KR20120009159A - 질소 공급 장치 - Google Patents

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KR20120009159A KR1020100071055A KR20100071055A KR20120009159A KR 20120009159 A KR20120009159 A KR 20120009159A KR 1020100071055 A KR1020100071055 A KR 1020100071055A KR 20100071055 A KR20100071055 A KR 20100071055A KR 20120009159 A KR20120009159 A KR 20120009159A
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Abstract

본 발명은 산소를 흡착하는 흡착제를 이용하여 질소를 생산하는 질소 공급 장치에 있어서, 산소를 흡착하는 흡착제가 충진된 적어도 한 쌍의 흡착 타워 및 흡착 타워 내에 설치되며, 원통형의 실린더 및 실린더 내에 설치되는 회전 블레이드를 구비하는 공기 분산 장치를 포함하며, 한 쌍의 흡착 타워는 교대로 60초간 압축 흡착 공정과 감압 공정을 반복하며, 압축 흡착과 감압 사이에 압력 균등화 공정을 반복하며, 공기 분산 장치는 실린더와 회전 블레이드의 각도가 30°를 이루는 것을 특징으로 하는 질소 공급 장치를 제공한다.

Description

질소 공급 장치{APPARATUS FOR SUPLLYING NITROGEN}
본 발명은 탄소 가압 공기로부터 산소를 흡착하여 질소를 분리하는 질소 발생기에 관한 것이다.
최근, 질소 가스는 반도체 결합 공정, 식품 가공, 화학 산업, 연구소, 선박 등 많은 사업에 이용되며 질소 가스의 수요가 증가하고 있으며, 이러한 질소 가스를 제조하는 방법으로 공기로부터 산소를 흡착하는 흡착제를 사용하여, PSA(Pressure Swing Adsorption)법에 의해 고순도의 질소 가스를 발생시키는 방법이 개발, 응용되기 시작했다. PSA법은, 통상 흡착제를 충전한 흡착탑을 2기 이상 사용하고, 일방의 흡착탑에 가압 공기를 공급하여 산소의 흡착을 실시하여 질소를 제품 가스로 취출하는 동시에, 타방의 흡착탑의 흡착제로부터 산소를 탈착을 실시하여, 복수의 흡착탑 사이에서 산소의 흡착과 탈착을 교대로 반복하며 연속적으로 질소를 얻는 방법이다.
일반적으로 선박의 카고 탱크(Cargo Tank)는 원유탱크나 LPG, LNG의 냉동 탱커에 내장한 적하용 탱크를 말하며, 카고 탱크 내에 저장된 원유나 LPG, LNG 등은 공기 중의 산소와 반응하여 연소나 폭발을 일으켜 선박의 화재 발생 원인이 되기도 한다. 비단 LPG, LNG, 원유탱크선뿐만 아니라 곡물 운반선에도 카고 탱크 내의 산소가 일정 농도 이상이 되면 가연물질을 연소시키는 직접적인 원인이 되므로, 선박의 화재발생이나 폭발을 방지하기 위하여 카고 탱크 내의 산소 농도가 5% 이하가 되도록 규정하고 있다.
본 발명은 고순도의 질소를 카고 탱크에 공급하여 카고 탱크 내의 화재발생이나 폭발을 방지할 수 있는 질소 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 PSA형 질소 발생기에서 발생하는 고순도 질소를 생산하는 질소 공급 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 산소를 흡착하는 흡착제를 이용하여 질소를 생산하는 질소 공급 장치에 있어서, 산소를 흡착하는 흡착제가 충진된 적어도 한 쌍의 흡착 타워 및 흡착 타워 내에 설치되며, 원통형의 실린더 및 실린더 내에 설치되는 회전 블레이드를 구비하는 공기 분산 장치를 포함하며, 한 쌍의 흡착 타워는 교대로 60초간 압축 흡착 공정과 감압 공정을 반복하며, 압축 흡착과 감압 사이에 압력 균등화 공정을 반복하며, 공기 분산 장치는 실린더와 회전 블레이드의 각도가 30°를 이루는 것을 특징으로 하는 질소 공급 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 공기 분산 장치가 구비하는 실린더는 복수 개의 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 질소 공급 장치를 제공한다.
본 발명이 제공하는 공기분산장치는 흡착타워로 들어와 흡착하는 공기의 흐름을 전체로 고르게 순환되게 함으로써, PSA형 질소발생기의 흡착능력을 향상시킬 수 있다.이는 흡착제의 수명 단축 및 순도저하 현상을 없앰으로써 PSA형 질소발생기의 성능을 높이게 된다. 또한 PSA형 질소발생기의 경제적인 측면에서도 유지보수비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 공급 장치의 개략도,
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 질소 공급장치가 구비하는 고순도의 질소를 생산하는 PSA 흡착 타워의 가동 공정을 도시한 개략도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 공급 장치의 제어 방법을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 공급 장치가 구비하는 공기 분산 장치를 도시한 도면,
도 7은 공기 분산 장치의 실린더와 블레이드 간의 각도와 압축 흡착 시간에 따른 잔류 산소 농도를 측정한 그래프.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 공급 장치의 개략도이다. 질소 공급 장치는 공기를 공기 압축기(101, 102)를 흡입하여 공기 압축기(101, 102) 내의 스크류를 통해 압축한다. 압축된 공기는 리시버 탱크(103)를 통해 수분이 제거되고, 에어 쿨러(104)를 통해 온도가 낮아진다. 리시버 탱크(103)는 수분을 여과하는 작용 외에, 압축 공기를 일시적으로 저장하며 압축 공기를 공급함에 있어서 완충 작용을 해준다. 압축되어 리시버 탱크(103) 및 에어 쿨러(104)를 거친 압축 공기는 프리 필터(106)를 거치며 유분 및 오염물질이 여과된다. 그 다음 압축된 공기는 에어 드라이어(108)를 거치게 된다. 압축 공기는 에어 드라이어(108) 내의 열교환기와 열 교환을 통해 수분이 제거되고, 온도가 낮아지게 된다. 그 다음, 라인 필터(110 :Line Filter) 및 코얼레센트 필터(112: Coalescent Filter)를 거치며 압축 공기의 수분 및 오염 물질이 다시 한 번 더 여과된다. 충분히 여과되지 못한 공기는 Off Spec. Valve를 통해서 외부로 방출하며, 충분히 여과된 공기는 리시버 탱크(113)에 일단 모아진 다음, PSA 흡착 타워(114, 115)로 보내진다. 리시버 탱크(113)에 모아진 공기 중 일부는 필요한 경우 PSA 흡착 타워(114, 115)를 거치지 않고, 여과된 공기 자체가 리시버 탱크에 모아진 공기가 출구부분으로 바로 연결되는 파이프라인을 지나 카고 탱크(130)로 보내진다.
리시버 탱크(113)에 모인 공기는 각 PSA 흡착 타워(114, 115)로 보내지며, 리시버 탱크(113)는 PSA 흡착 타워(114, 115)로 안정적으로 정화된 압축 공기가 공급될 수 있도록 완충 작용을 한다. 압축 공기는 PSA 흡착 타워(114, 115)에서 CMS에 의해 압축 공기 중의 산소가 흡착되어 질소의 순도가 높아지게 되고, 이렇게 생산된 질소는 일단 버퍼 탱크(116)에 일시적으로 모이게 된다. 버퍼 탱크(116)에 모인 질소는 다시 한 번 필터(117)를 거쳐, 산소 측정기(118)에서 질소 내에 포함된 산소의 농도를 측정한다. 산소 측정기(118)에서 산소 농도를 측정하여 순도가 95% 이하인 저순도의 질소는 Off Spec. Valve를 통해 외부로 방출한다. 순도가 95%를 넘는 질소는 플로우미터(119)를 통과하며 유량이 측정되고, 99% 이상의 순도를 가지는 고순도 질소라면 질소 저장탱크(120)로 보내져 저장되며, 95% ~ 99% 사이의 순도를 가지는 질소라면 레귤레이터(121, 122)를 통해 압력이 강하된 후, 카고 탱크(130)로 보내진다. 질소 저장탱크(120)는 고순도의 질소를 저장하고 있다가 카고 탱크(130) 내의 산소 농도가 높아지면, 카고 탱크(130)로 질소를 보내어 카고 탱크(130) 내의 산소 농도를 일정 수준 이하로 유지하도록 한다. 고순도의 질소를 저장하는 질소 저장탱크(120)가 질소 공급 장치에 포함됨에 따라, 카고 탱크(130) 내의 산소 농도가 적정 수준으로 유지되고 질소 저장탱크(120) 내에 고순도 질소가 충분한 양이 저장된 경우, PSA 흡착 타워(114, 115)에서 질소 생산을 멈추고 질소 저장탱크(120)에 저장된 고순도 질소만 이용하여 카고 탱크(130) 내의 산소 농도를 조절할 수 있다. 즉, 공기 압축기(101, 102), 에어 쿨러(104), 에어 드라이어(107, 108) 등의 작동을 멈추고, 카고 탱크(130) 내의 산소 농도를 측정하여 질소 저장 탱크(120)와 카고 탱크(130)로 연결된 파이프 상에 설치된 레귤레이터(123) 및 밸브(124)만을 작동시켜 질소를 카고 탱크(130)로 공급하여 카고 탱크(130) 내의 산소 농도를 일정 수준 이하로 유지할 수 있다. 즉, 선박에 화물을 선적, 하역 작업을 할 때와 같이 대량의 질소가 필요한 경우, PSA 흡착 타워(114, 115)로부터 대량의 질소가 발생하도록 질소 발생 장치 전체 시스템을 작동시켜 카고 탱크(130)로 질소를 공급하고, 선박 내에 화물 선적이 완료되어 선박을 운행할 때와 같이 질소가 소량만 필요한 경우에는 고순도 질소가 저장된 질소 저장 탱크(120)로부터 카고 탱크(130)로 질소를 공급할 수 있다. 따라서 선박의 운행 중 또는 소량의 질소만이 필요한 경우 질소 발생 장치 전체를 가동시키지 않으므로 전력 소모를 줄일 수 있다. 한편 별도의 질소 저장 탱크(120)가 질소 공급 장치에 포함되기 때문에 고순도 질소를 고압 또는 저압으로 용이하게 조절하여 공급할 수 있다. 질소 저장 탱크(120)에 저장된 질소를 카고 탱크(130)로 공급할 때, 질소 저장 탱크(120)와 카고 탱크(130)를 잇는 파이프 상에 설치된 레귤레이터(123)와 컨트롤 밸브(124)를 통해 카고 탱크(130)로 공급되는 압력을 조절할 수 있다. 카고 탱크(130) 내의 압력과 산소 농도를 지속적으로 측정하여, 적절한 량의 질소를 카고 탱크(130)로 공급되도록 조절할 수 있으며, 카고 탱크(130)의 산소 농도가 높아진 경우 제어부(미도시)에 의해 자동으로 질소가 공급되도록 제어할 수도 있고, 컨트롤 밸브(124)를 이용하여 수동으로 질소가 공급되도록 설정할 수도 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 질소 공급장치가 구비하는 고순도의 질소를 생산하는 PSA 흡착 타워의 가동 공정을 도시한 개략도이다.
PSA 흡착 타워(114, 115)는 일반적으로 2기가 한 쌍으로 가동되며, 본 발명에서도 마찬가지로 2기가 한 쌍인 PSA 흡착 타워(114, 115)가 복수 쌍 구비된다. 한 쌍의 PSA 흡착 타워(114, 115) 내에서 산소가 흡착되어 순도 높은 질소가 만들어지는 과정은 다음과 같다. 먼저 제1 흡착 타워(114)에 가압이 이루어져 산소가 흡착제에 흡착되는 공정과 제2 흡착 타워(115)에서 감압이 이루어지는 공정이 동시에 이루어진다. 제1 흡착 타워(114)는 8 bar의 압력이 가해지며, 약 60초 동안 가압?흡착 공정이 지속된다. 감압 공정이 이루어지는 제2 흡착 타워(115)는 압력이 가해지지 않으며 제2 흡착 타워(115) 압력이 계속 감소하게 된다. 이때, 흡입 밸브(211), 제1 분배 밸브(212), 배출 밸브(219) 밸브가 개방되어 제1 흡착 타워(114)의 가압?흡착 공정이 수행되도록 유체의 흐름을 조절하며, 제2 감압 밸브(215)가 개방되어 제2 흡착 타워(115)가 0 bar로 감압되도록 한다. 세정 밸브(218)는 항상 개방되어 있으며, 제1 흡착 타워(114)에서 생성된 질소의 일부가 세정 밸브(218)를 거쳐 압력이 없는 제2 흡착 타워(115) 쪽으로 흘러, 제2 흡착 타워(115)에서 산소 탈착 이후에 남아 있는 일부의 산소를 씻어서 출구 쪽으로 방출한다.
제1 흡착 타워(114)의 가압?흡착 공정 및 제2 흡착 타워(115)의 감압 공정 수행이 끝나면, 제1 흡착 타워(114)와 제2 흡착 타워(115)의 압력 균등화 공정이 수행된다. 압력 균등화 공정은 제1 흡착 타워(114)와 제2 흡착 타워(115)의 압력을 균등하게 맞추어 다음 단계에서 수행될 가압?흡착 공정의 효율을 높이기 위한 공정이다. 약 2초 동안 수행되며 제1 흡착 타워(114)와 제2 흡착 타워(115)의 압력이 4 bar로 균등화된다. 리시버 탱크(113)로부터 공기가 흡착 타워(114, 115)로 흐르도록 조절하는 흡입 밸브(211)와 버퍼 탱크(116)로 유체가 흘러나가는 것을 조절하는 배출 밸브(219)는 모두 닫히고, 제1 흡착 타워(114)와 제2 흡착 타워(115) 사이에서 유체가 흐르도록 제1 균등화 밸브(216) 및 제2 균등화 밸브(217)가 개방된다. 또한 세정 밸브(218)도 개방된다. 상기에서 설명한 바와 같이 세정 밸브(218)는 어떠한 공정에서도 항상 개방된 상태를 유지하며, 미량의 유체만이 흐르므로 전체 공정에 영향을 거의 미치지 않는다.
압력 균등화 공정이 끝나면 다음 단계로 제1 흡착 타워(114) 감압 공정과 제2 흡착 타워(115)의 가압?흡착 공정이 이루어진다. 흡입 밸브(211), 제2 분배 밸브(213) 및 배출 밸브(219)가 개방되어 유체의 흐름을 제어하고, 제2 흡착 타워(115) 내의 압력은 60초간 8 bar로 유지되며 공기 중의 산소를 흡착하고 고농도의 질소를 생산한다. 제1 흡착 타워(114)와 연결된 제1 감압 밸브(214)가 개방되어 제1 흡착 타워(114)의 압력이 계속 감압되며, 세정 밸브(218)는 개방되어 제2 흡착 타워(115)에서 생성된 질소의 일부가 세정 밸브(218)를 거쳐 압력이 없는 제1 흡착 타워(114) 쪽으로 흘러, 제1 흡착 타워(114)에서 산소 탈착 이후에 남아 있는 일부의 산소를 씻어서 출구 쪽으로 방출한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 공급 장치의 제어 방법을 도시한 도면이다. 앞서 설명한 바와 같이, 선박에 화물을 선적하거나 하역할 때와 같이 카고 탱크에 대규모의 질소가 필요한 경우 PSA 흡착 타워(114, 115)를 가동시켜 PSA 흡착 타워(114, 115)에서 생산된 질소를 버퍼 탱크(116)로부터 카고 탱크(130)로 직접 공급한다. 그러나 선박의 운행 중 카고 탱크(130)가 거의 밀폐되어 대규모의 질소를 필요로 하지 않는 경우, 카고 탱크(130) 내의 산소 농도에 변화가 있을 때, 질소 저장 탱크(120)로부터 질소 가스를 카고 탱크(130)로 보낸다. 선박의 운행 중과 같이 카고 탱크(130) 내의 산소 농도 변화가 적고 필요한 질소 가스의 양이 적은 경우 도 5에 도시된 플로우챠트와 같이 질소 공급 장치가 제어된다. 카고 탱크(130) 내의 산소 농도를 지속적으로 측정한다(S1). 카고 탱크(130) 내의 산소가 기준 농도보다 높을 경우, 카고 탱크(130) 내의 산소 농도를 낮추어야 하므로 질소 탱크(120)로부터 카고 탱크(130)로 질소를 공급한다(S2). 카고 탱크(130) 내의 산소 농도가 일정 농도 이상이 되면 가연 물질을 연소시킬 수 있으므로, 화재나 폭발을 방지하기 위해 카고 탱크(130) 내의 산소 농도가 5% 이하가 되어야 한다. 제어부(미도시)는 질소 저장 탱크(120)에 저장된 질소를 카고 탱크(130)로 공급하면서 희망하는 압력으로 조절하여 공급할 수 있다. 질소 저장 탱크(120)와 카고 탱크(130)로 연결된 파이프 상에 설치된 레귤레이터(123) 및 밸브(124)를 조절하여 카고 탱크(130)로 공급되는 질소의 유량 및 압력을 조절할 수 있다. 카고 탱크(130)로 안정적으로 질소를 공급하여 산소 농도를 일정 이하로 유지할 수 있도록, 질소 저장 탱크(120) 내에는 항상 일정량 이상의 질소가 저장되어 있는 편이 바람직하다. 따라서 질소 저장 탱크(120)의 압력을 지속적으로 측정하여 질소가 충분히 저장되어 있는 지를 판단한다(S3). 질소 저장 탱크(120) 내의 압력이 설정 최저 압력보다 작은 경우 PSA 흡착 타워(114, 115)를 재가동시켜 질소를 생산하여 질소 저장 탱크(120)로 질소를 더 공급한다(S4). 질소 저장 탱크(120)의 압력을 다시 측정하여(S5) 설정 최고 압력에 이르면, 질소 저장 탱크(120) 내에 충분한 양의 질소가 다시 저장된 것이므로 PSA 흡착 타워(114, 115)의 가동을 중지한다. 예를 들어, 제어부(미도시)는 질소 저장 탱크(120) 내의 압력이 4 bar 가량으로 떨어지면 PSA 흡착 타워(114, 115)를 가동시켜 저장되는 질소의 양을 늘리며, 질소 저장 탱크(120) 내의 압력이 8 bar 가량으로 높아지면 PSA 흡착 타워(114, 115)의 가동을 중지시킨다.
한편 카고 탱크(130) 내의 산소 농도가 높아져 산소 농도를 낮추기 위해 질소 저장 탱크(120)로부터 질소를 공급받는 경우, 카고 탱크(130) 내의 압력이 높아지게 된다. 따라서 카고 탱크(130) 내의 압력을 낮추기 위해 질소 저장 탱크(120)로부터 질소를 공급받기 전, 후에 카고 탱크(130) 내의 기체를 외부로 방출시켜야 한다. 카고 탱크(130)에 설치된 배출 밸브(미도시)를 수동 혹은 자동으로 개방하여 카고 탱크(130) 내의 압력을 낮출 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 공급 장치가 구비하는 공기 분산 장치를 도시한 도면, 도 7은 공기 분산 장치의 실린더와 블레이드 간의 각도와 압축 흡착 시간에 따른 잔류 산소 농도를 측정한 그래프이다. 공기 분산 장치의 성능을 확인하기 위해, 실린더와 블레이드 간의 각도가 각각 0°, 15°, 30°인 공기 분산 장치를 설치한 뒤, 압축 흡착시간을 30초와 60초, 균등과 퍼지시간을 0초와 1초로 변수로 지정하고, 공정을 변경하여 잔류 산소 농도를 측정하였다. 그래프를 통해 알 수 있듯이, 퍼지 및 균등시간이 짧을수록 30°에서 순도가 가장 좋으며, 압축 흡착 공정이 지속될수록 0°에서의 성능도 좋아지긴 하나, 압축흡착 시간을 인 60초로 하는 경우 최적의 블레이드 각도가 30°인 것을 확인할 수 있었다.
흡착 타워에서의 압축 흡착 시간이 길수록 생산되는 질소의 유량은 증가하나, 질소의 순도가 낮아진다. 또한 퍼지 및 균등 시간이 길수록 질소의 순도는 높아지나 질소의 유량이 적어진다. 따라서 흡착 타워의 압축 흡착 시간과 퍼지 및 균등 시간은 질소의 유량을 최대화하면서, 질소의 순도를 높일 수 있도록 선택되는 것이 바람직하다. 본 발명의 질소 공급 장치는 압축 흡착 시간을 60초, 퍼지 및 균등 시간의 합을 2초로 하였다. 그에 따라 실린더와 블레이드 간의 각도가 30°를 이루는 공기 분산 장치를 구성하였다.
또한 본 발명에 따른 질소 공급 장치가 구비하는 공기 분산 장치의 실린더에는 복수 개의 통공이 형성된다. 실린더에 복수 개의 통공이 형성됨으로써, 실린더의 하부뿐만 아니라 측면에서도 블레이드 측으로 공기가 유입되어 블레이드에 의해 분산되므로, 공기 분산 효과를 한층 더 향상시켜, 질소 생산 능력을 높일 수 있다.
공기분산장치는 흡착타워로 들어와 흡착하는 공기의 흐름을 전체로 고르게 순환되게 함으로써, PSA형 질소발생기의 흡착능력을 향상시킬 수 있다. 이는 흡착제의 수명 단축 및 순도저하 현상을 없앰으로써 PSA형 질소발생기의 성능을 높이게 된다. 또한 PSA형 질소발생기의 경제적인 측면에서도 유지보수비용을 줄일 수 있다.

Claims (2)

  1. 산소를 흡착하는 흡착제를 이용하여 질소를 생산하는 질소 공급 장치에 있어서,
    산소를 흡착하는 흡착제가 충진된 적어도 한 쌍의 흡착 타워; 및
    흡착 타워 내에 설치되며, 원통형의 실린더 및 실린더 내에 설치되는 회전 블레이드를 구비하는 공기 분산 장치;를 포함하며,
    한 쌍의 흡착 타워는 교대로 60초간 압축 흡착 공정과 감압 공정을 반복하며, 압축 흡착과 감압 사이에 압력 균등화 공정을 반복하며,
    공기 분산 장치는, 실린더와 회전 블레이드의 각도가 30°를 이루는 것을 특징으로 하는 질소 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    공기 분산 장치가 구비하는 실린더는 복수 개의 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 질소 공급 장치.
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