KR100210532B1 - 고산소압하에 산소가스를 제조하는 방법 및 장치 - Google Patents

고산소압하에 산소가스를 제조하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

이중 컬럼내에서 공기를 증류하고, 저압 컬럼의 바닥부에서 배출된 액체산소를 펌핑하며, 고압 공기와의 열교환에 의해 압축된 액체 산소를 기화시킴으로써 고압하에 산소 가스를 제조하는 방법으로서, 증류되는 모든 공기는 상기 고공기압하에 압축되고, 그후 중압 컬럼의 압력으로 상기 공기의 초과 분획분이 공기 부스터에 의해 감속되는 터어빈 내에서 팽창되며, 적어도 하나의 액체 생성물이 본 발명의 장치로 부터 배출된다.

Description

고산소압하에 산소가스를 제조하는 방법 및 장치
제1도는 본 발명에 의한 산소가스를 제조하기 위한 장치의 개요도이다.
제2도는 본 발명에 의한 산소의 기화압의 변화를 산소승압의 함수로 나타낸 다이아그램이다.
제3도 내지 제5도는 본 발명에 의한 장치의 3가지 다른 사용방법에 대한 열교환 다이아그램이다.
제6도는 본 발명에 의한 산소가스를 제조하기 위한 다른 장치의 개요도이다.
제7도는 상기 장치에 대한 열교환 다이아그램으로써, 횡좌표는 섭씨 온도를 나타낸 것이고, 종좌표는 열교환 라인에서 교환된 엔탈피를 나타낸 것이다.
제8도 및 제9도는 본 발명에 의한 장치의 다른 구체예에 관한 것으로 각각 제6도 및 제7도와 유사한 도면이다.
제10도 및 제11도는 본 발명에 의한 장치의 여러가지 변형예에 대한 개요도이다.
본 발명은 저압컬럼 및 중압 컬럼을 포함하는 이중 컬럼장치내에서 공기를 증류시키고, 상기 저압컬럼의 바닥부에서 배출된 액체산소를 펌핑하고, 상기 장치의 열교환 라인내에서 상기 중압 보다 대체로 높은 승압공기와의 열교환에 의해 압축된 액체산소를 기화하는 것을 포함하는 고압하에서 산소가스를 제조하는 방법 및 그의 제조장치에 관한 것이다.
이하에 언급되는 압력은 절대 압력이다. 상기 중압 컬럼의 압력 및 저압 컬럼의 압력은 이후 각각 중압 및 저압 으로 언급한다.
소위 펌프 방법으로 명명된 이같은 유형의 방법들은 임의의 기체산소 압축기를 사용할 필요가 없는 방법이다. 에너지 비용면에서 경쟁력을 갖기 위해서, 기화될 산소흐름의 약 1.5배에 달하는 공기흐름이 향류내의 산소를 액화시킬수 있는 충분한 압력을 얻을때까지 압축될 필요가 있다.
이에 상응하는 장치의 에너지 비용은 약 10바(bars) 이하의 낮은 산소 기화압을 제공하기 위한 산소 압축기가 구비된 장치에 비해 낮거나 같고, 그 에너지 비용은 압력에 따라 점차 증가한다는 것은 이미 알려진 사실이다. 또한 이와같은 에너지 비용을 수용할 수 있는 경우에, 일반적으로 직렬로 장착한 2개의 압축기를 이용하며, 이때 제 2의 압축기는 액체 산소를 기화시키기 위한 공기 분획만을 처리하는 것으로써, 이로인해 장치에 대한 투자비용이 상당히 증가하게 된다.
본 발명은 투자비용을 감소시킨 펌프 방법을 제공하기 위한 것이다.
이 목적을 위해, 본원 발명의 방법은 다음을 특징으로 한다 : 증류되는 전체 공기가 고압공기에 의해 중간 냉각온도에서 압축되며, 이 공기 분획분은 열교환라인의 냉각용량에 비해 과량으로 존재하고 있고 중압 컬럼의 압력에서 공기부스터(booster)에 의해 감속되는 터어빈내에서 팽창된다; 그리고 적어도 하나의 액체 생성물이 이 장치로 부터 배출된다.
또다른 특징은 고산소압이 약 13바 이하인 경우에, 선택된 공기의 고압은 상기 고산소압하에 기화 과정동안 산소와의 열교환에 의해 공기를 압축하는 압력이다.
또다른 특징은 고산소압이 약 13바 이상인 경우에, 상기와 같은 고산소승압에도 불구하고 고공기압은 상기 고산소압하에 산소가 기화되는 동안 산소와의 열교환에 의한 공기의 응축압 보다 더낮은 압력이 선택되어, 적어도 약 30바 정도이다.
또한 본 발명의 목적은 상기와 같은 방법을 실시할 수 있는 소정 압력하에 산소가스를 제조하기 위한 장치를 제공하는 것이다. 공기를 증류시키기 위한 저압컬럼 및 중압 컬럼을 포함하는 이중 컬럼, 상기 저압컬럼의 바닥에서 배출된 액체산소를 압축하는 펌프, 고압 공기에서 공기 분획분을 증류시키기 위해 상기 공기를 압축하는 수단 및, 상기 압축된 액체산소와 열교환 관계에 있도록 상기 고압에서 상기 공기 분획분을 위치시키기 위한 열교환 라인을 포함하는 상술한 유형의 장치는 상기 공기 압축 수단이 증류되는 전체공기를 처리 하도록 장착되어 있고, 상기 장치는 공기 부스터에 의해 감속되는 팽창 터어빈을 포함하고 있으며, 그의 흡인 통풍부측은 냉각공기용 도관에 연결되어 있고, 도관은 열교환 라인의 중간지점에 위치하며, 이 터어빈의 배출구는 직접 중압 컬럼에 연결되어 있으며, 또한 상기 장치로 부터 적어도 하나의 액체 생성물을 배출하기 위한 수단을 갖는것을 특징으로 한다.
상술한 방법에서 발생하는 현상을 상세히 연구한 결과, 특정한 경우 상기 팽창 터어빈이 산소기화가 발생하는 위치에서의 온도차이를 감소시켜 유지하기 위해서는 그의 로우터 주입구(inlet) 및 상기 교환라인의 고온 단부에서 약간의 액체를 형성시킨다는 것이 확인되었다. 이는 산소압이 약 13바 이상인 경우로써, 이 경우 상기 장치는 한개의 팽창 터어빈(즉, 저압에서 공기를 팽창시키기 위한 터어빈은 구비하고 있지 않다)을 포함하며, 상기 이중컬럼에서 배출된 거의 모든 액체산소는 가압하에 기화된다.
본 발명에 의하여, 상기 팽창 터어빈의 로우터 주입구에서의 액체형성이 방지되었으며, 상술한 적은 온도차이와 특정 에너지 비용이 감소되었다.
이를 위하여, 본 발명은 다음을 특징으로 하는 상술한 유형의 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다 :
- 증류되는 모든 공기는 상기 중압 이상인 제 1고압에서 압축된다;
- 이 공기의 제 1분획분은 상기 제 1고압 및 중간 냉각온도하에서 냉각되고, 적어도 일부는 이중 컬럼내로 도입되기 전에 터어빈내의 평균 압력하에 팽창된다;
- 남은 공기는 상기 제 1고압하에 제 2고압으로 승압(boosting) 되며, 이 승압된 공기중 적어도 일부가 팽창한 후 이중 컬럼내로 도입되는데, 여기에서 상기 승압된 공기의 흐름은 기화되어 냉각되고 액화되는 액체산소의 흐름 보다 더 낮다;
- 상기 제 2고압은 고산소압 하에서 산소가 기화되는 동안 이 산소와의 열교환에 의한 공기의 응축압 또는 유사-응축압 보다 낮아 약 30바 정도이며, 또한 이같은 제 2고압하에서 상기 공기의 응축 또는 유사응축이 상기 터어빈내에서 허용가능한 온도하에서 발생하도록 선택된다;
- 적어도 하나의 액체 생성물이 상기 장치로 부터 배출된다.
본 발명은 또한 이같은 방법을 실시하기 위한 장치를 제공하기 위한 것이다. 이같은 유형의 본 발명의 장치는, 저압컬럼 및 중압 컬럼을 포함하는 공기증류용 이중 컬럼, 상기 저압컬럼의 바닥부에서 배출된 액체산소를 압축하기 위한 펌프, 상기 공기를 상기 중압 이상의 고 공기압에서 증류시키기 위한 압축수단 및 고압에서 상기 공기를 상기 액체 압축산소와 열교환 관계에 있도록 유지시키기 위한 열교환 라인을 포함하며, 여기에서 상기 압축수단은 상기 중압 보다 높은 제 1고압에서 상기 공기 전부가 증류되도록 하기위한 압축기, 및 이 고압하에서 상기 공기 분획분을 승압하기 위한 수단을 포함하며, 상기 승압수단은 직렬로 장착된 2개의 송풍기(blowers)를 포함하고, 각각은 팽창 터어빈에 연결되어 있고, 제 1송풍기는 상기 제 1고압하에 공기를 팽창시키기 위한 터어빈에 연결되어 있고, 제 2송풍기는 상기 승압된 공기의 일부를 팽창시키기 위한 제 2터어빈에 연결되어 있으며, 상기 제 2터어빈의 주입구 온도는 제 1터어빈의 주입구온도 보다 높고, 상기 장치는 또한 이 장치로 부터 적어도 하나의 액체 생성물을 배출하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서 본 발명의 구체화는 첨부된 도면을 참고로 설명한다.
제1도에 도시된 공기증류 장치는 공기 압축기(1); 및 압축공기로 부터 흡착에 의해 물과 CO2를 배출하기 위한 기구(2); 터어빈-부스터 유니트(3); 이 장치의 열 교환라인을 한정하는 열교환기(6); 저압컬럼(9)과 그에 의해 그 위에 장착된 중압 컬럼(8)을 포함하고, 이 컬럼(8)의 헤드증기(질소)가 컬럼(9)의 하부에서 액체산소와의 열교환 관계를 유지시키는 기화기-압축기(10)가 구비된 이중증류 컬럼(7); 액체 산소용 용기(11); 및 액체 질소용기(13)을 포함하며, 상기 기구(2)는 2개의 흡착병(2A),(2B)를 포함하고 그중 하나는 흡착단계에서 작동하고 다른 하나는 재생과정 중에 위치하며, 상기 유니트(3)에는 그 축들이 함께 연결된 팽창 터어빈(4)과 부스터(5)를 포함하며, 상기 용기(11)의 하부는 액체산소용 펌프(12)에 연결되어 있으며, 상기 용기(13)의 하부는 액체질소용 펌프에 연결되어 있다.
상기 장치는 몇바 내지 몇십바 사이의(본원의 상세한 설명에서, 언급되는 압력은 절대 압력이다) 소정의 고압하에서 도관(15)를 경유해 기체산소를 공급하기 위한 것이다.
이를위해 도관(16)을 통해 하부컬럼(9)로 부터 배출된 액체산소는 용기(11)에 저장되고, 펌프(12)에 의한 고압에 의해 액체 상태에서 기화되고, 이 고압하에 열교환기(6)의 도관(17)내에서 재가열된다.
상기 기화 및 재가열에 필요한 열뿐 아니라, 상기 이중 컬럼으로 부터 배출된 다른 유체의 재가열과 기화를 위해 필요한 열은 하기 조건하에 증류되는 공기에 의해 공급된다.
증류되는 전체 공기는 상기 중압 컬럼(8)의 압력 보다는 높고 상기 고압 보다는 낮은 압력에서 압축기(1)내에서 압축된다. 그후 (18)에서 예비 냉각되고, (19)에서 거의 실온으로 냉각된 공기는 상기 흡착병중 하나, 예를들면 (2A) 내에서 정제되고, 터어빈(4)에 의해 작동되는 부스터(5)를 통해 상기 승압으로 전체적으로 승압 된다.
그후 공기는 열교환기(6)의 고온단부에 도입되어 중간온도에 도달할때 까지 전반적으로 냉각된다. 이 온도에서 공기 분획분은 연속 냉각되어 교환기의 도관(20)에서 액화되고, 그후 팽창밸브(21)내의 저압에서 팽창되어 컬럼(9)의 중간단계에 도입된다. 남은 공기 또는 초과공기는 터어빈(4)내의 중간압력에서 팽창되고, 그후 도관(22)를 경유해 바로 컬럼(8)의 바닥부로 보내진다.
한편 이중컬럼 장치의 통상의 도관들은 제1도에 소위 미나레트(minaret)형으로 예시되어 있는것들로써 저압하에 질소를 생산한다; 도관(23) 내지 (25)는 각각 고농도 액체 (산소가 농축된 공기), 팽창된 불량한 저급액체(불순한 질소) 및 팽창된 불량한 고급 액체(거의 순수한 질소)를 고농도로 컬럼(9)내에 주입하는 것으로, 상기 이들 세가지 유체는 각각 컬럼(8)의 바닥부, 중간지점 및 상부에서 배출된 것들이다; 그리고 도관(26)와 (27)은 각각 컬럼(9)의 상부로 부터 기체질소를 배출하고, 상기 불량한 저급액체 주입단계로 부터 잔류기체(불순한 질소)를 배출하는 것이다. 저압질소는 교환기(6)의 도관(28)내에서 가온되어 도관(29)를 경유해 배출되고, 반면 상기 잔류기체는 교환기의 도관(30)내에서 재가열한 후, 도관(31)를 경유해 배출되기 전에 이하 실시예에서의 흡착병, 병(2B)를 재생하는데 사용된다.
또한 제1도에서 중간압력의 액체질소 일부는 팽창밸브(32)내에서 팽창한 후, 용기(13)내에 저장되고, 액체질소 및/또는 액체산소는 도관(33)(질소의 경우) 및/또는 (34)(산소의 경우)를 경유해 공급됨을 알수 있다.
승압된 공기의 압력을 선택하는데 있어서, 다음 두가지 경우가 있다.
고산소압이 약 13바 이하일때, 이 공기압력은 고압하의 기화과정중에 산소와의 열교환에 의한 공기의 응축 압력이며, 즉, 상기 열교환 다이아그램 (횡좌표는 온도, 종좌표는 교환된 열량) 상에서 공기액화를 나타내는 굴곡점(G)을 승압하에 산소의 기화를 나타내는 수직 평탄역(plateau) P(제3도)의 약간 오른쪽에 위치하도록 하기 위한 압력이다. 열교환 라인의 고온 단부에서의 온도차이는 터어빈에 의해 조정되며, 그의 흡인온도(suction temperature)는 A로 표시한다. 즉 열교환의 비가역성은 최소 상태이다.
이와같은 기압은 제2도의 곡선중 좌측 부분 C1에 고압에 대한 함수로서 나타낼 수 있다.
제2도에 도시한 바와같이, 본 방법에서 13바의 고압은 기압으로 따지면 30바(보다 구체적으로는, 약 28.5바) 정도에 해당한다. 고압이 13바 보다 더 높은 경우, 제2도의 곡선도표의 직선부분 C2에 나타낸 바와같이, 이러한 높은 압력에도 불구하고 기압은 30바로 선택된다.
첫번째 경우(고압이 약 13바 이하인 경우)에, 액상의 산소 및/또는 질소 생성물은 교환기(6)에서 미흡량의 차가운 기체상 생성물로 되며, 당연히 터어빈(4)에서의 흡입온도는 비교적 높다. 이러한 현상으로 말미암아 상기 터어빈에 의해 상당한 생성물이 생성되는데, 이와같이 상기 장치를 이용하여 유리한 투자조건하에서 다량의 산소 및/또는 액상의 질소를 생성할 수 있다.
두번째 경우(고압이 약 13바 이상인 경우)에, 제2도를 참조하며, 곡선 C1의 연장선 C3에서는 기압이 존재하지 않고, 공기액화의 굴곡점 G(제4도)는 산소 기화의 수직 평탄역 P 를 향해 왼쪽으로 이동하며, 터어빈의 흡입온도는 수직 평탄역 P의 온도보다 낮아지게 된다. 따라서 중간 압력하에서 터어빈에 들어간 공기중 다량은 액상으로 존재하며, 도관(33) 및/또는 (34)를 통해 배출된 적어도 하나의 액상 생성물(산소 및/또는 질소)을 장치로 부터 회수하므로써, 최고 온도와의 차이가 3가 되도록 장치의 응결출력을 조절하게 된다. 기압이 30바인 경우, 상기 고압하에서 산소기체의 생성물중 25를 액체로 회수하므로써 전술한 평형에 도달된다.
일종의 변형예로서, 기압이 약 30바 내지 곡선 C3의 압력인 경우를 선택할 수 있다. 즉 제2도의 영역 B 에 해당한다. 다량의 액체는 회수되고 전술한 평형에 도달하게 된다.
따라서 산소압력의 전체 범위에 단일 압축기가 장입된 장치가 사용되므로, 투자를 줄이며, 산소의 기화압력하에 공기를 전부 압축할때 생기는 초과 에너지를 사용하여 액체를 생성하게 된다.
도시되지 않은 변형예로서, 계산에 의해 쉽게 결정할수 있는 압력과 유동범위내에서, 필요한 압력으로 액체질소를 도입하거나, 컬럼(8)의 상단에서 회수를 하거나 또는 펌프(14)등을 사용하여 상기 위치에서 액체질소를 흡입하거나 또는 컨테이너(13)으로 부터, 그리고 적합한 교환기(6)의 기화-재가열 도관에서 액체질소를 제거하므로써 유사한 방식으로 보충물인 압력하의 기체상 질소를 생성할 수 있다.
제5도의 열교환 다이아그램에 도시되어 있는 또다른 변형예에서, 생성된 산소가스의 일부는 교환기(6)의 다른 적합한 도관에서 상이한 압력하에 동시에 기화하므로써 전술한 것과 다른 고압으로 존재할수도 있다. 두 종류의 고압중 어느 한 압력이 다른 압력보다 약 13바 더 높은 경우, 공기는 전부 약 30바로(또는 전술한 바와같이 30바 이상으로) 압축되는 것이 바람직하며, 최저의 고압하에서 산소 기화의 수직 평탄역 P1의 반대쪽에 액화 굴곡점 G가 존재하고 최고의 고압하에서 터어빈(점 A)의 흡입온도가 산소 기화의 수직평탄역 P2보다 높기만하면 된다. 이 경우에 한계가 뚜렷하고 역학적인 면에서 관심이 끌리는 열교환 다이아그램이 얻어진다.
또다른 변형예에서, 생성된 산소의 순도가 낮을 경우(90 내지 98정도)에 평균 압력 내지 저압으로 팽창시키는 제 2 터어빈(도시되지 있지 않음)을 장치하여, 다루어질 공기의 유체중 약 10 내지 25의 분량을 컬럼(9)속으로 보내서 저압의 공기를 얻을수도 있다. 고산소압이 약 13바 보다 낮을 경우, 온도가 충분히 높은 터어빈(4)의 배출물로 부터 상기 분량을 끌어낼 수도 있다. 고산소압이 약 13바 보다 높을 경우, 상기 분량은 컬럼(8)의 바닥부 또는, 그 액상으로 부터 분리되었으며 팽창전에 재가열된, 터어빈(4)의 배출액으로 부터 끌어낼 수 있다.
전술한 변형예는 액체 생성량을 증가시킬수 있는 반면에 중간압력의 액체 생성량은 다소 감소시키고, 따라서 본 장치의 작동 압력, 즉 고공기압을 다소 증가시킨다.
한편, 부스터 이외의 장치를 사용하여 터어빈(4)를 감속시킬수도 있다. 이 경우에 부스터(5)는 제거되고, 압축기(1)은 전체의 공기를 상기 한정한 고압으로 직접 압축시킨다.
제6도에 도시된 장치는 최소한 약 13바 및 본 실시예에서는 35바에 상당하는 압력하에서 산소가스를 생성하기 위한 것이다. 상기 장치는 주로, 이중의 증류컬럼(41), 주요 열교환 라인(42), 보충 냉각기(43), 단일 공기압축기(44), 공기 승압용 송풍기(45), 부스터(45)의 로우터와 동일한 샤프트에 로우터를 설치한 팽창 터어빈(46), 전기 모우터(48)에 의해 작동되는 부가의 송풍기(47), 및 액체산소용 펌프(49)로 이루어져 있다. 상기 이중 증류컬럼은, 기지의 양식에서, 대기압 보다 조금 높은 압력에서 작동하는 저압컬럼(51)과, 그 위에 놓인 약 6바의 압력하에서 작동하는 중압 컬럼(50) 및 열교환기를 연고로하여 저압컬럼의 바닥부에서 배출된 액체산소와 중간압력 컬럼의 상단에서 배출된 질소를 함께 다루는 기화기-응축기(52)로 구성되어 있다. 작동시, 증류하고자 하는 공기는 압축기(44)에서 약 23바로 전부 압축되었고 흡착기(44A)에서 정화된 것으로서, 먼저 부스터(45)에 의해 약 28바의 제 1고압으로 전부 승압 되고, 이후에 두개의 흐름으로 분리된다.
첫번째 흐름은 상기 제 1고압하에 열교환라인(42)의 도관(53)에서 냉각된다. 이 첫번째 흐름의 일부는 계속 냉각되고 액화되어 상기 열교환 라인의 냉온단부에 이른후에, 팽창 밸브(54) 및 (55)에서 각각 중간압력 및 저압으로 팽창되고 컬럼(50)과 (51)의 사이에 배포된다. 중간온도 T1에서 상기 열교환기를 빠져나온 첫번째 흐름의 잔류물은 터어빈(46)에서 중간 압력으로 팽창되고 컬럼(50)의 바닥부로 도입된다.
승압된 공기의 두번째 흐름은 송풍기(47)에 의해 약 35 내지 40바의 제 2고압으로 또다시 승압되고, 이어서 냉각되고 상기 열교환 라인의 도관(56)에서 액화되어 상기 열교환 라인의 냉온단부에 이른다. 생성된 액체는 팽창밸브(57)에서 팽창되고 컬럼(50)의 바닥부로 급송된다.
본 명세서에서, 부스터 또는 송풍기 란 용어는 단일 로우터 압축기를 의미하며 이들의 다루어진 기체의 유동 및 압축속도에 관한 에너지 소비는 주 압축기(44)의 그것보다 작은데, 이를테면 후자의 약 2 내지 3정도 작다. 이와같은 송풍기의 압축률은 통상적으로 2 보다 작다. 본 발명에 사용된 각각의 송풍기는, 도시되어 있지는 않지만, 그 출구에 물 또는 대기의 공기를 냉각하는 장치를 포함하고있다.
컬럼(51)의 바닥부에서 회수된 액체산소는 펌프(49)에 의해 필요로 하는 생성물 압력에 이른후에, 기화되고 열교환 라인의 도관(58)에서 재가열되어 생성물 도관(59)를 지나 장치로 부터 회수된다.
한편, 제6도는 이중컬럼 장치인 경우에 설치되는 통상의 도관 및 부속품을 갖춘 상기 장치를 보여준다 : 컬럼(51)내의 컬럼(50)의 바닥부에서 수집되는 풍부한 액체(산소를 많이 포함하는 공기)를 끌어올리는 도관(60) 및 그 팽창밸브(61), 컬럼(51)의 상단, 컬럼(50)의 상단에서 회수되는 부족한 액체(대체적으로 순수한 질소)를 끌어올리는 도관(62) 및 그 팽창밸브(63), 뿐만아니라 컬럼(51)의 바닥부에서 배출되는 액체 산소생성물용 도관(64), 도관(62)에서 배출되는 액체질소 생성물용 도관(65), 및 컬럼(51)의 상단에서 배출되며, 장치에 잔류하는 기체들을 포함하는 불순한 질소회수용 도관(66), 이 불순한 질소는 보충 냉각기(43)에서 재가열된 후 열교환 라인의 도관(67)에서 재가열되어 도관(68)로 부터 회수된다.
제7도에 도시한 바와같이 터어빈(46)의 주입구 온도 T1은 생성 압력하에서 산소기화의 수직 평탄역(69)의 온도보다 낮으며, 상기 장치의 응결출력은, 제1도 내지 제5도를 참조하여 상술한 바와같이 일정량의 액체질소 및/또는 액체산소를 도관(64) 및/또는 (65)로 부터 회수하므로써, 열교환 라인의 최고온도와의 작은차이가 유지되도록 평형을 이루게 된다. 압축기(44)에서 압축된 기압이 23바 정도인 경우, 다루어진 공기의 흐름중 약 5의 액체를 회수하면 전술한 평형에 도달된다.
게다가, 전술한 제 2고압은 한편으로는, 생성압력하에서 기화된 산소와 함께 열교환 되므로써 공기의 응축압 보다 낮으며, 다른 한편으로는, 이 제 2 고압에 이른 공기가 T1에 근접한 온도에서 응축하기 시작하도록 선택된다. 이와같이하여 T1에 근접한 온도에서 높은 에너지가 확실하게 입력되며, 터어빈(46)은 알맞은 조건, 즉, 그 로우터 주입구에서 액체가 생성되지 않고 열교환기 양단의 최적 온도차 2내지 3를 유지할뿐만 아니라, 기화 수직 평탄역(69)의 위치 또한 알맞은 조건하에서 작동될 수 있다.
도관(56)에서 액화되는 승압된 공기의 흐름은 산소의 기화에 소요되는 그것보다 적다는 것을 알아두어야 한다. 상기 액화된 공기의 흐름은 실로 기화 되어질 산소의 흐름보다 적으며 터어빈(46)의 로우터 주입구에 액체가 생기는 것을 막기에 충분할 뿐이다.
상기 장치에서 초임계적인 공기의 제 2고압과 같은 변수가 있을 경우, 온도 T1부근에서 일어나는 공기의 응축은 유사 응축이다.
제8도의 실시태양에서, 상기 장치의 공기압축기(44)는 23바 정도의 제 1고압에서 공기전체를 직접 압축하며, 이 공기의 첫번째 흐름은 전술한 바와같이 도관(53), 터어빈(46) 및 팽창밸브(54)에서 이루어진후 컬럼(50)의 바닥부로 보내진다.
그 대신에, 이 공기의 나머지 부분은 직렬로 배치된 두개의 송풍기에 의해 두 단계에 걸쳐 승압된다. 제6도의 송풍기(45)와 유사한 제 1송풍기(70)은 터어빈(46)과 직접 연결되어 있으며, 제 2송풍기(71)은 두번째 팽창 터어빈(72)와 직접 결합되어 있다. (70)에서 승압된 공기는 전부 송풍기(71)로 들어간후 열교환 라인(42)의 도관(56)으로 보내지며, 이 공기중 일부는 온도 T1보다 높은 온도 T2에서 열교환 라인을 빠져나와 터어빈(72)에서 팽창된다. 중간 압력에서, 터어빈(72)에서의 배출물은 터어빈(46)의 경우와 유사하게 컬럼(52)의 바닥부에 연결된다.
터어빈(72)에서 팽창되지 않은 최고압에서의 공기는 계속하여 냉각되고 도관(56)에서 액화되어 열교환 라인의 냉온단부에 이른후에, 팽창밸브(57) 및 (57A)에서 팽창되고 두 컬럼(50)과 (51)의 사이에 배포된다. 밸브(57A)는 제6도의 밸브(55)를 대체한다.
제9도에 도시한 바와같이, 온도 T2는 산소 기화의 수직 평탄면(69) 보다 다소 높게 선택할 수 있다. 터어빈(27)에서 팽창된 공기중 비교적 약한 흐름에 대하여, 공기의 냉각 곡선은 최고압하의 공기의 응축 또는 유사응축 곡선의 굴곡점(73), 온도 T2에 있어서 액상산소 및 기체상 질소의 재가열 곡선과 유사하다.
제10도의 장치는 하기의 면에 비추어볼때 전술한 장치와는 다르다.
한편으로는, 제 1고압하에서 냉각된 모든 공기가 터어빈(46)에서 팽창된다. 즉, 온도 T1에서 도관(53)은 차단되고 팽창밸브(54)는 제거된다.
다른 한편으로는, 송풍기(70)및 (71)의 사이에서 받아들인 공기의 흐름이 열교환 라인의 부가의 도관(74)에서 냉각되고 액화되어, 열교환 라인의 냉온단부에 이르고 중간 압력에서 팽창밸브(75)에서 팽창되어 컬럼(50)의 바닥부로 급송된다.
일중의 변형예로서, 혼계로 도시한 바와같이, 터어빈(72)가 도관(74)를 순환하는 공기를 공급할 수 있게되면, 도관(74)는 온도 T2에서 차단된다. 따라서 팽창밸브(75)는 제거되고, 도관(56)에서 완전히 액화되고 팽창밸브(57)에서 중간압력으로 팽창된 공기는 도관(56)을 순환한다.
물론, 전술한 두가지 변형예를 조화시킨 장치도 제공될 수 있다.
또다른 변형예에서, 제10도에 혼계로 도시한 바와같이, 송풍기(72)로 부터 전기모우터(77)에 의해 작동되는 부가의 송풍기(76)속으로 공기를 통과시키므로써 최고의 고압은 증가될 수 있다.
제11도에 도시한 장치는 제8도의 장치의 변형예이다. 제8도의 장치와 다른점은 단지, 두 터어빈(46) 및 (72)의 배출물이 액상과 일부의 증기상을 컬럼(50)의 바닥부로 급송하는 상분리기(78)에 이르며, 잔류하는 증기상은 열교환 라인의 도관(79)에서 부분적으로 재가열된 후 적절한 제어장치(81)에 의해 감속된 부가의 터어빈(80)에서 저압으로 팽창된다는 것이다. 터어빈(80)을 빠져나온 저압의 공기는 도관(82)를 지나 컬럼(51)에 급송된다. 가압하에 생성된 산소가스의 순도가 낮은(99.5이하) 경우에는 전술한 해결책을 적용시킬 수 있다.

Claims (25)

  1. 이중 컬럼을 구비하고 있는 장치내에서, 저압컬럼의 바닥부에서 회수된 액체산소를 펌핑하고, 상기 장치의 열교환라인에서 고공기압하에 가압된 공기에 의한 열교환에 의해 압축된 액체 산소를 기화시키는 것으로 구성되는 공기증류에 의해 수행하되, 증류시키고자 하는 모든 공기는 고기압하에 압축시키고, 이 공기중 열교환라인의 냉각에 필요한 것이외의 부분은 공기부스터에 의해 감속되는 터어빈내에서 중압컬럼의 압력하에 중간 냉각 온도로 팽창시키며, 적어도 하나의 액체 생성물을 장치로부터 회수하는 것을 포함하는 고산소압하에 산소가스를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 고산소압이 약 13바 이하인 경우, 선택된 고공기압은 상기 고산소압하의 기화중에 산소에 의한 열교환에 의해 형성된 공기의 응축압인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 고산소압이 약 13바 이상인 경우, 선택된 고공기압은 고산소압에 상관없이 상기 고산소압하의 기화중에 산소에 의한 열교환에 의해 형성된 공기의 응축압 보다 낮은 압력이며 적어도 약 30바인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 고공기압이 30바 정도이고, 회수되는 액체 생성물의 유량은 고산소압하에 생성된 산소가스의 25정도인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 약 13바 이상, 그리고 그 이하인 서로 다른 두 종류의 고산소압하에 산소가스를 제조하는 경우, 압축 액체 산소로 이루어진 두 흐름을 특이한 고공기압하에서 압축 공기에 의한 열교환에 의해 기화시키며, 상기 특이한 고공기압이란 한편으로는 최고 고산소압하의 기화중에 산소에 의한 열교환에 의해 형성된 공기의 응축압보다 낮고, 다른 한편으로는 적어도 약 30바 정도로서 어떤 경우에라도 최저 고산소압하의 기화중에 산소에 의한 열교환에 의해 형성된 공기의 응축압보다 높은 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 공기는 2단계로 압축되고, 최종 단계는 터어빈에 의해 작동되는 부스터에 의해 수행되는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 이중컬럼으로 부터 회수되며 펌프에 의해 임의로 압축된 가압하의 액체질소도 열교환라인내에서 열교환기에 의해 고공기압하의 공기에 의해서 기화시키는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 중압 공기중 일부는 액체상을 임의로 분리한 후에 제 2터어빈내에서 저압하에 팽창시켜 저압 컬럼으로 주입시키는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 저압하에 팽창된 공기는 중압 컬럼의 바닥부로 부터 회수되는 방법.
  10. 고산소압하에 산소 가스를 제조하기 위한 장치로서, 저압컬럼과 중압컬럼을 포함하는 공기증류용 이중컬럼과, 저압컬럼의 바닥부에서 회수된 액체산소를 압축시키는 펌프와, 공기중 일부를 고공기압에서 증류시키기 위해 공기를 압축시키는 수단과, 고공기압하의 상기 공기중 일부를 압축된 액체 산소와 열교환관계로 유지시키는 열교환 라인을 포함하는 형태이며, 상기 공기압축수단은 증류 시키고자 하는 모든 공기를 처리하고, 상기 장치는 열교환 라인의 중간 지점에 위치하는, 공기 부스터에 의해 감속되며 흡인관이 공기냉각도관에 접속되어 있는 팽창터어빈과, 상기 장치로 부터 적어도 하나의 액체 생성물을 회수하는 수단을 부가로 포함하고, 상기 터어빈의 배출구는 중압컬럼에 직접 연결되어 있는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 공기 압축 수단이 주 공기 압축기와 상기 터어빈에 접속되어 있는 부스터를 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 열 교환라인이 상기 이중컬럼으로부터 회수된 액체 질소를 고압의 공기에 의해 열교환하여 기화시키는 도관들과, 열교환 라인의 상류에 배치된 상기 액체 질소를 압축하는 임의의 펌프를 포함하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 중압 공기중 일부를 저압에서 팽창시키는 제 2팽창 터어빈 및 공기를 송풍하여 저압 컬럼내에서 팽창시키는 수단을 포함하는 장치.
  14. 저압 컬럼 및 중압 컬럼으로 이루어진 이중 컬럼을 구비한 장치내에서, 저압 컬럼의 바닥부에서 회수된 액체 산소를 펌핑하고, 중압보다 상당히 높은 고압의 공기에 의한 열 교환에 의해 압축된 액체 산소를 기화시키는 것으로 구성되는 공기증류에 의해 수행하되, 증류시키고자 하는 모든 공기는 중압보다 상당히 높은 제 1고압하에 압축시키고; 상기 공기의 일부는 상기 제 1고압중에서 중간 냉각온도로 냉각시키고 최소한 일부는 터어빈에서 중압으로 팽창시킨 후 이중 컬럼으로 도입시키며; 제 1고압하의 나머지 공기는 제 2고압으로 승압시키고, 그 유량이 기화되는 액체 산소의 유량보다 적은 승압된 공기중 적어도 일부를 냉각 및 액화 시켜 팽창시킨 후에 상기 이중컬럼으로 도입시키며; 상기 제 2고압은, 한편으로는 고산소압하에서 증기화되는 산소에 의한 열 교환에 의해 형성된 공기의 응축압 또는 유사 응축 압력보다 낮고 적어도 약 30바에 필적하며, 다른 한편으로는 상기 제 2고압하에서 공기의 응축 또는 유사응축이 터어빈의 주입구 온도 부근에서 일어나도록 선택하며; 적어도 하나의 액체 생성물을 장치로부터 회수하는, 최소한 13바 정도의 고산소압하에서 산소가스를 제조하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 승압은 압축률이 2이하인 송풍기에 의해 수행되는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 송풍기가 외부 에너지원에 의해 작동되는 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 승압은 직렬로 배치되어 있으며 각각 팽창 터어빈에 접속되어 있는 두개의 송풍기에 의해 수행되며, 제 1송풍기는 제 1고압에서 공기를 팽창시키는 제 1터어빈에 접속되어 있고 제 2송풍기는 상기 승압된 공기의 일부를 팽창시키는 제 2터어빈에 접속되어 있으며, 제 2터어빈의 주입구 온도가 제 1터어빈의 주입구 온도보다 높은 방법.
  18. 제17항에 있어서, 공기의 흐름이 두 송풍기 사이에서 회수되고, 적어도 일부는 냉각 및 액화되어, 팽창된 후에 상기 이중 컬럼으로 도입되는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 승압은 상기 제 1고압하에 공기를 팽창시키는 터어빈에 접속된 송풍기에 의해 수행되고, 상기 승압된 공기의 일부는 제 2송풍기에 접속되어 있는 제 2터어빈에서 팽창되고, 그 나머지는 제 2터어빈으로 공급되며, 상기 제 2송풍기로 부터 배출된 공기는 냉각 및 액화되어 팽창된 후에 이중컬럼으로 도입되는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제 2송풍기로 부터 배출된 공기가 외부 에너지원에 의해 작동되는 제 3송풍기에 의해 제차 승압되는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 각각의 터어빈으로 부터 배출된 공기의 기체상중 일부가 부가의 터어빈에서 저압하에 팽창되고, 그후에 저압컬럼으로 도입되는 방법.
  22. 저압 컬럼 및 중압 컬럼을 포함하는 공기 증류용 이중 컬럼, 상기 저압컬럼의 바닥부에서 회수된 액체 산소 압축용 펌프, 증류하고자 하는 공기를 상기 중압보다 아주 높은 고압으로 이끄는 압축 수단, 및 고압의 공기와 압축된 액체 산소를 열교환 관계로 유지시키는 열교환 라인을 포함하는 형태이며, 상기 압축 수단은 증류하고자 하는 모든 공기를 상기 중압보다 아주 높은 제 1고압으로 이끄는 압축기 및 상기 제 1고압하에 일부 공기를 승압하는 승압 수단을 포함하고, 상기 승압 수단은, 팽창터어빈에 직렬로 접속 배치되어 있되, 제 1송풍기는 상기 제 1고압하에 공기를 팽창시키는 터어빈에 접속되어 있고 제 2송풍기는 승압된 공기의 일부를 팽창시키는 제 2터어번에 접속되어 있는 두개의 송풍기를 포함하며, 상기 제 2터어빈의 주입구 온도는 상기 제 1터어빈의 주입구온도보다 높고, 또한 장치로 부터 적어도 하나의 액체 생성물을 회수하는 수단을 포함하는 적어도 13바의 고산소압하에서 산소가스를 제조하는 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 두개의 송풍기 사이에서 공기 흐름의 견본을 추출하는 수단 및 그 공기 흐름중의 적어도 일부를 냉각시키는 수단, 액화시키는 수단, 팽창시키는 수단 및 이중 컬럼으로 도입하는 수단을 포함하는 장치.
  24. 제23항에 있어서, 제 2송풍기 뒤에 직렬로 배치되어 있으며, 외부 에너지원에 의해 작동되는 제 3송풍기를 포함하는 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 터어빈에서 배출된 증기상태의 공기중 일부를 저압으로 팽창시키는 부가의 터어빈 및, 상기 증기상이 일부를 저압 컬럼으로 송풍하는 수단을 포함하는 장치.
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