KR20240059619A - 공기의 저온 분리 방법 및 공기 분리 플랜트 - Google Patents

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KR20240059619A
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argon
rectification
pressure
columns
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KR1020247010075A
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크리스티안 쿤츠
디미트리 골루베브
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린데 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 압력 컬럼(11), 저압 컬럼(12, 12a, 12b) 및 아르곤 컬럼(13a, 13b)을 갖는 정류 컬럼 배열(10)을 포함하는 공기 분리 플랜트(100, 200)를 사용하는 공기의 저온 분리 방법에 관한 것으로, 저압 컬럼(12, 12a, 12b)은 제1 정류 영역(A) 및 제2 정류 영역(B)을 포함하고; 아르곤 컬럼(13a, 13b)은 제1 정류 영역(C) 및 제2 정류 영역(D, D1, D2)을 포함하고; 아르곤-풍부 유체가 저압 컬럼(12, 12a, 12b)으로부터 그의 제1 정류 영역(A)과 제2 정류 영역(B) 사이에서 제거되어 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C) 내로 공급되고; 아르곤-고갈 유체가 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C)으로부터 제거되어 저압 컬럼(12, 12a, 12b) 내로 그의 제1 정류 영역(A)과 제2 정류 영역(B) 사이에서 공급된다. 공기 분리 플랜트(100, 200)는 제1 작동 모드 및 제2 작동 모드에서 작동되고, 저압 컬럼(12, 12a, 12b)으로부터의 헤드 가스를 적어도 주로 사용하여 형성된 질소 생성물은 제2 작동 모드에서보다 제1 작동 모드에서 더 많은 생성물 양으로 공기 분리 플랜트(100, 200)로부터 방출된다. 제1 작동 모드에서, 아르곤 컬럼(13a, 13b) 및 순수 산소 컬럼(14)은 저압 컬럼(12, 12a)의 압력 이하의 압력에서 작동된다. 제2 작동 모드에서, 아르곤 컬럼 및 순수 산소 컬럼에서의 압력은 더 낮아진다. 본 발명은 또한 상응하는 플랜트(100, 200)에 관한 것이다.

Description

공기의 저온 분리 방법 및 공기 분리 플랜트
본 발명은 독립 청구항의 각각의 전제부에 따른 공기의 저온 분리 방법 및 공기 분리 플랜트에 관한 것이다.
공기 분리 플랜트에서의 공기의 저온 분리에 의한 액체 또는 기체 상태의 공기 생성물의 생산은 공지되어 있으며, 예를 들어 문헌[H.-W. (editor), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, in particular Section 2.2.5, "Cryogenic Rectification"]에 기재되어 있다.
공기 분리 플랜트는 상이하게 설계될 수 있는 정류 컬럼 배열을 갖는다. 특히 공지된 이중 컬럼에서 조합될 수 있는, 액체 및/또는 기체 상태의 질소 및/또는 산소를 수득하기 위한 정류 컬럼, 즉 질소-산소 분리를 위한 정류 컬럼에 더하여, 다른 공기 성분, 특히 비활성 가스, 또는 순수 산소를 수득하기 위한 정류 컬럼이 제공될 수 있다.
전형적인 정류 컬럼 배열의 정류 컬럼들은 상이한 압력 수준에서 작동된다. 공지된 이중 컬럼은 소위 압력 컬럼(고압 컬럼, 중압 컬럼, 또는 하부 컬럼으로도 지칭됨) 및 소위 저압 컬럼(상부 컬럼)을 갖는다. 고압 컬럼은 전형적으로 4 내지 7 bar, 특히 약 5.3 bar의 압력 수준에서 작동되고; 반면에 저압 컬럼은 전형적으로 1 내지 2 bar, 특히 약 1.4 bar의 압력에서 작동된다. 소정의 경우에 그리고 특히 본 발명의 실시 형태의 범위 내에서(하기 참조), 더 높은 압력 수준이 이러한 정류 컬럼에서 또한 사용될 수 있다. 여기에 그리고 하기에 표시된 압력은 각각의 표시된 정류 컬럼의 상부에서의 절대 압력이다.
공기 분리 플랜트는 전달될 공기 생성물 및 이의 필요한 집합 및 압력 상태에 따라 상이하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 소위 내부 압축은 기체 압력 생성물을 제공하는 것으로 공지되어 있다. 이 경우, 극저온 액체가 정류 컬럼 배열로부터 제거되고, 액체 상태에서 압력 증가를 받게 되고, 가열에 의해 기체 또는 초임계 상태로 전환된다. 예를 들어, 이러한 방식으로, 내부적으로 압축된 기체 산소, 내부적으로 압축된 기체 질소 또는 내부적으로 압축된 기체 아르곤이 생산될 수 있다. 내부 압축은 대안적인, 마찬가지로 가능한 외부 압축에 비해 다양한 이점을 제공하며, 예를 들어, 문헌[ (상기 참고), section 2.2.5.2, "Internal Compression"]에 설명되어 있다.
그러나, 내부 압축은 모든 경우에서 유리하거나 바람직하지는 않다. 따라서, 특히 아르곤이 공급되어야 하는 경우뿐만 아니라 9 내지 14.5 bar의 압력 수준에서의 압축된 질소에 대해 대안적인 플랜트 구성이 제안되었다. 일반적으로, 이러한 대안적인 플랜트 구성에서는, 원하는 생성물 압력을 사용하여 이미 작동하는, 기체 질소를 제공하기 위한 정류 컬럼이 사용될 수 있다. 예를 들어, 압력 컬럼으로부터의 제거 압력이 필요한 생성물 압력에 상응하도록, 이중 컬럼의 압력을 그에 따라 증가시킨다. 이는 또한 본 발명의 실시 형태의 범위 내의 경우일 수 있다. 따라서, 제거된 질소는 더 이상 압축할 필요가 없다. 아르곤 생산을 위한 정류 컬럼이 또한 이러한 맥락에서 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은, 특히 설명된 요건 프로파일에 따라, 공기 생성물의 제공을 추가로 개선하고, 이것들을 보다 효율적이고 더 간단하게 만드는 수단을 특정하는 것이다. 특히, 본 발명은 명시된 공기 생성물에 더하여, 액체 또는 기체 상태의 (초)고순도 산소를 수득할 수 있는 해결책을 명시하는 것이다.
이러한 배경에 대비하여, 본 발명은 각각의 독립 청구항의 특징을 갖는 공기의 저온 분리 방법 및 공기 분리 플랜트를 제안한다. 각각의 실시 형태는 하기 상세한 설명과 종속항의 주제이다.
하기에서는, 본 발명 및 그의 이점뿐만 아니라 근간이 되는 기술적 배경을 기술하는 데 사용되는 일부 용어를 먼저 더 상세히 설명할 것이다.
공기 분리 플랜트에서 사용되는 장치는 인용된 기술 문헌, 예를 들어 문헌[, Section 2.2.5.6, "Apparatus"]에 기재되어 있다. 따라서, 하기 정의가 상이하지 않는 한, 본 출원의 체제 내에서 사용된 용어에 관해서는 인용된 기술 문헌을 명백히 참조한다.
"응축기 증발기"는 제1 응축 유체 스트림이 제2 증발 유체 스트림과의 간접 열교환에 관여하는 열교환기를 지칭한다. 각각의 응축기 증발기는 액화 챔버 및 증발 챔버를 갖는다. 액화 및 증발 챔버들은 액화 통로 또는 증발 통로를 갖는다. 제1 유체 스트림의 응축(액화)은 액화 챔버 내에서 수행되고, 제2 유체 스트림의 증발은 증발 챔버 내에서 수행된다. 증발 및 액화 챔버들은 서로 열교환 관계에 있는 통로들의 군에 의해 형성된다. 응축기 증발기는 그의 기능에 따라 "상부 응축기" 및 "섬프(sump) 증발기"로도 지칭되며, 여기서 상부 응축기는 정류 컬럼의 헤드 가스가 응축되는 응축기 증발기이고, 섬프 증발기는 정류 컬럼의 섬프 액체가 증발되는 응축기 증발기이다. 그러나, 섬프 액체는 예를 들어 본 발명의 맥락에서 사용되는 바와 같이 상부 응축기에서 또한 증발될 수 있다.
추가 팽창 터빈 또는 에너지 변환기, 예컨대 오일 브레이크, 발전기 또는 압축기에 공통 샤프트를 통해 결합될 수 있는 "팽창 터빈" 또는 "팽창 기계"는 기체이거나 적어도 부분적으로 액체인 재료 스트림을 팽창시키기 위해 구성된다. 특히, 본 발명에서 사용하기 위한 팽창 터빈은 터보-팽창기로서 설계될 수 있다. 이 경우에, 특히 정류 컬럼 배열로부터의 불순한 질소를 팽창시켜 냉각을 얻는 소위 잔류 가스 터빈이 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어에서, 유체, 즉 액체 및 기체는 하나 이상의 성분이 풍부하거나 적을 수 있고, 몰, 중량, 또는 부피를 기준으로 "풍부"는 적어도 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9%, 또는 99.99%의 함량을 지칭할 수 있고, "적은"은 최대 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1%, 또는 0.01%의 함량을 지칭할 수 있다. 용어 "주로"는 "풍부"의 정의에 상응할 수 있다. 유체는 하나 이상의 성분이 추가로 풍부하거나 고갈될 수 있으며, 여기서 이들 용어는 유체가 수득되는 출발 유체에서의 함량과 관련된다. 유체는, 출발 유체를 기준으로, 상응하는 성분의 함량의 적어도 1.1배, 1.5배, 2배, 5배, 10배, 100배, 또는 1,000배를 함유한다면 "풍부한" 것이고, 최대 0.9배, 0.5배, 0.1배, 0.01배, 또는 0.001배를 함유한다면 "고갈된" 것이다. 예로서, 여기에서 "산소" 또는 "질소"로 언급되는 경우, 이는 또한 산소 또는 질소가 풍부하지만 오로지 그것만으로 반드시 이루어질 필요는 없는 유체를 의미하는 것으로 이해된다.
용어 "고순도 산소"(또는 "산소 6.0")는 본 명세서에서 적어도 99.9999 몰%의 산소 함량을 갖는 액체 산소(HLOX) 또는 기체 산소(HGOX)를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 다시 말하면, 합계로 최대 1 ppm의 불순물(주로 아르곤 및 메탄)이 여기에 존재한다. 따라서, 용어 "초고순도 산소"는 상응하게 더욱 더 높은 산소 함량, 특히 적어도 99.99999 몰%를 갖는 산소를 지칭하는 것이다. 고순도 산소의 형성을 언급하는 경우, 이는 또한 초고순도 산소의 형성을 포함할 수 있다.
본 개시 내용에서는 압력 및 온도를 특성화하기 위해 용어 "압력 범위" 및 "온도 범위"를 사용하는데, 이는 상응하는 플랜트에서의 상응하는 압력 및 온도가 본 발명의 개념을 실현하기 위해 정확한 압력 또는 온도 값의 형태로 사용될 필요가 없음을 의미한다. 예를 들어, 압력 및 저압 컬럼 내의 상이한 위치에 상이한 압력이 존재하지만, 이들은 작동 압력 범위로도 지칭되는 소정의 압력 범위 내에 있다. 상응하는 압력 범위들 및 온도 범위들은 따로따로 떨어진 범위들, 또는 서로 중첩되는 범위들일 수 있다.
하기에 사용되는 절대적 및/또는 상대적 공간 표시, 예컨대 특히 "~ 상에"(over), "~ 하에"(under), "~ 위에"(above), "~ 아래에"(below), "~ 옆에"(next to) 및 "서로 옆에"(next to one another)는 특히 본 명세서에서 정상 작동 중 공기 분리 플랜트의 상응하게 지정된 요소, 예를 들어 정류 컬럼, 다중-부분 정류 컬럼의 하위 컬럼, 또는 정류 컬럼의 정류 영역의 공간적 배향을 지칭한다. "상하로"(one above the other) 2개의 요소의 배열은 2개의 요소 중 하부 요소의 상부 단부가 2개의 요소 중 상부 요소의 하부 단부와 측지적으로 동일한 높이 또는 더 낮은 높이에 위치하고, 2개의 요소의 투영들이 수평 평면에서 중첩됨을 의미하는 것으로 본 명세서에서 이해된다. 특히, 2개의 요소는 정확히 상하로 배열될 수 있는데, 즉 2개의 요소의 수직 중심축들이 동일한 수직 직선 상에서 이어진다. "서로 옆에" 있는 배열은 특히 2개의 요소의 투영들이 수평 평면에서 중첩되지 않음을 의미한다. 다수의 부분으로 설계된 정류 컬럼의 경우, "기능적으로 아래에" 또는 "기능적으로 위에"와 같은 용어는 정류 컬럼이 단일-부분 설계를 갖는 경우에 갖게 될 정류 영역들 또는 하위 컬럼들의 배열을 지칭한다.
본 명세서에서 용어 "정류 영역"은, 정류를 수행하도록 구성되고 이러한 목적을 위해 설계된 정류 컬럼 또는 다중-부분 정류 컬럼의 하위 컬럼 내의 임의의 섹션, 특히 분리 플레이트 또는 정렬되거나 무질서한 패킹과 같은 상응하는 재료 교환 구조를 갖는 것을 지칭한다. 특히, 유체 출구 또는 공급 지점(feed-in point), 예를 들어 측면 공급 지점이 정류 영역들 사이에 제공될 수 있다. (기능적으로) 최하부 정류 영역의 아래에는 정류 컬럼의 "섬프"가 있고; (기능적으로) 상부 정류 영역 위에는 "헤드"가 있다. "질소 섹션"은, 제공되는 경우, 그의 헤드에서 (실질적으로) 순수한 질소를 흡인할 수 있도록 의도된 저압 컬럼의 최상부 영역이다.
의 문헌(상기 참조)에서 도 2.4A를 참조하여 설명된 바와 같이, 아르곤은 대기 중에 1 몰% 미만의 함량으로 함유되어 있지만, 이는 저압 컬럼에서 농도 프로파일에 강한 영향을 미친다. 따라서 전형적으로 30 내지 40개의 이론적 또는 실제적 플레이트를 포함하는 저압 컬럼의 최하부 분리 섹션에서의 분리는 산소와 아르곤 사이의 실질적인 2원 분리로서 간주될 수 있다. 그러한 정류 영역은 "산소 섹션"으로 또한 지칭된다. 미정제(crude) 아르곤 컬럼 내로 전달되는 가스의 방출 지점에서 단지 출발하여, 그 분리는 몇 개의 이론적 또는 실제적 플레이트 내에서 질소, 산소 및 아르곤의 3원 분리로 변화한다.
발명의효과
처음에 언급된 요건 프로파일, 즉 9 내지 14.5 bar의 압력 수준에서 기체 압축 질소를 얻는 것 및 아르곤을 제공하는 것을 위해, 압력 컬럼 및 저압 컬럼을 갖는 이중 컬럼 배열이 증가된 압력 수준에서 특히 유리한 방식으로 작동될 수 있으며, 여기서 질소는 저압 컬럼의 헤드에서 동시에 배출되고 이의 일부는 가열되고, 압축되고, 다시 냉각되어 재순환 스트림의 형태로 이중 컬럼 배열 내로, 즉 압력 컬럼 및/또는 저압 컬럼 내로 공급된다.
재순환 스트림은, 압력 컬럼 및/또는 저압 컬럼 내로 공급되기 전에, 선택적으로 주 응축기를 통해 및/또는 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기를 통해 (부분적으로, 또는 나누어서, 또는 완전히) 통과될 수 있다. 그러나, 초기에 재순환 스트림을 압력 컬럼 내로 완전히 공급하고, 이러한 방식으로 압력 컬럼에서 재순환 스트림의 질소-풍부 유체를 추가로 정제하는 것이 또한 가능하다. 이 경우에, 압력 컬럼으로부터의 헤드 가스는 재순환 스트림으로부터의 추가로 정제된 유체를 포함한다. 이 중에서, 압력 컬럼으로부터의 헤드 가스의 일부가 주 응축기를 통해 및/또는 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기를 통해 통과될 수 있고, 추가의 부분이 질소 생성물로서 수득될 수 있다. 압력 컬럼 내로 공급되는 재순환 스트림의 소정 부분은 적어도 부분적으로는 압력 컬럼으로부터, 다시 말해서 압력 컬럼의 공급 지점 위에서 제거될 수 있다. 재순환 스트림에 함유된 질소-풍부 유체는 이러한 방식으로 추가로 정제되고 생성물로서 이용가능하게 될 수 있다. 그러나, 원칙적으로 재순환 스트림의 일부를 생성물로서 직접 사용하는 것, 즉 이를 압력 컬럼 내로 공급하지 않는 것이 또한 가능하다.
그러한 방법의 맥락에서, 저압 컬럼은 상부 영역에서 적합한 질소 섹션을 사용하여 아래에 설명된 사양을 가지며 재순환 스트림의 형성에 사용되는 상응하는 질소-풍부 헤드 가스를 제공하도록 특별히 구성된다.
그러한 방법의 맥락에서, 아르곤 생산을 위한 하나 이상의 추가 정류 컬럼, 예를 들어, 미정제 아르곤 컬럼 및 공지된 유형의 순수 아르곤 컬럼이 또한 사용된다. 미정제 아르곤 컬럼 및 순수 아르곤 컬럼 대신에, 질소를 분리하기 위해 제공되는 추가 섹션을 가짐으로써 미정제 아르곤 컬럼과 순수 아르곤 컬럼의 기능을 서로 부분적으로 겸비하는, 아르곤 생성물을 얻기 위한 단일 컬럼이 또한 제공될 수 있다. 따라서, 하기에서 아르곤 컬럼이 지칭되는 경우, 이는 특히 순수 아르곤 컬럼 옆에 존재하는 미정제 아르곤 컬럼일 수 있을 뿐만 아니라, 옆에 순수 아르곤 컬럼이 존재하지 않는 상응하게 변경된 미정제 아르곤 컬럼일 수 있다.
그러한 방법에서, 순수 산소 컬럼이 또한 사용될 수 있으며, 이는 설명된 의미에서 고순도 또는 초고순도 산소를 얻도록 구성되고, 아르곤 컬럼의 중간 지점으로부터 액체가 공급되며, 이는 순수 산소 컬럼의 헤드에 공급된다. 아르곤 컬럼은 또한 2개의 부분으로 설계될 수 있으며, 여기서 아르곤 컬럼의 기능적으로 하부 부분은 순수 산소 컬럼이 언급된 중간 지점까지 이어지는 상태로 공통 컬럼 쉘에 수용될 수 있고, 기능적으로 상부 부분은 별도로 배열된다. 상응하는 실시 형태가 도 1과 관련하여 아래에서 설명된다. 그러나, 상응하는 순수 산소 컬럼이 그에 따라 설계되는 것이 필수적인 것은 아니다. 도 2는 예를 들어 아르곤 컬럼의 일부와 조합되지 않은 별개의 순수 산소 컬럼을 도시한다.
순수 산소 컬럼에서의 정류 공정은 섬프 증발기(리보일러)에 의한 섬프 액체의 증발에 의해 구동된다. 이러한 섬프 증발기를 위한 가열 매질은 언급된 재순환 스트림일 수 있으며, 이는 압력 컬럼과 저압 컬럼을 열교환 방식으로 연결하는 주 응축기, 및 섬프 증발기를 통해 적어도 부분적으로 병렬로 통과될 수 있다. 압력 컬럼에서 재순환 스트림의 추가 정제 시, 그의 헤드 가스가 또한 상응하는 방식으로 사용될 수 있다. 그러한 토폴로지(topology)는 그에 따라 응축되는 압축 공기를 사용한 설계와 비교하여 소정의 이점을 가질 수 있다.
고효율에 대한 요건으로 인해, 압력 컬럼과 저압 컬럼을 열교환 방식으로 연결하는 주 응축기는 비교적 낮은 평균 온도 차이(약 1.0 K 또는 다소 그보다 큼)로 설계되며, 이는 또한 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기에서 낮은 평균 온도 차이(약 1.0 K 또는 다소 그보다 작음, 재순환 스트림의 부분 스트림에서 또는 압력 컬럼으로부터 상기 섬프 증발기까지의 헤드 가스의 제어 밸브에 대한 소정 압력 강하를 고려함)를 또한 초래한다.
소위 설계 사례 외에도, 일반적으로 고객이 특정하거나 제품 개발 요건에 따라 추진되는 복수의 다른 작동 사례가 있다. 여기서 주 생성물(압축 질소)이 크게 감소되고, 특히 순수 산소 생성물의 제거율이 상대적으로 높고/높거나 순수 산소 컬럼 내로의 공급물 스트림 내의 산소 함량이 낮은 작동 사례는 문제가 있는데, 이는 두 증발기(예시를 사용하여 아래 표에 예시된 바와 같이, 주 응축기 및 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기)의 부하비(load ratio)가 크게 변화하기 때문이다. 사례 1(설계 사례)에서 주 응축기의 부하는 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기의 부하보다 약 10배 더 크다. 대조적으로, 사례 5(압축 질소 생성물 및 공정 공기 스트림이 크게 감소된 작동 사례)에서는 주 응축기의 부하가 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기의 부하보다 단지 5배 더 크다.
[표 1]
이 사례에서 주 응축기의 유의하게 더 낮은 부하(2,190 kW)는 과도하게 큰 열전달 표면으로 인해 압력 컬럼의 헤드에서 현저하게 더 낮은 압력을 초래한다. 이러한 압력은 비교적 높은 부하(428 kW)로 인해 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기에서의 응축 공정을 위해서는 너무 낮다. 종래 기술에서 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 모든 작동 사례에서 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기의 상류의 압력 컬럼으로부터의 재순환 스트림 또는 그의 부분적인 스트림 또는 헤드 가스에서 제어 밸브에 대한 충분한 클리어런스(clearance)(차압)를 갖도록, 주 응축기를 현저히 더 큰 평균 온도 차이로 설계해야 할 것이다. 그러나, 그러한 해결책은 설계 사례에서 효율 단점을 초래할 것이다. 특히, 본 발명은 이제 설계 사례에서 효율 단점을 야기하지 않으면서 유사한 작동 사례에서 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기의 작동을 강력하게 제어할 수 있는 가능성을 창출한다.
본 발명의 실질적인 태양은 추가 밸브를 제공함으로써, 그리고 실시 형태에서 아르곤 컬럼으로부터 저압 컬럼으로 액체를 복귀시키기에 충분한 높이 차이를 제공함으로써 이중 컬럼 및 아르곤 컬럼의 압력 챔버를 분리하는 것으로 특히 이루어진다. 이는, 다른 실시 형태에서 액체 복귀가 펌프를 통하도록 저압 컬럼이 산소 섹션 위에서 분할되는 경우, 필수적인 것은 아니다.
추가 밸브는 설계 사례에서 완전히(또는 거의 완전히) 개방될 수 있고, 언급된 2개의 응축기 사이의 부하비가 크게 감소된 모든 사례에서 부분적으로 폐쇄될 수 있으며, 이는 아르곤 컬럼 및 순수 산소 컬럼에서 작동 압력을 감소시킨다. 아르곤 컬럼 내로의 감소된 부피 스트림은 관련이 없는데, 이는 설계 사례에 비해 감소된 재료 스트림으로 작동되기 때문이다. 주 응축기와 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기 사이의 부하비가 감소된 사례는 저부하(underload) 사례, 즉 공정 공기 스트림이 더 낮은 작동 사례이다.
제안된 해결책은, 설계 사례에서 효율 단점을 초래하지 않으면서, 주 생성물(기체 압축 질소)이 크게 감소되고/되거나, 순수 산소 생성물의 제거율이 비교적 높고/높거나, 순수 산소 컬럼 내로의 공급물 스트림 내의 산소 함량이 더 낮은 사례에서 강력한 플랜트 작동을 가능하게 한다. 언급된 밸브 단독의 도입은 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기로부터 상류에서 가열 매질 스트림 내의 제어 밸브에 대한 충분한 차압을 초래한다.
전체적으로, 본 발명은 압력 컬럼, 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼을 갖는 정류 컬럼 배열을 포함하는 공기 분리 플랜트를 사용하는 공기의 저온 분리 방법을 제안하며, 여기서 저압 컬럼은 하나 이상의 부분으로 설계되며 제1 정류 영역 및 제2 정류 영역을 포함하고(공통 컬럼 쉘 내의 1-부분 설계의 경우임, 그렇지 않으면 복수의 컬럼 쉘에 걸쳐 분포됨), 아르곤 컬럼은 하나 이상의 부분으로 설계되며 제1 정류 영역 및 제2 정류 영역을 포함한다(공통 컬럼 재킷 내의 1-부분 설계의 경우임, 그렇지 않으면 복수의 컬럼 재킷에 걸쳐 분포됨). 저압 컬럼 및 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역은 특히 (기능적으로) 최하부이며; 제2 정류 영역은 바로 그 위에 있다.
압력 컬럼 및 저압 컬럼은, 적어도 공급 공기가 공급되는 압력 컬럼의 섬프 액체가 아르곤 및 질소와 함께 28 내지 38% 함량의 산소를 포함하고, 압력 컬럼으로부터의 헤드 가스가 0.001 내지 100 ppb, 예를 들어 약 10 ppb 산소, 0.1 내지 100 ppm, 예를 들어 약 30 ppm 아르곤, 및 그렇지 않으면 실질적으로 질소 및 가능하게는 더 경량의 성분의 함량을 포함하는 방식으로 특히 작동된다. 또한, 압력 컬럼 및 저압 컬럼은, 저압 컬럼으로부터의 헤드 가스가 0.001 내지 1000 ppb, 예를 들어 약 10 ppb 산소, 및 0.1 내지 300 ppm, 예를 들어 약 35 ppm 아르곤의 함량을 갖는 방식으로 특히 작동된다.
저압 컬럼의 제1 정류 영역과 제2 정류 영역 사이에서, 특히 알려진 아르곤 포켓에서, 아르곤이 풍부한 제1 전달 유체가 저압 컬럼으로부터 제거되어 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역 아래에서 제1 전달량으로 아르곤 컬럼 내로 공급된다. 이와 관련하여, 아르곤 컬럼의 작동은 상응하는 아르곤 컬럼에 상응하는 유체를 공급하는 공지된 방법에 상응한다. 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역 아래에서, 아르곤이 고갈된 제2 전달 유체가 아르곤 컬럼으로부터 제거되어, 아르곤 생산 분야에서 또한 공지된 바와 같이 저압 컬럼의 제1 정류 영역과 제2 정류 영역 사이에서 제2 전달량으로 저압 컬럼 내로 공급된다(복귀된다).
특히, 제1 전달 유체는 저압 컬럼의 섬프 액체에 대하여 그리고 그의 헤드 가스에 대하여 아르곤이 풍부하다. 특히, 이는 아르곤이 20 내지 6%, 예를 들어 18 내지 11%일 수 있으며 잔부는 주로 산소일 수 있다. 제거는 당업자에게 공지된 상응하는 정류 영역들 사이의 지점에서 행해진다.
본 발명에 따르면, 공기 분리 플랜트가 제1 작동 모드 및 제2 작동 모드에서 작동되는 것이 이제 규정되며, 여기서 질소 생성물은 제2 작동 모드에서보다 제1 작동 모드에서 더 큰 생성물 양으로 공기 분리 플랜트로부터 방출된다. 질소 생성물은 하기에서 이미 표시되고 설명된 방식으로 형성될 수 있다. 특히, 제1 작동 모드는 설명된 설계 사례를 나타내는 반면, 제2 작동 모드는 질소 제거가 감소된 특수 작동 모드 또는 비-설계 사례에 상응한다. 제2 작동 모드에서, 아래에서 설명되는 바와 같이, 압력 감소는 아르곤 컬럼에서 수행되는 반면, 저압 컬럼에서는 압력 감소가 더 적거나 전혀 일어나지 않고, 특히 그 안의 압력은 실질적으로 일정하게 유지된다. 특히, 하기에 설명된 방식으로 압력이 감소된다.
아르곤 컬럼에서의 전환율은 아르곤 컬럼의 상부 응축기, 즉 응축기 증발기의 증발 챔버의 출구에서의 가스 플랩에 의해 전형적으로 조정된다. 예를 들어, (예컨대, 저부하 사례의 경우) 더 낮은 전환량이 요구되는 경우, 플랩은 더 많이 폐쇄되고, 결과적으로 증발 챔버에서의 압력이 증가된다. 압력을 증가시키면, 증발 온도가 증가하고 (결과적으로) 응축기 증발기에서 구동 온도 차이가 감소한다. 더 낮은 온도 차이에 따라, 응축기 증발기에서 더 적은 아르곤이 응축될 수 있고, 전환율이 감소한다. 그러나, 이러한 조치가 개시된 후에, 아르곤 컬럼에서의 압력은 저압 컬럼에서와 여전히 동일하다. 저압 컬럼으로부터 아르곤 컬럼으로의 입구에서의 밸브가 이제 폐쇄되면, 아르곤 컬럼에서의 압력이 감소한다. 압력 감소는 또한 응축 온도의 감소(및 결과적으로, 응축기 증발기에서의 구동 온도 차이의 감소)를 초래한다. 이는 전환율의 추가적인 감소를 초래할 것이다. 따라서, 전환율은 증발 챔버의 출구에서 언급된 가스 플랩을 조정함으로써 적합한 제어에 의해 "유지"되며, 즉 이 경우에 플랩이 다시 더 많이 개방되어, 증발 압력이 감소하고 전환량이 변함없이 유지된다. 그 결과, 아르곤 컬럼은 저압 하에 그리고 동일한 전환율(저부하 사례와 일치함)로 작동된다. 대안적으로, 아르곤 컬럼은 또한 제1 작동 모드에서 약간 감소된 압력으로 작동될 수 있고; 이어서 그 작동 압력은 제2 작동 모드에서 추가로 감소된다.
다시 말해, 제1 단계에서 아르곤 컬럼에서의 압력의 조정은, 특히, 아르곤 컬럼의 상부 응축기의 증발 챔버에서의 압력을 증가시키면서 증발 챔버 내의 증발 온도를 증가시키고 아르곤 컬럼에서의 전환율 및 구동 온도 차이를 감소시키는 것을 포함한다. 제2 단계에서, 아르곤 컬럼에서의 압력의 조정은, 특히, 공급 라인에서 언급된 밸브를 폐쇄하거나 더 단단히 폐쇄하는 것을 포함한다. 제3 단계에서, 아르곤 컬럼에서의 압력의 조정은, 특히, 아르곤 컬럼의 상부 응축기의 증발 챔버에서의 압력을 감소시키면서 증발 챔버 내의 증발 온도를 감소시키고 아르곤 컬럼에서의 전환율 및 구동 온도 차이를 증가시키는 것을 포함한다.
본 발명의 맥락에서, 아르곤 컬럼에서 압력은, 제1 작동 모드에서는 저압 컬럼이 작동되는 압력 범위에 상응하고 제2 작동 모드에서는 저압 컬럼이 작동되는 압력 범위 미만인 압력 범위로 조정된다. 여기서, 언급된 바와 같이, 제1 전달량을 저압 컬럼 내로 공급하기 위해 제공되는 라인에 있는 언급된 밸브는 제2 작동 모드에서만 폐쇄될 수 있거나, 제1 작동 모드에서보다 제2 작동 모드에서 더 단단히 폐쇄될 수 있다. 그러한 밸브는 아르곤 컬럼 및 가능하게는 순수 산소 컬럼에서의 압력 손실 또는 더 낮은 작동 압력을 보장하는 한편, 아르곤 컬럼 내의 전환량은, 공지되고 방금 설명된 바와 같이 미정제 아르곤 응축기의 증발 챔버(즉, 아르곤 컬럼의 상부 응축기)로부터의 출구에서 밸브를 통해 조정될 수 있다. 아르곤 컬럼에서의 전환량은 제2 작동 모드에서 현저히 더 적은데, 이는 공급 공기의 양이 현저히 더 적기 때문이다. 특히 그러나 배타적이지 않게 순수 산소 컬럼의 사용과 관련하여 발생하는 본 발명에 따라 제안된 조치의 이점은 이미 위에서 설명되었다. 특정 이점은 더 낮은 압력에서의 더 효율적인 증류이다.
본 발명의 특히 유리한 실시 형태에서, 정류 컬럼 배열은 순수 산소 컬럼을 포함하며, 여기서 제1 작동 모드에서는 저압 컬럼이 작동되는 압력 범위에 상응하고 제2 작동 모드에서는 저압 컬럼이 작동되는 압력 범위 미만인 압력 범위로 압력이 조정된다. 또한, 순수 산소 컬럼은 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역과 제2 정류 영역 사이에서 아르곤 컬럼으로부터 제거되는 복귀 유동으로서의 액체로 작동되고, 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역과 제2 정류 영역 사이에서 아르곤 컬럼 내로 공급되는 헤드 가스는 순수 산소 컬럼으로부터 제거된다. 언급된 바와 같이, 본 발명은 주 응축기와 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기 사이의 부하 변화에 적응함으로써 특정 이점을 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 상기에 원리적으로 기재된 바와 같이 재순환 스트림을 형성할 때 유리할 수 있다. 여기서, 압력 컬럼과 저압 컬럼은, 일반적으로 관례에 따라, 주 응축기에 의해 열교환 방식으로 연결되며, 여기서 저압 컬럼으로부터의 헤드 가스를 사용하여 재순환 스트림이 형성되며, 이 헤드 가스는 가열되고, 압축되고, 다시 냉각되고, 주 응축기를 통해 부분적으로 또는 완전히 및/또는 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기를 통해 부분적으로 또는 완전히 통과되고, 거기에서 적어도 부분적으로 응축되고, 정류 컬럼 배열, 즉 압력 컬럼 및/또는 저압 컬럼 내로 다시 공급된다. 특히 주 열교환기의 따뜻한 측에서 압축이 일어난다. 저압 컬럼으로부터의 헤드 가스가 재순환 스트림을 형성하는 데 사용되고 재순환 스트림의 형태로 정류 컬럼 배열로 복귀되지 않는 경우, 그러한 헤드 가스는 재순환 스트림을 형성하는 데 사용되는 나머지와 함께 이러한 지점까지 공급될 수 있고, 질소 생성물은 이 경우에 압축의 상류 또는 하류에서 재순환 스트림으로부터 방향전환될 수 있다.
재순환 스트림은 주 응축기를 통해 및/또는 부분적으로 또는 완전히 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기를 통해 통과될 수 있고, 거기에서 적어도 부분적으로 응축될 수 있고, 정류 컬럼 배열로 복귀될 수 있다. 그러나, 재순환 스트림을 이전에 주 응축기 및/또는 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기에 통과시키지 않고서, 이를 특히 완전히 압력 컬럼 내로 공급하는 것이 또한 가능할 수 있다. 후자의 경우에, 언급된 바와 같이, 가스, 특히 헤드 가스는 재순환 스트림의 공급 지점 위에서 압력 컬럼으로부터 제거되고, 이는 재순환 스트림에 대해 이러한 방식으로 추가로 정제되고, 재순환 스트림 대신에, 이는 이제 그 자체가 주 응축기를 통해 부분적으로 또는 완전히 통과되고/되거나 순수 산소 컬럼의 섬프 증발기를 통해 부분적으로 또는 완전히 통과되며, 여기서 적어도 부분적으로 응축되고, 정류 컬럼 배열로 복귀된다.
본 발명의 맥락에서, 질소 생성물은 압력 컬럼으로부터 헤드 가스를 사용하여 제공될 수 있으며, 여기서 재순환 스트림의 추가 정제를 사용하는 언급된 실시 형태에서 이러한 목적을 위해 재순환 스트림의 적어도 일부분이 압력 컬럼에 공급된다. 따라서, 이 실시 형태에서, 재순환 스트림의 질소-풍부 유체는 상응하게 순수한 생성물을 얻기 위해 압력 컬럼에서 추가로 정제된다. 대안적으로, 질소 생성물은 재순환 스트림의 형태로 압력 컬럼 내로 공급되지 않는 저압 컬럼으로부터의 헤드 가스를 사용하여 또한 제공될 수 있다. 특히, 질소 생성물은 주 열교환기의 따뜻한 측 상에서 그리고 특히 재순환 스트림을 형성하는 데 사용되는 헤드 가스의 나머지의 상응하는 압축 전에 또는 그 후에 방향전환된다.
본 발명의 특히 유리한 실시 형태에서, 제2 작동 모드에서 공기 분리 플랜트로부터 방출되는 질소 생성물의 생성물 양은 제1 작동 모드에서보다 적어도 2.5% 더 적거나, 적어도 10% 더 적거나, 또는 10% 내지 60% 더 적을 수 있다. 제2 작동 모드에서, 저압 컬럼에서보다 적어도 50 mbar, 적어도 100 mbar 및/또는 최대 700 mbar 또는 최대 900 mbar 더 낮은 아르곤 컬럼에서의 압력이 조정될 수 있는 반면, 저압 컬럼에서의 압력은 실질적으로 일정하게 유지되며, 즉 100 mbar를 초과하여 변하지 않는다.
본 발명의 실시 형태의 제1 군에서, 저압 컬럼의 제1 정류 영역 및 제2 정류 영역은 공통 컬럼 쉘 내에 수용될 수 있으며, 상기 쉘 내에서 저압 컬럼의 제2 정류 영역은 저압 컬럼의 제1 정류 영역 위에 배열된다. 따라서, 본 발명의 실시 형태의 이러한 제1 군은 "분할되지 않은" 저압 컬럼에 관한 것이다. 이하에서, 본 발명의 실시 형태의 이러한 제1 군의 변형이 처음에 설명된다.
실시 형태의 제1 군에서, 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역 및 제2 정류 영역은 특히 별개의 컬럼 쉘들 내에 수용될 수 있으며, 여기서 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역이 수용되는 컬럼 쉘은 순수 산소 컬럼의 컬럼 쉘 위에 배열되고 그에 연결되거나 그와 일체형으로 설계된다. 따라서, 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역 및 순수 산소 컬럼은 공통 외부 구조체 내에 유체적으로 분리되어 배열될 수 있다.
본 발명의 실시 형태의 제2 군에서, 저압 컬럼의 제1 정류 영역은 제1 컬럼 쉘 내에 수용될 수 있고, 저압 컬럼의 제2 정류 영역은 제2 컬럼 쉘 내에 수용될 수 있고, 제1 컬럼 쉘과 제2 컬럼 쉘은 서로 옆에 배열될 수 있다.
실시 형태의 제2 군에서, 제1 컬럼 쉘 및 압력 컬럼을 둘러싸는 컬럼 쉘은 특히 상하로 그리고 이중 컬럼의 형태로 배열된다. 따라서, 저압 컬럼의 기능적으로 하부 부분이 압력 컬럼 상에 배치된다.
실시 형태의 제2 군에서, 아르곤 컬럼의 제2 정류 영역은 제1 하위 영역 및 제2 하위 영역으로 세분될 수 있으며, 여기서 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역은 제3 컬럼 쉘 내에 수용되고, 아르곤 컬럼의 제2 정류 영역의 제1 하위 영역은 제3 컬럼 쉘 내에 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역 위에 수용되고, 아르곤 컬럼의 제2 정류 영역의 제2 하위 영역은 제4 컬럼 쉘 내에 수용된다. 그러한 실시 형태가 특히 도 2를 참조하여 추가로 설명된다.
실시 형태의 제2 군에서, 가스가 저압 컬럼의 제1 정류 영역 위에서 제1 컬럼 쉘로부터 배출될 수 있고 저압 컬럼의 제2 정류 영역 아래의 제1 부분에서 제2 컬럼 쉘 내로 공급될 수 있고 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역 아래의 제2 부분에서 제1 전달 유체로서 제3 컬럼 쉘 내로 공급될 수 있다. 더욱이, 액체가 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역 아래에서 제3 컬럼 쉘로부터 배출될 수 있고 저압 컬럼의 제1 정류 영역 위에서 제2 전달 유체로서 제1 컬럼 쉘 내로 공급될 수 있고, 액체가 저압 컬럼의 제2 정류 영역 아래에서 제2 컬럼 쉘로부터 배출될 수 있고 아르곤 컬럼의 제1 정류 영역 아래에서 제3 컬럼 쉘 내로 공급될 수 있다.
실시 형태의 제2 군에서, 제1 전달 유체가 순전히 중력에 의해, 즉 특히 펌프를 사용하지 않고서 제3 컬럼 쉘 내로 전달될 수 있도록, 제2 컬럼 쉘의 하부 단부가 특히 측지적으로 제3 컬럼 쉘 내로의 제1 전달 유체의 공급 위치 위에 배열된다.
본 발명의 맥락에서, 제1 압력 수준은 제1 정류 컬럼의 상부에서 9 내지 14.5 bar, 예를 들어, 약 11.8 bar이고, 제2 압력 수준은 제2 정류 컬럼의 상부에서 2 내지 5 bar, 예를 들어 약 3.8 bar이다.
본 발명에 따라 유사하게 제안된 공기 분리 플랜트의 특징과 관련하여, 상응하는 독립 청구항을 명시적으로 참조한다. 이러한 공기 분리 플랜트는 특히 실시 형태에서 이전에 설명된 바와 같은 방법을 수행하도록 구성된다. 따라서, 본 발명에 따른 방법 및 이의 유리한 실시 형태에 관한 상기 설명을 명백히 참조한다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 예시하는 첨부 도면을 참조하여 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 공기 분리 플랜트를 예시한다.
도면에서, 서로 구조적으로 또는 기능적으로 상응하는 요소들은 동일한 참조 부호로 표기되며 명확성을 위해 반복하여 설명되지 않는다. 플랜트 및 플랜트 구성요소와 관련된 설명은 상응하는 방법 및 방법 단계에 대해 동일한 방식으로 적용된다.
도 1에는, 본 발명의 실시 형태에 따른 공기 분리 플랜트가 단순화된 공정 흐름도의 형태로 예시되어 있고, 이는 전체적으로 (100)으로 표시된다.
공기 분리 플랜트(100)에서, 공기는 필터(2)를 통해 주 공기 압축기(1)에 의해 흡입되고, 예를 들어, 약 12.5 bar의 압력 수준으로 압축된다. 물의 냉각 및 분리 후에, 그 자체로 공지된 방식으로 설계될 수 있는 사전-세정 유닛(3)에 잔류하는 물 및 이산화탄소가 상응하게 압축된 공기에서 제거된다. 언급된 구성요소의 설계를 위해, 서두에 인용된 기술 문헌을 참조한다.
상응하게 형성된 압축 공기 스트림(a)은 주 열교환기(4)를 통해 따뜻한 단부로부터 차가운 단부로 그리고 정류 컬럼 배열(10)의 압력 컬럼(11) 내로 공급된다. 컬럼 쉘(11')을 포함하는 압력 컬럼(11)에 더하여, 도시된 예에서 정류 컬럼 배열(10)은 컬럼 쉘(12')을 갖는 저압 컬럼(12), 및 컬럼 쉘(14')을 갖는 순수 산소 컬럼(14) 및 순수 아르곤 컬럼(15)과 함께 컬럼 쉘(13a', 13b')을 갖고 2개로 분할된 컬럼 섹션(13a, 13b)으로 이루어지는 미정제 아르곤 컬럼을 포함한다. 압력 컬럼(11)은 특히 다중-수준 배스(multi-level bath) 증발기로서 설계될 수 있는 주 응축기(16)를 통해 저압 컬럼(12)에 열교환 방식으로 연결되고, 섬프 증발기(17)는 순수 산소 컬럼(14)의 하부에 배열된다. 도시된 예에서, 과냉각 열교환기(18)가 또한 정류 컬럼 시스템(10)과 연관된다.
저압 컬럼(12) 및 아르곤 컬럼(13a, 13b)은 정류 영역(A 내지 D)을 포함하며, 여기서 제1 정류 영역(A) 및 제2 정류 영역(B)은 저압 컬럼(12)에 제공되고, 제1 정류 영역(C) 및 제2 정류 영역(D)은 또한 아르곤 컬럼에 제공된다. 저압 컬럼(12)의 제1 정류 영역(A)과 제2 정류 영역(B) 사이에서, 아르곤이 풍부한 제1 전달 유체가 재료 스트림(t1)의 형태로 저압 컬럼(12)으로부터 제거되어 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C) 아래에서 제1 전달량으로 아르곤 컬럼(13a, 13b) 내로 공급된다. 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C) 아래에서, 아르곤이 고갈된 제2 전달 유체가 재료 스트림(t2)의 형태로 아르곤 컬럼(13a, 13b)으로부터 제거되어 저압 컬럼(12)의 제1 정류 영역(A)과 제2 정류 영역(B) 사이에서 제2 전달량으로 저압 컬럼(12) 내로 공급된다.
순수 산소 컬럼(14)은 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C)과 제2 정류 영역(D) 사이에서 재료 스트림(r)의 형태로 아르곤 컬럼(13a, 13b)으로부터 제거되는 복귀 유동으로서의 액체로 작동되고, 헤드 가스는 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C)과 제2 정류 영역(D) 사이에서 아르곤 컬럼(13a, 13b) 내로 공급되는 재료 스트림(g)의 형태로 순수 산소 컬럼(14)으로부터 제거된다.
압력 컬럼(11) 및 저압 컬럼(12)은 열교환 방식으로 주 응축기(16)에 의해 연결되며, 여기서 재순환 스트림(c)이 저압 컬럼(12)으로부터의 헤드 가스를 사용하여 형성되고, 이는 과냉각 열교환기(18)를 통해 통과되고, 주 열교환기(4)에서 가열되고, 압축기(5)에 의해 압축되고, 주 열교환기(4)에서 냉각되고, 주 응축기(16)를 통해 부분(c1)으로 그리고 순수 산소 컬럼(14)의 섬프 증발기(17)를 통해 부분(c2)으로 통과되고, 거기에서 적어도 부분적으로 응축되고, 압력 컬럼(11) 및 저압 컬럼(12) 내로 다시 공급된다. 저압 컬럼으로부터의 헤드 가스의 일부는 재순환 스트림(c)으로부터 방향전환되어 기체 생성물 스트림(c3) 및 액체 생성물 스트림(c4)의 형태로 방출되며, 여기서 후자는 부분 스트림(c5)을 팽창시킴으로써 과냉각될 수 있다.
본 명세서에 예시된 실시 형태와는 대조적으로, 재순환 스트림(c)은 또한, 주 열교환기(4)에서 냉각 후에 주 열교환기(4)의 따뜻한 측에서 기체 생성물 스트림(c3)을 방향전환시키지 않고서, 특히 실질적으로 완전히, 주 응축기(16) 및/또는 순수 산소 컬럼(14)의 섬프 증발기(17)에 먼저 통과시키지 않고서, 압력 컬럼(11) 내로 다시 공급될 수 있다. 후자의 경우에, 언급된 바와 같이, 가스, 특히 헤드 가스는 재순환 스트림(c)의 공급 지점 위에서 압력 컬럼(11)으로부터 제거되고, 이는 재순환 스트림(c)에 대해 이러한 방식으로 추가로 정제되고, 재순환 스트림 그 자체 대신에, 이는 이제 주 응축기(16)를 통해 부분적으로 또는 완전히 통과되고/되거나 순수 산소 컬럼(14)의 섬프 증발기(17)를 통해 부분적으로 또는 완전히 통과되며, 여기서 적어도 부분적으로 응축되고, 정류 컬럼 배열(10)로 복귀된다. 후자의 경우에, 질소 생성물은 압력 컬럼(11)으로부터의 헤드 가스를 사용하여 제공될 수 있다.
도 1에 예시된 실시 형태에서, 저압 컬럼(12)의 제1 정류 영역(A) 및 제2 정류 영역(B)은 공통 컬럼 쉘(12') 내에 수용되며, 상기 쉘 내에서 저압 컬럼(12)의 제2 정류 영역(B)은 저압 컬럼(12)의 제1 정류 영역(A) 위에 배열된다. 또한, 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C)은 컬럼 쉘(13a') 내에 수용되고, 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제2 정류 영역(D)은 별개의 컬럼 쉘(13b') 내에 수용된다. 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C)이 수용되는 컬럼 쉘(13a')은 순수 산소 컬럼(14)의 컬럼 쉘(14') 위에 배열되고, 이에 연결되거나 그와 일체형으로 설계된다.
이제 도 1에 따른 공기 분리 플랜트(100)의 작동의 추가 태양을 설명할 것이며, 이들 중 일부는 또한 도 2에 따라 공기 분리 플랜트(200)에서 동일하거나 유사한 방식으로 실현된다.
섬프 액체는 재료 스트림(s)의 형태로 압력 컬럼으로부터 제거되고, 과냉각 열교환기(18)를 통과하고 순수 아르곤 컬럼(15)의 섬프 증발기에서 가열 매질로서 부분적으로 사용된 후에 아르곤 컬럼(13a, 13b) 및 순수 아르곤 컬럼(15)의 상부 응축기의 액체 배스 내로 공급된다. 거기에서 형성된 가스 및 상응하는 플러싱 양이 재료 스트림(s1 내지 s3)의 형태로 저압 컬럼(12) 내로 공급된다. 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C) 위로부터의 가스 및 순수 산소 컬럼으로부터의 헤드 가스(g)는, 이미 부분적으로 언급된 바와 같이, 제2 정류 영역(D) 아래의 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상응하는 부분(13b)으로 전달된다. 여기서 누적된 섬프 액체는 펌프(18)에 의해 제1 정류 영역(A) 위의 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상응하는 부분(13a)으로 그리고 언급된 바와 같이 순수 산소 컬럼(14)으로 복귀된다.
여기서 미정제 아르곤 컬럼으로서 설계된 아르곤 컬럼(13a, 13b) 및 순수 아르곤 컬럼(15)은 아르곤 생성 분야로부터 일반적으로 알려진 바와 같이 작동된다. 따라서, 관련 기술 문헌을 참조한다. 특히, 순수 아르곤 스트림(p)이 액체 형태로 순수 아르곤 컬럼(15)으로부터 제거되며, 이는 내부적으로 압축되고 기체 아르곤 압력 생성물로서 방출된다. 순수 산소 스트림(o)은 순수 산소 컬럼(14)의 하부로부터 액체 형태로 배출되며, 이는 예를 들어 (도시되지 않은) 탱크 시스템에 저장될 수 있다.
가스 스트림(t)은 제1 정류 영역(A) 아래에서 저압 컬럼(12)으로부터 배출되고, 임의의 희석 가스 스트림(v)에 노출되고, 주 열교환기(8)에서 가열되고, 예를 들어 발전기(G)에 의해 제동되는 잔류 가스 터빈(8)에 의해 중온까지 팽창되고, 대기로 방출되거나 가열되어 사전-세정 유닛(3)에서 사용된다. 재료 스트림(o1)의 형태로 예시된 바와 같이, 순수 산소는 주 열교환기에서 증발되고 상응하는 순수 산소 생성물로서 방출될 수 있다.
도 1에 예시된 공기 분리 플랜트(100)의 추가 특징에 대해서는, 관련 기술 문헌을 참조한다.
도 2는 본 발명의 추가 실시 형태에 따른 공기 분리 플랜트(200)의 단순화된 표현을 예시한다.
도 2에 따른 공기 분리 플랜트(200)에서, 저압 컬럼(12a, 12b)의 제1 정류 영역(A)은 제1 컬럼 쉘(12a') 내에 수용되고, 저압 컬럼(12a, 12b)의 제2 정류 영역(B)은 제2 컬럼 쉘(12b') 내에 수용되고, 제1 컬럼 쉘(12a')과 제2 컬럼 쉘(12b')은 서로 옆에 배열된다. 제1 컬럼 쉘(12a') 및 압력 컬럼(11)의 컬럼 쉘(11')은 상하로 배열되며 이중 컬럼의 형태로 설계된다. 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제2 정류 영역(D)은 제1 하위 영역(D1) 및 제2 하위 영역(D2)으로 세분될 수 있으며, 여기서 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C)은 제3 컬럼 쉘(13a') 내에 수용되고, 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제2 정류 영역(D)의 제1 하위 영역(D1)은 제3 컬럼 쉘(13a') 내에서 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C) 위에 수용되고, 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제2 정류 영역(D)의 제2 부분 영역(D1)은 제4 컬럼 쉘(13b') 내에 수용된다.
도 2에 예시된 바와 같이, 저압 컬럼(12a, 12b)의 제1 정류 영역(A) 위에서 재료 스트림(k) 형태의 가스가 제1 컬럼 쉘(12a')로부터 배출되고, 저압 컬럼(12a, 12b)의 제2 정류 영역(B) 아래에서 재료 스트림(k1) 형태의 제1 부분이 제2 컬럼 쉘(12b') 내로 공급되고, 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C) 아래에서 재료 스트림(k2) 형태의 제2 부분이 제1 전달 유체로서 제3 컬럼 쉘(13b') 내로 공급된다.
액체는 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C) 아래에서 재료 스트림(m)의 형태로 제3 컬럼 쉘(13b')로부터 배출되고 제2 전달 유체로서 저압 컬럼(12a, 12b)의 제1 정류 영역(A) 위에서 제1 컬럼 쉘(12a') 내로 공급되고, 액체는 저압 컬럼(12a, 12b)의 제2 정류 영역(B) 아래에서 재료 스트림(n)의 형태로 제2 컬럼 쉘(12b')로부터 배출되고 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C) 아래에서 제3 컬럼 쉘(13a') 내로 공급된다. 제1 전달 유체가 순전히 중력에 의해 제3 컬럼 쉘(13a') 내로 전달되도록, 제2 컬럼 쉘(12b')의 하부 단부가 측지적으로 제3 컬럼 쉘(13a') 내로의 제1 전달 유체의 공급 위치 위에 배열된다.
순수 산소 컬럼(14)은 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C)과 제2 정류 영역(D) 사이에서 재료 스트림(r)의 형태로 아르곤 컬럼(13a, 13b)으로부터 제거되는 복귀 유동으로서의 액체로 작동되고, 헤드 가스는 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 제1 정류 영역(C)과 제2 정류 영역(D) 사이에서 아르곤 컬럼(13a, 13b) 내로 공급되는 재료 스트림(g)의 형태로 순수 산소 컬럼(14)으로부터 제거된다.
도 2에 따른 공기 분리 플랜트(200)의 설계 및 작동 모드에 관한 추가 상세 사항에 대해서는, 도 1 및 공기 분리 플랜트(100)에 대한 설명 및 기술 문헌을 참조한다.
도 1에 따른 공기 분리 플랜트(100) 및 도 2에 따른 공기 분리 플랜트(200)는 제1 작동 모드 및 제2 작동 모드로 작동되며, 압축기(5)에서의 압축 후에 저압 컬럼(12)에서 형성된 질소 생성물은 재료 스트림(c3)의 형태로 제2 작동 모드에서 제1 작동 모드보다 적은 생성물 양으로 공기 분리 플랜트(100, 200)로부터 방출되며, 제2 작동 모드에서, 재료 스트림(t1 또는 k2), 즉 제1 전달 유체의 제1 전달량은 제1 작동 모드에서보다 낮은 값으로 조정된다.

Claims (14)

  1. 압력 컬럼(11), 저압 컬럼(12, 12a, 12b) 및 아르곤 컬럼(13a, 13b)을 갖는 정류 컬럼 배열(10)을 포함하는 공기 분리 플랜트(100, 200)를 사용하는 공기의 저온 분리 방법으로서,
    - 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)은 하나 이상의 부분으로 설계되며 제1 정류 영역(A) 및 제2 정류 영역(B)을 포함하고, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)은 하나 이상의 부분으로 설계되며 제1 정류 영역(C) 및 제2 정류 영역(D, D1, D2)을 포함하고,
    - 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)의 상기 제1 정류 영역(A)과 상기 제2 정류 영역(B) 사이에서, 아르곤이 풍부한 제1 전달 유체가 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)으로부터 제거되어 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C) 아래에서 제1 전달량으로 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b) 내로 공급되고,
    - 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C) 아래에서, 아르곤이 고갈된 제2 전달 유체가 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)으로부터 제거되어 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)의 상기 제1 정류 영역(A)과 상기 제2 정류 영역(B) 사이에서 제2 전달량으로 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b) 내로 공급되는, 상기 방법에 있어서,
    - 상기 공기 분리 플랜트(100, 200)는 제1 작동 모드 및 제2 작동 모드로 작동되고,
    - 질소 생성물이 상기 제2 작동 모드에서보다 더 큰 생성물 양으로 상기 제1 작동 모드에서 상기 공기 분리 플랜트(100, 200)로부터 방출되고,
    - 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)에서 압력은 상기 제1 작동 모드에서,
    - 상기 저압 컬럼(12, 12a)이 작동되는 압력 범위에 상응하는 압력 범위, 또는
    - 적어도 50 mbar, 적어도 100 mbar 및/또는 최대 700 mbar 또는 900 mbar 더 낮은 압력 범위로 설정되고,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 제1 작동 모드에서의 상기 아르곤 컬럼의 압력 범위보다 적어도 50 mbar, 적어도 100 mbar 및/또는 최대 700 mbar 또는 900 mbar 더 낮은 압력 범위로 설정되고,
    - 상기 정류 컬럼 배열(10)은 순수 산소 컬럼(14)을 포함하며, 여기서 압력은 상기 제1 작동 모드에서,
    - 상기 저압 컬럼(12, 12a)이 작동되는 압력 범위에 상응하는 압력 범위, 또는
    - 적어도 50 mbar, 적어도 100 mbar 및/또는 최대 700 mbar 또는 900 mbar 더 낮은 압력 범위로 조정되고,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 제1 작동 모드에서의 상기 순수 산소 컬럼(14)의 압력 범위보다 적어도 50 mbar, 적어도 100 mbar 및/또는 최대 700 mbar 또는 900 mbar 더 낮은 압력 범위로 조정되고, 상기 순수 산소 컬럼(14)은 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C)과 상기 제2 정류 영역(D) 사이에서 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)으로부터 제거되는 복귀 유동으로서의 액체로 작동되고, 헤드 가스가 상기 순수 산소 컬럼(14)으로부터 제거되어 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C)과 상기 제2 정류 영역(D, D1, D2) 사이에서 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b) 내로 공급되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전달량을 상기 아르곤 컬럼 내로 공급하기 위한 라인에 제공되는 밸브는 상기 제2 작동 모드에서 폐쇄되거나, 또는 상기 제1 작동 모드에서보다 상기 제2 작동 모드에서 더 단단히 폐쇄되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압력 컬럼(11)과 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)은 주 응축기(16)에 의해 열교환 방식으로 연결되고, 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)으로부터의 헤드 가스를 사용하여 재순환 스트림이 형성되며, 상기 스트림은 가열되고, 압축되고, 다시 냉각되고, 상기 주 응축기(16)를 통해 부분적으로 또는 완전히 및/또는 상기 순수 산소 컬럼(14)의 섬프(sump) 증발기(15)를 통해 부분적으로 또는 완전히 통과되고, 거기에서 적어도 부분적으로 응축되고, 상기 압력 컬럼(11) 및/또는 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b) 내로 다시 공급되는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 작동 모드에서 상기 공기 분리 플랜트(100, 200)로부터 방출되는 상기 질소 생성물의 생성물 양은 상기 제1 작동 모드에서보다 적어도 2.5% 더 적거나, 적어도 10% 더 적거나, 또는 10% 내지 60% 더 작은, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 작동 모드와 상기 제2 작동 모드 사이에, 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)에서의 압력은 100 mbar 이하만큼 변하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저압 컬럼(12)의 상기 제1 정류 영역(A) 및 상기 제2 정류 영역(B)은 공통 컬럼 쉘(12') 내에 수용되며, 상기 쉘 내에서 상기 저압 컬럼(12)의 상기 제2 정류 영역(B)은 상기 저압 컬럼(12)의 상기 제1 정류 영역(A) 위에 배열되는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C) 및 상기 제2 정류 영역(D)은 별개의 컬럼 쉘(13a', 13b')들 내에 수용되며, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C)이 수용되는 상기 컬럼 쉘(13a')은 특히 상기 순수 산소 컬럼(14)의 컬럼 쉘(14') 위에 배열되고 상기 쉘에 연결되거나 상기 쉘과 일체형으로 설계되는, 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저압 컬럼(12a, 12b)의 상기 제1 정류 영역(A)은 제1 컬럼 쉘(12a') 내에 수용되고, 상기 저압 컬럼(12a, 12b)의 상기 제2 정류 영역(B)은 제2 컬럼 쉘(12b') 내에 수용되고, 상기 제1 컬럼 쉘(12a')과 상기 제2 컬럼 쉘(12b')은 서로 옆에 배열되는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 컬럼 쉘(12a') 및 상기 압력 컬럼(11)의 컬럼 쉘(11')은 상하로 배열되며 이중 컬럼의 형태로 설계되는, 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제2 정류 영역(D)은 제1 하위 영역(D1) 및 제2 하위 영역(D2)으로 세분되며, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C)은 제3 컬럼 쉘(13a') 내에 수용되고, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제2 정류 영역(D)의 상기 제1 하위 영역(D1)은 상기 제3 컬럼 쉘(13a') 내에서 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C) 위에 수용되고, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제2 정류 영역(D)의 상기 제2 하위 영역(D1)은 제4 컬럼 쉘(13b') 내에 수용되는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 저압 컬럼(12a, 12b)의 상기 제1 정류 영역(A) 위의 기체는 상기 제1 컬럼 쉘(12a')로부터 배출되고 상기 저압 컬럼(12a, 12b)의 상기 제2 정류 영역(B) 아래에서 제1 부분이 제2 컬럼 쉘(12b') 내로 공급되고, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C) 아래에서 제2 부분이 상기 제1 전달 유체로서 상기 제3 컬럼 쉘(13b') 내로 공급되고, 액체는 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C) 아래에서 상기 제3 컬럼 쉘(13b')로부터 배출되고 상기 저압 컬럼(12a, 12b)의 상기 제1 정류 영역(A) 위에서 제2 전달 유체로서 상기 제1 컬럼 쉘(12a') 내로 공급되고, 액체는 상기 저압 컬럼(12a, 12b)의 상기 제2 정류 영역(B) 아래에서 상기 제2 컬럼 쉘(12b')로부터 배출되고 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C) 아래에서 상기 제3 컬럼 쉘(13a') 내로 공급되는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 컬럼 쉘(12b')의 하부 단부가 측지적으로 상기 제3 컬럼 쉘(13a') 내로의 상기 제1 전달 유체의 입구 위치 위에 놓이고, 상기 제1 전달 유체는 순전히 상기 제3 컬럼 쉘(13a') 내로 전달되는, 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 컬럼(11)은 9 내지 14.5 bar의 작동 압력 범위의 압력에서 작동되고, 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)은 2 내지 5 bar의 작동 압력 범위의 압력에서 작동되는, 방법.
  14. 압력 컬럼(11), 저압 컬럼(12, 12a, 12b) 및 아르곤 컬럼(13a, 13b)을 갖는 정류 컬럼 배열(10)을 포함하는 공기 분리 플랜트(100, 200)로서,
    - 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)은 하나 이상의 부분으로 설계되며 제1 정류 영역(A) 및 제2 정류 영역(B)을 포함하고, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)은 하나 이상의 부분으로 설계되며 제1 정류 영역(C) 및 제2 정류 영역(D, D1, D2)을 포함하고,
    상기 공기 분리 플랜트(100, 200)는
    - 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)의 상기 제1 정류 영역(A)과 상기 제2 정류 영역(B) 사이에서, 아르곤이 풍부한 제1 전달 유체가 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)으로부터 제거되어 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C) 아래에서 제1 전달량으로 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b) 내로 공급되도록,
    - 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C) 아래에서, 아르곤이 고갈된 제2 전달 유체가 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)으로부터 제거되어 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b)의 상기 제1 정류 영역(A)과 상기 제2 정류 영역(B) 사이에서 제2 전달량으로 상기 저압 컬럼(12, 12a, 12b) 내로 공급되도록 구성되는, 상기 공기 분리 플랜트에 있어서,
    - 상기 공기 분리 플랜트(100, 200)는 제1 작동 모드 및 제2 작동 모드에서의 작동을 위해 구성되고,
    - 상기 공기 분리 플랜트(100, 200)는 상기 제2 작동 모드에서보다 더 큰 생성물 양으로 상기 제1 작동 모드에서 상기 공기 분리 플랜트(100, 200)로부터 질소 생성물을 방출하도록 구성되고,
    - 상기 공기 분리 플랜트(100, 200)는, 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)에서의 압력을, 상기 제1 작동 모드에서,
    - 상기 저압 컬럼(12, 12a)이 작동되는 압력 범위에 상응하는 압력 범위, 또는
    - 적어도 50 mbar, 적어도 100 mbar 및/또는 최대 700 mbar 또는 900 mbar 더 낮은 압력 범위로 조정하고,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 제1 작동 모드에서의 상기 아르곤 컬럼의 압력 범위보다 적어도 50 mbar, 적어도 100 mbar 및/또는 최대 700 mbar 또는 900 mbar 더 낮은 압력 범위로 조정하도록 구성되고,
    - 상기 정류 컬럼 배열(10)은 순수 산소 컬럼(14)을 포함하며, 상기 공기 분리 플랜트(100, 200)는, 상기 순수 산소 컬럼(14)에서의 압력을, 상기 제1 작동 모드에서,
    - 상기 저압 컬럼(12, 12a)이 작동되는 압력 범위에 상응하는 압력 범위, 또는
    - 적어도 50 mbar, 적어도 100 mbar 및/또는 최대 700 mbar 또는 900 mbar 더 낮은 압력 범위로 조정하고,
    상기 제2 작동 모드에서, 상기 제1 작동 모드에서의 상기 순수 산소 컬럼(14)의 압력 범위보다 적어도 100 mbar 및/또는 최대 700 mbar 또는 900 mbar 더 낮은 압력 범위로 조정하도록 구성되고, 상기 공기 분리 플랜트(100, 200)는 상기 순수 산소 컬럼(14)이 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C)과 상기 제2 정류 영역(D) 사이에서 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)으로부터 제거되는 복귀 유동으로서의 액체로 작동되고, 상기 순수 산소 컬럼(14)은 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b)의 상기 제1 정류 영역(C)과 상기 제2 정류 영역(D, D1, D2) 사이에서 상기 아르곤 컬럼(13a, 13b) 내로 공급되는 헤드 가스를 제거하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공기 분리 플랜트(100, 200).
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