KR19990063265A - 공기 분리 플로우트 글라스 제조 장치 - Google Patents

공기 분리 플로우트 글라스 제조 장치 Download PDF

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KR19990063265A
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glass forming
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단테 패트릭 보나퀴스트
조셉 알프레드 웨버
테오도르 프린겔린 피셔
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

저온 공기 분리 설비 또는 압력 요동 흡착 설비와 멤브레인 분리 설비의 결합식 설비가 플로우트 글라스 제조 장치와 통합되어, 이 설비로부터 생성된 산소는 용융노 내에서 산소함유 연료의 연소를 위하여 사용되고 이 설비로부터 생성된 질소는 플로우트 글라스 형성 챔버 내에서 보호 기체로서 사용된다.

Description

공기 분리 플로우트 글라스 제조 장치
본 발명은 일반적으로 공기 분리 설비 및 플로우트(float) 유리 제조법에 관한 것이다. 본 발명의 실시에 있어서, 저온 공기 분리 설비 또는 압력 요동 흡착식(pressure swing adsorption) 설비와 멤브레인 분리 설비의 결합 설비가 플로우트 글라스 제조 장치에 결합된다.
플로우트 글라스 공정에 의한 평판 유리 제조법은 용융노 내에서 유리를 용융한 후에 이 용융 유리를 용융노로부터 플로우트 글라스 형성 챔버로 이송하는 단계를 포함한다. 고온 주석의 표면이 산화되는 것을 방지하기 위하여, 플로우트 글라스 형성 챔버 내에서 질소 가스를 사용한다. 또한, 가스체는 어떠한 산소와도 반응하여 수증기를 형성하고 유리로부터 발생된 황산과 반응하여 황화수소를 형성하는 수소를 포함한다. 이것은 더욱이 플로우트 글라스 형성 챔버 내에서 용융 유리와 고온 주석의 보존을 보장한다.
유리 제조에 있어서, 유리 용융노 내에서 처리되는 유리재료를 용융하는데 매우 큰 열이 필요하다. 일반적으로, 이러한 열은 연료와 산화제를 연소시켜서 얻어지며, 산화제로는 통상적으로 공기를 사용하여 왔다.
NOx(산화질소)는 오염물질로 인식되어 있기 때문에 공정에서 방출되는 NOx의 양을 감소시키는 것이 바람직하다. 연소 반응의 고온에서 공기 중의 질소와 산소가 결합하기 때문에 NOx는 주로 공기-기초 연소에서 생성된다.
NOx의 문제를 해결하기 위하여 최근 많은 산업 처리공정에서는 산화제에 의해 연소 반응 지역으로 공급되는 질소를 감소시키거나 완전하게 제거한 연소를 실행하기 위하여 순수 산소 또는 산소 농후 공기를 사용하기 시작했다. 그러나, 산화제로서 순수 산소 또는 산소 농후 공기를 사용하는 것은 유리용융 비용을 증가시켜 전체적으로 유리 제조 비용을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 유리 용융노에 사용되는 열을 발생시키는 연소를 위한 산화제로서 산소를 사용하고, 종래의 플로우트 글라스 제조 장치보다 효율적으로 작동하는 플로우트 글라스 제조 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 플로우트 글라스 제조 장치에 대한 가스 공급기가 저온 공기 분리 설비를 포함하는 본 발명에 따른 일실시예의 개략도.
도 2는 플로우트 글라스 제조 장치에 대한 가스 공급기가 압력 요동 흡착 설비와 멤브레인 분리 설비를 포함하는 본 발명에 따른 다른 실시예의 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 저온 공기 분리 설비 2 : 용융노
3 : 플로우트 글라스 형성 챔버 4 : 정화 장치
5 : 공급 용기 6 : 디옥소 유닛
7 : 멤브레인 공기 분리 설비 8 : 압력 요동 흡착 설비
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적들은 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 일 태양에 있어서, 플로우트 글라스 제조 장치는,
(A) 용융노, 플로우트 글라스 형성 챔버, 및 용융노로부터 플로우트 글라스 형성 챔버로 용융유리를 통과시키기 위한 통로와,
(B) 저온 공기 분리 설비 및 저온 공기 분리 설비로 공급 공기를 통과시키기 위한 수단과,
(C) 저온 공기 분리 설비로부터 용융노로 산소를 통과시키기 위한 수단과,
(D) 저온 공기 분리 설비로부터 플로우트 글라스 형성 챔버로 질소를 통과시키기 위한 수단과, 그리고
(E) 수소 공급 용기 및 수소 공급 용기로부터 플로우트 글라스 형성 챔버로 수소를 통과시키기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 있어서, 플로우트 글라스 제조 장치는,
(A) 용융노, 플로우트 글라스 형성 챔버, 및 용융노로부터 플로우트 글라스 형성 챔버로 용융유리를 통과시키기 위한 통로와,
(B) 압력 요동 흡착 설비, 압력 요동 흡착 설비로 공급 공기를 통과시키기 위한 수단, 및 압력 요동 흡착 설비로부터 용융노로 산소를 통과시키기 위한 수단과,
(C) 멤브레인 분리 설비, 디옥소 유닛(deoxo unit), 멤브레인 분리 설비로 공급 공기를 통과시키기 위한 수단, 및 멤브레인 분리 설비로부터 디옥소 유닛으로 질소를 통과시키기 위한 수단과,
(D) 수소 공급 용기, 수소 공급 용기로부터 플로우트 글라스 형성 챔버로 수소를 통과시키기 위한 수단, 및 수소 공급 용기로부터 디옥소 유닛으로 수소를 통과시키기 위한 수단과, 그리고
(E) 디옥소 유닛으로부터 플로우트 글라스 형성 챔버로 질소를 통과시키기 위한 수단을 포함한다.
여기서 사용되는 용어 공급 공기는 대기 공기와 같이 주로 산소와 질소로 구성된 혼합 가스를 의미한다.
여기서 사용되는 용어 산소는 적어도 22몰%의 산소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
여기서 사용되는 용어 질소는 적어도 95몰%의 질소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
여기서 사용되는 용어 수소는 적어도 75몰%의 수소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
여기서 사용되는 용어 칼럼(column)은 증류 또는 분류 칼럼 또는 구역, 즉 접촉 칼럼 또는 구역을 의미하고, 여기에서의 액체상 및 기체상은 예를 들어, 칼럼 내부에 장착되어 있는 수직 이격된 일련의 트레이 또는 플레이트 및/또는 구조화되거나 무작위인 패킹과 같은 패킹 요소 상에서 기체상과 액체상을 접촉시킴으로써 유체 혼합물을 분리하도록 향류적으로 접촉한다. 증류 칼럼에 대한 더 많은 사항은 뉴욕에 소재하는 맥그로우-힐 출판사(McGraw-Hill Book Company)의 R. H. Perry와 C. H. Chilton에 의해 발행된 화학 공학자 핸드북(Chemical Engineer's Handbook), 5판, 13절,연속 증류 공정(The Continuous Distillation Process)을 참고하면 된다.
여기서 사용되는 용어 저온 공기 분리 설비(cryogenic air separation plant)는 유입된 공급 공기를 처리하여 산소와 질소를 생성하는 적어도 하나의 칼럼으로 구성된 설비를 의미하고, 여기서 적어도 일부의 공정은 150K에서 또는 그 이하에서 실행된다. 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 저온 공기 분리 설비의 예는 하워드(Haward)의 미국특허 제 5,596,886호, 보나퀴스트(Bonaquist)의 미국특허 제 5,611,219호, 보나퀴스트 등의 미국특허 제 5,664,438호, 보나퀴스트의 미국특허 제 5,666,824호, 및 보나퀴스트 등의 미국특허 제 5,678,427호에 개시되어 있다.
여기서 사용되는 용어 압력 요동 흡착 설비(pressure swing adsorption plant)는 혼합물 내의 물질을 흡착제에 흡착하는 흡착 단계 및 우선 흡착된 물질을 압력의 감소에 의해 흡착제로부터 제거하는 재생 또는 탈착 단계로 이루어진 흡착법을 사용하여 가스 혼합물로부터 가스 성분을 분리하는 장치를 의미한다. 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 압력 요동 흡착 설비의 예는 리비트(Leavitt)의 미국특허 제 5,415,683호, 배크쉬(Baksh) 등의 미국특허 제 5,518,526호, 및 거라드(Girard) 등의 미국특허 제 5,536,299호에 개시되어 있다.
여기서 사용되는 용어 멤브레인 분리 설비(membrane separation plant)는 중합체 멤브레인을 사용하고 이 멤브레인에 걸친 가스 농도의 증감을 이용하여 가스 혼합물로부터 가스 성분을 분리하는 장치를 의미한다. 본 발명의 실시에 사용될 수 있는 멤브레인 분리 설비의 예는 골로프코(Golovko)의 미국특허 제 4,137,056호 및 어그래월(Agrawal) 등의 미국특허 제 4,817,392호에 개시되어 있다.
본 발명은 공급 공기 분리 장치와 플로우트 글라스 제조 장치의 통합 설비로 구성되어 있어서, 하나의 장치가 플로우트 글라스 제조 장치의 용융노에 사용되는 산소와 플로우트 글라스 제조 장치의 플로우트 글라스 형성 챔버에 사용되는 질소를 둘 다 공급하기 때문에, 용융노를 가열하기 위한 연소에 있어서 NOx를 감소시키기 위한 산소의 사용에 기인하는 추가 비용을 절감할 수 있다.
본 발명을 도면과 관련하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에는 본 발명에 따른 플로우트 글라스 제조 장치의 실시예가 도시되어 있다. 도 1의 제조 장치는 용융노(2), 플로우트 글라스 형성 챔버(3), 및 용융 유리가 용융노(2)로부터 플로우트 글라스 형성 챔버(3)로 흐를 수 있도록 이들 용융노(2)와 플로우트 글라스 형성 챔버(3)간을 연통시키는 통로(20)를 포함하고 있다. 공급 공기(61)가 저온 공기 분리 설비(1)로 유입되어, 여기서 공급 공기는 저온 정류에 의해 산소와 질소 및 이 설비로부터 제거되는 폐기 스트림(82)으로 분리된다. 저온 공기 분리 설비로부터 분리된 산소는 용융노(2) 내로 유입되고, 유리를 용융하는 용융노 내의 유리 형성 재료를 용융하기 위한 열을 제공하도록 연료로 연소된다. 산소는 바람직하게는 적어도 80몰%, 보다 바람직하게는 적어도 90몰%의 산소 농도를 갖는다. 도 1에 도시된 실시예에서, 저온 공기 분리 설비(1)로부터 분리된 산소(63)는 천연 가스, 메탄 등과 같은 연료(64)와 결합하여, 용융노(2) 내로 유입되는 결합 스트림(65)을 형성한다. 이와 달리, 산소와 연료는 연소를 위하여 용융노(2) 내로 독립적으로 유입될 수도 있다. 수증기 및 2산화 탄소와 같은 연소 반응 생성물은 스트림(22)으로 용융노(2)로부터 회수된다.
저온 공기 분리 설비(1)로부터 분리된 질소는 플로우트 글라스 형성 챔버(3) 내로 유입된다. 질소는 바람직하게는 적어도 99몰%, 보다 바람직하게는 적어도 99.9몰%의 질소 농도를 갖는다. 도 1에 도시된 실시예에서, 저온 공기 분리 설비(1)로부터 분리된 질소(62)는 후술되어질 스트림(73)과 결합하여, 플로우트 글라스 형성 챔버(3) 내로 유입되는 스트림(74)을 형성한다. 튜브 트레일러에 장착된 튜브 또는 탱크와 같은 공급 용기(5)로부터 공급된 수소는 플로우트 글라스 형성 챔버(3)로 유입된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 수소(67)는 후술되어질 스트림(71)과 결합하여, 플로우트 글라스 형성 챔버(3) 내로 유입되는 상기 스트림(74)을 형성한다.
저온 공기 분리 설비(1)에 의해 생성된 질소가 필요치 이상의 고농도의 산소를 함유하고 있는 경우에는, 저온 공기 분리 설비(1)에 의해 생성된 질소의 전부 또는 일부가 스트림(80)으로 디옥소 유닛(6)에 유입될 수 있다. 또한, 공급 용기(5)로부터 공급된 수소의 일부(69)는 디옥소 유닛(6)으로 유입될 수 있다. 디옥소 유닛(6) 내에서 수소는 질소 스트림(80) 내의 산소와 반응하여 제거될 물을 형성하기 때문에, 고순도의 질소가 생성되어 디옥소 유닛(6)으로부터 스트림(81)으로 유출되고, 정화 장치(4)로부터의 스트림(21)과 결합하여 스트림(71)을 형성한다. 이 스트림(71)은 스트림(73)을 형성하여 결국 플로우트 글라스 형성 챔버(3) 내로 유입되는 스트림(74)을 형성한다.
플로우트 글라스 형성 챔버(3) 내의 질소/수소 보호 기체는 수증기, 황화 수소, 산화 제1주석과 같은 오염물질로 오염되기 시작한다. 플로우트 글라스 형성 챔버(3)의 오염된 기체는 가스 스트림(70)으로 회수되고 정화 장치(4)로 유입된다. 정화 장치(4) 내에서, 오염물질은 흡착제에 의한 흡착과 같은 방법으로 가스 스트림으로부터 제거되고 도시된 바와 같이, 스트림(84 및 104)에 의해 정화 장치(4)로부터 유출된다. 또한, 보호 기체 중의 일부는 회수되어 스트림(103)으로 유출된다. 정화 장치(4)로부터 정화되어 유출되는 질소/수소 가스 스트림(21)은 전술한 바와 같은 신선한 질소 및 수소와 함께 플로우트 글라스 형성 챔버(3)로 재순환된다. 공기 분리 설비와 결합된 질소의 재순환은 공기 분리 설비가 낮은 질소 대 산소 생성비에서 작동하는 것을 가능하게 하기 때문에, 플로우트 글라스 제조에 사용되는 생성물을 공급하기 위한 특이한 사용에 있어서 공기 분리 설비의 작동 효율을 향상시킨다. 플로우트 글라스 제품은 플로우트 글라스 형성 챔버(3)로부터 제거되어 도어(75)를 통해 회수된다.
도 2는 본 발명에 따른 플로우트 글라스 제조 장치의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 1의 요소와 공통되는 도 2의 요소는 동일한 도면 부호를 사용하며, 공통적인 요소와 작동은 다시 설명하지 않는다. 도 2에 대해 언급하면, 공급 공기(24)가 멤브레인 공기 분리 설비(7)로 유입되어, 여기서 공급 공기는 질소 및 산소/질소 잔여물로 분리된다. 질소/산소 잔여물은 멤브레인 공기 분리 설비(7)로부터 스트림(23)에 의해 압력 요동 흡착 설비(8)로 공급 공기로서 유입될 수 있다. 선택적으로 또는 스트림(23)에 추가적으로, 공급 공기가 스트림(77)으로 압력 요동 흡착 설비로 유입될 수 있다.
압력 요동 흡착 설비(8) 내에서 공급 공기는 압력 요동 흡착에 의해 산소 및 이 설비로부터 제거되는 폐기 스트림(25)으로 분리된다. 압력 요동 흡착 설비로부터 분리된 산소는 연소를 위하여 용융노(2)로 유입된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 압력 요동 흡착 설비(8)로부터 분리된 산소는 용융노(2) 내로 유입되기에 앞서 도 1의 실시예와 마찬가지로 연료(64)와 결합한다. 바람직하게는, 압력 요동 흡착 설비(8)는 진공 압력 요동 흡착 설비이다.
멤브레인 공기 분리 설비(7) 내에서 생성된 질소는 일반적으로 항상 얼마간의 산소를 함유한다. 그러므로, 멤브레인 공기 분리 설비(7)로부터의 질소는 스트림(27)으로 디옥소 유닛(6) 내로 유입된다. 또한, 수소 스트림(69)은 디옥소 유닛(6) 내로 유입되고, 디옥소 유닛(6) 내에서 산소는 물을 형성하도록 수소와 반응함으로써 제거되기 때문에, 전술한 바와 같이 처리되는 고순도의 질소(81)가 남겨진다. 또한, 저온 공기 분리 설비를 갖춘 실시예에서와 마찬가지로, 플로우트 글라스 형성 챔버로부터 유출된 질소를 정화 및 재순환하는 것은 공기 분리가 낮은 질소 대 산소 생성비에서 실행되는 것을 가능하게 하기 때문에, 본 발명의 실시에 있어서 공기 분리법에 의한 생성물의 특정 사용법과 공기 분리법의 통합을 야기하는 용융노의 산소함유 연료의 연소를 위한 산소를 보다 효율적으로 생성하는 것을 가능하게 한다.
비록 본 발명이 특정한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 청구범위 내에서 다른 실시예가 있을 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 의해, 연소에 공기보다 오히려 산소를 사용하고 작동 비용이 저렴한 플로우트 글라스 제조 장치가 제공된다.

Claims (6)

  1. 플로우트 글라스 제조 장치에 있어서,
    (A) 용융노, 플로우트 글라스 형성 챔버, 및 상기 용융노로부터 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로 용융유리를 통과시키기 위한 통로와,
    (B) 저온 공기 분리 설비 및 상기 저온 공기 분리 설비로 공급 공기를 통과시키기 위한 수단과,
    (C) 상기 저온 공기 분리 설비로부터 상기 용융노로 산소를 통과시키기 위한 수단과,
    (D) 상기 저온 공기 분리 설비로부터 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로 질소를 통과시키기 위한 수단과, 그리고
    (E) 수소 공급 용기 및 상기 수소 공급 용기로부터 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로 수소를 통과시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 정화 장치와, 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로부터 상기 정화 장치로 가스를 통과시키기 위한 수단과, 상기 정화 장치로부터 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로 가스를 통과시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 디옥소 유닛 및 상기 수소 공급 용기로부터 상기 디옥소 유닛으로 수소를 통과시키기 위한 수단을 더 포함하고 있으며, 상기 저온 공기 분리 설비로부터 질소를 통과시키기 위한 수단이 상기 디옥소 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 플로우트 글라스 제조 장치에 있어서,
    (A) 용융노, 플로우트 글라스 형성 챔버, 및 상기 용융노로부터 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로 용융유리를 통과시키기 위한 통로와,
    (B) 압력 요동 흡착 설비, 상기 압력 요동 흡착 설비로 공급 공기를 통과시키기 위한 수단, 및 상기 압력 요동 흡착 설비로부터 상기 용융노로 산소를 통과시키기 위한 수단과,
    (C) 멤브레인 분리 설비, 디옥소 유닛, 상기 멤브레인 분리 설비로 공급 공기를 통과시키기 위한 수단, 및 상기 멤브레인 분리 설비로부터 상기 디옥소 유닛으로 질소를 통과시키기 위한 수단과,
    (D) 수소 공급 용기, 상기 수소 공급 용기로부터 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로 수소를 통과시키기 위한 수단, 및 상기 수소 공급 용기로부터 상기 디옥소 유닛으로 수소를 통과시키기 위한 수단과, 그리고
    (E) 상기 디옥소 유닛으로부터 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로 질소를 통과시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 압력 요동 흡착 설비로 공급 공기를 통과시키기 위한 수단이 상기 멤브레인 공기 분리 설비로부터 산소와 질소로 구성된 가스를 받아들이는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 정화 장치와, 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로부터 상기 정화 장치로 가스를 통과시키기 위한 수단과, 상기 정화 장치로부터 상기 플로우트 글라스 형성 챔버로 가스를 통과시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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