KR20010067277A - 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는 극 저온 정류 방법 - Google Patents

질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는 극 저온 정류 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 극저온 분리를 유도하는 냉각이 바람직하게는 폐쇄 루프의 다성분 냉각 유체 냉각 회로에 의해 제공되는 하나 또는 두개의 칼럼을 사용하여 공기로부터 질소 가스 및 액체 질소를 효율적으로 생성시키는 극저온 정류 방법에 관한 것이다.

Description

질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는 극저온 정류 방법 {CRYOGENIC RECTIFICATION METHOD FOR PRODUCING NITROGEN GAS AND LIQUID NITROGEN}
본 발명은 일반적으로 공급 공기의 극저온 정류 방법, 보다 구체적으로는, 공급 공기를 극저온 정류시켜 질소를 생성시키는 방법에 관한 것이다.
공급 공기를 극저온 정류시켜 질소 가스를 생성시킴에 있어서, 분리를 유도하는데 필요한 냉각이 공급 공기의 일부와 같은 하나 이상의 공정 스트림의 터보팽창에 의해 공급되는 것이 일반적이다. 이러한 터보팽창 시스템은 효율적이지만 매우 에너지 집약적이다. 흔히, 액체 질소의 생성은 질소 가스 이외에 요망되는 것이다. 이러한 시스템은, 상당량의 냉각이 액체 질소와 함께 플랜트에서 배출되기 때문에 극저온 공기 분리 플랜트 전반에 상당히 높은 냉각 부하가 강요된다. 이러한 문제는 액체가 증가함에 따라 회수되는 질소의 상대적 양만큼 증가한다. 따라서, 지금까지 요구되는 에너지보다 적은 에너지를 사용하여 질소 가스 및 액체 질소를 생성시킬 수 있는 시스템이 절실히 요망된다.
따라서, 본 발명의 목적은 공지된 방법과 비교하여 감소된 에너지를 사용하여 두가지 생성물을 모두 생성시킬 수 있는 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는극저온 공기 분리 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는데 극저온 정류 칼럼이 사용된 본 발명의 바람직한 일 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는데 극저온 정류 칼럼이 사용되고, 칼럼의 열펌핑을 위해 다성분 유체가 추가로 사용된 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는데 극저온 정류 칼럼이 사용되고, 용기 액체의 일부가 증기화되고 압축되어 칼럼으로 복귀하는 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는데 두개의 극저온 정류 칼럼이 사용된 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예를 개략적으로 도시한 것이다.
(주요 도면 부호의 간단한 설명)
1: 주열교환기 2: 상부 응축기
3: 열교환기 10: 칼럼
30,33: 압축기 31,34: 최종 냉각기
32: 정제기 60: 공급 공기
61: 압축된 공급 공기 62: 공급 공기 스트림
63: 정제된 공급 공기 스트림 64: 냉각된 공급 공기 스트림
66: 과냉각된 산소 부화 액체 67: 밸브
본 명세서를 숙지한 당해 기술자에게는 분명하게 될 상기 목적 및 그 밖의 목적은 하기 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 일면은 공급 공기를 극저온 정류시켜 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는 방법으로서,
(A) 다성분 냉각 유체를 압축시키고, 압축된 다성분 냉각 유체를 냉각시키고, 냉각, 압축된 다성분 냉각 유체를 팽창시키고, 팽창된 다성분 냉각 유체를, 냉각 압축된 다성분 냉각 유체와, 그리고 공급 공기와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 냉각된 공급 공기를 생성시키는 단계;
(B) 냉각된 공급 공기를 극저온 정류 칼럼으로 통과시키고, 공급 공기를 극저온 정류 칼럼내에서 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리시키는 단계;
(C) 질소 부화 증기의 제 1 부분을 질소 가스 생성물로서 회수하는 단계;
(D) 질소 부화 증기의 제 2 부분을 응축시켜 질소 부화 액체를 생성시키는 단계 및
(E) 질소 부화 액체의 적어도 일부를 액체 질소 생성물로서 회수하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 일면은 공급 공기의 극저온 정류에 의해 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는 방법으로서,
(A) 다성분 냉각 유체를 압축시키고, 압축된 다성분 냉각 유체를 냉각시키고, 냉각, 압축된 다성분 냉각 유체를 팽창시키고, 팽창된 다성분 냉각 유체를, 냉각 압축된 다성분 냉각 유체와, 그리고 공급 공기와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 냉각된 공급 공기를 생성시키는 단계;
(B) 냉각된 공급 공기를 제 1 극저온 정류 칼럼으로 통과시키고, 공급 공기를 제 1 극저온 정류 칼럼내에서 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리시키는 단계;
(C) 산소 부화 유체를 제 2 극저온 정류 칼럼으로 통과시키고, 산소 부화 유체를 제 2 극저온 정류 칼럼내에서 극저온 정류에 의해 질소 부화 유체 및 산소 부화 유체로 분리시키는 단계;
(D) 질소 부화 유체의 적어도 일부를 액체 질소 생성물로서 회수하는 단계;
(E) 질소 부화 증기 및 질소 부화 유체 중 하나 이상의 적어도 일부를 질소 가스 생성물로서 회수하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
본원에서 사용되는 용어 "칼럼"은 예를 들어 구조화된 또는 무작위 팩킹과 같은 팩킹 요소상 및/또는 칼럼내에 구비된 일련의 수직으로 배치된 트레이 또는 플레이상의 증기상 및 액체상을 접촉시키므로써, 액체상 및 증기상이 역류로 접촉하여 유체 혼합물의 분리를 수행하는 접촉 칼럼 또는 영역인 증류 또는 분별 칼럼 또는 영역을 의미한다. 증류 칼럼에 대한 추가의 설명에 대해서는 문헌을 참조한다[참조: Chemical Engineer's Handbook, fifth edition, edited by R.H. Perry and C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13,TheContinuous Distillation Process].
증기 및 액체 접촉 분리 공정은 성분에 대한 증기압의 차이에 의존한다. 높은 증기압(즉 보다 휘발성 또는 저비점) 성분은 증기상으로 농축되는 경향이 있는 반면에 낮은 증기압(즉 덜 위발성 또는 고비점) 성분은 액체상으로 농축되는 경향이 있을 것이다. 증류는 액체 혼합물의 가열이 사용되어 보다 휘발성인 성분(들)을 증기상으로 농축시키고, 이로써 보다 덜 휘발성인 성분(들)을 액체상으로 농축시킬 수 있는 분리 공정이다. 부분 응축은 증기 혼합물의 냉각이 사용되어 휘발성 성분(들)을 증기상으로 농축시키고, 이로써 덜 휘발성인 성분(들)을 액체상으로 농축시킬 수 있는 분리 공정이다. 정류, 또는 연속 증류는 증기상 및 액체상의 역류 처리에 의해 얻어지는 연속적인 부분 증기화와 응축화를 결합시킨 분리 공정이다. 증기 및 액체상의 역류 접촉은 단열 또는 비단열 공정일 수 있으며, 이들 상 간의 통합적(단계적) 또는 시차적(연속적) 접촉을 포함한다. 혼합물을 분리시키는 정류의 원리를 사용하는 분리 공정 배열은 용어 정류 칼럼, 증류 칼럼, 또는 분별 칼럼과 상호교환가능하게 사용된다. 극저온 정류는 적어도 부분적으로 150。K(켈빈온도) 이하에서 수행되는 정류 공정이다.
본원에서 사용되는 용어 "간접 열교환"은 상호간에 물리적 접촉 또는 유체의 혼합없이 두개의 유체 스트림이 열교환 관계를 갖게 되는 것을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "팽창"은 압력에서의 감소를 달성시키는 것을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "질소 가스 생성물"은 99몰% 이상의 질소 농도를 갖는 가스를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "액체 질소 생성물"은 99몰% 이상의 질소 농도를 갖는 액체를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "공급 공기"는 주위 공기와 같은 주로 산소 및 질소를 포함하는 혼합물을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "상부" 및 "저부"는 칼럼의 중간 지점으로부터 각각 칼럼부의 위와 아래를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "가변성 부하 냉매"는 다성분 유체, 즉 두개 이상의 성분으로 된 혼합물을 의미하며, 비례적으로 이들 성분의 액체상은 혼합물의 기포점과 이슬점 사이의 연속적이고 증가하는 온도 변화를 진행시킨다. 혼합물이 기포점은 혼합물이 전부 액체상이나 열을 가하면 액체상과 평형을 이루는 증기상이 형성되기 시작하는 주어진 압력에서의 온도이다. 혼합물의 이슬점은 혼합물이 전부 증기상이나 열을 축출시키면 증기상과 평형을 이루는 액체상이 형성되기 시작하는 주어진 압력에서의 온도이다. 따라서, 혼합물의 기포점과 이슬점 간의 온도 영역은 두 액체상 및 증기상이 평형상태로 공존하는 영역이다. 본 발명의 실시에서, 다성분 냉각 유체에 대한 기포점과 이슬점 간의 온도차는 10。K 이상, 바람직하게는 20。K 이상, 매우 바람직하게는 50。K 이상이다.
본원에서 사용되는 용어 "플루오로카본" 하기중 하나를 의미한다: 테트라플루오로메탄(CF4), 퍼플루오로에탄(C2F6), 퍼플루오로프로판(C3F8),퍼플루오로부탄(C4F10), 퍼플루오로펜탄(C5F12), 퍼플루오로에텐(C2F4), 퍼플루오로프로펜(C3F6), 퍼플루오로부텐(C4F8), 퍼플루오로펜텐(C5F10), 헥사플루오로시클로프로판(시클로-C3F6) 및 옥타플루오로시클로부탄(시클로-C4F8).
본원에서 사용되는 용어 "히드로플루오로카본"은 하기중 하나를 의미한다: 플루오로포름(CHF3), 펜탈플루오로에탄(C2HF5), 테트라플루오로에탄(C2H2F4), 헵타플루오로프로판(C3HF7), 헥사플루오로프로판(C3H2F6), 펜타플루오로프로판(C3H3F5), 테트라플루오로프로판(C3H4F4), 노나플루오로부탄(C4HF9), 옥타플루오로부탄(C4H2F8), 운데카플루오로펜탄(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).
본원에서 사용되는 용어 "플루오로에테르"는 하기중 하나를 의미한다: 트리플루오로메톡시-퍼플루오로메탄(CF3-O-CF3), 디플루오로메톡시-퍼플루오로메탄 (CHF2-O-CF3), 플루오로메톡시-퍼플루오로메탄(CH2F-O-CF3), 디플루오로메톡시-디플루오로메탄(CHF2-O-CHF2), 디플루오로메톡시-퍼플루오로에탄(CHF2-O-C2F5), 디플루오로메톡시-1,2,2,2-테트라플루오로에탄(CHF2-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-1,1,2,2-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).
본원에서 사용되는 용어 "주위 가스"는 하기중 하나를 의미한다: 질소(N2), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 네온(Ne), 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 일산화탄소(CO), 수소(H2) 및 헬륨(He).
본원에서 사용되는 용어 "비독성"은 허용되는 노출 한계에 따라 취급되는 경우에 급성 또는 만성 위험을 나타내지 않음을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "비가연성"은 인화점을 가지지 않거나 600。이상의 매우 높은 인화점을 가짐을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "저 오존 고갈"은 디클로로플루오로메탄(CCl2F2)이 1.0의 오존 고갈 포텐셜을 갖는 것으로 몬트리올 프로토콜 컨벤션(Montreal Protocal convention)에 의해 정의된 바에 따라 0.15 미만의 오존 고갈 포텐셜을 가짐을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "비오존 고갈"은 염소, 브롬 또는 요오드 원자를 함유하는 성분을 가지지 않음을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "정상 비점"은 1 표준 대기압, 즉, 14.696 psia에서의 비점을 의미한다.
본 발명은 도면을 참조로 상세히 기술될 것이다. 도 1과 관련하면, 공급 공기(60)가 압축기(30)를 통과하므로써 일반적으로 40 내지 200psia의 범위내의 압력으로 압축된다. 형성된 압축 공급 공기(61)는 최종 냉각기(31)의 압축열이 냉각되고 형성된 공급 공기 스트림(62)은 정제기(32)를 통과하므로써 수증기, 이산화탄소 및 탄화수소와 같은 불순물이 제거된다. 정제된 공급 공기 스트림(63)은 이후 주열교환기(1)를 통과하므로써 냉각되어 냉각된 공급 공기 스트림(64)을 생성시킨다.
상기 공급 공기는 생성물 및 폐스트림의 복귀와, 다성분 냉각 유체에 의해 생성된 냉각에 의해 냉각된다. 스트림(206)으로의 다성분 냉각 유체는 재순환 압축기(220)를 통과하므로써 일반적으로 60 내지 600psia의 압력으로 압축되어 압축된 다성분 냉각 유체(201)를 생성시킨다. 압축된 다성분 냉각 유체는 최종 냉각기(221)를 통과하므로써 압축열이 냉각되고, 부분적으로 응축될 수 있다. 스트림(220)으로의 다성분 냉각 유체는 이후 주열교환기(1)를 통과하고, 여기서 추가로 냉각되고, 적어도 부분적으로 응축되며, 완전히 응축될 수도 있다. 냉각, 압축된 다성분 냉각 유체(203)는 이후 밸브(204)를 통해 팽창되거나 스로틀링(throttling)된다. 스로틀링은 바람직하게는 다성분 냉각 유체를 부분적으로 증기화시키고, 유체를 냉각시키고 냉각을 생성시킨다. 일부 제한된 상황에서는, 열교환기 상태에 의존하여, 압축된 유체(203)가 팽창전에 과냉각된 액체일 수 있으며, 초기 팽창시에 액체로서 존재할 수 있다. 이후, 열교환기에서의 가온시, 유체는 두개의 상을 가질 것이다. 밸브를 통과하는 유체의 팽창 압력은 주울-톰슨 효과에 의해 냉각을 제공한다. 즉, 불변 엔탈피에서의 압력 팽창으로 인해 유체 온도를 낮춘다. 그러나, 일부 상황하에서, 유체 온도는 일 팽창으로 인해 낮아질 수 있다.
냉각을 지닌 다성분의 두상 냉각 유체 스트림(205)은 이후 열교환기를 통과하고, 여기서 가온되고 완전히 증기화되므로써 냉각 스트림(202)에 간접 열교환을 제공하고, 냉각을 공급 공기 스트림(63)을 포함하는 열교환기내 공정 스트림에 전달하며, 이에 따라 다성분 냉각 유체 냉각 회로에 의해 생성된 냉각을 극저온 정류 플랜트에 제공하여 분리 공정을 지속시킨다. 형성된 가온된 다성분 냉각 유체는 증기 스트림(206)으로 이후 압축기(220)로 재순환되고, 냉각 사이클은 새롭게 시작한다. 다성분 냉각 유체 냉각 사이클에 있어서, 고압 혼합물은 응축하는 반면에, 저압 혼합물은 이에 대해 비등한다. 즉, 응축열이 저압 액체를 비등시킨다. 각각의 온도 수준에서, 증기화와 응축화 간의 실제 차이가 냉각을 제공한다. 주어진 냉각에 대해, 성분 조합, 혼합물 조성, 유량 및 압력 수준이 각각의 온도 수준에서 이용할 수 있는 냉각을 결정한다. 도 1은 냉각을 지닌 다성분 유체가 열전달 유체를 개입시키지 않고 공급 공기를 냉각시키는 바람직한 구체예를 도시한 것이다. 그러나, 다성분 냉각 유체가 또 다른 냉각 유체를 냉각시킬 수 있으며, 이에 따라 공급 공기 스트림을 냉각시키는데 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다.
냉각된 공급 공기 스트림은 큰 부분(108)과 작은 부분(109)으로 분할되어, 큰 부분은 극저온 정류 칼럼(10)으로 통과하고, 작은 부분은 열교환기(3)를 통과하므로써 적어도 부분적으로 응축된 후 스트림(11)으로서 칼럼(10)으로 통과한다.
극저온 정류 칼럼(10)은 일반적으로 30 내지 200psia 범위의 압력에서 작동한다. 극저온 정류 칼럼(10)에서, 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리된다. 질소 부화 증기는 칼럼(10)의 상부로부터 스트림(69)으로 배출된다. 질소 부화 증기의 제 1부(91)는 열교환기(3)을 통과하므로써 가온되고, 형성되는 스트림(93)은 주열교환기(1)을 통과하므로써 추가로 가온되어 질소 가스 생성물로서 회수하기 위한 스트림(94)를 생성시킨다. 도 1은 스트림(94)으로의 질소 가스가 압축기(33)를 통과하므로써 압축되고, 형성된 압축 질소 가스 스트림(106)은 최종 냉각기(34)를 통과하므로써 압축열이 냉각되어 일반적으로 50 내지 300psia 범위의 압력에서 상승된 압력의 질소 가스 생성물로서 스트림(107)으로 회수되는 일 구체예를 도시한 것이다. 본 발명의 질소 가스 생성물은 99.9몰% 이상까지의 질소 순도를 가질 수 있다.
질소 부화 증기의 제 2 부분(70)은 상부 응축기(2)로 제공되고, 여기서 응축되어 질소 부화 액체를 생성시키고, 이는 상부 응축기(2)로부터 스트림(71)으로 배출된다. 질소 부화 액체의 적어도 일부는 액체 질소 생성물로서 스트림(98)으로 회수된다. 질소 부화 액체는 또한 스트림(72)으로 환류로서 칼럼(10)으로 통과할 수 있다. 본 발명의 액체 질소 생성물은 99.9몰% 이상까지의 질소 순도를 가질 수 있다.
산소 부화 액체는 칼럼(10)의 저부로부터 스트림(65)으로 배출되어 열교환기(3)를 통과하므로써 과냉각된다. 형성된 과냉각된 산소 부화 액체(66)는 밸브(67)를 통해 스로틀링되고, 이후 스트림(68)으로서 상부 응축기(2)로 통과하고, 여기서 질소 부화 증기와 간접 열교환에 의해 증기화되어 질소 부화 증기의 질소 부화 액체로 상기 언급된 응축화가 수행된다. 형성된 산소 부화 증기는 상부 응축기(2)로부터 스트림(102)으로 배출되고, 열교환기(3)를 통과하므로써 가온되며, 형성된 스트림(104)은 주열교환기(1)를 통과하므로써 추가로 가온되고, 이후 폐스트림(105)으로서 시스템으로부터 제거된다. 도 1에 도시되지는 않았지만, 폐스트림을 형성하는 산소 부화 증기의 일부는 사용되어 정제기(32)에서 재생시킬 수 있다.
도 2는 다성분 냉각 유체 냉각 생성 회로가 칼럼에 통합되는 본 발명의 또 다른 구체예를 도시한 것이다. 이러한 배열은, 일반적으로 보다 많은 양의 전력이냉각 회로를 작동시키는데 요구될 것이지만 개선된 질소 회수를 가능하게 한다. 도 2에서의 부호는 칼럼 요소에 대한 도 1의 부호와 동일하며, 이러한 공통 요소에 대해서는 다시 상세히 기술하지 않을 것이다.
도 2와 관련하면, 냉각된 공급 공기 스트림(64)이 직접 칼럼(10)으로 통과한다. 스트림(203)으로의 냉각된 다성분 냉각 유체는 팽창전에 추가로 냉각된다. 도 2에 도시된 구체예에서, 이러한 추가의 냉각은 저부 리보일러(7)에 있는 칼럼(10) 저부 액체, 즉 산소 부화 액체와의 간접 열교환에 의해 달성된다. 이러한 추가의 냉각은 스트림(203)을 추가로 응축시키고, 일반적으로는 완전히 응축시키는 역할을 한다. 이후, 액화된 다성분 유체는 스트림(217)으로 저부 리보일러(7)로부터 밸브(220)로 통과하고, 밸브에서 팽창되거나 스로틀링되어 냉각을 생성시킨 후, 스트림(221)으로 상부 응축기(20)로 제공되어, 증기화된다. 형성된 다성분 냉각 유체는 열교환기(3)를 통해 가온시키기 위해 상부 응축기(20)로부터 통과하고, 형성되는 스트림(219)은 주열교환기(1)에 제공되어, 여기서 추가로 가온되므로써 이미 기술된 바와 같이 스트림(202) 및 (63)의 냉각을 달성시킨다.
도 3은 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예를 도시한 것이다. 도 3의 부호는 공통 요소에 대해 도 1의 요소와 동일하며, 이들 공통 요소에 대해서는 다시 상세히 기술하지 않을 것이다. 도 3에 도시된 구체예에서, 주열교환기는 1a 및 1b로 표시된 두 부분으로 존재하는 것으로 나타난다.
도 3과 관련하면, 산소 부화 액체(68)는 상부 응축기(2)를 통과하고, 여기서 부분적으로 증기화된 후, 두상 스트림(333)으로서 상 분리기(313)으로 통과하여, 여기서 증기 부분과 액체 부분으로 분리된다. 증기 부분으로 상 분리기(313)로부터 스트림(336)으로 배출되어 압축기(360)를 통과하므로써 압축되고, 이후 스트림(337)으로 칼럼(10)의 저부로 통과한다. 산소 부화 액체의 잔류하는 액체 부분은 상 분리기(313)로부터 스트림(339)으로 배출되고, 밸브(340)를 통해 스로틀링되고, 스트림(341)으로서 상부 응축기(2)로 통과되고, 여기서 질소 부화 증기의 제 2 부와의 간접 열교환에 의해 증기화된다. 형성된 증기화된 산소 부화 유체는 상부 응축기(2)로부터 스트림(302)으로 열교환기(3)와 주열교환기 일부(1b)를 통과하여 스트림(329)을 형성하고, 이 스트림은 터보팽창기(380)를 통해 터보팽창되어 냉각을 생성시킨다. 형성된 냉각 보유 스트림(304)은 주열교환기(1a, 1b)를 통과하므로써 가온되고, 이후 스트림(305)로 시스템으로부터 제거된다.
도 4는 질소 가스 생성물이 두개의 상이한 압력에서 회수될 수 있는 두개의 칼럼을 사용하는 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예를 도시한 것이다. 도 4의 부호는 공통 요소에 대해 도 1의 부호와 동일하며, 이들 공통 요소는 다시 상세히 기술하지 않을 것이다.
도 4와 관련하면, 냉각된 공급 공기 스트림(64)은 일반적으로 100 내지 200psia 범위의 압력에서 작동하는 제 1 극저온 정류 칼럼(110)으로 직접 통과한다. 경우에 따라, 질소 부유 증기의 일부(85)는 주열교환기(1)을 통과하고, 스트림(86)으로 상승된 질소 가스 생성물로서 회수된다. 스트림(71)으로 전체 질소 부화 액체가 환류로서 칼럼(110)으로 통과한다. 도 3에 도시된 구체예에서, 상부 응축기(2)로 통과되는 산소 부화 액체의 일부는 증기화되지 않는다.
상부 응축기(2)로부터의 산소 부화 증기는 밸브(77)를 통해 스트림(76)으로 통과하고, 스트림(78)으로서 제 2 극저온 정류 칼럼(111)으로 통과한다. 잔류하는 산소 부화 액체는 스트림(81)으로 상부 응축기(2)로부터 배출되어 열교환기 또는 과냉각기(5)를 통과하므로써 과냉각된다. 형성된 과냉각된 산소 부화 액체는 스트림(82)으로 과냉각기(5)로부터 밸브(83)를 통과하고, 스트림(84)으로서, 제 1 극저온 정류 칼럼(1100의 압력보다 낮은 압력인, 일반적으로 30 내지 130paia의 압력에서 작동하는 제 2 극저온 정류 칼럼으로 통과한다.
칼럼(111)에서, 이 칼럼에 제공된 산소 부화 유체는 극저온 정류에 의해 질소 부화 유체 및 산소 부화 유체로 분리된다. 질소 부화 유체는 가스 스트림(188)으로 칼럼(111)의 상부로부터 배출되고, 경우에 따라 일부(191)는 열교환기(5, 3 및 1)를 통과하므로써 가온되어 스트림(194)으로 질소 가스 생성물로서 회수될 수 있다. 경우에 따라, 스트림(194)은 압축기(133)를 통과하므로써 압축되고, 형성된 스트림(176)은 질소 가스 생성물로서 회수된다. 스트림(188)의 일부 또는 전부는 스트림(90)으로서 상부 응축기(6)로 제공되어, 여기서 응축되어 질소 부화 액체를 형성하고, 이는 상부 응축기(6)로부터 스트림(195)로 배출된다. 스트림(195)의 일부(198)는 액체 질소 생성물로서 회수되고, 스트림(195)의 또 다른 일부(196)는 환류로서 칼럼(111)으로 통과한다. 다르게는, 질소 부화 유체는 칼럼(111)로부터 액체인 액체 질소 생성물로서 회수된 제 1 부분으로서 배출되고, 제 2 부분은 펑핑되어 환류로서 칼럼(110)의 상부로 통과한다.
산소 부화 유체는 액체 스트림(199)으로 제 2 칼럼(111)의 저부로부터 배출되고, 밸브(100)를 통과한 후, 스트림(101)으로서 상부 응축기(6)로 통과하여 상기 언급된 응축화 질소 부화 증기와의 간접 열교환에 의해 증기화된다. 형성된 산소 부화 증기는 스트림(102)으로 상부 응축기(6)로부터 배출되고, 열교환기(5, 3 및 1)를 통과하므로써 가온되고, 폐스트림(78)으로서 시스템으로부터 제거된다.
다성분 냉각 유체는 두가지 이상의 성분을 함유하여 각 온도에서 요구되는 냉각을 제공한다. 냉각 성분의 최적 선택은 특정 시스템의 온도에 대한 냉각 부하에 의존할 것이다. 적합한 성분은 이들의 정상 비점, 잠열, 및 가연성, 독성 및 오존 고갈 포텐셜에 의존하여 선택될 것이다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉각 유체의 바람직한 구체예에는 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 성분을 포함한다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉각 유체의 또 다른 바람직한 구체예는 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분과 1종 이상의 대기 가스를 포함한다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉각 유체의 또 다른 바람직한 구체예는 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 성분과 1종 이상의 대기 가스를 포함한다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉각 유체의 또 다른 바람직한 구체예는 하나 이상의 플루오로에테르와, 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분을 포함한다.
바람직한 일 구체예에서, 다성분 냉각 유체는 플루오로카본으로만 이루어진다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉각 유체는 플루오로카본과 히드로플루오로카본으로만 이루어진다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉각 유체는 플루오로카본과 대기 가스로만 이루어진다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉각 유체는 플루오로카본, 히드로플루오로카본 및 플루오로에테르로만 이루어진다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉각 유체는 플루오로카본, 플루오로에테르 및 대기 가스로만 이루어진다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉각 유체는 히드로클로로플루오로카본 및/또는 탄화수소와 같은 다른 성분을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 다성분 냉각 유체는 히드로클로로플루오로카본을 함유하지 않는다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉각 유체는 탄화수소를 함유하지 않는다. 매우 바람직하게는, 다성분 냉각 유체는 히드로클로로플루오로카본도 탄화수소도 함유하지 않는다. 매우 바람직하게는, 다성분 냉각 유체는 비독성, 비가연성 및 비오존 고갈성이며, 매우 바람직하게는 다성분 냉각 유체의 각각의 성분은 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 또는 대기 가스이다.
본 발명은 주위 온도로부터 극저온에 효과적으로 도달하는데 사용하기에 매우 유리하다. 표 1 내지 8은 본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉각 유체 혼합물의 바람직한 예를 기재한 것이다. 표에 기재된 농도 범위는 몰%로 나타낸 것이다.
본 발명은 극저온을 포함하는 광범위한 온도 범위에 걸쳐 냉각을 제공하는데 특히 유용하다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 냉각 혼합물의 두종 이상의 성분 각각은 냉각 혼합물의 각각의 다른 성분에 대한 정상 비점과, 5。K 이상, 보다 바람직하게는 10。K 이상, 매우 바람직하게는 20。K 이상 차이가 나는 정상 비점을 갖는다. 이는 극저온을 포함하는 광범위한 온도 범위에 걸쳐 냉각을 제공하는 효율을 증진시킨다. 본 발명의 특히 바람직한 구체예에서, 다성분 냉각 유체의 최고 비등 성분의 정상 비점은 다성분 냉각 유체의 최저 비등 성분의 정상 비점보다 50。K 이상, 바람직하게는 100。K 이상, 매우 바람직하게는 200。 이상 높다.
도면에 도시된 다성분 냉각 유체 흐름 회로는 폐쇄 루프 단일 흐름 회로지만, 다른 흐름 배열을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 다수개의 독립적인 흐름 회로를 사용하는 것이 바람직할 수 있으며, 각각의 회로는 냉각 혼합물 및 공정 조건을 갖는다. 이러한 다수개의 회로는 상이한 온도 범위에서 냉각을 제공하는데 보다 용이할 수 있으며, 냉각 시스템의 복잡성을 감소시킨다. 또한, 하나 이상의 온도에서 흐름 회로의 상분리를 포함하여 냉각 유체의 일부를 내부적으로 재순환가능하게 하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 냉각 유체의 내부 재순환은 냉각 유체의 불필요한 냉각을 피하게 하고, 냉각 유체의 결빙을 억제한다. 바람직하게는, 다성분 냉각 회로에 의해 생성된 냉각은 모두 공정을 작동시키고, 목적하는 생성물을 생성시키는 데 요구되는 냉각일 것이다. 그러나, 공정 스트림의 터보팽창과 같은 다른 공급원으로부터의 냉각이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉각 유체를 제조하는 성분들 및 이들의 농도는 가변성 부하의 다성분 냉각 유체를 형성시키고, 바람직하게는 본 발명의 방법의 전체 온도 범위를 걸쳐 이러한 가변성 부하 특성을 유지하도록 하는 것이다. 이는 효율을 현저히 증진시켜, 이러한 광범위한 온도 범위에 걸쳐 냉각이 생성되고 이용될 수 있게 한다. 정의된 바람직한 성분의 군은, 비독성, 비가연성 및 저- 또는 비오존 고갈성인 유체 혼합물을 형성시키는데 사용될 수 있다는 점에서 부가된 이점을 갖는다. 이는 일반적으로 독성, 가연성 및/또는 오존 고갈성인 종래의 냉매에 비해 추가의 이점을 제공한다.
비독성, 비가연성 및 비오존 고갈성인 본 발명의 실시에 유용한 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 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 성분을 포함한다.
비독성, 비가연성 및 비오존 고갈성이고 전반적 저가온 포텐셜을 갖는 본 발명의 실시에 유용한 바람직한 가변성 부하 다성분 냉각 유체는 CHCl2F3, CHF2-O-C2HF4, C3H3F5, C2F5-O-CH2F, C3H2F6, CHF2-O-CHF2, CHClF4, CF3-O-C2H2F3, C3HF7, CH2F-O-CF3, C2H2F4, CHF2-O-CF3, C2HF5, CF3-O-CF3, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne 및 He로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 성분을 포함한다.
본 발명은 특정 바람직한 구체예를 참조로 상세히 기술되었지만, 당해 기술자들은 본 발명의 사상 및 범위내에서 본 발명의 또 다른 구체예가 있음을 이해할 것이다.
본 발명은 공지된 방법과 비교하여 감소된 에너지를 사용하여, 공기로부터 질소 가스 및 액체 질소를 효율적으로 생성시키는 극저온 정류 방법을 제공한다.

Claims (10)

  1. (A) 다성분 냉각 유체를 압축시키고, 압축된 다성분 냉각 유체를 냉각시키고, 냉각, 압축된 다성분 냉각 유체를 팽창시키고, 팽창된 다성분 냉각 유체를, 냉각 압축된 다성분 냉각 유체와, 그리고 공급 공기와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 냉각된 공급 공기를 생성시키는 단계;
    (B) 냉각된 공급 공기를 극저온 정류 칼럼으로 통과시키고, 공급 공기를 극저온 정류 칼럼내에서 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리시키는 단계;
    (C)질소 부화 증기의 제 1 부분을 질소 가스 생성물로서 회수하는 단계;
    (D) 질소 부화 증기의 제 2 부분을 응축시켜 질소 부화 액체를 생성시키는 단계 및
    (E) 질소 부화 액체의 일부 또는 전부를 액체 질소 생성물로서 회수하는 단계를 포함하여, 공급 공기를 극저온 정류시켜 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 질소 부화 증기의 제 2 부분을 응축시켜 질소 부화 액체를 생성시키는 것이 산소 부화 액체와의 간접 열교환에 의해 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 다성분 냉각 유체를 팽창시키기 전에 압축된 다성분 냉각 유체를 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 다성분 냉각 유체의 추가 냉각이 산소 부화 액체와의 간접 열교환에 의해 수행됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 다성분 냉각 유체의 각각의 성분이 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 또는 대기 가스중 어느 하나임을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 산소 부화 액체가 부분적으로 증기화되어 증기 부분 및 액체 부분을 생성시키고, 액체 부분은 질소 부화 증기의 제 2 부분과의 간접 열교환에 의해 증기화되어 질소 부화 액체를 생성시키고, 증기 부분은 압축된 후 극저온 정류 칼럼으로 통과함을 특징으로 하는 방법.
  7. (A) 다성분 냉각 유체를 압축시키고, 압축된 다성분 냉각 유체를 냉각시키고, 냉각, 압축된 다성분 냉각 유체를 팽창시키고, 팽창된 다성분 냉각 유체를, 냉각 압축된 다성분 냉각 유체와, 그리고 공급 공기와의 간접 열교환에 의해 가온시켜 냉각된 공급 공기를 생성시키는 단계;
    (B) 냉각된 공급 공기를 제 1 극저온 정류 칼럼으로 통과시키고, 공급 공기를 제 1 극저온 정류 칼럼내에서 극저온 정류에 의해 질소 부화 증기 및 산소 부화 액체로 분리시키는 단계;
    (C) 산소 부화 유체를 제 2 극저온 정류 칼럼으로 통과시키고, 산소 부화 유체를 제 2 극저온 정류 칼럼내에서 극저온 정류에 의해 질소 부화 유체 및 산소 부화 유체로 분리시키는 단계;
    (D) 질소 부화 유체의 일부 또는 전부를 액체 질소 생성물로서 회수하는 단계;
    (E) 질소 부화 증기 및 질소 부화 유체 중 하나 이상의 일부 또는 전부를 질소 가스 생성물로서 회수하는 단계를 포함하여, 공급 공기의 극저온 정류에 의해 질소 가스 및 액체 질소를 생성시키는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 질소 부화 증기 및 질소 부화 유체가 질소 가스 생성물로서 회수됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 산소 부화 유체가 액체로서 및 증기로서 모두 제 2 극저온 정류 칼럼으로 통과함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 다성분 냉각 유체의 각각의 성분이 플루오로카본, 히드로플루오로카본, 플루오로에테르 또는 대기 가스중 어느 하나임을 특징으로 하는 방법.
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