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문제 정의
- 본 연구에서는 공정설계 및 이 결과를 기초로 안전 및 실제효율을 고려하여 본 장치를 만들었다. 성능시험 결과를 종합하면 이 장치는 이론적 최대 질소회수 율인 42%에 근접한 41.
- 두 번째로는 팽창터어빈의 효율과 한랭량을 고찰하 여보았다. 터어빈의 기계적 성능은 메이커에서 정해지는 사항이지만 팽창효율의 차이에 따라 콜드박스 내로 어느 정도의 한랭이 공급되는지를 고찰하여 보았다. 이 결과는 그림 6에 나타내었다.
가설 설정
- 그림 6을 보면 효율 이 좋을수록 터 어빈을 통과하는 유량이 적게 됨 을 알 수 있다. 유량이 적어지면 그만큼 운전비가 감소될 것이다. 본 연구에서는 안전율을 고려하여 효율을 75% 로 설정하였다.
제안 방법
- 본 연구의 설계 기본조건은 공기로부터 질소가스 1550Nm7h, 액체질소 "NrS/h를 생산하도〕, 순도 는 제품질소중의 산소와 수분 농도가 각각 Ippm 이 하가 되도록 하였다. 본 고에서 사용하는 Nm', 은 0℃, latm상태의 표준 부피를 의미한다.
- 공정계산결과를 기초로 장치의 안전율 및 실제 효 율을 고려하여 단위기기의 상세설계 및 제작이 이루어 졌으며, 또한 저온의 열응력을 고려한 배관설계 및 제작이 이루어졌다. 증류탑은 기존의 tray 형태가 아닌 최근에 보급되기 시작한 신기술인 규칙중전물 (structure packing) 방식을 채용하여 제작하였다.
- 질소, 알곤에 대한 순물 질 및 혼합물의 물성계산식 개발과, 공기분리장치의 공정모사기 개발을 하였으며, 제품가스의 순도가 산 소 및 수분이 각각 Ippm 이하인 질소 1600Nm3/h 를 생산하기 위한 공정에 대하여 공정설계 및 장치 제작 을 실시하였다. 공정설계에서는 최대회수율 및 이론단수 를 계산하였으며. 이를 기초로 하여 장치를 제작하였다.
- 두 번째로는 팽창터어빈의 효율과 한랭량을 고찰하 여보았다. 터어빈의 기계적 성능은 메이커에서 정해지는 사항이지만 팽창효율의 차이에 따라 콜드박스 내로 어느 정도의 한랭이 공급되는지를 고찰하여 보았다.
- 둘째 질소회수율의 차이에 따라 순도 변화를 측정하 여보았다. 측정 결과는 그림 5에 나타내었다.
- 이를 기초로 하여 장치를 제작하였다. 또한 성능시험을 통하여 제품질소의 회수율. 효율관계를 기존장치 및 설계치와 비교, 고찰하여 보았다.
- 증류탑은 MESH법을 이용하여 제품질소의 순도가 산소기준 1 ppm이하가 되도록 이론단수를 설정하여 계산하였다. 또한 응축기는 증류탑에서 올라오는 질소가스가 액체공기분리기 내의 액체공기와 열교환하여 전응축이 되도록 하였다. 그림4에서 丨 QmeI 는 목적함수로, 주 열교환기 입구 출구의 에너지의 차이며, 이 값이 오차 보다 크면 증류탑 내로 들어가는 원료공기의 온도를 최적화 방법에 의해 새로이 가정한 후 처음과정부터 반복하게된다.
- 본 연구에서 개발하고자 한 공기분리공정을 그림 1에 나타내었다. 본 공정은 공기의 전처리 단계로 불순 물을 제거하는 장치로 구성되는 상온부와 전처리된 공 기를 초저온으로 액화분리 시키는 저온부 두 부분으로 나누어진다. 상온부는 대기중의 공기를 분리에 필요한 압력까지 압축시키는 공기압축기와 압축공기의 압축열 에 의한 고온의 온도를 낮추는 냉동기, 공기중의 수분 을 분리시키는 분리기.
- 유량이 적어지면 그만큼 운전비가 감소될 것이다. 본 연구에서는 안전율을 고려하여 효율을 75% 로 설정하였다. 세 번째로 증류탑 계산 결과에 대한 이론 단에 대한 각 성분의 농도 분포도는 그림 7과 같다.
- z는 각각 액상, 기상 원료의 조성이다. 윗 식들을 이용하여 본 연구에서는 원료공 기의 조건과 각단의 압력이 주어진 상태에서 각단의 평형온도 및 기상 및 액상의 조성을 구하였다.
- 첫 번째는 설계값과 운전값에 대한 비교 실험하였다. 이 실험에서는 첫째 제품질소 생산량을 l, 600Nm3/h 로 정하고, 이때의 최대회수율을 갖는 조건을 찾아보았으며 , 이때의 내부환류비 및 전력량을 산출하여 보았다. 이 실험의 조건 및 결과는 표2와 같다.
- 공정설계에서는 최대회수율 및 이론단수 를 계산하였으며. 이를 기초로 하여 장치를 제작하였다. 또한 성능시험을 통하여 제품질소의 회수율.
- 5m 내에서 약 20CTC의 열교환이 일어나야만 한다. 이를 위해 초저온 징-치에서 많이 사용하는 helical wound coil tube 형식의 열교환기를 자체설계, 제작했다. 이 때의 재질은 스텐레스스틸과 구리가 사용됐다.
- 본 연구에서는 먼저 산소. 질소, 알곤에 대한 순물 질 및 혼합물의 물성계산식 개발과, 공기분리장치의 공정모사기 개발을 하였으며, 제품가스의 순도가 산 소 및 수분이 각각 Ippm 이하인 질소 1600Nm3/h 를 생산하기 위한 공정에 대하여 공정설계 및 장치 제작 을 실시하였다. 공정설계에서는 최대회수율 및 이론단수 를 계산하였으며.
- 첫 번째는 설계값과 운전값에 대한 비교 실험하였다. 이 실험에서는 첫째 제품질소 생산량을 l, 600Nm3/h 로 정하고, 이때의 최대회수율을 갖는 조건을 찾아보았으며 , 이때의 내부환류비 및 전력량을 산출하여 보았다.
- 또한 성능시험을 통하여 제품질소의 회수율. 효율관계를 기존장치 및 설계치와 비교, 고찰하여 보았다.
대상 데이터
- 증류방식에 의한 고순도 질소분리장치 설계에서는 공 기의 압력변화에 의한 온도차를 이용하여 공기 및 제 품질소가 열교환되고, 분리되기 때문에 정확한 물성계 산과 공정계산이 필수적이다. 본 공정설계를 위해 필요한 중요 물성치로는 엔탈피( 如, 엔트로피 (S), 기 체의 증기압(。昭'). 퓨가시티계수(。).
- 제작된 본 콜드박스의 총 길이는 18m, 직경은 2.2m 무게는 25톤이며. 내부기기와 외부용기 사이에 는 퍼라이트진공단열을 하였으며 , 진공도는 0.
- 증류탑은 기존의 tray 형태가 아닌 최근에 보급되기 시작한 신기술인 규칙중전물 (structure packing) 방식을 채용하여 제작하였다. 주열교환기와 응축기에 사용되는 초저온 열교환기는 초저온에서 강하며, 고효율의 열교환이 가능한 brazed aluminium plate-fin type의 열교환기를 채용했다. 한편 액체공기열교환기는 응축기 하부의 액 체공기와 콘덴서 상부의 희가스의 한랭을 원료공기로 회수하는 역할을 하는 것으로 열교환기의 길이 1.
데이터처리
- 세 번째 성능실험은 기존장치와 비교 실험을 하였다. 그림 5에서 기존 플랜트의 경우는 "◊"의 위치가 되겠으며.
이론/모형
- 본 연구에서 개발된 콜드박스에 대한 성능시험을 위한 운전제어는 DCS방법을 채택하였다.
- 그림4에서 丨 QmeI 는 목적함수로, 주 열교환기 입구 출구의 에너지의 차이며, 이 값이 오차 보다 크면 증류탑 내로 들어가는 원료공기의 온도를 최적화 방법에 의해 새로이 가정한 후 처음과정부터 반복하게된다. 본 연구에서는 최적화 방법으로 할선법 을 이용하였다. 초기온도는 원료공기의 비점상태를 설 정하였으며, 최적화된 온도는 공기의 비점과 이슬점사이에 존재한다.
- 측정 결과는 그림 5에 나타내었다. 순도 분 석은 산소 농도 ppb까지 측정 가능한 Delta-F분석기 를 사용하였다. 그림 5에서 실험치가 "O로 표시되어 있는데, 질소회수율에 첫 번째는 기존장치와의 비교실험을 하였다.
- 증류탑 계산에는 증류계산에 널리 쓰이는 MESH법 을 사용하였다. 이 방법은 각 단별로 material balance(M), equilibrium equation(E), 몰분율의 summation equation(S), Heat balance(H)^ 네 개의 방정식이 주어진 조건을 만족하도록 계산하는 방법을 말한다 그림 2와 같이 j번째 이론단을 기준으로 지배방정식을 세우면 식 (9)~식 (11)과 같이 나타낼 수 있다.
- 초기값으로 증류탑으로 유입되는 원료 공기의 온도를 변화시켜가면서 주열교환기의 물질 및 에너지수지 및 식(14), 식(15)식으로 표현되는 콜드 박스의 물질 및 에너지수지를 계산하였다. 증류탑은 MESH법을 이용하여 제품질소의 순도가 산소기준 1 ppm이하가 되도록 이론단수를 설정하여 계산하였다. 또한 응축기는 증류탑에서 올라오는 질소가스가 액체공기분리기 내의 액체공기와 열교환하여 전응축이 되도록 하였다.
- 공정계산결과를 기초로 장치의 안전율 및 실제 효 율을 고려하여 단위기기의 상세설계 및 제작이 이루어 졌으며, 또한 저온의 열응력을 고려한 배관설계 및 제작이 이루어졌다. 증류탑은 기존의 tray 형태가 아닌 최근에 보급되기 시작한 신기술인 규칙중전물 (structure packing) 방식을 채용하여 제작하였다. 주열교환기와 응축기에 사용되는 초저온 열교환기는 초저온에서 강하며, 고효율의 열교환이 가능한 brazed aluminium plate-fin type의 열교환기를 채용했다.
성능/효과
- 그리고 이때 장 치의 효율을 극대화시킬 수 있었다. 또한 기존장치와 비교한 결과 본 장치가 질소회수율 및 순도가 높게 나타났다. 이 결과는 장치의 성능이 우수하다는 것을 의미한다.
- 이론단수가 41단 근처에서 형성되고 있어 본 장치가 성능이 더 우수함을 보이고 있다. 또한 본 장치의 질소회수율이 41%로 기존장치와 비교할 때 약 2.5%가 증가되었고, 운전압력은 평균 0.5atm이 줄었는데. 질소회수율의 증가 및 증류탑의 운전압력의 저하는 본 장치에서는 규칙충전물의 채용으로 인해 운 전 조건이 향상되었기 때문이며, 이 결과로 약 5%의 운전비를 절감할 수 있었다.
- 이 실험의 조건 및 결과는 표2와 같다. 본 장치의 최대 회수율은 41.3%일 경우였고, 이때 증류탑 압력이 6.4atm이 됨을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 공정설계 및 이 결과를 기초로 안전 및 실제효율을 고려하여 본 장치를 만들었다. 성능시험 결과를 종합하면 이 장치는 이론적 최대 질소회수 율인 42%에 근접한 41.5%의 질소회수율을 갖고 있으며, 최적운전점은 41%인 경우였다. 그리고 이때 장 치의 효율을 극대화시킬 수 있었다.
- 그림 5에서 실험치가 "O로 표시되어 있는데, 질소회수율에 첫 번째는 기존장치와의 비교실험을 하였다. 실험결과에 따라 약간 차이가 있지만 설 계이론단수 44단을 전후로 하여 위치하고 있어 설계 치에 근접함을 알 수 있으며, 최적 운전점은 약 4 1%~41.5% 부근임을 알 수 있었다. 또한 이때 증류 탑 압력은 최소로 운전되었다.
- 이 때의 재질은 스텐레스스틸과 구리가 사용됐다. 이 장 치의 성능은 이론적인 열교환량대비 88%의 효율을 갖고 있음을 실험을 통하여 파악하였다.
- 5atm이 줄었는데. 질소회수율의 증가 및 증류탑의 운전압력의 저하는 본 장치에서는 규칙충전물의 채용으로 인해 운 전 조건이 향상되었기 때문이며, 이 결과로 약 5%의 운전비를 절감할 수 있었다. 한편 원료공기의 유량범 위가 고순도 제품질소가 40%이상의 회수율로 생산되어 원료공기의 유량변동 에 따른 정류탑의 안정도가 기존장치에 비해 좋음을 알 수 있었다.
- 질소회수율의 증가 및 증류탑의 운전압력의 저하는 본 장치에서는 규칙충전물의 채용으로 인해 운 전 조건이 향상되었기 때문이며, 이 결과로 약 5%의 운전비를 절감할 수 있었다. 한편 원료공기의 유량범 위가 고순도 제품질소가 40%이상의 회수율로 생산되어 원료공기의 유량변동 에 따른 정류탑의 안정도가 기존장치에 비해 좋음을 알 수 있었다. 이 안정도로 인해 사용자의 요구에 따라 질소생산량을 변동시키면서 운전을 할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
후속연구
- 이와 같이 본 콜드박스의 개발을 통해 초저온 공정설계 능력 확립 및 제작기술 확립을 꽤할 수 있었 으며 , 이 기술은 초저온 분리 . 진공단열, 자동제어분야 에 많은 응용이 될 것이다.
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