KR20140072461A - Liquefaction Process And System For High Pressure Carbon Dioxide - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a liquefaction system for high pressure carbon dioxide. The liquefaction system of high pressure carbon dioxide, which is a system for liquefying high pressure carbon dioxide, comprises at least three expansion valves provided with carbon dioxide and performing adiabatic expansion; at least two gas-liquid separators separating the carbon dioxide adiabatic-expanded in the expansion valves into a gas and a liquid; and at least two compressors compressing the carbon dioxide gas separated by the gas-liquid separators, wherein one expansion valve and one compressor are arranged in order to form a unit and the high pressure carbon dioxide is liquefied by a multi-stage liquefaction process consisting of at least two units.

Description

고압 이산화탄소의 액화 공정 및 액화 시스템{Liquefaction Process And System For High Pressure Carbon Dioxide}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a high pressure carbon dioxide liquefaction process,

본 발명은 고압 이산화탄소의 액화 공정 및 액화 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 팽창밸브, 기액분리기 및 압축기가 순서대로 배치되어 유닛을 이루고, 적어도 두 개의 유닛으로 된 다단 액화 공정으로 고압의 이산화탄소가 액화시키는 고압 이산화탄소의 액화 공정 및 액화 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a liquefaction process and a liquefaction system for high-pressure carbon dioxide, and more particularly, to a liquefaction process and a liquefaction system for high-pressure carbon dioxide. More particularly, the present invention relates to a liquefaction process and a liquefaction system, To a liquefaction process and a liquefaction system of high-pressure carbon dioxide.

화석연료의 사용증가에 따라 대량 배출되고 있는 이산화탄소는 지구온난화 현상을 일으키는 온실가스로 지정되어 있다. 이산화탄소의 지구 온난화 지수는 다른 온실가스보다 낮은 편이지만, 전체 온실가스 배출량의 80% 가량을 차지하는 점과 배출량을 규제할 수 있다는 점에서 중요하다. 이로 인해 다양한 국제협약을 통해 각국의 온실가스 배출 저감을 유도하도록 규제하고 있으며, 이로부터 파생된 기술 중 하나로 각종 산업현장에서 발생하는 이산화탄소를 회수하여 별도의 장소에 격리 저장함으로써 대기 중 방출되는 이산화탄소량을 감소시키는 이산화탄소 처리 기술이 등장하였다.As the use of fossil fuels increases, carbon dioxide, which is emitted in large quantities, is designated as a greenhouse gas causing global warming. The global warming index of carbon dioxide is lower than other greenhouse gases, but it is important in that it accounts for about 80% of total greenhouse gas emissions and can regulate emissions. As a result, it is regulated by various international conventions to induce reduction of greenhouse gas emissions of each country. One of the technologies derived from this is the recovery of carbon dioxide from various industrial sites and isolation and storage in a separate place, Carbon dioxide treatment technology has been introduced.

이산화탄소의 처리단계는 크게 회수, 분리농축, 수송, 저장의 네 단계로 이루어진다. 최근에는 배출가스로부터 분리된 이산화탄소를 해양, 지중, 지표 등에 주입하여 저장하는 CCS(carbon capture and storage) 기술과 이를 운송하는 기술이 대두되고 있다.The process of carbon dioxide treatment consists of four stages: recovery, separation, transportation, and storage. In recent years, carbon capture and storage (CCS) technology, in which carbon dioxide separated from exhaust gas is injected into the ocean, underground, and ground, is stored and transported there.

산업현장 등에서 발생한 이산화탄소를 포함한 배출가스를 회수하여 이산화탄소를 분리 농축하고, 분리된 이산화탄소를 70bar 이상의 고압으로 압축하여 초임계 유체 상태로 만들어 이송하게 된다. 초임계 유체가 되면 밀도는 액체와 유사하지만 점성은 기체와 비슷하여 파이프를 통한 이송에 적합해진다.The exhaust gas including carbon dioxide generated in the industrial field is recovered to separate and concentrate the carbon dioxide and the separated carbon dioxide is compressed to a supercritical fluid state by compressing it to a high pressure of 70 bar or more. When a supercritical fluid is used, the density is similar to that of a liquid, but the viscosity is similar to that of a gas, making it suitable for transport through a pipe.

그러나 이러한 고압의 이산화탄소는 저장이나 선박 등을 통한 운송에 앞서 압력을 낮출 필요가 있다. 고압인 이산화탄소를 그대로 저장하려면 펌프나 압축기의 압력이 그보다 높아야 하고, 이러한 대형 가압수단의 설치에 따른 설치비용과 전력 등의 소모에 따른 운영비용이 많이 필요하다. 또한 고압 이산화탄소를 선박으로 운송하려면 고가의 내압 저장용기를 갖추어야 한다. 따라서 수송성과 수송효율을 유지하면서 고압의 이산화탄소의 압력을 낮출 수 있도록 액화시킬 필요가 있다. However, such high pressure carbon dioxide needs to be depressurized prior to storage or transportation through the vessel. In order to store the high-pressure carbon dioxide as it is, the pressure of the pump or the compressor must be higher than that, and the installation cost due to the installation of such a large pressure means and the operating cost due to the consumption of electric power are needed. In order to transport high-pressure carbon dioxide as a ship, an expensive pressure-resistant storage container must be provided. Therefore, it is necessary to liquefy the fuel so as to lower the pressure of high-pressure carbon dioxide while maintaining the transportation efficiency and transport efficiency.

이산화탄소의 액화 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 이루어질 수 있다. The liquefaction process of carbon dioxide can be performed as shown in Fig.

도 1에 도시된 바와 같이 고압의 이산화탄소를 공급받아 팽창밸브(10)로 단열팽창시키고, 다시 한 번 팽창밸브(10)를 통해 단열팽창시켜 선박 수송에 적합한 온도까지 저온으로 냉각시키고 기액분리하여(20) 액화 이산화탄소를 얻는다. 단열팽창시 발생한 플래쉬 가스는 기액분리(20)를 통해 분리되고 압축기(30)로 압축하여 열교환기(40)에서 냉각시킨 후, 두 번째 팽창밸브 전단으로 도입시켜 첫 번째 팽창밸브를 통과한 이산화탄소에 합류시킴으로써 다시 팽창밸브에 의해 단열팽창으로 냉각시킨다. As shown in FIG. 1, the high-pressure carbon dioxide is supplied to the expansion valve 10 to perform a monotonic expansion. The expansion valve 10 is then subjected to a monotonic expansion through the expansion valve 10 to cool down to a temperature suitable for ship transportation, 20) Get liquefied carbon dioxide. The flash gas generated during the thermal expansion is separated through the gas-liquid separation 20, compressed by the compressor 30, cooled in the heat exchanger 40, introduced into the front end of the second expansion valve, And is cooled again by the expansion valve by the thermal expansion by joining.

선박수송에 적합한 액화 온도는 압력을 고려할 때 이산화탄소의 상 평형 곡선에서 삼중점인 약 -56℃ 바로 위의 온도일 수 있다.The liquefaction temperature suitable for ship transport may be a temperature just above about -56 ° C which is the triple point in the phase equilibrium curve of carbon dioxide when the pressure is considered.

이와 같이 고압의 이산화탄소를 팽창밸브와 하나의 압축기만으로 선박 수송에 적합한 온도까지 바로 냉각시켜 액화하는 것은 액화 효율은 낮으면서 많은 에너지가 소비된다.In this way, liquefying the high-pressure carbon dioxide directly to the temperature suitable for transporting the ship with only the expansion valve and one compressor consumes a lot of energy while the liquefaction efficiency is low.

그러므로, 본 발명은 이러한 문제를 해결할 수 있도록, 고압 상태인 이산화탄소를 에너지를 많이 소모하지 않으면서도 효율적으로 액화시킬 수 있는 액화 시스템을 제안하고자 한다. Therefore, in order to solve such a problem, the present invention proposes a liquefaction system which can efficiently liquefy carbon dioxide at a high pressure without consuming a large amount of energy.

본 발명의 일 측면에 따르면, 고압의 이산화탄소를 액화시키는 시스템에 있어서,According to an aspect of the present invention, there is provided a system for liquefying high-pressure carbon dioxide,

상기 이산화탄소를 공급받아 단열팽창시키는 적어도 세 개의 팽창밸브; At least three expansion valves for supplying the carbon dioxide and thermally expanding the carbon dioxide;

상기 팽창밸브에서 단열팽창된 상기 이산화탄소를 기체와 액체로 분리하는 적어도 두 개의 기액분리기; 및At least two gas-liquid separators for separating the carbon monoxide, which is thermally expanded in the expansion valve, into gas and liquid; And

상기 기액분리기에서 분리된 기체의 상기 이산화탄소를 압축시키는 적어도 두 개의 압축기를 포함하되, And at least two compressors for compressing the carbon dioxide of the gas separated in the gas-liquid separator,

하나의 상기 팽창밸브, 기액분리기 및 압축기가 순서대로 배치되어 유닛을 이루고, 적어도 두 개의 유닛으로 된 다단 액화 공정으로 상기 고압의 이산화탄소가 액화되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템이 제공된다. Pressure liquefied carbon dioxide is liquefied by a multi-stage liquefaction process comprising at least two units in which one expansion valve, a gas-liquid separator and a compressor are arranged in order to form a unit, and the high pressure carbon dioxide is liquefied.

상기 다단 액화 공정의 첫 번째 유닛에는 두 개의 상기 팽창밸브가 배치되고, 상기 압축기의 후단에 마련되어 압축된 상기 이산화탄소를 냉각하여 액화시키는 냉각기가 더 포함되고, 상기 냉각기에서 액화된 상기 이산화탄소는 첫 번째 유닛의 첫 번째 상기 팽창밸브 후단으로 도입될 수 있다. Wherein the first unit of the multi-stage liquefaction process further comprises a cooler disposed at a rear end of the compressor, the cooler cooling and liquefying the compressed carbon dioxide, and the liquefied carbon dioxide in the cooler is introduced into the first unit Of the first expansion valve of the expansion valve.

상기 첫 번째 유닛의 첫 번째 상기 팽창밸브에서 상기 이산화탄소는 상기 냉각기로 액화될 수 있는 온도에 대한 포화압력으로 단열팽창될 수 있다.In the first expansion valve of the first unit, the carbon dioxide can be thermally expanded to a saturation pressure for a temperature that can be liquefied by the cooler.

상기 다단 액화 공정의 유닛에서 상기 기액분리기에서 분리된 액체의 상기 이산화탄소는 다음 유닛의 팽창밸브로 도입되고, 상기 압축기에서 압축된 상기 이산화탄소는 직전 유닛의 압축기 전단으로 도입될 수 있다.The carbon dioxide in the liquid separated in the gas-liquid separator in the unit of the multi-stage liquefaction process is introduced into the expansion valve of the next unit, and the carbon dioxide compressed in the compressor can be introduced to the front end of the compressor of the immediately preceding unit.

상기 압축기 전단에는 상기 기액분리기에서 분리된 기체의 이산화탄소와 다음 유닛의 압축기로부터 압축되어 도입되는 이산화탄소를 혼합하는 혼합기가 마련될 수 있다.A mixer for mixing the carbon dioxide of the gas separated by the gas-liquid separator and the carbon dioxide which is compressed and introduced from the compressor of the next unit may be provided at the upstream of the compressor.

상기 다단 액화 공정의 유닛에서 상기 기액분리기에서 분리된 액체의 상기 이산화탄소는 다음 유닛의 팽창밸브로 도입되고, 상기 압축기에서 압축된 상기 이산화탄소는 직전 유닛의 기액분리기 전단으로 도입될 수 있다.The carbon dioxide of the liquid separated in the gas-liquid separator in the unit of the multi-stage liquefaction process is introduced into the expansion valve of the next unit, and the carbon dioxide compressed in the compressor can be introduced to the front end of the gas-

상기 다단 액화 공정은 최종 유닛의 상기 기액분리기에서 분리된 액체 이산화탄소의 온도가 운송온도에 도달하도록 다단으로 마련될 수 있다. The multi-stage liquefaction process may be provided in multiple stages so that the temperature of the liquid carbon dioxide separated in the gas-liquid separator of the final unit reaches the transport temperature.

상기 운송온도는 -55 내지 -20℃일 수 있다.The transport temperature may be between -55 and -20 < 0 > C.

상기 팽창밸브로 공급되는 고압의 상기 이산화탄소는 초임계(supercritical) 상태일 수 있다.
The high-pressure carbon dioxide supplied to the expansion valve may be in a supercritical state.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 고압의 이산화탄소를 액화시키는 공정에 있어서,According to another aspect of the present invention, in the process of liquefying high-pressure carbon dioxide,

1) 상기 이산화탄소를 단열팽창시키는 단계;1) thermally expanding the carbon dioxide;

2) 상기 이산화탄소를 다시 단열팽창시키고 기체와 액체로 분리하는 단계; 및2) thermally expanding the carbon dioxide again and separating it into gas and liquid; And

3) 기체인 상기 이산화탄소는 압축하고 냉각하여 액화시켜 상기 단계 2)로 순환시키고, 액체인 상기 이산화탄소는 단열팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 공정이 제공된다.3) the liquefied carbon dioxide is compressed, cooled, liquefied and circulated to the step 2), and the liquid carbon dioxide is thermally expanded.

고압 이산화탄소의 액화 공정은, 4) 상기 단계 3)에서 단열팽창된 상기 이산화탄소를 기체와 액체로 분리하는 단계; 및The liquefaction process of high-pressure carbon dioxide may include: 4) separating the carbon dioxide, which is thermally expanded in step 3), into gas and liquid; And

5) 상기 단계 4)에서 기체인 상기 이산화탄소는 압축시키고, 액체인 상기 이산화탄소는 단열팽창시키는 단계를 더 포함하되, 5) In step 4), the carbon dioxide gas is compressed, and the carbon dioxide, which is liquid, is thermally expanded.

상기 단계 4) 및 5)는 적어도 1 회 반복될 수 있다. The steps 4) and 5) may be repeated at least once.

상기 단계 5)에서 압축된 상기 이산화탄소는 상기 단계 2) 및 3)과 반복되는 상기 단계 4) 및 5) 중 직전 회의 기체인 이산화탄소를 압축하는 단계로 도입되고, 단열팽창된 이산화탄소는 다음 회의 기체와 액체를 분리하는 단계로 도입되며, 상기 단계 5)에서 분리된 액체 이산화탄소가 선박에 적재하여 운송할 수 있는 운송온도에 도달할 때까지 상기 단계 4) 및 5)는 반복될 수 있다. The carbon dioxide compressed in the step 5) is introduced into the step of compressing carbon dioxide which is the immediately preceding gas in the steps 4) and 5), which is repeated with the steps 2) and 3), and the thermally expanded carbon dioxide is introduced into the next gas The steps 4) and 5) may be repeated until the liquid carbon dioxide separated in the step 5) reaches the transportable temperature at which the liquid carbon dioxide is loaded on the vessel.

상기 운송온도는 -55 내지 -20℃일 수 있다.The transport temperature may be between -55 and -20 < 0 > C.

본 발명의 고압 이산화탄소의 액화 공정 및 액화 시스템은 팽창밸브, 기액분리기 및 압축기가 순서대로 배치된 유닛을 다단으로 배치한 다단 액화 공정을 통해 고압의 이산화탄소가 액화시킴으로써, 고압 이산화탄소의 냉각 액화 공정의 효율을 높이고, 액화 공정에서 소비되는 에너지를 절감할 수 있다. The high pressure carbon dioxide liquefaction process and liquefaction system of the present invention liquefies high-pressure carbon dioxide through a multi-stage liquefaction process in which units each having an expansion valve, a gas-liquid separator and a compressor are arranged in order, And energy consumption in the liquefaction process can be reduced.

도 1은 이산화탄소의 액화 공정의 일 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 이산화탄소의 액화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에서 압축된 이산화탄소가 기액분리기 전단으로 도입되는 다른 실시예의 고압 이산화탄소의 액화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 -50℃로 고압 이산화탄소의 액화 공정이 이루어질 때 이산화탄소의 압력(P)과 엔탈피(kJ/㎏)의 변화를 개략적으로 도시하는 P-h선도이다.
Fig. 1 shows an example of a liquefaction process of carbon dioxide.
Figure 2 schematically illustrates a liquefaction system for high pressure carbon dioxide according to one embodiment of the present invention.
3 schematically shows a liquefaction system for high pressure carbon dioxide in another embodiment in which compressed carbon dioxide is introduced into the gas-liquid separator front end in the present invention.
4 is a ph diagram schematically showing the change of the pressure (P) and enthalpy (kJ / kg) of carbon dioxide when a liquefaction process of high-pressure carbon dioxide is performed at -50 ° C according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 이산화탄소의 액화 시스템의 개념을 개략적으로 도시한다.FIG. 2 schematically illustrates the concept of a high pressure carbon dioxide liquefaction system according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 이산화탄소의 액화 시스템은, 고압의 이산화탄소를 액화시키는 시스템에 있어서, 이산화탄소를 공급받아 단열팽창시키는 적어도 세 개의 팽창밸브(100)와, 팽창밸브(100)에서 단열팽창된 이산화탄소를 기체와 액체로 분리하는 적어도 두 개의 기액분리기(200)와, 기액분리기(200)에서 분리된 기체의 이산화탄소를 압축시키는 적어도 두 개의 압축기(300)를 포함하되, 하나의 팽창밸브(100), 기액분리기(200) 및 압축기(300)가 순서대로 배치되어 유닛(U)을 이루고, 적어도 두 개의 유닛(U1, U2, U3)으로 된 다단 액화 공정으로 고압의 이산화탄소가 액화되는 것을 특징으로 한다. 2, the system for liquefying high-pressure carbon dioxide according to an exemplary embodiment of the present invention includes at least three expansion valves 100 for supplying carbon dioxide and thermally expanding carbon dioxide, At least two gas-liquid separators 200 for separating the carbon monoxide thermally expanded in the valve 100 into gas and liquid and at least two compressors 300 for compressing the carbon dioxide of the gas separated in the gas-liquid separator 200 , A single expansion valve 100, a gas-liquid separator 200 and a compressor 300 are arranged in this order to form a unit U and a multi-stage liquefaction process consisting of at least two units U1, U2 and U3, And carbon dioxide is liquefied.

압축된 고압의 기체를 단열된 좁은 관(細孔) 등 저항이 있는 곳을 통하게 하고 외부와의 열교환을 차단하여 단열팽창시킬 때 압력 강하와 함께 온도 변화가 일어난다. 이때 관을 통과하기 전과 후의 엔탈피는 같지만 분자 간의 상호작용으로 인해 온도 변화가 발생하는 저온(extreme low temperature) 현상, 즉 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)가 발생한다. 본 실시예의 팽창밸브(100)는 이러한 줄-톰슨 효과를 통해 고압 이산화탄소의 압력을 낮추고 액화시키는 것이다.When the compressed high-pressure gas is passed through the insulated narrow pipe (pore) and the heat exchange with the outside is blocked, the pressure drop and the temperature change occur when the thermal expansion is made. At this time, the enthalpy before and after passing through the tube is the same, but an extreme low temperature phenomenon occurs in which a temperature change occurs due to intermolecular interaction, that is, a Joule-Thomson effect occurs. The expansion valve 100 of the present embodiment lowers and liquefies the pressure of high-pressure carbon dioxide through this line-Thomson effect.

본 실시예는 이와 같은 팽창밸브(100)를 기액분리기(200) 및 압축기(300)와 함께 유닛(U)으로 구성하고, 이러한 유닛을 다단으로 마련함으로써(U1, U2, U3), 고압의 이산화탄소를 여러 단계에 걸쳐 단열팽창함으로써 액화시킨다. 본 실시예의 팽창밸브(100)를 대체하여 팽창기 등 다른 단열팽창수단을 마련할 수도 있다. This embodiment is characterized in that such an expansion valve 100 is constituted by a unit U together with a gas-liquid separator 200 and a compressor 300, and these units are provided in multiple stages (U1, U2, U3) Is liquefied by thermal expansion in several steps. It is also possible to provide another unitary thermal expansion means such as an expander in place of the expansion valve 100 of the present embodiment.

다단 액화 공정의 첫 번째 유닛(U1)에는 두 개의 팽창밸브(100)가 배치되고, 압축기(300)의 후단에 마련되어 압축된 이산화탄소를 냉각하여 액화시키는 냉각기(400)가 더 포함되고, 냉각기(400)에서 액화된 이산화탄소는 첫 번째 유닛(U1)의 첫 번째 팽창밸브(100) 후단으로 도입될 수 있다. The first unit U1 of the multistage liquefaction process is provided with two expansion valves 100 and further comprises a cooler 400 provided at a downstream end of the compressor 300 for cooling and liquefying the compressed carbon dioxide, The liquefied carbon dioxide may be introduced to the downstream of the first expansion valve 100 of the first unit U1.

첫 번째 유닛(U1)의 첫 번째 팽창밸브(100)에서 이산화탄소는 냉각기(400)로 액화될 수 있는 온도에 대한 포화압력으로 단열팽창될 수 있다.At the first expansion valve 100 of the first unit U1, the carbon dioxide can be thermally expanded to a saturation pressure for a temperature that can be liquefied by the cooler 400.

첫 번째 유닛(U1)의 첫 번째 팽창밸브(100)에서는 첫 번째 유닛(U1)의 압축기(300) 후단에 마련된 냉각기(400)에 의해 액화될 수 있는 온도에 상응하는 이산화탄소의 포화압력으로 고압의 이산화탄소를 단열팽창시킨다. 20℃의 냉각수를 공급받는 냉각기(400)라면, 이산화탄소의 상응하는 포화압력은 58bar이고, 첫 번째 팽창밸브(100)를 통해 고압의 이산화탄소는 58bar로 단열팽창된다. 단열팽창된 이산화탄소는 첫 번째 유닛(U1)의 두 번째 팽창밸브(100)에서 한번 더 단열팽창된 후 기액분리기로 도입된다. 단열팽창에서 flash gas로 발생한 기체 상태의 이산화탄소는 기액분리기에서 액체 상태인 이산화탄소와 분리되어 압축기(300)를 통해 냉각기(400)로 액화될 수 있는 온도에 대한 포화압력, 상술한 20℃의 냉각수를 공급받는 경우라면 58bar까지 압축된다. 압축된 이산화탄소는 냉각기(400)에서 냉각수와 열교환한 후, 첫 번째 유닛(U1)의 첫 번째 팽창밸브(100) 후단에서 첫 번째 팽창밸브(100)를 거친 이산화탄소에 합류된다. In the first expansion valve 100 of the first unit U1, the saturated pressure of the carbon dioxide corresponding to the temperature that can be liquefied by the cooler 400 provided at the downstream of the compressor 300 of the first unit U1, Enables thermal expansion of carbon dioxide. If the cooler 400 is supplied with cooling water at 20 ° C, the corresponding saturation pressure of carbon dioxide is 58 bar and the high pressure carbon dioxide through the first expansion valve 100 is monolithically expanded to 58 bar. The thermally expanded carbon dioxide is once thermally expanded in the second expansion valve 100 of the first unit U1 and then introduced into the gas-liquid separator. The gaseous carbon dioxide generated from the flash gas in the single thermal expansion is separated from the liquid carbon dioxide in the gas-liquid separator and is supplied to the compressor 300 through the saturation pressure for the temperature that can be liquefied by the cooler 400, If supplied, it is compressed to 58 bar. The compressed carbon dioxide is heat-exchanged with the cooling water in the cooler 400 and is then added to the carbon dioxide passing through the first expansion valve 100 at the end of the first expansion valve 100 of the first unit U1.

다단 액화 공정의 유닛에서 기액분리기에서 분리된 액체의 이산화탄소는 다음 유닛의 팽창밸브로 도입되고, 압축기에서 압축된 이산화탄소는 직전 유닛의 압축기 전단으로 도입될 수 있다.The liquid carbon dioxide separated from the gas-liquid separator in the unit of the multi-stage liquefaction process is introduced into the expansion valve of the next unit, and the carbon dioxide compressed in the compressor can be introduced to the front end of the compressor of the immediately preceding unit.

압축기 전단에는 기액분리기에서 분리된 기체의 이산화탄소와 다음 유닛의 압축기로부터 압축되어 도입되는 이산화탄소를 혼합하는 혼합기(M)가 마련될 수 있다.A mixer (M) for mixing carbon dioxide of the gas separated from the gas-liquid separator and carbon dioxide which is compressed and introduced from the compressor of the next unit may be provided at the upstream of the compressor.

다단 액화 공정은 최종 유닛의 기액분리기에서 분리된 액체 이산화탄소의 온도가 운송온도에 도달하도록 다단의 유닛들(U1, U2, U3)로 마련될 수 있으며, 이러한 운송온도는 -55 내지 -20℃일 수 있다.The multi-stage liquefaction process may be provided in the multi-stage units U1, U2, U3 such that the temperature of the liquid carbon dioxide separated in the gas-liquid separator of the final unit reaches the transport temperature, .

하나의 유닛에서 팽창밸브를 거쳐 단열팽창된 이산화탄소는 기액분리기에서 액체 이산화탄소와 flash gas로 발생한 기체 이산화탄소로 분리되고, 액체인 이산화탄소는 다음 유닛의 팽창밸브로 도입되어 거듭 단열팽창 과정을 거친다. 이러한 팽창밸브에 의한 단열팽창과 기액분리 과정은 선박으로 운송하기에 적합한 운송온도에 도달할 때까지 다단의 유닛들을 통해 반복적으로 이루어진다. In a gas-liquid separator, the carbon dioxide separated from the single-unit expansion valve through the expansion valve is separated into liquid carbon dioxide and gaseous carbon dioxide generated from the flash gas. The liquid carbon dioxide is introduced into the expansion valve of the next unit and subjected to repeated thermal expansion. The process of thermal expansion and gas-liquid separation by the expansion valve is repeatedly carried out through the multi-stage units until a transport temperature suitable for transport to the vessel is reached.

한편, 각각의 유닛들의 기액분리기에서 분리된 기체 이산화탄소는 해당 유닛(U3)의 압축기(300")에서 압축된 후 직전 유닛(U2)의 기액분리기 후단에서 혼합기(M)를 통해, 직전유닛 팽창밸브(100')에서 단열팽창된 후 기액분리기(200')에서 분리된 기체 이산화탄소의 흐름에 합류되어 압축기(300')로 도입된다. 이때 압력차 없이 합류될 수 있도록, 해당 유닛(U3)의 압축기(300")에서는 직전 유닛(U2)의 팽창밸브(100')를 통과한 이산화탄소의 압력과 동일한 압력으로 압축시킨다. 해당 유닛(U3)의 압축기(300")에서 압축된 기체 상태의 이산화탄소는, 직전 유닛(U2)의 기액분리기(200')에서 분리된 기체 이산화탄소와 함께, 직전 유닛(U2)의 압축기(300')에서 다시 압축된다. 압축된 이산화탄소는 다시 전단에 배치된 유닛의 압축기 전단의 혼합기에서, 단열팽창 후 기액분리기에서 분리된 기체 이산화탄소에 합류되어 압축기에서 압축되는 과정을 반복하게 된다. 최종적으로는 첫 번째 유닛(U1)의 압축기(300) 전단에 도입되어 첫 번째 유닛(U1)의 압축기(300)에서 압축되고 냉각기(400)에서 열교환함으로써 액화되어 첫 번째 유닛(U1)의 두 번째 팽창밸브(100) 전단으로 도입된다. On the other hand, the gaseous carbon dioxide separated from the gas-liquid separators of the respective units is compressed by the compressor 300 "of the unit U3 and then discharged from the rear end of the gas-liquid separator of the immediately preceding unit U2 through the mixer M, Liquid separator 200 'and then introduced into the compressor 300'. At this time, in order to be able to merge without a pressure difference, the refrigerant discharged from the compressor (100) of the unit (U3) (300 ") to a pressure equal to the pressure of carbon dioxide that has passed through the expansion valve 100 'of the immediately preceding unit (U2). The gaseous carbon dioxide compressed in the compressor 300 "of the unit U3 is supplied to the compressor 300 'of the immediately preceding unit U2 together with the gaseous carbon dioxide separated from the gas-liquid separator 200' The compressed carbon dioxide is again mixed with the gaseous carbon dioxide separated from the gas-liquid separator after the thermal expansion in the mixer at the upstream side of the compressor of the unit disposed at the preceding stage, and is repeatedly compressed in the compressor. Th unit U1 is compressed and compressed in the compressor 300 of the first unit U1 and liquefied by heat exchange in the cooler 400 so that the second expansion valve 100 of the first unit U1 ) Shear.

이와 같은 공정 과정을 도 4에서 확인할 수 있다. 이는 고압 이산화탄소를 -50℃로 액화시키는 공정이 이루어질 때 이산화탄소의 압력(bar)과 엔탈피(kJ/㎏)의 변화를 개략적으로 도시하고 있다.This process is shown in FIG. This schematically shows the change in pressure (bar) and enthalpy (kJ / kg) of carbon dioxide when a process of liquefying high-pressure carbon dioxide at -50 ° C is carried out.

팽창밸브(100)로 공급되는 고압의 이산화탄소는 이산화탄소의 임계압력이상으로 초임계(supercritical) 상태일 수 있다. 초임계 상태에서는 밀도는 액체와 유사하지만 점성은 기체와 비슷하여 파이프 등을 통한 이송에 적합하므로, 이산화탄소는 임계압력이상의 고압인 초임계 유체로 이송된 후, 본 실시예를 통해 선박 등을 통한 운송수단에 저장하여 운송할 수 있을 정도로 압력을 낮춰 액화시키게 된다. 액화공정을 통해 이산화탄소의 상 평형 곡선에서 삼중점인 약 -56℃ 바로 위의 온도인 -55 내지 -20℃, 압력 5.5 내지 13 bar 내외로 액화하는 것이 바람직하다. 이보다 압력이 높으면 고가의 내압용기가 필요하고, 압력이 낮으면 운송 중 이산화탄소가 고체 또는 기체로 상 변화할 수 있다. The high-pressure carbon dioxide supplied to the expansion valve 100 may be in a supercritical state above the critical pressure of carbon dioxide. In the supercritical state, the density is similar to that of the liquid, but the viscosity is similar to that of the gas. Therefore, the carbon dioxide is transported to the supercritical fluid having a high pressure higher than the critical pressure and then transported to the supercritical fluid It is stored in the means and is liquefied by lowering the pressure to such a degree that it can be transported. It is preferable to liquefy through a liquefaction process to a temperature of -55 to -20 占 폚 and a pressure of 5.5 to 13 bar at a temperature just above -56 占 폚, which is the triple point, on the phase equilibrium curve of carbon dioxide. Higher pressures require higher pressure vessels, while lower pressures may result in a phase change to solid or gas during transport.

한편, 다른 실시예로써, 다단 액화 공정의 유닛(U2)에서 기액분리기(200')에서 분리된 액체의 이산화탄소는 다음 유닛(U3)의 팽창밸브(100")로 도입되고, 압축기(300')에서 압축된 이산화탄소는 직전 유닛(U1)의 기액분리기(200) 전단으로 도입되도록 시스템을 구성할 수도 있다. 도 3에서는 압축된 이산화탄소가 기액분리기 전단으로 도입되는 다른 실시예의 고압 이산화탄소의 액화 시스템을 개략적으로 도시하였다.
On the other hand, as another embodiment, the liquid carbon dioxide separated from the gas-liquid separator 200 'in the unit U2 of the multi-stage liquefaction process is introduced into the expansion valve 100''of the next unit U3, Liquid separator 200 of the immediately preceding unit U1. FIG. 3 schematically shows a high pressure carbon dioxide liquefaction system of another embodiment in which compressed carbon dioxide is introduced to the upstream side of the gas-liquid separator. Respectively.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 고압의 이산화탄소를 액화시키는 공정에 있어서,According to another aspect of the present invention, in the process of liquefying high-pressure carbon dioxide,

1) 이산화탄소를 단열팽창시키는 단계;1) thermally expanding carbon dioxide;

2) 이산화탄소를 다시 단열팽창시키고 기체와 액체로 분리하는 단계; 및2) again thermally expanding the carbon dioxide and separating it into gas and liquid; And

3) 기체인 이산화탄소는 압축하고 냉각하여 액화시켜 단계 2)로 순환시키고, 액체인 이산화탄소는 단열팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 공정이 제공된다.3) The liquefaction process of high pressure carbon dioxide is provided, characterized in that carbon dioxide which is a gas is compressed, cooled and liquefied and circulated to the step 2), and the liquid carbon dioxide is subjected to a monotonic expansion.

고압 이산화탄소의 액화 공정은, 4) 단계 3)에서 단열팽창된 이산화탄소를 기체와 액체로 분리하는 단계와, 5) 단계 4)에서 기체인 이산화탄소는 압축시키고, 액체인 이산화탄소는 단열팽창시키는 단계를 더 포함하되, 단계 4) 및 5)는 적어도 1 회 반복될 수 있다. The liquefaction process for high-pressure carbon dioxide comprises the steps of: 4) separating the monotonically expanded carbon dioxide into gas and liquid in step 3), and 5) compressing carbon dioxide as gas and monotonic expansion of carbon dioxide as liquid in step 4) , Steps 4) and 5) may be repeated at least once.

단계 5)에서 압축된 이산화탄소는 단계 2) 및 3)과 반복되는 단계 4) 및 5) 중 직전 회의 기체인 이산화탄소를 압축하는 단계로 도입되고, 단열팽창된 이산화탄소는 다음 회의 기체와 액체를 분리하는 단계로 도입되며, 단계 5)에서 분리된 액체 이산화탄소가 선박에 적재하여 운송할 수 있는 바람직한 운송온도인, -55 내지 -20℃에 도달할 때까지 단계 4) 및 5)는 반복될 수 있다.
The carbon dioxide compressed in step 5) is introduced into the step of compressing carbon dioxide which is the immediately preceding gas in steps 4) and 5) repeated with steps 2) and 3), and the thermally expanded carbon dioxide is introduced into the gas- Step 4) and 5) can be repeated until the liquid carbon dioxide separated in step 5) reaches the desired transport temperature that can be carried on board the ship and is between -55 and -20 占 폚.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 고압 이산화탄소의 액화 공정 및 액화 시스템은 팽창밸브(100), 기액분리기(200) 및 압축기(300)가 순서대로 배치된 유닛을 다단으로 배치한(U1, U2, U3) 다단 액화 공정을 통해 고압의 이산화탄소가 액화시킨다. 다단의 액화 공정을 통해 다단계로 고압 이산화탄소를 단열팽창시키고, 각 단계에서 발생하는 flash gas는 압축하여 전단계로 도입시켜 재순환시킴으로써, 고압 이산화탄소의 냉각 액화 공정의 에너지 효율을 높이고, 액화 공정에서 소비되는 에너지를 절감할 수 있다. 단일한 단계로 구성된 액화 시스템에 비해 본 실시예의 시스템은 시뮬레이션 결과 액화 공정에 필요한 에너지가 44%만 소모되는 것으로 확인되었고, 고압의 이산화탄소 액화에 소비되는 에너지가 대기압의 이산화탄소를 액화시키는 것과 유사하였다. As described above, the high pressure carbon dioxide liquefaction and liquefaction system according to the present embodiment includes the units U1, U2, U3, U3, U3, U3, U3, U3) High pressure carbon dioxide is liquefied through a multi-stage liquefaction process. Pressure gas is thermally expanded in a multi-stage liquefaction process, the flash gas generated in each stage is compressed, introduced into the previous stage, and recycled, thereby increasing the energy efficiency of the cooling and liquefying process of high-pressure carbon dioxide, Can be saved. Compared to a single-stage liquefaction system, the system of the present embodiment has shown that the energy required for the liquefaction process consumes only 44% of the liquefaction process, and the energy consumed for high-pressure liquefaction of carbon dioxide is similar to liquefying carbon dioxide at atmospheric pressure.

따라서 본 실시예의 이산화탄소 액화 시스템을 적용함으로써, 온실가스인 이산화탄소를 처리하기 위해 많은 에너지를 소비하고 온실가스를 배출하게 되는 이율배반을 해결할 수 있다.
Therefore, by applying the carbon dioxide liquefaction system of the present embodiment, it is possible to solve the problem of exhausting greenhouse gases by consuming a lot of energy and processing greenhouse gases to treat carbon dioxide, which is a greenhouse gas.

이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, such modifications or variations are intended to fall within the scope of the appended claims.

U1, U2, U3: 유닛
100, 100', 100": 팽창밸브
200, 200', 200": 기액분리기
300, 300', 300": 압축기
400: 냉각기
U1, U2, U3: Unit
100, 100 ', 100 ": expansion valve
200, 200 ', 200 ": gas-liquid separator
300, 300 ', 300 ": compressor
400: cooler

Claims (13)

고압의 이산화탄소를 액화시키는 시스템에 있어서,
상기 이산화탄소를 공급받아 단열팽창시키는 적어도 세 개의 팽창밸브;
상기 팽창밸브에서 단열팽창된 상기 이산화탄소를 기체와 액체로 분리하는 적어도 두 개의 기액분리기; 및
상기 기액분리기에서 분리된 기체의 상기 이산화탄소를 압축시키는 적어도 두 개의 압축기를 포함하되,
하나의 상기 팽창밸브, 기액분리기 및 압축기가 순서대로 배치되어 유닛을 이루고, 적어도 두 개의 유닛으로 된 다단 액화 공정으로 상기 고압의 이산화탄소가 액화되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템.
In a system for liquefying high pressure carbon dioxide,
At least three expansion valves for supplying the carbon dioxide and thermally expanding the carbon dioxide;
At least two gas-liquid separators for separating the carbon monoxide, which is thermally expanded in the expansion valve, into gas and liquid; And
And at least two compressors for compressing the carbon dioxide of the gas separated in the gas-liquid separator,
Pressure liquid carbon dioxide is liquefied by a multi-stage liquefaction process comprising at least two units in which one expansion valve, gas-liquid separator and compressor are arranged in order to form a unit.
제 1항에 있어서,
상기 다단 액화 공정의 첫 번째 유닛에는 두 개의 상기 팽창밸브가 배치되고, 상기 압축기의 후단에 마련되어 압축된 상기 이산화탄소를 냉각하여 액화시키는 냉각기가 더 포함되고,
상기 냉각기에서 액화된 상기 이산화탄소는 첫 번째 유닛의 첫 번째 상기 팽창밸브 후단으로 도입되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the first unit of the multi-stage liquefaction process further comprises a cooler disposed at the rear end of the compressor, for cooling and liquefying the compressed carbon dioxide,
Wherein the carbon dioxide liquefied in the cooler is introduced to the first stage of the expansion valve downstream of the first unit.
제 2항에 있어서,
상기 첫 번째 유닛의 첫 번째 상기 팽창밸브에서 상기 이산화탄소는 상기 냉각기로 액화될 수 있는 온도에 대한 포화압력으로 단열팽창되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the carbon dioxide in the first expansion valve of the first unit is thermally expanded to a saturation pressure for a temperature that can be liquefied by the cooler.
제 1항에 있어서,
상기 다단 액화 공정의 유닛에서 상기 기액분리기에서 분리된 액체의 상기 이산화탄소는 다음 유닛의 팽창밸브로 도입되고, 상기 압축기에서 압축된 상기 이산화탄소는 직전 유닛의 압축기 전단으로 도입되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon dioxide in the liquid separated in the gas-liquid separator in the unit of the multi-stage liquefaction process is introduced into the expansion valve of the next unit, and the carbon dioxide compressed in the compressor is introduced to the front end of the compressor of the immediately preceding unit. Liquefaction system.
제 4항에 있어서,
상기 압축기 전단에는 상기 기액분리기에서 분리된 기체의 이산화탄소와 다음 유닛의 압축기로부터 압축되어 도입되는 이산화탄소를 혼합하는 혼합기가 마련되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템.
5. The method of claim 4,
And a mixer for mixing the carbon dioxide of the gas separated from the gas-liquid separator and the carbon dioxide which is compressed and introduced from the compressor of the next unit is provided at the front end of the compressor.
제 1항에 있어서,
상기 다단 액화 공정의 유닛에서 상기 기액분리기에서 분리된 액체의 상기 이산화탄소는 다음 유닛의 팽창밸브로 도입되고, 상기 압축기에서 압축된 상기 이산화탄소는 직전 유닛의 기액분리기 전단으로 도입되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon dioxide in the liquid separated in the gas-liquid separator in the unit of the multi-stage liquefaction process is introduced into the expansion valve of the next unit, and the carbon dioxide compressed in the compressor is introduced to the front end of the gas- ≪ / RTI >
제 1항에 있어서,
상기 다단 액화 공정은 최종 유닛의 상기 기액분리기에서 분리된 액체 이산화탄소의 온도가 운송온도에 도달하도록 다단으로 마련되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the multi-stage liquefaction process is provided in multiple stages so that the temperature of the liquid carbon dioxide separated in the gas-liquid separator of the final unit reaches the transport temperature.
제 7항에 있어서,
상기 운송온도는 -55 내지 -20℃인 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템.
8. The method of claim 7,
Lt; RTI ID = 0.0 > 20 C < / RTI >
제 1항에 있어서,
상기 팽창밸브로 공급되는 고압의 상기 이산화탄소는 초임계(supercritical) 상태인 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the high-pressure carbon dioxide supplied to the expansion valve is in a supercritical state.
고압의 이산화탄소를 액화시키는 공정에 있어서,
1) 상기 이산화탄소를 단열팽창시키는 단계;
2) 상기 이산화탄소를 다시 단열팽창시키고 기체와 액체로 분리하는 단계; 및
3) 기체인 상기 이산화탄소는 압축하고 냉각하여 액화시켜 상기 단계 2)로 순환시키고, 액체인 상기 이산화탄소는 단열팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 공정.
In the process of liquefying high-pressure carbon dioxide,
1) thermally expanding the carbon dioxide;
2) thermally expanding the carbon dioxide again and separating it into gas and liquid; And
3) the liquefied carbon dioxide is compressed, cooled and liquefied and circulated to the step 2), and the liquid carbon dioxide is thermally expanded.
제 10항에 있어서,
4) 상기 단계 3)에서 단열팽창된 상기 이산화탄소를 기체와 액체로 분리하는 단계; 및
5) 상기 단계 4)에서 기체인 상기 이산화탄소는 압축시키고, 액체인 상기 이산화탄소는 단열팽창시키는 단계를 더 포함하되,
상기 단계 4) 및 5)는 적어도 1 회 반복되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 공정.
11. The method of claim 10,
4) separating the carbon monoxide thermally expanded in step 3) into gas and liquid; And
5) In step 4), the carbon dioxide gas is compressed, and the carbon dioxide, which is liquid, is thermally expanded.
Wherein said steps 4) and 5) are repeated at least once.
제 11항에 있어서,
상기 단계 5)에서 압축된 상기 이산화탄소는 상기 단계 2) 및 3)과 반복되는 상기 단계 4) 및 5) 중 직전 회의 기체인 이산화탄소를 압축하는 단계로 도입되고, 단열팽창된 이산화탄소는 다음 회의 기체와 액체를 분리하는 단계로 도입되며,
상기 단계 5)에서 분리된 액체 이산화탄소가 선박에 적재하여 운송할 수 있는 운송온도에 도달할 때까지 상기 단계 4) 및 5)는 반복되는 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 공정.
12. The method of claim 11,
The carbon dioxide compressed in the step 5) is introduced into the step of compressing carbon dioxide which is the immediately preceding gas in the steps 4) and 5), which is repeated with the steps 2) and 3), and the thermally expanded carbon dioxide is introduced into the next gas Is introduced into the step of separating the liquid,
And the steps 4) and 5) are repeated until the liquid carbon dioxide separated in the step 5) reaches the transportation temperature at which the liquid carbon dioxide is loaded on the vessel and can be transported.
제 12항에 있어서,
상기 운송온도는 -55 내지 -20℃인 것을 특징으로 하는 고압 이산화탄소의 액화 공정.
13. The method of claim 12,
Wherein the transporting temperature is between -55 and -20 < 0 > C.
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