KR0149174B1 - 공기로부터의 질소의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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에이. 모스텔로 로버트
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로버트 아이. 펄만
더 비오씨 그룹, 인코포레이티드
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Abstract

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Description

공기로부터의 질소의 제조 방법 및 장치
제1도는 여러개의 열교환기, 및 전체 폐 질소 스트림을 가온시키고 가온된 생성물의 일부를 압축시켜 증류탑으로 재순환시키는 역전(reversing)열교환기를 사용하는 본 발명의 한 실시태양의 개략도이다.
제2도는 하나적은 열 교환기를 사용하는 가온 압축 사이클의 또하나의 실시태양의 개략도이다.
제3도는 비-역전 열 교환기 및 공기 정제용 분자체를 사용하는 가온 압축 사이클의 또하나의 실시 태양의 개략도이다.
제4도는 팽창기로부터의 일 출력의 최소한 일부를 사용하여 냉각 재순환 압축기를 가동시키는 , 폐질소 재순환류의 냉각 압축을 이용하는 본 발명의 또하나의 실시태양의 개략도이다.
제5도는 외부 공급원에 의해 냉각량을 공급하고, 터보팽창기(turboexpander)로부터의 총 이용가능한 샤프트(shaft)일에 의한 폐 질소 재순환류의 냉각 압축을 이용하는 본 발명의 또하나의 실시태양의 개략도이다.
본 발명은 폐 질소 생성물을 압축시키고 압축된 폐 생성물을 증류탑으로 재순환시킴으로서 보다 높은 회수율로 기상 질소 및 경우에 따라서는 액상 질소를 생성시키는 극저온 초대기(superatmospheric)공기 분리 방법 및 장치에 관한 것이다.
질소를 제조하기 위해 공기를 분리하는 공정은 예를 들면 루만(Ruhemann)등의 미합중국 특허 제 3,203,193호 및 케이쓰, 주니어(Keith, Jr)의 미합중국 특허 제 3,217,502호에 기술된 바와 같이 공지되어 있다. 이들 공정은 생성물 공급 압력보다 약간 더 높은 압력하에 단일 증류탑을 조작하기 위해 제공된다. 탑의 섬프(sump)로 공기를 도입한다. 증류탑으로부터 회수된 산소가 많은 액체 공기를 간접적으로 탑상 질소 생성물의 일부와 열교환시켜 플래쉬(flash)시킨다. 추가로, 기화된 산소가 많은 공기(또한 폐 질소로 불리운다)를 더 팽창시킴으로서 장치를 냉각시킨다. 상기 방법은 공급 공기의 약 35내지 40몰%이하를 질소 생성물로서 회수할 수 있다.
페이텔(Patel)등의 미합중국 특허 제 4,400,188호 에는 질소를 분리하기 위해 열 펌프를 사용하는 것이 기술되어 있다. 그러나 이 공정을 매우 대량, 예를 들면 1,500내지20,000만 표준 ft3/일(SCFD)(즉, 625,000 내지 8,000,000 SCFH)의 질소 제조에만 비용효과적이다. 이 공정은 탑상 기체 재압축물을 사용하여 분리를 향상시키며, 약 1,500만 SCFD(625,000 SC로)미만 범위의 회수량에 대해서는 비경제적인 복잡하고 값비싼 장비를 필요로 한다.
냉각용 터보팽창기에서 폐 질소를 팽창시키는 통상적인 단일 증류탑 시스템은 일반적으로 질소 공급 압력 이상으로 공급 공기를 압축시킨다. 그 공기를 분자체와 같은 흡착 수단에 의해 공기중의 이산화 탄소 및 수분을 정제한 다음 그의 이슬점 온도 부근으로 냉각시킨다. 달리, 공기와 폐 스트립을 교대로 통과시킬 수 있는 역전 열 교환기에서 이산화탄소 및 응축된 수분을 제거하여, 대기로 방출되는 폐 스트립내로 침적된 불순물을 증발시킨다.
냉각된 공기 스트림을 증류탑으로 공급하여 거기에서 탑저부의 산소가 많은 액체 및 탑상부의 실질적으로 순수한 질소 기체 스트립으로 분리한다. 순수한 진소 기체의 일부를 주위 온도로 가온시켜 생성물로서 공급한다. 나머지를 응축기로 보내어 탑 환류물을 제공한다. 응축기로 부터의 기화된 산소가 많은 액체(전형적으로 폐 질소로 불리움)를 열 교환기에서 가온시킨 다음 터보팽창기에서 팽창시켜 시스템을 냉각시킨다.
상기 시스템은 특징적으로 공급 공기의 단지 약 35내지 45몰% 만을 질소 생성물로서 회수한다. 따라서 공급 공기로부터의 질소 회수율의 몰%가 훨씬 증대된다면 본 분야에 상당한 진보가 이루어지게 된다.
본 발명은 폐 질소 조성물의 스트림을 압축시키고 그것을 증류탑내로 재주입함으로써 공기로부터 질소를 고수율로 회수하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 단일 증류탑을 사용하는 통상적인 시스템보다 훨씬 적은 전력으로 순수 질소 생성물을 제조한다. 또한, 터보팽창기의 일 출력(work output)의 최소한 일부는 재순환된 폐 질소를 압축시키는 압축기를 가동시킬 수도 있다. 또한, 액체 질소를 생성물로서 회수할 수도 있다.본 발명은 기상 공급 공기로부터 질소를 회수하기 위한 방법 및 장치를 포함한다. 압축된 공기를 열 교환기에서 가온된 질소 생성물 스트림 및 폐 질소 스트림과 접촉시켜 냉각시키고, 경우에 따라서는 예를 들면 역전 열 교환기에서 불순물을 제거하기 위해 처리한다. 달리, 분자체를 사용하여 불순물을 제거한 다음 비-역전 열교환기로 공기를 도입할 수도 있다.
그 결과의 냉각된 공기를 증류시켜 실질적으로 순수한 기상 질소 탑상물과 산소가 많은 액체 탑저물을 생성시킨다. 질소 탑상물의 일부와 산소가 많은 탑저물의 거의 모두를 응축기로 보내어, 응축기에 의해 최소한 일부를 환류물로서 증류 장치로 재순환시키는 액체 질소, 및 폐 질소로 불리우는 산소가 많은 기체를 형성시킨다.
본 발명의 한 태양에 따르면, 폐 질소의 최소한 일부를 터보팽창시키지 않고 주위 온도로 가온시킨 다음 압축시킨다. 이어서, 압축된 기체를 냉각시켜 증류탑내로 재순환시킨다. 실질적으로 순수한 질소 기체는 공급 공기를 기준으로 약 70몰% 이하의 양으로 회수된다.
본 발명의 또 하나의 태양에 따르면, 응축기로부터 수득한 폐 질소의 일부를 터보팽창시키지 않고 먼저 주위 온도로 가온시키지 않은 채 냉각 압축기로 보낸다. 또한, 터보팽창기로부터 출력된 일의 일부를 냉각 압축기에 공급할 수도 있다.
달리, 터보팽창기로부터 나온 일 모두를 사용하여 냉각 압축기를 작동시킴으로써 질소 생성물의 훨씬 높은 수율을 달성할 수 있다. 이 경우, 증류탑에 제공되는 추가의 액체 질소와 같은 외부 공급원에 의해 시스템을 냉각시킨다.
도면, 특히 제1도를 참조로 해보면, 본 발명의 질소 회수 시스템(2)은, 공급 공기(4)의 스트림을 압축기(6)내로 공급하도록 제공한다. 압축된 공기를 후냉각기(7)로 보내어 수증기를 냉각시키고 응축시킨다. 그 다음으로, 응축물을 분리기(8)에서 제거하고 공기(10)를 배출시킨다. 공기(10)를 열 교환기(12)로 유입시켜 거기에서 공기를 산소가 많은 기체(14) 및 질소 생성물 스트림(16)과 열 교환시켜 냉각시킨다.
그 다음으로, 냉각된 공기(18), 이산화탄소 및 탄화수소 화합물과 같은 불순물을 흡착하는 임의적인 기상 흡착장치(20)내로 유입시킨다. 여과된 공기(22)를 임의적인 열 교환기 (24)로 보내어 거기에서 터보팽창기(28)로부터의 산소가 많은 기체(26)와 역류(countercurrent flow)시켜 공기를 더 냉각시킨다.
거의 포화되고 부분적으로 액화될 수도 있는 열교환기(24)를 나온 냉각된 공기(30)를 증류탑(32)의 중간단으로 유입시킨다. 증류에 의해, 냉각된 공기(30)를 증류탑(32)의 상부에서 배출되는 실질적으로 순수한 기상 질소 탑상물(34) 및 탑저로부터 배출되는 산소가 많은 액체 탑저물(36)로 분리한다. 액체(36)를 임의적인 열 교환기(38)에서 산소가 많은 기체(40) 및 질소 생성물 기체(42)에 반해 냉각시킨다. 이어서, 냉각된 액체(44)를 밸브(45)로 보내어 그의 압력을 감소시킨 다음 라인(47)을 통해 응축기 (46)로 보내어 비등시키는 동안 간접적인 열교환에 의해 기상 질소 탑상물(34)의 일부(48)를 응축시킨다.
비등된 산소가 많은 기체 스트림(40)을 열 교환기(38)에서 가열시켜 스트림(54)에 의해 배출시킨다. 응축기(46)를 나온 응축된 액체 질소(50)를 분할하여, 일부(51)는 경우에 따라 통상적인 저장 장소(52)에 수집한다. 응축된 액체 질소(50)의 주요량은 라인(53)에 의해 환류물로서 증류탑(32)으로 재순환시킨다. 기상질소 탑상물(42)의 나머지량은 열 교환기(38)에서 열을 흡수한다. 그 결과의 가온된 질소(16)를 열 교환기(12)에서 열을 더 흡수시킨 다음 라인(17)에 의해 시스템(2)밖으로 내보내어 질소 생성물로서 사용한다.
응축기(46)를 나온 산소가 많은 기체(54)의 제1분획(55)을, 공급 공기(10)를 냉각시키는 열 교환기(12)를 통과시켜 가열시킨 다음 라인(56)에 의해 배출시킨다.
산소가 많은 기체(54)의 제 2분획(58)은 열 교환기를 거치지 않게 하여 가온된 기체(56)와 합쳐 라인(60)내로 유입시킨다. 산소가 많은 기체(60)를 터보팽창기(28)내로 유입시켜, 거의 대기압으로 팽창시켜 시스템(2)을 냉각된 상태로 유지하는데 필요한 냉각량을 생겅시킨다. 터보 팽창기(28)를 나온 팽창된 기체(26)를 사용하여 우선 열 교환기(24)에서, 그 다음으로 라인(14)을 통해 열교환기(112)에서 공기를 더 냉각시킨다. 열 교환기(!2)를 나온 기체(15)는 일반적으로 폐 생성물이므로 본 명세서에서는 이를 폐 질소라 칭한다. 제 1도에 도시한 실시태양에 있어서, 열 교환기(12)는, 열을 교환할 목적 및 공기로부터의 이산화탄소 및 물 불순물을 침전시킨 다음 이들 불순물을 폐 질소 스트림내로 증발시킬 목적으로 공기와 폐 질소를 주기적으로 교대로 통과시키는 역전 열 교환기이다.
산소가 많은 기체(54)의 제3분획(62)을 열 교환기(64)에서 바람직하게는 주위온도로 가온시킨다. 가온된 기체(66)의 일부를 터보팽창기(28)내로 유입시킬 수도 있다. 제 3 분획(62)의 나머지량(68)은 압축기(70)에 의해 증류탑(32) 조작 압력과 대략 동일하거나 그보다 약간 높은 압력으로 압축시킨다. 압축된 기체(71)를 후냉각기(72)에서 냉각시키고 열 교환기(64)에서 저온으로 냉각시킨 다음 라인(74)에 의해 증류탑(32)의 하부로 재순환시켜 거기에서 비등시켜 시스템(2)에 공급한 공기로부터 가능한 질소 회수율을 증대시킨다. 중간단에 공급 공기(30)를 가하고 하부에 재순환된 산소가 많은 기체를 가하는 것은 복합컬럼(compound columm)을 생성시켜 두 스트림의 주입부간에 스티림핑 영역을 생성한다.
제2도에 도시한 실시태양에서는, 산소가 많은 기체를 열 교환기(112)를 통과시킨 다음 터보팽창기(128) 및 압축기(170)내로 유입시키기 위해 제1도의 열교환기(64)를 생략한다. 질소 생성물(117)은 열 교환기(12)로부터 회수한다.
더욱 구체적으로, 산소가 많은 기체(140)를 임의적인 열 교환기(138)에서 가온시킨다. 산소가 많은 기체(154)의 제1분획(155)을 열을 흡수하는 열 교환기 (112)에서 가온시킨 다음 라인 (156)을 통해 배출시킨다. 산소가 많은 기체(154)의 제2분획(158)은 열 교환기(112)를 거치지 않게하여 스트림(156)과 합친다. 합쳐진 스트림(160)을 터보팽창기(28)내로 유입시켜, 거의 대기압으로 팽창시켜 냉각시킨 다음, 임의적인 열 교환기(124) 및 주요 역전 열 교환기(112)를 통해 시스템밖으로 배출시킨다.
산소가 많은 기체(154)의 제3분획(162)은 열교환기(112)를 완전히 통과시킨 다음 압축기 (170)내로 유입시킨다. 이어서, 압축된 기체(171)를 후냉각기(172)를 통과시키고, 열 교환기(112)를 되통과시킨다음, 라인(174)에 의해 증류탑(132)의 하부로 재순환시킨다.
제3도를 참조하면, 열 교환기(212)의 외부에서 공급 공기를 정제함으로써 비-역전 열 교환기를 사용하는 제 2도에 도시한 실시태양과 유사한 본 발명의 실시 태양이 제공되어 있다.
압축된 공급 공기를, 이산화 탄소, 약간의 탄화수소 및 수증기와 같은 불순물을 제거하는 지올라이트성 물질로 이루어진 재생가능한 분자체를 통상적으로 함유하는 정제 장치(277)로 도입시킨다. 정재된 공기(210)를 열 교환기(212), 임의적인 열 교환기(224)를 통과시켜 라인(230)에 의해 증류탑(232)의 하부내로 도입시킨다.
또한, 제3도에 도시한 실시 태양은, 폐 질소 생성물을 열 교환기(212)를 통과시키는 처리와 관련된 제 2도에 도시한 실시 태양과 차이가 있다. 폐 질소 생성물(215)의 일부(276)를 정제 장치(277)로 보내어 재생 기체로서 제공한 다음(보통 가열한 후 예비 정제장치(277)내로 유입시킨다.), 라인(278)으로 배출시킨다.
제1도 내지 제3도에 도시한 실시 태양은 모두 가온된 산소가 많은 기체의 압축과 관련있다. 즉, 산소가 많은 폐 질소를 열 교환기에서 본질적으로 주위온도로 가온시킨 다음 압축시켜 증류탑으로 도로 재순환 시킨다.
본 발명은 재순환 폐 질소 스트림의 압축없이 가능한 기본 회수율에서 질소 회수율을 개선하는 것이다. 본 발명의 또하나의 실시 태양은 효과적인 방식의 공정으로 개선된 회수율을 수득하는 수단으로서의 폐 질소의 냉각 압축에 관한 것이다.
본 발명의 또하나의 태양은, 터보팽창된 스트림에서의 이용가능 한 과량의 냉각 에너지 및 냉각된 상태의 기체를 압축시키는데 있어서의 샤프트 일의 경제성면에서 잇점을 갖는다. 전형적으로 탑(예를들면, 32)조작 압력이 약100psig 및 그 이상인 장치에서, 폐 질소의 터보팽창에서의 이용가능한 에너지는 장치에 피룡한 정상적인 냉각량을 충족하고 산소가 많은 재순환 스트림 상당한 양을 압축시켜 질소 회수율을 증대시키는데 충분하다. 상기 공정은 장착하여야 하는 장비의 수를 최소화한다. 예를들면, 압축기 휠(wheel)은 터보팽창기 샤프트(shaft)를 배제시킬 수 없고, 압축하기 전에 산소 재순환 스트림을 주위온도로 가온시키고 압축시킨 후에 압축된 스트림을 저온으로 냉각시키기 위한 열교환기를 생략할 수 있다. 물론, 압축기를 운전하기 위해 폐 질소의 팽창을 사용하는 상기 공정은 터보팽창에 사용할 수 있는 폐 질소의 양을 감소시킬 것이다. 몇몇 점에서, 산소가 많은 재순환 기체의 압축에 의해 질소 회수율이 최대화 되면서도, 장치에 필요한 냉각을 충족하고 냉각 압축기를 위한 에너지를 공급하는데 이용할 수 있는 충분한 양의 폐 질소가 남는다. 이 평형점은 증류탑 조작 압력, 장치의 냉각 필요량(즉, 장치의 크기 및 액체 생산 요구량과 관련됨), 터보팽창기와 냉각 압축기의 효능 등에 의존한다. 기타 인자들, 예를들면 마찰압력차, 및 터보팽창기와 냉각 압축기내로 유입되는 유체의 온도의 선택도 또한 평형점과 관계가 있다.
터보팽창기의 샤프트 일을 이용하여 하기 두가지의 별도의 목적을 달성한다 : (1)증류탑으로 재순환시키는 폐 질소로써 냉각 압축기를 자동시킴으로써 증류탑으로 공급한 공기로부터의 질소 회수율을 개선하는 것, 및 (2)샤프트 에너지의 일부를 주변의 소산성(dissipative)브레이크로 전달함으로써 냉각 공정 장비로부터 에너지를 (열로서)제거하는 것.
제4도에 설명한 실시 태양은, 냉각된 산소가 많은 기체, 즉 열 교환기에서 주위온도로 가온시키지 않고 냉각된 상태로 압축시킨 산소가 많은 기체의 재순환을 보여준다. 더욱 구체적으로, 압축 정재된 공급 공기(310)를 열 교화기 (312)에서 냉각시킨다. 냉각된 공기(310)의 일부(314)를 임의적인 열 교환기(316)로 보내어 거기에서 공기(314)를 더 냉각 응축시킨 다음 라인(318)에 의해 증류탑(332)의 중간단으로 유입시킨다. 냉각된 공기(310)의 제 2분획(320)은 바로 증류탑(332)의 또하나의 중간단(그러나, 라인(318)의 유입단보다 아래임)으로 보낸다.
증류탑(332)으로 유입된 공기는 증류탑(332)상부에서 배출되는 실질적으로 순수한 기상 질소 탑상물(334)과 증류탑의 하부로부터 배출되는 산소가 많은 액체 탑저물(336)로 분리된다. 액체(336)를 임의적인 열 교환기(338)에서 산소가 많은 기체(340) 및 질소 생성물 기체(342)와 억류시켜 냉각시킨다. 냉각된 액체(344)를 밸브(345)에 의해 압력을 감소시켜, 라인(347)에 의해 응축기(346)로 유입시켜 거기에서 비등시키면서 간접적인 열교환에 의해 기상 질소 생성물(348)의 일부를 응축시킨다.
산소가 많은 기체(340)를 열 교환기(338)를 통해 임의로 가온시키고, 가온된기체(301)의 일부(302)를 압축기(370)로 유입시킨다(주위온도로 더 가온시키지 않는다) 이어서, 압축된 기체(303)를 열 교환기(312)에서 냉각시킨 후에 라인(304)에 의해 증류탑(332)의 하부로 재순환시킨다. 가온된 기체 (301)의 나머지 분획(305)은 열 교환기(312)를 통과시킨 후에 터보팽창기(328)로 보낸다. 밸브(306)에 의해 열 교환기 (312)를 거치지 않게 할 수 있다. 이 실시 태양에 있어서 특히 중요한 것은 터보팽창기(328)과 압축기 (370)사이에 샤프트 연결부(307)를 제공한다는 것이다. 한 실시태양에서는 터보팽창기(328)의 일 출력의 일부를 사용하여 압축기(370)을 가동시킴으로써 증류탑(332)에 비등류를 공급하여 질소생성물(317)의 회수율을 향상시킨다. 이 경우에서, 일 출력의 일부는 시스템에서 열을 제거하여 이 일을 주변으로 내보내는 소산성 브레이트(308)와 관계된다. 주변은 에너지와 흐름의 냉각된 박스(도시하지 않음)경계 외부를 의미한다. 소산성 브레이크(308)는 압축기, 펌프, 발전기, 또는 유사장치, 또는 심지어는 회전 부품 베어링 내의 마찰부일 수도 있다. 시스템이 냉각 압축 공정을 냉각된 상태로 유지하기 위해 필요 에너지를 주변으로 내보낸다는 것이 중요한다.
제4도에 도시한 공정은 장치를 냉각시키기 위한 소산성브레이크를 공급하기 위해 터보팽창기 샤프트 출력을 약간 필요로 하는 반면, 제 5도의 공정은 외부 공급원으로부터 냉각을 제공하므로 소산성 브레이크를 필요로 하지 않는다. 터보팽창기의 샤프트 출력 모두를 압축기를 가동시키는데 사용할 수 있으며, 따라서 증류탑으로 공급된 공기로부터 훨씬 더 높은 질소 회수율을 수득할 수 있다. 제 5도에 도시한 냉각 압축의 또하나의 실시 태양에서는, 터보팽창기(428)의 모든 이용가능한 일출력을 압축기(470)에 공급한다. 이것은 증류탑(32)에서 훨씬 많은 비등유를 달성할 수 있게 하므로 질소 생성물(417)의 보다 높은 회수율을 가능하게 한다. 이 경우에는, 예를들면 외부 공급원(471)으로부터 증류탑(432)에 액체 질소를 공급함으로써 시스템을 냉각시켜야 하며, 계획적인 소산성 브레이크는 없다.
제 5도의 공정을 위한 냉각의 외부 공급원(471)이 장치의 목적하는 기상 생성물 순도 또는 그 부근 순도의 액체 질소이면, 장치의 기상 질소 생성물이 비례적으로 증가될 수 있다. 외부 공급원으로부터의 냉각량은 장치 냉각 박스 경계에서의 장치 유체 흐름과 관련된 열 누출 및 엔탈피의 함수이다.
제5도에 도시한 본 발명의 본질적인 요소는 냉각된 폐 질소 압축을 예외적으로 터보팽창기(428) 출구에 압축기(470)를 결합함으로써 달성하는 것이며, 이것은 외부 냉각 공급원을 제공함으로써 가능하다. 상기 계획은 냉각원(471)(예를들면, 액체 질소)의 공급 비용이 감소됨에 따라 이들 액체의 제조 장비가 더욱 커지고 효과적으로 된다는 상업적인 잇점을 가진다.
터보팽창기(428)의 총 출력을 재순환 폐 질소 압축에 사용함으로써 가능한 질소 회수율의 증가는 또한 공급된 액체 냉각원(471)의 단위당 질소 기체의 양을 증가시키며 따라서 장비를 경제적으로 순환시킨다.
제5도에 도시한 공정의 또하나의 잇점은, 바람직하게는 통상의 샤프트에 의해 연결된 단지 두 개의 냉각 장비만이 필요하다는 점이다. 제 4도의 주가의 기계적으로 복작한 소산성 장치가 생략된다. 또한, 제4동 및 제5도에 있어서, 달리 공급 공기의 예비 정제가 역전 열 교환기 대안으로 바람직하다.
냉각 압축의 또하나의 실시 태양에 있어서 (도시하지 않음). 상기 압축 에너지는 외부 공급원, 예를들면 전기 모터로부터 유도한다. 전기 모터는 외부적인 수단이며 장치의 냉각 필요량을 증대시킨다. 그러나 이는 또한 냉각 압축기에 샤프트 에너지를 공급할 필요가 없는 터보 팽창기에 의해서 충족된다. 그러나 역시 냉각 압축이 질소의 회수율을 증대시키는 반면 터보팽창에 이용할 수 있는 폐 질소의 양은 감소된다. 이것이 장치의 냉각 필요량을 충족시키는데 필요한 양으로 감소되면(냉각 압축기를 가동시키는 외부 에너지 공급원으로부터의 양 포함), 질소의 최대 회수율이 달성된다.
[실시예 1]
제1도에 따라 114.7psia에서 110,000 표준 ft3/시간(SCFH)의속도로 실질적으로 순수한 질소의 회수 공정을 수행한다. SCFH는 14.7 psia 및 70℉에서 기체로서 측정한 물질을 나타낸다.
185,169 SCFH 의 공급 공기량을 125.3 psia 의 압력으로 압축 시키고, 100℉ 의 온도로 후냉각시킨 다음, 열교환기(12)에서 냉각시켰다. 냉각된 공기를 183,336 SCFH 의 속도 및 -265.8℉ 의 온도로 라인(18)에 의해 기상 흡수장치(20)로 보내어, 불순물을 제거하고 열교환기(24)에서 더 냉각시켰다. 0.03몰%의 액체 함량을 갖는 냉각된 공기(-269.℉ 및 122.2 psia)를 증류탑(32)의 높은 트레이(즉, 중간단)로 보냈다.
119.1psia의 압력 및 -278.4℉의 온도의 기상 질소를 증류탑(32)의 상부로부터 배출시키고, 일부를 열교환기(38)로 보내어 거기에서 질소를 -268.5℉ 로 가온시켰다. 109,980 SCFH 의 유량을 열교환기(12)에서 가온시켰다. 최종 생성물을 94.6℉ 의 온도 및 118psia로 냉각시켜 압축된 총 공기를 기준으로 약 59몰%의 질소 회수율을 수득하였다.
응축기(46)로부터의 산소가 많은 기체를 142,036 SCFH 의 속도로 열교환기(38)를 통과시켰다. 이 유량의 일부, 68,700 SCFH를 완전히 열교환기(64)를 통과시켜 거기에서 주위온도로 가온시켰다. 그 다음으로, 가온된 기체를 123.3psia로 압축시키고 100℉로 후냉각시켰다. 냉각된 기체를 열교환기(64)로 재유입시키고 122.5psia의 압력하에 -257.3℉로냉각시켜 증류탑(32)의 하부로 공급하였다.
열교환기(38)를 나온 산소가 많은 기체의 나머지량을 열교환기(64) 및 (12), 및 바이패스 라인(58)으로 분할하고 총 73,336 SCFH의 유량, 51.4psia 의 압력 및 -235℉의 온도의 공급 기체를 터보팽창기(28)에 제공하거나 바이패스 시켰다. 이 기체(60)의 60,790 SCFH의 유량을 터보팽창기(28)를 통과시켜 필요한 냉각을 제공하였다. 터보팽창기를 나온 기체 및 바이패스된 기체를 라인(26)내에서 합하여 열교환기(24) 및 (12)에서 워밍시켰다.
[실시예 2]
터보팽창기(328)의 일 출력의 일부를 샤프트(307)에 의해 압축기(370)으로 보내고 나머지량을 시스템밖으로 전송하는 제4도에 기술한 공정에 따라 질소 25,000 SCFH 유량을 생성시켰다.
공기 51,546 SCFH 의 유량을 133 psia의 압력으로 열교환기(312)를 통해 공급하였다. 이어서, 냉각된 공기 1036 SCFH를 열교환기 (316)을 통해 응축시킨 다음 증류탑(332)의 중간단으로 공급하였다. 냉각된 공기의 나머지 량을 증류탑(332)의 라인(318)의 유입단 아래의 중간단에 직접 공급하였다. 증류탑(332)의 생성물은 65,758 SCFH의 질소 기체(이, 중의 40,758 SCFH를 응축기(346)에서 응축시킨 후에 환류물로서 재순환시켰다) 및 36,211 SCFH 의 산소가 많은 액체(336)였다. 산소가 많은 액체(336)를 열교환기 (338)에서 약간 냉각시키고 약 68 psia로 스로틀링(throttled)시켜 응축기(346)에서 비등시켰다. 비등된 산소가 많은 기체(340) 및 25,000 SCFH의 질소 생성물(342)둘다를 열교환기(338)에서 가온시켰다.
가온된 질소 생성물을 주 열교환기(312)로 도입하여 주위 온도로 가온시킨 다음 라인(371)에 의해 시스템밖으로 배출시켰다.
산소가 많은 기체를 터보팽창시키기 위한 분획 및 냉각 압축시켜 증류탑으로 재순환하기 위한 기체 분획으로 각각 26,548 SCFH 및 9665 SCFH 로 분할하였다. 재순환 기체를 130psia로 압축시키고 열교환기(312)에서 냉각 시킨 다음 증류탑(332)의 하부내로 주입하여 비등시켰다. 터보팽창기(328)로 도입한 기체는 먼저 열교환기(312)에서 부분적으로 가온한 다음 터보팽창기(328)에서 약 18 psia로 팽창시켰다. 이어서 이 기체를 열교환기(316) 및 (312)를 통과시켜 냉각량을 생성시킨 다음 장치의 폐 질소 생성물로 하였다.
이들 수단에 의해, 공급 공기의 약 48.5몰%의 질소 회수율을 수득하였다. 이공정에 의해 장치 규모, 냉각 압축기 및 터보팽창기 효능, 증류탑 조작 압력, 증류탑 단의 수 및 목적하는 질소 순도에 따라 다양한 회수율을 수득할 수 있다.
이 실시예2에서, 터보팽창기(328)에 의해 생성된 샤프트 일의 일부는 주변으로 전달되고 일부는 냉각 압출기(303)로 전달되어야 한다. 브레이크(308)에 의해 주변으로 전달된 일은 장치를 냉각시키는데 필요한 냉각량을 이룬다.
[실시예3]
실시예 2에서와 동일한 공정을 따랐으나, 단 제5도에 도시한 바와 같이 터보팽창기(428)의 이용할 수 있는 일 출력 모두를 압축기(470)를 작동시키는데 사용하여 질소 회수율을 최대화하였다. 잘 절연된 냉각 박스를 위해, 949 SCFH의 액체 질소를 증류탑(432)의 상부에 가하여 냉각시켰다. 51,546 SCFH 의 공급 공기를 시스템에서 처리하여 30,000 SCFH이하의 질소(417)생성물을 생성시켜, 공급 공기의 약 58몰%의 질소 회수율을 얻었다.
본 발명은 70몰%이하 정도로 거의 순수한 질소 생성물(필요에 따라 기체 및 액체로서)을 회수한다. 장치 규모가 특히 800,000 SCFH 이하로 감소함에 따라, 본 발명은 표준 컬럼 재비등기(reboiler)가 없고 열 펌프회로를 포함하는 압축 장비가 보다 저렴하기 때문에 더비용 효과적이다.
단일 터보팽창기가 본 발명의 이 실시 태양에 있어서 필수적인 것은 아니다. 실제로, 하나의 터보 팽창기는 장치에 필요한 냉각을 제공하고, 또하나의 터보팽창기는 보다 높은 질소 회수율을 제공하기 위해 증류탑으로 재순환시키는 압축기를 가동시키는 것도 본 발명의 범주내에 든다. 다른 조합도 있다. 필수적인 요소는 공정에서 독특하게 생성된 샤프트 에너지를 사용하는, 산소가 많은 재순환 액체 탑저물의 냉각 압축이다.
본 발명의 특정 실시 태양을 기술해 왔지만, 본 발명은 많은 분명한 조정을 가할 수 있으므로 이에 국한되지 않으며 그러한 조정이 본 발명내에 포함될 뿐아니라 첨부된 특허 청구 범위에 의해 규정된 본 발명의 범주내에 듬은 물론이다.

Claims (17)

  1. (a) 기상 공급 공기를 압축시키는 단계; (b) 압축된 공기를 열 교환기에서 산소 및 질소가 많은 생성물 스트림과 역류시켜 냉각시키는 단계; (c) 냉각 압축된 공기를 단일 증류탑의 중간단으로 도입하는 단계; (d) 냉각된 공기를 거의 순수한 기상 질소 탑상물 및 산소가 많은 액체 탑저물로 분리시키는 단계; (e) 산소가 많은 액체 탑저물의 거의 모두와 기상질소 탑상물의 일부를 응축기로 보내어 거기에서 탑저물과 탑상물간에 간접적으로 열을 교환시킴으로서 산소가 많은 기체 스트림을 비동시키고 액체 질소 스트림을 응축시키는 단계; (f) 액체 질소 스트림의 주요량을 환류물로서 증류탑의 상부로 재순환시키는 단계; (g) 산소가 많은 기체 스트림의 최소한의 제1분획을 압축시키고 압축된 산소가 많은 기체 스트림을 증류탑의 하부로 재수환시킴으로서 공기로부터의 질소 생성물 회수율을 향상시키는 단계; (h) 기상 질소 탑상물의 나머지량을 열교환기에서 압축된 공기와 역류시켜 가온시키는 단계; 및 (i) 가온된 질소 탑상물을 열교환기로부터 거의 순수한 질소 생성물로서 회수하는 단계를 포함하는, 초대기압(superatmospheric pressure)에서 공기로부터 거의 순수한 질소 생성물을 회수하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서 역전(reversing)열교환기에서 불순물의 침적에 의해 단계(b)의 압축된 공기를 정제함을 추가로 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 응축기를 나오는 액체 질소 스트림의 소량을 질소 생성물로서 회수함을 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서 응축기를 나오는 산소가 많은 기체 스트림의 제2분 획을 팽창 수단에서 팽창시킴으로서 일 출력을 발생시켜 공정을 위한 냉각을 제공함을 추가로 포함하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서 응축기를 나오는 산소가 많은 기체 스트림의 제3분획을 열교환기에서 압축된 공기와 역류시켜 가온시킨 다음 상기 제2분획과 합하여 합한 스트림을 팽창시킴을 추가로 포함하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 제 2 분획의 일부만을 팽창시키고 제 2 분 획의 나머지량은 팽창 수단을 거치지 않게하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 단계(g)의 산소가 많은 기체 스트림의 제 1분획을 본질적으로 주위 온도에서 압축시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 단계(g)의 산소가 많은 기체 스트림의 제 1 분획을 대략 증류탑의 온도에서 압축시키는 방법.
  9. 제 4항에 있어서, 팽창 수단으로부터 얻은 일 출력의 일부를, 증류탑의 하부로 재순환시키는 산소가 많은 기체 스트림의 제 1분획을 압축시키는데 이용함을 추가로 포함하는 방법.
  10. 제 4항에 있어서, 팽창 수단으로부터의 일 출력의 일부를 공정으로부터 제거함을 추가로 포함하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 일 출력의 제거된 부분을 열 또는 일로서 주변으로 전달하는 방법.
  12. 제 4 항에 있어서, 모든 일 출력을 증류탑의 하부로 재순환시키는 산소가 많은 기체 스트림의 제 1분획을 압축 시키는데 이용하고, 외부 공급원에 의해 공정을 냉각시킴을 추가로 포함하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 공정을 냉각시키는 단계가 증류탑에 액체 질소를 가함을 포함하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 열교환기의 외부에서 기상 고급 공기를 정제함을 추가로 포함하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 외부 정제 수단이 지올라이트 물질을 포함하는 재생가능한 분자체인 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 단계(g)의 산소가 많은 기체 스트림을 증류탑의 압력보다 약간 높은 압력으로 압축시키는 방법.
  17. (a) 기상 공급 공기의 압력을 증대시키기 위한 제1 압축기 ; (b)증류된 공급 공기의 생성물로 고압 공기를 냉각 시키기 위한 열교환기 ; (c) 냉각된 공기를 거의 순수한 기상 질소 탑상물과 산소가 많은 액체 탑저물로 분리하기 위한 증류탑 ; (d)산소가 많은 기체 스트림을 형성하는 산소가 많은 액체 탑저물과의 간접적인 열교환에 의해 기상 질소 탑상물을 최소한 부분적으로 응축시켜 액체 질소 스트림을 형성하기 위한 응축기 ; (e) 냉각된 액체 질소 스트림의 주요량을 환류물로서 응축기로부터 증류탑으로 재순환시키기 위한 제 1재순환 수단; (f) 응축기로부터의 산소가 많은 기체 스트림의 압력을 증대시키기 위한 제2 압축기 ; 및 (g) 증류탑의 하부로 고압의 산소가 많은 기체 스트림을 재순환시킴으로서 질소 생성물의 회수율을 향상시키기 위한 제 2 재순환 수단을 포함하며, 질소 생성물을 제 1열교환기로부터 회수하는, 공기로부터의 질소 생성물 제조 장치.
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