KR20230008178A - 중압 극저온 공기 분리 유닛에서 질소, 아르곤, 및 산소의 회수를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

중압 극저온 공기 분리 유닛에서 질소, 아르곤, 및 산소의 회수를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20230008178A
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column
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nitrogen
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브라이언 알. 크로머
닐 엠. 프로서
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

세 개의 증류 칼럼 시스템 및 터빈 공기 스트림 우회 장치 또는 회로를 포함한 중압 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛이 제공된다. 터빈 공기 스트림 우회 장치 또는 회로는, 터빈 공기 스트림의 전환된 부분이 증류 칼럼 시스템을 우회하도록, 터빈 공기 스트림의 일부를 극저온 공기 분리 유닛의 저압 칼럼으로부터 흡인된 질소 폐기물 스트림 회로로 선택적으로 전환시킴으로써, 선택된 작동 모드에서 아르곤 및 질소 회수율을 개선하도록 구성된다.

Description

중압 극저온 공기 분리 유닛에서 질소, 아르곤, 및 산소의 회수를 위한 시스템 및 방법
본 발명은, 질소 생성 극저온 공기 분리 유닛으로부터 액체 산소의 향상된 회수율, 보다 구체적으로는 아르곤 및 질소 회수율이 높은 중압 극저온 공기 분리 유닛으로부터 액체 산소의 향상된 회수율에 관한 것이다.
중압(즉, 통상적인 극저온 공기 분리 유닛 압력보다 높은 압력)에서 작동하는, 질소의 생성을 목표로 하는 공기 분리 플랜트가 얼마간 존재하였다. 통상적인 공기 분리 유닛에서, 중압의 질소가 요구되는 경우, 저압 칼럼은 통상적인 공기 분리 유닛의 압력보다 높은 압력에서 작동될 수 있다. 그러나, 이러한 작동은 전형적으로 아르곤 회수율이 상당히 감소하고, 이는 아르곤의 많은 부분이 아르곤 칼럼으로 통과되기보다는 산소 풍부 또는 질소 풍부 스트림에서 손실되기 때문이다.
그러한 중압, 질소 생성 공기 분리 유닛에서 아르곤 회수율을 증가시키기 위해, 1980년대 후반 및 1990년대 초반에 변형된 공기 분리 사이클이 개발되었다. 예를 들어, 기술 문헌 Cheung, Moderate Pressure Cryogenic Air Separation Process, Gas Separation & Purification, Vol 5, March 1991 및 미국 특허 제4,822,395호(Cheung)를 참조한다. 이들 종래 기술 문헌에, 어느 정도 높은 아르곤 회수율을 갖는 질소 및 아르곤 생성 공기 분리 플랜트가 개시되어 있다. 변형된 공기 분리 사이클은 바람직하게는 약 80 내지 150 psia의 공칭 압력에서 고압 칼럼을 작동시키는 것을 수반하는 반면, 저압 칼럼은 바람직하게는 약 20 내지 45 psia의 공칭 압력에서 작동하고, 아르곤 칼럼은 또한 바람직하게는 약 20 내지 45 psia의 공칭 압력에서 작동한다. 약 20 내지 45 psia의 중압에서 고순도 질소(즉, > 99.98% 순도)의 회수율은 대략 94%이다. 97.3% 순도 및 약 20 내지 45 psia의 압력에서의 높은 아르곤 회수율은 일반적으로 90%를 초과하지만, 93%로 상한이 설정된다.
전술된 종래 기술의 중압 공기 분리 사이클에서, 저압 칼럼의 섬프로부터의 고순도 액체 산소가 케틀 액체보다는 아르곤 응축기 내의 냉매로서 사용된다. 그러나, 저압 칼럼의 섬프로부터의 고순도 액체 산소를 사용할 경우, 아르곤 칼럼은 아르곤 응축기에서의 요구되는 온도 차이를 달성하기 위해 통상적인 아르곤 칼럼보다 높은 압력에서 작동할 필요가 있다. 아르곤 칼럼의 압력의 증가는 저압 칼럼 및 고압 칼럼이 또한 통상적인 극저온 공기 분리 유닛보다는 고압 또는 중압에서 작동할 것을 필요로 한다.
아르곤 응축기에서의 고순도 액체 산소의 사용은 또한 보통 저압 칼럼에 공급되는 큰 케틀 증기 스트림이 회피되는 것을 의미하며, 이는 회수율을 현저하게 개선시킨다. 그 결과, 비록 통상적인 공기 분리 사이클과 비교하면 달리 승압이 회수율에 불리하지만, 질소, 아르곤, 및 산소의 고 회수율이 이러한 중압 공기 분리 사이클에 의해 가능하다. 공기 분리 유닛의 중압 작동은 일반적으로 질소 생성에 유익한데, 이는 질소 압축이 덜 전력 집약적이고 질소 압축기가 통상적인 시스템의 질소 압축기보다 덜 고가인 경향이 있을 것이기 때문이다.
비록 Cheung의 발간물 및 미국 특허 제4,822,395호의 공기 분리 유닛이 아르곤 응축기를 빠져나가는 고순도 산소 증기를 제공할지라도, 이러한 산소 스트림은 산소 생성물로서 사용되지 않는데, 그 이유는 스트림이 너무 낮은 압력(예, 18 psia)에서 공정을 빠져나가고 산소 생성물을 충분한 압력으로 소비자에게 전달하기 위한 산소 압축기를 자주 요구하기 때문이다. 일부 영역에서, 산소 압축기의 사용은 안전 및 비용 고려 사항으로 인해 일반적으로 허용될 수 없다. 산소 압축기는, 사용되는 경우에 매우 고가이고 더 복잡한 엔지니어링 안전 시스템을 보통 필요로 하고, 이들 모두는 공기 분리 유닛의 자본 비용 및 작동 비용에 부정적인 영향을 준다.
미국 특허 출원 제15/962,205호; 제15/962,245호; 및 제15/962,297호는, 아르곤 회수율을 개선하고 산소 압축기의 필요 없이 제한된 산소 회수율을 제공하는, 중압 극저온 공기 분리 유닛용 신규 공기 분리 사이클을 개시한다. 그러나, 이들 신규 극저온 공기 분리 사이클은, 오프-설계 작동 모드, 예컨대 시동, 고 액체 메이크, 저 아르곤 메이크, 초고순도 질소 메이크 등에서 작동이 제약되는데, 이는 저압 칼럼으로부터 폐기물 질소 스트림을 흡인할 필요성에 기인하며, 이는 결국 질소 회수율, 아르곤 회수율 또는 둘 모두에 악영향을 미친다.
정상 작동 모드 하에서 동일한 극저온 공기 분리 유닛에서의 질소 및 아르곤 회수율과 비교하면 질소 회수율 및/또는 아르곤 회수율을 상당히 감소시키지 않으면서 오프-설계 작동 모드에서 작동할 수 있는 중압 극저온 공기 분리 유닛 및 중압 극저온 공기 분리 사이클을 추가로 개선하는 것이 필요하다.
본 발명은 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛을 특징으로 할 수 있으며, 상기 유닛은, (i) 유입 공급 공기 스트림을 수용하고 압축 공기 스트림을 생성하도록 구성된 주 공기 압축 시스템; (ii) 압축 공기 스트림으로부터 수증기, 이산화탄소, 아산화질소, 및 탄화수소를 제거하고 압축 정제 공기 스트림을 생성하도록 구성된 흡착 기반 사전 정제기 유닛으로서, 압축 정제 공기 스트림은 적어도 압축 정제 공기 스트림의 제1 부분 및 압축 정제 공기 스트림의 제2 부분으로 분할되는, 흡착 기반 사전 정제기 유닛; (iii) 압축 정제 공기 스트림의 제1 부분을 냉각시키고 압축 정제 공기 스트림의 제2 부분을 부분적으로 냉각시키도록 구성된 주 열 교환 시스템; 및 (iv) 압축 정제 공기 스트림의 부분 냉각된 제2 부분을 팽창시켜 배기 스트림을 형성하도록 구성된 터보팽창기 장치; (v) 응축기-리보일러를 통해 열 전달 관계로 연결된 고압 칼럼과 저압 칼럼을 갖고 압축 정제 공기 스트림의 냉각된 제1 부분과 배기 스트림의 제1 부분을 분리하고 저압 칼럼의 베이스로부터 산소 풍부 스트림과 저압 칼럼의 오버헤드로부터 질소 생성물을 생성하도록 구성된 증류 칼럼 시스템; 및 (vi) 저압 칼럼으로부터 흡인된 폐기물 스트림으로 배기 스트림의 제2 부분을 유도하도록 구성되어, 배기 스트림의 제2 부분이 증류 칼럼 시스템을 우회하도록 하는 터빈 공기 스트림 칼럼 우회 회로를 포함한다.
증류 칼럼 시스템은 저압 칼럼과 작동 가능하게 결합된 아르곤 칼럼 장치를 추가로 포함하고, 아르곤 칼럼 장치는 적어도 하나의 아르곤 칼럼 및 아르곤 응축기를 갖고, 아르곤 칼럼 장치는 저압 칼럼으로부터 아르곤-산소 풍부 스트림을 수용하도록 구성되고, 저압 칼럼 내로 복귀 또는 방출되는 산소 풍부 바닥 스트림, 및 아르곤 응축기로 유도되는 아르곤 풍부 오버헤드를 생성하도록 구성된다. 아르곤 응축기는 미정제 아르곤 스트림 또는 생성물 아르곤 스트림, 아르곤 환류 스트림 및 산소 풍부 폐기물 스트림을 생성하기 위해 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림 전체 또는 일부에 대해 아르곤 풍부 오버헤드를 응축시키도록 구성된다.
대안적으로, 본 발명은 극저온 공기 분리 유닛에서 공기를 분리하여 하나 이상의 질소 생성물 및 미정제 아르곤 생성물을 생성하는 방법을 특징으로 할 수 있으며, 방법은, (a) 유입 공급 공기 스트림을 압축하여 압축 공기 스트림을 생성하는 단계; (b) 압축 정제 공기 스트림을 생성하기 위해 압축 공기 스트림으로부터 수증기, 이산화탄소, 아산화질소, 및 탄화수소를 제거하도록 구성된 흡착 기반 사전 정제기 유닛에서 압축 공기 스트림을 정제하는 단계; (c) 압축 정제 공기 스트림을 적어도 압축 정제 공기 스트림의 제1 부분 및 압축 정제 공기 스트림의 제2 부분으로 분할하는 단계; (d) 주 열 교환 시스템에서 압축 정제 공기 스트림의 제1 부분과 압축 정제 공기 스트림의 제2 부분을 냉각시키는 단계; (e) 배기 스트림을 형성하기 위해 터보팽창기 장치에서 압축 정제 공기 스트림의 냉각된 제2 부분을 팽창시키는 단계; (f) 배기 스트림의 제1 부분과 압축 정제 공기 스트림의 냉각된 제1 부분을 증류 칼럼 시스템으로 유도하는 단계; (g) 증류 칼럼 시스템에서 배기 스트림의 제1 부분과 압축 정제 공기 스트림의 냉각된 제1 부분을 분리하여, 저압 칼럼의 베이스로부터의 산소 풍부 스트림과 저압 칼럼의 오버헤드로부터의 질소 생성물 스트림을 생성하는 단계; (h) 아르곤 칼럼 장치에서 저압 칼럼으로부터 취한 아르곤-산소 풍부 스트림을 추가로 분리하여, 산소 풍부 바닥 스트림 및 아르곤 풍부 오버헤드를 생성하는 단계; (i) 산소 풍부 바닥 스트림을 저압 칼럼으로 유도하는 단계; (j) 아르곤 풍부 오버헤드를 아르곤 응축기의 응축면으로 유도하는 단계; (k) 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림의 전부 또는 일부를 아르곤 응축기의 비등면으로 유도하는 단계; (l) 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림에 대한 아르곤 풍부 오버헤드를 응축시켜 미정제 아르곤 스트림과 아르곤 환류 스트림을 생성하면서, 산소 풍부 스트림의 제1 부분과 액체 질소를 비등시켜 산소 풍부 폐기물 스트림을 생성하는 단계; 및 (m) 배기 스트림의 제2 부분이 증류 칼럼 시스템을 우회하도록, 배기 스트림의 제2 부분을 저압 칼럼으로부터 흡인된 폐기물 스트림으로 유도하는 단계를 포함한다.
본 발명은 본 출원인이 그들의 발명으로 간주하는 발명 요지를 명확하게 언급하는 청구범위로 결론을 내리지만, 본 발명을 첨부 도면과 연결하여 취한 경우에 더 양호하게 이해할 것으로 여겨진다.
도 1은 종래 기술의 질소 및 아르곤 생성, 중압 극저온 공기 분리 유닛의 개략적인 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라, 질소 및 아르곤 생성, 중압 극저온 공기 분리 유닛의 개략적인 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 터빈 공기 우회 장치를 사용하는 경우에 그리고 저압 칼럼에서 질소 폐기물 흡인의 위치 함수로서, 질소 및 아르곤 생성, 중압 극저온 공기 분리 유닛에서 질소 및 아르곤 회수율을 도시하는 그래프이다.
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은, 질소의 매우 높은 회수율, 아르곤의 높은 회수율, 및 고순도 산소의 제한된 생성을 특징으로 하는 중압 공기 분리 유닛에서의 공기의 극저온 분리를 제공한다. 아래에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 저압 칼럼에서 취한 고순도 산소 풍부 스트림의 일부분 또는 저압 칼럼에서 취한 보다 낮은 순도의 산소 풍부 스트림 중 어느 하나가 아르곤-풍부 스트림을 응축하기 위해 아르곤 응축기에서 응축 매질로서 사용되고, 아르곤 응축기로부터의 산소 풍부 증발물은 그 다음 흡착 기반 사전 정제기 유닛에서 흡착제 베드를 재생시키기 위해 퍼지 가스로서 사용된다. 본 시스템 및 방법의 상세 사항이 하기 단락에 제공된다.
중압 ASU의 정상 작동 모드에서 N 2 , Ar 및 O 2 의 회수
도 1을 참조하면, 공기 분리 유닛(10)의 개략적인 단순 예시가 나타나 있다. 미국 특허 출원 제15/962,205호; 제15/962,245호; 및 제15/962,297호에 설명된 바와 같이, 도시된 중압, 극저온 공기 분리 유닛은, 주 공급 공기 압축 트레인 또는 시스템(20), 터빈 공기 회로(30), 선택적인 부스터 공기 회로(40), 일차 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' 공기 압축 회로를 포함한다. 유사하게, 주 열 교환기, 터빈 기반 냉각 회로의 부분, 및 증류 칼럼 시스템의 부분은, 전형적으로 단열 저온 박스 내에 수용되는 '저온-단부' 장비로 지칭된다.
도 1에 나타낸 주 공급 압축 트레인에서, 유입 공급 공기(22)는 전형적으로 공기 흡입 필터 하우스(ASFH)를 통해 흡인되고 다중 스테이지, 인터쿨링식 주 공기 압축기 장치(24) 내에서 약 6.5 bar(a) 내지 약 11 bar(a)일 수 있는 압력으로 압축된다. 이러한 주 공기 압축기 장치(24)는 직렬로 또는 병렬로 배열되는, 일체형 기어식 압축기 스테이지 또는 직접식 구동 압축기 스테이지를 포함할 수 있다. 주 공기 압축기 장치(24)를 빠져나가는 압축 공기 스트림(26)은, 유입 공급 공기 스트림 내의 자유 수분을 제거하기 위해 일체형 데미스터가 있는 애프터쿨러에 공급된다. 주 공기 압축기 장치(24)를 위한 최종 압축 스테이지로부터의 압축 열은, 압축 공급 공기를 냉각 타워수로 냉각시킴으로써 애프터쿨러 내에서 제거된다. 이러한 애프터쿨러뿐만 아니라 주 공기 압축 장치(24) 내의 인터쿨러 중 일부로부터의 응축물은, 바람직하게는 응축물 탱크로 파이프를 통해 수송되고 공기 분리 플랜트의 다른 부분에 물을 공급하기 위해 사용된다.
냉각, 건조 압축 공기 스트림(26)은, 그 다음 냉각, 건조 압축 공기 공급물로부터 고 비등점 오염물을 제거하기 위해 사전 정제 유닛(28) 내에서 정제된다. 사전 정제 유닛(28)은, 당업계에 공지된 바와 같이, 수분 및 다른 불순물, 예컨대 이산화탄소, 수증기 및 탄화수소가 흡착되는 온도 스윙 흡착 사이클에 따라 작동하는 알루미나 및/또는 분자체의 두 개의 베드를 전형적으로 포함한다. 베드 중 하나가 냉각, 건조 압축 공기 공급물의 사전 정제를 위해 사용되는 반면에, 다른 하나의 베드는 바람직하게는 공기 분리 유닛으로부터의 폐기물 질소의 일부분을 이용해 재생된다. 두 개의 베드는 주기적으로 역할을 전환한다. 미립자는, 사전 정제 유닛(28)의 하류에 배치되는 먼지 필터에서 압축 사전 정제 공급 공기로부터 제거되어, 압축 정제 공기 스트림(29)을 생성한다.
압축 정제 공기 스트림(29)은 고압 칼럼(72), 저압 칼럼(74), 및 아르곤 칼럼(129)을 포함하는 복수의 증류 칼럼에서 산소-풍부, 질소-풍부, 및 아르곤-풍부 분획물로 분리된다. 그러나, 이러한 증류 이전에, 압축 사전 정제 공기 스트림(29)은 전형적으로 복수의 공급 공기 스트림으로 분할되며, 이는 보일러 공기 스트림과 터빈 공기 스트림(32)을 포함할 수 있다. 보일러 공기 스트림은 부스터 압축기 장치에서 추가로 압축되고, 후속하여 애프터쿨러에서 냉각되어 부스팅 압력 공기 스트림(360)을 형성할 수 있고, 이는 그 다음 주 열 교환기(52)에서 추가로 냉각된다. 주 열 교환기(52) 내의 공기 스트림의 냉각 또는 부분 냉각은, 바람직하게는 증류 칼럼 시스템(70)으로부터의 질소 스트림(195)뿐만 아니라 산소 스트림(197, 386)을 포함하는 따뜻한 스트림과의 간접식 열 교환에 의해 달성되어, 냉각 공급 공기 스트림을 생성한다.
부분 냉각 공급 공기 스트림(38)은 터빈(35)에서 팽창하여, 저압 칼럼(74)으로 유도되는 배기 스트림(64)을 생성한다. 공기 분리 유닛(10)용 냉각의 일부는 또한 전형적으로 터빈(35)에 의해 생성된다. 완전 냉각된 공기 스트림(47)뿐만 아니라 승압 공기 스트림은 고압 칼럼(72) 내로 도입된다. 선택적으로, 터빈 공기 회로(30) 내에서 흐르는 공기의 적은 부분이 터빈 공급 스트림(38)에서 인출되지 않는다. 선택적인 부스팅 압력 스트림(48)이 열 교환기(52)의 저온 단부에서 인출되고, 완전히 또는 부분적으로 응축되고, 밸브(49)에서 압력이 감소되고 고압 칼럼(72)에, 바닥으로부터 여러 스테이지에 공급된다. 스트림(48)은, 펌핑된 산소 스트림(386)의 양이 충분히 높을 경우에만 이용된다.
주 열 교환기(52)는 바람직하게는 브레이징된 알루미늄 플레이트-핀 유형 열 교환기이다. 이러한 열 교환기는 자체의 컴팩트한 설계, 높은 열 전달률 및 다수의 스트림을 처리하는 자체 능력으로 인해 유리하다. 열 교환기는 완전히 브레이징되고 용접된 압력 용기로서 제조된다. 소형 공기 분리 유닛(들)에 대해, 단일 코어를 포함한 열 교환기가 충분할 수 있다. 보다 높은 유동을 처리하는 대형 공기 분리 유닛(들)에 대해, 열 교환기는 병렬 또는 직렬로 연결되어야 하는 여러 개의 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(LCT) 장치 또는 상부 칼럼 터빈(UCT) 장치 중 어느 하나로 지칭된다. 도 1에 나타낸 UCT 장치에서, 압축, 냉각 터빈 공기 스트림(32)은 바람직하게는 약 6 bar(a) 내지 약 10.7 bar(a)의 압력 범위에 있다. 압축, 냉각 터빈 공기 스트림(32)은 주 또는 일차 열 교환기(52) 내로 유도되거나 도입되고, 여기서 그것은 약 140 내지 약 220 켈빈 범위의 온도로 부분적으로 냉각되어 부분 냉각, 압축 터빈 공기 스트림(38)을 형성하며, 이는 터빈(35) 내로 도입되어 증류 칼럼 시스템(70)의 저압 칼럼(74) 내로 그 다음 도입되는 저온 배기 스트림(64)을 생성한다. 따라서, 스트림(38)의 팽창에 의해 생성되는 보충 냉각을 저압 칼럼(72)에 직접 부여함으로써, 주 열 교환기(52)의 냉각 부하 중 일부를 경감시킨다. 일부 구현예에서, 터빈(35)은, 터빈 공기 스트림(32)을 추가로 압축시키기 위해 사용되는 부스터 압축기(34)와 직접적으로 또는 적절한 기어 장치에 의해 결합될 수 있다.
도 1에 예시된 터빈 기반 냉각 회로가, 터빈 배기 스트림이 저압 칼럼으로 유도되는 상부 칼럼 터빈(UCT) 회로로서 나타나 있지만, 터빈 기반 냉각 회로는, 대안적으로 팽창 배기 스트림이 증류 칼럼 시스템(70)의 고압 칼럼(72)에 공급되는 하부 칼럼 터빈(LCT) 회로 또는 부분 하부 칼럼(PLCT)일 수 있는 것이 고려된다. 또한 추가로, 터빈 기반 냉각 회로는 당업자에게 일반적으로 공지된 LCT 장치, UCT 장치 및/또는 고온 재순환 터빈(WRT) 장치의 일부 변형 또는 조합일 수 있다.
유입 공급 공기 스트림의 전술된 성분, 즉 산소, 질소, 및 아르곤은 고압 칼럼(72), 저압 칼럼(74), 아르곤 칼럼(129), 응축기-리보일러(75) 및 아르곤 응축기(78)를 포함하는 증류 칼럼 시스템(70) 내에서 분리된다. 고압 칼럼(72)은 전형적으로 약 6 bar(a) 내지 약 10 bar(a) 범위 내에서 작동하는 반면에, 저압 칼럼(74)은 약 1.5 bar(a) 내지 약 2.8 bar(a)의 압력에서 작동한다. 고압 칼럼(72)과 저압 칼럼(74)은 바람직하게는, 근접한 고압 칼럼(72)의 상부로부터 스트림(73)으로서 추출되는 질소-풍부 증기 칼럼 오버헤드의 전부 또는 일부분이, 저압 칼럼(74)의 바닥에 있는 산소-풍부 액체 칼럼 바닥(77)에 대해 저압 칼럼(74)의 베이스에 위치한 응축기-리보일러(75) 내에서 응축되도록 하는 열 전달 관계로 연결된다. 산소-풍부 액체 칼럼 바닥(77)의 비등은 저압 칼럼(74) 내에서의 상승 증기 상의 형성을 개시한다. 응축은 액체 질소 함유 스트림(81)을 생성하고, 이는, 이러한 저압 칼럼(74)에서 하강 액체 상의 형성을 개시하기 위해, 저압 칼럼(74)을 환류시키는 데 사용될 수 있는 정화 셸프 환류 스트림(83), 및 고압 칼럼(72)을 환류시키는 질소-풍부 스트림(85)으로 분할된다.
냉각 공급 공기 스트림(47)은 바람직하게는 그의 이슬점 약간 위에 있는 증기 공기 스트림이지만 그의 이슬점에 또는 그보다 약간 아래에 있을 수 있고, 이는 트레이(71)로 예시된 복수의 물질 전달 접촉 요소 내에서 발생하는 환류 스트림(85)에 의해 개시되는 상승 증기 상과 하강 액체 상 사이의 물질 전달로부터 생성되는 정류를 위해 고압 칼럼 내로 공급된다. 이는, 스트림(88)으로 취한 케틀 액체로도 공지된 미정제 액체 산소 칼럼 바닥(86), 및 정화 셸프 액체 스트림(83)으로 취한 질소-풍부 칼럼 오버헤드(89)를 생성한다.
저압 칼럼에서, 상승 증기 상은, 서브쿨링 유닛(99B) 내에서 서브쿨링되고 저압 칼럼(72)의 중간 위치에서 증기 스트림으로 도입되는, 터빈(35)으로부터의 배기 스트림(64)뿐만 아니라 응축기-리보일러로부터의 증발물을 포함한다. 하강 액체는 질소 환류 스트림(83)에 의해 개시되며, 이는 서브쿨링 유닛(99A)으로 보내지고, 여기서 그것은 서브쿨링되고 후속하여 저압 칼럼의 상부에 근접한 위치에서 저압 칼럼(74)으로의 도입 이전에 밸브(96)에서 팽창된다. 필요하면, 서브쿨링된 질소 환류 스트림(83)의 적은 부분을 밸브(101)를 통해 액체 질소 생성물(98)로 취할 수 있다.
저압 칼럼(74)은 또한 복수의 물질 전달 접촉 요소를 구비하고, 이는 트레이 또는 구조화된 패킹 또는 극저온 공기 분리의 기술 분야의 공지된 다른 요소일 수 있다. 저압 칼럼(74) 내의 접촉 요소는 구조화된 패킹(79)으로 예시된다. 저압 칼럼(74) 내에서 발생하는 분리는, 99.5% 초과의 산소 농도를 갖는 산소 풍부 액체 스트림(377)으로 추출된 산소-풍부 액체 칼럼 바닥(77)을 생성한다. 저압 칼럼은, 기체 질소 생성물 스트림(95)으로 추출된 질소-풍부 증기 칼럼 오버헤드를 추가로 생성한다.
산소 풍부 액체 스트림(377)은, 펌프(385)에서 펌핑되는 제1 산소 풍부 액체 스트림(380)으로 분리될 수 있고, 그 결과 펌핑된 산소 스트림(386)은 주 열 교환기(52)로 유도되고, 여기서 그것은 고순도 기체 산소 생성물 스트림(390)을 생성하도록 데워진다. 산소 풍부 액체 스트림(377)의 제2 부분은 제2 산소 풍부 액체 스트림(90)으로서 전환된다. 제2 산소 풍부 액체 스트림(90)은 바람직하게는 펌프(180)를 통해 펌핑된 다음, 산소 풍부 폐기물 스트림(196)과의 간접적 열 교환을 통해 서브쿨링 유닛(99B) 내에서 서브쿨링된 다음, 아르곤 응축기(78)로 통과되며, 여기서 그것은 아르곤 칼럼(129)의 오버헤드(123)로부터 취한 아르곤-풍부 스트림(126)을 응축하는 데 사용된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 서브쿨링된 제2 산소 풍부 액체 스트림(90)의 일부분 또는 제1 액체 산소 스트림의 일부분을 액체 산소 생성물로 취할 수 있다. 그러나, 도 1에 나타낸 바와 같이 액체 산소 생성물(185)의 추출은 공기 분리 플랜트로부터 아르곤 및 질소의 작동 효율 및 회수율에 악영향을 미친다.
아르곤 응축기(78)로부터 증발된 기화 산소 스트림은 서브쿨러(99B) 내에서 데워지는 산소 풍부 폐기물 스트림(196)이다. 데워진 산소 풍부 폐기물 스트림(197)은 주 또는 일차 열 교환기로 유도된 다음, 흡착 기반 사전정제기 유닛(28)을 재생시키기 위해 퍼지 가스로서 사용된다. 또한, 폐기물 질소 스트림(93)은 저압 칼럼으로부터 추출되어 기체 질소 생성물 스트림(95)의 순도를 제어할 수 있다. 폐기물 질소 스트림(93)은 바람직하게는 서브쿨러(99B)의 상류에서 산소 풍부 폐기물 스트림(196)과 조합된다. 또한, 증기 폐기물 산소 스트림(97)은, 아르곤 응축기(78)를 작동시키는 데 필요한 것보다 많은 산소가 이용 가능한 일부 경우에, 전형적으로 아르곤 생성이 감소될 경우에, 필요할 수 있다.
액체 스트림(130)은 아르곤 응축기 용기(120)로부터 인출되고, 겔 트랩(370)으로 통과되고, 저압 칼럼(74)의 베이스 또는 베이스 근처로 복귀된다. 겔 트랩(370)은 이산화탄소, 아산화질소, 및 그렇지 않으면 시스템 내에 축적될 수 있는 소정의 중질 탄화수소를 제거하는 역할을 한다. 대안적으로, 겔 트랩(140)이 제거되도록 시스템으로부터의 드레인으로서 작은 유동이 스트림(130)을 통해 인출될 수 있다(미도시).
바람직하게는, 도면에 나타낸 아르곤 응축기는 하향 유동 아르곤 응축기이다. 하향 유동 구성은 응축 스트림과 비등 스트림 사이의 유효 델타 온도(ΔT)를 더 작게 만든다. 위에서 나타낸 바와 같이, 보다 작은 ΔT는 아르곤 칼럼, 저압 칼럼, 및 고압 칼럼 내에서 작동 압력을 감소시킬 수 있으며, 이는 개선된 아르곤 회수율뿐만 아니라 다양한 생성물 스트림을 생성하는 데 요구되는 전력의 감소로 이어진다. 하향 유동 아르곤 응축기의 사용은 또한, 특히 아르곤 칼럼에 대해 칼럼 스테이지의 수를 잠재적으로 감소 가능하게 한다. 아르곤 하향 유동 응축기의 사용은 또한, 부분적으로 자본 관점에서 유리한데, 이는 펌프(180)가 본 명세서에 개시된 공기 분리 사이클에서 이미 요구되기 때문이다. 또한, 액체 스트림(130)은 아르곤 응축기 쉘을 빠져나가는 연속적 액체 스트림을 이미 제공하므로, 이 역시 아르곤 응축기가 '비등하여 건조해지는' 것을 방지하기 위해 재비등 표면의 필요한 습윤도 제공한다.
질소 생성물 스트림(95)은 서브쿨링 유닛(99A)으로 통과되어 간접적 열 교환을 통해 질소 환류 스트림(83) 및 케틀 액체 스트림(88)을 서브쿨링시킨다. 위에서 나타낸 바와 같이, 서브쿨링된 질소 환류 스트림(83)은 밸브(96)에서 팽창되고 저압 칼럼(74)의 최상부 위치로 도입되는 반면에, 서브쿨링된 케틀 액체 스트림(88)은 밸브(107)에서 팽창되고 저압 칼럼(74)의 중간 위치로 도입된다. 서브쿨링 유닛(99A)을 통과한 후에, 데워진 질소 스트림(195)은 주 열 교환기(52) 내에서 추가로 데워져서 데워진 기체 질소 생성물 스트림(295)을 생성한다.
제1 산소 풍부 액체 스트림(380)의 유동은 시스템을 빠져나가는 총 산소 풍부 스트림의 최대 약 20%일 수 있다. 이러한 장치의 아르곤 회수율은 약 75% 내지 96%이고, 이는 종래 기술의 중압 공기 분리 시스템보다 크다. 나타내지 않지만, 외부 공급원(미도시)으로부터 취한 액체 질소의 스트림이 제2 산소 풍부 액체 스트림(90)과 조합될 수 있고, 조합된 스트림은 아르곤 응축기(78) 내에서 아르곤-풍부 스트림(126)을 응축시키는 데 사용되어 아르곤 회수율을 향상시킬 수 있다.
오프-설계 작동 모드에서 질소, 아르곤 및 산소의 회수
미국 특허 출원 제15/962,205호; 제15/962,245호; 및 제15/962,297호에 개시되고 도 1을 참조하여 위에서 논의된 공기 분리 사이클은, 매우 높은 가스 회수율로 질소와 아르곤을 생성함에 있어서 이상적이다. 정상 작동 모드에서, 저압 칼럼으로부터 흡인될 폐기물 질소가 필요하지 않으며, 이는 100%로 또는 그 근처에서 유효 질소 회수율을 산출할 수 있다. 그러나, 저 아르곤 모드, 고 액체 메이크 모드, 시동 모드 등과 같은 일부 오프 설계 작동 모드에서, 도 1의 극저온 공기 분리 유닛은 저압 칼럼의 상부로부터 취한 질소 순도를 유지하기 위해 질소 폐기물 흡인을 필요로 할 수 있다. 또한, 저압 칼럼으로부터 질소 폐기물 흡인을 때때로 취할 수 있는데, 이는 극저온 공기 분리 유닛의 미달 성능에 기인하거나 질소 생성물 순도와 연관된 제품 요건의 변화 또는 증가에 기인한다. 저압 칼럼으로부터 폐기물 질소를 당기는 것은 저압 칼럼의 상단 또는 상부 섹션에서 액체 대 증기 유동 비(L/V)를 개선하는 효과를 가져서, 저압 칼럼의 상단 또는 상부로부터 취한 질소의 질소 순도를 개선하고 질소 생성물의 순도가 제품 사양 내에 있는 것을 보장한다.
본 발명의 질소 및 아르곤 생성, 중압 극저온 공기 분리 유닛의 일 구현예가 도 2에 나타나 있다. 도 2에 나타낸 공기 분리 플랜트 내의 구성 요소 중 많은 것이 도 1을 참조하여 전술된 것과 유사하거나 동일하고, 간결함을 위해 반복되지 않을 것이다. 도 1에 나타낸 구현예와 비교하면, 도 2의 구현예와의 차이는 칼럼 우회 회로(500)의 추가이다. 도면에서 보는 바와 같이, 도 2에서 저압 칼럼을 우회하는 냉각 터빈 공기 스트림(502)의 전환 부분(504)을 포함한 터빈 공기 우회 장치는, 도 1의 저압 칼럼(74)으로부터의 종래의 폐기물 질소 흡인 라인(93)에 대한 기능적 대안이다.
임의의 질소 및 아르곤 생성, 중압 극저온 공기 분리 유닛에서 저압 칼럼으로부터 질소 폐기물 흡인에 대한 최적 위치를 선택하는 것은, 질소 회수율과 아르곤 회수율 사이의 트레이드오프를 필요로 한다. 예를 들어, 한편으로 질소 폐기물 흡인 위치가 저압 칼럼 위로 수직으로 더 높은 경우, 아르곤 회수율이 가장 높다. 그러나, 수직으로 높은 위치에서의 질소 폐기물 유동은, 상단부 질소 순도 요건을 충족시키기 위해 더 클 필요가 있을 수 있으며, 이는 질소 회수율에 부정적인 효과를 부여한다. 한편으로 질소 폐기물 흡인이 수직으로 저압 칼럼 상의 하부 위치에 있는 경우, 폐기물 흡인의 아르곤 농도는 비교적 더 높을 것이고, 아르곤 회수율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 질소 폐기물 흡인이 수직으로 저압 칼럼 상의 하부 위치에 있는 칼럼 구성에서, 질소 회수율이 더 높을 수 있는데, 그 이유는 질소 생성물 순도 요건을 충족시키는데 필요한 총 질소 폐기물 흡인 유동이, 수직으로 더 높은 폐기물 흡인 위치에서 필요한 질소 폐기물 흡인 유동과 비교하면 감소하기 때문이다.
미국 특허 출원 제15/962,205호; 제15/962,245호; 제15/962, 297호 및 도 1에 개시된 극저온 공기 분리 유닛의 시뮬레이션은, 최적의 질소 폐기물 흡인 위치가, 터빈 공기 스트림(64)이 저압 칼럼(74)에 공급하고/공급하거나 케틀 액체(88)가 저압 칼럼(74)에 공급하는 것과 동일한 위치에 또는 그 근처에 있음을 나타냈다.
이들 질소 및 아르곤 생성, 중압 극저온 공기 분리 유닛에서 질소 폐기물 흡인의 이상적인 위치가 터빈 공기 스트림(64)이 저압 칼럼(74)에 공급하는 것과 동일한 위치 또는 그 근처에 있기 때문에, 질소 폐기물 유동을 당기면, 냉각된 터빈 공기 스트림(502)의 일부분 또는 좀더 정확하게 제2 부분(504)을 직접적으로 폐기물 회로에 전환시키고 증류 칼럼 시스템을 우회하는 것과 같이 L/V 비율에 대해 동일한 효과를 갖는 것으로 인식되었다. 이 우회 스트림은 터빈 공기 칼럼 우회 스트림(504)으로 지칭된다. 터빈 공기 스트림의 나머지, 또는 보다 정확하게 터빈 공기 스트림(506)의 제1 부분은, 바람직하게는 저압 칼럼(74) 중간 위치에서 증류 칼럼 시스템 내로 공급된다.
도 3은 저압 칼럼에서의 질소 폐기물 흡인의 위치 함수로서, 질소 및 아르곤 생성, 중압 극저온 공기 분리 유닛에서 질소 및 아르곤 회수율을 도시하는 그래프를 나타내며, 본 발명의 터빈 공기 우회 장치를 사용하는 구현예에 비교된다. 본 명세서에서 보는 바와 같이, 질소 및 아르곤 회수율은, 저압 칼럼으로부터 유사한 부피의 폐기물 흡인을 추출하는 것과 비교하면, 터빈 공기 스트림의 일부를 폐기물 질소 회로로 직접 전환시키고 저압 칼럼을 우회하는 경우에 약간 개선된다.
터빈 공기 칼럼 우회 장치가 저압 칼럼으로부터 질소 폐기물 흡인의 통상적인 당김에 대해 개선을 나타내는 이유는 두 부분이다. 첫 번째, 저압 칼럼 설계는, 저압 칼럼으로부터 질소 폐기물 흡인이 필요하지 않은 경우에 덜 복잡하고 아마도 자본 비용이 더 낮다. 터빈 공기 스트림 증기 공급, 케틀 액체 공급, 및 종래 칼럼 기술의 저압 칼럼에서와 같이 저압 칼럼으로부터의 질소 폐기물 증기 흡인이 있는 대신에, 본 시스템 및 방법은 터빈 공기 스트림 증기 공급 및 케틀 액체 공급만을 필요로 한다.
두 번째 이유는 개선된 가스 회수율이다. 터빈 공기 칼럼 우회 스트림은 대략 21% 산소 농도 및 약 0.9% 아르곤 농도를 갖는다. 따라서, 이러한 터빈 공기 칼럼 우회 스트림은, 전형적으로 약 15% 산소 농도 및 1.2% 아르곤 농도인 동일한 위치에서 취한 저압 칼럼으로부터의 질소 폐기물 흡인보다 일반적으로 산소 농도는 더 높고 아르곤 농도는 더 낮다. 동일한 위치에서 취한 저압 칼럼으로부터의 질소 폐기물 흡인과 비교하면 터빈 공기 칼럼 우회 스트림의 산소 농도 증가는 더 높은 산소 회수율을 초래한다. 또한, 동일한 위치에서 취한 저압 칼럼으로부터의 질소 폐기물 흡인과 비교하면 터빈 공기 칼럼 우회 스트림의 아르곤 농도 감소는 더 높은 아르곤 회수율을 초래한다.
본 발명이 바람직한 구현예(들)을 참조하여 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않는다면, 다수의 추가, 변경 및 생략이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (19)

  1. 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛으로서,
    유입 공급 공기 스트림을 수용하고 압축 공기 스트림을 생성하도록 구성된 주 공기 압축 시스템;
    상기 압축 공기 스트림으로부터 수증기, 이산화탄소, 아산화질소, 및 탄화수소를 제거하고, 압축 정제 공기 스트림을 생성하도록 구성된 흡착 기반 사전 정제기 유닛으로서, 상기 압축 정제 공기 스트림은 적어도 상기 압축 정제 공기 스트림의 제1 부분 및 상기 압축 정제 공기 스트림의 제2 부분으로 분할되는, 상기 흡착 기반 사전 정제기 유닛;
    상기 압축 정제 공기 스트림의 제1 부분을 냉각시키고 상기 압축 정제 공기 스트림의 제2 부분을 부분 냉각시키도록 구성된 주 열 교환 시스템; 및
    상기 압축 정제 공기 스트림의 부분 냉각된 제2 부분을 팽창시켜 배기 스트림을 형성하도록 구성된 터보팽창기 장치;
    응축기-리보일러를 통해 열 전달 관계로 연결된 고압 칼럼과 저압 칼럼을 갖고, 상기 압축 정제 공기 스트림의 냉각된 제1 부분과 상기 배기 스트림의 제1 부분을 분리하고 상기 저압 칼럼의 베이스로부터 산소 풍부 스트림과 상기 저압 칼럼의 오버헤드로부터 질소 생성물을 생성하도록 구성된 증류 칼럼 시스템
    - 상기 증류 칼럼 시스템은 상기 저압 칼럼과 작동 가능하게 결합된 아르곤 칼럼 장치를 추가로 포함하고, 상기 아르곤 칼럼 장치는 적어도 하나의 아르곤 칼럼 및 아르곤 응축기를 갖고, 상기 아르곤 칼럼 장치는, 상기 저압 칼럼으로부터 아르곤-산소 풍부 스트림을 수용하고, 상기 저압 칼럼 내로 복귀 또는 방출되는 산소 풍부 바닥 스트림, 및 상기 아르곤 응축기로 유도되는 아르곤 풍부 오버헤드를 생성하도록 구성되고;
    상기 아르곤 응축기는, 미정제 아르곤 스트림 또는 생성물 아르곤 스트림, 아르곤 환류 스트림 및 산소 풍부 폐기물 스트림을 생성하기 위해 상기 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림 전체 또는 일부에 대해 상기 아르곤 풍부 오버헤드를 응축시키도록 구성됨 -; 및
    상기 저압 칼럼으로부터 흡인된 질소 폐기물 스트림으로 상기 배기 스트림의 제2 부분을 유도하도록 구성되어 상기 배기 스트림의 제2 부분이 상기 증류 칼럼 시스템을 우회하도록 하는 터빈 공기 스트림 칼럼 우회 회로를 포함하는, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 극저온 공기 분리 유닛은 상기 압축 공기 스트림에 함유된 질소의 95% 이상의 질소 회수율, 및 상기 압축 공기 스트림에 함유된 아르곤의 92% 이상의 아르곤 회수율을 갖는, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 상기 아르곤 응축기는 상기 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림의 제1 부분을 이용해 상기 아르곤-풍부를 응축시키도록 구성되고, 상기 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림의 제2 부분을 산소 생성물 스트림으로서 취하는, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고압 칼럼은 약 6.0 bar(a) 내지 10.0 bar(a)의 작동 압력에서 작동하도록 구성되고, 상기 저압 칼럼은 약 1.5 bar(a) 내지 2.8 bar(a)의 작동 압력에서 작동하도록 구성되며, 상기 아르곤 칼럼은 약 1.3 bar(a) 내지 2.8 bar(a)의 압력에서 작동하도록 구성되는, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  5. 제4항에 있어서, 상기 아르곤 칼럼 장치의 아르곤 칼럼은 180개 내지 260개의 분리 스테이지를 갖는 슈퍼스테이지형 칼럼 또는 185개 내지 270개의 분리 스테이지를 갖는 울트라-슈퍼스테이지형 칼럼인, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  6. 제4항에 있어서, 상기 아르곤 칼럼 장치는 슈퍼스테이지형 아르곤 칼럼으로서 구성되는 제1 아르곤 칼럼, 고 비율 아르곤 칼럼으로서 구성되는 제2 아르곤 칼럼을 추가로 포함하는, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  7. 제1항에 있어서, 상기 흡착 기반 사전 정제기 유닛은, 상기 압축 공기 스트림을 정제하도록 구성된 다중-베드 온도 스윙 흡착 유닛이고, 상기 다중-베드 온도 스윙 흡착 유닛은, 각각의 베드가 상기 압축 공기 스트림으로부터 수증기, 이산화탄소, 아산화질소, 및 탄화수소를 흡착하는 온-라인 작동 단계와, 상기 베드가 상기 산소 풍부 폐기물 스트림으로부터 취한 퍼지 가스로 재생되고 있는 오프-라인 작동 단계 사이에서 교번하도록 추가로 구성되는, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산소 풍부 폐기물 스트림의 압력을 약 0.1 bar(a) 내지 0.3 bar(a)만큼 상승시키도록 구성된 재생 통풍기를 추가로 포함하는, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  9. 제1항에 있어서, 상기 극저온 공기 분리 유닛은, 상기 배기 스트림의 제1 부분이 상기 배기 스트림 모두를 포함하는 제1 설계 모드에서 작동하고, 상기 극저온 공기 분리 유닛은, 상기 배기 스트림의 제1 부분이 상기 배기 스트림의 전부보다 적고 상기 배기 스트림의 제2 부분이 약 9000 N㎥/hr 미만의 유동을 갖는 제2 오프-설계 모드에서 추가로 작동하는, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  10. 제9항에 있어서, 상기 배기 스트림의 제2 부분은 약 5000 N㎥/hr 내지 약 7000 N㎥/hr의 유동을 갖는, 질소 및 아르곤 생성 극저온 공기 분리 유닛.
  11. 극저온 공기 분리 유닛에서 공기를 분리하여 하나 이상의 질소 생성물 및 미정제 아르곤 생성물을 생성하는 방법으로서,
    (a) 유입 공급 공기 스트림을 압축하여 압축 공기 스트림을 생성하는 단계;
    (b) 압축 정제 공기 스트림을 생성하기 위해 상기 압축 공기 스트림으로부터 수증기, 이산화탄소, 아산화질소, 및 탄화수소를 제거하도록 구성된 흡착 기반 사전 정제기 유닛에서 상기 압축 공기 스트림을 정제하는 단계;
    (c) 상기 압축 정제 공기 스트림을 적어도 상기 압축 정제 공기 스트림의 제1 부분 및 상기 압축 정제 공기 스트림의 제2 부분으로 분할하는 단계;
    (d) 주 열 교환 시스템에서 상기 압축 정제 공기 스트림의 제1 부분과 상기 압축 정제 공기 스트림의 제2 부분을 냉각시키는 단계;
    (e) 배기 스트림을 형성하기 위해 터보팽창기 장치에서 상기 압축 정제 공기 스트림의 냉각된 제2 부분을 팽창시키는 단계;
    (f) 상기 배기 스트림의 제1 부분과 상기 압축 정제 공기 스트림의 냉각된 제1 부분을 증류 칼럼 시스템으로 유도하는 단계; 및
    (g) 상기 증류 칼럼 시스템에서 상기 배기 스트림의 제1 부분과 상기 압축 정제 공기 스트림의 냉각된 제1 부분을 분리하여, 저압 칼럼의 베이스로부터의 산소 풍부 스트림, 및 상기 저압 칼럼의 오버헤드로부터의 질소 생성물 스트림을 생성하는 단계;
    (h) 아르곤 칼럼 장치에서 상기 저압 칼럼으로부터 취한 아르곤-산소 풍부 스트림을 추가로 분리하여, 산소 풍부 바닥 스트림 및 아르곤 풍부 오버헤드를 생성하는 단계;
    (i) 상기 산소 풍부 바닥 스트림을 상기 저압 칼럼으로 유도하는 단계;
    (j) 상기 아르곤 풍부 오버헤드를 아르곤 응축기의 응축면으로 유도하는 단계;
    (k) 상기 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림의 전부 또는 일부를 상기 아르곤 응축기의 비등면으로 유도하는 단계;
    (l) 상기 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림에 대한 상기 아르곤 풍부 오버헤드를 응축시켜 미정제 아르곤 스트림과 아르곤 환류 스트림을 생성하면서, 상기 산소 풍부 스트림의 제1 부분과 상기 액체 질소를 비등시켜 산소 풍부 폐기물 스트림을 생성하는 단계; 및
    (m) 상기 배기 스트림의 제2 부분이 상기 증류 칼럼 시스템을 우회하도록, 상기 배기 스트림의 제2 부분을 상기 저압 칼럼으로부터의 흡인된 폐기물 스트림으로 유도하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 극저온 공기 분리 유닛은 상기 압축 공기 스트림에 함유된 질소의 95% 이상의 질소 회수율, 및 상기 압축 공기 스트림에 함유된 아르곤의 92% 이상의 아르곤 회수율을 갖는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 아르곤 응축기는 상기 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림의 제1 부분을 이용해 상기 아르곤-풍부를 응축시키도록 구성되고, 상기 저압 칼럼으로부터의 산소 풍부 스트림의 제2 부분을 산소 생성물 스트림으로서 취하는, 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 고압 칼럼은 약 6.0 bar(a) 내지 10.0 bar(a)의 작동 압력에서 작동하도록 구성되고, 상기 저압 칼럼은 약 1.5 bar(a) 내지 2.8 bar(a)의 작동 압력에서 작동하도록 구성되고, 상기 아르곤 칼럼은 약 1.3 bar(a) 내지 2.8 bar(a)의 압력에서 작동하도록 구성되는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 아르곤 칼럼 장치의 아르곤 칼럼은 180개 내지 260개의 분리 스테이지를 갖는 슈퍼스테이지형 칼럼 또는 185개 내지 270개의 분리 스테이지를 갖는 울트라-슈퍼스테이지형 칼럼인, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 아르곤 칼럼 장치는 슈퍼스테이지형 아르곤 칼럼으로서 구성되는 제1 아르곤 칼럼, 고 비율 아르곤 칼럼으로서 구성되는 제2 아르곤 칼럼을 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 흡착 기반 사전 정제기 유닛은, 상기 압축 공기 스트림을 정제하도록 구성된 다중-베드 온도 스윙 흡착 유닛이고, 상기 다중-베드 온도 스윙 흡착 유닛은, 각각의 베드가 상기 압축 공기 스트림으로부터 수증기, 이산화탄소, 아산화질소, 및 탄화수소를 흡착하는 온-라인 작동 단계와, 상기 베드가 상기 산소 풍부 폐기물 스트림으로부터 취한 퍼지 가스로 재생되고 있는 오프-라인 작동 단계 사이에서 교번하도록 추가로 구성되는, 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 극저온 공기 분리 유닛은, 상기 배기 스트림의 제1 부분이 상기 배기 스트림 모두를 포함하는 제1 설계 모드에서 작동하고, 상기 극저온 공기 분리 유닛은, 상기 배기 스트림의 제1 부분이 상기 배기 스트림의 전부보다 적고 상기 배기 스트림의 제2 부분이 약 9000 N㎥/hr 미만의 유동을 갖는 제2 오프-설계 모드에서 추가로 작동하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 배기 스트림의 제2 부분은 약 5000 N㎥/hr 내지 약 7000 N㎥/hr의 유동을 갖는, 방법.
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