KR100271533B1 - 이중상 터어보 팽창을 이용하는 극저온 정류 시스템 - Google Patents

이중상 터어보 팽창을 이용하는 극저온 정류 시스템 Download PDF

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앤 엔젤스 체릴
브레그돈 울프 제임스
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로버트 지. 호헨스타인
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Abstract

본 발명은, 가압 액체 산소가 가압 작동 유체로부터 증발되고, 그후 터어보 팽창되어, 증기 및 액체 부분을 모두 갖는 이중 상 스트림을 생성시키는, 증가된 압력의 기체 산소를 생성시키기 위한 저온 정류 시스템에 관한 것이다.

Description

이중상 터어보 팽창을 이용하는 극저온 정류 시스템
본 발명은 일반적으로 극저온 공기 분리 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 가압 액체 산소를 증발시켜서 고압 기체 산소를 생성시키는 극저온 공기 분리 방법에 관한 것이다.
산소는 일반적으로 널리 공지된 이중 칼럼 시스템을 사용하는 공급 공기의 극저온 정류에 의해 대규모로 상업적으로 생산되며, 생성물 산소는 저압 칼럼으로부터 얻어진다. 이때, 저압 칼럼으로부터 얻어질 때의 압력을 초과하는 압력에서 산소를 생성시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우에, 기체 산소는 바람직한 압력으로 압축될 수 있다. 그러나, 비용 절감을 위해, 저압 칼럼으로부터 산소를 액체로서 회수하고, 이것을 고압으로 펌핑시킨 후, 가압 액체 산소를 증발시켜서 바람직한 고압 생성물 산소 기체를 생성시키는 것이 일반적으로 바람직할 수 있다.
가압 액체 산소는 가압 작업 유체에 대해 증발된 후, 극저온 정류 장치 내로 도입된다. 작업 유체는 열교환에 필요한 압력으로부터 상기 장치에 필요한 압력으로 드로틀링(throttling)된다. 이에 의해, 드로틀링 단계의 열역학적 비가역성으로 인해 에너지가 손실된다. 가압 작업 유체의 드로틀링과 관련된 일 손실(lost work)의 최소한 일부를 극저온 정류 장치에 요구되는 압력 까지 회수하는 바람직할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 가압 작업 유체에 대한 가압 액체 산소의 증발에 의해 고압 기체 산소를 생성시키면서, 가압 작업 유체가 극저온 정류 장치에 적합한 압력으로 팽창될 때의 일 손실의 최소한 일부를 회수할 수 있는 극저온 정류 시스템을 제공하는 데에 있다.
제1도는 본 발명의 하나의 바람직한 양태의 개략도이다.
제2도는 고압 기체 생성물 이외에 액체 생성물이 바람직한 경우에 특히 유리한 본 발명의 또다른 바람직한 양태의 개략도이다.
제3도는 주울-톰슨 밸브 팽창을 이용하는 통상의 실시와 비교하여, 본 발명의 장점을 설명하는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 압축기 13 : 열교환기
15 : 터어보 팽창기 16 : 고압 칼럼
18 : 저압 칼럼 17 : 주응축기
19 : 액체 펌프
[발명의 요약]
본 명세서를 읽을 때에 당업자에게 명백해질 상기 및 다른 목적은 본 발명에 의해, (A) 공급 공기를 극저온 정류 장치 내로 도입시키고, 공급 공기를 극저온 정류 장치 내에서 분리시켜서 액체 산소를 생성시키는 단계;
(B) 액체 산소를 극저온 정류 장치로부터 배출시키고, 배출된 액체 산소의 압력을 증가시켜서 고압 액체 산소를 생성시키는 단계;
(C) 작업 유체를 압축시켜서 가압 작업 유체를 생성시키고, 가압 작업 유체를 고압 액체 산소와 간접 열교환시켜 고압 액체 산소를 증발시켜서, 고압 기체 산소 및 냉각된 가압 작업 유체를 생성시키는 단계;
(D) 냉각된 가압 작업 유체를 터어보 팽창시켜서, 액체상 및 기체상을 모두 갖는 이중상 작업 유체를 생성시키는 단계; 및
(E) 이중상 작업 유체를 극저온 정류 장치 내로 통과시키는 단계를 포함하여, 고압 기체 산소를 생성시키는 방법에 의해 달성된다.
본원에서, 용어 “터어보 팽창” 및 “터어보 팽창기”는 각각, 유체의 온도 및 압력을 감소시켜서 냉각을 발생시키기 위해 터어빈을 통해 고압 유체를 유동시키기 위한 방법 및 장치를 의미한다.
본원에서, 용어 “칼럼”은 중류 또는 분별 칼럼 또는 영역, 즉, 예를 들어 칼럼 내에 배치되어 있는 일련의 수직으로 이격된 트레이 또는 플레이트 상에서 그리고/또는 구조 패킹(packing) 및/또는 랜덤 패킹 요소일 수 있는 패킹 요소 상에서의 증기 및 액체상의 접촉에 의해서와 같이 액체 및 증기상이 역류로 접촉되어 유체 혼합물이 분리되는 접촉관 또는 영역을 의미한다. 문헌[Chemical Engineer's Handbook fifth edition, edited by R. H. Perry and C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13, The Continuous Distillation Process]에는, 증류 칼럼이 추가로 기술되어 있다. 용어 “이중 칼럼”은, 저압 칼럼의 하부 말단과 열교환 관계에 있는 상부 말단을 갖는 고압 칼럼을 나타내기 위해 사용된다. 루헤만(Ruheman)의 문헌[“The Separation of Gases”, Oxford University Press, 1949, Chapter VII, Commercial Air Separation]에는, 이중 칼럼의 추가의 설명이 기재되어 있다.
증기 및 액체 접촉 분리 방법은 성분들의 증기압차에 의존한다. 고증기압(또는 고휘발성 또는 저비점) 성분은 증기상으로 모이려는 경향이 있는 반면, 저증기압(또는 저휘발성 또는 고비점) 성분은 액체상으로 모이려는 경향이 있을 것이다. 부분 응축은, 휘발성 성분(들)을 증기상으로 모으고, 휘발성이 작은 성분(들)을 액체상으로 모으기 위해 증기 혼합물의 냉각을 사용할 수 있는 분리 방법이다. 정류 또는 연속 증류는, 증기 및 액체상의 역류 처리에 의해 얻어지는 바와 같이 연속 부분 증발 및 응축을 결합시킨 분리 방법이다. 증기 및 액체상의 역류 접촉은 단열적이고, 상들 사이의 적분 또는 미분 접촉을 포함할 수 있다. 혼합물을 분리시키기 위해 정류 원리를 이용하는 분리 공정 장치는 종종 정류 칼럼, 증류 칼럼 또는 분별 칼럼으로 번갈아 언급된다. 극저온 정류는, 150 K 이하의 온도에서 최소한 부분적으로 수행되는 정류 방법이다.
본원에서, 용어 “간접 열교환”은 두가지 유체 스트림이 유체들 서로간의 임의의 물리적 접촉 또는 혼합 없이 열교환 관계에 있는 것을 의미한다.
본원에서, 용어 “극저온 정류 장치”는 연결 파이프, 밸브, 열교환기 등, 뿐만 아니라 공급 공기를 극저온 정류에 의해 분리시키는 칼럼을 의미한다.
본원에서, 용어 칼럼의 “상부” 및 “하부”는 각각 칼럼의 중간보다 높은 부분 및 중간보다 낮은 부분을 의미한다.
본원에서 용어 “액체 산소” 및 “기체 산소”는 각각 산소 농도가 50 몰% 이상인 액체 및 기체를 의미한다.
본원에서, 용어 “액체 질소” 및 “기체 질소”는 각각 질소 농도가 80 몰% 이상인 액체 및 기체를 의미한다.
본원에서, 용어 “공급 공기”는 주변 공기와 같이 주로 질소 및 산소를 포함하는 혼합물을 의미한다.
본원에서, “증발된”은 유체의 압력이 임계 압력보다 낮을 경우에 액체로부터 증기 상태로 변하고, 유체의 압력이 임계 압력보다 높을 경우에 과도하게 가온되는 것을 의미한다.
본 발명은 가압 작업 유체를 생성물 보일러에서 펌핑된 액체 산소를 증발시키기 위해 사용한 후 및 상기 가압 작업 유체를 극저온 정류 장치의 칼럼 내로 통과시키기 전에, 가압 작업 유체를 2상 터어보 팽창시키는 방법을 포함한다. 차냉각된 고압 작업 유체를 임의의 상변화 없이 팽창시키는 것은 가능하다. 그러나, 터어보 팽창기에 내에서 상변화가 일어날 경우에는, 터어보 팽창기에 의한 냉각 및 일의 생성이 크게 증가한다.
본 발명은 도면을 참고로 더욱 상세하게 설명될 것이다. 제1도와 관련하여, 공급 공기(100)는 압축기(10)에서 65 내지 85 psia(절대 제곱 인치당 파운드)로 압축되고, 생성된 공급 공기(101)는 정화기(11)에서 이산화 탄소, 수증기 및 탄화수소와 같은 고비점 불순물이 제거된다. 세척된 압축 공급 공기(102)는 공급 공기(100)의 60 내지 80%를 포함하는 제 1 부분(103) 및 공급 공기(100)의 20 내지 40%를 포함하는 제 2 부분으로 분할된다. 스트림(103)은 주열교환기(13)를 통해 환류 스트림 쪽으로 통과함으로써 냉각되고, 생성된 냉각된 스트림(112)은 극저온 정류 장치 내로 통과된다. 제1도에 예시된 양태에서, 극저온 정류 장치는 60 내지 80 psia에서 작동하는 고압 칼럼(16), 및 고압 칼럼(16) 보다 낮은 압력 및 15 내지 25 psia에서 작동하는 저압 칼럼(18)을 갖는 이중 칼럼을 포함한다. 제1도에 예시된 양태에서, 스트림(112)은 2상 터어보 팽창기(14)로부터 방출물과 결합되고, 결합된 스트림(108)은 고압 칼럼(16) 내로 통과된다. 바람직하다면, 스트림(103)의 일부분(110)은 주열교환기(13)의 통과가 완료되기 전에 배출되고, 터어보 팽창기(15)를 통해 터어보 팽창되어 터어보 펑창된 스트림(111)을 생성시키고, 저압 칼럼(18) 내로 통과될 수 있다.
제1도에 예시된 양태에서, 스트림(104)은 가압 액체 산소를 증발시키기 위해 사용되는 작업 유체를 형성시킨다. 스트림(104)은 압축기(12)를 통해 100 내지 1200 psia의 압력으로 압축되고, 생성된 가압 작업 유체 스트림(105)은 주열교환기 또는 생성물 보일러(13) 내로 통과되어, 증발 가압 액체 산소와의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 바람직하게는, 가압 작업 유체는, 임계 압력보다 낮게 가압될 때에는 포화 온도 미만으로 냉각되고, 임계 압력보다 높게 가압될 때에는 임계 온도로 냉각된다. 상기 작업 유체는 냉각되어, 작업 유체가 임계 압력 미만으로 가압될 때에 증발 액체 산소와의 열교환에 의해 응축되게 된다. 작업 유체가 임계 압력보다 높게 가압될 때에, 뚜렷한 상변화는 일어나지 않는다. 이러한 경우에, 작업 유체는 임계 온도에 가까운 온도로 냉각시키는 것이 바람직하다.
냉각된 가압 작업 유체는 열교환기(13)의 냉각 완료시에 또는 직전에 주열교환기(13)으로부터 배출되고, 스트림(106)으로서 2상 터어보 팽창기(14)로 통과되어, 터어보 팽창되어 이중상 작업 유체(107)를 형성시킨다. 2상 터어보 팽창기(14)는 유동 경로를 가져서, 증기가 팽창시에 생성됨에 따라 증기의 추가 팽창에 의해 작업이 수행된다. 상기 2상 터어보 팽창기는, 터어보 팽창기 휘일(wheel) 내의 흐름을 위한 단면적이 현저하게 큰 비율로 중가되어 2상 유체의 용량 분석 흐름의 큰 증가를 도모한다는 점에서 통상의 단일상 터어보 팽창기와는 다르다.
이중상 작업 유체(107)의 증기 분율은 10 내지 50 몰%, 바람직하게는 15 내지 30 몰%이고, 이중상 작업 유체(107)의 액체 분율은 50 내지 90 몰%, 바람직하게는 70 내지 85 몰%이다. 이중상 작업 유체(107)는 고압 칼럼(16)의 하부 내로 통과된다. 제1도에 예시된 양태에서, 이중상 작업 유체(107)는 공급 공기의 대부분과 결합되어, 칼럼(16) 내로 통과되는 결합된 스트림(108)을 생성시킨다.
고압 칼럼(16)내에서, 공급 공기는 극저온 정류에 의해, 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리된다. 질소 부화 증기는 스트림(450)으로서 칼럼(16)의 상부로부터 배출되고, 주응축기(17)에서 보일링 칼럼(18) 바닥 액체에 대해 응축된다. 생성된 액체 질소(451)는, 환류로서 칼럼(16)의 상부 내로 통과되는 부분(452), 및 열교환기(20)를 통해 환류로서 칼럼(18)의 상부 내로 통과되는 부분(455)으로 분리된다. 바람직하다면, 액체 질소의 일부분(454)은 생성물로서 회수될 수 있다.
산소 부화 액체는 스트림(300)으로서 칼럼(16)의 하부로부터 배출되고, 스트림(301)으로서 열교환기(21)를 통해 저압 칼럼(18) 내로 통과된다.
저압 칼럼(18) 내에서, 여러 공급물은 극저온 정류에 의해 기체 질소 및 액체 산소로 분리된다. 기체 질소는 스트림(400)으로서 칼럼(18)의 상부로부터 배출되고, 열교환기(20), (21) 및 (13)을 통한 통과에 의해 가온되고, 스트림(402)로서 시스템으로부터 분리되어, 전체적으로 또는 부분적으로 생성물 기체 질소로서 회수될 수 있다.
액체 산소는 스트림(200)으로서 저압 칼럼(18)의 하부로부터 배출된다. 바람직하다면, 액체 산소의 일부는 스트림(201)에서 생성물로서 회수될 수 있다. 생성된 액체 산소 스트림(202)은 액체 펌프(19)를 통해 통과되어, 압력이 20 내지 1000 psia의 압력으로 증가된다. 생성된 고압 액체 산소(203)는 냉각된 가압 작업 유체와의 간접 열교환에 의해 생성물 보일러 또는 주열교환기(13)를 통한 통과에 의해 증발된다. 생성된 고압 기체 산소는 생성물 스트림(204)으로서 회수된다.
제2도는 고압 기체 산소 생성물 이외에 다량의 액체 산소 및/또는 액체 질소 생성물이 바람직한 경우에 특히 유리할 수 있는 본 발명의 양태를 예시하는 것이다. 제2도의 부호는 공통적 구성 요소에 대해 제1도의 부호에 해당하고, 이들 공통 요소는 다시 상세하게 설명하지 않을 것이다.
제2도에 있어서, 공급 공기 스트림(112)은 스트림(115) 및 스트림(113)으로 분할된다. 스트림(115)은 열교환기(32)를 통한 통과에 의해 기체 질소(400)와의 간접 열교환에 의해 냉각되고, 생성된 냉각된 공급 공기 스트림(116)은 고압 칼럼(16) 내로 통과된다. 스트림(113)은 터어보 팽창기(30)를 통해 터어보 팽창되어 냉각을 발생시키고, 생성된 스트림(114)은 고압 칼럼(16) 내로 통과된다.
스트림(105)의 일부분(24)은 열교환기(13)의 중간 부분으로부터 배출되고, 터어보 팽창기(25)를 통해 터어보 팽창되어 냉각을 발생시킨다. 생성된 스트림(26)은 열교환기(13) 내로 재도입되어, 이로부터 스트림(27)으로서 배출되고 고압 칼럼(16) 내로 통과된다. 제2도에 예시된 양태에서, 스트림(27)은 스트림(14)과 결합되고, 결합된 스트림(117)은 칼럼(16) 내로 통과된다.
스트림(105)의 나머지 부분(28)은 가압 작업 유체를 형성하고, 열교환기(13) 및 (31) 중 하나 또는 둘 모두에서 증발을 일으키는 가압 액체 산소(203)와의 간접 열 교환에 의해 열교환기(13) 및 열교환기(31)에서 냉각된다. 냉각된 가압 작업 유체(106)는 터어보 팽창기(14)를 통해 터어보 팽창되어, 고압 칼럼(16) 내로 통과되는 이중상 작업 유체(107)를 생성시킨다.
제3도는 유사하지만, 가압 작업 유체의 통상적인 주울-톰슨 밸브 팽창을 사용하는 시스템과 비교한 본 발명의 동력 효율을 그래프로 나타낸 것이다. 제3도의 곡선을 형성시키는 데에 사용된 데이터는 제1도에 예시된 것과 유사한 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 얻어진 것이다. 제3도에서, 곡선 A는 통상의 밸브 팽창을 사용한 기체 산소 생성에 대한 표준화된 동력 사용이고, 곡선 B는 본 발명의 이중상 터어보 팽창을 사용한 기체 산소 생성에 대한 표준화된 동력 사용이다. 제3도에 제시된 데이터로부터 알수 있는 바와 같이, 본 발명은 통상의 실시보다 현저한 동력 잇점을 얻을 수 있다. 또한, 이러한 동력 잇점은 생성물 압력이 증가함에 따라 증가된다.
본 발명이 특정 양태를 참고로 상세하게 설명되었지만, 당업자들은 본 발명의 사상 및 특허 청구의 범위 내에서 본 발명의 다른 양태가 가능함을 인지할 것이다. 예를 들어, 극저온 정류 장치는 아르곤 사이드아암(sidearm) 칼럼과 같은 다른 칼럼을 포함할 수 있다. 또한, 작업 유체가 공급 공기의 일부일 필요는 없다. 예를 들어, 극저온 정류 장치로부터 얻어지는 공정 스트림이 이중상 터어보 팽창후에 장치로 환류될 수 있다.
본 발명의 방법은 통상의 방법 보다 현저한 동력 잇점을 얻을 수 있다. 또한, 이러한 동력 잇점은 생성물 압력이 증가함에 따라 증가된다.

Claims (6)

  1. (A) 공급 공기를 극저온 정류 장치 내로 도입시키고, 공급 공기를 극저온 정류 장치 내에서 분리시켜서 액체 산소를 생성시키는 단계; (B) 액체 산소를 극저온 정류 장치로부터 배출시키고, 배출된 액체 산소의 압력을 증가시켜서 고압 액체 산소를 생성시키는 단계; (C) 작업 유체를 압축시켜서 가압 작업 유체를 생성시키고, 가압 작업 유체를 고압 액체 산소와 간접 열교환시켜 고압 액체 산소를 증발시켜서, 고압 기체 산소 및 냉각된 가압 작업 유체를 생성시키는 단계; (D) 냉각된 가압 작업 유체를 터어보 팽창시켜서, 액체상 및 기체상을 모두 갖는 이중상 작업 유체를 생성시키는 단계; 및 (E) 이중상 작업 유체를 극저온 정류 장치 내로 통과시키는 단계를 포함하여, 고압 기체 산소를 생성시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 작업 유체가 공급 공기의 일부인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 기체상이 이중상 작업 유체의 10 내지 75 몰%를 구성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 극저온 정류 장치가 고압 칼럼 및 저압 칼럼을 포함하며, 이중상 작업 유체가 고압 칼럼 내로 통과하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 생성물로서 액체 산소의 일부를 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 극저온 정류 장치에서 액체 질소를 생성시키고, 생성물로서 액체 질소의 일부를 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
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