KR100528570B1 - 액체 산소를 증발시키는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액체 산소를 증발시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 정상 작동에서
- 액체 산소를 주 증발기(3)으로 도입시켜 부분적으로 증발시키고,
- 제 1 플러싱 스트림(5)를 액체 상태로 주 증발기(3)으로부터 배출시키고,
- 제 1 플러싱 스트림(5)를 보조 증발기(6)에서 부분적으로 증발시키고,
- 제 2 플러싱 스트림(7)을 액체 상태로 보조 증발기(6)으로부터 배출시키며,
이러한 공정에서 정상 작동은 가열 작동에 의해 중단되며, 가열 작동에서
- 주 증발기(3)에서 보조 증발기(6)으로 이동하는 액체가 전혀 없으며,
- 보조 증발기(6)은 정상 작동에서의 온도보다 현저히 높은 온도가 된다.

Description

액체 산소를 증발시키는 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR EVAPORATING LIQUID OXYGEN}
본 발명은 액체 산소를 증발시키는 방법 및 공기의 저온 분별 증류에 의해 산소를 생성시키는 공정에서의 상기 방법의 용도에 관한 것이다.
본원에서, 산소는 공기 중 산소 함량이 다량, 예를 들어 70% 이상, 바람직하게는 98% 이상인 혼합물을 의미하는 것으로 이해해야 한다. (본원에서, 모든 비율은 다르게 명시하지 않는 한, 몰량에 대한 것이다.) 이는 특히, 순수한 산소를 포함하며, 또한 공업용 순수 산소 및 순도가 99.99% 이상인 고순도의 산소를 포함한다. 본원에서는, 존재하는 액체 산소를 사용하기 전에, 주 증발기에서 열 운반체와의 간접 열 교환에 의해 액체 산소를 증발시킴으로써 기체형태로 전환시키는 것이 필요하다.
이러한 유형의 증발은 특히 저온 정류에 의한 기체 산소의 생성에서 일어나며, 저온 정류에서 산소 생성물은 질소 및 아르곤보다 휘발성이 적기 때문에 정류 칼럼의 기부에서 액체 상태로 형성된다. 기체 형태의 생성물을 수득하고 정류 칼럼용 상승 증기를 발생시키기 위해서는, 액체 상태로 발생되는 산소 또한 주 증발기에서 증발되어야 한다. 여기에서 가장 널리 보급된 공정이 전형적인 린데 (Linde) 이중 칼럼 공정이며, 이 공정에서 주 증발기는 저압 칼럼의 기부에 배치되며, 압력 칼럼의 상부로부터 질소를 응축시킴으로써 작동된다 [참고문헌: Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik (low-temperature engineering), 2nd Edition, Section 4.1.2 on page 284]. 이러한 경우에 주 증발기는 응축기-증발기로서 작동되며, 종종 주 응축기로서 명명된다. 또한, 주 증발기는 순환 또는 강하막 증발기로서 작동되는 하나 이상의 열 교환 블록(block)에 의해 실행된다.
본 발명은 또한 주 증발기가 예를 들어, 공기를 이용하여 작동되는 그 밖의 이중 칼럼 공정에 관한 것이며, 또한 질소-산소 분리를 위한 3개 이상의 칼럼을 갖는 공정에 관한 것이다. 질소-산소 분리용 칼럼 또는 정류 칼럼의 아래쪽에, 그 밖의 공기 성분, 특히 불활성 기체를 생성하기 위한 장치가 예를 들어 아르곤 생성을 위해 연결될 수 있다.
액체 산소가 완전히 또는 사실상 완전히 증발되는 경우, 휘발성이 적은 불순물, 예를 들어 CO2 또는 N2O가 증발시키려는 산소 (또는 분별 증류시키려는 공기)중에 매우 낮은 농도로만 존재하더라도, 증발기에 축적될 수 있다. (그러나, 초기에 염려했던 아세틸렌은 흡착에 의한 예비 정제가 이루어지는 공기 분별 증류 플랜트에서 더 이상 문제가 되지 않았다.) 이들 휘발성이 적은 물질 중 일부, 예를 들어 CO2 및 N2O는 고형물로서 침전될 수 있고, 주 증발기에서 열 교환 통로의 차단을 피하도록 때때로 제거되어야 한다. 분리된 상기 고형물을 제거하기 위해서, 전체 플랜트는 작업이 중단되어야 한다. 대규모 공기 분별 증류 플랜트에서, 이것은 예를 들어 2 내지 5일의 작업 중단을 의미할 수 있다.
휘발성이 적은 성분의 축적을 감소시키기 위해서, 연속적으로 또는 단속적으로 주 증발기로부터 플러싱(flushing) 스트림 형태의 일부 액체를 배출하고 이 스트림을 폐기하는 것이 보편적이다. 이러한 플러싱 양과 함께, 액체 상태로 유지되는 산소중에 축적되는 휘발성이 적은 불순물이 또한 배출되어, 불순물의 농도는 주 증발기에서 제한될 수 있는 것이다. 흡착에 의한 예비 정제가 이루어지는 공기 분별 증류 플랜트에서, 플러싱 양은 보편적으로 증발기내로 도입되는 액체 산소의 총량의 0.02 내지 0.04% 이다. 이러한 정류의 공기 정제 업스트림을 위해, 가역 열 교환기(Revex) 또는 이전에 사용된 재생기 대신에 분자체 흡착기를 사용하였기 때문에, 이러한 유형의 산소 증발기(주 증발기)중에 휘발성이 적은 연소성 성분의 축적으로 인한 문제점은, 이러한 유형의 플러싱 스트림이 부가의 조치를 요하지 않으면서 탄화수소의 위험한 농도를 방지하기에 충분하게 되는 정도로 감소되었다 [참조문헌: Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik (low-temperature engineering), 2nd Edition, Section 4.5.1.5 on pages 312 and 313].US 2664719호에는 액체 산소가 주 증발기로부터 플러싱 라인이 있는 보조 증발기내로 도입되는 유형의 공정이 도입부에 기술되어 있다.
본 발명의 목적은 액체 산소를 증발시키기 위한 주 증발기의 이용률을 증가시키는 것에 관한 것이며, 특히 가능한한 작업 중단을 방지하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제 1항의 특징에 의해 달성된다. 청구항 제 1항에서, 주 증발기로부터 배출되는 (제 1) 플러싱 스트림은 주 증발기와는 별도로 배치되는 보조 증발기내로 이동한다. 보조 증발기에서, 제 1 플러싱 스트림의 대부분은 증발되어 산소 생성물 또는 중간 산소 생성물로서 생성될 수 있다. 한편, 제 2 플러싱 스트림은 보조 증발기로부터 배출되어 폐기된다. (크립톤 및/또는 크세논이 액체 산소로부터 생성되는 특수한 경우에, 추가 후처리가 필요하다.) 제 1 플러싱 스트림은 주 증발기에서 보조 증발기로 연속적으로 이동하는 한편, 제 2 플러싱 스트림은 연속식 또는 배치식으로 배출될 수 있다.
본 발명에서, 비교적 다량의 액체는 제 1 플러싱 스트림으로서 주 증발기로부터 배출될 수 있어, 휘발성이 적은 성분 모두가 배출될 수 있고 이들의 농도는 주 증발기에서 낮게 유지될 수 있다. 특히, 고형물 침착이 주 증발기에서 전혀 일어나지 않는다. 그러나, 다량의 플러싱 액체는 완전히 소실되지 않는데, 그 이유는 제 1 플러싱 스트림의 일부가 보조 증발기에서 증발되어 기체 형태로 배출되기 때문이다. 보조 증발기로부터는, 단지 보편적인 플러싱 양이 주 증발기로 도입되는 액체 산소량의 0.02 내지 0.5%, 바람직하게는 0.02 내지 0.2%가 제 2 플러싱 스트림으로서 배출된다. (제 2 플러싱 스트림을 배치식으로 배출시키는 경우에, 비율은 시간 평균에 관한 것이다.) 제 1 플러싱 스트림의 나머지는 보조 증발기에서 증발되어 기체 산소 생성물로서 이용될 수 있다.
본 발명을 이용하므로써, 고형물 침착을 유도할 수 있는 휘발성이 적은 성분의 함량을 매우 낮게 유지하도록 집중적으로 주 증발기를 플러싱하는 것이 가능하다. 휘발성이 적은 성분은 보조 증발기로 완전히 이동하여, 제 2 플러싱 스트림을 통해 배출되고 가열 작동이 때때로 수행된다.
그러므로, 고형물 침착은 단지 보조 증발기에서만 일어나고, 주 증발기에서는 일어나지 않는다. 그러나, 보조 증발기는 가열에 의해 주 증발기보다 상당히 간단하게 고형물을 함유하지 않을 수 있다. 이를 위해, 정상 작동이 가열 작동에 의해 때때로 중단되고, 가열 작동에서 보조 증발기는 주 증발기로부터 분리되고, 주 증발기에서 보조 증발기로의 액체의 이동이 전혀 없다. 동시에, 보조 증발기는 정상 작동에서의 온도보다 현저히 높은 온도, 예를 들어 20K 이상, 바람직하게는 20 내지 50K가 된다. 주 증발기 및 이것이 설치되는 플랜트의 조작은 이러한 공정에서 중단될 필요가 없다. 주 증발기의 강해진 플러싱으로 인해, 주 증발기는 더 이상 가열되어 고형물을 제거할 필요가 없게 된다.
정상 작동에서 주 증발기로부터 배출되는 제 1 플러싱 스트림의 양은 주 증발기에 도입되는 액체 산소량의 1% 이상, 바람직하게는 3% 이상 및/또는 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하인 경우가 편리하다.
본 발명은 또한 청구항 제 3항에 따른 공기의 저온 분별 증류 방법, 특히 저온 분별 증류 방법에서 청구항 제 6항에 따른 상응하는 장치 및 예를 들어 분자체상에서의 흡착에 의한 공기 예비 정제가 이루어지는 플랜트에 이용하기 위한 청구항 제 1항 또는 청구항 제 2항에 따른 방법의 용도에 관한 것이다. 이러한 유형의 방법 및 플랜트는 대기중에 존재하는 산소, 질소 및/또는 다른 기체를 생성하는 작용을 한다.
또한, 본 발명은 청구항 제 4항 및 청구항 제 5항에 따른 액체 산소를 증발시키는 장치에 관한 것이다.
본 발명 및 본 발명의 다른 상세한 항목은 도면에 제시된 예시적인 구체예를 참조로 하여 하기에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 한 개의 블록으로 이루어진 주 증발기를 갖는 예시적인 제 1 구체예를 도시한 것이다.
도 2는 다수의 블록으로 이루어진 주 증발기를 갖는 예시적인 제 2 구체예를 도시한 것이다.
도 1은 공기의 저온 분별 증류를 위한 이중 칼럼의 한 단면, 즉 압력 칼럼(1)의 상부 및 저압 칼럼(2)의 하부를 도시한 것이다. 주 증발기(3)은 저압 칼럼(2)의 가장 낮은 물질 전달부로부터 흘러나오는 액체 산소를 증발시키는 작용을 한다. (가장 낮은 물질 전달부는 도면에서 플레이트(4)로 도시되어 있지만, 이것은 또한 배치된 패킹일 수 있다.) 기체 산소 생성물은 라인(9)를 통해 저압 칼럼으로부터 배출된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 주 증발기는 이중 칼럼 내부, 특히 저압 칼럼의 기부에 배치될 수 있다. 대안적으로, 주 증발기는 이중 칼럼 외부의 독립된 부재로서 수행될 수 있거나 이중 칼럼과 독립된 또 다른 부재, 예를 들어 DE 4332870 A1호 또는 DE 2055099 A호에 도시된 메탄 주입 칼럼내로 통합될 수 있다. 주 증발기(3)의 하부 영역에 배치된 라인(5)을 통해, 제 1 플러싱 스트림은 연속적으로 배출되고 보조 증발기(6)에 도입된다. 보조 증발기(6)의 하부 영역으로부터, 제 2 플러싱 스트림(7)이 연속적 또는 배치식으로 배출되는 한편, 증발 산소(8)은 저압 칼럼으로 복귀된다. 대안적으로, 상기 산소 증기(8)는 저압 칼럼에서 산소 생성물 라인(9) 또는 또 다른 장치, 예를 들어 DE 4332870 A1호 또는 DE 2055099 A호에 따른 메탄 주입 칼럼의 하부 영역내로 이동할 수 있다.
주 증발기의 간접 가열에 사용되는 열 운반체(10)는 압력 칼럼(1)의 상부로부터의 질소이다. 주 증발기에서 응축되는 질소(11)는 2개 칼럼 모두에서 환류로서 사용된다. 유사하게, 보조 증발기(6)는 열 운반체(12)로서 압력 칼럼으로부터의 질소 또는 공기를 이용하여 정상 작동에서 가열된다. 응축된 열 운반체는 라인(13)을 통해 배출되고 하나 이상의 정류 칼럼으로 공급된다.
일정한 간격, 예를 들어 3 내지 12개월, 바람직하게는 약 6개월의 간격으로, 제 1 플러싱 라인(5)에서 밸브(14)를 차단함으로써 정상 작동에서 가열 작동으로 전환된다. 열 운반체(12)의 공급이 또한 차단된다. 대신에, 약 300K에서의 열기가 라인(15)을 통해 보조 증발기(6)의 액화 구간으로 이동하고, 라인(16)을 통해 배출된다. 가열 단계는 중단, 엠프팅(emptying), 가열, 재냉각 및 시동을 포함하며, 예를 들어 10 내지 24시간, 바람직하게는 약 20시간 지속된다.
제 1 플러싱 스트림(5)이, 보조 증발기(6)내로 도입되기 전에, 예를 들어 흡착에 의해 휘발성이 적은 성분을 배출시키기 위한 장치(19)를 통해 이동하는 것은 유용하지만, 본 발명에서는 절대적으로 필요하지는 않다.
도 2의 예시적인 구체예는 다수의 블록 3a, 3b에 의해 형성되는 주 증발기에 있어서 도 1과는 상이하다. 블록 3a, 3b는 예를 들어 압력 칼럼(1)으로부터 기체 질소의 공급체(10)로서 작용하는 중심 튜브 주위에 동심원으로 배치되어 있다. 명백하게, 예시적 구체예에는 또한 휘발성이 적은 성분을 배출하기 위한 장치(도 1에서 19)가 또한 장착될 수 있다.

Claims (9)

  1. 액체 산소를 증발시키는 방법으로서, 정상 작동에서
    - 액체 산소를 주 증발기(3)로 도입시켜 부분적으로 증발시키고,
    - 제 1 플러싱 스트림(5)을 주 증발기(3)로부터 액체 상태로 배출시키고,
    - 제 1 플러싱 스트림(5)을 보조 증발기(6)에서 부분적으로 증발시키고,
    - 제 2 플러싱 스트림(7)을 보조 증발기(6)로부터 액체 상태로 배출시키며,
    이러한 공정에서 정상 작동은 가열 작동에 의해 중단되며, 가열 작동에서
    - 주 증발기(3)에서 보조 증발기(6)로 이동하는 액체가 전혀 없으며,
    - 보조 증발기(6)가 정상 작동에서의 온도보다 현저하게 높은 온도가 됨을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 정상 작동에서, 주 증발기(3)로부터 배출되는 제 1 플러싱 스트림(5)의 양이 주 증발기(3)내로 도입되는 액체 산소 양의 1% 내지 10%임을 특징으로 하는 방법.
  3. 압력 칼럼(1) 및 저압 칼럼(2)를 구비하는 정류 시스템에서 공기의 저온 분별 증류에 의해 산소를 생성하는 방법으로서, 저압 칼럼(2)로부터 액체 산소가 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법에 따라 증발되고, 주 증발기(3) 및 보조 증발기(6)에서 형성된 증기의 일부 또는 전체가 저압 칼럼(2)으로 도입되거나, 기체 산소 생성물(9)로서 배출되거나, 이것이 동시에 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  4. - 주 증발기(3),
    - 보조 증발기(6),
    - 주 증발기내로 액체 산소를 도입시키기 위한 수단,
    - 주 증발기(3)로부터 제 1 액체 플러싱 스트림을 배출시키고 보조 증발기(6)내로 제 1 액체 플러싱 스트림을 도입시키기 위한 제 1 플러싱 라인(5),
    - 보조 증발기(6)로부터 제 2 액체 플러싱 스트림을 배출시키기 위한 제 2 플러싱 라인(7),
    - 보조 증발기로부터 증기를 배출시키기 위한 기체 생성물 라인(8),
    - 보조 증발기(6)를 정상 작동에서의 온도보다 현저하게 높은 온도로 가열시키기 위한 가열 장치(15, 16), 및
    - 제 1 액체 플러싱 스트림이 보조 증발기(6)로 도입되는 것을 중단시키기 위한 수단(14)를 구비한 액체 산소 증발 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 정상 작동에서, 제 1 플러싱 스트림(5)의 양을 주 증발기(3)내로 도입되는 액체 산소 양의 1% 내지 10%로 조정하기 위한 조절 장치를 구비함을 특징으로 하는 장치.
  6. 압력 칼럼(1) 및 저압 칼럼(2)이 있는 정류 시스템, 및 제 4항 또는 제 5항에 따른 장치를 구비한, 공기의 저온 분별 증류에 의해 산소를 생성하기 위한 장치로서, 주 증발기(3)내에 액체 산소를 도입시키기 위한 수단이 저압 칼럼(2)에 연결되어 있으며, 주 증발기(3), 보조 증발기(6) 또는 이둘 모두로부터 기체 산소 생성물을 배출하기 위한 산소 생성물 라인(9, 8)을 구비함을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 공기의 저온 분별 증류에 의해 산소를 생성하기 위한 장치가 저압 칼럼(2)에 연결되어 있거나 저압 칼럼에 연결된 생성물 라인(9)에 연결되어 있는 보조 증발기(6)로부터 증기를 배출하기 위한 기체 생성물 라인(8)을 구비함을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 2항에 있어서, 정상 작동에서, 주 증발기(3)로부터 배출되는 제 1 플러싱 스트림(5)의 양이 주 증발기(3)내로 도입되는 액체 산소 양의 3% 내지 5%임을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 5항에 있어서, 조절 장치가 정상 작동에서 제 1 플러싱 스트림(5)의 양을 주 증발기(3)내로 도입되는 액체 산소 양의 3% 내지 5%로 조정함을 특징으로 하는 장치.
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