KR100488029B1 - 공기로부터 기체를 가변 유량으로 생산하는 방법 및 장치 - Google Patents

공기로부터 기체를 가변 유량으로 생산하는 방법 및 장치 Download PDF

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레르 리뀌드, 소시에떼 아노님 아 디렉또와르 에 꽁세예 드 쉬르베양스 뿌르 레뛰드 에 렉스쁠로아따시옹 데 프로세데 죠르쥬 끌로드
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Abstract

본 발명의 장치는, 압축 산소 가스를 제조하기 위해 사용될 경우, 단기간의 고진폭의 최대 수요(high-amplitude peak demand) 뿐 아니라 상대적으로 장기간의 최대 수요를 만족시키기 위한 스위치, 예를 들어 액체 산소/액체 공기 스위치와, 산소를 제품 압력보다 높은 고압으로 압축하기 위한 회로(13, 30)를 포함한다. 상기 회로는, 적어도 단기간에 큰 크기의 최대 수요를 부분적으로 만족시키는 버퍼(15)에 이른다.

Description

공기로부터 기체를 가변 유량으로 생산하는 방법 및 장치{METHOD AND PLANT FOR PRODUCING AN AIR GAS WITH A VARIABLE FLOW RATE}
본 발명은 공기 증류에 의해 공기로부터 소정의 기체, 특히 산소를 가변 유량으로 생산하는 청구항 1의 전제부에 기재된 유형의 공정에 관한 것이다.본 발명은 특히 가압 상태의 산소를 가변 유량으로 생산하는 데에 적용된다.본원 명세서에 있어서, 압력은 절대 압력을, 유량은 몰 유량(molar flow rates)을 말하는 것이다.
본원 출원인 명의의 EP-A-0 422 974 공보에는, 가변 유량으로 기체 산소를 생산하도록 되어 있으며 "진동 타입 공정"(swinging-type process)"으로 불리는 전술한 유형의 공정이 기술되어 있다. 여기에 사용된 2차 유체는 증류 대상 공기이며, 이 공기는 가변 유량으로 응축된다.이 공지의 공정에서 쉽게 알 수 있듯이, 증류 장치의 공급 및 이송 유량을 일정하게 유지하기 위해서는, 산소 수요(oxygen demand)의 변화에 따라서 유입 공기의 유량을 변화시킬 필요가 있다. 산소를 가압 상태로 생산하는 경우에, 액체 산소를 기화시키기 위하여 응축되는 공기는 추가의 부스터에 의해 과도 압력으로 가압될 수 있으며, 산소 수요가 변하는 경우에는, 메인 압축기에 의해 압축되는 유동과 과도 압력으로 가압된 유동 모두를 현저하게 변화시킬 필요가 있다.그 결과, 이러한 공지의 공정에서는, 압축기와 선택적인 부스터는 생산 대상 산소의 공칭 유량(nominal flow rate)에 비하여 과도하게 크게 된다. 또한, 이들 설비는 대부분의 시각을 그들의 용량에 비하여 너무 낮은 유량으로, 그에 따라 낮은 효율에서 작동한다.생산 압력보다 높은 고압으로 보조 탱크, 즉 "버터(buffer)"에 생산 대상 가스를 기체로 저장하는 방법도 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은 장기간에 걸쳐 최대 수요(peak in demand)를 공급하기 위해서는 매우 큰 버퍼를 설치해야할 필요가 있으므로 만족스럽지 않다. 게다가, 모든 기체를 버퍼 압력으로 생산하는 것은 에너지의 관점에서 비용이 많이 소요된다.
도 1은 가변 유량으로 가압 상태의 산소를 생산하는 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 도시하고 있다.도 2는 생산 압력에서 액체 산소의 기화를 나타내고 있는 열교환 블록도이다.도 3 및 도 4는 본 발명의 장치의 다른 2가지 변형예를 개략적으로 도시하고 있다.
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따라서, 본 발명의 목적은 특히 효율적이고 경제적인 조건하에서 공기로부터 소정의 기체를 가변 유량으로 생산하는 것이다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명의 주제는 청구항 1의 특징부를 특징으로 하는 전술한 유형의 공정을 제공하는 것이다.
이 공정은 청구항 2 내지 청구항 12에 기재된 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 공정을 수행하기 위한 장치도 제공한다. 이 장치는 청구항 13에 개시되어 있다.
상기 장치는 청구항 14 내지 청구항 17에 개시된 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고로 설명한다.
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도 1에 도시된 장치는 기본적으로, 예컨대 이동 베인 원심형(moving-vane centrifugal type)의 가변 유량 메인 공기 압축기(variable-flow main air compressor; 1), 흡착형 정화 장치(2), 열교환기(3), 냉각 유지 터빈(4), 〔중압탑(6), 저압탑(7), 그리고 중압탑(6) 위의 증발기-응축기(8)를 구비하는〕 이중 탑(double column)으로 이루어지는 공기 증류 장치(5), 액체 산소 저장 탱크(10), 액화 공기 저장 탱크(11), 2개의 펌프(12, 13), 공기 부스터(14), 그리고 보조 탱크, 즉 "버퍼(15)"를 포함한다. 이 장치는 생산 라인(16)을 통하여 가변 유량의 기상 산소를 대략 15 bar의 압력으로 생산하기 위한 것이다. 이 장치의 작동을 설명하기 위하여, 우선 생산 라인(16)에서의 기상 산소 수요가 일정하고, 공칭 생산량(nominal production rate), 즉 압축기(1)에 의해 압축된 공기의 공칭 유량의 약 20%인 것으로 가정한다.압축기(1)에 의해 6 bar로 압축되고 공냉식 또는 수냉식 냉각기(17)에 의해 주변 온도로 냉각되는 공칭 유량의 처리 대상 공기는 정화 장치(2)에서 정화되며, 그 후 각각 일정 유량을 갖는 2개의 흐름으로 분리된다. 제1 흐름은 열교환기(3)의 통로(19)에서 냉각되며, 이들 중 일부는 열교환기로부터 취출되고, 부분 냉각 후에 터빈(4)에서 1 bar로 팽창되며, 라인(20)을 통하여 이슬점 부근에서 저압탑(7)으로 주입된다. 나머지는 6 bar에서 이슬점 근처까지 계속 냉각되고, 라인(21)을 통하여 중압탑(6)의 하부로 주입된다. 제2 흐름은 부스터(14)에서 이하에 규정되는 높은 응축 압력으로 과압되고, 그 후 열교환기의 통로(22)에서 냉각 및 액화되며, 팽창 밸브(23)에서 6 bar로 팽창된 후, 액체 형태로 저장 탱크(11)에 저장된다. 일정 유량의 액화 공기는 저장 탱크의 바닥으로부터 유출되어, 라인(24)을 통하여 6 bar로 중압탑으로 보내지는 제1의 일정 흐름과, 팽창 밸브(25)에서 1 bar로 팽창되고 저압탑(7)으로 주입되는 제2의 일정 흐름으로 나뉜다. 증발기-응축기(8)는, 중압탑(6)의 상부로부터 대략 동일한 질소 흐름을 응축함으로써 저압탑(7) 내 용기의 액체 산소 중 일정 흐름을 기화시킨다. 중압탑의 용기로부터 흘러나와 팽창 밸브(26)에서 1 bar로 팽창되는 "농후 액체(rich liquid)", 즉 산소 농후 공기(oxygen-rich air)가 저압탑의 중간 레벨에 주입되고, 중압탑의 상부로부터 흘러나와 팽창 밸브(27)에서 1 bar로 팽창되는 "희박 액체(depleted liquid)", 즉 대략 순수 질소는 저압탑의 상부에 주입된다. 유입 공기 흐름의 약 20%에 상응하는 일정 흐름의 액체 산소가 라인(28)을 통하여 저장 탱크(10)로 이송된다. 이 저장 탱크의 바닥으로부터 동일한 일정 흐름의 액체 산소가 유출되며 일정 유량의 2개의 스트림으로 분기된다. - 예컨대, 전체 흐름의 80%를 나타내는 보다 큰 제1 흐름은 펌프(12)에 의해 15 bar로 압축되고, 열교환기의 통로(29)에서 기화되고 생산 라인(16)으로 전달된다. - 제2 흐름은 펌프(13)에 의해 보다 높은 고압으로, 예컨대 30 bar로 압축되고, 열교환기의 통로(30)에서 기화되고 보조 탱크(15)로 전달된다. 보조 탱크(15)는, 팽창 및 유량 조절 밸브(34)가 설치되어 있는 라인(33)을 통하여 생산 라인(16)에 연결되어 있으며, 전술한 제2 흐름과 같은 일정 흐름이 밸브(34)에서 팽창되어 보조 탱크(15)로부터 생산 라인(16)으로 보내진다. 또한, 저압탑의 상부로부터 유출되는 불순 질소의 일정 흐름은 열교환기의 통로(31)를 통하여 가열되고 라인(32)을 통하여 폐기물로서 폐기된다. 전술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 장치는 과압 공기의 응축을 이용하기 위하여 하나의 부스터(14)를 포함하므로, 15 bar의 산소와 30 bar의 산소 모두를 기화시킬 수 있다. 이를 위하여, 과압 상태의 공기의 압력은, 15 bar에서 산소의 기화와 "공존하는(concomitant)" 압력으로 선택된다. 이 압력은, 도 2에 나타낸 바와 같이 공기 액화 지점이 15 bar의 산소 기화점(plateau, P)에 가까운 압력이며, 도 2에서 교환된 열량(Q)은 세로 좌표로, 온도(t)는 가로 좌표로 도시되어 있다. 이 압력에서, 전술한 액화 지점(G)은 도 2에 도시된 바와 같이, 30 bar의 산소의 기화점(P') 이하의 온도로 있는데, 이러한 현상은 FR-A-2,674,001에 의하면 액체 생성물(예를 들어 본 실시예에 있어서는 산소 또는 질소)이 장치로부터 동시에 제거될 때에 전적으로 가능하다. 도 2에서, 점 A는 터빈(4)의 입구 온도를 나타내며, 이 입구 온도는 열교환기의 고온 단부에서 몇 도(a few degree) 정도의 최소 온도차를 얻을 수 있도록 선택된다. 실험예에 의해, 과압 상태의 공기에 대하여 약 40 bar의 압력을 선택하는 것이 가능하다. 이중탑(5; 공기 증류 장치)에서 끝나는 모든 라인과 이중탑을 떠나는 모든 라인은 일정 유량을 보장하기 위한 수단(도시 생략)에 결합되어 있다. 따라서, 기체 산소 수요가 변할 때에도, 이 이중탑의 설정은 변화되지 않는다. 또한, 고압으로 통로(30)에서 기화된 산소 유량은 일정하게 유지된다. 산소 수요가 증가하는 경우는, 몇 가지 경우로 구별될 수 있다. (1) 최대 수요가 예정값의 범위 내로, 예컨대 공칭 유량의 120%와 동일한 값으로 한정되면, 대응하는 추가 흐름의 액체 산소가 펌프(12)에 의해 저장 탱크(10)로부터 흘러 나오며, 이에 의해 펌프의 펌핑 속도가 증가되며, 부스터(14)에 의해 과압된 공기가 라인(22)에서 응축되는 것에 의해 액체 산소가 통로(29)에서 생산 압력으로 기화된다. 이는 종래의 액체 산소/액체 공기 진동형 공정에 해당된다: 저장 탱크(11)의 액체 산소 레벨은 올라가는 반면, 저장 탱크(10)의 액체 산소 레벨은 내려간다. (2) 최대 수요가 상기 예정값의 범위를 초과하는 경우에는, 2가지 경우로 구별될 수 있다. (a) 최대 수요의 지속 기간이 짧은 경우에는, 밸브(34)를 보다 많이 개방함으로써 전술한 값 이상의 필요한 추가 산소 흐름을 보조 탱크(15)로부터 흘러 나오게 하며, 상기 밸브에서 팽창된 후에 생산 라인(16)으로 보내진다. 예컨대, 최대 수요가 공칭 유량의 160%일 경우에는, 20%의 추가 흐름은 펌프(12)에 의해, 나머지 40%는 보조 탱크(15)에 의해 전달된다. (b) 그러나, 추가 흐름이 보조 탱크(15)로부터 유출될 때, 탱크 내의 압력은 강하한다. 그 결과, 최대 수요가 특히 오래 지속되면, 공칭 유량에 대한 추가의 산소 유량은, 예컨대 보조 산소 탱크 등의 외부 수단에 의하여 전달되어야 한다.본 발명은, 산소가 약 1 bar에서 생산되며 산소 수요가 항상 주어진 최소값 이상인 경우에도 적용된다. 이 최소값과 같은 일정 유량의 기체 산소는, 도 1에 일점 쇄선으로 나타낸 것과 같이 라인(35)을 통하여 저압탑(7)의 바닥으로부터 직접 유출될 수 있으며, 열교환기에서 가열된다. 이러한 변형에 의하여, 저장 탱크(10, 11)의 용량을 줄일 수 있다. 마찬가지로, 액체 산소 및/또는 기상 질소 및/또는 액체 질소는 도 1의 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 이중탑에 의해 라인 36 및/또는 38을 통하여 동시에 생산될 수도 있다. 본 발명의 다른 변형예도 생각할 수 있다. 도 3의 변형예에서는 펌프(13)가 생략되어 있다. 산소의 보조 흐름은, 캐비티(15)로 보내지기 전에 저압탑(7)의 용기로부터 라인(39)을 통하여 가스 형태로 유출되고, 통로(30)에서 낮은 압력으로 가열되고 보조 압축기(40)에 의해 고압으로 압축된다.또한, 다른 변형예에서, 2개의 산소 흐름 중 적어도 하나를 기화하기 위한 유체는 질소이다. 특히, 산소가 약 1 bar에서 생산되는 도 4의 변형예에서, 메인 흐름의 기화는 이중탑에서 기화기(8)에 의해 이루어진다. 그에 따라, 이 메인 흐름은 저압탑(7)의 용기로부터 가스 형태로 라인(41)을 통하여 유출되고, 라인(29)에서 가열된다. 펌프(12)의 전달쪽은 저압탑 내의 용기에 연결되어 있고, 그 내부의 유체는 중력의 영향 하에 저장 탱크(10)에 공급된다. 이 경우에, 산소의 가변 유량의 기화로 인하여 중압탑(6)에서 질소의 가변 유량이 생성된다. 이러한 이유로, 라인(38)은 질소 저장 탱크(42)에 연결되어 있고, 이 저장 탱크의 바닥은 액체 질소의 가변 유량을 중압탑(6)의 상부로 복귀시키기 위한 펌프(43)에 연결되어 있다. 이 변형예에서, 공정은 산소/질소 진동형 공정이며, 일정 액면의 저장 탱크(11)는 생략되어도 좋다. 도 3 및 도 4의 변형예를 조합하는 경우, 산소는 열교환기(3) 내에서 더 이상 기화되지 않게 된다. 결과적으로, 부품 14, 22, 23, 11, 24 및 25는 생략되며, 유입되는 모든 공기는 1 bar에서 6 bar로 압축되고 통로(19)로 보내진다.
본 발명에 따르면, 특히 효율적이고 경제적인 조건하에서 공기로부터 소정의 기체, 특히 산소를 가변 유량으로 생산하는 기체 생산 장치 및 기체 생산 방법을 제공할 수 있다.
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Claims (17)

  1. 공기 증류에 의해 공기로부터 기체를 가변 유량으로 생산하는 방법으로서, 생산 대상 기체의 적어도 일부는 1차 액체의 형태로 제1 저장 탱크(1O)에 저장되고; 상기 1차 액체의 가변 흐름이 상기 제1 저장 탱크로부터 흘러나와 (12, 29; 12, 8, 29에서) 생산 압력으로 기체 형태로 이송되며, 이 가변 흐름은 2차 유체의 상응하는 가변 흐름을 응축함으로써 (29; 8에서) 기화되고; 이 응축된 2차 유체는 제2 저장 탱크(11)에 2차 액체의 형태로 저장되며; 이 2차 액체의 제어된 흐름이 증류 장치로 이송되는 것인 기체 생산 방법에 있어서,
    생산될 기체의 보조 흐름이 생산 압력보다 높은 고압으로 기체 형태로 이송되며, 그러한 고압하에서 보조 탱크(15)에 저장되며, 상기 기체의 수요가 최대로 되는 중에, 과잉 기체의 적어도 일부는 (34에서) 생산 압력으로 팽창되어 이 보조 탱크로부터 흘러 나오는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기체는 산소인 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  3. 제1항에 있어서, 액체 형태의 보조 흐름은 상기 고압으로 (13에서) 압축되고, 압축된 보조 흐름은 보조 탱크(15)로 들어가기 전에 상기 고압에서 기화되는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 압축된 보조 흐름은 상기 2차 유체와의 열교환에 의해 기화되는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가변 흐름과 상기 보조 흐름은 단일 응축 압력으로 상기 2차 유체와의 열교환에 의하여 기화되는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 단일 응축 압력은, 적어도 상기 고압에서 2차 유체의 응축 온도가 상기 기체의 기화 온도보다 낮도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 응축 압력에서 상기 2차 유체의 응축 온도는 생산 압력에서의 상기 기체의 기화 온도와 공존하는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 액체의 일정 흐름이 증류 장치(5)로부터 흘러 나오고, 상기 2차 액체의 일정 흐름이 제2 저장 탱크(11)로부터 증류 장치로 보내지는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 통상의 작동 조건하에서, 보조 흐름은 상기 1차 액체의 흐름의 작은 비율을 점유하는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 흐름은 일정한 유량을 갖는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최대 수요는 예정값보다 큰 크기를 갖는 최대값(peak)인 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체의 예정된 과잉 유량에 이르기까지, 이 과잉 유량은 상기 가변 유량을 증가시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 기체 생산 방법.
  13. 공기로부터 기체를 가변 유량으로 생산하는 기체 생산 장치로서,
    공기 증류 장치(5)와;
    상기 증류 장치로부터 나오는 제품과의 열교환에 의해, 증류될 공기를 냉각시키는 열교환기(3)와;
    상기 기체를 1차 액체의 형태로 저장하는 제1 저장 탱크(10)와;
    상기 제1 저장 탱크로부터 상기 1차 액체의 가변 흐름을 유출시키고, 이를 기체 형태로 생산 압력으로 이송하는 1차 수단(12, 29; 12, 8, 29)으로서, 2차 유체의 상응하는 가변 흐름을 2차 액체 형태로 응축함으로써 상기 가변 흐름을 기화하는 2차 수단(29; 8)을 구비하는 것인 1차 수단과;
    2차 액체를 저장하는 제2 저장 탱크(11)
    를 포함하는 기체 생산 장치에 있어서,
    생산 대상 기체의 보조 흐름을 생산 압력보다 높은 고압으로 기체 상태로 이송하고 이 보조 흐름을 보조 탱크(15)로 보내는 제3 수단(13, 30)과, 유량 조절 및 팽창 밸브(34)가 설치되고 상기 보조 탱크를 장치의 생산 라인(16)에 연결하는 라인(33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 생산 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제3 수단(13, 30)은 상기 보조 흐름을 액체 형태로 압축하는 펌프(13)와 이 압축된 보조 흐름을 기화하는 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 생산 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 펌프(13)는 제1 저장 탱크(10)에 연결되는 것을 특징으로 하는 기체 생산 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 가변 흐름 및 보조 흐름과의 열교환에 의해 상기 2차 유체를 단일 응축 압력으로 이송하는 단일의 부스터(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 생산 장치.
  17. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증류 장치(5)로부터 상기 1차 액체의 일정 흐름을 유출시키도록 설계된 유출 수단(drawing-off means; 28)과 상기 2차 액체의 일정 흐름을 제2 저장 탱크(11)로부터 증류 장치로 보내기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 생산 장치.
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