KR20230171430A - 수소 또는 헬륨 액화 처리에서 사전냉각을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

수소 또는 헬륨 액화 처리에서 사전냉각을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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로버스 에이. 모스텔로
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에어 워터 가스 솔루션즈, 아이엔씨.
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Abstract

에너지 소비 및 액체 질소 사용량을 감소하면서 액체 질소를 사용하여 액화를 위해 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 사전냉각시키기 위한 시스템 및 공정이 본원에 기재된다. 시스템은 가압 액체 질소 스트림, 적어도 하나의 터보팽창기 및 적어도 하나의 열교환기를 포함한다.

Description

수소 또는 헬륨 액화 처리에서 사전냉각을 위한 시스템 및 방법
본 개시내용은 수소 또는 헬륨 액화에서 액체 질소를 사용하는 사전냉각 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 개시내용은 적어도 하나의 터보팽창기 및 하나 이상의 열교환기를 통합하여 이와 더불어 사전냉각에 필요한 질소의 양을 감소시키고 사전냉각 방법에 소비되는 에너지를 감소시키는, 액체 질소의 공급에 기초한 방법을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 방법에 관한 것이다.
수소 및 헬륨의 액화는 많은 에너지 비용을 필요로 한다. 수소는 대기압에서의 비등점이 -253℃인 모든 성분 중에서 두번째로 가장 낮은 비등점을 갖는다. 헬륨만 더 낮은 비등점을 갖는다. 액화 공정은 수소 압축, 사전냉각, 액화와 같은 여러 단계로 구분된다. 수소 액화의 사전냉각 단계에서, 수소 가스는 주위 온도에서 대략 -191℃까지 냉각될 수 있다. 대규모 수소 액화 장치는 관련 질소/공기 액화 플랜트로부터 공급되는 액체 질소를 활용한다. 수소 및 헬륨의 액화 공정은 액화 공정에서 사전냉각을 목적으로 액체 질소를 사용하는 경우가 빈번하다. 액체 질소의 사용은 액체 수소 또는 액체 헬륨 생산을 위한 전체 에너지 요건을 감소시킨다. 이는 다시, 이러한 적용을 위해 유래된 액체 질소는 상당한 에너지 비용을 들여 별도로 생산된다. 액화 전에 수소 또는 헬륨을 사전냉각시키기 위한 수단으로서, 기화 및 과열을 위해 일반적으로 저압 및 저온에서 공급되는 액체 질소의 직접 증발은 가온 수소 또는 헬륨 유체와 냉각 질소 유체 사이에서 큰 온도 차이를 수반한다.
도 5는 액체 질소(500)를 이용한 수소 가스의 종래의 사전냉각 처리의 일례이다. 액체 질소(LIN)는 스트림(504)으로 공급되고 수소 가스(가온 또는 주위 온도)는 스트림(501)으로 공급된다. 액체 질소 스트림(504) 및 수소 가스 스트림(501)은 열교환기(502)를 통해 역류로 유동하여, 냉각된 수소 가스 스트림(503) 및 가온된 질소 가스 스트림(505)을 초래한다. 공급되는 액체 질소의 조건은 극저온 공기 분리 플랜트에서 생산되는 조건과 전형적이다.
사전냉각 공정은 수소 또는 헬륨 액화에 필요한 총 에너지에 직접적인 영향을 미친다. 필요한 액체 질소를 생산하기 위한 에너지로 표시되는 바와 같이 사전냉각에 필요한 에너지는 액체 수소 또는 헬륨을 액화하는 데 필요한 총 에너지 중 상당한 파트(part)이다. 최근 연구는 사전냉각 냉장을 공급하기 위한 상이한 수단을 통해 수소 또는 헬륨을 액화하는 데 필요한 총 에너지를 감소시키는 수단 및 액체 질소 요건의 감소를 위한 수단에 집중하였다.
액체 질소 스트림을 사용하여 액화하기 전에 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 방법이 개시된다. 해당 방법은: a.) 약 15 bar(a) 내지 약 70 bar(a)의 압력에서 액체 질소를 함유하는 가압된 액체 질소 스트림을 제공하는 단계; b.) 가압된 액체 질소 스트림 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 가압된 액체 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제1 열교환기에 통과시켜 제1 부분-가온된 질소 스트림 및 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계; c.) 제1 부분-가온된 질소 스트림을 이러한 부분-가온된 질소 스트림의 온도 및 압력을 낮추는 하나 이상의 터보팽창기에 통과시켜 냉각 질소 스트림을 제공하는 단계; 및 d.) 냉각 질소 스트림을 제1 열교환기 및 제2 열교환기에 통과시켜 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 및 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 단계 (d)는 냉각 질소 스트림을 이러한 냉각 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제1 열교환기에 통과시켜 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림 및 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계; 및 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림을 이러한 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제2 열교환기에 통과시켜 완전-가온된 질소 가스 스트림 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 별도의 장치이거나 단일 열교환기 내의 2개 파트일 수 있다. 방법은 제2 열교환기에 결합된 보조 냉장 시스템을 적용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
단계 (a)는 약 10 bar(a) 미만의 포화 압력에서 생산된 액체 질소 스트림을 공급하는 단계; 뒤이어, 액체 질소 스트림의 압력을 증가시켜 가압된 액체 질소 스트림을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (a)는 약 10 bar(a) 미만의 포화 압력에서 생산된 액체 질소 스트림을 공급하는 단계; 액체 질소 스트림을 이러한 액체 질소 스트림의 제1 부분과 액체 질소 스트림의 제2 부분으로 분할하는 단계; 및 액체 질소 스트림의 제1 부분의 압력을 증가시켜 가압된 액체 질소 스트림을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 액체 질소 스트림의 제2 부분은 제1 열교환기에 통과되어 제3 부분-가온된 질소 스트림을 제공할 수 있다. 제3 부분-가온된 질소 스트림은 제2 열교환기를 통과하여 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공할 수 있다. 가압된 액체 질소는 약 15 bar(a) 내지 약 70 bar(a), 또는 약 20 bar(a) 내지 약 55 bar(a)의 압력을 갖는다.
가압된 액체 질소 스트림은 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림으로 분할되고, 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림은 제1 열교환기에 별도로 통과되어 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환할 수 있다.
액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 또 다른 방법이 개시되며, a.) 약 10 bar(a) 미만의 포화 압력에서 생산된 액체 질소 스트림을 공급하는 단계; b.) 액체 질소 스트림의 제1 부분을 제1 열교환기로 안내(direct)하여 제1 부분-가온된 질소 스트림을 제공하는 단계; c.) 제1 부분-가온된 질소 스트림을 제2 열교환기로 안내하여 제1 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공하는 단계; c.) 액체 질소 스트림의 제2 부분의 압력을 증가시켜 약 15 bar(a) 내지 약 70 bar(a)의 압력에서 가압된 액체 질소 스트림을 제공하는 단계; d.) 가압된 액체 질소 스트림 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제1 열교환기에 역류로 통과시켜 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림 및 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계; e.) 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림을 이러한 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제2 열교환기에 통과시켜 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림 및 부분-냉각된 수소를 제공하는 단계 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계; f.) 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림을 이러한 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림의 온도 및 압력을 낮추는 하나 이상의 터보팽창기에 통과시켜 냉각 질소 스트림을 제공하는 단계; e.) 냉각 질소 스트림을 이러한 냉각 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제1 열교환기에 통과시켜 제3 부분-가온된 질소 가스 스트림 및 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계; 및 f.) 제3 부분-가온된 질소 가스 스트림을 이러한 제3 부분-가온된 질소 가스 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제2 열교환기에 통과시켜 제3 완전-가온된 질소 가스 스트림 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 단계 (g)는 제2 완전-가온된 질소 스트림을 하나 이상의 터보팽창기에 통과시키기 전에 제2 완전-가온된 질소 스트림을 하나 이상의 압축기 및 하나 이상의 냉각기로 라우팅하는 것을 포함할 수 있다. 단계(g)는 제2 완전-가온된 질소 스트림을 일련으로 연결된 2개의 터보팽창기에 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 제2 열교환기에 결합된 보조 냉장 시스템을 적용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
가압된 액체 질소 스트림은 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림으로 분할되고; 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림은 제1 열교환기, 및 선택적으로 제2 열교환기를 통해 별도로 라우팅될 수 있다.
방법은 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림 또는 제3 완전-가온된 질소 가스 스트림을 재냉각시키는 시스템을 포함할 수 있고, 재냉각 시스템은 i.) 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림 또는 제3 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제1 압축기 및 제1 냉각기에 통과시켜 압축되고 냉각된 질소 가스 스트림을 수득하는 단계로서, 여기서 제1 압축기는 제2 열교환기 및 제1 냉각기에 결합되는, 단계; ii.) 압축되고 냉각된 질소 가스 스트림을 하나 이상의 터보팽창기에 통과시키는 단계; 및 iii.) 터보팽창된 질소 가스 스트림을 제2 열교환기에 통과시켜 제4 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 단계 (ii)는 압축되고 냉각된 질소 가스 스트림을 일련으로 연결된 2개의 터보팽창기에 통과시키는 단계를 포함한다.
수소 또는 헬륨 액화를 위해 액체 질소를 사용하는 사전냉각 시스템이 또한 개시된다. 시스템은 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림; 액화 질소 공급물로부터의 가압된 액화 질소 스트림; 열교환기; 및 열교환기에 결합되고 열교환기로부터 배출되는 부분-가온된 질소 가스 스트림의 온도를 낮추도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기를 포함할 수 있다. 열교환기는 가압된 액화 질소 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하여 가압된 액화 질소 스트림의 온도를 증가시키고 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림의 온도를 저하시켜 사전냉각된 질소 또는 헬륨 가스 스트림 및 가온 질소 가스 스트림을 제공하도록 구성될 수 있다. 또 다른 양태에서, 시스템은 가압된 액화 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하여 가압된 액화 질소 스트림의 온도를 증가시켜 부분-가온된 질소 가스 스트림을 제공하고, 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림의 온도를 저하시키도록 구성된 제1 열교환기; 부분-가온된 질소 가스 스트림의 온도를 낮추도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기; 및 부분-가온된 질소 가스 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하여 부분-가온된 질소 가스 스트림의 온도를 증가시켜 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공하고, 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림의 온도를 저하시키도록 구성된 제2 열교환기를 포함한다.
시스템은 또한 열교환기로부터 배출되는 가온 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 압축기 및 적어도 하나의 냉각기, 이러한 적어도 하나의 압축기 및 적어도 하나의 냉각기를 통과한 후 가온 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기, 및/또는 선택적으로 터보팽창기에 결합된 밸브를 포함할 수 있다.
도 1은 액체 질소, 제1 및 제2 열교환기, 터보팽창기, 및 보조 냉장기를 사용하여 수소 가스를 사전냉각시키는 시스템의 개략도이다.
도 2는 액체 질소, 제1 및 제2 열교환기, 터보팽창기, 보조 냉장기 및 다른 구성요소를 사용하여 수소 가스를 사전냉각시키는 시스템의 개략도이다.
도 3은 액체 질소, 제1 및 제2 열교환기, 다수의 터보팽창기, 다수의 압축기, 다수의 냉각기, 보조 냉장기 및 다른 구성요소를 사용하여 수소 가스를 사전냉각시키는 시스템의 개략도이다.
도 4는 액체 질소, 제1 및 제2 열교환기, 2개의 터보팽창기, 2개의 압축기, 2개의 냉각기 및 다른 구성요소를 사용하여 수소 가스를 사전냉각시키는 시스템의 개략도이다.
도 5는 액체 질소를 이용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 기존 시스템의 개략도이다.
본원에 개시된 방법은 부분적으로는, 액화 공정에서 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 데 필요한 액체 질소의 양을 감소시키기 위해 개발되었다. 이러한 방법 및 사전냉각 시스템은 사전냉각 시스템에 공급되는 액체 질소의 양을 보다 완전하게 활용하기 위해 부가적인 단계 및 장비를 이용한다. 즉, 외부에서 유래된 액체 질소는 기존의 사전냉각 시스템과 비교하여 감소된 속도로 소비된다. 또한 액화 공정에 이용되는 다른 수소 또는 헬륨 스트림(소위 재순환 스트림)을 사전냉각시키기 위해 액체 질소가 사용된 경우, 그 안에서의 액체 질소 소비를 감소시키기 위한 수단 또한 적용 가능한 것으로 이해된다.
본원에 개시된 액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 방법에서, 액체 질소 공급물은 가압되고 질소를 가온시키는 수소 또는 헬륨 가스와의 열교환으로 냉각 용량의 대부분을 공급하고; 그 후에, 가온된 질소는 냉각 온도로 기계-팽창되고 수소 또는 헬륨과의 열교환을 위해 재도입된다. 실제로, 공급된 액체 질소는 동일한 열교환기를 두번째(루프에서) 통과되어, 액체 질소 요건 및 자체 생산에 필요한 부수적인 에너지를 감소시킨다. 이로써 이렇게 감소된 양의 액체 질소를 생산하는 데 드는 에너지 비용이 감소된다. 이 비용은 액체 수소 또는 액체 헬륨을 생산하는 데 필요한 에너지 비용의 중요한 구성요소이기 때문에, 전체 액화 비용은 감소되며, 이는 상업적으로 중요하다. 사전냉각 비용은 약 20% 내지 약 50%만큼 감소될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "기계-팽창형"은 터보팽창기 또는 왕복 팽창 엔진과 같이 팽창된 유체의 엔탈피를 감소시킴으로써 작업을 생산하는 데 활용되는 임의의 장치를 포함한다.
수소에 대한 종래의 액체 질소 사전냉각 공정은 액화 수소 kg당 액체 질소 약 7 내지 약 10 kg의 액체 질소 비용을 갖는다. 본원에 개시된 사전냉각 공정은 액화 수소 kg당 약 4 내지 약 6 kg의 액체 질소, 또는 액화 수소 kg당 약 4.30 내지 약 5.35 kg의 액체 질소 비용을 가질 수 있다. 이는 기존 공정에 비해 액체 질소 비용이 크게 감소한 것이다.
액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 방법이 개시되며, 이에 따라 기존의 사전냉각과 비교하여 전체적으로 감소된 양의 액체 질소가 사용된다.
해당 방법은 약 15 bar(a) 내지 약 70 bar(a), 약 20 bar(a) 내지 약 60 bar(a), 또는 20 bar(a) 내지 약 50 bar(a)의 압력을 가질 수 있는 가압된 액체 질소 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 가압된 액체 질소는 약 -147℃ 내지 약 -196℃, 약 -169℃ 내지 약 -195℃, 또는 약 -189℃ 내지 약 -194℃의 온도를 가질 수 있다.
가압된 액체 질소는 본원에 개시된 방법에 직접 공급될 수 있다. 대안적으로 액체 질소는 약 1 bar(a) 내지 약 10 bar(a)의 포화 압력을 갖는 외부 공급원으로부터 공급될 수 있으며, 이는 그 후에 당업계에 알려진 임의의 수단에 의해 가압될 수 있다. 액체 질소는 펌프를 활용함으로써 또는 압축에 의해 가압되어 압력을 증가시킬 수 있다.
일 구현예에서, 가압된 액체 질소 스트림은 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림으로 분할될 수 있고, 각각의 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림은 이러한 각각의 제1 및 제2 가압된 액체 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제1 열교환기를 통해 안내될 수 있다. 제1 열교환기를 별도로 통과한 2개의 부분-가온된 질소 스트림은 적어도 하나의 터보팽창기를 통해 안내되기 전에 하나의 스트림으로 조합될 수 있다.
일 구현예에서, 약 10 bar(a) 미만의 포화 온도에서 생산된 액체 질소 스트림은 시스템에 공급되고 액체 질소 스트림의 제1 부분 및 액체 질소 스트림의 제2(또는 나머지) 부분으로 분할된다. 액체 질소 스트림의 제1 부분은 당업계에 알려진 임의의 수단, 예를 들어 펌프 또는 압축에 의해 압력이 증가되어 가압된 액체 질소 스트림을 제공할 수 있고, 액체 질소 스트림의 제2 부분은 제1 열교환기로 보내진 다음, 선택적으로 가압된 액체 질소 스트림의 라우팅과 별도로 제2 열교환기로 안내될 수 있다.
본원에 사용된 "펌프"는 액체의 압력을 증가시키기 위한 기계적 장치를 의미한다.
가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림은 사전냉각을 위해 공급되며, 하나 이상의 수소 또는 헬륨 공급 스트림 또는 순환(cycle) 수소 또는 헬륨 공급 스트림으로부터 공급될 수 있다. 가온 수소 가스 스트림은 천연 가스, 물의 전기분해, 또는 다른 화학적 방법으로부터 생산될 수 있다. 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림은 액화 공정 외부의 공급원으로부터 공급될 수도 있거나 공정의 다른 곳으로부터의 재순환(recycle) 스트림일 수 있다. 가온 수소 가스 스트림은 이의 최종 액화에 적합한 임의의 압력일 수 있다. 가온 수소 가스 스트림은 약 20 bar(a) 내지 약 80 bar(a), 또는 약 20 bar(a) 내지 약 40 bar(a)의 압력을 가질 수 있고/있거나 약 25℃ 내지 약 35℃의 온도를 가질 수 있다. 가온 수소 가스 스트림은 약 75% 오르토(ortho) 및 약 25% 파라(para) 스핀 이성질체의 조성을 가질 수 있다.
수소 가스의 오르토-파라 전환은 수소 가스가 냉각됨에 따라 통합될 수 있다. 오르토-파라 전환은 제1 열교환기 및 제2 열교환기에서 일어날 수 있으며, 열교환기(들)의 통로는 선택적으로 공급 수소용 촉매로 채워진다. 촉매는 이러한 목적을 위해 당업계에 사용되는 것으로 알려진 임의의 것일 수 있다. 이는 액화 공정의 전반적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 사전냉각된 수소 가스 스트림은 약 -173℃ 내지 약 -196℃, 약 -180℃ 내지 약 -196℃, 또는 약 -190℃ 내지 약 -192℃의 온도 및/또는 약 15 bar(a) 내지 약 100 bar(a), 또는 약 20 bar(a) 내지 약 80 bar(a)의 압력을 가질 수 있다. 사전냉각된 수소 가스 스트림은 약 53% 오르토 및 약 47% 파라일 수 있다.
본원에 사용된 "열교환기"는 열 에너지 또는 냉 에너지를 하나의 매질로부터 또 다른 매질로, 예컨대 적어도 2개의 별개의 유체 사이에서 전달할 수 있는 임의의 장치를 의미한다. 열교환기는 "직접 열교환기"와 "간접 열교환기"를 포함한다. 따라서, 열교환기는 병류 또는 역류 열교환기, 간접 열교환기(예를 들어 나선형 권선 열교환기 또는 판-핀(plate-fin) 열교환기, 예컨대 납땜(brazed) 알루미늄 판 핀 유형), 직접 접촉 열교환기, 쉘-앤드-튜브(shell-and-tube) 열교환기, 나선형, 헤어핀, 코어, 코어-앤드-케틀(core-and-kettle), 인쇄-회로, 이중-파이프 또는 임의의 다른 유형의 알려진 열교환기와 같은 임의의 적합한 설계일 수 있다.
본원에 사용된 제1 열교환기는 공정의 더 냉각된 단계에서 역류 스트림 사이에서 에너지를 전달하는 한편, 제2 열교환기는 공정의 더 가온된 파트에서 역류 스트림 사이에서 에너지를 전달한다. 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림은 제1 열교환기에서 나오고, 완전-가온된 질소 가스 스트림은 제2 열교환기에서 나온다. 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 하나의 열교환기의 2개 파트일 수 있거나, 이들은 2개의 별도의 열교환기일 수 있다. 제1 열교환기 및 제2 열교환기가 하나의 열교환기의 2개 파트인 경우, 열교환기는 유닛의 상이한 위치에 있는 밸브의 출구 지점을 포함하지만 이로 제한되지 않는 통과 스트림에 대한 다수의 출구를 포함한다.
본원에 사용된 용어 "간접 열교환"은 임의의 물리적 접촉 또는 유체의 상호 혼합 없이 2개의 유체를 열교환 관계로 가져오는 것을 의미한다. 코어-앤드-케틀 열교환기 및 납땜 알루미늄 판-핀 열교환기는 간접 열교환을 용이하게 하는 장비의 예이다.
다음 단계는 부분-가온된 질소 스트림의 이러한 부분-가온된 질소 스트림의 온도 및 압력을 낮추는 적어도 하나의 터보팽창기에 통과시켜 냉각된 질소 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 터보팽창기는 당업계에 알려진 임의의 수단에 의해 제1 열교환기에 결합될 수 있다. 터보팽창기 배기가스는 제1 열교환기로 유동할 수 있다. 터보팽창기는 송풍기, 팬 또는 오일 펌프와 같이 순환하고 냉각하여 에너지를 소산시키는 브레이크를 포함할 수 있다. 터보팽창기는 이러한 터보팽창기에 의해 생성된 에너지를 포착하기 위해 압축기에 결합될 수 있다.
하나의 터보팽창기를 통과함으로써, 가온 질소 스트림은 약 30도(degree) 내지 약 130도, 또는 약 50 내지 약 100도만큼 냉각될 수 있고/있거나, 압력은 약 2 bar 내지 약 100 bar, 4 bar 내지 약 60 bar, 또는 약 30 bar 내지 약 50 bar만큼 감소될 수 있다. 제1 터보팽창기에 일련으로 연결된 제2 터보팽창기에 스트림을 통과시킴으로써, 스트림의 온도 및 압력은 추가로 감소될 수 있다. 제1 터보팽창기는 제2 터보팽창기에 결합될 수 있다.
본원에 사용된 "터보팽창기"는 극저온 처리에 전형적으로 사용되는 방사형 내향 유동 기계를 포함하지만 이로 제한되지 않는 작업의 성능에 의해 필요한 냉각 공정에 일조하도록 제거되거나 포착될 수 있는 유용한 에너지를 생성하는 한편, 압력 감소에 영향을 미침으로써 온도 감소를 달성하도록 적용되는 임의의 장치를 의미한다. 터보팽창기는 팽창된 가스의 에너지를 사용하여 회전을 통해 기계적 에너지를 생성한다. 터보팽창기는 고속으로 회전한 다음, 에너지는 샤프트(shaft)를 통해 압축기로 전달될 수 있으며, 이는 별도의 공급 가스 스트림을 압축함으로써 에너지를 회수한다. 이러한 공정은 압력 공급 가스 스트림을 압축기로 상승시켜, 유용한 에너지를 시스템에 다시 공급할 수 있게 한다.
선택적으로, 방법은 부분-가온된 질소 스트림을 적어도 하나의 압축기 및 적어도 하나의 터보팽창기에 임의의 순서로 통과시켜, 제1 열교환기 또는 제2 열교환기를 통해 다시 라우팅되는 냉각 질소 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 부분-가온된 질소 스트림을 2개 내지 5개의 압축기 및 2개 내지 5개의 터보팽창기에 통과시켜 제1 열교환기 또는 제2 열교환기를 통해 다시 라우팅되는 냉각 질소 스트림을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 부분-가온된 질소 스트림을 2개 내지 5개의 압축기, 2개 내지 5개의 터보팽창기 및 2개 내지 5개의 냉각기에 통과시켜 제1 열교환기를 통해 다시 라우팅되는 냉각 질소 스트림을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 압축기 수만큼 동일한 수의 냉각기가 공정에 사용될 수 있다. 하나 이상의 터보팽창기는 샤프트에 의해 하나의 압축기에 연결될 수 있다.
본원에 사용된 "냉각기"는 시스템, 예컨대 주위 공기에 의해 공정 스트림을 냉각시키기 위한 핀-팬 유닛, 쉘-앤드-튜브 유닛, 또는 상승된 온도로부터의 공정 스트림을 거의-주위 온도로 냉각시키기 위해 물 또는 염수 시스템을 사용하는 판 냉각기로부터 열을 제거하는 당업계에 알려진 임의의 물 또는 공기 냉각기를 의미한다. 스트림을 냉각기에 통과시키는 것은 스트림의 온도를 약 40℃ 내지 약 100℃만큼 낮출 수 있다.
냉각 질소 스트림이 제1 열교환기를 통과할 때, 이는 제1 열교환기를 통한 질소 스트림의 제2 통과인 사전냉각 공정에서 루프를 생성한다. 이는 원래 공급된 동일한 질소가 재순환되고 제1 열교환기에서 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 두번째 냉각시키기 위한 역류로 사용되는 것을 가능하게 한다. 냉각 질소 스트림은 사전냉각 공정에서 제1 열교환기를 두번째 통과하기 전에 밸브를 통해 라우팅될 수 있다. 터보팽창기는 제한된 범위의 압력비(입구 압력/출구 압력)를 가지므로, 필요한 경우 밸브는 예를 들어 제2 터보팽창기를 추가하는 대신 압력을 추가로 낮추기 위해 시스템에 추가될 수 있다. 이에, 밸브가 사용되는 경우, 밸브를 가로지르는 질소 스트림에서 압력 강하가 존재한다. 밸브는 온도 및 압력을 저하시키고 질소 스트림의 가스 %를 증가시킬 수 있다.
제2 열교환기를 통과한 후, 완전-가온된 질소 가스 스트림은 약 15℃ 내지 약 30℃, 또는 약 20℃ 내지 약 28℃의 온도 및 약 0.5 bar(a) 내지 약 2 bar(a), 또는 약 1 bar(a) 내지 약 2 bar(a)의 압력을 가질 수 있다. 완전-가온된 질소 가스 스트림은 가압 및 냉각을 위해 적어도 하나의 터보팽창기 및 선택적으로 적어도 하나의 압축기로 이루어진 또 다른 처리 루프를 통해 라우팅된 다음, 제2 열교환기로 재도입될 수 있다. 완전-가온된 질소 가스 스트림은 가압 및 냉각을 위해 적어도 하나의 터보팽창기 및 선택적으로 적어도 하나의 압축기로 이루어진 또 다른 처리 루프를 통해 라우팅된 다음, 제1 열교환기로 재도입되고, 그 후에 제2 열교환기로 재도입될 수 있다.
또한, 수소 또는 헬륨 액화를 위해 액체 질소를 사용하는 사전냉각 시스템이 개시된다. 시스템은 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림; 액화 질소 공급물으로부터의 가압된 액화 질소 스트림; 가압된 액화 질소 스트림과 부분-가온된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하여 가압된 액화 질소 스트림의 온도를 증가시켜 부분-가온된 질소 가스 스트림을 제공하고, 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림의 온도를 저하시키도록 구성된 제1 열교환기; 부분-가온된 질소 가스 스트림의 온도를 낮추도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기; 및 부분-가온된 질소 가스 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하여 부분-가온된 질소 가스 스트림의 온도를 증가시키고 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림의 온도를 저하시키도록 구성된 제2 열교환기를 포함할 수 있다. 제1 열교환기 또는 제2 열교환기는 하나의 터보팽창기에 결합될 수 있다. 사전냉각 시스템은 하나의 터보팽창기에 결합된 밸브를 포함할 수 있다. 밸브는 질소 가스 스트림의 압력을 감소시키도록 구성될 수 있다.
사전냉각 시스템은 적어도 하나의 압축기 및 적어도 하나의 냉각기, 그리고 선택적으로 적어도 하나의 터보팽창기를 포함할 수 있으며, 이는 제2 열교환기를 통과한 후 완전-가온된 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된다. 사전냉각 시스템은 적어도 하나의 압축기 및 적어도 하나의 냉각기를 통과한 후 가온 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기를 포함할 수 있다. 사전냉각 시스템은 1개 내지 4개의 압축기, 1개 내지 4개의 냉각기, 및 제2 열교환기를 통과한 후 완전-가온된 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된 1개 내지 4개의 터보팽창기를 포함할 수 있으며, 이때 각각의 압축기는 냉각기에 결합되고, 1개 내지 4개의 터보팽창기는 시스템의 압축기와 냉각기 뒤에 연결된다.
또한, 수소 또는 헬륨 액화를 위해 액체 질소를 사용하는 사전냉각 시스템이 개시되며, 이 시스템은 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림; 액화 질소 공급물으로부터의 가압된 액화 질소 스트림; 가압된 액화 질소 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하여 가압된 액화 질소 스트림의 온도를 증가시켜 가온 질소 가스 스트림을 제공하고, 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림의 온도를 저하시켜 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하도록 구성된 열교환기; 및 열교환기에 결합되고 열교환기로부터 배출되는 부분-가온된 질소 가스 스트림의 온도를 낮추도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기를 포함한다. 사전냉각 시스템은 또한 적어도 하나의 압축기 및 열교환기를 통과한 후 가온 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 냉각기, 그리고 선택적으로 적어도 하나의 압축기와 적어도 하나의 냉각기를 통과한 후 가온 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기를 포함할 수 있다. 사전냉각 시스템은 또한 질소 가스 스트림의 압력을 감소시키도록 구성된 터보팽창기에 결합된 밸브를 포함할 수 있다.
액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 것과 관련된 시스템 및 공정이 본원에 기재된다. 개시내용의 특정 구현예는 도면을 참조하여 기재된 바와 같이 하기 단락에 제시된 것을 포함한다. 일부 특징은 단지 하나의 도면(예를 들어 도 1, 2, 3, 4)을 특별히 참조하여 설명되지만, 이는 다른 도면에도 동일하게 적용 가능하고 다른 도면 또는 전술한 설명과 조합하여 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 개시내용에 따른 액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키기 위한 다양한 시스템 및 공정(100, 200, 300, 400)의 비제한적인 예를 도시한다. 액체 질소 스트림(LIN)(104, 204, 304, 404)은 하나 이상의 탱커, 탱크, 파이프라인 또는 이의 임의의 조합과 같은 임의의 LIN 공급 시스템으로부터 공급된다. 시스템은 적어도 하나의 열교환기, 예를 들어 제1 열교환기(131, 231, 331, 431) 및 제2 열교환기(130, 230, 330, 430)를 포함한다. 이러한 시스템은 액체 질소 스트림을 수용하고 가압된 액체 질소 스트림(105, 250, 306, 406)을 만들기 위해 압력을 증가시키기 위해 펌프(132, 232, 332, 432)를 포함한다. 가압된 액체 질소 스트림은 하나 초과의 스트림, 예를 들어 2개의 스트림(250, 240)으로 분할될 수 있다. 가온 수소 또는 헬륨 가스는 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림(102, 202, 302, 402)을 제공하기 위해 제2 열교환기를 통해 라우팅되는 스트림(101, 201, 301, 401)의 임의의 공급원으로부터 공급되며, 이는 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림(103, 203, 303, 403)을 제공하기 위한 추가 냉각을 위해 제1 열교환기를 통해 라우팅된다.
도 1은 액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키기 위한 시스템(100)을 도시한다. 액체 질소 스트림(104)은 펌프(132)를 통해 안내되어 압력을 증가시킨다. 가압된 액체 질소 스트림(105)은 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림(102)과 가압된 액체 질소 스트림(105) 사이에서 에너지가 전달되는 제1 열교환기(131)를 통해 라우팅되며, 이는 역류로 유동하여 질소 스트림의 온도를 증가시킨다. 그 후에, 부분-가온된 질소 가스 스트림(106)은 터보팽창기(133)를 통해 안내되어 스트림(106)보다 더 낮은 압력 및 더 낮은 온도를 갖는 냉각 질소 가스 스트림(107)을 제공한다. 시스템은 제1 열교환기로 재진입하기 전에 질소 스트림의 온도 및 압력을 감소시키기 위해 일련으로 연결된 하나 초과의 터보팽창기를 포함할 수 있는 것으로 구상될 것이다. 개시내용은 스트림의 압력을 추가로 감소시키는 데 필요한 경우, 터보팽창기의 각각의 식별된 위치에서 다수의 터보팽창기가 2개, 3개 또는 4개와 같이 일련으로 연결될 수 있는 대안적인 구현예를 포함한다.
그 후에, 냉각 질소 가스 스트림(107)은 루프를 완성하기 위해 제1 열교환기를 통해 라우팅되고, 제1 열교환기를 통한 질소 가스 스트림의 제2 통과를 위해 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림(102)과 냉각 질소 스트림(107) 사이에서 에너지가 전달되어 부분-가온된 질소 가스 스트림(108) 및 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림(103)을 제공한다.
그 후에, 부분-가온된 질소 가스 스트림(108)은 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림(101)과 부분-가온된 질소 가스 스트림(108) 사이에서 에너지가 전달되는 제2 열교환기(130)를 통해 라우팅되어 완전-가온된 질소 가스 스트림(109) 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림(102)을 제공하며, 이는 그 후에 제1 열교환기(131)를 통해 라우팅된다.
제2 열교환기(130)는 여기서 프로펜 스트림(114, 115)으로 도시된 보조 냉장기를 포함할 수 있다. 액체 프로펜 스트림(114)은 보조 냉장기와 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림(101) 사이에서 열을 교환하는 제2 열교환기를 통과하고, 가스 프로펜 스트림(115)으로서 빠져나간다. 제2 열교환기는 이러한 제2 열교환기에 연결된 보조 냉장기를 포함할 수 있다. 보조 냉장기는 사전냉각 공정에서 냉각수를 보충하며 임의의 다른 알려진 냉장 공급원으로부터 공급될 수 있다. 보조 냉장기는 증기 압축 냉장, 흡수 냉장, 혼합 냉매 냉장 또는 가온 수소나 헬륨 가스 스트림에서 열을 추출하는 것으로 알려진 임의의 다른 수단일 수 있다. 보조 냉장기는 하나의 냉장 스트림 또는 동일하거나 상이한 2개의 냉장 스트림으로 이루어질 수 있다. 보조 냉장기는 약 -20℃ 내지 -50℃의 온도에서 액체 스트림을 공급하고 가스 스트림으로서 시스템을 빠져나가는 프로펜 냉장 스트림일 수 있다.
개시내용의 구현예를 설명하였고, 이제 부가적인 양태가 설명될 것이다. 도 2는 액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키기 위한 시스템(200)을 예시한다. 도 2에서, 액체 질소는 상승된 압력으로 펌핑되고, 수소 냉각을 위해 기화 및 과열된 후 터보팽창기를 통과하고, 수소의 부가적인 냉각을 실시하기 위해 되돌아간다. 필요한 경우, 터보팽창기의 공기역학적 한계를 충족시키기 위해 스트림(208)과 스트림(209) 사이에 밸브(235)가 도시된다. 프로펜 증기-압축 냉장과 같은 냉각 공정의 일부로 액체 질소보다 훨씬 더 가온된 온도 수준에서 보조 냉장이 제공된다.
도 2의 시스템은 분할된 가압된 액체 질소 스트림(240, 250)이 제1 열교환기(231)를 통해 라우팅되어 이로써 분할 가압 액체 질소 스트림(240, 250)이 가온되고 압력이 실질적으로 일정하게 유지되는, 예를 들어 임의의 압력 차이가 약 1 bar(a) 미만일 수 있도록 구성된다. 각각의 분할된 부분-가온된 질소 스트림(241, 251)은 상이한 출구에서 제1 열교환기에서 빠져나오지만, 원하는 열교환을 달성하기 위해 스트림은 임의의 원하는 출구에서 빠져나갈 수 있는 것으로 구상될 것이다. 그 후에, 분할된 부분-가온된 질소 스트림(241, 251)은 단일 부분-가온된 질소 스트림(207)에 조합되고, 브레이크(234)에 결합된 터보팽창기(233)를 통과한다. 터보팽창기를 통과할 때, 단일 가온된 질소 스트림(207)이 냉각되고, 압력은 저하되어, 이로써 스트림 내 액체의 양을 예를 들어 스트림(207)의 약 0%로부터 스트림(208)의 약 6% 내지 약 10%까지 증가시킨다. 밸브(235)는 터보팽창기(233)와 제1 열교환기(231) 사이에 도시되며, 이는 냉각 질소 스트림(208)이 제1 열교환기로 다시, 그리고 이를 통한 제2 통과를 위해 라우팅되기 전에 냉각 질소 스트림(208)의 온도 및 압력을 저하시킨다. 제1 열교환기(231)를 통과하면서, 냉각 저압 질소 스트림(209)은 가온된다. 제1 열교환기(231)를 통과할 때, 냉각 저압 질소 스트림(209) 내 액체는 부분-가온된 질소 가스 스트림(210)이 약 0% 액체가 되도록 기화된다. 그 후에, 부분-가온된 질소 가스 스트림은 제2 열교환기(230)를 통해 안내되고, 여기서 부분-가온된 질소 가스 스트림(210)은 가온되고 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림(201)은 냉각되어 완전-가온된 질소 가스 스트림(211) 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림(202)을 제공한다. 부분-가온된 질소 가스 스트림(210)이 제1 열교환기(231)를 떠나 제2 열교환기(230)로 들어가는 것은 도면에서 나타날 수 있지만, 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 단일 유닛의 2개 파트이며, 스트림은 단일 열교환기 유닛 내에 남아 있으면서 제1 열교환기로부터 제2 열교환기로 직접 유동한다. 제2 열교환기(230)는 프로펜 스트림(214, 215)과 같은 보조 냉장기를 포함할 수 있다. 액체 프로펜 스트림(214)은 보조 냉장기와 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림(201) 사이에서 열을 교환하는 제2 열교환기(230)를 통과하여, 액체 프로펜 스트림(214)은 제2 열교환기를 통과하고 가스 프로펜 스트림(215)으로서 빠져나가게 된다. 표 2는 도 2에 도시된 스트림 및 장비의 목록 그리고 각각의 스트림의 특성을 포함한다. LIN 공급 유속을 사전냉각된 수소 유속(즉, 스트림 204/203의 유속)으로 나누어서 계산된 액체 질소 소비량은 5.18 kg LIN/kg LH2이다.
도 3은 액체 질소 스트림 및 4개의 터보팽창기-압축기 그리고 -26℃ 및 -46℃에서 공급되는 보조 냉장기를 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키기 위한 공정 및 시스템(300)을 도시한다. 도 3의 시스템은 액체 질소 스트림(304)이 분할되고 액체 질소 공급물의 일부가 펌프(332)를 통해 라우팅되어 가압된 액체 질소 스트림(306)을 제공하도록 구성된다. 액체 질소 공급물(305)의 다른 부분은 밸브(384)를 통해 라우팅되고 그 후에 스트림(325)은 제1 열교환기(331)를 통과하여, 여기서 이는 가온되어 제1 부분-가온된 질소 가스 스트림(326)을 제공하고, 그 후에 이는 추가의 가온을 위해 제2 열교환기를 통과하여 제1 완전-가온된 질소 가스 스트림(327)을 제공한다. 가압된 액체 질소 스트림(306)은 또한 제1 열교환기(331)를 통과하며, 이로써 가압된 액체 질소 스트림(306)의 온도는 증가하고 압력은 실질적으로 일정하게 유지되며, 예를 들어 임의의 압력 차이는 약 1 bar 미만일 수 있다. 그 후에, 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림(322)은 추가 가온을 위해 제2 열교환기(330)를 통과하고, 중간 출구에서 빠져나가서 질소 가스 스트림(307)을 제공하고, 각각이 압축기(335, 336)에 결합된 터보팽창기(333, 334)를 통과하여 질소 가스 스트림(308, 309)을 제공한다. 터보팽창기는 압축기, 펌프, 오일 브레이크 또는 임의의 다른 유사한 전력-소비 장치를 구동하여 시스템(300)으로부터 에너지를 제거하도록 설계될 수 있다. 제1 터보팽창기(333)를 통과할 때, 질소 가스 스트림(307)은 냉각 질소 가스 스트림(308)으로 냉각된다. 제2 터보팽창기(334)를 통과할 때, 냉각 질소 가스 스트림(308)은 냉각 저압 질소 가스 스트림(309)으로 냉각된다. 각각의 터보팽창기는 이를 통과하는 질소 스트림의 압력을 감소시킨다. 선택적으로, 냉각 저압 질소 스트림이 제1 열교환기로 다시 그리고 이를 통한 제2 통과를 위해 라우팅되기 전에 냉각 저압 질소 스트림의 온도 및 압력을 저하시키기 위해 제2 터보팽창기와 제1 열교환기 사이에 밸브(도시되지 않음)가 존재할 수 있다. 제1 열교환기(331)를 통과한 후, 제3 부분-가온된 질소 가스 스트림(310)은 그 후에 제2 열교환기(330)를 통과하며, 여기서 제3 부분-가온된 질소 가스 스트림(310)은 가온되고 가온 수소 가스 스트림(301)은 냉각되어 완전-가온된 질소 가스 스트림(311) 및 부분-냉각된 수소 가스 스트림(302)을 제공한다. 제2 열교환기(330)는 프로펜 스트림(350, 351)을 포함하는 제1 보조 냉장 시스템 및 프로펜 스트림(360, 361)을 포함하는 제2 보조 냉장 시스템을 포함하는 도시된 바와 같은 2개의 보조 냉장 시스템과 같은 보조 냉장기를 포함할 수 있다. 이러한 보조 냉장 시스템에서, 액체 프로펜 스트림(350, 360)은 프로펜 스트림과 가온 수소 가스 스트림(301) 사이에서 열을 교환하는 제2 열교환기를 통과하여, 액체 프로펜 스트림(350, 360)은 제2 열교환기를 통과하고 가스 프로펜 스트림(351, 361)으로서 빠져나간다.
도 3에서, 완전-가온된 질소 가스 스트림(311)은 4쌍의 압축기(335, 336, 337, 338), 뒤이어 냉각기(382, 383, 381, 380)를 통해 라우팅된 다음, 제3 및 제4 터보팽창기(339, 340)를 통해 라우팅된다. 임의의 수의 압축기 및 냉각기 쌍(예를 들어 1쌍 내지 6쌍), 뒤이어 임의의 수의 터보팽창기(예를 들어 1 내지 4개)가 시스템에 통합될 수 있는 것으로 구상될 것이다. 압축기, 뒤이어 냉각기는 주위 공기 또는 냉각수나 염수에 의해 압축열을 제거한다. 압축기를 통해 질소 스트림(311), 냉각기를 통해 질소 스트림(312), 압축기를 통해 질소 스트림(313), 냉각기를 통해 질소 스트림(314), 압축기를 통해 질소 스트림(315), 냉각기를 통해 질소 스트림(316), 압축기를 통해 질소 스트림(317), 냉각기를 통해 질소 스트림(318) 및 터보팽창기를 통해 질소 스트림(319, 320)을 라우팅한 후, 질소 가스 스트림(321)은 제2 열교환기(330)를 통과하고, 완전-가온된 질소 가스 스트림(323)은 완전-가온된 질소 가스 스트림(327)과 조합되어 조합된 완전-가온된 질소 가스 스트림(324)을 만든다.
표 3은 도 3에 도시된 스트림 및 장비의 목록 그리고 각각의 스트림의 특성을 포함한다. LIN 공급 유속을 사전냉각된 수소 유속로 나누어서 계산된 액체 질소 소비량은 4.30 kg LIN/kg LH2이다.
도 4는 액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키기 위한 공정 및 시스템(400)을 도시하며, 여기서 시스템은 보조 냉장 유닛 없이 사전냉각시키 위해 2개의 터보팽창기-압축기 조합을 포함한다. 도 4의 시스템은 액체 질소 공급물이 2개의 스트림으로 분할되고, 이때 액체 질소 공급물의 제1 부분이 펌프(432)를 통해 라우팅되어 가압된 액체 질소 스트림(406)을 제공하도록 구성된다. 액체 질소 공급물(405)의 다른 부분은 제1 열교환기(431)를 통과하여, 여기서 이는 가온 및 기화되어 제1 부분-가온된 질소 가스 스트림(421)을 제공하고, 그 후에 이는 추가의 가온을 위해 제2 열교환기를 통과하여 제1 완전-가온된 질소 가스 스트림(422)을 제공한다. 가압된 액체 질소 스트림(406)은 2개의 가압된 액체 질소 스트림(409, 407)로 분할되고, 이는 각각 제1 열교환기(431)를 통과하고 상이한 출구에서 빠져나가며, 이로써 가압된 액체 질소 스트림의 온도는 증가하고 압력은 실질적으로 일정하게 유지되며, 예를 들어 임의의 압력 차이는 약 1 bar(a) 미만일 수 있으며, 그 후에 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림(411)과 조합된다. 그 후에, 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림(411)은 추가 가온을 위해 제2 열교환기(430)를 통과하여 완전-가온된 질소 가스 스트림(412)을 제공한다. 이 예에서, 완전-가온된 질소 가스 스트림(412)은 2쌍의 압축기(434, 436), 뒤이어 냉각기(481, 480)를 통해 라우팅된 다음, 각각이 압축기(434, 436) 중 하나에 결합된 터보팽창기(435, 433)를 통해 라우팅된다. 임의의 수의 압축기 및 냉각기 쌍(예를 들어 1쌍 내지 6쌍), 뒤이어 임의의 수의 터보팽창기(예를 들어 1 내지 4개)가 시스템에 통합될 수 있는 것으로 구상될 것이다. 압축기를 통해 스트림(412), 냉각기를 통해 스트림(413), 압축기를 통해 스트림(414), 냉각기를 통해 스트림(415), 터보팽창기를 통해 스트림(416) 및 터보팽창기를 통해 스트림(417)을 라우팅한 후, 냉각 저압 질소 가스 스트림(418)은 제1 열교환기(431)를 통과하여 또 다른 부분-가온된 질소 가스 스트림(419)을 제공한 다음, 제2 열교환기(430)를 통과하여 완전-가온된 질소 가스 스트림(420)을 제공하고, 이는 스트림(422)과 조합되어 조합된 완전-가온된 질소 가스 스트림(423)을 만든다.
표 4는 도 4에 도시된 스트림 및 장비의 목록 그리고 각각의 스트림의 특성을 포함한다. LIN 공급 유속을 사전냉각된 수소 유속로 나누어서 계산된 액체 질소 소비량은 5.35 kg LIN/kg LH2이다.
기존의 사전냉각 공정이 도 5에 도시되어 있고 위에서 설명되어 있다. 표 5는 도 5에 도시된 스트림 및 장비의 목록 그리고 각각의 스트림의 특성을 포함한다. 액체 질소 스트림(504)의 유동을 사전냉각된 수소 스트림(503)의 유동으로 나누어서, 액체 질소 요구량은 수소 공급물 kg당 액체 질소 7.28 kg(7.28 kg LIN/kg LH2)이며, 여기서 수소 또한 오르토-파라 전환을 겪는다.
현재 개시내용의 다양한 양태 및 특정한 바람직한 구현예로 여겨지는 것이 설명되었지만, 당업자는 개시내용의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 이에 대한 변화 및 변형이 이루어질 수 있고, 개시내용의 실제 범위에 속하는 바와 같은 모든 이러한 변화 및 변형을 포함하는 것으로 의도됨을 인식할 것이다.

Claims (30)

  1. 액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 방법으로서,
    a. 약 15 bar(a) 내지 약 70 bar(a)의 압력에서 액체 질소를 함유하는 가압된 액체 질소 스트림을 제공하는 단계;
    b. 가압된 액체 질소 스트림 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 가압된 액체 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제1 열교환기에 통과시켜 제1 부분-가온된 질소 스트림 및 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계;
    c. 제1 부분-가온된 질소 스트림을 이러한 부분-가온된 질소 스트림의 온도 및 압력을 낮추는 하나 이상의 터보팽창기에 통과시켜 냉각 질소 스트림을 제공하는 단계; 및
    d. 냉각 질소 스트림을 제1 열교환기 및 제2 열교환기에 통과시켜 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 및 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 (d)는: 냉각 질소 스트림을 이러한 냉각 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제1 열교환기에 통과시켜 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림 및 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계; 및 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림을 이러한 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제2 열교환기에 통과시켜 완전-가온된 질소 가스 스트림 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 별도의 장치인, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 단일 열교환기 내의 파트인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가압된 액체 질소는 약 15 bar(a) 내지 약 70 bar(a)의 압력을 갖는, 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가압된 액체 질소는 약 20 bar(a) 내지 약 55 bar(a)의 압력을 갖는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (a)는: 약 10 bar(a) 미만의 포화 압력에서 생산된 액체 질소 스트림을 공급하는 단계; 뒤이어, 액체 질소 스트림의 압력을 증가시켜 가압된 액체 질소 스트림을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (a)는 약 10 bar(a) 미만의 포화 압력에서 생산된 액체 질소 스트림을 공급하는 단계; 액체 질소 스트림을 이러한 액체 질소 스트림의 제1 부분과 액체 질소 스트림의 제2 부분으로 분할하는 단계; 및 액체 질소 스트림의 제1 부분의 압력을 증가시켜 가압된 액체 질소 스트림을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 액체 질소 스트림의 제2 부분을 제1 열교환기에 통과시켜 제3 부분-가온된 질소 스트림을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 제3 부분-가온된 질소 스트림을 제2 열교환기를 통해 안내(direct)되어 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열교환기에 결합된 보조 냉장 시스템을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  12. 제2항에 있어서, 가압된 액체 질소 스트림은 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림으로 분할되고, 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림은 제1 열교환기에 별도로 통과되어 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (c)는 제1 부분-가온된 질소 스트림을 1개 또는 2개의 터보팽창기에 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (c)는 제1 부분-가온된 질소 스트림을 하나 이상의 터보팽창기에 통과시키기 전에 하나 이상의 압축기에 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열교환기에 결합된 보조 냉장 시스템을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  16. 액체 질소 스트림을 사용하여 수소 또는 헬륨 가스를 사전냉각시키는 방법으로서,
    a. 약 10 bar(a) 미만의 포화 압력에서 생산된 액체 질소 스트림을 공급하는 단계;
    b. 액체 질소 스트림의 제1 부분을 제1 열교환기로 안내하여 제1 부분-가온된 질소 스트림을 제공하는 단계;
    c. 제1 부분-가온된 질소 스트림을 제2 열교환기로 안내하여 제1 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공하는 단계;
    d. 액체 질소 스트림의 제2 부분의 압력을 증가시켜 약 15 bar(a) 내지 약 70 bar(a)의 압력에서 가압된 액체 질소 스트림을 제공하는 단계;
    e. 가압된 액체 질소 스트림 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제1 열교환기에 역류로 통과시켜 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림 및 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계;
    f. 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림을 이러한 제2 부분-가온된 질소 가스 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제2 열교환기에 통과시켜 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계;
    g. 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림을 이러한 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림의 온도 및 압력을 낮추는 하나 이상의 터보팽창기에 통과시켜 냉각 질소 스트림을 제공하는 단계;
    h. 냉각 질소 스트림을 이러한 냉각 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제1 열교환기에 통과시켜 제3 부분-가온된 질소 가스 스트림 및 사전냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계; 및
    i. 제3 부분-가온된 질소 가스 스트림을 이러한 제3 부분-가온된 질소 가스 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하는 제2 열교환기에 통과시켜 제3 완전-가온된 질소 가스 스트림 및 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 단계 (g)는 제2 완전-가온된 질소 스트림을 하나 이상의 터보팽창기에 통과시키기 전에 제2 완전-가온된 질소 스트림을 하나 이상의 압축기 및 하나 이상의 냉각기로 라우팅하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 단계 (g)는 제2 완전-가온된 질소 스트림을 일련으로 연결된 2개의 터보팽창기에 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 가압된 액체 질소 스트림은 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림으로 분할되고; 제1 가압된 액체 질소 스트림 및 제2 가압된 액체 질소 스트림은 제1 열교환기를 통해 별도로 라우팅되는, 방법.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 별도의 장치인, 방법.
  21. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 단일 열교환기 내의 파트인, 방법.
  22. 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열교환기에 결합된 보조 냉장 시스템을 적용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  23. 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림 또는 제3 완전-가온된 질소 가스 스트림을 재냉각시키는 시스템을 추가로 포함하고, 재냉각 시스템은
    i. 제2 완전-가온된 질소 가스 스트림 또는 제3 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제1 압축기 및 제1 냉각기에 통과시켜 압축되고 냉각된 질소 가스 스트림을 수득하는 단계로서, 여기서 제1 압축기는 제2 열교환기 및 제1 냉각기에 결합되는, 단계; 및
    ii. 압축되고 냉각된 질소 가스 스트림을 하나 이상의 터보팽창기에 통과시키는 단계; 및
    iii. 터보팽창된 질소 가스 스트림을 제2 열교환기에 통과시켜 제4 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 단계 (ii)는 압축되고 냉각된 질소 가스 스트림을 일련으로 연결된 2개의 터보팽창기에 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 수소 또는 헬륨 액화를 위해 액체 질소를 사용하는 사전냉각 시스템으로서,
    가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림;
    액화 질소 공급물로부터의 가압된 액화 질소 스트림;
    가압된 액화 질소 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하여 가압된 액화 질소 스트림의 온도를 증가시켜 가온 질소 가스 스트림을 제공하고, 가온 수소 또는 헬륨 가스의 온도를 저하시켜 사전냉각된 질소 가스 스트림을 제공하도록 구성된 열교환기; 및
    열교환기에 결합되고 열교환기로부터 배출되는 부분-가온된 질소 가스 스트림의 온도를 낮추도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기를 포함하는, 사전냉각 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 열교환기로부터 배출되는 가온 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 압축기 및 적어도 하나의 냉각기를 추가로 포함하는, 사전냉각 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 적어도 하나의 압축기 및 적어도 하나의 냉각기를 통과한 후 가온 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기를 추가로 포함하는, 사전냉각 시스템.
  28. 제25항에 있어서, 질소 가스 스트림의 압력을 감소시키도록 구성된 터보팽창기에 결합된 밸브를 추가로 포함하는, 사전냉각 시스템.
  29. 수소 또는 헬륨 액화를 위해 액체 질소를 사용하는 사전냉각 시스템으로서,
    가온 수소 가스 스트림 또는 헬륨 가스 스트림;
    액화 질소 공급물으로부터의 가압된 액화 질소 스트림;
    가압된 액화 질소 스트림과 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하여 가압된 액화 질소 스트림의 온도를 증가시켜 부분-가온된 질소 가스 스트림을 제공하고, 부분-냉각된 수소 또는 헬륨 가스 스트림의 온도를 저하시키도록 구성된 제1 열교환기;
    부분-가온된 질소 가스 스트림의 온도를 낮추도록 구성된 적어도 하나의 터보팽창기; 및
    부분-가온된 질소 가스 스트림과 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림 사이에서 열을 교환하여 부분-가온된 질소 가스 스트림의 온도를 증가시켜 완전-가온된 질소 가스 스트림을 제공하고, 가온 수소 또는 헬륨 가스 스트림의 온도를 낮추도록 구성된 제2 열교환기를 포함하는, 사전냉각 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 제2 열교환기를 통과한 후 완전-가온된 질소 가스 스트림을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 압축기 및 적어도 하나의 냉각기를 추가로 포함하는, 사전냉각 시스템.
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