ITFI20110262A1 - "heat recovery in carbon dioxide compression and compression and liquefaction systems" - Google Patents

Description

“RECUPERO DI CALORE IN SISTEMI DI COMPRESSIONE E COMPRESSIONE E LIQUEFAZIONE DI BIOSSIDO DI CARBONIOâ€

DESCRIZIONE

Campo dell’Invenzione

Le forme di realizzazione qui descritte concernono sistemi e metodi per comprimere e/o comprimere e liquefare grandi volumi di biossido di carbonio (CO2) o miscele di gas contenenti biossido di carbonio.

Descrizione della Tecnica Anteriore

Biossido di carbonio à ̈ prodotto in una varietà di processi industriali, quali processi di combustione o decarbonizzazione di combustibili fossili. La cattura, il trasporto e lo stoccaggio di biossido di carbonio contribuisce alla riduzione dell’emissione di biossido di carbonio.

Sono stati sviluppati e usati molti processi di compressione o compressione e liquefazione di biossido di carbonio. Essi usano comunemente stadi di compressione disposti in serie e inter-refrigerazione. Un flusso di biossido di carbonio o un flusso di una miscela comprendente biossido di carbonio fluisce sequenzialmente attraverso stadi di compressione disposti in serie così che la pressione del biossido di carbonio o della miscela di biossido di carbonio viene gradualmente incrementata. Il biossido di carbonio o la miscela contenente biossido di carbonio compressa che esce da uno stadio di compressione viene raffreddato in uno scambiatore di calore inter-stadio prima di entrare nello stadio di compressione successivo, per rimuovere calore da esso. Il flusso di biossido di carbonio o di miscela contenente biossido di carbonio compresso che esce dall’ultimo stadio di compressione viene infine raffreddato, liquefatto e pompato da una pompa criogenica fino alla pressione finale. In alcuni casi il biossido di carbonio o una miscela contenente biossido di carbonio à ̈ portato ad uno stadio gassoso ad alta densità ma non liquefatto.

La Fig.1 mostra il diagramma entalpia-pressione di biossido di carbonio in cui sono mostrati i punti di inizio (S) e fine (E) di un processo di compressione. Esistono diverse possibilità per spostarsi dal punto S al punto E, in funzione del processo utilizzato. La Fig. 1 mostra schematicamente tre curve A, B e C rappresentanti tre processi alternativi di compressione del biossido di carbonio. Le porzioni orizzontali delle curve sono le fasi di raffreddamento inter-stadio, in cui calore viene rimosso dal flusso di biossido di carbonio proveniente da uno stadio di compressione prima di entrare nello stadio di compressione successivo per rimuovere almeno parzialmente il calore generato dalla compressione precedente e aumentare la densità dei gas.

La curva A mostra un processo in cui il raffreddamento inter-stadio e la liquefazione sono combinati. Il gas viene prima compresso lungo una pluralità di fasi di compressione (5 nell’esempio) e refrigerazione inter-stadio. Il gas compresso viene liquefatto e infine ri-espanso ad una condizione supercritica (punto E).

La curva B rappresenta un processo in cui il punto supercritico E Ã ̈ raggiunto tramite una sequenza di fasi di compressione e refrigerazione inter-stadio.

La curva C mostra un processo in cui il flusso di biossido di carbonio o contenente biossido di carbonio viene compresso e raffreddato fino al raggiungimento di una condizione E1, da cui il punto finale E Ã ̈ raggiunto tramite pompaggio.

La Fig.2 mostra uno schema di un sistema di compressione di biossido di carbonio secondo lo stato della tecnica. Soltanto i componenti principali del sistema sono mostrati nella figura. Una pluralità di stadi di compressione disposti in serie indicati con C1 – C6 sono comandati da un azionatore di compressore CD, ad esempio un motore elettrico. Ciascuno stadio di compressore (sei nell’esempio mostrato) comprende usualmente un compressore centrifugo. Biossido di carbonio (o una miscela contenente biossido di carbonio) à ̈ alimentato in IN al primo stadio di compressore C1 ed esce da detto primo stadio di compressore per entrare nel secondo stadio di compressore C2 e così via. In ciascuno stadio di compressore il biossido di carbonio à ̈ soggetto ad una fase di compressione per incrementare la pressione da una pressione di ingresso ad una pressione di uscita. Tra ciascuna coppia di stadi di compressore disposti sequenzialmente à ̈ previsto un raffreddamento inter-stadio. Questo à ̈ schematicamente rappresentato da uno scambiatore di calore inter-stadio (intercooler) indicato con IC1, IC2, …., IC5. Il biossido di carbonio compresso alimentato dallo stadio di compressione C6 a valle à ̈ ulteriormente raffreddato in uno scambiatore di calore finale IC6. A seconda delle circostanze, possono essere eseguite ulteriori fasi di processo, ad esempio per liquefare il biossido di carbonio compresso in condizioni supercritiche o una miscela contenente quest’ultimo. La pressione finale del biossido di carbonio al termine del processo di compressione mostrato in Fig.2 à ̈ tipicamente attorno a 180-200 bar per il trasporto in condutture o reiniezione ad esempio in giacimenti esausti di petrolio o gas. Portate di flusso tipiche in impianti di compressione e liquefazione di biossido di carbonio sono fino a 60 Kg/s. Questo comporta consumi estremamente elevati di potenza per azionare i compressori e la pompa. Inoltre ulteriore potenza à ̈ richiesta per far circolare il fluido refrigerante (usualmente acqua) negli scambiatori di calore di refrigerazione inter-stadio e per rimuovere calore dal liquido di refrigerazione.

Sommario dell’Invenzione

Per migliorare l’efficienza energetica complessiva di un sistema di compressione di biossido di carbonio, viene previsto un sistema comprendente almeno due stadi di compressore di biossido di carbonio disposti sequenzialmente ed uno scambiatore di calore inter-stadio disposto per rimuovere calore di scarto da un flusso gassoso compresso che fluisce dal primo stadio di compressore al secondo stadio di compressore, tramite un fluido refrigerante. Il sistema comprende inoltre un’unità di conversione di energia che converte almeno una parte del calore di scarto recuperato da detto fluido refrigerante in potenza utile, ad esempio potenza meccanica od elettrica. La potenza utile generata dall’unità di conversione di energia può essere usata direttamente per azionare elettricamente o meccanicamente uno o più componenti, dispositivi o sezioni di un sistema di compressione.

Come apparirà chiaro dalla descrizione che segue il sistema di compressione di biossido di carbonio qui descritto à ̈ idoneo per processare non soltanto biossido di carbonio, ma anche un flusso gassoso contenente od altre componenti gassose in aggiunta al biossido di carbonio, ad esempio metano o altri idrocarburi. Ogni volta che si fa riferimento a biossido di carbonio, questo deve essere inteso come comprendere anche miscele contenenti biossido di carbonio, quale una miscela contenente biossido di carbonio come componente principale in aggiunta ad altri gas, se non diversamente specificato.

Secondo alcune forme di realizzazione viene previsto un sistema di compressione di biossido di carbonio (cioà ̈ un sistema per processare biossido di carbonio o una miscela gassosa contenente biossido di carbonio possibilmente in combinazione con altri componenti), comprendente:

almeno un primo stadio di compressore di biossido di carbonio e un secondo stadio di compressore di biossido di carbonio disposti in serie;

almeno uno scambiatore di calore inter-stadio disposto per ricevere un gas compresso contenente biossido di carbonio che fluisce dal detto primo stadio di compressore di biossido di carbonio nel detto secondo compressore di biossido di carbonio e per rimuovere calore di scarto da esso,

un’unità di conversione di energia in cui almeno una parte del calore di scarto viene recuperata e trasformata in energia meccanica. Come notato sopra, uno stadio di compressore di biossido di carbonio deve essere inteso come uno stadio di compressore che processa biossido di carbonio o una miscela contenente biossido di carbonio.

Secondo alcune forme di realizzazione il sistema comprende un percorso di flusso che si estende attraverso detta unità di conversione di energia e detto almeno uno scambiatore di calore inter-stadio. Un fluido refrigerante circola in detto almeno uno scambiatore di calore inter-stadio rimuovendo calore di scarto da detto gas compresso contenente biossido di carbonio e viene processato in detta unità di conversione di energia attraverso un processo di espansione e compressione per recuperare da esso energia.

In alcune forme di realizzazione, l’unità di conversione di energia comprende: un espansore disposto per ricevere detto fluido refrigerante da detto almeno uno scambiatore di calore inter-stadio e per espandere il fluido refrigerante per recuperare da esso energia e per azionare un albero; un condensatore in collegamento di flusso con l’espansore, disposto per condensare il fluido refrigerante espanso; una pompa in collegamento di fluido con il condensatore e disposta per aumentare la pressione di detto fluido refrigerante condensato.

Secondo ulteriori forme di realizzazione, il sistema comprende almeno un’unità di scambio termico; un percorso di flusso per un fluido operativo, il percorso di flusso estendendosi attraverso l’unità di scambio termico e l’unità di conversione di energia, il fluido operativo ricevendo calore nell’unità di scambio termico ed essendo processato nell’unità di conversione di energia attraverso un processo di espansione e compressione per recuperare da esso energia; almeno un percorso per un fluido refrigerante che si estende attraverso il o gli scambiatori di calore inter-stadio e la o le unità di scambio termico, per rimuovere calore di scarto dal gas compresso contenente biossido di carbonio e trasferire il calore di scarto rimosso al fluido operativo nell’unità di scambio termico.

In alcune forme di realizzazione esemplificative dell’oggetto qui descritto, l’unità di conversione di energia comprende: un espansore disposto per ricevere il fluido operativo dall’unità di scambio termico e per espandere il fluido operativo per recuperare da esso energia e azionare un albero; un condensatore in collegamento di fluido con l’espansore, disposto per condensare il fluido operativo espanso; una pompa in collegamento di fluido con il condensatore, disposta per pompare il fluido operativo condensato verso la o le unità di scambio termico.

L’unità di conversione di energia può comprendere un sistema a ciclo Rankine e in particolare un ciclo Rankine organico.

In alcune forme di realizzazione il sistema comprende una pluralità di stadi di compressore di biossido di carbonio disposti in serie. Rispettivi scambiatori di calore inter-stadio possono essere disposti tra coppie di stadi di compressore di biossido di carbonio disposti sequenzialmente. Almeno uno scambiatore di calore inter-stadio può essere disposto tra ciascuna coppia di stadi di compressore disposti sequenzialmente. Tuttavia, in alcune forme di realizzazione, lo scambiatore di calore inter-stadio può essere omesso in alcune posizioni lungo la sequenza di stadi di compressore. Inoltre ciascuno scambiatore di calore inter-stadio può essere provvisto di una disposizione di recupero del calore di scarto, ma questo non à ̈ obbligatorio. Ad esempio in alcuni casi uno o più scambiatori di calore inter-stadio possono essere raffreddati tramite un fluido diverso rispetto al fluido che trasferisce il calore di scarto all’unità di conversione di energia. Se il calore di scarto à ̈ re cuperato o meno da uno specifico scambiatore di calore del sistema dipende tra l’altro dal tipo di unità di recupero di energia, dalla portata di flusso gassoso contenente biossido di carbonio, dagli intervalli di temperatura all’ingresso e all’uscita dello scambiatore di calore attraverso cui il calore di scarto viene rimosso dal flusso gassoso contenente biossido di carbonio.

In alcune forme di realizzazione viene previsto un rispettivo percorso di flusso per ciascuno di detti scambiatori di calore inter-stadio per circolare detto fluido refrigerante in detti scambiatori di calore inter-stadio e per rimuovere calore di scarto da gas compresso contenente biossido di carbonio che circola attraverso ciascuno di detti scambiatori di calore inter-stadio.

I percorsi di flusso sono in comunicazione di flusso con l’unità di conversione di energia, così che il fluido refrigerante proveniente dagli scambiatori di calore inter-stadio viene processato nell’unità di conversione di energia per recuperare energia da esso.

In ulteriori forme di realizzazione il sistema può comprendere una pluralità di stadi di compressore di biossido di carbonio disposti in serie. Rispettivi scambiatori di calore inter-stadio possono essere disposti fra coppie di stadi di compressore di biossido di carbonio disposti sequenzialmente. Un rispettivo percorso di flusso può essere previsto per ciascuno scambiatore di calore inter-stadio per far circolare un fluido refrigerante negli scambiatori di calore inter-stadio e rimuovere il calore di scarico dal gas compresso contenente biossido di carbonio circolante attraverso detti scambiatori di calore inter-stadio. Almeno alcuni degli scambiatori di calore inter-stadio sono combinati con una rispettiva unità di scambio termico. Le unità di scambio termico sono disposte in modo tale che il calore di scarto rimosso da detto fluido refrigerante à ̈ trasferito in dette unità di scambio termico ad un fluido operativo; detto fluido operativo venendo processato in detta unità di conversione di energia per recuperare energia da esso.

Il sistema può comprendere inoltre una sezione di pompaggio di biossido di carbonio, in cui il gas compresso contenente biossido di carbonio che esce dall’ultimo di detti stadi di compressore disposti in serie à ̈ ulteriormente raffreddato ed infine pompato alla pressione finale desiderata.

In alcune forme di realizzazione il flusso gassoso contenente biossido di carbonio può essere liquefatto, pompato ed infine espanso. In altre forme di realizzazione il fluido à ̈ processato fino ad una condizione supercritica come richiesto, senza passare attraverso una fase di liquefazione e successiva fase di pompaggio. In linea di principio calore di scarto à ̈ recuperato da almeno uno degli scambiatori di calore del sistema e convertito in energia utile. Questo concetto generale può essere realizzato in qualunque dei vari processi di compressione o compressione e liquefazione e rispettivi dispositivi noti agli esperti del ramo.

In alcune forme di realizzazione la sezione di pompaggio di biossido di carbonio comprende un ulteriore scambiatore di calore disposto per ricevere gas compresso contenente biossido di carbonio che fluisce da un ultimo degli stadi di compressore di biossido di carbonio disposto in serie per rimuovere calore di scarto da esso. Inoltre una pompa à ̈ disposta nella sezione di pompaggio per ricevere gas compresso contenente biossido di carbonio da detto ulteriore scambiatore di calore e alimentare gas contenenti biossido di carbonio ad un condotto di alimentazione.

Un ulteriore percorso di flusso può essere previsto per circolare un fluido refrigerante attraverso l’ulteriore scambiatore di calore nella sezione di pompaggio, per rimuovere calore di scarto dal fluido compresso o liquefatto contenente biossido di carbonio fra detto ultimo stadio di compressore del biossido di carbonio e detta pompa, detto ulteriore percorso di flusso essendo disposto per alimentare detto fluido refrigerante che esce da detto ulteriore scambiatore di calore a detta unità di conversione di energia.

Secondo un ulteriore aspetto, l’oggetto qui descritto concerne anche un metodo di compressione di biossido di carbonio. Il metodo può essere usato per comprimere e/o comprimere e liquefare un flusso gassoso consistente di biossido di carbonio o contenente biossido di carbonio ed opzionalmente altri ulteriori componenti gassosi, quali metano o altri idrocarburi. Il metodo può essere previsto per separare e rimuovere uno o più componenti di flusso secondari dal componente principale, cioà ̈ biossido di carbonio. Il metodo provvede a rimuovere calore dal flusso gassoso in una o più fasi lungo il processo di compressione o di compressione e liquefazione e converte detto calore di scarto rimosso in potenza utile, ad esempio tramite una unità di conversione di energia, usando un opportuno ciclo di conversione.

In alcune forme di realizzazione il metodo comprende le seguenti fasi: far fluire un gas contenente biossido di carbonio attraverso una pluralità di stadi di compressore di biossido di carbonio, cioà ̈ stadi di compressore per comprimere biossido di carbonio o una miscela gassosa contenente biossido di carbonio;

rimuovere calore di scarto da un flusso gassoso contenente biossido di carbonio da uno stadio di compressore di biossido di carbonio al successivo stadio di compressore di biossido di carbonio;

recuperare e convertire in energia meccanica almeno una parte di detto calore di scarto rimosso da detto gas contenente biossido di carbonio.

In alcune vantaggiose forme di realizzazione del metodo qui descritto il calore di scarto à ̈ convertito in energia meccanica tramite un ciclo Rankine, in particolare un ciclo Rankine organico.

Caratteristiche e forme di realizzazione sono descritte qui di seguito e ulteriormente definite nelle rivendicazioni allegate, che formano parte integrale della presente descrizione. La sopra riportata breve descrizione individua caratteristiche delle varie forme di realizzazione della presente invenzione in modo che la seguente descrizione dettagliata possa essere meglio compresa e affinché i presenti contribuiti alla tecnica possano essere meglio apprezzati. Vi sono, ovviamente, altre caratteristiche dell’invenzione che verranno descritte più avanti e che verranno esposte nelle rivendicazioni allegate. Con riferimento a ciò, prima di illustrare diverse forme di realizzazione dell’invenzione in dettaglio, si deve comprendere che le varie forme di realizzazione dell’invenzione non sono limitate nella loro applicazione ai dettagli costruttivi ed alle disposizioni di componenti descritti nella descrizione seguente o illustrati nei disegni. L’invenzione può essere attuata in altre forme di realizzazione e attuata e posta in pratica in vari modi. Inoltre si deve comprendere che la fraseologia e la terminologia qui impiegate sono soltanto ai fini descrittivi e non devono essere considerate limitative.

Gli esperti del ramo pertanto comprenderanno che il concetto su cui si basa la descrizione può essere prontamente utilizzato come base per progettare altre strutture, altri metodi e/o altri sistemi per attuare i vari scopi della presente invenzione. E’ importante, quindi, che le rivendicazioni siano considerate come comprensive di quelle costruzioni equivalenti che non escono dallo spirito e dall’ambito della presente invenzione.

Breve Descrizione dei Disegni

Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrà ottenuta quando la suddetta invenzione verrà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui: la

Fig.1 mostra un diagramma entalpia-pressione di biossido di carbonio; la.

Fig.2 mostra schematicamente un sistema di compressione secondo lo stato della tecnica; le

Figg.3 a 7 illustrano cinque forme di realizzazione di sistemi di compressione e liquefazione secondo l’oggetto qui descritto.

Descrizione Dettagliata di Forme di Realizzazione dell’Invenzione

La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano gli elementi uguali o simili. Inoltre i disegni non sono necessariamente in scala. Ancora, la descrizione dettagliata che segue non limita l’invenzione. Piuttosto, l’ambito dell’invenzione à ̈ definito dalle rivendicazioni accluse.

Il riferimento in tutta la descrizione a “una forma di realizzazione†o “la forma di realizzazione†o “alcune forme di realizzazione†significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione à ̈ compresa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Pertanto la frase “in una forma di realizzazione†o “nella forma di realizzazione†o “in alcune forme di realizzazione†in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.

Nella seguente descrizione verrà fatto riferimento usualmente alla compressione di biossido di carbonio. Si deve tuttavia comprendere che gli stessi principi, metodi e dispositivi possono essere usati per elaborare una miscela di gas contenente biossido di carbonio, ad esempio una miscela contenente biossido di carbonio come componente principale in combinazione con altri componenti gassosi quali metano o altri idrocarburi.

Riferendosi ora alla Fig.3, viene descritta una prima forma di realizzazione di un sistema di compressione di biossido di carbonio. Il sistema à ̈ indicato complessivamente con 10. In questa forma di realizzazione il sistema 10 comprende una pluralità di stadi di compressore disposti in sequenza, ciascuno stadio di compressore comprendendo uno o più compressori, quali compressori centrifughi. In alcune forme di realizzazione, ciascuno stadio di compressore può comprendere un singolo compressore centrifugo. La forma di realizzazione esemplificativa mostrata in Fig.3 comprende sei stadi di compressione disposti sequenzialmente e indicati da 1 a 6, ciascuno comprendente un compressore.

Gli stadi di compressore da 1 a 6 sono azionati insieme da un azionatore di compressore schematicamente indicato con 7. In altre forme di realizzazione, più di un azionatore può essere previsto. Nella rappresentazione schematica della Fig.3 i quattro stadi di compressore sono disposti accoppiati. Ciascuna coppia di stadi di compressore disposti tra loro contrapposti sono azionati da un albero comune. Un riduttore collega i vari alberi all’azionatore 7 di compressore. Altre forme di realizzazione sono ovviamente possibili.

Il biossido di carbonio entra nel primo stadio di compressore 1 in 9 e esce da detto primo stadio di compressore 1 in 11. Un percorso di flusso 13 si sviluppa dal lato di uscita dello stadio di compressore 1 al lato di ingresso dello stadio di compressore 2. Lungo il percorso di flusso 13 à ̈ disposto un primo refrigeratore inter-stadio 15. Detto refrigeratore inter-stadio verrà indicato qui di seguito come scambiatore di calore inter-stadio 15. Il biossido di carbonio che fluisce nel percorso di flusso 13 attraverso lo scambiatore di calore inter-stadio 15 viene raffreddato da un fluido refrigerante, ad esempio acqua, che fluisce attraverso un condotto 17. In alcune forme di realizzazione l’acqua può entrare nello scambiatore di calore inter-stadio 15 a circa 30°C ed uscire da detto scambiatore di calore 15 a circa 100-110°C. Questi valori sono dati soltanto in via esemplificativa e non devono essere considerati come limitativi dell’ambito dell’oggetto qui descritto.

Il biossido di carbonio raffreddato che entra nel secondo stadio 2 di compressore esce da detto secondo stadio 2 in 19, fluisce attraverso un secondo scambiatore di calore inter-stadio 21 e il biossido di carbonio raffreddato entra nel terzo stadio di compressore 3.

23 e 24 indicano il percorso di flusso che collega l’uscita del secondo stadio di compressore 2 allo scambiatore di calore inter-stadio 21 e quest’ultimo all’ingresso del terzo stadio di compressore 3. In modo analogo allo scambiatore di calore inter-stadio 15, anche lo scambiatore di calore inter-stadio 21 à ̈ raffreddato da un flusso di fluido refrigerante, ad esempio acqua fredda che fluisce attraverso un condotto 25.

Analogamente, il flusso di biossido di carbonio alimentato dal terzo stadio di compressore 3 entra in uno scambiatore di calore inter-stadio 30 in cui esso à ̈ raffreddato tramite un flusso di fluido refrigerante ed entra nel quarto stadio di compressore 4. Un ulteriore scambiatore di calore interstadio 32 à ̈ previsto tra il quarto stadio di compressore 4 e un quinto stadio di compressore 5 e un ulteriore scambiatore di calore inter-stadio 34 à ̈ previsto tra l’uscita del quinto stadio di compressore 5 e l’ingresso del sesto stadio di compressore 6. Calore viene rimosso in entrambi gli scambiatori di calore inter-stadio 32 e 34 da un flusso di fluido refrigerante, ad esempio acqua fredda che entra nel rispettivo scambiatore di calore inter-stadio ad esempio a 30°C ed esce ad una temperatura che dipende dal livello di compressione del biossido di carbonio, come indicato nel diagramma di Fig.3 per ciascuno scambiatore di calore inter-stadio. Si deve notare che tutti i valori di temperatura qui descritti sono dati in via esemplificativa soltanto e non devono essere considerati limitativi dell’ambito della descrizione.

Il biossido di carbonio alimentato dall’ultimo stadio di compressore 6 fluisce attraverso un ulteriore scambiatore di calore 36, attraverso cui un fluido refrigerante viene fatto passare per rimuovere calore e portare il biossido di carbonio in una condizione supercritica, ad esempio rappresentata dal punto E1 in Fig.1. Il biossido di carbonio che esce dall’ulteriore scambiatore di calore 36 viene alimentato ad una pompa 38 azionata da un azionatore, ad esempio un motore elettrico 40 per pompare il biossido di carbonio fino a raggiungere la pressione finale desiderata (vedasi punto E in Fig.1).

Il sistema può essere provvisto di separatori atti a rimuovere fluidi diversi dal biossido di carbonio dal flusso di biossido di carbonio compresso. Questi separatori sono ben noti agli esperti del ramo e non sono illustrati nei disegni per motivi di chiarezza.

Come schematicamente illustrato per gli scambiatori di calore interstadio 15, 30 e 32 il fluido refrigerante, che esce dallo scambiatore di calore inter-stadio ad una temperatura elevata, fluisce attraverso rispettive unità di scambio termico indicate con 42, 44 e 46 per rimuovere e recuperare calore dal fluido refrigerante. Disposizioni simili di unità di scambio termico sono previste per rimuovere calore dal fluido refrigerante che circola negli scambiatori di calore inter-stadio 21, 34 e nell’ulteriore scambiatore di calore 36. Il percorso fluido che collega questi scambiatori di calore inter-stadio 21, 34 e 36 alle unità di scambio termico e le rispettive unità di scambio termico non sono mostrati per motivi di chiarezza. In alcune forme di realizzazione, il calore di scarto rimosso dagli scambiatori di calore inter-stadio 21, 34 e dall’ulteriore scambiatore termico 36 può essere semplicemente scaricato, piuttosto che recuperato da un’unità di scambio termico. In ulteriori forme di realizzazione anche il calore di scarto rimosso dallo scambiatore di calore inter-stadio 30 potrebbe essere disperso piuttosto che essere recuperato dall’unità di scambio termico 40.

Il fluido refrigerante che fluisce attraverso le unità di scambio termico 42, 44 e 46 à ̈ raffreddato da un flusso di fluido operativo, che à ̈ processato in un’unità di conversione di energia 50 per recuperare almeno parte del calore di scarto rimosso dal biossido di carbonio e convertito in potenza meccanica.

Nell’esempio illustrato un singolo percorso di flusso 52 à ̈ previsto per far circolare il fluido operativo attraverso tutte le unità di scambio termico 42, 44 e 46. In ciascuna unità di scambio termico 42, 44 e 46 calore viene rimosso dal fluido refrigerante proveniente dagli scambiatori di calore inter-stadio 15, 30 e 32 e il calore recuperato à ̈ trasferito al fluido operativo che circola nel percorso di flusso 52. Detto fluido operativo entra nella prima unità di scambio termico 42 ad esempio attorno a 30°C ed esce dall’ultima unità di scambio termico 46 ad esempio attorno a 150°C. I valori numerici sono dati in via esemplificativa soltanto e non devono essere interpretati come limitativi dell’ambito della descrizione.

Il fluido operativo che circola nel percorso di flusso 52 e nell’unità di conversione di energia 50 à ̈ ad esempio un fluido organico comunemente usato in un ciclo Rankine organico (ORC).

Una disposizione simile può essere prevista per recuperare calore dagli scambiatori termici 21, 34 e 36, ma à ̈ stata omessa per motivi di chiarezza.

Nella forma di realizzazione mostrata in Fig.3 l’unità di conversione di energia 50 comprende un espansore 53, ad esempio una turbina. Un albero 54 della turbina 53 à ̈ disposto per azionare in rotazione un carico. Nell’esempio illustrato in Fig.3, detto carico comprende un generatore elettrico 56. L’uscita del flusso dalla turbina 53 à ̈ collegata ad un condensatore 58 tramite un percorso di flusso 60, che si estende attraverso il condensatore 58 e si sviluppa fino ad una pompa 62. Il fluido operativo viene raffreddato e condensato nel condensatore 58 tramite un fluido refrigerante, ad esempio acqua e il fluido operativo condensato viene pompato nuovamente nel percorso di flusso 52. Il condensatore 58 può essere raffreddato tramite acqua o aria o in qualunque altro modo idoneo per rimuovere il calore di scarto dal fluido refrigerante che fluisce nel percorso di flusso 60. Quindi il fluido operativo circola attraverso il percorso di flusso 52, la turbina 53, il condensatore 58 e la pompa 62.

L’unità di conversione di energia 50 così descritta à ̈ quindi progettata come un dispositivo o sistema a ciclo Rankine organico (ORC), in cui il fluido operativo organico à ̈ riscaldato ad esempio fino a 150°C quando fluisce attraverso le unità di scambio termico 42, 44 e 46 ed à ̈ quindi espanso nella turbina 53 per generare potenza meccanica che à ̈ usata per azionare il carico, ad esempio il generatore elettrico 56. Il fluido organico espanso viene quindi condensato nuovamente nel condensatore 58 e pompato dalla pompa 62 per essere alimentato alla prima unità di scambio termico 42 alla pressione richiesta.

La disposizione consente di recuperare parte del calore di scarto rimosso da almeno alcuni degli scambiatori termici inter-stadio 15, 21, 30, 32, 34 e dall’ulteriore scambiatore termico 36, dal flusso di biossido di carbonio e di convertire tale calore in energia meccanica infine in energia elettrica tramite il generatore elettrico 56. Secondo i calcoli, questa disposizione può raggiungere risparmi energetici nell’intervallo da 5 a 10%, ad esempio attorno al 7%.

Riferendosi ora alla Fig.4, viene descritto un ulteriore esempio di rea lizzazione del sistema di compressione del biossido di carbonio. Il sistema à ̈ contrassegnato con 100 nel suo complesso. In questa forma di realizzazione esemplificativa il sistema 100 comprende sei stadi di compressione indicati con 101, 102, 103, 104, 105 e 106. Almeno un azionatore comune 107 schematicamente indicato in Fig.4 viene usato per azionare i compressori disposti in sequenza degli stadi di compressore 101-106. Più di un azionatore 107 può essere previsto. Ciascuno stadio di compressione può comprendere uno o più compressori, ad esempio compressori centrifughi. Gli stadi di compressore 101-106 possono essere disposti appaiati, ciascuna coppia di stadi di compressore essendo azionata da un albero comune. I tre alberi possono ruotare a differenti velocità di rotazione.

Un rispettivo scambiatore di calore inter-stadio à ̈ previsto per fungere da refrigeratore inter-stadio tra ciascuna coppia di stadi di compressore 101-106 disposti in sequenza. Più specificamente fra gli stadi di compressore 101 e 102 à ̈ previsto un primo scambiatore di calore inter-stadio 111. Un secondo scambiatore di calore inter-stadio 112 à ̈ disposto fra il secondo stadio di compressore 102 e il terzo stadio di compressore 103. Un terzo scambiatore di calore inter-stadio 113 à ̈ disposto fra il terzo stadio di compressore 103 e il quarto stadio di compressore 104. Un quarto scambiatore di calore interstadio 114 à ̈ disposto fra il quarto stadio di compressore 104 e il quinto stadio di compressore 105. Infine un quinto scambiatore di calore inter-stadio 115 à ̈ disposto fra il quinto stadio di compressore 105 e il sesto stadio di compressore 106.

Il biossido di carbonio entra nel primo stadio di compressore 101 in 117 ed esce dall’ultimo stadio di compressore 106 in 119. Il biossido di carbonio che esce dall’ultimo stadio di compressore 106 viene raffreddato e ulteriormente compresso ad una condizione supercritica in una stazione a valle dell’ultimo stadio di compressore 106. Detta stazione comprende schematicamente un ulteriore scambiatore di calore 121 disposto fra il sesto stadio di compressore 106 ed una pompa 123, da cui il biossido di carbonio in una condizione supercritica à ̈ alimentato in 124. La pompa à ̈ azionata da una azionatore 125 della pompa, ad esempio un motore elettrico.

I cinque scambiatori di calore inter-stadio 111-115 e l’ulteriore scambiatore di calore 121 sono previsti per rimuovere calore di scarto dal biossido di carbonio e a tale scopo un fluido refrigerante viene fatto circolare attraverso detti scambiatori di calore. E’ previsto un distributore 127 da cui un fluido refrigerante à ̈ alimentato attraverso condotti 129, 130, 131, 132, 133, 134 ai rispettivi scambiatori di calore 111, 112, 113, 114, 115, 121.

Il fluido refrigerante che esce dagli scambiatori di calore 111-115, 121 viene poi raccolto da due collettori 130 e 138 e fluisce in un condotto 139, che alimenta il fluido refrigerante riscaldato ad un espansore, ad esempio una turbina 141 di una unità di conversione di energia 143. Un albero 142 della turbina 141 aziona un carico, ad esempio un generatore elettrico 145 per produrre potenza elettrica sfruttando almeno parte del calore recuperato dal fluido refrigerante. Il fluido refrigerante espanso fluisce poi lungo un percorso di flusso 147 attraverso un condensatore 148 da cui il fluido refrigerante raffreddato e condensato à ̈ alimentato ad una pompa 149. La pompa 149 pompa il fluido refrigerante raffreddato e condensato fino alla pressione finale prima di alimentarlo al distributore 127. Il condensatore 148 può essere raffreddato da acqua o aria o in qualunque altro modo idoneo per rimuovere il calore di scarto dal fluido refrigerante che fluisce nel percorso di flusso 147.

Differentemente dalla forma di realizzazione della Fig.3, nella forma di realizzazione ora descritta con riferimento alla Fig.4, il fluido refrigerante che rimuove calore dagli scambiatori di calore di refrigerazione inter-stadio 111-115 e dall’ulteriore scambiatore di calore 121 à ̈ lo stesso fluido operativo usato nel ciclo di conversione dell’energia eseguito dall’unità di conversione dell’energia 143, cioà ̈ ad esempio un fluido organico per un dispositivo a ciclo Rankine organico. L’utilizzo dello stesso fluido per rimuovere calore dagli scambiatori inter-stadio e per azionare la turbina dell’unità di conversione dell’energia riduce perdite termiche e aumenta l’efficienza complessiva del sistema.

La Fig.5 illustra un’ulteriore forma di realizzazione di un sistema secondo l’oggetto qui descritto. Gli stessi numeri di riferimento indicano parti uguali od equivalenti a quelle della Fig.4. Queste parti non verranno descritte nuovamente.

Il sistema della Fig.5 differisce dal sistema della Fig.4 poiché la pompa 123 non à ̈ azionata da un azionatore elettrico 125, bensì direttamente dalla turbina 141 dell’unità di conversione dell’energia 143. In questa forma di realizzazione, quindi, la potenza meccanica recuperata dall’espansione del fluido refrigerante nella turbina 141 à ̈ usata tramite l’albero 142 per azionare direttamente un componente del sistema. In Fig.4, viceversa, l’energia meccanica prodotta dalla turbina 141 à ̈ usata per produrre energia elettrica che può essere usata a sua volta per azionare l’azionatore 125 della pompa.

Lo stesso approccio può essere usato anche nella forma di realizzazione di Fig.3. Anche in quel caso la potenza meccanica recuperata nell’unità di conversione dell’energia 50 può essere usata per azionare direttamente la pompa 58 piuttosto che per azionare un generatore elettrico 56.

La Fig.6 illustra un’ulteriore forma di realizzazione di un sistema di compressione. Gli stessi numeri di riferimento indicano parti uguali od equivalenti come nelle Figg.4 e 5 che non verranno descritte nuovamente. In questa forma di realizzazione il fluido refrigerante che circola nell’unità di conversione dell’energia 143 à ̈ fatto circolare attraverso scambiatori di calore inter-stadio 111, 113 e 114 in serie piuttosto che in parallelo come mostrato nelle Figg.4 e 5. Nella forma di realizzazione illustrata, inoltre, gli scambiatori di calore inter-stadio 112, 115 e l’ulteriore scambiatore di calore 121 non sono collegati all’unità di conversione di energia 143. I tre scambiatori di calore da ultimo menzionati sono raffreddati da circuiti di refrigerazione separati che non recuperano il calore verso l’unità di conversione dell’energia 143. In altre forme di realizzazione potrebbe essere previsto un circuito di fluido refrigerante separato che collega la pompa 149 agli scambiatori di calore 112, 115 e 121 in serie, così che l’intero calore di scarto rimosso dal biossido di carbonio viene recuperato nell’unità di conversione dell’energia 143.

Nella forma di realizzazione della Fig.6, inoltre, analogamente alla forma di realizzazione della Fig.5, il fluido refrigerante viene espanso nella turbina 141 che aziona tramite l’albero 142 direttamente la pompa 123. In altre forme di realizzazione, non mostrate, la turbina 141 potrebbe essere usata per azionare un albero 142 che a sua volta aziona in rotazione un generatore elettrico 145 o un diverso carico meccanico.

Un’ulteriore forma di realizzazione di un sistema di compressione del biossido di carbonio à ̈ illustrata in Fig.7. Gli stessi numeri di riferimento sono usati per indicare elementi uguali od equivalenti a quelli della Fig.4. Questi elementi non sono nuovamente descritti.

Differentemente dalla forma di realizzazione della Fig.4, nella forma di realizzazione della Fig.7 il fluido refrigerante che esce dagli scambiatori di calore inter-stadio 111-115 e dall’ulteriore scambiatore di calore 121 viene alimentato separatamente a due turbine (espansori) 141A, 141B che sono usate per generare potenza meccanica per azionare i compressori degli stadi di compressore 101-106. Più specificamente, in questa forma di realizzazione il fluido refrigerante raccolto dagli scambiatori di calore inter-stadio 111, 113, 114 à ̈ raccolto in un collettore 137 ed entra nella prima turbina 141A. Il fluido refrigerante raccolto tramite il collettore 138 dagli scambiatori di calore inter-stadio 112, 115 e dall’ulteriore scambiatore di calore 121 à ̈ alimentato alla seconda turbina 141B. Le due turbine 141A e 141B possono essere collegate da un albero meccanico comune 142. In altre forme di realizzazione possono essere previsti due alberi meccanici, uno per ciascuna turbina 141A, 141B. In ancora ulteriori forme di realizzazione, non mostrate, una singola turbina può essere usata per tutto il flusso di fluido refrigerante che, in quel caso, può essere raccolto in un unico condotto come mostrato nella forma di realizzazione di Fig.4. In questo caso la singola turbina sarà collegata da un singolo albero meccanico al treno di compressori per fornire energia meccanica per azionare i compressori.

Poiché la potenza recuperata dall’unità di conversione dell’energia 143 à ̈ soltanto una frazione della potenza richiesta per azionare l’intera serie di stadi di compressore, l’azionatore 107 dei compressori à ̈ ancora richiesto ma assorbirà una quantità minore di potenza.

Mentre le forme di realizzazione descritte dell’oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nell’arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dell’oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto l’ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, così da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. In aggiunta l’ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo può essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.

Claims (26)

1. “RECUPERO DI CALORE IN SISTEMI DI COMPRESSIONE E COMPRESSIONE E LIQUEFAZIONE DI BIOSSIDO DI CARBONIO†Rivendicazioni 1) Un sistema di compressione di biossido di carbonio comprendente: almeno un primo stadio di compressore ed un secondo stadio di compressore disposti in serie; almeno uno scambiatore di calore inter-stadio disposto per ricevere un gas compresso contenente biossido di carbonio che fluisce da detto primo stadio di compressore nel secondo stadio di compressore e per rimuovere da esso calore di scarto, caratterizzato da un’unità di conversione di energia, in cui almeno parte di detto calore di scarto viene recuperato e trasformato in energia meccanica.
2. 2) Sistema come da rivendicazione 1, caratterizzato da un percorso di flusso estendentesi attraverso detta unità di conversione dell’energia e attraverso detto almeno uno scambiatore di calore inter-stadio, un fluido refrigerante circolante in detto almeno uno scambiatore di calore inter-stadio rimuovendo calore di scarto da detto gas compresso contenente biossido di carbonio ed essendo processato in detta unità di conversione di energia attraverso un processo di espansione e compressione per recuperare da esso energia.
3. 3) Sistema come da rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta unità di conversione dell’energia comprende: un espansore disposto per ricevere detto fluido refrigerante da detto almeno uno scambiatore di calore inter-stadio e per espandere il fluido refrigerante per recuperare da esso energia e per azionare un albero; un condensatore in collegamento di fluido con detto espansore, disposto per condensare il fluido refrigerante espanso; una pompa in collegamento di fluido con detto condensatore e disposta per aumentare la pressione di detto fluido refrigerante condensato.
4. 4) Sistema come da rivendicazione 1, caratterizzato da: almeno una unità di scambio termico; un percorso di flusso per un fluido operativo, detto percorso di flusso sviluppandosi attraverso detta unità di scambio termico e detta unità di conversione di energia, detto fluido operativo ricevendo calore in detta unità di scambio termico ed essendo processato in detta unità di conversione dell’energia attraverso un processo di espansione e compressione per recuperare da esso energia; almeno un percorso di flusso refrigerante sviluppantesi attraverso detto almeno uno scambiatore di calore interstadio e detta almeno una unità di scambio termico, per rimuovere calore di scarto da detto gas compresso contenente biossido di carbonio e trasferire detto calore di scarto rimosso a detto fluido operativo in detta unità di scambio termico.
5. 5) Sistema come da rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta unità di conversione dell’energia comprende: un espansore disposto per ricevere detto fluido operativo da detta unità di scambio termico e per espandere il fluido operativo per recuperare da esso energia e azionare un albero; un condensatore in collegamento di flusso con detto espansore, disposto per condensare il fluido operativo espanso; una pompa in collegamento di flusso con detto condensatore, disposta per pompare detto fluido operativo condensato verso detta almeno una unità di scambio termico.
6. 6) Sistema come da una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta unità di conversione dell’energia comprende un sistema a ciclo Rankine.
7. 7) Sistema come da rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto sistema a ciclo Rankine à ̈ un ciclo Rankine organico.
8. 8) Sistema come da una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da una pluralità di stadi di compressore disposti in serie, in cui rispettivi scambiatori di calore inter-stadio sono disposti fra coppie di compressori inter-stadio disposti sequenzialmente; in cui un rispettivo percorso di flusso à ̈ previsto per ciascuno di detti scambiatori di calore inter-stadio per circolare detto fluido refrigerante in detti scambiatori di calore inter-stadio e rimuovere il calore di scarto dal gas compresso contenente biossido di carbonio circolante attraverso detti scambiatori di calore inter-stadio; ed in cui detti percorsi di flusso sono in comunicazione di flusso con detta unità di conversione dell’energia, così che detto flusso refrigerante da detti scambiatori di calore inter-stadio viene processato in detta unità di conversione dell’energia per recuperare da esso energia.
9. 9) Sistema come da una o più delle rivendicazioni 1 a 7, caratterizzato da una pluralità di stadi di compressione disposti in serie, in cui rispettivi scambiatori di calore inter-stadio sono disposti fra coppie di stadi di compressore disposti sequenzialmente; in cui un rispettivo percorso di flusso à ̈ previsto per ciascuno di detti scambiatori di calore inter-stadio per circolare un fluido refrigerante in detti scambiatori di calore inter-stadio e rimuovere calore di scarto da gas compresso contenente biossido di carbonio circolante attraverso detti scambiatori di calore inter-stadio; in cui almeno alcuni di detti scambiatori di calore inter-stadio sono combinati con una rispettiva unità di scambio termico; ed in cui dette unità di scambio termico sono disposte in modo tale che il calore di scarto rimosso da detto flusso refrigerante viene trasferito in dette unità di scambio termico ad un fluido operativo; detto fluido operativo essendo processato in detta unità di conversione dell’energia per recuperare energia da esso.
10. 10) Sistema come da una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da una sezione di pompaggio.
11. 11) Sistema coma da rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detta sezione di pompaggio comprende un ulteriore scambiatore di calore disposto per ricevere gas compresso contenente biossido di carbonio che fluisce da un ultimo di detti stadi di compressore disposti in serie, per rimuovere da esso calore di scarto; una pompa disposta per ricevere gas compresso contenente biossido di carbonio da detto ulteriore scambiatore di calore e alimentare gas contenente biossido di carbonio in un condotto di alimentazione.
12. 12) Sistema come da rivendicazione 11, caratterizzato da un ulteriore percorso di flusso previsto per circolare un fluido refrigerante attraverso detto ulteriore scambiatore di calore per rimuovere il calore di scarto da gas compresso contenente biossido di carbonio fra detto ultimo stadio di compressore e detta pompa, detto ulteriore percorso di flusso essendo disposto per alimentare detto fluido refrigerante in uscita da detto ulteriore scambiatore di calore a detta unità di conversione dell’energia.
13. 13) Sistema come da rivendicazione 4 e 11, caratterizzato da: un ulteriore percorso di flusso previsto per circolare un fluido refrigerante attraverso detto ulteriore scambiatore di calore per rimuovere calore di scarto dal gas compresso contenente biossido di carbonio fra detto ultimo stadio di compressione e detta pompa; un’ulteriore unità di scambio termico disposta per trasferire gas di scarto da detto fluido refrigerante, circolante da detto ulteriore scambiatore di calore, a detto fluido operativo.
14. 14) Sistema secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta unità di conversione dell’energia à ̈ disposta per azionare un generatore di energia elettrica.
15. 15) Sistema secondo una o più delle rivendicazioni 1 a 14, caratterizzato dal fatto che detta unità di conversione dell’energia à ̈ disposta per fornire energia meccanica direttamente ad almeno uno di detti stadi di compressore.
16. 16) Sistema come da rivendicazione 11, 12 o 13, caratterizzato dal fatto che detta unità di conversione dell’energia à ̈ disposta per fornire potenza meccanica a detta pompa.
17. 17) Un metodo di compressione di biossido di carbonio, comprendente: far fluire un gas contenente biossido di carbonio attraverso una pluralità di stadi di compressore; rimuovere calore di scarto dal gas contenente biossido di carbonio che fluisce da uno stadio di compressore al successivo stadio di compressore; recuperare e convertire in energia meccanica almeno parte di detto calore di scarto rimosso da detto gas contenente biossido di carbonio.
18. 18) Metodo come da rivendicazione 17, in cui detto calore di scarto à ̈ convertito in energia meccanica tramite un ciclo Rankine.
19. 19) Metodo come da rivendicazione 18, in cui detto calore à ̈ convertito in energia meccanica da un ciclo Rankine organico.
20. 20) Metodo come da rivendicazione 17, 18 o 19, in cui detta energia meccanica à ̈ almeno parzialmente usata per azionare almeno uno di detti stadi di compressore.
21. 21) Metodo come da una o più delle rivendicazioni 17 a 20, in cui detta energia meccanica à ̈ almeno parzialmente convertita in energia elettrica.
22. 22) Metodo come da una o più delle rivendicazioni 17 a 21, comprendente inoltre il refrigerare e il pompare detto gas contenente biossido di carbonio in una sezione di pompaggio comprendente almeno un ulteriore scambiatore di calore ed una pompa.
23. 23) Metodo come da rivendicazione 22, comprendente inoltre il recuperare e il convertire in energia meccanica almeno parte del calore rimosso da detto ulteriore scambiatore di calore di detta sezione di pompaggio.
24. 24) Metodo come da rivendicazione 22 o 23, in cui detta energia meccanica à ̈ almeno parzialmente usata per azionare la pompa di detta sezione di pompaggio.
25. 25) Metodo come da una o più delle rivendicazioni 17 a 24, in cui detto calore di scarto à ̈ rimosso da un fluido refrigerante e in cui detto fluido refrigerante viene espanso in un espansore per convertire calore in energia meccanica.
26. 26) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni 17 a 24, in cui detto calore di scarto viene rimosso tramite un fluido refrigerante ed in cui calore à ̈ trasferito da detto fluido refrigerante ad un fluido operativo e detto fluido operativo viene espanso in un espansore per convertire calore in energia meccanica.