KR970004727B1 - 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정 - Google Patents

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Abstract

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Description

공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정
제1도는 공기의 극저온 증류를 통해 대량의 액체 산물을 제조하는 종래 공정의 개략도.
제2도는 본 발명을 따른 공정의 일실시예를 나타낸 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
110 : 압축기 140,150 : 압축기
540,541,550,551,552 : 열교환기 152,153 : 팽창기
711 : 고압 컬럼 721 : 저압 컬럼
723 : 응축기
본 발명은 공기의 극저온 증류를 통해 대량의 액체 산물을 제조하는 공정에 관한 것이다. 질소, 산소 및 아르곤을 포함한 액화된 대기 가스들은 공장내에서 그 사용이 증가되고 있다. 상기 액화된 대기 가스들은 다양한 산업상 공정들에 대해서 극저온의 능력들을 제공하고, 유통업계에 운송하는데도 휠씬 경제적이며, 액체 저장설비로부터 가스상의 산물을 제조하는 편리하고 경제적인 근원을 제공한다. 예를들어, 액체 질소는 음식물을 냉동시키고, 이미 사용된 세척용 또는 재순환용 재료를 극저온으로 하여 깨뜨리며, 다양한 산업상 공정들에서 가스상의 질소 비활성 매체를 공급하기 위하여 그 사용이 증가되고 있다.
공기 유입물로부터 대량의 액체 질소 및/또는 액체 산소를 만들기 위한 종래의 공정은 다중 컬럼 증류 시스템(multiple column distillation system)을 가지는 팽창기 구조를 포함한다. 그 팽창기 구조는 공기 유입물의 적은 퍼센트 또는 공기 유입물의 거의 없는 퍼센트를 액체 산물로 만드는데 비해서 공기 유입물의 많은 퍼센트를 액체 산물로 만드는데 필요한 거대한 냉동량의 적어도 일부를 제공한다(본원에 사용된 공기 유입물의 많은 퍼센트는 공기 유입물의 적어도 15% 정도를 의미한다). 종래의 다중 컬럼 증류 스트림을 가지는 팽창기 구조의 내장은 공장내에서 액화장치(liquefier)로 불리우며 본원에서도 액화장치라는 용어로 사용된다.
가장 일반적인 액화장치는 질소 재순환 액화장치들로 구분된다. 질소 재순환 액화장치에 있어서, 팽창기 구조는 미합중국 특허 제3,605,422호 및 제4,894,076호에 개시된 저압 컬럼 질소 오버헤드(overhead)의 재순환에 의해 완성된다. 아무리 많은 팽창기들이 있다 하더라도, 질소 재순한 액화장치들은 주입 공기가 증류 컬럼 시스템으로 주입되기 전에 냉동을 발생시키기 위한 주입공기를 사용하지 않는다.
미합중국 특허 제4,152,130호는 공기 재순환의 개념을 개시하고 있다. 공기 재순환 액체 장치에 있어서, 냉각 박스에 들어가는 공기 스트림(stream)들의 주분율은 증류 시스템을 위해 필요한 것 보다 큰 압력까지 압축된다. 적어도 일부분의 고압력 공기는 액화를 위해 필요한 냉동을 제공하기 위해 등엔트로피하게(isentropically) 팽창되는 반면에 다른 부분은 임계 온도 이하의 온도까지 냉각되기 때문에, 액체 공기는 상기 냉각 공기 스트림의 팽창시에 얻어질 수 있다. 이런 냉각되고 팽창된 액체 함유 공기는 그후에 분리되기 위해 증류 시스템안으로 주입된다. 등엔트로피하게 팽창된 증기 함유 공기의 일부분은 또한 증류 시스템안에 주입되어서 증류 시스템을 위해 필요한 증기 유입물을 보충할 수 있다. 증류 시스템에 주입된 것을 포함한 모든 공기가 증류 시스템에 의해 필요로 하는 것보다 훨신 높은 압력하에서 냉각 박스로 주입되기 때문에, 주입 공기는 그것이 증류 시스템에 들어가기 전에 냉동 발생 또는 응축을 위해 사용된다. 질소 재순환 액화장치와 비교해보면, 이것은 (1) 압력 강화로 인한 작은 전력 손실, (2) 재순환 스트림의 열전달로 인한 작은 에너지 저하, (3) 적은 열교환기 영역으로 전환시키는 소정의 냉동을 일으키기 위해 필요한 재순환 유동을 감소시킨다. 그러나 공기 재순환 액화장치에서의 문제점은 액체 수요(주입 공기의 퍼센트로서)가 증가하기 때문에, 전체 주입공기안의 액체 공기의 분율이 증가한다는 것이다. 이것은 주입 공기내의 액체 공기의 큰 분율이 증류 장치에 감소된 증기 유동을 의미하기 때문에 증류 작동상에 있어서 역효과를 초래하며, 그 결과 충분한 증기가 고압 컬럼에 상승하지 못하여서, 저압 컬럼에 대해서 끓임이 발생하고 환류(reflux) 및 산물로서 요구되어지는 액체 질소를 발생시킨다. 이런 문제점은 미합중국 특허 제4,705,548호에 개시된 고압 질소의 응축 스트림에 대하여 열교환을 통해 액체 공기의 전부 또는 일부(또는 다른 액체 공정 스트림)를 기화시킴으로써 해결될 수 있다. 그러나, 이것은 질소의 응축 및 액체 공기의 기화와 같은 외부단계로 알려져 있다. 에너지 저하 및 압력강하가 이런 응축/기화 단계내에 수반되기 때문에, 그것은 응축/기화를 위한 외부 열교환기와 외부 전력 소비를 의미한다.
본 발명의 목적은 상기에 서술된 문제점을 해결함으로써 종래의 공기 재순환 액화장치의 에너지 효율성을 향상시키는 것이다.
본 발명은 공기의 극저온 증류를 통해 대량의 액체 산물을 제조하기 위한 개선점에 관한 것이다. 개선된 공정에 있어서, 공기 주입은 냉동을 발생시키기 위해 압축되고 팽창되며, 그후에 증류 컬럼 시스템에 주입된다. 본 발명은 공정에서 질소 환류 및/또는 액체 질소 산물의 필수 요건들을 충족시키기 위한 개선된 방법으로서,
(a) 200psia 이상의 압력까지, 보다 바람직하게는 492.9psia의 질소 임계 압력 이상의 압력까지 증류 컬럼 시스템으로부터 질소 오버헤드의 적어도 일부분을 압축시키는 단계와;
(b) 공정 증기 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해서 단계(a)로부터 질소를 냉각시키는 단계 및;
(c) 단계(b)후에 직접 실행되는 팽창으로서 단계(b)로부터 질소를 팽창시키는 단계를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위해서, 공기 재순환 액화장치의 발전 상황을 이해하는 것이 중요하다. 공기 재순환 액화장치는 질소 재순환 액화장치가 소정의 냉동을 발생시키기 위해 필요로 하는 대량의 질소 냉동 유동에 관한 질소 재순환 액화장치의 문제점에 대응하여 부분적으로 발전되었다. 공기 재순환 액화장치에 있어서, 냉동 박스에 들어가는 공기 스트림의 주분율은 증류 시스템을 위해 필요로 하는 것보다 높은 압력까지 압축된다. 고압 공기의 적어도 일부분이 액화를 위해 필요한 냉동을 제공하기 위해 등엔트로피하게 팽창되는 반면에, 다른 부분은 임계 온도 이하의 온도까지 냉각되기 때문에, 액체 공기는 이런 냉각된 공기 스트림의 팽창시에 얻어진다. 이런 냉각되고 팽창된 액체 함유 공기는 그후에 분리되기 위하여 증류 시스템안으로 주입된다. 등엔트로피하게 팽창된 증기함유 공기의 일부분은 또한 증류 시스템을 위해 필요한 증기 유입물을 보충하기 위해 증류 시스템내로 주입될 수 있다. 증류 시스템에 주입된 것을 포함한 모든 공기가 증류 시스템에 의해 필요로 하는 것 보다 훨씬 높은 압력하에서 냉동 박스로 들어가기 때문에, 주입 공기는 그것이 증류 시스템에 들어가기 전에 냉동 발생 또는 응축을 위해 사용된다. 질소 재순환 액화장치와 비교해보면, 이것은 (1) 압력 강하로 인한 작은 전력 손실, (2) 재순환 스트림의 열전달로 인한 작은 에너지 저하, (3) 적은 열교환기 영역으로 전환시키는 소정의 냉동을 일으키기 위해 필요한 재순환 유동을 감소시킨다. 그러나 공기 재순환 액화장치에서의 문제점은 액체 수요(주입 공기의 퍼센트로서)가 증가하기 때문에, 전체 주입공기안의 액체 공기의 분율이 증가한다는 것이다. 이것은 주입 공기내의 액체 공기의 큰 분율이 증류 장치에 감소된 증기 유동을 의미하기 때문에 증류 작동상에 있어서 역효과를 초래하며, 그 결과 충분한 증기가 고압 컬럼에 상승하지 못하여서, 저압 컬럼에 대해서 끓임이 발생하고 환류(reflux) 및 산물로서 요구되어지는 액체 질소를 발생시킨다. 이런 문제점은 미합중국 특허 제4,705,548호에 개시된 고압 질소의 응축 스트림에 대하여 열교환을 통해 액체 공기의 전부 또는 일부(또는 다른 액체 공정 스트림)를 기화시킴으로써 해결될 수 있다. 그러나, 이것은 질소의 응축 및 액체 공기의 기화와 같은 외부단계로 알려져 있다. 에너지 저하 및 압력강하가 이런 응축/기화 단계내에 수반되기 때문에, 그것은 응축/기화를 위한 외부 열교환기와 외부 전력 소비를 의미한다.
본 발명은 공기 재순환 액화장치의 장점들을 유지하면서 상술된 문제점을 해결하는 액체 질소 수요를 충족시키는 개선된 방법에 관한 것이다. 본 발명의 단계들은,
(a) 200psia 이상의 압력까지, 보다 바람직하게는 492.9psia의 질소 임계 압력 이상의 압력까지 증류 컬럼 시스템으로부터 질소 오버헤드의 적어도 일부분을 압축시키는 단계와;
(b) 공정 증기 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해서 단계(a)로부터 질소를 냉각시키는 단계 및;
(c) 단계(b)후에 직접 실행되는 팽창으로서 밸브를 가로질러서 또는 팽창기안에서 단계(b)로부터 질소를 팽창시키는 단계를 포함한다.
질소가 단계(b)에서 냉각되어야 하는 온도(이하 냉각온도라고 함)가 (1) 질소가 단계(a)에서 압축되는 압력, (2) 단계(c)에서의 팽창이 밸브를 가로질러서 실행되는지 팽창기내에서(즉, 팽창의 등엔트로피 효율성) 실행되는지의 선택 (3) 질소가 단계(c)안에서 팽창되는 압력 및, (4) 단계(c)의 말엽에 액체로 된 질소의 소정의 분율들을 따른 함수라는 것을 당업자들은 알 것이다.
이들 함수관계들은 질소에 대한 표준 몰리에르 선도(Mollier chart)위에 제공된다. 본 발명에서 중요한 점은 단계(a)에서 상승된 압력이 전방단부/주열교환기 안의 질소 스트림에 대해서 얻어질 수 있는 냉각 온도하에서 질소 스트림으로부터 많은 엔탈피를 제거할 수 있게 하는데, 즉 상기 많은 엔탈피라는 것은 기화 공정 액체 스트림에 대한 엔탈피제거 응축 단계가 더이상 필요치 않게 된다. 결국, 종래의 공기 재순환 액화 장치안의 질소에 간접적으로 제공된 냉동(즉, 주입공기의 일부를 우선 액화시키기 위한 냉동을 사용하고, 그후에 질소를 액화시키기 위한 주입공기의 남은 부분을 사용함으로써)은 중간의 액체 기화단계 없이 주열교환기안의 질소에 직접 제공된다. 이것을 가능하게 하는 증가된 질소 압축 필요조건은 적거나 전혀 없는 공기가 액화되기 위해 필요하기 때문에 공기 압축기를 통과한 감소된 공기 재순환 유동에 의해 많이 상쇄된다. 본 발명은 본질적으로 공기 재순환 액화장치(재순환 유동을 감소시키는 것에 대하여)와 질소 재순환 액화장치(약간의 액체 질소를 직접 생성하는 것에 대하여)의 장점들을 제공한다.
본 발명의 단계(c)내의 질소의 팽창이 밸브를 가로질러 실행되는 것에 반해서 질소 팽창기에서 실행되는 경우에 있어서, 당업자는 팽창기로의 유입물의 밀접한 유체이고/또는 팽창기 유출물이 액체 성분을 가지기 때문에 밀집한 유체 팽창기는 이런 상황내에서 적당하다. 이런 상황에서, 밀집한 유체 팽창기 유출물의 증기 성분은 공정에 추가 냉동을 제공하기 위하여 공정 스트림에 대해서 간접적인 열교환에 의해 더워질수 있다.
본 발명은 종래의 공기 재순환 액화장치에 적용함으로써 가장 잘 서술된다.
제1도는 본 발명에 따른 종래의 액화장치를 나타내고 있다. 제1도는 미합중국 특허 제4,705,548호에 개시된 것을 기본으로 하고 있다. 이제 제1도를 참조해 보면, 스트림(100)내의 주위 공기 유입물은 압축기(110)안에서 압축되고, 세척 베드(310)안에서 극저온으로 냉각될 불순물들로 세척된다. 생성된 스트림(201)은 공기 재순환 스트림(234)와 결합하여서, 열교환기(540)안의 온난한 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 냉각되기 전에 압축기(140),(150)안에서 압축되는 스트림(103)을 형성한다. 스트림(103)의 일부분은 스트림(506)으로서 제거되어, 팽창기(152)안에서 팽창된다. 스트림(103)의 남은 부분은 열교환기(541)안의 온난 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 추가로 냉각되며, 그후에 스트림(103)의 제2부분은 스트림(508)로서 제거되어, 팽창기(153)안에서 팽창된다. 팽창기(153)에서 배출되는 배출물의 일부분은 스트림(124)로서 제거되어, 열교환기(542)안에서 냉각 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 온난해지고, 그후에 스트림(124)는 팽창기(152)의 배출물과 결합하여 열교환기(541),(540)안에서 냉각 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 추가로 온난해져서, 그 결과 공기 재순환 스트림(234)를 형성한다. 팽창기(153)의 배출물의 나머지 부분은 스트림(510)으로서 고압 컬럼(711)의 저층물에 주입된다. 스트림(508)이 제거된 후에 남은 스트림(103)의 일부는 열교환기(542)안에서 온난화 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 추가로 냉각되어서 스트림(105)를 형성한다. 스트림(105)의 일부분은 스트림(106)으로서 고압 컬럼(711)의 중간 위치에 주입되는 반면에, 나머지 부분은 열교환기(552),(551)안에서 온난화 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 추가로 냉각된 후에, 스트림(84)로서 저압 컬럼(721)의 중간 위치에 주입된다.
고압 컬럼 주입 스트림(106),(510)은 스트림(10)안에서 고압 질소 오버헤드로 정류되고, 스트림(5)안에서 고압의 천연 액체 산소 저층물로 정류된다. 스트림(5)는 열교환기(552)안에서 온난화 공정 스트림에 대해서 간접적인 열교환에 의해 냉각되고, 압력하에서 감소되고, 그후에 열교환기(550)안에서 액체 산소 산물에 대하여 간접 열교환에 의해서 온난하게 된다. 스트림(5)의 일부는 그후에 스트림(910)으로서 저압 컬럼(721)의 중간 위치에 주입되고, 나머지 부분은 스트림(52)로서 천연 아르곤 컬럼(731)의 정부에 있는 재가열기/응축기(732)까지 주입된다.
아르곤함유 가스상 측부 스트림(89)는 저압 컬럼의 하부 중간 위치로부터 제거되고, 또한 스트림(89)가 저압 컬럼까지 회수되는 스트림(90)안의 아르곤이 희박한 저층물과 아르곤이 풍부한 증기 오버헤드로 정류되는 천연 아르곤 컬럼(731)까지 주입된다. 아르곤이 풍부한 증기 오버헤드는 스트림(52)안의 고압 천연 액체 산소 저층물들에 대항해서 재가열기/응축기(732)안에서 응축된다. 응축된 아르곤이 풍부한 증기 오버헤드의 일부분은 스트림(160)안에서 액체 아르곤 산물로서 제거되는 반면에, 응축된 아르곤이 풍부한 증기 오버헤드의 나머지 부분은 천연 아르곤 컬럼을 위한 환류를 제공하기 위해 사용된다. 아르곤이 풍부한 증기 오버헤드에 대해 기화되는 스트림(52)안의 고압 천연 액체 산소의 일부분은 스트림(15)안의 저압 컬럼까지 주입되는 반면에, 기화되지 않은 부분은 스트림(16)안의 저압 컬럼까지 주입된다.
저압 컬럼 주입 스트림(910),(84),(15),(16)들은 스트림(130)안의 저압 질소 오버헤드와 저압 액체 산소 저층물들로 증류된다. 고압 컬럼과 저압 컬럼은 열적으로 연계되어 있기 때문에, 스트림(10)안의 고압 질소 오버헤드의 적어도 일부분은 기화하는 저압 액체 산소 저층물에 대하여 재가열기/응축기(722)안에서 응축된다. 응축된 고압 질소 오버헤드는 고압 컬럼을 위한 환류를 제공하기 위해 사용된다.
스트림(130)안의 저압 질소 오버헤드는 기화 드럼(flash drum)(782)로부터의 증기 기화 스트림(85)와 결합하여 스트림(131)을 형성한다. 스트림(131)은 열교환기(551,552,542,541,540)안에서 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 더워져서 스트림(491)을 형성한다. 스트림(491)의 일부분이 스트림(488)안에서 가스상의 질소 산물로서 제거되는 반면에, 나머지 부분은 대략 120psia까지 압축기(135)안에서 압축되어 스트림(482)를 형성한다. 스트림(482)는 열교환(540,541,542)안에서 온난화 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 그것의 이슬점(dew pont) 근처까지 냉각된다. 생성된 스트림(163)은 그후에 기화용 고압 천연 액체 산소 저층물들에 대항하여 재가열기/응축기(723)안에서 응축된다. 생성된 스트림(7)은 밸브(252)를 가로질러서 팽창되고, 그후에 환류로서 고압 컬럼까지 주입된다. 저압 컬럼 환류의 일부분은 스트림(6)안에서 고압 컬럼으로부터 제거된다. 스트림(6)은 열교환기(551)안에서 온난화 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 냉각되고, 기화 드럼(782)안에서 기화된다. 이런 기화로부터 생성된 포화상태의 액체의 일부분이 스트림(250)안의 액체 질소 산물로서 제거되는 반면에, 나머지 부분은 스트림(80)안의 저압 컬럼을 위한 환류로서 사용된다. 스트림(85)안의 상기 기화로부터 생성된 포화상태의 증기는 스트림(130)안의 저압 질소 오버헤드와 결합하여 스트림(131)을 형성한다.
질소가 많은 페스트림(440)은 저압 컬럼의 상부 중간위치로부터 배출되고, 열교환기(551,552,542,541,540)안에서 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 더워지며, 그후에 스트림(479)안에서 가스상의 폐산물로서 제거된다. 저압 액체 산소 저층물들의 일부분은 스트림(117)안에서 제거되고, 스트림(70)안의 액체 산소 산물로서 제거되기 전에 열교환기(550)안에서 냉각된다. 기회용 저압 액체 산소 저층물의 일부분은 스트림(195)안에서 제거되고 열교환기(542,541,540)안의 냉가 공정스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 더워져서, 그후에 스트림(198)안의 가스상의 산소 산물로서 제거된다.
제2도는 제1도에 도시된 플로우시트에 적용된 것 같이 본 발명의 일실시예이다. 제2도는 재가열기/응축기(723)이 제거된 것을 제외하고는 제1도와 동일하다(제2도의 유사한 특징물들은 제1도와 공통된 도면 부호를 사용한다). 압축기(135)의 배출압력을 상승시킴으로써, 주열교환기안에서 스트림(482)로부터 휠씬 더 많은 엔탈피를 제거할 수 있는데, 즉 재가열기/응축기(723)안에서 엔탈피를 제거하는 응축단계는 더이상 필요하지 않다. 실제로, 재가열기/응축기(723)안의 질소에 간접적으로 제공된 냉동은 이제 주열교환기 안의 질소에 직접 제공한다. 적은 공기가 액화되기 위해 필요하게 되기 때문에, 스트림(105)안의 공기의 유동은 감소된다. 더우기, 증가된 액화 효율로 인해, 스트림(124)안의 공기 압축기 재손환 유동은 감소될 수 있다. 이들 요소들의 둘다는 압축기(135)안에서 증가된 질소 압축 필요조건들을 충분히 상쇄시킨다.
제2도에 도시되지는 않았지만, 공기 팽창기로부터 제조된 샤프트워크(shaft work)가 공정안에서 하나 이상의 압축기를 구동시키기 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 단계(C)내에서의 질소의 팽창은 밸브를 가로질러서 실행되는 것에 반해서 밀집한 유체 팽창기내에서 실행되며, 이런 밀집한 유체 팽창기로부터의 샤프트 워크는 공정내에서 하나 이상의 압축기들을 구동시키기 위해 사용될 수 있다.
제2도는 주입공기의 팽창으로부터 공정을 위한 거의 모든 냉동을 행한다. 재순환 질소 스트림이 냉동을 보충하기 위해 적어도 하나의 추가 질소 팽창기(즉, 본 발명의 단계(C)에서 계획된 밀집한 유체 팽창기에 추가됨)에 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 그런 경우에 있어서, 질소 팽창기를 제공한 상기 냉동으로부터 제조된 샤프트워크는 공정내에서 하나 이상의 압축기들을 구동시키기 위해 사용될 수 있다.
제2도에 도시된 바와 같이, 공정의 에너지 효율을 추가로 개선하기 위하여, 작동자는 17∼24psia의 종래범위로부터 20∼50psia의 상승된 범위까지 저압 컬럼의 작동압력을 증가시킬 수 있다. 이런 상승된 압력 범위는 종래 액화장치의 불개변성을 감소시킴으로써 공정의 에너지 효율을 증가시킨다. 불개변성은 통상적으로 일 손실(lost work) 또는 에너지 손실(lost energy)로 일컬어진다. 증류 시스템에 있어서, 에너지 손실은 물질전달을 위한 구동력을 감소시킴으로써 감소될 수 있다. X-Y평형 상태도에 있어서, 물질전달을 위한 구동력은 평형곡선과 작동선 사이의 거리에 의해 도시된다. 증류 컬럼안에서 증기 유동에 대한 동일한 액체의 비율에서, 구동력은 컬럼 작동 압력을 상승시킴으로써 감소되어 작동선에 근접한 평형곡선을 이동시킨다. 이런 효과는 저압 컬럼에서 더욱 두드러진다 에너지 손실은 또한 전방단부 열교환기안에서 열전달을 위한 구동력을 감소시킴으로써 종래 액화장치안에서 감소될 수 있다. 온도 대 엔탈피 변화의 그래프에 있어서, 열전달을 위한 구동력은 냉각 스트림용 라인과 온난 스트림용 라인 사이의 거리에 의해 도시된다. 그 다음에, 저압 컬럼의 압력을 상승시킴으로써 팽창기 구조 배출 압력을 상승시킬 수 있다. 600psia의 대표적인 입구 압력에 대해서, 팽창기 구조 배출 압력을 상승시킴으로써 냉각 곡선의 형상을 조절하여 동일한 크기의 열교환기에 의해 보다 작은 평균의 열전달 구동력을 허용한다. 저압 컬럼내의 상승된 압력은 또한 공정 가스 스트림, 특히 저압 스트림의 밀도를 증가시킨다. 설비 크리들은 보다 낮은 체적의 가스유동으로 인한 경비절감을 위해 줄여질 수 있다. 50psia의 상한치는 압력이 계속해서 상승되기 때문에 감소된 불개변성의 혜택이 증류 시스템안에 필요한 금지된 수의 추가 트레이에 의해 상쇄된다는 사실을 설명한다. 사실상, 상승된 압력 범위는 공정의 자본 필요조건을 상승시키는 비용으로 공정의 불개변성을 감소시키는 최적의 선택이다.
상술된 상승된 압력범위가 이용되고 산물 스트림의 큰 분율이 액화되지 않고 저압 컬럼의 압력보다 휠씬 낮은 압력에서 요구되어지거나 대기에 배출되는 곳에서, 이들 산물 스트림들이 팽창되어 냉동될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 상기 팽창은 상기 산물 스트림이 또한 상승된 압력에 존재할 것이라는 사실을 이용한다. 스트림들이 팽창기내에서 등엔트로피하게 팽창되지만, 경제적인 것이 필요하다면, 그들은 밸브를 가로질러서 등엔트로피하게 팽창될 수 있다.
요약해보면, 본 발명은 종래 공기 재순환 액화장치의 에너지 효율을 증가시키기 위한 효과적인 방법이다.
본 발명은 특정한 실시예를 참조해서 서술되었지만, 그 실시예는 본 발명에 국한되는 것이 아니고, 그 범위는 첨부된 청구범위에 의해 확실해진다.

Claims (15)

  1. 공정이 공기 유입물의 적어도 15%를 액체 질소 산물 시스템 및/또는 액체 산소 산물시스템으로서 제거하기에 충분한 냉동량을 발생시키고, 공기 유입물이 최초에 압축되고, 상기 냉동량의 적어도 일부분이 압축된 공기 유입물의 적어도 일부분을 팽창시킴으로써 발생되고, 공기 유입물이 가스상 질소 오버헤드로 증류되는 액체 질소 환류 필요물을 구비하는 증류 컬럼 시스템에 공기 유입물의 적어도 일부분이 주입되는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정에 있어서, 액체 질소 환류 필요물의 적어도 일부분 및/또는 액체 질소 산물 스트림의 적어도 일부분을 제공하기 위한 개선된 방법이, (a) 가스상 질소 오버헤드의 적어도 제1부분을 200psia 이상의 압력까지 압축하는 단계와; (b) 공정 증기 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 단계(a)로부터의 질소를 냉각시키는 단계 및; (c) 단계(b)후에 직접 실행되는 팽창으로서 단계(b)로부터 질소를 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  2. 제1항에 있어서, 단계(a)내의 질소가 질소의 임계 압력보다 큰 압력까지 압축되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  3. 제1항에 있어서, 단계(c)의 팽창이 밸브를 가로질러서 실행되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  4. 제1항에 있어서, 단계(c)의 팽창이 밀집한 유체 팽창기 내에서 실행되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  5. 제1항에 있어서, 단계(c)로부터의 팽창한 질소가 액체 질소 환류 필요물의 적어도 일부분 및/또는 액체 질소 산물 시스템의 상기 일부분을 포함하는 것 이외에 증기 성분을 포함하고, 상기 냉동량의 제2부분이 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 상기 증기 성분을 온난화 시킴으로써 공정에 제공되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  6. 제5항에 있어서, 상기 냉동량의 제3부분이 (ⅰ) 가스상의 질소 오버헤드의 제2부분을 압축시키고, (ⅱ) 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 단계(ⅰ)로부터의 질소를 냉각시키고, (ⅲ) 가스상 팽창기 유출물을 얻기 위해 팽창기안에서 단계(ⅱ)로부터의 질소를 팽창시키며,(ⅳ) 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 단계(ⅲ)으로부터의 가스상 팽창기 유출물을 온난화 시키는 것에 의해 공정에 제공되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  7. 제6항에 있어서, 샤프트워크가 압축된 주입 공기의 상기 팽창 및/또는 가스상 질소 오버헤드의 제1부분의 상기 팽창 및/또는 가스상 질소 오버헤드의 제2부분의 상기 팽창으로부터 발생되고, 그 샤프트워크가 공정내에서 압축의 적어도 일부분을 제공하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  8. 제1항에 있어서, 증류 컬럼 시스템이 고압 컬럼 및 저압 컬럼을 포함하고; 증류 컬럼 시스템에 주입된 공기 유입물은 그 공기 유입물이 고압 질소 오버헤드 및 고압 천연 액체 산소 저층물로 정류되는 고압 컬럼에 주입되고; 고압 천연 액체 질소 저층물의 적어도 일부분은 그 액체 산소 저층물이 가스상 질소 오버헤드 및 저압 액체 산소 저층물로 증류되는 저압 컬럼에 주입되고; 고압 컬럼과 저아 컬럼이 열적으로 연계되어서, 고압 질소 오버헤드의 적어도 일부분이 기화용 저압 컬럼 산소 부유 액체에 대한 재가열기/응축기 안에서 응축되며; 최종적으로, 응축된 고압 질소 오버헤드의 적어도 일부분이 액체 질소 환류 필요물의 일부분 및/또는 액체 질소 산물 시스템의 일부분으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  9. 제8항에 있어서, 공정의 효율성을 증가시키기 위한 개선점이 25∼50psia의 압력하에서 저압 컬럼을 작동시키는 것을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  10. 제9항에 있어서, 압축된 공기의 적어도 일부분의 팽창이, (a) 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 압축된 공기 유입물을 냉각시키고; (b) 압축된 공기 유입물을 제1분리 주입 스트림과 제2분리 주입 스트림으로 분리하고; (c) 간접적인 열교환에 의해 공기 주입에 냉동을 제공하면서 온난한 팽창기를 통해 제1주입 스트림을 팽창시키고 팽창된 제1분리 주입 스트림을 공기 유입물까지 재순환시키며; (d) 공기 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 제2분리 주입 스트림을 추가로 냉각시키고; (e) 제2분리 주입 스트림을 제3분리 주입 스트림과 제4분리 주입 스트림으로 추가로 분리하고; (f) 간접적인 열교환에 의해 공기 유입물에 냉동을 제공하면서 냉각 팽창기를 통해 제3분리 주입 스트림을 팽창시키고 팽창된 제3분리 주입 스트림의 일부분을 공기 유입물까지 재순환시키고; (g) 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 제4분리 주입 스트림을 추가로 냉각시키고; (h) 제4분리 주입 스트림의 일부분을 정류시키기 위해 저압 컬럼내로 주입하며; (i) 제4분리 주입 스트림의 나머지 부분과 팽창된 제3분리 주입 스트림의 나머지 부분을 정류시키기 위해 고압 컬럼내로 주입하는 것들을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  11. 제10항에 있어서, 저압 액체 산소 저층물의 일부분이 액체 산소 산물 스트림으로서 제거되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  12. 제11항에 있어서, 질소가 풍부한 가스상 스트림이 저압 컬럼의 상부 위치로부터 배출되고, 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 더워지며, 그후에 질소가 풍부한 가스상 산물 스트림으로서 제거되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  13. 제12항에 있어서, 저압 액체 산소 저층물의 일부분이 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 온난해지고, 그후에 가스상 산소 산물로서 제거되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  14. 제13항에 있어서, 상기 냉동량의 제2부분은 공정 시스템에 대한 간접적인 열교환에 의해 상기 스트림을 온난화시키기 전에 질소가 풍부한 가스상 스트림을 팽창시킴으로써 발생되고/또는 공정 스트림에 대한 간접적인 열교환에 의해 가스상 산소 산물을 온난화시키기 전에 가스상의 산소 산물을 팽창시킴으로써 발생되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
  15. 제14항에 있어서, (a) 증류 컬럼 시스템이 추가로 천연 아르곤 컬럼을 포함하고; (b) 아르곤 함유 가스상 측부 스트림이 저압 컬럼의 하부 중간 위치로부터 제거되고, 아르곤 함유 가스상 측부 스트림이 아르곤-부유 증기 오버헤드와 아르곤-희박 저충물 액체로 증류되는 천연 아르곤 컬럼에 주입되며; (c) 아르곤-희박 저층물 액체가 저압 컬럼에 회수되고; (d) 아르곤-풍부 중기 오버헤드의 적어도 일부분이 기화용 고압 천연액체 산소 저층물에 대한 제2재가열기/응축기 안에서 응축되고; (e) 응축된 아르곤-풍부 증기 오버헤드의 일부분이 액체 아르곤 산물로서 제거되며; (f) 응축된 아르곤-풍부 중기 오버헤드의 나머지 부분이 천연 아르곤 컬럼용 환류를 제공하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 공기 유입물의 극저온 증류를 위한 공정.
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