KR20080094004A - 이산화탄소 회수에서의 아민의 재생 - Google Patents
이산화탄소 회수에서의 아민의 재생Info
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Abstract
공급 가스 스트림으로부터의 이산화탄소 회수에 유용한 알칸올아민 흡수 용액은 감소되는 압력하에서 둘 이상의 단계에서 기화를 수행하여 재생된다.
Description
본 발명은 일반적으로 기체성 공급 혼합물로부터 이산화탄소의 회수에 관한 것이다.
CO2 순도가 높은 (본원에서 사용되는 이 용어는 이산화탄소 함량이 95% 이상임을 의미한다) 공급 스트림이 이용가능할 경우 이러한 스트림으로부터 증류 기법을 사용하여 이산화탄소를 생성한다. 이러한 공급원의 예는 암모니아 및 수소 플랜트 오프 가스(off gas), 발효 공급원 및 CO2 풍부원에서 자연적으로 발생하는 가스를 포함한다. 전형적으로, 액체 CO2는 중앙 플랜트에서 생성된 후 수백 마일 떨어져 있을 수 있는 사용자에게 운송되므로 높은 운송 비용이 발생한다. 이산화탄소의 농도가 높은 공급원의 부족 및 소비자로부터 공급원의 거리는 일반적으로 소비자 위치에 보다 가깝게 이용가능한 낮은 농도의 공급원으로부터 CO2를 회수하기 위한 동기를 부여한다. 이러한 공급원의 유력한 예는 연소를 위해 사용되는 연료의 양 및 과량의 공기에 따라 전형적으로 3 내지 25%의 CO2를 함유하는 연도가스(flue gas)이다.
CO2 농도가 상대적으로 낮은 공급원으로부터 CO2의 고농도 생성물 스트림을 생성하기 위해, 공급 가스 중 CO2 농도를 증류 장치로 보내질 수 있는 더 높은 농도의 스트림을 생성하도록 현저히 향상시키는 것이 필요하다. 막, 흡착 분리 (PSA, VPAS, TSA), 물리적 흡수 및 화학적 흡수를 포함하는 다양한 기법을 CO2 순도를 향상시키기 위해 사용할 수 있다. 전체적인 설계의 경제적인 측면 (자본 및 가동 비용)은 공급물의 순도, 생성물 순도 요구조건 및 얻어진 회수율에 의존한다. 막, 흡착 분리 및 물리적 흡수의 경우, 특정한 높은 생성물 순도를 얻기 위한 비용은 공급 순도에 매우 의존한다. 다른 한편으로는, 화학적 흡수의 비용은 공급 CO2 함량에 대해 상대적으로 영향을 받지 않기 때문에 이 기법은 단일 단계에서 고순도 (본원에서 사용되는 이 용어는 이산화탄소 함량이 95% 이상임을 의미한다) CO2 증기를 직접 얻는 편리한 방법을 제공한다. 상기 증기는 그 자체로 또는 CO2 액화 플랜트로의 공급물로서 사용할 수 있다.
화학적 흡수는 알칸올아민 및 탄산염, 예컨대 고온 탄산칼륨을 사용하여 수행할 수 있다. 그러나, 탄산염을 사용할 경우, 임의의 현저한 회수율을 가지기 위해 CO2의 분압이 15 psia 이상인 것이 필요하다. 연도가스가 대기압에서 전형적으로 이용가능하고 연도가스 중 CO2의 분압이 약 0.5 내지 3 psia로 변동하기 때문에, 탄산염을 사용하는 화학적 흡수의 사용은 공급 가스의 압축을 필요로 할 것이다. 이는, 동시에 존재하는 질소를 압축하는데 현저한 에너지가 들어가기 때문에 매우 비경제적이다. 다른 한편으로, 대기압에서 희박한 공급원으로부터 CO2의 적절한 회수 수준을 제공할 수 있는 알칸올아민이 존재한다. 따라서 연도가스와 같은 공급원으로부터 고순도 (95% 이상) CO2 증기의 회수를 위해 아민으로의 화학적 흡수가 바람직하다.
화학적 흡수 공정의 중요 단계는 상대적으로 낮은 온도 (약 100℉)에서 연도가스로부터 아민 용액으로 CO2를 흡수하는 단계, 생성된 CO2 풍부 아민 용액을 약 220℉로 가열하는 단계, 이어서 약 240℉의 온도에서 스팀을 사용하여 CO2 풍부 용액으로부터 CO2를 스트립핑(stripping)하는 단계이다.
전형적으로, 연도가스는 아민(들) 및 흡수제의 다른 성분의 분해를 야기할 수 있는 현저한 양의 산소 (2% 초과)를 함유한다. 분해 부산물은 부식 문제를 발생시키고 또한 전체적인 성능의 현저한 악화 예를 들어 CO2 회수율의 하락을 야기한다.
산화 분해 이외에, 수성 아민은 몇몇의 다른 분해 메카니즘을 수행할 수 있으며, 이 중 다수는 열 안정성 염 및 다른 분해 부산물과 같은 화합물의 형성을 야기한다. 열 안정성 염 및 다른 분해 부산물은 액체 흡수제 내에서의 기간 동안 축적되고 부식, 발포, 생성 속도 감소, 및 증가된 에너지 요구와 같은 심한 문제를 야기할 수 있다. 따라서 아민 공정의 효율적인 가동은 액체 흡수제로부터의 열 안정성 염 및 다른 분해 부산물 화합물의 주기적인 또는 연속적인 제거를 필요로 한다. 이전 기법에 사용되는 전형적인 공정은 처리되는 물질의 단위당 상대적으로 높은 양의 에너지를 소비한다.
따라서, 보다 열적으로 효율적인 방식으로 아민 흡수 용액을 처리하는 공정이 필요하다.
<발명의 개요>
본 발명은
(A) 이산화탄소 함유 흡수 용액을 스트립핑하여 그로부터 이산화탄소 풍부 유체 및 이산화탄소 결핍 흡수 액체를 얻는 단계로서, 상기 이산화탄소 함유 흡수 용액은 이산화탄소를 포함하는 공급 가스로부터 상기 이산화탄소 결핍 흡수 용액이 적어도 일부를 구성하는 흡수제로의 이산화탄소 흡수에 의해 얻어지는 것인 단계;
(B) 상기 스트립핑에 의해 형성된 상기 이산화탄소 결핍 흡수 액체의 일부를 기화시켜 초기 증기 스트림 및 이산화탄소 희박 흡수 액체를 얻는 단계;
(C) 상기 초기 증기 스트림을 상기 스트립핑 단계에 공급하는 단계;
(D) 상기 이산화탄소 희박 흡수 액체 스트림의 적어도 일부를 기화시켜 제1 재생 증기 스트림 및 비기화 분획을 얻는 단계;
(E) 상기 제1 재생 증기 스트림을 상기 스트립핑 단계에 공급하는 단계;
(F) 단계 (D)를 수행하는 가장 낮은 압력 보다 더 낮은 압력에서 상기 비기화 분획의 일부를 기화시켜 제2 재생 증기 스트림 및 비기화 잔류물을 얻는 단계; 및
(G) 상기 제2 재생 증기 스트림을 응축하고, 상기 응축된 스트림을 단계 (A)에서 이산화탄소를 흡수하는 상기 흡수제에 첨가하는 단계
를 포함하는 이산화탄소 회수 방법을 포함한다.
본원에서 사용되는 "흡수 컬럼"이라는 용어는 적합한 용매, 즉 흡수제가 하나 이상의 다른 성분을 함유하는 유체로부터 흡수물을 선택적으로 흡수하게 하는 물질 이동 장치를 의미한다.
본원에서 사용되는 "스트립핑 컬럼"이라는 용어는 흡수물과 같은 성분을 일반적으로 에너지를 가하여 흡수제로부터 분리하는 물질 이동 장치를 의미한다.
본원에서 사용되는 "산소 제거(scavenging) 가스"는 산소 농도가 2 몰 퍼센트 미만, 바람직하게는 0.5 몰 퍼센트 미만이고, 액체로부터 용해된 산소를 스트립핑하기 위해 사용될 수 있는 가스를 의미한다.
본원에서 사용되는 "상부" 및 "하부"라는 용어는 각각 컬럼의 중점 위 및 아래의 컬럼의 구획을 의미한다.
본원에서 사용되는 "간접 열 교환"이라는 용어는 서로간의 임의의 물리적 접촉 또는 유체의 혼합 없이 두 유체가 열 교환 관계가 되게 하는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 공정을 수행하는 환경을 나타내는 이산화탄소 회수 공정의 개략도이다.
도 2 내지 7은 본 발명의 재생 구획의 실시양태의 개략도이다.
본 발명은 상대적으로 저순도 이산화탄소의 공급 스트림으로부터 고순도 이산화탄소를 회수하기 위한 공정의 일부로서 사용될 경우 특히 유용하다. 예시된 공정에 대한 참조가 본 발명의 범위의 제한을 위한 것이라고 추론되어서는 안되지만 하나의 이러한 공정은 도 1에 예시되고 도 1을 참조하여 하기에 기재된다.
도 1을 참조하여, 전형적으로 냉각되고 미립자 및 산화황 (SOx) 및 산화질소 (NOx)와 같은 다른 불순물의 감소를 위해 처리된 공급 가스 혼합물 (1)은 이를 일반적으로 절대압력 제곱인치당 14.7 내지 30 파운드 (psia)의 범위의 압력으로 압축시키는 압축기 또는 송풍기 (2)로 보내어진다. 공급 가스 혼합물 (1)은 일반적으로 흡수물로서 2 내지 50 몰 퍼센트의 이산화탄소를 함유하고, 이산화탄소의 농도는 전형적으로 3 내지 25 몰 퍼센트의 범위이다. 공급 가스 혼합물 (1)은 또한 일반적으로 1 미만 내지 약 18 몰 퍼센트의 범위의 농도의 산소를 함유한다. 공급 가스 혼합물 (1)은 또한 미량의 탄화수소, 질소, 일산화탄소, 수증기, 산화황, 산화질소 및 미립자와 같은 하나 이상의 다른 성분을 함유할 수 있다. 바람직한 공급 가스 혼합물은 연도가스이며, 이는 탄화수소 또는 탄수화물 물질과 공기, 또는 산소를 함유하는 임의의 다른 기체성 공급물의 완전 또는 부분 연소시 얻어지는 가스를 의미한다.
압축된 공급 가스 혼합물 (3)은 송풍기 (2)로부터 흡수 컬럼 (4)의 하부로 보내어지며, 상기 컬럼은 컬럼의 상부에서 일반적으로 40 내지 45℃의 범위의 온도 및 컬럼의 하부에서 일반적으로 50 내지 60℃의 범위의 온도에서 가동된다. 흡수 컬럼은 전형적으로 대기압 내지 1.5 기압의 압력에서 가동한다.
흡수제 (6)은 흡수 컬럼 (4)의 상부로 보내어진다. 흡수제 (6)은 물 및 1종 이상의 알칸올아민을 포함한다. 흡수제 (6)은 선택적이지만 바람직하게는 하기 기재된 바와 같이 유기 성분을 또한 함유한다.
본 발명에 유용한 알칸올아민은 화학식 NR1R2R3 (식 중, R1은 히드록시에틸, 히드록시이소프로필, 또는 히드록시-n-프로필이고, R2는 수소, 히드록시에틸, 히드록시이소프로필, 또는 히드록시-n-프로필이고, R3는 수소, 메틸, 에틸, 히드록시에틸, 히드록시이소프로필, 또는 히드록시-n-프로필임)에 따르는 단일 화합물, 및 화합물의 혼합물을 포함한다. 본 발명의 실시에서 흡수장치 유체 (6)에 사용될 수 있는 알칸올아민의 바람직한 예는 모노에탄올아민 (또한 "MEA"으로 언급됨), 디에탄올아민, 디이소프로판올아민, 메틸디에탄올아민 (또한 "MDEA"로 언급됨) 및 트리에탄올아민이다.
흡수제 (6) 중 알칸올아민(들)의 농도는 전형적으로 5 내지 80 중량 퍼센트, 바람직하게는 10 내지 50 중량 퍼센트의 범위이다. 예를 들어, 본 발명의 실시에서 흡수 유체로 사용하기 위한 모노에탄올아민의 바람직한 농도는 5 내지 25 중량 퍼센트, 보다 바람직하게는 10 내지 15 중량 퍼센트이다.
임의로는, 흡수제 (6)은 또한 아민 성분 외에 유기 성분을 함유할 수 있다. 유기 성분은 C1-C3 알칸올, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 또는 화학식 R4-O-(C2H4O)n-R5 (식 중, n은 3 내지 12이고, R4는 수소 또는 메틸이고, R5는 수소 또는 메틸이거나, 또는 R4는 페닐이고, R5는 수소임)의 폴리에틸렌 글리콜 에테르, 폴리프로필렌 글리콜 또는 화학식 R6-O-(C3H6O)p-R7 (식 중, n은 3 내지 6이고, R6는 수소 또는 메틸이고, R7은 수소 또는 메틸이거나, 또는 R6는 페닐이고, R7은 수소임)의 폴리프로필렌 글리콜 에테르, 비치환되거나 1개 또는 2개의 탄소 원자를 함유하는 1개 또는 2개의 알킬기로 N-치환된 아세트아미드, 글리세롤, 설폴란, 디메틸설폭사이드, 및 이들의 혼합물 중 하나 이상이다. 유기 성분은 수용성이고 대기압에서 25℃의 표준 조건에서 액체이다.
적합한 유기 성분의 예는 메탄올, 에탄올, 에틸렌 글리콜의 모노메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜의 모노페닐 에테르, 디메틸 아세트아미드, 및 N-에틸 아세트아미드를 포함한다. 다른 바람직한 유기 성분은 글리콜, 글리콜 에테르, 상술한 폴리에틸렌 글리콜 및 이들의 에테르, 상술한 폴리프로필렌 글리콜 및 이들의 에테르, 글리세롤 및 설폴란을 포함한다.
유기 성분 및 이들의 양은 몇몇의 요인을 만족하도록 선택된다. 일차 요인은 재생 구획에서 전체적인 스팀 요건에 대한 흡수 용액의 현열 및 잠열의 기여를 감소시키는 것이다. 잠열은 스트립핑 컬럼에서 증발시킬 필요가 있는 물의 상대적인 양을 감소시킴으로써 감소시킨다. 관련 요인은 흡수 용액의 열 용량을 감소시키는 것이다. 바람직하게는, 물 이외에 1종 이상의 아민을 포함하지만 본원에서 정의한 유기 성분을 포함하지 않는 용액의 열 용량을 물의 일부를 유기 성분으로 대체한 것 외에 동일한 양의 동일한 1종 이상의 아민을 함유하는 동일한 용액의 열 용량과 비교하여 결정한 열 용량이 10% 이상만큼 감소되어야 한다. 전형적으로 유기 성분은 흡수 용액의 열 용량이 아민(들) 및 물을 포함하지만 유기 성분이 없는 흡수제의 경우 약 0.9 내지 1 cal/g ℃에서 아민(들), 물 및 유기 성분을 포함하는 흡수제의 경우 약 0.65 내지 0.9 cal/g ℃로 감소하도록 선택한다.
특정 유기 성분의 선택은 몇몇의 다른 요인들을 고려해야만 한다. 한 요인은 가연성이며, 이는 흡수제가 흡수장치에서 현저한 양의 산소를 함유하는 연도가스와 접촉할 경우 중요하다. 예를 들어, CO2가 회수되는 연도가스가 고도의 산화 환경을 제공하기에 충분한 산소를 함유할 경우 알콜은 바람직한 유기 성분이 아니다. 또 다른 요인은 흡수장치 (4)의 상부를 나가는 가스 스트림을 추가 처리 없이 대기로 배출시켜 유기 성분을 제거하거나 예를 들어 이를 연소시켜 화학적으로 개질할 경우의 환경적 고려이다. 이러한 상황에서, 건강 위험을 제기할 수 있거나 대기 중 악취 또는 분해를 야기할 수 있는 유기 성분은 피해야 한다. 또 다른 요인은 유기 성분이 아민(들) 및 용기, 펌프 및 라인뿐 아니라 개스킷(gasket), 밀봉재(seal), 밸브 및 다른 부품을 포함하는, 유기 성분과 접촉할 수 있는 시스템에서 사용되는 물질과 화학적으로 상용성이어야 한다는 점이다.
유기 성분 및 그의 양(들)의 선택에서 a) 밸브에서의 흡수 용액의 증기압을 흡수장치 배출 손실을 최소화하는 값으로 유지하는 것, b) 흡수장치에서 흡수 용액과 CO2의 반응 속도를 유지하거나 증가시키는 것, 및 c) 흡수장치에서 흡수 용액의 발포하려는 임의의 경향을 감소시키는 것이 또한 중요하다.
상술한 유기 성분이 흡수 용액 중에 존재할 경우, 흡수 용액은 더 낮은 열 용량을 가질 수 있으며, 이는 흡수장치 (4) 내의 증가된 온도를 야기할 수 있다. 따라서 용액 조성을 흡수장치 (4) 내의 온도가 85℃, 바람직하게는 75℃를 초과하지 않도록 조정하는 것이 필요하다. 또한, 스트립퍼에서 아민 흡수제가 열적으로 분해되는 것을 피하기 위해, 유기 성분을 갖는 흡수 용액은 그의 비등점이 너무 높아져서 스트립퍼가 임의의 지점에서 약 130℃ 초과의 온도에서 가동되는 것을 필요로 하도록 하지 않도록 제조되어야 한다.
상술한 모든 요인을 고려하여, 유기 성분이 또한 존재할 경우 총 아민은 20 내지 60 중량%, 바람직하게는 25 내지 50 중량%를 구성하고, 유기 성분의 총합은 10 내지 50 중량%, 바람직하게는 25 내지 40 중량%를 구성하여야 하고, 물은 흡수 용액의 10 내지 50 중량%, 바람직하게는 20 내지 40 중량%를 구성하여야 한다.
본 발명에 따라 유기 성분을 또한 포함하는 전형적인 흡수 용액의 조성의 일부 예는
30 중량%의 MEA, 30 중량%의 에틸렌 글리콜, 40 중량%의 물
30 중량%의 MEA, 40 중량%의 디에틸렌 글리콜, 30 중량%의 물
25 중량%의 MEA, 25 중량%의 MDEA, 30 중량%의 디에틸렌 글리콜, 20 중량%의 물
30 중량%의 MEA, 20 중량%의 MDEA, 30 중량%의 디에틸렌 글리콜, 20 중량%의 물
이다.
흡수 컬럼 (4) 내에서 공급 가스 혼합물은 아래로 유동하는 흡수제에 대해 역류하여 올라간다. 흡수 컬럼 (4)는 트레이 또는 불규칙 또는 구조화 패킹과 같은 컬럼 내부 또는 물질 이동 요소를 함유한다. 공급 가스가 올라감에 따라, 공급 가스 내의 대부분의 이산화탄소, 소량의 산소 및 질소와 같은 다른 종이, 아래로 유동하는 흡수장치 액체로 흡수되어 컬럼 (4)의 상부에서 이산화탄소 결핍 상부 증기를 생성하고, 컬럼 (4)의 하부에서 용해된 산소를 함유하는 이산화탄소 적재 흡수제를 생성한다. 상부 증기는 컬럼 (4)의 상부로부터 스트림 (5)로 배출되고, 이산화탄소 적재 흡수제는 컬럼 (4)의 하부로부터 스트림 (7)로 배출된다.
본질적으로 질소가 풍부한 흡수장치 배출 가스 (5)에 혼입된 아민 및/또는 유기 성분을 포획하기 위해 안개 제거제를 흡수장치의 상부에 제공할 수 있다. 아민 및 유기 성분의 제거를 돕기 위해, 안개 제거제 이외에 또는 안개 제거제 대신에 물 세척을 사용할 수 있다.
용해된 산소가 알칸올아민 및 일부 유기 희석제의 분해를 야기하여 부식 및 다른 가동 어려움을 유발함에 따라, 이산화탄소 적재 흡수제 중에 용해된 산소의 농도 수준을 그 다음 이산화탄소 및 산소 함유 흡수 스트림 (7)을 산소가 스트림으로부터 제거되는 단계로 운반하여 감소시키는 것이 선택적이지만 바람직하다.
산소의 완전한 제거가 이상적이지만 필수적이지는 않다. 2 ppm 미만의 산소, 바람직하게는 0.5 ppm 미만의 산소까지 산소 농도의 감소가 달성되어야 한다. 산소 제거를 위한 바람직한 기법은 도 1에 나타내어진 진공 플래쉬(flash)이다. 이 기법에서, 이산화탄소 및 산소 함유 흡수 용액은 탱크 (102)에 공급되며, 여기서 흡수 용액 위의 공간(headspace) 내의 압력은 진공 펌프 (104)의 가동에 의해 대기압 이하, 일반적으로 2 내지 12 psia의 범위, 바람직하게는 2.5 내지 6 psia의 범위로 유지된다. 이 조건은 산소 및 다른 용해 가스를 용액으로부터 배출하여 라인 (103)을 통해 탱크 (102)의 상부 밖으로 내보낸다.
산소는 또한 탱크 (102) 대신에 또는 이외에, 그러나 바람직하게는 공정도에서 탱크 (102)가 위치한 곳에 위치한 패킹된 컬럼, 살포(sparging) 장치, 또는 막 접촉기와 같은 적합한 물질 이동 장비에서 용액을 산소 제거 가스와 접촉시켜 제거할 수 있다. 산소 제거 가스를 사용하기에 유용한 장비 및 방법론은 U.S. 특허 제6,174,506호에 기재되어 있다. 유용한 산소 제거 가스의 예는 산소가 없거나 거의 없는 가스, 예를 들어 질소, 재생 구획을 나가는 이산화탄소 증기, 또는 저장 탱크로부터의 이산화탄소를 포함한다.
스트림 (7)을 포함하는 유체가 흡수 컬럼 (4)로부터의 배출과 산소를 제거하기 위한 처리 사이에 가열되지 않거나, 또는 가열되지만 (산소 제거 기법에 의해) 스트림 (7)의 온도가 160℉ (71℃)를 초과하도록 지나치게 가열되지 않는 것이 본 발명의 중요한 양태이다.
전형적으로 2 ppm 미만의 산소, 바람직하게는 0.5 ppm 미만의 산소를 함유하는 생성된 이산화탄소 함유 산소 결핍 흡수제는 탱크 (102)의 하부로부터 스트림 (105)로 배출되어, 액체 펌프 (8)로 보내어지고, 그로부터 스트림 (9)로 열 교환기 (10)으로 보내어져 통과하며, 거기서 간접 열 교환에 의해 일반적으로 90 내지 120℃, 바람직하게는 100 내지 110℃ 범위의 온도로 가열된다.
가열된 이산화탄소 함유 흡수제는 열 교환기 (10)으로부터 스트림 (11)로 스트림 컬럼 (12)의 상부로 보내어지며, 상기 스트림 컬럼 (12)는 컬럼의 상부에서 전형적으로 100 내지 110℃의 범위의 온도 및 컬럼의 하부에서 전형적으로 119 내지 125℃의 범위의 온도에서 가동된다. 가열된 이산화탄소 적재 흡수제가 스트립핑 컬럼 (12)를 통해 트레이 또는 불규칙 또는 구조화 패킹일 수 있는 물질 이동 요소를 지나 아래로 유동함에 따라, 흡수제 내의 이산화탄소는 흡수제로부터 일반적으로 스팀인 위로 유동하는 증기 내로 스트립핑되어 이산화탄소 풍부 상부 증기 스트림 (13) 및 이산화탄소 결핍 흡수 액체 스트림 (20)을 생성한다.
이산화탄소 풍부 상부 증기 스트림 (13)은 스트림핑 컬럼 (12)의 상부로부터 배출되어 환류 응축기 (47)을 통과하면서 부분적으로 응축된다. 생성된 2상(phase) 스트림 (14)는 환류 드럼 또는 상 분리기 (15)로 보내어져 이산화탄소 풍부 기체 및 응축물로 분리된다.
이산화탄소 풍부 가스는 상 분리기 (15)로부터 스트림 (16)으로 제거되고 이산화탄소 농도가 일반적으로 건조 기준으로 95 내지 99.9 몰 퍼센트의 범위인 이산화탄소 생성물 유체로서 회수된다. 본원에서 사용되는 "회수된"이라는 용어는 처리, 추가 사용, 추가 가공 또는 격리와 같은 임의의 이유로 인해 최종 생성물로서 회수되거나 분리되는 것을 의미한다. 이산화탄소 생성물 (도 1의 스트림 (16))은 일반적으로 고순도 (98% 초과)이다. 어떻게 사용될 것인지에 따라, 이는 추가 정제 없이, 또는 음료 또는 다른 식용 제품 내의 성분으로서 사용하고자 할 경우 추가 정제 후 증기 CO2로서 사용할 수 있다. 별법으로, 이 스트림은 액체 CO2의 생산을 위한 액화 장치에 공급될 수 있다.
주로 물, 아민(들) 및 유기 성분을 포함하는 응축물은 상 분리기 (15)로부터 스트림 (17)로 배출된다. 바람직하게는, 상기 스트림은 액체 펌프 (18)을 통과하고 스트림 (19)로서 스트립핑 컬럼 (12)의 상부에 공급된다. 그러나, 응축물이 중력에 의해 스트립퍼로 유동될 수 있을 경우 펌프 (18)은 불필요하다. 별법으로, 상기 스트림은 공정의 다른 곳, 예컨대 스트림 (20)으로 재도입할 수 있다.
알칸올아민(들), 물, 및 유기 성분 (유기 성분이 사용될 경우)을 함유하는나머지 이산화탄소 결핍 흡수제는 스트립핑 컬럼 (12)의 하부로부터 스트림 (20)으로 배출된다. 바람직하게는, 상기 흡수제는 재순환되어 흡수 컬럼 (4)에 공급되는 스트림 (6)의 적어도 일부를 구성한다. 그 전에, 바람직하게는, 스트림 (20)은 리보일러 (21)로 보내어져 간접 열 교환에 의해 전형적으로 119 내지 125℃의 범위의 온도로 가열된다. 도 1에 예시된 본 발명의 실시양태에서, 리보일러 (21)은 포화된 스팀 (48)에 의해 게이지 제곱인치당 28 파운드 (psig) 이상의 압력에서 구동되며, 스팀은 리보일러 (21)로부터 스트림 (49)로 배출된다.
리보일러 (21)에서의 이산화탄소 결핍 흡수제의 가열은 흡수제의 일부를 기화시켜 스팀 및 어쩌면 일부 알칸올아민(들) 및 유기 성분을 포함하는 초기 증기 스트림 (22)를 생성한다. 초기 증기 스트림 (22)는 리보일러 (21)로부터 스트립핑 컬럼 (12)의 하부에 보내어져 상술한 위로 유동하는 증기로서 작용한다. 이산화탄소 희박 흡수 액체 (알칸올아민 및 사용될 경우 유기 성분을 포함할 수 있음)는 스트림 (23)으로 리보일러 (21)로부터 배출된다.
스트림 (23)은 스트림 (201) 및 (24)로 나뉜다. 스트림 (201)은 도 2 내지 7에 관하여 하기 기재된 바와 같이 추가 처리를 위해 리클레이머 (200)에 공급된다.
가열된 이산화탄소 희박 흡수제 (23)의 나머지 부분 (24)는 용매 펌프 (35)로 보내어지고 그로부터 스트림 (29)로 열 교환기 (10)으로 보내어져 이를 통과하면서, 상술한 이산화탄소 함유 흡수제의 가열을 수행하고 그로부터 스트림 (29)가 냉각된 흡수제 (34)로 배출된다. 스트림 (34)는 냉각기 (37)을 통과하여 약 40℃의 온도로 냉각되어 추가 냉각된 흡수 스트림 (38)을 형성한다. 스트림 (38)의 일부 (40)은 분리되어 기계적 여과기 (41)을 통과하고, 그로부터 스트림 (42)로서 탄소층 여과기 (43), 및 그로부터 스트림 (44)로서 기계적 여과기 (45)를 통과하며, 불순물, 고체, 분해 부산물 및 열 안정성 아민 염이 제거된다. 생성된 정제된 스트림 (46)은 스트림 (38)의 잔류물인 스트림 (39)와 재결합되어 스트림 (55)를 형성한다.
저장 탱크 (30)은, 필요에 따라 저장 탱크 (30)으로부터 스트림 (31)로 배출되어 액체 펌프 (32)에 의해 스트림 (33)으로서 스트림 (55)로 펌핑되는 보충 아민을 함유한다. 제2 아민을 사용할 경우, 저장 탱크 (50)은 제2 아민을 위한 보충물을 함유한다. 제2 아민은 저장 탱크 (50)으로부터 스트림 (51)로 배출되고 액체 펌프 (52)에 의해 스트림 (53)으로서 스트림 (55)로 펌핑된다. 별법으로, 아민 화합물을 오직 하나의 저장 탱크에서 미리 블렌드하고, 보류하고, 그로부터 분배할 수 있다. 제3 및 추가 아민은 제3 및 추가 저장 탱크에 저장하고 그로부터 분배할 수 있다. 저장 탱크 (60)은, 필요에 따라 저장 탱크 (60)으로부터 스트림 (61)로 배출되어 액체 펌프 (62)에 의해 스트림 (63)으로서 스트림 (55)로 펌핑되는 보충 물을 함유한다. 저장 탱크 (70)은, 필요에 따라 저장 탱크 (70)으로부터 스트림 (71)로 배출되어 액체 펌프 (72)에 의해 스트림 (73)으로서 스트림 (55)로 펌핑되어 스트림 (6)을 형성하는 유기 성분을 위한 보충물을 함유한다.
본 발명의 공정은 둘 이상의 상이한 압력하에서 재생을 수행하여 이산화탄소 흡수 공정에서 사용되는 목적하는 상대적으로 휘발성인 물 및 알칸올아민 화합물(들)을 재생한다. 이렇게 수행하는 것은 재생 공정의 전체적인 에너지 요구를 감소시키고 가동 비용을 최소화한다. 재생은 열 교환기와 같은 적합한 장치에서 이산화탄소 희박 흡수제로부터, 및 이어서 생성된 비기화 분획으로부터 물질을 기화시켜 수행한다.
이러한 제1 기화 단계는 바람직하게는 스트립퍼 (12)에서의 압력과 거의 동일한 압력, 예를 들어 20 내지 65 psia에서 수행한다. 제1 재생 증기 스트림이라고 본원에서 언급되는 제1 기화 단계로부터 발생한 증기는 스트림 (202)로서 스트립퍼 (12)에 공급된다. 제1 기화 단계에 사용되는 에너지는 스트립퍼 (12)에서 제1 재생 증기 스트림으로부터 잠열로 회수되고, 이 잠열은 흡수제로부터 이산화탄소를 스트립핑하기 위해 리보일러에 의해 제공되는 열에 기여한다.
그 안에 용해되거나 현탁된 액체 및 고체를 포함하는 제1 기화 단계로부터 잔류하는 비기화 분획은 제2 기화 단계에서 처리된다. 제2 기화 단계의 압력은 제1 기화 단계에서의 압력 미만이고, 대부분의 경우 주변 압력 이하일 것이다. 전형적으로, 이 단계에서의 압력은 0.5 psia 내지 5 psia이다. 제2 재생 증기 스트림이라고 본원에서 언급되는 제2 기화 단계에서 형성되고 그로부터 회수된 증기는 응축되고 이산화탄소 희박 흡수제와 재결합될 수 있다.
용매 회수를 개선하기 위해, 도 3에 나타낸 바와 같이 임의의 제3 기화 단계를 사용할 수 있다. 제3 단계를 사용하는 실시에서, 제2 기화 단계로부터의 비기화 잔류물에 소량의 물 (전형적으로 존재하는 비기화 잔류물의 양의 약 50 중량% 이하)을 첨가하는 것이 종종 유용할 것이고, 제2 기화 단계에서 사용되는 것과 거의 동일한 압력에서 희석된 잔류물이 기화된다. 전형적으로, 이 단계에서의 압력은 0.5 psia 내지 5 psia이다. 제3 기화 단계로부터의 증기는 응축되고 재순환하는 이산화탄소 희박 흡수제에 첨가될 수 있다.
마지막 기화 단계 (예를 들어 두 기화 단계를 사용하는 공정의 제2 기화 단계, 또는 세 기화 단계를 사용하는 공정의 제3 기화 단계)로부터의 잔류물은 (알칸올아민(들)의 증분량을 회수하기 위한 제4 기화 또는 추가 기화 단계를 수행하지 않을 경우) 이산화탄소 회수 공정에서 추가로 사용되지 않으므로 버려지거나 추가 처리를 위해 수집될 수 있다. 이 잔류물은 전형적으로 알칸올아민 흡수제의 분해에 의해 형성된 열 안정성 아민 염 및 다른 생성물을 포함한다.
재생을 수행하기 위해 요구되는 장비의 양을 감소시키기 위해, 도 4에 나타낸 바와 같은 배치 가동 방식을 사용할 수 있다.
이제 본 발명의 실시양태에 대한 하기의 보다 상세한 설명을 위해 도 2 내지 7을 참조하여야 한다.
일부 양태는 본 발명의 본 양태의 모든 실시양태에 적용가능하다. 이러한 일 양태는 재생 가동에 공급되는 스트림 (201)을 산화나트륨 또는 수산화나트륨과 같은 알칼리로 처리하여 아민 염으로부터 자유 아민을 회수하는 것을 돕고 열 안정성 염의 침전을 야기할 수 있다는 점이다. 또 다른 양태는 모든 기화 단계에서 사용되는 온도가 거의 동일할 수 있지만, 반드시 동일하지는 않아도 된다는 점이다. 사용되는 온도(들)는 기화 조건하에서 가장 용이하게 분해되는 용액의 성분의 분해 온도를 초과하지 않아야 한다. 종종, 온도(들)는 저압 스팀과 같은 저가의 열 공급원을 이용하여 설정될 것이나, 그의 온도는 상기 기재된 분해 온도 미만이어야 한다. 보다 높은 온도 (분해가 시작될 수 있는 최고점 미만)는 보다 이른 기화 단계(들)에서 더 큰 분획의 흡수 용액이 기화되는 것을 야기할 것이고 다단계 재생 공정의 전체적인 열 효율에 기여할 것이다. MEA 함유 용액의 경우, 기화를 수행하기 위한 전형적인 온도는 약 290℉일 것이다.
가동의 또 다른 양태는 흡수 액체의 기화 및 기화가 수행되는 온도 및 압력 조건을 견딜 수 있는 임의의 장치에서 기화를 수행한다는 것이다. 열 교환기 또는 케틀(kettle)과 같은 적합한 장비를 쉽게 결정하고 얻을 수 있다. 본원에 예시되고 기재된 실시양태에 기재된 각각의 기화 장치에 열을 가하여 기화를 성취한다. 목적하는 진공을 확립하는 진공 펌프를 사용하여, 아민의 열 분해를 감소시키거나 피하는 보다 낮은 온도에서 기화가 진행되도록 허용할 수 있다.
도 2는 연속 방식으로 가동되는 2 단계 리클레이머를 사용하는 바람직한 가동 방식을 나타낸다. 이산화탄소 희박 흡수 액체의 스트림 (201)은 제1 기화 장치 (200a)에 공급된다. 장치 (200a) 내의 온도는 전형적으로 250℉ 내지 300℉이다. 주로 상기 액체 중 가장 휘발성인 성분을 포함하는 부분은 제1 기화 장치 (200a)에서 기화된다. 생성된 제1 재생 증기 스트림 (202)는 제1 기화 장치를 나간다. 이 스트림이 스트립퍼 (12)의 하부로 보내어지는 것이 바람직하며, 여기서 상기 증기 스트림의 잠열을 사용하여 리보일러 (21)의 열 요구를 감소시킬 수 있다.
기화되지 않은 이산화탄소 희박 흡수 액체의 분획 (205)는 밸브 (209)를 통해 보내어지며, 여기서 압력이 감소한다. 압력은 바람직하게는 0.5 psia 내지 5 psia의 범위의 값으로 감소한다. 생성된 보다 낮은 압력의 스트림 (206)은 제2 기화 장치 (200b)로 보내어진다. 장치 (200b) 내의 온도는 전형적으로 약 250℉ 내지 300℉이고, 장치 (200a) 내의 온도와 거의 동일할 수 있다. 액체 중 일부는 장치 (200b)에서 기화되고, 생성된 제2 재생 증기 스트림 (207)은 냉각기 (210)에서 응축된다. 생성된 응축물 (208)은 도입되는 공급 가스 스트림으로부터 추가 이산화탄소를 흡수하기 위해 사용될 수 있는 스트림 (204)로서 펌프 (211)에 의해 펌핑된다. 이와 같이, 스트림 (204)는 스트림 (29)와 또는 스트림 (29)가 스트림 (6)이 되는 경로에 따른 임의의 지점에서 재결합될 수 있다.
장치 (200b) 내의 목적하는 낮은 압력은 바람직하게는 응축기 (210)에서 스트림 (207)을 응축하여 (바람직하게는 완전히 응축하여) 제공된다. 진공 누출로 인해 존재할 수 있는 것과 같이 비응축성 가스가 공정에 있을 경우, 작은 진공 펌프와 같은 진공을 생성하기 위한 추가 수단을 사용하는 것이 필요할 수 있다.
열 안정성 염 및 다른 분해 부산물을 포함하는 비기화 잔류물 (203)은 장치 (200b)로부터 제거되고 버려지거나 추가 처리될 수 있다.
도 3은 3 단계 리클레이머를 연속 방식으로 가동하는 또 다른 바람직한 가동 방식을 나타낸다. 처음 두 단계는 도 2에 나타낸 2 단계 실시양태와 유사하다. 제3 단계는 비기화 잔류물 (203)으로부터의 덜 휘발성이지만 여전히 목적하는 성분의 회수를 개선한다. 장치 (200b)로부터의 비기화 물질의 스트림 (203)은 바람직하게는 스트림 (212)로서 공급되는 소량의 액체 물과, 전형적으로는 물이 첨가되는 비기화 잔류물의 중량을 기준으로 50% 이하의 물과 혼합된다. 생성된 혼합물이 제3 기화 장치 (200c)에서 처리되어 잔류물로부터 상대적으로 휘발성인 성분이 기화된다. 상기 기화는 장치 (200a) 및 (200b)에서와 거의 동일한 온도에서 수행할 수 있다. 장치 (200c) 내의 압력은 전형적으로 0.5 psia 내지 5 psia이다. 제2 장치 (200b) 내의 압력과 비교하여, 제3 장치 (200c) 내의 압력은 (이 단계에서 기화가 수행되는 시간의 적어도 일부 동안) 장치 (200b)에서 사용되는 가장 낮은 압력보다 낮다. 이는 증기 공간에서 대략 동일한 압력을 유지하면서 장치 (200b)로부터 장치 (200c)로의 잔류 액체의 자유 유동을 용이하게 하기 위해, 장치 (200c)를 장치 (200b)보다 낮은 높이로 위치시키는 것이 유리할 수 있다. 제3 재생 증기 스트림 (213)은 제3 기화 장치 (200c)에서 기화에 의해 형성되고 제2 재생 증기 스트림 (212)와 결합될 수 있으며, 결합된 스트림은 응축기 (210)으로 보내어진다. 열 안정성 염 및 다른 분해 부산물을 포함하는, 장치 (200c)에 잔류하는 비기화 잔류물은 스트림 (214)로서 제거될 수 있다.
도 4는 재생이 배치(batch) 방식으로 수행되는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시양태를 나타낸다. 배치식 기화는 기간에 걸쳐 연속적으로 또는 순차적으로 감소하는 압력에서 가동되는 단일 열 교환기 또는 다른 기화 장치에서 수행할 수 있다. 따라서 상기 가동 방식은 연속 공정보다 적은 장비를 필요로 한다. 그러나, 배치식 가동은 또한 도 2 및 3에 나타낸 것과 마찬가지로 감소하는 압력에서 가동하는 일련의 기화 장치에서 수행될 수 있다.
도 4를 참조하여, 이산화탄소 희박 흡수 액체의 스트림 (201)은 배치에서 밸브 (301)을 통해 기화 장치 (200)에 공급된다. 밸브 (301)의 위치는 전형적으로 장치 (200) 상의 액체 수준 제어기에 의해 제어될 수 있다. 기화 장치 (200) 내의 온도는 임의의 성분이 열적으로 분해되는 온도 미만으로 유지된다. 전형적으로, 상기 가동 단계에서의 온도는 250℉ 내지 300℉이다. 장치 (200) 내의 초기 압력은 20 psia 내지 65 psia의 범위일 수 있고 바람직하게는 대략 스트립퍼 (12) 내의 압력과 동등하다.
기화 장치 (200)에서 기화되는 물질은 스트림 (220)으로 장치 (200)을 나간다. 장치 (200)에서의 배치식 가동의 제1 부분에서, 밸브 (302)는 개방되고 밸브 (303), (304), 및 (305)는 폐쇄되며, 이는 스트림 (220) 중의 증기가 스트립퍼 (12)에 공급되는 제1 재생 증기 스트림 (202)로서 장치를 나가게 하며, 스트립퍼 (12)에서 스트림 (202)의 잠열을 사용하여 리보일러의 요구되는 열량을 감소시킬 수 있다.
배치 기화 가동이 계속됨에 따라, 열 교환기 (200) 내의 액체는 덜 휘발성인 성분으로 농축된다. 결국 장치 (200)에서 우세한 온도 및 압력에서 더 적은 증기가 발생하고 어쩌면 증기가 거의 또는 아예 발생하지 않는다. 이어서 제2 단계에서 (도 4에 묘사된 장치에서) 밸브 (302)가 폐쇄되고 밸브 (303)이 개방된 동안 기화를 보다 낮은 압력에서 수행하여 재생을 계속한다.
제1 단계에서의 기화 (즉 스트립퍼에 공급되는 증기 스트림을 생성하는 기화) 및 제2 단계에서의 기화 (즉 응축되고 흡수 단계에 공급되는 증기 스트림을 생성하는 기화)가 수행되는 압력은 겹치거나 겹치지 않는 범위에 있을 수 있지만, 동일한 장치에서 제2 단계가 수행되는 압력은 제1 단계가 수행되는 가장 낮은 압력보다 낮아진다.
감압에서 기화 장치 (200)으로부터 스트림 (220)으로 나가는 증기는 제2 재생 증기 스트림 (207)이 되고 응축기 (210)에 의해 응축된다. 응축물은 펌프 (211)에 의해 스트림 (204)로서 순환하는 이산화탄소 희박 흡수 액체 (29)로 보내어진다.
배치 순환의 상기 부분 동안의 압력은 시간에 따라 점차적으로 또는 단계적으로 감소하고 주위압력 이하가 된다. 전형적으로, 기화의 상기 부분에서의 장치 (200) 내의 압력은 스트립퍼의 가동 압력 (20 내지 65 psia) 이하인 0.5 psia이다.
기화 속도가 느려질 때, 소량의 액체 (212)를 밸브 (305)를 통해 첨가하여 처리되는 흡수 액체 중 덜 휘발성이지만 여전히 바람직한 성분의 잔여량의 기화를 도울 수 있다. 이 양태는 도 3에 관하여 상기 기재된 제3 기화 단계의 가동과 유사하다. 장치 (200) 내에 남아있는 비기화 잔류물은 열 안정성 염 및 다른 분해 부산물을 포함하고 밸브 (304)를 개방하여 스트림 (203)으로서 제거된다. 장치 (200)으로부터 얻어진 열 안정성 염 및 부산물을 제거하기 전에, 다수의 이산화탄소 희박 흡수 액체 배치를, 각 배치에서 감소하는 압력하에서 연쇄적인 기화를 수행하여 처리하는 것이 바람직할 수 있다.
이산화탄소 희박 흡수 액체의 바람직한 조성은 일반적으로 5 내지 30 중량%의 MEA, 0 내지 40 중량%의 MDEA, 및 30 내지 70 중량%의 물의 범위이다. 가장 바람직한 조성은 20 내지 30%의 MEA, 20 내지 30%의 MDEA, 및 40 내지 60%의 물이다.
재생 가동의 에너지 요구를 감소시키기 위해, 최상의 가동 방식은 필요할 경우에만 가능한 한 낮은 이산화탄소 희박 흡수 액체 유속으로 리클레이머를 사용한다. 배치 및 연속 공정은 모두 목적하는 대로 켜고 끌 수 있다.
본 발명에 사용되는 리클레이머 공정의 열 효율은 열 회수 열 교환기의 혼입에 의해 추가로 개선될 수 있다. 이러한 열 교환기의 혼입은 도 5, 6, 및 7에 나타나 있다.
도 5는 열 회수 열 교환기가 더해진 도 2에 나타낸 유형의 2 단계 연속 재생 공정을 나타낸다. 기화 장치 (200a)로부터의 비기화 물질의 스트림 (205)는 압력 감소 밸브 (209)를 통과한 후 열 교환기 (400)을 통해 공급되고, 열 교환기 (400)에서 가열된 후 스트림 (206)으로서 장치 (200b)에 공급되며, 도 2에 나타낸 가동에서와 같이 추가 휘발성 물질이 장치 (200b)에 공급되는 흡수 액체로부터 기화되어 장치 (200b)로부터 제2 재생 증기 스트림 (207)로서 얻어진다. 이어서 스트림 (207)은 열 교환기 (400)을 통과하고, 여기서 그의 잠열 중 일부가 스트림 (205)로의 간접 열 교환을 통해 교환된다. 제2 재생 증기 스트림은 열 교환기 (400)으로부터 스트림 (401)로서 나오며, 이는 이어서 응축기 (210)에 공급된 후 추가로 도 2의 스트림 (208)과 같이 취급된다.
도 6은 열 회수 열 교환기가 더해진 도 3에 나타낸 유형의 3 단계 연속 재생 가동을 나타낸다. 기화 장치 (200a)로부터의 비기화 물질의 스트림 (205)는 압력 감소 밸브 (209)를 통과한 후 열 교환기 (400)을 통과하여, 가열된 후 스트림 (206)으로서 기화 장치 (200b)에 공급되며, 도 3에 나타낸 가동에서와 같이 추가 휘발성 물질이 장치 (200b)에 공급되는 흡수 액체로부터 기화되어 장치 (200b)로부터 제2 재생 증기 스트림 (207)로 얻어진다. 이어서 스트림 (207)은 열 교환기 (400)을 통과하고, 여기서 그의 잠열 중 일부가 스트림 (205)로의 간접 열 교환에 의해 교환된다. 제2 재생 증기 스트림이 열 교환기 (400)으로부터 스트림 (401)로서 나오며, 이는 이어서 응축기 (210)에 공급된 후 추가로 도 3의 스트림 (208)과 같이 취급된다. 또한, 비기화 잔류물 (203)이 기화 장치 (200b)로부터 얻어지고, 물 (212)이 여기에 첨가되고, 생성된 혼합물은 또 다른 기화 장치 (200c)에 공급된다. 장치 (200c)에서 수행되는 기화에 의해 얻어지는 제3 재생 증기 스트림 (213)은 스트림 (207)과 합쳐지고, 합쳐진 스트림은 이산화탄소 희박 흡수 스트림 (29)로 재순환되는 응축기 (210)을 통해 공급되기 전에 열 교환기 (400)을 통과한다. 별법으로, 스트림 (205)는 오직 스트림 (207), 오직 스트림 (213), 또는 이미 합쳐진 스트림 (207) 및 (213)에 의해 형성된 스트림과의 간접 열 교환에 의해서만 가열될 수 있다.
도 7은 열 회수 열 교환기가 더해진 도 4에 나타낸 유형의 배치 리클레이머를 나타낸다. 이산화탄소 희박 흡수 액체의 스트림 (201)은 열 교환기 (400)을 통해 공급되며, 여기서 가열된 후 기화 장치 (200)에 공급된다. 도 4에 나타낸 가동에서와 같이, 제1 재생 증기 스트림 (202)가 얻어지고 스트립퍼 (12)에 공급되고, 이어서 장치 (200) 내의 압력이 감소되고 밸브 (302)가 폐쇄되고 밸브 (303)이 개방된다. 이어서 얻어지는 제2 재생 증기 스트림은 열 교환기 (400)을 통과하며, 여기서 그의 잠열 중 일부가 간접 열 교환을 통해 스트림 (210)으로 전달된다. 제2 재생 증기 스트림은 열 교환기 (400)으로부터 스트림 (401)로서 나오며, 이는 응축기 (210)에서 응축되고 스트림 (204)로서 스트림 (29)에 공급된다.
모든 경우에서, 열 교환기 (400)을 사용하여 연속 가동 실시양태에 사용되는 기화 장치 (200b) 또는 배치 가동에 사용되는 기화 장치 (200)에 공급되는 공급 스트림을 예열하여 흡수 액체 스트림을 기화하기 위해 요구되는 열적 에너지를 감소시킨다. 상기 예열을 위해 사용되는 열은 감압 기화시 얻어지는 증기 스트림, 예를 들어 연속 가동에서의 스트림 (205) 및 배치 가동에서의 스트림 (207)에 의해 제공된다.
흡수제로서 30 중량%의 MEA, 20 중량%의 MDEA, 50 중량%의 물을 함유하고 약 2 중량%의 열 안정성 염을 함유하는 용액을 사용하는 100 MTPD CO2 흡수 시스템에 대해, 공정 시뮬레이션에 의해 예측한 성능 및 가동 조건을 나타내었다.
리클레이머 유형: 제3 단계에 물을 첨가하는 연속 3 단계
흡수 스트림의 공급 속도: 10 gpm
제1 기화 단계의 온도: 290℉
제1 기화 단계의 압력: 25.2 psia
제1 기화 단계로의 열: 2.331 MMBTUH (회수가능)
제2 기화 단계의 온도: 290℉
제2 기화 단계의 압력: 1.4 psia
제2 기화 단계로의 열: 0.998 MMBTUH (회수가능하지 않음)
제3 기화 단계의 온도: 290℉
제3 기화 단계의 압력: 1.4 psia
제3 기화 단계로의 물 첨가 속도: 32 lb/hr
제3 기화 단계로의 열: 0.053 MMBTUH (회수가능하지 않음)
리클레이머가 꺼진 상태일 때 리보일러로의 베이스라인(baseline) 열: 12.55 MMBTUH
리클레이머가 꺼진 상태일 때 베이스라인 스팀 효율: 3.00 MMBTU/MT CO2
리클레이머가 켜진 상태일 때 스팀 효율: 3.25 MMBTU/MT CO2
상기와 동일한 효율의 경우, 통상적인 진공 리클레이머의 성능은 하기와 같을 것으로 공정 시뮬레이션에 의해 예상된다:
리클레이머 유형: 단일 단계 진공
온도: 290℉
압력: 4.6 psia
리클레이머로의 열: 3.348 MMBTUH
리클레이머가 꺼진 상태일 때 스팀 효율: 3.00 MMBTU/MT CO2
리클레이머가 켜진 상태일 때 스팀 효율: 3.80 MMBTU/MT C02
상기 실시예에서, 예상되는 열 에너지의 절약은 (3.80 - 3.25) = 0.55 MMBTU/MT CO2이다.
물을 첨가하는 3 단계 리클레이머를 사용하는 상기 실시예의 경우, 접근 온도가 9℉인 열 회수 열 교환기의 혼입은 스팀 효율을 3.25에서 3.07 MMBTU/MT CO2로 감소시킬 것이다. 따라서, 본 발명의 실시는 회수되는 이산화탄소의 단위당 감소된 에너지 소비에서 현저한 장점을 제공한다는 것을 알 수 있다.
Claims (21)
- (A) 이산화탄소 함유 흡수 용액을 스트립핑(stripping)하여 그로부터 이산화탄소 풍부 유체 및 이산화탄소 결핍 흡수 액체를 얻는 단계로서, 상기 이산화탄소 함유 흡수 용액은 이산화탄소를 포함하는 공급 가스로부터 상기 이산화탄소 결핍 흡수 용액이 적어도 일부를 구성하는 흡수제로의 이산화탄소 흡수에 의해 얻어지는 것인 단계;(B) 상기 스트립핑에 의해 형성된 상기 이산화탄소 결핍 흡수 액체의 일부를 기화시켜 초기 증기 스트림 및 이산화탄소 희박 흡수 액체를 얻는 단계;(C) 상기 초기 증기 스트림을 상기 스트립핑 단계에 공급하는 단계;(D) 상기 이산화탄소 희박 흡수 액체 스트림의 적어도 일부를 기화시켜 제1 재생 증기 스트림 및 비기화 분획을 얻는 단계;(E) 상기 제1 재생 증기 스트림을 상기 스트립핑 단계에 공급하는 단계;(F) 단계 (D)를 수행하는 가장 낮은 압력 보다 더 낮은 압력에서 상기 비기화 분획의 일부를 기화시켜 제2 재생 증기 스트림 및 비기화 잔류물을 얻는 단계; 및(G) 상기 제2 재생 증기 스트림을 응축하고, 상기 응축된 스트림을 단계 (A)에서 이산화탄소를 흡수하는 상기 흡수제에 첨가하는 단계를 포함하는 이산화탄소 회수 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (D)의 기화를 제1 기화 장치에서 수행하고, 단계 (D)에서 얻어진 비기화 분획을 제2 기화 장치에 공급하고, 단계 (F)의 기화를 상기 제2 기화 장치에서 수행하는 방법.
- 제2항에 있어서, 단계 (D)에서 얻어진 비기화 분획을 상기 제2 기화 장치에 공급하기 전에 단계 (F)에서 얻어진 제2 기화 스트림과의 간접 열 교환에 의해 가열하는 방법.
- 제2항에 있어서, 단계 (F)에서 얻어진 비기화 잔류물을 제3 기화 장치에 공급하고, 상기 제3 기화 장치에서 상기 비기화 잔류물의 일부를 단계 (F)를 수행하는 가장 낮은 압력보다 더 낮은 압력에서 기화시켜 제3 재생 증기 스트림 및 비휘발 잔류물을 수득하고, 제3 재생 증기 스트림을 응축하고, 상기 응축된 스트림을 단계 (A)에 공급하여 단계 (A)에서 이산화탄소를 흡수하는 상기 흡수제의 일부를 구성하도록 하는 것을 더 포함하는 방법.
- 제4항에 있어서, 단계 (D)에서 얻어진 비기화 분획을 상기 제2 기화 장치에 공급하기 전에 단계 (F)에서 얻어진 제2 기화 스트림, 제3 재생 증기 스트림, 또는 상기 증기 스트림 둘 모두와의 간접 열 교환에 의해 가열하는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (D)에서의 기화 및 단계 (F)에서의 기화를 하나의 기화 장치에서 수행하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 이산화탄소 희박 흡수 용액의 상기 부분을 단계 (D)에서 기화시키기 전에 상기 제2 재생 증기 스트림과의 간접 열 교환에 의해 가열하는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (A)에서 이산화탄소를 흡수하는 흡수제가 화학식 NR1R2R3 (식 중, R1은 히드록시에틸, 히드록시이소프로필, 또는 히드록시-n-프로필이고, R2는 수소, 히드록시에틸, 히드록시이소프로필, 또는 히드록시-n-프로필이고, R3는 수소, 메틸, 에틸, 히드록시에틸, 히드록시이소프로필, 또는 히드록시-n-프로필임)의 화합물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 아민 성분을 포함하는 것인 방법.
- 제8항에 있어서, 단계 (D)의 기화를 제1 기화 장치에서 수행하고, 단계 (D)에서 얻어진 비기화 분획을 제2 기화 장치에 공급하고, 단계 (F)의 기화를 상기 제2 기화 장치에서 수행하는 방법.
- 제9항에 있어서, 단계 (D)에서 얻어진 비기화 분획을 상기 제2 기화 장치에 공급하기 전에 단계 (F)에서 얻어진 제2 기화 스트림과 간접 열 교환에 의해 가열하는 방법.
- 제9항에 있어서, 단계 (F)에서 얻어진 비기화 잔류물을 제3 기화 장치에 공급하고, 상기 제3 기화 장치에서 상기 비기화 잔류물의 일부를 단계 (F)를 수행하는 가장 낮은 압력보다 낮은 압력에서 기화시켜 제3 재생 증기 스트림 및 비휘발 잔류물을 얻고, 상기 제3 재생 증기 스트림을 응축하고, 상기 응축된 스트림을 단계 (A)에 공급하여 단계 (A)에서 이산화탄소를 흡수하는 상기 흡수제의 일부를 구성하도록 하는 것을 더 포함하는 방법.
- 제11항에 있어서, 단계 (D)에서 얻어진 비기화 분획을 상기 제2 기화 장치에 공급하기 전에 단계 (F)에서 얻어진 제2 기화 스트림, 제3 재생 증기 스트림, 또는 상기 증기 스트림 둘 모두와의 간접 열 교환에 의해 가열하는 방법.
- 제8항에 있어서, 단계 (D)에서의 기화 및 단계 (F)에서의 기화를 하나의 기화 장치에서 수행하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 이산화탄소 희박 흡수 용액의 상기 일부를 단계 (D)에서 기화하기 전에 상기 제2 재생 증기 스트림과의 간접 열 교환에 의해 가열하는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (A)에서 이산화탄소를 흡수하는 흡수제가 C1-C3 알칸올, 에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 및 화학식 R4-O-(C2H4O)n-R5 (식 중, n은 3 내지 12이고, R4는 수소 또는 메틸이고, R5는 수소 또는 메틸이거나, 또는 R4는 페닐이고, R5는 수소임)의 폴리에틸렌 글리콜 에테르, 폴리프로필렌 글리콜 및 화학식 R6-O-(C3H6O)p-R7 (식 중, n은 3 내지 6이고, R6는 수소 또는 메틸이고, R7은 수소 또는 메틸이거나, 또는 R6는 페닐이고, R7은 수소임)의 폴리프로필렌 글리콜 에테르, 비치환되거나 1개 또는 2개의 탄소 원자를 함유하는 1개 또는 2개의 알킬기로 N-치환된 아세트아미드, 글리세롤, 설폴란, 디메틸설폭사이드, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 성분을 포함하는 것인 방법.
- 제15항에 있어서, 단계 (D)의 기화를 제1 기화 장치에서 수행하고, 단계 (D)에서 얻어진 비기화 분획을 상기 제2 기화 장치에 공급하고, 단계 (F)의 기화를 상기 제2 기화 장치에서 수행하는 방법.
- 제16항에 있어서, 단계 (D)에서 얻어진 비기화 분획을 상기 제2 기화 장치에 공급하기 전에 단계 (F)에서 얻어진 제2 기화 스트림과의 간접 열 교환에 의해 가열하는 방법.
- 제16항에 있어서, 단계 (F)에서 얻어진 비기화 잔류물을 제3 기화 장치에 공급하고, 상기 제3 기화 장치에서 상기 비기화 잔류물 중 일부를 단계 (F)를 수행하는 가장 낮은 압력보다 더 낮은 압력에서 기화하여 제3 재생 증기 스트림 및 비휘발 잔류물을 얻고, 상기 제3 재생 증기 스트림을 응축시키고, 상기 응축된 스트림을 단계 (A)에 공급하여 단계 (A)에서 이산화탄소를 흡수하는 상기 흡수제의 일부를 구성하도록 하는 것을 더 포함하는 방법.
- 제18항에 있어서, 단계 (D)에서 얻어진 비기화 분획을 상기 제2 기화 장치에 공급하기 전에 단계 (F)에서 얻어진 제2 기화 스트림, 제3 재생 증기 스트림, 또는 상기 증기 스트림 둘 모두와의 간접 열 교환에 의해 가열하는 방법.
- 제15항에 있어서, 단계 (D)에서의 기화 및 단계 (F)에서의 기화를 하나의 기화 장치에서 수행하는 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 이산화탄소 희박 용액의 상기 일부를 단계 (D)에서 기화하기 전에 상기 제2 재생 증기 스트림과의 간접 열 교환에 의해 가열하는 방법.
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