KR100356093B1 - 천연가스의액화방법및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적 에너지로 천연 가스를 팽창시켜 상기 가스중 적어도 일부를 액화하는 천연 가스 액화 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 팽창단계중에 가스는 상 변화 없이 조밀한 상에서 액체 상으로 변한다. 천연 가스 액화 방법은 적어도 다음의 2개의 단계, 즉

a)몇개의 성분으로 구성된 천연 가스를 메탄의 임계 압력치 이상의 압력과 말기에 가스가 조밀한 상이 되는 온도로 냉각시키는 단계.

b) a)단계에서 획득한 조밀한 상의 적어도 일부를 기계적 에너지로 팽창시켜 가스의 압력을 감압하도록 설계된 장치를 통해 팽창시켜 액화하는 단계를 포함하며, 조밀한 상의 상태에서 액체 상태로의 변화는 실질적으로 상 변화없이 일어난다.

Description

천연 가스의 액화 방법 및 장치

본 발명은 천연 가스의 액화 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 천연 가스의 액화는 천연 가스를 액체의 형태로 탱커(tanker)에 의해 장거리 수송하거나 저장하는 것을 가능하게 하는 중요한 산업용의 처리이다.

종래 사용되고 있는 「천연 가스」 의 액화 방법은, 천연 가스를 열교환기의 내부를 통과시켜 외부의 냉각 사이클을 사용하여 이것을 냉각함으로써 이루어지는 것이다. 미국 특허 제3,735,600호 및 제3,433,026호에는 천연 가스를 1 내지 수개의 열교환기에 공급하여 이것을 액화하는 액화 방법이 개시되어 있다. 본 명세서 전체에 걸쳐, 「천연 가스」 는 대부분이 메탄이지만 다른 탄화수소나 질소를 포함하는 혼합물을 의미하며, 어떤 형태(기상(氣相), 액상(液相) 또는 양방의 상)의 것도 포함한다. 초기 상태에서 있어서, 천연 가스는 대부분 기상이고, 액화 과정에서 다른 형태, 즉 액상 및 기상으로 될 수 있으며, 이들이 공존하는 순간도 있을 수 있다.

액화 과정에 있어서, 외부의 냉각 사이클은 냉각 유체로서 혼합 유체를 사용하여 행해진다. 증발시, 이러한 혼합 유체는 압력하에서 가스를 냉각하여 액화한다. 그 혼합 유체는 증발한 후, 물 또는 공기 등의 주위 매체에 의한 열교환 처리에 의해 압축 및 응축된다.

이러한 방법은 복잡하고, 넓은 열교환 표면적 및 높은 압축력의 사용을 필요로 한다. 그 결과, 자본 투자가 커진다.

제1의 냉각 단계(Stage) 후, 터빈 내에서 팽창시키는 것에 따라 천연 가스를 직접 「농밀(濃密)」 상(dense phase)으로 냉각 액화할 수 있다는 것이 발견되었다. 이것이 본 발명의 목적이다. 「농밀」 상이라는 표현은 최초의 기상으로부터 동중(同重)의 원자핵 전개에 의해 어떠한 상천이(相選移)를 수반하지 않고서 얻을 수 있는 상을 나타내는 것으로, 이 상은 등엔트로피 팽창의 결과로서 상천이 없이 액상이 되는 것이다. 액화 프로세스의 적어도 일부는 상천이 없이 발생하는데, 즉 기상에서 액상으로의 변화가 2개의 상이한 상이 동시에 존재하는 상전이(相轉移)없이 연속적으로 일어난다. 천연 가스는 팽창 전에 적어도 메탄의 임계 압력 보다 높은 레벨의 압력을 가하고, 천연 가스의 온도를 저하시킴으로써 「농밀」 상으로 된다.

본 발명은 천연 가스를 액화하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 천연 가스 중 적어도 일부를 기계에너지에 의한 팽창에 의해 액화시키는 적어도 일 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 팽창은 천연 가스를 농밀 상에서 액상으로 변화시키는 것이다.

이들 2개의 상태 사이의 전환은 어떠한 상의 천이 없이, 즉 동시에 2개의 다른 상이 존재하는 일없이 일어난다.

상기 방법은 예컨대 적어도 다음과 같은 2개의 단계로 이루어진다.

a) 천연 가스를 메탄의 임계 압력에 적어도 동등하거나 더 높은 압력에서 또 그 냉각 프로세스의 종반에는 천연 가스가 농밀 상의 형태를 취하도록 하는 온도에서 냉각시키는 단계와,

b) 상기 단계 a)에서 얻어지는 농밀 상의 적어도 1개의 부분(fraction)을, 기계에너지에 의한 팽창으로 천연 가스의 압력을 감소시키도록 설계되어 있는 장치내에서 농밀 상의 상태로부터 액상의 상태로의 변화가 상천이 없이 일어나도록 팽창시키고 액화시켜, 액화 천연 가스를 적어도 부분적으로 형성하는 단계.

상기 단계 b)의 종반에서 액화 천연 가스의 압력 레벨은 대체적으로 대기압이다.

상기 단계 b) 등안 얻어진 액상의 팽창 프로세스는 기체 부분이 나타날 때까지 계속되고, 프로세스는 다음의 단계에서 진행할 수 있다. 즉

액상 부분과 기체 부분을 단계 c)에서 분리하는 단계와,

단계 c) 결과로부터의 기계 부분을 단계 d)에서 천연 가스의 비팽창 부분과 열교환 프로세스에 투입하며, 액체-증기 혼합물을 형성하여 액체 부분과 기체 부분으로 분리하는 단게 e)에서 그 열교환 프로세스 후에 비팽창 부분을 팽창시키는 단계와,

단계 c)와 단계 e)로부터의 액체 부분을 재결합하여 액체 천연 가스를 형성하는 단계.

단게 c)와 단계 e)로부터의 기체 부분의 적어도 일부분을 재압축하여 단계 a)로 재순환시키며,

단계 b)의 종반에서 얻어진 기체 부분은 20% 이상일 수 있다.

천연 가스를 팽창시켜, 농밀 상의 상태에서 액상의 상태로 변화시키기 위해사용되는 장치는 예컨대, 터빈이다.

단계 a) 동안 천연 가스는 이 천연 가스로부터의 기체 부분을 사용하는 열교환 프로세스에 의해 냉각될 수 있으며, 이 기체 부분은 터빈에서 팽창되고, 팽창된 기체 부분은 압축 프로세서 중에서 적어도 부분적으로 재압축되어 리사이클된다.

적어도 하나의 리사이클된 기체 부분은, 2개의 단계에서 압축되고, 그 동안 가스는 그 압축 단계 각각을 종료할 때 주위에 있는 냉매에 의해 냉각된다.

단계 a)에서, 천연 가스는 또 냉매의 혼합물을 증발시킴으로써 냉각될 수 있으며, 이런 방식으로 얻어지는 혼합물은 증기 또는 기상의 상태로 있게 된다. 그다음 그것은 압축되어 주위의 냉매와의 열교환 프로세스에 의해 응축, 팽창되어 리사이클 된다.

냉매의 혼합물은 적어도 2개의 압력 레벨로 팽창되어 증발될 수 있다.

천연 가스가 무거운 탄화수소를 함유하고 있으면, 액화하여야 할 천연 가스에 함유된 무거운 탄화수소를 흡착 단계에 의해 단계 a) 전에 분리할 수 있다.

단계 a)는 메탄의 임계 압력, 바람직하게는 천연 가스를 구성하고 있는 혼합물의 임계 압력보다 높은 압력 레벨에서 행한다.

양호하게는, 단계 a)는 액화하여야 할 천연 가스의 크릭콘덴바아 (cricondenbar: 2개의 상이 공존할 수 있는 최대 압력) 보다 높은 압력 래벨에서 수행하는 것이 좋다.

단계 a)는 7 내지 20MPa 범위의 압력 레벨에서 행하는 것이 바람직하다.

단계 a)의 종반에서의 천연 가스의 온도는 165 내지 230K 사이의 범위에 있는 것이 바람직하다.

메탄 보다 무거운 탄화수소를 포함하는 천연 가스의 경우, 준비 단계 중에 단계 a)의 압력 레벨 보다 낮은 압력 레벨에서 적어도 그 탄화수소의 일부분을 분리한다.

단계 a) 동안, 천연 가스가 펭창하여 소정의 온도에 달하면, 팽창 후, 메탄보다 무거운 탄화수소로 응축된 액체 부분이 생성되어 분리된다.

단계 b)는 예컨대, 터빈에서의 팽창에 의해 수행되어, 그 성분은 열전도성이 나쁘기 때문에 가스로부터 열적으로 분리된다.

단계 b)는 예컨대, 합성 재료로 만들어진 로터를 구비하는 터빈 내에서 팽창에 의해 수행된다.

단계 a)와 단계 d) 동안에 수행되는 열교환은 가스를 역류 열교환기로 통과시키는 것에 의해 수행된다.

단계 d)의 열교환 프로세스는 천연 가스를 열교환기의 최저 온도측에서 5K 이하, 최고 온도측에서 10k 이하의 온도차가 있는 열교환기의 내부를 통과시키는 것에 따라 실현된다.

단계 b)에서의 팽창은 적어도 2개의 터빈을 연속 사용하여 수행할 수 있으며, 최초의 부분적 팽창으로부터의 액체-증기 혼합물은 기체 부분과 액체 부분으로 분리되어, 기체 부분은 단계 d)로 진행되고, 나머지의 액체 부분은 제2 터빈에서 팽창되어 제2 팽창 이후에 이 방법에 의해 생성되는 액화 천연 가스의 일부를 형성한다.

단계 b)로부터의 기체 부분 중 적어도 일부분은, 예컨대 역류 열교환기에서의 단계 e)로부터의 액체 부분과 접촉되고, 그 후 결과로서의 액체 부분은 단계 b)로부터의 액체 부분과 재결합되어 액화 천연 가스를 형성한다. 나머지의 기체 부분은 단계 e)로부터의 기체 부분과 재결합하여 질소가 농후한 기체 부분의 적어도 일부분을 형성하며 그 기체 부분은 배제된다.

본 발명은 또한 전술한 방법을 수행하도록 설계된 장치에 관한 것이다.

이 장치는 액화하여야 할 천연 가스를 냉각하이 농밀 상으로 하는 것을 가능하게 하는 적어도 하나의 장치(E2)와, 적어도 하나의 냉각 수단(R1)을 포함하며, 상기 장치(E2)는 농밀 상으로 있는 그 천연 가스를 액화하기 위해 이것을 팽창시킬 수 있는 적어도 하나의 수단(T4)에 직접 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

응축 형태로 있는 천연 가스를 팽창시킬 수 있는 수단 또는 장치는 적어도 하나의 요소가 열전도성이 불량한 재료로 만들어진 적어도 하나의 팽창 터빈을 포함한다. 그 결과, 팽창에 의한 냉각의 효율을 저하시킬 우려가 있는 열전도로 터빈의 요소에 열이 전이되는 일이 없게 된다.

따라서, 본 발명은 종레의 기술로 현재 사용되고 있는 방법 보다 수많은 이점을 제공한다. 실제로, 종래 기술로 언급한 방법에 의해 사용된 값보다 큰 가스의 초기 압력치로 동작한다는 것은 천연 가스를 액화하기 위해 필요한 에너지를 감소시키는 것을 가능하게 한다.

더욱이, 팽창에 의해 천연 가스를 직접 액화함으로써 필요한 열교환기의 표면의 면적을 감소시킬 수 있으며, 또 액화 방법을 간단한 것으로 하여 자본 비용을줄일 수 있다.

이하의 도면에 의해 예시된 비제한적인 실시예의 설명으로부터 본 발명이 보다 더 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

제1도는 예비 냉각 사이클을 수반하는 종래 기술의 냉각 사이클의 일례를 예시한 도면이며,

제2도는 영구적인 가스를 사용하는 종래 기술의 사이클의 일례를 나타낸 도면이고,

제3A도 내지 제3C도는 본 발명의 기본 원리, 천연 가스의 각종의 상의 온도 선도 및 구체적인 실시예를 각각 나타낸 도면이며,

제4도는 질소를 포함하는 가스를 액화하도록 설계된 실시예와, 질소의 부분적 분리를 도시한 도면이고,

제5도는 냉매의 혼합물을 이용하여 예비 냉각을 수행하는 실시예를 도시한 도면이며,

제6도는 질소를 포함하는 천연 가스를 액화하기 위한 실시예를 나타낸 도면으로, 팽창에 의해 생성된 기체 부분 중 일부가 리사이클 되어, 냉각 단계가 냉매의 혼합물을 사용하여 수행되는 것을 도시한 도면이다.

제1도는 예컨대, 천연 가스를 액화하기 위해 종래의 기술로 사용되고 있는 방법을 나타내는 이론도이다.

액화 프로세스는 주 냉각 사이클에 사용된 혼합물을 응축시키는 예비 냉각 사이클을 구비한다.

예비 냉각 사이클과 주 냉각 사이클에 있어서, 액체의 혼합물이 냉각액으로서 사용되고 있다. 이 혼합물은 증발함으로써 압력하에서 가스를 냉각하여 액화한다. 증발 후, 이 혼합물은 물 또는 공기 등의 이용 가능한 주위 매체와의 열교환 프로세스에 의해 압축되고 응축되어 리사이클 된다.

종래 기술의 또 하나의 방법은 질소와 같은 영구직인 가스를 사용하여 동작하는 사이클을 사용하는 것이다. 이런 유형의 시스템은 제2도에 예시되어 있다.

천연 가스는 관(1)에 의해 압력하에서 공급된다. 그 후, 천연 가스는 열교환기(E1) 내로 통과하여 액화되어 냉각된다. 열교환기(E1)의 출력으로, 액화된 천연 가스는 팽창 밸브(V1)를 통과할 때 대기압에 가까운 압력치가 되도록 팽창하여 그 다음 관(2)을 경유하여 인출된다.

천연 가스는 냉각 사이클 내에 흐르는 영구 가스에 의해 냉각되며, 이 냉각 사이클은 터빈(T1)과, 이 터빈(T1)을 열교환기(E1)에 연결하는 관(4)과, 열교환기로부터 예컨대 K1, C1, K2, C2 와 같이 일련의 압축기와 냉각 수단을 캐스케이드 (cascade) 형상으로 연결한 구성에 영구 가스를 통과시키는 통로를 형성하는 파이프(5)로 이루어진다. 냉각 사이클의 안을 흐르는 영구 가스는 압축 단계(K1)에서 압축되고, 냉각 매체(C1)를 관통함에 따라 냉각되어 압축 단계(K2)로 이송된다. 여기서, 그것은 냉각 단계(C2)로 진행함에 따라 냉각되는 준비 단계로서 압축된다. 이런 방식으로 압축되고 냉각된 영구 가스는 관(3)을 경유하여 터빈(T1)으로 이송되며, 이 터빈 내에서 가스는 팽창하여 거기에서 냉각되어 나와, 관(4)에 의해 열교환기(E1)고 공급된다. 이런 방식으로 냉각된 영구 가스는 열교환기(E1)에서 천연가스와 접촉할 대 천연 가스를 냉각한다. 천연 가스를 냉각하 후, 이 열교환기의 출력으로 영구 가스는 관(5)에 의해서 다시 압축과 냉각 단계로 복귀되어 리사이클된다.

이런 형태의 사이클은 특히 그 간결함으로 인해 소용량의 유닛에 사용되고 있지만, 그 성능은 냉매의 혼합물을 사용하는 사이클의 그것에 비해 현저히 뒤떨어지는 것으로 알려져 있다. 또한, 이 사이클은 매우 많은 냉각 가스의 흐름을 재순환하는 것을 필요로 한다.

질소 등의 냉매로 사용되는 보조 영구 가스 대신에, 액화하여아 할 가스의 일부가 동일한 기능을 하도록 사용할 수 있다. 제2도에서 예시한 사이클의 동작원리는 이 원리에 대하여도 그대로 적합하다.

이하에서 설명하는 본 발명이 기초로 한 원리는 농밀 상으로 있는 천연 가스로부터 출발하여 어떠한 상천이(相遷移) 없이 적어도 부분적으로 액화되는 단계에 달한다. 즉, 상이한 성질의 2개의 상이 공존하는 동안에 어떠한 상천이 없이 액화프로세스의 적어도 일부가 일어나는 것이다. 따라서, 액화 프로세스를 통해 농밀상으로부터 액상으로의 전환이 연속적으로 일어난다. 천이 상이 있다고 한다면 전환이 불연속이라고 하는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 방법은 주로 2개의 단계, 즉 천연 가스를 농밀 상으로 만드는 제1 단계와 기계에너지에 의한 팽창을 생기게 하는 것, 예컨대 천연 가스를 농밀 상으로부터 액상으로 변화시키는 실질적으로 등엔트로피인 팽창을 생성하는 제2 단계를 기초로 한다.

가스는 관(7)(제3A도 참조)에 의해 열교환기(E2)의 G1 점(제3B도 참조)으로 표시되는 열역학적 상태로 기상으로 도달하고, 열교환기에서 냉각 사이클(R1)로부터의 냉각 매체와 접촉하여 정해진 온도에서 예비 냉각된다. 열교환기(E2)나올 때, 천연 가스는 G2 점(제3B도 참조)에시 농밀 상의 상태로 있다. 그 후, 가스는 관(15)을 통해 열교환기(E2)에서 터빈(T4)으로 옮겨지고 그 터빈에서 팽창된다. 터빈(T4)을 통과한 후, 그것은 G3 점에서 적어도 부분적으로 액상으로 되어 있다. 농밀 상으로부터 액상으로의 전이는 기계에너지에 의한 팽창에 의해서 상천이 없이 일어난다.

팽창 후, G3 점에서 얻어지는 액상은 예컨대 포화 액상이다. 팽창 프로세스가 포화 액상으로 진행하기 때문에, 기체 부분 또는 증기 부분이 나타나게 되며, 이는 열교환 프로세스의 이후에 리사이클 되거나 다른 곳에 사용할 수 있다. 예컨대, 액화 설비의 사이트(site)에서 연료로서 사용할 수도 있다.

상기 프로세스는 제3B도에서 도시한 바와 같이, 압력(P)과 온도(T) 데이터를 나타내는 선도로 예시되어 있다. 이 선도에서, 2상의 영역의 내측에는 액상 및 기상이 함께 일어난다. 이 2상의 영역의 외측에는 3가지의 영역이 정의된다. 기상의 영역은 2상의 영역으로부터끼 증기 곡선(v)(액화 곡선)과 임계점(C)을 통과하는 등엔트로피 곡선(s)에 의해 구획되어 있다. 농밀 상의 영역은 한편으로는 등엔트로피 곡선(s)에 의해서, 또 한편으로는 임계점(C)을 통과하는 등압선(p)에 의해 구획되어 있다. 액상의 영역은 한편으로는 등압선(p)에 의해, 또 한편으로는 2상의 영역으로부터의 액체 곡선(1)(버블 곡선)에 의해 구획되어 있다.

본 발명의 방법에 따라 천연 가스가 겪은 변화는 다음과 같다.

액화하여야 할 천연 가스는, 초기에 온도(T_G1)와 압력(P_G1)의 G1 점에 의해 나타내어지는 기상의 상태로 있다. 그 후, 거의 등압의 조건하에서 냉각되어 온도(T_G2)와 압력(P_G2)의 G2 점으로 나타내어지는 농밀 상의 상태가 된다. G1 에서 G2 로의 전환은, 예컨대 기상의 영역을 농밀 상의 영역으로부터 구획 짓는 등엔트로피 곡선(s)의 F1 점을 통과하여 상천이 없이 연속적으로 행해진다. 다음에, 농밀 상의 G2 점에 있는 천연 가스는 거의 등엔트로피인 과정에서 G3 점으로 표시된 바와 같이 포화 액상의 상태로 바뀐다. 이 점은 2상의 영역의 액체 곡선(1)상에시 온도(T_G3)와 압력(P_G3)의 값에 대응한다. 압력치(P_G3)는 거의 대기압과 일치하는 것이 바람직하다. G2 점으로 나타내어지는 상태에서 G3 점으로 나타내어지는 상태로의 전환은 액상 영역으로부터 농밀 상의 영역을 구획 짓는 등압선(P)상의 F2 점을 통과하여 상천이 없이 연속적으로 행해진다. 즉, 2개의 상의 공존은 발생하지 않는다.

전술한 바와 같이, 팽창은 증기 부분 또는 기체 부분을 생성함으로써 2상의 영역에서 계속할 수 있다.

본 발명의 방법의 양호한 실시예로서는, 팽창 단계 전위 냉각 단계 종반에서의 온도는 165 내지 230K 사이의 범위에 있다.

단계 a) 동안에 7 내지 20 MPa 범위의 압력 레벨을 유지하면서 그와 같은 조건하에서 동작하기 위해서는, 기체 부분의 값이 팽창 단계의 종반에서 최소치, 예예컨대 20% 보다 큰 값이 필요가 있다는 것을 알았다.

제3C도에 관한 본 발명의 방법의 이하의 기술은, 천연 가스의 액화 방법의 응용을 설명하는 것이다.

천연 가스는 관(7)을 통해 적어도 메탄의 임계 압력치보다 높은 압력 레벨에서 열교환기(E2)에 도달하여, 165K 내지 230K 사이의 온도 범위까지 냉각된다. 가스의 예비 냉각 단계는 열교환기(E2)로 들어가기 전에 천연 가스의 일부분을 관(8)에 의해 분로(分路)하여, 이 분할된 부분을 팽창 터빈(T2)으로 향하게 함으로써 실행된다. 분할된 부분은 팽창 프로세스 중에 냉각되며, 터빈(T2) 내에서 기상으로 되어 관(9)을 통해 열교환기(E2)로 향하게 된다. 따라서, 분할되고 냉각된 기체 부분은 냉매로 사용되고, 열교환기(E2)로 들어오는 천연 가스의 온도를 저하시킬 수 있게 된다. 분할되고 냉각된 천연 가스의 부분 대신에, 가스를 냉각시키는 성능을 가진 어떠한 외부의 냉매를 사용해도 좋다.

따라서, 천연 가스는 냉각되고 「농밀」 상으로 되어 열교환기(E2)로부터 관(10)을 경유하여 나온다. 이 「농밀」상의 가스의 일부분은 관(11)에 의해, 예컨대 팽창 터빈(T3)으로 직접 보내어진다. 터빈(T3)의 출력에는, 예컨대 대부분이 액상으로 되는 혼합물을 얻을 수 있다. 관(12)에 의해, 상기 혼합물은 터빈(T3)으로부터 대기압에 가까운 압력으로 배출되고 분리기 플라스크(B1)로 보내져 액체 부분과 기체 부분으로 분리된다. 플라스크(B1)에서 기체 부분을 추출하여 관(13)을 통해 열교환기(E3)로 보내어진다.

열교환기(E2)로부터 나온 「농밀」상의 냉각된 천연 가스 중 터빈(T3)에 보내어지지 않은 부분은, 관(14)을 통해 열교환기(E3)로 유입되어 관(13)을 경유하여 들어 온 기체 부분과의 열교환 프로세스에 의해 냉각된다. 이런 방식으로 냉각된 천연 가스는 열교환기로 들어갔을 때의 온도보다도 낮은 온도, 즉 관(13)을 통해 들어 온 기체 부분의 온도에 가까운 온도로 열교환기(E3)로부터 나온다. 그후, 관(15)을 통해 터띤(T4)으로 보내어져 팽창된다.

터빈(T4)의 출력으로 얻어진 혼합물은 대부분이 액상으로 관(16)을 통해 분리기 플라스크(B1)로 보내어진다. 플라스크(B1)에 모인 2개의 액상의 부분은 액화된 천연 가스를 형성하며 관(17)을 통해 배출된다.

이러한 타입의 농밀 상, 즉 본 발명의 제1 단계 후 하나 또는 여러 개의 터빈으로부터 얻어지는 것 같은 상을 팽창시키면, 냉각이 행하여져, 예컨대 최후의 팽창 단계에서 나올 때 직접 혼합물을 얻을 수 있다. 이 혼합물은 대개 대기압에 가까운 압력으로 메탄의 비점 온도(111.66K)에 가까운 온도의 액상을 포함한다.

전술한 분리 프로세스 후, 분리기 플라스크(B1)로부터의 기체 부분은 관(13)을 통해 열교환기(E3)로, 그 후 관(18)을 통해 열교환기(E2)로 보내어지고, 거기에서 액화하여야 할 천연 가스가 스타트 시점에서 갖고 있었던 온도에 가까운 온도로 나온다. 그 후, 관(19)을 통해 압축 단계(K3)로 이동된다. 압축 단계(K3) 종반에 기제 부분은 교환기(C3)에서 사용 가능한 물 또는 공기 등의 주위 매체와의 열교환 프로세스에 의해 냉각되고, 그 다음, 이 기제 부분은 열교환기(E2)의 앞으로 초기에 분기된 기상 부분에 터빈(T2)에서 실행된 팽창 프로세스로부터 생성되고, 관(19)과 연결되어 그곳으로 통하는 관(20)을 경유하이 열교환기(E2)로부터 나온기체 부분과 예컨대 열교환기(C3)와 압축 단계(K4) 사이에서 혼합된다. 이렇게 얻어진 기체 혼합물은 압축 단계(K4)에서 압축된 다음 물 또는 공기 등의 주위 매체와의 열교환 프로세스에 의해 냉각된다. 따라서, 압축되어 냉각된 기체 혼합물은 관(21)을 지나서 리사이클 되어 관(7)을 통해 도달한 액화하여야 할 천연 가스와 혼합된다.

압축 단계(K3)와 단계(K4)의 각각을 대신해서 2개의 압축 단계를 연속한 것으로 대체하는 것이 유리할 수 있다. 그 경우, 하나의 압축 단계를 나오는 기체 혼합물은 물 또는 공기 등의 사용 가능한 매체와의 열교환에 의해 냉각되고, 그 후 후속 단계로 보내지기 때문에 압축 프로세스는 물 또는 공기 등의 주위 매체의 온도에 가까운 온도로 유효한 등온 압축에 가까운 것이 된다.

본 발명의 방법은 적어도 다음의 2개의 단계를 실시함으로써 이루어진다.

1) 제1 단계 a) 중에 천연 가스를 메탄의 임계 압력 보다 적어도 높은 압력으로, 그리고 이 냉각 단게의 종반에 천연 가스가 농밀 상인 것을 확실하게 하는 온도로 냉각한다.

2) 단계 a)에서 얻어진 농밀 상의 적어도 일부분을 터빈과 같은 기계에너지에서의 팽창에 의해 천연 가스의 압력을 감압하도록 설계된 장치로 팽창시켜 액화시킨다. 농밀 상의 상태에서 액상의 상태로의 전환은 상의 천이 없이 일어난다.

팽창 프로세스는 기체 부분이 나타날 때까지 계속되고, 그 후 방법은 이하와 같은 단계로 옮겨간다.

3) 단계 b)로부터 얻어지는 기체 부분과 액체 부분을 단계 c)에서 분리한다.

4) 단계 c)로부터 얻어지는 기체 부분을 단계 d)에서 천연 가스의 비팽창 부분과의 열교환 프로세스를 통과시키고, 이 열교환 프로세스의 후 단계 e)에서 이 비팽창 부분을 팽창시켜 액체-증기의 혼합물을 형성하며, 더욱 이 혼합물을 액체 부분과 기체 부분으로 분리한다.

5) 단계 c)와 단계 e)로부터의 액체 부분을 단계 f)로 재통합하이 액화 천연 가스를 형성한다.

6) 단계 d)와 단계 e)로부터의 기체 부분을 적어도 일부 재압축하여 단계 a)로 리사이클 한다.

천연 가스가 메탄보다도 무거운 탄화수소를 포함하고 있는 경우는, 천연 가스를 구성하는 혼합물의 임계 압력은 메탄의 임계 압력 보다 높다. 이 경우에, 단계 a)를 수행하는 압력은 이 혼합물의 임계 압력보다 높은 것이 바람직하다.

단계 a)를 수행하는 압력은 혼합물에 대해 2개의 상이 공존할 수 있는 최대 압력으로서 정의되는 크릭콘덴바아(cricondenbar) 보다 높은 것이 바람직하다.

제3C도로 도시된 바와 같이, 터빈(T3)에서 팽창하지 않은 「농밀」 상의 천연 가스의 부분은 연교환기(E3) 내에서 생성된 액화 천연 가스의 최종의 온도에 가까운 온도가 되도록 냉각된다.

팽창 터빈(T3)에서 팽창된 천연 가스의 기체 부분은 입력으로 공급되는 천연 가스의 대부분을 차지하지만, 이 부분은 관(10)을 통해 열교환기(E3)의 입력에 도착하는 천연 가스의 2/3보다 많은 것이 바람직하다.

천연 가스를 팽창시키는 팽창 작동은 예컨대 터빈(T3 및 T4)에서 반복 행해지며, 압축 단계(K3 및 K4) 및/또는 제5도 및 제6도에 나타낸 예의 경우에 압축 단계(K5 및 K6)를 구동하는데 사용된다. 필요한 추가의 기계에너지는 증기 터빈 또는 가스 터빈에 의해 공급된다.

동일한 회로상의 2 내지 다수의 압축 단계와 2 내지 다수의 터빈을 설치하는 것이 유리하다.

단계 a)를 수행하는 압력 레벨을 높게 함으로써, 천연 가스를 액화하기 위해 필요한 추가의 기계에너지를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 방법은, 단계 a)를 수행하는 압력이 높을 경우 보다 유리하다. 가해지는 압력은 적어도 메탄의 임계 압력(4.6MPa)과 같지 않으면 안되고, 바람직하게는 액화하여야 할 천연 가스를 구성하는 혼합물의 크릭콘덴바아 보다 높은 것이 요구된다. 예컨대, 7 내지 20MPa 사이에 있는 것이 바람직하다.

단계 a)의 종반에서 온도를 낮게 함으로써, 단계 c)에서 수행되는 팽창 프로세스의 종반에 리사이클 되는 기상의 양이 감소한다. 전술한 바와 같이, 온도는 165K 내지 230K 사이에 있는 것이 바람직하다.

천연 가스가 메탄보다 무거운 탄화수소를 포함하고 있는 경우는, 이 탄화수소는 액화 프로세스 전에 적어도 부분적으로 천연 가스로부터 분리된다. 이것은 특히 액화 중에 결정화하는 위험을 피하기 위함이다.

압력이 크릭콘덴바아 보다 높을 경우, 메탄보다도 무거운 탄화수소는 냉각에 의해 응축할 수 없다. 이 경우에 예컨대 알루미늄, 제올라이트 또는 활성탄소를 포함하는 흡착제상으로의 흡착 프로세스를 이용하여 분리하는 것이 바람직한 것으로발견되었다.

흡착은 예컨대 병렬로 동작하는 적어도 2개의 고정식 베드(bed)에서 행한다. 예컨대, 하나의 베드가 흡착 작업을 하고 있는 중에 다른 하나의 베드는 탈착 작업을 한다. 탈착은 예컨대 압력을 감소시켜, 그와 더불어 또는 온도를 상승시키는 것으로 행한다. 메탄보다 무겁고, 분리해야 하는 탄화수소는 흡착 단계에서 흡착제에 부착되어 탈착 단계에서 분리된다.

천연 가스가 무거운 탄화수소를 포함하는 경우에 사용하는 또 하나의 방법은, 천연 가스를 단계 a)에서 어떤 온도까지 냉각하는 것이다. 그 온도는 가스를 혼합물의 크릭콘덴바아 보다 낮은 압력 레벨까지 가져오는 거의 등엔트로피 팽창의 마지막에 역행하는 응축에 의해서 형성하는 것 같은 온도이다. 그 후, 팽창한 혼합물은 거의 일정한 압력으로 냉각된다. 분리해야 하는 메탄보다 무거운 탄화수소를 포함하는 액상은, 팽창 프로세스의 종반 및/또는 혼합물을 연속적으로 냉각하는 동안에 전환되며, 이 작업은 거의 일정한 압력하에서 수행한다.

천연 가스가 메탄보다 무거운 탄화수소를 포함하는 경우, 단계 a)가 수행되는 압력보다도 낮은 압력 레벨로 행해지는 사전 프로세스 중에 분리하는 것도 가능하다. 이 경우, 사전 프로세스 단계 중의 압력이 크릭콘덴바아 보다 낮으면, 메탄보다 무거운 탄화수소는 응축 수단이나, 증류 및/또는 용제로의 흡착 등과 같은 다른 주지의 수단에 의해서, 예컨대 실온보다 낮은 온도로 분리할 수 있다.

이러한 예비 단계의 종반에서는, 될 수 있는 한 등압 압축에 가까운 조건하에서 행해지는 압축 단계에 의해 가스를 압축하며 여기서 압축 단계를 냉각 단계로바꾼다. 이러한 냉각은 예컨대 액화하는 사이트(site)에서 사용할 수 있는 공기나 물 등의 냉각용 유체를 사용하여 행한다.

일반적으로 이러한 예비 압축 단계는, 액화하여야 할 가스의 압력이 단계 a)를 만족하는 조건으로 수행하는 데 불충분할 경우에 사용된다.

특히, 천연 가스의 집적 작업을 종료한 시점에서 웰(well)의 헤드에 있는 가스 압력이 너무 낮을 경우, 이러한 압축 단계가 반드시 필요하게 된다.

액화하여야 할 천연 가스가 질소를 포함하는 경우, 그리고 그것이 필요하면 이 질소의 적어도 일부를 분리할 수 있다.

예컨대, 질소 분리 단계는 다음과 같은 방법으로 행해진다.

천연 가스의 혼합물과 함께 질소 부분을 액화할 필요 없이, 단계 b)에서 행해지는 팽창 프로세스의 종반에, 높은 질소 함유율의 기상을 얻어 액화하여아 할 천연 가스에 함유되어 있는 질소의 적어도 일부분을 분리할 수 있다는 것이 발견되었다. 실제로 질소 부분이 존재할 때 천연 가스를 액화하는 것은, 질소 부분의 존재가 액화 작업을 곤란하게 하며, 또 얻어진 액상으로부터 예컨대 증류 프로세스에 의해 질소 부분을 분리해야 하기 때문에 문제가 배가된다.

이 예로서는 예컨대 제4도에 도시한 바와 같은 방법으로 실행된다.

천연 가스는 관(7)을 통해 열교환기(E2)로 보내어진다. 열교환기(E2) 중에서의 냉각 프로세스의 종반에, 천연 가스는 「농밀」상의 형태로 나온다. 이 「농밀」상의 부분은 이하에서 설명한 바와 같이 적어도 2개의 연속적인 팽창 단계에 의해 직접 팽창될 수 있다.

농밀 상의 제1의 부분은 관(11)을 통해 열교환기(E2)의 출력으로부터 터빈(T₃₁)으로 보내어지며, 그 터빈 내에서 팽창된다. 제1의 팽창 단계의 종반에, 팽창에 의해 얻어진 혼합물은 관(30)을 통해 터빈(T₃₁)으로부터 분리기 플라스크 (B2)에 보내어지고, 플라스크 내에서 액체 부분과 기체 부분으로 분리된다. 기체 부분은 관(31)을 통해 예컨대 열교환기(E3)로 보내지거나 리사이클 된다.

분리기 플라스크(B2)에서 분리된 액체 부분의 질소 성분은 감소되고 이 액체 부분은 관(32)을 지나서 터빈(T₃₂)으로 보내져 터빈 내에서 팽창된 후 액체-증기의 혼합물 형태로 배출된다. 터빈(T₃₂)을 나갈 때, 액체-증기 혼합물은 관(35)에 의해 접촉기(S1, contactor)의 베이스 또는 하부로 이송된다.

터빈(T₃₁)으로 분기되지 않은 열교환기(E2)로부터 나온 농밀 상의 천연 가스의 냉각된 부분은 관(14)을 통해 열교환기(E3)로 보내어진다. 이 부분은 열교환기에서 관(31)으로부터의 기체 부분과의 열교환 프로세스에 의해 냉각된다. 열교환기 (E3)를 나올 때, 농밀 상의 이 부분의 온도는 처음에 열교환기(E3)로 들어갈 때의 온도 보다 낮으며, 관(31)을 통해 도착한 기체 부분의 온도에 가깝다. 열교환기 (E3)를 나온 농밀 상의 부분은 관(15)을 통해 터빈(T4)으로 송출되고 그 터빈내에서 팽창된다. 팽창후 터빈(T4)의 출력으로 얻어진 대부분의 액상의 액체-증기 혼합물은, 관(36)에 의해 접촉기(S1)의 상부를 이루는 접촉기의 헤드로 보내어진다. 터빈(T4)을 나온 이 액상은 비교적 높은 질소 함유율을 갖는다. 이 액상은,접촉기(S1)에서 관(35)을 경유하여 접촉기(S1)의 베이스에 도착하는 기체 부분과 역류 접촉되며, 그 합성물은 비교적 질소 성문이 낮은 액상과 거의 평형 상태를 이루게 된다. 접촉기(S1)에서, 하강하는 액상은 질소 성분이 감소하고, 상승하는 기상은 질소 성분이 증가한다. 따라서, 접촉기(S1)의 베이스에서는 질소 성분이 비교적 낮은 액체 부분을 얻게되고, 접촉기(S1)의 헤드에서는 질소 성분이 비교적 높은 기체 부분을 얻을 수 있다. 접촉기(S1)의 베이스에 모인 액체 부분은 액화 천연 가스를 형성하고 관(38)을 통해 배출된다. 접촉기(S1)의 헤드에서 모인 기체부분은 고질소 농도의 기체 부분을 형성하여 천연 가스로부터 분리된다.

고질소 농도를 갖는 기체 부분은 관(34)으로부터 배출되어 열교환기(E4)로 보내어지고, 거기에서 관(37)을 통해 나온다. 열교환기(E4)에서, 고질소 농도를 갖는 기체 부분은 천연 가스의 취입구 관(7)을 직접 열교환기(E4)에 결합하는 관(33)을 경유하여 들어오는 천연 가스의 일부분과의 열교환 프로세스에 의해 가열된다.

직접 취입구 관(7)으로부터 분기된 천연 가스의 기체 부분은 열교환기(E4)에서 그 열교환에 의해 냉각되어, 열교환기(E4)를 접촉기(S1)에 연결하는 관(36)의 중간에 있는 팽창 밸브(V3)를 통해 팽창된다. 분기되어 팽창된 천연 가스의 부분은 터빈(T4)으로부터의 액체-증기 혼합물과 관(36)의 레벨에서 혼합되어 접촉기(S1)로 보내어진다.

접촉기(S1)의 헤드로부터의 기체 부분을 열교관기(E2, E3)로 또한 보낼 수 있으며, 이 경우에 추가의 열교환 수단을 구비해야 한다.

접촉기는 예컨대 지연 칼럼(lagged column) 요소 또는 플랫폼 칼럼이다. 접촉기(S1)에서의 이론적 단계의 수는 예컨대 3 또는 4이다.

본 발명의 방법을 동작하는 방법에 관해서 이하에 설명한다.

액화하여야 할 천연 가스는 308K의 온도, 150 바아의 압력이며, 7.7질량%의 질소를 포함한다.

이 천연 가스의 제1의 부분(f1)은 열교환기(E2, E3)에 의해 122K의 온도가 될 때까지 냉각된다. 열교환기(E3)로부터 나올 때, 천연 가스는 「농밀」상의 상태가 된다. 그 후, 적어도 부분적으로 예컨대, 터빈(74)내에서 팽창에 의해 대기압으로 액화하여 관(16)을 통해 접촉기(S1)의 헤드로 공급한다.

열교환기(E2)의 상류에서 분로된 제2의 부분(f2)을 터빈(T2) 내에서 그 응축까지 거의 등엔트로피 팽창시키는 것에 따라 185K까지 냉각한다. 냉각 팽창된 부분을 관(9)에 의해 열교환기(E2)로 공급하여 제1의 부분(f1)과의 역류에 의해 가열한다. 이 열교환 후에, 그 부분(f2)은 주위의 매체(K4, C4)에 의해 냉각되는 일련의 압축기를 통과하여 그 속에서 압축되어 냉각된 후, 이것을 관(7)을 통해 들어오는 액화하여야 할 천연 가스와 혼합한다.

제3의 부분(f3)을 열교환기(E2)의 출력으로부터 분로하여, 터빈(T₃₁)에서 거의 등엔트로피 팽창에 의해 예컨대 117K까지 냉각한다. 이 기체 부분(f3)을 플라스크(B2)에서 팽창시키는 것에 따라 얻은 가스/액체 혼합물로부터 기체 부분을 분리하여, 관(31)을 통해 열교환기(E3)로 이송하고, 그 후 관(18)을 통해 열교환기(E2)로 옮겨, 거기에서 제1의 부분(f1)과의 역류에 의해 가열한다. 이 가열 프로세스의종반에, 제3의 부분(f3)은 일련의 압축기(K3, C3)를 통과하여 예컨대 주위의 매체에 의해 냉각되어 제2의 부분(f2)과 혼합되며 일련의 압축기(K4, C4)에 행한 것과 동일하게 예킨대 주위 매체에 의해 냉각된다.

플라스크(B2)로부터의 액체 부분은 대기압하에서 터빈(T₃₂)을 통과시키는 것에 따라 팽창시켜 이것을 접촉기(S1)의 낮은 쪽, 예컨대 베이스로 유도한다. 접촉기의 상부에 도입되어 있는 질소가 농후한 액체(6.7질량%)와 접촉하여, 증기 부분 또는 기체 부분이 질소를 많이 포함하게 된다. 접촉기(S1)의 출력으로서, 증기부분은 질량퍼센트로 66%의 질소를 포함하며 액화된 천연 가스는 1.3%의 질소를 포함하게 된다. 증기 부분은 처리하여야 할 천연 가스의 부근(f4)에 의해 실온까지 온도를 높여 배출되기 전에 접촉기의 헤드로 공급된다.

부분(f1, f2, f3, f4)은 열교환기와의 열적 근사(thermal approximation)가 최소가 되도록 선택한다.

추출된 가스 중의 메탄의 손실은 3.5%가 된다.

단계 b)에서 행해지는 팽창은, 예컨대 50℃ 이상으로 되는 온도의 큰 변화를 수반한다. 만약, 팽창이 2개 또는 그 이상의 터빈으로 연속하여 행해지는 경우, 각 터빈의 입력 온도와 출력 온도 사이에는 비교적 큰 차가 생긴다. 더욱이, 팽창은 「농밀」상 또는 액상에 대하여 행해진다. 팽창중의 유체와 터빈의 소자와의 사이에 열교환이 있으면, 이런 조건하에서는 팽창 프로세스의 효율을 저하할 수 있다.

팽창 프로세스는 열전도성이 없는 재료로 된 소자로부터 제작된 터빈 내에서행해질 경우 유리하다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 이들의 소자는 천연 가스로부터 열적으로 절연되도록 한다.

이러한 소자는 열적 절연층으로 피복된 금속 부품이라면 좋다. 이들 소자, 특히 로터는 열전도율이 낮은 합성 재료로 만들 수 있다.

단계 a)와 단계 d)중에 일어나는 열교환은 역류 열교환기에 의해 행해진다. 이러한 열교환기는, 예컨대 멀티-패스(multi-pass)식 열교환기이며, 플레이트형 열교환기인 것이 바람직하다. 이 플레이트형 열교환기는 납땜된 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 플레이트를 서로 용접한 스테인레스강의 열교환기를 또한 사용할 수 있다.

얼교환에 사용하는 유체가 관통하여 흐르는 관은 각종 방법으로 만들 수 있다. 예컨대 2장의 플레이트의 사이에 파형의 분리용 플레이트를 끼우든지 홈이 파인 판 또는 화학적 조판에 의한 것을 중첩하는 것 등에 의해 플레이트를 형성하는 방법이 있다.

또한, 파이프 권취형 열교환기를 사용할 수 있다. 이 경우에, 단계 e)의 열교환을 열교환기의 최저 온도측에서 양호하게는 5K 이하, 최고 온도측에서 양호하게는 10K 이하의 온도차로 행한다.

단계 a)의 냉각에 냉매의 혼합물로 동작하는 외부 사이클을 응용하는 것도 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 이 경우의 작동 원리는 제5도에 예시되어 있다.

이 경우에, 천연 가스를 냉각하는 제1 단계는 플레이트 열교환기와 같은 열교환기(E2)에서 실행되며, 전술한 바와 같이 냉각된 기체 부분을 사용하는 팽창에의한 열교환을 대신해서 냉매의 혼합물을 이용하여 이것을 열교환기(E2)에시 증발시킨다.

냉매의 혼합물은, 일조의 관이나, 압축기, 열교환기 등으로 이루어지는 사이클 A에서부터 이하의 설명한 것같이 전개한다.

냉매 혼합물은 냉각이 일어나는 온도 범위를 증가시키기 인해 연속하고 있는 2개의 압력 레벨에서 증발시킨다.

혼합물은, 예컨대 관(27)을 통해 열교환기로 공급되며, 관(27)은 2개의 관(27a, 27b)으로 분기한다. 액상의 냉매 혼합물의 제1의 부분은 관(27a)의 연장부분, 즉 열교환기(E2)로부터 제1 팽창 밸브(V20)까지를 형성하는 연장 부분을 형성하는 관(23)에 의해 배출되고, 거기서 예컨대 238K 내지 303K 범위의 온도로 증발되며, 그 후 관(24)에 의해 열교환기(E2)를 통해 되돌아가 기체 또는 증기의 형태로 압축부(K6)로 보내어진다.

혼합물의 제2 부분은 관(27b)을 통과하여 열교환기(E2)로부터 배출되어 관(27b)의 연장관(25)에 있는 밸브(V30)로 들어간다. 혼합물은 대기압에 가까운 압력 레벨까지 팽창되며, 173K 내지 238K 범위 내의 온도에서 증발된다. 따라서, 얻어진 증기상은 열교환기(E2)를 통해 압축기(K5)의 입력으로 보내어지고, 그 후 압축기(K5)뒤에 있는 열교환기(C5)에서 냉각되고, 관(24)을 통해 도착하는 증기부분과 혼합된다. 이렇게 해서 얻어진 증기상의 혼합물은 다음에 압축기(K6)에서 압축되고, 열교환기(C6)를 통과함으로써 냉각 및 응축되며, 관(27)에 의해 교환기(E2)로 공급되며, 거기서 조금 냉각되고 나서 팽창되어 증발한다.

천연 가스는 관(7)을 지나 열교환기(E2)에 도착하여 냉각되어 관(11)을 통해 열교환기(E2)를 나온다. 열교환기(E2)를 나올 때, 혼합물의 형태로 나오며, 그 온도는 예컨대 178K에 가깝다. 혼합물의 대부분은 터빈(T3)을 통과하며, 터빈에서 팽창되어 액체-증기 혼합물 형태로 배출되며, 그 후 액체-증기 혼합물은 관(12)을 통해 접촉기(S1)의 베이스로 공급된다.

터빈(T3)으로 가지 않는 천연 가스의 또 다른 한 부분은 열교환기(E2)로부터 관(14)을 통해 직접 플레이트형 열교환기(E3)로 보내어지고, 거기서 예컨대 접촉기(S1)로부터 관(13)을 경유하여 나온 증기상의 부분과의 열교환에 의해 냉각되어 그 온도가 생성되는 액화 천연 가스의 최종 온도에 가까운 온도에 달한다.

열교환기(E3)에서 냉각된 기체 부분은 관(15)을 통해 이 열교환기를 나오고, 팽창 밸브(V4)를 통해 팽창된다. 팽창에 의해 얻어진 액체 부분은 접촉기(S1)의 헤드로 보내어진다.

접촉기(S1) 내부에서, 이러한 액상은 질소를 빼앗기는 반면에 접촉기(S1)의 바닥에 공급된 증기상의 부분은 접촉기 위로 상승하여 질소 성분이 많아진다.

따라서, 증기상의 부분이 이와 같이 질소를 충전하여 접촉기(S1)를 나가기 때문에, 천연 가스에 당초 포함되어 있었던 질소의 대부분은 배제된다.

질소 성분이 농후한 기체 부분은 열교환기(E3)를 통과한 후, 관(18)을 경유하여 열교환기(E2)로 들어가서, 거기에서 관(19)을 통해 나간다.

질소를 빼앗긴 액체 부분으로부터 생성된 액화 천연 가스는 접촉기(S1)의 하부로부터 배출된다.

접촉기(S1)는 예컨대 플랫폼 칼럼 또는 지연(lagging) 칼럼일 수 있다. 지연 칼럼이 사용될 경우, 지연은 「구조」 형이 되는 것이 유리하다.

제5도에 실시예의 일례로서 도시한 도면에 대해, 본 발명의 범위 내에서 여러 변형을 고려할 수 있다.

특히, 열교환기(E2)에서 행해지는 냉각 단계 중, 액상의 혼합물을 팽창시키는 압력 레벨의 수를 변경할 수 있다. 제5도에 도시한 설명에 따르면, 2개의 압력 레벨이지만, 이것을 하나로 감하거나, 또는 3개 또는 그 이상으로 하더라도 좋다. 팽창 압릭 레벨의 수를 증가함으로써 필요한 압축력을 줄일 수 있으나, 설비가 복잡해진다. 얼마나 많은 압력 팽창 레벨을 적용해야 할지의 선택은 기술적 측면과 경제적 측면을 고려하여야 한다.

팽창 밸브(V20, V30, V4)는 전부 또는 일부를 모터에 의한 팽창 터빈에 의해 대체하더라도 좋다.

열교환기(E2, E3)는 상이한 재료 및/또는 조립하여 구성되더라도 좋다. 또한, 일련의 열교환기를 하나의 단일 플레이트 열교환기로 구성하는 것도 가능하다.

압축기(K5, K6)는 각각 일련의 단계를 가질 수 있다. 2개의 연속적인 단계 사이에 중간 냉각을 위한 단계를 제공하더라도 좋다.

관(19)에 의해 배출된 저압 기체 부분 중 적어도 일부를 재압축하여 리사이클 하더라도 좋다. 따라서 이와 같이 하여 얻어진 기체 부분을 리사이클 없이 낮은 압력으로 사용할 수 있기 때문에, 필요한 자본 비용과 운용비를 상당히 경감할 수 있다.

천연 가스가 질소를 함유할 경우, 비교적 질소가 적은 기체 부분을 리사이클하고 비교적 질소가 많은 기체 부분을 배출하여 버리는 것이 유리하다. 이 경우, 제6도의 선도에 도시한 바와 같이 하여 프로세스는 행할 수 있다.

제6도에서 예시한 구성에 있어서, 관(11)을 통해 열교환기(E2)로부터 나오는 천연 가스는 터빈(T₃₁)에서 제1의 팽창을 겪게 된다. 터빈(T₃₁)의 출력에서, 액체 부분은 플라스크(B3)에 의해 모이고, 바람직하게는 이 플라스크의 하부에 위치된 관(42)을 통해 터빈(T₃₂)으로 빠져나가, 그 터빈에서 제2의 팽창 프로세스를 겪게 된다. 또한, 플라스크의 상부에는 비교적 질소가 많은 기체 부분이 모이고, 관(40)에 의해 터빈(T4)으로 공급되며, 그 터빈 내에서 팽창되어 접촉기(S1), 바람직하게는 그 하부로 보내어진다. 터빈(T₃₂)을 나올 때, 팽창한 혼합물은 관(43)을 경유하여 배출되고 플라스크(B4)에서 액체 부분과 기체 부분으로 분리된다. 그 액체 부분은 질소 함유율이 낮은 것으로, 바람직하게는 플라스크(B)의 하부에 위치된 관(45)을 통해 배출되며, 생성되는 액화 천연 가스의 일부를 형성한다. 기체 부분은 플라스크의 상부로부터 배치되지만 비교적 질소를 적게 포함하는 것으로, 관(44)을 통해 열교환기(E3)로 보내지고, 또 관(18)을 경유하여 열교환기(E2)로 보내지며, 관(19)을 통해 배출된다. 관(19)은 압축기(K3)에 연결되어 있으며, 압축기는 질소 함유율이 낮은 기체 부분을 재압축하여 열교환기(C3)로 옮겨 여기서 이것을 물이나 공기 등의 냉각 유체에 의해 냉각한다. 압축기(K3)는 다수의 압축 단계를 통합한 것으로, 그 압축 단계 사이에는 냉각 단계가 있는 것이 바람직하다.

관(15)을 경유하여 열교환기(E3)를 나오는 압축 상태의 천연 가스는 팽창 밸브(V11)에서 팽창된 후, 접촉기(S1)의 헤드로 공급된다.

접촉기(S1)에서 상승하여 액상과 접촉한 결과로서 질소를 많이 포함하게 된 기체 부분은 관(46)을 통해 접촉기를 떠나 열교환기(E4)로 공급되며, 거기에서 관(49)을 지나 부분적으로 리사이클할 수도 있다. 압축하의 천연 가스의 일부분은 관(47)을 통해 열교환기(E4)로 도달하여, 그 열교환기 내에서 냉각되어 생성되는 LNG의 최종 온도에 가까운 온도로 되어 관(48)을 경유하여 나간다. 그 후 이 부분은 밸브(V10)를 통해 팽창되어 접촉기(S1)의 헤드로 공급된다.

접촉기(S1)의 베이스에서, 액체 부분이 모이고 그것은 관(45)을 통해 도착하는 액체 부분과 혼합되어 생성하여야 할 액화 천연 가스를 형성하고 관(50)을 경유하여 빠져 나간다.

터빈 대신에 기계에너지로 팽창시킬 수 있는 상기 이외의 장치를 사용했다고 해도 그것은 본 발명의 범위에서 벗어나서는 것이 아니다.

본 빌명의 여러 가지 수정과 변형은 본 발명의 범위와 취지로부터 벗어남 없이 당업자에게 명백히 이해될 것이며 본 발명은 여기서 이해를 돕고자 한 설명에 한정되어서는 안될 것이다.

Claims (24)

1. 천연 가스를 액화하는 방법에 있어서,

   상기 방법은,

   a) 천연 가스를 메탄의 임계 압력에 동등하거나 더 높은 압력으로 냉각하여 농밀 상의 형태로 되도록 냉각하는 단계와,

   b) 농밀 상의 형태의 상기 천연 가스를 제1의 부분과 제2의 부분으로 분리하는 단계와,

   c) 상기 제1의 부분을 팽창시켜 액체 부분과 기체 부분을 얻기 위한 팽창 단계와,

   d) 상기 단계 c)에서 얻어지는 기체 부분을 상기 제2의 부분과의 열교환을 행하여 제2의 부분을 냉각한 다음, 이 냉각된 제2의 부분을 팽창시켜 액체부분과 기체 부분을 얻는 단계와,

   e) 상기 단계 c)와 단계 d)에서 얻어진 액체 부분을 재결합하이 액화 천연가스를 형성하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
2. 제1항에 있어시, 상기 단계 b)에서, 제1의 부분은 상기 단계 a)에서 얻어지는 농밀 상의 형태의 천연 가스의 3분의 2 이상인 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 단게 c)와 단계 d)로부터의 기체 부분들 중 하나 이상을 재압축하여 상기 단계 a) 이전의 천연 가스와 혼합하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 터빈이 천연 가스를 상기 단계 c)에서 농밀 상의 상태로부터 액상의 상태로 팽창시키는데 이용되는 장치인 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 단계 a)에서, 이 단계 이전의 천연 가스로부터 분리된 기체 부분을 사용하는 열교환에 의해 천연 가스를 냉각하는 것과, 상기 기체 부분을 터빈에서 팽창시키는 것과, 그리고 그 팽창된 기체 부분을 압축 단계 중에 재압축하여 리사이클 하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
6. 제3항에 있어서 하나 이상의 리사이클된 기체 부분을 2개의 단계에서 압축하며, 그 압축된 가스를 이들 각각의 압축 단계 종반에서 주위의 냉매를 사용하여 냉각하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
7. 제3항에 있어서, 상기 단계 a)에서, 열교환기 내의 냉매의 혼합물을 증발시키는 것에 따라 천연 가스를 냉각하여, 이것에 의해 증기상의 상태로 얻어지는 혼합물을 다음에 주위의 냉매와의 열교환 프로세스에 의해 압축하여 응축한 다음 팽창시켜 리사이클 하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
8. 제7항에 있어서 2개 이상의 다른 압력 레벨에서 냉매의 혼합물을 팽창시켜 증발시키는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
9. 제2항, 제3항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서 천연 가스가 무거운 탄화수소를 포함하는 경우, 액화하여야 할 천연 가스에 포함되는 가장 무거운 탄화수소를 단계 a) 이전에 흡착 단계에서 분리하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
10. 제2항, 제3항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 천연 가스를 구성하는 혼합물의 임계 압력보다도 높은 압력 레벨에서 상기 단계 a)를 행하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
11. 제10항에 있어서, 액화하여야 할 천연 가스의 크릭콘덴바아(cricondenbar)보다 높은 압력으로 단계 a)를 행하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
12. 제10항에 있어서, 7 내지 20MPa 사이의 범위에 있는 압력으로 단계 a 를 행하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 단계 a)의 종반에서의 천연 가스의 온도가 165K 내지 230K 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
14. 제3항에 있어서, 상기 단계 c)의 종반에서 얻어지는 기체 부분은 20% 이상인 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
15. 제2항 또는 제3항에 있어서, 천연 가스가 메탄보다 무거운 탄화수소를 포함하는 경우, 그 탄화수소를 단계 a)에서 지배적인 압력보다도 낮은 압력으로 수행되는 단계 a) 이전의 예비 단계 중에 분리하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
16. 제15항에 있어서, 팽창 후 메탄보다 무거운 탄화수소의 농도를 갖는 액체 부분을 생성하기 위한 온도까지 천연 가스를 단계 a)에서 냉각하여, 그 후 상기 액체 부분을 액화된 천연 가스로부터 분리하는 것을 특징으르 하는 천연 가스의 액화 방법.
17. 제2항 또는 제3항에 있어서, 낮은 열전도성을 갖는 요소로 이루어지는 터빈에서의 팽창에 의해 단계 c)를 행하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 터빈의 로터는 낮은 열전도성을 갖는 합성 재료로 구성되근 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
19. 제2항 또는 제3항에 있어서, 단계 a) 및 단계 d)에서의 열교환을 역류 열교환기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
20. 제3항에 있어서, 열교환기의 최저 온도측에서 5K 보다 작은 온도차, 최고 온도측에서 10K 보다 작은 온도차가 있는 열교환기 내부에 천연 가스를 통과시키는 것에 따라 단계 d)의 열교환을 행하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
21. 제2항 또는 제3항에 있어서, 단계 c)에서의 팽창을 2개 이상의 연속하는 터빈에 의해 수행하며, 제1의 부분적 팽창으로부터의 액체-증기 혼합물을 기체 부분과 액체 부분으로 분리하고, 기체 부분을 단계 d)로 이송하여 생성된 액체 부분을 제2 터빈 내에서 팽창시키며, 상기 제2 팽창의 종반에서의 액체 부분은 액화 천연 가스의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
22. 제3항에 있어서, 단계 c)로부터의 기체 부분의 일부분을 단계 d)로부터의 액체 부분과 역류에 의해 접촉시켜, 생성된 액체 부분을 단계 c)로부터의 액체 부분과 재통합시켜 액화 천연 가스를 형성하고, 생성된 기체 부분을 단계 d)로부터의 기체 부분과 재통합시켜 질소 성분이 풍부한 기체 부분의 적어도 일부를 형성하여배출하는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 방법.
23. 상기 제1항에 기재된 천연 가스의 액화 방법을 실시하는 천연 가스의 액화 장치로서,

    상기 압력하에서 액화하여야 할 천연 가스를 냉각하여 상기 천연 가스로부터 농밀 상으로 할 수 있는 하나 이상의 장치(E2)와, 상기 장치(E2)를 냉각시키기 위한 하나 이상의 냉각 수단(R1)을 포함하며,

    상기 장치(E2)는 천연 가스를 액화하기 위해 농밀 상의 상태로 팽창시키는 하나 이상의 수단(T4)에 직접 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 장치.
24. 제23항에 있어서, 천연 가스를 농밀 상의 상태로 팽창시키는 수단은 하나 이상의 팽창 터빈을 포함하며, 상기 터빈의 하나 이상의 요소가 낮은 열전도성을 갖는 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 천연 가스의 액화 장치.