KR20000052600A - 극저온 정류 플랜트 내부로 냉각을 제공하기 위한 방법 및장치 - Google Patents

극저온 정류 플랜트 내부로 냉각을 제공하기 위한 방법 및장치 Download PDF

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월터조셉 올제스키
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조안 엠. 젤사
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로버트 지. 호헨스타인
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Abstract

본 발명은 냉각을 발생시켜 극저온 정류 플랜트 내부로 냉각을 제공하는 시스템에 관한 것으로서, 또한 터보팽창에 의해 발생된 냉각 이외에 플랜트에 대한 차후 냉각은 냉각 회로 내에서 다중성분 냉각제를 순환시킴으로써 발생된다.

Description

극저온 정류 플랜트 내부로 냉각을 제공하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING REFRIGERATION INTO A CRYOGENIC RECTIFICATION PLANT}
본 발명의 극저온 정류에 관한 것이며, 보다 상세히 설명하면 극저온 정류를 수행하기 위해 극저온 정류 플랜트에 냉각(refrigeration)을 제공하는 것이다.
산소, 질소, 및 아르곤을 제조하기 위한 공급 공기의 극저온 정류 등의 극저온 정류는 극저온 정류 플랜용 냉각을 제공한다. 일반적으로, 이러한 냉각은 공정 스트림의 터보팽창에 의해 제공된다. 터보팽창은 에너지 집중 단계이며, 하나 이상의 액체 생성물이 요구될 때와 같이 대용량의 냉각이 요구될 때 특히 비용이 많이 소모된다. 극저온 공기 분리의 경우에, 질소 및 산소 생성물 이외에 아르곤 생성물이 요구될 때, 공급 공기의 터보팽창은 아르곤 회수를 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 극저온 정류 플랜트를 냉각하기 위한 시스템을 제공하는 것으로, 플랜트를 작동하기 위한 모든 필요한 냉각은 공정 스트림의 터보팽창에 의해 발생된다.
도 1은 다중성분 냉각제 유체 냉각 회로가 터보팽창기에 공급물을 냉각시키기 위해 제공되는 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에서 이용되는 다중성분 냉각제 유체 냉각 회로를 보다 상세하게 도시한 도면.
도 3는 다중성분 냉각제 유체의 냉각 회로의 열교환기가 극저온 정류 플랜트의 주 열교환기인 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1,6,7 : 열 교환기 8 : 애프터쿨러
10 : 고압 칼럼 11 : 저압 칼럼
12 : 아르곤 칼럼 30,31,34 : 압축기
33 : 터보팽창기 50 : 정화기
전술한 목적 및 또 다른 목적은 본 명세서를 판독함으로서 인지되어질 것이다.
극저온 정류 플랜트용 냉각을 제공하기 위한 방법은
(A) 다중성분 냉각제 유체를 압축시키고, 냉각을 생성하기 위해 상기 압축된 다중성분 냉각제 유체를 팽창시키고, 그리고 공정 유체와의 간접 열교환에 의해 팽창된 다중성분 냉각제 유체를 가온시킴으로써, 냉각제 유체로부터의 냉각을 공정 유체 내부로 통과시키는 단계와,
(B) 공정 유체로부터의 냉각을 극저온 정류 플랜트로 통과되는 단계와,
(C) 냉각을 발생시키기 위해 유체 스트림을 터보팽창시키고, 터보팽창된 유체 스트림을 극저온 정류 플랜트로 통과시키는 단계와, 그리고
(D) 극저온 정류 플랜트 내의 극저온 정류에 의해 적어도 하나의 생성물을 생성하기 위해 팽창된 다중성분 냉각제 유체에 의해 발생된 냉각 및 터보팽창된 유체 스트림에 의해 발생된 냉각을 이용하는 단계를 포함한다.
극저온 정류 플랜트 내부로 냉각을 제공하기 위한 장치는
(A) 압축기, 팽창 수단, 열교환기, 및 압축기로부터 팽창 수단까지, 팽창 수단으로부터 열교환기까지, 그리고 열교환기로부터 압축기까지 다중성분 냉각제 유체를 통과시키기 위한 수단을 포함하는 다중성분 냉각제 유체 냉각 회로,
(B) 공정 유체를 열 교환기로 통과시키는 수단, 및 공정 유체로부터의 냉각을 극저온 정류 플랜트로 통과시키기 위한 수단,
(C) 냉각을 발생시키는 터보팽창기, 및 터보팽창기로부터의 냉각이 극저온 정류 플랜트 내부로 통과시키기 위한 수단, 및
(D) 극저온 정류 플랜트로부터 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "냉각(refrigeration)"은 저온으로부터 고온으로, 통상적으로 주변 이하의(subambient) 온도로부터 주변 온도로 열 전달을 차단하는 성능을 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 감소에 작동함을 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(C2H3F), 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.
본원 명세서에 첨부된 도면에 표기된 참조부호는 동일 부분인 경우 동일하게 표기된다.
본 발명은 도면을 첨부하여 보다 상세히 설명되어질 것이다. 도 1에는, 고압칼럼 및 저압 칼럼을 갖는 이중 칼럼, 및 아르곤 사이드아암 칼럼을 갖는 극저온 공기 분리 플랜트가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 공급 공기(60)는 대략 35 내지 250 psia의 압력에서 기초 하중 압축기(30)로 통과시킴으로써 압축된다. 최종적으로 압축된 공급 공기(61)는 (도시되지 않은) 애프터쿨러 내에서 압축열에 의해 냉각되며 수증기, 이산화탄소, 탄화수소 등의 고 융점 불순물이 정화기(50)를 통과함으로서 정화되며, 정화된 공급 공기 스트림(62)은 세 부분(65,63,72)으로 분할된다. 일반적으로 20 내지 35%의 공급 공기 스트림(62)을 갖는 부분(65)은 부스터 압축기(31)를 1000 psia에 이르는 압력으로 통과시킴으로써 보다 압축되며, 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.
대략 1 내지 20%의 공급 공기 스트림(62)을 포함하는 또 다른 부분(72)은 압축기(32)를 통과시킴으로써 300 psia에 이르는 압력으로 압축되며, 최종 압축된 스트림(73)은 애프터쿨러(8)를 통과함으로써 압축열로 냉각된다. 최종적인 공급 공기 스트림(74)은 다중성분 냉각제 유체 회로의 열교환기(5)를 통과하며 하기에 보다 상세히 설명되어질 재순환 다중성분 냉각제 유체로부터 냉각 전달로 냉각된다. 다중성분 냉각제 유체로부터 냉각을 수용하는 공정 유체에 대한 실시예인 최종 냉각된 공급 공기 스트림(75)은 추가 냉각을 발생시키기 위해 터보팽창기(33)를 통과함으로써 터보팽창되며, 최종 터보팽창된 스트림(76)은 터보팽창기(33)로부터 저압 칼럼(11)내부로 통과된다. 이러한 방식에서, 다중성분 냉각제 유체 냉각 회로에 의해 발생된 냉각 및 터보팽창에 의해 발생된 냉각은 칼럼(11) 내부로 스트림(76)을 통과시킴으로써 극저온 정류 플랜트로 통과된다.
공급 공기 스트림(62)의 잔류 부분(63)은 반송 스트림과의 간접 열교환에 의해 주 열교환기(1)를 통과함으로서 냉각되며 스트림(64)으로서 35 내지250 psia 범위의 압력에서 작동하는 고압 칼럼(10) 내부로 통과된다. 고압 칼럼(10) 내의 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리된다. 질소 부화 증기는 스트림(77) 내의 고압 컬럼(10)의 상부로부터 회수되며, 재가열기(2) 내에서 비등하는 저압 칼럼의 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 차냉각된 스트림(80)을 형성하기 위해 칼럼(10)으로부터 차냉각된 과열 배출장치(6)까지 통과된다. 필요하다면, 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 상부 내부로 통과된다.
산소 부화 액체는 스트림(83) 내의 고압 칼럼(10)의 하부로부터 회수되며 차냉각된 과열배출장치(7)로 통과된다. 최종적으로 차냉각된 산소 부화 액체(84)는 부분(85,88)으로 분할된다. 부분(85)은 밸브(86)를 통해 스트림(87)으로서 저압 칼럼(11) 내부로 통과된다. 부분(88)은 밸브(95)를 통해 부분적으로 기화된 아르곤 칼럼 응축기(3) 내부로 통과된다. 최종 증기는 스트림(94) 내의 응축기(3)로부터 회수되며 스트림(96)로서 저압 칼럼(11) 내부로 통과된다. 나머지 산소 부화 액체는 스트림(93) 내의 응축기(3)로부터 회수되며, 스트림(96)을 형성하기 위해 스트림(94)과 결합하고 저압 칼럼(11) 내부로 통과된다.
저압 칼럼(11)은 고압 칼럼(10)의 압력보다 낮은 압력에서 작동하며, 일반적으로 15 내지 100 psia의 범위에 놓여있다. 저압 칼럼(11) 내에서, 다양한 공급물은 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리된다. 질소 부화 증기는 스트림(101) 내의 칼럼(11)의 상부로부터 회수되며, 열교환기(6,7,1)를 통과함으로서 가온되며, 적어도 99몰%의 질소 농도를 갖는 스트림(104) 내에서 생성물 질소로 회수된다. 생성물의 순도 제어 목적으로, 폐 스트림(97)은 칼럼(11)으로부터 스트림(101)의 회수점 이하의 수치로부터 회수되며, 열교환기(6,7,1)를 통과함으로써 가온되며, 스트림(100)내의 시스템으로부터 제거된다. 산소 부화 액체는 70 내지 99.9몰%, 바람직하게 95 내지 99.5몰%의 산소 농도를 갖는 스트림(105) 내의 칼럼(11) 하부로부터 회수된다. 필요에 따라, 스트림(105)의 부분(106)이 생성물 액체 산소로 회수된다. 스트림(105)의 나머지 부분(107)은 액체 펌프(35)를 통과함으로서 고압으로 펌핑되며, 압축된 스트림(108)은 주 열교환기(1) 내에서 기화되며 생성물로서 상승된 압력의 산소 가스(109)로 회수된다.
산소 및 아르곤을 포함하는 유체는 스트림(11) 내에서 저압 칼럼(11)으로부터 극저온 정류에 의해 아르곤 과부화 유체 및 산소 과부화 유체로 분리되는 아르곤 칼럼(12) 내부로 통과된다. 산소 과부화 유체는 스트림(111) 내의 칼럼(12)의 하부로부터 저압 칼럼(11) 내부로 통과된다. 아르곤 과부화 유체는 증기 스트림(89) 내의 칼럼(!2)의 상부로부터 전술한 부분적으로 기화되어 차냉각된 산소 부화 액체와의 간접 열교환에 의해 응축되는 아르곤 칼럼 응축기(3) 내부로 통과된다. 최종적으로 아르곤 과부화 액체는 스트림(90) 내의 응축기(3)로부터 회수된다. 부분(91)은 환류로서 아르곤 칼럼(12) 내부로 통과되며, 다른 부분(92)은 95 내지 99.999 몰% 범위의 아르곤 농도를 갖는 생성물 아르곤으로 회수된다.
도 1 및 도 2를 모두 참조하면, 극저온 정류 플랜트로 통과된 냉각 일부분을 발생시키기 위해 제공된 다중성분 냉각제 유체의 폐쇄된 루프 회로의 작동이 보다 상세히 기술되어질 것이다. 냉각은 종래에는 폐쇄된 루프 유동 회로 내의 단일 성분 냉각제 유체를 이용하여 주어진 온도에서 발생된다. 이러한 종래 시스템의 실시예는 가정용 냉장고 및 공기 정화기등을 포함한다. 다중성분 냉각제 유체는 온도 범위에 걸쳐 가변 냉각량을 제공할 수 있다. 따라서, 냉각 공급량은 각각의 온도에서 냉각 요구량에 일치하도록 하여, 시스템의 에너지 필요량을 감소시킨다.
스트림(201) 내의 다중성분 냉각제 유체는 압축된 냉각제 유체(202)를 생성하기 위해 60 내지 600 psia의 압력에서 재순환 압축기(34)룰 통과함으로써 압축된다. 압축된 냉각제 유체는 수냉식 애프터쿨러(4)를 통과함으로써 압축열로 냉각되며 부분적으로 응축되어질 것이다. 스트림(203) 내의 다중성분 냉각제 유체는 보다 냉각되고 부분적으로 또는 완전히 응축된 냉각 회로 열 교환기(5)를 통과함으로써 보다 냉각된다. 냉각되고 압축된 다중성분 냉각제 유체(204)는 밸브(205)를 통해 팽창되거나 교축되며, 선택적으로 팽창 터빈을 통해 팽창된다. 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 차냉각된 액체일 것이며, 초기 팽창 이후에 액체로 유지된다. 연속적으로, 열교환기 내에서 가온됨에 따라, 유체는 두개의 상을 포함한다.
125 내지 225 。K, 바람직하게 150 내지 175。K의 온도를 갖는 냉각 베어링 다중성분 두상의 냉각제 유체 스트림(206)은 가온되어 완전 기화되어 스트림(203)을 냉각시키고 간접 열교환에 의해 냉각된 공급 공기 스트림(75)을 생성하기 위해 공급 공기 스트림(74) 내부로 냉각을 전달하기 위해 열 교환기(5)를 통과한다. 스트림(75)은 최종적으로 칼럼(11)을 통과하여 다중성분 냉각제 유체 냉각 회로에 의해 발생된 냉각이 극저온 정류 플랜트 내부로 통과된다. 스트림(201) 내의 최종적으로 가온된 다중성분 냉각제 유체는 압축기(34)로 재순환되며, 냉각 사이클은 새롭게 작동한다.
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 이중 상, 또는 액체 팽창 터빈을 이용함으로써 발생되어, 유체 온도는 터빈에 의한 작업 적출로 인해 하강되어질 것이다. 일반적으로, 다중성분 냉각제에 대한 이중 상 또는 액체 터빈 팽창으로 인해 부가된 냉각은 밸브 팽창과 관련된 냉각과 비교하여 비교적 낮다. 그러나, 터보팽창기(33) 내의 공급공기의 터보팽창 등의 터빈 내의 가스 팽창에 대해, 작업 적출과 관련된 유체 냉각은 가스 스트림의 밸브 팽창에 의해 이용가능한 것보다 상당히 높다. 핵심적인 차이는 다중성분 냉각제 유체의 압력 팽창으로서, 유체가 재가온됨에 따라 이용가능한 가변 냉각 량을 갖는 반면에, 터보팽창된 가스 스트림에 대해, 가스가 재가온됨에 따라 균일한 냉각량을 이용할 수 있다. 따라서, 다중성분 냉각제 및 터보팽창된 스트림의 결합은 필요에 따라 광범위한 온도 범위에 걸쳐있다. 결과는 총괄적으로 요구되는 냉각의 제공에 대해 낮은 시스템 에너지 요구량을 초래하는 공정 내의 광점위한 온도 범위에서 요구되고 제공된 냉각과 밀접하게 일치한다.
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 탄화플루오르만으로 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 탄화플루오르, 하이드로탄화플루오르, 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
도 3은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예를 예시하고 있다. 도 3의 참조부호는 도 1의 도면부호와 동일하다. 도 1에 도시되어진 실시예와는 다른 도 3에 도시된 실시예는 다중성분 유체 냉각제 회로에 대한 독립된 열 교환기에 없다는 점이다. 더욱이, 주 열교환기는 다중성분 냉각제 유체 냉각 회로에 대한 열 교환기로 사용된다. 도 3에 도시된 실시예에서, 압축된 공급 공기 스트림(74)은 개별 열교환기라기 보다는 주 열교환기(1)를 통과하며, 개별 열교환기를 통과하기 보다는 주 열교환기(1)을 통과하는 냉각 베어링 다중성분 냉각제 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된다.
열 교환기 내의 임의의 온도 수치에서 다중성분 냉각제 유체 냉각 회로 및 터보팽창을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중성분 냉각제는 고온 수치에서 냉각을 제공하는 반면에 터보팽창은 저온 수치에서 냉각을 제공할 수 있다. 요구되는 냉각 대 온도 패턴에 따라 달라지는 일부 공정 적용예에서, 터보팽창은 저온 수치 냉각을 제공하기 위해 이용된다. 일부 적용예에서, 중복된 온도 범위에 대한 냉각을 제공하기 위해 두개의 냉각제 방법이 요구된다. 더욱이, 분리 공정 내의 다양한 공정 스트림은 공정 냉각을 제공하기 위해 터보팽창될 수 있다. 적합한 공정 스트림은 공급 스트림, 생성물 또는 폐 스트림, 또는 중간 공정 스트림을 포함할 수 있다. 극저온 공기 분리에 대해, 적합한 공정은 공급 공기, 생성물 산소 또는 질소, 폐 질소, 또는 고압 칼럼의 증기를 포함한다.
본 발명이 폐쇄된 루프의 단일 유동 회로를 이용하여 예시하고 있더라도, 일부 상황에서, 냉각제 회로에 대한 다양한 유동 변동이 요구된다. 공정 냉각 요구량에 따라, 각각 다른 냉각제 혼합물을 갖는 다수의 독립 유동 유닛을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 주어진 유동 회로는 냉각제 액체의 내부 재순환을 허용하고 냉각제 액체의 바람직하지 못한 냉각 및 동결을 방지하기 위해 하나 이상의 온도에서 상 분리를 이용한다. 결국, 부가의 냉각을 발생시키기 위한 도 다른 수단으로서 가스상 냉각제 유체의 터보팽창을 포함하는 것이 바람직하다. 냉각제 유동 회로 혼합물, 공정 조건 즉, 합성 혼합물, 조성, 및 압력 수치등의 특정 선택은 특정 공정 적용 및 관련 냉각 요구량에 따라 달라진다.
본 발명은 광범위한 온도 범위, 특히 극저온 온도를 초래하는 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 광범위한 온도 범위, 특히 극저온 온도를 포함하는 특정 온도에 대해 냉각에 대한 효율을 강화시킨다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 다중성분 냉각제 유체의 최고 비등점 성분의 정상적인 비등점은 다중성분 냉각제 유체의 최저 비등점 성분의 정상적인 비등점보다 높은 적어도 50。K, 바람직하게 적어도 100。K, 가장 바람직하게 적어도 200。K를 갖는다.
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.
본 발명으로 인해, 극저온 정류 플랜트 내부로 강화된 냉각을 효과적으로 제공할 수 있다. 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, 다중성분 냉각제 유체의 냉각 회로로부터 냉각을 수용하는 공정 스트림은 공급 공기를 필요로 하지 않으며, 극저온 정류 플랜트의 칼럼 내부로 통과되어질 필요가 없다. 본 발명은 도면에 도시되어진 것보다 극저온 공기 분리 시스템과 관련하여 수행될 수 있으며, 천연 가스 업그레이딩, 비정제 합성가스로부터의 수소 회수, 및 이산화탄소 생성 시스템 등의 다른 극저온 정류 플랜트와 관련되어 수행될 수 있다.
본 발명으로 인해 극저온 정류를 수행하기 위해 플랜트를 작동시키기 위한 모든 필요한 냉각은 공정 스트림의 터보 팽창에 의해 발생되며, 이로 인해 아르곤 회수를 감소시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 극저온 정류 플랜트용 냉각을 제공하기 위한 방법에 있어서,
    (A) 다중성분 냉각제 유체를 압축시키고, 냉각을 생성하기 위해 상기 압축된 다중성분 냉각제 유체를 팽창시키고, 그리고 공정 유체와의 간접적인 열교환에 의해 팽창된 다중성분 냉각제 유체를 가온시킴으로써 상기 냉각제 유체로부터의 냉각을 공정 유체 내부로 통과시키는 단계와,
    (B) 상기 극저온 정류 플랜트 내부로 공정 유체로부터의 냉각을 전달하는 단계와,
    (C) 냉각을 발생시키기 위해 유체 스트림을 터보팽창시키고, 상기 터보팽창된 유체 스트림으로부터의 냉각을 극저온 정류 플랜트로 전달시키는 단계와, 그리고
    (D) 극저온 정류 플랜트 내의 극저온 정류에 의해 적어도 하나의 생성물을 생성하기 위해 상기 팽창된 다중성분 냉각제 유체에 의해 발생된 냉각 및 상기 터보팽창된 유체 스트림에 의해 발생된 냉각을 이용하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 공정 유체로부터 상기 냉각은 극저온 정류 플랜트의 칼럼 내부로 공정 유체를 통과시킴으로써 극저온 정류 플랜트 내부로 통과되는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 터보팽창된 유체 스트림으로부터의 냉각은 상기 극저온 정류 플랜트의 칼럼 내부로 상기 터보팽창된 유체 스트림을 통과시킴으로써 상기 극저온 정류 플랜트 내부로 통과되는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 공정 유체는 공급 공기 스트림이며, 상기 공급 공기 스트림은 상기 터보팽창된 유체 스트림이 되도록 터보팽창되며, 그리고 극저온 정류 플랜트의 칼럼 내부로 계속 통과되는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 및 플루오르에테르로 구성되는 군으로부터 적어도 두개의 성분을 포함하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 및 플루오르에테르로 구성되는 적어도 하나의 성분 및 적어도 하나의 대기 가스를 포함하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 다중성분 냉각제 유체는 플루오르카본, 하이드로플루오르카본, 플루오르에테르, 및 대기 가스로 구성되는 군으로부터 적어도 하나의 성분, 및 적어도 하나의 플루오르에테르를 포함하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기다중성분 냉각제 유체의 최고 비등점을 갖는 성분의 정상 비등점은 상기 다중성분 냉각제 유체의 최저 비등점을 갖는 성분의 정상적인 비등점보다 적어도 50。K 큰 방법.
  9. 극저온 정류 플랜트 내부로 냉각을 제공하기 위한 장치에 있어서,
    (A) 압축기, 팽창 수단, 열교환기, 및 상기 압축기로부터 상기 팽창 수단, 상기 팽창 수단으로부터 상기 열교환기, 그리고 상기 열교환기로부터 상기 압축기까지 다중성분 냉각제 유체를 통과시키기 위한 수단을 포함하는 다중성분 냉각제 유체 냉각 회로와,
    (B) 공정 유체를 상기 열 교환기로 통과시키는 수단, 및 공정 유체로부터의 냉각을 극저온 정류 플랜트로 통과시키기 위한 수단과,
    (C) 냉각을 발생시키는 터보팽창기, 및 터보팽창기로부터의 냉각을 상기 극저온 정류 플랜트 내부로 통과시키기 위한 수단과, 그리고
    (D) 극저온 정류 플랜트로부터 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 극저온 정류 플랜트용 공급물이 통과되는 주 열교환기를 더 포함하며, 상기 다중성분 냉각제 유체의 냉각 회로의 상기 열교환기는 상기 주 열교환기인 장치.
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