KR0161296B1 - 승압된 질소를 제조하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

승압된 질소를 제조하기 위한 방법 및 장치

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티모티 엔. 비숍
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Abstract

본 발명은 주컬럼과 보조컬럼 상부 증기가 응축되고, 가압되고 그리고 주컬럼으로 통과되는 보조컬럼으로 이루어 지는 향상된 회수율을 갖는 승압된 질소를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

승압된 질소를 제조하기 위한 방법 및 장치
제1도는 본 발명의 한 구체예를 도시한 개략도이다.
제2도는 공급 공기의 터어보 팽창을 이용하여 냉각을 발생시키는 본 발명의 바람직한 구체예를 도시한 개략도이다.
제3도는 폐기물 흐름을 터어보 팽창시켜 냉각을 발생시키는 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예를 도시한 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 공급 공기 2 : 압축기
4 : 예비 정화기 6, 11 : 열 교환기
50 : 터어보 팽창기 60 : 액체펌프
100 : 주컬럼 200 : 보조컬럼
101, 201 : 상부 응축기 202 : 재비기
본 발명은 일반적으로 질소를 제조하기 위한, 더욱 상세하게는 승압된 질소를 제조하기 위한 공기의 극저온 분리 방법에 관한 것이다.
초대기압에서의 고순도 질소는 유리제조, 알루미늄 제조와 전자공학 분야에서와 같은 많은 산업분야에서의 블랭킷팅(blanketing), 교반, 이동 및 비활성화와 같은 많은 적용 분야에서 사용된다. 이외에 다량의 질소가 고압으로 부스터(booster) 압축된 후 개선된 오일 또는 가스 회수조작에 사용된다.
승압 상태로 질소를 제조하기 위한 중요한 방법중 하나는 단일컬럼을 사용하여 공기를 극저온 정류 또는 분리시키는 것이다. 그러나, 이러한 시스템의 단점은 승압된 질소를 비교적 낮은 회수율로만 효과적으로 제조할 수 있다는 것이다. 일반적으로 단일 컬럼 시스템은 공급 공기의 약 42%만을 승압된 질소 생성물로서 효과적으로 회수할 수 있다.
공기의 극저온 분리에 의한 질소 회수는 고압 컬럼과 저압 컬럼이 열교환되도록 되어 있는 이중 컬럼 극저온 정류 시스템을 사용하므로써 증가될 수 있다. 이러한 시스템은 질소 회수율을 증가시키기는 하지만, 회수된 상당량의 질소가 저압 상태로 존재한다. 따라서, 승압된 질소가 요구되는 경우, 이러한 저압 질소는 고압으로 압축되어야 하기 때문에, 질소 제조 시스템에 자본 비용 및 조작 비용이 모두 추가된다.
따라서, 회수율이 개선된 승압된 질소를 제조할 수 있는 시스템을 얻는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목정은 회수율이 개선된 공기의 극저온 정류에 의한 승압된 질소를 제조하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 회수율이 개선된 공기의 극저온 정류에 의한 승압된 질소를 제조하기 위한 장치를 제공하는 데 있다.
상기 및 기타 목적은 당업자들이 본 명세서를 숙지하므로써 명백하게 될 것이며 하기와 같은 본 발명에 의해 달성될 수 있다.
본 발명은
(A)압축된 공급 공기를, 제곱 인치당 80 내지 150 파운드의 절대 압력에서 조작되는 주컬럼에 제공하는 단계,
(B)주컬럼내 공급 공기를 질소 농후 성분과 산소 농후 성분으로 분리시키는 단계,
(C)산소 농후 성분을 주컬럼보다 낮은 압력에서 조작되는 보조 칼럼에 제공하는 단계,
(D)산소 농후 성분을 질소 농후 증기와 산소 농후 액체로 분리시키는 단계,
(E)질소 농후 증기를 산소 농후 액체와의 간접 열교환에 의해 응축시켜 질소 농후 액체를 생성시키는 단계,
(F)질소 농후 액체의 압력을 실질적으로 주컬럼의 조작 압력으로 증가시키는 단계,
(G)질소 농후 성분을 추가로 제조하기 위해 가압된 질소 농후 액체를 주컬럼에 제공하는 단계, 및
(H)승압된 질소를 생성하면서 주컬럼으로부터 질소 농후 성분을 회수하는 단계를 포함하는 회수율이 개선된 승압된 질소를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면은
(A)상부 응축기, 및 공급물을 주컬럼에 제공하기 위한 수단을 갖는 주컬럼,
(B)유체를 주컬럼의 저부로부터 상부 응축기에 제공하기 위한 수단,
(C)상부 응축기를 갖는 보조컬럼,
(D)유체를 주컬럼의 상부 응축기로부터 보조컬럼에 제공하기 위한 수단,
(E)액체를 보조컬럼의 상부 응축기로부터 상기 액체의 압력을 증가시키기 위한 수단을 포함하는 주컬럼에 제공하기 위한 수단, 및
(F)주컬럼으로부터 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하는, 회수율이 개선된 승압된 질소를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.
용어 컬럼은 본원에서는 증류, 정류, 또는 분별컬럼, 즉 예를들어 컬럼내에 설치된 일련의 수직 배치된 트레이(trays)또는 플레이트상에서 또는 팩킹 요소, 또는 이들의 조합물상에서 증기와 액체상을 접촉시키므로써, 액체와 증기상을 역류 접촉시켜 유체 혼합물을 분리시키는 접촉 컬럼 또는 영역을 의미하는 것으로 사용된다. 이러한 분별 컬럼은 하기의 참고 문헌에서 폭넓게 논의된다.[the Chemical Engineer's Handbook, Fifth Edition, edited by R. H. Perry and C. H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York Section 13, Distillation S. D. Smith et al, page 13-3, The Continuous Distillation Process].
본원에서 용어 상부 응축기는 각각의 주컬럼 또는 보조컬럼 응축기를 의미하는 것으로 사용되며, 여기서 컬럼으로부터의 증기는 응축되어 저압에서 증발되는 액체와의 간접 열교환에 의해 환류를 제공하게 된다.
본원에서 용어 간접 열교환은 2개의 유체 흐름을 유체 상호간의 물리적 접촉 또는 혼합없이 열교환시키는 의미하는 것으로 사용된다.
용어 터어보 팽창(turboexpansion)은 본원에서는 터이빈과 같은 장치를 통해 가스 팽창에 의해 가스의 압력 에너지를 기계적 일로 전환시키는 것을 의미하는 것이다.
이하에서는 본 발명을 도면을 참조로 하여 상세히 설명하고자 한다.
제1도를 살펴보면, 공급 공기(1)가 압축기(2)를 통과하므로써 압축되고, 이로써 형성된 압축 공기(3)가 예비정화기(4)를 통과하므로써 수증기 및 이산화탄소와 같은 높은 비등점을 갖는 불순물을 세척한다. 일반적으로, 예비정화기(4)는 분자체 층들을 포함한다. 이 후, 압축되고, 세척된 공급 공기(5)는 열교환기(6)를 통과하여, 귀환 흐름과의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 공급 공기의 일부(7)는 터어보 팽창기(50)를 통과하므로써 터어보 팽창되어 냉각을 일으키고, 질소 생성 장치를 냉각시킴에 따라 형성된 터어보 팽창된 공기흐름(8)이 보조컬럼(200)에 공급된다. 통상적으로, 사용되는 경우 공급 공기의 일부(7)는 유입 공급 공기(1)의 약 5 내지 20%가 사용될 것이다.
이후, 냉각되고, 세척되고 압축된 공급 공기(9)는 제곱인치당 80 내지 150 파운드 절대압력(psia), 바람직하게는 100 내지 130psia로 주컬럼(100)에 공급된다. 제1도는, 공급 공기의 일부(10)가 열교환기(11)를 통과하여 귀환 흐름들과의 간접 열교환에 의해 액화되는, 본 발명의 바람직한 구체예를 도시한 것이다. 이 결과 형성된 공급 공기의 일부(12) 및 기체상 공급 공기의 일부(13)가 주컬럼(100)에 공급된다. 사용되는 경우 액화된 공급 공기의 일부(12)는 유입 공급 공기(1)의 약 10%이하가 사용될 것이다.
주컬럼(100)내의 공급공기는 극저온 정류에 의해 질소 농후 성분 및 산소 농후 성분으로 분리된다. 질소 농후 성분은 일반적으로 질소 농도가 약 99%이상이며, 99.9999페센트 이상일 수도 있다. 산소 농후 성분은 일반적으로 산소 농도가 30 내지 45%이다.
기체상 질소 농후 성분(14)은 주컬럼(100)을 통과해 나갈 수 있다. 질소 농후 성분의 일부(15)는 열교환기(11 및 6)를 통과하므로써 가온되고, 승압된 질소(16) 생성물로서 회수된다. 생성 가스의 압력은 회수도관에서의 압력강화보다 낮은 주컬럼의 작동 압력 이하일 수 있다. 또한, 질소 농후 성분의 일부(17)는 주컬럼의 상부 응축기(101)에 공급된다. 또한, 상부 응축기(101)에는 주컬럼(100)의 바닥 또는 바닥의 인접부로부터 액체흐름(18)으로서 공급되는 산소 농후 성분이 공급된다. 제1도에 도시된 구체예에서, 흐름(18)은 열교환기(11)를 통과하므로써 냉각된다. 냉각흐름(18)의 일부(19)는 상부 응축기에 공급되는 반면, 냉각흐름의 다른 일부(20)는 보조컬럼에 직접 공급된다.
주컬럼의 상부 응축기(101)내 질소 농후 성분(17)은 산소 농후 성분이 적어도 부분적으로 증발되도록 상부 응축기(101)에 공급되는 산소 농후 성분과의 간접 열교환에 의해 응축된다. 제1도에 도시한 구체예에서, 상부 응축기(101)내 산소 농후 성분은 열교환에 의해 완전히 증발되고, 이 결과 생성된 증기는 흐름(21)으로서 보조컬럼(200)의 바닥 또는 바닥의 인접부에 공급된다. 이 결과 형성된 질소 농후 성분(28)은 주컬럼(100)용 액체 환류물로서 사용된다. 경우에 따라, 상부 응축기(101)로부터의 질소 농후 성분의 일부는 액체 질소 생성물로서 회수될 수 있다.
보조컬럼(200)은 주컬럼(100)의 작동 압력보다 낮은 압력에서 작동된다. 통상적으로, 보조컬럼(200)의 작동 압력은 40 내지 70psia, 바람직하게는 45 내지 65psia일 것이다. 보조컬럼(200)에서 이 칼럼으로의 공급물(들)은 극저온 정류법에 의해 질소 농후 증기 및 산소 농후 액체로 분리된다. 보조컬럼(200)으로의 공급물은 산소 농후 성분의 하나 이상의 흐름들을 포함할 것이며, 또한 터어보 팽창된 공급 공기 흐름을 포함할 수 있다. 통상적으로, 질소 농후 증기는 질소 농도가 90 내지 100%이며, 산소 농후 액체는 산소 농도가 45 내지 65%일 것이다.
질소 농후 증기(22) 및 산소 농후 액체(23)는 보조컬럼의 상부 응축기(201)에 공급되며, 여기서 질소 농후 증기는 간접 열교환에 의해 응축되면서 산소 농후 액체가 증발된다. 이 결과 생성된 산소 농후 증기는 상부 응축기(201)로부터 흐름(24)으로서 열교환기(11 및 6)를 통과하고, 흐름(25)로서 장치를 빠져나간다. 이 결과 생성된 질소 농후 액체는 액체 환류물로서 보조컬럼(200)에 공급(24)된다.
질소 농후 액체의 일부(27)는 실질적으로 주컬럼(100)의 작동 압력으로 압력이 증가된 후, 주컬럼(100)에 공급된다. 질소 농후 액체의 압력을 증가시키기 위한 바람직한 수단은 제1도에 도시한 액체펌프(60)와 같은 액체펌프를 통해 상기 액체를 통과시킨다. 가압된 질소 농후 액체는 액체 환류 흐름(28)과 혼합하여 주컬럼(100)에 공급하는 것이 용이할 수 있다. 주컬럼(100)에 공급된 가압된 질소 농후 액체는 추가의 질소 농후 성분을 제조하며, 이로써 승압된 질소 생성물을 제조할 수 있게 한다.
바람직하게는, 가압된 재순환 질소 액체 흐름은 환류 흐름(28)과 결합될 필요는 없으며, 오히려, 예를 들어 가압된 재순환 질소 액체흐름의 순도가 흐름(28)의 순도보다 약간 낮은 경우에 주컬럼(100)의 상부에 주입될 수 있다. 주컬럼에 다시 재순환된 질소 액체 흐름은 추가의 질소 액체 환류물을 제공하므로써 다량의 기체상 질소흐름이 주컬럼의 상부로부터 회수되어 단일 승압하에서 컬럼장치로부터 기체상 질소 생성물을 제조할 수 있게 된다.
제2도는, 냉각되고 세척되고 압축된 공급 공기의 일부가 주컬럼에 주입되기 전에 보조컬럼 바닥들과의 간접 열교환에 의해 액화되는 본 발명의 특히 바람직한 구체예를 도시한 것이다. 제2도의 도면부호들은 통상적인 부재들에 대한 제1도의 도면부호들과 일치하며 상기의 통상의 부재의 설명은 반복하지 않을 것이다.
이제 제2도를 살펴보면, 냉각되고 세척되고 압축된 공급 공기의 일부(30)가 바닥 재비기(202)에 공급되고, 간접 열교환에 의해 응축되면서, 보조컬럼(200)의 바닥 액체가 증발되므로써 보조컬럼(200)에 대해 비등하는 증기가 제공된다. 공급 공기의 일부(30)는 사용되는 경우, 유입 공급 공기(10)의 1 내지 30%를 사용할 수 있다. 흐름(13)의 잔류 부분(34)은 컬럼(100)에 직접 공급된다. 이에 따라 액화된 공기는 흐름(31)으로서 주컬럼(100)에 공급된다. 보조컬럼(200)의 바닥에서 공기가 비등하므로써, 증기를 주컬럼의 상부 응축기(101)로부터 보조컬럼(200)의 바닥에 공급할 필요가 없게 된다. 제2도에 도시된 구체예에서, 흐름(18)은 전부 상부 응축기(101)에 공급되고, 질소 농후 성분이 응축되는 것에 반하여 산소 농후 액체성분은 부분적으로 증발된다. 이 결과 형성된 산소 농후 증기 및 잔류하는 산소 농후 액체는 각각의 흐름들(32 및 33)로서, 둘다 상부 응축기(101)로부터 재비기(202) 상부이지만 터어보 팽창된 공급 공기 흐름(8)의 주입 지점의 하부인 지점으로 보조컬럼(200)에 공급된다. 추가로 배치된 보조컬럼 재비기(202)는 폐흐름(24)이 되는 흐름(23)의 산소 함량을 증가시킴으로써 제1도에 도시된 보다 간단한 배치를 갖는 컬럼에 비해 질소 회수율을 증가시킨다. 전체 흐름(18)을 상부 응축기(101)에 공급시킴으로써 공급 흐름(10)을 컬럼장치에 대해 가장 낮은 압력으로 유지시키도록 하는 특징이 있다.
제3도는 공급 공기 흐름보다는 폐흐름을 터어보 팽창시켜 냉각을 일으키는 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예를 도시한 것이다. 제3도의 도면부호들은 통상의 부재들에 대한 제1 및/또는 2도의 도면부호들과 일치하며 이들 통상의 부재에 대한 설명은 반복하지 않을 것이다.
제3도를 살펴보면, 공급 공기 흐름의 전부(5)가 열교환기(6)를 완전히 통과한다. 상부 응축기(101)로부터의 산소 농후 증기(41)의 일부(40)는 열교환기(6)를 부분 통과하므로써 가온되고, 반면에 산소 농후 증기(41)의 또다른 부분(42)은 보조 컬럼(200)에 통과된다. 가온된 산소 농후 증기(43)는 터어보 팽창기(44)를 통과하므로써 터어보 팽창되어 냉각을 일으키고, 이 결과 형성된 터어보 팽창흐름(45)은 흐름(24)과 혼합되어 열교환기(6)를 통과하고, 이에 따라 추가된 냉각을 유입 공급 공기 및 장치에 이동시킨다. 이 결과 형성된 가온된 흐름이 장치로부터 폐흐름(25)으로서 제거된다.
본 발명의 컴퓨터 시뮬레이션은 제2 및 3도에 도시한 구체예에 따라 수행하였으며 상기 시뮬레이션에 의해 수득한 데이터는 표1 및 2에 각각 명기하였다. 표에서의 흐름 번호들은 도면부호들과 일치한다.
도시된 바와 같이, 제2도에 도시한 본 발명의 구체예는 승압된 질소 생성물로서 유입 공급 공기의 56.5%의 회수율을 보장할 것이고, 제3도에 도시한 본 발명의 구체예는 승압된 질소 생성물로서 54.9%의 회수율을 보장할 것이다.
비교의 목적으로, 대표적인 단일 컬럼 질소 발생기 사이클의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 상기 통상적인 사이클을 사용하므로써 유입 공급 공기의 40.6%만이 승압된 질소 생성물로서 회수될 수 있었다. 따라서, 본 발명은 통상적인 단일 컬럼 질소 발생 장치를 사용하여 달성 가능한 회수율에 대해 30%이상의 승압된 질소 회수율을 보장해 준다.
본 발명이 특정 구체예에 관해 상세히 설명되었다 할지라도, 당업자는 특허 청구의 범위 및 사상 내에 본 발명의 다른 구체예들이 있다는 것을 인지할 것이다. 예를 들면, 냉각은 주컬럼으로부터의 질소 농후 성분들중 일부를 터어보 팽창시켜 질소 생성물의 일부를 보다 낮은 압력으로 제조하므로서 발생시킬 수 있다. 질소 생성물의 일부가 보다 낮은 압력을 갖는 것이 바람직한 경우, 상기 대안법이 유리할 수 있다. 또한, 경우에 따라, 냉각은 보조 컬럼으로부터 취한 산소 농후 증기 흐름을 터어보 팽창시키므로써 발생시킬 수 있다. 각각의 컬럼내 상부 응축기들중 어는 하나 또는 모두는 도면에 도시한 바와 같이 외측에 대해 마주하여 배치될 수 있다. 또한, 제2 및 제3도에 도시한 보조컬럼 재비기는 보조컬럼의 외측에 배치될 수 있다.

Claims (16)

  1. (A)압축된 공급 공기를, 제곱 인치당 80 내지 150 파운드의 절대 압력에서 조작되는 주컬럼에 제공하는 단계, (B)주컬럼내 공급 공기를 질소 농후 성분과 산소 농후 성분으로 분리시키는 단계, (C)산소 농후 성분을, 주컬럼보다 낮은 압력에서 조작되는 보조 칼럼에 제공하는 단계, (D)산소 농후 성분을 질소 농후 증기와 산소 농후 액체로 분리시키는 단계, (E)질소 농후 증기를 산소 농후 액체와의 간접 열교환에 의해 응축시켜 질소 농후 액체를 생성시키는 단계, (F)질소 농후 액체의 압력을 실질적으로 주컬럼의 조작 압력으로 증가시키는 단계, (G)질소 농후 성분을 추가로 제조하기 위해 가압된 질소 농후 액체를 주컬럼에 제공하는 단계, 및 (H)승압된 질소를 생성하면서 주컬럼으로부터 질소 농후 성분을 회수하는 단계를 포함하여, 회수율이 개선된 승압된 질소를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 질소 농후 성분의 일부가 응축되고 환류로서 주컬럼에 사용됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 질소 농후 성분이 산소 농후 성분과의 간접 열교환에 의해 응축되고, 생성된 산소 농후 성분이 보조컬럼에 공급됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 산소 농후 성분이 응축된 질소 농후 성분과의 간접 열교환에 의해 부분적으로 증기화되고, 생성된 산소 농후 증기와 산소 농후 액체가 모두 보조컬럼에 공급됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 질소 농후 액체의 압력이 액체 펌핑에 의해 증가됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 압축된 공급 공기의 일부를 액화시키는 단계가 이러한 공급 공기의 일부가 주컬럼에 도입되기 전에 추가로 포함됨을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 공급 공기의 일부가 보조컬럼의 바닥부분과의 간접 열교환에 의해 액화되므로써 보조컬럼용 증기 상승류를 제공함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 압축된 공급 공기의 일부를 터어보 팽창시켜 냉각을 일으키는 단계와 터어보 팽창된 공급 공기의 일부를 보조컬럼에 도입하여 시스템에 냉각을 제공하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 산소 농후 성분의 일부를 터어보 팽창시키는 단계와 압축된 공급 공기와의 간접 열교환으로 상기 터어보 팽창된 부분을 공급하여 시스템에 냉각을 제공하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 질소 농후 성분의 일부를 터어보 팽창시켜 냉각을 일으키고, 터어보 팽창된 질소 농후 부분을 압축된 공급 공기와의 간접 열교환으로 공급하여 시스템에 냉각을 제공함을 특징으로 하는 방법.
  11. (A)상부 응축기, 및 공급물을 주컬럼에 제공하기 위한 수단을 갖는 주컬럼, (B)유체를 주컬럼의 저부로부터 상부 응축기에 제공하기 위한 수단, (C)상부 응축기를 갖는 보조컬럼, (D)유체를 주컬럼의 상부 응축기로부터 보조컬럼에 제공하기 위한 수단, (E)액체를 보조컬럼의 상부 응축기로부터 상기 액체의 압력을 증가시키기 위한 수단을 포함하는 주컬럼에 제공하기 위한 수단, 및 (F)주컬럼으로부터 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하는, 회수율이 개선된 승압된 질소를 제조하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 압력증가수단이 액체펌프를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  13. 제11항에 있어서, 터어보 팽창기, 공급물을 터어보 팽창기에 제공하는 수단 및 터어보 팽창기로부터 공급물을 보조컬럼에 제공하는 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  14. 제11항에 있어서, 터어보 팽창기, 주컬럼의 상부 응축기로부터 유체를 터어보 팽창기에 제공하는 수단 및 공급물과의 간접 열교환으로 터어보 팽창기로부터 유체를 제공하는 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  15. 제11항에 있어서, 공급물의 일부가 주컬럼에 제공되기 전에 공급물의 일부를 액회시키는 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서, 공급물의 일부를 액화시키기 위한 수단이 보조컬럼의 저부에서 재비기를 포함함을 특징으로 하는 장치.
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