KR0168707B1 - 질소의 제조를 위한 공기 분리 방법 및 장치 - Google Patents

질소의 제조를 위한 공기 분리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

증류탑의 탑저물로서 생성된 산소 풍부 액체를 부분적으로 기화시키고 상분리시키는, 질소의 제조를 위한 공기 분리 방법 및 장치를 제공한다. 상기 증기상을 팽창시켜, 상기 액체상이 감압된후에 상부 응축기내로 도입되어 상기 증류탑으로의 환류를 응축시키는 동안 냉각을 제공한다. 한편으로, 상기 산소 풍부 액체의 일부를 충분히 기화시키고 이어서 팽창시켜 냉각을 제공할수 있다. 상기와 같은 경우, 상기 산소 풍부 액체의 또다른 부분을 사용하여 상기 증류탑으로의 환류를 응축시킬수 있다. 분리할 공기의 부분을 상기 기화시킬 산소 풍부 액체에 반하여 액화시키고 이어서 상기 증류탑의 하부내로 도입시켜, 모든 산소 풍부 액체 스트림이 상기 탑으로의 환류의 응축에 사용되는 경우 수득되는 수준의 생산 및 순도를 유지시킨다.

Description

질소의 제조를 위한 공기 분리 방법 및 장치
제1도는 본 발명의 방법 및 장치에 따라 작동되는 공기 분리 장치의 도식적인 예시도이다.
제2도는 제1도의 또다른 실시태양을 예시하며, 이때 동일한 기능을 수행하는 구성성분 및 스트림에 대해서는 제1도의 도면부호를 사용한다.
본 발명은 질소 생성물을 제조하기 위해서 증류탑을 사용하는 저온 정류 공정에 의해 공기를 분리시키는 방법에 관한 것이다. 보다구체적으로, 본 발명은 증류탑중의 탑저물로서 생성된 산소 풍부 액체의 일부를 기화시키고 이어서 팽창시켜 냉각을 공급하고 팽창시킨 후의 상기 산소 풍부 액체의 또다른 일부를 사용하여 상기 증류탑에 결합된 상부 응축기에서 질소 증기를 응축시키는 상기와 같은 방법 및 장치에 관한 것이다. 휠씬 더 구체적으로, 본 발명은 산소 풍부 액체의 일부를 유입 공기의 일부, 및 특정 조건하에서 상기 증류탑으로부터 회수된 공기보다 산소 함량이 적은 추가의 응축 스트림에 의해 기화시키는 상기와 같은 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 유입 공기의 일부 및 추가의 응축 스트림은 상기에 의해 액화되고 추가의 환류 스트림으로서 상기 증류탑내로 도입되어 질소 생산 속도 및/또는 농도를 종래 기술의 수준으로 유지시킨다.
질소는 공기 분리 플랜드에서 공기의 저온 정류에 의해 제조된다. 종종 상기와 같은 플랜드는 단일의 증류탑을 사용하며 당해분야에 질소 발생기로서 공지되어 있다. 공기를 여과하고, 압축하고 정제시킨 후에, 상기 공기의 정류에 적합한 온도를 냉각시킨다. 이 온도는 통상적으로 공기의 이슬점이거나 또는 그 부근이다. 그후에, 상기 공기를 조립되거나 랜덤한 트레이 및/또는 패킹에 의해 형성될수 있는 액체-증기 접촉 요소를 갖는 증류탑내로 도입시킨다. 증류탑에서, 상승하는 상기 공기의 증기상은 하가하는 액체상과 접촉한다. 상기와 같은 접촉결과 액체상은 산소가 휠씬 더 농축되어 산소 풍부 액체 탑저물을 생성하게 되고 상승하는 증기상은 질소가 휠씬 더 농축되어 질소 충부 증기 탑상물을 생성하게 된다.
상기 증류탑을 환류시키기 위해서, 상기 질소 증기 탑상물을 부분 응축시키는 상부 응축기를 제공한다. 상기 응축물을 환류로서 상기 증류탑으로 다시 보낸다. 전형적으로, 탑저물로 구성된 산소 풍부 액체 스트림을 회수하여 저온으로 팽창시키고 상기 상부 응축기에 대한 냉각제로서 도입시킨다. 생성물을 증기로서 상기 증류탑의 상부 영역으로부터 회수한다.
임의의 유형의 공기 분리 플랜드에서, 상기 플랜드내로의 연속적인 열 누출이 존재하고, 상기 플랜드의 가온 단부에서 공기 공급물과 생성물 스트림간에 엔탈피 차이가 존재한다. 상기와 같은 열 투출은 상기 공기 분리 플랜드를 냉각시킬 것을 필요로 한다. 질소 생성물이 증류탑 압력에서 유지되는 경우, 냉각은 일반적으로 상기 증류탑 덮개의 외부로부터 공급된다. 상기 기화된 산소 풍부 액체(상기 액체는 모두 상부 응축기에서 기화되거나, 또는 공기를 보다 고압에서 증류탑 압력으로 팽창시킴으로써 기화된다)부터 수득된 일 팽창은 냉각을 공급하는 통상적인 방법이다.
또한 필수적인 냉각을 공급하기 위해서 액체 질소를 외부 공급원으로부터 상기 증류탑에 가하는 “액체 지원 플랜드”가 있다.
논의된 바와 같이, 본 발명은 질소 생성물의 제조에 있어서 에너지 경비를 감소시키는 방식으로 냉각시키는 공기 분리 기법에 관한 것이다. 이는 보다 효율적으로 공기 분리 에너지를 사용하고 냉각을 위해 이용할수 있는(이전에는 과잉이었던)에너지를 생성시킴으로써 완수된다.
본 발명은 질소 생성물을 제조하기 위한 공기 분리 방법을 제공한다. 상기 방법에 따라서, 공기를 증류탑을 사용하는 저온 정류 공정에 의해 분리시켜 산소 풍부 액체 탑저물과 질소 풍부 증기 탑상물을 생성시킨다. 상부 응축기를 제공하여 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시켜 상기 증류탑을 환류시킨다.
본 발명은 하나의 태양으로, 상기 저온 정류 공정은 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 산소 풍부 액체 스트림을 부분적으로 기화시킴을 포함한다. 상기 기화후에 상기 산소 풍부 액체 스트림은 액체 및 증기상으로 분리되고 상기 액체상으로 구성된 액체상 스트림의 팽창으로 상기 액체상 스트림과 질소 풍부 증기 탑상물간에 온도 차가 발생한다. 상기 액체상 스트림을 냉각제 스트림으로서 상기 상부 응축기내로 도입시켜 상기 질소 풍부 증기의 적어도 일부로부터 상기 냉각제 스트림으로 열을 전달하여 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시킨다. 상기 증기상으로 구성된 증기상 스트림을 일을 수행하여 팽창시켜 상기 저온 정류 공정을 적어도 부분적으로 냉각시키는데 사용되는 냉매 스트림을 생성시킨다. 생성된 스트림을, 상기 증류탑에서 환류로서 사용되지 않은 상기 질소 풍부 증기 탑상물물의 나머지 부분으로부터 회수하여 질소 생성물을 제조한다.
본 발명의 또다른 태양으로, 상기 저온 정류 공정은 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 산소 풍부 액체 스트림을 제1및제2부분 스트림으로 분할함을 포함한다. 상기 제1부분 스트림을 팽창시켜 상기 제1부분 스트림과 질소 풍부 증기 탑상물간에 온도차를 발생시킨다. 상기 제1부분 스트림을 냉각제 스트림으로서 상기 상부 응축기내로 도입시켜 상기 질소 풍부 증기의 적어도 일부로 부터상기 냉각제 스트림으로 열을 전달하여 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시킨다. 상기 제2부분 스트림을 기화시키고 이어서 부분적으로 가온시킨다. 상기 제2부분 스트림을 일을 수행하여 팽창시켜 상기 저온 정류 공정을 적어도 부분적으로 냉각시키는데 사용되는 냉매 스트림을 생성시킨다. 생성물 스트림을 상기 증류탑에서 환류로서 사용되지 않은 증류탑의 나머지 부분으로부터 회수하여 질소 생성물을 제조한다.
본 발명은 또한 질소 생성물을 제조하기 위한 공기 분리 장치를 제공한다. 상기 장치에 따라서, 공기의 여과를 위해 필터를 제공하며 압축기를 공기의 압축을 위해서 상기 필터에 연결시킨다. 상기 공기로부터 압축열을 제거하기 위해서 후-냉각기를 제공하며 상기 공기의 정제를 위해서 예비-정제 유니트를 제공한다. 주 열 교환 수단은 상기 공기를 상기 공기의 정류에 적합한 온도로 냉각시키며 증류탑은 상기 공기를 산소 풍부 액체 탑저물과 질소 풍부 증기 탑상물로 정류하도록 배열된다. 상부 응축기를 상기 증류탑에 연결시켜 상기 증류탑으로의 환류를 위해서 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시킨다.
본 발명은 추가의 태양에 따라서, 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 산소 풍부 액체 스트림을 부분적으로 기화시키기 위해서 기화수단을 상기 증류탑에 연결시키고 상기 산소 풍부 액체 스트림을 액체상과 증기상으로 분리시키기 위해서 상기 기화수단에 상 분리기를 연결시킨다. 상기 상 분리기를 상부 응축기에 연결시켜 질소 풍부 증기의 적어도 일부로부터 액체상으로 구성된 액체상 스트림으로 구성된 냉각제 스트림으로 열을 전달시킨다. 그 결과 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부는 응축되고 상기 냉각제 스트림은 기화되어 상기로부터 기화된 냉각제 스트림이 형성된다. 감압 밸브를 상기 상 분리기와 상부 응축기사이에 삽입시켜 액체상 스트림을 팽창시키고 상기에 의해 냉각제 스트림을 생성시키고 상기 냉각제 스트림과 질소 풍부 증기 탑상물간에 온도 차를 발생시킨다. 상 분리기를 또한 주 열 교환 수단에 연결시켜 증기상으로 구성된 증기상 스트림을 부분적으로 가온시킨다. 상기 증기상 스트림을 일을 수행하여 팽창시켜 냉각제 스트림을 생성시키기 위해서 주 열 교환 수단에 팽창 수단을 연결시킨다. 상기 주 열 교환 수단은 팽창 수단과 연통하여 상기 냉매 스트림을 상기 주 열 교환 수단내에서 충분히 가온시킨다. 질소 생성물을 제조하기 위해 질소 풍부 증기 탑상물의 나머지 부분(증류탑에서 환류로서 사용되지 않은 부분)으로 구성된 생성물 스트림을 추출하는 추출 수단을 제공하고, 상기 주 열 교환 수단을 상기 생성물 스트림 추출 수단에 연결시켜 상기 생성물 스트림을 상기 주 열 교환 수단내에서 충분히 가온시킨다.
본 발명의 더욱 추가의 태양에 따라서, 상부 응축기를 증류탑에 연결시켜 질소 풍부 증기의 적어도 일부로부터 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 제1부분 스트림으로 구성된 냉각제 스트림으로 열을 전달시킨다. 이는 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시키고 냉각제 스트림을 기화시켜 기화된 냉각제 스트림을 생성시킨다. 감압 밸브를 상기 증류탑과 상부 응축기사이에 삽입시켜 상기 제1부분 스트림을 팽창시키고 상기에 의해 냉각제 스트림을 생성시키고 상기 냉각제 스트림과 질소 풍부 증기 탑상물간에 온도 차를 발생시킨다. 기화 수단을 또한 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 제2부분 스트림을 기화시키기 위해서 증류탑에 연결시킨다. 상기 기화 수단을 또한 주 열 교환 수단에 연결시켜 상기 제2부분 스트림을 부분적으로 가온시킨다. 상기 제2부분 스트림을 일을 수행하여 팽창시켜 냉매 스트림을 생성시키기 위해서 주 열 교환 수단에 팽창 수단을 연결시킨다. 상기 주 열 교환 수단은 팽창 수단과 연통하여 상기 냉매 스트림을 상기 주 열 교환 수단내에서 충분히 가온시킨다. 질소 풍부 증기 탑상물의 나머지 부분(증류탑에서 환류로서 사용되지 않은 부분)으로 구성된 생성물 스트림을 추출하여 질소 생성물을 생성시키는 추출 수단을 제공한다. 상기 주 열 교환 수단을 또한 상기 생성물 스트림 추출 수단에 연결시켜 상기 생성물 스트림을 주 열 교환 수단내에서 충분히 가온시킨다.
본 발명의 기능은 공기의 증류에 사용되는 필요이상으로 큰 구동력을 이용하여 질소 생성물을 생성시키는 것이다. 본 발명에서, 산소 풍부 액체는 증류탑으로의 환류를 응축시키기 위한 냉각제로서 작용하며 상기 언급한 전형적인 냉각 공정과 독립적으로 상기 플랜드의 냉각 필요량의 적어도 일부를 공급한다.
산소 풍부 액체의 전부가 환류 응축 역할에 이용되는 것은 아니므로, 상부 응축기에 의해 발생된 환류의 불충분한 공급이 잠재적으로 존재한다. 상기와 같은 감소된 환류 발생을 보충하기위해서, 액체 공기, 및 선택적으로 액체 공기 및 공기보다 산소 함량이 적은 또다른 환류 스트림에 의해 매우 적은 수준으로 중간 환류를 공급할 수 있다. 따라서, 더욱 또다른 태양으로, 본 발명은 산소 풍부 액체 스트림 또는 그의 일부를, 바람직하게 상기 공기보다 산소 함량이 적은 증류탑으로부터 회수된 또다른 증기 스트림을 사용하여 분리할 공기의 일부를 간접적으로 열 교환시킴으로써 부분적으로 또는 완전히 기화시키고, 상기에 의해 상기 분리할 공기의 일부 및 경우에 따라 다른 증기 스트림을 액화시키는 방법을 포함한다. 이어서 상기 분리할 공기의 일부, 및 바람직하게 상기 증류탑으로부터 회수된 다른 액화된 증기 스트림을 중간 환류 스트림으로서 증류탑내로 도입시켜 생성물 스트림의 생산을, 전체 산소 풍부 액체 스트림을 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시키는 경우 수득되는 수준에서 유지시킨다. 산소 풍부 액체 스트림의 부분 기화, 또는 상기 산소 풍부 액체 스트림의 일부의 완전 기화이전에, 상기 산소 풍부 액체를 팽창시켜 상기 공기의 일부 및 바람직하게, 존재하는 경우, 상기 증류탑으로부터 회수된 증기 스트림과의 간접적인 열 교환을 위ㅣ한 온도 차를 발생시킨다.
제1도에 대해서, 단일 탑 질소 발생기(10)를 예시한다. 유입 공기 스트림(12)를 필터(14)에 의해 여과하여 분진 압자등을 제거한다. 공기 스트림(12)을 여과한후에 압축기(16)에 의해 압축시키고, 그후에 압축열을 통상적인 후-냉각기(18)에 의해 제거한다. 물,이산화탄소, 및 공기의 무거운 미량 성분, 예를들어 탄화수소를 상기 후-냉각기(18)에 연결된 예비-정제 유니트(20)에 의해 제거한다. 예비 정제 유니트(20)는 재생을 위해 상을 떠나 작동하는 여러개의 흡착제 단을 포함 할수 있다.
이어서 상기와 같이 여과되고 정제된 공기 스트림(12)을 주 열 교환기(22)내로 도입시킨다. 분리할 공기를 주 열 교환기(22)내로 도입시키고 이어서 상기 공기의 정류에 적합한 온도로 충분히 냉각시킨다. 이에 대해서, 본원 및 특허청구범위에 사용된 “충분히 냉각시킴”이란 용어는 정류가 수행되는 온도로 냉각시킴을 의미한다. 본원 및 특허청구범위에 사용된 “충분히 가온시킴”이란 용어는 주 열 교환기(22)의 가온 단부의 온도로 가온시킴을 의미한다. “부분적으로 가온시킴”이란 용어는 상기 정류 온도보다는 높지만 주 열 교환기(22)의 가온 단부의 온도보다는 낮은 온도로 가온시킴을 의미한다.
공기 스트림(12)을 주 열 교환기(22)내에서 충분히 냉각시킨 후에, 각각 제1 및 제2부스트림(24) 및 (26)으로 분할시킨다. 이를 위해서 파이프, 헤머등의 T-섹션에 의해 형성된 접합부를 주 열 교환기에 연결시킨다. 상기 제1부스트림(24)은 분리할 공기의대부분을 구성하며, 상기를 액체-증기 접촉 요소(32),(34) 및 (36)(이들은 트레이 및/또는 조립된 패킹, 랜덤 패킹등일수 있다)가 제공된 단일 증류탑(30)내로 도입시킨다. 증류탑(30)은 유입 공기글 상기 증류탑(30)의 기부 영역(38)내에 수거되는 산소 풍부 액체 탑저물 및 상기 증류탑(30)의 상부 영역(40)에 수거되는 질소 풍부 증기 탑상물로 정류시킨다. 상부 응축기(42)를 증류탑(30)에 연결시켜 상기 증류탑(30)의 상부 영역(40)에 수거된 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시킨다. 상기의 끝에서, 질소 증기 스트림(44)의 일부를 증류탑(30)의 상부 영역(40)으로부터 추출하고 상부 응축기(42)내로 도입시킨다. 질소 증기 스트림(44)을 냉각제 스트림(46)에 의해 부분 응축시키고, 이를 차례로 기화시켜 기화된 냉각제 스트림(47)을 생성시킨다. 응축후에, 질소 증기 스트림(44)을 환류 스트림(48)으로서 회수하여 증류탑(30)의 상부 영역(40)으로 보낸다.
산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 산소 풍부 액체 스트림(50)을 증류탑(30)의 기부 영역(38)으로부터 추출한다. 이어서 산소 풍부 액체 스트림(50)을 바람직하게 부냉각기 유니트(52)내에서 부차적으로 냉각시켜 후속적인 밸브 팽창시 증기의 형성을 최소화시킨다. 그후에, 산소 풍부 액체 스트림(50)을 감압 밸브(55)(이후에 보다 상세히 개시함)를 통과시킨 후에 기화기(54)내에서 부분적으로 기화시키고 이어서 상 분리기(56)내로 도입시켜 산소 풍부 액체 스트림(50)을 액체와 증기상으로 분리시킨다.
액체상으로 구성된 액체상 스트림(58)을 상 분리기(56)로부터 추출하고 이어서 감압 밸브(60)를 통과시켜 상부 응축기(42)에 대해 냉각제로서 작용할수 있는 액체상 스트림(58)의 온도를 충분히 강화시킨다. 따라서, 감압 밸브(60)를 통과시킨 후의 액체상 스트림(58)을 상기 논의된 냉각제 스트림(46)으로 전환시킨다.
상 분리기(56)를 또한 주 열 교환기(22)에 연결시켜 증기상으로 구성된 증기상 스트림(62)을 주 열 교환기(22)내에서 부분적으로 가온시킨다. 부분적으로 가온시킨 후의 증기상 스트림(62)을 주 열 교환기(22)에 연결된 터보팽창기(64) 또는 다른 팽창장치에서 팽창시킨다.
예시된 실시태양으로, 냉매 스트림(66)을 또한 부냉각기 유니트(52)내에서, 기화된 냉각제 스트림(47) 및 생성물 스트림을 가온시키는 바와 같이 부분적으로 가온시킨다. 예시된 바와 같이, 기화된 냉각제 스트림(47)을 부냉각기 유니트(52)에 이어서 주 열 교환기(22)내에서 충분히 가온시켜 WN₁로 표시된 질소 폐스트링을 발생시킨다. 상기 가온된 기화된 냉각제 스트림(47)의 일부를 단의 재생을 위해서 예비 정제 유니트(20)로 공급할수 있다. 주 열 교환기(22)는 터보팽창기(64)와 연통하여 결과적으로 냉매 스트림(66)을 주 열 교환기(22)내에서 충분히 가온시키고 WN₂로 나타내는 폐스트링으로서 방출시킨다. 증류탑(30)의 상부 영역(40)에서 수거된 질소 풍부 증기 탑상물로 구성된 생성물 스트림(68)이 생성된다. 생성물 스트림(68)은 증류탑(30)으로의 환류를 생성시키는데 사용되지 않은 질소 풍부 증기 탑상물의 나머지 부분을 구성한다. 부 냉각 유니트(52)에서 부분적으로 가온시킨 후에, 생성물 스트림(68)을 주 열 교환기(22)내에서 충분히 가온시키고 PN으로 나타내는 생성물 스트림으로서 방출시킨다. 상기 언급한 스트림의 부분적 가온에 대해, 이미 언급한 바와 같이 산소 풍부 액체 스트림(50)이 부차적으로 냉각시킨다.
단일 탑 질소 발생기(10)에서, 산소 풍부 액체 스트림(50)을 기화기(54)에서 부분적으로 기화시키며, 따라서 산소 풍부 액체 스트림(50)의 일부만이 상부 응축기(42)에 냉각제로서 사용된다. 결과적으로, 탑상물의 응축을 통해 종래 기술의 질소 발생기에서보다 단일 탑 질소 발생기(10)에서 환류가 적게 제공된다. 다른 환류를 가하지 않는 경우(본 발명에 의해 고려되는 공정), 본 발명의 질소 발생기는 종래 기술의 디자인보다 낮은 생산 속도를 갖고/갖거나 보다 낮은 순도의 질소를 생성시킨다. 그러나, 본 발명은 또한 상기와 같은 감소된 환류를 추가적인 액체 환류가 특히 필요한 증류탑(30)의 하부내로 중간 환류 스트림을 제공함으로써 보충시키는 공정 실시태양을 고려한다.
상기 중간 환류는 단일 탑 질소 발생기(10)가 유사한 종래 기술의 플랜드 디자인에서 기대할수 있는 것과 동일한 생산속도 및 순도를 갖게 한다. 상기의 끝에서, 제2부스트림(26)을 기화기(54)에서 액화시킨다. 부차적으로 냉각된 산소 풍부 액체 스트림(50)과 제2부 스트림(26)간에 온도차를 발생시키기 위해서, 감압 밸브(55)를 베공하여 산소 풍부 액체 스트림(50)의 압력 및 온도를 감소시킨다. 상기 산소 풍부 액체 스트림(50)의 압력 감소는 증류탑(30)의 압력이하이나, 상기 스트림으로부터 유래된 증기 스트림(62)이 냉매 역할을 할수 있도록 상기 산소 풍부 액체 스트림(50)에 여전히 충분한 압력을 생성시킨다. 보다 낮은 증류탑 압력, 예를들어 8바이하의 압력에서, 액화후에 제2스트림(26)을 증류탑(30)내로 도입시키는 지점과 대략 동일한 지점에서 상기 증류탑(30)으로부터 추출된 증기 스트림(72)을 액화시킴으로써 증류탑(30)으로의 추가적인 환류를 생성시킨다. 이어서 증기 스트림(72)을 기화기(54)내에서 액화시키고, 추가의 환류로서 상기 액화된 제2부스트림(26)의 도입 지점보다 높이 도입시킨다. 명백한 바와 같아, 감압 밸브(55)는 또한 산소 풍부 액체 스트림(50)과 증기 스트림(72)간에 온도차를 발생시킨다.
장치(10)에 대한 가능한 변형은 고압에서 증류탑(30)을 작동시킴을 포함한다. 상기와 같은 경우에, 팽창기를 또한 냉각제 스트림(46)에 결합시킬수도 있다. 이는 전체 플랜드 냉각을 증가시키며 따라서 생성되는 액체량을 증가시킨다. 또한, 상기와 같은 터보팽창기를 또한 사용하여 재순환 압축기를 구동시켜 냉각제 스트림(46)내에 함유된 산소 풍부 액체의 일부를 증류탑(30)내로 다시 재순환시켜 생산을 또한 증가시킬수 있다. 또한 알수 있는 바와 같이, 산소 풍부 액체 스트림(50)의 부분적인 기화를, 유입 공기의 일부를 액화시킴으로써 수행되는 부분 기화를 예시하는 실시태양으로 제한하지 않는다. 예를들어, 적합한 저압 증류탑 용도에서, 정확한 조성의 액체 공기를 갖지 않는, 상기 증류탑으로 부터의 스트림을 액화된 공기 대신에 사용할수 있다.
제2도에 대해서, 단일 탑 질소 발생기(10)의 또다른 실시태양을 예시한다. 질소 발생기(10)에서, 산소 풍부 스트림(50)을 부 냉각기 유니트(52)내에서 부차적으로 냉각시킨 후에 제1 및 제2부분 스트림(50a) 및 (50b)로 분할시킨다. 제1부분 스트림(50a)을 제1감압 밸브(60)에서 팽창시켜 냉각제 스트림(46)을 생성시킨다. 이어서 제2부분 스트림(50b)을 감압 밸브(55)에 의해 팽창시킨 후에 기화기(54)내에서 충분히 기화시킨다. 이어서 상기 충분히 기화된 스트림(63)을 주 열 교환기(22)내에서 부분적으로 가온시키고 터보팽창기(64)내에서 팽창시킨다.
[실시예 1]
하기는 본 발명에 따른 단일 탑 질소 발생기(10)(제1도에 예시함)의 가능한 공정의 차트화된 계산된 실시예이다. 본 실시예에서, 증류탑(30)은 저압 강하 조립된 패킹을 사용하며 약 100개의 이론적인 단을 갖는 것으로 추정된다. 제2부분 스트림(26)을 액화시킨 후에 기부에서부터 약6개의 이론적인 단에서 상기 증류탑에 가한다. 스트림(72)을 기부에서부터 약6개의 이론적인 단에서 증류탑으로부터 회수하고 응축시킨 후에 상기 증류탑(30)의 기부에서부터 약16개의 이론적인 단으로 보낸다.
상기 실시예에서,“L”은 액체 상태를 가리키며 “V”는 증기 상태를 가리킨다. 상부 생성물의 순도, 공기 공급물의 분류로서 질소의 회수율, 및 첨가 및 회수 지점은 상기 계산을 수행하는데 사용된 데이타 베이스의 물리적 특성에 민감하다. 예비 정제 유니트 작동의 고유 손실을 스트림(12)에 포함시켰다. 당해분야의 숙련가들에게 인식되느 바와 같이, 부냉각기(52)는 증류탑(30)의 폐기물 저장소에 대해 낮은 지점에 있을수 있다.
따라서, 터보팽창기가 공기를 증류탑내로 팽창시킴으로써 냉각시키는 경우와 동일한 양, 공기로 부터의 분류 회수율, 순도 및 압력의 기상 질소 생성물을 제조하는 종래 기술의 디자인에서, 스트림(12)을 통상적으로 약3.94바로 압축시킬수 있다. 본 발명에서는, 공기를 단지 약3.45바로 압축시킬 것이다.
[실시예 2]
하기는 본 발명에 따른 단일 탑 질소 발생기(10)(제2도에 예시함)의 가능한 공정의 차트화된 계산된 실시예이다. 본 실시예에서, 증류탑(30)은 저압 강하 조립된 패킹을 사용하며 약100개의 이론적인 단을 갖는 것으로 추정된다. 제2부분 스트림(26)을 액화시킨 후에 기부에서부터 약6개의 이론적인 단에서 상기 증류탑에 가한다. 스트림(72)을 기부에서부터 약6개의 이론적인 단에서 증류탑으로 부터 회수하고 응축시킨 후에 상기 증류탑(30)의 기부에서부터 약16개의 이론적인 단으로 보낸다.
본 발명을 바람직한 실시태양을 참고로 개시하였지만, 다수의 수정, 첨가 및 생략을 본 발명의 진의 및 범위로부터 이탈되지 않고 수행할수도 있음은 당해분야의 숙련가에 의해 이해될 것이다.

Claims (14)

  1. 산소 풍부 액체 탑저물과 질소 풍부 증기 탑상물을 생성시키는 증류탑, 및 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시켜 상기 증류탑을 환류시킨는 상부 응축기를 사용하는 저온 정류 공정에 의해 공기를 분리시킴을 포함하는, 질소 생성물의 제조를 위한 공기 분리 방법에 있어서, 상기 저온 정류 공정이 상기 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 산소 풍부 액체 스트림을 부분적으로 기화시키는 단계; 상기 산소 풍부 액체 스트림을 액체와 증기상으로 분리시키는 단계; 상기 액체상으로 구성된 액체상 스트림을 팽창시켜 상기 액체상 스트림과 상기 질소 풍부 증기 탑상물 간에 온도차를 발생시키고 상기 액체상 스트림을 냉각제 스트림으로서 상기 상부 응축기내로 도입시켜 상기 질소 풍부 증기의 적어도 일부로부터 상기 냉각제 스트림으로 열을 전달시키고, 상기에 의해 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시키는 단계; 상기 증기상으로 구성된 증기상 스트림을 일을 수행하여 팽창시켜 상기 저온 정류 공정을 적어도 부분적으로 냉각시키는데 사용되는 냉매 스트림을 생성시키는 단계; 및 상기 증류탑에서 상기 환류로서 사용되지 않은 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 나머지 부분으로부터 생성물 스트림을 추출하여 상기 질소 생성물을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산소 풍부 액체 스트림을 상기 분리할 공기의 일부와 간접적으로 열 교환시킴으로써 부분적으로 기화시켜 상기 분리할 공기의 상기 부분을 액화시키고; 상기 분리할 공기의 상기 부분을 중간 환류로서 상기 증류탑내로 도입시켜 상기 생성물 스트림의 생성을, 전체 산소 풍부 액체 스트림이 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시키는데 사용되는 경우 수득되는 수준에서 유지시키고; 상기 산소 풍부 액체 스트림의 상기 부분적인 기화전에, 상기 산소 풍부 액체 스트림을 팽창시켜 상기 공기의 상기 부분과 상기 산소 풍부 액체 스트림간에 상기 간접적인 열 교환을 위한 온도차를 발생시키는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 증류탑으로부터 증기 스트림을 회수하는 단계; 상기 증기 스트림을 상기 증기 스트림과 상기 산소 풍부 스트림간의 추가의 간접적인 열 교환에 의해 응축시키는 단계; 및 상기 증기 스트림을 추가의 환류로서 상기 중간 환류보다 위에서 상기 증류탑내로 다시 도입시키는 단계를 또한 포함하는 방법.
  4. 산소 풍부 액체 탑저물과 질소 풍부 증기 탑상물을 생성시키는 증류탑, 및 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시켜 상기 증류탑을 환류시키는 상부 응축기를 사용하는 저온 정류 공정에 의해 공기를 분리시킴을 포함하는, 질소 생성물의 제조를 위한 공기 분리 방법에 있어서, 상기 저온 정류 공저이 상기 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 산소 풍부 액체 스트림을 제1 및 제2부분 스트림으로 분할시키는 단계; 상기 제1부분 스트림을 팽창시켜 상기 제1부분 스트림과 상기 질소 풍부 증기 탑상물 간에 온도차를 발생시키고 상기 제1부분 스트림을 냉각제 스트림으로서 상기 상부 응축기내로 도입시켜 상기 질소 풍부 증기의 적어도 일부로부터 상기 냉각제 스트림으로 열을 전달시키고, 상기에 의해 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시키는 단계; 상기 제2부분 스트림을 기화시키는 단계; 상기 제2부분 스트림을 일을 수행하여 팽창시켜 상기 저온 정류 공정을 적어도 부분적으로 냉각시키는데 사용되는 냉매 스트림을 생성시키는 단계; 및 상기 증류탑에서 상기 환류로서 사용되지 않은 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 나머지 부분으로부터 생성물 스트림을 추출하여 상기 질소 생성물을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2부분 스트림을 상기 분리할 공기의 일부와 간접적으로 열 교환시킴으로써 기화시켜 상기 분리할 공기의 상기 부분을 액화시키고; 상기 분리할 공기의 상기 부분을 중간 환류로서 상기 증류탑내로 도입시켜 상기 생성물 스트림의 생성을, 상기 제1 및 제2부분 스트림 모두와 동등한 유량이 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시키는데 사용되는 경우 수득되는 수준에서 유지시키고; 상기 제2부분 스트림의 상기 기화전에, 상기 제2부분 스트림을 팽창시켜 상기 공기의 상기 부분과 상기 제2부분 스트림간에 상기 간접적인 열 교환을 위한 온도차를 발생시키는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 증류탑으로부터 증기 스트림을 회수하는 단계; 상기 증기 스트림을 상기 증기 스트림과 상기 제2부분 스트림간의 추가의 간접적인 열 교환에 의해 응축시키는 단계; 및 상기 증기 스트림을 추가의 환류로서 상기 중간 환류보다 위에서 상기 증류탑내로 다시 도입시키는 단계를 또한 포함하는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 산소 풍부 액체 스트림을 부분적으로 기화시키기 전에 부냉각 유니트내에서 부차적으로 냉각시키고; 상기 냉각제 스트림으로의 상기 열 전달에 의해 상기 냉각제 스트림을 기화시켜 기화된 냉각제 스트림을 생성시키고; 상기 분리할 공기를 제1 및 제2부 스트림으로 분할시키고; 상기 제1부 스트림을 상기 증류탑내로 도입시키고; 상기 제2부 스트림에 의해 상기 분리할 공기의 상기 부분을 형성시키고; 상기 산소 풍부 스트림을 부냉각 유니트내에서 상기 냉매 스트림, 상기 생성물 스트림 및 상기 기화된 냉각제 스트림과의 추가적인 열 교환을 통해 부냉각시키고; 상기 냉매, 기화된 냉각제 및 상기 생성물 스트림을 상기 부냉각 유니트내에서 부분적으로 가온시키고 이어서 충분히 가온시키는 방법.
  8. 공기를 여과하기 위한 필터; 상기 공기를 압축시키기 위해 상기 필터에 연결된 압축기; 상기 공기로부터 압축열을 제거하기 위한 후-냉각기; 상기 공기를 정제시키기 위한 예비-정제 유니트; 상기 공기를 그의 정류에 적합한 온도로 냉각시키기 위한 주 열 교환수단; 상기 공기를 산소 풍부 액체 탑저물과 질소 풍부 증기 탑상물로 정류 시키도록 배열된 증류탑; 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시켜 상기 증류탑을 환류시키기 위해 상기 증류탑에 연결된 상부 응축기; 상기 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 산소 풍부 액체 스트림을 부분적으로 기화시키기 위한 기화 수단; 상기 산소 풍부 액체 스트림을 액체와 증기상으로 분리시키기 위해 상기 기화 수단에 연결된 상 분리기(이때 상기 상 분리기는 상기 질소 풍부 증기의 적어도 일부로부터 상기 액체상으로 구성된 액체상 스트림으로 구성된 냉각제 스트림으로 열을 전달시켜 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시키고 상기 냉각제 스트림을 기화시켜 기화된 냉각제 스트림을 생성시키도록 상기 상부 응축기에 연결된다); 상기 액체상 스트림을 팽창시켜 상기 냉각제 스트림을 생성시키고 상기 냉각제 스트림과 상기 질소 풍부 증기 탑상물간에 온도차를 발생시키도록 상기 상 분리기와 상기 상부 응축기사이에 삽입된 감압 밸브(이때 상기 상 분리기는 또한 상기 증기상으로 구성된 증기상 스트림을 부분적으로 가온시키도록 상기 주 열 교환 수단에 연결된다); 상기 증기상 스트림을 일을 수행하여 팽창시켜 냉매 스트림을 생성시키기 위해 상기 주 열 교환 수단에 연결된 팽창 수단(이때 상기 주 열 교환 수단은 상기 팽창 수단과 연통하여 상기 냉매 스트림을 상기 주 열 교환 수단내에서 완전히 가온시킨다); 및 상기 질소 생성물을 제조하기 위해서 상기 증류탑에서 상기 환류로서 사용되지 않은 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 나머지 부분으로 구성된 생성물 스트림을 추출하기 위한 수단(이때 상기 주 열 교환 수단은 상기 생성물 스트림을 상기 주 열 교환 수단내에서 충분히 가온시키도록 상기 생성물 스트림 추출 수단에 연결된다)을 포함하는, 질소 생성물의 제조를 위한 공기 분리 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기화 수단이, 상기 주 열 교환 수단에 연결되고, 상기 산소 풍부 액체 스트림을 부분적으로 기화시키고 상기 분리할 공기의 상기 부분을 액화시키도록 상기 산소 풍부 액체 스트림과 상기 분리할 공기의 상기 부분간의 간접적인 열 교환을 위한 수단, 및 상기 산소 풍부 액체 스트림을 팽창시켜 상기 공기의 상기 부분과 상기 산소 풍부 액체 스트림간에 상기 간접적인 열 교환을 위한 온도차를 발생시키도록 배열된 제1감압 밸브를 갖고; 상기 감압 밸브가 상기 상 분리기와 제2감압 밸브를 구성하는 상기 상부 응축기사이에 삽입되고; 상기 기화 수단이, 상기 분리할 공기의 상기 부분을 중간 환류로서 상기 증류탑내로 도입시켜 상기 생성불 스트림의 생성을, 전체 산소 풍부 액체 스트림이 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시키는데 사용되는 경우 수득되는 수준에서 유지시키도록 상기 증류탑에 연결된 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기화 수단이 또한, 상기 증기 스트림을 응축시키도록 증기 스트림과 상기 산소 풍부 액체 스트림간의 추가의 간접적인 열 교환을 위한 수단을 갖고 상기 증기 스트림이 상기 증류탑으로부터 상기 기화 수단내로 흐르고 그 후에 추가의 환류로서 상기 중간 환류보다 위에서 상기 증류탑으로도 되돌아가도록 상기 증류탑에 연결된 장치.
  11. 공기를 여과하기 위한 필터; 상기 공기를 압축시키기 위해 상기 필터에 연결된 압축기; 상기 공기로부터 압축열을 제거하기 위한 후-냉각기; 상기 공기를 정제하기 위한 예비-정제 유니트; 상기 공기를 그의 정류에 적합한 온도로 냉각시키기 위한 주 열 교환 수단; 상기 공기를 산소 풍부 액체 탑저물과 질소 풍부 증기 탑상물로 정류시키도록 배열된 증류탑 ; 상기 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 제1부분 스트림으로 구성된 냉각제 스트림을 기화시켜 기화된 냉각제 스트림을 생성시키는 것에 반하여 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시켜 상기 증류탑을 환류시키기 위해 상기 증류탑에 연결된 상부응축기; 상기 제1부분 스트림을 팽창시켜 상기 냉각제 스트림을 생성시키고 상기 냉각제 스트림과 상기 질소 풍부 증기 탑상물간에 온도차를 발생시키기 위해 상기 상부 응축기에 연결된 감압 밸브; 상기 산소 풍부 액체 탑저물로 구성된 제2부분 스트림을 기화시키기 위한 기화 수단(이때 상기 기화 수단은 상기 제2부분 스트림을 부분적으로 가온시키도록 상기 주 열 교환 수단에 연결된다); 상기 제2부분 스트림을 일을 수행하여 팽창시켜 냉매 스트림을 생성시키기 위해 상기 주 열 교환 수단에 연결된 팽창 수단(이때 상기 주 열 교환 수단은 상기 냉매 스트림을 상기 주 열 교환 수단내에서 완전히 가온시키도록 상기 팽창 수단과 연통하고 있다); 및 상기 질소 생성물을 제조하기 위해서 상기 증류탑에서 상기 환류로서 사용되지 않은 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 나머지 부분으로 구성된 생성물 스트림을 추출하기 위한 수단(이때 상기 주 열 교환 수단은 상기 생성물 스트림을 상기 주 열 교환 수단내에서 완전히 가온시키도록 상기 생성물 스트림 추출 수단에 연결된다)을 포함하는, 질소 생성물의 제조를 위한 공기 분리 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기화 수단이, 상기 주 열 교환 수단에 연결되고, 상기 제2부분 스트림을 기화시키고 상기 분리할 공기의 일부를 액화시키도록 상기 제2부분 스트림과 상기 분리할 공기의 상기 부분간의 간접적인 열 교환을 위한 수단, 및 상기 제2부분 스트림을 팽창시켜 상기 공기의 상기 부분과 상기 제2부분 스트림간에 상기 간접적인 열 교환을 위한 온도차를 발생시키도록 배열된 제1감압 밸브를 갖고; 상기 감압 밸브가 상기 부-냉각 유니트와 제2감압 밸브를 구성하는 상기 상부 응축기사이에 삽입되고; 상기 기화 수단이, 상기 분리할 공기의 상기 부분을 중간 환류로서 상기 증류탑내로 도입시켜 상기 생성물 스트림의 생성을, 상기 제1 및 제2부분 스트림 모두와 동등한 유량이 상기 질소 풍부 증기 탑상물의 적어도 일부를 응축시키는데 사용되는 경우 수득되는 수준에서 유지시키도록 상기 증류탑에 연결된 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 기화 수단이 또한, 상기 증기 스트림을 응축시키도록 증기 스트림과 상기 제2부분 스트림간의 추가의 간접적인 열 교환을 위한 수단을 갖고 상기 증기 스트림이 상기 증류탑으로부터 상기 기화 수단내로 흐르고 그 후에 추가의 환류로서 상기 중간 환류보다 위에서 상기 증류탑으로 되돌아가도록 상기 증류탑에 연결된 장치.
  14. 제8항에 있어서, 상기 산소 풍부 액체 스트림을 부냉각시키기 위해 상기 증류탑과 상기 상부 응축기사이에서 삽입된 부냉각 유니트; 및 상기 분리할 공기를 제1 및 제2부스트림으로 분할시키도록 상기 주 열 교환 수단에 연결된 접합부(이때 상기 접합부는 상기 제1부스트림이 상기 증류탑내로 스르도록 상기 증류탑에 연결되고 또한 상기 분리할 공기의 상기 부분이 상기 제2부스트림에 의해 형성되도록 기화 수단에 연결되며; 상기 주 열 교환 수단은 상기 냉매, 기화된 냉각제 및 상기 생성물 스트림을 충분히 가온시키도록 배열되고, 상기 냉매, 기화된 냉각제 및 상기 생성물 스트림이 상기 부냉각 유니트에서 부분적으로 가온되고 이어서 상기내에서 충분히 가온되도록 상기 부냉각 유니트에 연결된다)를 또한 포함하는 장치.
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