KR20230069966A - 혼합 가스 터빈을 이용한 공기의 극저온 분리를 위한 공정 및 장치 - Google Patents

혼합 가스 터빈을 이용한 공기의 극저온 분리를 위한 공정 및 장치 Download PDF

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KR20230069966A
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린데 게엠베하
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Abstract

공기의 극저온 분리를 위한 이러한 공정 및 장치에서, 분리 컬럼 시스템은 고압 컬럼(12), 저압 컬럼(13) 및 미정제 아르곤 컬럼(18)을 포함한다. 기체 산소(72) 및 아르곤 상부 응축기(21)의 증발 공간으로부터의 가스 스트림(31, 71)을 혼합함으로써 생성된 혼합 가스 스트림(73, 74)은 혼합 가스 터빈(75)에서 팽창 작업된다.

Description

혼합 가스 터빈을 이용한 공기의 극저온 분리를 위한 공정 및 장치
본 발명은 독립적인 특허청구범위의 제1 부분에 따른 공기의 극저온 분리 공정 및 각각의 장치에 관한 것이다.
기체 및 액체 생성물을 생성하는 공기의 극저온 분리는 일반적으로, 예를 들어, 문헌[H.-W.
Figure pct00001
, Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, 특히 섹션 2.2.5, "Cryogenic Rectification"]에서 알려져 있다.
극저온 공기 분리 유닛은 고전적으로 2컬럼 시스템, 특히 Linde 이중 컬럼의 형태의 분리 컬럼 시스템을 포함한다. 또한, 3컬럼 이상의 시스템 형태를 가질 수 있다. 액체 및/또는 기체 형태의 질소 및/또는 산소를 생성하기 위한 산소-질소 분리를 위한 컬럼 외에도, 분리 컬럼 시스템은 추가 공기 성분, 특히 귀족 가스(noble gas)를 회수하기 위한, 또는 특정 고순도 산소 및/또는 질소 생성물을 생성하기 위한 추가 컬럼을 포함할 수 있다.
본 발명에서, 고압 컬럼, 및 상기 고압 컬럼 및 메인 응축기 위에 적어도 부분적으로 위치할 수 있는 저압 컬럼이 사용된다. 본 발명의 공정은 강화 압력 타입이므로, 고압 컬럼은 약 5.3 bar(4 내지 7 bar)의 고전적 압력이 아닌 더 높은 압력에서, 예를 들어, 8 내지 14 bar, 바람직하게는 9 내지 13 bar에서 작동된다. 저압 컬럼은 약 1.3 bar(1.2 내지 1.5 bar)의 고전적 압력이 아닌 더 높은 압력에서, 예를 들어, 2 내지 5 bar, 바람직하게는 2.5 내지 4.5 bar에서 작동된다. 이들 압력은 절대 압력으로 각각의 컬럼의 상부에서 측정되며 또한 본 발명에서 사용된다.
공기 분리기가 가압된 가스 생성물을 생성하는 경우, 이들은 가스 압축기에서 압축될 수 있다("외부 압축"). 대안적으로, 컬럼으로부터 극저온 액체를 인출하고, 원하는 압력으로 가압(예를 들어, 펌핑)하고, 예를 들어 메인 열 교환기에서 가온에 의해 기체 상태로 변형시킴으로써 "내부 압축" 공정이 사용될 수 있다.
본 발명은 특히 가압된 질소 및 아르곤의 공동 생산 및 비교적 높은 액체 생산을 위한 추가의 개선된 공기 분리 공정을 발견하기 위한 목적을 가지며, 예를 들어 가압된 GAN 생성물 양으로 나눈 액체 생산(LIN 균등물 [N㎥/h]: LIN [N㎥/h] 1.07 x LOX [N㎥/h] 0.9 x LAR [N㎥/h])은 0.00 내지 0.06의 범위이다. (모든 이들 양은 상반되도록 말하지 않는 한, 이러한 적용에서는 몰량이다.)
이러한 목적은 독립적인 특허청구범위에 따른 공정 및 장치에 의해 해결된다.
고압 컬럼으로부터 인출되어 저압 컬럼에 도입된 분획은 흔히 고압 컬럼의 저부 분획이다. 적어도 일부는 직접적으로 저압 컬럼에, 궁극적으로는 서브쿨러(subcooler)를 통해 도입될 수 있거나, 간접적으로 고압 컬럼 분획을 아르곤 상부 응축기 증발 공간으로 유도하고 별도로 아르곤 상부 응축기 증발 공간으로부터의 기체 및 잔류 액체를 저압 컬럼에 도입될 수 있다.
기체 산소 스트림은 일반적으로 저압 컬럼의 하부 부분으로부터, 예를 들어 저압 컬럼의 맨 바닥으로부터 인출된다.
팽창기는 임의의 유형, 예를 들어, 터빈일 수 있으며; 그 경우에는 "혼합 가스 터빈"으로 불릴 수 있다.
저압 컬럼에서의 정류 향상을 위해, 저압 컬럼으로부터 나오고 분리 컬럼 시스템 내로, 특히 고압 컬럼 내로 및/또는 저압 컬럼 내로 직접적으로 또는 간접적으로 유도하는 질소 재순환이 청구항 2에 기재된 바와 같이 사용될 수 있다. "재순환 가스" 스트림은 저압 컬럼으로부터 나오고, 질소 압축기에서 압축된 후 냉각되지만, 메인 열 교환기에서 액화되지 않는 것이다. 저압 컬럼으로부터의 생성물 가스는 메인 열 교환기에서의 가온 및 질소 압축기에서의 압축을 통해 재순환 가스와 합동으로 유도되거나 유도되지 않을 수 있다. 냉각된 재순환 가스는 적어도 일부는 직접적으로 예를 들어 상부에서 또는 아래의 3 내지 11개의 이론적 트레이에서 고압 컬럼 내로 유도된 기체 형태일 수 있다. 대안은, 예를 들어, 응축기, 예를 들어, 메인 응축기 및/또는 또 다른 컬럼 리보일러에서 재순환 가스를 액화시킨 다음 액화 재순환 가스의 적어도 일부를 컬럼, 특히 고압 컬럼 및/또는 저압 컬럼에 도입함으로써 고압 컬럼 및/또는 저압 컬럼에 간접적으로 도입하는 것이다. 첫 번째 예에서, 냉각된 재순환 가스의 적어도 일부는 메인 응축기의 액화 공간을 통해 고압 컬럼에 도입된다. 다른 예에서, 냉각된 재순환 가스의 적어도 일부는 순수 산소 컬럼의 저부 응축기의 액화 공간을 통해 저압 컬럼에 도입된다(바람직하게는 이러한 액체를 서브쿨러에서 별도의 채널에서 서브냉각하고 서브냉각된 액체를 팽창 밸브에서 팽창시킴). 예를 들어, 재순환 가스의 제1 부분은 제1 경로를 통해(예를 들어, 직접적으로 또는 메인 응축기를 통해) 고압 컬럼 내로 유도되고, 재순환 가스의 제2 부분은 제2 경로를 통해(예를 들어, 순수 산소 컬럼의 저부 응축기를 통해) 저압 컬럼 내로 유도된다.
제1 변형예에서, 냉각된 재순환 가스는 예를 들어 그 상부에서 고압 컬럼에 직접 도입될 수 있다. 청구항 3은 재순환 가스가 메인 응축기에 도입되고, 그 안에서 액화되고 이후 액체로서 고압 컬럼의 상부에 도입되는 제2 변형예를 기술한다. 두 변형예 모두 냉각된 재순환 가스의 일부를 메인 응축기에 도입하고 또 다른 일부를 컬럼에 직접 도입함으로써 조합될 수 있다. 재순환 가스의 또 다른 일부는 플랜트의 다른 위치에서 사용될 수 있다.
가압된 순수 아르곤 생성물은 청구항 4에 제시된 바와 같이 내부 압축에 의해 생성될 수 있다. 전체 아르곤 생성물 중 일부는 액체 형태로 생성되어 탱크에 저장될 수 있다.
미정제 아르곤 컬럼은 청구항 5에 기재된 바와 같은 분할 컬럼의 형태를 가질 수 있다. 적어도 2개의 파트가 존재한다. 원칙적으로, 3개 이상의 파트가 존재할 수 있다.
분리는 청구항 6에 기재된 바와 같은 순수 산소 컬럼을 추가로 포함할 수 있다. 순수 산소 컬럼에 대한 공급 액체는 미정제 아르곤 컬럼의 저부 또는 미정제 아르곤 컬럼의 중간 지점, 예를 들어 바닥 위의 몇 개의 이론적 트레이로부터 나온다.
이러한 순수 산소 컬럼은 바람직하게는 미정제 아르곤 컬럼의 제1 파트 아래에 그리고 미정제 아르곤 컬럼의 제1 파트를 갖는 공통 용기 내부에 배열되는 순수 산소 컬럼이다.
순수 산소 컬럼은 바람직하게는 청구항 8에 기재된 바와 같은 저부 리보일러를 가지며, 이는 고압 컬럼 기체 질소 및/또는 고압 컬럼 내로 직접 들어가지 않는 냉각된 재순환 가스의 일부를 가열할 수 있다 - 청구항 9 참조. 재순환 가스는 바람직하게는 순수 산소 컬럼의 저부 리보일러에서 적어도 부분적으로 액화되고, 이어서 환류 액체로서 고압 컬럼으로 또는 저압 컬럼으로 보내진다.
전체 아르곤 생성물이 필요하지 않은 작동 모드에서, 아르곤-산소 혼합물은 청구항 10에 따른 중간 가스 출구를 통해 미정제 아르곤 컬럼으로부터 인출될 수 있다. 그러한 특징은 미정제 아르곤 컬럼의 부하를 감소시킨다. 아르곤-산소 혼합물은 에너지를 회수하기 위해 메인 열 교환기에서 가온된다.
이러한 특정 실시형태는 1-파트 미정제 아르곤 컬럼 뿐만 아니라 분할 미정제 아르곤 컬럼에도 적용가능하다. 후자의 경우에, 중간 가스 출구는 미정제 아르곤 컬럼의 어느 한 파트에 있을 수 있다. 바람직하게는, 이는 제2 파트의 중간 높이에 배열된다.
본 발명에서, 청구항 11에 기재된 바와 같은 분할 저압 컬럼을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
공정의 변형예에서, 바람직하게는 재순환 가스가 존재하지 않고 고압 컬럼(12)의 상부 가스는 청구항 13에 제시된 가압된 기체 질소 생성물로서 인출된다(302). 대안적으로 또는 추가적으로, 저압 컬럼(13, 113/213)의 상부 가스(64, 65)는, 질소 압축기에서 압축되고, 특히 고압 컬럼(12)으로부터의 가온된 상부 가스와 혼합함으로써 가압된 기체 질소 생성물로서 인출된다. 질소 압축기는 바람직하게는 추가 스트림을 압축하지 않고, 특히 재순환 가스가 없다.
본 발명 및 본 발명의 추가 세부 사항은 예시적인 실시형태에 의해 하기에 예시될 것이며, 이는 도면에 도시되어 있다.
도 1은 단일-파트 저압 컬럼을 갖는 본 발명의 제1 실시형태를 나타내고;
도 2는 분할 저압 컬럼을 갖는 제2 실시형태를 나타내고;
도 3은 고압 컬럼의 상부로부터 GAN 생성물의 부분적인 인출을 갖는 제3 실시형태를 나타낸다.
도 1의 실시형태에서, 대기(AIR)(1)는 필터(2)를 통해 메인 공기 압축기(3)로 흐르고, 그 내부에서 약 11 내지 12 bar의 압력으로 압축된다. 압축된 공기 스트림은 냉각기(4 및 5)에서 냉각되고 분리기(6)로 보내지며, 여기로부터 액체 물(H2O)이 배출된다. 분리기(6)로부터의 공기는 흡착에 의해 수증기, 이산화탄소 및 추가의 불순물을 제거하는 정제 유닛(7)으로 보내진다. 정제된 공기(8)는 메인 열 교환기(9)로 도입된다. 총 공급 공기는 메인 열 교환기(9)의 저온 단부까지 완전히 냉각된 다음, 저압 컬럼(13) 및 메인 응축기(14)를 추가로 포함하는 이중 컬럼의 고압 컬럼(12)에 도입된다.
도 1의 실시형태의 분리 컬럼 시스템은 이중 컬럼(12/13), 순수 산소 컬럼(16), 메탄 제거 컬럼(17), 단일-파트 미정제 아르곤 컬럼(18) 및 순수 아르곤 컬럼(19)으로 이루어진다. 순수 산소 컬럼은 저부 리보일러(20), 미정제 아르곤 컬럼 상부 응축기(21) 및 순수 아르곤 컬럼 상부 응축기(22) 및 저부 리보일러(23)를 갖는다. 모든 이러한 응축기 및 리보일러 뿐만 아니라 메인 응축기(14)는, 각각 액화 공간 및 증발 공간을 갖는 응축기-증발기이다. 현열에 의해 가온되는 순수 아르곤 컬럼(19)의 저부 리보일러(23)는 예외이다.
고압 컬럼(12)의 저부로부터의 미정제 액체 산소(24)는 서브쿨러(25)에서 냉각된다. 냉각된 미정제 액체 산소(26)의 제1 부분(27)은 순수 아르곤 컬럼의 저부 리보일러(23)를 통해 일부 공급된 다음, 미정제 아르곤 컬럼(18)의 상부 응축기(21)의 증발 공간에 도입된다. 나머지 액체(28)는 저압 컬럼(13)으로 보내진다. 증발된 부분(29)의 제1 파트(30) 또한 저압 컬럼으로 보내진다. 제2 파트(31)는 본 발명에 따라 "더 높은 질소 함량을 갖는 스트림"(31)으로 취해지며 이는 이후에 상세히 설명된다.
냉각된 미정제 액체 산소(26)의 제2 부분(32)은 순수 아르곤 컬럼(19)의 상부 응축기의 증발 공간에 도입된다. 나머지 액체(33)는 저압 컬럼(13)으로 보내진다. 증발된 부분(34)은 미정제 아르곤 컬럼(18)의 상부 응축기(21)의 증발 공간으로부터의 증발된 부분(29)과 혼합된다. 이에 의해 저압 컬럼(13)으로 또는 "더 높은 질소 함량을 갖는 스트림"(31)으로 간다.
고압 컬럼(12)의 상부로부터의 기체 질소(35)의 대부분(36)은 메인 응축기(14)에서 적어도 부분적으로 액화된다. 나머지(37)는 순수 산소 컬럼의 저부 리보일러에서 적어도 부분적으로 액화된다. 순수 산소 컬럼 저부 리보일러로부터의 액체 질소는 서브쿨러(25)에서 냉각된다. 냉각된 액체 질소(39)는 저압 컬럼(13)의 상부로 보내진다.
메인 응축기(14)로부터의 액체 질소(40)는 고압 컬럼(12)의 상부로 일부 다시 공급된다. 또 다른 부분(42)은 서브쿨러(25)에서 냉각된다. 냉각된 액체 질소(43)의 제1 파트는 저압 컬럼(13)의 상부로 보내지는 반면, 제2 파트(45)는 순수 액체 질소 생성물(PLIN)로서 인출된다.
기체 아르곤 함유 분획인, 저압 컬럼(13)으로부터의 아르곤 전이 분획(46)은 메탄 제거 컬럼(17)의 저부에 도입된다. 다른 방향에서, 메탄 제거 컬럼(17)의 저부 액체(47)는 저압 컬럼(13)에 재도입된다. 이러한 저부 액체는 분획(46)으로부터의 사실상 모든 메탄을 함유하여, 메탄 제거 컬럼(17)의 상부는 메탄-무함유이다. 이러한 컬럼의 상부 가스(48)는 순수 산소 컬럼(16)으로부터의 상부 가스(80)와 함께 미정제 아르곤 컬럼(18)의 저부로 보내진다.
미정제 아르곤 컬럼(18)의 저부 액체(78)는 펌프(79)를 통해 들어올려진다. 제1 부분(49)은 메탄-무함유 환류로서 순수 산소 컬럼(16)에 들어간다. 순수 산소 컬럼(16)의 저부로부터, 초고순도 액체 산소(50)가 인출되고 저장 탱크(51) 내로 유도된다. 탱크 액체는 탱크에서 또는 펌프(도시되지 않음)에 의해 탱크의 하류에서 가압될 수 있다. 고압 액체 산소는 메인 열 교환기(9)에서 가온될 수 있고, 내부적으로 압축된 초고순도 기체 산소 생성물(GOXIC)로서 회수될 수 있다.
미정제 아르곤 컬럼(18)의 저부 액체(78)의 제2 부분(52)은 메탄 제거 컬럼(17)의 상부에 공급된다.
미정제 아르곤 컬럼(18)의 상부 응축기(21)의 액화 공간은 배쓰 타입 응축기이다. 그 상부에서, 미정제 아르곤 스트림(58)이 미정제 아르곤 컬럼(18)으로부터 인출되고 순수 아르곤 컬럼(19)에 도입된다. 순수 아르곤 컬럼의 상단으로부터, 폐기물 가스(60)가 인출되고 대기(ATM)로 방출된다. 저부에서, 순수 아르곤 생성물(59)이 회수되고, 펌프(61) 및 (라인(62))에 의해 내부 압축으로 보내지고 메인 열 교환기(9)에서 가온된다. 메인 열 교환기(9)의 가온된 단부에서(라인(63)), 내부 압축된 기체 아르곤 생성물은 가압 형태로 인출된 (GARIC) 이다.
저압 컬럼(13)의 상부로부터의 기체 질소 분획(64)은 재순환 가스로서 일부 사용되고, 우선 서브쿨러(25)에서 예열된다. 예열된 기체 질소 분획(65)은 메인 열 교환기(9)의 저온 단부로 보내지고, 그 안에서 완전히 가온된다. 가온된 기체 질소 분획(66)은 질소 압축기(67)에서 바람직하게는 8 내지 15 bar, 보다 바람직하게는 9.5 내지 12.5 bar의 생성물 압력으로 압축된다. 압축기(67)는 애프터쿨러를 갖는다. 압축된 질소 분획(68)은 생성물 분획(69)으로 분할되고, 이는 가압된 기체 질소 생성물(PGAN) 및 재순환 가스(70)로서 인출된다. 가압된 재순환 가스는 메인 열 교환기(9)에서 다시 완전히 냉각된다. 냉각된 재순환 가스(89)는 고압 컬럼(12)의 상부로부터의 기체 질소(35)와 혼합되고, 즉 메인 응축기(14) 또는 순수 산소 컬럼 저부 리보일러(20)에서 액화된다. 이에 의해, 재순환 가스의 일부(이제 액체로서)는 라인(41)을 통해 고압 컬럼에 들어간다.
가압된 기체 산소가 내부 압축에 의해 생성된다. 저압 컬럼(13)의 저부로부터(또는 메인 응축기(14)의 증발 공간으로부터)의 액체 산소(84)는 펌프(85)에서 원하는 생성물 압력으로 펌핑되고, 메인 열 교환기(9)에서 완전히 가온되고, 마지막으로 라인(86)을 통해 내부 압축 생성물(GOXIC)로서 회수된다.
미정제 아르곤 컬럼(18)의 상부 응축기(21)의 증발 공간으로부터 적어도 부분적으로 나오는, 앞서 언급된 "더 높은 질소 함량을 갖는 스트림"(31)은 서브쿨러(25)에서 가온된다. 가온된 스트림(71)은 저압 컬럼(13)의 저부로부터의 기체 산소 스트림(72)과 혼합된다. 혼합 가스(73)는 메인 열 교환기(9)에서 150 내지 230 K의 중간 온도로 부분적으로 가온되고, 발생 터빈으로서 작동되는 혼합 가스 터빈(75)에서 팽창 작업된다. 팽창된 혼합 가스(76)는 메인 열교환기(9)에 재도입되고 완전히 가온된다. 가온된 저압 혼합 가스(77/78)는 대기(ATM)로 방출되거나, 또는 재생 가스로서 정제 유닛(7)으로 보내질 수 있다.
도 1의 실시형태에서, 미정제 아르곤 컬럼(18)에서 올라오는 가스의 일부는 아르곤 생성물(59/62/63)의 양을 감소시키고 그에 의해 에너지 소비를 감소시키기 위해 중간 가스 출구(81)를 통해 인출될 수 있다. 가스 인출 가스(82)는 메인 열 교환기(9)의 별도의 통로에서 완전히 가온된다. 가온된 가스(83)는 팽창된 혼합 가스(77)에 혼합되고 대기로 방출되거나 정제 유닛(7)에서 재생 가스로서 사용될 수 있다.
도 2의 공정은 주로 분할 아르곤 컬럼 및 분할 저압 컬럼에 의해 도 1과 상이하다. 상기 도 1에 대한 설명은 또한 도 2의 각각의 단계 및 유닛에 대해서도 유효하다. 동일하거나 유사한 특징 및 기능을 식별하기 위해 도 2의 참조 번호는 도 1로부터 부분적으로 취해진다.
미정제 아르곤 컬럼은 제1 파트(118) 및 제2 파트(218)로 분할되고, 아르곤 상부 응축기(21)는 제2 파트(218)의 상부에 배열된다. 제1 파트(118)의 상부로부터의 가스 분획(190)은 제2 파트(18)의 저부에 도입된다. 제2 파트(218)의 저부 액체(191)의 적어도 제1 부분(193)은 제1 파트(118)의 상부에 도입된다.
저압 컬럼은 저부 파트(113) 및 상부 파트(213)로 분할된다. 1-파트 저압 컬럼과 상이하게, 2개의 파트는 나란히 배열된다. 기체 연결 스트림(195)은 저부 섹션의 상부 가스(194)로부터 취해지고 상부 섹션(213)의 저부에 도입된다. 액체 연결 스트림(196)은 상부 섹션(213)의 저부로부터 인출되고 미정제 아르곤 컬럼의 제1 파트(118)의 저부, 라인(197), 펌프(198) 및 라인(199)을 통해 저부 섹션(213)의 상부로 보내진다. 저압 컬럼의 저부 섹션(113)의 상부 가스(194)의 또 다른 부분은 아르곤 전이 분획(46)으로서 취해지고, 미정제 아르곤 컬럼의 제1 파트(118)의 저부에 도입된다. 제1 파트(118)의 저부 액체(저압 컬럼의 상부 파트(213)로부터의 저부 액체(196)와 혼합됨)는 라인(197), 펌프(198) 및 라인(199)을 통해 저압 컬럼의 저부 파트(113)의 상부로 보내진다.
미정제 아르곤 컬럼의 제1 파트(118)의 최하부 섹션(117)은 메탄 제거 컬럼으로서 동시에 작용한다. 최하부 섹션(117) 위의 중간 높이에서, 제1 파트(118)는 액체 라인(149) 및 가스 라인(180)에 의해 순수 산소 컬럼(16)의 상부에 연결된다.
순수 산소 컬럼(16)의 저부로부터의 초고순도 액체 산소(50)는 이 특정 실시형태에서 US 10209004 B2호에 따라 다중 탱크 시스템(200)에서 가압되고 이후 (라인(201)을 통해) 메인 열 교환기(9)에서 완전히 가온된다. 따뜻한 초고순도 산소 가스(202)는 최종 생성물(UHPGOX)로서 회수된다.
저압 컬럼(113)의 저부로부터(또는 메인 응축기(14)의 증발 공간으로부터) 액체 산소(84)는 서브쿨러(25)(도시되지 않음)에서 서브냉각된 다음, 액체 산소 생성물(LOX)로서 인출된다.
냉각된 재순환 가스(89)는 (고압 컬럼(12)으로부터 상부 질소(35)의 일부와 함께) 메인 응축기(14)의 액화 공간에 공급된다. 거기서 액화된다. 액화된 재순환 가스의 제1 부분(41)은 고압 컬럼(12)의 상부에 공급되고; 액화된 재순환 가스의 제2 부분(42, 44)은 저압 컬럼(213)의 상부에 공급된다.
대안적으로, 냉각된 재순환 가스(89)는 메인 응축기로의 제1 부분 및 순수 산소 컬럼(16)의 저부 리보일러의 액화 공간에 도입될 수 있는 제2 부분으로 분할될 수 있다. 또 다른 대안에서, 재순환 가스는 필요한 경우 고압 컬럼(12)의 상부로부터 일부 기체 질소(35)에 의해 보충되는, 순수 산소 컬럼(16)의 저부 리보일러의 액화 공간에 완전히 공급된다.
도 3은 도 2와 유사하거나 동일한 많은 부분에 있지만, 2개의 주요 양태에서 벗어난다:
- 기체 질소는 고압 컬럼의 상부로부터 유래되고, 라인(300, 301 및 302)을 통해 가압된 기체 질소 생성물(UHPGAN)로서 인출된다.
- 재순환 가스는 없다. 저압 컬럼(213)으로부터의 상부 기체 질소(64/65/66/369)는 모두 고압 컬럼(12)으로부터의 질소에 혼합함으로써 질소 압축기(67)의 하류에서 가압된 기체 질소 생성물(UHPGAN)로서 인출된다.
본 발명은 일반적으로 메탄 제거 컬럼이 없는 및/또는 순수 산소 컬럼이 없는 시스템에도 마찬가지로 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 고압 컬럼(12), 저압 컬럼(13), 액화 공간 및 증발 공간을 갖는 응축기-증발기이고 고압 컬럼 상부 및 저압 컬럼 저부를 열 교환 관계가 되도록 하는 메인 응축기(14), 및 액화 공간 및 증발 공간을 갖는 응축기-증발기인 아르곤 상부 응축기(21)를 갖는 미정제 아르곤 컬럼(18)을 포함하는 분리 컬럼 시스템에서의 공기의 극저온 분리 공정으로서,
    - 총 공급 공기 스트림(1)을 압축(3)하는 단계,
    - 압축된 공급 공기(8)를 메인 열 교환기(9)에서 냉각하는 단계,
    - 공급 공기의 적어도 일부를 고압 컬럼(12)에 도입(10)하는 단계,
    - 고압 컬럼(12)으로부터의 적어도 하나의 분획(24, 26)을 저압 컬럼(13)에 직접적으로 또는 간접적으로 도입하는 단계,
    - 저압 컬럼(13)으로부터의 아르곤 전이 분획(46, 48)을 미정제 아르곤 컬럼(18)에 도입하는 단계,
    - 고압 컬럼(12)으로부터의 액체 냉각 분획(27)을 아르곤 상부 응축기(21)의 증발 공간에 도입하는 단계,
    - 저압 컬럼(13)으로부터 기체 산소 스트림(72)을 인출하는 단계,
    - 기체 산소 스트림(72)을 기체 산소 스트림보다 더 높은 질소 함량을 갖는 또 다른 가스 스트림과 혼합하여 혼합 가스 스트림(73)을 형성하는 단계,
    - 혼합 가스 스트림을 메인 열 교환기(9)에서 가온하는 단계,
    - 가온된 혼합 가스 스트림(74)을 팽창기(75)에서 팽창 작업시키는 단계 및
    - 팽창된 혼합 가스 스트림(76)을 메인 열 교환기(9)에서 완전히 가온하는 단계를 포함하며,
    더 높은 질소 함량을 갖는 상기 스트림(29, 31, 71)은 아르곤 상부 응축기(21)의 증발 공간으로부터 인출되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  2. 제1항에 있어서,
    - 저압 컬럼(13)으로부터의 기체 질소 분획(64, 65)은 재순환 가스로서 사용되고,
    - 재순환 가스는 메인 열 교환기(9)에서 가온되고,
    - 가온된 재순환 가스(66)는 질소 압축기(67)에서 압축되고,
    - 압축된 재순환 가스(70)는 메인 열 교환기(9)에서 냉각되고, 기체 형태로 메인 열 교환기(9)로부터 인출되고,
    - 적어도 냉각된 재순환 가스(89)의 제1 부분은 기체 형태 또는 액화된 형태로, 분리 컬럼 시스템에, 특히 고압 컬럼(12) 및/또는 저압 컬럼(13)에 도입되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  3. 제2항에 있어서, 냉각된 재순환 가스(89)의 적어도 일부는 메인 응축기(14)의 액화 공간을 통해 고압 컬럼(12)에 도입(36, 40, 41)되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 분리 컬럼 시스템은 순수 아르곤 컬럼(19)을 추가로 포함하고,
    - 미정제 아르곤 스트림(58)은 미정제 아르곤 컬럼(18) 또는 아르곤 상부 응축기(21)로부터 인출되고,
    - 미정제 아르곤 스트림(58)은 순수 아르곤 컬럼(19)에 도입되고,
    - 액체 순수 아르곤 스트림(59)은 순수 아르곤 컬럼(19)으로부터 인출되고,
    - 액체 순수 아르곤 스트림(59)은 액체 상태로 가압(61)되고,
    - 가압된 순수 아르곤 스트림(62)은 메인 열 교환기(9)에서 가온되고,
    - 최종적으로 가압된 아르곤 생성물(63)로서 회수되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 미정제 아르곤 컬럼은 제1 파트(118) 및 제2 파트(218)로 분할되고, 아르곤 상부 응축기(21)는 제2 파트(218)의 상부에 배열되고, 이에 의해 제1 파트(118)의 상부로부터의 가스 분획(190)은 제2 파트(218)의 저부에 도입되고, 적어도 제2 파트의 저부 액체(191)의 제1 부분(193)은 제1 파트(118)의 상부에 도입되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  6. 제5항에 있어서,
    - 분리 컬럼 시스템은 순수 산소 컬럼(16)을 추가로 포함하고,
    - 미정제 아르곤 컬럼(18, 118)으로부터의 액체 분획(49, 149)은 순수 산소 컬럼(16)의 상부에 도입되고,
    - 액체 순수 산소 분획(50)은 순수 산소 컬럼(16)의 저부로부터 인출되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  7. 제6항에 있어서, 순수 산소 컬럼(16)은 서로 간에 오직 하나의 저부/상부 플레이트를 갖는 메탄 제거 컬럼(17) 바로 아래에 배열되는 것을 특징으로 하는, 공정 .
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 순수 산소 컬럼(16)은 액화 공간 및 증발 공간을 갖는 응축기-증발기인 저부 리보일러(20)를 갖는 것을 특징으로 하는, 공정.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각된 재순환 가스(89)의 제2 부분(37)은 순수 산소 컬럼 저부 리보일러(20)의 액화 공간에 도입되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 일시적으로, 아르곤-산소 혼합물(81)은 중간 가스 출구를 통해 미정제 아르곤 컬럼(18, 118)으로부터 인출되고, 아르곤-산소 혼합물은 메인 열 교환기(9)에서 가온되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 저압 컬럼은 저부 파트(113) 및 상부 파트(213)로 분할되고,
    - 기체 연결 스트림(194, 195)은 저부 섹션(113)의 상부로부터 인출되고,
    - 기체 연결 스트림(195)은 상부 섹션(213)의 저부에 도입되고,
    - 액체 연결 스트림(196, 197, 199)은 상부 섹션(213)의 저부로부터 인출되고,
    - 액체 연결 스트림은 저부 섹션(113)의 상부에 도입되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  12. 제1항 또는 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 고압 컬럼(12)의 상부 가스의 일부(300)는 메인 열 교환기(9)에서 가온되고,
    - 가온된 가스(301)는 가압된 기체 질소 생성물로서 인출(302)되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  13. 제1항 또는 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 저압 컬럼(13, 113/213)으로부터의 상부 가스(64, 65)는 메인 열 교환기(9)에서 가온되고,
    - 가온된 가스(66)는 질소 압축기(67)에서 압축되고,
    - 압축된 가스(369)는, 특히 고압 컬럼(12)으로부터의 가온된 상부 가스를 혼합함으로써, 가압된 기체 질소 생성물로서 인출(302)되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각된 재순환 가스(89)는 기체 형태로 고압 컬럼(12)에 도입되는 것을 특징으로 하는, 공정.
  15. 고압 컬럼(12), 저압 컬럼(13), 액화 공간 및 증발 공간을 갖는 응축기-증발기이고 고압 컬럼 상부 및 저압 컬럼 저부를 열 교환 관계가 되도록 구성되는 메인 응축기(14), 및 액화 공간 및 증발 공간을 갖는 응축기-증발기인 아르곤 상부 응축기(21)를 갖는 미정제 아르곤 컬럼(18)을 포함하는 분리 컬럼 시스템을 포함하는 공기의 극저온 분리 장치로서,
    - 총 공급 공기 스트림(1)을 압축하기 위한 메인 공기 압축기(3),
    - 압축된 공급 공기(8)를 냉각하기 위한 메인 열 교환기(9),
    - 공급 공기의 적어도 일부를 고압 컬럼(12)에 도입하기 위한 수단(19),
    - 고압 컬럼(12)으로부터의 적어도 하나의 분획(24, 26)을 직접적으로 또는 간접적으로 저압 컬럼(13)에 도입하기 위한 수단,
    - 저압 컬럼(13)으로부터의 아르곤 전이 분획(46, 48)을 미정제 아르곤 컬럼(18)에 도입하기 위한 아르곤 전이 라인,
    - 고압 컬럼(12)으로부터의 액체 냉각 분획(27)을 아르곤 상부 응축기(21)의 증발 공간에 도입하기 위한 수단,
    - 저압 컬럼(13)으로부터의 기체 산소 스트림(72)을 인출하기 위한 수단,
    - 기체 산소 스트림(72)을 기체 산소 스트림보다 더 높은 질소 함량을 갖는 또 다른 가스 스트림과 혼합하여 혼합 가스 스트림(73)과 형성하기 위한 수단,
    - 혼합 가스 스트림을 가온을 위해 메인 열 교환기(9)에 도입하기 위한 수단,
    - 가온된 혼합 가스 스트림(74)을 팽창 작업시키기 위한 팽창기(75) 및
    - 메인 열 교환기(9)에서 팽창된 혼합 가스 스트림(76)을 완전히 가온하기 위한 수단을 추가로 포함하고,
    기체 산소 스트림(72)을 더 높은 질소 함량을 갖는 또 다른 가스 스트림과 혼합하기 위한 수단(29, 31, 71)은 아르곤 상부 응축기(21)의 증발 공간에 연결되는 것을 특징으로 하는, 장치.
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