KR20200042488A - 공기 분리 유닛을 위한 환형 분할식 벽 칼럼 - Google Patents

공기 분리 유닛을 위한 환형 분할식 벽 칼럼 Download PDF

Info

Publication number
KR20200042488A
KR20200042488A KR1020207007156A KR20207007156A KR20200042488A KR 20200042488 A KR20200042488 A KR 20200042488A KR 1020207007156 A KR1020207007156 A KR 1020207007156A KR 20207007156 A KR20207007156 A KR 20207007156A KR 20200042488 A KR20200042488 A KR 20200042488A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
annular
column
wall
oxygen
nitrogen
Prior art date
Application number
KR1020207007156A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102338732B1 (ko
Inventor
케빈 제이. 사보다
폴 더블유. 벨랑거
리차드 디. 렌즈
컥 에프. 라손
스티븐 씨. 브라운
존 피. 리코타
광 엑스. 첸
제레미 디. 파우스트
Original Assignee
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 filed Critical 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Publication of KR20200042488A publication Critical patent/KR20200042488A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102338732B1 publication Critical patent/KR102338732B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04896—Details of columns, e.g. internals, inlet/outlet devices
    • F25J3/04933—Partitioning walls or sheets
    • F25J3/04939—Vertical, e.g. dividing wall columns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/008—Liquid distribution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/141—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column where at least one distillation column contains at least one dividing wall
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/32—Other features of fractionating columns ; Constructional details of fractionating columns not provided for in groups B01D3/16 - B01D3/30
    • B01D3/324—Tray constructions
    • B01D3/326—Tray supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/32—Other features of fractionating columns ; Constructional details of fractionating columns not provided for in groups B01D3/16 - B01D3/30
    • B01D3/324—Tray constructions
    • B01D3/328—Sealing between the column and the trays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/30—Loose or shaped packing elements, e.g. Raschig rings or Berl saddles, for pouring into the apparatus for mass or heat transfer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/30—Loose or shaped packing elements, e.g. Raschig rings or Berl saddles, for pouring into the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J19/305—Supporting elements therefor, e.g. grids, perforated plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/32—Packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit or module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J19/325—Attachment devices therefor, e.g. hooks, consoles, brackets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
    • F25J3/04084—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
    • F25J3/0409—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
    • F25J3/04096—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression of argon or argon enriched stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04642—Recovering noble gases from air
    • F25J3/04648—Recovering noble gases from air argon
    • F25J3/04654—Producing crude argon in a crude argon column
    • F25J3/04666—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system
    • F25J3/04672—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system having a top condenser
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04872—Vertical layout of cold equipments within in the cold box, e.g. columns, heat exchangers etc.
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04872—Vertical layout of cold equipments within in the cold box, e.g. columns, heat exchangers etc.
    • F25J3/04884—Arrangement of reboiler-condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04896—Details of columns, e.g. internals, inlet/outlet devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04896—Details of columns, e.g. internals, inlet/outlet devices
    • F25J3/04903—Plates or trays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04896—Details of columns, e.g. internals, inlet/outlet devices
    • F25J3/04909—Structured packings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04896—Details of columns, e.g. internals, inlet/outlet devices
    • F25J3/04915—Combinations of different material exchange elements, e.g. within different columns
    • F25J3/04921—Combinations of different material exchange elements, e.g. within different columns within the same column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04896—Details of columns, e.g. internals, inlet/outlet devices
    • F25J3/04927—Liquid or gas distribution devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/30—Details relating to random packing elements
    • B01J2219/302—Basic shape of the elements
    • B01J2219/30203—Saddle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/30—Details relating to random packing elements
    • B01J2219/302—Basic shape of the elements
    • B01J2219/30223—Cylinder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/322—Basic shape of the elements
    • B01J2219/32203—Sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/324—Composition or microstructure of the elements
    • B01J2219/32408—Metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/32—Details relating to packing elements in the form of grids or built-up elements for forming a unit of module inside the apparatus for mass or heat transfer
    • B01J2219/324—Composition or microstructure of the elements
    • B01J2219/32425—Ceramic
    • B01J2219/32433—Carbon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/02—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using simple phase separation in a vessel or drum
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/44—Particular materials used, e.g. copper, steel or alloys thereof or surface treatments used, e.g. enhanced surface

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

공기 또는 공기의 구성성분의 극저온 정류를 위한 환형 분할식 벽 칼럼이 제공된다. 환형 분할식 벽 칼럼은 제1 환형 칼럼 벽 및 제1 환형 칼럼 벽 내에 배치되어 환형부 칼럼 영역 및 내부 코어 칼럼 영역을 한정하는 제2 환형 칼럼 벽을 포함한다. 본 환형 분할식 벽 칼럼은 적어도 환형부 칼럼 영역 내에 배치되는 구조화된 패킹 요소뿐만 아니라 링-형상의 캔틸레버식 수집기; 및 환형부 칼럼 영역 내에서 복수의 구조화된 패킹 요소 위 또는 아래에 배치되는 링-형상의 분배기를 추가로 포함한다. 반경 방향 및 축 방향으로의 제2 환형 칼럼 벽의 열 팽창 및 수축은 반경 및 축 방향으로의 제1 환형 칼럼 벽의 열 팽창 및 수축과 관계없다.

Description

공기 분리 유닛을 위한 환형 분할식 벽 칼럼
본 발명은 공기 또는 공기의 구성성분의 극저온 정류(cryogenic rectification)를 위한 환형 분할식 벽 칼럼(annular divided wall column)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 제1 환형 칼럼 벽과 제2 환형 칼럼 벽 사이의 공간으로서 한정되는 환형부 칼럼 영역(annulus column region) 및 제2 환형 칼럼 벽의 내부 공간으로서 한정되는 내부 코어 칼럼 영역(interior core column region)을 포함하는 환형 분할식 벽 칼럼에 관한 것이며, 이때 복수의 패킹 요소(packing element) 또는 트레이(tray)가 내부 코어 칼럼 영역 및 환형부 칼럼 영역 내에 배치된다.
공기를 그들의 상대 휘발성에 기초하여 성분들로 분리하기 위한 정류 플랜트의 주요 자본 비용은 칼럼 케이싱의 비용 및 칼럼에 필요한 공간이다. 이는 특히 2개 이상의 칼럼이 분리를 수행하는 데 요구되는 경우에 그러하다. 그러한 다중-칼럼 시스템은 흔히 칼럼이 수직으로 적층되거나 나란히 위치될 수 있는 극저온 정류에, 예컨대 공기의 극저온 정류에 사용된다. 정류가 감소된 칼럼 비용으로 그리고 칼럼에 대한 감소된 공간 요건으로 수행될 수 있게 할 시스템을 갖는 것이 매우 바람직할 것이다.
분할식-벽 칼럼이 주어진 칼럼 직경을 더 잘 이용하여 플랜트의 건설과 관련된 자본 비용을 감소시켜 분리 공정을 용이하게 하기 위한 수단으로서 문헌에 제시되었다. 분할식-벽 칼럼은 본질적으로 단일 칼럼 쉘(column shell) 내에 동일한 높이로 다수의 증류 섹션(distillation section)을 포함한다. 분할식-벽 칼럼의 사용의 초기 예가 공기 분리에 대한 분할식-벽 원리의 적용을 개시하는 미국 특허 제5,946,942호 및 제6,023,945호(웡(Wong) 등)에 개시된다. 이들 종래 기술의 시스템은 저압 칼럼이 내부 환형 벽을 포함하는 장치를 개시한다. 저압 칼럼의 내부 환형 벽과 외부 쉘 사이에 포함된 영역은 아르곤 생성물의 생산을 위한 섹션을 구성한다.
종래 기술의 분할식-벽 칼럼 시스템의 단점은 (i) 분할식 벽 칼럼의 상이한 섹션 내의 증기의 이상분포(maldistribution); (ii) 특히 구조화된 패킹이 물질-전달 요소(mass-transfer element)로서 채용되는 경우, 큰 벽 표면적으로 인한 하향-유동 액체의 이상분포; (iii) 내부 쉘과 외부 쉘 사이의 과도 열 팽창/수축 차이로 인한 분할식 벽 칼럼 및 칼럼 내부 구조물의 더 낮은 성능; 및 (iv) 환형 분할식 벽 칼럼의 내부 코어 칼럼 섹션과 환형부 칼럼 영역 사이의 압력 경계의 부적절함을 포함하여, 설계 문제에 관하여 야기된 다양한 구조 및 성능 저하를 포함한다.
따라서, 본 발명의 목적은 위에서 확인된 설계 문제를 해결하고 종래 기술의 환형 분할식 벽 칼럼의 장애와 단점을 극복하여 더 우수하고 더 유리한 성능을 제공하는 공기의 정류를 위한 환형 분할식 벽 칼럼 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 공기 또는 공기의 구성성분의 극저온 정류를 위한 환형 분할식 벽 칼럼으로서 특징지어질 수 있으며, 상기 칼럼은 (i) 제1 환형 칼럼 벽; (ii) 제2 환형 칼럼 벽 - 제2 환형 칼럼 벽은 제1 환형 칼럼 벽으로부터 반경방향으로 이격되고 제1 환형 칼럼 벽의 제1 내부 공간 내에 배치되어 제1 환형 칼럼 벽과 제2 환형 칼럼 벽 사이의 환형부 칼럼 영역을 한정하고 제2 환형 칼럼 벽의 제2 내부 공간의 일부 또는 전부로서 내부 코어 칼럼 영역을 한정함 -; (iii) 제2 환형 칼럼 벽의 상부 단부에 근접하여 제2 환형 칼럼 벽에 연결되고 제1 환형 칼럼 벽에 추가로 연결되며 환형부 칼럼 영역을 제2 환형 칼럼 벽의 상부 단부에 근접하여 내부 코어 칼럼 영역으로부터 격리시키도록 구성되는 원추형 형상의 전이 벽(transition wall); (iv) 내부 코어 칼럼 영역 내에 배치되는 복수의 구조화된 패킹 요소 또는 트레이; 및 (v) 환형부 칼럼 영역 내에 배치되는 복수의 구조화된 패킹 요소를 포함하고, 반경 방향 및 축 방향으로의 제2 환형 칼럼 벽의 열 팽창 및 수축은 반경 방향 및 축 방향으로의 제2 환형 칼럼 벽의 열 팽창 및 수축과 관계없다.
본 명세서는 본 출원인이 그들의 발명으로 간주하는 발명 요지를 명확하게 언급하는 청구범위로 결론을 맺지만, 본 발명이 첨부 도면과 관련하여 취해질 때 더 양호하게 이해될 것으로 여겨진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2-칼럼 분할식 벽 배열의 측단면, 절결도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2-칼럼 분할식 벽 배열의 측단면, 절결도.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 환형 분할식 벽 칼럼의 측단면, 절결도.
도 4는 본 발명의 또 다른 추가의 실시예에 따른 환형 분할식 벽 칼럼의 측단면, 절결도.
도 5는 본 환형 분할식 벽 칼럼의 하나 이상의 실시예에 사용하기에 적합한 링 트레이(ring tray)의 등각도.
도 6은 본 환형 분할식 벽 칼럼의 하나 이상의 실시예에 사용하기에 적합한 편자형 트레이(horseshoe tray)의 등각도.
도 7은 본 환형 분할식 벽 칼럼의 하나 이상의 실시예에 사용하기에 적합한 평행류 트레이(parallel flow tray)의 등각도.
도 8은 본 환형 분할식 벽 칼럼의 하나 이상의 실시예에 사용하기에 적합한 2-패스 직교류 트레이(two-pass crossflow tray)의 등각도.
도 9는 본 환형 분할식 벽 칼럼의 하나 이상의 실시예에 사용하기에 적합한 다른 2-패스 직교류 트레이의 등각도.
도 10은 본 환형 분할식 벽 칼럼의 하나 이상의 실시예에 사용하기에 적합한 2-패스 평행류 트레이의 등각도.
도 11은 본 환형 분할식 벽 칼럼의 하나 이상의 실시예에 사용하기에 적합한 다중 다운커머 트레이(multiple downcomer tray)의 등각도.
도 12는 본 환형 분할식 벽 칼럼의 하나 이상의 실시예에 사용하기에 적합한 일 유형의 아치형 웨지(arcuate wedge) 또는 만곡된 패킹의 등각도.
도 13은 원추형 형상의 전이 벽 및 천공 플레이트(perforated plate)를 도시한 본 환형 분할식 벽 칼럼의 일 섹션의 부분 등각도.
도 14는 설치 후 원추형 형상의 전이 벽 및 천공 플레이트를 도시한 본 환형 분할식 벽 칼럼의 일 섹션의 부분 단면도.
도 15는 원추형 형상의 전이 벽 및 천공 플레이트를 도시한 본 환형 분할식 벽 칼럼의 부분 단면도.
도 16은 피봇팅 아암(pivoting arm) 및 압연 앵글 링(rolled angle ring)을 가진 칼럼 벽들 사이의 구조적 지지 배열을 도시한 본 환형 분할식 벽 칼럼의 부분 등각도.
도 17은 피봇팅 아암 및 압연 앵글 링을 가진 칼럼 벽들 사이의 구조적 지지 배열을 도시한 본 환형 분할식 벽 칼럼의 평면도.
도 18은 본 환형 분할식 벽 칼럼의 일 실시예에서 칼럼 벽들을 연결하는 피봇팅 아암 및 압연 앵글 링의 근접도.
도 19는 본 환형 분할식 벽 칼럼의 실시예에 사용하기에 적합한 링-형상의 지지 그리드(support grid)의 부분 등각도.
도 20은 본 환형 분할식 벽 칼럼의 실시예에 사용하기에 적합한 링-형상의 지지 그리드의 평면도.
도 21은 본 환형 분할식 벽 칼럼의 실시예에 사용하기에 적합한 링-형상의 캔틸레버식 수집기(cantilevered collector)의 부분 등각도.
도 22는 본 환형 분할식 벽 칼럼의 실시예에 사용하기에 적합한 링-형상의 캔틸레버식 수집기의 평면도.
도 23은 링-형상의 캔틸레버식 수집기의 부분 단면도.
도 24는 본 환형 분할식 벽 칼럼의 실시예에 사용하기에 적합한 링-형상의 분배기의 부분 등각도.
도 25는 본 환형 분할식 벽 칼럼의 실시예에 사용하기에 적합한 링-형상의 분배기의 평면도.
하기의 단락은 (i) 환형 분할식 벽 칼럼 구성; (ii) 환형 분할식 벽 칼럼 내의 상이한 영역에 대한 공정 및/또는 서비스 배열; (iii) 환형 분할식 벽 칼럼 내의 물질 전달 요소의 배열; (iv) 환형 분할식 벽 칼럼 구조 배열; (v) 환형 분할식 벽 칼럼의 환형부 칼럼 영역 내의 수집기, 분배기, 및 지지 구조물의 배열; 및 (vi) 환형 분할식 벽 칼럼 내의 유동 분배 배열의 설명을 포함하여, 공기의 극저온 정류를 위한 본 환형 분할식 벽 칼럼의 다양한 실시예의 상세한 설명을 포함한다.
환형 분할식 벽 칼럼 구성
도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 환형 칼럼 벽 및 제2 환형 칼럼 벽은 바람직하게는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 서로에 대해 동심으로 배치된다. 구체적으로, 도 1에서, 환형부 칼럼 영역은 바람직하게는 구조화된 패킹뿐만 아니라 관련 수집기, 분배기, 지지 구조물, 캡(cap) 및 배관(piping)을 포함하는 한편, 내부 코어 칼럼 영역이 또한 구조화된 패킹 및 관련 수집기, 분배기, 지지 구조물, 캡 및 배관을 포함한다. 환형부 칼럼 영역 내의 구조화된 패킹의 표면적 밀도(surface area density) 및/또는 기하학적 구조는 내부 코어 칼럼 영역 내의 구조화된 패킹의 표면적 밀도 및/또는 기하학적 구조와 동일하거나 상이할 수 있다. 도 2에서, 환형부 칼럼 영역은 바람직하게는 복수의 구조화된 패킹뿐만 아니라 관련 수집기, 분배기, 지지 구조물, 캡, 및 배관을 포함하는 한편, 내부 코어 칼럼 영역은 바람직하게는 복수의 트레이를 포함한다. 유사하게, 도 3에, 환형부 칼럼 영역이 바람직하게는 구조화된 패킹뿐만 아니라 관련 수집기, 분배기, 지지 구조물, 캡, 및 배관을 포함하는 한편, 내부 코어 칼럼 영역이 바람직하게는 열 교환 장치, 상 분리기 장치 및/또는 칼럼 내에서의 액체 및/또는 증기의 이동을 위한 하나 이상의 도관을 포함하는, 환형 분할식 벽 칼럼의 실시예가 도시된다. 마지막으로, 도 4에서, 환형부 칼럼 영역은 바람직하게는 구조화된 패킹의 하나 이상의 층(bed)뿐만 아니라 관련 수집기, 분배기, 지지 구조물, 및 배관을 포함하는 한편, 내부 코어 칼럼 영역은 바람직하게는 트레이 및 구조화된 패킹의 하나 이상의 층 둘 모두뿐만 아니라 관련 수집기, 분배기, 지지 구조물, 캡, 및 배관을 포함한다.
공기의 극저온 정류를 위한 2-칼럼 분할식 벽 배열의 예시된 실시예에서, 분할식 벽 칼럼은 바람직하게는 2개의 동심 환형 칼럼 벽으로 형성된다. 제1 환형 칼럼 벽은 바람직하게는 공기 분리 칼럼 구조물의 외부 쉘에 의해 형성되는 한편, 제2 환형 칼럼 벽은 단지 전체 외부 칼럼 쉘의 일부분 또는 일 섹션에 걸쳐 연장되고 바람직하게는 공기 분리 칼럼 구조물의 외부 쉘 내에 배치된다. 그러한 2-칼럼 분할식 벽 배열에서, 제1 환형 칼럼 벽의 수직 높이는 바람직하게는 제2 환형 칼럼 벽의 수직 높이보다 크다.
예시된 2-칼럼 분할식 벽 배열에서, 캡 또는 헤더(header)가 환형부 칼럼 영역 또는 내부 코어 칼럼 영역 중 어느 하나를 부분적으로 둘러싸기 위해 채용될 수 있다. 환형부 칼럼 영역을 부분적으로 둘러싸기 위해, 제2 환형 칼럼 벽의 상부로부터 제1 환형 칼럼 벽의 중간 위치까지 연장되는 캡 또는 헤더가 환형부 칼럼 영역 위에 배치된다.
일부 실시예에서, 제1 환형 칼럼 벽 또는 제3 환형 칼럼 벽의 내부 표면에 고 플럭스 코팅(high flux coating) 또는 다공성 코팅(porous coating)을 적용하는 것이 유리할 수 있다. 유사하게, 고 플럭스 코팅 또는 다공성 코팅이 또한 제2 환형 칼럼 벽의 표면, 바람직하게는 더 차가운 유체에 노출되는 표면에 적용될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 '고-플럭스 코팅' 및 '다공성 코팅'은 그의 고유한 다공성으로 인해 이른바 핵생성 부위(nucleation site)를 제공함으로써 비등을 향상시키는 그러한 코팅을 지칭한다. 다공성 코팅은 핵생성 부위의 수 및 부위당 기포 이탈 빈도(bubble departure frequency)를 증가시키는 효과를 갖는 미소-규모 공동(micro-scale cavity)을 제공한다. 그 결과, 비등 속도가 향상될 수 있다. 그러한 고 플럭스 코팅 또는 다공성 코팅의 예가, 그 개시가 참고로 포함되는 미국 특허 출원 공개 제2017/0108148호 및 제2017/0108296호에 기술된다.
다른 실시예에서, 제1 환형 칼럼 벽의 내부 표면, 제1 환형 칼럼 벽의 내부 표면, 또는 제2 환형 칼럼 벽의 하나 이상의 표면은 또한 표면 텍스처링(surface texturing)을 포함할 수 있다. 용어 "표면 텍스처링"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 임의의 조화(roughening), 그루빙(grooving), 플루팅(fluting), 또는 벽 표면 상에 기하학적 패턴을 달리 형성 또는 인상(impressing)하는 것을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 바람직하게는, 제2 환형 칼럼 벽의 하나의 표면만이 처리될 경우, 벽 상에 포획될 수 있는 액체의 비등을 향상시키기 위해 표면 텍스처가 더 차가운 표면에 적용되어야 한다.
환형 분할식 벽 칼럼 내의 공정/서비스 배열
일부 실시예에서, 환형부 칼럼 영역은 아르곤-산소 함유 스트림을 아르곤-풍부 오버헤드 스트림(argon-rich overhead stream) 및 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 아르곤-산소 함유 스트림의 정류를 위해 설계 또는 구성된다. 다른 실시예에서, 환형부 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 설계 또는 구성된다.
유사하게, 내부 코어 칼럼 영역은 아르곤-산소 함유 스트림을 아르곤-풍부 오버헤드 스트림 및 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 아르곤-산소 함유 스트림의 정류를 위해 설계 또는 구성된다. 다른 실시예에서, 내부 코어 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 설계 또는 구성된다.
또 다른 실시예에서, 환형부 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 제1 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 제1 순도의 제1 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 설계 또는 구성될 수 있고, 내부 코어 칼럼 영역은 다른 질소-산소 함유 스트림을 제2 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 제2 순도의 제2 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 다른 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 설계 또는 구성될 수 있다. 대안적으로, 환형부 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 제1 순도의 제1 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 제1 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 설계 또는 구성될 수 있는 한편, 내부 코어 칼럼 영역은 다른 질소-산소 함유 스트림을 제2 순도의 제2 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 제2 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 다른 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 설계 또는 구성될 수 있다.
환형 분할식 벽 칼럼에 대한 다른 고려되는 공정 또는 서비스 배열은 내부 코어 칼럼 영역 내에 열 교환 장치 또는 상 분리기 장치를 배치하는 것을 포함한다. 내부 코어 칼럼 영역 내에 배치되는 열 교환 장치는 바람직하게는 (i) 환류 스트림(reflux stream), 또는 액체 아르곤 생성물 스트림으로서 사용하기 위해 아르곤-풍부 스트림을 응축시키도록 구성되는 아르곤 응축기; (ii) 환류 스트림 또는 액체 질소 생성물 스트림으로서 사용하기 위해 질소-풍부 스트림을 응축시키도록 구성되는 주 응축기-리보일러(reboiler); 또는 (iii) 극저온 공기 분리 플랜트에 사용하기 위해 질소-풍부 액체 스트림, 산소 풍부 액체 스트림, 또는 액체 공기 스트림을 과냉각시키도록 구성되는 과냉각기(subcooler) 중 어느 하나이다. 상 분리기 장치가 내부 코어 칼럼 영역 내에 배치되는 실시예에서, 상 분리기는 바람직하게는 2-상 산소-함유 스트림을 산소 함유 액체 스트림 및 산소 함유 증기 스트림으로 분리하도록 구성된다.
환형 분할식 벽 칼럼 내의 물질 전달 요소
이제 도 5 내지 도 11을 참조하면, 내부 코어 칼럼 영역 내에 배치되는 복수의 물질 전달 접촉 요소는 트레이, 패킹 또는 이들의 조합일 수 있다. 트레이가 환형 분할식 벽 칼럼의 내부 코어 영역 내에 채용되는 경우, 적합한 유형의 트레이는 도 5에 전반적으로 도시된 유형의 링 트레이(310); 도 6에 도시된 유형의 편자형 트레이(320); 도 7에 도시된 유형의 평행류 트레이(330); 도 8 및 도 9에 도시된 유형의 2 패스 직교류 트레이(340); 도 10에 도시된 유형의 2 패스 평행류 트레이(350); 또는 도 11에 도시된 유형의 다중 다운커머 트레이(360)를 포함한다.
바람직한 실시예는 환형 분할식 벽 칼럼의 환형부 칼럼 영역 및/또는 내부 코어 칼럼 영역 중 어느 하나 내에 구조화된 패킹을 포함하는데, 왜냐하면 그러한 배열이 유리하게는 트레이 및 랜덤 패킹(random packing)에 비해 더 낮은 압력 강하, 더 높은 효율, 더 높은 용량; 및 감소된 액체 정체(hold-up)를 제공하기 때문이다. 그러나, 구조화된 패킹은 액체 이상분포에 취약하다. 구조화된 패킹은 일반적으로 천공된 엠보싱된 금속 또는 플라스틱, 또는 와이어 거즈(wire gauze)의 파형 시트(corrugated sheet)로부터 형성된다. 결과적으로 생성된 구조는 비교적 높은 표면적을 제공하는 파형부(corrugation)의 경사진 유동 채널을 갖지만 가스 유동에 대한 매우 낮은 저항을 갖는 매우 개방된 벌집-유사 구조이다. 구조화된 패킹을 사용하는 응용에서, 구조화된 패킹은 바람직하게는 알루미늄 시트 금속(sheet metal), 스테인리스 강 시트 금속, 스테인리스 강 거즈, 및 플라스틱으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로 구성된다. 구조화된 패킹의 표면은 매끄러울 수 있거나, 구조화된 패킹 시트의 표면 상에 그루빙, 플루팅, 또는 패턴화된 인상부와 같은 표면 텍스처링을 포함할 수 있다. 바람직한 유형의 구조화된 패킹의 예가, 그 개시가 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제5,632,934호 및 제9,295,925호에 도시되고 기술된다.
구조 패킹(structure packing)의 크기 또는 구성은 구조화된 패킹의 주 물질 전달 섹션에서의 패킹의 표면적 밀도 및 파형 유동 채널의 경사 각도에 의해 광범위하게 한정된다. 구조화된 패킹의 바람직한 밀도는 약 100 m2/㎥ 내지 1200 m2/㎥이고, 더 바람직하게는 110 m2/㎥; 220 m2/㎥; 250 m2/㎥; 350 m2/㎥; 430 m2/㎥; 500 m2/㎥; 730 m2/㎥; 950 m2/㎥; 및 1200 m2/㎥의 표면적 밀도를 갖는 구매가능한 구조화된 패킹의 군으로부터 선택된다. 구조화된 패킹의 주 물질 전달 섹션에서의 파형 유동 채널의 경사 각도에 의해 특징지어지는 바와 같은, 구조 패킹의 기하학적 구조는 바람직하게는 약 35° 내지 70°의 수평축에 대한 공칭 경사 각도를 포함하며, 이는 바람직한 X-크기 패킹(즉, 약 60°의 공칭 경사 각도), Y-크기 패킹(즉, 약 45°의 공칭 경사 각도); 및 Z-크기 패킹(즉, 약 40°의 공칭 경사 각도)을 포함한다.
환형 분할식 벽 칼럼의 환형부 칼럼 영역에 대한 바람직한 구조화된 패킹 구성은 도 12에 도시된 복수의 만곡된 또는 아치형 웨지 형상의 브릭(brick)(375) 또는 만곡된 브릭이다. 대안적으로, 환형부 칼럼 영역에 대한 구조화된 패킹은 도넛(donut) 형상의 디스크 또는 종래의 직사각형 브릭으로서 구성될 수 있다. 만곡된 또는 아치형 웨지 형상의 구조화된 패킹 브릭이 또한 내부 코어 칼럼 영역에 사용될 수 있지만, 내부 코어 칼럼 영역에 대한 바람직한 구조화된 패킹 구성은 둥근 디스크(예컨대, 팬케이크(pancake) 패킹) 또는 종래의 직사각형 브릭이다. 디스크 및/또는 브릭의 바람직한 높이는 약 10 인치 내지 12 인치이지만, 5 인치 내지 6 인치의 절반-높이 브릭이 또한 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 유형의 복수의 구조화된 패킹 요소가 환형부 칼럼 영역 내에 배치되고, 제2 유형의 복수의 구조화된 패킹 요소가 내부 코어 칼럼 영역 내에 배치되며, 여기서 구조화된 패킹 요소의 제1 유형과 구조화된 패킹 요소의 제2 유형은 상이한 표면적 밀도를 갖는다. 예를 들어, 환형부 칼럼 영역(아르곤-산소 분리) 내에 배치되는 구조화된 패킹 요소는 제1 표면적 밀도를 가질 수 있는 반면에, 내부 코어 칼럼 영역(산소-질소 분리) 내에 배치되는 구조화된 패킹 요소는 상이한 표면적 밀도를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 내부 코어 칼럼 영역 또는 환형부 칼럼 영역 중 어느 하나 내의 구조화된 패킹 요소는 구조화된 패킹의 2개 이상의 층을 포함할 수 있다. 또한, 구조화된 패킹의 다수의 층이 어느 하나의 영역에 채용되는 경우, 인접한 층들은 상이한 표면적 밀도 및/또는 상이한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 표면적 밀도를 갖는 구조화된 패킹 요소의 제1 층은 환형부 칼럼 영역 내에 배치될 수 있는 한편, 제2 표면적 밀도를 갖는 제2 층의 구조화된 패킹 요소는 환형부 칼럼 영역 내에서 구조화된 패킹 요소의 제1 층 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 이러한 예에서, 환형부 칼럼 영역 내에 배치되는 구조화된 패킹 요소의 제1 층은 제1 표면적 밀도를 가질 수 있는 반면에, 환형부 칼럼 영역 내에 배치되는 구조화된 패킹 요소의 제2 층은 상이한 표면적 밀도를 가질 수 있다. 유사하게, 환형부 칼럼 영역 내에 배치되는 구조화된 패킹 요소의 제1 층은 수평축에 대한 제1 공칭 경사 각도를 가질 수 있는 반면에, 환형부 칼럼 영역 내에 배치되는 구조화된 패킹 요소의 제2 층은 수평축에 대한 상이한 공칭 경사 각도를 가질 수 있다.
소정의 바람직한 실시예는 구조화된 패킹 요소와 트레이의 조합을 채용한다. 예를 들어, 복수의 구조화된 패킹 요소가 내부 코어 칼럼 영역 내에 배치될 수 있고, 복수의 트레이가 또한 내부 코어 칼럼 영역 내에서 구조화된 패킹 요소 위 및/또는 아래에 배치된다. 그러한 실시예에서, 내부 코어 칼럼 영역 내에 배치되는 구조화된 패킹 요소는 약 100 m2/㎥ 내지 1200 m2/㎥의 표면적 밀도 및 약 35° 내지 70°의 수평축에 대한 공칭 경사 각도를 가질 수 있는 한편, 복수의 트레이는 링 트레이; 편자형 트레이; 평행류 트레이; 2 패스 직교류 트레이; 2 패스 평행류 트레이; 다중 다운커머 트레이; 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
환형 분할식 벽 칼럼 구조 배열
전술된 바와 같이, 제1 환형 칼럼 벽(512) 및 제2 환형 칼럼 벽(516)은 바람직하게는 서로에 대해 동심으로 배치된다. 더 구체적으로, 도 13, 도 14, 및 도 15에 도시된 바와 같이, 제2 환형 칼럼 벽(516)은 환형부 칼럼 영역(514)의 캡 또는 헤더로서 기능하는 원추형 형상의 전이 벽(590)에 의해 증류 칼럼(510)의 제1 환형 칼럼 벽(512)에 매달리거나 달리 그에 이동가능하게 부착된다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 원추형 형상의 전이 벽(590)은 제2 환형 칼럼 벽(516)에 부착되고, 제2 환형 칼럼 벽(516)의 상부 단부에 근접한 위치로부터 제1 환형 칼럼 벽(512)의 중간 위치까지 연장된다. 이러한 배향으로, 원추형 형상의 전이 벽(590)은 바람직하게는 환형부 칼럼 영역 위에 배치되고 그를 덮거나 캡핑한다(cap). 일부 실시예에서, 별개의 캡 또는 헤더 플레이트가 또한 원추형 형상의 전이 벽과 함께 사용될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이 칼럼의 저부 상에 임시 플레이트(599)를 추가하는 것은 환형부 칼럼 영역에서의 그리고 내부 코어 영역에서의 두 증류 공정들 사이에서 누출이 없음을 보장하기 위해 설치 전에 제조 공장에서 칼럼 섹션의 독립적인 압력 시험을 허용한다. 도 15는 또한 칼럼 섹션을 제조 장소로부터 설치 장소로 수송하는 동안 사용될 칼럼 섹션을 위한 운송 지지부(585)를 도시한다. 제2 환형 칼럼 벽에 고정식으로 부착되는 것으로 도 13 내지 도 15에 도시되지만, 원추형 형상의 전이 벽(590)은 일부 실시예에서 또한 제1 환형 칼럼 벽에 고정되거나 제거가능한 방식으로 연결되면서 제2 환형 칼럼 벽에 제거가능하게 연결될 수 있다.
예시된 실시예에서, 링 형상의 천공 플레이트(595)가 또한 원추형 형상의 전이 벽(590) 바로 아래에서 제2 환형 칼럼 벽 주위에 원주방향으로 배치된다. 천공 플레이트(595) 및 원추형 형상의 전이 벽(590)을 사용함으로써, 환형부 칼럼 영역(514) 내의 상승하는 증기가 주변에 배치된 출구(597)를 통해 환형부 칼럼 영역을 강제로 빠져나가게 되며, 이는 종래의 분할식 벽 칼럼에 전형적으로 사용되는 내부 배관 및 매니폴딩(manifolding)을 최소화시켜 전체 증류 칼럼 높이를 감소시킨다.
환형부 칼럼 영역(514)의 하부 단부에 근접하여, 제2 환형 칼럼 벽(516)은 도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이 하부 위치에서 제2 환형 칼럼 벽(516)의 주연부 주위에 배치되는 복수의 피봇팅 아암(598)을 사용하여 증류 칼럼(510)의 제1 환형 칼럼 벽(512)에 연결되고 그에 의해 구조적으로 지지된다. 제2 환형 칼럼 벽(516)의 하부 섹션의 외부 표면은 내부 칼럼 영역(518)과 인접 환형부 칼럼 영역(514) 사이의 차압을 허용하는 제2 환형 칼럼 벽(516)의 보강 지지부로서의 역할을 하는 압연 앵글 링(592)을 포함한다. 각각의 피봇팅 아암(598)의 일 단부는 압연 앵글 링(592)에 볼트체결되거나 달리 부착되는 한편, 각각의 피봇팅 아암(598)의 다른 단부는 제1 환형 칼럼 벽(512)의 내부 표면(594)으로부터 연장되는 하나 이상의 용접 탭(weld tab)(593)에 볼트체결되거나 달리 부착된다.
제1 환형 칼럼 벽(512) 및 제2 환형 칼럼 벽(516)을 전술된 바와 같이 배열하고 연결하는 것은 2가지 별개의 이점을 제공한다. 첫째, 제2 환형 칼럼 벽(516)을 원추형 형상의 전이 벽(590) 및 피봇팅 아암(598)의 사용을 통해 제1 환형 칼럼 벽(512)에 매다는 것은 제1 환형 칼럼 벽(512)의 반경방향 및 축방향 열 팽창 및 수축이 제2 환형 칼럼 벽(516)의 반경방향 및 축방향 열 팽창 및 수축에 대해 자유롭도록 허용한다. 바꾸어 말하면, 반경 방향 및 축 방향으로의 제2 환형 칼럼 벽(516)의 열 팽창 및 수축은 반경 방향 및 축 방향으로의 제1 환형 칼럼 벽(512)의 열 팽창 및 수축과 관계없다. 또한, 전술된 연결 배열은 종래의 환형 분할식 벽 칼럼에 전형적으로 사용되는 크고 다루기 힘든 내부 쉘 지지 구조물의 필요성을 제거하여 전체 칼럼 높이를 감소시킨다.
환형 분할식 벽 칼럼 내의 수집기, 분배기, 및 지지 구조물
이제 도 19 및 도 20을 참조하면, 링-형상의 지지 그리드(600)의 2개의 도면이 도시된다. 예시된 링-형상의 지지 그리드(600)는 내부 환형 에지 부재(602) 및 외부 환형 에지 부재(604)를 갖고, 환형부 칼럼 영역에서 복수의 구조화된 패킹 요소를 지지하도록 구성된다. 외부 환형 에지 부재(604)는 바람직하게는 제1 환형 칼럼 벽에 부착되는 한편, 내부 환형 에지 부재(602)는 반경 방향 및 축 방향으로의 제2 환형 칼럼 벽의 열 팽창 및 수축이 반경 방향 및 축 방향으로의 링-형상의 지지 그리드(600) 및 제1 환형 칼럼 벽의 열 팽창 및 수축과 관계없도록 증류 칼럼 시스템의 작동 동안 제2 환형 칼럼 벽에 부착되지 않은 상태로 유지된다.
예시된 실시예에서, 링-형상의 지지 그리드(600)는 링-형상의 지지 그리드(600) 주위에 반경방향으로 배치되는 그리고 외부 환형 에지 부재와 내부 환형 지지 부재를 연결하는 복수의 강성 바아(bar)(610)를 추가로 포함한다. 링-형상의 지지 그리드(600)는 복수의 1차 아치형 지지 리브(rib)(612) 및 복수의 2차 아치형 지지 리브(614)를 추가로 포함한다. 1차 아치형 지지 리브(612) 각각은 바람직하게는 외부 환형 에지 부재(604)의 상이한 위치에 부착되는 단부를 갖는 반면에, 2차 아치형 지지 리브(614) 각각은 바람직하게는 다른 1차 아치형 지지 리브(612)에 부착되는 단부를 갖는다. 1차 아치형 지지 리브(612)는 또한 반경방향 바아(610)에 부착될 수 있다.
이제 도 21, 도 22, 및 도 23을 참조하면, 환형부 칼럼 영역(514) 내에서 복수의 구조화된 패킹 요소 위 또는 아래에 배치되도록 구성되는 링-형상의 캔틸레버식 수집기(700)의 상이한 도면이 도시된다. 도 23에서 가장 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, 링-형상의 캔틸레버식 수집기(700)는 바람직하게는 제1 환형 칼럼 벽(512) 또는 제2 환형 칼럼 벽(516) 중 하나에 견고하게 부착되고, 환형부 칼럼 영역(514)의 전체 원주 주위에서 다른 하나의 환형 칼럼 벽을 향해 반경방향으로 연장된다. 도면에 도시된 바와 같이, 링-형상의 수집기(700)는 제1 수집기 벽(702), 제2 수집기 벽(704) 및 그들 사이에서 연장되는 수집기 데크(collector deck)(706)를 포함한다. 제1 수집기 벽(702)은 제1 환형 칼럼 벽(512)에 부착되도록 구성되며, 이때 제1 수집기 벽(702)은 저부 지지 링(708) 및 제1 환형 칼럼 벽(512)의 내부 표면(594) 상의 하강하는 액체의 수집기로의 전달을 용이하게 하는 테이퍼 형성된(tapered) 상부 에지(710)를 갖는다. 제2 수집기 벽(704)은 제2 환형 칼럼 벽(516)에 근접하게 배열되도록 구성되지만 제2 환형 칼럼 벽(516)에 부착되지 않은 상태로 유지되어 링-형상의 캔틸레버식 수집기(700)를 한정한다. 수집기 데크(706)는 제1 수집기 벽(702)의 지지 링(708) 및 제2 수집기 벽(704)에 부착된다. 링-형상의 캔틸레버식 수집기(700)는 또한 수집기 데크(706) 내에 배치되는 그리고 수집기 데크 주위로 원주방향으로 이격되는 하나 이상의 섬프(sump)(715)를 포함한다. 다운커머(724)가 하나 이상의 섬프에 연결되고, 하나 이상의 섬프로부터 액체를 수용하고 그러한 액체를 링-형상의 캔틸레버식 수집기 아래에 배치된 액체 분배기로 지향시키도록 구성된다.
링-형상의 캔틸레버식 수집기(700)는 수집기 데크(706)로부터 상향으로 연장되는 그리고 환형부 칼럼 영역 내의 상승하는 증기가 링-형상의 캔틸레버식 수집기(700)를 통해 상승하게 허용하도록 구성되는 복수의 아치형 증기 라이저(riser)(720)를 추가로 포함한다. 복수의 아치형 증기 라이저(720)는 수집기 데크(706) 주위에 대체로 링-형상의 패턴으로 배치되고, 수집기 데크 상에 액체 수집 채널을 한정한다. 각각의 증기 라이저(720) 위에, 그렇지 않을 경우 증기 라이저의 내부 공간 내로 떨어질 하강하는 액체를 수집하는 커버 또는 햇(hat)(722)이 있다. 커버 또는 햇(722) 내에 수집된 액체는 하나 이상의 섬프 또는 액체 수집 채널을 향해 흐른다.
링-형상의 캔틸레버식 수집기(700)가 환형 칼럼 벽들 중 하나에만 견고하게 부착되기 때문에, 반경 방향 및/또는 축 방향으로의 제1 및 제2 환형 칼럼 벽의 상이한 열 팽창/수축이 액체 수집기의 성능 또는 환형부 칼럼 영역에서 행해지는 증류에 불리하게 영향을 미치지 않는다.
도 24 및 도 25는 환형부 칼럼 영역 내에서 구조화된 패킹 요소의 층 위에 배치되도록 구성되는 링-형상의 분배기(800)의 도면을 도시한다. 링-형상의 분배기(800)는 링-형상의 분배기를 도 21 내지 도 23을 참조하여 기술된 유형의 링-형상의 수집기(700)의 다운커머(724)에 결합시키도록 구성되는 복수의 사전-분배 박스(pre-distribution box)(802)를 포함한다. 팬(pan) 유형 분배기가 사용될 수 있지만, 예시된 링-형상의 분배기(800)는 사전-분배 박스(802)를 통해 수집기로부터 수용된 액체를 대체로 원형 패턴으로 분배하도록 구성되는 환형 분배기 채널(804) 및 환형 분배기 채널(804)의 양측에 배치되고 액체를 환형 분배기 채널로부터 트로프(trough)의 저부 표면 상의 개구를 통해 링-형상의 분배기(800) 바로 아래의 구조 패킹 층으로 분배하도록 구성되는 복수의 트로프(801)를 포함하는 트로프 유형 액체 분배기이다. 환형 분배기 채널은 또한 환형 분배기 채널(804) 바로 아래에 있는 구조화된 패킹 요소의 표면에 액체의 일부분을 분배하기 위한 복수의 개구(805)를 포함한다.
링-형상의 분배기(800)는 환형 분배기 채널(804) 및 복수의 트로프(801)를 지지하도록 구성된 링-형상의 지지 기부(810)를 추가로 포함한다. 한 쌍의 환형 지지 링(815)이 또한 복수의 트로프(801) 위에 배치되고 그에 부착되어 사전-분배 박스(802)를 지지하고 복수의 트로프 및 환형 분배기 채널을 대체로 링-형상의 구성으로 유지시킨다. 역시 복수의 트로프 및 환형 분배기 채널을 대체로 링-형상의 구성으로 유지시키기 위해 한 쌍의 환형 지지 링들 사이에서 연장되는 복수의 보강 구조물(818) 또는 아암이 또한 도시된다. 복수의 트로프(801)는 추가로 링-형상의 분배기(800) 바로 아래에 있는 구조 패킹 층으로부터의 상승하는 증기가 인접 트로프들 사이에서 그리고 링-형상의 분배기를 통해 상향으로 유동하게 허용하도록 배열된다.
다른 트로프 유형 액체 분배기와 마찬가지로, 분배기는 하나 이상의 지지 비임(beam)(820)에 매달린다. 예시된 실시예에서, 복수의 지지 비임(820)은 환형 지지 링 및/또는 복수의 트로프에 부착된다. 복수의 지지 비임(820)은 하나 이상의 슬라이딩 클립(sliding clip)을 통해 제1 환형 칼럼 벽(즉, 환형부 칼럼 영역의 외부 쉘)의 내부 표면으로부터 연장되는 하나 이상의 용접 탭에 볼트체결되거나 달리 부착되는 하나 또는 두 단부를 갖는다. 이번에도, 링-형상의 분배기가 제1 환형 칼럼 벽에만 견고하게 부착되고 제2 환형 칼럼 벽에는 그렇지 않기 때문에, 반경 방향 및/또는 축 방향으로의 환형 칼럼 벽의 상이한 열 팽창 및 수축이 액체 분배 성능 또는 환형부 칼럼 영역에서 행해지는 전반적인 증류에 불리하게 영향을 미치지 않는다. 또한, 링-형상의 분배기 및 링-형상의 수집기는 또한 칼럼 벽에 부착되거나 구조화된 패킹 상에 직접 놓이는 특별히 설계된 지지 플레이트에 의해 지지될 수 있다.
환형 분할식 벽 칼럼 내에서의 균일 유동 분배
본 환형 분할식 벽 칼럼 배열을 설계할 때, 주요 설계 문제는 이러한 배열이 환형부 칼럼 영역과 내부 코어 칼럼 영역 사이에서 원하는 상승하는 증기 분할을 달성함을 보장하는 것이다. 바꾸어 말하면, 정확한 양의 상승하는 증기가 환형부 칼럼 영역 및 내부 코어 칼럼 영역 둘 모두로 지향되어야 한다. 환형부 칼럼 영역과 내부 코어 칼럼 영역 사이의 원하는 상승하는 증기 분할 비가 내부 코어 칼럼 영역에 대한 환형부 칼럼 영역의 단면적의 비와 동일하지 않으면, 증기 분할에 대한 조절이 고려되어야 한다. 하나의 그러한 바람직한 조절은 수집기의 설계를 변화시키는 것이다. 예를 들어, 환형부 칼럼 영역의 저부에서의 최하부 수집기 내의 증기 유동에 대한 개방 면적 및 내부 코어 칼럼 영역의 저부에서의 최하부 수집기 내의 증기 유동에 대한 개방 면적을 그것이 원하는 증기 분할에 비례하도록 변화시키거나 조절함으로써.
다른 주요 설계 문제는 환형부 칼럼 영역 내로 공급되는 증기 및 액체가 환형부 주위에 그리고 환형부를 가로질러 균일하게 분배됨을 보장하는 것이다. 이러한 설계 문제를 해결하기 위한 바람직한 구조 및 방법은 공급 배관(입구)의 대칭 배열 및 그보다 정도는 덜하지만, 인출 배관(출구)의 대칭 배열을 제공하는 것이다. 현재 개시된 실시예에서, 각각의 공급 배관(입구) 배열은 환형부 주위로 원형 형상으로 횡단하는 편자형 형상의 스파저(sparger) 공급 관의 사용과 함께 2개 이상의 공급부를 포함한다.
또한, 더 큰 벽 면적으로 인한 환형부 칼럼 영역에서의 벽 유동에 대한 더 높은 민감성을 상쇄시키기 위해 내부 코어 칼럼 영역 내의 액체 분배기에 대한 유동점(pour point) 밀도와 비교하여 환형부 칼럼 영역 내의 링-형상의 액체 분배기에 대해 더 높은 유동점 밀도가 필요하거나 요구될 수 있다.
본 발명이 다양한 방식으로 특징지어지고 바람직한 구조 실시예 및/또는 바람직한 방법과 관련하여 기술되었지만, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 개시된 구조 및 방법에 대해 이루어질 수 있는 다수의 부가, 변경 및 수정이 있다. 예를 들어, 본 환형 분할식 벽 칼럼이 공기 분리 유닛에서 공기 또는 공기의 구성성분의 극저온 정류에 사용하기에 적합한 것으로 도시되고 기술되었지만, 그러한 환형 분할식 벽 칼럼 배열이 또한 다양한 산업 공정의 오프-가스(off-gas) 또는 테일 가스(tail gas)를 비롯한 다른 산업용 가스의 분리 또는 정제에 적합할 수 있는 것이 충분히 고려된다.

Claims (20)

  1. 공기 또는 공기의 구성성분의 극저온 정류(cryogenic rectification)를 위한 환형 분할식 벽 칼럼(annular divided wall column)으로서,
    제1 환형 칼럼 벽;
    제2 환형 칼럼 벽 - 제2 환형 칼럼 벽은 제1 환형 칼럼 벽으로부터 반경방향으로 이격되고 제1 환형 칼럼 벽의 제1 내부 공간 내에 배치되어 제1 환형 칼럼 벽과 제2 환형 칼럼 벽 사이의 환형부 칼럼 영역(annulus column region)을 한정하고 제2 환형 칼럼 벽의 제2 내부 공간의 일부 또는 전부로서 내부 코어 칼럼 영역(interior core column region)을 한정함 -;
    제2 환형 칼럼 벽의 상부 단부에 근접하여 제2 환형 칼럼 벽에 연결되고 제1 환형 칼럼 벽에 추가로 연결되며 환형부 칼럼 영역을 제2 환형 칼럼 벽의 상부 단부에 근접하여 내부 코어 칼럼 영역으로부터 격리시키도록 구성되는 원추형 형상의 전이 벽(transition wall);
    내부 코어 칼럼 영역 내에 배치되는 복수의 구조화된 패킹 요소(packing element) 또는 트레이(tray); 및
    환형부 칼럼 영역 내에 배치되는 복수의 구조화된 패킹 요소를 포함하고,
    반경 방향 및 축 방향으로의 제2 환형 칼럼 벽의 열 팽창 및 수축은 반경 방향 및 축 방향으로의 제2 환형 칼럼 벽의 열 팽창 및 수축과 관계없는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  2. 제1항에 있어서, 제2 내부 공간 내에 배치되고 복수의 위치에서 제2 환형 칼럼 벽에 연결되어 내부 코어 칼럼 영역에 비해 환형부 칼럼 영역에서 더 큰 외부 압력을 허용하는 하나 이상의 인장 요소(tensioning element)를 추가로 포함하는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  3. 제1항에 있어서, 원추형 형상의 전이 벽은 제2 환형 칼럼 벽의 상부 단부에 근접하여 제2 환형 칼럼 벽에 고정식으로 부착되고 제1 환형 칼럼 벽에 추가로 이동가능하게 연결되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  4. 제1항에 있어서, 원추형 형상의 전이 벽은 제2 환형 칼럼 벽의 상부 단부에 근접하여 제2 환형 칼럼 벽에 이동가능하게 연결되고 제1 환형 칼럼 벽에 추가로 이동가능하게 연결되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  5. 제1항에 있어서, 제2 환형 칼럼 벽의 상부 단부에 근접하게 배치되고 환형부 칼럼 영역을 덮도록 구성되는 캡(cap) 또는 헤더 플레이트(header plate)를 추가로 포함하는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  6. 제1항에 있어서, 원추형 형상의 전이 벽은 제1 환형 칼럼 벽에 매달리는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  7. 제1항에 있어서, 원추형 형상의 전이 벽은 캡 또는 헤더 플레이트에 연결되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  8. 제1항에 있어서, 제1 환형 칼럼 벽의 수직 높이가 제2 환형 칼럼 벽의 수직 높이보다 큰, 환형 분할식 벽 칼럼.
  9. 제1항에 있어서, 환형부 칼럼 영역은 아르곤-산소 함유 스트림을 아르곤-풍부 오버헤드 스트림(argon-rich overhead stream) 및 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 아르곤-산소 함유 스트림의 정류를 위해 구성되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  10. 제1항에 있어서, 환형부 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 구성되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  11. 제1항에 있어서, 내부 코어 칼럼 영역은 아르곤-산소 함유 스트림을 아르곤-풍부 오버헤드 스트림 및 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 아르곤-산소 함유 스트림의 정류를 위해 구성되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  12. 제1항에 있어서, 내부 코어 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 구성되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  13. 제1항에 있어서, 환형부 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 제1 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 제1 순도의 제1 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 구성되고, 내부 코어 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 제2 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 제2 순도의 제2 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 구성되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  14. 제1항에 있어서, 환형부 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 제1 순도의 제1 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 제1 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 구성되고, 내부 코어 칼럼 영역은 질소-산소 함유 스트림을 제2 순도의 제2 질소 풍부 오버헤드 스트림 및 제2 산소-풍부 스트림으로 분리하기 위한 질소-산소 함유 스트림의 정류를 위해 구성되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  15. 제1항에 있어서, 복수의 구조화된 패킹 요소는 알루미늄 시트 금속(sheet metal), 스테인리스 강 시트 금속, 스테인리스 강 거즈(gauze), 탄화규소; 및 플라스틱으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로 구성되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  16. 제1항에 있어서, 제1 유형의 복수의 구조화된 패킹 요소가 환형부 칼럼 영역 내에 배치되고, 제2 유형의 복수의 구조화된 패킹 요소가 내부 코어 칼럼 영역 내에 배치되며, 구조화된 패킹 요소의 제1 유형과 구조화된 패킹 요소의 제2 유형은 상이한 밀도를 갖는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  17. 제16항에 있어서, 제1 유형 및 제2 유형의 복수의 구조화된 패킹 요소는 약 100 m2/㎥ 내지 1200 m2/㎥의 밀도를 갖는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  18. 제1항에 있어서, 제1 유형의 복수의 구조화된 패킹 요소가 환형부 칼럼 영역 내에 배치되고, 제2 유형의 복수의 구조화된 패킹 요소가 내부 코어 칼럼 영역 내에 배치되며, 구조화된 패킹 요소의 제1 유형과 구조화된 패킹 요소의 제2 유형은 상이한 기하학적 구조를 갖는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  19. 제18항에 있어서, 복수의 구조화된 패킹 요소는 약 35° 내지 70°의 수평축에 대한 파형부(corrugation)의 공칭 경사 각도를 포함하는 기하학적 구조를 갖는, 환형 분할식 벽 칼럼.
  20. 제1항에 있어서, 복수의 구조화된 패킹 요소는 직사각형 브릭(brick) 또는 아치형 형상의 웨지(wedge)로서 구성되는, 환형 분할식 벽 칼럼.
KR1020207007156A 2017-08-25 2018-08-02 공기 분리 유닛을 위한 환형 분할식 벽 칼럼 KR102338732B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762550269P 2017-08-25 2017-08-25
US62/550,269 2017-08-25
US16/042,262 US10578355B2 (en) 2017-08-25 2018-07-23 Annular divided wall column for an air separation unit
US16/042,262 2018-07-23
PCT/US2018/044911 WO2019040251A1 (en) 2017-08-25 2018-08-02 AN ANNULAR DIVIDED WALL COLUMN FOR AN AIR SEPARATION UNIT

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200042488A true KR20200042488A (ko) 2020-04-23
KR102338732B1 KR102338732B1 (ko) 2021-12-13

Family

ID=65435012

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207007156A KR102338732B1 (ko) 2017-08-25 2018-08-02 공기 분리 유닛을 위한 환형 분할식 벽 칼럼
KR1020207007157A KR102338736B1 (ko) 2017-08-25 2018-08-02 링-형상의 지지 그리드를 갖는 공기 분리 유닛을 위한 환형 분할식 벽 칼럼
KR1020207007158A KR102338733B1 (ko) 2017-08-25 2018-08-02 공기 분리 유닛을 위한 링 형상의 수집기 및 분배기를 가진 환형 분할식 벽 칼럼

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207007157A KR102338736B1 (ko) 2017-08-25 2018-08-02 링-형상의 지지 그리드를 갖는 공기 분리 유닛을 위한 환형 분할식 벽 칼럼
KR1020207007158A KR102338733B1 (ko) 2017-08-25 2018-08-02 공기 분리 유닛을 위한 링 형상의 수집기 및 분배기를 가진 환형 분할식 벽 칼럼

Country Status (7)

Country Link
US (5) US10578357B2 (ko)
EP (3) EP3681614A1 (ko)
KR (3) KR102338732B1 (ko)
CN (3) CN111032175B (ko)
BR (3) BR112020003488A2 (ko)
CA (3) CA3073601C (ko)
WO (3) WO2019040253A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10578357B2 (en) * 2017-08-25 2020-03-03 Praxair Technology, Inc. Annular divided wall column with ring shaped collectors and distributers for an air separation unit
US20190063827A1 (en) * 2017-08-25 2019-02-28 Kirk F. Larson Annular divided wall column for an air separation unit
CN112892174B (zh) * 2021-01-26 2022-04-01 华中科技大学 一种锥型塔盘及其应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5946942A (en) * 1998-08-05 1999-09-07 Praxair Technology, Inc. Annular column for cryogenic rectification
CN106642987A (zh) * 2016-12-30 2017-05-10 华北水利水电大学 一种同心复合式空分系统

Family Cites Families (56)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1011583A (fr) * 1949-02-02 1952-06-24 Air Prod Inc Perfectionnements aux appareils à contact gaz-liquide
NL160172C (nl) * 1967-03-03 1979-10-15 Hoechst Ag Verticale kolom, waarin een omlaagstromende vloeistof in contact wordt gebracht met een opstijgend gas.
US3844898A (en) * 1973-01-02 1974-10-29 Universal Oil Prod Co Fractionation apparatus having plural, integral and concentric fractionating units
JPS5413469A (en) * 1977-07-01 1979-01-31 Hitachi Ltd Controlling method for air separation plant
US4174363A (en) * 1978-03-10 1979-11-13 Union Carbide Corporation Vapor-liquid contacting tray with vapor thrust means
US4681661A (en) * 1983-10-14 1987-07-21 Rakesh Govind Dual distillation columns
DE3446840A1 (de) * 1983-12-23 1985-10-31 Christian Carl Ingenieur GmbH, 7320 Göppingen Brennereieinrichtung in form eines freistehenden wasserbad-brenngeraetes
US4784677A (en) * 1987-07-16 1988-11-15 The Boc Group, Inc. Process and apparatus for controlling argon column feedstreams
JPH0252980A (ja) * 1988-08-18 1990-02-22 Kobe Steel Ltd 空気分離装置
US5106544A (en) * 1990-01-31 1992-04-21 Glitsch, Inc. Method of and apparatus for vapor distribution
US5282365A (en) * 1992-11-17 1994-02-01 Praxair Technology, Inc. Packed column distillation system
GB9315061D0 (en) * 1993-07-19 1993-09-01 Boc Group Plc Fractional distillation
US5339648A (en) 1993-08-05 1994-08-23 Praxair Technology, Inc. Distillation system with partitioned column
US5460003A (en) * 1994-06-14 1995-10-24 Praxair Technology, Inc. Expansion turbine for cryogenic rectification system
CN1091646C (zh) 1994-10-04 2002-10-02 普莱克斯技术有限公司 用于精炼系统的高容量结构填料
DE19529681C2 (de) * 1995-08-11 1997-05-28 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zur Luftzerlegung durch Tieftemperaturrektifikation
US5832748A (en) * 1996-03-19 1998-11-10 Praxair Technology, Inc. Single column cryogenic rectification system for lower purity oxygen production
JPH10212249A (ja) * 1997-01-31 1998-08-11 Nippon Shokubai Co Ltd 易重合性有機化合物の精製方法および精製装置
CN2314840Y (zh) * 1997-07-15 1999-04-21 清华大学 一种新型的催化精馏塔
US6277340B1 (en) * 1998-01-02 2001-08-21 Abb Lummus Global, Inc. Structured packing and element therefor
FR2776206A1 (fr) 1998-03-19 1999-09-24 Air Liquide Appareil de distillation et boite froide correspondante
US6620386B1 (en) * 1998-07-09 2003-09-16 Stone & Webster, Inc. Radial flow reactor
US6240744B1 (en) 1999-12-13 2001-06-05 Air Products And Chemicals, Inc. Process for distillation of multicomponent fluid and production of an argon-enriched stream from a cryogenic air separation process
DE10124690A1 (de) 2001-05-18 2002-11-21 Montz Gmbh Julius Befestigungsteile und Dichtungen für Trennwandelemente einer mehrteiligen Trennwand
US6393866B1 (en) * 2001-05-22 2002-05-28 Praxair Technology, Inc. Cryogenic condensation and vaporization system
EP1332781A1 (en) 2002-01-25 2003-08-06 Technische Universiteit Delft Heat integrated distillation column
US7357378B2 (en) * 2004-10-18 2008-04-15 Air Prodcuts And Chemicals, Inc. Divided wall exchange column
US20060230613A1 (en) * 2005-04-14 2006-10-19 Catacel Corporation Catalytic reactor cartridge
US7234691B2 (en) * 2005-05-20 2007-06-26 Air Products And Chemicals, Inc. Radial-crossflow distillation trays for divided wall column applications
US8408026B2 (en) * 2007-08-21 2013-04-02 Air Products And Chemicals, Inc. Liquid collector and redistributor for packed columns
US8480860B2 (en) 2008-10-22 2013-07-09 Air Products And Chemicals, Inc. Divided wall columns for smaller sized plants
CN101619652B (zh) * 2009-07-29 2012-05-23 大庆油田有限责任公司 一种选择性采油管柱
GB0920541D0 (en) 2009-11-24 2010-01-06 Doosan Babcock Energy Ltd Column
ITPI20100114A1 (it) 2010-10-11 2012-04-12 Sime S R L Apparecchiatura e processo per separare 1,2,4 trimetilbenzene (pseudocumene) da una miscela contenente idrocarburi aromatici
US8562792B2 (en) 2010-10-28 2013-10-22 Uop Llc Vapor and liquid flow control in a dividing wall fractional distillation column
US9375655B2 (en) 2011-01-27 2016-06-28 Praxair Technology, Inc. Distillation method and structured packing
DE102011116498A1 (de) * 2011-10-20 2013-04-25 Linde Aktiengesellschaft Doppelsäule für eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage
US20130233016A1 (en) 2012-03-06 2013-09-12 Air Products And Chemicals, Inc. Structured Packing
US9295925B2 (en) 2012-12-11 2016-03-29 Praxair Technology, Inc. Structured packing and method
US9004460B2 (en) 2013-06-21 2015-04-14 Praxair Technology, Inc. Combined collector and distributor
CN106659943A (zh) 2014-08-26 2017-05-10 普莱克斯技术有限公司 接触装置和方法
CN204502449U (zh) * 2015-02-17 2015-07-29 无锡昊瑜节能环保设备有限公司 一种高效能分馏器
CN107427734A (zh) 2015-03-05 2017-12-01 林德股份公司 用于填料塔的支撑收集器
CN106139627B (zh) * 2015-03-27 2018-02-09 中国石油化工股份有限公司 一种分隔板精馏塔
US9827543B2 (en) * 2015-06-30 2017-11-28 Dow Global Technologies Llc Fluid solids contacting device
US10012437B2 (en) 2015-07-31 2018-07-03 Praxair Technology, Inc. Method and apparatus for argon recovery in a cryogenic air separation unit integrated with a pressure swing adsorption system
US10066871B2 (en) 2015-07-31 2018-09-04 Praxair Technology, Inc. Method and apparatus for argon rejection and recovery
PL3133361T3 (pl) 2015-08-20 2018-11-30 Linde Aktiengesellschaft System kolumn destylacyjnych i urządzenie do wytwarzania tlenu przez niskotemperaturowy rozkład powietrza
US10047880B2 (en) 2015-10-15 2018-08-14 Praxair Technology, Inc. Porous coatings
US10520265B2 (en) 2015-10-15 2019-12-31 Praxair Technology, Inc. Method for applying a slurry coating onto a surface of an inner diameter of a conduit
KR102597384B1 (ko) * 2015-11-02 2023-11-06 코베스트로 도이칠란트 아게 증류 컬럼 및 이소시아네이트를 세정하기 위한 그의 용도
DE102015014676A1 (de) 2015-11-16 2017-06-01 Julius Montz Gmbh Kolonne mit zylindrischer Trennwand
CN206285519U (zh) * 2016-12-23 2017-06-30 惠安创达装饰设计有限公司 一种带可移动隔板的分壁精馏塔
CN107080965A (zh) * 2017-04-26 2017-08-22 华东理工大学 一种分壁精馏塔
US10578357B2 (en) 2017-08-25 2020-03-03 Praxair Technology, Inc. Annular divided wall column with ring shaped collectors and distributers for an air separation unit
US20190063827A1 (en) * 2017-08-25 2019-02-28 Kirk F. Larson Annular divided wall column for an air separation unit

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5946942A (en) * 1998-08-05 1999-09-07 Praxair Technology, Inc. Annular column for cryogenic rectification
CN106642987A (zh) * 2016-12-30 2017-05-10 华北水利水电大学 一种同心复合式空分系统

Also Published As

Publication number Publication date
US10866025B2 (en) 2020-12-15
US10928129B2 (en) 2021-02-23
US20200149810A1 (en) 2020-05-14
CA3073601A1 (en) 2019-02-28
US10578355B2 (en) 2020-03-03
EP3681614A1 (en) 2020-07-22
EP3672706A1 (en) 2020-07-01
US10578357B2 (en) 2020-03-03
CA3073599C (en) 2022-05-24
KR102338732B1 (ko) 2021-12-13
US20190063830A1 (en) 2019-02-28
CN111050872B (zh) 2021-12-07
CA3073600A1 (en) 2019-02-28
KR20200042490A (ko) 2020-04-23
US20200149809A1 (en) 2020-05-14
CN111050872A (zh) 2020-04-21
BR112020003503A2 (pt) 2020-09-01
CA3073600C (en) 2022-05-24
WO2019040251A1 (en) 2019-02-28
KR102338733B1 (ko) 2021-12-13
BR112020003488A2 (pt) 2020-08-25
WO2019040252A1 (en) 2019-02-28
US20190063831A1 (en) 2019-02-28
EP3672707A1 (en) 2020-07-01
KR102338736B1 (ko) 2021-12-13
CN111032175B (zh) 2022-02-22
CA3073601C (en) 2022-05-24
WO2019040253A1 (en) 2019-02-28
US20190063829A1 (en) 2019-02-28
KR20200042489A (ko) 2020-04-23
US10578356B2 (en) 2020-03-03
CN111032175A (zh) 2020-04-17
BR112020003497A2 (pt) 2020-08-25
CA3073599A1 (en) 2019-02-28
CN111093789A (zh) 2020-05-01
CN111093789B (zh) 2021-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10866025B2 (en) Annular divided wall column with ring shaped collectors and distributers
JPH0611257A (ja) ランダムパッキングを用いる極低温式空気分離方法及び装置
JP2005066594A (ja) 交換塔内の降下液の流れを集め再分配するための装置及び方法
US10866026B2 (en) Annular divided wall column
EP2790804B1 (en) Liquid distributor with a mixer
US9630123B2 (en) Liquid distributor with a mixer
JP2002181445A (ja) 充填塔を具備した空気分離装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant