KR101153100B1 - 천연가스 액화공정 - Google Patents

천연가스 액화공정 Download PDF

Info

Publication number
KR101153100B1
KR101153100B1 KR1020120015478A KR20120015478A KR101153100B1 KR 101153100 B1 KR101153100 B1 KR 101153100B1 KR 1020120015478 A KR1020120015478 A KR 1020120015478A KR 20120015478 A KR20120015478 A KR 20120015478A KR 101153100 B1 KR101153100 B1 KR 101153100B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
refrigerant
heat exchange
cooling
natural gas
liquefaction process
Prior art date
Application number
KR1020120015478A
Other languages
English (en)
Inventor
이상규
최건형
이영범
전상희
김동혁
신명호
차규상
Original Assignee
한국가스공사연구개발원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국가스공사연구개발원 filed Critical 한국가스공사연구개발원
Priority to KR1020120015478A priority Critical patent/KR101153100B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101153100B1 publication Critical patent/KR101153100B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F25J1/0055—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream originating from an incorporated cascade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/008—Hydrocarbons
    • F25J1/0092—Mixtures of hydrocarbons comprising possibly also minor amounts of nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0212—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a single flow MCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0291—Refrigerant compression by combined gas compression and liquid pumping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0296—Removal of the heat of compression, e.g. within an inter- or afterstage-cooler against an ambient heat sink
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/60—Natural gas or synthetic natural gas [SNG]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서, 상기 폐 루프 냉동 사이클은, 혼합 냉매를 압축하는 압축 단계, 압축 단계 이후의 혼합 냉매를 냉각하는 냉각 단계, 냉각 단계 이후의 혼합 냉매를 액상의 제1 냉매 부분과 기상의 제2 냉매 부분으로 분리하는 분리 단계, 분리 단계 이후의 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분을 이용하여 제1 열교환 영역에서 천연가스를 예냉하는 예냉 단계, 분리 단계 이후의 제2 냉매 부분을 이용하여 천연가스를 액화하는 액화 단계, 및 분리 단계 이후의 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분을 추가로 냉각하거나 또는 냉각 단계 이후의 혼합 냉매를 분리 단계 이전에 추가로 냉각하는 추가 냉각 단계를 포함한다.

Description

천연가스 액화공정 {NATURAL GAS LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 천연가스 액화공정에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 액화공정의 구조를 단순하게 유지할 수 있으면서도 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있는 천연가스 액화공정에 관한 것이다.
천연가스를 액화시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 열역학적 프로세스는 더 높은 효율과 더 큰 용량에 대한 요구를 포함하는 다양한 과제들을 충족시키기 위해 1970년대부터 개발되어 왔다. 이러한 요구, 즉 액화공정의 효율과 용량을 높이기 위해 서로 다른 냉매를 사용하거나 서로 다른 사이클을 사용하여 천연가스를 액화시키는 다양한 시도들이 현재까지 지속적으로 이루어지고 있으나 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 3에서 도시하고 있는 것과 같다. 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 공급가스는 다단(multi-stage)의 프로판(C3) 줄-톰슨(Joule-Thomson, JT) 사이클에 의해 대략 238 K까지 예냉(pre-cooled)된다. 예냉된 공급가스는 열교환기에서 혼합 냉매와의 열교환을 통해 123 K까지 액화(liquefied)되고 과냉(sub-cooled)된다. 이러한 C3/MR 공정의 경우에는 단일 냉매를 채용한 냉동 사이클과 혼합 냉매를 채용한 냉동 사이클을 사용하기 때문에 액화공정이 복잡하고 액화시스템의 운영이 어렵다는 단점이 있다.
작동 중에 있는 다른 성공적인 액화공정 중의 하나는 'Conoco Phillips'에 의한 것으로서 캐스케이드 공정(Cascade process)에 기초하고 있다. 도 4에서 개념적으로 도시하고 있는 것과 같이, 'Conoco Phillips'의 액화공정은 순수 냉매(pure-component refrigerant)인 메탄(C1), 에틸렌(C2), 및 프로판(C3)을 사용하는 3개의 줄-톰슨 사이클로 구성된다. 이러한 액화공정은 혼합 냉매를 사용하지 않기 때문에 액화공정의 작동에 있어 안전하고 단순하며 신뢰할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 3개의 사이클 각각에 개별적인 압축기, 열교환기 등이 필요하기 때문에 액화시스템의 규모가 커질 수밖에 없다는 단점이 있다.
작동 중에 있는 또 다른 액화공정 중의 하나는 'Single Mixed Refrigerant Process(또는 SMR Process)'이다. SMR 공정의 기본적인 구조는 도 5에서 도시하고 있는 것과 같다. 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 공급가스는 열교환 영역에서의 혼합 냉매와의 열교환을 통해 액화된다. 이를 위해 SMR 공정에서는 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 사용한다. 이러한 냉동 사이클에서는 혼합 냉매를 압축하고 예냉한 다음, 열교환 영역에서의 열교환을 통해 혼합 냉매를 응축한 후에 팽창시킨다. 팽창된 냉매는 다시 열교환 영역으로 유입되어 예냉된 혼합 냉매를 응축시키고 공급가스를 액화시킨다. 이러한 SMR 공정은 구조가 단순하여 시스템이 콤팩트하다는 장점이 있으나 액화공정의 효율이 좋지 않다는 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해, 즉 액화공정의 효율을 향상시키기 위해 SMR 공정에 기액 분리기를 추가로 설치하기도 한다. 그러나 이와 같이 기액 분리기를 추가로 설치한다고 하더라도 기액 분리기로 유입되는 혼합 냉매의 온도를 적절하게 조절하기가 어려워 여전히 액화공정의 효율 향상에 한계가 있다는 문제가 있다. 보다 상술하면, SMR 공정에 기액 분리기를 추가로 설치하여 액화공정의 효율을 향상시키기 위해서는 기액 분리기로 분리되는 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분의 조성과 양을 적절하게 조절할 필요가 있다. 이러한 조절은 기액 분리기로 유입되는 혼합 냉매의 온도를 조절하여 달성할 수 있다. 그러나 종래의 SMR 공정은 이러한 혼합 냉매의 온도를 적절하게 조절하기가 어려워 액화공정의 효율 향상에 한계가 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 액화공정의 구조를 단순하게 유지할 수 있으면서도 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있는 천연가스 액화공정을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서, 상기 폐 루프 냉동 사이클은, 혼합 냉매를 압축하는 압축 단계, 압축 단계 이후의 혼합 냉매를 냉각하는 냉각 단계, 냉각 단계 이후의 혼합 냉매를 액상의 제1 냉매 부분과 기상의 제2 냉매 부분으로 분리하는 분리 단계, 분리 단계 이후의 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분을 이용하여 제1 열교환 영역에서 천연가스를 예냉하는 예냉 단계, 분리 단계 이후의 제2 냉매 부분을 이용하여 천연가스를 액화하는 액화 단계, 및 분리 단계 이후의 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분을 추가로 냉각하거나 또는 냉각 단계 이후의 혼합 냉매를 분리 단계 이전에 추가로 냉각하는 추가 냉각 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 혼합 냉매의 분리에 적합한 온도를 혼합 냉매에 부여할 수 있어 혼합 냉매를 적절하게 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리할 수 있기 때문에 액화공정의 구조를 단순하게 유지할 수 있으면서도 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 3은 종래의 C3/MR 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
도 4는 종래의 캐스케이드 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
도 5는 종래의 SMR 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.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정은 한 개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 이용하여 천연가스를 액화온도까지 냉각시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 공정에 적용될 수 있다. 특히, 혼합 냉매(mixed refrigerant 또는 multi-component refrigerant)를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여, 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고, 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 (또는 액화시키고 과냉시키는) 천연가스 액화공정에 적용될 수 있다. 다만, 본 실시예에 따른 액화공정이 반드시 한 개의 냉동 사이클로만 이루어져야 하는 것은 아니며, 필요에 따라 추가적인 냉동 사이클을 더 포함할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정을 도 1을 참조하여 보다 자세히 설명한다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 혼합 냉매는 도관(176)을 통해 압축 수단(112)으로 유입되어 압축된다(압축 단계). 여기서 압축 수단(112)은 통상의 압축기(compressor)일 수 있으며, 다단일 수도 있다. 이렇게 압축된 혼합 냉매는 도관(161)을 통해 냉각 수단(114)으로 유입되어 냉각된다(냉각 단계). 여기서 냉각 수단(114)은 통상의 공랭식 또는 수랭식 냉각기(cooler)일 수 있다. 후술할 추가 냉각 수단(131, 132)도 동일하게 통상의 공랭식 또는 수랭식 냉각기(cooler)일 수 있다.
이러한 냉각으로 부분적으로 응축된 혼합 냉매는 도관(162)을 통해 분리 수단(120)으로 유입되어 비등점의 차이에 따라 액상의 제1 냉매 부분과 기상의 제2 냉매 부분으로 분리된다(분리 단계). 여기서 분리 수단(120)은 통상의 기액 분리기(Vapor-Liquid Separator)일 수 있다. 이렇게 분리된 제1 냉매 부분은 일련의 냉각 과정과 팽창 과정을 거친 다음에 제2 냉매 부분과 함께 제1 열교환 영역(141)에서 천연가스를 예냉시킨다(예냉 단계). 이러한 예냉 단계에 대해 보다 상술하면, 분리 단계 이후의 제1 냉매 부분은 도관(171)을 통해 추가 냉각 수단(131)으로 유입되어 냉각된다(추가 냉각 단계). 이렇게 냉각된 제1 냉매 부분은 도관(172)을 통해 제1 열교환 영역(141)으로 유입되어 더욱 냉각된다. 이러한 제1 냉매 부분의 냉각은 후술할 것과 같이 도관(175)을 통해 제1 열교환 영역(141)으로 유입되는 냉매(즉, 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분이 혼합된 냉매)와의 열교환을 통해 이루어진다.
이렇게 냉각된 제1 냉매 부분은 도관(173)을 통해 팽창 수단(151)으로 유입되어 팽창된다. 여기서 팽창 수단(151)은 통상의 팽창 밸브(expansion valve)일 수 있다. 이러한 팽창 후에 제1 냉매 부분은 후술할 액화 단계 이후의 제2 냉매 부분과 혼합된다. 이러한 혼합은 하나의 도관(175)에 다른 하나의 도관(174)을 연결하는 형태로 이루어지거나, 또는 통상의 혼합기(mixer)를 이용하는 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 혼합 후의 냉매는 도관(175)을 통해 다시 제1 열교환 영역(141)으로 유입되어 다른 냉매들(도면부호 172, 182의 도관 참조)과 천연가스를 냉각시킨다. 이러한 냉각으로 천연가스는 예냉된다. 제1 열교환 영역(141)에서의 열교환을 마친 냉매는 도관(176)을 통해 다시 압축 수단(112)으로 유입된다. 이로써 하나의 폐 루프가 완성된다.
한편, 분리 단계 이후의 제2 냉매 부분도 일련의 냉각 과정과 팽창 과정을 거친 다음에 제2 열교환 영역(142)에서 천연가스를 액화시킨다(액화 단계). 이러한 액화 단계에 대해 보다 상술하면, 분리 단계 이후의 제2 냉매 부분은 도관(181)을 통해 추가 냉각 수단(132)으로 유입되어 냉각된다(추가 냉각 단계). 이렇게 냉각된 제2 냉매 부분은 도관(182)을 통해 제1 열교환 영역(141)으로 유입되어 더욱 냉각된다. 이러한 제2 냉매 부분의 냉각은 도관(175)을 통해 제1 열교환 영역(141)으로 유입되는 냉매와의 열교환을 통해 이루어진다. 이러한 냉각 후에 제2 냉매 부분은 도관(183)을 통해 제2 열교환 영역(142)으로 유입되어 더욱 더 냉각된다. 이러한 제2 냉매 부분의 냉각은 도관(185)을 통해 제2 열교환 영역(142)으로 유입되는 냉매와의 열교환을 통해 이루어진다.
이렇게 냉각된 제2 냉매 부분은 도관(184)을 통해 팽창 수단(152)으로 유입되어 팽창된다. 여기서 팽창 수단(152)은 통상의 팽창 밸브(expansion valve)일 수 있다. 이러한 팽창 후에 제2 냉매 부분은 도관(185)을 통해 다시 제2 열교환 영역(142)으로 유입되어 다른 냉매(도면부호 183의 도관 참조)와 천연가스를 냉각시킨다. 이러한 냉각으로 천연가스는 액화된다. 이러한 액화 단계 이후에 제2 냉매 부분은 전술한 것과 같이 제1 냉매 부분과 혼합된다. 참고로, 제2 냉매 부분과의 열교환을 통해 액화된 천연가스는 팽창 밸브(153)를 통해 팽창된 다음에 저장 탱크(미도시) 등에 저장될 수 있다. 그리고 전술한 2개의 열교환 영역(141, 142)은 하나의 열교환 수단 내에 함께 구비될 수도 있고, 또는 2개의 열교환 수단 내에 각각 구비될 수도 있다. 여기서 열교환 수단은 통상의 열교환기(heat exchanger)일 수 있다.
본 실시예에 따른 액화공정은 분리 단계의 전후에서 냉매를 냉각한다는 점에 특징이 있다. 즉, 본 실시예에 따른 액화공정은 압축 단계 이후에 냉각 수단(114)을 통해 냉매를 일차적으로 냉각하고, 분리 단계 이후에 추가 냉각 수단(131, 132)을 통해 냉매를 이차적으로 냉각한다는 점에 특징이 있다. 이러한 특징으로 인해 본 실시예에 따른 액화공정은 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분의 조성과 양을 적절하게 조절할 수 있어 액화공정의 구조를 단순하게 유지하면서도 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 대해 보다 상술하면, 혼합 냉매를 액상 부분과 기상 부분으로 분리하는 이유는 1개의 냉매를 2개의 냉매처럼 사용하여 액화공정의 효율을 높이면서도 액화공정의 구조를 단순화시키기 위해서다.
이와 같이 효율을 높이면서도 구조를 단순화시키기 위해서는 액상 부분과 기상 부분을 적절하게 분리할 필요가 있다. 이처럼 적절하게 분리하기 위해서는 혼합 냉매의 온도와 압력을 적절하게 조절할 필요가 있다. 그런데 혼합 냉매의 압력은 통상적으로 액화공정의 특성(예를 들어, 압축기의 성능 등)에 따라 정해지기 때문에 임의로 변경하기 어려운 경우가 많다. 이에 따라 혼합 냉매를 액상 부분과 기상 부분으로 적절하게 분리하기 위해서는 혼합 냉매의 온도를 적절하게 조절할 필요가 있다. 본 실시예에 따른 액화공정은 이러한 아이디어에서부터 출발하고 있다.
그러나 종래와 같이 냉각 수단(도면부호 114 참조)만을 사용하면, 혼합 냉매의 적절한 분리를 위해 상온 이상의 온도(실시예 1 참조)나 상온 이하의 온도(후술할 실시예 2 참조)가 필요할 경우에 적절하게 대응하기 어렵다는 문제가 있다. 즉, 상온에서는 대부분 액상 부분으로 분리되는 경우(예를 들어, 액화공정의 효율을 향상시키기 위해 혼합 냉매의 압력을 높인 경우)에는 상온 이상의 온도에서 혼합 냉매를 분리할 필요가 있으나, 종래와 같이 냉각 수단만을 사용하면 상온 이상의 온도에서 분리가 이루어지도록 하기 어렵다는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예에 따른 액화공정은 냉각 단계와 추가 냉각 단계를 통해 냉매를 단계적으로 냉각시킨다. 이에 따라 본 실시예에 따른 액화공정은 냉매를 냉각시켜야 하는 부담을 냉각 단계와 추가 냉각 단계에서 적절하게 분담할 수 있으며, 이의 결과로 각 냉각 단계에서 분담하는 정도에 따라 분리 단계를 거칠 혼합 냉매의 온도를 적절하게 상온 이상으로 조절할 수 있다. 즉, 냉각 단계에서 분담하는 정도가 커지면 커질수록 분리 단계를 거칠 혼합 냉매의 온도는 상온에 가까워질 것이고, 냉각 단계에서 분담하는 정도가 작아지면 작아질수록 분리 단계를 거칠 혼합 냉매의 온도는 상온보다 높아질 것이다. 이와 같은 온도 조절을 통해 본 실시예에 따른 액화공정은 분리에 필요한 최적의 온도를 혼합 냉매에 부여할 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 액화공정은 혼합 냉매의 적절한 분리에 상온 이상의 온도가 요구된다고 하더라도, 전술한 온도 조절을 통해 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분의 조성과 양을 적절하게 조절할 수 있으며, 이의 결과로 액화공정의 구조를 단순하게 유지하면서도 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있다.
실시예 2
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정은 전술한 실시예 1에 따른 액화공정과 유사한 구성을 가진다. 다만, 본 실시예에 따른 액화공정은 분리 단계 이전에 혼합 냉매를 단계적으로 냉각시킨다는 점에서 실시예 1에 따른 액화공정과 차이가 있다. 참고로 전술한 구성과 동일한 (또는 상당한) 부분에 대해서는 동일한 (또는 상당한) 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 혼합 냉매는 도관(277)을 통해 압축 수단(112)으로 유입되어 압축된다. 이렇게 압축된 혼합 냉매는 도관(161)을 통해 냉각 수단(114)으로 유입되어 냉각된다. 이러한 냉각 후에 혼합 냉매는 도관(262)을 통해 제3 열교환 영역(243, 추가 냉각 수단)으로 유입되어 더욱 냉각된다. 이러한 혼합 냉매의 냉각은 도관(276)을 통해 제3 열교환 영역(243)으로 유입되는 냉매와의 열교환을 통해 이루어진다. 도관(276)을 통해 제3 열교환 영역(243)으로 유입되는 냉매는 전술한 예냉 단계를 거친 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분이다.
즉, 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분은 혼합 이후에 제1 열교환 영역(141)에서 천연가스 등을 냉각시킨 다음에 제3 열교환 영역(243)으로 유입되어 냉각 수단(114)을 거친 혼합 냉매를 냉각한다. 냉각 수단(114)을 거친 혼합 냉매는 이러한 추가 냉각 이후에 도관(263)을 통해 분리 수단(120)으로 유입되어 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분으로 분리된다. 이렇게 분리된 액상 냉매 부분(제1 냉매 부분)과 기상 냉매 부분(제2 냉매 부분)은 각각 도관(271, 281)을 통해 제1 열교환 영역(141)으로 유입되어 냉각된다. 이후의 과정은 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 전술한 실시예 1과 동일하다.
한편, 예냉 단계를 거친 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분(보다 정확하게는 제1 열교환 영역을 거친 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분의 혼합 부분)은 제3 열교환 영역(243)에서 다른 냉매(도면부호 262의 도관 참조)뿐만 아니라 천연가스도 냉각시킨다. 이러한 냉각으로 천연가스는 예냉 단계 이전에 제3 열교환 영역(243)에서 추가로 더욱 예냉될 수 있다.
본 실시예에 따른 액화공정은 혼합 냉매의 적절한 분리를 위해 상온 이하의 온도가 필요할 경우에 매우 적합하다. 예를 들어, 상온에서는 대부분 기상 부분으로 분리되는 경우(예를 들어, 질소와 이산화탄소의 혼합물을 냉매로 사용할 경우)에는 상온 이하의 온도에서 혼합 냉매를 분리할 필요가 있으나, 종래와 같이 냉각 수단만을 사용하면 상온 이하의 온도에서 분리가 이루어지도록 하기 어렵다는 문제가 있다. 그러나 본 실시예에 따른 액화공정은 분리 단계 이전에 냉각 단계와 추가 냉각 단계를 통해 냉매를 단계적으로 냉각시켜 이러한 문제를 해결하고 있다.
즉, 본 실시예에 따른 액화공정은 통상의 냉각 수단(114)을 통해 혼합 냉매를 냉각한 이후에 다시 추가 냉각 수단(제3 열교환 영역)을 통해 혼합 냉매를 더욱 냉각하기 때문에, 혼합 냉매에 상온 이하의 온도를 부여할 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 액화공정은 혼합 냉매의 적절한 분리에 상온 이하의 온도가 요구된다고 하더라도, 액상 냉매 부분과 기상 냉매 부분의 조성과 양을 적절하게 조절할 수 있으며, 이의 결과로 액화공정의 구조를 단순하게 유지하면서도 액화공정의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 혼합 냉매의 추가 냉각을 위해 압축 수단으로 유입되는 냉매의 흐름을 그대로 이용하기 때문에 본 실시예에 따른 액화공정은 액화공정의 단순화에도 도움이 된다.
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.
112: 압축 수단 114: 냉각 수단
120: 분리 수단 131, 132: 추가 냉각 수단
141, 142, 243: 열교환 영역
151, 152, 153: 팽창 수단

Claims (8)

  1. 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서,
    상기 폐 루프 냉동 사이클은,
    상기 혼합 냉매를 압축하는 압축 단계;
    상기 압축 단계 이후의 혼합 냉매를 냉각하는 냉각 단계;
    상기 냉각 단계 이후의 혼합 냉매를 액상의 제1 냉매 부분과 기상의 제2 냉매 부분으로 분리하는 분리 단계;
    상기 분리 단계 이후의 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분을 이용하여 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 예냉하는 예냉 단계;
    상기 분리 단계 이후의 제2 냉매 부분을 이용하여 상기 천연가스를 액화하는 액화 단계; 및
    상기 분리 단계 이후의 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분을 추가로 냉각하거나 또는 상기 냉각 단계 이후의 혼합 냉매를 상기 분리 단계 이전에 추가로 냉각하는 추가 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 예냉 단계는, 상기 분리 단계 이후의 제1 냉매 부분을 상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 냉각하는 열교환 단계, 상기 열교환 단계 이후의 제1 냉매 부분을 팽창하는 팽창 단계, 상기 팽창 단계 이후의 제1 냉매 부분을 상기 액화 단계 이후의 제2 냉매 부분과 혼합하는 혼합 단계, 및 상기 혼합 단계 이후의 냉매를 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스와 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 천연가스 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 추가 냉각 단계는 상기 분리 단계 이후의 제1 냉매 부분을 상기 열교환 단계 이전에 추가로 냉각하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 추가 냉각 단계는 상기 천연가스 냉각 단계 이후의 냉매를 이용하여 제3 열교환 영역에서 상기 냉각 단계 이후의 혼합 냉매를 상기 분리 단계 이전에 추가로 냉각하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 액화 단계는, 상기 분리 단계 이후의 제2 냉매 부분을 상기 제1 열교환 영역에서의 열교환을 통해 냉각하는 제1 열교환 단계, 상기 제1 열교환 단계 이후의 제2 냉매 부분을 상기 제2 열교환 영역에서의 열교환을 통해 냉각하는 제2 열교환 단계, 상기 제2 열교환 단계 이후의 제2 냉매 부분을 팽창하는 팽창 단계, 및 상기 팽창 단계 이후의 제2 냉매 부분을 상기 제2 열교환 영역에서 상기 천연가스와 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 천연가스 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 추가 냉각 단계는 상기 분리 단계 이후의 제2 냉매 부분을 상기 제1 열교환 단계 이전에 추가로 냉각하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 추가 냉각 단계는 상기 예냉 단계 이후의 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분을 이용하여 제3 열교환 영역에서 상기 냉각 단계 이후의 혼합 냉매를 상기 분리 단계 이전에 추가로 냉각하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 예냉 단계 이후의 제1 냉매 부분과 제2 냉매 부분을 이용하여 상기 제3 열교환 영역에서 상기 천연가스를 추가로 예냉하는 추가 예냉 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
KR1020120015478A 2012-02-15 2012-02-15 천연가스 액화공정 KR101153100B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120015478A KR101153100B1 (ko) 2012-02-15 2012-02-15 천연가스 액화공정

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120015478A KR101153100B1 (ko) 2012-02-15 2012-02-15 천연가스 액화공정

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101153100B1 true KR101153100B1 (ko) 2012-06-04

Family

ID=46688698

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120015478A KR101153100B1 (ko) 2012-02-15 2012-02-15 천연가스 액화공정

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101153100B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014003449A1 (ko) * 2012-06-29 2014-01-03 한국에너지기술연구원 천연가스 액화시스템 및 액화 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003314908A (ja) 2002-04-23 2003-11-06 Chiyoda Corporation:Kk 低温冷凍装置
KR101009853B1 (ko) 2010-04-30 2011-01-19 한국가스공사연구개발원 냉매 분리가 있는 천연가스 액화공정
KR101056890B1 (ko) 2011-04-12 2011-08-12 한국가스공사연구개발원 천연가스 액화공정

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003314908A (ja) 2002-04-23 2003-11-06 Chiyoda Corporation:Kk 低温冷凍装置
KR101009853B1 (ko) 2010-04-30 2011-01-19 한국가스공사연구개발원 냉매 분리가 있는 천연가스 액화공정
KR101056890B1 (ko) 2011-04-12 2011-08-12 한국가스공사연구개발원 천연가스 액화공정

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014003449A1 (ko) * 2012-06-29 2014-01-03 한국에너지기술연구원 천연가스 액화시스템 및 액화 방법
KR101392750B1 (ko) * 2012-06-29 2014-05-09 한국에너지기술연구원 천연가스 액화시스템 및 액화 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101009853B1 (ko) 냉매 분리가 있는 천연가스 액화공정
KR101009892B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101281914B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101056890B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101242949B1 (ko) 이산화탄소 재액화 공정
AU2011292831B2 (en) Natural gas liquefaction process
KR101037226B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101153080B1 (ko) 이산화탄소 액화공정
KR101037249B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101392750B1 (ko) 천연가스 액화시스템 및 액화 방법
US20100154469A1 (en) Process and system for liquefaction of hydrocarbon-rich gas stream utilizing three refrigeration cycles
KR101153156B1 (ko) 천연가스 액화공정 및 이를 이용한 천연가스 액화시스템
KR101107437B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101630518B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101724226B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101037277B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101616626B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101153100B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR20160133682A (ko) 선박용 천연가스 액화 시스템
KR101123977B1 (ko) 천연가스 액화공정 및 이를 이용한 천연가스 액화시스템
KR101620182B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101615444B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR101464433B1 (ko) 천연가스 액화공정
KR20120116109A (ko) 혼합가스 및 질소가스를 이용한 이중냉각사이클에 의한 가스액화방법
KR101615443B1 (ko) 천연가스 액화공정

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160427

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170412

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180403

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190326

Year of fee payment: 8