KR20000052601A - 산업 가스의 다중 순회 극저온 액화 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각 및 액화를 위한 냉각이, 개별적인 냉각 순회로 제 1 및 제 2의 규정된 다성분 냉매 유체를 사용하여 발생되는 산업 가스의 보다 효율적인 냉각 및 액화 방법에 관한 것이다.

Description

산업 가스의 다중 순회 극저온 액화 {MUTIPLE CIRCUIT CYROGENIC LIQUEFACTION OF INDUSTRIAL GAS}
본 발명은 산업 가스를 주위 온도에서 극저온으로 유도하여 액화를 수행하는 산업 가스의 액화에 관한 것이다.
산업 가스의 액화는 전력 집약적 작업이다. 일반적으로, 산업 가스는 냉매와의 간접 열교환에 의해 액화된다. 이러한 시스템은 주위 온도로부터 비교적 작은 온도 범위에 대해서 냉각을 제공하는 데에는 잘 작용하나, 주위 온도에서 극저온으로와 같은 큰 온도 범위에 대해 냉각이 요구되는 경우에는 효율적이지 않다. 이러한 비효율성은 하나 이상의 냉각 순회를 사용하여 필요한 극저온 응축 온도를 달성하므로써 처리될 수 있다. 그러나, 이러한 시스템은 목적하는 결과를 얻기 위해 상당한 전력 투입이 요구될 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 산업 가스를 주위 온도에서 냉각 온도, 특히 극저온 액화 온도로 유도할 수 있는, 지금까지 이용할 수 있었던 다중 순회 시스템보다 효율적으로 작동하는 다중 순회 배열을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 다중 순회 산업 가스 액화 시스템의 한 바람직한 구체예의 개략적인 흐름도이며, 산업 가스는 두가지 혼합 냉매 모두와의 간접 열교환에 의해 냉각된다.
도 2는 본 발명의 다중 순회 산업 가스 액화 시스템의 또 다른 바람직한 구체예의 개략적인 흐름도이며, 혼합 냉매의 상 분리 및 터보팽창을 추가로 사용하고 있다.
* 도면 부호에 대한 간단한 설명 *
1, 4, 5, 8, 9 : 제 2 다성분 냉각 유체 3, 6, 10, 23, 24 : 스트림
12 : 액화 가스 19, 21, 22 : 제 1 다성분 냉각 유체
20 : 라인 30, 33 : 압축기
31, 34 : 후냉각기 32, 35 : 밸브
100, 130, 150 : 열교환기
상기 목적 및 그 밖의 목적은 본 명세서를 숙지한 당업자들에게는 명백하게 될 것이며,
(A) 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 및 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함하는 제 1 다성분 냉각 유체를 압축시키는 단계,
(B) 압축된 제 1 다성분 냉각 유체를 냉각시키고, 냉각 압축된 제 1 다성분 냉각 유체를 팽창시켜 냉각을 발생시키는 단계,
(C) 압축된 제 1 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 팽창된 제 1 다성분 냉각 유체를 가온시켜 압축된 제 1 다성분 냉각 유체의 냉각을 수행하는 단계,
(D) 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 및 하나 이상의 대기 가스를 포함하는 제 2 다성분 냉각 유체를 압축시키는 단계,
(E) 팽창된 제 1 다성분 냉각 유체를 압축된 제 2 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 압축된 제 2 다성분 냉각 유체를 냉각시키는 단계,
(F) 냉각 압축된 제 2 다성분 냉각 유체를 추가로 냉각시키고, 추가로 냉가된 제 2 다성분 냉각 유체를 팽창시켜 냉각을 발생시키는 단계,
(G) 팽창된 제 2 다성분 냉각 유체를 압축된 제 2 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 압축된 제 2 다성분 냉각 유체의 추가 냉각을 수행하는 단계 및
(H) 팽창된 제 2 다성분 냉각 유체를 산업 가스와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 산업 가스를 냉각시키는 단계를 포함하는 본 발명의 방법에 의해 달성된다.
본원에 사용된 용어 "비독성"은 허용되는 노출 한도에 따라 처리될 경우, 급작스러운 위험 또는 장기간에 걸친 위험에 노출되지 않는다는 것이다.
본원에 사용된 용어 "비가연성"은 600°K 이상의 매우 높은 인화점을 가지거나 인화점을 가지지 않는다는 의미다.
본원에 사용된 용어 "비오존 고갈"은 오존 고갈 잠재력이 영이라는 의미이며, 즉, 염소, 붕소 또는 요오드 원자를 갖지 않는다는 의미이다.
본원에 사용된 용어 "표준 비점"은 표준 1 대기압, 즉 절대 평방 인치당 14.696 파운드를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "간접 열교환"은 유체를 물리적 접촉 또는 유체의 상호 혼합 없이 열교환 관계로 유도하는 것을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "가변성 부하 냉매"는 두개 이상의 성분의 액체상이 혼합물의 기포점과 이슬점 사이의 연속적으로 증가하는 온도 변화를 겪을 수 있을 정도의 비를 갖는 두개 이상의 성분의 혼합물을 의미한다. 혼합물의 기포점은 제공된 압력하에서, 혼합물이 모두 액체상이지만, 열을 가하면 액체상과 평행을 이루는 증기상을 형성시키기 시작하는 온도이다. 혼합물의 이슬점은 제공된 압력하에서, 혼합물이 모두 증기상이지만, 열을 제거하면 증기상과 평행을 이루는 액체상이 형성되기 시작하는 온도이다. 그러므로, 혼합물의 기포점과 이슬점 사이의 액체상과 증기상이 평행을 이루며 공동으로 존재하는 영역이다. 본 발명의 실행에서, 가변 부하 냉매에 대한 기포점과 이슬점 사이의 온도차는 10°K 이상, 바람직하게는 20°K 이상, 가장 바람직하게는 50°K 이상이다.
본원에 사용된 용어 "플루오로카본"은 하기중 하나를 의미한다: 테트라플루오로메탄(CF4), 퍼플루오로에탄(C2F6), 퍼플루오로프로판(C3F8), 퍼플루오로부탄(C4F10), 퍼플루오로펜탄(C5F12), 퍼플루오로에탄(C2F4), 퍼플루오로프로펜(C3F6), 퍼플루오로부텐(C4F8), 퍼플루오로펜텐(C5F10), 헥사플루오로시클로프로판(시클로-C3F6) 및 옥타플루오로시클로부탄(시클로-C4F8).
본원에 사용된 용어 "히드로플루오로카본"은 하기중 하나를 의미한다: 플루오로포름(CHF3), 펜타플루오로에탄(C2HF5), 테트라플루오로에탄(C2H2F4), 헵타플루오로프로판(C3HF7), 헥사플루오로프로판(C3H2F6), 펜타플루오로프로판(C3H3F5), 테트라플루오로프로판(C3H4F4), 노나플루오로부탄(C4HF9), 옥타플루오로부탄(C4H2F8), 운데카플루오로메탄(C5HF11), 메틸 플루오라이드(CH3F), 디플루오로메탄(CH2F2), 에틸 플루오라이드(C2H5F), 디플루오로에탄(C2H4F2), 트리플루오로에탄(C2H3F3), 디플루오로에텐(C2H2F2), 트리플루오로에텐(C2HF3), 플루오로에텐(C2H3F), 펜타플루오로프로펜(C3HF5), 테트라플루오로프로펜(C3H2F4), 트리플루오로프로펜(C3H3F3), 디플루오로프로펜(C3H4F2), 헵타플루오로부텐(C4HF7), 헥사플루오로부텐(C4H2F6) 및 노나플루오로펜텐(C5HF9).
본원에 사용된 용어 "플루오로에테르"는 하기중 하나를 의미한다: 트리플루오로메티옥시-퍼플루오로메탄(CF3-O-CF3), 디플루오로메톡시-퍼플루오로메탄(CHF2-O-CF3), 플루오로메톡시-퍼플루오로메탄(CHF2-O-CF3), 디플루오로메톡시-디플루오로메탄 (CHF2-O-CHF2), 디플루오로메톡시-퍼플루오로에탄(CHF2-O-C2F5), 디플루오로메톡시-1,2,2,2-테트라플루오로에탄(CF3-O-C2HF4), 디플루오로메톡시-1,1,2,2-테트라플루오로에탄(CHF2-O-C2HF4), 퍼플루오로에톡시-플루오로메탄(C2F5-O-CH2F), 퍼플루오로메톡시-1,1,2-트리플루오로에탄(CF3-O-C2H2F3), 퍼플루오로메톡시-1,2,2-트리플루오로에탄 (CF3O-C2H2F3), 시클로-1,1,2,2-테트라플루오로프로필에테르(시클로-C3H2F4-O-), 시클로-1,1,3,3-테트라플루오로프로필에테르(시클로-C3H2F4-O-), 퍼플루오로메톡시-1,1,2,2-테트라플루오로에탄(CF3-O-C2HF4), 시클로-1,1,2,3,3-펜타플루오로프로필에테르(시클로-C3H5-O-), 퍼플루오로메톡시-퍼플루오로아세톤(CF3-O-CF2-O-CF3), 퍼플루오로메톡시-퍼플루오로에탄(CF3-O-C2F5), 퍼플루오로메톡시-1,2,2,2-테트라플루오로에탄 (CF3-O-C2HF4), 퍼플루오로메톡시-2,2,2-트리플루오로에탄(CF3-O-C2H2F3), 시클로-퍼플루오로메톡시-퍼플루오로아세톤(시클로-CF2-O-CF2-O-CF2-) 및 시클로-퍼플루오로프로필에테르(시클로-C3F6-O).
본원에 사용된 용어 "대기 가스"는 하기중 하나를 의미한다: 질소(N2), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 네온(Ne), 이산화탄소(CO2), 산소(O2) 및 헬륨(He).
본원에 사용된 용어 "저오존 고갈"은 몬트리올 프로토콜 협약에 의해 규정된 바와 같은 0.15 미만의 오존 고갈 잠재력을 가진다는 것을 의미하며, 여기에서 디클로로플루오로메탄(CCl2F2)는 1.0의 오존 고갈 잠재력을 가진다.
본원에 사용된 용어 "팽창"은 압력에서의 감소가 수행됨을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "터보팽창" 및 "터보팽창기"는 각각 고압 유체를 터빈을 통해 통과시켜 유체의 압력 및 온도를 감소시키므로써, 냉각을 발생시키는 방법 및 장치를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "산업 가스"는 질소, 산소, 아르곤, 수소, 헬륨, 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄 및 이들중 두개 이상을 함유하는 유체 혼합물을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "극저온"은 150°K 이하의 온도를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "냉각"은 대기 온도 이하의 온도 시스템으로부터 주위 대기로의 열을 배출할 수 있는 능력을 의미한다.
본 발명은 일반적으로 매우 광범위한 온도 범위에 걸쳐 냉각을 효율적으로 제공하는 두개 이상의 규정된 혼합 냉매의 사용을 포함한다.
다성분 냉각 유체는 요구되는 온도 범위에 걸쳐 가변량의 냉각을 제공할 수 있다. 본 발명의 규정된 다성분 냉각 유체는 광범위한 온도 범위에 걸쳐 냉각을 제공하여 산업 가스를 효율적으로 액화시킨다. 본 발명의 실시예 유용한 제 1 또는 보다 높은 온도의 다성분 냉각 유체는 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 및 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함한다. 본 발명의 실시에 유용한 바람직한 제 1 다성분 냉각 유체는 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 및 하나 이상의 대기 가스를 포함한다. 본 발명의 실시에 유용한 또 다른 바람직한 제 1 다성분 냉각 유체는 하나 이상의 플루오로에테르, 및 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함한다. 본 발명의 실시에 유용한 제 2 또는 보다 낮은 온도의 다성분 냉각 유체는 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분, 바람직하게는 두개 이상의 성분 및 하나 이상의 대기 가스를 포함한다. 본 발명의 실시에 유용한 바람직한 제 2 다성분 냉각 유체는 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 두개 이상의 성분 및 두개 이상의 대기 가스를 포함한다. 본 발명의 실시에 유용한 또 다른 바람직한 제 2 다성분 냉각 유체는 하나 이상의 플루오로에테르 및 하나 이상의 대기 가스를 포함한다.
제 1 및 제 2 다성분 냉각 혼합물 각각의 높은 효율 이외에, 추가되는 이점은 이러한 혼합물 각각이 비독성이고, 비가연성이고 비오존 고갈이라는 것이다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 각각 제 1 및 제 2 다성분 냉각 혼합물의 두개 이상의 성분 각각은 냉각 혼합물중 각각 다른 성분의 표준 비점으로부터 5도(켈빈 온도) 이상 차이가 나는 표준 비점을 갖는다. 이는 극저온을 포함하는 광범위 온도에 걸쳐 냉각을 제공하는 효율을 증진시킨다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 제 1 및 제 2 다성분 냉각 혼합물의 최고 비등 성분의 표준 비점은 다성분 냉각 혼합물의 최저 비등 성분의 표준 비점보다 50도 이상(켈빈 온도) 높다.
본 발명은 도면을 참조로 하기에서 보다 상세히 설명될 것이다. 도 1과 관련하면, 제 1 다성분 냉각 유체(19)는 압축기(30)를 통과하여 의해 일반적으로 100 내지 600 psia의 압력으로 압축된다. 라인(20)중의 압축된 제 1 다성분 냉매 유체는 바람직하게는 부분적으로 응축되는 후냉각기(31)의 압축열로 냉각되고, 형성된 제 1 다성분 냉각 유체(21)는 추가로 냉각되며, 바람직하게는 완전히 응축되는 열교환기(130)를 통과한다. 형성된 제 1 다성분 냉각 유체(22)는 밸브(32)를 통해 조절되어 일반적으로 15 내지 50psia의 압력으로 팽창되어 냉각을 발생시킨다. 밸브(32)를 통과하는 유체의 압력 팽창은 주울-톰슨(Joule-Thomson) 효과에 의해 냉각을 제공한다. 즉, 일정한 엔탈피에서의 압력 감소로 인해 유체의 온도를 낮춘다. 일반적으로 팽창된 제 1 다성분 냉각 유체(22)의 온도는 200 내지 250。K일 것이다. 밸브(32)를 통한 제 1 다성분 냉각 유체의 팽창은 또한 일반적으로 이러한 유체 일부를 증발시키는 원인이 된다.
스트림(23)중의 냉각 함유 제 1 다성분 냉각 유체는 열교환기(130)를 통하여 가온되고, 완전히 증발되므로써 간접 열교환을 제공하여 압축된 제 1 다성분 냉각 유체(21)를 냉각시킨다. 일반적으로 온도가 280 내지 320。K인 증기 스트림(19) 중의 형성된 가온된 제 1 다성분 냉각 유체는 압축기(30)로 재순환되고, 보다 높은 온도의 냉각 사이클이 새로 시작한다.
제 2 다성분 냉각 유체(8)는 압축기(33)를 통과하여 일반적으로 100 내지 600psia의 압력으로 압축된다. 압축된 제 2 다성분 냉각 유체(9)는 후냉각기(34)에서의 압축열로 냉각된다. 제 2 다성분 냉각 유체(1)는 후냉각기(34)로부터 열교환기(13)를 통과하여 상기 언급된 가온 팽창된 제 1 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 부분적으로 응축될 수 있는 형성된 냉각 압축된 제 2 다성분 냉각 유체는 추가로 냉각되어, 바람직하게는 열교환기(150)을 통과하여 완전히 응축된다. 형성된 제 2 다성분 냉각 유체(4)는 이후 밸브(35)를 통해 조절되어 일반적으로 15 내지 100psia의 압력으로 팽창되어 주울-톰슨 효과에 의해 냉각을 발생시킨다. 일반적으로, 팽창된 제 2 다성분 냉각 유체(5)의 온도는 80 내지 120。K일 것이다. 밸브(35)를 통과하는 제 2 다성분 냉각 유체의 팽창은 일반적으로 이러한 유체 일부를 증발시키는 원인이 되기도 한다.
냉각을 포함하는 제 2 다성분 냉각 유체(5)는 이후 열교환기(150)를 통과하여 산업 가스를 냉각 및 바람직하게는 액화시켜 간접 열교환에 의해 가온되고, 냉각된 압축된 제 2 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 가온되어 추가의 냉각을 수행한다. 형성된 제 2 다성분 냉각 유체는 스트림(6)의 열교환기(15)로부터 열교환기(130)를 통과하여 압축된 제 2 다성분 냉각 유체의 냉각으로 간접 열교환에 의해 가온되고, 또한 산업 가스의 냉각으로 간접 열교환에 의해 가온된다. 일반적으로 온도가 280 내지 320。K인 증기 스트림 중의 형성된 가온된 제 2 다성분 냉각 유체는 압축기(33)으로 재순환되고, 보다 낮은 온도의 냉각 사이클이 새로 시작한다.
스트림(10)중의 산업 가스, 예를 들어, 질소 또는 산소는 열교환기(130)를 통과하여 제 1 다성분 냉각 유체의 가온과 제 2 다성분 냉각 유체의 가온에 의한 간접 열교환으로 냉각된다. 형성된 산업 가스는 이후 열교환기(130)로부터 열교환기(150)로 제공되어 팽창된 제 2 다성분 냉각 유체의 가온으로 간접 열교환에 의해 냉각되고, 바람직하게는 액화되어 냉각된, 바람직하게는 액화된 산업 가스(12)를 생성한다. 도시되지는 않았지만, 액화 가스(12)는 상승된 압력 수준으로 존재할 수 있는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 팽창되고, 상분리되어 저압 액체가 저장 또는 사용 지점으로 제공되고, 저압 가스는 열교환기(150 및 130)를 통해 재가온되어 가온 단부에서 공급 가스(10)와 다시 합쳐질 수 있다. 당해 널리 공지되어 있는 바와 같이, 저압 가스는 어느 정도의 압축을 필요로 하여 공급 가스(10)에 부가될 수 있다.
당해 기술자들은 본 발명이 도면에 도시된 두개 이상의 냉각 순회로 실시될 수 있음을 인지할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 세개 이상의 냉각 순회를 갖는 시스템으로 실시될 수 있다. 이러한 상황에서, 본 발명의 제 1 및 제 2 다성분 냉각 순회는 2회의 고온 순회, 2회의 저온 순회 또는 2회의 중간 온도 순회일 수 있다.
도 1에서는 두 부분(130 및 150)을 가지는 단일 코아의 브레이징된 알루미늄 열교환기(100)를 사용하고 있다. 고온 또는 보다 가온된 부분(130)은 5개의 통로를 가지며, 저온 또는 보다 냉각된 부분(150)은 세개의 통로를 갖는다. 가온의 팽창된 제 1 다성분 냉각 유체는 단일 코아 열교환기(100)의 상부(130)와 함께 압축된 제 1 다성분 냉각 유체 및 압축된 제 2 다성분 냉각 유체를 냉각시키는 것 이외에 산업 가스를 직접 냉각시키는 역할을 한다.
도 2는 5개의 열교환기를 사용하며, 가온의 팽창된 제 1 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환기에 의한 산업 가스의 냉각을 포함하는 본 발명의 또 다른 구체예를 도시한 것이다. 이러한 5개의 열교환기는 45, 46, 47, 48 및 49로 표시하였다. 도 2에 도시된 구체예에서, 산업 가스는 먼저 최고온 열교환 보다는 저온에서 냉각을 수행한다. 즉, 열교환기(46)에서 스트림(23)을 통과하여 스트림(24)으로 나타나고, 스트림(5)을 통과하여 스트림(107)으로 나타나는 냉각을 수행한다. 또한, 제 2 다성분 냉각 유체 스트림(2)은 열교환기(46)를 통과하여 스트림(3)으로서 나타난다. 본 구체예에서, 유체 스트림 및 기타 장치에 대한 인용 부호는 도 1에 도시된 구체예에서와 공통되는 부분에 대해 동일하여 다시 상세히 설명하지 않을 것이다.
도 2에 도시된 본 발명의 구체예는 압축된 냉각된 제 2 다성분 냉각 유체를 조절하여 냉각을 발생시키는 것 대신에 또는 이외에 액체 팽창을 사용한다. 도 2와 관련하여 살펴보면, 추가의 냉각된 제 2 다성분 냉각 유체(4)는 2상의 스트림이며, 상분리기(50)로 공급된다. 상분리기(50)로부터의 증기(51)는 밸브(52)를 통해 조절되어 주울-톰슨 효과에 의한 냉각을 발생시킨다. 상분리기(50)으로부터의 액체(53)는 액체 터빈(54)을 통해 터보팽창되어 냉각을 발생시킨다. 두개의 형성된 스트림(55 및 56)은 결합하여 가온되어 압축된 제 2 다성분 냉각 유체의 냉각을 수행하는 냉각을 포함하는 팽창된 제 2 다성분 냉각 유체(57)을 형성하고, 앞서 설명한 바와 유사한 방식으로 산업 가스를 냉각시키고, 바람직하게는 액화시킨다.
바람직한 일 구체예에서, 제 1 다성분 냉각 유체는 플루오로카본만으로 이루어진다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 제 1 다성분 냉각 유체는 플루오로카본 및 히드로플루오로카본만으로 이루어진다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 제 1 다성분 냉각 유체는 플루오로카본 및 대기 가스로만 이루어진다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 제 1 다성분 냉각 유체는 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르만으로 이루어진다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 제 1 다성분 냉각 유체는 플루오로카본, 플루오로에테르 및 대기 가스로만 이루어진다.
본 발명의 실시에 유용한 제 1 다성분 냉각 유체가 히드로클로로플루오로카본 및/또는 탄화수소와 같은 그 밖의 성분을 함유할 수 있지만, 제 1 다성분 냉각 유체는 히드로클로로플루오로카본을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 제 1 다성분 냉각 유체는 탄화수소를 함유하지 않으며, 매우 바람직하게는, 제 1 다성분 냉각 유체는 히드로클로로플루오로카본도 탄화수소도 함유하지 않는다. 매우 바람직하게는, 제 1 다성분 냉각 유체는 비독성, 비가연성 및 비오존 고갈 특성을 가지며, 매우 바람직하게는 제 1 다성분 냉각 유체의 각 성분은 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 또는 대기 가스중 하나이다.
바람직한 일 구체예에서, 제 2 다성분 냉각 유체는 플루오로카본 및 대기 가스만으로 이루어진다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 제 2 다성분 냉각 유체는 플루오로카본, 플루오로에테르 및 대기 가스만으로 이루어진다.
본 발명의 실시에 유용한 제 2 다성분 냉각 유체가 히드로클로로플루오로카본 및/또는 탄화수소와 같은 그 밖의 성분을 함유할 수 있지만, 제 2 다성분 냉각 유체가 히드로클로로플루오로카본을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 제 2 다성분 냉각 유체는 탄화수소를 함유하지 않으며, 매우 바람직하게는, 제 2 다성분 냉각 유체는 히드로클로로플루오로카본도 탄화수소도 함유하지 않는다. 매우 바람직하게는, 제 2 다성분 냉각 유체는 비독성, 비가연성 및 비오존 고갈 특성을 가지며, 매우 바람직하게는 제 2 다성분 냉각 유체의 각 성분은 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 또는 대기 가스중 하나이다.
본 발명은 주위 온도로부터 극저온 온도로 효과적으로 도달시키는데 사용하기에 특히 이롭다. 표 1 내지 4에는 본 발명의 실행에 유용한 제 1 다성분 냉각 유체 혼합물의 바람직한 예가 기재되어 있다. 표 1 내지 4에 제시된 농도 범위는 몰%이다.
표 5-10은 본 발명의 실행에 유용한 제 2 다성분 냉각 유체 혼합물의 바람직한 예가 기재되어 있다. 표 5 내지 10에 제시된 농도 범위는 몰%이다.
본 발명은 넓은 온도 범위, 특히 극저온을 포함하는 온도 범위에 걸쳐 냉각을 제공하기에 특히 유용하다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 제 1 및 제 2 다성분 냉각 혼합물중 하나 또는 둘 모두의 두개 이상의 성분 각각은 냉각 혼합물의 모든 다른 성분의 표준 비점으로부터 5°K 이상, 더욱 바람직하게는 10°K 이상, 가장 바람직하게는 20°K이상이 상이한 표준 비점을 갖는다. 이는 넓은 온도 범위, 특히 극저온 온도를 포함한 온도 범위에 걸쳐 효과적인 냉각의 제공을 증진시킨다. 본 발명의 특히 바람직한 구체예에서, 제 1 및/또는 제 2 다성분 냉각 유체의 가장 높은 비점을 갖는 성분의 표준 비점은 다중성분 냉각 유체의 가장 낮은 비점을 갖는 성분의 표준 비점보다 50°K 이상, 바람직하게는 100°K 이상, 가장 바람직하게는 200°K 이상이다.
본 발명의 실행에 유용한 제 1 및 제 2 다중성분 냉각 유체를 구성하는 성분 및 이들의 농도는 가변성 부하 다중성분 냉각 유체를 형성할 수 있어야 할 정도이며, 바람직하게는 본 발명의 방법에 의해 가능한 전체 온도 범위에 걸쳐 가변적인 부하 특징을 유지할 수 있는 정도이어야 한다. 이는 냉각이 이러한 넓은 온도 범위에 걸쳐 유도되고 사용될 수 있다는 효과를 증진시킨다. 성분의 규정된 바람직한 군은 이들이 비독성, 비가연성 및 낮은 또는 비 오존 고갈성을 띤다는 추가적인 이점을 갖는다. 이는 전형적으로 독성, 비가연성 및/또는 오존 고갈성을 갖는 통상적인 냉매에 걸쳐 추가적인 이점을 제공한다.
비독성, 비가연성 및 비오존 고갈성을 띠는 본 발명의 실행에 유용한 제 1 및/또는 제 2 다성분 냉각 유체로서 사용될 수 있는 바람직한 가변성 부하 다성분 냉각 유체는 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 구성된 군으로부터 선택된 두개 이상의 성분을 포함한다.
본 발명이 특정 바람직한 구체예를 참조로 하여 상세하게 설명되어 있지만, 당업자는 청구범위의 사상 및 범위내의 본 발명의 다른 구체예를 인지할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명은 도면에 도시된 단일 산업 가스보다는 두개 이상의 산업 가스 스트림을 냉각시키거나, 냉각 및 액화시키는 데 사용될 수 있다.
본 발명은 넓은 온도 범위, 특히 극저온을 포함하는 온도 범위에 걸쳐 냉각을 제공하기에 특히 유용하다.

Claims (10)

  1. (A) 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분, 및 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함하는 제 1 다성분 냉각 유체를 압축시키는 단계,
    (B) 압축된 제 1 다성분 냉각 유체를 냉각시키고, 냉각 압축된 제 1 다성분 냉각 유체를 팽창시켜 냉각을 발생시키는 단계,
    (C) 압축된 제 1 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 팽창된 제 1 다성분 냉각 유체를 가온시켜 압축된 제 1 다성분 냉각 유체의 냉각을 수행하는 단계,
    (D) 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 및 하나 이상의 대기 가스를 포함하는 제 2 다성분 냉각 유체를 압축시키는 단계,
    (E) 팽창된 제 1 다성분 냉각 유체를 압축된 제 2 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 압축된 제 2 다성분 냉각 유체를 냉각시키는 단계,
    (F) 냉각 압축된 제 2 다성분 냉각 유체를 추가로 냉각시키고, 추가로 냉각된 제 2 다성분 냉각 유체를 팽창시켜 냉각을 발생시키는 단계,
    (G) 팽창된 제 2 다성분 냉각 유체를 압축된 제 2 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 압축된 제 2 다성분 냉각 유체의 추가 냉각을 수행하는 단계 및
    (H) 팽창된 제 2 다성분 냉각 유체를 산업 가스와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 산업 가스를 냉각시키는 단계를 포함하여 산업 가스를 냉각시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 냉각된 산업 가스가 액체임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 팽창된 제 1 다성분 냉각 유체와의 간접 열교환에 의해 산업 가스를 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 추가로 냉각된 다성분 냉각 유체가 주울-톰슨 팽창임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 추가로 냉각된 제 2 다성분 냉각 유체가 부분적으로 또는 전체적으로 터보팽창됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 제 1 다성분 냉각 유체가 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분 및 하나 이상의 대기 가스를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 1 다성분 냉각 유체가 하나 이상의 플루오로에테르, 및 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 제 2 다성분 냉각 유체가 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 두개 이상의 성분 및 두개 이상의 대기 가스를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 제 1 및 제 2 다성분 냉각 유체가 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 구성된 군으로부터 선택된 두개 이상의 성분을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 제 1 및 제 2 다성분 냉각 유체가 방법의 전체 온도 범위를 통해 가변성 부하 다성분 냉각 유체임을 특징으로 하는 방법.
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