KR100770627B1 - 복합 팽창기를 이용한 하이브리드 가스 액화 사이클 - Google Patents

복합 팽창기를 이용한 하이브리드 가스 액화 사이클 Download PDF

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Abstract

제1 열교환 영역(21)에서 제1 냉동 시스템(45, 47, 49, 51, 53, 21, 55, 57, 23, 21)에 의해 공급 원료 가스(1)를 냉각시키고, 제1 열교환 영역으로부터 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림(25)을 인출하는 단계와, 제2 냉동 시스템(81, 83, 59, (ⅰ) 61, 63, 65, 31, 29, 27, 67, & (ⅱ) 69, 71, 73, 75, 77, & 79, 63)에 의해 공급된 하나 혹은 그 이상의 일 팽창된 냉매 스트림(29)과의 간접적인 열교환에 의해 제2 열교환 영역(27) 내에서 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 더 냉각시키고, 제2 열교환 영역으로부터 더 냉각된 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림(33)을 인출하는 단계를 포함하는 방법에 의해 가스가 액화된다. 하나 혹은 그 이상의 냉매 가스(81)를 압축하여 압축된 냉매 스트림(59)을 제공하고, 제3 열교환 영역(63) 내에서 압축 냉매 스트림(59)의 전부 혹은 일부(61)를 냉각시켜 냉각, 압축된 냉매 스트림(65)을 제공하며, 냉각, 압축된 냉매 스트림(65)을 일 팽창(31)시켜 하나 혹은 그 이상의 일 팽창된 냉매 스트림(29)들 중 하나를 제공함으로써, 하나 혹은 그 이상의 일 팽창된 냉매 스트림의 적어도 하나(29)가 제공된다. 제2 열교환 영역(27) 내의 일 팽창된 냉매 스트림의 유량은 제3 열교환 영역(63) 내의 하나 혹은 그 이상의 일 팽창된 냉매 스트림(67+77=79)의 총 유량보다 더 작거나 또는 추가의 냉동 듀티는 제3 냉동 시스템(도 9; 911, 913, 905, 903, 907, 909, 903)에 의해 제3 열교환 영역으로 제공된다.

Description

복합 팽창기를 이용한 하이브리드 가스 액화 사이클{HYBRID GAS LIQUEFACTION CYCLE WITH MULTIPLE EXPANDERS}
가스 액화는 하나 또는 그 이상의 재순환하는 냉동 시스템에 의해 제공된 복합 냉매 스트림에 반하여 공급 원료 가스 스트림을 냉각 및 응축시킴으로써 이루어진다. 공급 원료 가스의 냉각은 세 가지 상이한 냉매 루프에 의해 냉동이 제공되는 공지의 캐스케이드 사이클(cascade cycle) 등의 다양한 냉각 프로세스 사이클에 의해 이루어진다. 천연 가스의 액화에 있어서, 예컨대 캐스케이드 냉동 시스템은 세 가지의 상이한 온도 레벨에서의 냉동을 만들기 위해 차례차례로 메탄, 에틸렌 및 프로판 사이클과 함께 사용될 수 있다. 또 다른 공지의 냉동 사이클은 복합 성분의 냉매 혼합물이 선택된 온도 범위에 걸쳐 냉동을 발생하는 프로판 예비 냉각, 혼합 냉매 사이클을 이용한다. 상기 혼합된 냉매는 메탄, 에탄, 프로판, 및 다른 경량의 탄화수소 등의 탄화수소를 포함할 수 있고, 또한 질소를 포함할 수 있다. 이러한 버전의 효율적인 냉동 시스템은 전 세계에서 각종 액화 천연 가스(LNG) 플랜트를 작동시키기 위해 사용된다.
천연 가스를 액화시키기 위한 또 다른 형태의 냉동 프로세스는 질소 등의 냉매 가스가 공냉 혹은 수냉에 의해 주변의 조건에서 압축 및 냉각되고 저온 저압 질 소 가스와의 역류식 열교환에 의해 더 냉각되는 가스 팽창 사이클을 이용한다. 그 다음, 냉각된 질소 스트림은 터보 팽창기를 통해 일 팽창되어 저온 저압 질소 가스를 생성하고, 이러한 가스는 천연 가스 공급 원료와 압축된 질소 스트림을 냉각하기 위해 사용된다. 질소 팽창에 의해 생성된 일은 팽창기의 샤프트에 연결된 질소 부스터 압축기를 구동시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 프로세스에서, 저온 팽창된 질소는 동일한 열교환기 내에서 천연 가스를 액화시키고 또 압축된 질소 가스를 냉각시키기 위해 사용된다. 냉각 압축된 질소는 일 팽창 단계에서 더 냉각되어 저온 질소 냉매를 제공한다.
일체형 냉동 시스템은 가스 액화를 위해 사용될 수 있으며, 여기서 주변 온도의 가스에서 중간 온도까지의 냉각은 하나 또는 그 이상의 증기 재압축 사이클에 의해 제공되고, 중간 온도에서 최종 액화 온도까지의 냉각은 가스 팽창 사이클에 의해 제공된다. 이러한 조합된 액화 사이클은 독일 특허 제2440215호와, 미국 특허 제5,768,912호, 제6,062,041호, 제6,308,531 B1호, 제6,446,465 B1호에 개시되어 있다.
독일 특허 제2440215호와, 미국 특허 제5,768,912호, 및 제6,446,465 B1호에 개시된 프로세스에 있어서, 가스 팽창 사이클에서 나온 공급 원료 가스와 압축 냉매 가스는 저온 일 팽창된 냉매에 의해 제공된 냉동을 사용하여 일반적인 열교환기에서 함께 냉각된다. 미국 특허 제6,308,531 B1에 개시된 또 다른 방법에 따르면, 가스 팽창 사이클에서 나온 공급 원료 가스와 압축된 냉각 가스는 저온 일 팽창된 냉매에 의해 제공된 냉동을 사용하여 별도의 열교환기 내에서 냉각된다. 이러한 방법에서, 증기 재압축 사이클에서 나온 추가의 냉동은 가스 팽창 사이클에서 압축된 냉매 가스의 추가 냉동을 제공하기 위해 사용된다. 이것은 압축 냉매 가스를 냉각시키는 열교환기를 통해 증기 재압축 사이클로부터 냉매 스트림을 통과시킴으로써 이루어질 수 있다. 그 대안으로, 가스 팽창 사이클의 일부에서, 압축된 냉매 가스는 증기 재압축 사이클 열교환기에서 기화하는 냉매에 반하여 냉각되어 추가의 냉동을 제공할 수 있다.
천연 가스의 액화는 고도의 에너지 집약적 프로세스이다. 증기 재압축과 가스 팽창 냉동 사이클을 조합하여 액화 프로세스의 효율 및 작동의 신축성을 향상시키는 것은 매우 바람직하며, 가스 액화 기술 분야에서 개발될 새로운 사이클과 관련된 목적들 중에 하나이다. 본 발명의 실시예들은, 별도의 열교환기에서 공급 원료 가스와 압축된 가스 팽창 냉매의 냉각을 허용하고 또 증기 재압축과 가스 팽창 사이클의 독립적인 작동을 허용하는 반면에, 증기 재압축과 가스 팽창 사이클 사이의 평형 냉동(balance refrigeration)의 필요성을 줄이거나 없애기 위해 가스 팽창 사이클 내에서 복합 팽창기를 제공함으로써 상기 필요성을 중점적으로 다룰 것이다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 가스 액화를 위한 방법은 제1 냉동 시스템 내에 마련된 하나 혹은 그 이상의 냉매 스트림과의 간접적인 열교환에 의해 제1 열교환 영역에서 공급 원료 가스를 냉각시키는 단계와, 제1 열교환 영역으로부터 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 인출하는 단계를 포함한다. 상기 실질적으로 액화된 스트림은 폐쇄 루프형 제2 냉동 시스템에 의해 공급된 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림과의 간접적인 열교환에 의해 제2 열교환 영역에서 더 냉각되고, 추가 냉각 및 실질적으로 액화된 스트림은 제2 열교환 영역으로부터 인출된다. 2개 이상의 기상의 냉각 및 압축된 냉매 스트림은 제2 냉동 시스템에서 일 팽창되어 제2 열교환 영역에서 하나 혹은 그 이상의 일 팽창된 냉매 스트림들 중 적어도 하나를 제공한다.
제2 냉동 시스템의 작동은 하나 혹은 그 이상의 냉매 가스를 압축하여 압축된 냉매 스트림을 제공하는 단계와; 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림과의 간접적인 열교환에 의해 제3 열교환 영역에서 압축 냉매 스트림의 전부 혹은 일부를 냉각시켜 기상의 냉각 및 압축된 냉매 스트림을 제공하는 단계와; 기상의 냉각 및 압축된 냉매 스트림을 일 팽창시켜 제2 열교환 영역에서 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림 중 하나를 제공하는 저온 일 팽창된 냉매 스트림을 제공하는 단계와; 기상의 냉각 및 압축된 냉매 스트림을 일 팽창시켜 제2 열교환 영역에서 또는 그 후에 가온된 저온 일 팽창된 스트림에 의해 제공되는 냉동 듀티에 추가되거나 그 냉동 듀티를 보충하는 중간 온도 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 제2 열교환 영역에서 일 팽창된 냉매 스트림의 유량은 제3 열교환 영역에서 하나 혹은 그 이상의 일 팽창된 냉매 스트림의 총 유량보다 더 작다.
공급 원료 가스 혹은 냉각된 공급 원료 스트림의 냉각은 제3 열교환 영역에서 발생하지 않는다. 제3 열교환 영역에서 냉각될 압축 냉매 스트림의 유량은 제3 열교환 영역에서 가온될 하나 혹은 그 이상의 일 팽창된 냉매 스트림의 총 유량보다 더 작다. 통상적으로, 제1 냉동 시스템은 제2 냉동 시스템과 독립적으로 작동한다.
제1 열교환 영역 내의 공급 원료 가스의 냉각은 하나 혹은 그 이상의 성분을 포함하는 냉매 가스를 압축 및 냉각시켜 냉각 및 적어도 부분적으로 응축된 냉매를 제공하는 단계와, 냉각 및 적어도 부분적으로 응축된 냉매의 압력을 감소시켜 기화하는 냉매를 제공하는 단계와, 제1 열교환 영역에서 기화하는 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 공급 원료 가스를 냉각시켜 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림과 냉매 가스를 제공하는 단계를 포함하는 방법에 의해 실행될 수 있다.
압축된 냉매 가스의 제1 부분은 제3 열교환 영역에서 냉각되고, 압축된 냉매 가스의 제2 부분은 제3 열교환 영역에서 냉각, 일 팽창, 및 가온되어 그 내부에 압축 냉매 가스의 제1 부분을 냉각하기 위한 냉동을 제공할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 압축된 냉매 가스는 제3 열교환 영역에서 냉각되고 일 팽창되어 제1 일 팽창된 냉매를 제공할 수 있으며, 제1 일 팽창된 냉매는 제1 및 제2 냉각 냉매로 분할될 수 있고, 제1 냉각 냉매는 제3 열교환 영역에서 가온되어 그 내부에 압축된 냉매 가스를 냉각시키기 위한 냉동을 제공할 수 있으며, 제2 냉각된 냉매는 더 냉각되고 일 팽창되어 제2 일 팽창된 냉매를 제공할 수 있고, 제2 일 팽창된 냉매는 제2 열교환 영역에서 가온되어 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각하기 위한 냉동을 제공할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 압축된 냉매 가스의 제1 부분은 제3 열교환 영역에서 냉각되고 일 팽창되어 제1 일 팽창된 냉매를 제공할 수 있으며, 압축된 냉매 가스의 제2 부분은 제3 냉동 시스템에 의해 공급된 기화하는 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 냉각되고 일 팽창되어 제2 일 팽창된 냉매를 제공할 수 있고, 제1 및 제2 일 팽창된 냉매는 제2 열교환 영역에서 가온되어 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각하기 위한 냉동을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 변형례에 따르면, 압축 냉매 가스는 제3 열교환 영역에서 냉각되어 냉각된 압축 냉매 가스를 제공하며, 냉각 압축된 냉매 가스의 일부는 제2 열교환 영역에서 일 팽창 및 가온되어 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각하기 위한 냉동을 제공할 수 있다.
상기 제2 냉동 시스템은,
(d) 제1 냉매 가스를 압축하여 압축된 냉매 가스를 제공하고 압축된 냉매 가스를 제1 및 제2 압축 냉매로 분할하는 단계와;
(e) 제1 압축 냉매를 제3 열교환 영역에서 냉각시켜 제1 냉각된 압축 냉매를 제공하고, 제1 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 저온 일 팽창된 냉매를 제공하며, 저온 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에 가온하여 그 내부에 냉각된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 그로부터 중간 냉매를 인출하는 단계와;
(f) 제2 압축 냉매를 기화하는 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 냉각시켜 제2 냉각된 압축 냉매를 제공하고, 제2 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제2 일 팽창된 냉매를 제공하며, 제2 일 팽창된 냉매를 중간 냉매와 결합시켜 결합된 중간 냉매를 제공하는 단계와;
(g) 상기 결합된 중간 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 그로부터 가온된 냉매를 인출하여 제1 냉동 가스를 제공하는 단계를 포함하는 방법에 의한 제1 변형례에 따라 작동될 수 있다.
상기 제2 냉동 시스템은,
(d) 제1 냉매 가스를 압축하여 압축된 냉매 가스를 제공하는 단계와;
(e) 압축 냉매를 제3 열교환 영역에서 냉각시켜 냉각된 압축 냉매를 제공하고, 상기 냉각된 압축 냉매를 제1 및 제2 냉각된 압축 냉매로 분할하는 단계와;
(f) 제1 냉각된 냉매 가스를 제3 열교환 영역에서 더 냉각시켜 제1의 추가 냉각된 냉매를 제공하는 단계와;
(g) 상기 제1의 추가 냉각된 냉매를 일 팽창시켜 제1 일 팽창된 냉매를 제공하고, 상기 제2의 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제2 일 팽창된 냉매를 제공하는 단계와;
(h) 제1 일 팽창된 냉매와 제2 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각하기 위한 냉동을 제공하고, 제2 열교환 영역에서 나온 결합된 중간 냉매를 인출하는 단계와;
(i) 상기 결합된 중간 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 그로부터 가온된 냉매를 인출하여 제1 냉매 가스를 제공하는 단계를 포함하는 방법에 의한 제2의 변형례에 따라 작동될 수 있다.
제3의 변형 예에 있어서, 상기 제2 냉동 시스템은,
(d) 제1 냉매 가스와 제2 냉매 가스를 다단 냉매 압축기에서 압축하고, 압축된 냉매 가스를 제1 및 제2 압축 냉매로 분할하는 단계와;
(e) 제1 압축 냉매를 제3 열교환 영역에서 냉각시켜 제1 냉각된 압축 냉매를 제공하고 제1 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제1 압력에서 일 팽창된 냉매를 제공하며, 저온 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에 가온하여 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 제2 열교환 영역으로부터 중간 냉매를 인출하는 단계와;
(f) 제2 압축 냉매를 기화하는 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 냉각시켜 제2 냉각된 압축 냉매를 제공하고, 제2 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제1 압력보다 높은 제2 압력에서 제2 일 팽창된 냉매를 제공하며, 제2 일 팽창된 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 그로부터 가온된 냉매를 인출하여 제2 냉매 가스를 제공하는 단계와;
(g) 중간 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 그로부터 가온된 냉매를 인출하여 제1 냉매 가스를 제공하는 단계와;
(h) 제1 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 제1 단으로 주입시키고 제2 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 중간 단으로 주입시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 작동될 수 있다.
상기 제2 냉동 시스템은,
(d) 제1 냉매 가스를 압축하여 압축된 냉매 가스를 제공하고, 압축된 냉매 가스를 제1 및 제2 압축 냉매로 분할하는 단계와;
(e) 제1 압축 냉매를 제3 열교환 영역에서 냉각시켜 제1 냉각된 압축 냉매를 제공하고 제1 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제1 일 팽창된 냉매를 제공하는 단계와;
(f) 제1 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에서 냉각시켜 냉각된 제1 일 팽창된 냉매를 제공하며, 냉각된 제1 일 팽창된 냉매를 일 팽창시켜 저온 일 팽창된 냉매를 제공하고, 저온 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하며, 제2 열교환 영역으로부터 중간 냉매를 인출하는 단계와;
(g) 제2 압축 냉매를 기화하는 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 냉각시켜 제2 냉각된 압축 냉매를 제공하고, 제2 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제2 일 팽창된 냉매를 제공하며, 제2 일 팽창된 냉매를 중간 냉매와 결합시켜 결합된 냉매를 제공하는 단계와;
(h) 결합된 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 그로부터 제1 냉매 가스를 인출하는 단계를 포함하는 제4의 변형례에 따라 작동될 수 있다.
제5 변형례에 따르면, 상기 제2 냉동 시스템은,
(d) 제1 냉매 가스와 제2 냉매 가스를 다단 냉매 압축기에서 압축시켜 압축된 냉매 가스를 제공하는 단계와;
(e) 압축 냉매를 제3 열교환 영역에서 냉각시켜 제1 냉각된 압축 냉매를 제공하고, 제1 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제1 압력에서 제1 저온 일 팽창된 냉매를 제공하며, 제1 저온 일 팽창된 냉매를 제1 및 제2 저온 냉매로 분할하는 단계와;
(f) 제1 저온 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며 그로부터 가온된 냉매를 인출하여 제2 냉매 가스를 제공하는 단계와;
(g) 제2 저온 냉매를 제2 열교환 영역에서 냉각시켜 제2 냉각된 압축 냉매를 제공하고, 제2 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제1 압력보다 낮은 제2 압력에서 제2 일 팽창된 냉매를 제공하는 단계와;
(h) 제2 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에서 냉각시켜 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 제3 열교환 영역 내의 제1 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 냉동을 제공하며, 그로부터 가온된 냉매를 인출하여 제1 냉매 가스를 제공하는 단계와;
(i) 제1 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 제1 단으로 주입시키고 제2 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 중간 단으로 주입시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 작동될 수 있다.
상기 제2 냉동 시스템은,
(d) 냉매 가스를 압축하여 압축된 냉매 가스를 제공하고, 압축된 냉매 가스를 제1 및 제2 압축 냉매로 분할하는 단계와;
(e) 제1 압축 냉매를 제3 열교환 영역에서 냉각시켜 제1 냉각된 압축 냉매를 제공하고 제1 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 저온 제1 일 팽창된 냉매를 제공하며, 저온 제1 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에 가온하여 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 제2 열교환 영역에 부분적으로 가온된 냉매를 형성하는 단계와;
(f) 제2 압축 냉매를 기화하는 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 냉각시켜 중간 냉각된 냉매를 제공하고, 상기 중간 냉각된 냉매를 제3 열교환 영역에서 더 냉각시켜 냉각된 제2 압축 냉매를 제공하며, 제2 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제2 일 팽창된 냉매를 제공하는 단계와;
(g) 저온 제2 일 팽창된 냉매와 부분적으로 가온된 냉매를 결합시켜 결합된 중간 냉매를 제공하며, 상기 결합된 중간 냉매를 제2 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 추가의 냉동을 제공하고, 제2 열교환 영역으로부터 부분적으로 가온된 냉매를 인출하는 단계와;
(h) 부분적으로 가온된 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매와 제2 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 그로부터 가온 냉매를 인출하여 제1 냉매 가스를 제공하는 단계를 포함하는 제6 변형례에 따라 작동될 수 있다.
상기 제6 변형례에 있어서, 추가의 냉동은 제1 냉동 시스템에 마련된 하나 혹은 그 이상의 냉매의 일부를 그 내부에서 가온시킴으로써 제3 열교환 영역에 제공될 수 있다. 추가의 냉동은 제2 냉동 시스템에 마련된 중간 냉각된 냉매의 일부를 그 내부에서 가온시킴으로써 제1 열교환 영역에 제공될 수 있다.
상기 제2 냉동 시스템은,
(d) 제1 냉매 가스와 제2 냉매 가스를 다단 냉매 압축기에서 압축시켜 압축된 냉매 가스를 제공하는 단계와;
(e) 압축 냉매를 제3 열교환 영역에서 냉각시켜 냉각된 압축 냉매를 제공하고, 냉각된 압축 냉매를 제1 및 제2 저온 냉매로 분할하는 단계와;
(f) 제1 냉각된 냉매를 일 팽창시켜 제1 압력에서 제1 일 팽창된 냉매를 제공하며, 제1 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동과 제3 열교환 영역에 제1 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 냉동을 제공하며, 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매를 인출하여 제2 냉매 가스를 제공하는 단계와;
(g) 제2 냉각된 냉매를 제2 열교환 영역에서 냉각시켜 제2 냉각된 압축 냉매를 제공하고, 제2 냉각된 압축 냉매를 일 팽창시켜 제1 압력보다 낮은 제2 압력에서 제2 일 팽창된 냉매를 제공하는 단계와;
(h) 제2 일 팽창된 냉매를 제2 및 제3 열교환 영역에서 가온시켜 제2 열교환 영역에서 냉각된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동과 제3 열교환 영역에 제1 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 냉동을 제공하며, 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매를 인출하여 제1 냉매 가스를 제공하는 단계와;
(i) 제1 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 제1 단으로 주입시키고 제2 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 중간 단으로 주입시키는 단계를 포함하는 제7 변형례에 따라 작동될 수 있다.
모든 실시예에서, 공급 원료 가스는 천연 가스를 포함할 수 있다. 상기 모든 실시예에서, 제1 냉동 시스템에 마련된 하나 혹은 그 이상의 냉매는 질소, 하나 또는 그 이상의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소, 및 하나 혹은 그 이상의 탄소 원료를 포함하는 할로겐화 탄소로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 또한, 모든 실시예에서, 제2 냉동 시스템 내의 냉매 가스는 질소, 아르곤, 메탄, 에탄 및 프로판으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 혹은 그 이상의 성분을 포함할 수 있다.
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본 발명의 실시예들은 가스를 액화시키기 위한 시스템에 의해 실시될 수 있으며, 이 시스템은:
(a) 제1 냉동 시스템에 의해 마련된 하나 혹은 그 이상의 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 공급 원료 가스를 냉각시켜 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 제공하기 위한 제1 냉동 시스템과 제1 열교환 수단과;
(b) 제2 냉동 시스템에 의해 공급된 하나 혹은 그 이상의 일 팽창된 냉매 스트림과의 간접적인 열교환에 의해 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 더 냉각시켜 추가 냉각, 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 제공하기 위한 제2 냉동 시스템과 제2 열교환 수단과;
(c) 하나 혹은 그 이상의 냉매 가스 스트림을 압축하기 위한 가스 압축 수단과 제2 냉동 시스템의 하나 혹은 그 이상의 압축된 냉매 가스 스트림을 냉각시키기 위한 제3 열교환 수단과;
(d) 제2 냉동 시스템의 냉동 압축된 냉매 가스 스트림을 일 팽창시켜 2개 혹은 그 이상의 저온 팽창된 냉매 스트림을 제공하는 위한 2개 혹은 그 이상의 팽창기와;
(e) 2개 혹은 그 이상의 저온 일 팽창된 냉매 스트림을 제2 혹은 그 이상의 팽창기로부터 제2 열교환 수단 혹은 제2 및 제3 열교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단을 포함한다.
이러한 시스템에서, 제3 열교환 수단은 통상적으로 공급 원료 가스 혹은 냉각된 공급 원료 스트림의 냉각을 위해 채택되지 않는다. 상기 시스템은 제2 냉동 시스템의 하나 혹은 그 이상의 압축된 냉매 가스 스트림 중 적어도 하나를 냉각하도록 채택된 냉동 제3 냉동 시스템을 더 포함할 수 있다. 제3 냉동 시스템은 제1 열교환 수단 이전에 공급 원료 가스를 냉각하기 위해 채택될 수 있다.
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이하에서는 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 본 발명의 양호한 실시예를 설명할 것이다.
도 1은 비슷한 압력의 배출 스트림을 지닌 2개의 가스 팽창기를 이용하는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 가스 액화 프로세스를 개략적으로 나타낸 플로시트이다.
도 2는 비슷한 압력의 배출 스트림을 지닌 2개의 가스 팽창기를 이용하는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 가스 액화 프로세스를 개략적으로 나타낸 플로시트이다.
도 3은 상이한 압력의 배출 스트림을 지닌 2개의 가스 팽창기를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 액화 프로세스를 개략적으로 나타낸 플로시트 이다.
도 4는 비슷한 압력의 배출 스트림을 지닌 3개의 가스 팽창기를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 액화 프로세스를 개략적으로 나타낸 플로시트이다.
도 5는 비슷한 압력의 배출 스트림을 지닌 2개의 가스 팽창기를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 액화 프로세스를 개략적으로 나타낸 플로시트이다.
도 6은 비슷한 압력의 배출 스트림과 평형 냉동 스트림을 지닌 2개의 가스 팽창기를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 액화 프로세스를 개략적으로 나타낸 플로시트이다.
도 7은 비슷한 압력의 배출 스트림과 평형 냉동 스트림을 지닌 2개의 가스 팽창기를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 액화 프로세스를 개략적으로 나타낸 플로시트이다.
도 8은 상이한 압력의 배출 스트림을 지닌 2개의 가스 팽창기를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 액화 프로세스를 개략적으로 나타낸 플로시트이다.
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본 발명의 실시예들은 실질적으로 액화된 공급 가스를 과냉(subcooling)하기 위한 가스 팽창 냉동 시스템에서 복합 팽창기를 사용하며, 액체 천연 가스 스트림을 과냉하기 위해 유리하게 사용될 수 있다. 상기 공급 가스는 2개 혹은 그 이상의 성분 또는 실질적으로 액화된 이후 공급 가스의 과냉을 위해 사용된 열교환 장치로부터 분할되는 열교환 장치 내의 2개 이상의 성분을 포함하는 복합 성분의 냉매를 이용한 열교환에 의해 실질적으로 액화될 수 있다. 각 듀티(duty)를 위해 독립된 열교환 장치를 사용함으로써, 증기 냉매 스트림을 주로 사용하는 가스 팽창 냉동 시스템과, 하나 또는 그 이상의 증기 냉매 스트림을 이용하는 증기 재압축 냉동 시스템을 최적으로 설계할 수 있도록 해준다. 독립된 장치의 품목들은 또한 기존의 가스 액화 설비에 가스 팽창 냉동 시스템을 개장할 경우에 유리할 수 있다.
냉동 시스템은 하나 또는 그 이상의 폐쇄형 루프 냉동 회로 혹은 사이클로 정의되는데, 각각의 회로 혹은 사이클에서 냉매가 압축되고, 감압되고, 그리고 냉각될 하나 혹은 그 이상의 프로세스 스트림으로의 간접 열전달에 의한 냉동을 제공하기 위해 가온된다. 상기 냉매는 순수 성분이거나 또는 2개 혹은 그 이상의 성분의 혼합물일 수 있다. 증기 재압축 냉동 회로 혹은 사이클에 있어서, 냉매 증기는 압축, 냉각, 완전한 혹은 거의 완전한 응축, 감압, 및 기화되어 냉동을 제공하고, 증기는 상기 회로 혹은 사이클을 완료하기 위해 재압축된다. 가스 팽창 냉동 회로 속은 사이클에서, 냉매 가스는 압축, 냉각, 일 팽창, 가온되어 냉동을 제공하고, 압축되어 상기 회로 혹은 사이클을 완료한다. 일 팽창된 냉매는 단상의 가스이거나 또는 액체가 소량인 가스를 주성분으로 할 수 있고; 일 팽창된 냉매는 몰 기준 으로 0 내지 20% 액체를 포함할 수 있다.
냉동 사이클에서 높은 열역학적 효율은 상기 유체의 가온 및 냉각 곡선이 그 전장을 따라 서로 밀접하게 접근할 때 달성된다. 가스 팽창기 냉동 시스템이 냉매를 증발시키는 시스템의 열교환 장치와는 별개의 열교환 장치를 사용할 때, 팽창기로 향하는 냉각된 고압 가스의 흐름은 팽창기로부터 복귀하는 가온된 저압 가스의 흐름과 동일하다. 2개의 압력 레벨에서 가스의 열 용량 차이로 인해, 가온 및 냉각 곡선은 전장에 걸쳐 평행하게 유지할 수 없다. 이러한 차이를 조절하기 위해, 액화 열교환기와, 동일한 온도 레벨에 걸쳐 작동하는 가스 팽창 열교환기의 일부 사이에는 통상적으로 냉동 평형 스트림이 차지하게 된다. 이는 더 근접하게 평행한 가온 및 냉각 곡선을 획득함으로써 상기 프로세스의 효율을 증가시키지만, 가스 팽창 및 증기 재압축 냉동 시스템이 더 이상 독립적이지 못하게 되는 단점을 갖게 된다.
전술한 미국 특허 제6,308,531호에는 공급 가스, 양호하게는 천연 가스의 냉각, 액화, 및 과냉은 2개의 냉동 시스템을 사용하여 달성되는 액화 사이클이 개시되어 있다. 가온형 냉동 시스템은 프로판 및 혼합 냉매 사이클 혹은 2개의 혼합된 냉매 사이클 등의 2개의 캐스케이드(cascaded) 증기 재압축 사이클을 이용한다. 가장 찬 냉매는 가스 팽창 냉동 시스템에 의해 양호하게는, 작동 유체로서 질소를 사용하여 공급된다. 미국 특허 제6,308,531호의 도 1에는 가온 가스 팽창 열교환기에서 혼합 냉매 평형 스트림을 사용하는 단일 팽창기 냉동 시스템이 도시되어 있다. 상기 특허의 도 2에는 가스 팽창 열교환기 내에서 냉매 평형을 얻기 위해 그 대안으로서 혼합 냉매 열교환기에서 냉각되는 고압 질소 가스의 일부가 도시되어 있다. 본 발명은 열역학적 효율을 저하시키지 않고 혼합 냉매 증기 재압축 냉동 회로로부터 가스 팽창 냉동 시스템의 완전한 분리를 허용해준다. 이는 혼합 냉매 열교환기와 가스 팽창 열교환기 사이에서 평형 냉동의 필요성을 줄이거나 없애기 위해 가스 팽창 냉동 시스템에서 2개 혹은 그 이상의 팽창기에 의해 달성된다.
본 명세서에서, 냉동 시스템은 하나 혹은 그 이상의 냉동 회로에 의해 공급된 하나 혹은 그 이상의 냉매를 이용한 간접적인 열교환에 의해 하나 혹은 그 이상의 프로세스 스트림을 냉각하기 위해 하나 또는 그 이상의 적절한 열교환기와 함께 사용된 하나 또는 그 이상의 냉동 회로를 포함한다. 냉동 회로는 냉매 가스가 압축, 냉각, 감압, 및 열교환기(들)에서 가온되어 간접적인 열교환에 의해 하나 또는 그 이상의 프로세스 스트림을 냉각시키는 냉매 루프이다. 온열 냉매는 단상이거나 2상의 유체일 수 있다. 가온된 냉매 가스는 상기 회로를 완료하도록 압축된다. 단일 냉동 회로는 전용 압축기를 포함할 수 있거나, 또는 그 대안으로 복합 냉동 회로는 상이한 압력에서 복합 냉동 회로를 통해 압축된 냉매 가스가 분할 및 순환되는 공동의 압축기를 포함할 수 있다. 열교환기는 가온 및 냉동 스트림이 물리적으로 서로 분리되는 하나 혹은 그 이상의 가온 스트림과, 하나 또는 그 이상의 냉각 스트림 사이에서 간접적인 열교환을 행하는 장치로서 정의된다. 열교환 영역은 하나 또는 그 이상의 열교환기를 포함할 수 있거나, 또는 그 대안으로 열교환기의 섹션을 포함할 수 있다.
가스 팽창 냉동 시스템 내에 제2 팽창기를 배치하면 상기 프로세스의 열역학적 효율에 부정적인 영향을 미치지 않고 평형 스트림의 필요성을 최소화시키고 또 양호한 실시예에 따라 그 필요성을 없앨 수 있다는 것을 발견하였다. 제2의 소형 팽창기는 그것인 상대적으로 가온의 가스를 차질하고 그것을 중간온도 레벨로 팽창시키도록 배치된다. 이렇게 팽창된 중간-온도 스트림은 저온 팽창 가스가 대부분의 LNG 과냉 듀티를 완료한 후에, 저온 팽창기로부터 복귀하는 저압 가스를 추가 혹은 보충된다. 중간 온도의 팽창된 가스는 가온 가스 팽창 열교환기 내에서 혼합 냉매 평형 스트림을 대체시킨다. 또한, 프로세스 효율을 더 향상시키기 위해 제3의 팽창기가 가스 팽창 냉동 시스템에 사용될 수도 있다. 일반적으로, 복합 팽창기의 사용은 단일 팽창기 냉매 가온 곡선을 이용하여 달성할 수 있는 것보다 냉매 가온 곡선을 냉매 냉각 곡선에 더 근접하게 제공함으로써 가스 팽창 냉동 시스템의 효율을 향상시킨다.
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본 발명의 하나의 실시예에 있어서, 복합 팽창기는 제1 냉동 시스템에 의해 실질적으로 액화된 공급 가스를 과냉하기 위해 냉동을 제공하는 가스 팽창 냉동 시스템으로 합체되어 있다. 이것은 가스 팽창 냉동 시스템이 온열 냉동을 제공하는 냉동 시스템으로부터 결합 해제되도록 허용한다. 그 결과로 생긴 장치의 구조는 냉동 사이클의 열역학 효율을 증가시키고, 각각의 냉동 시스템을 위한 열교환 장치의 최적 구조를 가능케 해준다. 냉동 장치의 결합 해제는 또한 가스 팽창 냉동 시스템이 플랜트 디보틀넥킹(debottleneck) 혹은 확장의 일부로서 추가될 때 더 효율적인 구조가 되도록 허용한다.
공급 가스를 실질적으로 액화시키기 위해 필요로 하는 냉동의 적어도 일부를 제공하는 제1 냉동 시스템은 하나 또는 그 이상의 냉동 회로 혹은 증기 재압축 사이클에서 2개 혹은 그 이상의 냉매 성분을 사용할 수 있다. 적어도 일부의 액화된 공급 가스를 과냉하기 위해 요구된 냉매의 적어도 일부를 제공하는 제2 냉동 시스템은 적어도 2개의 팽창기 내에서 압축된 냉매 가스 혹은 가스 혼합물의 일 팽창을 이용한다. 복합 팽창기는 2개 이상의 온도 레벨에서 냉동을 발생하고, 압축된 냉매 가스는 하나 혹은 그 이상의 열교환기 혹은 공급 가스 스트림을 냉각시키지 않는 열교환기 섹션에서 팽창되기 이전에 냉각된다.
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하나 또는 그 이상의 냉매 성분을 이용하는 임의의 타입의 제1 냉동 시스템 은 공급 가스 스트림을 냉각 및 실질적으로 액화시키기 위해 요구된 높은 레벨 및 중간 레벨의 냉동을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 하나 혹은 그 이상의 냉매 성분은 하나 또는 그 이상의 냉동 회로 혹은 증기 재압축 사이클에 사용될 수 있다. 예컨대, 제1 냉동 시스템은 오직 2개 혹은 그 이상의 냉매 성분을 포함하는 혼합 냉매 회로의 증발을 이용한다. 선택적으로, 제1 냉동 시스템은 또한 단일 성분의 냉매를 증발 혹은 2개 혹은 그 이상의 냉매 성분을 포함한 혼합 냉매 증발을 이용하는 제2 냉동 회로를 포함할 수 있다. 그 대안으로, 제1 냉동 시스템의 제1 및 제2 냉동 회로는 단일 성분의 냉매 증발을 이용하거나 또는 2개 혹은 그 이상의 성분 혹은 단일 및 혼합 냉매의 임의의 조합을 포함하는 혼합 냉매의 증발을 이용할 수 있다. 냉동 회로들 중 하나 혹은 양자는 하나의 압력 레벨 이상에서 기화하는 냉매를 사용할 수 있고 예컨대, 캐스케이드 냉동 회로를 포함할 수 있다. 상기 프로세스는 공급 가스 스트림을 냉각 및 실질적으로 액화시키기 위해 요구된 냉동을 제공하기 위해 사용되는 제1 냉동 시스템의 구조와는 무관하다.
제1 냉동 시스템의 냉매는 질소, 하나 또는 그 이상의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소, 하나 또는 그 이상의 탄소 원자를 포함하는 할로겐화 탄소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 성분을 포함할 수 있다. 통상적인 탄화수소 냉매는 메탄, 에탄, 이소프로판, 프로판, 이소부탄, 부탄, 펜탄, 및 이소펜탄을 포함한다. 대표적인 할로겐화 탄소 냉매는 R22, R23, R32, R134a 및 R410a를 포함한다. 제2 냉동 시스템 즉, 가스 팽창 시스템에서의 냉매는 순수 성분이거나 또는 질소, 아르곤, 메탄, 에탄, 및 프로판으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성 분의 혼합물일 수 있다.
상기 프로세스는 임의의 공급 가스 스트림을 액화시키기 위해 사용될 수 있고 또 도 1에서 천연 가스의 액화용으로 도시되어 있다. CO2 및 H2S 등의 산성 가스의 제거와 수은 등의 다른 불순물의 제거를 위한 예비처리 섹션(도시 생략) 내에서 세척 및 건조된 라인(1) 내의 천연 가스 공급 원료는 선택적인 예비냉각 열교환기 섹션(3)을 유입하고 프로판 혹은 혼합 냉매 등의 냉매 증발을 이용하여 약 -10℃ 내지 -30℃의 중간 온도에서 냉각된다. 상기 냉매 증발은 종래기술에 공지된 임의의 타입의 재순환 냉매 회로(도시 생략)에 의해 제공된다.
예비 냉각된 천연 가스 공급 원료 스트림(5)은 펜탄 및 중량 탄화수소 등의 공급 원료의 중량 성분이 액화 프로세스에서 후속하는 냉동을 방지하기 위해 제거되는 세척탑(7)으로 유입된다. 세척탑은 환류(reflux)를 세척탑에 공급하기 위해 프로판 혹은 혼합 냉매 등의 냉매를 또한 사용할 수 있는 오버헤드형 응축기(9)를 구비한다. 세척탑에서 나온 라인(11) 내의 바닥 생성물은, 중량의 성분들은 분리 및 라인(15)을 경유하여 회수되고, 라인(17) 내의 경량의 성분들은 세척탑의 오버헤드 증기 생성물과 재결합하여 라인(19) 내의 정제된 천연 가스를 형성하게 되는 분류 섹션(13)으로 전송된다. 라인(17) 내의 경량의 성분들은 증기 스트림 혹은 액체 스트림 중 하나일 수 있고, 양호하게는 세척탑(7)으로부터 나온 오버헤드 증기 스트림과 동일한 온도에서 대략 예비 냉각된다.
라인(19) 내의 정제된 천연 가스는 -50℃, 양호하게는 약 -100℃ 내지 -120 ℃ 사이의 온도로 더 냉각되고, 양호하게는 라인(23)을 경유하여 공급된 혼합 냉매를 중간 온도로 가온 및 기화시키는 간접적인 열교환에 의해 제1 열교환 영역 혹은 혼합된 냉매 열교환기(21)에서 실질적으로 액화된다. 본 명세서에서 사용된 용어 "실질적으로 액화된(substantially liquefied)"은 실질적으로 액화된 스트림이 대기압으로의 스로틀링에 의한 단열 팽창시 0.25 내지 1.0, 양호하게는 0.5 내지 1.0의 액체 분율을 가지는 것을 의미한다. 1.0의 액체 분율은 완전하게 액화 혹은 응축된 스트림을 의미하며, 여기서 액체는 포화 혹은 과냉될 수 있고, 0의 액체 분율은 완전히 증기이고 액체를 포함하지 않는 스트림을 의미한다. 본 명세서에서 정의된 바와 같이 실질적으로 액화된 스트림은 스트림의 임계 압력보다 높은 압력을 포함하는 임의의 압력일 수 있다.
라인(25) 내의 실질적으로 액화된 천연 가스는 팽창기(31)에 의해 공급된 라인(29) 내의 저온 일 팽창된 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 제2의 열교환 영역 혹은 열교환기(27)에서 약 -120℃ 내지 -160℃로 더 냉각된다. 이러한 저온 냉매, 통상적으로 질소는 약 15 내지 30bara(1.5 내지 3Mpaa)의 온도와 약 -120℃ 내지 -162℃의 온도에서 약 20%의 미만의 액체(몰 기준)를 통상 지닌 증기이다.
그 결과물은 더 냉각되고 실질적으로 액화된 라인(33) 내의 천연 가스는 그 임계 압력 이상 혹은 미만일 수 있고, 그 입계 압력 보다 낮을 경우 과냉 액체일 수 있다. 더 냉각되고 실질적으로 액화된 라인(33) 내의 천연 가스는 스로틀 밸브(35)를 가로질러 약 1.05 내지 1.2bara(0.105 내지 0.12Mpaa)의 압력으로 단열적으로 흘러나올 수 있다. 그 대안으로, 라인(33) 내의 과냉 LNG의 압력은 농축 유체 팽창기, 혹은 팽창기와 밸브의 조합을 사용하여 감소될 수 있다. 라인(37) 내의 저압 LNG는 분리기 혹은 저장 탱크(39)로 흐르며, LNG 부산물은 라인(41) 내에서 방출된다. 몇몇 경우, 천연 가스의 조성과 열교환기(27)로부터 배출되는 LNG의 온도에 따라, 라인(43) 내의 현저한 량의 경량 가스는 밸브(35) 양단을 흘러나온 후 방출된다. 이 경우, 라인(43) 내의 플래시 가스는 가온될 수 있고, LNG 설비 내의 연료 가스로서 사용하거나 다른 용도로 사용하게 충분한 압력으로 압축된다.
천연 가스 공급 원료 스트림(1)을 냉각 및 실질적으로 액화시키기 위한 냉동은 열교환기(21) 내의 종간 온도 혼합 냉매 회로에 의해 제공되며, 상기 예의 경우, 프로판 등의 제2 냉매 혹은 예비 냉각 열교환기 섹션(3)에서의 고온에서 냉동을 제공하는 제2 냉동 회로 내의 제2 혼합 냉매에 의해 제공된다. 라인(23) 내의 냉매는 열교환기(21)에서 가온 및 기화되어 그 내부에 냉동을 제공하고, 라인(45) 내에서 냉매 증기로서 배출된다. 이러한 냉매 증기는 다단, 중간 냉각 압축기(47)에서 적절한 고압으로 압축되고, 주변의 후냉각기(49) 내에서 냉각되며, 프로판 혹은 혼합 냉매 등의 추가 증발 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 열교환기 섹션(51) 내에서 추가로 그리고 부분적으로 혹은 완전히 냉각된다. 이러한 기화하는 냉매는 해당 분야에 공지된 임의의 타입의 재순환 냉동 회로(도시 생략)에 의해 제공되며, 전술한 열교환기 섹션(3)에 냉동을 제공하는 것과 동일한 재순환 냉동 회로일 수 있다.
라인(53) 내의 예비 냉각된 고온의 혼합 냉매는 약 -20℃ 내지 -40℃의 온도와 약 50 내지 70bara(5 내지 7MPaa)의 압력에서 혼합 냉매 열교환기(21)로 유입된 다. 고압의 혼합 냉매는 약 -100℃ 내지 -120℃의 온도에서 냉각되고 양호하게는 열교환기(21) 내에서 완전히 응축되고 라인(55)에서 방출된다. 라인(55)에서 응축된 고압의 혼합 냉매 스트림은 밸브(57)를 가로질러(혹은 그 대안으로 농축상 팽창기에 의해) 약 3 내지 6bara(0.3 내지 0.6MPaa)의 압력으로 흘러나오고, 라인(23) 내에서 열교환기(21)의 저온 단부로 흐른다. 상기 저압 혼합 냉매 스트림은 열교환기(21) 내에서 가온 및 기화되어 라인(45) 내에서 가온된 혼합 냉매로서 방출된다.
따라서, 전술한 바와 같이 냉각 및 실질적으로 액화된 라인(25) 내의 천연 가스를 공급하기 위한 라인(1) 내의 천연 가스 공급 원료의 냉각은, 열교환기(21)에 냉동을 제공하는 중간 온도 혼합 냉매 회로를 포함하는 제 냉동 시스템과, 공급 원료를 예비 냉각하는 열교환기 섹션(3)으로 프로판 혹은 다른 혼합 냉매 등의 제2 냉매를 공급하는 냉동 회로와, 그리고 열교환기 섹션(51)에 프로판 혹은 또 다른 혼합 냉매 등의 제3 냉매를 공급하는 냉동 회로에 의해 제공된다. 전술한 바와 같이, 동일한 냉동 회로가 제2 및 제3 냉매 양자를 제공할 수 있다.
라인(25) 내의 실질적으로 액화된 천연 가스의 추가 냉각은 질소, 아르곤, 메탄, 에탄, 및 프로판으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 가스를 포함한 냉매를 사용하는 복합 팽창기 가스 팽창 시스템에 의해 달성된다. 대기 온도와 약 50 내지 80bara(5 내지 8MPaa) 압력에 있는 라인(59) 내의 고압 질소는 2부분으로 분할된다. 라인(61) 내의 큰 부분은 제3 열교환 영역 혹은 가온 가스 팽창 열교환기(63)로 유입하여 약 -100℃ 내지 -120℃의 온도로 냉각된다. 라 인(65) 내의 냉각된 고압 질소는 저온 팽창기(31)에서 일 팽창되어 약 15 내지 30bara(1.5 내지 3MPaa)의 압력과 약 -152℃ 내지 -162℃의 온도에서 방출된다. 통상적으로, 팽창기 배출 압력은 라인(33) 내의 LNG를 소망한 레벨로 과냉하기에 충분한 저온에서의 질소의 이슬점 압력이거나 그것에 근소한 압력이다. 일 팽창된 냉매는 약 20% 액체(몰 기준) 이내로 포함될 수 있다. 라인(29) 내의 저온 일 팽창 질소 스트림은 저온 가스 팽창 열교환기(27)에서 가온되어 라인(33) 내의 LNG 스트림을 과냉하기에 필요한 저온 냉동을 제공하며, 중간 가온된 질소는 라인(67) 내에서 열교환기를 빠져나간다.
라인(69) 내의 소량의 고압 질소 스트림은 열교환기 섹션(71)에서 프로판 혹은 제2 혼합 냉매 등의 냉매를 이용하여 약 -20℃ 내지 -40℃의 중간 온도에서 예비 냉각될 수 있다. 라인(73) 내에서 예비 냉각된 고압 질소 스트림은 가온 팽창기(75)에서 일 팽창되고, 약 15 내지 30bara(1.5 내지 3MPaa)의 압력과 약 -90℃ 내지 -110℃의 온도에서 배출된다. 라인(77) 내의 일 팽창된 냉매 스트림은 저온 열교환기(27)로부터 나온 라인(67) 내의 가온 질소 스트림과 결합되고, 이렇게 결합된 스트림은 라인(79)을 경유하여 가온 열교환기(63)로 흐른다. 상기 결합 질소 스트림은 가온 열교환기(63) 내에서 주위 온도로 가온되고, 라인(81)을 경유하여 인출되며, 그리고 재순환용 고압 질소 스트림(59)을 제공하기 위해 다단, 중간 냉각 압축기(83) 내에서 적절한 고압으로 압축된다. 열교환기(63) 내에서 가온을 위해 소형 팽창 질소 스트림(77)을 추가시킴으로써, 가온 가스 팽창 열교환기(63)의 냉각 곡선들은 이상적인 곡선, 즉 유체의 가온 및 냉각 곡선들이 그 전장을 따라 서로 밀접하게 접근하게 되는 곡선에 가깝게 된다.
라인(59) 내의 고압 질소의 전부 혹은 일부는 가온 열교환기(63)의 저온 팽창기(31)로 유입하는 일부를 예비 냉각하기 위해 그리고 열교환기 섹션(71) 내의 프로판 혹은 다른 냉매를 이용하여 가온 팽창기(75)로 유입하는 부분을 예비 냉각하기 위해 그 대안으로서 프로판 혹은 다른 높을 레벨의 냉매로 예비 냉각될 수 있다. 그 대안으로, 가스 팽창 냉동 시스템은 열교환기(63)와 팽창기(75)에 앞서 압축 질소의 임의의 예비 냉각 없이 작동될 수 있다. 가스 팽창 시스템 냉매의 예비 냉각을 위한 이러한 옵션들은 본 발명의 임의의 실시예에 적용된다.
가온 및 저온 가스 팽창 열교환기(63, 27)는 단일 유닛으로 조합될 수 있고, 플레이트-핀(plate-fin), 권선 코일, 혹은 셀 및 튜브 구조, 혹은 이들의 조합과 같은 임의의적절한 타입일 수 있다. 이와 유사하게, 혼합 냉매 열교환기(21)와, 선택적인 예비 냉각 열교환기 섹션(3, 51, 71)들은 단일 혹은 복합 열교환기로 구성될 수 있고 또 임의의 적절한 구조라도 좋다. 이러한 열교환기의 옵션들은 또한 본 발명의 임의의 실시예들에도 적용된다. 본 발명은 청구된 프로세스에 사용된 열교환기의 수 와 배치에는 무관하다.
만약 라인(53) 내의 고압 혼합 냉매가 2상 혼합물이라면, 증기 및 액체 분율은 혼합 냉매 열교환기(21)에서 따로따로 냉각될 수 있고, 또 열교환기(21) 내에서 동일하거나 상이한 압력에서 따로따로 혹은 결합된 스트림으로서 기화될 수 있다. 혼합 냉매는 또한 상이한 압력 레벨에서 기화될 수 있는 2개 혹은 그 이상의 스트림으로 분할될 수 있다. 상기 혼합 냉매는 하나 혹은 그 이상의 평형(증기/액체) 분리에 의해 혹은 하나 혹은 그 이상의 단상 분열에 의해 혹은 이들의 조합에 의해 분할될 수 있다. 이들 혼합 냉매 옵션은 제1 냉동 시스템의 임의의 냉동 회로에 사용될 수 있고 또한 본 발명의 임의의 실시예에 적용된다. 본 발명은 공급 원료 가스 스트림을 냉각 및 실질적으로 액화하기 위해 요구된 냉동을 제공하기 위해 사용되는 제1 냉동 시스템의 구조와 무관하다.
통상적으로, 라인(1) 내의 천연 가스 공급 원료를 라인(41) 내의 LNG 부산물로 전환하기 위한 전체 냉동 듀티의 적어도 40%는 제1 냉동 시스템에 의해 제공된다. 도 1의 실시예에서, 상기 냉동은 열교환기 섹션(3), 열교환기 섹션(51), 및 열교환기(21) 내에 제공된다.
도 1에 도시된 실시예의 특징은 제1 냉동 시스템 즉, 압축기(47), 열교환기(21), 및 팽창 밸브(57)를 포함하는 시스템은 제2 냉동 시스템 즉, 압축기(83), 열교환기(27, 63), 및 팽창기(31, 75)를 포함하는 시스템과 무관하게 작동할 수 있다는 것이다. 독립적인 작동은 제1 냉동 시스템의 혼합 냉매와 제2 냉동 시스템의 질소 냉매 사이에 열이 교환되지 않고 또 상기 2개의 냉동 시스템들 사이에 평행 냉동이 요구되지 않는 것을 의미한다.
또 다른 특징은 제2 열교환 영역(27) 내의 라인(29)을 경유하는 일 팽창 질소의 유량이 통상적으로 제3 열교환 영역(63) 내의 일 팽창 질소 스트림(79)의 유량보다 작다는 것이다. 제3 열교환 영역(63)에서는 공급 원료 가스 혹은 냉각된 공급 원료 스트림의 냉각이 일어나지 않는다. 추가적으로, 제3 열교환 영역(63)에서 냉각될 라인(61) 내의 압축 질소의 유량은 통상적으로 제3 열교환 영역(63)에서 가온될 라인(79) 내의 결합된 일 팽창 질소의 유량보다 더 작다.
본 발명의 변형례가 도 2에 도시되어 있다. 상기 변형례에서, 압축기(83)에 나온 라인(59) 내의 고압 질소 냉매 모두는 가온 가스 팽창 열교환기(63) 내에서 예비 냉각되고, 도 1의 열교환기 섹션(71) 내에서 프로판 등의 냉매와 함께 냉각되는 전술한 고압 질소가 존재하지 않는다. 열교환기(63) 내에서 부분 냉각된 질소 냉매의 소량 부분은 라인(201)을 경유하여 중간점에서 인출되고, 라인(205) 내에서 일 팽창 질소를 공급하기 위해 팽창기(203) 내에서 일 팽창된다. 라인(205) 내에서 팽창 질소는 라인(25) 내의 실질적으로 액화된 유입하는 천연 가스의 온도보다 약간 낮은 온도에서 열교환기(27) 내의 중간점에서 부분적으로 가온된 팽창 질소 스트림과 혼합되는 것이 바람직하다.
그 대안으로, 라인(59) 내의 고압 질소는 열교환기(63)에서 따로따로 냉각될 2개의 부분(도시 생략)으로 분할될 수 있다. 열교환기(27, 63)들 중 하나 혹은 양자는 필요에 따라 2개의 열교환기로 분리될 수 있다. 라인(201) 내의 고압 질소의 냉각은 또한 가온 열교환기(63) 내에서의 냉각과 프로판 등의 또 다른 고준위(high-level) 냉매를 이용한 냉각의 조합에 의해 달성될 수 있다.
상기 예에서, 분리기(39)에서 나온 라인(43) 내의 LNG 플래시 가스는 가스 교환기(27, 63)에 가온되어 라인(207)을 경유하여 빠져나가고, LNG 설비에서 연료 가스로서 사용하기 위해 혹은 다른 용도로 사용하기에 충분한 압력으로 플래시 가스 압출기(209)에서 압축된다. 그러나, 열교환기(27, 63)에서의 플래시 가스의 가온은 선택적이고, 본 발명의 임의의 실시예에서는 요구되지 않는다.
도 2에 도시된 실시예의 특징은 제1 냉동 시스템 즉, 압축기(47), 열교환기(21), 및 팽창 밸브(57)를 포함하는 시스템은 제2 냉동 시스템 즉, 압축기(83), 열교환기(27, 63), 및 팽창기(31, 203)를 포함하는 시스템과 무관하게 작동할 수 있다는 것이다. 독립적인 작동은 제1 냉동 시스템의 혼합 냉매와 제2 냉동 시스템의 질소 냉매 사이에 열이 교환되지 않는 것을 의미한다. 상기 실시예의 2개의 냉동 시스템들 사이에 평행 냉동이 요구되지 않는다.
또 다른 특징은 라인(205) 내의 팽창 질소와 결합되기 이전에 제2 열교환 영역(27) 내의 라인(29)을 경유하는 일 팽창 질소의 유량이 제3 열교환 영역(63) 내의 결합된 일 팽창 질소 스트림(79)의 유량보다 더 작을 수 있다는 것이다. 제3 열교환 영역(63)에서는 공급 원료 가스 혹은 냉각된 공급 원료 스트림의 냉각이 일어나지 않는다. 추가적으로, 라인(201)을 경유한 질소의 인출 이후 제3 열교환 영역(63)에서 냉각될 압축 질소의 유량은 제3 열교환 영역(63)에서 가온될 라인(79) 내의 결합된 일 팽창 질소의 유량보다 더 작을 수 있다.
도 1 및 도 2의 실시시예의 변형례인 본 발명의 또 다른 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 라인(73) 내의 예비 냉각된 고압 질소는 가온 팽창기(75) 내에서 중간 압력 예컨대, 25 내지 45bara(2.5 내지 4.5MPaa)로 팽창된다. 라인(301) 내에서 중간 압력으로 팽창된 질소는 가온 가스 팽창 열교환기(303)에서 따로따로 가온되어 전력 요구량을 감소시키도록 다단 압축기(305)의 중간 단으로 흐른다. 상기 실시예의 변형례는 중간 압력에서 압축기(305)의 중간 단으로부터 스트림(307)을 인출하고, 그것을 열교환기 섹션(71)에서 냉각시키며, 라인(73)에서 냉각된 스트림 을 팽창기(75)의 저압 레벨로 팽창시키고, 도 1에 도시된 바와 같이 가온 가스 팽창 열교환기(303) 내에서 가온을 위해 라인(67) 내의 중간 가온된 냉매와 함께 라인(301) 내의 저압 팽창된 스트림을 결합시키는 것이다. 어느 한 변형례에 있어서, 라인(307) 내의 고압 혹은 중간 압력의 질소 스트림은 도시된 바와 같이 열교환기 섹션(71)에서 프로판 등의 고준위 냉매를 이용하여 냉각되거나 또는 가온 열교환기(303) 내에서 냉각될 수 있으며, 또는 이들 양자의 조합으로 냉각될 수도 있다.
도 3에 도시된 실시예의 특징은 제2 열교환 영역(27) 내의 라인(29)을 경유하는 일 팽창 질소의 유량이 통상적으로 제3 열교환 영역(303) 내의 일 팽창 질소 스트림(61, 301)의 유량보다 작다는 것이다. 제3 열교환 영역(303)에서는 공급 원료 가스 혹은 냉각된 공급 원료 스트림의 냉각이 일어나지 않는다. 추가적으로, 제3 열교환 영역(303)에서 냉각될 라인(306) 내의 압축 질소의 유량은 통상적으로 제3 열교환 영역(303)에서 가온될 라인(67, 301) 내의 일 팽창 질소의 유량보다 더 작다.
도 4에는 라인(65) 내의 냉각된 고압 질소 스트림이 2단계에서 일 팽창되는 도 1의 변형례가 도시되어 있다. 상기 스트림은 먼저 중간 팽창기(31) 내에서 중간 압력 예컨대, 25 내지 45bara(2.5 내지 4.5MPaa)로, 그리고 라인(25) 내에서 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스 스트림의 온도보다 낮은 온도에서 팽창된다. 라인(29) 내의 중간 압력으로 팽창된 스트림은 양호하게는 그 내부에 냉동을 제공하도록 저온 가스 팽창 열교환기(401) 내에서 가온되고, 그 다음 저온 팽창기(403) 에서 저압 예컨대, 15 내지 30bara(1.5 내지 3MPaa)로 더 팽창된다. 그 다음, 라인(405) 내의 저압 팽창 질소 스트림은 라인(25) 내에서 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스를 과냉하기 위해 가장 낮은 온도 레벨의 냉동을 제공한다.
양호하게는 저온 열교환기(401) 내에서 가온 이후, 라인(405) 내의 중간 압력 팽창 질소 스트림의 일부는 가온 열교환기(63) 내에서 따로따로 가온될 수 있고(도시 생략), 복수 단의 압축기(83)의 중간 단으로 전송될 수 있다. 도 3의 실시예와 마찬가지로, 라인(69) 내의 고압 질소 스트림은 도시된 바와 같이 열교환기 섹션(71)에서 프로판 등의 고준위 냉매를 이용하여 예비 냉각되거나 또는 가온 열교환기(63) 내에서 예비 냉각될 수 있으며, 또는 이들 양자의 조합으로 예비 냉각될 수도 있다.
상기 실시예에서 중간 팽창기를 추가함으로써 저온 가스 팽창 열교환기(401)에 열역학적으로 더 높은 효율의 냉동을 제공한다. 이러한 교환기의 유체의 가온 곡선 및 냉동 곡선은 그들의 전장에 걸쳐 서로 더 근접하게 접근하며, 이는 유리하지만 상기 시스템에서 또 다른 장치, 즉, 팽창기(403)의 추가를 필요로 한다.
도 4에 도시된 실시예의 특징은 제2 열교환 영역(401) 내의 라인(405)을 경유하는 일 팽창 질소의 유량이 통상적으로 제3 열교환 영역(63) 내의 일 팽창 질소 스트림(407)의 유량보다 작다는 것이다. 통상적으로, 제3 열교환 영역(63)에서는 공급 원료 가스 혹은 냉각된 공급 원료 스트림의 냉각이 일어나지 않는다. 추가적으로, 제3 열교환 영역(63)에서 냉각될 라인(61) 내의 압축 질소의 유량은 통상적으로 제3 열교환 영역(63)에서 가온될 라인(407) 내의 일 팽창 질소의 유량보다 더 작다.
도 5에는 가스 팽창 냉동 시스템이 2단 팽창을 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 라인(501) 내의 예비 냉각된 고압 질소 스트림은 가온 열교환기(503)의 중간 지점으로부터 인출되고, 가온 팽창기(31) 내에서 중간 압력 예컨대, 25 내지 45bara(2.5 내지 4.5MPaa)로, 그리고 라인(25) 내에서 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스 스트림의 온도보다 낮은 온도에서 팽창된다. 라인(29) 내의 중간 압력으로 팽창된 스트림의 일부는 라인(505)을 경유하여 인출되고, 가온 가스 팽창 열교환기(503) 내에서 따로따로 가온되고, 전력 요구량을 감소시키도록 다단 압축기(507)의 중간 단으로 전송된다.
양호하게는 저온 가스 팽창 열교환기(511) 내에서 재가열 이후, 라인(509) 내의 잔존하는 중간 압력 팽창 질소는 저온 팽창기(513) 내에서 저압 예컨대, 15 내지 30bara(1.5 내지 3MPaa)으로 더 팽창된다. 그 다음, 라인(515) 내의 저압 팽창 질소 스트림은 라인(25) 내에서 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스를 과냉하기 위해 요구되는 저온 가스 팽창 열교환기(511) 내에서 가장 낮은 온도 레벨의 냉동을 제공한다. 라인(517) 내의 가온 고압 질소 스트림은 선택적으로 도시된 바와 같이 가온 열교환기(503)에서 예비 냉각되거나 또는 프로판 등의 고준위 냉매를 이용하여 예비 냉각될 수 있으며, 또는 이들 양자의 조합으로 예비 냉각될 수도 있다.
도 5에 도시된 실시예의 특징은 제2 열교환 영역(511) 내의 라인(515)을 경유하는 일 팽창 질소의 유량이 통상적으로 제3 열교환 영역(503)에서 라인(505, 519) 내의 일 팽창 질소 스트림의 총 유량보다 작다는 것이다. 제3 열교환 영역(503)에서는 공급 원료 가스 혹은 냉각된 공급 원료 스트림의 냉각이 일어나지 않는다.
본 발명의 다른 실시예는 2개의 냉동 시스템의 열역학적으로 더 효율적인 통합을 달성하기 위해 가스 팽창 냉동 열교환기와 혼합된 냉매 열교환기 사이에서 통합된 평형 스트림을 이용할 수 있다. 복합 팽창기를 또한 이용하는 이들 실시예들은 기존의 가스 액화 설비를 디보틀넥킹(debottleneck) 혹은 확장시키기 위한 더 효율적인 디자인을 제공할 수 있다.
도 6에는 혼합 냉매의 평형 스트림이 가온 가스 팽창 열교환기(601)에 사용된 복합 팽창기 가스 팽창 냉동 시스템이 도시되어 있다. 라인(603) 내의 소량의 고압 혼합된 냉매는 라인(605)을 경유하여 인출되고 밸브(607)를 가로질러 중간 압력으로 흘러나간다. 그 결과로 생긴 통상적으로 -90℃ 내지 -110℃의 온도와 5 내지 10bara(0.5 내지 1MPaa) 압력의 라인(609) 내에서 중간 압력의 혼합 냉매 스트림은 가온 가스 팽창 열교환기(601)에서 가온되어 상기 열교환기 내의 더 밀접하게 평행한 가온 곡선 및 냉각 곡선을 제공하며, 이에 따라 프로세스 효율을 증대시킨다. 가온 혼합된 냉매 스트림(611)은 거의 대기압에서 재순환을 위해 다단 혼합 냉매 압축기(613)의 중간 단으로 복귀한다. 그 대안으로, 라인(605) 내의 응축된 고압의 혼합된 냉매 평형 스트림은 혼합 냉매 회로의 가장 낮은 압력 레벨 예컨대, 3 내지 6bara(0.3 내지 0.6MPaa)로 흘러나가, 가온 열교환기(601) 내에서 중간 온도 예컨대, -20℃ 내지 -40℃로 가온되어, 혼합 냉매 압축기(613)의 제1 단으로 복 귀할 수 있다.
상기 실시예의 가스 팽창 냉동 시스템에 있어서, 라인(615) 내의 고압 질소 스트림의 예비 냉각된 소량은 가온 팽창기(617) 내에서 일 팽창 이전에 프로판 혹은 다른 고준위 냉매의 온도보다 낮은 온도에서 가온 열교환기(601) 내에서 더 냉각된다. 라인(619) 내의 팽창된 중간 온도 질소 스트림은 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스 스트림(25)의 온도보다 낮은 온도에서 저온 가스 팽창 열교환기(27) 내의 중간점에서 라인(29) 내의 부분적으로 가온된 저온 질소 스트림과 양호하게 혼합된다. 가스 팽창 열교환기(27) 및 (601) 중 어느 하나 혹은 양자는 필요에 따라 2개 혹은 그 이상의 열교환기로 분할될 수 있다.
도 7에는 가온 가스 팽창 열교환기(701) 내에서 더 효율적인 냉동 평형을 달성하기 위한 대안의 방법으로서 고압 질소 가스의 일부가 혼합 냉매 열교환기(705) 내에서 냉각되는 복합 팽창기 가스 팽창 냉동 시스템이 도시되어 있다. 라인(73) 내의 예비 냉각된 고압 질소 스트림의 일부가 약 -20℃ 내지 -40℃에서 라인(703)을 경유하여 인출되고, 혼합 냉매 열교환기(705) 내에서 약 -100℃ 내지 -120℃로 더 냉각된다. 라인(707) 내의 냉각된 고압 질소 스트림은 가온 열교환기(701) 내에서 냉각 후 고압 질소 스트림(61)의 일부와 혼합되고, 라인(709) 내의 결합된 스트림은 저온 팽창기(711)의 입구로 흐른다.
상기 실시예의 가스 팽창 냉동 시스템에서, 라인(713) 내의 고압 질소 스트림의 잔존하는 부분은 가온 팽창기(717) 내에서 일 팽창 이전에 프로판 혹은 다른 고준위 냉매의 온도보다 낮은 온도에서 가온 열교환기(701) 내에서 더 냉각되는 것 이 바람직하다. 라인(719) 내의 중간 온도 질소 스트림은 라인(25) 내의 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스 스트림의 온도보다 낮은 온도에서 저온 가스 팽창 열교환기(27) 내의 중간점에서 부분적으로 가온된 저온 질소 스트림과 양호하게 혼합된다. 가스 팽창 열교환기(27) 및 (701) 중 어느 하나 혹은 양자는 필요에 따라 2개 혹은 그 이상의 열교환기로 분할될 수 있다.
상기 실시예의 특징은 라인(719) 내의 팽창 질소와 조합되기 이전에 제2 열교환 영역(27) 내에서 라인(712)을 경유하는 일 팽창 질소의 유량이 제3 열교환 영역(701)에서 결합된 일 팽창 질소 스트림(710)의 유량보다 작다는 것이다. 제3 열교환 영역(63)에서는 공급 원료 가스 혹은 냉각된 공급 원료 스트림의 냉각이 일어나지 않는다. 추가적으로, 열교환기(701)에서 냉각될 압출 질소 스트림(61, 713) 들 중 하나의 유량은 열교환기(701)에서 가온될 라인(710) 내의 일 팽창 질소의 유량보다 더 작다.
도 8에는 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이 프로판 등의 추가의 외부 냉동 없이 작용하는 복합 팽창기 가스 팽창 냉동 시스템과 조합된 단일의 혼합 냉매 냉동 시스템이 도시되어 있다. 단일의 혼합 냉동 시스템 내의 냉매는 혼합 냉매 열교환기(21)로 유입하기 이전에 예컨대, 프로판 혹은 다른 고준위 혼합 냉매에 의해 주변 온도보다 낮게 예비 냉각되지 않는다. 상기 예에 있어서, 혼합된 냉매는 압축기(801)의 중간 단에서 부분적으로 액화되며, 라인(803) 내의 액체 분율은 최종 고압 레벨로 펌핑되고, 그리고 냉각기(805)의 상류에 있는 최종 압축된 증기 분율과 결합된다. 이러한 특징은 선택적이며, 본 발명의 임의의 실시예에서 사용될 수 있다.
상기 실시예의 가스 팽창 냉동 시스템에 있어서, 고압 질소 스트림(807)으 모두는 라인(25) 내에서 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스 스트림의 온도와 유사하거나 더 낮은 온도에서 가온 가스 팽창 열교환기(809) 내에 냉각된다. 라인(811) 내의 냉각된 고압 질소 스트림의 일부는 중간 압력에서 가온 팽창기(813) 내에서 일 팽창된다. 라인(815) 내에서 중간 압력으로 팽창된 질소 스트림은 가스 팽창 열교환기(817, 809)에서 따로따로 가온되어 전력 요구량을 감소시키도록 다단 압축기의 중간 단으로 전송된다. 저온 열교환기(817) 내에서 추가 냉각 이후, 라인(819) 내의 잔존하는 고압 질소 스트림은 저온 팽창기(821)에서 저압으로 팽창된다. 라인(823) 내의 저압 팽창 질소 스트림은 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스 스트림(25)을 과냉하기 위해 필요한 가장 낮은 레벨의 냉동을 제공하기 위해 저온 열교환기(817) 내에서 가온된다.
선택적으로, 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스 스트림(25)은 -100℃ 보다 더 높은 온도일 수 있고, 단지 부분적으로 액화될 수 있다. 이 경우, 라인(815) 및 라인(823) 내의 2개의 팽창된 질소 스트림은 라인(25) 내의 유입하는 실질적으로 액화된 천연 가스 스트림을 완전히 액화 및 과냉하기 위한 냉동을 제공한다. 저온 가스 팽창 열교환기(817)는 필요에 따라 2개 이상의 열교환기로 분리될 수 있거나 또는 열교환기(809, 817)는 단일 열교환기로 조합될 수 있다.
상기 실시예의 특징은 제2 열교환 영역에서 라인(823)을 경유하는 일 팽창 질소의 유량이 제3 열교환 영역(809)에서 일 팽창 질소 스트림(825, 827)의 총 유량보다 작다는 것이다. 제3 열교환 영역(809)에서는 공급 원료 가스 혹은 냉각된 공급 원료 스트림의 냉각이 일어나지 않는다.
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도 1의 실시예는 아래의 비제한적인 예에 의해 예시된다. 라인(1) 내의 천연 가스 공급 원료는 시간당 59,668kg몰의 유량으로 공급되며, 27℃의 온도와 60.3bara(6.03MPaa)의 압력에서 3.90몰%의 질소, 87.03몰%의 메탄, 5.50몰%의 에탄, 2.02몰%의 프로판, 1.55몰%의 C4 및 중량의 탄화수소(C4+)의 조성을 갖는다. 공급 원료를 세정하였고, 수은 등의 다른 오염물과 함께 CO2 및 H2S 등의 산성 가스의 제거를 위해 상류의 예비처리 섹션(도시 생략) 내에서 건조시켰다. 라인(1) 내의 천연 가스 공급 원료는 제1 열교환기 섹션(3)으로 유입하고 여러 레벨의 프로판 냉동을 사용하여 -18℃에서 예비 냉각된다. 라인(5) 내의 예비 냉각된 천연 가스 공급 원료 스트림은 펜탄 및 중량 탄화수소 등의 공급 원료의 중량 성분이 액화 프로세스에서 후속하는 냉동을 방지하기 위해 제거되는 세척탑(7)으로 유입된다. 상기 세척탑은 환류를 세척탑에 공급하기 위해 프로판 혹은 혼합 냉매 등의 냉매를 또한 사용할 수 있는 오버헤드형 응축기(9)를 구비한다. 세척탑에서 나온 바닥 생성물은, 펜탄과 중량의 성분들을 분리하여 라인(15)을 경유하여 회수하는 분류 섹 션(13)으로 라인(11)을 경유하여 전송된다. 라인(17) 내의 경량의 성분들은 라인(19) 내에 정제된 천연 가스를 공급하기 위해 세척탑의 오버헤드 증기 생성물과 재결합된다.
라인(19) 내의 정제된 천연 가스 스트림은 시간당 57,274kg몰의 유량으로 공급되며, -32.9℃의 온도와 58.0bara(5.80MPaa)의 압력에서 3.95몰%의 질소, 87.74몰%의 메탄, 5.31몰%의 에탄, 2.04몰%의 프로판, 0.96몰%의 C4 및 중량의 탄화수소의 조성을 갖는다. 상기 스트림은 -119.7℃의 온도에서 더 냉각되고, 라인(23)을 경유하여 공급된 저압 혼합 냉매를 가온 및 기화시킴으로써 혼합 냉매 열교환기(21) 내에서 응축된다. 상기 예에서 완전히 기화되는 라인(25) 내의 실질적으로 액화된 천연 가스 스트림은 저온 가스 팽창 열교환기(27) 내에서 -150.2℃의 온도로 과냉 된다. 열교환기(27) 내의 냉각을 위한 냉동은 팽창기(31)로부터 라인(29) 내의 저온 일 팽창 질소 냉매 스트림에 의해 제공된다. 라인(33) 내의 과냉 LNG 스트림은 그 다음 밸브(35)를 가로질러 1.17bara(0.117MPaa)의 압력에서 단열적으로 흘러나간다. -162.3℃에서 라인(37)에서의 저압 LNG 스트림은 분리기(39)로 전송되고, LNG 생성물 스트림은 라인(41)을 경유하여 저장소로 인출된다. 라인(43) 내의 경량의 플래시 가스 스트림은 가온될 수 있고, LNG 설비에서 연료 가스로서 사용하기 위해 혹은 다른 용도로 사용하기에 충분한 압력으로 압축된다.
상기 예에서 천연 가스 공급 원료 스트림(1)을 냉각 및 액화시키기 위한 냉동은 프로판 냉매 회로와 혼합 냉매 냉동 회로에 의해 제공된다. -36.5℃의 온도 와 61.6bara(6.16MPaa)의 압력에서 36.92몰%의 메탄, 54.63몰%의 에탄 및 8.45몰%의 프로판의 조성을 갖는 시간당 51,200kg몰의 유량으로 공급되는 라인(50)내의 고압 혼합 냉매는 열교환 섹션(51) 내의 여러 레벨의 프로판 냉매를 사용하여 예비 냉각 및 완전히 응축된다. 라인(53) 내의 예비 냉각된 혼합 냉매 스트림은 -33℃의 온도와 58.9bara(5.89MPaa)의 압력에서 혼합 냉매 열교환기(21)로 유입한다.
상기 혼합 냉매는 열교환기(21) 내에서 -120℃의 온도로 과냉각되어 라인(55) 내에서 방출한다. 이러한 과냉된 혼합 냉매는 -122.5℃와 4.2bara(0.42MPaa)에서 밸브(57)를 가로질러 단열적으로 흘러나와 라인(23)을 경유하여 열교환기(21)의 저온 단부로 흐른다. 라인(23) 내의 저압 혼합 냉매 스트림은 열교환기(21) 내에서 가온 및 기화되어 -34.5℃와 3.6bara(0.36MPaa)에서 라인(45) 내에서 가온 혼합된 냉매 스트림으로서 배출된다. 라인(45)내에서 가온된 저압 혼합 냉매 스트림은 다단, 중간 냉각된 혼합 냉매 압축기(47) 내에서 61.6bara(6.16MPaa)로 압축되며, 재순환을 위한 주변의 온도로 냉각된다.
라인(25) 내의 액화된 천연 가스의 과냉은 작업 유체로서 질소를 이용하는 복합-팽창기 가스 팽창 냉동 시스템을 사용하여 달성된다. 라인(59) 내의 고압 질소는 36.5℃의 온도와 75.9bara(7.59MPaa)의 압력에서 시간당 82,109kg몰의 유량으로 공급되는 라인(59)내의 고압 질소는 2개의 부분으로 분할된다. 시간당 69,347kg몰에서 라인(61) 내의 다량의 고압 질소 부분은 가온 질소 열교환(63)으로 유입하고 -107.7℃에서 냉각된다. 라인(65) 내에서 냉각된 고압 질소 스트림은 -152.4℃의 온도와 23.7bara(2.37MPaa)의 압력에서 저온 팽창기(31) 내에서 일 팽 창 된다. 상기 예에서 모두 증기인 라인(29) 내의 저온 일 팽창된 질소 스트림은 저온 질소 열교환기(27) 내에서 가온되고 -121.9℃에서 인출되어 라인(25) 내에서 LNG를 과냉하기 위해 요구되는 저온 냉동을 제공한다. 시간당 12,762kg몰에서 라인(69) 내의 소량의 고압 질소 부분은 여러 레벨의 프로판 냉매를 사용하여 열교환 섹션(71) 내에서 -33.1℃로 예비 냉각된다. 라인(73) 내에서 예비 냉각된 고압 질소 스트림은 그 다음 -96℃의 온도와 23.4bara(2.34MPaa)의 압력에서 가온 팽창기(75) 내에서 일 팽창 된다. 라인(77) 내의 일 팽창된 질소 스트림은 저온 열교환기(27)로부터 라인(67) 내의 가온 질소 스트림과 결합되고, -118.1℃에서 라인(79)을 경유하여 가온 열교환기(63)로 흐른다. 라인(79) 내의 결합된 질소 스트림은 가온 열교환기(63) 내에서 27.8℃에서 가온되고, 라인(81) 내의 인출된 냉매는 다단, 중간 냉각된 혼합 냉매 압축기(83) 내에서 75.9bara(7.59MPaa)로 압축되며, 재순환을 위해 주변의 온도로 냉각된다.
가온 질소 열교환기(63) 내부를 가온하기 위해 라인(77) 내의 소량의 확장된 질소 스트림을 추가함으로써, 교환기(63)의 냉각 곡선을 이상적인 곡선, 즉 유체의 가온 및 냉각 곡선들이 그 전장을 따라 서로 밀접하게 접근하게 되는 곡선에 가깝게 유지시키며, 이에 따라 프로세스 효율이 증대된다. 가온 가스 팽창 열교환기(63)에 혼합 냉매를 기화시키는 평형 스트림을 반드시 제공할 필요는 없으며, 그 대안으로 더 밀접한 평행 냉각 곡선을 얻기 위해 혼합 냉매 열교환기(21)에서 라인(73) 내의 고압 냉매 가스의 일부를 냉각시킬 필요가 있다. 본 발명의 상기 예와 도 1 내지 도 5, 도 7 및 도 8을 참조하여 전술한 실시예에는 제1 냉동 시스템과 가스 팽창 냉동 시스템의 독립적인 작동이 예시되어 있다.

Claims (33)

  1. 가스 액화 방법으로서,
    (a) 제1 냉동 시스템 내에 마련된 하나 이상의 냉매 스트림(23)과의 간접적인 열교환에 의해 제1 열교환 영역(21; 705)에서 공급 원료 가스(1)를 냉각시키고, 제1 열교환 영역으로부터 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림(즉, 대기압으로의 스로틀링에 의한 단열 팽창시 액화된 스트림은 0.25 내지 1.0의 액체 분율을 지님)(25)을 인출하는 단계와;
    (b) 폐쇄 루프형 제2 냉동 시스템에 의해 공급되는 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림(29; 205; 405; 509; 515; 619; 712; 719; 815; 823)과의 간접적인 열교환에 의해 제2 열교환 영역(27; 401; 511; 817)에서 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 더 냉각시키고, 제2 열교환 영역으로부터 더 냉각된 상태의 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림(33)을 인출하는 단계와;
    (c) 제2 냉동 시스템에서 2개 이상의 기상의 냉각 및 압축된 냉매 스트림(65, 73; 65, 201; 501, 509; 65, 616; 709, 716; 811, 819)을 일 팽창시키는 단계(31; 75; 203; 403; 513; 617; 711; 717; 813; 821)
    를 포함하며, 상기 제2 냉동 시스템의 작동은,
    (1) 하나 이상의 냉매 가스(81; 82)를 압축하여 압축된 냉매 스트림(59; 517)을 제공하는 압축 단계(83; 305; 507);
    (2) 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림(79; 67 & 301; 407; 505 & 519; 710; 825 & 827)과의 간접적인 열교환에 의해 제3 열교환 영역(63; 303; 503; 601; 701; 809)에서 압축 냉매 스트림의 전부 혹은 일부(59; 61; 306)를 냉각시켜 공급 원료 가스가 냉각되지 않거나 냉각된 공급 원료 가스 스트림이 없는 열교환 영역에 기상의 냉각 및 압축된 냉매 스트림(65; 501; 709; 812)을 제공하는 단계;
    (3) 상기 기상의 냉각 및 압축된 냉매 스트림을 일 팽창시켜 제2 열교환 영역 내에 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림들 중 하나의 냉매 스트림(29; 405; 515; 712; 823)을 제공하는 저온 일 팽창된 냉매 스트림을 제공하는 일 팽창 단계(31; 31 & 403, 31 & 513; 711; 821);
    (4) 기상의 냉각 및 압축된 냉매 스트림(73; 201; 501; 616; 716; 811)을 일 팽창시켜 제2 열교환 영역에서 또는 그 후에 가온된 저온 일 팽창된 스트림에 의해 제공되는 냉동 듀티(duty)에 추가되거나 그 냉동 듀티를 보충하는 중간 온도 스트림(77; 205; 301; 505; 619; 719; 815)을 제공하는 일 팽창 단계(75; 203; 31(도 5); 617; 717; 813)
    를 포함하며;
    제2 열교환 영역 내의 일 팽창된 냉매 스트림(29; 405; 515; 712; 823)의 유량은 제3 열교환 영역 내의 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림(79; 67+301; 407; 505+519; 710; 825+827)의 총 유량보다 작은 것인 가스 액화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제3 열교환 영역(63; 303; 503; 601; 701; 809)에서 냉각 듀티(duty)를 제공하는 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림들 중 하나는 제2 열교환 영역(27; 401; 511; 817)에서의 냉각 듀티 이후에 제2 열교환 영역에서 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림들 중 하나의 냉매 스트림(29; 405; 515; 712; 823)을 포함하며, 2개 이상의 팽창된 냉각 및 압축된 냉매 스트림들 중 다른 하나의 냉매 스트림(77; 205; 301; 505; 619; 719; 815)은 적어도 제3 열교환 영역에서의 냉각 듀티를 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 2개 이상의 팽창된 냉각 및 압축된 냉매 스트림들 중 다른 하나의 냉매 스트림(205; 619; 719; 815)은 또한 제2 열교환 영역(27; 817)에서의 냉각 듀티를 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 2개 이상의 팽창된 냉각 및 압축된 냉매 스트림들 중 다른 하나의 냉매 스트림(205; 619; 719)은 제2 열교환 영역(27)의 중간 온도 지점에서 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림들 중 하나의 냉매 스트림(29; 712)과 결합되는 것인 가스 액화 방법.
  5. 제2항에 있어서, 2개 이상의 팽창된 냉각 및 압축된 냉매 스트림들 중 다른 하나의 냉매 스트림(77; 301; 505)은 제2 열교환 영역(27; 401; 511)이 아니라 제3 열교환 영역(63; 303; 503)에서의 냉각 듀티를 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 2개 이상의 팽창된 냉각 및 압축된 냉매 스트림들 중 다른 하나의 냉매 스트림(77; 301)은 제2 열교환 영역 및 제3 열교환 영역 사이의 지점에서 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림들 중 하나의 냉매 스트림(29; 405)과 결합되는 것인 가스 액화 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 압축된 냉매 가스(59)의 제1 부분(61; 306)은 제3 열교환 영역(63; 303; 601; 701)에서 냉각되고, 상기 압축된 냉매 가스의 제2 부분(69; 307)은 제3 열교환 영역(63; 303; 601; 701)에서 냉각(71; 71 & 601; 71 & 701), 일 팽창(75; 617; 717), 및 가온되어 그 내부에 압축 냉매 가스의 제1 부분을 냉각하기 위한 냉동을 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 압축된 냉매 가스(517)는 제3 열교환 영역(503)에서 냉각되고 일 팽창되어(31) 제1 일 팽창된 냉매(29)를 제공하며, 상기 제1 일 팽창된 냉매는 제1 냉각 냉매(505) 및 제2 냉각 냉매(509)로 분할되고, 상기 제1 냉각 냉매(505)는 제3 열교환 영역에서 가온되어 그 내부에 압축된 냉매 가스를 냉각시키기 위한 냉동을 제공하며, 상기 제2 냉각 냉매(509)는 더 냉각되고(511) 일 팽창되어(513) 제2 일 팽창된 냉매(515)를 제공하며, 상기 제2 일 팽창된 냉매는 제2 열교환 영역에서 가온되어 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각하기 위한 냉동을 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 압축된 냉매 가스(59)의 제1 부분(61)은 제3 열교환 영역(601; 701)에서 냉각되고 일 팽창되어(31; 711) 제1 일 팽창된 냉매(29; 712)를 제공하며, 상기 압축된 냉매 가스의 제2 부분(69)은 제3 냉동 시스템에 의해 공급된 기화 냉매와의 간접적인 열교환(71)에 의해 냉각되고 일 팽창되어(617; 717) 제2 일 팽창된 냉매(619; 719)를 제공하고, 상기 제1 및 제2 일 팽창된 냉매는 제2 열교환 영역에서 가온되어 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각하기 위한 냉동을 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 압축된 냉매 가스(807)는 제3 열교환 영역(809)에서 냉각되어 냉각 및 압축된 냉매 가스(810)를 제공하며, 냉각 및 압축된 냉매 가스의 일부(812)는 제2 열교환 영역(817)에서 일 팽창(821) 및 가온되어 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각하기 위한 냉동을 제공하는 것인 가스 액화 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 냉동 시스템은,
    (d) 제1 냉매 가스(81)를 압축하여(83) 압축된 냉매 가스(59)를 제공하고 압축된 냉매 가스를 제1 압축 냉매(61) 및 제2 압축 냉매(69)로 분할하는 단계와;
    (e) 제1 압축 냉매(61)를 제3 열교환 영역(63)에서 냉각시켜 제1 냉각 및 압축된 냉매(65)를 제공하고, 제1 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(31) 저온 일 팽창된 냉매(29)를 제공하며, 저온 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역(27; 401)에서 가온하여 그 내부에 냉각된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 제2 열교환 영역으로부터 중간 냉매(67)를 인출하는 단계와;
    (f) 제2 압축 냉매(69)를 기화 냉매와의 간접적인 열교환(71)에 의해 냉각시켜 제2 냉각 및 압축된 냉매(73)를 제공하고, 제2 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(75) 제2 일 팽창된 냉매(77)를 제공하며, 제2 일 팽창된 냉매를 중간 냉매와 결합시켜 결합된 중간 냉매(79; 407)를 제공하는 단계와;
    (g) 상기 결합된 중간 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매(81)를 인출하여 제1 냉매 가스를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 작동되는 것인 가스 액화 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제2 냉동 시스템은,
    (d) 제1 냉매 가스(81)를 압축하여(83) 압축된 냉매 가스(59)를 제공하는 단계와;
    (e) 압축된 냉매 가스(59)를 제3 열교환 영역(63)에서 냉각시켜 냉각 및 압축된 냉매를 제공하고, 상기 냉각 및 압축된 냉매를 제1 및 제2 냉각 및 압축된 냉매(60; 201)로 분할하는 단계와;
    (f) 제1 냉각 및 압축된 냉매(60)를 제3 열교환 영역(63)에서 더 냉각시켜 제1의 추가 냉각된 냉매(65)를 제공하는 단계와;
    (g) 상기 제1의 추가 냉각된 냉매를 일 팽창시켜(31) 제1 일 팽창된 냉매(29)를 제공하고, 상기 제2 냉각 및 압축된 냉매(201)를 일 팽창시켜(203) 제2 일 팽창된 냉매(205)를 제공하는 단계와;
    (h) 제1 일 팽창된 냉매와 제2 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역(27)에서 가온시켜 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각하기 위한 냉동을 제공하고, 제2 열교환 영역에서 나온 결합된 중간 냉매(79)를 인출하는 단계와;
    (i) 상기 결합된 중간 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매를 인출하여 제1 냉매 가스(81)를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 작동되는 것인 가스 액화 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2 냉동 시스템은,
    (d) 제1 냉매 가스(81)와 제2 냉매 가스(82)를 다단 냉매 압축기(305)에서 압축하여 압축된 냉매 가스(59)를 제공하고, 압축된 냉매 가스를 제1 및 제2 압축 냉매(306, 307)로 분할하는 단계와;
    (e) 제1 압축 냉매(306)를 제3 열교환 영역(303)에서 냉각시켜 제1 냉각 및 압축된 냉매(65)를 제공하고 제1 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(31) 저온 일 팽창된 냉매(29)를 제1 압력으로 제공하며, 저온 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역(27)에서 가온하여 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 제2 열교환 영역으로부터 중간 냉매(67)를 인출하는 단계와;
    (f) 제2 압축 냉매(307)를 기화 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 냉각시켜(71) 제2 냉각 및 압축된 냉매(73)를 제공하고, 제2 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(75) 제1 압력보다 높은 제2 압력으로 제2 일 팽창된 냉매(301)를 제공하며, 제2 일 팽창된 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매(82)를 인출하여 제2 냉매 가스를 제공하는 단계와;
    (g) 중간 냉매(67)를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매(81)를 인출하여 제1 냉매 가스를 제공하는 단계와;
    (h) 제1 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 제1 단으로 주입시키고 제2 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 중간 단으로 주입시키는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 작동되는 것인 가스 액화 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2 냉동 시스템은,
    (d) 냉매 가스(81)를 압축하여(83) 압축된 냉매 가스(59)를 제공하고, 압축된 냉매 가스를 제1 압축 냉매(61) 및 제2 압축 냉매(69)로 분리하는 단계와;
    (e) 제1 압축 냉매(61)를 제3 열교환 영역(63)에서 냉각시켜 제1 냉각 및 압축된 냉매(65)를 제공하고 제1 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(31) 제1 일 팽창된 냉매(29)를 제공하는 단계와;
    (f) 제1 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역(401)에서 냉각시켜 냉각된 제1 일 팽창된 냉매(402)를 제공하며, 냉각된 제1 일 팽창된 냉매를 일 팽창시켜(403) 저온 일 팽창된 냉매(405)를 제공하고, 저온 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하며, 제2 열교환 영역으로부터 중간 냉매(67)를 인출하는 단계와;
    (g) 제2 압축 냉매(69)를 기화 냉매와의 간접적인 열교환(71)에 의해 냉각시켜 제2 냉각 및 압축된 냉매(73)를 제공하고, 제2 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(75) 제2 일 팽창된 냉매(77)를 제공하며, 제2 일 팽창된 냉매를 중간 냉매와 결합시켜 결합된 냉매(407)를 제공하는 단계와;
    (h) 결합된 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며, 제3 열교환 영역으로부터 제1 냉매 가스(81)를 인출하는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 작동되는 것인 가스 액화 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제2 냉동 시스템은,
    (d) 제1 냉매 가스(81)와 제2 냉매 가스(82)를 다단 냉매 압축기(507)에서 압축시켜 압축된 냉매 가스(517)를 제공하는 단계와;
    (e) 압축된 냉매 가스를 제3 열교환 영역(503)에서 냉각시켜 제1 냉각 및 압축된 냉매(501)를 제공하고, 제1 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(31) 제1의 저온 일 팽창된 냉매(29)를 제1 압력으로 제공하며, 제1의 저온 일 팽창된 냉매를 제1 저온 냉매(505) 및 제2 저온 냉매(509)로 분할하는 단계와;
    (f) 제1 저온 냉매(505)를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축된 냉매를 냉각하기 위한 냉동을 제공하며 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매(82)를 인출하여 제2 냉매 가스를 제공하는 단계와;
    (g) 제2 저온 냉매(509)를 제2 열교환 영역(511)에서 냉각시켜 제2 냉각 및 압축된 냉매(512)를 제공하고, 제2 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(513) 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 제2 일 팽창된 냉매(515)를 제공하는 단계와;
    (h) 제2 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 제3 열교환 영역에서 제1 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 냉동을 제공하며, 그로부터 가온된 냉매(81)를 인출하여 제1 냉매 가스를 제공하는 단계와;
    (i) 제1 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 제1 단으로 주입시키고 제2 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 중간 단으로 주입시키는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 작동되는 것인 가스 액화 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제2 냉동 시스템은,
    (d) 냉매 가스(81)를 압축하여(83) 압축된 냉매 가스(59)를 제공하고, 압축된 냉매 가스를 제1 압축 냉매(61) 및 제2 압축 냉매(69)로 분할하는 단계와;
    (e) 제1 압축 냉매(61)를 제3 열교환 영역(601)에서 냉각시켜 제1 냉각 및 압축된 냉매(65)를 제공하고 제1 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(31) 저온 제1 일 팽창된 냉매(29)를 제공하며, 저온 제1 일 팽창된 냉매를 제2 열교환 영역(27)에서 가온하여 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 제2 열교환 영역에서 부분적으로 가온된 냉매를 형성하는 단계와;
    (f) 제2 압축 냉매(69)를 기화 냉매와의 간접적인 열교환(71)에 의해 냉각시켜 중간 냉각 냉매(615)를 제공하고, 상기 중간 냉각 냉매를 제3 열교환 영역에서 더 냉각시켜 제2 냉각 및 압축된 냉매(616)를 제공하며, 제2 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(617) 제2 일 팽창된 냉매(619)를 제공하는 단계와;
    (g) 저온 제2 일 팽창된 냉매와 부분적으로 가온된 냉매를 결합시켜 결합된 중간 냉매를 제공하며, 상기 결합된 중간 냉매를 제2 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 열교환 영역에서 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 추가의 냉동을 제공하고, 제2 열교환 영역으로부터 부분적으로 가온된 냉매(67)를 인출하는 단계와;
    (h) 부분적으로 가온된 냉매를 제3 열교환 영역에서 가온시켜 그 내부에 제1 압축 냉매와 제2 압축 냉매를 냉각시키기 위한 냉동을 제공하고, 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매(81)를 인출하여 제1 냉매 가스를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 작동되는 것인 가스 액화 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제2 냉동 시스템은,
    (d) 제1 냉매 가스(81)와 제2 냉매 가스(82)를 다단 냉매 압축기(507)에서 압축시켜 압축된 냉매 가스(807)를 제공하는 단계와;
    (e) 압축된 냉매 가스를 제3 열교환 영역(809)에서 냉각시켜 냉각 및 압축된 냉매(810)를 제공하고, 냉각 및 압축된 냉매를 제1 냉각 냉매(811) 및 제2 냉각 냉매(812)로 분할하는 단계와;
    (f) 제1 냉각 냉매(811)를 일 팽창시켜(813) 제1 일 팽창된 냉매(815)를 제1 압력으로 제공하며, 제1 일 팽창된 냉매를 제2 및 제3 열교환 영역(817, 809)에서 가온시켜 제2 열교환 영역에서 제1 열교환 영역(21)으로부터 나온 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림(25)을 냉각시키기 위한 냉동과 제3 열교환 영역에서 제1 압축된 냉매(807)를 냉각시키기 위한 냉동을 제공하며, 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매를 인출하여 제2 냉매 가스(82)를 제공하는 단계와;
    (g) 제2 냉각된 냉매(812)를 제2 열교환 영역에서 냉각시켜 제2 냉각 및 압축된 냉매(819)를 제공하고, 제2 냉각 및 압축된 냉매를 일 팽창시켜(821) 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 제2 일 팽창된 냉매(823)를 제공하는 단계와;
    (h) 제2 일 팽창된 냉매를 제2 및 제3 열교환 영역에서 가온시켜 제2 열교환 영역에서 냉각된 공급 원료 스트림을 냉각시키기 위한 냉동과 제3 열교환 영역에서 제1 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 냉동을 제공하며, 제3 열교환 영역으로부터 가온된 냉매를 인출하여 제1 냉매 가스(81)를 제공하는 단계와;
    (i) 제1 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 제1 단으로 주입시키고 제2 냉매 가스를 다단 냉매 압축기의 중간 단으로 주입시키는 단계
    를 포함하는 방법에 의해 작동되는 것인 가스 액화 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 열교환 영역(63; 303; 503; 601; 701; 809)에서 냉각되는 압축 냉매 스트림의 유량은 제3 열교환 영역에서 가온되는 하나 이상의 일 팽창된 냉매 스트림의 총 유량보다 작은 것인 가스 액화 방법.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 냉동 시스템(21)은 제2 냉동 시스템과 독립적으로 작동하는 것인 가스 액화 방법.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열교환 영역(21; 705)에서 공급 원료 가스의 냉각은,
    (d) 하나 이상의 성분을 포함하는 냉매 가스(45)를 압축(47; 613; 801) 및 냉각시켜(51 & 21; 51 & 705; 21(도 8)) 냉각 및 적어도 부분적으로 응축된 냉매(55; 603)를 제공하는 단계와;
    (e) 냉각 및 적어도 부분적으로 응축된 냉매의 압력을 감소시켜(57) 기화 냉매(23)를 제공하고, 제1 열교환 영역에서 기화 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 공급 원료 가스(1)를 냉각시켜 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림(25)과 단계(d)의 냉매 가스를 제공하는 단계를 포함하는 방법에 의해 실행되는 것인 가스 액화 방법.
  21. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 공급 원료 가스(1)는 기화 냉매와의 간접적인 열교환(3)에 의해 제1 열교환 영역(21; 705) 이전에 냉각되는 것인 가스 액화 방법.
  22. 제20항에 있어서, 단계 (d)에서 냉매 가스의 냉각의 적어도 일부는 기화 냉매와의 간접적인 열교환(51)에 의해 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  23. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 냉동 시스템에 제공된 하나 이상의 냉매(609)의 일부를 제3 열교환 영역(601)에서 가온시킴으로써 제3 열교환 영역에 추가의 냉동을 제공하는 단계를 더 포함하는 것인 가스 액화 방법.
  24. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 냉동 시스템에 제공된 중간 냉각 냉매(703)의 일부를 제1 열교환 영역(705)에서 가온시킴으로써 제1 열교환 영역에 추가의 냉동을 제공하는 단계를 더 포함하는 것인 가스 액화 방법.
  25. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 원료 가스는 천연 가스를 포함하는 것인 가스 액화 방법.
  26. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 냉동 시스템에 제공된 하나 이상의 냉매는 질소, 하나 이상의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소, 및 하나 이상의 탄소 원자를 포함하는 할로겐화 탄소로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 가스 액화 방법.
  27. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 냉동 시스템에서의 냉매 가스는 질소, 아르곤, 메탄, 에탄 및 프로판으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함하는 것인 가스 액화 방법.
  28. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 가스 액화 방법에 의해 가스를 액화하기 위한 장치로서,
    (a) 제1 냉동 시스템에 의해 제공되는 하나 이상의 냉매와의 간접적인 열교환에 의해 공급 원료 가스(1)를 냉각시켜 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림(25)을 제공하기 위한 제1 냉동 시스템 및 제1 열교환 수단(21; 705)과;
    (b) 제2 냉동 시스템에 의해 제공되는 하나 이상의 저온 일 팽창된 냉매(29; 205; 405; 509; 515; 619; 712; 719; 815; 823)와의 간접적인 열교환에 의해 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림을 더 냉각시켜 추가 냉각 및 실질적으로 액화된 공급 원료 스트림(33)을 제공하는 폐쇄 루프형 제2 냉동 시스템 및 제2 열교환 수단(27; 401; 511; 817)과;
    (c) 하나 이상의 냉매 가스 스트림(81; 82)을 압축하기 위한 가스 압축 수단(83; 305; 507)과 제2 냉동 시스템의 하나 이상의 압축된 냉매 가스 스트림(59; 61; 306)을 냉각시키기 위한 제3 열교환 수단(63; 303; 503; 601; 701; 809)과;
    (d) 제2 냉동 시스템의 냉각 및 압축된 냉매 가스 스트림을 일 팽창시켜 2개 이상의 저온 일 팽창된 냉매 스트림(29 & 77; 29 & 205; 29 & 301; 29, 77 & 405; 505, 509 & 515; 29 & 619; 712 & 719; 815 & 823)을 제공하기 위한 2개 이상의 팽창기(31 & 75; 31 & 203; 31 & 75; 31, 75 & 403; 31 & 513; 31 & 617; 711 & 717; 813 & 821)와;
    (e) 2개 이상의 저온 일 팽창된 냉매 스트림 중 하나의 냉매 스트림(29; 29; 29; 405; 515; 29; 712; 823)을 제2 열교환 수단으로 이송하고 2개 이상의 저온 일 팽창된 냉매 스트림 중 다른 하나의 냉매 스트림(77; 205; 301; 77; 505; 619; 719; 815)을 제2 또는 제3 열교환 수단으로 이송하기 위한 배관 수단
    을 포함하는 것인 가스 액화 장치.
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