KR20210038351A - 고순도 산소 제조 장치 - Google Patents

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켄지 히로세
신지 토미타
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

[문제] 본 발명에 의해 해결되는 문제는 출발물질 산소 가스로부터 다량의 고-비점 성분을 효율적으로 제거할 수 있는 고순도 산소 제조 장치를 제공하는 것에 있다.
[해결책] 출발물질 산소 가스를 열교환시키기 위한 주 열교환기(1); 주 열교환기(1)로부터 인출된 출발물질 산소 가스가 공급되며, 제1 하부 부분(21), 제1 하부 부분(21) 위에 배치된 제1 중간 부분(22), 및 제1 중간 부분(22) 위에 배치된 제1 상부 부분(23)을 포함하는 제1 분리 칼럼(2); 제1 상부 부분(23) 위에 배치된 제1 산소 응축기(4); 및 액체 질소를 제1 산소 응축기(4)에 공급하기 위한 액체 질소 공급 라인(L4)을 포함하는 고순도 산소 제조 장치.

Description

고순도 산소 제조 장치{HIGH-PURITY OXYGEN PRODUCTION APPARATUS}
본 발명은 고순도 산소 제조 장치, 예를 들어 산소 가스 출발물질로부터 탄화수소 등의 고-비점 성분을 제거함으로써 고순도 산소를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.
산소 가스는 공기 분리 장치에서 산업적 규모로 대량 생산된다. 산소는 질소 및 아르곤 등의 공기의 주 성분들 중에서 가장 높은 비점을 갖고, 따라서 탄화수소 성분 등의 산소보다 더 높은 비점을 갖는 성분들이 쉽게 농축되고, 이러한 고-비점 성분들은 반도체 산업 및 의료 적용의 요구에 관해 사용하기에 불리할 수 있다.
탄화수소 등의 고-비점 성분이 제거된 고순도 산소를 얻기 위해, 종래 기술은 산소 가스로부터 불순물을 제거하기 위한 촉매 또는 흡착제를 포함하는 정제 장치를 사용한다. 공기 분리 장치에서 산소의 제조는, 액체 산소를 정류 칼럼에서 정류하는 방법 (예를 들어, 특허문헌 1), 또는 불순물을 제거하기 위한 정류 칼럼을 구비함으로써 정류를 수행하는 방법 (특허문헌 2)을 포함한다.
JP 3929799 B2 US 5,049,173 A
촉매 또는 흡착제를 사용하여 산소 가스로부터 불순물을 제거하는 방법은 귀금속을 포함하는 촉매를 사용하기 때문에 고가일 뿐만 아니라, 상온에서 고온까지 큰 체적의 기체가 처리되는 문제 또한 있기 때문에, 장비의 크기가 대형화되기 쉽다.
공기 분리 장치에서 산소를 제조하는 방법에서, 불순물을 제거하기 위한 정류 칼럼을 장치가 구성되는 단계에서 구비하는 것이 타당하지만, 장치가 완성된 후에 고순도 산소에 대한 요구가 있는 경우 복잡한 변형이 필요하기 때문에 장비를 확대하는 것은 곤란하다. 또한, 고순도 산소 제조 장비의 배치는 기존의 공기 분리 장치의 위치로 제한되고, 이는 파이프라인 등으로부터 수득한 산소 가스의 정류에 적합하지 않다.
정류 칼럼에서 액체 산소를 정류하는 방법은 산소 증기 발생 시에 가열 매체로서, 또는 산소 환류액 생성 시에 냉매로서 질소 사이클을 사용하는, 고-비점 성분 제거를 위한 정류 공정을 수반한다. 이러한 질소 사이클에는 수반되는 압력 손실이 크기 때문에, 사이클의 작동이 질소 압축기를 필요로 하고, 따라서 많은 양의 에너지가 소비된다는 문제점이 있다.
따라서, 산소 가스로부터 다량의 고-비점 성분을 제거하기 위한 매우 효율적인 공정이 필요하다.
전술된 상황에 비추어, 본 발명의 목적은 출발물질 산소 가스로부터 다량의 고-비점 성분을 효율적으로 제거할 수 있는 고순도 산소 제조 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 고순도 산소 제조 장치는,
출발물질 산소 가스를 열교환시키기 위한 주 열교환기(1) (공급 라인(L1)을 통해);
주 열교환기(1)로부터 인출된 출발물질 산소 가스가 (제1 중간 부분 또는 제1 하부 부분에) 공급되며, 제1 하부 부분(21), 제1 하부 부분(21) 위에 배치된 제1 중간 부분(22), 및 제1 중간 부분(22) 위에 배치된 제1 상부 부분(23)을 포함하는 제1 분리 칼럼(2);
제1 상부 부분(23)의 내부 또는 위에 배치된 제1 산소 응축기(4); 및
제1 산소 응축기(4)에 액체 질소(LN2)를 공급하기 위한 액체 질소 공급 라인(L4)을 포함한다.
전술된 구성에서, 출발물질 산소 가스는 주 열교환기(1) 내에서 냉각되고, 그 후에 제1 분리 칼럼(2)의 제1 하부 부분(21) 또는 제1 중간 부분(22) 내로 도입된다. 제1 산소 응축기(4)는 제1 분리 칼럼(2)의 제1 상부 부분(23)으로부터 공급되는 산소 증기를 응축시키고, 액화된 산소를 환류액으로서 제1 상부 부분(23)으로 복귀시킨다. 액체 질소(LN2)가 (액체 질소 공급 라인(L4)을 통해) 제1 산소 응축기(4) 내에 냉매로서 공급된다.
액체 산소 (퍼지 O2)는 제1 하부 부분(21)으로부터 제2 추출 라인(L21)을 통해 회수된다.
제1 고순도 산소 (출발물질 산소 가스가 아르곤을 함유할 경우 아르곤을 함유할 수도 있음)는 제1 분리 칼럼(2)의 제1 상부 부분(23)으로부터 (제1 추출 라인(L23)을 통해) 기체 또는 액체로서 또는 기체-액체 혼합 상태로 회수된다. 제1 중간 부분(22)은 내부에 정류판 (정류부), 및 규칙적인 패킹 물질 또는 불규칙적인 패킹 물질을 포함하는 분리부를 구비할 수 있다.
출발물질 산소 가스는 농도가 90% 이상이며, 상한값은 약 99.9%이다.
제1 고순도 산소에 함유된 고-비점 성분은 100ppm 이하, 바람직하게는 20ppm 이하로 존재한다. 출발물질 산소 가스가 산소 또는 저-비점 성분 (아르곤)의 비점에 가까운 비점을 갖는 성분을 함유하는 경우, 이들은 또한 제1 고순도 산소에 함유될 수 있다.
액체 산소 (퍼지 O2)는 고-비점 성분을 함유한다.
전술된 구성에 의해, 출발물질 산소 가스가 직접 증기 스트림으로서 제1 분리 칼럼(2)에 공급되고 정류됨으로써, 종래 기술과 같은 부분 액화에 의한 것보다 더 효율적으로 고-비점 성분을 제거할 수 있다.
전술된 고순도 산소 제조 장치는 또한 제1 산소 응축기(4)의 상부 부분(41)으로부터 인출된 제1 질소 가스(GN2)가 주 열교환기(1)에서 열교환되게 하기 위한 제1 인출 라인(L41)을 구비할 수 있다. 제1 산소 응축기(4)에서 증발된 제1 질소 가스(GN2)는 제1 인출 라인(L41)을 통해 주 열교환기(1)의 저온 단부측으로 공급될 수 있고 그로부터 냉기가 방출된 후에 온난 단부로부터 인출된다.
제1 산소 증발기(3)가 또한 제1 분리 칼럼(2)의 제1 하부 부분(21)의 내부 또는 아래에 구비될 수 있다.
공급 라인(L1)은 주 열교환기(1)로부터 제1 산소 증발기(3)를 통해 제1 하부 부분(21) 또는 제1 중간 부분(22)으로 연장되는 라인이고, 감압 밸브(V1)가 또한 제1 산소 증발기(3)의 하류에 구비될 수 있다.
출발물질 산소 가스는 주 열교환기(1)에서 냉각되고, 그 후에 제1 산소 증발기(3)에서 응축되고, 액화된 출발물질 산소 가스가 제1 분리 칼럼(2)의 제1 하부 부분(21) 또는 제1 중간 부분(22) 내로 도입된다.
제1 산소 증발기(3)는 제1 하부 부분(21)의 액체 상에 저장된 액체 산소를 증발시키고, 제1 하부 부분(21)의 기체 상에 산소 증기를 공급한다.
이러한 구성에 의해, 출발물질 산소 가스의 과잉 압력, 즉 제1 분리 칼럼(2)의 작업 압력과, 출발물질 산소 가스 공급원의 압력에 의존하는 주 열교환기(1)에서의 냉각에 의해 발생된 출발물질 산소 가스의 압력과의 압력차가 제1 분리 칼럼(2)의 증기 스트림에 이용되고, 동시에 출발물질 산소가 액화되어 제1 분리 칼럼(2)에 공급될 수 있다. 분리 작업 전에 출발물질 산소 가스를 액화함으로써, 제거될 고-비점 성분이 액체 상으로 이동하여 고-비점 성분을 보다 효율적으로 제거할 수 있다.
고순도 산소 제조 장치는,
제2 하부 부분(51), 제2 하부 부분(51) 위에 배치된 제2 중간 부분(521, 522, 523), 및 제2 중간 부분(521, 522, 523) 위에 배치된 제2 상부 부분(53)을 포함하는, 제1 분리 칼럼(2)으로부터 (제1 추출 라인(L23)을 통해) 인출된 제1 고순도 산소로부터 저-비점 성분을 제거하기 위한 제2 분리 칼럼(5);
제2 하부 부분(51)의 내부 또는 아래에 배치된 제2 산소 증발기(6);
제2 상부 부분(53)의 내부 또는 상부에 배치된 제2 산소 응축기(7); 및
제2 산소 응축기(7)에 액체 질소(LN2)를 공급하기 위한 라인 (액체 질소 공급 분지 라인(L4a))을 추가로 포함할 수 있다.
저-비점 성분이 제거된 제2 고순도 산소는 또한 제2 하부 부분(51)으로부터 제3 추출 라인(L51)을 통해 회수될 수 있다.
제2 산소 증발기(6)는 제2 하부 부분(51)의 액체 상에 저장된 액체 산소를 증발시키고, 산소 증기를 제2 하부 부분(51)의 기체 상에 공급한다. 제1 산소 응축기(4)의 상부 부분(41)으로부터 인출된 제1 질소 가스는 (제1 질소 가스 라인(L411)을 통해) 가열 매체로서 공급될 수 있고, 액화된 후에 제2 산소 응축기(7)로 공급될 수 있다. 제1 인출 라인(L41)은 이 구성에서는 존재하지 않는다는 점에 유의해야 한다.
제2 산소 응축기(7)는 제2 상부 부분(53)으로부터 공급되는 산소 가스를 응축시키고, 액화된 산소를 환류액으로서 제2 상부 부분(53)으로 복귀시킨다. 액체 질소(LN2)가 (액체 질소 공급 분지 라인(L41a)을 통해) 제2 산소 응축기(7) 내에 냉매로서 공급될 수 있거나, 또는 냉매는 제2 산소 증발기(6)로부터 공급되는 액체 질소일 수 있다.
제2 산소 응축기(7) 내에서 증발되는 제2 질소 가스(GN2)는 제2 산소 응축기(7)의 상부 부분(71)으로부터 제2 인출 라인(L71)을 통해 주 열교환기(1)의 저온 단부측으로 공급될 수 있고, 그로부터 냉기가 방출된 후에 온난 단부로부터 인출될 수 있다.
산소 (퍼지 O2)는 제2 상부 부분(53)으로부터 제4 추출 라인(L53)을 통해 회수될 수 있다.
이러한 구성에서, 제1 추출 라인(L23)은 제2 중간 부분(521, 522, 523)에 연결되고, 제1 고순도 산소는 제2 중간 부분 내에 공급되고 정류된다. 특허문헌 1에서와 동일한 방식으로, 제1 분리 칼럼(2)으로부터 수득된 제1 고순도 산소를 제2 분리 칼럼(5)에서 추가로 정류할 수 있고, 질소 및 아르곤 등의 산소에 비해 낮은 비점을 갖는 성분들을 제거할 수 있으며, 제2 고순도 산소를 제2 하부 부분(51)으로부터 회수할 수 있다. 저-비점 성분의 분리에 관한 에너지는 제1 산소 응축기(4)로부터 인출된 질소 가스에 의해 공급되어, 에너지 사용 효율 또한 높다.
전술된 고순도 산소 제조 장치는,
제2 산소 응축기(7)에서 증발된 제2 질소 가스(GN2)를, 제1 열교환기(1)에서 상기 제2 질소 가스(GN2)를 적어도 2회 열교환시킨 후에, 제2 산소 증발기(6)로 공급하기 위한 제2 인출 라인(L71); 및
주 열교환기(1)의 하류에서 제2 인출 라인(L71)에 배치된 질소 압축기(8)를 포함할 수 있다.
주 열교환기(1)의 온난 단부로부터 회수된 질소 가스는 질소 압축기(8) 내에서 압축되고, 그 후에 주 열교환기(1) 내로 재도입되며, 냉각된 압축된 질소 가스는 제2 산소 증발기(6)로 공급된다.
제2 인출 라인(L71)은 제2 산소 증발기(6)에 공급되기 전에 제1 질소 가스 라인(L411)과 병합될 수 있고, 둘 다가 함께 제2 산소 증발기(6)에 공급될 수 있다.
이러한 구성에 의해, 추가적인 분리에 관한 에너지가 제2 분리 칼럼(5)에 공급될 수 있다. 아르곤 등의 저-비점 성분은, 예를 들어, 메탄 등의 고-비점 성분보다 산소의 물리적 특성과 더 가까운 물리적 특성을 갖고, 따라서 분리는 더 많은 양의 에너지를 요구한다. 즉, 제1 산소 응축기(4)로부터 공급되는 제1 질소 가스에 추가로, 제2 산소 응축기(7)에서 증발된 제2 질소 가스를 이용하는 것이 또한 가능하므로, 생성물을 보다 높은 순도로 회수할 수 있다.
전술된 고순도 산소 제조 장치는 제1 산소 증발기(3)에 제1 질소 가스를 공급하기 위해, 제2 산소 증발기(6)에 공급되기 전에 제2 인출 라인(L71)으로부터 분기되는 분지 라인(L71a)을 포함할 수 있다.
제1 산소 증발기(3)에서 응축된 질소는 냉매로서 제1 산소 응축기(4)에 공급될 수 있거나, 또는 제2 산소 응축기(7)에 공급될 수 있다.
주 열교환기(1)를 2회 통과한 후에 (저온 단부로부터) 수득된 압축된 제1 질소 가스의 일부가 제1 산소 증발기(3)에 공급되고 응축되며, 제조된 액체 질소가 제1 산소 응축기(4)에 냉매로서 공급된다.
이러한 구성에 의해, 압축된 질소 가스가 제1 산소 증발기(3)에 공급됨으로써 제1 분리 칼럼(2)에서 추가적인 고-비점 성분을 분리하는 것이 가능하다. 제1 분리 칼럼(2) 내부의 증기 스트림이 증가하고 제1 산소 응축기(4) 내의 부하가 증가하지만, 제1 산소 증발기(3)에서 응축된 액체 질소가 제1 산소 응축기(4)에 공급되어, 필요한 냉매를 공급할 수 있게 한다.
도 1은 실시예 1의 모드에 따른 고순도 산소 제조 장치를 도시한다.
도 2는 실시예 2의 모드에 따른 고순도 산소 제조 장치를 도시한다.
도 3은 실시예 3의 모드에 따른 고순도 산소 제조 장치를 도시한다.
이하, 본 발명의 실시예의 몇몇 모드에 대해서 설명한다. 이하에 설명되는 실시예의 모드는 본 발명의 예를 예시한다. 본 발명은 결코 이하의 실시예의 모드에 의해 제한되지 않으며, 또한 본 발명의 필수 요점을 변경하지 않는 범주 내에서 구현되는 다수의 변형 모드를 포함한다. 후술하는 구성요소 모두가 본 발명에 반드시 필수적인 것은 아니라는 점을 유의해야 한다.
(실시예 1의 모드)
실시예 1의 모드에 따른 고순도 산소 제조 장치는 도 1의 도움으로 설명될 것이다. 고순도 산소 제조 장치는 주 열교환기(1), 제1 분리 칼럼(2), 및 제1 산소 응축기(4)를 포함한다.
주 열교환기(1)는 출발물질 산소 가스를 공급 라인(L1)을 통해 열교환시킨다. 구체적으로, 출발물질 산소 가스는 그의 온난 단부측으로부터 도입되고 냉각된 후, 저온 단부측으로부터 인출된다.
제1 분리 칼럼(2)은 주 열교환기(1)로부터 인출된 출발물질 산소 가스로부터 고-비점 성분을 제거한다. 제1 분리 칼럼(2)은 제1 하부 부분(21), 제1 하부 부분(21) 위에 배치된 제1 중간 부분(22), 및 제1 중간 부분(22) 위에 배치된 제1 상부 부분(23)을 포함한다. 제1 중간 부분(22)은 정류판 (정류부), 규칙적인 패킹 물질 또는 불규칙적인 패킹 물질을 포함하는 분리부를 내부에 구비한다. 액체 산소 (퍼지 O2)는 제1 하부 부분(21)으로부터 제2 추출 라인(L21)을 통해 회수된다. 제1 고순도 산소는 제1 상부 부분(23)으로부터 기체 또는 액체로서 또는 기체-액체 혼합 상태로 제1 추출 라인(L23)을 통해 회수된다.
제1 산소 응축기(4)는 제1 상부 부분(23) 위에 배치된다. 액체 질소 공급 라인(L4)은 제1 산소 응축기(4)에서 냉매로서 작용하는 액체 질소(LN2)를 제1 산소 응축기(4)에 공급하기 위한 라인이다. 제1 산소 응축기(4)는 제1 분리 칼럼(2)의 제1 상부 부분(23)으로부터 공급되는 산소 증기를 응축시키고, 액화된 산소를 환류액으로서 제1 상부 부분(23)으로 복귀시킨다.
제1 인출 라인(L41)은 제1 산소 응축기(4)의 상부 부분(41)으로부터 인출된 제1 질소 가스(GN2)가 주 열교환기(1)에서 열교환되게 하기 위한 라인이다. 제1 인출 라인(L41)은 주 열교환기(1)의 저온 단부측에 제1 질소 가스를 도입하고, 그로부터 냉기가 방출된 후에 온난 단부로부터 제1 질소 가스를 인출한다.
밸브 (게이트 밸브, 유량 조절 밸브, 압력 조절 밸브 등)가 각각의 라인에 구비될 수 있다.
(실시예 2의 모드)
실시예 2의 모드에 따른 기체 액화 장치는 도 2의 도움으로 설명될 것이다. 실시예 1 (도 1)의 모드와 상이한 구성요소는 설명될 것이고, 동일한 구성요소의 설명은 생략되거나 간략화될 것이다.
제1 분리 칼럼(2)의 제1 하부 부분(21)에 제1 산소 증발기(3)가 내부에 구비된다. 공급 라인(L1)은 주 열교환기(1)로부터 제1 산소 증발기(3)를 통해 제1 중간 부분(22)으로 연장되는 라인이다. 제1 산소 증발기(3)의 하류에 감압 밸브(V1)가 구비되고, 냉각된 출발물질 산소를 다시 한번 감압한 후에 제1 중간 부분(22)으로 공급하도록 구성된다. 실시예의 상이한 모드에 따르면, 공급 라인(L1)은 제1 중간 부분(22)으로 연장되는 경로가 아니라, 제1 하부 부분(21)의 기체 상으로 연장되는 경로일 수 있다.
(실시예 3의 모드)
실시예 3의 모드에 따른 기체 액화 장치는 도 3의 도움으로 설명될 것이다. 실시예 1 및 2 (도 1 및 도 2)의 모드와 상이한 구성요소는 설명될 것이고, 동일한 구성요소의 설명은 생략되거나 간략화될 것이다.
실시예 3의 모드는 실시예 1 및 2의 모드의 구성요소에 추가로, 저-비점 성분이 제거될 수 있게 한다. 이러한 고순도 산소 제조 장치는 제2 분리 칼럼(5), 제2 산소 증발기(6), 및 제2 산소 응축기(7)를 포함한다.
제2 분리 칼럼(5)은 제2 하부 부분(51), 제2 하부 부분(51) 위에 배치된 제2 중간 부분(521, 522, 523), 및 제2 중간 부분(521, 522, 523) 위에 배치된 제2 상부 부분(53)을 포함한다. 제2 중간 부분(521, 523)은 정류판 (정류부) 및 규칙적인 패킹 물질 또는 불규칙적인 패킹 물질을 포함하는 분리부를 내부에 구비한다.
제1 추출 라인(L23)은 제1 고순도 산소를 제2 중간 부분(522)의 중간에 공급한다.
저-비점 성분이 제거된 제2 고순도 산소는 제2 하부 부분(51)으로부터 제3 추출 라인(L51)을 통해 회수된다. 기체 또는 액체 또는 기체-액체 혼합 상태의 산소 (퍼지 O2)는 제2 상부 부분(53)으로부터 제4 추출 라인(L53)을 통해 회수된다.
제2 산소 증발기(6)는 제2 하부 부분(51)의 내부에 배치된다. 제2 산소 증발기(6)는 제2 하부 부분(51)으로부터 공급되는 액체 산소를 증발시켜 산소 증기를 제2 하부 부분(51)에 공급한다. 제1 산소 응축기(4)의 상부 부분(41)으로부터 인출된 제1 질소 가스는 제1 질소 가스 라인(L411)을 통해 가열 매체로서 공급되고, 제2 산소 증발기(6)에서 액화되며, 그 후에 냉매로서 사용하기 위해 제2 산소 응축기(7)로 공급된다.
제2 산소 응축기(7)는 제2 상부 부분(53) 위에 배치된다. 제2 산소 응축기(7)는 액체 질소 공급 라인(L4)으로부터 분기되는 액체 질소 공급 분지 라인(L4a)을 통해 액체 질소(LN2)를 공급받는다. 제2 산소 응축기(7)는 제2 상부 부분(53)으로부터 공급되는 산소 가스를 응축시키고, 액화된 산소를 환류액으로서 제2 상부 부분(53)으로 복귀시킨다.
제2 산소 응축기(7)에서 증발된 제2 질소 가스(GN2)는 제2 인출 라인(L71)을 통해 주 열교환기(1)로 공급된다. 질소 압축기(8)가 주 열교환기(1)의 하류에서 제2 인출 라인(L71)에 배치된다. 주 열교환기(1)의 온난 단부로부터 회수된 제2 질소 가스는 질소 압축기(8)에서 압축되고, 그 후에 주 열교환기(1) 내로 재도입된다. 그 후, 제2 인출 라인(L71)은 제1 질소 가스 라인(L411)과 병합되고, 압축된 제2 질소 가스를 제2 산소 증발기(6)로 공급한다. 전술된 바와 같이, 제1 및 제2 질소 가스는 제2 산소 증발기(6)에서 액화되고, 그 후에 냉매로서 사용하기 위해 제2 산소 응축기(7)로 공급된다.
분지 라인(L71a)은 제2 산소 증발기(6)에 공급되기 전에 제2 인출 라인(L71)으로부터 분기하는 라인이다. 분지 라인(L71a)은 제1 질소 가스를 제1 산소 증발기(3)에 공급한 후, 이를 제1 산소 응축기(4)로 공급한다. 주 열교환기(1)를 2회 통과한 후 저온 단부로부터 수득된 압축된 제1 질소 가스 부분이 제1 산소 증발기(3)에 공급되고 응축되며, 제조된 액체 질소가 제1 산소 응축기(4)에 냉매로서 공급된다. 실시예의 상이한 모드로서, 제조된 액체 질소가 제2 산소 응축기(7)에 냉매로서 공급될 수도 있다는 것에 유의해야 한다.
밸브 (게이트 밸브, 유량 조절 밸브, 압력 조절 밸브 등)가 각각의 라인에 제공될 수 있다.
(실시예 3의 상이한 모드)
실시예 3의 모드에서, 질소 압축기(8)가 구비되었으나, 이는 제한적이지 않으며, 질소 압축기(8)가 구비될 필요는 없다. 이 경우, 제2 산소 응축기(7)에서 증발된 제2 질소 가스(GN2)는 제2 인출 라인(L71)을 통해 주 열교환기(1)로 공급되고, 그 후에 제2 산소 증발기(6)로 공급되지 않는다.
(예시적 실시예 1)
전술된 실시예 1 (도 1)의 모드의 장치에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
60ppm의 메탄을 포함하고 99.6%의 순도를 갖는 출발물질 산소 가스를 주 열교환기(1)의 온난 단부에 2.5barA, 40℃ 및 1000Nm3/h로 공급한다. 주 열교환기(1)에서 -174℃로 냉각한 후, 출발물질 산소 가스를 제1 분리 칼럼(2)의 제1 하부 부분(21)에 공급한다. 제1 분리 칼럼(2)은 2.4barA에서 작동하고, 이론단의 수는 예를 들어 2개이다. 30ppm의 메탄을 포함하는 고순도의 액화된 산소를 제1 상부 부분(23)으로부터 730Nm3/h로 회수한다. 140ppm의 메탄을 포함하는 액화된 산소를 제1 하부 부분(21)으로부터 270Nm3/h로 회수한다.
6.4barA의 포화된 액체 질소를 냉매로서 제1 산소 응축기(4)에 1410Nm3/h로 공급한다. 여기에서 증발된 질소 가스는 주 열교환기(1)로 공급되고, 그로부터 냉기가 방출되고, 그 후에 질소 가스가 온난 단부로부터 인출된다.
(예시적 실시예 2)
전술된 실시예 2 (도 2)의 모드의 장치에 대해서, 보다 구체적으로 설명한다.
60ppm의 메탄을 포함하고 99.6%의 순도를 갖는 출발물질 산소 가스를 주 열교환기(1)의 온난 단부에 4.1barA, 40℃ 및 1000Nm3/h로 공급한다. 주 열교환기(1)에서 -168℃로 냉각한 후, 출발물질 산소 가스를 가열 매체로서 제1 산소 증발기(3)에 공급한다. 제1 산소 증발기(3)에서 액화된 출발물질 산소 가스는 감압 밸브(V1)에 의해 2.4barA로 감압되고, 그 후 제1 분리 칼럼(2)에 공급된다. 제1 분리 칼럼(2)은 2.4barA에서 작동하고, 이론단의 수는 예를 들어 2개이다.
30ppm의 메탄을 포함하는 고순도의 액화된 산소를 제1 상부 부분(23)으로부터 883Nm3/h로 회수한다. 286ppm의 메탄을 포함하는 액화된 산소를 제1 하부 부분(21)으로부터 117Nm3/h로 회수한다.
6.4barA의 포화 액체 질소가 냉매로서 제1 산소 응축기(4)에 1430Nm3/h로 공급된다. 여기에서 증발된 질소 가스는 주 열교환기(1)로 공급되고, 그로부터 냉기가 방출되고, 그 후에 질소 가스가 온난 단부로부터 인출된다.
예시적 실시예 1과 비교하여, 예시적 실시예 2는 산소 파이프라인 압력이 산소 정류 압력보다 높은 경우, 산소 가스의 과잉 압력을 산소 정류에서 재비등에 이용함으로써 정류 효율을 향상시킬 수 있게 한다. 고순도 산소 중의 메탄 분율은 상기 언급된 조건 하에 117Nm3/h의 산소 퍼지량에서 60ppm에서 30ppm으로 감소할 수 있고, 883Nm3/h로 고순도 산소가 회수될 수 있으며, 이는 예시적 실시예 1과 비교하여 +20%의 증가를 나타내는 것이다.
예시적 실시예 1 및 2의 결과는 고-비점 성분이 출발물질 산소 가스로부터 다량으로 효율적으로 제거될 수 있음을 보여주었다.
예시적 실시예 3 (실시예 3의 모드 (도 3))에서, 예시적 실시예 2와 비교할 때, 산소보다 낮은 비점을 갖는 성분인 물질들을 제거하기 위한 제2 분리 칼럼(5)이 구비된다. 제2 분리 칼럼(5)에서의 정류에 의해, 제1 산소 응축기(4)로부터 공급된 질소 가스가 가열 매체로서 작용하는 제2 산소 증발기(6)에서 증기 스트림이 수득되고, 제2 산소 증발기(6)에서 응축된 질소가 냉매로서 작용하는 제2 산소 응축기(7)에서 산소 환류액이 수득된다.
또한, 주 열교환기(1)의 온난 단부로부터 인출된 질소는 질소 압축기(8)에 의해 압축되고, 주 열교환기(1)에서 냉각된 후에 질소가 제2 산소 증발기(6)로 공급된다. 저-비점 성분을 제거하는데 필요한 열이 추가로 공급될 수 있다.
또한, 질소 압축기(8)에 의해 압축된 질소 가스가 제1 산소 증발기(3)로 공급된다. 이는 제1 분리 칼럼(2) 내부의 증기 스트림을 증가시켜 정류를 향상시킬 수 있게 하고, 제1 상부 부분(23)으로부터 수득된 고순도 산소의 순도 및 회수량을 증가시킬 수 있다.
(실시예의 상이한 모드)
압력을 조절하거나 유량을 조정하기 위해 압력 조절 장치, 및 유량 제어 장치 등이 또한 각각의 라인에 구비될 수 있지만, 이것은 명시적으로 설명되지 않는다.
1…주 열교환기
2…제1 분리 칼럼
3…제1 산소 증발기
4…제1 산소 응축기
5…제2 분리 칼럼
6…제2 산소 증발기
7…제2 산소 응축기
8…질소 압축기

Claims (5)

  1. 출발물질 산소 가스를 열교환시키기 위한 주 열교환기(1);
    주 열교환기(1)로부터 인출된 출발물질 산소 가스가 공급되며, 제1 하부 부분(21), 제1 하부 부분(21) 위에 배치된 제1 중간 부분(22), 및 제1 중간 부분(22) 위에 배치된 제1 상부 부분(23)을 포함하는 제1 분리 칼럼(2);
    제1 상부 부분(23)의 내부 또는 위에 배치된 제1 산소 응축기(4); 및
    제1 산소 응축기(4)에 액체 질소(LN2)를 공급하기 위한 액체 질소 공급 라인(L4)
    을 포함하는, 고순도 산소 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1 분리 칼럼(2)의 제1 하부 부분(21)의 내부 또는 아래에 제1 산소 증발기(3)를 구비하는, 고순도 산소 제조 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2 하부 부분(51), 제2 하부 부분(51) 위에 배치된 제2 중간 부분(521, 522, 523), 및 제2 중간 부분(521, 522, 523) 위에 배치된 제2 상부 부분(53)을 포함하는, 제1 분리 칼럼(2)으로부터 인출된 제1 고순도 산소로부터 저-비점 성분을 제거하기 위한 제2 분리 칼럼(5);
    제2 하부 부분(51)의 내부 또는 아래에 배치된 제2 산소 증발기(6);
    제2 상부 부분(53)의 내부 또는 위에 배치된 제2 산소 응축기(7); 및
    제2 산소 응축기(7)에 액체 질소를 공급하기 위한 라인
    을 포함하는, 고순도 산소 제조 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 산소 응축기(7)에서 증발된 제2 질소 가스를, 제1 열교환기(1)에서 상기 제2 질소 가스를 적어도 2회 열교환시킨 후에 제2 산소 증발기(6)로 공급하기 위한 인출 라인(L71); 및
    주 열교환기(1)의 하류에서 인출 라인(L71)에 배치된 질소 압축기(8)
    를 포함하는, 고순도 산소 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 제1 산소 증발기(3)에 제1 질소 가스를 공급하기 위해, 제2 산소 증발기(6)에 공급되기 전에 인출 라인(L71)으로부터 분기되는 분지 라인(L71a)을 포함하는, 고순도 산소 제조 장치.
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