KR0144128B1 - 승압제품을 제조하기 위한 저온정류시스템 - Google Patents

승압제품을 제조하기 위한 저온정류시스템

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쥴리안 로버츠 마크
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조운 이. 페더리시
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Abstract

본 발명은 승압제품을 제조하기 위한 저온정류시스템에 관한 것으로서, 2개 칼럼시스템중에서 압력이 보다 낮은 걸럼이 승압상태로 작동되고, 압력이 보다 낮은 칼럼의 상부로부터 취해진 질소-함유 유체를 이용하여 공장(plant)의 냉각을 발생시키고 공급물질 정제용 흡착베드를 재생시켜서 공급물질을 팽창시킬 모든 필요성을 배제하게 된다.

Description

승압제품을 제조하기 위한 저온정류시스템
제1도는 본 발명의 바람직한 한가지 구체예에 대한 개략적 흐름도이고,
제2도는 터보팽창기-압축기의 결합장치를 이용하는 본 발명의 한가지 구체예에 대한 개략적 흐름도이고,
제3도는 터보팽창기-압축기의 결합장치를 이용하는 본 발명의 다른 구체예에 대한 개략적 흐름도이며,
제4도는 본 발명의 저온정류시스템의 한가지 바람직한 구체예에 의해 취할 수 있는 장점을 그래프로 나타낸 것이다.
본 발명은 예컨데 공기와 같이 산소와 질소로 이루어진 혼합물은 저온증류시키는 것에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온정류로부터 승압(elevated pressure) 제품을 제조하는 것에 관한 것이다.
산소 및 또는 질소를 제조하기 위해 예컨대 공기와 같은 혼합물을 저온분기시키는 것은 널리 확립된 산업공정이다. 액체와 증기를 1개 이상의 칼럼을 통해 향류접촉으로 통과시키면 산소와 질소간의 증기압차로 인해 질소가 증기상태로 농축되고 산소가 액체상태로 농축된다. 분리컬럼내에서 압력이 낮아질수록 증기압의 차이에 의해 산소와 질소로 분리시키기가 용이해진다. 따라서, 산소제품 및/또는 질소제품으로의 최종적인 분리공정은 대개 평방 인치당(psi) 단 수 파운드로 대기압 이상의 비교적 낮은 압력에서 수행된다.
산소제품 및/또는 질소제품은 승압상태로 필요하게 될 경우도 있다. 이러한 상황에서는, 제품을 압축기내에서 원하는 압력까지 가압하게 된다. 이러한 압축은 제품의 압축기에 대한 금전적 비용뿐만 아니라 에너지 비용의 면에 있어서도 비용이 필요하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 산소 및/또는 질소의 제조를 위한 개선된 저온 정류시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 산소 및/또는 질소를 승압하에서 제조함으로써, 기체제품을 압축시킬 필요성을 배제하거나 감소시킬 수 있게 되는 산소 제품 및/또는 질소제품의 개선된 저온정류시스템을 제공하는 것이다.
본 명세서의 설명에 의해 당업자에게 명백한 인식될 수 있는 상기 목적들은 후술되는 본 발명의 일면에 의해 달성될 수 있다.:
승압제품의 제조를 위해 다음과 같은 단계로 이루어지는 저온정류방법:
(A)산소와 질소로 이루어진 공급물을 정제용 흡착베드를 통해 통과시켜서 공급물로부터 베드로 흡착될 수 있는 오염물질을 제거함으로써 청정한 공급물질을 제조하는 단계; (B)청정한 공급물을 냉각시키고, 냉각된 청정공급물을 고압(high pressure)컬럼에 통과시켜서, 공급물질을 질소-강화 유체와 산소-강화 유체로 저온정류시킴으로써 분리하는 단계; (C)고압컬럼으로부터 질소-강화 유체와 산소-강화 유체를 고압컬럼보다는 낮고 최소한 20psia 이상인 압력으로 작동되는 승압컬럼으로 이송시켜서 승압컬럼내에서 저온정류에 의해 질소-강화 유체와 산소-강화 유체를 제조하는 단계; (D)승압컬럼의 상부로부터 질소-함유 유체를 제거하고, 질소-함유 유체를 터보팽창시켜서 정류작용을 발생시킨 다음, 생성된 질소합유 유체를 공급물질과 함께 간접열교환기에 통과시켜서 공급물질을 냉각시키는 단계; (E)질소-함유 유체를 승압컬럼으로부터 정제기의 흡착베드를 거쳐 통과시킴으로써 베드를 재생시키는 단계; 그리고(F)질소가 풍부한 유체와 산소가 풍부한 유체중의 최소한 한가지를 승압컬럼으로부터 승압제품으로서 회수하는 단계.
다음과 같이 구성부분으로 이루어지는 저온정류시스템;
(A)정류기 흡착베드, 1차 열교환기, 그리고 공급물질을 정제기 흡착 베드로부터 1차 열교환기로 이송시키는 수단; (B)제1컬럼과 제2컬럼으로 이루어지는 칼럼 시스템, 공급물질을 1차 열교환기로부터 제1컬럼으로부터 이송시키는 수단, 그리고 유체를 제1컬럼으로부터 제2컬럼으로 이송시키는 수단; (C)제2컬럼이 상부로부터 유체를 흡수하는 수단; (D)터보팽창기, 제2컬럼의 상부로부터 흡수된 유체를 터보팽창기로 이송시키는 수단, 그리고 터보팽창기로부터의 팽창된 유체를 1차 열 교환기에 통과시키는 수단; (E)제2컬럼의 상부로부터 흡수된 유체를 정제기의 흡착베드로 이송시키는 수단; 그리고(F)유체제품을 제2컬럼으로부터 회수하는 수단.
본 명세서에서, 컬럼음 증류컬럼이나 증류영역, 또는 분획화 칼럼이나 분획화 영역을 의미하는데, 이는 다시 말하자면, 예를들어서 증기상과 액상을 예컨대 수직방향으로 공간을 구비하는 트레이(tray )나 칼럼내에 탑설된 판이 일련적으로 구성된 것과 같은 증기-액체 접촉부재상에서, 및/또는 예컨데 구조화된 패킹 부재상에서, 및/또는 랜덤 패킹 부재 상에서 접촉시킴으로써 유체 혼합물을 분리시키게 되는 접촉용
칼럼 또는 접촉용 영역을 의미한다. 증류컬럼에 관하여 더욱 상세하게 논의하기 위해서 R.H. Perry 와 C.H Chilton 의 Chemical Enginner's Handbook 5th ed. McGraw-Hill Book Company, New york, Section 13, Distillation B.D. Smith 등, pp13-3, The continuous Diatillation Process을 참조하기 한다. 이중컬럼은, 칼럼의 상부에 있는 단부가 하부단부의 보다 낮은 압력의 칼럼과 열교환관계에 있게 되는 보다 높은 압력의 켤럼을 의미하는 것으로 사용된다. 이중칼럼에 대한 더 상세한 설명은 Ruheman 의 기체의 분리 , Oxford University Press ,1949, Chapter Ⅶ, Commercial Air Separation을 참조하기로 한다.
증기 및 액체 접촉 분리방법은 성분들의 증기압차에 의존한다. 증기압이 높은(또는 휘발성이 강하거나 비등점이 낮은 )성분은 증기상에 농축되려는 경향이 있고, 증기압이 낮은(또는 휘발성이 약하거나 비등점이 높은)성분은 액상에 농축되려는 경향이 있다. 증류는, 액체 혼합물을 가열하여 증기상내에는 휘발성 성분(들)을 농축시키고 액상내에는 휘발성 성분(들)을 감소시키는 분리방법이다. 부분응축은, 증기혼합물을 냉각시켜서 증기상내에는 휘발성 성분(들)을 농축히키고 액상에는 휘발성 성분(들)을 감소시키는 분리방법이다. 정류, 또는 연속적 증류는 증기상과 액상의 역류처리에 의해 얻어지는 연속적 부분 증발 및 응축과 결합된 분리공정이다. 증기상과 액상의 역류접촉은 단열적이고, 상(phase )들간의 전체적(integral)또는 부분적(differential)접촉 일 수 있다. 혼합물을 분리시키는 정류의 원리를 이용하는 분리공정치는 정류컬럼, 증류컬럼 또는 분획화 칼럼이라고 호칭될 수 있다. 저온 정류방법은 예컨대 150°K 이하의 온도와 같은 저온상태에서 최소한 일부 이상으로 수행되는 정류방법이다.
본 명세서에서 간접 열교환은 2개 스트림 상호간에 물리적 접촉이나 혼합이 전혀 없는 열교환을 수행하게 되는 것을 의미한다.
본 명세서세서 아르곤 칼럼은 칼럼과, 아르곤이 함유된 공급물질이 포함되어 있고 공급물질보다 높은 농도의 아르곤을 함유한 제품을 제조하게 되는 최상부의 웅축기로 이루어진 시스템을 의미한다.
본 명세서에서 승압컬럼이나 제2컬럼의 상부는 칼럼의 절반이상 부분을 의미하고, 바람직하게는 상기 칼럼에 있어서 산소가 강화된 유체가 자체의 칼럼내로 통과해 들어가게 되는 지점위의 칼럼부분이다.
본 명세서에서 패킹은, 칼럼의 내장물질로 사용되어 액체의 표면영역이 액체-증기 2개상의 향류 흐름과정의 액체-증기 접촉시에 물질전달을 할 수 있도록 예정된 구성, 크기 및 형상을 가진, 모든 속이 비었거나 채워진 본체(body)이다.
본 명세서에서 구조화된 패킹은 각각의 부재들이 상호간에, 그리고 칼럼의 축에 대하여 특이적인 배향을 하고 있는 패킹을 의미한다.
본 명세서세서, 터보팽창은, 기체의 압력과 온도를 감소시켜서 냉각 효과를 얻기 위해 터빈을 통해 흐르는 고압기체의 흐름을 의미한다. 예컨대 발생기(gemerator ), 동력계(dynamometer )또는 압축기와 같은 적재장치는 전형적으로 에너지를 회수하기 위해 사용된다.
본 명세서에서 정제기 흡착베드는 흡착수단에 의해서 공급물질로부너 흔적 량의 탄화수소뿐만 아니라 공급물질로부터 흔적량의 탄화수소뿐만 아니라 이산화탄소와 습기까지도 제거하는 매질을 의미한다. 이 매질은 2개 이상의 평형베드에 함유되어 있다.
본 발명은 승압컬럼으로부터 승압상태로 제품을 제조하는 저온정류시스템에 관한 것이다. 칼럼의 상부로부터의 승압스트림은 공장식 냉각작용을 제공하도록 터보팽창된다. 이와같이 공급물질의 전부는 고압상태로 유지되고 제1차의 분리를 위해 예컨대 고압컬럼내로 운반될 수 있다. 칼럼으로부터의 유체는 자체의 승압 때문에 흡착베드 정제기를 재생시키기 위해 사용할 수도 있다.
이하에서는 도면을 참조로 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
제1도면에 있어서, 예컨대 공기와 같이 산소와 질소로 이루어진 공급물질(1)은 압축기(50)를 통과하여 압축되고 냉각기(2)를 거쳐 냉각됨으로써 압축열을 제거한 다음, 정제 흡착베드(51)를 통과하게 되는데, 여기에서는 공급물질로부터 예컨대 수증기, 이산화탄소 및 흔적량의 탄화수소를 제거하여 흡착베드 입자에 흡착시키게 된다. 설명의 명료성을 위한 목적으로, 제1도에서는 단일 흡착베드를 도시하였다. 실제의 실시에 있어서는 2개 이상의 흡착베드가 사용되는데, 여기에서 1개의 베드는 공급물질을 정제하기 위한 것이고, 다른 베드는 재생을 수행하기 위한 것이다. 그후에, 재생된 베드는 공급물질을 정제시키고 오염된 베드는 재생될 수 있도록 베드로의 흐름이 적절한 밸브장치에 의해 변화된다. 일반적으로, 사용된 흡착제는 예컨대 제올라이트 13x, 또는 13x와 알루미늄의 조합물질등과 같은 분자 시브(sieve)이다.
정결한 고압공급물질(3)은 도관수단에 의해서 흡착베드(51)로부터 1차 열교환기(53)로 이송되는데, 여기에서는 정결한 공급물질이 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와같이 정의된 터보팽창 스트림을 포함한 반송스트림과의 간접 열교환에 의해서 냉각된다. 정결한 냉각 고압공급물질(4)은, 이중컬럼 시스템중의 압력이 더 높은 칼럼이고 일반적으로 제곱인치당(psia)95 내지 250파운드 범위이내의 압력으로 작동되는 제1칼럼 또는 고압칼럼(54)으로 이송된다. 고압칼럼(54)내에서, 공급물질은 저온정류작용에 의해 질소-강화증기와 산소-강화 액체로 분리된다.
산소-강화 액체는 고압칼럼(54)으로부터 제거되어, 이중컬럼 시스템중의 저압칼럼인 제2칼럼 또는 승압컬럼(55)으로 이송된다. 제1도에 설명된 구체예에 있어서는 또한 아르곤 칼럼(57)이 포함되고 있고, 승압컬럼(55)에 이송시키기에 앞서 산소-강화 액체를 사용하여 아르곤 칼럼 최상부 응축기를 가동시킨다. 산소-강화 액체는 칼럼(54)으로부터 스트림(5)으로서 도출되고 열교환기(61)를 통과함으로서 냉각된 다음, 스트림(8)으로서 밸브(59)를 통과하여 아르곤 칼럼 최상부 응축기(62)로 이송되었는데, 여기에서는 응축 아르곤컬럼 최상부의 증기에 대항하여 부분적인 증발이 일어난다.
형성된 산소-강화 증기와 기존의 산소-강화 액체는 각각 스트림(9,10)으로서 칼럼(55)에 이송된다.
질소-강화 증기(40)는 칼럼(54)으로부터 제거되어 이중컬럼 주응축기(56)로 이송되는데, 여기에서는 재기화(reboiling)컬럼(55)바닥부에 대항하여 응축이 일어나게 된다. 질소-강화증기(40)의 부분(7)은 제1도에서 설명된 바와 같이 고압 질소 제품으로서 회수될 수 있는데, 제1도에서 부분(7)은 1차열교환기(53)를 통과함으로써 가온되고, 필요에 따라서는 스트림(32)으로써 회수하기에 앞서 압축기(66)에 의해 더욱 압축될 수도 있다. 질소-강화 액체(41)는 주응축기(56)으로부터 돌출되고, 부분(42)환류로서 칼럼(54)으로 귀환되며, 다른부분(6)은 열교환기(61)를 거쳐 냉각되고 밸브(60)를 통해 승압컬럼(55)내로 전달되어 칼럼을 환류시킨다. 부분(13)은 액체 질소제품으로서 회수될 수도 있다.
승압컬럼(55)은, 칼럼(54)이 작동되는 것보다는 낮지만 최소한 20 psia , 일반적으로는 25내지 90 psia 범위이내의 압력으로 작동된다. 이 방법에 있어서는 칼럼(55)에 의해 제조된 제품이 승압상태에 있으므로 제품을 압축할 필요가 없거나 감소된다. 칼럼(55)은 압축된 제품의 어느 부분도 냉각을 발생시키기 위해서나 다른 목적으로 팽창시킬 필요가 없으므로 칼럼(55)은 승압상태에서 높은 제품회수율로 작동될 수 있어서, 액체의 환류가 최대화된다. 승압컬럼(55)이내에서, 칼럼내로 공급된 유체는 저온정류방법에 의해서 산소-강화 유체와 질소-강화 유체로 분리된다. 질소-강화 증기는 칼럼(55)의 상부로부터 스트림(22)으로서 제거되고 열교환기(61)를 거쳐서 가온되며 1차 열교환기(53)를 통과함으로서 더욱 가온되어 승압제품질소가스(29)로서 회수된다. 제1도의 구체예에 있어서 승압질소제품(9)은 압축기(66)를 거쳐서 더욱 압축되고 고압질소제품(32)부로서 회수된다. 제품질소는 일반적으로 최소한 99%의 순도를 가진다.
산소가 풍부한 증기는 1차 열교환기(53)를 통과하여 가온된 스트림(20)으로서 칼럼(55)의 하부로부터 제거되어 승압제품 산소기체(28)로서 회수된다. 제1도에 도시된 구체 예에서, 승압 산소제품(28)은 압축기(65)를 거쳐서 더욱 압축되고 고압 산소제품(31)로 회수된다. 원하는 바에 따라, 액체 산소제품은 스트림(14)으로 도시된 바와같이 칼럼(55)으로부터 산소가 풍부한 액체 스트림을 도출시킴으로써 회수될 수도 있다. 제품산소는 일반적으로 적어도 95%의 순도를 가진다.
승압상태의 질소-함유 유체는 승압컬럼(55)의 상부, 바람직하게는 중간지점으로부터 도출된다. 중간지점은 칼럼의 최상부 아래부분을 의미한다. 일반적으로, 질소-함유 유체는 90내지 99.99% 범위이내의 질소농도를 가진다. 예컨대 스트림 또는 도관(21)으로 도시된 바와같은 도출 질소-함유 유체는 열교환기(61)를 거쳐서 가온된 후 1차 열 교환기(53)로 도입된다. 승압질소의 제1부분(33)은 1차 열교환기(53)를 완전히 통과하게 된다. 이 스트림은 정제 흡착베드를 통과하여, 흡착된 오염물질들을 취하고 이것을 유출스트림(37)으로 베드로부터 제거함으로써 흡착제를 재생시킨다. 질소의 승압은 정제용 흡착베드를 효과적으로 통과하여 재생시킬 수 있는 충분한 구동력으로 이를 가능하게 한다.
승압 폐기 질소의 제2부분(25)은 열교환기(53)를 부분적으로 통과한 후 제거되고 터보팽창기(63)를 거쳐 터보팽창됨으로써 냉각작용을 발생한다. 그 다음으로 터보팽창된 스트림(26)은 주 열교환기(53)를 통과하여 공급물질을 냉각시키는 작용을 하고 칼럼 시스템을 냉각시켜서 저온정류작용을 수행하게 한다. 생성된 가온질소(30)는 스트림 밖으로 스트림(38)로서 이송된다. 스트림(38)의 일부 또는 전부는, 스트림(35)으로서 도시된 바와같이 정제용 흡착베드를 거쳐 통과함으로써 스트림(33)에 추가로, 또는 그 대신에 흡착제를 재생시킨다. 터보팽창후에도, 승압 칼럼으로부터 취한 스트림의 상승압력 때문에, 스트림(35)에는 정제용 베드를 통과하여 효과적으로 흡착제를 재생시키기에 충분한 잔여 압력이 존재한다. 원하는 바에 따라서는 스트림(33)내에 흐름이 전혀 필요하지 않을 수도 있고, 칼럼(55)의 상부로부터의 승압 스트림 전체가 스트림(25)를 거쳐서 터보팽창기(63)로 이송될 수도 있다.
정제용 흡착베드는 소량의 유체에 의해서 효과적으로 재생된다. 예를 들어, 승압 질소함유 스트림의 유속은 공급물질의 유속의 약 20%를 초과할 필요가 없다. 그러므로, 제2컬럼은, 대량의 폐기물 스트림을 재생목적으로 도출시킬 필요성을 부담하지 않으면서 고압으로 작동될 수 있음으로써, 제2컬럼으로부터 더 많은 제품질소를 제조할 수 있게 된다.
터보팽창기(63)으로부터 발생된 에너지를 포획하기 위해서, 터보팽창기(63)는 예컨대 제1도에 도시된 발생기(generator)(64)와 같은 적재장치에 연결되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 제1도에 도시된 본 발명의 구체예에는 아르곤 칼럼이 포함된다. 아르곤 칼럼은 예컨대 공급물질이 공기일 경우와 같이 공급물질에 아르곤이 함유되어 있을 때 사용될 수 있다. 이 구체예에 있어서, 산소와 아르곤을 함유하는 스트림(15)은 제2컬럼(55)로부터 도출되고 아르곤 칼럼(57)으로 이송되는데, 여기에서 상가 아르곤 칼럼 공급물질은 저온정류작용에 의해서 아르곤이 풍부한 유체와 산소가 풍부한 유체로 분리되어진다. 산소가 풍부한 유체는 아르곤 칼럼(57)으로부터 제거되어 스트림(16)으로서 승압컬럼(55)으로 회귀하게 된다. 아르곤이 풍부한 유체는 스트림(17)으로서 최상부의 응축기(62)로 전달되는데, 여기에서는 전술된 바와같이 산소-강화 유체에 대항하여 상기 유체가 융축된다. 아르곤이 풍부해진 생성유체는, 아르곤이 풍부한 액체를 환류스트림(18)으로서 칼럼(57)으로 회기시키고 기체상 스트림(19)을 제거 및 미정제 아르곤으로서 회수하는 상분리기(43)로 이송된다. 일반적으로, 미정제 아르곤은 아르곤 농도가 최소한 96.5%이다.
아르곤 칼럼을 이용하는 경우에, 본 발명의 바람직한 구체에에서는, 패킹, 바람직하게는 승압컬럼(55)내의 증기-액체 접촉부재와 같은 구조화된 패킹, 그리고 예컨대 아르곤 칼럼(51)내의 증기-액체 접촉부재로서의 시브트레이(seive tray)와 같은 트레이를 이용한다. 이 상황에서는, 승압컬럼에는 칼럼 전체에 걸쳐 패킹을 사용하고 아르곤 칼럼 전체에 걸쳐서 트레이를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 장치는 제1도에 표현방식으로 도시되어 있다.
승압컬럼내에 구조화된 패킹을 사용하면 아르곤을 더 높은 정도로 회수할 수 있다. 이와같이, 승압칼럼 더 높은 압력으로 작동시킬 수 있으면서도, 구조화된 패킹을 승압컬럼에 사용할 경우에도 여전히 허용가능한 아르곤 회수를 이룰 수가 있다. 또한 , 시브 트레이에 비해 구조화 패킹의 더욱 낮은 압력 강화와 결부된 공급물질의 저하된 압축동력의 장점을 실현할 수도 있다. 그러나, 아르곤 칼럼은 전적으로 트레이(tray)화 될 수도 있고, 이렇게 되는 것이 바람직하다. 아르곤 칼럼의 작동에 관한 승압수준은 칼럼이 트레이화될 때에도 미정제 아르곤제품 스트림에 압력에 있어서 충분히 높다는 것을 의미한다. 칼럼이 트레이(tray)되었을 때 아르곤 칼럼 최상부에있는 응축기에는 일반적으로 만족할 만한 온도차가 형성된다. 시브 트레이가 구조화 패킹에 사용되지 않고 아르곤 칼럼에 이용되는 경우에 아르곤 회수의 개선이 실현된다. 이는 트레이를 사용한 칼럼의 평균 작동압력이 보다 낮기 때문에 발생하는 것으로서, 산소에 비해 아르곤의 휘발성을 개선시킨다. 이 개선된 아르곤 회수율은 제4도에 그래프로 나타내었는데, 여기에서 공급물질중의 아르곤 백분율로 표시된 아르곤 회수율은 수직축으로 나타내었고, 칼럼 최상부 이하의 질소 도출지점에서의 승압컬럼 압력은 수평축상에 나타내었다. 곡선 A는 승압컬럼이 모든 트레이를 함유하고 있을 때 얻을 수 있는 아르곤 회수율이고, 곡선 B는 승압컬럼에 모든 구조화 패킹이 포함되면서도 아르곤 칼럼이 승압 칼럼압력의 범위에 걸쳐 전적으로 트레이화될 때 얻을 수 있는 아르곤 회수율이다. 제4도에 나타낸 바와같이, 모든 주어진 압력에서, 전적으로 패킹된 승압컬럼과 전적으로 트레이된 아르곤 칼럼의 장치로 얻을 수 있는 아르곤 회수율은 종래의 장치로 얻을 수 있는 것보다 현저하게 높아지게 된다.
제2도와 제3도에서는, 질소의 압력을 상승시키는 압축기에 터보팽창기가 결합된 본 발명의 구체예를 더욱 상세하게 도시하였다. 승압컬럼의 압력수준은 주어진 제품질소의 비율과 액체 제품의 비율을 위하여 감소하게 된다. 이는, 아르곤 제조비율에 있어서 이득을 산출하게 함으로써, 제품질소의 비율의 상승 및/또는 제품액체 비율의 상승이 가능하면서도 아르곤의 회수가 가능하게 된다. 제1도의 일반적이 부재와 이러한 통상적인 부재들에 상응하는 제2도 및 제3도의 부호들에 관하여는 본 명세서에서 다시 설명하지 않기로 한다.
제2도에 있어서, 질소-함유 부분(25)은 터보팽창기(63)를 거쳐서 대개 대기압 이하의 낮은 압력수준까지 팽창된다. 이 터보팽창은 냉각작용을 발생시킨다. 결과의 터보팽창된 스트림(70)은 공급물질을 냉각시키기 위한 주열교환기(53)를 통해 가온된 다음,터보팽창기(63)에 결합 및 구동되는 압축기(71)에 의해 압축된다. 이렇게 해서 , 압축된 스트림(72)은 스트림이 공정을 끝내거나 재생용 정제 흡착베드를 거쳐 가동될 수 있는 압력 상태가 된다.
제3도에 설명된 구체예를 참조해보자면, 질소-함유 스트림(21)전체는 주 열교환기(53)를 완전히 통과하게 된다. 그 후에, 부분(73)은 터보팽창기(63)에 결합되어 가동되는 압축기(74)에 의해 압축된다. 그 다음에는, 결과의 압축된 스트림(75)이 후냉각기(76)에서 냉각된 후, 주 열교환기(53)에서 냉각된다. 그리고 나서, 스트림(75)은 터보팽창기(63)를 거쳐 터보팽창되어 냉각작용을 발생시키고, 결과의 스트림(77)은 공급물질을 냉각시키는 주 열교환기(53)를 거쳐 가온된다. 그 다음으로, 스트림(77)은 대기중으로 방출되거나, 전체적으로 또는 부분적으로 , 정제용 흡착베드를 재생시키기 위해 사용된다.
본 발명을 이용함으로써, 제품의 압축요구도를 감소시키거나 배제하면서도 승압상태로, 제품산소 및/또는 질소를 제조할 수 있다. 본 발명에서는 2개 칼럼으로 이루어진 시스템중 보다 압력이 낮은 칼럼으로부터의 비교적 소량이지만 승압상태인 질소 스트림의 터보팽창을 이용하여 공장규모의 냉각작용을 발생시킴으로써, 어떠한 공급물질이라도 팽창시켜야 할 필요성을 배제할 수 있게 되었다. 또한 , 상승된 압력은 공급물질 정제용 흡착베드를 효과적으로 재생시킬 수 있게 한다. 재생용 스트림은 터보팽창될 필요없이 승압컬럼의 상부로부터 유래될 수 있지만, 터보팽창된 유체를 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 구체예에 있어서는, 아르곤을 함유하는 공급물질을 공정처리하고, 아르곤의 회수율은 구조화된 패킹으로 이루어진 승압컬럼과 트레이로 이루어진 아르곤 칼럼을 이용하여 개선된다. 질소의 압력을 상승시키는 압축기에 질소 터보팽창을 결합시킴으로써, 용인할 수 있는 정도의 아르곤 회수율을 유지하면서도 질소제조의 증가와 액체제조의 증가를 달성할 수 있다.
지금까지는 구체적인 바람직한 구체예에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 당업자라면 이하 청구의 범우에 정의된 본 발명의 사상과 영역이내에서 실시의 다양한 변형이 이루어질 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. (A)산소와 질소로 이루어진 공급물을 정제용 흡착베드를 통해 통과시켜서 공급물로부터 베드로 흡착될 수 있는 오염물질을 제거함으로써 청정한 공급물질을 제조하는 단계; (B)청정한 공급물을 냉각시키고, 냉각된 청정 공급물을 고압컬럼에 통과시켜서, 공급물질을 질소-강화 유체와 산소-강화 유체로 저온정류시킴으로써 분리하는 단계; (C)고압칼럼으로부터 질소-강화 유체를 고압컬럼보다는 낮고 최소한 20 psia 이상인 압력으로 작동되는 승압컬럼으로 이송시켜서 승압컬럼내에서 저온정류에 의해 질소-강화 유체와 산소-강화 유체를 제조하는 단계; (D) 승압컬럼의 상부로부터 질소-함유 유체를 제거하고, 질소-함유 유체를 터보팽창시켜서 정류작용을 발생시킨 다음, 생성된 질소함유 유체를 공급물질과 함께 간접 열교환기에 통과시켜서 공급물질을 냉각시키는 단계; (E)질소-함유 유체를 승압컬럼으로부터 정제기의 흡착베드를 거쳐 통과시킴으로써 베드를 재생시키는 단계; 그리고(F)질소가 풍부한 유체와 산소가 풍부한 유체층의 최소한 한가지를 승압칼럼으로부터 승압제품으로서 회수하는 단계로 이루어지는 , 승압제품의 제조를 위한 지온정류방법.
  2. 제1항에 있어서, 공급물질이 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 단계(E)의 정제용 흡착베드를 재생시키기 위해 사용된 질소-함유 유체가 단계(D)에서 터보팽창된 유체인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 단계(E)의 정제용 흡착베드를 재생시키기 위해 사용된 질소-함유 유체가 재생이전에 터보팽창되지 않은 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 질소-함유 유체가 터보팽창전에 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 질소-함유 유체가 터보팽창후에 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 공급물질에 추가로 아르곤이 포함되고, 승압 칼럼으로부터의 아르곤함유 유체를 아르곤 칼럼에 이송하여 아르곤 칼럼내에서 저온정류방법에 의해 아르곤이 풍부한 유체를 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 구조화 패킹으로 이루어진 증기-액체 접촉부재상에서 승압 칼럼내의 저온정류공정이 수행되고,트레이로 이루어지는 증기-액체 접촉부재상에서 아르곤 칼럼내의 저온정류작용이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. (A)정류기 흡착베드,1차 열 교환기, 그리고 공급물질을 정제기 흡착베드로부터 1차 열교환기로 이송시키는 수단;(B)제1컬럼과 제2컬럼으로 이루어지는 칼럼 시스템, 공급물질을 1차 열교환기로부터 제1컬럼으로 이송시키는 수단, 그리고 유체를 제1컬럼으로부터 제2컬럼으로 이송시키는 수단;(C)제2컬럼의 상부로부터 유체를 흡수하는 수단;(D)터보팽창기,제2컬럼의 상부로부터 흡수된 유체를 터보팽창기로 이송시키는 수단, 그리고 터보팽창기로부터의 팽창된 유체를 1차 열교환에 통과시키는 수단;(E)제2컬럼의 상부로부터 흡수된 유체를 정제기의 흡착베드로 이송시키는 수단;(F)유체제품을 제2컬럼으로부터 회수하는 수단 으로 이루어지는 저온정류장치.
  10. 제9항에 있어서, 제2컬럼의 상부로부터 도출된 유체를 정제용 흡착베드로 이송시키는 수단에 터보팽창기가 포함되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제9항에 있어서, 제2컬럼의 상부로부터 도출된 유체를 정제용 흡착베드로 이송시키는 수단에 터보팽창기가 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제9항에 있어서, 터보팽창기가 압축기에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제9항에 있어서, 아르곤 칼럼, 유체를 제2컬럼으로부터 아르곤 칼럼으로 이송시키는 수단, 그리고 아르곤 칼럼으로부터 유체를 회수하는 수단이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 제2컬럼에는 구조화 패킹으로 이루어진 증기-접촉부재가 구비되고, 아르곤 칼럼에는 트레이로 이루어진 증기-액체 접촉부재가 구비된 것을 특징으로 하는 장치.
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