KR100962627B1 - 가스 액화를 위한 통합식 다중-루프 냉동 방법 - Google Patents

가스 액화를 위한 통합식 다중-루프 냉동 방법 Download PDF

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Abstract

가스(1)는, 최저온 열교환 구역(312)의 가장 높은 온도보다 높은 온도에서, 상기 영역(312)에서 기화된 상기 냉매(315)로부터 유도된 보조 냉매(373, 377)의 기화(357, 379)에 의해 제공되는 추가의 냉동으로 각각의 냉매(117, 213, 315)의 기화에 의해 적어도 두 온도 영역에서 연속적으로 냉각함으로써 액화된다. 상기 보조 냉매는 상기 최저온 열교환 구역에서 기화된 냉매와 동일한 조성을 갖지만, 다른 압력에서 기화되고, 상이한 조성을 가질 수 있다.

Description

가스 액화를 위한 통합식 다중-루프 냉동 방법{INTEGRATED MULTIPLE-LOOP REFRIGERATION PROCESS FOR GAS LIQUEFACTION}
다중-루프 냉동 시스템은 저온에서 가스를 액화하는 데 널리 이용되고 있다. 천연 가스의 액화시, 보다 낮은 온도 영역에서 공급 가스를 연속적으로 냉각 및 액화하는 냉동을 제공하기 위하여 예를 들면, 두 개 또는 세 개의 폐-루프 냉동 시스템을 통합할 수 있다. 통상적으로 이러한 폐-루프 냉동 시스템 중 적어도 하나는 다성분 또는 혼합 냉매를 이용하는 데, 그 냉매는 액체 혼합 냉매가 간접 열전달에 의해 공급 가스를 기화시키고 냉각함에 따라, 선택된 온도 영역에서 냉동을 제공한다. 두 개의 혼합 냉매 시스템을 이용한 시스템이 잘 알려져 있다. 용례에 따라서는, 프로판과 같은 순수 성분 냉매를 이용한 제3 냉동 시스템이 공급 가스를 초기 냉각한다. 이 제3 냉매 시스템은 또한 압축 후 혼합 냉매 중 하나 또는 두 냉매를 응축하는 냉각의 일부를 제공하는 데 이용될 수 있다. 더 높은 온도 영역에서 작동하는 혼합 냉매 루프와 통합되는 가스 익스팬더(expander) 루프에 의해 가장 낮은 온도 영역에서의 냉동이 제공될 수 있다.
천연 가스를 액화하기 위한 통상적인 다중-루프 혼합 냉매 공정에서, 낮은 레벨 또는 최저온 냉동 루프는 약 -30℃ 내지 약 -165℃의 온도 영역에서의 기화에 의한 냉동을 제공하여, 냉각된 공급 가스의 최종 액화 및 선택적인 과냉각(sub-cooling)을 제공한다. 냉매는 예를 들면 대표적인 미국 특허 제6,119,479호 및 제6,253,574B1호에서 설명된 것과 같이, 가장 낮은 온도 영역에서 완전히 기화되고, 냉매 압축기로 직접 복귀될 수 있다. 별법으로서, 완전하게 기화된 냉매는 압축 전에 가온되어, 미국 특허 제4,274,849호 및 제4,755,200호에 설명된 것과 같이, 공급 가스를 예비 냉각하거나 오스트레일리아 특허 AU-A-43943/85호에서 설명된 것과 같이 냉매 스트림을 냉각할 수 있다. 이들 통상적인 액화 공정의 공통적인 특징은 낮은 레벨 또는 가장 낮은 냉동 루프에서의 냉매는 가장 낮은 온도 영역에서 냉동을 제공하면서 완전하게 기화된다는 것이다. 따라서, 압축 전에 냉매에 의해 제공되는 어떠한 추가적인 냉동은 기화된 냉매로부터 다른 공정 스트림으로의 상당한 열전달에 의해 이루어진다.
미국 특허 제4,112,700호에는, 최저온 열교환 구역에서 기화되는 냉매가 천연 가스를 더 낮은 레벨로 냉각하는 열교환 구역에서 냉각된 후, 상기 냉매의 일부분의 기화가 일어나는 보조 열교환 구역에서 냉각되는 공정을 통해, 천연 가스를 액화하는 것이 개시되어 있다.
미국 특허 제4,057,972호의 도 4를 참조하면 3개의 열교환 구역을 이용한 천연 가스의 액화가 개시되어 있다. 제1 열교환 구역과 제2 열교환 구역에서, 천연 가스 공급물은 프로판을 서로 다른 압력에서 기화시키는 것을 통해 냉각되는데, 제2 열교환 구역의 압력은 제1 열교환 구역의 압력보다 높다. 이들 열교환 구역으로부터의 기화된 프로판 스트림은 압축 및 응축되어 단일 액체 냉매 스트림을 제공하고, 이 단일 액체 냉매 스트림으로부터의 냉동 부하는 제1 열교환 구역 및 제2 열교환 구역을 플래싱(flashing)하기 위해 각 냉매 스트림으로 분리하기 이전에 공기 또는 물로 배출된다. 제1 열교환 구역은 건조 이전에 공급 가스를 약 70℉(21℃)로 식히고, 제2 열교환 구역은 약 -40℉(-40℃)로 냉각하는 것을 통해 상기 건조된 공급 가스로부터 중탄화수소를 제거한다. 그 후, 탄화수소가 제거된 공급 가스는 다성분 냉매(MCR)의 가장 가벼운 부분을 기화시키는 것을 통해 제3 열교환 구역에서 액화된다. 제3 열교환 구역은 제1 열교환 구역 및 제2 열교환 구역을 포함하는 냉매 사이클과는 독립적으로 작동하는 MCR 캐스케이드 열교환기의 저온 단부에 위치한다. 가장 가벼운 부분을 포함하는 MCR 스트림은 무거운 MCR 부분을 기화하는 것을 통해 캐스케이스 열교환기의 더 따뜻한 부분에서 냉각된다.
세 개의 통합된 폐-루프 냉동 시스템을 이용하는 공지의 액화 공정에서, 세 번째 또는 가장 낮은 온도의 냉동 시스템의 공정 장치의 크기는 두 개의 더 따뜻한 냉동 시스템에 비하여 상대적으로 더 작을 수 있다. 공정의 액화 용량이 증가함에 따라, 두 개의 더 따뜻한 시스템의 압축 및 열교환 장치의 크기는 장치 판매자가 제공할 수 있는 가장 큰 크기에 도달하며, 가장 낮은 온도의 냉동 시스템의 대응 장치의 크기는 상기 최대 크기보다 작다. 상기 액화 공정의 제조 용량을 더 증가시키기 위하여, 병렬식 트레인(train)이 필요할 수 있는데, 이는 상기 두 개의 더 따뜻한 냉동 시스템에서의 압축 제한 및/또는 열교환기 크기 제한 때문이다. 이용 가능한 압축기 및 열교환기 크기의 제한에서 상기 액화 공정의 최대 제조 용량을 증가시킴으로써, 더 큰 단일-트레인 액화 공정을 이용할 수 있도록 하는 것이 요망된다.
상기 필요성은 본 발명의 실시예가 중점을 두고 있는 사항으로서, 상기 실시예는 더 따뜻한 냉동 시스템에 대해 이중의 병렬식 장치를 필요로 하지 않으면서 증대된 제조 용량을 갖는 통합식 냉동 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 제1, 제2 및 제3 온도 영역에 걸쳐 공급 가스 스트림을 연속적으로 냉각하여 액화 생성물을 제공하는 단계를 포함하는 가스 액화 방법을 제공하는 것으로서, 상기 제1 온도 영역에서 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 제1 기화 냉매에 의해 제공되고, 상기 제2 온도 영역에서 상기 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 제2 기화 냉매에 의해 제공되며, 제3 온도 영역에서 상기 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 제3 기화 냉매에 의해 제공되고, 상기 제1 냉매, 제2 냉매 및 제3 냉매는 서로 다른 조성으로 이루어지며, 제3 기화 냉매로부터 유도된 보조 냉매가 상기 제2 온도 영역에서 가장 낮은 온도보다 높은 온도에서 기화함으로써 추가의 냉동을 제공한다.
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보조 냉매는 다른 압력으로 기화된 제3 냉매의 제2 부분일 수 있다.
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상기 제1 압력은 제2 압력보다 낮을 수 있다. 상기 제1 냉매는 단일 성분 냉매일 수 있고, 상기 제2 및 제3 냉매는 다성분 냉매일 수 있다. 상기 제1 온도 영역은 약 35℃ 내지 약 -70℃ 사이에 있을 수 있고, 상기 제2 온도 영역은 약 0℃ 내지 약 -140℃의 온도 사이에 있을 수 있으며, 상기 제3 온도 영역은 약 -90℃ 내지 약 -165℃의 온도 사이에 있을 수 있다. 상기 공급 가스 스트림은 천연 가스일 수 있다.
상기 제3 냉매는:
(1) 기화된 냉매를 압축 및 냉각하여 중간 압축된 냉매를 제공하고;
(2) 중간 압축된 냉매를 추가적인 기화된 보조 냉매로 냉각하여, 결합된 중간 냉매를 제공하며;
(3) 결합된 중간 냉매를 압축 및 냉각하여 냉각 압축된 냉매를 제공하며;
(4) 냉각 압축된 냉매를 추가로 냉각 및 응축하여 제3 냉매를 제공함으로써 제공될 수 있으며, 상기 냉각 및 응축을 위한 냉동은 상기 제2 압력에서 상기 제3 냉매의 제2 부분을 기화시킴으로써 제공된다.
상기 제1 압축 증기의 냉각에 의해 2상(two-phase) 스트림이 생성될 수 있으며, 상기 방법은 상기 2상 스트림을 증기 스트림 및 액체 스트림으로 분리하는 단계; 상기 증기 스트림을 압축하여 추가의 압축된 증기를 생성하는 단계; 상기 액체 스트림을 펌핑하여 가압된 액체를 제공하는 단계; 상기 추가의 압축된 증기와 상기 가압된 액체를 결합하여 결합된 냉매 스트림을 제공하는 단계; 및 상기 결합된 냉매 스트림을 냉각하여 냉각 압축된 냉매를 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.
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보조 냉매는 제3 냉매의 일부분이 아닌 것으로서 유도될 수 있다.
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제1 냉매는 단일 성분의 냉매이다. 제2 및 제3 냉매는 다성분 냉매이다. 상기 제1 온도 영역은 약 35℃ 내지 약 -70℃ 사이에 있을 수 있고, 상기 제2 온도 영역은 약 0℃ 내지 약 -140℃의 온도 사이에 있을 수 있으며, 상기 제3 온도 영역은 약 -90℃ 내지 약 -165℃의 온도 사이에 있을 수 있다. 상기 공급 가스 스트림은 천연 가스일 수 있다.
상기 보조 냉매는,
(1) 상기 제3 냉매를 일부 또는 전부 기화시킴으로써 일부 또는 전부 기화된 가온 냉매를 제공하고; 및
(2) 상기 가온 냉매를 냉각 감압된 냉매와 결합하여 보조 냉매를 제공함으로써,
제공될 수 있고, 상기 냉각 감압된 냉매는:
(3) 상기 보조 냉매를 기화시켜 기화된 보조 냉매를 생성하고;
(4) 상기 기화된 보조 냉매를 압축 및 냉각하여 냉각, 압축, 일부-응축된 보조 냉매를 제공하며;
(5) 상기 냉각, 압축, 일부-응축된 보조 냉매를 액체 부분과 증기 부분으로 분리하고;
(6) 상기 액체 부분을 상기 기화 보조 냉매와의 간접 열교환에 의해 추가 냉각하여 냉각된 액체 냉매를 제공하며; 그리고
(7) 상기 냉각된 액체 냉매의 압력을 감소시켜 냉각 감압된 냉매를 제공함으로써, 제공된다.
상기 제1 압축 증기의 냉각에 의해 2상 스트림이 생성될 수 있으며, 상기 방법은 상기 2상 스트림을 증기 스트림 및 액체 스트림으로 분리하는 단계와, 상기 증기 스트림을 압축하여 추가의 압축된 증기를 생성하는 단계와, 상기 액체 스트림을 펌핑하여 가압된 액체를 제공하는 단계와, 상기 추가의 압축된 증기 및 가압된 액체를 결합하여 결합된 냉매 스트립을 생성하는 단계, 그리고 상기 결합된 냉매 스트림을 냉각하여 냉각, 압축, 일부-응축된 냉매를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 현재 바람직한 실시예에 대한 첨부 도면을 참조하여 단지 예시적으로 본 발명을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 가장 저온의 냉매의 기화를 위해 두 개의 압력 레벨을 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 3은 가장 낮은 온도 영역에서 이용되는 냉매의 상 분리를 이용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략적인 흐름도이다.
본 명세서에서 설명하는 본 발명의 실시예는 연속적으로 감소하는 온도에서 세 개의 온도 영역에 걸쳐 공급 스트림을 냉각하는 세 개의 폐-루프 냉동 시스템을 이용하는 가스 액화를 위한 개선된 냉동 공정에 관한 것이다. 이들 실시예는 상기 온도 영역 중 가장 낮은 온도 영역에서 냉동을 제공하는 냉동 시스템의 개선에 대한 것으로서, 상기 가장 낮은 온도 영역에서 냉동 시스템에 이용되는 압축기 및 열교환 장치의 크기는 더 높은 온도 영역에 이용되는 냉동 시스템의 압축기 및 열교환 장치에 비해 증대된다. 본 명세서에서 사용되는 냉동이라는 용어는 주변 온도보다 낮은 온도에서 유체 스트림으로부터 냉매로의 간접적인 열전달을 의미한다. 냉매는 다른 스트림과의 간접 열교환에 의해 다른 스트림으로부터 열을 흡수하는 순수한 또는 혼합된 유체이다.
종래의 대표적인 액화 공정의 개략적인 흐름도가 도 1에 도시되어 있다. 라인(1) 내의 공급 가스, 예를 들면 물 및 용이하게 응축 가능한 다른 불순물을 제거하도록 사전 처리된 천연 가스가 제1 온도 영역을 통과하면서 제1 열교환기(3) 내의 제1 기화 냉매와의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 상기 냉매는 프로판과 같이 단일 성분 냉매일 수도 있고, 또는 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄 및 이소부탄 중에서 선택되는 2종 이상의 경질 탄화수소를 포함하는 다성분 냉매일 수도 있다.
라인(5) 내의 냉각된 공급물은 제2 온도 영역을 통과하면서 제2 열교환기(7) 내의 제2 기화 냉매와의 간접 열교환에 의해 더 냉각된다. 라인(9) 내의 추가 냉각된 공급물은 제3 온도 영역을 통과하면서 제3 열교환기(11) 내의 제3 기화 냉매와의 간접 열교환에 의해 더 냉각 및 액화된다. 상기 냉매는 통상적으로 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판 및 프로필렌 중에서 선택되는 2종 이상의 냉매 성분을 포함하는 다성분 냉매이다. 라인(13) 내의 최종 액화된 생성물은 팽창 밸브(15)를 통과하면서 감압되어, 라인(17) 내에 최종 액체 생성물을 생성할 수 있다.
상기 공정의 경우 냉동은 통상적으로 세 개의 네스트형(nested) 또는 캐스케이드형(cascaded) 냉동 시스템에 의해 제공된다. 제1 냉동 시스템은 라인(101) 내의 증기 냉매를 제1 압축기 단(103)에 공급함으로써 작동하는데, 상기 가스는 2 내지 4 bara(본 명세서에서 언급하는 모든 압력은 절대 압력)로 압축되고, 후냉각기(aftercooler)(105)에서 냉각되며, 제2 압축기(107)에서 추가로 6 내지 10 bara로 압축되고, 후냉각기(109)에서 냉각되어 라인(111)에 주변 온도의 압축된 냉매를 제공한다. 압축된 냉매는 제1 열교환기(3) 내의 열교환 통로에서 더 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 라인(113) 내의 일부 또는 전부 응축된 냉매는 스로틀 밸브(115)를 지나면서 감압되어 라인(117)에 감압된 냉매를 제공하고, 이 냉매는 별도의 열교환 통로에서 기화하여 제1 열교환기(3)에 냉동을 제공한다. 라인(101) 내의 기화된 냉매는 상기한 바와 같이 압축된다.
제2 냉동 시스템은 라인(201) 내의 증기 냉매를 압축기(203)에 공급함으로써 작동하는데, 상기 가스는 10 내지 20 bara로 압축되고 후냉각기(205)에서 냉각되어 대략 주변 온도로 된다. 라인(207) 내의 압축된 냉매는 또한 제1 열교환기(3) 및 제2 열교환기(7) 내의 열교환 통로에서 추가로 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 상기 부분적으로 응축되거나 완전히 응축된 라인(209) 내의 냉매는 스로틀 밸브(211)를 지나면서 감압되어 라인(213)에 감압된 냉매를 제공하고, 이 냉매는 별도의 열교환 통로에서 기화하여 제2 열교환기(7)에 냉동을 제공한다. 라인(201) 내의 기화된 냉매는 상기한 바와 같이 압축된다.
제3 냉각 시스템은 라인(301) 내의 증기 냉매를 압축기(302)에 공급함으로써 작동하는데, 가스는 약 35 내지 약 60 bara로 압축되고, 후냉각기(303)에서 거의 주변 온도로 냉각된다. 라인(304) 내의 압축된 냉매는 제1 열교환기(3), 제2 열교환기(7) 및 제3 열교환기(11)의 열교환 통로에서 더 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 일부 또는 전부 응축된 라인(305) 내의 냉매는 스로틀 밸브(307)를 지나면서 감압되어 라인(309)에 감압된 냉매를 제공하고, 이 냉매는 별도의 열교환 통로에서 기화하여 제3 열교환기(11)에 냉동을 제공한다. 라인(301) 내의 기화된 냉매는 상기한 바와 같이 압축된다. 열교환기(11) 및 압축기(302)를 포함하는 상기 제3 냉동 루프를 이용함으로써, 공급 가스를 액화하는 데 필요한 전체 냉동 듀티의 일부가 제공되고, 제1 및 제2 냉동 시스템의 냉동 듀티 및 크기가 감소된다.
도 1에 도시한 세 개의 냉동 루프를 이용한 종래의 공정에 대한 공지의 수정 또는 변형이 가능하다. 예를 들면, 제1 냉동 루프는 캐스케이드 냉동을 이용할 수 있는데, 캐스케이드 냉동에서 냉매는 세 개의 서로 다른 압력에서 기화되며 기화된 냉매는 다단 압축기의 서로 다른 단으로 복귀한다. 제2 냉동 루프는 열교환기(7) 내의 별도의 두 열교환 통로 세트를 통해 두 개의 다른 압력에서 냉매를 기화시키고, 각각의 기화된 냉매 스트림을 별도의 두 압축기 단으로 반송할 수도 있다.
다른 변형예에서, 제3 냉동 루프는 열교환기(11) 내의 별도의 두 열교환 통로 세트를 통해 두 개의 다른 압력에서 냉매를 기화시키고, 각각의 기화된 냉매 스트림을 별도의 두 압축기 단으로 반송할 수 있다. 압축기(302) 전의 라인(301) 내의 기화된 냉매는 별도의 열교환기에서 이용되어, 제2 냉매 스트림(215)의 일부 및 라인(304) 내의 압축된 냉매의 일부를 냉각할 수도 있다.
세 개의 냉동 루프를 이용한 다른 공지의 공정에서, 제1 냉동 루프 내의 기화 냉매는 공급 가스를 사전 냉각하는 데 이용된다. 즉, 제1 냉동 루프 압축기 방출물은 제2 냉동 루프로부터의 기화 냉매 일부에 의해 냉각 및 응축된다. 압축에 앞서 제3 열교환기로부터의 제3 냉동 루프 내의 기화된 냉매는 공급 가스를 사전에 더 냉각하는 데 이용된다. 이어서 상기 추가의 사전 냉각된 공급 가스는 제3 열교환기에서 냉각 및 응축된다. 제2 냉동 루프는 상기 압축된 제3 냉매를 냉각 및 응축한다.
상기 공지의 액화 공정의 공통된 특징은, 제3 냉동 루프, 즉 낮은 레벨 또는 가장 낮은 냉동 루프 내의 냉매가 가장 낮은 온도 영역에서 냉동을 제공하면서 완전히 기화된다는 점이다. 압축에 앞서 냉매에 의해 제공되는 다른 추가의 냉동은 오로지, 기화된 냉매로부터 다른 공정 스트림으로의 상당한 열전달에 의해 이루어진다.
도 2에 도시된 본 발명의 제1 실시예를 참조하면, 라인(1) 내의 공급 가스, 예를 들면 물 및 다른 응축 가능한 불순물을 제거하도록 사전 처리된 천연 가스는 제1 온도 영역을 통과하면서 제1 열교환기(310)에서 제1 기화 냉매와의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 냉매는 예를 들면 에탄, 에틸렌, 프로판, 부탄, n-펜탄 및 i-펜탄(즉, 2-메틸 부탄)으로부터 선택된 2종 이상의 경질 탄화수소를 포함하는 다성분 냉매일 수 있다. 별법으로서, 상기 냉매는 프로판과 같은 단일 성분일 수 있다. 제1 온도 영역의 상위 온도는 주변 온도일 수 있고, 제1 온도 영역의 하위 온도는 약 -35℃ 내지 약 -55℃ 사이일 수 있다. 제1 온도 영역에서 바람직한 하위 온도를 달성하도록 특정 냉매 조성을 선택할 수 있다.
라인(5) 내의 냉각된 공급물은 제2 온도 영역을 통과하면서 제2 열교환기(311)에서 제2 기화 냉매와의 간접 열교환에 의해 약 -40℃ 내지 약 -100℃ 사이의 온도로 더 냉각된다. 냉매는 통상적으로 다성분 냉매이고, 예를 들면 메탄, 에탄, 에틸렌 및 프로판에서 선택되는 2종 이상의 성분을 포함할 수 있다. 제2 온도 영역에서 바람직한 하위 온도를 달성하도록 특정한 냉매 조성을 선택할 수 있다.
라인(9) 내의 추가로 냉각된 공급물은 제3 온도 영역을 통과하면서 제3 열교환기(312)에서 제3 기화 냉매와의 간접 열교환에 의해 더 냉각 및 액화되어 약 -85℃ 내지 약 -160℃ 사이의 하위 온도에 도달한다. 이 냉매는 다성분 냉매이고, 예를 들면, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화 수소, n-펜탄, i-펜탄(즉, 2-메틸 부탄) 및 질소에서 선택되는 2종 이상의 성분을 포함할 수 있다. 이 냉매에서, i-펜탄이 바람직한 성분이지만 필수적인 것은 아니다. 제3 온도 영역에서 바람직한 하위 온도를 달성하도록 특정 냉매 조성을 선택할 수 있다. 라인(13) 내의 최종 액화된 생성물은 팽창 밸브(15)를 지나면서 감압되어, 라인(17) 내에 최종 액체 생성물을 생성할 수 있다.
제1 온도 영역은 제1 온도 및 제2 온도에 의해 한정될 수 있고, 제1 온도는 주변 온도일 수 있다. 제2 온도 영역은 제2 온도 및 제3 온도에 의해 한정될 수 있고, 제3 온도 영역은 제3 온도 및 제4 온도에 의해 한정될 수 있다. 제1 온도 영역은 가장 높은, 즉 가장 따뜻한 온도 영역이고, 제3 온도 영역은 가장 낮은, 즉 최저온 온도 영역이다. 제1 온도는 가장 높은 온도이고, 제4 온도는 가장 낮은 온도이다.
상기 공정을 위한 냉동은 세 개의 네스트형 또는 캐스케이드형 냉동 시스템에 의해 제공될 수 있다. 제1 냉동 시스템은 도 1을 참조하여 전술한 제1 냉동 시스템과 유사할 수 있고, 라인(101) 내의 증기 냉매를 제1 압축기 단(103)에 공급하여 작동할 수 있는데, 상기 가스는 2 내지 4 bara로 압축되고, 후냉각기(105)에서 냉각되며, 제2 압축기(107)에서 6 내지 10 bara로 더 압축되고, 후냉각기(109)에서 냉각되어, 라인(111)에 주변 온도의 압축된 냉매를 제공한다. 압축된 냉매는 제1 열교환기(310) 내의 열교환 통로에서 추가로 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 일부 또는 전부 응축된 라인(113) 내의 냉매는 스로틀 밸브(115)를 지나면서 감압되어 라인(117)에 감압된 냉매를 제공하고, 이 냉매는 별도의 열교환 통로에서 기화하여 제1 열교환기(3)에 냉동을 제공한다. 라인(101) 내의 기화된 냉매는 상기한 바와 같이 압축된다.
제2 냉동 시스템은 도 1을 참조하여 전술한 제1 냉동 시스템과 유사할 수 있고, 라인(201) 내의 증기 냉매를 압축기(203)에 공급함으로써 동작할 수 있는데, 가스는 10 내지 20 bara로 압축되고, 후냉각기(205)에서 대략 주변 온도로 냉각된다. 라인(207) 내의 압축된 냉매는 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(311)의 열교환 통로에서 더 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 일부 또는 전부 응축된 라인(209) 내의 냉매는 스로틀 밸브(211)를 지나면서 감압되어, 라인(213)에 감압된 냉매를 제공하고, 이 냉매는 별도의 열교환기 통로에서 기화하여 제2 열교환기(311)에 냉동을 제공한다. 라인(201) 내의 기화된 냉매는 상기한 바와 같이 압축된다.
본 실시예의 제3 냉동 시스템은 전술한 종래의 제3 냉동 시스템과 다르고, 제1 및 제2 냉동 시스템과 독립적으로 작동한다. 이 제3 냉동 시스템에서, 라인(313) 내의 응축된 냉매는 스로틀 밸브(314)를 지나면서 감압되고, 라인(315)으로부터의 감압 응축된 냉매는 제3 열교환기(312)에서 기화되어 냉동을 제공한다.
감압 응축된 냉매는 저온 열교환기(312)에서 완전히 기화되고 주변 온도보다 낮은 온도에서 압축된다. 압축된 냉매의 냉각의 일부는 열교환기(312)의 가장 높은 온도보다 높고 열교환기(311) 내의 공급 스트림의 가장 낮은 온도보다 높은 온도에서 열교환기(357) 내에서의 자동 냉동(autorefrigeration)에 의해 제공된다. 열교환기(357) 내의 기화 냉매의 압력은 저온의 열교환기(312) 내의 기화 냉매의 압력보다 높다.
라인(316) 내의 기화된 냉매는 제1 압축기(359)에서 3 내지 25 bara 범위의 압력으로 압축되고, 라인(361) 내의 압축된 스트림은 냉각기(362)에서 거의 주변 온도로 냉각되어 라인(365)에 중간 압축된 가스를 제공한다. 중간 압축된 가스는 라인(367)에서 기화된 보조 냉매 스트림과 결합하고(후술함), 통상적으로 거의 주변 온도 및 20 내지 50 bara의 압력에 있는 상기 결합된 냉매 스트림은 제2 압축기(319)에서 더 압축되며, 중간 냉각기(320)에서 냉각되고 부분적으로 응축되며, 분리기(321)에서 분리되어 라인(322)에 증기 스트림을 제공하고 라인(323)에 액체 스트림을 제공한다.
라인(322) 내의 증기 스트림은 압축기(324)에서 30 내지 70 bara의 압력으로 더 압축되고, 분리기(321)로부터의 액체 스트림(323)은 펌프(325)에 의해 동일한 압력으로 가압되며, 이들 두 가압된 스트림은 결합되어 공기 또는 냉각수에 의해 후냉각기(327)에서 추가로 냉각되는 2상 냉매 스트림(326)을 제공한다.
라인(328) 내의 일부 또는 전부 응축된 냉매는 열교환기(357)에서 추가로 냉각되어 라인(369)에 냉각된 냉매를 제공하고, 이 냉매 스트림은 제1 및 제2 부분으로 분할된다. 제1 부분은 스로틀 밸브(371)를 지나면서 감압되고, 보조 냉매로 정의될 수 있는 감압된 냉매는 라인(373)을 경유하여 열교환기(357)로 흐르는데, 여기서 가온 및 기화되어 그 열교환기에 냉동을 제공하고 라인(367)에 기화된 보조 냉매 스트림을 생성한다. 상기 냉각된 냉매의 제2 부분은 라인(329)을 경유하여 흐르고, 열교환기(312)의 유로(356)에서 추가로 냉각되어 상기한 냉매(313)를 생성한다. 따라서 라인(367, 373) 내의 보조 냉매는 라인(315) 내의 냉매로부터 유도되고, 본 실시예에서 라인(315) 내의 냉매와 동일한 조성을 갖는다.
선택적으로, 분리기(321), 펌프(325), 압축기(324) 및 냉각기(327)가 이용되지 않으며, 일부 또는 전부 응축된 라인(328) 내의 냉매는 냉각기(320)로부터 직접 제공된다.
통상적으로, 라인(315) 내의 저압 냉매 스트림은 열교환기(312)에서 약 2 내지 10 bara의 압력 범위에서 기화되고, 라인(373) 내의 중간 압력 냉매 스트림은 열교환기(357)에서 약 5 내지 20 bara의 압력 범위의 상위 압력에서 기화된다.
상기 실시예를 천연 가스의 액화에 이용하는 경우, 메탄보다 무거운 탄화 수소는 스크럽 칼럼(scrub column) 또는 다른 부분 응축 및/또는 증류 공정을 포함하는 공지의 방법에 의해 최종 메탄 액화 전에 응축 및 제거될 수 있다. 이 응축된 천연 가스 액체(NGL)는 분별되어 냉동 시스템에서 냉매에 선택된 성분을 제공할 수 있다. 이 실시예의 변형은 제3 고압에서 라인(369) 내의 냉매의 일부를 기화시켜, 라인(315, 373) 내의 냉매 스트림을 저압 기화시키는 것에 의해 제공되는 것보다 더 고온의 냉동을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
제3 냉동 시스템에서 이용되는 혼합 냉매는 냉매가 넓은 온도 영역에 걸쳐 기화될 수 있도록 해주는 선택된 성분 및 조성을 포함한다. 냉매가 기화하는 온도 영역 및 상기 성분을 선택하기 위한 기준은 당업계에 공지된 3-루프 액화 시스템의 제3 또는 저레벨 냉동 루프에서 통상 이용되는 혼합 냉매를 선택하기 위한 기준과 다르다. 본 발명의 제3 루프 내의 혼합 냉매는 제2 온도 영역에서 가장 낮은 온도[즉, 제2 열교환기(311)에서 가장 낮은 온도] 위의 온도에서뿐만 아니라 제3 온도 영역에서[즉, 제3 열교환기(312)에서] 기화할 수 있어야 한다. 냉매 조성 및 압력에 따라, 기화는 제2 온도 영역에서 가장 높은 온도보다 높은 온도에서 가능할 수 있고 바람직할 수도 있다.
제3 루프에서 이용되는 냉매의 통상적인 조성(몰%)은 5-15% 질소, 30-60% 메탄, 10-30% 에탄, 0-10% 프로판 및 0-15% i-펜탄을 포함할 수 있다. 네 개의 탄소 원자를 갖는 1종 이상의 탄화 수소가 냉매에 존재할 수 있지만, 네 개의 탄소 원자를 갖는 1종 이상의 탄화 수소의 전체 농도는 i-펜탄의 농도보다 낮은 것이 바람직하다. 기화 압력을 받게 됨으로써, 냉매에서 네 개의 탄소 원자를 갖는 1종 이상의 탄화 수소에 대한 i-펜탄의 몰비는 1보다 크며, 1.5보다도 클 수 있다. 보통의 펜탄(n-펜탄) 역시 냉매 중에 존재할 수 있지만, i-펜탄보다 농도가 더 낮은 것이 바람직하다.
제3 냉동 루프에서 이용하기 위한 냉동 성분은 천연 가스 공급물의 초기 냉각에 의해 응축되는 메탄보다 무거운 탄화 수소 액체로부터 제공될 수 있다. 이 응축된 천연 가스 액체(NGL)는 공지의 방법으로 회수 및 분별되어 바람직한 혼합 냉매에 이용하기 위한 각각의 성분을 얻는다. 천연 가스 공급물이 예컨대 n-펜탄과 i-펜탄을 모두 포함하는 경우, 상기 성분들이 제3 냉동 루프에서 냉매에 이용하기 위해 증류에 의해 NGL로부터 회수되는 경우, 냉매에서 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비는 공급 가스에서 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비보다 크다. 바람직하게는, 냉매에서 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비는 공급 가스에서 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비의 두 배이다. i-펜탄은 n-펜탄보다 낮은 빙점을 갖고 있어서 냉매를 더 낮은 온도에서 이용할 수 있게 하므로, i-펜탄이 냉매에 사용하기에 n-펜탄보다 더 바람직하다.
천연 가스 공급물이 i-펜탄 및 네 개의 탄소 원자를 갖는 1종 이상의 탄화 수소를 포함하는 경우, 상기 성분들이 제3 냉동 루프에서 냉매에 이용하기 위해 증류에 의해 NGL로부터 회수되는 경우, 냉매에서 네 개의 탄소 원자를 갖는 1종 이상의 탄화 수소에 대한 i-펜탄의 몰비는 공급 가스에서 네 개의 탄소 원자를 갖는 1종 이상의 탄화 수소에 대한 i-펜탄의 몰비보다 크다.
본 실시예에서 제3 냉동 루프는 자체-냉동되고, 제1 및 제2 냉동 루프와 독립적이다. 도 1의 공정과 대조적으로, 도 2의 제3 냉동 루프의 압축된 냉매는 제1 및 제2 냉동 루프에 의해 제1 및 제2 열교환 구역에서 냉각되지 않는다. 이것은 제1 및 제2 냉동 루프의 부담을 줄이고, 따라서 도 1의 공정에 비해, 제1 및 제2 냉동 루프의 압축 장치 및 제1 및 제2 열교환 구역의 크기를 감소시킨다. 이것은 도 2의 공정이 매우 큰 생산량을 얻도록 설계된 액화 시스템에 이용되는 경우에 특히 유리하다. 제1 및 제2 냉동 루프의 압축 및 열교환 장치의 크기가 장치 공급자로부터 얻을 수 있는 최대 크기에 이르는 경우, 도 1의 공정을 이용하는 것 보다 도 2의 공정을 이용하여 더 높은 생산률을 달성할 수 있다.
도 2의 공정 실시예에 대하여 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 하나의 압축 단 또는 2 이상의 압축 단을 필요에 따라 이용할 수 있는데, 이는 증기 압축 단과 함께 펌핑하는 동안 다중 액체 스트림을 형성한다. 다른 변형예에서, 압축 시스템 내의 냉매 조성 및 압력은 중간 단계 응축이 발생하지 않고 증기/액체 분리가 필요하지 않은 그러한 것일 수 있다.
삭제
도 3의 실시예를 참조하면, 열교환기(312)를 냉각하는 냉동을 제공하는 제3 냉동 루프는 상 분리를 통해 제3 냉매로부터 유도된 내부 보조 액체 냉매에 의해 자동 냉각을 제공하도록 변형된다. 도 3의 실시예에서, 액화될 라인(9) 내의 공급 스트림은 저온 열교환기에서 최종의 가장 낮은 온도로 냉각되고, 감압되어 라인(13) 내에 액체 생성물을 제공하는데, 이는 감압되어 라인(17) 내에 감압된 생성물을 제공할 수 있다. 이 최종 냉각을 위한 냉동은, 라인(329) 내의 냉매를 냉각하여 라인(313)에 냉각된 액체 냉매를 제공하고, 스로틀 밸브(314)를 지나면서 감압하여 라인(315)에 감압된 냉매를 생성하며, 상기 냉매를 일부 또는 전부 기화시켜 열교환기(312)에 냉동을 제공함으로써 제공된다.
일부 또는 전부 기화된 라인(316) 내의 냉매는 스로틀 밸브(375)를 지나면서 감압(후술)됨으로써 제공되는 감압된 냉매와 결합되어, 라인(377)에 결합된 냉매 스트림을 생성한다. 보조 냉매 스트림으로 설명될 수 있는 상기 결합된 냉매 스트림은 열교환기(379)에서 가온되고 기화되어, 그 열교환기 내에 냉동을 제공하고 라인(381)에 기화된 보조 냉매를 생성한다. 상기 기화된 보조 냉매는 압축기(319)에서 압축되고, 중간 냉각기(320)에서 냉각 및 부분 응축되며, 분리기(321)에서 분리되어 라인(322)에 증기 스트림을 라인(323)에 액체 스트림을 제공한다.
라인(322) 내의 증기 스트림은 압축기(324)에서 30 내지 70 bara의 압력으로 더 압축되고, 분리기(321)로부터의 액체 스트림은 펌프(325)에 의해 동일한 압력으로 가압되며, 이들 두 개의 가압된 스트림은 결합되어 2상 냉매 스트림(326)을 제공하는데, 이 스트림은 공기 또는 냉각수에 의해 후냉각기(327)에서 추가로 냉각되어 라인(328)에 부분 응축된 보조 냉매를 제공한다.
선택적으로, 분리기(321), 펌프(325), 압축기(324) 및 냉각기(327)가 이용되지 않으며, 라인(328) 내의 부분 응축된 보조 냉매는 냉각기(320)로부터 직접 제공된다.
상기 부분 응축된 보조 냉매는 라인(328)을 경유하여 분리기(330)로 흐르고, 상기 분리기에서 분리되어 라인(385)에서 증기 냉매 부분을 생성하며, 라인(383)에서 액체 냉매 부분을 생성한다. 라인(383) 내의 액체 냉매 부분은 열교환기(379)에서 냉각되어 라인(389)에 냉각된 냉매를 생성하는데, 이 냉매는 스로틀 밸브(375)를 지나면서 감압되고 라인(316) 내의 일부 또는 전부 기화된 냉매와 결합되어 라인(377)에 보조 냉매 스트림을 생성한다.
이와 같이, 라인(383, 389, 377, 381) 내의 냉매는 라인(315) 내의 냉매로부터 유도되는 보조 냉매이다. 본 실시예에서, 상기 보조 냉매는 라인(315) 내의 냉매와 동일한 성분을 포함하지만 상이한 조성을 갖고 있다. 이러한 조성 차이는 라 인(387)에 액체 냉매를 라인(385)에 증기 냉매를 생성하는 라인(328) 내의 부분 응축된 냉매의 상 분리의 결과이다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예 모두는 가장 낮은 냉동 온도를 제공하는 제3 냉각 루프로부터의 냉매가 기화되어 열교환기(311)에서 제2 냉각 루프에 의해 냉각되는 공급물의 가장 낮은 온도보다 높고 낮은 온도 영역에서 냉동을 제공한다는 점에서 도 1의 종래 기술과 다르다. 따라서, 열교환기(311)에서 공급물의 가장 낮은 온도 보다 높은 냉동은 최저온 열교환기(312)에서 냉동을 제공하는 라인(315) 내의 냉매로부터 유도된 보조 냉매를 기화시킴으로써 열교환기[357(도 2) 또는 379(도 3)]에서 제공된다. 열교환기(311)에서 냉각되는 공급물의 가장 낮은 온도 미만의 냉동은 열교환기(312)에서 제공된다. 따라서, 상기 두 개의 온도 영역, 즉 열교환기(311)에서 공급물의 가장 낮은 온도보다 높은 영역과 낮은 영역에서의 냉동은 제3 냉각 루프에 의해 제공된다.
또한, 상 분리 후 라인(383, 385) 내의 고압 냉매를 냉각하는 모든 또는 대부분의 냉동은 제3 냉각 루프의 자동 냉동에 의해 제공되고, 제3 냉각 루프에서 압축된 냉매의 상기 냉각은 두 개의 더 따뜻한 냉각 루프와 독립적으로 수행된다. 이러한 특징은 두 개의 더 따뜻한 냉각 루프의 냉동 필요성을 크게 줄이고, 그에 따라 두 개의 더 따뜻한 냉각 루프에서 압축기가 상업적으로 이용가능한 최대 크기에 도달한 경우에 천연 가스 액화 플랜트에서 생산 용량을 더 크게 한다는 점에서 유리하다.
도 2 및 도 3의 공정의 다른 실시예가 도 4 및 도 5에 각각 도시되어 있다. 이들 변형예에서, 제1 냉동 루프[압축기(103, 107), 냉각기(105, 109) 및 스로틀 밸브(115)]는 단일-성분 캐스케이드 냉동 시스템으로 대체된다. 프로판이 단일 냉동 루프의 단일 냉매로 이용될 수 있다. 제2 및 제3 냉동 루프는 도 2 및 도 3의 실시예와 동일하게 유지된다.
다단 압축기(119)와 후냉각기(121)는 대략 주변 온도 및 10 내지 15 bara의 압력 범위에서 라인(123)에 압축된 냉매를 제공하도록 작동된다. 라인(123) 내의 압축된 냉매는 스로틀 밸브(125)를 지나면서 감압되고, 라인(127) 내의 감압된 냉매는 열교환기(129)에서 부분적으로 기화되어 그 열교환기 내에 냉동을 제공하고 라인(131)에 2상 냉매를 생성한다. 상기 2상 냉매는 분리기(133)에서 분리되어 라인(135)에 증기를 제공하고 라인(137)에 액체를 제공하는데, 상기 증기는 압축기(119)의 저압 단 흡입부로 복귀된다. 상기 액체는 스로틀 밸브(139)를 지나면서 감압되고, 열교환기(129)에서 일부 기화되어 그 열교환기에 냉동을 제공한다. 라인(141) 내의 2상 냉매는 분리기(143)에서 분리되어 라인(145)에 증기를 생성하고 라인(147)에 액체를 생성하는데, 상기 증기는 압축기(119)의 중간 단 흡입부로 복귀된다. 상기 액체는 스로틀 밸브(149)를 지나면서 감압되고, 이 감압된 냉매는 열교환기(129)에서 기화되어 그 열교환기 내에 추가의 냉동을 제공한다. 라인(151) 내의 증기는 압축기(119)의 입구로 복귀된다.
도 2 내지 도 5의 실시예는 기존의 2-루프 이중 혼합 냉매 액화 플랜트 또는 2-루프 프로판-혼합 냉매 천연 가스 액화 플랜트에서 새로운 장치로 설치될 수 있다.
예
도 3의 공정을 다음의 비제한적인 예로 설명하는데, 상기 예에서 라인(1) 내의 천연 가스 100 kg-몰/시간의 공급 가스 스트림이 액화되어 라인(17)에 액화 천연 가스(LNG) 생성물을 제공한다. 물 및 산성 가스 불순물을 제거하도록 사전 정제된(도시 생략) 라인(1) 내의 공급 가스가 27℃의 온도와 60 bara의 압력으로 제공된다. 라인(1) 내의 공급 가스 및 라인(207) 내의 혼합 증기 냉매는, 메탄 2%, 에탄 62% 및 이소부탄 34%와 추가 부탄의 몰 조성을 갖는 기화 혼합 냉매에 의해 제1 열교환기(130)에서 -39℃의 온도로 냉각된다. 이러한 냉각을 이루기 위하여, 혼합 냉매 스트림(113)은 5 bara의 압력에서 압축기(103)에 공급되기 전에 열교환기(310)에서 기화 및 가온된다. 압축기(103)는 배출 압력이 19.5 bara이다. 혼합 냉매는 냉각수 또는 공기와 같은 주변 온도 냉각 매체를 이용하여 후냉각기(105)에서 36.5℃의 온도로 냉각되고 응축된다. 그 결과 얻어지는 스트림은 압축기(107)에서 34 bar의 압력으로 추가 압축되고, 냉각수 또는 공기와 같은 주변 온도 냉각 매체를 이용하여 후냉각기(109)에서 36.5℃의 온도로 냉각된다. 라인(113) 내에서의 전체 혼합 냉매 스트림은 124 kg-몰/시간이다.
라인(5) 내의 냉각된 공급물 및 라인(208) 내의 제2 혼합 냉매는 제2 열교환기(311)에서 -119℃의 온도로 냉각되어, 라인(9)에 추가 냉각된 공급물을 생성하고 라인(209)에 추가 냉각된 제2 혼합 냉매를 생성한다. 라인(209) 내의 혼합 냉매는 밸브(211)를 지나면서 4.2 bara의 압력으로 교축되어 라인(213)에 감압된 혼합 냉매를 생성한다. 라인(213) 내의 혼합 냉매는 열교환기(311)에서 기화되어 그 안에 냉동을 제공한다. 상기 제2 냉각 루프에 대한 혼합 냉매는 87 kg-몰/시간의 유량 및 메탄 27몰%, 에탄 63% 및 프로판 10몰%의 조성을 갖고 있다. 라인(201) 내의 기화된 제2 혼합 냉매 스트림은 3-단계 중간 냉각 압축기(203)에서 57 bara의 압력으로 압축된다. 압축된 혼합 냉매는 냉각수를 이용하여 후냉각기(205)에서 36.5℃로 냉각되어, 라인(207)에 냉각 압축 혼합된 냉매를 제공한다.
라인(9) 내의 공급물 및 라인(329) 내의 제3 혼합 냉매는 제3 열교환기(312)에서 -156℃의 최종 온도로 냉각되어, 라인(17)에 LNG 생성물 및 라인(313)에 응축된 제3 혼합 냉매를 각각 생성한다. 라인(313) 내의 혼합 냉매는 밸브(314)를 통해 3.7 bara의 압력으로 교축되어, 라인(315)에 감압된 제3 혼합 냉매를 제공한다. 감압된 제3 혼합 냉매는 제3 열교환기(312)에서 부분적으로 기화되어 그 내부에 냉동을 제공하고, 라인(316)에 부분적으로 기화된 냉매를 제공하는데, 이 냉매는 증기 비율이 95%이고 온도가 -123℃이다. 라인(329) 내의 상기 제3 냉각 루프용의 혼합 냉매는 59 kg-몰/시간의 유량 및 질소 12%, 메탄 52%, 에탄 18%, 프로판 6%, 및 i-펜탄 12%의 조성(몰%)을 갖고 있다.
라인(389) 내의 혼합 냉매는 약 3.6 bara의 압력으로 라인(375)에서 교축되고, 스트림(316)과 결합되어 스트림(377)을 형성하는데, 이 스트림은 제4 열교환기(379)에서 완전히 기화되고 26℃로 가온되어 그 열교환기 내에 냉동을 제공한다. 라인(381) 내의 기화된 냉매는 제1 압축기 단(319)에서 17.7 bara로 압축되고, 36.5℃로 냉각되며, 주변 공기 또는 수냉각된 중간 냉각기(320)에서 부분적으로 액화된다. 2상 냉매는 분리기(321)에서 분리되어, 라인(322)에 증기 냉매를 라인(323)에 액체 냉매를 생성한다. 액체 냉매는 펌프(325)에서 47 bara로 가압된다. 라인(322) 내의 증기 냉매는 압축기(324)에서 47 bara의 압력으로 압축되고, 펌프(325)로부터의 가압된 냉매와 결합되며, 라인(326) 내의 상기 결합된 스트림은 수냉각된 후냉각기(327)에서 36.5℃로 냉각되어, 라인(328)에 냉각된 혼합 냉매를 생성한다. 상기 2상 냉매는 분리기(330)에서 분리되어, 라인(385)에 혼합 증기 냉매를 라인(383)에 혼합 액체 냉매를 생성한다. 혼합 액체 냉매는 제4 열교환기(379)에서 냉각되어, 라인(389)에 냉각된 혼합 냉매를 제공한다. 혼합 증기 냉매는 제4 열교환기(379)에서 냉각 및 액화되어, 라인(329)에 냉각된 혼합 냉매를 제공하며, 이 냉매는 상기한 바와 같이 제3 열교환기(312)에서 추가로 냉각된다.
상기 도 1 내지 도 5의 설명에서, 라인(즉, 공정 스트림이 통과하여 흐르는 파이프)에 대한 참조 부호는 또한 상기 라인 내에서 흐르는 공정 스트림을 나타낼 수도 있다. 이하의 방법의 청구항에서, 참조 번호는 상기 라인에서 흐르는 공정 스트림을 지칭한다. 이하의 시스템 청구항에서, 참조 번호는 상기 라인 내에서 흐르는 공정 스트림보다는 라인을 지칭한다. 도 2 내지 도 5에서 참조 부호는 이하의 청구항을 명확하게 하기 위한 것이지 어떠한 방식으로든 본 청구항의 범위를 제한하는 것이 아니다.

Claims (27)

  1. 제1 온도 영역, 제2 온도 영역 및 제3 온도 영역 각각에서 3개의 열교환 구역(310, 311, 312)을 통해 공급 가스 스트림을 연속적으로 냉각하여 액화 생성물(13)을 제공하는 것을 포함하고, 제1 온도 영역에서 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 제1 기화 냉매(117)에 의해 제공되며, 제2 온도 영역에서 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 제2 기화 냉매(213)에 의해 제공되며, 제3 온도 영역에서 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 제3 기화 냉매(315)에 의해 제공되고, 제1 기화 냉매, 제2 기화 냉매 및 제3 기화 냉매는 서로 다른 조성으로 이루어지는 것인 가스(1) 액화 방법에 있어서,
    (최저온) 제3 열교환 구역(312)에서 기화된 제3 기화 냉매(315)로부터 보조 냉매(373, 377)가 유도되고, 제2 열교환 구역(311)에서 가장 낮은 온도보다 높은 온도에 있어서 상기 보조 냉매가 기화(357, 379)함으로써, 추가의 냉동이 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 액화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 보조 냉매(373)는 최저온 열교환 구역(312)에서 기화되는 냉매(315)와 동일한 조성을 갖지만 다른 압력으로 기화(357)되는 것인 가스 액화 방법.
  3. 제2항에 있어서, 최저온 열교환 구역(312)에 대한 냉매(315)는,
    (1) 중간 압축된 냉매(365)를 제공하기 위해, 기화된 냉매(316)를 압축(359) 및 냉각(362)하고;
    (2) 결합된 중간 냉매를 제공하기 위해, 중간 압축된 냉매(365)를 기화된 보조 냉매(367)와 결합하며;
    (3) 냉각 압축된 냉매(328)를 제공하기 위해, 상기 결합된 중간 냉매를 압축(319) 및 냉각(320)하고;
    (4) 일부(329)는 최저온 열교환 구역(312)에 냉매(315)를 제공하고 다른 일부는 보조 냉매(373)를 제공하는 것인 결합된 냉매(369)를 제공하기 위해, 상기 냉각 압축된 냉매(328)를 기화 보조 냉매(373)와의 간접 열교환에 의해 추가로 냉각 및 응축(357)하는 것에 의해 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  4. 제1항에 있어서, 보조 냉매(377)는 최저온 열교환 구역(312)에서 기화된 냉매(315)와 조성이 다른 것인 가스 액화 방법.
  5. 제4항에 있어서, 보조 냉매(377)는,
    (1) 일부 또는 전부 기화된 가온 냉매(316)를 제공하기 위해, 상기 최저온 열교환 구역(312)에서 냉매(315)를 일부 또는 전부 기화시키며;
    (2) 보조 냉매(377)를 제공하기 위해, 가온 냉매(316)를 냉각 감압(375)된 냉매와 결합하는 것에 의해 제공되고, 상기 냉각 감압된 냉매는,
    (3) 기화된 보조 냉매(381)를 생성하기 위해, 보조 냉매(377)를 기화(379)시키며;
    (4) 냉각, 압축, 부분 응축된 보조 냉매(328)를 제공하기 위해, 상기 기화된 보조 냉매를 압축(319) 및 냉각(320)하고;
    (5) 냉각, 압축, 부분 응축된 보조 냉매(328)를 액체 부분(383)과 증기 부분(385)으로 분리(330)하며;
    (6) 냉각된 액체 냉매(389)를 제공하기 위해, 기화 보조 냉매(377)와의 간접 열교환(379)에 의해 액체 부분(383)을 추가로 냉각하고;
    (7) 냉각 감압(375)된 냉매를 제공하기 위해, 상기 냉각된 액체 냉매(389)를 감압(375)하는 것에 의해 제공되는 것인 가스 액화 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 공급 가스 스트림(1)은 천연 가스인 것인 가스 액화 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 기화 냉매는 단일 조성의 냉매이거나 다중 조성의 냉매이고, 제2 기화 냉매 및 제3 기화 냉매는 각각 다중 조성의 냉매인 것인 가스 액화 방법.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1, 제2 및 제3 온도 영역은 별개의 폐-루프 시스템인 것인 가스 액화 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열교환 구역(310)은 공급 가스 스트림을 -35℃와 -55℃ 사이로 냉각하고, 제2 열교환 구역(311)은 공급 가스 스트림을 -40℃와 -100℃ 사이로 냉각하며, 제3 열교환 구역(312)은 공급 가스 스트림을 -85℃와 -160℃ 사이로 냉각하는 것인 가스 액화 방법.
  10. 제1 온도 영역, 제2 온도 영역 및 제3 온도 영역 각각을 통해 공급 가스 스트림(1)을 연속적으로 냉각하여 액화 생성물(13)을 제공하기 위한 3개의 열교환 구역(310, 311, 312)을 포함하고, 이들 열교환 구역(310, 311, 312)에 서로 다른 조성으로 이루어진 제1 냉매(117), 제2 냉매(213) 및 제3 냉매(315)를 각각 제공하기 위한 각각의 냉동 시스템을 포함하는, 제1항의 가스 액화 방법에 의해 가스 스트림(1)을 액화하기 위한 가스 스트림 액화 시스템에 있어서,
    (최저온) 제3 열교환 구역(312)에서 기화된 제3 냉매(315)로부터 보조 냉매(373, 377)가 유도되고, 제2 열교환 구역(311)의 가장 낮은 온도보다 높은 온도에 있어서 상기 보조 냉매를 기화시키기 위한 추가의 열교환 구역(357, 379)이 존재하는 것을 특징으로 하는 가스 스트림 액화 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 보조 냉매(373)는 최저온 열교환 구역(312)에서 기화되는 냉매(315)와 동일한 조성을 갖지만 상기 추가의 열교환 구역(357)에서 다른 압력으로 기화되는 것인 가스 스트림 액화 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    기화된 냉매(316)를 압축(359) 및 냉각(362)하여 중간 압축된 냉매(365)를 제공하기 위한 수단;
    중간 압축된 냉매(365)를 기화된 보조 냉매(367)와 결합하여 결합된 중간 냉매를 제공하기 위한 수단; 및
    상기 결합된 중간 냉매를 압축(319) 및 냉각(320)하여 냉각 압축된 냉매(328)를 제공하기 위한 수단을 포함하고,
    추가의 열교환 구역(357)은 기화 보조 냉매(373)와의 간접 열교환에 의해 냉각 압축된 냉매(328)를 추가로 냉각 및 응축하는 것을 통해, 일부(329)는 최저온 열교환 구역(312)에 냉매(315)를 제공하고 다른 일부는 보조 냉매(373)를 제공하는 것인 결합된 냉매(369)를 제공하는 것인 가스 스트림 액화 시스템.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    보조 냉매(377)는 상기 추가의 열교환 구역에서 기화되어 기화된 보조 냉매(381)를 생성하고,
    상기 시스템은,
    최저온 열교환 구역(312)으로부터 일부 또는 전부 기화된 가온 냉매(316)를 냉각 감압(375)된 냉매와 결합하여 보조 냉매(377)를 제공하기 위한 수단;
    기화 보조 냉매를 압축(319) 및 냉각(320)하여 냉각, 압축, 부분 응축된 보조 냉매(328)를 제공하기 위한 수단;
    냉각, 압축, 부분 응축된 보조 냉매(328)를 액체 부분(383) 및 증기 부분(385)으로 분리(330)하기 위한 수단;
    기화 보조 냉매(377)와의 간접 열교환(379)에 의해 액체 부분(383)을 추가로 냉각하여 냉각된 액체 냉매(389)를 제공하기 위한 수단; 및
    냉각된 액체 냉매(389)의 압력을 감소시켜 냉각 감압(375)된 냉매를 제공하기 위한 수단(375)을 포함하는 것인 가스 스트림 액화 시스템.
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