KR102092716B1 - 공기분리설비 - Google Patents

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Abstract

공기분리설비가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 공기압축기, 수세냉각탑, 흡착기, 주열교환기, 정류탑을 포함하는 공기분리설비는 정류탑에서 배출되어 주열교환기를 거쳐 흡착기로 공급되는 불순질소의 일부를 공급받아 불순물을 제거하는 불순물 제거장치와, 불순물 제거장치에서 불순물이 제거된 불순질소를 공급받아 저장하는 불순질소 저장탱크 및 불순질소 저장탱크로부터 불순질소를 공급받아 불순질소의 온도를 조절하여 흡착기의 배출라인에 제공하는 불순질소 온도조절장치를 포함한다.

Description

공기분리설비{AIR SEPARATION PLANT}
본 발명은 공기분리설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기분리설비의 불순물 제거를 수행할 수 있는 공기분리설비에 관한 것이다.
일반적으로 제철소에서는 대기 중의 공기를 흡입, 압축시켰다가 다시 팽창시키면서 온도를 떨어뜨려 비점차에 의하여 공기 중에 포함된 산소와 질소, 아르곤을 분리하는 공기분리설비가 운용되고 있다.
공기분리설비는 공기필터를 통해 흡입된 대기 중의 원료공기가 공기압축기에 흡입되어 압축된 후 수세냉각탑에 공급된다. 그리고 수세냉각탑으로 공급되는 냉각수의 분사에 의하여 상온으로 냉각됨과 동시에 공기 속의 수용성 먼지를 제거하고 불순물 흡착 설비인 흡착기로 들어가서 공기 중에 포함된 수분 및 이산화탄소를 제거하고, 팽창터빈으로 공급되어 단열 팽창된 후 정류탑으로 보내져 액체가스를 비점에 의해 분리 생산한다.
한편 공기분리설비는 장시간 가동 시에는 장치 내부에 불순물이 축적되거나, 장치를 7일 이상 정지 시에는 공기분리설비의 열교환기, 정류탑 및 각종 배관에 불순물(수분, 이산화탄소, 탄화수소 등)이 누적되게 되고, 이는 열교환기의 폐쇄 또는 탄화수소에 의한 공기분리설비의 폭발을 야기할 수 있는 문제가 발생한다.
한국공개특허 제2005-0012920호(2005.02.02 공개)
본 발명의 실시 예들은 전력소모를 줄이면서 공기분리설비의 효율적 청소 및 운전을 도모할 수 있는 공기분리설비를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공기압축기, 수세냉각탑, 흡착기, 주열교환기, 정류탑을 포함하는 공기분리설비에 있어서, 상기 정류탑에서 배출되어 상기 주열교환기를 거쳐 상기 흡착기로 공급되는 불순질소의 일부를 공급받아 불순물을 제거하는 불순물 제거장치와, 상기 불순물 제거장치에서 불순물이 제거된 불순질소를 공급받아 저장하는 불순질소 저장탱크 및 상기 불순질소 저장탱크로부터 불순질소를 공급받아 불순질소의 온도를 조절하여 상기 흡착기의 배출라인에 제공하는 불순질소 온도조절장치를 포함하는 공기분리설비가 제공될 수 있다.
또한 상기 불순질소 저장탱크와 상기 불순질소 온도조절장치를 연결하는 배관에는 불순질소 압축기가 설치될 수 있다.
또한 상기 불순물 제거장치는 상기 주열교환기에서 상기 흡착기로 불순질소가 공급되는 불순질소라인에서 분기된 분기배관과 연결되며, 내부에 알루미나 겔(Alumina Gel)이 내장된 탱크를 포함한다.
또한 상기 온도조절장치는 상기 불순질소를 가열하기 위한 히터부와, 상기 불순질소를 냉각하기 위한 냉각부를 포함한다.
또한 상기 온도조절장치는 불순물 제거작업 시 상기 히터부를 통해 승온된 불순질소를 상기 흡착기의 배출라인에 제공하고, 불순물 제거작업이 완료된 때에는 상기 냉각부를 통해 냉각된 불순질소를 상기 흡착기의 배출라인에 제공할 수 있다.
또한 상기 온도조절장치에서 제공되는 냉각된 불순질소는 상기 팽창터빈을 통해 상기 주열교환기를 미리 설정된 온도로 냉각하는데 이용되고, 상기 주열교환기가 미리 설정된 온도에 도달하면, 상기 불순질소의 공급을 차단하고 상기 공기압축기를 통해 원료공기를 공급할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 공기분리설비의 불순물 제거 후 냉각 운전 시 전력 소모를 줄이면서 냉각 운전 시간의 단축을 도모할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리설비를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 불순질소 저장탱크에 불순질소가 공급되는 유체 흐름을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리설비의 불순물 제거 시 유체의 흐름을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리설비의 냉각운전 초기 유체의 흐름을 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 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 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 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리설비를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 공기분리설비(10)는 원료공기 필터에서 먼지를 여과시킨 대기 중의 공기를 공기압축기(11)에서 압축하고, 압축된 공기를 수세냉각탑(20)에 제공된다.
수세냉각탑(20)은 냉수탑(21)으로부터 냉각수를 공급받아 분사함에 의해 유입된 원료공기를 냉각함과 동시에 공기 속의 수용성 먼지를 제거한 후 흡착기(23)에 공급한다.
흡착기(23)에서는 원료공기 중에 포함되어 있는 수증기나 이산화탄소 등의 불순물이 흡착제에 흡착되어 제거되고, 흡착기(23)의 토출구에 연결된 배출라인(25)을 통해 주열교환기(30)를 거쳐 정류탑(40)에 공급된다.
흡착기(23)에서 배출되어 배출라인(25)을 따라 흐르는 원료공기의 일부는 냉각공정을 실시하는 주열교환기(30)에 도입되어 냉각 후 정류탑(40)의 하부에 제공되고, 배출라인(25)을 따라 흐르는 원료공기의 다른 일부는 배출라인(25)에서 분기된 분기라인(26)에 설치된 팽창터빈(27)으로 공급되어 단열 팽창된 후 주열교환기(30)를 거쳐 정류탑(40)의 상부에 제공된다.
그리고 정류탑(40)에 제공된 원료공기는 비점차에 의해 산소, 질소, 아르곤 액체가스로 분리 생산된다.
한편 정류탑(40)에서 생성된 불순질소는 불순질소라인(41)을 통해 배출되고, 주열교환기(30)를 거쳐 원료공기와 열 교환되어 상온의 온도로 회복된 후 일부는 냉수탑(21)에 들어가 냉각수를 열 교환시켜 온도를 하락시킨 후 대기로 방출되고, 다른 일부는 원료공기 불순물 제거장치인 흡착기(23)에 공급되어 흡착제에 포함된 수분 및 이산화탄소를 제거시키는 재생가스로 사용된 후 대기로 방출된다.
한편 이러한 공기분리설비(10)는 장시간 가동 시 장치 내부에 불순물이 축적되게 되고, 또한 소정기간 정지 시에는 주열교환기(30), 정류탑(40), 각 배관에 부착된 불순물(수분, 이산화탄소, 탄화수소 등)을 제거할 필요가 있다.
이를 위해, 본 발명의 공기분리설비(10)는 내부에 축적된 불순물을 제거하기 위한 퍼징을 위하여 공기분리설비(10) 장치 내부의 온도를 상온 20℃로 상승시키는 가온 작업 및 가온 작업이 완료된 공기분리설비(10) 내부를 냉각운전을 위해 다시 -180℃까지 서서히 냉각할 때 냉각운전 중간단계에 이르기까지 냉각운전을 수행하기 위한 장치로서, 불순물 제거장치(50), 불순질소 저장탱크(60), 불순질소 압축기(70) 및 불순질소 온도조절장치(80)를 더 포함한다.
불순물 제거장치(50)는 정류탑(40)에서 배출된 불순질소가 주열교환기(30)를 거쳐 흡착기(23)의 재생가스로 공급되는 불순질소라인(41)의 일측에서 분기된 분기배관(43)과 접속된다.
불순물 제거장치(50)는 분기배관(43)에서 공급된 불순질소를 수용하는 탱크로 이루어질 수 있고, 탱크 내부에는 수분 및 이산화탄소, 탄화수소를 제거하는 알루미나 겔(Alumina Gel)이 내장된다.
분기배관(43)에는 탱크 내부로 불순질소의 공급을 제어하기 위한 다수의 밸브, 레귤레이터가 설치될 수 있다.
불순질소 저장탱크(60)는 불순물 제거장치(50)와 배관(52)을 통해 서로 연결되고, 불순물 제거장치(50)에서 불순물이 제거된 불순질소를 공급받아 저장한다.
불순질소 저장탱크(60)는 압력조절배관(61)에 설치된 압력조절밸브(62)를 통해 내부에 저장된 불순질소의 압력이 일정하게 유지되도록 제어된다.
불순질소 압축기(70)는 불순질소 저장탱크(60)에 저장된 불순질소가 일정압력에 도달하면, 불순질소 온도조절장치(80)로 불순질소를 제공한다.
불순질소 온도조절장치(80)는 불순질소 압축기(70)의 토출구와 연결된 압축기 토출라인(71)과 연결되며, 병렬 배치되는 병렬라인(81,82)에 설치된 히터부(83)와 냉각부(84)를 포함한다.
병렬라인(81,82)에는 히터부(83) 또는 냉각부(84)로 유입되는 불순질소의 흐름을 제어하기 위한 제어밸브(85,86)가 설치될 수 있다.
제어밸브(85,86)는 병렬라인(81,82)과 압축기 토출라인(71)이 합류하는 지점에 설치되는 하나의 3방 밸브로 구성되거나, 각각 히터부(83) 또는 냉각부(84)의 전단 병렬라인(81,82)에 설치될 수 있다.
히터부(83)는 불순질소 압축기(70)로부터 공급되는 25℃ 정도의 불순질소를 40℃ 정도로 승온시켜 배출하고, 냉각부(84)는 불순질소 압축기(70)에서 공급된 25℃ 정도의 불순질소를 5 내지 10℃ 정도로 냉각시켜 배출한다.
히터부(83) 또는 냉각부(84)에 의해 승온 또는 냉각된 불순질소는 퍼징가스공급라인(90)에 제공된다.
히터부(83) 또는 냉각부(84) 후단의 병렬라인(81,82)에는 퍼징가스공급라인(90)에 불순질소의 공급을 제어하기 위한 제어밸브(87,88)가 설치된다. 제어밸브(87,88)는 병렬라인(81,82)과 퍼징가스공급라인(90)의 합류 지점에 설치되는 하나의 3방 밸브로 구성될 수 있다.
퍼징가스공급라인(90)은 불순질소 온도조절장치(80)에 의해 배출되는 불순질소를 흡착기(23)의 배출라인(25)에 제공하도록 병렬라인(81,82)과 분기라인(26) 상류쪽 배출라인(25)을 서로 연결하는 배관으로 이루어질 수 있다.
퍼징가스공급라인(90)을 통해 흡착기(23) 후단 배출라인(25) 쪽으로 제공되는 승온된 불순질소는 주열교환기(30), 정류탑(40) 및 각 배관에 부착된 장치 내부의 수분, 이산화탄소 및 탄화수소를 장치 외부로 퍼징하는 가온 작업을 수행하고, 퍼징가스공급라인(90)을 통해 흡착기(23) 후단 배출라인(25) 쪽으로 제공되는 냉각된 불순질소는 가온 작업이 완료된 후 공기분리설비(10)의 냉각 운전 시 공기압축기(11) 기동 전 주열교환기(30)의 온도가 최종단계인 -180℃의 중간단계인 -100℃ 정도에 이를 때까지 제공하여, 공기압축기(11)의 가동에 따른 전력 소비를 절감하면서 냉각운전 시간을 단축시킨다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리설비의 작동에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 불순질소 저장탱크에 불순질소가 공급되는 유체 흐름을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리설비의 불순물 제거 시 유체의 흐름을 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리설비의 냉각운전 초기 유체의 흐름을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 공기분리설비(10)의 정상 가동 시 공기압축기(11)에서 공급되는 원료공기는 수세냉각탑(20)에 공급되고, 냉수탑(21)을 통해 공급되는 냉각수에 의해 냉각 및 수용성 먼지가 제거된다.
이후, 흡착기(23)로 유입되어 수분 및 이산화탄소가 제거된 후 배출라인(25)을 따라 흐르면서 주열교환기(30)를 거쳐 정류탑(40)에 공급된 후 비점차에 의해 산소, 질소, 아르곤 액체가스로 분리 생산된다.
정류탑(40)에서 발생한 불순질소는 불순질소라인(41)을 따라 흐르면서 주열교환기(30)를 거쳐 상온으로 열 교환된 후 일부는 흡착기(23) 또는 냉수탑(21)에 제공되고, 다른 일부는 분기배관(43)을 통해 불순물 제거장치(50)에 유입된다.
불순물 제거장치(50)에 유입된 불순질소는 불순물이 제거된 후 불순질소 저장탱크(60)에 공급되며, 불순질소 저장탱크(60)에서 일정압력이 유지된 상태로 저장된다.
한편, 공기분리설비(10)의 장시간 가동에 따른 불순물이 축적되거나 또는 일정기간 동안 가동하지 않은 경우, 공기분리설비(10)의 불순물을 제거하는 작업을 수행한다.
이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 공기분리설비(10)는 불순질소 압축기(70)를 가동하여 불순질소 저장탱크(60)에 저장된 상온(25℃)의 불순질소를 온도조절장치(80)에 제공한다.
온도조절장치(80)에 공급되는 불순질소는 개방된 제어밸브(85)를 통해 히터부(83)로 공급되고, 히터부(83)에서는 40℃ 정도의 온도로 승온된 후 퍼징가스공급라인(90)을 통해 흡착기(23) 후단의 배출라인(25)으로 제공된다.
흡착기(23) 후단의 배출라인(25)으로 제공된 불순질소는 주열교환기(30), 정류탑(40) 및 각종 배관에 부착된 수분, 이산화탄소 및 탄화수소를 제거하면서 장치 외부로 배출된다.
불순물 제거 작업이 완료되면, 공기분리설비(10)의 정상 운전을 위한 냉각운전을 수행한다.
이 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 온도조절장치(80)는 제어밸브(85)를 닫아 히터부(83)로 유입되는 불순질소를 차단하고, 냉각부(84)로 불순질소가 유입되도록 제어밸브(82)를 개방한다.
냉각부(84)에서는 상온의 불순질소가 5 내지 10도℃ 정도로 냉각되고, 냉각된 불순질소가 퍼징가스공급라인(90)을 통해 흡착기(23) 후단의 배출라인(25)으로 제공하면서 팽창터빈(27)을 가동하여 주열교환기(30)를 냉각시킨다.
이때 주열교환기(30)의 온도가 정상 작동 온도인 -180℃의 중간 온도인 -100℃에 도달할 때까지 온도조절장치(80)는 배출라인(25)으로 냉각된 불순질소를 공급한다.
주열교환기(30)의 온도가 -100℃에 도달하면, 제어밸브(88)를 닫아 배출라인(25)으로 제공되는 불순질소를 차단시킨다.
그리고 공기압축기(11)를 통해 원료공기를 제공하여 공기분리설비(10)의 작동온도(-180℃)까지 서서히 냉각시킨다.
이를 통해, 불순물 제거 작업을 수행하기 위해 공기압축기(11)의 용량 대비 30 내지 35% 정도의 가스만을 사용하는 불순물 제거 작업과 공기분리설비(10)를 서서히 냉각하는 냉각운전 초기 단계부터 공기압축기(11)를 가동함에 따른 과도한 전력이 낭비되는 문제를 해결하여, 전력 절감 및 냉각운전 시간 단축을 도모할 수 있게 된다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 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.
10: 공기분리설비, 11: 공기압축기,
20: 수세냉각탑, 21: 냉수탑,
23: 흡착기, 25: 배출라인,
26: 분기라인, 27: 팽창터빈,
30: 주열교환기, 40: 정류탑,
41: 불순질소라인, 43: 분기배관,
50: 불순물 제거장치, 60: 불순질소 저장탱크,
70: 불순질소 압축기, 80: 불순질소 온도조절장치,
81,82: 병렬라인, 83: 히터부,
84: 냉각부, 90: 퍼징가스공급라인.

Claims (6)

  1. 공기압축기, 수세냉각탑, 흡착기, 주열교환기, 정류탑을 포함하는 공기분리설비에 있어서,
    상기 정류탑에서 배출되어 상기 주열교환기를 거쳐 상기 흡착기로 공급되는 불순질소의 일부를 공급받아 불순물을 제거하는 불순물 제거장치;
    상기 불순물 제거장치에서 불순물이 제거된 불순질소를 공급받아 저장하는 불순질소 저장탱크; 및
    상기 불순질소 저장탱크로부터 불순질소를 공급받아 불순질소의 온도를 조절하여 상기 흡착기의 배출라인에 제공하는 불순질소 온도조절장치;를 포함하는 공기분리설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불순질소 저장탱크와 상기 불순질소 온도조절장치를 연결하는 배관에는 불순질소 압축기가 설치되는 공기분리설비.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 불순물 제거장치는 상기 주열교환기에서 상기 흡착기로 불순질소가 공급되는 불순질소라인에서 분기된 분기배관과 연결되며, 내부에 알루미나 겔(Alumina Gel)이 내장된 탱크를 포함하는 공기분리설비.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도조절장치는 상기 불순질소를 가열하기 위한 히터부와, 상기 불순질소를 냉각하기 위한 냉각부를 포함하는 공기분리설비.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도조절장치는 불순물 제거작업 시 상기 히터부를 통해 승온된 불순질소를 상기 흡착기의 배출라인에 제공하고, 불순물 제거작업이 완료된 때에는 상기 냉각부를 통해 냉각된 불순질소를 상기 흡착기의 배출라인에 제공하는 공기분리설비.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흡착기에서 배출되는 원료공기를 단열 팽창시켜 상기 주열교환기로 제공하는 팽창터빈을 더 포함하고,
    불순물 제거작업이 완료된 후 상기 냉각부에서 제공되는 냉각된 불순질소는 상기 팽창터빈을 통해 상기 주열교환기를 미리 설정된 온도로 냉각하는데 이용되고, 상기 주열교환기가 미리 설정된 온도에 도달하면, 상기 불순질소의 공급을 차단하고 상기 공기압축기를 통해 원료공기를 공급하는 공기분리설비.
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