KR100589454B1 - 메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키는 방법 - Google Patents

메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키는 방법 Download PDF

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Abstract

메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키는 방법으로서, 상기 방법은 a) 천연 가스 스트림(1)을 세정탑(5)으로 공급하고, 이 세정탑(5)에서 중탄화수소를 상기 천연 가스 스트림(1)으로부터 제거하여 상기 세정탑(5)의 상부로부터 배출되는 가스 상태의 오버헤드 스트림을 얻고, 이 가스 상태의 오버헤드 스트림을 부분적으로 응축시키고, 및 이 응축된 스트림으로부터 환류로서 세정탑(5)의 상부로 반송되는 응축물 스트림(91)을 제거하는 단계; b) 메탄이 풍부한 상기 스트림을, 주 열교환기(15)의 쉘측(19)에서 낮은 냉매 압력하에 기화하는 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 상기 주 열교환기(17)에 설치된 관(15)에서 액화시키고 높은 냉매 압력에서 부분적으로 응축시키는 단계; 및 c) 상기 혼합 냉매를, 낮은 보조 냉매 압력에서 기화하는 보조 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 보조 열교환기(35)에 설치된 관(38)에서 압축하여 단계 b 에서 사용되는 혼합 냉매를 얻는 단계를 포함하고, 상기 가스 상태의 오버헤드 스트림의 부분적인 응축은 상기 보조 열교환기(35)에 설치된 관(83)에서 실행된다.
액화 천연 가스

Description

메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키는 방법 {LIQUEFYING A STREAM ENRICHED IN METHANE}
본 발명은 메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키는 방법에 관한 것이다. 이러한 스트림은 천연 가스로부터 얻어지며, 상기 방법에 의해 얻어진 산물은 액화 천연 가스(LNG)로 지칭된다.
이와 같은 방법이, 1989년 10월 17일 부터 20일까지 프랑스의 니스에서 개최되었던 제 9 차 LNG 국제 협의회의 회보에 출간된, 알 클라인 나겔브르트(R Klein Nagelvoort), 아이 폴(I Poll), 및 에이 제이 움스(A J Ooms)의 논문 '액화 사이클 개발'에 기술되어 있다.
메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키는 공지된 방법은,
a) 높은 압력의 천연 가스 스트림을 세정탑으로 공급하고, 이 세정탑에서 중탄화수소를 상기 천연 가스 스트림으로부터 제거하고 상기 세정탑의 저부로부터 배출시켜 상기 세정탑의 상부로부터 배출되는 가스 상태의 오버헤드 스트림을 얻고, 이 가스 상태의 오버헤드 스트림을 부분적으로 응축시키고, 및 이 응축된 스트림으로부터 응축물 스트림을 제거하여 높은 압력에서 메탄 함량이 많은 스트림을 얻는 단계;
b) 상기 메탄 함량이 많은 스트림을, 주 열교환기의 쉘측에서 낮은 냉매 압력하에 기화하는 혼합(multicomponent) 냉매와의 간접 열교환을 통해, 주 열교환기에 설치된 관에서 높은 압력하에 액화시키는 단계; 및
c) 상기 주 열교환기의 쉘측으로부터 배출된 혼합 냉매를 압축시키고, 상기 냉매를, 보조 열교환기의 쉘측에서 낮은 보조 냉매 압력하에 기화하는 보조 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 보조 열교환기에 설치된 관에서 높은 냉매 압력하에 부분적으로 응축시켜서 단계 b) 에서 사용되는 혼합 냉매를 얻는 단계를 포함한다.
상기 세정탑에서, 가스 스트림은, 이 가스 스트림을 추가적으로 냉각시키기 위해 더 낮은 온도를 갖는 액체 환류(reflux)와 접촉한다. 그 결과로, 가스 스트림의 중탄화수소가 응축되고, 이로 인하여 형성된 액체는 상기 세정탑의 저부에 수집되며 이곳에서 배출된다.
공지된 방법에서는, 세정탑의 저부로부터 배출된 액체 상태의 중탄화수소와, 기체 상태의 오버헤드 스트림으로부터 응축된 스트림이 분별증류 유닛으로 보내져서 부분적으로 응축된다. 상기 분별증류탑으로부터, 상기 세정탑에서 환류로서 사용되는 스트림이 제거된다.
단계 a) 에서 천연 가스 스트림이 세정탑으로 공급되기 전에, 이 천연 가스 스트림은 냉각된다. 환류 스트림의 온도는 세정탑에 공급되는 천연 가스 스트림의 온도보다 현저하게 낮아야 한다. 이러한 요구 조건은 세정탑에 공급되는 천연 가스 스트림의 온도에 있어서 하한을 설정한다.
공지된 방법에서는, 천연 가스 스트림이 세정탑으로 유입되기 전에, 보조 열 교환기에 설치된 관에서 상기 천연 가스 스트림을 냉각시킨다. 그래서, 보조 열 교환기의 저온 단부의 온도는 환류 스트림의 온도에 의해 제한을 받는다. 그래서, 메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키기 위하여 더 많은 열이 주 열교환기에서 추출되어야 한다.
본 발명의 목적은, 보조 열교환기의 저온 단부가 더 낮은 온도를 갖도록 허용하여 메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키기 위해 추출될 열의 양을 감소시키는 것이다.
상기 목적을 위하여, 메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키는 본 발명에 따른 방법은, 가스 상태의 오버헤드 스트림의 부분적인 응축이 보조 열교환기에 설치된 관에서 실행되는 것을 특징으로 한다.
이런 방법으로, 보조 열교환기의 저온 단부의 온도를 실제적으로 낮게 선택할 수 있다.
공지된 방법에서는, 보조 열교환기의 저온 단부로부터 배출된 혼합 냉매의 온도 또한 환류에 의해 제한을 받는다. 본 발명에 따른 방법의 장점은 이러한 제한이 없다는 것이다. 결과적으로 혼합 냉매의 더 낮은 순환율이 요구된다.
도 1 은 본 발명에 따른 방법이 수행되는 설비의 개략적인 흐름을 나타내는 도면.
도 2 는 혼합 냉매를 부분적으로 응축시키는 다른 실시예를 나타내는 도면.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 실시예를 통해 보다 자세히 설명될 것이다.
본 발명에 따른 방법에서는, 천연 가스 스트림(1)이 높은 압력에서 세정탑(5)으로 공급된다. 이 세정탑(5)에서 메탄보다 무거운 중탄화수소가 천연 가스 스트림으로부터 제거되고, 이 중탄화수소는 도관(7)을 통해 세정탑(5)의 저부로부터 배출된다. 이런 방법으로, 천연 가스보다 메탄 함량이 많은 가스 상태의 오버헤드 스트림이 얻어지고, 상기 가스 상태의 오버헤드 스트림은 도관(8)을 통해 세정탑(5)의 상부로부터 배출된다.
상기 가스 상태의 오버헤드 스트림은 부분적으로 응축되고, 이로부터 메탄 함량이 많은 스트림을 높은 압력에서 얻기 위하여 응축물 스트림이 제거되며, 상기 메탄 함량이 많은 스트림은 도관(10)을 통하여 상기 스트림이 액화되는 주 열교환기(17)에 설치된 제 1 관(15)으로 보내어진다. 가스 상태의 오버헤드 스트림의 부분적인 응축을 설명하기 전에 먼저 액화 과정을 보다 자세히 설명할 것이다.
메탄 함량이 많은 스트림은, 주 열교환기(17)의 쉘측(19)에서 낮은 냉매 압력하에 기화하는 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 상기 주 열교환기(17)에 설치된 제 1 관(15)에서 높은 압력하에 액화된다. 상기 높은 압력의 액화된 가스는 추가적인 처리(도시되지 않음)를 위해 도관(20)을 통하여 상기 주 열교환기(17)로부터 제거된다.
기화된 혼합 냉매는 도관(25)을 통하여 주 열교환기(17)의 쉘측(19)에 있는 온난 단부 (warm end) 로부터 배출된다. 상기 혼합 냉매는 압축기(27)에서 높은 냉매 압력으로 압축된다. 압축열은 공냉식 냉각기(30)를 사용하여 제거된다. 상기 혼합 냉매는 도관(32)을 통하여 보조 열교환기(35)로 보내진다. 상기 보조 열교환기(35)의 제 1 관(38)에서 상기 혼합 냉매는, 보조 열교환기(35)의 쉘측(39)에서 낮은 보조 냉매 압력하에 기화하는 보조 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 높은 냉매 압력에서 부분적으로 응축되어, 주 열교환기(17)로 보내어지는 혼합 냉매가 얻어진다.
상기 혼합 냉매는 도관(42)을 통하여 상기 제 1 관(38)으로부터 분리기(45)로 보내어지고, 이곳에서 가스 상태의 오버헤드 스트림 및 액체 상태의 저부 스트림으로 분리된다. 상기 가스 상태의 오버헤드 스트림은 도관(47)을 통하여 주 열교환기(17)에 설치된 제 2 관(49)으로 보내어지고, 이곳에서 가스 상태의 오버헤드 스트림이 높은 냉매 압력에서 냉각, 액화, 및 과냉된다. 액화 및 과냉된 가스 상태의 오버헤드 스트림은 팽창 밸브(51) 형태의 팽창 장치가 설치된 도관(50)을 통하여 주 열교환기(17)의 쉘측(19)의 저온 단부로 보내지고, 이곳에서 상기 가스 상태의 오버헤드 스트림이 낮은 냉매 압력에서 기화하게 된다. 액체 상태의 저부 스트림은 도관(57)을 통하여 주 열교환기(17)에 설치된 제 3 관(59)으로 보내지고, 이곳에서 액체 상태의 저부 스트림이 높은 냉매 압력에서 냉각된다. 냉각된 액화 저부 스트림은 팽창 밸브(61) 형태의 팽창 장치가 설치된 도관(60)을 통하여 주 열교환기(17)의 쉘측(19)의 중간 부분으로 보내지고, 이곳에서 상기 냉각된 액화 저부 스트림은 낮은 냉매 압력에서 기화하게 된다. 기화하는 혼합 냉매는, 유체를 액화시키기 위하여 제 1 관(15)을 통과하는 유체로부터 열을 추출할 뿐만 아니라, 제 2 관(49) 및 제 3 관(59)을 통과하는 냉매로부터 열을 추출한다.
보조 열교환기(35)의 쉘측(39)에서 낮은 보조 냉매 압력하에 기화된 보조 혼합 냉매는 도관(65)을 통하여 이곳으로부터 제거된다. 압축기(67)에서 상기 보조 혼합 냉매는 높은 보조 냉매 압력으로 압축된다. 압축열은 공냉식 냉각기(70)를 사용하여 제거된다. 상기 보조 혼합 냉매는 도관(72)을 통하여 보조 열교환기(35)에 설치된 제 2 관(78)으로 보내지고 이곳에서 냉각된다. 냉각된 보조 혼합 냉매는 팽창 밸브(81) 형태의 팽창 장치가 설치된 도관(80)을 통하여 보조 열교환기(35)의 쉘측(39)의 저온 단부로 보내지고, 이곳에서 상기 냉각된 보조 혼합 냉매는 낮은 보조 냉매 압력에서 기화하게 된다.
지금까지는 액화 사이클에 대해 보다 자세히 설명하였으며, 이제는 세정탑(5)의 상부로부터 도관(8)을 통하여 배출된 가스 상태의 오버헤드 스트림이 어떻게 부분적으로 응축되는지가 설명될 것이다.
가스 상태의 오버헤드 스트림은 도관(8)을 통하여 보조 열교환기(35)에 설치된 제 3 관(83)으로 공급된다. 이 제 3 관(83)에서 상기 가스 상태의 오버헤드 스트림이 부분적으로 응축된다. 부분적으로 응축된 상기 가스 상태의 오버헤드스트림은 상기 제 3 관(83)으로부터 제거되고 도관(85)을 통하여 분리기(90)로 보내진다. 분리기(90)에서 응축물 스트림이 제거되어 높은 압력에서 메탄 함량이 많은 스트림이 얻어지고, 이 스트림은 도관(10)을 통하여 주 열교환기(17)에 설치된 제 1 관(15)으로 보내진다. 상기 응축물 스트림은 환류로서 도관(91)을 통하여 세정탑(5)의 상부로 반송된다.
본 발명에 따른 방법은, 천연 가스 스트림이 세정탑으로 공급되기 전에 보조 열교환기에서 냉각되었던 공지된 방법과는 상이하다. 공지된 방법에서는, 환류가 분별증류 유닛으로부터 얻어졌고, 이 환류의 온도가 상기 세정탑으로 공급되는 냉각된 천연 가스 온도의 상한을 결정한다.
공지된 방법에서는, 환류의 온도보다 높게 하기 위하여, 냉각될 수 있는 천연 가스의 온도가 약 -22℃ 였다. 이것은 보조 열교환기의 저온 단부에서 얻어질 수 있는 가장 낮은 온도 또한 -22℃ 임을 의미한다. 그리고 이것은 또한 부분적으로 응축된 혼합 냉매의 온도이다. 게다가, 천연 가스를 세정탑의 상류측에서 -22℃ 로 냉각시키는 것은 세정탑의 저부로부터 배출되는 액체 상태의 중탄화수소와 함께 냉기가 제거되기 때문에 상기 공정이 보다 비효율적이게 됨을 의미한다.
그러나, 본 발명에 따른 방법에서는, 세정탑(5)의 상부로부터 도관(8)을 통하여 배출되는 가스 상태의 오버헤드 스트림이 훨씬 더 낮은 온도인 약 -50℃ 로 부분 응축되며, 이는 세정탑(5)으로 환류가 제공되기 때문에 가능할 수 있다.
그 결과로, 보조 열교환기(35)의 저온 단부의 온도가 공지된 방법에서의 온도보다 훨씬 더 낮다. 그래서, 혼합 냉매가 냉각되는 온도가 훨씬 더 낮게 되며, 이로 인하여 혼합 냉매의 순환율이 더 낮게 된다.
천연 가스 스트림은 세정탑(5)으로 들어가기 전에 예비 냉각 및 건조되는 것이 적절하다. 예비 냉각은, 공냉식 냉각기(70)의 하류측에 있는 도관(72)을 통하여 통과되는 보조 혼합 냉매의 추출 스트림과의 간접 열교환에 의해 달성되는 것 이 적절하다. 이러한 목적을 위해, 보조 혼합 냉매는 팽창 밸브(95)가 설치된 도관(93)을 통하여 도관(1)에 설치된 열교환기(97)로 보내진다. 도면을 단순하게 하기 위하여, 열교환기(97)는 첫번째로 도관(1)에서 두번째로는 도관(72)과 도관(65) 사이에 있는 회로에서 도시하였다. 그러나, 상기 열교환기는 동일한 열교환기이다.
혼합 냉매는 2 단계로 부분 응축되는 것이 적절하다. 본 발명에 따른 상기 실시예가 도 2 와 관련하여 기술될 것이다.
도 2 의 보조 열교환기는 제 1 보조 열교환기(35′)와 제 2 보조 열교환기(35″)를 포함한다.
혼합 냉매는 도관(32)을 통하여 제 1 보조 열교환기(35′)로 보내진다. 제 1 보조 열교환기(35′)의 제 1 관(38′)에서, 혼합 냉매는, 제 1 보조 열교환기(35′)의 쉘측(39′)에서 중간의 보조 냉매 압력하에 기화하는 보조 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 높은 냉매 압력에서 냉각된다. 냉각된 혼합 냉매는 연결 도관(98)을 통해 제 2 보조 열교환기(35″)로 보내진다.
제 2 보조 열교환기(35″)의 제 1 관(38″)에서, 상기 혼합 냉매는 제 2 보조 열교환기(35″)의 쉘측(39″)에서 낮은 보조 냉매 압력하에 기화하는 보조 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해 높은 냉매 압력에서 부분 응축되어, 도관(42)을 통하여 주 열교환기(도 2 에서는 도시되지 않음)로 보내지는 혼합 냉매가 얻어진다.
제 1 보조 열교환기(35′)의 쉘측(39′)에서 중간의 보조 냉매 압력하에 기화된 보조 혼합 냉매는 도관(65′)을 통하여 상기 제 1 보조 열교환기로부터 제거된다. 상기 실시예에서, 압축기(67)는 2 단 압축기이다. 압축기(67)의 제 2 단계에서, 보조 혼합 냉매는 높은 보조 혼합 냉매 압력으로 압축된다. 압축열은 공냉식 냉각기(70)를 사용하여 제거된다. 보조 혼합 냉매는 도관(72)을 통하여 제 1 보조 열교환기(35′)에 설치된 제 2 관(78′)으로 보내지고 이곳에서 냉각된다. 냉각된 보조 혼합 냉매의 일부는 팽창 밸브(81′) 형태의 팽창 장치가 설치된 도관(80′)을 통하여 제 1 보조 열교환기(35′)의 쉘측(39′)의 저온 단부로 보내지고, 이곳에서 중간의 보조 냉매 압력하에 기화하게 된다. 냉매가 기화함으로써 관(38′) 및 관(78′)을 통하여 흐르는 유체로부터 열이 추출된다.
보조 혼합 냉매의 나머지 부분은 연결 도관(99)을 통하여 제 2 보조 열교환기(35″)에 설치된 제 2 관(78″)으로 보내지고 이곳에서 냉각된다. 냉각된 보조 혼합 냉매는 팽창 밸브(81″) 형태의 팽창 장치가 설치된 도관(80″)을 통하여 제 2 보조 열교환기(35″)의 쉘측(39″)의 저온 단부로 보내지고, 이곳에서 낮은 보조 냉매 압력하에 기화하게 된다. 냉매가 기화함으로써, 관(38″) 및 관(78″)을 통하여 흐르는 유체로부터 열이 추출되고, 또한 세정탑(5)의 상부로부터 배출되어 제 3 관(83)을 통과하는 가스 상태의 오버헤드 스트림으로부터 열이 추출된다.
낮은 보조 냉매 압력에서 기화된 보조 혼합 냉매는 도관(65″)을 통하여 제거된다. 2 단 압축기(67)에서, 상기 보조 혼합 냉매는 높은 보조 냉매 압력으로 압축된다.
다른 방법으로, 세정탑(5)의 상부로부터 배출된 가스 상태의 오버헤드 스트 림은 제 1 보조 열교환기(35′) 및 제 2 보조 열교환기(35″)에서 부분적으로 응축된다.
천연 가스 스트림은 세정탑(5)으로 들어가기 전에 예비 냉각 및 건조되는 것이 적절하다. 예비 냉각은, 공냉식 냉각기(70)의 하류측에 있는 도관(72)을 통하여 통과되는 보조 혼합 냉매의 추출 스트림과의 간접 열교환에 의해 달성되는 것이 적절하다. 이러한 목적을 위해, 보조 혼합 냉매는 팽창 밸브(95′)가 설치된 도관(93′)을 통하여 도관(1)에 설치된 열교환기(97′)로 보내진다.
상기 천연 가스 스트림의 추가적인 냉각은, 연결 도관(99)을 통하여 통과하는 보조 혼합 냉매의 추출 스트림과의 간접 열교환을 통하여 적절하게 실행될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 보조 혼합 냉매는 팽창 밸브(95″)가 설치된 도관(93″)을 통하여 도관(1)에 설치된 열교환기(97″)로 보내진다.
공냉식 냉각기(30 및 70)는 수냉식 냉각기로 대치될 수 있으며, 필요하다면, 공냉식 냉각기 또는 수냉식 냉각기는 추가적인 냉각재가 사용되는 열 교환기에 의해 보완될 수 있다.
팽창 밸브(61)는 팽창 터빈에 의해 대치될 수 있다.
보조 열교환기(35, 35′, 35″)는 스풀권선형 또는 플레이트-핀 열교환기일 수 있다.

Claims (4)

  1. 메탄 함량이 많은 스트림을 액화시키는 방법으로서,
    a) 높은 압력의 천연 가스 스트림을 세정탑으로 공급하고, 이 세정탑에서 중탄화수소를 상기 천연 가스 스트림으로부터 제거하고 상기 세정탑의 저부로부터 배출시켜 상기 세정탑의 상부로부터 배출되는 가스 상태의 오버헤드 스트림을 얻고, 이 가스 상태의 오버헤드 스트림을 부분적으로 응축시키고, 이 응축된 스트림으로부터 환류로서 세정탑의 상부로 되돌아가는 응축물 스트림을 제거하여 높은 압력에서 메탄 함량이 많은 스트림을 얻는 단계;
    b) 상기 메탄 함량이 많은 스트림을, 주 열교환기의 쉘측에서 낮은 냉매 압력하에 기화하는 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 상기 주 열교환기에 설치된 관에서 높은 압력하에 액화시키는 단계; 및
    c) 상기 주 열교환기의 쉘측으로부터 배출된 혼합 냉매를 압축시키고, 상기 냉매를, 보조 열교환기의 쉘측에서 낮은 보조 냉매 압력하에 기화하는 보조 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 보조 열교환기에 설치된 관에서 높은 냉매 압력하에부분적으로 응축시켜서 단계 b) 에서 사용되는 혼합 냉매를 얻는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
    상기 가스 상태의 오버헤드 스트림의 부분적인 응축이 상기 보조 열교환기에 설치된 관에서 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 냉매의 부분적인 응축이, 상기 혼합 냉매를, 제 1 보조 열교환기의 쉘측에서 중간의 보조 냉매 압력하에 기화하는 보조 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 상기 제 1 보조 열교환기에 설치된 관에서 높은 냉매 압력하에 냉각시키는 단계와, 이어서 제 2 보조 열교환기의 쉘측에서 낮은 보조 냉매 압력하에 기화하는 보조 혼합 냉매와의 간접 열교환을 통해, 상기 제 2 보조 열교환기에 설치된 관에서 높은 냉매 압력하에 냉각시키는 단계를 포함하고, 상기 가스 상태의 오버헤드 스트림의 부분적인 응축이 상기 제 1 보조 열교환기 및 제 2 보조 열교환기에 설치된 관에서 상기 가스 상태의 오버헤드 스트림을 냉각시킴으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 가스 상태의 오버헤드 스트림의 부분적인 응축이 상기 제 2 보조 열교환기에 설치된 관에서 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 혼합 냉매의 추출 스트림과의 간접 열교환을 통해 천연 가스 스트림이 예비 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
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