KR910004123B1 - 변형된 단일 증류탑 질소 발생기를 이용한 공기분리 방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 질소 및 소량의 고순도 산소를 회수하기 위한, 본 발명의 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
제 2 도는 미합중국 특허 제 4,560,397호의 방법을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 가역 열교환기 및 액체 산소 생산이 포함되도록 약간 변형된 것이다.
본 발명은 공기를 고순도 산소 생성 스트림 및 고순도 질소 생성 스트림으로 분리하는 방법에 관한 것이다.
공기를 그의 주된 구성 성분들인 질소와 산소로 분리하기 위한 여러 방법들이 종래 기술에 공지되어 있으며 이용되어 왔다. 또한, 이와 같은 분리를 목적으로 종래 기술에서는 단일 압력 증류탑이 사용되어 온 것으로 알려져 있다.
미합중국 특허 제 2,627,731호는 공기를 산소와 질소로 정류하는 방법에 관한 것으로서, 그에 따르면 2개로 구분된 증류탑 또는 단일 증류탑을 선택적으로 사용하고 있으며, 공기는 열교환에 의해 냉각된후 곧바로 증류탑으로 유입된다. 질소 생성물이 탑 상부로부터 제거되고, 일부는 두 단계로 압축된다. 첫 번째 단계의 압축된 질소 스트림은 재순환되고, 환류에 의해 탑의 상부로 유입되기전에 간접적인 열교환에 의해 탑의 중간부분의 생성물을 재가열하여 응축시킨다. 두 번째 단계의 압축된 질소 스트림은 재순환되고 부분적으로 팽창되어 냉각된다. 이 팽창 스트림은 질소 생성라인으로 재순환된다. 두 번째 단계의 압축된 질소 스트림의 나머지 스트림은 탑의 바닥부분을 재가열한후 첫 번째 단계의 압축된 질소 스트림과 혼합되어 환류에 의해 탑의 상부로 공급된다.
미합중국 특허 제 2,982,108호는 산소 생성 공기분리계에 대하여 기술하고 있으며, 그에 따르면 중류탑으로부터 발생된 질소의 일부는 압축되어 탑의 고압부의 하부를 재가열한후 호나류에 의해 탑의 저압부로 유입된다. 공기 원료 스트림은 별개의 서브 스트림으로 탑의 고압부로 공급하고, 팽창된 상태로 탑의 저압부로 도입된다.
미합중국 특허 제 3,210,951호는 서로 다른 압력하에서 작동하며 2개의 리보일러/콘덴서가 장치된 제 1 및 제 2분별 증류탑을 이용하는 분별증류 사이클을 기술하고 있다. 리보일러/콘덴서가 모두 분별중류 단계들과 상호연결되어 있어서 정류 단계들간의 압력차를 최소화시키면서 필요한 만큼 재가열하고 환류하며, 아울러 분별증류 전체의 비가역성을 감소시킴으로써 고압단계가 실질적으로 감압하에서 수행되는 바 원하는 분리를 이룰 수 있다.
미합중국 특허 제 3,214,926호는 액체 산소 또는 액체 질소의 제조방법을 기술하고 있다. 그러나, 상기 특허에서는 액체 산소를 추출하기 위해 고압상태 증류탑과, 저압상태 증류탑등 2개의 증류탑을 필요로 한다.
미합중국 특허 제 3,217,502호는 단일 압력 증류탑을 이용하는 시스템에 관한 것으로서, 이와 같은 공기 분리계의 생성물은 기체 및 액체 질소이다. 상기 시스템으로부터 분리된 불순한 산소는 폐기물로서 방출된다. 상기 특허에서는 공기분리계를 냉각시키기 위해 산소 폐기물 스트림을 팽창시킨다.
미합중국 특허 제 3,277,655호는 미합중국 특허 제 3,210,951호에 기술된 분별법을 개선한 것으로서, 그에 따르면 저압탑의 저부 액체와 고압탑의 기체 물질사이에 위치하는 2개의 리보일러/콘덴서중 한 개에서 열교환이 일어남으로써 저압 탑으로부터 액체가 완전히 기화되고 그 결과 저압 탑의 리보일러 요구조건들이 만족된다. 또한 애고하된 기체물질이 고압탑으로부터 저압탑으로 유입될 경우 저압탑의 상부에서 환류비가 향상되어 분리효율이 증대되는 동시에 사이클에 들어가는 기체 혼합물의 압력을 낮출 수 있다.
미합중국 특허 제 3,327,489호는 고압 분별기내의 압력을 저하시키기 위해서 미합중국 특허 제 3,210,951호를 개선시킨 것으로서, 그에 따르면 원료 혼합물로 구성된 기체물질과 저압 분별기의 바닥에서 회수되는 다른 압력하에 놓인 액체성분 사이에서 열을 교환시킴으로써 전력이 감소되고 더불어 압력이 저하된다.
미합중국 특허 제 3,492,828호는 공기로부터 산소와 질소를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 그에따르면 질소 재순환 스트림은 증류탑 바닥에 위치한 리보일러 내에서 압축 및 응축한 후, 환류에 의해 증류탑으로 재유입된다. 질소 재순환 스트림의 일부는 팽창되고 그 결과 수득되 전력에 의해 재순환 주요 스트림이 압축된다.
미합중국 특허 제 3,731,495호는 터어빈을 통한 연소 기체에 의해 전력이 공급되는 공기원료 압축기를 사용하는 공기 분리계에 관하여 기술하고 있다. 상기 스팀의 보일러 스팀을 가열하여 압축기를 작동시킨다. 이때 발생되는 전기도 고려해야 한다. 또한, 상기 인용 문헌에서는 분리하고자 하는 공기의 기체 성분들을 각각 회수하기 위하여 각각의 압력하에서 2개의 분리탑을 사용하고 있다.
미합중국 특허 제 3,735,599호는 콘덴서-증발기 및 냉각기와 더불어 향류식 열교환기, 공기 액화기, 단일 탑 정류기로 구성된 공기 분리장치 제어시스템에 관한 것이다. 상기 장치에서는 공기가 향류식 열교환기내에서 냉각되고, 공기 정류기내에서 액화되며, 액화 공기는 단일 탑내에서 정류되어 산소 및 고순도 질소를 풍부하게 함유하는 액체 공기로 분리된다.
미합중국 특허 제 3,736,762호는 공기로부터 질소를 기체상태 및 액화된 상태로 분리하는 방법을 기술하고 있으며, 그에따르면 단일 증류탑이 탑의 바닥으로부터 운반된 불순한 산소를 재가열함으로써 작동되는 상부 콘덴서내에서 응축된 질소 생성물과 환류된다. 상부 콘덴서로 부터의 불순한 산소일부가 팽창되어 공정에 냉각을 제공한다.
미합중국 특허 제 3,754,406호는 순도가 낮은 산소의 제조 방법에 관한 것으로서, 인입 공기의 저압 스트림이 배출 기체 스트림에 대하여 냉각되고, 이어서 고압 증류탑내로 공급된다. 인입 공기의 고압 스트림은 매출 기체 스트림에 대하여 냉각되고 생성물 기화기내에서 비등하는 산소생성물에 대하여 부분적으로 응축된후, 기체 및 액체 스트림으로 분리된다. 상기 액체 스트림은 차냉각되어 저압 분별 증류탑내로 팽창된다. 냉각을 공급하기 위해 기체 스트림은 재가열 및 팽창된후, 저압 분별 증류탑내로 유입된다. 고압탑의 바닥으로부터 얻은 미정제 액체 산소를 냉각시키고, 저압 탑내로 유입시킨후, 고압탑으로부터 얻은 질소의 일부를 외부 리보일러 콘데서에서 액화시키는데 사용한다. 저압탑으로 부터의 액체 산소 생성물을 보다 높은 압력으로 끌어올린후 차 냉각기 및 생성물 기화기로 통과시킨다. 고압질소의 잔여분을 제 2의 외부 리보일러/콘덴서에서 액화시키고, 두탑에 대한 환류물로 사용한다. 폐기 처리할 질소 스트림은 저압 탑으로부터 제거한다.
미합중국 특허 제 4,222,756호에서는 2개의 가압 증류탑을 사용하고 가압탑의 두 부분을 질소-농후 스트림과 함께 환류시키는 방법에 대하여 기술하고 있다. 그에따르면 저압탑에는 압력 및 온도가 저하되도록 팽창시킨 고압탑으로 부터의 산소-농후 스트림을 공급한다.
미합중국 특허 제 4,224,045호는 2개의 탑 단위내에서 액화 공기를 증류하여 산소를 회수하는 방법에 관한 것으로서, 이때 질소 생성물 스트림을 이용하여 부분적으로 전력을 걸어준 기체 터어빈이 원료 공기를 압축시키는 에너지를 공급한다.
미합중국 특허 제 4,382,366호는 가압 상태의 거의 순수한 산소기체를 회수하기 위한 공기분리 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템에서는 단일 가압 증류탑을 사용하며, 질소-산소 폐기물 스트림을 연소시켜 공기 압축기, 산소 생성물 압축기 및 전기 발생들을 위한 전력을 제공한다. 증류탑은 환류와 재가열을 위해, 그리고 상기탑의 기체와 액체성분의 초기 분리를 위해 분리된 원료물을 갖고 있다.
미합중국 특허 제 4,400,188호는 단일 질소 재순환 스트림이 단일 원료 공기를 공급하는 증류탑을 환류시키는 질소 제조방법에 관한 것으로서, 탑으로 부터의 산소 폐기물이 팽창되어 필요한 만큼 냉각을 제공한다.
미합중국 특허 제 4,464,188호는 탑을 재가열하기 위해 2개의 질소 재순환 스트림 및 원료 공기사이드 스트림을 사용하여 정류탑내에서의 저온 증류에 의해 공기를 분리하는 방법 및 그 장치에 관하여 기술하고 있으며, 상기 질소 재순환 스트림들중 하나가 팽창되어 냉각을 제공하며 공기 원료사이드 스트림을 압축시키기 위한 전력을 제공한다.
미합중국 특허 제 4,464,191호는 2종의 비-응축성 기체드르이 혼합물을 준주변온도에 증류하기 위한 증류탑의 배열에 관한 것으로서, 그에따르면 액체를 교환해주는 2개의 탑을 배열하여 동일한 분리공정을 행하는 단일 탑에 비해 보다 작은 온도범위에서 소정의 분리를 얻을 수 있다. 상기 특허의 배열은 공기를 분리하여 중간순도(90-99%)의 산소 및/또는 질소를 회수하는데 있어서 특히 유용하다.
미합중국 특허 제 4,560,397호에서는 공기를 저온에서 정류하여 초고순도의 산소와 고압 상태의 질소를 회수하는 방법에 관하여 기술하고 있으며, 그에따르면 생성물 산소는 액체배수보다 높은 위치에서 제 2탑으로부터 회수되고 불순물들은 생성물 배출지점과 상당히 떨어진 위치의 탑으로부터 제거된다.
미합중국 특허 제 4,617,036호는 공기를 저온 증류하여 비교적 높은 압력하에서 질소를 대량으로 회수하는 방법에 관한 것으로서 그에따르면 감압하에 부리보일러내에서 산소 폐기물에 대해 질소 기체로 열교환해 줌으로써 질소 환류물의 일부가 증류된다.
미합중국 특허 제 4,617,037호는 공기를 압축시키고, 내부에 함유된 물 및 이산화탄소를 제거한 다음, 동시에 액화점 부근의 온도로 냉각시킴으로써 질소를 회수하는 방법에 관한 것이다. 수득한 세정된 냉각 공기는 정류용 정류탑내로 공급하여 정류탑 상부로부터 고순도의 질소를 제거하고 정류탑 저부로부터 산소-농후 액체 공기를 회수하여 팽창시킨후 응축단계로 보내어짐으로써 정류탑 환류물의 공급원 및 냉동 공급원이 된다. 상기 특허의 방법에서, 폐쇄 순환 사이클은 냉동을 추가로 공급한다.
미합중국 특허 제 4,655,809호에서는 가압 상태의 실질적으로 순수한 산소 기체를 회수하기 위한 공기 분리계에 관하여 기술하고 있다. 상기 계는 단일 압력 증류탑을 사용하며 질소 생성물 스트림을 이용하여 원료공기 압축, 분리된 가열 펌프유체 압축 및 전기발생용 전력을 제공한다. 상기 계는 탑 재가열 및 환류용 열교환을 제공하는 분리된 가열 펌프사이클을 이용한다.
미합중국 특허 제 4,662,916호 및 4,662,917호는 단일 탑내에서 저온 증류에 의해 공기를 분리하여 질소 생성물 및 산소-농후 생성물을 회수하는 방법을 변형시킨 것이다. 상기 방법에서는 질소 생성물의 적어도 일부가 압축 및 재순환되어 증류탑의 저부에서 재가열되고, 또 다른 일부는 탑의 상부로 환류된다. 또한, 압축된 공기 스트림의 일부가 팽창되어 일을 하며, 이는 재순환 질소 스트림을 압축시키기 위해 보조 압축기를 작동시킨다.
미합중국 특허 제 4,662,918호에서는 공기를 단일 탑내에서 저온 증류에 의해 분리하여 질소 생성물 및 산소-농후 생성물을 수득하는 방법에 관하여 기술하고 있으며, 그에 따르면 질소 생성물의 적어도 일부가 압축 및 재순환되어 증류탑의 저부에서 재가열되고 또 다른 일부는 탑의 상부로 환류된다. 또한, 압축된 질소 재순환 스트림의 일부는 팽창되어 일을 제공한다.
미합중국 특허 제 4,702,757호는 고압 및 저압의 증류탑을 사용하며 산소-농후 공기 생성물을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 원료 공기가 두 개의 서로 다른 압력하에서 주열교환기로 공급된다. 주 교환기로 부터의 고압 원료 공기는 고압 공기의 일부를 저압탑의 중간지점으로 유입하기전에 그 일부를 팽창시킴으로써 냉각을 제공하고, 상기 스트림을 고압탑에 대한 환류물로 이용하기전에 산소 농후 공기 생성물을 기화시킨다. 주 열교환기로 부터의 저압 원료 공기는 부분적으로 응축되어 저압탑내에서 재가열되고 이어서 고압탑으로 이동된다. 고압탑 콘덴서는 저압탑내에서 중간생성된 액체를 재가열하는데 사용된다.
미합중국 특허 제 4,704,147호는 산소-풍부 공기 생성물의 회수 방법에 관한 것으로서, 원료 공기는 2가지 압력하에서 주 열교환기로 공급되다. 주 교환기로 부터의 고압 원료 공기는 부분적으로 응축되어 산소-풍부 공기 생성물을 기화시킨다. 상기 부분적으로 응축된 원료공기는 냉동을 제공하기 위해 가온되고 팽창된 기체상과 분리된후 저압 분별부로 유입되며, 액체상은 이중 증류탑의 고압 및 저압분별부를 모두 환류시킨다. 주 열교환기로 부터의 저압원료 공기는 고압분별부로 이동된다. 고압 분별부 콘덴서를 사용하여 저압분별 부에 대한 재가열을 공급한다.
미합중국 특허 제 4,704,148호에서는 고압 및 저압 증류탑을 이용하여 공기를 저순도 산소와 질소 폐기물 스트림으로 분리하는 방법에 관하여 기술하고 있으며, 그에따르면 주 열교환기의 냉각 말단부로 부터의 원료 공기를 이용하여 저압 증류탑을 재가열하고 저순도 산소 생성물을 기화시킨다. 탑 재가열 및 생성물 기화에 사용되는 열은 원료 공기를 적어도 3개의 사이드 스트림으로 나눔으로써 제공된다. 사이드 스트림들중 하나는 전체적으로 응축되어 저압 및 고압 증류탑 둘다로 환류되고 바람직하기로는 산소 기화기로 공급되는 사이드 스트림이 되며, 반면에 두 번째 사이드 스트림은 부분적으로 응축된 사이드 스트림 증기와 더불어 부분적으로 응축되어 고압 증류탑의 하부로 유입되고, 액체상은 저압탑으로 환류된다. 세 번째 사이드 스트림은 팽창되어 냉각을 회수한후, 탑 공급물로서 저압탑으로 유입된다. 또한, 고압탑 콘덴서는 저압탑내에서 중간 리보일러로서 사용된다.
본 발명은 단일 저온 증류탑을 이용하여 질소를 회수하는 질소 생성 방법을 개량한 것으로서, 상기 방법의 냉각은 폐기물 팽창기 또는 공기 팽창기에 의해 공급된다. 기본적으로, 개선점은 제 2증류탑을 소량의 고순도 산소를 제조하기 위한 공정에 포함시킨 것이다. 제 2탑을 사용하여 상기 공정을 수행할 때에는 콘덴서 상부의 질소 발생탑의 윤활유통으로부터 산소-농후 액체의 일부를 제거하여 제 2탑의 상부로 유입시킨다. 상기 제 2탑의 재가열 기능은 제 2탑의 바닥에 위치한 리봉이러/콘덴서 내의 질소 발생탑으로부터 상부의 질소 일부를 응축시킴으로서 수행된다. 제 2탑의 바닥에 위치한 리보일러/콘덴서로부터 응축된 액체 질소의 최소한 일부를 질소 발생탑으로 환류시킨다. 특정한 작동 방식하에서 상기 액체 질소의 일부가 공정으로부터 회수되어 액체 질소 생성물로서 저장된다. 공동-생성물인 고순도 산소는 제 2탑내의 리보일러/콘덴서 상부 및/도는 하부 위치에서 제 2탑으로부터 회수된다.
상기 고순도 산소 공동-생성물은 통상적으로 추가의 작동 전력이나 공기 공급물이 없어도 질소 발생공정에서 대기로 방출되는 폐기물 스트림으로부터 회수된다.
대부분의 경우, 소량의 고순도 산소를 공급하기 위하여 질소가 필요하다. 통상적으로, 산소에 대한 요구량이 지나치게 큰 경우에는 기화된 액체 산소로부터 경제적으로 공급될 수 없고, 한편, 지나치게 작은 경우에는 별도의 저온사소 발생기 설치가 곤란하다. 상당한 전력 및 투자설비 없이도 소량의 고순도 산소를 생산할 수 있도록 변형된 질소 발생기는 이러한 용도에 매우 바람직하며, 본 발명은 이러한 문제점의 해결책이다.
본 발명의 종래의 지온 단일 증류탑 질소 발생기를 이용하여 질소 발생 공기분리 방법을 개선한 것으로서, 공정에 대한 냉각은 폐기물 팽창기 또는 공기 팽창기에 의해 제공된다. 질소 발생 공기 분리방법은 저온증류에 의해 공기를 분리하여 1개 이상의 질소 생성물 스트림을 생성시키고, 통상적으로 공기중의 산소성분은 폐기물 스트림으로서 제거하는 방법이다. 질소 발생 공기 분리 방법의 예는 미합중국 특허 제 3,217,502; 3,735,599; 3,736,762 및 4,617,037호에 기술되어 있으며; 참고로 이들 특허를 본 명세서에 인용한다. 기본적으로, 개선점은 제 2의 산소탑을 질소 발생 공정에 통합시켜 고순도의 산소를 공동-생성물로 수득하는 것이다. 상기 고순도의 산소 공동-생성물은 질소 발생 공정으로부터 제거되는 폐기물 스트림으로 회수되며, 이 스트림은 통상적으로 대기로 방출된다. 이때 산소는 추가의 작동 전력 또는 공기 공급물이 없이도 생산된다. 본 발명에 따른 방법은 고압상태로 질소를 생성시키므로 대부분의 사용 용도에 있어서 질소생성물을 압축시킬 필요가 없게된다.
고순도의 산소 공동-생성물을 제조하기 위해서 질소 발생탑 상부 콘덴서의 폐기물회수통으로부터 산소-농후 액체의 일부를 제 2탑의 상부 위치로 유입시킨다.
제 2탑의 바닥에 위치한 리보일러/콘덴서에서 질소 발생탑으로부터 상부 질소의 일부를 응축시킴으로써 제 2탑을 재가열한다. 응축된 질소 액체는 질소 발생탑으로 환류되고 공정에 따라서 액체 질소의 일부를 액체 질소 생성물로서 공정으로부터 제거할 수 있다.
회수 가능한 산소의 한계량은 공정에 따른 전체적인 냉각요인들에 의해 좌우된다. 제 2탑으로의 원료 공급량을 증가시킬수록 팽창 터어빈에 공급되는 리보일러/콘덴서로 부터의 비등 증기량이 감소된다. 다량의 액체 질소 및/또는 산소를 회수하려면 많은량의 팽창물이 유출되어야하며, 따라서 제 2탑에서 활용할 수 있는 원료의 양을 제한한다. 질소 회수, 산소 순도 및 작동 압력은 팽창 터어빈에 대한 유출요건에 영향을 미치며, 그 결과 제 2탑에서 이용할 수 있는 원료를 변화시켜 산소회수율에 영향을 준다.
산소 회수율은 또한 이하의 변형 방법들중 하나에 의해서도 증가 된다. (1) 외부 공급원으로부터의 액체 질소를 환류에 의해 주 증류탑으로 공급함으로써 부가적인 냉각을 공정에 제공한다. 이와 가이 부가적인 외부 냉각은 팽창 터어빈이 요구하는 유출을 저하시키므로 제 2탑에서 활용할 수 있는 흐름을 증가시킨다. (2) 팽창 터어빈을 이용하여 폐기물로서 방출되기전에 제 2탑 상부의 압력을 저하시키는 팽창 밸브 대신 팽창 터어빈을 이용할 수 있다. 이와 같은 제 2탑 상부 스트림(똔느 최소한 그의 일부)을 팽창시킴으로써 공정에 또 다른 냉각을 제공하게되며, 그리하여 제 2탑에서 활용할 수 있는 유출이 증가된다.
단일 저온 증류탑을 이용하는 질소 발생 공정계에 관하여, 지금까지 기술하였으나, 본 발명은 또한 이중저온 증류탑을 이용하는 질소 발생계에 대하여서도 적용된다. 이중 탑 질소 발생기의 예는 미합중국 특허 제 4,222,756호; 제 4,453,957호 및 제 4,617,036호에 기술되어 있으며, 이들 특허는 본 명세서에서 참고로 인용된다. 이중탑계에 적용되는 본 발명 방법의 공정에 있어서, 제 2탑으로의 액체 공급물은 주 리보일러/콘덴서 스페이스로부터 또는, 상부 리보일러/콘덴서를 사용하는 경우에 있어서는 이들로부터 유출된다.
첨부하는 도면 제 1 도는 최고 압력하에서 질소 및 산소를 회수하는 단일 증류탑을 이용하는 공정의 바람직한 예를 도시한 것이다. 제 1 도에 대하여 설명하면, 여과된 공기를 라인(1)을 거쳐서 압축기(3)으로 공급한후 고압으로 압축시킨다. 상기 여과 및 압축된 공기는 이어서 냉각수 온도로 냉각된후, 라인(5)를 거쳐서 주 열교화기(7) 및 (9)로 유입된다(상기 냉각 단계는 도시되어 있지 않음). 주 교환기(7) 및 (9)에서 간접적인 열 교한을 이용하여 공기를 이슬점 가까이로 냉각시키면서 생성물과 폐기물 스트림을 귀환시킨다. 열교환기(7) 및 (9)는 물 및 이산화탄소를 제거할 수 있는 가역 열교환기이거나, 또는 프론트엔드 흡착계를 이용하여 물 및 이산화탄소 불순물을 제거하고자하는 경우에 있어서는 비-가역 열교환기일 수 있다. 냉각된 공기는 라인(11)을 거쳐서 질소 발생탑(13)으로 유입되며, 그곳에서 상부에는 고순도 질소 및 하부에는 산소-농후 액체로 분리된다.
상부 질소의 일부가 라인(44)를 거쳐서 질소 발생탑(13)으로부터 제거되어 상부 응축기(43)으로 도입된 후, 그곳에서 응축되어 라인(45)를 거쳐서 제거된다. 나머지 상부 질소는 라인(51)을 거쳐서 질소 발생탑(13)으로부터 제거된다. 상기 질소 스트림은 2개의 사이드 스트림인 라인(53) 및 (181)로 각각 나뉜다. 첫 번째 사이드 스트림(53)은 제 2탑(39)의 바닥에 위치한 리보일러/콘덴서(55)로 도입되고, 그 곳에서 응축된 후 라인(57)을 거쳐서 액체 질소 상태로 제거된다. 라인(45)와 (57)의 액체 질소를 혼합하고, 혼합한 액체 질소의 일부는 라인(61)을 거쳐서 액체 질소를 생성물로서 회수되고 ; 나머지는 환류물로서 질소 발생탑(13)의 상부류 유입된다. 두 번째 사이드 스트림(81)은 열교환기(19), (9) 및 (7)에서 열 교환되어 재생을 위해 회수되며 라인(83)을 거쳐서 공정으로부터 기체 질소생성물로서 제거된다.
소량의 공기 부유입물이 라인(17)을 거쳐서 질소 발생탑(13)으로부터 회수되어 열교환기(슈퍼히터)(19)에서 응축된다. 이제 라인(21)에 위치하게된 상기 응축된 부유입물은 질소 발생탑(13)의 저부로부터 수득한 라인(15)내의 미정재액체 산소와 혼합된다. 상기 혼합된 라인(23)의 스트림은 열교한기(19)에서 차냉각되고, 밸브(25)에서 플래시된후 라인(27)을 거쳐서 질소 발생탑(13)의 상부 스페이스(29)로 유입된다.
상부 스페이스(29)내의 산소-농후 액체의 일부를 라인(33)을 거쳐 제거하고, 밸브(35)에서 플래시한후 라인(37)을 거쳐서 제 2탑(39)의 상부로 유입하다. 상부 스페이스(29)의 나머지 산소-농후 액체를 리보일러/콘덴서(43)에서 응축시켜 기화시키고, 라인(93)을 거쳐서 탑(13)으로부터 제거한다. 상기 스트림(93)을 슈퍼히터(19)내에서 부분적으로 가온시킨다. 이제 라인(95)에 위치하게된 가온시킨 스트림은 2개의 사이드 스트림인 라인(97) 및 (101)로 각각 나뉜다. 사이드 스트림(97)은 밸브(99)를 거쳐 통과하여 열교환기(9)를 경유하며, 열교환기(9)에서 가온된 사이드 스트림(101)과 다시 혼합된다. 이제 라인(103)에 위치하게된 상기 재혼합 스트림은 2부분으로 나뉘어 첫번째 부분(105)은 팽창기(107)에서 팽창되어 스트림(109)를 형성하고, 두번째 부분(111)은 밸브(113)에서 팽창되며 스트림(111)을 흐르는 물질의 양은 공정에 의해 회수되는 산소의 양에 역비례한다. 이들 팽창된 부분인 라인(109) 및 (115)는 라인(91)을 거쳐서 제 2탑(39)로부터의 상부에서 혼합되고, 이어서 감압밸브(92)(이 밸브는 또한 도면내에 나타내지는 않으나 팽창 터어빈일 수도 있으며, 따라서 공정에서 활용할 수 있는 냉각량을 증가시킨다)를 통과함으로서 혼합 스트림(117)을 형성한다. 상기 혼합 스트림(117)은 열교환기(19), (9) 및 (7)에서 가온되고, 라인(119)를 거쳐서 공정으로부터 폐기물 스트림으로 제거된다.
제 2탑의 상부, 라인(37)로의 원료는 제 2탑(39)에서 분리되어 고순도 산소가 생성되고, 이어서 탑(39)의 바닥(71)으로부터 라인(73)을 거치는 액체 산소 생성물로서는 물론 라인(75)를 거치는 기체 생성물로서 제거된다. 이어서 기체 생성물을 열교환기(19), (9) 및 (7)에서 가온시켜 재생을 위해 회수한후, 라인(77)을 거쳐 공정으로부터 산소 생성물로서 제거한다.
전술한 바와 같이, 저온에서 동결되는 물, 이산호탄소 및 기타 다른 불순물들을 가역 열교환기를 사용하거나 또는 프론트엔드 분자체 흡착계를 사용하여 제거할 수 있다. 상기 분자체계 및 가역 열교환계 모두가 상술한 공정에서 저온에서 동결되는 불순물들을 적당히 제거한다. 그런, 이들계중 어느것도 나머지 다른 것보다 현저하게 유리하지는 못하다.
제 2탑을 이용하여 질소 발생 공정으로부터 산소를 회수하는 방법은 오늘날 시행되고 있는 어떠한 질소 발생 공정에 대하여서도 응용할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 많은 잇점들을 제공하며, 예로서 다음과 같은 것들을 들 수 있다. 본 발명의 방법은 산소를 회수하기 위한 제 2의 저온 공기 분리 플랜트에 대한 요구 또는 질소 플랜트가 필요한 것에 액체 산소를 운반할 필요성이 없다. 본 발명은 고압 상태에서 일차 생성물로서 고순도의 질소를 수득한 단일 저온 공정으로부터 소량의 고순도 산소의 회수를 가능케한다. 질소 생성물은 고압(실질적으로 주 탑의 압력)하에서 생성되어 많은 용도에 있어서 질소 생성물을 압축시켜야 하는 필요성을 배제시키며, 이와 같은 질소 압축 필요성의 배제가 낮은 압력에서 질소를 회수하는 종래의 저압 산소 발생기와 비교하여 주된 잇점이다. 산소 압력 또한 고압(종래의 소규모 산소 플랜트 공정과 비교하여)이며, 그로부터 산소 압축 비용을 절감할 수 있다. 이와 같은 공정으로부터 플랜트에 연료가 남아있는 동안 차후에 사용할 목적으로 저장할 수 있는 액체 산소 생성물이 수득된다. 본 발명은 또한 산소가 필요치 않을 경우 산소 설비를 공정으로부터 철수시키고, 종래의 발생기에서와 같이 작동시킬 수 있는 잇점도 갖는다. 덧붙여, 본 발명의 방법은 고순도 산소가 요구되지 않는 용도들에 있어서는 낮은 순도의 산소 생성물이 회수되도록 작동될 수도 있다.
본 발명의 효과를 입증하고, 아울러 가장 널리 이용되고 있는 종래 기술과 비교하기 위한 목적으로 이하에는 실시예들(컴퓨터 시뮬레이션)을 기술한다.
[실시예 1]
제 1 도에 도시한 본 발명 공정을 컴퓨터 시뮬레이션하여 최대량의 산소 생성물을 수득하였으며, 선별된 스트림들에 대한 공정 조건과 스트림 흐름 및 그 조성을 이하의 표 Ⅰ에 나타낸다.
[표 1]
본 발명에 의한 방법의 선별된 스트림들에 대한 물질균형 및 공정조건
[실시예 2]
본 발명과 가장 유사한 종래 기술의 방법을 비교하기 위한 목적으로 제 2도에 도시한 미합중국 특히 제 4,560,397호의 방법을 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 최대량의 산소 생성물을 회수하였다. 상기 미합중국 특허 제 4,560,397호의 방법은 가역 열 교환방식 및 액체 산소 생산에 적합하도록 약간 변형된 것이다. 기본적으로, 미합중국 특허 제4,560,397호의 방법은 여러 핵심적인 구성들을 제외하고는 본 발명의 방법과 유사하며, 다음과 같은 점들에 있어서 차이가 있다.
제 2도를 참고로하여 설명하면, 산소-농후 스트림(23)이 2부분으로 나뉘어 밸브(25)에서 플래쉬 처리된다. 첫번째 부분은 라인(127)을 거쳐서 상부 스페이스(29)로 유입되고, 라인(133)에 위치한 두번째 부분은 밸브(35)에서 플래쉬되어 라인(37)을 거쳐서 제 2탑(39)로 유입된다. 또한, 액체 세정 스트림은 라인(120)을 거쳐서 상부 스페이스(29)로부터 방출된다. 나머지 스트림들은 제 1도에서와 동일하며, 부여된 번호들도 동일하다. 하기의 표Ⅱ에는 선별된 스트림들에 대한 공정 조건들과 스트림 흐름 및 그 조성을 나타낸다.
[표 2]
종래기술에 의한 방법(미합중국 특허 제 4,560,397)선별된 스트림들에 대한 물질균형 및 공정조건
상기 표로부터 알수 있는 바와 같이, 미합중국 특허 제 4,560,397호에 기술된 유사한 방법은 저온 공기 분리공정으로부터 고순도의 질소 및 산도 둘다를 회수한다. 상기 방법은 제 2탑과 함께 단일 탑 질소 발생 주기를 이용하여 초고순도의 산소를 생산한다. 상기 방법과 본 발명의 방법간에는 많은 유사점들이 있으나, 또한 상당한 차이점들도 있다.
본 발명에 따른 방법은 주탑의 바닥으로부터의 모든 액체를 상부 리보일러/콘덴서까지 공급하며, 이어서 리보일러/콘덴서로부터의 액체를 제 2탑으로 공급한다. 이와 같은 추가 단계는 제 2탑으로의 공급을 원활하게 하고, 필요한 이론적인 증류단계들의 수를 감소시키거나 또는 동일한 수의 증류 단계들을 거치는 생성물의 회수율을 증대시킨다. 상기 특허 제 4,560,397호에서는 리보일러/콘덴서와 제 2탑 사이의 주탑의 하부로부터 액체를 나누며, 이는 리보일러/콘덴서에서의 산소 확보에 별다른 이득을 제공하지 않는다.
또한, 리보일러/콘덴서로부터 제 2탑으로의 공급은 미합중국 특허 제 4,560,397호 방법의 리보일러/콘덴서내의 액상(약 39% N2)에 비해 액상 질소가 보다 농후(약 56% N2)하도록 한다. 이와 같은 질소의 보다 높은 농도는 리보일러/콘덴서로 하여금 보다 높은 압력에서 작동되도록하며, 따라서 팽창 터어빈으로 보다 높은 공급 압력을 제공한다. 상기 보다 높은 압력은 액체 생성에 활용가능한 보다 많은 냉동을 제공한다. 또한 고정된 냉동 부하에 있어서, 이와 같이 보다 높은 압력은 팽창 흐름을 감소시키고, 제 2탑에서 활용할 수 있는 흐름을 증가시키며, 그 결과 산소 회수가 증대된다.
미합중국 특허 제 4,560,397호에 자체적으로 묘사된 내용들과의 또 다른 차이점은 제탑의 바닥으로부터 주탑상의 리보일러/콘덴서로 액체 일부를 환원시키는 기계 펌프의 사용이다. 본 발명에서 제안된 방법은 제 2탑의 하부로부터 액체 산소 스트림을 연속적으로 히수하는 기계펌프를 사용하지 않는다. 상기 스트림을 액체 산소로 저장하거나 기화시켜 기체 생성물로 사용할 수 있다. 이와 같이 펌프를 사용하지 않음으로써 펌프와 관련된 설비가 필요치 않게되며 공정의 전체적인 신뢰성 및 효율이 향상된다.
이와 같은 차이점들로부터 2가지 공정들에 의해 회수할 수 있는 산소 생성물의 회수량에 있어서 결정적인 차이가 초래된다. 본 발명의 방법은 최대량의 산소 생산 방식으로 작동시킬 경우 공정에 도입되는 매 100lb-몰의 공기에 대하여 7.8lb-몰의 고순도 기체 산소 및 0.2lb-몰의 고순도 액체 산소를 생산한다. 다른 한편으로, 미합중국특허 제 4,560,397호의 방법은 최대량의 산소 생산방식으로 작동시킬 경우, 공정에 도입되는 매 100lb-몰의 공기에 대하여 단지 5.75lb-몰의 고순도 기체 산소 및 0.2lb-몰의 고순도 액체 산소만을 생산한다. 즉, 본 발명 공정에 의해 생산할 수 있는 고순도 산소의 양이 34%이상이며, 이는 공정에 유입되는 공기를 증가시키거나, 질소 생성물의 양을 감소시키거나 또는 공정을 수행하는데 필요한 에너지를 증가시키지 않는 상태에서 34% 증가를 의미한다. 이와 같은 차이는 당해 발명이 속하는 기술분야에 있어서 현저히 개선을 의미한다.
지금까지 본 발명의 그의 특정한 실시태양들을 들어 기술하였으나, 이들 실시태양 및 그를 지지하는 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구의 범위내에 의해 설정된다는 것을 밝혀두는 바이다.
Claims (2)
- 저온 단일 증류탑질소(질소 발생기 ) 및 냉동을 제공하기 위한 폐기물 팽창기 또는 공기 팽창기를 이용하며, 상기 저온 단일 증류탑이 상부 콘덴서 및 상부 콘덴서 주변에 폐기물 회수통을 갖는 질소 발생 공기 분리 방법에 있어서, (a) 상기 분리 공정에 제 2의 증류탑을 결합시키고; (b) 질소 발생탑 상부 콘덴서의 폐기물 회수통으로부터 산소-농후 액체의 일부를 제거하여, 이 산소-농후 액체를 제 2탑의 상수 지점으로 공급하고; (c) 제 2탑의 하부에 위치한 리보일러/콘덴서에서 질소 발생탑 상부로 부터의 질소의 일부를 응축시킴으로서 제 2탑을 재가열하고; (d) 제 2탑의 하부에 위치한 리보일러/콘덴서로부터 응축된 질소 액체의 적어도 일부를 이용하여 질소 발생탑으로 환류시키고; (e) 제 2탑으로부터 고순도의 산소 공동-생성물을 회수하는 것을 포함하며, 상기 질소 발생공정에서 주로 대기로 방출되는 폐기물 스트림으로부터 고순도의 산소 공동-생성물을 회수하고, 이와 같은 공정을 추가의 작동 전력이나 또는 공기의 공급없이 수행함으로서 고순도 산소-공동 생성물을 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 제 2증류탑 상부 생성물중 적어도 일부를 폐기물로서 제거하기전에 팽창시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
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