KR0137916B1 - 펌핑된 액상 생성물을 기화시키기 위한 저온 정류방법 및 장치 - Google Patents

펌핑된 액상 생성물을 기화시키기 위한 저온 정류방법 및 장치

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래리 알. 카세트
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Abstract

본 발명은 예를들면, 공기와 같은 압축된 기상 혼합물을 정류하여 액체 형태의 저휘발성 성분을 생성시킨 다음, 송출압력으로 펌핑시키기 위한 저온 정류법 및 장치에 관한 것이다. 저휘발성 성분은 펌핑된 후 주 열교환기중에서 기화된다. 기화시키기 위해서, 주 열교환기중에서 냉각되는 압축된 기상 혼합물의 스트림은 더욱 압축되어 더욱 압축된 스트림을 형성한다. 주 열교환기의 이론적인 핀치 포인트 온도상에서 열역학적 비가역성을 최소화시키기 위해서, 더욱 압축된 공기의 일부는 이론적인 핀치 포인트 온도에서 또는 그주위에서 주 열교환기로부터 제거된 다음, 더욱 압축되고 주 열교환기의 이론적인 핀치 포인트 온도보다 높은 수준에서 도입된다. 더욱 압축된 스트림의 나머지 또는 냉각되는 다른 압축된 기상 혼합물의 스트림은 주 열교환기로부터 제거된 다음 주 열교환기를 사용하지 않고 정류시키기에 적합한 온도로 냉각된다. 이러한 제거에 의해서 주 열교환기의 이론적인 핀치 포인트 온도이하에서 열역학적인 비가역성이 감소된다.

Description

펌핑된 액상 생성물을 기화시키기 위한 저온 정류방법 및 장치
제 1 도는 본 발명의 방법에 따른 공기 분리장치의 도면이다.
제 2 도는 선행기술의 열교환기의 온도에 대한 엔탈피의 도표이다.
제 3 도는 본 발명에 따라 구성되고 작동되는 열 교환기의 온도에 대한 엔탈피의 도표이다.
본 발명은 기상 혼합물을 먼저 압축시킨 다음 정류시키는데 적합한 온도로 냉각시키는, 기상 혼합물의 고휘발성 및 저휘발성 성분을 분리시키기 위한 저온 정류방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 저휘발성 성분을 송출합력으로 펌핑한다음 이를 혼합물을 냉각 시키는데 사용되는 주 열교환기중에서 기화시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 주 열교환기중의 열역학적 비가역성을 최소화시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
상이한 휘발성을 갖는 기상 혼합물의 성분들은 공지된 다양한 저온 정류법에 의해서 서로 분리된다.
이러한 방법은 기상 혼합물을 압축시킨 후에 이 혼합물을 정류시키는데 적합한 온도로 냉각시키기 위해서 주 열교환기를 사용한다. 정류는 액상 및 기상 혼합물을 밀접하게 접촉시킴으로써 혼합물의 성분들을 그의 휘발성에 따라 분리시키기 위해서 (조직적으로 구성되거나 랜덤하게 구성된) 트레이 또는 패킹을 사용하는 증류 칼럼중에서 수행한다. 저휘발성 성분을 송출합력에서 제조하기 위한 생성물 압축기를 사용하지 않기 위해서, 저휘발성 성분이 액체 형태로 제조되도록 증류를 수행한다. 이어서, 액체 형태의 저휘발성 성분을 송출압력으로 펌핑하고 주 열교환기중에서 기화시킨다.
저온 정류 방법중에서 중요한 것은 공기의 분리방법이다. 공기는 저휘발성 성분인 산소와 고휘발성 성분인 질소를 포함한다. 가압된 산소가스의 제조에 있어서, 공기의 저온 증류에 의해서 생성된 액상 산소는 송출압력으로 펌핑되고 주 열교환기중에서 공기의 도입에 의해서 가열되어 가압된 가스를 형성한다. 전형적으로, 공급되는 공기중의 적어도 일부분은 열 교환기중에서 적절한 온도차이를 제공하기 위해서 산소보다 훨씬 높은 압력으로 가압되어야 한다. 예를 들면, 도입되는 공기의 19 내지 22부피%를 차지하는 산소 생성물이 42.8바로 펌핑될 경우, 도입되는 공기의 약 35 내지 40%는 약 74.5바로 압축된다. 이러한 이유는 주 열교환기의 일부분중에서 공급되는 공기와 생성되는 스트림 사이의 온도 및 전달된 열이 균일하지 않음으로써, 생성물의 예열 및 공기의 냉각에 영향을 주기 때문이다. 동시에, 열 교환기의 일부중에 공기 및 생성물 스트림사이에 광범위한 온도 편차가 존재한다. 이는 열역학적 비가역성이라고 알려져 있으며, 공정중의 에너지 필요량을 증가 시킨다.
하기 논의되는 바와 같이, 본 발명은 주 열교환기중에서 열역학적 비가역성이 최소화되는, 공기의 분리방법 및 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 예를 들면, 공기 및 석유화학 성분등과 같이, 주 열교환기중에서 펌핑된 저휘발성 생성물을 주 열교환기중의 열역하적 비가역성이 최소화되도록 기화시키는 방법에 관한 것이다.
하나의 실시양태에서, 본 발명은 공기를 분리시킴으로써 가스상 산소 생성물을 송출압력에서 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에 따라서, 공기를 압축시키고, 압축된 공기로부터 압축열을 제거한다음, 공기를 정제시킨다. 이어서, 공기는 주 열교환기중에서 냉각된다. 공기를 냉각시키기 전에, 냉각되는 공기의 적어도 일부분은 다시 압축되어 더욱 압축된 공기 스트림을 형성한다. 더욱 압축된 공기 스트림으로부터 압축열을 제거한다. 더욱 압축된 공기 스트림의 적어도 일부는 그가 이론적인 핀치 포인트(pinch point) 온도에 근접한 온도를 갖는 주 열교환기의 위치에서 주 열교환기로부터 제거되고, 이러한 주 열교환기로부터 제거된 더욱 압축된 공기 스트림의 적어도 일부는 더욱 압축되어 제 1 보조 공기 스트림을 형성한다. 이러한 보조 공기 스트림은 이론적인 핀치 포인트 온도보다 높은 온도를 갖는 수준에서 주 열교환기로 다시 도입된다. 주 열교환기로 제도입된 다음, 제 1 보조 공기 스트림은 정류시키기에 적합한 온도로 완전히 냉각된다.
냉각되는 공기의 일부는 주 열교환기로부터 제거되어 제 2 보조 공기 스트림을 형성한다. 제 2 보조 공기 스트림은 주 열교환기를 사용하지 않고 정류시키기에 적합한 온도로 냉각된다. 제 2 보조 공기 스트림은 그중에 함유된 공기를 정류시키는데 적합한 온도를 갖도록 팽창 일(expansion work)을 통해 팽창시킴으로써 냉각된다. 이러한 팽창일의 적어도 일부는 열 교환기로부터 제거된 더욱 압축된 공기 스트림의 적어도 일부를 더욱 압축시키는데 적용된다.
제 1 및 제 2 보조 공기 스트림중의 공기는 액상 산소를 생성시키는 공기 분리 장치중에서 정류된다. 상기 공정의 에너지 수지를 유지하기 위해서 공정을 냉각시킨다. 필수적으로 산소로 구성된 액상 산소 스트림은 주위 온도로 완전히 가온되고 주 열교환기로부터 가스상 산소 생성물로서 추출되도록 주 열교환기중에서 기화된다.
관련분야에 공지된 바와 같이, 핀치 포인트 온도는 주 열교환기중에서 냉각되는 모든 스트림과 가온되는 모든 스트림사이의 온도의 차이가 최소가 되는 주 열교환기중의 온도를 나타낸다. 이런한 핀치 포인트 온도의 위 아래에서, 온도 차이 및 엔탈피는 발산함으로써 주 열교환기중에 열역학적 비가역성이 존재한다는 것을 입증한다. 이러한 열역학적 비가역성은 손실된 일을 나타내고 따라서, 생성된 산소 스트림을 기화시키는데 필요한 장치의 에너지 요구량을 나타낸다. 본 명세서 및 특허 청구 범위중에 사용된 이론적인 핀치 포인트 온도란 예를들면, 제 1 및 제 2 보조 공기 스트림이 결코 형성되지 않을 경우 존재할 수도 있는, 주 열교환기중의 집합된 저온의 스트림의 모의 실험을 통해서 측정된 핀치 포인트 온도를 의미한다. 이러한 경우에 있어서, 주 열교환기는 더욱 압축된 공기 스트림 모두가 주 열교환기중에서 완전히 냉각되는 선행기술의 열교환기로서 작동할 수도 있다. 선행기술상의 주 열교환기에 있어서, 온도대 엔탈피로서 가열 및 냉각 곡선을 그릴 경우, 이러한 곡선의 핀치 포인트 온도 및 발산은 쉽게 뚜렷하게 나타날 수도 있다. 하기 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 본 발명에 따라서 작동되는 주 열교환기의 냉각 및 가열 곡선을 선행기술과 비교할 경우, 곡선사이의 발산이 줄어들고 따라서, 펌핑된 액상 산소 스트림을 기화시키는데 사용되는 일의 손실되는 양이 감소한다는 것을 알 수 있다. 더욱 특히, 제 1 보조 공기 스트림은 이론적이 핀치 포인트 온도 및 제 1 보조 공기 스트림이 주 열교환기중으로 재도입되는 온도사이의 열역학적 비가역성을 감소시키고, 주 열교환기를 사용하지 않고 제 2 보조 공기 스트림을 회수하고 냉각시킴으로써 이론적인 핀치 포인트 온도이하에서 열역하적 비가역성이 감소한다는 것을 알 수 있다.
본 명세서 및 특허 청구 범위에서 사용된 주 열교환기란 반드시 단일한 플레이트 핀(plate fin) 열교환기를 의미하는 것은 아니다. 관련분야의 숙련인에게 공지된 주 열교환기는 스트림을 냉각시키고 가온시크는 작업을 병행하는 몇개의 유니트들로 구성될 수 있다. 관련분야에서 고압 및 저압 열교환기는 통상적으로 사용된다. 주 열교환기를 구성하는 유니트들은 모두 이론적인 핀치 포인트 온도를 가질 수도 있다. 본 명세서 및 특허 청구 범위에 사용된 완전히 냉각된 및 완전히 가온된이란 각각 정류온도로 냉각되고 주위온도로 가온된 것을 의미한다. 부분적으로 냉각된 또는 부분적을 가온된이란 용어에서 부분적으로는 완전히 냉각되고 가온되는 사이의 온도로 냉각되고 가온되는 것을 의미한다. 마지막으로, 이론적인 핀치 포인트 온도에 대해 근접한이란 이론적인 핀치 포인트로부터 ±50℃사이의 온도를 의미한다.
상기 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 공기를 분리시키는데에만 제한되지 않고 다른 산업적인 생성물을 저온 정류시키는데 사용할 수도 있다. 본 발명은 또다른 실시양태에서, 주 열교환기를 사용하는 저온 정류법에 의해서 압축된 기상 혼합물의 고휘발성 생성물로부터 분리된 다음 송출압력으로 펌핑된 저휘발성 생성물을 기화시키기 위한 방법을 제공한다. 주 열교환기는 압축된 기상 혼합물을 정류시키는데 적합한 온도로 냉각시킬 수 있도록 구성된다. 이러한 방법에 따라서, 압축된 기상 혼합물을 냉각시키기 전에, 냉각되는 압축된 기상 혼합물의 적어도 일부분은 더욱 압축되어 더욱 압축된 스트림을 형성한다. 더욱 압축된 스트림으로부터 압축열을 제거한다. 더욱 압축된 스트림의 적어도 일부분은 그가 이론적인 핀치 포인트 온도에 근접한 온도를 갖는 주 열교환기의 위치에서 주 열교환기로부터 제거된다. 더욱 압축된 스트림의 적어도 일부분의 적어도 일부분은 더욱 압축되어 제 1 보조 스트림을 형성한다. 제 1 보조 스트림은 이론적인 핀치 포인트 온도보다 높은 온도를 갖는 수준에서 주 열교환기중으로 재도입된다. 주 열교환기중으로 재도입된 다음, 제 1 보조 스트림은 정류시키는데 적합한 온도로 완전히 냉각된다. 냉각되는 압축된 기상 사트림의 적어도 일부는 주 열교환기로부터 제거되어 제 2 보조 스트림을 형성한다. 이어서, 제 2 보조 스트림은 주 열교환기를 사용하지 않고 정류시키는데 적합한 온도로 냉각된다. 제 2 보조 스트림은 팽창 일에 의해서 팽창시킴으로써 팽창된 후의 온도가 정류시키는데 적합하도록 냉각된다. 팽창 일의 적어도일부는 더욱 압축된 스트림의 적어도 일부의 적어도 일부를 더욱 압축시키는데 적용된다. 저휘발성 생성물은 주 열교환기 중에서 기화된다.
또다른 실시양태에서, 본 발명은 공기로부터 송출압력에서 산소 생성물을 제조하기 위한 장치를 제공한다. 이러한 장치는 공기를 압축시키기 위한 주 압축기를 포함한다. 제 1 후냉각기는 공기로부터 압축열을 제거하기 위해서 압축기에 연결되어 있고 공기 정제수단은 제 1 후냉각기에 연결되어 있다. 공기의 적어도 일부를 압축시킴으로써 더욱 압축된 공기 스트림을 형성시키기 위한 고압 공기 압축기는 공기 정제 수단에 연결되어 있다. 압축된 공기 스트림으로부터 압축열을 제거하기 위한 제 2 후냉각기는 고압 공기 압축기에 연결된다. 주 열교환기가 제공된다. 주 열교환기는 제 1 및 제 2 통로를 갖는다. 제 1 통로는 제 1 및 제 2 구역을 포함하고 제 1 구역은 압축된 공기가 제 1 통로의 제 1 구역중으로 유동하도록 제 2 후냉각기에 연결된다. 제 1 보조 스트림이 배출된 다음 이론적인 핀치 포인트 온도에 근접한 온도를 갖도록 압축된 공기 스트림으로 구성된 제 1 및 제 2 보조 공기 스트림을 통로의 제 1 구역으로부터 배출시키기 위한 수단이 제공된다. 압축된 제 1 보조 공기 스트림을 수용하기 위해서 이론적인 핀치 포인트 온도보다 높은 온도를 갖는 주 열교환기의 위치에 유입구가 제공된다. 제 1 통로의 제 2 구역은 유입구와 연결되고 제 1 보조 공기 스트림이 주 열교환기중에서 완전히 냉각되도록 위치한다. 열 펌프 압축기는 제 1 보조 공기 스트림을 압축시키기 위해서 주 열교환기의 배출수단 및 유입구사이에 연결되고 팽창 일에 의해서 제 2 보조 공기 스트림을 팽창시키기 위한 팽창 수단이 제공된다. 팽창수단은 팽창 일의 적어도 일부가 열 펌프 압축기를 가동시키도록 열 펌프 압축기에 연결된다. 공기를 정류시킴으로써 액상 산소를 제조하기 위해서 공기 정류수단이 팽창수단 및 주 열교환기의 제 1 통로의 제 2 구역에 연결된다. 액상산소를 송출압력을 펌핑시킴으로써 펌핑된 액상 산소 스트림을 형성시키기 위해서 펌프가 공기 정류수단에 연결된다. 펌핑된 액상 산소 스트림이 제 1 통로중에서 압축된 공기 스트림과 역방향으로 유동함으로써 기화되어 가스상 상소 생성물을 형성시킬 수 있도록 펌프가 주 열교환기의 제 2 통로에 연결된다. 에너지 수지가 유지되도록 장치를 냉각 시키기 위해서 냉각수단이 제공된다.
본 출원은 특허 청구 범위에 의해서 본 출원인이 발명으로서 간주하는 것들을 명백하게 지적하지만, 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명을 더욱 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
도면에서, 본 발명에 따른 방법을 수행하는 공기 분리 장치(10)이 예시되어 있다.
정류되는 공기는 주 압축기(12)중에서 압축되어 압축된 공기 스트림(13)을 형성한다. 전형적으로 수냉식인 제 1 후냉각(14)에 의해서 압축열을 압축된 공기 스트림(13)으로부터 제거한 다음, 압축된 공기 스트림(13)을 공기 예비 정제 유니트(16)에 의해서 정제하여 이산화탄소, 수분 및 탄화수소를 공기로부터 제거한다. 더욱 압축된 공기 스트림(20)을 형성시키기 위해서 고압 압축기(18)을 공기 예비 정제 유니트(16)에 연결한다. (더욱 압축된 공기 스트림으로부터 압축열을 제거하기 위한) 제 2 후냉각기(22)를 통과한 다음, 더욱 압축된 공기 스트림(20)은 주 열교환기(24)중으로 도입된다. 주 열교환기(24)는 더욱 압축된 공기 스트림(20)이 제 1 구역(26a) 및 제 2 구역(26b)를 갖는 제 1 통로(26)중으로 유동하도록 제 2 후냉각기(22)와 연결된 제 1 통로(26)을 갖는다. 하기 논의되는, 펌핑된 액상 산소 스트림을 기화시키기 위해서 제 2 통로(28)이 제공된다. 제 1 통로(26)의 제 1 구역(26a)에는 주 열교환기(24)로부터제 1 및 제 2 부조 공기 스트림 (30) 및 (32)를 배출시키기 위해서 유출구가 제공된다. 제 1 보조 공기 스트림(30)은 열 펌프 압축기(34)중에서 더욱 압축된다. 더욱 압축된 스트림(36)은 이론적인 핀치 포인트 온도보다 높은 열 교환기(24)의 수준에 위치한 유입구에 의해서 주 열교환기(24) 및 제 1 통로(26)의 제 2 구역(26b)중으로 도입된다. 동시에, 제 2 보조 공기 스트림(32)는 주 열교환기(24)를 사용하지 않고 정류시키기에 적합한 온도로 냉각되는 제 2 보조 공기 스트림(32)를 충분히 터보팽창시키는 터보팽창기(38)중으로 도입된다. 터보팽창기(38)은 열 펌프 압축기(34)에 연결된 전기 모터를 구동시키는 전기를 발생시키는데 사용되고 터보팽창기(38)에 연결된, 발전기에 의해서 기계적으로 또는 전자-기계적으로 열 펌프 압축기(34)에 연결된다. 열 펌프 압축기(34)를 구동시키는데 필요한 에너지이상의 에너지가 터보팽창기(38)에 의해서 생성될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 경우, 과량의 에너지는 장치중의 다른위치에 적용될수도 있다. 예를들면, 터보팽창기(38)에 연결된 발전기에 의해서 발생된 과량의전기는 장치중에서 전기를 필요로하는 다른 위치에 사용될 수도 있다.
상기 기술된 바와 같이, 서로 연결된 압축기(34) 및 터보팽창기(38)중에서 제 1 및 제 2 보조 공기 스트림의 제거 및 이들을 이용함으로써, 이론적인 핀치 포인트 온도 위아래에서 주 열교환기(24)의 열적비가역성이 최소화된다. 이는 하기 더욱 상세하게 기술된다.
공기 분리장치 또는 임의의 다른 저온 정류법은 지금까지 기술된 바와 같이 작동시킬 수 있지만, 모든 공기를 고압 공기 압축기(18)중에서 압축시키는 것보다, 공기 예비-정제 유니트(16)을 통과시킨 다음, 압축된 공기 스트림(13)을 제 1 및 제 2 부분 스트림(40) 및 (42)로 분리시키는 것이 바람직하다. 제 1 부분 스트림(40)은 고압 공기 압축기 (18)중에서 더욱 압축된다. 제 2 부분 스트림(40)은 고압 공기 압축기 (18)중에서 더욱 압축된다. 제 2 부분 스트림(42)는 제 3 및 제 4 보조 공기 스트림(44) 및 (46)으로 분리된다. 제 3 보조 공기 스트림(44)는 주 열교환기(24)의 제 3 통로(48)중에서 완전히 냉각된다(제 3 통로는 이러한 목적을 위해서 제공된 것이다.) 제 4 보조 공기 스트림(46)은 냉각 부스터 압축기(50)중에서 더욱 압축되고 압축열은 후냉각기(52)에 의해서 제거된다. 제 4 보조 공기 스트림(46)은 제 4 통로(54)에 의해서 주 열교환기(48)중에서 부분적으로 냉각된다. (제 4 통로는 이러한 목적을 위해서 제공된 것이다). 이어서, 제 4 보조 공기 스트림(46)은 주 열교환기(24)로부터 회수되고 냉각 부스터 압축기(50)에 연결된 냉각 터보팽창기(56)을 통과한다. 이어서, 냉각 터보팽창기(56)의 배기는 제 5 통로(58)을 통해서 주 열교환기(24)로 활용된다. 주 열교환기(24)에는 또한 폐질소 스트림을 주위 온도로 완전히 가온시키고(이는 하기 더욱 상세하게 기술된다) 예비-정제유니트(16)을 재생시키기 위해서 제 6 통로(60)이 제공된다.
제 2 도에서, 선행기술의 열교환기의 온도 및 엔탈피 특성이 도시되어 있다. 이러한 도면을 유도하기 위해서 사용된 열교환기는 더욱 압축된 스트림 모두가 주 열교환기중에서 정류온도로 완전히 냉각된다는 점과 이들이 제거되지 않고 제 1 및 제 2 보조 공기 스트림 (30) 및 (32)를 형성한다는 점을 제외하고 상기 기술된 열교환기와 유사하다. 곡선 A는 주 열교환기중에서 냉각되는 모든 스트림, 예를들면, 모든 공기 스트림의 합이다. 곡선 B는 주 열교환기중의 별개의 지점에서 가온되는 스트림, 예를들면, 가압된 산소 및 폐질소 스트림의 엔탈피 및 온도의 합을 나타낸다. 고온 및 저온의 스트림사이의 열전달을 위해서 주열교환기중의 임의의 점에서 스트림사이에 온도차이가 있어야 한다. 냉각되는 스트림은 가온되는 스트림보다 높은 온도를 가져야 한다. 핀치 포인트 온도 C에 도달할 경우라도 최소의 온도차이는 존재한다. 곡선사이의 거리, 예를들면, 핀치 포인트 온도상의 거리 D 및 핀치 포인트 온도아래의 거리 E는 이러한 주 열교환기중에 고유의 열역하적 비가역성을 나타낸다. 이러한 열역학적 비가역성은 손실된 일을 나타내고, 이는 초과 일로서 전환된다.
제 3 도에서, 주 열교환기(24)의 온도-엔탈피 특성이 도시되어 있다. 제 2 도의 열교환기의 핀치 포인트 온도는 상기 논의된 이유로 인해서 열교환기(24)의 이론적인 핀치 포인트 온도이라는 것을 주목하여야 한다. 제 3 도의 곡선이 제 2 도의 곡선보다 근접하다는 것은 즉시 알 수 있다. 곡선 A'는 냉각되는 모든 스트림, 예를들면, 통로(26)을 통과하는 더욱 압축된 공기 스트림(20) 및 통로(48)을 통과하는 제 3 보조 공기 스트림(44)의 합성곡선이다. 곡선 B'는 주 열교환기중의 임의의 점에서 가온되는 모든 스트림, 즉, 통로(28)을 통과하는 산소 스트림(94) 및 통로(60)을 통과하는 폐질소 스트림(92)의 온도-엔탈피 특성의 합이다. (제 2 도의 주 열교환기에서 고려한 지점과 동일한 지점의) 주 열교환기(24)에서, 이론적인 핀치 포인트 온도 C'보다 높은 지점 D'에서의 온도차이, 및 이론적인 핀치 포인트 온도 C'보다 낮은 지점 E'에서의 온도차이는 가압된 산소 생성물을 전달하는데 사용되는 선행기술의 열교환기에서의 온도차이보다 훨씬 작다는 것을 알 수 있다. 따라서, 생성물로서 주 열교환기로부터 펌핑되는 산소 스트림을 동일한 속도로 기화시키기 위해서 선행기술의 동등한 압축기보다 적은 에너지가 고압 압축기(18)에 공급된다. 열 전달 온도가 감소할수록 온도차이를 작게 유지하는 것이 중요하다.
공정의 흐름에 대한 설명으로 돌아가서, 공기 스트림은 냉각된후, 응축기-리보일러(68)에 의해서 서로 열전달되는 고압 칼럼(64) 및 저압 칼럼(66)이 제공된 공기 분리유니트(62)중에서 정류된다. 도입되는 공기는 정류시키는데 적합한 온도, 즉, 이슬점 또는 그에 근사하게 냉각되고, 고압 칼럼으로 도입되어 칼럼 기부 생성물로서 산소가 풍부한 액체가 형성되고 질소가 풍부한 탑 오버헤드 생성물이 형성되어 이를 응축기-리보일러(68)에 의해서 저압 칼럼의 기부에 수집되는 액상 산소를 기화시키면서 응축시켜 고압 및 저압 칼럼에 대한 환류물을 제공한다. 저압 칼럼(66)은 질소 증기 탑 오버헤드 생성물을 생성시킨다.
제 1 보조 공기 스트림(36)은 완전히 냉각된 후, 더욱 냉각시키기 위해서 고압 칼럼(64)의 기부중에 위치하는 열교환기(70)중으로 도입된다. 이어서, 제 1 보조 공기 스트림(36)은 주울-톰슨(Joule-Thompson) 밸브(72)에 의해서 고압 칼럼(64)의 압력으로 감압된 다음, 고압 칼럼(64)로 도입되어 정류된다. 열교환기(70)은 고압 칼럼(64)를 추가적으로 비등시키기 위해서 고압 칼럼(64)의 기부에 수집되는 산소가 풍부한 액체를 기화시키면서 공기를 냉각시킨다.
팽창기(38)에 의해서 팽창된 제 2 보조 공기 스트림(32)는 완전히 냉각된 제 3 보조 공기 스트림(44)와 혼합되고 정류시키기 위해 고압 칼럼(64)의 기부중으로 도입된다. 주 열교환기(24)의 제 5 통로(58)중에서 완전히 냉각된 제 4 보조 공기 스트림(46)은 정류시키기 위해서 저압 칼럼(66)중으로 도입된다.
공기 분리 유니트(62)는 통상적인 2중 칼럼 방식으로 작동된다. 고압 칼럼(64)에는 참조번호(74)로 표시된 접촉요소, 예를들면, 조직적으로 구성된 패킹, 트레이, 랜덤 패킹등이 제공된다. 저압 칼럼(66)에는 참조번호(76)으로 표시된 접촉요소가 제공된다. 각각의 칼럼 중에서, 기상 혼합물이 상승함에 따라 휘발성이 더욱 높은 성분, 즉 질소가 더욱 풍부하게 된다. 액상은 칼럼중에서 하강함에 따라 휘발성이 더욱 낮은 성분, 즉 산소가 더욱 농축된다. 접촉요소(74) 및 (76)은 이들 두성분을 증류시키기 위해서 밀접하게 접촉시킨다.
고압 칼럼(78)의 산소가 풍부한 기부 생성물은 조 산소 스트림(78)로서 회수된다. 조 산소 스트림(78)은 비냉각기(80)중에서 비냉각되고 저압 칼럼(66)으로 도입되기전에 주울-톰슨 밸브(82)에 의해서 저압 칼럼(66)의 압력으로 감압된다. 고압 칼럼(64)의 응축된 질소가 풍부한 탑 오버헤드 생성물은 스트림(84) 및 (86)으로 분리되어 고압 칼럼(64) 및 저압 칼럼(66)을 각각 환류시키는데 사용된다. 스트림(86)도 또한 비냉각기(80)중에서 비냉각되고, 주울-톰슨 밸브(87)에 의해서 저압 칼럼(66)의 압력으로 감압되고, 저압 칼럼(66)의 상부로 도입된다. 거의 액상 공기의 조성을 갖는 환류 스트림(88)은 고압 칼럼(64)로부터 회수되고 비냉각기(80)을 통과한다. 이어서, 이러한 환류 스트림은 저압 칼럼(66)에 도입되기 전에 주울-톰슨 밸브(90)을 통과하여 감압된다. 이러한 환류 스트림(88)은 고압 칼럼(64) 및 저압 칼럼(66)중에서 환류조건을 최적화시키는 작용을 한다. 저압 칼럼(66)에서 생성된 질소 증기 탑 오버헤드 생성물로 구성된, 폐질소는 질소 스트림(92)로서 제거된다. 폐질소 스트림(92)는 비냉각기(80)중에서 부분적으로 가온된 다음, 제 6 통로(60)중으로 도입된다. 이어서, 폐질소 스트림(92)는 장치로부터 방출될 수 있으나, 도시된 바와 같이 정제 유니트(16)에 공급되어 재순환 된다.
산소 생성물은 저압 칼럼(66)으로부터 액상 산소 스트림(94)를 제거하고 펌프(96)에 의해서 송출압력을 펌핑시킴으로써 제공된다. 펌프(96)은 제 2 통로(28)과 연결되고, 여기서, 펌핑된 액상 산소 스트림중의 산소는 기화되어 가압된 기상 산소 생성물을 생성시킨다.
실시예
하기 계산된 실시예에서, 1067.7Nm3/min의 산소 생성물(순도 약 95%)이 약 46.2바의 압력에서 생성된다. 고압 칼럼 및 저압 칼럼의 상세한 작동방법은 통상적인 것이고 본원에는 기술하지 않는다. 1.43바의 압력 및 약 -180.1℃의 온도에서 펌핑된 산소 스트림(94)는 약 42.8바의 압력 및 약 -177.8℃의 온도에서 주 열교환기(24)중으로 도입된다. 폐질소 스트림(92)는 약 3772.5Nm3/min의 유속 및 -175.6℃의 온도에서 주 열교환기중으로 도입된다.
선행기술 및 장치에 의해서 동일하게 산소를 생성시키기 위해서, 액상 산소를 기화시키기 위해서 더욱 압축된 공기 스트림은 약 74.48바의 압력 및 1761.3Nm3/min의 유속을 가질 수도 있다.
2중의 공기 분리컬럼을 사용하여 본 발명의 방법 및 장치를 예시하였지만, 단일 칼럼의 산소 발생기를 사용할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 상기 언급한 바와 같이, 본 발명은 펌핑된 액상 생성물이 주 열교환기중에서 기화되는 임의의 저온 정류 방법을 사용할 수도 있다.
또한, 제 1 및 제 2 보조 스트림 (30) 및 (32)는 주 열교환기 (24)중의 각각 다른 지점으로부터 제거되지만, 경우에 따라서, 이들을 동일한 온도수준에서 제거할 수도 있다. 또한, 제 2 보조 스트림(32)는 더욱 압축된 공기 스트림(20)의 일부로부터 형성되지만, 이는 또한 주열교환기(24)중에서 냉각되는 또다른 공기 스트림으로부터 형성될 수도 있거나, 또는 공기 분리용이 아닌, 기상 혼합물을 함유하고 주 열교환기로부터 냉각되는 다른 공정의 스트림으로부터 형성될 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시양태를 기술하였지만, 관련분야의 숙련인이라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다양한 변화가 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (6)

  1. 공기를 압축시키고, 압축된 공기로부터 압축열을 제거하고, 공기를 정제시키고; 주 열교환기중에서 공기를 냉각시키고; 상기 냉각전에, 냉각되는 공기의 적어도 일부분을 더욱 압축시켜 더욱 압축된 공기 스트림을 형성시키고, 더욱 압축된 공기 스트림으로부터 압축열을 제거하고; 상기 더욱 압축된 공기 스트림의 적어도 일부분을 주 열교환기에서 결정된 이론적인 핀치 포인트 온도에 근접한 온도를 갖는주 열교환기의 위치에서 제거하고, 주 열교환기로부터 제거된 더욱 압축된 공기 스트림의 상기 적어도 일부분의 적어도 일부를 더욱 압축시켜 제 1 보조 공기 스트림을 형성시키고, 제 1 보조 공기 스트림을 상기 이론적인 핀치 포인트 온도보다 높은 온도를 갖는 수준에서 주 열교환기중으로 재도입시키고; 주 열교환기중으로 재도입된 제 1 보조 공기 스트림을 정류시키기에 적합한 온도로 완전히 냉각시키고; 주 열교환기로부터 냉각된 공기의 일부를 제거함으로써 제 2 보조 공기 스트림을 형성시키고, 상기 제 2 보조 공기 스트림을 주 열교환기를 사용하지 않고 정류시키기에 적합한 온도로 냉각시키고; 제 2보조 공기 스트림을 팽창 일에 의해서 팽창시킴으로써 냉각시키고; 상기 팽창 일의 적어도 일부를 주 열교환기로부터 제거된 상기 더욱 압축된 공기 스트림의 적어도 일부분의 적어도 일부를 더욱 압축시키는데 적용하고; 제 1 및 제 2보조 공기 스트림중의 공기를 액상 산소를 생성시키는 형태의 공기 분리 유니트중에서 정류하고, 공정사이의 에너지 수지를 유지하기 위해서 공정에 냉각공정을 적용하고; 공기 분리 유니트로부터 필수적으로 액상 산소로 구성된 액상 산소 스트림을 제거하고, 액상 산소 스트림을 송출압력으로 펌핑하고, 상기 액상 산소 스트림이 주위 온도로 완전히 가온되도록 주 열교환기중에서 기화시키고, 상기 액상 산소 스트림을 주 열교환기로부터 기상 산소 생성물로서 추출함을 포함하는, 공기를 분리시킴으로써 송출압력에서 기상 산소를 생성시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 더욱 압축된 공기 스트림 모두를 주 열교환기로부터 제거하고; 주 열교환기로부터 제거된 다음 팽창되는, 냉각될 공기의 상기 일부분이 주 열교환기로부터 제거되는 더욱 압축된 공기 스트림의 일부를 포함하고; 주 열교환기로부터 제거되어 더욱 압축되는, 더욱 압축된 공기 스트림의 적어도 일부분의 상기 적어도 일부가 주 열교환기로부터 제거된 더욱 압축된 공기 스트림의 잔류하는 부분을 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공기 분리 유니트가, 액상 산소 컬럼 기부 생성물 및 질소 증기 탑 오버헤드생성물이 저압 컬럼에서 생성되고, 산소가 풍부한 액체 컬럼 기부 생성물 및 질소가 풍부한 증기 탑 오버헤드 생성물이 고압 컬럼에서 생성되며, 고압 컬럼에서 질소가 풍부한 액체 탑 오버헤드 생성물을 생성시키기 위해서 질소가 풍부한 증기 탑 오버헤드 생성물을 응축시키면서 액상산소 컬럼 기부 생성물을기화시키도록, 고압 및 저압 컬럼이 서로 열전달될 수 있도록 연결된 2중 컬럼을 포함하고; 각각, 산소가풍부한 액체 컬럼 기부 생성물 및 질소가 풍부한 액체 탑 오버헤드 생성물로 구성된 조 액상 산소 스트림 및 질소가 풍부한 액상 스트림을 고압 컬럼으로부터 회수하고, 비냉각시키고, 저압 컬럼의 압력으로 감압시키고; 조 액상 산소 스트림을 더욱 정제시키기 위해서 저압 컬럼중으로 도입하고, 질소가 풍부한 액상 스트림을 환류물로서 저압 컬럼증으로 도입하고; 액상 산소 스트림을 저압 컬럼으로부터 회수하고; 저압 컬럼으로부터 질소 증기 탑 오버헤드 생성물로 구성된 질소 증기 스트림을 제거하고, 조 액상 산소 스트림 및 질소가 풍부한 액체 스트림과 함께 열교환기를 통해서 부분적으로 가온함으로써 조 액상 산소 및 질소가 풍부한 액체 스트림을 냉각시킨 다음, 주열교환기중으로 도입시키고 그중에서 완전히 가온하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 공기를 정제시킨 다음, 제 1 및 2 부분 스트립으로 분리시키고; 냉각되고 더욱 압축되는 공기의 일부가 제 1부분 스트림을 포함하고, 더욱 압축된 공기 스트림을 실질적으로 모두 상기 주 열교환기로부터 제거하고; 주 열교환기로부터 제거되어 냉각된 다음 더욱 팽창되는 공기의 상기 일부분이 주 열교환기로부터 제거된, 더욱 압축된 공기 스트림의 일부분을 포함하고, 주 열교환기로부터 제거되어 더욱 압축되는, 더욱 압축된 공기의 적어도 일부분의 상기 적어도 일부가 주 열교환기로부터 제거된 더욱 압축된 공기 스트림의 잔류하는 일부를 포함하고; 제 2 부분 스트림이 제 3 및 제 4 보조 공기 스트림으로 분리되고; 제 3 보조 공기 스트림이 주 열교환기중에서 완전히 냉각되고; 제 4 보조 공기 스트림이 더욱 압축되고, 압축된 제 4 보조 공기 스트림으로부터 압축열을 제거한 다음, 팽창 일에 의해서 팽창시키고, 주 열교환기중에서 더욱 냉각시키고; 제 1 보조 스트림을 완전히 냉각시킨 다음, 제 5 및 제 6 보조 공기 스트림으로 분리하고, 제 2 및 제 5 보조 공기 스트림을 고압 컬럼으로 도입하고 제 6 보조 공기 스트림을 질소 증기 스트림을 부분적으로 가열하면서 비냉각시키고, 저압 컬럼의 압력으로 감압시키고 저압 컬럼으로 도입하고; 제 4 보조 공기 스트림을 저압 칼럼으로 도입하는 방법.
  5. 압축된 기상 혼합물을 냉각시키기 전에, 냉각되는 압축된 기상 혼합물의 적어도 일부분을 더욱 압축시켜 더욱 압축된 스트림을 형성시키고 이로부터 압축열을 제거하고; 더욱 압축된 스트림이 이론적인 핀치 포인트 온도에 근접한 온도를 갖는 주 열교환기의 위치에서 더욱 압축된 스트림의 적어도 일부를 주 열교환기로부터 제거하고, 주 열교환기로부터 제거된 더욱 압축된 스트림의 적어도 일부분의 적어도 일부를 더욱 압축하여 제 1 보조 스트림을 형성시키고, 제 1 보조 스트림을 이론적인 핀치 포인트 온도보다 높은 온도를 갖는 수준에서 주열교환기중으로 재도입시키고; 상기 제 1 보조 공기 스트림을 주 열교환기중으로 재도입한 다음, 정류시키기에 적합한 온도로 완전히 냉각시키고; 냉각되는 압축된 기상 혼합물의 일부를 주 열교환기로부터 제거하여 제 2 보조 스트림을 형성시키고, 이를 주 열교환기를 사용하지 않고 정류시키기에 적합한 온도로 냉각시키고; 제 2 보조 스트림을 팽창후의 온도가 정류시키기에 적합한 온도를 갖도록 팽창 일에 의해서 팽창시킴으로써 냉각시키고; 상기 팽창 일의 적어도 일부분을 더욱 압축된 스트림의 적어도 일부분의 적어도 일부를 더욱 압축시키는데 적용시키고; 주 열교환기중에서 휘발성이 더욱 낮은 생성물을 기화시킴을 포함하는, 압축된 기상 혼합물을 정류시키기에 적합한 온도로 냉각시키는 형태의 주 열교환기를 사용하는 저온 정류법에 의해서, 압축된 기상 혼합물중의 휘발성이 더욱 높은 생성물로부터 분리후 송출압력으로 펌핑된 저휘발성 생성물을 기화시키기 위한 방법.
  6. 공기를 압축시키기 위한 주 압축기; 압축된 공기로부터 압축열을 제거하기 위해서 상기 압축기에 연결된 제 1 후냉각기; 공기를 정제시키기 위해서 상기 제 1 후냉각기에 연결된 공기 예비-정제수단; 상기 공기의 적어도 일부를 더욱 압축시킴으로써 더욱 압축된 공기 스트림을 형성시키기 위해서 상기 공기 예비-정제 수단에 연결된 고압 공기 압축기; 더욱 압축된 공기 스트림으로부터 압축열을 제거하기 위해서 부스터(booster) 압축기에 연결된 제 2 후냉각기; 상기 압축된 공기 스트림이 상기 제 1 구역에 유입되도록 제 2 후 냉각기에 연결된 제 1 구역 및 유입구와 연결되고 제 1 보조 공기 스트림이 완전히 냉각되도록 위치한 제 2 구역을 포함하는 제 1 통로, 적어도 제 1 보조 공기 스트림이 배출된 후 주 열교환기에서 결정된 이론적인 핀치 포인트 온도에 근접한 온도를 갖도록 제 1 통로의 제 1 구역으로부터 압축된 공기 스트림으로 구성된 제 1 및 제 2 보조 공기 스트림을 배출시키기 위한 수단인 제 2 통로, 및 압축된 제 1 보조 공기 스트림을 도입하기 위해서 이론적인 핀치 포인트 온도보다 놓은 온도를 갖는 주 열교환기의 위치에 위치한 유입구를 갖는 주 열교환기; 제 1 보조 공기 스트림을 압착시키기 위해서 주 열교환기의 배출수단 및 그의 유입구사이에 연결된 열 펌프 압축기; 팽창 일에 의해서 제 2 보조 공기 스트림을 팽창시키고, 팽창 일의 적어도 일부가 열 펌프 압축기를 가동시키도록 열 펌프 압축기에 연결된 팽창수단; 공기를 정류시킴으로써 액상 산소를 생성시키기 위해서 상기 팽창수단 및 주 열교환기의 제 1 통로의 제 2 구역에 연결된 공기 정류수단; 액상 산소를 펌핑함으로써 펌핑된 액상 산소 스트림을 형성시키기 위해서 공기 정류수단에 연결되고, 펌핑된 액상 산소 스트림이 제 1 통로중에서 압축된 공기 스트림의 방향과 반대 방향으로 유동함으로써 기화되어 기상 산소 생성물을 생성시키도록 주 열교환기의 제 2 통로에 연결된 펌프; 및 장치의 에너지 수지가 유지되도록 장치에 냉각공정을 적용하기 위한 냉각수단을 포함하는, 송출압력에서 공기로부터 산소 생성물을 생성시키기 위한 장치.
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