KR20010098591A - 질량 전달과 열전달이 통합된 극저온 공기 분리 시스템 - Google Patents

질량 전달과 열전달이 통합된 극저온 공기 분리 시스템 Download PDF

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KR20010098591A
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integrated
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KR1020010019855A
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투캄 엔가이엔
베이람 아르만
단테패트릭 보나퀴스트
케네쓰카이 웡
존프레드릭 빌링햄
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 통합된 코어를 포함하고, 전형적으로 이중 컬럼을 포함하는 극저온 공기 분리 시스템에 관한 것으로서, 유입 공기는 코어에서 냉각되며, 코어는 이중 컬럼으로부터의 스트림도 처리한다. 코어의 분리 섹션은 이중 컬럼으로부터의 스트림을 처리하여 생성물을 형성시킨다.

Description

질량 전달과 열전달이 통합된 극저온 공기 분리 시스템 {CRYOGENIC AIR SEPARATION SYSTEM WITH INTERGRATED MASS AND HEAT TRANSFER}
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 극저온 공기 분리에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 열역학적 효율을 향상시키고 자본 비용을 절감하기 위해 다양한 수준의 열전달과 질량 전달을 통합시키는 것에 관한 것이다.
발명의 배경
기체 혼합물을 무거운 성분과 가벼운 성분, 각각 전형적으로 산소와 질소로 분리시키기 위한 극저온 공기 분리 시스템은 당 분야에 공지되어 있다. 일반적으로, 분리 공정은, 증류 및/또는 환류 응축 (분축(dephlemation))과 같은 질량 전달법을 통해 혼합 기체의 다수의 성분들을 분리시키기 전에, 유입 혼합 기체 스트림을 다른 스트림과의 열교환(직접 또는 간접)을 통해 냉각시키는 플랜트에서 일어난다. 원하는 순도가 되도록 분리된 후, 다수의 성분 스트림은 주위 온도로 다시 가온된다. 전형적으로, 다수의 가온, 냉각 및 분리 단계가 별도의 장치 단편에서 수행되며, 이는 설치 및 배관과 함께 플랜트의 제조 비용을 증가시킨다.
다양한 기능을 수행할 수 있는 통합된 기기를 제공하도록 별도의 열전달 부품의 일부가 조합되어 있는 다양한 공기 분리 시스템이 도입되어 왔다. 특히, 공기 분리 플랜트에 필요한 별도의 장치 단편의 수를 줄이기 위해, 유체 스트림을 가온시키거나 냉각시키는 다수의 열교환기와, 스트림 중의 무거운 성분과 가벼운 성분을 하나의 열교환 코어로 분리시키는 분리 장치를 부분적으로 조합시킨 시스템이 제안되어 왔다. 이것은 플랜트의 총괄 비용을 절감시켜줄 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는 공기 분리 플랜트에 필요한 별도의 장치 단편의 수를 줄이기 위해 다양한 수준의 열전달과 질량 전달을 통합시킨 극저온 공기 분리 시스템을 제공하는 데에 있다.
도 1a는 통합된 코어와 측부 스트립핑 컬럼을 포함하는, 본 발명의 공기 분리 시스템의 첫 번째 구체예를 도시한다.
도 1b는 도 1a에 도시된 시스템과 유사하지만 역배향된 공기 분리 시스템을 도시한다.
도 1c는 도 1a에 도시된 시스템과 유사하지만 측부 스트립핑 컬럼이 통합된 코어의 외부에 정위된 공기 분리 시스템을 도시한다.
도 1d는 도 1a에 도시된 시스템과 유사하지만 냉각 유닛을 지닌 공기 분리 시스템을 도시한다.
도 1e는 도 1d에 도시된 시스템과 유사하지만 제 2 보충용 유입 공기 스트림이 없는 공기 분리 시스템을 도시한다.
도 2a는 공기 부화/비활성화 등급의 가벼운 성분 플랜트로서 사용되도록 설계되는 통합된 코어를 포함하는, 본 발명의 공기 분리 시스템의 또 다른 구체예를 도시한다.
도 2b는 도 2b에 도시된 시스템과 유사하지만 분리 섹션이 통합된 코어의 외부에 정위되는 공기 분리 시스템을 도시한다.
도 3a는 공기 분리 시스템의 통합된 코어에 이중 컬럼 스트립핑 장치의 일부가 편입되어 있는 본 발명의 또 다른 구체예를 도시한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 시스템과 유사하지만 유입 공급 공기가 통합된 코어 내의 스트립핑 컬럼 내로 유도되는 공기 분리 장치를 도시한다.
도 4는 두 개의 통합된 코어를 사용하는 본 발명의 공기 분리 시스템의 또 다른 구체예를 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 시스템과 유사하지만 아르곤 분리 섹션이 제 2의 통합된 코어 내로 편입되어 있는 공기 분리 시스템을 도시한다.
발명의 요약
본 발명은 분리 네트워크를 열교환 기능의 호스트와 조합시켜줄 수 있는 하나의 납땜된 코어를 제공하는 독특한 디자인을 지닌 공기 분리 시스템에 관한 것이다.
열전달 코어의 전체 횡단면을 증가시키면 스트림 간에 더 많은 열전달 기회를 제공함으로써, 효율을 높여준다. 이러한 개선은 열전달의 단위 면적 당 관심을 끄는 비용에 이르게 해줄 수 있다.
또한, 본 발명은 공기 분리 시스템과 관련된 자본 비용(특히, 극저온 공기 분리 시스템의 저온 상자)을 절감시켜주고, 상당량의 상호접속용 배관 및 독립적인 지지 구조 및 저온 상자 용적을 감소시키거나 제거시켜서 배관과 설치 비용을 경감시키도록 질량 전달 기능과 열전달 기능을 하나의 코어로 임의로 조합시킨 디자인을 사용함으로써 총괄 열역학적 효율을 증가시켜준다.
전형적으로, 통합된 코어는 (i) 처리용 공급 공기를 극저온으로 냉각시키고, (ii) 무거운 성분 생성물(전형적으로, 액체 산소)을 비등시키고, (iii) 다수의 처리용 스트림을 과열/과냉각시키는 데에 사용된다. 바람직하게는, 통합된 코어는 알루미늄으로 제조된 납땜된 플레이트-핀(plate-fin) 코어이다. 통합된 코어는 다양한 수준의 열전달 뿐만 아니라 다양한 수준과 타입의 질량 전달(예를 들어, 정류 및 스트립핑)을 효율적으로 조합시키도록 배열된 다수의 통로를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 디자인에 있어서, 통합된 코어는 고압 컬럼(일반적으로 하부 컬럼으로 일컬어짐)과 저압 컬럼(일반적으로 상부 컬럼으로 일컬어짐)을 지닌 이중 컬럼 분리 장치와 유체 연통된 형태로 제공된다. 이중 컬럼 분리 장치는 다양한 증기 스트림으로부터 무거운 성분과 가벼운 성분을 분리시키는 임의의 통상적인 디자인을 지닐 수 있다.
바람직한 디자인에 있어서, 통합된 코어는 유입 공급 공기 스트림이 냉각된 후, 이중 컬럼 분리 장치(전형적으로, 하부 컬럼) 내로 유도되는, 제 1 흡입 통로세트를 포함한다 (그러나, 본 발명의 이점을 달성하기 위해서는 시스템 중의 각각의 스트림에 대해 하나의 통로만이 필요함을 인지해야 한다). 냉각은 바람직하게는 제 1 흡입 통로 세트를 통합된 코어에서 하나 이상의 다른 통로와 열교환 관계를 이루도록 정위시킴으로써 달성된다. 이러한 구체예의 변이에 있어서, 제 1 흡입 통로 세트는 질량 전달을 위한 섹션을 포함할 수 있고, 여기서, 통로 중의 응축물은 환류로서 작용하여 공급 공기 스트림을 정류시킨다. 이러한 경우, 제 1 흡입 통로는 상부 컬럼 내로 유도될 수 있는 응축물 스트림을 형성할 것이다.
제 1 냉각 통로 세트는 분리 장치(전형적으로, 하부 컬럼)으로부터 제 1 기부 스트림을 냉각시키고, 냉각된 제 1 기부 스트림을 분리 장치(전형적으로, 상부 컬럼)로 다시 공급시킨다. 제 1 냉각 통로 세트는 통합된 코어에서 하나 이상의 다른 통로(또는 통로 세트)와 열교환 관계를 이룰 수 있다.
제 1 가온 통로 세트는 분리 장치(바람직하게는, 상부 컬럼)로부터의 제 1 오버헤드 스트림을 가온시키고, 가온된 제 1 오버헤드 스트림을 통합된 코어로부터 배출시킨다. 제 1 가온 통로 세트는 통합된 코어에서 하나 이상의 다른 통로 세트와 열교화 관계를 이룰 수 있다.
통합된 열교환 코어 중의 분리 섹션(바람직하게는, 스트립핑 컬럼)은 분리 장치로부터의(바람직하게는, 통합된 열교환기 코어의 외부에 있는 상부 컬럼으로부터) 제 2 기부 스트림을 분리시켜서, 산소 부화된 스트림과 질소 부화된 스트림을 형성시킨다. 질소 부화된 스트림은 분리 장치(바람직하게는 상부 컬럼) 내로 다시 유도될 수 있다. 바람직하게는, 산소 스트림은 상 분리기에 의해 증기상 스트림과액체상 스트림으로 분리된다. 증기상 스트림은 전형적으로 분리 섹션 내로 다시 유도된다. 바람직한 구체예에 있어서, 분리 섹션은 통합된 코어 내에 통합되고, 분리 장치는 통합된 코어의 외부에 존재한다. 또한, 통합된 코어를 통해 액체상을 펌핑시키기 위해 펌프가 제공될 수 있다.
하나의 증기화 통로 세트는 상 분리기로부터의 액체상 스트림을 증기화시키고, 증기화된 액체상 스트림을 통합된 코어로부터 배출시킨다. 증기화 통로는 통합된 코어의 하나 이상의 다른 통로 세트와 열교환 관계를 이룰 수 있다.
통합된 코어는 상부 컬럼으로부터의 응축된 스트림을 냉각시키고, 냉각되고 응축된 스트림을 분리 장치 내로(전형적으로, 상부 컬럼 내로) 다시 유도시키는 제 2 냉각 통로 세트를 또한 포함할 수 있다. 제 1 냉각 통로 세트와 같이, 제 2 세트가 통합된 코어 중의 하나 이상의 다른 통로 세트와 열교환 관계를 이루는 것이 바람직하다.
통합된 코어는 스트립핑 장치로부터의(바람직하게는, 저압 컬럼으로부터의) 제 2 오버헤드 스트림을 가온시키고, 가온된 제 2 오버헤드 스트림을 통합된 코어로부터 배출시키는 제 2 가온 통로 세트를 또한 포함할 수 있다. 제 2 가온 통로 세트는 통합된 코어 중의 하나 이상의 다른 통로 세트와 열교환 관계를 또한 이룰 수 있다.
분리 섹션으로부터의 산소 부화된 스트림을 가온시키고, 산소 부화된 스트림을 상 분리기 내로 유도시키기 위해 제 4 가온 통로 세트가 제공될 수 있다. 이러한 통로는 통합된 코어 중의 임의의 수의 다른 통로와 열교환 관계를 또한 이룰 수있다.
통합된 코어는 제 2 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키고, 냉각된 제 2 유입 공급 스트림을 분리 장치 내로(바람직하게는, 하부 컬럼 내로) 유도시키는 제 2 흡입 통로 세트를 또한 포함할 수 있다. 제 2 흡입 통로 세트는 통합된 코어 중의 하나 이상의 다른 통로 세트와 열교환 관계를 이룰 수 있다.
통합된 코어는 제 3 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키고, 냉각된 제 3 유입 공급 공기 스트림을 분리 장치 내로(바람직하게는, 저압 컬럼 내로) 유도시키는 제 3 흡입 통로 세트를 또한 포함할 수 있다. 제 3 흡입 통로는 통합된 코어 중의 임의의 수의 다른 통로와 열교환 관계를 이룰 수 있지만, 바람직하게는 제 1 가온 통로 세트 및/또는 제 2 가온 통로 세트와 열교환된다. 대안적인 구체예들에 있어서, 제 3 흡입 통로 세트는 냉각 유닛으로부터 수용한 냉기(refrigerated air) 스트림을 냉각시킬 수 있다. 이러한 구체예에 있어서, 제 3 흡입 통로 세트에서 냉각된 냉기 스트림을 통합된 코어 중의 다른 통로에 대해 가온시키고, 냉기 스트림을 통합된 코어로부터 냉각 유닛 내로 다시 배출시키기 위해, 통합된 코어는 제 4 가온 통로 세트를 또한 포함할 수 있다.
통로 세트들이 통합된 코어 내에서 다른 통로 세트들과 다수의 열교환 상호작용을 지니게 되도록 설계될 수 있다고 하더라도, 제 1 흡입 통로 세트와 제 2 흡입 통로 세트가 제 1 가온 통로 세트, 제 2 가온 통로 세트, 및 증기화 통로 세트 중 어느 하나와 열교환 관계를 공유하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 냉각 통로 세트와 제 2 냉각 통로 세트는 적어도 제 1, 제 2 및 제 4 가온 통로 세트 중의 어느 하나와 열교환 관계를 공유할 수 있다.
일반적으로, 통합된 코어는 흡입 통로와 가온 통로로의 유입과 유출을 위해 통합된 코어 내에 개구를 포함하는 온난한 단부, 및 분리 섹션을 포함하는 차가운 단부로 나뉘어진다. 전형적으로, 온난한 단부는 통합된 코어의 상단부이고, 차가운 단부는 하단부이지만; 통합된 코어는 하단부가 온난한 단부(흡입 및 가온 통로에 대한 개구를 포함함)가 되고, 상단부가 차가운 단부(분리 섹션을 포함함)가 되게 하도록 설계될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예에 있어서, 가벼운 성분 생성물을 생성시키기 위해, 통합된 코어는 이중 컬럼 분리 시스템을 사용함이 없이 단독으로 존재할 수 있다. 이러한 구체예에 있어서, 공기 분리 시스템은 질소 부화된 오버헤드 스트림과 산소 부화된 기부 스트림을 형성시키도록 유입 공급 공기 스트림을 정류시키는 정류 섹션(또는 다른 분리 섹션)을 포함할 수 있다. 정류 섹션은 혼합 유체 스트림을 정류시키기 위해 임의의 통상적인 디자인을 이용할 수 있다. 더욱 바람직한 구체예에 있어서, 정류 섹션은 통합된 코어 내에 통합되어 있지만; 공기 분리 시스템은 정류 섹션이 통합된 코어의 외부에 위치하지만 이와 유체 연통하게 되도록 설계될 수 있다.
이러한 구체예의 통합된 코어는 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키고, 냉각된 유입 공급 공기 스트림을 정류 섹션 내로 공급시키는 제 1 냉각 통로 세트를 포함한다. 제 2 냉각 통로 세트는 정류 섹션으로부터의 기부 스트림을 냉각시킨다. 제 1 가온 통로 세트는 오버헤드 스트림의 제 1 부분을 가온시키고, 오버헤드 스트림의 가온된 부분을 다시 정류 섹션 내로 유도시킨다. 제 1 가온 통로 세트는 하나 이상의 냉각 통로 세트와 열교환 관계를 이룰 수 있다. 제 2 가온 통로 세트는 오버헤드 스트림의 제 2 부분을 가온시키고, 오버헤드 스트림의 가온된 제 2 부분을 통합 코어로부터 배출시킨다. 제 2 가온 통로는 냉각 통로 중 어느 하나와 열교환 관계를 또한 이룰 수 있다. 증기화 통로 세트는 제 2 냉각 통로로부터의 냉각된 기부 스트림을 증기화시키고, 증기화된 기부 스트림을 통합된 코어로부터 배출시킨다. 증기화 통로는 냉각 통로 중 어느 하나와 열교환 관계를 이룰 수 있다. 바람직한 구체예들에 있어서, 냉각된 기부 스트림은 터보팽창기에 의해 팽창된다.
본 발명의 또 다른 구체예에 있어서, 공기 분리 시스템은 이중 컬럼 분리 장치, 정류 컬럼(또는 다른 분리 컬럼), 및 이중 컬럼 분리 장치로부터의 하부 컬럼이 포함되어 있는 통합된 코어를 포함할 수 있다.
이러한 구체예의 통합된 코어는 제 1 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키는 제 1 흡입 통로 세트를 포함한다. 제 1 유입 공기 스트림은, 디자인 규격에 따라, 하부 컬럼의 분리 장치 내로 유도될 수 있다. 통합된 코어는 제 2 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키고, 냉각된 제 2 유입 공급 공기 스트림을 이중 컬럼 분리 장치 내로(전형적으로, 상부 컬럼 내로) 공급시키는 제 2 흡입 통로 세트를 또한 포함할 수 있다. 분리 장치의 하부 컬럼은 질소 부화된 제 1 오버헤드 스트림과 산소 부화된 제 1 기부 스트림을 생성시킨다.
통합된 코어는 하부 컬럼으로부터의 제 1 기부 스트림을 냉각시키고, 이를 분리 장치, 전형적으로 상부 컬럼 내로 다시 공급시키는 제 1 냉각 통로 세트를 또한 포함할 수 있다.
상부 컬럼은 분리 장치 및/또는 통합된 코어로부터 수용한 스트림을 분리시켜서, 산소 부화될 수 있는 제 2 기부 스트림과 질소 부화된 제 2 오버헤드 스트림을 생성시킬 수 있다.
바람직하게는, 상부 컬럼 내의 응축기로부터의 제 2 기부 스트림을 냉각시키고, 제 2 기부 스트림을 이중 컬럼 분리 장치 내로(전형적으로, 상부 컬럼 내로) 공급시키기 위해, 제 2 냉각 통로 세트가 제공된다. 제 2 냉각 통로는 통합된 코어 중에서 스트림을 가온시키는 임의의 통로와 열교환 관계를 이룰 수 있다.
제 1 가온 통로 세트는 하부 컬럼으로부터의 제 1 오버헤드 스트림으 ㄹ가온시키고, 가온된 제 1 오버헤드 스트림의 일부 또는 전부를 통합된 코어로부터 배출시킨다. 가온된 제 1 오버헤드 스트림의 나머지는 상부 컬럼 내의 응축기에 의해 응축될 수 있다. 제 1 가온 통로 세트는 통합된 코어 중에서 스트림을 냉각시키는 임의의 통로와 열교환 관계를 이룰 수 있다.
통합된 코어는 저압 컬럼으로부터의 제 2 오버헤드 스트림을 가온시키는 제 2 가온 통로 세트를 또한 포함할 수 있다. 제 2 가온 통로는 통합된 코어의 냉각 통로 중의 어느 하나와 열교환 관계를 또한 이룰 수 있다.
분리 컬럼(상부 컬럼 또는 통합된 열교환기 컬럼)으로부터의 제 3 기부 스트림을 가온시키고, 이 스트림을 통합된 코어로부터 배출시키기 위해, 제 3 가온 통로 세트가 제공될 수 있다. 전형적으로, 제 3 가온 통로는 냉각 통로 중 어느 하나와 열교환 관계를 이룬다.
본 발명의 또 다른 구체예에 있어서, 공기 분리 시스템은 서로 유체 연통되는 두 개의 통합된 코어를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 공기 분리 시스템에는 이중 컬럼 장치가 편입되며, 저압 컬럼과 고압 컬럼은 다수의 통합된 코어 내에 통합되어 있다.
제 1의 통합된 코어는 제 1 공급 공기 스트림을 냉각시키는 제 1 흡입 통로 세트를 포함할 수 있지만, 필요에 따라 그 밖의 공급 공기 스트림을 수용하기 위해 추가의 흡입 통로가 제공될 수 있다. 제 2 흡입 통로 세트가 제 1의 통합된 코어 내로 편입되는 경우, 이러한 통로는 제 2 공급 공기 스트림을 냉각시킬 수 있다. 전형적으로, 제 2 흡입 통로 세트는 이의 공기 스트림을 제 1 분리 섹션(하기 설명됨) 내로 공급시킨다. 더욱 바람직한 구체예에 있어서, 제 2 흡입 통로로부터의 제 2 공급 공기 스트림의 일부가 팽창되어, 제 1 흡입 통로 세트 내로 공급될 수 있다.
제 1 분리 섹션은 냉각된 제 1 공급 공기 스트림을 질소 부화된 제 1 오버헤드 스트림과 산소 부화된 제 1 기부 스트림으로 분리시킬 수 있다. 제 1 분리 섹션은 바람직하게는 이중 컬럼 분리 시스템의 하부 컬럼이다. 제 1 냉각 통로 세트는 제 1 분리 섹션으로부터의 제 1 기부 스트림을 냉각시킨다.
하나의 증기화 통로 세트는 제 2의 통합된 코어(하기 설명됨)로부터의 액체상 스트림을 증기화시키고, 증기화된 액체상 스트림을 통합된 코어로부터 배출시킨다. 증기화 통로는 흡입 통로 및 제 1 냉각 통로 중 어느 하나와 열교환 관계를 이룰 수 있다.
제 1 가온 통로 세트는 제 2 오버헤드 스트림(바람직하게는, 제 2의 통합된 코어 내의 상부 컬럼으로부터의)을 가온시키고, 가온된 제 2 오버헤드 스트림을 제 1의 통합된 코어로부터 배출시킨다. 제 1 가온 통로는 흡입 통로 및 제 1 냉각 통로 중 어느 하나와 열교환 관계를 이룰 수 있다.
제 2의 통합된 코어는 제 1 분리 섹션으로부터의 제 1 오버헤드 스트림을 가온시키고, 가온된 제 1 오버헤드 스트림을 제 1 분리 섹션 내로 다시 공급시키는(즉, 하부 컬럼에 대한 환류) 제 2 가온 통로 세트를 포함할 수 있다. 제 2 분리 섹션(상부 컬럼)은 하나 이상의 냉각된 스트림을 수용하고, 이 스트림을 질소 부화된 제 2 오버헤드 스트림과 산소 부화된 제 2 기부 스트리므로 분리시킨다. 제 3 가온 통로 세트는 제 2 오버헤드 스트림을 가온시키고, 가온된 제 2 오버헤드 스트림을 제 1 가온 통로 내로 공급시킨다. 제 3 가온 통로는 통합된 코어의 임의의 냉각(흡입을 포함함) 통로와 열교환 관계를 이룰 수 있다.
제 2 기부 스트림을 가온(및 부분적으로 증기화)시키기 위해 제 4 가온 통로 세트가 제공될 수 있다. 가온된 제 2 기부 스트림은 상 분리기를 사용하여 증기상 스트림과 액체상 스트림으로 분리될 수 있다. 액체상 스트림은 증기화 통로 내로 공급될 수 있고, 증기상 스트림은 제 2 분리 섹션 내로 다시 공급될 수 있다. 바람직하게는, 액체상은 증기화 통로 내로 펌핑된다. 제 4 가온 통로는 통합된 코어의 냉각 통로(흡입 통로를 포함함) 중의 어느 하나와 열교환 관계를 이룰 수 있다.
제 2의 통합된 코어는 제 2 분리 섹션으로부터의 제 3 오버헤드 스트림을 가온시키고, 가온된 제 3 오버헤드 스트림을 제 2의 통합된 코어로부터 배출시키는제 5 가온 통로 세트를 또한 포함할 수 있다. 제 5 가온 통로로부터의 제 3 오버헤드 스트림을 수용하고 이를 제 1의 통합된 코어로부터 배출시키면서 제 1의 통합된 코어 중의 하나 이상의 다른 스트림에 대해 이 스트림을 가온시키기 위해, 제 6 가온 통로 세트가 제공될 수 있다.
몇몇 구체예에 있어서, 제 2의 통합된 코어는 제 1 냉각 통로로부터의 제 1 기부 스트림을 냉각시키기 위한 제 2 냉각 통로 세트를 또한 포함할 수있다. 또한, 제 3 냉각 통로 세트는 제 2 흡입 통로로부터의 제 2 공급 공기 스트림을 냉각시킬 수 있다. 제 4 냉각 통로 세트는 제 2 가온 통로로부터의 가온된 제 1 오버헤드 스트림의 일부를, 이러한 부분이 제 1 분리 섹션 내로 다시 공급되기 전에, 수용하고 냉각시킬 수 있다. 제 2 분리 섹션(즉, 상부 컬럼)은 제 2, 제 3 및 제 4 냉각 통로로부터의 스트림 중의 어느 하나를 분리시킬 수 있다. 또한, 제 2, 제 3 및 제 4 냉각 통로 세트는 제 2의 통합된 코어 중의 가온 통로 중 어느 하나, 특히, 제 2 가온 통로와 열교환 관계를 이룸으로써 냉각을 제공할 수 있다.
그러나, 추가의 분리 섹션이 제 2의 통합된 코어 내로 편입되는 경우, 공기 분리 시스템은, 적어도 상기 설명된 바와 같은, 제 2 냉각 통로, 제 3 냉각 통로, 또는 제 4 냉각 통로를 반드시 포함할 필요가 없다. 예를 들어, 이러한 구체예의 공기 분리 시스템(두 개의 통합된 코어를 지님)에는 바람직하게는 제 2의 통합된 코어 내로 통합될 수 있는 아르곤 분리 섹션이 또한 편입될 수 있다. 아르곤 풍부 스트림을 생성시키고자 하는 경우, 제 2 분리 섹션은 제 1 아르곤 풍부 스트림을 생성시키도록 변형될 수 있다.
아르곤 분리 섹션은 제 1 아르곤 풍부 스트림을 제 2 아르곤 풍부 스트림과 아르곤 고갈 스트림으로 추가로 분리시킨다. 제 2 아르곤 풍부 스트림의 일부 또는 전부는 제 1 아르곤 생성물 스트림으로서 제 2의 통합된 코어로부터 배출된다.
리보일러/응축기 섹션은 제 2의 통합된 코어에 제공될 수 있으며, 비등 통로와 열교환 관계를 이루는 응축 통로를 포함한다. 냉각된 제 1 기부 스트림의 일부는 응축 통로에서 응축될 수 있다. 제 2 아르곤 풍부 스트림의 일부는 전형적으로 비등 통로에서 비등된다. 비등된 제 2 아르곤 풍부 스트림의 일부 또는 전부는 환류를 위해 아르곤 분리 섹션 내로 다시 공급될 수 있다. 비등된 제 2 아르곤 풍부 스트림의 나머지는 제 2 생성물 아르곤 스트림으로서 제 2의 통합된 코어로부터 배출될 수 있다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
도 1a는 본 발명의 하나의 바람직한 구체예로서, 일반적으로, 저순도 산소를 생성시키기 위해 이중 컬럼 분리 장치와 함께 통합된 열교환 코어를 사용하는 극저온 공기 분리 시스템을 도시한다. 이 시스템은 차가운 엔드업(end up)을 이루면서 배열되어 있다. 저순도 산소 생성물(바람직하게는 약 50 내지 95% 순도)을 생성시키기 위한 공기 분리 공정에서 사용되는 보조의 리보일링(reboiling)된 스트립핑 섹션 또는 측부 스트립퍼(50)가 열교환 코어 내에 통합되어 있다. 이중 컬럼 분리 장치는 임의의 통상적인 타입을 지닐 수 있고, 이 경우, 하부 컬럼(20)과 상부 컬럼(40)을 포함하며, 두 컬럼 모두는 서로에 대해 및 통합된 코어(1)와 유체 연통된다.
시스템 내의 다수의 유체 스트림 간의 열전달을 촉진시키기 위해, 통합된 코어(1)의 열전달 섹션은 플레이트-핀 디자인을 이용할 수 있는데, 여기서, 통합된 코어(1) 전체에 걸쳐 있는 통로는 다른 통로 내의 유체 스트림과 열교환 관계를 이루도록 유체 스트림이 통합된 코어(1)를 통과하게 해줄 수 있는 핀부착(finned) 통로를 지닌다. 열전달을 촉진시키고 비용을 저렴하게 유지시키기 위해 플레이트-핀 시스템을 알루미늄으로 작제하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 통합된 코어(1)의 모든 열교환 섹션은 하나의 납땜된 알루미늄 코어에 편입된다.
통합된 코어(1)는 통합된 코어(1) 내의 통로를 통해 저압 공기 스트림(101), 고압 부스팅(boosting)된 공기 스트림(103), 및 중간 압력 터빈 공기 스트림(109)을 수용하며, 상기 통로는 통합된 코어(1)의 섹션(2)(온난한 단부) 내의 폐기물 질소 스트림(143), 기체 산소 스트림(172) 및 질소 생성물 스트림(124)을 포함하는 기존의 공정 스트림을 함유하는 통합된 코어(1)의 통로와 열교환 관계를 이룬다. 열교환 관계를 통해, 각각의 공기 스트림(101, 103 및 109)은 이들이 통합된 코어(1)를 통해 이동함에 따라 냉각된다.
전형적으로 약 125 내지 약 200 psia이고 전체 공급 공기 흐름의 약 7 내지 약 15%를 구성하는 중간 압력 공기 스트림(109)은 범위가 바람직하게는 약 140 내지 약 160 K인 온도에 도달한 후 스트림(110)으로서 통합된 코어(1)로부터 배출되지만; 온도는 특정 디자인에 필요한 냉각량에 좌우될 수 있다. 바람직하게는, 냉각된 공기 스트림(110)은 팽창기(10)에서 팽창되어 스트림(119)를 형성시키며, 이 스트림은 플랜트에 대한 냉각을 제공하여 다양한 냉각 손실원과 공정 내로의 열누출원을 보충한다. 또한, 스트림(119)는 임의의 액체 생성물 (도시되지 않음)을 제공하는 데에 필요한 추가의 냉각을 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우, 팽창된 터빈 공기 스트림(119)(전형적으로 약 19 내지 약 22psia의 범위임)은 분리가 수행되는 상부 컬럼(40) 내로 공급된다.
공기 스트림(103)은 통합된 코어(1) 내의 이의 통로(들)을 지나면서 추가로 냉각된다. 통합된 코어(1)의 중간 열전달 섹션(3)에 있어서, 전형적으로 약 100 내지 약 450 psia의 범위이고 전체 공급 공기 흐름의 약 25 내지 약 35%를 구성하는 부스팅된 공기 스트림(103)은 비등하는 액체 산소 생성물 스트림(171)을 함유하는 통로(들)과의 열교환 관계로 인해 응축될 수 있다. 섹션(3)에서, 스트림(103)은 바람직하게는 비등하는 액세 산소 스트림(171)과 교차흐름 배향되어 있다. 생성된 과냉각된 액체 부스팅된 공기 스트림(104)은 전형적으로 약 95 내지 약 115 K의 온도에서 통합된 코어(1)로부터 배출될 수 있다.
이러한 구체예에 있어서, 액체 공기 스트림(104)은 스트림(105 및 107)로 분할되며, 각각 밸브(10A)와 밸브(10B)에서 드로틀링(throttling)된다. 생성된 드로틀링된 액체 공기 스트림(106 및 108)은 각각 상부 컬럼(40)과 하부 컬럼(20) 내로 공급된다. 스트림(106)은 전체의 과냉각된 액체 부스팅된 공기 스트림(104)의 0 내지 100%일 수 있다.
저압 공기 스트림(101)(바람직하게는, 약 45 내지 약 60 psia 및 약 94 내지 약 96 K)은 전체 공급 공기 흐름의 나머지를 함유한다. 저압 공기 스트림(101)은 통합된 코어(1)의 열전달 섹션(4)에서 분리 섹션(50)의 하부로부터 배출되는 비등하는 액체 산소 스트림(152)에 대하여 부분적으로 응축된다. 저압 공기 스트림(101)은 비등하는 하부 액체 산소 스트림(153)과 교차흐름 배향될 수 있다. 생성된 부분적으로 응축된 공기 스트림(101)은 통합된 코어(1)로부터(약 90 내지 약 105。K의 온도에서) 스트림(102)로서 배출되며, 이의 증기 분획은 전형적으로 약 0.7 내지 약 0.8% 이다. 스트림(102)는 고압 정류 컬럼(20) 내로 공급될 수 있다.
고압 컬럼(20)은 부분적으로 응축된 공급 공기 스트림(102)과 드로틀링된 과냉각된 액체 공급 공기 스트림(108)을 거의 순수한 질소 증기 오버헤드 스트림(121)과 산소 풍부 기부 액체 스트림(125)으로 분리시킨다. 전형적으로 약 10% 이하의 오버헤드 스트림(121)의 소분획은 질소 생성물 스트림(123)으로서 취해질 수 있다. 생성물 스트림(123)은 통합된 코어(1)의 차가운 단부로 유입된 후, 스트림(124)으로서 통합된 코어(1)로부터 배출되기 전까지 유입 스트림(101, 103 및 109) 중의 하나 이상에 대하여 주위 온도로 가온된다.
거의 순수한 질소 증기(약 90 내지 약 99.6% 순도) 생성물이 하부 컬럼(20)의 상단으로부터 배출된다고 하더라도, 질소 생성물은 공정 내의 다른 장소로부터 배출될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 질소 생성물은 상부 컬럼(40)으로부터도 배출될 수 있다. 이러한 경우, 고순도 질소 생성물 스트림이 상부 컬럼(40)의 상단으로부터 배출될 수 있고, 폐기물 질소는 상부 컬럼(40) 내의 약간 낮은 지점으로부터 배출될 수 있다. 그 후, 질소 스트림은 둘 모두는 별개의 통로에서 통합된 코어(1)를 통과할 수 있다.
거의 순수한 질소인 하부 컬럼(20)으로부터의 오버헤드 스트림(121)의 나머지는 스트림(22)으로서 상부 컬럼(40) 내로 공급될 수 있으며, 이는 상부 컬럼(40)의 기부 산소 풍부 액체에 대하여 응축기/리보일러(주응축기)(30)에서 응축된다. 응축된 스트림은 응축된 오버헤드 스트림(31)으로서 주응축기(30)로부터 배출된다. 스트림(131)은 스트림(132 및 133)으로 분할될 수 있다. 스트림(132)(전형적으로 전체 응축된 오버헤드 스트림(131)의 약 40 내지 약 55%의 범위임)는 환류를 위해 하부 컬럼(20)으로 귀환된다.
스트림(132)의 잔여 분획인 스트림(133) 및 하부 컬럼(20)의 기부로부터 배출되는 케틀 액체 스트림(125)(전형적으로 약 35몰% 산소)은 통합된 코어(1)의 통합된 스트립핑 분리 섹션(50)의 길이를 따라 열전달 섹션(5)에서 배출하는 기체 스트림(142 및 123)에 대하여 간접 냉각된다 (약 80 내지 약 95。K로). 상응하는 과냉각된 스트림(134(스트림(133)에 상응함) 및 126(스트림(125)에 상응함))은 각각 밸브(10C 및 10D)에서 드로틀링되어 각각 드로틀링된 액체 스트림(135 및 127)을 형성시킬 수 있다. 스트림(135 및 127)은 상부 컬럼(40) 내로 공급되어, 추가로 분별될 수 있다. 바람직하게는, 스트림(135)는 상부 컬럼(40)의 상단 내로 공급된다.
상부 컬럼(40)은 스트림(119, 127 및 135)를 기체 질소 스트림(142)과 기부 액체 산소 스트림(141)으로 분리시킨다. 저압 컬럼(40)에서 사용되는 보일업(boilup) 증기는, 주응축기(30)에 대해 상기 설명한 바와 같이, 상부 컬럼(40)의 기부에 있는 액체 산소를 하부 컬럼(20)의 응축하는 오버헤드스트림(122)에 대하여 간접 비등시킴으로써 제공될 수 있다.
상부 컬럼(40)으로부터의 생성물 액체 산소 스트림(141)은 통합된 코어(1)의 섹션(50) 내로 공급될 수 있다. 섹션(50)은 바람직하게는 리보일링된 스트립핑 분리 컬럼의 기능을 수행한다. 따라서, 액체 분획은 이것이 스트립핑 증기와의 횡류 흐름을 통해 스트립핑 섹션(50)의 길이 방향으로 하향 유동함에 따라 산소가 추가로 농축된다. 증기 스트림(151)은 스트립핑 섹션(50)의 상단으로부터 배출되며, 상부 컬럼(40)의 기부 내로 공급된다. 상부 컬럼(40)에 있어서, 증기 스트림(151)은 주응축기(30)에 의해 생성된 증기와 합쳐져서, 이것이 컬럼 위쪽으로 유동함에 따라 추가로 분리된다.
스트립핑 섹션(50)으로부터의 기부 액체 스트림은 스트림(152)로서 배출된 후, 통합된 코어(1)의 섹션(4)에서 저압 공급 공기 스트림(102)에 대하여 부분적으로 증기화될 수 있다. 생성된 2상(부분적으로 증기화됨) 기부 액체 산소 스트림(153)은 통합된 코어(1)로부터 배출되어 상 분리기(60) 내로 공급될 수 있다. 전형적으로 스트림(153)의 약 40 내지 약 60%를 구성하는 상 분리기(60)로부터의 증기 스트림(161)은 스트립핑 섹션(50)으로 귀환되어, 스트립핑 증기의 역할을 한다. 상 분리기(60)로부터의 액체 분획은 펌프(70)를 사용하여 원하는 압력으로 가압된다. 생성된 고압 액체 산소 스트림(171)은 섹션(3)에서 통합된 코어(1)로 유입된다. 여기에서, 이 스트림은 주로 부스팅된 공기 스트림(103)에 대하여 증기화되고, 다른 배출되는 스트림(127 및 143)과 함께, 다른 공기 스트림(101 및 109) 중의 하나 이상에 대하여 주위 온도로 가온된다. 스트림(171)은 생성물 산소스트림(172)로서 통합된 코어(1)로 유입된다.
플레이트-핀 열교환기에서 산소 풍부 스트림을 비등시켜서 건조시키는 것과 관련하여 안전성 문제가 해결됨을 보장하도록 적당한 공정 변형이 이루어지는 경우, 상 분리기(60)가 제거될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 분리기(60)가 제거되는 경우, 액체 스트림(152)은 생성물 스트림으로서 스트립핑 섹션(50)의 기부로부터 취해질 수 있고, 스트립핑 섹션(50)의 기부 액체의 나머지는 통합된 코어의 열전달 섹션(4)에서 완전 증기화되어, 스트립핑 섹션(50)(도시되지 않음)에 스트립핑 증기를 제공할 수 있다. 도시되지 않지만, 액체 생성물은 공정과 디자인을 최소로 변화시킴으로써 통합된 코어로부터도 배출될 수 있다.
도 1b는 통합된 코어(1)의 배향이 역방향인 도 1a에 도시된 통합된 코어의 대안적인 배열을 도시한다. 스트립핑 섹션(50)을 함유하는 차가운 단부는 통합된 코어(1)의 기부에 정위되어 있고, 온난한 단부는 상단에 정위되어 있다. 이러한 형태에 있어서, 섹션(2 및 3)에 유입되는 공기 스트림은 하향 유동한다. 통합된 코어(1)의 다수의 열전달 및 질량 전달 섹션이 이러한 형태에서 공간적으로 배열되어, 최소의 노력 및 하드웨어로 최상의 총괄 열역학적 특징을 달성할 수 있다. 시스템의 나머지 부분은 도 1a의 시스템에 대해 설명된 부분과 유사하므로, 반복 설명되지 않는다.
도 1c는 도 1a에 도시된 통합된 코어에 대한 또 다른 약간의 변형예를 도시한다. 이 구체예에 있어서, 스트립핑 섹션(50)은 열전달 섹션과 분리되도록 통합된 코어(1)의 외부에 정위된다.
도시된 바와 같이, 통합된 코어(1)는 흐름 방향의 관점에서 수직 배향되어 있으며, 차가운 단부가 온난한 단부 보다 높은 위치에 정위된다. 그러나, 도 1b의 시스템에 대해 설명된 바와 같이, 온난한 단부는 차가운 단부 보다 높은 위치에 정위될 수 있다. 또한, 디자인을 적절히 조정한 경우, 통합된 코어(1)는 수평 스트림 흐름 방향으로 배향될 수 있다. 통합된 코어(1)의 열전달 네트워크의 나머지 부분은 도 1a에 대해 설명된 부분과 유사하다.
도 1d는 도 1a에 도시된 공기 분리 시스템에 대한 또 다른 약간의 변형예를 도시한다. 상세하게는, 이 구체예에 있어서, 통합된 코어(1)는 도 1a의 시스템에 대해 설명된 바와 같이, 터빈(10) 내의 팽창 공급 공기 스트림(109) 대신, 플랜트 냉각을 위해 혼합 기체 냉각 시스템(MGR10)을 수용한다. 따라서, 이 시스템에는 터빈 공기 스트림(109, 110 및 119)이 없다.
바람직하게는, 특정 용도를 위해 적합하게 선택된 기체의 혼합물을 포함하는 혼합 기체 냉각 시스템(MGR10)의 작업 유체인 스트림(MG109)은 통합된 코어(1)의 온난한 단부에 유입된다. 냉각 스트림(MG109)는 하기 설명되는 바와 같이 배출되는 공정 스트림(123, 142 및 171) 뿐만 아니라 배출되는 드로틀링된 냉각 스트림(MG119)에 대하여 통합된 코어(1)의 섹션(2)에서 응축되고 과냉각된다. 생성된 과냉각된 액체 냉각 스트림(MG110)은, 바람직하게는 약 80 내지 약 120。K의 온도에 도달한 후, 주울-톰슨(Joule-Thompson) 밸브(JT10)에서 팽창될 수 있다. 생성된 저압 냉각 스트림(MG119)는 스트림(MG110)이 통합된 코어(1)로부터 배출되는 곳 보다 차가운 코어의 길이에 걸친 지점에서 통합된 코어(1)로 귀환될 수 있다. 공기 분리 시스템의 나머지 부분은 도 1a에 대해 설명된 시스템과 유사하다.
도 1e는 도 1a에 도시된 공기 분리 시스템에 대한 또 다른 변형예를 도시한다. 이러한 시스템에는 도 1d에 대해 상기 설명된 시스템과 유사한 혼합 기체 냉각 시스템이 편입되어 있지만; 냉각 유체 스트림(MG109)은 가압된 액체 산소 생성물(스트림(171))을 비등시키는 데에도 사용될 수 있다. 따라서, 이 구체예에는 부스팅된 공급 공기 스트림(103)과 도 1a의 시스템에서 사용되는 관련된 스트림이 없다. 부스팅된 공기 스트림(103-108)와 비등 스트림(171)의 추가의 작용이 없는 것 이외에, 시스템의 나머지 부분은 도 1d에 도시된 시스템과 유사하다. 그러나, 이러한 구체예의 정확한 흐름 및 공정 조건은 다른 구체예와 달라질 수 있다. 또한, 터빈(10)과 스트림(103)을 대체하기 위해 사용되는 MGR 시스템은 하나 이상의 냉각 루프를 포함할 수 있다.
도 2a는 질소 생성물과 매우 저순도의 산소 생성물을 생성시키는 데에 사용되는 공기 분리 시스템에 통합된 코어 개념을 적용시킨 형태를 도시한다. 분리 섹션(20)(바람직하게는, 정류 컬럼)이 분리 시스템에서 사용되고, 통합된 코어(1) 내에 편입되어 있다. 이 시스템은 필요한 플랜트 냉각을 제공하기 위해 저순도 산소의 팽창을 이용하지만; 특정 플랜트 규격에 최적인 것으로 간주되는 경우, 질소 생성물 스트림과 같은 그 밖의 공정 스트림이 냉각 목적으로 팽창될 수 있다.
도시된 바와 같이, 전형적으로 약 110 내지 약 150psia의 압력을 갖는 예비 정제된 공급 공기 스트림(101)은 통합된 코어(1)의 섹션(2) 내의 배출하는 질소 생성물 스트림(123/124)와 매우 저순도의 산소 풍부 스트림(171/172)을 함유하는 통로(들)에 대하여 극저온(바람직하게는, 약 80 내지 약 120。K)으로 냉각된다. 통합된 코어(1)의 분리 섹션(20)은 냉각된 공급 공기 스트림(102)을 거의 순수한 질소 액체 오비헤드 스트림(121)과 산소 풍부 기부 스트림(125)으로 분리시킨다. 오버헤드 스트림(121)의 분획(전형적으로는 약 40 내지 약 60%)은 가벼운 성분 생성물 스트림(123)으로서 취해질 수 있으며, 이것은 스트림(101)에 대하여 주위 온도로 가온되고, 스트림(124)로서 배출된다.
스트림(121)의 나머지 부분은 통합된 코어(1)의 열전달 섹션(30)에서 드로틀링된 산소 풍부 스트림(127)에 대하여 오버헤드 스트림(122)으로서 응축될 수 있다. 이러한 응축 공정은 도 1a의 시스템에서의 응축기/리보일러(30)와 유사한 기능을 수행한다. 생성된 응축된 오버헤드 스트림은 전형적으로 약 80 내지 약 90。K에서 환류를 위해 분리 섹션(20) 내로 공급된다.
기부 산소 풍부 액체 스트림(125)은 분리 섹션(20)으로부터 배출된 후, 열전달 섹션(5)에서 배출하는 기체 스트림(151)(바람직하게는, 매우 저순도의 산소)에 대하여 약 90 내지 약 120。K로 간접적으로 냉각될 수 있다. 그 후, 스트림(125)는 스트림(126)으로서 통합된 코어(1)로부터 배출된다. 스트림(126)은 밸브(10D)에서 드로틀링되어 스트림(127)을 형성하며, 이 스트림(127)은 스트림(151)로서 열전달 섹션(30)에서 통합된 코어(1)로 귀환된다. 스트림(151)은 스트림(122)에 대하여 증기화되고, 섹션(5)에서 (약 80 내지 약 100。K)로 과열될 수 있다. 과열된 스트림(151)은 스트림(170)으로서 통합된 코어(1)로부터 배출되고, 이것은 터빈/팽창기(10)에서 팽창되어 필요한 플랜트 냉각을 제공할 수 있다. 생성된 팽창된 스트림(171)은 통합된 코어로 귀환되고, 유입 공급 공기 스트림(101)에 대하여 주위 온도로 가온된다.
도 2b는 도 2a에 도시된 공정의 대안적인 형태를 도시한다. 이 구체예에 있어서, 통합된 코어(1)의 외부에 정위된 섹션(20)(도 2a의 분리 섹션(20)에 상당함)은 공급 공기를 거의 순수한 질소 스트림(121)과 산소 풍부 기부 액체 스트림(125)으로 분리시키는 데에 사용된다. 통합된 코어(1)의 외부에 정위되는 섹션(20)을 제외하고는, 시스템의 나머지 부분은 도 2a에 도시되어 있는 시스템과 유사하지만, 통합된 코어(1)의 다수의 열전달 섹션의 정위는 약간씩 달라질 수 있다.
도 3a는 극저온 공기 분리 시스템에 통합 개념을 적용시킨 대안적인 형태를 도시한다. 상세하게는, 도 3a는, 스트립핑 섹션(50)(도 1a에 도시된 시스템의 경우) 대신, 고압 컬럼(20)이 통합된 코어(1) 내의 과열기, 산소 생성물 보일러, 및 주열교환기와 통합되어 있는 시스템을 도시한다. 또한, 이러한 구체예의 통합된 코어에는 전형적으로 섹션(50)에 대한 리보일러의 역할을 하는 열전달 섹션(4)이 없다. 대신, 보조 스트립핑 섹션(50)과 이의 리보일러(80)가 통합된 코어(1)의 외부에 정위되어 있다. 그러나, 스트립핑 섹션(50)은 약간의 공정 변형을 가함으로써 제거될 수 있다. 이러한 변형된 시스템에 있어서, 상부 컬럼(40)의 기부로부터의 액체 스트림은, 전형적으로 스트립핑 섹션(50)에 의해 제공되는 추가의 부화에 대한 필요없이 산소 생성물 순도 요건을 충족시킬 것이다. 고압 컬럼(20)과 스트립핑 섹션(50)의 재배열 이외에, 도 3a에 도시된 시스템은 도 1a의 시스템과 유사하다.
도 3b는 스트립핑 섹션(50)이 제거된 경우의 통합된 코어(1)를 도시한다. 저압 공급 공기 스트림(102)은 약간 과열된 증기(전형적으로 약 90 내지 110。K를 가짐) 또는 포화 증기에 가까운 증기로서 통합된 코어(1)의 열전달 섹션(3)으로부터 직접 통합된 코어(1)의 고압 섹션(20)으로 유입된다. 상부 컬럼(40)은 편의상 도 3b에 도시되어 있지 않다. 도 1a에 도시된 시스템의 경우와 같이, 도 3a와 도 3b의 통합된 코어(1)는 플랜트 냉각 요건을 제공하기 위해 가장 적합한 배향 뿐만 아니라 최적 구성을 수용하도록 변형될 수 있다.
도 4는 본 발명의 더욱 또 다른 구체예를 도시하는 도면이다. 이러한 구체예에서, 저압 섹션(40) 및 고압 섹션(20)은 각각 별도의 열 전달 코어(1B) 및 (1A)내에 통합되어 있다. 따라서, 도 3b에 도시된 통합된 열전달 코어(1)와 유사한 통합된 열 전달 코어(1A)에 더하여, 통합된 열전달 코어(1B)도 또한 도 1a의 주응축기(30) 및 상부 칼럼(40)의 기능과 유사한 기능을 수행함으로써 열전달 및 질량 전달을 위해 이용될 수 있다.
이러한 구체예의 공기 분리 시스템은 하나의 측부 스트립핑 칼럼 또는 리보일러를 사용하지 않는다. 대신에, 시스템은 액체 스트림은 통합된 열전달 코어(1B)의 저압 섹션(40)의 기부에 있는 액체 스트림이 원하는 산소 생성물 순도로 제공되도록 작동된다. 시스템의 나머지 부분은 (a) 저압 분리 섹션(40) (열전달 코어(1B)에 통합되어 있는) 및 고압 분리 섹션(20)(열전달 코어(1A)에 통합되어 있는)이 상부 칼럼(40) 및 하부 칼럼(20)을 대신하며; (b) 통합된 열전달 코어(1B)의 열전달 섹션(30)이 전형적인 리보일러/응축기를 사용하는 대신에 통합된 열전달코어(1A)의 고압 분리 섹션(20) 및 통합된 열전달 코어(1B)의 저압 분리 섹션(40)과 열적으로 연결되고; (c) 케틀 액체 스트림(125) 및 응축된 질소 스트림(133)이 단일의 열전달 섹션에서 과냉각되는 것과 반대로 통합된 열전달 코어(1A)의 열전달 구역(5A) 및 통합된 열전달 코어(1B)의 열전달 섹션(5B)에서 배출되는 기체 스트림에 대하여 과냉각되고; 상 분리기(60)가 도 1a에 도시된 통합된 코어(1)의 열전달 섹션(4) 대신에 통합된 열전달 코어(1B)의 열전달 섹션(30)으로부터 배출되는 부분적으로 증발된 스트림(153)을 분리한다는 점을 제외하고는 도 1a에 도시된 부분과 유사하다.
또한, 상 분리기(60)로부터의 액체 스트림(162)은 액체 산소 생성물을 구성하며 도 1a에 도시된 바와 동일한 방식으로 펌프(70)에 공급되지만; 증기 스트림(161)은 도 1a에 도시된 바와 같은 분리 섹션(50)과는 대립하는 것으로서 스트립핑 증기로서 저압 섹션(40)으로 회귀된다.
도 5는 아르곤 생성 극저온 공기 분리 시스템에 대한 본 발명의 통합 개념의 적용을 도시하는 도면이다. 더 많은 분리 섹셕을 지닐 수도 있음에도 불구하고, 도 5는 세 개의 분리 섹션만을 지닌 시스템을 도시하고 있다. 저압 분리 섹션(40)을 지닌 통합된 열전달 코어(1B)은 도 4에 도시된 통합된 열전달 코어와 유사하지만, 아르곤 정류 섹션(80) 및 이의 응축기를 채택하고 있는 것으로 변형되어 있다. 또한, 통합된 열전달 코어(1A)는 도 4에 도시된 시스템의 통합된 열전달 코어(1A)와 유사하다.
예비 정화된 공기 스트림(101) 및 (103)은 열 교환기 코어(1A)의 가온 단부로 유입된다. 주요 공기 스트림(101)은 질소 생성물 스트림(143a), 폐기 질소 스트림(142a) 및 산소 생성물 스트림(171G)에 대하여 냉각될 수 잇다. 냉각된 공기 스트림(110)은 통합된 코어(1A)의 길이부를 따라서 중간 위치로부터 취해지고 터빈/팽창기(10)를 통해 공급된다. (공기 스트림(110)이 제거되는 특정의 압력 및 온도는 적어도 부분적으로 플랜트의 특정한 냉각 요건에 좌우된다.) 생성된 팽창되어진 공기 스트림(119)은 섹션(20)의 기부로 바람직하게는 약 85 내지 약 105。K의 온도로 공급되기 전에 추가로 냉각되는 통합된 코어(1A)의 섹션(3)으로 유입된다. 섹션(20)은 도 1a의 저압 칼럼과 같은 역할을 한다.
공기 스트림(103)은 통합된 열전달 코어(1A)내로 흐르고 주로 비등하는 산소 생성물 스트림(171G)에 대하여 응축될 수 있으며 통합된 열전달 코어(1A)의 길이부를 따라서 열전달 섹션(3 및 5A)에서 과냉각될 수 있다. 생성된 과냉각되어진 액체 공기 스트림(104)은 스트림(105)와 스트림(107)로 분할될 수 있는 통합된 열전달 코어(1A)로부터 (바람직하게는 약 90 내지 약 110。K의 온도에서) 배출된다. 0 내지 100%의 스트림(104)을 포함할 수 있는 스트림(107)은 밸브(10B)에서 드로틀링될 수 있다. 생성된 드로틀링된 액체 공기 스트림(108)은 저압 공기 스트림(102)의 공급 지점 보다 수개 스테이지 위에 있는 지점에서 섹션(20)으로 공급된다.
액체 공기 스트림(104)의 나머지 일부를 포함하는 스트림(105)은 밸브(10A)에서 드로틀링된다. 생성된 드로틀링된 액체 공기 스트림(106)은 폐기 질소 스트림(142)이 유도되는 스테이지 아래의 섹션(40)으로 공급된다. 섹션(40)은 도 1a에 도시된 바와 같은 상부 칼럼(40)으로서 역할을 한다.
통합된 열전달 코어(1A)의 분리 섹션(20)으로 유입되는 공급 공기 스트림(102) 및 (108)은 거의 순수한 질소 스트림(121)과 케틀 액체 스트림(125)으로 분리된다. 스트림(121)은 분리 섹션(40)의 기부로부터 비등하는 산소 스트림(152)에 대하여 주응축기(30)에서 응축되어 스트림(131)을 형성할 수 있다. 주응축기(30)로부터 배출된 후의 스트림(131)은 스트림(132)와 (133)으로 분할된다. 전형적으로 약 45 내지 약 60%의 스트림(131)을 포함하는 스트림(132)은 분리 섹션(20)용 환류물로서 사용될 수 있다. 나머지량의 스트림(131)으로 이루어진 스트림(133)은 통합된 코어(1B)의 열전달 섹션(5B)에서 배출되는 기체 상태의 질소 스트림(143) 및 (142)에 대하여 약 80。K 내지 약 100。K의 온도로 과냉각될 수 있다. 생성된 과냉각되어진 액체 질소 스트림(134)은 스트림(134a) 및 스트림(134b)로 분할될 수 있다.
스트림(134)의 주분획인 스트림(134b) 은 밸브(10C)에서 드로틀링되어 드로틀링된 스트림(135)을 형성시킬 수 있다. 스트림(135)는 바람직하게는 환류물로서 분리 섹션(40)의 상부로 유입된다. 스트림(134)의 나머지 분획인 스트림(134a)은 생성물 액체 질소로서 취해질 수 있다.
분리 섹션(20)으로부터의 케틀 액체 스트림(125)는 통합된 코어(1A)의 냉각기 단부에 있는 열전달 섹션(5A)에서 배출되는 기체 상태의 스트림(143a) 및 (142a)에 대하여 과냉각될 수 있다. 생성된 스트림(126)은 통합된 코어(1A)의 외측에 있는 밸브(10D)에서 드로틀링되어 2개의 스트림으로 분할될 수 있다. 바람직하게는, 스트림(126)의 소분획인 스트림(127a)은 스트림(106)의 공급 지점 보다 수개 스테이지 아래에 있는 섹션(40)으로 유입된다. 0 내지 100%의 스트림(126)을 포함할 수 있는 다른 분획인 스트림(127b)은 통합된 코어(1B)의 냉각기 단부에 있는 열전달 섹션(90)에 공급될 수 있다.
열전달 섹션(90)은 아르곤 응축기로서 역할을 한다. 열전달 섹션(90)에서, 스트림(127b)은 통합된 코어(1B)의 아르곤 정류 섹션(80)으로부터 응축하는 아르곤 증기 오버헤드 스트림(180)에 대하여 증기화될 수 있다. 대부분 증기로 이루어진 생성된 스트림(190)은 상 분리기(60C)에 공급되고 스트림(190L) 및 스트림(190V)로 분리될 수 있다. 산소가 덜 부화된 스트림(190V)은 스트림(127a)의 공급 위치 보다 수개 스테이지 아래에 있는 분리 섹션(40)으로 공급될 수 있다. 바람직하게는, 스트림(190L)은 스트림(190V) 보다 훨씬 더 아래에 있는 분리 섹션(40)으로 공급된다.
분리 섹션(40)에서, 공급 스트림(106), (127a), (190L) 및 (190V)은 아르곤 정류 섹션(80)의 기부로부터 액체 스트림(185)과 함께, 각각 고순도 질소 생성물 스트림(142), 고순도 액체 산소 스트림(152), 폐기 질소 스트림(143) 및 아르곤 풍부 증기 스트림으로 분리된다. 아르곤 풍부 스트림(145), 바람직하게는 약 10% 내지 약 15%의 아르곤을 함유하는 아르곤 풍부 스트림(145)은 추가로 분리할 목적으로 아르곤 정류 섹션(80)으로 공급된다.
스트림(142)은 전형적으로 2ppm 미만의 산소를 함유하고, 스트림(152)은 전형적으로 약 99.5&의 산소를 함유한다. 스트림(143) 및 (142)는 통합된 코어(1B)에서 거의 순수한 질소 스트림(134)에 대하여 (약 80 내지 약 100。K의 온도로) 과열된 후, 스트림이 거의 주위 온도로 가온될 수 있는 통합된 코어(1A)로 이송될 수 있다.
통합된 코어(1B)의 열전달 섹션(30)에서, 스트림(152)은 분리 섹션(20)으로부터의 스트림(121)에 대하여 증발될 수 있다. 생서된 부분적으로 증기화되어진, 거의 순수한 산소 기부 스트림(153)은 분리기(60B)로 공급될 수 있으며, 여기에서 증기 스트림(161)과 액체 스트림(162)으로 분리될 수 있다. 증기 스트림(161)은 스트립핑 증기로서 분리 섹션(40)의 기부로 회귀될 수 있다. 스트림(162)은 펌프(70)를 통해 원하는 압력으로 펌핑되어 스트림(171)(전형적으로 약 60 내지 약 100psia 범위의 압력을 지님)을 형성시킬 수 있다. 가압된 액체 산소 스트림(171)의 소분획은 생성물 스트림(도시하지 않음)으로서 회수될 수 있다. 나머지 스트림(171G)은 응축하는 공기 스트림(103)에 대하여 열전달 섹션(3)에서 증발될 수 있는 통합된 코어(1A)를 통해 공급된다. 바람직하게는, 스트림(171G)은 통합된 코어(1A)로부터 방출되기 전에 거의 주위 온도로 가온된다.
분리 섹션(40)의 기부로부터 약 30 내지 약 40 스테이지에서 회수된 것으로서 전형적으로 약 10 내지 약 15%의 아르곤 및 ppm 수준의 질소를 함유하는 아르곤 풍부 증기 스트림(145)은 제 2 통합된 코어(1B)의 분리 섹션(80)의 기부로 이송된다. 아르곤 분리 섹션(80)은 증기 공급물 스트림(145)이 아르곤으로 더 부화되게 하여, 전형적으로 약 1 내지 약 3%의 산소 및 이 보다 적은 양의 아르곤 풍부 기부 액체 스트림(185)을 함유하는 아르곤 오버헤드 생성물을 생성시킨다.
기부 액체 스트림(185)은 분리 섹션(40)으로 회귀될 수 있다. 분리섹션(80)으로부터의 오버헤드 아르곤의 일부는 증기 형태의 아르곤 생성물(스트림(183))로서 취해질 수 있으며 나머지 부분(스트림(182))은 리보일러/응축기 섹션(90)에서 스트림(127b)에 대하여 응축될 수 있다. 생성된 응축되어진 오버헤드 스트림의 소분획은 액체 상태의 미정제 아르곤 생성물(스트림(193))로서 취해질 수 있다. 응축된 오버헤드 스트림(182)의 나머지 부분은 바람직하게는 아르곤 분리 섹션(80)으로 환류물로서 회귀된다.
정류 칼럼으로부터의 아르곤 생성물이 수 ppm의 중량 성분 불순도 규격을 충족시킬 필요가 있다면, 아르곤 풍부 증기를 추가로 정류시키기 위해 도 5에 도시된 단일 아르곤 칼럼 보다 더 높은 스테이지(저온)를 포함하는 또 다른 칼럼(도시하지 않음)이 부가될 수 있다. 이러한 경우에, 아르곤 풍부 증기는 섹션(80)의 상부로부터 추가 정류 섹션의 기부로 흐른후, 계속해서 상향으로 흐를 수 있다. 추가 섹션의 기부로부터의 액체는 섹션(80)의 상부로 펌핑될 수 있다. 액체 아르곤은 요구되는 ppm 수준의 산소 및 질소 불순도를 충족시키기 위해 부가된 섹션의 상부로부터 수개 스테이지에서 생성물 아르곤으로서 회수될 수 있다.
아르곤 정류 섹션에 아르곤이 축적되는 것을 방지하기 위해 소량의 증기 스트림이 부가된 칼럼 섹션의 상부로부터 제거될 수 있다. 그런 다음, 아르곤 응축기(90)에 응축시키고자 하는 오버헤드 아르곤 스트림이 통합된 코어(1B)의 섹션(80) 대신에 부가된 칼럼 섹션의 상부로부터 취해질 수 있다. 어느 경우에든, 통합된 코어(1A) 및 (1B)는 통합된 코어들의 다양한 열전달 구역과 질량 전달 구역 사이의 상호작용을 최적화시키기 위해 설계될 수 있다.
본 발명의 극저온 공기 분리 시스템에 사용되는 통합된 코어는 질량 전달과 열전달 기능을 모두 갖추게 됨으로써, 열역학적 효율을 향상시켜주고, 자본 비용을 절감시켜준다.

Claims (8)

  1. 고압 컬럼과 저압 컬럼을 갖는 이중 컬럼 분리 장치와 흐름 연통되는 극저온 공기 분리 시스템으로서, 통합된 코어와 분리 섹션을 포함하며,
    상기 통합된 코어는,
    (ⅰ) 제 1 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키고 냉각된 제 1 유입 공급 공기 스트림을 분리 장치 내로 유도시키면서, 통합된 코어 중의 하나 이상의 다른 통로와 열교환 관계를 이루고 있는 제 1 흡입 통로,
    (ⅱ) 분리 장치로부터의 제 1 기부 스트림을 냉각시키고 냉각된 제 1 기부 스트림을 분리 섹션 내로 다시 유도시키면서, 통합된 코어 중의 하나 이상의 다른 통로와 열교환 관계를 이루고 있는 제 1 냉각 통로,
    (ⅲ) 분리 장치로부터의 제 1 오버헤드 스트림을 가온시키고 가온된 제 1 오버헤드 스트림을 통합된 코어로부터 배출시키면서, 통합된 코어 중의 하나 이상의 다른 통로와 열교환 관계를 이루고 있는 제 1 가온 통로, 및
    (ⅳ) 액체상 스트림을 증기화시키고 증기화된 액체상 스트림을 통합된 코어로부터 배출시키면서, 통합된 코어 중의 하나 이상의 다른 통로와 열교환 관계를 이루고 있는 증기화 통로를 포함하고;
    상기 분리 섹션은 분리 장치로부터의 제 2 기부 스트림을 분리하여, 산소 부화된 스트림과 질소 부화된 스트림을 형성시키며, 여기서, 질소 부화된 스트림은 분리 장치 내로 다시 유도되고, 산소 부화된 스트림은 증기상 스트림과 액체상 스트림으로 분리되며, 증기상 스트림은 상기 분리 섹션 내로 다시 유도되는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 분리 섹션이 통합된 코어 내에 통합되어 있고, 통합된 코어가 저압 컬럼으로부터의 응축된 스트림을 냉각시키고 냉각된 응축된 스트림을 분리 장치 내로 다시 유도시키면서 통합된 코어 중의 하나 이상의 다른 통로와 열교환 관계를 이루고 있는 제 2 냉각 통로를 추가로 포함함을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  3. 고압 컬럼과 저압 컬럼을 갖는 이중 컬럼 분리 장치 및 분리 컬럼을 갖는 분리 섹션과 결합되는, 기체 성분을 분리시키기 위한 통합된 열교환 코어로서, 상기 통합된 코어가,
    제 1 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키는 제 1 흡입 통로;
    제 2 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키고 제 2 유입 공급 공기 스트림을 분리 장치 내로 공급시키는 제 2 흡입 통로;
    제 1 기부 스트림을 냉각시키고 냉각된 제 1 기부 스트림을 분리 장치 내로 공급시키는 제 1 냉각 통로;
    분리 장치로부터의 제 2 기부 스트림을 냉각시키고 냉각된 제 2 기부 스트림을 분리 장치 내로 다시 공급시키는 제 2 냉각 통로;
    고압 컬럼으로부터의 제 1 오버헤드 스트림을 가온시키고 가온된 제 1 오버헤드 스트림을 통합된 코어로부터 배출시키면서 상기 냉각 통로와 상기 흡입 통로중 하나 이상과 열교환 관계를 이루고 있는 제 1 가온 통로를 포함하며,
    통합된 코어 내에 통합되는 분리 장치의 상기 고압 컬럼이 분리 컬럼과 저압 컬럼 중 하나 이상으로부터의 스트림을 액체 성분이 부화된 제 1 오버헤드 스트림과 무거운 성분이 부화된 제 1 기부 스트림으로 분리시키는 통합된 열교환 코어.
  4. 제 3항에 있어서,
    저압 컬럼으로부터의 제 2 오버헤드 스트림을 가온시키면서 냉각 통로 중의 하나 이상과 열교환 관계를 이루고 있는 제 2 가온 통로; 및
    분리 컬럼으로부터의 제 3 기부 스트림을 가온시키면서 냉각 통로 중의 하나 이상과 열교환 관계를 이루고 있는 제 3 가온 통로를 추가로 포함함을 특징으로 하는 통합된 코어.
  5. 통합된 코어 내에서, 제 1 유입 공급 공기 스트림을 통합된 코어를 통과하는 하나 이상의 다른 스트림에 대하여 냉각시키는 단계;
    통합된 코어 내에서, 제 2 유입 공급 공기 스트림을 통합된 코어를 통과하는 하나 이상의 다른 스트림에 대하여 냉각시키고, 냉각된 유입 공급 공기 스트림을 저압 컬럼과 고압 컬럼을 갖는 분리 장치 내로 공급시키는 단계;
    통합된 코어 내의 고압 컬럼 내에서, 분리 컬럼과 저압 컬럼 중 하나 이상으로부터의 스트림을 질소가 부화된 제 1 오버헤드 스트림과 산소가 부화된 제 1 기부 스트림으로 분리시키는 단계;
    통합된 코어 내에서, 제 1 기부 스트림을 통합된 코어를 통과하는 하나 이상의 다른 스트림에 대하여 냉각시키고, 냉각된 제 1 기부 스트림을 분리 장치 내로 공급시키는 단계;
    통합된 코어 내에서, 분리 장치로부터의 제 2 기부 스트림을 통합된 코어를 통과하는 하나 이상의 다른 스트림에 대하여 냉각시키고, 냉각된 제 2 기부 스트림을 분리 장치 내로 다시 공급시키는 단계;
    통합된 코어 내에서, 상기 분리 단계로부터의 제 1 오버헤드 스트림을 통합된 코어를 통과하는 하나 이상의 다른 스트림에 대하여 가온시키는 단계; 및
    가온된 제 1 오버헤드 스트림을 통합된 코어로부터 배출시키는 단계를 포함하여 공기를 분리하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 제 2 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키는 단계에서 냉각된 제 2 공급 공기 스트림을 저압 컬럼 내로 공급시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 통합된 코어 내에서, 저압 컬럼으로부터의 제 2 오버헤드 스트림을 통합된 코어를 통과하는 하나 이상의 다른 스트림에 대하여 가온시키는 단계, 및 통합된 코어 내에서, 분리 컬럼으로부터의 제 3 기부 스트림을 통합된 코어를 통과하는 하나 이상의 다른 스트림에 대하여 가온시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 5항에 있어서, 제 1 유입 공급 공기 스트림을 냉각시키는 단계에서 냉각된 제 1 유입 공급 공기 스트림을, 분리 단계에서 분리되도록 고압 컬럼 내로 공급시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
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