KR20140108686A

KR20140108686A - 혼합기를 구비하는 액체 분배기

Info

Publication number: KR20140108686A
Application number: KR1020147019639A
Authority: KR
Inventors: 스워미나단 선더; 돈 마이클 헤런; 패트릭 앨런 하우턴
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2014-09-12
Also published as: WO2013089774A1; RU2014129022A; EP2790804B1; EP2790804A1; CN103987431B; SG11201402398TA; CN103987431A; RU2591151C2; JP2015504775A; KR20160052778A

Abstract

패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 분배하기 위한 장치는 액체 흐름을 집수하는 집수기; 집수된 액체를 수용하고 혼합하기 위해 집수기 아래로 그리고 집수기로부터 수직 방향으로 이격된 혼합기; 액체의 적어도 일부를 집수기의 제1 섹터로부터 수용하여 혼합기의 제1 구역으로 전달하는 제1 도관; 및 집수기의 제2 섹터로부터 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합기의 제2 구역으로 전달하는 제2 도관을 포함한다. 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레방향으로 떨어져 배치되고/배치되거나 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 배치된다.

Description

혼합기를 구비하는 액체 분배기{LIQUID DISTRIBUTOR WITH A MIXER}

본 출원인의 장치 및 방법은 열전달 및/또는 물질 이동 프로세스를 위한 교환 컬럼에서 하강하는 액체를 혼합 및 분배하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치 및 방법은 증류를 활용하는 극저온 공기 분리 프로세스에서 특정 어플리케이션을 갖지만, 상기 장치 및 방법은 또한 패킹(packing)(예컨대, 무작위적이거나 구조화된 패킹)을 사용하는 다른 열전달 및/또는 물질 이동 프로세스에서 사용될 수도 있다. 본 출원인의 방법은 또한 교환 컬럼에서 하강하는 액체를 혼합 및 분배하기 위한 디바이스들을 조립하는 방법에 관한 것이다.

여기에서 사용되는 용어 "컬럼"(또는 "교환 컬럼")은 증류 또는 분별 컬럼, 즉 ("패킹 컬럼" 내의) 패킹 요소 상에서 또는 일련의 수직 이격 트레이 또는 컬럼 내에 장착된 플레이트 상에서 기상과 액상이 접촉하는 등에 의해 액상 및 기상이 향류식으로 접촉하여 유체 혼합물의 분리를 실시하는 컬럼을 의미한다.

공기의 극저온 분리는, 액체 및 증기 혼합물이 서로 균질하게 접촉(intimate contact)되는 증류 컬럼에서 실시된다. 각각의 증류 컬럼에서, 혼합물의 기상은 보다 휘발성인 성분(예컨대, 질소)의 농도가 증가하면서 상승하는 반면, 혼합물의 액상은 덜 휘발성인 성분(예컨대, 산소)의 농도가 증가하면서 하강한다. 혼합물의 액상과 기상을 접촉시켜 이들 상 간의 물질 이동을 달성하기 위해 패킹 또는 트레이와 같은 다양한 수단이 사용될 수 있다.

공기의 그 주성분, 즉 질소, 산소 및 아르곤으로의 극저온 분리를 위한 다양한 프로세스 사이클이 있다. 이중 컬럼 사이클(double column cycle)로서 알려진 통상적인 프로세스가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 간결성을 위해, 이 개략도에는 단지 증류 컬럼과 관련 극저온 열교환기만이 도시되어 있다. 이중 컬럼 사이클은 고압 컬럼(10), 저압 컬럼(12), 아르곤 컬럼(14), 주 리보일러 응축기(16), 과냉각기(18), 아르곤 응축기(20) 및 아르곤 응축기 캔(22)을 포함한다.

압력이 약 4.5 내지 5.5. bara이고 그 이슬점에 가까운 고압 공급 공기(24)가 고압 컬럼(10)의 베이스에 공급된다. 고압 컬럼(10)에서, 공기는 질소 농후 증기(26) 및 산소 농후 액체(28)로 분리된다. 산소 농후 액체(28)는 과냉각기(18)에서 과냉각되고 압력이 약 1.2 내지 1.4 bara로 하강되어, 아르곤 응축기 캔(22)에 공급된다. 질소 농후 증기(26)는 주 리보일러 응축기(16)로 안내되고, 주 리보일러 응축기에서 비등 산소에 대해 응축되며, 이는 저압 컬럼(12)에 비등을 제공한다. 응축된 질소 농후 액체(30)는 부분적으로는 고압 컬럼(10)을 위한 리플럭스(32)로서 사용되고, 부분적으로는 저압 컬럼(12)을 위한 리플럭스(34)로서 사용되며, 리플럭스(34)는 과냉각기(18)에서 과냉각되어 약 1.2 내지 1.3 bara의 압력으로 하강되게 된다. 저압 컬럼(12)에서는, 다양한 공급물들이 극저온 증류에 의해 산소 농후 성분 및 질소 농후 성분으로 분리된다.

GOX로서 알려진 가스상 산소 생성물(35)은 저압 컬럽(12)의 바닥으로부터 회수되고, LPGAN으로 알려진 가스상 질소 생성물(36)은 저압 컬럼(12)의 상부로부터 회수되며, 플랜트의 다른 부분에 공급되기 전에 과냉각기(18)를 통해 가온된다. 저압 컬럼(12)에서 중간 위치로부터 폐스트림(38)도 또한 회수되며, 과냉각기(18)를 통해 가온되고, 플랜트의 다른 부분에 공급된다.

기상측 스트림(40)은 저압 컬럼(12)의 다른 중간 위치로부터 회수되어 아르곤 컬럼(14)의 저부에 공급되는데, 아르곤 컬럼에서 기상측 스트림은 아르곤 컬럼(14)을 따라 상방으로 흘르고 응축되며, 액체 스트림(42)으로서 복귀되어, 다시 저압 컬럼(12)으로 공급된다. 아르곤 응축기(20)에 대한 냉각은 아르곤 응축기 캔(22)에 있는 스트림(28)의 부분 증발에 의해 제공되며, 스트림은 아르곤 응축기 캔(22)으로부터 부분적으로는 증기(46)로서 그리고 부분적으로는 액체(48)로서 저압 컬럼에 공급된다. 증기 부분은 아르곤 컬럼(14)의 상부에서 CGAR으로서도 알려져 있는 미가공 아르곤(50)으로서 회수되어 다른 프로세싱을 위해 플랜트의 다른 부분으로 공급된다.

각각의 증류 컬럼에서, 분리는 고압 컬럼(10)의 섹션(11), 저압 컬럽(12)의 섹션(13, 15, 17, 19, 21) 및 아르곤 컬럼(14)의 섹션(23, 25)과 같은 하나 이상의 섹션에서 달성된다. 본 출원인에 의해 설명되는 예에서 트레이 또는 패킹과 같은 상이한 타입의 접촉 수단이 사용될 수 있지만, 접촉 수단은 모두 구조화된 패킹으로 형성되는 것으로 가정되며 이와 같이 제시된다.

액체를 패킹 컬럼의 패킹 섹션에 대해 균일하게 분배하는 다수의 디바이스가 있다. 그러한 디바이스가 다양한 특허 및 텍스트북에 개시되어 있다. 예컨대, 액체가 집수되고 천공부 어레이를 통해 아래의 패킹으로 흐르는 다수의 평행 구역을 갖는 트로프 스타일 분배기가 있다. 액체 트로프는 컬럼의 단면에 걸쳐 균일하게 배치될 수 있고, 트로프에 수직하게 마련되고 그 자체로 컬럼의 직경 대부분을 커버하는 중앙 채널에 의해 공급물이 공급될 수 있다. 대형 컬럼에서, 액체 트로프는 또한 환형 홈통(gutter)을 통해 벽 부근에 연결될 수 있으며, 환형 홈통은 유압 구배를 조정하는 수단일 수 있다. 증기는 일반적으로 직사각형인 수직관에 있는 액체 트로프들 사이의 평행 구역에서 흐른다. 증기 구역은 그 위에 배치되는 캡을 구비하여, 액체가 위에 있는 섹션으로부터 증기 구역을 통해 낙하하는 것을 방지하고, 그 대신에 액체를 집수하고 아래에 있는 컬럼 섹션으로 전달하는 트로프로 액체를 보낼 수 있다. 상기한 분배기는 굴뚝 스타일 분배기로서 일컬을 수 있다. 팬 스타일 분배기도 있는데, 이 경우에 증기 수직관은 일반적으로 단면이 원형일 수 있으며, 액체는 수직관 둘레에서 천공부를 통해 아래에 있는 패킹으로 흐른다. 이에 따라, 다수의 기본적인 구성과, 기본적인 구성에 대한 다양한 변형이 존재한다.

컬럼에 있는 패킹에 대한 액체 및 증기의 초기 공급은 상기한 분배기에 의해 이루어진다. 패킹에 실질적으로 균일하게 액체를 급수하는 역할을 하는 액체 분배기는 패킹 위에 배치되는 한편, 패킹 아래에서 실질적으로 균일한 증기 흐름을 형성하는 역할을 하는 증기 분배기는 패킹 아래에 배치된다. 증기 분배기뿐만 아니랴, 액체 집수기도 또한 패킹 아래에 배치되는데, 액체 집수기의 역할을 패킹을 빠져나가는 액체를 집수하여 더 아래의 컬럼으로 액체를 안내하는 것이다. 액체 집수기 및 증기 분배기가 2개의 역할 모두를 수행하는 동일한 디바이스 내에 포함되는 것이 통상적이다.

통상적으로, 액체 흐름 분배와는 독립적으로 또는 액체 흐름 분배와 조합된 혼합을 처리하는 소수의 분배기 많이 존재해 왔다. 이들 디바이스는 특히 약 2 미터를 상회하는 직경을 갖는 공기 분리 플랜트의 대형 극저온 증류 컬럼에 있어서 그 액체 조성 및 흐름 분배 품질 면에서 훌륭하게 기능하지 못하는데, 그 이유는 본 출원인의 장치 및 방법이 행하는 바와 같이 완벽한 혼합과 패킹 컬럼에 대한 균일한 액체 분배를 제공하지 못하고(그러나, 오히려 단지 부분적인 혼합), 이에 따라 높은 분리 효율을 달성하지 못하기 때문이다. 패킹 컬럼의 신뢰성도 또한, 필터를 사용하는 것에 의해 패킹 컬럼이 부스러기 및 작동 부스러기를 형성하는 것을 방지하는 본 출원인의 장치 및 방법에 의해 향상된다.

다양한 타입의 디바이스가 패킹 컬럼 또는 질량 이동 컬럼에서 사용되어 왔으며, 이 경우 그러한 디바이스는 적어도 부분적으로 컬럼에서 하강하는 액체에 대하여 다음의 기능들, 즉 집수, 분배, 재분배 및 혼합 중 하나 이상을 수행한다. 그러나, 다양한 이유로 이들 디바이스는 액체를 완전하게 혼합하지 않고, 이에 따라 2개의 흐름 및 액체의 조성에 있어서의 균일성을 제공하지 않는다. 예컨대, 그러한 디바이스는 미국 특허 제5,158,713호(Ghelfi 등의 명의); 미국 특허 제5,776,316호(Potthoff 등의 명의); 제5,752,538호(Billingham 등의 명의); 제5,935,389호(Hine 등의 명의); 및 제7,114,709호(Ender 등의 명의)에 개시되어 있다. 미국 특허 공보 제2009/0049864호(Kovak 등의 명의)에 개시된 액체 집수기 및 재분배기도 또한 참조하라. 그러한 디바이스의 다른 예는 미국 특허 제5,240,652호(Taylor 등의 명의); 제5,897,748호(Kaibel 명의); 제6,086,055호(Armstrong 등의 명의); 및 제7,007,932호(암스트롱 등)에 개시된 디바이스를 포함한다.

본 출원인의 장치 및 방법의 다양한 양태와 각각의 양태의 다수의 변형이 있다.

일양태는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 분배하는 장치이다. 상기 장치는 집수기, 혼합기, 제1 도관 및 제2 도관을 포함한다. 집수기는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치된 복수 개의 섹터를 가지며, 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름의 적어도 일부를 집수하도록 되어 있다. 혼합기는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 집수기 아래로 그리고 집수기로부터 수직 방향으로 이격된다. 혼합기는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 복수 개의 구역을 갖고, 집수기에 집수된 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합하도록 되어 있다. 제1 도관은 집수기의 제1 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제1 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는다. 제1 도관은 집수기의 제1 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하고 혼합기의 제1 구역으로 하향 전달하도록 되어 있다. 제2 도관은 집수기의 제2 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제2 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는다. 제2 도관은 집수기의 제2 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합기의 제2 구역으로 하향 전달하도록 되어 있다. 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 또는 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되고, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정된다.

상기 장치의 제1 변형예에서, 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정된다.

상기 제1 장치의 제1 변형예의 변형에서, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정된다.

앞의 3개 단락에서 설명한 장치 중 임의의 장치의 다른 변형예에서, 혼합기의 단면적은 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 약 25 % 이하, 바람직하게는 약 20 % 이하를 차지한다.

제2 장치는 제1 장치 또는 전술한 변형예의 장치 중 임의의 장치와 유사하지만, 예분배기를 더 포함한다. 예분배기는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되며, 혼합기로부터 나온 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 수용하고 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 예분배기로부터 외측 방향으로 전달하도록 되어 있다.

제3 장치는 제2 장치 또는 전술한 변형예의 장치 중 임의의 장치와 유사하지만, 최종 분배기를 더 포함한다. 최종 분배기는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되고, 예분배기로부터 예분배된 액체 흐름의 적어도 일부를 수용하고, 수용된 예분배된 액체의 흐름의 적어도 일부를 패킹 컬럼의 내부 공간에 있는 단면 영역의 적어도 일부에 걸쳐 실질적으로 균일하게 전달하도록 되어 있다.

제3 장치의 변형예에서, 예분배기는 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 하향 전달하도록 된 복수 개의 채널을 포함한다. 추가로, 최종 분배기는 예분배된 액체 흐름의 적어도 일부를 전달하도록 된 복수 개의 트로프를 포함한다. 각각의 트로프는 적어도 하나의 구멍을 가지며, 예분배기의 적어도 하나의 채널과 유체 연통된다.

제4 장치는 제1, 제2나 제3 장치 또는 전술한 이들의 변형예의 장치와 유사하지만, 필터를 더 포함한다. 이들 장치 중 임의의 장치의 변형 또는 이들의 변형에서, 필터는 혼합기 내에 배치된다.

다른 양태는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 분배하는 방법이며, 이 방법은 9개의 단계를 포함한다. 제1 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 다수의 섹터를 갖고 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름의 적어도 일부를 집수하도록 된 집수기를 마련하는 것이다. 제2 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 집수기 아래로 그리고 집수기로부터 수직 방향으로 이격된 혼합기를 마련하는 것이며, 혼합기는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되고 집수기에 집수된 액체의 적어도 일부를 수용하고 혼합하도록 된 복수 개의 구역을 갖는다. 제3 단계는 집수기의 제1 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제1 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는 제2 도관을 마련하는 것이며, 제1 도관은 집수기의 제1 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합기의 제1 구역으로 하향 전달하도록 되어 있다. 제4 단계는 집수기의 제2 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제2 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 구비하는 제2 도관을 마련하는 것이며, 제2 도관은 집수기의 제2 섹터로부터 액체의 적어도 일부를 수용하고 혼합기의 제2 구역으로 하향 전달하도록 되어 있다. 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 또는 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되고, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정다. 제5 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 집수기 위에 있는 패킹 컬럼의 내부 공간으로 유입시키는 것이다. 제6 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름의 적어도 일부를 집수기에서 집수하는 것이다. 제7 단계는 집수기의 제1 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 혼합기의 제1 구역으로 하향 전달하는 것이다. 제8 단계는 집수기의 제2 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 제2 도관을 통해 혼합기의 제2 구역으로 하향 전달하는 것이다. 제9 단계는 집수기의 제1 섹터로부터 혼합기의 제1 구역으로 전달된 액체와 집수기의 제2 섹터로부터 혼합기의 제2 구역으로 전달된 액체를 혼합기에서 혼합하고, 이에 따라 혼합 액체를 생성하는 것이다.

상기 방법의 제1 변형예에서, 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정된다.

상기 방법의 제1 변형예의 변형에서, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정된다.

앞의 3개의 단락에서 설명한 방법들 중 임의의 방법의 다른 변형에서, 혼합기의 단면적은 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 약 25 % 이하, 바람직하게는 약 20 % 이하를 차지한다.

제2 방법은 제1 방법 또는 전술한 변형예의 방법들 중 임의의 방법과 유사하지만, 3개의 추가 단계를 포함한다. 제1 추가 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되고 혼합기로부터 나온 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 수용하고, 수용된 혼합 액체의 적어도 일부를 예분배기로부터 외측 방향으로 전달하도록 된 예분배기를 마련하는 것이다. 제2 추가 단계는 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 혼합기로부터 예분배기로 전달하는 것이다. 제3 추가 단계는 혼합기로부터 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 예분배기로부터 외측 방향으로 전달하는 것이다.

제3 방법은 제2 방법 또는 전술한 변형예의 방법들 중 임의의 방법과 유사하지만, 3개의 다른 추가 단계를 포함한다. 제1 다른 추가 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되고 예분배기로부터 나온 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 수용하며 수용된 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 적어도 일부에 걸쳐 실질적으로 균일하게 전달하도록 된 최종 분배기를 마련하는 것이다. 제2 다른 추가 단계는 예분배기로부터 예분배된 액체 흐름의 적어도 일부를 최종 분배기로 수용하는 것이다. 제3 다른 추가 단계는 수용된 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 적어도 일부에 걸쳐 실질적으로 균일하게 전달하는 것이다.

제3 방법의 변형예에서, 예분배기는 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 하향 전달하도록 된 복수 개의 채널을 포함한다. 추가로, 최종 분배기는 예분배 액체의 적어도 일부를 전달하도록 된 복수 개의 트로프를 포함하는데, 각각의 트로푸는 적어도 하나의 구멍을 갖고 예분배기의 적어도 하나의 채널과 유체 연통된다.

제4 방법은 제1, 제2나 제3 방법 또는 전술한 방법의 임의의 변형예와 유사하지만, 2개의 추가 단계를 포함한다. 제1 추가 단계는 필터를 마련하는 것이다. 제2 추가 단계는 액체의 적어도 일부를 필터링하는 것이다. 이들 방법 중 임의의 방법의 변형예 또는 이들의 변형예에서, 필터는 혼합기에 배치된다.

또 다른 양태는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 분배하는 장치의 조립 방법으로, 이 조립 방법은 5 단계를 포함한다. 제1 단계는 내부 공간을 갖는 패킹 컬럼을 마련하는 것이다. 제2 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에, 복수 개의 섹터를 갖고 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름의 적어도 일부를 집수하도록 된 집수기를 마련하는 것이다. 제3 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간 내에서 집수기 아래로 그리고 집수기로부터 수직 방향으로 이격되게 혼합기를 마련하는 것으로, 혼합기는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 복수 개의 구역을 갖고, 집수기에 집수된 액체의 적어도 일부를 수용하고 혼합시키도록 되어 있다. 제4 단계는 집수기의 제1 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제1 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는 제1 도관을 마련하는 것으로, 제1 도관은 집수기의 제1 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하고 혼합기의 제1 구역으로 하향 전달하도록 되어 있다. 제5 단계는 집수기의 제2 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제2 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는 제2 도관을 마련하는 것으로, 제2 도관은 집수기의 제2 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하고 혼합기의 제2 구역으로 하향 전달하도록 되어 있다. 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 또는 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되고, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정된다.

상기 조립 방법의 제1 변형예에서, 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정된다.

상기 조립 방법의 제1 변형예의 변형에서, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정된다.

앞의 3개 단락에서 설명한 조립 방법들 중 임의의 방법의 다른 변형예에서, 혼합기의 단면적은 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 약 25 % 이하, 바람직하게는 약 20 % 이하를 차지한다.

상기 장치의 제2 조립 방법은 제1 조립 방법 또는 전술한 변형예의 조립 방법들 중 임의의 방법과 유사하지만, 추가 단계를 포함한다. 추가 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에, 혼합기로부터 나온 혼한 액체 흐름의 적어도 일부를 수용하고 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 예분배기로부터 외측 방향으로 전달하도록 된 예분배기를 마련하는 것이다.

장치의 제3 조립 방법은 제2 조립 방법 또는 전술한 방법의 변형예들 중 임의의 변형예와 유시하지만 다른 추가 단계를 포함한다. 다른 추가 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에, 예분배기로부터 나온 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 수용하고 수용된 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 적어도 일부에 걸쳐 실질적으로 균일하게 전달하도록 된 최종 분배기를 마련하는 것이다.

상기 제3 조립 방법의 변형예에서, 예분배기는 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 하향 전달하도록 된 복수 개의 채널을 포함한다. 추가로, 최종 분배기는 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 전달하도록 된 복수 개의 트로프를 포함하며, 각각의 트로프는 적어도 하나의 구멍을 갖고 예분배기의 적어도 하나의 채널과 유체 연통된다.

장치의 제4 조립 방법은 제1, 제2 또는 제3 조립 방법이나 전술한 조립 방법의 임의의 변형예와 유사하지만, 필터를 제공하는 다른 단계를 포함한다. 이들 조립 방법 중 임의의 조립 방법의 변형예 또는 이들의 변형예에서, 필터는 혼합기 내에 배치된다.

다른 양태는 극저온 공기 분리 방법으로, 이 방법은 내부에 제1 질량 이동 섹션과 이 제1 질량 이동 섹션 아래로 제1 질량 이동 섹션으로부터 이격된 제2 질량 이동 섹션을 갖는 내부 공간을 갖는 패킹 컬럼 내에서 상승 증기와 하강 액체를 향류식으로 접촉시키는 것을 포함한다. 이 방법에서, 전술한 장치 중 임의의 장치 또는 이들의 변형예와 같은 장치는 제1 질량 이동 섹션과 제2 질량 이동 섹션 사이에 위치 설정되고, 제1 질량 이동 섹션으로부터 제2 질량 이동 섹션으로 하강 액체 흐름을 분배한다.

또 다른 양태는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 분배하는 방법으로, 이 방법은 5 단계를 포함한다. 제1 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 내부 공간에 배치되는 집수기 위에서 패킹 공간의 내부 공간으로 유입시키는 것이다. 제2 단계는 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름의 적어도 일부를 집수기에서 집수하는 것이다. 제3 단계는 집수기의 제1 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 집수기와 유체 연통되는 제1 도관을 통해 집수기 아래로 그리고 집수기로부터 이격되어 내부 공간에 배치되는 혼합기의 제1 구역으로 하향 전달하는 것이며, 이에 의해 제1 도관을 통해 전달되는 액체는 집수기의 제1 섹터로부터 혼합기의 제1 구역으로 둘레 방향으로 이동된다. 제4 단계는 집수기의 제2 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 집수기와 유체 연통되는 제2 도관을 통해 혼합기의 제2 구역으로 하향 전달하고, 이에 의해 제2 도관에 의해 전달되는 액체를 집수기의 제2 섹터로부터 혼합기의 제2 구역으로 둘레 방향으로 이동시키는 것이다. 제5 단계는 혼합기에서, 집수기의 제1 섹터로부터 혼합기의 제1 구역으로 전달된 액체와 집수기의 제2 섹터로부터 혼합기의 제2 구역으로 전달된 액체를 혼합시키고, 이에 의해 혼합 액체를 형성하는 것이다.

이 방법의 제1 변형예에서, 제1 도관을 통해 전달되는 액체는 집수기의 제1 섹터로부터 혼합기의 제1 구역으로 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 전달된다.

이 방법의 제1 변형예의 변형에서, 제2 도관을 통해 전달되는 액체는 집수기의 제2 섹터로부터 혼합기의 제2 구역으로 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 전달된다.

앞의 3개 단락에서 설명한 방법들 중 임의의 방법의 다른 변형예에서, 혼합기의 단면적은 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 약 25 % 이하, 바람직하게는 약 20 % 이하를 차지한다.

제2 방법은 (선행하는 4개의 단락에서 설명된) 제1 방법 또는 전술한 방법의 임의의 변형예와 유사하지만, 2개의 추가 단계를 포함한다. 제1 추가 단계는 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 혼합기로부터 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치된 예분배기로 전달하는 것이다. 제2 추가 단계는 혼합기로부터 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 예분배기로부터 외측 방향으로 전달하는 것이다.

제3 방법은 선행 단락의 제2 방법 또는 전술한 방법의 변형예들 중 임의의 변형예와 유사하지만, 2개의 다른 추가 단계를 포함한다. 제1 다른 추가 단계는 예분배기로부터 나온 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치된 최종 분배기로 수용하는 것이다. 제2 다른 추가 단계는 수용된 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 패킹 컬럼의 내부 공간에 있는 단면 영역의 적어도 일부에 걸쳐 실질적으로 균일하게 전달하는 것이다.

상기 단락의 제3 방법의 변형예에서, 예분배기는 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 하향 전달하도록 된 복수 개의 채널을 포함한다. 추가로, 최종 분배기는 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 전달하도록 된 복수 개의 트로프를 포함하며, 각각의 트로프는 적어도 하나의 구멍을 갖고 예분배기의 적어도 하나의 체널과 유체 연통된다.

제4 방법은 제1, 제2 또는 제3 방법이나 선행하는 7개 단락에서 전술한 이들의 임의의 변형예와 유사하지만, 2개의 추가 단계를 포함한다. 제1 추가 단계는 필터를 제공하는 것이다. 제2 추가 단계는 액체의 적어도 일부를 필터링하는 것이다. 상기한 방법들 중 임의의 변형예 또는 이들의 변형예에서, 필터는 혼합기 내에 배치된다.

첨부 도면을 참고로 하여 예로써 본 출원인의 장치 및 방법을 설명하겠다.
도 1은 공기의 극저온 분리를 위한 통상적인 이중 컬럼 사이클의 개략도이고,
도 2a는 본 출원인의 장치의 일실시예에 대한 개략적인 단면 평면도이며,
도 2b는 본 출원인의 장치의 일실시예의 도관 유입구를 구비하는 한가지 타입의 집수기를 예시하는 개략적인 단면 정면도이고,
도 2c는 본 출원인의 장치의 일실시예의 혼합기와 도관의 일 구성을 예시하는 다른 개략적인 단면도이며,
도 2d 및 도 2f는 본 출원인의 장치의 일실시예의 집수기의 섹터의 기하학적 중심과 집수기의 섹터를 예시하는 개략적인 단면 정면도이고,
도 2e 및 도 2g는 본 출원인의 장치의 일실시예의 혼합기 구역과 혼합기 구역의 기하학적 중심을 예시하는 개략적인 단면 정면도이며,
도 3a는 본 출원인의 장치의 다른 실시예의 개략적인 단면 평면도이고,
도 3b 및 도 3d는 본 출원인의 장치의 다른 실시예의 섹터의 기하학적 중심 및 집수기의 섹터를 예시하는 개략적인 단면 정면도이며,
도 3c 및 도 3e는 본 출원인의 장치의 다른 실시예의 구역의 기하학적 중심 및 혼합기의 구역을 예시하는 개략적인 단면 정면도이고,
도 4a는 패킹 컬럼에 있는 2개의 패킹 섹션 사이의 본 출원인의 장치의 일부의 개략적인 단면 평면도이며,
도 4b는 패킹 컬럼에 있는 2개의 패킹 섹션 사이의 본 출원인의 장치의 일부의 개략적인 단면 평면도이고,
도 5는 패킹 컬럼에 있는 2개의 패킹 섹션 사이의 본 출원인의 장치의 일부의 다른 실시예의 개략적인 단면 평면도이며,
도 6은 예 1의 평행 컬럼 분석에서 사용되는 개략도이고,
도 7은 기본적인 경우의 액체 오분배에 있어서의 예 1의 평행 컬럼 분석에서 사용되는 다른 개략도이며,
도 8은 예 1에 대한 결과를 보여주는 고정된 CGAR 흐름을 갖는 액체 오분배 효과를 예시하는 그래프이고,
도 9는 혼합된 중간 액체의 경우에 있어서의 예 1의 평행 컬럼 분석에서 사용되는 다른 개략도이며,
도 10은 180°이동된 중간 액체의 경우에 있어서의 예 1의 평행 컬럼 분석에서 사용되는 다른 개략도이고,
도 11은 120°이동된 중간 액체 및 60°이동된 중간 액체의 경우에 있어서의 예 1의 평행 컬럼 분석에서 사용되는 다른 개략도이며,
도 12는 예 1에서 중간 액체가 이동되는 각도의 효과를 예시하는 그래프이고,
도 13은 예 2의 평행 컬럼 분석에서 사용되는 개략도이며,
도 14는 예 2에 대한 결과를 보여주는 고정된 GOX 흐름에 있어서의 액체 오분배의 효과를 예시하는 그래프이다.

본 출원인의 장치 및 방법은 컬럼 내에서 하강하는 유체를 혼합하고 컬럼에 있는 패킹 섹션의 단면 영역에 걸쳐 균일하게 분배한다. 상기 장치는 집수기, 혼합기, 액체를 혼합기로부터 외측 방향으로 확산시키는 예분배기 및 액체를 컬럼에 잇는 패킹 섹션의 단면 영역에 걸쳐 균일하게 침적시키는 최종 분배기를 포함한다. 상기 장치의 실시예는 혼합기 내에서 발생할 수 있는 임의의 혼합 부족을 보상하는 수단(예컨대, 여기에 설명된 소정 방식으로 구성되는 도관)을 더 포함한다. 선택적으로, 장치는 패킹 컬럼을 공정 부스러기 또는 제조 부스러기로부터 보호하기 위해 액체의 적어도 일부가 흐를 수 있는 필터를 포함할 수 있다. 컬럼 외부에서 액체 공급물이 아래의 패킹 섹션으로 유입되는 경우, 그러한 공급물은 그러한 액체를 내부에 존재할 수 있는 임의의 증기와 분리시킨 후에 혼합기로 적절히 유입될 수 있다.

패킹 컬럼의 성능은 액체 및 증기의 분배의 질에 좌우되며, 분배의 질은 컬럼의 단면에 진입하고 가로지르는 2개의 상의 흐름 및 조성 모두에 있어서의 균일성을 포함한다. 패킹 컬럼의 상이한 섹션들은 그 평형 상태 및 작동 라인 간의 관계에 따라 오분배에 대한 상이한 수준의 감도를 나타낸다. 흐름 균일성의 중요성은 사실상 잘 이해되는 반면, 조성 효과는 잘 이해되지 않는다. 예민한 섹션에 대해서, 유입 액체 전부 또는 실질적으로 유입 액체 전부를 혼합한 다음, 컬럼의 단면 영역에 걸쳐 실질적으로 균일하게 액체를 재분배하는 것이 중요한 것으로 추정된다. 균일한 흐름은 달성할 수 있지만, 완벽한 혼합은 정교하고 고가의 디바이스를 요구하며, 종종 컬럼 높이에 있어서의 증가를 초래한다. 이것은 특히 직경이 약 2 미터를 상회하는 컬럼과 같은 직경이 큰 컬럼의 경우에 그러하다.

본 출원인의 장치 및 방법은 완벽한 조성적 혼합을 얻기 위해 필요한 보다 정교한 단계를 거치는 일 없이 비용 효율적인 방식으로 완벽한 혼합의 이점을 달성한다. 선택적 필터는, 증류 및/또는 상부 공급 섹션으로부터 축적될 수 있는 부스러기로부터 액체 분배기와 패킹 컬럼을 보호하는 데 기여한다. 상기한 부스러기는 액체 분배기에 있는 구멍을 막아 아래의 패킹 컬럼에서의 성능 부족을 초래할 수 있다. 이에 따라, 종래 기술의 분배기에 있어서 가능한 것보다 짧은 베드 높이를 초래할 수 있는 패킹 컬럼의 고효율을 제공하는 것뿐만 아니라, 본 출원인의 장치 및 방법은 부스러기에 의해 유발될 수 있는 문제들을 제거하거나 최소화함으로써 보다 신뢰성 있는 공정을 제공한다.

명료성을 위해, 도 2a 내지 도 2g, 도 3a 내지 도 3e, 도 4a 및 도 4b, 그리고 도 5는 설명하는 실시예의 전체 장치의 단지 일부를 예시한다.

도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같이, 장치(60)는 컬럼(62)의 내부 공간에 설치된다. [내부 공간은 컬럼(62)의 내벽 내에 포함되는 공간이다.] 도 2a 내지 도 2c에 있는 컬럼(62)의 내부 공간은 컬럼 측부 "A" 및 "B"로 분할된다.

도 2a 내지 도 2g는 이 실시예가 작동하는 방법을 예시하기 위해 설명되는 장치의 일실시예의 몇몇 피쳐(feature)를 보여준다. 도 2a를 참고하면, 상부의 패킹 섹션(도시하지 않음)으로부터 나온 액체는 아래로 집수기(61)로 낙하한다. 예시된 실시예에서, 집수기(61)는 컬럼(62)의 내벽에 인접한 링 요소를 갖는다. 액체는 집수기(61)로부터 도관(66, 68)을 통해 혼합기(64)로 흐른다. 2개의 도관으로부터 나온 액체 흐름은 혼합기(64)에서 결합된다. 액체는 혼합기(64)를 빠져나와, 궁극적으로 아래의 패킹(도시하지 않음)으로 분배된다.

바람직하게는, 컬럼(62) 내에서 상부로부터 하강하는 액체 전부 또는 실질적으로 전부는 집수기(61)와 도관(66, 68)을 통과하고, 집수기(61)나 도관(66, 68)을 우회하지 않는다. 집수기를 위해 사용될 수 있는 장비의 예가 미국 특허 출원 공개 공보 제2009/0049864 A1호(Kovak 등의 명의)의 도 3 내지 도 7에 도시되어 있으며, 이 미국 특허는 참고에 의해 그 임의의 부분을 배제하는 일 없이 교시하는 모든 내용에 대해서 전체가 본 명세서에 포함된다.

도 2a 내지 도 2c에 예시한 실시예에서, 도관(66)은 위에 있는 컬럼 측부 "B"로부터 집수된 액체를 아래에 있는 컬럼 측부 "A"로 이송하며, 도관(68)은 위에 있는 컬럼 측부 "A"로부터 나온 액체를 아래에 있는 컬럼 측부 "B"로 이송한다. 다시 말하자면, 그리고 도 2c에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 집수기(61)로부터 도관(66)에 지입하는 액체는 도관(66)에서 혼합기(64)로 빠져나갈 때까지 둘레 방향으로 180°만큼 이동된다(즉, 액체는 둘레 방향으로 이동된다). 예시한 실시예의 컬럼 측부 "A"와 컬럼 측부 "B"는 균일한 것이 바람직하지만, 당업자라면 기계적 고려사항을 처리하기 위해 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

비대칭 도관 위치를 갖는 시스템 또는 2개가 넘는 도관을 구비하는 시스템에 있어서의 본 출원인의 장치 및 방법의 작동을 명확하게 하기 위해, 도관 내로의 흐름이 시작되는 위치 및 도관 외측으로의 흐름이 향하는 위치를 이해하는 것이 도움이 된다. 이것은 도 2d 내지 도 2g의 개략적인 예시를 이용하여 설명될 수 있다.

우선 도 2d를 참고하면, 집수기(61)에 있는 "섹터"의 개념이 소개된다. 도 2d에 도시한 바와 같이, 집수기(61) 위에 있는 패킹(도시하지 않음)으로부터 나온 액체는 집수기(61)로 낙하하여, 화살표로 표시한 방향으로 그리고 도관(66, 68)의 유입구로 흐른다. 도관 위치의 대칭성[즉, 180°이격된 도관(66, 68)의 유입구]으로 인해, 액체는 집수기(61)의 2개의 섹터, 즉 제1 섹터(63)와 제2 섹터(73)로 흐른다. 제1 섹터(63)로부터 나온 액체는 도관(66)의 유입구로 흐르고, 제2 섹터(73)로부터 나온 액체는 도관(68)의 유입구로 흐른다.

이제 도 2f를 참고하면, 집수기(61)에 있는 제1 섹터(63)의 형태는 반원과 90°에서 270°로 뻗는 현에 의해 경계가 정해지는 영역(즉, 빗금친 영역)이다. 제1 섹터(63)의 기하학적 중심은 원의 중심[컬럼(62)의 중심]으로부터 컬럼(62)의 내벽 상의 0°위치로 연장되는 선 상에 놓인다. 이러한 기하학적 중심의 위치는 화살표 67로 대략적으로 나타낸 것이다.

다음으로, 도 2e를 참고하면, 혼합기(64)의 "구역"에 관한 개념이 소개된다. 도 2e에 도시한 바와 같이, 도관(66, 68)으로부터 나온 액체는 혼합기(64)로 방출되고 화살표로 나타낸 방향으로 흐르며 최종 분배기(도시하지 않음)로 빠져나가, 궁극적으로 아래에 있는 패킹(도시하지 않음)으로 전달된다. 도관 위치의 대칭성[즉, 도관(66, 68)의 유출구가 180°이격됨]으로 인해, 액체는 혼합기(64)의 2개 구역, 즉 제1 구역(65) 및 제2 구역(75)으로 흐른다. 액체는 도관(66)의 유출구로부터 제1 구역(65)으로 흐르고, 액체는 도관(68)의 유출구로부터 제2 구역(75)으로 흐른다.

이제 도 2g를 참고하면, 혼합기의 제1 구역(65)의 형상은 빗금으로 표시한 직사각형 영역이다. 제1 구역(65)의 기하학적 중심은 원의 중심[컬럼(62)의 중심]으로부터 컬럼(62)의 내벽 상의 180°위치로 뻗는 선 상에 놓인다. 이러한 기하학적 중심의 위치는 대략적으로 화살표 69로 나타낸 것이다.

선행하는 단락에 설명되고 도 2a 내지 도 2g에 도시한 실시예에 있어서, 집수기(61)에 있는 제1 섹터(63)로부터 나온 액체는 도관(66)을 통해 혼합기(64)의 제1 구역(65)으로 전달되며, 집수기(61)에 있는 제1 섹터(63)의 기하학적 중심(67)은 둘레 방향으로 혼합기(64)에 있는 제1 구역(65)의 기하학적 중심(69)으로부터 180°떨어져 위치 설정된다.

도 3a 내지 도 3e는 본 실시예가 더 많은 도관과 함께 작동하는 방법을 예시하기 위해 설명되는 다른 실시예의 몇몇 피쳐를 보여준다. 도 3a를 참고하면, 집수기(61)로부터 액체를 집수하고 이 액체를 혼합기(64)로 전달하는 4개의 도관(70, 72, 74, 76)이 있다. 바람직하게는, 컬럼(62)에서 위로부터 하강하는 액체 전부 또는 실질적으로 전부는 집수기(61)와 도관(70, 72, 74, 76)을 통과하고, 집수기(61) 또는 도관을 우회하지 않는다.

이제 도 3b를 참고하면, 위에 있는 패킹(도시하지 않음)으로부터 나온 액체는 집수기(61)로 낙하하고, 화살표로 나타낸 방향으로 4개 도관((70, 72, 74, 76))의 유입구로 흐른다. 도관 위치의 대칭성[즉, 도관(70, 72, 74, 76)의 유입구는 90°이격됨]으로 인해, 액체는 집수기(61)의 4개 섹터로 흐른다. 제1 섹터(63)로부터 나온 액체는 도관(70)으로 흐른다.

이제 도 3d를 참고하면, 집수기(61)에 있는 제1 섹터(63)의 형상은 원주[컬럼(62)의 내벽]의 일부와 2개의 선에 의해 경계가 정해지는 파이 형상 영역이며, 하나의 선은 원주 상의 45°지점으로부터 중심[컬럼(62)의 중심]으로 뻗고, 나머지 라인은 원주 상의 315°지점으로부터 중심으로 뻗는다. 파이 형상 영역은 빗금으로 표시된다. 집수기(61)에 있는 제1 섹터(63)의 기하학적 중심은 원의 중심[컬럼(62)의 중심]으로부터 컬럼(62)의 내벽 상의 0°위치로 뻗는 선 상에 놓인다. 기하학적 중심의 위치는 대략적으로 화살표 67로 나타낸 것이다.

다음으로 도 3c를 참고하면, 도관(70, 72, 74, 76)으로부터 나온 액체는 혼합기(64)로 방출되고, 화살표로 나타낸 방향으로 흘러 최종 분배기(도시하지 않음)로 그리고 궁극적으로 아래의 패킹(도시하지 않음)으로 빠져나간다. 도관 위치의 대칭성[즉, 도관(70, 72, 74, 76)의 유출구는 90°이격됨]으로 인해, 액체는 혼합기(64)의 4개 구역으로 흐른다. 액체는 도관(70)의 유출구로부터 제1 구역(65)으로 흐른다.

이제 도 3e를 참고하면, 혼합기(64)에 있는 제1 구역(65)의 형상은 빗금친 삼각형 영역이다. 제1 구역의 기하학적 중심은 원의 중심[컬럼(62)의 중심]으로부터 컬럼(62)의 내벽 상의 90°위치로 뻗는 선 상에 놓인다. 기하학적 중심의 위치는 대략적으로 화살표 69로 나타낸 것이다.

선행 단락에 설명되고 도 3a 내지 도 3e에 도시한 실시예에 있어서, 집수기(61)에 있는 제1 섹터(63)로부터 나온 액체는 도관(70)을 통해 혼합기(64)의 제1 구역(65)으로 전달되며, 집수기(61)에 있는 제1 섹터(63)의 기하학적 중심(67)은 둘레 방향으로 혼합기(64)에 있는 제1 구역(65)의 기하학적 중심(69)으로부터 90°떨어져 위치 설정된다.

전술하고 도 2a 내지 도 2g 및 도 3a 내지 도 3e에 예시한 바와 같이, 본 명세서에서 사용되는 집수기(61)의 "섹터"라는 용어는 도관으로 액체를 수용하는 집수기(61)의 상부면 영역의 기하학적 일부이고, 혼합기(64)의 "구역"이라는 용어는 도관에 의해 액체가 전달되는 혼합기(64)의 체적의 기하학적 일부이다. 집수기(61)의 섹터의 형상 및 치수는, 혼합기(64)의 형상 및 치수와 같이 변할 수 있기 때문에, 섹터가 둘레 방향으로 구역으로부터 떨어져(예컨대, 60도, 180도 또는 몇몇 다른 각도) 위치 설정되는 상대 위치는 상기 섹터의 기하학적 중심과 상기 구역의 기하학적 중심 사이에서 측정될 수 있다.

도 2a 내지 도 2g 및 도 3a 내지 도 3e에 예시한 실시예는 단지 대표적인 실시예일 뿐이라는 점에 유념하라. 다른 실시예는 다수의 도관으로부터 나오는 액체를 규칙적인 방식이나 소정의 다른 방식으로 그리고 상이한 둘레 방향으로 이동시킬 수 있다. 예컨대, 액체는 도관 내에서 둘레 방향으로 약 60도 내지 약 180도만큼, 바람직하게는 약 120 내지 180도만큼, 가장 바람직하게는 약 180도만큼 이동될 수 있다.

도 2a 내지 도 2g 및 도 3a 내지 도 3e에 예시된 실시예는 도관, 도관의 의해 액체가 그것으로부터 전달되거나 그것으로 전달되는 집수기(61)의 섹터 및 혼합기(64)의 구역에서의 균일성을 제안하고 있지만, 당업자라면 기계적 고려사항을 처리하기 위해 집수기(61) 및 혼합기(64)와, 도관의 형상, 치수 및 위치에 있어서 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

도 2e의 화살표는 이상적인 것으로 액체의 혼합이 거의 없거나 전혀 없는 경우를 나타낸다. 당업자라면, 보다 양호하거나 보다 완전한 혼합을 촉진하기 위해 혼합기에 다양한 수단이 채용될 수 있다는 점을 이해하겠지만, 이러한 수단은 (i) 기계적 복잡성을 추가하고; (ii) 비용을 추가하며, (iii) "충분히 양호한" 혼합을 달성하기 위해 통상 절충이 이루어지기 때문에, 일반적으로 단지 부분적으로만 효율적이다. 본 출원인의 장치 및 방법은 혼합이 거의 없거나 전혀 없는 상태에서 도면에 도시한 경우에 대해서도 양호한 성능을 제공하는 것에 의해 상기한 문제를 극복한다.

혼합기(64)의 단면적은 컬럼(62)의 내부 공간의 총 단면적의 상대적으로 작은 비율이다. 전반적인 혼합을 향상시키기 위해, 혼합기(64)에서 발생할 수 있는 완전한 혼합의 결여를 보상하기 위해 액체를 집수기(61)에서 혼합기(64)로 둘레 방향으로 이동시킨다. 이것은 예민한 분리를 수행하는 패킹 섹션에서 그리고 매우 대형의 증류 컬럼에서 중요할 수 있다. 컬럼(62)의 외측으로부터 액체를 도입할 필요가 있는 경우, 그러한 액체는 도관들 사이 또는 도관들 옆에 있는 공간에 있는 혼합기(64) 내에 배치될 수 있으며, 이에 따라 아래의 패킹 섹션에 공급되는 액체 전부 또는 실질적으로 전부가 잘 혼합되거나 실질적으로 균일하게 컬럼 측부 "A" 및 "B"로 적어도 분할될 것이다(도 2a 및 도 2b에 도시함).

설명한 실시예에서, 혼합기(64)는 컬럼(62)에 있는 내부 공간의 단면적의 25 % 이하, 바람직하게는 20 % 이하를 차지한다.

도 2a 내지 도 2c에는 2개 도관(66, 68)을 지닌 구성이 도시되어 있고, 도 3에는 4개 도관(70, 72, 74, 76)을 지닌 구성이 도시되어 있다. 그러나, 다른 개수의 도관이 사용될 수 있으며, 도관은 상이한 형상을 가질 수 있다. 또한, 변형예의 도관은 서로 동일할 필요가 없다. 도 2c 및 도 3a에 도시한 도관(예컨대, 66, 68; 또는 70, 72, 74, 76)은 컬럼(62)과 혼합기(64)에 대해 도시한 위치에 배치된 원형 형상 도관으로서 예시된다. 그러나, 도관은 다른 형상을 가질 수 있고/있거나 다른 위치에 배치될 수 있다.

당업자라면, 도관의 크기, 형상, 위치, 길이, 구성 및 개수에 관하여 다양한 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 다양한 방식으로 배치되고 구성되는 여러가지 유형의 도관이 여기에서 설명하고 예시하는 실시예에 제시한 도관의 용도를 제공할 수 있다.

이제 도 4a, 도 4b 및 도 5를 참고하여 장치의 다른 부분을 설명한다. 도 4a 및 도 4b에는 장치의 일부가 컬럼(62) 내에 그리고 2개의 패킹 섹션(78, 80)들 사이에 배치되는 실시예가 도시되어 있다. 패킹 섹션은 구조화 패킹, 무작위 패킹 또는 다른 적절한 액체-증기 접촉 수단을 포함할 수 있다.

장치는 도 4a 및 도 4b에 예시한 실시예에서 단면이 직사각형인 혼합기(64)를 포함한다. 당업자라면, 중앙 혼합기(64)를 예시하고 있지만, 혼합기(64)가 다양한 형상 또는 형태를 취할 수 있고 다른 위치에 배치될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 선택적으로, 필터(82)가 혼합기(64) 내부에 배치된다. 명확성을 기하기 위해, 위에 있는 섹션(78)으로부터 혼합기에 액체를 공급하는 집수기와 도관이 도시되어 있지는 않지만, 이들은 혼합기(64)기 내의 필터(82) 내부에 액체 전부 또는 실질적으로 전부를 전술한 바와 같이 둘레 방향으로 이동된 구성으로 공급할 것이다.

혼합기(64)는 도 4a 및 도 4b에 예시한 실시예에서 중실형 바닥(84)을 갖는다. 이에 따라, 혼합기(64)에 집수된 액체 전부는, 필터(82)가 사용 중일 때에 필터(82)를 경유한 다음 천공형 수직벽(86)을 경유하여 채널(90A 내지 90F)을 포함하는 예분배기(88)로 흐른다. 채널(90A 내지 90F)에 연결되지 않는, 혼합기(64)에 있는 천공형 수직벽(86)의 다른 부분은 액체를 포함하고 혼합기(64) 내부에서 레벨을 유지하도록 중실형이다.

채널(90A 내지 90F) 각각은 상부 챔버 및 하부 챔버를 갖는다. 챔버들은 천공부(93)를 갖는 천공판에 의해 분리된다. 이에 따라, 각각의 채널(90A 내지 90F)의 상부 챔버로부터 나온 액체는 천공판의 천공부(93)를 통해 각각의 하부 챔버로 하강한다. 채널(90A 내지 90F)의 하부 챔버는 일례로서 도시한 트로프(94)와 같은 복수 개의 트로프와 연결된다.

각각의 트로프(94)는 아래의 패킹 섹션(80)에 액체를 공급하는 천공부(96) 어레이를 갖는다. 예시한 실시예에서, 트로프는 증기가 컬럼(62)에서 상승하도록 하는 공간(98)과 교호하는 평행 방식으로 배열된다. 트로프는 환형 거터(gutter)(100)에도 또한 연결된다. 트로프, 환형 거터(100), 채널(90A 내지 90F)의 하부 챔버의 일부의 상호접속망이 존재하며, 이는 천공부(96)를 통한 아래의 패킹 섹션(80)으로의 액체의 매우 균일한 흐름을 형성하도록 유압 구배를 균등하게 한다.

도 5에는, 육각형 패턴으로 배열되는 역시 6개의 채널(90A 내지 90F)을 갖는 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 5에는 단지 평면도만이 도시되어 있다. 다른 피쳐의 관점에서, 도 5의 실시예는 도 4a 및 도 4b의 실시예와 유사한다. 이들은 단지, 예분배기가 6개의 채널(90A 내지 90F)을 갖는 예시적인 예일뿐이다. 당업자라면, 상이한 구성이 더 적거나(예컨대, 2개 또는 4개 채널) 많은 채널(예컨대, 8개 또는 10개 채널)과 함께 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 혼합기, 예분배기, 최종 분배기 및 패킹 섹션을 컬럼 내에서 지지하기 위한 기계적 수단도 명확성을 기하기 위해 도시하지 않는다.

도 4a, 도 4b 및 도 5에 예시한 실시예에서, 환형 형상 거터(100)는 액체의 일부를 수용할 수 있다. 환형 형상 거터(100)는 도 4a 및 도 5에 도시한 바와 같이 바람직하게는 연속적이며 컬럼(62)의 내벽 둘레에 인접한다.

장치의 다수의 실시예에 대한 상기 설명은 원형 단면 영역을 갖는 패킹 컬럼에 관한 것이지만, 장치의 다른 실시예는, 예컨대 분할 벽 컬럼을 포함하는 비원형 컬럼에서 사용될 수 있다. 제한된 단면 영역을 갖는 혼합기, 둘레 방향 이동 도관, 필터, 예분배기 및 최종 분배기의 피쳐는 분할 컬럼 또는 비원형 형상의 다른 컬럼의 하나의 측부 또는 양측부 내에서의 패킹 컬럼 섹션의 비원형 특성을 고려하여 적절한 방식으로 구성 및 배열될 필요가 있다.

2개 이상의 액체-증기 접촉 섹션을 갖는 적어도 하나의 액체-증기 접촉 컬럼을 활용하고, 극저온 증류에 의해 공기로부터 가스, 예컨대 질소, 산소 및/또는 아르곤을 분리하는 본 출원인의 프로세스는 전술한 본 출원인의 장치와 같이 상부 액체-증기 접촉 섹션으로부터 하부 액체-증기 접촉 섹션으로 하강하는 액체를 집수, 혼합 및 분배하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 선택적으로, 액체 공급물이 컬럼 외부로부터 컬럼의 상부 및 하부 액체-증기 접촉 섹션 사이로 유입될 때, 외부 공급물 전부 또는 일부는 전술한 바와 같은 혼합기 내에 있을 수 있다.

2개 이상의 액체-증기 접촉 섹션을 갖는 액체-증기 접촉 컬럼에서 액체를 분배하는 장치를 조립하는 본 출원인의 방법의 일실시예는 전술한 본 출원인이 장치와 같은 장치의 구성요소를 마련하고 조립하는 단계들을 포함한다. 구성요소들을 액체-증기 접촉 컬럼에 조립하는 것은 리벳 및 용접부를 포함할 수 있는 적절한 지지 수단을 이용하여 실시될 수 있다.

본 출원인의 장치 및 방법은 여러가지 다른 실시예 및 도면에 도시되어 있지 않고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 부분에서 설명되어 있지 않은 이들의 변형예를 포함한다. 그러나, 이들 실시예 및 변형예는 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범주 내에 속한다.

당업자라면, 도면에 도시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 부분에 설명한 실시예 및 변형예가 본 출원인의 장치에 관한 가능한 구성 모두를 개시하고 있지는 않고, 다른 구성도 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 그러한 다른 구성 전부는 본 출원인의 장치 및 방법에 의해 예상되며, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범주 내에 속한다.

당업자라면, 본 명세서에서 예시하고 설명하는 실시예에 관한 여러가지 변형뿐만 아니라 본 출원인의 본 발명의 개념을 포함하고 있는 여러가지 다른 실시예가 가능하다는 것도 또한 이해할 것이다.

본 명세서에서는 구조화된 패킹과 연계하여 본 출원인의 장치 및 방법이 설명되지만, 당업자라면, 본 출원인의 장치 및 방법은 또한 다른 타입의 패킹(예컨대, 무작위 패킹)과 함께 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

예

이중 컬럼 사이클의 다수의 패킹 섹션에서 일어나는 증류의 효율은 이들 섹션 내에서의 기상 및 액상의 조성 및 흐름 모두에 있어서의 오분배에 민감하다. 도 1을 참고하면, 이것은 특히 섹션(13, 15, 23, 25)에 있어서 그러하다. 아래의 예에서, 오분배에 대한 감도는 화학 기술 현장에서 잘 알려져 있는 방법 - 평행 컬럼 분석(parallel column analysis) - 에 의해 분석된다.

예 1

우선, 도 1에 예시한 이중 컬럼 사이클로 작동하는 전술한 바와 같은, 섹션(23, 25)를 갖는 아르곤 컬럼(14)을 고찰한다. 상기 2개의 섹션 내에서의 정상 흐름 및 작동 조건의 경우의 개략도가 도 6에 도시되어 있다. 2개의 섹션 각각은 이론적인 스테이지를 포함하고 약 1.3 bara의 압력에서 작동한다. 컬럼은 컬럼 상부에서의 약 0.97의 액체 대 기체의 몰비로 작동한다. 저부에서의 저부 공급물은 12 % 아르곤, 0.0010 % 질소 및 잔부가 산소인 조성을 갖는다. 정상 작동 하에서, 상부에서의 미가공 아르곤 생성물(CGAR)의 조성은 99.67 % 아르곤, 0.02 % 질소 및 잔부 산소일 것이다.

평행 컬럼 분석을 실시하는 데 있어서, 각각의 섹션은 도 7의 개략도에 도시한 바와 같이 2개의 동일한 절반부, 즉 23A, 23B 및 25A, 25B로 분할되는 것으로도 고려된다. 각각의 섹션(A, B)은 단면이 동일하고 서로 분리된다. 표면적으로 섹션들은 그들 각각의 내부에 총 컬럼 액체 및 증기의 절반을 포함할 것이다. 오분배에 대한 감도를 평가하기 위해, 액체 유량(도 7의 실선)은 A측에서 더 높고 B측에서 더 낮은 것으로 가정되고, 증기 유량(도 7의 점선)은 2개의 절반부로 균일하게 분배된다. 섹션(A, B)의 2개의 절반부 사이에서는 액체 또는 증기의 혼합 또는 이동이 일어나지 않는다. 파라메터 유량 람다에 의해 규정되는 오분배의 수준은 많은 액체 유량과 평균 액체 유량의 차를 2개 유량의 평균으로 나눈 것으로 정의되며 수학적으로는 다음과 같다.

유량 람다 = (높은 액체 유량 - 낮은 액체 유량)/(높은 액체 유량 + 낮은 액체 유량)

유량 람다의 효과는 다음과 같이 측정된다: 1) 우선 주어진 오분배도(degree of maldistribution)에 있어서, CGAR 조성은 도 7의 개략도를 사용하여 계산되고; 2) 다음에 CGAR 조성이 도 7의 개략도로부터 얻어진 것과 동일해질 때까지 도 6의 개략도에 있어서 스테이지들이 감소되며; 3) 그 후, 분별 스테이지는 단계 2에서 도 6의 개략도에 대해 사용된 스테이지를 도 7의 개략도에 있어서 사용된 스테이지들로 나눈 것으로서 산출된다. 이렇게 하여 얻은 분별 스테이지가 도 8의 가장 아래에 있는 곡선에서 유량 람다에 대하여 플롯팅된다("기본적인 경우 액체 오분배로 나타냄"). 보시다시피, 성능은 흐름 오분배와 함께 현저히 악화된다.

그 후, 제2 경우가 도 9의 개략도에 나타낸 상태 하에서 모의된다. 이 경우, 섹션(25A, 25B)의 저부로부터 나오는 액체는 디바이스(51)에서 혼합되고, 이 디바이스로부터 동일한 높은 유량 부분과 낮은 유량 부분으로 아래의 섹션(23A, 23B)으로 재분배된다. 혼합된 중간 액체의 효과를 도 8에서 "혼합된 중간 액체 곡선"으로 나타냈다. 보시다시피, 분별 스테이지에 대한 1.0의 이상적인 값보다 여전이 불량하지만, 이제 중간 혼합이 없는 기본적인 경우의 액체 오분배에 비해 현저히 개선되었다. 이러한 효과는 실제적으로 잘 이해된다.

다음에, 도 10의 개략도에 도시한 상태 하에서 제3 경우를 모의한다. 이 경우, 상부 섹션(25B)으로부터 나온 액체 전부는 혼합기(55)를 통해 23A로 이동되지만, 낮은 유량에 상응하는 액체의 일부만이 스플리터(53)를 통해 상부 색션(25A)으로부터 하부 섹션(23B)으로 이동된다. 25A로부터 나온 다른 부분은 스플리터(53)와 믹서(55)를 통해 23A로 전달된다. 이것은 유체 불균형을 부여하면서 이동될 수 있는 최상의 것이다. 도 8에서 "180°이동된 중간 액체"로서 가장 위에 있는 곡선으로 나타낸 바와 같은 결과적인 성능은 액체가 완벽하게 혼합되는 경우보다 훨씬 더 양호하다. 이것은 이전에는 교시되지 않았던 놀라운 발견이다. 놀랍고도 예상치 못한 결과는 본 출원인들에게 매우 놀랍고 예상치 못했던 것이며, 당업자에게도 놀랍고 예상치 못했던 것이다.

이러한 산출의 실제적인 중요성은 아래에서 설명될 수 있다. 집수기, 혼합기 및 액체 분배기는 섹션(23, 25)들 사이에서 사용될 수 있다. 그러나, 상부 섹션으로부터 나온 액체가 하부 섹션으로 이동하는 일 없이 전달되고 혼합기 내에서 불완전한 혼합이 일어나면, 성능은 도 8의 기본적인 경우와 혼합된 중간 액체 경우 사이의 어느 수준일 것이다. 다른 한편으로, 액체가 정반대측으로 혼합기로 이동되고 불완전한 혼합이 일어나면, 성능은 180°이동된 중간 액체 경우와 혼합된 중간 액체 경우 사이의 어느 수준일 것이다. 이에 따라, 180°만큼 이동하는 경우는 180°만큼 이동하지 않는 경우의 결과보다 양호할 것이다.

이러한 산출에서는, 패킹 섹션의 2개의 측방 절반부 사이에서의 증기 혼합은 없는 것으로 가정된다. 사실상, 약간의 혼합이 있을 것이고, 이것은 컬럼 단면이 커질수록 효과가 적어진다. 180°만큼 액체를 이동시키는 것은 패킹 컬럼 섹션에서의 부적절한 증기 혼합뿐만 아니라 분배기에서의 부적절한 액체 혼합을 보상한다. 이것은 놀랍고도 예상치 못한 결과로, 본출원인에게 놀랍고 예상치 못했던 것이며, 당업자에게도 놀랍고 예상치 못했던 것이다.

액체 분배기에서의 액체 혼합이 완벽하다면, 액체를 180° 만큼 이동시키는 것으로 인한 이득은 없을 것이다. 그러나, 정적 혼합기(static mixer)와 같은 완벽한 혼합을 달성하는 수단은 압력 강하, 컬럼 높이 및 전체 시스템의 비용의 면에서 고가이다. 액체를 180°만큼 이동시키는 것을 활용하는 본 출원인의 장치 및 방법은 이동이 없는 경우를 능가할 것이고, 최악의 경우에 적어도 완벽하게 혼합되는 경우에 매칭되고, 매우 적은 추가비용을 초래할 것이다.

상기 경우들은 중간 액체를 180°만큼 이동시키는 장점을 분명히 증명하는 반면, 기계적인 구성이 이동이 달성할 수 있는 각도를 제한할 수 있는 상황이 존재한다. 아래에서 설명하겠지만, 대부분의 이점은 180°보다 훨씬 작은 각도만큼의 이동에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 제4 경우는 도 11의 개략도에 도시한 조건 하에서 모의된다. 이 경우, 상부 섹션(25B)으로부터 나온 액체의 2/3만이 스플리터(57)와 믹서(55)를 통해 23A로 이동되며, 상부 섹션(25A)으로부터 나온 동일한 양의 액체가 스플리터(53)와 혼합기(59)를 통해 23B로 이동된다. 상부 섹션(25A, 25B)으로부터 나온 나머지 액체는 이들 섹션 사이에 직접 나타낸 스플리터와 혼합기를 통해 이동하는 일 없이 하부 섹션(23A, 23B)으로 공급된다. 이것은 컬럼의 2개의 절반부로부터 나온 액체를 120°만큼 각각 이동시키는 것과 동등하다. "120°이동된 중간 액체"로서 도 8의 위에서 두번째 곡선으로 나타낸 결과적인 성능은 액체가 완전히 혼합되는 경우보다는 양호하지만, 180°이동에 대한 경우만큼 양호하지는 않은 것으로 보인다. 그러나, 중간 액체의 부분 이동의 효과조차도 완전한 혼합의 효과를 능가하기 때문에 이것도 역시 놀라운 결과이다.

게다가, 제5 경우가 도 11의 개략도에 도시한 조건 하에서 모의된다. 이 경우, 상부 섹션(25B)으로부터 나온 액체의 단지 1/3만이 스플리터(57)와 혼합기(55)를 통해 23A로 이동되고, 상부 섹션(25A)로부터 나온 동등한 양의 액체가 스플리터(53)와 혼합기(59)를 통해 23B로 이동된다. 상부 섹션(25A, 25B)로부터 나온 나머지 액체는 이들 섹션 사이에 직접 마련되는 스플리터와 혼합기를 통해 이동하는 일 없이 하부 섹션(23A, 23B)로 공급된다. 이것은 컬럼의 2개 절반부로부터 나온 액체를 60°만큼 각각 이동시킨 것과 동등하다. "60°이동된 중간 액체"로서 도 8의 아래에서 두번째 곡선으로 나타낸 결과적인 성능은 기본적인 경우에 비해 상당히 향상되었으며, 혼합된 중간 액체 경우의 이점에 근접한다.

추가의 예시로서, 도 12는 완전한 혼합에 대해 얻어진 스테이지에 대한 중간 액체가 이동되는 각도의 효과를 보여준다. 이것은 유량 람다가 0.08을 갖는 특정 경우에 대하여 예 1에서 앞서 약술한 바와 같은 산출에 대한 예시적인 곡선이다. 세로 좌표 상의 값 1.0은 혼합된 중간 액체의 경우에 대해서 얻어진 스테이지에 대응하는 것이다. 보시다시피, 성능은 액체가 이동되는 각도가 증가할 때에 급속하게 증가하여, 약 60°에서 95 %보다 높은 값에 도달한다. 이 지점을 지나서는 이득은 보다 점진적이고, 각도가 120°내지 180°범위인 경우에 전체 성능은 100 %를 상회한다.

예 2

다음에는, 도 1에 예시한 이중 컬럼 사이클 하의 앞서 설명한 바와 같이 섹션(13, 15)을 지닌 저압 컬럼(12)의 저부를 고려한다. 상기한 2개의 섹션 내에서의 정상 흐름 및 작동 조건에 대한 개략도가 도 13에 도시되어 있다. 2개의 섹션 각각은 이론적 스테이지를 포함하고, 약 1.3 bara의 압력에서 작동한다. 컬럼은 컬럼 상부에서의 약 1.40의 액체 대 증기의 몰비로 작동한다. 상부에서의 액체 공급물은 12 % 아르곤, 0.0010 % 질소 및 잔부가 산소인 조성을 갖는다. 정상 작동 하에서, 저부에서의 GOX 생성물의 조성은 99.80 % 산소 및 잔부 아르곤일 것이다.

오분배에 대한 감도는 예 1에서 사용한 것과 유사한 방식으로 모의된다. 도 14에는 대응하는 5개의 곡선이 도시되어 있다. 상기 곡선들은, 혼합된 중간 액체가 기본적인 경우에 비해 훨씬 개선되고, 180°이동된 중간 액체의 경우가 훨씬 더 양호하다는 동일한 관계를 보여준다. 이와 마찬가지로, 120°이동된 중간 액체의 경우도 또한 혼합된 중간 액체 경우보다는 양호하지만 180°이동된 중간 액체 경우만큼 양호하지는 않다. 마지막으로, 60°이동된 중간 액체는 기본적인 경우에 비해 훨씬 더 개선되었으며 혼합된 중간 액체 경우의 성능에 접근한다. 마지막 경우의 성능에서의 이득은, 유량 람다가 0.08인 경우에 대한 완전한 혼합으로부터의 이득의 95 %를 상회하겠지만, 이 결과는 명확한 곡선으로서 나타나지 않는다. 게다가, 중간 액체를 이동시키는 것의 상기한 유효성은 예 1과 유사한 방식으로 놀랍고 예상치 못한 결과이며, 이 결과는 본 출원인에게 놀랍고 예상치 못한 것이며, 당업자에게 놀랍고 예상치 못한 것이다.

극저온 증류에 의해 공기의 성분을 분리하는 프로세스에 있어서 이전에 언급한 바와 같이, 이들 예에 도시한 2개의 섹션은 오분배에 대해 고도로 예민하다. 한가지 경우, 액체 대 증기의 비는 1 미만이고, 다른 경우에 상기 비는 1을 초과한다. 2개의 경우 모두에서, 패킹 색션들 사이에서의 120°내지 180°만큼의 액체 이동은 이들 섹션 사이에서의 완벽한 혼합과 액체 재분배보다 효과적인 것으로 보인다. 그리고, 패킹 섹션들 사이에서의 60°만큼의 액체의 이동은 유량 람다가 0.08인 경우에 대한 이점의 95 % 초과하여 달성한다. 이러한 예상치 못한 거동은 본 출원인이 알고 있는 어떠한 문헌에서도 보고된 바가 없다.

이성분 혼합물의 증류에 의한 분리를 모델링하는 데 사용되는 이들 결과는 맥카베-씰 다이어그램(McCabe- Thiele diagrams)으로 알려진 것을 기초로 하여 설명될 수 있다. 예에서는, 약간의 질소가 존재하지만, 그 비율이 아주 작기 때문에, 혼합물은 기본적으로 아르곤과 산소의 이성분인 것으로 고려될 수 있다. 맥카베-씰 다이어그램은 2개 라인을 사용하여 구성된다. 하나는 증류 컬럼 내에서 평형 스테이지를 벗어나는 기상과 액상의 성분들 간의 관계를 나타내는 평형선이다. 패킹 컬럼은 트레이형 컬럼과 같이 분리된 평행 스테이지를 갖지 않지만, 평형선은 동일한 방식으로 구축된다. 맥카베-씰 다이어그램의 다른선은, 임의의 주어진 수평 위치에서 또는 평형 스테이지들 사이에서 서로 교차하는 기상과 액상의 성분들 간의 관계를 보여주는 작동선이다. 작동선의 기울기는 컬럼 내에서의 액체 유량과 증기 유량의 몰비에 의해 주어진다. 효율적인 증류 컬럼에서, 평형선과 작동선은 서로로부터 다소 균일하게 이격될 것이고, 이는 전체 컬럼 내에 유용한 질량 이동을 생성하기에 충분한 구동력의 존재를 허용한다. 예 1에서 기본적인 경우의 액체 오분배로서 언급된 경우, 작동선은 0.97의 공칭값으로부터 상이한 기울기를 갖는다. 이러한 조건으로 인해, 높은 액체 유량을 갖는 컬럼에서의 작동선은 상부 근처의 평형선에 대해 핀칭(pinching)하고, 그 결과 상부 절반부에서 매우 적은 양의 분리가 일어나고 하부 절반부에서 임의의 유용한 분리가 주로 일어난다. 이와 마찬가지로, 낮은 액체 유량을 갖는 컬럼에서의 작동선은 저부 근처에서 평형선에 대해 핀칭하고, 그 결과 하부 절반부에서 매우 적은 양의 분리가 일어나고 상부 절반부에서 임의의 유용한 분리가 주로 일어난다. 이러한 불일치로 인해, 2개의 평행 컬럼에서 상부 섹션 및 하부 섹션 사이의 중간에서의 조성은 서로 매우 상이한 것으로 확인되었으며, 이러한 조건은 효율적인 공정에 있어서 비이상적이다. 이것은 기본적인 경우의 액체 오분배 조건 하에서 불량한 성능에 대한 원인이다.

혼합된 중간 액체가 재분배될 때, 2개 절반부 간의 조성은 서로 보다 비슷해지고, 핀칭 효과는 여전히 존재하지만 덜 심각하며, 이에 따라 성능이 향상된다. 그러나, 예 1에서와 같이 액체가 180°이동되는 경우에 작동선은 낮은 액체 유량을 갖는 저부 섹션이 보다 유용한 분리를 행하여 상부 섹션과 하부 섹션 사이에서 아르곤 함량이 더 높은 전체 조성을 초래한다. 이러한 효과는 이어서 컬럼 상부에서 보다 높은 전체 아르곤 함량을 초래하여, 혼합된 중간 액체 경우에 비해 더 전반적인 분리로 이어진다. 중간 액체가 120°내지 60°의 각도만큼 이동될 때에 성능을 향상시키는 메커니즘은 180°의 메커니즘과 유사하지만, 이점은 비례해서 더 낮다.

이와 마찬가지로, 예 2에서 제시한 결과는 유사한 방식으로 설명될 수 있다. 이 경우에, 상부에서 공급이 이루어지며, 액체의 180°이동은 혼합된 중간 액체 경우에 비해 산소에 있어서 더 높은 전체 조성을 초래한다. 이러한 효과는 이어서 컬럼 저부에서 더 높은 전체 산호 함량을 초래하여, 혼합된 중간 액체 경우에 비해 더 전반적인 분리를 제공한다. 중간 액체가 120°이동되는 경우에 성능을 향상시키는 메커니즘은 180°의 메커니즘과 유사하지만, 이점은 비례하여 더 낮다.

상기 설명은 제시된 예에서 나타난 효과에 관하여 유용한 설명이지만, 본 출원인의 장치 및 방법은 그 유효성에 있어서 이러한 설명에 의존하지 않는다. 이러한 거동이 관찰된 이유에 관하여 대안의 설명을 제공하는 것이 가능할 수 있다. 또한, 유사한 경향이 상이한 작동 조건의 상이한 패킹 섹션에서 관찰되었기 때문에, 본 출원인은 이것이 비록 모두는 아닐지라도 상이한 타입의 혼합물을 분리하는 대부분의 타입의 증류 컬럼에서 유익한 일반적인 현상이라고 믿는다. 이에 따라, 본 출원인의 장치 및 방법은 매우 넓은 이용가능성을 갖는다.

본 명세서에서는 소정의 특정 실시예를 참고로 하여 본 발명을 예시하고 설명하였지만, 그럼에도 불구하고 본 발명은 제시된 상세로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 청구범위의 등가물의 범주 및 범위 내에서 본 발명의 사상으로부터 벗어나는 일 없이 상세에 있어서 다양한 수정이 이루어질 수 있다.

Claims

패킹 컬럼(packed column)의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 분배하는 액체 흐름 분배 장치로서,
패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 복수 개의 섹터를 갖고, 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름의 적어도 일부를 집수하도록 된 집수기;
패킹 컬럼의 내부 공간에서 집수기 아래로 그리고 집수기로부터 수직 방향으로 이격된 혼합기로서, 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 복수 개의 구역을 갖고, 집수기에 집수된 액체의 적어도 일부를 수용하고 혼합하도록 된 혼합기;
집수기의 제1 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제1 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는 제1 도관으로서, 집수기의 제1 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합기의 제1 구역으로 하향 전달하도록 된 제1 도관; 및
집수기의 제2 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제2 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는 제2 도관으로서, 집수기의 제2 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합기의 제2 구역으로 하향 전달하도록 된 제2 도관
을 포함하고, 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 또는 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되고, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되는 것인 액체 흐름 분배 장치.
제1항에 있어서, 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정되는 것인 액체 흐름 분배 장치.
제2항에 있어서, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정되는 것인 액체 흐름 분배 장치.
제1항에 있어서, 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 예분배기를 더 포함하고, 예분배기는 혼합기로부터 나온 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 수용하고 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 예분배기로부터 외측 방향으로 전달하도록 된 것인 액체 흐름 분배 장치.
제4항에 있어서, 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되고, 예분배기로부터 나온 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 수용하며, 수용된 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면 영역의 적어도 일부에 걸쳐 실질적으로 균일하게 전달하는 최종 분배기를 더 포함하는 액체 흐름 분배 장치.
제5항에 있어서, 예분배기는 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 하향 전달하도록 된 복수 개의 채널을 포함하고,
최종 분배기는 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 전달하도록 된 복수 개의 트로프(trough)를 포함하며, 각각의 트로프는 적어도 하나의 구멍을 갖고 예분배기의 적어도 하나의 채널과 유체 연통되는 것인 액체 흐름 분배 장치.
제1항에 있어서, 필터를 더 포함하는 액체 흐름 분배 장치.
제7항에 있어서, 필터는 혼합기 내에 배치되는 것인 액체 흐름 분배 장치.
제1항에 있어서, 혼합기의 단면적은 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 약 25 % 이하, 바람직하게는 약 20 % 이하를 차지하는 것인 액체 흐름 분배 장치.
패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 분배하는 액체 흐름 분배 장치로서,
패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 복수 개의 섹터를 갖고 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름의 적어도 일부를 집수하도록 된 집수기;
패킹 컬럼의 내부 공간에서 집수기 아래로 그리고 집수기로부터 수직 방향으로 이격된 혼합기로서, 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 복수 개의 구역을 갖고 집수기에 집수된 액체의 적어도 일부를 수용하고 혼합하도록 된 혼합기;
집수기의 제1 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제1 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는 제1 도관으로서, 집수기의 제1 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합기의 제1 구역으로 하향 전달하도록 된 제1 도관; 및
집수기의 제2 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제2 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는 제2 도관으로서, 집수기의 제2 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합기의 제2 구역으로 하향 전달하도록 된 제2 도관
을 포함하고, 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정되며, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정되고,
혼합기의 단면적은 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 약 25 % 이하, 바람직하게는 약 20 % 이하를 차지하는 것인 액체 흐름 분배 장치.
패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 분배하는 액체 흐름 분배 장치의 조립 방법으로서,
내부 공간을 갖는 패킹 컬럼을 마련하는 단계;
패킹 컬럼의 내부 공간에, 복수 개의 섹터를 갖고 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름의 적어도 일부를 집수하도록 된 집수기를 마련하는 단계,
패킹 컬럼의 내부 공간에서 집수기 아래로 그리고 집수기로부터 수직 방향으로 이격되게 혼합기를 마련하는 단계로서, 혼합기는 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 복수 개의 구역을 갖고, 집수기에 집수된 액체의 적어도 일부를 수용하고 혼합하도록 된 것인 단계;
집수기의 제1 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제1 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는 제1 도관으로서, 집수기의 제1 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합기의 제1 구역으로 하향 전달하도록 된 제1 도관을 마련하는 단계; 및
집수기의 제2 섹터와 유체 연통되는 제1 단부 및 혼합기의 제2 구역과 유체 연통되는 제2 단부를 갖는 제2 도관으로서, 집수기의 제2 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 수용하여 혼합기의 제2 구역으로 하향 전달하도록 된 제2 도관을 마련하는 단계
를 포함하고, 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되거나, 또는 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되고, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심이 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 떨어져 위치 설정되는 것인 액체 흐름 분배 장치의 조립 방법.
제11항에 있어서, 집수기의 제1 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제1 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정되며, 집수기의 제2 섹터의 기하학적 중심은 혼합기의 제2 구역의 기하학적 중심으로부터 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 떨어져 위치 설정되는 것인 액체 흐름 분배 장치의 조립 방법.
패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 분배하는 액체 흐름 분배 방법으로서,
패킹 컬럼의 내부 공간에 배치되는 집수기 위에서 패킹 컬럼의 내부 공간으로, 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름을 유입시키는 단계;
집수기에서, 패킹 컬럼의 내부 공간에서 하강하는 액체 흐름의 적어도 일부를 집수하는 단계;
집수기의 제1 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를, 집수기와 유체 연통되는 제1 도관을 통해 내부 공간에서 집수기 아래로 그리고 집수기로부터 이격되어 배치되는 혼합기의 제1 구역으로 하향 전달하고, 이에 의해 제1 도관을 통해 전달된 액체가 집수기의 제1 섹터로부터 혼합기의 제1 구역으로 둘레 방향으로 이동되는 단계;
집수기의 제2 섹터로부터 나온 액체의 적어도 일부를 집수기와 유체 연통되는 제2 도관을 통해 혼합기의 제2 구역으로 하향 전달하고, 이에 의해 제2 도관을 통해 전달된 액체가 집수기의 제2 섹터로부터 혼합기의 제2 구역으로 둘레 방향으로 이동되는 단계; 및
혼합기에서, 집수기의 제1 섹터로부터 혼합기의 제1 구역으로 전달된 액체와 집수기의 제2 섹터로부터 혼합기의 제2 구역으로 전달된 액체를 혼합하고, 이에 따라 혼합 액체를 생성하는 단계
를 포함하는 액체 흐름 분배 방법.
제13항에 있어서, 제1 도관을 통해 전달된 액체는 집수기의 제1 섹터로부터 혼합기의 제1 구역으로 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 이동되는 것인 액체 흐름 분배 방법.
제14항에 있어서, 제2 도관을 통해 전달되는 액체는 집수기의 제2 섹터로부터 혼합기의 제2 구역으로 둘레 방향으로 약 60°내지 약 180°, 바람직하게는 약 120°내지 약 180°, 가장 바람직하게는 약 180°만큼 이동되는 것인 액체 흐름 분배 방법.
제13항에 있어서, 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 혼합기로부터 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치된 예분배기로 전달하는 단계; 및
혼합기로부터 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 예분배기로부터 외측 방향으로 전달하는 단계
를 더 포함하는 액체 흐름 분배 방법.
제16항에 있어서, 예분배기로부터 예분배된 액체 흐름의 적어도 일부를 패킹 컬럼의 내부 공간에 배치된 최종 분배기로 수용하는 단계; 및
수용된 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면 영역의 적어도 일부에 걸쳐 실질적으로 균일하게 전달하는 단계
를 더 포함하는 액체 흐름 분배 방법.
제17항에 있어서, 예분배기는 수용된 혼합 액체 흐름의 적어도 일부를 하향 전달하도록 된 복수 개의 채널을 포함하고,
최종 분배기는 예분배 액체 흐름의 적어도 일부를 전달하도록 된 복수 개의 트로프를 포함하며, 각각의 트로프는 적어도 하나의 구멍을 갖고 예분배기의 적어도 하나의 채널과 유체 연통되는 것인 액체 흐름 분배 방법.
제13항에 있어서, 혼합기의 단면적은 패킹 컬럼에 있는 내부 공간의 단면적의 약 25 % 이하, 바람직하게는 약 20 % 이하를 차지하는 것인 액체 흐름 분배 방법.
극저온 공기 분리 방법으로서, 내부에 제1 질량 이동 섹션 및 이 질량 이동 섹션 아래로 그리고 질량 이동 섹션으로부터 이격된 제2 질량 이동 섹션을 지닌 내부 공간을 갖는 패킹 컬럼에서 상승 증기와 하강 액체를 향류식으로 접촉시키는 것을 포함하고, 제1 질량 이동 섹션과 제2 질량 이동 섹션 사이에 위치 설정되는 제1항에 따른 액체 흐름 분배 장치가 제1 질량 이동 섹션으로부터 제2 질량 이동 섹션으로 하강 액체 흐름을 분배하는 것은 극저온 공기 분리 방법.