KR102339234B1 - 공기 분리 유닛으로부터 네온, 헬륨, 제논, 및 크립톤과 같은 비-응축형 가스를 회수하는 시스템 및 방법 - Google Patents

공기 분리 유닛으로부터 네온, 헬륨, 제논, 및 크립톤과 같은 비-응축형 가스를 회수하는 시스템 및 방법 Download PDF

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비제이야라가반 에스. 차크라바르티
한페이 투오
마우릭 알. 쉘래트
제임스 알. 드래이
닉 제이. 드젠스테인
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

공기 분리 유닛으로부터 네온, 헬륨, 제논, 및 크립톤과 같은 희가스를 회수하는 시스템 및 방법이 제공된다. 희가스 회수 시스템은 보조 응축기-재비등기를 통해 제논-크립톤 칼럼과 열 전달 관계로 연결된 비-응축형 스트리핑 칼럼을 포함한다. 비-응축형 스트리핑 칼럼은 보조 응축기-재비등기로 인도되는 희가스 함유 오버헤드를 생성하며, 대부분의 네온은 약 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하고, 전체 네온 회수가 95%를 초과하는 미정제 네온 증기 스트림을 생성하도록 추가로 처리되는 비-응축형 배출 스트림 내에서 포획된다. 제논-크립톤 칼럼은 저압 칼럼으로부터의 액체 산소 및 비-응축형 스트리핑 칼럼으로부터의 희가스 함유 오버헤드의 두 스트림들을 추가로 수용하여 미정제 제논 및 크립톤 액체 스트림 및 산소-풍부 오버헤드를 생성한다.

Description

공기 분리 유닛으로부터 네온, 헬륨, 제논, 및 크립톤과 같은 비-응축형 가스를 회수하는 시스템 및 방법
본 발명은 공기 분리 플랜트로부터 네온, 헬륨, 제논, 및 크립톤과 같은 희가스들의 회수를 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 네온 및 기타 비-응축형 가스의 회수를 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보조 응축기-재비등기 및 제2 환류 응축기와 동작 연관되게 구성되는, 열적으로 연결된 비-응축형 스트리핑 칼럼 및 제논-크립톤 칼럼을 포함하며, 이들은 모두 공기 분리 유닛 내에 완전히 통합된다. 회수된 미정제 네온(crude neon) 증기 스트림은 약 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하며, 전체 네온 회수는 약 95% 초과이다. 또한 미정제 제논 및 크립톤 액체 스트림이 제논-크립톤 칼럼에서 생성된다.
극저온(cryogenic) 공기 분리 유닛(ASU)은 통상적으로 하나 이상의 최종-사용자 소비자들 및 옵션적으로 현지 또는 판매자 액체 생성물 시장 수요의 기초량(base-load) 생성물 슬레이트 수요/요건을 충족하도록 설계, 구성 및 작동된다. 생성물 슬레이트 요건들은 통상적으로 목표 부피의 고압 기체 산소뿐만 아니라, 기체 질소, 액체 산소, 액체 질소, 및/또는 액체 아르곤과 같은 기타 1차 연산물(co-product)들을 포함한다. 공기 분리 유닛은 통상적으로 통상적인 일간 주변 조건뿐만 아니라 이용가능한 유틸리티/전원 비용 및 조건을 포함하는 선택된 설계 조건들에 부분적으로 기초하여 설계 및 작동된다.
공기 중에 극소량 존재하지만, 네온, 제논, 크립톤 및 헬륨과 같은 희가스들은 목표한 희가스들을 함유하는 미정제 스트림을 생성하는 희가스 회수 시스템에 의해 극저온 공기 분리 유닛으로부터 추출될 수 있다. 공기 중에 희가스들의 농도가 낮기 때문에, 이러한 희가스 연산물들의 회수는 통상적으로 공기 분리 유닛의 생성물 슬레이트 요건들에 설계되지 않으며, 따라서 희가스 회수 시스템들은 종종 공기 분리 유닛에 통합되지 않는다.
예를 들어, 네온은 공기의 극저온 증류 동안 네온-함유 스트림을 극저온 공기 분리 유닛으로부터 단독형 네온 정화 트레인에 통과시킴으로써 회수될 수 있는데, 단독형 네온 정화 트레인은 미정제 네온 생성물을 생성하기 위한 비-응축형 스트리핑 칼럼 및 비-극저온 압력 스윙 흡착 시스템(예컨대 미국 특허 제5,100,446호 참조)을 포함할 수 있다. 미정제 네온 생성물은 이어서 네온 정제소로 전달되고, 여기서 미정제 네온 스트림은 헬륨 및 수소를 제거하여 정제된 네온 생성물을 생산하도록 처리된다. 예를 들어, 미국 특허 제5,100,446호에 개시된 네온 회수 시스템은 약 80%의 단지 보통의 네온 회수를 갖는데, 그 이유는 하류 네온 스트리핑 칼럼에 공급되는 네온 함유 스트림은 주 응축기-재비등기로부터의 비-응축형 배출 스트림으로부터의 것이기 때문이다.
게다가, 희가스 회수 시스템은 미국 특허 제5,167,125호 및 제7,299,656호에 도시된 바와 같이 공기 분리 유닛에 결합되거나 또는 부분적으로 통합된다. 희가스 회수 시스템들은 종종 공기의 다른 성분의 생성에 대하여 공기 분리 유닛의 설계 및 운용에 악영향을 미치는데, 그 이유는 미정제 네온 증기 스트림을 생성하기 위하여 공기 분리 유닛으로부터 비교적 큰 유량의 질소가 취해져야 하기 때문이다. 예를 들어, 미국 특허 제7,299,656호에 개시된 낮은 압력(즉 약 20 psia) 네온 회수 시스템은 미정제 네온 증기 스트림 내에서 단지 약 1300 ppm의 매우 낮은 네온 농도를 갖게 되어, 공기 분리 유닛으로부터 취해지는 미정제 네온 생성물은 저압 칼럼(lower pressure column)에 공급되는 거의 4%의 액체 질소 환류(liquid nitrogen reflux)만큼 높다. 저압 칼럼에서 액체 환류로서 다른 방식으로 사용될 수 있는 액체 유동의 이러한 상당한 손실은 다른 생성물 슬레이트들의 분리 및 회수에 악영향을 준다. 또한, 이렇게 낮은 네온 농도(즉 1333 ppm) 미정제 생성물은 최종 정제된 네온 생성물을 사용하기 위한 압축 동력 및 액체 질소 사용의 관점에서 더 높은 관련 운용 비용을 야기할 것이다. 또한 네온 회수 시스템을 개시한 미국특허 출원 공개 제2010/0221168호를 참조한다. 미정제 네온 증기 스트림 내의 네온의 농도는 또한 약 5.8%로 비교적 낮고, 회수 시스템은 저압 칼럼에 공급되는 액체 환류가 고압 칼럼의 중간 위치로부터 취해지는 더티 셸프 액체 인출(dirty shelf liquid withdraw)을 구비한 공기 분리 유닛에만 이용가능하다.
필요한 것은, 액체 질소 소비를 최소화하고 공기 분리 유닛 내의 아르곤 회수에 영향을 최소화하면서, 약 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하고 약 95% 초과의 전체 네온 회수를 보여주는 미정제 네온 증기 스트림을 생성할 수 있는 희가스 또는 비-응축형 가스 회수 시스템이다. 또한, 전술된 종래 기술의 네온 회수 시스템 중에는 용이하고 효과적으로 제논 및 크립톤을 공동생성할 수 있는 능력을 가진 것이 없기 때문에, 추가적인 수요는 전체 네온 회수가 약 95%를 초과하고, 상업적인 물량의 제논 및 크립톤을 생성하는 것 뿐만 아니라, 약 50% 몰 분율 초과의 네온 및 약 50% 몰 분율 초과의 헬륨을 함유하는 미정제 네온 증기 스트림을 공동생성할 수 있는 희가스 회수 시스템을 포함한다.
본 발명은 이중 칼럼 또는 삼중 칼럼 공기 분리 유닛을 위한 희가스 회수 시스템을 특징으로 할 수 있으며, 희가스 회수 시스템은: (i) 주 응축기-재비등기로부터 액체 질소 응축물 스트림의 일부분을 수용하고 고압 칼럼으로부터 질소 풍부 셸프 증기의 스트림을 수용하도록 구성된 비-응축형 스트리핑 칼럼 - 비-응축형 스트리핑 칼럼은 액체 질소 칼럼 저부 및 희가스 함유 오버헤드를 생성하도록 구성됨 -; (ii) 보조 응축기-재비등기를 통해 비-응축형 스트리핑 칼럼과 열 전달 관계로 연결된 제논-크립톤 칼럼 - 제논-크립톤 칼럼은 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로부터 펌핑된 액체 산소의 제1 스트림 및 보조 응축기-재비등기로부터의 산소 풍부 증기의 제1 증발된 스트림을 수용하도록 구성되고, 제논-크립톤 칼럼은 제논 및 크립톤 함유 칼럼 저부 및 산소-풍부 오버헤드를 생성하도록 구성됨 -; (iii) 비-응축형 스트리핑 칼럼으로부터의 희가스 함유 오버헤드 및 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로부터의 제2 액체 산소 스트림을 냉각 소스로서 수용하도록 구성된 보조 응축기-재비등기 - 보조 응축기-재비등기는 비-응축형 스트리핑 칼럼 안으로 방출 또는 비-응축형 스트리핑 칼럼으로 인도되는 응축물 환류 스트림, 제논-크립톤 칼럼 안으로 배출되는 산소 풍부 증기의 제1 증발된 스트림 및 비-응축형 함유 배출 스트림을 생성하도록 추가로 구성됨 -; (iv) 보조 응축기-재비등기로부터의 비-응축형 함유 배출 스트림 및 응축 매체를 수용하도록 구성된 환류 응축기 - 환류 응축기는 비-응축형 스트리핑 칼럼으로 인도되는 응축물, 약 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하는 미정제 네온 증기 스트림을 생성하도록 추가로 구성됨 -를 포함한다. 제논 및 크립톤 함유 칼럼 저부의 일부분이 미정제 제논 및 크립톤 액체 스트림으로서 취해진다. 또한, 액체 질소 칼럼 저부의 전부 또는 일부가 과냉각되어 과냉각된 액체 질소 스트림을 생성하고, 환류 응축기를 위한 응축 매체는 과냉각된 액체 질소 스트림의 일부분이다.
본 발명은 추가로 이중 칼럼 또는 삼중 칼럼 공기 분리 유닛으로부터의 희가스 회수 방법을 특징으로 할 수 있으며, 방법은: (a) 주 응축기-재비등기로부터의 액체 질소의 스트림 및 고압 칼럼으로부터의 질소 풍부 셸프 증기의 스트림을, 액체 질소 칼럼 저부 및 희가스 함유 오버헤드를 생성하도록 구성된 비-응축형 스트리핑 칼럼으로 인도하는 단계; (b) 액체 질소 칼럼 저부를 과냉각하여 과냉각된 액체 질소 스트림을 생성하는 단계; (c) 액체 산소를 기화 또는 부분적으로 기화하여 액체 산소의 기화 또는 부분 기화로부터 형성되는 제1 증발된 스트림을 생성하는 동안, 희가스 함유 오버헤드로부터의 질소를 보조 응축기-재비등기 내에서 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로부터의 액체 산소의 제1 스트림에 대하여 응축하여 응축물 및 비-응축형 함유 배출 스트림을 생성하는 단계; (d) 보조 응축기-재비등기를 통해 비-응축형 스트리핑 칼럼과 열 전달 관계로 연결된 제논-크립톤 칼럼으로 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로부터의 액체 산소의 제2 스트림을 펌핑하는 단계; (e) 보조 응축기-재비등기로부터의 제1 증발된 스트림을 제논-크립톤 칼럼 안으로 방출하는 단계; (f) 비-응축형 함유 배출 스트림 및 과냉각된 액체 질소 스트림의 제1 부분을 환류 응축기로 인도하는 단계 - 환류 응축기는 비-응축형 스트리핑 칼럼으로 인도되는 응축물 스트림, 과냉각된 액체 질소 스트림의 기화 또는 부분 기화로부터 형성되는 제2 증발된 스트림, 및 약 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하는 미정제 네온 증기 스트림을 생성하도록 구성됨 -; 및 (g) 제논 및 크립톤 함유 칼럼 저부의 일부분을 미정제 제논 및 크립톤 액체 스트림으로서 취하는 단계를 포함한다. 미정제 네온 증기 스트림은 또한 약 10% 몰 분율 초과의 헬륨을 함유할 수 있다.
제논-크립톤 칼럼을 이용하는 실시예들에서, 산소-풍부 오버헤드의 전부 또는 일부는 공기 분리 유닛의 저압 칼럼 또는 공기 분리 유닛의 주 열 교환 시스템으로 다시 인도될 수 있고, 여기서 기체 산소 생성물로서 처리 및 취해질 수 있다. 또한, 모든 또는 일부 개시된 실시예들에서의 과냉각된 액체 질소 환류 스트림들은 공기 분리 유닛의 저압 칼럼의 질소 칼럼 오버헤드와의 간접 열 교환을 통해 과냉각될 수 있다. 과냉각된 액체 질소 환류 스트림의 일부분을 환류 응축기 또는 네온 업그레이더로 인도하는 것에 추가하여, 과냉각된 액체 질소 환류 스트림의 다른 부분들은 환류 스트림으로서 저압 칼럼으로 인도되고/되거나 액체 질소 생성물 스트림으로서 취해질 수 있다.
본 발명은 본 발명자들이 그들의 발명으로 간주하는 발명의 요지를 명확하게 언급하는 청구범위로 결론을 맺지만, 본 발명이 첨부 도면과 관련하여 취해질 때 더 양호하게 이해될 것으로 여겨진다.
도 1은 본 비-응축형 가스 회수 시스템의 실시예를 구비한 극저온 공기 분리 유닛의 부분 개략도이다.
도 2는 도 1의 비-응축형 가스 회수 시스템의 더 상세한 개략도이다.
도 3은 비-응축형 가스 회수 시스템의 대안적인 실시예들을 구비한 극저온 공기 분리 유닛의 부분 개략도이다.
도 4는 도 3의 비-응축형 가스 회수 시스템의 실시예의 더 상세한 개략도이다.
도 5는 도 3의 비-응축형 가스 회수 시스템의 다른 실시예의 더 상세한 개략도이다.
도 6은 본 비-응축형 가스 회수 시스템의 더 추가적인 실시예를 구비한 극저온 공기 분리 유닛의 부분 개략도이다.
도 7은 도 6의 비-응축형 가스 회수 시스템의 더 상세한 개략도이다.
도 8은 도 6의 비-응축형 가스 회수 시스템의 더 상세한 개략도이다.
도 9는 희가스의 회수에 적합한 비-응축형 가스 회수 시스템의 실시예를 구비한 극저온 공기 분리 유닛의 부분 개략도이다.
도 10은 도 9의 비-응축형 가스 회수 시스템의 더 상세한 개략도이다.
도 11은 네온, 헬륨, 제논 및 크립톤의 회수에 적합한 비-응축형 가스 회수 시스템의 다른 실시예를 구비한 극저온 공기 분리 유닛의 부분 개략도이다.
도 12는 도 11의 비-응축형 가스 회수 시스템의 더 상세한 개략도이다.
이제 도 1, 도 3, 도 6, 도 9, 및 도 11을 참조하면, 또한 공통적으로 공기 분리 유닛(10)으로 지칭되는 극저온 공기 분리 플랜트의 단순화된 예시들이 도시되어 있다. 넓은 의미에서, 묘사된 공기 분리 유닛들은 주 공급 공기 압축 트레인(20), 터빈 공기 회로(30), 부스터 공기 회로(40), 주요 또는 1차 열 교환기 시스템(50), 터빈 기반 냉각 회로(60) 및 증류 칼럼 시스템(70)을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 주 공급 공기 압축 트레인, 옵션적인 터빈 공기 회로, 및 부스터 공기 회로는, 전체로서 '고온-단부(warm-end)' 공기 압축 회로를 포함한다. 유사하게, 주요 또는 1차 열 교환기, 터빈 기반 냉각 회로의 일부분들 및 증류 칼럼 시스템의 일부분들은 통상적으로 하나 이상의 단열된 저온 박스 내에 하우징되는 '저온-단부(cold-end)' 시스템들/장비로 지칭된다.
고온 단부 공기 압축 회로
도1, 도3, 도6, 도 9, 및 도 11에 도시된 주 공급물 압축 트레인에서, 유입 공급 공기(22)는 통상적으로 공기 흡입 필터 하우스(ASFH)를 통해 인입되고 다중 스테이지 중간냉각식(intercooled) 주 공기 압축기 장치(24)에서 약 5 bar(a) 내지 약 15 bar(a)일 수 있는 압력으로 압축된다. 이 주 공기 압축기 장치(24)는 직렬 또는 병렬로 구성된, 기어 일체형(integrally geared) 압축기 스테이지들 또는 직접 구동 압축기 스테이지들을 포함할 수 있다. 주 공기 압축기 장치(24)를 빠져나오는 압축된 공기(26)는 유입 공급 공기 스트림 내의 자유 수분을 제거하기 위하여 일체형 데미스터(demister)를 이용하여 후냉각기(aftercooler) 또는 (미도시)에 공급된다. 주 공기 압축기 장치(24)에 대한 압축의 최종 스테이지들로부터의 압축의 열은 압축된 공급 공기를 냉각탑 물로 냉각시킴으로써 후냉각기에서 제거된다. 이 후냉각기뿐만 아니라 주 공기 압축 장치(24) 내의 일부 중간냉각기로부터의 응축물은 바람직하게 응축물 탱크로 파이프로 수송되고, 공기 분리 플랜트의 다른 부분들에 물을 공급하는 데 사용된다.
냉각, 건조 압축된 공기 공급물(26)은 이어서 사전-정화 유닛(28)에서 정화되어 냉각, 건조 압축된 공기 공급물로부터 높은 비등점 오염물질을 제거한다. 사전-정화 유닛(28)은 당업계에 잘 알려져 있는 바와 같이, 전형적으로 수분 및 다른 불순물, 예컨대 이산화탄소, 수증기 및 탄화수소가 흡착되는 온도 및/또는 압력 스윙 흡착 사이클(temperature and/or pressure swing adsorption cycle)에 따라 작동하는 알루미나 및/또는 분자체(molecular sieve)의 2개의 베드(bed)를 포함한다. 베드들 중 하나가 냉각, 건조 압축된 공기 공급물의 사전-정화에 사용되는 반면, 다른 베드는 바람직하게는 공기 분리 유닛으로부터의 폐기물 질소(waste nitrogen)의 일부분을 이용하여 재생된다. 2개의 베드는 주기적으로 서비스를 전환한다. 미립자들이 사전-정화 유닛(28)의 하류에 배치된 먼지 필터 내에서 압축, 사전-정화된 공급 공기로부터 제거되어 압축, 정화된 공급 공기 스트림(29)을 생성한다.
압축, 정화된 공급 공기 스트림(29)은 고압 칼럼(higher pressure column)(72), 저압 칼럼(lower pressure column)(74), 및 선택적으로 아르곤 칼럼(76)을 포함하는 복수의 증류 칼럼 내에서 산소-풍부(oxygen-rich), 질소-풍부(nitrogen-rich), 및 아르곤-풍부(argon-rich) 분획물(fraction)(또는 아르곤 생성물 스트림(170))로 분리된다. 그러나, 이러한 증류 이전에, 압축, 사전-정화된 공급 공기 스트림(29)은 통상적으로 복수의 공급 공기 스트림들(42, 44, 32)로 갈라지며, 이들은 비등기 공기 스트림(42) 및 터빈 공기 스트림(32)을 포함할 수 있다. 비등기 공기 스트림(42) 및 터빈 공기 스트림(32)은 추가로 압축기들(41, 34, 36)에서 압축되고 후속적으로 후냉각기들(43, 39, 37)에서 냉각되어 압축된 스트림들(49, 33)을 형성하며, 이들은 이어서 주요 열 교환기(52) 내의 정류에 필요한 온도로 추가로 냉각된다. 주요 열 교환기(52) 내의 공기 스트림들(44, 45, 35)의 냉각은 바람직하게는 증류 칼럼 시스템(70)으로부터의 산소 스트림들(190), 및 질소 스트림들(193, 195)을 포함하는 예열 스트림들과의 간접 열 교환에 의해 수행되어 냉각된 공급 공기 스트림들(47, 46, 38)을 생성한다.
아래 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 냉각된 공급 공기 스트림(38)은 터빈 기반 냉각 회로(60)에서 팽창되어 고압 칼럼(72)으로 인도되는 공급 공기 스트림(64)을 생성한다. 액체 공기 스트림(46)은 후속적으로 액체 공기 스트림들(46A, 46B)로 분할되며, 이들은 이어서 고압 칼럼(72) 및 저압 칼럼(74) 안으로 도입하기 위한 팽창 밸브(들)(48, 49) 내에서 부분적으로 팽창되고, 냉각된 공급 공기 스트림(47)은 고압 칼럼(72)으로 인도된다. 공기 분리 유닛(10)을 위한 냉각은 또한 통상적으로 터빈 공기 스트림 회로(30) 및 일반적으로 해당 기술분야에서 공지된 바와 같은 터빈 기반 냉각 회로(60) 또는 임의의 옵션적인 폐쇄 루프 예열 냉각 회로들 내에 배치된 터빈(62)과 같은 기타 관련 냉각 및/또는 예열 터빈 장치들에 의해 생성된다.
저온 단부 시스템들/장비
주요 또는 1차 열 교환기(52)는 바람직하게는 브레이징 알루미늄 플레이트-핀(brazed aluminum plate-fin) 유형 열 교환기이다. 그러한 열 교환기는 그의 소형 설계, 높은 열 전달률 및 다수의 스트림을 처리하는 그의 능력으로 인해 유리하다. 그것은 완전히 브레이징되고 용접된 압력 용기로서 제조된다. 소형 공기 분리 유닛 유닛들의 경우, 단일 코어를 포함하는 열 교환기면 충분할 수 있다. 더 높은 유동을 핸들링하는 더 큰 공기 분리 유닛 유닛들의 경우, 열 교환기가 병렬 또는 직렬로 연결되어야 하는 수개의 코어로 구성될 수 있다.
터빈 기반 냉각 회로는 2 칼럼 또는 3 칼럼 극저온 공기 증류 칼럼 시스템들에 냉각을 제공하기 위해 사용되는 하부 칼럼 터빈(lower column turbine, LCT) 장치 또는 상부 칼럼 터빈(upper column turbine, UCT) 장치로 흔히 지칭된다. 도 1에 도시된 LCT 장치에서, 압축, 냉각된 터빈 공기 스트림(35)의 압력은 바람직하게는 약 20 bar(a) 내지 약 60 bar(a)의 범위에 있다. 압축, 냉각된 터빈 공기 스트림(35)은 주요 또는 1차 열 교환기(52) 안으로 인도 또는 도입되고, 여기서 약 160 내지 약 220 켈빈(Kelvin)의 범위의 온도로 냉각되어 부분적으로 냉각, 압축된 터빈 공기 스트림(38)을 형성하며, 이는 후속적으로 터보-팽창기(62) 안으로 도입되어 증류 칼럼 시스템(70)의 고압 칼럼(72) 안으로 도입되는 저온 배기 스트림(64)을 생성한다. 따라서, 스트림의 팽창에 의해 생성되는 보충 냉각이 고압 칼럼(72)에 직접 가해져서, 주요 열 교환기(52)의 냉각 부하(cooling duty) 중 일부를 경감시킨다. 일부 실시예들에서, 터보-팽창기(62)는 터빈 공기 스트림(32)을 추가로 압축하는 데 사용되는 부스터 압축기(36)와, 직접 또는 적절한 기어를 통해 결합될 수 있다.
도 1에 예시된 터빈 기반 냉각 회로는 팽창된 배기 스트림이 증류 칼럼 시스템(70)의 고압 칼럼(72)에 공급되는 하부 칼럼 터빈(LCT) 회로로서 도시되지만, 터빈 기반 냉각 회로는 대안으로 터빈 배기 스트림이 저압 칼럼으로 인도되는 상부 칼럼 터빈(UCT) 회로일 수 있는 것이 고려된다. 더 추가적으로, 터빈 기반 냉각 회로는 LCT 회로 및 UCT 회로의 조합일 수 있다.
유사하게, (도시되지 않은) UCT 장치를 채용하는 대안적인 실시예에서, 정화되고 압축된 공급 공기의 일부분이 1차 열 교환기 내에서 부분적으로 냉각될 수 있고, 이어서 이러한 부분적으로 냉각된 스트림의 전부 또는 일부분이 고온 터보-팽창기로 우회된다. 고온 터보-팽창기로부터의 팽창된 기체 스트림 또는 배기 스트림은 이어서 2 칼럼 또는 다중 칼럼 극저온 공기 증류 칼럼 시스템 내의 저압 칼럼으로 인도된다. 따라서, 배기 스트림의 팽창에 의해 생성되는 냉각 또는 보충 냉각이 저압 칼럼에 직접 가하여, 주요 열 교환기의 냉각 부하 중 일부를 경감시킨다.
공급 공기 스트림의 전술된 성분, 즉 산소, 질소, 및 아르곤은 고압 칼럼(72) 및 저압 칼럼(74)을 포함하는 증류 칼럼 시스템(70) 내에서 분리된다. 아르곤이 공기 분리 유닛(10)으로부터 필연적인 생성물인 경우, 아르곤 칼럼(76) 및 아르곤 응축기(78)가 증류 칼럼 시스템(70) 내에 포함될 수 있음이 이해된다. 고압 칼럼(72)은 전형적으로 약 20 bar(a) 내지 약 60 bar(a) 범위 내에서 작동하는 반면에, 저압 칼럼(74)은 약 1.1 bar(a) 내지 약 1.5 bar(a)의 압력에서 작동한다. 고압 칼럼(72)과 저압 칼럼(74)은, 고압 칼럼의 대략적인 상부로부터 스트림(73)으로서 추출되는 질소-풍부 증기 칼럼 오버헤드(nitrogen-rich vapor column overhead)가 저압 칼럼(74)의 기부 내에 위치되는 응축기-재비등기(75) 내에서 산소-풍부 액체 칼럼 저부(oxygen-rich liquid column bottom)(77)의 비등에 대해 응축되도록 하는 열 전달 관계로 바람직하게 연결된다. 산소-풍부 액체 칼럼 저부(77)의 비등은 저압 칼럼 내에서의 상승 증기 상(ascending vapor phase)의 형성을 개시한다. 응축은 이러한 저압 칼럼에서 하강하는 액상의 형성을 개시하기 위하여 저압 칼럼으로 환류하는 환류 스트림(83) 및 네온 회수 시스템(100)에 공급되는 액체 질소 소스 스트림(80)으로 분할되는 액체 질소 함유 스트림(81)을 생성한다.
터빈 공기 냉각 회로(60)로부터의 배기 스트림(64)은 스트림들(46, 47)과 함께 고압 칼럼(72) 안으로 도입되며, 상승하는 기상의 이러한 혼합물을 트레이(tray)들(71)로 도시된 복수의 물질 전달 접촉 요소(mass transfer contacting element)들 내에서 환류 스트림(83)에 의해 개시되는 하강하는 액상과 접촉시킴으로써 정류한다. 이는 또한 케틀 액체(kettle liquid)로 알려진 미정제(crude) 액체 산소 칼럼 저부(86) 및 질소-풍부 칼럼 오버헤드(87)를 생성한다.
저압 칼럼(74)에도 또한 복수의 물질 전달 접촉 요소들이 제공되며, 이들은 트레이 또는 구조화된 패킹(structured packing) 또는 랜덤 패킹(random packing) 또는 극저온 공기 분리의 기술 분야의 다른 알려진 요소들일 수 있다. 저압 칼럼(74)의 접촉 요소들은 구조화된 패킹(79)으로서 도시되어 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 저압 칼럼(74) 내에서 일어나는 분리는 산소-풍부 액체 스트림(90)으로서 추출되는 산소-풍부 액체 칼럼 저부(77) 및 질소 생성물 스트림(95)으로서 추출되는 질소-풍부 증기 칼럼 오버헤드(91)를 생성한다. 도면에 도시된 바와 같이, 산소-풍부 액체 스트림(90)은 펌프(180)를 통해 펌핑되어 펌핑된 액체 산소 생성물(185)로서 취해지거나 또는 기체 산소 생성물 스트림(190)을 생성하도록 예열되는 주요 열 교환기(52)로 인도될 수 있다. 추가적으로, 폐기물 스트림(93)도 또한 저압 칼럼(74)으로부터 추출되어 질소 생성물 스트림(95)의 순도를 제어한다. 질소 생성물 스트림(95) 및 폐기물 스트림(93) 둘 모두는 케틀 스트림(88) 및/또는 환류 스트림을 과냉각하도록 설계된 하나 이상의 과냉각 유닛들(99)을 통과한다. 팽창 밸브(96)를 통과한 후에 냉각된 환류 스트림(260)의 일부분은 선택적으로 액체 생성물 스트림(98)으로서 획득될 수 있고, 나머지 부분은 저압 칼럼(74) 내로 도입될 수 있다. 과냉각 유닛들(99)을 통과한 후에, 질소 생성물 스트림(95) 및 폐기물 스트림(93)은 주요 또는 1차 열 교환기(52) 내에서 완전히 가온되어 가온된 질소 생성물 스트림(195) 및 가온된 폐기물 스트림(193)을 생성한다. 도시되지 않지만, 가온된 폐기물 스트림(193)은 사전-정화 유닛(28) 내의 흡착제를 재생시키기 위해 사용될 수 있다.
네온 및 헬륨의 회수를 위한 시스템들/장비
도 2, 4, 5, 7, 및 도 8은 개략적으로 미정제 네온 함유 증기 스트림과 같은 미정제 비-응축형 가스 스트림의 향상된 회수를 위해 구성된 비-응축형 가스 회수 시스템을 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 비-응축형 가스 회수 시스템(100)의 실시예는 비-응축형 스트리핑 칼럼(NSC)(210); 스트리핑 칼럼 응축기(220), 저온 압축기(230), 및 네온 업그레이더(240)를 포함한다. 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)은 고압 칼럼(72)으로부터 질소 셸프 증기(215)의 일부분을 수용하고, 스트리핑 칼럼 응축기(220)로부터 증발된(boil-off) 질소 증기(225)의 재순환된 부분을 수용하도록 구성된다. 이러한 2개의 스트림들(215, 225)은 조합되고, 이어서 질소 저온 압축기(230)에서 추가로 압축된다. 추가로 압축된 질소 스트림(235)은 상승하는 증기 스트림으로서 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)의 저부 가까이에서 도입되며, 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)에 대한 하강하는 액체 환류는: (i) 주 응축기-재비등기(80)를 빠져나온 액체 질소의 스트림; (ii) 스트리핑 칼럼 응축기(227)를 빠져나온 액체 질소 응축물의 스트림; 및 (iii) 네온 업그레이더(240)(즉 환류 응축기(242))를 빠져나온 액체 질소 응축물(245)의 스트림을 포함한다. 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)은 액체 질소 저부(212) 및 스트리핑 칼럼 응축기(220)에 공급되는 고농도의 네온을 함유하는 오버헤드 가스(214)를 생성한다.
도시된 실시예에서, 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)은 스트리핑 칼럼 응축기(220)에 대하여 열 전달 온도 차를 제공하기 위하여 공기 분리 유닛(10)의 고압 칼럼(72)의 압력보다 더 높은 압력에서 동작한다. 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)이 고압 칼럼(72)보다 더 높은 압력에서 동작되기 때문에, 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)은 바람직하게는 주 응축기-재비등기(80)를 빠져나오는(즉 셸프 액체는 고압 칼럼을 벗어남) 액체 질소의 스트림보다 더 낮은 고도에 위치설정되어 하강하는 액체 환류가 중력 헤드를 얻음으로써 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)으로 공급되도록 한다. 상승하는 증기(즉 스트리핑 증기)가 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)을 따라 상승함에 따라, 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)에서 일어나는 물질 전달은 하강하는 액상에서 산소, 아르곤, 질소와 같은 더 무거운 성분들을 농축시킬 것이고, 그 동안 상승하는 기상에는 네온, 수소, 및 헬륨과 같은 가벼운 성분이 풍부해진다. 위에 나타낸 바와 같이, 상승하는 증기는 스트리핑 칼럼 응축기(220)에 도입 또는 공급된다.
스트리핑 칼럼 응축기(220)는 바람직하게는 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)과 바람직하게 통합된 환류형 또는 비-환류형 브레이징 알루미늄 열 교환기이다. 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)으로부터의 질소 풍부 액체 칼럼 저부(212)의 소량의 스트림 또는 일부는 스트리핑 칼럼 응축기(220)를 위한 제1 응축 매체(216)를 제공하고, 질소 풍부 액체 칼럼 저부(212)의 나머지 부분은 과냉각기 유닛(99) 내에서 공기 분리 유닛(10)으로부터의 폐기물 질소(93)의 스트림에 대하여 과냉각되는 액체 질소 환류 스트림(218)이다. 과냉각된 액체 질소 환류 스트림(218)의 일부분들은 옵션적으로 액체 질소 생성물(217)로 취해져서, 네온 업그레이더(240)로 우회되거나, 또는 밸브(219)에서 팽창되어 환류 스트림(260)으로서 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(74)으로 복귀할 수 있다. 도시된 과냉각기 유닛(99)은 공기 분리 유닛(10) 내의 기존 과냉각기일 수 있거나 또는 비-응축형 가스 회수 시스템(100)의 일부를 형성하는 단독형 과냉각기 유닛일 수 있다.
스트리핑 칼럼 응축기(220)로부터의 증발된 질소 증기(225)는 질소 저온 압축기(230)를 통해 비-응축형 스트리핑 칼럼(210)으로 다시 재순환된다. 스트리핑 칼럼 응축기(220)의 응축 측에서, 수소, 헬륨, 네온과 같은 비-응축형들은 비-응축형 배출 포트로부터 비-응축형 함유 배출 스트림(229)으로서 인출되며, 이는 네온 업그레이더(240)로 인도 또는 공급된다. 네온 업그레이더(240)는 바람직하게는 액체 질소 환류 응축기(242), 상 분리기(244), 및 질소 유동 제어 밸브(246)를 포함한다. 액체 질소 환류 응축기(242)는 바람직하게는 제2 응축 매체(248), 바람직하게는 과냉각된 액체 질소 환류 스트림의 일부분에 대하여 비-응축형 함유 배출 스트림(229)을 응축하는 환류형 브레이징 알루미늄 열 교환기이다. 증발된 스트림(249)은 네온 회수 시스템(100)으로부터 제거되어 폐기물 스트림(93) 안으로 공급된다. 액체 질소 환류 응축기(242) 내에서 응축되지 않은 잔류 증기는 액체 질소 환류 응축기(242)의 상부로부터 약 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하는 미정제 네온 증기 스트림(250)으로서 인출된다. 미정제 네온 증기 스트림은 바람직하게는 약 10% 몰 분율 초과의 헬륨을 추가로 함유한다.
예시된 비-응축형 가스 회수 시스템(100)에 대한 전체 네온 회수는 95% 초과이다. 도시된 비-응축형 가스 회수 시스템(100)의 추가적인 이익은, 액체 질소 소비가 최소화되고, 많은 양의 액체 질소가 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(74)으로 공급되기 때문에, 공기 분리 유닛(10)에 대한 다른 생성물 슬레이트들의 분리 및 회수에 최소한의 영향을 끼친다는 점이다. 이는, 효율적인 냉간 압축 시스템을 사용하여 증발된 질소를 비-응축형 스트리핑 칼럼으로 재순환하고, 질소-풍부 칼럼 저부를 사용하여 스트리핑 칼럼 응축기(220)에 냉각 능력을 제공하기 때문이다.
많은 점들에서, 도 4 및 도 5의 실시예들은 도 2에 도시된 것들과 매우 유사하며, 이때 대응하는 요소들 및 스트림들이 대응하는 참조 번호를 갖지만, 도 4에서는 300 시리즈로 그리고 도 5에서는 400 시리즈로 번호가 부여된다. 도 2와 도 4 및 도 5의 실시예들 사이의 주요 차이점은: 스트리핑 칼럼 응축기(320, 420) 및 응축 매체들(322, 422)의 구성; 질소 저온 압축기(230)의 생략; 및 스트리핑 칼럼 응축기(320, 420)의 공기 분리 유닛(10)의 증류 칼럼 시스템(70)과의 통합이다.
도 4에 도시된 실시예에서, 스트리핑 칼럼 응축기(320)는 비-응축형 함유 배출 스트림(329)을 네온 업그레이더(340)의 환류 응축기(342) 안으로 방출하는 원통 다관식(shell and tube) 응축기 또는 브레이징 알루미늄 열 교환기일 수 있는 써모사이폰식 응축기이다. 도 5에 도시된 실시예에서, 스트리핑 칼럼 응축기(420)는 비-응축형 함유 배출 스트림(429)을 네온 업그레이더(440)의 환류 응축기(442) 안으로 방출하는 환류형 또는 비-환류형 응축 브레이징 알루미늄 열 교환기일 수 있는 관류 비등식 응축기이다.
두 실시예들에서, 스트리핑 칼럼 응축기(320, 420)를 위한 응축 매체는 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(72)으로부터 취해진 액체 산소(322, 422)의 스트림이고, 비등된 산소(324, 424)는 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(72)으로 복귀한다. 더 구체적으로는, 액체 산소는 바람직하게는 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(74)의 섬프(sump)로부터 인출되어, 중력에 의해 스트리퍼 칼럼 응축기(320, 420)의 비등 측으로 공급된다. 액체 산소는 스트리퍼 칼럼 응축기(320, 420) 내에서 비등하여 증기 부분 응축을 위한 냉각을 제공한다. 스트리퍼 칼럼 응축기(320, 420)는 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(74)보다 더 높은 압력에서 동작하기 때문에, 증발된 산소 증기(324, 424)는 저압 칼럼(74)의 저부에 가까운 위치로 복귀한다. 바람직하게는, 스트리핑 칼럼 응축기(320, 420)는 저압 칼럼 섬프 아래에 위치설정되어 도 4 및 도 5에 도시된 실시예들에서 산소 유동이 중력에 의해 구동되도록 한다. 유리하게는, 액체 산소의 사용은 도 2에 도시된 실시예에 비교하여 질소 저온 압축기의 사용을 생략하는 냉각 능력을 스트리핑 칼럼 응축기(320, 420)에 제공한다.
도 2의 실시예에서와 같이, 고압 칼럼(72)의 상부로부터의 셸프 증기(315, 415)는 상승하는 증기로서 비-응축형 스트리핑 칼럼(320)의 저부에 공급되며, 비-응축형 스트리핑 칼럼에 대한 하강하는 액체 환류는: (i) 주 응축기-재비등기(80)를 빠져나오는 액체 질소의 스트림; (ii) 스트리핑 칼럼 응축기(327,427)를 빠져나온 액체 질소 응축물의 스트림; 및 (iii) 네온 업그레이더(340,440)(즉 환류 응축기(342,442))를 빠져나온 액체 질소 응축물(345, 445)의 스트림을 포함한다. 비-응축형 스트리핑 칼럼(320, 420) 내에서, 산소, 아르곤, 질소와 같이 더 무거운 성분들이 하강하는 액상에서 농축되는 반면, 상승하는 기상에는 네온, 수소, 및 헬륨과 같은 가벼운 성분이 풍부해진다.
도 4 및 도 5의 실시예들에서, 비-응축형 스트리핑 칼럼(310, 410)으로부터의 모든 액체 질소 저부(312, 412)는 과냉각기 유닛(99) 내에서 공기 분리 유닛(10)으로부터의 폐기물 질소(93)의 스트림에 대하여 과냉각되는 액체 질소 환류 스트림(318, 418)을 제공한다. 위에 기재된 바와 같이, 과냉각된 액체 질소 환류 스트림의 일부분들은 옵션적으로 액체 질소 생성물(317, 417)로서 취해지거나, 스트림(348, 448)으로서 액체 질소 환류 응축기(342, 442)로 우회되거나, 또는 밸브(319, 419) 내에서 팽창되어 환류 스트림(360, 460)으로서 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(74)으로 복귀할 수 있다.
도 2의 네온 업그레이더와 유사하게, 도 4 및 도 5의 네온 업그레이더(340, 440)는 바람직하게는 액체 질소 환류 응축기(342, 442); 상 분리기(344, 444); 및 질소 유동 제어 밸브(346, 446)를 포함한다. 액체 질소 환류 응축기(342, 442)는 제2 응축 매체(348, 448), 바람직하게는 과냉각된 액체 질소 환류 스트림의 일부분에 대하여 비-응축형 함유 배출 스트림(329, 429)을 응축한다. 증발된 스트림(349, 449)은 네온 회수 시스템(100)으로부터 제거되어 폐기물 스트림(93) 안으로 공급된다. 액체 질소 환류 응축기(342, 442) 내에서 응축되지 않은 잔류 증기는 액체 질소 환류 응축기(342, 442)의 상부로부터 미정제 네온 증기 스트림(350, 450)으로서 인출된다.
이제 도 7 및 도 8을 참조하면, 비-응축형 스트리핑 칼럼(NSC)(510, 610) 및 응축기-재비등기(520, 620)를 포함하는 비-응축형 가스 회수 시스템(100)의 추가적인 실시예들이 도시된다. 도 7 및 도 8에 도시된 비-응축형 스트리핑 칼럼들(510, 610)은 상승하는 증기 스트림으로서 비-응축형 스트리핑 칼럼(510, 610)의 저부 가까이에 유입되는 질소 셸프 증기(515, 615)의 일부분을 고압 칼럼(72)으로부터 수용하도록 구성된다. 비-응축형 스트리핑 칼럼(510, 610)에 대한 하강하는 액체 환류는: (i) 주 응축기-재비등기(75)를 빠져나오는 액체 질소(80)의 스트림; 및 (ii) 응축기-재비등기(520, 620)를 빠져나오는 액체 질소 응축물(545, 645)의 스트림을 포함한다. 상승하는 증기(즉 스트리핑 증기)가 비-응축형 스트리핑 칼럼(510, 610) 내에서 상승함에 따라, 비-응축형 스트리핑 칼럼(510, 610)에서 일어나는 물질 전달은 하강하는 액상에서 산소, 아르곤, 질소와 같은 더 무거운 성분들을 농축시킬 것이고, 그 동안 상승하는 기상에는 네온, 수소, 및 헬륨과 같은 더 가벼운 성분이 풍부해진다. 물질 전달의 결과로서, 비-응축형 스트리핑 칼럼(510, 610)은 액체 질소 저부(512, 612) 및 응축기-재비등기(520, 620)에 공급되는 고농도의 비-응축형들을 함유하는 오버헤드 가스(529, 629)를 생성한다.
비-응축형 스트리핑 칼럼(510, 610)으로부터의 액체 질소 저부(512, 612)는 액체 질소 환류 스트림(518, 618)을 형성하고, 바람직하게는 과냉각기 유닛(99) 내에서 공기 분리 유닛(10)으로부터의 폐기물 질소(93)의 스트림에 대하여 과냉각된다. 과냉각된 액체 질소 환류 스트림의 일부분들은 옵션적으로 액체 질소 생성물(517, 617)로서 취해질 수 있고; 응축기-재비등기(520, 620)로 우회되고; 또는 밸브(519, 619) 내에서 팽창되어 환류 스트림(560, 660)으로서 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(74)으로 복귀한다. 앞서 설명한 실시예들과 유사하게, 도시된 과냉각기 유닛(99)은 공기 분리 유닛(10) 내의 기존 과냉각기일 수 있거나 또는 비-응축형 가스 회수 시스템(100)의 일부를 형성하는 단독형 유닛일 수 있다.
도 7 및 도 8의 실시예들에서, 응축기-재비등기(520, 620)는 바람직하게는 비-응축형 스트리핑 칼럼(510, 610)으로부터의 오버헤드 증기(529, 629)의 대부분을 부분적으로 응축시키기 위하여 2 레벨의 냉각을 제공하는 2단 응축기-재비등기이다. 도 7의 도시된 환류 응축기-재비등기(520)는 비-응축형 스트리핑 칼럼(510)으로부터의 네온 및 기타 비-응축형들을 함유하는 오버헤드 가스(529), 공기 분리 유닛(10)의 질소 과냉각기에서 우회하는 케틀 비등 스트림을 포함하는 제1 응축 매체(522), 및 과냉각된 액체 질소 환류 스트림의 밸브(546)를 통해 스로틀되는 부분을 포함하는 제2 응축 매체(548)를 수용하도록 구성된다. 2단 환류 응축기-재비등기(520)는 환류로서 비-응축형 스트리핑 칼럼(510)으로 복귀하는 액체 질소 응축물(545)의 스트림, 공기 분리 유닛(10)의 아르곤 응축기(78)로 인도되는 2상 증발된 스트림(525), 및 응축기-재비등기(520)의 상부로부터 인출되고 약 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하는 미정제 네온 증기 스트림(550)을 생성하도록 구성된다. 미정제 네온 증기 스트림은 약 10% 몰 분율 초과의 헬륨을 추가로 함유할 수 있다. 증발된 스트림(549)은 상 분리기(544)로부터 제거되어 폐기물 스트림(93) 안으로 공급된다. 다른 상기 실시예들에서와 같이, 도시된 비-응축형 가스 회수 시스템에 대한 전체 네온 회수는 95% 초과이다. 도시된 비-응축형 가스 회수 시스템의 추가적인 이익은, 액체 질소 소비가 최소화되고, 많은 양의 액체 질소가 저압 칼럼으로 다시 재순환되기 때문에, 공기 분리 유닛(10) 내의 다른 생성물 슬레이트들의 분리 및 회수에 최소한의 영향을 끼친다는 점이다.
많은 점들에서, 도 8의 실시예는 도 7에 도시된 것들과 매우 유사하며, 이때 대응하는 요소들 및 스트림들이 대응하는 참조 번호를 갖지만, 도 8에서는 600 시리즈로 그리고 도 7에서는 500 시리즈로 번호가 부여된다. 예를 들어, 도 7의 도면 부호(522, 525, 544, 545, 546, 548, 549, 550)에 의해 지정된 항목들은 도 8의 도면 부호(622, 625, 644, 645, 646, 648, 649, 650)에 의해 지정된 항목들과 각각 동일 또는 유사하다. 도 7의 실시예와 도 8의 실시예 사이의 주요 차이점은 공기 분리 유닛의 질소 과냉각기로부터의 케틀 비등 스트림이 공기 분리 유닛(10)의 아르곤 응축기(78)로부터의 케틀 비등 스트림(622)에 의해 대체된다는 점이다. 또한, 2단 환류 응축기-재비등기(620)에 의해 생성된 비등 스트림(625)은 상 분리기(670)로 인도되며, 생성된 증기 스트림(671) 및 액체 스트림(672)은 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(74)의 중간 위치로 복귀한다.
제논 및 크립톤의 회수를 위한 시스템들/장비
도 10 및 도 12는 미정제 네온 증기 스트림 및 미정제 제논 및 크립톤 액체 스트림의 향상된 회수를 위하여 구성된 비-응축형 가스 회수 시스템을 개략적으로 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 비-응축형 가스 회수 시스템(100)의 실시예는 비-응축형 스트리핑 칼럼(710); 제논-크립톤 칼럼(770); 제논-크립톤 칼럼(770)에 배치된 응축기-재비등기(720), 및 네온 업그레이더(740)를 포함한다.
비-응축형 스트리핑 칼럼(710)은 상승하는 증기 스트림으로서 고압 칼럼(72)으로부터 나오고 비-응축형 스트리핑 칼럼(710)의 저부에 근접하게 유입되는 질소 셸프 증기(715)의 일부분을 수용하도록 구성되는 반면, 비-응축형 스트리핑 칼럼(710)에 대한 하강하는 액체 환류는: (i) 주 응축기-재비등기(80)를 빠져나오는 액체 질소의 스트림; (ii) 응축기-재비등기(720)를 빠져나오는 액체 질소 응축물(727)의 스트림; (iii) 네온 업그레이더(740)(즉 환류 응축기(742))를 빠져나오는 액체 질소 응축물(745)의 스트림을 포함한다. 제논-크립톤 칼럼(770) 내에 배치된 응축기-재비등기(720)로부터의 응축물(727)을 비-응축형 스트리핑 칼럼(710)에 대한 환류의 일부분으로서 사용함으로써 비-응축형 스트리핑 칼럼(710)을 제논-크립톤 칼럼(770)과 열적으로 연결한다.
상승하는 증기(즉 스트리핑 증기)가 비-응축형 스트리핑 칼럼(710)을 따라 상승함에 따라, 비-응축형 스트리핑 칼럼(710)에서 일어나는 물질 전달은 하강하는 액상에서 질소와 같은 더 무거운 성분들을 농축시킬 것이고, 그 동안 상승하는 기상에는 네온, 수소, 및 헬륨과 같은 가벼운 성분이 풍부해진다. 위에 나타낸 바와 같이, 상승하는 증기는 응축기-재비등기(720)에 도입 또는 공급된다. 비-응축형 스트리핑 칼럼(710)은 액체 질소 저부(712) 및 제논-크립톤 칼럼(770) 내의 응축기-재비등기(720) 안으로 공급되는 고농도의 희가스들을 함유하는 오버헤드 가스(714)를 생성한다.
질소 풍부 액체 칼럼 저부(712)는 비-응축형 스트리핑 칼럼(710)으로부터 액체 질소 환류 스트림(718)으로서 추출된다. 액체 질소 환류 스트림(718)은 과냉각기 유닛(99) 내에서 공기 분리 유닛(10)으로부터의 폐기물 질소(93)의 스트림에 대하여 과냉각된다. 과냉각된 액체 질소 환류 스트림(218)의 일부분들은 옵션적으로 액체 질소 생성물(717)로 취해져서, 네온 업그레이더(740)로 우회되거나, 또는 밸브(719)에서 팽창되어 환류 스트림(760)으로서 공기 분리 유닛(10)의 저압 칼럼(74)으로 복귀할 수 있다. 이전에 설명한 실시예들에서와 같이, 과냉각기 유닛(99)은 공기 분리 유닛(10) 내의 기존 과냉각기일 수 있거나 또는 비-응축형 가스 회수 시스템(100)의 일부를 형성하는 단독형 과냉각기 유닛일 수 있다.
제논-크립톤 칼럼(770)은 공기 분리 유닛의 저압 칼럼(74)으로부터 액체 산소의 스트림들을 수용한다. 특히, 액체 산소(90)의 스트림은 저압 칼럼(74)의 섬프로부터 인출되고, 펌프(180)를 통해 펌핑되어, 생성된 펌핑된 액체 산소 스트림(775)은 제논-크립톤 칼럼(770) 상의 2 곳의 장소로 공급된다. 주 액체 산소 공급은 제논-크립톤 칼럼(770)의 상부에 근접하여 제논-크립톤 칼럼(770)을 위한 환류의 역할을 한다. 이차 액체 산소 공급은 제논 및 크립톤 회수를 유지하면서 오염물질 제어를 위하여 중간 또는 칼럼 섬프에 근접한 하위 섹션에서 제논-크립톤 칼럼(770) 내에 방출된다.
제논-크립톤 칼럼(770)의 섬프 내의 액체는 응축기-재비등기(720)에 의해 비-응축형 스트리핑 칼럼(710)으로부터의 응축 오버헤드 증기에 대하여 재비등된다. 증발된 산소 증기는 제논-크립톤 칼럼(770)을 통해 상승하여, 산소 및 아르곤이 풍부해지는 반면, 액체는 크립톤 및 제논과 같은 무거운 성분을 농축시킨다. 크립톤/제논이 풍부해진 산소 액체는 제논-크립톤 칼럼(770) 섬프로부터 다른 미정제 제논 및 크립톤 액체 생성물(780)로서 인출된다.
응축기-재비등기(720)는 환류형 또는 비-환류형 응축 브레이징 알루미늄 열 교환기일 수 있는 관류 비등식 응축기 또는 원통 다관식(shell and tube) 응축기 또는 브레이징 알루미늄 열 교환기일 수 있는 써모사이폰식 응축기이다. 응축기-재비등기(720)의 응축 측에서, 수소, 헬륨, 네온과 같은 비-응축형들은 비-응축형 배출 포트로부터 비-응축형 함유 배출 스트림(729)으로서 인출되며, 이는 네온 업그레이더(740)로 인도 또는 공급된다.
이전에 기술된 실시예들에서와 같이, 네온 업그레이더(740)는 바람직하게는 액체 질소 환류 응축기(742), 상 분리기(744), 및 질소 유동 제어 밸브(746)를 포함한다. 액체 질소 환류 응축기(742)는 바람직하게는 제2 응축 매체(748), 바람직하게는 과냉각된 액체 질소 환류 스트림의 일부분에 대하여 비-응축형 함유 배출 스트림(729)을 응축한다. 액체 질소 환류 응축기(742)로부터의 증발된 스트림(749)은 상 분리되어, 증기는 희가스 회수 시스템(100)으로부터 제거되어 폐기물 스트림(93) 안으로 공급된다. 액체 질소 환류 응축기(742) 내에서 응축되지 않은 잔류 증기는 액체 질소 환류 응축기(742)의 상부로부터 약 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하는 미정제 네온 증기 스트림(750)으로서 인출된다. 미정제 네온 증기 스트림은 바람직하게는 약 10% 몰 분율 초과의 헬륨을 추가로 함유한다.
많은 점들에서, 도 12의 실시예는 도 10에 도시된 것들과 매우 유사하며, 이때 대응하는 요소들 및 스트림들이 대응하는 참조 번호를 갖지만, 도 10에서는 700 시리즈로 그리고 도 12에서는 800 시리즈로 번호가 부여된다. 도 10의 실시예와 도 12의 실시예 사이의 주요 차이점은 공기 분리 유닛(10)으로부터의 산소 생성물의 생성이다. 도 10에서, 액체 산소 스트림(90)은 저압 칼럼(74)으로부터 인출되고, LOX 펌프(180) 내에서 가압된다. 펌핑된 액체 산소는: 제논-크립톤 칼럼(770) 안으로 도입될 액체 산소 스트림(775); 액체 산소 생성물 스트림(185); 및/또는 가압된 기체 산소 생성물을 생성하기 위한 주요 또는 1차 열 교환기(52)에서 기화된 산소 생성물 스트림(186)을 포함하는 둘 이상의 스트림들로 갈라진다. 제논-크립톤 칼럼(770)으로부터의 산소-풍부 오버헤드(785)는 저압 칼럼(74)으로 복귀한다. 반대로, 도 12에서, 액체 산소 스트림(90)은 저압 칼럼(74)으로부터 인출되고, LOX 펌프(180) 내에서 가압된다. 펌핑된 액체 산소(875)는 비-응축형 가스 회수 시스템(100)으로 인도되고, 이때 제논-크립톤 칼럼(870)으로부터의 산소-풍부 오버헤드(885)가 스트림(890)으로서 주요 또는 1차 열 교환기(52)로 인도되며, 이는 기화되어 기체 산소 생성물을 생성할 수 있다.
다른 차이점은, 도 10에서는 기체 산소가 저압 칼럼(74)으로부터 제논-크립톤 칼럼(770)으로 취해지지 않는 반면, 도 12에서는 기체 산소 스트림(91)이 저압 칼럼(74)으로부터 추출되어 제논-크립톤 칼럼(770)으로 인도된다는 것이다.
도 10의 네온 업그레이더(740)와 유사하게, 도 12의 네온 업그레이더(840)는 바람직하게는 액체 질소 환류 응축기(842); 상 분리기(844); 및 질소 유동 제어 밸브(846)를 포함한다. 액체 질소 환류 응축기(842)는 제2 응축 매체(848) 바람직하게는 과냉각된 액체 질소 환류 스트림의 일부분에 대하여 비-응축형 함유 배출 스트림(829)을 응축한다. 증발된 스트림(849)은 희가스 회수 시스템(100)으로부터 제거되어 폐기물 스트림(93) 안으로 공급된다. 액체 질소 환류 응축기(842) 내에서 응축되지 않은 잔류 증기는 액체 질소 환류 응축기(842)의 상부로부터 미정제 네온 증기 스트림(850)으로서 인출된다.
예시된 비-응축형 가스 회수 시스템(100)에 대한 전체 네온 회수는 95% 초과이다. 도시된 비-응축형 가스 회수 시스템(100)의 추가적인 이익은 응축기-재비등기(720, 820)가 비-응축형 스트리핑 칼럼(710, 810) 및 제논-크립톤 칼럼(770, 870) 둘 모두와 열적으로 연결되어 있기 때문에(즉 응축기-재비등기(720, 820)의 응축 측에는 네온이 풍부한 비-응축형 가스가 있고, 비등 측으로부터 크립톤/제논이 풍부한 액체가 있음), 그 구성은 희가스들을 공동생성할 수 있다는 것이다. 그리고 희가스 회수 시스템에 사용되는 질소의 대부분이 공기 분리 유닛(10)의 증류 칼럼 시스템으로 복귀하기 때문에, 공기 분리 유닛(10)에 의한 기타 생성물 슬레이트들의 분리 및 회수에 미치는 영향을 최소로 한다.
실시예
네온을 회수하는 본 시스템 및 방법의 다양한 실시예들에 대하여, 수많은 프로세스 시뮬레이션들이 다양한 공기 분리 유닛 동작 모델들을 이용하여 다음 내용을 특징하도록 실행되었다: (i) 네온 및 기타 희가스들의 회수; (ii) 미정제 네온 증기 스트림의 구성; 및 (iii) 증류 칼럼 시스템으로부터의 질소의 순손실; 이 때, 도면들에 전술되고 도시된 네온 또는 희가스 회수 시스템들 및 연관된 방법들을 이용하여 공기 분리 유닛을 동작시킴.
표 1은 도 2를 참조하여 기술된 회수 시스템 및 관련 방법들에 대한 컴퓨터 기반 프로세스 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 표 1에 도시된 바와 같이, 공기 분리 유닛은 대략 97 psia에서 고압 칼럼에 대하여 4757.56 kcfh의 유입 공급 공기 스트림 및 37.86 kcfh의 액체 공기 스트림을 갖도록 동작하였다. 92 psia에서 대략 45.00 kcfh의 셸프 질소 증기가 고압 칼럼으로부터 회수 시스템으로 우회하고, 92 psia에서 대략 2174.74 kcfh의 액체 질소가 증류 칼럼 시스템의 주 응축기-재비등기로부터 회수 시스템으로 우회한다. 회수 시스템으로부터 직접 취해진 어떠한 액체 질소 생성물도 제외하면, 회수 시스템은 과냉각된 액체 질소의 형태로 증류 칼럼 시스템으로 다시 우회된 스트림들의 약 99.31%를 저압 칼럼으로 복귀시킬 수 있다(즉 비-응축형 스트리핑 칼럼으로부터의 액체 환류의 2219.58 kcfh에서 네온 업그레이더로의 과냉각된 액체 질소의 15.31 kcfh을 빼면 저압 칼럼으로 복귀되는 과냉각된 액체 질소의 2204.27 kcfh과 같음). 네온 및 기타 희가스들의 회수는 네온의 약 96.85% 회수를 포함한다. 네온 회수는 미정제 네온 스트림의 유량(0.16 kcfh) x 미정제 네온 스트림 내의 네온 함량(51.89%)을 구하고 그 수(0.083024 kcfh)를 증류 칼럼 시스템 안에 들어가는 주 공기 스트림(4757.56 kcfh * 0.00182%) 및 액체 공기 스트림(37.86 kcfh * 0.00182%) 둘 모두에 함유된 네온으로 나눔으로써 계산된다. 표 1에 도시된 바와 같이, 미정제 네온 증기 스트림의 구성은 51.89% 네온 및 15.25% 헬륨을 포함한다.
[표 1]
Figure 112020029347157-pct00001
표 2는 도 4를 참조하여 기술된 네온 회수 시스템 및 관련 방법들에 대한 컴퓨터 기반 프로세스 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 표 2에 도시된 바와 같이, 공기 분리 유닛은 대략 97 psia에서 고압 칼럼에 대하여 4757.56 kcfh의 유입 공급 공기 스트림 및 37.86 kcfh의 액체 공기 스트림을 갖도록 동작하였다. 대략 92 psia에서 약 270.00 kcfh의 셸프 질소 증기가 더 높은 압력 칼럼으로부터 네온 회수 시스템으로 우회하고, 대략 92 psia에서 대략 1949.88 kcfh의 액체 질소가 증류 칼럼 시스템의 주 응축기-재비등기로부터 네온 회수 시스템으로 우회한다. 네온 회수 시스템으로부터 직접 취해진 어떠한 액체 질소 생성물도 제외하면, 네온 회수 시스템은 과냉각된 액체 질소의 형태로 증류 칼럼 시스템으로 다시 우회된 스트림들의 99% 초과를 저압 칼럼으로 복귀시킬 수 있다(즉 비-응축형 스트리핑 칼럼으로부터의 액체 환류의 2219.74 kcfh에서 네온 업그레이더로의 과냉각된 액체 질소의 15.74 kcfh을 빼면 저압 칼럼으로 복귀되는 과냉각된 액체 질소의 2204.00 kcfh과 같음). 네온 및 기타 희가스들의 회수는 네온의 약 96.44% 회수를 포함하지만, 미정제 네온 증기 스트림의 구성은 51.89% 네온 및 15.25% 헬륨을 포함한다.
[표 2]
Figure 112020029347157-pct00002
표 3은 도 7를 참조하여 기술된 네온 회수 시스템 및 관련 방법들에 대한 컴퓨터 기반 프로세스 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 표 3에 도시된 바와 같이, 공기 분리 유닛은 대략 97 psia에서 고압 칼럼에 대하여 4757.56 kcfh의 유입 공급 공기 스트림 및 37.86 kcfh의 액체 공기 스트림을 갖도록 동작하였다. 대략 92 psia에서 약 140.00 kcfh의 셸프 질소 증기가 더 높은 압력 칼럼으로부터 네온 회수 시스템으로 우회하고, 대략 92 psia에서 대략 2079.82 kcfh의 액체 질소가 증류 칼럼 시스템의 주 응축기-재비등기로부터 네온 회수 시스템으로 우회한다. 네온 회수 시스템으로부터 직접 취해진 어떠한 액체 질소 생성물도 제외하면, 네온 회수 시스템은 과냉각된 액체 질소의 형태로 증류 칼럼 시스템으로 다시 우회된 스트림들의 99% 초과를 저압 칼럼으로 복귀시킬 수 있다(즉 비-응축형 스트리핑 칼럼으로부터의 액체 환류의 2219.67 kcfh에서 네온 업그레이더로의 과냉각된 액체 질소의 15.74 kcfh을 빼면 저압 칼럼으로 복귀되는 과냉각된 액체 질소의 2203.93 kcfh과 같음). 네온 및 기타 희가스들의 회수는 네온의 95.16% 초과의 회수를 포함하지만, 미정제 네온 증기 스트림의 구성은 51.74% 네온 및 15.41% 헬륨을 포함한다.
[표 3]
Figure 112020029347157-pct00003
표 4는 도 10를 참조하여 기술된 희가스 회수 시스템 및 관련 방법들에 대한 컴퓨터 기반 프로세스 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 표 4에 도시된 바와 같이, 공기 분리 유닛은 대략 97 psia에서 고압 칼럼에 대하여 4757.56 kcfh의 유입 공급 공기 스트림 및 37.86 kcfh의 액체 공기 스트림을 갖도록 동작하였다. 대략 92 psia에서 약 804.53 kcfh의 셸프 질소 증기가 더 높은 압력 칼럼으로부터 희가스 회수 시스템으로 우회하고, 대략 92 psia에서 대략 1415.27 kcfh의 액체 질소가 증류 칼럼 시스템의 주 응축기-재비등기로부터 희가스 회수 시스템으로 우회한다. 희가스 회수 시스템으로부터 직접 취해진 어떠한 액체 질소 생성물도 제외하면, 희가스 회수 시스템은 과냉각된 액체 질소의 형태로 증류 칼럼 시스템으로 다시 우회된 스트림들의 99% 초과를 저압 칼럼으로 복귀시킬 수 있다(즉 비-응축형 스트리핑 칼럼으로부터의 액체 환류의 2219.71 kcfh에서 네온 업그레이더로의 과냉각된 액체 질소의 15.74 kcfh을 빼면 저압 칼럼으로 복귀되는 과냉각된 액체 질소의 2203.97 kcfh과 같음). 네온의 회수는 네온의 96.57% 초과의 회수지만, 미정제 네온 증기 스트림의 구성은 51.91% 네온 및 15.24% 헬륨을 포함한다. 제논 및 크립톤의 상당한 회수가 또한 표 4의 시뮬레이션 데이터로부터 도시된 바와 같이 실현된다.
[표 4]
Figure 112020029347157-pct00004
표 5는 도 12를 참조하여 기술된 희가스 회수 시스템 및 관련 방법들에 대한 컴퓨터 기반 프로세스 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 표 5에 도시된 바와 같이, 공기 분리 유닛은 대략 97 psia에서 고압 칼럼에 대하여 4757.56 kcfh의 유입 공급 공기 스트림 및 37.86 kcfh의 액체 공기 스트림을 갖도록 동작하였다. 대략 92 psia에서 약 804.53 kcfh의 셸프 질소 증기가 더 높은 압력 칼럼으로부터 희가스 회수 시스템으로 우회하고, 대략 92 psia에서 대략 1415.27 kcfh의 액체 질소가 증류 칼럼 시스템의 주 응축기-재비등기로부터 희가스 회수 시스템으로 우회한다. 희가스 회수 시스템으로부터 직접 취해진 어떠한 액체 질소 생성물도 제외하면, 희가스 회수 시스템은 과냉각된 액체 질소의 형태로 증류 칼럼 시스템으로 다시 우회된 스트림들의 99% 초과를 저압 칼럼으로 복귀시킬 수 있다(즉 비-응축형 스트리핑 칼럼으로부터의 액체 환류의 2219.71 kcfh에서 네온 업그레이더로의 과냉각된 액체 질소의 15.74 kcfh을 빼면 저압 칼럼으로 복귀되는 과냉각된 액체 질소의 2203.97 kcfh과 같음). 네온의 회수는 네온의 96.57% 초과의 회수지만, 미정제 네온 증기 스트림의 구성은 51.91% 네온 및 15.24% 헬륨을 포함한다. 제논 및 크립톤의 상당한 회수가 또한 표 5의 시뮬레이션 데이터로부터 도시된 바와 같이 실현된다.
[표 5]
Figure 112020029347157-pct00005
공기 분리 유닛으로부터 희가스 및 비-응축형 가스의 회수를 위한 본 시스템이 그것과 관련된 하나 이상의 선호하는 실시예들 및 방법을 참조하여 논의되었지만, 통상의 기술자가 생각할 수 있을 바와 같이, 다수의 변경 및 생략이 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.

Claims (18)

  1. 희가스 회수 시스템(rare gas recovery system)을 갖는 공기 분리 유닛으로서,
    주 공기 압축 시스템, 사전-정화 시스템, 열 교환기 시스템, 및 주 응축기-재비등기(condenser-reboiler)를 통해 열 전달 관계로 연결된 고압 칼럼 및 저압 칼럼을 갖는 정류 칼럼 시스템을 포함하고,
    희가스 회수 시스템은:
    주 응축기-재비등기로부터 액체 질소 응축물 스트림의 일부분을 수용하고 고압 칼럼으로부터 질소 풍부 셸프 증기(nitrogen rich shelf vapor)의 스트림을 수용하도록 구성된 비-응축형 스트리핑 칼럼(non-condensable stripping column) - 비-응축형 스트리핑 칼럼은 액체 질소 칼럼 저부 및 희가스 함유 오버헤드를 생성하도록 구성됨 -;
    보조 응축기-재비등기를 통해 비-응축형 스트리핑 칼럼과 열 전달 관계로 연결된 제논-크립톤 칼럼 - 제논-크립톤 칼럼은 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로부터 펌핑된 액체 산소의 제1 스트림 및 보조 응축기-재비등기로부터의 산소 풍부 증기의 제1 증발된 스트림을 수용하도록 구성되고, 제논-크립톤 칼럼은 제논 및 크립톤 함유 칼럼 저부 및 산소-풍부 오버헤드를 생성하도록 구성됨 -;
    비-응축형 스트리핑 칼럼으로부터의 희가스 함유 오버헤드 및 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로부터의 제2 액체 산소 스트림을 냉각 소스로서 수용하도록 구성된 보조 응축기-재비등기 - 보조 응축기-재비등기는 비-응축형 스트리핑 칼럼 안으로 방출 또는 비-응축형 스트리핑 칼럼으로 인도되는 응축물 환류 스트림, 제논-크립톤 칼럼 안으로 배출되는 산소 풍부 증기의 제1 증발된 스트림 및 비-응축형 함유 배출 스트림을 생성하도록 추가로 구성됨 -;
    보조 응축기-재비등기로부터의 비-응축형 함유 배출 스트림 및 응축 매체를 수용하도록 구성된 환류 응축기 - 환류 응축기는 비-응축형 스트리핑 칼럼으로 인도되는 응축물, 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하는 미정제 네온 증기 스트림을 생성하도록 추가로 구성됨 -; 및
    액체 질소 칼럼 저부의 전부 또는 일부를 과냉각하여 과냉각된 액체 질소 스트림을 생성하도록 구성된 과냉각기를 포함하고,
    환류 응축기를 위한 응축 매체는 과냉각된 액체 질소 스트림의 일부분이고,
    제논 및 크립톤 함유 칼럼 저부의 일부분이 미정제 제논 및 크립톤 액체 스트림으로서 취해지는 것을 특징으로 하는, 희가스 회수 시스템을 갖는 공기 분리 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 환류 응축기는 10% 몰 분율 초과의 헬륨을 갖는 미정제 네온 증기 스트림을 생성하도록 추가로 구성되는, 희가스 회수 시스템을 갖는 공기 분리 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 제논-크립톤 칼럼은 산소-풍부 오버헤드의 전부 또는 일부를 저압 칼럼으로 다시 인도하도록 추가로 구성되는, 희가스 회수 시스템을 갖는 공기 분리 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 제논-크립톤 칼럼은 산소-풍부 오버헤드의 전부 또는 일부를 기체 산소 생성물로서 취하도록 추가로 구성되는, 희가스 회수 시스템을 갖는 공기 분리 유닛.
  5. 제1항에 있어서, 과냉각기는 저압 칼럼의 질소 칼럼 오버헤드와의 간접 열 교환을 통해 액체 질소 컬럼 저부를 과냉각하도록 추가로 구성되는, 희가스 회수 시스템을 갖는 공기 분리 유닛.
  6. 제1항에 있어서, 과냉각기는 과냉각된 액체 질소 스트림의 제1 부분을 응축 매체로서 환류 응축기로 인도하고, 과냉각된 액체 질소 스트림의 제2 부분을 환류 스트림으로서 저압 칼럼으로 인도하도록 추가로 구성되는, 희가스 회수 시스템을 갖는 공기 분리 유닛.
  7. 제1항에 있어서, 과냉각기는 과냉각된 액체 질소 스트림의 제1 부분을 응축 매체로서 환류 응축기로 인도하고; 과냉각된 액체 질소 스트림의 제2 부분을 환류 스트림으로서 저압 칼럼으로 인도하고; 제3 부분을 액체 질소 생성물 스트림으로서 취하도록 추가로 구성되는, 희가스 회수 시스템을 갖는 공기 분리 유닛.
  8. 삭제
  9. 공기 분리 유닛 내의 희가스 회수 방법으로서, 공기 분리 유닛은 주 공기 압축 시스템, 사전-정화 시스템, 열 교환기 시스템, 및 주 응축기-재비등기를 통해 열 전달 관계로 연결된 고압 칼럼 및 저압 칼럼을 갖는 정류 칼럼 시스템을 포함하고, 방법은:
    주 응축기-재비등기로부터의 액체 질소의 스트림 및 고압 칼럼으로부터의 질소 풍부 셸프 증기의 스트림을, 액체 질소 칼럼 저부 및 희가스 함유 오버헤드를 생성하도록 구성된 비-응축형 스트리핑 칼럼으로 인도하는 단계;
    액체 질소 칼럼 저부의 전부 또는 일부를 과냉각하여 과냉각된 액체 질소 스트림을 생성하는 단계;
    액체 산소를 기화 또는 부분적으로 기화하여 액체 산소의 기화 또는 부분 기화로부터 형성되는 제1 증발된 스트림을 생성하는 동안, 희가스 함유 오버헤드로부터의 질소를 보조 응축기-재비등기 내에서 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로부터의 액체 산소의 제1 스트림에 대하여 응축하여 응축물 및 비-응축형 함유 배출 스트림을 생성하는 단계;
    보조 응축기-재비등기를 통해 비-응축형 스트리핑 칼럼과 열 전달 관계로 연결된 제논-크립톤 칼럼으로 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로부터의 액체 산소의 제2 스트림을 펌핑하는 단계;
    보조 응축기-재비등기로부터의 제1 증발된 스트림을 제논-크립톤 칼럼 안으로 방출하는 단계;
    비-응축형 함유 배출 스트림 및 과냉각된 액체 질소 스트림의 제1 부분을 환류 응축기로 인도하는 단계 - 환류 응축기는 비-응축형 스트리핑 칼럼으로 인도되는 응축물 스트림, 과냉각된 액체 질소 스트림의 일부분의 기화 또는 부분 기화로부터 형성되는 제2 증발된 스트림, 및 50% 몰 분율 초과의 네온을 함유하는 미정제 네온 증기 스트림을 생성하도록 구성됨 -; 및
    제논 및 크립톤 함유 칼럼 저부의 일부분을 미정제 제논 및 크립톤 액체 스트림으로서 취하는 단계를 포함하는, 희가스 회수 방법.
  10. 제9항에 있어서, 미정제 네온 증기 스트림은 10% 몰 분율 초과의 헬륨을 추가로 함유하는, 희가스 회수 방법.
  11. 제9항에 있어서, 산소-풍부 오버헤드의 전부 또는 일부를 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로 다시 인도하는 단계를 추가로 포함하는, 희가스 회수 방법.
  12. 제9항에 있어서, 산소-풍부 오버헤드의 전부 또는 일부를 기체 산소 생성물로서 취하는 단계를 추가로 포함하는, 희가스 회수 방법.
  13. 제9항에 있어서, 액체 질소 칼럼 저부의 전부 또는 일부를 과냉각하여 과냉각된 액체 질소 스트림을 생성하는 단계는 액체 질소 칼럼 저부의 전부 또는 일부를 공기 분리 유닛의 저압 칼럼의 질소 칼럼 오버헤드와의 간접 열 교환을 통해 과냉각하여 과냉각된 액체 질소 스트림을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 희가스 회수 방법.
  14. 제9항에 있어서, 과냉각된 액체 질소 스트림의 제2 부분을 환류 스트림으로서 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로 인도하는 단계를 추가로 포함하는, 희가스 회수 방법.
  15. 제14항에 있어서, 과냉각된 액체 질소 스트림의 제3 부분을 액체 질소 생성물 스트림으로서 취하는 단계를 추가로 포함하는, 희가스 회수 방법.
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