KR100191987B1 - 질소 생성방법 및 장치 - Google Patents

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페이스 살바토르 피
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Abstract

본 발명은 단일 칼럼 질소 발생기중에서 공기의 분리로부터 질소를 발생시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 질소가 풍부한 수증기는 칼럼기부로서 생성된 산소가 풍부한 액체 스트림의 증발을 통하여 응축되어 역류를 형성한다. 증발된 산소가 풍부한 스트림은 재순환 압축기중에서 일부가 재압축되고, 냉각되고 칼럼으로 재도입되어 질소 생성물을 증가시킨다. 증발된 산소가 풍부한 스트림은 또한 작동의 수행으로 일부가 팽창된다. 팽창의 작동은 압축에 적용된다. 질소 액화 유니트에 의해 생성된 보충 냉각 스트림은 질소를 액체로서 얻고 압축에 적용될 수 있는 팽창의 작동량을 증가시킨다.

Description

질소 생성방법 및 장치
공기가 증류칼럼중에서 증류되어 생성물로서 얻어지는 질소가 풍부한 수증기를 생성하는 다수의 선행기술 방법 및 장치가 있다.
단일 증류칼럼을 사용하는 공기 분리방법 및 장치의 형태에서, 공기는 여과, 압축 및 정제된 후에 정류에 적합한 온도로 주요 열교환기중에서 냉각된다. 그런다음, 공기는 단일 칼럼으로 도입되고 질소가 풍부한 수증기 및 산소가 풍부한 액체 분획으로 분리된다. 칼럼을 역류시키기 위해서, 산소가 풍부한 액체가 질소가 풍부한 수증기를 응축하는 헤드 응축기가 사용된다. 질소 생성물을 증가시키기 위해 증발된 산소가 풍부한 액체가 다음으로 재압축되고 칼럼내로 재도입된다. 압축은 주요 열교환기의 상온이나 저온 단부의 온도에서 발생할 수 있다. 증발된 풍부한 액체의 부분은 부분적으로 가열된 다음 작동의 수행으로 팽창될 수 있다. 증발된 풍부한 액체의 재압축에 모든 팽창 작동을 적용하는 것이 요구된다. 그러나, 압축이 주요 열교환기의 저온 단부의 온도에서 일어나는 경우에, 주요 열교환기내에서 소비되어야 하는 압축열이 생성된다. 따라서, 최종 결과는 유효 냉각이 만들어지지 않을 것이다. 따라서, 대부분의 팽창 작용은 에너지 소비 브레이크의 경로에 의해 장치로부터 거절됨이 틀림없다.
전형적으로, 상기 기술한 바와 같은 장치는 전체의 생성물을 기체로서 만든다. 생성물을 기체로 전환하기 위해, 생성물 기체는 분리 액화기내에서 액화됨이 틀림없다. 이러한 액화는 에너지 가격이 증가되지 않고는 달성되지 않는다.
동시에, 고순도의 질소가 바람직하다면, 액화중에 포함된 장치는 질소 발생기에 의해 생성된 고순도 질소를 오염시키는 작용을 할 수 있다. 따라서, 이러한 액체 질소가 고순도 적용물에 이용되고자 하면 액체 질소의 하류 세정이 필요할 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 질소 발생기의 개략도이다.
제2도는 제1도에 예시한 질소 발생기에 통합된 질소 액화기의 개략도이다.
후술되는 바와 같이, 본 발명은 더 많은 팽창 작동이 압축에 적용되어 에너지 효율 방법중의 액체 질소 생성을 증진시킬 수 있는 질소 생성방법 및 장치를 제공한다. 또한, 이러한 액체 질소 생성은 하류 액화기의 사용없이 달성된다.
본 발명은 질소를 생성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 압축 및 정제된 공급 공기를 정류에 적합한 온도로 냉각하는 것을 포함한다. 다음으로, 압축 및 정제된 공급 공기는 증류 칼럼으로 도입되어 고순도의 질소가 풍부한 최상부(본원 및 특허청구범위에서 사용된 바와 같이 고순도는 100ppb 미만의 산소를 의미한다) 및 칼럼기부로서 산소가 풍부한 액체를 생성한다. 질소가 풍부한 최상부로 구성된 일부이상의 질소가 풍부한 스트림은 응축되고 일부의 생성된 응축물은 역류하여 증류칼럼으로 재도입된다. 질소 생성물 스트림은 생성된 응축물의 잔여부로부터 형성된다. 재순환 스트림은 압축된 다음 공급 공기의 정류에 적합한 온도로 냉각된다. 재순환 스트림은 증류칼럼으로 도입되어 질소 생성물의 회수를 증가시킨다. 냉각 스트림은 작동의 수행으로 팽창되어 주 냉각 스트림을 형성한다. 주 냉각 스트림과 압축 및 정제된 공기사이에서 열이 간접적으로 교환된다. 팽창 작동량은 재순환 스트림의 압축에 적용된다. 보충 냉각 스트림은 증발된 다음 재액화된다. 보충 냉각 스트림은 일부이상의 질소가 풍부한 스트림사이에서 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로 증발됨으로써 그부분의 질소가 풍부한 스트림의 응축효과를 돕는다. 보충 냉각 스트림의 재액화이전에, 상기 보충 냉각 스트림과 압축 및 정제된 공기사이에서 열은 간접 교환되어 보충 냉각이 가해지지 않을 때 얻어질 수 있는 분량에 대해 압축에 공급될 수 있는 작동의 분량을 증가시킨다. 이것이 압축을 증가시키고 추가로 질소 생성물의 회수를 증가시킨다.
다른 양태에서, 본 발명은 질소 발생기를 제공한다. 주요 열교환 수단은 압축 및 정제된 공급 공기를 정류에 적합한 온도로 냉각시키기 위해 배열된다. 증류칼럼은 주요 열교환 수단에 연결되어 압축 및 정제된 공급 공기를 정류함으로써 고순도의 질소가 풍부한 최상부 및 산소가 풍부한 액체 칼럼기부를 생성한다. 헤드 응축기는 질소가 풍부한 최상부로 구성되는 일부이상의 질소가 풍부한 스트림을 응축하고, 역류로서 증류 칼럼내로 일부의 생성된 응축물을 재도입하기 위해 증류 칼럼에 연결되어 잔여부의 생성된 응측물을 생성물 스트림으로서 제거할 수 있다.
압축기는 재순환 스트림을 압축하기 위해 제공된다. 주요 열교환 수단은 압축기와 증류칼럼사이에 위치하여 공기가 정류되고 증류칼럼으로 도입되는 온도로 재순환 스트림을 냉각시켜 질소 생성물의 회수를 증가시킨다. 터보팽창기는 작동의 수행으로 냉각 스트림을 팽창시키기 위해 제공되어 주 냉각 스트림을 형성한다. 터보 팽창기는 주요 열교환 수단에 연결되어 압축 및 정제된 공기로 주 냉각 스트림을 간접적으로 열교환시킨다. 압축기에 터보팽창기를 결합하기 위한 수단이 제공되어 재순환 스트림의 압축에 작동의 일부가 적용된다. 순환중에 증발되는 보충 냉각 스트림을 순환시키기 위해 보층 냉각 순환장치가 제공된다. 보충 냉각 순환장치는 헤드 응축기 및 주요 열교환 수단을 포함한다. 헤드 응축기는 보충 냉각 스트림이 질소가 풍부한 스트림의 일부이상과 간접적으로 열교환되어 적어도 부분적으로 증발되도록 배열된다. 주요 열교환 수단은 또한 보충 냉각 스트림과 압축 맡 정제된 공기사이에서 간접적으로 열교환되도록 배열되어 보충 냉각이 가해지지 않을 때 얻을 수 있는 작동량에 비해 압축에 공급될 수 있는 작동량을 증가시킨다. 이것이 압축을 증가시키고 추가로 질소 생성물의 회수를 증가시킨다. 보충 냉각 순환장치는 또한 증발된 후의 보충 냉각 스트림을 재액화시키기 위해 주요 열교환 수단과 헤드 응축기사이에 위치하는 액화기를 포함한다.
보충 냉각 스트림의 첨가는 더욱 많은 팽창 작용으로 증류칼럼으로 재도입되는 증발된 산소가 풍부한 액체 스트림이 압축되도록 한다. 따라서, 주어진 공기의 공급속도에 대해, 더욱 많은 질소가 생성될 것이고, 헤드 응축기로부터 더욱 많은 질소가 액체로서 제거될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 보충 냉각 스트림은 주요 열 교환기중의 장치에 그의 보충 냉각을 가하는 질소 스트림일 수 있다. 그러나, 이러한 스트림은 높은 압력의 하강없이 주요 열교환기를 이탈하기 때문에, 증발된 질소 스트림이 비통합된 액화기중에서 개별적으로 액화되는 경우에 재액화를 위해 요구되는 에너지량은 크지 않다. 그러므로, 선행기술에 비해 더욱 많은 액체 질소를 절약된 에너지에서 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 질소 발생기내에서 고순도의 질소가 생성될 수 있기 때문에, 액화기는 간접 열교환을 통하여 통합되고, 생성물에 오염이 없는데, 다른 경우라면 질소 생성물, 즉 질소 발생기의 하류액을 액화시키기 위해 액화기가 통합될 것이다.
본 명세서는 출원인이 그의 발명을 명확하게 의미하는 청구범위로 종결되지만, 본 발명은 하기와 같은 첨부도면과 연결할 때 더욱 잘 이해될 것이다.
제1도를 참고로 하여, 본 발명에 따른 질소 발생기(1)를 예시한다. 먼지 입자를 제거하기 위해 여과한 후의 공기는 압축된 다음 정제되어 이산화탄소 및 물을 제거한다. 그런 다음, 주요 열 교환기(11)내에서 정류에 적합한 온도로 공기를 공기 스트림(10)으로 냉각한다. 공기 스트링(70)을 칼럼기부로서 산소가 풍부한 액체 및 최상부로서 고순도의 질소가 풍부한 수증기를 생성하기 위해 배열된 증류칼럼(12)으로 도입한다.
질소가 풍부한 스트림(14)은 질소가 풍부한 증기로부터 생성된다 질소가 풍부한 스트림(14)의 부분(16)은 헤드 응축기(18)내에서 응축되어 응축된 스트림(20)을 생성한다. 응축된 스트림의 부분(22)은 증류칼럼(12)으로 재도입된다. 예시된 실시태양중의 또다른 부분은 응축된 스트림(20)의 잔여부이고, 액체 생성물 스트림(23)으로서 추출되고, 바람직하게는 하부냉각 유니트(24)내에서 하부냉각된 후에 저장을 위해 보내지기 전에 팽창밸브(26)에 의해 밸브팽창된다. 당해 기술분야의 숙련자들이 알 수 있는 바와 같이, 질소가 풍부한 스트림(14)의 또다른 부분으로 구성된 생성물 스트림은 예시된 실시태양의 가능한 변형에 해당된다.
산소가 풍부한 액체 스트림(28)은 하부냉각 유니트(30)로 하부냉각된 다음 상기 질소가 풍부한 스트림(14)의 부분(16)을 응축시키기에 충분한 저온으로 팽창밸브(32)를 통하여 팽창된다. 팽창후에, 산소가 풍부한 액체 스트림(28)을 헤드 응축기(18)로 도입하여 증발된 산소가 풍부한 액체 스트림(34)을 생성한다.
증발된 산소가 풍부한 액체 스트림의 부분(36)은 재순환 압축기(38)내에서 재압축된 다음 증류칼럼(12)의 온도로 주요 열 교환기(11)의 섹숀(11B)중에서 냉각된다. 압축 및 증발된 산소가 풍부한 액체 스트림은 증류칼럼(12)으로 재도입된다. 증발된 산소가 풍부한 액체 스트림(34)의 잔여부(40)는 공기 정류가 발생하는 온도이상의 중간 온도로 가온된다. 이것은 주요 열 교환기(11)의 섹숀(113)내에서 발생한다. 산소가 풍부한 액체 스트림의 잔여부(40)는 터보팽창기(42)내에서 팽창되어 주 냉각 스트림(44)을 생성하는 냉각 스트림을 형성한다. 터보팽창기(42)는 압축기(38)에 결합된다. 팽창의 작동부분은 에너지 소비 브레이크(46) 또는 가능하게는 전기적 발생기에 의해 소비되고, 팽창 에너지의 잔여부는 동력 압축기(38)에 사용된다. 주 냉각 스트럼(44)은 하부냉각 유니트(30)내에서 가온된 다음 주요 열교환기(11)내에서 완전히 가온되어 폐기물로서 설비로부터 배출된다.
본 발명의 실시태양은 액체의 스트림이 칼럼의 기부위의 칼럼위치에서 추출된다음, 증류공정을 사용하는 동안 증발후에 재압축되고, 냉각되고 칼럼으로 재도입되는 것이 가능하다. 또한, 본 발명은 냉각 스트림이 증발된 칼럼기부 액체로부터 형성되는 질소 생성 장치에 한정되는 것은 아니다.
보충 냉각 스트림(48)은 하기에 논의될 바와 같이 질소 액화 유니트(NLU로 표시됨)로부터 공급된다. 보충 냉각 스트림(48)의 부분(50)은 헤드 응축기(18)내에서 증발한 다음 추가로 하부냉각 유니트(30)내에서 가온된다. 그런 다음, 주요 열교환기(11)로 도입되어 완전히 가온된 다음 질소 액화 유니트로 재순환된다. 본 발명의 실시태양에서 헤드 응축기(18)내에서 보충 냉각 스트림이 부분적으로 증발한 다음 주요 열교환기(11)내에서 완전히 증발한다.
따라서, 보충 냉각은 질소 발생기(1)로 공급된다. 유입하는 보충 냉각 스트림의 잔여부(51)는 밸브(52)내에서 밸브팽창되고, 액체 스트림(56)을 생성하기 위해 상 분리기(54)내에서 상분리된다. 액체 스트림(56)은 액체 생성물 스트림(23)을 하부 냉각시키는 작용을 한다. 분리된 보충 냉각의 증기 상으로 구성된 중기 스트림(58)은 스트림(56)과 결합되고, 스트림(59)으로서 질소 액화 유니트로 순환된다.
제2도를 참고로하여, 본 발명에 따른 질소 액화 유니트(2)를 예시한다. 보충 냉각 스트림(48)의 부분(50)은 하기에서 기술될 방법으로 가온된 후에 재순환 스트림(60) 및 스트림(59)과 혼합된다. 생성된 혼합 스트림은 다음으로 압축 유니트(62)내에서 재압축되어 압축된 스트림(64)을 형성한다. 압축열은 후냉각기(66)에 의해 압축된 스트림(64)으로부터 제거된다. 다음, 압축된 스트림(64)은 제 1 부스터 압축기(68)로 도입되고 압축열은 제 1 후냉각기(70)에 의해 제거된다. 그 후, 압축된 스트림(64)은 제 2 부스터 압축기(72)로 도입되고 압축열은 제 2 후냉각기(74)에 의해 압축된 스트림(64)로부터 제거된다. 그런 다음, 압축된 스트림(64)의 주요부는 열교환기(76)내에서 냉각되고, 밸브(77)에 의해 액화되도록 밸브 팽창되어 보충 냉각 스트림(48)을 생성한다.
압축된 스트림(64)이 열교환기(76)내에서 부분적으로 냉각된 후에, 보조 스트림(78)은 압축된 스트림(64)으로부터 분리된다. 보조 스트림(78)은 제 2 부스터 압축기(72)에 결합된 제 1 터보팽창기(80)내에서 팽창되어 팽창된 스트림(82)을 생성한다. 보조 스트림(78)의 형성후에, 압축된 스트림(64)는 추가로 냉각되고 다음으로 보조 스트림(74)은 그로부터 분리된다. 보조 스트림(84)은 제 1 터보팽창기(80)보다 더 낮은 온도에서 작동하는 제 2 터보팽창기(86)내에서 팽창된다. 제 2 터보팽창기(86)는 제 1 압축기(68)에 결합된다. 다음, 생성된 팽창 스트림(88)은 열교환기(76)내에서 부분적으로 가온되고 팽창 스트림(82)과 결합되어 재순환 스트림(60)을 형성한다. 재순환 스트림(60)은 액화 유니트(2)로 유입되는 보충 냉각 스트림(48)의 부분(50)과 혼합되기 전에 주요 열교환기(76)내에서 완전히 승온된다. 스트림(59)은 또한 열 교환기 유니트(76)내에서 완전히 가온된 다음 압축기(90)중에서 압축되어, 보충 냉각 스트림(48)의 부분(50)과 또한 혼합된다.
당해 기술분야의 숙련자들에 의해 이해되는 바와 같이, 본 발명은 바람직한 실시태양을 참고로하여 기술되겠지만, 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이 다수의 변화, 첨가 및 생략이 이루어질 것이다.
본 발명은 질소가 풍부한 수증기 및 산소가 풍부한 액체 분획으로 공기가 증류칼럼내에서 분리되는 질소 생성방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱, 특히 본 발명은 헤드 응축기내에서 증발되는 산소가 풍부한 액체가 재압축되고 칼럼으로 재도입되고 또한 작동수행으로 그 일부가 팽창된 후 재압축에 잇달아 적용되는 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 심지어 더욱 특히, 본 발명은 보조 냉각 스트림이 증발된 산소가 풍부한 액체의 재압축에 적용될 수 있는 팽창 작동량을 증가시키는데 이용되는 방법 및 장치에 관한 것이다.

Claims (8)

  1. 압축 및 정제된 공급 공기를 정류에 적합한 온도로 냉각하고; 고순도의 질소가 풍부한 최상부 및 기부로서 산소가 풍부한 액체를 생성하기 위해 증류칼럼내에 상기 압축 및 정제된 공급 공기를 도입하고; 상기 질소가 풍부한 최상부로 구성되는 일부이상의 질소가 풍부한 스트림을 응축하고, 역류로서 상기 증류칼럼내에 생성된 응축물의 일부를 도입하고; 생성된 응축물의 잔여부로부터 질소 생정물 스트림을 형성하고, 재순환 스트림을 압축하고, 상기 온도로 상기 재순환 스트림을 냉각하고, 상기 증류칼럼내에 상기 재순환 스트림을 도입하여 상기 질소 생성물의 회수를 증가시키고; 냉각 스트림을 작동의 수행으로 팽창시켜 주 냉각 스트림을 형성하고, 상기 주 냉각 스트림파 상기 압측 및 정제된 공기사이에서 간접적으로 열교환하고, 상기 재순환 스트림의 상기 압축에 상기 작동량을 적응하고; 보충 냉각 스트림을 증발시킨 다음 재액화하고; 일부이상의 질소가 풍부한 스트림을 간접적으로 열교환하여 보충 냉각 스트림을 적어도 부분적으로 증발시켜 일부의 질소가 풍부한 스트림이 응축하는 것을 돕고; 상기 보충 냉각 스트림의 재액화 이전에, 상기 보충 냉각 스트림과 상기 압축 및 정제된 공기와 상기 재순환 스트림사이에서 간접적으로 열교환하여 보충 냉각이 가해지지 않을때 얻을 수 있는 작동량에 비해 압축에 적용될 수 있는 상기 작동량을 증가시킴으로써 압축을 증가시키고, 추가로 상기 질소 생성물의 회수를 증가시키는 것을 포함함을 특징으로 하는 질소 생성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산소가 풍부한 액체의 스트림이 상기 증류칼럼부터 배출되고, 밸브팽창되고, 상기 질소가 풍부한 스트림으로 간접 열교환중에 통과되어 상기 일부이상의 질소가 풍부한 스트림이 응축되는 것을 도움으로써 증발된 산소가 풍부한 스트림을 형성하고; 상기 재순환 스트림이 상기 증발된 산소가 풍부한 스트림의 일부로부터 형성되고; 및 상기 냉각 스트림이 상기 증발된 산소가 풍부한 액체 스트림의 잔여부로부터 형성되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 보충 냉각 스트림이 상기 질소가 풍부한 최상부로 상기 간접 열교환에 의해 완전히 증발되는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 보충 냉각 스트림이 상기 보충 냉각 스트림을 압축하고 2개의 온도 범위에서 상기 보충 냉각 스트림을 팽창시킴으로써 액화되는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 질소 생성물이 상기 응축물의 일부를 포함하고, 2개의 생성물 스트림으로 분리되고; 상기 생성물 스트림중의 하나가 상기 압축 및 정제된 공기로 간접 열교환을 통하여 증발되고; 상기 생성물 스트림중의 나머지가 일부의 보충 냉각 스트림으로 구성되는 보조 스트림으로 간접 열교환을 통하여 하부 냉각되고; 상기 보조 스트림이 액화되기 전에 상기 보충 냉각 스트림의 잔여부와 혼합되는 방법.
  6. 압축 및 정제된 공급공기를 정류에 적합한 온도로 냉각하기 위한 주요 열교환 수단; 상기 압축 및 정제된 공급공기를 정류하고, 따라서 고순도의 질소가 풍부한 최상부 및 기부로서 산소가 풍부한 액체를 생성하기 위한 주요 열교환 수단에 연결된 증류 칼럼; 생성된 잔여부의 응축물이 생성물 스트림으로 제거될 수 있도록 상기 질소가 풍부한 최상부로 이루어지는 일부이상의 질소가 풍부한 스트림을 응축하고, 역류로서 생성된 응축물의 일부를 상기 증류칼럼내에 재도입하기 위한 상기 증류칼럼에 연결된 헤드 응축기; 재순환 스트림을 압축하기 위한 압축기; 상기 재순환 스트림을 상기 온도로 냉각하고, 상기 증류칼럼내로 도입시켜 상기 질소 생성물의 회수를 증가시키도록 상기 압축기와 상기 증류칼럼사이에 위치한 상기 주요 열교환 수단; 주 냉각 스트림을 형성하기 위해 작동의 수행으로 냉각 스트림을 팽창하기 위한 터보팽창기; 상기 주 냉각 스트림이 상기 압축 및 정제된 공기로 간접적인 열교환을 하도록 상기 주요 열 교환 수단에 연결된 상기 터보팽창기; 상기 작동량이 상기 재순환 스트림의 상기 압축에 적용되도록 상기 압축기에 상기 터보팽창기를 결합하기 위한 수단; 및 보충 냉각 스트림이 상기 일부이상의 질소가 풍부한 스트림으로 간접 열교환을 통하여 적어도 부분적으로 증발되도록 배열된 헤드 응축기, 보충 냉각이 가해지지 않을 때 얻을 수 있는 작동량에 비해 상기 압축에 적용될 수 있는 작동량을 증가시키고, 압축을 증가시키고, 추가로 상기 질소 생성물의 회수를 증가시키는 보충 냉각 스트림과 상기 압축 및 정제된 공기사이에서 간접적으로 열교환되도록 배열된 상기 주요 열교환 수단, 및 증발된 후에 보충 냉각 스트림을 재액화하기 위해 상기 주요 열교환 수단과 상기 헤드 응축기사이에 위치한 액화기를 포함하고, 순환하는 동안에 증발된 보충 냉각 스트림을 순환시키기 위한 보충 냉각 순환장치를 포함함을 특징으로 하는 질소 발생기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 산소가 풍부한 액체의 스트림을 간접적으로 열교환하기 위해 또한 배열된 상기 헤드 응축기; 상기 산소가 풍부한 액체의 상기 스트림을 밸브팽창하고, 증발된 산소가 풍부한 스트림을 형성하기 위한 상기 헤드 응축기와 상기 증류칼럼사이에 위치한 팽창 밸브; 및 상기 재순환 스트림이 증발된 산소가 풍부한 액체 스트림의 일부를 포함하고, 상기 냉각 스트림이 증발된 산소가 풍부한 액체 스트림의 잔여부를 포함하도록 상기 헤드 응축기에 연결된 상기 압축기 및 터보팽창기를 추가로 포함하는 질소 발생기.
  8. 제6항에 있어서, 보충 냉각 스트림 액화기가 2개의 다른 온도범위에서 작동하는 2개의 터보팽창기를 갖는 질소 액화기를 포함하는 질소 발생기.
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