KR20210078424A - 액체 산소로부터 크립톤 및 제논의 회수 - Google Patents

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Abstract

5 내지 25 bara의 압력에서 구동되는 희가스 회수 칼럼의 상단으로 환류 액체로서 액체 산소 스트림의 적어도 일부를 제공하는 단계, 희가스 회수 칼럼의 하단에서 리보일링 구역에서의 리보일러 액체를 기화시켜 상승 증기 및 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림의 혼합물을 생성하는 단계; 및 칼럼의 적어도 하나의 증류 구역에서 상승 증기와 환류 액체를 접촉시켜 환류 액체에 대해 상승 증기로부터의 제논 및/또는 크립톤을 스트리핑시키는 단계를 포함하는 방법에서 제논 및/또는 크립톤은 산소 및 제논 및/또는 크립톤을 포함하는 액체 산소 스트림으로부터 분리된다. 상기 방법은 90% 초과의 제논의 회수율 및 15% 내지 90%의 크립톤 회수율을 제공한다.

Description

액체 산소로부터 크립톤 및 제논의 회수{RECOVERY OF KRYPTON AND XENON FROM LIQUID OXYGEN}
본 발명은 일반적으로 공기 분리의 기술분야에 관한 것이며, 특히 액체 산소로부터 크립톤 및 제논으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 희가스(rare gas)의 조물질(crude) 회수에 관한 것이다.
액체 산소 스트림으로부터 크립톤 및 제논을 회수하기 위한 종래의 방법 및 장치는 일반적으로 알려져 있다. 이러한 종래의 방법 및 장치를 사용하는 경우, 예컨대 낮은 제논 및/또는 크립톤 회수율, 높은 전력, 한정된 또는 제한된 구동 압력, 및 회수 공정을 주요 공기 분리 플랜트로 통합하는 곤란성과 같은 문제점이 존재한다. 개선된 방법 및 장치에 대한 필요성이 존재한다.
크립톤 및 제논은 공기 중에 매우 낮은 농도, 통상적으로 각각 약 1.14 백만분율 ("ppm") 및 약 0.087 ppm으로 존재한다. 이는 둘 다 가치있는 가스이며, 이에 따라 공기 분리 공정에서 이의 회수율을 최대화하는 것이 경제적으로 장려된다. 또한, 제논은 크립톤보다 상당하게 높은 가치를 가지며, 이에 따라 높은 제논 회수율로, 그러나 조정가능한 크립톤 회수율로 구동할 수 있는 공정이 유용할 것이다.
산소 회수를 위한 통상적인 초저온 공기 증류 공정에서, 크립톤 및 제논은 이들이 산소보다 훨씬 덜 휘발성이기 때문에 저압 ("LP") 증류 칼럼의 하단으로부터 취한 액체 산소 ("LOX") 생성물 중에 농축된다. LOX 흐름이 적을수록, 이에 따라 더 많은 농축된 크립톤 및 제논이 이 생성물에 존재한다.
산소 생성물의 대부분이 기체상으로 LP 칼럼으로부터 제거되는 초저온 공기 증류 공정에서, LP 칼럼의 하단 위의 하나 또는 다수의 증류 스테이지에서 기체 산소 ("GOX")를 제거함으로써 매우 적은 크립톤 및 제논이 GOX에서 손실되는 것을 보장하는 것이 가능하다. 이 하부 가드 스테이지는 주로 제논보다 더 상당하게 휘발성인 크립톤의 과량의 손실을 방지하기 위해 사용된다. 생성물 산소가 LP 칼럼으로부터의 증기로부터 취출되는 경우, 공기 분리 플랜트로 유입되는 거의 모든 크립톤 및 제논은 이후 LOX 생성물에서 회수될 수 있고, 이는 총 산소 흐름 중의 매우 적은 비율이다. 이 LOX 생성물은 이후 처리되어 정제된 희가스 생성물을 생성할 수 있다. 이것이 주로 요구되는 제논 생성물인 경우, 대부분 또는 모든 하부 가드 스테이지를 제외할 수 있고, 여전히 LOX 생성물 중의 플랜트로 유입되는 적은 분율의 크립톤 및 거의 모든 제논을 회수할 수 있다.
산소 회수를 위한 대부분의 현재의 초저온 공기 증류 공정은 더이상 증기로서 주요 산소 생성물을 취출하지 않는다. 오히려, 모든 회수된 산소는 LOX로서 LP 칼럼의 하단으로부터 취출되고, 요구된 압력으로 펌핑되고, 주 열교환기에서 증발된다. 이러한 경우, 모든 크립톤 및 제논이 손실된다. 심지어 LOX 생성물이 LP 칼럼의 하단 위의 다수의 스테이지에서 취해지는 경우, 적은 크립톤 및 제논 함유 액체 퍼지(purge)가 하단으로부터 취출되고, 회수율이 매우 제한된다. 펌핑된-LOX 공정의 개요는 문헌[Journal of AOAC International 78: 1010-1018. AIR LIQUEFACTION: DISTILLATION. R. Agrawal and D. M. Herron]에서 찾을 수 있다.
제한된 회수는 하기와 같이 설명될 수 있다. 공기 분리 플랜트로 유입되는 본질적으로 모든 크립톤 및 제논은 하단을 향하여 LP 칼럼 아래로 액체로서 유동한다. 하단 위의 위치로부터의 임의의 액체 취출물은 LOX 생성물로서의 전체 액체 취출물에 비례하여 크립톤 및 제논을 함유할 것이다. 이는 통상적으로 이 가치있는 생성물의 대략 30%의 손실을 야기할 것이다.
따라서, 산소 생성물의 적어도 일부가 LOX로서 칼럼으로부터 취출되는 공기 분리 플랜트로부터의 크립톤 및 제논의 회수율을 증가시키는 것이 바람직하다.
기존의 플랜트, 예를 들어 펌핑된-LOX 사이클 플랜트는 액체로서 주요 산소 생성물을 취출하는 경우, 보통 농축된 희가스 성분을 함유하는 적은 스트림은 존재하지 않는다. 따라서, 크립톤 및 제논이 매우 가치있기 때문에, 또한 기존 플랜트에 희가스 회수 시스템을 제공할 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 외부 공급원, 예컨대 저장 탱크로부터의 액체 산소로부터 희가스-풍부 공급 스트림을 처리할 수 있는 제논 및/또는 크립톤 회수 플랜트를 제공하는 것이 바람직하다.
미국특허번호 제3,779,028호는 공기 분리 칼럼으로부터 크립톤 및 제논의 회수를 위한 방법을 개시하고 있다.
EP-0218740-B1은 공기 분리 플랜트로부터 3개의 생성물 스트림을 회수하기 위한 공정을 개시하고 있다. GOX 및 LOX 생성물은 희가스가 결여되어 있으며, 제3 생성물은 LP 칼럼 배수조로부터 또는 저장소로부터의 LOX를 처리함으로써 제조된 크립톤 및 제논이 풍부한 희가스 농축물 액체이다.
미국특허번호 제6,301,929호는 희가스-결핍 LOX 스트림 및 희가스-풍부 LOX 스트림이 형성되는 공기 분리 공정을 개시하고 있다.
DE-A-19855485는 희가스-결핍 LOX 및 희가스-풍부 LOX가 LP 칼럼에서 형성되는 공기 분리 공정을 개시하고 있다.
미국특허번호 제6,694,775호는 가압된 LOX의 적어도 일부를 적어도 부분적으로 기화시키고, 희가스 회수 시스템으로 생성된 증기를 이송시키는 것에 의한 가압된 LOX로부터의 희가스를 함유하는 액체 스트림의 회수를 개시하고 있다.
산소를 처리하고, 제논 및 크립톤의 상대적으로 농축된 스트림을 생성하는 분리 방법 및 장치를 제공하는 것이 필요한 목표로 남아 있다. 제논의 고회수율, 크립톤의 조정가능한 회수율을 생성하는 방법 및 장치는 다른 공정 제한과 무관한 구동 압력 및 높은 열역학적 효율을 갖는다. 본 발명의 다른 목적은 주요 공기 분리 플랜트로 용이하게 통합되거나 또는 독립형 또는 리트로핏 선택사항(retrofit option)으로서 적용될 수 있는 분리 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 하기 보다 상세하게 제시된 바와 같이, 본 발명자는 개시된 그리고 청구된 공정이 각각의 이러한 목표를 달성하였음을 발견하였다.
본 발명의 간략한 요약
일 구현예에서, 산소 및 제논 및/또는 크립톤을 함유하는 액체 산소 스트림으로부터 제논 및/또는 크립톤을 회수하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
상단, 하단, 적어도 하나의 증류 구역, 및 리보일러를 포함하는 리보일링 구역(reboiling zone)을 갖는 희가스 회수 칼럼을 포함하는 희가스 회수 시스템을 제공하는 단계;
산소, 및 제논 및/또는 크립톤을 포함하는 적어도 하나의 액체 산소 공급물을 제공하는 단계;
희가스 회수 칼럼의 상단에 액체 산소 공급물의 적어도 일부를 제공하여 환류 액체(reflux liquid)를 형성하는 단계;
리보일링 구역에서 리보일러 액체를 기화시켜 상승 증기 및 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림의 혼합물을 생성하는 단계;
상기 상승 증기를 적어도 하나의 증류 구역 중의 환류 액체와 접촉시켜 환류 액체에 대해 상승 증기로부터의 제논 및/또는 크립톤을 스트리핑시켜 리보일러 액체를 생성하는 단계;
희가스 회수 칼럼의 상단으로부터 상승 증기를 제거하여 제논 및/또는 크립톤-결핍 기체 산소 스트림을 형성하는 단계;
희가스 회수 칼럼의 하단으로부터 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림을 제거하는 단계;
제논 및/또는 크립톤-결핍 기체 산소 스트림을 저온 압축기에 통과시켜 저온 압축된 산소 스트림을 형성하는 단계;
저온 압축된 산소 스트림을 리보일러에 통과시켜 리보일링 구역 중의 리보일러 액체를 사용하는 간접 열교환에 의해 응축된 액체 산소를 생성하는 단계; 및
제논 및/또는 크립톤-결핍 액체 산소로서의 희가스 회수 시스템으로부터의 응축된 액체 산소를 제거하는 단계.
본 발명자는 액체 산소 공급물로부터의 높은 제논 회수율, 및 가변적인 크립톤 회수율이 상당한 전력 부담 없이도 달성될 수 있음을 알게 되었다. 제논의 높은 회수율은 90% 초과, 바람직하게는, 95% 초과로서 정의된다. 가변적인 크립톤 회수율은 공정이 작동되는 조건에 기초하여 조정가능한 15% 내지 90%로서 정의된다.
본 발명자는 또한 LP 칼럼 압력 또는 산소 생성물 압력에서 구동하는 대신, 희가스 칼럼의 구동 압력을 조정하여 특정 성능 목표를 충족시키고, 여전히 경제적이면서도 에너지 효율적일 수 있다는 것을 알게 되었다.
본 발명은 이러한 제논 및/또는 크립톤 회수 방법을 제공한다. 본 발명의 이러한 장점 및 기타의 장점은 본원에 제공된 본 발명의 설명으로부터 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 방법의 일 양태의 개략적 도면이다.
도 2는 액체 산소 공급물의 공급원이 저압 액체 산소 공급원으로부터 유도되는 본 발명의 다른 양태의 개략적인 도면이다.
도 3은 액체 산소 공급물의 공급원이 고압 액체 산소 공급원으로부터 유도되는 본 발명의 다른 양태의 개략적인 도면이다.
본 발명의 방법은 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 1을 참조하면, 희가스 회수 시스템(100)이 제공되며, 액체 산소 공급물은 스트림(115)으로서 제공된다. 스트림(115)은 희가스 회수 칼럼(127)의 것보다 높은 임의의 압력에서의 과냉각된 또는 포화된 액체일 수 있다. 스트림(115)은 제1 부분(118) 및 제2 부분(130)으로 나누어질 수 있다. 적어도 제1 부분(118)은 컨트롤 밸브(121)를 통과하고, 환류 액체(124)로서 칼럼(127)의 상단(191)에 주입된다. 선택적으로, 제2 부분(130)은 컨트롤 밸브(133)를 통과하여 공급 스트림(136)으로의 칼럼(127)에 대한 제2 공급물로서 주입된다. 공급 스트림(136)은 칼럼의 하단 근처의 상단(191)과 리보일링 구역(193) 사이에 있는 임의의 위치에서, 그러나 바람직하게는 칼럼의 하단 근처에서 칼럼(127)에 주입될 수 있다.
희가스 회수 칼럼(127) 내에서 액체는 증류 구역(192)을 통해 리보일링 구역(193)으로 하강한다. 리보일링 구역(193)은 리보일러(148), 리보일링 구역(193)에 유입되는 액체를 상승 증기 및 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림(151)로 전환시키는 간접 열교환기를 함유한다. 리보일링 구역(193)에 유입되는 액체는 실질적으로 기화되며, 이에 의해 덜 휘발성의 성분 예컨대 크립톤 및 제논을 농축시킨다. 통상적으로 액체의 적어도 99%가 기화된다. 상승 증기는 증류 구역(192)으로 유동한다.
증류 구역(192) 내에서, 상승 증기는 하강하는 액체와 접촉한다. 상승 증기 내에 함유된 크립톤 및/또는 제논은 실질적으로 하강 액체에 의해 포집된다. 상승 증기는 이후 스트림(139)로서 상단을 통과하여 칼럼(127)에 존재한다.
통상적으로 칼럼으로의 흐름의 99%를 초과하는 증기 스트림(139)는 저온 압축기(142)에 유입되고, 스트림(145)으로서 더 높은 압력에서 배출된다. 스트림(145)은 리보일러(148)에 유입되고, 여기서 이는 응축되어 응축된 액체 산소(154)를 형성한다. 저온 압축기(142)에 걸친 압력-상승은 저온 압축된 산소(145)의 응축 온도를 증가시키는 데 필요하다. 더 높은 응축 온도가 가능한 응축면으로부터 비등면으로의 열전달을 달성하는 데 필요로 된다. 응축을 위해 제거된 열은 리보일러(148)을 통한 리보일링 구역(193)으로의 열 유입을 제공한다.
필요로 되는 압력-상승의 크기는 저온 압축기(142)를 구동하기 위한 전력을 결정한다. 따라서, 효율적인 구동을 위해 압력-상승을 최소화하는 것이 중요하다. 비등하는 유체 및 응축 유체는 실제로 벌크 조성이 동일하기 때문에, 이론적으로 리보일러 온도 차이가 제로에 도달되고, 저온 압축기(142) 간의 파이프에서의 압력 강하가 최소가 되는 경우에 매우 적은 작용이 확장되는 것이 이론적으로 가능하다. 다른 한편, 순환하는 유동이 높고, 파이핑(piping) 압력 강하가 큰 경우, 이러한 공정을 구동하는 전력이 매우 클 수 있다.
저온 압축기의 통합은 이에 따라 상기 공정의 구동을 위해 중요한 특징이다. 종래의 초저온 공정에서, 저온 압축은, 압축열이 저온이 되지 못하게 하여 냉장 부담 및 전력 효율의 감소를 생성하기 때문에 바람직하지 않은 것으로 고려된다. 그러나, 놀랍게도, 이 공정에서의 저온 압축의 사용은 가온 압축에 비해 전력 효율을 개선한다. 이는 1) 유체를 저온 작동으로부터 열교환기 및 관련된 파이핑의 환경까지 가온시키는 것, 2) 압축된 기체를 냉각시켜 열교환기 및 관련된 파이핑에서의 압축열을 제거하는 것, 및 3) 주위로부터 열교환기 및 관련된 파이핑에서의 저온 구동까지 유체를 냉각시키는 것과 관련된 기생 압력 강하 전력 손실을 근절시켜 일어난다.
원칙적으로, 희가스 회수 칼럼의 구동 압력에 대한 몇몇 제한이 존재한다. 유일한 예외는 칼럼 압력이 산소의 임계 압력 (~50 bara) 미만이 되는 것이다.
고압에서의 구동이 하기 적어도 3개의 이유로 바람직하다: 1) 압력 강하는 가스 밀도가 높기 때문에 낮아지고, 2) 압력이 높고 이에 따라 상대 압력 강하가 낮기 때문에 압력 강하 그 자체는 중요성이 감소하며, 그리고 3) 미량 성분의 고체 용해도가 증가하여 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림(151)(또한 퍼지 액체로도 알려짐)의 흐름이 감소될 수 있고, 이에 의해 바람직한 크립톤 및 제논의 농도가 증가한다. 처음 두개의 장점은 전력을 감소시키고, 세 번째 장점은 퍼지 액체의 다운스트림 정제 비용을 줄인다.
다른 한편, 저압에서의 구동은 적어도 하기 2개의 이유로 바람직하다: 1) 칼럼(127)(스트림(139))에 남겨진 증기로의 크립톤 및 제논의 손실은 보다 효율적인 분리로 인하여 최소화되며, 그리고 2) 장비 비용은 더 낮은 설계 압력으로 인하여 감소될 수 있다.
크립톤 및 제논 회수의 손실은 액체 공급 스트림(136)(더 적은 액체 공급물)의 흐름에 비해 환류 액체(124)의 흐름을 증가시킴으로써 임의의 칼럼 압력에서 감소될 수 있다. 환류 액체(124)의 흐름을 증가시키는 것의 잠재적인 단점은 경질 탄화수소, 예컨대 메탄은 스트림(139)으로 유입되는 것을 방지되고, 이에 따라 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림(151)에서 더 높은 농도로 축적될 것이라는 것이다. 일반적으로 퍼지 액체 흐름에 대해 탄화수소 농도 제한이 존재하기 때문에, 상기 단점은 퍼지 액체 흐름의 증가로 인하여 공정 비용의 증가로 이어진다.
본 발명자는 5 내지 25 bara, 보다 바람직하게는 10 내지 20 bara의 바람직한 칼럼 구동 압력 범위가 존재한다는 것을 발견하였다. 환류 액체(124)의 상대적인 흐름은 유입 액체 산소 공급물(115)의 10 내지 50%, 바람직하게는 유입 액체 산소 공급물(115)의 10 내지 30%일 수 있다.
도 2는 액체 산소 공급물의 공급원은 저압 공급원으로부터 유래되는 공정을 예시한다. 저압 액체 산소 공급원은 스트림(200)으로서 공급된다. 스트림(200)은 대기압보다 더 크지만, 희가스 회수 칼럼(127)의 압력보다 낮은 임의의 압력에서 과냉각된 또는 포화된 액체일 수 있다. 스트림(200)은 칼럼(127)의 것보다 더 큰 압력으로 펌프(203)에서 압축되어 압축된 액체 산소 스트림(209)을 형성한다. 스트림(209)은 디서브쿨러(desubcooler)(212)에서 가온되어 액체 산소 공급물(115)을 생성한다. 스트림(115)은 도 1에 기재된 바와 같이 처리되어 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림(151) 및 응축된 액체 산소(154)을 생성한다. 스트림(154)은 디서브쿨러(212)에서 냉각되어 과냉각된 제논 및/또는 크립톤-결핍 액체 산소(257)를 형성한다. 스트림(257)은 밸브(260)에 걸쳐 압력을 선택적으로 감소시켜 스트림(263)을 형성할 수 있고, 이는 상분리기(266)로 주입된다. 밸브(260)에 걸친 압력 감소는 일부 플래시 증기(flash vapor)가 형성될 수 있게 하며, 이는 분리기(266)로부터 스트림(269)으로서 제거된다. 플래시 이후에 남은 액체는 저압 복귀 액체(272)로서 분리기로부터 제거된다. 스트림(272)의 압력은 통상적으로 반드시 그런 것은 아니지만 저압 액체 산소 공급원의 것과 희가스 회수 칼럼의 것 사이에 있다. 선택적으로, 플래시 증기(269)는 산소 분자를 회수하기 위한 임의의 적합한 공급원 또는 목적지로 보내질 수 있다.
저압 액체 산소 공급원의 예는 초저온 이중 칼럼 공기 분리 유닛의 저압 칼럼의 배수조, 저압 칼럼으로부터 액체 산소 저장 탱크로의 런다운 라인(rundown line), 또는 액체 산소 저장 탱크를 포함할 수 있다.
액체 산소 공급물의 공급원은 또한 도 3에 예시된 바와 같이 고압 공급원으로부터 유래될 수 있다. 고압 액체 산소 공급원은 스트림(300)으로서 제공된다. 스트림(300)은 희가스 회수 칼럼(127)의 압력보다 더 큰 임의의 압력에서의 과냉각된 액체일 수 있다. 스트림(300)은 명목상으로 칼럼(127)의 것보다 더 큰 압력으로 밸브(303)에 걸쳐 압력을 감소시켜 스트림(209)을 형성한다. 스트림(209)은 디서브쿨러(212)에서 가온되어 액체 산소 공급물(115)를 생성한다. 스트림(115)은 도 1에 기재된 바와 같이 처리되어 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림(151) 및 응축된 액체 산소(154)를 생성한다. 스트림(154)은 디서브쿨러(212)에 냉각되어 스트림(257)을 형성한다. 스트림(257)은 선택적으로 밸브(260)에 걸쳐 압력을 감소시켜 스트림(263)을 형성할 수 있고, 이는 상분리기(266)로 주입된다. 밸브(260)에 걸친 압력 감소는 일부 플래시 증기가 형성될 수 있게 하며, 이는 상분리기(266)로부터 스트림(269)으로서 제거된다. 플래시 이후에 남은 액체는 저압 복귀 액체(272)로서 분리기로부터 제거된다. 스트림(272)의 압력은 통상적으로 반드시 그런 것은 아니지만 1.0 bara 내지 3.0 bara에 있다. 스트림(272)은 펌프(375)를 통해 압력을 증가시켜 고압 복귀 액체(378)를 생성한다. 선택적으로, 플래시 증기(269)는 산소 분자를 회수하는 임의의 적합한 공급원으로 보내질 수 있다.
고압 액체 산소 공급원의 예는 익히 알려진 펌핑된-LOX 사이클로부터의 펌프 배출물이다. 통상적으로, 이 공급원의 압력은 30 bara 초과이고, 종종 60 bara 초과이다. 30 bara에 근접한 압력에서, 산소 함유 유체의 증류는 어려우며, 산소의 임계적 압력(~50 bara) 초과의 임의의 압력에서, 증류는 불가능하다. 고압 공급원이 이용되는 경우, 고압 복귀 액체의 압력은 통상적으로 공급원 압력에 해당할 것이다.
실시예
본 발명의 실시예에 의해, 도 1에 도시된 공정의 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션의 결과는 표 1에 나타낸다.
[표 1] 15 bara 칼럼 압력 및 30% 환류에 대한 물질 수지
Figure pat00001
상기 결과는 액체 산소 공급물의 0.3%까지 퍼지 액체 흐름을 감소시키면서도 97.0% 초과의 제논 회수가 달성되는 것을 증명한다. 저온 압축기를 구동하기 위한 전력은 단지 161 kW로 보통이다. 이는 대략 1.1의 낮은 압축 비율에 기인한다. 리보일러(148)와 관련된 온도 차이는 1.0℃이고, 이는 이러한 작용을 위해 합리적이며, 계산에 의해 증명되었다.
통상적으로, 선행 기술의 교시에 기초하여, 당업자는 주위 온도에서 스트림(139), 희가스 회수 칼럼으로부터의 증기를 압축시키는 것이 바람직한 것으로 고려할 것이다. 그러나, 본 발명자는 이러한 방법이 본 방법에 대해 상당하게 효율이 낮은 것을 발견하였다. 주위 온도에서의 압축은 하기 단계를 필요로 한다: 1) 열교환기에서 스트림(139)을 주위 온도로 가온하는 단계, 2) 가온된 기체를 압축시키는 단계, 3) 압축기 애프터쿨러에서 압축된 고온 기체를 주위 온도로 근사하게 냉각시키는 단계, 4) 스트림(145)의 온도를 주위 가스에서 냉각시키는 단계.
실시예 1에 개시된 바와 같이, 칼럼에서의 스트림(139)의 압력은 15 bara이고; 리보일러(148)의 유입구에서의 압력은 16.6 bara이다. 칼럼과 압축기 사이에서의 파이핑 압력 강하가 없고, 압축기와 리보일러(148) 사이의 파이핑 압력 강하가 없음을 가정하며, 압축비(CR)는 1.107 (16.6/15.0)일 것이다. 그러나, 시판되는-크기의 플랜트의 경우, 칼럼으로부터 저온 압축기 흡입구까지 그리고 저온 압축기 배출구로부터 리보일러(148)까지의 파이핑 압력 강하(dP)는 각각 약 0.05 bara일 것이다. 압축기 흡입구에서의 흡입 압력은 14.95 bara일 것이고, 압축기 배출구에서 16.65 bara일 것이다. 생성된 압축비(CR)는 1.113 (16.65/14.95)이다. 주위 온도 조건에서 압축한 공정을 고려하면, 압축기 상류의 압력 강하는 0.25 bara (파이핑을 통한 0.1 + 열교환기에서의 0.15 bar)일 것이고; 압축기의 하류에서의 압력 강하는 0.25 bar (파이핑을 통한 0.1 + 압축기 애프터쿨러에서의 0.1 + 열교환기에서의 0.15 bara)일 것이다. 이 가온 압축기에 걸친 생성된 압축비는 1.142 (16.85/14.75)일 것이다.
압축 전력은 F*T*ln(CR)에 비례하며, 여기서 F는 유량이고, T는 압축의 평균 절대 온도(K)이고, CR은 압축비이다. 상기 기재된 이러한 경우의 비교는 표 2에 표로 만들어져 있다. 순환 흐름(F)은 모든 경우에 동일하다.
[표 2] 저온 압력 대 가온 압력의 비교
Figure pat00002
표 2의 결과는, 경우 2와 경우 3을 비교하여 압력 강하의 차이가 25%의 전력 차이를 야기하는 것을 보여준다. 저온 압축과 가온 압축 사이의 더 큰 차이는 압축 온도에 기인한다. 보통, 저온 압축의 분명한 장점은 저온 압축의 열을 제거하기 위해 냉장이 공급될 필요가 있다는 사실에 의해 상쇄된다. 반면, 가온 압축의 열은 주위 애프터쿨러로 방출된다.
저온 압축기에 걸친 온도 상승은 단지 4.6℃이다. 따라서, 4.6℃의 기체 냉각은 대략 -146℃의 온도에서 외부 냉장에 의해 제공되어야 한다. 반면, 가온 압축들 실시하기 위해, 가온/냉각 열교환기는 기체를 -146℃로부터 명목상 25℃까지 가온시키고, 기체를 명목상 30℃로부터 에너지 균형에 의해 -141℃일 것인 더 저온으로 냉각시키기 위해 이용되어야 한다. 따라서, 열교환기 구동이 실현가능하도록, 5℃의 온도 차이가 필요로 되며, 이는 또한 대략 -146℃에서의 냉장 손실을 나타낸다. 그 결과, 1차 근사값에 대해 저온 압축의 열에 대해 보상하는 데 필요한 냉장 수요 가온 압축을 실시하는 데 필요한 열교환기를 실행할 수 있게 구동하는 데 필요한 냉장 수요와 동등하다는 것이다. 따라서, 주위 및 압축 가온에 대한 재순환의 제거는 (표 1에 제시된 바와 같이) 실제로, 예상외로 전력의 66% 감소를 야기한다.
본원에 인용된 공보, 특허 출원, 및 특허를 포함한 모든 참고 문헌은 각각의 참고 문헌이 개별적으로 그리고 구체적으로 참고로 포함되고, 그 전문이 본원에 제시되는 것과 동일한 정도로 참조로 본원에 포함된다.
본 발명을 기술하는 맥락에서 (특히 하기 청구항의 맥락에서)의 단수 용어 및 유사한 지시어의 사용은 본원에 달리 나타내거나 또는 맥락에 의해 분명하게 모순되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 본원에서 값의 범위의 인용은 본원에 달리 나타내지 않는 한, 상기 범위 내에 포함되는 각각의 별개의 값을 개별적으로 언급하는 속기 방법으로 역할을 하는 것으로 의도되며, 각각의 별개의 값은 그것이 개별적으로 본원에 인용되는 것처럼 명세서에 포함된다. 본원에 기재된 모든 방법은 본원에 달리 나타내거나 또는 맥락에 의해 분명하게 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본원에 제공된 임의의 그리고 모든 예, 또는 예시적인 표현 (예를 들어, "예컨대")의 사용은 단지 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것으로 의도되며, 달리 청구되지 않는 한, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 명세서의 표현은 본 발명을 실시하는 데 본질적인 임의의 비-청구된 구성요소를 나타내는 것으로 해석되지 않는다.
본 발명을 실시하기 위해 본 발명자에게 알려진 최적의 방식을 포함하는 본 발명의 바람직한 구현예가 본원에 기재되어 있다. 본 발명은 바람직한 구현예를 참조하여 상기 기재된 상세한 설명으로 제한되지 않고, 그러나 다수의 변형예 및 수정예가 하기 청구항에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남 없이 이루어질 수 있는 것으로 이해될 것이다.

Claims (13)

  1. 산소 및 제논 및/또는 크립톤을 포함하는 액체 산소 스트림으로부터의 제논 및/또는 크립톤의 회수를 위한 방법으로서,
    상단, 하단, 적어도 하나의 증류 구역, 및 리보일러를 포함하는 리보일링 구역을 갖는 희가스 회수 칼럼을 포함하는 희가스 회수 시스템을 제공하는 단계;
    산소, 및 제논 및/또는 크립톤을 포함하는 적어도 하나의 액체 산소 공급물을 제공하는 단계;
    희가스 회수 칼럼의 상단에 액체 산소 공급물의 적어도 일부를 제공하여 환류 액체를 형성하는 단계;
    리보일링 구역에서 리보일러 액체를 기화시켜 상승 증기 및 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림의 혼합물을 생성하는 단계;
    상기 상승 증기를 적어도 하나의 증류 구역 중의 환류 액체와 접촉시켜 환류 액체에 대해 상승 증기로부터의 제논 및/또는 크립톤을 스트리핑시켜 리보일러 액체를 생성하는 단계;
    희가스 회수 칼럼의 상단으로부터 상승 증기를 제거하여 제논 및/또는 크립톤-결핍 기체 산소 스트림을 형성하는 단계;
    희가스 회수 칼럼의 하단으로부터 제논 및/또는 크립톤-풍부 액체 스트림을 제거하는 단계;
    제논 및/또는 크립톤-결핍 기체 산소 스트림을 저온 압축기에 통과시켜 저온 압축된 산소 스트림을 형성하는 단계;
    저온 압축된 산소 스트림을 리보일러에 통과시켜 리보일링 구역 중의 리보일러 액체를 사용하는 간접 열교환에 의해 응축된 액체 산소를 생성하는 단계; 및
    제논 및/또는 크립톤-결핍 액체 산소로서의 희가스 회수 시스템으로부터의 응축된 액체 산소를 제거하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체 산소 공급물을 제1 부분 및 제2 부분으로 나누는 단계, 및 적어도 하나의 증류 구역과 리보일링 구역 사이의 위치에서 액체 산소 공급물의 제2 부분을 희가스 회수 칼럼으로 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 희가스 회수 칼럼은 5 내지 25 bara의 구동 압력에서 구동되는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 희가스 회수 칼럼은 10 내지 20 bara의 구동 압력에서 구동되는, 방법.
  5. 제3항에 있어서, 저압 액체 산소 스트림을 제공하고, 펌프에서 상기 저압 액체 산소 스트림을 희가스 회수 칼럼의 구동 압력보다 큰 압력으로 압축하여 압축된 액체 산소 스트림을 형성하고, 디서브쿨러에서의 간접 열교환에 의해 상기 압축된 액체 산소 스트림을 가온하여 액체 산소 공급물을 형성하는 단계; 및
    상기 응축된 액체 산소를 디서브쿨러에 통과시키고, 간접 열교환에 의해 압축된 액체 산소 스트림을 냉각시켜 과냉각된 제논 및/또는 크립톤-결핍 액체 산소를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 밸브에서의 과냉각된 제논 및/또는 크립톤-결핍 액체 산소의 압력을 감소시키고, 상기 과냉각된 제논 및/또는 크립톤-결핍 액체 산소를 상분리기에 통과시켜 저압 복귀 액체를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제3항에 있어서, 고압 액체 산소 스트림을 제공하고, 밸브에서 고압 액체 산소 스트림의 압력을 희가스 회수 칼럼의 구동 압력보다 큰 압력으로 감소시켜 압축된 액체 산소 스트림을 형성하고, 디서브쿨러에서 간접 열교환에 의해 압축된 액체 산소 스트림을 가온시켜 액체 산소 공급물을 형성하는 단계; 및
    상기 응축된 액체 산소를 디서브쿨러에 통과시키고, 간접 열교환에 의해 압축된 액체 산소 스트림을 냉각시켜 과냉각된 제논 및/또는 크립톤-결핍 액체 산소를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 밸브에서 과냉각된 제논 및/또는 크립톤-결핍 액체 산소의 압력을 감소시키고, 상기 과냉각된 제논 및/또는 크립톤-결핍 액체 산소를 상분리기에 통과시켜 저압 복귀 액체를 형성하는 단계, 및
    펌프에서 상기 저압 복귀 액체를 압축하여 고압 복귀 액체를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고압 복귀 액체의 압력은 고압 액체 산소 스트림의 압력 이상인, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 액체 산소 공급물에서의 제논의 농도를 기준으로 90% 이상의 제논 회수율이 달성되는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 액체 산소 공급물에서의 제논의 농도를 기준으로 95% 이상의 제논 회수율이 달성되는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 액체 산소 공급물의 제1 부분은 액체 산소 공급물의 10 내지 50%인, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 액체 산소 공급물에서의 크립톤의 농도를 기준으로 15% 내지 90%의 크립톤 회수율이 달성되는, 방법.
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