KR19990087937A - 일체식생성물보일러를갖춘극저온정류시스템 - Google Patents

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KR19990087937A
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케네스카이 웡
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단테패트릭 보나퀴스트
비자야라하벤 스리니바산
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
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Abstract

극저온 정류 시스템으로서, 생성물 보일러가 건조 상태로의 비등 문제를 피하면서 주열교환기와 일체식으로 되어 있고, 극저온 정류 설비로부터의 액체가 생성물 보일러의 상 분리기 상류에서 처리되고, 그리고 생성물 보일러로부터 유체가 회수되기에 앞서 상 분리기로 유입되는 극저온 정류 시스템이 개시된다.

Description

일체식 생성물 보일러를 갖춘 극저온 정류 시스템 {CRYOGENIC RECTIFICATION SYSTEM WITH INTEGRAL PRODUCT BOILER}
본 발명은 공급 공기의 극저온 정류, 특히 고압의 기체 생성물을 생성하는 공급 공기의 극저온 정류에 관한 것이다.
산소와 같은 하나 이상의 생성물을 생성하기 위한 공급 공기의 극저온 정류에 있어서, 종종 생성물이 고압 기체로 회수되는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위한 한가지 방법은 극저온 공기 분리 설비의 칼럼을 고압에서 작동시키고 증류 칼럼으로부터 직접적으로 고압의 기체 생성물을 회수하는 것이다. 그러나, 이러한 시스템은 칼럼 내의 상승된 압력이 분리를 수행한다는 단점을 갖고 있다. 칼럼 내의 최종 분리가 비교적 저압에서 실행되는 것이 바람직하고, 고압의 기체 생성물이 요구되는 경우에는 생성물이 칼럼으로부터 추출되고 이것의 압력은 회수되기 전에 증가한다.
고압 기체 생성물을 회수하기 위하여, 생성물이 기체로서 칼럼으로부터 추출된 후에 희망하는 압력으로 압축될 수도 있다. 그러나, 생성물이 액체로서 칼럼으로부터 추출되고, 희망 압력으로 펌핑된 후, 희망 압력 기체를 생성하도록 생성물 보일러 내에서 증발되는 것이 일반적으로 보다 바람직하다.
통상적으로 생성물 보일러는 시스템의 다른 열교환기와는 독립적인 풀 보일러 열교환기(pool boiler heat exchanger)이다. 이러한 배열은 매우 효과적이지만 비용이 많이 든다. 생성물 보일러가 시스템의 주열교환기와 일체식인 것이 바람직하며 이러한 배열은 공지되어 있다. 그러나, 일부 상황에서 생성물 보일러가 주열교환기와 일체식으로 되는 것은 건조한 상태로의 비등의 문제를 야기시킬 수 있어서, 잔여 탄화수소가 산소에 응축되어 인화의 문제를 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 건조 상태로의 비등에 기인한 어떠한 위험도 피할 수 있는 주열교환기와 일체식인 생성물 보일러를 사용하여, 고압 기체 생성물을 생성하기 위한 극저온 정류 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 극저온 공기 분리 설비가 이중 칼럼을 포함하고 있으며 상 분리기가 주열교환기와 분리되어 수용되어 있는 것을 도시하고 있는, 본 발명의 바람직한 일실시예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 상 분리기가 주열교환기과 함께 수용되어 있는 본 발명에 사용되는 일체식 생성물 보일러의 일실시예에 대한 단면도.
* 도면의 주요부에 대한 부호의 설명 *
2 : 공기 압축기 4 : 냉각기
6 : 예비 정화기 9 : 주열교환기
11 : 고압 칼럼 12 : 저압 칼럼
14, 19 : 압축기 16 : 터보 팽창기
24 : 주응축기 34 : 액체 펌프
37, 51 : 상 분리기 50 : 생성물 보일러
52 : 스페이서 바아 54 : 입구
55 : 액체 풀 59 : 출구
60, 61 : 통로
이상과 같은 목적은 본 명세를 읽음으로써 당업자에게 명백해지는 다음과 같은 본 발명의 특징에 의해 달성된다.
기체 생성물을 생성하기 위한 극저온 정류 방법은,
(A) 주열교환기 내의 공급 공기를 냉각하고 극저온 공기 분리 설비 내로 냉각된 상기 공급 공기를 유입하는 단계와,
(B) 증기와 액체를 생성하도록 극저온 정류에 의해 극저온 공기 분리 설비 내에서 공급 공기를 분리하는 단계와,
(C) 극저온 공기 분리 설비로부터 상 분리기로 액체를 유입하고 상기 상 분리기로부터 주열교환기로 액체를 유입하는 단계와,
(D) 냉각 공급 공기와의 간접 열교환에 의해 주열교환기 내의 액체를 부분적으로 증발시키고, 그 결과의 액체를 상기 상 분리기로 다시 유입하는 단계와, 그리고
(E) 상기 상 분리기로부터 증기를 기체 생성물로 회수하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양은 다음과 같다.
극저온 정류에 의해 기체 생성물을 생성하기 위한 장치는,
(A) 주열교환기 및 상기 주열교환기로 공급 공기를 유입하기 위한 수단과,
(B) 하나 이상의 칼럼을 포함하는 극저온 공기 분리 설비 및 상기 주열교환기로부터 상기 극저온 공기 분리 설비로 공급 공기를 유입하기 위한 수단과,
(C) 상 분리기 및 상기 극저온 공기 분리 설비로부터 상기 상 분리기로 유체를 유입하기 위한 수단과,
(D) 상기 상 분리기로부터 상기 주열교환기로 그리고 상기 주열교환기로부터 상기 상 분리기로 유체를 유입하기 위한 수단과, 그리고
(E) 상기 상 분리기로부터 기체 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는, 용어 "생성물 보일러(product boiler)"는 통상적으로 극저온 공기 분리 설비로부터의 액체를 증가된 압력에서 공급 공기와의 간접 열교환에 의해 증발시키는 열교환기를 의미한다. 본 발명의 실시예에서는 생성물 보일러가 주열교환기의 일부로 구성된다.
본 명세서에서 사용되는, 용어 "공급 공기(feed air)"는 대기 공기와 같이 주로 산소 및 질소로 구성된 혼합물을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는, 용어 "칼럼(column)"은 증류(distillation) 또는 분류(fractionation) 칼럼 또는 구역, 즉 접촉 칼럼 또는 구역을 의미하고, 여기서 액체상 및 기체상은 예를 들어, 칼럼 내에 장착된 수직으로 이격된 일련의 트레이 또는 판 상에서 및/또는 구조화된 패킹 요소 또는 불규칙 패킹 요소 상에서 기체상과 액체상의 접촉에 의해 유체 혼합물을 분리하도록 역류적으로 접촉한다. 증류 칼럼에 대한 더 자세한 사항은 뉴욕에 소재하는 맥그로우-힐 출판사의 알. 에이취. 페리(R. H. Perry)와 씨. 에이취. 칠톤(C. H. Chilton)에 의해 발행된 "화학 공학자 핸드북(Chemical Engineer's Handbook)" 5판, 13절 "연속 증류 공정(The Continuous Distillation Process)"을 참고하면 된다.
용어 "이중 칼럼"은 저압 칼럼의 하단부와 관련된 열교환기 내에 자체 상단부를 갖춘 고압 칼럼을 의미하는데 사용된다. 이중 칼럼에 대한 더 자세한 사항은 1949년 옥스포드 대학 출판사에서 출판된 루우맨(Ruheman)의 "기체의 분리(The Separation of Gases)" 7장의 "상업적 공기 분리(Commercial Air Separation)"를 참고하면 된다.
증기와 액체의 접촉 분리 공정은 요소들의 증기압의 차이에 의존한다. 높은 증기압(또는 높은 휘발성 또는 낮은 비등성)을 갖는 요소는 증기 상태에서 응축되기 쉬운데 반하여, 낮은 증기압(또는 낮은 휘발성 또는 높은 비등성)을 갖는 요소는 액체상에서 응축되기 쉽다. 부분 응축은 분리 공정이므로, 증기 혼합물의 냉각은 증기상의 휘발성 요소를 응축하는데 사용할 수 있고 그것에 의하여 액체 상태에서 휘발성 요소는 줄어든다. 정류 또는 연속 증류는 증기상과 액체상의 향류 처리에 의해 얻어지는 것과 같은 연속 부분 증발과 응축을 결합시킨 분리 공정이다. 증기와 액체 상태의 향류 접촉은 단열적이거나 비단열적일 수 있고, 이러한 상들 사이의 일체식(단계식) 또는 차등식(연속식) 접촉을 포함할 수 있다. 혼합물을 분리하기 위하여 정류의 원리를 이용하는 분리 공정 장치는 정류 칼럼, 증류 칼럼 또는 분류 칼럼으로 종종 호환 가능하게 불려진다. 극저온 정류는 150˚K 이하의 온도에서 적어도 부분적으로 실행되는 정류 공정이다.
본 명세서에서 사용되는, 용어 "상부(upper portion)" 및 "하부(lower portion)"는 각각 칼럼의 중간 지점의 위쪽과 아래쪽 부분을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는, 용어 "간접 열교환(indirect heat exchange)"은 유체의 어떠한 물리적 접촉 또는 상호 혼합없이 2개의 유체를 열교환 상태로 가져가는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는, 용어 "주열교환기(primary heat exchanger)"는 극저온 공기 분리 공정과 관련된 주열교환기를 의미하며, 여기서 공급 공기는 대기 온도로부터 복귀 스트림과의 간접 열교환에 의한 증류와 관련된 냉각 온도로 냉각된다. 또한, 이 주열교환기는 보조냉각 칼럼 액체 스트림 및/또는 증발 생성물 액체 스트림을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는, 용어 "상 분리기(phase separator)"는 유입된 2개의 상을 가진 유체가 상 분리기 용기로부터 독립적으로 제거될 수 있는 기체 및 액체 요소로 중력에 의해 분리될 수 있도록 충분한 단면적을 갖춘 용기를 의미한다.
본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 있어서, 공급 공기(1)는 기초 부하 공기 압축기(2)를 통과하는 통로에 의해 압축되고 압축된 공급 공기(3)는 냉각기(4)를 통과하는 통로에 의한 열의 압축으로 냉각된다. 그 결과의 공급 공기(5)는 미리 정화된 공급 공기(7)를 제공하도록 예비정화기(6)를 통과하는 통로에 의해 수증기, 탄소 이산화물 및 탄화수소와 같은 불순물을 고온으로 비등시킴으로써 정제된다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에서는, 예비정화된 공급 공기(7)가 세 부분으로 분리된다. 제 1 부분(8)은 주열교환기(9)를 통과하는 통로에 의해 냉각되고, 그 결과 냉각된 공급 공기 스트림(10)은 제 2 또는 저압 칼럼(12)도 포함하는 극저온 공기 분리 설비의 제 1 또는 고압 칼럼(11) 내로 보내진다. 예비정화된 공급 공기(7)의 제 2 부분(13)은 압축기(14)를 통과하는 통로에 의해 고압으로 압축되어 주열교환기(9)를 통과하는 통로에 의해 냉각된다. 그 결과 냉각된 공급 공기(15)는 냉각을 발생시키기 위하여 터보팽창기(16)를 통과하는 통로에 의해 터보팽창되고, 그 결과 터보팽창된 공급 공기 스트림(17)은 저압 칼럼(12) 내로 보내진다. 예비정화된 공급 공기(7)의 제 3 부분(18)은 압축기(19)를 통과하는 통로에 의해 고압으로 압축된 후에 냉각되고 바람직하게는 주열교환기(9)를 통과하는 통로에 의해 적어도 부분적으로 응축된다. 그 다음에 그 결과의 공급 공기 스트림(20)은 고압 칼럼(11) 내로 보내진다.
고압 칼럼(11)은 일반적으로 65 내지 90 psia 범위 내의 압력에서 작동된다. 고압 칼럼(11) 내에서 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기와 산소 부화 액체로 분리된다. 산소 부화 액체는 스트림(21) 내의 고압 칼럼의 하부로부터 추출되고, 주열교환기(9)를 통과하는 통로에 의해 보조냉각되어, 스트림(22)으로서 저압 칼럼(12) 내로 보내진다. 질소 부화 증기는 스트림(23) 내의 고압 칼럼(11)의 상부로부터 추출되고 주응축기(24) 내로 보내져서, 비등 칼럼(12)과의 간접 열교환에 의해 바닥에 액체로 응축된다. 그 결과의 질소 부화 액체(25)는 2개의 부분(26, 27)으로 분리되는데, 부분(26)은 역류로서 고압 칼럼(11)으로 복귀되고 부분(27)은 주열교환기(9)를 통과하는 통로에 의해 보조냉각된 후에 역류로서 저압 칼럼(12)의 상부로 스트림(28)으로 보내진다.
저압 칼럼(12)은 일반적으로 고압 칼럼(11)의 압력보다 낮은 19 내지 30 psia 범위 내의 압력에서 작동된다. 저압 칼럼(12) 내에서 이 칼럼 내로 공급되는 다양한 공급물은 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리된다. 질소 부화 증기는 스트림(29) 내의 저압 칼럼(12)의 상부로부터 추출되고, 주열교환기(9)를 통과하는 통로에 의해 가열된 후에, 적어도 99몰백분율의 질소 농도를 갖는 질소를 생성하도록 전체 또는 일부분이 회수될 수 있는 질소 기체 스트림(30)으로서 시스템 외부로 유출된다. 생성물 순수 제어를 위하여, 폐류(31)는 스트림(29)의 추출 수준 아래의 저압 칼럼(12)의 상부로부터 추출되고, 주열교환기(9)를 통과하는 통로에 의해 가열된 후, 스트림(32) 내의 시스템으로부터 추출된다.
적어도 85 몰백분율의 산소 농도를 갖고 일반적으로 95 내지 99.8 몰백분율 범위 내에 있는 산소 부화 액체는 스트림(33) 내의 저압 칼럼(12)의 하부로부터 추출된다. 바람직하게는, 도 1에 도시된 바와 같이 산소 부화 액체는 가압된 산소 부화 액체 스트림(35)을 생성하도록 액체 펌프(34)를 통과하는 통로에 의해 고압으로 펌핑된다. 본 발명은 생성물 보일러로 제공된 액체의 압력이 15 내지 55 psia 범위 내에 있는 경우에 특히 유용하다. 필요시, 펌핑된 산소 부화 액체(35)의 부분(36)이 생성물 액체 산소로서 회수될 수도 있다.
산소 부화 액체(35)는 상 분리기(37) 내로 보내지고 상 분리기(37)로부터의 액체는 주열교환기(9)의 생성물 보일러로 스트림(38) 내에서 보내지며, 여기서 냉각된 공급 공기와의 간접 열교환에 의해 부분적으로 증발된다. 스트림(38) 내의 산소 부화 액체의 유동은 생성물 보일러 내의 액체의 필수 부분 증발을 보장하도록 제어된다. 그 결과의 2상 유체(39)는 생성물 보일러로부터 상 분리기(37)로 다시 보내기고 증기(40)는 상 분리기(37)로부터 추출되어 적어도 85 몰백분율의 산소 농도를 갖는 기체 산소 생성물로서 회수된다. 바람직하게는, 도 1에 도시된 바와 같이 기체 산소 스트림(40)은 스트림(41)으로서 회수되기 전에 주열교환기(9)를 통과하는 통로에 의해 가열된다. 상 분리기를 사용하면 열교환기 내에서의 액체의 완전 증발을 피할 수 있어서, 부화 액체 산소 내에서 탄화수소를 응축시키고 위험한 상태를 구성할 수 있는 건조 상태로의 비등을 피하게 된다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예는 주열교환기의 생성물 보일러로부터 독립적으로 수용된 상 분리기를 갖고 있다. 상 분리기가 생성물 보일러와 함께 수용되는 것이 바람직할 수도 있는데, 그러한 실시예가 도 2에 도시되어 있다.
도 2에 대해 설명하면, 상 분리기(51)와 함께 수용되어 있는 생성물 보일러(50)가 도시되어 있고, 이들 상 분리기(51)와 생성물 보일러(50) 사이에는 수직 스페이서 바아(52)가 존재한다. 도 2에 도시된 바와 같은 실시예는 주열교환기의 하부를 구성할 수 있으며 도 2는 단면도로 도시되어 있다. 열교환기 분야에서 공지되어 있는 바와 같이, 비등 통로(61) 및 냉각 통로(60)는 플레이트와 핀 스톡(fin stock)을 교대로 적층시키고, 개개의 통로로부터 유체를 유도 및 수집하도록 분리기 바아와 분배기를 사용함으로써 형성된다. 극저온 공기 분리 설비로부터의 액체(53)는 입구(54)를 통해 상 분리기(51)내로 유입되어 상 분리기(51) 내에서 액체 풀(pool)(55)을 형성한다. 필요시, 액체는 액체 생성물 스트림(56)으로 상 분리기(51)로부터 회수될 수도 있다.
액체 풀(55)로부터의 액체는 생성물 보일러(50)의 열교환기 통로(61)의 기저부로 유입되고 액체 풀(55)의 수압으로 인하여 이들 열교환기 통로에 이른다. 이들 열교환기 통로 내에서, 상승 액체는 통로(60) 내의 하강 냉각 공급 공기와 간접 열교환되어 부분적으로 증발된다. 그 결과의 2상 유체는 열교환기 통로의 상단의 외부로 유출되고 상 분리기(51)로 다시 복귀된다. 2상 유체 중의 액체(57)는 낙하하여 액체 풀(55)의 일부가 되고, 동시에 2상 유체 중의 증기(58)는 생성물 기체로서 회수되기 위하여 출구(59)를 통해 상 분리기(51)로부터 유출된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 생성물 기체는 회수되기에 앞서 주열교환기를 통과하는 통로에 의해 가열된다. 비록 생성물 보일러(50)가 일반적으로 주열교환기(9)의 바닥에 위치하지만, 공급 공기 냉각 통로(60)는 주열교환기의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있다. 공급 공기 냉각 스트림(20)은 먼저 주열교환기의 상부 내의 복귀 스트림에 대하여 냉각된 후에, 하부 즉, 주열교환기의 생성물 보일러 내에서 다시 냉각 및 응축된다.
비록 본 발명이 바람직한 특정 실시예를 참고로 하여 상세하게 설명되었지만, 당업자에게는 첨부된 청구범위의 범위 내에서 본 발명의 다른 실시예가 있을 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 아르곤 측출 칼럼(argon sidearm column) 및/또는 상승류 측방 칼럼(upstream side column)을 갖춘 이중 칼럼을 구비한 설비와 같은 다른 극저온 공기 분리 설비가 사용될 수도 있다.
본 발명에 의하여, 건조 상태로의 비등에 기인한 어떠한 위험도 피할 수 있는 주열교환기와 일체식인 생성물 보일러를 사용하여 고압 기체 생성물을 생성하기 위한 극저온 정류 시스템이 제공된다.

Claims (10)

  1. 기체 생성물을 생성하기 위한 극저온 정류 방법으로서,
    (A) 주열교환기 내의 공급 공기를 냉각시키고 극저온 공기 분리 설비 내로 냉각된 상기 공급 공기를 유입시키는 단계와,
    (B) 증기와 액체를 생성하도록 극저온 정류에 의해 상기 극저온 공기 분리 설비 내의 상기 공급 공기를 분리시키는 단계와,
    (C) 상기 극저온 공기 분리 설비로부터 상 분리기로 액체를 유입시키고 상기 상 분리기로부터 상기 주열교환기로 액체를 유입시키는 단계와,
    (D) 상기 냉각 공급 공기와의 간접 열교환에 의해 상기 주열교환기 내의 액체를 부분적으로 증발시키고, 그 결과의 액체를 상기 상 분리기로 다시 유입시키는 단계와, 그리고
    (E) 상기 상 분리기로부터의 증기를 기체 생성물로 회수시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액체가 적어도 85 몰백분율의 산소 농노를 갖는 산소 부화 액체인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 액체가 상기 상 분리기로 유입되기 전에 압력을 가해 상기 액체를 증가시키는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상 분리기로부터의 증기를 회수하기 전에 냉각 공급 공기와 간접 열교환시켜 가열시키는 방법.
  5. 극저온 정류에 의해 기체 생성물을 생성하기 위한 장치로서,
    (A) 주열교환기 및 상기 주열교환기로 공급 공기를 유입시키기 위한 수단과,
    (B) 하나 이상의 칼럼을 포함하는 극저온 공기 분리 설비 및 상기 주열교환기로부터 상기 극저온 공기 분리 설비로 공급 공기를 유입시키기 위한 수단과,
    (C) 상 분리기 및 상기 극저온 공기 분리 설비로부터 상기 상 분리기로 유체를 유입시키기 위한 수단과,
    (D) 상기 상 분리기로부터 상기 주열교환기로 그리고 상기 주열교환기로부터 상기 상 분리기로 유체를 유입시키기 위한 수단과, 그리고
    (E) 상기 상 분리기로부터 기체 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 상 분리기가 상기 주열교환기와 독립적으로 수용되어 있는 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 상 분리기가 상기 주열교환기와 함께 수용되어 있는 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 극저온 공기 정류 설비가 고압 칼럼 및 저압 칼럼을 갖춘 이중 칼럼을 포함하고 있으며, 상기 극저온 공기 분리 설비로부터 상기 상 분리기로 유체를 유입시키기 위한 상기 수단이 상기 저압 칼럼의 하부와 소통되어 있는 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 극저온 공기 분리 설비로부터 상기 상 분리기로 유체를 유입시키기 위한 상기 수단이 액체 펌프를 포함하고 있는 장치.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 상 분리기로부터 기체 생성물을 회수하기 위한 상기 수단이 상기 주열교환기를 통해 상기 상 분리기로부터 증기를 유입시키기 위한 수단을 포함하고 있는 장치.
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