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KR20020020263A - 부스터 및 복합성분 냉각 압축이 통합된 극저온 공기 분리시스템 - Google Patents

부스터 및 복합성분 냉각 압축이 통합된 극저온 공기 분리시스템 Download PDF

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KR20020020263A
KR20020020263A KR1020010055072A KR20010055072A KR20020020263A KR 20020020263 A KR20020020263 A KR 20020020263A KR 1020010055072 A KR1020010055072 A KR 1020010055072A KR 20010055072 A KR20010055072 A KR 20010055072A KR 20020020263 A KR20020020263 A KR 20020020263A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
air
refrigerant fluid
compressor
cryogenic
separation plant
Prior art date
Application number
KR1020010055072A
Other languages
English (en)
Inventor
케빈윌리암 마호니
단테패트릭 보나퀴스트
Original Assignee
조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어, 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 filed Critical 조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
Publication of KR20020020263A publication Critical patent/KR20020020263A/ko

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Abstract

본 발명은 극저온 공기 분리 시스템에 관한 것으로, 압력 에너지가 복합성분 냉매 유체 순환계의 복합성분 냉매 유체 압축기 및 하나 이상의 부스터 압축기를 갖춘 브리지에 의해 제공되고, 이런 브리지 머신의 모든 압축기는 단 하나의 기어 케이스를 통해 제공된 전력에 의해 구동되는 극저온 공기 분리 시스템에 관한 것이다.

Description

부스터 및 복합성분 냉각 압축이 통합된 극저온 공기 분리 시스템{CRYOGENIC AIR SEPARATION SYSTEM WITH INTEGRATED BOOSTER AND MULTICOMPONENT REFRIGERATION COMPRESSION}
본 발명은 일반적으로 극저온 공기 분리에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 극저온 공기 분리 시스템(cryogenic air separation system)의 작동 하에서의 유체의 압축에 관한 것이다.
통상적인 극저온 공기 분리 시스템의 작동 하에서, 다수의 압축기가 사용된다. 이런 압축기 중 일부는 생성물(product)을 압축하기 위해 사용될 수 있고, 다른 일부는 공급 공기를 압축하기 위해 사용될 수 있으며, 그리고 또 다른 일부는 열펌프 또는 액화가스발생기의 순환계와 같은 내부 순환계를 작동하기 위해 사용될 수도 있다. 압축기를 설치, 유지 및 작동을 위해서는 상당한 비용이 든다. 따라서, 극저온 공기 분리 시스템과 관련하여 압축기 장치의 사용에 대한 개선점이 요구된다.
본 발명의 목적은 개선된 압축 장치를 가진 극저온 공기 분리 시스템을 제공하는 것이다.
본 명세서를 읽는 이 기술분야의 당업자에게는 명백한 상기 목적 및 다른 목적들은 본 발명에 의해 달성되며, 본 발명의 한 양상에서:
공급 공기를 극저온 정류함으로써 적어도 하나의 생성물을 생산하기 위한 장치는 다음과 같은 것들을 포함한다.
(A) 적어도 하나의 컬럼(column)을 가진 극저온 공기 분리 플랜트;
(B) 기저부하용 공기 압축기(base load air compressor), 그리고 상기 기저부하용 공기 압축기로 공급 공기를 흐르도록 하기 위한 수단;
(C) 적어도 하나의 부스터 압축기, 그리고 기저부하용 공기 압축기로부터 상기 부스터 압축기(booster compressor)로 공급 공기를 흐르도록 하기 위한 수단, 그리고 부스터 압축기로부터 극저온 공기 분리 플랜트로 공급 공기를 흐르도록 하기 위한 수단;
(D) 복합성분 냉매 유체 압축기(multicomponent refrigerant fluid compressor) 및 팽창기를 포함하는 복합성분 냉매 유체 순환계, 그리고 이런 복합성분 냉매 유체에 의해 발생된 냉각 공기를 극저온 공기 분리 플랜트로 흐르도록 하기 위한 수단;
(E) 기어 케이스, 상기 기어 케이스에 부스터 압축기를 동력 전달되도록 연결하기 위한 수단, 그리고 상기 기어 케이스에 복합성분 냉매 유체 압축기를 동력 전달되도록 연결하기 위한 수단; 그리고
(F) 극저온 공기 분리 플랜트로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 수단.
본 발명의 다른 양상에서, 공급 공기를 극저온 정류함으로써 적어도 하나의생성물을 생성하기 위한 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
(A) 공급 공기를 기저부하 압력으로 압축하여 기저부하 공급 공기를 생성하고, 상기 기저부하 공급 공기의 적어도 일부를 하나 이상의 부스터 압축기를 통해 흐르도록 하는 단계;
(B) 부스터 압축기로부터 나온 공급 공기를 적어도 하나의 컬럼을 갖춘 극저온 공기 분리 플랜트 내로 흐르도록 하는 단계;
(C) 복합성분 냉매 유체 압축기 내에서 복합성분 냉매 유체를 압축하고 압축된 복합성분 냉매 유체를 팽창시킴으로써 냉각 공기를 발생시키는 단계;
(D) 복합성분 냉매 유체의 팽창에 의해 발생된 냉각 공기를 극저온 공기 분리 플랜트 내로 흐르도록 하는 단계;
(E) 부스터 압축기 및 복합성분 냉매 유체 압축기가 작동되도록 하나의 기어케이스를 통해 에너지를 제공하는 단계; 그리고
(F) 극저온 공기 분리 플랜트 내에서 극저온 정류에 의해 공급 공기를 분리하여 적어도 하나의 생성물을 생성하는 단계.
여기서 사용된 "냉각(refrigeration)"은 섭엠비언트(subambient) 온도 분리 공정과 같은 섭엠비언트 온도 시스템으로부터 열을 대기환경으로 방출하는 능력을 의미한다.
여기서 사용된 "극저온 공기 분리 플랜트(cryogenic air separation plant)"는 극저온 정류에 의해 공급 공기를 분류시키기 위한 설비를 의미하며, 이에 부착된 하나 이상의 컬럼 및 파이핑, 밸브링 및 열교환기를 포함한다.
여기서 사용된 "공급 공기(feed air)"는 주변공기와 같은 산소, 질소 및 아르곤을 포함하는 혼합물을 의미한다.
여기서 사용된 "팽창(expansion)"은 압력의 감소를 의미한다.
여기서 사용된 "질소 생성물(product nitrogen)"은 적어도 99몰 퍼센트(mole percent)의 질소 농도를 가진 유체를 의미한다.
여기서 사용된 "산소 생성물(product oxygen)"은 적어도 70몰 퍼센트의 산소 농도를 가진 유체를 의미한다.
여기서 사용된 "아르곤 생성물(product argon)"은 적어도 70몰 퍼센트의 아르곤 농도를 가진 유체를 의미한다.
여기서 사용된 "분위기 가스(atmospheric gas)"는 질소(N2), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 네온(Ne), 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 헬륨(He) 및 일산화질소(N20) 중 어느 하나를 의미한다.
여기서 사용된 "가변 부하 냉매(variable load refrigerant)"는, 둘 이상의 성분을 액상(liquid phase)이 혼합물의 끊는점(bubble point)과 이슬점(dew point) 사이에서 지속적으로 증가하는 온도의 변화가 경험되는 정도의 비율로 혼합된 냉매 혼합물을 의미한다. 혼합물의 끊는점은, 주어진 압력에서 모든 혼합물이 액상에 있으나 추가의 열이 이런 액상과 평형한 기상의 형성을 일으키는 온도를 의미한다. 혼합물의 이슬점은, 주어진 압력에서 모든 혼합물이 기상에 있으나 열의 방출이 이런 기상과 평형한 액상의 형성을 일으키는 온도를 의미한다. 끊는점과 이슬점 사이의 온도 영역은, 액상 및 기상이 평행하게 공존하는 영역을 의미한다. 본 발명의 실례에서, 가변 부하 냉매 유체에 대한 끊는점과 이슬점 사이에서의 온도차는 적어도 10℃, 바람직하게는 적어도 20℃, 보다 바람직하게는 50℃이다.
여기서 사용된 "컬럼(column)"은, 증류 또는 분류 컬럼 또는 존, 예를 들면 접촉 컬럼 또는 존을 의미하며, 액상 및 기상을 항류 접촉(counter currently contacted)시킴으로써, 예를 들면 구조적으로 또는 램덤 패킹과 같은 팽킹 요소 및/또는 컬럼 내에 장착된 수직으로 이격된 일련의 트레이 또는 플레이트에 기상과 액상을 접촉시킴으로써, 유체 혼합물의 분리를 달성한다. 증류 컬럼의 다른 논의에 있어서는 맥그로 힐 북 컴퍼니(McGraw-Hill Book Company), 뉴욕, 섹션 13에서 알. 에이치. 페리(R. H. Perry) 및 씨. 에이치 칠튼(C. H. Chilton)에 의해 편집된 케미컬 엔지니얼스 핸드북(Chemical Engineer's Handbook)의 15판, 일관 증류 처리(The Continuous Distillation Process)에 설명되어 있다.
"이중 컬럼(double column)"은 저압 컬럼의 하부 단부에 대해서 열교환시 상부 단부에 고압 컬럼을 가진다는 것을 의미한다. 이중 컬럼에 대한 추가의 설명은 옥스포드 유니버스티 출판사, 1949년, 7장, 상업용 공기 분리에서 루레먼(Ruheman)의 "가스 분리(The Separation of Gases)"에 있다.
증기와 액체 접촉 분리 공정은 성분에 대한 증기압의 차이에 달려있다. 높은 증기압(또는 높은 휘발성 또는 낮은 보일링) 성분은 증기 단계에서 응축될 것이고, 반면 낮은 증기압(또는 낮은 휘발성 또는 높은 보일링) 성분은 액체 상태에서 응축될 것이다. 부분적 응축은, 증기 혼합물의 냉각이 증기 상태에서 휘발성 성분을 응축하기 위해 사용될 수 있고, 액체 상태에서 보다 낮은 휘발성 성분을 응축하기 위해 사용될 수 있는 분리 공정이다. 정류 또는 연속적인 증류는, 기상 및 액상의 항류 처리에 의해 얻어진 바와 같은 연속적인 부분적 증발 및 응축을 결합한 분리 공정이다. 기상 및 액상의 항류 접촉은 일반적으로 단열적이며, 상들 사이에서 적분(단계적) 또는 미분(연속적)접촉을 포함할 수 있다. 혼합물을 분리하기 위한 정류의 원리를 이용하는 분리 처리 장치라는 용어는, 정류 컬럼, 증류 컬럼 또는 분류 컬럼과 서로 교환될 수 있는 용어이다. 극저온 정류는 절대온도(K) 150도에서 또는 이 보다 낮은 온도에서 적어도 부분적으로 실행되는 정류 공정이다.
여기서 사용된 "간접 열 교환(indirect heat exchange)"은 두 유체가 상호간의 혼합 또는 물리적인 접촉 없이 열 교환이 이루어지는 것을 의미한다.
여기서 사용된 "터보팽창(turboexpansion)" 및 "터보팽창기(turboexpander)" 각각은 축선 또는 방사상의 터빈을 통한 고압 가스의 유동이 가스의 온도 및 압력을 감소시켜 냉각을 발생시키기 위한 방법 및 그 장치를 의미한다.
여기서 사용된 "압축기(compressor)"는 가스의 압력을 증가시키기 위한 장치를 의미한다.
여기서 사용된 "부스터 압축기(booster compressor)"는 공급 공기를 기저부하 압력보다 높은 압력으로 증가시키는 압축기를 의미한다.
여기서 사용된 "생성물 보일러(product boiler)"는, 통상적으로 증가된 압력에서 극저온 공기 분리 플랜트로부터의 액체가 공급 공기에 의해 간접적으로 열교환됨으로써 증발이 일어나는 열교환기를 의미한다. 생성물 보일러는 공급 공기를냉각하기 위해 사용되는 열교환기 내에 결합되거나 독립된 유닛일 수 있다.
여기서 사용된 "터빈 부스터 압축기(turbine booster compressor)"는 보통의 공급 공기의 일부인 가스의 압력을 증기시키기 위해, 그리고 처리 냉각 능력을 개선시키기 위해 사용되는 압축기, 통상적으로는 회전식 임펠러 유닛을 의미한다. 가스는 터보팽창되어 냉각 공기를 생성한다.
여기서 사용된 "생성물 보일러 부스터 압축기(product boiler booster compressor)"는 보통의 공급공기의 일부인 가스의 압력을 증가시키기 위해, 그리고 액체를 증발시켜 가스 생성물을 생성하기 위해 사용되는 통상적인 회전식 임펠러 유닛을 의미한다. 증발된 액체가 증가된 압력 레벨에서 이용될 수 있도록 액체는 일반적으로 가압된다.
여기서 사용된 "기어 케이스(gear case)"는 전기모터, 스팀 터빈 및 가스 팽창기와 같은 에너지 제공기와 가스 압축기 및 발전기와 같은 에너지 사용체 사이에서 샤프트 에너지를 전달하기 위해 사용되는 장치를 의미한다. 기어 케이스는 각각의 기어 및 이런 기어와 연결되어 있는 샤프트로 통합식으로 구성되어, 각 에너지 유닛에 대한 최적의 샤프트 속도를 공급한다.
도 1은 본 발명의 극저온 공기 분리 시스템의 한 바람직한 실시예를 간략하게 개략적으로 도시하는 도면이고,
도 2는 극저온 공기 분리 시스템 내에 통합식으로 구성되고 본 발명의 실례에 유용한 압축기의 한 실시예를 보다 구체적으로 도시하는 도면이다.
도면의 도면부호는 공동요소에 대해 동일하다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
3: 흡입 가이드 라인 12: 가이드 베인
51: 기저부하용 공기 압축기 52: 청정기
53: 터빈 부스터 압축기 54: 브리지 머신
56: 제 1차 열교환기 58: 터보 팽창기
60: 기어 케이스 62: 냉각기
63: 제 2 생성물 보일러 부스터 압축기 65: 보일러
68: 샤프트 70: 고압 컬럼
71: 저압 컬럼 76: 메인 응축기
80: 과열기 156: 냉각 열교환기
157: 복합성분 냉매 유체 압축기 158: 최종 냉각기
180: 생성물 압축기
본 발명은 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 공급 공기 스트림(50)으로 도시되고 극저온 공기 분리 플랜트로 제공되어질 공급 공기는 기저 부하용 공기 압축기(51)를 통과하게 되며, 이는 기저부하 압력, 일반적으로 80 내지 110 평방 인치 당 파운드(psia)로 압축된다. 기저부하 압력은, 극저온 공기 분리 플랜트가 공급 공기를 하나 또는 그 이상의 산소 생성물, 질소 생성물 또는 아르곤 생성물로 분리하여 공칭 압력(nominal pressure)으로 가스성 생성물을 생산하고, 공칭 양(nominal amount), 통상적으로 공급 공기의 약 2 퍼센트의 액체성 생성물을 생산할 수 있도록 충분한 에너지를 제공한다. 그 다음, 기저부하 압력에 놓인 공급 공기(96)는 청정기(52)를 통과하면서 수증기, 이산화탄소 및 탄화수소와 같은 끓는점이 높은 불순물이 이들로부터 제거되고, 불순물들이 제거된 기저부하 압력 공급 공기(53)는, 도 1에 블록의 형태로 그리고 도 2에 보다 상세히 도시된 브리지 머신(bridge machine; 54)으로 공급된다.
브리지 머신은 개별화된 압력 에너지를 극저온 공기 분리 플랜트에 효과적인 방식으로 제공하여, 하나 이상의 가스성 생성물을 극공칭 상승 압력으로 회수할 수 있고, 또한 액체 생성물을 극공칭 양으로 생산할 수 있도록 한다. 게다가, 브리지 머신은 주문 생성물의 변동시에도 효율을 떨어뜨리지 않고 플랜트를 작동시킬 수 있다. 브리지 머신의 구조는 도 2를 참조로 하여 구체적으로 설명될 것이다.
도 2를 참조하면, 기저부하 압력 공급 공기(53)는 터빈 부스터 유체 스트림 또는 부분(2)과 생성물 보일러 부스터 유체 스트림 또는 부분(11)으로 분할된다. 필요하다면, 기저부하 공급 공기의 하나 이상의 다른 부분이 추가의 압축 공정을 거치거나 거치지 않고 극저온 공기 분리 플랜트로 유입될 수 있다. 이런 다른 부분이 추가로 압축될 경우, 압축기는 기어 케이스(60)를 통해 전달된 에너지에 의해 동력이 공급되는 것이 바람직하다. 터빈 부스터 유체는 흡입 스로틀(suction throttle) 또는 흡입 가이드베인(inlet guidevane; 3)을 통과하여, 스트림(4)을 따라 터빈 부스터 압축기(55)로 유입된다. 터빈 부스터 압축기(55) 내에서 터빈 부스터 유체는 일반적으로 250 내지 350psia로 압축된다. 압축된 터빈 부스터 유체(5)는 냉각기(6)를 통과하면서 압축열이 냉각되고 스로틀 밸브(7)를 통과하여 스트림(8)을 따라 열교환기(56)로 들어간다. 필요하다면, 터빈 부스터 유체 스트림(2)의 일부 또는 모두는 밸브(57)를 통과하는 스트림(9)을 따라 터빈 부스터 압축기를 통과하지 않고 지나칠 수 있다.
스트림(8)내의 터빈 부스터 유체는 냉각된 다음, 극저온 공기 분리 플랜트를 통과한다. 도면에 도시된 본 발명의 실시예에서, 스트림(8)은 스트림(20)과 스트림(22)으로 분할된다. 스트림(20)은 냉각 열교환기(refrigeration heat exchanger; 156)를 통과하면서 냉각된다. 냉각된 스트림(21, 23)은 재결합된다. 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에서, 스트림은 터보팽창기(turboexpander; 58)의 상류에서 스트림(24)의 형태로 재결합되고 이 스트림(24)은 스트림을 터보 팽창시키는 터보팽창기(58)를 통과하며, 그 다음 터보 팽창된 터빈 부스터 유체(25)는 극저온 공기 분리 플랜트로 유입된다. 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에서, 스트림은 터보팽창기(58)의 하류에서 스트림(25)의 형태로 재결합되고 재결합된 스트림은 극저온 공기 분리 플랜트를 통과하게 된다. 터보팽창기(58)는, 브리지 머신을 구동시키기 위한 적어도 소정의 에너지를 제공하는 브리지 머신(54)의 기어 케이스(60)와 맞물려 있는 샤프트(59)를 구비하고 있다.
스트림(11)내의 생성물 보일러 부스터 유체는, 흡입 스로틀 또는 흡입 가이브베인(12)을 통과하고, 스트림(13)을 따라 스트림을 압축시키는 제 1 생성물 보일러 부스터 압축기(61) 내로 유입된다. 압축된 유체(14)는 냉각기(62)를 통과하면서 압축기 열이 냉각되고, 그 다음 스트림(15)을 따라 스트림을 추가로 압축시키는 제 2 생성물 보일러 부스터 압축기(63) 내로 유입된다. 일반적으로 200 내지 550psia의 범위 내의 압력으로 추가 압축된 생성물 보일러 부스터 유체(16)는 냉각기(17)를 통과하면서 압축열이 냉각되고, 스트림(18)은 리턴 스트림에 의해 간접 열교환에 의해 스트림을 냉각시키는 열교환기(56) 내로 유입된다. 필요하다면, 스트림(18)의 일부(19)는 도 2에 도시된 바와 같이, 생성물 보일러 부스터 압축기로 재순환될 수 있다. 최종 터빈 부스터 유체(64)는, 극저온 공기 분리 플랜트로부터 나온 상승된 압력의 액체를 끓이는 역활도 하면서, 유체를 냉각시키고 적어도 부분적으로 응축시키는 생성물 보일러(65)를 통과한다. 그 다음 최종 생성물 보일러 부스터 유체(66)는 극저온 공기 분리 플랜트 내로 유입된다.
극저온 공기 분리 플랜트를 작동시키기 위한 적어도 냉각 공기의 일부는 복합성분 냉매 유체 순환계의 작동에 의해 제공된다. 도면에 도시된 본 발명의 실시예에서, 복합성분 냉매 유체 순환계 작동에 의해 생성된 냉각 공기는 공급 공기 내로 유입되어 공급 공기와 함께 극저온 공기 분리 플랜트로 유입된다.
스트림(35)내의 복합성분 냉매 유체는 복합성분 유체 압축기(157)를 통과하면서 일반적으로 100 내지 300psia의 범위 내로 압축된 냉매 유체(31)로 생성된다. 압축된 냉매 유체는 최종냉각기(158)를 통과하면서 압축열이 냉각되며 부분적으로 응축될 수도 있다. 그 다음 스트림(32)내의 복합성분 냉매 유체는 냉각 열교환기(156)를 통과하게 되고, 이로 인해 유체는 추가로 냉각되고 적어도 부분적으로 응축되거나 완전하게 응축된다. 그 다음 냉각되고 압축된 복합성분 냉매 유체(33)는 밸브(159)와 같은 팽창 장치를 통과하면서 팽창되거나 스로틀링된다. 바람직하게, 스로틀링은 복합성분 냉매 유체를 부분적으로 증발시키고 유체를 냉각시켜 냉각을 발생시킨다. 제한된 환경 하에서, 열교환기의 상태에 따라, 압축된 유체(33)는 팽창되기 전, 과냉한 액체가 될 수 있고 초기 팽창상태의 액체로 남아 있을 수도 있다. 밸브를 통과하는 유체의 압력팽창은 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect), 즉 일정 엔탈피의 압력팽창으로 인한 유체 온도의 하강에 의해 냉각이 제공될 수 있다. 하지만, 어떤 환경 하에서는, 유체 팽창이 두상(two-phase) 또는 액체 팽창 터빈을 이용하여 일어나, 유체 온도가 팽창 작업으로 인하여 하강될 수 있다.
그 다음, 두상 냉매 유체(34) 스트림 내의 냉각 베어링 복합성분은, 냉각 열교환기(156)를 통과하면서 가열되어 완전히 증발되며, 이로 인해 열교환기(156) 내에서 스트림(32)을 냉각시키고 또한 공급공기 스트림(22)에 냉각을 전달하는 간접 열교환을 제공하고, 그리하여 복합성분 냉매 유체의 냉각 순환계에 의해 발생된 냉각 공기를 극저온 냉각 플랜트 내로 전달함으로써 분리 공정을 유지시킨다. 그리고 나서, 증기 스트림(35)내의 최종 가열된 복합성분 냉매 유체는 복합성분 유체 압축기(157)로 재순환되고, 냉각순환계는 새로이 재 시작된다. 복합성분 유체 냉각 순환계에서 고압의 혼합물이 응축되면, 저압의 혼합물은 이와 달리 끓기 시작한다. 다시 말하면, 응축열은 압력이 낮은 액체를 끓여 증발시킨다. 각 온도 레벨에서 증발과 응축의 순차이(net difference)가 냉각을 제공한다. 주어진 냉매 성분의 조합을 위해서, 혼합 구성물, 유량 및 압력수준이 각 온도 수준에서의 이용 가능한 냉각을 결정한다.
복합성분 냉매 유체는, 각 온도에서 요구되는 냉각을 제공하도록 두 개 이상의 성분을 포함한다. 냉매 성분은 특정 처리 적용에서 온도에 대한 냉동 부하에 따라 선택된다. 적절한 성분은 표준 끓는점, 잠열, 그리고 연소성, 유독성 및 오존-고갈 포텐셜(ozone-depletion potential)에 따라 선택된다.
본 발명의 실행에서 이용 가능한 복합성분 냉매 유체의 바람직한 하나의 실시예는 플루오르탄소(fluorocarbon), 수소화불화탄소(hydrofluorocarbon) 및 플루오르화에테르(fluoroethers)로 이루어진 군(group)으로부터 적어도 두 개의 성분을 포함하는 것이다.
본 발명의 실행에서 이용 가능한 복합성분 냉매 유체의 다른 바람직한 실시예는 플루오르탄소, 수소화불화탄소와 플루오르화에테르로 이루어진 군으로부터 적어도 하나의 성분과, 그리고 적어도 하나의 대기가스를 포함하는 것이다.
본 발명의 실행에서 이용 가능한 복합성분 냉매 유체의 또 다른 바람직한 실시예는 플루오르탄소, 수소화불화탄소와 플루오르화에테르로 이루어진 군으로부터 적어도 두 개의 성분과, 그리고 적어도 두 개의 대기가스를 포함하는 것이다.
본 발명의 실행에서 이용 가능한 복합성분 냉매 유체의 또 다른 바람직한 실시예는 플루오르화탄소, 수소화불화탄소, 플루오르화에테르와 대기가스로 이루어진 군으로부터 적어도 하나의 플루오르화에테르와 적어도 하나의 성분을 포함하는 것이다.
하나의 바람직한 실시예에서, 복합성분 냉매 유체는 플루오르탄소만으로 이루어진다. 다른 바람직한 실시예에서, 복합성분 냉매 유체는 플루오르탄소와 수소화불화탄소만으로 이루어진다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 복합성분 냉매 유체는 플루오르탄소 및 대기가스만으로 이루어진다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 복합성분 냉매 유체는 플루오르탄소, 수소화불화탄소와 플루오르에테르만으로 이루어진다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 복합성분 냉매 유체는 플루오르탄소, 플루오르화에테르와 대기 가스만으로 이루어진다.
본 발명의 실행에서 이용 가능한 복합성분 냉매 유체는 수소염화불화탄소(hydrochlorofluorocarbon) 및/또는 플루오르탄소와 같은 다른 성분을 포함할 수 있다. 이런 복합성분 냉매 유체는 수소염화불화탄소를 포함하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 복합성분 냉매 유체는 플루오르탄소를 포함하지 않는다. 가장 바람직하게는 이런 복합성분 냉매 유체가 수소염화불화탄소도 플루오르탄소도 포함하지 않는 것이다. 이런 복합성분 냉매 유체는 비독성, 비가연성, 그리고 비오존-고갈성인 것이 가장 바람직하며, 복합성분 냉매 유체의 모든 성분은 플루오르탄소, 수소화불화탄소, 플루오르화에테르 또는 대기가스인 것이 가장 바람직하다. 이런 복합성분 냉매 유체는 가변 부하 냉매(variable load refrigerant)인 것이 가장 바람직하다.
브리지 머신은 샤프트(68)를 통해 기어케이스(60)에 동력을 공급하는 모터/발전기 또는 전동기(67)에 의해 구동된다. 브리지 머신의 모든 유닛들 사이에서의 순에너지의 밸런스(net energy balance)에 따라, 모터/발전기(67)는 출력을 이끌어낼 수 있다. 모든 터빈 부스터 압축기(turbine booster compressors), 모든 생성물 보일러 부스터 압축기, 그리고 복합성분 냉매 유체 압축기는 적절한 샤프트에 의해 하나인 기어케이스에 동력전달 되도록 연결되어, 힘 또는 동력을 전달한다.
기어케이스(60)는 독립된 압축기, 팽창기 및 브리지 머신의 전동기와 연관된 에너지를 샤프트에 전달하도록 상호 연결된 기어들을 포함한다. 일반적으로, 브리지 머신은, 전동기(67)와 같은 발전기에 샤프트가 연결된 1차기어(primary gear), 또는 불기어(bull gear)를 포함한다. 추가의 2차기어, 또는 피니언(100, 101, 102)은 독립된 또는 쌍을 이룬 유닛들을 불기어에 연결하기 위해 사용된다. 또한, 다른 중간기어(도시 안됨)는 불기어와 피니언 사이에서 독립된 유닛들에 대한 기어속도 또는 회전속도를 조절하기 위해 사용된다. 기어의 직경 및 톱니바퀴의 기하학적 관계는, 기어 직경과 역전 관계에 놓인 인접한 기어의 회전속도를 전달하기 위해 제공된다.
본 발명의 공동 기어케이스의 주요 장점은 각기 부속된 팽창기 또는 압축기에 최적의 회전속도를 제공할 수 있다는 것이다. 예를 들면, 공동 기어케이스를 사용할 경우에, 팽창기는 동일한 샤프트에 연결된 압축기와 같은 속도로 작동되는데 제한을 받지 않는다. 게다가, 하나의 기어케이스를 사용할 경우에는 팽창기 및 압축기 에너지 요구조건의 구속을 배제시킨다. 따라서, 모든 압축기 및 팽창기 단계는 최적의 속도, 압력비 및 유동으로 설계되어 프로세싱의 유연성 및 터보기계장치 설계기준을 만족시킨다. 또한, 하나의 기어케이스는 기계적 손실, 예를 들면 베어링 및 기어의 마찰을 최소화하고 설치비를 감소시킨다.
임의의 적절한 극저온 공기 분리 플랜트는 본 발명의 실행에 사용될 수 있다. 도 1은 고압 컬럼(70) 및 저압 컬럼(71)을 구비한 이중 컬럼을 포함하는 하나의 설비(69)를 도시하고 있다. 또한 이런 설비는 아르곤 사이드암 컬럼을 가지고 있다.
도 1을 참조하면, 터빈 부스터 유체(25)와 생성물 보일러 부스터 유체(66) 각각은, 일반적으로 75 내지 300psia의 범위, 바람직하게는 75 내지 150psia의 범위 내의 압력으로 작동되는 고압 컬럼(70)으로 유입된다. 고압 컬럼(70) 내에서, 유체는 극저온 정류에 의해 산소농축 액체와 질소농축 증기로 분리된다. 산소-농축 액체는 스트림(73)을 따라 컬럼(70)의 하부로부터 밸브(74)를 통해 저압 컬럼(71)으로 유입된다. 질소-농축 증기는 컬럼(70)의 상부로부터, 보일링 컬럼(71) 하부의 액체를 이용하여 증기를 간접 열교환에 의해 응축시키는 메인 응축기(76)로 스트림(75)을 따라 유입된다. 결과물인 질소농축 액체(77)는, 환류로서 컬럼(70)으로 되돌아가는 스트림(78)과 과열기(80)를 통과하여 컬럼(71)으로 유입되는 스트림(79)으로 나누어진다. 질소농축 액체(79)는 액체 질소 생성물로 재생된다.
저압 컬럼(71)은 고압 컬럼의 압력보다 낮은 압력에서 작동되며, 15 내지 20psia의 범위 내 압력이 일반적이다. 저압 컬럼(71) 내에서, 다양한 공급 재료들은 극저온 정류에 의해 질소농축 유체와 산소농축 유체로 분리된다. 증기 스트림(82)으로 질소농축 유체는 컬럼(71)의 상부로부터 회수되고 과열기(80) 및 1차 열교환기(56)를 통과하면서 가열되어, 스트림(83)을 따라 가스성 질소 생성물로회수된다. 필요하다면, 스트림(83)은 회수되기 전, 생성물 압축기(180)를 통과하면서 고압으로 압축될 수 있다. 생성물의 순도 제어를 위해, 폐기물 스트림(84)은 스트림(82)이 회수된 위치로부터 낮은 위치에서 컬럼(71)으로부터 회수되고 과열기(80) 및 1차 열교환기(56)를 통과하면서 가열되어, 폐기물이 스트림(85)로부터 제거된다.
산소농축 유체는 액체 스트림(86)으로 컬럼(71)의 하부로부터 회수되고 액체펌프(87)를 통과하면서 상승 압력으로 펌핑되어 상승 압력의 산소농축 액체(88)로 생성된다. 산소농축 액체(88)의 일부(89)는 액체 산소 생성물로 회수된다. 남아있는 산소농축 액체(90)는 생성물 보일러 부스터 유체를 이용하여 액체가 간접 열교환에 의해 증발되는 생성물 보일러(65)를 통과하여 상승된 압력의 가스성 산소(91)로 생성된다. 상승된 압력의 가스성 산소(91)는 1차 열교환기(56)를 통과하면서 가열되어 스트림(92)내의 고압의 가스성 산소 생성물로 회수된다. 필요하다면, 스트림(92)은 회수되기 전, 생성물 압축기(181)를 통과하면서 고압으로 압축될 수 있다.
산소와 아르곤을 주로 포함하고 있는 스트림(93)은, 저압 컬럼(71)으로부터 스트림을 극저온 정류에 의해 아르곤농축 유체와 산소농축 유체로 분리시키는 아르곤 사이드암 컬럼(72) 내로 유입된다. 산소농축 유체는 스트림(94)을 따라 저압 컬럼(71)으로 되돌아간다. 아르곤농축 유체는, 액체 및/또는 가스의 형태로 아르곤 생성물(95)로 회수된다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명은 압력 에너지가 복합성분 냉매 유체 순환계의 복합성분 냉매 유체 압축기 및 하나 이상의 부스터 압축기를 갖춘 브리지에 의해 제공되고, 이런 브리지 기계의 모든 압축기는 단 하나의 기어 케이스를 통해 제공된 전력에 의해 구동되는 개선된 압축 구조를 가진 극저온 공기 분리 시스템을 제공한다.
본 발명이 하나의 바람직한 실시예를 참조로 하여 상세히 설명되었으나, 이 기술분야의 당업자는 청구범위의 범위 및 사상의 범위 내에서 다른 실시예가 가능하다는 것을 알 것이다. 예를 들면, 도면에 도시된 수단 뿐만아니라 이를 대신하여, 기어케이스를 작동시키도록 동력을 공급하기 위한 어떤 효과적인 수단이 사용될 수 있다. 하나의 이런 동력 전달 수단은 기어 시스템에 연결된 샤프트를 구동시키는 스트림 구동 터빈(stream driven turbine)이다. 필요하다면, 순환하는 유체의 압축은, 열 펌핑 순환계에 사용된 것처럼, 기어케이스(60)를 통해 전달된 에너지에 의해 동력을 공급받은 압축기를 사용하여 실행될 수 있다. 터빈 부스터 및 터보팽창기는 사용될 필요가 없으며, 극저온 공기 분리 플랜트를 작동시키기에 필요한 냉각 공기는 본질적으로 복합성분 냉매 유체의 순환계를 통해 얻어질 수 있다. 또한, 기저부하용 공기 압축기 및/또는 하나 이상의 생성물 압축기는 브리지 머신에 있는 하나의 기어케이스에 동력전달이 되도록 연결될 수 있다.

Claims (10)

  1. 공급 공기를 극저온 정류함으로써 적어도 하나의 생성물(product)을 생산하기 위한 장치로서,
    (A) 적어도 하나의 컬럼(column)을 갖춘 극저온 공기 분리 플랜트(cryogenic air separation plant);
    (B) 기저부하용 공기 압축기 및 상기 기저부하용 공기 압축기에 공급 공기를 흐르도록 하기 위한 수단;
    (C) 적어도 하나의 부스터 압축기, 상기 기저부하용 공기 압축기로부터 상기 부스터 압축기로 공급 공기를 흐르도록 하기 위한 수단, 그리고 상기 부스터 압축기로부터 상기 극저온 공기 분리 플랜트로 공급 공기를 흐르도록 하기 위한 수단;
    (D) 복합성분 냉매 유체 압축기와 팽창기를 포함하는 복합성분 냉매 유체 순환계, 그리고 상기 복합성분 냉매 유체 순환계에 의해 발생된 냉각 공기를 상기 극저온 공기 분리 플랜트로 흐르도록 하기 위한 수단;
    (E) 기어 케이스, 그리고 상기 부스터 압축기를 상기 기어 케이스에 동력 전달되도록 연결하기 위한 수단과 상기 복합성분 냉매 유체 압축기를 상기 기어 케이스에 동력전달되도록 연결하기 위한 수단; 그리고
    (F) 상기 극저온 공기 분리 플랜트로부터 적어도 하나의 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 냉각 열교환기, 그리고 상기 냉각 열교환기로 공급 공기를 흐르도록 하고 상기 냉각 열교환기로부터 상기 극저온 공기 분리 플랜트로 공급 공기를 흐르도록 하기 위한 수단을 추가로 포함하며, 상기 복합성분 냉매 유체 순환계에 의해 발생된 냉각 공기를 상기 극저온 공기 분리 플랜트로 흐르도록 하기 위한 수단이 상기 냉각 열교환기를 포함하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 터보 팽창기, 그리고 상기 터보 팽창기를 상기 기어 케이스에 동력 전달되도록 연결하기 위한 수단을 추가로 포함하는 장치.
  4. 공급 공기를 극저온 정류함으로써 적어도 하나의 생성물을 생산하기 위한 방법에 있어서,
    (A) 상기 공급 공기를 기저부하 압력으로 압축하여 기저부하 공급 공기를 생성하고, 적어도 상기 기저부하 공급 공기의 일부를 하나 이상의 부스터 압축기를 통해 흐르도록 하는 단계;
    (B) 상기 부스터 압축기로부터 나온 공급 공기를 적어도 하나의 컬럼을 갖춘 극저온 공기 분리 플랜트로 흐르도록 하는 단계;
    (C) 복합성분 냉매 유체 압축기 내의 복합성분 냉매 유체를 압축하고, 압축된 상기 복합성분 냉매 유체를 팽창시켜 냉각 공기를 발생시키는 단계;
    (D) 상기 복합성분 냉매 유체의 팽창에 의해 발생된 냉각 공기를 상기 극저온 공기 분리 플랜트 내로 흐르도록 하는 단계;
    (E) 하나의 기어 케이스를 통해 상기 복합성분 냉매 유체 압축기와 상기 부스터 압축기를 작동시키기 위한 에너지를 제공하는 단계;
    (F) 상기 극저온 공기 분리 플랜트 내에서 극저온 정류에 의해 상기 공급 공기를 분리하여 적어도 하나의 생성물을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 복합성분 냉매 유체의 팽창에 의해 발생된 냉각 공기를 간접 열교환에 의해 공급 공기 스트림으로 전달하고, 상기 공급 공기 스트림과 함께 상기 극저온 공기 분리 플랜트로 흐르게 하는 방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 압축된 복합성분 냉매 유체의 팽창이 두상(two-phase)의 복합성분 냉매 유체를 생성하는 방법.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 복합성분 냉매 유체가 플루오르화탄소(fluorocarbon), 수소화불화탄소(hydrofluorocarbon)와 플루오르에테르(fluoroethers)로 이루어진 군(group)으로부터 적어도 두 개의 성분을 포함하는 방법.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 복합성분 냉매 유체가 플루오르화탄소, 수소화불화탄소와 플루오르에터르로 이루어진 군으로부터 적어도 하나의 성분 및 적어도 하나의 대기 가스를 포함하는 방법.
  9. 제 4항에 있어서, 상기 복합성분 냉매 유체가 가변 부하 복합성분 냉매 유체인 방법.
  10. 제 4항에 있어서, 상기 복합성분 냉매 유체의 팽창에 의해 발생된 냉각 공기가 극저온 정류를 유지하기 위해서 사용되는 냉각 전용인 방법.
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