Способы и системы для конденсации CO2
METHODS AND SYSTEMS FOR CONDENSATION OF CO2

2
2
Настоящее изобретение относится к способам и системам для конденсации диоксида углерода (СО) с использованием магнитокалорического охлаждения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способам и системам для конденсации CO при сжатии с промежуточным охлаждением и каскадом насосов (pumping train) с применением магнитокалорического охлаждения.
Уровень техники
2
2
2
2
2
2
2
2
Энергетические процессы, которые основаны на сжигании углеродсодержащего топлива, обычно производят СО в качестве побочного продукта. Желательно улавливать или иным образом отделять СО2 из газовой смеси, чтобы предотвратить высвобождение СО в окружающую среду и/или использовать СО в энергетическом процессе или в других процессах. Также желательно сжижать/конденсировать отделенный СО, чтобы облегчить транспортировку и хранение отделенного СО. Сжатие СО, сжижение и нагнетание с применением каскада насосов могут быть использованы для сжижения СО для требуемых конечных применений. Однако способы конденсации/сжижения СО могут быть энергоемкими.
2
2
Таким образом, существует потребность в эффективных способах и системах для конденсации СО. Кроме того, существует потребность в эффективных способах и системах для конденсации CO при сжатии с промежуточным охлаждением и нагнетании с применением каскада насосов.
Краткое описание изобретения
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложен способ конденсации диоксида углерода (СО) из потока СО. Способ включает (i) сжатие и охлаждение потока СО с образованием частично охлажденного потока СО, причем частично охлажденный поток СО охлаждают до первой температуры. Способ включает (ii) охлаждение частично охлажденного потока CO до второй температуры посредством магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока CO. Способ дополнительно включает (iii) конденсацию по меньшей мере части СО в охлажденном потоке СО при второй температуре с образованием конденсированного потока СО.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ конденсации диоксида углерода (СО) из потока СО. Способ включает (i) охлаждение потока СО в первой ступени охлаждения, включающей первый теплообменник, с образованием первого частично охлажденного потока СО. Способ дополнительно включает (ii) сжатие первого частично охлажденного потока СО с образованием первого сжатого потока СО. Способ дополнительно включает (iii) охлаждение первого сжатого потока СО во второй ступени охлаждения, включающей второй теплообменник, с образованием второго частично охлажденного потока СО. Способ дополнительно включает (iv) сжатие второго частично охлажденного потока СО с образованием второго сжатого потока СО. Способ дополнительно включает (v) охлаждение второго сжатого потока СО до первой температуры в третьей ступени охлаждения, включающей третий теплообменник, с образованием частично охлажденного потока СО. Способ дополнительно включает (vi) охлаждение частично охлажденного потока СО до второй температуры посредством магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока СО. Способ дополнительно включает (vii) конденсацию по меньшей мере части CO в охлажденном потоке СО при второй температуре с образованием конденсированного потока СО.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложена система для конденсации диоксида углерода (СО) из потока СО. Система включает (i) одну или более чем одну ступень сжатия, выполненную с возможностью приема потока СО. Система дополнительно включает (ii) одну или более чем одну ступень охлаждения, гидравлически сообщающуюся с одной или более чем одной ступенью сжатия, причем сочетание одной или более чем одной ступени сжатия и одной или более чем одной ступени охлаждения выполнено с возможностью сжатия и охлаждения потока СО до первой температуры с образованием частично охлажденного потока СО. Система дополнительно включает (iii) ступень магнитокалорического охлаждения, выполненную с возможностью приема частично охлажденного потока СО и охлаждения частично охлажденного потока CO до второй температуры с образованием охлажденного потока СО. Система дополнительно включает (iv) ступень конденсации, выполненную с возможностью конденсации части СО в охлажденном потоке СО при второй температуре, посредством чего конденсируют СО из охлажденного сжатого потока СО с образованием конденсированного потока СО.
Другие воплощения, аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области из следующего подробного описания, прилагаемых чертежей и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после прочтения нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые символы обозначают одинаковые детали на всех чертежах, где:
2
2
Фиг. 1 представляет собой блок-схему для способа конденсации СО из потока СО в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
2
2
Фиг. 2 представляет собой блок-схему для способа конденсации СО из потока СО в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
2
2
Фиг. 3 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО из потока СО в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
2
2
Фиг. 4 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО из потока СО в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
2
2
Фиг. 5 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО из потока СО в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
2
2
Фиг. 6 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО из потока СО в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
2
2
Фиг. 7 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО из потока СО в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
2
2
Фиг. 8 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО из потока СО в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
2
2
Фиг. 9 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО из потока СО в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.
2
Фиг. 10 представляет собой график зависимости давления от температуры для СО.
Подробное описание изобретения
2
2
2
2
Как будет подробно описано ниже, воплощения настоящего изобретения включают способы и системы, пригодные для конденсации СО. Как было отмечено ранее, сжижение и нагнетание СО может потребовать высокого расхода энергии. Например, давление приблизительно 6 МПа (60 бар) может потребоваться для сжижения СО при 20°C. В некоторых воплощениях промежуточная ступень магнитного охлаждения предпочтительно понижает температуру СО до менее чем 0°C, что существенно снижает потребляемую мощность системы в целом. В некоторых воплощениях, в зависимости от коэффициента эффективности системы магнитокалорического охлаждения, при применении способов и систем, описанных в данном документе, можно достичь общего повышения эффективности, составляющего от приблизительно 10 процентов до приблизительно 15 процентов.
Приближенные формулировки, используемые здесь в описании и формуле изобретения, могут быть применены для модификации любого количественного представления, которое допустимо изменять, не приводя к изменению основной функции, с которой оно связано. Соответственно, значение, измененное с применением термина или терминов, таких как "приблизительно", не ограничено точно заданным значением. В некоторых случаях приближенные формулировки могут относиться к точности инструмента для измерения значения.
В следующем описании и формуле изобретения формы единственного числа включают названные объекты во множественном числе, если контекст явно не указывает иное.
2
2
2
2
2
2
2
В одном воплощении, как показано на Фиг. 1 и 3, предложен способ 10 конденсации диоксида углерода из потока CO. Термин "поток CO", используемый здесь, относится к потоку смеси газа CO, выделяющегося в результате обработки топлива, такого как природный газ, биомасса, бензин, дизельное топливо, уголь, горючие сланцы, мазут, битуминозные пески и их сочетания. В некоторых воплощениях поток СО включает поток СО, выделяемого газовой турбиной. В конкретных воплощениях поток СО включает смесь газа СО, выделяемого электростанцией, работающей на сжигании угля или природного газа.
2
2
2
2
В некоторых воплощениях поток СО дополнительно включает одно или более из следующих веществ: азот, диоксид азота, кислород или водяной пар. В некоторых воплощениях поток CO дополнительно включает примеси или загрязняющие вещества, примеры которых включают (но не ограничиваются перечисленным) азот, оксиды азота, оксиды серы, монооксид углерода, сероводород, несгоревшие углеводороды, твердые частицы и их сочетания. В конкретных воплощениях поток CO по существу не содержит примесей или загрязняющих веществ. В конкретных воплощениях поток CO по существу включает углекислый газ.
2
2
2
2
В некоторых воплощениях количество примесей или загрязняющих веществ в потоке СО составляет менее чем приблизительно 50 мольных процентов. В некоторых воплощениях количество примесей или загрязняющих веществ в потоке CO составляет менее чем приблизительно 20 мольных процентов. В некоторых воплощениях количество примесей или загрязняющих веществ в потоке СО находится в диапазоне от приблизительно 10 мольных процентов до приблизительно 20 мольных процентов. В некоторых воплощениях количество примесей или загрязняющих веществ в потоке CO составляет менее чем приблизительно 5 мольных процентов.
2
2
2
2
2
В одном воплощении способ включает прием потока 101 CO, как показано на Фиг. 3, после обработки углеводородов, сжигания, газификации или из аналогичной электростанции (не показано). Как показано на Фиг. 1 и 3, на стадии 11 способ 10 включает сжатие и охлаждение потока 101 СО с образованием частично охлажденного потока 201 СО. В некоторых воплощениях поток 101 СО может быть сжат с использованием одной или более чем одной ступени 120 сжатия. В некоторых воплощениях поток СО может быть охлажден с использованием одной или более чем одной ступени 110 охлаждения.
2
2
2
2
В некоторых воплощениях поток 101 СО может быть сжат до требуемого давления с использованием одной или более чем одной ступени 120 сжатия, как показано на Фиг. 3. Как показано на Фиг. 3, в некоторых воплощениях ступень 120 сжатия может дополнительно включать один или более чем один компрессор, такой как 121 и 122. Следует отметить, что на Фиг. 3 два компрессора 121 и 122 показаны только в качестве примерного воплощения, и фактическое количество компрессоров и их индивидуальная конфигурация могут изменяться в зависимости от требуемого конечного результата. В одном воплощении поток 101 СО может быть сжат до давления и температуры, требуемых для стадий 12 и 13 магнитного охлаждения и конденсации, соответственно. В некоторых воплощениях поток 101 СО может быть сжат до давления в интервале от приблизительно 1 МПа (10 бар) до приблизительно 6 МПа (60 бар) перед стадией 12 магнитного охлаждения. В конкретных воплощениях поток 101 СО может быть сжат до давления в интервале от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 4 МПа (40 бар) перед стадией 12 магнитного охлаждения.
2
В некоторых воплощениях поток 101 СО может быть охлажден до требуемой температуры с использованием одной или более чем одной ступени 110 охлаждения, как показано на Фиг. 3. Как показано на Фиг. 3, в некоторых воплощениях ступень 110 охлаждения может дополнительно включать один или более чем один теплообменник, такой как 111, 112 и 113. Следует отметить, что на Фиг. 3 три теплообменника 111, 112 и 113 показаны только как примерное воплощение, и фактическое количество теплообменников и их индивидуальная конфигурация могут изменяться в зависимости от требуемого конечного результата. В некоторых воплощениях один или более из теплообменников может быть охлажден с использованием охлаждающей среды. В некоторых воплощениях один или более из теплообменников может быть охлажден с использованием охлаждающего воздуха, охлаждающей воды или и того и другого, как показано позицией 115 на Фиг. 3. В некоторых воплощениях ступень охлаждения может дополнительно включать один или более чем один промежуточный охладитель для охлаждения потока 101 выходящих газов, не влияя на давление.
2
2
Кроме того, следует отметить, что на Фиг. 3 конфигурация ступени 110 охлаждения и ступени 120 сжатия показана только как примерное воплощение, и фактическая конфигурация может изменяться в зависимости от требуемого конечного результата. Например, в некоторых других воплощениях способ может включать охлаждение потока СО в теплообменнике 111 перед сжатием потока СО в компрессоре 121 (не показано).
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях способ дополнительно включает охлаждение потока 101 СО до первой температуры посредством расширения потока СО в одном или более чем одном расширителе 123, как показано на Фиг. 8. В некоторых воплощениях способ включает стадию расширения, которая снижает давление в потоке 101 СО от абсолютных уровней давления, превышающих 2 МПа (20 бар), до уровней давления, составляющих приблизительно 2 МПа (20 бар), посредством чего уменьшают температуру потока 101 СО до более низких значений, чем можно достичь воздушным или водяным охлаждением. Не будучи связанными какой-либо теорией, полагают, что при использовании стадии расширения общая энергоемкость стадии 12 магнитокалорического охлаждения может быть уменьшена, так как температура частично охлажденного потока СОна входе стадии магнитокалорического охлаждения может быть ниже, чем без стадии расширения. В некоторых воплощениях работа, полученная на стадии расширения, может быть дополнительно использована на стадии 12 магнитокалорического охлаждения.
2
2
2
2
2
2
В одном воплощении поток 101 СО может быть охлажден до температуры и давления, требуемых для стадий 12 и 13 магнитного охлаждения и конденсации. В одном воплощении способ включает сжатие и охлаждение потока 101 СО с образованием частично охлажденного потока 201 СО, как показано на Фиг. 3. В одном воплощении способ дополнительно включает охлаждение потока 101 СО до первой температуры посредством расширения потока СО в одном или более чем одном расширителе 123 с образованием частично охлажденного потока 201 CO, как показано на Фиг. 8.
2
2
2
В одном воплощении способ включает охлаждение частично охлажденного потока 201 СО до первой температуры. В некоторых воплощениях частично охлажденный поток 201 СО может быть охлажден до температуры в интервале от приблизительно 5°C до приблизительно 35°C перед стадией 12 магнитного охлаждения. В конкретных воплощениях частично охлажденный поток 201 CO может быть охлажден до температуры в интервале от приблизительно 10°C до приблизительно 25°C перед стадией 12 магнитного охлаждения.
2
2
2
2
2
2
Как было отмечено ранее, при отсутствии дополнительной стадии магнитного охлаждения, CO в частично охлажденном потоке 201 CO, как правило, сжижается при температуре в интервале от приблизительно 20°C до приблизительно 25°C. Температура конденсации определяется температурой охлаждающей среды, которая может представлять собой охлаждающую воду или воздух. Как показано на Фиг. 10, при температуре конденсации в интервале от приблизительно 20°C до приблизительно 25°C для сжижения CO требуется абсолютное давление приблизительно 6 МПа (60 бар). В противоположность этому, при охлаждении потока СО до температуры в интервале от приблизительно -25°C до приблизительно 0°C более низкое давление может быть преимущественно использовано для конденсации CO из частично охлажденного потока 201 СО.
2
2
2
В одном воплощении способ дополнительно включает на стадии 12 охлаждение частично охлажденного потока 201 СО до второй температуры с использованием магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока 302 СО, как показано на Фиг. 1 и 3. В одном воплощении способ включает охлаждение частично охлажденного потока 201 CO с использованием ступени 200 магнитокалорического охлаждения, как показано на Фиг. 3.
В некоторых воплощениях ступень 200 магнитокалорического охлаждения включает теплообменник 212 и внешнее магнитокалорическое охлаждающее устройство 211. В некоторых воплощениях магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212, как показано на Фиг. 3.
В одном воплощении магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 включает холодный и горячий теплообменник, постоянный магнит или индукционную катушку, регенератор магнитокалорического материала и цикл жидкого теплоносителя. В одном воплощении жидкий теплоноситель прокачивают через регенератор и теплообменник с использованием жидкостного насоса (не показан).
В одном воплощении магнитокалорическое охлаждающее устройство работает на активном магнитном цикле регенерации (АМЦР) и обеспечивает охлаждающую способность жидкого теплоносителя посредством последовательного намагничивания и размагничивания магнитокалорического регенератора с обратимым теплопередающим потоком. В некоторых воплощениях последовательное намагничивание и размагничивание магнитокалорического регенератора может быть осуществлено с использованием роторной установки, где регенератор проходит через канал магнитной системы. В некоторых других воплощениях последовательное намагничивание и размагничивание магнитокалорического регенератора может быть осуществлено с использованием возвратно-поступательного линейного устройства. Пример магнита и магнитокалорического охлаждающего устройства описан в заявке на патент США № 12/392115, поданной 25 февраля 2009 г., и включен в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте для любых и всяких целей при условии, что он непосредственно не противоречит с изложенными здесь идеями изобретения.
2
2
В некоторых воплощениях тепло из горячего теплообменника может быть отдано в окружающую среду. В некоторых других воплощениях тепло из горячего теплообменника может быть отдано в обратный поток сконденсированного и сжиженного CO после нагнетания жидкого CO, как будет описано здесь ниже.
2
Как было отмечено выше, ступень магнитокалорического охлаждения дополнительно включает теплообменник 212, в котором магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212. В одном воплощении теплообменник 212 гидравлически сообщается с одной или более чем одной ступенью 110 охлаждения и с одной или более чем одной ступенью 120 сжатия. В одном воплощении теплообменник 212 гидравлически сообщается с частично охлажденным потоком 201 CO, образованным после стадии 11 сжатия и охлаждения.
2
2
2
В некоторых воплощениях магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212 таким образом, чтобы охладить частично охлажденный поток 201 CO до второй температуры. В одном воплощении вторая температура находится в диапазоне от приблизительно 0°C до приблизительно -25°C. В одном воплощении вторая температура находится в диапазоне от приблизительно 5°C до приблизительно -20°C. Как было отмечено ранее, стадия 13 охлаждения частично охлажденного потока CO в ступени магнитокалорического охлаждения дает в результате охлажденный поток CO.
2
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212 таким образом, чтобы охладить частично охлажденный поток 201 CO до второй температуры, при которой CO конденсируется из охлажденного потока CO. Как было отмечено выше, в некоторых воплощениях способ включает сжатие потока 101 CO до давления в интервале от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 4 МПа (40 бар). Как показано на Фиг. 10, при уровне давления 4 МПа (40 бар), CO конденсируется при температуре 5°C. Кроме того, как показано на Фиг. 10, при уровне давления 2 МПа (20 бар) CO конденсируется при температуре -20°C.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В одном воплощении способ дополнительно включает на стадии 13 конденсацию по меньшей мере части CO в охлажденном потоке CO при второй температуре, посредством чего конденсируют CO из охлажденного потока CO с образованием конденсированного потока 302 CO. В одном воплощении способ включает конденсацию по меньшей мере части CO в охлажденном потоке CO при давлении в диапазоне от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 6 МПа (60 бар). В одном воплощении способ включает конденсацию по меньшей мере части CO в охлажденном потоке CO при давлении в диапазоне от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 4 МПа (40 бар). Соответственно, в некоторых воплощениях способ по настоящему изобретению предпочтительно позволяет конденсировать CO при более низком давлении.
2
2
2
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях способ включает выполнение стадий охлаждения частично охлажденного потока CO с образованием охлажденного потока 12 CO и конденсацию CO из охлажденного потока 13 CO одновременно. В некоторых других воплощениях способ включает выполнение стадий охлаждения частично охлажденного потока CO с образованием охлажденного потока 12 CO и конденсацию CO из охлажденного потока 13 CO последовательно.
2
2
2
2
2
Как показано на Фиг. 3, в некоторых воплощениях охлажденный поток CO может быть образован из частично охлажденного потока 201 CO в теплообменнике 212. В таких воплощениях часть CO из охлажденного потока CO конденсируется в самом теплогенераторе, образуя конденсированный поток 302 CO, как показано на Фиг. 3.
2
2
2
2
2
2
В некоторых других воплощениях, как показано на Фиг. 4, охлажденный поток 301 CO образуется из частично охлажденного потока 201 CO в теплообменнике 212. Способ дополнительно включает перемещение охлажденного потока 301 CO в конденсатор 213, как показано на Фиг. 4. В таких воплощениях часть CO из охлажденного потока 301 CO конденсируется в конденсаторе 213 и образует конденсированный поток 302 CO, как показано на Фиг. 4.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях способ включает конденсацию по меньшей мере приблизительно 95 масс. % CO в потоке 101 CO с образованием конденсированного потока 302 CO. В некоторых воплощениях способ включает конденсацию по меньшей мере приблизительно 90 масс. % CO в потоке 101 CO с образованием конденсированного потока 302 CO. В некоторых воплощениях способ включает конденсацию от 50 масс. % до приблизительно 90 масс. % CO в потоке 101 CO с образованием конденсированного потока 302 CO. В некоторых воплощениях способ включает конденсацию по меньшей мере приблизительно 99 масс. % CO в потоке 101 CO с образованием конденсированного потока 302 CO.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях, как было отмечено ранее, поток 101 CO дополнительно включает один или более чем один компонент помимо диоксида углерода. В некоторых воплощениях способ дополнительно возможно включает образование обедненного потока (показан пунктирной стрелкой 202) после стадий магнитокалорического охлаждения (стадия 12) и конденсации CO (стадия 13). Термин "обедненный поток" 202 относится к потоку, в котором содержание CO ниже, чем содержание CO в потоке 101 CO. В некоторых воплощениях, как было отмечено ранее, почти весь CO в потоке CO конденсируется на стадии 13. В таких воплощениях обедненный поток CO по существу не содержит CO. В некоторых других воплощениях, как было отмечено ранее, часть потока CO может не конденсироваться на стадии 13, а обедненный поток может включать несконденсированную газовую смесь CO.
В некоторых воплощениях обедненный поток 202 может включать один или более чем один неконденсируемый компонент, который не может конденсироваться на стадии 13. В некоторых воплощениях обедненный поток 202 может включать один или более чем один жидкий компонент. В таких воплощениях обедненный поток может быть дополнительно выполнен с возможностью гидравлического сообщения с газожидкостным сепаратором. В некоторых воплощениях обедненный поток 202 может включать одно или более из следующих веществ: азот, кислород или диоксид серы.
2
2
2
2
В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать осушение потока 101 CO перед стадией 11. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать осушение частично охлажденного потока 201 CO после стадии 11 и перед стадией 12. В некоторых воплощениях система 100 может дополнительно включать осушитель, выполненный с возможностью гидравлического сообщения (не показано) с потоком 101 CO. В некоторых воплощениях система 100 может дополнительно включать осушитель, выполненный с возможностью гидравлического сообщения (не показано) с потоком 101 CO.
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях способ дополнительно включает циркуляцию конденсированного потока 302 CO в одну или более чем одну ступень охлаждения, используемую для охлаждения потока CO. Как показано на Фиг. 5, способ дополнительно включает циркуляцию конденсированного потока CO в теплообменник 113 через циркуляционный контур 303. В таких воплощениях способ дополнительно включает стадию рекуперации, где конденсированный поток CO циркулируют обратно для дополнительного охлаждения частично охлажденного потока 201 CO перед стадией 12 магнитокалорического охлаждения. В некоторых воплощениях стадия рекуперации может повысить эффективность стадии магнитокалорического охлаждения.
2
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях рекуперация конденсированного потока CO в теплообменнике 113 может привести к охлаждению частично охлажденного потока 201 CO ниже температуры, необходимой для конденсации CO. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO в частично охлажденном потоке 201 CO с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO, как показано на Фиг. 5.
2
2
2
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях способ дополнительно включает увеличение давления конденсированного потока 302 CO с использованием насоса 300, как показано на Фиг. 3. В воплощениях, включающих стадию рекуперации, способ может дополнительно включать увеличение давления рекуперированного конденсированного потока 501 CO с использованием насоса 300, как показано на Фиг. 5. В некоторых воплощениях способ включает увеличение давления конденсированного потока 3O CO или рекуперированного конденсированного потока 502 CO до давления, требуемого для секвестрации CO или для конечного применения. В некоторых воплощениях способ включает увеличение давления конденсированного потока 302 CO или рекуперированного конденсированного потока 502 CO до давления в интервале от приблизительно 15 МПа (150 бар) до приблизительно 18 МПа (180 бар).
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях способ дополнительно включает образование сжатого потока 401 CO после стадии нагнетания. В некоторых воплощениях способ дополнительно включает образование сверхкритического потока 401 CO после стадии нагнетания. В некоторых воплощениях, как было отмечено выше, сжатый поток 401 CO может быть использован для добычи нефти вторичным методом, хранения CO или секвестрации CO.
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях предложена система 100 для конденсации диоксида углерода (CO) из потока 101 CO, как показано на Фиг. 3-9. В одном воплощении система 100 включает одну или более чем одну ступень 120 сжатия, выполненную с возможностью приема потока 101 CO. Система 100 дополнительно включает одну или более чем одну ступень 110 охлаждения, гидравлически сообщающуюся с одной или более чем одной ступенью 120 сжатия. В одном воплощении сочетание одной или более чем одной ступени 120 сжатия и одной или более чем одной ступени 110 охлаждения выполнено с возможностью сжатия и охлаждения потока 101 CO до первой температуры с образованием частично охлажденного потока 201 CO.
2
2
2
В одном воплощении система 100 дополнительно включает ступень 200 магнитокалорического охлаждения, выполненную с возможностью приема частично охлажденного потока 201 CO и охлаждения частично охлажденного потока 201 CO до второй температуры с образованием охлажденного потока 301 CO. Как было отмечено ранее, ступень 200 магнитокалорического охлаждения дополнительно включает теплообменник 212, в котором магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212. В одном воплощении теплообменник 212 гидравлически сообщается с одной или более чем одной ступенью 110 охлаждения и одной или более чем одной ступенью 120 сжатия.
2
2
2
2
2
2
2
2
Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях теплообменник 212 выполнен с возможностью конденсации части CO в частично охлажденном потоке 201 CO с образованием конденсированного потока 302 CO. В некоторых других воплощениях система 100 дополнительно включает ступень 213 конденсации, выполненную с возможностью конденсации части CO в охлажденном потоке 301 CO при второй температуре, посредством чего конденсируют CO из охлажденного потока 301 CO с образованием конденсированного потока 302 CO.
2
2
2
В некоторых воплощениях система 100 дополнительно включает насос 300, выполненный с возможностью приема конденсированного потока 302 CO и увеличения давления конденсированного потока 302 CO. В некоторых воплощениях система дополнительно включает циркуляционный контур 303, выполненный с возможностью циркуляции части конденсированного потока 302 CO в одну или более чем одну ступень 110 охлаждения.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
С учетом вышесказанного, системы и способы для конденсации CO из потока CO дополнительно описаны в данном документе в соответствии с некоторыми примерными воплощениями настоящего изобретения. На Фиг. 2 и 3 в одном воплощении предложен способ 20 конденсации диоксида углерода из потока 101 CO. В одном воплощении способ включает на стадии 21 охлаждение потока 101 CO в первой ступени охлаждения, включающей первый теплообменник 111, с образованием первого частично охлажденного потока 102 CO. В одном воплощении способ включает на стадии 22 сжатие первого частично охлажденного потока 102 CO в первом компрессоре 121 с образованием первого сжатого потока 103 CO. В одном воплощении способ включает на стадии 23 охлаждение первого сжатого потока 103 CO во второй ступени охлаждения, включающей второй теплообменник 112, с образованием второго частично охлажденного потока 104 CO. В одном воплощении способ включает на стадии 24 сжатие второго частично охлажденного потока 104 CO во втором компрессоре 122 с образованием второго сжатого потока 105 CO. В одном воплощении способ включает на стадии 25 охлаждение второго сжатого потока 105 CO до первой температуры в третьей ступени охлаждения, включающей третий теплообменник 113, с образованием частично охлажденного потока 201 CO.
2
2
В одном воплощении способ 20 включает на стадии 26 охлаждение частично охлажденного потока 201 CO до второй температуры посредством магнитокалорического охлаждения с использованием ступени 200 магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока CO (не показано). В некоторых воплощениях ступень 200 магнитокалорического охлаждения включает теплообменник 212 и внешнее магнитокалорическое охлаждающее устройство 211. В некоторых воплощениях магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212, как показано на Фиг. 3.
2
2
2
2
2
2
2
2
В одном воплощении способ включает на стадии 27 конденсацию по меньшей мере части CO в охлажденном потоке CO при второй температуре, посредством чего конденсируют CO из охлажденного потока CO с образованием конденсированного потока 302 CO. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях охлажденный поток CO2 образуется из частично охлажденного потока 201 CO в теплообменнике 212. В таких воплощениях часть CO из охлажденного потока CO2 конденсируется в самом теплогенераторе с образованием конденсированного потока 302 CO, как показано на Фиг. 3.
2
2
2
2
2
В некоторых воплощениях способ дополнительно включает увеличение давления конденсированного потока 302 CO с использованием насоса 300, как показано на Фиг. 3. В некоторых воплощениях способ дополнительно включает образование сжатого потока 401 CO после стадии нагнетания. В некоторых воплощениях, как было отмечено ранее, сжатый поток 401 CO может быть использован для добычи нефти вторичным методом, хранения CO или секвестрации CO.
2
2
2
2
2
2
Как показано на Фиг. 4, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO из потока 101 CO. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 3, но отличаются тем, что способ дополнительно включает перемещение охлажденного потока 301 CO в конденсатор 213, как показано на Фиг. 4. В таких воплощениях часть CO из охлажденного потока 301 CO конденсируется в конденсаторе 213 и образует конденсированный поток 302 CO, как показано на Фиг. 4.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Как показано на Фиг. 5, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO из потока 101 CO. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 3, но отличаются тем, что способ дополнительно включает циркуляцию части конденсированного потока 302 CO в третий теплообменник 113 через циркуляционный контур 303. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях рекуперация конденсированного потока CO в теплообменник 113 может привести к охлаждению второго сжатого потока 105 CO ниже температуры, необходимой для конденсации CO. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO во втором сжатом потоке 105 CO с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO, как показано на Фиг. 5.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Как показано на Фиг. 6, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO из потока 101 CO. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 4, но отличаются тем, что способ дополнительно включает циркуляцию части конденсированного потока CO в третий теплообменник 113 через циркуляционный контур 303. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях рекуперация конденсированного потока CO в теплообменник 113 может привести к охлаждению второго сжатого потока 105 CO ниже температуры, необходимой для конденсации CO. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO во втором сжатом потоке 105 CO с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO, как показано на Фиг. 6.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Как показано на Фиг. 7, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO из потока 101 CO. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 3, но отличаются тем, что способ дополнительно включает циркуляцию части сжатого потока 401 CO в третий теплообменник 113 через циркуляционный контур 403. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях рекуперация сжатого потока 401 CO в третий теплообменник 113 может привести к охлаждению второго сжатого потока 105 CO ниже температуры, необходимой для конденсации CO. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO во втором сжатом потоке 105 CO с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO, как показано на Фиг. 7.
2
2
2
2
2
2
Как показано на Фиг. 8, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO из потока 101 CO. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 3, но отличаются тем, что способ дополнительно включает формирование третьего частично охлажденного потока 106 CO в третьем теплообменнике 113. Способ дополнительно включает охлаждение третьего частично охлажденного потока 106 CO до первой температуры посредством расширения третьего частично охлажденного потока 106 CO в одном или более чем одном расширителе 123 перед стадией магнитокалорического охлаждения с образованием частично охлажденного потока 201 CO, как показано на Фиг. 8.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Как показано на Фиг. 9, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO из потока 101 CO. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 8, но отличаются тем, что третья ступень охлаждения дополнительно включает четвертый теплообменник 114, а способ дополнительно включает циркуляцию части сжатого потока 401 CO в четвертый теплообменник 114 через циркуляционный контур 403. Способ дополнительно включает формирование четвертого частично охлажденного потока 107 CO после стадии расширения и перемещение четвертого частично охлажденного потока 107 CO в четвертый теплообменник 114. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях рекуперация сжатого потока 401 CO в четвертом теплообменнике 114 может привести к охлаждению четвертого частично охлажденного потока 107 CO ниже температуры, необходимой для конденсации CO. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO в четвертом частично охлажденном потоке 107 CO с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO, как показано на Фиг. 9.
2
2
2
2
2
Как было отмечено ранее, некоторые воплощения изобретения позволяют преимущественно охлаждать сверхкритический CO до более низких температур с последующей конденсацией при более низких давлениях, чем те, которые доступны с применением традиционных способов охлаждения, таких как парокомпрессионная дистилляция. Не будучи связанными какой-либо теорией, полагают, что сжатие сверхкритического CO может быть менее эффективным, чем нагнетание жидкого CO. Таким образом, в некоторых воплощениях способ уменьшает издержки на менее эффективной стадии сжатия CO. В некоторых воплощениях способ может уменьшить общие издержки сжижения и нагнетания CO путем повышения эффективности системы сжатия и нагнетания. В некоторых воплощениях стадия магнитокалорического охлаждения может уменьшить издержки более чем на 10%. В некоторых воплощениях стадия магнитокалорического охлаждения может уменьшить издержки более чем на 20 %. В некоторых воплощениях общая производительность установки может быть повышена с применением одного или более чем одного воплощения способа, описанного здесь.
2
2
2
2
2
2
Кроме того, некоторые воплощения изобретения преимущественно позволяют улучшить диапазон работоспособности систем сжатия и сжижения CO. В традиционных системах сжатия и сжижения CO температура окружающей среды охлаждающего воздуха или охлаждающей воды может ограничить диапазон работоспособности. Сверхкритический CO нельзя сжижать при температурах выше приблизительно 32°C, которая является критической температурой для CO. Таким образом, когда температура окружающей среды выше 30°C, сжижение CO может быть затруднено без дополнительного внешнего охлаждения. В некоторых воплощениях стадия магнитного охлаждения может преимущественно позволить охлаждение CO до докритического диапазона, тем самым позволяя работать системам сжатия и сжижения при любых условиях окружающей среды.
В данном описании использованы примеры для раскрытия изобретения, включая наилучший способ его осуществления, а также дана возможность любому специалисту в данной области осуществить изобретение на практике, включая создание и использование любых устройств или систем и выполнение любых включенных способов. Патентоспособный объем изобретения определен формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут предложить специалисты в данной области. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они включают структурные элементы, которые не отличаются от дословных формулировок, использованных в формуле изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от дословных формулировок, использованных в формулы изобретения.