KR20200015905A - 가스 생산 시스템 - Google Patents

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KR20200015905A
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tower
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켄지 히로세
신지 토미타
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

펌프와 같은 오염의 위험이 있는 기계를 사용하지 않으면서, 소스 가스를 생성물 가스로서 정류함으로써 수득된 액화 가스를 높은 열 효율로 연속적으로 공급할 수 있는 가스 생산 시스템. 가스 생산 시스템(100)은, 정류 장치로부터 추출된 액화 가스가 공급되는 단일 가압 용기(31), 가압 용기(31)의 액화 가스의 일부를 추출하여 증발시키고 액화 가스의 일부를 가압 용기(31)로 복귀시키기 위한 압력 라인, 및 압력 라인에 배치된 제2 열교환 장치(32)를 갖는 단일 압력 장치(30); 및 가압 용기(31)로부터 인출되는 액화 가스를 저장하는 액화 가스 저장 장치(41)를 포함한다.

Description

가스 생산 시스템
본 발명은 소스 가스를 생성물 가스(product gas)로서 정류함으로써 수득된 액화 가스를 공급하는 가스 생산 시스템에 관한 것이다. 액화 가스로서, 예를 들어 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤 등이 인용된다.
공기로부터 액체 질소를 생성하는 통상적인 공기 분리 장치로서, US 5,596,885 및 WO 2014/173496이 인용된다. US 5,596,885의 공기 분리 장치는 생성된 고순도 액체 산소를 저압 정류탑(rectification column)의 압력(예를 들어, 약 1.5 barA)으로 공기 분리 장치 외부의 고순도 액체 산소 탱크에 저장한다. 고순도 액체 산소는 고순도 액체 산소 펌프를 사용함으로써 압력이 증가되고, 공기 분리 장치의 메인 열교환기에서 소스 공기 등과의 열교환에 의해 증발되며, 고압 가스 산소로서 공급된다.
또한, WO 2014/173496의 공기 분리 장치는 생성된 고순도 액체 산소를 압력 장치에 충전시킨다. 압력 장치는 2개 이상의 고순도 액체 산소 가압 용기, 및 밀봉된 가압 용기에서 고순도 액체 산소의 일부를 증발시킴으로써 고순도 액체 산소를 가압하는 증발기를 포함한다. 압력 장치에서, 일련의 기본 작업은, 고순도 액체 산소로 가압 용기를 충전시키는 단계, 가압하는 단계, 고순도 액체 산소를 공급하는 단계, 및 감압하는 단계의 각각의 단계를 포함하는 일괄 처리 사이클이다.
결과적으로, 단일 가압 용기에 고순도 액체 산소가 연속적으로 공급될 수 없지만, 2개 이상의 가압 용기를 결합하여 이들 가압 용기를 전환함으로써, 고순도 산소의 연속적인 공급이 구현된다.
그러나, US 5,596,885에서는, 고순도 액체 산소의 압력을 증가시키기 위해 펌프가 사용된다.
펌프의 구조로 인해 산소에 불순물이 혼입될 가능성이 있으며, 특히, 고순도 산소의 압력을 증가시킬 때 오염의 영향에 관한 많은 우려가 있다. 또한, WO 2014/173496에서는, 액체 헤드를 사용하여 고순도 액체 산소가 산소 생산 탑으로부터 가압 용기로 공급됨으로써, 가압 용기가 공기 분리 장치 냉기 박스(cold box)에 그리고 산소 생산 탑의 하부 부분에 배치되어야 하므로, 가압 용기가 용량 제한을 받는다.
또한, 2개 이상의 가압 용기를 배치함으로써, 2개 이상의 가압 용기를 전환하기 위해 다수의 스위치 밸브가 필요하기 때문에, 냉기 박스가 거대해지고, 설비 비용이 높아지며, 환경으로부터의 열 침투로 인해 열 효율이 감소하는 문제점이 있다.
고순도 액체 산소를 생성하는 경우뿐만 아니라, 다른 저온 액화 가스, 예를 들어 액체 질소 및 액체 아르곤을 공급하는 경우에도, 가압 펌프의 사용으로 인한 유사한 문제점이 언급된다.
전술한 상황을 고려하여, 본 발명의 목적은 펌프와 같은 오염의 위험이 있는 기계를 사용하지 않으면서, 소스 가스를 생성물 가스로서 정류함으로써 수득된 액화 가스를 높은 열 효율로 연속적으로 공급할 수 있는 가스 생산 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 가스 생산 시스템으로서, 외부로부터 흡입되는 소스 가스를 냉각시키는 제1 열교환 장치, 및 제1 열교환 장치에서의 냉각에 의해 수득된 액화 소스 가스(액체 상태)를 정류함으로써 액화 가스를 수득하기 위한 하나 또는 2개 이상의 정류탑을 갖는 정류 장치를 포함하며,
- 정류 장치로부터 추출된 액화 가스가 공급되는 단일 가압 용기, 가압 용기의 액화 가스의 일부를 추출하여 증발시키고 액화 가스의 일부를 가압 용기로 복귀시키기 위한 압력 라인, 및 압력 라인에 배치된 제2 열교환 장치(예를 들어, 증발기 또는 압력 조정 밸브)를 갖는 단일 압력 장치;
- 압력 장치의 가압 용기로부터 인출되는 액화 가스를 저장하는 액화 가스 저장 장치; 및
- 액화 가스가 액화 가스 저장 장치로부터 제1 열교환 장치를 통과하게 하고 액화 가스를 생성물 가스로서 공급하기 위해 소스 가스와 열교환을 수행하게 함으로써 온도를 증가시키기 위한 생성물 가스 추출 라인을 포함한다.
본 발명에서, 가스 생산 시스템은,
- 제1 열교환 장치를 통해 소스 가스를 정류 장치에 공급하는 소스 가스 공급 라인;
- 소스 가스 공급 라인의 제1 열교환 장치의 상류 측에 설치된 소스 가스 유량 측정 장치;
- 소스 가스 공급 라인의 상류에 설치되고, 소스 가스 유량 측정 장치에 의해 측정된 유량에 기초하여 소스 가스의 공급량을 제어하는 제1 제어 밸브;
- 생성물 가스 추출 라인의 제1 열교환 장치의 하류 측에 설치되고, 생성물 가스에 관한 값을 측정하는 생성물 가스 측정 장치; 및
- 생성물 가스 추출 라인에 설치되고, 생성물 가스 측정 장치에 의해 측정된 결과에 기초하여 생성물 가스의 추출량을 제어하는 제2 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
생성물 가스 측정 장치는, 생성물 가스의 유량을 측정하는 유량 측정 장치, 생성물 가스의 압력을 측정하는 압력 측정 장치, 및 생성물 가스 중 미리 결정된 가스의 농도를 측정하는 농도 측정 장치 중 어느 하나의 단일 구성 요소일 수 있거나, 또는 예를 들어, 이들 중 하나 이상의 조합일 수 있다.
본 발명에서, 가스 생산 시스템은,
- 정류탑의 최상류 측에서 정류탑의 탑 상부 부분으로부터 추출된 폐가스(재순환 소스 가스)를 압축시키는 재순환 소스 가스 압축기;
- 최상류 측에서 정류탑의 탑 상부 부분으로부터 추출된 폐가스 또는 폐가스의 추출 위치와 상이한 위치로부터 추출된 폐가스를 팽창시키는 오일 브레이크를 포함하는 팽창 터빈; 및
- 생성물 가스 추출량의 변동에 따라, 제1 열교환기에 제공되는 냉기(Cold)의 양을 제어하는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 최상류 측에서 정류탑의 탑 상부 부분에 배치된 제1 응축기, 및 제1 응축 장치에 가까운 하부 위치에 배치된 제2 응축기를 더 포함하며,
- 재순환 소스 가스 압축기는 제1 응축기의 특정 위치(예를 들어, 이의 상부 공간)로부터 추출된 폐가스(재순환 소스 가스)를 압축시킬 수 있고,
- 오일 브레이크를 포함하는 팽창 터빈은 제2 응축기의 특정 위치(예를 들어, 이의 상부 공간)로부터 추출된 폐가스를 팽창시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 최상류 측에서 정류탑의 탑 상부 부분에 배치된 단일 응축기를 더 포함하도록 구성될 수 있으며,
- 재순환 소스 가스 압축기는 응축기의 특정 위치로부터 추출된 폐가스를 압축시키고,
- 오일 브레이크를 포함하는 팽창 터빈은 응축기의 특정 위치로부터 추출된 폐가스를 팽창시킨다.
본 발명의 일 실시형태는 정류탑의 탑 상부 부분에 액체 질소 또는 액체 산소를 유입시키는 유입 라인을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
구성에 따라, 외부 탱크에 저장된 액체 질소 또는 액체 산소가 정류탑으로 유입될 수 있으므로, 더 큰 부하 변동이 처리될 수 있다. 정류탑의 하부 부분에 있는 산소 농축 액화 가스가 감소하는 경우, 정류탑의 탑 상부 부분에 배치된 응축기에 공급되는 산소 농축 액화 가스도 감소한다. 이와 같은 상황에서, 외부 탱크에 저장된 액체 질소 또는 액체 산소가 정류탑의 탑 상부 부분으로 유입됨으로써, 응축 기능이 유지될 수 있다. 본 발명에서, 액화 가스 저장 장치로부터 추출된 액화 가스(예를 들어, 고순도 액체 산소)를 제1 열교환기에서 증발시킴으로써 냉기가 재생된다. 결과적으로, 정류탑으로부터 냉기 소스로서 공급되는 액체 질소의 양이 감소될 수 있다.
본 발명에서, 액화 가스 저장 장치는 냉기 박스의 외부에 배치된다. 냉기 박스에는, 적어도 제1 열교환기, 정류탑, 팽창 터빈, 및 재순환 소스 가스 압축기가 배치될 수 있다.
본 발명에서, 재순환 소스 가스 압축기는 오일 브레이크를 포함하는 팽창 터빈에 연결될 수 있으며, 팽창 터빈에 의해 구동될 수 있다.
본 발명의 가스 생산 시스템은 팽창 터빈 일체형 압축기, 및 오일 브레이크를 포함하는 가압 팽창기를 포함할 수 있다.
본 발명에서, 재순환 소스 가스는 정류 장치의 탑 상부(제1 응축기의 공기 공간)로부터 재순환 소스 가스 압축기로 공급되어 압축될 수 있고, 이어서 제1 열교환기로 공급될 수 있으며, 그 다음에 정류탑의 하부 부분으로 복귀할 수 있다.
본 발명에서, 폐가스는 정류 장치의 제1 응축기보다 더 낮은 부분에서 제2 응축기로부터 제1 열교환기를 통해 팽창 터빈으로 공급되어 팽창되고, 이어서 제1 열교환기로 공급된다. 그 후에, 폐가스가 대기 중으로 배출될 수 있다.
본 발명에서, 제1 열교환기로 유입되는 소스 가스는 압축기에 의해 미리 결정된 압력으로 압축될 수 있거나, 또는 압축된 후에 제거 장치에 의해 불순물(예를 들어, 물, 이산화탄소 등)이 제거된 소스 가스일 수 있다.
본 발명에서, 단일 가압 용기는 바람직하게는 정류탑의 아래에 설치된다.
본 발명과 같은 가스 생산 시스템에서, 생성물 가스의 생산량 변동은 액화 가스 저장 장치의 용량에 의해 조정되며, 예를 들어, 큰 생산량 변동의 경우, 더 큰 용량을 갖는 액화 가스 저장 장치가 필요하다. 이와 대조적으로, WO 2014/173496에서는, 냉기 박스에 배치된 2개의 가압 용기로 일괄 처리를 연속적으로 수행함으로써 생산량 변동에 대응할 수 있고, 가압 용기가 정류탑의 아래에 설치됨으로써, 압력 장치가 용량 제한을 받거나, 냉기 박스가 거대해진다.
반면에, 본 발명에서는, 액화 가스 저장 장치가 냉기 박스에 설치될 필요가 없으므로, 용량 제한을 받지 않고, 가스 생산 시스템의 냉기 박스의 크기가 영향을 받지 않으며, 냉기 박스가 거대하게 제조되지 않는다.
또한, 본 발명에 따라, 소스 가스를 정류함으로써 수득되는 액화 가스는 펌프와 같은 오염의 위험이 있는 기계를 사용하지 않으면서, 높은 열 효율로 연속적으로 생성물 가스로서 공급될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가스 생산 시스템에서, 냉기는 조정될 필요가 있으며, 냉기 박스로의 열 침투 및 열교환기의 열 손실과 관련하여, 냉기를 공급하여 공정의 열 균형을 유지하는 것이 중요하다.
본 발명에 따라, 액화 가스(예를 들어, 고순도 액체 산소)의 증발에 의해 냉기가 효율적으로 재생되고, 가스 생산 시스템(예를 들어, 공기 분리 시스템)의 전력 소비가 감소될 수 있으며, 생성물 가스(예를 들어, 고압 및 고순도 산소 가스)의 생산량 변동에 적응되는 공정 제어가 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 액화 가스의 증발량에 관한 소스 공기의 제한이 특정될 수 있다.
액화 가스의 비점보다 더 낮은 액화점을 갖는 소스 공기의 경우, 예를 들어, 고순도 액체 산소의 경우, 몰 유량비로 약 2%의 고순도 액체 산소의 증발이 가능하다.
고순도 액체 산소를 해당 양 이상으로 증발시키기 위해, 액화 가스의 비점보다 더 높은 액화점을 갖는 고압의 소스 공기가 공급될 수 있고, 고압을 달성하기 위해, 소스 공기의 압력을 증가시키기 위한 가압기가 사용될 수 있다.
생성물 가스 추출 라인에서, 액화 가스를 공급하기 위한 자동 온-오프 밸브가 제공될 수 있다.
가압 용기는 이의 내부 압력을 측정하는 압력계, 및 압력계의 압력 값이 미리 결정된 값이 되도록 액화 가스를 제2 열교환기에 공급하기 위해 압력 라인에 배치된 자동 온-오프 밸브를 제어하는 밸브 제어 장치를 구비할 수 있다.
액화 소스 가스를 저장하는 액화 소스 가스 완충기가 제1 열교환 장치의 후속 단계에 포함될 수 있다.
액체 소스 가스 완충기는 액화 소스 가스 및 재순환 소스 가스가 유입되는 정류탑의 하부 부분에 설치될 수 있다.
위의 구성에 따라, 제1 열교환기에서 액화 가스(생성물 가스로서 추출되기 위한 액화 가스)의 증발량은 소스 가스의 소비량의 변동과 관련하여 가변할 수 있으며, 이와 관련하여, 소스 가스(공기 등)와 열교환을 수행하는 유체의 라인 상에 완충기(예를 들어, 액체 공기 완충기)를 적용함으로써, 전체 가스 생산 시스템으로의 열 부하 변동의 영향이 제한될 수 있다.
제어 장치는 제1 제어 밸브에 명령을 제공할 수 있고, 소스 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 제어 장치는 소스 가스 유량 측정 장치에 의해 측정된 유량에 기초하여 피드백 제어에 의해 공급량의 변동을 감소시키도록 제어를 수행할 수 있다.
제어 장치는 압축기에서 재순환 소스 가스의 유량을 측정함으로써 수득된 유량 값에 기초하여 소스 가스의 공급량을 제어할 수 있다.
제어 장치는 생성물 가스 유량 측정 장치에서 측정되는 생성물 가스의 유량으로부터, 제1 열교환기에서 재생되는 냉기의 양을 계산할 수 있으며, 계산된 냉기의 양에 기초하여 오일 브레이크를 포함하는 팽창 터빈을 제어할 수 있다.
구성에 따라, 생성물 가스(고순도 산소)의 유량으로부터 재생될 수 있는 냉기의 양이 계산되고, 가스 생산 시스템(공기 분리 기능 장치)의 열 균형을 유지하기 위해 추가로 필요한 냉기의 양은 공정 균형에 의해 결정된다. 냉기 소스는 냉기의 결정된 양을 수득하도록 제어된다. 본 발명에서, 냉기 소스는 오일 브레이크를 포함하는 팽창 터빈이다.
제어 장치는 냉기의 양에 따라, 팽창 터빈의 유량을 제어할 수 있거나, 오일 브레이크에 대한 부하를 제어할 수 있다. 냉기 소스인 오일 브레이크를 포함하는 팽창 터빈을 제어하기 위한 방법으로서, 예를 들어, 제동에 사용되는 오일 유량의 제어에 의해 오일 브레이크가 조정될 수 있다.
오일 브레이크는 냉기 박스의 외부로 열을 배출함으로써 냉기를 공급하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 발전기를 포함하는 팽창 터빈이 냉기 소스로서 사용되는 경우, 발전기에 의해 열을 전기로서 재생시킴으로써 냉기를 공급하는 기능이 수행될 수 있다.
정류탑, 재순환 소스 가스 압축기, 및 제1 열교환 장치 사이에 형성된 재순환 가스 라인에는 재순환 가스의 유량을 측정하는 유량계가 제공될 수 있다.
가스 생산 시스템은,
- 생성물 가스 추출 라인의 제1 열교환 장치의 이전 단계에서 분기되는 분기 라인;
- 분기 라인에 설치되고, 액화 가스의 공급을 분기 라인 및/또는 생성물 가스 추출 라인으로 전환하는 게이트 밸브(예를 들어, 하나 이상의 자동 온-오프 밸브 또는 분기 밸브);
- 액화 가스를 분기 라인 및/또는 생성물 가스 추출 라인으로 공급하도록 게이트 밸브를 제어하는 추출 제어 장치; 및
- 분기 라인에 배치된 제3 열교환 장치(기화기 또는 압력 조정 밸브)를 포함할 수 있다.
분기 라인의 말단부는 생성물 가스 추출 라인에 연결될 수 있다.
추출 제어 장치는 생성물 가스 유량 측정 장치에 의해 측정된 유량에 기초하여 액화 가스를 분기 라인에 공급하도록 게이트 밸브의 온 및 오프를 제어할 수 있다.
추출 제어 장치는 제1 열교환 장치가 정지되는 경우 액화 가스를 분기 라인에 공급하도록 게이트 밸브의 온 및 오프를 제어할 수 있다.
소스 가스는 예를 들어, 공기이다.
가스 생산 시스템은 예를 들어, 공기 분리 장치이다.
액화 가스는 예를 들어, 액체 산소, 고순도 액체 산소, 액체 질소, 고순도 액체 질소, 액체 아르곤, 및 고순도 액체 아르곤이다.
생성물 가스는 예를 들어, 산소 가스, 질소 가스, 및 아르곤 가스이며, 고압 가스 및/또는 고순도 가스일 수 있다.
소스 가스는 공기이고,
- 정류 장치는 액체 공기를 정류하는 고압 정류탑, 및 높은 비점 성분(예를 들어, 메탄 등)이 제거된 미정제 산소를 고압 정류탑으로부터 인출하여 미정제 산소를 추가로 정류하는 저압 정류탑을 가지며,
- 저압 정류탑으로부터 추출되는 고순도 산소는 압력 장치에 의해 가압될 수 있고, 액화 가스 저장 장치로 유입될 수 있다.
고압 정류탑은 질소 생산 탑일 수 있다. 질소(N2)는 질소 생산 탑으로부터 추출될 수 있다.
저압 정류탑은 산소 생산 탑일 수 있다.
각각의 요소는 배관에 의해 연결될 수 있으며, 자동 온-오프 밸브, 유량 제어 밸브 및 압력 조정 밸브 중 어느 하나 이상의 밸브가 배관 또는 각각의 라인에 제공될 수 있다.
도 1은 실시형태 1의 가스 생산 시스템의 구성예를 도시하는 도면이다;
도 2는 실시형태 2의 가스 생산 시스템의 구성예를 도시하는 도면이다;
도 3은 실시형태 3의 가스 생산 시스템의 구성예를 도시하는 도면이다; 그리고
도 4는 실시형태 4의 가스 생산 시스템의 구성예를 도시하는 도면이다.
이하에서, 본 발명의 여러 실시형태가 설명될 것이다. 다음과 같이 설명되는 실시형태는 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명은 어떠한 방식으로도 이하의 실시형태로 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서 수행되는 다양한 변형된 방식을 또한 포함한다. 다음과 같이 설명되는 모든 구성 요소가 항상 본 발명의 필수 구성 요소인 것은 아니다.
도 1에 도시된 바와 같은 본 실시형태에서, 가스 생산 시스템(100)은 고순도 액체 산소를 생성하는 공기 분리 장치의 각각의 요소를 포함한다.
가스 생산 시스템(100)은 외부로부터 흡입되는 공기를 제1 열교환 장치(13)를 통해 고압 정류탑(21)에 공급하기 위한 급기 라인(L1)을 갖는다. 제1 열교환 장치(13)에서, 공기는 냉각되는 액화 공기가 되며, 고압 정류탑(21)의 하부 부분에 공급된다. 높은 비점 성분(예를 들어, 메탄 등)이 제거된 미정제 산소가 고압 정류탑(21)으로부터 라인(L2)을 통해 저압 정류탑(22)의 상부 부분에 공급된다.
저압 정류탑(22)에서 증기 흐름을 수득하기 위해, 액화 공기가 고순도 산소 증발기(224)에 공급되며, 고순도 산소 증발기(224)는 라인(L3), 및 라인(L3)으로부터 분기되는 분기 라인(L31)을 통해, 고압 정류탑(21)의 소스 액체 공기 완충기(211)로부터 열원으로서 저압 정류탑(22)의 하부 부분에 설치된다. 그 후에, 액화 공기는 라인(L4)을 통해 라인(L3)에 합류하여, 제1 증발기(213)로 유입된다.
고순도 액체 산소가 저압 정류탑(22)에서 수득되며, 라인(L5)을 통해 압력 장치(30)의 가압 용기(31)에 공급된다. 가압 용기(31)의 고순도 액체 산소의 일부는 압력 라인(L51)을 통해 제2 열교환 장치(32)에 공급된다. 제2 열교환기(32)에서, 고순도 액체 산소가 증발되며, 압력 라인(L51)을 통해 가압 용기(31)로 복귀한다. 증발된 고순도 액체 산소의 일부는 분기 라인(52)을 통해 저압 정류탑(22)으로 복귀하도록 구성될 수 있음을 유의한다.
본 실시형태에서, 가압 용기(31)의 내부 압력을 측정하는 압력계(도시되지 않음), 및 자동 온-오프 밸브(도시되지 않음)를 제어하는 밸브 제어 장치(도시되지 않음)가 가압 용기(31)에 제공될 수 있으며, 자동 온-오프 밸브는 압력계의 압력 값이 미리 결정된 값이 되도록 고순도 액체 산소를 제2 열교환기(32)에 공급하기 위해 압력 라인(L51)에 배치된다.
압력 장치(30)의 가압 용기(31)로부터, 고순도 액체 산소가 라인(L6)을 통해 저장 장치(41)에 공급되어 저장된다. 고순도 액체 산소는 생성물 가스 추출 라인(L7)을 통해 저장 장치(41)로부터 제1 열교환 장치(13)로 공급되며, 고압 고순도 산소 가스가 되도록 증발되고, 생성물 가스로서 공급된다. 생성물 가스 추출 라인(L7)에는, 생성물 가스의 유량을 측정하는 생성물 가스 유량 측정 장치(51), 및 생성물 가스 유량 측정 장치(51)에 의해 측정되는 유량에 기초하여 생성물 가스의 추출량을 제어하는 제2 제어 밸브(52)가 제1 열교환 장치(13)의 하류 측에 제공된다.
또한, 생성물 가스 추출 라인(L7)에서 제1 열교환 장치(13)로부터 상류 측으로 분기하는 분기 라인(L71)이 제공되며, 이의 말단부는 생성물 가스 추출 라인(L7)에 연결된다. 분기 라인(L71)에는, 자동 온-오프 밸브(53)가 제공된다. 추출 제어 장치(50)는 고순도 액체 산소를 분기 라인(L71) 및/또는 생성물 가스 추출 라인(L7)에 공급하도록 자동 온-오프 밸브(53)를 제어한다. 제3 열교환 장치(55)가 분기 라인(L71)에 제공된다. 추출 제어 장치(50)는 (예를 들어, 필요한 양의 생성물 가스를 추출하기 위해) 생성물 가스 유량 측정 장치(51)에 의해 측정된 유량에 기초하여 고순도 액체 산소를 분기 라인(L71)에 공급하도록 자동 온-오프 밸브(53)의 온 및 오프, 개방 정도 등을 제어할 수 있다. 또한, 제1 열교환 장치(13)는 (공기 분리 장치의 기능이 정지될 때 등에서) 정지된 상태로 되고, 제2 제어 밸브(52)는 폐쇄된 상태로 되며, 자동 온-오프 밸브(53)의 온 및 오프, 개방 정도 등은 고순도 액체 산소를 분기 라인(L71)에 공급하도록 제어된다. 분기 라인(L71)에 공급된 고순도 액체 산소는 제3 열교환기(55)에서 증발되어 고압 고순도 산소 가스가 되며 생성물 가스로서 공급된다.
본 실시형태에서, 저장 장치(41)는 냉기 박스의 외부에 배치되며, 제1 열교환 장치(13), 고압 정류탑(21), 저압 정류탑(22), 팽창 터빈(151), 재순환 소스 가스 압축기(153), 및 압력 장치(30)는 냉기 박스에 배치된다.
또한, 본 실시형태에서, 라인(L3, L31 및 L4)은 액체 공기 라인이고, 라인(L2)은 미정제 산소 라인이며, 라인(L5, L51, L52, L6, L7 및 L71)은 고순도 액체 산소 라인이다.
생성물 가스 추출량의 변동에 따른 공정 제어 방법
소스 가스 공급 라인(L1)에서 제1 열교환 장치(13)의 상류 측에 소스 가스 유량 측정 장치(11)가 제공되며, 소스 가스 유량 측정 장치(11)에 의해 측정된 유량에 기초하여 소스 공기의 공급량을 제어하는 제1 제어 밸브(12)가 소스 가스 유량 측정 장치(11)의 상류 측에 제공된다. 또한, 고압 정류탑(21)의 제2 응축기(214)로부터 추출된 폐가스를 팽창시키는 오일 브레이크(152)를 포함하는 팽창 터빈(151)이 제공된다. 고압 정류탑(21)의 탑 상부로부터 추출된 재순환 공기를 압축시키는 재순환 공기 압축기(153)가 제공된다.
고압 정류탑(21)의 제2 응축기(214)로부터 추출된 폐가스는 제1 열교환기(13)를 통해 팽창 터빈(151)에 공급되며, 폐가스가 팽창 터빈(151)에서 팽창하여 터빈을 구동시킨 후에, 제1 열교환기(13)를 통과하여 대기 중으로 배출된다. 팽창 터빈(151)의 구동에 의해, 재순환 공기 압축기(153)가 오일 브레이크(152)를 통해 구동된다. 즉, 압축에 필요한 동력은 연결된 팽창 터빈(151)으로부터 오일 브레이크(152)를 통해 공급된다. 재순환 공기는 고압 정류탑(21)의 제1 응축기(213)로부터 재순환 공기 압축기(153)로 공급되어 압축된다. 그 다음, 재순환 공기가 제1 열교환기(13)에 공급되며, 이어서 고압 정류탑(21)의 하부 부분으로 복귀한다. 액체 공기는 도시되지 않은 라인을 통해 제1 응축기(213)로부터 제2 응축기(214)로 공급된다는 점을 유의한다.
제어 장치(60)는 생성물 가스 추출량의 변동에 따라 오일 브레이크(152)를 포함하는 팽창 터빈(151)을 제어하고, 재순환 공기의 처리량을 제어한다. 예를 들어, 제어 장치(60)는 생성물 가스 유량 측정 장치(51)에 의해 측정되는 생성물 가스의 유량으로부터 제1 열교환 장치(13)에 의해 재생되는 냉기의 에너지(냉기 양)를 계산하고, 계산된 냉기의 에너지(냉기 양)에 기초하여 냉기 소스를 제어한다. 본 실시형태에서, 냉기 소스는 오일 브레이크(152)이다.
본 실시형태에서, 제1 열교환기(13)에서 고순도 액체 산소의 증발(생성물 가스의 추출)에 의해 재생되는 냉기의 양만큼 냉기 소스에 관련된 부하가 감소함으로써(오일 브레이크(152)에 의해 생성되는 냉기가 감소함으로써), 팽창 터빈(151)으로 유입되는 폐가스(고압 공기)의 양이 감소한다. 또한, 오일 브레이크(152)로부터 배출되는 냉기가 유사하게 감소하고, 팽창 터빈(151)에 연결된 재순환 공기 압축기(153)에 의해 재생될 수 있는 압축된 동력은 증가함으로써, 재순환 공기의 처리량이 증가될 수 있으며, 재순환 공기 압축기(153)에 의해 소비되는 에너지는 감소될 수 있다.
또한, 고순도 산소의 소비량의 변동에 따라, 고순도 액체 산소에 의한 장치(제1 열교환 장치(13), 고압 정류탑(21) 등)의 냉기 공급량이 가변한다. 변동량은 예를 들어, 공기 분리 장치(정류탑 등)에 저장되는 액체 공기량의 변동에 의해 평가될 수 있다. 즉, 고순도 액체 산소의 증발량이 증가되는 경우, 액화 공기량이 증가하는 반면에, 증발량이 감소하는 경우, 액화 공기량은 감소하고, 소스 액체 공기 완충기(211)가 장치(고압 정류탑)에 제공됨으로써 액화 공기량이 과도하거나 부족하지 않게 된다. 본 실시형태에서, 소스 액체 공기 완충기(211)는 소스 공기 및 재순환 공기가 유입되는 위치로부터 하부 부분에서 고압 정류탑(21)의 하부 부분에 제공된다.
제어 장치(60)는 계산되는 냉기의 양에 따라 오일 브레이크(151)에 대한 부하를 제어한다.
제1 열교환 장치(13), 압축기(15) 및 고압 정류탑(21)에는, 재순환 가스 라인(R1, R2)이 형성되며, 재순환 공기가 흐른다. 재순환 가스 라인(R2)에는, 재순환 가스의 유량을 측정하는 유량계(155)가 제1 열교환 장치(13)의 상류 측에 제공된다. 유량계(155)의 측정값은 제어 장치(60)로 전송된다. 제어 장치(60)는 유량계(155)의 측정값에 따라 소스 공기의 공급량을 제어한다.
또한, 폐가스는 고압 정류탑(21)으로부터 배출 라인(R3)을 통해 제1 열교환 장치(13)를 거쳐서 팽창 터빈(151)으로 유입되며, 배출 라인(R4)을 통해 제1 열교환 장치(13)를 거쳐서 대기 중으로 배출된다.
고순도 산소의 생산량 변동(추출량 변동)에 따른 공정 제어의 실시예가 설명될 것이다. 고순도 산소로 한정됨이 없이 고순도 질소의 경우에도 유사한 공정 제어가 채택될 수 있음을 유의한다.
고순도 산소의 생산량 변동은 생성물 가스 추출 라인(L7)에 설치되는 제2 제어 밸브(52) 및 생성물 가스 유량 측정 장치(51)에 의해 제어된다.
제어 장치(60)는 생성물 가스 유량 측정 장치(51)에서 측정된 생성물 가스의 유량에 기초하여, 재생되는 냉기의 에너지(냉기 양)를 계산하고, 공정 균형에 기초하여 가스 생산 시스템(공기 분리 기능 장치)의 열 균형을 유지하기 위해 추가로 필요한 냉기의 에너지를 결정하며, 결정된 냉기의 에너지를 수득하도록 냉기 소스를 제어한다. 또한, 제어 장치(60)는 소스 공기의 공급량도 제어한다.
예를 들어, 공정 제어는 다음과 같이 실행된다.
제1 열교환 장치(13)에서 액체 산소 증발에 의해 주어지는 냉기가 결정되며, 팽창 터빈(151)에 배치되어 냉기를 공급하는 오일 브레이크(152)에 의해 생성되어야 하는 냉기의 양이 결정되고, 예를 들어 오일 유량과 같이, 오일 브레이크(152)의 부하를 조정하는 변수가 결정된다.
공기 분리 공정에서, 재순환 공기 압축기(153)는 팽창 터빈(151)에 의해 구동되며, 재순환 공기 압축기(153)의 처리량은 오일 브레이크(152)에 대한 부하에 따라 좌우된다. 즉, 더 많은 냉기가 요구될 때, 오일 브레이크(152)에 대한 부하가 높은 경우 재순환 공기의 처리량은 감소하는 반면에, 오일 브레이크에 대한 부하가 낮은 경우, 재순환 공기의 처리량은 증가한다.
또한, 고순도 산소의 생산량을 유지하기 위해, 소스 공기 및 재순환 공기의 총량이 고정될 필요가 있으며, 재순환 공기가 증가하는 경우, 소스 공기가 감소될 수 있다.
따라서, (유량계(155)에 의해 측정된) 재순환 공기 유량은 오일 브레이크(151)에 대한 전술한 결정된 부하에 따라 고유하게 결정되며, 제1 열교환 장치(13), 고압 정류탑(21), 팽창 터빈(151) 및 재순환 공기 압축기(153)(공기 분리 기능 장치)에 공급되어야 하는 총 공기량과 재순환 공기량 사이의 차이가 소스 공기량으로서 계산된다. 이어서, 제어 장치(60)로부터의 명령에 기초하여, 소스 공기 유량계(11) 및 제1 제어 밸브(12)에 의해 소스 공기량이 제어된다.
제어 장치(60) 및 추출 제어 장치(50)는 프로세서 및 메모리를 포함하는 컴퓨터, 및 메모리에 저장된 소프트웨어 프로그램의 연동으로 구현될 수 있거나, 전용 회로, 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 또한, 제어 장치(60)는 입력/출력 인터페이스 및 출력 장치를 포함할 수 있다.
실시형태 2의 구성은 도 2에 도시된다. 가스 생산 시스템(200)은 고순도 액체 산소를 생성하는 공기 분리 장치의 각각의 요소를 포함한다. 실시형태 1 및 도 1의 것들과 동일한 참조 부호를 갖는 요소는 동일한 기능을 가지므로, 이의 설명이 생략될 수 있다.
실시형태 1에서, 제1 응축기(213) 및 제2 응축기(214)가 고압 정류탑(21)(최상류 측의 정류탑)의 탑 상부 부분에 포함되는 반면에, 실시형태 2에서는, 단일 응축기(213)만이 고압 정류탑(21)에 포함된다. 응축기(213)의 특정 위치로부터 추출된 폐가스는 폐가스 라인(R1)을 통과하고, 폐가스 라인(R1)으로부터 분기되는 분기 라인(R11)을 통해 폐가스 라인(R1)으로부터 재순환 소스 가스 압축기(153)로 공급되어 압축된다. 또한, 폐가스는 폐가스 라인(R1)으로부터 분기되는 분기 라인(R13)을 통해 제1 열교환기(13)로 공급되어 열교환을 받은 후에, 오일 브레이크(152)를 포함하는 팽창 터빈(151)으로 공급되어 폐가스가 팽창된다. 팽창 터빈(151) 및 오일 브레이크(152)의 기능, 및 제어 장치(60)의 기능은 실시형태 1에서의 기능과 유사하다.
실시형태 3의 구성은 도 3에 도시된다. 가스 생산 시스템(300)은 고순도 액체 산소를 생성하는 공기 분리 장치의 각각의 요소를 포함한다. 실시형태 1 또는 2, 및 도 1 또는 도 2의 것들과 동일한 참조 부호를 갖는 요소는 동일한 기능을 가지므로, 이의 설명이 생략될 수 있다. 실시형태 1 및 2는 오일 브레이크(152)를 갖는 팽창 터빈(151), 및 재순환 소스 가스 압축기(153)를 각각 포함하지만, 실시형태 3은 이들 중 어떤 것도 포함하지 않으며, 대신 액체 질소(LN2)를 외부 탱크에 저장하도록 구성된다.
액체 질소를 유입시키는 유입 라인(L9)이 고압 정류탑(21)(최상류 측의 정류탑)의 탑 상부 부분에 포함된다. 고압 정류탑(21)의 소스 액체 공기 완충기(211)의 산소 농축 액화 가스가 감소하는 경우, 고압 정류탑(21)의 탑 상부 부분에 배치된 응축기(213)로 공급되는 산소 농축 액화 가스도 감소한다. 따라서, 외부 탱크에 저장된 액체 질소가 고압 정류탑(21)으로 유입된다.
또한, 저압 정류탑(22) 및 고압 정류탑(21)의 탑 상부로부터 추출된 폐가스는 폐가스 라인(R1 및 R34)을 통과하여 제1 열교환기(13)로 공급된다.
고압 정류탑(21)의 탑 상부 부분에는, 제1 응축기(213)뿐만 아니라 제2 응축기(214)가 더 포함될 수 있음을 유의한다.
실시형태 4의 구성은 도 4에 도시된다. 가스 생산 시스템(400)은 고순도 액체 산소를 생성하는 공기 분리 장치의 각각의 요소를 포함한다. 실시형태 1 내지 3, 및 도 1 내지 도 3의 것들과 동일한 참조 부호를 갖는 요소는 동일한 기능을 가지므로, 설명이 생략될 것이다. 실시형태 1 및 2에서, 오일 브레이크(152)를 갖는 팽창 터빈(151) 및 재순환 소스 가스 압축기(153)가 포함되는 반면에, 실시형태 4에서는, 팽창 터빈(401)을 포함하는 구성이 채택된다.
저압 정류탑(22)으로부터 추출된 폐가스는 폐가스 라인(R34)을 통과하며, 제1 열교환기(13)를 통과하여 열교환을 수행하고 대기 중으로 배출된다. 또한, 고압 정류탑(21)의 제1 응축기(213)로부터 추출된 폐가스는 제1 열교환기(13)를 통해 팽창 터빈(401)으로 공급되며, 여기서 폐가스가 팽창하여 터빈을 구동시킨 후에, 제1 열교환기(13)를 통과하여 대기 중으로 배출된다.
고압 정류탑(21)의 탑 상부 부분에는, 제1 응축기(213)뿐만 아니라 제2 응축기(214)가 더 포함될 수 있음을 유의한다.
본 실시형태에서, 제어 장치는 생성물 가스 유량 측정 장치에서 측정된 생성물 가스의 유량으로부터 제1 열교환기(13)에 의해 재생되는 냉기의 양을 계산하고, 계산된 냉기의 양에 기초하여 팽창 터빈(401)을 제어한다. 재생될 수 있는 냉기의 양은 생성물 가스(고순도 산소)의 유량으로부터 계산되고, 가스 생산 시스템(공기 분리 기능 장치)의 열 균형을 유지하기 위해 추가로 필요한 냉기의 양은 공정 균형에 기초하여 결정된다.
결정된 냉기의 양을 수득하도록 냉기 소스가 제어된다. 냉기 소스는 팽창 터빈(401)이다.
전술한 실시형태 1 내지 4에서, 가스 생산 시스템은 고순도 액체 산소를 생성하지만, 가스 생산 시스템은 이에 한정되지 않으며, 고순도 액체 질소, 고순도 액체 아르곤 등을 생성할 수 있다.
전술한 실시형태 1 내지 4에서, 분기 라인(L71) 및 제3 열교환기(55)가 제공되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 분기 라인(L71) 및 제3 열교환기(55)는 생략될 수 있다.
전술한 실시형태 1 내지 4에서, (유량 측정 장치에 해당하는) 생성물 가스 유량 측정 장치(51)가 생성물 가스 측정 장치로서 사용되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 생성물 가스 유량 측정 장치(51) 대신에, 생성물 가스의 압력을 측정하는 압력 측정 장치 및/또는 생성물 가스 중 미리 결정된 가스의 농도를 측정하는 농도 측정 장치가 사용될 수 있거나, 또는 생성물 가스 유량 측정 장치(51)와 더불어, 생성물 가스의 압력을 측정하는 압력 측정 장치 및/또는 생성물 가스 중 미리 결정된 가스의 농도를 측정하는 농도 측정 장치가 사용될 수 있다. 이 경우, 제2 제어 밸브는 전술한 생성물 가스 측정 장치에서 측정되는 결과에 기초하여 생성물 가스의 추출량을 제어할 수 있다.

Claims (10)

  1. 가스 생산 시스템으로서,
    외부로부터 흡입되는 소스 가스(L1)를 냉각시키는 제1 열교환 장치(13), 및 상기 제1 열교환 장치에서의 냉각에 의해 수득된 액화 소스 가스를 정류함으로써 액화 가스를 수득하기 위한 하나 또는 2개 이상의 정류탑(20, 21, 22)을 갖는 정류 장치를 포함하며,
    - 상기 정류 장치로부터 추출된 액화 가스가 공급되는 단일 가압 용기(31), 상기 가압 용기의 상기 액화 가스의 일부를 추출하여 증발시키고 상기 액화 가스의 일부를 상기 가압 용기로 복귀시키기 위한 압력 라인(L51), 및 상기 압력 라인에 배치된 제2 열교환 장치(32)를 갖는 단일 압력 장치;
    - 상기 압력 장치의 상기 가압 용기로부터 인출되는 액화 가스(L6)를 저장하는 액화 가스 저장 장치(41); 및
    - 상기 소스 가스와 열교환을 수행하기 위해 액화 가스가 상기 액화 가스 저장 장치로부터 상기 제1 열교환 장치를 통과하게 함으로써 온도를 증가시키고, 상기 액화 가스를 생성물 가스로서 공급하기 위한 생성물 가스 추출 라인(L7)을 포함하는,
    가스 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    - 상기 제1 열교환 장치(13)를 통해 상기 소스 가스를 상기 정류 장치(20, 21)에 공급하는 소스 가스 공급 라인(L1);
    - 상기 소스 가스 공급 라인의 상기 제1 열교환 장치의 상류 측에 설치된 소스 가스 유량 측정 장치(11);
    - 상기 소스 가스 공급 라인의 상류에 설치되고, 상기 소스 가스 유량 측정 장치에 의해 측정된 유량에 기초하여 상기 소스 가스의 공급량을 제어하는 제1 제어 밸브(12);
    - 상기 생성물 가스 추출 라인의 상기 제1 열교환 장치의 하류 측에 설치되고, 생성물 가스에 관한 값을 측정하는 생성물 가스 측정 장치(51); 및
    - 상기 생성물 가스 추출 라인에 설치되고, 상기 생성물 가스 측정 장치에 의해 측정된 결과에 기초하여 상기 생성물 가스의 추출량을 제어하는 제2 제어 밸브(52)를 포함하는, 가스 생산 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 생산 시스템은,
    - 바람직하게는 상기 정류탑의 최상류 측(상단)에서, 정류탑(20)의 탑 상부 부분으로부터 추출되는 폐가스(재순환 소스 가스)(R1)를 압축시키는 재순환 소스 가스 압축기(153);
    - 상기 최상류 측에서 상기 정류탑의 상기 탑 상부 부분으로부터 추출된 폐가스(R3) 또는 상기 폐가스의 추출 위치와 상이한 위치로부터 추출된 폐가스를 팽창시키는 오일 브레이크를 포함하는 팽창 터빈(151); 및
    - 상기 생성물 가스 추출량의 변동에 따라, 제1 열교환기에 제공되는 냉기의 양을 제어하는 제어 장치(60)를 더 포함하는, 가스 생산 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 최상류 측에서 상기 정류탑의 상기 탑 상부 부분에 배치된 제1 응축기(213), 및 상기 제1 응축 장치에 가까운 하부 위치에 배치된 제2 응축기(214)를 더 포함하며,
    - 상기 재순환 소스 가스 압축기는 상기 제1 응축기의 특정 위치로부터 추출된 폐가스(재순환 소스 가스)(R1)를 압축시키고,
    - 상기 오일 브레이크(152)를 포함하는 상기 팽창 터빈(151)은 상기 제2 응축기의 특정 위치로부터 추출된 폐가스(R3)를 팽창시키는, 가스 생산 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 최상류 측에서 상기 정류탑(20, 21)의 상기 탑 상부 부분에 배치된 단일 응축기(213)를 더 포함하며,
    - 상기 재순환 소스 가스 압축기(153)는 상기 응축기의 특정 위치로부터 추출된 폐가스(51)를 압축시키고,
    - 상기 오일 브레이크(152)를 포함하는 상기 팽창 터빈(151)은 상기 응축기의 상기 특정 위치로부터 추출된 상기 폐가스를 팽창시키는, 가스 생산 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 정류탑(20, 21)의 상기 탑 상부 부분에는, 액체 질소 또는 액체 산소를 유입시키는 유입 라인(L9)을 더 포함하는, 가스 생산 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열교환 장치(13)의 후속 단계에서, 상기 액화 소스 가스를 저장하는 액화 소스 가스 완충기를 포함하는, 가스 생산 시스템.
  8. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 생성물 가스 유량 측정 장치(51)에서 측정된 생성물 가스의 유량으로부터, 상기 제1 열교환 장치(13)에서 재생되는 냉기를 계산하며, 상기 계산된 냉기에 기초하여 상기 오일 브레이크(152)를 포함하는 상기 팽창 터빈(151)을 제어하는, 가스 생산 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 냉기에 따라, 상기 팽창 터빈(151)의 유량을 제어하거나 상기 오일 브레이크(152)에 대한 부하를 제어하는, 가스 생산 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 생성물 가스 추출 라인의 상기 제1 열교환 장치의 이전 단계에서 분기되는 분기 라인(R13, L71);
    - 상기 분기 라인에 설치되고, 상기 분기 라인 및/또는 상기 생성물 가스 추출 라인으로 상기 액화 가스의 공급을 전환시키는 게이트 밸브(53);
    - 상기 액화 가스를 상기 분기 라인 및/또는 상기 생성물 가스 추출 라인으로 공급하도록 상기 게이트 밸브를 제어하는 추출 제어 장치(50); 및
    - 상기 분기 라인에 배치된 제3 열교환 장치(55)를 포함하는, 가스 생산 시스템.
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