KR100969969B1 - 가스 액화를 위한 통합 멀티-루프 냉동 방법 - Google Patents

가스 액화를 위한 통합 멀티-루프 냉동 방법 Download PDF

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Abstract

가스(1)는 각각의 냉매(117, 213, 315)의 기화에 의해 적어도 두 온도 범위를 연속적으로 통해서 냉각됨으로써 액화되며, 최저 온도 범위를 제공하는 기화하는 냉매는 그 범위의 최고 온도보다 높은 온도에서 추가 기화(317)된다. 최저 온도 범위를 제공하는 부분 기화된 냉매(316)는 재순환 냉동 시스템에서 압축된 복귀 증기(328)에 대해 추가로 기화된다(317).
Figure R1020057017504
공급 가스 스트림, 온도 범위, 열교환 영역, 몰비, 2상 냉매, 감압 수단, 분리기, 압축기, 펌프, 과냉, 냉각기

Description

가스 액화를 위한 통합 멀티-루프 냉동 방법{INTEGRATED MULTIPLE-LOOP REFRIGERATION PROCESS FOR GAS LIQUEFACTION}
저온에서 가스를 액화시키기는 데에 멀티-루프 냉동 시스템이 널리 사용된다. 천연 가스의 액화에서는, 예를 들어 둘 또는 셋의 폐루프 냉동 시스템이 통합되어, 연속적으로 보다 낮아지는 온도 범위에서의 냉동(refrigeration)을 제공하여 공급 가스를 냉각 및 액화시킬 수 있다. 통상적으로, 이들 폐루프 냉동 시스템의 적어도 하나는 다성분 또는 혼합 냉매를 사용하여, 선택된 온도 범위에서 액체 혼합 냉매가 간접 열전달에 의해 기화하여 공급 가스를 냉각함에 따른 냉동을 제공하게 된다. 두 개의 혼합 냉매 시스템을 사용하는 시스템은 공지되어 있으며, 일부 용례에서, 프로판과 같은 순수 성분 냉매를 사용하는 제3의 냉매 시스템이 공급 가스의 초기 냉각을 제공한다. 이 제3의 냉매 시스템은 또한 혼합 냉매 중 하나 또는 양자를 압축후 응축시키기 위한 냉각의 일부를 제공하는데 사용될 수 있다. 최저 온도 범위에서의 냉동은 보다 높은 온도 범위에서 작동하는 혼합 냉매 루프와 통합되는 가스 팽창기 루프에 의해 제공될 수 있다.
천연 가스를 액화시키기 위한 통상적인 멀티-루프 혼합 냉매 방법에서, 낮은 레벨 또는 최저온의 냉동 루프는 냉각된 공급 가스의 최종 액화 및 선택적인 과냉(subcooling)을 제공하기 위해 -30℃ 내지 -165℃의 온도 범위에서의 기화에 의해 냉동을 제공한다. 상기 냉매는 최저 온도 범위에서 완전히 기화되며, 예를 들어 대표적인 미국 특허 제6,119,479호 및 제6,253,574 B1호에 기술된 바와 같이 냉매 압축기로 직접 복귀될 수 있다. 대안적으로, 완전히 기화된 냉매는 미국 특허 제4,274,849호 및 제4,755,200호에 기술된 바와 같이 공급 가스의 예냉(precooling)을 제공하기 위해, 또는 오스트레일리아 특허 AU-A-43943/85에 기술되어 있듯이 냉매 스트림을 냉각하기 위해 압축 전에 가온될 수 있다. 이들 통상적인 액화 방법의 공통적인 특징은 낮은 레벨 또는 최저온 냉동 루프에서의 냉매가 최저 온도 범위에서 냉동을 제공하는 동안 완전히 기화된다는 것이다. 따라서 압축 이전에 냉매에 의해 제공되는 임의의 추가적인 냉동은 상당한 열이 기화된 냉매로부터 다른 공정 스트림으로 전달됨으로써 이루어진다.
3개의 통합 폐루프 냉동 시스템을 사용하는 공지된 액화 방법에서, 제3의, 즉 최저온의 냉동 시스템에서의 공정 장비의 크기는 두 개의 보다 고온의 냉동 시스템에 비해 작을 수 있다. 그러한 공정의 액화 용량이 커질수록, 두 개의 고온 시스템에서의 압축 및 열교환 장비의 크기는 장비 판매업자로부터 입수 가능한 최대 크기에 도달할 것이며, 최저온의 냉동 시스템에서의 대응 장비의 크기는 최대 크기보다 작을 것이다. 이 액화 공정에서의 생산성을 더 높이기 위해서는, 두 개의 고온 냉동 시스템에서의 압축기 및/또는 열교환기 크기 제한으로 인해 평행 트레인(parallel train)이 필요하다.
입수 가능한 압축기 및 열교환기 크기의 한계에서 이 액화 공정의 최대 생산성을 증가시킴으로써 보다 큰 단일-트레인 액화 공정의 사용을 가능하게 하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 필요성은, 고온 냉동 시스템을 위한 이중 평행 장비의 필요없이 증가된 생산성을 갖는 통합 냉동 시스템을 제공하는 본 발명에 의해 해결된다.
GB-A-1572900은 액화물을 제공하기 위해 각각의 온도 범위의 두 개의 열교환 영역을 연속적으로 거치는 공급 가스 스트림의 냉각을 개시한다. 상기 온도 범위에서 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 열교환 듀티는 각각의 기화하는 냉매에 의해 제공된다. 최저 온도 범위에서의 냉매는 제2 열교환기를 통하는 유로에서 적어도 부분적으로 기화한다. 적어도 부분적으로 기화된 냉매는 압축된 냉매 스트림이 냉각되는 제3 열교환기에 냉각 듀티를 제공한다. 제3 열교환기를 빠져나가는 냉매는 압축되어 압축된 냉매 스트림을 제공한다. 이 스트림의 일부는 제3 열교환기에서 냉각되고, 나머지는 제1 열교환기에서 냉각되며, 얻어진 냉각된 스트림은 제3 열교환기로부터의 냉각된 스트림과 같이 동일한 상 분리기에 바로 공급된다. 제3 열교환기에서 압축된 냉매 스트림의 일부를 냉각하는 것은 GB-A-1572900의 발명에 선택적이지만, 제1 열교환기에서 스트림의 적어도 일부를 냉각하는 것은 발명에 필수적이다.
US-A-4094655는 공급 가스 스트림이 네 개의 열교환기에서 차례로 냉각되는 공정을 개시한다. 냉매 증기 스트림이 실질적으로 완전히 응축되며 마지막 두 개의 열교환기를 통하는 유로에 의해 과냉각되는 통합된 캐스케이드 냉동 회로(cascade refrigeration circuit)에 의해 네 개의 열교환기 모두에 냉각 듀티가 제공된다. 응축된 스트림은 팽창한 후에 최저온 열교환기에 냉각 듀티를 제공하며, 제3 열교환기로부터의 팽착된 냉매 스트림과 혼합되고, 이후 제3 열교환기에 냉각 듀티를 제공하고 제2 열교환기에 어느 정도의 냉각 듀티를 제공한다. 제2 열교환기에는 이 열교환기로부터의 팽창된 냉매 스트림에 의해 추가적인 냉각 듀티가 제공되고, 이 스트림은 이후에 제1 열교환기에 어느 정도의 냉각 듀티를 제공한다. 별개의 사전 냉각 냉동 회로가 제1 열교환기에 냉각 듀티의 잔부를 제공한다. 마지막 두 개의 열교환기로부터 복귀하는 혼합된 냉매 스트림은 압축되어, 제2 열교환기로부터 복귀하는 냉매 스트림과 혼합되고, 이후 제1 열교환기로 재순환되기 전에 추가로 압축된다.
US-A-6250105는 높은 레벨의 냉매에 의해 냉각된 낮은 레벨의 냉매를 이용하여 생산물 열교환기 내에서의 공급 가스 액화를 개시한다. 연료 생산물로부터 냉매를 복구하고 NGL 복구 유닛에 냉동 듀티를 제공하는 주변 열교환기들이 마련된다. 생산물 열교환기로부터 소모된 냉매는 주로 가스 상태이고, 이어서 냉매 열교환 영역에서 가열 및 기화된다. 이후 압축된 다음 열교환기에서 냉각되고 일 팽창(work expand)하여 최저온 냉매를 제공한다. 냉매 열교환기에서 냉동 듀티의 일부가 압축된 재순환 냉매에 의해 제공되지만, 냉동 듀티의 대부분은 높은 레벨의 냉매에 의해 제공된다.
일 양태에서, 본 발명은 가스 액화 방법을 제공하며, 이 가스 액화 방법은 액화물을 제공하기 위해 각각의 온도 범위의 적어도 두 개의 열교환 영역을 연속적으로 거치면서 공급 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함하며, 공급 가스 스트림을 상기 온도 범위에서 냉각하기 위한 냉동(refrigeration)은 각각의 기화하는 냉매에 의해 제공되고, 최저 온도 범위에서의 냉매는 최저온 열교환 영역에서 부분적으로만 기화되고 재순환 냉동 공정에서 재순환되며, 이 재순환 냉동 공정은, 전부 기화된 냉매를 형성하기 위해 부분 기화된 냉매를 상기 최저온 열교환 영역의 최고 온도보다 높은 온도의 추가 열교환 영역에서 추가 기화하는 단계와, 압축된 냉매 스트림을 생성하기 위해 추가 기화된 냉매를 압축하는 단계와, 최저온 냉매를 제공하기 위해 상기 압축된 냉매 스트림을 냉각하는 단계를 포함하고, 상기 공급 가스는 상기 추가 열교환 영역을 통과하지 않고, 상기 압축된 냉매 스트림 전체는, (i) 최저온 열교환 영역에 선행하는 열교환 영역에서 해당 기화하는 냉매와의 간접 열교환에 의해 압축된 냉매 스트림 전체를 선택적으로 냉각시키는 단계와, (ii) 냉각된 냉매 스트림을 제공하기 위해 추가의 열교환 영역에서 상기 선택적으로 냉각 압축된 냉매 스트림을 추가적으로 기화하는 냉매와 간접 열교환시키는 단계와, (iii) 최저온 냉매를 제공하도록 상기 냉각된 냉매 스트림을 추가 냉각시키는 단계에 의해 냉각됨으로써, 상기 재순환 냉동 공정은 상기 선택적 냉각 단계 (i)에 의한 냉각을 제외하고는 자가 냉동된다(self-refrigerated).
일 실시예에서, 공급 가스 스트림은 제1 및 제2 온도 범위를 연속적으로 거치면서 냉각되어 액화물을 제공하고, 제1 온도 범위에서 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 기화하는 제1 냉매에 의해 제공되고, 제2 온도 범위에서 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 재순환 냉동 공정에 의해 제공된다.
다른 실시예에서, 공급 가스 스트림은 제1, 제2, 및 제3 온도 범위를 연속적으로 거치면서 액화물을 제공하고, 제1 온도 범위에서 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 기화하는 제1 냉매에 의해 제공되고, 제2 온도 범위에서의 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 기화하는 제2 냉매에 의해 제공되며, 제3 온도 범위에서의 공급 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은 재순환 냉동 공정에 의해 제공된다. 상기 제1 냉매는 단일 성분 냉매일 수 있다. 상기 제2 냉매와 제3 냉매는 다성분 냉매일 수 있다.
상기 제1 온도 범위는 35℃ 내지 -70℃ 사이일 수 있고, 제2 온도 범위는 0℃ 내지 -140℃ 사이일 수 있으며, 제3 온도 범위는 -90℃ 내지 -165℃ 사이일 수 있다. 상기 공급 가스 스트림은 천연 가스일 수 있다.
상기 공급 가스 스트림의 냉각은 이하의 단계들에 의해 이루어질 수 있다:
(a) 공급 가스 스트림을 제1 열교환 영역에서 기화하는 제1 냉매와의 간접 열교환에 의해 제1 온도 범위에서 냉각하여 제1 부분 냉각된 공급 스트림과 제1 냉매 증기를 제공하는 단계,
(b) 상기 부분 냉각된 공급 스트림을 제2 열교환 영역에서 기화하는 제2 냉매와의 간접 열교환에 의해 제2 온도 범위에서 추가 냉각하여 제2 부분 냉각된 공급 스트림과 제2 냉매 증기를 제공하는 단계, 및
(c) 상기 제2 부분 냉각된 공급 스트림을 제3 열교환 영역에서 기화하는 제3 냉매와의 간접 열교환에 의해 제3 온도 범위에서 추가 냉각하여 액화물 및 2상(two-phase) 냉매 스트림을 제공하는 단계.
상기 제3 냉매는 한 개 내지 다섯 개의 탄소 원자를 갖는 탄화수소와 질소로부터 선택되는 둘 이상의 성분을 포함하는 다성분 혼합물일 수 있다. 제3 냉매는 5 내지 15mole%의 질소, 30 내지 60mole%의 메탄, 10 내지 30mole%의 에탄, 0 내지 10mole%의 프로판, 및 5 내지 15mole%의 i-펜탄을 포함할 수 있다. 상기 제3 냉매는 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소와 i-펜탄을 포함할 수 있으며, 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소에 대한 i-펜탄의 몰비(molar ratio)는 1보다 크다.
상기 제3 냉매는 i-펜탄과 n-펜탄을 포함할 수 있으며, 제3 냉매 중의 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비는 1보다 클 수 있다. 상기 i-펜탄과 n-펜탄은 공급 가스 스트림으로부터 얻어질 수 있으며, 제3 냉매 중의 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비는 공급 가스 스트림 중의 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비보다 클 수 있다. 상기 제3 냉매는 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소와 i-펜탄을 포함할 수 있으며, 제3 냉매 중의 상기 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소와 i-펜탄은 공급 가스 스트림으로부터 얻어질 수 있으며, 제3 냉매 중의 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소에 대한 i-펜탄의 몰비는 공급 가스 스트림중의 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소에 대한 i-펜탄의 몰비보다 클 수 있다.
상기 재순환 냉동 공정은 2상 냉매 스트림을 제2 온도 범위에서의 최저 온도보다 높은 온도의 제4 열교환 영역에서 기화시켜 제3 냉매 증기를 제공하는 단계와, 제3 냉매 증기를 압축하여 압축된 제3 냉매 스트림을 생성하는 단계와, 상기 압축된 제3 냉매 스트림을 2상 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 제4 열교환 영역에서 냉각하여 냉각된 제3 냉매 스트림을 제공하는 단계, 및 상기 냉각된 제3 냉매 스트림을 추가 냉각하여 (c)에서의 제3 냉매를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
냉각된 제3 냉매 스트림의 추가 냉각은 제3 열교환 영역에서 기화하는 제3 냉매와의 간접 열교환에 의해 이루어질 수 있다. 상기 압축된 제3 냉매 스트림은, 제3 냉매 증기를 제1 압축 스테이지에서 압축하여 제1 압축 증기를 제공하는 단계와, 제1 압축 증기를 냉각하여 2상 스트림을 생성하는 단계와, 상기 2상 스트림을 증기 스트림과 액체 스트림으로 분리하는 단계와, 상기 증기 스트림을 압축하여 추가 압축된 증기를 생성하는 단계와, 상기 액체 스트림을 펌핑하여 가압 액체를 제공하는 단계와, 상기 추가 압축된 증기와 가압 액체를 조합하여 조합 냉매 스트림을 생성하는 단계, 및 상기 조합된 냉매 스트림을 냉각하여 압축된 제3 냉매 스트림을 제공함으로써 제공될 수 있다.
제3 재순환 공정은 2상 냉매 스트림을 제2 온도 범위에서의 최저 온도보다 높은 온도의 제4 열교환 영역에서 기화시켜 제3 냉매 증기를 제공하는 단계와, 제3 냉매 증기를 압축 및 냉각하여 압축된 제3 냉매 스트림을 생성하는 단계와, 상기 압축된 제3 냉매 스트림을 기화하는 제1 냉매와의 간접 열교환에 의해 제1 열교환 영역에서 그리고 기화하는 2상 냉매 스트림과의 간접 열교환에 의해 제4 열교환 영역에서 냉각하여 냉각된 제3 냉매 스트림을 제공하는 단계, 및 상기 냉각된 제3 냉매 스트림을 추가 냉각하여 (c)에서의 제3 냉매를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
재순환 공정은 2상 냉매 스트림을 냉각된 감압 액체 냉매 스트림과 조합하여 조합된 2상 냉매 스트림을 제공하는 단계와, 상기 조합된 냉매 스트림을 제2 온도 범위의 최저 온도보다 높은 온도의 제4 열교환 영역에서 기화시켜 제3 냉매 증기를 제공하는 단계와, 상기 제3 냉매 증기를 압축 및 냉각하여 부분 응축된 제3 냉매를 제공하는 단계와, 상기 부분 응축된 제3 냉매를 냉매 증기 스트림과 냉매 액체 스트림으로 분리하는 단계와, 상기 냉매 증기 스트림을 압축 및 냉각하여 부분 응축된 스트림을 형성하고 상기 부분 응축된 스트림을 압축된 제3 냉매 증기와 액체 냉매로 분리하는 단계와, 상기 액체 냉매의 압력을 감소시켜 감압 액체 냉매를 제공하는 단계와, 감압 액체 냉매를 냉매 액체 스트림과 조합하여 조합된 냉매 액체를 제공하는 단계와, 조합된 냉매 액체 스트림을 제4 열교환 영역에서 과냉하여 과냉된 액체 냉매를 제공하는 단계와, 상기 과냉된 액체 냉매와 2상 냉매 스트림을 조합하여 조합된 2상 냉매를 제공하는 단계와, 조합된 2상 냉매를 제4 열교환 영역에서 기화시켜 냉동을 제공하는 단계와, 압축된 제3 냉매 증기를 제4 열교환 영역에서 냉각하여 냉각된 제3 냉매 스트림을 제공하는 단계, 및 냉각된 제3 냉매 스트림을 추가 냉각하고 그 압력을 감소시켜 제3 냉매를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에서는, 전술한 방법 양태의 방법에 의해 가스 스트림을 액화하기 위한 가스 액화 시스템으로서, 이 가스 액화 시스템은 상기 가스 스트림을 각각의 온도 범위를 연속적으로 거치면서 냉각하여 액화물을 제공하기 위한 적어도 두 개의 열교환 영역, 및 각각의 냉매 라인의 각각의 냉매를 열교환 영역으로 제공하기 위한 각각의 냉동 시스템을 포함하고, 최저온 열교환 영역은 해당 냉매(최저온 냉매)를 부분적으로만 기화시키며, 최저온 냉매를 제공하는 해당 냉동 시스템은 재순환 시스템으로서, 최저온 열교환 영역의 최고 온도보다 높은 온도에서 상기 부분 기화된 냉매를 전체 기화시키기 위한 추가 열교환 영역과, 압축된 냉매 스트림을 제공하기 위해 기화된 냉매를 압축하기 위한 압축 수단과, 상기 추가 열교환 영역으로부터의 기화된 냉매를 상기 압축 수단에 제공하기 위한 배관 수단과, 압축된 냉매를 상기 추가 열교환 영역에 제공하기 위한 배관 수단과, 상기 추가 열교환 영역으로부터의 냉각 압축된 냉매를 최저온 열교환 영역에 제공하기 위한 배관 수단과, 응축된 냉매를 제공하도록 냉각 압축된 냉매를 추가 냉각하기 위한 추가 냉각 수단을 포함하고, 압축된 냉매를 추가 열교환 영역에 제공하는 배관 수단은 압축된 냉매 스트림 전체를 운반하며 선택적으로 상기 최저온 열교환 영역에 선행하는 열교환 영역을 통과하여 압축된 냉매 전체를 해당 기화하는 냉매와의 간접 열교환에 의해 냉각시킨다. 이로써, 최저온 냉동 공정을 제공하는 상기 재순환 냉동 시스템은 선행하는 열교환 영역에서의 선택적인 냉각에 의해 제공되는 냉각을 제외하고는 자가 냉동된다. 대개는, 가스 스트림이 액화를 위해 연속적으로 통과하는 열교환 영역은 두 개만 제공되거나, 또는 세 개가 제공될 것이다.
본 발명의 제2 양태의 일 실시예에서, 상기 시스템은 상기 가스 스트림을 제1, 제2, 및 제3 온도 범위를 연속적으로 거치면서 냉각하여 액화물을 제공하기 위한 제1, 제2, 및 제3 열교환 영역과, 제1 냉매 라인의 제1 냉매를 제1 열교환 영역에 제공하기 위한 제1 냉동 시스템과, 제2 냉매 라인의 제2 냉매를 제2 열교환 영역에 제공하기 위한 제2 냉동 시스템과, 및 제3 냉매 라인의 제3 냉매를 제3 열교환 영역에 제공하기 위한 제3 냉동 시스템을 포함하고, 이 제3 냉동 시스템은 최저온 냉매를 제공하는 재순환 시스템이다.
기화된 제3 냉매를 압축하기 위한 압축 수단은, 제1 스테이지 압축기, 부분 응축된 제1 압축 냉매 스트림을 생성하기 위해 제1 압축 냉매 스트림을 냉각 및 부분 응축시키기 위한 중간냉각기(intercooler), 부분 응축된 제1 압축 냉매 스트림을 증기 냉매 스트림과 액체 냉매 스트림으로 분리하기 위한 분리기, 압축 증기 냉매 스트림을 제공하기 위해 증기 냉매 스트림을 압축하기 위한 제2 스테이지 압축기, 가압 액체 냉매 스트림을 제공하기 위해 액체 냉매 스트림을 가압하기 위한 펌프, 및 압축 증기 냉매 스트림과 가압 액체 냉매 스트림을 조합하며 조합된 냉매 스트림을 후냉각기(aftercooler)에 제공하여 냉각시켜 압축된 제3 냉매를 제공하기 위한 배관 수단을 포함할 수 있다.
추가 열교환 영역은, 과냉된 냉매 액체를 제공하기 위해 냉매 액체를 과냉시키기 위한 과냉 수단, 감압 냉매를 제공하기 위해 과냉된 냉매 액체의 압력을 감소시키기 위한 감압 수단, 및 감압 냉매를 제3 열교환 영역으로부터의 추가적으로 기화하는 제3 냉매와 조합하여 조합된 기화하는 냉매 스트림을 추가 열교환 영역에 제공하기 위한 배관 수단을 포함할 수 있으며, 상기 조합된 기화하는 냉매 스트림은 기화된 제3 냉매를 제공하기 위해 추가 열교환 영역에서 기화된다.
기화된 제3 냉매를 압축하기 위한 압축 수단은, 제1 스테이지 압축기, 부분 응축된 제1 압축 냉매 스트림을 생성하기 위해 제1 압축 냉매 스트림을 냉각 및 부분 응축하기 위한 중간냉각기, 부분 응축된 제1 압축 냉매 스트림을 제1 증기 냉매 스트림과 제1 액체 냉매 스트림으로 분리하기 위한 제1 분리기, 압축된 증기 냉매 스트림을 제공하기 위해 증기 냉매 스트림을 압축하기 위한 제2 스테이지 압축기, 냉각된 2상 냉매 스트림을 제공하기 위해 상기 압축된 증기 냉매 스트림을 냉각하기 위한 후냉각기, 제2 액체 냉매 스트림과 압축된 제3 냉매를 제공하기 위한 제2 분리기, 감압 제2 액체 냉매 스트림을 제공하기 위해 제2 액체 냉매 스트림의 압력을 감소시키기 위한 감압 수단, 및 감압 제2 액체 냉매 스트림과 제1 액체 냉매 스트림을 조합하여 냉매 액체를 추가 열교환 영역에 제공하기 위한 파이핑 수단을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 시스템은 상기 가스 스트림을 제1, 제2, 및 제3 온도 범위 각각을 거치면서 연속적으로 냉각하여 액화물을 제공하기 위한 제1, 제2, 및 제3 열교환 영역, 제1 열교환 영역에서 기화하는 제1 냉매를 제공하기 위한 제1 냉동 시스템, 제2 열교환 영역에서 기화하는 제2 냉매를 제공하기 위한 제2 냉동 시스템, 및 제3 열교환 영역에서 기화하는 제3 냉매를 제공하기 위한 제3 냉동 시스템을 포함하고, 상기 제3 냉동 시스템은 최저온 냉매를 제공하는 재순환 시스템이며, 상기 제3 냉동 시스템은 제1 열교환 영역에 설치되어 압축된 제3 냉매를 제1 열교환 영역에서 기화하는 제1 냉매와의 간접 열교환에 의해 냉각하여 냉각 압축된 제3 냉매를 제공하기 위한 냉각 수단을 포함하고, 상기 냉각 압축된 제3 냉매는 제3 열교환 영역으로부터의 기화하는 제3 냉매와의 간접 열교환에 의해 냉각 압축된 제3 냉매를 추가로 냉각하는 추가 열교환 영역에 공급되어 기화된 제3 냉매와 추가 냉각 압축된 제3 냉매를 제공하며, 냉각 압축된 제3 냉매를 추가로 냉각하는 수단은 제3 열교환 영역에서 응축된 제3 냉매를 제공하며, 감압 수단이 제3 열교환 영역에서 기화하는 제3 냉매를 제공하도록 상기 응축된 제3 냉매의 압력을 감소시키기 위해 마련된다.
본 발명에서 이용되는 바람직한 냉매는 i-펜탄, 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소, 그리고 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 및 프로필렌으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하며, 여기에서 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소에 대한 i-펜탄의 몰비는 1보다 크다. 상기 냉매는 또한 n-펜탄을 포함할 수 있으며, n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비는 1보다 클 수 있다. 상기 냉매는 5 내지 15mole%의 질소, 30 내지 60mole%의 메탄, 10 내지 30mole%의 에탄, 0 내지 10mole%의 프로판, 및 5 내지 15mole%의 i-펜탄을 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예에 대한 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 변형예에 따른 가스 액화 및 냉동 시스템의 개략 흐 름도이다.
본원에 기술된 본 발명의 실시예들은 연속적으로 온도가 감소하는 세 개의 온도 범위에 걸쳐 공급 스트림을 냉각시키는 세 개의 폐루프 냉동 시스템을 이용한, 개선된 가스 액화용 냉동 방법에 관한 것이다. 이들 실시예는 상기 온도 범위 중 최저 온도 범위에서 냉동을 제공하는 냉동 시스템의 개선에 관한 것으로, 여기에서 최저 온도 범위의 냉동 시스템에 사용되는 압축기 및 열교환 장비의 크기는 그보다 높은 온도 범위의 냉동 시스템에 사용되는 압축기 및 열교환 장비의 크기보다 크다. 본원에서 사용되는 "냉동(refrigeration)"이란 용어는 상온보다 낮은 온도의 열이 유체 스트림에서 냉매로 간접 전달되는 것을 의미한다. 냉매는 다른 스트림과의 간접적인 열교환을 통해 그 스트림으로부터 열을 흡수하는 순수 또는 혼합 유체이다.
대표적인 종래 기술의 액화 방법의 개략 흐름도가 도 1에 도시되어 있다. 라인(1)의 공급 가스, 예를 들어 물과 기타 쉽게 응축될 수 있는 불순물을 제거하도록 전처리된 천연 가스는 제1 열교환기(3)에서 제1 기화하는 냉매와의 간접 열교환에 의해 제1 온도 범위에 걸쳐서 냉각된다. 상기 냉매는 프로판과 같은 순수 성분 냉매일 수 있거나, 아니면 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 및 이소부탄에서 선택되는 둘 이상의 경질(light) 탄화수소를 포함하는 다성분 냉매일 수 있다.
라인(5)의 냉각된 공급물은 제2 열교환기(7)에서 제2 기화하는 냉매와의 간접 열교환에 의해 제2 온도 범위에 걸쳐서 추가 냉각된다. 라인(9)의 추가 냉각된 공급물은 제3 열교환기(11)에서 제3 기화하는 냉매와의 간접 열교환에 의해 제3 온도 범위에 걸쳐서 추가 냉각되어 액화된다. 냉매는 통상 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 및 프로필렌에서 선택되는 둘 이상의 냉매 성분을 포함하는 다성분 냉매이다. 라인(13)의 최종 액화물은 라인(17)의 최종 액상물을 생성하도록 팽창 밸브(15)를 거쳐 감압될 수 있다.
이 공정을 위한 냉동은 통상 세 개의 네스트형(nested) 또는 캐스케이드형(cascaded) 냉동 시스템에 의해 제공된다. 제1 냉동 시스템은 제1 압축기 스테이지(103)에 라인(101)의 증기 냉매를 공급함으로써 작동되며, 여기에서 가스는 2 내지 4bar(본원에 기술되는 모든 압력은 절대압력임)로 압축되고, 후냉각기(105)에서 냉각되며, 제2 압축기(107)에서 6 내지 10bar로 추가 압축되고, 후냉각기(109)에서 냉각되어 라인(111)에서는 상온의 압축 냉매가 제공된다. 상기 압축 냉매는 제1 열교환기(3)의 열교환 통로에서 추가 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 라인(113) 내의 부분 또는 완전 응축된 냉매는 교축 밸브(115)를 거쳐서 감압됨으로써 라인(117)의 감압 냉매로 되며, 이 냉매는 별도의 열교환 통로에서 기화되어 제1 열교환기(3)에서 냉동을 제공한다. 라인(101)의 기화된 냉매는 전술한 바와 같이 압축된다.
제2 냉동 시스템은 압축기(203)에 라인(201)의 증기 냉매를 공급함으로써 작동되며, 여기에서 가스는 10 내지 20bar로 압축되고, 후냉각기(205)에서 대략 상온으로 냉각된다. 라인(207)의 압축 냉매는 제1 열교환기(3) 및 제2 열교환기(7)의 열교환 통로에서 추가 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 라인(209)의 부분 또는 완전 응축된 냉매는 교축 밸브(211)를 거쳐서 감압됨으로써 라인(213)에서 감압 냉매로 되며, 이 냉매는 별도의 열교환 통로에서 기화되어 제2 열교환기(7)에서 냉동을 제공한다. 라인(201)의 기화된 냉매는 전술한 바와 같이 압축된다.
제3 냉동 시스템은 압축기(302)에 라인(301)의 증기 냉매를 공급함으로써 작동되며, 여기에서 가스는 35 내지 60bar로 압축되고, 후냉각기(303)에서 대략 상온으로 냉각된다. 라인(304)의 압축 냉매는 제1 열교환기(3), 제2 열교환기(7), 및 제3 열교환기(11)의 열교환 통로에서 추가 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 라인(305)의 부분 또는 완전 응축된 냉매는 교축 밸브(307)를 거쳐서 감압됨으로써 라인(309)에서 감압 냉매로 되며, 이 냉매는 별도의 열교환 통로에서 기화되어 제3 열교환기(11)에서 냉동을 제공한다. 라인(301)의 기화된 냉매는 전술한 바와 같이 압축된다. 열교환기(11) 및 압축기(302)를 구비하는 제3 냉동 루프의 사용은 공급 가스를 액화하는데 필요한 전체 냉동 듀티의 일부를 제공하며, 제1 및 제2 냉동 시스템의 냉동 듀티 및 크기를 감소시킨다.
도 1의 세 개의 냉동 루프를 사용하는 종래 방법에 대한 공지된 수정예 또는 변형예가 있을 수 있다. 예를 들면, 제1 냉동 루프는, 냉매가 세 개의 다른 압력에서 기화되고, 기화된 냉매가 다단 압축기에서의 상이한 스테이지로 복귀하는 캐스케이드 냉동을 사용할 수 있다. 제2 냉동 루프는 냉매를 열교환기(7)의 별개의 두 세트의 열교환 통로를 통해서 두 상이한 압력에서 기화시키고, 각각의 기화된 냉매 스트림을 두 개의 별개의 압축기 스테이지로 복귀시킬 수 있다.
다른 수정예에서, 제3 냉동 루프는 냉매를 열교환기(11)의 별개의 두 세트의 열교환 통로를 통해서 두 상이한 압력에서 기화시키고, 각각의 기화된 냉매 스트림을 두 개의 별개의 압축기 스테이지로 복귀시킬 수 있다. 압축기(302) 이전 라인(301)의 기화된 냉매는 제2 냉매 스트림(215)의 일부와 라인(304)의 압축 냉매의 일부를 냉각시키기 위해 별도의 열교환기에서 사용될 수 있다.
세 개의 냉동 루프를 갖는 다른 공지된 방법에서, 제1 냉동 루프에서의 기화하는 냉매는 공급 가스를 예냉시키기 위해 사용되고, 상기 제1 냉동 루프 압축기 방출물은 제2 냉동 루프로부터의 기화하는 냉매의 일부에 의해 냉각 및 응축된다. 압축 이전의 제3 열교환기로부터 나온 제3 냉동 루프의 기화된 냉매는 공급 가스를 추가로 예냉시키기 위해 사용된다. 이 추가로 예냉된 공급 가스는 이어서 제3 열교환기에서 냉각 및 응축된다. 제2 냉동 루프는 압축된 제3 냉매를 냉각 및 응축시킨다.
이들 공지된 액화 방법의 공통적인 특징은 제3 냉동 루프, 즉 낮은 레벨 또는 최저온(coldest) 냉동 루프에서의 냉매는 최저 온도 범위에서의 냉동을 제공하는 동안에 완전히 기화된다는 점이다. 압축 이전에 냉매에 의해 제공되는 임의의 추가적인 냉동은, 상당한 열이 기화된 냉매로부터 다른 공정 스트림으로 전달되는 것에 의해서만 이루어진다.
본 발명의 여러 실시예에서, 제3 또는 최저온 냉동 루프의 응축된 냉매는 제3 또는 최저 온도 범위의 제3 열교환기에서 단지 부분적으로 기화된다. 제3 열교환기로부터의 부분 기화된 냉매는 제2 온도 범위에서 최저 온도 이상의 온도에서 추가로 기화된다. 이는 도 2에 도시된 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 의해 도시된다. 라인(1)의 공급 가스, 예를 들어 물과 다른 쉽게 응축될 수 있는 불순물을 제거하도록 전처리된 천연 가스는 제1 열교환기(310)에서 제1 기화하는 냉매와의 간접 열교환에 의해 제1 온도 범위에 걸쳐서 냉각된다. 상기 냉매는 예를 들어 에탄, 에틸렌, 프로판, 부탄, n-펜탄, 및 i-펜탄(즉, 2-메틸 부탄)에서 선택되는 둘 이상의 경질 탄화수소를 포함하는 다성분 냉매일 수 있다. 대안적으로, 상기 냉매는 프로판과 같은 단일 성분 냉매일 수 있다. 제1 온도 범위에서의 높은 온도는 상온일 수 있고, 제1 온도 범위에서의 낮은 온도는 -35℃ 내지 -55℃ 사이일 수 있다. 특정 냉매 조성은 제1 온도 범위에서 원하는 낮은 온도를 달성하도록 선택될 수 있다.
라인(5)의 냉각된 공급물은 제2 열교환기(311)에서 제2 기화하는 냉매와의 간접 열교환에 의해 제2 온도 범위에 걸쳐서 추가 냉각되어 -40℃ 내지 -100℃ 사이의 온도로 된다. 냉매는 통상 다성분 냉매이며, 예를 들면 메탄, 에탄, 에틸렌, 및 프로판에서 선택되는 둘 이상의 냉매 성분을 포함할 수 있다. 특정 냉매 조성은 제2 온도 범위에서 원하는 낮은 온도를 달성하도록 선택될 수 있다.
라인(9)의 추가 냉각된 공급물은 제3 열교환기(312)에서 제3 기화하는 냉매와의 간접 열교환에 의해 제3 온도 범위에 걸쳐서 추가 냉각되고 액화되어, -85℃ 내지 -160℃ 사이의 낮은 온도에 달한다. 이 냉매는 다성분 냉매이며, 예를 들면 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소, n-펜탄, i-펜탄(즉, 2-메틸 부탄), 및 질소에서 선택되는 둘 이상의 성분을 포함할 수 있다. 이 냉매에서는, i-펜탄이 바람직한(그러나 요망되지는 않는) 성분이다. 특정 냉매 조성은 제3 온도 범위에서 원하는 낮은 온도를 달성하도록 선택될 수 있다. 라인(13)의 최종 액화물은 라인(17)의 최종 액상물을 생성하도록 팽창 밸브(15)를 거쳐서 감압될 수 있다.
제1 온도 범위는 제1 온도와 제2 온도에 의해 정해질 수 있고, 제1 온도는 상온일 수 있다. 제2 온도 범위는 제2 온도와 제3 온도에 의해 정해질 수 있고, 제3 온도 범위는 제3 온도와 제4 온도에 의해 정해질 수 있다. 제1 온도 범위는 최고, 즉 최고온의 온도 범위이며, 제3 온도 범위는 최저, 즉 최저온의 온도 범위이다. 제1 온도는 최고 온도이며, 제4 온도는 최저 온도이다.
이 공정을 위한 냉동은 세 개의 네스트형 또는 캐스케이드형 냉동 시스템에 의해 제공된다. 제1 냉동 시스템은 도 1을 참조하여 전술된 제1 냉동 시스템과 유사할 수 있고, 제1 압축기 스테이지(103)에 라인(101)의 증기 냉매를 공급함으로써 작동될 수 있으며, 여기에서 가스는 2 내지 4bar로 압축되고, 후냉각기(105)에서 냉각되며, 제2 압축기(107)에서 6내지 10bar로 추가 압축되고, 후냉각기(109)에서 냉각되어 라인(111)의 상온의 압축 냉매가 제공된다. 상기 압축 냉매는 제1 열교환기(310)의 열교환 통로에서 추가 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 라인(113)의 부분 또는 완전 응축된 냉매는 교축 밸브(115)를 거쳐서 감압됨으로써 라인(117)의 감압 냉매로 되며, 이 냉매는 별도의 열교환 통로에서 기화되어 제1 열교환기(3)에서 냉동을 제공한다. 라인(101)의 기화된 냉매는 전술한 바와 같이 압축된다.
제2 냉동 시스템은 도 1을 참조하여 전술된 제2 냉동 시스템과 유사할 수 있고, 압축기(203)에 라인(201)의 증기 냉매를 공급함으로써 작동될 수 있으며, 여기에서 가스는 10 내지 20bar로 압축되고, 후냉각기(205)에서 대략 상온으로 냉각된다. 라인(207)의 압축 냉매는 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(311)의 열교환 통로에서 추가 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된다. 라인(209)의 부분 또는 완전 응축된 냉매는 교축 밸브(211)를 거쳐서 감압됨으로써 라인(213)에서 감압 냉매로 되며, 이 냉매는 별도의 열교환 통로에서 기화되어 제2 열교환기(311)에서 냉동을 제공한다. 라인(201)의 기화된 냉매는 전술한 바와 같이 압축된다.
본 실시예의 제3 냉동 시스템은 전술한 종래 기술의 제3 냉동 시스템과 상이하며, 제1 및 제2 냉동 시스템과는 독립적으로 작동한다. 이 제3 냉동 시스템에서, 라인(313)의 응축 냉매는 교축 밸브(314)를 거치면서 감압되며, 라인(315)으로부터의 감압된 응축 냉매는 제3 열교환기(312)에서 부분 기화되어 냉동을 제공한다. 부분 기화된 냉매는 라인(316)을 통해 유동하며, 제4 열교환기(317)에서 완전히 기화되어 냉동을 제공한다. 통상 상온 근처의 온도와 2 내지 10bar의 압력에 있는 라인(318)의 기화된 냉매는 제1 압축기(319)에서 압축되고, 중간냉각기(320)에서 냉각 및 부분 응축되며, 라인(322)의 증기 스트림 및 라인(323)의 액체 스트림을 제공하도록 분리기(321)에서 분리된다.
라인(322)의 증기 스트림은 압축기(324)에서 30 내지 70bar의 압력으로 추가 압축되고, 라인(323)의 액체 스트림은 펌프(325)에 의해 동일 압력으로 압축되며, 이들 두 개의 압축된 스트림은 조합되어 2상 냉매 스트림(326)을 제공하고, 이는 후냉각기(327)에서 추가 냉각된다. 라인(328)의 부분 또는 완전 응축된 냉매는 제4 열교환기(317)에서 추가 냉각되어 라인(329)의 냉각 냉매를 제공한다. 라인(329)의 냉각 냉매는 제3 열교환기(312)의 유동 통로(356)에서 추가 냉각되어 전술한 냉매(313)를 생성한다.
제3 냉동 시스템에 사용되는 혼합 냉매는, 냉매를 광범위한 온도 범위에서 기화시킬 수 있는 선택된 성분 및 조성을 갖는다. 냉매가 기화하는 온도 범위 및 상기 성분을 선택하는 기준은 당업계에 공지된 3-루프 액화 시스템의 제3 또는 낮은 레벨 냉동 루프에서 통상 사용되는 혼합 냉매를 선택하는 기준과는 다르다. 본 발명의 제3 루프에서의 혼합 냉매는 제2 온도 범위 이상(즉, 제2 열교환기(311)에서의 최저 온도 이상)의 온도에서뿐 아니라 제3 온도 범위(즉, 제3 열교환기(312))에서 기화될 수 있어야 한다. 냉매 조성 및 압력에 따라, 기화는 제2 온도 범위의 최고 온도 이상의 온도에서 바람직하게 이루어질 수 있다.
제3 루프에서 사용되는 냉매의 통상적인 조성(mole%)에는 5 내지 15%의 질소, 30 내지 60%의 메탄, 10 내지 30%의 에탄, 0 내지 10%의 프로판, 및 5 내지 15%의 i-펜탄이 포함될 수 있다. 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소가 냉매 중에 존재할 수 있지만, 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소의 전체 농도는 i-펜탄의 농도보다 낮은 것이 바람직하다. 냉매 중의 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소에 대한 i-펜탄의 몰비는 통상 1보다 크며, 1.5보다 클 수도 있다. 냉매 중에는 노말 펜탄(n-펜탄)도 존재할 수 있지만, i-펜탄보다 낮은 농도로 존재하는 것이 바람직하다.
제3 냉동 루프에 사용하기 위한 냉동 성분들은, 천연 가스 공급의 초기 냉각에 의해 응축되는 메탄보다 무거운 탄화수소 액체로부터 제공될 수도 있다. 이들 응축되는 천연 가스 액체(NGL: natural gas liquid)는, 바람직한 혼합 냉매에 사용하기 위한 개별 성분들을 얻기 위한 공지의 방법에 의해 회수 및 분류될 수 있다. 천연 가스 공급물이 예를 들어 n-펜탄 및 i-펜탄을 포함할 때 또한 이들 성분이 제3 냉매 루프에서의 냉매에 사용하도록 증류에 의해 NGL로부터 회수될 때, 냉매 중의 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비는 공급 가스중의 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비보다 클 수 있다. 냉매 중의 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비는 공급 가스중의 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비의 두 배 이상이다. 이 냉매에서 사용하기에는 n-펜탄보다 i-펜탄이 바람직한 데, 그 이유는 i-펜탄이 n-펜탄보다 낮은 빙점을 가짐으로써 냉매를 보다 낮은 온도에서 사용할 수 있게 하기 때문이다.
천연 가스 공급물이 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소 및 i-펜탄을 포함하며, 이들 성분이 제3 냉매 루프에서의 냉매에 사용하도록 증류에 의해 NGL로부터 회수될 때, 냉매 중의 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소에 대한 i-펜탄의 몰비는 공급 가스중의 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소에 대한 i-펜탄의 몰비보다 클 수 있다.
이 실시예에서의 제3 냉동 루프는 자기-냉동적(self-refrigerated)이며, 제1 및 제2 냉동 루프와는 독립적이다. 도 1의 방법과 대조적으로, 도 2의 제3 냉동 루프에서의 압축 냉매는 제1 및 제2 냉동 루프에 의해 제1 및 제2 열교환 영역에서 냉각되지 않는다. 이는 제1 및 제2 냉동 루프에 부하를 가하지 않으며, 따라서 도 1의 방법에 비해 제1 및 제2 냉동 루프에서의 압축 장비와 제1 및 제2 열교환 영역의 크기를 감소시킨다. 이는 도 2의 방법이 대량 생산용으로 설계된 액화 시스템에 사용될 때 특히 유익하다. 제1 및 제2 냉동 루프에서의 열교환 장비와 압축 장비의 크기가 장비 판매자에게서 입수 가능한 최대 크기에 도달할 때, 도 1의 방법에서보다는 도 2의 방법에서 더 높은 생산성이 달성될 수 있다.
도 2의 실시예의 방법에 대한 변형이 가능하다. 예를 들면, 필요에 따라 1단 압축 또는 2단 이상의 압축이 사용될 수 있으며, 이는 증기 압축 스테이지들과 관련하여 펌핑하기 위한 다수의 액체 스트림을 형성할 것이다. 다른 변형예에서, 압축 시스템에서의 냉매 조성 및 압력은 스테이지 간의 응축이 발생하지 않고 증기/액체 분리가 필요없도록 형성될 수 있다.
도 2의 방법에 대한 변형예에서는, 제2 냉동 시스템이 필요하지 않고, 열교환기(311), 밸브(211), 압축기(203), 냉각기(205), 및 관련 배관이 사용되지 않는다. 이 변형예에서, 열교환기(310)는 라인(207)을 통해서 공급되는 냉매를 냉각하기 위한 통로를 갖지 않을 것이다. 따라서 이 실시예의 방법은 라인(1)의 공급 가스를 제1 및 제2 온도 범위에 걸쳐서 연속적으로 냉각하여 라인(13)에서 액화물을 제공하고, 가스 스트림을 냉각하기 위한 냉동은, 제1 온도 범위에서 기화하는 라인(117)의 제1 냉매와, 제2 온도 범위에서 기화하고 추가로 제1 온도 범위에서의 최저 온도보다 높은 온도에서 기화하는 라인(315)의 제2 냉매에 의해 제공된다. 따라서 제1 및 제2 냉매가 기화하는 온도 범위가 중첩된다. 이 변형예에서, 제1 냉매는 프로판일 수 있고 제2 냉매는 다성분 냉매일 수 있다. 다른 변형예에서는, 두 냉매 모두 다성분 냉매에서 선택될 수 있다.
도 2의 예시적인 방법의 변형예가 도 3에 도시되어 있다. 이 변형예에서, 도 2의 제1 냉동 루프[압축기(103, 107), 냉각기(105, 109), 및 교축 밸브(115)]는 단일 성분의 캐스케이드형 냉동 시스템으로 대체된다. 제1 냉동 루프에서는 단일 냉매로서 프로판이 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 제2 및 제3 냉동 루프는 도2의 실시예와 다르지 않다.
상온 근처의 온도와 10 내지 15bar 압력의 압축 냉매를 라인(123)에 제공하도록 다단 압축기(119)와 후냉각기(121)가 작동된다. 라인(123)의 압축 냉매는 교축 밸브(125)를 거치면서 감압되고, 라인(127)의 감압 냉매는 열교환기(129)에서 부분 기화되어 냉동을 제공하며 라인(131)의 2상 냉매를 생성한다. 이 2상 냉매는 분리기(133)에서 분리되어 라인(135)의 증기를 제공하고[이 증기는 압축기(119)의 저압 스테이지 흡입부로 복귀됨] 라인(137)의 액체를 제공한다. 이 액체는 교축 밸브(139)를 거치면서 감압되고, 열교환기(129)에서는 부분 기화되어 냉동을 제공한다. 라인(141)의 2상 냉매는 분리기(143)에서 분리되어 라인(145)의 증기를 생성하고[이 증기는 압축기(119)의 중간 스테이지 흡입부로 복귀됨] 라인(147)의 액체를 제공한다. 이 액체는 교축 밸브(149)를 거치면서 감압되고, 감압 냉매는 열교환기(129)에서 기화되어 추가적인 냉동을 제공한다. 라인(151)의 증기는 압축기(119)의 입구로 복귀한다.
도 2의 예시적 실시예의 다른 변형예가 도 4에 도시되어 있다. 이 변형예에서는, 압축 단계에서 형성된 액체가 제3 열교환기로부터의 부분 기화된 액체와 조합되고, 조합된 스트림은 압축된 냉매 증기를 냉각시키기 위해 냉동을 제공하게 되는, 수정된 제3 냉동 루프가 사용된다. 라인(330)의 기화된 냉매는 압축기(331)에서 2 내지 10bar로 압축되고, 후냉각기(332)에서 냉각 및 부분 응축되며, 분리기(333)에서 분리되어 라인(334)의 증기와 라인(335)의 액체를 제공한다.
라인(340)의 액체는 교축 밸브(341)를 거치면서 감압되고, 라인(342)의 감압 액체는 라인(335)으로부터의 액체와 조합되며, 라인(343)의 조합 액체는 제4 열교환기(344)에서 과냉되어 라인(345)의 과냉 액체 냉매를 생성한다. 이 과냉 냉매는 교축 밸브(346)를 거치면서 감압되고, 제3 열교환기(312)로부터의 라인(316)의 부분 기화된 냉매와 조합된다. 라인(347)의 조합 냉매는 열교환기(344)에서 기화되어 냉동을 제공하고 라인(330)의 냉매 증기를 생성한다. 라인(329)의 냉각된 냉매는 제3 열교환기(312)에서 추가 냉각되고 적어도 부분적으로 액화되며, 교축 밸브(314)를 거쳐서 감압되어 라인(315)의 감압 냉매를 제공하고, 이 감압 냉매는 열교환기(312)에서 부분 기화되어 전술한 바와 같이 냉동을 제공한다. 라인(316)의 부분 기화된 냉매는 전술한 바와 같이 열교환기(344)로 복귀한다.
도 2의 예시적인 실시예의 다른 변형예가 도 5에 도시되어 있다. 이 변형예에서는, 냉매가 상온-이하(sub-ambient) 온도에서 압축되고, 압축된 냉매의 냉각의 일부는 제1 냉동 루프에 의해 제공된다. 도 5를 참조하면, 0℃ 내지 -90℃ 범위의 온도를 갖는 라인(348)의 냉매 증기가 압축기(349)에서 10 내지 20bar로 압축되고 후냉각기(350)에서 상온으로 냉각된다. 라인(351)의 냉각된 압축 냉매는 제1 열교환기(352)의 유동 통로(352)에서 추가 냉각되고, 냉동은 전술한 바와 같이 제1 냉동 루프에 의해 제공된다.
라인(354)의 냉각된 냉매는 제4 열교환기(355)에서 추가 냉각되어 라인(329)에서 추가 냉각된 냉매를 제공한다. 라인(329)의 냉각된 냉매는 제3 열교환기(312)에서 추가 냉각되고 적어도 부분적으로 액화되며, 교축 밸브(314)를 거치면서 감압되어 라인(315)의 감압 냉매를 제공하고, 감압 냉매는 열교환기(312)에서 부분 기화되어 전술한 바와 같이 냉동을 제공한다. 라인(316)의 부분 기화된 냉매는 전술한 바와 같이 열교환기(354)로 복귀한다.
이 변형예에서, 라인(348)의 혼합 냉매는 압축기(349)로의 입구에서 0 내지 -90℃ 범위의 온도에 있다. 압축기(349)에서의 저온 압축의 사용은, 냉매 증기가 대략 상온에서 압축기 입구에 진입하는 도 2, 도 3, 도 4의 실시예와 대조된다. 도 5의 실시예에서의 혼합 냉매는 도2의 실시예에서의 냉매보다 가벼우며, 바람직하게는 도 5의 혼합 냉매는 프로판보다 무거운 성분을 전혀 갖지 않는다.
상기 실시예가 천연 가스의 액화 목적으로 사용될 때는, 메탄보다 무거운 탄화수소가 응축되어 최종 메탄 액화 이전에, 스크러브 칼럼(scrub columns) 또는 기타 부분 응축 및/또는 증류 공정을 포함하는 공지된 방법에 의해 응축 제거될 수 있다. 전술했듯이, 이들 응축된 천연 가스 액체(NGL)는 냉동 시스템에서의 냉매용으로 선택된 성분을 제공하도록 분류될 수 있다.
예
도 3의 공정은, 라인(17)의 액화천연가스(LNG) 제품을 제공하기 위해 라인(1)의 천연 가스의 100kg-moles/hour의 공급 가스 스트림이 액화되는 후술하는 비제한적 예에 의해 설명된다. 물과 산성 가스 불순물을 제거하기 위해 미리 정제된(도시되지 않음) 라인(1)의 공급 가스는 27℃의 온도와 60bar의 압력으로 제공된다. 라인(1)의 공급 가스와 라인(207)의 혼합 냉매 증기는 3단의 프로판 냉각에 의해 제1 열교환기(129)에서 -33℃의 온도로 냉각된다. 이 냉각을 달성하기 위해, 프로판은 프로판 압축기(119)로의 세 개의 흡입 스트림(135, 145, 151)을 형성하는 세 개의 압력 레벨에서 증발된다. 세 흡입 스트림의 압력은 각각 1.3bar, 2.8bar, 및 4.8bar이다. 압축기(119)는 16.3bar의 방출 압력을 갖는다. 프로판은 43℃의 온도로 냉각되고, 냉각수 또는 공기와 같은 상온 냉각 매체를 사용하여 후냉각기(121)에서 응축된다. 라인(123)에서의 전체 프로판 유량은 114kg-mole/hour이다.
라인(5)의 냉각된 공급물과 라인(208)의 제2 혼합 냉매는 제2 열교환기(311)에서 -119℃의 온도로 냉각되어, 라인(9)의 추가 냉각된 공급물과 라인(209)의 추가 냉각된 제2 혼합 냉매를 생성한다. 라인(209)의 혼합 냉매는 밸브(211)를 거치면서 4.2bar의 압력으로 교축되어 라인(213)의 감압 혼합 냉매를 생성한다. 라인(213)의 혼합 냉매는 열교환기(311)에서 기화되어 냉동을 제공한다. 이 제2 냉각 루프용 혼합 냉매는 87kg-moles/hour의 유량을 가지며, 27mole% 메탄, 63mole% 에탄, 및 10mole%프로판의 조성을 갖는다. 라인(201)의 기화된 제2 혼합 냉매 스트림은 3단 중간냉각 압축기(203)에서 57bar의 압력으로 냉각된다. 압축된 혼합 냉매는 냉각수를 사용하여 후냉각기(205)에서 36.5℃로 냉각되어, 라인(207)의 냉각된 압축 혼합 냉매가 제공된다.
라인(9)의 공급물과 라인(329)의 제3 혼합 냉매는 제3 열교환기(312)에서 -156℃의 최종 온도로 냉각되어, 라인(17)의 LNG 제품과 라인(313)의 응축된 제3 혼합 냉매를 각각 생성한다. 라인(313)의 혼합 냉매는 밸브(314)를 거치면서 3.7bar의 압력으로 교축되어, 라인(315)의 감압된 제3 혼합 냉매를 제공한다. 이러한 감압된 제3 혼합 냉매는 제3 열교환기(312)에서 부분 기화되어 냉동을 제공하며, 라인(316)의 부분 기화된 냉매는 55%의 증기 비율과 -123℃의 온도를 갖는다. 이 제3 냉각 루프용 혼합 냉매는 59kg-moles/hour의 유량을 가지며, 12mole% 질소, 52mole% 메탄, 18mole% 에탄, 6mole% 프로판, 및 12mole% i-펜탄의 조성을 갖는다.
라인(316)의 혼합 냉매는 제4 열교환기(317)에서 완전 기화되고 26℃로 따뜻해짐으로써 냉동을 제공한다. 라인(318)의 기화된 냉매는 제1 압축 스테이지(319)에서 17.7bar로 압축되고, 36.5℃로 냉각되며, 수냉식 중간냉각기(320)에서 부분 액화된다. 2상 냉매는 분리기(321)에서 분리되어 라인(322)의 냉매 증기와 라인(323)의 냉매 액체를 생성한다. 냉매 액체는 펌프(325)에서 47bar로 압축된다. 라인(322)의 냉매 증기는 압축기(324)에서 47bar의 압력으로 압축되고, 펌프(325)로부터의 압축 냉매와 조합되며, 라인(326)의 조합된 스트림은 수냉식 후냉각기(327)에서 36.5℃로 냉각되어, 라인(328)의 냉각된 혼합 냉매를 생성한다. 이 혼합 냉매는 제4 열교환기(317)에서 냉각되어 라인(329)의 냉각된 혼합 냉매를 제공하며, 이는 전술했듯이 제3 열교환기(312)에서 추가 냉각된다.
전술한 도 1 내지 도 5 관련 설명에서, 라인(즉, 공정 스트림이 관통하는 파이프)에 대한 도면부호는 이들 라인 내를 유동하는 공정 스트림을 지칭할 수도 있다. 방법 청구항에서, 도면부호는 이들 라인을 흐르는 공정 스트림을 나타낸다. 시스템 클레임에서, 도면부호는 이들 라인을 흐르는 공정 스트림 보다는 라인을 나타낸다. 도 2 내지 도 5에서의 도면부호는 청구범위에서 명료함을 위해 포함된 것이며, 청구범위를 제한하려는 의미는 전혀 없는 것이다.

Claims (30)

  1. 액화물(13)을 제공하기 위해 각각의 온도 범위의 적어도 두 개의 열교환 영역(310, 311 및 312; 353, 311 및 312)을 연속적으로 거치면서 공급 가스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함하며, 공급 가스 스트림을 상기 온도 범위에서 냉각하기 위한 냉동(refrigeration)은 각각의 기화하는 냉매(117, 213 및 315)에 의해 제공되고, 최저 온도 범위에서의 냉매(315)는 최저온 열교환 영역(312)에서 부분적으로만 기화되고 재순환 냉동 공정에서 재순환되며, 이 재순환 냉동 공정은, 전부 기화된 냉매(318; 330; 348)를 형성하기 위해 부분 기화된 냉매(316)를 상기 최저온 열교환 영역(312)의 최고 온도보다 높은 온도의 추가 열교환 영역(317; 344; 355)에서 추가 기화하는 단계와, 압축된 냉매 스트림(328; 339; 351)을 생성하기 위해 전부 기화된 냉매(318; 330; 348)를 압축(319, 324; 331, 336; 349)하는 단계와, 최저온 냉매(315)를 제공하기 위해 상기 압축된 냉매 스트림(328; 339; 351)을 냉각하는 단계를 포함하는 것인 가스(1)를 액화하는 가스 액화 방법로서,
    상기 공급 가스는 상기 추가 열교환 영역(317; 344; 355)을 통과하지 않고,
    상기 압축된 냉매 스트림(328; 339; 351) 전체는, (i) 냉각된 냉매 스트림(329)을 제공하기 위해 추가적으로 기화하는 냉매(316)와 추가의 열교환 영역(317; 344; 355)에서 간접 열교환(317; 344; 355)시키는 단계와, (ii) 최저온 냉매(315)를 제공하도록 상기 냉각된 냉매 스트림(329)을 추가 냉각(312)시키는 단계에 의해 냉각되는 것인 가스 액화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압축된 냉매 스트림(328; 339; 351)의 냉각은, 상기 추가적으로 기화하는 냉매와 상기 추가의 열교환기 영역(317; 344; 355)에서의 간접 열교환 이전에, 최저온 열교환 영역(312)에 선행하는 열교환 영역(353)에서 해당 기화하는 냉매(117)와의 간접 열교환(352)에 의해 압축된 냉매 스트림(328; 339; 351) 전체를 냉각시키는 단계를 포함하는 것인 가스 액화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공급 가스 스트림(1)은 천연 가스인 것인 가스 액화 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재순환 냉동 공정에서의 냉매(315)는 질소, i-펜탄 및 n-펜탄을 포함하는 다성분 냉매이며, 최저온 냉매중의 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비는 1보다 크며, 상기 i-펜탄과 n-펜탄은 공급 가스 스트림(1)으로부터 얻어지며, 최저온 냉매(315)중의 상기 몰비는 공급 가스 스트림(1)중의 n-펜탄에 대한 i-펜탄의 몰비보다 큰 것인 가스 액화 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재순환 냉동 공정에서의 냉매(315)는 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소, i-펜탄, 및 질소를 포함하는 다성분 혼합물이며, 상기 i-펜탄과 하나 이상의 탄화수소는 공급 가스 스트림(1)으로부터 얻어지며, 최저온 냉매(315)중의 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소에 대한 i-펜탄의 몰비는 공급 가스 스트림(1)중의 네 개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 탄화수소에 대한 i-펜탄의 몰비보다 큰 것인 가스 액화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 최저온 냉매(315)는 5 내지 15mole%의 질소, 30 내지 60mole%의 메탄, 10 내지 30mole%의 에탄, 0 내지 10mole%의 프로판, 및 5 내지 15mole%의 i-펜탄을 포함하는 것인 가스 액화 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각된 냉매 스트림(329)의 추가 냉각은 최저온 열교환 영역(312)에서 기화하는 최저온 냉매(315)와의 간접 열교환에 의해 이루어지는 것인 가스 액화 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압축된 냉매 스트림(328; 339; 354)를 냉각하기 위한 기화 이전에, 부분 기화된 냉매(316)는 냉각된 감압 액체 냉매(345)와 조합되어 조합된 2상 냉매(347)를 제공하며, 이 2상 냉매는 압축된 냉매 스트림(328; 339; 354)을 냉각시키도록 기화되고, 압축되는 냉매 증기(318; 330; 348)는 냉각(332)되어 부분 응축된 냉매를 제공하며, 상기 부분 응축된 냉매는 냉매 증기 스트림(334)과 냉매 액체 스트림(335)으로 분리(333)되고, 냉매 증기 스트림(334)은 압축(336) 및 냉각(337)되어 부분 응축된 스트림을 형성하고, 부분 응축된 스트림은 압축된 냉매 증기(328; 339; 354)와 액체 냉매(340)로 분리(338)되며, 상기 액체 냉매의 압력이 감소(341)되어 감압 액체 냉매(342)가 제공되고, 감압 액체 냉매(342)는 냉매 액체 스트림(335)과 조합되어 조합된 냉매 액체(343)를 제공하며, 조합된 냉매 액체 스트림(343)은 조합된 2상 냉매(347)와의 간접 열교환(344)에 의해 과냉된 후 상기 부분 기화된 냉매(316)와 조합하기 위한 상기 냉각된 감압 액체 냉매(345)를 제공하기 위한 압력으로 감압(346)되는 것인 가스 액화 방법.
  9. 제1항의 방법에 의해 가스 스트림(1)을 액화하기 위한 시스템으로서,
    상기 가스 스트림(1)을 각각의 온도 범위를 연속적으로 거치면서 냉각하여 액화물(13)을 제공하기 위한 적어도 두 개의 열교환 영역(310, 311 및 312; 353, 311 및 312), 및
    각각의 냉매 라인(117, 213 및 315)의 각각의 냉매를 상기 열교환 영역(310, 311 및 312; 353, 311 및 312)으로 제공하기 위한 각각의 냉동 시스템
    을 포함하며, 최저온 열교환 영역(312)은 해당 냉매(최저온 냉매)를 부분적으로만 기화시키며,
    최저온 냉매를 제공하는 냉동 시스템은 재순환 시스템을 포함하며, 이 재순환 시스템은,
    최저온 열교환 영역(312)의 최고 온도보다 높은 온도에서 상기 얻어진 부분 기화된 냉매를 전부 기화시키기 위한 추가 열교환 영역(317; 344; 355)과,
    압축된 냉매 스트림(328; 339; 351)을 제공하기 위해 기화된 냉매를 압축하기 위한 압축 수단(319, 324; 331, 336; 349)과,
    상기 추가 열교환 영역(317; 344; 355)으로부터의 기화된 냉매를 상기 압축 수단(319, 324; 331, 336; 349)에 제공하기 위한 배관 수단(318; 330; 348)과,
    압축된 냉매를 상기 추가 열교환 영역(317; 344; 355)에 제공하기 위한 배관 수단(328; 339; 354)과,
    상기 추가 열교환 영역(317; 344; 355)으로부터의 냉각 압축된 냉매를 최저온 열교환 영역(312)에 제공하기 위한 배관 수단(329)과,
    응축된 냉매를 제공하도록 냉각 압축된 냉매를 추가 냉각(356)하기 위한 추가 냉각 수단을 포함하는 것인 가스 스트림 액화 시스템에 있어서,
    압축된 냉매를 추가 열교환 영역(317; 344; 355)에 제공하는 배관 수단(328; 339; 354)은 압축된 냉매 스트림(328; 339; 354) 전체를 운반하는 것인 가스 스트림 액화 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 배관 수단(328; 339; 354)은 해당 기화하는 냉매(117)와의 간접 열교환(352)에 의해 압축된 냉매 전체를 냉각시키기 위해 최저온 열교환 영역(312)에 선행하는 열교환 영역(353)을 통과하는 것인 가스 스트림 액화 시스템.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 응축된 냉매를 제공하기 위해 냉각 압축된 냉매를 추가 냉각(356)하기 위한 추가 냉각 수단은 최저온 열교환 영역(312)을 포함하며, 상기 시스템은 최저온 열교환 영역(312)의 냉매 라인(315)에 냉매를 제공하도록 응축된 냉매의 압력을 감소시키는 감압 수단(314)을 더 포함하는 것인 가스 스트림 액화 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 추가 열교환 영역(317; 344; 355)은 과냉된 냉매 액체(345)를 제공하기 위해 냉매 액체(343)를 과냉시키는 과냉 수단을 구비하며,
    최저온 냉동 시스템은, 감압 냉매를 제공하기 위해 과냉된 냉매 액체의 압력을 감소시키기 위한 감압 수단(346), 및 감압 냉매를 최저온 열교환 영역(312)으로부터의 부분 기화된 냉매와 조합하여 조합된 기화하는 냉매 스트림을 추가 열교환 영역(317; 344; 355)에 제공하기 위한 배관 수단(347)을 포함하고, 상기 조합된 기화하는 냉매 스트림이 기화되어 압축 수단(319; 331; 349)에는 기화된 냉매 공급물이 제공되는 것인 가스 스트림 액화 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 추가 열교환 영역(317; 344; 355)으로부터의 기화된 냉매를 압축하기 위한 압축 수단은,
    제1 스테이지 압축기(331),
    부분 응축된 제1 압축 냉매 스트림을 생성하도록, 얻어진 제1 압축 냉매 스트림을 냉각 및 부분 응축하기 위한 중간냉각기(intercooler)(332),
    부분 응축된 제1 압축 냉매 스트림을 제1 증기 냉매 스트림(334)과 제1 액체 냉매 스트림(335)으로 분리하기 위한 제1 분리기(333),
    압축된 증기 냉매 스트림을 제공하기 위해 상기 제1 증기 냉매 스트림(334)을 압축하기 위한 제2 스테이지 압축기(336),
    냉각된 2상 냉매 스트림을 제공하기 위해 상기 압축된 증기 냉매 스트림을 냉각하기 위한 후냉각기(aftercooler)(337),
    제2 액체 냉매 스트림(340)과 압축된 냉매를 추가 열교환 영역(317; 344; 355)으로 공급되도록 배관 수단(328; 339; 354)에 제공하기 위한 제2 분리기(338),
    감압 제2 액체 냉매 스트림을 제공하기 위해 제2 액체 냉매 스트림의 압력을 감소시키기 위한 감압 수단(341), 및
    감압 제2 액체 냉매 스트림과 제1 액체 냉매 스트림을 조합하여 냉매 액체를 추가 열교환 영역(317; 344; 355)에 제공하기 위한 배관 수단(335, 342, 343)을 포함하는 것인 가스 스트림 액화 시스템.
  14. 제2항의 방법에 의해 가스 스트림(1)을 액화하기 위한 제10항에 따른 시스템으로서, 상기 최저온 냉동 시스템은,
    상기 최저온 열교환 영역(312)에 선행하는 열교환 영역(353)에서 기화하는 해당 냉매(117)와의 간접 열교환(312)에 의해 상기 압축된 냉매를 냉각하여 냉각 압축된 냉매를 제공하도록, 상기 압축된 냉매 스트림을 상기 압축 수단(319, 324; 331, 336; 349)으로부터 상기 열교환 영역(353)에 제공하기 위한 배관 수단(351)과,
    상기 냉각 압축된 냉매를 상기 최저온 열교환기(312)로부터의 상기 기화하는 냉매와의 간접 열교환에 의해 추가 냉각시키도록 상기 냉각 압축된 냉매를 상기 추가 열교환 영역(317; 344; 355)에 제공하여, 상기 배관 수단(318; 330; 348)이 상기 기화된 냉매를 상기 압축 수단(319, 324; 331, 336; 349)에 제공하며 상기 배관 수단(329)이 상기 냉각 압축된 냉매를 상기 최저온 열교환 영역(312)에 제공하게 하는 배관 수단(354)
    응축된 냉매를 제공하기 위해 냉각 압축된 냉매를 최저온 열교환 영역(312)에서 추가 냉각(356)하기 위한 추가 냉각 수단과,
    최저온 열교환 영역(312)을 위한 냉매 라인(315)에 냉매를 제공하기 위해 응축된 냉매의 압력을 감소시키는 감압 수단(314)을 더 포함하는 것인 가스 스트림 액화 시스템.
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