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KR101153080B1 - 이산화탄소 액화공정 - Google Patents

이산화탄소 액화공정 Download PDF

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Publication number
KR101153080B1
KR101153080B1 KR1020110103709A KR20110103709A KR101153080B1 KR 101153080 B1 KR101153080 B1 KR 101153080B1 KR 1020110103709 A KR1020110103709 A KR 1020110103709A KR 20110103709 A KR20110103709 A KR 20110103709A KR 101153080 B1 KR101153080 B1 KR 101153080B1
Authority
KR
South Korea
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stream
heat exchange
feed stream
sub
cooling
Prior art date
Application number
KR1020110103709A
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English (en)
Inventor
이상규
차규상
이영범
오병택
김동혁
박창원
Original Assignee
한국가스공사연구개발원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

이산화탄소 액화공정은, 이산화탄소를 포함한 공급 스트림을 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 액화시키는 액화 단계, 제1 열교환 영역을 통과한 공급 스트림을 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 과냉시키는 과냉 단계, 제2 열교환 영역을 통과한 공급 스트림을 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계, 및 제1 서브 스트림의 온도를 낮추기 위해 제1 서브 스트림을 팽창시키는 제1 팽창 단계를 포함하며, 상기 액화 단계는 상기 공급 스트림의 흐름과는 별도로 폐 루프를 이루는 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 냉매와의 열교환을 통해 상기 제1 열교환 영역에서 상기 공급 스트림을 냉각시키고, 상기 과냉 단계는 상기 제1 팽창 단계를 통해 온도가 낮아진 제1 서브 스트림과의 열교환을 통해 상기 제2 열교환 영역에서 상기 공급 스트림을 냉각시키며, 상기 제1 서브 스트림은 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환 후에 상기 공급 스트림으로 혼입되고, 상기 제2 서브 스트림의 적어도 일부는 액화 이산화탄소로 회수된다.

Description

이산화탄소 액화공정 {CARBON DIOXIDE LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 이산화탄소 액화공정에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 액화공정의 구조를 단순화시킬 수 있으면서도, 액화 이산화탄소의 단위 시간당 생산량을 증가시킬 수 있는 이산화탄소 액화공정에 관한 것이다.
이산화탄소는 지구온난화의 원인이 되는 온실가스 중의 하나이기 때문에 가능한 그 배출량을 감소시키는 것이 바람직하다. 이에 따라 세계적으로 이산화탄소를 포집하여 제거하는 기술이 현재 다양하게 연구되고 있다. 이와 관련하여 현재 이슈가 되고 있는 분야 중의 하나는 이산화탄소를 액화하는 기술이다. 기체 상태의 이산화탄소는 그 부피가 매우 크기 때문에 저장이나 이송 등에 적합하지 않기 때문이다. 이에 따라 이산화탄소를 액화하는 공정이 현재 다양하게 연구되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 이산화탄소 액화공정은 그 구조가 복잡하거나, 또는 액화 이산화탄소의 단위 시간당 생산량이 적다는 문제점을 가지고 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 액화공정의 구조를 단순화시킬 수 있으면서도, 액화 이산화탄소의 단위 시간당 생산량을 증가시킬 수 있는 이산화탄소 액화공정을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 이산화탄소 액화공정은, 이산화탄소를 포함한 공급 스트림을 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 액화시키는 액화 단계, 제1 열교환 영역을 통과한 공급 스트림을 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 과냉시키는 과냉 단계, 제2 열교환 영역을 통과한 공급 스트림을 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계, 및 제1 서브 스트림의 온도를 낮추기 위해 제1 서브 스트림을 팽창시키는 제1 팽창 단계를 포함하며, 상기 액화 단계는 상기 공급 스트림의 흐름과는 별도로 폐 루프를 이루는 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 냉매와의 열교환을 통해 상기 제1 열교환 영역에서 상기 공급 스트림을 냉각시키고, 상기 과냉 단계는 상기 제1 팽창 단계를 통해 온도가 낮아진 제1 서브 스트림과의 열교환을 통해 상기 제2 열교환 영역에서 상기 공급 스트림을 냉각시키며, 상기 제1 서브 스트림은 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환 후에 상기 공급 스트림으로 혼입되고, 상기 제2 서브 스트림의 적어도 일부는 액화 이산화탄소로 회수된다.
본 발명에 따른 이산화탄소 액화공정은 공급 스트림의 일부를 환류시켜 공급 스트림의 과냉에 사용하기 때문에 과냉을 위한 별도의 냉동 사이클을 구비할 필요가 없어 액화공정의 구조가 단순할 뿐만 아니라, 냉열이 가장 많이 소요되는 영역에서 별도의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 공급 스트림을 필요한 정도까지 냉각시키기 때문에 환류시키는 공급 스트림의 양을 줄일 수 있어 단위 시간당 생산되는 액화 이산화탄소의 양을 늘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 이산화탄소 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 2는 제1 열교환 영역에서의 온도 분포를 나타내고 있는 그래프
도 3은 제2 열교환 영역에서의 P-h 선도
도 4는 전체 열교환 영역에서의 유량의 변화를 T-s 선도로 나타내고 있는 그래프
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 이산화탄소 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 6은 도 5의 이산화탄소 액화공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 이산화탄소 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 8은 도 7의 이산화탄소 액화공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 이산화탄소 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 본 실시예에 따른 액화공정은 이산화탄소를 액화온도까지 냉각시켜 (또는 그 이상으로 과냉시켜) 액화 이산화탄소를 생산하는 공정에 적용된다. 이러한 본 실시예에 따른 액화공정은 이산화탄소를 포함한 공급 스트림을 압축하는 것으로부터 시작된다. 즉, 공급 스트림은 도관(101)을 통해 제1 압축 수단(611)으로 유입되어 압축된다. 이때 제1 압축 수단(611)은 통상의 압축기(compressor)일 수 있다. 그리고 후술할 제2 압축 수단(612)도 통상의 압축기일 수 있다. 또한 제1 압축 수단(611)의 입구에서의 공급 스트림은 통상 기상일 수 있다. 이와 같이 제1 압축 수단(611)을 거친 공급 스트림은 압축으로 고온이 된다.
이러한 고온의 공급 스트림에는 후술할 기상 스트림과 제1 서브 스트림이 혼입된다. 즉, 제1 압축 수단(611)을 통과한 공급 스트림, 제2 분리 수단(652)을 거친 기상 스트림, 제2 열교환 영역(642)을 거친 제1 서브 스트림은 각각 도관(102, 112, 113)을 통해 혼합 수단(621)으로 유입되어 혼합된다. 이러한 혼합 수단(621)은 통상의 혼합기(mixer)일 수 있다. 또는 하나의 도관에 다른 2개의 도관이 연결되는 형태로 혼합 수단이 구성될 수도 있다. 이때 기상 스트림과 제1 서브 스트림은 공급 스트림에 비해 저온이기 때문에, 공급 스트림에 기상 스트림과 제1 서브 스트림이 혼합되면, 공급 스트림은 그 온도가 낮아진다. 다만, 이러한 혼합 후에도 공급 스트림은 여전히 상대적으로 고온이기 때문에, 공급 스트림을 도관(103)을 통해 제1 냉각 수단(631)으로 유입시켜 더 냉각시킨다. 이러한 냉각으로 후술할 열교환 영역에서의 열부하를 줄일 수 있다. 여기서 제1 냉각 수단(631)은 수냉식 또는 공랭식 냉각기(cooler)일 수 있다. 그리고 후술할 제2 냉각 수단(632)도 마찬가지로 수냉식 또는 공랭식 냉각기일 수 있다. 이렇게 냉각된 공급 스트림은 도관(104)을 통해 제2 압축 수단(612)으로 유입되어 다시 압축된다. 그런 다음 공급 스트림은 도관(105)을 통해 제2 냉각 수단(632)으로 유입되어 다시 냉각된다.
그런 다음 공급 스트림은 도관(106)을 통해 제1 열교환 영역(641)으로 유입되어 폐 루프 냉동 사이클의 냉매와 열교환을 하면서 액화(또는 액화되고 과냉)된다. 여기서 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)은 공급 스트림의 액화 프로세스와는 독립되어 있다. 즉, 공급 스트림을 액화시키는 냉열을 제공하는 폐 루프 냉동 사이클은 공급 스트림의 흐름과는 별도로 폐 루프를 이루고 있다. 이러한 폐 루프 냉동 사이클은 통상의 냉동 사이클과 동일한 구성을 가질 수 있다. 즉, 폐 루프 냉동 사이클은, 냉매를 압축시키는 단계, 냉매를 냉각시키는 단계, 냉매를 팽창시키는 단계, 및 냉매를 제1 열교환 영역(641)에서의 열교환을 통해 증발시키는 단계를 순차적으로 포함할 수 있다. 그리고 이러한 폐 루프 냉동 사이클의 냉매는 공급 스트림, 특히 이산화탄소를 액화시키기에 적합한 냉매가 사용될 수 있다. 이러한 냉매의 한 예로서 프로판(C3) 냉매를 들 수 있다. 참고로, 제1 열교환 영역(641)은 통상의 열교환기(heat exchanger)내에 구비될 수 있다. 후술할 제2 열교환 영역(642)도 마찬가지이다.
제1 열교환 영역(641)에서 냉매와의 열교환을 통해 액화된 (또는 경우에 따라서는 액화되고 과냉된) 공급 스트림은 도관(107)을 통해 제2 열교환 영역(642)으로 유입된다. 제2 열교환 영역(642)에서 공급 스트림은 후술할 제1 서브 스트림과의 열교환을 통해 과냉(sub-cool)된다. 이에 대해서 보다 상술하면, 공급 스트림은 제2 열교환 영역(642)을 통과한 다음에 도관(108)을 통해 제1 분리 수단(651)으로 유입되어 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리된다. 여기서 제1 분리 수단(651)은 통상의 분배기(tee)일 수 있다.
제1 서브 스트림은 그 온도를 낮추기 위해 제1 팽창 수단(661)으로 유입되어 팽창된다. 여기서 제1 팽창 수단(661)은 J-T 밸브일 수 있다. 후술할 제2 팽창 수단(662)도 마찬가지이다. J-T 밸브를 통과하면서 팽창하면, J-T Effect에 의해 제1 서브 스트림의 압력과 온도는 모두 낮아질 수 있다. 이와 같이 팽창에 의해 온도가 낮아진 제1 서브 스트림은 제2 열교환 영역(642) 내에서 공급 스트림을 과냉시키는 일종의 냉매로서 역할한다. 즉, 온도가 낮아진 제1 서브 스트림은 도관(111)을 통해 다시 제2 열교환 영역(642)으로 유입되어 열교환을 통해 전술한 공급 스트림을 냉각(과냉)시킨다. 이러한 열교환 후에 제1 서브 스트림은 전술한 것과 같이 도관(112)을 통해 혼합 수단(621)으로 유입되어 공급 스트림에 혼입된다.
그리고 제2 서브 스트림은 그 온도를 낮추기 위해 제2 팽창 수단(662)으로 유입되어 팽창된다. 이러한 팽창으로 인한 온도 하강으로 제2 서브 스트림에는 부분적으로 기상이 발생한다. 이에 따라 제2 서브 스트림은 기액 상평형을 이룬다. 이와 같이 기액 상평형을 이룬, 즉 기상과 액상이 공존하는 제2 서브 스트림은 도관(109)을 통해 제2 분리 수단(652)으로 유입된다. 여기서 제2 분리 수단(652)은 통상의 기액 분리기(Vapor-Liquid Separator)일 수 있다. 제2 분리 수단(652)에 의해 제2 서브 스트림은 액상 스트림과 기상 스트림으로 분리된다. 여기서 기상 스트림은 전술한 것과 같이 도관(113)을 통해 혼합 수단(621)으로 유입되어 공급 스트림에 혼입된다. 그리고 액상 스트림은 액화 이산화탄소로서 도관(110)을 통해 저장 탱크(미도시)로 유입된다.
위와 같은 구성을 가지는 본 실시예에 따른 액화공정은 공급 스트림이 각 지점에서 아래 표와 같은 상태를 가진다. 참고로, 아래 표는 1) 제1 압축 수단(611)의 입구에서 공급 스트림이 40℃의 온도와 1Bar의 압력을 가지는 순수 이산화탄소이고, 2) 제1 압축 수단(611)과 제2 압축 수단(612)의 단열 효율이 75%이며, 3) 제1 냉각 수단(631)과 제2 냉각 수단(632)을 통과한 다음의 공급 스트림이 40℃의 온도를 가지고, 4) 제1 열교환 영역(641)과 제2 열교환 영역(642)에서의 Minimum Approach Temperature가 3℃이며, 5) 저장 탱크로 유입되는 액상 스트림이 -50℃의 온도와 6.59Bar의 압력을 가지는 것으로 가정하고 계산한 결과이다.
지점
(도관
번호)		 온도
(℃)		 압력
(Bar)		 상
(phase)		 지점
(도관
번호)		 온도
(℃)		 압력
(Bar)		 상
(phase)
101 40.0 1.00 기상 108 -39.6 48.75 액상
102 123.3 6.59 기상 109 -50.0 6.59 기상/액상
103 155.0 6.59 기상 110 -50.0 6.59 액상
104 40.0 3.34 기상 111 -42.6 8.82 기상/액상
105 131.7 50.00 기상 112 8.7 8.32 기상
106 40.0 49.75 기상 113 -50.0 6.59 기상
107 12.1 49.25 액상
위와 같은 상태를 가지는 본 실시예에 따른 액화공정의 열역학적 특성에 대해 보다 자세히 살펴본다. 도 2는 제1 열교환 영역에서의 온도 분포를 나타내고 있는 그래프이고, 도 3은 제2 열교환 영역에서의 P-h 선도이다. 그리고 도 4는 전체 열교환 영역에서의 유량의 변화를 T-s 선도로 나타내고 있는 그래프이다. 여기서 폐 루프 냉동 사이클의 냉매는 프로판(C3)으로 가정한다. 일반적으로 액화공정에 있어 상변화가 일어나는 영역에서 가장 많은 냉열이 소요된다. 이에 따라 본 실시예에 따른 액화공정에서도 기상에서 액상으로의 상변화가 일어나는 제1 열교환 영역(641)에서 가장 많은 냉열이 소요된다. 본 실시예에 따른 액화공정의 주된 특징은 이러한 제1 열교환 영역(641)에서 별도의 폐 루프 냉동 사이클을 사용한다는 점이다. 이와 같은 특징으로부터 얻어지는 효과에 대해서는 후술하도록 한다.
한편, 열역학 법칙에 따르면, 열손실이 없다고 가정할 때, hot side에서의 방출 열량과 cold side에서의 흡수 열량은 같아야 한다. 이에 따라 제2 열교환 영역(642)에서는 아래와 같은 식이 성립될 수 있다. 참고로, 아래 식에서 아래 첨자는 해당 번호의 도관에서의 상태를 나타낸다. 이러한 식에 따라 x는 'x = 1 × (113 / 373)'라는 식(도 3의 엔탈피 참조)으로부터 '0.302'라는 값이 얻어진다. 결국, 제2 열교환 영역(642)에서 공급 스트림을 필요한 정도로 과냉하기 위해서는 공급 스트림의 30.2% 정도(도 4 참조)를 제1 분리 수단(651)에서 제1 서브 스트림으로 분리하여야 한다. 그리고 제2 서브 스트림의 4.3% 정도는 제2 분리 수단(652)에서 기상 스트림으로 분리된다. 따라서 최초에 제1 압축 수단(611)으로 유입된 공급 스트림의 65.5% 정도는 액화 이산화탄소로서 저장 탱크로 유입된다.
Figure 112011079415305-pat00001
결과적으로, 본 실시예에 따른 액화공정은 공급 스트림의 일부를 환류시켜 공급 스트림의 냉각(과냉)에 사용하기 때문에, 과냉을 위한 별도의 냉동 사이클을 구비할 필요가 없어 액화공정의 구조가 단순하다. 또한 냉열이 가장 많이 소요되는 영역에서는 별도의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 공급 스트림을 필요한 정도까지 냉각시키기 때문에, 환류시키는 공급 스트림의 양을 줄일 수 있으며, 이에 따라 결과적으로 단위 시간당 생산되는 액화 이산화탄소의 양을 늘릴 수 있다. 결국, 본 실시예에 따른 액화공정은 공급 스트림의 일부를 환류시키기 때문에 액화공정의 구조를 단순화시킬 수 있으면서도, 별도의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하기 때문에 단위 시간당 생산량을 증가시킬 수 있다.
실시예 2
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 이산화탄소 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정은 기본적으로 전술한 실시예 1에 따른 액화공정과 동일한 구성을 가진다. 다만, 본 실시예에 따른 액화공정은 제1 압축 수단(611)과 제1 열교환 영역(641) 사이의 공정에 있어 실시예 1에 따른 액화공정과 차이가 있다. 참고로 전술한 구성과 동일한(또는 상당한) 부분에 대해서는 동일한(또는 상당한) 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 차이점을 중심으로 본 실시예에 따른 액화공정을 설명하면, 본 실시예에 따른 액화공정은 이산화탄소를 포함한 공급 스트림을 압축하는 것으로부터 시작된다. 즉, 공급 스트림은 도관(201)을 통해 제1 압축 수단(611)으로 유입되어 압축된다. 이렇게 압축된 공급 스트림은 도관(202)을 통해 제1 냉각 수단(631)으로 유입되어 냉각된다. 그런 다음, 제1 냉각 수단(631)을 통과한 공급 스트림, 제2 분리 수단(652)을 거친 기상 스트림, 제2 열교환 영역(642)을 거친 제1 서브 스트림은 각각 도관(203, 212, 213)을 통해 혼합 수단(621)으로 유입되어 혼합된다. 이러한 혼합으로 인해 냉각된 공급 스트림은 도관(204)을 통해 제2 압축 수단(612)으로 유입되어 다시 압축된다. 그런 다음, 공급 스트림은 도관(205)을 통해 제2 냉각 수단(632)으로 유입되어 다시 냉각된다. 이 이후의 과정은 전술한 실시예 1에 따른 액화공정과 동일하다. 한편, 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이, 제2 열교환 영역(642)에서의 열교환을 마친 제1 서브 스트림은 도관(2121)을 통해 공급 스트림이 압축되는 제2 압축 수단(612)으로 유입될 수도 있다. 도 6은 도 5의 이산화탄소 액화공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다.
위와 같은 구성을 가지는 본 실시예에 따른 액화공정(도 5 참조)은 공급 스트림이 각 지점에서 아래 표와 같은 상태를 가진다. 아래 표는 전술한 실시예 1에서의 가정과 동일한 가정으로 계산한 결과이다.
지점
(도관
번호)		 온도
(℃)		 압력
(Bar)		 상
(phase)		 지점
(도관
번호)		 온도
(℃)		 압력
(Bar)		 상
(phase)
201 40.0 1.00 기상 208 -39.6 48.75 액상
202 127.1 6.84 기상 209 -50.0 6.59 기상/액상
203 40.0 6.59 기상 210 -50.0 6.59 액상
204 26.3 6.59 기상 211 -42.6 8.82 기상/액상
205 121.1 50.00 기상 212 10.7 8.32 기상
206 40.0 49.75 기상 213 -50.0 6.59 기상
207 13.8 49.25 액상
본 실시예에 따른 액화공정(도 5 참조)은 실시예 1에 따른 액화공정(도 1 참조)에 비해 액화공정의 효율이 우수하다. 구체적으로는 본 실시예에 따른 액화공정의 specific power는 0.139kWh/kg인데 반해, 실시예 1에 따른 액화공정의 specific power는 0.142kWh/kg이다. 이와 같은 효율의 차이는 제1 냉각 수단(631)의 위치에 기인한다. 보다 상술하면, 본 실시예에 따른 액화공정은 제1 압축 수단(611)을 통과한 고온의 스트림(도면부호 202의 도관 참조)이 저온의 기상 스트림(도면부호 213의 도관 참조)과 혼합되기 전에 제1 냉각 수단(631)을 거치면서 냉각된다. 3개의 스트림(도면부호 621의 혼합 수단 참조)이 혼합될 때 불필요하게 증가되던 엔트로피가 이러한 냉각으로 줄어들 수 있다. 이에 따라 액화공정의 전체 효율이 향상될 수 있다.
실시예 3
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 이산화탄소 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 7에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정은 기본적으로 전술한 실시예 2에 따른 액화공정과 동일한 구성을 가진다. 다만, 본 실시예에 따른 액화공정은 제2 분리 수단(652)에 의해 분리된 기상 스트림의 흐름에 있어 실시예 2에 따른 액화공정과 차이가 있다. 참고로 전술한 구성과 동일한(또는 상당한) 부분에 대해서는 동일한(또는 상당한) 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 차이점을 중심으로 본 실시예에 따른 액화공정을 설명하면, 제2 팽창 수단(662)을 거치면서 온도가 낮아진 제2 서브 스트림은 제2 분리 수단(652)에 의해 액상 스트림과 기상 스트림으로 분리된다. 이렇게 분리된 기상 스트림은 제1 팽창 수단(661)을 거친 제1 서브 스트림에 혼입된다. 이에 따라 제2 열교환 영역(642)에서는 기상 스트림과 제1 서브 스트림의 혼합 스트림에 의해 공급 스트림이 냉각된다. 이와 같이 구성하면, 전술한 실시예들에 따른 액화공정에 비해 액화공정의 구조가 콤팩트해진다는 장점이 있다.
한편, 본 실시예에 따른 액화공정은 도 8에서 도시하고 있는 액화공정과 같이 변형이 가능하다. 도 8은 도 7의 이산화탄소 액화공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 본 변형예에 대해 상술하면, 제2 분리 수단(652)에 의해 분리된 기상 스트림은 매우 낮은 온도를 가지고 있기 때문에, 기상 스트림을 제2 열교환 영역(642)으로 유입시키면, 전술한 제1 서브 스트림과 함께 공급 스트림을 냉각시킬 수 있다. 즉, 제2 분리 수단(652)에 의해 분리된 기상 스트림은 도관(3131)을 통해 제2 열교환 영역(642)으로 유입되어 공급 스트림을 냉각시키는 역할을 한다. 이와 같은 열교환을 마친 기상 스트림은 전술한 혼합 수단(621)으로 유입되어 공급 스트림에 혼입된다.
전술한 구성을 가지는 본 실시예에 따른 액화공정은 공급 스트림이 각 지점에서 아래 표와 같은 상태를 가진다. 아래 표는 전술한 실시예 1에서의 가정과 동일한 가정으로 계산한 결과이다.
지점
(도관
번호)		 온도
(℃)		 압력
(Bar)		 상
(phase)		 지점
(도관
번호)		 온도
(℃)		 압력
(Bar)		 상
(phase)
301 40.0 1.00 기상 308 -30.0 48.75 액상
302 119.4 6.34 기상 309 -50.0 6.59 기상/액상
303 40.0 6.09 기상 310 -50.0 6.59 액상
304 29.84 6.09 기상 311 -50.0 6.59 기상/액상
305 147. 1 50.00 기상 312 10.77 6.09 기상
306 40.0 49.75 기상 313 -50.0 6.59 기상
307 13.8 49.25 액상
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
101~113, 201~213, 301~313, 501~504: 도관
611, 612: 압축 수단 621: 혼합 수단
631, 632: 냉각 수단 641, 642: 열교환 영역
651, 652: 분리 수단 661, 662: 팽창 수단

Claims (9)

  1. 이산화탄소를 포함한 공급 스트림을 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 액화시키는 액화 단계;
    상기 제1 열교환 영역을 통과한 공급 스트림을 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 과냉시키는 과냉 단계;
    상기 제2 열교환 영역을 통과한 공급 스트림을 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계; 및
    상기 제1 서브 스트림의 온도를 낮추기 위해 상기 제1 서브 스트림을 팽창시키는 제1 팽창 단계를 포함하며,
    상기 액화 단계는 상기 공급 스트림의 흐름과는 별도로 폐 루프를 이루는 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 냉매와의 열교환을 통해 상기 제1 열교환 영역에서 상기 공급 스트림을 냉각시키고, 상기 과냉 단계는 상기 제1 팽창 단계를 통해 온도가 낮아진 제1 서브 스트림과의 열교환을 통해 상기 제2 열교환 영역에서 상기 공급 스트림을 냉각시키며, 상기 제1 서브 스트림은 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환 후에 상기 공급 스트림으로 혼입되고, 상기 제2 서브 스트림의 적어도 일부는 액화 이산화탄소로 회수되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 서브 스트림의 온도를 낮추기 위해 상기 제2 서브 스트림을 팽창시키는 제2 팽창 단계, 상기 제2 팽창 단계를 거친 제2 서브 스트림을 액상 스트림과 기상 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계, 및 상기 액상 스트림을 액화 이산화탄소로 회수하는 회수 단계를 더 포함하며, 상기 기상 스트림은 상기 액화 단계로 공급될 공급 스트림으로 혼입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화공정.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 액화 단계로 공급될 공급 스트림을 압축하는 제1 압축 단계, 상기 제1 압축 단계를 거친 공급 스트림에 상기 제2 분리 단계를 거친 기상 스트림과 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환을 마친 제1 서브 스트림을 혼입하는 혼입 단계, 상기 혼입 단계를 거친 공급 스트림을 냉각하는 제1 냉각 단계, 상기 제1 냉각 단계를 거친 공급 스트림을 압축하는 제2 압축 단계, 및 상기 제2 압축 단계를 거친 공급 스트림을 냉각하는 제2 냉각 단계를 더 포함하고, 상기 제2 냉각 단계를 거친 공급 스트림은 상기 액화 단계로 공급되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화공정.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 액화 단계로 공급될 공급 스트림을 압축하는 제1 압축 단계, 상기 제1 압축 단계를 거친 공급 스트림을 냉각하는 제1 냉각 단계, 상기 제1 냉각 단계를 거친 공급 스트림에 상기 제2 분리 단계를 거친 기상 스트림과 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환을 마친 제1 서브 스트림을 혼입하는 혼입 단계, 상기 혼입 단계를 거친 공급 스트림을 압축하는 제2 압축 단계, 및 상기 제2 압축 단계를 거친 공급 스트림을 냉각하는 제2 냉각 단계를 더 포함하고, 상기 제2 냉각 단계를 거친 공급 스트림은 상기 액화 단계로 공급되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화공정.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 액화 단계로 공급될 공급 스트림을 압축하는 제1 압축 단계, 상기 제1 압축 단계를 거친 공급 스트림을 냉각하는 제1 냉각 단계, 상기 제1 냉각 단계를 거친 공급 스트림에 상기 제2 분리 단계를 거친 기상 스트림을 혼입하는 혼입 단계, 상기 혼입 단계를 거친 공급 스트림과 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환을 마친 제1 서브 스트림을 압축하는 제2 압축 단계, 및 상기 제2 압축 단계를 거친 공급 스트림과 제1 서브 스트림을 냉각하는 제2 냉각 단계를 더 포함하고, 상기 제2 냉각 단계를 거친 공급 스트림과 제1 서브 스트림은 상기 액화 단계로 공급되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화공정.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 과냉 단계는 상기 제1 서브 스트림과의 열교환과 함께 상기 기상 스트림과의 열교환을 통해 상기 제2 열교환 영역에서 상기 공급 스트림을 냉각시키고, 상기 기상 스트림은 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환 후에 상기 액화 단계로 공급될 공급 스트림으로 혼입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화공정.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 액화 단계로 공급될 공급 스트림을 압축하는 제1 압축 단계, 상기 제1 압축 단계를 거친 공급 스트림을 냉각하는 제1 냉각 단계, 상기 제1 냉각 단계를 거친 공급 스트림에 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환을 마친 기상 스트림과 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환을 마친 제1 서브 스트림을 혼입하는 혼입 단계, 상기 혼입 단계를 거친 공급 스트림을 압축하는 제2 압축 단계, 및 상기 제2 압축 단계를 거친 공급 스트림을 냉각하는 제2 냉각 단계를 더 포함하고, 상기 제2 냉각 단계를 거친 공급 스트림은 상기 액화 단계로 공급되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화공정.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 서브 스트림의 온도를 낮추기 위해 상기 제2 서브 스트림을 팽창시키는 제2 팽창 단계, 상기 제2 팽창 단계를 거친 제2 서브 스트림을 액상 스트림과 기상 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계, 상기 기상 스트림을 상기 제1 팽창 단계를 거친 제1 서브 스트림에 혼입시키는 혼입 단계, 및 상기 액상 스트림을 액화 이산화탄소로 회수하는 회수 단계를 더 포함하며, 상기 과냉 단계는 상기 혼입 단계를 거친 스트림과의 열교환을 통해 상기 제2 열교환 영역에서 상기 공급 스트림을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화공정.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐 루프 냉동 사이클은, 상기 냉매를 압축시키는 단계, 상기 냉매를 냉각시키는 단계, 상기 냉매를 팽창시키는 단계, 및 상기 냉매를 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 증발시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화공정.
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