KR100191950B1 - 저온 공기분리 플랜트로부터 초고순도 산소를 분리하는 방법 - Google Patents

저온 공기분리 플랜트로부터 초고순도 산소를 분리하는 방법 Download PDF

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마이클 헤론 돈
로버트 화이트 토마스
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마쉬 윌리엄 에프.
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Abstract

본 발명은 초고순도 산소 생성물 및 질소 및/또는 시판용 순도의 산소 생성물을 생성하는 저온 공기 분리 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 산소-함유 사이드-드 로우 스트림을 배출하기 위한 위치에 인접한 증류 구간으로부터 증류 컬럼 시스템을 하강하는 액체의 일부를 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

저온 공기 분리 플랜트로부터 초고순도 산소를 분리하는 방법
제1도는 미국 특허 제5,049,173호의 특징부분을 상술하는 개략도이다.
제2도는 본 발명의 특징부분을 상술하는 개략도이다.
제3도 내지 제5도는 본 발명의 다른 실시태양들을 보여주는 개략도이다.
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 공기 또는 산소/질소 혼합물을 저온 증류하여 질소 및/또는 시판용 순도의 산소 및 소량의 초-고순도 산소를 생성하는 저온 증류 방법에 관한 것이다.
저온 증류를 사용하여 초-고순도 산소 생성물을 제조하는 많은 방법들이 당해 기술 분야에 공지되어 있는 데, 그 몇몇은 아래와 같다 :
미국 특허 제5,049,173호는 질소 및/또는 시판용 순도의 산소 생성물을 생성하는 저온 공기 분리공정으로부터 초고순도-산소를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 특히, 그 특징은 단일 또는 다중 컬럼 저온 공기분리 설비의 증류 컬럼 중 하나로부터 산소를 함유하나 중-오염물질이 희박한(없는) 스트림을 제거 또는 생성하는 단계 및 추가로 상기 제거된 또는 생성된 산소 함유 스트림을 분별기내에서 스트리핑하여 초고순도(즉, 오염물 농도 10 vppm) 산소를 생성하는 단계를 포함한다.
미국 특허 제3,363,427호는 시판용 등급의 산소 스트림으로부터 초고순도 산소를 제조하는 방법을 개시하고 있는 데, 상기 시판용 등급의 산소 스트림은 전형적으로 약 99.5-99,8부피%의 산소 농도를 가지며, 소량의 아르곤을 경불순물로, 다종의 탄화수소(주로 메탄), 크립톤 및 크세논으로 구성된 소량의 중불순물을 함유한다. 이 공정에서, 탄화수소는 촉매 챔버내에서 연소에 의해 제거되거나 또는 보조 증류 컬럼으로부터 퍼즈액체로서 제거된다. 촉매 연소 유니트를 사용하지 않는 경우, 다중 증류 컬럼은 다양한 열 교환기 및 재가열기/콘덴서와 함께 사용되어 분리를 수행한다. 이러한 작동 형태에서, 상기 시스템의 냉동은 외부 공급원으로부터 액체 질소를 들여오거나 또는 상기 공기 분리 유니트로 재순환되는 공기 분리 유니트로부터 나온 질소 스트림을 사용하므로써 수행되며, 이후에 한 지점으로부터 다른 지점으로 냉동을 이전시킨다. 이 촉매 연소 작동은 추가의 압착기 및 열 교환기를 요한다. 미국 특허 제4,560,397호는 공기를 저온 증류하여 초고순도의 산소 및 고압 질소를 생성하는 방법을 개시하고 있다. 이 공정에서, 공급 공기를 고압컬럼에서 분별하여 고압 컬럼 상부에서 제거되는 질소 생성물 스트림과, 고압 컬럼의 하부에서 제거되는 미정제 액체 산소를 생성한다. 이 미정제 액체 산소 스트림은 상기 공급 공기내에 함유되는 모든 중-불순물을 갖고 있으며 또한 공급 공기내에 함유되는 대부분의 아르곤을 함유하고 있다. 이 미정제 액체 산소 스트림의 일부를 제2 저압 컬럼내에서 증류하고 초고순도라 불리는 산소를 생성한다. 이 제2컬럼내에서 모든 중-불순물은 산소와 함께 하류로 이동하기 때문에, 이 컬럼으로부터 매우 낮은 농도의 불순물만을 갖는 액체 산소 생성물을 직접 얻는 것은 불가능하다. 이 문제를 극복하기 위해, 기체 산소 생성물을 이 제2컬럼의 재가열기/콘덴서 위 하나 이상의 평형 단계의 한점에서 제거한다. 그러나, 이 중기 스트림은 고농도의 중 불순물을 갖는 액체 스트림과 평형상태를 이루므로, 소정의 범위로 중-불순물 농도를 감소시키는 것은 불가능하다. 예를 들면, 본 특허에 인용된 결과를 참고로 하면, 소위 초고순도 산소내의 메탄 농도는 8vppm이고, 크립톤의 농도는 1.3vppm이다. 전기 산업에서 특히 요구되는 초고순도 산소의 기준에 의하면, 이러한 농도는 높은 것으로 간주될 것이며, 전기 산업에서 요하는 초초순도 산소의 전형적인 탄화수소 함량은 1vppm 이하이다.
미국 특허 제4,755,202호는 이중 컬러 사이클을 사용하는 공기 분리 유니트로부터 초고순도 산소를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 공정에서, 산소가 풍부한 스트림(90.0 내지 99.9%의 산소 농도)을 저압컬럼의 하부로부터 배출하고, 그것을 반대로 흐르는 흡착 컬럼으로 주입한다. 이 흡착컬럼에서는, 상승하는 산소가 풍부한 스트림에 액체 스트림을 하강시키므로써 중-불순물 성분을 제거한다. 탄화수소가 희박하고 산소가 풍부한 스트림을 상기 흡착 컬럼의 상부로부터 제거하고 연이어 응축시킨다. 이 응축된 탄화수소가 희박하고 산소가 풍부한 스트림의 일부를 환류로서 흡착컬럼에 대해 재순환시키고, 나머지 부분을 스트리핑 컬럼으로 보낸다. 상기 스트리핑 컬럼에서는, 하강하는 탄화수소가 희박한 액체 스트림으로부터 아르곤과 같은 경-성분을 스트리핑하여 하부에서 초고순도 액체 산소 생성물을 형성한다. 상기 초고순도 액체 산소의 일부를 재가열하여 스트리핑 컬럼에 중기 스트림을 제공한다. 이 중기 스트림을 스트리핑 컬럼의 상부로부터 제거하고 제2 생성물로서 회수한다. 불가피하게, 이 공정은 두 개의 바람직하지 않은 단점을 갖는다. 그 하나는 경-불순물 및 중-불순물 모두로 오염된 저압 컬럼의 하부로부터 나온 공급 산소 스트림을 사용하므로써, 분리를 수행하는 데 두 개의 증류 컬럼(흡착 컬럼 및 스트리핑 컬럼)을 필요로 하게 된다는 것이다. 두 번째는 상기 공정은 스트리핑 컬럼의 상부에서 증가된 아르곤 농도를 갖는 산소-함유 증기 스트림을 발생시킨다는 것이다 ; 제2 산소 생성물 스트림이 감소된 산소 함량을 갖는 것은 대개 바람직하지 못하다.
미국 특허 제4,869,741호는 초고순도 산소를 생성하는 방법을 개시하고 있다. 이 공정에서, 중 오염물 및 경 오염물을 함유하는 액체 산소를 공급물 스트림으로서 사용한다. 이 공정에서, 두 개의 증류 컬럼, 세 개의 재가열기/콘덴서 및 주 열교환기와 함께 재순환용 질소 스트림상의 압착기를 사용하여 분리를 수행한다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
[발명의 구성 및 작용]
본 발명은 공급 공기 스트림을 압착시키고, 그것의 이슬점 근처까지 냉각시키고, 정류(整流)용 증류컬럼으로 주입시키므로써 질소-함유 상부물 및 미정제 액체 산소 하부물을 제조하고 ; 탄화수소, 이산화 탄소, 크세논 및 크립톤을 포함하는 중 오염물이 거의 없는 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 상기 증류 컬럼으로부터 제거하고 보조 스트리핑 컬럼에서 스트리핑하여 보조 스트리핑 컬럼의 하부에서 초고순도 산소 생성물을 생성하고 ; 산소와 질소를 일차적으로 분리하는 증류 컬럼 시스템의 한 위치로부터 상기 산소-함유 스트림을 제거하여 1% 내지 35% 의 산소 농도를 갖게 하는, 하나 이상의 증류 컬럼을 포함하는 저온 증류 컬럼 시스템을 사용하여 저온 증류에 의해 공기를 분별하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 특징은 상기 증류 컬럼 시스템을 하강하는 액체의 일부를, 보조 스트리핑 컬럼용 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 배출하는 위치에서 또는 그 근처에서, 바람직하게는 (근접한)위치에서 상기 증류 컬럼 시스템의 증류 구간으로부터 제거하므로써 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 배출하는 구간 및 상부에 가장 무거운 물질을 함유하는 공급물을 도입시키는 구간 사이의 증류 구간에서의 상기 액체 대 증기 비를 감소시키는 것이다. 바이패스로 언급되는 제거된 액체 일부를 상기 공정내의 그밖의 부분에서 사용하는 데 ; 바람직하게는 상기 제거된 액체 일부를, 가장 무거운 오염물을 함유하는 공급물을 상부로 도입하는 곳에 근접한 한 위치에서 상기 증류 컬럼 시스템에 도입한다. 감소된 증기 대 액체 비는 상기 산소-질소 분리를 현저히 억제한다. 다시 말하면, 산소-함유 사이드-드로우 스트림의 산소 함량을 증가시키므로써 상기 보조 스트리핑 컬럼으로부터의 산소 생성이 증가한다.
본 발명에서는, 스트리핑시키고자 하는 상기 제거된 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 액체 스트림으로서 또는 중기 스트림으로서 제거할 수 있다.
본 발명에서, 보조 스트리핑 컬럼을 재가열하는 열량은 저온 증류컬럼 시스템의 증류 컬럼으로부터 나온 미정제 액체 산소 하부물의 일부 이상을 차냉각하므로써 또는 임의의 적당한 처리 유체를 응축시키거나 또는 냉각시키므로써 제공될 수 있다.
본 발명의 개량 요소는 고압 증류 컬럼 및 저압 증류 컬럼을 포함하는 저온 증류컬럼 시스템에 대해 적용할 수 있다. 여기서 공급 공기 스트림을 압착시키고, 그것의 이슬점 근처까지 냉각시키고, 정류용 고 증류 컬럼으로 주입시키므로써 질소-함유 상부물 및 미정제 액체 산소 하부물을 제조하고 여기서 상기 미정제 액체 산소 하부물을 감압시키고 저압 증류 컬럼에 공급하고 추가로 저압 증류 컬럼에서 분별시키므로써 저압 질소 상부물을 생성한다. 상기 제거된 산소-함유 사이드-드로우 스트림은 저압 컬럼 또는 고압 컬럼으로부터 제거될 수 있다.
본 발명의 개량 요소는 또한 단일(질소 발생기)증류 컬럼으로 구성된 저온 증류컬럼 시스템에 적용할 수있다. 여기서 상기 보조 스트리핑 컬럼은 탄화수소, 이산화탄소, 크세논 및 크립톤을 포함하는 중 성분이 거의 없는 증류 컬럼으로부터 나온 액체 스트림과 환류한다.
본 발명은 다량의 초고순도 산소를 생성하기 위해 주 증류 컬럼 시스템 및 보조 스트리핑 컬럼을 포함하는 증류 컬럼 시스템을 갖는 종래의 공기 분리 공정을 개선한 것이다. 상기 종래 시스템에서는 산소-함유 사이드-드로우 스트림(액체 또는 증기 로서)을 주 증류 컬럼 시스템의 한 위치로부터 배출하고(여기서 상기 제거된 스트림은 탄화수소, 이산화 탄소, 크세논 및 크립톤과 같은 산소보다 무거운 성분이 거의 없음), 연이어 상기 보조 스트리핑 컬럼내의 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 스트리핑하여 초고순도 산소 생성물을 생성한다. 상기 주된 증류 컬럼 시스템은 하나이상의 증류 컬럼을 포함한다. 본 발명의 개량 요소는 상기 증류 컬럼 시스템을 하강하는 액체의 일부가, 보조 스트리핑 컬럼용 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 배출하는 위치에서 또는 그 근처에서, 바람직하게는 (근접한)위치에서 상기 증류 컬럼 시스템의 증류 구간으로부터 제거하므로써 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 배출하는 구간 및 상부에 가장 무거운 물질을 함유하는 공급물을 도입시키는 구간 사이의 증류 구간에서의 상기 액체 대 증기 비를 감소시키는 것이다. 상기 제거된 부분(바이패스로 언급함)은 상기 공정의 그 밖의 부분에서 사용된다. 감소된 증기대 액체 비는 산소-질소 분리를 현저히 억제한다. 다시 말하면, 산소-함유 사이드-드로우 스트림의 산소 함량을 증가시키므로써 상기 보조 스트리핑 컬럼으로부터의 산소 생성이 증가한다.
본 발명의 특징을 더 잘 이해하기 위해, 미국 특허 제5,049,173호의 주 특징을 상술하는 제1도를 주의 깊게 살펴보자. 제1도에서, 주된 증류 컬럼(1)을 액체는 하강하고 증기는 상승하며 증류에 관련한 두가지 조성 변화가 주된 증류 컬럼내에서 일어난다. 무거운 성분이 거의 없는 산소-함유 사이드-드로우 스트림(액체 또는 증기)을 라인(4)를 통해 주된 증류 컬럼(1)으로부터 제거하고 보조 스트리핑 컬럼(2)의 상부로 주입하여 라인(5)의 초고순도 산소 생성물 스트림과, 라인(6)의 경-오염 오버헤드 스트림으로 분리시킨다.
이제 제2도로 가서, 본 발명의 개량 요소를 상술하겠다. 제2도에서는 마찬가지로 주된 증류 컬럼(1)을 액체는 하강하고 증기는 상승하며 증류에 관련한 두가지 조성 변화가 주된 증류 컬럼내에서 일어난다. 무거운 성분이 거의 없는 산소-함유 사이드-드로우 스트림(액체 또는 증기)을 라인(4)를 통해 주된 증류 컬럼(1)으로부터 제거하고 보조 스트리핑 컬럼(2)의 상부로 주입하여 라인(5)의 초고순도 산소 생성물 스트림과, 라인(6)의 경-오염 오버헤드 스트림으로 분리시킨다. 그러나, 상기 주된 증류 컬럼을 하강하는 액체의 일부는, 라인(4)를 통해 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 배출하는 점과 거의 같은 위치에서 바이패스로서 라인(7)을 통해 제거된다. 그 후 이 제거된 액체 바이패스 스트림은 주된 증류 컬럼(1)에 공급되는 것과 거의 같은 위치에서 라인(8)을 거쳐 도입되어 주된 증류 컬럼(1)내의 액체와 혼합된다. 산소-함유 사이드-드로우 스트림, 라인(4)가 액체로서 제거되는 경우, 상기 바이패스 액체, 라인(7)은 산소-함유 사이드-드로우 스트림, 라인(4)의 일부로서 제거된 것이다.
본 발명의 개량 요소는 이산화 탄소, 크립톤, 크세논 및 경탄화수소와 같은 무거운 성분이 매우 희박하거나 또는 없으면서 약간의 산소를 함유하는 사이드-드로우 스트림을, 공기 분리 유니트의, 질소 및 산소를 분리하는 임의의 분별 컬럼의 한 위치로부터 제거하므로써 초고순도 산소 생성물을 생성하는 종래의 방법에도 적용되는 것으로 숙지된다. 제거된 사이드-드로우 스트림은 증기 또는 액체로서 제거될 수있다. 상기 위치는 전형적으로 단일 또는 이중 컬럼 시스템의 고압 컬럼에 대한 공기 공급물 위 몇 개의 단계 또는 2 또는 3개의 컬럼 시스템의 저압 컬럼에 대한 미정제 액체 산소 공급물 위 몇 개의 단계이다. 이 제거된 중 오염물이 없는, 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 연이어 보조증류 컬럼내에서 스트리핑하므로써 초고순도 산소 생성물을 상기 컬럼의 하부에서 생성한다. 라인(7)내의 바이패스 액체 부분을 제거하므로서 그리고 그것을 라인(8)내에서 재도입시키므로써, 라인(3)내의 공급물과 라인(4)내의 사이드 스트림 사이 주된 증류 컬럼(1)의 증류 구간으로 통상 환류를 제공하는 제거된 액체의 일부는 상기 구간을 우회한다. 그렇게 되는 동안, 상기 구간내의 L/V(액체/증기) 비는 낮아지며, 이로 인해 라인(4)내의 산소-함유 사이드-드로우 스트림의 산소 농도가 증가하는 반면, 여전히 산소-함유 사이드-드로우 스트림내에는 무거운 오염물이 없다.
본 발명의 개량 요소는 제3도 내지 제5도의 흐름도에 의해 상술되는 세 개의 변형물을 하기에 논의하므로써 가장 잘 이해될 것이다. 이 흐름도는 두 개의 서브카테고리로 나뉠 수 있다. 그 첫 번째 서브셋은 2 컬럼 시스템의 고압 및/또는 저압 컬럼으로부터 산소를 함유하나 중 오염물이 없는 액체 스트림을 인발하여 초고순도 산소를 분리하고 회수하는 기능을 수행한다. 두 번째 서브셋은 고압 컬럼 및/또는 저압 컬럼으로부터, 산소를 함유하나 무거운 오염물이 없는 중기 스트림을 인발하고 이 스트리상에서 초고순도 산소를 회수하기 위해 추가 분리를 수행한다. 액체 배출을 하는 첫 번째 서브셋은 증기 배출을 하는 서브셋을 논의한 후 논의될 것이다. 제3도 내지 제5도에서 상응하는 스트림 및 장치는 동일한 숫자에 의해 표시되어 있다.
제3도는 단일 컬럼 공기 분리 유니트의 고압 컬럼으로부터 액체 사이드-드로우를 배출하는 것을 토대로 하는 흐름도이다. 제3도에서는, 라인(10)을 거쳐 주 공기 압착기(MAC)에 공급물 공기 스트림이 주입된다. 압착 후, 공급물 공기 스트림은 공기 냉각기 또는 물 냉각기에 의해 통상적으로 후냉각되며, 그후 유니트(16)내에서 가공되어 저온에서 동결되는 임의의 오염물 즉, 물 및 이산화 탄소가 제거된다. 물 및 이산화 탄소를 제거하는 공정은 흡착 몰 분자 베드와 같은 공지된 임의의 공정이 가능하다. 이 압착한, 물 및 이산화 탄소가 없는 공기를 그후 라인(18)을 거쳐 주 열교환기(20)에 공급한다. 여기서 그것을 이슬점 근처까지 냉각한다. 그 후, 상기 냉각된 공급물 공기 스트림을 질소 오버헤드 스트림 및 미정제 액체 산소 하부물로 분리하기 위해 라인(21)을 거쳐 정류기(22)의 하부에 주입한다.
상기 질소 오버헤드는 라인(24)를 거쳐 정류기(22)의 상부로부터 제거되고 그후 두개의 서브 스트림으로 나뉘어진다. 그 첫 번째 서브 스트림은 라인(26)을 거쳐 재가열기/콘덴서(28)로 주입되는 데 여기서 그것을 액화시키고 그후 라인(30)을 거쳐 정류기(22)의 상부로 되돌려서 정류기에 환류를 제공한다. 두 번째 서브 스트림은 라인(32)를 거쳐 정류기(22)로부터 제거되고, 주 열교환기(20)에서 냉각을 제공하기 위해 가온되고, 기체 질소 생성물 스트림으로서 라인(34)를 거쳐 상기 공정으로부터 제거된다.
산소-함유 액체 사이드-드로우 스트림은 정류기(22)의 중간위치로부터 라인(100)을 거쳐 제거된다. 상기 중간 위치는 정류기(22)를 하강하는 액체의 일부인 산소-함유 사이드-드로우 스트림이 35% 이하의 산소 농도를 가지며 탄화수소, 이산화 탄소, 크세논 및 크립톤과 같은 무거운 성분이 거의 없도록 선택한다. 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 그 후, 밸브를 통해 감압시키고 분별기(102)에 주입하여 스트리핑 시키므로써 스트리퍼 오버헤드 및 초고순도 산소 하부액체를 생성한다. 상기 스트리퍼 오버헤드를 라인(104)를 통해 폐기물 스트림으로서 제거하고 냉동을 회복시키기 위해 열교환기(20)에서 가온한다.
라인(100)을 통해 정류기(22)의 중간 위치로부터 제거하고자 하는 산소-함유 사이드-드로우 스트림외에도, 정류기(22)를 하강하는 액체의 또 다른 일부를 바이패스 스트림으로서 라인(300)을 통해 제거하고 라인(21)내의 공기 공급물과 동일한 컬럼높이에서 정류기(22)내로 재주입한다. 도시되지는 않았지만, 라인(100)내의 산소-함유 액체 사이드-드로우 스트림 및 라인(300)내의 바이패스 스트림을 정류기(22)로부터 함께 제거할 수 있으며 그후 나뉘어져서 그들의 각각의 기능을 수행한다.
유사하게, 라인(300)내의 바이패스 스트림은 라인(38)내에서, 정류기(22)의 하부에서 나오는 미정제 액체 산소 하부물에 합해질 수 있다.
초고순도 산소 하부물 액체의 일부 이상을 간접 열 교환게 의해 재가열기(286)내에서 증발시키므로써 스트리퍼(102)를 재가열한다. 재가열용 분별기(102)에 대한 열량은 상기 미정제 액체 산소 하부물의 일부를 차냉각시키므로써 제공된다. 라인(38)내의 상기 미정제 액체 산소 하부물 일부를 라인(288)을 통해 스트리퍼(102)의 하부에 위치한 재가열기(286)에 주입한다. 재가열기(286)에서, 상기 일부를 차냉각 하므로써 재가열 스트리퍼(1O2)에 요구되는 열량을 제공하고 이어서 감압하고 라인(290)을 통해 나머지 미정제 액체 산소 하부물의 일부와 라인(38)에서 재결합시킨다.
초고순도 산소 생성물을 스트리퍼(102)의 하부물로부터 제거한다. 그 생성물을 라인(112)를 통해 기체 생성물로서 및/또는 라인(114)를 통해 액체 생성물로서 제거할 수 있다.
미정제 액체 산소 스트림을 라인(38)을 통해 정류기(22)의 하부로부터 제거하고 감압하고 재가열기/콘덴서를 둘러싼 통에 주입한다. 여기서 그것을 증발시키므로써 라인(26)내의 질소 오버헤드를 응축시킨다. 상기 증발된 스트림 또는 폐기물 스트림을 라인(40)을 통해 재가열기/콘덴서(28)을 둘러싼 통구간의 상부로부터 제거한다.
이 증발된 폐기물 스트림을 그후 가공하여 상기 스트림내의 고유한 냉동을 회복한다. 상기 폐기물 스트림내의 고유한 냉동으로부터 상기 공정에 제공되는 냉동을 조화시키기위해 스트림(40)을 두 개의 부분으로 나눈다. 그 제1부분을 라인(44)를 통해 주 열교환기(20)로 주입하고 여기서 가온하여 냉동을 회복한다. 상기 제2부분을 라인(42)를 통해 라인(44)내의 가온된 제1부분과 결합시켜 라인(46)을 형성한다. 라인(46)내의 이 재결합된 스트림을 그후 두 개의 부분으로 나누고, 다시 상기 공정의 냉동 요건에 조화시킨다. 라인(50)내의 제1부분을 팽창기(52)내에서 팽창시킨 후, 라인(48)내의 제2부분과 결합시키고 그것을 밸브를 통해 감압시킨후에는 라인(54)내에 팽창된 폐기물 스트림을 형성한다. 그후 이 팽창된 폐기물 스트림을 주열교환기(20)에 주입하고 가온하여 냉동을 제공하고 그후 상기 공정으로부터 폐기물 스트림으로서 라인(56)을 통해 제거한다. 열교환기(20)을 통과하는 스트림의 숫자를 제한하기 위해, 라인(104)내의 스트리퍼 폐기물 스트림을 라인(54)내의 정류기(22)로부터의 팽창된 폐기물 스트림과 결합시킨다.
마지막으로, 소량의 퍼즈 스트림을 라인(60)을 통해 재가열기/콘덴서(28)을 둘러싼 통으로부터 제거하여 상기 통내의 액체중의 탄화수소 축적을 막는다. 필요하다면, 액체 질소 생성물도 상기 응축된 질소 스트림의 분율로서 회수가능하다.
제4도는 고압 컬럼 또는 저압 컬럼으로부터의 중기 사이드-드로우 스트림 배출에 관한 흐름도이다. 이 중기 스트림은 중 오염물질이 매우 희박하나, 산소를 함유하다. 이 중기 스트림에 대해 분리를 수행하여 초고순도 산소를 생성하였다. 이 도면은 하기에 추가로 상술되어 있다.
제4도에서는, 중기 사이드-드로우 스트림은 라인(500)을 통해 저압 컬럼(200)으로부터 배출한다. 이 중기 스트림을 가장 상부에 있는, 무거운 오염물을 함유한 공급물을 저압 컬럼(200)으로 주입하는 지점위 몇개의 트레이에 배출한다. 즉, 미정제 액체 산소하부물이 라인(38)을 통해 고압 컬럼(22)의 하부로부터 저압컬럼(200)으로 주입되는 지점위 몇 개의 트레이에 배출시킨다. 만약 팽창된 공급물이 미정제 액체 산소하부 공급물위로 주입된다면, 그 후 컬럼(402)로 가는 중기 공급물을 컬럼(200)으로 가는 상기 팽창된 공기 공급물위 몇 개의 트레이에 배출할 필요가 있을 것이다. 이러한 배출 위치는 저압컬럼(200)을 하강하는 중오염물-없는 액체 환류가 저압컬럼(200)을 상승하는 가장 무거운 오염 증기를 스트리핑하기에 충분한 트레이를 갖도록 선택한다. 컬럼(402)의 하부를 라인(108)을 통해 고압컬럼의 상부로부터 나온 기체 질소 스트림에 의해 재가열한다. 선택적으로, 상기 공급물 공기 스트림의 일부를 이러한 목적에 사용할 수 있다. 또한, 이 제4도에선, 아르곤이 풍부한 스트림을 라인(460)을 거쳐 컬럼(402)로부터 배출하고 저압컬럼(200)에 주입한다. 이 단계는 임의 단계로서 초고순도 산소내의 아르곤 함량을 감소시키기위해 사용된다.
마지막으로, 저압컬럼(200)을 하강하는 액체의 일부를 라인(300)을 통해 제거하고 라인(38)내 미정제액체 산소 하부 공급물과 같은 높이에서 정류기(200)에 재주입한다.
제5도는 소량의 초고순도 산소가 요구되는 경우, 특히 유용한 또 다른 변형이다. 제4도와 유사하게, 산소를 함유하나 중 오염물이 매우 희박한 증기 사이드-드로우 스트림을 라링(600)을 통해 고압컬럼(22)으로부터 배출하여 컬럼(102)에 재가열을 제공하는 데 사용한다. 라인(602)내의 상기 응축된 공급물 스트림을 감압시켜 컬럼 (102)내의 상부로 주입한다. 라인(104)를 통해 컬럼(102)의 상부로부터 인발된 증기를 저압컬럼내의 적당한 위치에 주입한다.
액체 초고순도 산소 라인(114)를 생성하고자 한다면, 이후에 추가의 액체 공급물 스트림이 필요하다. 무거운 오염물이 없는 이 스트림은 저압컬럼(200)으로부터 라인(500)을 통해 사이드-드로우 스트림으로 배출되고, 컬럼(102)의 상부에 주입된다. 이 경우, 저압 컬럼(200)을 하강하는 액체 스트림은 라인(500)내의 중-오염물이 없는 사이드-드로우 액체와 같은 위치로부터 바이패스로서 라인(300)을 통해 제거되고, 미정제 액체 생성물 하부물이 라인(38)을 통해 주입되는 위치에서 저압컬럼(200)으로 돌아간다.
제5도에서 도시되지는 않았지만, 제3도와 유사한 방법으로, 액체 바이패스 스트림이 라인(600)내의 스트림과 같은 위치로부터 컬럼(22)로부터 배출되고 라인(38)내의 미정제 액체 산소 하부물과 혼합된다.
기체 스트림이 고압 컬럼 또는 저압 컬럼으로부터 배출되고 초고순도 산소용 보조 스트리핑 컬럼에 주입되는 경우(제4도 내지 5), 이 증기 스트림내의 산소 농도는 20% 이하일 것이다. 가장 일반적인 산소 농도는 3% 내지 15%이다. 1%이하의 산소농도는 초고순소 산소의 생률을 매우 낮게 하므로 바람직하지 않다.
[실시예]
본 발명의 성능을 입증하기위해, 대조물을 컴퓨터 시뮬레이션하여 본 발명에 개시된 제3도에 상술된 공정 실시태양 및 미국 특허 제5,049,173의 제2도에 교시된 공정 실시태양과 비교하였다. 두개의 도면을 비교한 결과, 본 발명 제3도의 라인(300)내의 구간 바이패스 스트림을 포함한다는 것에만 차이가 있었다. 이러한 비교의 기준은 다음과 같다:
■ 주컬럼(22)는 사이드-드로우 위에 77개의 이론단 및 그 아래에 13개의 이론단을 포함한다. 컬럼의 작동 압력은 상부에서 140 psia 이다. 질소 생성물 순도는 0.1vppb 산소이다. 사이드-드로우 흐름은 컬럼 공급물 100 몰당 8.1몰이다. 상기 바이패스 흐름은 컬럼 공급물 100몰 당 2내지 6몰로 다양하다.
■ 라인(300)내의 바이패스 스트림 및 라인(100)내의 사이드-드로우 스트림은 정류기(22)내의 동일한 위치로부터 시작된다. ; 그러므로, 양 스트림은 동일한 조성을 갖는다.
■ 보조 스트리핑 컬럼(103)은 80개의 이론단을 갖는다. 그 작동 압력은 상부에서 16.5 psia 이다. 초고순도 산소 순도는 0.1vppb 아르곤이며 2vppb이하 메탄이다(공급 공기 순도 1.5vppm).
비교 시뮬레이션 결과를 하기 표 1에 수록하였다.
상기 결과는 바이패스 유동률이 사이드-드로우 흐름의 75%에서 고정되는 경우, 산소 생성물이 약 10%까지 증가할 수 있다는 것을 보여준다. 바이패스를 사용하는 조작의 단 하나의 잇점은 질소 생성이 약간 준다는 것이다. 또한, 초고순도 산소 생성물의 탄화수소 함량은 약간 증가하나, 이는 상기 주 컬럼의 하부 구간에 두 개 내지 3개 더 이론단을 증가시키므로써 극복될 수 있다. 첨가된 트레이는 실질적으로 라인(100)내의 사이드-드로우 스트림의 산소 함량에 영향을 미치지 않을 것이라는 것을 숙지해야 한다. 이는 상기 질소-산소 증류가 L/V비에 의해 제한되므로 이미 과트레이 상태이기 때문이다.
또한 표 1 에서는 라인(114)내 초고순도 산소 스트림의 탄화수소 함량은 라인(100)내 사이드-드로우 스트리의 탄화 수소 함량에 비례한다는 것을 숙지해야 한다. 그러므로, 정류기(22)의 하부 구간에 이론단을 추가하여 바이패스 및 사이드-드로우 스트림의 탄화수소 함량을 감소시키는 것은 초고순도 산소내 탄화수소 함량을 감소시킬 것이다.
바이패스 및 사이드-드로우 스트림의 탄화수소 함량은 주 컬럼의 하부 증류 구간에 이론단을 수를 증가시키므로써 쉽게 감소된다는 주장은 하기 표 2에 기술된 결과에 의해 증명된다.
메탄은 가장 가벼운 탄화수소이며 이론단을 첨가하므로써 쉽게 감소되기 때문에 그후, 기타 모든 탄화수소 또한 제거된다.
가장 최근의 종래 기술(미국 특허 제5,049,173호)에 비해 본 발명의 또다른 그리고 똑같이 중요한 잇점은 바이패스가 사이드-드로우의 조성을 조절하게 한다는 것이다. 플랜트 공급물이 업셋되는 동안, 상기 사이드-드로우 스트림을 실질적으로 변화시킬 수 있다. 그러나, 상기 표 1에 수록한 바와 같이, 바이패스 흐름(심지어는 일정한 사이드-드로우 흐름)을 변화시키므로써 사이드-드로우 스트림내의 산소 농도에 현저히 영향을 미칠 수 있다. 그러므로, 바이패스 흐름을 변화시키므로서 플랜트 업셋의 영향을 이동시킬 수 있으며 이로써 사이드-드로우 스트림에 대한 일정한 산소 농도를 유지하여 상기 공급물을 교란되지 않은 보조 스트리핑 컬럼에 놓아둘 수 있다. 이러한 조절은, 초고순도 산소 흐름이 상기 컬럼에 대한 공급물 유동률에 비해 너무 작아서 공급물 조성내 소규모의 업셋이 초고순도 산소 생성물 조성에 비교적 큰 변화를 일으킬 수 있으므로 특히 중요하다.
상기 구간둘레에서 액체 흐름을 우회시키는 기술은 증-오염물이 없는 사이드-드로우를 사용하는 경우에 항상 이롭게 사용될 수 있다.
본 발명은 이의 몇가지 실시태양을 참고로 기술하였다. 이 실시태양은, 본 발명의 제한으로 보아서는 안되며, 이러한 제한은 하기 청구범위에 의해 더욱 확실해 질 것이다.

Claims (15)

  1. 공급 공기 스트림을 압착시키고, 그것의 이슬점 근처까지 냉각시키고, 정류(整流)용 증류컬럼 시스템으로 주입시키므로써 질소-함유 상부물 및 미정제 액체 산소 하부물을 제조하고 ; 탄화수소, 이산화 탄소, 크세논 및 크립톤을 포함하는 증 오염물이 거의 없는 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 상기 증류 컬럼으로부터 제거하고 보조 스트리핑 컬럼에서 스트리핑하여 보조 스트리핑 컬럼의 하부에서 초고순도 산소 생성물을 생성시키고 ; 산소와 질소를 일차적으로 분리하는 증류 컬럼 시스템의 한 위치로부터 상기 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 제거하여 1% 내지 35%의 산소 농도를 갖게 하는, 하나 이상의 증류 컬러을 포함하는 저온 증류 컬럼 시스템을 사용하여 저온 증류에 의해 공기를 분별하는 방법에 있어서, 증류 컬럼 시스템을 하강하는 액체의 일부를 보조 스트리핑 컬럼용 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 배출하기 위한 위치에 근접한 증류 컬러 시스템의 증류 구간으로부터 제거하므로써, 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 배출하는 구간과 상부의 가장 무거운 오염물을 함유하는 공급물을 도입시키는 구간 사이의 증류 구간에서의 상기 액체 대증기 비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기제거된 액체 일부를, 상부의 가장 무거운 오염물을 함유하는 공급물을 도입하는 곳에 근접한 한 위치에서 상기 증류 컬럼 시스템에 도입하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 스트리핑시키고자 하는 상기 제거된 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 액체 스트리으로서 제거하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 스트리핑시키고자 하는 상기 제거된 사소-함유 사이드-드로우 스트림을 증기 스트림으로서 제거하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 보조 스트리핑 컬러을 재가열하는 열량은 저온 증류컬럼 시스템의 증류 컬럼으로부터 나온 미정제 액체 산소 하부물의 일부 이상을 차냉각시키므로써 제공되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 보조 스트리핑 컬럼을 재가열하는 열량은 저온 증류컬럼 시스템의 증류 컬럼으로부터 나온 질소 상부물의 일부를 적어도 부분적으로 응축시키므로써 제공되는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 저온 증류 컬럼 시스템은 고압 증류 컬럼 및 저압 증류 컬럼을 포함하며, 여기서 공급 공기 스트림을 압착시키고, 그것의 이슬점 근처까지 냉각시키고, 정류용 고 증류컬럼 시스템으로 주입시키므로써 질소-함유 상부물 및 미정제 액체 산소 하부물을 생성시키고, 상기 미정제 액체 산소를 감압시키고 저압 증류 컬럼으로 공급하고 추가로 저압 증류 컬럼에서 분별시키므로써 저압 질소 오버헤드를 생성시키는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 스트리핑시키고자 하는 상기 제거된 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 액체 스트림으로서 제거하는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 스트리핑시키고자 하는 상기 제거된 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 증기 스트림으로서 제거하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 스트리핑시키고자 하는 상기 제거된 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 저압컬럼으로부터 제거하는 방법.
  11. 제7항에 있어서, 스트리핑시키고자 하는 상기 제거된 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 고압컬럼으로부터 제거하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 저온 증류컬럼 시스템은 단일(질소 발생기)증류 컬럼으로 구성되며 여기서 상기 보조 스트리핑 컬럼은 탄화수소, 이산화 탄소, 크세논 및 크립톤을 포함하는 무거운 성분이 거의 없는 증류 컬럼으로부터 나온 액체 스트림과 환류시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 스트리핑시키고자 하는 상기 제거된 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 액체 스트림으로서 제거하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 스트리핑시키고자 하는 상기 제거된 산소-함유 사이드-드로우 스트림을 증기 스트림으로서 제거하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 보조 스트리핑 컬러을 재가열하는 열량은 정류전, 산소-함유 사이드-드로우 스트림의 일부 이상을 응축시키므로써 제공되는 방법.
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