KR20000048442A - 다중성분 냉각제 유체로부터 발생된 냉각을 이용하여 주변이하 온도 특히, 극저온 분리를 수행하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체의 저온 분리 방법에 관한 것으로서, 분리 공정은 다중성분 냉각제 유체를 재순환시킴으로써 발생된 냉각에 의해 달성된다.

Description

다중성분 냉각제 유체로부터 발생된 냉각을 이용하여 주변 이하 온도 특히, 극저온 분리를 수행하기 위한 방법 {METHOD FOR CARRYING OUT SUBAMBIENT TEMPERATURE, ESPECIALLY CRYOGENIC, SEPARATION USING REFRIGERATION FROM A MULTICOMPONENT REFRIGERANT FLUID}
본 발명은 혼합물의 주변 이하(subambient) 온도 분리를 위해 냉각을 제공하는 것이며, 특히 극저온 분리에 이용하기에 특히 바람직하다.
주변 이하의 온도 분리에 있어서, 저온 조건을 유지하기 위해 가스 혼합물에 냉각이 제공되며, 혼합물을 회수용 성분으로 분리하는데 용이하다. 이러한 주변 이하 온도 분리의 실시예는 극저온 공기 분리, 천연 가스 업그레이딩, 비정제 합성가스로부터 수소의 회수, 및 이산화탄소 생성을 포함한다. 분리를 수행하기 위해 필요한 냉각을 제공하는 한 방법은 분리를 용이하게 하기 위해 직접 또는 간접 열 교환에 의해, 유체 스트림을 터보팽창시켜서 터보팽창에 의해 발생된 냉각을 이용하는 것이다. 이러한 시스템은 효율적인 반면에 상당량의 에너지를 이용하며 생성물 회수를 감소시키며 작동에 고가의 비용이 소모된다.
냉각제 유체가 압축되고 액화되어 액체로부터 가스로 소정의 온도에서 상 변화를 겪게되는 냉각 회로를 이용하여 냉각이 발생될 수 있으며, 그 결과, 냉각 목적에 이용가능한 기화 잠열을 생성한다. 이 냉각 회로는 가정용 냉장고 및 공기 정화기 내에서 통상적으로 이용된다. 이러한 냉각 회로가 소정의 온도 및 비교적 높은 주변 이하 온도에서 냉각을 제공하는데 효율적인 반면에 비교적 넓은 온도 범위에 걸쳐, 저온에서 냉각을 원할 때는 효율적이지 못하다.
따라서, 본 발명의 목적은 유체 혼합물의 주변 이하 온도 분리를 수행하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 특히 분리에 대한 필요한 냉각을 발생시키기 위해 터보팽창을 이용할 필요성없이 종래의 분리 시스템보다 더 효울적인 극저온 온도에서 수행되는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1,6,7 : 열교환기 3 : 응축기
11 : 저압 칼럼 12 : 아르곤 칼럼
31 : 부스터 압축기 50 : 정화기
60 : 공급 공기 97 : 폐스트림
전술한 목적 및 또 다른 목적은 본 명세서의 판독으로 당업자들에게 인지되어질 것이다.
유체 혼합물을 분리시키기 위한 방법에 있어서,
(A) 다중성분 냉각제 유체를 압축시키는 단계와,
(B) 다중성분 냉각제 유체를 적어도 부분적으로 응축하기 위해 압축된 다중성분 냉각제 유체를 냉각시키는 단계와,
(C) 냉각을 발생시키기 위해 냉각되고 압축된 다중성분 냉각제 유체를 팽창시키는 단계와,
(D) 유체 혼합물에 대한 저온 조건을 유지하기 위해 냉각을 이용하는 단계와,
(E) 유체 혼합물을 적어도 하나의 고휘발성 증기 성분 및 적어도 하나의 저휘발성 성분으로 분리시키는 단계와, 그리고
(F) 고휘발성 증기 성분 및 저휘발성 액체 성분중 적어도 하나를 회수시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시양태는, 공급 공기의 극저온 정류를 수행하기 위한 방법에 있어서,
(A) 공급 공기를 극저온 정류 플랜트로 통과시키고, 공급 공기를 적어도 하나의 생성물 질소 및 생성물 산소로 생성하기 위해 극저온 정류 플랜트 내의 극저온 정류에 의해 분리시키는 단계와,
(B) 다중성분 냉각제 유체를 압축시키고, 다중성분 냉각제 유체를 적어도 부분적으로 응축하기 위해 압축된 다중성분 냉각제 유체를 냉각시키고, 냉각을 발생시키기 위해 냉각되고 압축된 다중성분 냉각제 유체를 팽창시키고, 그리고 극저온 정류를 유지하기 위해 냉각을 이용하는 단계와,
(C) 극저온 정류 플랜트로부터 적어도 하나의 생성물 질소 및 생성물 산소로 회수하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "냉각(refrigeration)"은 열을 주변 이하 온도 분리 공정 등의 주변 이하 온도 시스템으로부터 주위 대기로 차단하는 능력을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "극저온 정류 플랜트"는 하나 이상의 칼럼, 및 배관, 밸브, 및 이에 수반되는 열교환 설비를 포함하는 극저온 정류에 의해 혼합물을 분류 증류하기 위한 설비를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "공급 공기"는 주위 공기 등의 주로 산소, 질소, 및 아르곤을 포함하는 혼합물을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "칼럼"은 증류 또는 분류 칼럼 또는 구역 즉, 접촉 칼럼 또는 구역의 증류를 의미하며 액상 및 기상은 칼럼 내에 장착된 수직으로 떨어진 일렬의 크레이 또는 판 및/또는 구조를 갖는 패킹재 및 임의의 패킹재에 기상 및 액상의 접촉에 의해서 유체 혼합물의 분리에 효과를 주기 위해 역류식으로 접하고 있다. 증류 칼럼에 대한 더 많은 사항은, 뉴욕 맥그로-힐(McGraw-Hill) 출판사 알. 에이치.페리(R.H.Perry), 씨.에이치.칠톤(C.H.Chilton)에 의해 편집된 화학 공학 핸드북 제 5판 13절의 비.디. 스미쓰(B.D.smith) 등의 "증류"의 13-3페이지의 연속 증류 가공을 참고하면 된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "이중 칼럼"은 저압칼럼의 하부와 열교환 관계에 놓여진 상부를 갖는 고압 칼럼을 의미한다. 이중 칼럼에 대한 보다 상세한 설명은 루헤만에 의한 1949년 옥스포드 대학 출판부 VII, 상업상 가스 분리의 "가스의 분리"에 나타나 있다.
증기 및 액체 접촉 분리 공정은 성분의 증기압의 차이에 따라 달라진다. 높은 증기압(또는 고 휘발성 및 낮은 비등)을 갖는 성분은 기상에서 농축되기 쉬운 반면, 낮은 증기압(또는 저 휘발성 및 낮은 비등)을 갖는 성분은 액상에서 농축되기 쉽다. 증류는 분리 공정으로서, 기상 내의 고 휘발성 성분 및 이로 인해 액상 내의 저 휘발성 성분을 농축하는데 액체 혼합물의 가열이 이용될 수 있다. 부분 응축은 분리 공정이며 이에 따라서 증기 혼합물의 냉각은 기상에서 휘발성 성분을 농축하는데 사용할 수 있으며 그 결과 액상에서 휘발성 성분은 줄어든다. 정류 또는 연속 증류는 연속적인 부분 증발과 기상 및 액상의 환류 처리에 의해 얻어지는 것과 같은 응축을 결합시키는 분리 공정이다. 기상과 액상의 역류 접촉은 단열 상태이며, 이러한 상들 사이의 일체식(단계식) 또는 차등(연속식)접촉을 포함할 수 있다. 혼합물을 분리하기 위해 정류의 원리를 이용하는 분리 공정 배열은 때때로 상호 교환할 수 있는 정류 칼럼, 증류 칼럼 또는 분류 칼럼으로 불려진다. 저온 정류는 150°K 또는 그 이항의 온도에서 적어도 부분적으로 수행된다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "간접 열교환"은 유체의 임의의 물리적인 접촉 또는 유체 서로간의 혼합없이 두 유체가 열 교환 관계에 놓여있음을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "터보팽창" 및 "터보팽창기"는 유체의 압력 및 온도를 감소시키기 위해 터빈을 통해 고압의 유체를 유동하도록 하는 각각의 방법 및 장치를 의미하는 것으로 냉각을 발생시킨다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "팽창"은 압력 감소로 작동함을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "생성물 질소"는 적어도 99 몰% 의 질소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "생성물 산소"는 적어도 70몰%의 산소 농도를 갖는 유체를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "가변 하중 냉각제(variable load refrigerant)"는 두개 이상의 성분 비율을 갖는 혼합물로서, 이러한 혼합물의 액체 상이 혼합물의 이슬점과 기포점 사이에 연속적으로 증가하는 온도 상을 겪는다. 혼합물의 기포점은 소정의 압력에서의 온도이며, 혼합물은 모두 액체 상이나, 열의 부가로 액상과 평형화된 증기상의 형성이 개시된다. 혼합물의 이슬점은 소정의 압력에서의 온도로서, 혼합물은 모두 증기 상태이나, 열을 제거함으로써, 증기 상과 평형화된 액상의 형성이 개시된다. 그러므로, 혼합물의 기포점과 이슬점 사이의 온도 영역은 액체 및 증기 상태가 평형 상태에서 공통으로 존재하는 영역이다. 본 발명의 실시예에서, 가변 하중 냉각제에 대한 기포점과 이슬점 사이의 온도차는 적어도 10。K, 바람직하게 적어도 20。K, 가장 바람직하게 적어도 50。K이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "플루오르카본(fluorocarbon)"은 테트라플루오르메탄(CF4), 펄플루오르에탄(C2F6), 펄플루오르프로판(C3F8), 펄플루오르부탄(C4F10), 펄플루오르펜탄(C5F12), 펄플루오르에텐(C2F4), 펄플루오르프로펜(C3F6), 펄플루오르부텐(C4F8), 펄플루오르펜텐(C5F10), 헥사플루오르시클로프로판(cyclo-C3F6), 및 옥타플루오르시클로부탄(cyclo-C4F8)중 하나를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "하이드로플루오르카본(hydrofluorocarbon)"은 플루오르폼(CHF3), 펜타플루오르에탄(C2HF5), 테트라플루오르에탄(C2H2F4), 헵타플루오르프로판(C3HF7), 헥사플루오르프로판(C3H2F6), 펜타플루오르프로판(C3H3F5), 테트라플루오르프로판(C3H4F4), 노나플루오르부탄(C4HF9), 옥타플루오르부탄(C4H2F8), 언데카플루오르펜탄(C5HF11), 메틸 플로라이드(CH3F), 디플루오르메탄(CH2F2), 에틸 플로라이드(C2H5F), 디플로에탄(C2H4F2), 트리플로로에탄(C2H3F3), 디플루오르에텐(C2H2F2), 트리플루오르에텐(C2HF3), 플루오르에텐(C2H3F1), 펜타플루오르프로펜(C3HF5),테트라플루오르프로펜(C3H2F4),트리플루오르프로펜 (C3H3F3), 디플루오르프로펜(C3H4F2), 헵타플루오르부텐(C4HF7), 헥사플루오르부텐(C4H2F6), 및 노나플루오르펜텐(C5HF9)중 하나를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "플루오르에테르(fluoroether)"는 트리플루오르메톡시-펄플로오르메탄(CF3-O-CF3), 디플루오르메톡시-펄플루오르메탄(CHF2-O-CF3), 디플루오르메톡시-디플루오르메탄(CHF2-O-CHF2), 디플루오르메톡시-펄플루오르에탄(CHF2-0-C2F5), 디플루오르메톡시-1,2,2,2-테트라플루오르에탄(CHF2-0-C2HF4), 디플루오르메톡시-1,1,2,2-테트라플루오르에탄(CHF2-0-C2HF4), 펄플루오르에톡시-플루오르메탄(C2F5-0-CH2F), 펄플루오르메톡시-1,1,2 -트리플루오르메탄(CF3-0-C2H2F3), 펄플루오르메톡시-1,2,2 -트리플루오르메탄오르에탄(CF30-C2H2F3), 시클로-1,1,2,2-테트라플루오르프로필에테르(cyclo-C3H2F4-0-), 시클로-1,1,3,3-테트라플루오르프로필에테르(cyclo-C3H2F4-0-),펄플루오르메톡시-1,1,2,2-테트라플루오르에탄(CF3-O-C2HF4), 시클로-1,1,2,3,3-펜타플루오르에테르(cyclo-C3H5-0-), 펄플루오르메톡시-펄플루오르아세톤(CF3-O-CF2-O-CF3), 펄플루오르메톡시-펄플루오르에탄(CF3-O-C2F5), 펄플루오르메톡시-1,2,2,2-테트라플루오르에탄(CF3-O-C2HF4), 펄플루오르메톡시-,2,2,2-트리플루오르에탄(CF3-O-C2H2F3),시클로-펄플루오르메톡시-펄플루오르아세톤 (cyclo-CF2-O-CF2- O-CF2), 및 시클로-펄플루오르프로필에테르(cyclo-C3F6-O)중 하나를 의미한다.
본 명세서에사 사용되는 용어 중 "대기 가스(atmospheric gas)"는 질소(N2), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 네온(Ne), 이산화 산소(CO2), 산소(O2), 및 헬륨(He)중 하나를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 중 " 비독성(non-toxic)"은 허용가능한 노출 한계에 따라 처리될 때 급성 또는 만성 유해에 노출되지 않음을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 용어 중 "비인화성(non-flammable)"은 발화점이 없거나 적어도 600。K의 높은 발화점을 가지고 있음을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "저-오존-소모(low-ozone-depleting)"는 디클로로플루오르메탄(CCl2F2)이 1.0의 오존 소모 전위를 갖는 몬트릴 프로토콜 조약에 의해 정의된 0.15 이항의 오존 소모 전위를 가짐을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "비-오존-소모(non-ozone-depleting)"는 염소, 브롬, 또는 요오드 원소를 함유한 성분이 없음을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 "정상 비등점(normal boiling point)"은 1 표준 기압 즉 14.696 lb/inch2(pounds per square inch absolute)에서의 비등점을 의미한다.
본 발명에 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하고 있으며, 상기 분리는 극저온 공기 분리이며, 냉각을 발생시키도록 다중성분 냉각제 유체 냉각 회로가 제공되어 극저온 공기 분리 플랜트 내에 저온을 유지하도록 한다.
본 발명은 도면을 참조하여 보다 상세히 설명되어질 것이다. 도면에서, 3개의 칼럼을 갖는 극저온 공기 분리 플랜트가 도시되어 있으며, 3개의 칼럼은 고압 및 저압 칼럼, 그리고 아르곤 사이드아암 칼럼을 포함한다.
도 1을 참조하면, 공급 공기(60)는 25 내지 250 psia의 범위의 압력에서 기저 하중 압축기(30)를 통과함으로서 압축된다. 최종 압축된 공급 공기(61)는 애프터쿨러 내에서 압축열에 의해 냉각되며 수증기, 이산화탄소, 탄화수소 등의 고 융점 불순물이 정화기(50)를 통과함으로서 정화되며, 정화된 공급 공기 스트림(62)은 두 부분(65,63)으로 분할된다. 일반적으로 20 내지 35%의 공급 공기 스트림(62)을 갖는 부분(65)은 고압의 부스터 압축기(31)를 통과함으로서 압축되어 대략, 1000 psia에 이른다. 최종적으로 보다 압축된 공급 공기 스트림(66)은 (도시되지 않은) 애프터쿨러 내의 압축열에 의해 냉각되며 주 열교환기(1)와 반송 스트림과의 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로 응축된다. 최종적으로 냉각된 공급 공기 스트림(67)은 밸브(120)를 통해 고압 칼럼(10)을 통과한 스트림(68), 및 밸브(70)를 통한 스트림(69)으로 분할되고 스트림(71)으로 저압 칼럼(11)으로 분할된다.
공급 공기 스트림(62)의 잔류 부분(63)은 반송 스트림과의 간접 열교환에 의해 주 열교환기(1)를 통과함으로써 냉각되며 대략 35 내지 250 psia의 압력에서 작동하는 고압 칼럼(10) 내부로 스트림(64)으로 통과된다. 고압 칼럼(10) 내에서, 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리된다. 질소 부화 증기는 스트림(77) 내에서 고압 칼럼(10)의 상부로부터 회수되며, 저압 칼럼 바닥 액체와의 간접 열교환에 의해 재가열기(2) 내에서 응축된다. 최종적인 질소 부화 액체(78)는 환류로서 칼럼(10)에 반환된다. 질소 부화 액체(79)의 일부분은 칼럼(10)으로부터 과열배출 장치(desuperheater:6)로 통과되며 차냉각된 스트림(80)을 형성하기 위해 차냉각된다. 필요에 따라, 스트림(80)의 일부분(81)은 적어도 99몰%의 질소 농도를 갖는 생성물 액체 질소로 회수된다. 스트림(80)의 나머지는 스트림(82) 내에서 환류로서 칼럼(11)의 상부로 통과된다.
산소 부화 액체는 스트림(83) 내의 고압 칼럼(10)의 하부로부터 회수되며 과열배출 장치(7)로 통과되어 차냉각된다. 최종적으로 차냉각된 산소 부화 액체(84)는 부분(85,88)으로 분할된다. 부분(85)은 밸브(86)를 통해 스트림(87)으로 저압 칼럼(11) 내부로 통과된다. 부분(88)은 밸브(95)를 통해 아르곤 응축기(3) 내부로 통과되어 부분적으로 기화된다. 최종 증기는 스트림(94) 내에서 응축기(3)로부터 회수되며 저압 칼럼(11) 내부로 통과된다. 잔류 산소 부화 액체는 스트림(93) 내에서 응축기(3)로부터 회수되며, 스트림(96)을 형성하기 위해 스트림(94)과 결합되며 저압 칼럼(11) 내부로 통과된다.
저압 칼럼(11)은 고압 칼럼(10)보다 낮은 대략 15 내지 100 psia의 압력에서 작동한다. 저압 칼럼(11) 내에서, 다양한 공급물은 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분히된다. 질소 부화 증기는 스트림(101) 내에서 칼럼(11)의 상부로부터 회수되며, 열교환기(6,7,1)를 통과함으로써 가온되며, 적어도 99 몰% 의 질소 농도, 바람직하게 적어도 99.9 몰%, 가장 바람직하게는 적어도 99.999 몰%의 질소 농도를 갖는 스트림(104) 내에서 생성물 질소로 회수된다. 생성물 순도 제어 목적으로, 폐 스트림(97)은 칼럼(11)으로부터 스트림(101)의 회수점 이하의 수치로 회수되며, 열교환기(6,7,1,)를 통과함으로서 가온되며, 스트림(100) 내의 시스템으로부터 제거된다. 산소 부화 액체는 90 내지 99.9몰% 범위내의 산소 농도를 갖는 스트림(105) 내의 칼럼(11)의 하부로부터 회수된다. 필요하다면, 스트림(105)의 일부분(106)은 생성물 액체 산소로 회수된다. 스트림(105)의 잔류 부분(107)은 액체 펌프(35)를 통과함으로써 고압으로 펌핑되며 압축된 스트림(108)은 주 열교환기(1) 내에서 기화되며, 생성물 상승된 압력의 산소 가스(109)로 회수된다.
산소 및 아르곤을 포함하는 유체는 스트림(110) 내에서 저압 칼럼(11)으로부터 아르곤 칼럼(12) 내부로 통과되며, 극저온 정류에 의해 아르곤 과부화 유체 및 산소 과부화 유체로 분리된다. 산소 과부화 유체는 스트림(1110) 내의 칼럼(12)의 하부로부터 저압 칼럼(11) 내부로 통과되며, 아르곤 과부화 유체는 증기 스트림(89) 내의 칼럼(12)의 상부로부터 아르곤 칼럼 응축기(3)로 통과되어, 전술한 부분적으로 기화되어 차냉각된 산소 부화 액체와의 간접 열교환에 의해 응축된다. 최종 아르곤 부화 액체는 스트림(90) 내에서 응축기(3)로부터 회수된다. 부분(91)은 환류로서 아르곤 칼럼(12) 내부로 통과되며, 95 내지 99.9몰% 범위의 아르곤 농도를 갖는 생성물 아르곤으로 회수된다.
지금부터, 극저온 정류 플랜트 내부로 통과된 모든 냉각을 발생시키기 위해 제공되는 다중 성분 냉각제 유체 회로의 작동에 대해 보다 상세히 기술되어질 것이며, 이에 의해 분리에 요구되는 냉각을 발생시키기 위해 공정 스트림의 임의의 터보 팽창에 대한 필요성을 제거시킬 수 있다.
주변 이하의 온도 분리 공정은 일부 목적에 따른 냉각을 필요로 한고 있다. 먼저, 공정 설비가 매우 낮은 온도에서 작동함으로 인해, 설비의 표면적, 국부적인 작동 온도, 및 설비 단열재의 함수인 설비 내부의 주위 대기로부터 열 누설이 존재한다. 둘재, 공정이 공급 스트림과 반송 스트림 사이의 열 교환과 관련되어 있으므로, 열 교환에 대한 온도 차이와 관련된 공정 내부로 순수 열 입력량이 존재한다. 셋째, 공정이 가스상 공급물로부터 액체 생성물을 생성한다면, 액화에 충분한 냉각이 제공되어져야 한다. 넷째, 액체 펌핑 등의 냉각 유체 등의 펌핑을 이용한는 공정에 대해, 펌핑 에너지는 공정 시스템으로부터 거부되어져야 한다. 다섯째, 고압의 가스 생성물을 제공하기 위해 액체 펌핑 및 기화를 이용하는 공정, 통상적으로 생성물 보일러 공정으로 지칭되는 공정에서, 저압 및 상승된 압력 수치에서 액체 증발과 관련된 두개의 온도 수치 사이에서 열 펌핑이 요구된다. 이러한 열 펌핑이 상승된 압력 수치에서 공급 공기의 분율에 의해 때때로 제공됨으로 인해, 외부 시스템 냉각에 의해 보충될 수 있다. 결국, 공정에 대해 임의의 잡다한 열 입력 또는 냉각이 요구된다.
주변 이하의 온도 분리 공정의 만족스러운 작동은 시스템으로의 모든 열 입력량을 보상하기 위해 충분한 냉각을 필요로 하며, 그 결과 공정과 관련된 저온이 유지된다. 위에서 열거한 다양한 냉각 요구량으로부터 추론되어지는 것처럼, 일반적인 주변 이하 온도 분리 공정은 분리와 관련된 전체 온도 범위 즉, 분리 공정 내의 주위 온도로부터 가장 냉각된 온도에 이르기까지 가변 냉각 요구량을 갖는다. 일반적으로, 공급 스트림 대 반송 스트림을 냉각시키기 위해 이용되는 일반적인 열 교환기는 분리 공정과 관련된 전체 온도 범위를 포함할 것이다. 따라서, 교환기는 필요한 냉각을 제공하기에 적합하다. 다중성분 냉각제 유체는 전체 온도 범위에 걸쳐 가변 냉각을 제공하기 위해 열 교환기 내에 포함될 수 있다. 각각의 온도에서 요구되는 가변 냉각의 제공은 복합 열교환기의 냉각 및 가온 곡선과 일치하도록 하여 분리 공정에 요구되는 에너지 요구량을 감소시킨다. 열 교환기 내의 모든 온도 수치에서 요구되고 공급된 냉각의 균등함은 열 교환기가 전체 길이에 대해 균일하거나 대략 균일한 온도에서 작동되도록 한다. 전술한 상황이 본 발명의 바람직한 실시예라 하더라도, 허용가능한 실시예에서 일부 편차가 허용될 수 있음을 인지할 수 있을 것이다. 예를 들어, 냉각 및 가온 곡선은 저온에서 매우 중요한 것으로 공지되어 있다. 그러므로, 허용가능한 시스템은 200。K 내지 300。K의 온도 범위보다 낮은 200。K 이하에서 보다 근접한 매칭을 갖는다. 또한, 열교환기의 전체 길이를 통해 다중성분 냉각제 회로를 포함하기에 바람직하더라도, 열교환기 길이의 일부에서만 냉각제 회로를 포함하는 것이 허용가능하다.
다음의 설명은 주 열교환기(1)를 통한 냉각을 제공하는 다중성분 냉각제 유체 시스템을 나타내고 있다. 스트림(201) 내의 다중성분 냉각제 유체는 압축된 냉각제 유체(202)를 생성하기 위해 60 내지 600 psia의 압력에서 재순환 압축기(34)를 통과함으로써 압축된다. 압축된 냉각제 유체는 애프터쿨러(4)를 통과함으로써 압축열로 냉각되어 부분적으로 응축된다. 스트림(203)내의 다중성분 냉각제 유체는 열교환기(1)를 통과하며, 보다 냉각되며 적어도 부분적으로 응축되거나 완전 응축된다. 냉각되고 압축된 다중성분 냉각제 유체(204)는 밸브(205)를 통해 팽창되거나 교축된다. 교축(throttling)은 바람직하게 다중성분 냉각제 유체를 부분적으로 기화시키며, 유체를 냉각시키며, 냉각을 발생시킨다. 일부 제한된 환경에서, 열 교환기의 조건에 따라, 압축된 유체(204)는 팽창되기 이전에 액체가 차냉각되며 초기 팽창 직후에 액체로 유지된다. 다음으로, 열 교환기 내에서 가온됨에 따라,유체는 두개의 상을 갖게 된다. 밸브를 통한 유체의 압력 팽창은 주울-톰슨 효과(Joule-Thomson effect) 즉, 일정 엔탈피에서 압력 팽창으로 인해 유체 온도의 하강을 제공한다. 그러나, 일부 상황에서, 유체 팽창은 두개의 상, 또는 액체 팽창 터빈을 이용함으로써 발생되어, 유체 온도는 작업 팽창으로 하강되어질 것이다.
냉각을 유지하고 있는 베어링의 다중성분의 두개의 상을 갖는 냉각제 유체 스트림(206)은 열교환기(1)를 통과하며, 가온 및 완전 기화되어 스트림(203)을 냉각시키기 위해 간접 열 교환에 의해 제공되며, 공급 공기 스트림(66,63)을 포함한 열교환기 내의 공정 스트림 내부로 냉각을 전달하여, 분리 공정을 유지하기 위해 극저온 정류 플랜트 내부로 다중성분 냉각제 유체 냉각에 의해 냉각이 발생된다. 증기 스트림(201) 내의 최종적으로 가온된 다중성분 냉각제 유체는 압축기(34)로 재순화되며 냉각 주기가 새롭게 개시된다. 고압의 혼합물이 응축되는 동안 다중성분 냉각제 유체 냉각 주기에서, 저압의 혼합물은 저압 액체을 가열하는 응축 열에 대해 가열된다. 각각의 온도 수치에서, 기화 및 응축 사이의 순 차이는 냉각을 제공한다. 주어진 냉각제 성분 결합, 혼합물 조성, 유량, 및 압력 수치에 대해, 각각의 온도 수치에서 이용가능한 냉각을 결정한다.
다중성분 냉각제 유체는 각각의 온도에서 요구되는 냉각을 제공하기 위해 두개 이상의 성분을 함유하고 있다. 냉각제 성분의 선택은 특정 공정 적용에 대한 냉각 하중 대 온도에 따라 달라진다. 적합한 성분은 성분의 정상 비등점, 잠열, 및 화염성, 독성, 및 오존 소모 전위등에 따라 선택된다.
본 발명에서 이용가능한 다중성분 냉각제 유체에 대한 하나의 바람직한 실시예는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 및 플루오르에테르로 구성되는 군으로부터 적어도 두개의 성분을 포함하고 있다.
본 발명에서 이용가능한 다중성분 냉각제 유체의 또 다른 바람직한 실시예는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 및 플루오르에테르로 구성되는 군으로부터 적어도 하나의 성분, 및 적어도 하나의 대기 가스를 포함된다.
본 발명에서 이용가능한 다중성분 냉각제 유체의 또 다른 바람직한 실시예는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 및 플루오르에테르로 구성된 적어도 두개의 성분, 및 적어도 두개의 대기 가스를 포함한다.
본 발명에서 이용가능한 다중성분 냉각제 유체의 또 다른 실시예는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 플루오르에테르, 및 대기 가스로 구성되는 군으로부터 적어도 하나의 성분, 및 적어도 하나의 플루오르에테르를 포함한다.
하나의 바람직한 실시예에서, 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본 만으로 구성되어 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본 및 하이드로플루오르카본 중 하나로만 구성된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본 및 대기 가스중 하나로만 구성된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 및 플루오르에테르중 하나만으로 구성된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본, 플루오르에테르, 및 대기 가스중의 하나로만 구성된다.
본 발명의 실시예에서 유용한 다중성분 냉각제 유체는 하이드로클로로플루오르카본 및/또는 하이드로카본 등의 다른 성분들을 포함할 수 있다. 바람직하게, 다중성분 냉각제 유체는 하이드로클로로플루오르카본을 함유하지 않는다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 다중성분 냉각제 유체는 하이드로카본을 함유하고 있지 않다. 가장 바람직하게는, 다중성분 냉각제 유체는 하이드로클로로플루오르카본 또는 하이드로카본을 함유하고 있지 않다. 가장 바람직하게, 다중성분 냉각제 유체는 비독성, 비화염성, 및 비오존 소모의 특성을 가지며, 가장 바람직하게, 다중성분 냉각제 유체의 모든 성분은 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 플루오르에테르 또는 대기 가스이다.
본 발명은 대기 온도로부터 극저온 온도에 효과적으로 도달하도록 사용하는데 특히 바람직하다. 도표 1-5는 본 발명의 실시예에서 유용한 다중성분 냉각제 유체 혼합물의 바람직한 실시예를 나타내고 있다. 도표에 도시된 농도 범위는 몰%로 나타나 있다.
도표 1
성분 농도 범위
C5F12 5 - 25
C4F10 0 - 15
C3F8 10 - 40
C2F6 0 - 30
CF4 10 - 50
Ar 0 - 40
N2 10 - 80
도표 2
성분 농도 범위
C3H3F5 5 - 25
C4F10 0 - 15
C3F8 10 - 40
CHF3 0 - 30
CF4 10 - 50
Ar 0 - 40
N2 10 - 80
도표 3
성분 농도 범위
C3H3F5 5 - 25
C3H3F6 0 - 15
C2H2F4 0 - 20
C2HF5 5 - 20
C2F6 0 - 30
CF4 10 - 50
Ar 0 - 40
N2 10 - 80
도표 4
성분 농도 범위
CHF2- O - C2HF4 5 - 25
C4H10 0 - 15
CF3- O - CHF2 10 - 40
CF3- O - CF3 0 - 20
C2F6 0 - 30
CF4 10 - 50
Ar 0 - 40
N2 10 - 80
도표 5
성분 농도 범위
C3H3F5 5 - 25
C3H2F6 0 - 15
CF3- O - CHF2 10 - 40
CHF3 0 - 30
CF4 0 - 25
Ar 0 - 40
N2 10 - 80
본 발명은 광범위한 온도 범위, 특히 극저온 온도를 포함하는 특정 온도의 냉각을 제공하는데 특히 유용하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 냉각제 혼합물의 두개 이상의 성분의 각각은 냉각 혼합물 내의 모든 다른 성분의 정상적인 비등점과 적어도 5。K , 보다 바람직하게는 적어도 10。K , 가장 바람직하게는 적어도 20。K 의 온도가 차이가 나는 정상적인 비등점을 갖는다. 이는 광점위한 온도 범위에 걸쳐 특히, 극저온 온도를 포함하는 온도에서 냉각을 제공하는 효율을 강화시킨다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 다중성분 냉각제 유체의 최고 비등점을 갖는 성분의 정상적인 비등점은 다중성분 냉각제 유체의 최저 비등점 성분의 정상적인 비등점보다 더 높은 적어도 50。K , 바람직하게는 적어도 100 。K, 가장 바람직하게는 적어도 200。K 에 이른다.
도면에 도시된 다중성분 냉각제 유체의 유동 회로가 폐쇄된 루프 단일 유동 회로인 경우일지라도, 특정 적용예에 대한 다른 유동 배열을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 자체의 냉각제 혼합물, 및 공정 조건을 갖는 다수의 독립적인 유동 회로를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 다수의 도관은 다른 온도 범위에서 냉각을 보다 용이하게 제공할 수 있으며 냉각제 시스템의 복잡성을 감소시킨다. 또한, 냉각제 액체의 일부의 내부 재순환을 허용하도록 하나 이상의 온도에서 유동 회로에서 상 분리를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 냉각제 액체의 내부 재순환은 냉각제 액체의 불필요한 냉각을 방지할 수 있으며, 냉각제 액체의 동결을 방지할 수 있다.
본 발명에서 유용한 다중성분 냉각제 유체를 보충하기 위한 성분 및 그 농도는 가변 하중의 다중성분 냉각제 유체를 형성하는 것이며, 바람직하게 본 발명의 방법의 전체 온도범위에서 이러한 가변 하중의 특성을 유지하는 것이다. 이는 광범위한 온도 범위에 걸쳐 발생되고 이용되는 냉각으로 효율이 강화된다. 정의된 바람직한 성분의 군은 비독성, 비화염성, 낮은 수치 또는 비 오존 소모의 유체 혼합물을 형성하기 위해 이용될 수 있는 부가의 잇점을 갖는다. 이는 독성의, 화염성, 및/또는 오존 소모의 특성을 갖는 종래의 냉각제와 비교하여 부가의 잇점을 갖는다.
비독성, 비화염성, 및 비 오존 소모성의 특성을 갖는 본 발명에서 이용가능한 가변 하중의 다중성분 냉각제 유체의 바람직한 실시예는 C5F12, CHF2- O - C2HF4, C4HF9, C3H3F5, C2F5- O- CH2F, C3H2F6, CHF2- O- CHF2, C4F10, CF3- O- C2H2F3, C3HF7, CH2F- O- CF3, C2H2F4, CHF2- O- CF3, C3F8, C2HF5, CF3- O- CF3, C2F6, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne, 및 He로 구성되는 군으로부터 두 개 이상의 성분을 포함한다.
상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명은 다른 극저온 공기 분리 시스템 및 천연 가스 업그레이딩 및 수소 또는 헬륨 회수 등의 다른 극저온 분리 시스템과 관련하여 수행될 수 있다. 또한 이산화탄소 회수 등의 비 극저온 주변 이하 온도에서 수행하는데 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 광범위한 온도 범위에 걸쳐 발생되고 이용되는 냉각 특히, 극저온 온도를 포함하는 특정 온도의 냉각으로 효율이 강화된다.

Claims (10)

  1. 유체 혼합물을 분리시키기 위한 방법에 있어서,
    (A) 다중성분 냉각제 유체를 압축시키는 단계와,
    (B) 상기 다중성분 냉각제 유체를 적어도 부분적으로 응축하기 위해 상기 압축된 다중성분 냉각제 유체를 냉각시키는 단계와,
    (C) 냉각을 발생시키도록 상기 냉각되고 압축된 다중성분 냉각제 유체를 팽창시키는 단계와,
    (D) 유체 혼합물에 대한 저온 조건을 유지하기 위해 상기 냉각을 이용하는 단계와,
    (E) 상기 유체 혼합물을 적어도 하나의 고휘발성 증기 성분 및 적어도 하나의 저휘발성 액체 성분으로 분리시키는 단계와, 그리고
    (F) 상기 고휘발성 증기 성분 및 저휘발성 액체 성분중의 적어도 하나를 회수시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 혼합물의 분리는 극저온 정류 플랜트에서 수행되는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 냉각되고 압축된 다중성분 냉각제 유체의 팽창으로 두개의 상을 갖는 다중성분 냉각제 유체를 발생시키는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 및 플루오르에테르로 구성되는 군으로부터 적어도 하나의 성분, 및 적어도 하나의 대기 가스를 포함하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 및 플루오르에테르로 구성되는 군으로부터 적어도 두개의 성분, 및 적어도 두개의 대기 가스를 포함하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 플루오르에테르, 및 대기 가스로 구성되는 군으로부터 적어도 하나의 성분, 및 적어도 하나의 플루오르에테르를 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 다중성분 냉각제 유체의 최고 비등점을 갖는 성분의 정상적인 비등점은 상기 다중성분 냉각제 유체의 최저 비등점의 정상적인 비등점보다 적어도 50。K 높은 방법.
  8. 공급 공기의 극저온 정류를 수행하기 위한 방법에 있어서,
    (A) 공급 공기를 극저온 정류 플랜트로 통과시켜, 적어도 하나의 생성물 질소 및 생성물 산소를 생성하기 위해 상기 극저온 정류 플랜트 내의 상기 공급 공기를 극저온 정류에 의해 분리시키는 단계와,
    (B) 다중성분 냉각제 유체를 압축시키고, 상기 다중성분 냉각제 유체를 적어도 부분적으로 응축시키기 위해 상기 압축된 다중성분 냉각제 유체를 냉각시키고, 냉각을 발생시키기 위해 상기 냉각되고 압축된 다중성분 냉각제 유체를 팽창시키는 단계와, 그리고
    (C) 상기 극저온 정류 플랜트로부터 적어도 하나의 생성물 질소 및 생성물 산소로 회수시키는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 다중성분 냉각제 유체의 팽창에 의해 발생된 냉각은 단지 상기 극저온 정류를 유지하기 위해 이용되는 냉각인 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 다중성분 냉각제 유체의 압축, 냉각, 및 팽창은 폐쇄 루프 내에서 수행되는 방법.
KR1019990063282A 1998-12-30 1999-12-28 다중성분 냉각제 유체로부터 발생된 냉각을 이용하여 주변이하 온도 특히, 극저온 분리를 수행하기 위한 방법 KR20000048442A (ko)

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