KR20230162547A - Co₂-풍부 유동의 냉각을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20230162547A
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pressure
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마르틴 라벤토스
리샤르 뒤베티에-그르니에
마티유 르클레르
토마 모렐
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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

이산화탄소가 풍부한 유동(5)의 냉각을 위해 메탄-풍부 유체(1)로부터 냉기를 회수하기 위한 방법에서, 유동의 냉각을 위한 냉기가 메탄-풍부 유체와의 열 교환에 의해 적어도 하나의 응축된 중간 유체 유동을 형성함으로써 적어도 하나의 압력 수준에서의 중간 유체의 증발에 의해 제1 열 교환기(E1)에 제공되고; 증발되는 중간 유체의 적어도 일부분은 제2 열 교환기(E2)에서 적어도 하나의 압력에서 적어도 하나의 유동으로 응축된다.

Description

CO₂-풍부 유동의 냉각을 위한 방법 및 장치 {PROCESS AND APPARATUS FOR THE COOLING OF A CO₂-RICH FLOW}
본 발명은 CO2-풍부 유동의 냉각을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 냉각, 사실상 심지어는 액화를 위해 요구되는 냉기의 적어도 일부분이, 예를 들어 적어도 80 mol%의 메탄을 함유하는 메탄-풍부 유체의 가열에 의해, 예를 들어 메탄-풍부 액체의 증발에 의해, 또는 고밀도 상의 메탄-풍부 유체의 가성-증발에 의해 제공된다. 이러한 액체의 예는 액화된 천연 가스 (LNG)이다. 냉기의 전달이 에탄 또는 에틸렌이 풍부한 중간 유체를 사용하여 수행되어 액화된 가스, 예를 들어 액화된 천연 가스로부터의 냉기가 CO2-풍부 유동의 액화를 위해 전달된다.
CO2-풍부 유동은 적어도 70 mol%의 이산화탄소, 바람직하게는 적어도 90 mol%의 이산화탄소, 사실상 심지어는 적어도 95 mol%의 이산화탄소를 포함한다.
이산화탄소가 풍부한 유동의 액화는 일반적으로 요구되는 냉동을 제공하기 위해 전기를 소비한다. 액체 천연 가스는 종종 해수 또는 또 다른 열 공급장치에 반해 증발된다. 액화된 천연 가스의 증발은 열을 요구하고 이산화탄소의 액화는 냉원을 갖춰야 할 필요가 있기 때문에, 두 시스템이 상호 보완적인 요건을 갖는다. 따라서, 두 시스템의 통합 가능성을 연구하는 것이 유리하다.
원칙적으로, 냉매로서 이용가능한 LNG의 양이 "무제한"이기 때문에, CO2를 초임계 압력으로 압축시켜, 밀도를 높인 다음에, 스트리핑 칼럼으로 감압시키는 액화에 의해 요구되는 것과 비교하여 액화 에너지를 최소화하기 위해 CO2를 상당히 낮은 압력에서 응축시키는 것이 가능해야 한다. 다른 한편으로는, 스트리핑 칼럼에서의 온도 프로파일이 제한적이기 때문에, 매우 낮은 액화 압력의 선택이 액화 공정의 CO2 수율을 제한할 수 있다.
냉매로서의 LNG (전형적으로 -160℃ 내지 -145℃에서 이용가능함)와 CO2 사이의 직접적인 열 교환의 사용은 CO2의 동결의 위험 때문에 고려될 수 없다. 이는 LNG로부터의 냉기를 CO2로 수송하기 위해 중간 유체가 사용되어야 함을 의미한다. 이는 2가지 방식으로 수행될 수 있다:
a) LNG로부터의 냉기가 중간 유체 (이 경우에, 기체상 질소, 액체 HFO일 수 있음)의 현열 형태로만 수송됨,
b) LNG로부터의 냉기가 중간 유체의 현열 및 잠열을 통해 수송됨.
옵션 a)의 단점은 열 교환기에서의 응축하는 CO2와 중간 유체의 엔탈피/온도 프로파일 사이의 비상용성이다 (열의 대부분이 CO2에 의해 일정한 온도에서 발생되는 한편, 중간 유체의 온도는 그의 유량 및 그의 비열에 따라 일정한 속도로 증가함). 이러한 장애는, 예를 들어, 중간 유체의 유량을 증가시킴으로써 및/또는 임계 압력에 근접하도록, 사실상 심지어는 그를 초과하도록 CO2의 압력을 증가시킴으로써 회피될 수 있다. 두 해결책 모두 에너지의 증가를 요구하며, 따라서 이들 해결책은 매력적이지 않다.
FR 2 869 404, JP2004069215 및 JPH04148182로부터, 에탄인 냉각제 사이클을 사용함으로써, 이산화탄소가 응축되도록 하기 위해 증발하는 LNG의 유동으로부터의 냉기를 사용하는 것이 공지되어 있다.
JPH04-131688에는 LNG의 유동으로부터의 냉기를 액화될 CO2의 유동으로 전달하는 중간 유체의 폐사이클이 기재되어 있으며, 이 사이클은 중간 유체를 가압하기 위한 펌프를 포함한다. 사용되는 유체는 프레온(Freon)®이다.
FR 2 869 404에는 LNG의 유동으로부터의 냉기를 액화될 CO2의 유동으로 전달하는 중간 유체의 폐사이클이 기재되어 있으며, 이 중간 유체는 CO2에 반해 증발하고 LNG에 반해 액화되는 에탄이다. 중간 유체의 압력은 일정하다.
냉기의 대부분이 CO2의 액화 온도보다 더 낮은 온도에서 이용가능하므로, 적어도 열역학적 관점에서 볼 때, 에너지 비용을 들이지 않으면서, 사실상 심지어는 에너지의 발생 하에 공정을 통합하는 것이 가능해야 한다. 실용성과 관련하여, 제한된 에너지 소비만을 가지며 (예를 들어, 터빈에 의해 구동되지 않는 압축 없이, 펌프만을 사용함으로써) 밀집형 다중유체 교환기 (예를 들어 브레이징된 알루미늄으로 제작된 플레이트-핀 교환기)의 사용과 상용성을 갖는 통합의 형태가 모색된다. 이상적으로는, 공정을 통해 LNG가 주위 온도까지 가열되어, 그를 별도의 가열 수단으로 가열할 필요 없이 천연 가스 네트워크에 주입하거나 또는 소비자에게 공급하는 것이 가능해야 한다.
본 발명은 이산화탄소의 냉각, 사실상 심지어는 액화 공정에서 이산화탄소의 동결의 위험을 감소시킴으로써 공지된 공정을 개선시키는 것을 목적으로 한다.
이는 LNG로부터의 냉기를 회수하기 위해, 주로 에탄 및/또는 에틸렌으로 구성되며, 메탄을 또한 포함할 수 있는 중간 유체를 사용한다. 이러한 유체는 C2 유체로 표기될 것이다. 이러한 유체는 바람직하게는 적어도 90 mol%의 에탄 또는 에틸렌을 함유한다.
이러한 중간 유체는 바람직하게는 -60℃ 미만의 온도에 이르는 냉기를 회수하는 것을 가능하게 한다.
중간 유체와 메탄-풍부 액체, 예를 들어 액체 형태의 또는 고밀도 상의 액화된 천연 가스 LNG 사이의 열 교환을 위해 전용 열 교환기 ("LNG 교환기"라 지칭됨)가 사용된다. 단일 통과로 또는 교환기의 유체들 사이의 온도 차이를 제한하기 위해 상이한 압력 (Pc1, Pc2, PcN, 여기서 N은 전형적으로 2 내지 4임)에서 병렬식으로 작동하는 다중 통과로 LNG가 C2 유체에 반해 가열되거나 또는 증발되며 (그의 압력에 따라), C2 유체는 응축되고 -50℃ 미만의 온도로 냉각된다. LNG 교환기는 전형적으로 브레이징된 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로 제작된 플레이트-핀 교환기, 쉘-튜브 교환기 또는 인쇄 회로 기판형 교환기일 것이다.
다중유체 교환기가 사용된다면, C2 유체의 유동은 바람직하게는 교환기의 LNG의 유입구 온도보다 2-10 K 더 높은 온도로 과냉각된다. 동일한 교환기의 냉단부에서, 모든 과냉각된 C2 유체가, 임의적으로 적어도 하나의 펌프를 사용하여, 압력 P1에서 혼합되고, 동일한 교환기의 또 다른 통과 시 압력 P1에서 혼합된 유동의 기포점보다 2 내지 5K 더 낮은 온도까지 가열된다. -60℃ 근처에서의 C2 유체의 과냉각은 단지 교환기에서의 온도 차이를 제한하는 수단이다.
압력 P1에서 생성된 C2 유체의 유동은 후속적으로 가열되고, 응축하는 CO2에 반해 증발되며, 여기서 CO2는 이상적으로는 여러 유체를 위한 또 다른 열 교환기에서 10-16 bara의 단일 압력에 있고, C2 유체가 이 교환기를 단일 압력에서, 또는 병렬식으로 두 압력 P1 및 P2 < P1에서 횡단한다. 두 증발 압력이 사용된다면, P2는 전형적으로 대략 -55℃에서의 C2 유체의 기포점에 상응해야 한다. 이러한 경우에, P1에서 증발되는 C2 유체의 유량이 P2에서 증발되는 C2 유체의 유량보다 훨씬 더 (예를 들어 25 내지 35배) 적을 것이며, 여기서 후자는 CO2의 응축과 연관된 냉동의 대부분을 제공하고, 전자는 CO2의 과냉각과 연관된 냉동의 대부분 및 CO2 증류 칼럼을 위한 환류의 생성을 제공한다.
CO2가 응축하는 열 교환기의 온단부에서 수득되는, P1에서 증발되는 C2 유체 (또는 P1 및 P2에서 증발되는 유체들)는 LNG 가열 교환기를 위해 선택된 응축 압력 Pc1, Pc2, PcN에서 요구되는 유량을 생성하도록 설계되어야 한다. 두 상이한 압력에서 이용가능한 2종의 스트림에서부터 시작하여, 압력 값 Pc1, Pc2, PcN에서 특정한 유량을 갖는 N종의 스트림을 형성하는 것이 필요하다. 이는 적어도 하나의 스트림을 압축시키고/거나 적어도 하나의 스트림을 감압시키는 것을 가정한다. 원래 스트림의 압력을 상향시키는 것이 중요하다 (다시 말해서, 특히 터빈에서의 또 다른 스트림의 감압에 의해 구동될 수 없는 경우, 압축의 최소화에 의해).
이상적으로는, 응축 압력 Pc1, Pc2, PcN 중 단 하나가 P1보다 더 크다. 이를 위해, P1에 있는 기체상 C2 유체의 일부분이 원심 압축기에 의해 가장 높은 응축 압력까지 압축된다. 다른 응축 압력에 있는 C2 유체는 적어도 하나의 밸브 JT 및 원심 터빈에서의 나머지 C2 유체의 감압에 의해 수득된다. 적절한 압력 및 유량을 선택함으로써, 터빈에 의해 압축기가 구동되는 것이 가능하여, 펌프만이 에너지를 소비한다.
LNG 가열 교환기를 통과하는 상이한 압력에 있는 C2 유체의 유량의 수는 C2 유체의 조성 및 사용되는 교환기의 유형에 따라 선택된다. 일반적으로, 유동의 수가 많아질수록 유체들 사이의 온도 차이가 작아지므로, 가열이, 예를 들어, 브레이징된 알루미늄으로 제작된 플레이트-핀 교환기에서 수행될 수 있다.
CN105545390A 및 JP H04 121573A에 청구항 제1항의 전제부에 따른 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 공정의 효율을 증가시키기 위해 교환기 중 하나의 냉단부에서의 온도 차이를 제한하는 것이다.
본 발명의 한 대상에 따르면, 이산화탄소가 풍부한 유동의 냉각 및 임의적으로 액화, 사실상 심지어는 분리를 위해 메탄-풍부 유체, 예를 들어 액화된 천연 가스로부터 냉기를 회수하기 위한 방법으로서, 여기서:
i. 이산화탄소가 풍부한 유동이 제1 열 교환기에서 5 bar abs 초과의, 사실상 심지어는 13 bar abs 초과의 압력에서 적어도 부분적으로 냉각되며 임의적으로 응축되고;
ii. 스테이지 i)을 위한 냉기가 적어도 하나의 압력 수준에서의, 바람직하게는 단일 압력 수준에서의 적어도 80 mol%의 에탄 또는 에틸렌을 함유하는 중간 유체의 증발에 의해 제공되고;
iii. 스테이지 ii)에서 증발되는 중간 유체의 적어도 일부분이 제2 열 교환기에서 메탄-풍부 유체와의 열 교환에 의해 적어도 하나의 압력에서 적어도 하나의 유동으로, 바람직하게는 단일 압력에서 단일 유동으로 응축되어 적어도 하나의 응축된 중간 유체 유동을 형성하고;
iv. 적어도 하나의 응축된 중간 유체 유동이 펌프에 의해 가압되며, 이때:
v. 펌프에 의해 가압된 적어도 하나의 유동이 제2 열 교환기에서, 제2 열 교환기의 냉단부보다 더 높고 제2 열 교환기의 온단부보다 더 낮은 온도인 교환기의 중간 온도까지 가열되고, 제1 열 교환기로 이송되어 스테이지 ii)에 따라 증발되는 것을 특징으로 하는
방법이 제공된다.
본 발명의 다른 임의적인 측면에 따르면:
Figure pat00001
메탄-풍부 유체가 기체 또는 액체이고,
Figure pat00002
중간 유체의 일부분이 제2 교환기에서 제1 압력에서 응축되고, 중간 유체의 적어도 또 다른 일부분이 제2 교환기에서 적어도 제1 압력보다 더 낮은 압력에서 응축되고,
Figure pat00003
적어도 제1 압력보다 더 낮은 압력에서 응축된 중간 유체의 적어도 또 다른 일부분이 펌프에서 제1 압력까지 가압되고,
Figure pat00004
스테이지 iv)에 따라 가열되는 중간 유체의 적어도 일부분이 제1 압력에서 응축된 중간 유체의 일부분 및 펌프에 의해 가압된 중간 유체의 적어도 일부분을 포함하고,
Figure pat00005
제2 열 교환기에서의 중간 유체의 적어도 하나의 응축 압력이 제1 열 교환기에서의 중간 유체의 증발 압력보다, 또는 중간 유체의 증발 압력이 다수 존재하는 경우에는, 제1 열 교환기에서의 중간 유체의 가장 높은 증발 압력보다 더 높고, 바람직하게는 적어도 2 bar만큼 더 높고,
Figure pat00006
제1 열 교환기에서의 중간 유체의 증발 압력보다, 또는 중간 유체의 증발 압력이 다수 존재하는 경우에는, 가장 높은 증발 압력보다 더 높은 압력에서 응축된, 증발되는 중간 유체의 일부분의 압축이 증발되는 중간 유체의 또 다른 일부분을 감압시키는 터빈에 의해 구동되는 압축기에 의해 수행되고,
Figure pat00007
중간 유체 사이클이 압축기를 포함하지 않거나 또는 모터에 의해 구동되는 압축기를 포함하지 않고,
Figure pat00008
제1 열 교환기에서의 중간 유체의 증발 압력이 3 bara 내지 25 bara, 바람직하게는 4 bara 내지 21 bara이고/거나, 제2 열 교환기에서의 중간 유체의 응축 압력이 1.05 bara 내지 50 bara, 바람직하게는 1.3 bara 내지 45 bara이고,
Figure pat00009
중간 유체가 85 vol% 초과의 에탄, 바람직하게는 90 vol% 초과의 에탄을 함유하고,
Figure pat00010
중간 유체가 85 vol% 초과의 에틸렌, 바람직하게는 90 vol% 초과의 에틸렌을 함유하고,
Figure pat00011
제1 열 교환기로 이송되는 이산화탄소가 풍부한 유동의 몰 유량에 대한 중간 유체의 적어도 하나의 몰 유량의 비가 1.0 내지 1.5, 바람직하게는 1 내지 1.4이고,
Figure pat00012
제2 열 교환기로 이송되는 메탄-풍부 기체, 예를 들어 LNG의 몰 유량에 대한 중간 유체의 적어도 하나의 몰 유량의 비가 0.7 내지 1.0, 바람직하게는 0.75 내지 0.95이고,
Figure pat00013
액화된 CO2-풍부 기체가 -40℃ 이하, 바람직하게는 -50℃ 이하의 온도에서 생성되고,
Figure pat00014
제1 교환기의 유입구에서의 이산화탄소가 풍부한 유동이 30 vol% 초과의 CO2, 바람직하게는 35 vol% 초과의 CO2를 함유하고,
Figure pat00015
제1 교환기의 유입구에서의 이산화탄소가 풍부한 유동이 90 vol% 초과의 CO2, 바람직하게는 95 vol% 초과의 CO2를 함유하고,
Figure pat00016
제2 열 교환기에서 가열되거나 또는 증발된 메탄-풍부 기체의 적어도 일부분이, 연료로서 또는 반응물로서, 수증기 메탄 개질 유닛, 자열 개질 유닛 또는 부분 산화 유닛으로 이송되고, CO2-풍부 유동이 상기 유닛에 의해 생성되거나 또는 상기 유닛으로부터의 생성물로부터 유래되고,
Figure pat00017
이산화탄소가 풍부한 유동의 액화, 또는 부분 응축 또는 증류에 의한 분리에 의해 생성된 CO2-풍부 액체가 제2 열 교환기에서 중간 온도까지 가열된 중간 유체의 적어도 일부분과의 열 교환에 의해 제1 교환기에서 과냉각되고,
Figure pat00018
이산화탄소가 풍부한 유동의 액화, 또는 증류 또는 응축에 의한 분리에 의해 생성된 CO2-풍부 액체가 제2 열 교환기에서 중간 온도까지 가열된 중간 유체의 적어도 일부분과의 열 교환에 의해 제1 교환기에서 과냉각되고,
Figure pat00019
CO2-풍부 유동이 적어도 하나의 증류 칼럼에서 분리되고,
Figure pat00020
증류 칼럼의 저부로부터 취해진 CO2-풍부 액체의 일부분이 제1 열 교환기에서 중간 온도보다 더 높은 온도에서 증발되고, 증류 칼럼의 저부로 회송되고,
Figure pat00021
제1 교환기에서 가열되는 중간 유체의 일부분이 터빈에서 감압되어 전기를 발생시킨다.
본 발명의 또 다른 대상에 따르면, 이산화탄소가 풍부한 유동의 냉각 및 임의적으로 액화, 사실상 심지어는 분리를 위해 메탄-풍부 유체, 예를 들어 액화된 천연 가스로부터 냉기를 회수하기 위한 장치로서, 제1 열 교환기, 제2 열 교환기, 이산화탄소가 풍부한 유동을, 적어도 부분적으로 냉각되고 임의적으로 응축될 제1 열 교환기로 이송하기 위한 수단, 제1 교환기에서 적어도 하나의 압력 수준에서, 바람직하게는 단일 압력 수준에서 증발될 적어도 80 mol%의 에탄 또는 에틸렌을 함유하는 중간 유체를 이송하기 위한 수단, 제2 열 교환기에서 메탄-풍부 유체와의 열 교환에 의해 적어도 하나의 압력에서 적어도 하나의 유동으로, 바람직하게는 단일 압력에서 단일 유동으로 응축되어 적어도 하나의 응축된 중간 유체 유동을 형성할 증발되는 유체를 이송하기 위한 수단, 적어도 하나의 응축된 중간 유체 유동을 가압하기 위한 펌프를 포함하는 중간 유체 폐사이클을 포함하며, 이때 펌프로부터의 유동을 제2 열 교환기의 냉단부보다 더 높고 제2 열 교환기의 온단부보다 더 낮은 온도인 교환기의 중간 온도까지 가열하기 위해 제2 열 교환기로 이송하기 위한 수단, 및 중간 온도에 있는 가열된 유동을 제2 열 교환기로부터 추출하기 위한 것으로서, 증발될 적어도 80 mol%의 에탄 또는 에틸렌을 함유하는 중간 유체를 제1 교환기로 이송하기 위한 수단과 연결되어 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치가 제공된다.
본 발명이 도면을 참조로 하여 보다 상세한 방식으로 기재될 것이며, 여기서:
[도 1]은 그의 유체가 100% 에탄인 사이클을 사용하는, 메탄-풍부 액체, 예를 들어 LNG와의 열 교환에 의한 CO2의 응축 공정을 나타낸다.
[도 2]는 그의 유체가 100% 에틸렌인 사이클을 사용하는, 메탄-풍부 액체, 예를 들어 LNG와의 열 교환에 의한 CO2의 응축 공정을 나타낸다.
[도 3]은 그의 유체가 93.5 mol% 에탄 및 6.5 mol% 메탄인 사이클을 사용하는, 메탄-풍부 액체, 예를 들어 LNG와의 열 교환에 의한 CO2의 응축 공정을 나타낸다.
[도 4]는 그의 유체가 6% 내지 7%의 메탄이 함유된 에틸렌인 사이클을 사용하는, 메탄-풍부 액체, 예를 들어 LNG와의 열 교환에 의한 CO2의 응축 공정을 나타낸다.
[도 1]은 그의 유체가 100% 에탄인 사이클을 사용하는, 메탄-풍부 액체, 예를 들어 LNG와의 열 교환에 의한 CO2의 응축 공정을 나타내며, 여기서 2종의 유량의 유체가 교환기에서 두 상이한 응축 압력에서 응축된다. 액화된 천연 가스 (LNG)의 유동(1)이 플레이트-핀 교환기 또는 인쇄 회로 기판형 교환기일 수 있는 열 교환기(E2)의 냉단부로 이송된다. 액화된 천연 가스가 교환기(E2)에서 증발되고 가열되어, 바람직하게는 0℃ 초과의 온도에서, 예를 들어 주위 온도에서 온단부로부터 배출되는 천연 가스(3)를 생성한다. 유체(1)는 기체 또는 액체일 수 있다.
열 교환기(E2)에서, 이 경우에는 에탄인 2종의 C2 유동(19, 21)이 냉각되며, 여기서 유동(21)이 유동(19)보다 더 낮은 압력에 있다. 유동(21)은 열 교환기(E1)를 통해 온단부로부터 냉단부로 통과하며, 그 동안에 완전히 응축된다. 응축된 유동은 드럼(S)으로 이송된다. 드럼(S)으로부터의 액체(23)는 펌프(P)에 의해 가압되고, 응축되고 밸브에서 감압된 유동(19)과 혼합된다. 형성된 유동(11)은 열 교환기(E1)에서 교환기의 중간 온도, 다시 말해서 교환기의 냉단부와 온단부 사이에 있는 온도까지 탈-과냉각되어, 그 결과 가열된다.
유동(11)은 단열된 파이프로 또는 교환기(E2)와 CO2 액화기 공통의 단열된 콜드 박스를 통과하여 CO2 액화기로 이송된다. 유동(11)은 두 부분으로 분할되고, 이들 2종의 일부분(13, 15)은 각각의 밸브에서 감압되고 열 교환기(E1)에서 냉단부로부터 온단부로 통과하면서 가열된다. 가열 후에, 유동(15)은 두 부분으로 분할되어 유동(19, 17)을 형성한다. 유동(19)은 압축기(C)에서 압축되고, 냉각기 (예시되지 않음)에서 냉각되어, 그의 유출구 압력에서 교환기(E2)로 이송된다. 유동(17)은 압축기(C)를 구동하는 터빈(T)에서 압력 P1로부터 감압되고, 유동(13)과 혼합되어 유동(21)을 형성하며, 이것이 교환기(E2)로 들어간다.
10-16 bara의 이산화탄소가 풍부한 유동(5)은 2종의 일부분(51, 53)으로 분할된다. 유동(53)은 전체가 교환기(E1)를 통과하고, 교환기(E1)에서 응축되어 증류 칼럼(K1)의 상부 환류로서 이송된다. 다른 일부분(51)은 일부분(53)과 동일한 압력에서 교환기(E1)에서 냉각되지만, 온단부와 냉단부 사이에 있는 중간 온도에서 교환기(E1)로부터 배출된다. 일부분(51)은 후속적으로 칼럼(K1)으로 이송된다.
칼럼(K1)의 재비등은 칼럼(K1)으로부터의 이산화탄소가 풍부화된 저부 액체(55)의 일부분(57)을 취함으로써 제공된다. 저부 액체(55)는 유동(51)의 유출구 지점보다 더 고온인 교환기(E1)의 중간 높이로 이송된다. 일부분(57)은 증발되고 가열되어 기체로서 칼럼(K1)의 저부로 회송된다. 액체(55)의 나머지(7)는 열 교환기(E1)에서 중간 유체(11)와의 열 교환에 의해 과냉각되어, 공정의 생성물인 액체 이산화탄소를 형성한다. 칼럼(K1)으로부터의 상부 기체(9)는 교환기(E1)에서 냉단부로부터 온단부로 가열되어 시스템으로부터 배출된다. 이 기체(9)는 경질 불순물, 예컨대 질소, 수소, 일산화탄소 등이 풍부화된다.
제2 열 교환기(E2)에서의 중간 유체의 유동(19)의 응축 압력은 제1 열 교환기(E1)에서의 중간 유체의 가장 높은 증발 압력보다 더 높고, 바람직하게는 적어도 2 bar만큼 더 높다.
[도 2]는 그의 C2 유체가 100% 에틸렌인 사이클을 사용하는, 메탄-풍부 액체, 예를 들어 LNG와의 열 교환에 의한 CO2의 응축 공정을 나타낸다. CO2 액화기의 세부사항이 제공되어 있지 않지만, [도 1]과 동일하거나 또는 유사한 공정이 액화를 위해 사용될 수 있다.
이 경우에, C2 유체는 이산화탄소가 풍부한 기체를 응축시키기 위해 교환기(E2)에서 두 상이한 압력에서 증발된다. 교환기(E1)의 온단부에서 취해진 기체(15)가 두 부분으로 분할된다. 일부분(45)은 압축기에서 압축되고, 열 교환기(E3)에서 냉각된 후에, 열 교환기(E2)에서 LNG에 반해 응축된다. 기체(15)의 나머지(25)는 세 부분으로 분할되는데, 한 일부분(29)은 기체(13)와 혼합되어 기체(43)를 형성하고, 이는 압축기를 구동하는 터빈에서 감압되고, 후속적으로 교환기(E2)로 이송되어 완전히 응축되어, 드럼(S)으로 이송되는 액체 유동(47)을 형성한다.
기체(25)의 또 다른 일부분(27)은 감압된 다음에, 열 교환기(E2)로 이송되며, 여기에서 응축되고 과냉각된 다음에, 과냉각된 액체(47)와 혼합된다.
기체(25)의 또 다른 일부분(41)은 감압된 다음에, 열 교환기(E2)로 이송되며, 여기에서 응축되고 과냉각된 다음에, 액체(47)와 혼합된다.
따라서, 이 경우에는 에틸렌인 유체 C2가 교환기(E2)에서 4가지의 상이한 압력에서 응축된다는 것을 알 수 있다.
유동(45)의 압축의 하류에 냉각기가 존재하기 때문에, 교환기(E2)는, 예를 들어 브레이징된 알루미늄으로 제작된 플레이트-핀 교환기일 수 있다. 터빈에, 이 경우에는 에틸렌인 C2 유체의 유동이 압력 P2에서 공급된다.
교환기(E3)는 교환기(E2)의 고온 유출구에서 취해진 증발된 LNG의 유동(1A)에 의해 냉각된다.
제2 열 교환기에서의 중간 유체의 유동(45)의 응축 압력은 제1 열 교환기에서의 중간 유체의 가장 높은 증발 압력보다 더 높고, 바람직하게는 적어도 2 bar만큼 더 높다.
[도 3]은 그의 C2 유체가 93.5 mol% 에탄 및 6.5 mol% 메탄인 사이클을 사용하는, LNG와의 열 교환에 의한 CO2의 응축 공정을 나타낸다. CO2 액화기의 세부사항이 제공되어 있지 않지만, [도 1]과 동일하거나 또는 유사한 공정이 액화를 위해 사용될 수 있다.
이 경우에, C2 유체는 이산화탄소가 풍부한 기체를 응축시키기 위해 교환기(E1)에서 두 상이한 압력에서 증발된다. 교환기(E1)의 온단부에서 취해진 기체(15)가 두 부분으로 분할된다. 일부분(33)은 압축기(C)에서 압축되고, 열 교환기(E3)에서 냉각된 다음에, 열 교환기(E2)에서 LNG에 반해 응축된다. 기체(15)의 나머지(25)는 두 부분으로 분할되는데, 한 일부분(29)은 기체(13)와 혼합되어 기체(43)를 형성하고, 이는 압축기(C)를 구동하는 터빈(T)에서 감압되고, 후속적으로 교환기(E2)로 이송되어 완전히 응축되어, 드럼(S)으로 이송되는 액체 유동(35)을 형성한다.
기체(25)의 다른 일부분(27)은 밸브에서 감압된 다음에, 열 교환기(E2)로 이송되며, 여기에서 응축된 다음에, 드럼(S)의 상류에서 과냉각된 유동(35)과 혼합된다.
교환기(E3)는 교환기(E2)의 고온 유출구에서 취해진 증발된 LNG의 유동(1A)에 의해 냉각된다.
유동(33)의 압축의 하류에 냉각기(E3)가 존재하기 때문에, 교환기(E2)는, 예를 들어 브레이징된 알루미늄으로 제작된 플레이트-핀 교환기일 수 있다. 터빈에 C2 유체의 유동이 압력 P2에서 공급된다.
제2 열 교환기에서의 중간 유체의 유동(33)의 응축 압력은 제1 열 교환기에서의 중간 유체의 가장 높은 증발 압력보다 더 높고, 바람직하게는 적어도 2 bar만큼 더 높다.
[도 4]는 그의 유체가 93 mol% 에틸렌 및 7 mol% 메탄인 사이클을 사용하는, 메탄-풍부 액체, 예를 들어 LNG와의 열 교환에 의한 CO2의 응축 공정을 나타내며, 여기서 유체의 단일 유동이 교환기(E2)에서 응축된다. 액화된 천연 가스 (LNG)의 유동(1)이 플레이트-핀 교환기 또는 인쇄 회로 기판형 교환기일 수 있는 열 교환기(E2)의 냉단부로 이송된다. 액화된 천연 가스가 교환기(E2)에서 증발되고 가열되어, 바람직하게는 0℃ 초과의 온도에서, 예를 들어 주위 온도에서 온단부로부터 배출되는 천연 가스(3)를 생성한다.
C2 유동(21)은 열 교환기(E2)에서 냉각된다. 유동(21)이 열 교환기(E1)를 통해 온단부로부터 냉단부로 통과하며, 그 동안에 완전히 응축되고 과냉각된다. 과냉각된 유동은 드럼(S)에서 분리된다. 드럼(S)으로부터의 기체(25)는 교환기(E2)의 유입구에서 유동(21)과 다시 합쳐진다. 드럼으로부터의 액체(23)는 펌프(P)에 의해 가압된다. 펌핑된 유동(11)은 열 교환기(E2)에서 교환기의 중간 온도까지 탈-과냉각되어, 그 결과 가열된다.
유동(11)은 단열된 파이프로 또는 교환기(E2)와 CO2 액화기 공통의 단열된 콜드 박스를 통과하여 CO2 액화기로 이송된다. 유동(11)은 유동(13)이 되고, 열 교환기(E1)에서 냉단부로부터 온단부로 통과하는 동안 가열된다. 가열 후에, 유동(13)은, 예를 들어 60℃까지 다시 가열되고, 가열기(R)의 유출구 압력에서 교환기(E2)로 이송된다. 유동이 교환기(E2)로 들어간다.
우선, 유동(12)은 중간 유체의 가열기에 의한 가열이 가능하도록 하기 위해 교환기(E1)와 단락된다.
10-16 bara의 이산화탄소가 풍부한 유동(5)은 2종의 일부분(51, 53)으로 분할된다. 유동(53)은 전체가 교환기(E1)를 통과하고, 교환기(E1)에서 응축되어 증류 칼럼(K1)의 상부 환류로서 이송된다. 다른 일부분(51)은 일부분(53)과 동일한 압력에서 교환기(E1)에서 냉각되지만, 온단부와 냉단부 사이에 있는 중간 온도에서 교환기(E1)로부터 배출된다. 일부분(51)은 후속적으로 칼럼(K1)으로 이송된다.
칼럼(K1)의 재비등은 칼럼(K1)으로부터의 이산화탄소가 풍부화된 저부 액체(55)의 일부분(57)을 취함으로써 제공된다. 저부 액체(55)는 유동(51)의 유출구 지점보다 더 고온인 교환기(E1)의 중간 높이로 이송된다. 일부분(57)은 증발되고 가열되어 기체로서 칼럼(K1)의 저부로 회송된다. 액체(55)의 나머지(7)는 열 교환기(E1)에서 중간 유체(11)와의 열 교환에 의해 과냉각되어, 공정의 생성물인 액체 이산화탄소를 형성한다. 칼럼(K1)으로부터의 상부 기체(9)는 교환기(E1)에서 냉단부로부터 온단부로 가열되어 시스템으로부터 배출된다. 이 기체(9)는 경질 불순물, 예컨대 질소, 수소, 일산화탄소 등이 풍부화된다.
제2 열 교환기에서의 중간 유체의 유동(19)의 응축 압력은 제1 열 교환기에서의 중간 유체의 가장 높은 증발 압력과 단지 손실 수두 정도의 차이가 있다. 중간 유체 사이클이 압축 (펌프의 가압은 제외함) 또는 터빈에서의 감압 어느 것도 포함하지 않는다. 펌프(P)는 단지 압력 강하를 보상하기 위해 사용된다.
[도 1], [도 2], [도 3] 및 [도 4]는 각각 교환기(E2)의 상류에 있는 드럼(S)에서 생성된 기체를 운반하기 위한 파이프를 포함할 수 있다. 이 기체는 드럼으로 열이 유입되어, 그것이 함유하는 액체의 작은 일부분을 증발시키기 때문에 생성된다. 형성된 기체(25)는 드럼(S)으로부터 이송되어 기체(21)와 다시 합쳐진다.

Claims (21)

  1. 이산화탄소가 풍부한 유동(5)의 냉각 및 임의적으로 액화, 사실상 심지어는 분리를 위해 메탄-풍부 유체, 예를 들어 액화된 천연 가스로부터 냉기를 회수하기 위한 방법으로서, 여기서:
    i. 이산화탄소가 풍부한 유동이 제1 열 교환기(E1)에서 5 bar abs 초과의, 사실상 심지어는 13 bar abs 초과의 압력에서 적어도 부분적으로 냉각되며 임의적으로 응축되고;
    ii. 스테이지 i)을 위한 냉기가 적어도 하나의 압력 수준에서의, 바람직하게는 단일 압력 수준에서의 적어도 80 mol%의 에탄 또는 에틸렌을 함유하는 중간 유체의 증발에 의해 제공되고;
    iii. 스테이지 ii)에서 증발되는 중간 유체의 적어도 일부분이 제2 열 교환기(E2)에서 메탄-풍부 유체(1)와의 열 교환에 의해 적어도 하나의 압력에서 적어도 하나의 유동으로, 바람직하게는 단일 압력에서 단일 유동으로 응축되어 적어도 하나의 응축된 중간 유체 유동을 형성하고;
    iv. 적어도 하나의 응축된 중간 유체 유동이 펌프(P)에 의해 가압되며, 이때:
    v. 펌프에 의해 가압된 적어도 하나의 유동(37)이 제2 열 교환기에서, 제2 열 교환기의 냉단부보다 더 높고 제2 열 교환기의 온단부보다 더 낮은 온도인 교환기의 중간 온도까지 가열되고, 제1 열 교환기로 이송되어 스테이지 ii)에 따라 증발되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  2. 제1항에 있어서, 중간 유체의 일부분이 제2 교환기(E2)에서 제1 압력에서 응축되고, 중간 유체의 적어도 또 다른 일부분이 제2 교환기에서 적어도 제1 압력보다 더 낮은 압력에서 응축되는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 적어도 제1 압력보다 더 낮은 압력에서 응축된 중간 유체의 적어도 또 다른 일부분이 펌프(P)에서 제1 압력까지 가압되는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 스테이지 iv)에 따라 가열되는 중간 유체의 적어도 일부분이 제1 압력에서 응축된 중간 유체의 일부분 및 펌프에 의해 가압된 중간 유체의 적어도 일부분을 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열 교환기(E2)에서의 중간 유체의 적어도 하나의 응축 압력이 제1 열 교환기에서의 중간 유체의 증발 압력보다, 또는 중간 유체의 증발 압력이 다수 존재하는 경우에는, 제1 열 교환기에서의 중간 유체의 가장 높은 증발 압력보다 더 높은 것인, 바람직하게는 적어도 2 bar만큼 더 높은 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 제1 열 교환기에서의 중간 유체의 증발 압력보다, 또는 중간 유체의 증발 압력이 다수 존재하는 경우에는, 가장 높은 증발 압력보다 더 높은 압력에서 응축된, 증발되는 중간 유체의 일부분의 압축이 증발되는 중간 유체의 또 다른 일부분을 감압시키는 터빈(T)에 의해 구동되는 압축기(C)에 의해 수행되는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 중간 유체 사이클이 압축기를 포함하지 않거나 또는 모터에 의해 구동되는 압축기를 포함하지 않는 것인 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열 교환기(E1)에서의 중간 유체의 증발 압력이 3 bara 내지 25 bara, 바람직하게는 4 bara 내지 21 bara이고/거나, 제2 열 교환기(E2)에서의 중간 유체의 응축 압력이 1.05 bara 내지 50 bara, 바람직하게는 1.3 bara 내지 45 bara인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 중간 유체(11)가 85 vol% 초과의 에탄, 바람직하게는 90 vol% 초과의 에탄을 함유하는 것인 방법.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 중간 유체(11)가 85 vol% 초과의 에틸렌, 바람직하게는 90 vol% 초과의 에틸렌을 함유하는 것인 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열 교환기(E1)로 이송되는 이산화탄소가 풍부한 유동의 몰 유량에 대한 중간 유체의 적어도 하나의 몰 유량의 비가 1.0 내지 1.5, 바람직하게는 1 내지 1.4인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열 교환기로 이송되는 메탄-풍부 기체(1), 예를 들어 LNG의 몰 유량에 대한 중간 유체의 적어도 하나의 몰 유량의 비가 0.7 내지 1.0, 바람직하게는 0.75 내지 0.95인 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 액화된 CO2-풍부 기체가 -40℃ 이하, 바람직하게는 -50℃ 이하의 온도에서 생성되는 것인 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 교환기(E1)의 유입구에서의 이산화탄소가 풍부한 유동(5)이 30 vol% 초과의 CO2, 바람직하게는 35 vol% 초과의 CO2를 함유하는 것인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 제1 교환기(E1)의 유입구에서의 이산화탄소가 풍부한 유동이 90 vol% 초과의 CO2, 바람직하게는 95 vol% 초과의 CO2를 함유하는 것인 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열 교환기(E2)에서 가열되거나 또는 증발된 메탄-풍부 기체의 적어도 일부분이, 연료로서 또는 반응물로서, 수증기 메탄 개질 유닛, 자열 개질 유닛 또는 부분 산화 유닛으로 이송되고, CO2-풍부 유동(5)이 상기 유닛에 의해 생성되거나 또는 상기 유닛으로부터의 생성물로부터 유래되는 것인 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화탄소가 풍부한 유동의 액화, 또는 부분 응축 또는 증류에 의한 분리에 의해 생성된 CO2-풍부 액체(55)가 제2 열 교환기에서 중간 온도까지 가열된 중간 유체의 적어도 일부분과의 열 교환에 의해 제1 교환기(E1)에서 과냉각되는 것인 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, CO2-풍부 유동(55)이 적어도 하나의 증류 칼럼(K1)에서 분리되는 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 증류 칼럼(K1)의 저부로부터 취해진 CO2-풍부 액체의 일부분(57)이 제1 열 교환기에서 중간 온도보다 더 높은 온도에서 증발되고, 증류 칼럼의 저부로 회송되는 것인 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 교환기(E1)에서 가열되는 중간 유체의 일부분(17)이 터빈(T)에서 감압되어 전기를 발생시키는 것인 방법.
  21. 이산화탄소가 풍부한 유동(5)의 냉각 및 임의적으로 액화, 사실상 심지어는 분리를 위해 메탄-풍부 유체(1), 예를 들어 액화된 천연 가스로부터 냉기를 회수하기 위한 장치로서, 제1 열 교환기(E1), 제2 열 교환기(E2), 이산화탄소가 풍부한 유동을, 적어도 부분적으로 냉각되고 임의적으로 응축될 제1 열 교환기(E1)로 이송하기 위한 수단, 제1 교환기에서 적어도 하나의 압력 수준에서, 바람직하게는 단일 압력 수준에서 증발될 적어도 80 mol%의 에탄 또는 에틸렌을 함유하는 중간 유체를 이송하기 위한 수단, 제2 열 교환기(E2)에서 메탄-풍부 유체(1)와의 열 교환에 의해 적어도 하나의 압력에서 적어도 하나의 유동으로, 바람직하게는 단일 압력에서 단일 유동으로 응축되어 적어도 하나의 응축된 중간 유체 유동을 형성할 증발되는 유체를 이송하기 위한 수단, 적어도 하나의 응축된 중간 유체 유동을 가압하기 위한 펌프를 포함하는 중간 유체 폐사이클을 포함하며, 이때 펌프로부터의 유동을 제2 열 교환기의 냉단부보다 더 높고 제2 열 교환기의 온단부보다 더 낮은 온도인 교환기의 중간 온도까지 가열하기 위해 제2 열 교환기로 이송하기 위한 수단, 및 중간 온도에 있는 가열된 유동을 제2 열 교환기로부터 추출하기 위한 것으로서, 증발될 적어도 80 mol%의 에탄 또는 에틸렌을 함유하는 중간 유체를 제1 교환기로 이송하기 위한 수단과 연결되어 있는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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