KR20220015406A - 저온 공기 분리를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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디미트리 고루베브
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린데 게엠베하
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Abstract

본 발명은 제1 컬럼(11), 제2 컬럼(12), 제3 컬럼(13) 및 제4 컬럼(14)을 갖는 컬럼 시스템(10)을 가진 공기 분리 시스템(100 내지 500)이 사용되는, 저온 공기 분리를 위한 방법으로서, 제1 컬럼(11)으로부터의 유체가 적어도 제2 컬럼(12) 내로 공급되고, 제2 컬럼(12)으로부터의 유체가 적어도 제3 컬럼(13) 내로 공급되고, 제3 컬럼(13)으로부터의 유체가 적어도 제4 컬럼(14) 내로 공급되고, 제4 컬럼(14)으로부터의 유체가 적어도 제3 컬럼(13) 내로 공급되고, 제3 컬럼(13)으로부터 제4 컬럼(14) 내로 공급되는 유체는, 제3 컬럼(13)으로부터 인출되고 제3 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량을 갖는 사이드 유동의 적어도 일부를 포함하는, 저온 공기 분리를 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 귀환 액체가 제1 컬럼(11)으로부터의 헤드 가스를 응축시킴으로써 형성되고, 다시 제1 컬럼(11)으로 유동 공급된다. 제1 컬럼(11)으로부터의 헤드 가스를 응축시키기 위해, 액체 냉각 유동이 제공되고, 헤드 가스와의 간접 열교환에서 증발되거나 부분적으로 증발되고, 냉각 스트림의 증발 또는 부분 증발 동안 형성된 기체는 제2 압력 범위 내의 압력으로 팽창되어 일이 수행되고, 제2 컬럼(12) 내로 공급된다. 본 발명은 또한 대응하는 시스템(100 내지 500)에 관한 것이다.

Description

저온 공기 분리를 위한 방법 및 시스템
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 저온 공기 분리를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
공기-분리 유닛에서의 공기의 저온 분리에 의한 액체 또는 기체 상태의 공기 생성물의 생산이 알려져 있으며, 예를 들어 문헌[H.-W.
Figure pct00001
(editor), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006 - in particular, section 2.2.5, "Cryogenic Rectification"]에 기술되어 있다.
공기-분리 시스템은 정류 컬럼 시스템(rectification column system)을 가지며, 이것은, 관례적으로, 예를 들어 2-컬럼 시스템으로서 - 특히, 전통적인 린데(Linde) 이중-컬럼 시스템으로서 -, 그러나 또한 3-컬럼 또는 다중-컬럼 시스템으로서 설계될 수 있다. 액체 및/또는 기체 상태의 질소 및/또는 산소를 추출하기 위한 정류 컬럼, 즉 질소-산소 분리를 위한 정류 컬럼에 더하여, 추가의 공기 성분 - 특히, 희가스 크립톤, 제논, 및/또는 아르곤 - 을 추출하기 위한 정류 컬럼이 제공될 수 있다. 흔히, 용어들 "정류"와 "증류"뿐만 아니라 "컬럼"과 "타워(tower)" 또는 그로부터 구성된 용어들은 동의어로 사용된다.
언급된 정류 컬럼 시스템의 정류 컬럼은 상이한 압력 레벨들에서 작동된다. 알려져 있는 이중-컬럼 시스템은 고압 컬럼(압력 컬럼, 중압 컬럼, 또는 하부 컬럼으로도 지칭됨)으로 알려져 있는 것, 및 저압 컬럼(상부 컬럼으로도 지칭됨)으로 알려져 있는 것을 갖는다. 고압 컬럼은 전형적으로 4 내지 7 바(bar) - 특히 약 5.3 바 - 의 압력 레벨에서 작동된다. 저압 컬럼은 전형적으로 1 내지 2 바 - 특히, 약 1.4 바 - 의 압력 레벨에서 작동된다. 소정의 경우에, 더 높은 압력 레벨이 또한 둘 모두의 정류 컬럼에서 사용될 수 있다. 여기에 그리고 하기에 명시된 압력들은 명시된 각자의 컬럼들의 헤드(head)에서의 절대 압력이다.
가능한 한 입자가 없는 기체 상태의, 고순도 질소 및 가능하게는 산소에 더하여, 비교적 소량의 기체 상태의 아르곤을 갖는 공급이 또한 점점 더 요구된다 - 특히, 반도체 제조 플랜트(소위 팹(fab))에 공급하기 위해 -. 이러한 목적을 위해, 액체 아르곤이 전달되고 현장에서 증발될 수 있거나, 기체 상태의 아르곤이 현장에서 추출될 수 있다. 액체 아르곤의 전달은 경제적으로 불리한 점(수송 비용, 이송 손실, 주위 공기에 대한 증발 동안의 저온 손실)을 수반할 뿐만 아니라, 물류 체인의 신뢰성을 크게 요구한다. 언급된 응용 분야에 대해, 더 많은 양의 기체 상태의 고순도 질소에 더하여 더 적은 양의 기체 상태의 아르곤을 전달할 수 있는, 공기의 저온 분리를 위한 시스템이 그에 따라서 수요가 점점 더 많아진다. 생산된 질소는 전형적으로 단지 약 1 ppb, 그리고 최대 1,000 ppb의 산소를 가져야 하고, 실질적으로 입자가 없어야 하고, 대기압보다 상당히 더 높은 압력 레벨에서 전달될 수 있어야 한다. 여기서 ppb 또는 ppm 단위의 사양은 몰 분율을 지칭한다.
아르곤 추출을 위해, 이중-컬럼 시스템 및 소위 미정제(crude)- 그리고, 선택적으로, 소위 순수-아르곤 컬럼을 갖는 공기-분리 시스템이 전형적으로 사용된다. 예가 문헌[
Figure pct00002
](상기 참조)에서 도 2, 도 3a에 예시되어 있고, 26 페이지의 섹션 "Rectification in the Low-pressure, Crude and Pure Argon Column"에서 시작하여, 그리고 또한 29 페이지의 섹션 "Cryogenic Production of Pure Argon"에서 시작하여 기술되어 있다. 원칙적으로, 순수-아르곤 컬럼이 또한 대응하는 시스템에서 생략될 수 있다 - 해당 정류 컬럼들이 그에 맞춰 설계되는 경우 -. 이어서 순수 아르곤이 전형적으로 미정제-아르곤 컬럼 또는 순수-아르곤 컬럼 내로 관례적으로 이송되는 유체보다 약간 더 아래에 있는 비교할 만한 컬럼으로부터 취출될 수 있다.
단지 비교적 소량의 아르곤만이 요구될지라도, 이중 컬럼 및 아르곤 정류를 갖는 완전한 공기-분리 시스템(즉, 산소 추출을 위한 전통적인 저압 컬럼을 구비함)이 여전히 관례적으로, 위에서 설명된 바와 같이, 기체 상태의 아르곤의 생산을 위해 설치되어야 한다. 대기압보다 상당히 더 높은 압력 레벨에서의, 동시에, 큰 생산량을 갖는 질소의 생산은 그러한 시스템에서 합리적인 수율로는 가능하지 않다. 여기서, 질소는 주로 저압 생성물로서 생산되며 압축되어야 한다. 잔존 부분은 압력-컬럼 압력 하에서 얻어질 수 있지만, 또한 대부분의 경우에 재압축되어야 한다. 단지 고압 컬럼만이 질소 생산에 사용되는 대안적인 시스템 구성에서, 질소의 압축은 실제로 재압축기가 아니라, 저압 컬럼으로부터 생략될 수 있다. 더욱이, 질소 수율은 일반적으로 이 경우에 불량하고, 대응하는 시스템은 또한 아르곤 생산에 만족할 정도로 적합하지는 않다.
따라서 본 발명의 목적은, 대기압보다 상당히 더 높은 압력 레벨에서의 비교적 대량의 고순도 기체 상태의 질소에 더하여, 아르곤이 또한 유리하게도 제공될 수 있게 하는 방법 및 공기-분리 시스템을 상술하는 것이다.
이러한 배경에 대해, 본 발명은 독립 청구항들의 특징들을 갖는, 저온 공기 분리를 위한 방법 및 시스템을 제안한다. 바람직한 실시예들이 종속 청구항들 및 하기의 설명의 주제를 이룬다.
본 발명의 특징들 및 이점들을 설명하기 전에, 본 발명의 원리들 중 일부가 더 상세히 설명되며, 아래에서 사용되는 용어들이 정의된다.
공기-분리 시스템에서 사용되는 장치는 인용된 기술 문헌에 - 예를 들어, 문헌[
Figure pct00003
(see above) in section 2.2.5.6, "Apparatus"]에 - 설명되어 있다. 그에 따라, 하기의 정의들이 상이하지 않는 한, 본 출원의 체제 내에서 사용되는 용어의 목적을 위해 인용된 기술 문헌에 대해 참조가 명백히 이루어진다.
액체 및 기체는, 본 명세서에서 사용되는 용어에서, 하나 이상의 성분이 풍부하거나 부족할 수 있으며, 여기서, 몰, 중량, 또는 부피 기준으로, "풍부"는 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9%, 또는 99.99% 이상의 함량을 지칭할 수 있고, "부족"은 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1%, 또는 0.01% 이하의 함량을 지칭할 수 있다. 용어 "주로"는 "풍부"의 정의에 대응할 수 있다. 액체 및 기체는 또한 하나 이상의 성분이 풍부화되거나 고갈될 수 있으며, 여기서 이러한 용어들은 액체 또는 기체가 그로부터 추출된 출발 액체 또는 출발 기체 중의 함량을 참조한다. 액체 또는 기체는, 출발 액체 또는 출발 기체에 비해, 그것이 대응하는 성분의 함량의 1.1배, 1.5배, 2배, 5배, 10배, 100배, 또는 1,000배 이상을 함유하는 경우 "풍부화"되고, 그것이 대응하는 성분의 함량의 0.9배, 0.5배, 0.1배, 0.01배, 또는 0.001배 이하를 함유하는 경우 "고갈"된다. 예로서, 본 명세서에서 "산소", "질소", 또는 "아르곤"에 대해 언급이 이루어지는 경우, 이것은 또한 산소, 질소, 또는 아르곤이 풍부하지만, 반드시 전적으로 그것으로만 이루어질 필요는 없는 액체 또는 기체를 의미하는 것으로 이해된다.
본 출원은 압력들 및 온도들을 특성화하기 위해 용어 "압력 범위" 및 "온도 범위"를 사용하며, 이는 대응하는 시스템에서의 대응하는 압력들 및 온도들이 본 발명의 개념을 실현하기 위해 정확한 압력 또는 온도 값들의 형태로 사용될 필요가 없음을 의미한다. 그러나, 그러한 압력들 및 온도들은 전형적으로, 예를 들어 평균을 중심으로 ± 1%, 5%, 10%, 또는 20%인, 소정 범위들에 속한다. 이러한 경우에, 대응하는 압력 범위들 및 온도 범위들은 따로따로 떨어진 범위들 내에, 또는 서로 중첩되는 범위들 내에 있을 수 있다. 특히, 압력 범위들은, 예를 들어, 불가피한 또는 예상되는 압력 손실들을 포함한다. 동일한 것이 온도 범위들에 적용된다. 본 명세서에서 압력 범위들에 관하여 바 단위로 표시된 값들은 절대 압력들이다.
"팽창기들"이 본 명세서에서 언급되는 경우, 이들은 전형적으로 알려져 있는 터보팽창기들을 지칭한다. 이러한 팽창기들은, 특히, 또한 압축기들에 결합될 수 있다. 이러한 압축기들은, 특히, 터보압축기들일 수 있다. 터보팽창기와 터보압축기의 대응하는 조합이 전형적으로 "터빈 부스터"로 또한 지칭된다. 터빈 부스터에서, 터보팽창기와 터보압축기는 기계적으로 결합되며, 결합은 동일한 회전 속도에서(예를 들어, 공통 샤프트를 통해) 또는 상이한 회전 속도들에서(예를 들어, 적합하게 기어 연결된 변속기를 통해) 일어날 수 있다. 일반적으로, 용어 "압축기"가 본 명세서에서 사용된다. 여기서, "저온 압축기"는 유체 유동이 0℃보다 상당히 더 낮은 온도 범위 - 특히, -50, -75, 또는 -100℃ 아래, 그리고 -150 또는 -200℃까지 - 에서 공급되는 압축기를 지칭한다. 대응하는 유체 유동은, 특히, 메인 열교환기(하기 참조)에 의해 이 온도 범위 내의 온도로 냉각된다.
"메인 공기 압축기"는 그것이 공기-분리 시스템에 공급되어 거기서 분리되는 모든 공기를 압축하는 것을 특징으로 한다. 대조적으로, 메인 공기 압축기에서 이미 이전에 압축된 이러한 공기의 일부만이 하나 이상의 선택적으로-제공된 추가 압축기들 - 예를 들어, 포스트-압축기(post-compressor)들 - 에서 추가로 압축된다. 따라서, 공기-분리 시스템의 "메인 열교환기"는 공기-분리 시스템에 공급되어 거기서 분리되는 공기의 적어도 지배적인 부분이 냉각되는 열교환기를 나타낸다. 이것은 공기-분리 시스템으로부터 배출되는 물질 유동들에 대한 역류에서 적어도 부분적으로 일어난다. 본 명세서에서 사용되는 언어에서, 그러한 "배출된" 물질 유동들 또는 "생성물들"은 시스템 내의 회로들에 더 이상 참여하지 않고, 그로부터 영구적으로 제거된 유체들이다.
본 발명과 관련하여 사용하기 위한 "열교환기"는 통상적인 방식으로 설계될 수 있다. 그것은, 예를 들어, 서로에 대해 역류로 운반되는 적어도 2개의 유체 유동, 예컨대 고온의 압축된 공기 유동과 하나 이상의 저온 유체 유동, 또는 극저온 액체 공기 생성물과 하나 이상의 고온 또는 더 고온의, 그러나 선택적으로 또한 극저온의, 유체 유동 사이에서 간접적으로 열을 전달하는 데 사용된다. 열교환기는 병렬로 그리고/또는 직렬로 연결된 하나 이상의 열교환기 섹션들로부터, 예컨대 하나 이상의 플레이트 열교환기 블록들로부터 형성될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 플레이트 핀 열교환기이다. 그러한 열교환기는 "통로들"을 가지며, 이들은 열교환 표면들을 갖는, 서로로부터 분리된, 유체 채널들로서 설계되고, 병렬로 결합되고 다른 통로들에 의해 분리되어 "통로 그룹들"을 형성한다. 열교환기의 특성은 한 시점에서 2개의 이동 매체, 즉 냉각될 적어도 하나의 유체 유동과 가열될 적어도 하나의 유체 유동 사이에서 열교환기 내에서 열이 교환된다는 것이다.
"응축기 증발기"는 제1 응축 유체 유동이 제2 증발 유체 유동과 간접 열교환하는 열교환기를 지칭한다. 각각의 응축기 증발기는 액화 챔버 및 증발 챔버를 갖는다. 액화 및 증발 챔버들은 액화 또는 증발 통로들을 갖는다. 제1 유체 유동의 응축(액화)이 액화 챔버 내에서 수행되고, 제2 유체 유동의 증발이 증발 챔버 내에서 수행된다. 증발 및 액화 챔버들은 서로 열-교환 관계에 있는 통로들의 그룹들에 의해 형성된다.
"강제-유동" 응축기 증발기에서, 액체 유동 또는 2-상 유동이 그 자신의 압력에 의해 증발 챔버를 통과하도록 강제되고, 거기서 부분적으로 또는 완전히 증발된다. 이러한 압력은, 예를 들어, 증발 챔버까지의 공급 라인 내의 액체 컬럼에 의해 생성된다. 여기서 이러한 액체 컬럼의 높이는 증발 챔버 내의 압력 손실에 대응한다. 이러한 유형의 "관류형(once-through)" 응축기 증발기에서, 상들에 의해 분리된, 증발 챔버로부터 나오는 기체-액체 혼합물은 다음 방법 단계로 또는 하류측 장치로 직접 전달되고, 특히, 응축기 증발기의 액체 조(bath) 내로 도입되지 않으며, 그로부터 잔존 액체 부분이 다시 흡인될 것이다.
상대적 공간 용어 "상부", "하부", "상측", "하측", "위", "아래", "인접한", "옆에", "수직", "수평" 등은 본 명세서에서 정상 작동 동안의 공기-분리 시스템의 정류 컬럼들 또는 다른 구성요소들의 공간적 배향을 지칭한다. "상하로(one above the other)" 2개의 구성요소들의 배열은 본 명세서에서 2개의 구성요소들 중 하부 구성요소의 상부 단부가 2개의 구성요소들 중 상부 구성요소의 하부 단부보다 더 낮은 측지학적 높이 또는 그와 동일한 측지학적 높이에 위치되고, 2개의 장치 부분들의 투영들이 수평 평면에서 중첩된다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 특히, 2개의 구성요소들은 정확히 상하로 배열되는데, 즉 2개의 구성요소들의 축들이 동일 수직 직선 상에서 이어진다. 그러나, 2개의 구성요소들의 축들이 상하로 정확히 수직으로 놓일 필요는 없으며, 또한 서로로부터 오프셋될 수 있다 - 특히 2개의 구성요소들 중 하나, 예를 들어 더 작은 직경의 정류 컬럼 또는 컬럼 부분이 더 큰 직경의 다른 것과, 콜드 박스(cold box)의 시트-금속 재킷으로부터의 동일한 거리를 가져야 하는 경우 -.
본 발명의 이점들
이러한 배경에 대해, 본 발명은 제1 컬럼, 제2 컬럼, 제3 컬럼, 및 제4 컬럼을 갖는 컬럼 시스템을 가진 공기-분리 시스템이 사용되는, 저온 공기 분리를 위한 방법을 제안한다.
본 발명에 따른 공기-분리 시스템에서, 제1 내지 제3 컬럼은 특히 종래 기술로부터 알려져 있는 전통적인 이중-컬럼 시스템에, 전통적으로-존재하는 고압 컬럼보다 더 높은 압력에서 작동되는 추가 컬럼을 추가하는 것으로부터 생겨난다.
본 발명의 맥락에서, 또한 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 컬럼은 특히 제2 및 제3 컬럼들과는 구조적으로 별개이도록 제공될 수 있으며, 여기서 제2 및 제3 컬럼들은 특히 이중 컬럼의 일부일 수 있고, 대응하는 응축기 증발기 - 소위 메인 응축기 - 에 의해 서로 열-교환 연결될 수 있다. 그러나, 이들의 상이한 배열들이 또한 이루어질 수 있으며, 본 발명은 방금 한 설명들에 의해 제한되지 않는다.
특히, 추가 컬럼이 또한 대응하는 다중-컬럼 시스템 내의, 이중 컬럼의 일부로서 설계된, 제2 및 제3 컬럼들에 추가될 수 있거나, 제2 및 제3 컬럼들이 별개의 컬럼들로서 제공될 수 있다. 전술된 메인 응축기는, 원칙적으로 종래 기술로부터 알려져 있는 바와 같이, 내부 또는 외부 메인 응축기로서 제공될 수 있다. 내부 메인 응축기가 사용될 때, 그것은 제3 컬럼의 섬프(sump) 내의 섬프 액체에 적어도 부분적으로 침지되고, 제2 컬럼으로부터의 응축될 오버헤드 가스가 메인 응축기의 응축 챔버를 통해 운반된다.
또한 공기 분리의 분야에서 이 점에 있어서 알려져 있고 통상적인 바와 같이, 제1 섬프 액체가 제1 컬럼에서 형성되고, 제2 섬프 액체가 제2 컬럼에서 형성되고, 제3 섬프 액체가 제3 컬럼에서 형성되고, 제4 섬프 액체가 제4 컬럼에서 형성된다. 제1 내지 제3 컬럼들과는 대조적으로, 제4 컬럼은 본 발명의 맥락에서 특히 제3 컬럼으로부터 제거된 기체 혼합물로부터의 아르곤 생산 또는 아르곤 배출에 사용된다. 제4 컬럼은 특히 미정제- 및 순수-아르곤 컬럼들을 갖는 알려져 있는 배열의 종래의 미정제-아르곤 컬럼일 수 있지만, 그것은 또한, 추가의 순수-아르곤 컬럼의 사용 없이, 순수 상태의 아르곤이 그로부터 헤드 아래에서 제거되는 수정된-아르곤 컬럼일 수 있다. 다른 변형들이 또한 본 발명의 범위 내에서 가능하다.
본 발명의 맥락에서, 제1 컬럼은 제1 압력 범위에서 작동되고, 제2 컬럼은 제1 압력 범위보다 낮은 제2 압력 범위에서 작동되고, 제3 컬럼은 제2(및 이에 따라 또한 제1) 압력 범위보다 낮은 제3 압력 범위에서 작동된다. 제4 컬럼은 특히 제3 압력 범위에서 또는 그보다 약간 낮은 압력 범위에서 작동될 수 있으며, 이는 특히 제3 및 제4 컬럼들을 연결하는 라인들에 걸친 압력 손실들로부터 기인할 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 제2 섬프 액체는 제1 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량으로 형성되고, 제3 섬프 액체는 제2 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 아르곤 함량으로 형성된다. 제1 섬프 액체의 것과 비교하여 제2 섬프 액체의 더 높은 아르곤 함량은 상이한 작동 조건들 - 특히, 제1 및 제2 컬럼들을 작동시키는 데 사용되는 상이한 압력들 - 로부터, 그리고 제1 및 제2 컬럼들 내로 공급되는 물질 유동들의 상이한 조성들로부터 기인한다. 대조적으로, 제3 컬럼에서의 더 낮은 아르곤 함량은, 아래에서 설명되는 바와 같이, 아르곤-풍부화 기체가 이러한 제3 컬럼으로부터 제거된다는 사실로부터 기인한다.
특히, 본 발명의 맥락에서, 제1 산소 함량은 28 내지 40%, 그리고 특히 약 34%일 수 있고, 제2 산소 함량은 약 45 내지 65%, 그리고 특히 약 55%일 수 있고, 제3 산소 함량은 약 99.0 내지 99.9%, 그리고 특히 약 99.5%일 수 있다. 각자의 백분율은 대응하는 성분 혼합물 중의 산소의 몰 함량에 관련된다. 본 발명의 맥락에서, 그에 따라 제3 컬럼은 순수-산소 컬럼으로서 사용되고, 대응하는 순수-산소 생성물이 상기 컬럼으로부터 취출될 수 있다. 대조적으로, 제1 및 제2 섬프 액체들은 전형적으로 생성물로서 사용되지 않지만, 시스템에서 추가로 준비된다.
본 발명의 맥락에서, 유체는 일반적으로 제1 컬럼으로부터 적어도 제2 컬럼 내로 공급된다. 제1 컬럼으로부터 제2 컬럼 내로 공급되는 유체는 특히 제1 컬럼의 섬프 액체를 포함할 수 있으며, 이는 증발되고, 팽창되고, 제2 컬럼 내로 도입된다. 특히, 유체는 제1 컬럼으로부터 제2 컬럼 내로 그리고 제3 컬럼 내로 공급될 수 있다. 제2 컬럼으로부터의 유체가 적어도 제3 컬럼 내로 공급되고, 제3 컬럼으로부터의 유체가 적어도 제4 컬럼 내로 공급되고, 제4 컬럼으로부터의 유체가 적어도 제3 컬럼 내로 공급된다.
본 명세서에서 각각의 경우에 "유체"가 하나의 컬럼으로부터 "적어도" 다른 컬럼 내로 공급되는 것에 대해 언급이 이루어지는 경우, 이것은, 특히, 대응하는 유체 유동의 직접적인 또는 간접적인 이송을 의미한다. 특히, 대응하는 유체의 이송은 또한 초기에 응축기 증발기 또는 그의 증발 챔버 내로 공급하는 것을 포함할 수 있으며, 그로부터 액체 및/또는 기체 분획(fraction)들이 이어서 다른 컬럼 내로 이송된다. 이에 따라 유체를 이러한 방식으로 운반하는 것이 또한 하나의 컬럼으로부터 다른 컬럼 내로의 유체의 이송에 속한다. 대응하는 유체가 부분적으로만 이송되는 경우, 예를 들어, 그것이 특성 성분들로 풍부화되거나 특정 성분들이 고갈되고/되거나, 부분 유동들로 분할되는 경우, 동일한 것이 또한 적용된다.
이송된 유체들은 대응하는 컬럼들의 오버헤드 가스들, 섬프 액체들, 및/또는 사이드 유동(side flow)들을 포함할 수 있다. "사이드 유동"은 상이한 분리 트레이(tray)들 또는 분리 섹션들 사이에서 대응하는 컬럼으로부터 취출되는 물질 유동을 의미하는 반면, 오버헤드 가스는 최상부 분리 트레이 또는 분리 영역 위에서 컬럼으로부터 취출되는 기체 혼합물을 지칭하고, 섬프 액체는 최하부 분리 트레이 또는 분리 영역 아래에서 대응하는 컬럼으로부터 취출되는 액체를 지칭한다. 섬프 액체는 특히 액체 물질 유동의 형태로 배출되고, 오버헤드 가스는 특히 기체 물질 유동의 형태로 배출된다. 그러나, 액체 또는 기체 물질 유동들은 또한, 예를 들어, 섬프 위에서 직접, 그러나 여전히 최하부 분리 섹션 또는 최저 분리 트레이 아래에서 취출될 수 있다. 사이드 유동은 액체 또는 기체 상태로 존재할 수 있다. 액체 사이드 유동이, 예를 들어, 액체 보유 장치로부터 또는 축적 트레이로부터 취해질 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 제3 컬럼으로부터 제4 컬럼 내로 공급되는 유체는, 제3 컬럼으로부터 취출되고 제3 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량을 갖는 사이드 유동의 적어도 일부를 포함한다. 사이드 유동은 특히 이미 위에서 설명된 아르곤 전이의 영역에서 제3 컬럼으로부터 취출되지만, 그것은 또한 아르곤 전이 아래에서 제거될 수 있다. 대응하는 사이드 유동은 특히 섬프 액체보다 더 높은 아르곤 함량 및 오버헤드 가스보다 더 낮은 아르곤 함량을 갖는 기체 혼합물이다.
본 발명의 본질적인 태양은 제1 컬럼의 오버헤드 가스를 응축시킴으로써 환류 액체가 형성된다는 것, 그리고 이러한 환류 액체가 액체 형태로 다시 제1 컬럼으로 공급된다는 것이다. 오버헤드 가스를 "사용한" 환류 액체의 형성은, 특히, 제1 컬럼으로부터 기체 형태의 오버헤드 가스를 취출하는 것, 그것을 응축기 증발기 내에서 적어도 부분적으로 액화시키는 것 - 이는 또한 아래에서 상세히 설명됨 -, 및 액체 분획을 적어도 부분적으로 제1 컬럼으로 다시 공급하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 컬럼의 오버헤드 가스의 설명된 응축을 위해, 액체 냉각 유동이 오버헤드 가스와의 간접 열교환에서 증발되거나 부분적으로 증발된다. 냉각 유동의 증발 또는 부분 증발 동안 형성된 기체(임의의 잔존 액체는 미리 분리될 수 있음)는 추가로, 본 발명에 따라, 제2 압력 범위 내의 압력, 즉 제2 컬럼의 작동 압력으로 팽창되어 일을 수행하고, 제2 컬럼 내로 공급된다. 상응하여 팽창된 기체는 증발 또는 부분 증발 동안 형성된 기체의 일부, 또는 심지어 단지 그의 일부일 수 있다. 액체 냉각 유동은 특히 제1 압력 범위 내의 압력에서 제공되고, - 예를 들어, 밸브에 의해 -, 증발 또는 부분 증발 전에, 예를 들어 제1 압력 범위와 제2 압력 범위 사이의 영역에 있는, 약간 더 낮은 압력으로 팽창될 수 있다. 이어서 제2 컬럼 내로 공급하기 전에 제2 압력 범위 내의 압력으로의 증발 후 추가 팽창이 전술된 일-수행 형태로 증발의 하류측에서 일어난다.
대안에서, 본 발명은 이전에 개발된 방법들보다 더 낮은 에너지 소비를 갖는 방법을 제공한다. 이것은 특히 공지된 소위 스펙트라(SPECTRA) 방법 및 그의 변형과 비교하여 적용된다. 그러나, 본 발명은 또한, 예를 들어 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이, 그러한 스펙트라 방법 또는 그의 변형과 함께 사용될 수 있다.
스펙트라 방법은, 예를 들어, EP 2 789 958 A1호 및 거기에서 인용된 특허 문헌으로부터 알려져 있다. 가장 간단한 형태에서, 이것은 단일-컬럼 방법이다. 그러나, 스펙트라 방법은 또한, 추가 컬럼들을 제공함으로써, 산소 및 아르곤 회수로 확장될 수 있다. 스펙트라 방법들은 비교적 높은 질소 수율을 가능하게 한다.
공급 공기의 주된 양을 또한 공급받는, 질소 추출을 위한 정류 컬럼으로부터, 대기 공기와 비교해 산소가 풍부화된 극저온 액체가 하나 이상의 물질 유동의 형태로 취출되고 응축기 증발기 내에서 가열되며, 이는 동일 컬럼의 오버헤드 가스의 적어도 일부를 냉각 및 응축시키는 데 사용된다. 상응하여 응축된 오버헤드 가스는 그것이 그로부터 이전에 취출된 컬럼으로 다시 적어도 부분적으로 공급된다. 종래의 스펙트라 방법들에서, 증발될 유체는 단지 하나의 물질 유동의 형태로 또는 둘 이상의 별개의 제1 물질 유동들의 형태로 응축기 증발기를 통해 운반될 수 있다.
상응하여 증발된 유체의 일부가 하나 이상의 압축기를 사용해 저온-압축되는데, 즉 0℃보다 상당히 더 낮은 온도 레벨에서 - 특히, -50℃ 이하의 온도 레벨에서 - 압축되고, 이어서 그것이 그로부터 이전에 취출된 컬럼 내로 다시 공급된다. 하나 이상의 압축기는 하나 이상의 팽창기에 - 특히, 병렬로 배열된 2개의 팽창기 중 하나에 - 결합될 수 있고 이를 사용하여 적어도 부분적으로 구동될 수 있다. 팽창기 또는 팽창기들에서, 증발된 유체의 추가 부분이 팽창되고 공기-분리 시스템으로부터 배출된다.
특히, 본 발명은 일반적인 방법의 잠재력이 본 발명에 따라 제안된 조치 없이는 충분히 이용되지 않는다는 발견에 기초한다. 이것의 지표는 최고 압력에서 작동하는 제1 정류 컬럼의 오버헤드 가스를 응축시키는 응축기에서 그러한 일반적인 방법들에 존재하는 여전히 비교적 높은 온도 차이이거나 여전히 비교적 높은 온도 차이였다. 이전의 개념들에서, 이러한 응축기는, 질소 생성물 압력 및 이에 따라 제1 압력 레벨에 대한 요건으로 인해(예를 들어, 11 바; 공급 공기는 상응하여 고도로-압축됨), 약 150 내지 200 밀리바의 비교적 높은 정수압 손실 및 2.5K(또는 그 초과)의 평균 온도 차이를 갖는 조 응축기로서 설계되었다. 결과적으로, 비교적 많은 양의 엑서지(exergy)가 대응하는 프로세스에서 "손실"되는데, 이는 본 발명의 범위 내에서는 그렇지 않다.
스펙트라 방법들과는 상이하고 다수의 정류 컬럼을 갖는 프로세스 토폴로지에 기초하는, 본 발명에 따르지 않는 대안적인 개념들의 (불리한 점으로 보이는) 추가 문제는 중간 압력에서 작동하는 제2 정류 컬럼 내로의 공기(공급 공기의 양의 약 10 내지 15%)의, 냉동 용량을 생성하도록 의도된, 주입이다.
이러한 양의 공기는 고압 질소 생성물을 획득하기 위해 제1(메인) 정류 컬럼에서 정류를 겪지 않으며, 그에 따라 대응하는 해법이 불가피하게 질소 수율에 있어서의 대응하는 불리한 점들과 연관된다.
본 발명에 따라 제안된 조치의 결과로서, 주로 저온을 달성하기 위해 제공되는 공급 공기의 대응하는 주입이 더 이상 필요하지 않은데, 왜냐하면 응축기 증발기 내에서 증발된 냉각 유체가 대신 사용될 수 있기 때문이다. 이러한 냉각 유체는, 유리하게도, 제1 정류 컬럼의 섬프 액체로부터 유래하며 그에 따라 거기서 일어나고 있는 정류에 이미 참여하였다. 이것은 본 발명에 따라 제안된 방법에서 효율 및 수율을 증가시킨다.
다시 말해서, 본 발명은 제2 정류 컬럼 내로의 공급 공기 유동이 프로세스 냉동 용량을 생성하는 데 사용되는 것이 아니라(또는 적어도 전적으로 사용되는 것이 아니라), 오히려 제1 정류 컬럼의 응축기 증발기(오버헤드 응축기) 내에서 증발되는 유동, 즉 본 명세서에서 "냉각 유동"으로 지칭되는 물질 유동이 그것에 사용되는 것을 제안한다. 본 발명의 본질적인 태양은, 그 중에서도, 저온을 생성하기 위해 그리고 제2 정류 컬럼 내로의 공기 "주입량"을 감소시키기 위해 제2 정류 컬럼의 작동 압력(즉, 제2 압력 범위에 대응하는 하나의 압력)과 오버헤드 가스를 응축시키는 데 사용되는 응축기 내의 증발 압력 사이의 차압의 이용에 있다.
응축기에서의 온도 차이가 더 낮을수록, 상기 응축기에서의 증발 압력이 더 높다(그리고 이에 따라 저온 생성 프로세스에 더 좋다). 그에 따라 응축기는 유리하게도 조 응축기로서가 아니라, 특히 가장 낮은 가능한 최소 온도 차이를 갖는 강제-유동 응축기로서 설계된다.
다시 말해서, 언급된 이점들을 달성하기 위해, (냉동 용량을 위해 공기 대신에 팽창되는) 전술된 냉각 유동은, 유리하게도, 이에 따라 제1 섬프 액체의 적어도 일부를 사용하여 형성되고/되거나, 강제-유동 응축기 증발기가, 유리하게도, 이에 따라 제1 컬럼의 오버헤드 가스를 응축시키는 데 그리고 냉각 유동을 증발시키는 데 사용된다. 용어 "강제-유동 응축기 증발기"에 대하여, 위의 설명들에 대해 참조가 명백히 이루어진다.
이에 따라 스펙트라 방법의 일부인, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 제1 컬럼의 오버헤드 가스를 응축시키기 위해 추가 액체 냉각 유동이, 게다가, 오버헤드 가스와의 간접 열교환에서 증발되거나 부분적으로 증발되며, 추가 냉각 유동은 제1 컬럼으로부터 섬프 위에서 취출되고 증발 또는 부분 증발 후에 적어도 부분적으로 압축되고 다시 제1 컬럼으로 공급된다. 증발된 추가 냉각 유동 또는 그의 일부의 압축은 특히, 하나 이상의 팽창기에 기계적으로 결합되고 특히 추가적으로 제동되는 하나 이상의 압축기에서 일어난다. 압축은 특히 0℃ 미만, 그리고 특히 -50℃ 미만의 온도 레벨에서, 예를 들어 -100 내지 -150℃에서 일어난다. 하나 이상의 팽창기는, 특히, 압축되지 않고 다시 제2 컬럼으로 공급되는, 제1 컬럼의 섬프 액체로부터 형성된 냉각 유동의 나머지를 압축한다. 이러한 압축된 나머지는, 특히, 제1 압력 범위 내의 압력으로 압축되고 다시 제1 컬럼으로 공급된다.
본 발명의 맥락에서, 언급된 제1 압력 범위는 특히 9 내지 12 바이고, 제2 압력 범위는 특히 4 내지 6.5 바이고, 제3 압력 범위는 특히 1 내지 2 바이다. 그러나, 제3 압력 범위는 또한 더욱, 그리고 예를 들어 종래의 공기-분리 시스템들에 대하여 시작 부분에서 언급된 1.4 바의 압력 값에 비해, 특히 50 내지 200 밀리바만큼 낮아질 수 있다. 따라서, 제2 압력 범위가 또한 - 예를 들어, 5.3 바의 전술된 값에 비해 - 120 내지 500 밀리바만큼 낮아질 수 있다. 특히, 아래에서 설명되는 바와 같이, 제4 컬럼의 오버헤드 가스를 응축시키는, 응축기 증발기의 증발 챔버로부터의 기체가 재생 기체로서 사용되는 경우, 압력에 있어서의 대응하는 감소가 가능하다. 이러한 응축기 증발기에서의 구동 온도 차이가 또한 감소된다.
상기 값들로의 압력에 있어서의 감소 또는 압력에 있어서의 추가적인 감소 동안, 냉동 용량은 제1 압력 범위와 제2 압력 범위 사이의 압력 차이를 증가시킴으로써 또는 팽창 동안 출구 압력을 감소시킴으로써 상응하여 증가될 수 있다. 언급된 바와 같이, 여기서의 압력 데이터는 각각 컬럼들의 헤드에서의 절대 압력을 나타낸다. 이에 따라 제1 압력 범위는 공기-분리 시스템에서 고압 컬럼에 대해 관례적으로 사용되는 압력보다 높다. 본 발명의 맥락에서, 제2 컬럼은 특히 공기-분리 시스템에서 관례적으로 사용되는 고압 컬럼보다 더 낮은 압력 범위에서 작동될 수 있다. 그러나, 그것은 또한 원칙적으로 동일 압력일 수 있다.
본 발명의 사용은 - 특히, 제1 컬럼의 오버헤드 가스를 응축시키고 냉각 유동을 증발시키는 데 사용되는 냉각 유동이 제1 컬럼의 제1 섬프 액체를 사용하여 형성될 때 -, 존재하는 압력비로 인해, 액체 질소를 수송하는 데 펌프가 필요하지 않음을 의미한다. 이것은 저온 시스템 내로의 더 낮은 열 입력을 야기하고, 원칙적으로 또한 가능한, 산소-풍부 유체의 사용과는 대조적으로, 증발 액체 중의 더 낮은 산소 함량 때문에 더 높은 구동 온도 차이가 존재한다.
이것은 더 높은 증발 압력을 가능하게 하고 상응하여 터빈 출력을 증가시킨다.
본 발명에 따른 조치로 달성되는 터빈 출력(프로세스 냉동 용량)은, 예를 들어 11 바의 요구되는 질소 생성물 압력(이는 이어서 또한 제1 압력 범위 내의 압력에 대응함)의 경우에, 비교적 작은 액체 생산을 갖는 "기체" 시스템들에 대해 특히 충분하다. 그러한 콘스틀레이션(constellation)에서, 추가 터빈이 요구되지 않는다. 게다가, 이러한 콘스틀레이션에서 제2 컬럼 내로의 공기의 주입 또는 제1 컬럼의 바이패스가 요구되지 않는다. 그러나, 그럼에도 불구하고 비교적 높은 액체 생산을 갖는 작동 경우에 추가 터빈이 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 제안된 방법에서, 질소-풍부 기체는 특히 제1 정류 컬럼으로부터 생성물로서 취출되고, 가열되고, 제1 압력 범위 내의 압력에서 시스템으로부터 배출된다. 이러한 방식으로, 질소 생성물이 추가 압축 없이 대응하는 압력 범위 내에서 제공될 수 있다.
전반적으로, 본 발명의 맥락에서, 질소 생성물의 수율 및 터빈 출력의 회수를 증가시킴으로써, 증발된 냉각 유동 대신 공급 공기의 언급된 마찬가지로 가능한 팽창과 비교하여, 메인 공기 압축기의 출력에 비해, 5 내지 6%의 에너지 이점이 달성될 수 있다. 이것은 예를 들어 약 500 kW의 감소된 에너지 소비에, 그리고 이에 따라 100만 EUR 초과의 TCO(Total Cost of Ownership, 총 소유 비용)에 있어서의 감소에 대응할 수 있다. 본 발명에 따라 제안된 조치로 인해, 더 적은 공기 공급량이 전반적으로 요구되며, 이는 더 작은 "고온" 시스템 부분으로 이어진다. 이에 따라 더 작은 메인 열교환기(동일한 MTD 값을 갖고서 kF 값은 약 6% 더 낮음)가 또한 사용될 수 있다. 강제-유동 응축기 증발기가 사용되는 경우, 비교적 높은 증발 압력(전형적으로 7 바 초과)으로 인해, 가연성 탄화수소가 풍부하지 않다.
본 발명은 냉각 유동의 온도를 제어하거나 제어하지 않는 것에 대한 상이한 가능성들을 제공할 수 있으며, 이들 각각은 에너지의 면에서 소정 이점들을 제공할 수 있다. 이에 따라, 냉각 유동의 증발 또는 부분 증발 동안 형성되고 팽창되어 일을 수행하고 제2 컬럼 내로 공급되는 기체는 팽창 전에 가열될 수 있다. 특히, 공기-분리 시스템의 메인 열교환기가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 공급 유동들은 대응하는 냉동에 의해 냉각될 수 있고, 열교환기 프로파일은 그에 맞춰 적응될 수 있다. 그러나, 냉각 유동의 증발 또는 부분 증발 동안 형성되고 팽창되어 일을 수행하고 제2 컬럼 내로 공급되는 기체는 또한 그것이 증발 또는 부분 증발 후에 존재하는 온도에서 팽창에 공급될 수 있고; 이에 따라 이 실시예에서 추가 온도 제어가 일어나지 않는다.
주어진 경계 조건들 하에서 에너지의 면에서 마찬가지로 이점들을 제공할 수 있는, 본 발명의 일 실시예에서, 냉각 유동의 증발 또는 부분 증발 동안 형성되고 팽창되어 일을 수행하고 제2 컬럼 내로 공급되는 기체는 그것이 팽창에 사용되는 팽창기로부터 취출되는 온도에서 제2 컬럼 내로 공급될 수 있다. 대안적으로, 가열이 또한 팽창 후에 일어날 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예의 맥락에서, 제4 컬럼의 오버헤드 가스가 응축기 증발기의 응축 챔버 내에서 적어도 부분적으로 응축되며, 그의 증발 챔버로부터 기체 혼합물이 취출된다.
본 발명의 일 실시예에서, 이러한 기체 혼합물의 일부 및/또는 또한 제3 컬럼의 상부 영역으로부터의 잔류 기체의 적어도 일부, 즉 제3 컬럼으로부터 취출된 기체 혼합물의 적어도 일부가 환류 유동을 형성하는 데 사용될 수 있고, 프로세스에서, 가열되고, 압축되고, 냉각되고, 제2 컬럼 내로 공급될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 특히 공기-분리 시스템의 메인 열교환기가 전술된 환류 유동을 가열 및 냉각시키는 데 사용될 수 있다.
특히, 응축기 증발기의 증발 챔버로부터의 기체 혼합물의 일부(추가 부분)가 또한 컬럼 시스템으로 공급되는 공급 공기가 준비되는 흡착기를 위한 재생 기체로서 사용될 수 있다. 이것은 특히 대응하는 증발 압력에서 행해질 수 있다. 언급된 흡착기는 특히, 제3 컬럼으로부터 취출되고 거기에서와 동일한 조성으로 흡착기로 공급되는, 재생 기체의 사용 없이 작동된다. 그러나, 제3 컬럼의 상부 영역으로부터의 기체와 이러한 컬럼의 하부 영역으로부터의 기체가, 예를 들어, 메인 열교환기 내에서 공통 유동으로서 배합 및 가열되고 재생 기체로서 사용될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 응축기 증발기의 증발 챔버로부터 취출된 기체 혼합물의 적어도 일부가 제1 재생 기체 분획으로서 사용되고, 제3 컬럼으로부터 취출된 기체 또는 언급된 기체 혼합물의 적어도 일부가 제2 재생 기체 분획으로서 사용된다. 이 경우에, 특히 제2 재생 기체 분획은 제1 재생 기체 분획보다 더 낮은 압력에서 제공되고, 압축되고, 그것이 흡착기로 공급되기 전에 제1 재생 기체 분획과 배합된다. 이에 따라 제3 컬럼으로부터의 잔류 기체와 아르곤 컬럼의 오버헤드 응축기로부터의 기체가 배합된다.
그때 방금 설명된 실시예는, 특히, 냉동기가 사전-냉각에 사용되지 않고 그에 따라 재생 기체 요건이 비교적 높을 때 이점들을 갖는다. 그러한 경우에, 응축기 증발기로부터의 기체의 양은 재생 기체 양으로서 불충분할 수 있다. 그에 따라 저압 컬럼(즉, 제3 컬럼)으로부터의 잔류 기체의 부분 유동이 재압축되고(압력 차이는 약 50 내지 200 밀리바임) 다른 유동과 병합된다. 기체 상태의 질소 생성물 중의 수소 함량에 대한 요건이 비교적 높을지라도 이점들이 생긴다. 그러한 경우에, 분자체(molecular sieve)(즉, 흡착기)에서의 공기 입구 온도는 임의적으로 낮도록 선택될 수 없는데, 왜냐하면, 그렇지 않으면, (흡착기 내에 이러한 목적을 위해 제공된 촉매를 갖는 특수 층 상의) 수소 제거가 덜 완전하기 때문이다. 또한 그러한 경우에, 응축기 증발기로부터의 기체의 양은 재생 기체의 양으로서 충분하지 않을 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 제1 섬프 액체의 일부가 응축기 증발기의 증발 챔버로 공급되고, 그의 응축 챔버 내에서 제4 컬럼의 오버헤드 가스가 적어도 부분적으로 응축되고, 부분 증발을 겪으며, 여기서, 이러한 부분 증발로, 전술된 기체 혼합물이 형성된다. 다시 말해서, 이 실시예에서, 미정제-아르곤 컬럼 또는 단일-아르곤 컬럼의 오버헤드 응축기가 그에 따라 제1 컬럼의 섬프 액체를 사용하여 냉각된다. 순수-아르곤 컬럼이 제5 컬럼으로서 존재하는 경우, 그의 오버헤드 응축기가 또한, 아래에서 설명되는 바와 같이, 대응하는 섬프 액체를 사용하여 냉각될 수 있다.
일반적으로, 이어서 제4, 또는 제4 및 제5 컬럼(들)의 응축기 증발기(들)에서 사용된 제1 컬럼으로부터의 섬프 액체의 증발된 분획 및 증발되지 않은 분획이 또한 적어도 부분적으로 제3 컬럼 내로(선택적으로, 흡착기에서 사용된 분획을 제외), 그리고 실제로 이러한 유체들의 산소 함량 및 아르곤 함량에 대응하는 위치에 이송될 수 있다. 그에 따라 증발된 분획과 증발되지 않은 분획이 본질적으로 동일한 지점에서 제3 컬럼 내로 공급될 수 있다. 상기 물질 유동들은 배합되거나 서로 별도로 제3 컬럼 내로 이송될 수 있다. 이에 따라 제1 컬럼으로부터 제3 컬럼 내로 이송된 유체는 대응하는 액체, 즉 제4, 또는 제4 및 제5 컬럼(들)의 오버헤드 응축기(들)를 냉각시키는 데 사용된 제1 섬프 액체의 적어도 일부를 포함한다. 선택적으로, 오버헤드 응축기(들)로부터의 증발된 분획들을 공급하는 것은 또한 생략될 수 있으며, 이러한 증발된 분획들은, 환류 유동 및 흡착기에서 사용된 분획의 경우에서 언급된 바와 같이, 제3 컬럼 내로 공급함이 없이 본 방법으로부터 배출된다. 그러나, 증발되지 않은 액체와 함께, 제1 섬프 액체의 일부가 이 경우에 또한 제3 컬럼 내로 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 컬럼으로부터 제3 컬럼 내로 공급된 유체는, 펌프의 사용 없이 제2 컬럼으로부터 제3 컬럼 내로 이송되는 제2 섬프 액체의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 대응하는 섬프 액체가 오로지 제2 컬럼과 제3 컬럼 사이의 압력 차이 때문에 제3 컬럼으로 이송되는 것이 가능하다. 그러나, 그것은 또한 과냉각 역류 열교환기를 사용하여 추가 유동들에 대해 사전에 또는 이송 동안 과냉각될 수 있다.
오버헤드 가스가 정의된 취출 위치에서 제1 컬럼으로부터 취출되고, 대응하는 압력 범위 내에서 압축된 질소 생성물로서 공기-분리 시스템으로부터 배출될 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 본 발명은 제4 컬럼으로부터의 유체가 그 안으로 이송되는 순수-아르곤 컬럼, 즉 제5 컬럼과 조합하여 사용될 수 있으며, 여기서 제4 컬럼으로부터 이송된 유체는 제3 컬럼으로부터 취출되고 적어도 부분적으로 제4 컬럼 내로 이송된 기체 혼합물에서보다 더 높은 아르곤 함량을 갖는다. 본 발명의 맥락에서, 이에 따라 제5 컬럼은, 공기-분리 기술의 분야로부터 원칙적으로 알려져 있는 바와 같이, 대응하는 아르곤 생성물을 획득하는 데 사용된다.
유리하게도, 제5 컬럼의 오버헤드 가스는 추가 응축기 증발기에 의해 응축되며, 여기서 제2 섬프 액체의 추가 분획이 부분 증발을 겪는다. 상기의 설명들에 대해 참조가 명백히 이루어진다.
본 발명의 맥락에서, 제3 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량으로 형성되고 제3 컬럼으로부터 취출된 사이드 유동은 - 특히, 산소-고갈된 기체 혼합물 및 산소-풍부 액체를 획득하기 위해 - 추가 컬럼에서 준비될 수 있으며, 여기서 산소-고갈된 기체 혼합물은 추가 컬럼으로부터 적어도 부분적으로 제4 컬럼 내로 공급될 수 있다. 이러한 방식으로, 사이드 유동의 일부가 추가 컬럼의 일탈을 통해 제4 컬럼에 도달한다. 추가 컬럼은 특히 2개의 부분으로 형성되고, 유체-밀봉 분리 트레이에 의해 분리되는, 상하로 배열된 2개의 부분을 포함하며, 여기서 산소-고갈된 기체 혼합물은 적어도 상부 부분의 헤드에서, 그러나, 선택적으로, 또한 하부 부분의 헤드에서 취출되고, 산소-풍부 액체는 하부 부분의 섬프로부터 취출된다. 제3 컬럼으로부터의 사이드 유동은 - 특히, 기체 형태로 - 상부 부분의 하부 영역 내로 공급된다. 특히, 액체는 상부 부분의 섬프로부터 취출되고 다시 제3 컬럼으로 공급된다. 제4 컬럼의 섬프 액체는, 특히, 상부 부분의 헤드에서 환류로서 전달되지만, 또한 부분적으로 환류로서 하부 부분으로 전달될 수 있다. 그러한 배열에서, 하부 부분은 (고순도) 산소 컬럼의 기능을 수행한다. 상이한 실시예들이 도면에 예시되어 있다.
마지막으로, 본 발명은 또한 공기-분리 시스템으로 확장되며, 그의 특징부들에 대해, 대응하는 독립 청구항에 대해 참조가 명백히 이루어진다. 특히, 그러한 공기-분리 시스템은 상이한 실시예들에서 위에서 설명된 바와 같은 방법을 수행하도록 설계되고, 각각의 경우에 이러한 목적을 위해 설계된 수단을 갖는다. 대응하는 공기-분리 시스템의 특징 및 이점에 대해, 본 발명에 따른 방법에 관한 설명들에 대해 참조가 명백히 이루어진다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명되며, 첨부 도면은 본 발명의 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 실시예를 예시하고 있다.
도 1 내지 도 4는 특허 청구범위의 보호 범위에 속하는 본 발명의 실시예에 대응하고, 그렇지 않으면 본 발명에 따르지 않는 기술적 배경 및/또는 실시예와 관련되는, 공기-분리 시스템들을 도시한다. 도 1 내지 도 4에 따른 공기-분리 시스템들은 각각 전체로서 참조 부호 100 내지 400에 의해 지시된다. 하기의 설명들은 대응하는 공기-분리 시스템(100 내지 400)과 관련되지만, 그들은 동일한 방식으로 대응하는 방법과 관련된다. 도 5에 예시된 공기-분리 시스템(500)은 도 1에 예시된 공기-분리 시스템(100)의 변형으로서 도시된다. 여기에 예시된 태양들은 그럼에도 불구하고 다른 시스템들 - 특히, 시스템들(200 내지 400) - 에 의해서도 구현될 수 있다. 하기의 설명 - 특히, 도 1에 따른 시스템(100)에 관한 - 은 동일한 방식으로 시스템(500)과 관련된다 - 이러한 언급이 특별히 이루어지지 않을지라도 -.
도 1 내지 도 4에 도시된 모든 공기-분리 시스템(100 내지 400)은 컬럼 시스템을 구비하며, 이 컬럼 시스템은, 상이한 설계 및, 선택적으로, 상이한 수의 컬럼과는 관계없이, 각각의 경우에 전체로서 10에 의해 지시된다. 컬럼 시스템(10)들은 각각 제1 컬럼(11), 제2 컬럼(12), 제3 컬럼(13), 및 제4 컬럼(14)을 갖는다.
제2 컬럼(12) 및 제3 컬럼(13)은 각각 원칙적으로 알려져 있는 유형의 이중 컬럼의 부분으로서 설계된다. 이와 관련하여 공기-분리 시스템에 관한 시작 부분에서 언급된 기술 문헌에 대해 - 특히, 대응하는 이중 컬럼이 도시되어 있는, 문헌[
Figure pct00004
](상기 참조)에서의 도 2, 도 3a와 관련된 설명에 대해 - 참조가 명백히 이루어진다.
제1 컬럼(11)은 제2 컬럼(12) 및 제3 컬럼(13)과는 별도로 형성된다. 제1 컬럼(11)은 응축기 증발기(111)를 구비하며, 이 응축기 증발기는 제1 컬럼(11)의 오버헤드 가스를 응축시키는 데 사용되고, 도 1 내지 도 3에 따른 실시예에서 전통적인 오버헤드 응축기로서 설계된다. 각각의 경우에, 펌프의 사용 없이 수송되는 섬프 액체가 제1 컬럼(11)으로부터 응축기 증발기(111) 내로 공급되며, 이 응축기 증발기는 각각의 경우에 도시된 예에서 강제-유동 응축기 증발기로서 설계된다.
여기에 예시된 본 발명의 실시예의 본질적인 태양은 각각의 경우에 제1 컬럼(11)의 오버헤드 가스를 응축시킴으로써 환류 액체가 형성된다는 것, 그리고 환류 액체가 제1 컬럼(11)으로 다시 공급된다는 것이다. 제1 컬럼(11)의 오버헤드 가스를 응축시키기 위해, 제1 컬럼(11)으로부터의 언급된 섬프 액체를 사용하여 형성되는 액체 냉각 유동이 제1 컬럼(11)의 오버헤드 가스로 증발되거나 부분적으로 증발된다. 냉각 유동의 증발 또는 부분 증발 동안 형성된 기체는 팽창기(5)에 의해 제2 압력 범위 내의 압력으로 팽창되어 일을 수행하고 제2 컬럼(12) 내로 공급된다.
제2 컬럼(12)과 제3 컬럼(13)은 내부 응축기 증발기(121) - 소위 메인 응축기 - 를 통해 서로 연결되어 열을 교환한다. 메인 응축기(121)는 한편으로는 제2 컬럼(12)의 오버헤드 가스를 응축시키는 데, 그리고 다른 한편으로는 제3 컬럼(13)의 섬프 액체를 증발시키는 데 사용된다. 여기에 예시된 실시예에 대한 대안으로서, 제2 컬럼(12)과 제3 컬럼(13)이 또한 별개일 수 있다. 메인 응축기(121)는, 대안적으로, 또한 외부에 있도록 설계될 수 있다. 상이한 유형의 응축기 증발기들이 메인 응축기(121)로서 사용될 수 있다.
제4 컬럼(14)은 도 1 내지 도 4에 따른 모든 공기-분리 시스템(100 내지 400)에서 아르곤 생산에 사용된다. 도시된 예에서, 미정제-아르곤 컬럼이 존재하지 않지만, 오히려, 시스템(100 내지 400)은 각각 제4 컬럼(14)으로부터의 아르곤 생성물의 취출을 위해 설계된다. 미정제- 및 순수-아르곤 컬럼들 및 대응하는 변경들에 대해, 기술 문헌으로부터의 상기 인용 내용에 대해 마찬가지로 참조가 이루어진다.
제4 컬럼은 오버헤드 가스를 응축시키는 응축기 증발기(오버헤드 응축기)(141)를 구비한다. 도 1 내지 도 3에 따른 실시예에서, 이것은 제1 컬럼(11)으로부터의 섬프 액체의 일부로 냉각되는 반면, 제2 컬럼(12)으로부터의 섬프 액체가 도 4에 따른 실시예에서 이러한 목적을 위해 사용된다. 각각의 경우에 사용되는 섬프 액체는 과냉각 역류 열교환기(18)에 의해 미리 과냉각된다. 오버헤드 응축기(141)에서 증발되지 않은 분획은 여기에 예시된 예에서 제3 컬럼(13) 내로 적어도 부분적으로 공급된다. 반면에, 여기에 예시된 예에서, 증발된 분획은, 아래에서 설명되는 바와 같이, 흡착기를 재생하는 데, 그리고 도 3에 따른 공기-분리 시스템(300)의 경우에, 환류 유동을 형성하는 데 사용된다.
도 1 내지 도 4에 따른 모든 공기-분리 시스템(100 내지 400)에서, 추가 컬럼(15)이 제공되며, 여기서 제4 컬럼(14)으로부터의 섬프 유동의 분획과 제3 컬럼(13)으로부터의 사이드 유동 사이에서 물질 교환이 수행되고, 제4 컬럼(14)으로부터의 섬프 유동의 분획은 고휘발성 성분이 고갈된다. 추가 컬럼(15)은, 기능적으로, 서로 완전히 분리된 상부 및 하부 영역을 갖는다. 추가의 상세 사항이 아래의 각각의 경우에서 설명된다. 추가 컬럼(15)은 제2 컬럼(12)으로부터의 오버헤드 가스로 가열되는 응축기 증발기(152)를 갖도록 설계된다.
컬럼 시스템(10)과 직접 연관된 구성요소로서, 펌프(19)가 도 1 내지 도 3에 따른 모든 공기-분리 시스템(100 내지 300)에 존재하고, 섬프 액체를 다시 제4 컬럼(14)으로부터 추가 컬럼(15) 내로 수송한다.
도 1 내지 도 4에 따른 모든 공기-분리 시스템(100 내지 400)에서, 섬프 액체가 제1 컬럼(11)에서 형성되고 여기서 제1 섬프 액체로 지칭된다. 그에 따라서, 제2 섬프 액체가 제2 컬럼(12)에서 형성되고, 제3 섬프 액체가 제3 컬럼(13)에서 형성되고, 제4 섬프 액체가 제4 컬럼(14)에서 형성된다. 제1 컬럼(11)은 제1 압력 범위에서 작동되고, 제2 컬럼(12)은 제1 압력 범위보다 낮은 제2 압력 범위에서 작동되고, 제3 컬럼(13)은 제2 압력 범위보다 낮은 제3 압력 범위에서 작동된다. 제2 섬프 액체는 제1 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량으로 형성되고, 제3 섬프 액체는 제2 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 아르곤 함량으로 형성된다. 압력 범위 및 산소 또는 아르곤 함량에 관한 상기의 설명에 대해 참조가 이루어진다.
아래에서 설명되는 방식으로, 도 1 내지 도 4에 따른 모든 공기-분리 시스템(100 내지 400)에서, 유체는 제1 컬럼(11)으로부터 제2 컬럼(12) 내로(그리고 또한 도 1 내지 도 3에 따른 공기-분리 시스템(100 내지 300)에서 제3 컬럼(13) 내로) 공급된다. 더욱이, 유체는 제2 컬럼(12)으로부터 제3 컬럼(13) 내로 공급되고, 유체는 제4 컬럼(14)으로부터 제3 컬럼(13) 내로 공급된다. 도 1 내지 도 4에 따른 모든 공기-분리 시스템(100 내지 400)에서, 제3 컬럼(13)으로부터 제4 컬럼(14) 내로 공급된 유체는 제3 컬럼(13)으로부터 취출되고 제2 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량을 갖는 사이드 유동의 적어도 일부를 포함한다. 적어도 여기에 예시된 실시예에서, 언급된 다른 유체들은 각자의 섬프 액체들의 적어도 부분들을 포함한다. 모든 경우에, 직접 공급 또는 중간 오버헤드 응축기 등을 통한 공급 및 대응하는 부분 공급이 일어날 수 있다.
특히, 도 1에 따른 공기-분리 시스템(100)이 먼저 아래에서 더 상세히 설명된다. 명료함을 위해, 도 2 내지 도 4에 따른 공기-분리 시스템(200, 300, 400)에 관련된 설명들은 각각 그로부터 벗어나는 특징부들에만 관련된다. 도 2, 도 3 및 도 4에서, 동일한 특징부들에는 몇몇 경우에서만 대응하는 참조 부호들이 제공된다.
도 1에 따른 공기-분리 시스템(100)에서, 여기서 일반적으로 A로 지시되는 대기로부터의 공급 공기 유동(a)이 크로스 해칭에 의해 표시되고 별도의 지시 부호를 갖지 않는 필터를 통해 메인 공기 압축기(1)에 의해 도입되고, 마찬가지로 별도의 지시 부호를 갖지 않는 애프터 쿨러(aftercooler)에서 냉각되고, 냉각수(W)로 작동되는 직접-접촉 냉각기(2)로 공급된다.
직접-접촉 냉각기(2) 내에서 사전-냉각이 일어난 후에, 여전히 a로 지시된 공급 공기 유동은 문헌에서 여러 번 설명된 방식으로 흡착 장치(3) 내에서 물과 이산화탄소로 유리된다. 또한 위에서 일반적으로 "흡착기"로 지칭된, 흡착 장치(3)는 재생 기체 유동(z)에 의해 재생될 수 있다. 재생 기체 유동(z)의 형성은 아래에서 설명된다.
여전히 a에 의해 지시되고, 상응하여 처리되고, 이에 따라 정제된 공급 공기 유동은 메인 열교환기(4)의 고온 측(warm side)에 공급된다. 공급 공기 유동(a)은 메인 열교환기(4)부터 저온 측(cold side)에서 또는 그의 저온 단부 부근에서 취출되고, 제1 컬럼(11) 내로 공급된다.
제1 컬럼(11)의 섬프 액체가 그로부터 취출되고, 도 1 내지 도 3에 따른 공기-분리 시스템(100 내지 300)에서 2개의 부분 유동(d, e)으로 분할된다. 부분 유동(d)은 여기서 응축기 증발기(111) 내로 공급되고 증발된다. 증발된 부분 유동(d)은 이어서 메인 열교환기(4) 내에서 부분적으로 가열되고, 이어서 발전기(G)에 결합된 팽창기(5) 내에서 제2 컬럼(12)의 작동 압력으로 팽창되고, 하부 영역에서 이러한 제2 컬럼(12) 내로 공급된다. 도 4에 따른 공기-분리 시스템(400)에서의 섬프 액체의 처리는 그와는 상이하다. 아래의 구체적인 설명에 대해 참조가 이루어진다.
대조적으로, 도 1 내지 도 3에 따른 공기-분리 시스템(100 내지 300)에서, 부분 유동(e)은 과냉각 역류 열교환기(18)를 통해 그리고 이어서 응축기 증발기(141)를 통해 운반된다. 링크(f)의 형태로 예시된 바와 같이, 일부가 또한 제2 컬럼(12) 내로 공급될 수 있다. 오버헤드 응축기(141)에서 형성된 기체는 전술된 재생 기체 유동(z)으로서 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 그것은 먼저 과냉각 역류 열교환기(18) 내에서 그리고 이어서 메인 열교환기(4) 내에서 가열된다. 여기서 물질 유동(g)의 형태로 예시된 바와 같이, 액체로 남아 있는 분획이 제3 컬럼(13) 내로 공급된다. 도 4에 따른 공기-분리 시스템(400)에서, 대응하는 부분 유동(e 또는 f)이 형성되지 않는다. 여기서 아래의 구체적인 설명에 대해 참조가 명백히 이루어진다.
제1 컬럼(11)의 오버헤드 가스는 오버헤드 응축기(111)의 응축 챔버를 통해 물질 유동(h)의 형태로 부분적으로 운반되고, 액체 환류로서 다시 제1 컬럼(11)으로 공급된다. 추가 분획이 메인 열교환기(4) 내에서 물질 유동(i)의 형태로 가열되고, 기체 상태의 압축된 질소 생성물로서, 공기-분리 시스템(100)으로부터 배출되거나 달리 사용된다.
제2 컬럼(12)의 섬프 액체는 그로부터 물질 유동(j)의 형태로 취출되고, 과냉각 역류 열교환기(18)를 통해 운반되고, 제3 컬럼(13) 내로 공급된다. 도 4에 따른 공기-분리 시스템(400)에서, 물질 유동(j)은, 물질 유동(e)(상기 참조)에 대한 대안으로서, 냉각을 위해 응축기 증발기(141)를 통해 운반된다. 공기-분리 시스템(400)의 오버헤드 응축기(141)에서 형성된 기체는 또한 여기서 재생 기체 유동으로서 사용될 수 있으며, 이 재생 기체 유동은 간략함을 위해 마찬가지로 z로 지시된다. 도 4에 따른 공기-분리 시스템(400)에서, 기체는 게다가 오버헤드 응축기(141) 또는 그의 증발 챔버로부터 제3 컬럼(13) 내로 공급된다. 물질 유동(g)의 형태로 도 4에 또한 예시된 바와 같이, 액체로 남아 있는 분획이 제3 컬럼(13) 내로 공급된다.
제2 컬럼(12)의 오버헤드 가스는 메인 응축기(121)의 응축 챔버를 통해 물질 유동(k)의 형태로 부분적으로 운반되고, 거기서 액화되고, 다시 액체 환류로서 제2 컬럼(12)에 부분적으로 재차 공급된다. 추가 분획이 응축기 증발기(152)의 응축 챔버 내에서 물질 유동(l)의 형태로 액화된다. 도 1 내지 도 3에 따른 공기-분리 시스템(100 내지 300)에서, 이러한 추가 분획은, 링크(l)의 형태로 예시된 바와 같이, 메인 응축기(121)의 응축 챔버 내에서 액화된 분획과 배합된다. 대응하는 액체가 또한 펌프(6)에 의해 환류로서 제1 컬럼(11)에 전달될 수 있다. 도 1 내지 도 3에 따른 실시예에서, 펌프(6)는 상부 영역에서 제2 컬럼(12)으로부터 취출된 액체, 질소-풍부 유동(b)을 수송한다. 도 1 내지 도 3에 따른 예에서, 제2 컬럼(12)으로부터의 오버헤드 가스의 추가 분획이 물질 유동(c)의 형태로 시스템으로부터 배출된다.
도 3에 따른 공기-분리 시스템(400)의 실시예에서, 물질 유동(k) 및 물질 유동(l)의 액화된 분획은 배합되지 않는다. 오히려, 이 경우에, 물질 유동(k)의 분획들은 액화 후에 제2 컬럼(12) 및 제3 컬럼(13)으로 서로 별도로 전달된다. 물질 유동(l)은 제3 컬럼(13) 내로 별도로 공급된다.
제3 컬럼(13)의 섬프 액체는 그것으로부터 물질 유동(o)의 형태로 취출되고, 내부 압축 펌프(7)에 의해 액체 형태로 가압되고, 가열에 의해 메인 열교환기(4) 내에서 기체 또는 임계 상태로 변환되고, 기체 상태의 압축된 산소 생성물로서 공기-분리 시스템(100)으로부터 배출되거나 달리 사용된다. 대조적으로, 물질 유동(p)의 형태로 제3 컬럼(13)으로부터의 섬프 위에서 취출된 기체는 제3 컬럼(13)으로부터의 잔류 기체(하기 참조)와 배합되어 집합적 유동(q)을 형성하며, 이는 후속하여 메인 열교환기(4) 내에서 가열되고 공기-분리 시스템(100)으로부터 배출되거나 달리 사용된다.
제3 컬럼(13)의 오버헤드 가스는 물질 유동(r)의 형태로 과냉각 역류 열교환기(18)를 통해 운반되고, 도 1 내지 도 3에 따른 공기-분리 시스템(100 내지 300)에서, 언급된 바와 같이, 물질 유동(o)과 배합되어 집합적 유동(q)을 형성한다. 도 4에 따른 공기-분리 시스템(400)에서, 별도의 배출이 일어난다.
게다가, 사이드 유동(t)이 제3 컬럼(13)으로부터 기체 형태로 취출되고, 먼저 추가 컬럼(15)의 상부 부분 내로 공급된다. 대조적으로, 물질 유동(u)이 추가 컬럼(15)의 상부 부분으로부터 제3 컬럼(13) 내로 액체 형태로 다시 공급된다. 추가 컬럼(15)의 상부 부분에서, 제4 컬럼(14)으로부터의 섬프 액체와의 물질 전달이 수행되는데, 이는, 도 1 내지 도 3에 따른 공기-분리 시스템(100 내지 300)에서, 추가 컬럼(15)의 상부 및 하부 부분 내로 물질 유동(v)의 형태로 액체 형태로 전달된다. 도 4에 따른 공기-분리 시스템(400)에서, 물질 유동(v)은 추가 컬럼(15)의 상부 부분 내로만 공급된다.
추가 컬럼(15)의 하부 부분에서, 더 많은 휘발성 성분들이 응축기 증발기(152)에 의한 가열을 통해 방출된다. 기체가 추가 컬럼(15)의 상부 및 하부 부분으로부터 취출되고, 도 1 내지 도 3에 따른 공기-분리 시스템(100 내지 300)에서, 물질 유동(w)의 형태로 제4 컬럼(14) 내로 공급된다. 대조적으로, 도 4에 따른 공기-분리 시스템(400)에서, 제4 컬럼(14)에는 추가 컬럼(15)의 상부 부분으로부터의 기체 유동(w')만이 공급된다. 추가 컬럼(15)의 상부 및 하부 부분들 사이의 기체 및 액체 교환은 여기서 물질 유동(w'', w''')의 형태로 일어난다. 이에 따라 사이드 유동(t)의 일부가 결국 제4 컬럼(14) 내로 공급되고, 섬프 액체의 일부가 결국 그것으로부터 제3 컬럼(13) 내로 다시 공급된다. 여기에 예시된 모든 예에서, 추가 컬럼(15)은 예를 들어 또한 제1 컬럼(11)의 오버헤드 응축기(111) 위에 배열될 수 있다.
추가 컬럼(15)의 하부 부분으로부터의 섬프 액체는 물질 유동(x)의 형태로 취출되고, 도시된 예에서, 탱크 시스템(T) 내로 공급된다. 필요한 경우, 명료함을 위해 또한 x로 지시된 물질 유동이 탱크 시스템(T)으로부터 취출되고, 메인 열교환기(4)에서 증발되고, 고순도 기체 상태의 산소 생성물로서 배출된다.
아르곤-풍부 액체가 추가의 내부 압축 펌프(8)에 의해 물질 유동(y)의 형태로 제4 컬럼(14)으로부터 취출되고, 액체 형태로 가압되고, 가열에 의해 메인 열교환기(4)에서 기체 또는 임계 상태로 변환되고, 기체 상태의 압축된 아르곤 생성물로서 공기-분리 시스템(100)으로부터 배출되거나 달리 사용된다. 도 4에 따른 공기-분리 시스템(400)에서, 대응하는 탱크 시스템(T')이 또한 이와 관련하여 예시된다.
액체 질소, 액체 산소(선택적으로, 또한 상이한 순도를 가짐), 및 액체 아르곤이, 원칙적으로 알려져 있는 그리고 도시된 바와 같이, 예를 들어 제1 컬럼(11)의 액화된 오버헤드 가스(h)의 부분 유동의 형태로, 시스템(100)의 추가 생성물로서 제공될 수 있다. 도 4에 따른 공기-분리 시스템(400)의 실시예에서, 응축기 증발기(111) 내로의 액체 질소 공급이 또한 물질 유동(h')을 사용하여 도시된다.
도 2에 예시된 그리고 본 발명의 실시예에 따라 설계된 공기-분리 시스템(200)은 물질 유동(d)이 그의 팽창 전에 팽창기(8)에서 가열되지 않는다는 점에서 본질적으로 도 1에 도시된 공기-분리 시스템과는 상이하다.
도 3에 예시된 공기-분리 시스템(300)은 물질 유동(z)의 분할이 메인 열교환기(4)의 고온 측에서 수행되며, 여기서 물질 유동(z)의 부분 유동(z')이 압축기(9)에 의해 압축되고, 메인 열교환기(4)에서 냉각되고, 제2 컬럼(12) 내로 공급된다는 점에서 본질적으로 도 2에 도시된 공기-분리 시스템(200)과는 상이하다. 그렇지 않으면 공기-분리 시스템(300)은 또한 도 1에 예시된 공기-분리 시스템(100)과 동일할 수 있다.
도 4에 도시된 공기-분리 시스템(400)은 그 자체로 알려져 있는 스펙트라 프로세스와 관련하여 본 발명에 따라 제안된 조치를 예시한다. 이 경우에, 이미 위에서 설명된 섬프 유동(d)에 더하여, 추가 물질 유동(d')이 제1 컬럼(11)으로부터 섬프 위에서 취출되고, 물질 유동(d)과 같이, 메인 열교환기(4)에서 다시 냉각된다. 이어서 응축기 증발기(111)에서 증발이 일어난다.
물질 유동(d)은, 발전기(G)에 결합된 팽창기(5)에서, 부분적으로 팽창되고, 언급된 바와 같이, 제2 컬럼(12) 내로 공급된다(링크(D) 참조). 물질 유동(d)의 나머지는 메인 열교환기(4)에서 부분적으로 가열되고, 이어서 압축기(402) 및 브레이크(403)에 결합된 추가 팽창기(401)에서 팽창된다. 이어서 공기-분리 시스템(400)으로부터의 배출이 일어난다. 액화된 물질 유동(h)의 일부가 액체 형태로 배출되고, 선택적으로, 과냉각기(404)에서 동일한 물질 유동의 일부에 대해 과냉각된다. 과냉각에 사용된 분획은 물질 유동(d)의 팽창된 나머지와 배합될 수 있다.
대조적으로, 응축기 증발기(111)에서의 그의 증발 후에, 물질 유동(d')은 압축기(402)에서 적어도 부분적으로 압축을 겪고, 메인 열교환기(4)에서 다시 냉각되고, 제1 컬럼(11)으로 다시 공급된다.
언급된 바와 같이, 도 5에 도시된 공기-분리 시스템(500)은 도 4에 따른 공기-분리 시스템(100)의 변형으로서 예시된다. 그것은 특히 여기서 q'로 표시된, 물질 유동(q)의 일부가 물질 유동(z)의 압력에 이르게 되고 후자로 공급되게 하는 블로워(blower)(501)의 사용에 의해 특성화된다.
언급된 바와 같이, 그러한 실시예는 냉동기가 공급 공기의 사전 냉각에 사용되지 않을 때 특히 유리하며, 그에 따라 재생 기체 요건이 비교적 높다. 질소 생성물 중의 수소 함량에 대한 요건이 비교적 높을지라도 이점들이 생긴다. 상기의 대응하는 설명에 대해 참조가 이루어진다.

Claims (15)

  1. 제1 컬럼(column)(11), 제2 컬럼(12), 제3 컬럼(13), 및 제4 컬럼(14)을 갖는 컬럼 시스템(10)을 가진 공기-분리 시스템(100 내지 500)이 사용되는, 저온 공기 분리를 위한 방법으로서,
    a) 제1 섬프 액체(sump liquid)가 상기 제1 컬럼(11)에서 형성되고, 제2 섬프 액체가 상기 제2 컬럼(12)에서 형성되고, 제3 섬프 액체가 상기 제3 컬럼(13)에서 형성되고, 제4 섬프 액체가 상기 제4 컬럼(14)에서 형성되고,
    b) 상기 제1 컬럼(11)은 제1 압력 범위에서 작동되고, 상기 제2 컬럼(12)은 상기 제1 압력 범위보다 낮은 제2 압력 범위에서 작동되고, 상기 제3 컬럼(13)은 상기 제2 압력 범위보다 낮은 제3 압력 범위에서 작동되고,
    c) 상기 제2 섬프 액체는 상기 제1 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량으로 형성되고, 상기 제3 섬프 액체는 상기 제2 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 아르곤 함량으로 형성되고,
    d) 상기 제1 컬럼(11)으로부터의 유체가 적어도 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급되고, 상기 제2 컬럼(12)으로부터의 유체가 적어도 상기 제3 컬럼(13) 내로 공급되고, 상기 제3 컬럼(13)으로부터의 유체가 상기 제4 컬럼(14) 내로 공급되고, 상기 제4 컬럼(14)으로부터의 유체가 적어도 상기 제3 컬럼(13) 내로 공급되고,
    e) 상기 제3 컬럼(13)으로부터 상기 제4 컬럼(14) 내로 공급되는 상기 유체는, 상기 제3 컬럼(13)으로부터 취출되고 상기 제3 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량을 갖는 사이드 유동(side flow)의 적어도 일부를 포함하는, 저온 공기 분리를 위한 방법에 있어서,
    f) 상기 제1 컬럼(11)의 오버헤드 가스를 응축시킴으로써 환류 액체가 형성되고, 상기 환류 액체는 다시 상기 제1 컬럼(11)으로 액체 형태로 공급되고,
    g) 상기 제1 컬럼(11)의 상기 오버헤드 가스를 응축시키기 위해, 액체 냉각 유동이 상기 오버헤드 가스와의 간접 열교환에서 증발되거나 부분적으로 증발되고,
    h) 상기 냉각 유동의 상기 증발 또는 부분 증발 동안 형성된 기체가 상기 제2 압력 범위 내의 압력으로 팽창되어 일을 수행하고 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각 유동은 상기 제1 섬프 액체의 적어도 일부를 사용하여 형성되는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 컬럼(11)의 상기 오버헤드 가스를 응축시키기 위해 추가 액체 냉각 유동이 상기 오버헤드 가스와의 간접 열교환에서 증발되거나 부분적으로 증발되고, 상기 추가 냉각 유동은 상기 제1 컬럼(11)으로부터 상기 섬프 위에서 취출되고 증발 또는 부분 증발 후에 적어도 부분적으로 압축되고 다시 상기 제1 컬럼(11)으로 공급되는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 강제-유동 응축기 증발기가 상기 제1 컬럼(11)의 상기 오버헤드 가스를 응축시키고 상기 냉각 유동을 증발시키는 데 사용되는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 유동의 상기 증발 또는 부분 증발 동안 형성되고 팽창되고 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급되는 상기 기체는, 상기 팽창 전에 가열되는, 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 유동의 상기 증발 또는 부분 증발 동안 형성되고 팽창되어 일을 수행하고 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급되는 상기 기체는, 상기 기체가 증발 또는 부분 증발 후에 존재하는 온도에서 상기 팽창에 공급되는, 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 유동의 상기 증발 또는 부분 증발 동안 형성되고 팽창되어 일을 수행하고 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급되는 상기 기체는, 상기 기체가 팽창에 사용되는 팽창기(5)로부터 취출되는 온도에서 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급되는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제4 컬럼(14)의 오버헤드 가스가 응축기 증발기(141)의 응축 챔버 내에서 적어도 부분적으로 응축되고, 상기 응축기 증발기(141)의 증발 챔버로부터 기체 혼합물이 취출되며, 상기 응축기 증발기(141)의 상기 증발 챔버로부터 취출된 상기 기체 혼합물의 적어도 일부가 환류 유동을 형성하는 데 사용되고, 상기 환류 유동은 가열되고, 압축되고, 냉각되고, 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급되고/되거나, 상기 컬럼 시스템(10)으로 공급되는 공급 공기가 준비되는 흡착기(3)를 위한 재생 기체로서 사용되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 컬럼(13)의 상부 영역으로부터 취출된 기체 혼합물의 적어도 일부가, 가열되고, 압축되고, 냉각되고, 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급되는 환류 유동을 형성하는 데 사용되는, 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 컬럼 시스템(10)으로 공급되는 상기 공급 공기가 준비되는 상기 흡착기(3)는, 상기 제3 컬럼(12)으로부터 취출되고 물질적으로-변하지 않은 조성으로 상기 흡착기(3)로 공급되는 재생 기체의 사용 없이 작동되는, 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 응축기 증발기(141)의 상기 증발 챔버로부터 취출된 상기 기체 혼합물의 적어도 일부가 제1 재생 기체 분획(fraction)으로서 사용되고, 상기 제3 컬럼(13)으로부터 취출된 기체의 적어도 일부가 제2 재생 기체 분획으로서 사용되며, 상기 제2 재생 기체 분획은 상기 제1 재생 기체 분획보다 더 낮은 압력에서 제공되고, 압축되고, 상기 제2 재생 기체 분획이 상기 흡착기(3)로 공급되기 전에 상기 제1 재생 기체 분획과 배합되는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 팽창되어 일을 수행하고 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급되는 상기 증발된 또는 부분적으로 증발된 냉각 유동, 또는 적어도 상기 증발된 또는 부분적으로 증발된 냉각 유동의 일부의 일-수행 팽창(work-performing expansion) 동안 방출되는 동력은, 전기 발전기를 작동시키는 데 사용되는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 압력 범위는 4 내지 6.5 바(bar)인, 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량으로 형성되고 상기 제3 컬럼(13)으로부터 취출된 상기 사이드 유동은 산소-고갈된 기체 혼합물 및 섬프 액체를 획득하도록 추가 컬럼(16)에서 준비되고, 상기 산소-고갈된 기체 혼합물은 상기 추가 컬럼(16)으로부터 적어도 부분적으로 상기 제4 컬럼(14) 내로 공급되는, 방법.
  15. 공기-분리 시스템(100 내지 500)으로서, 상기 공기-분리 시스템(100 내지 500)은 제1 컬럼(11), 제2 컬럼(12), 제3 컬럼(13), 및 제4 컬럼(14)을 갖는 컬럼 시스템(10)을 갖고,
    a) 상기 제1 컬럼(11)에서 제1 섬프 액체를 형성하고, 상기 제2 컬럼(12)에서 제2 섬프 액체를 형성하고, 상기 제3 컬럼(13)에서 제3 섬프 액체를 형성하고, 상기 제4 컬럼(14)에서 제4 섬프 액체를 형성하고,
    b) 상기 제1 컬럼(11)을 제1 압력 범위에서 작동시키고, 상기 제2 컬럼(12)을 상기 제1 압력 범위보다 낮은 제2 압력 범위에서 작동시키고, 상기 제3 컬럼(13)을 상기 제2 압력 범위보다 낮은 제3 압력 범위에서 작동시키고,
    c) 상기 제1 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량을 갖는 상기 제2 섬프 액체를 형성하고, 상기 제2 섬프 액체보다 더 높은 산소 함량 및 더 낮은 아르곤 함량을 갖는 상기 제3 섬프 액체를 형성하고,
    d) 상기 제1 컬럼(11)으로부터의 유체를 적어도 상기 제2 컬럼(13) 내로 공급하고, 상기 제2 컬럼(12)으로부터의 유체를 적어도 상기 제3 컬럼(13) 내로 공급하고, 상기 제3 컬럼(13)으로부터의 유체를 적어도 상기 제4 컬럼(14) 내로 공급하고, 상기 제4 컬럼(14)으로부터의 유체를 적어도 상기 제3 컬럼(13) 내로 공급하고,
    e) 상기 제3 컬럼(13)으로부터 취출되고 상기 제3 섬프 액체보다 더 낮은 산소 함량 및 더 높은 아르곤 함량을 갖는 사이드 유동의 적어도 일부를, 상기 제3 컬럼(13)으로부터 상기 제4 컬럼(14) 내로 공급되는 상기 유체로서 사용하도록 구성된, 공기-분리 시스템(100 내지 500)에 있어서,
    f) 상기 제1 컬럼(11)의 오버헤드 가스를 응축시킴으로써 환류 액체를 형성하고, 상기 환류 액체를 다시 상기 제1 컬럼(11)으로 액체 형태로 공급하고,
    g) 상기 제1 컬럼(11)의 상기 오버헤드 가스를 응축시키기 위해 상기 오버헤드 가스와의 간접 열교환에서 액체 냉각 유동을 증발시키거나 부분적으로 증발시키고,
    h) 상기 냉각 유동의 상기 증발 또는 부분 증발 동안 형성된 기체를 상기 제2 압력 범위 내의 압력으로 팽창시켜 일을 수행하게 하고 상기 기체를 상기 제2 컬럼(12) 내로 공급하도록 구성된 수단을 특징으로 하는, 공기-분리 시스템(100 내지 500).
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