KR19990079659A - 공기분리방법 및 공기분리설비 - Google Patents

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Abstract

(과제)
주열교환기와는 별도로 공기냉동사이클을 사용하여 공기일부를 액화하는 타입의 공기분리방법 및 공기분리설비에 있어서, 그 공기냉동사이클중에서 액화된 공기를 정류탑 하탑으로 도입할때의 그 액체공기의 기화에 의한 손실을 저감하는 방법 및 설비를 제공한다.
(해결수단)
공기냉동사이클중에서 액화한 공기를 팽창 터빈을 통한 단열팽창에 의해 감압하여 상기 정류탑 하탑으로 도입하는 공기분리방법, 또는 공기냉동사이클중에서 액화한 공기의 상기 정류탑 하탑에의 도입부에 팽창터빈을 설치한 공기분리설비를 채용함으로써 그 액화공기의 기화에 따른 손실을 저감한다.

Description

공기분리방법 및 공기분리설비
본발명은 공기분리방법 및 공기분리설비에 관한 것으로, 특히 주열교환기와는 별도로 공기냉동사이클을 사용하여 공기 일부를 액화하는 타입의 공기분리방법 및 설비에 있어서, 그 공기 냉동사이클중에서 액화된 공기를 정류탑 하탑으로 도입할 때의 그 액화공기의 기화에 의한 손실을 저감하는 방법 및 설비에 관한 것이다.
공기에서 액체질소나 액체산소를 제조하는 환언하면 공기를 질소와 산소로 분리하는 공기분리방법은 제철, 화학, 전자공업 등의 광범한 분야에 있어서의 자가용 또는 제품용 산소나 질소의 제조수단으로서 널리 사용되고 있다. 이와같은 공기분리방법에 대해서는 분리효율의 향상, 런닝코스트 저하, 조업안정성 향상 등을 목적으로하여 여러 가지 연구·개발이 진행되고, 기술로서의 개선여지가 찾아보기 어려울 정도로 고도의 발전을 보이고 거의 완성·성숙의 역에 달하고 있으나 실조업상의 관점으로는 아직 개량의 여지가 남아있다.
도 1은 그와같은 상황하에서 개발된 모레큘러십형의 공기분리방법을 나타내는 흐름도이다. 원료공기는 에어필터(1), 원료공기압축기(2), 냉각기(3) 등을 거쳐 희망압력·온도의 공기(이하, 압축공기라 할수도 있다)가 되어, 모레큘러시브흡착기(불순성물 흡착부; 6)에 유도된다. 도면의 모레큘러시브흡착기(6)는 2기 한쌍의 전환방식이고, 그 흡착기(6)내에서는 제올라이트 등의 흡착 작용에 의해 상기 압축공기 중의 수분, 탄산가스, 탄화수소가스 등이 거의 완전하게 제거된다. 상기 흡착기(6)에서 관로(6a)를 통하여 도출된 압축공기는 주열교환기(7)로 유도되고, 후기의 복귀 가스와의 열교환으로 액화점 부근까지 냉각되어 정류탑(8) 하탑(8a)하부로 도입된다.
하탑(8a)에 도입된 압축공기는 하탑(8a)내를 상승해 오는 과정에서 냉각되면서 증류분리가 진행되어 가고, 하탑(8a) 상부에서는 저비점의 질소리치액(액체 질소; 9) 또는 질소리치가스가 꺼내지고, 한편 하부에 있어서는 고비점의 산소리치액(10)이 저류된다(이하 정류공정이라할 수도 있다). 상부질소리치가스는 관로(13)를 통하여 주응축기(86)로 인도되고, 여기서 액화되어 관로(14)를 하강하여 하탑(8a) 상부로 돌아간다. 하탑(8a) 상부의 질소리치액 일부는 관로(15)를 지나 과냉각기(12)를 거쳐 상탑(8c) 정부로 인도된다.
한편, 상기 산소리치액(10)은 관로(25)를 지나 과냉각기(12)를 거쳐 상탑(8c) 중단으로 인도된다. 또 하탑(8a) 중단에서는 정류 공정중기의 액체질소가 관로(11)를 지나 과냉각기(12)를 거쳐 상탑(8c) 상단으로 인도된다. 이와같이 상탑(8e) 중단, 상단 및 정부에서 도입되어 상탑(8c)내를 강하하는 저온의 액체질소 및 산소리치액은 상탑(8c)내를 상승하는 가스와의 사이에서 물질이동이 행해짐으로써 정류가 진행된다.
이러한 각 공정이 반복됨으로써 상탑(8c) 정부에 있어서는 고순도 질소가스가 정제되고, 한편 상탑(8c) 하부에는 고순도액체산소가 저류되고, 이들은 관로(16, 17)를 경유하여 상기 복귀가스가 되어 주열교환기(7)에 인도되고, 흡착관(6)에서 도출되는 압축공기와의 사이에서 열교환을 행하여 한냉을 이용한후, 고순도 질소 및 고순도 산소로서 제품화된다. 또는 주응축기(8b)로 액화되고, 하탑(8a) 상부에 인도된 액체질소나 상탑(8c) 하부에 정류된 액체산소를 각각 액체인채 꺼내어져 제품화될 수도 있다.
또 상탑(8c) 상단부 보다 다소 하측 위치에서는 관로(20)를 거쳐 조(粗) 질소가스가 발출되고, 과냉각기(12)에서 주열교환기(7)를 거쳐 복귀가스로서 열교환기에 의해 한냉을 이용한후, 열교환후의 인발가스는 재생용 가열기(29)를 거쳐흡착기(6)에 보내어져 그 재생에 이용된다.
이때, 상기 흡착기(6)로 정화된 압축공기 일부는 주열교환기(7)로 인도되기 전에 분기되고, 관로(30)를 거쳐 별도 설치되는 공기냉동사이클(4)로 도입된다. 그 공기냉동사이클(4)로 도입된 압축공기는 공기순환압축기(31)에 의해 압축되고, 제1 순환 열교환기(32), 냉동기(33), 제2 순환 열교환기(34)로 냉각되고, 일부는 팽창터빈(36)에서 단열팽창된후, 제3 순환 열교환기(35), 상기 제2 순환 열교환기(34), 상기 제1 순환 열교환기(32)를 거쳐 상기 공기순환압축기(31)로 복귀하여 공기의 냉동사이클을 형성하고 있다. 상기 제2 순환 열교환기(34)를 나온 나머지 공기(팽창터빈(36)으로 보내지지 않은 나머지공기)는 상기 제3 순환 열교환기(35)에서 팽창터빈(36)으로부터의 저온 공기와 열교환하여 냉각되어 액화된다. 그 액화된 공기는 그후, 듈·톰손 팽창밸브(37)에 의해 정류탑 하탑(8a)의 조작압력까지 감압되어 하탑(8a)으로 도입된다.
본발명자들의 검토결과, 상기와 같은 공기분리설비에 있어서는 상기 제3 순환 열교환기(35)로 액화된 공기를 듈·톰손팽창밸브(37)에 의해 감압하고 있으나, 이 감압에 있어서 5∼ 10%의 액화공기가 기화되어 있는 것을 알았다.
즉, 공기냉동사이클(4)에 있어서, 제조된 액의 5∼ 10%는 한번 액화되어 있으면서 정류탑 하탑(8a)으로 도입되기 전에 재차 기화되고, 상기 정류탑내에서의 공정중에서 재차 냉각되어 액화하게 된다. 이와같은 상황은 분리효율, 런닝코스트 등의 관점에서 보면 비효율적이다. 본발명은 이와같은 사정에 착안하여 행해진 것으로 그 목적은 듈·톰손팽창밸브(37) 사용에 의해 생기는 액화공기의 기화에 의한 손실을 저감한 공기분리방법 및 공기분리설비를 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 종래의 공기분리방법 및 공기분리설비를 설명하기 위한 전체흐름도,
도 2는 실시예에 사용한 공기냉동사이클 개략도.
"도면의 주요부분에 대한 부호의 설명"
1:에어필터 2:원료공기 압축기
3:냉각기 4:공기냉동사이클
6: 모레큘러시브흡착기 7:주열교환기
8:정류탑 8a:하탑
8b:주응축기 8c:상탑
9:질소리치액 10:산소리치액
12:과냉각기 29:재생용 가열기
31:공기순환압축기 32:제1 순환 열교환기
33:냉동기 34:제2 순환 열교환기
35: 제3 순환 열교환기 36:팽창터빈
37:듈·톰손 팽창밸브
상기 과제를 해결할 수 있었던 본발명에 관한 공기분리방법은 주열교환기와 공기냉동사이클을 갖는 공기분리설비를 사용하여 공기분리를 행함에 있어서, 상기 공기냉동사이클중에서 액화한 공기를 팽창터빈을 통한 단열팽창에 의해 기화하지 않는 한도로 감압하여 정류탑 하탑으로 도입하는 것을 특징으로 한다.
또, 본발명에 관한 공기분리설비는 주열교환기와 공기냉동사이클을 갖는 공기분리설비에 있어서, 상기 공기냉동사이클중에서 액화한 공기의 정류탑 하탑에의 도입부에 팽창터빈을 설치한 것을 특징으로 한다.
(발명의 실시형태)
상기 공기냉동사이클(4)에 있어서, 순환공기압축기(31)에 들어가기전의 압축공기는 0.5∼ 1.0MPa 정도의 압력이나, 압축기(31)에 의해 3.0∼6.0MPa 정도까지 압축된다. 그후, 상기 제3 순환 열교환기(35) 등을 거침으로써 -170℃ 정도까지 냉각되어 액화되고, 듈·톰손 팽창밸브에 의해 재차 0.5∼ 1.0MPa 정도의 압력까지 감압되어 정류탑 하탑(8a)내에 도입된다. 이 듈·톰손팽창밸브를 통한 단열팽창에 의해 상기 액화공기의 온도는 약간 저하하나 본발명자들의 검토에 따르면 그 단열팽창에 있어서 저하하는 온도폭은 3∼ 4℃ 정도이고, 이 온도저하분을 상회할 정도의 기화요인(압력저하)에 의해 액화공기 일부(5∼10%정도)가 기화되는 것을 알았다.
상기와 같이 그 액화공기의 일부 기화는 비효율적이고, 그 액화공기의 정류탑 하탑에의 도입시에 그 액화공기의 온도를 더욱 저하시킬수 있으면 상기 기화에 의한 손실은 저감가능하다. 본발명자들은 상기 액화공기의 정류탑 하탑내에의 도입시에 필요한 감압을 듈·톰손팽창밸브를 통한 단열팽창에 의하지 않고 팽창터빈을 통하여 행하는 단열팽창에 의해 행하면, 액화공기의 온도를 더욱 저하할수 있다는 것을 발견하여 본발명을 완성한 것이다.
즉, 상기 액화공기의 감압을 팽창터빈을 통한 단열팽창에 의해 행하면 듈·톰손 팽창밸브를 통한 단열팽창과 달리, 팽창에 있어서 액화공기가 터빈을 움직이는 작용을 수반하기 때문에 더욱 온도저하가 가능하고, 따라서, 상기 액화공기의 일부 기화에 따른 손실이 저감된다.
실시예
도 2에 개략을 표시한 바와같은 공기냉동사이클을 사용하여 실험을 행하였다. 실험에 있어서는 질소(순도 99.9%)를 사용하여 도 2중의 A∼K의 각 점에 있어서의 질소의 유량·온도·압력을 표 1 표시와 같이 조정하고, 정류탑 하탑에의 도입경로에 팽창터빈(39)을 사용할때의 L점에 있어서의 액체질소의 상황을 조사하였다. 비교를 위하여 팽창터빈(39)으로 바꾸어 듈·톰손팽창밸브를 설치할 경우의 상황도 조사하였다. 양자의 L점에 있어서의 결과를 표 2에 표시한다.
유량(Nm3/h) 압력(MPa) 온도(℃)
A 360,000 3.50 40.0
B 360,000 3.50 -62.0
C 360,000 3.50 -96.0
D 360,000 3.50 -119.0
E 290,000 3.50 -119.0
F 290,000 0.64 -174.3
G 290,000 0.64 -135.1
H 290,000 0.64 -98.0
I 290,000 0.64 36.2
J 70,000 3.50 -119.0
K 70,000 3.50 -172.0
유량(Nm3/h) 압력(MPa) 온도(℃)
듈·톰손밸브 70,000 0.64 -176.3
팽창터빈 70,000 0.64 -178.2
듈·톰손팽창밸브를 채용할 경우, L점에서의 액체질소 온도는 -176.3℃이고, 이때에는 약 6%의 액체질소가 기화되어 있었다. 이에비해 팽창터빈을 채용할 경우에는 L점에서의 온도는 -178.2℃이고, 이때에는 액체질소는 기화되지 않았다. 이와같이 팽창터빈 채용에 의해 액체질소 일부가 기화하는 손실을 저감할수 있었다. 액체질소는 액체산소 보다 저비점이기 때문에 액체질소를 사용했을 때에 얻어진 상기 실험의 효과(기화의 억제)는 액체질소와 액체산소가 혼합하는 액화공기를 사용할 경우에 더 확실하게 발휘될 것이다.
이상 설명한 바와같이 본발명은 액화된 공기의 공기냉동사이클에서 정류탑 하탑에의 도입에 있어서, 그 도입부에 팽창터빈을 설치하여 그 팽창터빈을 통한 단열팽창을 이용하고 있기 때문에 액화한 공기가 일부 기화하는 손실이 저감된다.

Claims (2)

  1. 주열교환기와 공기냉동사이클을 갖는 공기분리설비를 사용하여 공기분리를 행함에 있어서, 상기 공기냉동사이클중에서 액화한 공기를 팽창터빈을 통한 단열팽창에 의해 감압하여 정류탑 하탑으로 도입하는 것을 특징으로 하는 공기분리방법.
  2. 주열교환기와 공기냉동사이클을 갖는 공기분리설비에 있어서, 상기 공기냉동사이클중에서 액화한 공기의 정류탑 하탑에서 도입부에 팽창터빈을 설치한 것을 특징으로 하는 공기분리설비.
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