KR102503071B1

KR102503071B1 - 멀티-스테이지 증류 시스템, 그의 작동 방법

Info

Publication number: KR102503071B1
Application number: KR1020177025513A
Authority: KR
Inventors: 마르쿠스 레만
Original assignee: 써멀 퓨리피케이션 테크놀로지스 리미티드
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2023-02-22
Also published as: EP3256229B1; JP2018505052A; HUE045101T2; US10427066B2; RU2017131841A3; HK1243372B; BR112017017382A2; WO2016128455A1; TR201909948T4; US20180021691A1; JO3694B1; AU2016217954A1; SG11201706435YA; CN107405532A; ES2734258T3; CN107405532B; KR20170118128A; JP6744868B2; IL253908B; MA41491A

Abstract

본 발명은 스테이지들 (Si; 여기서 i=1, ... n) 을 갖는 멀티스테이지 증류 시스템 (1) 에 관한 것으로, 각 스테이지 (Si) 는 작동 동안 후속 스테이지 (Si+1) 보다 더 높은 압력 및 온도 범위 (Pi, Ti) 에서 작동하고, 각 스테이지 (Si) 는 증발기 (Ei) 및 응축기 (Ci) 를 포함하고, 각 증발기 (Ei) 및 각 응축기 (Ci) 는 내압 컨테이너 (2) 를 포함하고, 상기 컨테이너 (2) 는 상기 컨테이너 (2) 내에서 첨가된 액체 (4a) 를 도입 및 분무하기 위한 상부 스프레이 입구 (3), 상기 컨테이너 (2) 내에 포획된 액체 (4b) 를 배출하기 위한 하부 출구 (5), 및 상기 스프레이 입구 (3) 와 상기 포획된 액체 (4b) 사이의 스팀 공간 (6) 을 구비하고, 각 증발기 (Ei) 의 스팀 공간 (6) 은 작동 동안 하나의 스테이지 (Si) 의 두 개의 스팀 공간들 (6) 에서 압력 (Pi) 이 항상 스스로 균형을 잡을 수 있기에 충분히 큰 단면을 갖는 내압 스팀 파이프 (7) 에 의해 동일 스테이지 (Si) 의 응축기 (Ci) 의 스팀 공간 (6) 과 압축 결합되고, 각 증발기 (Ei) 의 출구 (5) 는 다음 증발기 (Ei+1) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되고, 마지막 증발기 (En) 의 출구 (5) 는 각각의 내압 액체 라인 (8) 에 의해 처음 증발기 (E1) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되어 증발기 회로를 생성하고, 각 응축기 (Ci) 의 출구 (5) 는 이전 응축기 (Ci-1) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되고, 처음 응축기 (C1) 의 출구 (5) 는 내압 액체 라인 (9) 에 의해 마지막 응축기 (Cn) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되어 응축기 회로를 생성한다. 본 발명에 따라, 적어도 하나의 내압 스팀 라인 (10) 은, 제 1 단부에서 응축기들 (Cl+1 및 Ci) 사이의 내압 액체 라인들 (9) 중 하나 또는 증발기들 (En 및 E1) 사이의 내압 액체 라인 (8) 과 연결되고 또한 제 2 단부에서 작동 동안 응축기 (Ci) 의 스팀 공간 (6) 에서 압력 (Pi) 또는 증발기 (E1) 의 스팀 공간 (6) 에서 압력 (P1) 보다 더 높은 압력 (P) 을 가지는 스팀 공간과 연결된다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 시스템에서 증류를 실행하기 위한 방법뿐만 아니라 컨트롤러에 관한 것이다.

Description

멀티-스테이지 증류 시스템, 그의 작동 방법{MUTLI-STAGE DISTILLATION SYSTEM, METHOD FOR THE OPERATION THEREOF}

본 발명은 멀티스테이지 증류 시스템에 관한 것으로, 각 스테이지는 작동 중에 그의 후속 스테이지보다 더 높은 압력 및 온도 범위에서 작동하고, 각 스테이지는, 첨가된 액체를 도입 및 분무하기 위한 상부 스프레이 입구, 포획된 액체를 배출하기 위한 하부 출구, 및 스프레이 입구와 포획된 액체 사이의 스팀 공간을 갖는 하나의 내압 (pressure-tight) 컨테이너를 각각 갖는 증발기 및 응축기를 포함하고, 각 증발기의 스팀 공간은 작동 중에 한 개의 스테이지의 두 개의 스팀 공간들 내의 압력이 항상 그 자체로 균형을 이룰 수 있기에 충분히 큰 단면을 갖는 내압 스팀 파이프에 의해 동일 스테이지의 응축기의 스팀 공간과 압축 결합되고, 또한 각 증발기의 출구는 다음 증발기의 스프레이 입구와 연결되고, 마지막 증발기의 출구는 각각의 내압 액체 라인에 의해 제 1 증발기의 스프레이 입구와 연결되어 증발기 회로를 생성하고, 또한 각 응축기의 출구는 이전 응축기의 스프레이 입구와 연결되고, 제 1 응축기의 출구는 내압 액체 라인에 의해 마지막 응축기의 스프레이 입구와 연결되어 응축기 회로를 생성한다. 또한, 본 발명은 이러한 증류 시스템을 구현하기 위한 방법 및 그의 작동을 위한 컨트롤러에 관한 것이다.

증류 시스템들은 오랫동안 공지되어 왔다. 예를 들어, 증류 시스템들은 물을 제조하거나 다른 액체들로부터 알코올을 분리하는 역할을 하고, 또한 여러 다른 시스템들에서 사용된다. 원칙적으로, 증류될 액체는 열에 노출되는 동안 증발되어, 잔여물들로부터, 예를 들어 염들 또는 더 높은 끓는점을 갖는 다른 액체들로부터 이를 분리한다. 마지막으로, 스팀은 다른 챔버에서 냉각되어, 이를 증류액으로 응축시킬 수 있다.

최근 몇 년 동안, 시스템들은 효율성을 높이고 컨트롤러들을 단순화하기 위해 향상되었다. WO 2008/122136 는 높은 효율을 갖는 종래 기술에 따른 유리한 시스템을 개시한다. 이는 바람직하게는 발전소들과 같은 열 방출 시스템들의 환경에서 사용되고, 방출된 열 에너지는 무료로 또는 저렴한 비용으로 사용될 수 있다. 특히, 이러한 유형의 증류 시스템은 멀티스테이지 설계를 또한 갖출 수 있어서, 전체적으로 제공된 차동 (differential) 온도 범위, 예를 들어 50 ~ 100 ℃ 를 활용할 수 있다.

충분히 공지되어 있는 열 교환기들 및 다른 공지된 보조 장치들이 의도된 목적을 위해 제공된 열을 최적으로 사용할 수 있다. 또한, 이러한 증류 시스템을 작동시키기 위해, 특히 그 중에서 응축불가능한 (incondensable) 가스들을 사이펀되게 (siphoning) 하는 펌프들 또는 작동 진공 펌프들에 의해 액체들을 이송하기 위해 전류가 또한 요구된다. 이러한 시스템들을 작동하는데 필요한 전력은 전반적인 작동 비용의 상당 부분을 차지한다. 그러므로, 증류 시스템을 덜 비싸게 작동시키기 위해서는 전력 요구가 낮춰져야 한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 작동 동안 전력 소비를 낮추는 방식으로 초반에 개시된 종류의 멀티스테이지 증류 시스템을 개선하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 이러한 증류를 구현하는 방법 및 그의 작동을 위한 컨트롤러를 개시하는 것이다.

목적은 각각의 카테고리들에 대한 독립 청구항들의 특징들에 의해 달성된다.

본 발명에 따라, 처음에 개시된 증류 시스템은, 제 1 단부에서 두 개의 인접한 응축기들 사이에서 내압 액체 라인들 중 하나와 또는 마지막 증발기와 처음 증발기 사이의 내압 액체 라인과 연결되는 내압 스팀 라인을 포함한다. 또한, 내압 스팀 라인의 제 2 단부는, 작동 동안 액체를 더 높은 압력으로 가압할 뿐만 아니라 액체를 이송하기 위해 내압 액체 라인에서 액체가 유동하는 액체 스팀 공간 내의 압력보다 더 높은 압력을 가지는 스팀 공간과 연결된다.

이러한 가압은 액체 라인 내의 액체를 더 높은 압력에 노출시켜, 이를 고온의 스테이지에서 증발시킬 수 있다. 또한, 가압은 이러한 목적을 위해 전류를 사용하지 않으면서 더 높은 퍼텐셜로 배열된 컨테이너 내로 액체를 이송할 수 있다. 결과적으로, 연속 작동 중에 펌프는 전혀 필요하지 않다.

증발기 및 응축기 회로에서 펌프들이 여전히 배치되지만, 펌프들은 처음에 프로세스를 시작하는 데만 필요하다. 프로세스는 회로들에서 액체들을 순환시키기 위해 펌프가 작동되지 않으면서 몇 분 이내에 자동으로 실행된다. 응축기들 내에 응축 경로의 끝에 응축불가능한 가스를 사이펀되게 하기 위한 진공 펌프만이 가끔 매우 짧은 시간 동안만 작동되게 해야 한다.

본 발명에 따른 증류 시스템에서 전력 소비는 급격하게 낮춰질 수 있다. 또한, 단지 단일 펌프가 회로들의 각각에서 필요로 하고, 이는 증류 시스템에 대한 투자 비용들을 또한 낮춘다.

본 발명에 따른 증류 시스템의 사용으로 증류 프로세스를 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법은 증발 회로로의 입구, 증발기 회로로부터의 출구, 뿐만 아니라 응축기 회로로부터의 증류액 출구를 구비하고, 이하의 절차적 단계들에 의해 특징지어진다:

양자의 회로들에서 액체의 양을 모니터링 하는 단계; 증발기 회로에서 잔여물들의 농도를 모니터링하는 단계; 증발기 회로 내의 액체가 미리 정해진 최대 레벨에 도달되고 그리고/또는 증발기 회로 내의 잔여물들의 농도가 미리 정해진 최대 값에 도달되는 즉시 출구에서 고농도의 잔여물들을 갖는 액체를 배출하는 단계; 응축기 회로 내의 액체가 미리 정해진 최대 레벨에 도달하는 즉시 증류액 출구에서 응축기 회로로부터 증류액을 배출하는 단계; 증발기 회로 내의 액체가 미리 정해진 최소 레벨에 도달하고 그리고/또는 증발기 회로 내의 잔여물들의 농도가 미리 정해진 최대값에 도달되는 즉시 입구에서 응축기 회로 내로 액체를 배출하는 단계. 이러한 단계들은 프로세스가 중지될 때까지 반복된다.

바람직하게는 최대 농도와 최대 레벨에 도달되면, 그리고 구체적으로는 최소 레벨과 같은 시간에 도달할 때까지 증발기 회로로부터만 액체가 배출된다. 그런 다음, 최대 레벨까지 새로운 액체를 첨가함으로써, 농도가 낮춰진다. 그때부터, 최소 레벨 또는 최대 농도에 도달되는 즉시 레벨은 다시 각각의 최대 레벨까지 높아진다.

바람직한 방법은, 가스 라인에 의해 각 응축기의 각 응축 경로의 단부와 연결되는 전공 펌프를 포함하는 증류 시스템의 사용을 포함한다. 방법은 이하의 절차적 단계들에 의해 특징지어진다:

동일 스테이지의 응축기들 및 증발기들의 스팀 공간들에서 온도차들을 결정하는 단계; 해당 온도차가 미리 정해진 최소값 미만으로 떨어질 때까지, 상기 해당 온도차가 미리 정해진 최대값에 도달하는 즉시 진공 펌프에 의해 가스 라인을 통해 응축기의 스팀 공간에서 응축불가능한 가스들을 제거하는 단계. 언급된 단계들은 프로세스가 중지될 때까지 반복된다.

본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 본 발명에 따른 컨트롤러는 측정 데이터의 판독을 위한 센서들 용의 포트들, 측정 데이터를 평가하기 위한 프로세서, 및 밸브들 및 펌프들의 설정들을 변경하기 위한 포트들을 포함한다.

본 발명은 도면들을 참조하여 이하의 설명에서 더 상세하게 설명될 것이다. 동일 참조 부호들은 동일 요소들을 각각 나타낸다.

도 1 은 종래 기술에 따른 멀티스테이지 증류 시스템이다;
도 2 는 본 발명에 따른 멀티스테이지 증류 시스템이다;
도 3 은 예시적인 온도 및 압력 값들을 갖는 도 2 에 따른 증류 시스템이다.

본 발명을 구현하는 방법

도 1 은 종래 기술에 따른 멀티스테이지 증류 시스템 (1) 을 도시한다. S1, S2 및 S3 로 표시된 하부 삽입구에 의해 각각 나타내어지는 세 개의 스테이지들이 도시된다. 또한, 스테이지 (S1) 는 열 교환기 (14) 에 의해 스테이지 (S2) 와 연결되는 부분까지 점선으로 경계 진다. 각 스테이지 (S) 는 각 스테이지 (S1, S2, S3) 의 각각의 좌측 챔버를 포함하는 증발기 (E1, E2, E3), 및 우측에 도시되는 스테이지 (S) 의 각각의 챔버를 포함하는 응축기 (C1, C2, C3) 로 이루어진다. 증발기들 및 응축기들 모두는 스팀 공간을 구비하고, 각각의 동일 스테이지 (S1, S2, S3) 의 증발기들 (E1, E2, E3) 및 응축기들 (C1, C2, C3) 의 스팀 공간들은 각각의 연결 스팀 공간 (6) 에 의해 상호 연결되고, 이러한 연결 스팀 공간 (6) 의 크기는 이러한 스테이지의 스팀 공간들 내부의 압력 (P) 이 방해 없이 균형을 이룰 수 있도록 치수화된다. 결과적으로, 각 스테이지 (S1, S2, S3) 의 챔버들 모두에서 동일한 압력 (P1, P2, P3) 이 우세하다. 각 챔버에서, 액체 (4) 는 챔버로부터 스프레이 입구 (3) 까지 상방으로 이송되고, 여기에서 분무된다. 증발기들 (E1, E2, E3) 에서 분무된 액체들 (4a) 은 각각의 동일 스테이지의 응축기들 (C1, C2, C3) 의 분무된 액체들 (4a) 보다 약간 더 높은 온도를 갖는다. 각각의 액체들에 대해 공지된 각각의 스팀 압력 (P1, P2, P3) 에 대한 포화 곡선의 온도 (Ts1, Ts2, Ts3) 보다, 증발기들 (E1, E2, E3) 의 온도는 상응하여 약간 더 높고, 응축기들 (C1, C2, C3) 의 온도는 약간 더 낮다.

이러한 이유로, 각 증발기 내에 분무된 액체 (4a) 는 부분적으로 증발할 것이고, 또한 수반되는 응축기의 인접 챔버들 내로 유입되며, 여기에서 액체는 냉각기 액적들 (cooler drops) 과 충돌하여 다시 스스로 응축된다. 따라서, 시간이 지남에 따라, 증발된 액체는 각 증발기로부터 동일 스테이지의 응축기 내로 배회한다. 증류액은 여기에서 스키밍 (skimmed) 될 수 있는 반면, 새로운 액체는 증발기 내로 도입될 수 있다.

결과적으로, 제 1 스테이지 (S1) 는 증발기 (E1) 에서 온도 (T1,1) 로 또는 응축기 (C1) 에서 온도 (T1,2) 로 작동하고, 액체들 (4a) 은 제시된 온도로 챔버들 내로 분무된다. 응축기 (C1) 의 인접 챔버는 응축기 (C2) 와 함께 제 2 스테이지 (S2) 를 형성하는 증발기 (E2) 이다. 따라서, 이러한 스테이지 (S2) 의 챔버들은 증발기 (E2) 에서는 온도 (T2,1) 로 그리고 응축기 (C2) 에서는 온도 (T2,2) 로 작동하고, 인접한 챔버들 (C1 및 E2) 은 동일한 온도로 설정된다. 따라서, 이하가 적용된다: T1,2 = T2,1. 이러한 온도 균일성을 달성하기 위하여, 챔버들 (C1 및 E2) 의 하부 영역들은 열 교환기들 (14) 로 디자인된다. 이는 열 교환기와 또한 상호 연결되는 챔버들 (C2 및 E3) 에 대해서도 마찬가지여서, 응축기 (C2) 의 온도 (T2,2) 및 증발기 (E3) 의 온도 (T3,1) 는 항상 동일한 온도로 유지된다.

각 스팀 공간 (6) 내의 온도 및 압력 측정 디바이스들 (26, 27) 은 프로세스 모니터링을 위해 사용된다. 또한, 각 응축 경로의 끝에 있는 진공 펌프 (V) 는 시스템 내의 응축불가능한 가스들을 사이펀 제거 (siphon away) 할 수 있다. 이는 프로세스를 효율적으로 작동시키는데 중요하다.

종래 기술에서, 각각의 스테이지들은 오직 열 교환기들과 상호 연결되어, 여러 스테이지들 (S) 사이에서 액체들 또는 스팀의 교환 또는 유동이 발생할 수 없다. 스테이지들은 오직 열 교환기들을 통해 서로 연결된다. 각각의 스테이지들 (S) 이 상이한, 각각의 인접한 온도 범위에서 작동하지만, 그 각각은 스스로 작동한다.

바람직한 예시적인 실시형태

도 2 는 본 발명에 따른 예시적인 실시형태를 도시한다. 도면은 스테이지들 (Si; n=1, ... n) 을 갖는 멀티스테이지 증류 시스템 (1) 을 도시하고, 각 스테이지 (Si) 는 작동 동안 그의 후속 스테이지 (Si+1) 보다 더 높은 압력 및 온도 범위 (Pi, Ti) 에서 작동한다. 도 3 은 도 2 에 따른 시스템을 나타내어, 본 발명에 따라 설정될 수도 있는 별개의 컨테이너들 및 압력 챔버들에 대한 압력 및 온도 값들의 예들을 나타낸다.

각 스테이지 (Si) 는 증발기 (Ei) 및 응축기 (Ci) 를 포함하고, 각 증발기 (Ei) 및 각 응축기 (Ci) 는 내압 컨테이너 (2) 를 포함하고, 상기 컨테이너 (2) 는 컨테이너 (2) 내에 첨가된 액체 (4a) 를 도입 및 분무하기 위한 상부 스프레이 입구 (3) 뿐만 아니라 컨테이너 (2) 내에 포획된 액체 (4b) 를 배출하기 위한 하부 출구 (5) 를 갖는다. 또한, 각 컨테이너 (2) 는 스프레이 입구 (3) 와 포획된 액체 (4b) 사이에 스팀 공간 (6) 을 포함하고, 각 증발기 (Ei) 의 스팀 공간 (6) 은, 압력의 관점에서, 스테이지 (Si) 의 2 개의 스팀 공간들 (6) 내의 압력 (Pi) 이 작동 동안 항상 균형을 유지할 수 있기에 충분히 큰 단면을 가지는 내압 스팀 파이프 (7) 에 의해 동일 스테이지 (Si) 의 응축기 (Ci) 의 스팀 공간 (6) 과 연결된다. 각 증발기 (Ei) 의 출구 (5) 는 다음 증발기 (Ei+1) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되고, 마지막 증발기 (En) 의 출구 (5) 는 내압 액체 라인 (8) 에 의해 제 1 증발기 (E1) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되어, 증발기 회로를 생성한다. 이와 유사하게, 각 응축기 (Ci) 의 출구 (5) 는 이전 응축기 (Ci-1) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되고, 제 1 응축기 (C1) 의 출구 (5) 는 내압 액체 라인 (9) 에 의해 마지막 응축기 (Cn) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되어, 응축기 회로를 생성한다. 본 발명에 따라, 증류 시스템은, 액체 (4) 를 더 높은 압력으로 가압하고 또한 액체 (4) 를 이송하기 위하여, 제 1 단부에서 응축기들 (Ci+1 와 Ci[i-1 내지 3]) 사이의 내압 액체 라인들 (9) 중 하나와 연결되거나 증발기들 (En 와 E1) 사이의 내압 액체 라인 (8) 과 연결되고, 제 2 단부에서 작동 동안 응축기 (Ci) 의 스팀 공간 (6) 내의 압력 (Pi) 보다 또는 증발기 (E1) 의 스팀 공간 (6) 내의 압력 (P1) 보다 더 높은 압력 (P) 을 가지는 스팀 공간과 연결되는 적어도 하나의 내압 스팀 라인 (10) 을 포함한다.

특히, 컨테이너들 (2) 의 구성은 증발기들 및 응축기들의 회로들이 동일 레벨에 위치되도록 또한 수정될 수 있다. 예를 들어, 응축기 (Cn) 및 증발기 (E1) 는 단지 응축기 (C1) 및 증발기 (En) 로서 동일 또한 유사 레벨에 있을 수 있다. 이는 연결 스팀 공간들 (6) 의 길이를 단축시킨다. 도시된 도 2 및 도 3 은 명확성을 이유로 이러한 방식으로 도시되었고, 또한 개략도들로 이해되어야 한다.

본 발명에 따라, 증발기들 (E) 및 응축기들 (C) 은 본원에 개시된 증류 시스템 (1) 내에서 서로 공간적으로 분리되어 있고, 또한 2 개의 챔버들 (2) 에서 압력차가 10 mbar 미만으로 측정되기에 충분히 큰 단면을 가지는 파이프들에 의해 서로 연결된다. 이러한 압력 보상이 항상 보장되는 것이 중요하다. 챔버들 (2) 의 이러한 공간 분리는, 상이한 스테이지들 (Si) 에서의 각각의 스팀 압력을 고려하는 별개의 챔버들 (2) 의 위치 에너지의 결과로서 펌프들의 도움 없이 액체들 (4) 이 다음 챔버 (2) 로 유입되도록, 동일 종류의 챔버들, 구체적으로는 각각의 증발기들 및 응축기들을 상호 연결하고 또한 공간적으로 배열하기 위한 옵션들을 지금부터 가능하게 한다. 특히, 이는 증발기들 (E1 내지 En) 사이에서, 그리고 응축기들 (C1 와 Cn) 사이에서 발생한다. 결과적으로, 지지는 오직 응축기들 (C1 내지 Cn) 사이뿐만 아니라 증발기들 (E1 와 En) 사이의 액체 라인들에서 필요하다.

이러한 지지는 펌프 또는 스팀 압력에 의해 제공될 수 있다. 목표 챔버의 압력을 초과하는 압력에서 액체 라인 내로 스팀을 공급할 때, 라인 내의 액체는 목표 챔버 내로 이송된다. 이를 위해, 스팀은 증류 챔버 (1) 의 스팀 공간으로부터 취해질 수 있다. 하지만, 적합한 압력 및 온도 조건을 갖는 스팀이 다른 가까운 소스에서 이용가능하다면, 자연적으로 다른 가까운 소스를 사용할 수 있다. 또한, 관통하여 유동하는 액체가 부분적으로 스팀으로 변하는 스팀 챔버 (25) 가 증발기 (E1) 전 액체 라인에 설치될 수 있다. 이러한 스팀은 전체 증류 시스템 (1) 내에서 가장 뜨겁고, 또한 가장 높은 압력을 가진다. 이러한 스팀 챔버 (25) 내의 압력은 증발기 (E1) 내의 압력보다 훨씬 더 높다. 액체 (4) 는 이러한 스팀 챔버 (24) 로부터 이송되어 가압될 수 있고, 또한 약간 낮은 압력이 되어야 한다. 실시예들은 도 2 및 도 3 으로부터 얻어질 수도 있다. 보다 더 낮은 압력을 갖는 스테이지 (S) 로부터의 스팀 공간들 (6) 은 해당 액체들을 이송할 수 있고, 그의 목표 컨테이너들 (2) 은 스팀 라인들 (10) 이 그들의 압력을 유도하는 스팀 공간들 (6) 보다 더 낮은 압력 하에 있다.

증류 시스템 (1) 은 바람직하게는 증발기 회로의 액체 라인 (8) 및 응축기 회로의 액체 라인 (9) 각각에서 한 개의 펌프 (11) 를 구비하여, 프로세스의 시작 시에 액체들 (4) 의 미리 정해진 압력에 도달한다. 그러나, 프로세스는 이상적인 압력 및 온도 조건이 모든 컨테이너들 (2) 내에 설정될 때까지 몇 분 동안만 작동될 필요가 있다. 그런 다음, 프로세스는 독립적으로 작동한다. 펌프들 (11) 은 바람직하게는 컨테이너들 (C1 와 Cn) 사이의 또는 컨테이너들 (En 와 E1) 사이에 연결 요소들 (8, 9) 내에 배열된다.

또한, 증류 시스템 (1) 은 바람직하게는 증발기 (E1) 및 응축기 (Cn) 에서 미리 정해진 온도를 달성하기 위해 증발기 (E1) 전 증발기 회로의 액체 라인 (8) 내에 히터 (12) 및 응축기 (Cn) 전 응축기 회로의 액체 라인 내에 냉각 응집체 (13; cooling aggregate) 를 구비한다. 이러한 히터 (12) 및 이러한 냉각 응집체 (13) 는 바람직하게는 열 교환기 (14) 로서 적어도 부분적으로 함께 구성된다. 그러나, 열 교환기 (14) 는 후속 컨테이너들 (Cn 또는 E1) 의 원하는 목표 온도에 도달할 수 없으므로, 라인들 (8, 9) 은 또한 응축기 회로의 액체 라인 내에 각각의 별개의 냉각 응집체 (13) 를 증발기 회로의 액체 라인 (8) 의 별개의 히터 (12) 와 함께 포함해야 한다.

도시된 바와 같이, 이는 충분한 액체 (4) 가 액체 라인들 (8, 9) 의 각각의 섹션들에 여전히 존재하는 프로세스를 개시하는데 유리하다. 전술한 것을 보장하기 위하여, 사이펀들 (15) 은, 응축기들 (Cn 내지 C1) 사이 그리고/또는 증발기들 (E1 내지 En) 사이의 액체 라인들 (9, 8) 내에 배열되어, 시스템 정지를 고려하여 각각의 응축기들 (Ci) 및/또는 증발기들 (Ei) 이 아이들링 (idling) 되는 것을 방지한다.

다른 바람직한 배열체에서, 증발기들 (E1 와 En) 사이의 액체 라인들 (8) 내의 사이펀들 (15) 은 중심 스파우트 (central spout) 를 구비한다. 증가된 잔여물들은 여기에서 축적되고, 이러한 방식으로 높은 농도로 회로로부터 용이하게 제거될 수 있다는 것이 나타내어진다.

프로세스가 최적으로 작동하고 또한 가능한 한 도입된 액체를 많이 증발시키기 위하여, 응축 경로의 끝에서 축적되는 응축불가능한 가스들은 때때로 스팀 공간들 (6) 로부터 제거되어야 한다. 이를 위하여, 각 응축기 (Ci) 는 증류 경로의 끝에서 진공 펌프 (16) 와 연결된 가스 라인 (17) 을 구비한다. 필요 시에, 진공 펌프 (16) 는 이것이 또한 짧은 시간 동안만, 일반적으로 작동 시간의 5 % 미만 동안만 요구될지라도 작동하게 된다.

도시된 바와 같이, 진공 펌프 (16) 는 또한 스팀으로 작동될 수 있다. 이는 작동 동안 공급되도록 내압 스팀 라인 (10) 과 연결되어야 한다. 그로 인해, 진공 펌프 (16) 에는, 가스들이 사이펀되게 하는 스팀 공간들 (6) 보다 더 높은 압력 (P) 을 갖는 스팀이 공급된다.

그 결과, 일단 프로세스가 시작되어 안정된 상태에 도달하면, 작동 동안에는 전류가 절대적으로 사용되지 않는다.

또한, 각각의 컨테이너들 (2) 은 바람직하게는 액체의 위치 에너지의 최적 사용을 가능하게 하는 방식으로 서로 평행하게 정렬된다. 본 발명에 따라, 각 증발기 (Ei+1) 는, 이러한 목적을 위해 전기로 작동되는 펌프가 요구되지 않으면서, 프로세스의 실행 동안 압력 및 레벨 차이에 의해서만 액체 (4) 가 각 증발기 (Ei) 로부터 각각의 후속 증발기 (Ei+1) 로 흐르게 하도록 이전 증발기 (Ei) 보다 더 낮은 레벨에 배열된다. 각 후속 스테이지 (Si+1) 가 그의 이전 스테이지 (S1) 보다 더 낮은 압력으로 작동하므로, 후속 스테이지 (Si+1) 는 상응하게 더 높게 배열될 수 있어서, 액체는 그의 상승된 압력으로 인해 상향으로 유동한다.

따라서, 각 응축기 (Ci+1) 는, 후속 응축기 (Ci) 와의 비교에 의해, 이러한 목적을 위해 전기로 작동된 펌프가 요구되지 않으면서, 프로세스 실행 동안 스팀 라인의 이송력 및/또는 압력 및 레벨 차이에 의해 액체가 응축기 (Ci+1) 로부터 각각의 후속 응축기 (Ci) 로 흐르게 하는 레벨로 배열된다. 응축기 회로에서의 유동 방향이 증발기 내의 유동 방향에 반대되므로, 액체는 더 낮은 압력을 갖는 컨테이너들 (2) 로부터 더 높은 압력을 갖는 컨테이너들 (2) 로 유동한다. 이는 더 낮은 스테이지들의 응축기들보다 높게 더 높은 스테이지들의 응축기들을 배열함으로써 부분적으로 지지될 수 있다. 지지 목적들을 위해, 액체는 더 높은 압력 하에서 스팀을 스팀 라인들 (10) 로 공급함으로써 추가로 공급된다. 이는 전류를 사용하는 펌프들을 사용할 필요가 없게 한다.

또한, 응축기들 (C1 및 Cn) 은, 이러한 목적을 위해 전기로 작동되는 펌프가 요구되지 않으면서, 프로세스 실행 동안 압력 및 레벨 차이에 의해 응축기 (C1) 의 액체 (4) 가 응축기 (C1) 로부터 응축기 회로의 액체 라인 (9) 을 통해 응축기 (Cn) 로 유동하게 하도록 레벨링된다. C1 에서의 압력이 Cn 에서보다 훨씬 더 크므로, 이러한 목적을 위해 펌프가 요구되지 않으면서 큰 높이가 극복될 수 있다.

증발기들 (En 및 E1) 은 바람직하게는, 이러한 목적을 위해 전기로 작동되는 펌프가 요구되지 않으면서, 프로세스 실행 동안 증발기 회로의 액체 라인 (8) 을 통해 하나 이상의 스팀 라인들 (10) 의 이송력에 의해 그리고 압력 및 레벨 차이에 의해 증발기 (En) 의 액체 (4) 가 증발기 (En) 로부터 증발기 (E1) 로 유동하게 하도록 또한 레벨링된다. 액체 라인 (8) 의 이러한 섹션은 높이가 극복되고 또한 압력이 가해질 것을 요구한다. 이는 바람직하게는 가변하는 스테이지들 (S) 로부터 액체 라인 (8) 으로의 수개의 스팀 라인들 (10) 을 도입시킴으로써 증가식으로 달성된다. 상이한 스팀 라인들 (10) 은 또한 동일 위치에서 액체 라인 (8) 내로 도입되거나 차례로 작동될 수 있어서, 각각의 가장 적합한 스팀 라인 (10) 이 항상 작동가능하다.

스팀 라인들 (10) 은 선택적으로 액체 라인 (8, 9) 의 내부로 루팅 (routed) 될 수 있다.

본 발명에 따른 증류 시스템 (1) 은 증류될 액체 (4) 를 공급하기 위한 증발기 회로로의 공급부 (18) 를, 고농도의 잔여물들을 갖는 액체 (4) 를 배출하기 위한 증발기 회로로부터의 출구 (19) 뿐만 아니라, 증류 시스템에 의해 생성된 증류액 (21) 을 배출하기 위한 응축기 회로로부터의 증류액 출구 (20) 와 함께 포함한다. 이것들은 도 2 에 도시되어 있다.

또한, 각 스팀 라인 (10) 및/또는 각 가스 라인 (17) 은 유속을 조절하기 위한 밸브 (22) 를 포함한다. 이러한 밸브들 (17) 은 바람직하게는 제어가능하고 또한 조절 디바이스와 연결된다.

적어도 처음 응축기 (C1) 및 마지막 증발기 (En) 의 컨테이너들 (2) 은 컨테이너들 (2) 내에 포획된 액체 (4b) 의 레벨들을 결정하기 위한 레벨 센서 (23) 를 각각 포함한다. 다른 컨테이너들 (2) 은 또한 이러한 레벨 센서들 (23) 을 구비할 수 있다. 그러나, 특히 두 개의 언급된 레벨 센서들은 프로세스를 조절하는데 필요하다. 또한, 바람직한 증류 시스템 (1) 은, 잔여물들의 농도를 측정하기 위하여 증발 회로 내에, 바람직하게는 마지막 증발기 (En) 의 영역 내에 센서 (24) 를 구비한다. 센서들 (23, 24) 은 또한 바람직하게는 제어가능하고, 또한 조절 디바이스 (미도시) 와 연결된다.

본 발명에 따른 증류 시스템 (1) 을 이용하는 증류 프로세스를 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법이 이하에 개시되고, 상기 증류 시스템 (1) 은 증류될 액체 (4) 를 공급하기 위한 증발기 회로 내의 공급부 (18) 를, 고농도의 잔여물들을 갖는 액체 (4) 를 배출하기 위한 증발기 회로로부터의 출구 (19) 뿐만 아니라, 증류 시스템에 의해 생성된 증류액 (21) 을 배출하기 위한 응축기 회로로부터의 증류액 출구 (20) 와 함께 포함한다. 본 발명에 따라, 이하의 절차적 단계들이 이러한 방법에서 구현된다:

증발기 회로 및 응축기 회로 내의 액체 레벨을 모니터링하는 단계; 증발기 회로 내의 잔여물들의 농도를 모니터링하는 단계; 증발기 회로 내의 액체 레벨이 미리 정해진 최대 레벨에 도달하고 그리고/또는 증발기 회로 내의 잔여물들의 농도가 미리 정해진 최대값에 도달하는 즉시, 출구 (19) 에서 고농도의 잔여물들을 갖는 액체를 배출하는 단계; 응축기 회로 내의 액체 레벨이 미리 정해진 최대 레벨에 도달하는 즉시, 증류액 출구 (20) 에서 응축기 회로로부터 증류액을 배출하는 단계; 증발기 회로 내의 액체 레벨이 미리 정해진 최소값에 도달하고 그리고/또는 증발기 회로 내의 잔여물들의 농도가 미리 정해진 최대값에 도달하는 즉시, 공급부 (18) 에서 응축기 회로 내로 액체 (4) 를 배출하는 단계. 전술한 단계들은 프로세스가 중지될 때까지 반복된다.

전술한 방법에서, 경계 조건이 존재하는 즉시 각각의 챔버들에서 온도 및 압력이 스스로 조절된다는 사실이 주목할만하다. 액체 또는 증류액의 공급 및 제거만이 조절된다. 또한, 프로세스 초기에, 증발기 (E1) 및 응축기 (Cn) 내로 유입되는 액체들이 미리 정해진 압력 및 온도 조건에 상응한다는 것을 주의해야 한다. 이는 히터 (15) 및 냉각 응집체 (13) 에 의해 달성된다.

프로세스를 개선하기 위하여, 응축불가능한 가스들이 응축기 회로로부터 제거되어야 한다. 이를 위하여, 각 응축기 (Ci) 는 증류 경로의 끝에서 진공 펌프 (16) 와 연결된 가스 라인 (17) 을 구비한다. 이 방법은 이하의 절차적 단계들에 따라 향상된다:

동일 스테이지 (Si) 의 증발기들 (Ei) 및 응축기들 (Ci) 의 컨테이너들 (2) 의 스팀 공간들 (6) 에서 온도차 (dTi) 를 결정하는 단계; dTi 가 미리 정해진 최소값에 도달할 때까지, 온도차 (dTi) 가 미리 정해진 최대 값에 도달하는 즉시 진공 펌프 (16) 를 이용하여 가스 라인 (17) 을 통해 응축기 (Ci) 의 스팀 공간 (6) 내에서 응축불가능한 가스들을 제거하는 단계; 프로세스가 중지될 때까지, 이러한 단계들을 반복하는 단계.

본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 본 발명에 따른 컨트롤러는 측정 데이터의 판독을 위한 센서들에 대한 포트들, 측정 데이터를 평가하기 위한 프로세서, 및 밸브들 (22) 및 펌프들 (11, 16) 의 설정을 변경하기 위한 포트들을 포함한다.

결과로서, 밸브들 (22) 은 개방된다. 그러나, 프로세스 초반에 수개의 밸브들 (22) 이 폐쇄되거나 스로틀링 (throttled) 될 수도 있다.

1 증류 시스템
2 컨테이너
3 스프레이 입구
4 액체; 4a 분무된 액체; 4b 포획된 액체
5 출구
6 스팀 공간
7 스팀 파이프
8 증발 회로로의 액체 라인
9 응축기 회로로의 액체 라인
10 스팀 라인
11 펌프
12 히터
13 냉각 응집체
14 열 교환기
15 사이펀들
16 진공 펌프
17 가스 라인
18 공급부
19 고농도의 잔류물들을 갖는 액체의 배출
20 증류액 출구
21 증류액
22 밸브
23 레벨 센서
24 잔여물들의 농도를 측정하기 위한 센서
25 스팀 챔버
26 온도 센서
27 압력 센서
E 증발기, E1,... En
C 응축기, C1,... Cn
S 스테이지, S1,... Sn

Claims

스테이지들 (Si; 여기서 i=1, ... n) 을 갖는 멀티스테이지 증류 시스템 (1) 으로서,
각 스테이지 (Si) 는 작동 동안 후속 스테이지 (Si+1) 보다 더 높은 압력 및 온도 범위 (Pi, Ti) 에서 작동하고, 각 스테이지 (Si) 는 증발기 (Ei) 및 응축기 (Ci) 를 포함하고, 각 증발기 (Ei) 및 각 응축기 (Ci) 는 내압 컨테이너 (2) 를 포함하고, 상기 컨테이너 (2) 는 상기 컨테이너 (2) 내에서 첨가된 액체 (4a) 를 도입 및 분무하기 위한 상부 스프레이 입구 (3), 상기 컨테이너 (2) 내에 포획된 액체 (4b) 를 배출하기 위한 하부 출구 (5), 및 상기 스프레이 입구 (3) 와 상기 포획된 액체 (4b) 사이의 스팀 공간 (6) 을 구비하고, 내압 스팀 파이프 (7) 는 각 증발기 (Ei) 의 스팀 공간 (6) 과 각 응축기 (Ci) 의 스팀 공간을 연결하고, 각 증발기 (Ei) 의 출구 (5) 는 다음 증발기 (Ei+1) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되고, 마지막 증발기 (En) 의 출구 (5) 는 각각의 내압 액체 라인 (8) 에 의해 처음 증발기 (E1) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되어 증발기 회로를 생성하고, 각 응축기 (Ci) 의 출구 (5) 는 이전 응축기 (Ci-1, 여기서, i=1 제외) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되고, 처음 응축기 (C1) 의 출구 (5) 는 내압 액체 라인 (9) 에 의해 마지막 응축기 (Cn) 의 스프레이 입구 (3) 와 연결되어 응축기 회로를 생성하고,
적어도 하나의 내압 스팀 라인 (10) 은, 제 1 단부에서 응축기들 (Ci+1 및 Ci) 사이의 내압 액체 라인들 (9) 중 하나 또는 증발기들 (En 및 E1) 사이의 내압 액체 라인 (8) 과 연결되고 또한 제 2 단부에서 작동 동안 응축기 (Ci) 의 스팀 공간 (6) 에서 압력 (Pi) 또는 증발기 (E1) 의 스팀 공간 (6) 에서 압력 (P1) 보다 더 높은 압력 (P) 을 가지는 스팀 공간과 연결되어, 상기 액체 (4) 를 고압으로 가압하고 또한 상기 액체 (4) 를 이송하는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
프로세스 초반에 상기 액체 (4) 의 미리 정해진 압력을 달성하기 위해, 상기 증발기 회로의 상기 액체 라인 (8) 및 상기 응축기 회로의 상기 액체 라인 (9) 내의 각각의 펌프 (11) 에 의해 특징지어지는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 증발기 (E1) 및 상기 응축기 (Cn) 내의 미리 정해진 온도를 달성하기 위해, 상기 증발기 (E1) 전에 상기 증발기 회로의 상기 액체 라인 (8) 내의 히터 (12) 및 상기 응축기 (Cn) 전에 상기 응축기 회로의 상기 액체 라인 내의 냉각 응집체 (13; cooling aggregate) 에 의해 특징지어지는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 히터 및 상기 냉각 응집체 (13) 는 열 교환기 (14) 로서 함께 적어도 부분적으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
응축기들 (Cn 내지 C1) 사이 그리고/또는 증발기들 (E1 내지 En) 사이의 액체 라인들 (9, 8) 내에 사이펀들 (15) 이 배열되는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
각 응축기 (Ci) 는 응축불가능한 가스를 상기 스팀 공간들 (6) 로부터 제거하기 위하여 증류 경로의 끝에서 진공 펌프 (16) 와 연결되는 가스 라인 (17) 을 구비하는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
각 증발기 (Ei+1) 는, 전기로 작동되는 펌프를 요구함이 없이, 프로세스의 실행 동안 압력 및 레벨 차이에 의해서만 상기 액체 (4) 가 각 증발기 (Ei) 로부터 각각의 후속 증발기 (Ei+1) 내로 유동하게 되도록 이전 증발기 (Ei) 보다 더 낮은 레벨에 배열되는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
각 응축기 (Ci+1) 는, 후속 응축기 (Ci) 에 비해, 전기로 작동되는 펌프를 요구함이 없이, 프로세스 실행 동안 스팀 라인의 이송력 및/또는 압력 및 레벨 차이에 의해 액체가 응축기 (Ci+1) 로부터 각각의 후속 응축기 (Ci) 내로 유동하게 하는 레벨에 배열되는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 응축기들 (C1 및 Cn) 은, 전기로 작동되는 펌프를 요구함이 없이, 프로세스 실행 동안 압력 및 레벨 차이에 의해 응축기 (C1) 의 상기 액체 (4) 가 상기 응축기 회로의 상기 액체 라인 (9) 을 통해 응축기 (C1) 로부터 응축기 (Cn) 로 유동하게 되도록 레벨링되는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 증발기들 (En 및 E1) 은, 전기로 작동되는 펌프를 요구함이 없이, 프로세스 실행 동안 상기 증발기 회로의 상기 액체 라인 (8) 을 통해 하나 이상의 스팀 라인들 (10) 의 이송력에 의해 그리고 압력 및 레벨 차이에 의해 상기 증발기 (En) 의 상기 액체 (4) 가 증발기 (En) 로부터 증발기 (E1) 로 유동하게 되도록 또한 레벨링되는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
액체 라인들 (8, 9) 중 적어도 하나 및/또는 상기 스팀 라인들 (10) 중 적어도 하나는 컨테이너 (2) 의 내부에 그리고/또는 스팀 파이프 (6) 의 내부에 배열되는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 멀티스테이지 증류 시스템은 증류될 액체 (4) 를 공급하기 위한 상기 증발기 회로 내의 공급부 (18) 를, 고농도의 잔여물들을 갖는 액체 (4) 를 배출하기 위한 상기 증발기 회로로부터의 출구 (19) 뿐만 아니라 상기 증류 시스템에 의해 생성되는 증류액 (21) 을 배출하기 위한 상기 응축기 회로로부터의 증류액 출구 (20) 와 함께 포함하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
각 스팀 라인 (10) 및/또는 각 가스 라인 (17) 은 유속을 조절하기 위한 밸브 (22) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
적어도 처음 응축기 (C1) 및 마지막 증발기 (En) 의 컨테이너들 (2) 은 상기 컨테이너들 (2) 내에 포획된 액체 (4b) 의 레벨을 결정하기 위한 레벨 센서 (23) 를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항에 있어서,
센서 (24) 는 잔여물들의 농도를 측정하기 위해 상기 증발기 회로 내에, 또는 마지막 증발기 (En) 의 영역 내에 배열되는 것을 특징으로 하는, 멀티스테이지 증류 시스템.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 증류 시스템 (1) 을 이용하여 증류 프로세스를 실행하는 방법으로서,
상기 증류 시스템은 증류될 액체 (4) 를 공급하기 위한 상기 증발기 회로 내의 공급부 (18) 를, 고농도의 잔여물들을 갖는 액체를 배출하기 위한 상기 증발기 회로로부터의 출구 (19) 뿐만 아니라 상기 증류 시스템에 의해 생성되는 증류액 (21) 을 배출하기 위한 상기 응축기 회로로부터의 증류액 출구 (20) 와 함께 포함하고,
상기 방법은 이하의 절차적 단계들:
a. 상기 증발기 회로 및 상기 응축기 회로에서 액체 레벨을 모니터링하는 단계;
b. 상기 증발기 회로에서 잔여물들의 농도를 모니터링하는 단계;
c. 상기 증발기 회로 내의 액체 레벨이 미리 정해진 최대 레벨에 도달되고 그리고/또는 상기 증발기 회로 내의 잔여물들의 농도가 미리 정해진 최대값에 도달되는 즉시, 상기 출구 (19) 에서 고농도의 잔여물들을 갖는 액체를 배출하는 단계;
d. 상기 응축기 회로 내의 액체 레벨이 미리 정해진 최대 레벨에 도달되는 즉시 상기 증류액 출구 (20) 에서 상기 응축기 회로로부터 증류액을 배출하는 단계;
e. 상기 증발기 회로 내의 액체 레벨이 미리 정해진 최소값에 도달되고 그리고/또는 상기 증발기 회로 내의 잔여물들의 농도가 미리 정해진 최대값에 도달되는 즉시, 상기 공급부 (18) 에서 상기 응축기 회로 내로 액체 (4) 를 배출하는 단계; 및
f. 단계 a. 내지 단계 e. 를 프로세스가 중지될 때까지 반복하는 단계에 의해 특징지어지는, 증류 프로세스를 실행하는 방법.
제 18 항에 있어서,
각 응축기 (Ci) 는 증류 경로의 끝에서 진공 펌프 (16) 에 연결되는 가스 라인 (17) 을 구비하고, 상기 방법은 이하의 절차적 단계들:
a. 동일 스테이지 (Si) 의 증발기들 (Ei) 및 응축기들 (Ci) 의 컨테이너들 (2) 의 상기 스팀 공간들 (6) 에서 온도차 (dTi) 를 결정하는 단계;
b. dTi 가 미리 정해진 최소값에 도달될 때까지, 상기 온도차 (dTi) 가 미리 정해진 최대값에 도달되는 즉시, 상기 진공 펌프 (16) 를 이용하여 상기 가스 라인 (17) 을 통해 상기 응축기 (Ci) 의 상기 스팀 공간 (6) 내에서 응축불가능한 가스를 제거하는 단계;
c. 단계 a. 내지 단계 b. 를 프로세스가 중지될 때까지 반복하는 단계에 의해 특징지어지는, 증류 프로세스를 실행하는 방법.
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