KR20010049630A - 일정하지 않은 속도로 산소 생성물을 생성시키는 극저온정류 시스템 - Google Patents

일정하지 않은 속도로 산소 생성물을 생성시키는 극저온정류 시스템 Download PDF

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KR20010049630A
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low pressure
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제임스패트릭 미거
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 산소 생성물이 액체 산소 저장 탱크 및 고압 칼럼 섬프와 함께 작동하는 산소 풍부 액체 저장 탱크에 의해 명목상의 생산 속도 보다 높은 생산 속도 및 낮은 생산 속도로 효과적으로 생산될 수 있는 극저온 공기 분리 시스템에 관한 것이다.

Description

일정하지 않은 속도로 산소 생성물을 생성시키는 극저온 정류 시스템 {CRYOGENIC RECTIFICATION SYSTEM FOR PRODUCING OXYGEN PRODUCT AT A NON-CONSTANT RATE}
본 발명은 일반적으로 극적온 정류, 더욱 상세하게는 일정하지 않은 생산 속도로 산소를 생성시키기 위한 극저온 정류에 관한 것이다.
산소를 생성시키는 극저온 정류 장치의 작동 경로 동안, 산소 생산에 대한 요구는 변할 수 있다. 산소 생산 요구에 대한 이러한 변화는 산소 생성물의 생산의 상응하는 변화를 요구한다. 이러한 변화 없이는, 상기 시스템은 비효과적으로 작동할 것이다. 게다가, 상기 시스템이 요구되는 변화로 조절되도록 더욱 빠르게 변화될수록, 시스템의 전체 성능은 더욱 우수해질 것이다.
본 발명의 목적은, 시스템으로부터 요구되는 산소 생산의 변화, 즉 증가되거나 감소된 산소 생성물을 수송하기에 적합하도록 작동이 신속히 변화되는, 산소를 생성하는 극저온 정류 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적 및 기타 목적은 본 명세서를 숙지한 당업자에게는 명백할 것이며, 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 한 구체예는
(A) 고압 칼럼 및 저압 칼럼을 포함하는 이중 칼럼 시스템;
(B) 산소 풍부 액체 저장 탱크, 유체를 산소 풍부 액체 저장 탱크로부터 저압 칼럼내로 전달하는 수단, 및 유체를 고압 칼럼의 하부로부터 산소 풍부 액체 저장 탱크내로 전달하는 수단;
(C) 생성물 보일러, 공급 공기를 생성물 보일러로 전달하는 수단, 및 공급 공기를 생성물 보일러로부터 고압 칼럼내로 전달하는 수단;
(D) 액체 산소 저장 탱크, 및 유체를 액체 산소 저장 탱크로부터 생성물 보일러로 전달하는 수단;
(E) 유체를 저압 칼럼의 하부에서 액체 산소 저장 탱크내로 전달하는 수단, 및 유체를 저압 칼럼의 하부로부터 생성물 보일러로 전달하는 수단; 및
(F) 유체를 생성물 보일러로부터 산소 생성물로서 회수하는 수단을 포함하여, 일정하지 않은 생산 속도로 극저온 정류에 의해 산소를 생성시키는 수단에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 양태는
(A) 공급 공기의 흐름을 적어도 부분적으로 응축시키고, 고압 칼럼과 저압 칼럼을 포함하는 이중 칼럼중 고압 칼럼내로 생성된 공급 공기를 전달하고, 공급 공기를 고압 칼럼내에서 극저온 정류에 의해 질소 풍부 증기와 산소 풍부 액체로 분리시키고;
(B) 질소 풍부 유체와 산소 풍부 유체를 고압 칼럼으로부터 저압 칼럼내로 전달하고, 저압 칼럼으로 전달된 유체를 극저온 정류에 의해 질소 증기 및 산소 액체로 분리시키고;
(C) 저압 칼럼의 하부로부터의 산소 액체를 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기와 간접 열교환되도록 전달하여, 산소 증기를 생성시키고;
(D) 산소 증기를 산소 생성물로서 회수하는 것을 포함하여 극저온 정류에 의해 산소를 생성시키는 방법에 있어서,
(E) 액체 산소 저장 탱크로부터의 추가적인 산소 액체를 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기와 간접 열교환되도록 전달하고, 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기의 흐름을 증가시키고, 산소 풍부 액체를 고압 칼럼으로부터 산소 풍부 액체 저장 탱크내로 전달하므로써 공정의 일부 동안 산소 생성물의 생산 속도를 증가시키고;
(F) 산소 액체를 저압 칼럼의 하부로부터 액체 산소 저장 탱크내로 전달하고, 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기의 흐름을 감소시키고, 산소 풍부 액체를 산소 풍부 액체 저장 탱크로부터 저압 칼럼내로 전달하므로써 공정의 또 다른 일부 동안 산소 생성물의 생산 속도를 감소시키는 것을 포함하여, 일정하지 않은 속도로 산소 생성물의 회수가 가능하도록 개선된 방법에 관한 것이다.
본원에 사용된 용어 "터보팽창" 및 "터보팽창기"는 각각 고압 가스의 흐름을 터빈을 통과시켜 가스의 압력 및 온도를 감소시키므로서, 냉장을 유도하는 방법 및 장치를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "칼럼"은 증류 또는 분류 칼럼 또는 구역, 즉 액체 및 증기상이 역류적으로 접촉하여 유체 혼합물을 예를 들어, 칼럼 및/또는 패킹 요소내에 탑재된 수직으로 이격된 일련의 트레이 또는 플레이트상에서 증기상 및 액체상의 접촉에 의해 분리시키는 접촉 칼럼 또는 구역을 의미한다. 증류 칼럼의 추가 논의에 있어서는, 문헌[Chemical Engineer's Handbook fifth edition, edited by R.H. Perry and C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13, The Continuous Distillation Process.]을 참조하시오. 이중 칼럼은 저압 칼럼의 하단과 열교환 관계에 있는 고압 칼럼의 상단을 갖는 고압 칼럼을 의미한다. 이중 칼럼에 대해서는 문헌[Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Chapter Ⅶ, Commercial Air Separation]을 참조하시오.
증기 및 액체 접촉 분리 공정은 성분에 대한 증기압의 차에 의존적이다. 고압 증기(또는 더욱 휘발성이거나 끓는점이 낮은) 성분은 증기상으로 응축되는 반면, 저압 증기(또는 휘발성이 낮거나 끓는점이 높은) 성분은 액체상으로 응축되는 경향이 있다. 부분 응축은 분리 공정이어서, 증기 혼합물의 냉각은 증기상의 휘발성 성분(들) 및 적은 액체상중의 휘발성 성분(들)을 응축시키는데 사용될 수 있다. 정류 또는 연속 증류는 증기상 및 액체상의 역류 처리에 의해 달성되는 바와 같은 연속적인 부분 증발 및 응축을 혼합시킨 분리 공정이다. 증기 및 액체상의 역류 접촉은 단열적일 수 있으며, 상 사이의 완전한 또는 상이한 접촉을 포함할 수 있다. 정류 원리를 이용하여 혼합물을 분리하는 분리 공정 장치는 종종 정류 칼럼, 증류 칼럼 또는 분별 칼럼의 용어로 교환가능하게 사용될 수 있다. 극저온 정류는 적어도 부분적으로 150 켈빈 온도(K) 이하에서 수행되는 정류 공정이다.
본원에 사용된 용어 "간접 열 교환"은 두가지 유체가 서로간의 물리적 접촉이나 혼합 없이 열교환이 이루어지는 것을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "아르곤 칼럼"은 아르곤을 포함하는 공급물을 처리하고, 공급물의 아르곤 농도를 초과하는 아르곤 농도를 갖는 생성물을 생성하는 칼럼을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "섬프"는 액체가 축적된 트레이 또는 패킹 요소 아래의 증류 칼럼의 기저부를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "수준 조절기"는 탱크 또는 칼럼 섬프와 같은 저장 용적내에 액체 수준을 피드백 조절하는데 사용되는 컴퓨터에 프로그래밍된 수리적 연산 또는 기계적, 공압식 또는 전기적 장치를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "공급 공기"는 주로 질소, 산소 및 아르곤을 포함하는 혼합물, 예컨대, 대기 공기를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "산소 생성물"은 산소 농도가 90 내지 99.99 몰% 범위내에 있는 유체를 의미한다.
본원에 사용된 용어 "상부" 및 "하부"는 각각 칼럼의 중앙점으로부터 위쪽 및 아래쪽의 영역을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "생성물 보일러"는 공급 공기가 증발되는 액체 산소와의 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로 응축되는 열교환기를 의미한다. 생성물 보일러는 단독 또는 독립된 열교환기일 수 있거나, 더 큰 열교환기에 통합될 수 있다.
본 도면은 아르곤 칼럼이 추가적으로 사용되는 본 발명의 극저온 산소 생성 시스템의 바람직한 한 구체예의 개략도이다.
본 발명은 도변을 참조로 하여 하기에 더욱 상세히 설명될 것이다. 본 발명은 우선 정상적인 작동에 대해 설명할 것이고, 그 후, 산소 생성물 생산 속도의 증가 또는 감소가 필요한 산소 생성물 요구의 변화에 대해 설명할 것이다.
도에 있어서, 수증기, 이산화탄소 및 탄화수소와 같은 불순물은 고온에서 끓임으로써 제거되고, 일반적으로 100 내지 700 psia(pounds per square inch absolute), 바람직하게는 100 내지 200 psia내의 압력으로 압축되는 공급 공기(100)는 일차 열교환기(101)에 절단되어 귀환 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 생성된 냉각되고, 세척되고, 압축된 공급 공기(10)는 세 부분으로 나누어 진다. 공급 공기의 제 1 부분(106)은 생성물 보일러(107)로 전달되며, 여기서 하기에 더욱 상세히 설명될 끓는 액체 산소와의 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로 응축된다. 생성된 적어도 부분적으로 응축된 공급 공기 스트림(11)은 고압 칼럼(105)내로 전달된다. 냉각되고, 세척되고, 압축된 공급 공기의 다른 부분(12)은 열교환기(13)를 부분적으로 통과하여 귀환 스트림과의 간접 열교환에 의해 추가로 냉각되고 응축되며, 생성된 공급 공기 스트림(14)은 고압 칼럼(105)내로 전달된다. 도면에서 설명된 본 발명의 구체예에 있어서, 공급 공기 스트림(11)과 (14)는 합쳐져서 공급 공기 스트림(15)을 형성하여 고압 칼럼(15)내로 전달된다. 냉각되고, 세척되고, 압축된 공급 공기의 또 다른 부분(103)은 터보팽창기(102)에 전달되어 텅보팽창되어서 한랭화되고, 생성된 터보팽창된 공급 공기 스트림(104)은 고압 칼럼(105)내로 전달된다.
고압 칼럼(105)은 또한, 저압 칼럼(130)을 포함하는 이중 칼럼 시스템의 일부이다. 고압 칼럼(105)은 일반적으로 70 내지 100 psia의 압력에서 작동된다. 고압 칼럼(105)내에서, 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 풍부 증기와 산소풍부 액체로 분리된다. 질소 풍부 증기는 스트림(16)으로서 제 1 또는 고압 칼럼(105)의 상부로부터 회수되고, 주요 응축기(17)에 전달되고, 여기에서 끓는 저압 칼럼 기저부 액체와의 간접 열교환에 의해 응축된다. 생성된 질소 풍부 액체(18)는 제 1 부분(19)과 제 2 부분(20)으로 나누어지며, 제 1 부분은 환류 액체로서 고압 칼럼(105)내로 다시 전달되며, 제 2 부분은 환류 스트림에 대해 열교환기(13)를 부분적으로 통과하여 과냉각된 후, 환류 액체 스트림(21)으로서 저압 칼럼(130)의 상부로 전달된다.
산소 풍부 액체의 산소 농도는 일반적으로 25 내지 45 몰%이다. 산소 풍부 액체는 스트림(22)으로서 고압 칼럼(105)의 하부로부터 배출되며, 저압 칼럼(130)내로 전달되기 전에 귀환 스트림과 반대로 열교환기(13)를 부분적으로 통과하여 과냉각된다. 도면에 설명된 본 발명의 구체예는 상단 응축기를 갖는 아르곤 칼럼이 사용되며, 여기서 과냉각된 산소 풍부 액체의 일부 또는 모두가 저압 칼럼내로 전달되기 전에 아르곤 칼럼 상단 응축기에서 먼저 처리된다. 도면으로 되돌아 가서, 과냉각된 산소 풍부 액체(23)는 아르곤 칼럼 상단 응축기(131)로 전달되어, 여기에서 아리곤 칼럼 상단 증기와의 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로 증기화된다. 생성된 산소 풍부 증기와 잔류 산소 풍부 액체는 각각 스트림(202) 및 (203)으로서 상단 응축기(131)로부터 저압 칼럼(130)내로 전달된다.
제 2 및 저압 칼럼(130)은 고압 칼럼(105)의 압력 보다 낮은 압력에서 작동하며, 일반적으로 15 내지 30 psia이다. 저압 칼럼(130)내에서, 칼럼으로 전달된 유체는 극저온 정류에 의해 질소 증기와 산소 액체로 분리된다. 질소 증기는 스트림(24)으로서 저압 칼럼(130)의 상부로부터 배출되고, 열교환기(13 및 101)를 통과하여 가온되며, 질소 농도가 일반적으로 99 내지 99.999 몰%인 질소 생성물 스트림(150)으로서 전체적으로 또는 부분적으로 회수된다. 생성물 순도 조절 목적에 있어서, 폐스트림(25)은 스트림(24)의 배출 지점 아래의 저압 칼럼(130) 상부로부터 배출되며, 열교환기(13 및 101)를 통과하여 가온되며, 스트림(151)으로서 시스템으로부터 제거된다.
주로 아르곤 및 산소를 포함하는 스트림은 스트림(26)으로서 저압 칼럼(130)의 하부로부터 배출되어 아르곤 칼럼(120)으로 전달되고, 여기에서, 극저온 정류에 의해 아르곤 풍부 유체와 산소 풍부 유체로 분리된다. 산소 풍부 유체는 액체 스트림(27)으로서 아르곤 칼럼(120)으로부터 저압 칼럼(130)내로 다시 전달된다. 아르곤 풍부 유체는 아르곤 칼럼 상단 증기 스트림(28)으로서 상단 응축기(131)로 전달되며, 여기에서, 상기 언급된 적어도 부분적으로 증기화된 산소 풍부 액체와의 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로 응축된다. 생성된 아르곤 풍부 유체 부분(29)은 칼럼(120)에 대한 환류물로서 사용되며, 또 다른 부분(30)은 아르곤 농도가 일반적으로 95 내지 99.999 몰%인 아르곤 미정제 생성물로서 회수된다.
산소 액체는 스트림(140)으로서 저압 칼럼(130)의 섬프로부터 배출되고, 생성물 보일러로 전달되며, 여기에서, 상기 언급된 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기와의 간접 열교환에 의해 증기화된다. 선택적으로, 액체 스트림(140)은 생성물 보일러(107)를 통과하기 전에 고압으로 펌핑될 수 있다(미도시됨). 생성된 산소 증기는 스트림(143)으로서 생성물 보일러(107)로부터 주요 열교환기(101)로 전달되며,여기서 가온되고, 산소 생성물로서의 스트림(31)으로 회수된다.
본 발명은 시스템의 작동 비능률화를 초래하지 않으면서, 스트림(31)으로서의 산소 생성물의 생산 속도를 신속하게 변화시킬 수 있다. 본 발명은 액체 산소 저장 탱크(650) 및 산소풍부 액체 저장 탱크(750)을 사용하므로써 이러한 결과를 달성한다.
생성 공정 동안, 산소 생성물의 생산 속도가 시스템에 대한 산소 생성물의 명목상의 생산 속도 보다 높게 증가되는 것이 요구되는 경우, 생성물 보일러(107)로의 공급 공기(106)의 흐름이 증가하며, 액체 산소 저장 탱크(650)로부터의 액체 산소는 도관(600)을 통해 스트림(140)으로 전달되어 추가적인 산소 생성물의 생산을 위해 생성물 보일러(107)로 전달된다. 액체 산소 저장 탱크(650)의 기체상 압력은 생성물 보일러(107)와 액체 산소 저장 탱크(650) 사이의 도관(144)에 의해 유지된다. 산소 풍부 액체는 도관(118)을 통해 고압 칼럼(105)의 섬프로부터 산소 풍부 액체 저장 탱크(750)내로 전달된다. 저장 탱크(750)는 고압 칼럼(105)의 액체 섬프로서 물리적으로 동일한 고지에서 위치한다. 고압 칼럼(105)의 섬프와 산소 풍부액체 저장 탱크(750)에서의 산소 풍부 액체의 수준은 칼럼(105)의 섬프에서 액체 수준을 조절하는 수준 조절기에 의해 조절된다.
생성 공정 동안, 산소 생성물의 생산 속도가 시스템에 대한 산소 생성물의 명목상의 생산 속도 보다 낮게 감소되는 것이 요구되는 경우, 생성물 보일로(107)로의 공급 공기(106)의 흐름이 감소되고, 생성물 보일러(107)로 전달되는 저압 칼럼(130)의 섬프로부터의 액체 산소의 일부는 도관(600)을 통해 액체 산소 저장 탱크(650)내로 전달된다. 산소 풍부 액체는 산소 풍부 액체 저장 탱크(750)로부터 저압 칼럼으로 전달하기 위한 고압 칼럼(105)의 섬프로 전달되거나, 도에 도시된 바와 같이, 도관(118)을 통해 스트림(22)으로 전달된 후, 상기 설명된 바와 같이 저압 칼럼(130)내로 전달된다. 바람직하게는, 산소 풍부 액체, 및 산소 풍부 액체와 균형을 이룬 산소 풍부 증기는 각각 도관(118) 및 (110)에 의해 칼럼(105)의 섬프와 탱크(750) 사이를 자유롭게 흐를 수 있다. 바람직하게는, 공정이 증가되거나 감소된 산소 생성물 생산 속도 모드로 작동되는 경우, 도관(118)을 흐르는 산소 풍부 액체의 흐름과 도관(600)을 흐르는 액체 산소의 흐름 사이의 흐름 비는 몰랄 농도를 기준으로하여 1.10 내지 1.15이다.
본 발명은 특정 바람직한 구체예를 참조로 상세히 설명되어 있지만, 당업자는 청구범위의 사상 및 범위내에 본 발명의 다른 구체예가 존재함을 인지할 수 있을 것이다.
본 발명의 극저온 공기 분리 시스템으로, 산소 생성물은 액체 산소 저장 탱 및 고압 칼럼 섬프와 함께 작동하는 산소 풍부 액체 저장 탱크에 의해 명목상의 생산 속도 보다 높은 생산 속도 및 낮은 생산 속도로 효과적으로 생산되었다.

Claims (7)

  1. (A) 고압 칼럼 및 저압 칼럼을 포함하는 이중 칼럼 시스템;
    (B) 산소 풍부 액체 저장 탱크, 유체를 산소 풍부 액체 저장 탱크로부터 저압 칼럼으로 전달하는 수단, 및 유체를 고압 칼럼의 하부로부터 산소 풍부 액체 저장 탱크내로 전달하는 수단;
    (C) 생성물 보일러, 공급 공기를 생성물 보일러로 전달하는 수단, 및 공급 공기를 생성물 보일러로부터 고압 칼럼으로 전달하는 수단;
    (D) 액체 산소 저장 탱크, 및 유체를 액체 산소 저장 탱크로부터 생성물 보일러로 전달하는 수단;
    (E) 유체를 저압 칼럼의 하부로부터 액체 산소 저장 탱크로 전달하는 수단, 및 유체를 저압 칼럼의 하부로부터 생성물 보일러로 전달하는 수단; 및
    (F) 유체를 생성물 보일러로부터 산소 생성물로서 회수하는 수단을 포함하여, 일정하지 않은 생산 속도로 극저온 정류에 의해 산소를 생성시키는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상단 응축기를 갖는 아르곤 칼럼을 추가로 포함하는 장치로서, 유체를 산소 풍부 액체 저장 탱크로부터 저압 칼럼으로 전달하는 수단이 상단 응축기를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  3. (A) 공급 공기의 흐름을 적어도 부분적으로 응축시키고, 고압 칼럼과 저압 칼럼을 포함하는 이중 칼럼중 고압 칼럼내로 생성된 공급 공기를 전달하고, 공급 공기를 고압 칼럼내에서 극저온 정류에 의해 질소 풍부 증기와 산소 풍부 액체로 분리시키고;
    (B) 질소 풍부 유체와 산소 풍부 유체를 고압 칼럼으로부터 저압 칼럼내로 전달하고, 저압 칼럼으로 전달된 유체를 극저온 정류에 의해 질소 증기 및 산소 액체로 분리시키고;
    (C) 저압 칼럼의 하부로부터의 산소 액체를 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기와 간접 열교환되도록 전달하여 산소 증기를 생성시키고;
    (D) 산소 증기를 산소 생성물로서 회수하는 것을 포함하여 극저온 정류에 의해 산소를 생성시키는 방법에 있어서,
    (E) 액체 산소 저장 탱크로부터의 추가적인 산소 액체를 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기와 간접 열교환되도록 전달하고, 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기의 흐름을 증가시키고, 산소 풍부 액체를 고압 칼럼으로부터 산소 풍부 액체 저장 탱크내로 전달하므로써 공정의 일부 동안 산소 생성물의 생산 속도를 증가시키고;
    (F) 산소 액체를 저압 칼럼의 하부로부터 액체 산소 저장 탱크내로 전달하고, 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기의 흐름을 감소시키고, 산소 풍부 액체를 산소 풍부 액체 저장 탱크로부터 저압 칼럼내로 전달하므로써 공정의 또 다른 일부 동안 산소 생성물의 생산 속도를 감소시키는 것을 포함하여, 일정하지 않은 속도로 산소 생성물을 회수함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 산소 풍부 액체 저장 탱크로부터의 산소 풍부 액체가 저압 칼럼내로 전달되기 전에 과냉각됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 산소 풍부 액체 저장 탱크로부터 산소 풍부 액체가 저압 칼럼내로 전달되기 전에 적어도 부분적으로 증기화됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 3 항에 있어서, (E)에 기술된 공정의 일부 동안, 고압 칼럼으로부터 산소 풍부 액체 저장 탱크내로 전달되는 산소 풍부 액체의 흐름 대 적어도 부분적으로 응축되는 공급 공기와 간접 열교환되도록 액체 산소 저장 탱크로부터 전달되는 산소 액체의 흐름의 비가 몰랄 농도를 기준으로 하여 1.10 내지 1.15임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 3 항에 있어서, (F)에 기술된 공정의 일부 동안, 산소 풍부 액체 저장 탱크로부터 저압 칼럼으로 전달되는 산소 풍부 액체의 흐름 대 저압 칼럼의 하부로부터 액체 산소 저장 탱크로 전달되는 산소 액체의 흐름의 비가 몰랄 농도를 기준으로 하여 1.10 내지 1.15임을 특징으로 하는 방법.
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