KR100466917B1 - 고압산소를생산하는방법및장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저압 칼럼(11)의 용기중에서 배출된 액체 산소를 펌프주입하여 바람직한 고압에서 직접 기체 산소를 생산하는 유형의 방법에 관한 것이다. 증류되는 공기는 3개의 기류로 분할된다: 이중 증류 칼럼(1)의 중간 압력하에서 흐르는 기류, 약 60 바아 보다 높은 고압하에서 흐르는 기류, 및 부분 냉각후 터빈(8)중의 중간 압력으로 팽창하는 매개 압력하의 기류 매개 압력은 터빈중에서 처리된 공기가 터빈 휘일의 유입부에서 공기의 이슬점 부근이 되도록 선택한다. 이와 동시에 플랜트로부터 액체 생성물이 배출된다(24).
본 발명은 30 바아 보다 높은 압력에서 다량의 기체 산소를 생산하는 플랜트에 사용될 수 있다.

Description

고압 산소를 생산하는 방법 및 장치
본 발명은 저압에서 작동하는 증류 칼럼 및 중간 압력에서 작동하는 칼럼을 포함하는 이중-칼럼 플랜트에서 공기를 증류시키고; 그 플랜트의 칼럼으로부터 배출된 액체를 펌핑하여; 압축된 액체를, 납땜판을 구비한 유형의 열교환기에서 냉각 및/또는 액화 과정중의 공기와의 열교환을 통해 기화시키고, 플랜트로부터 배출되는 1종 이상의 액체 생성물을 수득하는 것으로 구성되는 유형의 기체 생산 방법으로서, 약 30바아 이상의 고압에서 기체를 생산하는 방법에 관한 것이다.
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 특히 고압에서 기체 산소를 대량 생산하는 방법, 보통 1일당 500톤 이상을 생산하는 방법에 관한 것이다.
본원에서 언급하는 압력은 절대 압력이다.
전술한 유형의 "펌프 공정"으로 공지된 많은 공정들이 제시된 바 있다.
본 발명의 목적은 전술한 것과 동일한 유형으로서, 특히 비(specific)에너지비용면에서 유리한 기체 생산 방법에 관한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 증류될 공기가 다음과 같은 3개의 기류로 분할되는 것을 특징으로 하는 전술한 유형의 방법으로 이루어진다:
- 공기의 이슬점 부근으로 냉각된 뒤 중간(medium) 압력의 칼럼으로 유입되는 중간 압력의 제1 기류; 냉각 및 액화된 다음, 팽창후 이중 칼럼으로 유입되는 약 60 바아보다 높은 고압의 제2 기류; 및 매개(intermediate) 압력하의 제3 기류, 이 때, 제3 기류의 일부 이상은 매개 냉각 온도에서 터빈에서 중간 압력으로 팽창된 다음 중간 압력의 칼럼으로 유입되며, 그 매개 압력은 공기가 터빈 휘일의 유입구에서 공기의 이슬점 부근이 되도록 선택한다.
이 방법은 다음과 같은 특징을 하나 이상 포함할 수 있다:
- 상기 액체 생성물의 일부 이상이 이중 칼럼에 결합된 산소/아르곤 분리용 부가 칼럼으로부터 생성된 액체 아르곤임;
-상기 액체 생성물 전체가 액체 아르곤으로 구성됨;
- 매개 압력에서 고압으로의 제2 기류의 압축이 터빈에 의해 공급되는 기계에너지에 의해서만 단독적으로 수행됨;
- 매개 온도가 높은 산소 압력하의 산소의 기화 온도에 가까움;
- 산소의 고압이 40 바아 정도이고, 플랜트로부터 배출된 액체 생성물의 유속이 본질적으로 하기 식으로 정의됨:
DL = -0.22P +22
이 식중에서, DL은 배출된 액체 생성물의 유속 대 생성된 산소의 총 유속의 비(%)이고, P는 공기 고압(절대 바아)임;
- 배출된 액체 생성물의 유속이 생성된 산소 총 유속의 약 2 내지 12% 사이인 것;
- 제2 기류 및 제3 기류가 각각 증류될 공기의 전체 유속의 약 20 내지 25% 및 약 10 내지 30%를 나타냄.
본 발명의 또다른 구성은 전술한 방법을 이용하기 위한 플랜트로 이루어진다. 저압에서 작동하는 칼럼 및 중간 압력에서 작동하는 칼럼을 갖는 이중 공기 증류 칼럼, 플랜트의 칼럼으로부터 배출된 액체를 압축시키는 펌프, 유입 공기를 압축시키는 수단, 증류될 공기와 압축 액체가 열교환 관계가 되도록 만든 납땜판을 지닌 유형의 열교환기, 및 플랜트로부터 1종 이상의 액체 생성물을 배출시키기 위한 도관을 포함하는 유형의 약 30 바아 이상의 고압산소에서 기체 산소를 생산하는 상기 플랜트는 상기 압축 수단이 3개의 기류, 즉, 각각 공기의 중간 압력, 매개 압력 및 고압하의 기류를 생성하는 수단을 포함하고, 상기 열 교환기가 고온 말단에서부터 저온 말단까지 중간압력의 공기를 냉각시키는 통로, 매개 압력의 공기를 부분 냉각시키는 통로 및 고온 말단에서부너 저온 말단까지 고압 공기를 냉각시키는 통로를 포함하며, 플랜트가 매개 압력에서 부분 냉각된 공기중 일부 이상을 중간 압력으로 팽창시키는 터빈 및 이중 칼럼에 결합된 액체 아르곤 생산용 칼럼을 포함함을 특징으로 한다.
이러한 플랜트의 한 양태에서, 플랜트는 저압 칼럼 탱크에서 배출된 액체 산소를 기화시켜 중간 압력칼럼의 탱크에서 배출된 액체를 과냉각시키는 부가적인 열교환기를 포함한다.
본 발명의 사용에 관한 실시예는 첨부되는 도면을 참조로 하여 하기에 기술한다.
도 1에 도시된 플랜트는 약 30바아 이상의 압력에서 기체 산소를 생산하기 위한 것이다. 이 플랜트는 본질적으로 이중 증류 칼럼(1), 납땜판을 갖고 있는 유형의 하나 이상의 교환기몸체로 구성된 주요 열 교환 라인(2), 과냉각기(3), 공기 압축기(4) 물과 CO2에 대하여 공기를 흡착 정제하는 장치(5), 제1 공기 부스터(6), 제2 공기 부스터(7), 팽창 터빈(8) 및 액체 산소 펌프(9)를 구비하고 있다. 이중 칼럼은 통상적인 방식에서와 같이, 약 5 내지 약 6 바아에서 작동하는 중간 압력 칼럼(10) 및 그 위에 수반되는 대기압보다 약간 높은 압력에서 작동하는 저압 칼럼(11), 이 저압 칼럼의 용기중에 내포된 기화기-응축기(12)를 구비하고 있고, 이 기화기-응축기는 저압 칼럼 용기 유래의 액체 산소를, 중간 압력 칼럼의 헤드로부터 유래되는 질소와 열교환 관계에 있도록 유도한다.
작동중에, 증류되고 중간 압력으로 압축기(4)에 의해 완전히 압축되고, (5)에서 정제될 공기는 2개의 기류로 분할된다.
제1류(stream)는 교환 라인(20)의 고온 말단에서 부터 저온 말단까지 전개되어 있는 교환 라인의 통로(13)에서 상기 중간 압력하에 냉각된다. 이 중간 압력의 공기는 그 이슬점 부근에서 교환 라인을 떠나 중간 압력 칼럼(10)의 기저부로 도입된다.
장치(5)를 떠나는 나머지 공기는 (6)에서 매개 압력으로 승압되고 그 다음 2개의 기류(flow)로 분할된다.
매개 압력하에 있는 제1 류(flow)는 교환 라인의 통로(14)내에서 매개 온도(T1)로 냉각된다. 이 제1 류의 일부는 임의적으로 계속 냉각되어 교환 라인의 저온 말단에 도달할 때까지 액화된 다음, 팽창 밸브(15)에서 중간 압력으로 팽창된 뒤, 2개의 기류(stream)로 분할된다: 칼럼(10)의 기저부까지 전송되는 제1 류(stream) 및 (3)에서 과냉각되고, 팽창밸브(16)에서 저압으로 팽창되어 칼럼(11)으로 전송되는 제2 류. 제1 류(flow)의 나머지는 매개 온도(T1)하의 교환 라인으로부터 배출되고 터빈(16)에서 중간 압력으로 팽창된 뒤, 칼럼(10)의 기저부로 도입된다.
승압된 제2 기류는 또 다시 60 내지 80 바아 정도의 제2의 고압으로 부스터(7)에 의해 승압된 다음, 교환 라인의 통로(17)에서 그 교환 라인의 저온 말단에 도달할 때까지 냉각 및 액화된다. 이와 같이 수득된 액체는 팽창 밸브(18)중에서 괭창되고, 팽창 밸브(15)로부터 유래되는 액화류와 혼합된다.
칼럼(11)의 탱크로부터 배출되는 액체 산소는 펌프(9)에 의해 바람직한 배출 고압으로 승압된 다음, 교환 라인의 통로(18)에서 기화 및 가열된 후 배출 도관(19)을 통해 플랜트로부터 배출된다.
도 1의 플랜트는 또한 통상적인 도관과 이중 칼럼 플랜트의 부속장치를 도시하고 있다: 즉, 팽창 밸브(21)를 갖고 있는, 칼럼(10)의 용기내에 수집되는 "풍부한 액체"(산소-풍부한 공기)를 칼럼(11)으로 복귀시키는 도관(20). 팽창 밸브(23)를 갖고 있는, 칼럼(10)의 헤드로부터 배출된 "빈약한 액체"(사실상 순수한 질소)를 칼럼(11)의 헤드로 복귀시키는 도관(22) 및 다음과 같은 도관을 갖고 있다. 즉, 칼럼(11)의 용기에 장착된 액체 산소 배출 도관(24), 도관(22)에 장착되고 팽창 밸브(26)를 구비하고 있는 액체 질소 배출 도관(25), 및 칼럼(11)의 헤드에 장착되어 있고 플랜트로부터 유래되는 잔류 기체를 구성하는 불순 질소를 배출시키는 도관(27). 이 불순 질소는 과냉각기(3) 및 그 다음 교환 라인의 통로(28)내에서 재가열된 다음, 도관(29)을 통해 방출된다. 과냉각기(3)에서 밸브(15) 및 (18)로부터 유래되는 액체 공기, 빈약한 액체 및 풍부한 액체가 과냉각되고, 풍부한 액체의 경우에는 약 2℃ 정도 과냉각된다.
가능한 적은 비에너지 비용을 산출시키기 위해(비에너지는 고압에서 단위량의 기체 산소를 생산하는데 필요한 에너지임), 교환 라인(2)의 열 교환 다이아그램은 가역성 열 교환 조건에 거의 가까울 정도가 되도록 가능한 한 좁아야 한다. 특히, 엔탈피(H)가 가로좌표로서 도시되고 온도가 세로좌표로서 도시되어 있는 도 2의 다이아그램에 있어서 냉각되는 공기(곡선 C1)와 가열되는 생성물(곡선 C2) 사이의 온도 차이는 교환 라인의 고온 말단 및 저온 말단, 뿐만 아니라 산소 기화의 안정기(30)의 개시부에서 가능한 한 적어야만 한다.
모의 계산한 결과, 다음과 같은 조건하에서 안정기(30)의 개시부에서의 최소 온도차 1.5℃와 평균 온도차 5℃ 정도를 수득할 수 있었다:
- 공기의 고압은 납땜판 교환기(2)의 수행 기술을 주의하면서 가능한 한 높게 선택한다. 이러한 고압은 일반적으로 약 60 내지 80 바아 사이이다.
- 터빈(8)의 유입 온도인 매개 온도(T1)는 산소 기화 온도와 유사하게 하고, 산소 기화 온도보다 1℃ 높은 것이 바람직하다.
- 매개 압력은 터빈에 의해 처리된 공기가 터빈 휘일의 유입구에서 공기의 이슬점 부근이 되도록 선택한다.
잘 알려진 바와 같이, 저온 터빈은 유입 분배기 다음에 휘일을 갖고 있다. 분배기는 터빈의 특징인 1차 방출 또는 엔탈피의 저하를 생성한다. 전술한 제3의 조건은 휘일의 유입구에서 공기의 이슬점 부근이 되도록 공기가 터빈에 유입되어야만 하는 압력인 매개 압력의 결정을 용이하게 한다. 이 매개 압력은 약 30 내지 40 바아 사이이다.
또한, 특정 유속의 액체는 (24)에서 배출되어야만 한다. 이 액체는 이에 상응하게 열 교환 라인에서 가열될 생성물의 양을 감소시키고, 그 유속은 산소 고압 및 공기 고압둘다의 함수이다. 40 바아의 산소 고압에 대해 설정된 도 3은 공기의 고압 P가 약 60 바아 보다 높은 압력에서부터 80 바아까지 변화할 때, 경제적 최적량을 산출하는 액체의 유속이 하기 수학식 1에 따라 실질적으로 선형으로 감소한다는 것을 나타내는 것이다:
[수학식 1]
DL = -0.22P +22
이 식중에서, DL은 배출된 액체 산소의 유속 대 생성된 산소의 총 유속의 비(%)이다.
상기로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 유속 DL은 공기의 고압을 80 바아보다 훨씬 높게 선택하고, 계산에 따르면 100 바아 정도로 선택하는 것이 가능하다면 필요치 않은 것이다.
전술한 실시예에서 터빈(8)에 의해 생산되는 기계 에너지는 부스터(7)의 구동에 관여하도록 복원되나, 부스터는 외부의 구동 에너지원을 갖고 있다. 대안적인 형태로서, 터빈(8) 및 부스터를 결합시켜 플랜트를 단순화하는 것이 바람직하다면, 매개 압력과 온도 T1을 상승시켜야만 하고 계산에 따르면, 이로써 유속 DL 및 비에너지가 증가하게 된다.
한 예로서, 매개 압력 및 고압에서의 기류는 각각 처리되는 공기 유속의 약 20% 및 약 25%를 나타낼 수 있다.
도 3을 살펴보면, 산소가 40바아에서 생산될 때, 공기의 고압이 80바아 정도인 경우 유속 DL은 4.5% 정도인 것으로 나타났다. 여기에서, 백분율%는 대기중의 아르곤 대 산소의 비를 나타내는 것이다. 결론적으로, 도 4에 도시된 바와 같이 이중 칼럼에 아르곤/산소 분리용 부가 칼럼(31), 그 다음 마지막 산소 잔류물을 제거하기 위한 수단(31A) 및 탈질소화 수단(31B)을 부속시키므로써 경제적 최적량을 수득하는데 필요한 액체 생성물의 배출물은 플랜트로부터 순수한 액체 아르곤의 배출물로만 구성될 수 있다.
플랜트의 상대적인 복잡성으로 인해 상기와 같은 공정은 주로 비에너지가 가장 중요한 변수인 대규모 플랜트에 사용되도록 개작된 것이므로 특별한 잇점을 제공하며 이러한 플랜트가 아르곤 생산 칼럼을 부가시켜야 하는 적절한 예이다.
통상적인 방식에서 도 4의 다이아그램에 도시된 바와 같이, 칼럼(1)의 용기는 칼럼(11)의 "아르곤 분지 연결관"에 2개의 도관(32)(유입부) 및 (33)(복귀부)을 통해 연결되어 있고, 그 헤드는 (35)에서 대기압 정도로 팽창된 풍부한 액체가 기화된 다음 도관(36)을 통해 칼럼(11)으로 복귀되는 응축기(34)가 장착되어 있다. 도관(37)을 통해 칼럼(31)의 헤드에서 배출된 불순 기체 아르곤은 (31A) 및 그 다음 (31B)에서 정제되고, 이로써 순수한 아르곤은 배출 도관(37A)을 통해 액체형태로 플랜트로부터 배출된다.
대안적인 형태로서 도 4에 도시된 바와 같이 풍부한 액체는 (21) 및 임의적으로는 (35)에서 팽창되기 전에 칼럼(11)의 탱크에서 배출된 액체 산소를 기화시키는 부가적인 열 교환기(38)에서 과냉각될 수 있다. 이로써, "펌프" 공정을 이용하는 과정에서 순환하는 다량의 풍부한 액체를 4 내지 5℃ 정도 과냉각시키고, 결과적으로 산소 및 적절한 경우에는 아르곤의 추출 효율을 증진시키는 것이 가능해진다.
또한, 다른 대안적인 형태로서 도 1 및 도 4에서 파단선으로 나타낸 바와 같이, 플랜트는 가압하에 기체 질소를 부가적으로 생산할 수 있고, 이 질소는 도관(22)으로부터 액체 상태로 유입되어 펌프(39)에 의해 바람직한 압력으로 펌프된 다음, 기화되고, 그 후 교환 라인(2)의 통로(40)에서 가열되고 배출 도관(41)을 통해 배출된다.
따라서, 본 발명의 공정에 있어서 배출된 액체 전체 또는 일부는 또한 액체 질소(도관 25)를 함유할 수 있다는 자명한 것이다.
펌핑 후 기화된 액체는 산소, 질소 또는 아르곤일 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해, 본 발명은 비에너지 비용면에서 유리한 잇점을 갖고 있는, 저압 칼럼(11)의 용기중에서 배출된 액체 산소를 펌프주입하여 바람직한 고압에서 기체 산소를 직접 생산하는 방법 및 플랜트를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 기체 산소를 생산하는 플랜트의 도식;
도 2는 대응하는 열 교환의 도식;
도 3은 경제적 최적량인 산소 고압의 함수로서 액체 산소의 플랜트 배출량의 변화를 나타내는 도식; 및
도 4는 도 1에 도시된 플랜트의 대안적인 형태의 도식.

Claims (9)

  1. 저압 하에서 작동하는 칼럼(11) 및 중간압력(5 내지 6 바아) 하에서 작동하는 칼럼(10)을 포함하는 이중-증류 칼럼(1)을 구비한 플랜트에서 공기를 증류시키고; 그 플랜트의 저압칼럼(11)으로부터 배출된 액체산소를 펌펑하여(9에서); 압축된 액체를, 땜납판을 구비한 유형의 열교환기(2)에서 냉각 및/또는 액화 과정중의 공기와의 열 교환을 통해 기화시키고; 또 플랜트로부터 배출되는 1종 이상의 액체 생성물(24, 25; 37A에서)을 수득하며, 배출된 액체 생성물의 흐름이 제조된 산소 전체흐름의 약 2 내지 12%이고, 증류될 공기가 3개 기류로 분리되며, 이들 유속의 합이 유입공기의 유속과 동일하고,
    -중간 압력하의 제1 공기기류는 공기의 이슬점 부근으로 냉각된 뒤, 중간 압력의 칼럼(10)으로 유입되고;
    -60 바아 이상 고압하의 제2 공기기류는 완전히 냉각 및 액화(17에서)된 다음, 팽창밸브(18)에서 팽창된 후 이중 칼럼(1)으로 유입되며, 상기 제2 공기기류는 증류되는 공기 전체 흐름의 약 20 내지 25%이고;
    -매개압력(30 내지 40바아) 하의 제3 공기기류는 증류되는 공기 전체 흐름의 약 10 내지 30%이고, 이 제3 공기기류의 일부 또는 전부는 매개 냉각온도에서 터빈(8)중에서 중간압력으로 팽창된 다음 중간 압력의 칼럼(10)으로 유입되며, 이 매개 압력은 공기가 터빈 휘일의 유입구에서 공기의 이슬점 부근이 되도록 선택되고, 가능한 잔유부분은 냉각 및 액화를 계속한 후에 팽창밸브(15)에서 팽창시켜 이중 칼럼으로 유입시키는 단계를 포함하는 약 30바아 이상의 고압 하에서 기체 산소를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 공기기류, 제2 공기기류 및 제3 공기기류가 각각 처리되는 공기 흐름의 약 55%, 약 20% 및 약 25%인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 액체 생성물의 일부 또는 전부가 이중 칼럼(1)에 결합된 산소/아르곤 분리용 부가 칼럼(31)으로부터 생성된 액체 아르곤인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 액체 생성물 전체가 액체 아르곤으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 매개 압력에서 고압으로의 제2 공기기류의 압축이 터빈(8)에 의해 공급되는 기계 에너지에 의해서만 단독적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 매개 온도가 고압 하에서 액체의 기화 온도에 근접한 것임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 고압이 40 바아 정도이고, 플랜트로부터 배출된 액체 생성물의 유속이 본질적으로 하기 수학식 1로 정의되는 것을 특징으로 하는 방법:
    수학식 1
    DL= -0.22P + 22
    상기 식 중에서, DL은 배출된 액체 생성물의 유속 대 생성된 산소의 총 유속의 비(%)이고, P는 공기 고압(절대 바아)이다.
  8. 저압에서 작동하는 칼럼(11) 및 중간 압력에서 작동하는 칼럼(10)을 포함하는 이중 공기 증류 칼럼(1); 이중 칼럼(1)에 결합된 액체 아르곤 제조용 칼럼(31); 플랜트의 저압칼럼(11)으로부터 배출된 액체산소를 압축시키는 펌프(9); 유입 공기를 압축시키는 수단(14, 30, 31); 증류될 공기와 압축 액체산소가 열 교환 관계가 되도록 하는 땜납판을 지닌 유형의 열교환기(2); 및 플랜트로부터 1종 이상의 액체 생성물을 배출시키기 위한 도관(24, 25; 37A)을 포함하고, 상기 압축 수단이 3개의 공기기류, 즉, 각각 중간 압력(5 내지 6 바아), 매개 압력(30 내지 40 바아) 및 고압(60 바아 이상)의 공기기류를 생성하는 수단(4, 6, 7)을 포함하고, 이들 기류의 유속의 합이 유입공기의 유속과 동일하며; 상기 열 교환기(2)가 가온 말단에서부터 냉온 말단까지 중간 압력의 공기를 냉각시키는 제1 통로(13), 매개 압력하의 공기를 냉각시키는 제2 통로(14) 및 가온 말단에서부터 냉온 말단까지의 모든 고압 공기를 냉각시키는 제3 통로(17)를 포함하며; 플랜트가 상기 제2 통로(14)에서 부분 냉각되는 매개 압력하의 공기 일부 또는 전부를 중간 압력으로 팽창시키는 터빈(8), 상기 매개압력 하 및 고압력 하에서의 공기기류를 증류시키는 공기의 전체흐름의 약 10 내지 30%와 약 20 내지 25%로 각각 조절하는 수단 및 배출되는 상기 액체 생성물의 흐름을 제조된 산소의 전체흐름의 약 2 내지 약 12% 값으로 조절하는 수단을 포함하는, 약 30 바아 이상의 고압에서 기체산소를 제조하는 플랜트.
  9. 제8항에 있어서, 저압칼럼(11)으로부터 배출된 액체를 기화시킴으로써 중간 압력칼럼(10)의 바닥으로부터 배출된 액체를 과냉각시키는 부가적인 열 교환기(38)를 포함함을 특징으로 하는 플랜트.
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