KR100381108B1 - 단일의 혼합된 냉매 가스 액화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 액화 방법에 관한 것인데, 본질적으로 무수 공급 가스를 냉각 및 액화하는 냉동은 단일의 재순환 혼합된 냉매 사이클에 의해 제공되며, 여기서 냉동은 각각 낮고 높은 압력 레벨에서 상이한 조성(물)을 갖는 2 개의 혼합된 냉매류의 기화(증발)에 의해 제공된다. 낮은 압력 레벨의 기화 냉매는 제1 냉각 영역에서 공급 가스류를 냉각하며, 높은 압력 레벨의 기화 냉매는 제2 냉각 영역에서 상기 냉각 가스를 더 냉각하고 응축하여 최종 액체 생성물을 제공한다. 낮은 압력 레벨의 기화 냉매는 압축 혼합된 냉매 증기의 대기 냉각에 의해 얻어진 하나 또는 그 이상의 액체에 의해 제공된다. 기화된 낮은 압력 레벨의 냉매는 추가의 가열 없이도 대기 이하의 온도에서 냉매 압축기로 복귀될 수 있으며, 이러한 냉각 냉매는 압축되며, 또한 기화된 고압 레벨의 냉매와 배합되고, 이는 약 대기 온도에서 복귀된다.

Description

단일의 혼합된 냉매 가스 액화 방법{SINGLE MIXED REFRIGERANT GAS LIQUEFACTION PROCESS}
액화 천연 가스(LNG)의 제조는 재순환 냉동 시스템에 의해 제공되는 다중 냉매류(multiple refrigerant streams)에 대하여 공급 가스류를 냉각시키고 응축시킴으로써 이루어진다. 공급되는 천연 가스의 냉각은 세 개의 상이한 냉매 루프(loop)에 의해 냉동이 제공되는 공지의 캐스케이드 사이클(cascade cycle)과 같은 다양한냉각 공정 사이클에 의해 이루어진다. 이러한 캐스케이드 사이클 중 하나는 세 개의 상이한 온도 레벨에서 냉동을 제공하기 위해 메탄, 에틸렌 및 프로판을 순차적으로 사용한다. 다른 공지의 냉동 사이클은 다성분 냉매 혼합물이 선택된 온도 범위에 걸쳐 냉동을 발생시키는 프로판 예비 냉각 혼합 냉매 사이클을 사용한다. 혼합 냉매는 메탄, 에탄, 프로판 및 다른 가벼운 탄화 수소와 같은 탄화 수소를 함유할 수 있으며, 질소를 함유할 수도 있다. 이 효율적인 냉동 시스템의 변형들이 전 세계에 걸쳐 많은 LNG 설비를 작동함에 있어서 널리 사용되고 있다.
천연 가스 액화를 위해서, 프로판 예비 냉각이 있거나 없는 단일의 또는 이중의 혼합된 냉매 사이클이 사용되어 왔다. 단일의 혼합된 냉매 사이클에서는 요구 온도 범위에 걸쳐 냉동을 제공하기 위해 하나 또는 두개의 상이한 압력 레벨에서 혼합된 냉매를 사용하여 왔다.
미국 특허 제4,251,247호는 냉매가 2개의 압력에서 기화되는 단일의 혼합된 냉매 시스템을 설명하고 있다. 압축된 단일의 혼합 냉매류는 압축기 중간 냉각 후에 및/또는 대기 온도에 가까운 최종 압축기 단계 냉각 이후에, 액체 분류와 증기 분류를 제공한다. 액체 분류로부터 얻은 냉동은 대기 온도로부터 -55℃에 이르기까지의 천연가스의 냉각의 일부 또는 전부를 제공하기 위해 사용된다. 액체 분류로부터의 냉동은 냉각된 증기 분류로부터의 냉동의 복구 이전에 증기 분류의 냉각을 위해 사용된다. 상기 특허의 도 4에서, 천연 가스는 먼저, 액체 분류의 전부를 증기 분류의 일부와 배합함으로써 획득되는 배합류(배합 흐름)으로부터 획득된 냉동에 의해 대기 온도로부터 중간 온도까지 냉각된다. 상기 특허의 도 5에 있어서,대기 온도에서의 천연가스는 액체 분류의 일부로부터의 냉동을 사용하여 20℃로 냉각되며, 수분 제거를 위해 흡수 장치(탈수 장치)에서 처리된다. 메탄 수화물이 형성되는 것을 피하고자, 천연 가스는 흡수 장치에서의 처리 이전에 20℃ 이하의 온도로는 그다지 냉각되지 않는다. 천연 가스를 37℃에서 20℃로 냉각하기 위해 액체 냉매 분류의 일부는 천연 가스와의 열교환에 의해 부분적으로 기화되며 압축기의 중간 스테이지에 위치한 분리기로 복귀된다. 그러나, 흡수 장치를 떠난 천연가스는 단일 혼합된 냉매류의 증기 분류으로부터 획득된 냉매를 이용하여 20℃에서 -54℃로 냉각된다.
미국 특허 제3,747,359호에는 냉매가 2개의 압력에서 비등하는 단일의 혼합된 냉매 시스템이 개시되어 있다. 저압 혼합 냉매는 온난 압축되는데, 즉, 상기 냉매는 공급된 따뜻한 천연 가스와 열교환된 후 압축기로 도입되며 고압 혼합 냉매고 공급된다. 중간압 혼합 냉매는 대기 냉각이라기보다는 대기 온도 이하의 냉각 이후에 얻어지며, 혼합 냉매의 분리가 대기 온도에서 발생하지 않는다.
미국 특허 제4,325,231호에서는 냉매가 2개의 압력에서 기화하게 되는 단일의 혼합된 냉매 시스템을 기술하고 있다. 대기 냉각된 이후 응축된 고압 액체는 저압에서 과냉되고 기화되지만, 대기 냉각 이후에 남아있는 고압 증기는 추가로 냉각되어 제2 액체와 제2 증기류를 산출한다. 제2 증기류는 저압에서 액화, 과냉 및 기화되지만, 제2 액체류는 저압과 중간압에서 액화, 과냉 및 기화된다. 대기 온도의 고압 액체류와 고압 증기류는 분리된 평행한 열교환기들에서 냉각된다. 모든 기화 혼합된 냉매류는 압축 전에 대기 온도의 근방으로 온난화된다.
미국 특허 제5,657,643호에서는 냉매가 하나의 압력에서 비등하게 되는 단일의 혼합된 냉매 시스템을 기술하고 있다. 혼합 냉매의 압축은 2개의 스테이지에서 발생되며, 펌핑되어 최종 압축 스테이지의 배출물과 혼합되는 중간 냉각 이후의 액체 응축물을 산출한다. 공급 및 혼합된 냉매의 냉각은 단일의 다중류 열교환기에서 발생한다.
가스 액화 공정의 효율 개선이 절실히 요구되고 있으며 이는 가스 액화 기술에서 개발되고 있는 신 사이클의 주된 목적이다. 본 발명의 목적은 이후 설명되고 또 청구범위에 의해 한정되는데, 이는 단일의 혼합된 냉매를 이용하는 액화 공정에 대한 개량을 포함한다. 상기 개량에는 감소된 압축기 입구 온도에서의 기화 냉매의 압축과 대기 온도에서의 중간 스테이지 액체 냉매류의 발생이 포함되며, 이는 냉동 사이클에서 유익하게 사용될 수 있다.
도 1은 재순환 기화 냉매의 일부가 압축 냉각되며 압축 중에 중간 냉매 액체가 형성되는 본 발명의 실시예의 개략적인 흐름도이다..
도 2는 중간 냉매 액체가 압축 중에 형성되고, 과냉, 감압 및 기화되어 냉동을 제공하는 본 발명의 다른 실시예의 개략적인 흐름도.
도 3은 냉매 증기류가 대기압 이하의 온도에서 부분적으로 응축되어 냉각된 증기 및 액체 냉매류를 형성하는 본 발명의 다른 실시예의 개략적인 흐름도.
도 4는 과냉 혼합된 냉매 액체의 일부가, 냉매 증기를 부분적으로 응축하여 얻은 혼합된 냉매 액체와 배합되는 도 3의 실시예의 변형을 나타내는 개략적인 흐름도.
본 발명은, 가스 액화 방법에 관한 것인데, 이는 본질적으로 무수(無水) 공급 가스를 제1 냉각 영역에서 하나 또는 그 이상의 기화 액체 혼합 냉매류와 간접 열교환시킴으로써 냉각하고, 제1 냉각 영역으로부터 중간 냉각된 공급 가스와 제1의 기화 혼합된 냉매를 배출한다. 중간 냉각된 공급 가스를 제2 냉각 영역에서 하나 또는 그 이상의 기화 액체 혼합 냉매류와 간접 열교환시킴으로써 더 냉각하고, 액화된 가스와 제2의 기화 혼합된 냉매를 제2 냉각 영역으로부터 배출한다. 제1의 기화 혼합된 냉매와 제2의 기화 혼합된 냉매를 압축 및 냉각하여 하나 또는 그 이상의 액체 혼합 냉매류를 산출하되, 그 냉각은 대기 히트 싱크로의 열전달에 의해 실행되는 대기 냉각이다. 제1 영역에서 공급 가스를 냉각하는 데 이용되는 기화 액체 혼합 냉매류는 오직 대기 냉각에서 얻어진 하나 또는 그 이상의 액체 혼합 냉매류로부터 획득되는 것이다.
본질적으로 무수 공급 가스는 천연가스 공급류로부터 물을 제거함으로써 제공하는 것이 바람직하다.
제1, 제2 영역에서의 기화 액체 혼합 냉매류는
(a) 제2 기화 혼합 냉매를 제1 압력 레벨로 압축하여 가압된 제2 혼합 냉매를 산출하는 단계와,
(b) 가압된 제2 혼합 냉매를 제1 기화 혼합 냉매와 배합하고 그 결과물인 배합된 냉매류를 압축하여 압축된 혼합 냉매류를 산출하는 단계와,
(c) 압축 혼합된 냉매류를 대기 냉각에 의해 냉각 및 부분적으로 응축하여 혼합된 냉매 증기와 혼합된 냉매 액체를 산출하는 단계와,
(d) 혼합된 냉매 액체의 압력을 과냉하고 감소시켜 제1 압력 레벨의 제1 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류를 제공하는 단계와,
(e) 혼합된 냉매 증기의 압력을 냉각하고, 적어도 부분적으로 응축하고, 감소시켜 제2 압력 레벨의 제2 냉각 영역에서 기화된 기화 액체 혼합 냉매를 제공하는 단계를 포함한다.
(b)에서 배합된 냉매류의 압축은 다중 스테이지의 압축으로 실행되고, 중간 스테이지의 증기 냉매류는 대기 냉각에 의해 냉각되고 부분적으로 응축되어 추가의혼합된 냉매 액체를 산출한다. 선택적으로, 추가의 혼합된 냉매 액체는 펌핑에 의해 가압될 수 있고, 그 결과물인 가압된 액체는 압축 혼합된 냉매류와 배합된다. 필요하다면, 추가의 혼합된 냉매 액체는 과냉 및 감압될 수 있어서 제1 냉각 영역에서 다른 기화 액체 혼합 증기류를 제공하게 된다.
상기 단계 (e)에서 혼합된 냉매 증기를 냉각하고 부분적으로 응축하기 위한 냉동의 일부는 제1 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 제공될 수 있다. 단계 (e)에서 혼합된 냉매 증기를 냉각하고 부분적으로 응축하기 위한 냉동의 다른 일부는 제2 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 적어도 부분적으로 제공될 수 있다. 단계 (d)에서 혼합된 냉매 액체를 과냉하기 위한 냉동의 일부는 제1 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 제공될 수 있다. 추가의 혼합된 냉매를 과냉하기 위한 냉동은 제1 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 적어도 부분적으로 제공될 수 있다.
선택적 실시예에 있어서, 혼합된 냉매 증기는 냉각될 수 있고, 부분적으로 응축될 수 있으며, 제2의 혼합된 냉매 증기와 제2의 혼합된 냉매 액체로 분리될 수 있다. 제2의 혼합된 냉매 액체는 과냉되고 감압될 수 있어 제2 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류를 제공한다. 제2의 혼합된 냉매 액체를 과냉하기 위한 냉동은 제2 냉각 영역에서 기화되는 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 적어도 부분적으로 제공될 수 있다. 제2의 혼합된 냉매 액체는 냉각될 수 있고, 적어도 부분적으로 응축될 수 있으고, 감압될 수 있어 제2 냉각 영역에서 다른 기화 액체 혼합 냉매류를 제공한다.
제2의 혼합된 냉매 증기를 냉각하기 위한 냉동은 제2 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 적어도 부분적으로 제공될 수 있다. (d)에서의 과냉 이후 혼합된 냉매 액체의 일부는 제2의 혼합된 냉매 액체와 배합될 수 있고, 그 결과물인 배합된 액체류는 과냉될 수 있으며, 압력이 감소되어, 제2 냉각 영역에서 제2 압력 레벨에서 기화될 수 있다.
중간 냉각된 공급 가스는 약 10℃ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명은 공급 가스류의 액화를 위한 효율적인 프로세스를 제공하며, 특히 천연가스의 액화에 적용할 수 있다. 본 발명은 최소한의 열교환기를 요하는 간단한 단일의 혼합된 냉매 프로세스에 의해 높은 열역학적 효율을 달성한다. 바람직한 형태에 있어서, 본 발명은 두 압력 레벨에서 기화 혼합된 냉매류와의 간접적인 열교환에 의해 공급 가스류를 냉각하는 단일의 혼합된 냉매를 구비하는 재순환 냉매 시스템을 이용한다. 단일의 혼합된 냉매는 전형적으로 메탄, 에탄, 프로판 및 그 밖의 가벼운 탄화수소로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 탄화수소를 함유하며 또한 질소를 함유할 수도 있는 다성분 유체이다.
본 발명은 후술하는 실시예에 있어 권선 코일, 평판형-휜(plate-fin), 셸 및 튜브를 포함하는 냉동 회로내의 열교환기 그리고 케틀(kettle)형 열교환기를 비롯한 다앙한 열교환기를 이용할 수 있다. 이러한 여러 열교환기의 조합은 특정 용례에 따라서 이용될 수 있다. 본 발명은 소정의 가스 공급류를 액화하는 데 사용할 수 있지만, 후술하는 프로세스의 설명으로부터 알 수 있듯이 천연가스를 액화하는 데 사용하는 것이 바람직하다.
도 1에서 가스류(100), 바람직하기로는 천연가스가 예처리 섹션(102)에서 공지된 방법으로 세정 및 건조되어 물, CO2, H2S와 같은 산성 가스 및 수은과 같은 기타의 오염물이 제거된다. 이제 본질적으로 수분을 함유하지 않게 된 예처리된 공급 가스류(104)는 혼합된 냉매류(108)를 기화시킴으로써 10℃ 내지 -90℃의 중간 온도 바람직하기로는 약 0℃ 내지 -50℃로 열교환기(106)에서 냉각된다. 상기 용어 "본질적으로 무수(수분이 없는)"가 의미하는 바는 하류 냉각 및 액화 프로세스에서의 수분 빙결분리로 인한 작동상의 문제를 방지하기 위해 충분히 낮은 농도에서 공급 가스류(104)에 존재하는 잔류 수분을 말하는 것이다.
냉각된 천연가스류(122)는 혼합 냉매류(132)를 기화시킴으로써 열교환기(124)에서 약 -190℃ 내지 -120℃, 바람직하게는 약 -170℃ 내지 -150℃의 중간 온도로 더 냉각된다. 그 결과물인 추가로 냉각된 흐름(136)은 제품 LNG(액화 천연 가스)이며, 이는 저장 탱크로 보내지거나 추가의 처리를 받게 된다.
대기 온도 근방으로부터 최종 제품 응축물 온도까지 천연 가스 공급류(104)를 냉각하기 위한 냉동은 두개 또는 그 이상의 성분을 함유하는 냉매를 이용하는 혼합된 냉매 회로에 의하여 제공된다. 가압된 혼합 냉매류(148)는 25 bara 내지 100 bara 의 압력, 바람직하기로는 약 40 bara 내지 80 bara 의 압력에서 다중 스테이지 압축기(174)에 의해 제공된다. 대기 냉각 이후에, 이렇게 압축되고 부분적으로 응축된 흐름은 증기류(116)와 액체류(152)로 분리된다. 선택적으로, 액체류(152)의 일부(118)는 증기류(116)와 배합될 수도 있다.
"대기 냉각"이라는 용어가 의미하는 것은 냉각수 또는 대기 공기와 같은 대기 온도 유체와 간접적인 열교환을 시킴으로써 대기 히트 싱크(ambient heat sink)로의 간접적인 열교환에 의해 실행되는 냉각을 말한다. 냉각된 흐름으로부터 추출된 열은 따라서 결국 대기중의 공기 또는 다량의 물과 같은 대기 히트 싱크로 방출된다.
그 후 액체 및 증기 혼합류(116과 152)는 대기 온도의 근방에서 열교환기(106)로 진입한다. 그 냉매류는 열교환기(106)에서 약 10℃ 내지 -50℃, 바람직하기로는 0℃ 내지 -50℃로 냉각되며, 흐름(156과 158)로 나가게 된다. 흐름(156)은 스로틀 밸브(160)를 가로질러 약 4 bara 내지 30 bara, 바람직하기로는 약 8 bara 내지 20 bara의 압력 레벨로 단열 감압되고, 전술한 바와 같이 냉동을 제공하기 위해 흐름(108)과 같이 열교환기(106)의 냉각 단부로 도입된다. 기화된 냉매류(114)는 대기 온도에서 또는 그 근방에서 열교환기(106)로부터 배출된다. 필요하다면, 흐름(156)의 압력은 터보 팽창기에서의 작업 팽창에 의해 감소된다.
혼합된 냉매류(158)는 열교환기(124)로 도입되고 냉각되어 약 -190℃ 내지 -120℃, 바람직하기로는 약 -170℃ 내지 -150℃의 최종 온도로 냉각된다. 과냉된 액체류(172)는 그 후 스로틀 밸브(134)를 가로질러 약 1 bara 내지 10 bara, 바람직하기로는 약 2 bara 내지 6 bara의 압력 레벨로 단열 감압되고, 흐름(108)과 같이 열교환기(106)의 냉각 단부로 도입된다. 필요하다면, 흐름(172)의 압력은 터보 팽창기에서의 작업 팽창에 의해 감소된다.
2 개의 기화된 냉매류(176과 114)는 압축기(174)로 복귀된다. 여전히 비교적 냉각되어 있는 흐름(176)은 제1 압축 스테이지에서 약 4 bara 내지 30 bara, 바람직하기로는 약 8 bara 내지 20 bara의 압력으로 냉각 압축된다. 바람직하게는 흐름(176)이 흐름(114)보다 차가우며, 이는 전형적으로 대기 온도에 훨씬 더 가깝다. 대기 온도 이하에서 복귀되는 기화 냉매류의 압축은 냉간 압축으로 형성되며, 유익한 데 그 이유는 더 높은 가스 밀도와 더 낮은 용적의 유량의 결과로서 압축기 크기와 열교환기(106) 크기의 감소가 가능해지기 때문이다.
"압력 레벨"이라는 용어는 냉동 회로의 배관 및 열교환기의 통로들 내의 유체 압력을 한정하는 데 사용되며, 여기서 유체압이란 팽창 장치의 배출압과 압축 장치의 흡입압 사이에 있다. 가령, 도 1에서 하나의 압력 레벨은 스로틀 밸브(160)의 하류와 압축기(174)의 제2 스테이지의 입구의 상류의 배관 및 열교환기 통로들 내에 존재하는 것으로 정의한다. 설비 내의 압력 강하로 인해, 이 영역의 소정 지점에서의 유동 유체의 실제 압력은 스로틀 밸브(160)의 출구에서의 압력과 압축기(174)의 제2 스테이지의 입구에서의 압력 사이에서 변화한다. 유사하게, 다른 하나의 압력 레벨은 스로틀 밸브(134)의 하류와 압축기(174)의 제1 스테이지의 입구의 상류의 배관 및 열교환기 통로들 내에 존재하는 것으로 정의한다.
선택적으로, 압축의 제1 스테이지 이후의 냉매류는 대기 냉각에 의해 냉각기(178)에서 냉각될 수 있다. 냉각기(178)는 선택적인 것이고 비용 절감을 위해 생략할 수도 있다. 제1 압축 스테이지의 배출은 기화 혼합된 냉매류(114)와 배합되며 배합된 흐름은 하나 또는 그 이상의 추가의 압축 스테이지에서 더욱 냉각되어 약 25 bara 내지 100 bara, 바람직하기로는 약 40 bara 내지 80 bara의 최종 압력으로 된다.
이러한 압축 단계에서, 적어도 하나의 액체류(180)가 선택적으로 중간 냉각 이후에 생길 수 있다. 이 실시예에서, 선택적인 액체류(18)가 발생되고 펌프(184)에서 최종의 고압으로 펌핑되며 제1 압축 스테이지로부터 압축 가스류와 배합될 수 있다. 배합된 냉매류는 대기 냉각에 의해 냉각기(184)에 의해 냉각된다.
도 1에서, 열교환기(106)는 제1 냉각 영역이고 이는 라인(104)의 공급 가스용의 제1 냉각 스테이지를 제공하며, 또한 증기 냉매류(116)와 액체 냉매류(152)를 냉각한다. 이 열교환기에서, 냉동의 적어도 일부 바람직하기로는 그 전부가 밸브(160)를 가로지른 감압 이후의 과냉 액체류(156)의 적어도 일부를 기화시킴으로써 제공된다. 냉매류(156)는 압축기(174)로부터의 압축 냉매의 냉각기(184) 내의 대기 냉각으로부터 획득될 수 있다. 증기류(116)는 열교환기(106)의 소정의 냉각 효율을 제공하지 않지만, 기화 액체 냉매류(108)로부터 획득된 냉동에 의해 자체 냉각된다. 냉각과 층축 이후의 증기류(116)는 열교환기(106)의 냉각의 제2 스테이지에서의 냉동을 제공하도록 사용되는 것이 바람직하다. 기화된 냉매류(176)는 열교환기(106)를 통해 보내지지 않으므로 이 흐름에 함유된 냉동은 냉각의 제1 스테이지에서의 공급 가스를 냉각하는 데 사용되지 않는다.
도 2에 도시한 다른 실시예에 있어, 액체류(28)는 전술한 실시예에서 처럼 펌핑되지 않는 대신에, 열교환기(212)에서 과냉된다. 이 실시예에서, 도 1의 단일의 열교환기(106)는 2개의 교환기(212와 214)로 교체된다. 액체류(280)는 교환기(212)에서 과냉되어 과냉 액체류(204)를 산출한다. 흐름은 스로틀 밸브(208)를 가로질러 단열 감압되며, 냉매류(210; 후술함)와 배합되며, 흐름(206)으로서 열교환기(212)의 냉각 단부로 도입되며, 거기서 한정된 압력 레벨에서 기화되어 냉동을 제공한다. 선택적으로, 흐름(204)의 압력은 작업 팽창기를 가로질러 감압될 수 있다.
액체류(252)는 열교환기(212와 214)에서 과냉되어 과냉 액체류(256)을 산출하며, 이는 스로틀 밸브(260)를 가로질러 단열 감압되며, 다른 압력 레벨에서 기화하는 흐름(216)으로서 열교환기(214)의 냉각 단부로 도입되어 냉동을 제공한다. 선택적으로, 흐름(256)의 압력은 작업 팽창기를 가로질러 감압될 수 있다. 부분적으로 온난화된(더워진) 냉매류(210)는 전술한 바와 같이 스로틀 밸브(208)로부터 감압 냉매류와 배합된다. 이 실시예에서, 한정된 압력 레벨은 스로틀 밸브(208과 260)의 하류와 제2 압축 스테이지로의 입구의 상류의 배관 및 열교환기 통로들에서 발생한다.
도 2에서, 열교환기(212와 214)는 약 10℃ 이하, 바람직하게는 0℃, 가장 바람직하기로는 약 -20℃의 온도로 공급 가스를 냉각하는 요구되는 제1 스테이지를 제공한다. 제1 스테이지의 냉각에 있어서, 공급 가스(104), 액체류(252) 및 증기류(254)를 냉각하는 냉동의 일부 바람직하게는 전부가 대기 냉각에 의해 획득되는 액체 냉매류의 기화에 의해 제공된다. 이 예에서, 2개의 액체류(280과 252)는 대기 냉각에 의해 대기 근방 온도에서 획득되며, 이들 흐름은 모두 냉각의 제1 스테이지에서 요구되는 냉동을 제공하기 위해 사용된다. 증기류(254)는 제1 스테이지의 냉각에서 냉각되지만, 단지 열교환기(220)의 냉각의 제2 스테이지에서만 공급 가스에 대한 냉동을 제공한다.
도 3은 도 1의 실시예의 변형인 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서 증기 냉매류(116)는 열교환기(106)에서 부분적으로 응축되며, 그 결과물인 2상 흐름(158)은 분리기(388)에서 액체류(362)와 증기류(364)로 분리된다. 이 실시예에서, 도 1의 열교환기(106)는 열교환기(324와 330)으로 대체된다. 공급 가스는 열교환기(324와 330)에서의 냉각의 제2 스테이지에서 추가로 냉각된다.
액체류(362)는 열교환기(324)에서 약 -150℃ 내지 -70℃, 바람직하기로는 -145℃ 내지 -100℃로 냉각된다. 이 흐름은 스로틀 밸브(368)를 가로질러 약 1 bara 내지 약 10 bara, 바람직하기로는 약 2 bara 내지 약 6 bara의 압력 레벨로 감압되고, 흐름(370; 후술함)과 배합된다. 선택적으로, 흐름(366)의 압력은 작업 팽창기를 가로질러 감압될 수 있다. 배합된 흐름(326)은 형성된 압력 레벨에서 열교환기(324)에서 기화되어 냉동을 제공한다. 기화된 냉매류(176)는, 대기 온도 이하에서 또는 가능하다면 -90℃ 정도의 저온에서 압축기(174)로 도입된다.
증기 냉매류(158)는 열교환기(324)로 도입되고 그 곳에서 약 -150℃ 내지 -70℃, 바람직하기로는 약 -145℃ 내지 -100℃의 온도로 냉각된다. 그 결과물인 냉각류(372)는 교환기(330)로 도입되고 그 곳에서 약 -190℃ 내지 약 -120℃, 바람직하기로는 약 -170℃ 내지 약 -100℃의 최종 온도로 냉각된다. 스로틀 밸브(334)를 가로질러 약 1 bara 내지 10 bara, 바람직하기로는 약 2 bara 내지 6 bara의 압력 레벨로 단열 감압되고, 흐름(332)으로서 교환기(336)의 냉각 단부로 도입되며, 그 곳에서 형성된 압력 레벨에서 기화되어 냉동을 제공한다. 선택적으로, 흐름(372)의 압력은 작업 팽창기를 가로질러 감소될 수 있다. 부분적으로 더워진냉매류(370)는 전술한 바와 같이 스로틀 밸브(368)로부터의 감압 냉매류와 배합된다. 이 실시예에서, 형성된 압력 레벨은 스로틀 밸브(334와 368)의 하류와 압축기(374)의 제1 스테이지로의 입구의 상류의 배관 및 열교환기의 통로들에서 발생한다. 도 3의 실시예의 다른 단계들은 도 1에서 설명한 것과 동일하다.
도 4는 도 3의 실시예의 변형인 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 도 4의 실시예에서 열교환기(312)로부터의 과냉된 액체류(156)의 일부(406)는 분리기(388)로부터의 액체류(362)와 배합된다. 배합된 액체류(408)는 열교환기(324)에서 과냉되며, 전술한 바와 같이 스로틀 밸브(368)를 가로질러 감압된다. 도 4의 실시예의 다른 단계들은 도 3의 것과 동일하다.
본 발명은 전술한 도 1 내지 도 4의 실시예에서 권선 코일, 평판형-휜, 셸 및 튜브를 포함하는 냉동 회로내의 열교환기 그리고 케틀(kettle)형 열교환기를 비롯한 다앙한 열교환기를 이용할 수 있다. 이러한 여러 열교환기의 조합은 특정 용례에 따라서 이용될 수 있다.
상기 실시예들에서, 공급 가스로부터 중질의 탄화수소를 제거하는 단계들은 포함되어 있지 않다. 그러나, 몇몇의 경우에, 공급물의 조성과 제품 명세에 따라 그러한 제거 단계들이 필요할 수도 있다. 이들 중질 성분의 제거 단계들은 공지된 여러 방법 중 소정의 것을 사용하여 최종 액화 제품 온도 이상의 소정의 온도에서 채용될 수도 있다. 가령, 그러한 중질의 탄화수소는 제1 냉각 스테이지 이후에 스크러브 칼럼(scrub column)을 사용하여 제거할 수 있다. 이 스크러브 칼럼에서, 가령 펜탄과 중질의 성분들 같은 천연 가스 공급물의 중질 성분들이 제거된다. 스크러브 칼럼은 단지 스프리핑 섹션만 이용할 수도 있으며, 또는 벤젠과 같은 중질의 오염물을 매우 낮은 레벨로 제거하는 응축기을 구비한 정류 섹션을 포함할 수도 있다. 최종 LNG 제품에서 매우 낮은 레벨의 중질 성분들이 요구될 경우에, 소정의 적절한 변형이 스크러브 칼럼에 대해 이루어질 수 있다. 가령, 부탄과 같은 중질의 성분이 세척액으로 사용될 수도 있다.
천연 가스 내의 물과 이산화탄소와 같은 불순물은 전술한 바와 같이 액화 이전에 반드시 제거해야 한다. 일반적으로 이들 불순물은 예처리 섹션(102) 내부의 흡수(흡착) 장치를 사용하여 제거된다. 필요하다면, 천연 가스류(100)는 흡수 장치 앞에서 예비 냉각될 수 있다. 그러한 예비 냉각은 일반적으로 메탄 수화물 형성을 회피하기 위해 20℃ 근방의 온도에서 있게 된다. 이러한 예냉은 압축된 혼합 냉매류의 대기 냉각 이후 수집된 액체 냉매류의 적어도 일부에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 도 1에서, 액체류(152)의 일부는 감압될 수도 있고 또 부분적으로 기화될 수도 있어 흐름(100) 또는 (104; 도시하지 않음)과 그 결과물인 분리기(181)로부 복귀되는 더운 흐름을 냉각하게 된다. 예비 냉각 후에 천연 가스는 예처리 섹션(102)으로 보내져서 물과 기타 불순물을 제거한다. 본질적으로 무수 공급 가스(104)는 열교환기(106) 내의 냉각의 제1 스테이지로 보내지고, 약 10℃ 이하, 바람직하게는 약 0℃ 이하, 가장 바람직하기로는 약 -20℃ 이하의 온도로 냉각된다.
예
도 3을 참조하면, 수은과 같은 다른 불순물과 함께 CO2및 H2S와 같은 산성 가스와 물을 제거하기 위해 예비 처리부(102)에서 천연 가스 공급류(100)가 정화되고 건조된다. 예비 처리된 공급 가스(104)는 유량이 26,700 kg-mole/hr이고, 압력이 66.5 bara이며, 온도가 32 ℃이고, 몰 조성비는 아래와 같다.
공급 가스 조성비
성분 몰분율
질소 0.009
메탄 0.940
에탄 0.031
프로판 0.013
이소 부탄 0.003
부탄 0.004
예비 처리된 공급 가스(104)는 제1 열교환기(106)에 진입하고, -21℃의 온도로 냉각된다. 이러한 냉각은 혼합 냉매류(108)를 데움으로써 이루어지며, 이 냉매류는 약 13 bara의 압력에서 유량이 30,596 kg-mole/hr이며, 몰 조성비는 아래와 같다.
냉매 조성비
성분 몰분율
질소 0.021
메탄 0.168
에탄 0.353
프로판 0.347
부탄 0.111
냉각류(122)는 그 후, 약 3 bara의 압력 레벨에서 열교환기(324)에 진입하는 혼합 냉매류(326)를 데움으로써 열교환기(324) 내에서 -133 ℃의 온도까지 추가로 냉각된다. 그 결과물인 냉각류(328)는 그 후, 열교환기(330)에서 -166℃의 온도로 추가로 냉각된다. 열교환기(330)에서의 냉각을 위한 냉매는, 약 3 bara의 압력 레벨에서 기화되는 혼합 냉매류(332)에 의해 제공된다. 그 결과물인 LNG 생성류(136)는 저장소로 이송되거나 추가로 처리된다.
대기 온도로부터 최종 생성 온도까지 천연 가스류(104)를 냉각시키는 냉매는 재순환되는 혼합 냉매의 순환에 의해 제공된다. 흐름(148)은 고압의 혼합 냉매로, 다단 압축기(174)에서 60 bara의 압력 및 67,900 kg-mole/hr의 유량으로 방출되며, 그 조성비는 아래와 같다.
냉매 조성비
성분 몰분율
질소 0.057
메탄 0.274
에탄 0.334
프로판 0.258
부탄 0.077
흐름(148)은 증기류(116)와 액체류(152)로 분할된다. 액체류(152)의 16%를 차지하는 부분(118)은 증기류(116)와 재혼합된다. 이 액체와 증기가 혼합된 냉매류는 그 후, 32℃의 온도에서 열교환기(106)로 진입한다. 이 냉매류는 열교환기(106)에서 -21℃의 온도로 냉각되어, 냉각된 냉매류(156, 158)로서 열교환기를 빠져나간다. 냉매류(156)는 감압 밸브(160)를 거치면서 대략 13 bara의 압력 레벨로 단열 감압되며, 열교환기(106)의 저온 단부에 흐름(108)으로서 진입하여 그 열교환기에 냉동을 제공한다.
흐름(310)은 열교환기(330)로 진입하여, 이 열교환기(330) 내에서 -166℃의 최종 온도로 냉각된다. 과냉각된 액체류(372)는 그 후, 감압 밸브(334)를 거치면서 대략 3 bara의 압력 레벨로 단열 감압되며, 열교환기(330)의 저온 단부에 흐름(332)으로서 진입되어 열교환기에 냉동을 제공한다.
2가지의 기화된 냉매류(176, 114)가 압축기(174)에 공급된다. 냉매류(176)는 제1 압축 스테이지에서 대략 13 bara의 압력으로 압축되며, 냉각기(178)에서 대기 히트 싱크(heat sink)에 대하여 32℃로 냉각된다. 제1 압축 스테이지에서 방출된 냉매류는 기화 냉매류(114)와 혼합되어, 제2 압축 스테이지에서 60 bara의 높은 최종 압력으로 압축된다. 이 압축 스테이지에서는, 인터쿨링(intercooling) 후 액체류(180)가 생성된다. 유량이 5600 kg-mole/hr이고 압력이 27 bara인 액체류(180)는 펌프(182)에서 높은 최종 압력으로 펌핑되며, 최종 압축 스테이지에서 방출되는 스트림과 대기 냉각기(184) 이전에서 혼합된다.
따라서, 본 발명은 단일의 재순환하는 혼합 냉매 사이클에 의해 공급 가스를 냉각 및 액화시키는 냉동을 제공하는 가스 액화 방법에 관한 것으로, 그러한 냉동은 각각 저압 레벨과, 이보다 높은 중간 압력 레벨에 있는 상이한 조성의 2가지의 혼합 냉매류의 기화에 의해 제공된다. 다양한 조성 및 유량의 액체 냉매류와 증기 냉매류는 증기 냉매류에 적용되는 하나 이상의 분류 응축 단계에 의해 제공된다. 중간 압력의 기화 냉매는 가스 공급류용의 제1 냉각 스테이지를 제공하며, 저압의 기화 냉매는 그 가스를 제2 냉각 스테이지에서 추가로 냉각 및 응축시켜, 최종 액체 생성물을 제공한다.
본 발명의 바람직한 특징에 있어서, 1가지 이상의 액체 냉매류는 중간 압력레벨에서 과냉각되고 기화되어, 제1 냉각 스테이지에서의 공급 가스의 냉각을 위한 냉동을 제공하며, 이러한 액체 냉매류는 단지 압축 냉매 증기의 대기 온도로의 냉각에 의해서만 유도된다.
저압의 혼합 냉매가 압축 이전에 대기 온도로 추가로 데워지는 일이 없이 대기 온도 이하의 온도에서 압축 단계로 복귀됨으로써, 열교환기 및 압축 장비의 크기를 작게 할 수 있으며, 또는 선택적으로 열교환기의 크기를 고정시킨 상태에서 생산성을 증대시킬 수 있다. 압축 중의 중간 스테이지 액체 냉매류의 발생은 처리 효율 증대를 제공한다. 이와 같은 저온 압축과 중간 스테이지 액체 냉매류의 발생을 조합함으로써 처리 효율 향상과, 생산성 증대 및/또는 투자 비용 감소가 제공된다.
본 발명의 본질적인 특성은 앞서의 설명에 완전히 기술되어 있다. 당업자라면, 본 발명을 이해할 수 있으며, 본 발명의 기본 정신을 벗어남이 없이 특허 청구 범위의 범주 및 균등 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명을 다양하게 변화시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. (a) 본질적으로 무수 공급 가스를 제1 냉각 영역에서 하나 또는 그 이상의 기화 액체 혼합 냉매류와 간접 열교환시킴으로써 냉각하고, 제1 냉각 영역으로부터 중간 냉각된 공급 가스와 제1의 기화 혼합된 냉매를 배출하며,
    (b) 중간 냉각된 공급 가스를 제2 냉각 영역에서 하나 또는 그 이상의 기화 액체 혼합 냉매류와 간접 열교환시킴으로써 더 냉각하고, 제2 냉각 영역으로부터 액화된 가스와 제2의 기화 혼합된 냉매를 배출하며,
    (c) 제1의 기화 혼합된 냉매와 제2의 기화 혼합된 냉매를 압축 및 냉각하여 하나 또는 그 이상의 액체 혼합 냉매류를 산출하되, 그 냉각은 대기 히트 싱크로의 열전달에 의해 실행되는 대기 냉각이며,
    (a)의 제1 영역에서 공급 가스를 냉각하는 데 이용되는 기화 액체 혼합 냉매류는 오직 (c)의 하나 또는 그 이상의 액체 혼합 냉매류로부터 획득되는 것인
    가스 액화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 본질적으로 무수 공급 가스는 천연 가스 공급류로부터 물을 제거함으로써 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1, 제2 영역에서의 기화 액체 혼합 냉매류는
    (a) 제2 기화 혼합 냉매를 제1 압력 레벨로 압축하여 가압된 제2 혼합 냉매를 산출하는 단계와,
    (b) 가압된 제2 혼합 냉매를 제1 기화 혼합 냉매와 배합하고 그 결과물인 배합된 냉매류를 압축하여 압축된 혼합 냉매류를 산출하는 단계와,
    (c) 압축 혼합된 냉매류를 대기 냉각에 의해 냉각 및 부분적으로 응축하여 혼합된 냉매 증기와 혼합된 냉매 액체를 산출하는 단계와,
    (d) 혼합된 냉매 액체의 압력을 과냉하고 감소시켜 제1 압력 레벨의 제1 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류를 제공하는 단계와,
    (e) 혼합된 냉매 증기의 압력을 냉각하고, 적어도 부분적으로 응축하고, 감소시켜 제2 압력 레벨의 제2 냉각 영역에서 기화된 기화 액체 혼합 냉매를 제공하는 단계를
    포함하는 재순환 냉동 프로세스에서 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  4. 제3항에 있어서, (b)에서 배합된 냉매류의 압축은 다중 스테이지 압축으로 실행되고, 중간 스테이지의 증기 냉매류는 대기 냉각에 의해 냉각되고 부분적으로 응축되어 추가의 혼합된 냉매 액체를 산출하는 것인 가스 액화 방법.
  5. 제4항에 있어서, 추가의 혼합된 냉매 액체는 펌핑에 의해 가압되고, 그 결과물인 가압된 액체는 압축 혼합된 냉매류와 배합되는 것인 가스 액화 방법.
  6. 제3항에 있어서, (e)에서 혼합된 냉매 증기를 냉각하고 부분적으로 응축하기위한 냉동의 일부는 제1 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  7. 제6항에 있어서, (e)에서 혼합된 냉매 증기를 냉각하고 부분적으로 응축하기 위한 냉동의 다른 일부는 제2 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 적어도 부분적으로 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  8. 제6항에 있어서, (d)에서 혼합된 냉매 액체를 과냉하기 위한 냉동의 일부는 제1 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  9. 제4항에 있어서, 추가의 혼합된 냉매는 과냉되고 감압되어 제1 냉각 영역에서 다른 기화 액체 혼합 냉매류를 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  10. 제9항에 있어서, 추가의 혼합된 냉매 액체를 과냉하기 위한 냉동은 제1 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 적어도 부분적으로 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  11. 제3항에 있어서, 혼합된 냉매 증기는 냉각되고, 부분적으로 응축되며, 제2의 혼합된 냉매 증기와 제2의 혼합된 냉매 액체로 분리되는 것인 가스 액화 방법.
  12. 제11항에 있어서, 제2의 혼합된 냉매 액체는 과냉되고 감압되어 제2 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류를 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  13. 제12항에 있어서, 제2의 혼합된 냉매 액체를 과냉하기 위한 냉동은 제2 냉각 영역에서 기화되는 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 적어도 부분적으로 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  14. 제12항에 있어서, 제2의 혼합된 냉매 액체는 냉각되고, 적어도 부분적으로 응축되고, 감압되어 제2 냉각 영역에서 다른 기화 액체 혼합 냉매류를 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  15. 제14항에 있어서, 제2의 혼합된 냉매 증기를 냉각하기 위한 냉동은 제2 냉각 영역에서 기화 액체 혼합 냉매류에 의해 적어도 부분적으로 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  16. 제12항에 있어서, (d)에서의 과냉 이후 혼합된 냉매 액체의 일부는 제2의 혼합된 냉매 액체와 배합되고, 그 결과물인 배합된 액체류는 제2 냉각 영역에서 제2 압력 레벨에서 과냉되고, 압력이 감소되며, 기화되는 것인 가스 액화 방법.
  17. 제1항에 있어서, 중간 냉각된 공급 가스는 약 10℃ 이하인 것인 가스 액화방법.
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