KR100350934B1 - 가스 액화용 이원 혼합 냉매 사이클 - Google Patents

가스 액화용 이원 혼합 냉매 사이클 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가압 가스, 특히 천연 가스를 액화하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 두 개의 열 교환기로 수행되며, 각 열 교환기의 냉각은 단일 필수 정압에서 기화하는 혼합 냉매로 수행된다. 공급물 예비 냉각, 저온 냉매 예비 냉각 및 고온 액체 냉매 차냉각은 단일 필수 정압에서 기화하는 저온 냉매에 대해 한 개의 열 교환기에서 수행된다. 본 발명의 방법 및 시스템은 선박, 바지선 및 근해 플래트폼 상의 설비에 특히 적합하다.

Description

가스 액화용 이원 혼합 냉매 사이클{DUAL MIXED REFRIGERANT CYCLE FOR GAS LIQUEFACTION}
원격지에서 천연 가스를 액화시키고, 액화 천연 가스(LNG)를 인구 밀집 지대로 이송시켜 지역 소비를 위해 LNG를 저장하고 기화시키는 방법은 수년간 전세계적으로 성공적으로 실행되어 왔다. LNG 생산지는 LNG를 최종 사용자에게 이송하는 대형 LNG 유조선을 위한 도크 설비를 갖춘 원격지의 육지에 통상 위치한다.
액화를 위한 대형 냉각 요건을 갖춘 LNG 생산에 대해서 다수의 공정 사이클이 개발되었다. 통상, 그러한 사이클은 하나 이상의 혼합(MR) 시스템과 함께 작동하는 프로판 또는 단일 클로로플루오로카본 냉매를 사용하는 단일 성분 냉각 시스템의 조합을 이용한다. 통상적으로 널리 알려진 혼합 냉매는 경량 탄화수소 및 임의로, 질소를 포함하며, 특정 공정 단계의 온도 및 압력 레벨에 적합한 조성물을 이용한다.
기존의 LNG 공정 사이클 및 장치의 설계 및 조작에 있어서의 목적은 에너지 소비를 최소화하고 LNG 생산을 최대화하는 한편, 변동하는 생성물 수용률 및 변화하는 주위 온도 조건에서 작동하는 것을 목적으로 하였다. 통상적으로, LNG 생산 설비는 원격지의 육지를 기점으로 하기 때문에, 플랜트 배터리 한계에 요구되는 육지 영역은 플랜트 설계 및 레이아웃에 있어 중요한 인자가 아니었다.
다수의 혼합 냉매(MR) LNG 사이클이 이 분야에 개시되었다. 일반적으로, 이들 사이클은 제1 열교환기(즉, 온열 또는 고온 열교환기) 내에서 고온에서 기화하는 제1 냉매(즉, 온열 또는 고온 MR) 및 제2 열 교환기(즉, 냉온 또는 저온 열교환기) 내에서 저온에서 기화하는 제2 냉매(즉, 냉온 또는 저온 MR)를 사용한다. 미국 특허 제4,274,849호는 냉매 유체가 냉온 또는 저온 MR 열 교환기에 존재하는 별도의 교환기 내에서 공급 가스를 우선 냉각시키는 이원 혼합 냉매 공정을 기술하였다. 그 후, 예비 냉각된 공급물을 냉온 MR 교환기에서 더 냉각시켜서 액화시킨다. 압축후 기화된 저온 냉매는 온열 또는 고온 MR 교환기 내의 온열 또는 고온 냉매에 의해서 냉각된다. 이 공정의 단점은 공급물을 예비 냉각시키기 위해 여분의 열 교환기가 필요하다는 점이다.
미국 특허 제4,112,700호는 단간 압축과 함께 고온 MR을 세 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키는 이원 MR 공정을 개시하였다. 이 공정은 다중 열 교환기또는 다중 열 교환 구역을 사용해야 하며, 콤프레서로의 다중 반송 스트림이 요구된다. 이러한 다중 열 교환/압축단은, 조성물을 확산시키는 비평형 스트림이 온열 혼합 냉매 압축 트레인에서 단간 혼합되기 때문에, 열역학적 견지에서 단점을 가진다. 스트림의 혼합은 열역학적 비가역성을 야기시켜서 사이클 효율을 감소시키게 된다.
미국 특허 제4,525,185호에는 고온 MR을 세 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키는 이원 혼합 냉매 공정이 기재되어 있다. 이 공정은 다중 열 교환기 또는 열 교환 구역을 사용할 것을 요하며, 단간 공급물을 고온 MR 콤프레서로 이송시키는 것과 관련된 다중 용기, 밸브 및 배관을 초래한다. 이 공정에서, 저온 MR 열 교환기에 존재하는 저온 MR을 사용하여 공급물을 우선 냉각시킨다. 이 접근법의 단점은 전술한 미국 특허 제4,274,849호에서와 같이 여분의 열 교환기가 필요하다는 것이다. 이 공정 사이클에서, 비평형 스트림이 고온 혼합 냉매 트레인에서 단간 혼합되어 열역학적 비가역성을 야기시키고, 사이클 효율을 감소시킨다.
미국 특허 제4,545,795호는 고온 MR을 세 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키는 이원 혼합 냉매 공정을 개시하였다. 이 공정은 고온 MR 열 교환기 내에 다중 열 교환기 또는 열 교환 구역을 사용해야 한다. 이 공정에서, 저온 MR 교환기에 존재하는 유체를 사용하여 공급물을 우선 냉각시키는데, 이 공정은 전술한 미국 특허 제4,274,849호에서와 같이 추가의 열 교환기를 필요로 한다. 이 공정도, 비평형 스트림이 고온 MR 압축 트레인에서 단간 혼합되어 상기 논의한 바와 같은 열역학적 비가역성을 유발하기 때문에, 열역학적 견지에서 단점을 가진다.
미국 특허 제4,539,028호에는 고온 MR을 세 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키므로, 다중 열 교환기 또는 열 교환 구역을 사용해야 하는 이원 혼합 냉매 공정이 기재되어 있다. 저온 혼합 MR은 두 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키므로, 또한 다중 열 교환기 또는 열 교환 구역을 사용해야 한다. 이 공정에서, 저온 MR을 사용하여 공급물을 우선 냉각시키기 때문에, 추가의 열 교환기를 필요로 하며, 이는 전술한 몇 가지 공정과 같은 단점을 가진다. 이 사이클도, 비평형 스트림이 혼합 냉매 압축 트레인에서 단간 혼합되기 때문에, 열역학적 견지에서 단점을 가진다. 이 혼합은 열역학적 비가역성을 야기시켜서 사이클 효율을 감소시키게 된다.
파라도프스키(H.Paradowski) 등의 문헌('관련 가스의 액화', 제7회 LNG 국제 회의, 1983. 5. 15-19)에는 고온 혼합 냉매를 세 가지 압력 레벨에서 비등시키는 이중 MR 공정이 기술되어 있다. 이 공정은 다중 열 교환기 또는 열 교환 구역을 사용해야 한다. 또한, 공급물은 저온 MR 교환기에 존재하는 저온 MR을 사용하여 우선 냉각시키므로, 이 공정은 여분의 열 교환기를 요한다. 또한, 이 공정도, 고온 및 단간 MR 스트림이 냉매 압축 트레인 내에서 혼합되기 전에 대체로 고온 MR 스트림이 단간 스트림과 열 평형에 있지 않기 때문에, 열역학적 견지에서 단점을 가진다. 스트림이 콤프레서의 주 스트림으로 혼합되면, 열역학적 비가역성을 야기시켜서 사이클 효율이 감소된다.
미국 특허 제4,911,741호는 고온 MR을 세 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키는 이원 혼합 공정을 개시한다. 이 공정은 다중 열 교환기 또는 열 교환 구역을사용해야 하며, 또한, 잠재적으로 상이한 온도에서의 스트림이 고온 혼합 냉매 압축 트레인에서 단간 혼합되기 때문에, 상기 논의한 바와 같이 열역학적 견지에서 단점을 가진다. 이러한 스트림 혼합은 열역학적 비가역성을 야기시켜서 사이클 효율을 감소시킨다.
미국 특허 제4,339,253호에는 고온 MR을 두 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키는 이원 MR 공정이 기술되어 있다. 또한, 고온 MR로부터의 단간 액체 스트림은 제3 압력에서 비등시킨다. 이 공정은 다중 열 교환기 또는 열 교환 구역을 사용해야 한다. 이 공정에서는 저온 MR 교환기의 온열 단부에 존재하는 저온 MR 증기로 열 교환함으로써 중량 탄화수소를 제거하기 전에 공급물을 초기에 냉각시킨다. 이 접근법의 단점은 여분의 열 교환기를 필요로 한다는 점이다. 이 열 교환도 압축전 저온 MR 스트림의 압력 강하를 증가시킨다. 전술한 몇 가지 공정에서와 같이, 이 공정은, 비평형 스트림을 고온 MR 압축 트레인에서 단간 혼합하기 때문에 열역학적 단점을 가진다. 스트림을 주 흐름에 혼합하면, 열역학적 비가역성을 야기시켜서 사이클 효율을 감소시킨다.
미국 특허 제4,094,655호는 저온 MR을 두 가지 상이한 압력 레벨에서 비등시키는 이원 MR 공정을 기술한다. 이 공정에서는, 고온 MR을 고온 혼합 냉매 루프 자체에 의해 냉각시키기 보다는 저온 MR 교환기로부터의 유체를 사용하여 우선 냉각시킨다. 이 접근법의 단점은 여분의 열 교환기가 요구된다는 것이다. 전술한 몇 가지 공정에서와 같이, 이 공정은, 비평형 스트림이 고온 MR 압축 트레인에서 단간 혼합되기 때문에 열역학적 단점을 가진다. 스트림이 주 흐름에 혼합되면, 열역학적 비가역성이 야기되어 사이클 효율이 감소하게 된다.
고온 MR을 몇 가지 상이한 압력에서 비등시키는 또 다른 이원 MR 공정으로는 미국 특허 제4,504,296호, 제4,525,185호, 제4,755,200호 및 제4,809,154호에 기재된 공정이 있다.
통상적으로, 전술한 LNG 공정은 육지를 기점으로 하는 위치에서 이용되며, 일반적으로, 플랜트 배터리 한계에 요구되는 육지 영역은 플랜트 설계 및 레이아웃에서 중요한 인자는 아니다. 최근, 상업적 관심사는 전술한 바와 같은 육지 기점 액화 공정에서는 할 수 없는 가스 자원의 잠재적 회수율을 증가시키는 것이다. 이러한 자원은 근해 위치에서 발견되며, 이들 자원의 회수는 선박, 바지선 및 근해 플래트폼 상의 설비로 할 수 있는 가스 액화 시스템에 대한 필요성을 부각시킨다.
대부분의 대형 LNG 생산 플랜트는 공급 가스를 예비 냉각 시킨 후, 다성분 또는 혼합 냉매(MR) 사이클에 의해 더 냉각시키고 액화시키는 프로판 냉매 사이클을 이용한다. 육지 기점 플랜트에서는 매우 효율적이고, 비용면에서 효과적인 프로판 예비 냉각 사이클은 선박 또는 바지선에 적용하기에는 어떤 단점을 가진다. 상당히 대량의 프로판을 유지하기 위한 필요성은 잠재적인 안전성 문제를 제시하며, 수많은 프로판 기화기는 부족한 배치 계획 면적을 소모한다. 전술한 바와 같은 몇 가지 예의 이원 혼합 냉매 사이클은 프로판 예비 냉각 시스템에서 프로판 재고를 감소시키지만, 필요한 배치 계획 면적을 증가시키는 수많은 열 교환기와 용기를 필요로 하며, 따라서, 근해에 적용하기에는 적당하지 않다.
본 발명은 근해에 적용하기에 적당하며, 규모가 작고, 비용면에서 효과적인 사이클로 프로판 예비 냉각 단계없이 고 효율로 작동시킬 수 있는 천연 가스 액화 공정에 대한 필요성에 관한 것이다. 이하, 이들 목적을 충족시키는 천연 가스 액화 공정 및 시스템을 설명하며, 첨부된 특허 청구 범위로 규정한다.
본 발명은,
(a) 제1 열 교환 구역에서, 제1 필수 정압에서 기화시킨 제1 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 가압 공급 가스를 냉각시켜서 냉각 공급 가스 및 제1 혼합 냉매 증기를 얻는 단계,
(b) 제2 열 교환 구역에서, 제2 필수 정압에서 기화시킨 제2 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 상기 냉각 공급 가스를 더 냉각시키고 응축시켜서 액체 생성물 및 제2 혼합 냉매 증기를 얻는 단계,
(c) 상기 제1 혼합 냉매 증기를 압축시키고, 얻어진 압축된 제1 혼합 냉매 증기를 냉각, 응축 및 플래시하여 제1 기화 혼합 냉매를 제공하는 단계, 및
(d) 상기 제2 혼합 냉매 증기를 압축시키고, 얻어진 압축된 제2 혼합 냉매 증기를 냉각, 응축 및 플래쉬하여 제2 기화 혼합 냉매를 제공하는 단계
를 포함하며, 상기 제2 혼합 냉매 증기의 냉각 및 응축을 위한 냉동의 적어도 일부는 제1 열 교환 구역에서 상기 제1 기화 액체 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 가압 공급 가스의 액화 방법에 관한 것이다.
상기 단계 (c)의 제1 혼합 냉매 증기의 압축은 필요에 따라서 하나 이상의 단간 2상 냉매 스트림을 발생하는 둘 이상의 압축 단계로 실행할 수 있고, 상기 단간 2상 냉매 스트림을 단간 냉매 증기 및 단간 냉매 액체로 분리하며, 상기 단간 냉매 증기를 압축시켜서 더 압축된 냉매를 얻고, 상기 단간 액체 냉매를 펌핑하여 더 가압된 액체 냉매를 얻으며, 상기 더 압축된 냉매와 상기 더 가압된 액체 냉매를 배합하여, 이와 같이 얻어진 배합된 제1 혼합 냉매를 냉각하고, 응축하고, 임의로 차냉각(subcooled)하고, 플래쉬하여 단계 (a)에서 제1 기화 혼합 냉매를 제공한다.
상기 압축후 제1 혼합 냉매 증기의 냉각 및 응축을 위한 냉동의 적어도 일부는 제1 열 교환 구역에서 상기 제1 기화 액체 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 제공할 수 있다. 통상적으로, 상기 제1 증기 혼합 냉매는 약 1 내지 약 30 바의 절대압 범위에서 기화시키고, 제2 기화 혼합 냉매는 약 1 내지 약 15 바의 절대압 범위에서 기화시킨다.
보통, 상기 제1 혼합 냉매 증기는 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, i-부탄, 부탄, i-펜탄, 염소화 탄화수소 및 플루오르화 탄화수소로 구성된 군 중에서 선택되는 둘 이상의 성분을 포함한다. 보통, 상기 제2 혼합 냉매 증기는 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, i-부탄, 부탄, i-펜탄, 염소화 탄화수소 및 플루오르화 탄화수소를 포함한다.
바람직하게는, 가압 공급 가스는 천연 가스의 가압 스트림을 처리하여 물, 이산화탄소, 황 함유 화합물, 수은 및 수은 함유 화합물로 구성된 군 중에서 선택되는 오염물을 제거함으로써 제공된다. 필요에 따라서, 메탄보다 무거운 탄화수소는
(1) 제1 위치에서 상기 냉각된 공급 가스를 증류 칼럼에 도입하고, 이로부터 메탄이 풍부한 오버헤드 스트림 및 메탄보다 무거운 성분의 저류를 회수하는 단계, 및
(2) 상기 저류를 분리하여 탄소 원자가 네 개 이하인 성분을 포함하는 제1 탄화수소 스트림과 탄소 원자가 네 개보다 많은 성분을 포함하는 제2 탄화 수소를 얻는 단계
에 의해 상기 가압 공급 가스로부터 제거할 수 있다.
임의로, 상기 방법은
(3) 상기 제1 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 상기 제1 탄화수소 스트림의 적어도 일부를 냉각시키는 단계, 및
(4) 상기 얻어진 냉각 탄화수소를 메탄이 풍부한 오버헤드 스트림과 배합한 후, 단계 (b)의 제2 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 더 냉각시키고 응축시키는 단계
를 더 포함할 수 있다.
단계 (b)의 액체 생성물은 메탄이 풍부한 액체일 수 있으며, 상기 메탄이 풍부한 액체 생성물을 플래쉬하고 분리하여 더 농축된 액체 메탄 생성물과 메탄보다 가벼운 성분을 포함하는 오프가스 스트림을 얻을 수 있다.
상기 압축후 제2 혼합 냉매 증기의 냉각 및 응축을 위한 냉동의 일부는 메탄보다 가벼운 성분을 포함하는 오프가스 스트림으로 제3 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 적어도 부분적으로 제공될 수 있다. 또한, 상기 압축후 제2 혼합 냉매 증기의 냉각 및 응축을 위한 냉동의 일부는 상기 제2 열 교환 구역에서 상기 제2 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 적어도 부분적으로 제공될 수 있다.
상기 압축후 제2 혼합 냉매 증기는 제1 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 냉각하여 제1 온도에서 그로부터 회수할 수 있다. 이와 같이 냉각된 제2 혼합 냉매 스트림은 상기 제2 열 교환 구역에 도입하여 거기서 간접 열 교환에 의해 더 냉각시킬 수 있다. 상기 제2 혼합 냉매 증기는 바람직하게는 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 제2 열 교환 구역으로부터 회수할 수 있으며, 이와 같이 더 냉각된 제2 혼합 냉매 증기는 예비 가열없이 직접 압축시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 공정은 가압 공급 가스로부터 메탄보다 무거운 탄화수소를 제거한 후,
(1) 상기 가압 공급 가스를 냉각시키고, 이와 같이 냉각된 공급 가스를 증류 칼럼에 도입하여 그로부터 메탄이 풍부한 오버헤드 스트림과 메탄보다 무거운 성분을 포함하는 저류를 회수하는 단계,
(2) 상기 저류를 분리하여 탄소 원자가 네 개 이하인 성분을 포함하는 제1 탄화수소 스트림과 탄소 원자가 네 개보다 많은 성분을 포함하는 제2 탄화수소 스트림을 얻는 단계,
(3) 상기 제1 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 상기 제1 탄화수소 스트림을 냉각시키는 단계, 및
(4) 상기 단계 (3)에서 얻은 냉각된 탄화수소 스트림의 적어도 일부를 단계 (1)의 증류 칼럼을 위한 환류로서 사용하는 단계
에 의해 단계 상기 (b)의 제2 열 교환 구역에서 간접 열 교환함으로써 더 냉각하고 응축시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
임의로, 상기 가압 공급 가스의 일부를 상기 제1 위치 아래에 있는 제2 위치에서 증류 칼럼에 도입할 수 있다.
상기 단계 (c)의 상기 제1 혼합 냉매 증기를 압축하는 단계는 필요에 따라서, 단간 압축 냉매를 발생하는 둘 이상의 압축 단계로 실행할 수 있으며, 상기 단간 압축 냉매를 냉각시키고, 부분적으로 응축시켜서 단간 냉매 증기 및 단간 냉매 액체로 분리하며, 상기 단간 냉매 증기를 압축시켜서 더 압축된 냉매를 얻은 후, 냉각, 응축, 임의로 차냉각 및 플래쉬하여 상기 단계 (a)에 제1 기화 혼합 냉매를 제공하고, 상기 단간 액체 냉매를 제1 필수 정압에서 차냉각하고 플래쉬하여 상기 제1 열 교환 구역에 추가의 냉동을 제공한다.
상기 압축후 제2 혼합 냉매 증기의 냉각 및 응축은 상기 제1 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 실행하여 중간 제2 혼합 냉매 증기 및 중간 제2 혼합 냉매 액체를 함유하는 부분 응축된 제2 혼합 냉매 스트림을 얻을 수 있다.
다수의 추가적이고, 임의적인 단계에서,
(1) 상기 부분 응축된 제2 혼합 냉매 스트림을 분리하여 중간체 제2 혼합 냉매 증기와 중간체 제2 혼합 냉매 액체를 얻고,
(2) 상기 중간 제2 혼합 냉매 증기를 냉각시키고, 응축시키고, 임의로 차냉각시키고, 플래쉬하여 상기 단계 (b)의 제2 증기 혼합 냉매를 제공하고,
(3) 상기 중간체 제2 혼합 냉매 액체를 상기 제2 필수 정압에서 차냉각하고플래쉬하여 상기 제2 열 교환 구역에 추가의 냉동을 제공한다.
본 발명은
(a) 제1 필수 정압에서 기화하는 제1 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 냉각을 적어도 부분적으로 수행하고, 상기 냉각으로 냉각된 가압 공급 가스, 액화된 제1 혼합 냉매 및 냉각된 제2 압축 혼합 냉매를 얻으며, 상기 제1 기화 혼합 냉매로 제1 혼합 냉매 증기를 얻는, 가압 공급 가스의 냉각, 압축된 제1 혼합 냉매의 냉각 및 압축된 제2 혼합 냉매의 냉각을 위한 제1 열 교환 수단,
(b) 상기 제1 혼합 냉매 증기를 압축하여 상기 압축된 제1 혼합 냉매를 제공하기 위한 제1 압축 수단,
(c) 상기 액화된 제1 혼합 냉매를 플래쉬하여 상기 제1 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 감압 수단,
(d) 제2 필수 정압에서 기화하는 제2 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 냉각을 적어도 부분적으로 수행하고, 상기 냉각으로 액체 생성물 및 액화된 제2 혼합 냉매를 얻으며, 상기 제2 기화 혼합 냉매로 제2 혼합 냉매 증기를 얻는, 냉각된 공급 가스의 추가 냉각 및 응축과, 냉각된 제2 압축 혼합 냉매의 추가의 냉각 및 액화를 위한 제2 열 교환 수단,
(e) 상기 제2 혼합 냉매 증기를 압축하여 상기 압축된 제2 혼합 냉매를 제공하기 위한 제2 압축 수단,
(f) 상기 액화된 제2 혼합 냉매를 플래쉬하여 상기 제2 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 감압 수단, 및
(g) 상기 가압 공급 가스를 상기 제1 열 교환 수단에 도입하기 위한 배관 수단,
상기 냉각된 공급 가스를 상기 제1 열 교환 수단에서 상기 제2 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단,
액체 생성물을 상기 제2 열 교환 수단에서 회수하기 위한 배관 수단,
제1 혼합 냉매 증기를 상기 제1 열 교환 수단에서 상기 제1 압축 수단으로 이송하고, 상기 얻어진 압축된 제1 혼합 냉매 증기를 상기 제1 압축 수단에서 상기 제1 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단,
상기 냉각된 제2 압축 혼합 냉매를 상기 제1 열 교환 수단에서 상기 제2 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단, 및
상기 제2 혼합 냉매 증기를 상기 제2 열 교환 수단에서 상기 제2 압축 수단으로 이송하고, 상기 얻어진 압축된 제2 혼합 냉매 증기를 상기 제2 압축 수단에서 상기 제1 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단
을 포함하는 가압 공급 가스의 액화 시스템에 관한 것이다.
상기 제1 압축 수단은, 필요에 따라서
한 개의 단이 단간 압축 냉매를 발생하는, 두 개 이상의 콤프레서 단 및 관련 배관 수단,
상기 단간 압축 냉매를 냉각시키고, 부분적으로 응축시킴으로써 2상 단간 냉매를 제공하는 단간 냉각기,
상기 2상 단간 냉매를 단간 냉매 증기 및 단간 냉매 액체로 분리하는 분리기및 관련 배관 수단,
상기 단간 냉매 증기를 압축하여 더 압축된 냉매를 제공하는 추가의 콤프레서 단,
상기 단간 냉매 액체를 가압하기 위한 펌프 및 관련 배관 수단, 및
상기 얻어진 가압된 단간 냉매 액체 및 상기 더 가압된 냉매를 배합하여 상기 단계 (a)의 압축된 제1 혼합 냉매를 제공하기 위한 배관 수단
을 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템은
(1) 천연 가스로부터 얻어진 메탄이 풍부한 공급 가스인 상기 냉각된 가압 공급 가스를 증류 칼럼에 도입하여 메탄이 더 풍부한 오버헤드 스트림과 메탄보다 무거운 성분을 포함하는 저류로 회수하기 위한 증류 및 관련 배관 수단,
(2) 상기 저류를 탄소 원자가 네 개 이하인 성분을 포함하는 경량 탄화수소 스트림과 탄소 원자가 네 개보다 많은 성분을 포함하는 중량 탄화수소 스트림으로 분리하기 위한 분리 수단 및 관련 배관 수단,
(3) 상기 경량 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위한 상기 제1 열 교환 수단 내의 냉각 수단, 및
(4) 상기 제2 열 교환 수단에서 간접 열 교환에 의해 더 냉각시키고 응축시키기 전에 상기 단계 (3)에서 얻은 냉각된 경량 탄화수소 스트림을 상기 단계 (1)의 오버헤드 스트림과 배합하기 위한 배관 수단
을 더 포함할 수 있다.
임의로, 본 발명의 시스템은 상기 냉각된 가압 공급 가스가 상기 증류 칼럼에 도입되는 위치 아래에 있는 위치의 증류 칼럼으로 상기 가압 공급 가스의 일부를 도입하기 위한 배관 수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템은 상기 단계 (d)의 제2 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 더 냉각시키고 압축시키기 전에, 천연 가스로부터 얻어진 메탄이 풍부한 공급 가스인 상기 냉각된 가압 공급 가스로부터 메탄보다 무거운 탄화수소를 제거하기 위한 수단을 포함할 수 있으며, 상기 수단은
(1) 상기 냉각된 가압 공급 가스를 메탄이 더 풍부한 오버헤드 스트림과 메탄보다 무거운 성분의 저류로 분리하기 위한 증류 칼럼,
(2) 상기 저류를 탄소 원자가 세 개 이하인 성분을 포함하는 경량 탄화수소 스트림과 탄소 원자가 세 개보다 더 많은 성분을 포함하는 중량 탄화수소 스트림으로 분리하기 위한 분리 수단,
(3) 상기 경량 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위한 상기 제1 열 교환 수단 내 냉각 수단, 및
(4) 상기 단계 (3)에서 얻은 냉각된 탄화수소 스트림의 일부를 상기 단계 (1)의 증류 칼럼을 위한 환류로서 도입하기 위한 배관 수단
을 포함한다.
상기 제1 압축 수단은, 필요에 따라서
한 개의 단이 단간 압축 냉매를 발생하는, 두 개 이상의 콤프레서 단 및 관련 배관 수단,
상기 단간 압축 냉매를 냉각시키고, 부분적으로 응축시킴으로써 2상 단간 냉매를 제공하는 단간 냉각기,
상기 2상 단간 냉매를 단간 냉매 증기 및 단간 냉매 액체로 분리하는 분리기 및 관련 배관 수단,
상기 단간 냉매 증기를 압축하여 더 압축된 냉매를 제공하는 추가의 콤프레서 단
을 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템은
상기 압축된 제1 혼합 냉매로서 상기 더 압축된 냉매를 제공하여 냉각시키고, 응축시키고, 플래쉬하여 상기 단계 (a)의 제1 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 배관 수단,
상기 단간 냉매 액체를 상기 제1 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단,
상기 단간 냉매 액체를 냉각시키기 위한 상기 제1 열 교환 수단 내 열 전달 수단,
상기 얻어진 냉각된 단간 냉매 액체를 플래쉬하여 상기 제1 필수 정압에서 추가의 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 감압 수단, 및
상기 추가의 기화 혼합 냉매를 상기 제1 열 교환 수단에 도입하여 그 안에서 냉동을 제공하기 위한 배관 수단
을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템은
(1) 상기 냉각된 제2 압축 혼합 냉매가 부분적으로 응축되었을 때, 상기 냉각된 제2 압축 혼합 냉매를 분리하여 중간체 제2 혼합 냉매 증기와 중간체 제2 혼합 냉매 액체를 제공하기 위한 분리기,
(2) 상기 중간체 제2 혼합 냉매 액체를 냉각시키기 위한 상기 제2 열 교환 수단 내 열 전달 수단,
(3) 상기 얻어진 차냉각된 중간체 제2 혼합 냉매 액체를 플래쉬하여 상기 제2 필수 정압에서 추가의 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 감압 수단, 및
(4) 상기 추가의 기화 혼합 냉매를 상기 제2 열 교환 수단에 도입하여 그 안에서 냉동을 제공하기 위한 배관 수단을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 주요 구체예의 개략 공정도이고,
도 2는 본 발명의 제1 대안적 구체예의 개략 공정도이며,
도 3은 본 발명의 제2 대안적 구체예의 개략 공정도이고,
도 4는 본 발명의 제3 대안적 구체예의 개략 공정도이며,
도 5는 본 발명의 제4 대안적 구체예의 개략 공정도이다.
본 발명은 공간이 부족한 선박, 바지선 또는 근해 플래트폼 상에서의 천연 가스 액화에 특히 유용한 효율적인 가스 액화 공정 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 필요한 장치 아이템의 크기 및 수를 최소화한다.
본 발명에 따르면, 이원 혼합 성분 냉매는 시스템에 냉동을 제공하는 데 사용되며, 프로판 또는 기타 단성분 탄화수소 예비 냉각 시스템을 필요로 하지 않는다. 고온 또는 온열 냉동은 증류에 의해 공급물로부터 중량 탄화수소를 제거하기 위한 최적 온도 범위에서 제공되며, 천연 가스 공급물을 예비 냉각시키면서 동시에 저온 또는 냉온 혼합 냉매를 냉각시키기 위한 단일 기화 압력에서 냉동이 제공된다.
저온 혼합 냉매는 단일 기화 압력에서 냉동을 제공하여 공급물을 최종 냉각 및 액화시킬 수 있다. 저온 혼합 냉매 증기는 고온 냉매에 의해 제공되는 대략 최저 온도에서 냉간 압축된다. 각각의 혼합 냉매는 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, i-부탄, 부탄, i-펜탄 및 기타 탄화수소 중에서 선택되는 하나 이상의 성분을 포함한다. 염소화 및/또는 플루오르화 탄화수소와 같은 다른 화합물도 혼합 냉매에 포함될 수 있다.
혼합 성분 순환을 이용하여 고온 냉동을 제공하는 방법은 고온 혼합 성분 스트림을 압축하는 단계 및 공기 또는 냉각수와 같은 외부 냉각류를 사용하여 그것을 냉각시키는 단계로 구성된다. 혼합 냉매의 일부는 압축단 간의 외부 냉각에 의하여 액화시킬 수 있다. 본 발명의 효율적인 구체예에서, 이 액체를 펌핑하고, 압축의 최종단에서 방출되는 가스와 혼합하고, 외부 냉각을 이용하여 냉각시킨다. 압축된 고온 혼합 냉매 스트림의 일부는 외부 냉각후 액화시킨다.
압축 및 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도 일부를 열 교환기에서 더 냉각시킨 다음, 공급 가스와 저온 혼합 냉매를 냉각시키면서 압력을 감소시키고 열 교환에 의해 기화시킨다. 증발되고 가온된 혼합 냉매 스트림을 압축하고 재순환시킨다. 본 발명에 따르면, 고온 혼합 냉매 순환은 천연 가스 액화에 필요한 총 냉동의 일부로서 -20℃ 내지 -70℃의 온도 레벨에서 냉동을 제공한다.
혼합 성분 순환을 이용하여 저온 냉동을 제공하는 방법은 혼합 성분 스트림을 압축하는 단계 및 공기 또는 냉각수와 같은 외부 냉각류를 사용하여 압축된 스트림을 냉각시키는 단계로 구성된다. 압축되고 냉각된 혼합 냉매 스트림의 적어도일부는 고온 혼합 냉매를 사용하여 열 교환기에서 더 냉각시킨 후, 압력을 감소시켜서(플래쉬) 더 냉각시키고, 냉각 및 응축 공급 가스에 대하여 열 교환에 의해 기화시킨다. 증발되고 가온된 혼합 냉매 스트림은 더 이상의 열 교환없이 냉간 압축시키고, 재순환시킨다.
본 발명의 주요 구체예를 도 1로 예시한다. 약 300 바 이하의 절대압(이하, 후술하는 모든 압력은 절대압이다)에서 통상, 메탄 함유 가스, 바람직하게는 천연 가스인 공급 가스(90)를 건조시키고, 전처리 섹션(100)에서 CO2및 H2S와 같은 산성 가스와 함께 수은 또는 수은 함유 화합물과 같은 기타 오염물을 제거하기 위한 공지의 방법에 의해 세정한다.
전처리 가스(102)를 제1 열 교환기 또는 열 교환 구역(104)에 도입하고, 거기서 대략 -20℃ 내지 -70℃의 중간 온도로 냉각시킨다. 이 냉각 단계의 실제 온도 레벨은 원료 조성 및 소정 LNG 생성물 특성(예를 들면, 가열 값)에 의존하며, 때때로 압축 설비 간의 일정한 동력 분할을 달성하기 위한 계획에 따라 지시한다. 열 교환기(104)에서의 냉각은 통상, 메탄, 에탄, 프로판, i-부탄, 부탄 및 가능하게는 i-펜탄 중에서 선택되는 하나 이상의 탄화수소를 함유하며, 질소와 같은 다른 성분도 함유할 수 있는 고온 혼합 냉매 스트림(110)을 가온하고 기화시킴으로써 수행한다.
냉각된 공급 스트림(108)은 메탄보다 무거운 탄화수소를 제거하기 위해 재비등시킨 스트리퍼 또는 스크러버 칼럼(106)로 도입한다. 저부 생성물 스트림(112)은 분류 섹션(114)에 도입하여 펜탄과 중량 성분을 분리하여 스트림(116)으로 회수한다. 스크럽 칼럼(106)으로부터의 저류의 일부는 기열기(172)에서 기화시켜서 상기 칼럼에 비등 또는 스트리핑 가스를 제공한다. 부탄 및 경량 성분은 스트림(118)으로서 회수하고, 열 교환기(104)에서 냉각시키고, 스크럽 칼럼(106)의 오버헤드 생성물과 배합하여 예비 냉각된 공급물 스트림(120)을 얻는다. 대안으로, LNG 생성물 특성에 따라서, 스트림(118)이 프로판과 경량 성분을 함유하도록 분류를 수행할 수도 있다.
예비 냉각된 공급물 스트림(120)을 더 냉각시키고, 저온 혼합 냉매 스트림(124)을 가온하여 기화시킴으로써 간접 열 교환에 의해 열 교환기(122)에서 액화시킨다. 얻어진 액화 생성물 스트림(121), 통상적으로는 액화 천연 가스(LNG)는 스로틀 밸브(126)를 통해 저압으로 단열 감압시켜서 플래쉬한다. 대안으로, 액화 생성물 스트림(121)의 압력은 터보팽창기를 통해 공정 팽창시킴으로써 감소시킬 수 있다.
감압 LNG 생성물 스트림은 저장 탱크(128)에 도입하여 최종 액화 생성물 스트림(130)을 회수한다. 어떤 경우에서는 천연 가스 공급 조성과 열 교환기(122)로부터의 스트림(121) 온도에 따라서, 밸브(126)를 통해 플래쉬한 후, 상당량의 경량 가스(132)를 방출시킬 수 있다. 통상, 플래쉬 가스 스트림(132)을, 예를 들면 열 교환기(162)에서 가온하고, 연료 가스로 사용하기 위해 오프가스 압축기(134)에서 압축한다.
천연 가스 공급물을 주위 온도에서 약 -20℃ 내지 -70℃로 냉각시키는 냉동은 전술한 바와 같이 고온 다성분 냉동 루프에 의해 제공한다. 스트림(136)은 압축 및 냉각 후의 고온 혼합 냉매이며, 통상 다소의 응축액을 함유한다. 스트림은 주위 온도 및 통상 약 3 바 이상의 절대압에서 열 교환기(104)로 도입시키고, 응축 및 냉각시키고, 임의로 대략 -20℃ 내지 -70℃의 온도로 차냉각시켜서 스트림(138)으로서 방출시킨다. 스트림(138)을 스로틀 밸브(150)를 통과시켜서 약 1 내지 약 30 바 범위의 낮은 절대압으로 단열 플래쉬하고, 감압 스트림(110)을 열 교환기(104)의 냉단부로 도입한다. 대안으로, 냉각된 냉매 스트림(138)의 압력은 터보팽창기를 통해 공정 팽창시킴으로써 감소시킬 수 있다. 등엔탈피 또는 필수적으로 등엔트로피 감압으로 정의되는 플래쉬 단계는 냉각 또는 기화 단계를 포함할 수 있으며, 감압 밸브를 통해 스로틀링하거나, 터보팽창기 또는 팽창 엔진으로 공정 팽창시킴으로써 달성될 수 있다.
플래쉬된 고온 냉매 스트림(110)은 열 교환기(104)에서 가온하여 기화시키고, 바람직하게는 열 교환기(104)로 반송되는 압축 냉매 스트림(136) 온도 아래의 온도에서 증기 냉매 스트림(140)으로서 상기 교환기로부터 배출시킨다. 증기 냉매 스트림(140)은 다단식 중간 냉각 콤프레서(142)에서 약 3 바의 절대압 이상으로 압축시킨다. 액체(144)는 단계식 콤프레서(142)의 중간 냉각기(들)에서 형성될 수 있으며, 형성되었다면, 그것을 펌핑하여 콤프레서(142)의 최종단으로부터의 압축 냉매 증기(146)와 배합하는 것이 바람직하다. 배합된 냉매 스트림(148)은 거의 주위 온도로 냉각시켜서 전술한 바와 같은 고온 혼합 냉매 스트림(136)을 제공한다. 필요에 따라서 2 이상의 압축단을 사용할 수도 있다.
압축단 사이에서 액체를 압축하는 단계, 압축액을 후속 압축단 증기 방출 압력으로 펌핑하는 단계, 증기와 액체류를 배합하는 단계 및 배합된 스트림을 냉각시키는 단계로 조합된 단계는 전체 가스 액화 사이클의 효율을 증가시킨다. 이러한 점은 후속 압축단에 의해 압축된 가스의 질량 유동 감소와 열 교환기(104) 내 감소된 냉동 효율로 알 수 있다.
대략 -20℃ 내지 -70℃에서 최종 액화 온도로 가스 공급물 스트림을 최종 냉각시키는 단계는 전술한 바와 같은 냉매 성분을 함유하는 저온 혼합 냉매 루프를 사용하여 달성될 수 있다. 압축된 저온 혼합 냉매 스트림(152)을 대략 주위 온도와 약 3 바를 초과하는 절대압에서 교환기(104)에 도입하고, 거기서 간접 열 교환에 의해 대략 -20℃ 내지 -70℃의 온도로 냉각시켜서 냉각된 저온 혼합 냉매 스트림(154)으로 방출한다.
냉매 스트림(154)을 열 교환기(122)에서 약 -125℃ 이하의 최종 온도로 더 냉각시키고, 임의로 차냉각시켜서 냉각된 스트림(158)을 스로틀 밸브(156)를 통해 약 3.3 바의 절대압으로 등엔탈피적으로 플래쉬한다. 대안으로, 냉각된 스트림(158)의 압력은 터보팽창기를 통해 공정 팽창시키거나, 팽창 엔진을 왕복시켜서 감소시킬 수 있다. 작은 부분의 냉매 스트림(154)을 스트림(160)으로서 플래쉬 가스 스트림(132)에 의해 열 교환기(162)에서 냉각시킬 수 있다.
플래쉬된 저온 혼합 냉매 스트림(124)을 열 교환기(122)의 냉단부에 도입하여 기화시킴으로써 그 안에서 냉동을 제공한다. 기화된 저온 혼합 냉매 스트림(164)은 열 교환기(122)로 반송되는 냉각된 냉매 스트림(154)의 온도 아래의온도에서 열 교환기(122)로부터 방출된다. 그 후, 기화된 냉매 스트림(164)을 다단식 중간 냉각 콤프레서(166)에서 직접 5 바를 초과하는 절대압으로 압축하여 저온 혼합 냉매 스트림(152)을 제공한다. 기화된 저온 혼합 냉매 스트림(164)은 공급물 가스 또는 기타 공정 스트림을 예비 냉각시키는 데 사용되지 않으므로, 예비 가열하지 않고 직접 압축 통과시킨다.
열 교환기(104) 및 (122)는 이 분야에 공지된 권취 코일, 쉘 및 튜브, 플레이트 핀(plate-fin) 교환기와 같은 어떤 적당한 열 교환 장치를 이용할 수 있다. 권취 코일 교환기가 밀집한 크기 및 효율적인 열 전달 성능때문에 바람직하다.
본 발명의 다른 구체예가 도 2에 제공된다. 이 구체예에서, 부탄 및 경량 성분을 함유하는 스트림(118)을 교환기(104)로 재순환시킨 다음, 냉각시키고, 두 부분(268 및 270)으로 나눈다. 부분(268)은 벤젠과 같은 중량 성분을 매우 낮은 수준으로 제거하기 위해 스크럽 칼럼(106)에서 환류로 사용한다. 나머지 부분(270)은 스크럽 칼럼(106)의 오버헤드 생성물과 배합하여 예비 냉각된 공급물 스트림(120)을 얻는다. 스트림(268)과 스트림(270)의 상대 유동은 공급물 조성과 공급물 스트림으로부터의 요구되는 오염물 제거 정도에 따른다. 대안으로, 시스템은 스트림(118)이 주로 프로판과 경량 성분을 함유하도록 조작할 수 있다.
본 발명의 제2 대안적 구체예는 도 3에 제공되며, 온열 천연 가스 공급물(102)의 소부분(374)은 교환기(104)에서 냉각시키기 보다는 공급 스트림(108)의 정상 위치 아래의 스크럽 칼럼(106)으로 직접 공급된다. 이 대안적 구체예는 스크럽 칼럼(106)의 리보일러 교환기(172)에서 스트리핑 증기를 발생하는데 필요한 외열의 양을 감소시킨다. 또한, 이 대안적 구체예는 교환기(104)의 냉동 부하를 감소시키며, 공급물(102)이 고 레벨의 중량 탄화수소를 함유하는 경우와 스트림(108)의 액체 분율이 높은 경우에 유리하다.
본 발명의 제3 대안적 구체예는 도 4에 제공된다. 이 구체예에서, 콤프레서(142)에서 단간 압축되는 고온 액체 냉매(144)는 도 1에서와 같이 펌핑되어 콤프레서 방출물과 배합되기 보다는 교환기(404)로 직접 공급된다. 압축된 증기 냉매(146)는 냉각시켜서 스트림(436)으로서 교환기(404)로 공급하고, 대략 -30℃ 내지 -70℃의 온도로 냉각시키고, 임의로 차냉각시키며, 스로틀 밸브(450)를 통해 플래쉬하여 스트림(410)으로서 교환기(404)로 공급한다. 단간 냉매 액체 스트림(144)을 교환기(404)로 공급하여 스트림(438)보다는 더 가온된 온도로 냉각시키고, 임의로 차냉각시켜서 스로틀 밸브(468)를 통해 플래쉬하여 교환기(404)의 중간 위치에서 교환기(404)로 도입한다. 각각의 스로틀 밸브(450) 및 (468)를 통한 압력 강하는 플래쉬된 유체가 필수적으로 동일 온도에서 기화되도록 선택한다.
본 명세서에서 사용하는 용어 '필수적으로 동일 온도'는 교환기 내에서 기화 냉매의 압력이 유동하는 액체 또는 증기로 야기되는 단지 작은 수압식 또는 공기식 압력 강하 또는 변화에 의해 변한다는 것을 의미한다. 전술한 많은 선행 기술에 기재되어 있는 바와 같이, 냉매를 압력이 상이한 별도의 열 교환 도관 또는 구역에서 기화시키지 않는다.
도 4의 구체예는 도 1의 구체예보다 대략 3내지 4더 높은 효율로 작동할 수 있지만, 자본은 더 소요된다. 또한, 열 교환기(404)는 소정의 표면적보다 클 것이며, 잠재적으로는 선박 또는 바지선 장착용으로서는 이점이 떨어진다.
본 발명의 제4 대안적 구체예는 도 5에 제공되며, 냉각된 저온 혼합 냉매 스트림(154)은 2상 스트림이며, 드럼(576)에서 증기 스트림(568)과 액체 스트림(570)으로 분리된다. 이들 냉매 스트림은 열 교환기(522)에 별도로 도입된다. 증기 냉매 스트림(568)은 액화시키고, 임의로 저온으로 차냉각시키며, 스로틀 밸브(556)를 통해 등엔탈피적으로 플래쉬하여 냉매 스트림(524)을 얻고, 이 스트림을 열 교환기(522)의 냉단부에 도입하여 기화시켜서 생성물 기화에 일부의 냉동을 제공한다. 액체 냉매 스트림(570)은 열 교환기(522) 내에서 스트림(558)보다는 가온된 온도로 차냉각시키고, 스로틀 밸브(572)를 통해 저압 냉매 스트림(574)으로 단열 플래쉬하며, 중간점에서 열 교환기(522)에 도입하여 기화시켜서 생성물 액화에 나머지 부분의 냉동을 제공한다. 열 교환기 내 두 개의 냉매 스트림의 기화 압력은 약 1 내지 약 30 바 범위의 절대압이 통상적이다.
도 5의 구체예는 도 1의 구체예보다 대략 4더 높은 효율을 나타내지만, 자본이 더 들어간다. 또한, 열 교환기(522)는 소정의 배치 면적보다 커서, 잠재적으로 선박 또는 바지선 장착용으로는 이점이 떨어진다.
실시예
도 1에 따른 천연 가스 액화 공정을 열 및 물질 평형 계산을 시뮬레이션하여 본 발명을 예시하였다. 천연 가스 공급물(90)은 전처리 섹션(100)에서 우선 정화시키고 건조시켜서 CO2및 H2S와 같은 산성 가스를 수은과 같은 다른 오염물과 함께제거하였다. 17,470 kg-몰/시간의 유속, 52 바의 절대압 및 38℃의 온도에서 전처리된 공급 가스(102)는 하기 표 1에 표시한 바와 같은 몰 조성을 가졌다.
실시예의 공급 가스 조성
성분 몰 분율
질소 0.005
메탄 0.8738
에탄 0.067
프로판 0.035
i-부탄 0.006
부탄 0.009
i-펜탄 0.003
펜탄 0.002
헥산 0.001
전처리된 공급 가스(102)를 열 교환기(104)에서 -36℃의 온도로 예비 냉각시키고, 예비 냉각된 공급물 스트림(108)을 스크럽 칼럼(106)에 도입하였다. 열 교환기(104)에서의 냉각은 25,433 kg-몰/시간의 유속으로 고온 혼합 냉매 스트림(110)을 가온하고 기화시킴으로써 수행하였다. 냉매 스트림(110)의 조성은 다음과 같았다(몰 분율):메탄, 0.01; 에탄, 0.47; 프로판, 0.06; i-부탄, 0.16; 및 부탄, 0.30.
공급물의 펜탄과 중량 성분은 스크럽 칼럼(106)에서 제거되었다. 스크럽 칼럼(106)의 저부 생성물(112)을 분류 섹션(114)에 도입하고, 프로판보다 무거운 성분을 스트림(116)으로서 회수하였다. 프로판과 경량 성분을 스트림(118)으로서 회수하여 열 교환기(104)에서 -36℃로 냉각시키고, 스크럽 칼럼의 오버헤드 생성물과 재배합하여 유속 17,315 kg-몰/시간의 예비 냉각된 공급물 스트림(120)을 형성하였다.
예비 냉각된 공급물 스트림(120)은 열 교환기(122)에서, 몰 유속 28,553 kg-몰/시간, 온도 -164℃, 절대압 3.35 바로 열 교환기(122)로 도입시킨 가온 및 기화된 저온 혼합 냉매 스트림(124)으로 간접 열 교환시킴으로써 -162℃의 온도로 더 냉각시키고 액화시켰다. 냉매 스트림(120)의 조성은 다음과 같았다(몰 분율): 질소, 0.14; 메탄, 0.35; 에탄, 0.41; 및 프로판, 0.10.
그 다음, 얻어진 액화 천연 가스(LNG) 스트림(121)을 스로틀 밸브(126)를 통해 1.05 바의 기포점 절대압으로 단열 플래쉬하였다. 플래쉬된 LNG 스트림을 탱크(128)에 도입하여 최종 LNG 생성물 스트림(130)을 회수하였다. 본 실시예에서, 밸브(126)를 통한 플래쉬 후에 경량 가스(132)는 없었으며, 따라서 교환기(162) 및 콤프레서(134)는 필요하지 않았다.
천연 가스 공급물(102)을 주위 온도에서 -36℃로 냉각시키기 위한 냉동은 전술한 바와 같은 고온 다성분 냉동 루프에 의해 제공하였다. 고온 혼합 냉매 스트림(136)을 38℃의 온도와 24 바의 절대압으로 열 교환기(104)에 도입하였다. 이것을 열 교환기(104)에서 -36℃의 온도로 냉각시킨 다음, 스로틀 밸브(150)를 통해 플래쉬하여 -38℃ 온도의 감압 냉매 스트림(110)을 얻었다. 스트림(110)을 열 교환기(104)에서 가온하고, 기화시켜서 냉매 증기 스트림(140)으로서 34℃ 및 3.8 바 절대압으로 방출하였다. 이 저압 냉매 증기를 2단 중간 압력 콤프레서(142)에서 24 바의 최종 절대압으로 압축시켰다. 콤프레서의 중간 냉각기에서 형성된 액체(144)를 펌핑하여 최종 콤프레서 단으로부터의 압축 냉매(146)와 배합하였다. 배합된 냉매 스트림(148)의 액체 유속은 12,870 kg-몰/시간이었다.
천연 가스 공급물을 열 교환기(122)에서 -36℃에서 약 -162℃로 최종 냉각시키는 공정은 전술한 바와 같은 저온 다성분 냉매 루프로 수행하였다. 압축된 저온 혼합 냉매 스트림(152)을 38℃의 온도와 55 바의 절대압으로 열 교환기(104)에 도입하여 스트림(154)으로서 -36℃의 온도로 냉각시켰다. 이 예비 냉각된 저온 냉매를 열 교환기(122)에서 -162℃의 온도로 더 냉각시켜서 스트림(158)을 얻었으며, 스로틀 밸브(156)를 통해 플래쉬하였다. 그 다음, 감압 냉매 스트림(124)을 교환기(122)에서 가온하여 기화시키고, 최종적으로 스트림(164)으로서 -39℃ 및 3.25 바의 절대압으로 교환기(122)에서 방출하였다. 그 후, 이 저압 증기 냉매 스트림을 3단 중간 냉각 콤프레서(166)에서 55 바의 최종 절대압으로 압축시켰다.
이와 같이, 본 발명은 최소 수의 열 교환기를 사용하는 공급 가스의 액화 방법을 제공하며, 혼합 냉매를 사용하는데, 각각의 냉매는 각각의 교환기 내에서 필수 정압 하에 기화된다. 이들 특성은 공지의 액화 공정과 비교했을 때, 공정 복잡성 및 요구되는 플랜트 배치 계획 면적을 감소시킨다. 전술한 종래 기술 공정 각각은 하나 이상의 열 교환기에서 저온 및 고온 냉각 공정으로 둘 이상의 냉매 기화 압력 레벨을 이용한다. 본 발명의 공정과 시스템은, 단순화된 공정 양태와 최소 배치 계획 면적에 비추어 볼 때, 선박, 바지선 및 근해 플래트폼에 특히 적합하다.
본 발명은, 공급물 예비 냉각, 저온 냉매 예비 냉각 및 고온 냉매 냉각이 필수 정압에서의 고온 냉매 기화에 대하여 단일 열 교환기에서 수행되는 양태를 포함한다. 또한, 본 발명의 공정은, 공급물 예비 냉각이 저온 냉매 예비 냉각과 고온액체 냉매 냉각을 조합하여 달성되기 때문에 별도의 공급물 예비 냉각 열 교환기를 필요로 하지 않는다. 저온 혼합 냉매는 공급물 가스를 예비 냉각시키는 데 사용되지 않기 때문에 예비 가열없이 직접 압축 통과한다. 그 결과, 콤프레서는 제1 단의 압력비가 상당히 크기 때문에, 소정의 전체 압력비를 위해 소수의 중간 냉각기만이 필요할 뿐이다.
본 발명의 필수 특징은 본 명세서에 완전히 기술하였다. 이 분야의 숙련자라면, 본 발명을 이해하고 본 발명의 기본 사상과 첨부된 청구 범위의 범주 및 이에 상당하는 것으로부터 벗어나지 않고 여러 가지 변형을 이룰 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. (a) 제1 열 교환 구역에서, 제1 필수 정압에서 기화시킨 제1 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 가압 공급 가스를 냉각시켜서 냉각 공급 가스 및 제1 혼합 냉매 증기를 얻는 단계,
    (b) 제2 열 교환 구역에서, 제2 필수 정압에서 기화시킨 제2 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 상기 냉각 공급 가스를 더 냉각시키고 응축시켜서 액체 생성물 및 제2 혼합 냉매 증기를 얻는 단계,
    (c) 상기 제1 혼합 냉매 증기를 압축시키고, 얻어진 압축된 제1 혼합 냉매 증기를 냉각, 응축 및 플래시하여 제1 기화 혼합 냉매를 제공하는 단계, 및
    (d) 상기 제2 혼합 냉매 증기를 압축시키고, 얻어진 압축된 제2 혼합 냉매 증기를 냉각, 응축 및 플래쉬하여 제2 기화 혼합 냉매를 제공하는 단계
    를 포함하며, 상기 제2 혼합 냉매 증기의 냉각 및 응축을 위한 냉동은 제1 열 교환 구역에서 상기 제1 기화 액체 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 가압 공급 가스의 액화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)의 제1 혼합 냉매 증기의 압축은 하나 이상의 단간 2상 냉매류를 발생하는 둘 이상의 압축 단계로 실행하고, 상기 단간 2상 냉매류를 단간 냉매 증기 및 단간 냉매 액체로 분리하며, 상기 단간 냉매 증기를 압축시켜서 더 압축된 냉매를 얻고, 상기 단간 액체 냉매를 펌핑하여 더 가압된 액체냉매를 얻으며, 상기 더 압축된 냉매와 상기 더 가압된 액체 냉매를 배합하여, 이와 같이 얻어진 배합된 제1 혼합 냉매를 냉각하고, 응축하고, 임의로 차냉각(subcooled)하고, 플래쉬하여 단계 (a)에서 제1 기화 혼합 냉매를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압축후 제1 혼합 냉매 증기의 냉각 및 응축을 위한 냉동은 제1 열 교환 구역에서 상기 제1 기화 액체 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    (1) 제1 위치에서 상기 냉각된 공급 가스를 증류 칼럼에 도입시키고, 이로부터 메탄이 풍부한 오버헤드 스트림 및 메탄보다 무거운 성분의 저류를 회수하는 단계, 및
    (2) 상기 저류를 분리하여 탄소 원자가 네 개 이하인 성분을 포함하는 제1 탄화수소 스트림과 탄소 원자가 네 개보다 많은 성분을 포함하는 제2 탄화 수소를 얻는 단계
    에 의해 상기 가압 공급 가스로부터 메탄보다 무거운 탄화수소를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 압축후 제2 혼합 냉매 증기의 냉각 및 응축을 위한 냉동은 상기 제2 열 교환 구역에서 상기 제2 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압축후 제2 혼합 냉매 증기를 제1 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 냉각하여 제1 온도에서 그로부터 회수하고,
    이와 같이 냉각된 제2 혼합 냉매 스트림을 상기 제2 열 교환 구역에 도입하여 거기서 간접 열 교환에 의해 더 냉각시키며,
    상기 제2 혼합 냉매 증기를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 제2 열 교환 구역으로부터 회수하고,
    이와 같이 더 냉각된 제2 혼합 냉매 증기를 예비 가열없이 직접 압축시키는 것
    을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 가압 공급 가스로부터 메탄보다 무거운 탄화수소를 제거한 후,
    (1) 상기 가압 공급 가스를 냉각시키고, 이와 같이 냉각된 공급 가스를 증류 칼럼에 도입하여 그로부터 메탄이 풍부한 오버헤드 스트림과 메탄보다 무거운 성분을 포함하는 저류를 회수하는 단계,
    (2) 상기 저류를 분리하여 탄소 원자가 네 개 이하인 성분을 포함하는 제1 탄화수소 스트림과 탄소 원자가 네 개보다 많은 성분을 포함하는 제2 탄화수소 스트림을 얻는 단계,
    (3) 상기 제1 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 상기 제1 탄화수소 스트림을 냉각시키는 단계, 및
    (4) 상기 단계 (3)에서 얻은 냉각된 탄화수소 스트림의 일부 또는 전부를 단계 (1)의 증류 칼럼을 위한 환류로서 사용하는 단계
    에 의해 상기 단계 (b)의 제2 열 교환 구역에서 간접 열 교환함으로써 더 냉각하고 응축시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 가압 공급 가스의 일부를 상기 제1 위치 아래에 있는 제2 위치에서 증류 칼럼에 도입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)의 상기 제1 혼합 냉매 증기를 압축하는 단계를 단간 압축 냉매를 발생하는 2 이상의 압축 단계로 실행하며, 상기 단간 압축 냉매를 냉각시키고, 응축시켜서 단간 냉매 증기 및 단간 냉매 액체로 분리하며, 상기 단간 냉매 증기를 압축시켜서 더 압축된 냉매를 얻은 후, 냉각, 응축, 임의로 차냉각 및 플래쉬하여 상기 단계 (a)에 제1 기화 혼합 냉매를 제공하고, 상기 단간 액체 냉매를 제1 필수 정압에서 차냉각하고 플래쉬하여 상기 제1 열 교환 구역에 추가의 냉동을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 압축후 제2 혼합 냉매 증기의 냉각 및 응축은 상기 제1 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 실행하여 중간 제2 혼합 냉매 증기 및 중간 제2 혼합 냉매 액체를 함유하는 부분 응축된 제2 혼합 냉매 스트림을 얻으며, 또한,
    (1) 상기 부분 응축된 제2 혼합 냉매 스트림을 분리하여 중간 제2 혼합 냉매 증기와 중간 제2 혼합 냉매 액체를 얻고,
    (2) 상기 중간 제2 혼합 냉매 증기를 냉각시키고, 응축시키고, 임의로 차냉각시키고, 플래쉬하여 상기 단계 (b)의 제2 증기 혼합 냉매를 제공하고,
    (3) 상기 중간 제2 혼합 냉매 액체를 상기 제2 필수 정압에서 차냉각하고 플래쉬하여 상기 제2 열 교환 구역에 추가의 냉동을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. (a) 제1 필수 정압에서 기화하는 제1 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 냉각을 수행하고, 상기 냉각으로 냉각된 가압 공급 가스, 액화된 제1 혼합 냉매 및 냉각된 제2 압축 혼합 냉매를 얻으며, 상기 제1 기화 혼합 냉매로 제1 혼합 냉매 증기를 얻는, 가압 공급 가스의 냉각, 압축된 제1 혼합 냉매의 냉각 및 압축된 제2 혼합 냉매의 냉각을 위한 제1 열 교환 수단,
    (b) 상기 제1 혼합 냉매 증기를 압축하여 상기 압축된 제1 혼합 냉매를 제공하기 위한 제1 압축 수단,
    (c) 상기 액화된 제1 혼합 냉매를 플래쉬하여 상기 제1 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 감압 수단,
    (d) 제2 필수 정압에서 기화하는 제2 기화 혼합 냉매와의 간접 열 교환에 의해 냉각을 수행하고, 상기 냉각으로 액체 생성물 및 액화된 제2 혼합 냉매를 얻으며, 상기 제2 기화 혼합 냉매로 제2 혼합 냉매 증기를 얻는, 냉각된 공급 가스의 추가 냉각 및 응축과, 냉각된 제2 압축 혼합 냉매의 추가의 냉각 및 액화를 위한 제2 열 교환 수단,
    (e) 상기 제2 혼합 냉매 증기를 압축하여 상기 압축된 제2 혼합 냉매를 제공하기 위한 제2 압축 수단,
    (f) 상기 액화된 제2 혼합 냉매를 플래쉬하여 상기 제2 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 감압 수단, 및
    (g) 상기 가압 공급 가스를 상기 제1 열 교환 수단에 도입하기 위한 배관 수단,
    상기 냉각된 공급 가스를 상기 제1 열 교환 수단에서 상기 제2 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단,
    액체 생성물을 상기 제2 열 교환 수단에서 회수하기 위한 배관 수단,
    제1 혼합 냉매 증기를 상기 제1 열 교환 수단에서 상기 제1 압축 수단으로 이송하고, 상기 얻어진 압축된 제1 혼합 냉매 증기를 상기 제1 압축 수단에서 상기 제1 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단,
    상기 냉각된 제2 압축 혼합 냉매를 상기 제1 열 교환 수단에서 상기 제2 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단, 및
    상기 제2 혼합 냉매 증기를 상기 제2 열 교환 수단에서 상기 제2 압축 수단으로 이송하고, 상기 얻어진 압축된 제2 혼합 냉매 증기를 상기 제2 압축 수단에서 상기 제1 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단
    을 포함하는 가압 공급 가스의 액화 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 압축 수단은,
    한 개의 단이 단간 압축 냉매를 발생하는, 2 개 이상의 콤프레서 단 및 관련 배관 수단,
    상기 단간 압축 냉매를 냉각시키고, 응축시킴으로써 2상 단간 냉매를 제공하는 단간 냉각기,
    상기 2상 단간 냉매를 단간 냉매 증기 및 단간 냉매 액체로 분리하는 분리기 및 관련 배관 수단,
    상기 단간 냉매 증기를 압축하여 더 압축된 냉매를 제공하는 추가의 콤프레서 단,
    상기 단간 냉매 액체를 가압하기 위한 펌프 및 관련 배관 수단, 및
    상기 얻어진 가압된 단간 냉매 액체 및 상기 더 가압된 냉매를 배합하여 상기 단계 (a)의 압축된 제1 혼합 냉매를 제공하기 위한 배관 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    (1) 천연 가스로부터 얻어진 메탄이 풍부한 공급 가스인 상기 냉각된 가압 공급 가스를 증류 칼럼에 도입하여 메탄이 더 풍부한 오버헤드 스트림과 메탄보다 무거운 성분을 포함하는 저류로 분리하기 위한 증류 및 관련 배관 수단,
    (2) 상기 저류를 탄소 원자가 네 개 이하인 성분을 포함하는 경량 탄화수소 스트림과 탄소 원자가 네 개보다 많은 성분을 포함하는 중량 탄화수소 스트림으로 분리하기 위한 분리 수단 및 관련 배관 수단,
    (3) 상기 경량 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위한 상기 제1 열 교환 수단 내의 냉각 수단, 및
    (4) 상기 제2 열 교환 수단에서 간접 열 교환에 의해 더 냉각시키고 응축시키기 전에 상기 단계 (3)에서 얻은 냉각된 경량 탄화수소 스트림을 상기 단계 (1)의 오버헤드 스트림과 배합하기 위한 배관 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 냉각된 가압 공급 가스가 상기 증류 칼럼에 도입되는 위치 아래에 있는 위치의 증류 칼럼으로 상기 가압 공급 가스의 일부를 도입하기 위한 배관 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 상기 단계 (d)의 제2 열 교환 구역에서 간접 열 교환에 의해 더 냉각시키고 압축시키기 전에, 천연 가스로부터 얻어진 메탄이 풍부한 공급 가스인 상기 냉각된 가압 공급 가스로부터 메탄보다 무거운 탄화수소를 제거하기 위한 수단을 더 포함하며, 상기 수단은
    (1) 상기 냉각된 가압 공급 가스를 메탄이 더 풍부한 오버헤드 스트림과 메탄보다 무거운 성분의 저류로 분리하기 위한 증류 칼럼,
    (2) 상기 저류를 탄소 원자가 세 개 이하인 성분을 포함하는 경량 탄화수소 스트림과 탄소 원자가 세 개보다 더 많은 성분을 포함하는 중량 탄화수소 스트림으로 분리하기 위한 분리 수단,
    (3) 상기 경량 탄화수소 스트림을 냉각시키기 위한 상기 제1 열 교환 수단 내 냉각 수단, 및
    (4) 상기 단계 (3)에서 얻은 냉각된 탄화수소 스트림의 일부를 상기 단계 (1)의 증류 칼럼을 위한 환류로서 도입하기 위한 배관 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제1 압축 수단은
    한 개의 단이 단간 압축 냉매를 발생하는, 2 개 이상의 콤프레서 단 및 관련 배관 수단,
    상기 단간 압축 냉매를 냉각시키고, 응축시킴으로써 2상 단간 냉매를 제공하는 단간 냉각기,
    상기 2상 단간 냉매를 단간 냉매 증기 및 단간 냉매 액체로 분리하는 분리기 및 관련 배관 수단,
    상기 단간 냉매 증기를 압축하여 더 압축된 냉매를 제공하는 추가의 콤프레서 단
    을 포함하며, 상기 시스템은
    상기 압축된 제1 혼합 냉매로서 상기 더 압축된 냉매를 제공하여 냉각시키고, 응축시키고 플래쉬하여 상기 단계 (a)의 제1 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 배관 수단,
    상기 단간 냉매 액체를 상기 제1 열 교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단,
    상기 단간 냉매 액체를 냉각시키기 위한 상기 제1 열 교환 수단 내 열 전달 수단,
    상기 얻어진 냉각된 단간 냉매 액체를 플래쉬하여 상기 제1 필수 정압에서 추가의 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 감압 수단, 및
    상기 추가의 기화 혼합 냉매를 상기 제1 열 교환 수단에 도입하여 그 안에서 냉동을 제공하기 위한 배관 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    (1) 상기 냉각된 제2 압축 혼합 냉매가 부분적으로 응축되었을 때, 상기 냉각된 제2 압축 혼합 냉매를 분리하여 중간체 제2 혼합 냉매 증기와 중간체 제2 혼합 냉매 액체를 제공하기 위한 분리기,
    (2) 상기 중간체 제2 혼합 냉매 액체를 냉각시키기 위한 상기 제2 열 교환수단 내 열 전달 수단,
    (3) 상기 얻어진 차냉각된 중간체 제2 혼합 냉매 액체를 플래쉬하여 상기 제2 필수 정압에서 추가의 기화 혼합 냉매를 제공하기 위한 감압 수단, 및
    (4) 상기 추가의 기화 혼합 냉매를 상기 제2 열 교환 수단에 도입하여 그 안에서 냉동을 제공하기 위한 배관 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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