KR20140058112A - 액체공기 저장탱크를 구비한 공기분리장치 - Google Patents

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KR20140058112A
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Abstract

본 발명은 공기분리장치의 기동 과정에서 열 교환기의 온도 변화를 최소화시켜 정상 운전에 도달하는 시간을 단축하고 열 교환기의 파손을 방지하는 액체공기 저장탱크를 구비한 공기분리장치에 대한 것으로서, 하부에 액체공기 저장부를 가진 정류조 하탑과, 하부에 액체산소 저장부를 구비하여 정류조 하탑으로부터 공급된 액체 공기와 액체 산소의 열교환을 통해 공기로부터 액체 질소와 액체 산소를 분리시키는 정류조 상탑을 구비한 공기 분리기와; 공기 압축기로부터 공급된 상온의 압축공기와 공기 분리기로부터 배출된 저온의 액체 산소와, 액체 질소 및 불순 질소의 열 교환을 통해 상기 공기 분리장치의 정류조 하탑으로 공급되는 저온의 액체공기를 얻는 열교환기; 및 상기 열교환기로부터 배출된 저온의 액체 공기를 저장하여 공기 분리장치의 정류조 하탑에 저장되어 정류조 상탑으로 공급되는 액체 공기를 공급하기 위한 액체공기 저장탱크를 구비하며, 또한, 상기 정류조 하탑의 액체공기 저장부에는 액체공기 레벨을 검출하기 위한 레벨 검출기가 설치되고, 상기 정류조 상탑의 액체산소 저장부에는 액체산소의 레벨을 검출하기 위한 레벨 검출기가 설치되며, 상기 액체공기 저장탱크 상부 및 하부에서 공기 분리장치 하탑으로 액체 공기를 공급하는 공급라인에는 각각 전자적으로 자동으로 작동하는 솔레노이드 밸브가 설치된다.

Description

액체공기 저장탱크를 구비한 공기분리장치{An Air Separating Apparatus with Liquid Air Storage Tank}
본 발명은 제철소에 사용되는 산소생산 설비를 구성하는 공기분리장치에 대한 것으로서, 특히 대기 중에 공기를 흡입 압축시켜 비점차에 의해 산소, 질소, 아르곤 가스를 분리하는 공기분리장치의 기동 과정에서 열 교환기의 온도 변화를 최소화시켜 정상 운전에 도달하는 시간을 단축하고 열 교환기의 스트레스를 방지하는 액체공기 저장탱크를 구비한 공기분리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 공기분리장치는 비점차(산소:-183℃, 질소 :-196℃, 아르곤:-186℃)를 이용한 정류 원리에 의해 고순도의 산소 및 질소를 생산하였다가 사용처에 공급하기 위한 설비이다.
도 1의 도시와 같이, 공기분리장치의 정류조의 상탑(16)에서는 기체산소와 액체산소가 생산되어, 액체산소는 하부의 액체산소 저장탱크에 저장되고, 기체산소는 열교환기(8)를 거쳐 압축기를 통해 압축된 후 배관 상의 기체산소 저장탱크를 거쳐 고로 공장이나 제강 공장과 같은 제철소 내 해당 사용처로 보내지게 된다. 한편, 정류조의 하탑(15)에서는 기체질소와 액체질소가 생산되어, 액체질소는 액체질소 저장탱크에 저장되고, 기체질소는 압축기를 통해 압축된 후 배관 상의 기체질소 저장탱크를 거쳐 해당 사용처로 보내지게 된다.
한편, 산소공장 설비는 고로, 제강 등 가스 사용 공장 정수 작업시 설비를 정지시키고 전력비를 절감하기 위하여 설비를 수리 작업 후에, 공기분리장치를 재가동하게 되는 데, 재가동 운전은 공기 압축기(1)에서 5.2㎏/㎠로 압축된 상온(25℃) 공기를 흡착기(3)에서 불순물을 제거하고 열교환기를 통과하면서 -173℃의 저온 액체 공기를 얻어 정류조로 송입하는 바, 열교환기의 역할은 정류조로 공급되는 상온 액체공기와, 정류조 하단에서 생산되는 -173℃의 질소 가스와 정류조 상탑 하부에서 생산되는 액체 산소와 정류조 상탑 상부에서 생산되는 불순 질소를 열교환시켜 약 -173℃의 액체 공기를 얻고, 정류조 하탑(15)에서 생산되는 질소 가스, 정류조 상탑(16)에서 생산되는 액체 산소, 불순 질소는 상온으로(약25℃) 열 교환기(8)를 통과하게 된다.
이 때, 에어 라인(4)을 거쳐 정류조 하탑(15)으로 송입되는 공기는 정류조 상탑(16)의 액체 산소와 열 교환하여 지속적인 정류 작용으로 정류조 하탑(15)에서 질소와 액체공기로 분리되어 액체 공기는 정류조 상탑(16)으로 이송되며, 정류조 상탑(16)에서는 열교환에 의해 기화되는 산소 가스를 정류조 하탑(15)에서 공급되는 액체공기와 열 교환하여 액체 산소, 불순 아르곤, 불순 질소로 각각 분리하여야 하는 데, 설비의 재기동 초기, 비정상적인 정류 작용으로 인해, 공기와의 급격한 열 교환 작용이 발생하여 액체 산소의 기화량이 증가하고 정류조 하탑에서 상탑으로 공급되는 액체 공기의 부족으로 기화되는 산소 가스를 충분히 액화시키지 못하여 액체산소 저장부의 액체 산소의 레벨이 빠르게 하락한다.
또한, 공기분리장치의 재기동 초기, 정류조 내부에서 비정상적인 정유 작용으로 액체 산소의 기화량은 증가하고 정류조 하탑의 액체공기 저장부의 액체공기 레벨이 하락한다. 따라서 상탑으로 액체 공기를 지속적으로 공급할 수 없으므로 액체 산소 레벨이 하락하여 액체 산소 펌프(12)가 정지되고 열교환기에 공급되는 액체산소(한냉)의 부족으로 열 교환기 열 밸런스가 맞지 않아 열교환기의 중간부 온도가 -132℃에서 약 -90℃까지 상승되어 열 교환기의 파손 및 공기 압축기(1)의 토출 압력이 상승하는 문제가 존재하였다.
더우기, 공기분리장치의 기동 초기에는 정류조 내부에서 액체산소의 기화량이 증가하고 비정상적인 정유 작용과 정류조 하탑(15)의 액체 공기를 상탑(16)으로 지속적으로 공급할 수 있는 액체 산소의 양의 부족으로 인해 액체 산소의 축적 시간이 지연되어 액체 산소의 레벨이 하락하고, 열 교환기(8)에 공급되는 액체 산소의 부족으로 열교환기의 열 밸런스가 맞지 않아 열교환기가 손상되며, 공기 압축기(1)의 토출 압력의 상승이 이어져 정류조에 공급되는 공기 유량이 190,000Nm3/h에서 120,000Nm3/h으로 하락되어 액체 산소의 축적 시간이 길어지고, 정상 운전에 도달하는 시간이 지연되어 산소가스의 압송 압력이 하락하여 제강 공장의 제품 불량, 취련 시간 연장, 산소가스의 사용량의 증가 등의 문제가 발생한다.
따라서, 상기와 같은 종래기술의 산소생산 설비를 구성하는 공기 분리장치 재기동시 발생하는 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 산소생산 설비의 기체 분리장치에 구비된 열교환기의 손상을 방지하고 정상 운전 도달 시간을 단축할 수 있는 액체공기 저장탱크를 구비한 공기분리장치를 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 공기분리의 액체산소 양을 자동으로 검출하여 공기 분리장치에 공급되는 액체공기 양을 자동으로 조절함으로써 열교환기의 손상을 방지하고 정상운전 도달 시간을 단축할 수 있는 액체공기저장탱크를 구비한 공기 분리장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액체공기 저장탱크를 구비한 공기분리장치는, 하부에 액체공기 저장부를 가진 정류조 하탑과, 하부에 액체산소 저장부를 구비하여 정류조 하탑으로부터 공급된 액체 공기와 액체 산소의 열교환을 통해 공기로부터 액체 질소와 액체 산소를 분리시키는 정류조 상탑을 구비한 공기 분리기와; 공기 압축기로부터 공급된 상온의 압축공기와 공기 분리기로부터 배출된 저온의 액체 산소와, 액체 질소 및 불순 질소의 열 교환을 통해 상기 공기 분리기의 정류조 하탑으로 공급되는 저온의 액체공기를 얻는 열교환기; 및 상기 열교환기로부터 배출된 저온의 액체 공기를 저장하여 공기 분리기의 정류조 하탑에 저장되어 정류조 상탑으로 공급되는 액체 공기를 공급하기 위한 액체공기 저장탱크를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기 분리장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 정류조 하탑의 액체공기 저장부에는 액체공기 레벨을 검출하기 위한 레벨 검출기가 설치되고, 상기 정류조 상탑의 액체산소 저장부에는 액체산소의 레벨을 검출하기 위한 레벨 검출기가 설치되며, 상기 액체공기 저장탱크 상부 및 하부에서 공기 분리장치 하탑으로 액체 공기를 공급하는 공급라인에는 각각 전자적으로 자동으로 작동하는 솔레노이드 밸브가 설치된다.
또한, 본 발명에서 상기 열교환기의 중간부에는 액체 공기의 온도를 검출하기 위한 온도 검출기가 설치된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 이하의 효과가 달성된다.
첫째로, 열교환기와 공기 분리장치 사이에 설치된 액체공기 저장 탱크에서 정류조 하탑에 충분한 액체 공기를 공급하여 공기 분리기의 정류조에서 정류 작용이 원활하게 발생하여 액체 산소의 레벨 하락을 방지하고 열 교환기에 충분한 액체 공기를 공급하여 열교환기의 파손을 방지할 수 있다.
둘째, 공기 분리기의 정류조 상탑 하부의 액체산소의 레벨을 자동으로 검출하여 열 교환기 하류에 설치된 액체공기 저장 탱크로부터 자동으로 액체 공기를 보충하도록 구성함으로써 정상운전에 도달하는 시간을 단축하여 산소가스 사용공장의 제품 불량, 작업시간 지연 등의 문제점을 해소할 수 있다.
도 1은 종래 사용되는 열교환기를 구비한 공기분리장치의 설비 계통도이며,
도 2는 본 발명에 따라 액체공기 저장탱크가 열교환기와 정류조 사이에 설치된 공기 분리장치의 계통도,
도 3은 본 발명을 구성하는 액체공기 저장탱크 부분을 도시한 도면이다.
이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2의 도시와 같이, 본 발명의 액체공기 저장탱크를 구비한 공기 분리장치는 액체산소와 액체 질소가 발생되는 정류조 상탑(116)과 액체 공기가 공급되어 보류되는 정류조 하탑(115)을 구비하며, 또한, 정류조 상탑(116)으로부터 배출된 액체 산소 및 액체 질소와 불순 질소와 공기 압축기(1)로부터 공급된 액체 공기의 열 교환을 통하여 저온으로 냉각된 액체 공기를 공기 분리장치에 공급하기 위한 열 교환기(200)와, 열 교환기(200)로부터 배출된 저온 액체공기를 저장하는 액체공기 저장탱크(300)를 기본적으로 구비한다.
또한, 본 발명을 구성하는 액체공기 저장탱크를 구비한 공기 분리장치에서는, 한냉 공급기구인 액체공기 저장탱크(210)는 공기 승압기(5)에서 약53Kg/cm2로 압축된 공기가 열교환기(100) 하류이며 공기 분리장치의 하탑 상류에 배관 라인에 설치되며, 액체공기 저장탱크(210)의 하부에 설치된 공기배출라인에는 전자적으로 작동되어 액체공기 공급양을 조절할 수 있도록 자동 밸브인 솔레노이드 밸브(230)가 설치되며 액체공기 저장탱크(210)의 상부에도 또한 전자적으로 작동되어 공기분리장치의 하탑(115)으로 공급되는 액체공기의 양을 조절하기 위한 자동 밸브인 솔레노이드 밸브(240)가 설치된다.
본 발명에서는 또한 공기 승압기(5)에서 공급된 압축 공기가 열 교환기(100)를 통과 후에 공기 분리장치 하탑(115)의 액체공기 저장부로 공급되는 라인에 추가적으로 전자적으로 작동되어 공기분리장치의 하탑(115)으로 공급되는 압축공기의 양을 조절하기 위한 자동 밸브인 솔레노이드 밸브(260)가 설치되며, 열교환기(100)로부터 배출되는 저온 액체 공기를 기체분리장치에 공급하기 전에 저장하도록 액체공기 저장탱크(210)로 공급하는 데, 그 공급 라인에는 또한 전자적으로 작동되어 공급되는 액체공기의 양을 조절하기 위한 자동 밸브인 솔레노이드 밸브(250)가 설치된다.
더우기, 공기 분리장치의 상탑(116) 하부의 액체산소 저장부에서 배출된 액체산소는 산소공급라인을 거쳐 액체산소 공급펌프(12)를 거쳐 열교환기(100) 하부로 공급되어 상온의 압축 공기와 열 교환 후에 사용처로 공급되며, 액체산소 저장부에는 산소레벨 검출기(170)가 설치된다.
이어서, 정류조 상탑(16)의 상부에서 배출되는 불순 질소는 질소배출라인을 거쳐 흡착기(3)로 보내지거나 외기로 방출되며, 정류조 하탑(15) 상부에서 배출된 액체 질소는 배출 라인을 거쳐 압축기(24)로 보내진 후에 사용처로 공급된다. 정류조 하탑(15)의 하부에는 액체공기 저장부가 구비되고 여기에는 공기레벨 검출기(130)가 설치된다. 정류조 하탑(15)의 액체공기 저장부의 액체공기는 공급라인을 거쳐 정류조 상탑(16)으로 공급되며 그 공급 라인에는 공급되는 액체공기의 양을 조절하기 위한 전자적으로 작동되는 솔레노이드 밸브(140)가 설치된다. 그리고, 공기분리장치에서 얻어진 아르곤(Ar) 가스는 아르곤 컬럼(20)으로 보내진다.
또한, 열 교환기(100)의 중간부에는 열 교환기의 온도를 감지하여 전기적인 신호를 발생하는 온도 검출기(117)와, 상기 온도 검출기가 발신하는 신호를 받아 액체 산소의 압송량을 제어하는 압축 펌프(12)가 더 설치된다.
또한, 본 발명에서 공기 분리장치에 설치된 레벨 검출기(170, 130)들과, 열교환기(100)에 설치된 온도 검출기(117), 및 각종 자동 밸브인 솔레노이드 밸브(230, 240, 250, 260, 및 114)는 운전실의 제어부에 전기적으로 연결되어 제어부에 저장된 액체산소 레벨 변동에 따라 액체공기 유량을 자동으로 조절할 수 있는 프로그램에 따라 작동하도록 구성되어 있다. 즉, 레벨 검출기(130, 170)들과 온도 검출기(117), 및 솔레노이드 밸브(114, 230, 240, 250, 260)들은 운전실의 제어부에 전기라인으로 연결되어 검출된 데이타를 보내면, 제어부에서 그들 데이타를 기초로 솔레노이드 밸브들을 작동시켜 액체공기를 자동으로 조절하도록 구성되는 것이다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명 장치의 작용을 설명하면 이하와 같다.
공기분리장치의 기동 초기에는, 비정상적인 정류 작용, 즉 정류조 하탑(15)의 액체 공기와 정류조 상탑(16)의 액체 산소의 열 교환을 통해, 정상 작동시 정류조 하탑(15)에서 질소와, 불순 질소, 및 액체 공기(13)로 분리되고, 정류조 상탑(16)에서는 불순 질소와 불순 아르곤 그리고 액체 산소(17)로 분리되어야 하는 데, 그러하지 못하고 정류조 하탑(15)에 공급되는 액체 공기와 액체 산소의 급격한 열 교환 작용에 의해 액체 산소의 기화량이 증가하고 정류조 하탑(15)에서 공급되는 액체 공기 부족으로 기화되는 산소 가스를 충분히 액화시키지 못해 액체 산소의 레벨이 하락하게 된다.
이때, 공기분리장치 상탑(16)의 액체 산소 레벨검출기(170)와, 정류조 하탑(15)의 액체공기 레벨검출기(130)가 산소 레벨 및 공기 레벨을 전기적인 신호로 감지하고, 레벨 하락이 감지된 경우, 액체공기 저장탱크(210)의 출구 라인에 설치된 솔레노이드 밸브(230)를 작동시켜 액체공기 저장탱크(210)의 출구 밸브를 통해 정류조 하탑(15)에 공급되는 액체공기의 공급 유량을 증대시켜, 정류조 상탑(16)에 지속적으로 액체 공기를 공급하여 기화되는 산소 가스를 액화시켜 액체 산소의 레벨 하락을 방지한다.
그리고 열교환기(100)의 온도검출기(117)를 통해 열교환기의 온도를 감지하여 온도 레벨기가 발생하는 전기적인 신호를 받아 -135℃에서 -127℃로 유지될 수 있도록 액체 산소의 공급량을, 온도가 상승하면 액체산소 공급량을 증가시키고 하락하면 공급량을 감소하도록 제어함으로써 열교환기의 열 교환 밸런스를 일정하게 유지시켜 열교환기의 파손을 방지한다. 또한, 이로써 정상운전에 도달하는 시간을 단축하여 산소가스 사용공장의 제품 불량, 작업시간 지연 등의 문제점을 해소할 수 있다.
이상, 전술한 본 발명의 실시예들에서는 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 사상과 범위를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.
1: 공기 압축기 2: 수세탑
3: 흡착기 5: 공기 승압기
6: 터빈 7, 117: 온도검출기
8: 열교환기 12: 액체산소 펌프
15: 정류조 하탑 16: 정류조 상탑
100: 열교환기 130, 170, 220: 레벨 검출기
210: 액체공기 저장탱크
230, 240, 250, 260: 솔레노이드밸브

Claims (4)

  1. 하부에 액체공기 저장부를 가진 정류조 하탑과, 하부에 액체산소 저장부를 구비하여 정류조 하탑으로부터 공급된 액체 공기와 액체 산소의 열교환을 통해 공기로부터 액체 질소와 액체 산소를 분리시키는 정류조 상탑을 구비한 공기 분리기와;
    공기 압축기로부터 공급된 상온의 압축공기와 공기 분리기로부터 배출된 저온의 액체 산소와, 액체 질소 및 불순 질소의 열 교환을 통해 상기 공기 분리기의 정류조 하탑으로 공급되는 저온의 액체공기를 얻는 열교환기; 및
    상기 열교환기로부터 배출된 저온의 액체 공기를 저장하여 공기 분리기의 정류조 하탑에 저장되어 정류조 상탑으로 공급되는 액체 공기를 공급하기 위한 액체공기 저장탱크를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기 분리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류조 하탑의 액체공기 저장부에는 액체공기 레벨을 검출하기 위한 레벨 검출기가 설치되고, 상기 정류조 상탑의 액체산소 저장부에는 액체산소의 레벨을 검출하기 위한 레벨 검출기가 설치되는 것을 특징으로 하는 공기 분리장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액체공기 저장탱크 상부 및 하부에서 공기 분리장치 하탑으로 액체 공기를 공급하는 공급라인에는 각각 전자적으로 작동하는 솔레노이드 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 공기 분리장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 열교환기의 중간부에는 열교환기내의 압축 공기의 온도를 검출하기 위한 온도 검출기가 설치된 것을 특징으로 하는 공기 분리장치.
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KR101890531B1 (ko) * 2017-06-19 2018-08-21 주식회사 포스코 액체공기 재활용장치가 구비된 공기분리시스템
KR20190075282A (ko) * 2017-12-21 2019-07-01 주식회사 포스코 공기분리장치 및 이의 운전방법

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