KR20210127393A - 공기 분리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 공기 분리 시스템을 개시한다. 실시예에 따른 공기 분리 시스템은 콘덴서가 내장된 정류탑을 포함하는 공기 분리 장치와, 상기 공기 분리 장치에 축적된 불순물을 제거하기 위한 가스를 상기 정류탑에 제공하는 불순물 제거부와, 상기 정류탑에서 배출되는 초저온 액화 가스를 기화시켜 대기로 배출하는 배출부 및, 상기 배출부를 통하는 상기 가스의 상태값에 따라 상기 불순물 제거부의 운전을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

공기 분리 시스템{AIR SEPARATION SYSTEM}
본 개시는 공기 분리 시스템에 관한 것으로서, 철강 산업에 이용되는 가스를 생산하기 위한 공기 분리 시스템에 관한 것이다.
철강 산업에서 다양한 용도로 사용되는 산소, 질소, 아르곤 등의 가스는 대기 중의 공기를 공기 분리 장치에 의해 압축 및 냉각하여 생산한다.
공기 분리 장치는 장기간 사용에 따라 공기 분리 장치의 구성 요소 내에 폭발성 불순물(예: 탄화수소 계열 가스, 이산화탄소 등)이 축적되는데, 이 불순물은 공기 분리 작업에 방해가 되므로 생산성 향상을 위해 주기적으로 제거되어야 한다.
본 개시는 공기 분리 장치 내에 축적되는 불순물의 제거를 양호하게 이룰 수 있는 공기 분리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 상술한 목적으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있음이 자명하다.
실시예에 따른 공기 분리 시스템은, 콘덴서가 내장된 정류탑을 포함하는 공기 분리 장치와, 상기 공기 분리 장치에 축적된 불순물을 제거하기 위한 가스를 상기 정류탑에 제공하는 불순물 제거부와, 상기 정류탑에서 배출되는 초저온 액화 가스를 기화시켜 대기로 배출하는 배출부 및, 상기 배출부를 통하는 상기 가스의 상태값에 따라 상기 불순물 제거부의 운전을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 불순물 제거부는, 상기 가스를 상기 콘덴서에 공급하는 가스 공급부를 포함하고, 상기 가스는 가온 가스로 상기 콘덴서에 공급될 수 있다.
상기 제어부는 상기 가스의 온도 및/또는 노점 온도에 따라 상기 불순물 제거부의 운전을 중단할 수 있다.
상기 가스는 상기 배출부를 통해 소음이 저감되어 대기로 배출될 수 있다.
상기 공기 분리 장치는 상기 정류탑을 커버하는 콜드박스를 더욱 포함하고, 상기 배출부는 상기 콜드박스에 설치될 수 있다.
상기 배출부는, 입구 및 출구를 갖는 몸체와, 상기 몸체 내에 설치되는 흡음재와, 상기 흡음재에 임의의 간격을 두고 연결 설치되고 열전달 가능한 복수의 박판 및, 상기 콜드박스와 상기 몸체의 입구 사이에 배치되는 가스 출구용 밸브를 포함할 수 있다.
상기 몸체의 입구와 상기 가스 출구용 밸브 사이에는 상기 출구용 밸브를 통해 배출되는 상기 가스의 온도를 측정하고 측정된 온도값을 상기 제어부로 제공하는 온도계가 배치될 수 있다.
상기 몸체의 출구 측에는 상기 배출부를 통과한 상기 가스의 노점 온도를 측정하고 측정된 노점 온도값을 상기 제어부로 제공하는 노점계가 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 가스 분리 시스템은, 가스 분리 장치 내에 축적된 불순물을 제거 시, 가스 분리 장치에 잔존한 초저온 액화 가스로 인해 가스 분리 장치가 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 가스 분리 시스템은, 가스 분리 장치 내에 축적된 불순물을 제거하기 위해 가스 분리 장치에 내에 제공된 가스가 가스 분리 장치로부터 배출될 때, 발생하는 위험 상황을 방지하여, 작업자가 안전한 상태에서 불순물을 제거할 수 있는 작업 환경을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 분리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명이 실시예에 따른 공기 분리 장치의 일부를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 콘덴서에 대한 불순물 제거 흐름을 설명하기 위해 도시한 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 분리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참고하면, 공기 분리 시스템(1)은, 대기의 원료 공기를 흡입, 압축 및 냉각하여 액화 가스를 비점에 의해 산소, 질소, 아르곤 가스로 분리 생산하기 위한 공기 분리 장치(10)를 포함한다.
공기 분리 장치(10)는 원료 공기의 이물질을 제거하기 위한 여과기, 이물질이 제거된 원료 공기를 압축하기 위한 압축기, 압축기에 의해 압축된 압축 가스를 냉각시키기 위한 수세탑, 수세탑을 거친 냉각 공기로부터 수분 및 이산화탄소를 제거하기 위한 흡착기, 흡착기를 통과한 압축 가스를 한냉 가스로 생성하는 열 교환기, 이 열 교환기로부터 초저온 상태의 냉각 공기를 공급받는 정류탑 등 포함할 수 있다.
또한 공기 분리 시스템(1)은, 필요에 따라 공기 분리 장치(10) 내에 축적된 탄화수소 계열(CmHn) 가스, 이산화탄소(CO2) 등 성분의 불순물을 제거하기 위해, 상온의 가스(예: 질소 가스)를 공기 분리 장치(10)의 정류탑으로 제공하는 불순물 제거부(20)를 포함한다.
또한 공기 분리 시스템(1)은, 불순물 제거 작업 시, 정류탑에서 배출된 초저온 액화 가스를 기화시켜 대기로 배출하는 배출부(30)를 포함한다. 이 배출부(30)로는 불순물 제거를 위해 정류탑에 제공된 가스도 배출되게 되는데, 이 가스의 상태값, 가령 가스의 온도값이나 가스의 노점 온도값에 따라, 불순물 제거부(20)의 운전을 중단시키도록 하는 제어부(40)를 포함한다.
이하, 공기 분리 시스템(1)의 각 구성부에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 공기 분리 장치(10)의 일부를 개략적으로 도시한 구성도로서, 전술한 정류탑(102)이 콜드박스(103)에 커버된 구조를 도시하고 있다. 정류탑(102)은 하탑(104), 상탑(106) 및 하탑(104)과 상탑(106) 사이에 배치되는 콘덴서(108)를 포함할 수 있다. 통상, 공기 분리 장치(10)의 열 교환기로부터 제공된 공기는 정류탑(102)의 하탑(104)으로 유입되며 액체 공기로 유지될 수 있다. 이 액체 공기는 정류탑의 상탑(106)으로 유도된 후 콘덴서(108)를 거치면서 산소, 질소, 아르곤 가스로 분리될 수 있다.
공기 분리 장치(10)를 수년간 장기 사용하다 보면, 공기 분리 장치(10)의 구성 요소 내에 탄화수소 계열(CmHn) 가스, 이산화탄소(CO2) 등 성분의 불순물이 축적되어 원활한 공기 분리를 방해하므로, 주기적으로 공기 분리 장치(10)를 정지시키고 불순물 제거부(20)를 통해 불순물을 제거시켜야 한다.
본 실시예는 공기 분리 장치(10)의 정지 후, 정류탑(102)에 내장된 콘덴서(108)에 축적된 불순물을 제거하는 것을 예시한다. 전술한 바와 같이, 콘덴서(108)는 정류탑(102)의 하탑(104)과 상탑(106) 사이에 배치된다. 본 실시예에서 콘덴서(108)는 불순물 제거부(20)의 가스 공급부(202)로부터 가스를 공급 받는 제1 콘덴서(108a)와 이 제1 콘덴서(108a)와 이웃하여 배치되며 선택적으로 가스를 공급 받는 제2 콘덴서(108b)를 포함한다. 제1 콘덴서(108a)의 상부 입구 측에는 가스 공급부(202)로부터 공급된 가스를 가열하여 가온 가스로 생성하는 히터(미도시)가 설치될 수 있다. 또한, 제1 콘덴서(108)의 하부로는 콜드박스(103)의 외측에 배치되며 복수의 드레인 밸브(V1, V2, V3)(도 3 내지 5 참조)와 연결되는 제1 콘덴서용 출구 밸브(V4)가 연결된다. 이 출구 밸브(V4)의 전/후로는 초저온 온도계(110)와 제1 펌프(112)가 연결될 수 있다.
제1 콘덴서(108a)의 하부와 제2 콘덴서(108b)의 하부는 서로 연결되어 가온 가스가 흐를 수 있도록 구성되며, 제2 콘덴서(108b)의 상부에는 제2 콘덴서용 출구 밸브(V5)가 연결된다(도 3 내지 도 5 참조). 이 출구 밸브(V5)는 드레인 밸브(V3) 측으로 연결될 수 있다. 또한, 정류탑(102)과 드레인 밸브(V2) 측으로는 정상 운전 시(불순물 제거 미 작업 시) 제1 콘덴서(108a)로부터 제1 콘덴서용 출구 밸브(V4)로 공급되는 가스의 압력 조절을 위한 중간 밸브(V6)가 연결될 수 있다(도 3 내지 도 5 참조).
공기 분리 시스템(1)의 배출부(30)는 콜드박스(103)의 외측에 배치되어 제1 콘덴서(108a)와 밸브(V4)를 연결되는 배관(114)에 연결되도록 콜드박스(103)에 설치된다. 본 실시예에서 배출부(30)는 입구(302)와 출구(304)가 마련된 원통형의 몸체(306)와, 이 몸체(306)의 내부에 설치되는 관형의 흡음재(308)와, 이 흡음재(308)에 일정 간격을 두고 배치되는 복수의 박판(310)을 포함한다. 몸체(306)는 그 출구(304)가 콜드박스(103)의 외면과 직접 접촉되지 않도록 일정 길이를 가지고 형성되는 것이 좋다. 몸체(300)와 박판(310)은 초저온에 충분히 견딜 수 있고 강도면에서 우수한 특성을 지닌 재질로 이루어질 수 있으며, 예컨대 스레인레스계의 재질로 이루어질 수 있고, 흡음재(308)는 글라스 울(glass wool) 흡음재로 이루어질 수 있으나, 반드시 이로 한정되는 것은 아니다. 몸체(306)의 입구(302)와 콜드박스(103) 사이에는 가온 가스 출구용 밸브(V7)가 배치되며, 이 밸브(V7)와 몸체(306)의 입구(302)를 연결하는 배관(312) 내에는 밸브(V7)와 이웃하여 배출되는 가온 가스의 온도를 측정하여 그 측정 온도값을 제어부(40)로 제공할 수 있는 온도계(314)가 설치될 수 있다. 또한, 몸체(306)의 출구(304)로 연결된 배출 유도관(316) 내에는 배출되는 가온 가스의 노점 온도(dew point)를 측정하여 그 측정 노점 온도값을 제어부(40)로 제공할 수 있는 노점계(318)가 설치될 수 있다. 아울러, 몸체(306)의 입구(302) 측으로 수분 배출구(320)가 몸체(306)에 배치될 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 콘덴서(108)에 대한 불순물 제거 흐름을 설명하기 위해 도시한 개략도이다.
도 3을 참고하면 콘덴서(108)의 불순물 제거 제1 단계로서, 제1 단계는 제1 콘덴서(108a)에 대한 불순물 제거 단계이다. 이 제1단계에서 공기 분리 장치(10)의 운전이 정지되고 정류탑(102)에 있는 초저온 액화 가스가 정류탑(102)으로부터 드레인된다. 아울러, 제1 콘덴서(108a)로는 가스 공급부(202)로부터 공급된 불순물 제거용 공기가 제1 콘덴서(108a)의 입구에 설치된 히터에 의해 가열되어 가온 가스로서 유입된다. 이 상태에서 제2 콘덴서용 출구 밸브(V5)와 중간 밸브(V6)는 닫힘 상태이고 제1 콘덴서 출구용 밸브(V4)와 복수의 드레인 밸브(V1, V2, V3)는 열림 상태로 유지되고 제1 펌프(112)가 구동된다. 이에 따라, 가온 가스는 제1 콘덴서(108a) 내부를 흐르면서 제1 콘덴서(108a) 내부에 축적된 불순물을 제거하고 드레인 밸브(V1, V2, V3)를 통해 나가게 된다. 이때, 가온 가스의 양은 제1 콘덴서(108a)만을 가온시켜 제1 콘덴서(108a)에 축적된 불순물만을 제거시킬 수 있는 양이면 충분하다. 일정 시간의 경과 후 제1 단계가 종료되면, 제2 콘덴서(108b)에 대한 불순물 제거 단계인 제2 단계가 수행된다.
도 4를 참고하면, 제2 단계 시, 제1 콘덴서용 출구 밸브(V4), 이와 이웃한 드레인 밸브(V1) 및 중간 밸브(V6)가 닫힘 상태로 전환되고 제2 콘덴서용 출구 밸브(V5)는 열림 상태로 전환된다. 이에 따라, 제1 콘덴서(108a)로 공급되는 가온 가스는 그 흐름을 제2 콘덴서(108b)로 변경하여 제2 콘덴서(108b) 내부를 통과하게 되는 바, 제2 콘덴서(108b)에 축적된 불순물은 가온 가스에 의해 제거되고 가온 가스는 제2 콘덴서용 출구 밸브(V5)를 지나 드레인 밸브(V2, V3)를 통해 나가게 된다. 이때 가온 가스의 양 역시, 제1단계와 유사하게 제2 콘덴서(108b)만을 가온시켜 제2 콘덴서(108b)에 축적된 불순물만을 제거시킬 수 있는 양이면 충분하다. 일정 시간의 경과 후 제2단계가 종료되면, 제1, 2 콘덴서(108a, 108b) 모두에 대한 불순물 제거 단계인 제3단계가 수행된다.
도 5를 참고하면, 제3 단계 시, 제2 단계에서 닫힘 상태로 유지되던 제1 콘덴서 출구용 밸브(V4), 이와 이웃한 드레인 밸브(V1) 및 중간 밸브(V6)가 열림 상태로 전환된다. 이에 따라 제1 콘덴서(108a)로 공급되는 가온 가스는 그 흐름을 제1 콘덴서(108a) 내부를 통과하여 제1 콘덴서 출구용 밸브(V4)를 지나 드레인 밸브(V1, V2, V3)를 통해 나갈 수 있을 뿐만 아니라, 제2 콘덴서(108b) 내부도 통과하여 제2 콘덴서용 출구 밸브(V5)를 지나 드레인 밸브(V1, V2, V3)를 통해 나갈 수도 있다. 이처럼 제3 단계에서는 제1 콘덴서(108a) 및 제2 콘덴서(108b)에 대한 불순물 제거를 동시에 이룰 수 있어 콘덴서(108)에 대한 가온 작업을 보다 효과적으로 이룰 수 있다.
한편, 제3 단계에서는 가온 가스는 물론, 콘덴서(108)에 잔존할 수 있는 초저온 액화 가스가 배출부(30)를 통해 대기로 배출될 수 있다. 예를 들어, 제3 단계에서 초저온 온도계(110)에 의해 감지된 온도가 -50℃ 이상이 되면, 배출부(30)의 가스 출구용 밸브(V7)가 닫힘 상태에서 열림 상태로 전환된다. 이에 가온 가스는 배출부(30)의 몸체(306) 내에 배치된 흡음재(308)를 통과한 후 배출 유도관(316)을 통해 대기로 빠져 나갈 수 있고 이로 인해 배출 과정에 야기되는 소음을 줄일 수 있다. 이처럼 가온 가스의 배출 시, 소음이 줄게 되면, 공기 분리 장치의 불순물 제거를 위한 보다 안전한 작업 환경을 작업자에게 제공할 수 있다.
뿐만 아니라 콘덴서(108)에 잔존한 초저온 액화 가스는 배출부(30)의 몸체(306)를 통과할 때에 다수의 박판(310)에 의해 열 교환될 수 있는 바, 이로 인해 기화 상태로 이 역시 배출 유도관(316)을 통해 대기로 배출될 수 있게 된다. 이러한 초저온 액화 가스의 배출 과정에서 초저온 액화 가스가 배출 유도관(316)을 통해 기화 상태로 배출되므로 콜드박스(103)의 외표면에 직접 접촉되는 것이 사전에 차단할 수 있다. 따라서, 콜드박스(103)의 외표면에 균일이 생겨 균열에 대한 대형 사고의 위험을 예방할 수 있다.
한편, 제3 단계는 배출부(30) 측에 배치된 온도계(314)와 노점계(318)가 제어부(40)에 보내는 신호값에 따라 중단될 수 있다. 즉, 제3 단계의 진행으로 배출부(30)를 통과하는 가온 가스의 온도가 상승할 수 있는데, 온도계(314)와 노점계(318) 각각에 의해 가온 가스에 의한 온도가 설정 온도 이상이고 노점 온도가 설정 노점 온도 이하이면 제어부(40)가 불순물 제거부(20)의 운전을 중단시키게 된다.
예컨대, 가온 가스의 온도가 20℃ 이상이고, 가온 가스에 의한 노점(dew point)의 온도가 -60℃ 이하 인 신호값이 제어부(40)에 제공되면, 제어부(40)는 불순물 제거부(20)의 운전을 중단시키고 이로써, 콘덴서(108)에 대한 불순물 제거가 종료되고 이후 공기 분리 장치(10)를 가동시킬 수 있게 된다.
본 개시를 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
1: 공기 분리 시스템 10: 공기 분리 장치
20: 불순물 제거부 30: 배출부
40: 제어부 102: 정류탑
108: 콘덴서 108a: 제1 콘덴서
108b: 제2 콘덴서

Claims (8)

  1. 콘덴서가 내장된 정류탑을 포함하는 공기 분리 장치;
    상기 공기 분리 장치에 축적된 불순물을 제거하기 위한 가스를 상기 정류탑에 제공하는 불순물 제거부;
    상기 정류탑에서 배출되는 초저온 액화 가스를 기화시켜 대기로 배출하는 배출부; 및
    상기 배출부를 통하는 상기 가스의 상태값에 따라 상기 불순물 제거부의 운전을 제어하는 제어부
    를 포함하는 공기 분리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불순물 제거부는, 상기 가스를 상기 콘덴서에 공급하는 가스 공급부를 포함하고, 상기 가스는 가온 가스로 상기 콘덴서에 공급되는 공기 분리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 가스의 온도 및/또는 노점 온도에 따라 상기 불순물 제거부의 운전을 중단하는, 공기 분리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스는 상기 배출부를 통해 소음이 저감되어 대기로 배출되는 공기 분리 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공기 분리 장치는 상기 정류탑을 커버하는 콜드박스를 더욱 포함하고, 상기 배출부는 상기 콜드박스에 설치되는, 공기 분리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배출부는,
    입구 및 출구를 갖는 몸체;
    상기 몸체 내에 설치되는 흡음재;
    상기 흡음재에 임의의 간격을 두고 연결 설치되고 열교환 가능한 복수의 박판; 및
    상기 콜드박스와 상기 몸체의 입구 사이에 배치되는 가스 출구용 밸브
    를 포함하는, 공기 분리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 몸체의 입구와 상기 가스 출구용 밸브 사이에는 상기 출구용 밸브를 통해 배출되는 상기 가스의 온도를 측정하고 측정된 온도값을 상기 제어부로 제공하는 온도계가 배치된, 공기 분리 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 몸체의 출구 측에는 상기 배출부를 통과한 상기 가스의 노점 온도를 측정하고 측정된 노점 온도값을 상기 제어부로 제공하는 노점계가 배치된, 공기 분리 시스템.
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