KR20200121577A - 공기분리장치 - Google Patents

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Abstract

공기분리장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상탑 및 하탑을 구비하는 정류탑, 상기 하탑에 축적된 액체공기를 상기 상탑으로 공급하는 제1 배관 및 압축공기가 유입되는 제2 배관을 포함하되, 상기 제1 배관은 일측에 벤츄리 공간부가 마련되고, 상기 제2 배관은 상기 압축공기를 상기 벤츄리 공간부에 공급하도록 마련되는 공기분리장치가 제공될 수 있다.

Description

공기분리장치{AIR SEPERATION APPARATUS}
본 발명은 공기분리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정류탑의 하탑에 축적된 액체공기를 상탑에 안정적으로 이송하기 위한 공기분리장치에 관한 것이다.
공기(空氣)는 질소, 산소, 아르곤, 이산화 탄소, 수증기 등을 포함하는데, 공기에 포함된 질소, 산소, 아르곤과 같은 성분들은 극저온 공기분리장치를 통해 생산할 수 있다. 극저온 공기분리기술은 공기 중의 이산화탄소, 수증기 등 불순물을 제거한 후 공기를 극저온으로 냉각시키고, 이후 각 성분들을 끓는점 차이를 이용해 증류방식으로 분리하여 기체 또는 액체 상태의 산소, 질소, 아르곤을 생산한다.
통상의 극저온 공기분리장치는 저압의 상탑과 고압의 하탑을 갖춘 정류탑, 정류탑의 하탑 하부로부터 산소 성분 다량이 액화된 액체공기를 공급 받아 상탑 중앙부로 이송하는 배관을 포함할 수 있다.
하탑에 축적된 액체공기를 상탑으로 이송하는 과정에서, 정류탑 내부 열교환으로 인한 기화현상으로 상탑의 압력은 상승하게 되고 이는 상탑으로의 액체공기 유입을 방해할 수 있다. 아울러, 장치의 재 기동 시, 액체공기를 이송하는 배관의 온도가 액체공기보다 상대적으로 높기 때문에 액체공기가 배관 통과 중 기화되어 버리는 유량 헌팅(Hunting) 현상이 발생할 수 있다. 따라서 공기분리장치는 정류탑의 하탑으로부터 이송되어오는 액체공기를 상탑에 안정적이고 효율적으로 공급할 수 있어야 한다.
대한민국 특허공보 특1995-0014009호(1995.11.20. 공고)
본 실시 예는 정류탑 하탑에 축적된 액체공기를 안정적으로 상탑에 이송할 수 있는 공기분리장치를 제공하고자 한다.
본 실시 예는 설비의 재 기동시간을 단축하여 정상상태로 신속히 복구시킬 수 있는 공기분리장치를 제공하고자 한다.
본 실시 예는 생산효율을 증가시켜 에너지 소비를 감소시키는 공기분리장치를 제공하고자 한다.
본 실시 예는 플랜트의 전반적인 운전 과정을 개선시킬 수 있는 공기분리장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공기분리장치는 상탑 및 하탑을 구비하는 정류탑, 상기 하탑에 축적된 액체공기를 상기 상탑으로 공급하는 제1 배관 및 압축공기가 유입되는 제2 배관을 포함하되, 상기 제1 배관은 일측에 벤츄리 공간부가 마련되고, 상기 제2 배관은 일단부가 상기 벤츄리 공간부에 연결되는 공기분리장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제2 배관은 일단부가 상기 벤츄리 공간부에 경사지게 연결되어 제공될 수 있다.
또한, 상기 벤츄리 공간부의 전단에 배치되어, 상기 제1 배관을 통과하는 유체에 대해 상기 상탑 방향으로의 흐름만을 허용하는 체크밸브를 더 포함하여 제공될 수 있다.
또한, 공기압축기에 의해 압축된 후 주열교환기에 의해 냉각된 압축공기를 상기 정류탑의 하탑으로 공급하는 제3 배관을 더 포함하고, 상기 제2 배관은 타단부가 상기 제3 배관에 연결되어 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 배관에 배치되어 상기 액체공기의 흐름을 제어하는 제1 밸브, 상기 제2 배관에 배치되어 상기 압축공기의 흐름을 제어하는 제2 밸브 및 상기 제3 배관에 배치되어 상기 압축공기의 흐름을 제어하는 제3 밸브를 더 포함하여 제공될 수 있다.
또한, 상기 상탑에 축적된 가스의 적어도 일부를 배출하도록 마련되는 제4 배관 및 상기 제4 배관에 배치되어 상기 제4 배관으로부터 배출되는 가스의 흐름을 제어하는 제4 밸브를 더 포함하여 제공될 수 있다.
또한, 상기 제4 배관은 상기 상탑의 상부에 축적된 질소가스를 배출하도록 마련되어 제공될 수 있다.
또한, 상기 하탑의 상부에 축적된 액체질소를 상기 상탑의 상부로 공급하는 제5 배관 및 상기 제5 배관에 배치되어 상기 액체질소의 흐름을 제어하는 제5 밸브를 더 포함하여 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 배관은 상기 하탑의 하부에 축적된 액체공기를 상기 상탑의 중앙부로 공급하여 제공될 수 있다.
본 실시 예에 의한 공기분리장치는 정류탑 하탑의 액체공기를 상탑에 신속하게 이송할 수 있다.
본 실시 예에 의한 공기분리장치는 설비를 신속하게 정상 복구시킬 수 있다.
본 실시 예에 의한 공기분리장치는 운용상황에서 설비의 안정적이고 효과적인 생산을 구현할 수 있다.
본 실시 예는 플랜트의 전반적인 설비운전 방법 및 설비장치의 효율을 개선시킬 수 있다.
본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명될 것이지만, 상술한 도면은 본 발명의 바람직한 실시 예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 공기분리장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에서의 A 부분 확대도이다.
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 일 측면에 따른 공기분리장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1에서의 A 부분 확대도이다.
도 1을 참조하면, 흡입탑(10)에 의해 먼지 기타 이물질들이 제거된 후, 이물질이 제거된 대기 중의 공기를 공기압축기(20)에서 압축시켜 압축공기를 생성하고, 이를 수세냉각탑(30)에 의해 냉각시킨다. 이후, 흡착탑(40)을 통과하면서 수분 및 탄산가스 등이 흡착 제거되며, 팽창터빈(미도시)을 거친다. 이렇게 전 처리된 공기는 주 열교환기(50)를 통과하면서 비점 부근까지 냉각된 후 정류탑(70)의 상탑과 하탑에 공급되어 정류탑(70) 내에서 산소, 질소, 알곤 등의 가스 또는 액체로 분리될 수 있다. 이와 같이 분리된 고순도의 가스 또는 액체들은 공급배관을 통해 사용처로 공급될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 공기분리장치(100)는 정류탑(70)의 하탑에 축적된 액체공기를 정류탑(70)의 상탑으로 공급하도록 마련되는 제1 배관(81) 및 제1 배관(81)에 배치되어 액체공기의 흐름을 제어하는 제1 밸브(81a)와, 공기압축기(20)에 의해 압축된 후 주열교환기(50)에 의해 냉각된 압축공기를 하탑으로 공급하는 제3 배관(83) 및 제3 배관(83)에 배치되어 상술한 압축공기의 흐름을 제어하는 제3 밸브(83a)와, 하탑의 상부에 축적된 액체질소를 상탑의 상부로 공급하는 제5 배관(85) 및 제5 배관(85)에 배치되어 상술한 액체질소의 흐름을 제어하는 제5 밸브(85a)를 포함할 수 있다.
정류탑(70)은 대략 0.3kg/㎠G의 상대적으로 저압의 압력을 유지하는 상탑과, 대략 4.5kg/㎠G의 상대적으로 고압을 유지하는 하탑이 상호 구획된 형태일 수 있다.
제3 배관(83)은 주 열교환기(50)를 통과한 약 -160 ℃, 5 kg/Cm2의 압축공기를 정류탑(70)의 하탑으로 공급한다. 이 때, 단면적이 좁은 제3 배관(83)으로부터 넓은 하탑으로 송입될 때 공기의 압력은 약 -173 ℃까지 떨어지고, 압력 역시 약 4.5 kg/Cm2로 감소된다. 정류탑(70)에는 응축기(미도시)가 구비되고, 응축기 내부에서는 상탑 및 하탑에 축적된 물질 간의 열교환이 수행된다. 보다 구체적으로, 하탑으로 송입된 압축공기는 상탑의 약 -180 ℃ 액체산소와 열교환하여 액화되고, 상탑의 액체산소는 하탑의 뜨거운 공기 열량을 얻어 기화되는 상호간 잠열 교환을 이룬다. 하탑으로 송입된 압축공기는 질소, 산소, 아르곤 등 대기성분이 혼합된 혼합공기로서, 상술한 열교환에 의해 액화되고 하탑 트레이(미도시)로 흘러 내려 상승하는 혼합공기 중 산소성분 다량을 우선적으로 액화시킨다. 이로써, 하탑 하부는 산소가 소정치 이상 포함된 액체공기가 축적될 수 있고, 하탑 상부에는 질소성분의 가스만 남게 된다. 이후, 하탑 상부의 질소성분 역시 열교환에 의해 액화되어 액체질소로 존재하고, 액체질소가 하탑 트레이(미도시)를 거쳐 상승하는 혼합공기와 접촉하여 혼합공기 내 질소성분을 추가적으로 액화시킴으로써, 하탑의 상부에 존재하는 액체질소가 더욱 고순도로 축적될 수 있다. 즉, 하탑의 상부에는 순질소가 형성되고, 중부에는 저순도순질소 층이 형성되며, 하부에는 산소 성분이 약 40 % 에 상당하는 액체공기가 축적된다.
제1 배관(81)과 제5 배관(85)은 하탑에 축적된 순액체질소, 저순도순액체질소, 액체공기를 상탑 트레이(미도시)의 상부, 중상부, 중부에 각각 공급하여 적정유량으로 배분할 수 있다. 이 때, 상탑의 정류도 하탑 정류과정 에서와 같이 최상부에 순질소 층이 형성되고, 그 하부에 저순도순질소층이 형성되고, 또한 그 하부에 조알곤 층이 형성되고 최하부에 산소층과 액체산소가 형성될 수 있다. 하탑에 축적된 액체공기는 제1 밸브(81a)에 의해 개방된 제1 배관(81)을 통하여 상탑의 중앙부에 공급될 수 있다. 이 때, 단면적이 좁은 제1 배관(81)으로부터 넓은 상탑으로 송입되면서 공기의 압력은 약 -180 ℃까지 떨어지고, 압력 역시 약 0.3 kg/Cm2으로 감소된다. 또한, 제5 밸브(85a)에 의해 개방된 제5 배관(85)을 통해 하탑의 상부에 존재하는 고순도의 액체질소를 상탑의 상부로 공급할 수 있다.
한편, 하탑의 액체공기가 상탑으로 이송되는 과정에서, 하탑으로부터 상탑에 이르는 높이는 약 40 내지 50m로 높게 형성되어 있어, 하탑에서 송출된 액체공기가 상탑까지 안정적으로 이르기에는 다소 무리일 수 있다. 또한, 액체공기 이송 도중 배관 내 유량의 헌팅현상이 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 의한 공기분리장치(100)는 제1 배관(81)의 일측에 구비된 벤츄리 공간부(86)와, 압축공기가 유입되어 벤츄리 공간부(86)로 상술한 압축공기를 공급하는 제2 배관(82) 및 제2 배관(82)에 배치되어 상술한 압축공기의 흐름을 제어하는 제2 밸브(82a)를 포함할 수 있다. 또한, 벤츄리 공간부(86) 전단에는 제1 배관(81)을 통과하는 유체에 대해 상탑방향으로의 흐름만을 허용하는 체크밸브(86a)를 포함할 수 있다.
제1 배관(81)은 내부의 적어도 한 부분에 액체공기가 통과하는 벤츄리 공간부(86)를 포함한다. 벤츄리 공간부(86)는 중심부에 단면적이 축소된 병목 부위를 포함한다.
제2 배관(82)의 일단부는 제1 배관(81)에 배치된 벤츄리 공간부(86), 보다 구체적으로, 벤츄리 공간부(86)의 병목 부위에 연결될 수 있다. 이로써, 제2 밸브(82a)의 개방 작동에 의해 제2 배관(82)이 압축공기를 상술한 병목 부위에 고속으로 토출시키면, 하탑에 존재하는 액체공기가 상탑방향으로 흡입될 수 있다. 아울러, 제2 배관(82)의 일단부는 벤츄리 공간부(86)에 경사지게 연결될 수 있다. 만약 제2 배관(82)이 벤츄리 공간부(86)와 직교하여 배치될 경우, 예컨대, 제2 배관(82)이 벤츄리 공간부(86)와 T자형으로 연결될 경우, 제2 배관(82)으로부터 벤츄리 공간부(86)로 토출된 압축공기가 상술한 일단부를 따라 역류할 위험이 존재하기 때문이다.
제2 배관(82)의 타단부는 제3 배관(83)에 연결될 수 있다. 이로써 공기압축기(20)와 주열교환기(50)를 거친 압축공기가 제3 배관(83)을 거쳐 제2 배관(82)으로 유입되고, 상술한 압축공기가 제2 배관(82)을 통해 벤츄리 공간부(86)로 공급될 수 있다. 도시된 바에 의하면 제2 배관(82)의 타단부가 제3 배관(83)에 연결된 구조만이 개시되어 있으나, 본 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 제2 배관(82)의 타단부에 압축공기를 공급할 수 있는 별도의 공급부를 연결시킨 경우도 적용될 수 있다.
체크밸브(86a)는 제2 배관(82)의 일단부가 연결된 벤츄리 공간부(86)의 전단에 배치될 수 있다. 이로써, 벤츄리 공간부(86)로 토출된 압축공기가 하탑 방향으로 흘러내리지 않도록 제1 배관(81) 내부를 흐르는 유체에 대해 상탑방향으로의 흐름만을 허용할 수 있다.
한편, 정류탑(70)의 응축기 내부에서 상탑 및 하탑 물질 간의 열교환이 수행됨에 따라 상탑 내부의 압력이 증가한다. 이후 제2 배관(82)을 통해 액체공기가 압축공기와 함께 유입되게 되면 상탑 내부의 압력은 더욱 급증하게 되며, 이러한 상탑의 압력상승은 곧 원활한 액체공기의 이송을 방해할 수 있다.
이를 방지하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 의한 공기분리장치(100)는 상탑에 축적된 기체성분을 배출시키기 위한 제4 배관(84) 및 제4 배관(84)에 배치되어 제4 배관(84)으로부터 배출되는 가스의 흐름을 제어하는 제4 밸브(84a)를 포함할 수 있다. 상탑에 축적된 가스의 적어도 일부, 예를 들어, 질소가스는 제4 배관(84)을 통해 배출되어 별도로 저장될 수 있고, 또는 배출과정에서 제3 배관(83)으로 유입되는 압축공기의 냉각을 위해 이용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 의한 공기분리장치(100)가 하탑의 액체공기를 상탑으로 이송시키기 위한 동작을 설명한다.
본 발명의 실시 예에 의한 공기분리장치(100)의 액체공기 이송동작은 베르누이의 원리에 따른다. 보다 구체적으로, 제2 배관(82)으로부터 벤츄리 공간부(86)로 압축공기를 배출하면, 벤츄리 공간부(86)에 발생된 부압에 의해 하탑의 액체공기가 흡입되어 제1 배관(81)을 타고 올라와 상탑으로 공급되는 원리를 따른다. 아울러 액체공기가 흡입되는 과정에서, 액체공기가 벤츄리 공간부(86)를 통과할 때 벤츄리 공간부(86)의 단면적 변화로 인한 벤츄리 효과를 이용할 수 있다. 즉, 액체공기가 벤츄리 공간부(86)의 내측 중 단면적이 작은 병목 부위를 통과할 때 속도가 증가하는 효과를 이용하여, 액체공기가 상탑 방향으로 안정적이고 신속하게 흡입될 수 있도록 하는 원리를 따른다.
한편, 도시된 바에 의하면 제2 배관(82)의 타단부가 제3 배관(83)에 연결된 구조만이 개시되어 있으나, 본 실시 예는 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 제2 배관(82)에 압축공기를 공급하는 별도의 배관 공급부를 마련하여 이를 제2 배관(82)의 타단부에 연결하는 등 다양한 응용이 가능하다. 즉, 제2 배관(82)의 타단부는 별도의 공급부에 연결될 수 있으며, 상술한 공급부로부터 유입된 압축공기가 제2 배관(82)을 통해 제1 배관(81)의 벤츄리 공간부(86)에 배출될 수 있다. 이 때, 압축공기가 배출된 벤츄리 공간부(86)에 부압이 발생됨으로써 하탑의 액체공기가 상탑 방향으로 흡입될 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.
100: 공기분리장치
10: 흡입탑
20: 압축기
30: 수세 냉각탑,
40: 흡착탑
50: 주열교환기
70: 정류탑
81: 제1 배관 81a: 제1 밸브
82: 제2 배관 82a: 제2 밸브
83: 제3 배관 83a: 제3 밸브
84: 제4 배관 84a: 제4 밸브
85: 제5 배관 85a: 제5 밸브
86: 벤츄리 공간부 86a: 체크밸브

Claims (9)

  1. 상탑 및 하탑을 구비하는 정류탑;
    상기 하탑에 축적된 액체공기를 상기 상탑으로 공급하는 제1 배관; 및
    압축공기가 유입되는 제2 배관;을 포함하되,
    상기 제1 배관은 일측에 벤츄리 공간부가 마련되고,
    상기 제2 배관은 일단부가 상기 벤츄리 공간부에 연결되는 공기분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배관은 일단부가 상기 벤츄리 공간부에 경사지게 연결되는 공기분리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 벤츄리 공간부의 전단에 배치되어,
    상기 제1 배관을 통과하는 유체에 대해 상기 상탑 방향으로의 흐름만을 허용하는 체크밸브;를 더 포함하는 공기분리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    공기압축기에 의해 압축된 후 주열교환기에 의해 냉각된 압축공기를 상기 하탑으로 공급하는 제3 배관;을 더 포함하고,
    상기 제2 배관은 타단부가 상기 제3 배관에 연결되는 공기분리장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 배관에 배치되어 상기 액체공기의 흐름을 제어하는 제1 밸브;
    상기 제2 배관에 배치되어 상기 압축공기의 흐름을 제어하는 제2 밸브; 및
    상기 제3 배관에 배치되어 상기 압축공기의 흐름을 제어하는 제3 밸브;를 더 포함하는 공기분리장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상탑에 축적된 가스의 적어도 일부를 배출하도록 마련되는 제4 배관; 및
    상기 제4 배관에 배치되어 상기 제4 배관으로부터 배출되는 가스의 흐름을 제어하는 제4 밸브;를 더 포함하는 공기분리장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제4 배관은 상기 상탑의 상부에 축적된 질소가스를 배출하도록 마련되는 공기분리장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하탑의 상부에 축적된 액체질소를 상기 상탑의 상부로 공급하는 제5 배관; 및
    상기 제5 배관에 배치되어 상기 액체질소의 흐름을 제어하는 제5 밸브;를 더 포함하는 공기분리장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 배관은 상기 하탑의 하부에 축적된 액체공기를 상기 상탑의 중앙부로 공급하는 공기분리장치.
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JPH1163809A (ja) * 1997-08-20 1999-03-05 Nippon Air Rikiide Kk 空気液化分離装置および空気液化分離方法
KR20110037526A (ko) * 2009-10-07 2011-04-13 경성대학교 산학협력단 휘발성 유기화합물 가스 회수 장치

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