KR20000005637A - 이산화탄소의제조방법및장치 - 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 야채등을 냉장 및 냉동시키고, 유제품의 저장 수명을 연장시키기 위해 사용된다. 이러한 이산화탄소는 pH 수치를 제어하기 위해 황산의 대체 성분으로서 산업상 폐기물 및 가공수 처리에서 중요한 환경적인 구성요소이다. 음료수 처리, 환경 친화적 살충제 및 야채의성장을 개선시키기 위해 온실 내에 대기 첨가물로 또한 사용된다.
일반적으로, 이산화탄소는 유기 또는 무기 화학 반응의 부산물인 폐 스트림을 정화시킴으로써 제조된다. 이산화탄소를 포함한 폐 스트림은 응축되어 생성물 등급(product grade)의 이산화탄소를 제조하기 위해 증류 칼럼 내에서 처리된다.
이산화탄소에 대한 요구가 계속 증가됨에 따라, 정화 시스템에 미정제 이산화탄소를 공급하기 위해 보다 많은 이산화탄소 한계 공급원이 사용된다. 이러한 한계 공급원은 경량의 오염인자를 상당량 함유하고 있으며 생성물로 정류되기 이전에 필수의 액화를 수행하기 위해 보다 많은 에너지를 필요로 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 이산화탄소 처리 시스템 보다 더 효과적인 방식으로 경량의 오염인자를 함유하는 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 또 다른 특성, 목적, 및 잇점을 나타낸 바람직한 실시예에 따라, 이산화탄소를 제조하기 위한 방법은 (A) 이산화탄소 및 경량의 오염인자를 함유하는 공급물을 제공하여 칼럼 내부로 통과시키는 단계와, (B) 칼럼내의 공급물을 경량의 상층 생성물(light overhead) 및 이산화탄소 생성물로 분리시키는 단계와, (C) 칼럼으로부터 경량의 상층 생성물을 회수하고 가스상 열교환 유체를 발생시키기 위해 이산화탄소 및 경량의 불순물을 포함하는 열교환 유체와간접 열교환에 의해 경량의 상층 생성물을 부분적으로 응축시키는 단계와, (D) 가스상 열교환 유체를 칼럼의 공급 상류로 통과시키는 단계와, 그리고 (E) 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 재생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시양태에 따라, 이산화탄소를 제조하기 위한 장치는 (A) 이산화탄소 및 경량의 불순물을 함유하는 공급물을 칼럼 내부로 통과시키기 위한 칼럼 및 공급물 제공 수단과, (B)칼럼의 상부로부터 가스 응축기 배출구로 유체를 통과시키기 위한 배출 가스 응축기와, (C) 상분리기 및 배출 가스 응축기로부터 상 분리기까지 유체를 통과시키기 위한 수단과, (D) 상 분리기로부터 배출 가스 응축기까지 그리고 배출 가스 응축기로부터 공급 제공 수단까지 유체를 통과시키기 위한 수단과, 그리고 (E) 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 재생시키기 위한 수단을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "칼럼"은 증류 또는 분류 칼럼 또는 영역 즉, 접촉 칼럼 또는 영역을 의미하며, 액체 및 증기 상은 구조화되거나 불규칙 충전물과 같은 칼럼 및/또는 충전 부재 내에 장착된 수직으로 이격된 크레이 또는 플레이트 상에 기상 및 액상을 접촉시킴으로써 유체 혼합물의 분리에 영향을 미치기 위해 역방향으로 접촉되어 있다. 증류 칼럼에 대해서는 뉴욕 멕그로우-힐 출판사(McGraw-Hill Book company)의 알. 에리치. 페리(R.H. Perry) 및 씨. 에이치. 칠톤(C.H. Chilton)에 의해 출판된 케미컬 엔지니어 핸드북, 제 5판, 연속 증류 공정을 참조하면 된다.
증기 및 액체 접촉 분리 공정은 성분에 대한 증기압의 차이에 따라 달라진다. 높은 증기 압력(또는 보다 휘발성 또는 낮은 융점의) 성분은 증기 상에 집중되는 반면 낮은 증기 압력(또는 낮은 휘발성 또는 높은 융점의) 성분은 액체 상으로 집중될 것이다. 부분 응축은 분리 공정으로서 증기 혼합물의 냉각은 증기 상에서 휘발성 성분을 응축시키는데 사용되며, 이로 인해 액체 상에 덜 휘발성 성분이 응축된다. 증류, 또는 연속 증류는 증기 및 액체 상의 대응 처리에 의해 얻어지는 연속적인 부분 기화 및 응축을 결합하는 분리 공정이다. 상향 증기 및 하향 액체 상의 대응 접촉은 일반적으로 단열 상태이며 액상과 기상 사이의 일체식(단계식) 또는 차등(연속식) 접촉을 포함한다. 혼합물을 분리시키기 위해 정류의 원리를 이용하는 분리 공정 배열은 때때로 정류 칼럼, 증류 칼럼, 또는 분류 칼럼으로 서로 번갈아 불려진다. 극저온 정류는 150°K 또는 그 이항의 온도에서 수행되는 정류 공정이다.
본 명세서에서 사용되는 "상부" 및 "하부"는 칼럼의 중간 지점의 윗부분 및 아래 부분을 각각 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "간접 열교환"은 유체의 임의의 물리적인 접촉 또는 유체 서로간의 혼합없이 두 유체가 열 교환 관계에 놓여있음을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "경량의 불순물(light contaminants)"은 이산화탄소보다 더 큰 증기압을 갖는 하나 이상의 종을 의미한다. 경량의 불순물의 예는 질소, 산소, 아르곤, 수소, 및 일산화 탄소를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 " 상 분리기(phase separator)"는 유입 유체를 중력에 따라 상분리 용기로부터 각각 제거가능하도록 분리 가스 및 액체 성분으로 분리가능하도록 충분한 횡단면적을 갖는 용기를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어중 "차냉각(subcooling)"은 현존 압력에 대한 액체 포화 온도보다 낮은 온도에서 액체의 냉각을 의미한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 기술되어질 것이다.
도면을 참조하면, 이산화탄소, 경량의 불순물, 및 수증기를 함유한 공급 스트림(50)은 주위 압력에서 압축기(1)를 통과하여 60 내지 90 psia 의 범위내의 압력으로 압축된다. 공급 스트림(50)은 에탄올 및/또는 다른 알코올을 발생시키는 시스템과 같은 유기 또는 무기 화학 제조 시스템의 폐 방출물로부터 취해진다. 공급물 내의 이산화탄소의 농도는 건조 상태에서 80 몰% 를 초과한다. 본 발명은 건조 상태에서 적어도 5 몰%를 함유하는 공급물을 처리하기 위한 특정 유용성을 갖는다.
압축된 공급물(51)은 물 또는 공기 구동식 냉각기(2)를 통해 통과함으로서 냉각되며 응축된 수분은 상 분리기(3) 내에서 분리된다. 공급물은 280 내지 325 psia 의 범위 내의 압력에서 압축기(4)를 통해 통과함으로써 보다 압축된다. 보다 압축된 공급물(52)은 냉각기(5,6)를 통해 통과함으로서 보다 냉각된다. 응축된 수분은 상 분리기(7) 내에서 제거되며 공급물은 흡착제 베드(8)을 통해 통과함으로써 보다 건조된다.
냉각되고 건조된 공급 스트림(53)은 칼럼 재가열기(9)를 통해 통과함으로써 노점 부근에서 냉각되며, 도관에 의해 공급 응축기(10)에 제공되며, 이후에 보다 상세히 설명되어질 재순환 냉각제와 간접 열 교환에 의해 적어도 부분적으로, 바람직하게 총괄적으로 응축된다. 최종적인 응축 공급물(54)은 도면에 도시되어진 것과 같이 밸브(11)를 통해 통과하며 칼럼의 상층에서 칼럼(12)을 통과한다.
가스상 냉각제 유체(55) 바람직하게 암모니아는 압축기(15)를 통해 통과함으로써 적정 압력으로 압축되고 직접 접촉 애프터쿨러(16)로 통과된다. 가스상 적정 압력 냉각 유체는 스트림(56) 내의 애프터쿨러(16)로부터 회수되며 압축기(17) 내에서 고압으로 압축된다. 고압의 유체는 물 또는 공기 등의 간접 열교환게 의해 열 교환기(18)를 통해 통과함으로써 전체적으로 응축되며, 냉각 매체로서 밸브(19)를 통해 애프터쿨러(16) 내부로 통과된다. 적정 압력으로 냉각된 냉각 유체는 스트림(57) 내에 애프터쿨러(16)로부터 회수된다. 도면에 도시되어진 것과 같이, 스트림(57)의 일부분(58)은 공급물을 냉각하기 위해 냉각기(6)를 통과하고 나서 애프터쿨러(16)에 반환된다. 스트림(57)의 잔류 부분은 밸브(20)를 통과하고 나서 스트림(59,60)으로 분할된다. 스트림(59)은 도관에 의해 공급 응축기(10)에 제공되며 전술한 응축 공급물와 간접 열교환에 의해 기화되며, 최종적인 기화 냉각 유체는 스트림(61)으로 공급 응축기(10)로부터 회수된다. 스트림(60)은 차냉각기(13)내부로 통과되며 차냉각 생성물과 간접 열교환에 의해 기화된다. 최종적인 기화 스트림(62)은 가스상 스트림(55)을 형성하기 위해 스트림(61)과 결합되며 폐루프 냉각 싸이클이 반복된다.
칼럼(12)은 250 내지 320 psia의 범위내의 압력에서 작동된다. 칼럼(12) 내에서, 공급물은 증류에 의해 경량의 상층 생성물과 이산화탄소 생성물로 분리된다. 공급 액체는 상향 증기에 반대하여 칼럼(12) 아래로 흐르며, 경량의 불순물은칼럼(12)의 상층에 경량의 상층 생성물을, 칼럼(12)의 바닥에서 이산화탄소 생성물을 형성하기 위해 하향 액체로부터 상향 증기 내부로 빠져 나간다.
적어도 99.9 몰%의 이산화탄소 농도를 갖는 이산화탄소 생성물 액체는 스트림(63) 내의 칼럼(12)의 하부로부터 회수된다. 냉각 공급물과 간접 열교환으로 인해 재가열기(9)를 통과함으로써 부분(64)이 기화되며 최종적인 기화 부분(65)은 상향 증기로 제공하기 위해 칼럼(12) 내부로 역으로 통과된다. 스트림(63)의 또 다른 부분(66)은 차냉각기(13)를 통과함으로서 차냉각되며 밸브(14)를 통과하며 스트림(67) 내의 이산화탄소 생성물로 재생된다.
공급물의 농도로부터 보다 높은 농도의 경량의 불순물을 함유하는 경량의 상층 생성물 증기는 스트림(68) 내의 칼럼(12)의 상부로부터 회수된다. 경량의 상층 생성물은 배출구 가스 응축기(30)를 통해 통과함으로써 부분적으로 응축되고 상 분리기(31) 내부로 통과된다. 필요하다면, 스트림(67)의 부분(28)은 밸브(33)를 통해 상 분리기(31) 내부로 통과된다. 대부분 경량의 불순물을 함유하는 상 분리기(31)로부터 증기는 스트림(69) 내의 상 분리기(31)로부터 회수되며, 밸브(34)를 통과하여 시스템으로부터 회수된다. 경량의 상층 생성물 내의 대량의 이산화탄소와 경량의 불순물을 함유한 액체는 열 교환 액체 스트림(70)에서와 같이 상 분리기(31)로부터 회수되며 밸브(29)를 통과하여 배출구 가스 응축기(30)를 통해 통과함으로써 기화되며, 밸브(32)를 통과하며 칼럼(12)의 상류의 공급물 제공 수단 내의 유입 공급물에 재순환된다.
배출구 가스 응축기를 구동시키기 위한 경량의 불순물 및 이산화탄소를 함유한 열 교환 액체의 사용은 배출구 가스 응축기 내의 경량의 상층 생성물 스트림의 부분적인 농도가 낮은 에너지로 사용가능하게 한다. 열 교환 유체의 다중 성분은 배출구 가스 응축기를 통한 다중성분 열교환 유체의 기화와 관련된 상층 생성물 스트림의 부분적인 응축 및 냉각 사이의 온도차를 감소시킴으로써 공정 손실 작업을 최소화한다. 또한, 다중 성분 열교환 유체가 공급물에서와 같이 이산화탄소 및 경량의 불순물을 함유함으로 인해, 배출 가스 응축기로부터 가스상 다중성분 열교환 유체가 본 발명의 공정 효율을 보다 증진시킬 수 있는 부가적인 이산화탄소용 공급물과 혼합된다.
본 발명을 이용하여, 상당한 수치의 경량 불순물을 함유한 공급물로부터 증류에 의해 이산화탄소 생성물을 효율적으로 제공할 수 있다. 본 발명이 임의의 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 기술되어져 있으나, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 처리시 오일 침수 스크류 압축기와 같은 특정 압축기를 이용한다면, 열교환 유체 스트림(70)은 기화되며 중간 압력 수치에서 재가열되고 적절한 사이드 포오트 입구에서 압축기(4) 내부로 도입된다. 택일적으로, 열교환 유체 스트림(70)은 압축기(4) 에 평행한 개별 압축기 내에서 독립적으로 압축되며 공급 스트림(52)에 부가된다. 또한, 압축된 열교환 유체 스트림(70)은 유닛(10)에 평행한 응축기 내에 독립적으로 응축될 수 있으며 칼럼 내부로 도입되기 이전에 공급 스트림에 부가된다.
본 발명으로 인해 경량의 불순물을 함유하는 미정제 이산화탄소 공급 스트림을 종래의 이산화탄소 처리 시스템 보다 더 효과적인 방식으로 처리할 수 있다.

Claims (10)

  1. 이산화탄소를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    (A) 이산화탄소 및 경량의 불순물을 함유하는 공급물을 제공하여 상기 공급물을 칼럼 내부로 통과시키는 단계와,
    (B) 상기 칼럼 내의 공급물을 경량의 상층 생성물 및 이산화탄소 생성물로 분리시키는 단계와,
    (C) 상기 칼럼으로부터 경량의 상층 생성물을 회수하여 가스상 열 교환 유체를 발생시키기 위해 이산화탄소 및 경량의 불순물을 함유하는 열교환 유체와의 간접 열교환에 의해 경량의 상층 생성물을 부분적으로 응축시키는 단계와,
    (D) 상기 가스상 열 교환 유체를 상기 칼럼의 공급물 상류 내부로 통과시키는 단계, 및
    (E) 상기 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 회수시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 공급물은 상기 칼럼 내부로 통과되기 이전에 응축되는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 공급물은 재순환 냉각제와의 간접 열교환으로 인해 응축되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환 유체는 상기 칼럼의 하부로부터 취해진 이산화탄소 생성물을 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환 유체는 상기 부분적으로 응축된 경량의 상층 생성물로부터 경량의 불순물을 포함하는 방법.
  6. 이산화탄소를 제조하기 위한 장치에 있어서,
    (A) 칼럼, 및 이산화탄소 및 경량의 불순물을 함유하는 공급물을 상기 칼럼 내부로 통과시키기 위한 공급물 제공 수단과,
    (B) 배출구 가스 응축기, 및 상기 칼럼의 상부로부터 배출구 가스 응축기까지 유체를 통과시키기 위한 수단과,
    (C) 상분리기, 및 상기 배출구 가스 응축기로부터 상기 상 분리기까지 유체를 통과시키기 위한 수단과,
    (D) 상기 상 분리기로부터 상기 배출 가스 응축기까지, 그리고 상기 배출 가스 응축기로부터 상기 공급물 제공 수단까지 유체를 통과시키기 위한 수단, 및
    (E) 상기 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 회수하기 위한 수단을 포함하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 공급물 제공 수단은 공급물 응축기이며, 상기 배출구가스 응축기로부터 상기 공급물 제공 수단까지 유체를 통과시키기 위한 수단은 상기 공급물 응축기 상류의 상기 공급물 제공 수단과 연통하는 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 칼럼의 하부로부터 상기 상 분리기까지 유체를 통과시키기 위한 수단을 더 포함하는 장치.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 칼럼의 하부로부터 이산화탄소 생성물을 회수하기 위한 수단은 차냉각기를 포함하는 장치.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 공급물 제공 수단은 재가열기를 포함하며, 상기 칼럼의 하부로부터 상기 재가열기까지, 그리고 상기 재가열기로부터 상기 칼럼의 외부까지 유체를 통과시키기 위한 수단을 포함하는 장치.
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