KR20210120856A - 순수 일산화탄소 및 순수 수소의 제조 공정과 제조 설비 - Google Patents

순수 일산화탄소 및 순수 수소의 제조 공정과 제조 설비 Download PDF

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KR20210120856A
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stream
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compressor stage
hydrogen
gas stream
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KR1020210035617A
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타디엘로 진-필리페
첸 유에
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

탄화수소, 바람직하게는 메탄 또는 나프타를 증기 개질시켜 조 합성가스를 생성하고, 이어서 이러한 조 합성가스를 다단 후처리, 정제 및 분별시켜 목표 생성물들인 순수 일산화탄소 및 순수 수소를 제조하는 공정 및 설비를 제시하며, 공정 체인의 부산물로 수득된 물질 스트림들을 또한 유리하게 활용한다. 이는, 본 발명에 따라, 독립적으로 가동될 수 있는 복수개의 병렬 압축기 단들을 이용하여 부산물 물질 스트림들을 순환시키도록 마련된 재순환 압축기를 구비함으로써 달성된다. 이에 따라 증기 개질 유닛에 다양한 크기의 순환 스트림들을 공급할 수 있게 된다. 대안적 구현예에 의하면, 추가 순환 스트림을 부가적으로 생성할 수 있으며, 이는 저온 분별 유닛에 대한 부하를 인위적으로 높여, 그에 포함되는 증류 단계와 분리 단계를 더 간단하게 제어하고 더 안정적으로 가동할 수 있게 한다.

Description

순수 일산화탄소 및 순수 수소의 제조 공정과 제조 설비{PROCESS AND PLANT FOR PRODUCTION OF PURE CARBON MONOXIDE AND HYDROGEN}
본 발명은 탄화수소, 바람직하게는 메탄 또는 나프타를 증기 개질시켜 조 합성가스를 생성하고, 이어서 이러한 조 합성가스를 다단(multistage) 후처리, 정제 및 분별시켜 목표 생성물들인 순수 일산화탄소 및 순수 수소를 제조하는 공정 및 설비에 관한 것으로, 공정 체인의 부산물로 수득된 물질 스트림들을 또한 유리하게 활용한다.
탄화수소는 증기와 촉매 반응하여, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 혼합물인 합성가스를 생성할 수 있다. Ullmann의 Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, 1998 Electronic Release에서 핵심어 "가스 제조"에 설명되어 있듯이 소위 증기 개질 공정은 합성가스를 생산하는 데 가장 일반적으로 사용되는 방법이며, 이렇게 생산된 합성가스는 메탄올이나 암모니아와 같은 또 다른 중요한 상품 화학물질로 전환될 수 있다. 다양한 탄화수소(이를테면, 나프타), 액상 가스 또는 정제 가스를 전환시킬 수도 있지만 메탄-함유 천연 가스의 증기 개질이 지배적이다. 합성가스 제조를 위한 또 다른 중요한 공정으로, 예를 들면, 탄화수소의 자열 개질(ATR) 및 부분, 비촉매적(POX) 혹은 촉매적 산화가 있다.
탄화수소-증기 혼합물을 열교환기 또는 가열된 히터로 약 500℃를 초과하는 온도까지, 예컨대 최대 650℃까지, 예열한 후, 증기 개질기의 개질기 튜브로 투입하여 약 800℃ 내지 950℃ 최종 가열하면, 상기 혼합물은 개질용 촉매 위에서 일산화탄소와 수소로 전환된다. 니켈계 개질용 촉매가 널리 사용된다. 고급 탄화수소일수록 일산화탄소와 수소로 완전히 전환되지만, 메탄의 경우, 부분 전환되는 것이 일반적이다. 반응 평형으로 생성물 가스의 조성을 파악해 보면, 생성물 가스는 일산화탄소와 수소뿐만 아니라, 이산화탄소, 미전환된 메탄 및 수증기를 함유하고 있다. 에너지 최적화를 위해서나 고급 탄화수소를 함유한 투입 물질을 위해, 예열기 하류측에 투입 물질을 사전 크래킹 처리하는 소위 예비 개질기를 구비하여 이용할 수 있다. 이렇게 사전 크래킹 처리된 투입 물질은 추가 가열기 내에서 목표 개질기 튜브 입구 온도까지 가온된다.
개질기 가열로에서 빠져나온 고온 합성가스 생성물 기체는 하나 이상의 열교환기에서 가열 대상 공정 매체에 맞닿으며 간접적으로 열교환되면서 일부 냉각된다. 이러한 일부 냉각된 합성가스 생성물 기체는, 목표로 하는 생성물의 종류 혹은 하류 공정 유형에 따라, 추가 컨디셔닝 단계를 거치게 된다.
이렇게 생성된 일부 냉각된 조 합성가스에 대한 추가 후처리로, 종종, 예컨대 물리적 또는 화학적 흡수나 가스 스크러빙을 통해 추가 원치 않는 부수물을 분리시키기 위한 공정이 포함될 수도 있다. 따라서 이러한 공정들은, 원하는 합성가스 성분들인 일산화탄소 및 수소로부터, 탄소-함유 투입물의 가스화나 개질에 의해 생성된 조 합성가스 내 원치 않는 산성 성분들, 예를 들어, 이산화탄소(CO2)) 및 황화수소(H2S)뿐만 아니라, 카보닐 설파이드(COS), 시안화수소(HCN) 또는 머캅탄(RSH)과 같은 성분들을 미량 범위까지 안전하게 분리시키는 데 이용될 수 있다. 잘 알려져 있고 자주 이용되는 공정은 렉티솔(Rectisol) 공정으로, 흡수제로서 극저온 메탄올을 사용하여 조 합성가스를 스크러빙 처리하는 것을 포함하며, 위에 언급한 문헌에 그 원리가 설명되어 있다. 그 밖의 스크러빙 공정에서는 다른 스크러빙 또는 흡수 매체, 예를 들어, N-메틸피롤리돈(NMP), 2차 아민(예컨대, 디에탄올아민), 3차 아민(예컨대, 메틸디에탄올아민(MDEA)), 폴리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르(예컨대, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르)이 사용된다. 이렇게 분리된 이산화탄소의 전부 또는 일부를 물질적 활용을 위해 그리고 H2/CO 몰비를 낮추기 위해 합성가스 제조, 예컨대 증기 개질 공정으로 순환 공급할 수 있다. 이는 특히 일산화탄소가 해당 공정의 목표 생성물들 중 하나인 경우에 바람직하다. 이러한 공정에 의해 가동되는 장치를 이하 이산화탄소 분리 유닛(carbon dioxide removal unit)으로 통상 지칭한다. 여기서 사용되는 특정 공정 조건의 선택이 당업자에게는 익숙하며, 이하 이산화탄소 분리 조건이라 지칭한다.
메탄 및 미량의 고급 탄화수소 제거와 일산화탄소 및 수소의 분리는, 콜드박스로도 지칭되는, 주위환경으로부터 단열된 하우징 내의 개별 분리 단들의 통상적 배치를 고려한 다단 극저온 가스 분별법을 이용하여 달성될 수 있다. 이는 주로 액상 메탄이나 액상 질소를 사용하여 비등점이 높은 가스(이를테면, 일산화탄소)를 흡수한다. 이용되는 공정들에 대한 자세한 내용은 예를 들어 Haring의 저서 "Industrial Gases Processing", Chapter 5.2.3.6 "Cryogenic Separation Processes", Haring, H.-W. (ed.), WILEY-VCH, Weinheim (2008)에서 찾아볼 수 있다. 합성가스의 조성에 따라, 산업적으로 두 가지 다른 공정, 즉 응축 공정 또는 메탄 스크러빙을 이용하여 조 합성가스를 H2 및 CO 성분들로 분리한다.
응축 공정에서는 건조상태 조 합성가스를 열교환기를 사용하여 냉각시키되, 기체상인 미정제 수소를 분리기를 사용하여 CO/메탄-풍부 액상으로부터 분리할 수 있는 정도로 냉각시킨다. 냉각에 필요한 "냉장"효과는 가열 대상인 미정제 수소와 증발되는 CO에 의해 제공된다. 액상에 여전히 용해되어 있는 수소는 하류측 수소 스트리핑 컬럼에서 제거된다. 이러한 H2-비함유 CO/메탄 혼합물이 제2 컬럼에서 저온 증류에 의해 분해되어, 순수 CO를 상부 생성물로서 그리고 메탄을 하부 생성물로서 얻게 된다. 수소 스트리핑 컬럼으로부터의 상부 생성물과 CO/메탄 증류 컬럼으로부터의 하부 생성물의 혼합물로서 저압 오프가스가 생성되는데, 이는 연료 가스로 적합하다. 미정제 수소를 PSA 설비에서 추가 정제할 수 있다. 바람직하게 응축 공정은, 예를 들어 탄화수소의 부분 산화에서 수득되는 메탄을 저함량으로 포함한 CO-풍부 고압 합성가스를 분해시키는 데 사용된다.
극저온 가스 분별 공정에 의해 가동되는 장치를 이하 저온 분별 유닛으로 통상 지칭한다. 여기서 사용되는 특정 공정 조건의 선택이 당업자에게는 익숙하며, 이하 저온 분별 조건이라 지칭한다.
증기 개질기로부터의 조 합성가스 내 H2/CO 비율이 높고 메탄의 잔여 함량이 높다면, 응축 공정보다는 메탄 스크러빙이 순수 CO와 미정제 수소를 수득하는 데 더 적합하다. 스크러빙 컬럼으로 불리는 제1 컬럼에서는, 냉각된 조 합성가스로부터 다른 성분들을 스크러빙 처리하는 식으로 다량의 수소를 분리시킨다. 이때 사용된 용매는, 증발되는 CO로 용액의 열을 빼앗기면서 냉각된 과냉각 고순도 액체 메탄이다. 하류측 수소 스트리핑 컬럼에서는 스크러빙 컬럼으로부터의 하부 생성물 내 여전히 용해되어 있는 수소를 분리시킨다. 수소 스트리핑 컬럼으로부터의 CO/메탄 하부 생성물이 하류측 CO/메탄 증류 컬럼에서 분해되어, 순수 CO를 상부 생성물로서 그리고 메탄을 하부 생성물로서 얻게 된다. 이 컬럼의 상부에 있는 CO의 순도를 과냉각 순수 CO의 환류비를 통해 조절한다. 초과량의 메탄은 수소 스트리핑 컬럼으로부터의 상부 생성물과 함께 저압에서 방출되어 예컨대 연료 가스로 사용된다.
콜드박스에 포함된 공정 단들이 얼음 형성으로 인해 막히는 현상을 방지하기 위해, 상기 콜드박스의 상류측에 건조기 및/또는 예컨대 분자체 기반의 적합한 흡착제가 충전된 흡착기를 배치함으로써, 상당량의 수분과 추가의 원치 않은 미량 불순물을 제거할 수 있다.
콜드박스로부터 배출되는 일산화탄소는 소비자에게 순수 제품으로 공급되기도 한다.
순수 수소를 제조하기 위해서는 압력변동흡착(PSA) 설비에서 미정제 수소 스트림을 처리하는 최종 단계가 통상 뒤따르며, 그 기본 특성들이 서적 "Gasification", C. Higman and M. van der Burgt, Chapter 8.2.3 "Adsorption systems", Gulf Professional Publishing (2003)에 제시되어 있다. 압력변동흡착법은 흡착 단계(phase)와 다양한 재생 단계들 간에 전환되며 시차 순환식 모드(staggered cyclic mode)로 작동하는 일련의 컨테이너에서 분자체를 흡착제로서 사용한다. 아르곤 함량이 약 50 ppm이고 기타 불순물 함량이 10 ppm 미만인 매우 높은 순도를 달성할 수 있다.
미국 특허 US 8888 873 B2는 예로서 이러한 합성가스 생성, 및 콜드박스 내에서의, 합성가스 생성 - 산성 가스(CO2) 분리 - 분열성 성분들의 건조 및 흡착 - 합성가스의 저온 분열로 이루어진 공정 단들을 포함하는 합성가스 후처리 과정을 개시하였다. 특히 도 1과 이에 수반된 도면 설명을 참조한다. 이 문헌은, CO2 분리 단으로부터의 CO2-풍부 스트림, 및/또는 저온 분별로부터의 가스 스트림들인, 수소, 일산화탄소 및/또는 메탄을 함유한 가스 스트림들을 하나 이상의 압축기를 사용하여 합성가스 제조 단으로 순환 공급함으로써 이들의 물질적 활용도를 높일 수 있다고 개시하였다.
마찬가지로 미국 특허 US 9 512 004 B2는 인용된 유형의 공정 체인을 개시하였다. 이 문헌에서는 다음과 같은 다양한 운전 모드를 실현하기 위해 재순환 압축기를 사용하는 것에 대해 교시하였다: (a) 제1 운전 모드로서, 합성가스로부터 분리된 이산화탄소의 적어도 일부를 (b)의 탄화수소-풍부 투입물과 혼합시키는 모드, 및 (b) 제2 운전 모드로서, 압력변동흡착 설비에서 분리된 잔류 가스의 적어도 일부를, 재순환 압축기를 사용하여, 압력변동흡착 설비의 상류측 수소-풍부 분획물과 혼합시키는 모드. 여기서의 단점은 각 경우에 재순환 압축기를 전술한 운전 모드들 중 하나에만 사용할 수 있다는 점이다.
합성가스 제조 설비의 용량 범위를 추가로 넓힐 수 있도록, 보통은 재순환 압축기를 다단 형태로 구현한다. 즉 복수개의 부분-용량 압축기 단들을 병렬로 배치한다. 이에 따라, 예컨대 각각 공칭 용량이 50%인 3개의 병렬 압축기 단들을 갖는 재순환 압축기의 구성으로, 용량 범위가 50% 내지 150%가 될 수 있으며, 이로써 합성가스 제조 설비를 매우 유연하게 가동할 수 있게 된다. 그러나 한 가지 단점이라면, 공칭 용량 150%에서 운전하는 경우를 제외하고, 병렬 압축기 단들 중 하나 또는 심지어 2개가 미사용 상태로 계속 있게 되면서 비생산적 자본을 형성한다는 점이다.
따라서, 다양한 범위의 생산 용량을 감당하면서 동시에 부산물 스트림 내 존재하는 성분들의 최적 물질적 활용을 달성하기 위한, 순수 일산화탄소 및 순수 수소의 제조 공정이 여전히 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 앞서 인용된 종래 기술의 단점들을 드러내지 않는 순수 일산화탄소 및 수소의 제조 공정과 제조 설비를 구체적으로 명시하는 데에 있다.
전술된 목적은 제1 양태에 따른 청구항 1에 기재된 특징을 갖는 공정과 청구항 10에 기재된 특징을 갖는 제조 설비를 통해 달성된다. 본 발명의 추가 구현예들은 각 범주의 종속항들에 분명히 나타내었다.
당업자는 예컨대 도입 부분에 논의된 문헌과 같은 종래 기술을 통해 증기 개질 조건들에 관해 숙지하고 있다. 이들 조건은 탄화수소에서 합성가스 생성물로의, 바람직하게는 산업적으로 관련하여, 주목할 만한 수준의 전환을 가능하게 하는 물리화학적 조건이다. 일상적 실험들을 토대로, 이들 조건을 각 작동 요구사항에 맞추어 필요한 대로 조절할 수 있다. 여기에 개시되는 특정 반응 조건들이 지침 역할을 할 수는 있지만 본 발명의 범위에 대해 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
본 발명과 관련하여, 물질 스트림의 분할 또는 분해/분리란 원래 물질 스트림으로부터 둘 이상의 서브스트림을 생성한다는 것을 뜻하는 것으로 이해해야 하며, 이때 분해/분리는, 예를 들어 원래 물질 스트림에 열적 분리 공정을 적용함으로써, 원래의 물질 스트림에서 수득되는 서브스트림 내 물질의 조성을 의도적으로 변경시키는 것과 연관이 있다. 이와는 달리, 원래 물질 스트림의 분할은 수득되는 서브스트림 내 물질의 조성을 변화시키는 것과는 일반적으로 연관이 없다.
혼합물, 분획물 또는 물질 스트림 내 한 성분의 풍부화(enrichment) 또는 대폭 감소화(depletion)란 해당 성분의 몰분율 혹은 질량 분율을 높이거나(풍부화) 낮추는(대폭 감소화) 결과를 낳는 측정, 작동 또는 공정 단계를 의미하는 것으로 이해해야 한다.
분획물, 물질 스트림 등의 주요(predominant) 부분이란 각각 단독으로 고려하였을 때 다른 모든 비율보다 정량적으로 더 큰 비율을 차지한다는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 특히 이원 혼합물의 경우나 한 분획물을 두 부분으로 분해하는 경우, 이는 특정 경우에 달리 명시되지 않는 한, 50 중량%를 상회하는 비율을 의미하는 것으로 이해해야 한다.
물질 스트림이 한 성분으로 또는 다성분 그룹으로 대부분 구성된다란 표현은 해당 성분 또는 다성분 그룹의 몰분율 혹은 질량 분율이 각각 단독으로 고려하였을 때 물질 스트림 내 다른 성분들 또는 다른 다성분 그룹들의 모든 다른 비율보다 정량적으로 더 크다는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 특히 이원 혼합물의 경우, 이는 50%를 상회하는 비율을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 특정 경우에 달리 명시되지 않는 한, 이는 질량 분율을 기준으로 한다.
물질 스트림이 특정 공정 단 혹은 특정 제조 설비 부분에 바로 공급된다란 표현은 해당 물질 스트림이, 순전히 이송 목적의 작동 및 이에 필요한 수단, 예를 들면 파이프라인, 밸브, 펌프, 압축기 및 저장조를 제외한, 다른 공정 단들 혹은 다른 제조 설비 부분들을 그 전에 거치지 않고 해당 공정 단 혹은 제조 설비 부분에 도입된다는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다.
모든 압력은 특정 개별 문맥에서 달리 명시되지 않는 한 절대압력 단위(약어: bara)나 게이지압력 단위(약어: barg)로 표기된다.
본 발명에 따른 장치의 두 영역 간의 유체 연결이란 가스 스트림과 같은 유체가 두 영역 중 하나에서 다른 하나로 흐를 수 있게 하는 모든 유형의 연결로서, 두 영역 사이에 개재된 모든 영역이나 구성요소는 무시하는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 특히, 직접 유체 연결이란 가스 스트림과 같은 유체가 두 영역 중 하나에서 다른 하나로 흐를 수 있게 하는 모든 유형의 연결로서, 순전히 이송 목적의 작동 및 이에 필요한 수단, 예를 들면 파이프라인, 밸브, 펌프, 압축기 및 저장조를 제외한 어떠한 추가 영역이나 구성요소도 두 영역 사이에 개재되지 않음을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 한 가지 예로, 두 영역 중 하나에서 다른 하나로 직접 이어지는 파이프라인을 들 수 있다.
수단이란 목표 달성을 가능하게 하거나 목표 달성에 도움을 주는 어떤 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 특히, 특정 공정 단계를 수행하기 위한 수단이란 해당 공정 단계를 수행할 수 있도록 당업자가 고려할 만한 모든 물리적 물품을 포함하는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 당업자는 물질 스트림을 도입 또는 배출시키는 수단으로, 모든 이송 및 운반 장치들, 즉, 당해 기술분야에 대한 상기 당업자의 지식을 바탕으로 당업자가 생각하기에 해당 공정 단계를 수행하는 데 필요하거나 합리적으로 보이는 파이프라인, 펌프, 압축기, 밸브를 포함한 장치들을 고려할 것이다.
2개 이상의 압축기 단이 병렬 연결 또는 배치된다란 표현은 압축기 단들 중 하나를 통과하면서 그 안에서 압축되는 물질 스트림이 나머지 압축기 단들 중 하나를 추가로 통과하면서 그 안에서 압축되지 않음을 의미하는 것으로 이해해야 하며, 이때 2개 이상의 압축기 단은 서로 독립적으로 가동될 수 있다.
본 명세서의 목적 상, 증기는 개별 사례에서 달리 표시하지 않는 한 수증기와 동의어인 것으로 이해해야 한다.
본 발명은, 증기 개질 반응을 통해 탄화수소로부터 순수 일산화탄소 및 순수 수소를 제조하기 위해 지금까지 알려진 종래 기술 공정들에서는 다양한, 구체적으로는 뚜렷하게 다양한 생산 용량을 확립시키기가 어렵다는 발견에 기초한다. 더욱이, 지금까지는 조 합성가스의 후처리 중 부산물 스트림으로 생성되는 물질 스트림의 최적 활용이 이루어지지 않았다. 따라서, PSA에 의한 순수 수소 제조 중 부산물로 수득되는, 수소 및 추가 가연성 성분들을 함유하고 있는 스트림을 지금까지는 증기 개질 유닛의 버너를 위한 연료 가스로서 대부분 열적으로 활용하였다. 이는 극저온 가스 분별 공정 중 수득되는, 상당량의 수소 및 일산화탄소를 여전히 함유하고 있는 중간 압력-플래쉬 가스 스트림에도 동일하게 적용된다. 또한, 상단 스트림 합성가스 제조 설비를 현저히 다양한, 특히 소규모의, 생산 용량으로 가동해야 할 때, 콜드박스 공정에 포함되는 증류 단계와 분리 단계를 제어하는 일이 복잡하다.
위에 언급한 어려움들을 본 발명을 통해 줄이거나 완전히 모면할 수 있었다. 이산화탄소를 주로 함유한 스트림, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림, 및 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 스트림의 적어도 일부를 압축기 유닛에 공급하는 작업, 압축된 제1 순환 스트림을 압축기 유닛에서 배출시키는 작업, 및 이러한 제1 순환 스트림을 예컨대 증기 개질 유닛으로 순환 공급하는 작업을 포함하는 본 발명으로, 상기 순환 스트림 내 존재하는 성분들, 이를테면, 수소, 탄소산화물(특히, 일산화탄소) 또는 메탄의 물질적 활용도를 개선한다.
또한, 2개 이상의 병렬 압축기 단들을 이용한 본 발명의 공정 혹은 설비의 구성으로, 조정가능 생산 용량 범위를 현저하게 확대시킨다. 이에 따라, 예컨대 각각 공칭 용량이 50%인 3개의 병렬 압축기 단들을 갖는 재순환 압축기의 구성으로, 용량 범위가 50%(부분 부하 운전) 내지 150%(완전 부하 운전)가 될 수 있으며, 이로써 합성가스 제조 설비를 매우 유연하게 운전할 수 있게 된다. 한편, 각각 공칭 용량이 50%인 2개의 병렬 압축기 단들을 갖는 재순환 압축기의 구현예는 50%(부분 부하 운전) 내지 100%(완전 부하 운전)의 용량 범위가 가능해진다.
부분 부하 운전 시 각 경우에 필요하지 않았던 압축기 단들을 유리하게 활용하기 위해, 본 발명은 조 합성가스의 후처리 시 발생된 부산물 스트림들 중 하나 이상을 저온 분별 유닛의 상류 측에 배치된 건조 유닛으로 순환 공급하는 데 있어서 상기 압축기 단들을 활용할 수 있도록 한다. 이는 결과적으로, 부분 부하 운전 시 저온 분별 유닛에 인위적 부하를 발생시켜, 콜드박스 공정에 포함되는 증류 단계와 분리 단계를 더 간단하게 제어하고 더 안정적으로 가동할 수 있게 한다. 이를 위해, 상이한 용도로 쓰이는 상기 2개 이상의 압축기 단들을, 유리하게는, 밸브, 블랭킹 플레이트 또는 유사한 수단을 제공하여, 기밀 상태로(gas-tightly) 서로 분리시킴으로써 이들 사이에 직접 유체 연결이 없도록 한다. 이로써, 예를 들어 이산화탄소가 저온 분별 유닛 내부에 유입되어 드라이아이스를 형성하면서 내부에 막힘 현상을 일으키는 등의 원치 않는 물질 스트림 혼합을 피하도록, 각각의 물질 스트림을 별도로 보관하게 된다.
본 발명의 바람직한 구현예들
본 발명에 따른 공정의 제2 양태는 압축된 제1 순환 스트림의 적어도 일부를 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입하여 증기 개질 조건 하에 적어도 부분적으로 전환시키는 것을 특징으로 한다. 이런 식으로, 이들 스트림에 존재하는 가치 있는 생성물들, 이를테면, 수소, 탄소산화물(특히, 일산화탄소), 또는 메탄을 물질적으로 활용한다. 이는, 순수 일산화탄소 및 순수 수소 생산 용량이 동일하다는 가정 하에, 투입 스트림 탄화수소의 공급량을 줄일 수 있게 된 것이므로 절감 효과로 이어질 수 있다.
본 발명에 따른 공정의 제3 양태는 이산화탄소를 주로 함유한 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입하여 증기 개질 조건 하에 적어도 부분적으로 전환시키는 것을 특징으로 한다. 이는, 상기 스트림에 존재하는 이산화탄소를 물질적으로 활용할 수 있게 하므로, 순수 일산화탄소 및 순수 수소 생산 용량이 동일하다는 가정 하에, 투입 스트림 탄화수소의 공급량을 줄일 수 있도록 한다. 이는 이산화탄소를 주로 함유한 스트림의 경우에 특히 중요한데, 그 이유는 이산화탄소를 예컨대 연료 가스로 활용하는 등 다른 식으로 활용할 수 없기 때문이다. 제조 목표 생성물인 일산화탄소와 수소의 비율과 관련하여 공정의 유연성이 더욱 높아진다. 즉, 더 많은 이산화탄소를 순환할수록, 이에 비례하여 생성물 내 일산화탄소가 더 많이 생성된다.
본 발명에 따른 공정의 제4 양태는 메탄을 함유한 분별 가스 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입하여 증기 개질 조건 하에 적어도 부분적으로 전환시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 공정의 이러한 양태 역시, 순수 일산화탄소 및 순수 수소 생산 용량이 동일하다는 가정 하에, 투입 스트림 탄화수소의 절감 효과를 가져온다.
본 발명에 따른 공정의 제5 양태는 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는다. 이는 결과적으로, 특히 부분 부하 운전 시 저온 분별 유닛에 인위적 부하를 발생시켜, 콜드박스 공정에 포함되는 증류 단계와 분리 단계를 더 간단하게 제어하고 더 안정적으로 가동할 수 있게 한다. 한편, 제1 병렬 압축기 단은 물질 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급하는 데 계속 사용될 수 있어, 전술한 대로 투입 스트림 탄화수소의 절감 효과를 가져온다.
본 발명에 따른 공정의 제6 양태는 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는다. 이 또한 특히 부분 부하 운전 시 저온 분별 유닛에 인위적 부하를 발생시켜, 콜드박스 공정에 포함되는 증류 단계와 분리 단계를 더 간단하게 제어하고 더 안정적으로 가동할 수 있게 한다. 한편, 제1 병렬 압축기 단은 물질 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급하는 데 계속 사용될 수 있어, 전술한 대로 투입 스트림 탄화수소의 절감 효과를 가져온다. 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림을 전술한 용도로 부분적으로, 바람직하게는 시간-제한적으로, 소모하는 것 역시 저온 분별 유닛의 운전 안전성을 보장하는 데 유리할 수 있다. 이는 특히 운전이 중단되거나 서로 다른 운전 상태 간에 전환될 때 저온 분별 유닛에 투입될 스트림의 현저한 감소 효과를 가져오는 경우에 해당될 수 있다.
본 발명에 따른 공정의 제7 양태는 PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는다. 이 또한 특히 부분 부하 운전 시 저온 분별 유닛에 인위적 부하를 발생시켜, 콜드박스 공정에 포함되는 증류 단계와 분리 단계를 더 간단하게 제어하고 더 안정적으로 가동할 수 있게 하며, 한편 제1 병렬 압축기 단은 물질 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급하는 데 계속 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 공정의 제8 양태는 이산화탄소를 주로 함유한 스트림의 적어도 일부, 및 메탄을 함유한 분별 가스 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입하여 증기 개질 조건 하에 적어도 부분적으로 전환시키며; 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림의 적어도 일부, 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부, 및 PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는다. 이 또한 특히 부분 부하 운전 시 저온 분별 유닛에 인위적 부하를 발생시켜, 콜드박스 공정에 포함되는 증류 단계와 분리 단계를 더 간단하게 제어하고 더 안정적으로 가동할 수 있게 하며, 한편 제1 병렬 압축기 단은 물질 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급하는 데 계속 사용될 수 있다. 본 구현예에서 가능한 것과 같이 여기 언급된 물질 스트림들을 한편으로는 증기 개질 유닛으로 다른 한편으로는 저온 분별 유닛으로 공급될 순환 스트림들을 구성하는 서브스트림들로서 다양하게 조합함으로써, 개별 공정 단들에 특별히 고부하를 가할 필요 없이 제조 설비의 다양한 부하 상태 간의 변화를 특별히 미세 조정할 수 있게 되는데, 그 이유는 각 공정 단에 유입 또는 유출되는 개별 물질 스트림들이 전부 순환 스트림으로 활용됨에 따라, 이들 공정 단의 지속적인 운전이 감소되기 때문이다.
본 발명에 따른 공정의 제9 양태는 수소-풍부 가스 스트림이 압력변동흡착(pressure swing adsorption) 유닛에 전달되기 전에 수소-풍부 가스 스트림의 적어도 일부를 건조 유닛 내 배치된 건조 매체를 재생시키는 데 사용하는 것을 특징으로 한다. 이 덕분에 건조 유닛 내 재생 흡착/건조 매체의 가용성이 높아질 수 있다. 이는, 특히, 동시에 작동되는 복수개의 개별 트레인(적어도 하나의 트레인이 로딩 모드에 있고 적어도 하나의 다른 트레인은 언제든지 재생 모드에 있음)으로 건조 유닛이 구성된 경우에 적용된다.
본 발명에 따른 제조 설비의 또 다른 양태는 압축된 제1 순환 스트림의 적어도 일부를 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 제조 설비의 이러한 양태의 장점들은 본 발명에 따른 공정의 제2 양태의 장점들과 일치한다.
본 발명에 따른 제조 설비의 또 다른 양태는 이산화탄소를 주로 함유한 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 제조 설비의 이러한 양태의 장점들은 본 발명에 따른 공정의 제3 양태의 장점들과 일치한다.
본 발명에 따른 제조 설비의 또 다른 양태는 메탄을 함유한 분별 가스 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 제조 설비의 이러한 양태의 장점들은 본 발명에 따른 공정의 제4 양태의 장점들과 일치한다.
본 발명에 따른 제조 설비의 또 다른 양태는 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는다. 본 발명에 따른 제조 설비의 이러한 양태의 장점들은 본 발명에 따른 공정의 제5 양태의 장점들과 일치한다.
본 발명에 따른 제조 설비의 또 다른 양태는 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는다. 본 발명에 따른 제조 설비의 이러한 양태의 장점들은 본 발명에 따른 공정의 제6 양태의 장점들과 일치한다.
본 발명에 따른 제조 설비의 또 다른 양태는 PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는다. 본 발명에 따른 제조 설비의 이러한 양태의 장점들은 본 발명에 따른 공정의 제7 양태의 장점들과 일치한다.
본 발명에 따른 제조 설비의 또 다른 양태는 이산화탄소를 주로 함유한 스트림의 적어도 일부, 및 메탄을 함유한 분별 가스 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는; 그리고 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림의 적어도 일부, 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부, 및 PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는다. 본 발명에 따른 제조 설비의 이러한 양태의 장점들은 본 발명에 따른 공정의 제8 양태의 장점들과 일치한다.
도 1은 본 발명에 따른 순수 일산화탄소 및 순수 수소의 제조 공정/제조 설비의 제1 예이다.
도 2는 본 발명에 따른 순수 일산화탄소 및 순수 수소의 제조 공정/제조 설비의 제2 예이다.
실시예
실시예 및 도면의 하기 설명으로부터 본 발명의 추가 발전사항, 이점 및 가능한 용도들을 또한 유추할 수 있다. 설명 및/또는 도시된 모든 특징들은, 청구범위나 역참조에서 조합된 방식과 상관없이, 그 자체로 또는 임의의 조합 형태로 본 발명을 구성한다.
도 1에 나타낸, 본 발명에 따른 순수 일산화탄소 및 순수 수소의 제조 공정/제조 설비 구현예에서, 탄화수소, 바람직하게는 메탄 또는 나프타를 함유한 투입 스트림을 도관(11)을 통해 증기 개질 유닛(10)에 공급되며, 도관(14)을 통해 공급된 증기 스트림이 상기 증기 개질 유닛에 함께 도입된다. 탄화수소를 함유한 투입 스트림의 서브스트림이 도관들(12 및 13)을 통해 연료 가스로서 증기 개질 유닛의 버너(미도시)에 전달되며 도관(15)을 통해 공급된 공기 스트림과 함께 버너 내에서 연소되면서, 증기 개질 유닛에 배치된, 개질용 촉매가 충진된 개질기 튜브들을 가온한다.
증기 개질 유닛은, 개질용 촉매가 충진된 개질기 튜브에서, 증기 개질 조건 하에 증기를 사용하여 투입 스트림에 존재하는 탄화수소를 적어도 일부 전환시켜, 일산화탄소, 수소, 수분, 이산화탄소 및 메탄을 함유한 조 합성가스 스트림을 생성하며, 이렇게 생성된 스트림을 도관(16)을 통해 증기 개질 유닛으로부터 배출시켜 이산화탄소 분리 유닛(20)에 도입한다. 이러한 이산화탄소 분리 유닛은, 예를 들어 물리적 또는 화학적 흡수나 가스 스크러빙을 이용하는, 그 자체로도 공지되어 있는 이산화탄소 분리 공정에 따라 구성될 수 있다. 잘 알려져 있고 자주 이용되는 공정은 렉티솔 공정으로, 극저온 메탄올을 사용하여 조 합성가스를 스크러빙 처리하는 것을 포함하며, 위에 언급한 문헌에 그 원리가 설명되어 있다. 그 밖의 스크러빙 공정에서는 다른 스크러빙 또는 흡수 매체, 예를 들어, N-메틸피롤리돈(NMP), 2차 아민(예컨대, 디에탄올아민), 3차 아민(예컨대, 메틸디에탄올아민(MDEA)), 폴리에틸렌 글리콜 디알킬 에테르(예컨대, 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르)이 사용된다. 증기 개질 유닛에 공급되는 투입 스트림은 일반적으로 이미 탈황 처리된 것이므로, 이산화탄소 분리 유닛은 순전히 CO2 분리용으로 구성/최적화될 수 있다.
이산화탄소가 대폭 감소된 합성가스 스트림은 도관(21)을 통해 이산화탄소 분리 유닛으로부터 배출시킨 후 건조 유닛(30)으로 도입한다. 이산화탄소를 주로 함유한 스트림은 도관(22)을 통해 이산화탄소 분리 유닛으로부터 배출시킨 후 도관(23)을 통해 2단 압축기 유닛(60a, 60b)에 순환시키고, 도관들(61 및 11)을 통해 증기 개질 유닛의 입구로 순환 공급한다.
건조 유닛에서는, 이산화탄소가 대폭 감소된 합성가스 스트림을 분자체-기반 흡착제 위에 두어, 흡착을 통해 상당량의 수분과 추가의 원치 않은 미량 불순물(예컨대, 남아있는 미량의 CO2)을 제거하게 되는데, 그 이유는 이들이 후속의 저온 분별 공정으로 이어졌을 때 얼음/드라이아이스를 형성하고 이에 따라 장치들이 막힐 수 있기 때문이다. 이렇게 생성된 건조 합성가스 스트림이 도관(31)을 통해 건조 유닛으로부터 배출되어 다단 저온 분별 유닛(40)으로 도입되며, 본 예에서 이는 메탄 스크러빙으로 구성된다. 여기에 언급된 장치들/공정 단들은 단열재가 충진된 공용 하우징(콜드박스로 불림)에 수용된다.
저온 분별 유닛에서는, 스크러빙 컬럼으로 불리는 제1 컬럼이 냉각된 조 합성가스로부터 다른 성분들을 스크러빙 처리하는 식으로 다량의 수소를 분리시킨다. 그 결과로 생성된 수소-풍부 가스 스트림이 도관(41)을 통해 배출된다. 이때 사용된 용매는, 증발되는 CO로 용액의 열을 빼앗기면서 냉각된 과냉각 고순도 액체 메탄이다. 하류측 수소 스트리핑 컬럼에서는 스크러빙 컬럼으로부터의 하부 생성물 내 여전히 용해되어 있는 수소를 분리시킴으로써, 상부 생성물로서의, 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림을 제공하게 되며, 이는 도관(43)을 통해 배출된다. 수소 스트리핑 컬럼으로부터의 CO/메탄 하부 생성물은 하류측 CO/메탄 증류 컬럼에서 분해되어, 상부 생성물로서의, 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림을 제공하게 되며, 이는 도관(46)을 통해 공정에서 벗어나, 보관, 처리 또는 추가 프로세싱(미도시)을 위해 이송된다. CO/메탄 증류 컬럼으로부터 저부 생성물로서 제공된, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림은 도관(44)을 통해 저온 분별 유닛으로부터 배출된 다음 도관들(22 및 23)을 통해 2단 압축기 유닛(60a, 60b)으로 순환되고, 도관들(61 및 11)을 통해 증기 개질 유닛의 입구로 순환 공급된다.
수소-풍부 가스 스트림은 도관(41)을 통해 저온 분별 유닛으로부터 배출된 다음 도관(42)을 통해 압력변동흡착 유닛(50)으로 도입된다. 이에 앞서, 수소-풍부 가스 스트림은 건조 유닛에서 사용되었던 흡착제를 재생시키는 데 사용된다.
압력변동흡착 유닛은 순수 수소 생성물 가스 스트림을 생성하며, 이는 도관(51)을 통해 공정에서 벗어나, 보관, 처리 또는 추가 프로세싱(미도시)을 위해 이송된다. 그 외에 생성된 PSA 오프가스 스트림에는 여전히 가연성 성분(예컨대, 메탄)이 함유되어 있다. 상기 PSA 오프가스 스트림은 도관(52)을 통해 압력변동흡착 유닛으로부터 배출되며, 후속 보관, 처리 또는 추가 프로세싱을 위해 이송될 수 있다. 이러한 PSA 오프가스 스트림은 발열량으로 인해 본 실시예에서 연료 가스 스트림으로 활용되며, 추가 연료 가스 스트림으로서 도관들(52 및 13)을 통해 증기 개질 유닛의 버너(미도시)에 공급된다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소를 주로 함유한 스트림(도관(22)), 메탄을 함유한 분별 가스 스트림(도관(44)), 또는 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림(도관(43)) 중 하나 이상을 본 실시예의 경우 2개의 병렬 압축기 단들(60a, 60b)을 포함한 압축기 유닛에 공급하되, 상기 하나 이상의 스트림의 적어도 일부를 압축기 단들 중 하나 또는 둘 다에 도입한다. 이는 공정/설비의 부하 상태/생산 용량을 다양화할 수 있도록 한다. 이에 따라, 각각 공칭 용량이 50%인 2개의 병렬 압축기 단들을 갖는 재순환 압축기의 구성으로, 용량 범위가 50%(부분 부하 운전) 내지 100%(완전 부하 운전)가 될 수 있으며, 이로써 합성가스 제조 설비를 매우 유연하게 운전할 수 있게 된다.
이런 식으로 수득되는, 압축된 제1 순환 스트림은 도관(61)을 통해 압축기 유닛으로부터 배출되며, 도 1에 나타낸 예시적 구현예에 의하면, 적어도 부분적으로, 바람직하게는 대부분, 가장 바람직하게는 완전히, 증기 개질 유닛에 도관들(61 및 11)을 통해 순환 공급 및 도입된다. 이는 순환 스트림에 존재하는 성분들, 이를테면 수소, 이산화탄소 또는 메탄의 물질적 활용도를 개선한다. 종래 기술 공정들에 따르면 이들 성분은 예를 들어 증기 개질 유닛의 버너를 위한 추가 연료 가스나 가열 가스로서 대부분 열적으로 활용되었을 것이다.
각 경우에, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림(도관(44))의 적어도 일부, 및/또는 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림(도관(43))의 적어도 일부를 추가 연료 가스로서 도관(13)을 통해 또는 가열 가스로서 연결 도관들(미도시)을 통해 증기 개질 유닛의 버너에 공급하도록 도 1의 예시적 구현예를 수정할 수도 있다. 이는 특정 운전 상태/부하 상태에서 또는 두 가지 서로 다른 운전 상태 간의 전환 시 공정의 유연성을 더욱 높여주어, 순환 스트림에 존재하는 수소, 탄소산화물 또는 메탄과 같은 성분들이 물질적으로 활용되기보다 대부분 열적으로도 활용되는 것을 일시적으로 허용한다.
도 2에 나타낸, 본 발명에 따른 순수 일산화탄소 및 순수 수소의 제조 공정/제조 설비의 추가적 구현예에서 압축기 유닛은 마찬가지로 2개의 병렬 압축기 단들(60a, 60b)을 포함하지만, 본 구현예에서는 적절한 차단 수단(예컨대, 도 2에 표시된 폐쇄 밸브)을 통해 서로 유동 분리되어 있어 서로 직접 유체 연결되어 있지 않다. 압축기 단(60a)에는 이산화탄소를 주로 함유한 스트림이 이산화탄소 분리 유닛으로부터 도관들(22 및 23)을 통해 그리고 메탄을 함유한 분별 가스 스트림이 도관들(44 및 23)을 통해 공급되며 이들 스트림은 도 1의 실시예의 경우에서처럼 압축기 단에서 압축된다. 따라서 이들 순환 스트림 내 존재하는 수소, 이산화탄소 또는 메탄과 같은 성분들을 계속 물질적으로 활용하여 목표 성분들인 순수 일산화탄소 및 순수 수소의 제조를 증가시킨다.
이와는 달리 압축기 단(60b)에는 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림의 적어도 일부가 도관(43)을 통해, 및/또는 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부가 도관들(45 및 43)을 통해, 및/또는 PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부가 도관들(53 및 43)을 통해 공급된다. 원칙적으로, 위에 언급한 세 가지 스트림의 임의의 대안적 또는 추가적 조합이 가능하다. 특히 부분 부하 운전 시 각 경우에 필요하지 않았던 압축기 단들을 활용하여 위에 언급한 물질 스트림들 중 하나 이상을 저온 분별 유닛의 상류측에 배치된 건조 유닛으로 순환 공급하는 것이 유리하다. 이는 결과적으로, 부분 부하 운전 시 저온 분별 유닛에 인위적 부하를 발생시켜, 콜드박스 공정에 포함되는 증류 단계와 분리 단계를 더 간단하게 제어하고 더 안정적으로 가동할 수 있게 한다. 이를 위해, 상이한 용도로 쓰이는 상기 2개 이상의 압축기 단들을, 유리하게는, 밸브, 블랭킹 플레이트 또는 유사한 수단을 제공하여, 기밀 상태로 서로 분리시킴으로써 이들 사이에 직접 유체 연결이 없도록 한다. 이로써, 예를 들어 이산화탄소가 저온 분별 유닛 내부에 유입되어 드라이아이스를 형성하면서 내부에 막힘 현상을 일으키는 등의 원치 않는 물질 스트림 혼합을 피하도록, 각각의 물질 스트림을 별도로 보관하게 된다.
또한, 각 경우에, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림(도관(44))의 적어도 일부, 및/또는 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림(도관(43))의 적어도 일부, 및/또는 PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부를 추가 연료 가스로서 도관(13)을 통해 또는 가열 가스로서 연결 도관들(미도시)을 통해 증기 개질 유닛의 버너에 공급하도록 도 2의 예시적 구현예를 수정할 수도 있다. 이는 특정 운전 상태/부하 상태에서 또는 두 가지 서로 다른 운전 상태 간의 전환 시 공정의 유연성을 더욱 높여주어, 순환 스트림에 존재하는 수소, 탄소산화물(특히, 일산화탄소) 또는 메탄과 같은 성분들이 물질적으로 활용되기보다 대부분 열적으로도 활용되는 것을 일시적으로 허용한다.
제조 설비의 목표 생산 용량에 따라, 적절한 차단 장치(미도시)를 통해 도관들(53 및 62)의 도관 경로를 폐쇄하는 등으로, 도 1과 도 2에 나타낸 두 실시예가 상호 전환될 수 있다. 또한, 도시된 밸브를 개방함으로써 이러한 두 압축기 단들(60a, 60b) 간의 유동 분리를 선택적으로 정지시킬 수 있다. 복잡도가 낮은 장치들의 서로 다른 실시예/운전 모드 간의 상호 전환 선택사양은 본 발명에 따른 공정/해당 설비의 장점들 중 하나로도 꼽힌다.
10 증기 개질 유닛
11 내지 16 도관
20 이산화탄소 분리 유닛
21 내지 23 도관
30 건조 유닛
31 도관
40 저온 분별 유닛
41 내지 46 도관
50 압력변동흡착 유닛
51 내지 53 도관
60a, 60b 압축기 단
61, 62 도관

Claims (17)

  1. 탄화수소, 바람직하게는 메탄 또는 나프타를 함유한 기체상 또는 증기 투입 스트림으로부터의 순수 일산화탄소 및 순수 수소 제조 공정에 있어서,
    (a) 탄화수소를 함유한 투입 스트림과 증기 스트림을 증기 개질 유닛에 도입하고, 증기 개질 조건 하에, 투입 스트림 내 존재하는 탄화수소를 적어도 부분적으로 전환시켜 일산화탄소, 수소, 수분, 이산화탄소 및 메탄을 함유한 조 합성가스 스트림을 생성하는 단계와,
    (b) 상기 조 합성가스 스트림을 증기 개질 유닛으로부터 배출시킨 후 이산화탄소 분리 유닛에 도입하는 단계와,
    (c) 이산화탄소 분리 유닛에서 이산화탄소 분리 조건 하에 상기 조 합성가스 스트림을, 이산화탄소를 주로 함유한 스트림 및 이산화탄소가 대폭 감소된 합성가스 스트림으로 분해하고, 두 스트림을 이산화탄소 분리 유닛으로부터 배출시키는 단계와,
    (d) 상기 이산화탄소가 대폭 감소된 합성가스 스트림을 건조 유닛에 도입하여, 수분이 대폭 감소된 건조상태 합성가스 스트림을 건조 유닛으로부터 배출시키는 단계와,
    (e) 상기 건조상태 합성가스 스트림을 저온 분별 유닛에 도입하여 저온 분별 조건 하에, 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림, 수소-풍부 가스 스트림, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림, 및 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림으로 다단 분해(multistage resolution)하고 이렇게 다단 분해로 수득된 가스 스트림들을 저온 분별 유닛으로부터 배출시키는 단계와,
    (f) 상기 수소-풍부 가스 스트림을 압력변동흡착(PSA) 유닛에 공급하여 순수 수소 생성물 가스 스트림 및 PSA 오프가스 스트림으로 분해되도록 하고 이렇게 수득된 두 스트림을 압력변동흡착 유닛으로부터 배출시키는 단계와,
    (g) 이산화탄소를 주로 함유한 스트림, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림, 및 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 스트림의 적어도 일부를 2개 이상의 병렬 압축기 단들을 포함한 압축기 유닛에 공급하되, 상기 하나 이상의 스트림의 적어도 일부를 압축기 단들 중 하나 이상에 도입하는 단계와,
    (h) 압축된 제1 순환 스트림을 압축기 유닛으로부터 배출시키는 단계
    를 포함하는, 공정.
  2. 제1항에 있어서, 압축된 제1 순환 스트림의 적어도 일부를 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입하여 증기 개질 조건 하에 적어도 부분적으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 제조 공정.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이산화탄소를 주로 함유한 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입하여 증기 개질 조건 하에 적어도 부분적으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 제조 공정.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입하여 증기 개질 조건 하에 적어도 부분적으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 제조 공정.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는 것인 제조 공정.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는 것인 제조 공정.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는 것인 제조 공정.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화탄소를 주로 함유한 스트림의 적어도 일부, 및 메탄을 함유한 분별 가스 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입하여 증기 개질 조건 하에 적어도 부분적으로 전환시키며; 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림의 적어도 일부, 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부, 및 PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는 것인 제조 공정.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 수소-풍부 가스 스트림이 압력변동흡착 유닛에 전달되기 전에 수소-풍부 가스 스트림의 적어도 일부를 건조 유닛 내 배치된 건조 매체를 재생시키는 데 사용하는 것을 특징으로 하는 제조 공정.
  10. 하기의 어셈블리 및 설비 구성요소를 포함하여 구성되는, 탄화수소, 바람직하게는 메탄 또는 나프타를 함유한 기체상 또는 증기 투입 스트림으로부터의 순수 일산화탄소 및 순수 수소 제조 설비에 있어서,
    (a) 탄화수소를 함유한 투입 스트림과 증기 스트림을 도입 수단을 통해 공급받는 증기 개질 유닛과,
    (b) 조 합성가스 스트림을 증기 개질 유닛으로부터 배출시키는 수단, 조 합성가스 스트림을 도입 수단을 통해 공급받는 이산화탄소 분리 유닛과,
    (c) 이산화탄소를 주로 함유한 스트림 및 이산화탄소가 대폭 감소된 합성가스 스트림을 상기 이산화탄소 분리 유닛으로부터 배출시키는 수단과,
    (d) 이산화탄소가 대폭 감소된 합성가스 스트림을 도입 수단을 통해 공급받는 건조 유닛, 수분이 대폭 감소된 건조상태 합성가스 스트림을 상기 건조 유닛으로부터 배출시키는 수단과,
    (e) 복수개의 분리단들(separation stage)을 포함하며 도입 수단을 통해 건조상태 합성가스 스트림을 공급받는 저온 분별 유닛, 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림, 수소-풍부 가스 스트림, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림, 및 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림을 상기 저온 분별 유닛으로부터 배출시키는 수단과,
    (f) 수소-풍부 가스 스트림을 공급 수단을 통해 공급받는 압력변동흡착(PSA) 유닛, 순수 수소 생성물 가스 스트림 및 PSA 오프가스 스트림을 상기 압력변동흡착 유닛으로부터 배출시키는 수단과,
    (g) 2개 이상의 병렬 압축기 단들을 포함하며, 공급 수단을 통해, 이산화탄소를 주로 함유한 스트림, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림, 및 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 스트림의 적어도 일부를 공급받는 압축기 유닛으로서, 상기 공급 수단은 상기 하나 이상의 스트림의 적어도 일부를 압축기 단들 중 하나 이상에 도입하도록 구성된 것인 압축기 유닛과,
    (h) 압축된 제1 순환 스트림을 상기 압축기 유닛으로부터 배출시키는 수단
    을 포함하는, 제조 설비.
  11. 제10항에 있어서, 압축된 제1 순환 스트림의 적어도 일부를 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 설비.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 이산화탄소를 주로 함유한 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 설비.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 메탄을 함유한 분별 가스 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 설비.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는 것인 제조 설비.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는 것인 제조 설비.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는 것인 제조 설비.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화탄소를 주로 함유한 스트림의 적어도 일부, 및 메탄을 함유한 분별 가스 스트림의 적어도 일부를 제1 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 증기 개질 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는; 그리고 일산화탄소와 수소를 함유한 플래쉬 가스 스트림의 적어도 일부, 순수 일산화탄소 생성물 가스 스트림의 적어도 일부, 및 PSA 오프가스 스트림의 적어도 일부를 제2 압축기 단에 공급하여 압축시키고, 이렇게 압축된 스트림을 건조 유닛으로 순환 공급 및 도입할 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하되, 이때 제2 압축기 단은 제1 압축기 단과 직접 유체 연결되지 않는 것인 제조 설비.
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