KR20130121088A - 가스 스트림 정제 방법 및 장치 - Google Patents

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아서 다르드
알렝 브리글리아
자비에 트라베르삭
크리스토프 잠레우스키
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은 임계율 초과로 유량 및/또는 압력 변동이 없는 단일 압축기에 의해 2종 이상의 가스 스트림을 압축하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 가스 스트림 중 1종 이상의 스트림을 단일 압축기 내에 도입하기 전에 버퍼 탱크 내에 도입하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 스트림 정제 방법 및 장치{METHOD AND EQUIPMENT FOR PURIFYING A GAS STREAM}
본 발명은 단일 압축기 상에서 2종 이상의 가스 스트림을 압축하는 방법, 및 이산화탄소를 주성분 중 하나로서 갖는 가스 스트림을 정제하는 방법에서의 그 응용에 관한 것이다.
CO2를 처리하는 방법 중 하나로는 통상 30 몰％ 초과의 CO2를 포함하는 CO2-풍부 스트림의 부분 응축에 의한 정제가 있다. CO2가 풍부한 가스 스트림은 통상 정제 유닛의 출구에서 상이한 압력에서 회수된다. 그러므로, 회수된 스트림 각각은 중간 압축기에서 가장 높은 압력에서 회수된 스트림의 압력으로 압축된 후 회수된 다른 스트림과 혼합되고, 최종 압축기에서 압축된다. 그러므로, 최종 압축기에는 통상 중간 압축기에서 나간 여러 스트림의 혼합물에 의해 형성된 스트림이 도입된다.
그러나, 중간 압축기는 고장이 날 수 있다. 그러므로, 최종 압축기의 입구에서 분자의 갑작스런 손실이 각종 소스로부터의 모든 분자들의 손실을 초래할 수 있는 고장을 일으키지 않도록 확실하게 할 필요가 있다.
이러한 문제는 여러 가스 스트림의 압축을 제공하는 하나의 압축기가 있는 경우에 직면할 수 있음을 유의한다. 실제로, 가스 스트림 중 하나의 소스가 갑자기 고갈되면, 압축기의 입구에서 갑작스런 분자의 손실에 대처할 수 있는 것이 필요하다.
공개번호 2 877 939호인 프랑스 특허 출원은 단일 압축기로 2종 이상의 가스 스트림을 압축하는 방법을 개시하고 있으며, 여기서 가스 스트림 중 하나 이상은 압축기 내에 도입되기 전에 버퍼 탱크 내에 도입된다.
공개번호 2 918 579인 프랑스 특허 출원은, 이산화탄소가 풍부한 액화 스트림을 둘 이상의 압력 레벨에서 기화시켜 2종의 가스 스트림을 생성하고; 이어서 더 낮은 압력의 가스 스트림을 압축시켜 제2 스트림과 혼합한 후 이 혼합물을 최종 압축기 내에 도입하는, 이산화탄소 정제 방법을 개시하고 있다.
임계율(critical percentage) 초과로 유량 및/또는 압력 변동이 없는 장치 내에 여러 스트림을 도입하자마자 이러한 동일한 문제에 맞닥뜨린다는 것을 또한 유의한다.
한가지 해결책은 임계율 초과로 유량 및/또는 압력 변동이 없는 단일 압축기를 이용하여 2종 이상의 가스 스트림을 압축하는 방법이며, 상기 방법은 가스 스트림 중 1종 이상의 스트림을 단일 압축기 내에 도입하기 전에 버퍼 탱크 내에 도입하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 단일 압축기 내에서 상기 임계율 초과로 유량 및/또는 압력의 변동을 초래하는 가스 스트림 중 하나의 유량의 감소 동안, 단일 압축기에서 나간 스트림(들) 중 적어도 일부가 버퍼 탱크 내로 재도입될 수 있다.
본 발명은 주 화합물을 포함하는 가스 스트림을 정제하는 방법에 관한 것이며, 본 방법은 주 화합물이 풍부한 액화 생성물 스트림을 2가지 이상의 압력 레벨에서 기화시키고; 2가지 압력 레벨에서 2종의 가스 스트림을 회수하고; 가장 낮은 압력에서 회수된 제1 가스 스트림을 중간 압축 수단에 의해 제2 스트림의 압력으로 압축시킨 후 혼합하고, 마지막으로 주 화합물이 풍부한 혼합된 스트림을 임계율(critical percentage) 초과로 유량 및/또는 압력 변동이 없는 "최종" 장치 내에 도입하고, 상기 방법은 주 화합물의 혼합된 스트림을 버퍼 탱크 내에 도입한 후 최종 장치 내에 도입하는 것을 특징으로 한다.
"버퍼 탱크"라는 표현은, 분자들을 파이프 내로 수송하는 데 절대적으로 필요한 부피를 상당히 초과하는(10% 이상만큼) 부피를 갖는 탱크를 의미하도록 이해된다.
중간 압축 수단은 이 압축에 전용인 압축기일 수 있다.
"임계율"이라는 표현은 단일 압축기가 이것을 초과하면 오작동을 일으키는 유량의 변동율을 의미하도록 이해된다.
최종 장치가 압축기인 경우, 변동의 임계율은 3, 5 또는 10초 미만에서 획득된 바람직하게는 1%, 3%, 5%, 10% 또는 20%임을 주목하시오.
경우에 따라, 본 발명에 따른 방법은 하기의 특징들 중 하나 이상을 나타낼 수 있다:
- 2가지 압력 레벨의 2종의 스트림 중 하나의 유량의 감소 동안, 최종 장치에서 나간 스트림의 적어도 일부가 버퍼 탱크 내로 재도입된다. 최종 장치에서 나간 스트림의 적어도 일부의 버퍼 탱크로의 재도입을 본 명세서의 나머지 부분에서는 "재순환/안티-펌핑 라인"이라 지칭할 것이다. 특히, 장치가 그 입구에서 분자가 부족하여 방출 압력 강하가 일어날 때의 장치의 펌핑을 말한다.
- 주 화합물이 풍부한 액화 생성물 스트림을 3종의 스트림으로 분리시켜 3가지 압력 레벨에서 기화시키고; 이렇게 하여 3가지 압력 레벨에서 3종의 가스 스트림을 회수하고; 가장 낮은 압력에서 회수된 제1 및 제2 가스 스트림을 2개의 중간 압축 수단에서 제3 가스 스트림의 압력으로 압축시킨 후 회수된 제3 가스 스트림과 혼합한다.
- 제1 스트림의 압력은 5 내지 6.5 바아(절대압력)(= 5×105 내지 6.5×105 Pa)이고; 제2 스트림의 압력은 7 내지 10 바아(절대압력)(= 7×105 내지 10×105 Pa)이고; 제3 스트림의 압력은 8 내지 25 바아(절대압력)(= 8×105 내지 15×105 Pa)이다.
- 주 화합물은 CO2이다.
- ㎥으로 표현되는 상기 버퍼 탱크 V의 부피는 Q/100 초과이며, 여기서 Q는 ㎥/h로 표현되는 주 화합물이 풍부한 혼합된 스트림의 유량이다.
- 최종 장치는 최종 압축기이다.
본 발명에 따른 압축 방법은 이하를 포함하는 압축 유닛에서 수행될 수 있다:
a) 2종 이상의 가스 스트림을 수송하기 위한 2개 이상의 라인;
b) 수송 라인들 중 하나를 따라 위치한 하나 이상의 버퍼 탱크;
c) 수송 라인들 및 버퍼 탱크 하류의 단일 압축기; 및
d) 단일 압축기에서 나간 스트림(들) 중 적어도 일부분을 버퍼 탱크로 재순환시키는 것을 가능하게 하는 안티-펌핑 라인.
안티-펌핑 라인은 일반적으로 압축기의 하류에 연결되지만, 임의로 버퍼 탱크의 상류에 또는 버퍼 탱크 자체에 연결될 수 있음을 유의한다.
본 발명의 또 다른 주제는 하기를 포함하는, 50 몰％ 이상의 CO2를 포함하는 가스 스트림을 정제하는 유닛으로서,
i) 가스 스트림을 압축시키기 위한 제1 압축기(2),
ii) 압축된 가스 스트림을 냉각시키기 위한 열 교환기(3),
iii) 압축되고 냉각된 스트림으로부터 이산화탄소를 분리시키기 위한 상 분리기 또는 증류 칼럼(6),
iv) 증류 칼럼(6)으로부터 생긴 액상 CO2(7)를 적어도 2종의 스트림, 바람직하게는 3종의 스트림으로 분리시키기 위한 분할기(8),
v) 2종 또는 3종의 분할된 스트림을 팽창시키기 위한 2개 이상의, 바람직하게는 3개의 팽창 밸브(9, 10, 11),
vi) 열 교환기(3)에서 기화된 2종 또는 3종의 분할된 스트림 중 1종 이상을 압축시키기 위한 하나 이상의 중간 압축기(12, 13),
vii) 2종의 분할되고 기화된 스트림을 혼합하기 위한, 중간 압축기 하류의 혼합기(14),
viii) 혼합된 스트림을 일시 저장하기 위한 버퍼 탱크(15),
ix) 혼합된 스트림을 압축하기 위한, 버퍼 탱크(15) 하류의 최종 압축기(16), 및
x) 최종 압축기에서 나간 스트림의 적어도 일부를 버퍼 탱크(15)로 재순환시키는 것을 가능하게 하는 안티-펌핑 라인(17).
혼합기는 2개의 파이프가 하나의 파이프로 단순하게 연결된 것일 수 있음을 유의한다.
본 시설은 바람직하게는, 증류 칼럼(6)으로부터 생긴 액상 CO2(7)를 3종의 스트림으로 분리시키기 위한 분할기; 3종의 분할된 스트림을 팽창시키기 위한 3개 이상의 팽창 밸브(9, 10, 11); 열 교환기에서 기화된 2종 또는 3종 이상의 분할된 스트림을 압축시키기 위한 둘 이상의 중간 압축기(12 및 13); 및 3종의 분할되고 기화된 스트림을 혼합하기 위한, 중간 압축기 하류의 혼합기(14)를 포함한다.
여러 압력 레벨에서 액체 생성물을 기화시킨다는 사실은 필요한 냉동을 일으키며 교환도(exchange diagram)를 향상시키는 것을 가능하게 하며, 이것은 회수된 가스 스트림의 후속 압축 동안 에너지 소비의 최적화로 표현된다.
안티-펌핑 라인(17)은 분자를 입구로 재순환시키는 것을 가능하게 하여, 공칭값(nominal value)보다 낮은 흐름의 압축 문제를 해결한다. 그러나, 반응 시간 및 안티-펌핑 밸브의 개방 시간을 고려할 필요가 있으며, 재순환이 매우 효율적이기 위해서는 1초 내지 10초가 걸리는 것이 가능하다. 그러므로, 이러한 과도적인 단계 동안 최종 압축기의 고장을 피하기 위해 본 발명에서 추천하는 해결책은, 최종 압축기의 입구와 일직선으로 버퍼 탱크를 설치하는 것이다. 압축기의 공급물 중 하나의 유량의 감소 또는 흐름 중단 동안, 압축기가 많은 분자를 계속해서 인출할 것이기 때문에 버퍼 탱크의 압력은 떨어질 것이다. 안티-펌핑 재순환이 활성화되자마자, 버퍼 탱크의 압력은 다시 회복될 것이다.
버퍼 탱크의 크기는, 입구에서의 압력 강하를 해결할 압축기의 능력과 안티-펌핑 라인의 분자의 도착 시간에 따라 좌우될 것이다.
이제 도 1을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 50 몰% 이상 또는 심지어 70 몰% 이상의 이산화탄소, 및 또한 질소 및 산소와 같은 가벼운 불순물을 함유하는, 주성분 중 하나로서 이산화탄소(1)를 갖는 흐름을 분리시키기 위한 장치를 도시한다. 이 흐름은 압축기(2)에서 압축된 후, 압축된 흐름은 열 교환기(3)에서 냉각된다. 분리기 팟(4)에서 분리 후, 생성된 액체는 밸브(5)에서 팽창되고, 그 후 칼럼(6)의 상부에 보내진다. 이 칼럼(6)에서, 액체를 분리시켜 오버헤드 가스와 저부 액체(7)(액상 CO2)를 형성한다. 저부 액체(7)를 분할기(8)에 의해 3개로 분할한다. 3개의 흐름은 3개의 상이한 압력에서 밸브(9, 10, 11)에서 팽창된다. 3개의 액체 흐름은 교환기(3)에서 기화된다. 3개의 흐름 중 2개는 중간 압축기(12 및 13)에서 압축되고, 3개의 흐름은 다시 동일한 압력에서 혼합기(14)에서 합쳐진다. 혼합된 흐름을 버퍼 탱크 내로 도입한 후 압축기(16)에서 압축시킨다. CO2가 풍부한 스트림(18)이 회수된다.
3개의 압력 레벨의 3종의 스트림 중 하나의 유량의 감소(중단) 동안, 최종 압축기에서 나간 스트림(18) 중 적어도 일부분이 안티-펌핑 라인(17)을 통해 버퍼 탱크(15) 내로 재도입된다.
분리기 팟(4)으로부터의 가스(19)는 분리기 팟(20)에서 다시 분리되기 전에 교환기(3)에서 가열되는 것이 바람직하다. 이후 생성된 액체(21)는 팽창 후에 컬럼(6)의 상부로 보내진다. 분리기 팟(20)으로부터의 가스(22)는 교환기(3)에서 가열된 후 터빈(23 및 24)에서 팽창된다. 비응축성 가스는 출구에서 회수된다.
본 유닛은 최종 압축기의 상류에서 유량을 검출하기 위한 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 이 시스템이 유량의 강하를 검출하면, 안티-펌핑 라인으로 신호를 보내며, 안티-펌핑 라인은 나가는 스트림의 적어도 일부의 버퍼 탱크로의 재순환을 허용하기 위해 개방된다.
실시예 :
액상 CO2를 2개의 스트림으로 분할하는 공정을 선택하였다. 스트림 각각은 10000 ㎥/시간의 유량을 갖는다.
2개의 흐름 중 하나를 중단시킨다. 안티-펌핑 라인의 기동은 통상 3초가 걸린다: 문제를 검출하고 신호를 안티-펌핑 라인으로 전송하는 데에 1초 + 안티-펌핑 라인의 입구 밸브를 개방하고 분자를 버퍼 탱크로 순환시키는 데에 2초.
이 3초는, 유량에 있어서 (10000×3)/3600 = 8.33 ㎥을 나타낸다. 다시 말해서, 버퍼 탱크가 없다면 최종 압축기는 3초 후에 50%의 압력 강하에 상응하는 8.33 ㎥의 손실을 겪을 것이다. 대략 50 ㎥의 버퍼 탱크가 있으면, 압력 강하는 17% 미만이며; 대략 70 ㎥의 버퍼 탱크가 있으면, 압력 강하는 12% 미만이다.
최종 압축기가 50%의 압력 강하보다 더 나은 17% 또는 12% 미만의 압력 강하를 처리하기 때문에, 버퍼 탱크의 이점은 쉽게 이해된다.

Claims (9)

  1. 주 화합물을 포함하는 가스 스트림을 정제하는 방법으로서,
    주 화합물이 풍부한 액화 생성물 스트림을 2가지 이상의 압력 레벨에서 기화시키고; 2가지 압력 레벨에서 2종의 가스 스트림을 회수하고; 가장 낮은 압력에서 회수된 제1 가스 스트림을 중간 압축 수단에 의해 제2 스트림의 압력으로 압축시킨 후 혼합하고, 마지막으로 주 화합물이 풍부한 혼합된 스트림을 임계율(critical percentage) 초과로 유량 및/또는 압력 변동이 없는 "최종" 장치 내로 도입하고, 주 화합물의 혼합된 스트림을 버퍼 탱크 내로 도입한 후 최종 장치 내에 도입하는 것을 특징으로 하는 가스 스트림 정제 방법.
  2. 제1항에 있어서, 2가지 압력 레벨의 2종의 가스 스트림 중 하나의 유량의 감소 동안, 최종 장치에서 나간 스트림의 적어도 일부는 버퍼 탱크 내로 재도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 주 화합물이 풍부한 액화 생성물 스트림을 3종의 스트림으로 분리시켜 3가지 압력 레벨에서 기화시키고; 이렇게 하여 3가지 압력 레벨에서 3종의 가스 스트림을 회수하고; 가장 낮은 압력에서 회수된 제1 및 제2 가스 스트림을 2개의 중간 압축 수단에서 제3 가스 스트림의 압력으로 압축시킨 후 회수된 제3 가스 스트림과 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 스트림의 압력은 5 내지 6.5 바아(절대압력)이고,
    제2 스트림의 압력은 7 내지 10 바아(절대압력)이고,
    제3 스트림의 압력은 8 내지 25 바아(절대압력)인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 주 화합물이 CO2인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서, 최종 장치가 압축기인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 50 몰％ 이상의 CO2를 포함하는 가스 스트림을 정제하는 유닛으로서,
    i) 가스 스트림을 압축시키기 위한 제1 압축기(2),
    ii) 압축된 가스 스트림을 냉각시키기 위한 열 교환기(3),
    iii) 압축되고 냉각된 스트림으로부터 이산화탄소를 분리시키기 위한 상 분리기 또는 증류 칼럼(6),
    iv) 증류 칼럼(6)으로부터 생긴 액상 CO2(7)를 적어도 2종의 스트림으로 분리시키기 위한 분할기(8),
    v) 2종의 분할된 스트림을 팽창시키기 위한 2개 이상의 팽창 밸브(9 및/또는 10 및/또는 11),
    vi) 열 교환기(3)에서 기화된 2종의 분할된 스트림 중 1종 이상을 압축시키기 위한 하나 이상의 중간 압축기(12 및/또는 13),
    vii) 2종의 분할되고 기화된 스트림을 혼합하기 위한, 중간 압축기 하류의 혼합기(14),
    viii) 혼합된 스트림을 일시 저장하기 위한 버퍼 탱크(15),
    ix) 혼합된 스트림을 압축하기 위한, 버퍼 탱크(15) 하류의 최종 압축기(16), 및
    x) 최종 압축기에서 나간 스트림의 적어도 일부를 버퍼 탱크(15)로 재순환시키는 것을 가능하게 하는 안티-펌핑 라인(17)
    을 포함하는, 가스 스트림 정제 유닛.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유닛은,
    iv) 증류 칼럼으로부터 생긴 액상 CO2를 3종의 스트림으로 분리시키기 위한 분할기(8),
    v) 3종의 분할된 스트림을 팽창시키기 위한 3개 이상의 팽창 밸브(9, 10 및 11),
    vi) 열 교환기(3)에서 기화된 3종의 분할된 스트림 중 2종 이상을 압축시키기 위한 둘 이상의 중간 압축기(12 및 13),
    vii) 3종의 분할되고 기화된 스트림을 혼합하기 위한, 중간 압축기 하류의 혼합기(14)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유닛.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 최종 압축기(16)의 상류에 위치하고, 유량 또는 압력의 강하를 검출하여 안티-펌핑 라인(17)의 개방 밸브에 신호를 전송하는 것을 가능하게 하는 하나 이상의 검출 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 유닛.
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