KR101566567B1 - 극저온 가변 액체 생성 방법 - Google Patents

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Abstract

선택적으로 변하는 생성율로 액체 생성물 스트림, 예컨대 액체 질소 생성물 스트림을 제조하는 방법이다. 이러한 가변성은 가변 속도 터보팽창기에 의해 생성되는 배출 스트림의 압력을 실질적으로 증가시키지 않고도 높은 액체 생성율이 요망되는 기간 동안에 공급 스트림의 압력 및 유량을 증가시킴으로써 폐기 팽창 또는 공기 팽창 공정에서 생성된다. 이는 터보팽창기의 팽창율 및 이에 따라 공급되는 냉각을 증가시켜 액체 생성을 증가시킨다. 동시에, 유량의 증가는 가변 속도 터보팽창기의 성능 저하를 방지한다.

Description

극저온 가변 액체 생성 방법{CRYOGENIC VARIABLE LIQUID PRODUCTION METHOD}
본 발명은 극저온 정류 공정을 위한 냉각을 발생시키는데 이용되는 가변 속도 터보팽창기(turboexpander)의 팽창율을 조정함으로써 액체 생성이 변화되는 증류 컬럼을 이용하는 극저온 정류 공정에서 액체 생성물을 생성하는 방법에 관한 것이다.
질소는 극저온 정류 공정과 관련하여 사용되는 증류 컬럼 내에서 질소 및 산소 함유 기체, 통상적으로 공기를 정류함으로써 생성된다. 이러한 공정에서 산소 및 질소를 함유한 공급 스트림은 정제 유닛 내에서 압축되고 정제된다. 그런 다음 압축 및 정제된 스트림은 주 열교환기 내에서 냉각되어 증류 컬럼의 하부 근처로 도입된다.
증류 컬럼 내에서의 공급 스트림의 정류는 질소 농후 컬럼 오버헤드 및 산소 농후 컬럼 하부를 생성한다. 질소 농후 증기 오버헤드의 일부는, 산소 농후 컬럼 하부의 스트림과의 간접 열교환을 통해 증류 컬럼과 작동식으로 연계된 열교환기 내에서 응축된다. 이러한 응축은 질소 농후 액체 스트림을 생성한다. 이러한 스트림의 일부는 환류(reflux)로서 컬럼으로 복귀하며 다른 일부는 질소 농후 액체 생성물 스트림으로 취할 수 있다. 추가적으로, 질소 농후 증기의 다른 일부는 추가적인 증류 컬럼에서 추가로 정제될 수 있거나 생성물로서 직접 취하고 정류에 적합한 온도로 공급 스트림의 냉각을 보조하기 위해 주 열교환기에서 완전히 데워질 수 있다.
극저온 정류 공정은 주위 열 누설을 상쇄(offset)하고 열교환기 작동을 유지하며 액체 생성물을 생성하기 위해 냉각되어야 한다. 통상적으로 질소 플랜트에서, 질소 농후 증기를 응축시키는데 사용되는 열교환기 내에서 산소 농후 액체 컬럼 하부의 스트림의 부분 기화에 의해 생성되는 산소 농후 증기의 스트림은 부분적으로 데워지며, 이후 전기를 생성하는데 사용될 수 있는 축일(shaft work)을 발생시키는데 사용될 수 있는 터보팽창기에서 팽창된다. 터보팽창은 공정에 냉각을 부여하기 위해 주 열교환기 내에서 실질적으로 데워진 배출 스트림을 생성한다. 별법으로, 공기 팽창은 공급 공기 스트림이 기저 부하(base load) 압축기 및 임의로 별도의 부스터(booster) 공기 압축기에서 압축되는 경우 사용될 수 있다. 이후, 공급 공기 스트림은 주 열교환기 내에서 부분 냉각되며, 공기의 일부 또는 전부가 터보팽창기로 도입된다. 이러한 경우, 터보팽창기로부터 증류 컬럼으로 배출 스트림이 도입됨으로써 냉각이 부여된다. 압축된 공급 공기 스트림의 다른 일부는 주 열교환기 내에서 완전히 액화되며, 또한 증류 컬럼의 하부에 더 가깝게 도입될 수 있다.
많은 경우에, 백업(back up)용 및 시판용 모두에 있어 가변량의 액화 질소를 생성하는 것이 바람직하다. 추가적으로, "실시간" 전력 요금제의 보급 증가는 극저온 정류 플랜트에 유연성 증가의 도입을 촉진하고 있다. 추가적으로, 액체 생성은 종종 기상 생성물 유동이 설계 속도 또는 그 근처에 있는 동안 수행되어야 한다. 가변량의 액체 생성물을 생성하기 위해 냉각 생성이 변화되어야 한다.
미국 특허 제3,492,828호는 생성물 질소 스트림의 일부가 부스터 압축기에 연결된 팽창기에서 압축되고 저온 박스로 재순환되는 공정을 개시한다. 가변량의 질소가 저온 박스 및 터빈으로 재순환되어 냉각 및 그에 따른 액체 생성을 변화시킬 수 있다. 이러한 변형의 단점은 예컨대, 통로가 추가될 필요성에 의해 열교환기 네트워크를 복잡하게 하고 팽창 유량의 증가가 높은 터보팽창 효율을 유지하기 더 어렵게 한다는 것이다. 이와 관련하여, 반경방향 유입 터빈 효율은 부피 유량의 비율 및 단열 헤드의 제곱근과 관련될 수 있다. 일반적으로, 유량만 증가시키는 것은 터빈 효율에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
액체 질소 생성을 변화시키는 방법이 미국 특허 제4,566,887호에 개시되어 있다. 상기 특허에서는, 질소 농후 증기 컬럼 오버헤드를 응축시킴으로써 생성되는 산소 농후 증기를 팽창시키는데 사용되는 터보팽창기로도 공급 공기의 일부를 주기적으로 재안내하기 위해 우회 라인이 사용된다. 산소 농후 증기의 스트림은 또한 별도의 팽창기로 도입될 수 있다. 이러한 방식으로, 보다 우수한 냉각이 이루어져 보다 많은 액체 질소 생성물을 생성하게 한다. 이러한 방법의 문제점은, 공급 공기의 일부가 컬럼으로부터 멀리 재안내되기 때문에, 이러한 재안내 중에 기상 질소 생성의 급격한 감소가 있을 수 있다는 것이다.
논의할 바와 같이, 본 발명은 가변 속도 터보팽창기로의 유량을 변화시킴으로써 터보팽창기 효율을 본질적으로 일정하게 유지하면서 냉각 및 이에 따른 액체 생성물의 생성을 조정하도록 가변 속도 터보팽창기의 팽창율이 변화되는 방법으로 액체 생성물을 생성하는 방법에 관한 것이다. 다른 장점들 중에서, 본 발명은 생성물 슬레이트(slate)의 생성, 예컨대 액체 및 증기 생성물 모두의 생성에 있어 종래 기술보다 큰 가변성을 갖게 한다.
본 발명은 선택적으로 변화하는 생성율로 액체 생성물 스트림을 생성하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에 따라, 증류 컬럼을 사용하여 압축, 정제 및 냉각된 산소 및 질소를 포함하는 공급 스트림으로부터 질소를 분리하는 극저온 정류 공정의 결과로서 액체 생성물 스트림이 생성된다.
본 발명의 일 태양에서, 극저온 정류 공정은 산소 농후 증기 스트림이 공급 스트림을 냉각시키는데 사용되는 주 열교환기 내에서 부분적으로 데워지는 냉각 사이클을 이용한다. 산소 농후 증기 스트림은 증류 컬럼에 대한 환류의 발생으로부터 생성된다. 적어도 일부의 산소 농후 증기 스트림은 가변 속도 터보팽창기 내에서 팽창하여 공급 스트림을 냉각시키기 위해 극저온 정류 공정 내에서 또한 사용된 주 열교환기 내에서 완전히 데워지는 배출 스트림을 생성한다.
액체 생성물 스트림의 생성율은 공급 스트림의 공급 스트림 압력을 변화시킴으로써 선택적으로 변화되어, 공급 스트림 압력의 증가가 가변 속도 터보팽창기의 팽창율 및 결과적으로 극저온 정류 공정에 부여되는 냉각을 증가시키고 이에 따라 액체 스트림의 생성율을 증가시키고, 공급 스트림 압력의 감소가 가변 속도 터보팽창기의 팽창율 및 결과적으로 극저온 정류 공정에 부여되는 냉각을 감소시키고 이에 따라 액체 스트림의 생성율을 감소시킨다. 공급 스트림의 유량은 공급 스트림 압력의 증가 중에 증가되고, 공급 스트림 압력의 감소 중에 감소되어, 가변 속도 터보팽창기의 효율은 실질적으로 일정하게 유지된다.
액체 생성물 스트림의 낮은 생성율 동안, 공급 스트림을 압축하기 위해 제1 압축기가 사용될 수 있으며, 액체 생성물의 높은 생성율 동안, 제1 압축기를 통한 공급 스트림의 유량이 증가된다. 공급 스트림은 제1 압축기로부터 공급 스트림 압력을 증가시키도록 구성된 제2 압축기로 바로 공급된다.
본 발명의 다른 태양에서, 극저온 정류 공정은, 공급 스트림의 냉각을 위해 극저온 정류 공정에서 사용되는 주 열교환기 내에서 공급 스트림의 적어도 일부가 부분적으로 냉각되는 냉각 사이클을 사용한다. 적어도 일부의 공급 스트림은 가변 속도 터보팽창기에서 팽창되어, 증류 컬럼으로 도입되는 배출 스트림을 생성한다.
본 발명의 상기 태양에서, 액체 생성물 스트림의 생성율은 공급 스트림의 공급 스트림 압력을 변화시킴으로써 변화되어, 공급 스트림 압력의 증가는 가변 속도 터보팽창기의 팽창율 및 결과적으로 극저온 정류 공정에 부여되는 냉각을 증가시키고 이에 따라 액체 생성물 스트림의 생성율을 증가시키며, 공급 스트림 압력의 감소는 가변 속도 터보팽창기의 팽창율 및 결과적으로 극저온 정류 공정에 부여되는 냉각을 감소시키고 이에 따라 액체 생성물 스트림의 생성율을 감소시킨다. 공급 스트림의 유량은 공급 스트림 압력의 증가 중에 증가되고, 공급 스트림 압력의 감소 중에 감소되어, 가변 속도 터보팽창기의 효율은 실질적으로 일정하게 유지된다.
공급 스트림 압력 및 유량의 변화는, 액체 생성물 스트림의 낮은 생성율 동안 공급 스트림이 기저 부하 압축기로 압축되고 가변 속도 터보팽창기에 결합된 부스터 압축기에서 추가 압축되도록 수행될 수 있다. 부스터 압축기는 가변 속도 압축기이며, 액체 생성물 스트림의 높은 생성율 동안 가변 속도 터보팽창기의 속도 및 이에 따른 부스터 압축기의 속도 및 공급 스트림 압력을 증가시키도록 기저 부하 압축기를 통한 공급 스트림의 유량이 증가된다.
본 발명의 각 태양에서, 가변 속도 터보팽창기를 가변 속도 발전기(generator)에 결합시킴으로써 팽창 일이 소산될 수 있다. 또한, 액체 생성물 스트림은 또한 증류 컬럼에 대한 환류의 발생과 관련하여 생성되는 질소 농후 액체 스트림의 일부일 수 있다. 이와 관련하여, 증류 컬럼에 대한 환류는, 증류 컬럼의 액체 산소 농후 컬럼 하부의 스트림과의 간접 열교환을 통해 증류 컬럼의 질소 농후 증기 컬럼 오버헤드의 일부를 응축시킴으로써 발생되어, 산소 농후 액체 컬럼 하부의 스트림을 부분적으로 기화시켜 잔류 산소 농후 액체 및 산소 농후 증기 스트림을 생성한다. 질소 농후 증기 컬럼 오버헤드의 다른 일부는 질소 증기 생성물 스트림으로 배출된다.
산소 농후 증기 스트림이 부분적으로 데워진 이후에 터보팽창되는 본 발명의 방법에서, 산소 농후 액체 컬럼 하부의 스트림은 산소 농후 증기 및 생성물 질소 스트림과의 간접 열교환을 통해 아냉각(subcool)될 수 있으며, 이후 질소 농후 증기의 일부와의 간접 열교환 이전에 밸브에 의해 팽창될 수 있다. 그런 다음, 산소 농후 증기 및 생성물 질소 스트림이 주 열교환기 내로 도입된다. 주 열교환기 내에서 산소 농후 증기 스트림은 부분적으로 데워지고 질소 증기 생성물 스트림은 완전히 데워진다.
공급 스트림의 일부가 팽창되는 본 발명의 태양에 따른 방법에서, 산소 농후 액체의 스트림은 산소 농후 증기 스트림 및 질소 생성물 스트림과의 간접 열교환을 통해 아냉각되며, 이후 질소 농후 증기 컬럼 오버헤드의 일부와의 간접 열교환 이전에 팽창 밸브에 의해 팽창된다. 산소 농후 액체 스트림의 아냉각을 수반하는 간접 열교환 이후에 산소 농후 증기 스트림 및 질소 생성물 스트림은 주 열교환기 내에서 완전히 데워진다. 본 발명의 이러한 태양에서, 공급 스트림의 일부는 터보팽창기 내에서 부분적으로 냉각 및 팽창되며, 공급 스트림의 다른 일부는 완전히 냉각 및 액화되어 액체 공급 스트림을 생성한다. 액체 공급 스트림은 증류 컬럼 내로 도입된다.
본원 및 특허청구범위에 사용된 용어 "가변 속도 터보팽창기"는 가변 속도로 동작하도록 설계되고, 본질적으로 일정한 회전 속도를 필요로 하는 방식으로 팽창 일이 소산되는 장치에 결합되지 않는 터보팽창기를 의미한다는 것을 알 수 있다. 이러한 장치의 예는 가변 속도 발전기 및 직접 결합식 부스터 압축 휠이다. 이해할 수 있듯이, 가변 속도 터보팽창기에 결합된 가변 속도 발전기는 본 발명과 관련하여 사용될 때 특히 유익한 조합이다. 이와 관련하여, 용어 "가변 속도 발전기"는 일정한 주파수의 전기 출력을 유지하면서 가변 속도로 회전할 수 있는 발전기를 의미한다.
본 발명에서, 가변 속도 터보팽창기가 사용된다. 가변 속도 팽창기는 종래 기술에 비해 매우 광범위한 속도 범위를 가지며, 따라서 2.5 내지 7.0 또는 그 이상의 범위의 팽창율을 수용할 수 있다. 종래의 고정 속도 터보팽창기는 이 범위의 일부만을 수용할 것이다. 이와 관련하여, 본원 및 특허청구범위에 사용된 용어 "팽창율"은 터보팽창기의 입구 압력과 배출 압력 간의 비율을 의미한다.
보다 큰 팽창율 범위의 가변 속도 팽창기는 생성물 슬레이트를 폭넓게 변화시키는데 이용될 수 있다. 예컨대, 완전 액체 생성 모드에서 종래 기술의 장치보다 많은 액체를 생성하는데 사용될 수 있다. 추가적으로, 소비자의 요구에 부합하도록 기상 생성율을 조정함과 동시에 기상 및 액체 질소 생성물 모두를 생성하는데 유익하게 사용될 수 있다. 터보팽창기의 효율은 부피 유동을 단열 헤드의 제곱근으로 나눈 함수이다. 본 발명에 따른 가변 속도 터보팽창기에 수반되는 유량의 증가는 그 효율이 유지되게 하며, 따라서 본 발명에 의해 고려되는 가변 생성 슬레이트가 실행될 수 있게 한다.
본 발명은 출원인이 발명으로 간주하는 대상을 명백히 언급하는 특허청구범위로 결론을 짓지만, 본 발명은 첨부된 도면과 연계하여 고려될 때 더 잘 이해될 것으로 여겨진다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하는데 사용되는 장치의 개략적인 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시양태를 실행하는데 이용되는 장치의 개략적인 공정 흐름도이다.
도면에서 공통의 설명을 공유하는 요소에 대해서는 동일한 참조 번호가 사용되었다.
도 1을 참조하면, 공급 스트림(10), 예컨대 공기 내에 함유된 질소를 산소로부터 분리하는 극저온 정류 공정을 수행하기 위한 공기 분리 플랜트(1)가 도시된다.
이러한 분리는 질소 농후 액체 생성물 스트림(12) 또는 산소 농후 액체 생성물 스트림(14) 또는 그러한 생성물 스트림 모두일 수 있는 액체 생성물 스트림을 생성한다. 질소 농후 액체 생성물 스트림(12) 또는 산소 농후 액체 생성물 스트림(14) 또는 둘 모두의 액체 생성율은 이하 설명된 방식에 따라 선택적으로 변화될 수 있다. 산소 농후 액체 생성물 스트림(14)은 분리의 결과로 생성되는 한 "생성물"임을 주지한다. 이러한 스트림은 드레인으로 보내지고, 기화 및 통기되거나, 산소 농후 생성물로서 이용되거나, 스트림 내에 존재할 수 있는 크립톤 및 크세논 성분을 농축하기 위해 추가 처리될 수 있다.
액체 생성물의 낮은 생성율 동안, 공급 스트림(10)은 압축기(16) 내에서 단독으로 압축된다. 이를 위해, 밸브(18)가 개방 위치로 설정되고 밸브(20, 22)가 폐쇄 위치로 설정된다. 액체 생성물 또는 생성물들의 높은 생성율이 필요한 기간 동안 밸브(18)는 폐쇄되고 밸브(20, 22)가 개방되어 공급 스트림(10)이 압축기(24) 내에서 더 높은 압력으로 추가 압축된다. 높은 액체 생성의 기간 동안 압축기(16)를 통한 유량이 증가되어 공급 스트림(10)의 유량을 증가시킨다. 압축기(16)는 그의 압력 출력이 높은 액체 생성 수준 및 낮은 액체 생성 수준 모두의 경우에서 일정하게 유지되도록 작동될 수 있다. 이를 위해, 압축기(16)는 압축기(16)를 통한 공급 스트림(10)의 유량 조정을 가능케하는 입구 안내 베인(inlet guide vane)을 구비하여 설계된다. 별법으로, 공급 스트림(10)의 유량 및 압력을 증가시키도록 조정될 수 있는 가변 속도 압축기를 이용하는 것이 가능하다.
이후, 높은 액체 생성 수준 또는 낮은 액체 생성 수준에서 압축된 공급 스트림은 예비정제 유닛(26)으로 공급된다. 예비정제 유닛(26)은 통상, 수분 및 다른 고비등 불순물이 흡착되는 온도 또는 압력 가변 흡착 사이클에 따라 작동하는 알루미나 및/또는 분자체의 층(bed)을 함유한다. 하나의 층이 작동중이면 다른 층은 재생된다.
그 결과 압축 및 정제된 공급 스트림(28)은 이후 주 열교환기(30) 내에서 정류에 적합한 온도로 냉각된 다음, 스트림(32)으로서 약 5 내지 약 12 바에서 작동할 수 있는 증류 컬럼(34)으로 도입된다. 주 열교환기(30)는 통상, 핀(fin)을 갖거나 함께 납땜(braze)된 판형 층이 간접 열교환으로 가열 및 냉각되는 다양한 스트림에 대한 통로를 형성하는 알루미늄 판-핀 구조를 갖는다. 본 기술분야에 주지된 바와 같이 복수의 열교환기가 사용될 수 있다.
증류 컬럼(34)은 분리될 혼합물의 증기 및 액상을 서로 친밀하게 접촉시켜 분리시키는데 사용되는 구조화 패킹(structured packing), 체 트레이(sieve tray), 랜덤 패킹(random packing) 등 일 수 있는, 일반적으로 참조번호 36으로 표시된 것과 같은 물질 전달 접촉 요소를 함유한다. 증류 컬럼(34) 내에서 발생하는 이러한 분리는 증류 컬럼(34)의 상부 영역(38) 내에 위치되는 질소 농후 증기 컬럼 오버헤드 및 증류 컬럼(34)의 하부 영역 내에 위치되는 산소 농후 액체 컬럼 하부(40)를 생성한다.
본 기술분야에 주지된 바와 같이, 증류 컬럼(34)으로의 스트림(32)의 도입은 물질 전달 접촉 요소(34) 내에서 하강 액상과 접촉하는 상승 기상을 생성한다. 하강하는 상은 증류 컬럼(34)에 연결된 쉘(44) 내에 함유될 수 있는 열교환기(42) 내에서 질소 농후 증기 컬럼 오버헤드의 일부를 응축시킴으로써 개시된다. 당업자에게 이해될 수 있듯이, 열교환기(42)는 별도의 쉘에 배치될 수 있다. 열교환기는 주 열교환기(30)와 유사한 방식으로 구성되거나 쉘 내에 튜브를 가질 수 있는 하향 유동 열교환기 또는 써모-사이폰(thermo-siphon)형 응축기 리보일러일 수 있다.
질소 농후 증기 컬럼 오버헤드로 구성된 질소 농후 증기 스트림(46)은 제1 부분(48) 및 질소 증기 생성물 스트림을 형성하는 제2 부분(50)으로 나뉜다. 질소 농후 스트림(46)의 제1 부분(48)은 열교환기(42) 내로 도입되고 응축되어 질소 농후 액체 스트림(52)을 형성한다. 질소 농후 액체 스트림(52)의 일부는 질소 농후 액체 생성물 스트림(12)으로 취하고 환류 스트림(54)은 증류 컬럼(34)의 상부 영역(38)으로 도입되어 컬럼을 환류시킨다. 산소 농후 액체 컬럼 하부(40)의 스트림(56)은 아냉각(subcooling) 유닛(58) 내에서 아냉각된 다음, 팽창 밸브(59) 내에서 팽창된다. 이후, 스트림(56)은 열교환기(42) 내로 도입되어 실질적으로 기화하여 산소 농후 증기 스트림(60) 및 잔류 산소 농후 액체(61)를 형성한다. 잔류 산소 농후 액체(61)는 부분 기화로 인하여 산소 농후 액체 컬럼 하부(40)로부터 형성된 스트림(56)보다 산소 농도가 높으며, 여기서 보다 가벼운 성분들은 산소 농후 증기 스트림(60)에 농축되는 경향을 가질 것이다. 산소 농후 액체 생성물 스트림(14)은 잔류 산소 농후 액체(61)로부터 형성될 수 있으며, 전술한 바와 같이 추가 처리 및 정제될 수 있다.
질소 농후 증기 스트림(46)의 제2 부분(50) 및 산소 농후 증기 스트림(60) 모두가 아냉각 유닛(58)을 통과하여 산소 농후 액체 컬럼 하부(40)의 스트림(56)을 아냉각시킨다. 이후 산소 농후 증기 스트림(60) 및 질소 농후 증기 스트림(46)의 제2 부분(50)은 주 열교환기(30)로 도입된다. 질소 농후 증기 스트림(46)의 제2 부분(50)은 주 열교환기(30) 내에서 완전히 데워진 후에 질소 증기 생성물 스트림(62)으로 배출된다. 이와 관련하여, 본원 및 특허청구범위에서 사용된 용어 "완전히 데워진"은 주 열교환기(30)의 온난 단부의 온도, 또는 주위 또는 주위 근처의 온도로 데워짐을 의미한다. 본원 및 특허청구범위에서 사용된 용어 "완전히 냉각된"은 주 열교환기(30)의 저온 단부의 온도로 냉각됨을 의미한다. 질소 증기 생성물 스트림(62)은 본 기술분야에 주지된 바와 같이 추가의 온난 단부 정제를 받거나 액화될 수 있다.
산소 농후 증기 스트림(60)은 주 열교환기(30) 내에서 부분적으로 데워진 다음, 가변 속도 터보팽창기(64) 내로 도입된다. 이에 대해 본원 및 특허청구범위에서 사용된 용어 "부분적으로 데워진" 또는 "부분적으로 냉각된"은 주 열교환기(30)의 온난 및 저온 단부의 온도 중간의 온도로 데워지거나 냉각됨을 각각 의미한다. 가변 속도 터보팽창기(64)는 그리드에 전기를 공급하거나 압축기(16, 24)에 전력을 공급하는데 사용될 수 있는 가변 속도 발전기(65)에 연결된다. 가변 속도 터보팽창기(64)는, 주 열교환기(30) 내에서 완전히 데워지고 예비정제 유닛(26) 내에서 흡착층을 재생시키는데 사용될 수 있는 폐기 스트림(68)으로 배출되는 배출 스트림(66)을 생성한다. 본 발명의 실시양태는 산소 농후 증기 스트림(60)의 일부만이 팽창되고 나머지 일부는 배출 스트림(66)과 조합되는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.
생성된 액체 생성물, 예컨대 질소 농후 액체 생성물 스트림(12)의 양은 극저온 정류 플랜트(1)에 가해지는 냉각의 정도에 의존할 것이다. 압축 및 정제된 공급 스트림(28)의 압력이 증가함에 따라 증류 컬럼(34)의 작동 압력이 증가하고, 산소 농후 액체 컬럼 하부(40)의 스트림(56)의 압력 및 그에 따른 산소 농후 증기 스트림(60)의 압력도 마찬가지이다. 주 열교환기(30)의 통로는 유한한 크기를 갖기 때문에, 통로의 크기는 유동 저항으로 작용하여 배출 스트림(66)의 압력은 실질적으로 일정하게 유지될 것이다. 그러나, 동시에, 산소 농후 증기 스트림(60)의 압력은 증가하기 때문에, 가변 속도 터보팽창기(64)의 팽창율은 증가하고 보다 많은 냉각이 가해질 것이다.
상기 나타낸 바와 같이, 가변 속도 터보팽창기(64)의 효율은 단열 헤드의 제곱근으로 나눈 산소 농후 증기 스트림(60)의 부피 유량의 함수이다. 그러나, 높은 액체 생성의 기간 동안, 전술한 바와 같이 압축 및 정제된 스트림(28)의 유량이 증가하기 때문에, 산소 농후 증기 스트림(60) 또한 유량이 증가할 것이다. 결과적으로, 가변 속도 터보팽창기(64)의 팽창율 증가는 유량의 증가와 함께 증가할 것이므로, 가변 속도 터보팽창기(64)의 효율은 본질적으로 일정한 수준으로 유지된다.
스트림(32)의 유동이 증가하기 때문에, 증류 컬럼(34) 내의 증기 속도 또한 증가할 것이다. 그러나, 압력의 증가가 또한 스트림(32)의 밀도를 증가시켜서 컬럼이 범람하게 되는 증기 속도를 증가시킬 것이라는 것은 종래 기술에서 인식하지 못하였다. 따라서, 그러한 조건 하에서도 약 10 % 내지 15 %의 범람에 대한 방법은 컬럼 작동의 설계 요소로서 유지될 수 있다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 이러한 설계 요소는 본 발명에 따른 증류 컬럼(34) 내에서 유량이 증가할 수 있는 양에 대한 제한을 제시할 것이다. 또한 이해할 수 있는 바와 같이, 특정 유량은 실제 컬럼 설계 및 크기에 의존할 것이다. 고려되는 다른 요소는 압력 및 그에 따른 스트림(56)의 온도가 증가하더라도, 증류 컬럼(34)의 작동 압력의 증가로 인해 질소 농후 증기 스트림(46)의 제1 부분(48)의 압력 및 온도 또한 증가한다는 것이다. 그 결과, 질소 농후 증기의 응축이 발생할 수 있다. 이 모두를 고려할 때, 증류 컬럼(34) 내에서 일어나는 증류 공정의 안정성이 보장되며, 당업자에게 주지된 수단에 의해 제어될 수 있다.
증류 컬럼(34) 내의 물질 유량이 증가하기 때문에, 질소 액체 생성물 스트림(12)의 보다 높은 생성율이 달성될 수 있으며, 질소 증기 생성물 스트림(62)을 형성하는데 사용되는 질소 농후 증기 스트림(46)의 제2 부분(50)의 생성율이 유지될 수 있다. 이는 공기 분리 플랜트(1)에 대한 계약상 요건을 어기게 되는 정도까지 증기 생성물의 생성이 감소하는 것을 방지하는데 중요하다. 전술한 바와 같이, 가능한 다른 액체만의 생성 슬레이트가 본 발명에 따라 실시될 수 있다. 예컨대, 산소 농후 액체 생성물 스트림(14)은 임의로 단독 생성물로서 또는 질소 농후 액체 생성물 스트림(14)과의 조합으로 생성될 수 있다.
당업자가 이해할 수 있듯이, 질소 증기 생성물 스트림(62)이 생성물로 취해지지만, 대안들이 있다. 공지된 하나의 대안에서, 질소 농후 증기 스트림(46)의 제2 부분(50)이 질소의 추가적인 처리 및 정제를 위해 추가의 증류 컬럼에도 도입될 수 있다. 또 다른 선택은 산소 농후 액체 컬럼 하부(40)의 스트림(56)의 일부를, 산소 농후 생성물 또는 추가 정제될 생성물로서 액체 생성물 스트림으로 취하는 것이다.
본 발명의 가능한 실시양태에서 아냉각 유닛(58)은 제거될 수 있다는 것을 추가로 알 수 있다. 이러한 경우, 산소 농후 액체의 스트림(56)은 밸브(59)에 의해 열교환기(42) 내로 도입된다. 별법으로, 아냉각 유닛(58)은 주 열교환기(30)와 조합될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해 사용되는 극저온 정류 공정을 수행하기 위한 공기 분리 플랜트(2)가 도시된다. 이러한 유형의 플랜트는 유입 공기 압력이 공정 냉각에 사용되는 공기 팽창 플랜트로 공지되어 있다. 이와 관련하여, 공급 스트림(10)은 압축기(70)에 의해 압축되고 예비정제 유닛(26)으로 도입되어 압축 및 정제된 공급 스트림(72)을 생성한다. 이후 압축 및 정제된 공급 스트림(72)은 부스터 압축기(74)로 도입된 다음, 주 열교환기(30')의 온난 단부 온도 내지 저온 단부 온도로 부분 냉각되어 부스터 압축기(74)에 기계식으로 결합된 가변 속도 터보팽창기(78)로 도입되는 스트림(76)을 생성한다. 이러한 팽창은 냉각을 부여하기 위해 증류 컬럼(34)으로 도입되는 배출 스트림(80)을 생성한다. 부스터 압축기(74) 내에서 압축된 이후 압축 및 정제된 공급 스트림(72)의 제2 부분은 주 열교환기(30') 내에서 완전히 냉각될 수 있으며, 실제로 액화되어 증류 컬럼(34')으로도 도입될 수 있는 액체 공기 스트림(82)을 생성할 수 있다. 그러나, 이는 임의적인 것이며, 부스터 압축기(74)에 의해 전체 압축 및 정제된 공급 스트림(72)은 가변 속도 터보팽창기(78)로 도입될 수 있다.
생성의 증가가 필요할 경우, 다시, 압축 및 정제된 공급 스트림(72)의 유량이 증가하도록 압축기(70)를 통한 유량이 증가할 것이다. 부스터 압축기(74) 및 가변 속도 터보팽창기(78)는 본 기술분야에 주지된 방식으로 설계되어 유량의 증가가 터보팽창기(78) 내에 더 큰 회전 속도를 야기할 것이다. 그 결과, 부스터 압축기(74)는 보다 낮은 액체 생성 하에서 이뤄지는 것보다 높은 압력으로 유동을 압축할 것이다. 이는, 다시, 가변 속도 터보팽창기(78)의 팽창율을 증가시켜, 액체 생성 또한 증가시킨다.
주 열교환기(30')가 오직 유한한 크기의 통로를 갖기 때문에 증류 컬럼(34) 또한 배압을 받으므로, 팽창율은 압력에 따라 증가한다. 따라서, 압력 증가는 증류 컬럼(34) 내의 압력을 증가시키지 않을 것이며, 배출 스트림(80)의 압력은 실질적으로 일정 수준으로 유지될 것이다. 산소 농후 증기 스트림은 팽창되지 않기 때문에 공기 분리 플랜트(1)와 관련하여 전술된 바와 같이 폐기 스트림(68)으로 단순히 배출된다는 것을 알 수 있다.
적어도 배출 스트림(80) 및 가능하게는 액체 공기 스트림(82)의 유량이 증가하기 때문에, 증류 컬럼(34) 내의 증기 속도 또한 증가할 것이다. 높은 액체 생성 수준 및 낮은 생성 수준 모두 중에, 증류 컬럼(34')은 본질적으로 일정한 압력에서 작동한다. 그 결과, 컬럼(34')은 아마 높은 액체 생성 모드 중에 일어나는 더 높은 증기 수송/공기 공급 유동을 수용하도록 더 큰 직경으로 설계될 것이다. 이는 물론 도 2에 도시된 실시양태에 관한 발명을 수행하는데 있어 비용이 추가됨을 나타낸다. 당업자가 이해할 수 있듯이, 컬럼(34')이 컬럼(34)보다 넓기 때문에 공기 분리 플랜트(1) 보다 공기 분리 플랜트(2)를 줄이는(turn down) 능력이 덜하다는 추가적인 단점이 있다.
이하의 실시예에서, 공기 분리 플랜트(1)의 작동은 두 가지 개별적인 작동 모드에서 시뮬레이션되었다. 높은 액체 작동 모드 및 낮은 액체 작동 모드에 대한 조건이 이하의 표에 요약되어 있다. 각각의 경우에, 공정은 질소 증기 생성물 스트림(62)의 동등한 유동을 이송한다. 공급 공기 스트림(10) 및 액체 질소 생성물 스트림(12)의 유량은 질소 증기 생성물 스트림(62)의 유량에 대한 비율로 표현된다. 압력은 바(bar)로 나타내었다. 시뮬레이션에서, 액체 산소 농후 생성물 스트림(14)은 생성되지 않았다.
[표]
Figure 112010030753463-pct00001
상기 표에서, 특유 속도는 Ns=RPM*V0.5/ΔH0.75, 특유 직경은 Ds=DΔH0.25/V0.5(여기서 D는 직경, RPM은 분당 회전수, ΔH는 등엔트로피 헤드, 및 V는 부피 유동임)이다. 이해할 수 있듯이, 각각의 작동 지점에 대한 특유 속도 및 직경은 매우 높은 터보팽창 효율(일반적으로 85 내지 90 %의 등엔트로피)을 나타낼 것이다. 따라서, 본 공정은 높은 액체 생성 모드 및 낮은 액체 생성 모드 모두에서 효과적으로 작동할 수 있다.
높은 액체 생성 수준 및 낮은 액체 생성 수준이 개별적인 두 상태인 본 발명에 따른 방법과 관련하여 공기 분리 플랜트(1) 및 공기 분리 플랜트(2) 모두가 논의되었지만, 본 발명의 실시양태는 가변 속도 압축 장비를 사용하여 중간 지점에서 가변 속도 터보팽창기에 공급되는 스트림(산소 농후 증기 스트림(60) 및 스트림(76))의 유량 및 압력을 변화시킴으로써 중간 수준의 액체 생성을 달성하는 것이 가능하다.
본 발명은 산소 생성물 및 질소 생성물 모두를 생성하기 위해 서로 열 전달 관계로 작동식으로 연계된 고압 컬럼 및 저압 컬럼을 구비한 2단계 정류에 적용가능하다. 본 발명은 또한 임의의 개수의 단일 컬럼 옵션에도 적용가능하다. 예로서, 증류 컬럼(34 또는 34')은 질소 회수를 더 증가시키기 위해 보조 리보일러를 사용할 수 있다. 이러한 구성에서, 공기 또는 질소의 추가적인 스트림은 더 고압으로 압축되고 리보일러 내에서 응축된다(따라서, 추가적인 컬럼 증기 유동을 제공함). 어떠한 옵션에도 공기 및 폐기 팽창 냉각을 적용하는 것이 공지되어 있다. 또한, 공정 회수를 개선하기 위해 다단계 응축기를 이용하여 질소 플랜트를 작동시키는 것도 공지되어 있다. 이와 관련한 옵션은 기화된 산소 농후 하부의 일부가 컬럼 시스템으로 다시 재순환하도록 설계된 재순환 압축기를 사용할 수 있다. 이러한 이유로, 산소 농후 증기 스트림(60)의 일부만이 가변 속도 팽창기(64 또는 78)로 실제 안내될 수 있다는 것을 인지하는 것이 중요하다.
본 발명은 양호한 실시양태를 참조하여 기술되었지만, 당업자가 인지하듯이 첨부된 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경, 추가 및 생략이 이뤄질 수 있다.

Claims (11)

  1. 압축, 정제 및 냉각된 이후, 증류 컬럼으로 도입되는, 질소 및 산소를 포함하는 공급 스트림으로부터 질소를 분리하기 위해 증류 컬럼을 사용하는 극저온 정류 공정의 결과로서 액체 생성물 스트림을 생성하는 것을 포함하고,
    극저온 정류 공정은, 공급 스트림을 냉각시키기 위해 극저온 정류 공정 내에 사용되는 주 열교환기 내에서, 증류 컬럼에 대한 환류의 발생으로 생성된 산소 농후 증기 스트림을 부분적으로 데우는 것, 가변 속도 터보팽창기 내에서 산소 농후 증기 스트림의 적어도 일부를 팽창시켜 배출 스트림을 생성하는 것, 및 주 열교환기 내에서 배출 스트림을 완전히 데우는 것을 포함하는 냉각 사이클을 이용하고;
    공급 스트림 압력의 증가는 증류 컬럼 내 압력 및 이에 따른 산소 농후 증기 스트림을 증가시키고, 이로 인해 가변 속도 터보팽창기의 팽창율, 극저온 정류 공정에 가해지는 냉각 및 결과적으로 액체 생성물 스트림의 생성율을 증가시키고, 공급 스트림 압력의 감소는 증류 컬럼 내 압력 및 이에 따른 산소 농후 증기 스트림을 감소시키고, 이로 인해 가변 속도 터보팽창기의 팽창율, 극저온 정류 공정에 가해지는 냉각 및 결과적으로 액체 생성물 스트림의 생성율을 감소시키도록, 공급 스트림의 공급 스트림 압력을 변화시킴으로써 액체 생성물 스트림의 생성율을 선택적으로 변화시키고;
    공급 스트림 압력을 증가시키는 동안 공급 스트림의 유량을 증가시키고 이로 인해 증가된 유량으로 산소 농후 증기 스트림을 생성하거나, 또는 공급 스트림 압력을 감소시키는 동안 공급 스트림의 유량을 감소시키고 이로 인해 감소된 유량으로 산소 농후 증기 스트림을 생성하여, 가변 속도 터보팽창기의 효율을 실질적으로 일정하게 유지하는 것인, 선택적으로 변하는 생성율로 액체 생성물 스트림을 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 가변 속도 터보팽창기를 가변 속도 발전기에 결합시킴으로써 팽창 일이 소산되는, 선택적으로 변하는 생성율로 액체 생성물 스트림을 생성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 액체 생성물 스트림의 낮은 생성율 동안 제1 압축기는 공급 스트림을 압축하며, 액체 생성물의 높은 생성율 동안 제1 압축기를 통한 공급 스트림의 유량이 증가되고 공급 스트림은 제1 압축기로부터 공급 스트림 압력을 증가시키도록 구성된 제2 압축기로 공급되는, 선택적으로 변하는 생성율로 액체 생성물 스트림을 생성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 액체 생성물 스트림은 증류 컬럼으로의 환류 생성과 관련하여 생성되는 질소 농후 액체 스트림의 일부인, 선택적으로 변하는 생성율로 액체 생성물 스트림을 생성하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    증류 컬럼에 대한 환류는 증류 컬럼의 액체 산소 농후 컬럼 하부의 스트림과의 간접 열교환을 통해 증류 컬럼의 질소 농후 증기 컬럼 오버헤드의 일부를 응축시킴으로써 발생되어, 이에 따라 산소 농후 액체 컬럼 하부의 스트림을 부분적으로 기화시켜 잔류 산소 농후 액체 및 산소 농후 증기 스트림을 생성하며;
    질소 농후 증기 컬럼 오버헤드의 다른 일부는 질소 증기 생성물 스트림으로 배출되며;
    산소 농후 액체 컬럼 하부의 스트림은 산소 농후 증기 스트림 및 질소 증기 생성물 스트림과의 간접 열교환을 통해 아냉각되고(subcooled), 이후 질소 농후 증기 컬럼 오버헤드의 일부와의 간접 열교환 이전에 팽창 밸브에 의해 팽창되며;
    산소 농후 액체의 스트림의 아냉각을 수반하는 간접 열교환 이후에 산소 농후 증기 스트림 및 질소 증기 생성물 스트림은 주 열교환기 내로 도입되어 산소 농후 증기 스트림을 부분적으로 데우고 질소 증기 생성물 스트림을 완전히 데우는, 선택적으로 변하는 생성율로 액체 생성물 스트림을 생성하는 방법.
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