가스기능장 준비 (6장 가스 발생설비의 구조 - 5)

3. 가스액화 분리장치의 계통과 구조

1) 공기 액화 분리장치

1-1) 고압식 액화 산소 분리장치

계통도

작동 개요

원료 공기는 압축기에 흡입되어 150~200 atm으로 압축되나 약 15 atm 중간단에서 탄산가스 흡수기에 이송된다.

공기 중의 탄산가스는 탄산가스 흡수기에서 약 8% 정도의 가성소다 수용액에 의하여 제거된다.

압축기에서 나온 고압 원료 공기는 열교환기에서 약간 냉각된 후 건조기에서 수분이 제거된다.

건조기에는 고형 가성소다 또는 실리카겔 등의 흡착제가 충전되어 있으나 최근에는 실리카겔 등의 충전된 겔 건조기를 많이 사용한다.

건조기에서 탈습 된 원료 공기 중 약 절반은 피스톤식 팽창기에 이송되어 하부 탑의 압력을 약 5 atm까지 단열 팽창하여 약 -150도의 저온이 된다. 이 팽창 공기는 여과기에서 유분이 제거된 후 저온 열교환기에서 거의 액화 온도로 되어 복정류탑의 하부 탑으로 이송된다.

팽창기에 송입되지 않은 나머지의 약 반 정도의 원료 공기는 각 열교환기에서 냉각된 후 팽창밸브에서 약 5 atm으로 팽창하여 하부 탑에 들어간다. 이때 원료 공기의 약 20%는 액화하고 있다.

하부 탑에는 다수의 정류판이 있어 약5atm의 압력하에서 공기가 정류되고 하부탑 상부에 액화질소가, 하부에 산소에서 순도 약 40%의 액화공기가 분리된다.

이 액화질소와 액화공기는 상부 탑에 이송되며, 이때 아세틸렌 흡착기에서 액체 공기 중의 아세틸렌, 기타 탄화수소가 흡착 제거된다.

상부 탑에서는 약 0.5atm의 압력하에서 정제되고 상부탑 하부에 순도 99.6~99.8%의 액화 산소가 분리되어 액화산소 탱크에 저장된다.

하부 탑 상부에 분리된 액화질소는 액화질소 탱크에 저장된다.

1-2) 저압식 공기 액화 분리장치

계통도

작동 개요

원료 공기는 공기 여과기에서 여과된 후 터보식 공기 압축에서 약 5 atm으로 압축된다.

압축기의 공기를 수냉각기에 냉수에 의해 냉각된 후 2개 1조로 된 축랭기의 각각 1개에 송입된다. 이 때 불순 질소가 나머지 2개의 축랭기 반사 방향에서 흐르고 있다.

일정 주기가 되면 1조의 축랭기에서의 원료공기와 불순 질소류는 교체된다.

순수한 산소는 축랭기 내부에 있는 사관에서 상온이 되어 채취된다.

상온의 약 5 atm의 공기는 축랭기를 통하는 사이에 냉각되어 불순물인 수분과 탄산가스를 축랭체상에 빙결분리하여 약 -170도로 되어 복정류탑의 하부탑에 송입된다. 또 이 때 일부의 원료공기는 축랭기의 중간 -120도~-130도에서 주기된다.

이 때문에 축랭기 하부의 원료 공기량이 감소하므로 교체된 다음의 주기에서 불순 질소에 의한 탄산가스의 제거가 완전하게 된다.

주기된 공기에는 공기의 성분량만큼의 탄산가스를 함유하고 있으므로 탄산가스 흡착기로 제거된다.

흡착기를 나온 원료공기는 축랭기 하부에서의 약간의 공기와 혼합되며 -140~-150도가 되어 팽창하고 약 -190도가 되어 상부 탑에 송입된다.

복정류탑에서는 하부 탑에서 약 5 atm의 압력 하에 원료 공기가 정류되고 동탑 상부에 98% 정도의 액화질소가, 하단에 40% 정도의 액화공기가 분리된다.

이 액화질소와 액화공기는 상부 탑에 이송되어 터빈에서의 공기와 더불어 약 0.5atm의 압력하에서 정류된다.

이 결과 상부탑 하부 탑에서 순도 99.6~99.8%의 산소가 분리되고 축랭기 내의 사관에서 가열된 후 채취된다.

불순 질소는 순도 99.6~99.8%로 상부 탑 상부에서 분리되고 과랭기, 액화를 거쳐 축랭기에 이른다.

축랭기에서 불순 질소는 축랭체상에 빙결된 탄산가스, 수분을 승화 흡수함과 동시에 온도가 상승하여 축랭기를 나온다.

불순 질소는 냉수 탑에 이르러 냉각된 후 대기에 방출된다. 원료 공기 중에 함유된 아세틸렌 등의 탄화수소는 아세틸렌 흡착기, 순환 흡착기 등에서 흡착 분리된다.

1-3) 아르곤 분리장치

공기는 체적으로 질소 78%와 산소 21%로 대부분을 차지하고 있으나 아르곤, 탄산가스, 네온, 헬륨 등을 소량 함유하고 있다. 이중 아르곤은 0.93%로 대형 공기 액화 분리장치에서 회수한다.

2) 액화 천연가스 제조장치

2-1) 개요 : LNG의 주성분인 메탄은 비점이 -161.5도 이므로 대량의 천연가스를 액화하려면 암모니아, 에틸렌, 질소의 3원 캐스케이드 액화 사이클이 사용되고 있다.

2-2) LNG 한랭의 이용

공기 분리에 의한 액화산소, 액화질소의 제조

액화탄산, 드라이아이스 제조

냉동식품의 제조 및 냉동창고에 의한 저장

고무, 플라스틱 등의 저온 분쇄 처리

해수의 담수화

저온에 의한 배연 탈황

에틸렌 분리, 크실렌 분리 등 화학 공업용

3) 드라이아이스 제조장치

3-1) 드라이아이스의 성질

대기압 하에서 용해되어도 액체로 되지 않아 드라이아이스라 부르며 눈을 고화시킨 형상으로 비중 1.1~1.4로 일정하지 않으나 고유의 비중은 1.56이다.

3-2) 제조 개요

탄산가스원에서 탄산가스를 분리하기 위하여 탄산가스 흡수탑에서 탄산가스를 탄산칼륨 용액에 흡수시킨다.

이 용액을 분해탑에서 가열하여 탄산가스를 방출시키고 정제한 다음 탄산가스 저장탱크에 저장한다.

탄산가스를 압축한 다음 냉동기에서 냉각 액화한 후 3 중점 이하의 압력까지 단열 팽창시킨다.

이때 성형된 눈 모양의 고체를 성형기로 압축하여 고형 탄산을 제조한다.

기화된 탄산가스는 압축기에 되돌려 다시 사용한다.