KR20090042198A - 저온 에어 분별을 위한 방법 - Google Patents

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슈테판 로히너
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린데 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명의 방법은 저온 에어 분별에 이용된다. 주입 에어(8)는 메일 열 교환기(9)에서 냉각되고 질소-산소 분리(11, 43)를 위해 증류 탑 시스템으로 유입되며, 이 시스템은 적어도 하나의 단일 탑(12)을 갖는다. 적어도 하나의 질소가 풍부한 또는 산소가 풍부한 생성물 스트림(15, 16, 17; 53; 51, 56, 57; 19, 60)이 질소-산소 분리를 위한 증류 탑 시스템으로부터 유출되고 메인 열 교환기(9)에서 가열된다. 외부 소스로부터의 유체는 액체 탱크(70) 안으로 적어도 때때로 나아간다. 적어도 때때로 유체(71)는 액체 상태로 액체 탱크(70)로부터 유출되고, 메인 열 교환기(9)에서 증발되며 가스상의 추가적인 생성물(72, 73)로서 얻어진다.

Description

저온 에어 분별을 위한 방법 {PROCESS FOR LOW TEMPERATURE AIR FRACTIONATION}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 저온 에어 분별을 위한 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 하우젠/린데의 저온 공학 2판 1985, 챕터 4 (281-337 페이지)로부터 에어의 저온 분별을 위한 프로세스 및 장치가 공지되어 있다. 전제부(SPECTRA)에서 설명된 에어 분별 프로세스의 형태의 예는 EP 412793 B2, EP 773417 B1, EP 780648 B1, EP 807792 B1, EP 932004 A2, 및 US 2007204652 A1에서 개시되어 있다. 이러한 프로세스에서 단일 탑(single column)으로부터 제 1 산소가 풍부한 잔류 부분(residual fraction)을 유출하여 이를 증발시켜 일 생산 방식으로 팽창 기계에서 증발된 잔류 부분의 적어도 일부분을 팽창시키며, 이에 의해 적절하다면 생성물 액화를 위해 교환 손실을 보상하는데 필요한 냉장을 생성한다. 제 1 잔류 부분은 관례상 대략 대기 압력에 있는 팽창 기계의 출구 압력에서 방출 되고, 이후 주입 에어를 정화하기 위해 흡수 기구(adsorption appliance)를 위한 재생성 가스로서 이용될 수 있다. SPECTRA 프로세스에서, 제 2 잔류 부분은 이 경우에 제 1 잔류 부분과 함께 단일 탑으로부터 방출될 수 있고 적어도 부분적으로 증발되며; 대안적으로 두 개의 잔류 부분이 단일 탑의 서로 다른 지점에서 유출될 수 있고 서로 개별적으로 증발되며, 이는 예를 들어 단일 탑의 상부 응축기(condenser)의 서로 다른 통로에서 일어난다.
본 발명의 목적은 특히 바람직하게 경제적으로 이 방법 및 이 장치를 작동시키는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제 1 항의 특징부에 의해 이루어진다.
액체 탱크로부터의 외부 유체는 외부 열 교환기(예를 들면 물 배스 증발기(water bath evaporator) 또는 에어-가열된 증발기)에 의해 관례적으로 가열되지 아니하고, 메인 열 교환기에서 증류 탑 시스템을 위한 주입 에어가 냉각된다. 이에 의해, 외부 유체에 존재하는 냉기가 이를 메인 열 교환기에 주입 에어를 전달함에 의해 분별 방법을 위해 재생될 수 있다.
유체는 "외부 소스"로부터 기인하고, 이 외부 소스는 질소-산소 분리를 위한 증류 탑 시스템의 분리 탑 중 하나 또는 질소-산소 분리를 위한 증류 탑 시스템의 하류에 연결된 분리 탑을 의미하는 것은 아니다. 바람직하게, 예를 들어 탱커에 의해 액화 가스를 생성하기 위한 다른 설비로부터 이송된다. 이러한 경우에 질소-산 소 분리를 위한 증류 탑 시스템의 생성물 스트림 중 하나의 화학 조성을 갖는 유체일 수 있다. 바람직하게, 유체는 이러한 생성물 스트림으로부터 상이한 조성을 갖고, 예를 들어 아르곤 또는 수소로 이루어진다. 본 발명에 따른 방법은 산업 가스들을 가진 반도체 산업의 공급 공장에 특히 적절하다. 이는 질소-산소 분리를 위한 증류 탑 시스템의 하류에서 아르곤을 얻기 위한 스테이지를 연결할만 하지 않은 아르곤 및/또는 순수 산소의 낮은 양을 빈번히 필요로 한다. 또한, 에어 분별 플랜트에서 얻어지지 못하는 수소와 같은 가스의 냉기(cold)는 에어 분별에 대해 이용되고 이에 의해 분별의 에너지 소비가 감소된다.
"메인 열 교환기"는 단일 열 교환 블록에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 비교적 큰 플랜트에서, 온도 경로에 대해 평행하게 연결된 다수의 트레인에 의해 열 교환기를 실행하기 편할 수 있고, 이 트레인은 서로 분리된 구성 요소에 의해 형성된다. 원칙적으로 이러한 트레인의 각각을 위한 열 교환기가 직렬로 연결된 둘 이상의 블록으로 형성될 수 있다.
유체의 압력이 액체 탱크 및 메인 열 교환기 사이에서 증가되지 않는지가 편리하다.
바람직하게, 유체는 액체 탱크의 작동 압력보다 높지 않은 압력으로 메인 열 교환기로 유입된다. 액체 탱크의 작동 압력은 예를 들어 가스 유출 시스템 및 탱크에서의 압력을 유지하는 경우에 일정하거나 또는 변동될 수 있다. 액체 탱크이 작동 압력이 변동하는 경우에, 여기서 일시적인 작동 압력을 의미한다.
바람직하게 추가적인 생성물이 이용 또는 재압축기 유닛으로 방출되는 가스 상의 추가적인 생성물의 생성물 압력 위로 적어도 1bar와 같은 대기 압력 위로 적어도 1bar에 액체 탱크의 작동 압력이 있다면 편리하다. 액체 탱크의 작동 압력은 예를 들어 2 내지 36bar, 바람직하게는 5 내지 16bar이다. 대기압을 초과하는 압력은 예를 들어 증발을 압축시킴에 의해 또는 상응하는 압력에서 유체로 충전함에 의해서와 같이 공지된 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 바람직한 실시예는 종속항인 청구항 제5항 내지 제11항에서 구체화된다. 나란히 출원되고 이에 상응하는 출원인 독일 특허출원 10 2007 051 184.3호(내부 출원 번호: P07164-DE/AVA = EM-GTG1267a)에서 이루어진 이러한 특징들의 더욱 상세한 설명은 여기서 설명된 방법 및 상응하는 장치에 적용된다.
또한, 본 발명은 청구항 제12항에 따른 장치와 관련이 있다.
본 발명 및 본 발명의 추가적인 설명은 도면에서 개략적으로 도시된 예시적 실시예를 참고하여 이후에 더욱 자세하게 설명될 것이다.
예시적 실시예의 증류 탑 시스템은 단일 탑(12) 및 순수 산소 탑(38)을 갖는다. (본 발명은 유사하게 순수 산소 탑이 없는 유사한 프로세스에도 적용 가능하다.) 대기 에어(1)는 에어 압축기에 의해 필터(2)를 통해 흡수되고 거기서 6 내지 20bar, 바람직하게는 약 9 bar의 절대 압력으로 압축된다. 최종냉각기(4) 및 물 분리기(5)를 통해 유동한 이후, 압축된 에어(6)는 정화 장치(7)에서 정화되고, 이 장치는 바람직하게 분자 씨이브(sieve)와 같은 흡수 물질로 채워진 한 쌍의 용 기를 갖는다. 정화된 에어(8)는 메인 열 교환기(9)에서 약 이슬점까지 냉각되고 부분적으로 액화된다. 냉각된 에어(10)의 제 1 부분(11)은 스로틀 밸브(51)를 통해 단일 탑(12)으로 유입된다. 상기 냉각된 에어는 바닥부 위의 바람직하게 일정한 실제적인 또는 이론적인 플레이트에 주입되는 것이 바람직하다.
단일 탑(12)(상부에서)의 작동 압력은 6 내지 20bar, 바람직하게는 약 9bar이다. 그 상부 응축기는 제 2 잔류 부분(residual fraction)(18) 및 제 1 잔류 부분(14)에 의해 냉각된다. 제 1 잔류 부분(14)은 단일 탑(12)의 바닥부로부터 빠져나오고(taken off), 제 2 잔류 부분(18)은 이와 동일한 높이에서 또는 에어 인피드 위의 일정한 실제적인 또는 이론적인 플레이트들의 중간 포인트로부터 빠져나온다.
단일 탑(12)의 메인 생성물로서, 가스상 질소(15, 16)는 그 상부에서 빠져나오고 대략 대기 온도로 메인 열 교환기(9)에서 가열되며 압축된 가스상 생성물(PGAN)로서 라인(17)을 통해 마지막으로 빠져나간다. 상부 응축기(13)로부터 응축물(52)의 일부(53)가 생성물 액체 질소(PLIN)로서 획득될 수 있고; 그 잔여물(54)은 단일 탑의 상부에 환류(reflux)로서 가해진다.
제 2 잔류 부분(18)은 2 내지 9bar, 바람직하게 약 4bar의 압력에서 상부 응축기(13)에서 증발되고, 냉각 압축기(30)로 라인(29)을 통해 가스 상태로 유동하며, 이 압축기에서 대략 단일 탑의 작동 압력으로 재압축된다. 재압축된 잔류 부분(31)은 메인 열 교환기(9)에서 탑 온도로 다시 냉각되고 마지막으로 그 바닥부에서 단일 탑(12)으로 라인(32)을 통해 다시 주입된다.
제 1 잔류 부분(14)은 2 내지 9bar, 바람직하게는 약 4bar의 압력에서 상부 응축기(13)에서 증발되고, 메인 열 교환기(9)의 냉각 단부로 라인(19)을 통해 가스 상태로 유동한다. 제 1 잔류 부분의 제 1 부분(20)은 중간 온도(intermediate temperature)에서 다시(라인 20) 유출된다. 제 2 부분은 메인 열 교환기(9)에 남아 있고, 다시 대략 대기 온도로 가열되며 가스상의 불순한(impure) 산소 생성물(GOX-lmp)로서 라인(60)을 통해 이 설비를 떠난다. 제 1 잔류 부분의 제 1 부분(20)은 대기 압력 위로 약 300mbar로 팽창되고 이에 의해 예로서 터보 팽창기로서 구성된 팽창 기계(21)에서 일(work)을 만든다. 이 팽창 기계는 냉각 압축기(30) 및 브레이킹 기구(braking appliance)(22)에 기계적으로 연결되고, 예시적 실시예에서 브레이킹 기구는 오일 브레이크에 의해 형성된다. 팽창된 제 1 잔류 부분(23)은 대략 대기 온도로 메인 열 교환기(9)에서 가열된다. 가열된 제 1 잔류 부분(24)은 대기로 빠져나가고(라인 25) 및/또는 적절하게 가열 기구(28)에서 가열된 이후 정화 장치(7)에서 재생성 가스(26, 27)로 이용된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 불순한 산소 생성물은 재압축된 제 2 잔류 부분(31)으로부터 브랜치될 수 있고 메인 열 교환기(9)에서 대략 대기 온도로 가열된다.
낮은 휘발성 불순물이 본질적으로 없는 산소-함유 스트림(36)은 액체 상태로 단일 탑(12)의 중간 지점으로부터 빠져나오고, 이 중간 지점은 에어 인피드 위로 5 내지 25 이론적 또는 실제적인 플레이트(plates)에 배열된다. 적절하게 산소 함유 스트림(stream)(36)은 순수 산소 탑(38)의 바닥부 증발기(37)에서 하위냉각되고(subcooled) 라인(39) 및 스로틀 밸브(40)를 통해 순수 산소 탑(38)의 상부로 가해진다. 순수 산소 탑(38)의 작동 압력(상부에서)은 1.3 내지 4bar, 바람직하게 2.5bar이다.
또한, 순수 산소 탑(38)의 바닥부 증발기(37)는 냉각된 주입 에어(10)의 제 2 부분(42)에 의해 냉각된다. 이러한 경우에 주입 에어 스트림(42)은 적어도 부분적으로, 예를 들면 완전히 응축되고 라인(43)을 통해 단일 탑(12)으로 유동하며, 여기서 대략 잔존하는 주입 에어(11)의 인피드의 높이로 유입된다.
순수 산소 탑(38)의 바닥부로부터, 순수 산소 생성물 스트림(41)이 액체 상태로 유출되고, 펌프(55)에 의해 2 내지 100bar, 바람직하게는 약 12bar의 상승 압력에 이르며, 메인 열 교환기(9)의 냉각 단부로 라인(56)을 통해 통과하고, 거기서 상승 압력으로 증발되며 대략 대기 온도로 가열되고, 마지막으로 라인(57)을 통해 가스상 생성물(GOX-IC)로서 획득된다.
순수한 산소 탑(38)의 오버헤드 가스(58)는 팽창된 제 1 잔류 부분(23)으로 혼합된다. 우회 라인(59)을 통해, 적절하게 주입 에어의 일부분이 그 입구로 냉각 압축기(30)의 펌프 보호를 위해 통과된다(반-파동(anti-surge) 제어).
필요하다면, 액체 산소가 펌프(55)(도면에서는 미도시)의 상류의 및/또는 하류의 설비로부터 액체 생성물로서 유출될 수 있다. 또한, 액체 탱크로부터 예를 들어 액체 아르곤, 액체 질소 또는 액체 산소와 같은 외부 액체가 주입 에어(도면에서는 미도시)와 간접적인 열교환으로 메인 열 교환기(9)에서 증발될 수 있다.
액체 탱크(70)는 때때로 탱크로부터 "유체"로서 액체 아르곤으로 채워진다. 유체는 약 12bar의 액체 탱크의 작동 압력으로 유입된다. 액체 유체는 약 12bar로 라인(71)을 통해 연속적으로 유출되고, 메인 열 교환기(9)에서 이 압력으로 증발되며 가열되고 마지막으로 라인(72, 73)을 통해 가스상의 추가적인 생성물로서 빠져나간다.
또한, 액체 압축된 유체의 추가적인 스트림(74)은 액체 탱크(70)로부터 유출되고, 외부 열 캐리어(예를 들면 대기 에어 또는 워터)에 의해 가열되는 증발기(75)에서 증발되며, 가스상 추가적인 생성물로 라인(76)을 통해 첨가된다. 그러나, 증발기(75)는 메인 열 교환기(9)의 손실의 경우에 응급 공급에 이용될 수도 있다. 유동 속도는 밸브(77, 78)에 의해 설정된다.
본 발명에 따른 방법 및 이에 상응하는 장치는 반도체 산업에서 또는 발열성 무수규산 생산(pyrogenic silicic acid production)에서 특히 편리하게 이용될 수 있고, 이러한 생산은 질소뿐만 아니라 불순한 산소를 필요로 하고 적절하게 생성물로서 순수한 산소도 필요로 한다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예를 도시한다.

Claims (12)

  1. 저온 에어 분별(air fractionation)을 위한 방법으로서,
    주입 에어(8)가 메인 열 교환기(9)에서 냉각되고 질소-산소 분리(11, 43)를 위한 증류 탑 시스템으로 유입되며, 상기 증류 탑 시스템이 질소를 얻기 위한 하나 이상의 단일 탑(12)을 갖고,
    하나 이상의 질소가 풍부한 또는 산소가 풍부한 생성물 스트림(15, 16, 17; 53; 51, 56, 57; 19, 60)이 질소-산소 분리를 위해 상기 증류 탑 시스템으로부터 유출되며 메상기 메인 열 교환기(9)에서 가열되고,
    상기 단일 탑(12)이 상기 단일 탑의 상부 영역이 적어도 부분적으로 응축되는 상부 응축기(13)를 가지며,
    제 1 잔류 부분(first residual fraction; 14, 19)이 상기 단일 탑(12)의 하부 영역으로부터 액체 상태로 유출되고 상기 상부 응축기(13)에서 적어도 부분적으로 응축되며,
    상기 제 1 잔류 부분(19)의 적어도 제 1 부분(20)이 일(work)을 만들기 위해 팽창 기계(21)에서 상기 상부 응축기(13)의 하류에서 팽창되고,
    제 2 잔류 부분(18, 29)이 상기 단일 탑(12)의 하부 또는 중간 영역으로부터 유출되고, 재압축되며(30) 그리고 이후에 적어도 제 1 부분이 상기 단일 탑(12)으로 다시 통과되며(32),
    외부 소스로부터의 액체가 액체 탱크(70)로 적어도 종종 통과되고,
    적어도 종종 유체(71)가 상기 액체 탱크(70)로부터 액체 상태로 유출되고 상기 메인 열 교환기(9)에서 증발되며 가스상 추가 생성물(72, 73)로서 얻어지고, 상기 외부 소스로부터의 유체 및 상기 가스상 추가 생성물(72, 73) 모두가 상기 증류 탑 시스템으로부터의 생성물과 혼합되지 않는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체(71)의 압력이 상기 액체 탱크(70) 및 상기 메인 열 교환기(9) 사이에서 증가되지 않는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유체(71)가 상기 액체 탱크(70)의 작동 압력보다 높지 않은 압력으로 상기 메인 열 교환기(9) 안으로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 탱크(70)의 작동 압력이 대기 압력 보다 1 bar 이상 높은 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 잔류 부분(18, 29)이 냉각 압축기(30)에 의해 재압축되는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일-생산 팽창(21)에서 생성된 기계적 에너지가 상기 제 2 잔류 부분을 재압축(30)하는데 적어도 부분적으로 이용되는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 잔류 부분(19)의 제 2 부분이 상기 팽창 기계(21) 안으로 상기 상부 응축기(13)의 하류에서 유입되지 아니하고, 가스상의 불순한 산소 생성물(60)로 서 빠져나오며 및/또는 상기 제 2 잔류 부분의 제 2 부분이 상기 재압축(30)의 하류에서 가스상의 불순한 산소 생성물(160)로서 빠져나오는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 함유 스트림(36)이 중간 지점에서 상기 단일 탑(12)으로부터 유출되고 순수 산소 탑(38)으로 나아가며(39),
    순수 산소 생성물 스트림(41)이 상기 순수 산소 탑(38)의 하부 영역으로부터 액체 상태로 유출되고,
    상기 순수 산소 생성물 스트림(41, 56)이 적절하게 액체 상태로 압력 상승(55) 이후 증발되고 상기 메인 열 교환기(9)에서 주입 에어(8)에 대해 가열되며,
    최종적으로 가스상 생성물(57)로서 얻어지는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 잔류 부분(14)이 상기 단일 탑(12)의 바닥부에서 빠져나오는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 잔류 부분(18)이 상기 단일 탑(12)의 중간 지점으로부터 빠져나오고, 상기 중간 지점은 상기 바닥부 위에, 특히 상기 제 1 잔류 부분(14)이 유출되는 지점 위에 배열되는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 열 교환기(9) 및 상기 상부 응축기(13)가 서로 분리된 장치에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 방법.
  12. 저온 에어 분별을 위한 장치로서,
    질소를 얻기 위해 하나 이상의 단일 탑(12)을 갖는 질소-산소 분리를 위한 증류 탑 시스템;
    주입 에어(8)를 냉각하기 위한 메인 열 교환기(9);
    질소-산소 분리를 위한 상기 증류 탑 시스템으로 냉각된 주입 에어를 유입시 키기 위한 주입 에어 라인(11, 43);
    질소-산소 분리를 위해 상기 증류 탑 시스템으로부터 상기 메일 열 교환기(9)로 질소가 풍부한 또는 산소가 풍부한 생성물 스트림(15, 16, 17; 53; 51, 56, 57; 19, 60)을 주입하기 위한 수단;
    상기 단일 탑의 상부 영역으로부터 증기의 적어도 부분적인 응축을 위한 상부 응축기(13);
    상기 단일 탑(12)의 하부 영역으로부터 상기 상부 응축기(13)로 제 1 액체 잔류 부분(14, 19)을 주입하기 위한 수단;
    상기 상부 응축기(13)의 하류에 상기 제 1 잔류 부분(19)의 적어도 제 1 부분(20)의 일-생산 팽창을 위한 팽창 기계(21);
    상기 단일 탑(12)의 하부 또는 중간 영역으로부터 제 2 잔류 부분(18, 29)을 재압축하기 위한 재압축기(30);
    상기 단일 탑(12) 안으로 상기 압축된 제 2 잔류 부분의 적어도 제 1 부분을 유입시키기 위한 수단;
    외부 소스로부터의 유체를 저장하기 위한 액체 탱크; 및
    상기 액체 탱크(70)로부터 액체 상태로 적어도 때때로 유체(71)를 유출하고 상기 메인 열 교환기(9)에서 증발시키며 그리고 가스상의 추가적 생성물(72, 73)로서 얻기 위한 수단을 갖고,
    상기 장치가 상기 증류 탑 시스템으로부터의 생성물을 구비한 가스상의 추가적인 생성물(72, 73) 또는 상기 외부 소스로부터의 유체를 혼합하기 위한 기구를 갖지 않는 것을 특징으로 하는,
    저온 에어 분별을 위한 장치.
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