KR20230154423A - Co2가 풍부한 가스의 액화 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

적어도 95 몰%의 이산화탄소와 이산화탄소보다 가벼운 1종 이상의 불순물을 함유한 흐름을 증류법으로 분리시키는 장치를 개시한다. 상기 장치는, 열교환기(20); 증류탑(30); 팽창 수단(V3); 흐름을 열교환기에 보내어 냉각되도록 하는 수단; 냉각된 흐름을 증류탑에 보내어 분리되도록 하는 수단; 증류탑의 저부로부터 적어도 99 몰%의 이산화탄소가 함유된 액체 흐름을 회수하는 수단; 상기 액체 흐름의 적어도 일부분(12)을 열교환기에 보내어 냉각되어 과냉각 액체(3)를 형성하도록 하는 수단; 상기 과냉각 액체의 적어도 일부분을 팽창 수단에 보내어 2상 흐름을 생성하도록 하는 수단; 상기 2상 흐름을 분리시켜 가스 및 액체를 형성하기 위한 상분리기(40); 상기 상분리기로부터의 액체의 적어도 일부분(14)을 열교환기에 보내어 기화되도록 하는 수단; 및 상기 상분리기로부터의 액체의 일부분(4)을 취하는 수단을 포함한다.

Description

CO2가 풍부한 가스의 액화 방법 및 장치

본 발명은 CO₂가 풍부한 가스의 액화 방법 및 장치에 관한 것이다.

CO₂가 풍부하고(예를 들어, 이산화탄소 >95 몰%) 나머지는 주로 불순물(예를 들어, O₂, N₂, CO)로 구성된 가스를 액화시키는 방법에서, 가압 상태의 CO₂를 액화시키면서 저압에서 액체 CO₂를 생산할 수 있지만, 동일한 장치 조건 하에 중압(medium pressure)에서도 액체 CO₂를 생산하는 것이 보통 바람직하다. 이상적으로는 수요에 맞출 수 있도록, 분리 구역, 교환 구역들(교환기들) 및 관련 장비의 규모가 정해진다.

본 발명은, CO₂ 자체를 개방 회로 또는 (예를 들어 암모니아 혹은 CO₂를 사용하는) 외부 냉동 사이클에서 사용하는 등, CO₂가 풍부한 공급 CO₂를 액화시키는 방법에 관한 것이다. 교환 구역은 브레이징 처리된 알루미늄 유형 교환기일 수 있으며, 그 규모는 중압 및 그에 따른 중온(medium temperature)에서 뿐만 아니라 저압 및 그에 따른 저온에서 액체 CO₂를 생산할 수 있도록 정해진다.

프랑스 특허문헌 FR2995985는 이산화탄소를 함유한 혼합물을 증류탑을 통해 분리시켜 이산화탄소-풍부 액체를 생성하는 방법을 기재하였다.

일반적으로 공지된 CO₂ 액화 방법에서는, 저장 수단에 보내지는 생성물의 압력이 주로 13 bara 내지 20 bara의 중압이다. 이는 저장과 관련하여 투자를 최적화하고 대규모 저압 저장 기술을 활용한 결과이다. 특히, 중압은 -20℃ 내지 -35℃의 온도에서 저장하는 것을 의미한다. 이와 달리, 최근 연구들은 저압 생산 체인(6 bara 내지 8 bara)의 개발을 둘러싼 관심이 높아지고 있음을 보여준다. 이 압력 수준이라면, 저장 수단을 제조하는 데 필요한 자재의 양을 줄일 수 있고 따라서 더 많은 용량의 액체 CO₂를 해상으로 수송할 수 있다. 그러나 이는 CO₂를 -46℃ 내지 -52℃의 더 낮은 온도에 저장한다는 것을 의미한다.

따라서 본 발명의 목적은 생성물과 냉동 사이클 액체를 동일한 통로에서 과냉각시킬 수 있도록, 액화 방법의 열교환기를 최적화하는 데에 있다.

본 발명은 또한 두 가지 상이한 압력에서 액화 CO₂를 생성할 수 있도록 한다.

본 발명의 한 주제에 따르면, 적어도 95 몰%의 이산화탄소와 이산화탄소보다 가벼운 1종 이상의 불순물을 함유한 흐름을 증류법으로 분리시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은,

i) 흐름을 열교환기에서 냉각시킨 후 증류탑에서 분리시키거나 분리 용기에서 부분 응축 과정을 통해 분리시키는 단계,

ii) 적어도 99 몰%의 이산화탄소가 함유된 액체 흐름을 상기 증류탑 또는 용기의 저부로부터 회수(withdraw)하는 단계,

iii) 상기 액체 흐름의 일부분을 열교환기에 보내어 냉각시켜 과냉각 액체를 형성하는 단계,

iv) 상기 과냉각 액체의 적어도 일부분을 팽창시켜 2상 흐름을 생성하는 단계,

v) 상기 2상 흐름을 분리시켜 가스와 액체를 형성하고, 상기 액체의 적어도 일부분을 열교환기에 보내어, 분리 대상 흐름의 적어도 일부분 및 과냉각 대상 액체의 적어도 일부분과의 간접 열교환을 통해 가열함으로써, 상기 액체의 적어도 일부분이 기화되는 단계,

vi)

a) 단계 v)의 액체의 일부분을 선택적으로는 펌프에서 가압한 후 제1 액체 생성물로서 취하거나,

b) 상기 과냉각 액체의 일부분을 제1 액체 생성물로서 취하는 단계,

vii) 상기 증류탑 또는 용기에서 저부 액체의 일부분을 취하되 열교환기에서 냉각시키지 않고 바람직하게는 팽창시키지 않은 상태로 제2 액체 생성물을 생산하는 단계, 및

viii) 상기 제1 액체 생성물 및 상기 제2 액체 생성물을 동시에 생산하는 단계

를 포함한다.

다른 선택적 특성들에 따르면,

ㆍ 변형 a)의 경우, 과냉각 액체를 모두 팽창시켜 2상 흐름을 생성하고, 단계 v)의 액체의 일부분을 열교환기에 보내어 기화시킨다.

ㆍ 변형 b)의 경우, 과냉각 액체의 일부분을 팽창시켜 2상 흐름을 생성하고 단계 v)의 액체 모두를 열교환기에 보내어 기화시킨다.

ㆍ 단계 v)의 가스를 열교환기에서 가열한다.

ㆍ 기화된 액체를 열교환기에 보내어, 열교환기의 상류측에서 냉각 대상 흐름과 혼합한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 적어도 95 몰%의 이산화탄소와 이산화탄소보다 가벼운 1종 이상의 불순물을 함유한 흐름을 증류법으로 제1 작동 모드 및 제2 작동 모드에 따라 분리시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은,

i) 흐름을 열교환기에서 냉각시킨 후 증류탑에서 분리시키거나 분리 용기에서 부분 응축을 통해 분리시키는 단계,

ii) 적어도 99 몰%의 이산화탄소가 함유된 액체 흐름을 상기 증류탑 또는 용기의 저부로부터 회수하는 단계,

iii) 상기 액체 흐름의 적어도 일부분을 열교환기에 보내어 냉각시켜 과냉각 액체를 형성하는 단계,

iv) 상기 과냉각 액체의 적어도 일부분을 팽창시켜 2상 흐름을 생성하는 단계,

v) 상기 2상 흐름을 분리시켜 가스와 액체를 형성하고, 상기 액체의 적어도 일부분을 열교환기에 보내어, 분리 대상 흐름의 적어도 일부분 및 과냉각 대상 액체의 적어도 일부분과의 간접 열교환을 통해 가열함으로써 상기 액체의 적어도 일부분을 기화시키는 단계, 및

vi)

a) 제1 작동 모드에 따라,

a') 단계 v)의 액체의 일부분을 제1 액체 생성물(4)로서 취하거나,

b') 상기 과냉각 액체의 일부분을 제1 액체 생성물로서 취하고,

b) 제2 작동 모드에 따라,

저부 액체의 일부분(5)을 열교환기에서 과냉각시키지 않은 상태로 제2 액체 생성물로서 취하되, 단계 v)의 액체의 어떤 부분도 제1 액체 생성물로서 취하지 않으며, 단계 v)의 액체를 모두 열교환기에서 기화시키고, 상기 과냉각 액체의 어떤 부분도 제1 액체 생성물로서 취하지 않는 단계

를 포함한다.

다른 선택적 양태들에 따르면,

ㆍ 액체 생성물은 압력이 6 bara 내지 8 bara이다.

ㆍ 액체 흐름의 일부분을 과냉각시키지 않은 상태로 취하여 압력 10 bara 내지 40 bara, 바람직하게는 13 bara 내지 20 bara의 생성물을 형성한다.

ㆍ 공동 펌프를 사용하여,

a) 제1 작동 모드 시,

i) 과냉각 액체의 일부분 또는 ii) 단계 v)의 액체의 일부분

을 최종 압력까지 끌어올려 제1 생성물을 형성하고,

b) 제2 작동 모드 시,

열교환기에서 냉각되지 않은 상기 저부 액체의 일부분을 최종 압력까지 끌어올려 제2 생성물을 형성한다.

본 발명의 다른 목적에 따르면, 적어도 95 몰%의 이산화탄소와 이산화탄소보다 가벼운 1종 이상의 불순물을 함유한 흐름을 증류법으로 분리시키는 장치를 제공한다. 상기 장치는, 열교환기(20); 증류탑(30) 또는 분리 용기; 팽창 수단(V3); 흐름을 열교환기에 보내어 냉각되도록 하는 수단; 냉각된 흐름을 증류탑 또는 용기에 보내어 분리되도록 하는 수단; 증류탑 또는 용기의 저부로부터 적어도 99 몰%의 이산화탄소가 함유된 액체 흐름을 회수하는 수단; 상기 액체 흐름의 적어도 일부분(12)을 열교환기에 보내어 냉각되어 과냉각 액체(3)를 형성하도록 하는 수단; 상기 과냉각 액체의 적어도 일부분을 팽창 수단에 보내어 2상 흐름을 생성하도록 하는 수단; 상기 2상 흐름을 분리시켜 가스 및 액체를 형성하기 위한 상분리기(40); 상기 상분리기로부터의 액체의 적어도 일부분(14)을 열교환기에 보내어, 분리 대상 흐름의 적어도 일부분 및 과냉각 대상 액체의 적어도 일부분과의 간접 열교환을 통해 가열되도록 하는 수단; 상기 상분리기로부터의 액체의 일부분(4) 또는 상기 과냉각 액체의 일부분(4)을 제1 압력의 액체 생성물로서 취하는 수단; 및 증류탑 또는 용기의 저부에서 액체 흐름을 회수하는 수단에 연결되어, 과냉각되지 않은 액체를 제2 압력의 액체 생성물로서 제공하는 수단을 포함한다.

다른 선택적 양태들에 따르면,

ㆍ 장치는 기화된 액체를 상분리기로부터 열교환기에 보내어, 열교환기의 상류측에서 분리 대상 흐름과 혼합되도록 하는 수단을 포함한다.

ㆍ 열교환기는 2개의 단을 가지되, 한 단이 다른 한 단보다 높은 온도에서 작동하도록 설계되어 있으며, 더 높은 온도에서 작동하도록 설계된 단에는 분리 대상 흐름을 열교환기에 보내어 냉각되도록 하는 수단이 연결되고, 더 낮은 온도에서 작동하도록 설계된 단에는 냉각된 흐름을 증류탑 또는 용기에 보내어 분리되도록 하는 수단이 연결된다.

ㆍ 열교환기는 2개의 단을 가지되, 한 단이 다른 한 단보다 높은 온도에서 작동하도록 설계되어 있으며, 더 낮은 온도에서 작동하도록 설계된 단에는 액체 흐름의 적어도 일부분을 열교환기에 보내어 냉각되어 과냉각 액체를 형성하도록 하는 수단이 연결된다.

ㆍ 열교환기는 2개의 단을 가지되, 한 단이 다른 한 단보다 높은 온도에서 작동하도록 설계되어 있으며, 더 낮은 온도에서 작동하도록 설계된 단에는 상기 상분리기로부터의 액체의 적어도 일부분을 열교환기에 보내어 가열되도록 하는 수단이 연결된다.

ㆍ 열교환기는 2개의 단을 가지되, 한 단이 다른 한 단보다 높은 온도에서 작동하도록 설계되어 있으며, 더 높은 온도에서 작동하도록 설계된 단에는 기화된 액체를 상분리기로부터 열교환기로 배출시키는 수단이 포함된다.

ㆍ 장치는 기화된 액체를 상분리기로부터 열교환기에 보내어, 열교환기의 상류측에서 분리 대상 흐름과 혼합되도록 하는 수단을 포함한다.

ㆍ 장치는,

a) 제1 기간 동안,

i) 과냉각 액체의 일부분 또는 ii) 단계 v)의 액체의 일부분

을 최종 압력까지 끌어올려 제1 생성물을 형성하고,

b) 제2 기간 동안,

열교환기에서 냉각되지 않은 상기 저부 액체의 일부분을 최종 압력까지 끌어올려 제2 생성물을 형성하는, 공동 펌프(55)를 포함한다.

따라서, 액체 생성물 및 기화된 액체는 초기에 열교환기의 동일한 통로(들)에서 함께 냉각된다.

증류탑은 구조화된 패킹 또는 트레이들을 포함할 수 있다.

장치는 상분리기의 하류측에 펌프를 포함할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명하고자 한다.
도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 방법들을 예시한다.

도 1에서, 95 몰% 이상의 이산화탄소를 함유한 흐름(1)에는 1종 이상의 다른 불순물, 이를테면 산소, 질소, 아르곤 또는 일산화탄소도 함유되어 있다. 이 흐름(1)을 압축기(10) 내에서 증류탑(30)의 압력보다 높은 제1 압력까지 압축시켜, 제1 압력의 압축 흐름(2)을 형성한다. 흐름이 이미 가압된 경우에는 압축기(10)가 필요하지 않기 때문에, 압축기(10)와 열교환기(20)를 연결하는 라인들을 점선으로 표시하였다.

제1 압력은 증류탑(30)의 압력보다 적어도 1 bar 더 크고, 바람직하게는 증류탑(30)의 압력보다 적어도 10 bar, 또는 심지어 적어도 20, 30 또는 40 bar 더 크다. 예를 들어, 제1 압력은 적어도 35 bara일 수 있다. 일부 경우, 증류탑의 압력이 40 bara일 수 있다.

압축 흐름(2)을 간접식 열교환기(20)에서 냉각시켜 제1 압력의 냉각 액화된 흐름을 형성한다. 이러한 냉각 액화된 흐름은 열교환기에서 두 부분(4, 6)으로 나뉜다. 한 부분(4)은 분할 지점의 상류에서 팽창되지 않은 채 열교환기(20)의 중간 온도(T1)에서 열교환기(20)에서 배출된다.

이들 두 분획(4, 6)은 증류탑의 압력보다 적어도 1 bar 더 큰 제1 압력 상태에 있다.

제2 분획(6)을 열교환기(20)의 저온단(cold end)까지 계속 냉각하여, 메인 열교환기 내에서 CO₂의 삼중점에 가까운 최저 온도까지 과냉각시킨다. 그런 후에는 밸브(V2)에서 증류탑(30)의 압력까지 팽창시키고 액체 흐름으로서 증류탑(30)의 상부로 보낸다. 이때 증류탑은 오버헤드 응축기가 없는 단일 탑이다. 탑은 구조화된 패킹 또는 트레이들을 포함하며, 제1 압력보다 낮은 제2 압력에서 작동한다.

밸브(V1)에서 제1 분획(4)을 제1 압력에서 증류탑(30)의 압력까지 팽창시킨 후 증류탑(30)으로 보낸다.

증류탑(30)에서 저부로 내려간 액체에는 적어도 99 몰%의 이산화탄소가 함유되어 있으며, 두 부분으로 나뉜다. 그 중 한 부분(5)은 증류탑(30)의 압력과 동일한 압력 상태이며 이산화탄소가 풍부한 액체 생성물이다. 다른 한 부분(12)은 흐름(4)이 열교환기에서 나갈 때의 온도보다 낮은 온도인 열교환기(20) 중간 레벨로 보낸다. 이 부분(12)은 열교환기(20) 내에서 냉각단까지 과냉각된 후 둘로 나뉜다. 분획(3)을 밸브(V3)에서 팽창시킨 후 상분리기(40)에서 분리시켜 2상 흐름을 형성한다. 가스 부분(16)을 열교환기(20)에서 가열한 후 압축기(10)로 보낸다. 액체 부분(14)은 저온단에서 고온단까지 열교환기(20)에서 기화되어 가열된다. 이러한 액체 부분을 여러 부분으로 나누어 서로 다른 압력까지 팽창시킨 후, 열교환기(20)의 저온단 또는 중간 지점에 유입하여 서로 다른 압력으로 기화시키는 식으로 열교환을 최적화할 수 있다.

흐름(14)의 기화 압력은 처리 대상 흐름(1)의 압력보다 크거나, 같거나, 낮을 수 있다. 따라서, 이 경우, 기화된 흐름(18)을 압축기(10)의 중간 레벨로 보낸다.

과냉각 액체(12)의 분획(4)은 밸브(V4)에서 팽창하여 액체(5)의 압력보다 낮은 압력 상태가 된다.

증류탑으로부터의 오버헤드 가스(11)에는, 산소, 질소 및 아르곤과 같은, 이산화탄소보다 가벼운 불순물이 1종 이상 함유되어 있다. 이를 열교환기(20)에서 가열할 수 있다.

탐(K) 오버헤드 응축기의 부재, 오버헤드 가스용 분리기 용기의 부재, 및 생성물 펌프와 별도로 다른 펌프가 구성에 포함되지 않는다는 사실을 주목한다.

본 예에서, 액체(5)는 압력 10 bara 내지 40 bara(예를 들어, 13 bara 내지 20 bara)의 저장부로 보내져 중압 생성물을 구성한다. 압력 6 bara 내지 8 bara의 액체(4)는 저압 생성물을 구성한다.

증류탑(30)은 10 bara 이상에서, 바람직하게는 10 bara 내지 40 bara, 예를 들어 13 bara 내지 20 bara에서 작동한다.

흐름(5)이 반드시 존재하지는 않는다는 것 또는 반드시 연속적으로 배출되는 것은 아님을 이해해야 한다.

도 2에 나타낸 변형에서는 상분리기(40)로부터의 액체에서 생성물(8)을 추출할 수 있다. 이에 따라, 과냉각 액체(12) 모두를 밸브(V3)에서 팽창시켜 2상 혼합물을 형성한다. 이 혼합물을 상분리기(40)에서 분리한다. 그 중 가스는 도 1에서와 같이 가열하고, 액체(8)는 2개의 분획으로 나누어, 한 분획(50)은 열교환기 내에서 기화시키고, 나머지 분획(4)은 펌프(P)에서 가압하여 생성물을 형성한다. 이 경우, 생성물(5)의 압력보다 크거나 같거나 작은 압력의 액체(4)가 생성될 수 있다.

특히, 액체(5)는 압력 10 bara 내지 40 bara(예를 들어, 13 bara 내지 20 bara)의 저장부로 보내져 중압 생성물을 구성한다. 압력 6 bara 내지 8 bara의 액체(4)는 저압 생성물을 구성한다. 상분리기는 7 bara에서의 저장을 위해 저압 저장 압력에 필요한 압력, 즉 5.5 bara 내지 8 bara의 압력에 유지되어야 한다. 그러므로, 특히 설치 제약으로 인해 저장 수단을 액화 장치에서 멀리 떨어진 곳에 설치해야 하는 경우, 저장 압력에 이르기 위해서는 펌프(P)를 사용할 필요가 있다.

본 발명은 종래 기술에 따른 액화 장치들의 구성을 변경하여, 다음과 같이 다양한 모드에서 최적화된 방식으로 CO₂를 생성할 수 있도록 한다:

ㆍ 중압 생산 모드로만 생성,

ㆍ 저압 생산 모드로만 생성,

ㆍ 또는 이들 두 가지 압력 생산 모드로 동시에 생성.

저압 생산 모드는 생성 흐름을 과냉각시키는 것과 관련하여 가장 제약이 많은 경우이기 때문에 저압 생산 모드를 가능하게 만들기 위해서는 액화 장치의 규모를 오로지 저압에서의 생산에 맞추어야 한다. 이를 위해 필요한 에너지는 저압에서 액체 CO₂를 기화시킴으로써 공급되며, 생성된 증기는 도 1에 나타낸 바와 같이 순환 압축기로 보내진다.

ㆍ 이러한 CO₂의 기화는 또한 증류탑에서 환류로 사용된 액체 CO₂를 냉각시키는 역할을 한다.

ㆍ 기화된 저압 CO₂는 증류탑의 저부로부터 회수되어 과냉각되고 팽창한 후 열교환기로 주입된다.

본 발명은 생성물 CO₂ 및 순환 CO₂에 대해 주로 증류탑의 저부로부터 열교환기의 저온단까지의 과냉각 통로를 공유하는 것으로 구성된다. 이런 식으로, 오로지 중압에서 생산하는 경우 "건조" 통로를 피할 수 있게 된다. 오로지 저압 또는 부분적 저압에서의 액체 생산 모드 시, 순환 CO₂ 뿐만 아니라 생성물 CO₂가 이 통로에서 처리되어 과냉각된다. 오로지 중압 생산 모드 시에는 순환 CO₂만 이 통로에서 처리되어 과냉각된다.

중압에서의 CO₂ 생성을 가능하게 만들기 위해, 증류탑 저부에서 직접 뻗어 나오는 라인을 과냉각 통로와 평행하게 제공한다. 이 경우, 과냉각시켜야 하는(저압 생산 또는 순환) CO₂의 비율이 낮아지기 때문에 저온 냉기의 양이 감소한다.

도 2의 또 다른 변형은, 과냉각 통로에 더하여, 팽창 밸브들 및 분리 용기를 공유하는 것으로 이루어진다. 구체적으로, 순환 CO₂의 저압 팽창에 의해 기상이 생성될 수 있다. 용기(40)는 교환기로의 유입 전에 기상 및 액상 분리를 위해 공동으로 사용된다. 생성된 액상(8)의 일부를 저압에서의 생산에 사용할 수도 있다. 이로써, 단일 용기를 사용하여 순환 CO₂의 액체 중 가스를 생산물에서 분리시킬 수 있게 된다. 순환 CO₂의 압력이 생산에 필요한 압력에 비해 지나치게 낮은 경우에는 생산 압력을 저장 압력까지 높이기 위해 펌프(50)가 필요해질 수 있다.

본원에 예시된 도면들은 분리 대상 흐름이 두 부분, 즉 제1 온도까지 냉각된 후 증류탑에 보내지는 한 부분 및 열교환기의 저온단까지 냉각된 후 증류탑의 상부에 보내지는 다른 한 부분으로 분리되는 것을 보여준다. 본 발명이 반드시 이러한 구성일 필요는 없으며 따라서 임의의 방식으로 분류탑에 공급할 수 있음을 이해해야 한다.

또한, 오버헤드 가스(11)를 열교환기에서 가열하거나 가열하지 않을 수 있으며, 이는 가스(16)에 대해서도 마찬가지이다.

본 실시예들에서는 증류탑을 분리 단계를 수행하는 용도로 설명하였지만, 하나 이상의 분리 용기가 증류탑을 대체하거나 증류탑의 상류측에 배치될 수 있음을 이해해야 한다. 이 경우, 흐름(4)이 용기에 공급될 것이고, 흐름(6)은 존재하지 않는다. 용기 내의 액체는 두 부분으로 나뉘어 흐름(5, 12)을 형성하게 된다.

용기에서 배출되는 가스(11)는 대기 중으로 보내지거나 열교환기(20) 내에서 가열된다.

흐름(5)이 반드시 존재하지는 않는다는 것 또는 반드시 연속적으로 배출되는 것은 아님을 이해해야 한다.

도 3은 이전 도면들의 변형으로서, 본 방법을 통해 단 하나의 펌프 및 두 가지의 선택된 상이한 압력을 이용하여 이산화탄소가 풍부한 단일 액체를 생성할 수 있음을 보여준다.

특정 경우에, 특히 증류탑(30)이 높은 압력의 생성물보다 낮은 압력에서 작동할 시에는, 흐름(5)을 펌핑함으로써 저장부에 도달할 때 충분한 압력을 얻도록 해야 한다. 이는, 설치- 또는 공간- 관련 제약으로 인해, 저장 수단을 액화 장치에서 일정 거리 떨어진 지점에 설치하는 경우에도 마찬가지이다.

이들 경우, 펌프(55)를 스트림(5) 상에 설치한다.

본 장치는 두 가지 상이한 압력에서 두 흐름 중 하나에 의해 교대로 공급될 수 있는 이산화탄소-풍부 액체용 단일 펌프(55)를 포함한다.

더 높은 압력에서 액체를 생성하고자 한다면 밸브(V4)를 닫고 밸브(V5)를 연다. 상분리기(40)에서 배출되는 액체 모두를 열교환기(20)로 보내어져 기화된다. 증류탑(30)의 저부 액체(5)는 증류탑과 같은 압력 상태로 펌프(55)에 보내진 후 펌핑되어 더 높은 압력의 액체(45)를 형성하게 된다.

더 낮은 압력에서 액체를 생성하고자 한다면 밸브(V4)를 열고 밸브(V5)를 닫는다. 상분리기(40)에서 배출되는 액체의 일부(14)가 열교환기(20)로 보내져 기화된다. 액체의 나머지(4)는 밸브(V4)를 통과하여 증류탑(30)의 압력보다 낮은 압력 상태로 펌프(55)의 입구에 도달한 후 펌핑되어 더 낮은 압력의 액체(45)를 형성하게 된다. 밸브(V5)가 닫혀 있으므로 액체(5)는 펌프(55)로 보내지지 않는다.

따라서 펌프(55)는 두 가지 상이한 압력의 액체를 가압하여 두 가지 상이한 압력의 액체(45)를 생성할 수 있어야 한다.

Claims (15)

1. 적어도 95 몰%의 이산화탄소와 이산화탄소보다 가벼운 1종 이상의 불순물을 함유한 흐름(1, 2)을 증류법으로 분리시키는 방법으로서,
   i) 흐름을 열교환기(20)에서 냉각시킨 후 증류탑(30)에서 분리시키거나 분리 용기에서 부분 응축 과정을 통해 분리시키는 단계,
   ii) 적어도 99 몰%의 이산화탄소가 함유된 액체 흐름을 상기 증류탑 또는 용기의 저부로부터 회수(withdraw)하는 단계,
   iii) 상기 액체 흐름의 일부분(12)을 열교환기에 보내어 냉각시켜 과냉각 액체를 형성하는 단계,
   iv) 상기 과냉각 액체의 적어도 일부분을 팽창시켜 2상 흐름을 생성하는 단계,
   v) 상기 2상 흐름을 분리시켜 가스와 액체를 형성하고, 상기 액체의 적어도 일부분(14)을 열교환기에 보내어, 분리 대상 흐름의 적어도 일부분 및 과냉각 대상 액체의 적어도 일부분과의 간접 열교환을 통해 가열함으로써 상기 액체의 적어도 일부분을 기화시키는 단계,
   vi)
   a) 단계 v)의 액체(8)의 일부분(4)을 선택적으로는 펌프(50, 55)에서 가압한 후 제1 액체 생성물로서 취하거나,
   b) 상기 과냉각 액체의 일부분(4)을 제1 액체 생성물로서 취하는 단계,
   vii) 상기 증류탑 또는 용기에서 저부 액체의 일부분을 취하되 열교환기(20)에서 냉각시키지 않고 바람직하게는 팽창시키지 않은 상태로 제2 액체 생성물(5)을 생산하는 단계, 및
   viii) 상기 제1 액체 생성물(4) 및 상기 제2 액체 생성물(5)을 동시에 생산하는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   변형 a)의 경우, 과냉각 액체(3) 모두를 팽창시켜 2상 흐름을 생성하고, 단계 v)의 액체의 일부분(14)을 열교환기(20)에 보내어 기화시키는, 방법.
3. 제1항에 있어서,
   변형 b)의 경우, 과냉각 액체의 일부분(3)을 팽창시켜 2상 흐름을 생성하고 단계 v)의 액체(14) 모두를 열교환기(20)에 보내어 기화시키는, 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   단계 v)의 가스(16)를 열교환기(20)에서 가열하는, 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   기화된 액체(18)를 열교환기(20)에 보내어, 열교환기의 상류측에서 냉각 대상 흐름(2)과 혼합하는, 방법.
6. 적어도 95 몰%의 이산화탄소와 이산화탄소보다 가벼운 1종 이상의 불순물을 함유한 흐름을 증류법으로 제1 작동 모드 및 제2 작동 모드에 따라 분리시키는 방법으로서,
   i) 흐름을 열교환기(20)에서 냉각시킨 후 증류탑(30)에서 분리시키거나 분리 용기에서 부분 응축을 통해 분리시키는 단계,
   ii) 적어도 99 몰%의 이산화탄소가 함유된 액체 흐름을 상기 증류탑 또는 용기의 저부로부터 회수하는 단계,
   iii) 상기 액체 흐름의 적어도 일부분(12)을 열교환기에 보내어 냉각시켜 과냉각 액체(3)를 형성하는 단계,
   iv) 상기 과냉각 액체의 적어도 일부분을 팽창시켜 2상 흐름을 생성하는 단계,
   v) 상기 2상 흐름을 분리시켜 가스(16)와 액체(8, 14)를 형성하고, 상기 액체의 적어도 일부분(14)을 열교환기에 보내어, 분리 대상 흐름의 적어도 일부분 및 과냉각 대상 액체의 적어도 일부분과의 간접 열교환을 통해 가열함으로써 상기 액체의 적어도 일부분을 기화시키는 단계, 및
   vi)
   a) 제1 작동 모드에 따라,
   a') 단계 v)의 액체의 일부분을 제1 액체 생성물(4)로서 취하거나,
   b') 상기 과냉각 액체의 일부분을 제1 액체 생성물로서 취하고,
   b) 제2 작동 모드에 따라,
   저부 액체의 일부분(5)을 열교환기에서 과냉각시키지 않은 상태로 제2 액체 생성물로서 취하되, 단계 v)의 액체의 어떤 부분도 제1 액체 생성물로서 취하지 않으며, 단계 v)의 액체를 모두 열교환기에서 기화시키고, 상기 과냉각 액체의 어떤 부분도 제1 액체 생성물로서 취하지 않는 단계
   를 포함하는, 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   액체 생성물(4)은 압력이 6 bara 내지 8 bara이고/이거나, 액체 흐름의 일부분을 과냉각시키지 않은 상태로 취하여 압력 10 bara 내지 40 bara, 바람직하게는 13 bara 내지 20 bara의 생성물(5)을 형성하는, 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   공동 펌프(55)를 사용하여,
   a) 제1 작동 모드 시,
   i) 과냉각 액체의 일부분 또는 ii) 단계 v)의 액체의 일부분
   을 최종 압력까지 끌어올려 제1 생성물을 형성하고,
   b) 제2 작동 모드 시,
   열교환기에서 냉각되지 않은 상기 저부 액체의 일부분을 최종 압력까지 끌어올려 제2 생성물을 형성하는, 방법.
9. 적어도 95 몰%의 이산화탄소와 이산화탄소보다 가벼운 1종 이상의 불순물을 함유한 흐름을 증류법으로 분리시키는 장치로서,
   열교환기(20); 증류탑(30) 또는 분리 용기; 팽창 수단(V3); 흐름을 열교환기에 보내어 냉각되도록 하는 수단; 냉각된 흐름을 증류탑 또는 용기에 보내어 분리되도록 하는 수단; 증류탑 또는 용기의 저부로부터 적어도 99 몰%의 이산화탄소가 함유된 액체 흐름을 회수하는 수단; 상기 액체 흐름의 적어도 일부분(12)을 열교환기에 보내어 냉각되어 과냉각 액체(3)를 형성하도록 하는 수단; 상기 과냉각 액체의 적어도 일부분을 팽창 수단에 보내어 2상 흐름을 생성하도록 하는 수단; 상기 2상 흐름을 분리시켜 가스 및 액체를 형성하기 위한 상분리기(40); 상기 상분리기로부터의 액체의 적어도 일부분(14)을 열교환기에 보내어, 분리 대상 흐름의 적어도 일부분 및 과냉각 대상 액체의 적어도 일부분과의 간접 열교환을 통해 가열되도록 하는 수단; 상기 상분리기로부터의 액체의 일부분(4) 또는 상기 과냉각 액체의 일부분(4)을 제1 압력의 액체 생성물로서 취하는 수단; 및 증류탑 또는 용기의 저부에서 액체 흐름을 회수하는 수단에 연결되어, 과냉각되지 않은 액체를 제2 압력의 액체 생성물로서 제공하는 수단
   을 포함하는 장치.
10. 제9항에 있어서,
    기화된 액체를 상분리기로부터 열교환기(20)에 보내어, 열교환기의 상류측에서 분리 대상 흐름(1)과 혼합되도록 하는 수단을 포함하는, 장치.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    열교환기(20)는 2개의 단을 가지되, 한 단이 다른 한 단보다 높은 온도에서 작동하도록 설계되어 있으며, 더 높은 온도에서 작동하도록 설계된 단에는 분리 대상 흐름(1)을 열교환기에 보내어 냉각되도록 하는 수단이 연결되고, 더 낮은 온도에서 작동하도록 설계된 단에는 냉각된 흐름(4, 6)을 증류탑 또는 용기에 보내어 분리되도록 하는 수단이 연결되는 것인, 장치.
12. 제9항, 제10항 또는 제11항에 있어서,
    열교환기(20)는 2개의 단을 가지되, 한 단이 다른 한 단보다 높은 온도에서 작동하도록 설계되어 있으며, 더 낮은 온도에서 작동하도록 설계된 단에는 액체 흐름의 적어도 일부분(12)을 열교환기에 보내어 냉각되어 과냉각 액체(3)를 형성하도록 하는 수단이 연결되는 것인, 장치.
13. 제9항, 제10항, 제11항 또는 제12항에 있어서,
    열교환기(20)는 2개의 단을 가지되, 한 단이 다른 한 단보다 높은 온도에서 작동하도록 설계되어 있으며, 더 낮은 온도에서 작동하도록 설계된 단에는 상기 상분리기로부터의 액체의 적어도 일부분(14)을 열교환기에 보내어 가열되도록 하는 수단이 연결되는 것인, 장치.
14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    열교환기(20)는 2개의 단을 가지되, 한 단이 다른 한 단보다 높은 온도에서 작동하도록 설계되어 있으며, 더 높은 온도에서 작동하도록 설계된 단은 기화된 액체를 상분리기로부터 열교환기로 배출시키는 수단을 포함하는 것인, 장치.
15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 제1 기간 동안,
    i) 과냉각 액체의 일부분 또는 ii) 단계 v)의 액체의 일부분
    을 최종 압력까지 끌어올려 제1 생성물을 형성하고,
    b) 제2 기간 동안,
    열교환기에서 냉각되지 않은 상기 저부 액체의 일부분을 최종 압력까지 끌어올려 제2 생성물을 형성하는, 공동 펌프(55)
    를 포함하는, 장치.