KR0163351B1 - 공기 분리법 - Google Patents

공기 분리법

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KR0163351B1
KR0163351B1 KR1019900008245A KR900008245A KR0163351B1 KR 0163351 B1 KR0163351 B1 KR 0163351B1 KR 1019900008245 A KR1019900008245 A KR 1019900008245A KR 900008245 A KR900008245 A KR 900008245A KR 0163351 B1 KR0163351 B1 KR 0163351B1
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라드본 토마스
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마이클 위크햄
더 비오씨 그룹 피엘씨
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Abstract

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Description

공기 분리법
제1도는 결합된 공기분리 장치-화학 또는 금속학 장치-전력 발생기의 개략도이며,
제2도는 제1도에 나타난 장치를 사용하기 위한 공기 분리 장치의 개략도이다.
본 발명은 공기 분리법에 관한 것이다.
저온 공기 분리 장치에서 생성된 질소로부터 일(work)을 회수하는 것이 특정의 환경에서 유리하다는 것은 알려져 있다. 상기 수행을 위한 대부분의 계획은 발전기를 가동시켜 전기를 발생시키기 위해 사용한 가스 터어빈에 달려 있다. 압축된 질소를 사용하여 가스 터어빈에 연결된 연소실의 압력을 조절한 후 가스의 팽창으로 인한 에너지를 회수하는 것이 기재되어 있는, 예를 들어 미합중국 특허 제2,520,862호 및 제3,371,495호를 참조하시오. 따라서, 공기 분리 공정에 필요한 에너지는 모두는 아니고 대부분 상기 공정에 의해 충족될 수 있다. 그러나, 종종 상기 공정을 이용할 수 있는 위치상에 적합한 가스 터어빈을 이용할 수 없다.
영국 특허 제1,455,960호에는 달리 질소 생성물로부터 일을 회수하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법은 공기 분리 장치와 증기 발생기의 열역학적 링킹(linking)을 포함한다. 질소 생성물에 높은 등급의 열을 부여해서 600℃ 보다 높은 온도까지 가열시키기 위해 증기 발생기에서 증기를 발생시키는 연도가스(flue gas)로 질소 생성물을 열 교환시킨다. 질소는 팽창작업하여 필요한 대부분의 열 에너지를 역학 에너지로 전환시킨다. 증기는 질소 생성물과 열 교환하는 연도가스의 하류에 의해 발생된다. 팽창 작업한 질소 생성물의 이용할 수 있는 잔류 열은 증기 발생기에 재도입되는 유체를 재가열시키기 위해 사용한다.
영국 특허 명세서 제1,455,960호에 기재된 방법은 많은 단점을 가지고 있다. 첫째, 증기압을 상승시키기 위한 높은 등급의 열 사용이 비교적 비효율적이다. 둘째, 증기압 상승과 관련된 비용이 심각하다. 셋째, 공기 분리 공정으로부터 회수된 일을 사용하여 과량의 수송용 전기를 일으키는 가능성이 있지만, 영국 특허 제1,455,960호에 따른 공정은 상기 가능성 그 자체에 쓸모가 없다. 넷째, 종종 공기 분리 장치의 위치상에 적합한 증기발생 장치를 이용할 수 없다. 다섯째, 높은 등급의 열의 적합한 공급원을 쉽게 이용할수 없지만, 존재한다면 상기 공급원을 보다 효율적인 방법으로 이용할 수도 있다. 여섯째, 상기 공정은 산업 공정에서 보다 통상적으로 이용되는(그러나, 단지 동력 발생을 위해 비효율적으로 사용되거나 일반적으로 소모되는) 낮은 등급의 열을 이용할 수 없다.
본 발명은 질소의 스트림(Stream)으로부터 일을 회수하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 이때 질소는 공기 분리의 산소 생성물이 관여하는 화학 또는 다른 공정으로부터 대표적으로 발생하는 낮은 등급의 열(즉, 600℃ 미만의 온도에서)을 함유한 유체 스트림과 열 교환함으로서 예비 가열된다.
본 발명에 따라 2내지 7기압의 절대압에서 질소의 스트림을 유체의 상 변화없이 초기에 600℃ 미만의 온도에서 유체의 스트림과 열 교환함으로써 가열시키며, 이어서 가열된 질소의 스트림을 터어빈에서 팽창시켜 외부 일을 수행하는, 공기를 산소와 질소로 분리시키는 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 공기를 산소와 질소로 분리시키기 위한 장치; 2 내지 7기압에서 공기 분리 장치에 의해 생성된 질소의 스트림이 유체의 상 변화없이 초기에 600℃ 미만의 온도에서 유체를 함유하는 스트림과 열 교환하기 위한 열 교환기; 및 가열된 질소를 팽창시켜 외부 일을 하는 팽창 터어빈을 포함하는 상기 방법을 수행하기 위한 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 방법으로 수행한 외부일은 공기 분리 공정으로 유입되는 공기의 스트림 또는 배출되는 생성물의 스트림을 압축시킬 수도 있으나 다른 방법의 공기 분리 또는 수송용 전기를 발생시키는 것이 바람직하다.
유체 스트림의 온도는 바람직하게는 초기에(즉, 열 교환전에) 200 내지 400℃, 보다 바람직하게는 300 내지 400℃ 이다. 상기 스트림으로부터 효율적으로 일을 회수하는 것은 보통 불가능하므로 본 발명은 일을 회수하는 비교적 효율적인 유일한 방법을 제공하는 잇점이 있다.
전형적으로, 600℃ 이하의 온도에서 상기 스트림은 스트림중의 상기 산소를 사용하거나 달리는, 산업공정(공정중의 스트림을 냉각시킬 필요가 있음)으로부터 열을 이용할 수도 있는, 산업 또는 화학 공정으로부터 생성된 폐기 가스 스트림이다. 열 교환은 직접 가스-대-가스 열 교환기에서 수행하는 것이 바람직하다. 또다른 선택은 산업 또는 화학공정으로부터 생성된 유체의 스트림을(상태의 변화없이) 사용하여 열전달 매체의 온도를 상승시키며, 매체의 상태의 변화없이 상기 매체를 사용하여 직접 열 교환에 의해 질소를 가열한다. 이 매체는 열 전달 오일일 수도 있다.
질소가 유체 스트림과 관련하여 열 교환할때 최적 압력은 유체 스트림의 온도에 의존한다. 유체 스트림의 온도가 높을수록 바람직한 질소 스트림의 압력은 높아서 약 400℃에서 바람직한 질소 압력은 대략 4기압이다. 특히, 유체 스트림의 초기 온도가 200 내지 400℃인 경우 질소 스트림은 대표적으로 2 내지 5기압에서 사용한다.
압축기에 의해 목적하는 압력까지 질소압을 상승시킬 수도 있다. 또한 공기를 분리하기 위해 사용한 증류탑 또는 증류탑들은 필요 한 승압에서 또는 질소 압축기가 필요하지 않은 압력에서 질소의 스트림이 생성되도록 배열하고 조작할 수도 있다. 사실, 루헤만(Ruhemann)의 문헌[Separation of Gases, Oxford University Press, 1945]에 기재된 통상의 이중 컬럼에서 공기를 분리하는 경우, 보다 낮은 압력의 컬럼은 3내지 4기압의 절대압에서 조작하는 것이 유리할 수도 있으며, 이는 1내지 2기압의 절대압에서의 상기 컬럼의 통상의 조작과 비교하여 효율을 증가시킨다. 유체 스트림과 열 교환하는 상류, 즉 질소 스트림은 분리용 공기로부터 수증기 및 기타 다른 비교적 비-휘발성 성분을 제거하기 위해 사용한 장치(예: 역류 열 교환 또는 흡착 장치)를 재생하는데 대표적으로 사용된다.
공기로부터 분리된 산소는 폐열이 발생하는 화학, 금속학 또는 기타 다른 산업 공정에서 대표적으로 사용될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 첨가한 하기 도면을 참조로 하여 실시예에 예시될 것이다.
공기는 공기 분리 장치(2)에서 분리되어 순수할 필요는 없는 산소 및 질소 생성물을 제공한다. 산소 생성물은 장치(4)에 공급되어 화학 또는 금속학 반응에 참여하도록 사용된다. 장치(4)는 395℃의 온도에서 다른 생성물중 하나인 폐기가스 스트림(6)을 생성한다. 이어서 이 가스 스트림은 공기 분리 장치(2)에서 생성된 질소 생성물 스트림과 함께 열 교환기(8)에서 역류 열 교환을 시작한다. 상기 질소 생성물 스트림은 대표적으로 4기압의 절대압에서 열 교환기(8)로 유입된다. 그 결과, 생성된 질소 스트림은 약 350℃의 온도까지 가열된 후 팽창되어 외부 일을 수행하는 팽창 터어빈(10)으로 유입된다. 대표적으로 상기 터어빈을 사용하여 발전기(12)를 가동시킨 후 전력을 발생시키며, 이 터어빈은 공기 분리 장치(2) 또는 화학/금속학 장치(4)에서 사용할 수도 있다. 또한 축을 공기 분리 장치에서 사용하는 압축기에 직접 결합시킬 수도 있다.
장치(4)로부터 생성된 가스 스트림은 질소와 열 교환한 후 스택(stack, 도시되어 있지 않음)을 통해 대표적으로 대기로 배출될 수도 있다.
도면의 제2도에 있어서, 지정된 압력에서 공기 압축기(20)의 배출구로부터 공기를 공급한다. 이 공기를 압축된 공기로부터 수증기 및 이산화탄소를 제거하기에 효과적인 정제장치(22)에 통과시킨다. 상기 장치(22)는 흡착제의 베드(bed)를 사용하여 유입되는 공기로부터 수증기 및 이산화탄소를 흡수하는 장치의 일종이다. 상기 베드를 서로 연달아 조작하여 상기 베드중 하나의 베드는 공기를 정제시키는데 사용하고 나머지 베드는 대표적으로 질소 스트림에 의해 재생되도록 한다. 이어서 정제된 공기 스트림은 다량의 스트림과 미량의 스트림으로 분리된다.
상기 다량의 스트림은 열 교환기(24)를 통과하며, 이 스트림의 온도는 저온 정류에 의해 공기가 분리되기에 적합한 온도로 감소한다. 따라서 대표적으로 다량의 공기 스트림은 일반적인 압력에서 포화온도까지 냉각된다. 이어서 다량의 공기 스트림은 유입구(26)을 통해 보다 높은 압력의 정류 컬럼(28)으로 유입되어 산소가 풍부한 분획물 및 질소 분획물로 분리된다.
보다 높은 압력의 정류 컬럼은 이중 컬럼 장치의 일부를 구성한다. 이중 컬럼 장치의 나머지 컬럼은 보다 낮은 압력의 정류 컬럼(30)이다. 정류 컬럼(28) 및 (30) 둘 다는 액체 증기 접촉 트레이 및 연합 강수관(또는 기타 다른 장치)을 포함하며, 이 장치에 의해 하강 액상과 상승 기상 사이에서 질량 이동이 일어나도록 2개의 상을 친밀하게 접촉한다. 하강 액상은 점점 산소가 풍부해지며, 상승 기상은 점점 질소가 풍부해진다. 대표적으로, 보다 높은 압력의 정류 컬럼(28)은 유입되는 공기가 압축되는 압력과 거와 동일한 압력에서 조작한다. 컬럼의 상부에서는 거의 순수한 질소 분획물을 생성하지만 컬럼의 하부에서는 여전히 실질적인 질소를 함유하는 산소 분획물을 생성하도록 상기 컬럼(28)을 조작하는 것이 바람직하다.
컬럼(28) 및(30)은 응축기-리보일러 장치(32)에 의해 함께 연결된다. 응축기-리보일러 장치(32)는 보다 높은 압력의 컬럼(28)의 상부로부터 질소 증기를 받고, 컬럼(30)에서 비등 액체 산소와의 열 교환에 의해 상기 증기를 응축시킨다. 생성된 응축물은 보다 높은 압력의 컬럼(28)로 되돌아온다. 응축물의 일부는 컬럼(28)로 환류되며, 이 나머지는 열 교환기(34)에서 수집되어 부분냉각되고, 팽창 밸브(36)을 통해 보다 낮은 압력의 컬럼(30)의 상부를 통과함으로서 컬럼(30)으로 환류된다. 보다 낮은 압력의 정류 컬럼(30)은 컬럼(28)의 압력보다 낮은 압력에서 조작하며, 두 공급원으로부터 분리용 산소-질소 혼합물을 받는다. 첫번째 공급원은 정제장치(22)에서 배출되는 공기의 스트림을 분리하여 형성된 미량의 공기 스트림이다 컬럼(30)으로 도입되는 미량의 공기 스트림 상류는 먼저 압축기(38)에서 압축되어 열 교환기(24)에서 약 200 K의 온도까지 냉각된후, 열 교환기(24)로부터 제거되어 팽창 터어빈(40)에서 컬럼(30)의 조작 압력까지 팽창되며, 이로써 본 방법에 냉장 장치를 제공한다; 이어서 이 공기 스트림은 유입구(42)를 통해 컬럼(30)으로 도입된다. 원한다면, 팽창 터어빈(40)을 사용하여 압축기(38)을 가동시킬 수도 있으며, 또는 달리 두개의 장치, 즉 압축기(38) 및 터어빈(40)은 서로 무관할 수도 있다. 상기 두 장치의 배출구 압력을 서로 무관하게 할 수 있으므로 서로 무관한 배열이 종종 바람직하다.
컬럼(30)에서 분리용 산소-질소 혼합물의 두번째 공급원은 보다 높은 압력의 컬럼(50)의 하부로부터 취한 산소가 풍부한 분획물의 액체 스트림이다. 이 스트림은 배출구(44)를 통해 제거되어 열 교환기(46)에서 부분-냉각되며, 이어서 주울-톰슨(Joule-Thomson) 밸브(48)를 통과하여 이 중간에서 컬럼(30)으로 흘러들어 간다.
도면에 나타난 장치는 3개의 생성물 스트림을 생성한다. 첫째는 배출구(48)를 통해 보다 낮은 압력의 컬럼(30)의 하부로부터 제거되는 가스 산소 생성물 스트림이다. 이어서 이 스트림을 열 교환기(24)에서 유입되는 공기와 역류 열 교환시킴으로써 주위온도 또는 근접한 주위온도까지 가온한다. 이 산소는 예를들어 가스화, 제강 또는 부분 산화장치에서 사용할 수도 있으며, 원한다면 압축기(표시되어 있지 않음)에서 압축시켜 목적하는 조작 압력까지 상승시킬 수도 있다. 2개의 질소 생성물 스트림을 또한 수득한다. 첫번째 질소 생성물 스트림은 컬럼(28)의 상부에 수집되어 있는 질소가 풍부한 분획물(대표적으로 거의 순수한 질소)로부터 수증기로서 수득한다. 이 질소 스트림을 배출구(52)를 통해 제거하고 열 교환기(24)에서 공기 흐름과 역류 열 교환시킴으로써 대략 주위온도까지 가온한다.
또다른 질소 생성물 스트림은 보다 낮은 압력의 컬럼(30)의 상부로부터 배출구(54)를 통해 직접 수득한다. 이 질소 스트림은 열 교환기(34)를 통해 보다 높은 압력의 컬럼으로부터 제거된 액체 질소 스트림으로 역류되어 이 스트림의 부분 냉각에 영향을 준다. 이어서 질소 생성물 스트림은 열 교환기(46)을 통해 산소가 풍부한 분획물의 액체 스트림으로 역류되어 이 액체 스트림의 부분 냉각에 영향을 준다. 컬럼(30)의 상부로부터 수득한 질소 스트림을 열 교환기(24)를 통해 다량의 공기 스트림으로 역류시킨후 대략 주위온도까지 가온한다. 이 질소 스트림은 열 교환기(56)에서 낮은 등급의 열을 함유한 유체 스트림과 최소 한 부분적으로 열 교환된다. 생성된 고온 질소 스트림은 발전기(60)를 가동시키기 위해 사용한 터어빈(58)에서 팽창한다.
원한다면, 보다 낮은 압력의 컬럼으로부터 생성된 질소 생성물 스트림의 일부를 사용하여 정제장치(22)에서 수증기 및 이산화탄소의 흡착제 베드를 퍼어즈할 수도 있다. 대표적으로(도시되지 않은 장치에 의해) 예비-가열된 질소의 상기 사용은 본 분야에 공지되어 있다. 불순물을 함유하는 생성된 질소는 원한다면 열 교환기(56)의 질소 생성물 스트림 상류와 재배합될 수도 있다.
제2도에 나타난 장치의 대표적인 조작에서, 컬럼(28)은 약 12.8바에서 조작할 수도 있으며, 컬럼(30)은 약 4.2바에서 조작할 수도 있다. 따라서 압축기(18)은 공기를 약 13.0바로 압축하며, 압축기(38)은 약 18.2바의 배출 압력을 갖는다.
상기 조건하에서 컬럼(28)로부터 8바에서 하루에 산소 30,000㎥/hr·톤 및 순도 95%, 10바에서 하루에 산소 10,000㎥/hr·톤을 생성하기 위한 계획의 조작은 다음과 같은 전력을 소모한다:
Figure kpo00002
그러나 350℃에서 유체 스트림으로부터 생성된 10.4MW의 폐기열을 열 교환기(56)에서 이용할 수 있다고 가정하면, 터어빈(58)로부터 생성된 6.7MW를 회수할 수도 있으며 전력 순소비량은 8.7MW이다.
상기 전력 순소비량은 필적하는 장치의 조작과 비교하여 유리하며 다음과 같은 조건에서 동일한 산소 및 질소 생성물을 생성한다:
(A) 컬럼(28)은 약 6바에서 조작하며, 컬럼(30)은 약 1.3바에서 조작하며; 또는
(B) 컬럼(28)은 약 6바에서 조작하며, 컬럼(30)은 약 1.3바에서 조작하며, 폐기열은 회수되지 않으며;
(C) 컬럼(28)은 약 6바에서 조작하며, 컬럼(30)은 약 1.3바에서 조작하며, 질소 스트림의 열은 없다. 그 대신 폐기열 스트림은 스프림압을 상승시키기 위해 사용되어 스트림 터어빈에서 팽창한다.
(D) 컬럼(28)은 약 12.8바에서 조작하며, 컬럼(30)은 약 4.2바에서 조작한다. 폐기열은 질소 스트림으로 전달되지 않으며 질소 스트림은 주위온도로부터 대기압까지 팽창되며; 또는
(E) 상기 장치는 상기(D)와 같이 조작하며, 폐기열을 사용하여 스트림압을 상승시키고, 이 스트림을 스트림 터어빈에서 팽창시켜 추가의 일을 회수한다.
비교상의 전체 전력 소비량은 모든 양이 메가와트(MW)인 하기표에 나와 있다.
Figure kpo00003
초기에 600℃ 이하의 온도에서 질소와 열 교환하는 동안 상태가 변하지 않는 유체 스트림과의 열 교환을 포함하는 방법에 의해, 이어서 고온 질소 스트림을 생성하는 터어빈 팽창에 의해 승압에서 질소로부터 일을 회수할때, 임의의 필적하는 방법에 비해 전력 순소비량이 절약됨을 인지할 수 있다.

Claims (12)

  1. 2내지 7기압 범위의 절대압에서 질소 스트림을 유체의 상 변화 없이 초기에 600℃ 미만의 온도에서 유체의 스트림과 열 교환에 의해 가열시키고, 상기 가열된 질소 스트림을 터어빈에서 팽창시켜 외부 일을 수행하는, 공기를 산소와 질소로 분리시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 외부 일이 전기 발생인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유체 스트림의 온도가 초기에 200 내지 400℃ 범위인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 질소 스트림의 압력이 2 내지 5 기압인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유체 스트림이 산업 공정으로부터 생성된 폐기 가스 스트림인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 산소를 상기 산업 공정에서 사용하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유체 스트림이 상태 변화 없이 산업 공정으로부터 생성된 폐기 가스 스트림에 의해 가열된 열전달 오일인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산소를 산업 공정에서 사용하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 질소 스트림이 공기가 분리되는 증류 컬럼으로부터 직접 수득되어, 상기 증류 컬럼의 중간 위치에서 압축되지 않고 상기 유체 스트림과 열 교환하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 질소 스트림이 상기 증류 컬럼의 중간 위치에서 대략 주위온도로 가온되어 상기 유체 스트림과 열 교환하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 증류 컬럼이 이중 컬럼 배열중 보다 낮은 압력의 컬럼인 방법.
  12. 공기를 산소와 질소로 분리시키는 장치; 공기 분리 장치에 의해 생성된 질소 스트림을 2 내지 7기압 범위의 압력에서 유체의 상 변화없이 초기에 600℃ 미만의 온도에서 유체 스트림과 열 교환시키는 열 교환기; 및 상기 가열된 질소를 팽창시켜 외부 일을 수행하는 팽창 터어빈을 포함하는, 제1항에 청구된 방법을 수행하기 위한 장치.
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