KR100240323B1 - 공기로부터 액체 생성물을 다양한 비율로 생성시키는 방법 및 장치 - Google Patents

공기로부터 액체 생성물을 다양한 비율로 생성시키는 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100240323B1
KR100240323B1 KR1019970022790A KR19970022790A KR100240323B1 KR 100240323 B1 KR100240323 B1 KR 100240323B1 KR 1019970022790 A KR1019970022790 A KR 1019970022790A KR 19970022790 A KR19970022790 A KR 19970022790A KR 100240323 B1 KR100240323 B1 KR 100240323B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
low pressure
nitrogen
pressure stage
liquid
oxygen
Prior art date
Application number
KR1019970022790A
Other languages
English (en)
Other versions
KR980003437A (ko
Inventor
타데우즈 피드코우스키 즈비그뉴
아그라왈 라케쉬
람찬드 수크데오 샴
Original Assignee
마쉬 윌리엄 에프
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 마쉬 윌리엄 에프, 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드 filed Critical 마쉬 윌리엄 에프
Publication of KR980003437A publication Critical patent/KR980003437A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100240323B1 publication Critical patent/KR100240323B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04812—Different modes, i.e. "runs" of operation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
    • F25J3/04187—Cooling of the purified feed air by recuperative heat-exchange; Heat-exchange with product streams
    • F25J3/0423—Subcooling of liquid process streams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
    • F25J3/04296—Claude expansion, i.e. expanded into the main or high pressure column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/04321—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04333—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/04339—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of air
    • F25J3/04345—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using quasi-closed loop internal vapor compression refrigeration cycles, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of air and comprising a gas work expansion loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04248—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion
    • F25J3/04375—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc.
    • F25J3/04393—Details relating to the work expansion, e.g. process parameter etc. using multiple or multistage gas work expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04406—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system
    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04472—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using the cold from cryogenic liquids produced within the air fractionation unit and stored in internal or intermediate storages
    • F25J3/04496—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using the cold from cryogenic liquids produced within the air fractionation unit and stored in internal or intermediate storages for compensating variable air feed or variable product demand by alternating between periods of liquid storage and liquid assist
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04951—Arrangements of multiple air fractionation units or multiple equipments fulfilling the same process step, e.g. multiple trains in a network
    • F25J3/04957—Arrangements of multiple air fractionation units or multiple equipments fulfilling the same process step, e.g. multiple trains in a network and inter-connecting equipments upstream of the fractionation unit (s), i.e. at the "front-end"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/20—Processes or apparatus using separation by rectification in an elevated pressure multiple column system wherein the lowest pressure column is at a pressure well above the minimum pressure needed to overcome pressure drop to reject the products to atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/50—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
    • F25J2200/54—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column in the low pressure column of a double pressure main column system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/02—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using simple phase separation in a vessel or drum
    • F25J2205/04—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using simple phase separation in a vessel or drum in the feed line, i.e. upstream of the fractionation step
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/42—Nitrogen or special cases, e.g. multiple or low purity N2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/50—Oxygen or special cases, e.g. isotope-mixtures or low purity O2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/24—Multiple compressors or compressor stages in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/40—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams the fluid being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/60—Expansion by ejector or injector, e.g. "Gasstrahlpumpe", "venturi mixing", "jet pumps"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/50—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/10—Mathematical formulae, modeling, plot or curves; Design methods
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/939—Partial feed stream expansion, air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/939—Partial feed stream expansion, air
    • Y10S62/94—High pressure column

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

본 발명은 2가지 작동 방식, 즉 액체 질소만이 제조되는 제1작동 방식 및 액체 질소 및 액체 산소가 제조되는 제2작동 방식으로 작동할 수 있는 2단계 증류 칼럼 및 액화기를 사용하는 저온 방법 및 장치에 관한 것이다. 각 방식에서 작동 시간을 조절하면, 제2작동 방식 과정동안 제공되는 액체 질소 대 액체 산소의 비율보다 높은 비율이 제공될 수 있다. 제1작동 방식에서는, 응축기를 사용하는 저압 단계를 질소의 저압 단계의 질소 응축물로 응축시킨다. 저압 단계의 질소 가스를 응축시키려면, 고압 단계의 미정제 액체 산소의 일부 이상, 저압 단계의 산소-함량이 높은 액체의 일부 이상, 액화된 공기의 일부 이상, 또는 이들의 혼합물을 응축기로 유입시킨다. 제2동작 방식에서는 상부 응축기를 사용하지 않고; 대신 미정제 산소액체를 모두 저압 단계로 보내, 하부 액체 산소 스트림 및 질소-함유의 저압 상부 폐기를 스트림을 생성시킨다. 이 시스템은, 2개의 작동방식에서 특정 유체(구체적으로 미정제 액체 산소 및 산소-함량이 높은 액체)의 흐름을 조절하는 밸브 및 유체 유동 라인을 구비하고 있다.

Description

공기로부터 액체 생성물을 다양한 비율로 생성시키는 방법 및 장치
본 발명은 극저온 공기 분리 시스템(cryogenic air separation system)에서 단일 생성물로서 액체 질소를, 또는 2종의 생성물로서 액체 질소와 액체 산소를 생성시키는 방법에 관한 것이다.
산업 분야에서 액화된 대기 가스(예, 산소, 질소, 아르곤 등)의 사용량이 증가하면서 각종 산업 공정에 극저온 시스템이 이용되고 있다. 액체 상태의 대기 가스는 대량 운송 및 저장이 보다 경제적으로 이루어지므로, 액체 저장 시설로부터 가스 생성물을 얻을 수 있는 편리하고도 경제적인 원료가 된다.
액화 대기 가스(측히, 액체 질소)의 제조 시에는 액화시키는데 추가의 에너지가 필요하므로, 해당 가스 생성물의 제조시보다 많은 양의 에너지가 소요된다. 따라서, 액체 대기 가스 요구량의 증가에 부합시키기 위해서는 비용면에서 경제적이고 작업면에서는 에너지 효율적인 방법의 개방이 요구된다. 이러한 요구 사항을 충족시키고자 이제까지 다양한 많은 시스템을 사용해왔다.
예를 들어, 미국 특허 제3,605,422호에는 2단계 증류 칼럼으로부터 액체 질소와 액체 산소를 직접 생성시키는 공기 분리 및 액화 방법에 개시되어 있다. 질소 재순환 냉각 시스템을 사용하면 액체를 생성시키기에 충분한 냉각 효과가 제공된다. 그러나, 이 방법은 자본 집약적이라는 단점이 있다.
영국 특허 제1,472,402호에는, 증류 칼럼으로부터 질소 가스를 배출시켜 별도의 시스템에서 액화시킨 후, 이중 일부는 생성물로 회수하고 나머지 일부는 환류 물로서 증류 칼럼에 재순환시키는 극저온 공기 분리 사이클이 개시되어 있다.
미국 특허 제4,152,130호에는, 2단계의 증류 칼럼 및 공기 재순환 액화 시스템을 사용하여 공기를 극저온 분리시켜 액체 질소와 액체 산소를 생성시키는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는 먼저 가스 공기와 액체 공기를 증류 칼럼의 고압 단계에 공급 원료로 공급한다. 이후, 액체 질소를 증류 칼럼 중 고압 단계의 뒷끓임 장치/응축기로부터 배출시키고, 액체 산소는 상기 증류 칼럼 중 저압 단계의 수유부(水溜部)로부터 회수한다. 또한, 액체 질소 분획은 증류 칼럼의 고압 단계로부터 배출시켜 궁극적으로 상기 칼럼의 저압 단계로의 환류물로 사용한다. 액체 질소를 증류 칼럼의 고압 단계로부터 생성물로서 직접 제거하면, 상기 칼럼 저압 단계에 사용될 수 있는 환류물의 양이 감소하므로 액체 생성물의 회수량이 제한된다. 미국 특허 제4,375,367호에는 상기 '130호의 특허에서 파생된 방법에 개시되어 있는데, 이 방법은 텐덤 콤팬더(tandem compander) 장치를 사용하지 않으므로 자본이 덜 소요된다.
미국 특허 제4,715,873호에는, 액체 공기 원료의 적어도 일부를 증류 칼럼에 통과시켜 칼럼의 가스 생성물을 액화시키는 데 사용하는 사이클이 개시되어 있다. 생성된 증기 스트림은 고압으로 유지된다.
미국 특허 제5,355,681호에는, 2개 이상의 증류 칼럼을 구비한 증류 칼럼 시스템을 사용하여 공기를 각 성분들로 분리시키는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, 공기 원료의 일부를 응축시키고, 이 액화된 공기의 적어도 일부를 증류 칼럼 중 하나에서 불순 환류물로 사용한다. 폐기 스트림은, 액화된 공기를 증류 칼럼중 하나로 공급하는 지점 위에 설치된 4개 이하의 이론 단계로부터 제거한다.
이들 및 다른 공지된 종래 기술의 방법은 액체 질소 및 액체 산소를 고수율로 제공하긴 하나, 통상적으로 이들 2종의 생성물을 특정 상대량으로만 제공할 수 있다. 그러나, 이들 상대량이 그 당시의 요구 조건에 항상 부합되는 것은 아니므로, 전력 소모없이 액체 질소와 액체 산소의 상대적 생산량을 상당히 융통성있게 제공하는 것이 요구되고 있다.
보다 구체적으로, 액체 산소와 액체 질소의 요구량은 시대에 따라 변하며, 때로는 그 변화에 대한 예측이 불가능하다. 공기로부터 질소의 산소를 모두 회수하는 액화기는 대개 주어진 시설의 수명에 걸쳐 시장 수요를 충족시키지 못하는데, 이는 시설의 전체 생산성이 시설의 규모에 의해 제한되며, 제조된 액체 질소 대 제조된 액체 산소의 비가 공기의 조성에 의해 일부 결정되기 때문이다. 따라서, 기존의 완전 액화기는 그 생성물 중 하나(질소 또는 산소 중 하나)의 요구량만을 만족시킬 뿐, 나머지 생성물의 생산량은 너무 소량이거나 또는 너무 과량이 된다. 또한, 이러한 시설은 전력 소비가 많고 저장 용량이 제한적이기 때문에, 극저온액 중 한 종을 소비하지 않고서는 생성물을 계속해서 과량으로 제조해낼 수 없다. 따라서, 시설의 총 생산량을 감소시켜야 하는데(즉, "생성률 감소"), 이는 상당히 비경제적이면서 바람직하지 못한 일이다.
본 발명은, 고압 단계 및 저압 단계를 구비한 극저온 증류 칼럼을 작동시켜 액체 질소만을, 또는 액체 질소와 액체 산소를 모두 생성시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 2가지 작동 방식, 즉 액체 질소만을 생성시키는 제1작동 방식, 및 액체 질소와 액체 산소를 생성시키는 제2작동 방식으로 작동할 수 있는 시스템에 관한 것이기도 한다.
본 발명의 제1실시 형태에 따르면, 고압 단계 및 저압 단계를 구비한 극저온 증류 칼럼을 작동시켜 액체 질소만을 생성시킨다. 액화기는 액화된 공기 스트림과 냉각된 가스 공기 원료 스트림을 생성시킨다. 냉각된 가스 공기 원료는 고압 단계로 유입시켜, 고압 단계의 상부에 위치하는 고압 질소 상층부와 고압 단계의 하부에 위치하는 미정제 액체 산소로 정류시킨다. 고압 질소는, 저압 단계의 하부에서 제공된 산소 함량이 높은 액체(이하 '고산소 액체'라 칭함)와의 열 교환을 통해 응축 시킨다. 응축된 질소의 일부는 고압 단계로의 환류물로 사용하고, 응축된 질소의 나머지 부분은 액체 질소 생성물로 배출시킨다. 액화된 공기는 냉각시킬 수도 있으며, 액화된 공기의 적어도 일부는 저압 단계 내로 유입시켜, 저압 단계 상부에 존재하는 저압 단계의 질소 가스와 저압 단계 하부에 존재하는 고산소 액체로 분리시킨다. 미정제 액체 산소의 적어도 일부, 고산소 액체의 적어도 일부, 냉각된 액화 공기의 적어도 일부, 또는 이들 3종 액체의 임의 혼합물을 저압 단계의 응축기 내로 유입시켜 저압 단계의 질소 가스를 응축시킨으로써 저압 단계의 질소 응축물을 형성시킬 수도 있다. 바람직한 실시 형태에서는, (i)미정제 액체 산소의 적어도 일부와 (ii)고산소 액체와 액화된 공기 중 하나 이상의 적어도 일부를 포함하는 스트림을, 상기 3종 스트림 중 임의의 것 또는 이들의 혼합물과 반대 방향으로 저압 단계의 응축기 내에 유입시킨다. 저압 단계 질소 응축물의 일부는 저압 단계의 환류물로 사용하는 한편, 저압 단계 질소 응축물의 나머지 부분은 액체 질소 생성물로 배출시킨다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 극저온 증류 칼럼을 사용하여 액체 질소와 액체 산소를 생성시킨다. 임의로, 이 실시 형태에서는 아르곤도 생성시킬 수 있다. 액체 질소만을 생성시키는 제1제조방식과 액체 질소 및 액체 산소를 생성시키는 제2제조 방식 사이에서 극저온 공정의 작동 방식을 조절하면 상기 2종의 생성물, 즉 액체 질소와 액체 산소가 모두 제조된다. 제1작동 방식은 전술한 방법과 동일하다. 제2작동방식은, 액화기를 사용하여 냉각된 가스 공기 원료 스트림과 액화 공기 스트림을 제조한다는 점에서 제1작동 방식과 유사하다. 또한, 제1작동 방식과 유사하게, 냉각된 가스 공기 원료를 고압 단계 내로 공급하여 고압 질소 상층부와 미정제 산소 액체로 정류시키고, 상기 고압 질소는 응축시켜 이중 일부를 고압 단계로의 환류물로 사용한다. 그러나, 제2작동 방식에서는 저압 단계의 응축기를 사용하지 않고, 대신 미정제 액체 산소를 냉각시킨 후 저압 단계 내로 유입시킨다. 또한, 액화 공기를 냉각시킨 후, 미정제 액체 산소가 공급되는 지점과 다른 지점으로 저압 단계에 공급한다. 저압 단계에서는 질소( 및 산소와 아르곤)를 함유한 저압 상층부의 폐기 스트림과, 이 작동 방식에 따른 액체 산소 생성물 스트림인 고산소 액체가 생성된다. 상기 액체 산소 생성물은, 상기 미정제 액체 산소를 저압 단계로 공급하기 전에 이 미정제 액체 산소로 냉각시킨다.
또한, 본 발명은 2가지 작동 방식으로 작동하여 액체 질소와 액체 산소, 임의로는 아르곤을 생성시킬 수 있는 시스템에 관한 것이기도 하다. 이 시스템은, 액화기와, 뒷끊임 장지/응축기(이것은 저압 단계 하부에 존재하는 고산소 액체와의 열교환을 통해 고압 단계의 고압 질소를 응축시키기 위한 장치임)를 구비한 2단계의 증류 칼럼을 포함한다. 전술한 방법에서와 같이, 저압 단계는 냉각된 액화 공기의 적어도 일부를 저압 단계의 질소 가스와 고산소 액체로 분리시킨다. 상부 응축기는 저압 단계의 질소 가스를 선택적으로, 다시말하면 제1작동 방식 중에만 응축시킨다. 하나의 실시 형태의 시스템은, 고압 단계의 하부, 응축기와 저압 단계 사이에 연장된 유동 라인과 밸브로 이루어진 제1세트를 갖추고 있어, 고압 단계의 하부에 있는 미정제 액체 산소를 (i) 제1작동 방식 중에는 응축기로, (ii) 제2작동 방식 중에는 저압 단계로 유입 시킬 수 있다. 또한, 이 시스템은 저압 단계의 하부, 액체 산소 생성물의 저장고와 응축기 사이에 연장되는 유체 유동 라인 및 밸브로 이루어진 제2세트를 구비하고 있어, 저압 단계의 하부에 있는 고산소 액체를 (i) 제1작동 방식 중에는 응축기 내로, (ii) 제2작동 방식 중에는 액체 산소 생성물의 저장고 내로 유입 시킬 수 있다. 유체 유동 라인 및 밸브로 이루어진 제3세트를, 유체 유동 라인과 밸브로 이루어진 제2세트의 대체물로 사용할 수도 있다. 이 제3세트는 저압 단계 하부 근처의 2 지점, 액체 산소 생성물의 저장고와 폐기 스트림 사이에 연장되어 있어, (i) 제1작동 방식 중에는 하부 증기 폐기 스트림을 저압 단계의 하부 근처 제1위치로부터 증기 폐기 스트림까지, 그리고 (ii) 제2작동 방식 중에는 고산소 액체를 상기 저압 단계의 하부 근처 상기 제1위치 아래에 존재하는 제2위치로부터 액체 산소 생성물의 저장고까지 유동시킬 수 있다.
전술한 개괄적 설명 및 후술하는 상세한 설명은 모두 예시적인 것이며, 이것에 의해 본 발명이 국한되는 것은 아님을 알아야 할 것이다.
제1a도는 본 발명의 실시 형태의 개요도이다.
제1b도는 제1a도에 도시된 실시 형태의 단편도로서, 액체 질소가 생성되는 제1작동 방식 중의 유체 유동 라인은 실선으로, 나머지 유체 유동 라인은 점선으로 표시하였다.
제1c도는 제1a도에 도시된 실시 형태의 단편도로서, 액체 질소와 액체 산소가 모두 생성되는 제2작동 방식 중의 유체 유동 라인은 실선으로, 나머지 유체 유동 라인은 점선으로 표시하였다.
제2도는 본 발명의 제2실시 형태의 개요도이다.
제3도는 본 발명의 제3실시 형태의 개요도이다.
제4도는 본 발명의 제4실시 형태의 개요도이다.
제5도는 본 발명의 제5실시 형태의 개요도이다.
본 발명은 적어도 하기 1) 및 2)의 2가지 작동 방식으로 작동할 수 있는 공기 액화 및 공기 분리 사이클에 관한 것이다.
1) 액체 질소만을 생성시키는 제1작동 방식, 및
2) 액체 질소와 액체 산소를 동시에 생성시키는 제2작동 방식.
상기 제2작동 방식은, 액체 질소 대 액체 산소의 생성비(이하에서는 "LIN/LOX 비"로 칭함)가 임의 수준이 되도록 계획할 수 있다. 제2작동 방식에서 LIN/LOX비가 보다 작으면 전체 생성비는 보다 광범위해 진다. (전체 생성비는 지정된 기간에 걸쳐 생성된 LIN/LOX 비를 시간에 대한 평균치로 산출한 비를 의미한다). 따라서, 액체 산소의 생성량은 제2작동 방식에서 최대화되어야 한다. 본 발명에서 제안한 사이클은, 제2작동 방식에서 액체 질소 및 액체 산소를 1 : 1의 LIN/LOX 비로서 효율적으로 생성시킬 수 있다. 따라서, 그러한 시스템에서의 전체 생성비는 1 : 1 이상일 수 있다.
목적하는 전체 LIN/LOX 비는, 시간 간격을 달리하여 시설을 상기 2가지 작동 방식으로 작동시키면 달성된다. 제1작동 방식의 작동 일(日)수를 t1으로 하고, 제2작동 방식으로 작동 방식의 작동 일수를 t2로 했을 때, 시간 간격은 다음 수학식 1에 따라 정해야 한다.
Figure kpo00002
상기 식에서 t1및 t2의 상대값은 구할 수 있으나, 절대값은 액체 질소 및 액체 산소의 저장 탱크 규모에 따라 좌우된다. 하나의 작동 방식에서 나머지 작동 방식으로 변환시키는 과정은, 어느 하나의 탱크 내 액체 수위가 허용 한계치를 초과하지 않도록 수행해야 한다.
도면 전반에 걸쳐 유사한 부재에 대해서는 동일한 참고 번호를 사용하였다. 제1a도는 액화기(11) 및 2 단계의 저온 증류 칼럼을 사용하는 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타낸 것이다. 공지된 액화기, 예를 들어 공기 액화기, 질소 액화기, 또는 이들의 조합 액화기(즉, 공기 액화기와 질소 액화기의 조합체)라면 어떤 것도 사용할 수 있다. 또한, 임의의 공지된 공기 액화기를 고압 또는 저압 하의 2개 또는 3개의 팽창기의 다양한 조합체와 병용할 수 있는데, 이러한 예를 들면 미국 특허 제4,894,076호에 개시된 바와 같은 3개의 팽창기를 갖춘 고압 액화기를 들 수 있다.
본 발명을 간단 명료하게 설명하기 위해, 2개의 콤팬더를 갖춘 표준 공기 액화기(11)를 제시한다. 공기 원료가 공기 공급 라인(10) 내로 유입되고 주요 공기 압축기(12) 내에서 압축되어, 열 교환기(14) 내에서 냉각된 후 흡착 유닛(16)(분차체 흡착 유닛이 바람직함) 내에서 물과 이산화탄소가 제거되고, 라인(74) 내의 재순환 공기 스트림과 혼합되어 라인(18) 내의 혼합 공기 스트림을 형성한다. 라인(18) 내의 혼합 공기 스트림은 재순환 압축기(20) 내에서 더욱 압축되고, 열 교환기(22) 내에서 냉각된 후, 라인 (26,28)의 2개 스트림으로 분리된 다음 각각 콤펜더(30,32)에서 다시 압축된다. 콤팬더(30,32)와 각각 연결된 라인(34,36) 내 스트림은 서로 합쳐져 라인(38) 내의 혼합 스트림을 형성하는데, 이 스트림은 이후 열교환기 내에서 외부 냉각액에 의해 냉각된다. 생성된 라인(42) 내 스트림은 라인(44,46)의 2개 스트림으로 분리된다.
라인(46) 내 스트림은 팽창 터빈(48) 내에서 라인(50) 내의 저압 및 저온까지 팽창된 후, 라인(70) 내의 귀환 재순환 공기 스트림과 합쳐져 라인(72) 내의 혼합 스트림을 형성한다. 라인(72) 내 스트림은 주 열교환기(51)의 온(溫)단계(52)를 통과하여 라인(44) 내의 재순환 공기를 형성한다. 라인(44) 내 스트림은 주 열교환기(51)의 온단계(52)에서 냉각된 후 라인(58) 내 제1스트림과 라인(60) 내 제2스트림으로 분리된다.
라인(58)내 제1스트림은 주 열교환기(51)의 냉(冷)단계(68) 내에서 냉각되어 라인(76) 내의 냉각된 스트림으로 형성되고, 등엔탈피적 줄-톰슨(JT) 밸브(77)에 의해 압력이 저하된 후, 분리기(90) 내에서의 플래시 처리를 통해, 증류 시스템을 위한 라인(134) 내의 액화된 공기 원료와 라인(132)내의 증기 플래시 스트림을 제공한다. 라인(60) 내의 제2스트림은 팽창 터빈(62) 내에서 저온 및 저압으로 팽창되어 스트림 라인(64)을 형성한 후 라인(66,78) 내의 2개 스트림으로 분리된다.
라인(66) 내 스트림은 주 열 교환기(51)의 냉단계(68)를 통해 귀환되어 라인(70) 내의 냉각 스트림을 형성한 후, 라인(50) 내 스트림과 합쳐져 라인(72) 내 혼합 스트림을 형성한다. 라인(72) 내 혼합 스트림은, 전술한 바와 같이 주 열교환기(51) 내의 온단계(52)를 통과하여 라인(74) 내 재순환 스트림을 형성한다. 라인(78) 내 스트림은 증기 플래시 스트림(132)과 혼합되고, 라인(80) 내 생성된 스트림은 냉각된 가스 공기 원료로서 증류 칼럼(81)의 고압 단계(82)로 유입된다.
증류 칼럼(81)의 고압 단계(82)는, 냉각된 가스 공기 원료를, 고압 단계(82)의 상부에 위치하는 고압 질소 가스 상층부와 고압 단계(82)의 하부에 위치하는 미정제 액체 산소를 정류시킨다. 고압 질소 산소 상층부는, 뒷끊임 장치/응축기(84)내에서, 증류 칼럼(81)의 저압 단계(86) 하부에서 제공된 고산소 액체와의 열교환에 의해 응축된다. 뒷끊임 장치/응축기(84)는 제시된 바와 같이 저압 단계(86)의 내부 또는 하부에 설치될 수 있거나, 또한 저압 단계(86)의 외부 또는 다른 곳에 설치될 수도 있다. 응축된 질소의 일부는 고압 단계(82)로서의 환류물로서 제공된다. 응축된 질소의 나머지 부분은 라인(110)을 통해 배출된다. 라인(11) 내의 스트림은 질소 생성물로서 직접 배출시킬 수도 있으나, 제1a도에는 후술된 바와 같이 라인(110) 내 스트림을 생성물로 제거하기 전에 추가 가공하는 실시 형태를 제시하였다.
액체 질소만을 생성물로 생성시키는 제1작동 방식에서는(제1a도에 가장 잘 제시되었음), 저압 단계(86) 내의 작동 압력이 약 0.32Mpa 이다. 라인(134)내의 액화 공기 원료는, 예를 들어 차냉각기(94) 내에서 라인(158) 내의 혼합된 증기 폐기 스트림으로 냉각시킨다. 이후에는, 액화 공기 원료를 모두 저압 단계(86)로 유입시킬 수 있거나, 또는 도시된 바와 같이 라인(136) 내 스트림을 2부, 즉 라인(140) 내 스트림과 라인(138) 내 스트림으로 분리시킬 수도 있다. 라인(140) 내 스트림은 JT 밸브를 통해 팽창시켜 저압 단계(86)내로 유입시킨 후, 이 곳에서 액화된 공기는 저압 단계(86)의 상부에 위치하는 저압 단계의 질소 가스와 저압 단계(86)의 하부에 위치하는 고산소 액체로 분리시키고, 고산소 액체는 라인(104) 내 스트림으로 형성시킨다. 또한 라인(134) 내 액화 공기의 일부를 고압 단계(82) 내로 유입시킬 수도 있다(도시되지 않음).
고압 단계(82)의 미정제 액체 산소는 라인(92)으로 공급하여, 열 교환기(94) 내에서 차냉각시킴으로써 라인(96) 내 스트림을 형성시킨 후, 다시 열 교환기(112) 내에서(바람직하게는, 라인(156)내의 혼합된 폐기 증기 스트림에 의해)더욱 차냉각시키고, JT 밸브를 통해 압력을 저하시킨 다음, 라인(138)내 액화된 공기 스트림의 일부와 혼합하여 라인(146) 내 스트림을 형성시키고, 이 스트림은 저압 단계(86)에서 배출된 라인(108) 내의 하부 고산소 액체 생성물과 혼합한다. 생성된 라인(148) 내 스트림은 저압 단계(86)의 응축기(88) 내로 유입시켜, 이곳에서 기화시킨 후, 저압 단계의 질소 가스를 응축시켜 저압 단계의 질소 응축물을 형성시키는데 사용한다. 대안적으로, 라인(96) 내의 차냉각된 미정제 산소의 일부 또는 전부는 라인(102)을 통해 저압 단계(86)로 공급한 후 라인(104)을 통해 고산소 액체로 배출시켜 응축기(88)로 공급한다.
제1작동 방식에서, 액체 질소 생성물은 도시된 바와 같이 라인(122,110)내 스트림으로부터 직접 배출시킬 수도 있다. 제1b도에 도시된 방법은 직접 배출법의 대안법이다. 제1a도에 도시된 바와 같이, 라인(110) 내 응축된 질소의 나머지 부분(환류물로서 사용되지 않은 부분)은 열 교환기(112) 내에서 차냉각시켜 라인(114) 내 스트림을 형성하고, 이 스트림은 JT 밸브를 통해 감압시킨 후 상 분리기(116)에서 플래시 처리하여 라인(120) 내의 제1저압 질소 가스와 라인(118) 내의 저압 액체 질소를 형성시킨다. 저압 질소 가스는 라인(120)을 통해 저압 단계(86)의 상부 부근으로 유입시킨다. 라인(118) 내의 저압 액체 질소 스트림은 감압시키고, JT 밸브를 통해 더욱 감압시킨 후, 상 분리기(126)에서 분리시켜서 라인(128) 내의 제2저압 질소 가스와 라인(130) 내의 액체 질소 생성물을 형성시키는데, 이 액체 질소 생성물은 액체 질소 저장 탱크(도시되지 않음) 내로 운반할 수 있다.
제1b도에 도시된 바와 같이, 라인(122) 내의 저압 단계 질소응축물의 나머지 부분(환류물로 사용되지 않은 부분)은 최초 감압 후 저압 액체 질소와 혼합한다. 또한, 라인(128) 내의 제2저압 질소 가스는 응축기(88)로부터 제공된 라인(154)내의 고산소 폐기 가스 스트림과 혼합하여 혼합된 폐기 가스 스트림(156)으로 형성시키는데, 이 스트림은 고압 단계(82)에서 배출된 응축 질소의 나머지 부분(환류물로사용되지 않은 부분), 미정제 액체 산소 및 액화 공기를 냉각시키는 냉각제로 사용된다. 보다 구체적으로, 라인(156) 내 스트림은 먼저 열교환기(112) 내로 유입시켜 라인(110) 내 응축된 질소의 나머지 부분과 라인(96) 내의 미정제 액체 산소를 차냉각시켜 라인(158) 내 스트림을 형성시킨다. 이어서, 라인(158) 내 스트림을, 라인(92) 내의 미정제 액체 산소와 라인(134) 내의 액화된 공기를 냉각시키는데 사용하여 라인(160) 내의 스트림을 형성시킨다. 이 라인(160) 내 스트림은 주 열교환기(51)의 냉각제로 사용된다. 구체적으로, 라인(160) 내 스트림은 주 열교환기(51)의 냉단계(68)로 공급하여 라인(162) 내 스트림을 형성시키고, 이 형성된 스트림은 주 열교환기(51)의 온단계(52)로 공급하여 라인(164) 내 폐기 스트림으로 형성시킨 후 대기로 배출시킨다.
액체 질소와 액체 산소를 생성물로 생성시키는 제2작동 방식에서는(제1c도에 가장 잘 제시되어 있음), 저압 단계(86)의 작동 압력이 약 0.13MPa이다. 라인(92) 내 하부의 미정제 산소 액체를 열 교환기(94) 내에서 차냉각시킨 후 JT 밸브를 통해 감압시킨다. 생성된 라인(98) 내 스트림은 액체 산소 차냉각기(100)에 통과시켜 액체산소 생성물에 필요한 냉각 효과를 제공하면서, 적당한 위치에서 라인(102) 내 공급물로서 증류 칼럼(81)의 저압 단계(86)에 공급한다. 라인(134) 내의 액화된 공기 원료는, 예를 들어 열 교환기(94) 내에서 라인(158) 내의 혼합된 폐기 가스 스트림에 의해 차냉각시킨다. 이어서, 생성된 라인(136) 내 스트림을 JT 밸브를 통해 감압시킨 후, 미정제 액체 산소의 공급 지점과 다른 위치에서 저압 단계(86)로 공급한다.
제2작동 방식에서는, 모든 액화된 공기를 라인(142) 내 스트림으로 공급하여 저압 단계(86) 내로 유입시킨다. 액화된 공기의 일부를 고압 단계(82)(도시되지 않음)로 공급할 수도 있다. 저압 단계(86)로 공급된 각종 원료를 증류시켜, 라인(152) 내의 저압 상층부 폐기 가스 스트림(이 폐기 가스 스트림은 열 교환기(112,94,68,52) 내에서 가온된 후 배출됨)과 라인(104) 내의 고산소 액체를 생성시킨 후, 고산소 액체는 열 교환기(100)내에서 라인(98) 내의 미정제 액체 산소로 차냉각시켜 라인(106) 내 생성물로 배출시킨다. 따라서, 제1c도에 도시된 바와 같이, 라인(152) 내의 저압 상층부 폐기 스트림은 고압 단계(82)로부터 배출된 라인(110) 내 응축된 질소의 나머지 부분, 라인(134) 내의 액화 공기, 및 라인(92) 내 미정제 액체 산소를 냉각시키는데 사용된다. 제2작동 방식에서는 상부 응축기(88)을 사용하지 않는다.
필요의 따라, 제2작동 방식에서는 아르곤도 생성시킬 수 있다. 이 경우에는, 액체 및 가스 스트림에 의해 저압 단계(86)에 연결된 부가의 보조 정류기를 사용한다. 이러한 선택 사항에 대해서는 도면에 제시하지 않았으나, 당업계에는 공지된 바이다.
전술한 바와 같이 전체 LIN/LOX의 비가 소정 수준으로 요구되는 경우에는, 전체 LIN/LOX의 비를 시간에 대한 평균치로 산출한 값이 목적하는 수준이 되도록 제1작동 방식 및 제2작동 방식의 작업 시간을 정한다. 또한, 제2작동 방식중에 얻어진 중량비도 2가지 방식의 상대적 작동 시간을 결정하는 인자가 된다. 하나의 실시 형태에서, 제2작동 방식의 LIN/LOX 비는 1 : 1이나. 이 비는 각 단계의 액체/가스 유량, 각 단계의 이론적 트레이 개수 및 공급 원료의 조성에 따라 달라질 것이다. 이 실시 형태에서는 임의의 전체 LIN/LOX의 비가 1 : 1 이상으로 달성될 수 있으며, 예를 들어 제1작동 방식으로만 작동시키면 전체 LIN/LOX의 비가 무한대로 될 수 있고, 제2작동 방식으로만 작동시키면 1 : 1이 될 수도 있다.
액체 질소와 액체 산소를 생성시키는 본 발명의 시스템은, 라인(80) 내의 냉각된 가스 공기 원료 스트림 및 라인(134) 내의 액화 공기 스트림을 제공하는 액화기(11)와, 고압 단계(82) 및 저압 단계(86)를 구비한 증류 칼럼(81)을 갖추고 있다. 또한, 이 시스템은 고압 단계(82)의 하부, 응축기(88) 및 저압 단계(86)에 걸쳐 연장되는 유체 유동 라인(92,98,102,146,148)과 이들 라인 내에 배치된 밸브로 이루어진 제1세트를 갖추고 있어, 고압 단계(82)의 하부에 있는 미정제 액체 산소가 (i) 제1작동 방식 중에는 응축기(86)로, (ii) 제2작동 방식 중에는 저압 단계(86)로 유동할 수 있다. 예를 들어, 제1작동 방식 중에는 라인(96, 98) 사이에 배치된 밸브를 폐쇄시키고, 라인(96, 146) 사이에 배치된 밸브는 개방시킨다. 제2작동 방식에서는 이들 2개 밸브의 개폐 상태를 반대로 한다. 대안적으로, 미정제 액체 산소 또는 이것의 일부를 제1작동 방식 중에도 저압 단계(86)로 공급할 수 있다. 이것은 이후 라인(104) 내의 고산소 액체 상태로 배출시켜 라인(108)을 통해 응축기(88)로 유입시킨다.
또한, 이 시스템은 저압 단계(86)의 하부, 액체 산소 생성물의 저장고(106)(예, 탱크)와 응축기(88) 사이에 연장되는 유체 유동 라인(104,106,108,148) 및 이들 라인 사이에 배치된 밸브로 이루어진 제2세트를 갖추고 있어, 저압 단계(86)의 하부에 있는 고산소 액체가(i) 제1작동 방식 중에는 응축기(88)로, (ii) 제2작동 방식 중에는 라인(106)을 통해 액체 산소 생성물의 저장고로 유동할 수 있다. 예를 들어, 제1작동 방식 중에는 라인(104,106) 사이에 배치된 밸브를 닫고, 라인(104,108) 사이에 배치된 밸브를 개방시킨다. 제2작동 방식에서는 이들 2개 밸브의 개폐 상태를 반대로 한다. 이들 라인 중 일부는 서로 겹칠 수도 있는데, 예를 들어 라인(148)은 유체 유동 라인 및 밸브의 제1세트와 제2세트의 일부로 모두 사용될 수 있다.
상기 시스템은 유체 유동 라인 및 밸브로 구성된 제2세트의 대체물로서, 유체 유동 라인(200, 104, 106) 및 밸브로 구성된 제3세트를 포함할 수도 있다(제2도 내지 제4도 참조). 이제 3세트는 저압 단계(86)의 하부, 액체 산소 생성물의 저장고와 라인(158)(제2도 참조)또는 라인(156)(제3도 및 제4도 참조) 내의 폐기 가스 스트림 사이에 연장되어, (i) 제1작동 방식 중에는, 하부 폐기 가스 스트림을 저압 단계(86)의 하부 근처 제1위치로부터 적당한 폐기 가스 스트림으로 유동시키고, (ii) 제2작동 방식 중에는, 고산소 액체를 상기 저압 단계의 하부 근처 상기 제1위치 아래의 제2위치로부터 액체 산소 생성물의 저장고로 유동시킨다. 제1 및 제2위치는, 대부분의 가스가 제1위치에서 배출되고 대부분의 액체는 제2위치에서 배출되도록 정한다. 제1작동 방식 중에는, 라인(104,106) 사이에 배치된 밸브를 폐쇄시키고, 라인(200,158)(제2도 참조) 또는 라인(156)(제3도 및 제4도 참조) 사이에 배치된 밸브는 개방한다. 제2작동 방식에서는 이들 2개 밸브의 개폐 상태를 반대로 한다.
제2도 내지 제4도에 도시된 시스템을 사용하는 방법은 제1작동 방식에 대한 변형법이다. 제1a도 및 제1b도에 도시된 실시 형태에서는 라인(104) 내 액체 폐기 스트림을 저압 단계(86)로부터 제거하여 응축기(88)로 전달하는 반면, 제2도에서는 하부 페기 가스 스트림을 라인(200)을 통해 배출시킨다. 제2도 내지 제4도에 도시된 실시 형태의 제1작동 방식 중에 혼합물을 응축기(88)로 유입시키는 단계는, 미정제 액체 산소의 일부와 액화된 공기의 일부를 응축기(88)로 유입시키는 단계를 포함한다. 이들 실시 형태에서, 미정제 액체 산소와 액화된 공기의 나머지 부분은 저압 단계(88)로 유입시키고, 폐기 가스 스트림은 라인(200)을 통해 저압 단계(86)의 하부로부터 배출시킨다.
제2도에 도시된 실시 형태에서는, 라인(200) 내 폐기 가스 스트림을 JT 밸브를 통해 감압시킨 후, 응축기(88)로부터 배출된 라인(158) 내의 고산소 폐기 가스 스트림과 혼합한다. 생성된 스트림은 혼합된 폐기 가스 스트림을 형성하는데, 이 폐기 가스 스트림은 열 교환기(94) 내에서 미정제 액체 산소와 액화된 공기를 냉각시키는 냉각제로 사용된다. 이 실시 형태에 의하면 저압 단계(86)의 압력을 약 0.32MPa에서 약 0.24MPa로 저하시킬 수 있긴 하나, 저압 단계로부터의 액체 질소 회수율은 약간 저하된다.
제3도는, 제1작동 방식을 주로 다룬 본 발명의 또 다른 실시 형태를 도시한 것이다. 제2도에 도시된 실시 형태에서와 같이, 라인(200) 내 폐기 가스 스트림은 저압 단계 (86)로부터 배출시킨다. 라인(200) 내 폐기 가스 스트림은 이어서 팽창기(202) 내에서 보다 낮은 압력으로 팽창시킨 후, 응축기(88)로부터 배출된 라인(154) 내의 고산소 폐기 가스 스트림과 혼합한다. 생성된 라인(156) 내 스트림은 혼합된 폐기 가스 스트림을 형성하는데, 이 폐기 가스 스트림은 미정제 액체 산소, 액화된 공기, 및 고압 단계(82)로부터 배출된 응축된 질소의 나머지 부분을 열 교환기(112,94) 내에서 냉각시키는 냉각제로 사용된다. 이 실시 형태에서 저압 단계(86)의 압력은 약 0.24MPa로 유지되나, 질소 회수율은 제2도에 도시된 실시 형태에 비해 증가한다.
제4도는 제1작동 방식을 주로 다룬 본 발명의 또다른 실시 형태를 도시한 것이다. 제2도 및 제3도에 도시된 실시 형태에서와 같이, 라인(200) 내 폐기 가스 스트림은 저압 단계(86)로부터 배출시킨다. 라인(200)내 폐기 가스 스트림은 이어서 이덕터(204)로 유입시켜, 이곳에서 압력을 저하시킨 후, 응축기(88)로부터 배출된 고산소 폐기 가스 스트림과 혼합한다. 또한, 이덕터(204)는 라인(154) 내의 고산소 폐기 가스 스트림의 압력, 및 이에 따른 응축기(88)의 압력을 라인(150)을 통해 저하시키는 작용을 하기도 한다. 라인(156) 내의 생성된 스트림은 합성된 폐기 가스 스트림을 생성시키며, 이 폐기 스트림은 미정제 액체 산소, 액화 공기, 및 고압 단계(82)로부터 배출된 응축된 질소의 나머지 부분을 열 교환기(112,94)에서 냉각시키는 냉각제로 사용된다.
제5도는, 시간대별로 전력 사용료가 다른 경우에 유용한 본 발명의 또 다른 대안적인 실시 형태를 제시한 것이다. 이 경우에는, 전력 사용료가 비교적 저렴한 시간대에 과량의 액화 공기를 제조할 수 있도록 액화 시스템을 의도적으로 초대형 규모로 제조하였다. 과량의 액화 공기는, 액화기(11)와 증류 칼럼(81) 사이에 배치된 저장 탱크(300) 내에 저장한다. 과량의 액화 공기는, 전력 사용료가 저렴한 제1기간 동안에는 저장해둔다. 과량의 공기 중 적어도 일부는, 전력 사용료가 비교적 비싼 제2기간동안에 사용하며, 이 기간동안에는 액화 시스템을 끌 수도 있다. 액화 시스템을 끈 시간 동안에는 필요한 가스 공기를 주요 공기 압축기로부터 공급한다.
[실시예]
본 발명의 효능을 입증하면서 종래의 방법과 비교할 수 있도록 다음의 실시예를 실시하였다. 하기 표 1에는, 주 압축기(12) 및 재순한 압축기(20) 의 등온 효율을 70%, 콤팬더 압축기(30,32)의 등엔탈피 효율은 83%, 팽창기(48,62)의 동엔탈피 효율은 89%로 가정한 상태에서 제안된 사이클의 액화기에 필요한 전력을 600톤/일(日)로 산출하여 제시하였다. 비교를 위해, LIN/LOX의 비를 2.5로 고정시킨 상태에서 600톤/일의 액체를 생성시키는 종래의 완전 회수형 질소 재순환법에 필요한 전력량을 산출하였다. 종래의 완전 회수형 질소 재순환법에 필요한 전력량은 LIX/LOX의 비가 동일한 상태에서 본 발명에 요구되는 전력보다 약 2% 높은 수준이었는데, 다시 말하면 11, 818kW 대 11, 572kW이었다.
Figure kpo00003
표 2 및 표 3에는 모의 실험의 스트림 매개 변수를 몇 개 제시하였다. 모의 실험은 액체 생성물이 600톤/일로 제조된다는 가정하에 실시하였는데, 즉 표 2는 액체 질소가 600톤/일, 표 3은 액체 질소와 액체 산소를 비롯한 총 액체가 600톤/일로 제조된다는 가정하에 실시한 모의 실험의 매개 변수를 제시한 것이다. 모의 실험에서 라인(10) 내 스트림으로 사용한 공급 원료는, 표 2 및 표 3에 제시된 압력 및 온도하의 대기였다. 모의 실험에서, 고압 단계의 이론적 트레이 갯수는 40개였으며, 저압 단계의 이론적 트레이의 갯수는 73개였다.
표 2에 보고된 모의 실험에서, 액체 질소 생성물은 2ppm의 산소를 함유하였고, 라인(164) 내 폐기 스트림은 61.64%의 질소와 36.73%의 산소와 약간의 아르곤으로 구성되었다.
표 3에 보고된 모의 실험에서, 액체 질소 생성물은 2ppm의 산소를 함유하였고, 생성된 액체 산소의 순도는 99.50%이었다. 라인(164)내 폐기 스트림은 89.82%의 질소와 8.85%의 산소와 약간의 아르곤으로 구성되었다.
Figure kpo00004
Figure kpo00005
본 발명은 특정 실시 형태를 참고하여 설명하고 기재하였으나, 제시된 세부 사항에 의해 본 발명이 국한되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 기술 사상으로부터 벗어나지 않는 한 청구 범위 등가물의 영역 및 범위 내에서 세부적으로 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명은, 제1작동 방식 또는 제2작동 방식을 수행함으로써 액체 산소만을 , 또는 액체 산소와 질소 액체, 임의로는 아르곤을 모두 다양한 비율로 생성시킬 수 있다.

Claims (21)

  1. (a) 액화기를 사용하여 냉각된 가스 공기 원료 스트림과 액화 공기 스트림을 제공하는 단계, (b) 상기 냉각된 가스 공기 원료를 극저온 증류 칼럼의 고압 단계 내로 유입시켜, 상기 고압 단계의 상부에 위치하는 고압 질소 상층부와 상기 고압 단계의 하부에 위치하는 미정제 액체 산소로 정류시키는 단계, (c) 상기 고압 단계의 상기 고압 질소를, 상기 증류 칼럼의 저압 단계 하부에서 배출된 고산소 액체와 열교환시켜 응축시키는 단계, (d) 상기 응축된 질소의 일부를 상기 증류 칼럼의 상기 고압 단계로의 환류물로 사용하는 단계, (e) 상기 액화 공기의 적어도 일부를 상기 저압 단계로 유입시켜, 상기 저압 단계 내의 상기 액화 공기를 상기 저압 단계의 상부에 위치하는 저압 단계의 질소 가스와 상기 저압 단계의 하부에 위치하는 상기 고산소 액체로 분리시키는 단계를 포함하는, 고압 단계 및 저압 단계를 갖춘 극저온 증류 칼럼을 작동시켜 액체 질소를 생성시키는 방법에 있어서, (f)(i) 상기 미정제 액체 산소의 적어도 일부와 (ii) 상기 액화 공기 및 상기 고산소 액체 중 하나 이상의 적어도 일부를 포함하는 스트림을 상기 저압 단계의 응축기로 유입시켜 상기 저압 단계의 질소 가스를 응축시킴으로써 저압 단계의 질소 응축물을 생성시키고, 상기 저압 단계의 질소 응축물 중 일부를 상기 저압 단계로의 환류물로 사용하고, 상기 저압 단계의 질소 응축물의 나머지 부분과 상기 응축된 질소의 나머지 부분은 액체 질소 생성물로 배출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 스트림을 상기 저압 단계의 응축기로 유입시키는 단계가 상기 미정제 액체 산소 전부, 상기 고산소 액체 전부 및 상기 액화 공기의 일부를 상기 저압 단계의 응축기로 유입시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 저압 단계의 응축기로 스트림을 유입시키는 단계가 상기 미정제 액체 산소의 일부와 상기 액화 공기의 일부를 상기 저압 단계의 상기 응축기로 유입시키는 단계를 포함하고, 상기 미정제 액체 산소의 나머지 부분을 상기 저압 단계로 유입시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 저압 단계의 하부로부터 폐기 가스 스트림을 배출시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 저압 단계의 하부에서 배출된 증기 폐기 스트림의 압력을 등엔탈피적으로 저하시키고, 이 폐기 가스 스트림을 상기 저압 단계의 상기 응축기로부터 배출된 고산소 폐기 가스 스트림과 혼합하여, 상기 미정제 액체 산소와 상기 액화 공기를 차냉각시키는 냉각제로 사용되는 혼합된 증기 폐기 스트림을 생성시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 저압 단계의 하부에서 배출된 폐기 가스 스트림의 압력을 팽창기를 사용하여 등엔탈피적으로 저하시킨 후, 이 폐기 가스 스트림을 상기 저압 단계의 상기 응축기에서 배출된 고산소 폐기 가스 스트림과 혼합하여, 상기 미정제 액체 산소, 상기 액화 공기, 및 상기 고압 단계로부터 배출된 상기 응축된 질소의 나머지 부분을 냉각시키는 냉각제로 사용되는 혼합된 폐기 가스 스트림을 생성시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 폐기 가스 스트림의 압력을 저하시킨 후 상기 저압 단계의 상기 응축기에서 배출된 고산소 폐기 가스 스트림과 이덕터 내에서 혼합하여, 상기 미정제 액체 산소, 상기 액화 공기, 및 상기 고압 단계에서 배출된 상기 응축된 질소의 나머지 부분을 냉각시키는 냉각제로 사용되는 혼합된 폐기 가스 스트림을 생성시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고압 단계로부터 상기 응축된 질소의 나머지 부분을 액체 질소 생성물로 배출시키는 단계가, 상기 저압 단계의 상기 응축기에서 배출된 고산소 폐기 가스 스트림을 사용하여 상기 응축된 질소의 나머지 부분을 냉각시키는 단계, 상기 냉각된 응축 질소를 제1분리기에서 상 분리시켜 제1저압 질소 가스와 저압 액체 질소를 생성시키는 단계, 및 상기 저압 액체 질소를 제2분리기에서 상 분리시켜 제2저압 질소 가스와 상기 액체 질소 생성물을 생성시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1저압 질소 가스를 상기 저압 단계의 상부로 유입시키는 단계, 상기 저압 단계의 질소 응축물 중 나머지 부분을 상기 저압 액체 질소와 혼합하는 단계, 및 상기 제2저압 질소 가스를 상기 저압 단계의 상기 응축기에서 배출된 고산소 폐기 가스 스트림과 혼합하여 , 상기 미정제 액체 산소, 상기 액화 공기, 및 상기 고압 단계에서 배출된 상기 응축된 질소의 나머지 부분을 냉각시키는 냉각제로 사용되는 혼합된 폐기 가스 스트림을 생성시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  10. 액화기를 사용하여 냉각된 가스 공기 원료 스트림과 액화된 공기 스트림을 제공하는 단계, 상기 냉각된 가스 공기 원료를 상기 증류 칼럼의 상기 고압 단계로 유입시켜, 상기 고압 단계의 상부에 위치하는 고압 질소와 상기 고압 단계의 하부에 위치하는 미정제 액체 산소로 정류시키는 단계, 상기 고압 단계에서 배출된 상기 고압 질소를, 상기 증류 칼럼의 상기 저압 단계 하부에서 배출된 고산소 액체와 열 교환시켜 응축시키는 단계, 상기 응축된 질소의 일부를 상기 고압 단계로의 환류물로 사용하는 단계, 상기 응축된 질소의 나머지 부분을 액체 질소 생성물로 배출시키는 단계, 및 하기 단계 (a) 및 (b) 중 하나를 추가의 단계로 선택하여 액체 질소와 액체 산소를 제1중량비로 생성시키는 단계를 포함하는 것이 특징인, 고압 단계와 저압 단계를 갖춘 저온 증류 칼럼을 작동시켜 액체 질소와 액체 산소를 제1중량비로 생성시키는 방법 : (a) (i) 상기 액화 공기 및 상기 미정제 액체 산소 중 하나 이상의 적어도 일부를 상기 저압 단계로 유입시켜 상기 저압 단계의 상부에 위치하는 저압 단계의 질소 가스와 상기 저압 단계의 하부에 위치하는 상기 고산소 액체를 생성시키는 단계, (ii) 상기 미정제 액체 산소의 적어도 일부, 상기 고산소 액체의 적어도 일부, 상기 액화 공기의 적어도 일부 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택된 스트림을 상기 저압 단계의 응축기로 유입시켜 상기 저압 단계의 질소 가스를 응축시킴으로써 저압 단계의 질소 응축물을 생성시키는 단계, 및 (iii) 상기 저압 단계의 질소 응축물의 일부를 상기 저압 단계로의 환류물로 사용하고, 상기 저압 단계의 질소 응축물 중 나머지 부분은 액체 질소 생성물로 배출시키는 단계를 통해, 액체 질소만을 생성물로 배출시키는 제1작동 방식을 작동시키는 단계와, (b)(i) 상기 미정제 액체 산소의 압력을 저하시키고, 상기 미정제 액체 산소를 상기 저압 단계로 유입시키는 단계, (ii) 상기 액화 공기 스트림을 냉각시켜 압력을 저하시킨 후, 상기 미정제 액체 산소를 상기 저압 단계 내로 유입시키는 위치와 다른 위치에서 상기 저압 단계 내로 상기 액화 공기 스트림을 유입시키는 단계, 및 (iii) 상기 저압 단계를 작동시켜 질소를 함유한 저압 상층부의 폐기 스트림과 상기 고산소 액체(액체 산소 생성물 스트림)을 생성시키는 단계를 통해, 액체 질소 대 액체 산소의 비가 상기 제1중량비 이하의 제2중량비인 상태로 액체 질소와 액체 산소를 생성물로 배출시키는 제2작동 방식을 작동시키는 단계.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2중량비가 약 1 : 1인 것이 특징인 방법.
  12. 제10항에 있어서, 단계(b)가 상기 액화 공기, 상기 고압 단계에서 배출된 응축된 질소의 나머지 부분 및 상기 미정제 액체 산소를 상기 저압 단계 상층부의 질소 함유 폐기 스트림을 사용하여 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  13. 제10항에 있어서, 제1기간동안 과량의 액화 공기를 저장하는 단계, 및 상기 과량의 액화 공기중 적어도 일부를 제2기간동안 사용하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  14. 제10항에 있어서, 단계(a)(i)가 상기 액화 공기의 일부를 상기 저압 단계로 유입시키는 단계를 포함하고, 상기 단계(a)(ii)는 상기 액화 공기의 나머지 부분은 상기 미정제 액체 산소 전부 및 상기 고산소 액체 전부를 상기 저압 단계의 응축기로 유입시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 방법.
  15. 제10항에 있어서, 단계(a)(ii)가 상기 액화 공기의 일부를 상기 저압 단계의 상기 응축기로 유입시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 방법.
  16. 제10항에 있어서, 단(a)(ii)가 상기 미정제 액체 산소의 일부를 상기 저압 단계의 상기 응축기로 유입시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 방법.
  17. 제10항에 있어서, 단계(b)가 상기 미정제 액체 산소를 상기 액체 산소 생성물을 사용하여 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  18. (a) 공급 원료를 액화시켜 냉각된 가스 공기 원료 스트림과 액화 공기 스트림을 제공하는 단계, (b) 상기 냉각된 가스 공기 원료를 증류 칼럼의 고압 단계 내에서 고압 단계의 질소 상층부와 미정제 액체 산소로 정류시키는 단계, (c) 상기 액화 공기의 적어도 일부를 상기 증류 칼럼의 저압 단계에서 저압 단계의 질소 가스와 고산소 액체로 분리시키는 단계, (d) 상기 고압 질소를 뒷끊임 장치/응축기 내에서 상기 고산소 액체와의 열 교환을 통해 응축시켜 응축된 질소를 생성시키는 단계, (e) 상기 저압 단계의 질소 가스를 응축기 내에서 응축시키는 단계를 포함하는 액체 질소를 생성시키는 극저온 증류 방법에 있어서, (f)(i) 상기 미정제 액체 산소의 적어도 일부, (ii) 상기 고산소 액체의 적어도 일부, (iii) 상기 액화된 공기의 적어도 일부 및 (iv) 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택된 스트림을 상기 응축기로 유입시켜 상기 저압 단계의 질소 가스를 응축시킴으로써 저압 단계의 질소 응축물을 생성시키는 단계, 및 (g) 상기 고압 단계의 상기 응축된 질소와 상기 저압 단계의 질소 응축물을 액체 질소 생성물로 배출시키는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.
  19. 액화기를 갖추고 있고 냉각된 가스 공기 원료 스트림과 액화 공기 스트림을 제공하고, (i) 상기 냉각된 가스 공기 원료를 고압 질소 상층부와 미정제 액체 산소로 정류시키는 고압 단계, (ii) 상기 냉각된 액화 공기의 적어도 일부를 저압 단계의 질소 가스와 고산소 액체로 분리시키는 저압 단계, (iii) 상기 고압 질소를 상기 고산소 액체와 열 교환시켜 응축시킴으로써 응축된 질소를 생성시키는 뒷끊임 장치/응축기, 및 (iv) 상기 저압 단계의 질소 가스를 선택적으로 응축시키는 응축기를 포함하는 증류 칼럼을 갖추고 있는 액체 질소와 액체 산소를 생성시키는 장치에 있어서, (a) 미정제 액체 산소를 상기 고압 단계의 하부로부터 (i) 질소만을 생성시키는 제1작동 방식 중에는 상기 응축기로, (ii) 액체 산소와 액체 질소를 생성시키는 제2작동 방식 중에는 상기 저압 단계로 유동시킬 수 있도록 상기 고압 단계의 하부와, 상기 응축기와 상기 저압 단계 사이에 연장되어 있는 유체 유동 라인과 밸브로 구성된 제1세트, 및 (b) 상기 고산소 액체를 상기 저압 단계의 하부로부터 (i) 상기 제1작동 방식 중에는 상기 응축기로, (ii) 상기 제2작동 방식 중에는 액체 산소 생성물의 저장고로 유동시킬 수 있도록 상기 저압 단계의 하부와, 액체 산소 생성물의 저장고와 상기 응축기 사이에 연장되어 있는 유체 유동 라인과 밸브로 구성된 제2세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 과량의 액화 공기를 저장하기 위해 상기 액화기에 상기 증류 칼럼 사이에 배치된 저장 탱크를 더 포함하는 것이 특징인 장치.
  21. 액화기를 갖추고 있고 냉각된 가스 공기 원료 스트림과 액화된 공기 스트림을 제공하고, (i) 상기 냉각된 가스 공기 원료를 고압 질소 상층부와 미정제 액체 산소로 정류시키는 고압 단계, (ii) 상기 냉각된 액화 공기의 적어도 일부를 저압 단계의 질소 가스와 고산소 액체로 분리시키는 저압 단계, (iii) 상기 고압 질소를 상기 고산소 액체와 열 교환시켜 응축시킴으로써 응축된 질소를 생성시키는 뒷끊임 장치/응축기, 및 (iv) 상기 저압 단계의 질소 가스를 선택적으로 응축시키는 응축기를 포함하는 증류 칼럼을 갖추고 있는 액체 질소와 액체 산소를 생성시키는 장치에 있어서, (a) 미정제 액체 산소를 상기 고압 단계의 하부로부터 (i) 질소만을 생성시키는 제1작동 방식 중에는 제1응축기로, (ii) 액체 산소와 액체 질소를 생성시키는 제2작동 방식 중에는 상기 저압 단계로 유동시킬 수 있도록 상기 고압 단계의 하부와, 상기 응축기와 상기 저압 단계 사이에 연장되어 있는 유체 유동 라인과 밸브로 구성된 제1세트, 및 (b)(i) 제1작동 방식 중에는 하부 폐기 가스 스트림을 상기 저압 단계의 하부 근처 제1위치로부터 상기 폐기 가스 스트림으로 유동시킬 수 있도록, (ii) 상기 제2작동 방식 중에는 상기 고산소 액체를 상기 저압 단계 하부 근처의 상기 제1위치 아래에 있는 제2위치로부터 상기 액체 산소 생성물의 저장고로 유동시킬 수 있도록 상기 저압 단계의 하부와 액체 산소 생성물의 저장고와 폐기 가스 스트림 사이에 연장되어 있는 유체 유동 라인과 밸브로 구성된 제2세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
KR1019970022790A 1996-06-07 1997-06-03 공기로부터 액체 생성물을 다양한 비율로 생성시키는 방법 및 장치 KR100240323B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/660311 1996-06-07
US08/660,311 US5678425A (en) 1996-06-07 1996-06-07 Method and apparatus for producing liquid products from air in various proportions
US8/660311 1996-06-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR980003437A KR980003437A (ko) 1998-03-30
KR100240323B1 true KR100240323B1 (ko) 2000-01-15

Family

ID=24649004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019970022790A KR100240323B1 (ko) 1996-06-07 1997-06-03 공기로부터 액체 생성물을 다양한 비율로 생성시키는 방법 및 장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US5678425A (ko)
EP (1) EP0811816A3 (ko)
JP (1) JPH1054658A (ko)
KR (1) KR100240323B1 (ko)
CA (1) CA2206649C (ko)
TW (1) TW327204B (ko)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5758515A (en) * 1997-05-08 1998-06-02 Praxair Technology, Inc. Cryogenic air separation with warm turbine recycle
DE19815885A1 (de) * 1998-04-08 1999-10-14 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von gasförmigem Druckprodukt bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft
GB0119500D0 (en) * 2001-08-09 2001-10-03 Boc Group Inc Nitrogen generation
DE10148166A1 (de) * 2001-09-28 2003-04-17 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff
US6543253B1 (en) * 2002-05-24 2003-04-08 Praxair Technology, Inc. Method for providing refrigeration to a cryogenic rectification plant
FR2851330B1 (fr) * 2003-02-13 2006-01-06 Air Liquide Procede et installation de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygene, l'argon et l'azote par distillation cryogenique de l'air
US6779361B1 (en) 2003-09-25 2004-08-24 Praxair Technology, Inc. Cryogenic air separation system with enhanced liquid capacity
US7165422B2 (en) * 2004-11-08 2007-01-23 Mmr Technologies, Inc. Small-scale gas liquefier
US7549301B2 (en) * 2006-06-09 2009-06-23 Praxair Technology, Inc. Air separation method
FR2906605B1 (fr) * 2006-10-02 2009-03-06 Air Liquide Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique.
FR2913759B1 (fr) * 2007-03-13 2013-08-16 Air Liquide Procede et appareil de production de gaz de l'air sous forme gazeuse et liquide a haute flexibilite par distillation cryogenique.
US9291388B2 (en) * 2009-06-16 2016-03-22 Praxair Technology, Inc. Method and system for air separation using a supplemental refrigeration cycle
JP5643491B2 (ja) * 2009-07-24 2014-12-17 大陽日酸株式会社 空気液化分離方法及び装置
US8486233B2 (en) 2010-12-14 2013-07-16 Chevron U.S.A. Inc. Apparatus, process and system for delivering fluid to a distillation column or reactor
EP2600090B1 (de) * 2011-12-01 2014-07-16 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Drucksauerstoff durch Tieftemperaturzerlegung von Luft
EP2963367A1 (de) * 2014-07-05 2016-01-06 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit variablem Energieverbrauch
US20220034584A1 (en) * 2020-07-30 2022-02-03 L'Air Liquide, Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude Large liquid oxygen and liquefied natural gas production process

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3605422A (en) * 1968-02-28 1971-09-20 Air Prod & Chem Low temperature frocess for the separation of gaseous mixtures
GB1472402A (en) * 1973-07-18 1977-05-04 Cryoplants Ltd Air separation
GB1520103A (en) * 1977-03-19 1978-08-02 Air Prod & Chem Production of liquid oxygen and/or liquid nitrogen
US4375367A (en) * 1981-04-20 1983-03-01 Air Products And Chemicals, Inc. Lower power, freon refrigeration assisted air separation
US4543115A (en) * 1984-02-21 1985-09-24 Air Products And Chemicals, Inc. Dual feed air pressure nitrogen generator cycle
JPS61190277A (ja) * 1985-02-16 1986-08-23 大同酸素株式会社 高純度窒素および酸素ガス製造装置
FR2578532B1 (fr) * 1985-03-11 1990-05-04 Air Liquide Procede et installation de production d'azote
DE3528374A1 (de) * 1985-08-07 1987-02-12 Linde Ag Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von stickstoff mit ueberatmosphaerischem druck
US4715873A (en) * 1986-04-24 1987-12-29 Air Products And Chemicals, Inc. Liquefied gases using an air recycle liquefier
US4894076A (en) * 1989-01-17 1990-01-16 Air Products And Chemicals, Inc. Recycle liquefier process
US4957524A (en) * 1989-05-15 1990-09-18 Union Carbide Corporation Air separation process with improved reboiler liquid cleaning circuit
US5006137A (en) * 1990-03-09 1991-04-09 Air Products And Chemicals, Inc. Nitrogen generator with dual reboiler/condensers in the low pressure distillation column
US5006139A (en) * 1990-03-09 1991-04-09 Air Products And Chemicals, Inc. Cryogenic air separation process for the production of nitrogen
US5123947A (en) * 1991-01-03 1992-06-23 Air Products And Chemicals, Inc. Cryogenic process for the separation of air to produce ultra high purity nitrogen
US5257504A (en) * 1992-02-18 1993-11-02 Air Products And Chemicals, Inc. Multiple reboiler, double column, elevated pressure air separation cycles and their integration with gas turbines
FR2697620B1 (fr) * 1992-10-30 1994-12-23 Air Liquide Procédé et installation de production d'azote gazeux à débit variable.
FR2701313B1 (fr) * 1993-02-09 1995-03-31 Air Liquide Procédé et installation de production d'azote ultra-pur par distillation d'air.
US5355681A (en) * 1993-09-23 1994-10-18 Air Products And Chemicals, Inc. Air separation schemes for oxygen and nitrogen coproduction as gas and/or liquid products

Also Published As

Publication number Publication date
TW327204B (en) 1998-02-21
CA2206649A1 (en) 1997-12-07
EP0811816A3 (en) 1998-09-09
US5678425A (en) 1997-10-21
EP0811816A2 (en) 1997-12-10
JPH1054658A (ja) 1998-02-24
KR980003437A (ko) 1998-03-30
CA2206649C (en) 2000-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100240323B1 (ko) 공기로부터 액체 생성물을 다양한 비율로 생성시키는 방법 및 장치
KR100939515B1 (ko) 액화 천연 가스로부터의 2단계 질소 제거
US5414188A (en) Method and apparatus for the separation of C4 hydrocarbons from gaseous mixtures containing the same
JP2875206B2 (ja) 高純度窒素製造装置及び方法
US4783210A (en) Air separation process with modified single distillation column nitrogen generator
JPS6214750B2 (ko)
US4192662A (en) Process for liquefying and rectifying air
US6178774B1 (en) Process and plant for the combined production of an ammonia synthesis mixture and carbon monoxide
EP0580348B1 (en) Hybrid air and nitrogen recycle liquefier
AU650178B2 (en) Efficient single column air separation cycle and its integration with gas turbines
US4834785A (en) Cryogenic nitrogen generator with nitrogen expander
US4659351A (en) Combined process to produce liquid helium, liquid nitrogen, and gaseous nitrogen from a crude helium feed
US4895583A (en) Apparatus and method for separating air
EP0798524B1 (en) Ultra high purity nitrogen and oxygen generator unit
US4927441A (en) High pressure nitrogen production cryogenic process
US4338108A (en) Process for the recovery of argon
EP0283213B1 (en) Process for the recovery of argon
JPH11325717A (ja) 空気の分離
US4530708A (en) Air separation method and apparatus therefor
US5463870A (en) Process and installation for the production of at least one gas from air under pressure
US3589137A (en) Method and apparatus for separating nitrogen and hydrocarbons by fractionation using the fluids-in-process for condenser and reboiler duty
US10309720B2 (en) System and method for argon recovery from a feed stream comprising hydrogen, methane, nitrogen and argon
US10082332B2 (en) System and method for argon recovery from the tail gas of an ammonia production plant
US10309721B2 (en) System and method for enhanced argon recovery from a feed stream comprising hydrogen, methane, nitrogen and argon
JP2000180051A (ja) 超高純度窒素製造法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20021021

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee