KR20190075282A - 공기분리장치 및 이의 운전방법 - Google Patents

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Abstract

공기분리장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리장치는 정류탑; 액화 질소가 저장되는 액화 질소 탱크; 상기 정류통과 상기 액화 질소 탱크를 연결하는 유로 상에 배치되는 액화 질소 분리기; 상기 액화 질소 탱크와 상기 액화 질소 분리기 사이에 배치되는 밸브;를 포함한다.

Description

공기분리장치 및 이의 운전방법{AIR SEPARATION PLANT AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 공기분리장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 재가동 시간을 단축할 수 있는 공기분리장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 공기분리장치는 비점차(산소: -183℃, 질소: -196℃, 아르곤: -186℃)를 이용한 정유 원리에 의해 고순도의 산소, 질소 및 아르곤가스를 생산하기 위한 장치이며, 고장수리 등의 이유로 짧은 시간 동안, 예컨대 5일 이하의 시간 동안 설비의 가동을 정지시킨다.
공기분리장치의 가동을 정지시키는 경우, 정류통 내에서 유동하던 액화 가스는 중력에 의해 상탑의 응축기 또는 하탑의 하부에 고이게 된다. 공기분리장치의 정지 시간이 경과함에 따라 자연적인 침입열이 발생하게 되는데, 이러한 침입열에 의해 상탑의 하부에 고인 액화 가스는 잠열을 잃고 기화된다.
이러한 과정에서 액화 가스는 저비점 성분(질소, 아르곤, 산소)은 기화하여 대기 중으로 방산되고 고비점인 불순물(탄화수소, CO2 등)은 액화 가스에 잔존함에 따라 불순물의 농도가 상승하게 된다. 이러한 불순물의 위험성을 제거하기 위해 정류통의 액화 가스 높이가 일정 수준 이하로 낮아지게 되면, 액화 가스는 정류통으로부터 모두 빼내어지게 된다.
액화 가스를 빼낸 정류통은 내부의 압력이 감소되므로, 질소 가스를 정류통의 내부에 유입하여 정류통의 내부 압력을 유지할 수 있다. 이때, 유입되는 질소 가스는 상온이므로, 공기분리장치는 점진적으로 온도가 상승하게 되며, 이에 따라, 재가동을 위한 한랭이 부족하게 되고, 따라서, 재가동 시간이 증가하게 된다.
한국등록특허 제10-0768319호(2003.06.12 공개)
본 발명의 실시 예들은 정지 후 재가동할 때 소요되는 시간을 단축할 수 있는 공기분리장치 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 정류탑, 액화 질소가 저장되는 액화 질소 탱크, 상기 정류통과 상기 액화 질소 탱크를 연결하는 유로 상에 배치되는 액화 질소 분리기, 상기 액화 질소 탱크와 상기 액화 질소 분리기 사이에 배치되는 밸브를 포함하는 공기분리장치가 제공될 수 있다.
또한 상기 공기분리장치는 상기 액화 질소 탱크와 상기 밸브 사이에 배치되는 질소 펌프;를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 공기분리장치는 상기 액화 질소 분리기와 상기 정류탑을 연결하며, 기체 질소를 상기 정류탑으로 안내하도록 연장되는 기체 질소 배관, 및 상기 액화 질소 분리기와 상기 정류탑을 연결하며, 액체 질소를 상기 정류탑으로 안내하도록 연장되는 액체 질소 배관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 운전이 정지되고, 레벨 센서(level sensor)가 정류통의 상탑에 고인 액체의 레벨(level)을 측정하고, 상기 레벨 센서가 측정한 상기 상탑의 액체의 레벨에 대응하여 질소 펌프를 구동시켜 상기 상탑에 액화 질소를 공급하는 공기분리장치의 제어방법이 제공될 수 있다.
또한 상기 공기분리장치의 제어방법은 상기 레벨 센서가 측정한 상기 상탑의 액체의 레벨이 기 설정된 최저 레벨보다 낮을 때, 상기 질소 펌프를 구동시켜 상기 상탑에 액화 질소를 공급하고, 상기 레벨 센서가 측정한 상기 상탑의 액체의 레벨이 기 설정된 최고 레벨보다 높을 때, 상기 질소 펌프의 구동을 정지시킬 수 있다.
또한 상기 상탑에 공급되는 액화 질소는 액화 질소 분리기를 통과하며 기체 질소와 액체 질소로 분리되어 상기 상탑의 상이한 부분에 각각 공급될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 공기분리장치를 정지하였을 때, 액체 질소를 보충하여 공기분리장치를 냉각 상태로 유지시킴에 따라 재가동 시간을 단축시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리장치의 제어블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리장치의 제어방법에 대한 제어흐름도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리장치의 제어블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 공기분리장치(10)는 원료공기 필터에서 먼지를 여과시킨 대기 중의 공기를 공기압축기(11)에서 압축하고, 압축된 공기를 수세냉각탑(20)에 제공한다.
수세냉각탑(20)은 냉수탑(21)으로부터 냉각수를 공급받아 분사함에 의해 유입된 원료공기를 냉각함과 동시에 공기 속의 수용성 먼지를 제거한 후 흡착기(23)에 공급한다.
흡착기(23)에서는 원료공기 중에 포함되어 있는 수증기나 이산화탄소 등의 불순물이 흡착제에 흡착되어 제거되고, 흡착기(23)의 토출구에 연결된 배출라인(25)을 통해 주열교환기(30)를 거쳐 정류탑(40)에 공급된다.
흡착기(23)에서 배출되어 배출라인(25)을 따라 흐르는 원료공기의 일부는 냉각공정을 실시하는 주열교환기(30)에 도입되어 냉각 후 정류탑(40)의 하탑(43)에 제공되고, 배출라인(25)을 따라 흐르는 원료공기의 다른 일부는 배출라인(25)에서 분기된 분기라인(26)에 설치된 팽창터빈(27)으로 공급되어 단열 팽창된 후 주열교환기(30)를 거쳐 정류탑(40)의 상탑(45)에 제공된다.
정류탑(40)의 하탑(43)으로 공급된 저온의 공기는 배관들을 통해 상탑(45)으로 공급되며, 이 과정에서 주 응축기(47)와 트레이에 의해 1차적인 공기분리가 이루어져 액화공기는 하탑(43)으로 모여 배관(42)을 통해 상탑(45)으로 이송된다. 하탑(43)에서 분리된 순수 질소가스 및 산소가 포함된 불순 질소가스가 연결 배관(44)을 통해 상탑(45)으로 이송된다.
그리고 정류탑(40)의 상탑(45)에 제공된 원료공기는 비점차에 의해 산소, 질소, 아르곤 액체가스로 분리 생산된다. 구체적으로, 상탑(45)에서는 트레이에 의해 각 가스의 비점차이를 이용한 2차적인 분리가 이루어져 산소, 질소 및 불순 질소가스로 분리되며, 산소 가스의 일부는 기화되어 불순 질소가스에 의해 액체산소로 만들어져 주 응축기(47)의 하부에 모여 하탑(43)의 불순 질소가스를 냉각시키면서 순도 조정 단계를 거친 다음에 고 순도의 산소와 질소 가스로 생산되고, 이렇게 생산된 산소가스와 질소가스는 배출 배관(49)을 통해 각각 사용처로 보내진다.
한편 정류탑(40)에서 생성된 불순질소는 불순질소라인(41)을 통해 배출되고, 주열교환기(30)를 거쳐 원료공기와 열 교환되어 상온의 온도로 회복된 후 일부는 냉수탑(21)에 들어가 냉각수를 열 교환시켜 온도를 하락시킨 후 대기로 방출되고, 다른 일부는 원료공기 불순물 제거장치인 흡착기(23)에 공급되어 흡착제에 포함된 수분 및 이산화탄소를 제거시키는 재생가스로 사용된 후 대기로 방출된다.
한편, 공기분리장치(10)는 상기한 운전 방법에 의해 연속적으로 운전되고 있으나, 안전 점검이나 설비 고장 등에 의해 단시간, 예컨대 5일 이하의 시간에 걸쳐 가동을 정지시킬 필요가 있고, 이러한 경우 공기분리장치(10)를 이루는 구성요소들의 온도가 서서히 상승하는 한냉손실이 발생된다.
구체적으로, 공기분리장치(10)가 정지되면 내부의 유동액이 자중에 의해 130% 이상 상탑(45)에 고이게 된다. 시간이 경과할수록 전도, 대류 및 복사에 의한 열 에너지가 상탑(45)의 내부로 유입되어 고여있던 초저온의 유동액을 가열하고, 이에 따라 유동액은 증발하여 유동액의 높이(level)가 지속적으로 하락하게 된다. 유동액의 높이가 주 응축기(47)의 상부가 노출될 정도로 하락하는 경우, 유동액 중에 불순물의 농도가 급격하게 증가될 위험이 있다.
종래에는 이를 방지하기 위해, 정지시간이 48시간 이상 지나거나 또는 주 응축기(47)의 상면이 노출되기 시작할 때, 정류탑(40)의 액을 전량 배출하였다. 정류탑(40)의 액을 전량 배출하는 경우, 정류탑(40)의 내부의 압력이 감소되므로, 대기가 정류탑(40) 내부로 유입될 우려가 있어, 질소 가스를 정류탑(40)에 공급하여 양압을 유지하였다. 하지만, 공급되는 질소 가스는 상온이었으므로, 공기분리장치(10)는 점차 가온되어 재가동을 위한 한랭이 부족한 상태가 되었다.
이를 방지하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리장치(10)는 정류탑(40)에 액화 질소를 공급하기 위해 액화 질소 탱크(50)와 액화 질소 분리기(60)를 포함할 수 있다.
액화 질소 탱크(50)는 액화 질소를 저장할 수 있다. 액화 질소 탱크(50)는 정류탑(40)에 액화 질소를 공급하도록 질소 펌프(51)와 연결될 수 있다.
질소 펌프(51)는 액화 질소 탱크(50)와 정류탑(40) 사이의 액화 질소가 공급되는 유로 상에 배치될 수 있다. 질소 펌프(51)는 액화 질소 탱크(50)와 액화 질소 분리기(60) 사이의 유로 상에 배치될 수 있다. 질소 펌프(51)는 액화 질소 탱크(50)에 저장된 액화 질소를 정류탑(40)으로 이동시킬 수 있다.
액화 질소 분리기(60)는 액화 질소 탱크(50)와 정류탑(40) 사이의 유로 상에 배치될 수 있다. 액화 질소 분리기(60)는 질소 펌프(51)와 정류탑(40) 사이의 유로 상에 배치될 수 있다. 액화 질소 분리기(60)는 액화 질소를 액체와 기체로 분리할 수 있다.
액화 질소가 액화 질소 분리기(60)로 유입되는 유로 상에는 제1 밸브(53)가 배치될 수 있다. 제1 밸브(53)는 액화 질소가 액화 질소 분리기(60)로 유입될 수 있도록 액화 질소가 흐르는 유로를 개폐할 수 있다.
제1 밸브(53)와 질소 펌프(51) 사이의 유로 상에는 제2 밸브(55)가 배치될 수 있다. 제2 밸브(55)와 질소 펌프(51) 사이에는 제3 밸브(57)가 배치될 수 있다.
하탑(43)와 상탑(45)을 연결하는 연결 배관(44)과 질소 펌프(51)를 연결하는 유로 상에는 제4 밸브(59)가 배치될 수 있다.
이러한 구성에 따라, 제1 밸브(53) 및 제2 밸브(55)는 폐쇄되고 제3 밸브(57)만 개방되는 경우, 액화 질소 탱크(50)의 액화 질소는 외부로 배출되거나 액화 질소가 다른 필요한 곳으로 공급될 수 있다.
제1 밸브(53)는 폐쇄되고 제2 밸브(55), 제3 밸브(57) 및 제4 밸브(59)가 개방되는 경우, 액화 질소 탱크(50)의 액화 질소는 연결 배관(44)으로 공급되어 상답(45)의 상부로 공급될 수 있다.
제1 밸브(53)와, 제2 밸브(55)와, 제3 밸브(57)가 모두 개방되는 경우, 액화 질소 탱크(50)의 액화 질소는 액화 질소 분리기(60)로 공급될 수 있다.
액화 질소 분리기(60)는 기체 질소 배관(61) 및 액체 질소 배관(62)을 통해 정류탑(40)과 연결될 수 있다. 기체 질소 배관(61)은 액화 질소 분리기(60)에서 분리된 기체 질소가 정류탑(40)으로 공급되도록 상탑(45)의 상부와 연결될 수 있다. 액체 질소 배관(62)은 액화 질소 분리기(60)에서 분리된 액체 질소가 정류탑(40)의 주 응축기(47)로 공급되도록 상탑(45)의 하부와 연결될 수 있다.
공기분리장치(10)는 상탑(45)의 액의 높이(level)를 측정하는 레벨 센서(70)를 포함할 수 있다. 레벨 센서(70)는 상탑(45)의 액의 높이를 측정하여 측정한 정보를 제어부(80)로 전달할 수 있다.
제어부(80)는 레벨 센서(70)로부터 전달 받은 상탑(45)의 액의 높이 정보를 토대로 질소 펌프(51), 제1 밸브(53), 제2 밸브(55), 및 제3 밸브(57)를 선택적으로 구동시킬 수 있다.
구체적으로, 제어부(80)는 상탑(45)의 액의 높이가 기 설정된 최소 레벨보다 낮은 경우, 질소 펌프(51)를 구동시키고, 제1 밸브(53), 제2 밸브(55) 및 제3 밸브(57)를 개방하여 액화 질소를 상탑(45)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 상탑(45)의 액의 높이는 더 이상 감소되지 않을 수 있다. 기 설정된 최소 레벨은 주 응축기(47)의 상부가 노출되기 시작하는 레벨일 수 있다.
반면, 제어부(80)는 상탑(45)의 액의 높이가 기 설정된 최대 레벨보다 높은 경우, 질소 펌프(51)의 구동을 정지시키고, 제1 밸브(53), 제2 밸브(55), 및 제3 밸브(57)를 폐쇄하여 액화 질소를 상탑(45)에 공급하지 않도록 할 수 있다. 이에 따라, 상탑(45)의 액의 높이는 더 이상 증가하지 않을 수 있다. 기 설정된 최대 레벨은 공기분리장치(10)가 한랭 상태를 유지할 수 있을 정도로 설정될 수 있다. 기 설정된 최대 레벨은 주 응축기(47)의 상부가 노출되는 액면에서 120%가 되는 레벨로 설정될 수 있다.
이러한 구성에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 공기분리장치(10)는 운전이 중단된 이후 재가동될 때까지 한랭 상태를 유지할 수 있다. 또한, 공기분리장치(10)는 정류탑(40) 내부에 고인 액의 불순물 농도가 증가하는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 종래와 같이 재가동을 위해 정류탑(40)의 내부의 액을 모두 배출한 후 다시 액을 채워 넣는 방법과 비교하였을 때, 액화 가스의 손실을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리장치의 제어방법에 대한 제어흐름도이다.
도 3을 참조하면, 공기분리장치(10)는 설비 점검 등을 이유로 구동이 정지될 수 있다(101).
공기분리장치(101)의 운전이 정지되면, 레벨 센서(70)는 상탑(45)의 액 높이를 감지(111)하여 제어부(80)로 정보를 전달한다.
정보를 전달 받은 제어부(80)는 레벨 센서(70)가 감지한 상탑(45)의 액 높이가 기 설정된 최소 높이보다 낮은 경우(112), 질소 펌프(51)를 구동시킨다(113).
아울러, 제어부(80)는 제1 밸브(53)를 개방하고(114), 제2 밸브(55)를 개방하고(115), 제3 밸브(57)를 개방한다(116). 즉, 제1 밸브(53)와, 제2 밸브(55)와 제3 밸브(57)는 순차적으로 개방될 수 있다.
이후, 레벨 센서(70)는 기 설정된 시간 간격에 따라 상탑(45)의 액 레벨을 측정한다. 레벨 센서(70)는 상탑(45)의 액 레벨을 감지(121)하여 제어부(80)로 정보를 전달한다.
정보를 전달 받은 제어부(80)는 레벨 센서(70)가 감지한 상탑(45)의 액 높이가 기 설정된 최대 높이보다 높은 경우(122), 질소 펌프(51)의 구동을 정지시킨다(123).
아울러, 제어부(80)는 제3 밸브(57)를 차단(124)하고, 제2 밸브(55)를 차단(125)하고, 제1 밸브(53)를 차단(126)할 수 있다. 즉, 제1 밸브(53)와, 제2 밸브(55)와, 제3 밸브(57)는 개방 순서와 반대 순서로 순차적으로 차단될 수 있다.
이후, 레벨 센서(70)는 계속해서 상탑(45)의 레벨을 측정하여 제어부(80)로 정보를 전달하고, 제어부(80)는 상탑(45) 내부의 액 레벨이 일정 수준을 유지하도록 할 수 있다. 즉, 제어부(80)는 공기분리장치(10)의 구동 정지 시, 액화 질소를 정류통(40)에 공급하여 주 응축기(47)가 액의 외부로 노출되지 않도록 할 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
10: 공기분리장치
50; 액화 질소 탱크
60; 액화 질소 분리기
70; 레벨 센서
80; 제어부

Claims (6)

  1. 정류탑;
    액화 질소가 저장되는 액화 질소 탱크;
    상기 정류통과 상기 액화 질소 탱크를 연결하는 유로 상에 배치되는 액화 질소 분리기;
    상기 액화 질소 탱크와 상기 액화 질소 분리기 사이에 배치되는 밸브;를 포함하는 공기분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액화 질소 탱크와 상기 밸브 사이에 배치되는 질소 펌프;를 더 포함하는 공기분리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액화 질소 분리기와 상기 정류탑을 연결하며, 기체 질소를 상기 정류탑으로 안내하도록 연장되는 기체 질소 배관; 및
    상기 액화 질소 분리기와 상기 정류탑을 연결하며, 액체 질소를 상기 정류탑으로 안내하도록 연장되는 액체 질소 배관;을 더 포함하는 공기분리장치.
  4. 운전이 정지되고,
    레벨 센서(level sensor)가 정류통의 상탑에 고인 액체의 레벨(level)을 측정하고,
    상기 레벨 센서가 측정한 상기 상탑의 액체의 레벨에 대응하여 질소 펌프를 구동시켜 상기 상탑에 액화 질소를 공급하는 공기분리장치의 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레벨 센서가 측정한 상기 상탑의 액체의 레벨이 기 설정된 최저 레벨보다 낮을 때, 상기 질소 펌프를 구동시켜 상기 상탑에 액화 질소를 공급하고,
    상기 레벨 센서가 측정한 상기 상탑의 액체의 레벨이 기 설정된 최고 레벨보다 높을 때, 상기 질소 펌프의 구동을 정지시키는 공기분리장치의 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 상탑에 공급되는 액화 질소는 액화 질소 분리기를 통과하며 기체 질소와 액체 질소로 분리되어 상기 상탑의 상이한 부분에 각각 공급되는 공기분리장치의 제어방법.
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