KR20130033630A - 공기 분리장치 및 이의 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산소 사용처에 공급되는 산소량이 변하더라도 주열교환기의 열교환량을 일정하게 유지시킬 수 있는 공기 분리장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로서, 특히 본 발명의 일 실시형태에 따른 공기 분리장치의 운전방법은 비등점 차에 의해 공기 중에서 산소를 분리하는 공기 분리장치를 주열교환기의 열교환량을 일정하게 유지시키면서 산소 사용처의 산소 사용량 변화에 따라 운전하는 방법으로서, 산소 사용처의 산소 사용량을 감지하는 단계와; 산소 사용처의 산소 사용량이 감소하는 경우에 공기승압기에서 주열교환기를 통과하여 정류탑의 상탑으로 공급되는 액체공기의 양을 감소시키고, 상기 액체공기의 감소량을 보상하여 액체질소를 정류탑의 상탑으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공기 분리장치 및 이의 운전방법{AIR SEPARATING APPARATUS AND OPERATING METHOD FOR THEREOF}
본 발명은 공기 분리장치 및 이의 운전방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산소 사용처에 공급되는 산소량이 변하더라도 주열교환기의 열교환량을 일정하게 유지시킬 수 있는 공기 분리장치 및 이의 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기 분리장치는 비등점 차이(산소: -183℃, 질소: -196℃, 아르곤: -186℃)를 이용한 정유 원리에 의해 공기 중에서 고순도의 산소, 질소 및 아르곤 가스 등을 분리하기 위한 장치이다.
종래 비등점 차이를 이용하여 공기 중 고순도의 가스를 분리하는 장치 및 장치의 운전방법에 대해서는 "공기액화분리설비의 안정화 운전시스템(등록특허 10-0902831)", "공기 분리장치의 냉각운전시간 단축방법(등록특허 10-0805716)" 및 "공기 분리장치의 한냉손실방지를 위한 운전방법(등록특허 10-0768319)"에서 구체적으로 공지되어 있다.
도 1은 일반적인 공기 분리장치를 보여주는 구성도로서, 종래의 일반적인 공기 분리장치의 구성 및 작동을 도 1을 참조하여 설명한다.
종래의 일반적인 공기 분리장치는 공기압축기(10)에서 공기를 압축시킨 후 주열교환기(40)를 통과시켜 냉각시킨 다음 정류탑(50)의 하탑(52a)으로 공급하는 제 1 배관라인과; 상기 공기압축기(10)에서 압축된 공기를 분기시켜 공기승압기(30)에서 승압시킨 후 주열교환기(40)를 통과시켜 1차 냉각시킨 다음 액체공기 탱크(34, 35)에서 단열팽창에 의해 2차 냉각시키고 상기 정류탑(50)의 상탑(52b)으로 공급하는 제 2 배관라인이 구비된다. 그리고, 상기 정류탑(50)에서 분리된 액체산소를 액체산소 액체산소 저장탱크(60)에 저장시킨 후 상기 주열교환기(40)를 통과시켜 열교환시킨 다음 산소 사용처(70)로 공급하는 제 3 배관라인과; 상기 정류탑(50)에서 배출되는 가스를 상기 주열교환기(40)를 통과시켜 열교환시키는 제 4 배관라인이 구비된다. 또한, 상기 액체산소 액체산소 저장탱크(60)에 저장된 액체산소를 기화기(62)를 통과시켜 기화시킨 다음 상기 산소 사용처(70)로 공급하는 제 5 배관라인이 더 구비된다.
상기와 같이 구성되는 종래의 공기 분리장치의 작동상태를 설명하자면, 먼저 대기 중의 공기 즉, 공기를 공기압축기(10)에서 압축하고, 흡착기(20)를 통과시켜 공기 중의 수분(H2O)과 이산화탄소(CO2)를 흡착하여 제거시킨다. 이렇게 준비된 건조공기(dry Air)는 곧 바로 제 1 배관라인의 제 1 입구배관(21a)를 따라 주열교환기(40)를 통과하면서 열교환 된 후 -170℃의 가스상태로 하락하게 되고, 온도가 하락된 건조공기는 제 1 배관라인의 제 1 출구배관(21b)을 거쳐 정류탑(50)의 하탑(52a)에 유입된다.
한편, 상기 흡착기(20)를 통과한 건조공기는 상기 제 1 배관라인에서 분기되어 공기승압기(30)에서 고압으로 압축되고 제 2 배관라인의 제 2 입구배관(31a)을 따라 주열교환기(40)를 통과하면서 열교환 된 후 -178℃의 가스상태로 제 2 배관라인의 제 2 출구배관(31b)을 거쳐 초저온 상태로 하락하여 액체공기 탱크(34, 35)에 유입된다. 상기 액체공기 탱크(34, 35)로 유입된 액체공기는 단열팽창원리에 의해 -188℃의 액체공기로 만들어진 후 각각 정류탑(50)의 하탑(52a) 또는 상탑(52b)에 유입된다.
이후 정류탑(50) 내부의 상하 높이에 따라 온도차가 발생하고, 이때 산소의 비점(비등점; Boiling Point)이 되는 부분에서 액체산소가 생성되며, 생성된 액체산소는 제 3 배관라인의 송출관(59)을 통해 저장탱크(Back up tank; 60)로 충진된다. 충전된 액체산소는 펌프(61)로 압축하여 제 1 배출관(64a) 및 주열교환기(40)를 통과하는 동안 다른 배관라인을 통하는 가스들과 열교환 하면 산소가스로 기화된 다음 제 3 배관라인의 공급밸브(66) 조정에 의해 일정량 각 산소 사용처(70)에 공급된다.
한편, 상기 정류탑(50)의 상탑(52b)에서 배출되는 가스는 제 4 배관라인의 제 4 입구배관(51a)을 통하여 주열교환기(40)를 통과한 다음 제 4 출구배관(51b)으로 배출되고, 산소 사용처(70)에서 산소 사용량이 증가되는 경우에는 상기 액체산소 액체산소 저장탱크(60)에 저장된 액체산소를 기화기를 통과시켜 제 5 배관라인(67)을 통하여 상기 산소 사용처(70)로 연결되는 제 3 배관라인으로 공급한다.
상기와 작동이 이루어지는 일련의 과정 중에 상기 흡착기(20)에서 곧바로 주열교환기(40)에 유입되는 제 1 입구배관(21a) 내 건조공기(Dry Air)는 주로 정류탑(50)의 상탑(52b)에서 제 4 배관라인의 제 4 입구배관(51a)을 통해 주열교환기(40)로 유입되는 가스(-178℃)와 주열교환기(40)에서 열교환되고, 상기 공기승압기(30)에서 주열교환기(40)에 유입되는 제 2 입구배관(31a)내 건조공기(Dry Air)는 주로 액체산소 액체산소 저장탱크(60)충전된 액체산소가 산소 사용처(70)로 공급되는 제 1 배출관(64a)내 액체산소(-180℃)와 주열교환기(40)에서 열교환된다. 이로 인해 산소 사용처(70)에서 일정한 수준의 산소를 연속적으로 사용할 경우에 상기 주열교환기(40)에서는 연속적인 열교환이 안정적으로 이루어지는 것이다.
하지만, 산소 사용처(70)에서 산소 사용량의 감소시에는 제 3 배관라인을 통하여 산소 사용처(70)로 공급되는 액체산소의 양을 감소시켜야 하는데, 이럴 경우에 제 1 배출관(64a)를 통하여 주열교환기(40)로 유입되는 액체산소의 유입량이 감소하여 주열교환기(40)에서 원활한 열교환이 이루어지지 않는다. 이에 따라 정류탑(50)으로 유입되는 배관(21b, 31b)내 가스의 온도가 상승하게 되고, 정류탑(50)의 하탑(52a) 및 액체공기 탱크(34, 35)내 액 감소로 인해 정류탑(50) 유입량이 감소하여 결국 정류탑(50) 하탑(52a) 및 상탑(52b)에서도 일정한 열교환(Heat Balance)을 유지할 수 없어 정류탑(50) 온도상승이 발생하고, 액체산소의 기화량 증가로 인해 액체산소 생산량이 감소되는 문제가 발생된다.
그래서, 종래의 공기 분리장치에서는 주열교환기(40)내에 일정한 열교환량(Heat Balance)을 유지하기 위해서는 제 3 배관라인 상에 구비된 대기 배출밸브(65)를 열어 산소 사용처(70)에서 산소의 사용량을 감소한 만큼 산소를 대기중으로 흘려버렸고, 이에 따라 산소의 대기 배출 손실량이 발생하는 단점이 있었다.
또한, 공기 분리장치를 이용한 산소가스 생산은 대기 중 공기를 공기압축기(10)에서 압축한 이후 전력을 사용하여 생산하는 것으로서, 생산된 산소가스를 대기중으로 배출시키는 것은 전력의 손실을 초래한다는 단점도 있었다.
등록특허 10-0902831 (2009. 06. 08) 등록특허 10-0805716 (2008. 02. 14) 등록특허 10-0768319 (2007. 10. 11)
본 발명은 산소 사용처에 공급하는 산소량이 변하더라도 주열교환기에서 열교환되는 양을 일정하게 유지시켜 대기중으로 배출시키는 산소의 발생을 방지할 수 있는 공기 분리장치 및 이의 운전방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 공기 분리장치는 비등점 차에 의해 공기 중에서 산소를 분리하는 장치로서, 공기압축기에서 공기를 압축시킨 후 주열교환기를 통과시켜 냉각시킨 다음 정류탑의 하탑으로 공급하는 제 1 배관라인과; 상기 공기압축기에서 압축된 공기를 분기시켜 공기승압기에서 승압시킨 후 주열교환기를 통과시켜 1차 냉각시킨 다음 액체공기 탱크에서 단열팽창에 의해 2차 냉각시키고 상기 정류탑의 상탑으로 공급하는 제 2 배관라인과; 상기 정류탑에서 분리된 액체산소를 저장탱크에 저장시킨 후 상기 주열교환기를 통과시켜 열교환시킨 다음 산소 사용처로 공급하는 제 3 배관라인과; 상기 정류탑에서 배출되는 가스를 상기 주열교환기를 통과시켜 열교환시키는 제 4 배관라인과; 상기 저장탱크에 저장된 액체산소를 기화기를 통과시켜 기화시킨 다음 상기 산소 사용처로 공급하는 제 5 배관라인을 포함하고, 상기 제 2 배관라인에는 상기 액체공기 탱크와 상기 정류탑 사이에 액체공기의 공급량 변동시에 변동량을 보상하여 액체질소를 상기 정류탑의 상탑으로 공급하는 액체질소 공급수단이 구비되는 것을 특징으로 한다.
특히 상기 액체질소 공급수단은 액체질소가 저장되는 액체질소 저장탱크와; 상기 액체질소 저장탱크와 상기 제 2 배관라인의 상기 액체공기 탱크와 상기 정류탑 사이로 연결되는 제 6 배관라인과; 상기 액체질소의 유량 및 온도를 제어하여 상기 제 2 배관라인으로 공급하도록 상기 제 6 배관라인에 순차적으로 구비되는 유량계, 유량조정밸브 및 온도계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 공기 분리장치의 운전방법은 비등점 차에 의해 공기 중에서 산소를 분리하는 공기 분리장치를 주열교환기의 열교환량을 일정하게 유지시키면서 산소 사용처의 산소 사용량 변화에 따라 운전하는 방법으로서, 산소 사용처의 산소 사용량을 감지하는 단계와; 산소 사용처의 산소 사용량이 감소하는 경우에 공기승압기에서 주열교환기를 통과하여 정류탑의 상탑으로 공급되는 액체공기의 양을 감소시키고, 상기 액체공기의 감소량을 보상하여 액체질소를 정류탑의 상탑으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 정류탑의 상탑으로 공급되는 상기 액체질소는 정류탑의 상탑에서 비등하는 산소가스를 액화시킨 다음 기화하여 기체질소 상태로 상기 정류탑에서 배출되어 주열교환기로 유입된 다음 상기 공기승압기에서 상기 주열교환기로 유입되는 압축공기와 열교환되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 산소 사용처의 산소 사용량이 감소하는 경우에, 공기압축기에서 압축시킨 공기 중 공기승압기를 통하여 주열교환기로 유입되는 공기의 양을 감소시키고, 감소된 공기의 양만큼을 공기압축기에서 직접 주열교환기로 유입시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 산소 사용처에 공급되는 산소량이 감소되는 경우에 이를 보상하여 액체 질소를 정류탑에 공급함에 따라 주열교환기에서 열교환되는 양을 일정하게 유지시킬 수 있다.
이에 따라 종래에 주열교환기에서 열교환양을 일정하게 유지시키기 위하여 대기 중으로 산소를 방출시키던 과정을 생략할 수 있어 산소의 대기 배출 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 산소의 대기 배출 손실을 방지하여 산소의 비축량을 증대할 수 있기 때문에 돌발 설비고장으로 인한 산소 사용량 보충 및 산소 사용처의 사용량 증가시 비상대응이 가능한 효과가 있다.
그리고, 이미 생산된 산소를 대기로 배출하지 않기 때문에 종래에 발생되던 전력의 손실도 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 공기 분리장치를 보여주는 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기 분리장치를 보여주는 구성도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액체질소 공급수단을 보여주는 구성도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공기 분리장치의 운전방법을 보여주는 순서도이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 주열교환기의 구성과 열교환 흐름을 보여주는 구성도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 정류탑에서의 열교환 흐름을 보여주는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 다른 공기 분리장치를 보여주는 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 공기 분리장치는 공기압축기(10)에서 공기를 압축시킨 후 주열교환기(40)를 통과시켜 냉각시킨 다음 정류탑(50)의 하탑(52a)으로 공급하는 제 1 배관라인과; 상기 공기압축기(10)에서 압축된 공기를 분기시켜 공기승압기(30)에서 승압시킨 후 주열교환기(40)를 통과시켜 1차 냉각시킨 다음 액체공기 탱크(34, 35)에서 단열팽창에 의해 2차 냉각시키고 상기 정류탑(50)의 상탑(52b)으로 공급하는 제 2 배관라인과; 상기 정류탑(50)에서 분리된 액체산소를 액체산소 액체산소 저장탱크(60)에 저장시킨 후 상기 주열교환기(40)를 통과시켜 열교환시킨 다음 산소 사용처(70; 본 발명에 따른 공기분리장치와 별개의 산소사용 설비임)로 공급하는 제 3 배관라인과; 상기 정류탑(50)에서 배출되는 가스를 상기 주열교환기(40)를 통과시켜 열교환시키는 제 4 배관라인과; 상기 액체산소 저장탱크(60)에 저장된 액체산소를 기화기(62)를 통과시켜 기화시킨 다음 상기 산소 사용처(70)로 공급하는 제 5 배관라인을 포함한다.
상기 제 1 배관라인 내지 제 5 배관라인의 구성은 도 1에 도시된 종래의 일반적인 장치와 유사하며, 그 유사한 부분에 대하여는 도 1에 부여된 도면부호와 동일하게 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 생략하고자 한다.
제 1 배관라인은 흡착기(20)에서 주열교환기(40)로 연결되는 제 1 입구배관(21a)과, 주열교환기에서 정류탑(50)의 하탑(52a)으로 연결되는 제 1 출구배관(21b)을 포함한다.
제 2 배관라인은 상기 제 1 입구배관(21a)에서 분기되어 공기승압기(30)를 거쳐 주열교환기(40)로 연결되는 제 2 입구배관(31a)과, 주열교환기(40)에서 액체공기 탱크(34, 35)로 연결되는 제 2 출구배관(31b)을 포함한다.
제 3 배관라인은 상기 정류탑(50)에서 액체산소 저장탱크(60)로 연결되는 송출관(59)과, 상기 액체산소 저장탱크(60)에서 펌프(61)를 거쳐 주열교환기(40)로 연결되는 제 1 배출관(64a)와, 주열교환기(40)에서 산소 사용처(70)로 연결되는 제 2 배출관(64b)을 포함한다. 상기 제 2 배출관(64b)에는 대기 배출밸브(65), 공급밸브(66) 및 홀더(69)가 순차적으로 구비된다.
제 4 배관라인은 정류탑(50)의 상탑(52b)에서 주열교환기(40)로 연결되는 제 4 입구배관(51a)과, 주열교환기(40)에서 배출되도록 연결되는 제 4 출구배관(51b)을 포함한다.
제 5 배관라인(67)은 상기 제 1 배출관(64a)에서 분기되어 상기 제 2 배출관(64b)의 홀더 전단으로 연결된다.
한편, 본 발명에 따른 공기 분리장치는 산소 사용처로 공급되는 산소의 양이 감소하더라도 이를 보상하여 주열교환기(40)에서 열교환되는 양을 일정하기 유지시키기 위하여 상기 제 2 배관라인의 상기 액체공기 탱크(34, 35)와 상기 정류탑(50) 사이에 액체공기의 공급량 변동시에 변동량을 보상하여 액체질소를 상기 정류탑(50)의 상탑(52b)으로 공급하는 액체질소 공급수단(100)이 구비된다.
상기 액체질소 공급수단(100)은 액체질소가 저장되는 액체질소 저장탱크(110)와; 상기 액체질소 저장탱크(110)와 상기 제 2 배관라인의 상기 액체공기 탱크(34, 35)와 상기 정류탑(50) 사이로 연결되는 제 6 배관라인(120)이 설치된다.
상기 액체질소 저장탱크(110)는 액체질소가 저장되는 수단으로서, 상기 액체질소 저장탱크(110)에는 상기 정류탑(50)에서 발생 또는 분리되는 액체질소가 별도의 배관라인(미도시)을 통해서 공급되거나, 별도의 액체질소 공급수단(100)에 의해 액체질소가 공급된다.
상기 제 6 배관라인(120)은 상기 액체질소 저장탱크(110)에 저장된 액체질소를 상기 액체공기 탱크(34, 35)에서 정류탑(50)으로 공급되는 액체공기와 합류시키는 수단으로서, 상기 제 6 배관라인(120)에는 순차적으로 유량계(122), 유량조정밸브(123), 온도계(124) 및 다수의 밸브(121, 126)가 구비된다. 그래서 상기 액체질소 저장탱크(110)에 저장된 액체질소를 상기 제 6 배관라인(120)을 통하여 유량을 조절하면서 정류탑(50)의 상탑(52b)으로 공급할 수 있다.
도 2에 도시된 미설명 부호인 "111"은 펌프이고, "112"는 밸브이며, "113"은 기화기이다. 상기와 같이 펌프(111), 밸브(112) 및 기화기(113)가 구비됨에 따라 비상시 액체질소 저장탱크(110)에 저장된 액체질소를 기화시켜 질소 사용처에 공급할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 공기 분리장치의 운전을 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공기 분리장치의 운전방법을 보여주는 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 주열교환기의 구성과 열교환 흐름을 보여주는 구성도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 정류탑에서의 열교환 흐름을 보여주는 구성도이다.
본 발명에 따른 공기 분리장치의 운전방법은 산소 사용처에 허용범위 내에서 산소양을 공급하는 정상 조업시, 산소 사용처의 산소 사용량이 증가하여 산소 공급량을 증가시키는 증가 조업시 및 산소 사용처의 산소 사용량이 감소하여 산소 공급량을 감소시키는 감소 조업시로 구분된다.
공기 분리장치의 정상 조업시에는 도 1에 도시된 종래의 일반적인 장치의 운전과 유사하며, 그 유사한 부분에 대하여는 앞에서 설명되었는바 그에 대한 상세한 설명은 생략하고자 한다. 이때 공기 분리장치의 정상적인 조업시에 본 발명에서 추가된 구성인 액체질소 공급수단은 작동되지 않고 대기상태를 유지한다.
공기 분리장치의 증가 조업시에는 주열교환기(40)의 열교환에 의해 기화된 액체산소가 제 2 배출관(64b) 상에 설치된 유량계(미도시) 설정값에 의해 그 설정값 이상 사용량이 증가하지 않도록 공급밸브(66)가 자동 조정된다. 이때 산소 사용처(70)의 사용량이 증가되었기 때문에 대기 배출밸브(65)를 통하여 대기로 배출되는 산소량은 없다. 만약 사용량이 더 증가되어 제 3 배관라인을 통한 산소의 공급량이 부족할 때는 제 5 배관라인을 가동하여 추가적인 산소를 산소 사용처(70)에 공급한다. 부연하자면, 액체산소 저장탱크(60)에서 펌프(61)로 공급하는 일부 액체산소를 분기시켜 기화기(62)를 통과하도록 함에 따라 기화시켜 홀더(69) 전단의 제 2 배출관(64b)으로 산소 사용량 증가분을 공급한다. 이렇게 추가적인 산소의 공급량은 제 3 배관라인과 별개의 제 5 배관라인을 통하여 공급함에 따라 상기 주열교환기(40)를 통과하는 액체산소의 양을 일정하게 유지함에 따라 주열교환기(40)에서는 온도변화 없이 일정한 열교환량을 유지할 수 있다.
한편, 공기 분리장치의 감소 조업시에는 자동 유량조정에 의하여 대기 배출밸브(65)가 열리는 것을 방지하기 위해 자동 유량조정값을 낮추고, 그 자동 유량조정값에 의하여 액체산소 저장탱크(60) 및 펌프(61)로부터 제 1 배출관(64a)을 통해 주 열교환기(40)로 유입되는 액체산소량을 감소시킨다. 그러면, 주열교환기(40) 내부에서 감소된 액체산소량에 의해 열교환에 영향을 받는 부분은 제 2 배관라인의 제 2 입구배관(31a) 내의 건조공기로서, 제 2 배관라인의 제 2 출구배관(31b)내의 건조공기의 온도가 상승하여 액체공기탱크(34, 35)로 유입되는 액체공기량이 감소된다.
이에 따라 정류탑(50) 하탑(52a) 및 상탑(52b)으로 유입되는 액체공기량이 부족하게 되고, 이 영향으로 하탑(52a)의 상부측 기화기(RE-BOILER)/응축기(CONDENSER)(55)에서 이루어지는 건조공기와 액체산소의 열교환시에 상탑(52b)의 액체산소 기화량이 증가하게 되며, 정류탑(50) 상탑(52b)의 상층(Top)에서 비등하여 제 4 입구배관(51a)을 통하여 주열교환기(40)로 배출된다. 이때 상기 기화기(RE-BOILER)/응축기(CONDENSER)(55)는 하탑(52a)의 상승된 건조공기가 통할 수 있는 튜브관(55a)내로(이하 도 6참조) 건조공기가 유입되고, 튜브관(55a) 외측(Tube Side)(55b)에는 정류탑(50) 상부(52b)에서 액체산소가 낙하되는데, 상기 건조공기와 액체산소가 서로 열교환되어 액체산소를 기화시키는 것이다.
한편, 정류탑(50) 상탑(52b) 상층(Top)에서 비등하는 산소 기화가스는 액체공기 탱크(35)에서 유입되는 액체공기인데, 이미 주열교환기(40)의 제 2 출구배관(31b)내 출구측 온도상승으로 인해 액체공기량이 감소된 상태이기 때문에 상기 기화기(RE-BOILER)/응축기(CONDENSER)(55)에서 생산되어 송출관(59)을 통하여 저장탱크(Back up tank)(60)로 충진되는 액체산소의 양이 감소한다.
본 발명에서는 상기의 과정과 같이 감소 조업시에 산소 사용처(70)로 공급되는 산소량을 감소시킴에 따라 주열교환기(40)에서 온도가 상승되어 원활한 열교환이 이루어지지 않는 것을 방지하기 위하여 공기압축기(10)에서 압축시킨 공기 중 공기승압기를 통하여, 즉 제 2 입구배관(31a)을 통하여 주열교환기(40)로 유입되는 공기의 양을 감소시키고, 감소된 공기의 양만큼을 공기압축기(10)에서 제 1 입구배관(21a)를 통하여 주열교환기(40)로 유입시키는 것이 바람직하다.
그러면, 제 3 배관라인을 통하여 주열교환기(40)로 유입되는 액체산소의 양이 감소되어 유입되더라도 이와 주열교환기(40) 내에서 직접 열교환 되는 제 2 배관라인 내의 건조공기 양이 감소됨으로서, 제 2 출구배관(31b)내 건조가스 온도상승을 막아 액체공기 탱크(35)의 온도상승을 방지할 수 있다.(도 5 참조)
한편, 제 2 배관라인을 통하여 주열교환기(40)로 유입되는 건조공기의 양이 감량되는 만큼 액체공기 생성량이 부족하게 되는데, 그 부족한 양만큼 제 1 입구배관(21a)를 통하여 직접 주열교환기(40)로 유입되는 건조공기를 증량하여 제 1 출구배관(21b)를 통해 정류탑(50) 하탑(52a)으로 유입되는 유입량을 증가시킨다. 이에 따라 하탑(52a)의 유입량 증가로 기화기(RE-BOILER)/응축기(CONDENSER)(55)에서 튜브관(55a)내 환류량이 증가되면서 정류탑(50) 상탑(52b)의 외측(Tube Side)(55b)에는 액체산소의 기화량이 증가되는 현상이 발생된다.
그래서 본 발명에서는 상기 정류탑(50)내 액체산소의 기화량이 증가되는 것을 방지하기 위하여 잉여 액체질소를 액체공기 출구배관(35L) 상에 액체질소 공급수단(100)을 설치하여 제 2 배관라인을 통하여 주열교환기(40)로 유입되는 건조공기의 양이 감량되는 만큼 액체공기 대신 액체질소를 정류탑(50) 상탑(52b)에 공급한다.
설명된 바와 같이 제 2 배관라인을 통하여 주열교환기(40)로 유입되는 건조공기의 양이 감량되어 액체공기 탱크(34, 35)에서 정류탑(50)으로 유입되는 액체공기의 양이 감량되면 이를 보상하여 액체질소 저장탱크(110)의 액체질소를 정류탑(50)의 상탑으로 공급한다. 부연하자면, 먼저 펌프(111)를 가동하고, 제 6 배관라인(120)상에 설치된 공급밸브(121)를 열어 유량계(122) 및 온도계(124)로 제 6 배관라인(120) 내의 액체질소 유량 및 온도를 감지한다. 그래서 상기 제 6 배관라인(120)내의 액체질소가 -180℃ 이하가 될 때까지 밸브(125)을 열어 냉각시킨다. 이후 제 6 배관라인(120)에 설치된 밸브(126)와 제 2 배관라인에 설치된 밸브(130)를 순차적으로 열어 액체질소와 액체공기의 혼합되어 정류탑으로 유입되도록 한다. 이때 혼합된 유량조정은 정류탑(50)의 상탑(52b)에 공급되는 유량계(140)에 의해 조정된다,
정류탑(50)의 상부(52b)에 유입된 액체질소는 비등하는 산소가스를 액화시키고 자신은 기화하여 기체질소로 상탑(52b) 상층(Top)부의 제 4 입구배관(51a)을 통해 기존 배출가스와 혼합하여 주열교환기(40)로 유입된다. 그러면 제 1 입구배관(21a) 및 제 2 입구배관(31a)에서 주열교환기(40)로 유입되는 건조공기에 열교환량을 보충하여 냉각함으로서 정류탑(50)의 상탑(52a) 및 하부(52b) 온도상승을 방지하게 되는 것이다.
다음으로 본 발명에 따른 공기 분리장치의 작동시 각 구성요소들에서 유체 또는 기체의 유량 및 온도를 측정하여 하기의 표 1에 나타내었고, 표 1의 데이터를 토대로 본 발명에 따른 공기 분리장치(실시예)의 효과를 종래의 공기 분리장치(비교예)와 비교한다.
이때 실시예는 본 발명에 따른 공기 분리장치를 감소 조업시 운전방법으로 운전한 결과이고, 비교예는 종래의 공기 분리장치를 감소 조업시 운전방법으로 운전한 결과이다.
구분 정상 조업시 감소 조업시(비교예) 감소 조업시(실시예)
도면번호 구성요소 유량 온도 유량 온도 유량 온도
21a 공기승압기
 56,000 20 56,000 20 42,000 20
21b 56,000 -178 56,000 -167 42,000 -179
31a 흡착기
 94,000 20 94,000 20 108,000 20
31b 94,000 -170 94,000 -162 108,000 -174
59 액체산소 생산 37,500 -180 37,500 -180 37,500 -180
60 액체산소 충진 2,500 -183 2,500 -183 12,500 -183
64a 액체산소
주열교환기 유입		 35,000 -178 35,000 -178 25,000 -178
64b 주열교환기 출구
액체산소 기화		 37,500 20 35,000 20 25,000 20
51a 정류탑 상탑
배출		 116,800 -193 116,800 -193 127,800 -193
51b 116,800 -193 116,800 -193 127,800 -193
120 액체질소 0 0 0 0 11,000 -188
표 1에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 공기 분리장치의 감소 조업시 운전방법에 따르면 비교예와 비교하여 주열교환기에 유입되는 액체 산소의 양을 감량하는 대신 액체산소를 사용한 결과 액체산소를 생산하는 양은 같지만 액체산소를 충진하는 양이 5배 증가된 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면 공기 분리장치의 감소 조업시 주열교환기에서 열교환되는 양을 일정하게 유지시키면서 액체산소의 충진량을 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 공기압축기 20: 흡착기
30: 공기승압기 35: 액체공기 탱크
40: 주열교환기 50: 정류탑
55: 기화기/응축기 60: 액체산소 저장탱크
61: 펌프 62: 기화기
65: 대기 배출밸브 66: 공급밸브
100: 액체질소 공급수단 110: 액체질소 저장탱크

Claims (5)

  1. 비등점 차에 의해 공기 중에서 산소를 분리하는 장치로서,
    공기압축기에서 공기를 압축시킨 후 주열교환기를 통과시켜 냉각시킨 다음 정류탑의 하탑으로 공급하는 제 1 배관라인과;
    상기 공기압축기에서 압축된 공기를 분기시켜 공기승압기에서 승압시킨 후 주열교환기를 통과시켜 1차 냉각시킨 다음 액체공기 탱크에서 단열팽창에 의해 2차 냉각시키고 상기 정류탑의 상탑으로 공급하는 제 2 배관라인과;
    상기 정류탑에서 분리된 액체산소를 저장탱크에 저장시킨 후 상기 주열교환기를 통과시켜 열교환시킨 다음 산소 사용처로 공급하는 제 3 배관라인과;
    상기 정류탑에서 배출되는 가스를 상기 주열교환기를 통과시켜 열교환시키는 제 4 배관라인과;
    상기 저장탱크에 저장된 액체산소를 기화기를 통과시켜 기화시킨 다음 상기 산소 사용처로 공급하는 제 5 배관라인을 포함하고,
    상기 제 2 배관라인에는 상기 액체공기 탱크와 상기 정류탑 사이에 액체공기의 공급량 변동시에 변동량을 보상하여 액체질소를 상기 정류탑의 상탑으로 공급하는 액체질소 공급수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 공기 분리장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 액체질소 공급수단은
    액체질소가 저장되는 액체질소 저장탱크와;
    상기 액체질소 저장탱크와 상기 제 2 배관라인의 상기 액체공기 탱크와 상기 정류탑 사이로 연결되는 제 6 배관라인과;
    상기 액체질소의 유량 및 온도를 제어하여 상기 제 2 배관라인으로 공급하도록 상기 제 6 배관라인에 순차적으로 구비되는 유량계, 유량조정밸브 및 온도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 분리장치.
  3. 비등점 차에 의해 공기 중에서 산소를 분리하는 공기 분리장치를 주열교환기의 열교환량을 일정하게 유지시키면서 산소 사용처의 산소 사용량 변화에 따라 운전하는 방법으로서,
    산소 사용처의 산소 사용량을 감지하는 단계와;
    산소 사용처의 산소 사용량이 감소하는 경우에 공기승압기에서 주열교환기를 통과하여 정류탑의 상탑으로 공급되는 액체공기의 양을 감소시키고, 상기 액체공기의 감소량을 보상하여 액체질소를 정류탑의 상탑으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 분리장치의 운전방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 정류탑의 상탑으로 공급되는 상기 액체질소는 정류탑의 상탑에서 비등하는 산소가스를 액화시킨 다음 기화하여 기체질소 상태로 상기 정류탑에서 배출되어 주열교환기로 유입된 다음 상기 공기승압기에서 상기 주열교환기로 유입되는 압축공기와 열교환되는 것을 특징으로 하는 공기 분리장치의 운전방법.
  5. 청구항 3에서,
    산소 사용처의 산소 사용량이 감소하는 경우에, 공기압축기에서 압축시킨 공기 중 공기승압기를 통하여 주열교환기로 유입되는 공기의 양을 감소시키고, 감소된 공기의 양만큼을 공기압축기에서 직접 주열교환기로 유입시키는 것을 특징으로 하는 공기 분리장치의 운전방법.
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