KR100261915B1 - 저순도의 산소를 제조하기 위한 사이드 칼럼 극저온 정류 시스템 - Google Patents

저순도의 산소를 제조하기 위한 사이드 칼럼 극저온 정류 시스템 Download PDF

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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 이중 칼럼 및 보조 사이드 칼럼을 사용하는 저온 정류 시스템에 관한 것으로, 시스템이 낮은 헤드 압력으로 조절할 수 있게 압축된 공급 공기를 응축할 수 있고 따라서, 조작 비용을 낮출 수 있는 저순도의 산소를 제조할 수 있는 시스템을 제공한다.

Description

저순도의 산소를 제조하기 위한 사이드 칼럼 극저온 정류 시스템
제1도는 본 발명에 따른 극저온 정류 시스템의 바람직한 실시예를 나타내는 개략도.
제2도는 고압 산소 생성물이 제조되는 본 발명에 따른 극저온 정류시스템의 다른 바람직한 실시예를 나타내는 개략도.
제3도는 공급 공기가 두가지 압력 레벨의 고압 칼럼에 제공되는 본발명에 따른 극저온 정류 시스템의 다른 바람직한 실시예를 나타내는 개략도.
제4도는 여압 터어빈을 사용하는 본 발명에 따른 극저온 정류 시스템의 다른 바람직한 실시예를 나타내는 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
5, 6 : 스트림 24 : 공급 공기
25 : 베이스 로드 공급 공기 압축기
80 : 터보 팽창기 100 : 고압 칼럼
200 : 저압 칼럼 250 : 주응축기
300 : 사이드 칼럼 350 : 바닥 재가열기
본 발명은 일반적으로 공급 공기의 극저온 정류에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저순도의 산소를 제조하는 방법에 관한 것이다.
공기의 극저온 분리 방법은 공업적으로 잘 알려진 방법이다. 극저온 공기 분리는 분진 제거를 위한 공급 공기의 여과 및 분리를 위해 필요한 에너지를 공급하기 위한 공급 공기의 압축하는 과정과 관련된다. 공급 공기를 압축한 후에 이산화탄소 및 수증기와 같은 고비점 불순물을 제거하고 냉각하여 극저온 정류에 의해 생성물로 분리한다. 분리 칼럼은 극저온에서 작동되어 접촉되고 있는 가스와 액체를 증류시켜 분리시키고, 분리된 생성물을 냉각 공급 공기 스트림에 대하여 주위 온도 상태로 한다.
산소를 제조하기 위한 대부분의 극저온 정류 공기 분리 시스템은 주요 응축기에서 열교환 관계에 있는 저압 칼럼과 고압 칼럼을 사용하는 이중칼럼 시스템이다. 이러한 시스템에 있어서, 헤드 압력은 베이스 로드 공급 공기 압축기에서의 압력으로 설정되며, 고압 칼럼의 바닥 압력과 베이스 로드 공급 공기 압축기와 고압 칼럼 사이의 장치 및 파이핑으로의 압력을 더함으로써 설정된다. 또한, 고압 칼럼 바닥의 압력이 저압 칼럼의 상부에서 대기 중으로의 스트림의 압력 강하, 저압 칼럼의 바닥에 가해진 압력차, 고압 칼럼의 정상에서의 고압 질소 응축 압력을 설정하는 주응축기에서 온도차, 및 고압 칼럼의 바닥에 가해지는 압력 강하에 의해 설정된다. 종래의 시스템에 있어서, 고압 칼럼의 바닥 압력은 일반적으로 70 내지 80psia이며, 헤드 압력은 77 내지 87psia이다.
종래의 이중 칼럼 시스템은 우수한 에너지 효율과 생성물 순도를 가지면서 공기를 분리할 수 있다. 그러나, 낮은 순도 산소, 즉, 99몰% 이하의 순도를 가지는 산소가 요구되는 경우, 이는 더 큰 공기 분리 분리능을 가질수 있기 때문에 효율적이지 못하다. 유리 제조업, 철강 공업, 및 에너지 생산과 같은 분야에서 낮은 순소의 산소에 대한 요구량이 증가하고 있기 때문에, 낮은 작동 조건에서 저순도의 산소를 제조할 수 있는 이중 칼럼이 요구된다.
본 발명의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 전문가라면 인지할 수 있는 상기된 목적 및 그밖의 목적이 본 발명에 의해 성취될 수 있으며, 본 발명의 한가지 관점은, (A) 공급 공기를 압축하는 단계, (B) 압축된 공급 공기를 최소한 부분적으로 응축시키고, 고압 칼럼을 포함하는 이중 칼럼의 고압 칼럼으로 생성된 공급 공기를 통과시키는 단계, (C) 저압칼럼에서 사이드 칼럼으로 50 내지 88%의 산소를 포함하는 조액화 산소를 통과시키는 단계, (D) 사이드 칼럼내의 극저온 정류에 의해 조액화 산소를 산소 생성물 및 나머지 기체로 분리하는 단계, (E) 사이드 칼럼에서 저압 칼럼으로 잔여 증기를 통과시키는 단계, (F) 산소 생성물을 압축된 공급공기와 간접 열교환시켜서, 산소 생성물은 적어도 부분적으로 기화시키고 압축된 공급공기는 적어도 부분적으로 응축시키는 단계, 및 (G) 조액화 산소의 농도를 초과하는 산소 농도를 가지는 저순도의 산소 생성물로서 산소 생성물 유체를 회수하는 단계를 포함하여, 저순도 산소를 제조하는 극저온 정류 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 관점은, (A) 베이스 로드 공급 공기 압축기, (B) 바닥 재가열기를 가지는 사이드 칼럼, (C) 제1칼럼 및 제2칼럼을 포함하는 이중 칼럼, (D) 베이스 로드 공급 공기 압축기로부터 바닥 재가열기로, 및 바닥재가열기로부터 제1 칼럼으로 공급 공기를 통과시키는 수단, (E) 제2칼럼의 하부에서 사이드 칼럼으로 유체를 통과시키는 수단, (F) 사이드 칼럼에서 제2칼럼으로 유체를 통과시키는 수단, 및 (G) 사이드 칼럼에서 생성물을 회수하는 수단을 포함하여 하는 극저온 정류 장치를 제공하는 것이다.
본원에 사용되는 용어 "칼럼"은 증류 또는 분별 칼럼 또는 영역, 즉, 예를 들어 칼럼내에 설치된 일련의 수직 공간 트레이 또는 플레이트상에서, 및/또는 구조 팩킹 및/또는 랜덤 팩킹 요소일 수 있는 팩킹 요소상에서 증기와 액체상의 접촉에 의한 바와 같이, 유체 혼합물의 분리를 수행하기 위해 액체 또는 증기상을 역류 접촉시키는 접촉 칼럼 또는 영역을 의미한다. 증류 칼럼에 대한 더 이상의 상세한 사항은 다음 참고문헌에 기술되어 있다 : [참고문헌 :Chemical Engineers' Hnadbook fifth edition, edited by R.H. Perry and C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13, The Continuous Distillation Process]. 용어 "이중 칼럼"은 저압 칼럼의 하단과 열교환 관계에 있는 상단을 가지는 고압 칼럼을 의미한다. 보다 상세한 사항은 하기 참고문헌에 기술되어 있다 ; [참고문헌 : Ruheman "The Separation of Gases" Oxford University Press, 1949, Chapter Vll, Cammercial Air Separation].
증기 및 액체 접촉 분리 방법은 성분들에 대한 증기압의 차이에 의존한다. 높은 증기압(또는 더 휘발성 또는 저비점) 성분은 증기상으로 농축되려고 할 것이며, 반면에, 낮은 증기압(또는 덜 휘발성 또는 고비점) 성분은 액체상으로 농축되려고 할 것이다. 부분적 응축은 휘발성분(들)을 증기상으로 농축시키고, 이것에 의해 덜 휘발성인 성분(들)을 액체상으로 농축시키기 위해 증기 혼합물의 냉각을 이용할 수 있는 분리 방법이다. 증기와 액체상의 역류 접촉은 단열적이고, 상들 사이의 적분적(단계별) 또는 미분적(연속적)접촉을 포함할 수 있다. 정류의 원리를 이용하여 혼합물을 분리하는 분리 공정 장치는 종종 정류 칼럼, 증류 칼럼, 또는 분별 칼럼으로 동일한 의미로 일컬어진다. 극저온 정류는 최소한 부분적으로는 150도(K) 이하의 온도에서 수행되는 정류 공정이다.
본원에 사용되는 용어 "간접 열교환"은 두가지 유체 흐름을 유체들 서로간의 어떠한 물리적 접촉 또는 상호 혼합없이 열교환 관계에 있게 하는 것을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "바닥 재가열기"는 칼럼 바닥 액체로부터 칼럼 상류 액체를 발생시키는 열교환 장치를 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "터보 팽창" 및 "터보 팽창기"는 고압 기체를 터빈에 통과시켜 기체의 온도와 압력을 낮춤으로써 냉각시키는 방법 및 장치를 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "상부" 및 "하부"는 칼럼의 중간 부분의 위 및 아래 부분을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "공급 공기"는 주로 질소 및 산소를 포함하는 공기와 같은 혼합물을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "저순도 산소"는 산소 농도가 99몰% 이하인 유체를 의미한다.
일반적으로, 본 발명은 산소 생성물 순도에 대한 고압 칼럼 바닥 압력의 의존성을 결부시키지 않음으로써 이중 칼럼 시스템의 고압 칼럼이 저압에서 작동될 수 있게 한다. 따라서, 본 발명은 필요한 헤드 압력을 얻기 위하여 필요한 공급 공기 압축 작업량을 감소시킴으로써 에너지를 절감시킬수 있다.
이하에서, 본 발명을 첨부되는 도면을 참고로 상세히 설명한다.
도 1를 참고하면, 공급 공기(24)가 일반적으로 38 내지 65psia의 압력으로 베이스 로드 공급 공기 압축기(25)를 통해 통과하여 압축되며, 압축열을 제거하기 위하여 냉각기(26)을 통해 냉각시킨다. 가압 공급 공기(27)은 정제기(28)를 통해 물, 수증기 및 이산화탄소와 같은 고비점 불순물을 제거하고, 생성되는 공급 공기 스트림(1)을 주열교환기(70)내의 순환 스트림으로 간접 열교환시켜 냉각시킨다. 일반적으로 10 내지 25%의 공급 공기를 포함하는 소량 부분(2)은 터보 팽창기(80)를 통해 터보 팽창되어 냉각되며, 열교환기(71)를 통과하여 더 냉각되고, 저압 칼럼(200)으로 통과한다.
일반적으로 75 내지 90%의 전체 공급 공기로 이루어지는 부분(3)은 바닥 재가열기(350)를 통과하는데, 바닥 재가열기(350)는 일반적으로 이러한 칼럼 하부의 사이드 칼럼(300)내에 위치한다. 바닥 재가열기(350)내에서 압축된 공기는 최소한 부분적으로 응축되며, 생성되는 공급 공기 스트림(29)이 밸브(50)를 통과하여 고압 칼럼 (100)으로 통과한다.
고압 칼럼(100)은 이중 칼럼의 제1의 고압 칼럼이며, 이중 칼럼은 제2의 저압 칼럼(200)도 포함한다. 고압 칼럼(100)은 일반적으로 30 내지 60psia의 압력 범위에서 작동된다. 고압 칼럼(100)내에서, 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소가 풍부한 증기와 산소가 풍부한 액체로 분리된다. 질소가 풍부한 증기는 스트림(4)으로서 주응축기(250)로 통과하며, 여기에서 저압 칼럼(200) 바닥 액체와 간접 역교환에 의해 응축된다. 생성되는 질소가 풍부한 액체(31)는 스트림(5) 및 스트림(6)으로 나뉘어진다. 스트림(6)은 환류물로서 칼럼(100)을 통과하고, 스트림(5)은 밸브를 통해 환류물로서 칼럼(200)을 통과한다. 산소가 풍부한 액체는 스트림(7)으로서 칼럼(100)의 하부로부터 배출되어 열교환기(73)를 통과하면서 냉각되고, 밸브(51)르 통해 칼럼 (200)으로 통과한다. 칼럼(200)은 칼럼(100)의 압력 보다 더 낮은 압력으로 작동되며, 일반적으로 16 내지 25psia의 압력 범위를 갖는다. 주응축기(250)는 열 사이펀 유니트, 일회 통과 액체 흐름 유니트 또는 하향 액체 흐름 장치일 수 있다.
저압 칼럼(200)내에서, 이러한 칼럼으로 유입되는 다양한 공급물은 질소가 풍부한 증기 및 조액화 산소로 분리된다. 질소가 풍부한 증기는 스트림(8)으로서 칼럼(200)의 상부로부터 유출되고, 열교환기(72, 73 및 70)를 통해 통과하여 가온되며, 전체 또는 부분적으로 회수되거나 폐기물로서 대기중에 방출시킬 수 있는 스트림(33)으로서 시스템으로부터 제거된다. 스트림(33)은 일반적으로 0.1 내지 2.5몰%의 산소 농도를 가지며, 나머지는 필수적으로 모두 질소이다. 50 내지 88몰%의 산소 농도를 가지는 조액화 산소는 제2의 저압 칼럼(200)으로부터 배출되고 사이드 칼럼(300)의 상부로 스트림(10)으로서 통과된다.
사이드 칼럼(300)은 저압 칼럼(200)의 압력과 유사하고, 일반적으로 16 내지 25psia의 압력으로 작동된다. 사이드 칼럼(300)내에서, 강하하는 조액화 산소는 산소 생성물 유체로 상승하는 증기와 나머지 증기에 대해 극저온 정류에 의해 상승된다. 일반적으로 25 내지 65몰%의 산소 농도와 30 내지 79몰%의 질소 농도를 가지는 나머지 증기는 사이드 칼럼(300)의 상부로부터 스트림(13)으로서 저압칼럼(200)으로 통과된다.
조액화 산소 농도를 초과하는 산소 농도를 가지며, 일반적으로 70 내지 99몰%의 산소 농도를 가지는 산소 생성물 유체가 사이드 칼럼(300)의 하부에서 액체로서 수집되며, 최소한 일부가 종래의 열 사이펀 형태 또는 일회 또는 하방향 유니트일 수 있는 바닥 재가열기(350)에서, 응축되는 압축 공급 공기에 대해 간접 열교환에 의해 증발될 수 있다. 이러한 기화는 사이드 칼럼(300)내에서 조액화 산소를 분리하기 위하여 상승 증기를 발생시키는 역할을 한다. 산소 생성물 유체는 기체 및/또는 액체로서 회수될 수 있다. 산소 생성물은 스트림(11)으로서 사이드 칼럼(300)으로부터 배출될 수 있으며, 열교환기(71 및 70)를 통과하여 가온되고, 산소 생성물 기체(34)로서 회수된다. 산소 생성물 액체는 밸브(53)를 통해 통과되며, 산소 생성물 액체(35)로서 회수된다. 산소 생성물 액체는 70 내지 99몰%의 산소 농도를 갖는다.
표 1은 도 1에 도시된 실시예를 이용하여 수행된 본 발명의 컴퓨터 시뮬레이션으로부터 얻어진 결과를 나타내는 것이다. 표 1에서의 스트림 번호는 도 1에 도시된 것이 해당한다. 본 발명에 따른 이러한 실시예 등은 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다. 이러한 실시예에 있어서, 고압 칼럼은 20개의 이론적인 트레이를 포함하며, 저압 칼럼은 22개의 이론적인 트레이를 포함하고, 사이드 칼럼은 8개의 이론적인 트레이를 포함한다.
[표 1]
본 발명의 이러한 실시예에 있어서, 산소 회수율은 공급 공기의 97% 이다. 이러한 실시예에서 극저온 정류를 수행하기 위하여 필요한 헤드 압력은 단지 64psia이다. 이는 종래의 이중 칼럼 분리 공정을 구동시키기 위해 필요한 78psia보다 약 18% 정도 적어 본 발명에 따른 방법의 이점을 나타내주고 있다.
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다. 제2, 3 및 도 4에서의 번호는 동일한 구성 요소에 대하여 동일한 번호를 사용하며, 다시 언급하지는 않는다.
도 2를 참고하면, 공급 공기 스트림(1)의 일부(36)는 압축기(37)를 통해 더 압축되며, 냉각기(38)를 통해 압축열이 냉각되고 주열교환기(70)를 통과하고, 스트림 (30)으로서 밸브(56)를 통과하여 공급 공기 스트림(29)이 고압 칼럼(100)으로 통과되는 지점 이상의 위치에서 고압 칼럼(100)으로 통과한다. 산소 생성물 액체 스트림 (12)은 액체 펌프(60)에 의해 압력이 증가하며, 주열교환기(70)를 통과하여 증발되어 고압의 저순도 산소 생성물 기체 스트림(15)을 생성한다. 일반적으로, 고압의 산소 생성물 기체는 30 내지 300psia의 압력 범위를 갖는다. 열교환기 장치 고안에 따라서, 응축 스트림(30)에 대한 스트림(14)의 비등은 액체 펌프(60) 및 주열교환기(70) 사이에 위치하는 별도의 열교환기(도시하지 않음)에서 수행되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 실시예에 있어서, 공급 공기 스트림(1)의 일부(20)는 주열교환기 (70) 및 바닥 재가열기(350)를 통해 통과하기 전에 압축기(39)를 통해 압축되고, 공급 공기 스트림의 나머지 부분(32)은 주열교환기(70)를 통해 통과하고, 바닥 재가열기 (350)를 통과하여 칼럼(100)으로 직접 통과한다. 이러한 실시예는 바닥 재가열기 (350)를 통해 통과하는 공급 공기를 응축시킬 수 있으며, 90 내지 99몰%의 산소 농도를 가지는 것이 바람직하다.
도 4에 도시한 실시예에 있어서, 공급 공기 일부(2)가 주열교환기(70)의 업스트림인 스트림(1)로부터 취해지고, 압축기(90)를 통과해 압축된다. 생성되는 스트림은 냉각기(91)를 통과해 냉각되어 압축열이 제거되고, 부분적으로 주열교환기(70)를 통해 통과딘다. 스트림은 터보 팽창기(80)를 통해 터보 팽창되어 냉각되며, 이로부터 열교환기(71)를 통하여 저압 칼럼(200)으로 통과한다. 터보 팽창기(80)는 압축기(90)에 직접 연결되며, 터보 팽창기(80)를 통해 가압된 기체 스트림(2)의 팽창에 의해 에너지를 방출시킨다. 이러한 실시예는 장치 설정에 있어 이점이 있으며, 90 내지 99몰%의 산소 순도 범위를 가지는 산소를 제조할 때 유용하다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 저압에서 작동되어 종래의 이중 칼럼에서 필요했던 비용을 절감시킬 수 있으며, 저순도의 산소를 효과적으로 얻을 수 있는 이중 칼럼에 대한 것이다. 본 발명이 바람직한 실시예를 참고로 하여 기재되었으나, 당해 기술 분야의 숙련자는 첨부되는 특허청구범위에 따른 본 발명의 범위내에서 본 발명의 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. (A) 공급 공기를 압축하는 단계, (B) 압축된 공급 공기를 최소한 부분적으로 응축시키고, 고압 칼럼을 포함하는 이중 칼럼의 고압 칼럼으로 생성된 공급 공기를 통과시키는 단계, (C) 저압 칼럼에서 사이드 칼럼으로 50 내지 88몰%의 산소를 포함하는 조액화 산소를 통과시키는 단계, (D) 사이드 칼럼내의 극저온 정류에 의해 조액화 산소를 생성물 유체와 나머지 기체로 분리하는 단계, (E) 사이드 칼럼에서 저압 칼럼으로 잔여 증기를 통과시키는 단계, (F) 산소 생성물을 압축된 공급공기와 간접 열교환시켜서, 산소 생성물은 적어도 부분적으로 기화시키고 압축된 공급공기는 적어도 부분적으로 응축시키는 단계, 및 (B) 조액화 산소의 농도를 초과하는 산소 농도를 가지는 저순도의 산소 생성물로서 산소 생성물 유체를 회수하는 단계를 포함하여, 저순도 산소를 제조하는 극저온 정류 방법.
  2. 제1항에 있어서, 산소 생성물 유체가 기체로서 회수되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 산소 생성물 유체가 액체로서 회수되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 산소 생성물 유체가 압력이 증가된 액체로서 사이드 칼럼으로부터 배출되고, 회수전에 기체화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 압축된 공급 공기의 일부를 터보 팽창시키고 터보 팽창된 공급 공기를 저압 칼럼으로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. (A) 베이스 로드 공급 공기 압축기, (B) 바닥 재가열기를 가지는 사이드 칼럼,
    (C) 제1칼럼 및 제2칼럼을 포함하는 이중 칼럼, (D) 베이스 로드 공급 공기 압축기로부터 바닥 재가열기로, 및 바닥 재가열기로부터 제1칼럼으로 공급 공기를 통과시키는 수단, (E) 제2칼럼의 하부에서 사이드 칼럼으로 유체를 통과시키는 수단, (F) 사이드 칼럼에서 제2칼럼으로 유체를 통과시키는 수단, 및 (G) 사이드 칼럼에서 생성을 회수하는 수단을 포함하는 극저온 정류 장치.
  7. 제6항에 있어서, 사이드 칼럼으로부터 생성물을 회수하는 수단이 액체 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제6항에 있어서, 터보 팽창기, 터보 팽창기로 공급 공기를 통과시키는 수단 및 터보 팽창기로부터의 공급 공기를 제2칼럼으로 통과시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 터보 팽창기로 공급 공기를 통과시키는 수단이 터보 팽창기에 직접 연결된 압축기로부터 터보 팽창기로의 도관 수단을 포함하도록 하여, 터보 팽창기에 직접 연결된 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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