KR100338882B1 - 천연 가스를 액화시키기 위한 개선된 캐스케이드 냉각방법 - Google Patents

천연 가스를 액화시키기 위한 개선된 캐스케이드 냉각방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 스트림의 액화 공정이 캐스케이드 냉각 시스템에 의해 냉각되는 열 교환기에서 발생하여 온도가 약 -112℃(-170℉) 이상인 메탄-풍부 액체 생성물을 생산하는, 메탄이 풍부한 가압 가스 스트림을 액화시키는 방법에 관한 것이다. 당해 방법에 있어서, 가압 가스 스트림을 하나 이상의 냉각 단계를 포함하는 제1 냉각 사이클과 접촉되어 있는 열 교환기로 도입함으로써, 가스 스트림 온도가 제1 냉매의 제1 부분과의 열 교환에 의해 저하되어 냉각된 가스 스트림을 생산한다. 이어서, 냉각된 가스 스트림을 하나 이상의 냉각 단계를 포함하는 제2 냉각 사이클과 접촉되어 있는 열 교환기로 도입함으로써, 냉각된 가스 스트림 온도가 제2 냉매와의 열 교환에 의해 추가로 저하되어 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도 및 액화 스트림이 포점 이하에서 유지되도록 하기에 충분한 압력을 갖는 액화 메탄-풍부 스트림을 생산한다.

Description

천연 가스를 액화시키기 위한 개선된 캐스케이드 냉각방법{Improved cascade refrigeration process for liquefaction of natural gas}
발명의 분야
본 발명은 천연 가스의 액화방법, 보다 특히 가압 액화 천연 가스(PLNG)의 제조방법에 관한 것이다.
발명의 배경
완전 연소되는 천연 가스의 품질과 편리함 때문에, 천연 가스는 최근 몇 해 동안에 널리 사용되어 왔다. 다수의 천연 가스 공급원은 가스 시판소에서 거리가 먼 외딴 지역에 위치한다. 때때로, 파이프라인이 생산된 천연 가스를 시판소로 수송하는 데 이용될 수 있다. 파이프라인 수송이 가능하지 않은 경우, 시판소로 수송하기 위해서는 생산된 천연 가스가 종종 액화 천연 가스('LNG'라고 함)로 가공된다.
LNG 플랜트의 두드러진 특징 중의 하나는 플랜트에 필수적인 상당한 자본 투자이다. 천연 가스를 액화시키는 데 사용되는 장치는 일반적으로 상당히 비싸다. 액화 플랜트는 불순물을 제거하는 가스 처리, 액화, 냉각 및 동력 시설과 저장 및 선적 시설을 포함하여, 몇 가지 기본 시스템으로 구성되어 있다. LNG 플랜트의 원가는 플랜트 위치에 따라 크게 달라질 수 있지만, 전형적인 종래의 LNG 프로젝트는 현장 개발비를 포함하여 미화 50억 내지 100억 달러가 들 수 있다. 플랜트의 냉각 시스템은 원가의 30% 이하라고 생각할 수 있다.
LNG 플랜트의 설계에 있어서, 가장 중요한 세 가지 요건은 (1) 액화 사이클의 정선, (2) 컨테이너, 배관 및 기타 장치 속에서 사용되는 물질 및 (3) 천연 가스 공급 시스템을 LNG로 전환시키기 위한 공정단계이다.
LNG 냉각 시스템은, 천연 가스를 액화시키는 데 보다 많은 냉각이 필요하기 때문에 비싸다. 전형적인 천연 가스 스트림은 약 4,830kPa(700psia) 내지 약 7,600kPa(1,100psia)의 압력과 약 20℃(68℉) 내지 약 40℃(104℉)의 온도에서 LNG 플랜트에 들어간다. 에너지용으로 사용되는 중질 탄화수소의 경우에서와 같이, 주로 메탄으로 구성되는 천연 가스는 단순히 압력을 증가시켜 액화시킬 수 없다. 메탄의 임계 온도는 -82℃(-116.5℉)이다. 이는, 가해지는 압력과 관계 없이 임계 온도 이하에서만 메탄이 액화될 수 있음을 의미한다. 천연 가스는 가스 혼합물이기 때문에, 폭넓은 온도 범위에 걸쳐서 액화된다. 천연 가스의 임계 온도는 약 -85℃(-121℉) 내지 -62℃(-80℉)이다. 전형적으로, 대기압에서의 천연 가스 조성물은 약 -165℃(-265℉) 내지 -155℃(-247℉)의 온도 범위에서 액화될 것이다. 냉각 장치는 LNG 시설 비용의 중요한 부분을 차지하므로, 냉각 비용을 감소시키는 데 상당한 노력이 가해질 것이다.
다수의 냉각 사이클은 천연 가스를 액화시키는 데 사용되지만, 현재 LNG 플랜트에서 가장 통상적으로 사용되는 세가지 유형은, 온도를 상응하게 저하시키면서 가스를 고압에서 저압으로 팽창시키는 '팽창기 사이클(expander cycle)'(1), 특별히 고안된 교환기 속에서 다성분 냉매를 사용하는 '다성분 냉각 사이클(multi-component refrigeration cycle)'(2) 및 가스 온도를 액화 온도로 저하시키기 위해 단계적으로 배열된 열 교환기들 속에서 단일 성분 냉매를 수차례 사용하는 '캐스케이드 사이클(cascade cycle)(3)이다. 대부분의 천연 가스 액화 사이클은 세 가지 기본 유형을 변화시키거나 조합하여 사용한다.
일반적으로, 캐스케이드 시스템은 하나의 단계에서 팽창된 냉매가 다음 단계에서 압축된 냉매를 응축시키는 데 사용되는 2개 이상의 냉각 루프를 사용한다. 각각의 성공적인 단계는, 팽창되는 경우, 보다 낮은 수준으로 냉각시켜 보다 낮은 온도로 냉각시킬 수 있는 경질의 보다 휘발성인 냉매를 사용한다. 압축기에 의해 요구되는 동력을 감소시키기 위해, 각각의 냉각 사이클은 전형적으로 몇 가지 가압단계(세 가지 또는 네 가지 단계가 통상적임)로 분리된다. 가압단계는 몇 가지 온도단계로 냉각 작업을 분리시킨다. 프로판, 에탄, 에틸렌 및 메탄이 통상적으로 사용되는 냉매이다. 프로판은 공기 냉각기 또는 수냉각기에 의해 비교적 낮은 압력에서 응축될 수 있지만, 프로판은 일반적으로 1단계 냉매이다. 에탄 또는 에틸렌은 2단계 냉매로서 사용될 수 있다. 배출되는 에탄을 응축시키면, 에탄 압축기는 저온 냉매를 필요로 한다. 프로판은 이러한 저온 냉매 기능을 보유한다. 마찬가지로, 메탄이 최종 단계 냉매로서 사용되는 경우, 에탄은 메탄 압축기로 배출되는 메탄을 응축시키는 데 사용된다. 따라서, 프로판 냉각 시스템은 공급 가스를 냉각시키고 에탄 냉매를 응축시키는 데 사용되고, 또한 에탄은 공급 가스를 추가로 냉각시키고 메탄 냉매를 응축시키는 데 사용된다.
또한, 통상적인 LNG 플랜트에서 사용되는 물질들은 플랜트 비용에도 기여한다. LNG 플랜트에서 사용되는 컨테이너, 배관 및 기타 장치는, 적어도 일부분이 전형적으로 알루미늄, 스텐레스 강 또는 니켈 함량이 높은 강으로부터 구조되어 저온에서 필수적인 강도 및 파괴 인성을 제공한다.
통상적인 LNG 플랜트에 있어서, 물, 이산화탄소, 황 함유 화합물(예: 황화수소 및 기타 산성 가스), 및 벤젠을 포함하는 n-프로판 및 중질 탄화수소는 천연 가스 가공으로부터 ppm 수준으로 내려갈 때까지 완전히 제거되어야만 한다. 이러한 화합물 중 몇몇은 공정 장치의 플러깅(plugging) 문제를 초래하면서 응결된다. 기타 화합물(예: 황 함유 화합물)은 통상 판매 규정을 충족시키도록 제거된다. 통상적인 LNG 플랜트에 있어서, 가스 처리 장치는 이산화탄소와 산성 가스를 제거하는 데 필수적이다. 가스 처리 장치는 전형적으로 화학적 및/또는 물리적인 용매 재생공정을 사용하고 상당한 자본 투자를 필요로 한다. 또한, 조작 비용이 많이 든다. 드라이 베드(dry bed) 탈수제(예: 분자체)는 수증기를 제거하는 데 필요하다. 전형적으로, 가스 세정관(scrub column)과 분별 증류 장치는 플러깅 문제를 초래하는 경향이 있는 탄화수소를 제거하는 데 사용된다. 또한, 수은은 알루미늄으로 제작된 장치에서는 고장을 일으킬 수 있기 때문에 통상적인 LNG 플랜트에서 제거된다. 또한, 천연 가스에 존재할 수 있는 대부분의 질소는 가공 후에 제거되는데, 이는 질소가 통상적인 LNG를 수송하는 도중에 액상으로 남아있지 않으며 수송시에 LNG 컨테이너 속에 질소 증기가 존재하는 것이 바람직하지 않기 때문이다.
요구되는 냉각 장치에 대한 전체적인 비용과 공정 마력을 최소화하는 천연 가스의 개선된 액화방법이 산업적으로 계속 요구되고 있다.
요약
본 발명은 일반적으로 메탄이 풍부하고 초기 압력이 약 3,100kPa(450psia) 이상인 가스 스트림의 액화방법에 관한 것이다. 천연 가스를 응축시키기 위한 1차 냉각방법은 캐스케이드 냉각 사이클, 바람직하게는 단지 2개의 사이클에 의한 방법이다. 이어서, 천연 가스를 적절한 압력 팽창 수단에 의하여 압력 팽창시켜 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도와 액체 생성물이 포점(bubble point) 이하의 온도에서 유지되기에 충분한 압력을 갖는 메탄-풍부 액체를 생산한다.
또한, 본 발명의 방법은 가압 액화 천연 가스에 의해 생산된 정련 증기(boil-off vapor)를 응축시킬 수 있다. 천연 가스가 메탄보다 무거운 탄화수소를 함유하고 중질 탄화수소를 제거하는 것이 바람직한 경우, 분별 증류공정을 당해 공정에 추가할 수 있다.
본 발명의 방법은 저장 또는 수송을 위한 공급원에서 천연 가스를 초기에 액화시키는 데에와 저장 및 선적 도중에 방출되는 천연 가스 증기를 다시 액화시키는 데에 모두 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 천연 가스를 액화시키거나 다시 액화시키기 위한 개선된 액화 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 선행 기술 시스템에서 필요한 압축력보다 실제로 적은 압축력이 요구되는 개선된 액화 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 경제적이고 조작하기 유효한 개선된 액화방법을 제공하는 것이다. 통상적인 LNG 공정에서의 온도가 매우 낮은 냉각방법의 비용은 본 발명의 실시에 따르는 PLNG 제조에서 요구되는 비교적 온화한 냉각방법의 비용에 비하여 매우 비싸다.
본 발명 및 이의 이점은 다음의 상세한 설명과 본 발명의 대표적인 실시양태의 개략적 흐름도인 첨부된 도면을 참고하여 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 PLNG를 생산하기 위한 투-사이클(two-cycle) 캐스케이드 냉각 시스템을 도시하는, 본 발명의 방법의 제1 실시양태의 개략적 흐름도이다.
도 2는 정련 가스를 응축시키고 중질 탄화수소를 제거하기 위한 방법을 예시하는, 본 발명의 제2 실시양태의 개략적 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시양태의 개략적 흐름도이다.
도면에서 예시하는 흐름도는 본 발명의 방법을 실시하는 각종 실시양태를 나타낸다. 당해 도면은 이러한 특별한 실시양태의 정상적이며 예상되는 변형을 가져오는 본 발명의 기타 실시양태의 범주로부터 벗어나는 것을 의미하는 것은 아니다. 필수적인 각종 보조 시스템(예: 펌프, 밸브, 유동 스트림 혼합기, 제어 시스템 및 센서)은 표현의 간단함과 명료함을 위해 도면으로부터 삭제되었다.
바람직한 실시양태에 대한 상세한 설명
본 발명은 천연 가스를 액화시키기 위한 캐스케이드 냉각 시스템을 사용하여 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도 및 액체 생성물이 포점 이하에서 유지되도록 하기에 충분한 압력을 갖는 메탄-풍부 액체 생성물을 생산한다. 이러한 메탄-풍부 생성물은 때로는 당해 명세서에서 가압 액화 천연 가스(PLNG)라고 한다. 용어 '포점'은 액체가 가스로 전환되기 시작하는 온도 및 압력을 나타낸다. 예를 들면, 특정 용적의 PLNG의 압력은 일정하게 유지되더라도 온도가 증가하는 경우, PLNG 속에서 가스의 기포가 형성되기 시작하는 온도가 포점이다. 마찬가지로, 특정 용적의 PLNG의 온도는 일정하게 유지되더라도 압력이 감소되는 경우, 가스가 형성되기 사작하는 압력을 포점이라고 한다. 포점에서의 혼합물은 포화 액체이다.
본 발명에 따라 캐스케이드 냉각 시스템을 사용하여 천연 가스를 액화시키기 위한 동력은 종래에 사용된 캐스케이드 냉각공정의 경우보다 덜 필요하고 본 발명의 공정에서 사용되는 장치는 비싸지 않은 물질들로 제조할 수 있다. 반면, 온도가 -160℃(-265℉)보다 낮은 대기압에서 LNG를 생산하는 선행 기술공정의 경우는 적어도 일부 공정 장치가 안전한 작동을 위해 비싼 물질로 제조될 필요가 있다.
본 발명을 실시함에 있어서 천연 가스를 액화시키는 데 필요한 에너지는 통상적인 LNG 플랜트의 에너지 필요량에 비해 크게 감소된다. 본 발명의 공정에 대해 요구되는 필수적인 냉각 에너지의 감소는 자본금이 크게 감소되고 이와 비례해서 조작 비용이 낮아지며 효율과 신뢰도가 증가하고, 따라서 생산되는 액화 천연 가스의 경제성을 크게 향상시킨다.
본 발명의 조작 압력 및 온도에서는 액화 공정 중의 가장 차가운 조작 범위에서 약 3½중량%의 니켈 강이 배관과 설비에 사용될 수 있지만, 일반적으로 통상적인 LNG 공정에 있어서는 동일한 장치에 대하여 보다 비싼 9중량%의 니켈 또는 알루미늄이 필요하다. 이로써, 본 발명의 공정이 선행 기술의 LNG 공정에 비하여 추가로 비용을 상당히 감소시키게 된다.
천연 가스의 극저온 가공에서 가장 먼저 고려해야 하는 것은 오염이다. 본 발명의 공정에 적합한 가공하지 않은 천연 가스 공급 원료는 조악한 유정(crude oil well)으로부터의 천연 가스[회합 가스(associated gas)] 또는 가스정(gas well)으로부터의 천연 가스(비회합 가스)를 포함할 수 있다. 천연 가스의 조성은 상당히 다양할 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같이, 천연 가스 스트림은 메탄(C1)을 주성분으로서 함유한다. 또한, 천연 가스는 전형적으로 에탄(C2), 고급 탄화수소(C3+) 및 소량의 오염물(예: 물, 이산화탄소, 황화수소, 질소, 부탄, 탄소수 6 이상의 탄화수소, 먼지, 황화철, 왁스 및 조악한 오일)을 포함할 것이다. 이러한 오염물의 용해도는 온도, 압력 및 조성에 따라 변한다. 극히 낮은 온도에서, 이산화탄소, 물 및 기타 오염물은 고체를 형성할 수 있고, 이는 극저온 열 교환기 속에서 유동 통로를 막을 수 있다. 이러한 예상되는 난제들은 순수한 성분 속의 상태인 고상 온도-압력 상 경계가 예상되는 경우에 이러한 오염물을 제거함으로써 극복할 수 있다. 본 발명에 대한 이후의 설명에 있어서, 통상적이며 익히 공지되어 있는 공정을 사용하여 천연 가스 스트림을 적절하게 처리하여 황화물과 이산화탄소를 제거하고, 건조시켜 물을 제거하여 '깨끗한', '무수' 천연 가스 스트림을 생산하는 것으로 추측할 수 있을 것이다. 천연 가스 스트림이 액화 공정 도중에 응결시킬 수 있는 중질 탄화수소를 함유하거나 중질 탄화수소가 PLNG 속에서 바람직하지 않은 경우, 중질 탄화수소는 아래에서 보다 상세하게 언급하는 바와 같이, PLNG를 생산하기 전에 분별 증류공정에 의해 제거될 수 있다.
본 발명의 한 가지 이점은 조작 온도가 높을수록 천연 가스의 응결 가능한 성분의 농도 수준이 통상적인 LNG 공정에서의 천연 가스의 응결 가능한 성분의 농도 수준보다 높아질 수 있다는 점이다. 예를 들면, -160℃(-256℉)에서 LNG를 생산하는 통상적인 LNG 플랜트에 있어서, 응결 문제를 극복하기 위해 이산화탄소는 약 50ppm 이하가 되어야만 한다. 반면에, 본 발명의 액화 공정에서는 공정 온도를 약 -112℃(-170℉) 이상으로 유지함으로써, 천연 가스가 -112℃(-170℉)의 온도에서는 최대 약 1.4mole%의 이산화탄소 농도를, -95℃(-139℉)에서는 최대 약 4.2mole%의 이산화탄소 농도를 유지하지만 응결 문제가 초래되지 않는다.
또한, 본 발명의 공정에서는 천연 가스 속의 적당량의 질소는 제거될 필요가 없는데, 이는 질소가 본 발명의 조작 온도와 압력에서 액화 탄화수소와 함께 액상으로 유지되기 때문이다. 천연 가스의 조성에 의해 허용되는 경우에 있어서 가스 처리 및 질소 폐기에 필요한 장치를 감소시키거나 경우에 따라서는 생략할 수도 있다는 것은 상당한 기술적 및 경제적 이점을 제공한다. 본 발명의 이러한 이점 및 기타 이점은 도면을 참고하여 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1에 있어서, 가압 천연 가스 공급 스트림(10)은 바람직하게는 약 1,724kPa(250paia) 이상, 보다 바람직하게는 약 4,830kPa(700psia) 이상의 압력과 바람직하게는 약 40℃(104℉) 이하의 온도에서 액화 공정을 시작한다. 그러나, 상이한 압력과 온도가 사용될 수 있으며, 경우에 따라, 당해 시스템은 본 발명의 교시에 따라 당해 분야의 숙련가에 의해 적절하게 개선될 수 있다. 가스 스트림(10)이 약 1,724kPa(250psia) 이하인 경우, 하나 이상의 압축기를 포함할 수 있는 적절한 압축 수단(도시되지 않음)에 의해 가압될 수 있다.
일련의 열 교환기, 바람직하게는 2개의 열 교환기[(30) 및 (31)]를 통하여 공급 스트림(10)을 통과시키고, 제1 냉각 사이클(32)에 의해 냉각시킨다. 냉각 사이클(32)은 공급 스트림(10)을 열 교환기[(30) 및 (31)] 속에서 냉각시키고, 냉매를 액화 공정의 하류에 있는 제2 냉각 사이클(33)에서 냉각시킨다. 냉각 사이클(33)은 일련의 열 교환기, 바람직하게는 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 3개의 열 교환기[(37), (38) 및 (39)]에서 천연 가스를 추가로 냉각시킨다. 냉각 사이클[(32) 및 (33)]의 설계 및 조작은 당해 기술 분야의 숙련가에게 익히 공지되어 있으며 이를 조작하는 상세한 설명은 선행 기술 분야에 밝혀져 있다. 제1 냉각 사이클(32)의 냉매로는 프로판이 바람직하고 제2 냉각 사이클(33)의 냉매로는 에틸렌이 바람직하다. 캐스케이드 냉각 시스템의 예는 문헌[참조: 미국 특허 제3,596,472호, Plant Processing of Natural Gas, issued by the Petroleum Extension Service, The University of Texas at Austin, TX (1974) 및 Harper, E. A. et. al., Ttrouble Free LNG, Chemical Engineering Progress, Vol. 71, No. 11 (1975)]에 기재되어 있다.
본 발명을 실시함에 따라 최종 열 교환기(39)를 빠져나가는 액화 천연 가스 스트림(19)의 온도는 -112℃(-170℉) 이상이고 압력은 액체 생성물이 포점 이하에서 유지되도록 하기에 충분한 압력이다. 제2 냉각 사이클의 최종 단계를 빠져나가는 스트림(10)의 압력이 스트림(10)을 액상으로 유지하는 데 필요한 압력보다 높은 경우, 스트림(10)을 하나 이상의 팽창 수단(예: 수압 터빈(40))으로 임의로 통과시켜 보다 낮은 압력을 갖는, 그러나 여전히 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도와 액체 생성물이 포점 이하에서 유지되도록 하기에 충분한 압력을 갖는 PLNG 생성물을 생산할 수 있다. 이어서, PLNG를 적절한 수송 또는 저장 수단(41)[예: 적절한 배관 또는 캐리어(예: PLNG 선박, 탱크 트럭 또는 기동차)]으로 이송한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시양태를 예시하며 도 1 및 도 3에서 예시하는 실시양태와 도 2에서 예시하는 실시양태에서, 번호가 유사한 부분의 공정 기능이 동일하다. 그러나, 당해 분야의 숙련가는 하나의 실시양태 내지 또 다른 실시양태의 공정 장치가 상이한 유체 유량, 온도 및 조성을 처리하도록 크기와 용량이 변할 수 있음을 알 것이다. 도 2에 있어서, 천연 가스 공급 스트림은 라인(10)을 통하여 시스템으로 들어가고, 열 교환기[(30) 및 (31)]를 통과한 다음, 제1 냉각 사이클(32)에 의해 냉각된다. 냉각 사이클(32)은 공급 스트림(10)을 냉각시키고, 액화 공정의 하류에 있는 제2 냉각 사이클(33)에서 냉매를 추가로 냉각시킨다.
최종 열 교환기(31)를 빠져나온 후, 공급 가스 스트림(10)은 통상적인 상 분리기(34)로 들어간다. 액상 스트림(11)은 상 분리기의 저부로 빠져나오고, 통상적인 메탄 분해기(35)를 통과한다. 메탄 분해기는 메탄이 풍부한 오버헤드 증기 스트림(12)과 주로 천연 가스 액체(NGL), 주로 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 및 중질 탄화수소인 저부 액체 스트림(13)을 생산한다. 메탄 분해기 저부 스트림(13)을 통상적인 분별 증류 플랜트(36)로 통과시키며, 이의 일반적인 조작은 당해 분야의 숙련가에게 공지되어 있다. 분별 증류 플랜트(36)는 액체 저부 스트림(13)을 소정량의 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 및 헥산으로 분리시키는 하나 이상의 분별 증류관(도 2에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 생성물을 농축시키는 분별 증류 플랜트(36)로부터 이러한 액체를 회수하며, 이러한 액체는 도 2에 총괄하여 스트림(14)으로서 도시되어 있다. 분별 증류 플랜트(36)로부터의 오버헤드 스트림은 에탄과 기타 광 탄화수소가 풍부하다. 이러한 오버헤드 스트림은 도 2에 총괄하여 스트림(15)으로서 도시되어 있다. 분별 증류 플랜트는 다중 분별 증류관(도시되지 않음)(예: 에탄을 생산하는 에탄 분해관, 프로판을 생산하는 프로판 분해관 및 부탄을 생산하는 부탄 분해관)을 포함하며, 이는 캐스케이드 냉각 시스템[제1 냉각 사이클(32) 및 제2 냉각 사이클(33)] 또는 기타 적합한 냉각 시스템을 위한 보충 냉매로서 사용될 수 있다. 냉매 보충 스트림은 도 2에 총괄하여 라인(16)으로서 도시되어 있다. 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 공급 스트림(10)이 고농축 이산화탄소를 함유하는 경우, 냉각 장치에서 발생 가능한 플러깅 문제를 극복하기 위해서는, 이산화탄소를 제거하기 위한 처리를 위해 하나 이상의 냉매 보충 스트림이 필요할 수 있다. 공급 스트림에서의 이산화탄소 농도가 약 3mole%를 초과하는 경우, 분별 증류 플랜트(36)는 이산화탄소 제거공정을 포함하는 것이 바람직할 것이다.
분리기(34)로부터의 메탄-풍부 스트림(17), 메탄 분해기(35)로부터의 메탄-풍부 스트림(12) 및 분별 증류 플랜트(36)로부터의 스트림(15)을 합하고, 스트림(18)으로서 일련의 열 교환기[(37), (38) 및 (39)]로 통과시켜 천연 가스를 액화시킨다. 열 교환기[(37), (38) 및 (39)]에 대한 냉각은 위에서 언급한 제2 냉각 사이클(33)에 의해 제공된다. 제1 냉각 사이클(32) 및 제2 냉각 사이클(33)에서의 냉매가 밀폐된 루프 시스템 속에서 순환하지만, 냉매가 누출을 통하여 시스템으로부터 손실되는 경우, 보충 냉매를 분별 증류 플랜트(36)(라인 16)로부터 공급할 수 있다. 도 2에서 예시하는 액화 공정에 있어서, 본 발명에 따라 천연 가스 스트림(10)을 냉각시키 데에는 2개의 사이클의 캐스케이드 시스템만이 필요하다.
최종 열 교환기(39)를 빠져나간 액화 천연 가스 스트림(19)은 하나 이상의 팽창 수단(예: 수압 터빈(40))을 통과시켜 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도와 액체 생성물이 포점 이하에서 유지되도록 하기에 충분한 압력을 갖는 PLNG 생성물을 생산한다. 이어서, PLNG를 적절한 라인(20)에 의해 저장 수단(41)으로 이송한다.
액화 천연 가스의 저장, 수송 및 처리에 있어서, 액화 천연 가스의 증발로부터 생성되는 상당량의 '정련' 증기가 존재할 수 있다. 본 발명은 PLNG에 의해 생산된 정련 증기를 액화시키는 데 특히 상당히 적합하다. 본 발명의 공정은 이러한 정련 증기를 임의로 다시 액화시킬 수 있다. 도 2에 있어서, 정련 증기는 라인(21)을 통하여 본 발명의 공정으로 도입될 수 있다. 임의로, 스트림(21) 중 일부는 스트림(22)으로서 회수될 수 있고, 후자를 액화 플랜트용 연료로서 사용하기 위하여 열 교환기(42)를 통과시켜 증기 시스템(18)을 냉각시키고, 회수된 정련 가스를 가온할 수 있다. 스트림(21) 중 나머지 부분은 통상적인 압축기(43)를 통과시켜 정련 증기가 거의 증기 스트림(18)의 압력으로 되도록 압축시키고, 이를 스트림(18)과 합한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시양태를 예시한다. 도 3에서 예시하는 공정은, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 스트림(18)을 압축기(44)로 통과시키고, 압축된 증기 스트림(18)을 열 교환기[(45) 및 (46)]로 통과시킨 다음, 이를 제1 냉각 사이클(3)의 냉매에 의해 냉각시키는 것을 제외하고는, 도 2에 대하여 위에서 언급한 공정과 유사하다.
도 3에 예시되어 있는 바와 같이, 스트림(18)을 제1 냉각 사이클(32)에 의해 냉각시킨 후 제2 냉각 사이클(33)에 의해 냉각시키기 전에, 임의로 정련 가스를 스트림(18)으로 도입할 수 있다. 정련 증기 스트림(21) 중의 적어도 일부를 통상적인 압축기(43)에 의해 압축시키고, 스트림(21)으로부터 배수된 스트림(22)에 의해 냉각된 압축된 가스(스트림(23))를 열 교환기(42)에 의해 냉각시킨다. 스트림(22)은 열 교환기(42)에 의해 가열된 후에 액화 플랜트에서 연료로서 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3이 분별 증류단계 후 제2 냉각 사이클의 냉각단계 이전의 단계에서 액화 공정으로 도입되는 정련 증기를 도시하지만, 본 발명을 실시하는 경우에 정련 증기를 열 교환기(30) 앞으로부터, 열 교환기(39) 뒤와 팽창기(40) 앞까지의 공정의 임의의 시점에서 액화되는 가스 스트림에 도입할 수 있다.
본 발명은, 경제적인 이유 때문에, 플레이트-핀 교환기(plate-fin exchanger) 및 냉각 박스 열 교환기(cold box heat exchanger)가 바람직하지만, 임의의 유형의 열 교환기로 제한되는 것은 아니다. 액상과 기상을 둘 다 함유하는, 열 교환기로 이송된 모든 스트림은 이들이 들어가는 통로의 단면적 전체에 걸쳐서 기상과 액상이 둘 다 동일하게 분포되는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해, 각각의 증기 및 액체 스트림용 분배 장치를 공급하는 것이 바람직하다. 스트림을 액체 스트림과 증기 스트림으로 분리시키는 것이 요구될 경우에는 분리기를 다중 상 유동 스트림(multi-phase flow stream)에 공급할 수 있다. 이러한 분리기는 도 2 및 도 3에 예시하는 바와 같이 열 교환기[(38) 및 (39)] 앞에서 당해 공정에 공급할 수 있다.
도면에 예시하는 실시양태를 설명하기 위해 시뮬레이팅한 매스와 에너지 밸런스를 실시하였으며, 결과는 다음 표 1에 기재되어 있다.
자료는 HYSYSTM이라고 하는 통상적으로 이용되는 공정 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 얻은 것이지만, 당해 기술 분야의 통상적인 숙련가에게 모두 잘 알려져 있는, 예를 들면, HYSIMTM, PROITTM및 ASPEN PLUSTM를 포함하는 기타의 통상적으로 이용되는 공정 시뮬레이션 프로그램이 자료를 확인하는 데 사용될 수 있다. 표 1에서 제시하는 자료는 도 1에 도시하는 실시양태를 보다 잘 이해하도록 제공되지만, 본 발명이 이로써 불필요하게 제한되는 것으로 해석되어서는 않된다. 온도 및 유량은 본 발명을 제한하는 것으로 생각되어서는 않되며, 본 발명은 본원 명세서에 나타난 바와 같이 온도 및 유량 변화가 많을 수 있다. 당해 실시양태에 있어서, 제1 냉각 사이클(32)은 프로판 시스템이고 제2 냉각 사이클(33)은 에틸렌 시스템이다.
표 2의 자료는 도 2에 도시하는 실시양태를 보다 잘 이해하도록 제공된다. 당해 실시양태에 있어서, 제1 냉각 사이클(3)은 프로판 시스템이고 제2 냉각 사이클(33)은 에탄 시스템이다.
도 1에 도시하는 기초 공정 흐름도와 동일한 공급 스트림 조성 및 온도를 사용하여, 통상적인 LNG를 생산하는 데 필요한 전체 설치 동력(거의 대기압 및 -160℃(-256℉)의 온도)은 도 1에서 예시하는 실시양태를 사용하여 PLNG를 생산하는 데 필요한 전체 설치 동력의 2배 이상이다: LNG를 생산하기 위한 동력은 177,927kW(238,000hp)이고 PLNG를 생산하기 위한 동력은 75,839kW(101,700hp)임. 이러한 비교는 HYSYSTM공정 시뮬레이션 장치를 사용하여 수행된 것이다.
당해 분야의 숙련가, 특히 본 발명의 교시로부터 이익을 얻는 사람은 위에서 언급한 특정 공정에 대한 많은 수정과 변형이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 시스템의 전체적인 설계 및 공급 가스의 조성에 의거하여, 본 발명에 따라 다양한 온도 및 압력이 사용될 수 있다. 또한, 공급 가스 냉각 트레인은 전체적인 설계 요건에 의거하여 보충되거나 재배열되어 최적의 유효한 열 교환 요건을 달성할 수 있다. 위에서 토의한 바와 같이, 특별히 언급한 실시양태 및 실시예가 다음의 청구의 범위 및 이의 상당하는 범위에 의해 결정되는 본 발명의 범주를 한정하거나 제한하는 데 사용되어서는 않된다.

Claims (11)

  1. 가스 스트림을 하나 이상의 냉각 단계를 포함하는 제1 냉각 사이클과 접촉되어 있는 열 교환기로 도입함으로써, 가스 스트림 온도가 제1 냉매의 제1 부분을 사용하는 열 교환에 의해 저하되어 냉각된 가스 스트림을 생산하는 단계(a),
    냉각된 가스 스트림을 하나 이상의 냉각 단계를 포함하는 제2 냉각 사이클과 접촉되어 있는 열 교환기로 도입함으로써, 냉각된 가스 스트림의 온도가 제2 냉매와의 열 교환에 의해 추가로 저하되어 액화 메탄 풍부 스트림을 생산하는 단계(b)[제2 냉매의 비점은 제1 냉매의 비점보다 낮으며, 제2 냉매는 부분적으로 냉각되고, 제1 냉매의 제2 부분과의 열 교환에 의해 응축되어 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도와 액화 스트림이 포점(bubble poing) 이하에서 유지되도록 하기에 충분한 압력을 갖는 액체 생성물을 생산한다] 및
    액화 스트림을 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도에서 저장하기 위한 저장 수단으로 도입하는 단계(c)를 포함하여, 가압 메탄 풍부 가스 스트림을 액화시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도와 액체 생성물이 포점 이하에서 유지되도록 하기에 충분한 압력을 갖는 액화 천연 가스의 증발에 의해 생성된 액화 정련 가스(boil-off-gas)를 제1항의 공정에 통과시키는 단계를 추가로 포함하여, 액화 공정에 의해 정련 가스가 적어도 부분적으로 액화되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 정련 가스를 제1 스트림과 제2 스트림으로 분리시키고, 제1 스트림을 압축시킨 다음, 압축된 제1 스트림을 제2 냉각 사이클의 적어도 최종 냉각 단계 이전에 액화 공정으로 통과시키고, 제2 스트림을 열 교환기로 통과시켜 제2 정련 스트림을 가온시킨 다음, 가온된 제2 정련 스트림을 연료로서 사용하여 천연 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 제2 냉각 사이클의 최종 단계 이전에, 정련 가스의 제1 스트림을 가스 스트림으로 도입하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 정련 가스를 제1 스트림과 제2 스트림으로 분리시키고, 제1 스트림을 압축시킨 다음, 압축된 제1 스트림을 열 교환기로 통과시키고, 제2 스트림을 열 교환기로 통과시켜 제2 스트림을 가열한 다음, 압축된 제1 스트림을 냉각시키고, 냉각시킨 압축된 제1 스트림을 제2 냉각 사이클의 적어도 최종 단계 이전에 천연 가스 스트림으로 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 가스 스트림이 메탄 및 메탄보다 무거운 탄화수소 성분을 함유하고, 대부분의 중질 탄화수소를 제거하여 메탄 풍부 증기 스트림과 중질 탄화수소 풍부 액체 스트림을 생산한 다음, 증기 스트림을 제1항의 공정에 따라 액화시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 중질 탄화수소가 풍부한 액체 스트림을 추가로 분별 증류하여 에탄 풍부 증기를 생성시키고, 제1항의 메탄 풍부 스트림과 혼합하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 가스 스트림의 액화 공정이 캐스케이드 장치에서 2개의 밀폐된 냉각 사이클만을 사용하여 수행되는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 가스 스트림이 메탄 및 메탄보다 무거운 탄화수소 성분을 함유하고, 단계(a) 후에 대부분의 중질 탄화수소를 제거하여 탄소수 3 이상의 탄화수소가 전혀 없는 가스 스트림을 생산한 다음, 증기 스트림을 압축시키고, 가스 스트림을 제1 냉각 사이클의 냉매의 제3 부분을 사용하여 하나 이상의 냉각단계에서 다시 냉각시킨 다음, 제1항의 단계(b)를 계속 수행하는 추가 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 가압 메탄 풍부 가스 스트림의 압력이 3,103kPa(450psia) 이상인 방법.
  11. 천연 가스 스트림을 사이클이 2개인 캐스케이드 냉각 시스템의 제1 냉각 사이클에 의해 하나 이상의 열 교환기로 냉각시키는 단계(a),
    냉각된 천연 가스를 상 분리기로 통과시켜 제1 증기 스트림과 액체 스트림을 생산하는 단계(b),
    액체 천연 가스 스트림을 메탄 분해기로 통과시켜 제2 증기 스트림과 제2 액체 스트림을 생산하는 단계(c),
    제2 액체 스트림을 분별 증류 플랜트로 통과시켜 응축 생성물, 보충 냉매 및 제3 증기 스트림을 생산하는 단계(d),
    제1 증기 스트림, 제2 증기 스트림 및 제3 증기 스트림을 합하고, 합한 증기 스트림을 캐스케이드 냉각 시스템의 제2 냉각 사이클에 의해 냉각된 하나 이상의 열 교환기로 통과시켜 합한 증기 스트림을 적어도 부분적으로 액화시키는 단계(e) 및
    단계(e)의 합한 증기 스트림을 팽창 수단으로 통과시켜 약 -112℃(-170℉) 이상의 온도 및 액체 생성물이 포점 이하에서 유지되도록 하기에 충분한 압력을 갖는 액화 천연 가스를 생산하는 단계(f)를 포함하여, 천연 가스 스트림을 액화시키는 방법.
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