KR100313616B1 - 산소를 동시에 생성하는 복수 개의 증류탑으로된 질소 발생기의극저온 공기 증류 방법 - Google Patents

산소를 동시에 생성하는 복수 개의 증류탑으로된 질소 발생기의극저온 공기 증류 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1차 생성물인 질소를 생성하는 것에 추가하여, 통상 70％ 미만으로 바람직하게는 55％ 미만의 낮은 회수율로 산소를 효율적으로 동시에 생성하는 방법을 실시할 수 있는 질소 발생기의 개량에 관한 것이다. 이 질소 생성 방법에서, 공기는 고압 증류탑과 저압 증류탑을 구비한 증류탑 시스템에서 증류된다. 원료 공기는 압축되어, 물과 이산화탄소가 분리되도록 처리된 다음, 그 이슬점 근처까지 냉각되어 증류탑 시스템의 고압 증류탑으로 공급된다. 질소 생성물은 증류탑 시스템의 증류탑들 중 하나 이상의 증류탑으로부터 탑정 유출(塔頂流出) 증기 흐름이 분리되어 생성된다. 산소가 농후한 한 종류 이상의 증기 흐름이 저압 증류탑으로부터 분리된다. 본 발명은, (a) 산소가 농후한 증기 흐름을 저압 증류탑에 대한 공급부 아래의 지점에서 저압 증류탑으로부터 분리시키며, (b) 이 분리된 산소가 농후한 증기 흐름을 보조 증류탑으로 공급하여 하부의 산소와 폐기 탑정 유출물로 분리시키며, (c) 보조 증류탑을 비등시키며, (d) 보조 증류탑의 하부로부터 산소 생성물로서 산소 흐름(증기 또는 액체)을 분리시키는 것을 특징으로 한다.

Description

산소를 동시에 생성하는 복수 개의 증류탑으로된 질소 발생기의 극저온 공기 증류 방법 {MULTIPLE COLUMN NITROGEN GENERATORS WITH OXYGEN COPRODUCTION}
본 발명은 고압의 질소와 산소를 생성하는 극저온 방법(cryogenic process)에 관한 것으로, 이 방법에서 질소 회수율은 통상 70％ 이상, 바람직하게는 85％ 이상으로 높고, 산소 회수율은 100％가 훨씬 못되는 통상 70％ 미만, 바람직하게는 55％ 미만으로 낮다. 전자나 석유화학 같은 어떤 특정 산업 분야에서는 질소를 필요로 하면서 때때로 소량의 산소도 필요로 한다. 원료 공기로부터 질소와 산소를 완전히 분리하는 것[완전 회수 플랜트(full recovery plant)의 경우]은 필요한 양을 초과하여 생성된 산소를 판매할 수 없는 경우에는 상당히 비효율적이다. 따라서, 질소 회수율은 높고 산소 회수율은 비교적 낮은 효율적인 공기 분리 플랜트가 필요하다.
당업계에 질소 생성 방법은 다수 존재하나, 소량의 산소도 동시에 생성하는 방법은 극소수에 불과하다.
질소 발생기는 하나 또는 두 개 이상의 증류탑으로 구성될 수도 있다. 본 발명은 두 개 이상의 증류탑으로 구성된 질소 발생기에 관한 것이다.
증류탑이 두 개인 질소 발생기의 경우, 그 각 증류탑은 대형일 수도 있으며 또는 분류 단계가 하나 뿐인(적용 가능하다면 리보일러나 응축기가 추가) 보다 소형의 분류기(fractionator)로 크기가 감소될 수 있다.
미국 특허 제4,604,117호에는 단일 증류탑으로 이루어진 사이클이 개시되어있으며, 이것은 그 메인 증류탑에 공급되는 상이한 조성의 신규한 원료를 생성하는 분류 전처리 장치(prefractionator)를 구비한다.
미국 특허 제4,848,996호와 제4,927,441호 각각에는 분류 후처리 장치(post-fractionator)를 구비한 질소 발생기 사이클이 개시되어 있다. 정류기의 상부와 열적으로 통합되어 있는 이 분류 후처리 장치는 그 하부의 산소가 농후한 액체를 보다 산소가 농후한 유체 및 공기와 조성이 유사한 증기 흐름으로 분리한다. 이 '합성 공기(synthetic air)' 증기 흐름은 그 후 데워져, 압축된 다음 정류기로 다시 재순환된다.
미국 특허 제4,222,756호에는 고전적인 이중 증류탑 방식의 질소 생성 방법의 사이클이 개시되어 있다. 고전적인 이중 증류탑 사이클에서, 제1 증류탑(고압)의 용도는 원료 공기를 탑정 유출(塔頂流出) 질소 증기와 산소가 농후한 액체로 분리하는 것으로, 이 산소가 농후한 액체는 질소를 더 회수하기 위하여 제2 증류탑(보통 저압에서 작동)에서 계속해서 처리된다.
독일 특허 제1,215,377호, 그리고 미국 특허 제4,453,957호, 제4,439,220호, 제4,617,036호, 제5,006,139호, 제5,098,457호에는 이중 증류탑 질소 발생기의 다양한 다른 실시예들이 개시되어 있다. 이들 특허에 개시된 사상은, 예를 들어 리보일러/응축기에 상이한 매체를 사용하거나, 증류탑에 그 중간이나 측면에 리보일러를 적용하는 등 증류탑의 열 통합의 관점에서 차이가 있다. 또한, 예를 들어 상이한 매체의 팽창에 의해 플랜트를 냉각시키는 관점에서도 차이가 있다.
미국 특허 제4,717,410호에는 다른 이중 증류탑 질소 발생기의 방법의 개요가 개시되어 있다. 이 개시된 발생기는 저압 증류탑으로부터 고압 증류탑으로 액체 질소를 역으로 급송함으로써, 저압 질소 회수 비용으로도 고압 질소 생성물의 회수율을 증가시킨다.
미국 특허 제5,069,699호와, 제5,402,647호, 제5,697,229호 및 유럽 특허 제0701099호에는 증류탑이 두 개 이상인 질소 발생기의 개요가 개시되어 있다. 추가 증류탑이나 증류탑 섹션이 사용되어, 질소 생성물의 회수율 및/또는 압력을 보다 더 증가시키며 또는 초고순도 질소 생성물을 제공한다.
미국 특허 제5,129,932호에는 산소와 아르곤의 회수율이 높고 생성 질소의 압력은 중간 정도인 극저온 방법이 개시되어 있다. 고압 증류탑으로부터의 질소의 일부를 팽창시킴으로써, 전술한 관련 특허들에 비해 질소 압력을 증가시키긴 하였지만, 이 방법은 완전 회수 사이클이다.
미국 특허 제5,049,173호에는 극저온 공기 분리 플랜트로부터 초고순도 산소를 생성하는 원리가 개시되어 있다. 특히, 이 특허의 개선점은 증류탑 중 하나로부터 산소를 함유하지만 심각한 오염물질은 없는 흐름을 분리하여, 이 흐름의 경미한 오염물질을 분별 증류기에서 더 스트리핑(stripping)하여 초고순도 산소를 생성하는 점이다. 상기 심각한 오염물질은 없는 흐름은 심각한 오염물질을 함유한 원료가 공급되는 지점 위의 지점에서 흐름을 회수함으로써 얻어진다.
미국 특허 제4,448,595호에는 원료 공기의 일부에 의해 저압 증류탑[분할 증류탑(split column)]을 비등시키며, 질소와, 선택적으로 약간의 산소를 생성하는 이중 증류탑 방식의 공기 분리 방법의 사용이 개시되어 있다. 산소 생성물은 모두적어도 질소 생성물의 일부와 함께 저압 증류탑에서 생성된다. 산소 생성물은 저압 증류탑의 하부로부터(또는 그 근처로부터) 액체 상태로 회수된 다음, 그 저압 증류탑의 상부에서 기화된다. 이 특허에는 산소 생성물의 순도가 97％ 이상이라면 이 산소 생성물이 저압 증류탑의 하부로부터 회수될 수 있는 것으로 개시되어 있다. 초과 산소가 저압 증류탑으로부터 폐기 흐름 형태로 회수될 수도 있다. 이 폐기 흐름에는 질소도 함유되어 있는데, 이것은 저압 증류탑으로부터의 질소 회수율을 상당히 감소시킨다. 이 특허 받은 발명의 개선된 점은 저압 증류탑을 고압에서 작동시켜, 고압 질소 생성물을 제공하는 점이다. 따라서, 폐기 흐름이 초과 압력 에너지를 갖게 되어 플랜트에 필요한 냉각을 제공하도록 팽창된다. 다른 수단(예를 들어, 액화기)에 의해 냉각이 제공된다면, 폐기 흐름 팽창이 더이상 필요하지 않게 되어 배제될 수 있다.
단일 증류탑 질소 발생기는 높은 질소 회수율을 제공할 수 없기 때문에 본 발명의 방법과는 무관하다. 하지만, 종래 기술을 보다 완벽하게 검토할 수 있도록, 단일 증류탑 질소 발생기 사이클이 개시되어 있는 특허들을 아래에 제공한다.
미국 특허 제4,560,397호와 제4,783,210호에는 각각 단일 증류탑 질소 발생기를 사용하여 산소를 동시에 발생시키는 방법의 개요가 개시되어 있다.
미국 특허 제4,560,397호에는 초고순도 산소와 함께 고압 질소를 생성하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에는 두 개의 증류탑으로 이루어진 사이클이 사용되는데, 고압의 제1 증류탑은 질소 생성용이며 저압의 제2 증류탑은 산소 생성용으로, 산소 생성물은 심각한 불순물은 회수되지 않도록 제2 증류탑의 액체 배출통 위지점에서 회수된다.
미국 특허 제4,783,210호에는 단일 증류탑 질소 발생기가 개시되어 있는데, 이 질소 발생기 하부의 산소가 농후한 액체는 질소 발생기 상부의 리보일러/응축기에서 부분적으로 비등되어 폐기 증기 흐름을 형성하며, 제2의 산소가 농후한 액체는 다른 증류탑에서 점차 정제된다.
본 발명은 1차 생성물인 질소 외에, 통상 70％ 미만으로 바람직하게는 55％ 미만의 낮은 회수율로 산소를 효율적으로 동시 생성하는 방법을 가능하게 하는 개선된 질소 발생기에 관한 것이다. 이 질소 발생기의 방법에서, 공기는 고압 증류탑과 저압 증류탑을 구비한 증류탑 시스템에서 증류된다. 원료 공기는 압축되어, 물과 이산화탄소가 분리되도록 처리된 다음, 그 이슬점 근처까지 냉각되어 증류탑 시스템의 고압 증류탑으로 공급된다. 질소 생성물은 증류탑 시스템의 하나 이상의 증류탑으로부터 탑정 유출 증기 흐름이 분리되어 생성된다. 한 종류 이상의 산소가 농후한 흐름이 저압 증류탑으로부터 분리된다. 본 발명의 개선된 점은, (a)산소가 농후한 흐름을 저압 증류탑 공급부 아래의 지점에서 저압 증류탑으로부터 분리시키며, (b)분리된 산소가 농후한 흐름을 보조 증류탑으로 공급하여 하부의 산소와 탑정 유출 폐기 흐름으로 분리시키며, (c)보조 증류탑을 비등시키며, (d)보조 증류탑의 하부로부터 산소 생성물인 산소 흐름(증기나 액체)을 분리시키는 점이다.
본 발명의 방법에 있어서 보조 증류탑의 비등은, 고압 증류탑으로부터의 증기 흐름의 일부를 응축함으로써, 저압 증류탑으로부터의 증기 흐름의 일부를 응축함으로써, 원료 공기의 일부를 응축함으로써 또는 증류탑 시스템으로부터 분리된 산소가 농후한 액체의 적어도 일부의 현저한 냉각에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서, 보조 증류탑의 분리 영역에서의 액체 대 증기의 유량비는 이 분리 영역 둘레에서 분리 영역에 들어오는 액체 또는 증기의 일부를 분기시킴으로써 조절될 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서, 냉각 방법은 저압 증류탑으로부터의 산소가 농후한 증기를 팽창시킴으로써, 보조 증류탑으로부터의 폐기 탑정 유출물을 팽창시킴으로써 또는 압축 원료 공기의 적어도 일부를 팽창시킴으로써 제공될 수 있다.
이러한 방법에 있어서, 동시 생성된 산소의 함량은 약 85％ 내지 약 99.99％일 수 있으며, 통상, 95％ 내지 99.7％이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 보조 증류탑으로 공급되는 산소가 농후한 원료는 저압 증류탑에서 액체로 회수된다. 가장 바람직한 실시예에 있어서, 보조 증류탑으로 공급되는 산소가 농후한 원료는 저압 증류탑의 하부로부터 회수된다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 방법의 다수의 실시예를 보여주는 개략적인 다이아그램.
도 6은 배경 기술의 방법을 보여주는 개략적인 다이아그램.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 다수의 다른 실시예를 보여주는 개략적인 다이아그램.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
101 : 원료 공기
103 : 고압 증류탑
105 : 탑정 유출 질소 증기
107, 123 : 산소가 농후한 액체
111, 115 : 리보일러/응축기
119 : 저압 증류탑
129 : 보조 증류탑
131 : 산소 생성물
133 : 폐기 흐름
이제 상기 발명이 이루고자 하는 기술적 과제란에 기술된 본 발명을 다수의 특정 실시예와 관련하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에서, 용어 '산소가 농후한 액체(oxygen-enriched liquid)'는 그 산소 함량이 공기의 산소 함량보다 높은 액체를 의미한다.
본 발명의 가능한 실시예 중 하나가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 차가운 원료 공기(101)가 고압 증류탑(103)으로 들어가, 이곳에서 탑정 유출 질소 증기(105)와 산소가 농후한 제1 액체(107)로 분리된다. 라인(109)의 탑정 유출 질소 증기의 일부는 리보일러/응축기(111)에서 액화된다. 라인(113)의 탑정 유출 질소 증기의 제2 부분은 보조 리보일러/응축기(115)에서 액화된다. 선택적으로, 라인(117)의 탑정 유출 질소 증기의 제3 부분은 고압 질소 생성물로서 회수될 수 있다. 액화 질소(135)는 저압 증류탑(119)에 환류를 제공한다. 산소가 농후한 제1 액체(107)는 저압 증류탑(119)에서 저압 질소 증기(121)와 산소가 농후한 제2 액체(123)로 더 분리된다. 산소가 농후한 제2 액체(123)는 밸브(125)를 통과하면서 압력이 감소되며, 이렇게 형성된 라인(127)의 유체는 보조 증류탑, 즉 스트리퍼(stripper;129)로 공급되어, 이곳에서 보다 더 분리되어 산소 생성물(131)(액체 또는 증기로서 회수)과 폐기 흐름(133)을 생성한다. 도 1의 실시예의 경우 산소가 농후한 제2 액체(123)보다 산소 생성물(131)이 산소가 농후하므로, 스트리퍼(129)의 압력이 저압 증류탑(119)의 압력보다 낮음이 분명하다. 보조 증류탑 또는 스트리퍼(129)는 배출통(sump)으로 구성되며, 이것은 리보일러/응축기(115)(배출통의 외피 내측이나 증류탑의 외측에 배치될 수 있지만, 액체 라인과 증기 라인에 의해 배출통과 연결됨)를 구비하고, 또한 패킹(packing) 또는 다른 적당한 매스 이송 접촉 장치(mass transfer contacting device) 구조의 증류 트레이로 구성된 매스 이송 구역(137)을 구비한다.
저압 증류탑(119)의 하부로부터 회수되는 산소가 농후한 제2 액체(123)는 증류탑(129)의 원료로서 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 보조 증류탑(129)의 원료는 이 원료 주입부 아래의 위치에서 저압 증류탑으로부터 회수되는 유체를 함유한 산소[본 실시예에서는 흐름(107)]일 수도 있음이 이해된다. 또한, 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 저압 증류탑으로부터 산소가 농후한 제3 흐름이 회수될 수도 있다. 예를 들어, 산소가 농후한 제3 흐름을 증기로 회수하여, 점차적으로 이 흐름을 팽창시켜 냉각을 제공할 수도 있다.
주어진 공기 분리 플랜트의 경우 산소 요구량은 시간이 경과함에 따라 변할 수도 있다. 이것은 증류탑(129)의 액체와 증기의 유량비와, 경우에 따라서는 산소 생성물(131)의 순도에 영향을 줄 수도 있다. 이 산소 순도를 조절하기 위하여, 매스 이송 구역의 전둘레에서 또는 그 일부 둘레에서 액체 또는 증기를 유동 제어 밸브에 의해 분기시킬 수 있다. 도 2에는 이러한 증기 분기부를 구비한 실시예가 도시되어 있다. 상기 라인(241)에서의 유동 제어 밸브(243)에 의한 분기는 증류탑(129)의 배출통으로부터 폐기 흐름(133)으로 안내된다.
보조 증류탑을 비등시키도록 상이한 가열 매체가 사용되는 다른 실시예도 가능하다. 이 실시예는 도 3에 도시되어 있다. 그 사이클 구조는 보조 스트리핑 증류탑(329)이 리보일러/응축기(315)를 통해 저압 증류탑(319)과 열적으로 통합되어 있다는 점에서 이전의 증류탑 시스템과는 상이하다. 이 실시예에 있어서, 저압 증류탑(319)의 압력은 증류탑 상부의 온도가 리보일러/응축기(315)에서 산소를 비등시키기에 충분할 만큼 매우 높아야 한다.
본 발명의 다른 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 원료 공기(101)는 고압 증류탑(103)에서 탑정 유출 질소 증기(105)와 산소가 농후한 액체(107)로 분리된다. 라인(109)의 탑정 유출 질소 증기의 일부는 리보일러/응축기(411)에서 응축되어 환류로서 고압 증류탑(103)으로 복귀된다. 탑정 유출 질소 증기의 나머지 부분은 고압 질소 생성물로서 라인(117)에 회수된다. 산소가 농후한 제1 액체(107)는 JT 밸브를 통과하면서 압력이 감소되어 소형 스트리핑 증류탑(445)으로 공급되어, 이곳에서 라인(447, 449)의 조성이 상이한 2갈래의 증기 흐름으로 분리된다. 증류탑(445)은 리보일러/응축기(411)에서 질소(109)가 응축됨으로써 비등된다. 2갈래의 흐름(447, 449)은 두 개의 서로 다른 위치에서 저압 증류탑(419)으로 공급되며 탑정 유출 질소 증기(451)와 산소가 농후한 제2 액체(123)로 분리된다. 라인(453)의 탑정 유출 질소 증기의 일부는 리보일러/응축기(315)에서 응축되어 환류로서 저압 증류탑(419)으로 복귀된다. 보조 증류탑(329)이 리보일러/응축기(315)에 의해 저압 증류탑(419)과 열적으로 통합된다. 산소가 농후한 제2 액체(123)는 JT 밸브를 통과하면서 압력이 감소되어 증류탑(329)으로 공급되며, 이곳에서 산소 생성물(331)과 폐기 흐름(333)으로 분리된다.
도 1 내지 도 4의 실시예는 보조 증류탑의 비등이 고압 증류탑의 상부로부터의 질소 응축 잠재열에 의해 또는 저압 증류탑의 상부로부터의 질소 응축 잠재열에 의해 제공될 수 있음을 지시해 준다. 이와 같이 특정한 가열 유체를 선정할 필요는 없으며, 예를 들어 원료 공기 흐름의 일부와, 고압 증류탑의 상부 아래에 회수되는 증기 흐름 그리고 저압 증류탑의 상부 아래에서 회수되는 증기 흐름과 같이 산소가 농후한 제1 액체(107)의 열에 민감한 다른 이용 가능하면서 적당한 처리 흐름을 사용하여 산소 스트리퍼에 비등을 제공할 수 있다. 또한, 응축 질소의 전부 또는 일부가 적용 가능한 증류탑의 상부 아래 지점으로부터 발생될 수도 있음이 이해된다.
본 발명의 가능한 또 다른 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 이 공기 분리 유닛의 목적은 소량의 액체 산소(비교적 낮은 회수율로)와 함께 증기 및 액체 질소(비교적 높은 회수율로)를 생성하는 것이다. 극저온 액체를 생성하기 위하여, 사이클에 질소 액화기가 결합된다(본 실시예의 편의를 위해). 그러나, 일반적으로 하나 이상의 팽창 터빈을 구비하는, 예를 들어 질소 액화기, 공기 액화기, 수소(질소 및 공기) 액화기와 같은 액화기가 사이클에 사용될 수도 있다.
도 5에서, 원료 공기는 라인(501)으로 공급되어, 메인 공기 압축기(503)에서 압축되며, 외부 냉각 유체에 대해 열 교환기(505)에서 냉각되어, 물과 이산화탄소를 제거하도록 처리되며, 바람직하게 흡수기(507)에서 라인(509)을 통해 메인 열교환기(511)로 주입되어, 이곳에서 극저온으로 냉각된 다음 라인(513)을 통해 고압 증류탑(515)으로 공급된다. 방법 설명서에 따르면, 고압 증류탑은 약 50 psia 내지 약 250 psia, 바람직하게는 65 psia 내지 약 150 psia의 압력 범위에서 작동될 수 있다. 공기가 고압 증류탑에서 분리되어 탑정 유출 질소 증기(517)와 산소가 농후한 제1 액체(519)를 생성한다. 라인(520)의 탑정 유출 질소 증기의 일부는 리보일러/응축기(523)에서 응축된다. 라인(525)의 탑정 유출 질소 증기의 제2 부분은 리보일러/응축기(527)에서 응축된다. 액화 질소의 일부는 라인(529)에서 환류로서 고압 증류탑(515)으로 복귀되며, 라인(531)의 제2 부분은 열교환기(521)에서 부차적으로 냉각되어, 밸브(533)를 통과하면서 압력이 감소되며 라인(535)을 통해 환류로서 저압 증류탑(537)으로 주입된다. 선택적으로, 라인(539)의 탑정 유출 질소 증기의 제3 부분은 열 교환기로 회수되어 데워질 수 있으며 고압 질소 생성물(541)로서 운송된다. 산소가 농후한 제1 액체(519)는 열교환기(521)에서 부차적으로 냉각되어, 밸브(543)를 통과하면서 압력이 감소되어 라인(545)을 통해 저압 증류탑(537)으로 주입되어, 이곳에서 저압 질소 증기(547)와 산소가 농후한 제2 액체(549)로 더 분리된다. 저압 증류탑은 25 psia 내지 100 psia, 바람직하게는 25 psia 내지 50 psia의 압력 범위에서 작동될 수 있다. 저압 질소(547)는 열교환기(521, 511)에서 데워져 2갈래의 흐름으로 분할되어, 흐름(551)과 액화기 공급류(553)를 생성한다. 선택적으로, 흐름(541)의 고압 질소 생성물의 전부 또는 일부가 질소 액화기(555)로 안내될 수 있다. 액화기(555)에서 액화된 질소의 일부는 생성물로서 라인(557)에 회수되며, 라인(559)의 나머지 부분은 펌프(561)에 의해 라인(563)을 통해 보조 환류로서 저압 증류탑(537)으로 급송된다. 산소가 농후한 제2 액체(549)는 JT 밸브(565)를 통과하면서 압력이 감소되며, 라인(567)의 이렇게 형성된 유체는 보조 증류탑(569)에서 증류되어 액체 산소 생성물(571)과 폐기 흐름(573)을 제공한다. 폐기 흐름(573)은 열교환기(521, 511)에서 데워져 라인(575)을 통해 시스템에서 나간다. 보조 증류탑(569)은 대기압에 가까운 압력에서, 바람직하게는 15 내지 30 psia의 고압에서 작동될 수 있다.
냉각에 액체가 사용되지 않은 경우에는, 몇몇 팽창에 의한 냉각이 사용될 수도 있다. 도 5의 실시예의 경우, 증류탑(569)을 고압으로 작동시켜 폐기 흐름(573)을 팽창시킬 수도 있다. 별법으로, 원료 공기의 일부를 저압 증류탑(537)의 압력으로 팽창시키는 것이 바람직할 수도 있다. 마지막으로, 저압증류탑으로부터 산소가 농후한 증기를 회수하여 팽창시킬 수도 있다.
본 발명의 효율을 보여주기 위하여, 도 5에 도시된 실시예를 그 동력 소비가 계산되도록 시뮬레이트 하여 도 6에 도시된 바와 같은 질소 액화기를 구비한 고전적인 이중 증류탑 사이클과 비교하였다. 이 비교는 150 psia로 추후에 압축되는 5 ppm 이하의 산소를 함유한 질소 생성물을 매일 1500 톤 생성하는 것을 가정하여 이루어졌다. 이 질소 외에, 매일 165톤의 액체 산소가 99.5％의 순도로 생성된다. 도 5에 도시된 바와 같은 본 발명의 동력 소비는 10.2MW이다. 도 6에 도시된 고전적인 이중 증류탑 사이클(초과 산소가 배기되는)의 동력 소비는 11.4MW이다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법은 상당히 효율적인 방법이다.
본 발명의 또 다른 실시예들도 가능하다. 도 7에는 원료 공기의 일부[흐름(713)]가 보조 증류탑(129)을 비등시키도록 리보일러/응축기(115)에서 응축될 수도 있는 것으로 도시되어 있다. 별법으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 보조 증류탑을 비등시키도록 산소가 농후한 제1 흐름(107)이 리보일러(115)에서 현저하게 냉각될 수도 있다. 도 9 내지 도 11에는 공정 냉각을 제공하는 상이한 수단이 도시되어 있다. 도 9에서, 산소가 농후한 증기는 증기(923)로서 저압 증류탑으로부터 회수되어 라인(925)에서 팽창되어 공정 냉각을 제공한다. 도 10에서, 보조 증류탑으로부터의 탑정 유출 증기 흐름(173)은 라인(1035)에서 팽창되어 냉각을 제공할 수도 있다. 마지막으로, 도 11에서, 원료 공기 흐름(1113)의 일부는 라인(1115)에서 팽창된 다음 저압 증류탑으로 주입된다.
본 발명을 다수의 특정 실시예를 참조하여 설명하였다. 이 실시예들은 본발명을 제한하기 위한 것은 아니며, 본 발명의 영역은 아래의 청구범위에 따라 확인되어야 한다.
본 발명의 극저온 공기 증류 방법을 실시할 수 있는 질소 발생기에 의해, 질소 회수율은 높고 산소 회수율은 비교적 낮은 상태로, 즉 질소 회수율은 통상 70％ 이상, 바람직하게는 85％ 이상으로 높으면서 산소 회수율은 100％가 훨씬 못되는 통상 70％ 미만, 바람직하게는 55％ 미만으로 낮게, 효율적으로 질소와 공기를 동시에 생성할 수 있게 된다.

Claims (13)

  1. 고압 증류탑과 저압 증류탑을 구비한 증류탑 시스템에서 공기를 증류하여 질소 생성물을 생성하는 극저온 공기 증류 방법으로서, 원료 공기가 압축되어, 물과 이산화탄소가 분리되도록 처리된 다음, 그 이슬점 근처까지 냉각되어 증류탑 시스템의 고압 증류탑으로 공급되며, 질소 생성물은 증류탑 시스템의 하나 이상의 증류탑으로부터 탑정 유출(塔頂流出) 증기 흐름이 분리되어 생성되고, 한 종류 이상의 산소가 농후한 흐름이 저압 증류탑으로부터 제거되는 극저온 공기 증류 방법에 있어서,
    (a) 산소가 농후한 흐름은 액체로서, 이 흐름을 저압 증류탑에 대한 공급부 아래의 지점에서 저압 증류탑으로부터 분리시키며,
    (b) 이 분리된 산소가 농후한 액체 흐름을 보조 증류탑의 상부로 공급하여 하부의 산소와 폐기 탑정 유출물로 분리시키며,
    (c) 보조 증류탑을 비등시키며,
    (d) 보조 증류탑의 하부로부터 산소 생성물로서 산소 증기 흐름을 분리시키고,
    (e) 저압 증류탑의 압력보다 낮은 압력에서 보조 증류탑을 작동시키는
    것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보조 증류탑의 비등은 고압 증류탑으로부터의 증기 흐름의 일부를 응축함으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 보조 증류탑의 비등은 저압 증류탑으로부터의 증기 흐름의 일부를 응축함으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 보조 증류탑의 비등은 원료 공기의 일부를 응축함으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 보조 증류탑의 비등은 증류탑 시스템으로부터 분리된 산소가 농후한 액체의 적어도 일부를 현저하게 냉각(sensible cooling)시킴으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 보조 증류탑은 증기와 액체가 대향류(對向流) 접촉하는 하나 이상의 분리 구역을 갖고 있으며, 이 분리 영역에서의 액체 대 증기의 유량비는 분리 영역 둘레에서 이 분리 영역으로 들어오는 액체 또는 증기의 일부를 분기시킴으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 산소가 농후한 증기는저압 증류탑으로부터 회수되어 팽창됨으로써 공정 냉각(process refrigeration)을 제공하는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 탑정 유출 폐기 흐름은 보조 증류탑으로부터 분리되어 팽창됨으로써 공정 냉각을 제공하는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 공정 냉각은 압축 원료 공기의 적어도 일부를 팽창시킴으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 원료 공기 중의 산소의 70％ 미만이 산소 생성물로 회수되는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 산소 생성물의 산소 농도는 85％ 내지 99.99％인 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 저압 증류탑으로부터 분리된 상기 산소가 농후한 흐름은 액체인 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 산소가 농후한 흐름은 저압 증류탑의 하부로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 극저온 공기 증류 방법.
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