KR960004311B1 - 정제 아르곤을 제조하기 위한 저온 정류 방법 - Google Patents

정제 아르곤을 제조하기 위한 저온 정류 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

정제 아르곤을 제조하기 위한 저온 정류 방법
제1도는 본 발명의 한 바람직한 구체예의 개략적인 흐름도.
제2도는 본 발명의 다른 바람직한 구체예의 간단한 부분적인 개략적 흐름도.
제3도는 종래의 저압 컬럼의 한 전형적인 실예에서 성분 농축 프로필을 보여주는 그래프도.
제3a도는 제3도의 일부분의 확대도.
제4도는 본 발명의 실시에 사용된 저압 컬럼의 한 전형적인 실예에서 성분 농축 프로필을 보여주는 그래프도.
제4a도는 제4도의 일부분의 확대도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
5 : 공기 스트림 20,76 : 잉여 스트림
22 : 아르곤 컬럼 공급 24 : 산소 부화 액체
50,53,55 : 열교환기 51 : 고압 컬럼
52 : 터보 팽창기 54 : 저압 컬럼
56 : 아르곤 컬럼 상부 콘덴서 57 : 재비등기
58 : 아르곤 컬럼 71 : 질소 부화 액체
101 : 액체 산소 스트림 210,224 : 공급 공기
254 : 산소 생성물 스트림 505 : 질소 생성물 스트림
10,12,14,16,17,23,70,72,73,74,100,107,108,119,205,213,225,508 : 스트림
본 발명은 일반적으로 저온 정류에 관한 것으로, 보다 구체적으로 아르곤 제조를 위한 저온 정류에 관한 것이다.
약 98% 또는 그 이하의 아르곤 농도를 가지는 미정제 아르곤은 공기의 저온 정류에 의해 제조된다. 아르곤은 1% 미만의 공기를 포함한다. 전형적으로, 공기는 서로 열교환 관계에 있는 고압 컬럼과 저압 컬럼으로 이루어지는 2중 컬럼 시스템의 사용에 의하여 산소와 질소로 분리된다. 아르곤의 농축이 최대로 진행되는 저압컬럼에서 또는 저압 컬럼과 가까운 지점에서, 스트림은 저압 컬럼으로부터 회수되어 아르곤 컬럼으로 통과되어 미정제 아르곤이 정류된다. 아르곤 컬럼 공급 스트림의 아르곤 농도는 약 7 내지 12%이어서, 효과적인 아르곤 회수는 아르곤 컬럼 시스템을 사용하여 얻을 수 있다. 아르곤 컬럼 공급 스트림의 나머지는 산소와 질소이다.
아르곤 컬럼에서 공급은 저온 정류에 의해 분리된다. 덜 휘발성 성분인 산소는 컬럼의 바닥에서 농축되고, 보다 휘발성인 아르곤은 컬럼의 상부에서 농축된다. 아르곤 보다 훨씬 더 휘발성인 질소는 아르곤과 함께 농축된다.
컬럼의 상부로부터, 일반적으로 약 95 내지 98%의 아르곤을 포함하고 있는 미정제 아르곤 스트림은, 고도로 순수한 또는 정제된 아르곤을 제조하기 위한 추가 처리를 위해 회수된다. 미정제 아르곤 스트림의 나머지는 산소와 질소로 구성된다.
산소는, 산소를 수소와 혼합하여 이 혼합물을 수소와 산소가 반응하여 물을 형성하는 촉매적 수소화 장치를 통과시킴에 의해 미정제 아르곤 스트림으로부터 회수된다. 그런 다음 스트림은 건조기를 통과하여 물이 제거된다. 또는 달리, 산소는 미정제 아르곤 스트림으로부터, 역학적 흡수에 의해, 그로써 촉매적 수소화 및 관련된 수소 필요 조건에 대한 필요를 감소 또는 제거함으로써도 제조될 수 있다.
일단 산소가 미정제 아르곤 스트림으로부터 제거되면, 질소는 저온 증류에 의해 아르곤으로부터 분리된다. 그 결과 생성되는, 대체로 2ppm 미만의 산소 농도와 2ppm 미만의 질소 농도를 가지는 고순도의 또는 정제된 아르곤이 상업적으로 쓸모가 있다.
아르곤 컬럼 시스템으로부터 회수 가능한 미정제 아르곤으로부터 정제된 아르곤을 제조하는 자본 및 조작 비용은 상당하며, 따라서 정제된 아르곤을 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 회수할 수 있는 시스템이 요망된다.
아르곤 컬럼에서 아르곤과 산소를 분리하는 것은, 충분한 평형단(stage)이 아르곤 컬럼내에 도입되기만 한다면, 반드시 완전하게 이루어진다. 일반적으로 아르곤 컬럼에서 상기 목적을 위해서는 최소한 150의 평형단이 필요하다.
이러한 상황에서 아르곤 컬럼 공급중의 모든 산소는 본질적으로 아르곤으로부터 분리되며 미정제 아르곤은 실제로 산소를 함유하지 않는 컬럼의 상부로부터 회수된다. 그러나, 이들 성분들의 상대적인 휘발성 때문에, 질소는 아르곤과 함께 회수되며, 그로써 미정제 아르곤 스트림을 정제된 아르곤으로 처리하기 위해서 별도의 질소 제거 단계가 여전히 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 아르곤 컬럼 시스템으로부터 질소가 없는 아르곤을 직접 회수하는 것을 가능하게 하는 저온 정류 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 아르곤 컬럼 시스템으로부터 정제된 아르곤을 회수하는 것을 가능하게 해주는 저온 정류법을 제공하는 것이다.
상기 및 기타의 목적들은 본 발명의 내용을 판독함에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자들에게 명백히 드러날 것이다.
본 발명의 질소-유리 아르곤의 제조 방법은 다음 단계들로 이루어진다.
(A) 아르곤, 질소 및 산소를 포함하고 있는 공급 스트림을, 고압 컬럼과 저압 컬럼으로 이루어지는 2중컬럼에서 저온 증류에 의해 분리하는 단계 ;
(B) 저압 칼럼으로부터 유체 스트림을 회수하여 이 스트림을 아르곤 공급 스트림으로서 아르곤 컬럼 시스템안으로 통과시키는 단계 ;
(C) 아르곤 컬럼 공급이 저압 컬럼으로부터 회수되는 지점 위에서 팩킹으로 이루어지는 평형단을 충분히 가지고 있는 저압 컬럼을 작동시켜서, 저압 컬럼으로부터의 아르곤 컬럼 공급의 회수가 저압 컬럼내의 아르곤 농도가 최대이고 아르곤 컬럼 공급내의 질소 농도가 50ppm 미만인 지점보다 최소한 5 평형단 아래에서 일어나도록 하는 단계 ; 그리고
(D) 아르곤 컬럼 시스템으로부터 함유하고 있는 질소 농도가 10ppm을 초과하지 않는 아르곤을 직접 회수하는 단계.
본원에 사용된 용어 ''컬럼''은 증류 또는 분류 컬럼 또는 조운, 즉, 액체와 증기상이, 유체 혼합물의 분리를 실현시키기 위해 예컨대, 컬럼내에 장착된 수직 배열의 트레이 또는 플레이트의 시리즈상에서 및/또는 팩킹 엘레먼트상에서 접촉함에 의해 환류 접촉되는 접촉 컬럼 또는 조운을 의미한다. 증류 컬럼에 대한 추가의 논의는 참고 문헌을 참고한다.[Chemical Engineers' Handbook. 5th Ed, by R.H. Perry & C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Section 13, "Distillation" B.D.Smith et al, pp13-3, The Continuous Distillation Process.]용어 이중 컬럼은 저압 컬럼의 하단부와 열교환 관계에 있는 상단부를 가지고 있는 고압 컬럼을 의미한다. 이중 컬럼에 대한 추가의 논의는 참고 문헌을 참조한다[Ruheman, "The Separation of Gases" Oxford University Press, 1949, Chapter Ⅶ, Commercial Air Separation].
증기와 액체 접촉 분리 공정은 성분들의 증기압차에 좌우된다. 고증기압(또는 보다 휘발성 또는 저비등점) 성분은 증기상에서 농축되려는 경향이 있는 한편, 저증기압(또는 덜 휘발성 또는 고비등점) 성분은 액체상에서 농축되려는 경향이 있다. 증류는 그것으로써 액체 혼합물의 가열이 증기상에 휘발성 성분을 농축시키는데 사용되어 액체상에는 덜 휘발성 성분들이 있도록 하는 분리 공정이다. 부분적인 축합도 분리 공정인데, 이것으로써 증기 혼합물의 냉각이 휘발성 성분을 증기상에 농축시키는데 사용되어 액체상에는 덜 휘발성 성분(들)이 있게 된다. 정류, 또는 연속 증류는 증기와 액체상들의 환류 처리에 의해 얻어지는 바 연속적인 부분 증기화 및 축합을 조합하는 분리 공정이다. 증기상과 액체상의 향류 접촉은 단열성이고, 상들간의 통합 또는 차등 접촉을 포함할 수 있다. 혼합물을 분리하기 위해 정류의 원리를 이용하는 분리공정 배열은 때로 정류 컬럼, 증류 컬럼 또는 분류 컬럼으로도 사용된다.
본원에서 사용된 용어 "간접 열교환"은 2가지 유체 스트림을 유체 상호간의 물리적 접촉 또는 중간 혼합없이 열교환 관계로 가져간다는 것을 의미한다.
본원에 사용된 바 "팩킹"은 증기상과 액체상의 향류 흐름중에 액체-증기 계면에서 질량이동을 가능하게 하기 위해 액체에 대한 표면적을 제공하기 위하여 컬럼 내재물로서 사용된 예정된 구조, 크기 및 형태의 모든 고체 또는 중공체를 의미한다.
"구조적 팩킹"이란 개개의 구성원이 상호 및 컬럼축에 대하여 특정 배향을 가지고 있는 팩킹을 의미한다.
"랜덤 팩킹"은 개개의 구성원이 상호 및 컬럼축에 대하여 특정 배향을 가지고 있지 않은 팩킹을 의미한다.
"아르곤 컬럼 시스템"이란 아르곤을 포함하는 공급을 가지며 공급의 농도를 초과하는 아르곤 농도를 가지고 있는 생성물을 생성하는 상부 콘덴서와 컬럼으로 이루어지는 시스템을 말한다.
본원에 사용된 "상부 콘덴서"란 아르곤 컬럼의 상부로부터 발생하는 증기를 액화시키기 의해 사용된 열이동장치이다.
"평형단"이란 배출되는 증기와 액체 스트림이 평형이 되도록 하는 증기와 액체사이의 접촉 공정을 의미한다.
본 발명은 일반적으로 저압 컬럼에 있는 질소로부터 아르곤을 추가로 분리함으로써 아르곤 컬럼 공급 스트림의 질소 농도를 감소시키는 한편, 스트림의 아르곤 농도는 유의할 만하게 감소시키지 않는 방식으로, 아르곤 컬럼 공급지점 위에 규정된 평형단을 첨가함에 의해 2중 컬럼 시스템의 종래 저압 컬럼을 변형시킨 것을 포함한다.
제1도를 참조하면, 세정되고 압축된 공급 공기(210)가 복귀 스트림과 간접 열교환에 의해 열교환기(50)를 통과함에 의해 냉각되고, 그결과 냉각된 스트림(213)은 이중 컬럼 시스템의 고압 컬럼이고, 대체로 절대 평방인치당(psia) 70 내지 95파운드의 범위내의 압력에서 작동하는 컬럼(51) 안으로 통과된다. 공급공기(224)의 일부는 냉장을 생성하기 위하여 터보 팽창기(52)를 통하여 통과되고, 그 결과의 터보 팽창된 스트림(225)은 열교환기(53) 안으로 들어가서, 그곳에서 배출되는 산소 생성물 스트림을 가온시킨다. 그런다음 공기 스트림(5)은 이중 컬럼 시스템의 저압 컬럼이고, 대개 15 내지 25psia의 범위내의, 고압 컬럼의 압력보다 적은 압력에서 작동하는 컬럼(54) 안으로 들어간다.
컬럼(51)내에서 공급 공기는 저온 정류에 의하여 산소-부화 액체와 질소-부화 증기로 분리된다. 산소-부화 액체는 스트림(10)으로서 컬럼(51)으로부터 제거되고, 열교환기(55)를 통하여 부분적으로 통과되어 그결과의 스트림(24)은 아르곤 컬럼 상부 콘덴서(56) 안으로 통과되어, 그곳에서 하기에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 축합하는 아르곤 컬럼 상부 증기와의 간접 열교환에 의해 부분적으로 증기화된다. 그 결과 가스질이고 액체 산소가 풍부한 유체는 콘덴서(56)로부터 스트림(16) 및 (17)로서 나와서 각각 컬럼(54)안으로 들어간다.
질소-부화 증기는 컬럼(51)으로부터 스트림(70)으로서 회수되어 재비등기(57) 안으로 통과되며, 그곳에서 비등 컬럼(54) 바닥과의 간접 열교환에 의해 응축된다. 그결과 질소-부화 액체(71)는 환류로서 컬럼(51)에 복귀되는 스트림(72)과, 부분적으로 열교환기(55)를 통과한 후 스트림(l4)으로서 컬럼(54) 안으로 들어가는 스트림(12)으로 나누어진다.
컬럼(54)내에는 컬럼안으로 들어가는 다양한 공급이 저온 정류에 의하여 정제된 질소 및 산소로 분리된다. 가스질 산소는 재비등기(57) 위로부터 스트림(100)으로서 컬럼(54)으로부터 제거된다. 그런 다음 이 스트림은 열교환기(53)를 통과하고, 그 결과의 스트림(251)은 열교환기(50)를 통과한 다음, 가스질 산소 생성물 스트림(254)으로서 회수된다. 필요에 따라 액체 산소 스트림(101)은 재비등기(57)의 구역으로부터 컬럼(54)으로부터 제거되어 액체 산소 생성물로서 회수될 수 있다. 생성물 산소의 산소 농도는 대개 최소한 99.0%이다.
가스질 질소는 컬럼(54)으로부터 스트림(19)로서 회수되어 열교환기(55)를 통과함에 의해 가온된다. 그결과의 스트림(205)은 또한 열교환기(50)를 통과함에 의해 가온된 후, 백만당부(ppm)로 100ppm 미만이 농도의 산소를 가지는 가스질 질소 생성물 스트림(505)으로서 회수된다. 잉여 스트림(20)은 생성물 질소 회수지점 아래의 컬럼(54)으로부터 회수되어 열교환기(55) 및 (50)를 통과함으로써 가온된 후 시스템으로부터 스트림(508)으로서 제거된다. 이 잉여 스트림은 질소 및 산소 생성물 스트림중의 생성물 순도를 유지하기 위해 작용한다.
종래의 저온 공기 분리 시스템을 사용하는 아르곤 회수에서, 유체 스트림은 아르곤 농도가 최대인 지점에서, 또는 최대점 약간 아래의 평형단에서 저압 컬럼으로부터 제거되고, 이 스트림은 추가의 처리를 위해 아르곤 컬럼안으로 통과된다. 아르곤 컬럼 공급 스트림의 나머지는 기본적으로 산소이지만 또한 약 500ppm의 질소도 포함되어 있다. 아르곤 컬럼 공급에는 질소의 농도가 훨씬 더 작은것이 바람직할 것이며, 이러한 것은 통상적으로 행해지는 지점보다 훨씬 더 아래의 지점에서 저압 컬럼으로부터 아르곤 컬럼 공급을 중단함으로써 이루어질 수 있다. 그러나 이 과정은 이것이 아르곤 컬럼 공급에서 피할 수 없는 아르곤 농도의 저하를 초래하고, 이것은 다시 저압 컬럼 외부로 상당량의 아르곤이 소실됨으로 인한 매우 감소된 아르곤 산출올 결과하므로 사용되지 않는다.
선행기술은 제3도 및 3a도에 그래프도로서 예시하며, 이들 도면에서, 세로축에는 저압 컬럼의 평형단을, 그리고 가로축에는 저압 컬럼의 액체상 몰 분휙 또는 아르곤, 질소 및 산소의 각각의 농도를 나타낸다. 수평의 경계를 정하는 라인들은 스트림이 컬럼안에 공급되거나 컬럼 밖으로 배출되는 지점들을 나타낸다. 라인 1에서는 질소 생성물이 회수되고, 라인 2에서는 잉여 스트림이 제거되며, 라인 3에서는 아르곤 컬럼 상부 콘덴서로부터 액체가 컬럼안으로 통과되고, 라인 4에서는 아르곤 컬럼 상부 콘덴서로부터 증기가 컬럼안으로 통과되며 또한 터보팽창된 공기 스트림이 컬럼안으로 통과되고, 라인 5에서는 아르곤 컬럼 공급이 회수되며, 라인 6에서는 산소 생성물이 회수된다. 컬럼에서의 아르곤 농도는 직선으로 표시된다. 도면에서 알수 있는 바와같이, 종래 실시에서는 아르곤 농도는 평형단 38 정도에서 약 8.2%의 최대에 도달하며, 아르곤 컬럼 공급은 아르곤 농도가 약 7.6%인 평형단 33에서 이 지점보다 약간 아래의 지점에 있다. 아르곤 컬럼 공급중의 질소 농도는 약 500ppm이다. 만약 아르곤 컬럼 공급을 저압 컬럼 외부에서 최대 아르곤 농도 지점보다 상당히 아래의 지점에서 예컨대 평형단 20에서 택한다면, 아르곤 컬럼 공급내의 질소 농도를 50ppm 미만으로 감소시킬 수 있다. 그러나, 이것은 아르곤 컬럼 공급내의 아르곤 농도를 5% 미만으로 감소시키기도 한다. 그러므로, 아르곤 순도가 향상된다 하더라도, 아르곤 회수 또는 수율의 감소는 지금까지 설명한 과정을 실행 불가능하게 만들정도로 높을 것이다.
본 발명은 만약 추가의 평형단이 종래의 트레이 대신 팩킹으로 구성된 아르곤 컬럼 공급 회수지점 위의 저압 컬럼에 도입된다면, 평형단의 상당수 보다 높은 아르곤 농도가 유지되는 한편, 질소 농도는 감소된다는 발견을 포함한다. 그러므로, 아르곤 농도가 최대인 지점보다 상당히 더 아래의 지점에서 아르곤 컬럼 공급을 저압 컬럼 외부에서 취할 수 있고, 그로써 질소 농도가 낮다는 장점을 얻을 수 있는 한편으로, 아르곤 농도의 강하를 피할 수 있다. 아르곤 컬럼 공급은 저압 컬럼에서의 아르곤 농도가 최대인 지점보다 최소한 5, 바람직하게는 10 평형단 아래의 지점에서 저압 컬럼으로부터 취해진다. 아르곤 컬럼 공급의 질소농도는 50ppm을 넘지 않으며, 바람직하게는 10ppm 미만이고, 가장 바람직하게는 1ppm 미만이다. 그러나. 아르곤 컬럼 공급의 아르곤 농도는 여전히 약 7% 보다 작지 않다. 그로써 아르곤 컬럼으로의 공급은 매우 소량의 질소를 함유하는 한편 아르곤의 효과적인 회수를 의해 충분한 양의 아르곤을 함유하고 있다.
본 발명은 제4도 및 4a도에 그래프로 예시되며, 이 도면들을 제3도에 대해 설명된 것과 동일한 방식으로 저압 컬럼의 평형단을 나타낸다. 경계를 나타내는 라인 1,2,5 및 6은 제3도에서 논의된 스트림과 동일한 특성을 나타낸다. 즉, 라인 1은 질소 생성물을, 라인 2는 잉여 스트림을, 라인 5는 아르곤 컬럼 공급을, 그리고 라인 6은 산소 생성물을 나타낸다. 제4도 및 4a도에 예시된 본 발명의 구체예는 라인 3이 터보 팽창된 공기가 컬럼 안으로 유입되는 지점을 나타내고, 라인 4가 아르곤 컬럼 상부 콘덴서로부터의 증기 및 액체가 컬럼 안으로 유입되는 지점을 가리키는 바람직한 구체예이다. 그로써, 본 발명의 이 바람직한 구체예에서, 터보 팽창된 공기는 아르곤 컬럼 상부 콘덴서로부터의 액체가 제공되는 지점보다 위의 단에서 컬럼 안으로제공되고, 또한 아르곤 컬럼 상부 콘덴서로부터의 증기 및 액체도 둘다 동일한 평형단에서 컬럼 안에 제공된다. 이것은 또한 제1도에 예시된 배열이다.
제4도 및 4a도에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시에서 저압 컬럼의 아르곤 농도는 약 7.7%의 농도에서 평형단 45 근처에서 최대에 도달한다. 이 지점에서 질소 농도는 약 2000ppm이다. 그러나, 컬럼 아래로 진행됨에 따라 아르곤 농도는 실질적으로 일정하게 유지되거나 또는 매우 서서히 저하된다. 이것은 아르곤 농도가 현저하게 강하되는 종래의 실시와는 대조적이다. 그러나, 아르곤 농도가 비교적 일정하게 유지되는 한편으로, 질소 농도는 일정하게 감소되어서 평형단 33에서 아르곤 컬럼 공급 회수점을 얻으려 할때, 질소 농도는 50ppm 미만이다. 이 지점에서 아르곤 농도는 여전히 5% 이상 약 7.2%이다.
어떠한 이론에 제한되는 것을 원하지는 않지만 본 발명자들은 계속되는 유의할만한 질소 분리와 거의 또는 전혀 없는 아르곤 분리의 우연한 수렴은 다음과 같이 설명될 수 있다고 믿는다. 저압 컬럼에서 질량 이동을 위해 트레이가 사용되고, 생성물 스트림이 대기압 근처에서 공기 분리 공정에서 이탈될 때, 저압 컬럼의 분리 정도는 상부 컬럼에 사용된 트레이의 수에는 관계없이 고압 컬럼에 의해 공급된 환류의 양에 의해 제한된다. 트레이수를 어떤 기준을 넘어서 증가시킨다고 해서 추가의 분리가 일어나지는 않는다. 전형적으로, 이 상황은 아르곤 컬럼 공급의 질소 함량을, 아르곤의 최대 회수를 위해 대략 500ppm으로 만든다. 단의 수, 공급 및 배출(draw)의 위치, 및 공급 및 배출의 유속에 대한 조정은 아르곤 컬럼 공급의 질소 함량을 감소시킬 수 있지만 아르곤 회수도 또한 감소시킨다. 팩킹이 저압 컬럼에서 질량 이동을 위해 사용되는 경우, 저압 컬럼의 분리도는 트레이를 사용하여 얻어진 것 보다 증가될 수 있다. 이것은 부분적으로는 고압컬럼에 의해 공급된 환류 양의 증가와, 컬럼에 대한 보다 낮은 평균 작동 압력으로부터 유발되는 저압 컬럼의 개선된 상대적인 휘발성에 기인한다. 아르곤 컬럼 배출 바로 위의 저압 컬럼의 부분에 있는 평형단의 수는, 트레이를 사용했을 때 적합하고 경제적인 수보다 증가될 수 있고, 이것은 아르곤과 산소로부터 질소의 추가 분리를 제공한다.
본 발명의 실시에서, 구조적 또는 랜덤 팩킹은 아르곤 농도가 최대인 지점과 아르곤 컬럼 공급의 회수 지점 사이에서 저압 컬럼에 사용될 수 있다. 구조적 팩킹이 보다 높은 분리 효율을 가지므로 바람직하다.
아르곤 컬럼 공급 회수 지점 위의 규정된 평형단은 팩킹으로 이루어지는 한편, 저압 컬럼의 일부 또는 전부의 다른 평형단도 필요에 따라 팩킹으로 이루어질 수 있다.
제l도를 참조하면, 최소한 5%, 바람직하게는 최소한 7%의 아르곤과 50ppm 미만의 질소를 포함하며 나머지는 실질적으로 산소인 아르곤 컬럼 공급(22)은, 컬럼(54)로부터 회수되어 아르곤 컬럼(58) 안으로 들어가서, 그곳에서 저온 정류에 의하여 산소-부화 액체와 질소-유리 아르곤-부화 증기로 분리된다. 질소-유리란 10ppm 이하, 바람직하게는 5ppm 이하, 가장 바람직하게는 2ppm 이하의 질소를 가짐을 의미한다. 산소-부화 액체는 컬럼(58)로부터 회수되어 스트림(23)으로서 컬럼(54)에 복귀된다. 아르곤-부화 증기는 스트림(107) 중의 질소-유리 생성물 아르곤으로서 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 회수될 수 있다. 질소-유리 생성물 아르곤은 또한 콘덴서(56)으로부터 액체로서 회수될 수 있다.
일부의 아르곤-부화 증기는 컬럼(58)로부터 스트림(73)으로서 상부 콘덴서(56)으로 통과되어, 그곳에서 상술된 바와 같은 산소-부화 액체의 부분적인 증기화에 반하여, 간접 열교환에 의해 응축된다. 그 결과의 액체 스트림(74)는 환류로서 컬럼(58)에 복귀된다. 스트림(74)의 일부는 액체 질소-유리 생성물 아르곤으로서 회수될 수 있다. 원한다면, 스트림(73)의 일부(108)은 잉여 아르곤 스트림으로서 회수될 수 있다. 이것은 생성물 아르곤중의 질소 농도를 추가로 감소시킨다. 만약 잉여 아르곤 스트림이 사용된다면, 이것은 아르곤 생성물이 아르곤 컬럼 시스템으로부터 회수되는 지점보다 최소한 하나의 평형단이 더 높은 지점에서 아르곤 컬럼 시스템으로부터 제거된다.
본 발명을 사용함으로써 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 질소-유리 아르곤 생성물을 제조하고 회수할 수 있으며, 그로써 지금까지 필요하였던 질소 제거 단계를 피할 수 있다. 필요에 따라, 당업자라면 누구든지 본 발명을 사용하여 상업적 등급의 정제된 아르곤 즉, 질소와 산소 농도가 낮은 아르곤을 직접 아르곤 컬럼 시스템으로브터 제조할 수 있다. 이것은 많은 수의 평형단, 일반적으로 최소한 약 150개의 평형단을 산소-부화 액체의 회수 지점과 아르곤 생성물 회수지점 사이에 끼워넣음으로써 10ppm을 초과하지 않는 농도의 산소를 가지는 아르곤 생성물을 제조함에 의해 이루어진다. 만약 이 과정이 사용된다면, 아르곤 컬럼의 평형단은 바람직하게는 팩킹으로 이루어져야 한다. 이 과정이 사용될 때 2ppm 이하 정도로 낮은 질소 농도와 산소 농도를 가지는 정제된 아르곤이 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 회수될 수 있다.
제2도는 본 발명의 다른 구체예를 도시하는데, 이 구체예에서 환류 콘덴서는 제1도에 도시된 구체예에서 스트림(107) 위에 있는 아르곤 컬럼 부분을 대체한다. 제2도는 간단한 형태로 공정을 부분적이고 개략적으로 나타내며 제2도의 숫자는 통상 엘레먼트에 대한 제1도의 숫자에 상응한다. 이들 통상 엘레먼트들의 기능들은 다시 언급하지 않기로 한다. 제2도에 도시된 구체예의 작동시에, 아르곤-부화 증기는 상부콘덴서(56) 안으로 통과되어, 그곳에서 산소-부화 액체(24)와의 간접 열교환에 의해 부분적으로 응축된다. 나머지 증기는 잉여 스트림(76)으로서 아르곤 컬럼 시스템 밖으로 통과되고, 그 결과의 액체(77)은 환류로서 컬럼(58)에 복귀된다. 아르곤 액체 스트림(77)의 일부분(78)은 액체 질소-유리 아르곤 생성물로서 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 회수된다. 스트림(75)의 이 부분은 스트림(78)에 더불어 또는 대신에 증기 질소-유리 아르곤 생성물로서 회수될 수 있었다. 이 구체예는 또한 전술한 연장된 아르곤 컬럼을 사용하여 아르곤 컬럼 시스템으로부더 직접 정제된 증기 및/또는 액체 아르곤 생성물을 생성한다.
잉여 아르곤 스트림,이 제1도 및 2도에 도시된 바와 같이 사용된 경우, 잉여 아르곤 스트림은 예컨대 이중 컬럼 시스템 안으로와 같이 전체 분리 공정으로 다시 재순환되어 상기 스트림에 함유되어 있는 아르곤의 손실이 방지된다.
본 발명을 특정 구체예를 참조로 상세하게 설명하였지만, 당업자들은 특허 청구 범위의 사상 및 범주내에서 본 발명의 다른 구체예도 있음을 인정할 것이다. 예컨대 식물 냉장은 공급 공기 분획 대신 생성물 또는 잉여 스트림의 터보 팽창에 의해 생성될 수 있고, 또는 냉장은 액체 질소 또는 산소의 첨가에 의해 외부 공급원으로부터 공급될 수 있다.

Claims (16)

  1. (A) 아르곤, 질소 및 산소를 포함하고 있는 공급 스트림을, 고압 컬럼과 저압 컬럼으로 이루어지는 2중 컬럼에서 저온 증류에 의해 분리하는 단계 ; (B) 저압 컬럼으로부터 유체 스트림을 회수하여 이 스트림을 아르곤 공급 스트림으로서 아르곤 컬럼 시스템 안으로 통과시키는 단계 ; (C) 아르곤 컬럼 공급이 저압 컬럼으로부터 회수되는 지점 위에서 팩킹으로 이루어지는 평형단을 충분히 가지고 있는 저압 컬럼을 작동시켜서, 저압 컬럼으로부터의 아르곤 컬럼 공급의 회수가 저압 컬럼내의 아르곤 농도가 최대이고 아르곤 컬럼 공급내의 질소 농도가 50ppm 미만인 지점보다 최소한 5 평형단 아래에서 일어나도록 하는 단계 ; 그리고 (D) 아르곤 컬럼 시스템으로부터 함유하고 있는 질소 농도가 10ppm을 초과하지 않는 아르곤을 직접 회수하는 단계로 이루어지는 질소-유리 아르곤의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 저압 컬럼으로부터 아르곤 컬럼 공급의 회수가 저압 컬럼의 아르곤 농도가 최대인 지점보다 최소한 10 평형단 아래에서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 아르곤 컬럼 공급중의 질소 농도가 10ppm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 아르곤 컬럼 공급중의 질소 농도가 1ppm 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 아르곤 컬럼 공급중의 아르곤 농도가 최소한 7%인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 팩킹이 구조적 팩킹인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 팩킹이 랜덤 팩킹인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 회수된 아르곤이 5ppm 미만인 질소 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 회수된 아르곤이 2ppm 미만의 질소 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 회수된 아르곤이 증기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 회수된 아르곤이 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 아르곤 컬럼 시스템으로부터 아르곤이 직접 회수되는 지점보다 최소한 한 평형단 위에서 잉여 스트림을 아르곤 컬럼 시스템으로부터 회수하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 잉여 스트림이 이중 컬럼 시스템 안으로 되돌아가서 재순환 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 최소한 150 평형단을 가지고 있는 아르곤 컬럼 시스템의 아르곤 컬럼을 작동시키는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 아르곤 컬럼중의 팩킹단이 팩킹으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 아르곤 컬럼 시스템으로부터 직접 회수된 아르곤이 10ppm 미만의 산소 농도를 가지는 정제된 아르곤인 것을 특징으로 하는 방법.
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