KR20010105207A - 분기된 탕관 환류를 갖는 극저온 공기 분리 시스템 - Google Patents

분기된 탕관 환류를 갖는 극저온 공기 분리 시스템 Download PDF

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KR1020010026649A
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베이람 아르만
단테패트릭 보나퀴스트
Original Assignee
조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

초 고순도 질소 및 초 고순도 산소를 생산하는 데 사용되는 극저온 공기 분리 시스템에 관한 것으로서, 탕관액이 분기된 탕관 상부 응축기를 사용하여 2 단계를 거쳐 증발되고, 제 1 단계에서 발생한 증기가 압축되고 나서 극저온 정류 칼럼으로 환류된다.

Description

분기된 탕관 환류를 갖는 극저온 공기 분리 시스템{CRYOGENIC AIR SEPARATION SYSTEM WITH SPLIT KETTLE RECYCLE}
본 발명은 일반적으로 극저온 공기 분리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초 고순도 제품이 생산될 수 있는 극저온 공기 분리 시스템에 관한 것이다.
산소 및 질소는 상업적으로 공기를 극저온 정류하여 고순도 및 대량으로 생산된다. 가끔, 산소 및 질소를 예를 들어, 전자산업에 사용하기 위하여 초 고순도로 이용하는 것이 요구된다. 질소 및 산소를 초 고순도로 생산하기 위한 극저온 공기 분리 시스템이 공지되어 있지만, 그러한 시스템은 일반적으로 상당히 감소된 회수율을 갖고 제품을 생산한다.
따라서, 본 발명의 목적은 산소 및 질소를 초 고순도로 생산하기 위한 개선된 극저온 공기 분리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 산소 및 질소를 초 고순도로 생산하면서 높은 회수율을 갖는 개선된 극저온 공기 분리 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 초 고순도 질소가 생산되는 본 발명의 극저온 공기 분리 시스템의 바람직한 일 구체예의 개략도이다.
도 2는 초 고순도 산소가 생산되는 본 발명의 극저온 공기 분리 시스템의 바람직한 또다른 구체예의 개략도이다.
상기 및 기타 목적은 본원의 개시내용을 읽는 당업자에게 명확할 것이고, 본원 발명에 의해 성취된다. 그것의 일면은 하기와 같다:
(A) 공급 공기를 극저온 정류 칼럼 내로 전달시키고, 공급 공기를 칼럼 내에서 극저온 정류에 의해 질소 부화 상부 유체 및 산소 부화 탕관액으로 분리하는 단계;
(B) 산소 부화 탕관액을 질소 부화 상부 유체와의 간접 열교환에 의해 부분적으로 증발시켜 산소 부화 탕관 증기를 생산하고 산소 부화 탕관액을 잔류시키는 단계;
(C) 산소 부화 탕관 증기를 압축하고, 수득된 압축된 산소 부화 탕관 증기를 극저온 정류 칼럼으로 전달시키는 단계;
(D) 잔류된 산소 부화 탕관액을 질소 부화 상부 유체와의 간접 열교환으로 증발시키는 단계; 및
(E) 질소 부화 상부 유체의 일부를 질소 제품으로 회수하는 단계를 포함하는 극저온 공기 분리를 수행하는 방법.
본 발명의 또다른 일면은 다음과 같다:
(A) 극저온 정류 칼럼 및 공급 공기를 극저온 정류 칼럼으로 전달시키는 수단;
(B) 분기된 탕관 상부 응축기, 상 분리기, 유체를 극저온 정류 칼럼의 하위 부위로부터 분기된 탕관 상부 응축기로 전달시키는 수단, 및 유체를 분기된 탕관 상부 응축기로부터 상 분리기로 전달시키는 수단;
(C) 유체를 상 분리기로부터 분기된 탕관 상부 응축기로 전달시키는 수단, 및 유체를 극저온 정류 칼럼의 상위 부위로부터 분기된 탕관 상부 응축기로 전달시키는 수단;
(D) 압축기, 증기를 상 분리기로부터 압축기로 전달시키는 수단, 및 유체를 압축기로부터 극저온 정류 칼럼으로 전달시키는 수단; 및
(E) 유체를 극저온 정류 칼럼의 상위로부터 질소 제품으로 회수하는 수단을 포함하는 극저온 공기 분리를 수행하는 장치.
본원에 사용된 용어 "공급 공기"는 주위 공기와 같이 부분적으로 질소 및 산소를 포함하는 혼합물이다.
본원에 사용된 용어 "초 고순도 산소"는 산소 농도가 99.99 몰% 이상, 메탄 불순물이 10-8몰% 미만인 유체이다.
본원에 사용된 용어 "초 고순도 질소"는 질소 농도가 99.95 몰% 이상, 산소 불순물이 10-8몰% 미만인 유체이다.
본원에 사용된 용어 "칼럼"은 증류 또는 분별증류 칼럼 또는 영역, 즉 접촉칼럼 또는 영역으로서, 거기에서 액체 및 증기가 대향류로 접촉하여 예를 들어, 일련의 수직으로 이격된 칼럼 내에 장착된 트래이 또는 플레이트 상에서 및/또는 조립되거나 불규칙하게 충전된 충전 구성요소 상에서 증기 및 액체 상을 접촉시킴으로써 유체 혼합물의 분리를 수행한다. 증류 칼럼에 대한 추가적 논의를 위하여는 참조문헌(Chemical Engineer's Handbook, 5th edition, edited by R. H. Perry and C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13,The Continuous Distillation Process.)을 참조하라.
증기 및 액체 접촉 분리 공정은 성분들에 대한 증기압의 차이에 의존한다. 고 증기압(또는 고 휘발성 또는 낮은 비등점을 갖는) 성분은 증기상으로 농축되려는 경향을 갖고, 반면에 저 증기압(또는 저 휘발성 또는 높은 비등점을 갖는) 성분은 액상으로 농축하려 한다. 증류란 액체 혼합물을 가열하여 고 휘발성의 성분(들)은 증기상으로 농축하고 그리하여 저 휘발성의 성분(들)을 액상으로 농축하는 분리 공정이다. 부분 응축이란 증기 혼합물을 냉각시켜 고 휘발성 성분(들)은 증기상으로 농축하고 그리하여 저 휘발성 성분(들)을 액상으로 농축하는 분리 공정이다. 정류, 또는 연속 정류란 증기상 및 액상을 대향류로 처리하여 수행되는 바와 같이 연속적인 부분 증발 및 응축을 결합한 분리 공정이다. 증기상 및 액상의 대향류 접촉은 단열이거나 비 단열일 수 있고, 상들간의 총체적(단계적) 또는 미분적(연속적) 접촉을 포함한다. 혼합물을 분리하는 정류 원리를 이용하는 분리 공정 배열은 종종 정류 칼럼, 증류 칼럼 또는 분별 증류 칼럼으로 호환적으로 명명된다. 극저온 정류는 부분적 또는 전체적으로 150°K 이하의 온도에서 수행되는정류 공정이다.
본원에 사용된 용어 "간접 열교환"은 2개의 유체를 어떠한 물리적 접촉이나 유체 상호간의 혼합이 없이 열교환 관계에 있게 하는 것이다.
본원에 사용된 용어 "터보팽창" 및 "터보팽창기"는 각각 고압 기체의 흐름이 터빈을 통과시켜 기체의 압력 및 온도를 감소시킴으로써 냉동을 발생시키는 방법 및 장치이다.
본원에 사용된 용어 "부냉각" 및 "부냉각기"는 각각 액체를 주어진 압력에 대한 포화온도 미만으로 냉각시키는 방법 및 장치이다.
본원에 사용된 용어 "상위 부위" 및 "하위 부위"는 각각 칼럼의 중간점 위 및 아래의 칼럼 부분이다.
본원에 사용된 용어 "상 분리기"는 유입된 2상 공급물이 개개의 증기 및 액체 분획으로 분리되는 용기이다. 통상, 용기는 충분한 단면 영역을 가짐으로써 증기 및 액체가 비중에 의해 분리되게 한다.
본원에 사용된 용어 "스트리핑 칼럼"은 액체 하향류에 대하여 충분한 증기 상향류를 제공하여 액체로부터 증기로 휘발성 성분의 분리를 달성하고 상류로 갈수록 점진적으로 휘발성 성분이 풍부해지게 동작되는 칼럼이다.
본원에 사용된 용어 "분기된 탕관 상부 응축기"는 2개의 상이한 탕관 액체 분류가 정류없이 질소 부화 증기를 응축시키도록 냉동을 제공하는 응축기이다.
본 발명은 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 이제, 도 1을 참조하면, 공급 공기(60)가 기본 부하의 공기 압축기(30)를 통과함으로써 압축되어 일반적으로 30 내지 300 psia의 압력이 된다. 수득된 압축된 공급 공기(61)가 냉각기(31)를 통과하여 압축열이 냉각되고 나서 분류(62)로서 정제기(32)로 전달되고, 거기에서 수증기, 이산화탄소 및 탄화수소와 같은 높은 비등점의 불순물이 제거된다. 정제된 공급 공기 분류(63)가 열교환기(15, 16) 내에서 반송 분류와의 간접 열교환에 의해 냉각되고, 수득된 냉각되고 정제되며 압축된 공급 공기 분류(64)가 극저온 정류 칼럼(10)으로 전달된다.
극저온 정류 칼럼(10)은 일반적으로 30 내지 300 psia의 압력에서 동작한다. 극저온 정류 칼럼(10)내에서, 공급 공기는 극저온 정류에 의해 질소 부화 상부 유체 및 산소 부화 저부 유체로 분리된다. 산소 부화 저부 유체는 칼럼(10)의 하위 부위로부터 분류(65)로서 회수되어 부냉각기(3)를 통과하여 부냉각된다. 수득된 부냉각된 산소 부화 유체 분류(66)는 밸브(67)를 통과하고 나서 분류(68)로서 분기된 탕관 상부 응축기(2)를 통과하고, 거기에서 응축하는 질소 부화 상부 유체와 간접 열교환으로 부분 증발하여, 하기에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 2상 분류(24)를 형성한다. 일반적으로 분류(68)의 약 30 내지 70 %가 분기된 탕관 상부 응축기(2)를 통과하여 증발한다.
2상 분류(24)는 분기된 탕관 상부 응축기(2)로부터 상 분리기(13)로 전달되고, 거기에서 산소 부화 탕관 증기 및 잔류하는 산소 부화 탕관액으로 분리된다. 산소 부화 탕관 증기는 분리기(13)로부터 분류(136)로 회수되어, 주 열교환기(16, 15)를 통과하여 데워지고 나서 분류(138)로 모터(39)에 의해 구동된 압축기(36)로 전달되며, 거기에서 30 내지 300 psia의 압력으로 압축된다. 수득된 압축된 산소부화 탕관 증기(139)는 냉각기(39)를 통과하여 압축열이 냉각되며, 수득된 산소 부화 탕관 증기(140)는 주 열교환기(15, 16)를 통과하여 냉각되고 나서 분류(142)로 극저온 정류 칼럼으로 환류된다.
잔류 산소 부화 액체는 상 분리기(13)로부터 분류(143)로 밸브(144)를 통과하고 분류(145)로 분기된 탕관 상부 응축기(2)로 되돌아가며, 거기에서 응축하는 질소 부화 상부 유체와의 간접 열교환으로 증발한다. 수득된 증발된 잔류하는 산소 부화 유체(102)는 열교환기(3, 16)를 통과하여 분류(104)를 형성하고, 그것은 터보팽창기(37)를 통과하여 터보팽창되며 냉동을 발생시킨다. 수득된, 냉동 산출 분류(105)는 주 열교환기(16, 15)를 통과하여 데워짐으로써 분리를 구동하도록 냉동을 칼럼으로 전달하기 위한 유입 분류를 냉각한다. 그 다음, 수득된 데워진 분류(107)는 시스템으로부터 제거된다.
질소 부화 상부 유체는 극저온 정류 칼럼(10)의 상위 부위로부터 증기 분류(69)로 회수된다. 경우에 따라, 질소 부화 상부 증기의 일부(18)는 열교환기(3, 16, 15)를 통과하여 데워지고 나서 분류(19)로 질소 증기 제품으로서 회수된다. 바람직하게는, 분류(19)내의 질소 증기 제품은 초 고순도 질소이다. 질소 부화 상부 증기(69)의 70% 이상이 분기된 탕관 상부 응축기(2)로 전달되고, 거기에서 전술한 바와 같은 산소 부화 액체와의 간접 열교환에 의해 응축한다. 수득된 질소 부화 액체(71)는 역류(72)로서 칼럼(10)으로 전달된다. 분류(71)는 분류(70)와 동일한 질소 농도를 갖는다. 필요한 경우, 분류(71)의 일부(73)가 밸브(74)를 통과하여 분류(75)내의 질소 액체 제품으로서 회수된다. 바람직하게는, 분류(75)내의 질소 액체 제품은 초 고순도 질소이다.
도 2는 초 고순도 산소가 생산되는 본 발명의 또다른 바람직한 구체예를 나타낸다. 도 2의 부호는 공통 성분에 대하여 도 1의 것과 동일하고 이러한 공통 성분은 다시 상세하게 설명되지 않는다.
도 2를 참조하면, 함산소 액체는, 일반적으로 산소 농도가 30 내지 95 몰%로서, 분류(80)내에서 극저온 정류 칼럼(10)으로부터 밸브(151)를 통과하여 분류(81)로서 스트리핑 칼럼(120)의 상위 부위로 전달되며, 상기 칼럼(120)은 일반적으로 14 내지 50 psia의 압력에서 동작된다. 함산소 액체는 상향류 증기에 대항하여 스트리핑 칼럼(120)을 하향 통과하고, 그 과정에서 함산소 액체내의 고 휘발성 불순물, 예를 들어 아르곤이 하향류 액체에서 상향류 증기로 전달 또는 벗어난다. 불순물 함유 증기는 분류(85)로 스트리핑 칼럼(120)의 상위 부위로부터 제거되고, 분류(105)와 결합되고 나서 시스템으로부터 떠나간다. 도시된 바와 같이, 도 2의 구체예에서, 터보팽창기(37)는 기계적으로 압축기(36)에 연결되고 그리하여 압축기(36)를 구동하는 데 조력한다.
하향류 액체는 고순도 산소 액체로서 스트리핑 칼럼(120)의 저부에 수집된다. 고순도 산소 액체의 일부는 칼럼(120)의 하위 부위로부터 분류(82)로 회수되고, 밸브(121)를 통과하여 분류(83)로 액체 산소 제품으로서 회수된다. 액체 산소 제품은 초 고순도 산소인 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 본 발명의 구체예에서, 압축된 산소 부화 증기(142)의 일부(50)만이 직접 극저온 정류 칼럼(10)으로 전달된다. 분류(142)의 또다른일부(55)는 스트리핑 칼럼(120)에 포함된 저부 리보일러(125)로 전달되고, 거기에서 고순도 산소 액체와의 간접 열교환으로 응축됨으로써 고순도 산소 액체의 일부를 증발시키고 그것은 전술한 상향류 증기의 역할을 한다. 수득된 응축된 산소 부화 유체는 분류(56)로 리보일러(125)를 나와서 극저온 정류 칼럼(10)으로 전달된다. 필요한 경우, 모든 분류(142)는 칼럼(10)으로 환류되기 전에 리보일러(125)에서 응축될 수 있다.
본 발명이 2개의 바람직한 구체예를 참조하여 상세하게 설명되었음에 불구하고, 당업자는 청구항의 사상 및 범주 내에서 본 발명의 다른 구체예가 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 극저온 정류 칼럼으로 환류되는 산소 부화 증기용 개별 압축기가 사용될 필요가 없고, 이 분류는 압축을 위해 기본 부하의 공기 압축기로 전달될 수 있으며, 그 다음 공급 공기와 함께 극저온 정류 칼럼으로 전달될 수 있다. 또다른 구체예에서, 산소 부화 환류는 극저온 상태에서 압축될 수 있고, 극저온 정류 칼럼으로 전달될 수 있다. 압축열은 극저온적으로 압축된 분류를 극저온 정류 칼럼에 도입되기 전에 주 열교환기의 냉각 구간을 통과시켜 냉각시킴으로써 제거될 수 있다. 더욱이, 분리에 필요한 냉동의 일부 또는 전부가 복수성분의 냉동 유체를 사용하여 발생될 수 있고, 그리하여 냉동을 발생시키는 터보팽창을 사용할 필요성을 감소 또는 일소할 수 있다.
본 발명의 개선된 극저온 공기 분리 공정에 따르면, 초 고순도의 산소 및 질소를 높은 회수율로 생산할 수 있다.

Claims (8)

  1. (A) 공급 공기를 극저온 정류 칼럼 내로 전달하고, 칼럼 내에서 극저온 정류에 의해 공급 공기를 질소 부화 상부 유체 및 산소 부화 탕관액으로 분리하는 단계;
    (B) 산소 부화 탕관액을 질소 부화 상부 유체와의 간접 열교환에 의해 부분적으로 증발시켜 산소 부화 탕관 증기 및 잔류 산소 부화 탕관액을 생산하는 단계;
    (C) 산소 부화 탕관 증기를 압축하고, 수득된 압축 산소 부화 탕관 증기를 극저온 정류 칼럼으로 전달하는 단계;
    (D) 잔류 산소 부화 탕관액을 질소 부화 상부 유체와의 간접 열교환으로 증발시키는 단계; 및
    (E) 질소 부화 상부 유체의 일부를 질소 제품으로 회수하는 단계를 포함하는 극저온 공기 분리를 수행하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 질소 제품이 초 고순도 질소인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 함산소 액체를 극저온 정류 칼럼으로부터 스트리핑 칼럼 내부로 그리고 상향류 증기에 대항하여 아래로 전달하고, 불순물을 함산소 액체로부터 상향류 증기로 전달하며, 고순도 산소 액체를 스트리핑 칼럼의 하위 부위에 형성하고, 스트리핑 칼럼의 하위 부위로부터 고순도 산소 액체의 일부를 회수하는단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 산소 제품이 초 고순도 산소인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 압축된 산소 부화 탕관 증기의 일부를 고순도 산소 액체와의 간접 열교환으로 응축시키고 나서 수득된 응축된 산소 부화 유체를 극저온 정류 칼럼 내로 전달하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. (A) 극저온 정류 칼럼 및 극저온 정류 칼럼 내로 공급 공기를 전달하는 수단;
    (B) 분기된 탕관 상부 응축기, 상 분리기, 유체를 극저온 정류 칼럼의 하위 부위로부터 분기된 탕관 상부 응축기로 전달하는 수단, 및 유체를 분기된 탕관 상부 응축기로부터 상 분리기로 전달하는 수단;
    (C) 유체를 상 분리기로부터 분기된 탕관 상부 응축기로 전달하는 수단, 및 유체를 극저온 정류 칼럼의 상위 부위로부터 분기된 탕관 상부 응축기로 전달하는 수단;
    (D) 압축기, 증기를 상 분리기로부터 압축기로 전달하는 수단, 및 유체를 압축기로부터 극저온 정류 칼럼으로 전달하는 수단; 및
    (E) 유체를 극저온 정류 칼럼의 상위 부위로부터 질소 제품으로 회수하는 수단을 포함하는 극저온 공기 분리를 수행하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 저부 리보일러, 유체를 극저온 정류 칼럼으로부터 스트리핑 칼럼의 상위 부위로 전달하는 수단, 및 유체를 스트리핑 칼럼의 하위 부위로부터 산소 제품으로 회수하는 수단을 구비한 스트리핑 칼럼을 추가로 포함하는 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 유체를 압축기로부터 저부 리보일러로 전달하는 수단, 및 유체를 저부 리보일러로부터 극저온 정류 칼럼으로 전달하는 수단을 추가로 포함하는 장치.
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