KR100420754B1 - 고비율 터보팽창을 사용하는 극저온 공기 분리 시스템 - Google Patents

고비율 터보팽창을 사용하는 극저온 공기 분리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공급 공기의 일부가 매우 높은 압력으로 압축되고, 일차 열교환기를 우회하고, 저압으로 터보팽창되어 극저온 공기 분리 플랜트의 가온 말단 온도로부터 극저온의 온도로 한 단계로 냉각을 제공하는 극저온 공기 분리 시스템에 관한 것이다.

Description

고비율 터보팽창을 사용하는 극저온 공기 분리 시스템 {CRYOGENIC AIR SEPARATION SYSTEM WITH HIGH RATIO TURBOEXPANSION}
본 발명은 일반적으로 생성물 산소 및 생성물 질소 중의 적어도 하나를 생성시키기 위한 공급 공기의 극저온 정류에 관한 것이다.
생성물 산소 및 생성물 질소 중의 적어도 하나를 생성시키기 위한 공급 공기의 극저온 정류는 잘 확립된 대규모 공정이다. 공급 공기는 고압 칼럼 및 저압 칼럼을 갖는 이중 칼럼 플랜트와 같은 극저온 공기 분리 플랜트에서 분리된다. 시스템의 냉각은 일반적으로 냉각된 공급 공기 스트림과 같은 공정 스트림의 터보팽창에 의해 제공된다. 터보팽창은 에너지를 많이 소모하는 작업이므로, 극저온 공기 분리 시스템의 냉각 생성 조작의 에너지 효율을 개선시키는 것은 매우 바람직할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 필적하는 통상적인 시스템 보다 낮은 단위 동력 요건을 사용하는 공급 공기 터보팽창에 의해 냉각을 생성시킬 수 있는 극저온 공기 분리 시스템을 제공하는 데에 있다.
도 1은 극저온 공기 분리 플랜트가 이중 칼럼을 포함하는 본 발명의 한 바람직한 구체예를 단순화해 개략적으로 도시한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 고압 칼럼 11 : 저압 칼럼
30 : 압축기 31 : 부스터 압축기
32 : 터보팽창기 50 : 예비정화기
60 : 공급 공기
본 발명의 명세서를 숙지한 당업자에게는 자명하게 될 상기 및 그 밖의 목적은 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 한 일면은,
(A) 극저온 공기 분리 플랜트용 공급 공기의 제 1 부분을 일차 열교환기를 통과시킨 후, 공급 공기의 제 1 부분을 극저온 공기 분리 플랜트내로 전달시키는 단계;
(B) 극저온 공기 분리 플랜트용 공급 공기의 제 2 부분을 고압으로 압축시키고, 고압의 공급 공기의 제 2 부분의 일부 또는 전부를 인풋(input)으로서 고비율 터보팽창기로 전달하되 일차 열교환기의 어떠한 부분도 통과하지 않도록 하는 단계;
(C) 고비율 터보팽창기를 통해 고비율 터보팽창기 인풋을 터보팽창시키고, 생성된 터보팽창된 아웃풋(output)을 극저온 공기 분리 플랜트내로 전달시키는 단계;
(D) 극저온 정류에 의해 극저온 공기 분리 플랜트내에서 공급 공기를 분리하여 생성물 산소, 생성물 질소, 또는 이 둘 모두를 생성시키는 단계; 및
(E) 극저온 공기 분리 플랜트로부터 생성물 산소, 생성물 질소, 또는 이 둘 모두를 회수하는 단계를 포함하여, 극저온 공기 분리를 수행하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 일면은,
(A) 일차 열교환기 및 극저온 공기 분리 플랜트;
(B) 공급 공기를 일차 열교환기로 전달시키고, 일차 열교환기로부터 극저온 공기 분리 플랜트로 전달시키기 위한 수단;
(C) 부스터 압축기, 고비율 터보팽창기, 공급 공기를 부스터 압축기로 전달시키기 위한 수단, 및 일차 열교환기를 통과하지 않도록 하면서 공급 공기를 부스터 압축기로부터 고비율 터보팽창기로 전달시키기 위한 수단;
(D) 공급 공기를 고비율 터보팽창기로부터 극저온 공기 분리 플랜트로 전달시키기 위한 수단; 및
(E) 극저온 공기 분리 플랜트로부터 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하는, 극저온 공기 분리를 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
본원에서 사용되는 용어 "공급 공기"는 주위 공기와 같이 주로 산소와 질소를 포함하는 혼합물을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "칼럼"은 액체상과 증기상이 역류로 접촉하여 예를 들어 칼럼내에 장착된 일련의 수직 이격된 트레이 또는 플레이트상에서 및/또는 체계적 패킹 또는 불규칙 패킹과 같은 패킹 엘리먼트상에서 증기상과 액체상이 접촉함으로써 유체 혼합물의 분리가 이루어지는 증류 또는 분별 칼럼 또는 영역, 즉, 접촉 칼럼 또는 영역을 의미한다. 증류 칼럼의 보다 상세한 설명은 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]에 기술되어 있다.
본원에서 사용되는 용어 "이중 칼럼"은 저압 칼럼의 하단과 열교환 관계에 있는 상단을 갖는 고압 칼럼을 의미하는데 사용된다. 이중 칼럼에 대하여 보다 상세한 설명은 문헌[Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Chapter VII, Commercial Air Separation]에 기술되어 있다.
증기와 액체의 접촉식 분리 방법은 성분의 증기압 차에 좌우된다. 증기압이 높은(또는 휘발성이 크거나 비점이 낮은) 성분은 증기상에 농축되는 경향이 있으며, 반면에 증기압이 낮은(또는 휘발성이 작거나 비점이 높은) 성분은 액체상에 농축되는 경향이 있을 것이다. 부분 응축은 증기 혼합물을 냉각시켜 휘발성 성분(들)을 증기상으로 농축시키고 휘발성이 작은 성분(들)을 액체상으로 농축시킬 수 있는 분리 방법이다. 정류, 또는 연속식 증류는 증기상과 액체상의 역류 처리에 의해 수득되는 연속적인 부분 증기화와 응축이 조합된 분리 방법이다. 증기상과 액체상의 역류 접촉은 일반적으로 단열 반응이며, 상들간의 적분식(단계식) 또는 미분식(연속식) 접촉을 포함할 수 있다. 정류 원리를 이용하여 혼합물을 분리하는 분리 공정 장치는 종종 정류 칼럼, 증류 칼럼, 또는 분별 칼럼으로 상호 교환적으로 일컬어진다. 극저온 정류는 150˚K 이하의 온도에서 적어도 부분적으로 수행되는 정류 방법이다.
본원에서 사용되는 용어 "상부" 및 "하부"는 각각 칼럼의 중간 지점을 기준으로 하여 위 및 아래에 있는 칼럼 부분을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "간접 열교환"은 유체 상호간의 어떠한 물리적 접촉 또는 상호 혼합 없이 두 유체를 열교환 관계에 있게 함을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "일차 열교환기"는 극저온 공기 분리 공정과 관련된 주열교환기를 의미하며, 여기서, 공급 공기는 귀환 스트림과의 간접 열교환에 의해 주위 온도로부터 증류와 관련된 차가운 온도로 냉각된다. 일차 열교환기는 과냉각중인 칼럼 액체 스트림 및/또는 증기화중인 생성물 액체 스트림을 또한 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "극저온 공기 분리 플랜트"는 상호연결 파이프, 밸브, 열교환기 뿐만 아니라 공급 공기가 극저온 정류에 의해 분리되는 칼럼(들)을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "과열완화기(desuperheater)"는, 기체상태 스트림이 다른 차가운 공정 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각되며 냉각된 기체상태 스트림이 기체상에 유지되는 열교환기를 의미한다. 전형적으로, 기체상태 스트림은 증류 칼럼에 공급될 것이며, 귀환 생성물 스트림에 대하여 냉각될 것이다.
본원에서 사용되는 용어 "터보팽창" 및 "터보팽창기"는 각각 고압 증기를 터빈을 통해 유동시켜 기체의 압력과 온도를 감소시켜 냉각을 발생시키는 방법 및 장치를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "고비율 터보팽창기"는 터보팽창기에 유입되는 인풋 기체 압력이 터보팽창기로부터의 아웃풋 기체 압력의 15배 이상인 터보팽창기를 의미한다. 고비율 터보팽창기는 단일 스테이지의 방사형 유입 유니트일 수 있지만, 전형적으로 고비율 터보팽창기는 직렬 흐름 배치를 갖는 둘 이상의 스테이지를 가질 것이다.
본 발명은 공급 공기의 일부를 일차 열교환기의 업스트림의 따뜻한 한계 온도로부터 분리 칼럼의 차가운 한계 온도로 터보팽창시키는 것을 포함한다. 일차 열교환기를 완전히 우회하고 고비율 터보팽창되는 이러한 공급 공기 부분은 고효율 및 낮은 단위 동력 소모율로 생성물, 특히 액체 형태의 생성물을 생성시킬 수 있다. 또한, 고비율 터보팽창기를 사용하게 되면 터빈 공기 분획을 감소시켜서 아르곤의 회수율을 높일 수 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다. 도면을 참조하면, 공급 공기(60)는 기저 부하 공기 압축기(30)를 통과함으로써 일반적으로 70 내지 110psia 범위내의 압력으로 압축된다. 생성된 공급 공기(61)는 예비정화기(50)를 통과함으로써 수증기, 이산화탄소 및 탄화수소와 같은 고비점 불순물이 제거된다. 생성된 예비정화된 공급 공기(63)의 제 1 부분(63)은 일차 열교환기(1)를 통과하며, 여기서, 상기 부분은 귀환 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 생성된 정화되고 냉각된 공급 공기(70)는 저압 칼럼(11)을 또한 포함하는 극저온 공기 분리 플랜트의 고압 칼럼(10)내로 전달된다.
예비정화된 공급 공기(63)의 제 2 부분(66)은 부스터 압축기(31)를 통과함으로써 고압으로 압축되어, 270psia 이상, 일반적으로는 400 내지 800psia 범위의 압력을 갖는 고압 공급 공기 부분(68)을 형성한다. 도면에 도시된 구체예에서, 고압 공급 공기(68)의 일부(69)는 일차 열교환기(1)를 통과하며, 여기서, 상기 부분은 적어도 부분적으로 응축되고 액체 생성물 산소를 비등시키는 역할을 한다. 그런 다음, 생성된 공급 공기 스트림(72)은 고압 칼럼(10)내로 전달된다.
부스터 압축기(31)로부터의 고압 공급 공기(68)의 적어도 일부(도면에서 스트림(64)로 도시됨)는 일차 열교환기(1)를 완전히 우회하고, 인풋으로서 고비율 터보팽창기(32)로 전달되며, 여기서, 상기 부분은 저압, 일반적으로는 18 내지 30psia의 압력으로 터보팽창된다. 고비율 터보팽창기(32)로 유입되는 인풋 공급 공기 압력 대 터보팽창기(32)로부터의 아웃풋 공급 공기 압력의 비(터보팽창비로 명명됨)는 15 이상이며, 약 70 만큼 높을 수도 있다. 일반적으로, 터보팽창비는 25 내지 40의 범위일 것이다. 그런 다음, 고비율 터보팽창기(32)로부터의 터보팽창된 아웃풋은 극저온 공기 분리 플랜트내로 전달된다. 도면에 도시된 구체예에서, 터보팽창된 공급 공기 스트림(82)은 과열완화기(5)를 통과함으로써 추가로 냉각된 후, 스트림(83)으로서 극저온 공기 분리 플랜트의 저압 칼럼(11)내로 전달된다. 요구되는 경우, 고비율 터보팽창기로 유입되는 고압 인풋 공급 공기는 고비율 터보팽창기내로 전달되기 전에, 예를 들어 외부 프레온 기재 냉각 유니트에 의해 예비냉각될 수 있다.
고압 칼럼(10)은 일반적으로 70 내지 100psia 범위의 압력에서 작동된다. 고압 칼럼(10)내에서, 공급 공기는 극저온 정류에 의해 산소 부화 액체 및 질소 부화 증기로 분리된다. 산소 부화 액체는 고압 칼럼(10)의 하부로부터 스트림(86)으로 배출되고, 과냉각기(6)의 일부를 통과함으로써 과냉각된 후, 스트림(87)으로서 저압 칼럼(11)내로 전달된다. 질소 부화 증기는 고압 칼럼(10)의 상부로부터 스트림(74)으로 배출되고, 주응축기(20)내로 전달되며, 여기서, 비등중인 저압 칼럼 바닥 액체와의 간접 열교환에 의해 응축된다. 생성된 질소 부화 액체(75)는 환류액으로서 고압 칼럼(10)의 상부로 귀환되는 제 1 부분(88)과 과냉각기(6)의 일부를 통과함으로써 과냉각된 후 환류액으로서 저압 칼럼(11)의 상부내로 스트림(90)으로서 전달되는 제 2 부분(89)으로 분할된다.
저압 칼럼(11)은 고압 칼럼(10)의 압력 보다 낮은 압력, 일반적으로는 18 내지 30psia에서 작동된다. 저압 칼럼(11)내에서, 칼럼내로 공급되는 다양한 공급물은 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리된다. 질소 부화 증기는 저압 칼럼(11)의 상부로부터 스트림(91)으로 배출되고, 과냉각기(6)를 통과함으로써 가온되고, 스트림(92)으로서 일차 열교환기에 전달되어 추가로 가온되고, 98몰% 이상의 질소 농도를 갖는 생성물 질소로서 전체 또는 일부가 회수될 수 있는 스트림(93)으로서 시스템으로부터 배출된다.
산소 부화 액체는 저압 칼럼(11)의 하부로부터 스트림(76)으로 회수된다. 요구되는 경우, 도면에 스트림(77)로서 도시된 산소 부화 액체중의 일부가 액체 생성물 산소로서 회수될 수 있다. 도면은 산소 기체 생성물이 승압에서 회수되는 본 발명의 구체예를 도시한다. 산소 부화 액체는 스트림(78)로서 액체 펌프(33)에 전달되며, 여기서, 승압, 일반적으로는 40 내지 300psia 범위의 압력으로 펌핑된다. 생성된 승압 산소 부화 액체(79)가 과열완화기(5)를 통과함으로써 냉각중인 터보팽창된 스트림(82)과의 간접 열교환에 의해 가온된 후, 스트림(90)으로서 일차 열교환기(1)내로 전달되어 이를 통과하여 여기서 증기화되고, 이러한 열교환기로부터 95몰% 이상, 전형적으로 약 99.5몰%의 산소 농도를 지닌 승압 기체 산소 생성물로서 회수된다.
본 발명의 용도와 관련하여, 극저온 공기 분리 플랜트에 대한 공정 냉각은 특히 액체 및/또는 승압 생성물(들)의 제조와 관련된 높은 동력 요건에서 보다 비용 효과적인 방식으로 제공될 수 있다.
본 발명이 특정의 구체예를 참조하여 상세하게 기술되었지만, 당업자라면 특허청구의 범위 및 사상에 속하는 본 발명의 다른 구체예가 있음을 인지할 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명의 극저온 공기 분리 시스템은 통상적인 시스템과 비교하여 보다 적은 동력 요건을 필요로 하며, 그로 인해 비용이 절감된다.

Claims (8)

  1. (A) 극저온 공기 분리 플랜트용 공급 공기의 제 1 부분을 일차 열교환기를 통과시킨 후, 공급 공기의 제 1 부분을 극저온 공기 분리 플랜트내로 전달시키는 단계;
    (B) 극저온 공기 분리 플랜트용 공급 공기의 제 2 부분을 고압으로 압축시키고, 고압의 공급 공기의 제 2 부분의 일부 또는 전부를 인풋(input)으로서 고비율 터보팽창기로 전달하되 일차 열교환기의 어떠한 부분도 통과하지 않도록 하는 단계;
    (C) 고비율 터보팽창기를 통해 고비율 터보팽창기 인풋을 터보팽창시키고, 생성된 터보팽창된 아웃풋(output)을 극저온 공기 분리 플랜트내로 전달시키는 단계;
    (D) 극저온 정류에 의해 극저온 공기 분리 플랜트내에서 공급 공기를 분리하여 생성물 산소, 생성물 질소, 또는 이 둘 모두를 생성시키는 단계; 및
    (E) 극저온 공기 분리 플랜트로부터 생성물 산소, 생성물 질소, 또는 이 둘 모두를 회수하는 단계를 포함하여, 극저온 공기 분리를 수행하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 극저온 공기 분리 플랜트가 고압 칼럼 및 저압 칼럼을 포함하며, 터보팽창된 아웃풋이 저압 칼럼내로 전달됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 터보팽창된 아웃풋이 극저온 공기 분리 플랜트내로 전달되기 전에 냉각됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 터보팽창된 배출 공기가 생성물 산소와의 간접 열교환에 의해 냉각됨을 특징으로 하는 방법.
  5. (A) 일차 열교환기 및 극저온 공기 분리 플랜트;
    (B) 공급 공기를 일차 열교환기로 전달시키고, 일차 열교환기로부터 극저온 공기 분리 플랜트로 전달시키기 위한 수단;
    (C) 부스터 압축기, 고비율 터보팽창기, 공급 공기를 부스터 압축기로 전달시키기 위한 수단, 및 일차 열교환기를 통과하지 않도록 하면서 공급 공기를 부스터 압축기로부터 고비율 터보팽창기로 전달시키기 위한 수단;
    (D) 공급 공기를 고비율 터보팽창기로부터 극저온 공기 분리 플랜트로 전달시키기 위한 수단; 및
    (E) 극저온 공기 분리 플랜트로부터 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하는, 극저온 공기 분리를 수행하기 위한 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 극저온 공기 분리 플랜트가 고압 칼럼 및 저압 칼럼을 포함하며, 공급 공기를 고비율 터보팽창기로부터 극저온 공기 분리 플랜트로 전달시키기 위한 수단이 저압 칼럼과 연통함을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 5항에 있어서, 공급 공기를 터보팽창기로부터 극저온 공기 분리 플랜트로 전달시키기 위한 수단이 과열완화기(desuperheater)를 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 액체 펌프, 액체를 저압 칼럼의 하부로부터 액체 펌프로 전달시키기 위한 수단, 액체를 액체 펌프로부터 과열완화기로 전달시키기 위한 수단, 및 액체를 과열완화기로부터 일차 열교환기로 전달시키기 위한 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
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