상에도 기여할 수 있다.
한편, 제1 배관(151)은 도 3에서 보이듯, 내부 유체의 이송방향으로 단면의 직경(D)이 선형적으로 감소하는 직경감소구간(151a), 상기 직경감소구간(151a)에 이어지고, 일정 크기의 단면의 직경이 유지되는 직경유지구간(151b) 및 상기 직경유지구간에 이어지고, 단면의 직경이 선형적으로 증가하는 직경증가구간(151c)을 포함하는 형태를 가질 수 있다.
이에 따르면 벤튜리 효과에 의해 직경유지구간(151b)에서 유속이 빨라지고, 압력이 떨어지게 된다. 따라서, 이 직경유지구간에 연결구멍(151d)을 마련하고, 상기 연결구멍에 도 4와 같이 냉각보조배관(152)을 연결하면 제1 배관(151)에 비해 상대적으로 저압인 냉각보조배관(152) 내부의 유체가 상기 제1 배관(151)으로 용이하게 유입되게 할 수 있다.
바람직하게는 상기 냉각보조배관(152)에는 체크밸브(152a)를 구비하여 제1 배관에서 냉각보조배관으로 유체가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상대적으로 저압인 냉각보조배관(152) 내부의 유체가 제1 배관으로 용이하게 유입되게 하기 위해 상기 냉각보조배관(152)을 제1 배관에 비스듬하게 경사지게 결합할 수 있다.
이때, 냉각보조배관(152)의 경사진 방향은 제1 배관(151)의 유체 흐름 방향과 동일하게 형성될 수 있고, 이에 따르면 냉각보조배관 내부의 유체와 제1 배관(151) 내부의 유체의 흐름 방향을 동일하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한 바람직하게, 상기 냉각보조배관(152)을 제1 배관(151)의 상부에서 결합하면 중력에 의해 냉각보조배관(152) 내부의 유체가 제1 배관(151) 내부로 더욱 용이하게 유입되게 할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면 정상가동시에는 도 2에서 보이듯, 제어밸브(154)로 제2 배관(153)의 유체가 열교환장치(130)로 흐르게 할 수 있고, 설비의 유지, 보수, 점검 등으로 인해 설비의 기동이 중지되었다가 재기동 될 시에는 제어밸브(154)를 통해 정류장치의 상탑(142)에서 나온 유체가 냉각보조배관(152)으로 흐르게 하여 제1 배관(151)에 합류되게 함으로써 제1 배관의 신속한 냉각을 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 사항은 본 발명의 일 실시 예에 관하여 설명한 것이며, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10, 110 : 압축기 11 : 수세냉각탑
12 : 흡착기 13 : 팽창터빈
14 : 열교환기 15 : 정류탑
21 : 이송배관 22 : 배출배관
23 : 밸브 100 : 공기분리설비
110 : 압축기 120 : 수세냉각장치
130 : 열교환장치 140 : 정류장치
150 : 배관유닛 160 : 흡착장치
170 : 터빈장치

Claims (7)

  1. 압축기에 연결되어 압축된 공기를 공급받는 수세냉각장치;
    상기 수세냉각장치에 연결된 열교환장치; 및
    배관유닛에 의해 상기 열교환장치에 연결되고, 공급받은 공기를 산소, 질소, 알곤 가스로 분리하는 정류장치;를 포함하고,
    상기 배관유닛은,
    상기 열교환장치와 상기 정류장치의 하탑을 연결하는 제1 배관;
    상기 정류장치의 상탑과 상기 열교환장치를 연결하고, 냉각보조배관으로 분기되는 제2 배관; 및
    상기 제2 배관의 분기지점에 구비되는 제어밸브;를 포함하며,
    상기 냉각보조배관은 상기 제1 배관에 연결되고,
    상기 제어밸브는,
    설비의 재기동시, 상기 제2 배관의 내부 유체를 상기 냉각보조배관으로 유동시켜 상기 정류장치의 상탑의 압력을 떨어뜨린 이후에 상기 제2 배관에서 상기 냉각보조배관으로의 유체 이동을 차단하게 제공되며,
    상기 냉각보조배관의 내부 유체는 상기 열교환장치의 동작 이전에 상기 제1 배관의 내부 유체를 냉각하게 제공되는 공기분리설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배관은,
    단면의 직경이 감소하는 직경감소구간;
    상기 직경감소구간에 이어지고, 일정 크기의 단면의 직경이 유지되는 직경유지구간; 및
    상기 직경유지구간에 이어지고, 단면의 직경이 증가하는 직경증가구간;을 포함하고,
    상기 냉각보조배관은,
    상기 직경유지구간에 연결되는 것을 특징으로 하는 공기분리설비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각보조배관은,
    내부 유동을 제어하는 체크밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기분리설비.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 직경감소구간은,
    단면의 직경이 선형적으로 감소하게 제공되고,
    상기 직경증가구간은,
    단면의 직경이 선형적으로 증가하게 제공되는 것을 특징으로 하는 공기분리설비.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 냉각보조배관은,
    상기 제1 배관의 상부에서 상기 직경유지구간에 연결되는 것을 특징으로 하는 공기분리설비.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각보조배관은,
    상기 제1 배관 내부의 유체의 흐름 방향과 동일한 방향으로 경사지게 상기 직경유지구간에 연결되는 것을 특징으로 하는 공기분리설비.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수세냉각장치에 연결된 흡착장치; 및
    상기 열교환장치에 연결된 터빈장치;
    를 더 포함하는 공기분리설비.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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