KR20050015162A - 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투방지 방법 - Google Patents

리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투방지 방법

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Abstract

본 발명은 리벡스 타입 공기 분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 운전 방법에 관한 것으로, 특히 질소 가스를 사용하여 초기 냉각운전시 공기분리장치 내부로 수분 및 이산화 탄소가 침투하는 것을 방지 하는 운전 방법에 관한 것이다.
본 발명은 초기 냉각 운전시에 일정한 순도에 도달할때까지 질소 가스를 방산하는 제 1단계, 리벡스가 일정한 온도에 도달할 때까지 상기 냉각사이클을 통과한 질소가스를 다시 압축하여 공급하는 과정을 반복하는 제 2단계 및, 질소 가스의 공급을 차단하고 압축된 원료공기를 공급함으로써 상기 리벡스에서 원료공기의 수분 및 이산화탄소를 제거하는 제 3단계를 구비한다.
본 발명에 의하면, 리벡스 타입 공기 분리장치의 냉각운전시에 정류통으로 들어가는 원료 공기 중 폭발성 가스에 의한 폭발 위험과 수분에 의한 보조 열교환기의 통로 손상을 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 방법{Method For Revex Type Air Separator To Prevent Penetration Of Water And Carbondioxide}
본 발명은 리벡스 타입 공기 분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소 가스를 사용하여 초기 냉각운전시 공기분리장치 내부로 수분 및 이산화 탄소가 침투하는 것을 방지 하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기분리장치(air sparator unit)에서 원료 공기에 포함된 불순물을 제거 하는 방법으로는, 흡착제를 이용하는 흡착 방식과 온도에 의하여 가역식 열교환기(이하, 리벡스(revex)라 한다.)의 내부표면에 빙결 부착시켜 주기적으로 해빙하여 방출시키는 방식이 사용되고 있다.
도 1a 는 종래의 리벡스 타입 공기분리장치의 개략도를 도시하고 있으며, 이에 대하여 설명하면 다음과 같다.
종래의 리벡스 타입 공기 분리 장치는, 냉각운전중 대기중의 공기를 공기압축기(10)에서 흡입 압축하여 압축된 공기(6㎏/㎠, 약80 ~ 100℃)를 수세탑(20) 상부에서 공기 속에 수용성 먼지를 제거한 후 공기의 온도를 25 ~ 30℃로 떨어지게한 다음 수분을 함유한 공기를 자동절환밸브(40)를 거쳐 열교환기(revex)(50)로 송입한다.
리벡스(50)를 거친 공기는 정류통 하탑(81)에 송입되어 압력이 4㎏/㎠ 이상이 되면, 한냉 발생설비인 터빈(60)으로 보내지고 터빈에 의하여 원료공기는 압축 단열 팽창 되어 압력 및 온도가 떨어져 다시 리벡스로 보내진다. 상기 리벡스(50)를 거치면서 상기 수분을 함유한 원료 공기(25℃ ~ 30℃)는 리벡스(50)에서 서로 열교환하여 -170℃까지 냉각된다.
도 1b에서 도시된 바와 같이, 원료 공기가 리벡스(50)에서 터빈(60)에 의해 단열팽창 되어 온도가 낮아진 공기와 서로 열교환을 하여 정류통(80)으로 들어가면, 공기중의 수분은 0℃에서 -60℃의 범위에서 빙결 부착되고, 이산화탄소는 -130℃ ~ -160℃범위에서 리벡스 내부 통로(passage)에 빙결 부착하게 된다.
상기의 상태로 계속 운전 하여 시간이(15분) 흐르면 리벡스(50)내부에 빙결되는 수분의 양이 증가하여 공기가 흐르는 통로가 좁아져 리벡스(50)는 폐쇄될 위험이 있다.
이를 방지하기 위해서 종래의 리벡스 타입 공기 분리 장치는, 자동 절환밸브(40)가 절환되어 원료 공기가 흐르던 통로와 상기 온도가 낮아진 공기가 흐르는 통로를 서로 바꾸어 빙결 부착된 수분이나 이산화탄소를 해빙시켜 이것을 대기로 방출 시키는 방법을 제안한 바 있다.
상기 자동절환밸브(40)를 거친 원료공기가 리벡스로 들어가서 차가운 공기와 열교환하여 공기의 온도가 -170℃까지 냉각되면 정류통 상탑(82)으로 상기 원료공기를 송입하여 상탑 및 모든 장치를 냉각 한다.
상기 리벡스(50)에서 나온 차가워진 원료공기의 대부분이 포화증기 상태로 정류통 하탑(81)아래로 유입되면 비점차에 의한 공기 분리 과정이 시작된다.
공기 분리과정에서는 원료 공기 중에 질소(-196℃), 산소(-183℃), 알곤(-186℃)을 비점차에 의한 정류로 가스가 생산된다. 여기서 생산된 가스는 수분이(0℃ ~ 60℃), 이산화탄소(-130℃ ~ -160℃)의 온도에서 제거된 상태이므로 상기 질소, 산소, 알곤 가스에는 수분 및 이산화탄소가 포함되지 않는다는 것이다.
그러나 도 1b 에 도시된 바와 같이, 상온인 원료 공기를 서서히 각 가스의 비점온도 까지 떨어지게하여(이하 냉각운전이라 한다) 비점차에 의해 각 가스를 생산하는 과정에서, 수세탑에서 냉각시킨 원료공기 중에 함유된 수분은 30℃ ~ -60℃ 까지 3시간 동안, 그리고 이산화탄소(CO2)는 -130℃ ~ -160℃ 까지 2시간 동안 리벡스 내부에서 제거되지 않고, 공기 분리장치 하탑 및 보조 열교환기에 침투하게 된다.
이는 냉각운전시 리벡스에서 15분마다 원료공기가 흐르는 유로를 바꾸게 되더라도 원료공기의 온도가 -170 ℃로 떨어지기까지 10 ~ 12시간 정도의 시간이 필요 하기 때문이다.
따라서 이러한 장치는 빙결된 수분으로 인하여 통로를 막혀 정류가 방해되고, 고체화된 이산화 탄소로 인해 공기 분리 장치 및 배관 내부에서 계측 설비에 측정이 방해되어 원료 공기에 포함된 폭발성 가스가 상탑에 축척되는 현상을 초래하는 문제점이 있다.
도 2a는 수분 및 이산화탄소가 침투한 종래의 공기분리장치의 개략도를 도시하고 있으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기에서 설명한 바와 같이, 수분이 침투하여 보조열교환기(70)내부를 빙결시켜 통로가 폐쇄될 수 있고, 정류통 하탑(81) 내부 및 트레이(tray)(84)를 빙결시켜 정류 흐름이 방해될 문제점이 있다.
더 상세하게는 도 2b에서 도시한 바와 같이, 보조열교환기(70)의 가스 통로에 수분이 과다하게 빙결되어 내부에서 통로(passage)를 지지하고 있는 알루미늄 플레이트(aluminum plate)를 밀어내어 용접부분이 탈락하게 되어 통로를 손상 시키는 큰 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 공기분리장치(air sparator unit)에서 원료 공기에 포함된 불순물을 제거 하는 방법으로서, 리벡스 타입(revex type) 공기 분리장치의 냉각운전시에 수분과 이산화 탄소가 없는 질소 가스를 질소 압축기와 터빈을 이용하여 순환 공급시킴으로써 수분 및 이산화탄소의 침투를 방지하기 위한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 리벡스로 부터 나온 가스가 정류통의 하탑을 거쳐 보조열교환기 및 터빈을 통과하여 다시 리벡스로 공급되는 냉각사이클을 구비하는 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 방법에 있어서, 초기 냉각 운전시에 압축된 질소를 리벡스로 공급하고, 상기 냉각사이클을 순환한 질소의 순도를 측정하여 일정한 순도에 도달할때까지 질소 가스를 방산하는 제 1단계;
상기 질소가스가 일정한 순도에 도달하면 방산을 중단하고 질소가스를 다시 압축하여 상기 리벡스에 공급하고, 리벡스가 냉각되어 일정한 온도에 도달할 때까지 상기 냉각사이클을 통과한 질소가스를 다시 압축하여 공급하는 과정을 반복하는 제 2단계; 및
상기 리벡스가 일정한 온도로 냉각되면 질소 가스의 공급을 차단하고, 압축된 원료공기를 공급함으로써 상기 리벡스에서 원료공기의 수분 및 이산화탄소를 제거하는 제 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 운전 방법을 제공한다.
바람직하게는 상기 제 1단계의 압축된 질소가스는 그 흐름이 질소 입구 자동밸브에 의해서 조절되어 공급되고, 상기 냉각사이클을 순환하는 질소가스는 질소 순환계에 의하여 순도가 측정되며, 일정한 순도에 도달시까지 개방되는 방산 밸브를 통하여 대기중으로 방사될 수 있다.
상기 일정한 순도는 질소가스내 불순물 함량이 8 ~ 12 ppm 이며, 바람직하게는 약 10ppm이다.
또한 상기 제 3단계의 초기에 상기 리벡스가 일정한 온도로 냉각되면, 질소 입구 자동 밸브를 닫고 공기 압축기를 가동하여 압축된 공기를 상기 리벡스에 공급할 수 있다.
상기 일정한 온도는 -165℃ ~ -175℃ 이며, 바람직하게는 약 -170℃ 이다.
이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 장치의 개략도를 도시하고 있으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지를 위한 장치는 종래의 리벡스 타입 공기 분리장치에 있어서, 타공정에 의해서 생산된 질소 가스를 압축해주는 질소 압축기(200), 상기 질소 압축기로 부터 리벡스(50)로 질소 가스가 공급되는 가스공급라인(210), 상기 가스공급라인(210)에 설치되어 가스 흐름을 조절하는 질소 입구 자동밸브(220), 터빈으로부터 공급 받은 저온의 질소가스를 리벡스(50)를 통과시킨 후 대기로 방산 시키는 방산가스라인(250), 상기 방산가스라인(250)으로 들어온 질소 가스의 대기 방산여부를 결정하는 방산밸브(240), 상기 방산가스라인(250)에 들어온 질소가스의 순도를 체크 하는 질소 순도계(230), 상기 질소 순도계(230)의 순도가 10 PPM 이하 일 때 리벡스(50) 에서 나온 질소 가스를 되돌려 보내기 위한 질소가스라인(260) 및 상기 질소가스라인(260)에서 가스의 흐름을 조절하는 질소 출구 자동밸브(270)를 더 구비하여 수분 및 이산화탄소의 침투를 방지할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명에 의한 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화 탄소 침투 방지 공정 흐름도를 도시하고 있으며, 이에 대하여 설명하면 다음과 같다.
운전자가 냉각운전을 시작(START)하면, 리벡스를 냉각하기 위한 냉각운전이 시작된다(1). 질소 입구 자동밸브가 열리면(2), 질소가스공급라인을 통과한 질소가스가 리벡스를 통과하여 하탑까지 송입된다(3).
정류통 하탑으로 들어간 질소가스는 보조열교환기 및 터빈을 거쳐 냉각된 후 상기 리벡스의 다른 경로로 보내지고, 리벡스의 후단에서는 이 경로를 통과한 질소 가스가 일정한 순도에 도달할 때까지 계속해서 상기 질소 가스를 대기로 방산시킨다(4).
상기 질소 가스가 일정한 순도, 즉 8ppm ~ 12ppm 바람직하게는 약 10ppm에 도달하면, 방산을 중단하고 상기 질소 가스를 다시 압축하여 최초의 질소 공급라인으로 순환시킴으로써 상기 리벡스가 일정한 온도이하로 냉각될 때까지 냉각 사이클을 반복시킨다(5).
상기 냉각 사이클이 지속되면 리벡스와 정류통 하탑의 온도가 서서히 떨어지게 된다(6). 상기 리벡스가 일정온도, 즉 -160℃ ~ -175℃ 바람직하게는 약 -170℃이하로 냉각되면(7), 운전자의 선택에 의해서 터빈을 정지시키고 질소가스를 차단하여(8), 상기와 같은 냉각운전을 종료한다(9).
이렇게 냉각운전이 완료되면, 공기압축기를 가동하면서 종래의 기술과 같은 방법으로 공기분리장치의 운전을 시작하게 된다.
이하, 앞서 살펴본 도 3의 장치에 있어서 도4의 공정이 수행되는 과정에 대하여 설명한다.
운전자가 냉각운전을 시작(START)하면 리벡스(REVEX)(50)를 냉각하기 위한 냉각운전이 시작된다. 공기 압축기(10)와 수세탑(20) 가동이 정지된 상태에서 자동절환밸브(40)에 의하여 원료공기가 흐르던 유로는 차단되고, 다른 공기분리장치에서 생산된 수분 및 이산화탄소가 제거된 상태의 질소 가스를 질소 압축기 흡입라인(280)에서 질소압축기(200)가 흡입 압축(6 Kg/cm2)하여 보내면 가스 공급라인(210)과 질소 입구 자동밸브(220)를 통해서 리벡스(50)로 보내진다.
상기 리벡스(50)를 통과한 질소가스는 정류통 하탑(81)으로 들어가서 보조 열교환기(70)을 거쳐 터빈(60)으로 공급되고, 상기 터빈은 질소 가스를 단열 팽창 시킴으로서 온도 및 압력을 낮추어 리벡스(50)로 보내게 된다.
여기서 상기 단열팽창된 질소 가스는 단열 팽창되기 이전 상온의 질소 가스가 통과하던 리벡스(50) 내부의 통로와는 다른 통로를 사용한다.
상기 터빈(60)에 의하여 단열팽창된 질소가스는 온도가 서서히 하락하면서 리벡스(50) 자체의 온도를 떨어뜨리게 되고 이로 인하여 상기 단열 팽창되지 않은 상태로 가스 공급라인(210)을 통해서 리벡스(50)를 통과하는 질소 가스의 온도를 서서히 떨어뜨리게 된다.
이때 터빈(60)으로부터 리벡스(50)로 공급되는 단열팽창된 질소가스는 방산 가스라인(250)에 설치된 질소 순도계(230) 순도를 측정하여 질소 가스내부의 불순물 함유량이 8ppm ~ 12ppm될때까지, 바람직하게는 약 10ppm 이하가 될때까지 방산 밸브(240)를 통하여 계속해서 대기로 방산시키는 것이 바람직하다. 이는 질소 가스내부의 불순물 함유량이 약 10ppm 이하가 될때 리벡스 및 보조열교환기 등의 장치에 영향을 끼치지 않기 때문이다.
상기 질소 순도계(230)의 측정치가 약 10 PPM 이하가 되면, 방산밸브(240)가 닫힘과 동시에 질소가스라인(260)에 마련된 질소 출구 자동밸브(270)가 열리면서 질소가스가 상기 질소가스라인(260)을 통해서 상기 질소 압축기 흡입라인(280)으로 회송되고, 다시 질소 압축기(200)를 통하여 순환 사용되도록 한다.
상기와 같이 질소 가스가 질소압축기(200)와 터빈(60)에 의해서 순환되는 냉각운전이 10 ~ 12 시간 정도 지속되면, 리벡스(50)와 정류통 하탑(81) 그리고 보조 열교환기(70)의 온도가 서서히 떨어지게 되고, 온도계(300)에 의하여 질소가스의 온도가 -160℃ ~ -175℃까지, 바람직하게는 약 -170℃ 까지 떨어진 것이 확인되면 운전자 선택에 의해서 냉각운전을 종료 하게 된다. 여기서 약 -107℃ 까지 냉각시키는 이유는 이산화탄소의 결빙구간이 도 1b에서 도시된 바와 같이, -160℃ 까지이기 때문이다. 즉, 약 -107℃ 까지 리벡스가 냉각되어야 수분 및 이산화탄소가 리벡스 등의 장치에 영향을 끼치지 못하는 것이다.
상기와 같이 냉각운전이 완료되면 터빈(60)을 정지시키고 자동밸브(220,270)를 모두 닫고, 공기압축기(10)를 가동하여 종래의 기술과 같은 방법으로 운전을 시작 하게 된다.
이때 리벡스(50)의 온도는 이미 질소 가스에 의하여 -170 ℃ 로 냉각이 완료되어 있으므로, 공기압축기(10)에 의해서 수세탑(20)을 거쳐 리벡스(50)로 공급되는 수분과 이산화탄소가 포함된 원료공기는 리벡스(50)에서 수분과 이산화탄소가 제거 되어져 정류통 하탑(81)으로 공급된다.
따라서 종래의 냉각 운전시(10 ~ 12hr)에 정류통으로 들어가는 원료공기 중 폭발성 가스에 의한 폭발 위험과 수분에 의한 보조 열교환기의 통로 손상을 사전에 방지할 수 있다.
이상은 본 발명에 대하여 실시예를 통하여 상세히 설명한 것으로, 이는 단지 예시이며 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 의한 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 운전 방법은, 리벡스 타입 공기 분리장치의 냉각운전시에 수분과 이산화 탄소가 없는 질소 가스를 질소 압축기와 터빈을 이용하여 순환 공급시킴으로써 수분 및 이산화탄소의 침투를 방지하는 효과가 있다.
즉, 본 발명에 의하면 이미 질소 가스에 의하여 냉각이 완료된 리벡스에서 수분과 이산화탄소가 제거된 원료공기가 정류통 하탑으로 들어가게 되므로, 종래의 냉각 운전시(10 ~ 12hr)에 정류통으로 들어가는 원료공기 중 폭발성 가스에 의한 폭발 위험과 수분에 의한 보조 열교환기의 통로 손상을 사전에 방지할 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1a 는 종래의 리벡스 타입 공기 분리장치의 개략도.
도 1b 는 종래의 열교환기 내부에서 온도 변화에 따른 수분과 이산화탄소 석출구간 설명도.
도 2a는 수분 및 이산화탄소가 침투한 종래의 공기분리장치의 개략도.
도 2b는 수분 침투로 빙결 파손된 종래의 보조열교환기의 내부개략도.
도 3은 본 발명에 의한 리벡스 타입(revex type) 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 장치 개략도.
도 4는 본 발명에 의한 리벡스 타입 공기분리장치 수분 및 이산화 탄소 침투 방지 공정 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10... 공기 압축기 20... 수세탑
30... 펌프 40... 자동절환밸브
50... 리벡스 60... 터빈
70... 보조 열교환기 80... 정류통 81... 정류통하탑 82... 정류통 상탑 83... 응축기 84... 트레이
200... 질소 압축기 210... 가스공급라인
220... 질소 입구 자동밸브 230... 질소 순도계
240... 방산 밸브 250... 방산가스라인
260... 질소가스라인 270... 질소 출구 자동밸브
280... 질소압축기 흡입라인 290... 가온가스 유량계 300... 온도계

Claims (5)

  1. 리벡스로 부터 나온 가스가 정류통의 하탑을 거쳐 보조열교환기 및 터빈을 통과하여 다시 리벡스로 공급되는 냉각사이클을 구비하는 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 운전 방법에 있어서,
    초기 냉각 운전시에 압축된 질소를 리벡스로 공급하고, 상기 냉각사이클을 순환한 질소의 순도를 측정하여 일정한 순도에 도달할때까지 질소 가스를 방산하는 제 1단계;
    상기 질소가스가 일정한 순도에 도달하면 방산을 중단하고 질소가스를 다시 압축하여 상기 리벡스에 공급하고, 리벡스가 냉각되어 일정한 온도에 도달할 때까지 상기 냉각사이클을 통과한 질소가스를 다시 압축하여 공급하는 과정을 반복하는 제 2단계; 및
    상기 리벡스가 일정한 온도로 냉각되면 질소 가스의 공급을 차단하고, 압축된 원료공기를 공급함으로써 상기 리벡스에서 원료공기의 수분 및 이산화탄소를 제거하는 제 3단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1단계의 압축된 질소가스는 그 흐름이 질소 입구 자동밸브에 의해서 조절되어 공급되고, 상기 냉각사이클을 순환하는 질소는 질소 순환계에 의하여 순도가 측정되며, 일정한 순도 도달시까지 개방되는 방사 밸브를 통하여 대기중으로 방사되는 것을 특징으로 하는 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 일정한 순도는 질소가스내 불순물 함량이 8ppm ~ 12ppm 인 것을 특징으로 하는 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3단계의 초기에 상기 리벡스가 일정한 온도로 냉각되면, 질소 입구 자동 밸브를 닫고 공기 압축기를 가동하여 압축된 공기를 상기 리벡스에 공급하는 것을 특징으로 하는 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 일정한 온도는 -165 ~ -175℃인 것을 특징으로 하는 리벡스 타입 공기분리장치의 수분 및 이산화탄소 침투 방지 방법.
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