KR101037226B1 - 천연가스 액화공정 - Google Patents

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Abstract

밀폐회로 예냉 사이클(closed loop pre-cooling cycle)을 이용하여 천연가스를 예냉시키고 밀폐회로 액화 사이클(closed loop liquefying cycle)을 이용하여 예냉된 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서, 밀폐회로 예냉 사이클은 각각의 순수 냉매를 통해 동일한 제1 열교환 영역 내에서 공급된 천연가스를 함께 예냉시키는 제1 및 제2 예냉 사이클을 포함하고, 밀폐회로 액화 사이클은 혼합 냉매를 통해 예냉된 천연가스를 액화시키는 적어도 하나의 액화 사이클을 포함하며, 제1 및 제2 예냉 사이클은 밀폐회로 냉동 사이클인 것을 특징으로 한다.

Description

천연가스 액화공정 {NATURAL GAS LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 천연가스 액화공정에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 순수 냉매 사이클과 혼합 냉매 사이클의 장점을 모두 살릴 수 있도록 예냉 사이클을 구성하여 액화공정의 효율이 우수하면서도 액화시스템의 설비가 적고 구조가 단순하며 운전이 용이한 천연가스 액화공정에 관한 것이다.
천연가스를 액화시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 열역학적 프로세스는 보다 높은 효율, 보다 큰 용량, 그리고 보다 간단한 설비 등에 대한 요구를 만족시키기 위해 1970년대부터 개발되어 왔다. 이러한 요구들을 만족시키기 위해 서로 다른 냉매를 사용하거나, 또는 서로 다른 사이클을 사용하여 천연가스를 액화시키는 다양한 시도들이 현재까지 지속적으로 이루어지고 있으나 현재 실용적으로 사용되고 있는 액화공정의 수는 매우 적다.
작동 중에 있으면서도 가장 널리 보급된 액화공정 중의 하나는 'Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant Process(또는 C3/MR Process)'이다. C3/MR 공정의 기본적인 구조는 도 9에서 도시하고 있는 것과 같다. 참고로, 도 9 등에서 'C3'는 프로판 냉매 사이클을 나타내고, 'MR'은 혼합 냉매 사이클을 나타낸다. 그리고 도 9 등에서 'C'는 압축기(compressor)를, 'AC'는 후냉각기(after-cooler)를, 'V'는 밸브(valve)를, 'HX'는 열교환기(heat exchanger)를 나타낸다.
도 9에서 도시하고 있는 것과 같이 공급가스는 다단(multi-stage)의 프로판(C3) 냉매 사이클에 의해 대략 240 K까지 예냉(pre-cooled)된다. 예냉된 공급가스는 혼합 냉매 사이클에 의해, 즉 열교환기에서 혼합 냉매(mixed refrigerant, MR)와의 열교환을 통해 대략 113 K까지 응축(condensed)되고 과냉(sub-cooled)된다. 이러한 C3/MR 공정에서도 순수 냉매 사이클과 혼합 냉매 사이클의 일반적인 특성이 그대로 나타난다. 즉, 순수 냉매 사이클은 그 구조가 단순하고 작동이 용이하지만 많은 수의 냉각 단(refrigeration stage)이 요구되고, 혼합 냉매 사이클은 구조가 복잡하고 작동이 어렵지만 적은 수의 구성요소들만으로 높은 효율을 얻을 수 있으며, 이러한 각 사이클의 특징은 C3/MR 공정에서도 그대로 나타난다.
이에 대해 상술하면, 예냉된 공급가스를 액화(그리고 과냉)시키는 C3/MR 공정의 혼합 냉매 사이클은 통상 질소(nitrogen), 메탄(methane), 에탄(ethane), 및 프로판(propane)으로 구성되는 혼합 냉매를 사용한다. 이러한 성분들의 조성을 적절하게 선택하고, 각 성분들의 비등점의 차이에 따라 혼합 냉매를 적절하게 기체 상태의 냉매 부분과 액체 상태의 냉매 부분을 분리한 다음, 각 냉매 부분을 통해 천연가스를 액화함으로써, C3/MR 공정의 혼합 냉매 사이클에서는 적은 수의 설비만으로도 높은 효율을 나타낼 수 있다. 이에 반해 공급가스를 예냉시키는 C3/MR 공정의 순수 냉매 사이클은 프로판 냉매라는 순수 냉매를 사용하기 때문에 그 구조가 단순하고 작동이 용이하지만 통상 3개 또는 4개의 압력 단계가 필요하여 많은 수의 압축기 등이 요구된다. 결국, C3/MR 공정의 경우에는 예냉 사이클에서는 단순성(설비의 수는 많지만 그 구조 자체는 단순함)에, 액화 사이클에서는 효율성(설비의 수는 적지만 그 구조 자체는 복잡하고 효율이 우수함)에 초점을 두고 있다고 볼 수 있다.
작동 중에 있는 다른 성공적인 액화공정 중의 하나는 'Dual Mixed Refrigerant process(또는 DMR process)'이다. DMR 공정의 기본적인 구조는 도 10에서 도시하고 있는 것과 같다. 도 10에서 도시하고 있는 것과 같이 DMR 공정의 액화(과냉) 사이클은 기본적으로 C3/MR 공정의 액화(과냉) 사이클, 즉 혼합 냉매 사이클과 동일하다. 다만 DMR 공정에서는 C3/MR 공정에서와는 다르게 공급가스를 예냉시키기 위해 다른 혼합 냉매 사이클을 사용한다. DMR 공정에서의 예냉 사이클은 DMR 공정에서의 액화 사이클과는 다르게 통상 기액 분리기가 존재하지 않는다. 결국, DMR 공정의 경우에는 예냉 사이클과 액화 사이클 모두에서 효율성에 초점을 두고 있다고 볼 수 있다. 그러나 실제 DMR 공정의 효율은 실질적으로 C3/MR 공정의 효율보다 조금 낮은 것으로 알려져 있다.
전술한 바와 같이 혼합 냉매 사이클은 순수 냉매 사이클보다 그 효율이 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나 그 구조 자체는 혼합 냉매 사이클이 순수 냉매 사이클보다 복잡하다. 또한 예냉된 천연가스를 액화(과냉)시키는 냉동 사이클에 혼합 냉매 사이클을 적용하여 액화공정 전체의 효율을 높이는 방안들은 많이 제시되고 있으나, 공급된 천연가스를 예냉시키는 냉동 사이클에 대한 연구는 미미한 실정이며, 이에 따라 그 구조가 단순하면서도 효율이 우수한 예냉 사이클에 대한 연구가 많이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 순수 냉매 사이클과 혼합 냉매 사이클의 장점을 모두 살릴 수 있도록 예냉 사이클을 구성하여 액화공정의 효율이 우수하면서도 액화시스템의 설비가 적고 구조가 단순하며 운전이 용이한 천연가스 액화공정을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 밀폐회로 예냉 사이클(closed loop pre-cooling cycle)을 이용하여 천연가스를 예냉시키고 밀폐회로 액화 사이클(closed loop liquefying cycle)을 이용하여 예냉된 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서, 밀폐회로 예냉 사이클은 각각의 순수 냉매를 통해 동일한 제1 열교환 영역 내에서 공급된 천연가스를 함께 예냉시키는 제1 및 제2 예냉 사이클을 포함하고, 밀폐회로 액화 사이클은 혼합 냉매를 통해 예냉된 천연가스를 액화시키는 적어도 하나의 액화 사이클을 포함하며, 제1 및 제2 예냉 사이클은 밀폐회로 냉동 사이클인 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 제1 예냉 사이클의 순수 냉매는 에탄(C2) 냉매이고, 상기 제2 예냉 사이클의 순수 냉매는 부탄(C4) 냉매일 수 있다. 그리고 상기 제1 및 제2 예냉 사이클은, 순수 냉매를 압축하는 단계, 압축된 냉매를 냉각하는 단계, 냉각된 냉매를 상기 제1 열교환 영역 내에서 추가적으로 냉각하는 단계, 및 추가적으로 냉각된 냉매를 팽창하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 밀폐회로 액화 사이클은, 혼합 냉매를 압축하는 단계, 압축된 냉매를 냉각하는 단계, 냉각된 냉매를 상기 제1 열교환 영역 내에서 추가적으로 냉각하여 부분적으로 응축하는 단계, 부분적으로 응축된 냉매를 비등점의 차이에 따라 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 단계, 상기 액상 냉매 부분을 이용하여 제2 열교환 영역 내에서 예냉된 천연가스를 일차적으로 냉각하는 단계, 및 상기 기상 냉매 부분을 이용하여 제3 열교환 영역 내에서 일차적으로 냉각된 천연가스를 이차적으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 일차적으로 냉각하는 단계는, 상기 액상 냉매 부분을 상기 제2 열교환 영역 내에서의 열교환을 통해 냉각하는 제1 단계, 상기 제1 단계를 통해 냉각된 냉매 부분을 팽창하는 제2 단계, 및 상기 제2 단계를 통해 팽창된 냉매 부분과 상기 천연가스를 상기 제2 열교환 영역 내에서 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 제3 단계를 포함할 수 있다. 그리고 상기 이차적으로 냉각하는 단계는, 상기 기상 냉매 부분을 상기 제2 열교환 영역 내에서의 열교환을 통해 냉각하는 냉각 단계, 상기 냉각 단계를 통해 냉각된 냉매 부분을 상기 제3 열교환 영역 내에서의 열교환을 통해 응축하는 응축 단계, 상기 응축 단계를 통해 응축된 냉매 부분을 팽창하는 팽창 단계, 및 상기 팽창 단계를 통해 팽창된 냉매 부분과 상기 천연가스를 상기 제3 열교환 영역 내에서 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 예냉 사이클이 오직 한 개의 압력 단계만으로 천연가스를 예냉시키기 때문에 상대적으로 적은 수의 설비만으로도 예냉 사이클을 구성할 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 각각의 예냉 사이클이 순수 냉매를 사용하고 있기 때문에 그 구조 자체가 단순하고 액화시스템의 운전이 용이하다는 효과가 있다.
더욱이 본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 2개의 예냉 사이클이 병렬로 배치되어 동일한 열교환 영역 내에서 천연가스를 예냉하기 때문에 액화공정의 효율이 매우 우수하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 2는 종래의 C3-MR 공정의 예냉 영역에서의 온도 프로파일을 도시하고 있는 그래프
도 3은 종래의 DMR 공정의 예냉 영역에서의 온도 프로파일을 도시하고 있는 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화공정의 예냉 영역에서의 온도 프로파일을 도시하고 있는 그래프
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화공정에서의 에탄과 프로판 사이클의 온도-엔트로피 선도
도 6 내지 도 8은 종래의 CR/MR 공정, 종래의 DMR 공정, 및 본 발명의 일 실시예에 따른 액화공정의 예냉 단계에서의 엑서지 이용과 비가역성을 각각 나타내고 있는 그래프
도 9는 종래의 C3/MR 공정을 도시하고 있는 흐름도
도 10은 종래의 DMR 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 본 실시예에 따른 액화공정은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 밀폐회로 예냉 사이클(closed loop pre-cooling cycle)을 이용하여 천연가스를 예냉시키고, 밀폐회로 액화 사이클(closed loop liquefying cycle)을 이용하여 예냉된 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 적용될 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 액화공정은 추가적으로 혼합 냉매를 냉각하거나 또는 천연가스를 더 냉각하는 냉동 사이클을 더 포함할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화공정을 도 1을 참조하여 설명하도록 한다. 기본적으로 본 실시예에 따른 액화공정은 공급된 천연가스를 예냉시키는 폐 루프 냉동 사이클과 예냉된 천연가스를 액화시키는(또는 액화시키고 과냉시키는) 폐 루프 냉동 사이클을 포함한다. 본 실시예에 따른 냉동 사이클들은 모두 폐 루프 사이클이기 때문에 각각의 사이클들은 모두 독립적으로 압축-응축-팽창-증발의 단계를 거치면서 하나의 밀폐 사이클을 진행한다. 그리고 공급된 천연가스를 예냉시키는 밀폐회로 냉동 사이클, 즉 밀폐회로 예냉 사이클은 서로 다른 2개의 예냉 사이클을 포함한다. 이들 2개의 예냉 사이클도 물론 밀폐회로 냉동 사이클이다.
본 실시예에 따른 액화공정을 보다 자세히 설명하면, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 공급된 천연가스는 제1 열교환 영역(110) 내에서 제1 예냉 사이클과 제2 예냉 사이클에 의해 예냉된다(후술할 바와 같이 본 실시예에 따른 액화공정에 있어 제1 예냉 사이클은 에탄(C2) 냉매 사이클이고, 제2 예냉 사이클은 부탄(C4) 냉매 사이클이다). 즉, 공급된 천연가스는 제1 열교환 영역(110)이라는 동일한 열교환 영역 내에서 제1 예냉 사이클의 순수 냉매와 제2 예냉 사이클의 순수 냉매에 의해 예냉된다. 이를 위해 제1 예냉 사이클과 제2 예냉 사이클은 각각 냉매의 압축, 응축, 팽창, 및 증발의 단계를 거친다.
위와 같은 제1 및 제2 예냉 사이클에서는 우선 순수 냉매가 도관(201, 401)을 통해 압축기(151, 161)로 유입되어 압축된다. 그런 다음 순수 냉매는 도관(202, 402)을 통해 냉각기(152, 162)로 유입되어 냉각된다. 이러한 압축과 냉각의 과정은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 다단으로 이루어질 수 있다. 즉, 복수 개의 압축기와 냉각기를 직렬로 연결할 수 있다. 이러한 경우에는 냉각된 순수 냉매가 다시 도관(203, 403)을 통해 압축기(153, 163)로 유입되어 압축되고, 이렇게 압축된 순수 냉매가 다시 도관(204, 404)을 통해 냉각기(154, 164)로 유입되어 냉각될 수 있다. 이와 같이 압축기를 다단으로 구성하여 순수 냉매를 다단으로 압축하면 압축기의 소요동력을 감소시킬 수 있다.
그리고 이와 같이 압축되고 냉각된 순수 냉매는 도관(205, 405) 제1 열교환 영역(110)으로 유입되어 환류되는 냉매와의 열교환을 통해 더 냉각될 수 있으며, 이러한 과정을 통해 순수 냉매는 응축될 수 있다. 다만 후술할 바와 같이 순수 냉매의 비등점에 따라서는 전술한 냉각기에 의한 냉각에 의해 순수 냉매가 응축될 수도 있다. 이러한 경우에는 응축된 상태에서 순수 냉매가 제1 열교환 영역(110)으로 유입되어 더 냉각될 수 있다. 이러한 제1 열교환 영역(110)에서의 냉매의 냉각은 도관(207, 407)을 통해 제1 열교환 영역(110)으로 다시 유입되는 냉매에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 위와 같은 제1 열교환 영역(110)에서의 열교환을 통해 냉각된 순수 냉매는 도관(206, 406)을 통해 팽창 밸브(155, 165)로 유입되어 팽창되며 냉각된 다음, 도관(207, 407)을 통해 다시 제1 열교환 영역(110)으로 유입되어 천연가스와 냉매를 냉각시킬 수 있다.
위와 같은 과정들은 제1 예냉 사이클과 제2 예냉 사이클에서 동일하게 일어난다. 즉, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 예냉 사이클과 제2 예냉 사이클은 밀폐회로 사이클을 이루면서 평행하게 배치되어 제1 열교환 영역(110) 내에서 상보적으로 공급된 천연가스를 예냉시킨다. 후술할 바와 같이 본 실시예에 따른 액화공정에 있어 가장 중요한 특징은 이와 같이 순수 냉매를 채용한 두 개의 폐 루프 냉동 사이클을 평행하게 배치하여 동일한 열교환 영역 내에서 공급된 천연가스를 예냉시킨다는 점이다.
이러한 제1 및 제2 예냉 사이클의 순수 냉매로서 본 실시예에서는 에탄(C2) 냉매와 부탄(C4) 냉매를 사용한다. 전술한 C3/MR 공정에서는 천연가스의 예냉을 위해 프로판(C3)으로 구성되는 순수 냉매를 사용하고, 전술한 DMR 공정에서는 천연가스의 예냉을 위해 에탄(C2) 45.5 mole %, 프로판(C3) 4.9 mole %, 부탄(C4) 49.6 mole %로 구성되는 혼합 냉매를 사용한다. 즉, 전술한 C3/MR 공정에서는 하나의 순수 냉매를 사용하기 때문에 복수 개의 압력 레벨이 요구되어 많은 수의 설비가 요구되나 그 구조 자체는 단순하고 예냉 사이클의 운전이 용이한데 반해, 전술한 DMR 공정에서는 혼합 냉매를 사용하기 때문에 적은 수의 설비가 요구되나 그 구조 자체는 복잡하고 다는 예냉 사이클의 운전도 어렵다는 차이가 있다.
본 실시예에 따른 액화공정에서는 위와 같은 두 가지 기본 구조가 가지는 장점, 즉 예냉을 위해 순수 냉매를 사용하는 경우와 혼합 냉매를 사용하는 경우의 장점을 모두 살릴 수 있도록 전술한 바와 같이 평행하게 배치된 두 개의 순수 냉매 사이클을 사용한다. 그리고 두 개의 순수 냉매 사이클을 에탄 사이클과 부탄 사이클로 구성함으로써 전체적의 액화공정의 효율도 최적화시킬 수 있다. 전술한 DMR 공정의 예냉 단계에서의 혼합 냉매는 에탄, 프로판, 부탄 성분으로 구성되되 프로판 성분이 매우 적게 포함되어 있으며, 위 프로판 성분으로 인한 예냉 효과를 본 실시예에 따른 액화공정에서는 에탄 사이클과 부탄 사이클의 부합 효과에 의해 대체하고 있다고 볼 수도 있다.
위와 같이 두 개의 순수 냉매 사이클을 통해 예냉된 천연가스는 혼합 냉매 사이클을 통해 액화된다(또는 액화되고 과냉된다). 이에 대해 상술하면 제1 열교환 영역(110)에서의 열교환을 통해 부분적으로 응축된 혼합 냉매는 도관(301)을 통해 기액 분리기(171)로 유입되어 비등점의 차이에 따라 제1 냉매 부분과, 제1 냉매 부분보다 비등점이 낮은 제2 냉매 부분으로 분리된다. 즉, 부분적으로 응축된 혼합 냉매는 기액 분리기(171)를 통해 비등점이 높기 때문에 액상 냉매 부분으로 분리되는 제1 냉매 부분과, 비등점이 낮기 때문에 기상 냉매 부분으로 분리되는 제2 냉매 부분으로 나뉘어질 수 있다.
이렇게 분리된 제1 냉매 부분은 도관(302)을 통해 제2 열교환 영역(120)으로 유입되어 냉각된다. 이러한 냉매 부분의 냉각은 도관(304)을 통해 제2 열교환 영역(120)으로 유입되는 냉매와의 열교환을 통해 이루어질 수 있다. 냉각된 냉매 부분은 도관(303)을 통해 팽창 밸브(172)로 유입되어 팽창된다. 팽창된 냉매 부분은 후술할 제2 냉매 부분과 혼합된 다음, 도관(304)을 통해 다시 제2 열교환 영역(120)으로 유입되어 다른 냉매들을 냉각시키고 천연가스를 액화시킬 수 있다. 그런 다음 혼합 냉매는 일련의 압축 과정과 냉각 과정을 거친 후, 제1 열교환 영역(110)으로 유입되어 공급된 천연가스와 함께 에탄 사이클과 부탄 사이클을 통해 냉각될 수 있다.
그리고 분리된 제2 냉매 부분은 도관(306)을 통해 제2 열교환 영역(120)으로 유입되어 냉각된다. 이러한 냉매 부분의 냉각은 도관(304)을 통해 제2 열교환 영역(120)으로 유입되는 냉매와의 열교환을 통해 이루어질 수 있다. 냉각된 냉매 부분은 도관(307)을 통해 제3 열교환 영역(130)으로 유입되어 응축된다. 이러한 냉매 부분의 응축은 도관(309)을 통해 제3 열교환 영역(130)으로 유입되는 냉매와의 열교환을 통해 이루어질 수 있다. 응축된 냉매 부분은 도관(308)을 통해 팽창 밸브(173)로 유입되어 팽창된다. 팽창된 냉매 부분은 도관(309)을 통해 다시 제3 열교환 영역(130)으로 유입되어 열교환을 통해 제3 열교환 영역(130)으로 유입되는 냉매를 응축시키고 천연가스를 액화시키거나 과냉시킨다. 참고로 액화된 천연가스는 팽창 밸브(181)에 의해 팽창된 다음 저장 탱크 등으로 유입될 수 있다.
제3 열교환 영역(130)에서의 열교환을 마친 냉매 부분은 전술한 제1 냉매 부분과 혼합되어 다시 제2 열교환 영역(120)으로 유입될 수 있다. 참고로 전술한 3개의 열교환 영역(110, 120, 130)은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 하나의 열교환 수단 내에 함께 구비될 수도 있고, 또는 3개의 열교환 수단 내에 각각 구비될 수도 있다. 또한 상기 열교환 수단은 통상의 열교환기(heat exchanger)일 수 있다.
위와 같은 구성을 가지는 본 실시예에 따른 액화공정의 효과를 도 2 내지 도 8을 참조하여 상술한다. 도 2와 도 3에서는 전술한 C3-MR 공정과 DMR 공정의 예냉 영역에서의 온도 분포를 각각 도시하고 있다. C3-MR 공정에서의 프로판(C3)은 순수 냉매이고 여러 단의 압력 단계를 거치기 때문에 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 계단 모양으로 온도 분포가 나타난다. 이에 반해 DMR 공정의 예냉 영역에서의 온도 분포는 열교환 영역의 중간에서 최소 차이(3K)를 나타내며 점차적으로 변화한다. 그리고 도 4와 도 5에서는 본 실시예에 따른 액화공정의 예냉 영역에서의 온도 분포와 본 실시예에 따른 액화공정에서의 에탄과 부탄 사이클의 온도-엔트로피 선도를 각각 나타내고 있다.
본 실시예에 따른 액화공정의 예냉 단계에서 각각의 순수 냉매는 액상으로 열교환 영역으로 유입되기 때문에(도 4 및 도 5의 도면부호 9 참조), 차가운 유동(cold stream)의 온도는 에탄 냉매와 부탄 냉매의 기화에 대응하여 2개의 수평 영역(도 4의 도면부호 9~10, 11~12 참조)을 가진다. 이에 반해 천연가스를 예냉시킨 다음의 부탄 냉매는 압축기와 냉각기를 통한 다단의 압축 과정과 냉각 과정을 거치면서 응축되어 액상으로 다시 열교환 영역으로 유입되기 때문에(도 4 및 도 5의 도면부호 5 참조), 뜨거운 유동(hot stream)의 온도는 에탄 냉매의 응축에 대응하여 1개의 수평 영역(도 4의 도면부호 6~7 참조)만 가진다.
도 6 내지 도 8에서는 전술한 3개의 공정, 즉 CR/MR 공정, DMR 공정, 그리고 본 실시예에 따른 액화공정의 예냉 단계에서의 유용 엑서지(exergy utilization)와 비가역성(irreversibility)을 나타내고 있다. 동력 입력(power input)에 대한 엑서지 증가의 비로서 정의되는 엑서지 효율(exergy efficiency)은 도 6 내지 도 8에서 도시하고 있는 것과 같이 각 액화공정에서 각각 34.3%, 30.5%, 그리고 31.5%로 나타났다. 전술한 바와 같이 C3/MR 공정의 경우에는 복수 개의 압력 단계가 요구되어 많은 수의 설비가 요구된다는 단점이 있고, DMR 공정의 경우에는 혼합 냉매를 사용하기 때문에 그 구조 자체가 복잡하고 액화시스템의 운전이 어렵다는 단점이 있다는 점을 고려할 때, 본 실시예에 따른 액화공정의 효과는 매우 우수하다는 점을 확인할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 액화공정은 각각의 예냉 사이클이 오직 한 개의 압력 단계만으로 천연가스를 예냉시키기 때문에 상대적으로 적은 수의 설비만으로도 예냉 사이클을 구성할 수 있고, 각각의 예냉 사이클이 순수 냉매를 채용하고 있기 때문에 그 구조 자체가 단순하고 액화시스템의 운전이 용이하면서도, 에탄 냉매 사이클과 부탄 냉매 사이클을 병렬로 배치하여 동일한 열교환 영역 내에서 천연가스를 예냉하기 때문에 액화공정의 효율도 매우 우수하다. 결국, 본 실시예에 따른 액화공정은 순수 냉매를 채용하여 천연가스를 예냉시키는 구조와 혼합 냉매를 채용하여 천연가스를 예냉시키는 구조의 장점을 모두 가지고 있으면서도 매우 높은 효율을 가지고 있다(현재까지 알려진 액화공정 중에 C3/MR 공정이 효율이 매우 높은 공정 중의 하나라는 점을 고려할 때 본 실시예에 따른 액화공정의 효율은 매우 우수한 것이다).
그리고 각 액화공정의 예냉 단계에서의 비가역성은 도 6 내지 도 8에서 도시하고 있는 것과 같이, 밸브(V), 후냉각기(AC), 압축기(C), 열교환기(HX)의 4 그룹으로 나누어 나타낼 수 있다. 본 실시예에 따른 액화공정과 C3/MR 공정을 대비하여 보면, C3/MR 공정은 본 실시예에 따른 액화공정에 비해 상대적으로 밸브에 의한 비가역성이 큰 것을 확인할 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 액화공정과 DMR 공정을 대비하여 보면, DMR 공정은 본 실시예에 따른 액화공정에 비해 상대적으로 냉각기에 의한 비가역성이 큰 것을 확인할 수 있다. 결국, 본 실시예에 따른 액화공정은 전술한 2개의 액화공정에 비해 밸브와 냉각기에 의한 비가역성은 낮은데 반해, 열교환기에 의한 비가역성은 높은 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 제1 열교환 영역 120: 제2 열교환 영역
130: 제3 열교환 영역
151, 153, 161, 163: 압축기
152, 154, 162, 164: 후냉각기
171: 기액 분리기
155, 165, 172, 173: 팽창 밸브

Claims (6)

  1. 밀폐회로 예냉 사이클(closed loop pre-cooling cycle)을 이용하여 천연가스를 예냉시키고 밀폐회로 액화 사이클(closed loop liquefying cycle)을 이용하여 예냉된 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서,
    상기 폐 루프 예냉 사이클은 각각의 순수 냉매를 통해 동일한 제1 열교환 영역 내에서 공급된 천연가스를 함께 예냉시키는 제1 및 제2 예냉 사이클을 포함하고, 상기 밀폐회로 액화 사이클은 혼합 냉매를 통해 예냉된 천연가스를 액화시키는 적어도 하나의 액화 사이클을 포함하며, 상기 제1 및 제2 예냉 사이클은 밀폐회로 냉동 사이클이고,
    상기 폐 루프 액화 사이클은, 혼합 냉매를 압축하는 단계, 압축된 냉매를 냉각하는 단계, 냉각된 냉매를 상기 제1 열교환 영역 내에서 추가적으로 냉각하여 부분적으로 응축하는 단계, 부분적으로 응축된 냉매를 비등점의 차이에 따라 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리하는 단계, 상기 액상 냉매 부분을 이용하여 제2 열교환 영역 내에서 예냉된 천연가스를 일차적으로 냉각하는 단계, 및 상기 기상 냉매 부분을 이용하여 제3 열교환 영역 내에서 일차적으로 냉각된 천연가스를 이차적으로 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 예냉 사이클의 순수 냉매는 에탄(C2) 냉매이고, 상기 제2 예냉 사이클의 순수 냉매는 부탄(C4) 냉매인 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 예냉 사이클은, 순수 냉매를 압축하는 단계, 압축된 냉매를 냉각하는 단계, 냉각된 냉매를 상기 제1 열교환 영역 내에서 추가적으로 냉각하는 단계, 및 추가적으로 냉각된 냉매를 팽창하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 일차적으로 냉각하는 단계는, 상기 액상 냉매 부분을 상기 제2 열교환 영역 내에서의 열교환을 통해 냉각하는 제1 단계, 상기 제1 단계를 통해 냉각된 냉매 부분을 팽창하는 제2 단계, 및 상기 제2 단계를 통해 팽창된 냉매 부분과 상기 천연가스를 상기 제2 열교환 영역 내에서 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 이차적으로 냉각하는 단계는, 상기 기상 냉매 부분을 상기 제2 열교환 영역 내에서의 열교환을 통해 냉각하는 냉각 단계, 상기 냉각 단계를 통해 냉각된 냉매 부분을 상기 제3 열교환 영역 내에서의 열교환을 통해 응축하는 응축 단계, 상기 응축 단계를 통해 응축된 냉매 부분을 팽창하는 팽창 단계, 및 상기 팽창 단계를 통해 팽창된 냉매 부분과 상기 천연가스를 상기 제3 열교환 영역 내에서 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
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