工學碩士學位論文 指導敎授金裕榮 팽창터빈의압력증가에따른보조액체질소탱크의질소소비량절감 Reduction of the Nitrogen Consuming Quantity of the Supplementary Liquid Nitrogen Tank depending on Pressure Increasing of Expansion Turbine. 2008 年 2 月 晋州産業大學校産業大學院 機械工學科 黃讚雨
工學碩士學位論文 팽창터빈의압력증가에따른보조액체질소탱크의질소소비량절감 Reduction of the nitrogen Consuming Quantity of the Supplementary Liquid Nitrogen tank depending on Pressure Increasing of Expansion Turbine. 2008 年 2 月 晋州産業大學校産業大學院 機械工學科 黃讚雨
黃讚雨의工學碩士學位論文을認准함 審査委員 委員長 : 김태규印 委員 : 김명규印 委員 : 김유영印 2008 年 2 月 晉州産業大學校産業大學院
목 차 ListofTables ⅳ ListofFigures ⅴ ListofPhotos ⅵ Ⅰ. 서론 1. 연구배경 1 2. 연구목적 2 Ⅱ. 관련이론 1. 질소제조에필요한원료공기에대한이론적고찰 3 1) 공기중의질소의함량 3 Ⅲ. 장치및방법 1. 공기액화분리장치의정의및종류 4 1) 정의 4 2) 종류 4 3) 질소제조시설의이해 7 (1) 질소제조순서 7 (2) 공기액화식질소제조장치 8 (3) 질소제조플랜트상세도 10 Ⅳ. 실험방법 1. 팽창터빈의설치위치 14 i
1) 팽창터빈의설치위치 14 2) 팽창터빈의제원 15 3) 팽창터빈의효율성증대도면 15 4) 팽창터빈의모니터화면 17 5) 팽창터빈의상세제어도면 18 (1) 팽창터빈의압력제어를통한순서 18 (2) 팽창터빈의압력제어목적 18 (3) 개선내용 19 (4) 조치내용 19 Ⅴ. 결과및고찰 1. 팽창터빈의압력제어에대한온도변화표 20 1) 팽창터빈의압력제어에대한온도변화표 (2006 년 9월 1일 ~10 일 ) 20 2) 팽창터빈의압력제어에대한온도변화표 (2006 년 9월 11 일~20 일 ) 21 3) 팽창터빈의압력제어에대한온도변화표 (2006 년 9월 21 일~30 일 ) 22 2. 액체질소의소비량비교표 23 1) 액체질소의소비량비교표 (2005 년 10 월,2006 년 10 월 ) 23 2) 액체질소의소비량비교표 (2005 년 11 월,2006 년 11 월 ) 24 3) 액체질소의소비량비교표 (2005 년 12 월,2006 년 12 월 ) 25 4) 액체질소의소비량비교표 (2006 년 1월,2007 년 1월 ) 26 5) 액체질소의소비량비교표 (2006 년 2월,2007 년 2월 ) 27 6) 액체질소의소비량비교표 (2006 년 3월,2007 년 3월 ) 28 ii
Ⅴ. 결론 29 참고문헌 31 Abstract 32 iii
ListofTables Table2.1Ingredientofair 3 Table2.2Othergas 3 Table4.1Specificationoftheexpansionturbine 15 Table5.1Thechangeoftemperatureagainstapressure control(2006september1-10th) 20 Table5.2Thechangeoftemperatureagainstapressure control(2006september11-20th) 21 Table5.3Thechangeoftemperatureagainstapressure control(2006september21-30th) 22 Table5.4Thechangeoftemperatureagainstaquantity control(2005 October& 2006October) 23 Table5.5ComparisonoftheLiquidnitrogenconsuming quantity(2005 November& 2006November) 24 Table5.6ComparisonoftheLiquidnitrogenconsuming quantity(2005 December& 2006December) 25 Table5.7ComparisonoftheLiquidnitrogenconsuming quantity(2006january& 2007January) 26 Table5.8ComparisonoftheLiquidnitrogenconsuming quantity(2006february& 2007February) 27 Table5.9ComparisonoftheLiquidnitrogenconsuming quantity(2006march& 2007March) 28 iv
ListofFigures Fig 3.1Lindecycle 6 Fig 3.2Kapitzacycle 6 Fig 3.3Claudecycle 6 Fig 3.4Cascadecycle 6 Fig 3.5Theprocessofnitrogenmanufacture 7 Fig 3.6Processblockdiagram ofnitrogenmanufacture 7 Fig 3.7Theconfigurationofnitrogenmanufactureplant 10 Fig 3.8Thescreendisplayofairsuction& aircompressor process 13 Fig 4.1Thelocationoftheexpansionturbineinnitrogen manufactureplant. 14 Fig 4.2Controlsequenceoftheexpansionturbine 15 Fig 4.3Thecontroldisplayoftheexpansionturbine. 18 Fig 4.4Pressurecontroldiagram ofexpansionturbine 19 Fig 5.1ChangeofTurbine P (2006September1st-10th) 20 Fig 5.2ChangeofTurbine P (2006September11st-20th) 21 Fig 5.3ChangeofTurbine P (2006September21st-30th) 22 Fig 5.4Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2005October-2006yearOctober) 23 Fig 5.5Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2005November-2006yearNovember) 24 Fig 5.6Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2005December-2006yearDecember) 25 Fig 5.7Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2006January-2007yearJanuary) 26 Fig 5.8Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2006February-2007yearFebruary) 27 Fig 5.9Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2006March-2007yearMarch) 28 v
ListofPhotos Photo3.1Nitrogenmanufactureplant 8 Photo3.2Airfilter 8 Photo3.3Aircompressor 8 Photo3.4Airfilter& Aircompressor 9 Photo3.5Heaterexchangers 9 Photo3.6TSA Pre-Purifierbed 9 Photo3.7Expansionturbine 9 Photo3.8Coldbox 9 Photo3.9Liquidnitrogenstoragetank 9 vi
Ⅰ. 서론 1. 연구배경 급속한경제발전을이룩한한국의경제규모는전세계적으로 10 위권에근접하는경제성장을이루었다. 일반산업체에서사용되는가스원료는청정원료로자리를잡아널리사용되는원료이다. 공기중에서원료를채취하여공기분리에의한질소와산소, 그리고아르곤같은산업체에필요한가스를생산하는설비는 1980 년대부터일반화되어사용하고있다. 그중에서도질소와산소는전세계적으로가장많이쓰이고있는물질들중의하나로써질소는열처리공정의치환용가스와각종냉동식품의급속저온처리공정및산업용진공포장에널리사용하고있으며또한원료가스로사용되는가연성가스를제어하는불연성가스로널리사용되고있다. 질소는공기중에서대량으로함유하고있으므로원료비가적게들고가스의특성상대량으로제조할수있다는장점이있다. 산소는특수열처리, 금속용접, 일반의료용및우주항공분야등으로사용되고있으며질소와산소의비율이 8:2 비율이므로질소다음으로풍부한공기중의산소함유량으로인해질소와같이대량으로제조할수있다는장점이있다. 현대의일반산업체에서질소와산소는주로공기분리에의해제조되며기존에공기분리장치를이용하여설치가동중인질소제조설비중에서팽창터빈의압력을기존운전압력보다높게했을경우질소제조공정중에서소모되는액체질소의소비량의변화를관찰하기위해본연구를실시하였다. -1-
2. 연구목적 현대한국의산업구조는과거 70 년대의경제기초를바탕으로경제규모의거대화와함께가스연료를대량으로소비하고있다. 이러한대량의연료를소비하는가스원료중에서질소와산소는전세계적으로가장많이쓰이고있는물질들중의하나로써질소는식료품및금속공업의치환용가스로널리사용되며산소는제철공장, 용접, 양식업, 의료용등으로사용되고있다. 질소와산소를제조할경우불순물의흡입량을최소화하는불순물제거장치가활발하게연구되기시작하여이후 1980 년대부터흡착법에의한기술이개발되어현재는질소세척단계에서발생하는부산물의일부를가열기로가열하여공기분리처리중에서불순물을제거하는 TSA(Thermal swing adsorption: 온도순환흡착식 ) 방식과흡착제의양과흡착속도의높고낮은압력의서로다른점을이용한 PSA(Pressure swing adsorption : 압력순환흡착식 ) 방식으로양분되어사용되고있다. PSA 흡착에의한질소생산은순도 99.99% 의고순도를생산하여저렴한비용으로질소를생산하고있으나보다높은 99.999% 이상의초고순도질소를생산할수있는공기액화분리식질소제조시설은 TSA 흡착식을주로사용한다. 본연구에서는질소제조플랜트에서공기를팽창시켜초저온의공기로변환시키는팽창터빈으로공급되는공기의압력을높여주어더욱많은양의공기를팽창터빈으로유입시켜서이전방식보다더욱차가운액체공기로제조하였다. 그리하여액체질소와액체산소의비등점의차이로액체공기를분리시키는냉각탑내의온도를낮게유지시켜서보조액체질소탱크에서사용되는고가의액체질소의사용량을절감시키는데그목적이있다. -2-
Ⅱ. 관련이론 1. 질소제조시필요한원료공기에대한이론적고찰 1) 공기중의질소의함량질소제조를하기위해서는먼저공기중에있는질소의함량및상태를이해하는것을선행해야한다. 밑의표 2.1 과표 2.2 는공기중에포함된기체성분의종류와질소의함량을소개하고있다. Table2.1Ingredientsofair Volume(%) Weight(%) Remark Nitrogen 78.084 75.521 Oxygen 20.946 23.139 Argon 0.934 1.288 CO2 0.033 0.050 Othergas 0.003 0.002 Table2.2Othergas Volume(%) Weight(%) Remark Neon 18.18 12.67 Helium 5.24 0.724 Krypton 1.14 0.295 Hydrogen 0.50 0.035 Xenon 0.086 0.390 Radon 6 10-14 46 10-14 -3-
Ⅲ. 장치및방법 1. 공기액화분리장치의정의및종류 1) 정의공기액화분리장치는저온에서정류, 분리, 흡수등의조작에의해기체를분리하는장치로서한냉발생장치, 정류장치, 불순물제거장치로구성되어있다. 한냉발생장치는냉동사이클, 가스액화사이클의응용이다. 이들사이클은가스액화분리장치의열손실을돕는다. 또한액화가스를채취할때, 그것에필요한한냉을보급한다. 보통냉매로서각종기체가사용되지만공기액화분리장치는분리되는공기그자체가냉매이다. 정류 ( 분리, 흡수 ) 장치는원료가스를저온에서분리정제하는장치이며목적에따라선정된다. 불순물제거장치는저온도가되면동결하는 0원료가스중의수분, 탄산가스등을제거하거나공기액화분리중에서재해의원인이되는위급한불순물도제거한다. 2) 종류 (1) 린데 (Linde) 식공기액화장치압축된공기는열교환기에들어가액화기에서액화하지않고나오는저온공기와열교환을하여저온이되어, 팽창밸브를통하여단열팽창시킨후온도를강하시켜액화기로보내진다. 이때공기는액화기에서액화되어나오고일부는열교환기로다시보내져압축가스와열을교환하게되어온도가상승하여압축기로흡입된다. 그림 3.1 은린데식의액화장치이다. (2) 카피자 (Kapitza) 식공기액화장치 그림 3.2 와같이이장치는클루우드식과유사한방식으로비교 적 7atm 정도의저압의압축공기로하여금팽창기인터빈을돌려외부 -4-
로부터일을하게하여공기의엔탈피를감소시킴으로서온도를강하 시켜액화하는방법이다. (3) 클루우드 (Claude) 식공기액화장치이장치는단열팽창이팽창밸브에의한것이아니라팽창기에의한것으로, 단열팽창기에서압축기와반대로실린더내에서압축공기를팽창시켜피스톤을밀어주어외부에서일을하게된공기는자신이갖고있던엔탈피가감소하게되어온도가강하되는것을이용하여액화시키는그림 3.3 과같은원리의장치이다. (4) 필립스 (Philips) 식공기액화장치이방법은수소, 헬륨을냉매로한것이특징이며하나의실린더에피스톤과보조피스톤이있어서이양피스톤이팽창기와압축기의역할을하는것으로장치가구조가간단하고소형이다. (5) 카스케이드 (Cascade) 식공기액화장치일반적으로액화장치는압축기가 1대로서조작되는반면, 이방법은여러대의압축기를이용하여각단의압축기를통과하는동안에비점이점차낮은냉매를사용하여저비점의기체를액화하는그림 3.4 와같은사이클방식이다. -5-
Compressor Compressor Air Accumulator Heater exchangers. Heater exchangers. Expansion v/v Liquid air Liquid air Fig.3.1Lindecycle. Fig.3.2Kapitzacycle. Air C om pressor Compresso r Cooling Expansion v/v No1. Heater exchangers. Heater exchangers. NH3 No2. Heater exchangers. N o3. Heater exchangers. E x p a n d e r C2H4 CH4 Supply nitrogen Liquid air Liquid air Fig.3.3Claudecycle. Fig.3.4Cascadecycle. -6-
3) 질소제조시설의이해 (1) 질소제조순서 질소가스의제조는그림 3.5 와같은순서로제조되며보다 간략화한그림은그림 3.6 과같다. 공기압축정제냉각팽창 공기분리 액체질소 저장 기체질소 압력조정 사용처 Fig.3.5Theprocessofnitrogenmanufacture. 공기여과기 공기압축기 TSA 정제기 열교환기 팽창기 증류탑 질소압축기 저장탱크 TANK TANK 사용자 Fig.3.6Processblockdiagram ofnitrogenmanufacture. -7-
(2) 공기액화식질소제조장치 사진 3.1 은질소제조플랜트의사진이고사진 3.2~ 사진 3.9 는부 속설비의상세사진이다. N - PLAN T Photo 3.1 Nitrogenmanufactureplant. Photo3.2Airfilter. Photo3.3Aircompressor. -8-
Phot o3. 4 Ai rf i l t er& compr essor. Phot o3. 5He at e re xchanger s. Phot o3. 6TSA Pr e -Pur i f i e rbe d. 증 Phot o3. 7Expansi ont ur bi ne. 액체질소 액체질소 류 탑 Phot o3. 8Col dbox. Phot o3. 9Li qui dni t r ogenst or aget ank. -9-
(3) 질소제조플랜트상세도. 그림 3.7 는질소제조플랜트를간략화한그림으로서공기필터, 공기압축기, 공기냉각기,TSA 예정제기, 재생히터, 주열교환기, 보조냉각기, 냉각탑으로구성되어있으며기체질소생산과정을단계별로요약한구성품의설명은아래와같다. Reg en er a t i o n H ea t er Ai r Rect i f i er up p er co l umn Ai r F i l t er Ev a p o r a t o r Ma i n H ea t co n d en so r Ai r C o mp r esser D i r ect co n t a ct C o o l er Ev a p er r a t i n g co o l er T SA P- P Bed ex cha n g er Sub co o l er Ex p a n si o n t ur b i n e Wa t er p ump C h i l l e d Wa te r pu mp Wa st e N i t r o g en Rect i f i er l o w er co l umn C o o l i n g C o o l i n g Wa t er Wa t er r et ur n S i l en cer Pr o d uct O2 Pr o d uct N 2 Fig.3.7Theconfigurationofnitrogenmanufactureplant. 1 질소제조플랜트의구성부분가 ) 공기필터 : 공기압축기에흡입된공기에서흙과먼지및기타불순물을제거한다. 나 ) 공기압축기 : 평균대기온도약 30 의필터링한공기를 90psig 로압축한다. 다 ) 공기냉각기 ( 가 )1차냉각기 : 압축된고온의공기온도를냉각수를접촉시켜약 25 로냉각시킨다. ( 나 )2차냉각기 : 저온의공기온도를냉각수를접촉시켜약 20 로냉각시킨다. 라 )TSA Pre-Purifierbed:1 개씩순환되면서흡착기내에있는세라믹볼식활성탄, 활성알루미나, 몰리큘리시브에흡착시키는방식 -10-
으로탄화수소,CO2 와수분기타유기물을제거시키는흡착탑의예정제기이다. 마 ) 재생히터 :TSA 정제기의흡착과정과탈착과정을진행하기위해뜨거운열기를공급하는장치이다. 바 ) 메인열교환기 : 컬럼과불순물흡착기에투입된차가운공기와차가운질소, 산소를상호열교환시켜냉각효과를내는기기로저온의액체공기, 산소, 질소는유출되는생성물스트림을통해냉각되고다음장비로이동한다. 사 ) 팽창터빈 : 압축된공기를팽창시켜서냉각시키는장치로서메인열교환기의중간지점에서빠져나가는압축된공정공기의일부분은정류칼럼으로들어가기전에터빈을통한팽창으로냉각된다. 나머지의공기는바이패스라인으로공급되며컬럼으로들어가기전에팽창된공기와다시만난다. 팽창터빈은콜드박스근처에덕트로싸여있으며터빈덕트는석면절연으로채워져있고냉열의손실을줄이기위해밸브를통해기체질소로계속해서공급된다. 또한팽창터빈은냉각절차손실을보완하고상부또는하부컬럼으로공급한다. 여분의공기는질소폐기물스트림으로공급된다. 아 ) 냉각기 : 증류탑에서나오는질소와산소를냉각시킨다. 자 ) 하부컬럼 : 하부컬럼으로이동한액체공기스트림은정류및증류절차를거쳐컬럼최상층에는고순도질소기체를, 하부컬럼의최하층에위치한케틀에는산소가풍부한액체공기를생성한다. 차 ) 증발콘덴서 : 저압부에있는액체는고압부에있는질소가스를냉각시켜서그질소가스가액체로응축되게한다. 그렇게해서응축된질소는환류액체로써컬럼으로되돌아간다. 반면에저압부에있는액체는응축된질소가스에의해가온되어액체가기화된다. 이렇게해서기화된액체는폐가스가된다. 주열교환기에서유입되는공정공기에의해가온된폐가스는대기중으로방출되거나공기냉각기의재생가스로사용된다. 카 ) 상부컬럼 : 질소기체스트림은하부컬럼의최하층의쉘프기체로부터거두어진다음주컨덴서에서끓는산소와접촉하면서 -11-
액화된다. 타 ) 산소압축기 : 기체산소생성물은냉각을반복하기위해상부컬럼에서배출되며산소수퍼히터및주열교환기를거쳐저압흡입헤더시스템을통해산소압축기로공급된후파이프라인으로고객에게공급된다. 파 ) 질소압축기 : 질소생성물은냉각을반복하기위해상부컬럼의최상층에서배출되어질소생성물수퍼히터및주열교환기를거쳐저압질소흡입헤더를통해질소압축기로향한다. 그런다음파이프라인을통해고객에게공급된다. 하 ) 소음기 : 기체질소제조플랜트에서배출되는폐가스의배출소음을줄여준다. -12-
2 질소제조플랜트의제어화면 그림 3.8 은질소제조플랜트제조화면의여러가지화면중에서공 기흡입및압축과정을나타낸화면이다. Fig.3.8Thescreendisplayofairsuction& aircompressorprocess. -13-
Ⅳ. 실험방법 1. 팽창터빈의설치위치. 1) 팽창터빈의설치위치팽창터빈으로공급되는액체공기의압력증가에따른액체질소의소모량연구를실험하였다. 그림 4.1 은질소제조플랜트의팽창터빈의설치위치이다. Reg en er a t i o n H ea t er Ai r Rect i f i er up p er co l umn Ai r F i l t er E v a p o r a t o r Ma i n H ea t co n d en so r Ai r C o mp r esser D i r ect co n t a ct C o o l er Ev a p er r a t i n g co o l er T SA P- P Bed ex cha n g er Sub co o l er Ex p a n si o n t ur b i n e Wa t er p ump C h i l l e d Wa te r pu mp Wa st e N i t r o g en Rect i f i er l o w er co l umn C o o l i n g C o o l i n g Wa t er Wa t er r et ur n S i l en cer P r o d uct O2 Pr o d uct N 2 Expansion turbine Fig.4.1Thelocationoftheexpansionturbineinnitrogen manufactureplant. -14-
2) 팽창터빈의제원. 실험용팽창터빈의상세제원은표 4.1 과같다. Table4.1Specificationof theexpansionturbine Airexpansionturbine RT-0200 Arrangement Directdrive,Oilbrakeloaded Oilbraketype Dynamometer Flow 2,551Nm3/hr Inletpressure 4.91bara(71.16psia) Outletpressure 3.65bara(53psia) Inlettemperature -171,75 (-277 ) Estimatedeficiency 83%(Isentropic) 3) 팽창터빈의효율성증대도면 그림 4.2 는팽창터빈으로공급되는액체공기의공급량을증가 시키기위해압력을높여주는그림과공급라인의역할이다. 주열교환기 상부컬럼 팽창터빈 1 4 하부컬럼 2 N2 TANK N2 TANK 보조액체질소탱크 3 냉각탑 ( 정류컬럼 ) Fig.4.2Controlsequenceoftheexpansionturbine. -15-
1 팽창터빈으로공기가공급되는라인이다. 2 하부컬럼으로공기가바이패스공급되는라인이다. 3 바이패스압력조절밸브이다. 4 하부컬럼으로최종공급라인으로 1라인과 2라인이합쳐진라인이다. 열교환기를거친차가운공기의 50% 는 1번라인의팽창터빈으로이송되며나머지 50% 는 2번라인의정류컬럼의바이패스라인으로이송된다. 두라인이 4번라인에서희석되어 -171 정도의액체공기로되어하부컬럼으로공급된다. 이때 3번밸브를조작하기위해밸브조작압력을 56.5psig 에서 59.5psig 로조정하여밸브를닫을경우 2번방향의바이패스라인방향으로진입하는공기의압력은줄어들게되고 1번방향으로진입하는공기압력이증가하여팽창터빈으로공급되는차가운공기의유량이증가하게된다. 따라서기존의 1번의팽창터빈을통과한 50% 차가운공기와 2번방향의바이패스라인을통과한 50% 의차가운공기가희석된 4번의액체공기의온도보다더낮은온도의액체공기가하부컬럼으로공급된다. 이때냉각탑내의 4번라인으로공급되어진 -171 가량의액체공기의온도를 -183 의액체산소와 -196 의액체질소로비등점의차이에의해분리하기위하여상부컬럼으로 -196 의액체질소를공급하는보조액체질소탱크로부터공급되는액체질소의사용량이줄어들게된다. -16-
4) 팽창터빈의모니터화면 팽창터빈으로제어하는압력과변화된온도를나타내는화면 은그림 4.3 에나타내었다. TI211 : 열교환기를통과후팽창터빈으로들어가기전의온도 ( ) -169.11 PIC210 : 팽창터빈에공급되는조정압력 (psig) SP : 59.5 ( 세팅압력 : 59.5psig) TIC216 : 팽창터빈을통과한후의온도 ( ) SP : -176.8 ( 세팅온도 : -176.8 ) 제어의개요 PIC210 의압력을조절하여 TI211 에대한 TIC216 의온도변화를기록하였다. Fig.4.3Thecontroldisplayoftheexpansionturbine. -17-
5) 팽창터빈의상세제어도면 (1) 팽창터빈의압력제어를통한순서 그림 4.4 는팽창터빈의압력제어표시상태이다. Turbine Diagram L320MG Main Condenser LT320 H320MG HV210 Turbine TV-325A TIC216 Column PIC210 PV215 Fig.4.4Pressurecontroldiagram ofexpansionturbine. (2) 팽창터빈의압력제어목적질소제조플랜트의팽창터빈의입구압력을증가하여팽창터빈에공급되는액체공기의온도와팽창터빈을통과한후의액체공기의온도를더낮게조절하여냉각탑내의상부컬럼의추가냉열을확보하여기존에상부컬럼으로공급되는액체질소와액체산소의비등점의차이에의해분리하기위해사용되는보조액체질소탱크에서사용되는액체질소사용량을줄이는목적이다. -18-
(3) 개선내용팽창터빈의입구압력이높아지도록바이패스라인의밸브를적정량닫으면팽창터빈을통과한후의온도가더낮아진다. 이때냉각탑내의냉열효과를증대시키기위하여보조액체질소탱크에서액체질소를공급한다. 따라서보조액체질소탱크의액체질소소모량을줄이기위하여실험을실시하였다. (4) 조치내용팽창터빈으로공급되는액체공기의압력증가를위해정류컬럼으로바이패스되는 PIC210 밸브를조작하는압력을기존 56.5psig 에서 59.5psig 로증가시켜서바이패스밸브를적정량으로잠그게되어팽창터빈으로공급되는유량이많아지므로냉열효과가증대하여보조액체질소의액체질소소모량이감소되었다.( 팽창터빈의압력제어를통한순서도그림 4.4 와같이 PV215 조작밸브를닫아줌으로써 HV210 쪽으로유량의흐름을증가시켜팽창터빈으로공급되는유량을증가시켰다.) -19-
Ⅴ. 결과및고찰 1. 팽창터빈의압력제어에대한온도변화표 2006 년 9월 1일부터 30 일까지압력제어에의한온도변화의결과가아래의표 5.1~5.3 과그림 5.1~5.3 과같이나타났다. 1) 팽창터빈의압력제어에대한온도변화표 (9 월 1일 ~10 일 ) 팽창터빈으로공급되는액체공기의유량증가를위해 PIC210 바이패스밸브를잠그는압력을 56.5psig 에서 58.0psig 로 1.5psig 상승시킨결과팽창탱크에들어가기전, 후의온도차이가표 5.1 과그림 5.1 에서와같이 -6.06 에서 -6.57 로 -0.51 로더낮아지는온도변화가나타났다. Table5.1Thechangeoftemperatureagainstapressurecontrol (2006September1-10th) 9/1 9/2 9/3 9/4 9/5 9/6 9/7 9/8 9/9 9/10 PIC-210 PV(psig) 56.5 57.1 57.0 57.2 57.5 57.7 58.0 58.1 58.0 58.0 TI-211( ) -169.8-169.6-169.5-169.5-169.4-169.4-169.2-169.2-169.2-169.2 TIC-216( ) -175.9-175.8-175.7-175.8-175.7-175.7-175.8-175.7-175.7-175.8 In-Out T( ) -6.06-6.20-6.22-6.32-6.35-6.35-6.57-6.47-6.47-6.57 The change of P, T (2006.9.1-10) P(psig), T( ) 100.0 50.0 0.0-50.0-100.0-150.0-200.0-20- 09-01 09-02 09-03 09-04 09-05 09-06 09-07 09-08 09-09 09-10 Fig.5.1ThechangeofTurbine P (2006September1-10th). Day PIC-210 PV(psig) TIC-216( ) TI-211( ) In-Out T( )
2) 팽창터빈의압력제어에대한온도변화표 (9 월 11 일~20 일 ) 팽창터빈으로공급되는액체공기의유량증가를위해 PIC210 바이패스밸브를잠그는압력을 58.4psig 에서 59.1psig 로 0.7psig 상승시킨결과팽창탱크에들어가기전, 후의온도차이가표 5.2 와그림 5.2 에서와같이 -6.69 에서 -6.96 로 -0.27 로더낮아지는온도변화가나타났다. Table5.2Thechangeoftemperatureagainstapressurecontrol (2006September11~20th) 9/11 9/12 9/13 9/14 9/15 9/16 9/17 9/18 9/19 9/20 PIC-210PV(psig) 58.4 58.2 58.5 58.5 58.8 58.8 59 59.2 59.2 59.1 TI-211( ) -169.1-169.1-169 -169.1-168.9-168.9-168.9-168.7-168.7-168.7 TIC-216( ) -175.8-175.8-175.7-175.8-175.7-175.7-175.8-175.8-175.6-175.7 In-Out T( ) -6.69-6.69-6.71-6.69-6.84-6.84-6.94-7.06-6.86-6.96 The change of P, T (2006.9.11-20) P(psig), T( ) 100.0 50.0 0.0-50.0-100.0-150.0-200.0-21- 09-11 09-12 09-13 09-14 09-15 09-16 09-17 09-18 09-19 09-20 Fig.5.2ChangeofTurbine P (2006September11~20th). Day PIC-210 PV(psig) TIC-216( ) TI-211( ) In-Out T( )
3) 팽창터빈의압력제어에대한온도변화표 (9 월 21 일~30 일 ) 팽창터빈으로공급되는액체공기의유량증가를위해 PIC210 바이패스밸브를잠그는압력을 59.1psig 에서 59.5psig 로 0.4psig 상승시킨결과팽창탱크에들어가기전, 후의온도차이가표 5.3 과그림 5.3 에서와같이 -7.08 에서 -7.40 로 -0.32 로더낮아지는온도변화가나타났다. Table5.3Thechangeoftemperatureagainstapressurecontrol (2006September21-30th) 9/21 9/22 9/23 9/24 9/25 9/26 9/27 9/28 9/29 9/30 PIC-210PV(psig) 59.1 59.5 59.5 59.5 59.5 59.5 59.5 59.5 59.4 59.5 TI-211( ) -168.6-168.7-168.6-168.7-168.6-168.6-168.6-168.6-168.6-168.5 TIC-216( ) -175.7-175.8-175.7-175.9-175.8-175.7-175.8-175.8-175.9-175.9 In-Out T( )I -7.08-7.06-7.08-7.18-7.18-7.08-7.18-7.18-7.28-7.40 The change of P, T (2006.9.21-30) P(psig), T( ) 100 50 0-50 -100-150 -200-22- 09-21 09-22 09-23 09-24 09-25 Day 09-26 PIC-210 PV(psig) TIC-216( ) 09-27 09-28 09-29 TI-211( ) In-Out T( ) 09-30 Fig.5.3ChangeofTurbine P (2006September21-30th).
2. 액체질소소비량비교표 ( 단위 :kg) 2005 년도와 2006 년도에사용된액체질소량을비교한내 용이표 5.4~5.9 와그림 5.4~5.9 와같이나타내었다. 1) 액체질소소비량비교표 (2005 년 10 월,2006 년 10 월 ) 팽창터빈의압력을증가하기전 2005 년 10 월달액체질소소모량은 43,190kg 이고압력을증가한후 2006 년 10 월액체질소소비량은 20,779kg 을소모하였다. 이는전년도대비 22,411kg 의액체질소가절감되는효과를표 5.4 와그림 5.4 에나타내었다. Table5.4Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity(2005october& 2006October) 2005/10 2006/10 1 1,630 998 2 1,312 997 3 1,400 1,111 4 1,339 1,060 5 1,355 726 6 2,005 929 7 1,112 927 8 1,096 1,155 9 1,024 720 10 1,095 955 11 1,147 491 2005/10 2006/10 12 1,190 840 13 1,165 420 14 1,128 488 15 1,288 488 16 1,157 600 17 1,391 657 18 1,130 822 19 3,466 341 20 4,053 818 21 1,725 656 22 1,120 299 2005/10 2006/10 23 1,051 359 24 963 763 25 1,295 472 26 1,085 460 27 1,402 480 28 1,132 473 29 1,007 483 30 921 368 31 1,006 423 Total 43,190 20,779 Save 22,411 L i q u i d n i t r o g e n g r a p h ( 2 0 0 5 / 1 0, 2 0 0 6 / 1 0 ) Nitrogen unit(kg 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 D a y 2 0 0 5.1 0 2 0 0 6.1 0 0 D a y Fig.5.4Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2005October& 2006yearOctober). -23-
2) 액체질소소비량비교표 (2005 년 11 월,2006 년 11 월 ) 팽창터빈의압력을증가하기전 2005 년 11 월달액체질소소모량은 36,579kg 이고압력을증가한후 2006 년 11 월액체질소소비량은 11,430kg 을소모하였다. 이는전년도대비 25,149kg 의액체질소가절감되는효과를표 5.5 와그림 5.5 에나타내었다. Table5.5Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming 2005/11 2006/11 1 1,105 175 2 918 236 3 1,138 376 4 1,146 473 5 1,130 437 6 1,130 368 7 1,588 420 8 1,167 192 9 1,266 333 10 1,478 236 11 1,392 385 quantity(2005november& 2006November) 2005/11 2006/11 12 1,188 190 13 791 316 14 1,682 447 15 1,394 315 16 1,202 446 17 1,200 338 18 1,162 631 19 1,248 316 20 1,288 400 21 1,461 341 22 1,300 499 2005/11 2006/11 23 1,222 438 24 1,250 797 25 1,166 377 26 1,094 360 27 1,138 641 28 1,226 342 29 979 123 30 1,130 482 Total 36,579 11,430 Save 25,149 L i q u i d n i t r o g e n g r a p h ( 2 0 0 5 / 1 1, 2 0 0 6 / 1 1 ) 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 Nitrogen unit(kg 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 D a y 2 0 0 5.1 1 2 0 0 6.1 1 0 D a y Fig.5.5Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2005November& 2006yearNovember). -24-
3) 액체질소소비량비교표 (2005 년 12 월,2006 년 12 월 ). 팽창터빈의압력을증가하기전 2005 년 12 월달액체질소소모량은 31,675kg 이고압력을증가한후 2006 년 12 월액체질소소비량은 8,026kg 을소모하였다. 이는전년도대비 23,649kg 의액체질소가절감되는효과를표 5.6 과그림 5.6 에나타내었다. Table5.6Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming 2005/12 2006/12 1 1,155 289 2 1,103 105 3 1,209 0 4 1,251 105 5 877 105 6 1,268 359 7 1,217 201 8 640 97 9 1,049 105 10 718 0 11 963 595 quantity(2005december& 2006December) 2005/12 2006/12 12 1,149 530 13 1,007 1,054 14 1,260 972 15 971 604 16 1,051 237 17 1,024 0 18 797 342 19 788 499 20 1,102 342 21 884 149 22 1,182 113 2005/12 2006/12 23 920 105 24 893 120 25 1,102 27 26 814 100 27 1,261 96 28 945 130 29 1,077 213 30 998 218 31 1,000 214 Total 31,675 8,026 Save 23,649 L i q u i d n i t r o g e n g r a p h ( 2 0 0 5 / 1 2, 2 0 0 6 / 1 2 ) 1 4 0 0 1 2 0 0 Nitrogen unit(kg 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 D a y 2 0 0 5.1 2 2 0 0 6.1 2 2 0 0 0 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 2 7 2 9 3 1 D a y Fig.5.6Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2005December& 2006yearDecember). -25-
4) 액체질소소비량비교표 (2006 년 1월,2007 년 1월 ) 팽창터빈의압력을증가하기전 2006 년 1월달액체질소소모량은 33,102kg 이고압력을증가한후 2007 년 1월액체질소소비량은 7,392kg 을소모하였다. 이는전년도대비 25,710kg 의액체질소가절감되는효과를표 5.7 과그림 5.7 에나타내었다. Table5.7Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity(2006january& 2007January) 2006/1 2007/1 1 1,207 121 2 730 131 3 1,187 100 4 1,078 122 5 747 120 6 1,262 100 7 910 100 8 1,015 210 9 1,191 132 10 989 0 11 989 262 2006/1 2007/1 12 1,235 350 13 892 97 14 1,138 603 15 1,155 444 16 1,200 350 17 1,129 516 18 1,103 851 19 1,532 342 20 972 9 21 754 210 22 996 523 2006/1 2007/1 23 911 595 24 980 114 25 918 114 26 1,263 253 27 1,260 0 28 1,443 105 29 1,129 237 30 894 0 31 893 281 Total 33,102 7,392 Save 25,710 1 8 0 0 L i q u i d n i t r o g e n g r a p h ( 2 0 0 6 / 1, 2 0 0 7 / 1 ) Nitrogen unit(kg 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 D a y 2 0 0 6.1 2 0 0 7.1 0 D a y Fig.5.7Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2006January& 2007yearJanuary). -26-
5) 액체질소소비량비교표 (2006 년 2월,2007 년 2월 ) 팽창터빈의압력을증가하기전 2006 년 2월달액체질소소모량은 32,322kg 이고압력을증가한후 2007 년 2월액체질소소비량은 4,986kg 을소모하였다. 이는전년도대비 27,354kg 의액체질소가절감되는효과를표 5.8 과그림 5.8 에나타내었다. Table5.8Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity(2006february& 2007February) 2006/2 2007/2 1 1,365 0 2 884 245 3 1,103 105 4 1,230 105 5 2,190 105 6 631 650 7 1,184 0 8 1,103 254 9 1,088 446 10 867 368 11 1,659 377 2006/2 2007/2 12 920 0 13 1,313 0 14 1,050 0 15 841 359 16 1,103 456 17 1,033 263 18 1,497 0 19 830 122 20 1,236 237 21 893 106 22 1,662 157 2006/2 2007/2 23 1,340 105 24 780 136 25 1,487 110 26 1,524 114 27 1,199 148 28 310 0 Total 32,322 4,986 Save 27,354 2 5 0 0 L i q u i d n i t r o g e n g r a p h ( 2 0 0 6 / 2, 2 0 0 7 / 2 ) 2 0 0 0 Nitrogen unit(kg 1 5 0 0 1 0 0 0 D a y 2 0 0 6.2 2 0 0 7.2 5 0 0 0 D a y Fig.5.8Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2006February& 2007yearFebruary). -27-
6) 액체질소소비량비교표 (2006 년 3월,2007 년 3월 ) 팽창터빈의압력을증가하기전 2006 년 3월달액체질소소모량은 30,846kg 이고압력을증가한후 2007 년 3월액체질소소비량이 7,780kg 을소모하였다. 이는전년도대비 23,066kg 의액체질소가절감되는효과를표 5.9 와그림 5.9 에나타내었다. Table5.9Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity(2006march& 2007March) 2006/3 2007/3 1 1,127 376 2 996 106 3 1,120 262 4 1,192 394 5 982 263 6 1,251 105 7 1,086 341 8 910 0 9 1,243 83 10 824 105 11 1,050 262 2006/3 2007/3 12 848 105 13 910 517 14 1,165 402 15 1,006 0 16 998 465 17 1,288 500 18 631 123 19 1,313 0 20 945 245 21 919 621 22 1,024 0 2006/3 2007/3 23 1,025 219 24 919 0 25 1,102 0 26 762 841 27 1,129 0 28 1,392 718 29 500 368 30 952 236 31 237 123 Total 30,846 7,780 Save 23,066 1 6 0 0 L i q u i d n i t r o g e n g r a p h ( 2 0 0 6 / 3, 2 0 0 7 / 3 ) 1 4 0 0 Nitrogen unit(kg 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 D a y 2 0 0 6.3 2 0 0 7.3 2 0 0 0 D a y Fig.5.9Comparisonoftheliquidnitrogenconsuming quantity (2006March& 2007yearMarch). -28-
Ⅴ. 결론 일반적인질소제조플랜트에서는공기를여과시킨후팽창터빈과바이패스로공급되는공기의비율이각각 50% 로공급하여액체질소와액체산소를냉각탑내에서분리하여생산한다. 그러나본실험은바이패스로공급되는공급밸브를닫아서팽창터빈으로보다많은유량의공기가유입되도록조작하면더욱낮은온도의액체공기가생성되어냉각탑으로유입된다. 이때냉각탑으로유입된액체공기는약 -171 로이의냉각효율을높여서즉 -196 의보조액체질소탱크의액체질소를공급하여 -196 의액체질소와 -183 의액체산소의비등점의차이로추출한다. 따라서팽창터빈으로과잉공급되는만큼액체질소탱크의소모량이줄어드는데이에대한실험을요약하면다음과같다. 1.PIC210 밸브압력을 56.5psig 에서 59.5psig 로 3psig 를상승시켜서팽창터빈내로유입되는액체공기의양이증가하였다. 액체공기의온도변화는 9월 1일 -6.06 에서 9월 30 일 -7.4 로낮아져서약 -1.34 의팽창온도가나타났다. 2. 2005 년 10 월부터 2006 년 3월까지한달평균소비량은 34,619kg 이었으나, 팽창터빈의 PIC 210 압력제어밸브를제어하여팽창효과를증대시킨후 2006 년 10 월부터 2007 년 3월까지한달평균소비량이 14,622kg 으로매월 19,997kg 의액체질소의소비량이절감되는것으로나타났다. -29-
3. 액체질소를제조하여소비자에게공급되는공급가액은 2007 년기준으로 1kg 당약 220 원의비용이소모된다. 이를사용량으로계산할경우에는매월 19,997kg 의액체질소를절감하고원가로환산할경우 4,399,340 원이절감되며매년 52,792,080 원의비용의절감효과가발생하여산업체의원가절감과생산성이향상되는실험결과가나타났다. -30-
참고문헌 1. 김권일, 조순행, 김종남, 유윤종, PSA 법에의한질소제조공정개발 KE-92002C, 한국에너지기술연구소,1992.9 2. 김권일, 조순행, 김종남, 유윤종, PSA 질소제조공정설계, 운전및결과분석 (I)', 한국에너지기술연구소,1992.9. 3. 조순행, 김종남,PSA 법에의한가스분리기술의현황과전망, 제5회에너지절약기술워크샾,Ⅲ-101(1990) 5. 조순행, 김종남, 김권일, 유윤종, PSA 질소제조설계, 운전및결과분석,KE-92002C, 한국에너지연구소,1992.9. 6.Buck D.L.and Wilkinson E.L.,Vacuum Swing Adsorption- An Alternate Nitrogen Supply System,Ceram.Eng.Sci. Proc.,5(11-12),1036(1984) 7.FunadaI.andImanishiN., 고순도 N2-PSA 프로세서의발견, 화학공학. 8.GasReview,No.232,18(1991b) 9.Skarstrom C.W.,HeatlessFractionation ofgasesoversolid Sorbents, in Recent Development in Separation Science (N.N.Li,ed.)vol.2,1972 10.Sircar,S.andZondloJ.W.,FractionationofAirby Adsorption,U.S.Patent4,013,429(1977) 11.KawaiT., 압력스윙식냉각기고찰, 공업기술회,1986. 12.F.Notaro,R.RobergeandJ.Kingsley,PRAXAIR,1997 13.Gas& ChemicalReporter,No66,1991,p6-31-
Reduction of the nitrogen Consuming Quantity of the Supplementary Liquid Nitrogen tank depending on Pressure Increasing of Expansion Turbine. Chan-WooHwang Abstract From the generalnitrogen manufacture plantafterfiltrating an air,theratio oftheairwhich issupplied on theexpansion turbine and the bypass is 50% each the liquid nitrogen and the liquid oxygengeneratedincoldbox,byseparates. The testwhich itsees butcloses the supply valve which is supplied on thebypassand in orderto theairofa moreflow to flow with theexpansion turbine,when itiscoducted theliquid air oflow temperaturecreatesmoreanditflowswithcoldbox. This time,the liquid air which flows with cold box raises diferent meaning cooling eficiency with about -171 and it suppliesitextractstheliquid nitrogen ofthesupplementary liquid nitrogen tank ofthe namely -196 and with diference ofboiling pointoftheliquidoxygenandliquidnitrogensis-183 and-196 each. Consequently,itissupplied excessively to theexpansion turbine as consuming quantity ofthe liquid nitrogen tank decreases itis -32-
summarizesasfolows; 1.Thevaluepressureoftheraisefrom PIC21056.5psig to59.5psig andthesheepoftheliquidairwhichflowstheinsidetheexpansion turbinethisitincreased. Thechangeoftemperatureofliquid airfrom theseptember1st -6.06 came to be low with the September 30th -7.4 and the expansiontemperatureofabout-1.34 appeared. 2.From 2005 October until2006 March for one month average consumption quantity was34,619kg butcontroled PIC 210 pressure controlvalveoftheexpansion turbinefrom 2006Octoberuntil2007 March.forone month average consumption quantity was 14,622kg. forevery month 19,997kg with thefactthatconsuming quantity the liquidnitrogenisreduced 3. Itreduced19,997kg forevery monththeliquidnitrogenandcase 4,399,340 won which itwilchangeatprimecostwasreduced and thecurtailmentefectofexpenseofyearly 52,792,080 won occurred and the test result where the prime cost curtailment and productivityoftheindustrialbodyimproveappeared. -33-
감사의글 현장에서근무하면서배운산업지식과경험을연계하여학문에대한열정을계속하기위해산업대학원을입학한지가엊그제같은데벌써 2년이라는세월이흘러가는것같습니다. 늘부족함이많고무엇인가가미진하여충분치못한채로결실을맺는것같아서많은아쉬움을남기는것같습니다. 오늘의결실이있기까지도움을주신모든분들께이지면을통하여감사의말씀을전하고싶습니다. 먼저논문작성에있어서처음부터끝까지세심한배려와학문적지도를해주신김유영지도교수님께진심으로감사를드립니다. 또한 2년동안학문적가르침을베풀어주신정태상교수님, 김태규교수님, 김명규교수님, 황광성교수님께도심심한감사를드립니다. 항상당신의안위보다는자식이잘되기만을바라시는어머니, 그리고좋은시간에공부만한다고앉아있는남편에게불평한마디없이지켜보면서내조를아끼지않은아내최진화그리고열심히맑은정신으로학업을할수있도록기도해주신박해정목사님과문영희사모님께감사를드리면서이결실의기쁨을함께하고자합니다. 산업대학원에서 2년동안같이수학한학우님들과의만남을소중히하면서, 진주산업대학원기계공학과의무궁한발전을기원합니다. 2008 년 2 월 황찬우올림