KR20130002811U - 공기의 초저온 증류에 의한 가압 정제 공기 및 액체 생성물의 제조를 위한 장치 - Google Patents

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알렝 기야르
라사 자우아니
보 파트릭 르
가즈타카 츠다
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

적어도, 1개 이상의 상부 응축기(C, C1, C2)를 가지는 제1 컬럼(A), 열 교환기(9), 터빈(23), 공기를 제1 압력으로 압축하기 위한 압축기(V), 제1 압력의 공기를 정제하기 위한 정제 수단(P), 제1 압력의 정제된 공기를 제1 분획 및 제2 분획으로 분할하기 위한 도관 수단, 제1 분획을 열 교환기에서 냉각되도록 보내기 위한 도관, 열 교환기에서 냉각된 제1 분획을 증류 컬럼 시스템의 제1 컬럼으로 보내기 위한 도관, 제2 분획을 열 교환기에서 중간 온도로 냉각되도록 보내기 위한 도관, 제2 분획을 중간 온도에서 열 교환기로부터 제거하고 제1 압력의 제2 분획을 터빈으로 보내기 위한 도관, 팽창된 제2 압력의 제2 분획을 열 교환기에서 제2 압력에서 가온되도록 보내기 위한 도관, 가온된 제2 분획을 제2 압력의 생성물 스트림으로서 제거하기 위한 도관, 제1 컬럼으로부터의 산소 풍부 액체를 제1 컬럼의 상기 상부 응축기 하나에서 기화되도록 보내기 위한 도관, 기화된 산소 풍부 액체를 제1 산소 풍부 기체로서 제거하기 위한 도관, 질소 풍부 유체를 제1 컬럼으로부터 제거하기 위한 도관, 및 적어도 1종의 액체 생성물을 증류 컬럼 시스템으로부터 제거하기 위한 도관을 가지며 제1 압력은 제2 압력보다 적어도 3 bar 더 높고 제2 압력은 3 bar abs보다 높은 증류 컬럼 시스템을 포함하는, 공기의 초저온 증류(cryogenic distillation)에 의한 가압 정제 공기 및 액체 생성물의 제조를 위한 장치.

Description

공기의 초저온 증류에 의한 가압 정제 공기 및 액체 생성물의 제조를 위한 장치{APPARATUS FOR THE PRODUCTION OF PRESSURIZED PURIFIED AIR AND A LIQUID PRODUCT BY CRYOGENIC DISTILLATION OF AIR}
본 발명은 초저온 증류(cryogenic distillation)에 의한 가압 정제 공기 및 액체 생성물의 제조를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
압축 공기를 정제한 후 정제된 공기를 에너지 생성을 위한 터빈에서 팽창시켜 청정 건조 공기를 제조하는 것은 EP-A-1027913으로부터 공지되어 있다.
본 발명은 정제된 압축 공기의 팽창에 의해 발생하는 냉동(refrigeration)을 이용하여 액체 생성물을 얻는다. 팽창된 공기를 대기 중으로 보내는 경우와 대조적으로, 본 경우에서는, 팽창된 공기가 순수 공기 생성물로서 기능하도록 의도되기 때문에, 팽창된 공기를 적어도 3 bar abs, 바람직하게는 적어도 5 bar abs의 압력에서 제거한다.
본 발명에 따르면, 공기의 초저온 증류에 의한 가압 정제 공기 및 액체 생성물의 제조 방법으로서,
i) 공기를 제1 압력으로 압축하고 정제하여 제1 압력의 정제된 공기를 형성하고,
ii) 제1 압력의 정제된 공기를 제1 분획 및 제2 분획으로 분할하고,
iii) 제1 분획을 열 교환기에서 냉각시키고 증류 컬럼 시스템의 제1 컬럼으로 보내고,
iv) 제2 분획을 열 교환기에서 중간 온도로 냉각시키고, 제1 압력으로부터 제2 압력까지 팽창시키고, 제2 압력에서 열 교환기에서 가온하고, 생성물 스트림으로서 제거하고,
v) 제1 압력은 제2 압력보다 적어도 3 bar 더 높고, 제2 압력은 3 bar abs보다 높고,
vi) 제1 컬럼으로부터의 산소 풍부(oxygen enriched) 액체를 제1 킬럼의 상부 응축기에서 기화시키고, 제1 산소 풍부 기체로서 제거하고,
vii) 질소 풍부 유체를 제1 컬럼으로부터 제거하고,
viii) 적어도 1종의 액체 생성물을 증류 컬럼 시스템으로부터 제거하는 방법이 제공된다.
임의로는,
- 적어도 1종의 액체 생성물은 제1 기체 컬럼으로부터 제거된 액체 질소이다.
- 제1 산소 풍부 기체를 압축하고 제1 컬럼으로 되돌려 보낸다.
- 산소 풍부 기체를 제1 컬럼의 상부 응축기로부터 제거하고 증류 컬럼 시스템의 제2 컬럼의 상부로 보내고, 산소 풍부 액체를 제2 컬럼의 하부로부터 액체 생성물로서 제거한다.
- 제1 컬럼의 응축기로부터의 산소 풍부 기체를 터빈에서 팽창시킨다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 적어도, 1개 이상의 상부 응축기를 가지는 제1 컬럼, 열 교환기, 터빈, 공기를 제1 압력으로 압축하기 위한 압축기, 제1 압력의 공기를 정제하기 위한 정제 수단, 제1 압력의 정제된 공기를 제1 분획 및 제2 분획으로 분할하기 위한 도관 수단, 제1 분획을 열 교환기에서 냉각되도록 보내기 위한 도관, 열 교환기에서 냉각된 제1 분획을 증류 컬럼 시스템의 제1 컬럼으로 보내기 위한 도관, 제2 분획을 열 교환기에서 중간 온도로 냉각되도록 보내기 위한 도관, 제2 분획을 중간 온도에서 열 교환기로부터 제거하고 제1 압력의 제2 분획을 터빈으로 보내기 위한 도관, 팽창된 제2 압력의 제2 분획을 열 교환기에서 제2 압력에서 가온되도록 보내기 위한 도관, 가온된 제2 분획을 제2 압력의 생성물 스트림으로서 제거하기 위한 도관, 제1 컬럼으로부터의 산소 풍부 액체를 제1 컬럼의 상기 상부 응축기 하나에서 기화되도록 보내기 위한 도관, 기화된 산소 풍부 액체를 제1 산소 풍부 기체로서 제거하기 위한 도관, 질소 풍부 유체를 제1 컬럼으로부터 제거하기 위한 도관, 및 적어도 1종의 액체 생성물을 증류 컬럼 시스템으로부터 제거하기 위한 도관을 가지며 제1 압력은 제2 압력보다 적어도 3 bar 더 높고 제2 압력은 3 bar abs보다 높은 증류 컬럼 시스템을 포함하는, 공기의 초저온 증류에 의한 가압 정제 공기 및 액체 생성물의 제조를 위한 장치가 제공된다.
임의로는, 장치는 제2 증류 컬럼 및 제2 증류 컬럼에 제1 컬럼 및/또는 상기 상부 응축기로부터의 산소 풍부 액체를 주입하기 위한 수단을 포함한다.
상기 적어도 1종의 액체 생성물은 액체 질소 및 액체 산소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명을 본 발명에 따른 방법을 나타내는 도면을 참조하여 더 상세히 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 장치의 한 실시양태의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 장치의 다른 실시양태의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 장치의 또 다른 실시양태의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 장치의 또 다른 실시양태의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 가장 간단한 형태를 보여주며, 여기에서 압축기(V)에서 9 내지 10 bar의 제1 압력으로 압축된 공기(1)는 정제 유닛(P)에서 정제되어 물과 이산화탄소가 제거되며, 제1 분획(5)과 제2 분획(3)으로 분할된다. 제1 분획(5)은 전부 브레이징된(brazed) 알루미늄 열 교환기(9)에서 냉각되고, 단일 컬럼 질소 증류 시스템으로 보내어진다. 컬럼(A)는 공기를 분리하여 하부에서 산소 풍부 액체(11)를 형성하고 상부에서 질소 풍부 기체를 형성하는 데에 사용된다. 질소 풍부 기체는 상부 응축기(C)에서 응축되어 환류로서 컬럼에 되돌려 보내어진다. 산소 풍부 액체(11)는 팽창되고 상부 응축기(C)로 보내어져서 기화된 액체(15)를 형성하고, 이어서 열 교환기(9)에서 가온된다. 액체 질소(13)는 생성물로서 제거되고, 기체상 질소(17)는 바람직하게는 역시 생성물로서 제거되어 열 교환기(9)에서 가온된다.
제2 공기 분획(3)은 교환기(9)의 중간 온도로 냉각되고, 터빈(7)에서 9 내지 10 bar로부터 5 bar까지 팽창되고, 교환기(9)로 되돌려 보내어져서 5 bar에서 가온된다. 가온된 공기(4)는 5 bar의 청정 공기 생성물을 구성한다.
도 2에서, 질소 컬럼은 약간 더 복잡하여, 2개의 상부 응축기(C1, C2)를 가지며, 방법은 저온 압축기(25) 및 폐기물 터빈(23)을 사용한다.
도 2에서, 9 내지 10 bar의 압력으로 압축되고 정제 유닛(도시하지 않음)에서 정제된 공기(1)는 제1 분획(5) 및 제2 분획(3)으로 분할된다. 제1 분획(5)은 전부 브레이징된 알루미늄 열 교환기(9)에서 냉각되고 단일 컬럼 질소 증류 시스템으로 보내어진다. 컬럼(A)는 공기를 분리하여 하부에서 산소 풍부 액체(11)를 형성하고 상부에서 질소 풍부 기체를 형성하는 데에 사용된다.
질소 풍부 기체는 상부 응축기(C1 및 C2)에서 응축되고 환류로서 컬럼에 되돌려 보내어진다. 산소 풍부 액체(11)는 팽창되고 상부 응축기(C1)로 보내어져서 기화된 액체(15)를 형성하고, 이어서 저온 압축기(25)에서 압축되고 컬럼(A)으로 보내어진다. 응축기(C1)로부터의 액체는 하부 응축기(C2)로 보내어지고, 생성된 기화된 기체(21)는 터빈(23)에서 팽창되고 열 교환기(9)에서 가온된다. 액체 질소(13)는 생성물로서 제거되고, 기체상 질소(17)은 바람직하게는 역시 생성물로서 제거되어 열 교환기(9)에서 가온된다.
제2 공기 분획(3)은 교환기(9)의 중간 온도로 냉각되고, 터빈(7)에서 9 내지 10 bar로부터 5 bar까지 팽창되고, 교환기(9)로 되돌려 보내어져서 5 bar에서 가온된다. 가온된 공기(4)는 5 bar의 청정 공기 생성물을 구성한다.
도 3은 8.5 bar g, 200 ppb 산소 순도, 43,000 Nm3/h의 기체상 질소 생성물 흐름(17) 및 4,000 Nm3/h의 액체 질소 흐름(13)을 가지는 질소 발생기를 나타낸다.
9 bar g, 30℃ 및 84,000 Nm3/h의 건조 및 청정 대기 공기 스트림(5)(실질적으로 H2O 및 CO2를 함유하지 않음)은 교환기(9)에서 -164℃의 온도로 냉각된 후 제1 증류 컬럼(A)의 중간 스테이지(stage)에 유입된다.
9.0 bar g, 30℃ 및 136,000 Nm3/h의 건조 및 청정 대기 공기 스트림(3)(실질적으로 H2O 및 CO2를 함유하지 않음)은 교환기(9)에서 -153.5℃의 온도로 냉각된 후 터빈(7)에 의해 기체 스트림(4)로서 4 bar에서 -174℃로 팽창된다. 이어서, 이 스트림(4)은 주 교환기(9)에 재유입되어 28℃로 가온되고 압축 건조 공기 가압 생성물(이하, CDA)로서 전달된다.
터빈(7)에 의해 생성된 에너지는 발전기에 의해 회수된다.
37 몰％의 산소를 함유하는 78,000 Nm3/h의 산소 풍부 액체 흐름(11)이 질소 증류 컬럼(A)의 하부로부터 배출되고 2개의 스트림(스트림(11A) 및 (11B))으로 분할된다.
47,000 Nm3/h의 산소 풍부 액체 흐름(11A)은 밸브를 지나며 팽창되고 질소 증류 컬럼(A)의 상부 응축기(C1)에 주입된다.
31,000 Nm3/h의 산소 풍부 액체 흐름(11B)(스트림 19)은 제2 증류 컬럼(B)을 위한 리보일러(R)의 열원으로서 사용되고, 스트림(11A)과 혼합되고, 질소 증류 컬럼(A)의 상부에 주입된다.
41,000 Nm3/h의 유량 및 27.0％의 산소를 가지는 기체상 산소 풍부 재순환 스트림(27)은 질소 증류 컬럼(A)의 상부 응축기(C1)에서 4.7 bar g 및 -172℃로 배출된 후, 재순환 부스터(25)에서 8.9 bar g로 압축되고, 이어서 교환기(9)에서 -164.5℃로 과냉각(subcool)되고, 증류 컬럼(A)의 더 낮은 스테이지에 주입된다.
3.7 bar g, -172℃ 및 31,100 Nm3/h의 응축기(C2)로부터의 기체상 산소 풍부 폐기물(21)은 주 교환기(9)에서 -135℃로 가온되고, 터빈(23)에서 팽창된 후, 주 교환기(9)에 재유입되어 28℃로 가온된다.
터빈(23)은 저온 부스터(25)에 커플링된다.
폐기물 스트림(21)은 35,380 Nm3/h의 유량을 가지며 45.2％의 산소를 함유한다.
68％의 산소를 함유하는 5,900 Nm3/h의 산소 풍부 액체 흐름(15)은 상부 응축기(C2)로부터 밸브를 지나며 팽창된 후 산소 증류 컬럼(B)에 주입된다.
4,280 Nm3/h의 유량을 가지고 56.1％의 산소를 함유하는 폐기물 기체 스트림(28)은 산소 증류 컬럼(B)의 상부에서 0.5 bar g 및 -183℃로 배출되고 주 교환기(9)에서 28℃로 가온된다.
O2 증류 컬럼 B의 배수조로부터 1,620 Nm3/h의 액체 산소 흐름(29)이 생성물로서 배출된다.
도 4는 2개의 저온 부스터(23A, 23B) 및 2개의 터빈(25A, 25B)이 사용된다는 점에서 도 3과 상이하다. 산소 풍부 스트림(21)은 2개의 스트림(21A, 21B)으로 분할되며, 이들 각각은 터빈(23A, 23B) 중 하나로 보내어진다. 산소 풍부 스트림(27)은 스트림들(27A, 27B)로 분할되며, 이들 각각은 저온 압축기(23A, 23B) 중 하나로 보내어진다. 이어서, 팽창된 스트림들은 혼합되고 열 교환기에서 가온되고, 압축된 스트림들은 혼합되고 과냉각 후 컬럼(A)로 보내어진다.

Claims (3)

  1. 적어도, 1개 이상의 상부 응축기(C, C1, C2)를 가지는 제1 컬럼(A), 열 교환기(9), 터빈(23), 공기를 제1 압력으로 압축하기 위한 압축기(V), 제1 압력의 공기를 정제하기 위한 정제 수단(P), 제1 압력의 정제된 공기를 제1 분획 및 제2 분획으로 분할하기 위한 도관 수단, 제1 분획을 열 교환기에서 냉각되도록 보내기 위한 도관, 열 교환기에서 냉각된 제1 분획을 증류 컬럼 시스템의 제1 컬럼으로 보내기 위한 도관, 제2 분획을 열 교환기에서 중간 온도로 냉각되도록 보내기 위한 도관, 제2 분획을 중간 온도에서 열 교환기로부터 제거하고 제1 압력의 제2 분획을 터빈으로 보내기 위한 도관, 팽창된 제2 압력의 제2 분획을 열 교환기에서 제2 압력에서 가온되도록 보내기 위한 도관, 가온된 제2 분획을 제2 압력의 생성물 스트림으로서 제거하기 위한 도관, 제1 컬럼으로부터의 산소 풍부 액체를 제1 컬럼의 상기 상부 응축기 하나에서 기화되도록 보내기 위한 도관, 기화된 산소 풍부 액체를 제1 산소 풍부 기체로서 제거하기 위한 도관, 질소 풍부 유체를 제1 컬럼으로부터 제거하기 위한 도관, 및 적어도 1종의 액체 생성물을 증류 컬럼 시스템으로부터 제거하기 위한 도관을 가지며 제1 압력은 제2 압력보다 적어도 3 bar 더 높고 제2 압력은 3 bar abs보다 높은 증류 컬럼 시스템을 포함하는, 공기의 초저온 증류(cryogenic distillation)에 의한 가압 정제 공기 및 액체 생성물의 제조를 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제2 증류 컬럼(B) 및 제2 증류 컬럼에 제1 컬럼 및/또는 상기 상부 응축기로부터의 산소 풍부 액체를 주입하기 위한 수단을 포함하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 1종의 액체 생성물은 액체 질소 및 액체 산소 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
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