KR100750578B1 - 농축 천연 가스로부터 질소 제거 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

농축 천연가스로부터 질소를 제거하기 위한 방법으로, 상기 방법은 (a) 농축 천연가스를 증류 칼럼 내부의 제1 위치로 주입하고, 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 증류 칼럼으로부터 인출하며, 정제된 액화 천연가스 스트림을 상기 칼럼의 바닥으로부터 인출하는 단계와; (b) 찬 환류 스트림을 증류 칼럼 내부의 상기 제1 위치보다 위에 있는 제2 위치로 주입시키는 단계로, 찬 환류 스트림을 공급하기 위한 냉동은 질소를 함유하는 냉매 스트림을 압축 및 일팽창시킴으로써 얻어지게 하는, 찬 환류 스트림의 주입 단계와; (c) (1) 정제된 액화 천연가스 스트림을 냉각하거나 농축 천연가스 스트림을 냉각하는 단계와, (2) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자를 냉각하는 단계 중 하나 이상의 단계로, (1) 단계 혹은 (2) 단계를 위한 냉동은 질소를 함유하는 냉매 스트림을 압축 및 일팽창시킴으로써 얻어지게 하는, 상기 냉각 단계를 포함한다. 냉매 스트림은 증류 칼럼으로부터 나온 질소-농후 증기 스트림의 전부 혹은 일부를 포함할 수 있다.

Description

농축 천연 가스로부터 질소 제거 방법 및 시스템{NITROGEN REJECTION FROM CONDENSED NATURAL GAS}
가공하지 않은 천연가스는 주로 메탄을 함유하며, 또한 물, 황화수소, 이산화탄소, 수은, 질소 및 통상 2 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 경량의 탄화수소 등의 수많은 부차적인 성분들을 포함한다. 이들 성분 중 몇몇 예컨대, 물, 황화수소, 이산화탄소, 수은은 천연가스 프로세싱(natural gas processing) 혹은 액화 천연가스(LNG) 생성 단계와 같은 하류 단계에 유해한 오염물질이며, 이들 오염물질은 전술한 프로세싱 단계의 상류에서 반드시 제거되어야 한다. 이들 오염물질을 제거한 후, 메탄보다 무거운 탄화수소는 천연가스 액체(NGL)로서 응축 및 회수되며, 주로 메탄, 질소 및 나머지 경량의 탄화수소를 포함하는 잔류 가스는 최종 LNG 생성물을 산출하기 위해 냉각 및 응축된다.
가공하지 않은 천연가스는 1-10 몰%의 질소를 함유할 수 있기 때문에, 수많은 LNG 생산 계획 단계에서 질소 제거가 요구된다. LNG로부터 질소를 제거하기 위해 질소 제거 유닛(nitrogen rejection unit; NRU) 및/또는 하나 또는 그 이상의 증발 단계들이 최종 생성물 저장에 앞서 사용될 수 있다. 질소 제거는 추가의 냉동을 필요로 하며, 이러한 냉동은 질소 제거 시스템으로 공급재료의 팽창에 의해, 회수된 질소-농후 가스의 팽창에 의해, 액화를 위해 제공된 냉동의 일부를 이용함으로써 혹은 이들의 조합에 의해 제공될 수 있다. 질소 제거 프로세스(nitrogen rejection process)에 따라, 제거된 질소는 상당한 농도의 메탄을 여전히 포함할 수 있고, 그럴 경우 제거된 질소 스트림은 통기될 수 없고 플랜트 연료 시스템으로 이송되어야 한다.
LNG 생산에 있어서, 액화는 통상적으로 500 내지 1000 psia 범위의 고압에서 실시되며, 이에 따라 액화 섹션(liquefaction section)에서 나온 LNG는 저장 이전에 대기압에 가깝게 감압 혹은 증발(flash)되어야 한다. 이러한 증발 단계에서, 잔류 질소를 포함하는 플래시 가스(flash gas)와 증발된 메탄 생성물은 연료로 사용하기 위해 인출된다. 플래시 가스의 발생을 최소화시키기 위해, 액화 프로세스는 통상적으로 추가의 냉동을 필요로 하는 최종의 과냉각 단계(subcooling step)를 포함한다.
어떤 LNG 작업에 있어서, 액화 프로세스의 최종 단계에서의 연료 가스 스트림의 발생은 바람직하지 않을 수 있다. 이것은 제거된 질소의 처분을 위해 이용할 수 있는 옵션을 감소시키게 되는데, 그 이유는 제거된 질소가 저농도의 메탄, 예컨대 약 5 몰% 미만을 포함할 때에만 통기가 가능하기 때문이다. 제거된 질소 내에서 이러한 저농도의 메탄은 효과적인 질소 제거 유닛에 의해서만 획득될 수 있고, 질소-메탄 분리를 실행하기 위해 충분한 냉동을 필요로 한다.
LNG 분야에서, 메탄 제거를 최소화시키는 동시에 LNG 냉동 시스템과 효과적으로 통합되는 향상된 질소 제거 프로세스를 필요로 한다. 이하에 상세히 설명되 어 있고 첨부된 청구의 범위에 한정되어 있는 바와 같이 본 발명은 최소의 메탄 손실로 LNG로부터 질소를 제거하기 위한 프로세스의 실시예를 제공함으로써 전술한 요구 조건을 충족하게 되는데, 이 프로세스는 LNG 생산 및 저장과 질소 제거 및 최종 생성물 냉각을 위한 효과적인 냉동을 통합한 프로세스이다.
본 발명의 일실시예는 농축 천연가스로부터 질소를 제거하기 위한 방법을 포함하며, 이 방법은 (a) 농축 천연가스를 증류 칼럼 내부의 제1 위치로 주입하고, 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 증류 칼럼으로부터 인출하며, 정제된 액화 천연가스 스트림을 상기 칼럼의 바닥으로부터 인출하는 단계와; (b) 찬 환류(reflux) 스트림을 증류 칼럼 내부의 상기 제1 위치보다 위에 있는 제2 위치로 주입시키는 단계로, 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동은 질소를 함유하는 냉매 스트림을 압축 및 일팽창(work expanding)시킴으로써 얻어지게 하는, 찬 환류 스트림의 주입 단계와; (c) (1) 정제된 액화 천연가스 스트림을 냉각하거나 농축 천연가스 스트림을 냉각하는 단계와, (2) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하는 단계 중 하나 이상의 단계로, (1) 단계 혹은 (2) 단계를 위한 냉동은 질소를 함유하는 냉매 스트림을 압축 및 일팽창시킴으로써 얻어지게 하는, 상기 냉각 단계를 포함한다. 상기 냉매 스트림은 증류 칼럼으로부터 나온 질소-농후 증기 스트림의 전부 혹은 일부를 포함한다. 질소-농후 오버헤드 증기 스트림은 5 몰% 미만의 메탄을 포함할 수 있으며, 2 몰% 미만의 메탄을 포함해도 좋다.
상기 방법은 증발된 바닥 스트림과 냉각된 농축 천연가스 스트림을 공급하기 위해 증류 칼럼의 바닥으로부터 인출된 증발 액체와의 간접 열교환에 의해 농축 천연가스를 증류 칼럼으로 주입되기 이전에 냉각시키는 단계와, 증류 칼럼 내부에 비등 증기를 공급하기 위해 증발된 바닥 스트림을 증류 칼럼으로 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 냉각된 응축 천연가스의 압력은 증류 칼럼 이전에 팽창 밸브 혹은 팽창기에 의해 낮아질 수 있다.
찬 환류 스트림과, 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동, 그리고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동은,
(1) 혼합된 찬 질소-농후 스트림을 생성하기 위해 질소-농후 오버헤드 증기 스트림으로부터 획득한 일팽창된 질소-농후 스트림과 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 혼합시키는 단계와;
(2) 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동과, (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동을 간접 열교환에 의해 제공하기 위한 혼합된 찬 질소-농후 스트림을 가온하여 가온된 질소-농후 스트림을 발생시키는 단계와;
(3) 압축된 질소-농후 스트림과의 간접 열교환에 의해 가온된 질소-농후 스트림을 더 가온하여, 냉각된 압축 질소-농후 스트림과 더 가온된 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
(4) 더 가온된 질소-농후 스트림의 제1 부분을 질소 제거 스트림으로서 인출하고, (3)의 압축된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 더 가온된 질소-농후 스트림의 제2 부분을 압축시키는 단계와;
(5) 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제1 부분을 인출하고 (1)의 일팽창된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 상기 부분을 일팽창시키는 단계와;
(6) 찬 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 찬 질소-농후 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각시키고, 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키는 단계
에 의해 제공될 수 있다.
정제된 액화 천연가스 스트림은 과냉각된 액화 천연가스 생성물을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소 농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각될 수 있다.
별법으로서, 찬 환류 스트림과, 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동, 그리고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동은,
(1) 찬 환류 스트림을 발생시키고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동의 제1 부분을 간접 열교환에 의해 제공하기 위해, 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 가온하여 가온된 질소-농후 증기 스트림을 제공하는 단계와;
(2) 가온된 질소-농후 증기 스트림의 제1 부분을 질소 제거 스트림으로서 인출하고, 압축된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 질소-농후 증기 스트림의 제2 부분을 압축하는 단계와;
(3) 혼합된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 일팽창 질소-농후 스트림과 압축된 질소-농후 스트림을 혼합하고, 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 혼합된 질소-농후 스트림을 압축하는 단계와;
(4) 냉각된 압축 질소-농후 스트림을 생성하기 위해 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 냉각하고, 찬 질소-농후 냉매 스트림을 생성하기 위해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제1 부분을 일팽창시키며, 그리고 찬 환류 스트림을 생성하고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동의 제2 부분을 간접 열교환에 의해 제공하기 위해 찬 질소-농후 냉매 스트림을 가온하여 가온된 일팽창 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
(5) 찬 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각시키고, 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키는 단계
에 의해 제공될 수 있다.
정제된 액화 천연가스 스트림은 과냉각된 액화 천연가스 생성물을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 과냉각될 수 있다.
상기 방법은 찬 2상의 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키는 단계와, 찬 질소-농후 액체 스트림과 찬 질소-농후 증기 스트림을 생성하기 위해 찬 2상의 질소-농후 스트림을 분리시키는 단계와, 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 찬 질소-농후 액체 스트림의 압력을 감소시키는 단계와, 찬 질소-농후 증기 스트림을 (4)의 찬 질소-농후 냉매 스트림과 혼합시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 감압 증기 스트림을 제공하기 위해 찬 질소-농후 증기 스트림의 압력을 감소시키는 단계와, 감압 증기 스트림을 (4)의 찬 질소-농후 냉매 스트림 또는 (1)의 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 혼합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
필요에 따라, 찬 질소-농후 액체 스트림의 일부는 증발된 질소-농후 스트림을 형성하기 위해 증류 칼럼 내부의 제1 위치와 제2 위치 사이의 중간 응축기 내에서 증발될 수 있으며, 증발된 질소-농후 스트림은 찬 질소-농후 증기 스트림과 혼합된다.
상기 방법은 2상의 스트림을 형성하기 위해 농축 천연가스 스트림의 압력을 감소시키는 단계와, 2상의 스트림을 메탄-농후 액체 스트림과 질소-농후 증기 스트림으로 분리시키는 단계와, 과냉각된 농축 천연가스 공급물 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 메탄-농후 액체 스트림을 냉각시키는 단계와, 증발된 바닥 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼의 바닥으로부터 인출된 증발 액체와의 간접 열교환에 의해 과냉각된 농축 천연가스 공급물 스트림을 더 냉각하는 단계와, 증류 칼럼 내부에 비등 증기를 제공하기 위해 증류 칼럼 속으로 증발된 바닥 스트림을 주입하는 단계와, 냉각된 천연가스 공급물 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 질소-농후 증기 스트림을 냉각시키는 단계와, 증류 칼럼 내부의 제1 및 제2 위치 중간 지점에서 냉각된 천연가스 공급물 스트림을 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 정제된 액화 천연가스 스트림은 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 과냉각될 수 있다.
증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각한 이후에, 그리고 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키기 이전에, 찬 압축 질소-농후 스트림은 증류 칼럼의 바닥부터 인출된 증발 액체와의 간접 열교환에 의해 더 냉각되어 증발된 바닥 스트림을 제공하고, 증류 칼럼 내부에 비등 증기를 제공하기 위해 증류 칼럼으로 증발된 바닥 스트림을 주입시킬 수 있다.
변형례로서, 찬 환류 스트림과, 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동, 그리고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동은,
(1) 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동의 제1 부분과 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동을 제공하기 위해 찬 질소-농후 스트림을 가온하여 가온된 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
(2) 압축된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 질소-농후 증기 스트림을 압축하는 단계와;
(3) 혼합된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 일팽창 질소-농후 스트림과 압축된 질소-농후 스트림을 혼합하고, 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 혼합된 질소-농후 스트림을 압축하는 단계와;
(4) 냉각된 압축 질소-농후 스트림을 생성하기 위해 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 냉각하고, 찬 질소-농후 냉매 스트림을 생성하기 위해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제1 부분을 일팽창시키며, 그리고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동의 제2 부분을 제공하기 위해 찬 질소-농후 냉매 스트림을 가온하여 (3)의 가온된 일팽창 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
(f) 찬 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 찬 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각시키고, 찬 질소-농후 냉매 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키는 단계와;
(g) 2상의 오버헤드 스트림과 (1)의 질소-농후 증기 스트림을 형성하기 위해 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 오버헤드 응축기 내에서 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기를 부분적으로 응축하고, 2상의 오버헤드 스트림을 증기 부분과 액체 부분으로 분리하며, 액체 부분을 찬 환류 스트림으로서 증류 칼럼으로 복귀시키고, 증기 부분을 질소 제거 스트림으로서 인출하는 단계
에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 농축 천연가스로부터 질소를 제거하기 위한 방법을 포함하는데, 이 방법은,
(a) 농축 천연가스를 증류 칼럼 내부의 제1 위치로 주입하고, 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 증류 칼럼으로부터 인출하며, 정제된 액화 천연가스 스트림을 상기 칼럼의 바닥으로부터 인출하는 단계와;
(b) 찬 환류 스트림을 증류 칼럼 내부의 상기 제1 위치보다 위에 있는 제2 위치로 주입시키는 단계로, 찬 환류 스트림과 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동이, 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 질소-농후 오버헤드 증기 스트림의 전부 혹은 일부를 압축하는 단계와, 냉동을 발생시켜 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 압축 질소-농후 스트림의 일부를 일팽창시키는 단계, 그리고 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 압축 질소-농후 스트림의 다른 일부를 압력 감소 및 냉각하는 단계에 의해 얻어지게 되는, 상기 주입 단계를 포함한다.
증류 칼럼으로의 농축 천연가스 공급물은, 증발된 바닥 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼의 바닥으로부터 인출된 증발 액체와의 간접 열교환에 의해 농축 천연가스를 냉각시키고, 증류 칼럼 내부에 비등 증기를 공급하기 위해 증발된 바닥 스트림을 증류 칼럼으로 주입시킴으로써 제공될 수 있다.
별법으로서, 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 찬 환류 스트림과 냉동은,
(a) 찬 환류 스트림을 제공하도록 냉동의 제1 부분을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 가온하여 가온된 질소-농후 증기 스트림을 제공하는 단계와;
(b) 질소 제거 스트림으로서 가온된 압축 질소-농후 증기 스트림의 제1 부분을 인출하고 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 질소-농후 증기 스트림의 제2 부분을 압축하는 단계와;
(c) 혼합된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 일팽창 질소-농후 스트림과 압축된 질소-농후 스트림을 혼합하고, 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 혼합된 질소-농후 스트림을 압축하는 단계와;
(d) 냉각된 압축 질소-농후 스트림을 생성하기 위해 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 냉각하고, 찬 질소-농후 냉매 스트림을 생성하기 위해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제1 부분을 일팽창시키고, 찬 환류 스트림을 제공하도록 냉동의 제2 부분을 제공하기 위해 찬 질소-농후 냉매 스트림을 가온하여 가온된 일팽창 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
(e) 찬 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각시키고, 감압된 찬 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키며, 감압된 찬 질소-농후 스트림을 찬 환류 스트림으로서 증류 칼럼으로 주입하는 단계
에 의해 제공될 수 있다.
증류 칼럼 이전에 농축 천연 가스의 압력은 찬 액화된 천연가스 공급물을 농후 유체 팽창기를 통과시킴으로써 감소될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 농축 천연가스로부터 질소를 제거하기 위한 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은,
(a) 농축 천연가스를 주입하기 위한 제1 위치와, 찬 환류 스트림을 주입하기 위한 상기 제1 위치보다 상부에 있는 제2 위치와, 칼럼의 꼭대기로부터 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 인출하기 위한 오버헤드 라인과, 칼럼의 바닥으로부터 정제된 액화 천연가스 스트림을 인출하기 위한 라인을 구비하는 증류 칼럼과;
(b) 압축 질소-함유 냉매를 제공하기 위해 질소를 함유하는 냉매를 압축하기 위한 압축 수단과;
(c) 찬 일팽창 냉매를 제공하기 위해 압축 질소 함유 냉매의 제1 부분을 일팽창시키기 위한 팽창기와;
(d) 찬 일팽창 냉매를 가온시키는 동시에 압축 질소 함유 냉매의 제2 부분과, (1) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (2) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 찬 일팽창 냉매와의 간접 열교환에 의해 냉각시키기 위한 열교환 수단과;
(e) 증류 칼럼에 냉동을 제공하기 위해 열교환 수단으로부터 인출된 압축 질소 함유 냉매의 냉각된 제2 부분의 압력을 감소시키기 위한 수단을 포함한다.
또한, 상기 시스템은 찬 혼합된 질소-농후 스트림을 형성하기 위해 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 일팽창 질소-농후 가스를 혼합시키기 위한 배관 수단을 포함할 수 있으며, 상기 열교환 수단은 가온된 혼합 질소-농후 스트림을 제공하도록 찬 혼합된 질소-농후 스트림을 가온시키기 위한 하나 이상의 유동 통로를 포함한다. 상기 압축 수단은 가온된 혼합 질소-농후 스트림의 압축을 위한 단일 스테이지(single-stage)의 압축기를 포함할 수 있다.
상기 열교환 수단은 가온된 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 형성하도록 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 가온하기 위한 제1 그룹의 유동 통로와, 가온된 일팽창 냉매를 형성하도록 찬 일팽창 냉매를 가온하기 위한 제2 그룹의 유동 통로를 포함할 수 있다. 상기 압축 수단은 제1 단과 제2 단을 구비하는 압축기를 포함할 수 있고, 상기 시스템은 가온된 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 열교환 수단으로부터 압축기의 제1 단의 입구로 이송시키기 위한 배관 수단과, 가온된 일팽창 냉매를 열교환 수단으로부터 압축기의 제2 단의 입구로 이송시키기 위한 배관 수단을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 농축 천연가스로부터 질소를 제거하기 위한 시스템을 포함하며, 상기 시스템은,
(a) 농축 천연가스를 증류 칼럼으로 주입하기 위한 제1 위치와, 찬 환류 스트림을 증류 칼럼으로 주입하기 위한 상기 제1 위치보다 상부에 있는 제2 위치와, 증류 칼럼으로부터 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 인출하기 위한 오버헤드 라인과, 칼럼의 바닥으로부터 정제된 액화 천연가스 스트림을 인출하기 위한 라인을 구비하는 증류 칼럼과;
(b) 압축 질소-함유 냉매를 제공하기 위해 질소-농후 오버헤드 증기 스트림의 전부 혹은 일부를 압축하기 위한 압축 수단과;
(c) 찬 일팽창 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 제1 냉각된 압축 질소-농후 증기 스트림을 일팽창시키기 위한 팽창기와;
(d) (d1) 가온된 일팽창 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 찬 일팽창
질소-농후 스트림을 가온시키기 위한 제1 그룹의 유동 통로,
(d2) 가온된 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 제공하기 위해 증류
칼럼으로부터 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 가온시키기 위한 제2
그룹의 유동 통로,
(d3) 제1 냉각된 압축 질소-농후 증기 스트림과 제2 냉각된 압축 질소
-농후 증기 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 찬 일팽창
질소 농후 스트림과 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과의 간접 열교환
에 의해 압축된 질소-농후 증기 스트림을 냉각시키기 위한 제3 그룹의
유동 통로,
를 구비하는 열교환 수단과;
(e) 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 제2 냉각된 압축 질소-농후 증기 스트림의 압력을 감소시키기 위한 수단과, 찬 환류 스트림을 증류 칼럼의 제2 위치로 주입시기키 위한 수단을 포함한다.
상기 시스템은 증류 칼럼의 바닥으로부터 인출된 증발 스트림과의 간접 열교환에 의해 증류 칼럼으로 주입되기 이전에 농축 천연가스를 냉각시켜 증발된 스트림을 형성하기 위한 리보일러 수단과, 증류 칼럼 내부에 비등 증기를 제공하기 위해 증류 칼럼의 바닥으로 증발된 스트림을 주입하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 상기 압력 수단은 제1 단과 제2 단을 구비하는 압축기를 포함할 수 있으며, 상기 시스템은 가온된 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 열교환 수단으로부터 압축기의 제1 단의 입구로 이송시키기 위한 배관 수단과, 가온된 일팽창 질소-농후 스트림을 열교환 수단으로부터 압축기의 제2 단의 입구로 이송시키기 위한 배관 수단을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예의 개략적인 흐름도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예의 개략적인 흐름도.
도 3은 도 2의 흐름도에 도시된 실시예의 제1 변형례의 개략적인 흐름도.
도 4는 도 2의 흐름도에 도시된 실시예의 제2 변형례의 개략적인 흐름도.
도 5는 도 2의 흐름도에 도시된 실시예의 제3 변형례의 개략적인 흐름도.
도 6은 도 2의 흐름도에 도시된 실시예의 제4 변형례의 개략적인 흐름도.
도 7은 도 2의 흐름도에 도시된 실시예의 제5 변형례의 개략적인 흐름도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적인 흐름도.
본 발명의 실시예들은 정제된 액화 천연가스(LNG)를 생산하기 위해 질소 제거를 위한 통합 냉동 프로세스(integrated refrigeration process)를 사용하여 최소한의 메탄 손실로 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법을 포함한다. (1) 정제된 LNG나 농축 천연가스, 또는 (2) 정제된 LNG와 농축 천연가스 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동은 농축 천연가스로부터 제거된 질소의 압축 및 일팽창을 이용하는 리사이클 냉동 시스템(recycle refrigeration system)에 의해 제공된다. 질소 제거 증류 칼럼용 찬 환류 스트림은 또한 리사이클 냉동 시스템으로부터 얻어진다.
아래의 정의는 본 명세서에 사용된 용어에 적용된다. 농축 천연가스는 농후한 혹은 농축된 메탄-농후 상을 형성하기 위해 냉각된 천연가스로 정의된다. 농축 천연가스는 부분적으로 농축된 2상의 증기-액체 상태, 완전 농축된 포화 액체 상태 혹은 완전히 농축된 과냉각 상태에서 임계 압력보다 낮은 압력에서 존재할 수 있다. 별법으로서, 농축 천연가스는 액체와 유사한 특성을 지닌 농후한 유체로서 임계 압력보다 높은 압력에서 존재할 수 있다.
농축 천연가스는 액화를 위해 요구되는 저온에서 빙결되거나 액화 설비에 유해한 불순물을 제거하기 위해 처리된 원료 그대로의 천연가스로부터 얻어진다. 이러한 불순물은 이산화탄소, 황화수소 및 다른 황 함유 불순물 등의 산성 가스, 물, 수은을 포함한다. 정제된 원료 그대로의 천연가스는 그 내부에 포함된 메탄보다 더 무거운 탄화수소 일부를 제거하기 위해 추가로 처리될 수 있다. 이러한 예비 처리 단계 이후에, 농축 천연가스는 1 내지 10 몰% 농도 범위의 질소를 함유할 수 있다.
정제된 LNG는 원래 존재하는 질소의 일부가 그로부터 제거된 농축 천연가스이다. 정제된 LNG는 예컨대, 95 몰% 초과의 탄화수소, 바람직하게는 99 몰% 초과의 탄화수소, 주로 메탄을 포함할 수 있다. 간접 열교환은 열교환기(들) 내에 물리적으로 분리되어 있는 유동하는 스트림 사이에서의 열교환을 말한다. 질소 제거 스트림 혹은 제거된 질소 스트림은 농축 천연가스로부터 제거된 질소를 포함하는 스트림이다. 질소-농후 스트림은 50 몰% 초과의 질소, 바람직하게는 90 몰% 초과의 질소, 더 바람직하게는 99 몰% 초과의 질소를 포함하는 스트림이다.
폐루프(closed-loop) 냉동 시스템은 연속한 고의적인 냉매 회수 없이 냉매가 재순환되는 압축, 열교환 및 감압 수단을 포함한다. 상기 시스템으로부터의 작은 누출 손실이 있기 때문에 소량의 냉매 보충이 통상적으로 요구된다. 개방루프(open-loop) 냉동 시스템은 냉매가 재순환되고, 냉매의 일부가 연속적으로 재순환 루프로부터 회수되며, 추가의 냉매가 재순환 루프 속으로 연속적으로 주입되는 압축, 열교환 및 감압 수단을 포함하는 냉동 시스템이다. 후술하는 바와 같이, 재순환 루프로 연속적으로 주입된 냉매는 냉동 시스템에 의해 냉각될 프로세스 스트림으로부터 얻어질 수 있다.
본 발명의 비제한적인 제1 예가 도 1에 도시된 실시예에 예시되어 있다. 임의의 냉동 방법에 의해 이미 액화되어 있는 농축 천연가스 공급물은 라인(1)을 경유하여 프로세스로 유입된다. 액화를 위한 냉동 방법은, 예컨대 메탄/에탄(혹은 에틸렌)/프로판 캐스캐이드(cascade), 단일의 혼합 냉매, 프로판 예비-냉각/혼합 냉매, 이중 혼합 냉매 혹은 임의의 형태의 팽창기 사이클 냉매 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다. 증기 및/또는 액체 팽창기는 또한 경제적으로 편리한 전체 냉동 시스템의 일부로서 합체될 수 있다. 라인(1) 내의 농축 천연가스는 통상적으로 -150 내지 -220 ℉ 및 500 내지 1000 psia이다.
농축 천연가스는 질소 제거 증류 칼럼(7)으로부터 라인(5)을 경유하여 공급된 액체를 증발시킴으로써 리보일러 열교환기(3) 내에서 선택적으로 냉각될 수 있다. 증발된 스트림은 증류 칼럼(7) 내에서 비등 증기를 제공하기 위해 라인(9)을 경유하여 복귀된다. 농축 천연가스를 냉각하거나 증류 칼럼(7)에 비등 증기를 공급하는 다른 방법이 필요에 따라 이용될 수 있다. 팽창 밸브(13)의 양단에서 압력이 선택적으로 감소될 있는 라인(11) 내의 냉각된 농축 천연가스는 증류 칼럼(7)의 중간 위치로 주입된다. 별법으로서, 유압 팽창 터빈 혹은 팽창기가 냉각된 농축 천연가스의 압력을 감소시키기 위해 팽창 밸브(13) 대신에 사용될 수 있다. 다른 대안으로, 라인(1) 내의 농축 천연 가스는, 라인(11) 내의 냉각된 농축 천연가스의 압력을 줄이기 위해 추가적으로 혹은 그 대신에 팽창 밸브(도시 생략) 혹은 유압 팽창 터빈(도시 생략) 양단에서 압력이 낮아질 수 있다.
냉각된 농축 천연가스는 라인(15)에서 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 라인(17)에서 정제된 LNG 생성물을 산출하기 위해 통상적으로 50 내지 250 psia에서 작동하는 증류 칼럼(7)에서 분리된다. 라인(17) 내의 정제된 LNG는 찬 냉매(이하의 상세한 설명 참조)와의 간접 열교환과 라인(20)을 경유한 LNG 생성물 저장소로의 유동에 의해 열교환기(19)에서 -230 내지 -260 ℉ 범위 온도로 과냉각될 수 있다. 과냉각된 LNG 생성물의 압력은 통상적으로 저장 이전에 대기압(도시 생략)에 가깝게 낮아지며, 이는 희망에 따라 추가의 질소 제거를 제공할 수 있다.
라인(15) 내의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림은 라인(23) 내에서 혼합한 찬 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 라인(21)(이하의 상세한 설명 참조) 내의 찬, 일팽창 질소-농후 스트림과 혼합된다. 이 스트림은 전술한 바와 같이 라인(17)에서 농축 LNG를 과냉각시키기 위한 냉동을 제공하기 위해 열교환기(19) 내에서 가온된다. 질소-농후 스트림은 라인(25)을 경유하여 열교환기(19)로부터 통과하고 열교환기(27, 29) 내에 냉동을 제공하기 위해 그 내부에서 더 가온된다. 추가적으로 가온된 질소-농후 스트림은 라인(31)을 경유하여 열교환기(29)로부터 인출된다. 라인(31) 내의 스트림의 제1 부분은 라인(33)을 경유하여 인출되고 질소 제거 스트림으로서 이동된다. 이러한 질소 제거 스트림은 통상 1 내지 5 몰%의 메탄을 포함하며 선택적으로 플랜트 연료 시스템으로 이송되지 않고 대기로 방출될 수 있다. 라인(31) 내의 스트림의 제2 부분은 그것이 라인(39)에서 압축된 질소-농후 스트림을 공급하기 위해 약 600 내지 1400 psia에서 압축되는 압축기(37)로 라인(35)을 매개로 통상 100 내지 400 psia 압력으로 흐른다. 상기 스트림은 열교환기(29)에서 냉각되고, 라인(41) 내에서 주요 냉각된 압축 질소-농후 스트림과 라인(42) 내에서 더 약하게 냉각된 압축 질소-농후 스트림으로 분리된다.
압축기(37)는 통상적으로 직렬로 작동하는 하나 혹은 그 이상의 임펠러를 포 함하는 원심 압축기이며, 해당 분야에 공지된 중간냉각기(intercooler) 및/또는 후냉각기(aftercooler)를 포함할 수 있다. 단일의 압축기(37)는 임펠러들 사이에 추가의 흡입 스트림이 없는 하나의 흡입 스트림과 하나의 배출 스트림을 포함한다.
별법으로서, 라인(33)을 경유하여 가온된 제거 질소를 인출하는 대신 라인(33)에서 흐르는 제거 질소와 동일한 부분이 라인(15), 라인(23), 라인(25), 혹은 라인(28)으로부터 인출될 수 있고, 더 낮은 압력으로 일팽창되며, 그리고 상기 프로세스에 추가의 냉동을 제공하기 위해 별도의 스트림(도시 생략)으로서 가온된다.
라인(41) 내에서 냉각된 압축 질소-농후 스트림은 전술한 바와 같이 라인(21) 내에 찬 일팽창 질소-농후 스트림을 공급하기 위해 팽창기(43)에 의해 일팽창된다. 라인(42) 내의 냉각된 압축 질소-농후 스트림은 과냉각된 액체(아임계 조건의 경우) 혹은 찬 농후 유체(과임계 조건의 경우)를 생성하기 위해 열교환기(27, 19)에서 더 냉각되고, 그 결과로 생긴 라인(45) 내의 찬 압축 질소-농후 스트림은 팽창 밸브(47) 양단에서 압력이 낮아지며, 그 내부에 찬 환류를 공급하기 위해 질소 제거 증류 칼럼(7)의 꼭대기로 주입된다. 별법으로서, 라인(45) 내의 스트림의 압력 감소는 일팽창에 의해 영향을 받을 수 있다. 열교환기(19, 27, 29)는 별도의 열교환기로서 도시되어 있지만, 이들은 희망에 따라 1개 혹은 2개의 열교환기로 조합될 수 있다. 압축된 질소-농후 스트림은 본 발명의 임의의 실시예에 따라 열교환기(29) 내에서 냉각되기 이전에 프로판 등의 냉매와 함께 사전냉각(precooled)될 수 있다.
도 1의 예는 정제된 LNG 생성물 스트림을 과냉각시키기 위해 냉동을 제공하고 또 농축 천연가스 공급물 스트림으로부터 질소를 제거하는 증류 칼럼을 작동시키기 위해 질소 팽창기 타입 리사이클 냉동 시스템을 이용하는 통합 프로세스이다. 압축된 리사이클 질소의 일부는 팽창되지 않지만 그 대신 액화되어 질소 제거 칼럼용 환류로서 사용된다. 이러한 예는 개방루프 프로세스이며, 다시 말해서 칼럼으로부터 제거된 통상 1 내지 5 몰%의 소량의 메탄을 함유하는 질소는 냉매 질소와 혼합된다. 따라서, 리사이클 질소 스트림은 상기 칼럼으로부터 라인(15) 내에서 제거된 질소 스트림 내의 메탄 레벨과 동일한 평형 레벨의 메탄을 함유한다. 라인(1) 내에서 농축 천연가스 공급물 스트림내의 질소는 라인(33)을 경유하여 제거되는 순중량의 질소를 보상하기 위해 리사이클 냉동 시스템으로 보충 질소를 공급한다. 라인(33) 내의 제거된 질소 스트림은 통상적으로 순도가 높은데, 즉 충분히 낮은 메탄 함량을 지니며, 대기로 통기될 수 있고 연료로서 반드시 사용할 필요는 없다.
또 다른 비제한적인 본 발명의 예가 도 2의 실시예에 도시되어 있다. 이 실시예에서는 질소-농후 냉매 스트림을 압축하기 위해 2단계 압축이 적용된다. 이는 증류 칼럼(7)이 팽창기(219)의 배출 압력보다 더 낮은 압력에서 작동할 수 있도록 해준다. 도 2에 도시된 실시예에 따르면, 라인(15) 내의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림은 도 1의 실시예와 같이 라인(21) 내의 찬 일팽창 질소-농후 스트림과 혼합되지 않는다. 그 대신, 이들 두 스트림은 라인(207, 209) 내에서 상이한 압력으로 더 온난한 질소-농후 스트림을 생성하도록 열교환기(201, 203, 205)에서 따로따로 가온된다. 라인(207) 내의 저압의 가온된 질소-농후 스트림의 일부는 라인(211)을 경유하여 질소 제거 스트림으로서 방출된다. 이러한 질소 제거 스트림은 통상 1 내지 5 몰%의 메탄을 함유하고 선택적으로 플랜트 연료 시스템으로 이송되는 대신 대기로 통기될 수 있다. 라인(207) 내의 스트림의 잔여 부분은 제1 단의 압축기(213)에서 100 내지 400 psia 범위의 압력으로 통상 압축되고 라인(209) 내에서 가온된 일팽창 중간 압력의 스트림과 혼합된다. 이렇게 혼합된 스트림은 600 내지 1400 psia 범위의 압력으로 통상 제2 단의 압축기(215)에서 더 압축되어 라인(217) 내에 압축 질소-농후 스트림을 공급하게 된다.
압축기(213, 215)는 2개의 흡입 스트림과 1개의 배출 스트림과 함께 직렬로 작동한다. 각각의 압축기는 통상적으로 직렬로 작동하는 하나 또는 그 이상의 임펠러를 포함하는 원심 압축기이며, 해당 분야에 공지된 중간냉각기 및/또는 후냉각기를 포함할 수 있다. 조합된 압축기(213, 215)는 제거 스트림(211)이 스트림(207)으로부터 인출된 후 최저 압력의 흡입이 잔류하는 스트림에 의해 공급되고 중간 압력의 흡입이 스트림(209)에 의해 공급되는 공통의 드라이브를 지닌 단일의 복합 임펠러 머신으로서 작동할 수 있다.
라인(217) 내의 압축 질소-농후 스트림은 열교환기(205) 내에서 냉각되고 라인(229) 내의 냉각된 스트림은 2개의 부분으로 분할된다. 제1 주요 부분은 라인(21)에서 찬 일팽창 질소-농후 스트림을 생성하도록 팽창기(19) 내에서 일팽창되며, 라인(221) 내의 제2 보조 부분은 과냉각된 액체(아임계 조건의 경우) 혹은 라인(45) 내의 찬 농후한 유체(과임계 조건의 경우)를 생성하기 위해 열교환기(203, 201) 내에서 더 냉각된다. 라인(45) 내의 찬 압축 질소-농후 스트림은 팽창 밸브(47) 양단에서 압력이 낮아지고, 도 1의 실시예를 참조하여 전술한 바와 같이 그 내부에 찬 환류를 공급하기 위해 질소 제거 증류 칼럼(7)의 꼭대기로 주입된다. 별법으로서, 라인(45) 내의 스트림의 압력 감소는 일팽창에 의해 영향을 받을 수 있다. 열교환기(201, 203, 205)들은 별도의 열교환기로서 도시되어 있지만, 이들은 희망에 따라 1개 혹은 2개의 열교환기로 조합될 수 있다. 라인(17) 내의 정제된 LNG는 라인(15, 21)을 경유하여 유입하는 찬 냉매와의 간접 열교환에 의해 열교환기(201)에서 통상 -230 내지 -260℉에서 과냉각된다. 과냉각된 LNG의 최종 생성물은 라인(20)을 경유하여 LNG 생성물 저장소로 흐른다. 과냉각된 LNG 생성물의 압력은 통상적으로 저장 이전에 대기압(도시 생략)에 가깝게 낮아진다.
별법으로서, 라인(211)을 경유하여 가온된 제거 질소를 인출하는 대신 라인(211)에서 제거 흐름과 동일한 부분이 라인(15), 라인(223), 혹은 라인(227)으로부터 인출될 수 있으며, 인출된 가스는 대기압에 가깝게 일팽창될 수 있고 상기 프로세스에 추가의 냉동을 제공하기 위해 별도의 스트림(도시 생략)으로서 가온될 수 있다.
관련된 실시예에 따르면, 증류 칼럼(7)에서 나온 라인(15) 내의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림은, 별도의 열교환기(도시 생략)에서 가온, 압축, 별도의 열교환기에서 냉각, 그리고 열교환기(201, 203, 205)에서 재가온을 위해 라인(21) 내의 찬 일팽창 질소-농후 스트림과 혼합될 수 있다. 이것은 어느 정도 도 2에 도시된 프로세스보다 덜 효율적이지만, 기존의 플랜트 냉동 시스템의 개장 혹은 확장에 유용할 수 있다.
전술하지 않은 도 2의 실시예의 다른 특징들은 도 1의 실시예에 대응하는 특징들과 유사하다.
또 다른 비제한적인 본 발명의 예가 도 3의 실시예에 도시되어 있다. 도 2의 실시예의 변형인 상기 실시예에 따르면, 라인(45) 내의 찬 압축 질소-농후 스트림은 팽창 밸브(301) 양단에서 압력이 낮아지고, 분리기 용기(303) 속으로 주입되며, 라인(305) 내의 증기 스트림과 라인(307) 내의 액체 스트림으로 분리된다. 라인(305) 내의 증기는 열교환기(201, 203, 205)에서 재가온을 위해 라인(21) 내의 찬 일팽창 질소-농후 스트림과 혼합된다. 라인(307) 내의 액체는 팽창 밸브(47)의 양단에서 압력이 더 감소되고 도 2의 실시예와 관하여 전술한 바와 같이 그 내부에 찬 환류를 제공하기 위해 질소 제거 증류 칼럼(7)의 꼭대기로 주입된다.
별법으로서, 분리기 용기(303)는 팽창기(219)의 배출 압력보다 더 낮은 압력에서 작동될 수 있고, 라인(21)의 찬 일팽창 질소-농후 스트림과 라인(305) 내의 증기는 열교환기(201, 203, 205)의 추가의 통로 내에서 따로따로 가온될 수 있다. 이러한 변형례에서, 라인(305) 내의 증기는 일팽창될 수 있고, 예컨대 열교환기(201, 203, 205) 내에서 가온되기 이전에 라인(15) 내의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 혼합될 수 있다.
다른 변형례로서, 분리기 용기(303)는 팽창기(219)의 배출 압력과 라인(21) 내의 찬 일팽창 질소-농후 스트림의 압력보다 더 높은 압력에서 작동될 수 있다. 라인(305) 내의 증기는 일팽창될 수 있고, 열교환기(201, 203, 205) 내에서 가온되 기 이전에 라인(21) 내의 찬 일팽창 질소-농후 스트림과 혹은 라인(15) 내의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 혼합될 수 있다.
전술하지 않은 도 3의 실시예의 다른 특징들은 도 2의 실시예에 대응하는 특징들과 유사하다.
또 다른 비제한적인 본 발명의 예가 도 4의 실시예에 도시되어 있다. 도 3의 실시예의 변형인 상기 실시예에 따르면, 분리기 용기(303)에서 나온 액체의 일부는 라인(405)을 경유하여 인출되고 질소 제거 증류 칼럼(403) 내에서 중간 응축기(401) 내에서 증발되며, 그 결과로 생긴 증기는 분리기 용기(303)으로 라인(407)을 경유하여 복귀한다. 라인(409)을 경유하여 흐르는 분리기 용기(303)에서 나온 액체의 나머지 부분은 팽창 밸브(411) 양단에서 압력이 낮아지며, 감소된 압벽 스트림은 환류로서 증류 칼럼(403)으로 주입된다. 중간 응축기(401)의 사용은 칼럼의 꼭대기로 주입되어야 할 환류의 양을 줄이며 이에 따라 분류 프로세스의 가역성과 효율을 증대시킨다. 중간 응축기에서 나온 라인(407) 내의 증발된 액체는 선택적으로 칼럼 압력과 같은 저압으로 일팽창되고, 열교환기(201, 203, 205) 내에서 가온되며, 그리고 리사이클을 위해 압축될 수 있다. 전술하지 않은 도 4의 실시예의 다른 특징들은 도 3의 실시예에 대응하는 특징들과 유사하다.
또 다른 비제한적인 본 발명의 예가 도 5의 실시예에 도시되어 있다. 도 2의 실시예의 변형인 이 실시예에 따르면, 농축 천연가스 공급물은 팽창 밸브(501)의 양단에서 압력이 감소되고, 그 결과로 생긴 2상의 스트림은 라인(505) 내의 질소-농후 증기와 라인(507) 내의 메탄-농후 액체로 분리기 용기(503)에서 분리된다. 라인(505) 내의 증기는 열교환기(201)에서 냉각 및 부분적으로 혹은 전체적으로 농축되고, 라인(509) 내의 냉각된 스트림은 선택적으로 팽창 밸브(511)의 양단에서 압력이 감소되며, 증류 칼럼(513)의 중간 지점에서 불순한 환류로서 주입된다.
라인(507) 내의 액체는 열교환기(508) 및/또는 리보일러 열교환기(3)에서 과냉각되며, 라인(11) 내의 액체는 선택적으로 팽창 밸브(13) 양단에서 압력이 낮아지고, 증류 칼럼(513) 내의 낮은 중간 지점에 주입된다. 라인(507) 내의 액체가 열교환기(508) 및/또는 리보일러 열교환기(3)에서 과냉각될 때, 증류 칼럼(513)은 LNG 생성물 저장 압력에 근접한 압력에서 작동될 수 있으며, 이 경우 라인(517)을 경유하여 증류 칼럼(513)으로부터 인출된 정제된 LNG 생성물의 과냉각이 불필요할 수 있다.
선택적으로, 증류 칼럼(513)은 더 높은 압력에서 작용될 수 있고, 칼럼의 바닥에서 나온 정제된 LNG 생성물은 열교환기(201)에서 과냉각될 수 있다. 그 다음, 리사이클 냉동 시스템은 전술한 바와 같이 칼럼으로 향하는 농축 천연가스 공급물을 과냉각시키기 위해 그리고 상기 칼럼으로부터의 나온 정제된 LNG 생성물을 과 냉각시키기 위해 냉동을 제공한다.
전술하지 않은 도 5의 실시예의 다른 특징들은 도 2의 실시예에 대응하는 특징들과 유사하다.
또 다른 비제한적인 본 발명의 예가 도 2의 실시예의 변형인 도 6의 실시예에 도시되어 있다. 도 6에서, 질소 제거 증류 칼럼(7)으로 향하는 환류 및 냉매는 라인(603) 내에서 부분적으로 혹은 전체적으로 농축된 리사이클 스트림을 생성하기 위해, 열교환기(203)와 변형된 리보일러 열교환기(601) 내에서 라인(221)의 압축된 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각시킴으로써 제공된다. 이 스트림은 팽창 밸브(605) 양단에서 압력이 낮아지고 환류로서 증류 칼럼(7) 속으로 주입된다.
팽창기(219)에서 나온 라인(219) 내의 배출 스트림은 일반적으로 중간 압력 레벨에 있고, 라인(15) 내의 저압 질소-농후 오버헤드 증기 스트림의 가온과 별도로 열교환기(605, 203, 205) 내에서 가온된다. 라인(1) 내의 농축된 천연가스 공급물은 리보일러 열교환기(601)에서 과냉각되고, 선택적으로 팽창 밸브(13) 양단에서 혹은 2상의 배출부를 지닐 수 있는 농후한 상의 팽창기(도시 생략)에서 압력이 낮아질 수 있다.
라인(1) 내의 농축 천연가스 공급물과 라인(603) 내의 증류 칼럼 환류 스트림은 선택적으로 별도의 리보일러들에서 냉각될 수 있는데, 리보일러 중 하나는 측면 리보일러이고 다른 하나는 하부 리보일러(도시 생략)이다. 이는 증류 단계에 의해 분리된 위치에서 증류 칼럼(7)이 근원이 되는 2개의 상이한 액체 스트림을 가열함으로써 2개의 상이한 온도 레벨에서 비등 증기를 공급하게 된다. 별법으로서, 라인(1) 내의 농축 천연가스 공급물과 라인(603) 내의 환류 스트림 중 어느 하나는 양 리보일러에 사용될 수 있다. 증류 칼럼용 환류 스트림은 라인(21)내에서 팽창기의 배출부로부터와 같이 중간 압력 레벨로부터 선택적으로 얻어질 수 있다. 이러한 중간 압력 환류 스트림은 칼럼 리보일러 내에서 응축될 수 있다.
전술하지 않은 도 6의 실시예의 다른 특징들은 도 2의 실시예에 대응하는 특징들과 유사하다.
또 다른 비제한적인 본 발명의 예가 도 2의 실시예의 변형인 도 7의 실시예에 도시되어 있다. 도 7의 실시예에서, 증류 칼럼(701)은 라인(45)과 팽창 밸브(47)를 경유하여 공급된 찬 압축 질소-농후 유체를 증발시킴으로써 냉동되는 간접 오버헤드 응축기(703)를 이용한다. 증류 칼럼(701)에서 나온 질소-농후 증기는 라인(705)을 경유하여 흐르고 오버헤드 응축기(703)에서 부분적으로 응축된다. 부분적으로 응축된 스트림은 분리기(707)에서 라인(707) 내의 액체 스트림과 라인(709) 내의 증기 스트림으로 분리된다. 액체 스트림은 라인(707)을 경유하여 환류로서 상기 칼럼으로 복귀되며, 증기 스트림은 제거된 질소로 라인(709)을 경유하여 인출된다. 이러한 스트림은 메탄 함량이 약 5 몰% 이하일 때 선택적으로 통기될 수 있고, 희망에 따라 이러한 질소 제거 스트림은 통기 이전에 열교환기(201, 203, 205) 내에서 가온될 수 있다.
임의의 냉동 방법에 의해 액화된 농축 천연가스 공급물은 라인(1)을 경유하여 프로세스로 유입된다. 액화를 위한 냉동 방법은, 예컨대 메탄/에탄(혹은 에틸렌)/프로판 캐스캐이드, 단일의 혼합 냉매, 프로판 예비-냉각/혼합 냉매, 이중 혼합 냉매 혹은 임의의 형태의 팽창기 사이클 냉매 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다. 증기 및/또는 액체 팽창기는 또한 경제적으로 편리한 전체 냉동 시스템의 일부로서 합체될 수 있다. 라인(1) 내의 농축 천연가스는 통상적으로 -150 내지 -220 ℉ 및 500 내지 1000 psia이다.
농축 천연가스 공급원료는 질소 제거 증류 칼럼(701)으로부터 라인(5)을 경유하여 공급된 액체를 증발시킴으로써 리보일러 열교환기(3) 내에서 냉각될 수 있 다. 증발된 스트림은 증류 칼럼(701) 내에서 비등 증기를 제공하기 위해 라인(9)을 경유하여 복귀된다. 농축 천연가스를 냉각하거나 증류 칼럼(701)에 비등 증기를 공급하는 다른 방법이 필요에 따라 이용될 수 있다. 팽창 밸브(13)의 양단에서 압력이 선택적으로 감소될 있는 라인(11) 내의 냉각된 농축 천연가스는 증류 칼럼(701)의 중간 위치로 주입된다. 별법으로서, 유압 팽창 터빈 혹은 농후상 팽창기는 냉각된 농축 천연가스의 압력을 감소시키기 위해 팽창 밸브(13) 대신에 사용될 수 있다. 다른 대안으로, 라인(1) 내의 농축 천연 가스는, 라인(11) 내의 냉각된 농축 천연가스의 압력을 줄이는 것 이외에 혹은 그 대신에 팽창 밸브(도시 생략) 혹은 유압 팽창 터빈(도시 생략) 양단에서의 압력이 낮아질 수 있다.
증류 칼럼(701)을 위한 냉동은 도 2의 개방루프 냉동 시스템의 변형례인 폐루프 냉동 시스템에 의해 제공된다. 도 7의 실시예에서, 라인(15) 내의 증발된 저압 질소-농후 냉매 스트림은 열교환기(201, 203, 205)에서 가온되고, 라인(207) 내의 최종적으로 가온된 스트림은 제1 단의 압축기(213)에서 100 내지 400 psia의 압력으로 통상 압축되며, 라인(209) 내에서 가온 팽창된 중간 압력의 스트림과 혼합되고, 그리고 약 600 내지 1400 psia의 압력으로 제2 단의 압축기(215)에서 압축된다. 도 2의 실시예와 대조적으로, 라인(207) 내의 질소-농후 냉매 스트림으로부터 질소 스트림이 인출되지 않는다. 라인(217) 내의 압축된 스트림은 열교환기(205)에서 냉각되며, 라인(229) 내의 냉각된 스트림의 제1 부분은 라인(21) 내에서 찬 일팽창 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 팽창기(219) 내에서 일팽창된다. 라인(221)을 경유하는 스트림의 잔여 부분은 라인(45) 내에 찬 압축 질소-농후 유체를 공급하기 위해 열교환기(203, 201) 내에서 냉각된다.
전술한 폐루프 냉동 시스템에 사용된 질소-농후 냉매는 라인(709) 내의 제거된 질소 스트림으로부터 얻어질 수 있으며, 이 경우 냉매는 약 90 내지 99 몰%의 질소, 잔부는 메탄을 함유할 것이다. 별법으로서, 99 몰% 이상의 순도의 질소가 냉매용으로 사용될 수 있으며, 이 경우 이러한 질소는 외부의 공급원으로부터 획득될 수 있다.
별법으로서, 오버헤드 응축기(703)의 출구로부터 나온 라인(709) 내의 방출 질소 스트림은 라인(15) 내에서 증발된 질소-농후 냉매 스트림과 혼합될 수 있고, 열교환기(201, 203, 205) 내에서 가온될 수 있다. 최종의 제거된 질소는 라인(207)에서 상기 가온된 혼합 저압 스트림으로부터 인출되고, 잔부는 리사이클을 위해 제1 단의 압축기(213)로 이송된다. 이 변형례에서, 냉동 시스템은 도 2의 실시예의 것과 유사한 개방루프 타입의 시스템이 될 수 있지만, 냉동 시스템으로부터 직접 환류를 추가하는 대신에 간접 오버헤드 환류 응축기를 이용할 수 있다.
선택적으로, 중간 압력의 액체 질소-농후 스트림은 간접 오버헤드 응축기(703)의 냉동을 제공하기 위해 폐루프 냉동 시스템에 사용될 수 있다. 라인(15) 내의 증발된 질소-농후 냉매 스트림은, 예컨대 제1 단의 압축기(213)를 없애기 위해 열교환기(201, 203, 205) 내에서 가온을 위해 라인(21) 내의 중간 압력의 일팽창된 질소-농후 스트림과 혼합된다. 이것은 도 1의 개방루프 냉동 시스템의 변형인 폐루프 냉동 시스템을 제공한다. 또한, 오버헤드 응축기(703)의 출구로부터 나온 라인(709) 내의 제거 질소 스트림은 통기 이전에 냉매를 회수하기 위해 열교환 기(201, 203, 205)에서 별도로 가온될 수 있다.
또 다른 비제한적인 본 발명의 예가 도 8의 변형례에 도시되어 있다. 임의의 적절한 냉동 방법에 의해 액화된 농축 천연가스 공급물은 라인(1)을 경유하여 프로세스로 유입된다. 농축 천연가스는 질소 제거 증류 칼럼(7)으로부터 라인(5)을 경유하여 공급된 액체를 증발시킴으로써 리보일러 열교환기(3) 내에서 냉각되고, 증발된 스트림은 증류 칼럼(7) 내에 비등 증기를 공급하기 위해 라인(9)을 경유하여 복귀된다. 유압 팽창 터빈 혹은 팽창기(801) 양단에서의 압력이 감소될 수 있는 라인(11) 내에서 냉각된 농축 천연가스는 그 내부의 중간 위치에서 증류 칼럼(7)으로 주입된다. 별법으로서, 팽창 밸브는 냉각된 응축 천연가스의 압력을 감소시키기 위해 유압 팽창 터빈(801) 대신에 사용될 수 있다. 또 다른 변형례에 있어서, 라인(1) 내의 농축 천연가스는 라인(11) 내의 냉각된 농축 천연가스의 압력을 줄이는 것 이외에 혹은 그 대신에 팽창 밸브(도시 생략) 혹은 유압 팽창 터빈(도시 생략) 양단에서 압력이 낮아질 수 있다.
냉각된 농축 천연가스는, 라인(15) 내의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 라인(803) 내의 정제된 LNG 생성물을 생성하기 위해 LNG 생성물 저장 압력, 즉 15 내지 25 psia에 근접한 압력에서 작동하는 증류 칼럼(7)에서 분리된다. 라인(803) 내에서 정제된 LNG는 통상적으로 과냉각될 필요가 없고 LNG 생성물 저장을 위해 직접 이송될 수 있다.
라인(15) 내의 저압 질소-농후 오버헤드 증기 스트림은 라인(809)에서 추가로 가온된 질소-농후 스트림을 생성하기 위해 열교환기(805, 807)에서 가온된다. 라인(809) 내의 가온된 질소-농후 스트림의 일부는 라인(811)을 경유하여 질소 제거 스트림으로서 방출된다. 이러한 질소 제거 스트림은 통상 1 내지 5 몰%의 메탄을 함유하고 선택적으로 플랜트 연료 시스템으로 이송되는 대신 대기로 통기될 수 있다. 라인(809) 내의 스트림의 잔여 부분은 제1 단의 압축기(813)에서 100 내지 400 psia 범위의 압력으로 통상 압축된 다음 라인(815) 내에서 가온된 일팽창된 중간 압력의 스트림과 혼합된다. 이렇게 혼합된 스트림은 600 내지 1400 psia 범위의 압력으로 제2 단의 압축기(817)에서 더 압축되어 라인(819) 내에 압축 질소-농후 스트림을 공급하게 된다.
라인(819) 내의 압축된 질소-농후 스트림은 열교환기(807) 내에서 냉각되어 두 부분으로 분리된다. 제1 주요 부분은 라인(823) 내의 찬 일팽창 질소 농후 스트림을 생성하도록 팽창기(821)에서 일팽창되고, 라인(825) 내의 제2 보조 부분은 라인(827) 내에 과냉각된 액체(아임계 조건의 경우) 혹은 찬 농후 유체(과임계 조건의 경우)를 생성하기 위해 열교환기(805)에서 더 냉각된다. 라인(827) 내의 찬 압축 질소-농후 스트림은 팽창 밸브(849) 양단에서 압력이 감소되며 그 내부에 찬 환류를 제공하기 위해 증류 칼럼(7)의 꼭대기로 주입된다. 별법으로서, 라인(827) 내의 스트림의 압력 감소는 일팽창에 의해 영향을 받을 수 있다. 열교환기(805, 807)는 별도의 열교환기로서 도시되어 있지만, 이들은 희망에 따라 단일의 열교환기로 조합될 수 있다.
전술한 실시예들 중 어느 것이라도, 프로세스 스트림의 압력 감소는 밸브 혹은 팽창기를 스로틀링함으로써 영향을 받을 수 있고, 팽창기는 회전-베인형 팽창기 (즉, 터빈) 혹은 왕복 운동하는 팽창 엔진일 수 있다. 팽창기에 의해 발생된 팽창 일은 압축기 등의 다른 회전형 장치를 구동하기 위해 이용될 수 있다. 액체 혹은 농후한 유체 스트림의 압력 감소는 유압 터빈 혹은 농후 유체 팽창기로 통상 알려진 팽창기에 의해 영향을 받을 수 있다.
예
도 1을 참조하여 전술한 본 발명의 실시예는 아래의 비제한적인 예에 의해 예시될 수 있다. -165 ℉ 및 741 psia에서 4.0 몰%의 질소, 88.0 몰%의 메탄, 5.0 몰%의 에탄, 3.0 몰%의 프로판 및 중량의 탄화수소를 함유하는 농축 천연가스 공급물 스트림은 시간당 100 lb몰의 유량으로 라인(1)을 경유하여 공급되고, 리보일러 열교환기(3) 내에서 -190 ℉로 냉각된다. 리보일러에서 나오는 라인(11)내의 냉각된 LNG 공급물 스트림은 팽창 밸브(13) 양단에서 144 psia로 흘러나오고 증류 칼럼(7) 속의 중간 위치로 주입된다. -190 ℉ 및 147 psia에서 1.00 몰%의 질소, 90.75 몰%의 메탄, 5.16 몰%의 에탄, 3.09 몰%의 프로판 및 중량의 탄화수소를 함유하는 정제된 LNG 생성물 스트림은 시간당 96.94 lb몰의 유량으로 라인(17)을 경유하여 인출된다. 이러한 LNG 생성물 스트림은 열교환기(19)에서 -235 ℉로 과냉각되고 라인(20)을 경유하여 저장소로 이송된다.
-272 ℉ 및 141 psia에서 99.00 몰%의 질소 및 1.00 몰%의 메탄을 함유하는 질소-농후 오버헤드 증기 스트림은 시간당 34.48 lb몰의 유량으로 라인(15)을 경유하여 증류 칼럼(7)으로부터 인출된다. 이 스트림은 라인(23) 내에 혼합된 찬 질소-농후 스트림을 공급하기 위해 터보팽창기(43)로부터 나온 라인(21) 내의 찬 일팽창 질소-농후 스트림과 혼합된다. 상기 혼합된 스트립은 라인(17)에서 정제된 LNG를 과냉각시키고 라인(42)에서 압축된 질소-농후 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하기 위해 열교환기(19, 27, 29) 내에서 가온되어 라인(31) 내에서 가온된 저압 질소 스트림을 생성한다.
이제 97 ℉ 및 131 psia에서 99.00 몰%의 질소와 1.00 몰%의 메탄을 함유하는 라인(31) 내의 저압 질소-농후 스트림은 시간당 3.06 lb몰의 유량으로 라인(33) 내의 제거 스트림과 라인(35) 내의 주요 프로세스 스트림으로 시간당 135.49 lb몰의 유량으로 분리된다. 상기 주요 프로세스 스트림은 압축기(37) 내에서 1095 psia로 압축되고, 100 ℉에서 그 결과로 생긴 라인(39) 내의 고압의 질소-농후 스트림은 열교환기(29)에서 -123 ℉로 냉각된다. 열교환기(29)에서 나온 냉각된 스트림의 주요 부분은 시간당 104.07 lb몰의 유량으로 라인(41)을 경유하여 인출되고, 터보팽창기(43) 내에서 일팽창된다. 시간당 31.42 lb몰의 유량으로 열교환기(29)에서 나온 냉각된 스트림의 잔여부는 열교환기(27, 19)를 통해 라인(42)을 경유하여 흐르고, 여기서 그것은 -235 ℉에서 농후한 찬 과임계 유체를 형성하도록 냉각된다. 라인(45)을 경유하여 흐르는 이렇게 찬 유체는 팽창 밸브(47) 양단에서 141 psia로 흘러나오고 환류로서 증류 칼럼(7)의 꼭대기로 주입된다.
라인(15)을 경유하여 증류 칼럼(7)으로부터 인출된 질소-농후 오버헤드 증기 스트림은 라인(23) 내에 혼합된 찬 질소-농후 스트림을 시간당 138.55 lb몰로 공급하기 위해 -270 ℉ 및 141 psia에서 터보팽창기(43)로부터 나온 라인(21) 내의 찬 일팽창 질소-농후 스트림과 혼합된다. 그 다음, 상기 혼합된 스트림은 라인(17)에서 정제된 LNG 생성물 스트림을 과냉각시키고, 전술한 바와 같이 라인(42)에서 스트림을 응축 및 과냉각시키기 위한 냉동을 제공하기 위해 열교환기(19, 27) 내에서 -162 ℉로 가온된다. 상기 혼합된 저압 질소 스트림은 라인(39) 내에서 압축된 고압의 질소-농후 스트림을 냉각시키기 위해 열교환기(29) 내에서 97 ℉로 더 가온된다.
상기 예의 프로세스는 농축 천연가스 공급물 내의 질소의 약 76%를 증류 칼럼(7)으로 제거하여 대부분의 경우에 있어서 LNG 생산 조건을 충분히 만족하는 1.00 몰%의 질소를 함유하는 라인(20) 내의 정제된 LNG 생성물 스트림을 공급한다. 만약 정제된 LNG 생성물에서 더 낮은 질소 함량이 요구될 경우, 높은 레벨의 질소 제거에 순응시키도록 추가의 리보일 및 환류가 증류 칼럼(7)으로 공급될 수 있다. 라인(20) 내의 과냉각된 LNG 생성물 스트림은 저장 이전에, 예컨대 15 내지 17 psia의 저압으로 감소된다. 만약 더 높은 질소 함량이 LNG 생성에 허용될 경우, 증류 칼럼(7)으로의 리보일 및 환류 흐름은 낮은 레벨의 질소 제거를 제공하기 위해 줄어들 수 있다.
상기 예는 또한 단지 1.00 몰%의 메탄을 함유하는 질소-농후 제거 스트림을 라인(33)을 통해 제공한다. 제거 스트림 내의 더 높거나 더 낮은 레벨의 메탄은 증류 칼럼(7)에서 리보일러 및 환류의 유량을 조절함으로써 생성될 수 있다. 질소 농후 제거 스트림은 대기로 통기될 수 있고 연료로서 사용될 필요가 없는 충분하게 낮은 메탄 농도를 지닌다.

Claims (29)

  1. 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법으로서,
    (a) 농축 천연가스를 증류 칼럼 내부의 제1 위치로 주입하고, 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 증류 칼럼으로부터 인출하며, 정제된 액화 천연가스 스트림을 상기 칼럼의 바닥으로부터 인출하는 단계와;
    (b) 찬 환류 스트림을 증류 칼럼 내부의 상기 제1 위치보다 위에 있는 제2 위치로 주입시키는 단계로, 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동은 질소를 함유하는 냉매 스트림을 압축 및 일팽창시킴으로써 얻어지게 되는 것인, 찬 환류 스트림의 주입 단계와;
    (c) (1) 정제된 액화 천연가스 스트림을 냉각하거나 농축 천연가스 스트림을 냉각하는 단계, 또는 (2) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하는 단계로서, (1) 단계 혹은 (2) 단계를 위한 냉동은 질소를 함유하는 냉매 스트림을 압축 및 일팽창시킴으로써 얻어지게 되는 것인, 냉각 단계
    를 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 냉매 스트림은 증류 칼럼으로부터 나온 질소-농후 증기 스트림의 전부 혹은 일부를 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 질소-농후 오버헤드 증기 스트림은 5 몰% 미만의 메탄을 함유하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 질소-농후 오버헤드 증기 스트림은 2 몰% 미만의 메탄을 함유하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 증발된 바닥 스트림과 냉각된 농축 천연가스 스트림을 공급하기 위해 증류 칼럼의 바닥으로부터 인출된 증발 액체와의 간접 열교환에 의해 농축 천연가스를 증류 칼럼으로 주입되기 이전에 냉각시키는 단계와, 증류 칼럼 내부에 비등 증기를 공급하기 위해 증발된 바닥 스트림을 증류 칼럼으로 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 증류 칼럼 이전에 팽창 밸브 혹은 팽창기에 의해 냉각된 응축 천연가스의 압력을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 찬 환류 스트림과, 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동, 그리고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동은,
    (1) 혼합된 찬 질소-농후 스트림을 생성하기 위해 질소-농후 오버헤드 증기 스트림으로부터 획득한 일팽창된 질소-농후 스트림과 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 혼합시키는 단계와;
    (2) 찬 환류 스트림을 제거하기 위한 냉동과, (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동을 간접 열교환에 의해 제공하기 위한 혼합된 찬 질소-농후 스트림을 가온하여 가온된 질소-농후 스트림을 발생시키는 단계와;
    (3) 압축된 질소-농후 스트림과의 간접 열교환에 의해 가온된 질소-농후 스트림을 더 가온하여, 냉각된 압축 질소-농후 스트림과 더 가온된 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
    (4) 더 가온된 질소-농후 스트림의 제1 부분을 질소 제거 스트림으로서 인출하고, (3)의 압축된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 더 가온된 질소-농후 스트림의 제2 부분을 압축시키는 단계와;
    (5) 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제1 부분을 인출하고, (1)의 일팽창된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 상기 부분을 일팽창시키는 단계와;
    (6) 찬 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 찬 질소-농후 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각시키고, 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키는 단계
    에 의해 제공되는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 정제된 액화 천연가스 스트림은 과냉각된 액화 천연가스 생성물을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소 농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각되는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 찬 환류 스트림과, 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동, 그리고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동은,
    (1) 찬 환류 스트림을 발생시키고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동의 제1 부분을 간접 열교환에 의해 제공하기 위해, 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 가온하여 가온된 질소-농후 증기 스트림을 제공하는 단계와;
    (2) 가온된 질소-농후 증기 스트림의 제1 부분을 질소 제거 스트림으로서 인출하고, 압축된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 질소-농후 증기 스트림의 제2 부분을 압축하는 단계와;
    (3) 혼합된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 일팽창 질소-농후 스트림과 압축된 질소-농후 스트림을 혼합하고, 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 혼합된 질소-농후 스트림을 압축하는 단계와;
    (4) 냉각된 압축 질소-농후 스트림을 생성하기 위해 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 냉각하고, 찬 질소-농후 냉매 스트림을 생성하기 위해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제1 부분을 일팽창시키며, 그리고 찬 환류 스트림을 발생시키고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동의 제2 부분을 간접 열교환에 의해 제공하기 위해 찬 질소-농후 냉매 스트림을 가온하여 가온된 일팽창 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
    (5) 찬 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각시키고, 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키는 단계
    에 의해 제공되는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 정제된 액화 천연가스 스트림은 과냉각된 액화 천연가스 생성물을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 과냉각되는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 찬 2상의 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키는 단계와, 찬 질소-농후 액체 스트림과 찬 질소-농후 증기 스트림을 생성하기 위해 찬 2상의 질소-농후 스트림을 분리시키는 단계와, 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 찬 질소-농후 액체 스트림의 압력을 감소시키는 단계와, 찬 질소-농후 증기 스트림을 (4)의 찬 질소-농후 냉매 스트림과 혼합시키는 단계를 더 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 감압 증기 스트림을 제공하기 위해 찬 질소-농후 증기 스트림의 압력을 감소시키는 단계와, 감압 증기 스트림을 (4)의 찬 질소-농후 냉매 스트림 혹은 (1)의 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 혼합시키는 단계를 더 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 찬 질소-농후 액체 스트림의 일부는 증발된 질소-농후 스트림을 형성하기 위해 증류 칼럼 내부의 제1 위치와 제2 위치 사이의 중간 응축기 내에서 증발되며, 증발된 질소-농후 스트림은 찬 질소-농후 증기 스트림과 혼합되는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 2상의 스트림을 형성하기 위해 농축 천연가스 스트림의 압력을 감소시키는 단계와, 2상의 스트림을 메탄-농후 액체 스트림과 질소-농후 증기 스트림으로 분리시키는 단계와, 과냉각된 농축 천연가스 공급물 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 메탄-농후 액체 스트림을 냉각시키는 단계와, 증발된 바닥 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼의 바닥으로부터 인출된 증발 액체와의 간접 열교환에 의해 과냉각된 농축 천연가스 공급물 스트림을 더 냉각하는 단계와, 증류 칼럼 내부에 비등 증기를 제공하기 위해 증류 칼럼 속으로 증발된 바닥 스트림을 주입하는 단계와, 냉각된 천연가스 공급물 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 질소-농후 증기 스트림을 냉각시키는 단계와, 증류 칼럼 내부의 제1 및 제2 위치 중간 지점에서 냉각된 천연가스 공급물 스트림을 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 정제된 액화 천연가스 스트림을 과냉각시키는 단계를 더 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각한 이후에, 그리고 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키기 이전에, 찬 압축 질소-농후 스트림은 증류 칼럼의 바닥부터 인출된 증발 액체와의 간접 열교환에 의해 더 냉각되어 증발된 바닥 스트림을 제공하고, 증류 칼럼 내부에 비등 증기를 제공하기 위해 증류 칼럼으로 증발된 바닥 스트림을 주입하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 찬 환류 스트림과, 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동, 그리고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동은,
    (1) 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동의 제1 부분과 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동을 제공하기 위해 찬 질소-농후 스트림을 가온하여 가온된 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
    (2) 압축된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 질소-농후 증기 스트림을 압축하는 단계와;
    (3) 혼합된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 일팽창 질소-농후 스트림과 압축된 질소-농후 스트림을 혼합하고, 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 혼합된 질소-농후 스트림을 압축하는 단계와;
    (4) 냉각된 압축 질소-농후 스트림을 생성하기 위해 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 냉각하고, 찬 질소-농후 냉매 스트림을 생성하기 위해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제1 부분을 일팽창시키며, 그리고 (ⅰ) 정제된 액화 천연가스 스트림이나 농축 천연가스 스트림, 또는 (ⅱ) 정제된 액화 천연가스 스트림과 농축 천연가스 스트림 양자 모두를 냉각하기 위한 냉동의 제2 부분을 제공하기 위해 찬 질소-농후 냉매 스트림을 가온하여 (3)의 가온된 일팽창 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
    (f) 찬 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 찬 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각시키고, 찬 질소-농후 냉매 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키는 단계와;
    (g) 2상의 오버헤드 스트림과 (1)의 질소-농후 증기 스트림을 형성하기 위해 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 오버헤드 응축기 내에서 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기를 부분적으로 응축하고, 2상의 오버헤드 스트림을 증기 부분과 액체 부분으로 분리하며, 액체 부분을 찬 환류 스트림으로서 증류 칼럼으로 복귀시키고, 증기 부분을 질소 제거 스트림으로서 인출하는 단계
    에 의해 제공되는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  18. 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법으로서,
    (a) 농축 천연가스 공급물을 증류 칼럼 내부의 제1 위치로 주입하고, 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 증류 칼럼으로부터 인출하며, 정제된 액화 천연가스 스트림을 상기 칼럼의 바닥으로부터 인출하는 단계와;
    (b) 찬 환류 스트림을 증류 칼럼 내부의 상기 제1 위치보다 위에 있는 제2 위치로 주입시키는 단계로서, 찬 환류 스트림과 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동은, 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 질소-농후 오버헤드 증기 스트림의 전부 혹은 일부를 압축하는 것과, 냉동을 발생시켜 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 압축 질소-농후 스트림의 일부를 일팽창시키는 것과, 찬 환류 스트림을 제공하기 위해 압축 질소-농후 스트림의 다른 일부분을 냉각하고 압력을 감소시키는 것을 포함하는 단계에 의해 얻어지는 것인, 상기 주입 단계
    를 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 증류 칼럼으로의 농축 천연가스 공급물은, 증발된 바닥 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼의 바닥으로부터 인출된 증발 액체와의 간접 열교환에 의해 농축 천연가스를 냉각시키고, 증류 칼럼 내부에 비등 증기를 공급하기 위해 증발된 바닥 스트림을 증류 칼럼으로 주입시키는 것에 의해 제공되는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 찬 환류 스트림과, 찬 환류 스트림을 제공하기 위한 냉동은,
    (a) 찬 환류 스트림을 제공하도록 냉동의 제1 부분을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 가온하여 가온된 질소-농후 증기 스트림을 제공하는 단계와;
    (b) 질소 제거 스트림으로서 가온된 압축 질소-농후 증기 스트림의 제1 부분을 인출하고, 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 질소-농후 증기 스트림의 제2 부분을 압축하는 단계와;
    (c) 혼합된 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 가온된 일팽창 질소-농후 스트림과 압축된 질소-농후 스트림을 혼합하고, 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 혼합된 질소-농후 스트림을 압축하는 단계와;
    (d) 냉각된 압축 질소-농후 스트림을 생성하기 위해 혼합된 압축 질소-농후 스트림을 냉각하고, 찬 질소-농후 냉매 스트림을 생성하기 위해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제1 부분을 일팽창시키며, 찬 환류 스트림을 제공하도록 냉동의 제2 부분을 제공하기 위해 찬 질소-농후 냉매 스트림을 가온하여 가온된 일팽창 질소-농후 스트림을 제공하는 단계와;
    (e) 찬 압축 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 증류 칼럼으로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 찬 질소-농후 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 냉각된 압축 질소-농후 스트림의 제2 부분을 냉각시키고, 감압된 찬 질소-농후 스트림을 제공하기 위해 찬 압축 질소-농후 스트림의 압력을 감소시키며, 감압된 찬 질소-농후 스트림을 찬 환류 스트림으로서 증류 칼럼으로 주입하는 단계
    에 의해 제공되는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  21. 제18항에 있어서, 찬 액화된 천연가스 공급물을 농후 유체 팽창기를 통해 통과시킴으로써, 증류 칼럼 이전에 농축 천연 가스의 압력을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 방법.
  22. 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 장치로서,
    (a) 농축 천연가스를 주입하기 위한 제1 개구와, 찬 환류 스트림을 주입하기 위한 상기 제1 개구보다 상부에 있는 제2 개구와, 증류 칼럼의 꼭대기로부터 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 인출하기 위한 제3 개구와, 증류 칼럼의 바닥으로부터 정제된 액화 천연가스 스트림을 인출하기 위한 제4 개구를 구비하는 증류 칼럼과;
    (b) 두 개 이상의 열교환 구역을 구비한 열교환 수단으로, 상기 열교환 수단과 각 열교환 구역은 냉단(cold-end)와 온단(warm-end)을 지니는 열교환 수단과;
    (c) 압축 질소-함유 스트림을 제공하기 위해 질소-함유 스트림을 압축하기 위한 압축 수단과;
    (d) 압축 질소-함유 스트림을 제1 열교환 구역의 온단에 냉각을 위해 공급하기 위한 도관(conduit)과;
    (e) 냉각 압축 질소-함유 스트림을 제1 냉각 압축 질소-함유 스트림 부분과 제2 냉각 압축 질소-함유 스트림 부분으로 나누는 수단과;
    (f) 찬 일팽창 냉매를 제공하기 위해 제1 냉각 압축 질소-함유 스트림 부분을 일팽창시키기 위한 팽창기와;
    (g) 제1 냉각 압축 질소-함유 스트림 부분을 팽창기로 공급하기 위한 도관과;
    (h) 증류 칼럼의 꼭대기에서의 제3 개구로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림 및 찬 일팽창 냉매를 열교환 수단의 냉단에 공급하여, 제2 냉각 압축 질소-함유 스트림을 냉각 및 농축하여 찬 환류 스트림을 생성하는 것에 대항하여 가온하기 위한 도관과;
    (i) 찬 환류 스트림을 제공하기 위하여 제2 냉각 압축 질소-함유 스트림 부분을 제2 열교환 구역의 온단에 공급하기 위한 도관과;
    (j) 열교환 수단의 냉단으로부터 찬 환류 스트림을 증류 칼럼의 제2 개구에 공급하기 위한 도관; 및
    (k) 증류 칼럼으로 주입되기 이전에 찬 환류 스트림의 압력을 감소시키기 위한 수단
    을 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 장치.
  23. 제22항에 있어서, 찬 혼합된 질소-농후 스트림을 형성하기 위해 증류 칼럼의 꼭대기의 제3 개구로부터의 질소-농후 오버헤드 증기 스트림과 열교환 수단의 냉단으로 주입되기 이전의 찬 일팽창 냉매를 혼합시키기 위한 수단을 포함하며, 상기 열교환 수단은 가온된 혼합 질소-농후 스트림을 제공하도록 찬 혼합된 질소-농후 스트림을 가온시키기 위한 하나 이상의 유동 통로를 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 압축 수단은 가온된 혼합 질소-농후 스트림의 압축을 위한 단일 스테이지(single-stage)의 압축기를 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 장치.
  25. 제22항에 있어서, 상기 열교환 수단은 가온된 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 형성하도록 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 가온하기 위한 제1 그룹의 유동 통로와, 가온된 일팽창 냉매를 형성하도록 찬 일팽창 냉매를 가온하기 위한 제2 그룹의 유동 통로를 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 압축 수단은 제1 단과 제2 단을 구비하는 압축기를 포함하며, 가온된 질소-농후 오버헤드 증기 스트림을 열교환 수단으로부터 압축기의 제1 단의 입구로 이송시키기 위한 배관 수단과, 가온된 일팽창 냉매를 열교환 수단으로부터 압축기의 제2 단의 입구로 이송시키기 위한 배관 수단을 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 장치.
  27. 제22항에 있어서, 상기 열교환 수단은 3개 이상의 열교환 구역을 지니고, 상기 장치는,
    (l) 정제된 액화 천연가스 스트림을 증류 칼럼으로부터 제거하고 그것을 과냉각(subcooling)시키기 위하여 제3 열교환 구역에 공급하기 위한 도관
    을 더 포함하는 것인 농축 천연가스로부터 질소를 제거하는 장치
  28. 삭제
  29. 삭제
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