KR100442464B1 - 극저온 정류를 위한 환형 컬럼 - Google Patents

극저온 정류를 위한 환형 컬럼 Download PDF

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존프레드릭 빌링햄
단테패트릭 보나퀴스트
바이람 알먼
레이몬드프란시스 드르네비치
미니쉬마헨드라 샤흐
토드아란 스카래
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Abstract

본 발명은 특히 극저온 정류를 하는데 유용한 환형 컬럼에 관한 것으로서, 제 1 컬럼 영역을 형성하는 동축 방향으로 배향되어, 반경 방향으로 이격되어 있는 원통형 컬럼 벽 및 이들 벽사이의 제 2 컬럼 영역을 포함하며, 다른 유체 혼합물이 각각의 제 1 컬럼과 제 2 컬럼 영역내에서 정류된다.

Description

극저온 정류를 위한 환형 컬럼 {ANNULAR COLUMN FOR CRYOGENIC RECTIFICATION}
본 발명은 일반적으로 정류, 특히 공급 공기를 극저온 정류하는 것과 같은 극저온 정류를 수행하는 장치에 관한것이다.
상대 휘발도를 토대로 유체 혼합물을 각각의 성분으로 분리하는데 소요되는 정류 플랜트의 주요 비용은 컬럼 케이싱 및 이 컬럼에 필요한 공간 비용이다. 이것은 특히 분리를 수행하는데 2개 이상의 컬럼이 요구되는 경우이다. 이러한 다중 컬럼 시스템은 종종 컬럼이 수직으로 적층되거나 또는 나란히 위치될 수도 있는 공급 공기의 극저온 정류와 같은 극저온 정류에서 사용된다. 컬럼 조작 비용이 감소되고 컬럼에 필요한 공간이 감소되어 정류를 수행할 수 있는 시스템을 갖추는 것이 매우 바람직하다.
이에따라, 본 발명의 목적은 종래 기술의 시스템에 비해 정류를 수행하는 비용이 감소되고 필요 공간이 감소된 컬럼 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 목적 및 다른 목적은 본 발명에 의해 달성될 것이며, 당해업자는 본원의 명세서를 숙지함에 의해 전술한 목적 및 다른 목적을 구현할 수 있을 것이다
도 1은 아르곤을 생성하는 극저온 정류 시스템에 환형 컬럼이 사용되는 본 발명의 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1에 예시된 실시예를 보다 상세하게 도시한 도면.
도 3은 이중 컬럼 타입의 극저온 정류 시스템에 환형 컬럼이 사용되는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 측면 컬럼 타입의 극저온 정류 시스템에 환형 컬럼이 사용되는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 예시된 실시예를 보다 상세하게 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
(1) : 공급 공기 (2) : 압축기
(3) : 냉각기 (4) : 정화기
(5) : 압축 공급 공기 (6) : 주 열교환기
(8) : 압축기 (10) : 부스터 압축기
(21) : 고압 컬럼 (23) : 리보일러
(24) : 환형 컬럼 (29) : 응축기
(60) : 액체 펌프 (70) : 주 컬럼 벽
(71) : 환형 컬럼 벽 (72) : 제 1 컬럼 영역
(73) : 제 2 컬럼 영역
본 발명은 정류를 수행하는 환형 컬럼에 관한 것으로서,
a) 제 1 컬럼 영역을 형성하는 원통형의 주 컬럼 벽과,
b) 상기 주 컬럼 벽과 환형 컬럼 벽사이에 제 2 컬럼 영역을 형성하도록 상기 주 컬럼 벽으로부터 반경 방향으로 이격되어 있는 환형 컬럼 벽과,
c) 유체를 상기 제 1 컬럼 영역으로 통과시키는 수단 및 상기 유체를 상기 제 1 컬럼 영역으로부터 회수하는 수단과, 그리고
d) 상기 유체를 상기 제 2 컬럼 영역으로 통과시키는 수단 및 상기 유체를 상기 제 2 컬럼 영역으로부터 회수하는 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 측면은 공급 공기의 극저온 정류를 수행하는 장치에 관한것으로서,
a) 고압 컬럼 및 환형 컬럼으로서, 상기 환형 컬럼은 제 1 컬럼 영역을 형성하는 원통형 주 컬럼 벽 및 환형 컬럼 벽을 포함하고, 상기 환형 컬럼 벽은 상기 주 컬럼 벽과 상기 환형 컬럼 벽사이에 제 2 컬럼 영역을 형성하도록 상기 주 컬럼 벽으로부터 이격되어 있는, 고압 컬럼 및 환형 컬럼과,
b) 공급 공기를 고압 컬럼으로 통과시키는 수단, 유체를 상기 고압 컬럼으로부터 상기 제 1 컬럼 영역으로 통과시키는 수단, 및 상기 유체를 상기 제 1 컬럼 영역으로부터 상기 제 2 컬럼 영역으로 통과시키는 수단과,
c) 상기 제 1 컬럼 영역으로부터 질소 생성물 및 산소 생성물들 중 적어도 하나를 회수하는 수단과, 그리고
d) 상기 제 2 컬럼 영역으로부터 아르곤 생성물을 회수하는 수단을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 공급 공기의 극저온 정류를 수행하는 장치에 관한 것으로서,
a) 저압 컬럼을 형성하는 원통형 주 컬럼 벽 및 환형 컬럼 벽을 포함하는 환형 컬럼으로서, 상기 환형 컬럼 벽은 상기 주 컬럼 벽과 상기 환형 컬럼 벽사이에 고압 영역을 형성하도록 상기 주 컬럼 벽으로부터 반경 방향으로 이격되어 있는 환형 컬럼과,
b) 공급 공기를 고압 영역으로 통과시키는 수단, 및 유체를 고압 영역으로부터 저압 영역으로 통과시키는 수단과, 그리고
c) 상기 저압 영역으로부터 질소 생성물과 산소 생성물들 중 적어도 하나를 회수하는 수단을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 공급 공기의 극저온 정류를 수행하는 장치에 관한 것으로서,
a) 저압 컬럼 및 환형 컬럼으로서, 상기 환형 컬럼은 주 컬럼 영역을 형성하는 원통형 주 컬럼 벽 및 환형 컬럼 벽을 포함하며, 상기 환형 컬럼 벽이 상기 주 컬럼 벽과 상기 환형 컬럼 벽사이에 측면 컬럼 영역을 형성하도록 상기 주 컬럼 벽으로부터 반경방향으로 이격되어 있는, 저압 컬럼 및 환형 컬럼과,
b) 공급 공기를 주 컬럼 영역으로 통과시키는 수단, 유체를 주 컬럼 영역으로부터 저압 컬럼으로 통과시키는 수단, 및 유체를 상기 주 컬럼 영역으로부터 측면 컬럼 영역으로 통과시키는 수단과, 그리고
c) 상기 측면 컬럼 영역으로부터 산소 생성물을 회수하는 수단을 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 '산소 생성물'은 80몰 퍼센트 이상, 바람직하게는 95몰 퍼센트 이상의 산소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 '질소 생성물'은 95몰 퍼센트 이상, 바람직하게는 99몰 퍼센트 이상의 질소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 '아르곤 생성물'은 80몰 퍼센트 이상, 바람직하게는 95몰 퍼센트 이상의 아르곤 농도를 갖는 유체를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 '컬럼'은 예를 들어 증류 또는 분류 컬럼 또는 영역, 예컨데 접촉 컬럼 또는 영역을 의미하며, 구조화되거나 또는 불규칙한 충진물과 같은 컬럼 및/또는 충진 요소내에 설치된 수직으로 이격되어 있는 일련의 트레이 또는 플레이트상에서 증기와 액체 상을 접촉시킴에 의해 유체 혼합물의 분리를 수행하도록 액체 및 증기 상을 향류로 접촉시킨다. 증류 컬럼에 대한 추가의 논의는 알.에이치.페리(R. H. Perry) 및 씨.에이치.칠톤(C. H. Chilton)에 의해 편집된 화학공학 핸드북 5판 (맥그로우힐 출판사(McGraw-Hill)뉴욕) 섹션13의 연속 증류 공정(The Continuous Distillation)을 참고한다.
증기 및 액체 접촉 분리 공정은 성분에 대한 증기압차에 따라 좌우된다. 고 증기압(또는 고 휘발성 또는 저비점) 성분은 증기상으로 농축되지만 저 증기압(저 휘발성 또는 고비점) 성분은 액상으로 농축된다. 분리 응축은 분리 공정이며 휘발성 성분을 증기상으로 농축시키고 비휘발성 성분을 액체상으로 농축시키기 위해 증기 혼합물을 냉각시키는 공정이 사용될 수 있다. 정류 또는 연속 증류는 증기와 액체상의 향류 처리에 의해 수득되는 바와 같은 연속적인 부분 기화 및 응축을 조합한 분리 공정이다. 증기와 액체 상의 향류 접촉은 일반적으로 단열적으로 이루어지며 상들사이에서 적분식(단) 또는 미분식(연속) 접촉을 포함한다. 혼합물을 분리하도록 정류의 원리를 사용하는 분리 공정 장치는 종종 정류 컬럼, 증류 컬럼, 또는 분류 컬럼으로서 서로 변경되어 명명되어진다. 극저온 정류는 150 캘빈 도(K)이하의 온도에서 적어도 부분적으로 수행되는 정류 공정이다.
본원에서 사용되는 용어 '간접 열교환'은 2개의 유체가 서로 물리적 접촉도 없이 또는 서로 혼합되지도 않고서 열교환되도록 하는 것을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 '공급 공기'는 주변 공기와 같은 주로, 산소, 질소 및 아르곤을 포함하는 혼합물을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 '리보일러(reboiler)'는 컬럼 액체로부터 컬럼의 상향 유동 증기를 생성하는 열 교환 장치를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 '응축기'는 컬럼 증기로부터 컬럼의 하향 유동 액체를 생성하는 열 교환 장치를 의미한다.
본 발명은 도면을 참조로 하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 도 1 및 2에는 본 발명의 환형의 컬럼을 사용할 수도 있는 극저온 정류 시스템의 한 실시예를 예시하였다.
도 1 및 2를 참조로, 공급 공기(1)는 압축기(2)에서 압축되고 냉각기(3)를 통해 통과됨에 의해 압축열이 냉각된다. 이어서 가압 공급 공기는 온도 및 압력 변동 흡착 정화기인 정화기(4)를 통해 통과함에 의해 수증기, 이산화탄소 및 탄화수소와 같은 고비점의 불순물이 세척된다. 이어서, 세척된, 압축 공급 공기(5)는 주 열 교환기(6)에서 환류 스트림과 간접 열교환함에 의해 냉각된다. 도 1에 예시된 실시예에서, 공급 공기(5)의 제 1 부분(7)은 부스터(booster) 압축기(8)를 통해 통과함에 의해 더 압축되고, 제 2 부분(9)은 부스터 압축기(10)를 통해 통과함에 의해 더 압축되고, 그리고 이에따라, 보다 더 압축된 공급 공기 부분(11 및 12) 및 나머지 압축된 공급 공기 부분(50)은 각각 스트림(51, 52, 및 53)에서 압축, 세척 및 냉각된 공급 공기를 생성하도록 주 열교환기(6)를 통해 통과됨에 의해 냉각된다. 스트림(52)은 연속 극저온 정류를 위한 냉동을 생성하기 위해 터어보 팽창기(55)를 통해 통과함에 의해 스트림(54)을 형성하도록 터어보 팽창되어 환형 컬럼(24)으로 통과된다. 스트림(51, 53)은 각각 고압 컬럼(21)으로 통과된다.
고압 컬럼(21)내에서, 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 농후 증기 및 산소 농후 증기로 분리된다. 질소 농후 증기는 스트림(22)에서 리보일러(23)로 통과되며 이 증기는 질소 농후 액체(25)를 형성하도록 환형 컬럼(24)의 바닥 액체와 간접 열교환함에 의해 응축된다. 질소 농후 액체(25)의 일부분(26)은 환류로서 고압 컬럼(21)으로 복귀되며 질소 농후 액체(25)의 다른 부분(27)은 열 교환기(6)내에서 과냉각된후 환류로서 환형 컬럼(24)으로 통과된다. 산소 농후 액체는 고압 컬럼(21)의 하부 부분으로부터 스트림(28)내로 통과되고, 일부분(56)은 아르곤 응축기(29)로 통과되며, 아르곤 농후 증기와 간접 열교환함에 의해 기화되고 결과된 산소 농후 유체는 스트림(30)으로 도시된 바와 같이 응축기(29)로부터 환형 컬럼(24)으로 통과된다. 산소 농후화된 액체의 다른 부분(57)은 환형 컬럼(24)으로 직접적으로 통과된다.
환형 컬럼(24)은 원통형의 주 컬럼 벽(70) 및 주 컬럼 벽으로부터 반경 방향으로 이격된 원통형의 환형 컬럼 벽(71)을 포함한다. 동심의 원통형 벽(70 및 71)은 제 1 컬럼 영역(72) 및 제 2 컬럼 영역(73)을 형성한다. 제 2 컬럼 영역(73)은 주 컬럼 벽과 환형 컬럼 벽사이의 용적부이며 제 1 컬럼 영역(72)는 제 2 컬럼 영역(73)의 일부를 포함하지는 않지만 주 컬럼 벽에 의해 밀폐된 적어도 일부의 용적부를 포함한다. 제 2 컬럼 영역(73)은 분리기(74)에 의해 제 2 컬럼 영역(73)의 상부 단부에서 컬럼 영역(72)으로부터 차단되어 있고 상기 제 2 컬럼 영역(73)의 하단부에서 분배기(75)를 통해 제 1 컬럼 영역(72)과 함께 유체 연통된다. 바람직하게는, 도 1 및 2에 예시된 바와 같이, 제 2 컬럼 영역(73)내의 증기/액체 접촉 내부 구조물은 환형 트레이(76)이다. 제 1 컬럼 영역(72)의 증기/액체 접촉 내부 구조물은 바람직하게는 충진물을 포함한다.
대부분의 산소 및 아르곤을 포함하는 증기는 제 1 컬럼 영역(72)으로부터 분배기(75)를 통해 제 2 컬럼 영역(73)으로 통과되며 하향 유동 액체로 극저온 정류함에 의해 아르곤 농후 증기와 산소 농후 액체로 분리된다. 산소 농후 액체는 유동 화살표(33)로 도시된 바와 같이 분배기(75)를 통해 제 1 컬럼 영역(72)으로 복귀된다. 아르곤 농후 증기는 스트림(34)에서 응축기(29)로 통과되고 전술한 바와 같이 기화되는 산소 농후 액체와 간접 열 교환함에 의해 응축된다. 결과된 아르곤 농후 액체는 스트림(35)에서 제 2 컬럼 영역(73)으로 복귀되어 전술한 하향 유동 액체가 된다. 아르곤 농후 액체의 일부분(36)은 제 2 컬럼 영역(73)으로부터 간접적으로 아르곤 생성물로서 회수될 수도 있다. 선택적으로 또는 스트림(36)이외에도, 아르곤 농후 증기의 일부분은 아르곤 생성물로서 제 2 컬럼 영역(73)으로부터 직접적으로 회수될 수도 있다.
환형 컬럼(24)은 고압 컬럼(21) 보다 낮은 압력에서 조작된다. 환형 컬럼(24)의 제 1 컬럼 영역(72)에서 제 1 컬럼 영역으로의 다양한 공급물은 향류 극저온 정류에 의해 질소 농후 유체와 산소 농후 유체로 분리된다. 질소 농후 유체는 증기 스트림(37)으로서 환형의 컬럼(24)의 상부 부분으로부터 회수되고, 주 열 교환기(6)를 통해 통과함에 의해 데워지고 질소 생성물(38)로서 회수된다. 폐기물 스트림(58)은 환형 컬럼(24)의 상부 부분으로부터 회수되고, 열 교환기(6)를 통해 통과함에 의해 데워지고 그리고 스트림(59)에서 시스템으로부터 제거된다. 산소 농후 유체는 증기 및/또는 액체로서 환형 컬럼(24)의 하부 부분으로부터 회수된다. 액체로서 회수된다면, 산소 농후 액체는 고압으로 펌핑될 수도 있으며 산소 농후 액체는 고압 산소 생성물로서 회수되기 전에 분리 생성 보일러 또는 주 열 교환기(6)에서 기화된다. 도 1에 예시된 바와 같은 실시예에서, 산소 농후 유체는 액체 스트림(39)으로서 환형 컬럼(24)으로부터 회수되고, 액체 펌프(60)를 통해 고압으로 펌핑되고, 주 열 교환기(6)를 통해 통과함에 의해 기화되고, 그리고 산소 생성물(40)로서 회수된다. 액체 산소의 일부분(61)은 액체 산소 생성물로서 회수될 수도 있다.
도 1 및 도 2와 결합하여 기술된 시스템에서 사용되는 환형 컬럼은 통상적인 극저온 공기 분리 플랜트의 저압 컬럼 및 아르곤 사이드아암 컬럼 대신에 사용된다. 도 3에 예시된 본 발명의 실시예에 있어서, 환형 컬럼은 종래의 극저온 공기 분리 플랜트의 고압 및 저압 컬럼 대신에 사용된다. 또한 도 3에 예시된 바와 같은 본 발명의 실시예는 또한 아르곤 생성물을 제조하기 위해 도 1 및 2와 결합하여 기술된 것과 유사한 환형 장치를 구비한다. 그러나, 이러한 아르곤 생성 능력은 필수적인 것이 아니거나 또는 도 3에 예시된 바와 같은 본 발명의 실시예를 실행할때 종래 기술의 아르곤 사이드아암 컬럼을 사용함에 의해 제공될수 있다는 것을 이해할수 있을 것이다. 도 1 및 2에 예시된 시스템과 관련하여 전술한 것과 동일한 도 3에 예시된 바와 같은 시스템의 이러한 측면은 공통적인 부분에 대한 부호는 동일하며 다시 설명하지는 않았다.
도 3에 예시된 바와 같은 환형 컬럼은 환형 컬럼 벽(80)이 주 컬럼 벽(81)에 의해 형성된 원통형 용적부의 외측에 제공되고 제 2 컬럼 영역(82)이 제 1 컬럼 영역(83)보다 고압에서 유지되어, 도 1 및 2에 예시된 실시예에서 환형 컬럼 벽이 주 컬럼 벽에 의해 형성된 용적부내에 있으며, 그밖에도 제 2 컬럼 영역이 압력이 제 1 컬럼의 압력과 거의 동일하다는 점에서 도 1 및 도 2에 예시된 것과는 다르다.
도 3을 참조로 하여, 공급 공기 스트림(51 및 53)은 제 2 컬럼 영역 또는 고압 영역(82)으로 통과되고 고압 영역(82)에서 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 농후 증기와 산소 농후 액체로 분리된다. 질소 농후 증기는 스트림(84)에서 리보일러(85)로 통과되고 제 1 컬럼 영역 또는 저압 영역(83)으로부터의 바닥 액체와 간접 열교환함에 의해 응축되어 질소 농후 액체(86)를 형성한다. 질소 농후 액체(86)의 일부분(87)은 환류로서 고압 영역(82)으로 복귀되고 질소 농후 액체(86)의 다른 부분(88)은 열 교환기(6)에서 과냉각된 후 환류로서 저압 영역(83)의 상부 부분으로 통과된다. 산소 농후 액체는 스트림(89)에서 고압 영역(82)으로부터 통과되고 일부분(90)은 응축기(29)로 통과되며 아르곤 농후 증기와 간접 열교환함에 의해 기화되고 이에따라 결과된 산소 농후 유체는 스트림(30)에서 응축기(29)로부터 저압 영역(83)으로 통과된다. 산소 농후 액체의 다른 부분(91)은 저압 영역(83)으로 직접적으로 통과된다.
저압 영역(83)내에서, 다양한 공급물이 향류 극저온 정류에 의해 질소 농후 유체와 산소 농후 유체로 분리된다. 도 3에 예시된 바와 같은 실시예의 산소 농후 유체는 스트림(92)에서 저압 영역(83)의 하부 부분으로부터 회수된다. 스트림(92)의 일부분(93)은 액체 펌프(94)로 통과되고 이곳으로부터 리보일러(85)로 통과되며 전술한 바와 같이 응축하는 질소 농후 증기와 간접 열교환함에 의해 기화된다. 이어서, 결과된 산소 농후 증기는 스트림(95)에서 리보일러(85)로부터 저압 영역(83)의 하부 부분으로 통과된다. 스트림(92)의 다른 부분(96)은 액체 펌프(97)를 통해 고압으로 펌핑되고, 주 열 교환기(6)를 통해 통과함에 의해 기화되고, 그리고 산소 생성물(98)로서 회수된다. 액체 산소의 일부분(99)은 액체 산소 생성물로서 회수될 수도 있다.
도 4 및 5에 예시된 본 발명의 실시예에서 종래의 극저온 공기 분리 플랜트의 측면 컬럼 및 고압 컬럼 대신에 환형 컬럼이 사용된다.
도 4 및 5를 참조로 하여, 환형 컬럼(100)은 제 1 컬럼 영역 또는 주 컬럼 영역(102)을 형성하는 원통형의 주 컬럼 벽(101) 및 환형 컬럼 벽(103)을 갖추고 있으며, 상기 환형 컬럼 벽(103)은 주 컬럼 벽(101)으로부터 반경 방향으로 이격되어 상기 주 컬럼 벽(101)과 환형 컬럼 벽(103)사이에 제 2 컬럼 영역 또는 측면 컬럼 영역(104)을 형성하도록 한다. 환형 컬럼 벽(103)은 주 컬럼 벽(101)에 의해 형성된 원통형 용적부내에 있으며 측면 컬럼 영역(104)은 주 컬럼 영역(102)보다는 저압으로 유지된다. 측면 컬럼 영역(104)은 측면 컬럼 영역(104)의 상단에서 분리기(105)에 의해 주 컬럼 영역(102)으로부터 분리되고 측면 컬럼 영역(104)의 바닥에서 분리기(106)에 의해 주 컬럼 영역(102)으로부터 분리된다. 바람직하게는 측면 컬럼 영역(104)은 물질 전달 내부 구조물로서 환형의 트레이를 포함한다.
공급 공기 스트림(51)은 저압 컬럼(109)으로 통과되는 스트림(108) 및 주 컬럼 영역(102)으로 통과되는 스트림(110)으로 나누어진다. 공급 공기 스트림(12)은 주 열 교환기(6)를 부분적으로 통과하고 결과된 스트림(111)은 도 4에 예시된 실시예에서 압축기(10)에 직접적으로 연결되어 압축기(10)를 구동시키도록 하는 터어보 팽창기(55)를 통해 통과함에 의해 터어보 팽창된다. 이어서 결과된 터어보 팽창된 공급 공기 스트림(112)은 터어보 팽창기(55)로부터 저압 컬럼(109)으로 통과된다.
공급 공기 스트림(53)은 열 교환기(113)로 통과되고 적어도 부분적으로 응축되고 스트림(114)에서 주 컬럼 영역(102)으로 통과된다. 주 컬럼 영역(102)에서 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 농후 증기와 산소 농후 액체로 분리된다. 질소 농후 증기는 스트림(115)에서 리보일러(23)로 통과되고 저압 컬럼(109)의 바닥 액체와 간접 열교환함에 의해 응축되어 질소 농후 액체(116)를 형성하도록 한다. 필요에 따라, 도 4에 예시된 바와 같이, 질소 농후 증기(115)의 일부분(117)은 주 열교환기(6)을 통해 통과되며 고압 질소 증기 생성물로서 회수된다.
질소 농후 액체(116)는 환류로서 주 컬럼 영역(102)으로 통과된다. 필요에 따라, 질소 농후 액체(116)의 일부분(119)은 고압 질소 액체 생성물로서 회수될 수도 있다. 산소 농후 액체는 스트림(120)에서 주 컬럼 영역(102)의 하부 부분으로부터 회수되고 과냉각기(121)를 통해 통과함에 의해 과냉각되고, 그리고 결과된 과냉각된 산소 농후 액체는 예시된 바와 같이 스트림(122)에서 저압 컬럼(109)으로 통과된다. 주 컬럼 영역(102)으로부터 취해지고 질소와 산소를 포함하는 액체 스트림(123)은 과냉각기(121)를 통해 통과함에 의해 과냉각된후 스트림(124)에서 저압 컬럼(109)의 상부 부분으로 통과된다.
저압 컬럼(109)은 주 컬럼 영역(102)보다 낮은 압력에서 조작된다. 저압 컬럼(109)내에서 컬럼으로의 다양한 공급물은 극저온 정류에 의해 질소 함유 유체와 산소 함유 유체로 분리된다. 질소 함유 유체는 증기 스트림(125)으로서 저압 컬럼(109)의 상부 부분으로부터 회수되고, 과냉각기(121)와 주 열교환기(6)를 통과함에 의해 데워지고 그리고 스트림(126)에서 시스템으로부터 제거된다. 산소 함유 유체는 스트림(127)에서 저압 컬럼(109)의 하부 부분으로부터 회수되고 측면 컬럼 영역(104)으로 통과되며 향류 극저온 정류에 의해 산소 농후 유체와 산소 희박 유체로 분리된다. 산소 희박 유체는 증기 스트림(128)으로서 측면 컬럼 영역(104)으로부터 저압 컬럼(109)의 하부 부분으로 통과된다. 산소 농후 유체의 일부분은 액체 스트림(129)으로서 측면 컬럼 영역(104)으로부터 열 교환기(113)로 통과되며 전술한 바와 같은 적어도 부분적으로 응축하는 공급 공기 스트림(53)과 간접 열교환함에 의해 적어도 부분적으로 기화되며 결과된 산소 농후 유체는 스트림(130)에서 열 교환기(113)로부터 측면 컬럼 영역(104)으로 복귀된다. 산소 농후 유체의 다른 부분은 스트림(131)에서 액체로서 측면 컬럼 영역(104)으로부터 회수되고, 액체 펌프(132)를 통해 고압으로 펌핑되고, 주 열 교환기(6)를 통해 통과됨에 의해 기화되고, 그리고 산소 생성물(133)로서 회수될 수도 있다. 액체 산소 스트림(120)의 일부분(134)은 액체 산소 생성물로서 회수될 수도 있다.
본 발명에 따라, 당해업자는 종래기술로 동등한 분리를 수행하는데 필요한 것보다 공간을 적게 사용하고 재료, 특히 컬럼 케이싱 재료를 적게 사용하여 다중 성분으로 구성된 혼합물의 정류를 수행할 수 있다. 본 발명은 특정의 바람직한 실시예를 참조로 상세하게 기술하였지만, 당해업자는 본원 청구범위의 취지 및 범위내의 본원 발명의 다른 실시예가 있을 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를들어, 본 발명은 공기를 정류하는 것과 같은 극저온 정류를 참조로 상세하게 기술하였지만, 본 발명은 예를들어 오일 분류, 탄화수소 분리, 및 알코올 증류와 같은 다른 정류 공정을 수행하는데 사용될 수도 있다.
본 발명에 따라 컬럼 조작 비용이 감소되고 컬럼에 필요한 공간이 감소된 컬럼 시스템이 제공되어 정류를 수행할 수 있다.

Claims (7)

  1. 정류를 수행하는 환형 컬럼으로서,
    a) 제 1 컬럼 영역을 형성하는 원통형의 주 컬럼 벽과,
    b) 상기 주 컬럼 벽과 환형 컬럼 벽사이에 제 2 컬럼 영역을 형성하도록 상기 주 컬럼 벽으로부터 반경 방향으로 이격되어 있는 환형 컬럼 벽과,
    c) 유체를 상기 제 1 컬럼 영역으로 통과시키는 수단 및 상기 유체를 상기 제 1 컬럼 영역으로부터 회수하는 수단과, 그리고
    d) 상기 유체를 상기 제 2 컬럼 영역으로 통과시키는 수단 및 상기 유체를 상기 제 2 컬럼 영역으로부터 회수하는 수단을 포함하는,
    정류를 수행하는 환형 컬럼.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 주 컬럼 벽에 의해 형성된 내측 용적부내에 상기 환형 컬럼 벽이 제공되는,
    정류를 수행하는 환형 컬럼.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 환형 컬럼벽이 상기 주 컬럼 벽에 의해 형성된 용적부의 외측에 제공되는,
    정류를 수행하는 환형 컬럼.
  4. 공급 공기를 극저온 정류하는 장치로서,
    a) 고압 컬럼 및 환형 컬럼으로서, 상기 환형 컬럼은 제 1 컬럼 영역을 형성하는 원통형 주 컬럼 벽 및 환형 컬럼 벽을 포함하고, 상기 환형 컬럼 벽은 상기 주 컬럼 벽과 상기 환형 컬럼 벽사이에 제 2 컬럼 영역을 형성하도록 상기 주 컬럼 벽으로 부터 이격되어 있는 고압 컬럼 및 환형 컬럼과,
    b) 상기 공급 공기를 상기 고압 컬럼으로 통과시키는 수단, 유체를 상기 고압 컬럼으로부터 상기 제 1 컬럼 영역으로 통과시키는 수단, 및 상기 유체를 상기 제 1 컬럼 영역으로부터 상기 제 2 컬럼 영역으로 통과시키는 수단과,
    c) 상기 제 1 컬럼 영역으로부터 질소 생성물 및 산소 생성물들 중 하나 이상을 회수하는 수단과,
    d) 상기 제 2 컬럼 영역으로부터 아르곤 생성물을 회수하는 수단을 포함하는,
    공급 공기를 극저온 정류하는 장치.
  5. 공급 공기를 극저온 정류하는 장치로서,
    a) 저압 영역을 형성하는 원통형 주 컬럼 벽 및 환형 컬럼 벽을 포함하는 환형 컬럼으로서, 상기 환형 컬럼 벽이 상기 주 컬럼 벽과 상기 환형 컬럼 벽사이에 고압 영역을 형성하도록 상기 주 컬럼 벽으로부터 반경 방향으로 이격되어 있는 환형 컬럼과,
    b) 상기 공급 공기를 상기 고압 영역으로 통과시키는 수단, 및 유체를 상기 고압 영역으로부터 상기 저압 영역으로 통과시키는 수단과, 그리고
    c) 상기 저압 영역으로부터 질소 생성물과 산소 생성물들 중 하나 이상을 회수하는 수단을 포함하는,
    공급 공기를 극저온 정류하는 장치.
  6. 공급 공기를 극저온 정류하는 장치로서,
    a) 저압 컬럼 및 환형 컬럼으로서, 상기 환형 컬럼이 주 컬럼 영역을 형성하는 원통형 주 컬럼 벽 및 환형 컬럼 벽을 포함하며, 상기 환형 컬럼 벽이 상기 주 컬럼 벽과 상기 환형 컬럼 벽사이에 측면 컬럼 영역을 형성하도록 상기 주 컬럼 벽으로부터 반경방향으로 이격되어 있는 저압 컬럼 및 환형 컬럼과,
    b) 상기 공급 공기를 상기 주 컬럼 영역으로 통과시키는 수단, 상기 주 컬럼 영역으로부터 상기 저압 컬럼으로 유체를 통과시키는 수단, 및 유체를 상기 저압 컬럼으로부터 상기 측면 컬럼 영역으로 통과시키는 수단과, 그리고
    c) 상기 측면 컬럼 영역으로부터 산소 생성물을 회수하는 수단을 포함하는,
    공급 공기를 극저온 정류하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 주 컬럼 영역으로부터 질소 생성물을 회수하는 수단을 더 포함하는,
    공급 공기를 극저온 정류하는 장치.
KR10-1999-0031820A 1998-08-05 1999-08-03 극저온 정류를 위한 환형 컬럼 KR100442464B1 (ko)

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