KR100430925B1 - 이산화탄소의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소의 제조 시스템 특히, 상당한 수치의 경량 불순물을 함유하고 있는 공급물로부터 이산화탄소를 제조하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 증류 칼럼으로부터의 경량의 상층 생성물은 이산화탄소 및 경량 불순물을 모두 함유한 열 교환 유체에 대해 부분적으로 응축되며, 최종적인 열 교환 유체는 증류 칼럼용 공급물의 내부로 통과된다.

Description

이산화탄소의 제조 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING CARBON DIOXIDE}
본 발명은 이산화탄소의 제조에 관한 것이다.
이산화탄소는 다양한 사용 목적을 갖는다. 예를 들어, 음료를 탄산화시키거나, 해산물, 육류, 가금, 제빵, 과일, 및 야채를 냉장, 냉동 및 포장하고, 유제품의 저장 수명을 연장시키기 위해 사용된다. 이러한 이산화탄소는 pH 수치를 제어하기 위한 황산의 대체 성분으로서 산업 폐기물 및 작업수 처리에서 중요한 환경적 요소이다. 이것은 음용수 처리, 환경 친화적 살충제 및 식물의 성장을 개선시키기 위한 온실내 대기 첨가제로도 사용된다.
일반적으로, 이산화탄소는 유기 또는 무기 화학 공정의 부산물인 폐류(waste stream)를 정제시킴으로써 제조된다. 이산화탄소를 포함하는 폐류는 응축된 다음, 증류 칼럼 내에서 처리되어 제품 등급(product grade)의 이산화탄소를 생성한다.
이산화탄소에 대한 요구가 계속 증가함에 따라, 보다 저급한 이산화탄소 공급원이 정화 시스템에 미정제 이산화탄소를 공급하는데 사용되고 있다. 이와같이 저급한 공급원은 경량의 오염인자를 상당량 함유하고 있으므로 제품으로 정류되기 이전에 필요한 액화를 수행하는데 훨씬 더 많은 에너지가 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 이산화탄소 처리 시스템에 비해 더욱 에너지 효율적인 방식으로 경량의 불순물을 함유한 미정제 이산화탄소 공급 스트림을 효과적으로 처리할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 압축기 2 : 냉각기
3,7 : 상 분리기 8 : 흡착제 베드
9 : 재가열기 10 : 응축기
15 : 압축기 20 : 밸브
본 발명의 개시를 통하여 당업자에게 명백하여질 상기 목적 및 그밖의 목적이 본 발명에 의해 달성되며, 그 한가지 태양은:(A) 이산화탄소 및 경량의 불순물을 포함하는 공급물을 제공하여 상기 공급물을 칼럼으로 전송하는 단계와,(B) 칼럼내에서 공급물을 경량의 상층 생성물과 이산화탄소 생성물로 분리시키는 단계와,(C) 상기 칼럼으로부터 경량의 상층 생성물을 추출하고, 이 경량의 상층 생성물을 이산화탄소 및 경량의 불순물을 포함하는 열교환 유체와의 간접 열교환에 의해 부분적으로 응축시킴으로써 가스상태의 열교환 유체를 생성하는 단계와,(D) 상기 가스상태의 열교환 유체를 상기 칼럼의 상류에서 공급물로 전송하는 단계, 및(E) 상기 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 회수하는 단계를 포함하는 이산화탄소의 제조 방법이다.
본 발명의 다른 태양은:(A) 칼럼, 및 상기 칼럼으로 이산화탄소 및 경량의 불순물을 포함하는 공급물을 전송하기 위한 공급물 제공 수단과,(B) 배출가스 응축기, 및 상기 칼럼의 상부로부터 배출가스 응축기로 유체를 전송하기 위한 수단과,(C) 상 분리기, 및 상기 배출가스 응축기로부터 상 분리기로 유체를 전송하기 위한 수단과,(D) 상기 상 분리기로부터 상기 배출가스 응축기로, 그리고 상기 배출가스 응축기로부터 상기 공급물 제공 수단으로 유체를 전송하기 위한 수단, 및(E) 상기 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하는 이산화탄소의 제조 장치이다.
본원에서 사용된 용어 "칼럼"은 증류 또는 분류 칼럼이나 영역 즉, 접촉 칼럼 또는 영역을 의미하며, 액체 및 증기상은, 예를 들어 칼럼내 및/또는 구조화된 충전물이나 임의의 충전물 등의 충전 부재상에 장착된 수직으로 이격된 일련의 트레이 또는 플레이트에 기상 및 액상을 접촉시킴에 의해, 유체 혼합물의 분리에 영향을 미치기 위해 역류하도록 접촉되어 있다. 증류 칼럼에 대해서는 뉴욕 멕그로우-힐 출판사(McGraw-Hill Book company)의 알. 에이치. 페리(R.H. Perry) 및 씨. 에이치. 칠톤(C.H. Chilton)에 의해 출판된 케미컬 엔지니어 핸드북, 제 5판, 섹션 13,연속 증류 공정을 참조하면 된다.
증기 및 액체 접촉 분리 공정은 성분에 대한 증기압의 차이에 따라 달라진다. 높은 증기압(또는 보다 휘발성 또는 낮은 융점의) 성분은 증기상에 농축되는 반면 낮은 증기압(또는 낮은 휘발성 또는 높은 융점의) 성분은 액체상에 농축될 것이다. 부분 응축은 분리 공정이므로 증기 혼합물의 냉각을 이용하여 증기상에 휘발성 성분(들)을 농축시키고, 액체상에 덜 휘발성인 성분(들)을 응축시킬 수 있다. 정류, 또는 연속 증류는 증기상 및 액체상의 역류 처리에 의해 얻어지는 연속적인 부분 기화 및 응축을 결합시킨 분리 공정이다. 증기상 및 액체상의 역류 접촉은 일반적으로 단열적이며 상들 사이의 일체식(단계식) 또는 차등식(연속식) 접촉을 포함할 수 있다. 혼합물을 분리시키기 위해 정류의 원리를 이용하는 분리 공정 배열은 종종 상호교환적으로 정류 칼럼, 증류 칼럼, 또는 분류 칼럼이라 일컬어진다. 극저온 정류는 150°K 또는 그 이하의 온도에서 수행되는 정류 공정이다.
본원에서 사용된 용어 "상부" 및 "하부"는 칼럼의 중간 지점의 윗부분과 아랫 부분을 각각 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "간접 열교환"은 유체들 서로간의 임의의 물리적인 접촉이나 혼합없이 두 유체가 열교환 관계에 놓여있음을 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "경량의 불순물(light contaminants)"은 이산화탄소 보다 높은 증기압을 갖는 하나 이상의 종을 의미한다. 경량 불순물의 구체예에는 질소, 산소, 아르곤, 수소, 및 일산화탄소가 있다.
본원에서 사용된 용어 "상 분리기(phase separator)"는 충분한 횡단면적을 갖는 용기로서, 유체나 유입되는 유체를 중력에 의해 이후 상분리 용기로부터 각각 제거될 수 있는 분리된 가스 및 액체 성분들로 분리할 수 있는 용기를 의미한다.
본원에서 사용된 용어 "과냉각(subcooling)"은 기존 압력에 대한 한 액체의 액체 포화온도보다 낮은 온도에서 그 액체가 냉각되도록 하는 것을 의미한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 기술되어질 것이다.
도면을 참조하면, 이산화탄소, 경량의 불순물, 및 수증기를 함유한 공급 스트림(50)이, 대략 주위 압력에서 압축기(1)를 통과하여 60 내지 90 psia(pounds per square inch absolute) 범위내의 압력으로 압축된다. 공급 스트림(50)은 에탄올 및/또는 다른 알코올을 생성하는 시스템 등의 유기 또는 무기 화학 제조 시스템의 폐기 방출물로부터 취해진다. 상기 공급물 중의 이산화탄소의 농도는 건조 기준으로 80몰%를 초과한다. 본 발명은 경량 불순물이 건조 기준으로 5몰% 이상인 공급물을 처리하는데 있어서 특히 유용할 것이다.
압축된 공급물(51)은 물 또는 공기 구동식 냉각기(2)를 통과함으로써 냉각되며 응축된 수분은 상 분리기(3)에서 분리된다. 그 다음, 공급물은 압축기(4)를 통과하며 추가로 압축되고 일반적으로 280 내지 325 psia의 범위로 가압된다. 추가로 압축된 공급물(52)은 이후 냉각기(5 및 6)를 통과함으로써 냉각된다. 응축된 수분은 상 분리기(7)에서 제거되며 이후 공급물은 흡착층(8)을 통과함으로써 건조된다.
냉각되고 건조된 공급 스트림(53)은 칼럼 재가열기(9)를 통과함으로써 노점(dew point)에 가깝게 냉각되며, 이후 도관에 의해 공급물 응축기(10)로 제공되고, 하기에 보다 상세히 설명되어질 재순환 냉매와의 간접 열교환에 의해 적어도 부분적으로, 바람직하게는 실질적으로 완전히 응축된다. 생성된 응축 공급물(54)은 밸브(11)를 통해 운반되며, 도면에 도시된대로 칼럼(12)으로, 바람직하게는 칼럼(12)의 상단에서 전송된다.
가스 냉각 유체(55), 바람직하게는 암모니아를 압축기(15)를 통해 적정 압력으로 압축한 다음, 직접 접촉식 최종 냉각기(aftercooler)(16)로 전송한다. 적정 압력의 가스상 냉각 유체는 스트림(56)에서 최종 냉각기(16)로부터 추출되며 압축기(17)에서 고압으로 압축된다. 이 고압의 유체는 열 교환기(18)를 통과함으로써, 예컨대 물 또는 공기와의 간접 열교환에 의해 실질적으로 완전히 응축된 다음, 밸브(19)를 통과하여 냉매로서 최종 냉각기(16)로 전송된다. 적정 압력의 냉각된 냉각 유체는 스트림(57)에서 최종 냉각기(16)로부터 추출된다. 필요하다면, 도면에 도시된 바와 같이, 스트림(57)의 일부(58)를 공급물의 냉각을 위해 냉각기(6)로 통과시킨 다음, 최종 냉각기(16)로 돌려보낸다. 스트림(57)의 잔류 부분이 밸브(20)를 통과하며 2개의 스트림(59 및 60)으로 나누어진다. 스트림(59)은 도관에 의해 공급물 응축기(10)로 제공되어 전술한 응축 공급물과의 간접 열교환에 의해 기화되며, 생성된 기화 냉각 유체는 공급물 응축기(10)로부터 스트림(61)으로서 추출된다. 스트림(60)은 과냉각기(subcooler)(13)로 전송되어 과냉각 생성물 (subcooling product)과의 간접 열교환에 의해 기화된다. 생성된 기화 스트림(62)은 스트림(61)과 합쳐져 가스 상태의 스트림(55)을 형성하고, 폐루프 냉각 싸이클이 반복된다.
칼럼(12)은 일반적으로 250 내지 320 psia 범위내의 압력에서 작동된다. 칼럼(12)내에서, 공급물은 증류에 의해 경량의 상층 생성물(light overhead)과 이산화탄소 생성물로 분리된다. 공급 액체는 상향 증기에 반하여 칼럼(12) 아래로 흐르며, 경량의 불순물이 아래로 흐르는 상기 액체로부터 상향 증기로 빠져 나가게 되어, 칼럼(12)의 상단에 경량의 상층 생성물이, 칼럼(12)의 기부에 이산화탄소 생성물이 형성된다.
일반적으로 이산화탄소 농도가 99.9 몰% 이상인 이산화탄소 생성액이 스트림(63)에서 칼럼(12)의 하부로부터 회수(recover)된다. 일부(64)는 냉각 공급물과의 간접 열교환으로 재가열기(9)를 통해 기화되고, 생성된 기화 부분(65)은 칼럼(12)으로 재전송되어 상향 증기로서 작용한다. 스트림(63)의 또 다른 부분(66)은 과냉각기(13)를 통과함으로써 과냉각되며, 밸브(14)를 통해 전송되어 스트림(67)에서 이산화탄소 생성물로서 회수된다.
공급물보다 높은 농도의 경량 불순물과, 또한 이산화탄소를 함유하는 경량의 상층 생성물 증기는 스트림(68)에서 칼럼(12)의 상부로부터 추출된다. 경량의 상층 생성물은 배출가스 응축기(30)를 통과함으로써 부분적으로 응축되고 이후 상 분리기(31)로 전송된다. 필요하다면, 스트림(67)의 일부(28)는 밸브(33)를 통해 상 분리기(31)로 전송된다. 주로 경량의 불순물을 포함하는 상 분리기(31)로부터의 증기는, 스트림(69)에서 상 분리기(31)로부터 추출되며, 밸브(34)를 통과하여 시스템으로부터 추출된다. 경량의 상층 생성물 중의 대부분의 이산화탄소 및 경량의 불순물을 함유한 액체는, 열 교환 유체 스트림(70)으로서 상 분리기(31)로부터 추출되고 밸브(29)를 통과하여 배출가스 응축기(30)를 통과함으로써 기화되며, 밸브(32)를 통과하여 칼럼(12) 상류의 공급물 제공 수단에서 유입 공급물로 재순환된다.
배출가스 응축기를 구동시키기 위하여 경량의 불순물 및 이산화탄소를 함유한 열교환 유체를 사용함으로써 배출가스 응축기 내의 경량의 상층 생성물 스트림이 보다 낮은 에너지를 이용하여 부분적으로 응축될 수 있도록 한다. 다중 성분 열교환 유체는 배출가스 응축기의 도처에서 다중성분 열교환 유체의 기화와 관련하여 경량의 상층 생성물 스트림을 부분적으로 응축시키는, 냉각 사이의 온도차를 감소시킴으로써 공정 손실일을 최소화한다. 또한, 다중 성분 열교환 유체가 공급물에서와 같이 이산화탄소 및 경량의 불순물을 함유함으로 인해, 배출가스 응축기의 가스상태의 다중성분 열교환 유체가, 본 발명의 공정 효율을 보다 증진시킬 수 있게 하는 부가적인 이산화탄소의 생성을 위해, 공급물과 혼합된다.
본 발명을 이용하여, 상당 수준의 경량 불순물을 함유하는 공급물의 증류에 의해 제품 등급의 이산화탄소를 효율적이고 효과적으로 제공할 수 있다. 본 발명은 임의의 바람직한 구체예를 참조로 상세히 기술되어 있으나, 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 상기 공정에서 사이드스트림을 수용할 수 있는 오일 침수 스크류 압축기(oil flooded screw compressor) 등의 특정 압축기를 이용한다면, 열교환 유체 스트림(70)은 중간 압력에서 기화 및 재가열되어 적절한 사이드포트 유입구에서 압축기(4)로 도입될 수 있다. 대안적으로, 열교환 유체 스트림(70)은 압축기(4)에 평행한 별도의 압축기에서 독립적으로 압축된 다음, 공급 스트림(52)에 부가될 수 있다. 또한, 압축된 열교환 유체 스트림(70)은 유닛(10)에 평행한 응축기에서 독립적으로 응축되어 공급 스트림이 칼럼으로 도입되기 이전에 이에 부가될 수 있다.
본 발명에 따라 경량의 불순물을 함유하는 미정제 이산화탄소 공급 스트림을 종래의 이산화탄소 처리 시스템 보다 더욱 효과적인 방식으로 처리할 수 있다.

Claims (10)

  1. (A) 이산화탄소 및, 이산화탄소보다 높은 증기압을 갖는 하나 이상의 종으로 구성된 경량의 불순물을 포함하는 공급물을 제공하여, 상기 공급물을 칼럼으로 전송하는 단계와,
    (B) 칼럼내에서 공급물을 경량의 상층 생성물과 이산화탄소 생성물로 분리시키는 단계와,
    (C) 상기 칼럼으로부터 경량의 상층 생성물을 추출하고, 이를 이산화탄소 및 경량의 불순물을 포함하는 열교환 유체와의 간접 열교환에 의해 부분적으로 응축시킴으로써 가스상태의 열교환 유체를 생성하는 단계와,
    (D) 상기 가스상태의 열교환 유체를 상기 칼럼의 상류에서 공급물로 전송하는 단계, 및
    (E) 상기 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 회수하는 단계를 포함하며, 상기 공급물이 칼럼으로 전송되기 이전에 응축되는 이산화탄소 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 공급물이 칼럼으로 전송되기 이전에 재순환 냉매와의 간접 열교환에 의해 응축됨을 특징으로 하는 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 열교환 유체가 칼럼의 하부로부터 수득된 이산화탄소 생성물을 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 열교환 유체가 부분적으로 응축된 경량의 상층 생성물로부터 얻어지는, 이산화탄소보다 높은 증기압을 갖는 하나 이상의 종으로 구성된 경량의 불순물을 포함함을 특징으로 하는 제조 방법.
  6. (A) 칼럼, 및 상기 칼럼으로 이산화탄소 및 이산화탄소보다 높은 증기압을 갖는 하나 이상의 종으로 구성된 경량의 불순물을 포함하는 공급물을 전송하기 위한 공급물 제공 수단과,
    (B) 배출가스 응축기, 및 상기 칼럼의 상부로부터 배출가스 응축기로 유체를 전송하기 위한 수단과,
    (C) 상 분리기, 및 상기 배출가스 응축기로부터 상 분리기로 유체를 전송하기 위한 수단과,
    (D) 상기 상 분리기로부터 상기 배출가스 응축기로, 그리고 상기 배출가스 응축기로부터 상기 공급물 제공 수단으로 유체를 전송하기 위한 수단, 및
    (E) 상기 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하며, 상기 공급물 제공 수단이 공급물 응축기를 포함하는 이산화탄소 제조 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 배출가스 응축기로부터 공급물 제공 수단으로 유체를 전송하기 위한 수단이 공급물 응축기의 상류에서 공급물 제공 수단과 연통함을 특징으로 하는 제조 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 칼럼의 하부로부터 상 분리기로 유체를 전송하기 위한 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는 제조 장치.
  9. 제 6항에 있어서, 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 회수하기 위한 수단이 과냉각기(subcooler)를 포함함을 특징으로 하는 제조 장치.
  10. 제 6항에 있어서, 공급물 제공 수단이 재가열기를 포함하고, 칼럼의 하부로부터 재가열기로, 그리고 상기 재가열기로부터 칼럼의 하부로 유체를 전송하기 위한 수단을 추가로 포함함을 특징으로 하는 제조 장치.
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