[go: up one dir, main page]

KR100454442B1 - 공급 스트림으로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 - Google Patents

공급 스트림으로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100454442B1
KR100454442B1 KR10-1999-0015587A KR19990015587A KR100454442B1 KR 100454442 B1 KR100454442 B1 KR 100454442B1 KR 19990015587 A KR19990015587 A KR 19990015587A KR 100454442 B1 KR100454442 B1 KR 100454442B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
liquid
stream
refrigerant
exhaust
freezer
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
KR10-1999-0015587A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20000005635A (ko
Inventor
리차드에이. 노박
게리 랭
브래드 핵스트롬
엔리크 로자노
Original Assignee
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 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드 filed Critical 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Publication of KR20000005635A publication Critical patent/KR20000005635A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100454442B1 publication Critical patent/KR100454442B1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/08—Separating gaseous impurities from gases or gaseous mixtures or from liquefied gases or liquefied gaseous mixtures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/002—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by condensation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/50—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0228—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream
    • F25J3/0266—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/02—Processes or apparatus using separation by rectification in a single pressure main column system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/70—Refluxing the column with a condensed part of the feed stream, i.e. fractionator top is stripped or self-rectified
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/74—Refluxing the column with at least a part of the partially condensed overhead gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
    • F25J2205/66—Regenerating the adsorption vessel, e.g. kind of reactivation gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/04—Recovery of liquid products
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/80—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2220/00—Processes or apparatus involving steps for the removal of impurities
    • F25J2220/80—Separating impurities from carbon dioxide, e.g. H2O or water-soluble contaminants
    • F25J2220/82—Separating low boiling, i.e. more volatile components, e.g. He, H2, CO, Air gases, CH4
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/04—Compressor cooling arrangement, e.g. inter- or after-stage cooling or condensate removal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/30—Compression of the feed stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/02—Recycle of a stream in general, e.g. a by-pass stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/80—Quasi-closed internal or closed external carbon dioxide refrigeration cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/34—Details about subcooling of liquids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/928—Recovery of carbon dioxide

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

본 발명은 저농도의 CO2를 함유하는 유입 저온 공급 스트림으로부터 CO2를 회수하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 다음의 단계들을 포함한다. 유입 공급 스트림은 열교환기를 통과하여 유입 공급 스트림의 압축된 흐름에 대하여 압축된 흐름을 냉각한다. 압축된 흐름은 추가로 냉각되어 고압으로 압축되고, 증류 칼럼으로 공급되어 여기서 CO2를 함유하는 배기 가스 및 고순도의 바닥물 액체 CO2로 전환된다. 바닥물 액체 CO2의 제 1 부분은 팽창되어 제 1 냉각된 액체 CO2냉매 흐름을 형성하고, 이는 배기 가스에 대하여 증발하여 이로부터 응축된 CO2를 회수한다. 그 다음에 응축된 CO2는 증류 칼럼 내로 재유입된다. 바닥물 액체 CO2의 제 2 부분은 팽창되어 제 2 냉각된 액체 CO2냉매 흐름을 형성하고, 이는 이후 CO2생성물을 과냉각시키는데 사용된다.

Description

공급 스트림으로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 {METHOD FOR CARBON DIOXIDE RECOVERY FROM A FEED STREAM}
본 발명은 비교적 낮은 농도의 이산화탄소(CO2)를 함유하는 공급 스트림으로부터 CO2를 회수하는 방법에 관한 것이며, 특히 냉동 유닛을 통해 재순환하도록 CO2를 회수하는 방법에 관한 것이다.
CO2에 의한 식품의 통상적인 냉동에 있어서, 액체 CO2는 약 0℉(-17.7℃) 및 약 300 psig에서 저장 탱크로부터 취해져 냉동기 내로 유입된다. 가압된 액체 CO2가 대기압으로 급강하함으로써, 고체 CO2("드라이 아이스")와 저온의 CO2증기의 혼합물이 형성된다. 승화 온도(-109.3℉ = -78.5℃)로부터 희망 냉동기 온도(일반적으로 -100℉(-73.3℃) 내지 -50℉(-45.5℃))로의 고체 CO2의 승화 및 증기 CO2의 가온은 식품 냉동에 필요한 냉각을 제공한다. 냉동하고자 하는 식품은 계속해서 냉동기로 유입 및 유출되고 컨베이어 상에서 냉동기를 통과한다. 냉동기 온도로 가온된 후, CO2증기는 유입 및 유출구를 통해 냉동기에서 유출되고, 때때로 방출 라인을 통해서 방출되기도 한다.
식품을 냉동시키는 데는 통상적으로 약 1:1의 식품 대 액체 CO2의 비가 요구된다. 그 결과, 통상적인 냉동에 의해 다량의 CO2증기가 대기로 손실된다. 예를 들어, 단일 표준 나선형 냉동기 유닛이 년당 10,000 톤의 CO2를 소비할 수 있다. 이러한 CO2의 비용이 냉동비의 대부분을 차지한다. 냉동기로부터 CO2를 회수 및 재순환시킴으로써 식품 냉동 비용을 절감할 수 있다. 더욱이, CO2의 재순환은 대기로의 CO2의 방출을 감소시키고 액체 CO2의 트럭 운송을 감소시킴으로써 환경친화적일 수 있다.
그러나, 가스 스트림으로부터 CO2를 액화 및 정제하기 위한 통상적인 상업 설비에 이용되는 공정은 냉동기 재순환에 있어서 비경제적일 수 있다. 상업용 액체 CO2는 일반적으로 98%(모든 CO2농도는 건조 기준 몰 백분율로 주어짐) 이상의 CO2를 함유하는 공업용 부산물 공급원으로부터 제조된다. 대조적으로, 통상적인 식품 냉동기는 냉동기 개구를 통한 공기 침투에 의해 40-80%의 CO2농도에서 작동한다. 또한, 통상적으로 CO2증기 배출물은 실내 공기에 의해 더욱 희석되어, 배출물을 가온시켜 배기 시스템 내의 결빙을 방지한다. 통상적인 액화 및 정제 공정에 의한 CO2의 배기 손실은 공급 가스 내의 CO2의 농도가 감소함에 따라 크게 증가한다. 이러한 손실은, 통상적인 냉동기로부터 CO2를 재순환시키는 데 많은 비용이 들게 한다.
냉동기는 공기 침투를 감소시키고 고농도의 CO2를 CO2재순환 시스템에 공급하도록 개조될 수도 있다. 그러나, 냉동기내 CO2농도가 90% 이더라도, 종래의 CO2액화 및 정제 방법으로는 약 29%가 손실되는 것이며, 이는 결코 경제적이지 않다.
식품을 냉동하는 동안에 회수되는 증기로부터 CO2를 액화 및 정제하기 위한 간단하고 경제적이며 신뢰성있는 방법이 필요하다. 이 방법은 경제성을 위해 통상적인 방법보다 CO2손실이 현저히 낮아야 한다.
액체 CO2제조를 위한 통상적인 방법이 도 1에 도시되어 있다. 가스 원료 공급원(1)이 암모니아 설비, 석유 정제기 또는 발효 공급원과 같은 공업용 부산물로부터 취해진다. 가스 원료의 특성은 변화되지만, 통상적인 방법을 사용한 경제적인 제조가 아니라면 CO2농도는 통상적으로 95% 초과이다. 가스 원료 공급원은 통상적으로 대기 온도 또는 그 이상에서 취해지며, 종종 물로 포화된다. 예시의 목적으로, 도 1의 가스 원료 공급원(1)은 20 psia의 압력 및 90℉(32.2℃)의 온도에서 98% CO2를 함유하는 것으로 가정한다. 가스는 열교환기(2)를 통과하고 암모니아 냉매에 대하여 50℉(10℃)로 냉각된다. 그 결과, 물이 가스로부터 응축되고 분리기(4)에서 제거된다.
냉각된 가스 스트림(5)은 압축기(6)에 의해 75 psia로 압축되고, 압축열은 교환기(8)에서 제거된다. 교환기(8)에서 유출된 가스 스트림(9)은 95℉(35℃)로 냉각되어 분리기(10) 내에서 응축된 물을 분리시킨다. 가스 스트림(11)은 압축기(12)에 의해 약 315 psia로 압축되고(스트림(13)), 열교환기(14)에서 50℉(10℃)로 냉각되어, 응축수를 분리하는 분리기(16)로 스트림(15)으로서 공급된다. 냉각된 가스 스트림(17)은 흡착제 건조기(18)에 의해 처리되어 통상적으로 약 -80℉(-62.2℃)인 낮은 이슬점에 도달하도록 수분이 더 제거된다. 이 건조기는 스윙(swing) 모드로 작동하며, 어느 한 베드가 작동하는 동안 다른 베드는 재순환된다. 건조 가스 스트림(19)은 CO2정제 칼럼(20)의 리보일러(reboiler)로 열을 공급하는데 이용된다. 리보일러에서 유출된 건조 가스 스트림(21)은 이제 CO2응축을 위한 이슬점에 가깝다. 건조 가스 스트림(21)은 교환기(22) 내의 암모니아 냉매에 대하여 -5℉에서 부분적으로 응축되어, 칼럼(20)을 위한 2상 공급 스트림(23)을 제공한다.
정제 칼럼(20)은 당업자에게 공지되어 있는 설계의 증류 칼럼이다. 통상적으로, 칼럼(20)은 충전층 칼럼(packed bed column)이지만, 다른 종류의 증류 칼럼이 사용될 수도 있다. 액체 CO2는 칼럼에서 흘러내림에 따라서 점차적으로 정제되며, 고순도로, 일반적으로 99.9% CO2로 액체 스트림(27)으로서 칼럼 바닥물로서 유출된다. 증기 스트림(24)은 칼럼의 상단에서 유출되며 메탄, 수소, 질소 등과 같은 가스 원료 공급원 중의 모든 비응축성 부분을 함유한다. 이러한 배기 스트림 중 일부의 CO2는 교환기(25) 내의 암모니아 냉매에 대하여 응축되고, 생성된 CO2액체는 환류로서 칼럼(20) 내로 다시 흐른다. 최종 배기 스트림(26)은 대기로 방출된다.
액체 CO2스트림(27)은 암모니아 냉매에 대하여 교환기(28) 내에서 약 -20℉(-28.9℃), 305 psia로 과냉각된다. 이러한 과냉각은 제조설비에서 저압 저장용기가 사용되는 것을 가능하게 하며 펌핑시 액체의 증발을 최소화한다. 소비자측에 전달된 후, 액체 CO2는 약 295-305 psig(310-320 psia) 및 0.8℉(-17.3℃)∼2.7℉(-16.3℃)에서 포화 액체로서 저장된다. 편의상, 본 명세서에서 소비자측에서의 저장 상태는 300 psig, 0℉(-17.7℃)로 특정한다.
가스 원료 공급원의 변화된 특성은 전술한 바와 같은 통상적인 공정의 다수의 변경을 요구한다. 수분을 제거하기 위한 분리 단계 중의 일부가 필요하지 않을 수 있거나 압력 및 온도가 실시예와 다를 수도 있다. 또한, 추가 유닛의 작동이 탄화수소 또는 황 화합물과 같은 오염물을 제거하기 위해 종종 필요하다. 사용되는 냉매는 보편적으로 특정 교환기내 온도 수준에 따라서 암모니아 또는 냉각수 또는 이들의 배합물이다. 또한, 탄화수소 및 클로로플루오로카본과 같은 다른 냉매가 사용되고 있다.
-25℉(-31.7℃) 내지 100℉(37.8℃)의 온도에서 냉각을 제공하도록 상이한 압력 수준에서 액체 암모니아를 공급하는 암모니아 냉각의 동반 설비 공정은 도 1에 도시하지 않았다. 이 공정은 당해 공지되어 있으며, CO2제조 및 다른 많은 산업상 공업용 공정에 폭넓게 이용된다.
-25℉(-31.7℃)에서 암모니아 냉각을 이용하는 통상적인 CO2액화 방법은, 가스 원료의 순도가 떨어짐에 따라 CO2손실을 증가시킨다. 통상적인 종래의 시스템은 암모니아 냉각이 1psig, -25℉(-31.7℃) 흡입이라고 가정할 때 -20℉(-28.9℃) 정도의 낮은 배기 응축기 온도를 유지할 수 있으며, 응축기 내부는 5℉(-15℃)에 이른다. -20℉(-28.9℃) 배기 응축기 온도는 73% CO2의 배기 혼합물을 생성한다. 98% CO2의 통상적인 상업 설비 공급을 위해, 도 2에 -20℉(-28.9℃) 온도선으로 도시된 바와 같이 공급 CO2함유량의 5.5%로 손실율을 제한한다. 그러나, 공급물이 90% CO2에서 냉동기로부터 회수된 증기인 경우에는, 통상적인 공정은 30%의 배기 손실을 야기할 수 있으며, 이는 공정을 비경제적으로 만든다. 그러므로, 이러한 손실은 CO2로 냉동된 식품으로부터 회수된 증기의 재순환에 대한 통상적인 공정을 비경제적으로 만든다.
배기 응축기 내의 CO2의 손실은 칼럼 압력을 증가시키거나 응축온도를 감소시킴으로써 감소될 수도 있다. 키르스나무르씨(Kirshnamurthy) 등의 미국특허 제 4,952,223호에 언급된 바와 같이, 압력을 증가시키는 것은 전력소비를 증가시키며, 제품의 질을 저하시키고, CO2와 산소간의 공비혼합물을 형성하는 등의 단점을 갖는다. 또한, 고압은 장비의 비용을 증가시킬 수 있다. 배기 응축기 온도를 감소시키는 것이 보다 나은 해결책이다.
도 3은 90% CO2공급 스트림의 경우(후술될 본 발명을 위한 공급물로서 사용되는 냉동기로부터 회수된 증기로 구성됨)를 위한 배기 응축기 온도의 함수로서의 배기 손실(칼럼 배기 스트림 내에서 손실된 공급 스트림 CO2함량의 백분율)을 도시하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 90% CO2공급 스트림에 대한 배기 응축기 손실은 -20℉(-28.9℃)의 통상적인 응축기 온도에서는 30%이지만 -50℉(-45.6℃)의 감소된 온도에서는 8.3% 밖에 안된다. 10% 이하의 손실율은 시스템이 경제적으로 작동하는데 방해되지 않으며, 통상적으로 대부분의 상업적 CO2설비가 그러하다. -50℉(-45.6℃)의 배기 응축기 온도에 의해 달성된, 다른 공급물 농도에 대한 감소된 손실율이 도 2에 도시된다.
통상적으로 설계된 배기 응축기 온도가 -20℉(-28.9℃) 미만이 되려면 암모니아 냉각 시스템 내에 진공 작업이 필요하다. 진공 작업은 암모니아 시스템 내로의 공기 누출, 보다 큰 증기 라인의 크기, 보다 큰 전력의 필요, 윤활의 문제 등과 같은 문제점을 유발시키기 때문에 바람직하지 않다. 이러한 문제점들은 설비 비용 및 작동 비용을 증가시키고 신뢰성을 감소시킨다. 클로로플루오로카본과 같은 다른 냉매가 배기 온도를 감소시키기 위해 암모니아 대신 사용될 수도 있다. 그러나, 이러한 대체 냉매를 사용하는 냉각 시스템은 고가이며, CO2액화에 사용시 작동상의 문제를 일으킬 수 있으며, 환경적 문제를 갖고 있다.
경제적인 성공은 없었지만, 종래의 CO2액화 방법이 식품 냉동시 CO2를 재순환시키는데 적용되어 왔다. 듀론(Duron) 등의 문헌("Reliquefies CO2For Cryognic Freezing, Food Engineering", April 1992, p 72-74)에는 식품 냉동시 CO2의 회수, 액화, 정제, 및 재순환을 위한 개선된 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템에서는 CO2가스가 나선형 냉동기의 입구 및 출구상의 덕트를 통해 냉동기로부터 취해진다. 송풍기가 가스를 재순환 시스템으로 이송하는데 사용된다. 재순환 시스템에서는, 냉동기로 복귀하기 전에 증기가 압축, 냉각, 건조, 탈취 처리, 응축, 및 정제된다. 두 개의 평행한 6 스테이지 원심 압축기가 사용되고 각각의 스테이지에서 중간냉각이 이루어진다. 이 시스템에는 건조 및 탈취를 위한 3몰 시이브층(sieve beds) 및 4스테이지 프레온 냉각 시스템이 사용된다. 이 재순환 시스템의 비용은 1972년에 $1,000,000로 보고되었다.
듀론 등의 시스템에는 몇 가지 단점이 있다. 이중 6 스테이지 압축기 및 4스테이지 냉매 시스템은 복잡하며 고가이다. 원심 압축기는 턴다운(turndown)이 제한되며, 안티-서지 플로우(anti-surge flow) 제어를 필요로 한다. 200 kWh/ton 미만의 통상적인 CO2설비 전력 수요와 비교하면 예상 전력 수요가 매우 높다. 정제 시스템 내의 CO2의 손실을 감소시키는데 사용되는 수단이 없다.
키르스나무르씨 등의 미국특허 제 4,952,223호에는 압력 스윙 흡착법(PSA)을 이용한 식품 냉동으로부터 CO2를 재순환시키는 공정이 개시되어 있다. 이 공정은 약 35% 내지 98% CO2를 함유하는 공급 스트림에 사용될 수도 있다. 그러나, 식품 냉동기로부터 CO2를 회수하기 위해 사용하는 경우에, 예상된 공급 CO2농도는 89체적%보다 상당히 작으며 35체적%까지 낮을 수도 있다. 그러나, 이 특허는, 식품을 냉동하기 위해 액체 CO2를 사용하는 상업적 냉동 유닛이 소모된 CO2증기가 50% 이상의 오염물을 함유할 수 있는 정도까지 액체 CO2를 질소 및 산소(공기)로 오염시킨다는 것을 언급하고 있다. 이 공정에서, 냉동기로부터 추출된 증기는 가온된 압축 공기의 분사에 의해 회수 라인으로 아래로 보내진다. 증기는 통상적인 방법으로 압축, 냉각, 건조, 응축, 및 정제된다. 정제 칼럼 배기는 PSA 유닛으로 처리된다. PSA 유닛에서, 칼럼 배기로부터의 CO2는 고형 흡착제 상에 흡착된다. 이 CO2는 저압에서 고형 흡착제로부터 회수되고, PSA로부터의 저압 CO2스트림은 진공 펌프로 재압축되어 공급 압축기의 흡입부로 보내진다. PSA 유닛은 낮은 농도의 공급 가스가 사용되는 통상적인 공정에 의한 매우 높은 배기 손실을 줄이는데 사용된다.
냉동기로부터의 증기가 회수 전에 공기에 의해 더 희석되기 때문에, 냉각량이 소모되며 분사된 공기는 압축 및 정제 비용을 증가시킨다. 이 시스템은 스윙 사이클에서 작동되는 다중 흡착 베드, 진공 펌프, 및 저압 CO2를 회수하는 보조 압축을 필요로 하기 때문에 복잡하다. 이러한 요소들은 비용을 증가시키고 시스템의 작업 신뢰도를 감소시킨다.
아폴로니아(Appolonia) 등의 미국특허 제 5,186,008호에는 회수를 위해 냉동기로부터 제거된 증기 내의 CO2농도를 증가시키는 방법이 개시되어 있으며 전술한 미국특허 제 4,952,223호의 단점 중의 하나를 다루고 있다. 배기 플리넘(plenum)은 나선형 냉동기의 입구 및 출구에 사용되는데, 공기 침투를 감소시키도록 한제(cryogen)의 분사비에 의해 변하는 추출비를 갖는다. 제 2 송풍기가 냉동기 바닥으로부터의 회수용 증기를 추출하는데 사용되고, 여기에서의 CO2농도는 밀도의 차이 때문에 상단에서보다 높다. 회수 증기의 질량 흐름은 일정한 배수의 분사 한제의 질량 흐름과 일치되도록 제어된다(90%가 주어짐). 이것은 최소량의 CO2보다 많이 배출하거나 너무 많은 공기를 유입할 수 있는 냉동기 내의 압력 초과 또는 미만을 피하게 한다. 회수된 증기는 미국특허 제 4,952,223호의 PSA 공정에 의해 재순환된다.
정제 칼럼 배기 내의 CO2의 손실을 감소시키기 위해 선택적 멤브레인이 사용될 수 있다. 두켓(Duckett) 등의 미국특허 제 4,639,257호는 선택적 멤브레인으로 통상적인 CO2공정으로부터의 칼럼 배기를 처리하는 방법을 제안한다. 배기는 먼저 가열된 후에 멤브레인 유닛을 통과하게 되고, 여기서 CO2가 멤브레인을 선택적으로 통과한다. 그 다음에 고순도 저압 CO2가 회수를 위해 공급 압축기의 흡입부로 보내진다. 저농도의 공급물의 경우에는, 제 2 멤브레인 유닛이 액화 및 정제에 앞서 공급물의 농도를 증가시키도록 제안된다. 사우어(Sauer) 등의 미국특허 제 4,990,168호에는 유사한 방법이 제시되어 있지만, 배기 스트림이 멤브레인 유닛 앞에서 가열되지 않는 것이 상이하다.
이들 두 개의 멤브레인 방법은 모두 단점을 가지고 있다. 멤브레인 유닛에 가스를 공급하기 위해서는 고압(400-415 psia)이 필요하며, CO2의 투과는 상당한 재압축을 요하는 저압(22 psia)에서 이루어진다. 또한, 멤브레인 유닛은 고가이며 공정 오염물에 의해 더럽혀질 수 있다. 비록 미국특허 제 4,990,168호가 멤브레인으로 진행하는 배기 스트림을 가열할 필요가 없고 높은 선택성이 달성된다고 제시하고 있지만, 저온은 멤브레인의 투과성을 저하시키고 필요한 표면적 및 비용을 증가시킨다.
하이크버거(Heichberger)의 미국특허 제 4,977,745호에는 비응축성 불순물의 터어빈 팽창을 이용하여 냉동을 제공하는, 저순도 공급원으로부터의 액체 CO2를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 공급 가스는 탈수를 위한 냉각, 압축, 건조, 및 부분 응축된다. 불순물을 함유하는 응축 단계로부터의 증기는 다중단계 터어빈 팽창기에서 가열 및 팽창된다. 저온 터어빈 배기는 CO2응축기와 같이 이러한 공정에서 냉각을 위해 사용된다.
하이크버거의 방법은 85% 미만의 CO2를 함유하는 가스 원료 공급물, 특히 50% 미만의 CO2를 함유하는 연도 가스용으로 제안된다. 85% 초과의 CO2를 갖는 공급 가스는 팽창시 충분한 냉각을 제공하는데 충분한 불순물을 포함하지 않을 수 있다. 50% 미만의 CO2농도에서 식품 냉동기를 작동하는 것이 가능하기는 하나, 냉동기 내의 이와 같이 낮은 CO2농도는 공기 침투를 유발하여, 냉동기 효율을 감소시킨다. 또한, 냉동기 회수 유닛의 용량은 상업용 CO2제조설비에 비해 작을 것이며, 하이크버거의 특허에 교시된 터어빈 팽창 유닛의 비용은 소형 설비 용으로는 너무 높다. 더욱이, 통상적인 상업용 CO2액화에 사용되는 랭킨 사이클보다 훨씬 많은 에너지를 필요로 하는 바이크버거의 방법에는 브레이턴 사이클(Brayton cycle)이 사용된다. 이러한 요인들이 냉동기로부터 CO2를 회수하는데 있어서 하이크버거의 방법을 비경제적이게 한다.
본 발명의 방법은 CO2냉매를 이용하여 칼럼 배기 손실을 감소시키고 냉동기로 회수되는 액체 CO2의 과냉각을 통해 비용 절감을 증대시키기 위한, 통상적인 CO2제조 방법을 변형시킨 것이다.
도 1은 종래의 CO2회수 설비의 시스템 선도이다.
도 2는 도 1의 종래 설비에 대한 -20℉(-28.9℃)의 배기 응축기 온도 및 도 4의 본 발명에 대한 -50℉(-45.5℃)의 배기 응축기 온도에서의 CO2칼럼 배기 손실 대 공급 농도의 도식이다.
도 3은 90% CO2의 공급에 대한 CO2칼럼 배기 손실 대 배기 응축기 온도의 도식이다.
도 4는 본 발명에 따른 CO2회수 설비의 시스템 선도이다.
도 5는 냉장 유닛과 결합하여 사용하는 경우의 도 4의 CO2회수 설비의 시스템 선도이다.
도 6은 도 4의 시스템에 도시된 바와 같은 본 발명에 따라서 작동할 때의 CO2증류 칼럼에 대한 칼럼 온도 특성의 도식이다.
본 발명의 방법은 열교환을 통해 공급 스트림 내에서 유용한 경제적인 냉각 방법, 악취 및 박테리아를 제거하기 위한 수단, 및 완전 자동 및 위험성 없는 작동을 포함하는 혁신적인 방법을 이용한다. 이는 통상적인 상업 설비 공정과 관련된 소수의 추가 표준 장비품에 의해 달성된다. 개량된 공정은 멤브레인 또는 PSA 유닛과 같은 고비용의 추가 유닛 작동을 포함하지 않는다.
본 발명의 방법은 저농도의 CO2를 함유하는 입구 저온 공급 스트림으로부터 CO2를 회수하며, 하기 단계를 포함한다. 유입 공급 스트림은 열교환기를 통과하여, 유입 공급 스트림의 압축된 흐름에 대해 이러한 압축된 흐름을 냉각시킨다. 압축된 흐름은 더 냉각되고 고압으로 압축되고, 부분적으로 응축되어, 증류 칼럼으로 공급되고, 거기서 CO2를 함유하는 배기 가스 및 고순도 바닥 액체 CO2로 전환된다. 상기 바닥 액체 CO2의 제 1 부분은 팽창되어 제 1 냉각 액체 CO2냉매 흐름을 형성하고, 배기 가스에 대하여 증발되어 응축된 CO2를 회수한 후, 이러한 응축된 CO2는 증류 칼럼 내로 재유입된다. 바닥 액체 CO2의 제 2 부분은 팽창되어 제 2 냉각 액체 CO2냉매 흐름을 형성하고, 이는 CO2생성물을 과냉각시키는데 사용된다.
본 발명에 따른, CO2액화, 정제, 및 재순환을 위한 공정이 도 4에 도시되어 있다. 공급 가스 스트림(50)은 냉매로서 액체 CO2를 사용하는 식품 냉동기로부터 회수된 증기와 같은 저순도 CO2공급원으로부터 취해진다. 식품 냉동기로부터의 스트림(50)에 대한 일반적인 조건은 -80℉(-62.2℃), 10 psia, 90% CO2(건조 기준), 및 (몰당) 2.5%의 수분을 함유하는 것이다. 수분은 주로 동반된 얼음 결정으로 존재한다.
저온 증기 공급 스트림(50)은 열교환기(52)를 통과하고, 여기서 32℉(0℃) 초과로, 바람직하게는 약 40℉(4.4℃)로 가온된다. 이것은 공급 스트림 내의 동반된 어떠한 얼음 결정도 용해시키며, 동시에 통상적인 압축기 흡입 온도로 스트림을 가온시키는 역할을 한다. 고체 얼음 결정 및 비정상적으로 낮은 흡입 온도는 압축기 작동에 악영향을 끼칠 수 있다.
가온된 증기 스트림(54)은 분리기(56)를 통과하여 액체 수분을 제거한 후, 압축기(58)로 유입되고, 여기서 약 86 psia로 압축된다. 압축기(58)의 방출 압력은 (후술되는) 냉매로서 CO2를 사용하기 용이한 CO2의 삼중점 압력(75.1 psia)보다 약간 높게 선택된다. 압축기의 열에 의해 가온된 압축기 방출 스트림(60)은 열교환기(52)를 통과하고, 여기서 유입 공급 증기 스트림(50)을 가온시키고, 이 과정에서 약 40℉(4.4℃)로 자체 냉각된다. 이러한 방식으로, 공급 가스의 유용한 냉각량이 획득되어, 냉각 및 감온 시스템에 대한 추가 부하를 피하게 된다. 공급물 내의 얼음 결정을 용융시키는 데에는 분리되지 않은 열원이 필요하며 단일 열교환기가 공급물 예열 및 압축기 후냉각 둘 다에 사용됨을 유의해야 한다.
냉각된 압축기 방출물(62)은 CO2냉매 스트림(124)으로부터의 가온된 증기와 결합되어 분리기(66)로 유입되어, 여기서 액체 수분이 제거된다. 분리기(66)로 유입되는 가스의 온도는 가능한 많은 물을 응축시키도록 가능한 저온이어야 하지만, 얼음 형성을 피하도록 32℉(0℃)보다 높게 유지되어야 한다. 이후, 흐름은 설비 내의 압력 강하를 허용하도록 315 psia의 희망 생성물 압력보다 약간 높게 선택된 약 323 psia의 방출 압력으로 압축기(68) 내에서 압축된다. 생성물 압력은 표준 상업용 액체 CO2저장 및 공급 압력과 동일하도록 315 psia로 설정되어, 재순환된 액체는 상업용 액체와 용이하게 결합되어 냉동기로 공급된다.
압축기 방출 스트림(70)은 약 50℉(10℃)로 교환기(72) 내에서 냉각되고 분리기(74)를 통과하여 액체 수분을 제거한다. 또한, 분리기(74)는 (압축기에 의해 가스 스트림으로 유입된) 오일을 제거하도록 설계된다. 형성된 스트림(76)은 두 개의 건조기 베드(78, 80) 중의 하나로 유입되어 수분을 제거한다. 건조기 베드(78, 80)는 수분 제거용 고형 흡착제를 함유한다. CO2스트림으로부터 습기를 제거하기 위한 흡착제 건조기의 설계 및 작동은 당업계에 공지되어 있다.
또한, 건조기 베드(78, 80)는 일정량의 활성화된 탄소를 함유하여 재순환된 CO2로부터 다른 오염물을 제거한다. 이러한 다른 오염물은 냉동기 내의 식품으로부터 잔류한 오일 또는 휘발성 화합물(오일 또는 방향제)을 포함할 수 있다. 건조기 베드의 출구상의 필터는 건조기로부터의 입자의 진입을 방지하는데 사용된다. 또한, 박테리아 오염물이 냉동기로부터 회수된 증기 내에 존재하는 경우에는 이러한 필터 또는 제 2 필터가 가스 흐르므로부터 박테리아를 제거하도록 적절한 기공 크기(0.2 미크론)의 요소로 장착될 수 있다. 통상적으로, 박테리아는 0.2 미크론 초과의 크기를 갖기 때문에, 그러한 기공 크기를 갖춘 필터가 공정 스트림으로부터 박테리아를 확실하게 제거하는데 일반적으로 사용된다.
건조 가스 스트림(82)은 증류 칼럼(84)의 리보일러를 통과하며, 여기서 감열을 잃어, CO2응축을 위한 이슬점에 가깝게 냉각된다. 형성된 스트림(86)은 교환기(88) 내에서 약 -25℉(-31.7℃)에서 암모니아 냉매에 대하여 부분적으로 응축된다. 약 16 psia, -25℉(-31.7℃)의 암모니아 냉매 수준이, 암모니아 시스템에 의한 작동상의 문제를 피하기 위해 대기압 초과의 암모니아 압축기 흡입 압력을 유지하도록 채택된다. 약 -14℉(-10℃)에서 부분적으로 응축된 스트림(90)은 칼럼(84)으로 공급되어 약 316 psia에서 작동된다. 바람직한 실시예에서, 증류 칼럼(84)은 충전층 칼럼이다.
액체 CO2는 칼럼(84)을 통해 아래로 흐르므로써 점진적으로 정제되고, 고순도로 칼럼 바닥물(92)로서 배출된다. CO2냉매를 얻기 위해, 칼럼 바닥물의 일부(94)는 밸브(96)를 통과하여 약 86 psia, -63℉(-17.2℃)에서 저압 액체 및 증기 CO2스트림(98)을 생성한다. CO2냉매 스트림(98) 압력은 압축기(58)의 방출 압력 및 압축기(68)의 흡입 압력과 일치한다.
스트림(98)의 압력은 CO2의 삼중점 압력(75.1 psia)보다 약간 크도록 선택된다. 이러한 상태는 장비의 작동에 악영향을 끼칠 수 있는 고형 CO2(드라이 아이스)의 형성을 방지하도록 선택된 것이다. CO2냉매 압력은, 낮은 압력이 CO2냉매를 보다 저온이게 하고, 배기 응축기(100)로부터의 CO2손실을 낮게 하기 때문에, 실질적으로 낮아야 한다. 그러나, 압력은 삼중점 초과의 압력 제어가 유지되도록 삼중점 압력 초과의 제한치 아래로 떨어지면 안된다.
CO2냉매 스트림(98)은 배기 응축기(100)를 통과하여, 여기서 CO2냉매의 액체 부분이 증발하고, 칼럼 배기 가스 스트림(101)을 약 -50℉(-45.6℃)로 냉각시킨다. 칼럼 배기 가스 스트림(101)의 냉각은 증기를 응축시켜, 배기 증기에 비해 CO2농도가 농후한 액체를 형성한다. 이러한 응축된 액체는 환류로서 칼럼(84) 내로 복귀한다. CO2가 고갈된 최종 배기 스트림(102)은 직접 대기로 방출되거나 방출 전에 건조기 재순환 가스로 이용된다.
칼럼 바닥물(92)의 다른 일부(104)는 밸브(106)를 통과하여 약 86 psia, -63℉(-52.8℃)에서 저압 액체 및 증기 CO2스트림(108)을 생성한다. 이산화탄소 냉매 스트림(108)은 열을 흡수하는 교환기(110)를 통과하여, 냉매의 액체부분을 비등시켜 증기를 형성한다. 이것은 칼럼 바닥물의 나머지 부분(112)을 과냉각시켜, 약 -50℉(-45.6℃), 315 psia에서 최종 액체 CO2생성물 스트림(114)을 생성한다.
이산화탄소 냉매 증기(116, 118)는 약 -63℉(-52.8℃; CO2냉매의 포화온도)에서 교환기(100, 110)로부터 방출된다. 교환기는 필요시 스트림의 감지가능한 냉각량의 일부를 사용하기 위해, CO2냉매를 위한 가온된 방출 온도를 달성하도록 선택적으로 설계될 수도 있다. CO2냉매 스트림은 스트림(120)에 결합된 후에 약 60℉(15.6℃)로 교환기(122) 내에서 가열된다. 교환기(122) 내의 가열원은 암모니아 압축기로부터 방출된 가스일 수 있으며, 이러한 교환에 의해 약 160℉의 방출 온도에서, 100℉(37.8℃)의 자체 포화온도에 가깝게 냉각될 수 있다. 이러한 방식으로, CO2냉매 증기의 감지가능한 냉각량이 사용되고, 암모니아 응축기에 대한 부하가 감소된다. 이후, 가온된 CO2가스(124)가 CO2압축 제 2 단계(68)의 흡입부로 향하는 흐름에 결합된다. 저장된 CO2가 건조기 재순환을 위해 사용되는 경우, 재순환 흐름(126)도 같이 결합되어 압축기(68)의 흡입부로 보내질 수 있다.
추가 열이 사용되어 리보일러 튜브(130)의 분리 세트 내의 암모니아 응축물을 과냉각시키므로써 칼럼 리보일러를 정제할 수 있다. 이것은 리보일러 열이 칼럼 공급 스트림으로 제한되는 경우보다 더 소형이고 더 저가인 칼럼(84)에 의해 생성물 순도가 얻을 수 있게 한다. 또한, 필요한 생성물 순도를 얻도록 비등률을 조절하여 작동상의 호환성을 제공한다.
본 발명의 방법은 프로그래머블 논리 제어기(도시 안함)를 사용함으로써 완전히 자동화된다. 본 시스템은 증기가 냉동기로부터 회수될 때 개시되며, 회수된 가스 흐름 상태에 변화를 주는 작동 동안에 자체 조절되며, 냉동기로부터의 회수 가스의 흐름이 중단되면 자동 중단된다. 또한, 자동 제어는 식품 냉동 설비에서의 설치 적합성을 향상시킨다.
재순환된 액체 CO2의 톤당 순수 에너지 소비량은 본 발명에 있어서 약 210 kWh/ton(90% CO2공급 스트림의 경우)이며, 이는 전술한 듀론 등의 특허에 기술된 종래의 시스템에 있어서의 460 kWh/ton에 비해 상당히 적은 양이다. 본 시스템의 추정 주요 비용 또한 듀론 등에 의한 시스템의 비용에 비해 상당히 저렴하다. 본 발명이 경제적일 수 있게 하는 데는 몇 가지 요인이 있다. 첫째, 본 시스템은 CO2제조설비에 폭넓게 사용되는 표준 설계로 된 장비를 사용한다. 둘째, CO2냉매는 진공 작동 없이도 -69.9℉(21.1℃; CO2의 삼중점 온도)에 달하는 배기 응축기 온도를 효율적으로 달성할 수 있다. 셋째, 본 방법은 가장 적절하고 효율적인 온도 범위 내에서 CO2냉매 및 암모니아 냉매를 둘 다 사용한다. 마지막으로, 본 방법은 공정 스트림간의 열교환을 통해 에너지를 효과적으로 사용할 수 있게 한다. 예를 들면, 냉동기 증기의 냉각량이 폐기되지 않고 CO2압축의 제 1 단계를 위한 후냉각을 제공하는데 사용된다.
본 발명의 방법은 공급 가스 조건의 범위를 넘어서 작동할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 공정이 90% CO2농도보다 낮거나 높은 공급 CO2농도에서 작동할 수 있다. 그러나, 공급 CO2농도가 감소하면 칼럼 배기물(102)로부터의 CO2손실이 증가하고, 회수된 액체 CO2에 의해 용융된 냉동 요구량의 분율이 감소하고, 회수된 CO2의 유닛당 비용이 증가하고, 그리고 전체 냉동기 작동에 대한 절감비용이 감소하는 등의 문제가 발생한다. 공급 CO2농도의 바람직한 범위는 약 85-100%이다. 공급 스트림의 온도는 냉동기 작동 온도에 따라서 변할 수 있다. 통상적인 냉동기 온도는 약 -110℉(-78.9℃) 내지 0℉(-17.7℃)의 범위 내에 있다.
냉동기로부터 회수된 증기의 유량은 냉동기의 상이한 작동 모드에 기인하여 넓은 범위로 변할 수 있으며, 선택된 설비의 종류 및 크기에 좌우된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 사용되는 압축기는 최대유량 대 최소유량의 비가 통상적으로 10:1인 넓은 유량 범위에 걸쳐 작동하는 스크류 압축기이다. 통상적으로, 압축기 용량은 희망 유량을 위한 작동상 호환성 및 효율의 바람직한 균형을 제공하도록 선택된다.
액체 한제의 과냉각이 결합되어 있는, 식품 냉동기로부터의 CO2의 재순환에 사용되는 본 발명의 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 액체 CO2(200)는 분무 밸브 및 공지된 다른 방법을 통해 냉동기(202) 내로 유입된다. 냉동기 증기의 일부(204)는 송풍기(206)를 사용하여 냉동기(202)로부터 제거되어 관(208)을 통해 CO2재순환 시스템(210)으로 보내진다. 재순환 시스템(210)은 도 4에 도시되어 있는 시스템으로 구현된다. 밸브(212)는 재순환에 적합하지 않거나 재순환 시스템(210)의 용량을 초과하는 과잉의 증기가 존재하는 경우에 냉동기 증기를 대기로 배출하도록 개폐된다. 증기는 CO2의 농도가 재순환 시스템의 적절한 작동을 위해 너무 낮은 경우에는 재순환에 적합하지 않을 수 있다.
재순환 시스템(210)에 의해 생성된 재순환 액체 CO2(214)는 벌크 저장 탱크(218)로부터의 상업용 액체 CO2(216)의 보충 스트림과 결합된다. 바람직한 일실시예에 있어서, 재순환 액체 및 보충 액체는 모두 -50℉(-45.6℃) 및 300 psig에서 과냉각되고, 저장 시스템(218)은 과냉각된 저장 시스템이다. 재순환 액체 및 보충 액체의 흐름은 필요한 액체 CO2(200)의 흐름이 냉동기(202)로 공급되도록 제어되어야 한다. 이를 달성하기 위한 한 가지 수단은 재순환 액체(214)를 탱크(220) 내로 흐르게 하여, 탱크(220) 내로의 보충 액체(216)의 흐름을 변하게 하므로써 탱크(220) 내의 일정한 수위를 유지하는 것이다. 또한, 이는 두가지 액체 스트림을 혼합하여 냉동기(202)에 공급되는 액체를 균일한 조성이 되도록 한다. 보충 액체를 재순환된 액체에 결합하는 다른 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 보충 액체가 CO2재순환 공정(210) 내의 어떤 지점에서 유입되거나, 재순환 액체(214)가 저장 탱크(218) 내로 흐를 수 있다.
실시예의 변형
전술한 바와 같이 설계된 시스템은 흡착제 건조기의 재순환을 위해 상이한 가스 공급원을 사용하도록 개조될 수도 있다. 칼럼(84)(도 4)으로부터의 칼럼 배기 가스(102)는 가열되어 건조기 베드(78 또는 80)로 보내져, 베드 내 흡착제를 재생한다. 재생 가스는 고형 흡착제를 가열시키고 베드로부터 습기를 제거한다. 예를 들어, 회수된 냉동기 증기 내의 CO2의 농도가 약 95% 미만인 경우라면, 칼럼 배기 가스의 흐름은 건조기 재생 가스로서 사용하기에 충분할 것이다. 공급 CO2농도가 약 95% 초과인 경우에는, 배기 가스 흐름은 건조기 베드를 완전하게 재생시키는데 불충분하게 될 것이다. 이 경우에는, 벌크 저장기로부터의 액체 CO2가 증발되어 재순환을 위해 배기 가스를 보충 또는 교환할 수 있다. 다르게는, CO2냉매 증기와 같은 다른 건조 CO2증기 공급원이 재생에 사용될 수도 있다.
배기 가스가 건조기 재생에 사용되는 경우, 배기 가스는 대기로 방출되어 비응축성 가스(질소, 산소 등)가 공정으로부터 제거된다. CO2증기가 재순환에 사용되는 경우, 대기로 방출되거나, 압축단계로 재순환되어 회수될 수 있게 된다.
본 발명은 가장 경제적인 설계가 되도록 개조되어, 일반적으로 상이한 용량에 설비 설계 타입을 제공한다. 예를 들어, 두 개의 별도의 압축기를 사용하는 것이 아니라 단일의 화합물 CO2압축기가 두 스테이지의 CO2압축에 사용될 수 있다. 단일 압축기는 도 4의 CO2냉매 스트림(124) 및 재생 가스(126)와 같은 중간 압력에서 스트림을 유입하도록 설계되어야 한다. 이러한 실시예에 있어서, 열교환기(52)가 압축기 방출 스트림(70)을 냉각시키는데 사용되고 분리기(66)는 제거된다.
오일 만액식 스크류(oil flooded screw), 오일 비함유 스크류, 왕복식, 또는 원심 압축기와 같은 다른 압축기가 사용될 수도 있다. 이러한 공정에 적합한 압축기 설비 설계는 공지되어 있다.
또한, 열교환이 스테이지들 중에서 실행될 수도 있다. 예를 들어, 도 4의 제 2 스테이지 후냉각기 열교환기(72)는 약 100℉(37.8℃)에서 물 또는 암모니아 응축에 의해 냉각되는 제 1 유닛과 약 40℉(4.4℃)나 -25℉(-31.7℃)에서 저압 암모니아에 의해 냉각되는 제 2 유닛으로 이루어질 수 있다. 필요한 만큼 냉각 또는 가열하기 위해 냉각탑 물, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 염수, 클로로플루오로카본, 탄화수소 등과 같은 다른 열전달 유체 및 시스템이 적소에 사용될 수 있다. 또한, 다른 쌍의 공정 스트림이 열교환을 위해 선택될 수도 있다. 예를 들면, CO2압축기 방출, 칼럼 공급, 암모니아 응축 등과 같은 암모니아 압축기 방출 스트림 이외의 열원을 사용하여, CO2냉매 스트림은 CO2압축기로 재순환되기 전에 가열될 수 있다. 희망 용량, 현장 조건, 입수되는 설비, 및 경제적 인자 등에 따른 다른 변경도 가능하며 이는 당업자에게 명백하다.
본 시스템의 설계는 재순환된 액체 CO2의 순도를 다르게 하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 정제 칼럼(84)은 상업용 등급의 액체 CO2에 상응하는 고순도 CO2가 달성되도록 설계될 수 있다. 선택적으로, 공정의 설계는 적용 요건을 만족시키는 경우와 비용을 더욱 절감하기 위한 경우라면, 순도가 덜한 액체 CO2를 제조하도록 변경될 수도 있다. 이러한 변경을 위한 한 방법은 생성물의 순도를 낮추어 칼럼 비용을 감소시키도록 증류 칼럼의 패킹 높이를 낮게(별개의 평형 스테이지가 소수개임) 사용하는 것이다.
또한, 도 4의 칼럼 배기 응축기(100)의 설계도 최적의 시스템 경제성을 위해 변경될 수 있다. 응축기 온도는, 약 -10℉(-23.3℃) 만큼 가온된 정도(암모니아 냉매를 사용하는 종래의 설계에서 이용되는 범위)에서 약 -69.9℉(-56.6℃; CO2의 삼중점)의 냉각된 정도로 변경될 수 있다. 주어진 실시예에 있어서, 배기 스트림은 배기 응축기 열교환기(100) 내에 13℉(-10.6℃) 접근 온도를 갖고 -63℉(-52.8℃)에서 CO2냉매를 사용함으로써 -50℉(-45.6℃)로 냉각된다. -63℉(-52.8℃)의 CO2냉매 온도는, 86 psia으로 또는 75 psia의 삼중점 압력보다 약 10 psi 높게 냉매 압력을 설정하는 결정에 의한 것이다. 삼중점보다 높은 10 psi 증가분의 선택은 압력이 삼중점 이하로 떨어지는 경우에 발생할 수 있는 고체 형성의 가능성을 피하기 위해서이다. CO2냉매 내의 고체 형성은 장비를 클러깅시킬 수 있다. 그러나, CO2냉매 압력과 삼중점 압력간의 증가분은 사용되는 장비의 설계 및 작동 상황에 따라서 10 psi보다 작거나 클 수 있다.
또한, 배기 응축기(100)는 본 실시예에서 사용되는 13℉(-10.6℃)보다 근접한 접근 온도에서 작동하도록 설계될 수 있다. 접근 온도에 근접할 수록, 더 큰 열전달 면적이 필요하여, 설비의 비용이 높아진다. 통상적으로, 5℉(-15℃) 내지 20℉(-6.7℃)의 최소 접근 온도가 사용되지만, 사용되는 최종 값은 흔히 최적의 경제성을 갖도록 결정된다. 작동이 신뢰성 있게 유지되는 한 삼중점에 가깝고 낮은 배기 온도에서 작동하는 것이 유리한데, 그 이유는 이것이 배기 스트림 내의 CO2의 손실을 감소시키기 때문이다. 예를 들어, CO2냉매 스트림이 -65℉(-53.9℃) 냉매 온도를 달성하는 압력에서 유지되고 교환기 내의 접근 온도가 5℉(-15℃)라면, -60℉(-51.1℃)의 배기 온도가 얻어진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이것은 -50℉(-45.6℃) 배기에 대한 8.35%의 손실에 비하여 5.98%로 CO2손실(90% CO2공급물의 경우)을 감소시킨다. 냉매 온도 및 압력, 배기 조건, 및 배기 응축기 설계의 최적의 선택은 당업자에게 자명할 것이다.
CO2냉매의 사용에 대해 상이한 구성이 가능하며, 증가 비용 또는 작동을 개선시킨다. 예를 들어, 도 4에 도시된 CO2냉매 스트림(98)은 먼저 배기 응축기(100)를 통해 보내진 후, 생성물 과냉각기(110)로 보내진 다음에, 열교환기(122)로 보내진다. 이러한 방법으로, 단일 CO2냉매 회로가 두 개의 별도의 흐름 대신 사용되어, 제 2 배출 밸브(106)가 제거될 수 있다.
또 다른 실시예는 배기 응축기(100) 또는 생성물 과냉각기(110)에서 암모니아 냉매 및 CO2냉매 둘 모두를 사용한다. 약 -25℉(-31.7℃)의 암모니아 냉매는 약 -15℉(-9.4℃) 내지 -20℉(-28.8℃)로 배기 스트림을 냉각하는데 사용될 수 있으며, 그 후에 CO2냉매가 약 -50℉(-45.6℃) 이하로 공정 스트림 온도를 더 낮추는데 사용될 수 있다. 이러한 대안은 CO2냉매의 필요 유량을 감소시킬 수 있으므로, CO2압축 주요 비용 및 작동 비용을 감소시킬 수 있으며, 또한 CO2압축기와 생성물 과냉각기 사이의 칼럼, 열교환기, 및 용기의 크기와 비용을 감소시킬 수 있다. 그러나, 이러한 설계도 암모니아 냉각 시스템의 필요 크기와 비용을 증가시키며 추가의 열교환기를 필요할 수도 있다.
생성물 과냉각의 정도는 낮은 온도의 CO2냉매를 사용하고/하거나 생성물 과냉각기(110) 내의 최소 접근 온도를 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 과냉각의 변화량은 생성물을 약 0℉(-17.7℃) 내지 약 -69.9℉(-56.6℃; 삼중점 온도) 사이의 온도로 냉각시킴으로써 달성될 수 있다. 액체 CO2의 냉각량은 생성물 온도가 감소함에 따라 증가한다. 그러므로, 생성물 온도가 감소함에 따라 식품 냉동기 내에 소정량의 필요 냉각을 제공하는데 적은 양의 액체 CO2가 요구되며, 이는 경제적으로 유리할 수 있다. 배기 응축기 설계의 경우와 같이, CO2냉매 온도, 생성물 온도, 및 과냉각기 설계는 신뢰성있는 작동과 동시에 최적의 시스템 경제성을 달성하도록 선택된다.
또한, 생성물 과냉각기(110)는 재순환 액체 뿐만아니라 벌크 저장 탱크로부터 취해지는 어떠한 보충 액체도 과냉각시킬 수 있도록 설계될 수 있다. 이러한 실시예는 더 비싼 과냉각 저장 시스템 대신에 통상적인 벌크 상업용 액체 CO2저장 시스템을 사용할 수 있게 한다. 그러나, 이 경우에 도 4에 도시된 바와 같은 CO2설비는 시스템에 대한 비용을 증가시키는 CO2냉매의 높은 유량에 충분한 용량 및 설계를 가져야 한다. 또한, 이러한 종류의 시스템은 냉동기 설비 및 작동에 변화를 요할 수 있다. 예를 들면, 냉각기는 재순환 설비가 유지 또는 보수로 인하여 작동하지 않을 때 통상적인 0℉(-17.7℃) 액체 CO2에 대해 때때로, 그리고 다른 때는 과냉각된 액체 CO2에 대해 작동할 필요가 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서는 생성물 과냉각의 양을 감소시키거나 제거하며, 약 300 psig, 0℉(-17.7℃; 통상적인 상업용 액체 CO2에 상응함)에서 액체 CO2생성물을 생성한다. 이것은 필요한 냉매 CO2의 양을 감소시키므로써 재순환 시스템의 기본 비용 및 작동 비용을 감소시킨다. 통상적인 저장 시스템이 과냉각 저장 시스템 대신에 사용될 수 있다. 그러나, 냉동기 액체 CO2요구량은 -50℉(-45.6℃)에서 공급된 액체(과냉각됨)에 비해 0℉(-17.7℃)에서 공급된 액체가 약 20% 높다. 이러한 많은 요구량은 상업용 생성물의 벌크 저장물로부터 취해진 어떠한 보충 액체 및 재순환 액체 둘 모두에 적용된다. 이러한 많은 액체 CO2요구량 때문에, 이 대안은 과냉각된 액체의 공급과 비교할 때 식품 냉동에 대한 전체 비용을 많이 들게 한다.
본 발명과 종래 기술과의 차이점
종래 기술에 따르면 본 발명에 사용되는 방법이 성공하리라고 기대할 수 없다. 예를 들어 미국특허 제 4,639,257호에 의하면, 냉각된 배기 응축기로부터의 배기 가스 중의 높은 CO2비율은 통상의 응축기 작동 상태에서 가스 혼합물 내의 평형 상태 때문이다. 상기 특허의 실시예에서는 경량 탄화수소를 함유하는 혼합물로부터 CO2를 회수하기 위해 290 psia의 통상적인 응축기 압력 및 -22℉(-30℃)의 온도가 증기 농도를 약 60-70% CO2로 유도한다. 또한, 상기 특허에 따르면, 이러한 상황은 저온에서의 작동에 의해 실질적으로 개선되지 않으며, 이는 CO2의 응결 및/또는 공비 혼합물 형성을 유도할 수 있음을 시사한다.
미국특허 제 4,990,168호에 의하면, 높은 CO2농도의 공급물을 갖는 통상적인, 일당 200톤의 설비가 약 75%의 배기 스트림을 가져, 공급 CO2의 10-15%의 손실을 유발한다. 이와 대조적으로, 본 발명에 의하면 훨씬 낮은 배기 CO2농도 및 낮은 CO2배기 손실이 달성된다. 예를 들어, 본 발명에 의해 단지 43% CO2배기 농도가 -50℉(-45.6℃)배기 온도에서 이루어진다. 이러한 낮은 배기 온도는 배기 응축기 내의 -63℉(-52.8℃) 및 13℉(-10.6℃) 접근 온도에서 낮은 온도 CO2냉매를 사용함으로써 달성된다.
저온 냉매의 사용은, 통상적인 시스템(-20℉(-28.9℃) 배기 응축기)에 대해서는 공급량의 배기 손실율이 30% 초과인 것에서, 본 발명이 90% CO2공급물을 처리하는데 사용되는 경우에는 단지 8%(-50℉(-45.6℃) 배기의 경우)로 배기 손실율을 감소시킨다. 손실율은 낮은 CO2냉매 온도(-69.9℉(-56.6℃)의 삼중점 온도만큼)를 사용하고 근접한 접근 온도를 위한 배기 응축기를 설계함으로써 추가로 감소될 수 있다.
종래 기술에 따르면, 냉동기로부터 회수되는 증기는 순도가 낮으며 종래의 방법에 의해서는 경제적으로 회수될 수 없다. 예를 들면, 미국특허 제 4,952,223호는 냉동기 내의 증기가 89% 보다 훨씬 낮은 약 50% CO2임을 나타낸다. 비록 미국특허 제 5,186,008호가 높은 수준으로 냉동기 내의 CO2농도를 증가시키는 방법을 제시하고는 있지만, 상기 특허는 액화 및 정제에 미국특허 제 4,952,223호의 PSA 시스템을 여전히 사용하고 있어서, 이에 따른 단점을 갖고 있다.
미국특허 제 4,952,223호는 (본 발명에서 수행되는 바와 것과 같이) 칼럼 응축기 온도를 감소시켜, 손실을 감소시키는 것은 상당한 단점을 갖는다고 기재하고 있다. 예를 들어, 상기 특허는 통상적인 시스템에서, 정제 칼럼이 -35℉(-37.2℃)만큼 낮은 온도에서 사용될 수 있는 저렴한 탄소강으로 제조되는 것으로 기재하고 있다. 스테인레스 강은 -35℉(-37.2℃) 미만의 온도에 사용되어야 하며, 이는 재료 비용을 상당히 증가시킨다. 그러나, 놀랍게도 본 발명에 의하면 칼럼 배기 응축기만이 스테인레스 강으로 제조되는 것으로 밝혀진 것이다.
도 6은 본 발명에 따라서 작동되는 경우, CO2증류 칼럼(84) 내의 계산된 온도 프로파일을 나타내고 있다. 스테이지 1은 칼럼 배기 응축기를 나타내고, 스테이지 2 내지 스테이지 11은 자체 칼럼 내의 평형 단계이며, 스테이지 12는 리보일러를 나타낸다. 칼럼의 상단에서의 제 1 평형 스테이지(스테이지 2)의 온도는 단지 -15℉(-26.1℃)가 되도록 계산되고, 칼럼의 나머지는 가온된 온도에서 작동하여 칼럼이 탄소강으로 제조될 수 있게 한다.
통상적인 포화 (0℉(-17.7℃), 300 psig) 조건에서보다 과냉각된 (-50℉(-45.6℃), 300 psig) 조건에서 재순환 액체 CO2및 보충 액체 CO2를 제공함으로써, 주어진 냉각 요구량을 위한 필요 액체 CO2흐름을 감소시켜 비용 절감이 달성된다. 예를 들어, 0℉(-17.7℃)의 포화 액체 CO2와 -80℉(-62.2℃; 통상적인 냉동기 작동 온도)의 CO2증기간의 엔탈피 차는 액체 CO2의 118.8 BTU/lb의 이론상 가능한 냉각량을 제공한다. -50℉(-45.6℃)의 과냉각된 액체 CO2를 위한 상응하는 이론상 가능한 냉각량은 143.3 BTU/lb의 액체 CO2이다. 냉동기의 고정된 냉각 부하를 위해, 과냉각된 액체 CO2를 사용하여 액체 CO2의 필요량의 17.1% 감소를 달성할 수 있다. 이것은 필요한 재순환 시스템의 크기 및 비용 뿐아니라 반드시 구입해야 하는 보충 상업용 액체 CO2의 양을 줄인다. 이들 두 인자는 모두 상당한 비용 절감을 유도한다.
전술한 기재 내용은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것임을 이해하여야 한다. 당업자들에게는 다양한 실시예와 변경예가 본 발명의 요지에서 벗어나지 않고서 유도될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 내에 있는 모든 실시예 및 변경예들을 포함한다.
본 발명에 따른 CO2제조 방법에 따르면, CO2냉매를 이용하여 칼럼 배기 손실이 감소되고 냉동기로 회수되는 액체 CO2의 과냉각을 통해 경제적으로 비용이 절감된다.

Claims (10)

  1. 저농도의 CO2를 함유하는 유입 공급 스트림으로부터 CO2를 회수하기 위한 방법에 있어서,
    a) 유입 공급 스트림을 고압으로 압축하고, 이 압축된 스트림을 냉각시키는 단계,
    b) 압축된 공급 스트림을 증류 칼럼으로 적용하여 공급 스트림을, CO2를 함유하는 배기 가스 및 고순도의 바닥물 액체 CO2로 전환시키는 단계,
    c) 고순도의 바닥물 액체 CO2의 일부를 팽창시켜 냉각된 액체 CO2냉매 흐름을 형성시키는 단계,
    d) 냉각된 액체 CO2냉매에 대하여 열교환기를 통해 배기 가스로부터 적어도 CO2를 응축시키고, 이를 증류 칼럼 내로 재유입시키는 단계, 및
    e) 냉각된 액체 CO2냉매에 대하여 열교환기를 통해 고순도의 바닥물 액체 CO2를 과냉각시키는 단계를 포함하고,
    고순도 바닥물 액체 CO2의 나머지 부분이 액체 CO2생성 유출물을 형성함을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 응축 단계(d)에 이어서 CO2냉매의 흐름이 단계(a 내지 d)를 거치게 하므로써 CO2냉매의 흐름을 재순환시키는 단계(e)를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 과냉각 단계(e)에 이어서 CO2냉매의 흐름이 단계(a 내지 e)를 거치게 함으로써 CO2냉매의 흐름을 재순환시키는 단계(f)를 추가로 포함함을특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 유입 공급 스트림이 약 70% 내지 100% 범위 내의 CO2농도를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 단계(a)에서 압축된 흐름에 동반된 습기가 제거되어 흡착제 내에 축적되고,
    응축 단계(d)에 이어서, 나머지 배기 가스를 가열시키고, 가열된 배기 가스를 흡착제를 통과하게 하여 흡착제로부터 습기를 제거하는 단계(e)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 단계(a) 내의 냉각 단계가 두 개의 냉각 단계를 포함하며, 냉각 단계 사이에서 압축된 스트림을 여과시켜 동반된 박테리아를 제거함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 고순도 바닥물 액체 CO2를 과냉각시키기 전에 독립적인 저장 시스템으로부터 취해지는 보충의 고순도 액체 CO2로 보충함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 단계(d)의 직전에 암모니아 냉매에 대하여 열교환기를 통해 배기 가스로부터 적어도 CO2를 부분적으로 응축시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 단계(e)의 직전에 암모니아 냉매에 대하여 열교환기를 통해 고순도 바닥물 액체 CO2를 부분적으로 과냉각시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
KR10-1999-0015587A 1998-06-08 1999-04-30 공급 스트림으로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 Expired - Fee Related KR100454442B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/092,934 1998-06-08
US09/092,934 US5974829A (en) 1998-06-08 1998-06-08 Method for carbon dioxide recovery from a feed stream

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20000005635A KR20000005635A (ko) 2000-01-25
KR100454442B1 true KR100454442B1 (ko) 2004-10-28

Family

ID=22235858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-1999-0015587A Expired - Fee Related KR100454442B1 (ko) 1998-06-08 1999-04-30 공급 스트림으로부터 이산화탄소를 회수하는 방법

Country Status (9)

Country Link
US (1) US5974829A (ko)
EP (1) EP0964215B1 (ko)
KR (1) KR100454442B1 (ko)
CN (1) CN1142816C (ko)
BR (1) BR9901138A (ko)
CA (1) CA2270513C (ko)
ES (1) ES2224579T3 (ko)
ID (1) ID23241A (ko)
MY (1) MY126482A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9945607B2 (en) 2011-03-30 2018-04-17 General Electric Technology Gmbh Cryogenic CO2 separation using a refrigeration system

Families Citing this family (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL1018708C2 (nl) 2001-08-03 2003-02-04 Haffmans Bv Procesinrichting voor het bereiden van zuiver kooldioxide (CO2) uit een gasvormig CO2-bevattend product.
US6889508B2 (en) * 2002-10-02 2005-05-10 The Boc Group, Inc. High pressure CO2 purification and supply system
US20050287056A1 (en) * 2004-06-29 2005-12-29 Dakota Gasification Company Removal of methyl mercaptan from gas streams
GB2416389B (en) 2004-07-16 2007-01-10 Statoil Asa LCD liquefaction process
WO2006037320A1 (en) * 2004-10-08 2006-04-13 Union Engineering A/S Method for recovery of carbon dioxide from a gas
US7263859B2 (en) * 2004-12-27 2007-09-04 L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process and apparatus for cooling a stream of compressed air
JP2006308207A (ja) * 2005-04-28 2006-11-09 Daikin Ind Ltd 冷凍装置
US7666251B2 (en) * 2006-04-03 2010-02-23 Praxair Technology, Inc. Carbon dioxide purification method
US7927568B2 (en) * 2006-10-26 2011-04-19 Foster Wheeler Energy Corporation Method of and apparatus for CO2 capture in oxy-combustion
US20080098769A1 (en) * 2006-10-31 2008-05-01 Min-Ching Huang Method for retarding greenhouse afect
US7819951B2 (en) * 2007-01-23 2010-10-26 Air Products And Chemicals, Inc. Purification of carbon dioxide
US7850763B2 (en) * 2007-01-23 2010-12-14 Air Products And Chemicals, Inc. Purification of carbon dioxide
US8088196B2 (en) 2007-01-23 2012-01-03 Air Products And Chemicals, Inc. Purification of carbon dioxide
US8080090B2 (en) 2007-02-16 2011-12-20 Air Liquide Process & Construction, Inc. Process for feed gas cooling in reboiler during CO2 separation
CN101040674B (zh) * 2007-04-29 2010-12-01 湖南凯美特气体股份有限公司 一种食品级液体二氧化碳产品的生产方法
US9109831B2 (en) * 2007-07-11 2015-08-18 AIR LIQUIDE GLOBAL E&C SOLUTIONS US Inc. Process and apparatus for the separation of a gaseous mixture
US20090013868A1 (en) * 2007-07-11 2009-01-15 Arthur Darde Process and apparatus for the separation of a gaseous mixture
EP2234694B1 (en) * 2007-11-28 2020-02-12 Sustainable Energy Solutions, LLC Carbon dioxide capture from flue gas
CN101491739B (zh) * 2008-01-22 2011-01-26 苏庆泉 蒸馏系统以及蒸馏方法
US8535417B2 (en) * 2008-07-29 2013-09-17 Praxair Technology, Inc. Recovery of carbon dioxide from flue gas
US8163070B2 (en) 2008-08-01 2012-04-24 Wolfgang Georg Hees Method and system for extracting carbon dioxide by anti-sublimation at raised pressure
US7927573B2 (en) * 2008-09-26 2011-04-19 Praxair Technology, Inc. Multi-stage process for purifying carbon dioxide and producing acid
US20100162729A1 (en) * 2008-12-29 2010-07-01 Mccormick Stephen A Liquid CO2 Passive Subcooler
US20110126583A1 (en) * 2008-12-29 2011-06-02 Mccormick Stephen A Liquid co2 passive subcooler
DE102009026970A1 (de) * 2009-06-16 2010-12-23 Tge Marine Gas Engineering Gmbh Verfahren zur Reduzierung des Ausstoßes von Kohlendioxid nebst Vorrichtung
FR2949553B1 (fr) * 2009-09-02 2013-01-11 Air Liquide Procede de production d'au moins un gaz pauvre en co2 et d'un ou plusieurs fluides riches en co2
US20110132005A1 (en) * 2009-12-09 2011-06-09 Thomas Edward Kilburn Refrigeration Process and Apparatus with Subcooled Refrigerant
DE102010006102A1 (de) * 2010-01-28 2011-08-18 Siemens Aktiengesellschaft, 80333 Verfahren zur Abtrennung gereinigten Wertgases aus einem Gasgemisch, sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
FR2956900B1 (fr) * 2010-03-01 2012-06-01 Air Liquide Appareil et procede de separation d'un melange contenant du dioxyde de carbone par distillation
FR2969746B1 (fr) 2010-12-23 2014-12-05 Air Liquide Condensation d'un premier fluide a l'aide d'un deuxieme fluide
CN102538395A (zh) * 2012-03-05 2012-07-04 苏州市兴鲁空分设备科技发展有限公司 一种二氧化碳提纯工艺
EP2722093B1 (en) 2012-10-17 2016-08-17 General Electric Technology GmbH Oxy fuel boiler system with CO2-capture unit and method of operating
CA2931409C (en) * 2013-12-06 2017-08-01 Exxonmobil Upstream Research Company Method and device for separating hydrocarbons and contaminants with a spray assembly
FR3016436B1 (fr) * 2014-01-10 2019-05-10 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Procede et appareil de liquefaction d’un courant de co2 gazeux
CN107300294B (zh) * 2017-08-04 2023-05-30 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种烟气碳捕集系统的二氧化碳液化装置及方法
US11624556B2 (en) 2019-05-06 2023-04-11 Messer Industries Usa, Inc. Impurity control for a high pressure CO2 purification and supply system
WO2021062397A1 (en) 2019-09-27 2021-04-01 Wm Intellectual Property Holdings, L.L.C. System and process for recovering methane and carbon dioxide from biogas and reducing greenhouse gas emissions
US11353261B2 (en) 2019-10-31 2022-06-07 Air Products And Chemicals, Inc. Lights removal from carbon dioxide
CN215113521U (zh) * 2021-03-24 2021-12-10 惠州凯美特气体有限公司 液态二氧化碳生产设备及系统
FR3122918B1 (fr) * 2021-05-12 2023-06-09 Air Liquide Procédé et appareil de liquéfaction d’un gaz riche en dioxyde de carbone
KR20230010124A (ko) * 2021-07-09 2023-01-18 삼성전자주식회사 이산화탄소 재사용 시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB997507A (en) * 1963-11-04 1965-07-07 Couch Internat Methane Ltd Process for the cold separation of gas mixtures

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1021453A (en) * 1962-11-29 1966-03-02 Petrocarbon Dev Ltd Purification of carbon dioxide
HU163365B (ko) * 1971-10-30 1973-07-28
US4977745A (en) * 1983-07-06 1990-12-18 Heichberger Albert N Method for the recovery of low purity carbon dioxide
US4639262A (en) * 1983-07-06 1987-01-27 Heichberger Albert N Method and apparatus for carbon dioxide liquefaction and evaporation
US4639257A (en) * 1983-12-16 1987-01-27 Costain Petrocarbon Limited Recovery of carbon dioxide from gas mixture
US4762543A (en) * 1987-03-19 1988-08-09 Amoco Corporation Carbon dioxide recovery
US5076063A (en) * 1988-12-22 1991-12-31 Sanden Corporation Refrigerant processing and charging system
US4990168A (en) * 1989-07-17 1991-02-05 Sauer Richard A Recovery of carbon dioxide from a carbon dioxide plant vent gas using membranes
US4952223A (en) * 1989-08-21 1990-08-28 The Boc Group, Inc. Method and apparatus of producing carbon dioxide in high yields from low concentration carbon dioxide feeds
US5186008A (en) * 1991-11-25 1993-02-16 The Boc Group, Inc. Cryogenic freezer apparatus and method

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB997507A (en) * 1963-11-04 1965-07-07 Couch Internat Methane Ltd Process for the cold separation of gas mixtures

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9945607B2 (en) 2011-03-30 2018-04-17 General Electric Technology Gmbh Cryogenic CO2 separation using a refrigeration system

Also Published As

Publication number Publication date
EP0964215A3 (en) 2000-07-19
ES2224579T3 (es) 2005-03-01
CA2270513C (en) 2003-07-08
EP0964215A2 (en) 1999-12-15
CN1142816C (zh) 2004-03-24
BR9901138A (pt) 1999-12-28
US5974829A (en) 1999-11-02
MY126482A (en) 2006-10-31
EP0964215B1 (en) 2004-09-15
CN1238232A (zh) 1999-12-15
CA2270513A1 (en) 1999-12-08
ID23241A (id) 2000-03-30
KR20000005635A (ko) 2000-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100454442B1 (ko) 공급 스트림으로부터 이산화탄소를 회수하는 방법
ES2214919B1 (es) Procedimiento para licuar una corriente de gas natural que contiene por lo menos un componente solidificable.
US6295833B1 (en) Closed loop single mixed refrigerant process
KR100381108B1 (ko) 단일의 혼합된 냉매 가스 액화 방법
US10393432B2 (en) Configurations and methods of CO2 capture from flue gas by cryogenic desublimation
US4699642A (en) Purification of carbon dioxide for use in brewing
RU2175099C2 (ru) Способ и система охлаждения в замкнутом контуре смешанного хладагента
US3780534A (en) Liquefaction of natural gas with product used as absorber purge
KR100750578B1 (ko) 농축 천연 가스로부터 질소 제거 방법 및 시스템
EP2505948B1 (en) Cryogenic CO2 separation using a refrigeration system
EP0417922A1 (en) Producing pure carbon dioxide
EP2381198A1 (en) Method for separating carbon dioxide from flue gas of combustion plants
BG63953B1 (bg) Методи за втечняване под налягане на газов поток с високо съдържание на метан
US9863696B2 (en) System and process for natural gas liquefaction
CA3210125A1 (fr) Procede de liquefaction d'un courant riche en co2
KR20050041916A (ko) 공기 분리 장치 및 그 운전 방법
JP2004085099A (ja) 排出ｃｏ２の回収システム
KR101996972B1 (ko) 발효 공정으로부터 이산화탄소의 고압 회수 방법
US4563203A (en) Refrigeration from expansion of transmission pipeline gas
EP0091830A2 (en) Separation of gas mixtures by partial condensation

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 19990430

PG1501 Laying open of application
A201 Request for examination
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20010430

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 19990430

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20030729

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20040723

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20041018

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20041019

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
LAPS Lapse due to unpaid annual fee
PC1903 Unpaid annual fee