KR20190084872A - 암모니아 생산 설비 - Google Patents

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Abstract

암모니아 생산 설비는 공급 가스 압축 섹션, 프로세스 공기 압축 섹션, 신가스 압축 섹션 및 냉매 압축 섹션을 포함한다. 이들 압축 섹션들 중 적어도 2개는 함께 조합되어 단일의 구동기에 의해 구동되는 조합형 압축 트레인을 형성한다.

Description

암모니아 생산 설비{AMMONIA PRODUCTION PLANT}
본 개시내용은 암모니아 합성 설비(ammonia synthesis plants)에 관한 것이다. 구체적으로, 암모니아 합성 설비 및 시스템을 위한 신규한 압축 트레인 배열(compression train arrangements)이 본 명세서에 개시된다.
암모니아는 수용액으로 종종 사용되는 높은 수중 용해도를 갖는 가스이다. 암모니아(NH3)는 무엇보다도 질산, 요소(urea) 및 니트레이트, 포스페이트 등과 같은 다른 암모니아염의 제조를 위해 다수의 산업 용례에서 사용된다. 암모니아 유도체가 농업에서 광범위하게 사용된다. 암모니아 생산량의 대략 80%가 비료의 제조를 위해 사용된다.
통상적으로, 암모니아는 이하의 발열 반응(즉, 열을 배출하는 반응)에 따라 질소와 수소의 합성에 의해 생산되고:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + ΔH
여기서, ΔH는 반응에 의해 배출된 열이다.
암모니아 생산은 예를 들어, 메탄과 같은 수소의 소스를 제공하는 공급 가스로부터 일반적으로 시작한다. 질소는 공기로부터 얻어진다. 암모니아 생산 프로세스의 상세는 당 기술 분야의 숙련자들에게 공지되어 있고, 설비 및 프로세스의 몇몇 특징들은 본 명세서에 개시된 시스템의 신규한 양태의 더 양호한 이해를 위해 그리고 종래 기술의 설비와 비교하여 그 다양한 장점 및 유리한 효과의 더 양호한 이해를 위해 이후에 재고될 것이다.
광범위하게 말하면, 공기와 공급 가스로부터 암모니아를 생산하도록 수행되는 다양한 프로세스 단계는 다수의 압축 트레인을 필요로 한다. 본 명세서에서 이해되는 바와 같이, 용어 "압축 트레인"은 하나 이상의 기체상 유체를 프로세싱하기 위해, 적어도 구동기 및 구동기에 의해 구동되는 하나 이상의 압축기를 포함하는 기계 집합체를 지시한다. 가스상 유체 또는 가스는 본 명세서에서 이해되는 바와 같이 임의의 압축성 유체이다.
더 구체적으로, 종래 기술의 암모니아 생산 설비에서, 제1 압축 트레인은 메탄과 같은 공급 가스를 압축하고, 압축된 공급 가스를 1차 증기 개질기로 그리고 2차 증기 개질기로 전달하도록 요구된다. 제 압축 트레인은 프로세스 공기를 압축하고 압축된 프로세스 공기를 2차 개질기로 전달하도록 제공된다. 시프트 변환으로부터 얻어진 생 신가스(raw syngas)(합성 가스)가 제3 압축 트레인에 의해 압축된다. 또한, 제4 압축 트레인이 암모니아 변환기 내의 신가스로부터 생성된 암모니아를 냉각하는 냉매 유체를 프로세싱하도록 요구된다.
도 1은 종래 기술에 따른 압축 트레인 배열을 갖는, 암모니아 생산 설비(1)의 개략도를 도시하고 있다. 동작시에, 공급 가스, 예를 들어 메탄(CH4)이 공급 가스 압축 트레인(3)을 통해 1차 촉매 증기 개질기(5)로 전달된다. 공급 가스 압축 트레인(3)은 제1 구동기(7) 및 공급 가스 압축 섹션(8)을 포함한다. 이 공급 가스 압축 섹션은 압축기(9)를 포함한다.
프로세스 증기가 11에서 1차 촉매 증기 개질기(5)로 전달되고, 여기서 공급 가스는 증기와 반응하여 반응에 따른 일산화탄소 및 수소를 발생한다.
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2
CO + H2O ↔ CO2 + H2
1차 개질기(5)는 프로세스 공기 입구 라인(17)으로부터의 프로세스 공기에 추가하여 1차 개질기(5)로부터의 반응 생성물을 수용하는 2차 증기 개질기(15)에 유동 결합된다. 프로세스 공기는 프로세스 공기 압축 트레인(19)에 의해 압축된다.
프로세스 공기 압축 트레인(19)은 프로세스 공기 압축 섹션(22)을 구동할 수 있는 제2 구동기(21)를 포함한다. 이 프로세스 공기 압축 섹션은 예를 들어, 직렬로 배열된 제1 프로세스 공기 압축기(23) 및 제2 프로세스 공기 압축기(25)를 포함할 수 있다. 인터쿨러(27)가 제1 프로세스 공기 압축기(23)와 제2 프로세스 공기 압축기(25)의 전달부 사이에 배열될 수 있다.
2차 증기 개질기(15)에서, 1차 촉매 증기 개질기(5)로부터의 미반응 CH4가 연소에 의해 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)로 변환된다. 최종 가스 혼합물은 시프트 변환 유닛(29)으로 전달되는 생 신가스이다.
시프트 변환 유닛(29)에서, 일산화탄소는 이하의 반응에 따라 이산화탄소로 변환된다.
CO + H2O ↔ CO2 + H2
최종 가스 혼합물은 스크러버(scrubber)(31)에 전달되는 데, 여기서 이산화탄소가 스트리핑되고(stripped), 최종 가스 혼합물은 메탄화 섹션(33)에 전달된다. 스크러버(31)로부터의 가스 유동 내에 함유된 잔류 일산화탄소는 메탄화 섹션(33)에서 수소화에 의해 변환되어, 반응에 따른 CH4 및 H2O를 발생한다.
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
O2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O
이와 같이 얻어진 가스 혼합물은 건조기(35)를 통해 공급되고, 주로 질소와 수소를 함유하는 최종 순 신가스(pure syngas)는 신가스 압축 섹션(34)에 의해 압축된다.
신가스 압축 섹션(34)은 제3 구동기에 의해 구동된 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 도 1의 개략도에서, 신가스 압축 섹션(34)은 제3 구동기(39)에 의해 구동된 제1 압축기(36) 및 제2 압축기(37)를 포함한다. 압축기(36, 37) 및 제3 구동기(39)는 신가스 압축 트레인(41)을 형성한다. 인터쿨러(42, 44)는 비교 섹션들 사이 그리고/또는 신가스 압축 섹션(34)의 압축기들 사이에 제공될 수 있다.
압축된 신가스는 암모니아 변환기(43)에 전달되어 암모니아 합성 반응에 따라 원하는 최종-생성물 암모니아를 생산한다.
3H2 + N2 ↔ 2NH3
암모니아 변환기(43)로부터의 암모니아는 냉각기(45) 내에서 냉각된다. 냉각은 냉매 압축 트레인(48)을 포함하는 냉동 사이클에 의해 성취된다. 냉매 압축 트레인(48)은 냉매 압축 섹션(46) 및 제4 구동기(47)를 포함한다. 냉매 압축 섹션(46)은 제1 압축기(49) 및 제2 압축기(51)를 포함할 수 있고, 이들 사이에 인터쿨러(53)를 포함할 수 있다.
냉각된 암모니아는 액체/기체 분리기(55)를 통해 유동하고, 여기서 기체 암모니아는 제거되고 재생 라인(57)에 의해 도식적으로 표현된 바와 같이, 신가스 압축 트레인을 통해 재생된다.
상기에 간략히 설명된 암모니아 생산 시스템은 복잡하고, 4개의 압축 섹션, 즉: 공급 가스 압축 섹션(8); 프로세스 공기 압축 섹션(22); 신가스 압축 섹션(34); 및 냉매 압축 섹션(46) 중 하나를 각각 구체화하는 4개의 압축 트레인을 필요로 한다. 각각의 압축 섹션은 4개의 압축 트레인, 즉 공급 가스 압축 트레인(3), 프로세스 공기 압축 트레인(19), 신가스 압축 트레인(41) 및 냉매 압축 트레인(48)을 형성하기 위한 각각의 구동기, 즉 제1 구동기(7), 제2 구동기(21), 제3 구동기(39) 및 제4 구동기(47)를 구비한다.
다수의 압축 트레인의 요구는 암모니아 생산 설비를 복잡하고 값이 비싸게 한다. 따라서, 암모니아 생산 설비의 일반적인 배열을 간단화하는 것이 바람직할 것이다.
일 양태에서, 본 명세서에 개시된 요지는 복수의 압축 섹션, 또는 소위 "서비스"를 포함하는 암모니아 생산 설비에 관한 것이다. 설비는 공급 가스 압축 섹션; 프로세스 공기 압축 섹션; 신가스 압축 섹션; 및 냉매 압축 섹션을 포함할 수도 있다. 본 명세서에 개시된 실시예에 따르면, 상기 압축 섹션들 중 적어도 2개는 조합되어 단일의 구동기에 의해 구동되는 조합형 압축 트레인을 형성한다. 설비의 복잡성이 따라서 감소된다. 구동기의 수가 감소되고, 이는 설비의 비용 절감을 유도할 수도 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 3개의 압축 섹션은 단일의 구동기에 의해 구동되는 단일의 조합형 압축 트레인에서 조합된다.
다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 요지는 공급 가스 압축 섹션; 프로세스 공기 압축 섹션; 신가스 압축 섹션; 암모니아 냉매 압축 섹션과 같은 복수의 가스 압축 섹션을 포함하는 암모니아 생산 설비에 관한 것이다. 몇몇 실시예에서, 냉매 압축 섹션은 일체형 기어식 압축기를 포함하는 데, 이는 낮은 비용 및 높은 효율의 견지에서 특정 장점을 제공한다.
특징들 및 실시예들이 여기에서 이하에 개시되고, 본 개시내용의 일체부를 형성하는 첨부된 청구범위에 더 설명된다. 상기 간략한 설명은 이어지는 상세한 설명이 더 양호하게 이해될 수도 있게 하기 위해 그리고 당 기술 분야에 대한 본 발명의 기여가 더 양호하게 인식될 수도 있게 하기 위해 본 발명의 다양한 실시예의 특징들을 설명하고 있다. 물론, 이하에 설명될 것이고 첨부된 청구범위에 설명될 것인 본 발명의 다른 특징들이 존재한다. 이와 관련하여, 본 발명의 다수의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명의 다양한 실시예는 이하의 상세한 설명에 설명되거나 도면에 도시되어 있는 구성요소의 배열에 그리고 구성의 상세에 그 용례가 한정되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실시되고 수행되는 것이 가능하다. 또한, 본 명세서에 이용된 구문 및 용어는 설명을 위한 것이고 한정으로서 간주되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다.
이와 같이, 당 기술 분야의 숙련자들은, 본 개시내용이 기초로 하는 개념이 본 발명의 다수의 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법, 및/또는 시스템을 설명하기 위한 기초로서 즉시 이용될 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 이들이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않는 한, 청구범위가 이러한 등가의 구성을 포함하는 것으로 간주되어야 하는 것이 중요하다.
본 발명의 개시된 실시예 및 다수의 그 부수적인 장점의 더 완전한 이해는 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 이하의 상세한 설명을 참조하여 더 양호하게 이해되게 됨에 따라 즉시 얻어질 것이다.
도 1은 전술된 바와 같이, 종래 기술의 암모니아 생산 설비의 개략도.
도 2는 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제1 개략도.
도 3은 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제2 개략도.
도 4는 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제3 개략도.
도 5는 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제4 개략도.
도 6은 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제5 개략도.
도 7은 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제6 개략도.
도 7a는 도 7의 압축 트레인의 압축기의 상세도.
도 8은 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제7 개략도.
도 9는 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제8 개략도.
도 10은 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제9 개략도.
도 11은 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제10 개략도.
도 12는 본 개시내용에 따른 조합형 압축 트레인의 제11 개략도.
도 13은 냉매 압축 섹션과 공급 가스 압축 섹션을 그룹화하는 조합형 압축 트레인을 갖는, 본 개시내용에 따른 암모니아 생산 설비의 개략도.
도 14는 신가스 압축 섹션과 냉매 압축 섹션을 그룹화하는 조합형 압축 트레인을 갖는, 본 개시내용에 따른 암모니아 생산 설비의 다른 개략도.
도 15는 공급 가스 압축 섹션, 냉매 압축 섹션 및 프로세스 공기 압축 섹션을 그룹화하는 조합형 압축 트레인을 갖는, 본 개시내용에 따른 암모니아 생산 설비의 또 다른 개략도.
예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 또는 유사한 요소를 식별한다. 부가적으로, 도면은 실제 축척대로 도시되어 있지 않다. 또한, 이하의 상세한 설명은 본 발명을 한정하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다.
명세서 전체에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예" 또는 "몇몇 실시예"의 언급은, 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 개시된 요지의 적어도 하나의 실시예에 포함되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 장소에서 구문 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서" 또는 "몇몇 실시예에서"의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예(들)를 칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수도 있다.
암모니아 생산 설비용 배열이 본 명세서에 개시되고, 여기서 설비의, 일반적으로 "서비스"라 또한 칭하는 적어도 2개의 압축 섹션은 단일의 압축 트레인에서 조합되어, 압축 트레인 및 관련 구동기의 총 수가 감소되고 설비가 상당히 간단화되게 된다.
몇몇 실시예에서, 단지 2개의 서비스, 즉 2개의 압축 섹션만이 공통의 단일의 구동기에 의해 구동된 단일의 압축 트레인에서 조합된다. 다른 실시예에서, 3개의 압축 섹션, 또는 서비스가 단일의 압축 트레인으로 조합되어, 단일의 구동기가 3개의 서비스, 또는 압축 섹션을 구동할 것이어서, 전체로서 설비의 푸트프린트 및 복잡성을 더 감소시킨다.
몇몇 특히 유리한 배열에서, 하나 이상의 압축 섹션은 일체형 기어식 압축기를 포함할 수도 있다. 이들 압축기는 구동기에 구동식으로 결합된 중앙 불기어(bullgear)에 의해 특징화된다. 불기어는 복수의 피니언과 연동한다. 각각의 피니언은 이어서 하나 이상의 압축기 휠을 회전시킨다. 압축기는, 상이한 압축기 스테이지를 위한 상이한 회전 속도를 제공하는 기어링(gearing)을 포함하기 때문에, 일체형 기어식이라 칭한다. 본 명세서에 개시된 구성에서, 일체형 기어식 압축기는 표준 빔 원심 압축기보다 저가이고 더 효율적일 수 있다.
본 명세서에서 이해되는 바와 같이, 구동부는 압축기 또는 압축 트레인을 회전 구동하도록 구성된 임의의 기계적 동력 발생 기계이다. 몇몇 실시예에서, 구동기는 가스 터빈 엔진을 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 구동기는 전기 모터를 포함할 수도 있다. 본 명세서에 개시된 실시예에서, 구동기는 증기 터빈을 포함할 수 있다.
일반적으로 하나 초과의 압축 트레인, 통상적으로 적어도 2개의 압축 트레인이 요구되기 때문에, 하나 초과의 구동기가 설비 내에 존재한다. 구동기들은 일반적으로 유사하거나, 또는 상이할 수 있다. 예를 들어, 모든 구동기는 증기 터빈일 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 2개 이상의 상이한 종류의 구동기, 예를 들어 전기 모터, 증기 터빈, 가스 터빈이 동일한 설비 내에서 조합될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 구동기는 관통 샤프트를 구비하는 데, 즉 구동기의 양측으로부터 축방향으로 연장하는 구동 샤프트부, 또는 샤프트 단부를 구비할 수 있어, 종동 기계, 즉 압축기가 구동기의 양측에 배열될 수 있게 되고, 구동기는 따라서 압축 트레인의 샤프트 라인을 따라 중간 위치에 위치된다.
산업에 적용 가능한 신규한 암모니아 설비가 발명되었다. 도 2, 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7, 도 7a, 도 8, 도 9, 도 10, 도 11, 도 12, 도 13, 도 14 및 도 15를 참조하여 이하에 설명되는 그 실시예는, 신규한 독창적인 암모니아 설비가 압축 섹션의 간단화되고 신규한 그리고 유용한 배열을 제공하는 점에서, 도 1을 참조하여 전술된 종래 기술의 암모니아 설비와는 상이하다.
더 구체적으로, 이하의 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 2개 이상의 압축 섹션이 조합형 압축 트레인으로 조합될 수 있어, 하나의 동일한 구동기가 2개 이상의 압축 섹션을 운전하도록 구동력을 제공할 수 있게 된다. 이하에 개시된 배열은 따라서 요구된 기계의 총 수 및 전체 푸트프린트의 감소에 의해, 시스템의 간단화된 배열을 야기한다.
본 개시내용의 다양한 실시예는 압축 섹션의 배열 및 관련 구동기가 관련되는 한 상세히 설명될 것이다. 암모니아 생산 시스템의 나머지 섹션 및 구성요소의 전체 레이아웃은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 유지될 수 있다. 단지 몇몇 가능한 레이아웃만이 도 13, 도 14 및 도 15를 참조하여 이하에 설명될 것이다.
몇몇 실시예에 따르면, 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 공급 가스 압축 섹션(8) 및 냉매 압축 섹션(46)은 단일의 구동기(63)에 의해 구동된 조합형 압축 트레인(61)에서 서로 조합된다.
공급 가스 압축 섹션(8)은 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 도 2의 실시예에서, 공급 가스 압축 섹션(8)은 단일의 공급 가스 압축기(62)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 공급 가스 압축기(62)는 일체형 기어식 압축기일 수 있다.
냉매 압축 섹션(46)은 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 도 2의 실시예에서, 냉매 압축 섹션(46)은 단일의 냉매 압축기(64)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 냉매 압축기(64)는 일체형 기어식 압축기일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 공급 가스 압축 섹션(8) 및 냉매 압축 섹션(46)은 단지 구동기(63)의 일측에만 배열될 수 있지만, 현재 바람직한 실시예에서, 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 구동기(63)는 제1 샤프트 단부(65A) 및 제2 샤프트 단부(65B)를 포함하는 이중-단부 구동기(double-ended driver)이다. 2개의 샤프트 단부(65A, 65B)는 구동기(63)를 통해 연장하는 하나의 동일한 샤프트의 단부들이다. 다른 실시예에서, 구동기(63)는 서로 독립적으로 회전하고 구동기의 대향 측면들 상에 돌출하는 2개의 샤프트를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 구동기로부터 돌출하는 2개의 샤프트는 이와 같이 요구되면, 상이한 회전 속도로 회전할 수 있다.
예를 들어, 구동기(63)는 하나 이상의 회전 터빈 휠을 갖는 터빈일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 구동기(63)는 증기 터빈일 수 있다. 터빈은 2개의 그룹의 터빈 휠을 포함할 수도 있고, 각각의 그룹은 동일한 또는 상이한 회전 속도로 회전하는 개별 샤프트 상에 장착될 수 있는 하나 이상의 휠을 포함한다. 각각의 샤프트는 구동기 케이싱의 2개의 축방향으로 대향하는 측면들의 각각의 것으로부터 각각의 샤프트 단부로 돌출하고, 공급 가스 압축 섹션(8) 및 냉매 압축 섹션(46)의 각각의 하나에 구동식으로 결합된다.
도 3을 참조하면, 다른 실시예에 따르면, 공급 가스 압축 섹션(8)은 프로세스 공기 압축 섹션(22)과 조합하여 단일의 구동기(73)를 포함하는 조합형 압축 트레인(71)을 형성할 수 있다. 공급 가스 압축 섹션(8)은 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 도 3의 실시예에서, 공급 가스 압축 섹션(8)은 단일의 공급 가스 압축기(72), 예를 들어 일체형 기어식 압축기를 포함한다. 프로세스 공기 압축 섹션(22)은 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 도 3의 실시예에서, 프로세스 공기 압축 섹션(22)은 단일의 프로세스 공기 압축기(74), 예를 들어 일체형 기어식 압축기를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 공급 가스 압축 섹션(8) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)은 단지 구동기(73)의 일측에만 배열될 수 있지만, 바람직한 실시예에서, 도 2에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 구동기(73)는 제1 및 제2 샤프트 단부(75A, 75B)로 공급 가스 압축 섹션(8)에 그리고 프로세스 공기 압축 섹션(22)에 각각 기계식으로 결합된 이중-단부 구동기이다. 구동기(73)는 도 2와 관련하여 전술된 구동기(63)로서 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 조합형 압축 트레인(81)은 단일의 구동기(83)에 구동식으로 결합된 냉매 압축 섹션(46) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3과 관련하여 설명된 것과 유사하게, 도 4의 냉매 압축 섹션(46)은 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 도 4의 실시예에서, 냉매 압축 섹션(46)은 단일의 냉매 압축기(82)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 냉매 압축기(82)는 일체형 기어식 압축기일 수 있다. 다른 실시예에서, 냉매 압축 섹션(46)은 직렬의 2개의 압축기, 및 가능하게는 이들 사이에 배열된 인터쿨러를 포함할 수 있다.
프로세스 공기 압축 섹션(22)은 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 도 4의 실시예에서, 프로세스 공기 압축 섹션(22)은 단일의 프로세스 공기 압축기(84)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 프로세스 공기 압축기(84)는 일체형 기어식 압축기일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 프로세스 공기 압축 섹션(22) 및 냉매 압축 섹션(46)은 단지 구동기(83)의 일측에만 배열될 수 있지만, 현재 바람직한 실시예에서, 도 4에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 그리고 도 2 및 도 3과 유사하게, 구동기(83)는 제1 샤프트 단부(85A) 및 제2 샤프트 단부(85B)를 포함하는 이중-단부 구동기이다. 2개의 샤프트 단부(85A, 85B)가 냉매 압축 섹션(46)에 그리고 프로세스 공기 압축 섹션(22)에 각각 구동식으로 결합된다.
다른 실시예에서, 2개 초과의 압축 섹션이 단일의 구동기에 의해 구동된 하나의 조합형 압축 트레인에 배열될 수 있다.
도 5에는, 2개의 샤프트 단부(95A, 95B)를 갖는 단일의 구동기(93)를 포함하는 조합형 압축 트레인(91)을 포함하는 실시예가 도시되어 있다. 조합형 압축 트레인(91)은 냉매 압축 섹션(46), 공급 가스 압축 섹션(8) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)의 압축기들에 의해 형성된다. 도 5의 실시예에서, 냉매 압축 섹션(46)은 단일의 압축기(96), 예를 들어 일체형 기어식 압축기를 포함한다. 공급 가스 압축 섹션(8)은 단일의 압축기(97), 예를 들어 수직 분할 원심 압축기 또는 수평 분할 원심 압축기와 같은, 드라이브 스루(drive through)를 갖는 인-비트윈-베어링 원심 압축기(in-between-bearing centrifugal compressor)를 포함한다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "드라이브 스루 압축기"는, 압축기 케이싱을 통해 연장하고 케이싱의 대향측들로부터 돌출하는 제1 샤프트 단부 및 제2 샤프트 단부를 가져, 압축기 회전자가 압축기의 양측에 배열된 기계에 구동식으로 결합될 수 있고 기계적 동력이 압축기를 통해 유동할 수 있게 되는 샤프트를 포함하는 압축기로서 이해될 수 있다. 용어 "인-비트윈-베어링 압축기"는 본 명세서에 사용될 때, 그 2개의 단부에서 2개의 베어링 장치에 의해 지지된 샤프트를 갖고 2개의 베어링 장치 사이에 위치된 복수의 압축기 추진기를 지지하는 압축기로서 이해될 수도 있다.
압축기(97)의 구동 샤프트는, 예로서 구동기(93)의 2개의 샤프트 단부(95A, 95B) 중 하나로부터 압축기(96)로 기계적 동력을 전달하기 위해, 압축기 케이싱을 통해 연장한다.
프로세스 공기 압축 섹션(22)은 단일의 압축기(98), 예를 들어 일체형 기어식 압축기를 포함할 수 있다.
도 5의 실시예에서, 냉매 압축 섹션(46) 및 공급 가스 압축 섹션(8)은 구동기(93)의 일측에 배열되고, 프로세스 공기 압축 섹션(22)은 구동기(93)의 다른측에 배열되어 있지만, 다른 배열이 가능하다. 예를 들어, 공급 가스 압축 섹션(8) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)은 구동기(93)의 동일한 측에 배열될 수 있고, 반면에 냉매 압축 섹션(46)은 그 대향측에 배열된다.
도 6은 다른 조합형 압축 트레인(101)을 도시하고 있고, 여기서 도 5에서와 동일한 압축 섹션들이 제공되고 샤프트 단부(105A, 105B)로 단일의 구동기(103)와 구동식으로 결합된다. 그러나, 압축 섹션의 시퀀스는 상이하다. 도 6의 실시예에서, 도 5를 계속 참조하면, 냉매 압축 섹션(46)은 구동기(103)와 공급 가스 압축 섹션(8) 사이에 배열된 단일의 압축기(106)를 포함할 수 있고, 이 공급 가스 압축 섹션은 이어서 단일의 공급 가스 압축기(107)를 포함할 수 있다. 냉매 압축기(106)는 구동기(103)로부터 공급 가스 압축기(107)로 동력을 전달하기 위해, 그를 통해 연장하는 구동 샤프트를 갖는, 인-비트윈-베어링 압축기, 예를 들어 수직 분할 또는 수평 분할 원심 압축기일 수 있다. 이 공급 가스 압축기는 예를 들어, 일체형 기어식 압축기일 수 있다. 프로세스 공기 압축 섹션(22)은 구동기(103)의 대향측에 배열되고, 단일의 압축기, 예를 들어 일체형 기어식 압축기(108)를 포함할 수 있다.
구동기(93 또는 103)는 도 2 및 도 3과 관련하여 전술된 바와 같이 구성될 수 있다.
도 2, 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 실시예에서, 조합형 압축 트레인에 배열되지 않은 설비(1)의 이들 압축 섹션은 종래 기술에 따라 설계될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 이들 압축 섹션은 이어서 제2 조합형 압축 트레인에서 조합될 수 있어, 단지 2개의 압축 트레인 및 2개의 구동기만이 동일한 설비(1) 내에 제공되게 된다. 예를 들어, 냉매 압축 섹션(46) 및 공급 가스 압축 섹션(8)이 단일의 조합형 압축 트레인(61)에서 조합되면, 신가스 압축 섹션(34) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)은 다른 조합형 압축 트레인에서 조합될 수 있다.
신가스 압축 섹션(34)을 포함하는 압축 트레인의 예시적인 실시예가 이하에 개시된다.
도 7은 신가스 압축 섹션 및 냉매 압축 섹션을 포함하는 조합형 압축 트레인(111)의 실시예를 도시하고 있다. 도 7의 실시예는 본 명세서에 개시된 다른 실시예와 조합될 수 있다.
도 7의 압축 트레인(111)은 샤프트 단부(115A, 115B)를 갖는 단일의 구동기(113)로 구성된다. 조합형 압축 트레인(111)은 신가스 압축 섹션(34) 및 냉매 압축 섹션(46)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 압축 섹션(34, 46)은 단일의 구동기(113)의 대향측들에 배열된다. 다른 실시예에서, 압축 섹션(34, 46)은 구동기(113)의 동일측에 배열될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 신가스 압축 섹션(34)은 2개의 신가스 압축기(116, 117)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압축기(116)는 고압력비 압축기일 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "고압력비 압축기"는 40 초과, 바람직하게는 대략 50 이상의 압축비를 갖는 원심 압축기로서 이해될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 신가스 압축기(116, 117) 중 하나, 예를 들어 고압력비 압축기(116)는 재생 추진기를 포함할 수도 있다. 재생 추진기는 단부 베어링들에 의해 지지되어 있는 샤프트의 돌출 단부 상에, 현수 방식으로 장착될 수 있고, 압축기 스테이지들이 인-비트윈 베어링으로 배치된다. 도 7a는 베어링(116.3)에 의해 케이싱(116.1) 내에 지지된 중앙 샤프트(116.5)를 갖는 원심 압축기(116)를 개략적으로 도시하고 있다. 압축기 추진기(116.2)는 인-비트윈-베어링 구성으로 샤프트(116.5) 상에 배열된다. 샤프트(116.5)의 단부가 현수하는 재생 추진기(116.4)를 지지한다.
제2 압축기(117)는 구동기(113)를 압축기(116)에 연결하는 관통 샤프트를 갖는 수직 분할 또는 수평 분할 원심 압축기일 수 있다.
냉매 압축 섹션(46)은 단일의 압축기(119)를 포함할 수 있다. 도 7의 실시예에서, 압축기(119)는 일체형 기어식 압축기이다.
도 8은 신가스 압축 섹션(34) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)을 포함하는 조합형 압축 트레인(121)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 8의 압축 트레인(121)은 구동기(123)를 신가스 압축 섹션(34) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)에 각각 연결하는 샤프트 단부(125A, 125B)를 갖는 단일의 구동기(123)로 구성된다. 도시되어 있지 않은 몇몇 실시예에서, 압축 섹션(34, 22)은 구동기(123)의 동일측에 배열될 수 있다. 도 7에 유사하게, 압축 트레인(121)의 몇몇 실시예에서, 신가스 압축 섹션(34)은 2개의 신가스 압축기(126, 127)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압축기(126)는 고압력비 압축기일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고압력비 압축기는 재생 추진기를 포함할 수도 있다. 제2 압축기(127)는 구동기(123)를 압축기(126)에 연결하는 관통 샤프트를 갖는 수직 분할 또는 수평 분할 원심 압축기일 수 있다.
프로세스 공기 압축 섹션(22)은 단일의 압축기(129)를 포함할 수 있다. 도 8의 실시예에서, 압축기(129)는 일체형 기어식 압축기이다.
도 9는 신가스 압축 섹션 및 냉매 압축 섹션을 포함하는 조합형 압축 트레인(111)의 실시예를 도시하고 있다. 도 9의 실시예는 본 명세서에 개시된 다른 실시예와 조합될 수 있다.
도 9의 압축 트레인(111)은 샤프트 단부(115A, 115B)를 갖는 단일의 구동기(113)로 구성된다. 조합형 압축 트레인(111)은 신가스 압축 섹션(34) 및 냉매 압축 섹션(46)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 압축 섹션(34, 46)은 단일의 구동기(113)의 대향측들에 배열된다. 다른 실시예에서, 압축 섹션(34, 46)은 구동기(113)의 동일측에 배열될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 신가스 압축 섹션(34)은 2개의 신가스 압축기(116, 117)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압축기(116)는 고압력비 압축기일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고압력비 압축기는 재생 추진기를 포함할 수도 있다. 제2 압축기(117)는 구동기(113)를 압축기(116)에 연결하는 관통 샤프트를 갖는 수직 분할 또는 수평 분할 원심 압축기일 수 있다.
도 9의 실시예에서, 냉매 압축 섹션(46)은 고압력비 압축기를 포함할 수 있다.
도 10은 신가스 압축 섹션(34) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)을 포함하는 조합형 압축 트레인(121)의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 10의 압축 트레인(121)은 구동기(123)를 신가스 압축 섹션(34) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)에 각각 연결하는 샤프트 단부(125A, 125B)를 갖는 단일의 구동기(123)로 구성된다. 도시되어 있지 않은 몇몇 실시예에서, 압축 섹션(34, 22)은 구동기(123)의 동일측에 배열될 수 있다.
도 9에 유사하게, 압축 트레인(121)의 몇몇 실시예에서, 신가스 압축 섹션(34)은 2개의 신가스 압축기(116, 117)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압축기(116)는 고압력비 압축기일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고압력비 압축기는 재생 추진기를 포함할 수도 있다. 제2 압축기(127)는 구동기(113)를 압축기(116)에 연결하는 관통 샤프트를 갖는 수직 분할 또는 수평 분할 원심 압축기일 수 있다.
도 10은 도 8의 실시예와 실질적으로 유사한 실시예를 도시하고 있다. 도 10에서, 프로세스 공기 압축 섹션(22)은 고압력비 압축기(129)를 포함한다.
도 11은 신가스 압축 섹션(34)을 포함하는 조합형 압축 트레인의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 11의 압축 트레인은 전체로서 131로 표기되어 있고, 2개의 샤프트 단부(135A, 135B)를 가질 수 있는 단일의 구동기(133)를 포함할 수 있어, 압축 트레인(131) 내에서 조합된 2개의 압축 섹션이 구동기(133)의 대향측들 상에 배열될 수 있게 된다. 도시되어 있지 않은 다른 실시예에서, 압축 트레인(131)의 압축기는 구동기(131)의 동일측에 모두 배열될 수 있다.
샤프트 단부(135A)는 하나 또는 2개의 압축기를 포함할 수 있는 신가스 압축 섹션(34)을 구동한다. 도 11에 도시되어 있는 실시예에서, 신가스 압축 섹션(34)은 제1 압축기(136) 및 제2 압축기(137)를 포함한다. 제1 압축기(136)는 예를 들어 재생 추진기를 갖는 고압력비 압축기일 수 있고, 제2 압축기(137)는 구동 관통 샤프트를 갖는 인-비트윈-베어링 압축기, 예를 들어 수직 분할 또는 수평 분할 원심 압축기일 수 있다. 2개의 압축기(136, 137)는 직렬로 배열될 수 있고, 제2 압축기(137)는 제1 압축기(136)의 상류측에 배열되어 있다. 유사한 직렬 배열이 도 8 및 도 10의 압축기(126, 127)를 위해 그리고 도 9의 압축기(116, 117)를 위해 제공될 수 있다.
공급 가스 압축 섹션(8)은 단일의 압축기, 예를 들어 일체형 기어식 압축기(139)를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 공급 가스 압축 섹션(8)은 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 인-비트윈-베어링 압축기를 포함할 수 있고, 여기서 다른 조합형 압축 트레인(141)이 도시되어 있다. 압축 트레인(141)은 제2 압축기(147)가 제1 압축기(146)의 상류측에 배열된 상태로 순서로 배열된 제1 압축기(146) 및 제2 압축기(147)로 구성된 신가스 압축 섹션(34)을 포함한다. 압축 트레인(141)은 인-비트윈-베어링 압축기, 예를 들어 수직 분할 또는 수평 분할 원심 압축기를 포함하는 공급 가스 압축 섹션(8)을 더 포함한다. 압축 섹션(34, 8)은 구동기(143)의 대향측들에 배열되고, 제1 샤프트 단부(145A) 및 제2 샤프트 단부(145B)에 각각 구동식으로 결합된다. 도시되어 있지 않은 다른 실시예에서, 압축기들은 공통 구동기(143)의 동일측에 모두 배열될 수 있다.
도 2, 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7, 도 7a, 도 8, 도 9, 도 10, 도 11 및 도 12는 예시적인 압축 트레인을 격리하여 도시하고 있고, 도 13, 도 14 및 도 15는 본 개시내용의 조합형 압축 트레인을 사용하는 암모니아 생산 설비(1)를 예로서 도시하고 있다.
더 구체적으로, 도 13은 도 1의 암모니아 생산 설비(1)의 주 구성요소를 도시하고 있고, 여기서 공급 가스 압축 섹션 및 냉매 압축 섹션은 도 2에 도시되어 있는 조합형 압축 트레인(61) 내에서 함께 결집된다. 도 1 및 도 2에 사용된 동일한 도면 부호는 도 13의 동일한 또는 대응 구성요소 또는 요소를 나타낸다. 프로세스 공기 압축 트레인(19) 및 신가스 압축 트레인(41)은 도 1에서와 같이 구성된다.
도 14는 도 1의 암모니아 생산 설비(1)의 주 구성요소를 도시하고 있고, 여기서 신가스 압축 섹션 및 냉매 압축 섹션은 도 7 또는 도 9와 관련하여 전술된 구조를 갖는 단일의 압축 트레인(111)에서 함께 결집되어 있다. 공급 가스 압축 섹션 및 프로세스 공기 압축 섹션은 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 그리고 전술된 바와 같이 단일의 압축 트레인(71)에서 함께 결집된다.
도 15는 암모니아 생산 설비(1)의 개략도를 재차 도시하고 있고, 여기서 공급 가스 압축 섹션, 냉매 압축 섹션 및 프로세스 공기 압축 섹션은 도 6에 도시되어 있는 레이아웃을 갖는 단일의 조합형 압축 트레인(101)에서 결집된다.
본 명세서에 설명된 요지의 개시된 실시예가 도면에 도시되어 있고 다수의 예시적인 실시예와 관련하여 상세히 세부적으로 완전히 전술되었지만, 다수의 수정, 변경, 및 생략이 본 명세서에 설명된 신규한 교시, 원리 및 개념, 및 첨부된 청구범위에 상술된 요지의 장점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고 가능하다는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 따라서, 개시된 혁신의 적절한 범주는 모든 이러한 수정, 변경, 및 생략을 포함하기 위해 첨부된 청구범위의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 게다가, 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대안 실시예에 따라 변동되거나 재순서화될 수도 있다.
8: 공급 가스 압축 섹션 22: 프로세스 공기 압축 섹션
46: 냉매 압축 섹션 61: 조합형 압축 트레인
62: 공급 가스 압축기 63: 구동기
73: 구동기 82: 냉매 압축기
84: 프로세스 공기 압축기 91: 조합형 압축 트레인

Claims (16)

  1. 공급 가스 압축 섹션(8);
    프로세스 공기 압축 섹션(22);
    신가스 압축 섹션(34);
    냉매 압축 섹션(46)
    을 포함하고,
    상기 압축 섹션들 중 적어도 2개는 조합되어, 단일의 구동기(63; 73; 83; 93; 103; 113; 123; 133; 143)에 의해 구동되는 조합형 압축 트레인(61; 71; 81; 91; 101; 111; 121; 131; 141)을 형성하는 것인 암모니아 생산 설비.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단일의 구동기(63; 73; 83; 93; 103; 113; 123; 133; 143)는 증기 터빈인 것인 암모니아 생산 설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단일의 구동기(63; 73; 83; 93; 103; 113; 123; 133; 143)는 구동기 케이싱의 대향측들에 제1 샤프트 단부 및 제2 샤프트 단부를 포함하는 이중-단부 구동기이고, 상기 적어도 2개의 압축 섹션 중 제1 압축 섹션은 상기 제1 샤프트 단부에 구동식으로 결합되고, 상기 적어도 2개의 압축 섹션 중 제2 압축 섹션은 상기 제2 샤프트 단부에 구동식으로 결합되는 것인 암모니아 생산 설비.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인은 신가스 압축 섹션(34)을 포함하고, 상기 신가스 압축 섹션은 직렬로 배열된 2개의 압축기(146, 147)를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  5. 제4항에 있어서, 상기 신가스 압축 섹션(34)은 현수 배열의 재생 추진기(116.4) 및 인-비트윈-베어링, 드라이브 스루 압축기(in-between-bearings, drive through compressor)(116)를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인(91; 101)은 상기 단일의 구동기(93; 103)에 의해 회전 구동되는 상기 공급 가스 압축 섹션(8), 프로세스 공기 압축 섹션(22), 신가스 압축 섹션(34), 냉매 압축 섹션(46) 중 3개를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  7. 제6항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인(91; 101)은 냉매 압축 섹션(46), 공급 가스 압축 섹션(8) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)을 조합하여 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인(91; 101)의 상기 압축 섹션들(8, 22, 46) 중 제1 압축 섹션은 상기 단일의 구동기(93; 103)의 제1 샤프트 단부(95A; 105A)에 구동식으로 결합되고, 상기 조합형 압축 트레인(91; 101)의 상기 압축 섹션들 중 제2 압축 섹션은 상기 단일의 구동기(93; 103)의 제2 샤프트 단부(95B; 105B)에 구동식으로 결합되고, 상기 조합형 압축 트레인(91; 101)의 상기 압축 섹션들 중 제3 압축 섹션은 상기 제1 압축 섹션에 구동식으로 결합되고, 상기 제1 압축 섹션은 드라이브 스루 압축기를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인(61; 71; 81; 91; 101; 111; 121; 131; 141)의 압축 섹션(8; 22; 34; 46) 중 적어도 하나는 일체형 기어식 압축기를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  10. 제9항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인 내에 포함된 이하의 압축 섹션들, 즉
    냉매 압축 섹션(46);
    공급 가스 압축 섹션(8);
    프로세스 공기 압축 섹션(22)
    중 적어도 하나는 상기 일체형 기어식 압축기를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인(61; 71; 81; 91; 101; 111; 121; 131; 141)의 상기 압축 섹션(8; 22; 34; 46) 중 적어도 2개는 각각의 일체형 기어식 압축기를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  12. 제11항에 있어서, 상기 적어도 2개의 압축 섹션의 일체형 기어식 압축기는 상기 단일의 구동기(63; 73; 83; 93; 103)의 대향측들에 배열되고, 상기 단일의 구동기의 대향하는 제1 샤프트 단부 및 제2 샤프트 단부에 구동식으로 결합되는 것인 암모니아 생산 설비.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인은 적어도 공급 가스 압축 섹션(8) 및 냉매 압축 섹션(46)을 포함하고, 상기 공급 가스 압축 섹션(8) 및 상기 냉매 압축 섹션(46) 양자 모두는 각각 일체형 기어식 압축기를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인은 적어도 공급 가스 압축 섹션(8) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)을 포함하고, 상기 공급 가스 압축 섹션 및 상기 프로세스 공기 압축 섹션 양자 모두는 각각 일체형 기어식 압축기를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 조합형 압축 트레인은 적어도 냉매 압축 섹션(46) 및 프로세스 공기 압축 섹션(22)을 포함하고, 상기 냉매 압축 섹션 및 상기 프로세스 공기 압축 섹션 양자 모두는 각각 일체형 기어식 압축기를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
  16. 공급 가스 압축 섹션(8);
    프로세스 공기 압축 섹션(22);
    신가스 압축 섹션(34);
    냉매 압축 섹션(46)
    을 포함하고,
    상기 냉매 압축 섹션은 일체형 기어식 압축기를 포함하는 것인 암모니아 생산 설비.
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