KR20200098627A - 극저온 공기 분리 유닛으로부터 아르곤의 유연한 회수를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

극저온 공기 분리 유닛으로부터 아르곤의 유연한 회수를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20200098627A
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양 루오
리차드 디. 렌즈
케빈 제이. 사보다
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

극저온 공기 분리 유닛으로부터 아르곤의 유연한 생성을 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 극저온 공기 분리 유닛은 아르곤 수요가 낮거나 존재하지 않을 때 '무-아르곤' 또는 '저-아르곤' 모드로 작동하고 이어서 아르곤이 필요할 때 '고-아르곤' 모드로 작동하도록 전환할 수 있다. 공기 분리 유닛으로부터의 아르곤 생성물의 회수는 저압 칼럼으로 지향되는 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 백분율을 변화시킴으로써 조절된다. 극저온 공기 분리 유닛 및 관련 방법은 또한 극저온 공기 분리 유닛이 '무-아르곤' 또는 '저-아르곤' 모드로 작동하고 있을 때 전력 소비를 최소화하면서도 아르곤 생성물 수요를 충족시키기 위해 최대 설계 생산 능력으로 다량의 아르곤 생성물을 생성하는 능력을 유지하는 효율적인 아르곤 생성/제거 공정을 제공한다.

Description

극저온 공기 분리 유닛으로부터 아르곤의 유연한 회수를 위한 시스템 및 방법
본 발명은 극저온 공기 분리 유닛(cryogenic air separation unit)으로부터의 생성물의 회수에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극저온 공기 분리 유닛으로부터의 아르곤의 유연한 회수(flexible recovery)를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 더 상세하게는, 본 발명은 저압 칼럼(lower pressure column)으로의 환류 스트림(reflux stream)으로서 클린 셸프 질소(clean shelf nitrogen) 및/또는 더티 셸프 질소(dirty shelf nitrogen)의 사용, 및 무 아르곤(no argon) 회수 모드 또는 저 아르곤(low argon) 회수 모드로 작동할 때 원하는 생성물 회수를 달성하고 전력 절감 효율을 실현하기 위한 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 백분율의 변화를 통한 극저온 공기 분리 유닛으로부터의 아르곤 및 다른 생성물의 유연한 회수에 관한 것이다.
아르곤은 정상적으로는 비-반응성인 물질이 반응성으로 되는 제강(steel-making)과 같은 일부 고온 산업 공정에 사용되는 고도로 불활성인 원소이다. 아르곤은 또한 아크 용접(arc welding)과 같은 다양한 유형의 금속 제조 공정뿐만 아니라 전자 산업, 예를 들어 규소 결정 성장 공정에 사용된다. 아르곤의 또 다른 용도는 의료, 과학, 보존 및 조명 응용을 포함한다. 아르곤이 주위 공기의 근소한 부분(즉, 약 0.93%)만을 구성하지만, 그것은 극저온 공기 분리 유닛으로부터 역시 회수되는 산소 및 질소 생성물에 비해 상대적으로 높은 가치를 갖는다. 대부분의 현대 공기 분리 유닛은, 저압 칼럼으로부터 아르곤 풍부 증기 드로우(argon rich vapor draw)를 추출하고, 전형적으로 대략 180개의 분리 스테이지에서 상품용 액체 순도(merchant liquid purity)(예컨대, 약 1 ppm 산소)로 아르곤을 생성하는 "슈퍼스테이지식(superstaged)" 증류 공정(distillation process)에서, 아르곤을 회수하기 위해 스트림을 아르곤 칼럼(argon column)으로 지향시킴으로써 린데(Linde)-유형 이중 칼럼 장치로부터 아르곤을 생성하도록 설계된다. 대안적으로, 아르곤은 대략 50개의 분리 스테이지에서 "미정제(crude)" 아르곤 칼럼 장치 내에서 보다 낮은 또는 중간 순도(예컨대, 약 1% 내지 2% 산소)로 생성될 수 있다. 대부분의 극저온 공기 분리 유닛은, 흔히 유입 공급 공기 내의 이용가능한 아르곤의 최대 90% 이상의 아르곤 회수를 갖고서, 사전한정되고 좁은 아르곤 생성 범위로 설계된다.
대부분의 극저온 공기 분리 유닛이 수십 년 이상의 설계 수명을 갖지만, 극저온 공기 분리 유닛의 수명에 걸친 아르곤 생성 요구는 흔히 변화할 것이고, 그러한 변화는 상당할 수 있다. 예를 들어, 공기 분리 유닛이 초기에 제작될 때, 지역적 고객에게 판매될 상품용 아르곤 생성물에 대한 필요성이 존재하지 않을 수 있거나, 그러한 필요성이 존재할 경우, 보통 플랜트 작동의 5년 또는 심지어 10년 후의 상품용 아르곤 생성물 요구보다 낮다. 이는 공기 분리 유닛 플랜트 작동의 초기 몇 년에 보다 낮은 아르곤 생성 또는 무 아르곤 생성이 필요하지만 수년 후에 최대 아르곤 생성 수준까지 보다 높은 수준의 아르곤 생성이 필요한 아르곤 생성물 램프(ramp)로서 알려져 있다.
또한, 국지적 또는 지역적 아르곤 생성물 수요의 변화가 또한 극저온 공기 분리 유닛의 작동 수명에 걸쳐 발생할 수 있다. 예를 들어, 국지적 또는 지역적 시장이 장기간 동안 과잉 아르곤 생산 능력 또는 아르곤 초과-공급으로 포화될 수 있고, 이 경우 아르곤 생성물의 최대 생성이 보장되지 않는다. 반대로, 그러한 국지적 또는 지역적 시장은 또한 때때로 아르곤 부족을 겪을 수 있고, 이 경우 극저온 공기 분리 유닛으로부터의 아르곤 생성물의 최대 생성이 필요하다.
현재의 극저온 공기 분리 유닛 플랜트 설계는 아르곤 램프 현상을 해소하거나 아르곤 생성물 수요 변화를 충족시키기 위해 상당히 상이한 아르곤 생성 범위를 달성하는 유연성을 갖지 않는다. 극저온 공기 분리 유닛이 아르곤 생성을 변화시킬 수 있는 경우에도, 그러한 플랜트는 고-아르곤(high-argon) 또는 최대 아르곤 생성 모드로 작동할 때와 비교하여 저 아르곤 모드에서 작동할 때 잠재적인 전력 절감을 획득하지 못한다.
따라서, 필요한 것은 플랜트의 작동 수명 전체에 걸쳐 극저온 공기 분리 유닛에서의 아르곤 회수의 유연성, 성능 및 비용-효율성을 향상시킬 수 있는 개선된 아르곤 회수 공정 또는 장치이다. 특히, 필요한 것은 아르곤 생성물 요구 또는 아르곤 생성물 수요가 낮을 때 '저-아르곤' 또는 '무-아르곤' 모드로 작동하고 그러한 모드 중에 작동 전력 절감을 실현하면서도 또한 아르곤 생성물 요구가 높을 때 '고 아르곤' 모드로 작동할 수 있다는 점에서 유연한 극저온 공기 분리 유닛이다.
본 발명은 (i) 압축되고 정화된 공기 스트림(compressed and purified air stream)을 생성하도록 구성되는 주 공기 압축 시스템 - 압축되고 정화된 공기 스트림은 적어도 압축되고 정화된 공기 스트림의 제1 부분 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분으로 분할됨 -; (ii) 부스팅 압력 공기 스트림(boosted pressure air stream)을 생성하기 위해 압축되고 정화된 공기 스트림의 제1 부분을 추가로 압축시키도록 구성되는 부스터 압축기 장치(booster compressor arrangement); (iii) 부스팅 압력 공기 스트림을 냉각시키도록 그리고 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분을 부분적으로 냉각시키도록 구성되는 주 열 교환 시스템; (iv) 배기 스트림(exhaust stream)을 형성하기 위해 압축되고 정화된 공기 스트림의 부분적으로 냉각된 제2 부분을 팽창시키도록 구성되는 터보팽창기 장치(turboexpander arrangement); (v) 응축기 리보일러(condenser reboiler)를 통해 열 전달 관계로 연결되는 고압 칼럼(higher pressure column)과 저압 칼럼 및 저압 칼럼과 작동식으로 결합되는 아르곤 칼럼 장치를 갖는 증류 칼럼 시스템(distillation column system) - 증류 칼럼 시스템은 고압 칼럼 내에 부스팅 압력 공기 스트림의 제1 부분을, 저압 칼럼 내에 부스팅 압력 공기 스트림의 제2 부분을, 그리고 고압 칼럼 또는 저압 칼럼 내에 배기 스트림을 수용하도록 구성되고, 배기 스트림은 증류 칼럼 시스템에 냉각을 부여함 -; 및 (vi) 복수의 밸브, 헤더 도관(header conduit) 또는 매니폴드(manifold), 및 하나 이상의 열 교환 코어(heat exchanging core)를 갖는 질소 서브쿨러 시스템(nitrogen subcooler system) - 질소 서브쿨러 시스템은 저압 칼럼으로부터의 하나 이상의 질소 스트림과의 간접 열 교환을 통해 클린 셸프 질소 스트림 및 더티 셸프 질소 스트림을 냉각시키고 클린 셸프 질소로 구성되는 제1 질소 환류 스트림 및 더티 셸프 질소로 구성되는 제2 질소 환류 스트림을 생성하도록 구성되고, 총 질소 환류 스트림이 제1 질소 환류 스트림 및 제2 질소 환류 스트림으로 구성됨 - 을 포함하는 공기 분리 유닛으로서 넓게 특징지어질 수 있다. 공기 분리 유닛으로부터의 하나 이상의 산소 생성물 및 아르곤 생성물의 회수는 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 백분율을 변화시킴으로써 조절된다.
본 발명은 또한 공기 분리 유닛 내에서 하나 이상의 산소 생성물, 하나 이상의 질소 생성물, 및 아르곤 생성물을 생성하는 방법으로서 넓게 특징지어질 수 있으며, 방법은 (a) 주 공기 압축 시스템 내에서 압축되고 정화된 공기의 스트림을 생성하는 단계; (b) 압축되고 정화된 공기의 스트림을 적어도 압축되고 정화된 공기 스트림의 제1 부분 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분으로 분할하는 단계; (c) 부스팅 압력 공기 스트림을 생성하기 위해 부스터 압축기 장치 내에서 압축되고 정화된 공기 스트림의 제1 부분을 추가로 압축시키는 단계; (d) 주 열 교환 시스템 내에서 부스팅 압력 공기 스트림을 냉각시키고 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분을 부분적으로 냉각시키는 단계; (e) 배기 스트림을 형성하기 위해 터보팽창기 장치 내에서 압축되고 정화된 공기 스트림의 스트림의 부분적으로 냉각된 제2 부분을 팽창시키는 단계; (f) 하나 이상의 산소 생성물, 하나 이상의 질소 생성물, 및 아르곤 생성물을 생성하기 위해 증류 칼럼 시스템 내에서 부스팅 압력 공기 스트림, 배기 스트림, 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분을 정류하는(rectifying) 단계; (f) 증류 칼럼 시스템으로부터 클린 셸프 질소 스트림을 그리고 고압 칼럼으로부터 더티 셸프 질소 스트림을 추출하는 단계; (g) 클린 셸프 질소 스트림 및 더티 셸프 질소 스트림을 질소 서브쿨러 시스템으로 지향시키고, 클린 셸프 질소로 구성되는 제1 질소 환류 스트림 및 더티 셸프 질소로 구성되는 제2 질소 환류 스트림을 생성하도록 저압 칼럼으로부터의 하나 이상의 질소 스트림과의 간접 열 교환을 통해 질소 서브쿨러 시스템 내에서 클린 셸프 질소 스트림 및 더티 셸프 질소 스트림을 냉각시키는 단계 - 총 질소 환류 스트림이 제1 질소 환류 스트림 및 제2 질소 환류 스트림으로 구성됨 - 를 포함한다. 공기 분리 유닛으로부터의 하나 이상의 산소 생성물, 하나 이상의 질소 생성물, 및 아르곤 생성물의 회수는 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 백분율을 변화시킴으로써 조절된다.
일부 실시예에서, 극저온 공기 분리 유닛은 아르곤 수요가 낮거나 존재하지 않을 때 '무-아르곤' 또는 '저-아르곤' 모드로 작동할 수 있고, 이어서 아르곤 생성물의 생성에 대한 요구가 증가될 때 '고-아르곤' 모드로 작동하도록 전환한다. 저-아르곤 모드는 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 몰 유량(molar flow rate)을 총 질소 환류 스트림 내에 사용된 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 몰 유량의 합으로 나눈 것이 약 0.40 초과이고 공기 분리 유닛 내에서의 아르곤 회수가 대체로 약 80% 미만인 때로서 넓게 특징지어질 수 있다. 반면에, 고-아르곤 모드는 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 몰 유량이 총 질소 환류 스트림 내의 클린 셸프 질소의 몰 유량 미만이고 공기 분리 유닛 내에서의 아르곤 회수가 80% 초과인 때로서 특징지어질 수 있다. 대안적으로, 고-아르곤 모드는 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 몰 유량을 총 질소 환류 스트림 내에 사용된 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 몰 유량의 합으로 나눈 것이 약 0.40 미만이고 공기 분리 유닛 내에서의 아르곤 회수가 대체로 약 80% 초과인 때로서 특징지어진다.
본 시스템 및 방법의 아르곤 칼럼 장치는 바람직하게는 (i) 저압 칼럼으로부터 흡인되는 산소-아르곤 함유 스트림을 정류하고 미정제 아르곤 스트림을 생성하도록 구성되는 아르곤 증류 칼럼; (ii) 기화된 또는 부분적으로 기화된 응축 매체를 저압 칼럼의 중간 위치로 방출하거나 지향시키면서 아르곤 증류 칼럼으로의 환류로서 아르곤-풍부 액체를 생성하도록 바람직하게는 고압 칼럼으로부터의 서브쿨링된 케틀 산소(subcooled kettle oxygen)의 응축 스트림을 사용하여 아르곤-풍부 증기 스트림을 응축시키도록 구성되는 아르곤 응축기; 및 (iii) 아르곤 증류 칼럼으로부터 미정제 아르곤 스트림을 수용하고 아르곤 생성물 스트림을 생성하도록 구성되는 아르곤 정제 시스템(argon refining system)을 포함한다. 아르곤 정제 시스템은 액체 상 아르곤 흡착 시스템(liquid phase argon adsorption system), 기체 상 아르곤 압력 스윙 흡착 시스템(gaseous phase argon pressure swing adsorption system), 촉매 데옥소 시스템(catalytic deoxo system), 또는 다른 아르곤 증류 칼럼, 예컨대 슈퍼스테이지식 아르곤 증류 칼럼을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 아르곤 증류 칼럼은 저압 칼럼의 일 섹션 또는 부분에 인접하게 배치되고 저압 칼럼 구조체 내에 통합되는 아르곤 제거 칼럼(argon rejection column)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 아르곤 증류 칼럼은 슈퍼스테이지식 아르곤 증류 칼럼 또는 단순히 미정제 아르곤 칼럼일 수 있다.
본 시스템 및 방법의 질소 서브쿨러 시스템 또는 장치는 바람직하게는 (i) 더티 셸프 질소 스트림을 수용하도록 구성되는 제1 입구; (ii) 클린 셸프 질소 스트림을 수용하도록 구성되는 제2 입구; (iii) 제1 입구 및 제2 입구에 결합되고 제1 입구로부터 더티 셸프 질소 스트림을 그리고 제2 입구로부터 클린 셸프 질소 스트림을 수용하도록 구성되는 헤더 도관; (iv) 저압 칼럼으로부터의 하나 이상의 질소 스트림과의 간접 열 교환을 통해 클린 셸프 질소 스트림 및 더티 셸프 질소 스트림의 부분들을 냉각시키도록 구성되는, 헤더 도관에 결합되는 하나 이상의 열 교환기 코어; (v) 각각의 열 교환기 코어가 별개의 통로 내에 더티 셸프 질소 스트림의 일부분 및 클린 셸프 질소 스트림의 일부분을, 또는 더티 셸프 질소 스트림의 일부분을, 또는 클린 셸프 질소 스트림의 일부분을 수용하도록 클린 셸프 질소 스트림으로부터 더티 셸프 질소 스트림을 분리하도록 구성되는, 헤더 도관 내에 배치되는 하나 이상의 밸브; (vi) 클린 셸프 질소를 냉각시키는 열 교환기 코어로부터 클린 셸프 질소를 수용하도록 구성되는 클린 셸프 출구 회로 - 클린 셸프 출구 회로는 클린 셸프 질소 스트림을 최상부 위치에서 저압 칼럼으로 지향시키도록 작동식으로 구성되는 하나 이상의 밸브를 가짐 -; 및 (vii) 더티 셸프 질소를 냉각시키는 열 교환기 코어로부터 더티 셸프 질소를 수용하도록 구성되는 더티 셸프 출구 회로 - 더티 셸프 출구 회로는 더티 셸프 질소 스트림을 최상부 위치에 있는 제1 위치에서 또는 최상부 위치 아래에 있는 제2 위치에서 저압 칼럼으로 지향시키도록 작동식으로 구성되는 하나 이상의 밸브를 가짐 - 를 포함한다.
본 발명은 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 공기 분리 유닛의 개략적인 공정 흐름도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 분리 유닛의 개략적인 공정 흐름도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공기 분리 유닛의 개략적인 공정 흐름도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공기 분리 유닛의 개략적인 공정 흐름도.
도 5는 공기 분리 유닛이 '무 아르곤' 작동 모드 또는 '저 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 서브쿨러 장치의 일 실시예의 부분적인 개략적인 공정 흐름도.
도 6은 공기 분리 유닛이 '고 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 도 5의 서브쿨러 장치의 부분적인 개략적인 공정 흐름도.
도 7은 공기 분리 유닛이 '무 아르곤' 작동 모드 또는 '저 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 서브쿨러 장치의 다른 실시예의 부분적인 개략적인 공정 흐름도.
도 8은 공기 분리 유닛이 '고 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 도 7의 서브쿨러 장치의 부분적인 개략적인 공정 흐름도.
도 9는 공기 분리 유닛이 '무 아르곤' 작동 모드 또는 '저 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 서브쿨러 장치의 또 다른 실시예의 부분적인 개략적인 공정 흐름도.
도 10은 공기 분리 유닛이 '고 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 도 9의 서브쿨러 장치의 부분적인 개략적인 공정 흐름도.
도 11은 공기 분리 유닛이 '무 아르곤' 작동 모드 또는 '저 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 서브쿨러 장치의 또 다른 실시예의 부분적인 개략적인 공정 흐름도.
도 12는 공기 분리 유닛이 '고 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 도 11의 서브쿨러 장치의 부분적인 개략적인 공정 흐름도.
본 시스템 및 방법은 (i) 극저온 공기 분리 유닛이 아르곤을 생성하지 않을 때 전력 소비를 최소화하는 효율적인 아르곤 제거 공정; (ii) 일정 정도의 아르곤이 필요할 때 아르곤 생성을 증가시키는 효율적이고 저 비용의 수단; 및 (iii) 추가되는 아르곤 정제 시스템 및 방법을 사용하여 최대 설계 생산 능력으로 아르곤을 생성하는 능력을 제공하는 유연한 극저온 공기 분리 유닛 설계를 제공한다. 대안적으로, 본 시스템 및 방법은 (i) 최대 설계 생산 능력에서의 아르곤 생성이 필요하지 않을 때 전력 소비를 최소화하는 효율적인 아르곤 생성 공정; 및 (ii) 최대 설계 생산 능력으로 아르곤을 생성하는 능력을 제공하는 유연한 극저온 공기 분리 유닛 설계를 제공한다.
유연한 아르곤 생성 및 고 에너지 효율을 위한 ASU 공정 설계 옵션이 제안된다. 본 시스템 및 방법의 바람직한 실시예는 아르곤 제조 또는 비-아르곤 제조 작동 모드 중 어느 하나에 대해 동일한 저압 증류 칼럼 장치 및 동일한 고압 증류 칼럼 장치를 채용한다.
아르곤 생성이 요구되는 경우, 아르곤 증류 칼럼 장치, 촉매 데옥소, 액체 또는 기체 상 아르곤 흡착 정화, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 아르곤 정제 옵션이 공기 분리 유닛 내에 포함되거나 공기 분리 유닛과 통합되도록, 더욱 상세하게는 증류 칼럼 시스템의 다른 부분과 통합되도록 추가될 수 있다. 아르곤 생성이 필요하지 않은 경우, 아르곤 정제 시스템은 제거될 수 있다.
아르곤 정제 옵션이 극저온 공기 분리 유닛 내에 설계되거나 그에 추가된 경우, 아르곤 생성의 양은 저압 칼럼으로의 질소 환류 스트림 내에 사용되는 더티 셸프 질소의 백분율을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 저압 칼럼으로의 총 질소 환류 스트림은 고압 칼럼으로부터의 클린 셸프 질소의 서브쿨링된 스트림, 더티 셸프 질소의 서브쿨링된 스트림, 또는 클린 셸프 질소 및 더티 셸프 질소의 조합으로 구성된다. 아르곤 생성의 양은 또한 고압 칼럼의 오버헤드(overhead)로부터 기체 질소 생성물로서 흡인되는 클린 셸프 증기 또는 주 응축기로부터 또는 고압 칼럼의 상부로부터 인출되는 클린 셸프 액체의 양을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
도 1을 참조하면, 흔히 공기 분리 유닛(10)으로도 지칭되는 극저온 공기 분리 플랜트의 간략화된 개략적인 예시가 도시된다. 넓은 의미에서, 도시된 공기 분리 유닛은 주 공급 공기 압축 트레인 또는 시스템(20), 터빈 공기 회로(30), 부스터 공기 회로(40), 주 또는 1차 열 교환기 시스템(50), 및 증류 칼럼 시스템(70)을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 주 공급 공기 압축 트레인, 터빈 공기 회로, 및 부스터 공기 회로는 집합적으로 '고온-단부(warm-end)' 공기 압축 회로를 포함한다. 유사하게, 주 또는 1차 열 교환기, 터빈 기반 냉각 회로의 부분들 및 증류 칼럼 시스템의 부분들은 전형적으로 하나 이상의 단열 저온 박스 내에 수용되는 '저온-단부(cold-end)' 시스템 또는 장비로 지칭된다.
도 1 내지 도 4에 도시된 주 공급물 압축 트레인에서, 유입 공급 공기(22)는 전형적으로 공기 흡입 필터 하우스(air suction filter house, ASFH)를 통해 흡인되고 다중-스테이지(multi-stage), 인터쿨링식(intercooled) 주 공기 압축기 장치(24) 내에서 약 5 바(bar)(a) 내지 약 15 바(a)일 수 있는 압력으로 압축된다. 이러한 주 공기 압축기 장치(24)는 직렬로 또는 병렬로 배열되는, 일체형 기어식 압축기 스테이지 또는 직접 구동 압축기 스테이지를 포함할 수 있다. 주 공기 압축기 장치(24)로부터 빠져나가는 압축된 공기(26)는 유입 공급 공기 스트림 내의 자유 수분(free moisture)을 제거하기 위해 일체형 데미스터(demister)를 구비한 애프터쿨러(aftercooler)(도시되지 않음)에 공급된다. 주 공기 압축기 장치(24)에 대한 최종 압축 스테이지로부터의 압축 열은 압축된 공급 공기를 냉각 타워수(cooling tower water)로 냉각시킴으로써 애프터쿨러 내에서 제거된다. 이러한 애프터쿨러 및 주 공기 압축 장치 내의 인터쿨러들(intercoolers) 중 일부로부터의 응축물은 바람직하게는 응축물 탱크로 파이프를 통해 수송되고(piped) 공기 분리 플랜트의 다른 부분에 물을 공급하기 위해 사용된다. 애프터쿨러 내에서의 추가의 공기 냉각은 기계식 냉각기, 흡수 냉각기, 또는 다른 기술에 의해 생성되는 냉수에 의해 제공될 수 있다.
냉각, 건조 압축된 공기 공급물(26)은 이어서 냉각, 건조 압축된 공기 공급물로부터 고 비등점(high boiling) 오염물질을 제거하기 위해 사전-정화 유닛(pre-purification unit)(28) 내에서 정화된다. 사전-정화 유닛(28)은, 당업계에 잘 알려져 있는 바와 같이, 전형적으로 수분 및 다른 불순물, 예컨대 이산화탄소, 수증기 및 탄화수소가 흡착되는 온도 및/또는 압력 스윙 흡착 사이클에 따라 작동하는 알루미나 및/또는 분자체(molecular sieve)의 2개의 베드(bed)를 포함한다. 베드들 중 하나가 냉각, 건조 압축된 공기 공급물의 사전-정화를 위해 사용되는 한편, 다른 베드는 바람직하게는 공기 분리 유닛으로부터의 폐기물 질소(waste nitrogen)의 일부분으로 재생된다. 2개의 베드는 주기적으로 서비스를 전환한다. 미립자가 압축된, 정화된 공기 스트림(29)을 생성하기 위해 사전-정화 유닛(28)의 하류에 배치되는 먼지 필터 내에서 압축된, 사전-정화된 공급 공기로부터 제거된다.
압축되고 정화된 공기 스트림(29)은 고압 칼럼(72), 저압 칼럼(74), 및 아르곤 제거 칼럼(76)을 포함하는 복수의 증류 칼럼 내에서 산소-풍부, 질소-풍부, 및 아르곤-풍부 분획물(fraction)로 분리된다. 그러나 그러한 증류 전에, 압축되고 사전-정화된 공기 스트림(29)은 전형적으로 복수의 공급 공기 스트림으로 분할되며, 이는 보일러 공기 스트림(42) 및 터빈 공기 스트림(32)을 포함할 수 있다. 보일러 공기 스트림(42)은 추가로 부스터 압축기 장치(44) 내에서 압축되고 후속하여 애프터쿨러(45) 내에서 냉각되어 부스팅 압력 공기 스트림(46)을 형성할 수 있고, 이는 이어서 추가로 냉각되어 주 열 교환기(52) 내에 액체 또는 고밀도 상(dense phase) 유체를 형성한다. 주 열 교환기(52) 내의 공기 스트림의 냉각 또는 부분적인 냉각은 바람직하게는 냉각된 공급 공기 스트림(38, 47)을 생성하도록 증류 칼럼 시스템(70)으로부터의 산소 스트림(190), 및 질소 스트림(191, 193, 195)을 포함하는 가온 스트림(warming stream)과의 간접 열 교환에 의해 달성된다.
부분적으로 냉각된 공급 공기 스트림(38)은 고압 칼럼(72)으로 지향되는 배기 스트림(64)을 생성하도록 터빈(35) 내에서 팽창된다. 공기 분리 유닛(10)을 위한 냉각은 또한 전형적으로 터빈(35) 및 다른 관련 저온 및/또는 고온 터빈 장치, 예컨대 당업계에 전반적으로 알려져 있는 폐루프 고온 냉각 회로에 의해 생성된다. 완전히 냉각된 부스팅 압력 공기 액체 또는 고밀도 상 유체 스트림(47)은 각각 고압 칼럼(72) 및 저압 칼럼(74) 내로의 도입 전에 팽창 밸브(들)(48, 49) 내에서 팽창되는 별개의 부분으로 분할된다.
주 또는 1차 열 교환기(52)는 바람직하게는 브레이징된 알루미늄 플레이트-핀(brazed aluminum plate-fin) 유형 열 교환기이다. 그러한 열 교환기는 그들의 컴팩트한 설계, 높은 열 전달률 및 다수의 스트림을 처리하는 그들의 능력으로 인해 유리하다. 그들은 완전히 브레이징되고 용접된 압력 용기로서 제조된다. 소형 공기 분리 유닛 유닛들에 대해, 단일 코어를 포함하는 열 교환기가 충분할 수 있다. 보다 높은 유동을 처리하는 보다 대형인 공기 분리 유닛 유닛들에 대해, 열 교환기는 병렬 또는 직렬로 연결되어야 하는 수개의 코어로부터 구성될 수 있다.
터빈 기반 냉각 회로는 흔히 2-칼럼 또는 3 칼럼 극저온 공기 증류 칼럼 시스템에 냉각을 제공하기 위해 사용되는 하부 칼럼 터빈(lower column turbine, LCT) 장치 또는 상부 칼럼 터빈(upper column turbine, UCT) 장치 중 어느 하나로 지칭된다. 도 1 내지 도 4에 도시된 LCT 장치에서, 압축된, 냉각된 터빈 공기 스트림(32)은 바람직하게는 약 9 바(a) 내지 약 60 바(a) 범위 내의 압력에 있다. 압축된, 냉각된 터빈 공기 스트림(32)은 주 또는 1차 열 교환기(52) 내로 지향되거나 도입되고, 여기서 그것은 약 110 내지 약 200 켈빈(Kelvin) 범위 내의 온도로 부분적으로 냉각되어 부분적으로 냉각된, 압축된 터빈 공기 스트림(38)을 형성하며, 이는 후속하여 터보-팽창기 또는 터빈 (35) 내로 도입되어 증류 칼럼 시스템(70)의 고압 칼럼(72) 내로 도입되는 저온 배기 스트림(64)을 생성한다. 따라서, 스트림(38)의 팽창에 의해 생성되는 보충 냉각은 고압 칼럼(72)에 직접 부여되어 주 열 교환기(52)의 냉각 부하(cooling duty) 중 일부를 경감시킨다. 도시되지 않지만, 일부 실시예에서, 터빈(35)은 터빈 공기 스트림(32)을 추가로 압축시키기 위해 사용되는 부스터 압축기와, 직접 또는 적절한 기어 장치(gearing)에 의한 것 중 어느 하나로 결합될 수 있다.
도 1 내지 도 4에 예시된 터빈 기반 냉각 회로가 팽창된 배기 스트림(64)이 증류 칼럼 시스템(70)의 고압 칼럼(72)에 공급되는 하부 칼럼 터빈(LCT) 회로로서 도시되지만, 터빈 기반 냉각 회로가 대안적으로 터빈 배기 스트림이 저압 칼럼으로 지향되는 상부 칼럼 터빈(UCT) 회로일 수 있는 것이 고려된다. 또한 추가로, 터빈 기반 냉각 회로는 LCT 회로 및 UCT 회로의 일부 변형 또는 조합일 수 있다.
유사하게, (도시되지 않은) UCT 장치를 채용하는 대안적인 실시예에서, 정화되고 압축된 공급 공기의 일부분이 1차 열 교환기 내에서 부분적으로 냉각될 수 있고, 이어서 이러한 부분적으로 냉각된 스트림의 전부 또는 일부분이 터보-팽창기로 방향전환된다. 터보-팽창기로부터의 팽창된 기체 스트림 또는 배기 스트림은 이어서 2-칼럼 또는 다중-칼럼 극저온 공기 증류 칼럼 시스템 내의 저압 칼럼으로 지향된다. 따라서, 배기 스트림의 팽창에 의해 생성되는 냉각 또는 보충 냉각은 저압 칼럼에 직접 부여되어 주 열 교환기의 냉각 부하 중 일부를 경감시킨다.
공급 공기 스트림의 전술된 성분, 즉 산소, 질소, 및 아르곤은 고압 칼럼(72), 저압 칼럼(74), 아르곤 칼럼(76), 응축기-리보일러(75) 및 아르곤 응축기(78)를 포함하는 증류 칼럼 시스템(70) 내에서 분리된다. 고압 칼럼(72)은 전형적으로 약 4.5 바(a) 내지 약 6.2 바(a) 범위 내에서 작동하는 반면에, 저압 칼럼(74)은 약 1.1 바(a) 내지 약 1.6 바(a)의 압력에서 작동한다. 고압 칼럼(72) 및 저압 칼럼(74)은 바람직하게는 근접한 고압 칼럼(72)의 상부로부터 스트림(73)으로서 추출되는 질소-풍부 증기 칼럼 오버헤드(vapor column overhead)의 전부 또는 일부분이 저압 칼럼(74)의 기부 내에 위치되는 응축기-리보일러(75) 내에서 산소-풍부 액체 칼럼 저부(liquid column bottom)(77)의 비등에 대해 응축되도록 열 전달 관계로 연결된다. 산소-풍부 액체 칼럼 저부(77)의 비등은 저압 칼럼(74) 내에서의 상승 증기 상(ascending vapor phase)의 형성을 개시한다. 응축은 그러한 저압 칼럼(74) 내에서 하강 액체 상(descending liquid phase)의 형성을 개시하기 위해 저압 칼럼(74)을 환류시키는 데 사용될 수 있는 클린 셸프 환류 스트림(83) 및 고압 칼럼(72)을 환류시키는 질소-풍부 스트림(85)으로 분할되는 액체 질소 함유 스트림(81)을 생성한다.
터빈(35)으로부터의 배기 스트림(64)은 트레이(tray)(71)로서 예시된 복수의 물질 전달 접촉 요소(mass transfer contacting element) 내의 그러한 혼합물의 상승 증기 상을, 환류 스트림(85)에 의해 개시되는 하강 액체 상과 접촉시킴으로써 정류를 위해 스트림(47)의 일부분과 함께 고압 칼럼(72) 내로 도입된다. 이는 케틀 액체로도 알려진 미정제 액체 산소 칼럼 저부(86) 및 클린 셸프 스트림(89)으로서 취해지는 질소-풍부 칼럼 오버헤드(87)를 생성한다.
저압 칼럼(74)에 또한, 트레이 또는 구조화된 패킹(structured packing) 또는 랜덤 패킹(random packing) 또는 극저온 공기 분리의 기술 분야의 다른 알려진 요소일 수 있는 복수의 물질 전달 접촉 요소가 제공된다. 저압 칼럼(74) 내의 접촉 요소는 구조화된 패킹(79)으로서 예시된다. 이전에 언급된 바와 같이, 저압 칼럼(74) 내에서 발생하는 분리는 산소-풍부 액체 스트림(90)으로서 추출되는 산소-풍부 액체 칼럼 저부(77) 및 질소 생성물 스트림(95)으로서 추출되는 질소-풍부 증기 칼럼 오버헤드(91)를 생성한다. 도면에 도시된 바와 같이, 산소-풍부 액체 스트림(90)은 펌프(180)를 통해 펌핑되고 펌핑된 액체 산소 생성물(185)로서 취해지거나 주 열 교환기(52)로 지향될 수 있고, 여기서 그것은 기체 산소 생성물 스트림(190)을 생성하도록 가온된다. 또한, 폐기물 질소 스트림(93)이 또한 질소 생성물 스트림(95)의 순도를 제어하도록 저압 칼럼(74)으로부터 추출된다.
질소 생성물 스트림(95) 및 폐기물 스트림(93) 둘 모두는 하나 이상의 서브쿨링 유닛(99A, 99B)으로 통과된다. 제1 서브쿨러 유닛(99A)은 케틀 스트림(88)을 서브쿨링시키도록 설계되고, 생성되는 서브쿨링된 케틀 스트림은 밸브(107) 내에서 팽창되고 응축 매체로서 아르곤 응축기로 도입된다. 제2 서브쿨러 유닛(99B)은 클린 셸프 질소 스트림(83), 및 질소 오버헤드 스트림(87) 드로우 아래에 있는 고압 칼럼(72) 상의 위치로부터 흡인되는 더티 셸프 질소 스트림(84)을 서브쿨링시키도록 설계된다. 서브쿨링된 클린 셸프 질소 스트림(104)의 일부분은 선택적으로 질소 액체 생성물 스트림(98)으로서 취해질 수 있고, 나머지 부분은 팽창 밸브(96)를 통과한 후에 클린 셸프 환류 스트림으로서 저압 칼럼(74) 내로 도입될 수 있다. 서브쿨링된 더티 셸프 질소 스트림(94)은 또한 팽창 밸브(97)를 통과한 후에 더티 셸프 환류 스트림으로서 저압 칼럼(74) 내로 도입될 수 있다. 서브쿨러 유닛(99A) 및 서브쿨러 유닛(99B)은 일반적으로 단일 열 교환기로 함께 조합된다. 그러나, 플랜트 크기 및 다른 요인에 따라, 병렬로 배열되는 다수의 서브쿨러 열 교환기가 있을 수 있다. 또한, 서브쿨러 유닛(99A, 99B)은 흔히 1차 열 교환기(50)와 조합된다. 서브쿨러 유닛(99A, 99B)은 이러한 경우에 1차 열 교환기(52)와 동일한 열 교환기의 저온 단부에 위치된다. 그러면, 병렬인 서브쿨러 유닛(99A, 99B)의 수는 병렬인 1차 열 교환기(52)의 수에 대응한다.
서브쿨러 유닛(99B)은 복수의 밸브, 헤더 도관 또는 매니폴드, 및 하나 이상의 열 교환 코어를 갖는 질소 서브쿨러 시스템(100) 또는 장치를 포함한다. 도 5 내지 도 12를 참조하여 아래에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 질소 서브쿨러 시스템(100)은 바람직하게는 저압 칼럼(74)으로부터 취해지는 폐기물 질소 스트림(93) 및 질소 생성물 스트림(95)과의 간접 열 교환을 통해 클린 셸프 질소 스트림 및 더티 셸프 질소 스트림을 서브쿨링시키도록 구성된다. 질소 서브쿨러 시스템(100)은 클린 셸프 질소로 구성되는 제1 서브쿨링된 질소 환류 스트림(104), 및/또는 더티 셸프 질소로 구성되는 제2 서브쿨링된 질소 환류 스트림(94)을 생성하도록 추가로 구성된다. 클린 셸프 질소로 구성되는 제1 서브쿨링된 질소 환류 스트림(104)의 일부분은 최상부 위치에서 저압 칼럼(74)으로 도입될 수 있는 한편, 더티 셸프 질소로 구성되는 제2 서브쿨링된 질소 환류 스트림(94)은 최상부 위치에 근접한 제1 위치 또는 최상부 위치 아래에 배치되는 제2 위치 중 어느 하나에서 저압 칼럼(74)으로 도입된다.
서브쿨링 유닛(99A, 99B)을 통과한 후에, 질소 스트림(95) 및 폐기물 스트림(93)은 주 또는 1차 열 교환기(52) 내에서 완전히 가온되어 가온된 기체 질소 생성물 스트림(295) 및 가온된 질소 폐기물 스트림(293)을 생성한다. 도시되지 않지만, 가온된 질소 폐기물 스트림(293)은 사전-정화 유닛(28) 내의 흡착제를 재생시키기 위해 사용될 수 있다.
전술된 실시예에 채용되는 아르곤 칼럼 장치는 저압 칼럼과 통합된 아르곤 제거 칼럼으로서 구성될 수 있거나, 별개의 '슈퍼-스테이지식' 아르곤 정류 칼럼일 수 있다. 많은 종래의 극저온 공기 분리 유닛에서 아르곤 생성물을 제조할 때, 증기 중 일부가 외부 미정제 아르곤 또는 '슈퍼스테이지식' 칼럼으로 "우회"되기 때문에 저압 칼럼의 중간 섹션이 전형적으로 충분히 이용되지 않거나(under-utilized) 언로딩되어(unloaded), 증류에 필요한 저압 칼럼의 이러한 충분히 이용되지 않거나 언로딩된 섹션의 유동 면적이 감소될 수 있고 저압 칼럼 섹션의 나머지 부분에 대한 유동 면적보다 약간 더 작을 수 있는 것에 유의하는 것이 중요하다. 그 결과, 주 증류 섹션 및 분할된 아르곤 제거 섹션을 갖는 분리벽형 칼럼(divided wall column)을 저압 칼럼 구조체의 이러한 위치에 설계함으로써 아르곤 제거 칼럼이 실제로 저압 칼럼 구조체의 이러한 충분히 이용되지 않거나 언로딩된 섹션 내에 함께 위치될 수 있다. 그러한 장치에서, 분리벽형 칼럼 바로 아래에 있는 저압 칼럼의 인접 섹션으로부터의 증기의 일부분이 분할된 아르곤 제거 섹션으로 유동한다. 분리벽형 칼럼 장치 바로 아래에 있는 저압 칼럼의 인접 섹션으로부터의 증기의 나머지 부분은 주 증류 섹션으로 상향으로 통과하여 유동한다. 바람직한 분리벽형 칼럼 장치에 관한 설계 상세는 둘 모두 2017년 8월 25일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/550,262호와 제62/550,269호 및 2016년 3월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/057,148호에서 확인될 수 있다.
아르곤 제거 칼럼이 저압 칼럼 구조체 내에 통합된 실시예에서, 칼럼 구조체의 중간 섹션이 바람직하게는 주 증류 섹션 및 분할된 아르곤 제거 섹션을 갖는 분리벽형 칼럼 장치를 포함한다. 분할된 아르곤 제거 섹션은 아르곤 칼럼(76)으로서 도 1 내지 도 4에 예시된다. 저압 칼럼 구조체의 분할된 아르곤 제거 섹션 내에 배치되는 분리벽형 아르곤 칼럼은 저압 칼럼 내의 압력과 유사한 압력으로 작동한다. 분할된 아르곤 제거 섹션은 전형적으로 약 8 부피% 내지 15 부피% 아르곤의 농도를 갖는, 저압 칼럼(74)으로부터의 상향 유동 아르곤 및 산소 함유 증기 공급물(121), 및 아르곤 응축기(78)로부터 수용되는 하향-유동 아르곤 풍부 환류물(reflux)(122)을 수용한다. 분할된 아르곤 칼럼은 산소로부터 아르곤을, 아르곤 부화 오버헤드 증기(123) 및 분리벽형 칼럼 장치 아래에 있는 지점에서 저압 칼럼(74) 내로 방출되거나 복귀되는 산소-풍부 액체 스트림(124)으로 분리시킴으로써 아르곤 및 산소 함유 증기 공급물을 정류하는 역할을 한다. 분리벽형 아르곤 칼럼 장치 내의 물질 전달 접촉 요소(125)는 구조화된 패킹 또는 트레이일 수 있다.
생성되는 아르곤-풍부 증기 오버헤드(123)의 전부 또는 일부분이 이어서 바람직하게는 증기 스트림(126)으로서, 또한 바람직하게는 저압 칼럼(74)의 구조체 내에 배치되는 아르곤 응축기(78)로 지향되고, 여기서 그것은 아르곤-풍부 액체 스트림으로 응축된다. 생성되는 아르곤-풍부 액체 스트림의 일부분이 분할된 아르곤 제거 섹션을 위한 아르곤-풍부 환류 스트림(122)으로서 사용되고, 다른 부분은 선택적으로 비순수 또는 미정제 액체 아르곤 스트림(도시되지 않음)으로 취해질 수 있다. 도시된 실시예에서, 아르곤-풍부 환류 스트림(122)은 다시 아르곤 칼럼(76)의 최상부 부분으로 지향되고, 상승 아르곤 및 산소 함유 증기 공급물(121)과 접촉하는 하강 아르곤 액체 상을 개시한다.
분할된 아르곤 제거 섹션의 높이는 바람직하게는 약 15개 내지 60개의 분리 스테이지, 더욱 바람직하게는 20개 내지 40개의 분리 스테이지를 수용하도록 제한된다. 그러한 제한된 수의 분리 스테이지가 극저온 공기 분리 유닛의 산소 회수를 개선하는 데 필요한 아르곤 정류에 충분하지만, 분할된 아르곤 제거 섹션으로부터 빠져나가는 아르곤 증기 스트림의 생성되는 순도는 최대 1% 질소 불순물과 함께 약 4% 내지 25% 산소, 더욱 바람직하게는 10% 내지 15% 산소에서 비교적 낮다.
아르곤 응축기(78)는 바람직하게는 관류형(once-through) 응축기로서 구성되고, 바람직하게는 저압 칼럼(74) 내부에서, 아르곤 칼럼을 형성하는 저압 칼럼 구조체의 분리벽형 장치 바로 위에 배치된다. 아르곤 응축기(78)의 이러한 위치는 케틀 액체 및 증기를 위한 자연적인 공급 지점(natural feed point), 및 아르곤 오버헤드 증기를 응축시키기 위한 자연적인 지점이다. 그 결과, 이러한 위치는 배관(piping)을 최소화하고 2 상 부분 비등 케틀 스트림을 위한 분리기 용기에 대한 필요성을 회피하기 위해 아르곤 응축기(78)를 수용하기 위한 이상적인 위치이다. 대안적으로, 아르곤 응축기(78)는 저압 칼럼(74)의 최상부 부분 위에 또는 다른 위치에 별개로 배치될 수 있지만, 추가의 배관이 요구될 수 있다.
아르곤 제거 및/또는 회수
아르곤 칼럼으로부터 인출되는 아르곤-풍부 스트림은 비순수 아르곤-풍부 스트림의 전부 또는 일부분을 아르곤 정화 또는 정제 시스템 또는 칼럼으로 방향전환시킴으로써 제거될 수 있거나 회수될 수 있다. 도 1에 도시된 아르곤 제거를 고려하는 실시예에서, 비순수 아르곤-풍부 증기 스트림의 일부분(128)이 아르곤 칼럼(76)으로부터 인출되고, 선택적으로 공기 분리 플랜트(10)에 대한 추가의 냉각을 제공하기 위해 주 열 교환기(52)로 지향되는 폐기물 질소 스트림(193)에 추가되어, 증가된 산소 회수를 허용한다. 이러한 특정 장치는 무 아르곤 작동 모드로 작동하는 공기 분리 플랜트 또는 초기 아르곤 생성물 요구를 갖지 않는 공기 분리 플랜트에 사용하기에 적합하다.
도 2에 도시된 아르곤 회수를 고려하는 실시예에서, 약 4% 내지 25%의 산소 불순물 및 최대 약 1% 질소를 함유하는 비순수 아르곤-풍부 스트림(129)이 아르곤 제거 칼럼(76)으로부터 인출되고, 비순수 아르곤-풍부 스트림(129)을 정제하고 보다 높은 순도의 아르곤 생성물 스트림(135)을 생성하도록 구성되는 다른 아르곤 증류 칼럼(130)으로 방향전환된다. 아르곤 제거 칼럼(76)의 오버헤드로부터 취해지는 비순수 아르곤-풍부 스트림(129)은 아르곤 증류 칼럼(130) 내의 상승 증기로서 도입된다. 아르곤 증류 칼럼(130)은 비순수 아르곤-풍부 스트림을 정류하고 산소-풍부 액체 저부(132), 아르곤-풍부 오버헤드(133), 및 아르곤 생성물 스트림(135)을 생성하도록 구성된다. 산소-풍부 액체 저부(132)는 펌프(137)를 통해 환류 스트림(136)으로서 아르곤 제거 칼럼(76)으로 다시 펌핑된다. 아르곤-풍부 오버헤드(133)는 스트림(138)으로서 아르곤 응축기(178)로 지향되며, 여기서 그것은 케틀 산소(140)의 서브쿨링된 스트림에 대해 응축되고 환류 스트림(139)으로서 아르곤 증류 칼럼(130)의 상부 부분으로 복귀된다. 아르곤 응축기(178)를 빠져나가는 기화된 또는 부분적으로 기화된 산소 스트림(142)은 저압 칼럼(74)으로 복귀된다. 2차 아르곤 증류 칼럼 장치를 이용할 때, 2차 아르곤 증류 칼럼을 증류 칼럼 시스템(70)의 나머지 부분과 통합하거나 결합시키기 위한 다수의 변형이 존재하는 것에 유의하여야 한다. 도 2의 아르곤 생성 시스템에서, 생성물 아르곤 스트림(135)은 아르곤 증류 칼럼(130)으로부터 직접 생성된다. 이러한 방법은 미국 특허 제5,133,790호에 먼저 기술되었다. 대안적으로, 추가의 증류 칼럼이 질소 불순물의 최종 제거를 위해 요구된다.
도 3에 도시된 아르곤 회수를 고려하는 대안적인 실시예에서, 비순수 아르곤-풍부 스트림(129)은 아르곤 칼럼(76)으로부터 인출되고, 전부 또는 일부분이 스트림(144)으로서 흡착 기반 아르곤 정화/정제 시스템(150)으로 방향전환된다. 시스템(150)은 도 1에 예시된 바와 같은 무 아르곤 생성 시스템을 아르곤 생성 시스템으로 변경하기 위해 가장 흔히 구현된다. 따라서, 아르곤 칼럼(76)으로부터 인출되는 비순수 아르곤-풍부 스트림(129)의 전부가 스트림(144)으로서 아르곤 정화/정제 시스템(150)으로 방향전환된다. 장치(160)는 블라인드 플랜지(blind flange)와 같은 반-영구적 격리 장치를 도시한다. 그러나, 장치(160)는 대안적으로 공기 분리 플랜트(10)가 아르곤 생성 모드 및 무 아르곤 생성 모드로 작동할 수 있도록 밸브이다.
흡착 기반 아르곤 정화/정제 공정은 액체 상 흡착 공정 또는 증기 상 흡착 공정일 수 있다. 액체 상 흡착 기반 정화/정제 공정에서, 비순수 아르곤-풍부 액체 스트림이 아르곤 응축 조립체로부터 인출되고, 미국 특허 제9,222,727호에 전반적으로 교시된 바와 같이, 아르곤-풍부 액체 스트림의 일부분을 액체 상 흡착 기반 아르곤 정화/정제 시스템으로 방향전환시킴으로써 회수될 수 있다.
도 3에 도시된 증기 상 흡착 기반 아르곤 정화/정제 시스템(150)은 비순수 아르곤-풍부 스트림(144)으로부터 산소 불순물 및 선택적으로 질소 불순물을 제거하도록 설계되는 흡착제를 함유하는 하나 이상의 흡착제 베드를 포함한다. 비순수 아르곤-풍부 스트림(144)의 압력 상승은, 필요할 경우, 압축기 또는 펌프(도시되지 않음)로 달성된다. 바람직한 실시예에서, 불순물의 흡착은 흡착, 균등화(equalization), 감압(blowdown), 및 가압을 포함하는 일련의 공정 단계로 정화된 아르곤 증기 스트림(145)으로서 전달될 수 있는 정화된 아르곤 스트림을 생성한다. 당업계에 잘 알려져 있는 바와 같이, 흡착 기반 아르곤 정제 또는 정화 시스템은 일반적으로 비순수 아르곤-풍부 스트림(144)이 하나 이상의 흡착제 베드 내에서 정화되는 온-라인 단계 및 흡착제 베드 내에 함유된 흡착제가 흡착된 불순물의 탈착을 통해 재생되는 오프-라인 단계를 갖는 교번 흡착 사이클을 채용한다. 선택적으로, 감압 기체의 일부분이 스트림(146)으로서 다시 아르곤 제거 칼럼(76)으로 재순환될 수 있다.
도 4에 도시된 아르곤 회수를 위한 또 다른 대안적인 실시예에서, 비순수 아르곤-풍부 스트림(129)은 아르곤 칼럼(76)으로부터 인출되고, 스트림(146)으로서 고 순도 아르곤 생성물(165)을 생성하는 촉매 데옥소 기반 아르곤 정화/정제 시스템(160)으로 방향전환된다.
클린 셸프 질소 환류 대 더티 셸프 질소 환류
공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로의 서브쿨링된 질소-풍부 환류 스트림의 유동을 증가시키는 것은 생성물 회수, 특히 아르곤 회수에 유익하다. 따라서, 보다 낮은 셸프 질소 증기 드로우는 주 응축기 내에서의 보다 높은 환류 유동 및 보다 큰 비등률(boil up rate)로 인해 회수를 증가시킨다. 회수 개선의 수준은 환류 스트림 내의 질소 순도에 의해 또한 영향을 받는다. 환류 스트림 내의 보다 높은 질소 순도는 일반적으로 보다 높은 아르곤 회수를 생성한다. 클린 셸프 질소는 더티 셸프 질소보다 아르곤 함량이 훨씬 더 낮으며, 따라서 보다 높은 질소 순도를 갖는다. 보다 많은 클린 셸프 질소가 저압 칼럼에 대한 환류 스트림으로서 사용되면, 폐기물 질소 스트림 내에서 손실되는 아르곤은 상당히 감소된다.
클린 셸프 질소 증기는 바람직하게는 고압 칼럼의 상부로부터 흡인되고 주 응축기 리보일러 내에서 응축되어 클린 셸프 질소를 생성하고, 그 중 일부분이 저압 칼럼에 대한 환류 스트림으로서 사용된다. 생성물 품질 탑 햇(top hat) 질소가 생성물 질소 스트림으로서 저압 칼럼으로부터 인출되는 경우, 일부 클린 셸프 질소 환류가 항상 요구될 것이다. 클린 셸프 질소보다 낮은 질소 순도를 갖는 더티 셸프 질소가 고압 칼럼의 상부 아래의 고압 칼럼의 수개의 스테이지로부터 인출된다. 더티 셸프 질소 드로우의 위치는 저 아르곤 또는 무 아르곤 생성 모드 중에 전력 절감을 최대화하도록 최적화될 수 있다. 고압 칼럼은 클린 셸프 질소보다 큰 더티 셸프 질소의 유량을 생성할 수 있다. 이는 저압 칼럼에 대한 더티 셸프 질소 환류의 사용을 위한 전력 절감으로 이어진다.
클린 셸프 질소 대 더티 셸프 질소의 비는 공기 분리 유닛으로부터의 요구되는 아르곤 생성에 부합하도록 그리고 관련 공정 효율을 최적화하도록 조절될 수 있다. '고 아르곤' 회수 작동 모드에서, 공정은 전형적으로 보다 높은 클린 셸프 질소 유동을 필요로 하는 반면, '저 아르곤' 회수 작동 모드 또는 '무 아르곤' 회수 작동 모드에서, 보다 높은 백분율의 더티 셸프 질소가 저압 칼럼으로 지향되는 환류 스트림의 일부로서 사용될 수 있다. 저압 칼럼으로 지향되는 환류 스트림 내의 보다 높은 함량의 더티 셸프 질소의 사용은 공기 분리 유닛의 전력 소비를 상당히 감소시키고 전체 공정 효율을 개선한다. 예를 들어, 최저 전력 소비는 일반적으로 저압 칼럼 내에서 환류로서 사용하기 위한 고압 칼럼으로부터의 더티 셸프 질소 드로우가 최대화될 때 발생할 것이다.
달리 말하면, 아르곤 생성물 제조에서의 유연성은 저압 칼럼에 대한 총 환류 스트림을 구성하는 클린 셸프 질소 대 더티 셸프 질소의 비를 변화시킴으로써 달성된다. 저압 칼럼에 대한 총 환류 스트림을 구성하는 클린 셸프 질소 대 더티 셸프 질소의 비를 제어하는 것은 하기 단락에 기술되는 바와 같은 특정 서브쿨러 장치로 달성될 수 있다.
이제 도 5 내지 도 12를 참조하면, 공기 분리 유닛 서브쿨러(100)를 위한 전반적인 배관 구성 및 뱅킹(banking) 장치가 각각의 도면에서 동일하거나 유사한 아이템을 나타내기 위해 동일한 도면 부호를 사용하여 도시된다. 도 5 및 도 6에 예시된 실시예는 공기 분리 유닛의 서브쿨러를 위해 8개의 열 교환 코어를 사용하지만, 더 적거나 더 많은 열 교환 코어가 채용될 수 있다. 도 5 내지 도 12의 표현은 서브쿨러 유닛(99B)에 대한 것이다. 전술된 바와 같이, 서브쿨러 유닛(99B)은 보통 서브쿨러 유닛(99A)과 조합되고, 이들 둘 모두는 흔히 1차 열 교환기(52)와 조합된다. 도 5는 공기 분리 유닛이 '무 아르곤' 작동 모드 또는 '저 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 열 교환기 코어를 통한 클린 셸프 질소 및 더티 셸프 질소의 각각의 유동을 도시한다. 도 6은 공기 분리 유닛이 '고 아르곤' 작동 모드로 작동하고 있을 때 동일한 열 교환기 코어를 통한 클린 셸프 질소 및 더티 셸프 질소의 각각의 유동을 도시한다. 도 5 및 도 6의 더티 셸프 질소 스트림 및 클린 셸프 질소 스트림 둘 모두는 폐기물 질소 스트림(193) 및 기체 질소 생성물 스트림(195)과의 간접 열 교환을 통해 열 교환 코어 내에서 서브쿨링된다.
도 5에 도시된 '무 아르곤' 작동 모드 또는 '저 아르곤' 작동 모드에서, 열 교환기 코어의 대략 62.5%가 더티 셸프 질소(84)를 서브쿨링하는 데 전용되는 반면, 열 교환기 코어(120)의 대략 37.5%가 클린 셸프 질소(83)를 서브쿨링하는 데 전용된다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 밸브(110, 210)는 '개방' 위치로 설정되는 한편 밸브(112, 212)는 '폐쇄' 위치로 설정되어, 8개의 서브쿨러 코어들 중 5개가 입구 매니폴드(115)로부터 열 교환 코어를 통해 출구 매니폴드(215)로 더티 셸프 질소를 통과시키고 8개의 서브쿨러(99A) 코어들 중 3개가 입구 매니폴드(115)로부터 열 교환 코어를 통해 출구 매니폴드(215)로 클린 셸프 질소를 통과시킨다.
반대로, 도 6에 도시된 '고 아르곤' 작동 모드에서, 열 교환기 코어의 대략 12.5%가 더티 셸프 질소(84)를 서브쿨링하는 데 전용되는 반면, 열 교환기 코어의 대략 87.5%가 클린 셸프 질소(83)를 서브쿨링하는 데 전용된다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 밸브(110, 210)는 '폐쇄' 위치로 설정되는 한편 밸브(112, 212)는 '개방' 위치로 설정되어, 8개의 서브쿨러 코어들 중 1개가 입구 매니폴드(115)의 일 섹션으로부터 열 교환 코어(120)를 통해 출구 매니폴드(215)의 일 섹션으로 더티 셸프 질소(84)를 통과시키고 8개의 서브쿨러 코어들 중 7개가 입구 매니폴드(115)로부터 열 교환 코어(120)를 통해 출구 매니폴드(215)의 일 섹션으로 클린 셸프 질소(83)를 통과시킨다.
더티 셸프 질소(84)는 고압 칼럼(72) 내의 드로우 지점으로부터 입구 매니폴드(115)의 일 섹션으로 수용되며, 여기서 그것은 서브쿨러 코어들(120) 중 하나 이상 사이에 분배되고 이어서 출구 매니폴드(215)의 일 섹션으로부터 인출되고, 재조합되고, 그것이 저압 칼럼(74) 내의 공급 지점까지 파이프 내에서 유동하기 전에 밸브(97)로 통과된다. 마찬가지로, 클린 셸프 질소는 스트림(83)으로서 입구 매니폴드(115)의 일 섹션으로 수용되며, 여기서 그것은 서브쿨러 코어들(120) 중 하나 이상 사이에 분배되고 이어서 출구 매니폴드(215)의 일 섹션으로부터 인출된다. 서브쿨링된 클린 셸프 질소(83)의 일부분이 그것이 저압 칼럼(74) 내의 공급 지점까지 파이프 내에서 유동하기 전에 밸브(96)로 통과되는 한편, 클린 셸프 질소의 나머지 부분은, 존재할 경우, 제어 밸브(101)로 통과되고 액체 질소 생성물 스트림(98)으로서 취해진다.
예시된 실시예에 도시된 밸브는 바람직하게는 완전히 개방될 때 매우 낮은 압력 강하를 나타내는 게이트 밸브(gate valve), 볼 밸브(ball valve), 또는 다른 유형의 밸브이다. 완전히 개방될 때 매우 낮은 압력 강하를 나타내는 밸브를 사용하는 것은 임의의 상당한 압력 강하가 열 교환 코어들 사이에서의 셸프 액체의 분배를 손상시키는 경향이 있을 수 있기 때문에 중요하다. 마찬가지로, 밸브는 수동 밸브일 수 있거나, 다양한 작동 모드들 사이에서의 전환이 더욱 빈번하게 수행될 것으로 예상되는 경우 자동 온-오프 밸브일 수 있다. 단일 밸브가 도시되지만, 각각의 밸브는 대신에 산업계에서 잘 알려져 있는 "블록 앤드 블리드(block and bleed)" 장치로 불리는 밸브의 조합일 수 있다. 그러한 구성은 누출 가능성을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 블라인드 플랜지 또는 "스펙터클(spectacle)" 블라인드 플랜지가 밸브 대신에 사용될 수 있다.
도 7 및 도 8은 8개의 열 교환기 코어 뱅크식(banked) 서브쿨러 장치의 다른 예를 도시한다. 도 7에 도시된 '무 아르곤' 작동 모드 또는 '저 아르곤' 작동 모드에서, 더티 셸프 질소(84) 및 클린 셸프 질소(83) 유동은 도 5를 참조하여 위에서 논의된 바와 동일한 방식으로 분할되며, 이때 8개의 열 교환 코어들(120) 중 5개가 더티 셸프 질소에 대해 지정된다. 밸브(111, 211)는 '개방' 위치로 설정되는 한편 밸브(112, 212)는 '폐쇄' 위치로 설정되어, 8개의 열 교환 코어들 중 단지 3개가 입구 매니폴드(115)로부터 열 교환 코어(120)를 통해 출구 매니폴드(215)로 클린 셸프 질소(83)를 통과시킨다.
그러나, 도 8에 전반적으로 도시된 '고 아르곤' 작동 모드에서, 모든 서브쿨러 열 교환 코어(120)는 입구 매니폴드(115)로부터 클린 셸프 질소(83)를 수용하도록 그리고 서브쿨링된 클린 셸프 질소(83)를 출구 매니폴드로 통과시키도록 구성된다. 따라서, 밸브(111, 211)는 입구 매니폴드(115) 및 출구 매니폴드(215) 내보다는 주 더티 셸프 질소 도관 내에 배치되고, '고 아르곤' 작동 모드의 이러한 실시예에서 더티 셸프 질소(84)가 사용되지 않도록 '폐쇄' 위치에 있다. 도 6의 실시예와 유사하게, 서브쿨링된 클린 셸프 질소(83)의 일부분이 그것이 저압 칼럼(74) 내의 공급 지점까지 파이프 내에서 유동하기 전에 밸브(96)로 통과되는 한편, 클린 셸프 질소의 나머지 부분은, 존재할 경우, 제어 밸브(101)로 통과되고 액체 질소 생성물 스트림(98)으로서 취해질 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시된 실시예는 크로스-타이식 셸프 전달 라인(cross-tied shelf transfer line)을 구비한 8개의 열 교환기 코어 뱅크식 서브쿨러 장치의 다른 예를 도시한다. 이러한 실시예는, 셸프 전달 라인(201)과, 셸프 전달 밸브(203, 205) 및 출구 매니폴드(215)로부터 저압 칼럼(74)으로의 2개의 별개의 전달 도관(216, 217)과 저압 칼럼(74)으로의 별개의 공급 지점(202, 204, 206, 208)이 존재한다는 점에서, 도 5 및 도 6에 도시된 실시예와 상이하다.
도 9에 도시된 '무 아르곤' 작동 모드 또는 '저 아르곤' 작동 모드에서, 더티 셸프 질소(84) 및 클린 셸프 질소(83) 유동은 클린 셸프 질소(83)에 대해 지정된 8개의 열 교환 코어들(120) 중 3개 및 더티 셸프 질소(84)에 대해 지정된 8개의 열 교환 코어들(120) 중 5개에 의해 분할된다. 이들 작동 모드에서, 전달 밸브(203)는 '개방' 위치에 있는 한편, 전달 밸브(205)는 '폐쇄' 위치에 있다. 클린 셸프 질소(83)는 전달 밸브(203) 및 밸브(218)를 가진 소직경 도관(216)으로의 셸프 전달 라인(201)을 통해 저압 칼럼(74)으로 지향되고 최상부 위치(202)에서 저압 칼럼(74) 내로 도입된다. 더티 셸프 질소(84)는 밸브(219)를 가진 대직경 도관(217)을 통해 저압 칼럼(74)으로 지향되고 최상부 위치(202) 아래에 있는 제2 위치(208)에서 저압 칼럼(74) 내로 도입된다.
도 10에 도시된 '고 아르곤' 작동 모드에서, 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소 유동은 클린 셸프 질소(83)에 대해 지정된 8개의 열 교환 코어들(120) 중 7개 및 더티 셸프 질소(84)에 대해 지정된 8개의 열 교환 코어들(120) 중 1개에 의해 분할된다. 전달 밸브(203)는 '폐쇄' 위치에 있는 한편, 전달 밸브(205)는 '개방' 위치에 있다. 클린 셸프 질소(83)는 밸브(219)를 가진 대직경 도관(217)을 통해 저압 칼럼(74)으로 지향되고 최상부 위치(204)에서 저압 칼럼(74) 내로 도입된다. 더티 셸프 질소(84)는 밸브(218)를 가진 소직경 도관(216)으로 전달 밸브(205)로 지향되고 최상부 위치(202) 아래에 있는 제2 위치(206)에서 저압 칼럼(74) 내로 도입된다. 바람직하게는, 클린 셸프 질소는 저압 칼럼의 탑 햇 위의 지점에서 공급되도록 밸브로 조절(valved)되어야 하는 반면, 더티 셸프 스트림은 폐기물 질소 드로우와 동일한 위치에 근접한 지점에서 공급되도록 밸브로 조절되어야 한다. 도관 직경은 바람직하게는 설계 유동 범위 전체에 걸쳐 안정된 유동을 달성하도록 선택된다. 예를 들어, 도 9 및 도 10의 실시예에서, 소직경 파이프는 약 3:1의 유동 범위로 설계되고 대직경 파이프는 약 5:7의 유동 범위로 설계되어 목표 유동 범위에서 이들 도관을 통한 안정된 2 상 유동을 보장할 것이다.
도 11 및 도 12는 병렬 및 뱅크식 서브쿨러 장치의 다른 예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 2개의 병렬 서브쿨러 및 관련 열 교환기 코어는 동일하게 구성될 필요가 없다. 도 11에 전반적으로 도시된 바와 같은 '무 아르곤' 작동 모드 또는 '저 아르곤' 작동 모드로 이러한 장치를 사용하여, 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소 유동은 더티 셸프 질소(84)에 대해 지정된 4개의 유동 경로들 중 3개에 의해 분할된다. 밸브(110, 210)는 '개방' 위치로 설정되는 한편 밸브(112, 212)는 '폐쇄' 위치로 설정되어, 나머지 유동 경로(120)를 통한 유동은 클린 셸프 질소(83)이다. 반면에, 도 12에 전반적으로 도시된 바와 같은 '고 아르곤' 작동 모드로 이러한 장치를 사용하여, 유동 경로(120)의 대부분은 클린 셸프 질소(83)를 서브쿨링하는 데 전용되는 한편, 나머지 유동 경로(120)는 더티 셸프 질소(84)를 서브쿨링한다. 밸브(110, 210)는 '폐쇄' 위치로 설정되는 한편 밸브(112, 212)는 '개방' 위치로 설정된다.
도 11 및 도 12의 실시예에서 클린 셸프 질소(83)와 더티 셸프 질소(84) 사이의 원하는 유동 분할을 달성하기 위해, 분할 헤더(221, 222)가 병렬 뱅크식 서브쿨러들 각각에 대해 사용된다. 도 11 및 도 12의 병렬 뱅크식 서브쿨러 장치는 제1 서브쿨러 내의 셸프 질소 유동을 25.0% 및 75.0% 분획물로 분할하기 위한 제1 분할 헤더(221) 및 제2 서브쿨러 내의 셸프 질소 유동을 50.0% 및 50.0% 분획물로 분할하기 위한 제2 분할 헤더(222)를 갖는다. 더티 셸프 질소와 클린 셸프 질소 사이의 매우 유연한 분할 또는 심지어 맞춤화된 분할을 허용할 병렬, 뱅크식 서브쿨러 장치의 적합한 매니폴딩(manifolding)이 고려된다. 도 11 및 도 12에 기술된 서브쿨러 유닛 내의 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 배분(apportionment)이 단일 코어에 대해 그리고 2개 초과의 코어에 대해 적용될 수 있는 것에 유의한다. 기술된 맞춤화된 분할 헤더 설계가 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 원하는 유동 분할을 달성하는 데 바람직하지만, 서브쿨러의 맞춤화된 설계가 대안적으로 각각의 모드에 대한 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 유동을 배분하기 위해 사용될 수 있는 것에 또한 유의하여야 한다. 그러나, 분할 헤더 설계를 맞춤화함으로써, 각각의 서브쿨러의 설계는 맞춤화될 필요가 없다. 마지막으로, 뱅크식 병렬 서브쿨러들 사이의 배분된 더티 셸프 액체 및 클린 셸프 액체 유동의 설명에 내포된 것은 2개의 스트림의 열적 등가(thermal equivalence)이다. 더티 셸프 액체 및 클린 셸프 액체가 정확히 열적으로 등가인 것은 아니지만, 그들은 매우 유사하며 열적으로 등가인 것으로 취급될 수 있다.
예
아르곤의 유연한 회수를 위한 본 시스템 및 방법의 다양한 실시예에 대해, 다양한 공기 분리 유닛 작동 모델을 사용하여 다수의 공정 시뮬레이션을 실행하여, (i) 대형 산소 생성 공기 분리 유닛에서의 전체 전력 소비/절감 및 아르곤 회수에 대한 '저 아르곤' 작동 모드와 '고 아르곤' 작동 모드 사이의 이동의 영향;(ii) 대형 산소 생성 공기 분리 유닛에서의 전력 소비/절감 및 아르곤 회수에 대한 드로잉 셸프 증기(drawing shelf vapor)의 영향; 및 (iii) 대형 산소 생성 공기 분리 유닛의 전력 소비/절감 및 아르곤 회수에 대한 저압 칼럼으로의 환류 스트림으로서 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 다양한 분할을 사용하는 것의 영향을 특성화하였다.
표 1은 전술된 본 시스템 및 관련 방법에 대한 컴퓨터 기반 공정 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 공정 시뮬레이션에 대해, 하부 칼럼 터빈을 갖는 1300 톤/일(ton per day, TPD) 펌핑식 액체 산소 플랜트를 시뮬레이션하였다. 모델링 파라미터는 상이한 선택된 공기 분리 유닛 작동 모드(즉, '저 아르곤' 모드 및 '고 아르곤' 모드) 및 선택된 액체 생성물 제조를 포함하였다. 그러한 파라미터 선택은 더티 셸프 질소 비(즉, 환류 스트림 내에 사용된 더티 셸프 질소의 몰 유량을 환류 스트림 내에 사용된 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 몰 유량의 합으로 나눈 것)를 변화시키는 것, 및 셸프 증기 비(즉, 기체 질소 생성물로서 인출된 셸프 증기의 몰 유량을 저압 칼럼으로부터 취해진 액체 산소의 몰 유량으로 나눈 것)를 변화시키는 것을 수반하였다.
[표 1]
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표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 주어진 생성물 슬레이트(slate), 즉 6% 액체, 및.49의 더티 셸프 비 및.78의 셸프 증기 비를 가진 '저 아르곤' 작동 모드의 선택에 대해; 아르곤 회수는 단지 67%이지만, 고압 칼럼으로부터 취해진 셸프 증기가 없고 모든 클린 셸프 질소가 저압 칼럼으로의 환류로서 사용된 기본 경우와 비교하여 8.1%의 전력 절감이 실현될 수 있다. 동일한 생성물 슬레이트, 즉 6% 액체, 및.15의 더티 셸프 비 및.19의 셸프 증기 비를 가진 '고 아르곤' 작동 모드의 선택에 대해; 아르곤 회수는 약 93%이지만, 고압 칼럼으로부터 취해진 셸프 증기가 없고 모든 클린 셸프 질소가 저압 칼럼으로의 환류로서 사용된 기본 경우와 비교하여 단지 3.2%의 보다 낮은 전력 절감을 갖는다.
단지 2% 액체의 주어진 생성물 슬레이트 및.47의 더티 셸프 비 및.74의 셸프 증기 비를 가진 '저 아르곤' 작동 모드로 작동하는 공기 분리 유닛에 대해; 아르곤 회수는 단지 68%이지만, 고압 칼럼으로부터 취해진 셸프 증기가 없고 모든 클린 셸프 질소가 저압 칼럼으로의 환류로서 사용된 기본 경우와 비교하여 6.9%의 전력 절감이 실현될 수 있다. 동일한 생성물 슬레이트, 즉 2% 액체 및.30의 더티 셸프 비 및.33의 셸프 증기 비를 가진 '고 아르곤' 작동 모드의 선택에 대해; 아르곤 회수는 약 88%이지만, 고압 칼럼으로부터 취해진 셸프 증기가 없고 모든 클린 셸프 질소가 저압 칼럼으로의 환류로서 사용된 기본 경우와 비교하여 단지 3.5%의 보다 낮은 전력 절감을 갖는다.
위의 예가 단지 예시 목적을 위한 것임에 유의하여야 한다. 결과는 다수의 요인, 예를 들어 공기 분리 공정 및 설계의 세부 사항, 요구되는 생성물, 전력 비용, 및 아르곤의 시장 가치에 따라 매우 상이할 수 있다.
공기 분리 유닛 내에서의 아르곤의 유연한 회수를 위한 본 시스템이 하나 이상의 바람직한 실시예 및 그와 관련된 방법을 참조하여 개시되었지만, 당업자가 생각할 수 있을 바와 같이, 다수의 변경 및 생략이 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.

Claims (29)

  1. 공기 분리 유닛(air separation unit)으로서,
    압축되고 정화된 공기 스트림(compressed and purified air stream)을 생성하도록 구성되는 주 공기 압축 시스템 - 압축되고 정화된 공기 스트림은 적어도 압축되고 정화된 공기 스트림의 제1 부분 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분으로 분할됨 -;
    부스팅 압력 공기 스트림(boosted pressure air stream)을 생성하기 위해 압축되고 정화된 공기 스트림의 제1 부분을 추가로 압축시키도록 구성되는 부스터 압축기 장치(booster compressor arrangement);
    부스팅 압력 공기 스트림을 냉각시키도록 그리고 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분을 부분적으로 냉각시키도록 구성되는 주 열 교환 시스템;
    배기 스트림(exhaust stream)을 형성하기 위해 압축되고 정화된 공기 스트림의 부분적으로 냉각된 제2 부분을 팽창시키도록 구성되는 터보팽창기 장치(turboexpander arrangement);
    응축기 리보일러(condenser reboiler)를 통해 열 전달 관계로 연결되는 고압 칼럼(higher pressure column)과 저압 칼럼(lower pressure column) 및 저압 칼럼과 작동식으로 결합되는 아르곤 칼럼 장치(argon column arrangement)를 갖는 증류 칼럼 시스템(distillation column system) - 증류 칼럼 시스템은 고압 칼럼 내에 부스팅 압력 공기 스트림의 제1 부분을, 저압 칼럼 내에 부스팅 압력 공기 스트림의 제2 부분을, 그리고 고압 칼럼 또는 저압 칼럼 내에 배기 스트림을 수용하도록 구성되고, 배기 스트림은 증류 칼럼 시스템에 냉각을 부여하고,
    증류 칼럼 시스템은 저압 칼럼으로부터 추출되는 산소-풍부 액체(oxygen-rich liquid)로부터 하나 이상의 산소 생성물, 및 부스팅 압력 공기 스트림, 배기 스트림, 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분의 극저온 정류(cryogenic rectification)를 통해 아르곤 생성물을 생성하도록 추가로 구성됨 -; 및
    복수의 밸브, 헤더 도관(header conduit) 또는 매니폴드(manifold), 및 하나 이상의 열 교환 코어(heat exchanging core)를 갖는 질소 서브쿨러 시스템(nitrogen subcooler system) - 질소 서브쿨러 시스템은 저압 칼럼으로부터의 하나 이상의 질소 스트림과의 간접 열 교환을 통해 클린 셸프 질소 스트림(clean shelf nitrogen stream) 및 더티 셸프 질소 스트림(dirty shelf nitrogen stream)을 냉각시키고 클린 셸프 질소로 구성되는 제1 질소 환류 스트림(nitrogen reflux stream) 및 더티 셸프 질소로 구성되는 제2 질소 환류 스트림을 생성하도록 구성되고, 총 질소 환류 스트림이 제1 질소 환류 스트림 및 제2 질소 환류 스트림으로 구성됨 - 을 포함하고,
    공기 분리 유닛으로부터의 하나 이상의 산소 생성물 및 아르곤 생성물의 회수는 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 백분율을 변화시킴으로써 조절되는, 공기 분리 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 증류 칼럼 시스템은 클린 셸프 질소의 일부분으로 구성되는 액체 질소 생성물 스트림을 생성하도록 추가로 구성되고, 공기 분리 유닛으로부터의 하나 이상의 산소 생성물, 질소 생성물, 및 아르곤 생성물의 회수는 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 백분율을 변화시킴으로써 조절되는, 공기 분리 유닛.
  3. 제2항에 있어서, 고압 칼럼으로부터의 질소 오버헤드(nitrogen overhead)의 일부분이 증류 칼럼 시스템으로부터 주 열 교환기 시스템으로 방향전환되고, 질소 오버헤드의 방향전환된 부분은 부스팅 압력 공기 스트림 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분과의 간접 열 교환을 통해 기체 질소 생성물 스트림을 형성하도록 주 열 교환 시스템 내에서 가온되는(warmed), 공기 분리 유닛.
  4. 제3항에 있어서, 아르곤 회수는 증류 칼럼 시스템으로부터 주 열 교환기 시스템으로 방향전환되는 질소 오버헤드의 양을 변화시킴으로써 조절되는, 공기 분리 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 질소 생성물은 기체 질소 생성물 스트림 및 액체 질소 생성물 스트림을 추가로 포함하는, 공기 분리 유닛.
  6. 제1항에 있어서, 클린 셸프 질소로 구성되는 제1 질소 환류 스트림은 최상부 위치에서 저압 칼럼으로 도입되고, 더티 셸프 질소로 구성되는 제2 질소 환류 스트림은 최상부 위치에 있는 제1 위치에서 또는 최상부 위치 아래에 있는 제2 위치에서 저압 칼럼으로 도입되는, 공기 분리 유닛.
  7. 제6항에 있어서, 제2 위치는 폐기물 질소 증기 드로우(waste nitrogen vapor draw)에 근접한, 공기 분리 유닛.
  8. 제6항에 있어서, 더티 셸프 질소로 구성되는 제2 질소 환류 스트림은 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 백분율이 100%일 때 제1 위치에서 저압 칼럼으로 도입되는, 공기 분리 유닛.
  9. 제6항에 있어서, 더티 셸프 질소로 구성되는 제2 질소 환류 스트림은 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 백분율이 100% 미만일 때 제2 위치에서 저압 칼럼으로 도입되는, 공기 분리 유닛.
  10. 제1항에 있어서, 펌핑된 액체 산소 스트림을 생성하기 위해 저압 칼럼으로부터의 산소-풍부 액체를 펌핑하도록 구성되는 펌프를 추가로 포함하고, 펌핑된 액체 산소 스트림의 적어도 일부가 부스팅 압력 공기 스트림 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분과의 간접 열 교환을 통해 기체 산소-풍부 생성물을 형성하도록 주 열 교환 시스템 내에서 가온되는, 공기 분리 유닛.
  11. 제10항에 있어서, 펌핑된 액체 산소 스트림의 일부분이 액체 산소 생성물 스트림으로서 취해지는, 공기 분리 유닛.
  12. 제1항에 있어서, 질소 서브쿨러 시스템은,
    더티 셸프 질소 스트림을 수용하도록 구성되는 제1 입구;
    클린 셸프 질소 스트림을 수용하도록 구성되는 제2 입구;
    제1 입구 및 제2 입구에 결합되고 제1 입구로부터 더티 셸프 질소 스트림을 그리고 제2 입구로부터 클린 셸프 질소 스트림을 수용하도록 구성되는 헤더 도관;
    저압 칼럼으로부터의 하나 이상의 질소 스트림과의 간접 열 교환을 통해 클린 셸프 질소 스트림 및 더티 셸프 질소 스트림의 부분들을 냉각시키도록 구성되는, 헤더 도관에 결합되는 하나 이상의 열 교환기 코어;
    각각의 열 교환기 코어가 별개의 통로 내에 더티 셸프 질소 스트림의 일부분 및 클린 셸프 질소 스트림의 일부분을, 또는 더티 셸프 질소 스트림의 일부분을, 또는 클린 셸프 질소 스트림의 일부분을 수용하도록 클린 셸프 질소 스트림으로부터 더티 셸프 질소 스트림을 분리하도록 구성되는, 헤더 도관 내에 배치되는 하나 이상의 밸브;
    클린 셸프 질소를 냉각시키는 열 교환기 코어로부터 클린 셸프 질소를 수용하도록 구성되는 클린 셸프 출구 회로 - 클린 셸프 출구 회로는 클린 셸프 질소 스트림을 최상부 위치에서 저압 칼럼으로 지향시키도록 작동식으로 구성되는 하나 이상의 밸브를 가짐 -; 및
    더티 셸프 질소를 냉각시키는 열 교환기 코어로부터 더티 셸프 질소를 수용하도록 구성되는 더티 셸프 출구 회로 - 더티 셸프 출구 회로는 더티 셸프 질소 스트림을 최상부 위치에 있는 제1 위치에서 또는 최상부 위치 아래에 있는 제2 위치에서 저압 칼럼으로 지향시키도록 작동식으로 구성되는 하나 이상의 밸브를 가짐 - 를 추가로 포함하는, 공기 분리 유닛.
  13. 제12항에 있어서, 질소 서브쿨러 시스템은 1개의 열 교환기 코어 내지 12개의 열 교환기 코어를 추가로 포함하는, 공기 분리 유닛.
  14. 제1항에 있어서, 아르곤 칼럼 장치는 저압 칼럼의 일부분에 인접하게 그리고 저압 칼럼 구조체 내에 배치되는 아르곤 제거 칼럼(argon rejection column)을 추가로 포함하는, 공기 분리 유닛.
  15. 제1항에 있어서, 아르곤 칼럼 장치는,
    저압 칼럼으로부터 흡인되는 산소-아르곤 함유 스트림을 정류하고 미정제(crude) 아르곤 스트림을 생성하도록 구성되는 아르곤 증류 칼럼;
    기화된 또는 부분적으로 기화된 응축 매체를 저압 칼럼의 중간 위치로 방출하거나 지향시키면서 아르곤 증류 칼럼으로의 환류로서 아르곤-풍부 액체를 생성하도록 고압 칼럼으로부터의 서브쿨링된 케틀 산소(subcooled kettle oxygen)의 응축 스트림을 사용하여 아르곤-풍부 증기 스트림을 응축시키도록 구성되는 아르곤 응축기; 및
    아르곤 증류 칼럼으로부터 미정제 아르곤 스트림을 수용하고 아르곤 생성물 스트림을 생성하도록 구성되는 아르곤 정제 시스템(argon refining system)을 추가로 포함하는, 공기 분리 유닛.
  16. 제15항에 있어서, 아르곤 정제 시스템은 액체 상 아르곤 흡착 시스템(liquid phase argon adsorption system)을 추가로 포함하는, 공기 분리 유닛.
  17. 제15항에 있어서, 아르곤 정제 시스템은 기체 상 아르곤 압력 스윙 흡착 시스템(gaseous phase argon pressure swing adsorption system)을 추가로 포함하는, 공기 분리 유닛.
  18. 제15항에 있어서, 아르곤 정제 시스템은 촉매 데옥소 시스템(catalytic deoxo system)을 추가로 포함하는, 공기 분리 유닛.
  19. 제15항에 있어서, 아르곤 정제 시스템은 슈퍼스테이지식(superstaged) 아르곤 증류 칼럼을 추가로 포함하고, 아르곤 응축기 내에서 응축되는 아르곤-풍부 증기 스트림은 슈퍼스테이지식 아르곤 증류 칼럼으로부터의 아르곤-풍부 증기 오버헤드 스트림인, 공기 분리 유닛.
  20. 공기 분리 유닛 내에서 하나 이상의 산소 생성물, 하나 이상의 질소 생성물, 및 아르곤 생성물을 생성하는 방법으로서,
    주 공기 압축 시스템 내에서 압축되고 정화된 공기의 스트림을 생성하는 단계;
    압축되고 정화된 공기의 스트림을 적어도 압축되고 정화된 공기 스트림의 제1 부분 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분으로 분할하는 단계;
    부스팅 압력 공기 스트림을 생성하기 위해 부스터 압축기 장치 내에서 압축되고 정화된 공기 스트림의 제1 부분을 추가로 압축시키는 단계;
    주 열 교환 시스템 내에서 부스팅 압력 공기 스트림을 냉각시키고 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분을 부분적으로 냉각시키는 단계;
    배기 스트림을 형성하기 위해 터보팽창기 장치 내에서 압축되고 정화된 공기 스트림의 스트림의 부분적으로 냉각된 제2 부분을 팽창시키는 단계;
    하나 이상의 산소 생성물, 하나 이상의 질소 생성물, 및 아르곤 생성물을 생성하기 위해 증류 칼럼 시스템 내에서 부스팅 압력 공기 스트림, 배기 스트림, 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분을 정류하는 단계 -
    증류 칼럼 시스템은 응축기 리보일러를 통해 열 전달 관계로 연결되는 고압 칼럼과 저압 칼럼 및 저압 칼럼과 작동식으로 결합되는 아르곤 칼럼 장치를 갖고, 증류 칼럼 시스템은 고압 칼럼 내에 부스팅 압력 공기 스트림의 제1 부분을, 저압 칼럼 내에 부스팅 압력 공기 스트림의 제2 부분을, 그리고 고압 칼럼 또는 저압 칼럼 내에 배기 스트림을 수용하도록 구성됨 -;
    증류 칼럼 시스템으로부터 클린 셸프 질소 스트림을 그리고 고압 칼럼으로부터 더티 셸프 질소 스트림을 추출하는 단계;
    클린 셸프 질소 스트림 및 더티 셸프 질소 스트림을 질소 서브쿨러 시스템으로 지향시키는 단계; 및
    클린 셸프 질소로 구성되는 제1 질소 환류 스트림 및 더티 셸프 질소로 구성되는 제2 질소 환류 스트림을 생성하도록 저압 칼럼으로부터의 하나 이상의 질소 스트림과의 간접 열 교환을 통해 질소 서브쿨러 시스템 내에서 클린 셸프 질소 스트림 및 더티 셸프 질소 스트림을 냉각시키는 단계 - 총 질소 환류 스트림이 제1 질소 환류 스트림 및 제2 질소 환류 스트림으로 구성됨 - 를 포함하고,
    공기 분리 유닛으로부터의 하나 이상의 산소 생성물, 하나 이상의 질소 생성물, 및 아르곤 생성물의 회수는 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 백분율을 변화시킴으로써 조절되는, 방법.
  21. 제20항에 있어서, 증류 칼럼 시스템은 클린 셸프 질소의 일부분으로 구성되는 액체 질소 생성물 스트림을 생성하도록 추가로 구성되는, 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    고압 칼럼으로부터의 질소 오버헤드의 일부분을 주 열 교환기 시스템으로 방향전환시키는 단계; 및
    부스팅 압력 공기 스트림 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분과의 간접 열 교환을 통해 기체 질소 생성물 스트림을 형성하도록 주 열 교환 시스템 내에서 질소 오버헤드의 방향전환된 부분을 가온하는 단계를 추가로 포함하고,
    아르곤 생성물 회수는 주 열 교환기 시스템으로 방향전환되는 질소 오버헤드의 양을 변화시킴으로써 조절되는, 방법.
  23. 제22항에 있어서, 하나 이상의 질소 생성물은 기체 질소 생성물 스트림 및 액체 질소 생성물 스트림을 추가로 포함하는, 방법.
  24. 제20항에 있어서,
    클린 셸프 질소로 구성되는 제1 질소 환류 스트림을 저압 칼럼의 최상부 위치로 지향시키는 단계; 및
    더티 셸프 질소로 구성되는 제2 질소 환류 스트림을 최상부 위치에 있는 또는 최상부 위치 부근에 있는 저압 칼럼의 제1 위치로 또는 최상부 위치 아래에 있는 저압 칼럼의 제2 위치로 지향시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  25. 제20항에 있어서,
    펌핑된 액체 산소 스트림을 생성하기 위해 저압 칼럼으로부터의 산소-풍부 액체를 펌핑하는 단계;
    부스팅 압력 공기 스트림 및 압축되고 정화된 공기 스트림의 제2 부분과의 간접 열 교환을 통해 산소-풍부 기체 생성물 스트림을 형성하도록 주 열 교환 시스템 내에서 펌핑된 액체 산소 스트림의 적어도 일부를 가온하는 단계; 및
    펌핑된 액체 산소 스트림의 일부분을 액체 산소 생성물 스트림으로서 취하는 단계를 추가로 포함하고,
    하나 이상의 산소 생성물은 산소-풍부 기체 생성물 스트림 및 액체 산소 생성물 스트림을 추가로 포함하는, 방법.
  26. 제20항에 있어서, 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 몰 유량(molar flow rate)을 총 질소 환류 스트림 내에 사용된 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 몰 유량의 합으로 나눈 것이 약 0.40 초과이고 공기 분리 유닛 내에서의 아르곤 회수가 75% 미만인, 방법.
  27. 제20항에 있어서, 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 몰 유량은 총 질소 환류 스트림 내의 클린 셸프 질소의 몰 유량 미만이고 공기 분리 유닛 내에서의 아르곤 회수가 70% 초과인, 방법.
  28. 제20항에 있어서, 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 몰 유량을 총 질소 환류 스트림 내에 사용된 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 몰 유량의 합으로 나눈 것이 약 0.40 미만이고 공기 분리 유닛 내에서의 아르곤 회수가 75% 초과인, 방법.
  29. 제20항에 있어서,
    공기 분리 유닛은, 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 몰 유량을 총 질소 환류 스트림 내에 사용된 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 몰 유량의 합으로 나눈 것이 약 0.40 초과이고 공기 분리 유닛 내에서의 아르곤 회수가 75% 미만인 제1 작동 모드로 작동하고,
    공기 분리 유닛은, 총 질소 환류 스트림 내의 더티 셸프 질소의 몰 유량을 총 질소 환류 스트림 내에 사용된 더티 셸프 질소 및 클린 셸프 질소의 몰 유량의 합으로 나눈 것이 약 0.40 미만이고 공기 분리 유닛 내에서의 아르곤 회수가 75% 초과인 제2 작동 모드로 작동하고,
    공기 분리 유닛의 작동은 아르곤 생성물의 생성에 대한 요구가 변경될 때 제1 작동 모드와 제2 작동 모드 사이에서 전환되는, 방법.
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