KR890004398B1 - 가스 분리방법 및 장치 - Google Patents

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가부시기 가이샤 히다찌 세이사꾸쇼
미다 가쓰시게
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Abstract

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Description

가스 분리방법 및 장치
제1도는 본 발명의 1실시예를 나타낸 시스템 플로우도.
제2도는 본 발명의 다른 1실시예를 나타낸 시스템 플로우도.
제3도는 본 발명의 또다른 1실시예를 나타낸 시스템 플로우도.
제4도는 본 발명의 또다른 1실시예를 나타낸 시스템 플로우도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 열 교환기 2 : 정류탑
3 : 질소 응축기 4 : 승압기
5 : 팽창 터어빈 9 : 아프터 쿨러
50 : 복수 정류탑 70 : 부열 교환기
본 발명은 한냉(寒冷)을 이용하여 원료 가스로부터 유용한 가스성분인 질소, 산소, 알곤 등을 분리하고, 이를 채취하는 가스 분리방법 및 장치에 관한 것이다.
가스분리 장치에 의하여 분리된 폐가스를 열 교환기에 유도하고, 여기서 원료 공기와 열교환을 행함으로써 원료 공기를 냉각함과 동시에 그 폐(廢) 가스를 팽창 터어빈에 유입시킴으로써 한냉을 발생시키는 기술은 공지이다. 즉 일본 특허공개공보 소55-79972호 공보에는 상기한 바와같은 저온 폐가스를 이용한 한냉 발생 방법이 공개되어 있다. 특개소 55-79972호 공보에 공개된 방법은 공기 분리장치의 질소 응축기로부터 배기된 저온의 폐가스를 열 교환기에 도입하고 여기서 중간 온도까지 온도 회복시킨 후 팽창 터어빈에 유입시켜 여기서 단열 팽창시킴을써 한냉을 발생시키고, 한냉이 발생한 저온의 폐가스를 다시 열 교환기에 유입시켜 상온(常溫)까지 온도 회복시키고 있다.
이 방법에서는 공기 분리장치로부터 배기된 저온의 폐가스를 그대로 열 교환기를 거쳐 팽창 터어빈에 유입시키고 있다. 따라서 팽창 터어빈 입구 압력은 공기 분리장치로부터 배기된 저온 폐가스의 압력에 따라 결정되고, 그 압력 이상으로는 할 수가 없다. 그러므로 단위 처리 가스량당의 한냉 발생량에는 한계가 있었다.
단위 가스량당의 한냉 발생량이 작다고 하는 것은 가스 분리장치에 필요한 한냉을 발생시키기 위하여 대량의 가스가 사용되어야 한다는 것이 요구된다. 원료 가스로서 공기를 사용하고, 이 공기로부터 질소나 산소를 분리하여 채취하는 플랜트를 예로 들어 설명하면, 한냉 발생을 위하여 대량의 공기를 승압시켜 플랜트내에 공급해야 한다는 것이 요구된다. 이 경우 대량의 원료 공기를 승압하기 위하여 대형인 승압기가 필요한 뿐만 아니라 이 승압기를 구동하기 위한 에너지(통상은 전기 에너지)의 소비도 커진다. 이와같은 설비의 대형화 및 에너지 소비의 증대는 이 가스 분리장치에 의하여 생산(채취)되는 제품 가스(질소, 산소, 알곤 등)의 생산 가격을 인상시키므로 바람직하지 않다.
본 발명의 목적은 프로세스내의 저온 가스를 냉한 발생에 이용함에 있어서, 그 가스의 단위 유량당의 한냉 발생량을 크게 할 수 있는 가스 분리방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 소형이고 에너지 절약형의 가스 분리방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제품 가스를 저렴한 값으로 채취할 수 있는 가스 분리 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 프로세스내의 저온 가스를 열 교환기에 의하여 원료 가스와 열 교환시켜 온도 회복시키고, 이 온도 회복된 가스를 팽창 터어빈으로 구동되는 승압기에 유압시켜 승압하고 이 승압된 가스를 저온까지 냉각하고, 이 저온까지 냉각된 가스를 상기 팽창 터어빈에 유입시켜 단열 팽창시켜 한냉을 발생시키도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기타 목적 및 기타 특징은 이하의 설명에서 명백해 질 것이다.
이하 본 발명을 구체적인 실시예에 따라 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명을 질소 채취용 플랜트에 실시한 경우의 시스템 플로우 시이트를 나타낸다. 본 실시예에서의 원료 가스는 공기이다. 먼저 원료 공기는 도관(導管)(10)으로부터 상온, 약 8Kg/㎠G의 압력으로 열 교환기(1)에 유입된다. 또한 원료 공기는 도시하지 않은 전처리 장치에 의하여 수분, CO2등이 제거되어 있다. 열 교환기(1)에 유입된 원료 공기는 되돌아 나오는 제품 질소 가스, 저온 폐가스와 열교환하여 포화 온도까지 냉각되어 일부분은 액화되어 도관(11)을 거쳐 정류탑(2)에 공급된다. 정류탑(2)에서는 제품 질소와 액체 공기로 분리된다. 분리된 제품 질소는 정류탑(2)의 상부로부터 인출되어 도관(20)에 의하여 열 교환기(1)에 인도되고, 여기서 상온까지 온도 회복한 후 도관(21)에 의하여 계(系) 밖으로 송출된다. 도관(21)에 의하여 송출되는 제품 질소의 압력은 약 7Kg/㎠G이다. 한편 액체 공기는 정류탑(2)의 하부로부터 인출되어 도관(18)을 거쳐 밸브(V1)에서 3Kg/㎠G로 팽창시켜 도관(19)을 거쳐 질소 응축기(3)로 들어간다. 질소 응축기(3)에서는 정류탑(2) 측의 상승 질소 가스를 액화시킴과 동시에 액체 공기는 가스화 되어 저온의 폐가스로서 도관(12)에 의하여 배출된다. 도관(12)에 의하여 인도된 저온 폐가스는 열 교환기(1)에서 상온까지 온도 회복하고 도관(13)을 거쳐 팽창 터어빈(5)과 결합되어 있는 승압기(boostor)(4)에 유입된다. 이 승압기(4)에 있어서는 터어빈측 발생한 냉량에 상당하는 에너지가 압력의 상승 및 온도의 상승으로서 폐가스에 공급된다. 본 명세서에 있어서 승압기란 콤프렛서, 블로우워 등 가스를 승압하는 것을 말한다. 승압기(4)의 출구측에서 폐가스의 압력은 본예에서 약 5Kg/㎠G가 되고 또 온도는 70∼80℃가 된다.
승압기(4)를 나온 폐가스는 아프터 클러(9)에서 상온까지 냉각된다. 아프터 쿨러로서는 워터쿨러, 에어쿨러 등을 사용한다. 상온으로 냉각된 약 5Kg/㎠G의 폐가스는 도관(14)에 의하여 다시 열 교환기(1)로 들어가고 여기서 다시 약 -120℃까지 냉각되어 도관(15)에 의해 인출된다. 도관(15)에 의해 인출된 저온의 폐가스는 팽창 터어빈(5)에 유입되고 여기서 약 0.3Kg/㎠G까지 단열팽창한다. 이에 따라 장치에 필요한 한냉이 발생되고 다시 온도 저하된 폐가스가 도관(16)으로 유출되고 도관(16)에 인도되어 열 교환기(1)로 유입한다. 열 교환기(1)로 유입된 저온 폐가스는 열 교환기(1)에서 상온까지 온도 회복하고 도관(17)에 의해 계 밖으로 배출된다. 제품 액체 질소는 약 7Kg/㎠G, 포화 온도로서 정류탑(2)의 상부로부터 인출되어 도관(22)으로부터 계 밖으로 송출된다. 또한 도면중(8)은 보냉조(保冷槽)이다.
본 실시예에 의하면 질소응축기(3)로부터 배기되는 저온의 폐가스를 직접 팽창 터어빈에 유입시키지 않고 승압기에서 승압된 후 팽창 터어빈에 유입시키도록 하고 있다. 이 결과 팽창 터어빈 입구 압력을 질소 응축기로부터 배괴는 폐가스의 압력보다도 높게 할 수가 있다. 팽창 터어빈에 있어서는 그 입구 압력이 높으면 높을수록 또 출구압력이 낮으면 낮을수록 단위 유량당의 한냉 발생량은 커진다. 따라서 종래에 비하여 보다 큰 한냉을 발생할 수가 있다. 이 큰 한냉의 발생에 의하여 안정된 운전이 실현됨과 동시에 제품 액체 질소의 채취량도 많아진다. 또 승압기로서 팽창 터어빈의 블로워를 사용하였을 경우 이 블로워에는 청정한 폐가스를 공급하고 있기 때문에 필터의 설치가 불필요하게 되고 또 블러워 출구측에서 폐가스를 대기 방출하지 않기 때문에 대기 배출 싸이렌서가 불필요하게 된다.
따라서 전체로서의 구성이 간단해 진다. 그리고 폐가스는 수분 및 CO2가 실질적으로 포함되어 있지 않으므로 팽창 터어빈, 블로워의 부식에 대한 염려가 없어지고 그수명을 연장할 수가 있다.
이상의 설명에 있어서는 질소 채취용 플랜트의 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 산소 채취용의 플랜트에 있어서도 산소와 질소를 채취하는 플랜트에 있어서도, 마찬가지로 채용할 수 있음은 물론, 기타의 플랜트에 있어서도 마찬가지로 채용이 가능하다.
또 한냉을 발생하기위하여 사용하는 가스는 폐가스 뿐만아니라 제품 가스 혹은 원료 가스를 사용하여도 된다.
다음에 제2도에 의거하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 제2도는 제1도의 경우와 마찬가지로 공기로부터 질소를 분리하여 채취하는 플랜트의 시스템, 플로우시이트를 나타낸다. 제2도가 제1도와 크게 다른 점은 프로세스내의 저온 가스를 한냉 발생에 이용함에 있어, 제품 가스인 질소 가스(N2가스)를 한냉 발생에 이용하고 있는 점이다.
즉, 정류탑(2)으로부터 도관(20)에 의해 인출된 약 2.2Kg/㎠G의 N2G 가스(제품 가스)는 열 교환기(1)내의 통로를 통과하여 상온까지 온도 회복하고, 도관(13)을 지나서 승압기(4)로 들어가고 여기서 약 3.5Kg/㎠까지 승압된다. 이 승압에 의하여 온도 상승된 N2가스는 아프터 쿨러(9)에 의하여 상온까지 냉각되고 도관(14)로 구성되는 통로를 지나서 열 교환기(1)에 공급된다. 열 교환기(1)에서 저온(약 -120℃)까지 냉각된 N2가스는 도관(15)을 거쳐 팽창 터어빈(5)에 유입하고, 여기서 약 0.3Kg/㎠G까지 단열 팽창한다. 이에따라 한냉이 발생되고, 다시 온도 저하된 N2가스는 도관(16)을 거쳐 열 교환기(1)에 공급되고, 이 내부 통로를 통하여 상온까지 회복된다. 온도 회복된 N2가스는 도관(21)을 지나서 수요측에 송급된다. 또한 제2도의 실시예에 있어서는 한냉이 쓰고 남게 되므로 플랜트 전체의 불안정을 방지하기 위하여 바이패스용의 도관(23)과 밸브(V2, V3)를 설치하고 압력 콘트롤러(PC)(30)에 의해 팽창 터어빈(5)에 유입되는 N2가스의 압력을 제어하고 있다.
제2도에 나타낸 실시예에 의하면 원료 가스인 공기의 압력이 정류상 필요한 최소 압력(통상 3Kg/㎠G 정도)이면 되고 원료 공기의 승압에 필요한 에너지를 절약할 수가 있다. 또 바이패스 라인을 설치한 압력 제어에 의하여 매우 안정된 운전이 실현된다.
이어서 제3도를 사용하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 제3도는 공기로부터 질소 및 산소를 분리시켜 채취하는 플랜트의 시스템.플로우.시이트를 나타낸다.
상술한 제1도, 제2도와 마찬가지로 제3도의 실시예는 프로세스내의 저온 가스를 열 교환기(1)를 거쳐 상온으로 하고, 이것을 승압기(4)로 승압하고 쿨러(9)에서 상온까지 냉각하고 다시 이 냉각후의 가스를 도관(14)을 거쳐 열 교환기(1)에 공급하여 저온까지 냉각시키고, 이것을 도관(15)을 통하여 팽창 터어빈(5)에 유입시켜 팽창 터어빈(5)에 있어서의 단열 팽창에 의해 한냉을 발생시키는 것이다. 다만 제3도가 제1도, 제2도와 다른 점은 한냉을 발생시키기 위하여 이용하는 프로세스내의 저온 가스로서 원료 가스의 일부를 이용하고 도관(27)을 거쳐 열 교환기(1)에서 열교환한 후 승압기(4)에 송급하고 있는 점이다. 그리고 팽창 터어빈에서 한냉 발생후의 저온 원료 가스를 도관(28)을 거쳐서 복식 정류탑(50)의 저압탑(상탑)(40)에 공급하는 구성으로 하고 있다. 복식 정류탑(50)에 있어서는 원료 가스인 공기로부터 질소와 산소가 분리되어 각각 도관(20, 25)으로부터 인출된다. 그후 열 교환기(1)에서 원료 공기와의 열교환에 의해 온도 회복되고, 산소는 도관(26)으로부터 질소는 도관(21)으로부터 각각의 수요처로 송급된다. 또한 복식 정류탑(50)내의 정류 동작에 관하여서는 잘 알려져 있으므로 그 상세한 설명은 생략한다. 이 제3도의 실시예에 의하면 원료공기의 일부를 취출하고 이것을 승압기로 승압한 것을 한냉 발생을 위하여 이용하고 있으므로 단위 유량당의 한냉 발생량이 증가한다. 이러므로써 한냉 발생을 위해 필요한 원료공기의 량을 감소시킬 수가 있고, 동력비의 저감을 도모할 수가 있다.
다음에 제4도에 의해 본 발명의 다른 실시예를 상세히 설명한다. 제4도의 실시예도 제1도 내지 제3도의 실시예와 기본적으로 마찬가지이다. 제4도의 실시예가 다른 실시예와 다른 점은 분리기(separator)(60)로 부터 방출된 프로세스내의 저온 가스를 한냉 발생에 사용함에 있어, 주열교환기(1)에서 승온시킨 가스를 승압기(4)에 공급하는 것이 아니라 따로 설치한 부열교환기(70)에서 승온시킨 가스를 승압기(4)에 공급하도록 하고 있는 것이다. 또한 승압기(4)에서 승압된 가스를 저온까지 냉각하는데 부열 교환기(70)를 이용하고 있는 점이다. 제4도의 실시예에서는 한냉 발생에 이용하는 프로세스내의 저온 가스로서 폐가스를 이용하고 있다. 그러나 한냉 발생에 이용하는 프로세스내의 다른 저온 가스인 제품 가스(N2가스 혹은 O2가스)나, 원료가스를 사용할 수가 있다. 이 경우의 배관은 제2도, 제3도의 경우와 마찬가지이므로 도면을 사용한 설명은 생략한다. 분리기(60)로서는 제1도 내지 제3도에 나타낸 바와같은 정류탑을 사용할 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다. 예를들면 제오라이트 등의 흡착제를 사용하여 가스를 분리하는 흡착식의 분리기라도 무방하다.
이상 설명한 바와같이 본 발명에 의하면 프로세스내의 저온 가스를 이용한 한냉 발생방법에 있어서, 저온가스의 단위 유량당의 한냉 발생량을 크게 할 수가 있다.
또 이에따라 장치의 소형화 및 에너지의 절약을 실현할 수 있다.

Claims (14)

  1. 프로세스내의 저온 가스를 열 교환기에 의해 원료 가스와 교환시키고, 그 열교환시킨 가스를 팽창 터어빈에 의해 구동되는 승압기에 유입시켜 승압시키고 그 승압시킨 가스를 저온까지 냉각하고 그 저온까지 냉각시킨 후의 가스를 상기 팽창 터어빈에 유입시켜서 단열 팽창시켜 한냉을 발생시키는 것을 특징으로 하는 가스분리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로세스내의 저온 가스가 정류탑에서 분리된 폐가스인 것을 특징으로 하는 가스 분리방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 프로세스내의 저온 가스가 정류탑에서 분리된 제품 가스인 것을 특징으로 하는 가스 분리방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 프로세스내의 저온 가스가 상기 열 교환기에 의해 냉각된 원료 가스의 일부인 것을 특징으로 하는 가스 분리방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 팽창 터어빈에 유입시켜, 단열 팽창에 의해 한냉을 발생한 상기 폐가스가 상기 열 교환기에 공급되어 상기 원료 가스와 열교환하고 상온까지 온도 회복한 후 프로세스 밖으로 배기되는 것을 특징으로 하는 가스분리 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 팽창 터어빈에 유입시켜 단열 팽창에 의해 한냉을 발생한 상기 제품 가스가 상기 열 교환기에 공급되어 상기 원료 가스와 열교환하여 상온까지 온도 회복한 후, 외부로 취출하는 것을 특징으로 하는 가스 분리방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 팽창 터어빈에 유입시켜 단열 팽창에 의해 한냉을 발생한 상기 원료 가스가 원료 가스를 정류 분리하는 정류탑내에 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 분리방법.
  8. 원료 가스를 저온인 되돌아 나오는 가스와의 열교환에 의하여 냉각하는 열 교환기와, 그 열 교환기에 의해 냉각된 원료 가스를 취입하여 1종 또는 2종 이상의 제품 가스와 폐가스로 정류분리하여 제각기 출력하는 정류탑과, 프로세스내의 저온 가스를 취입하여 단열 팽창에 의하여 한냉을 발생하는 팽창 터어빈을 구비하고, 그 저온 가스를 상기 열 교환기에서 상온으로 한 후, 상기 팽창 터어빈으로 구동되는 승압기에 공급하는 통로와, 그 승압기로 승압한 가스를 저온까지 냉각하는 냉각수단과, 그 냉각수단에 의하여 냉각된 가스를 상기 팽창 터어빈에 공급하는 통로를 설치한 것을 특징으로 하는 가스 분리장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 저온 가스가 정류탑에서 분리된 폐가스인 것을 특징으로 하는 가스 분리장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 저온 가스가 정류탑에서 분리된 제품 가스인 것을 특징으로 하는 가스 분리장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 저온 가스가 상기 열 교환기에서 냉각된 원료 가스의 일부인 것을 특징으로 하는 가스 분리장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 팽창 터어빈에서 한냉을 발생시킨 저온인 상기 폐가스를 상기 열 교환기에서 상온까지 온도회복시킨 후 프로세스 밖으로 배기하는 통로를 설치한 것을 특징으로 하는 가스 분리장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 팽창 터어빈에서 한냉을 발생시킨 저온인 상기 제품 가스를 상기 열 교환기에서 상온까지 온도 회복시킨 후, 그 제품 가스의 수요처에 공급하는 통로를 설치한 것을 특징으로 하는 가스 분리장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 팽창 터어빈에서 한냉을 발생시킨 저온인상기 원료 가스를 상기 정류탑에 공급하는 통로를 설치한 것을 특징으로 하는 가스 분리장치.
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