Process Design of a Low-Temperature CO2 Separation Process for Gas Processing

Abstract

전통적인 아민(Amine) 기반 산성가스 제거공정은 고농도의 이산화탄소를 처리하는데 제한적이며, 이는 분리된 이산화탄소를 석유회수증진법(Enhanced Oil Recovery, EOR)에 활용 또는 대수층 저장시 필요한 압축에너지와 아민 용매재생에 필요한 에너지가 막대하기 때문이다. 상온보다 낮은 온도에서 운전되는 증류공정이 경제성과 에너지 효율 측면에서 아민 산성가스 제거공정의 대안으로 여겨지나, 설계시 공정 내 복잡한 상호작용으로 인해 저온 증류공정의 장점을 십분 발휘하기 어렵다. 본 연구에서는 이산화탄소를 분리하기위한 저온 증류공정을 상용 모사프로그램인 Aspen HYSYS®로 모델링하였다. 모델링에 가장 적합한 열역학 패키지를 고르기 위한 작업을 수행하였고, 참고문헌과 구축된 모델을 통해 적합성을 검증하였다. 저온 증류공정 에너지비용의 주요 설계 및 운전 변수에 대한 의존성을 민감도 분석을 통해 밝혔고, 이를 통해 에너지 효율이 높은 증류탑 구성과 운전 조건을 탐색했다. 앞선 결과를 바탕으로 운전 압력 변동과 스트림 분리 및 통합을 포함한 새로운 공정 구성을 통해 분리 성능을 저해하지 않고 에너지 효율을 높일 수 있는 방안을 제시했다.|Conventional amine sweetening process is limited to treating gas with high content of CO2, due to significant energy demand for the regeneration of solvent and the compression of CO2 product for Enhanced Oil Recovery (EOR) or sequestration. Although distillation processes operating at sub-ambient conditions have been regarded as an economic and energy-efficient alternative to amine sweetening process, it is not straightforward to materialize the full benefits of the low temperature distillation process in practice because of complex design interactions existed. The distillation process for carbon dioxide separation operated at sub-ambient conditions are modelled with commercial simulator Aspen HYSYS®. A range of thermodynamic packages are screened for the selection of the most appropriate one to be used, while the validation of the process modeling is made with reference data. Understanding on the dependence of energy cost on the key design and operating variables is obtained with sensitivity studies, with which energy-efficient selection of column configurations and operating conditions throughout the process is made. Suggestion is also made for improving energy efficiency for the process without compromising separation process, by setting different operating pressure and introducing new configuration involving stream splitting and merging.