KR100319440B1 - 저순도산소및고순도질소제조방법및장치 - Google Patents

저순도산소및고순도질소제조방법및장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100319440B1
KR100319440B1 KR1019970056751A KR19970056751A KR100319440B1 KR 100319440 B1 KR100319440 B1 KR 100319440B1 KR 1019970056751 A KR1019970056751 A KR 1019970056751A KR 19970056751 A KR19970056751 A KR 19970056751A KR 100319440 B1 KR100319440 B1 KR 100319440B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nitrogen
oxygen
column
adsorption
enriched vapor
Prior art date
Application number
KR1019970056751A
Other languages
English (en)
Other versions
KR19980070061A (ko
Inventor
에드워드 하워드 헨리
패트릭 보나퀴스트 단테
Original Assignee
조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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 조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어, 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 filed Critical 조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
Publication of KR19980070061A publication Critical patent/KR19980070061A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100319440B1 publication Critical patent/KR100319440B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • 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
    • F25J3/04636—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 hybrid air separation unit, e.g. combined process by cryogenic separation and non-cryogenic separation techniques
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/10—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/102—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/104—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/80—Water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/402—Further details for adsorption processes and devices using two beds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/404—Further details for adsorption processes and devices using four beds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/416—Further details for adsorption processes and devices involving cryogenic temperature treatment
    • 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
    • F25J2200/02—Processes or apparatus using separation by rectification in a single 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
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/72—Refluxing the column with at least a part of the totally condensed overhead gas
    • 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
    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold 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
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
    • F25J2205/66—Regenerating the adsorption vessel, e.g. kind of reactivation gas
    • 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
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/04—Mixing or blending of fluids with the feed stream
    • 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
    • F25J2215/44—Ultra high purity nitrogen, i.e. generally less than 1 ppb impurities
    • 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
    • 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
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • 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
    • Y10S62/902—Apparatus
    • Y10S62/908—Filter or absorber

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)

Abstract

저순도 산소와 고순도 질소 양쪽 모두를 높은 생산 회수율로 생산하기 위한 혼합식 장치에 있어서, 흡착 장치로부터의 탈착 방출물은 저온 정류 칼럼에 공급되고, 바람직하게는 칼럼으로부터의 하부 유체가 흡착 장치에 추가로 공급된다.

Description

저순도 산소 및 고순도 질소 제조 방법 및 장치 {DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING LOW PURITY OXYGEN AND HIGH PURITY NITROGEN}
본 발명은 공기의 분리 특히, 저순도 산소 및 고순도 질소를 제조하기 위한공급 공기의 분리에 관한 것이다.
일부 산업 분야에서는 저순도 산소와 고순도 질소 양쪽 모두를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 유리 제조에 있어서 유리 제조 재료를 가열 및 용해하기 위한 산소-연료의 연소에 저순도 산소를 사용하는 동시에, 용융된 유리를 위한 불활성 공기로서 고순도 질소를 사용한다. 일반적으로, 그러한 상황에서 질소 대 산소 생성물 유동 요건은 약 1.5 내지 2.0 비율이다.
고순도 질소와 저순도 산소는 공기의 저온 정류에 의해 어느 정도 효과적으로 제조될 수 있지만, 고가의 공정 변경 없이는 바람직한 비율의 높은 생성물 회수가 이루어질 수 없다.
본 발명의 목적은 저순도 산소와 고순도 질소 양쪽 모두를 효율적으로 제조할 수 있는 저온 정류 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 생성물 회수율로 저순도 산소와 고순도 질소 양쪽 모두를 효율적으로 제조할 수 있는 저온 정류 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 저온 혼합식 공급 공기 분리 장치의 한 양호한 실시예의 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 압축기 2 : 흡착 장치
3 : 서지 탱크 4 : 진공 펌프
5 : 서지 탱크 6 : 압축기
7 : 냉각기 8 : 흡착 장치
9 : 주 열 교환기 10 : 터보팽창기
11 : 칼럼 12 : 상부 콘덴서
13, 14, 15 : 밸브 25 : 공급 공기
42 : 열교환기
본 발명에 따른 전술한 목적 및 다른 목적들이 본 명세서에 의해 당업자에게 명백해 진다.
본 발명에 따른 저순도 산소 및 고순도 질소를 제조하기 위한 방법은
(A) 산소 농후 증기 및 질소 부하 증기를 생성하도록 적어도 한 개의 흡착 베드를 포함하는 흡착 장치 내로 공급 공기를 통과시키고 흡착 장치 내에서 공급공기로부터 질소를 흡착하는 단계와,
(B) 저순도 산소 생산물로서 산소 부화 증기를 회수하는 단계와,
(C) 질소 부화 증기를 칼럼 내로 통과시키고 질소 부화 증기를 저온 정류에 의하여 칼럼 내에서 질소 상부 유체와 산소 함유 하부 유체로 분리하는 단계와, 그리고
(D) 고순도 질소 생성물로서 질소 상부 유체를 회수하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 저순도 산소 및 고순도 질소를 제조하기 위한 장치는
(A) 적어도 하나의 흡착 베드를 포함하고 공급 공기를 유입시키는 공급 입력 수단을 구비한 흡착 장치와,
(B) 흡착 장치로부터 저순도 산소를 회수하기 위한 회수 수단과,
(C) 흡착 장치로부터 저온 정류 칼럼 내로 질소 부화 증기를 유입시키기 위한 유입 수단과, 그리고
(D) 저온 정류 칼럼의 상부로부터 고순도 질소 생성물로서 유체를 회수하기 위한 회수 수단을 포함한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "공급 공기(feed air)"는 대기와 같은 본래의 산소와 질소를 포함하는 혼합물을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "저순도 산소(low purity oxygen)"는 50 내지 98.5 몰 퍼센트 범위의 산소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "고순도 질소(high purity oxygen)"는 98.5 몰 퍼센트 이상의 질소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "칼럼(column)"은 증류(distillation) 또는 분류(fractionation) 칼럼 또는 구역, 즉 접촉 칼럼 또는 구역을 의미하고, 여기서 액체상 및 기체상은 예를 들어, 칼럼 내에 장착된 수직으로 이격된 일련의 트레이 또는 판 상에서 및/또는 구조화된 패킹 요소 또는 불규칙 패킹 요소 상에서 기체상과 액체상의 접촉에 의해 유체 혼합물을 분리하도록 역류적으로 접촉한다. 증류 칼럼에 대한 더 많은 사항은 뉴욕에 소재하는 맥그로우-힐 출판사의 알. 에이취. 페리(R. H. Perry)와 씨. 에이취. 칠톤(C. H. Chilton)에 의해 발행된 "화학 공학자 핸드북(Chemical Engineer's Handbook)" 5판, 13절 "연속 증류 공정(The Continuous Distillation Process)"을 참고하면 된다.
기체와 액체의 분리 공정 접촉은 성분들의 증기압의 차이에 의존한다. 높은 증기압(또는 고휘발성 또는 저비등성)을 갖는 성분은 증기 상태에서 응축되기 쉬운데 반하여, 낮은 증기압(또는 저휘발성 또는 고비등성)을 갖는 성분은 액체상에서 응축되기 쉽다. 부분 응축은 분리 공정이므로, 증기 혼합물의 냉각은 증기상의 휘발성분을 응축하는데 사용할 수 있고, 그것에 의하여 액체 상태에서 휘발성분이 줄어든다. 정류 또는 연속 증류는 기체상과 액체상의 역류 처리에 의해 얻어지는 것과 같은 연속 부분 증발과 응축을 결합시킨 분리 공정이다. 기체 및 액체 상태의 역류 접촉은 일반적으로 단열적이고, 이러한 상들 사이의 일체식(단계식) 또는 차등식(연속식) 접촉을 포함할 수 있다. 혼합물을 분리하기 위하여 정류의 원리를 이용하는 분리 공정 장치는 정류 칼럼, 증류 칼럼 또는 분류 칼럼으로 종종 호환 가능하게 불려진다. 저온 정류는 150˚K에서 또는 그 이하의 온도에서 적어도 부분적으로 실행되는 정류 공정이다.
본 명세서에 사용되는 용어 "간접 열 교환(indirect heat exchange)"은 서로 임의의 물리적 접촉 또는 유체의 상호 혼합 없이 두 유체의 흐름을 열 교환 관계로 이르게 하는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "상부 콘덴서(top condenser)"는 칼럼 증기로부터 칼럼 하류 액체를 발생시키는 열 교환 장치를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "터보팽창(turboexpansion)" 및 "터보팽창기(turboexpander)"는 가스의 압력과 온도를 감소시켜 터빈을 통과하는 고압 가스 흐름을 냉각시키는 방법 및 장치를 각각 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "상부 부분(upper portion)" 및 "하부 부분(lower portion)"은 각각 칼럼의 중간 점의 위쪽 및 아래쪽 부분을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 "흡착제(adsorbent)"는 틈이나 구멍 내에서 가스 또는 액체 물질을 수용하거나 포획할 수 있는 (통상적으로 고체인) 재료를 의미한다. 흡착제의 예로는 반토, 규토, 탄소 및 분자체 등이 있다. 특히 본 발명에 사용하기에 바람직한 흡착제는 질소 선택 분자체이다.
본 명세서에 사용되는 용어 "흡착 베드(adsorbent bed)"는 유체와 접촉 가능한 형상이고 서로에 근접해 있는 흡착제 입자의 수집물을 의미한다.
본 발명에 의해 높은 생성물 회수율, 특히 1.5 내지 2.0 범위 내의 질소 대 산소 생성비를 갖는 저순도 산소와 고순도 질소를 능률적으로 생성할 수 있다. 본 발명은 흡착 장치와 저온 정류 장치를 사용한다. 바람직하게는, 저온 정류 칼럼으로부터의 하부 유체가 흡착 장치로 재순환되고 다시 흡착 장치 내에서 분리된다.
본 발명은 도 1을 참조로 하여 상세히 기술되어질 것이다. 도 1에서, 공급 공기(25)는 압축기(1)를 통과함으로써 일반적으로 10 내지 100 psia (pounds per square inch absolute)의 범위 내의 압력으로 압축되고 그 결과로 생긴 공급 공기 흐름(26)은 적어도 하나의 흡착 베드를 포함하고 있는 흡착 장치(2) 내로 유입된다. 도 1에 도시된 흡착 장치(2)는 두 개의 흡착 베드를 포함하고 있으며 작동시, 흐름(26)은 한 베드 내의 흡착제가 가득 찰 때 그 베드에서 다른 베드로 순환된다. 한 베드 내에서 흡착이 실행되는 동시에 다른 베드 내에서도 흡착이 실행되며, 흡착 베드가 가득 찰 때 흐름은 역전된다. 통상적으로 다중 베드 흡착 장치와 관련되는 파이프 및 밸브 설치는 도면에 도시되어 있지 않다. 다중 베드 흡착 장치와 그 작동은 당업자에게 명백하다.
흡착 장치 내에서 공급 공기 흐름(26)의 질소는 산소 부화 증기를 생성하도록 흡착 베드를 구성하는 흡착제 입자 상에 양호하게 흡착된다. 80 내지 95 몰 퍼센트 범위 내의 양호한 산소 농도를 갖는 산소 부화 증기는 흡착 장치(2)로부터 서지 탱크(3) 내로 유입되는 흐름(27)으로 회수되고, 서지 탱크(3)로부터 흐름(19)으로 저순도 산소를 생성하도록 회수된다.
흡착 장치(2)의 베드가 질소로 완전히 가득차게 되면, 진공 펌프(4)에 의한 진공 상태에 베드를 노출시켜 질소를 제거한다. 흡착 장치는 진공 펌프 없이도 대기압으로 직접 제거할 수 있다. 이러한 제거에 의하여, 흡착제 입자 상에 흡착되었던 질소는 흐름(18) 내에서 흡착 장치로부터 회수되는 질소 부화 증기를 형성한다.
일반적으로 85 내지 95 몰 퍼센트 범위 내의 질소 농도를 갖는 질소 부화 흐름(18)은 진공 펌프(4)를 통과하여 서지 탱크(5) 내로 유입된다. 서지 탱크(5)로부터의 질소 부화 흐름은 압축기(6)를 통과함으로써 일반적으로 50 내지 200 psia의 범위 내의 압력으로 압축되고 그 후에 냉각기(7)를 통과함으로써 압축열이 냉각된다. 그 후에 질소 부화 증기는 도면에 도시된 실시예 내의 질소 흡착 장치(2)와 유사한 2 베드 장치인 고비등점 흡착 장치(8)를 통과한다. 질소 부화 증기는 흡착 장치(8)를 통과함으로써 이산화탄소, 수증기 및 탄화수소와 같은 고비등점 불순물로부터 순수해 진다.
순수 압축 질소 부화 증기(28)는 주 열 교환기(9) 내로 통과하여, 반송 흐름과 간접 열교환에 의해 냉각된다. 질소 부화 증기(28)의 제 1 부분(29)은 열 교환기(9)의 부분 횡단 후에 회수되고 터보팽창기(10)를 통과함으로써 터보팽창되어 냉각된다. 터보팽창된 흐름(30)은 칼럼(11) 내로 통과한다. 질소 부화 증기(28)의 제 2 부분(31)은 주 열 교환기(9)를 완전히 횡단하고 밸브(13)를 통해 조절되어 칼럼(11) 내로 유입된다.
칼럼(11)은 일반적으로 30 내지 180 psia의 범위 내의 압력에서 작동한다. 칼럼(11) 내에서, 질소 부화 증기는 저온 정류에 의해 질소 상부 유체와 산소 함유 하부 유체로 분리된다. 질소 상부 유체는 증기 흐름(32)으로서 칼럼(11)의 상부를 통해 외부로 유출된다. 질소 증기 흐름(32)의 부분(33)은 주 열 교환기(9)를 통과함으로써 데워지고 그러한 흐름(16)은 고순도 질소 생성물로서 회수된다. 필요시,흐름(33)은 주 열 교환기(9)를 통과하기에 앞서 냉각되도록 터보팽창될 수도 있다. 질소 증기 흐름(32)의 다른 부분(34)은 상부 콘덴서(12)로 유입되어 산소 함유 하부 유체와 간접 열교환에 의해 응축된다. 적어도 흐름(35)의 일부분(36)은 역류로서 칼럼(11) 내로 유입된다. 필요시, 상부 콘덴서(12)로부터의 질소 유체의 부분(37)이 밸브(15)를 통과하여 고순도 질소 액체 생성물로 회수될 수 있다.
산소 함유 하부 유체를 칼럼(11)의 하부로부터 흐름(38)으로 회수하고 밸브(14)를 통해 조절하고 상부 콘덴서(12)로 유입하여, 전술한 바와 같은 질소 상부 유체의 응축을 실행하도록 증발시킨다. 필요시, 흐름(38)은 상부 콘덴서(12) 내로 유입되기에 앞서 흐름(33 및/또는 39)과의 간접 열교환에 의해 보조 냉각될 수도 있다. 그러한 산소 함유 증기는 상부 콘덴서(12)로부터 흐름(39)으로 회수되고 주 열 교환기(9)를 통과함으로써 데워져서, 본 장치로부터 제거될 수도 있는 산소 함유 하부 유체 흐름(40)을 형성한다. 필요시, 흐름(39)은 주 열 교환기(9) 내로 유입되기에 앞서 냉각되도록 터보팽창될 수도 있다.
본 발명에 따른 양호한 실시예를 도시한 도면에서, 얼마간 또는 모든 신소 함유 하부 유체는 본 장치를 통해 재순환된다. 칼럼(11) 내로의 공급과 칼럼의 작동의 특징 때문에, 산소 함유 하부 유체는 공기의 산소 농도에 비해 일반적으로 15 내지 25 몰 퍼센트 범위 내의, 전형적으로는 21 몰 퍼센트의 산소 농도를 갖는다. 이것은 산소 함유 흐름(40)이 산소 부화 증기와 질소 부화 증기를 생성하도록 분리를 위하여 흡착 장치(2) 내로 공급되는 것을 가능하게 한다.
다시 도면에 대해 언급하면, 산소 함유 흐름(40)은 흐름(17)과 흐름(41)으로분리될 수 있다. 흐름(41)은 열교환기(42)를 통과함으로써 데워지고 고비등점 흡착 장치(8)를 깨끗하게 하거나 털어내는데 사용된다. 선택적으로, 질소 흐름(33)의 일부가 고비등점 흡착 장치(8)를 깨끗하게 하거나 털어내는데 사용될 수 있다. 결과로서 발생한 흐름(43)은 본 장치의 외부로 유출된다. 산소 함유 하부 유체가 공기보다 높은 산소 농도를 포함하고 있다면, 필요시 흐름(43)의 일부는 파선(44)으로 도시된 바와 같이 흐름(17)에 재결합될 수 있다.
도면에 도시된 실시예에서, 흐름(17)은 압축기(1) 내로 유입되어, 흡착 장치(2) 내로 유입되고 전술한 바와 같이 처리되는 흐름(26)을 형성하도록 공급 공기(25)와 결합한다.
본 발명의 바람직한 특정 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자들은 첨부된 특허청구범위 내에서 본 발명의 다른 실시예가 있을 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.
높은 생성물 회수율로 저순도 산소와 고순도 질소 양쪽 모두를 효율적으로 생성할 수 있다.

Claims (10)

  1. 저순도 산소 및 고순도 질소를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    (A) 산소 부화 증기 및 질소 부화 증기를 생성하기 위하여 한 개 이상의 흡착 베드를 포함하는 흡착 장치 내로 공급 공기를 통과시키고 상기 흡착 장치 내에서 공급 공기로부터 질소를 흡착하는 단계와,
    (B) 저순도 산소 생성물로서 산소 부화 증기를 회수하는 단계와,
    (C) 질소 부화 증기를 칼럼 내로 통과시키고 상기 질소 부화 증기를 상기 칼럼 내에서 저온 정류에 의하여 질소 상부 유체와 산소 함유 하부 유체로 분리하는 단계와, 그리고
    (D) 고순도 질소 생성물로서 질소 상부 유체를 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 산소 부화 증기와 질소 부화 증기를 더 제조하기 위하여 산소 함유 하부 유체를 상기 흡착 장치 내로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 질소 부화 증기를 상기 칼럼 내로 유입시키기에 앞서 가압하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 질소 부화 증기를 상기 칼럼 내로 유입시키기에 앞서 고비등점 불순물이 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 질소 부화 증기를 냉각시키고, 그리고 질소 부화 증기의 적어도 일부를 상기 칼럼 내로 유입시키기에 앞서 터보팽창시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 저순도 산소 및 고순도 질소를 제조하기 위한 장치에 있어서,
    (A) 적어도 하나의 흡착 베드를 포함하며 공급 공기를 유입시키는 공급 입력 수단을 구비한 흡착 장치와,
    (B) 상기 흡착 장치로부터 저순도 산소를 회수하기 위한 회수 수단과,
    (C) 상기 흡착 장치로부터 저온 정류 칼럼 내로 질소 부화 증기를 유입시키기 위한 유입 수단과, 그리고
    (D) 상기 저온 정류 칼럼의 상부로부터 고순도 질소 생성물로서 유체를 회수하기 위한 회수 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 저온 정류 칼럼의 하부로부터 상기 흡착 장치의 공급 입력 수단 내로 유체를 유입시키기 위한 유입 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 흡착 장치로부터 상기 저온 정류 칼럼 내로 질소 부화 증기를 유입시키기 위한 상기 유입 수단이 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 흡착 장치로부터 상기 저온 정류 칼럼 내로 질소 부화 증기를 유입시키기 위한 상기 유입 수단이 상기 질소 부화 증기로부터 고비등점 불순물을 제거하기 위한 제 2 흡착 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 흡착 장치로부터 상기 저온 정류 칼럼 내로 질소 부화 증기를 유입시키기 위한 상기 유입 수단이 터보팽창기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
KR1019970056751A 1997-01-07 1997-10-31 저순도산소및고순도질소제조방법및장치 KR100319440B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/778,075 US5701763A (en) 1997-01-07 1997-01-07 Cryogenic hybrid system for producing low purity oxygen and high purity nitrogen
US08/778,075 1997-01-07
US8/778,075 1997-01-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR19980070061A KR19980070061A (ko) 1998-10-26
KR100319440B1 true KR100319440B1 (ko) 2002-02-19

Family

ID=25112233

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019970056751A KR100319440B1 (ko) 1997-01-07 1997-10-31 저순도산소및고순도질소제조방법및장치

Country Status (7)

Country Link
US (1) US5701763A (ko)
EP (1) EP0852325A3 (ko)
KR (1) KR100319440B1 (ko)
CN (1) CN1226672A (ko)
BR (1) BR9705196A (ko)
CA (1) CA2219859A1 (ko)
ID (1) ID20545A (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2790823B1 (fr) * 1999-03-12 2001-06-15 Air Liquide Procede et installation de purification et de separation d'air par voie cryogenique sans pre-refroidissement
US6370911B1 (en) 1999-08-13 2002-04-16 Air Liquide America Corporation Nitrous oxide purification system and process
JP4782380B2 (ja) * 2003-03-26 2011-09-28 エア・ウォーター株式会社 空気分離装置
CN105423702A (zh) * 2015-12-16 2016-03-23 新疆天辰气体有限公司 外冷式低纯氧空分系统及方法
CN105423703B (zh) * 2015-12-16 2017-08-25 新疆天辰气体有限公司 外冷式单级精馏空分系统
US11933541B2 (en) * 2021-08-11 2024-03-19 Praxair Technology, Inc. Cryogenic air separation unit with argon condenser vapor recycle
US11933539B2 (en) * 2021-08-11 2024-03-19 Praxair Technology, Inc. Cryogenic air separation unit with argon condenser vapor recycle

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2968160A (en) * 1956-04-09 1961-01-17 Air Prod Inc Method and apparatus for separating gaseous mixtures including high boiling point impurities
GB1381112A (en) * 1971-04-20 1975-01-22 Petrocarbon Dev Ltd Separation of gas mixtures
GB1416163A (en) * 1972-01-07 1975-12-03 Boc International Ltd Air separation
US4732580A (en) * 1986-10-01 1988-03-22 The Boc Group, Inc. Argon and nitrogen coproduction process
US4861361A (en) * 1988-09-27 1989-08-29 The Boc Group, Inc. Argon and nitrogen coproduction process
US4957523A (en) * 1989-01-27 1990-09-18 Pacific Consolidated Industries High speed pressure swing adsorption liquid oxygen/liquid nitrogen generating plant
US5090973A (en) * 1990-10-23 1992-02-25 The Boc Group, Inc. Psa employing high purity purging
FR2684089B1 (fr) * 1991-11-26 1994-01-14 Air Liquide Procede de production combinee et a debits reglables d'azote et d'oxygene.
JP2893562B2 (ja) * 1992-09-22 1999-05-24 日本エア・リキード株式会社 超高純度窒素製造方法及びその装置
CA2133302A1 (en) * 1993-10-06 1995-04-07 Ravi Kumar Integrated process for purifying and liquefying a feed gas mixture with respect to its less strongly adsorbed component of lower volatility
US5463869A (en) * 1994-08-12 1995-11-07 Air Products And Chemicals, Inc. Integrated adsorption/cryogenic distillation process for the separation of an air feed

Also Published As

Publication number Publication date
BR9705196A (pt) 1999-09-28
CA2219859A1 (en) 1998-07-07
US5701763A (en) 1997-12-30
EP0852325A2 (en) 1998-07-08
CN1226672A (zh) 1999-08-25
ID20545A (id) 1999-01-07
KR19980070061A (ko) 1998-10-26
EP0852325A3 (en) 1998-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR900007207B1 (ko) 초고순도 산소의 제조방법
KR100339627B1 (ko) 고순도 아르곤을 제조하는 극저온 혼성 시스템
US4867772A (en) Cryogenic gas purification process and apparatus
KR20000011251A (ko) 산소를제조하기위해공급공기의극저온정류를수행하는방법및장치
US5106398A (en) Air separation
US4902321A (en) Cryogenic rectification process for producing ultra high purity nitrogen
CA2058779C (en) Crude neon production system
US5197296A (en) Cryogenic rectification system for producing elevated pressure product
US5471842A (en) Cryogenic rectification method and apparatus
KR100319440B1 (ko) 저순도산소및고순도질소제조방법및장치
US6499312B1 (en) Cryogenic rectification system for producing high purity nitrogen
JPH08178521A (ja) 高純度窒素の製造方法及び製造装置
JPH11316080A (ja) 超高純度窒素及び超高純度酸素を生成するための極低温精製方法及び装置
JP2636949B2 (ja) 改良された窒素発生器
KR19980063400A (ko) 저순도 및 고순도 산소를 제조하기 위한 방법 및 장치
AU643232B2 (en) Cryogenic air separation process and apparatus
US5771713A (en) Cryogenic rectification system for recovery of fluorine compounds
CN1123752C (zh) 用于生产高压氧的低温精馏系统
US6546748B1 (en) Cryogenic rectification system for producing ultra high purity clean dry air
US6494060B1 (en) Cryogenic rectification system for producing high purity nitrogen using high pressure turboexpansion
EP0202843B1 (en) Air separation method and apparatus
US5666828A (en) Cryogenic hybrid system for producing low purity oxygen and high purity oxygen
KR960003274B1 (ko) 혼성아르곤컬럼을 갖는 저온공기분리시스템
GB2170894A (en) Separation of a gas mixture

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee