KR101223798B1 - 예냉각 액화법 - Google Patents

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비샬 아난드스와루프 바르마
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

천연 가스 스트림 액화 시스템 및 천연 가스 스트림 액화법으로서, 천연 가스 스트림 액화법은 액화를 위해 탈수 천연 가스 스트림(dehydrated natural gas stream)을 공급하는 스트림 공급 단계와, 예냉각 장치에서 탈수 천연 가스 스트림을 예냉각하는 예냉각 단계로서, 예냉각이 수소화불화탄소(HydroFluoroCarbon; HFC) 냉매를 주성분으로 하는 예냉각제를 사용하는 것이 의해 실시되는 것인 예냉각 단계, 그리고 액화 천연 가스 생성물 스트림을 생성하도록 주요 열교환기에서, 기화 탄화수소 혼합 냉매 냉각제에 대한 간접 열교환을 통해 예냉각 탈수 천연 가스 스트림을 더 냉각하는 냉각 단계를 포함하고, 상기 혼합 냉매 냉각제는 에탄, 메탄, 질소 및 3 몰% 이하의 프로판을 포함한다.

Description

예냉각 액화법{PRE­COOLED LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 천연 가스 스트림의 예냉각 액화법에 관한 것이다.
천연 가스 공급물 스트림을 예냉각하는 데 CO2를 사용하는 한편, 액화 천연 가스(LNG) 생성물을 제공하기 위해 예냉각 스트림을 더 냉각하는 데 탄화수소 혼합 냉매(HMR)를 사용하는 부유식 생산 저장 하역 설비(Floating Production Storage and Offloading platform; FPSO)에서 사용하기 위한 예냉각 천연 가스 액화법이 기존에 개시되었다. 이러한 프로세스에서, 천연 가스 공급물 스트림은 하나 이상의 압력 레벨에서 비등하는 CO2에 대하여 예냉각된다. CO2는 천연 가스 공급물 스트림을 대략 -35 ℃의 온도로 예냉각하면서 기화한다. 그후, CO2 증기는 압축되고 냉각되며 응축되어 프로세스로 다시 재순환되는 액체 CO2 냉매를 형성한다.
그러나, FPSO에서의 LNG 액화를 위한 예냉각제(pre-coolant)로서 CO2를 사용하는 것은 수개의 단점을 갖는다. 우선, CO2는 드라이 아이스 형성이 발생하기 시작하는 -56.6 ℃의 빙점을 갖는다. 액화 플랜트에서의 드라이 아이스의 형성과 관련된 작동상의 문제점을 방지하기 위해, 고압 CO2를 -40 ℃ 미만으로 냉각하지 않는 것이 바람직한 것으로 제안되었다. 고압 CO2가 -40 ℃로 냉각되고 적어도 3 ℃의 온도 접근이 있다는 것을 가정하면, CO2를 예냉각제로 사용할 때 천연 가스 공급물은 -37 ℃ 미만으로 냉각될 수 없다. 그러나, 종종 LNG 생성물의 발열량을 감소시키는 것 및/또는 LNG 생성물에 있는 벤젠과 같은 불순물의 결빙을 방지하는 것을 목적으로 중탄화수소(heavy hydrocarbon)와 방향족 화합물을 응축하고 제거하기 위해 천연 가스 공급물은 -37 ℃ 미만으로 예냉각되어야만 한다. 따라서, CO2를 사용함으로써 예냉각 섹션에서 그러한 불순물을 요구되는 양만큼 제거하는 것이 불가능할 수 있다.
두번째로, CO2의 임계 온도(즉, 그보다 높은 온도에서 압력과는 무관하게 유체가 응축될 수 없는 온도)는 대략 31.1 ℃로, 이는 CO2가 31.1 ℃보다 높은 온도에서는 응축될 수 없다는 것을 뜻한다. 그러나, 예냉각 사이클은 로드 스트림(load stream)에 대하여 비등하는 것에 의해 냉각을 제공하는 응축 냉각제를 요구한다. 통상적으로, FPSO는 압축기 중간 냉각기(inter-cooler) 및 최종 냉각기(after-cooler)에 공급되는 냉각제로서 해수를 이용한다. 따라서, 해수가, 예컨대 열대 지역에서의 통상적인 해수면 온도인 27 ℃로 따뜻하고 응축기에서 통상 10 ℃에 근접한다고 가정하면, CO2는 고온 해수를 이용하여 응축될 수 없고, 이에 따라 해수가 대략 20 ℃ 미만인 범위에 비해 CO2 기반 사이클의 적용성을 제한하고 효율성을 악화시킨다.
추가로, CO2는 효과적으로 응축되기 위해 대략 52 bara를 상회하는 압력으로 통상 압축되어야 할 필요가 있으며, 이는 압축기를 위한 특별한 고압 배럴 타입 케이싱의 사용을 요구한다. 따라서, 특별한 고압 배럴 타입 케이싱의 사용은 자본비를 상승시킨다. 게다가, 전체 예냉각 루프는 프로판 또는 수소화불화탄소(hydrofluorocarbon) 기반 예냉각 사이클보다 훨씬 높은 압력으로 작동한다. 따라서, 전체 시스템은 고압 배관과 압력 경감 디바이스 등을 갖도록 설계되어야 하며, 이는 자본비를 증가시키고, 특히 육상 플랜트에 비해 장비와 사람들 간의 거리가 훨씬 짧은 근해 플랫폼에서 가스압 안정성 관련 문제를 증대시킨다.
천연 가스 공급물 스트림을 예냉각하기 위해 프로판(C3H8)을 이용하는 한편, 그 자체가 프로판을 함유하는 탄화수소 혼합 냉매가 예냉각 스트림을 더욱 냉각하여 액화 천연 가스 생성물을 공급하는 FPSO를 위한 예냉각 천연 가스 액화 시스템 및 액화법도 또한 개시되어 있다. 이러한 타입의 프로세스는 프로판 예냉각 혼합 냉매 또는 C3MR 프로세스로서 알려져 있으며, 전세계적으로 생산되는 LNG 대부분을 제조하는 데 사용된다. 예냉각 루프에서, 액체 프로판은 줄 톰슨(J-T) 밸브를 사용하여 상이한 압력으로 팽창된다. 결과적인 비등 프로판은 천연 가스 공급물 스트림에 대해 기화하여 천연 가스 공급물 스트림을 예냉각한다. 결과적인 프로판 증기는 증기 스트림을 고압으로 압축하는 프로판 압축기로 급송된다. 압축기로부터 배출되는 고압 프로판은 해수에 대해 냉각되고 예냉각 프로세스로 다시 재순환된다. CO2(31.1 ℃)에 비해 높은 프로판의 임계 온도(96.6 ℃)로 인해, 프로판은 CO2에 비해 공급되는 압축 파워의 매(每) 메가와트마다 높은 냉각 듀티(refrigeration duty)를 제공한다. 전형적인 육상 플랜트에서, 프로판은 또한 프로세스의 액화 파트에 효과적인 냉각을 제공하기 위해 탄화수소 혼합 냉매에 사용될 수 있다.
프로판은 육상 플랜트에서 예냉각 냉매로서 널리 사용되어 왔지만, 프로판의 사용 역시 LNG FPSO에서의 사용에 있어서 단점을 갖는다. 프로판은 가스 압축기 시일, 프로판 기화기 및 시스템의 다른 지점에서 누설될 수 있으며, 이는 FPSO의 표면에서 또는 이러한 표면 근처에서 위험한 폭발 조건을 유발할 수 있다. 프로판은 그 수개의 독특한 특성으로 인해 이러한 위험한 폭발 조건을 제공한다. 예컨대, 프로판은 -42.1 ℃의 표준 비등점(normal boilng point)을 갖는데, 이는 프로판이 임의의 장비로부터 누설될 때, 프로판이 증기로 남아 있다는 것을 뜻한다. 프로판의 증기 밀도는 15 ℃에서 1.20 kg/㎥의 공기 밀도에 대하여 1.91 kg/㎥이다. 프로판의 증기 밀도로 인해 누설된 증기가 FPSO 플랫폼의 표면 근처에 안착된다. 증기는 9.5 체적% 미만의 낮은 가연성 한계를 갖고, 미 교통부(U.S. Department of Transportation)는 프로판을 가연성 가스로 규정하고 있는 한편, 유럽 위원회(European Commission)는 프로판을 F+ 또는 극가연성(extremely flammable)으로 규정하고 있다. 프로판 증기는 FPSO 플랫폼의 바닥 또는 표면에 안착하기 때문에, 그리고 프로판은 매우 가연성이기 때문에, FPSO 플랫폼 상의 프로판 "클라우드(cloud)"의 존재는 매우 위험할 수 있다.
또한, FPSO는 공간 제약되며, 장비와 사람들 또는 거주 구역 간의 평균 거리가 육상 플랜트의 경우보다 훨씬 짧다. FPSO 상에서 프로판 누설이 발생하면, 가연성 프로판 증기가 단시간 내에 FPSO의 모든 주요 구역으로 전파될 것이고, 이에 따라 플랜트가 폭발 및 화재 위험에 노출될 것이다.
이러한 위험한 가능성은 북해에 있는, 프로판 응축물 처리 오일 & 가스 플랫폼인 Piper Alpha에서 현실이 되었다. 1988년 7월 6일, 수리 중이었던 것으로 알려진 백업 프로판 응축물 펌프가 우연히 시동되어, 플랫폼의 표면 바로 위에 있는 공기로 프로판 가스가 배출되었다. 결과적인 누설 프로판이 우연히 점화되어 2회의 대형 폭발이 일어나, 제어실과 선박 대부분으로 바로 번졌다. 이 사고로 인해 167명의 사망자가 났으며, 플랫폼이 녹아내렸다.
따라서, 프로판을 냉매로 사용하는 것은 매우 위험할 수 있는데, 특히 그 이유는 프로판의 사용은 예냉각 섹션뿐만 아니라 저장 섹션 및 프로판을 추출하는 디프로파나이저 컬럼(Depropanizer column)에도 프로판 재고(inventory)를 요구하기 때문이다. 이와 반대로, 다른 탄화수소는 프로판만큼 큰 위협을 불러일으키지 않는다. 메탄(CH4)은, 예컨대 공기보다 가벼우며, 15 ℃에서 전형적인 증기 밀도가 0.68 kg/㎥이다. 메탄이 FPSO 플랫폼에서 누설되면, 메탄은 공기중으로 신속히 소산될 것이다. 이와 마찬가지로, 에탄(C2H6)은 15 ℃에서 밀도가 1.28 kg/㎥이며, 이 밀도는 여전히 공기 밀도에 근사하고, 이에 따라 가연성 증기가 FPSO에 가까이 모이는 위험성을 줄인다.
부탄(C4H10)은 통상 프로판과 관련된 유사한 문제점을 갖는다. n-부탄은, 예컨대 표준 비등점이 -0.5 ℃이고, 15 ℃에서 밀도가 2.52 kg/㎥이며, 이는 FPSO 플랫폼 상에 폭발 증기의 형성을 유발할 수 있다. 그러나, 부탄은 높은 밀도로 인해 액화 플랜트의 장비로부터 빠져나가는 경향이 보다 낮고, 이로 인해 부탄은 본질적으로 프로판보다 안전하게 된다. 보다 중질의 탄화수소(C5+)는 대기 온도에서 주로 액체이며, 이에 따라 임의의 누설은 FPSO 표면 가까이에 보다 적은 증기를 형성할 것이다.
따라서, 프로판은 지방족 탄화수소 그룹 중에서 그 독특한 포지션으로 인해 모든 지방족 탄화수소 중 가장 위험한 것으로 간주되고, LNG FPSO에서 사용하는 것을 회피하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 당업계에서는 FPSO에서 가연성 냉매를 사용하는 일 없이 또는 적어도 FPSO에서 가연성 냉매의 사용을 제한하는, C3MR 프로세스의 에너지 및 자본비 효율을 제공하는 프로세스가 필요하다. 임계 온도가 50 ℃를 상회하고, 가연성 가능성이 0이며, 독성 가능성이 0이고, 환경에 대한 영향이 적으며, 낮은 예냉각 온도를 허용하는 낮은 표준 비등점을 갖는 예냉각 냉매가 필요하다.
본 발명의 실시예는 혼합 냉매(MR)를 사용하여 예냉각 공급물을 액화하기 전에 천연 가스 공급물 스트림을 예냉각하기 위해 수소화불화탄소(HFC)를 이용하는 개선된 액화 시스템 및 액화법을 제공하는 것에 의해 당업계의 이러한 필요성을 충족시킨다.
일실시예에는, 액화를 위한 탈수 천연 가스 스트림(dehydrated natural gas stream)을 공급하는 스트림 공급 단계; 예냉각 장치에서 탈수 천연 가스 스트림을 예냉각하는 예냉각 단계로서, 예냉각은 수소화불화탄소(HFC)를 주성분으로 하는 예냉각제를 사용하는 것에 의해 실시되는 것인 단계; 및 액화 천연 가스 생성물 스트림을 생성하도록 주요 열교환기에서, 기화 탄화수소 혼합 냉매 냉각제에 대한 간접적인 열교환을 통해 예냉각 탈수 천연 가스 스트림을 더 냉각하는 냉각 단계를 포함하고, 혼합 냉매 냉각제는 에탄, 메탄, 질소 및 3 몰% 이하의 프로판 또는 보다 중질의 탄화수소를 포함하는 것인 천연 가스 스트림 액화법이 개시되어 있다.
다른 실시예에는, 다단 수소화불화탄소(HFC) 압축기; HFC 냉매를 사용하여 탈수 천연 가스 스트림을 예냉각하는 적어도 하나의 기화기를 포함하고, 다단 HFC 압축기와 유체 연통되는 예냉각 장치; 및 액체 천연 가스 생성물 스트림을 생성하도록 예냉각된 탈수 천연 가스 스트림을 더 냉각하기 위해 예냉각 장치에 유체 연통되는 주요 열교환기를 포함하고, 에탄, 메탄, 질소 및 3 몰% 이하의 프로판 또는 보다 중질의 탄화수소를 포함하는 기화 혼합 냉매 냉각제가 주요 열교환기에서 냉각을 제공하는 것인 천연 가스 스트림 액화 시스템이 개시되어 있다.
또 다른 실시예에는, 액화를 위한 탈수 천연 가스 스트림을 공급하는 스트림 공급 단계; 예냉각 장치에서 탈수 천연 가스 스트림을 예냉각하는 예냉각 단계로서, 예냉각은 수소화불화탄소(HFC) 냉매를 주성분으로 하는 예냉각제를 사용하는 것에 의해 실시되는 것인 단계; 및 액화 천연 가스 생성물 스트림을 생성하도록 주요 열교환기에서, 기화 탄화수소 혼합 냉매 냉각제에 대한 간접적인 열교환을 통해 예냉각된 탈수 천연 가스 스트림을 더 냉각하는 냉각 단계를 포함하고, 상기 혼합 냉매 냉각제는 천연 가스 스트림으로부터 얻은 메탄 스트림과, 에탄을 주성분으로 하는 에탄이 농후한 스트림, 그리고 질소를 주성분으로 하는 질소 스트림을 포함하는 혼합물인 것인 천연 가스 스트림 액화법이 개시되어 있다.
전술한 간략한 개요와 예시적인 실시예에 관한 이하의 상세한 설명은 첨부 도면과 함께 읽어볼 때 보다 양호하게 이해된다. 본 발명의 실시예를 예시하고자 하는 목적으로, 본 발명의 예시적인 구성에 관한 도면이 제공되지만, 본 발명은 개시된 특정 방법 및 수단으로 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, FPSO에서 가연성 냉매를 사용하는 일 없이 또는 적어도 FPSO에서 가연성 냉매의 사용을 제한하는, C3MR 프로세스의 에너지 및 자본비 효율을 제공하는 프로세스가 제공되며, 임계 온도가 50 ℃를 상회하고, 가연성 가능성이 0이며, 독성 가능성이 0이고, 환경에 대한 영향이 적으며, 낮은 예냉각 온도를 허용하는 낮은 표준 비등점을 갖는 예냉각 냉매가 제공된다.
도 1은 본 발명의 양태를 포함하는 예시적인 시스템 및 방법을 보여주는 흐름도.
도 2는 본 발명의 양태를 포함하는 예시적인 시스템 및 방법을 보여주는 흐름도.
도 3은 본 발명의 양태를 포함하는 예시적인 시스템 및 방법을 보여주는 흐름도.
도 4a는 본 발명의 양태를 포함하는 예시적인 드라이버 시스템 및 방법을 보여주는 흐름도.
도 4b는 본 발명의 양태를 포함하는 예시적인 드라이버 시스템 및 방법을 보여주는 흐름도.
본 발명의 일실시예는 LNG 액화 용례에서 사용하기 위한, 특히 HFC 냉매 혼합물과 탄화수소 냉매 혼합물 양자의 이용에 기초한 근해 플랫폼에서 사용하기 위한 극저온 냉각의 개발에 관한 것이다. 콤팩트한 레이아웃, 처리 장비에 대한 거주 구역의 근접성 및 제한된 출구로 인해 임의의 근해 또는 부유식 탄화수소 처리 플랜트 설계에서는 안전성이 가장 중요하다. 개시된 시스템 및 프로세스의 실시예는 생성물 LNG의 톤당 고출력 효율을 달성하고, 이에 따라 프로판과 같이 가연성을 갖지만 매우 효율적인 냉매의 사용에 대한 필요성을 제거한다.
일실시예에서, 탄화수소 혼합 냉매를 사용하여 더 냉각하기 전에 천연 가스를 예냉각하기 위해 종래의 C3MR 프로세스에서 사용되는 가연성이 높은 프로판 예냉각 냉매는 HFC로 대체될 수 있다. 사용되는 HFC는 미 냉난방 공조 기술자 학회(American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers; ASHRAE)에 의해 400 ppm 미만에서는 비독성인 것으로 분류될 수 있으며, 21 ℃ 및 1.01 bara에서 화염이 번지지 않고, 이에 따라 프로판에 비해 사용하기에 안전하다. ASHRAE는, 냉매가 21 ℃ 및 1.01 bara에서 0.1 Kg/㎥보다 높은 농도에서 가연성이고 연소열이 19,000 KJ/Kg 미만이면 냉매를 타입 2로 분류한다. ASHRAE는, 냉매가 21 ℃ 및 1.01 bara에서 0.1 Kg/㎥ 미만의 농도에서 가연성이고 연소열이 19,000 KJ/Kg보다 크면, 냉매를 타입 3으로 분류한다.
HFC는, 많은 HFC의 경우에 보다 낮은 표준 비등점으로 인해 -37 ℃ 미만의 온도로의 예냉각을 허용할 것이다. 예컨대, R32(디플루오로메탄) 및 R125(펜타플루오로에탄)으로 이루어진 이성분 혼합물인 R410A는 임계 온도가 70.1 ℃이고, ASHRAE에 의해 A1 냉매(낮은 독성 및 연소 가능성 없음)로 분류되며, 오존 파괴 지수(Ozon Depletion Potential; ODP)가 0이고, 표준 비등점이 -51.6 ℃이다. ODP는 몬트리올 의정서 규정(1987년)에 따라 1.0의 ODP로 할당된 디클로로디플루오로메탄(CCl2F2)에 대하여 대기 오존과 반응하여 대기 오존을 파괴하는 분자의 경향이다. 따라서, ODP가 낮은 냉매가 보다 바람직하다.
HFC 냉매를 예냉각 냉매로 사용하는 것의 다른 장점은 이것이 혼합 냉매로부터 프로판의 제거를 허용하여, 생성 LNG의 동일한 에너지 효율에 근사하게 유지하는 한다는 것이다. 이것은 프로판의 사용을 제거하는 HFC 예냉각 혼합 냉매 프로세스를 허용하여, 육상 플랜트와 대략 동일한 효율을 제공하고, 이와 동시에 HFC 냉매의 낮은 비등 온도로 인해 액화 프로세스에서 높은 수준의 작동 유연성을 허용한다.
HFC 냉매의 사용으로 인해 효율이 종래의 C3MR 프로세스만큼 높거나 또는 종래의 C3MR 프로세스보다 훨씬 높을 수 있다. 또한, 시판중인 HFC 냉매의 수개의 주요 스트림은 임의의 결빙 가능성 없이 -127 ℃만큼 낮은 온도로의 예냉각을 허용한다. 게다가, 상업적으로 알려진 대부분의 HFC 냉매의 임계 온도는 CO2보다 훨씬 높고, 이에 따라 HFC 냉매는 대부분의 전형적인 해수 온도 조건하에서 높은 프로세스 효율로 사용될 수 있다.
프로판에 비해 HFC 냉매를 사용하는 것의 다른 장점은 매우 낮은 예냉각 온도를 달성하도록 진공 압력(대기압 미만) 레벨로 플래싱(flashing)되는 수개의 HFC 냉매의 능력이며, 이에 따라 공급물로부터 충분한 탄화수소를 응축하는 능력을 갖는다. 낮은 온도(즉, -42 ℃ 미만)를 달성하도록 프로판이 대기압 미만 레벨로 플래싱되면, 압축기 흡입 라인으로의 공기 유입은, 예컨대 폭발 혼합물을 잠재적으로 형성할 수 있다. R410A 및 R134A와 같은 HFC 냉매는, 예컨대 불연성이기 때문에, 공기 유입은 가연성 혼합물을 형성하지 않을 것이며, 이것이 대기압 미만 레벨로 급송되는 것이 허용 가능한 이유이다.
보다 저온의 예냉각 온도에 도달하는 실현 가능성으로 인해, 허용 가능한 상업적 효율을 여전히 유지하면서, 주요 혼합 냉매 루프로부터 프로판을 제거하는 것이 또한 가능하거나 거의 가능하다. 액화를 위해 사용되는 혼합 냉매는, 예컨대 질소, 메탄 및 에탄을 포함할 수 있다. 이론적으로, 혼합 냉매는 0 몰%의 프로판을 함유해야만 하지만, 실제적으로 혼합 냉매에서 프로판을 완전히 제거하는 것은 비경제적일 수도 있고 상업적으로 실현 불가능할 수도 있다.
혼합 냉매를 위한 메탄은 온사이트(on-site) 생산 가능하다. 혼합 냉매를 준비하는 데 사용되는 에탄은, 예컨대 민영 판매 회사로부터 얻을 수도 있고, 온사이트 준비될 수도 있다. 외부에서 공급받던지 온사이트 생성되던지 간에, 에탄은 통상적으로 디에타나이저 컬럼(de-ethanizer column)으로부터 오버헤드 생성물(overhead product)로서 생성된다. 사실상, 디에타나이저 컬럼으로부터의 에탄의 순도는 컬럼의 단의 개수와 리플럭스율에 의해 제한된다. 고순도 에탄의 생성은 증류 컬럼에서의 다수의 단 및/또는 높은 리플럭스율(reflux ratio)을 요구하여, 자본비와 작동비의 증가를 초래한다. 따라서, 사실상 상업적인 에탄 생성물 스트림에는 소량의 프로판이 포함될 수 있다.
혼합 냉매를 위해 요구되는 메탄은 통상 스크럽 컬럼 리플럭스 드럼(도 1의 아이템 110 참고)으로부터 나오는 증기 스트림으로서 추출된다. 메탄 스트림(117)에서의 프로판 함량은 예냉각 공급물 스트림(108)(도 1 참고)의 온도의 함수이다. 예냉각 스트림(108)의 온도가 감소하면, 리플럭스 드럼(110)에서 보다 많은 프로판이 응축되며, 이로 인해 오버헤드 스트림(117, 114)에서의 프로판 함량이 보다 낮아진다. 따라서, 혼합 냉매를 준비하는 데 사용되는 메탄 스트림에서 보다 낮은 프로판 함량이 요망되면, 보다 낮은 예냉각 온도가 필요하다. 메탄은 또한 탈수 공급물 가스로부터 생성될 수 있다. 양자의 경우, 메탄 제공(mark up) 스트림은 또한 통상적으로, 플랜트 공정과 천연 가스 공급물의 조성에 따라 약간의 에탄과 프로판을 불순물로서 함유할 수 있다.
따라서, 메탄과 에탄 양자의 소스는 소량의 프로판을 포함한다. 예컨대, 가스 프로세스 공급자 연합(Gas Processors Supplier Association; GPSA) 엔지니어링 데이터북(1998년, 제11판, 제1권, FPS 버전)의 도 2 및 도 3에 따르면, 시판중인 고순도 에탄은 일반적으로 약 4 몰%의 프로판을 함유하고, 최대 10.7 몰%의 프로판을 함유할 수 있다. 표 1은 전형적인 혼합 냉매(혼합 냉매는 16.6 몰%의 N2, 40.99 몰%의 메탄 및 42.4 몰%의 에탄을 포함함)에서의 프로판 함량의 변화를 보여준다. 예컨대, 안전성 또는 다른 목적으로 혼합 용매에서 2.0 몰% 미만의 프로판이 요망되면, 1.0 몰% 미만의 프로판을 함유하는 메탄 스트림이 사용되어야만 하거나, 에탄 스트림은 4 몰% 미만의 프로판을 함유할 필요가 있다. 이 경우, 고순도 디에타나이저 컬럼으로부터의 에탄은 상용 등급 에탄에 비해 바람직할 수 있다.

메탄에 있는 프로판의 몰%		 프로판이 1%인 온사이트
에탄을 이용하는 혼합 냉매에 있는 프로판의 몰%		 4 %의 프로판을 함유하는
상용 고순도 에탄을 이용하는 혼합 냉매에 있는 프로판의 몰%
0.50 0.63 1.90
1.00 0.83 2.11
1.50 1.04 2.31
2.50 1.45 2.72
2.66 1.51 2.79
3.00 1.65 2.93
3.19 1.73 3.00
보다 낮은 온도로의 예냉각은 혼합 냉매 루프에서의 열제거 부하(heat removal load)를 줄인다. 이로 인해, 자본비와 작동비 양자가 감소되고, 극저온 열교환기와 혼합 냉매 압축기와 같은 혼합 냉매 루프 장비는 대체로 예냉각 장비보다 보다 자본 집약적이다. 이는 혼합 냉매 루프 열교환기가 극저온 조건을 견디도록 보다 정교하게 설계되기 때문이며, 또한 혼합 냉매 압축기가 예냉각 압축기보다 높은 압력으로 수차례 작동하여 배관과 장비의 벽이 보다 두꺼워지기 때문이다. 따라서, 혼합 냉매 루프 상의 부하를 줄임으로써 순(純)자본비 절감이 이루어진다. 또한, 혼합 냉매 루프는 예냉각 루프에 비해 제거되는 열의 매 KW마다 압축기로부터의 보다 높은 에너지 소비를 필요로 한다. 이는 HFC 냉매 및 프로판과 같은 예냉각 냉매의 평균 압축 계수(average compressibility factor)가 통상의 혼합 냉매의 평균 압축 계수보다 훨씬 낮기 때문이다. 따라서, 열제거 부하를 예냉각 루프로 변위시킴으로써 총 압축 파워에 있어서 순감소가 이루어지고, 이에 따라 작동비에 대한 잇점이 얻어진다. 그러나, 프로판은 R410A(-51.6 ℃)와 같은 HFC에 비해 비교적 높은 그 표준 비등점(-42.4 ℃)과 진공 작동과 관련된 위험성으로 인해 예냉각 루프로 듀티를 전가하는 유연성을 제공하지 않는다. 임의의 관련 장비의 비용 및 프로판 저장 및 생성의 위험성과 함께, 플랜트 도처에서 냉매인 프로판을 제거 또는 거의 제거함으로써 훨씬 더 안전하고 보다 경제적인 액화 시스템이 형성될 것이다.
단일 성분 냉매나 냉매 혼합물인 HFC 냉매가 예냉각을 위해 사용될 수 있다. R134a와 같은 단일 성분 HFC 냉매는, 예컨대 자동차 산업 및 다른 냉동 산업에서 널리 사용되어 왔다. 그러나, 단지 소수의 단일 성분 HFC 냉매만이, 안정하고, 가연성이 낮으며, 0.1 미만의 낮은 오존 파괴 지수를 갖고, 낮은 응축 압력과 낮은 표준 비등점의 효과적인 열역학적 특성에 의해 낮은 지구 온난화 지수를 갖는다는 다수의 제약 조건을 충족한다. 따라서, 혼합물이 HFC 냉매에 대한 가능한 후보로서 널리 고려된다.
넓은 범위의 상용 HFC 냉매가 이용 가능하여, 예냉각 온도 설정에 있어서 높은 유연성이 허용된다. 예컨대, LNG로부터 보다 중질의 탄화수소(종종 LNG의 발열량을 제어함)를 제거해야 하면, 공급물은 -40 ℃ 미만의 온도로 예냉각될 필요가 있을 수 있다. R410A와 같은 시판중인 HFC 냉매는 매우 높은 효율로 공급물을, 예컨대 -48 ℃의 온도로 예냉각하는 데 용이하게 사용될 수 있다. 이와 반대로, CO2는 결빙 가능성으로 인해 이러한 상황에서 예냉각제로서 사용될 수 없다.
0 내지 7 ℃ 사이에서 변하는 낮은 "온도 구배(temperature glide)"를 갖는 것으로 간주되는 HFC 냉매 혼합물이 예냉각제로 사용될 수 있다. 상기 온도 구배는 기포점 온도(bubble point temperature)와 이슬점 온도의 온도차이며, 혼합물이 비등하여 보다 휘발성이 있는 성분이 증발함에 따라 점점 보다 중질의 성분으로 발전할 때 조성의 변화로 인한 것이다. 온도 구배가 매우 작은(0 내지 0.1 ℃) 냉매 혼합물은 단일 성분과 같이 작용하며, "공비 혼합물(azeotropic mixture)"이라고 하는 반면, 온도 구배가 낮은(즉, 1 ℃ 미만) 혼합물은 "근사 공비 혼합물(near-azeotrope)"이라고 하였다. 예컨대, HFC 혼합물 R410A는 0.1 ℃ 미만의 온도 구배를 갖는다.
낮은 온도 구배는 수개의 잇점을 갖는다. 우선, 낮은 온도 구배의 냉매는 조성 변화가 방지되기 때문에, 장비를 포함하는 전체 냉각 회로가 균일한 조성에 대해 설계될 수 있다. 추가로, 낮은 온도 구배 또는 0 온도 구배의 냉매의 누설로 인해 예냉각 시스템에 포함되는 냉매의 조성의 변화가 최소 또는 0이 될 것이다.
두번째로, 근사 공비 혼합물 냉매 또는 공비 혼합물 냉매는 그들 각각의 성분과 상이하게 거동한다. 예컨대, R32와 R125를 50/50의 중량비로 포함하는 근사 공비 혼합물인 R410A는, R32 자체가 가연성이기는 하지만 낮은 가연성을 갖는다.
세번째로, 공비 혼합물 냉매는 다양한 압력 레벨에서 혼합물이 증발할 때 그 분자량을 유지할 것이다. 따라서, 상이한 압력 레벨의 압축기에 진입하는 증기는 동일한 분자량을 갖는다. 이와 반대로, 온도 구배가 큰 HFC 냉매를 이용함으로써 분자량이 큰 증기가 압축기에 진입할 수 있고, 이는 강건한 조성 제어 스킴(scheme)을 활용하지 않는다면 예기치 않은 압축기의 거동을 유발할 수 있다.
FPSO에서 HFC 냉매를 사용하여 예냉각을 실시할 때 해결되어야만 하는 한가지 사항은 HFC 냉매 압축기의 최고 압력 재시동에 대한 필요성이다. 많은 육상 LNG 플랜트는 대형 전기 스타터/헬퍼 모터와 함께 냉매 압축기를 구동하기 위해 단일 샤프트 "프레임" 타입 가스 터빈을 이용한다. 대형 스타터/헬퍼 모터에 있어서도, 이러한 플랜트는 여전히 압축기를 재시동하기 전에 냉매 재고의 상당 비율을 배출할 것을 필요로 한다. 이것은 터빈과 스타터/헬퍼 모터의 출력/토크 요건을 드라이브 트레인을 시동하기에 충분히 낮은 레벨로 줄이기 위해 필요하다. 드라이브 트레인은 일반적으로, 모두 기계적으로 연결되는 하나 이상의 압축기와 드라이버로 이루어진다. 배기는, HFC 예냉각 LNG 플랜트, 특히 근해에 배치되는 HFC 예냉각 LNG 플랜트에 있어서 허용 가능한 경제적 선택 사항이 아니며, 그 이유는 냉매가 구매하고 운송하는 데 비용이 많이 들고 HFC의 저장이 FPSO에서 고가의 공간을 차지할 것이기 때문이다. 배기 없이 최고 압력 시동 요건을 충족하기 위해, 드라이버는 드라이브 트레인을 하중하에서 최고 속도로 가속하는 데 필요한 토크를 제공할 수 있어야만 한다. 이것은 전기 모터 드라이브, 멀티샤프트 프레임 또는 멀티샤프트 항공 전용 가스 터빈(muilti-shaft sera derivative gas turbine)에 의해 실시될 수 있는데, 그 이유는 이들 모두가 적절한 토크 용량을 갖기 때문이다. HFC 예냉각을 이용하는 LNG 액화 시스템에서 HFC 냉매를 배기하지 않는 요건은 예외적으로 대형 스타터/헬퍼 모터와 이 모터에 동력을 제공하는 데 필요한 발전 장비 없이 단일 샤프트 가스 터빈 베이스 드라이브 트레인에 의해 충족될 수 없다. 이러한 구성은 경제적인 해결책이 될 수 없는데, 그 이유는 이러한 구성은, 기껏해야 플랜트가 재시동될 때 가끔 사용되는 장비에 대한 대규모의 투자를 필요로 하기 때문이다.
도 1은 본 발명의 일양태에 따른 2개의 냉각 회로를 포함하는 액화 시스템과 프로세스를 예시한다. 하나 이상의 냉각 회로가 도 1에 이미 예시한 회로에 추가될 수 있다. 제1의 고온, 즉 예냉각 회로는 HFC 냉매를 사용한다. 제2의 저온, 즉 주요 냉각 회로는 탄화수소 혼합물을 사용한다. HFC를 예냉각 냉매로서 사용하는 제1 냉각 회로는 다단 HFC 압축기(158)와 HFC 예냉각 장치(101)를 포함한다. 제1 냉각 회로에서 사용되는 HFC는 바람직하게는 다음의 특성을 가질 수 있다. (1) ASHRAE 클래스 A(저독성) 냉매임; (2) ASHRAE 클래스 1(저가연성) 냉매임; (3) ODP가 0.1 이하임(오존 파괴가 매우 적음). 분자의 ODP는 몬트리올 의정서 규정에 따라 분자의 오존 파괴 경향을 디클로로디플루오로메탄(CCl2F2)의 오존 파괴 경향과 비교함; (4) 지구 온난화 지수(GWP)가 낮음. 그러나, 정상 작동 조건하에서의 대규모 배출에 관한 매우 낮은 가능성, 에너지 절약 및 결과적인 CO2 배출물 감소는 GWP 기준이 단지 정량적이라는 것을 의미한다는 점에 유념해야 한다.
제1 냉각 회로에서 사용되는 HFC는 또한 바람직하게는 다음 특성을 가질 수 있다. (1) HFC 혼합물에 있어서, 냉매는 바람직하게는 공비 또는 근사 공비 HFC 혼합물에 의해 만족되는 7 ℃ 미만의 온도 구배를 가짐; (2) HFC 성분 또는 혼합물은 50 ℃를 상회하는 임계 온도를 가짐(따라서, 해수뿐만 아니라 대기를 냉각제로서 사용하는 것이 허용되며, 이에 따라 효율이 높아짐); 및 (3) 천연 가스 공급물을 소망하는 온도로 예냉각하기에 충분히 낮은 표준 비등점을 가짐. 예컨대, R410A는 진공 작동 없이도 -51.6 ℃의 정상 비등 온도를 갖고, 이는 분류(分溜)를 이용한 천연 가스 공급물로부터 중탄화수소의 충분한 제거를 허용할 수 있다.
R134a, R125와 같은 시판중인 단일 성분 HFC 냉매와 상기 특성을 포함하는 다른 모든 냉매는 LNG 액화를 위한 본 발명의 프로세스에 사용하기에 적합하다. 또한, R407C, R410A, R417A, R507 및 R422D와 같은 시판중인 HFC 혼합물은 상기 요건을 충족한다.
ODP가 0에 가까운 A1(즉, 400 ppm 미만에서 무독성 및 화염 전파 가능성 없음)으로 분류되고, LNG 예냉각 서비스를 위해 사용 가능한 다른 가능한 순수한 혼합 HFC 냉매의 개요를 제공한다.
냉매 타입 조성 ODP 임계 온도(℃) ASHRAE
안정성 분류
R134a CF3CH2F 0 100.9 A1
R125 CF3CHF2 0 66.1 A1
R407C R32/R125/R134a 0 87.3 A1
R407A R32/R125 0 70.1 A1
R507 R143A/R125 0 70.9 A1
표 1로 돌아가면, 천연 가스 공급물 스트림(도시하지 않음)은 건조기(도시하지 않음)로 송출되기 전에 중탄화수소 오일, 입자성 물질, CO2 및 H2S의 제거를 위해 예처리된다. 건조는, 해수가 실질적으로 22 ℃ 미만이면, 해수 냉각을 이용하여 실시될 수도 있고 HFC 냉매를 이용하여 실시될 수도 있다. 천연 가스 공급물 스트림은 22 내지 25 ℃의 온도로 냉각된 후, 이어서 천연 가스 공급물 스트림은 수분이 제거되는 건조기 베드(도시하지 않음)로 송출된다. 그 후, 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)은 30 내지 85 bara 범위의 압력으로 예냉각되도록 송출된다. 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)의 예냉각은, 예컨대 예냉각 장치(101)로 표시되는 1개 내지 5개의 일련의 냉각단에서 실시된다. 도 1은 3단 예냉각 시스템을 예시한다. 이러한 연속 냉각단은, J-T 밸브 압력을 낮추어, 예컨대 냉각단(n)에 공급되는 HFC 냉매를 냉각(n-1)에 공급되는 냉매보다 저온이 되게 하는 것에 의해 순차적으로 온도가 하강하는 HFC 냉매를 이용한다. 냉각단의 개수가 많을수록 냉각 곡선에 근접하게 접근하는 것으로 인해 예냉각이 효율이 커진다. HFC 예냉각단이 총 (n)개이면, 공급물은 예냉각 스트림(102)을 생성하도록 (n-1)개의 단에서 냉각된다.
그 후, 예냉각 스트림(102)은 탄화수소 스크럽 컬럼(103)으로 송출될 수 있으며, 이 스크럽 컬럼은 최종 LNG의 발열량을 조정하기 위해 저온 액체 리플럭스 스트림(113)을 이용하여 공급물 중 보다 중질의 (C3+) 성분을 제거한다. 저부 스트림(105)은 분류 트레인이나 저장고(도시하지 않음)로 송출된다. FPSO에서의 공간 제약으로 인해, 스크럽 컬럼(103)을 빠져나가는 중탄화수소 스트림(105)은 가능하다면 LNG 수용 터미널로 수송되어 이 터미널에서 분류될 수 있다는 점을 유념해야 한다. 분류가 FPSO 플랫폼에서 이루어지면, 본 발명의 일양태는 또한 HFC 냉매가 분류 트레인에 포함될 수 있는 다양한 컬럼(디에타나이저 등)의 응축기를 냉각하게 한다.
스크럽 컬럼(103)으로부터 얻은 스트림(104)은 보다 경질의 오버헤드 스트림을 구성한다. 스트림(104)의 일부(즉, 스트림 107)는 HFC 예냉각 장치(101)를 이용하여 부분적으로 응축될 수 있다. 그 후, 부분적으로 응축된 공급물 스트림(108)은 스트림(104)의 응축되지 않은 부분(즉, 스트림 106)과 결합되어 스트림(019)을 형성한 후, 액체로부터 증기를 분리하는 증기 액체 분리기(110)로 송출될 수 있다. 다음에, 증기 액체 분리기(110)로부터의 액체 스트림(111)은 펌프(112)에 의해, 컬럼 리플럭스로서 작용하는 스트림(113)으로서 스크럽 컬럼(103)으로 다시 펌핑될 수 있다.
HFC 예냉각 냉매는 그러한 목적을 위해 주요 액화 냉매를 사용할 필요 없이 스크럽 컬럼 리플럭스 응축기(110) 듀티 모두를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 스크럽 컬럼 리플럭스 응축기(110) 듀티 모두를 제공하기 위해 HFC 예냉각을 이용함으로써 시스템의 효율을 향상되는데, 그 이유는 통상의 탄화수소 냉매에 의해 제공되는 통상적인 냉각 듀티는 HFC 냉매보다 훨씬 높은 증분 압축 파워를 요구하기 때문이다. 이는 CH4 및 C2H6와 같은 보다 경질의 탄화수소 냉매에 비해 통상의 HFC 냉매의 훨씬 낮은 압축 계수로 인한 것이다. 스크럽 컬럼 리플럭스 응축기(110)의 듀티 모두를 제공하기 위한 HFC 예냉각의 사용은 또한 주요 액화 교환기(115)의 크기를 줄이고, 제어 문제와 플랜트 레이아웃을 단순화한다.
스크럽 컬럼 리플럭스 응축기(110)로부터의 증기 스트림(114)은, 증기 스트림(114)을 완전히 응축하고 과냉시켜 LNG 생성물 스트림(116)을 형성하는 플랜트의 극저온 섹션으로 송출될 수 있다. 극저온 섹션은 주요 액화 교환기(115)를 포함한다. 극저온 섹션에서는, 예컨대 0 내지 30 몰%의 N2를 갖는 혼합 탄화수소 또는 순수 N2로 이루어진 냉매가 사용될 수 있다. 일실시예에서, 주요 액화 냉매는 0 내지 30 %의 N2와, 메탄(0 내지 50 %), 에탄(0 내지 75 %) 및 부탄(0 내지 50 %)과 같은 탄화수소를 함유하는 혼합물일 수 있다. 다른 실시예에서, 주요 액화 냉매는 천연 가스 스트림으로부터 얻은 메탄으로 이루어진 제1 스트림과, 에탄을 주성분으로 하는, 에탄이 농후한 스트림인 제2 스트림, 그리고 질소를 주성분으로 하는, 질소가 농후한 스트림인 제2 스트림을 포함하는 혼합물일 수 있다. 메탄 스트림은 2가지 방식 중 한가지 방식으로 천연 가스로부터 얻을 수 있다. 천연 가스 스트림(100)(도 1에 예시되어 있음)이 저품질이면(즉, 90 몰%를 상회하는 메탄과 3 몰% 미만의 프로판을 함유함), 이 천연 가스 스트림의 일부는 혼합 냉매를 구성하는 데 사용될 수 있다. 도 1의 천연 가스 스트림(100)이 저품질이 아니면(즉, 3 몰%를 상회하는 프로판을 함유함), 이 천연 가스 스트림은 예냉각 장치(101)에서 HFC에 대해 예냉각될 수 있고, 과량의 프로판과 다른 보다 중질의 탄화수소를 제거하는 도 1의 스크럽 컬럼(103)에서 불순물이 제거될 수 있으며, 도 1의 메탄 제공 스트림(117)을 형성하도록 더욱 예냉각될 수 있다. 이러한 절차는 혼합 냉매를 형성하는 데 사용되는 메탄 제공 스트림이 안전성을 위해 충분한 적은 양의 프로판을 함유하는 것을 보장한다.
본 명세서에서 다수히 사용되는 "에탄이 농후한 스트림"이라는 용어에 관하여, 이 용어는 스트림이 적어도 90 몰%의 에탄을 포함하는 것을 뜻하는 것으로 정의된다. 상용 고순도 에탄은 최대 10 몰%의 프로판을 함유할 수 있는 반편, 온사이트 준비 에탄은 90 몰% 에탄보다 훨씬 높은 순도를 가질 수 있다. 따라서, 에탄이 농후한 스트림의 최소 순도는 90 몰% 에탄이다.
본 명세서에서 다수히 사용되는 "질소가 농후한 스트림"이라는 용어에 관하여, 이 용어는 스트림이 적어도 97 몰%의 질소를 포함하고 -40 ℃ 미만의 이슬점을 갖는 것을 뜻하는 것으로 정의된다. 적어도 97 몰%의 질소 스트림을 공급하기 위해 해양 용례에서는 공기의 멤브레인 분리에 기초하는 패키지형 질소 발생기 유닛이 일반적으로 사용되어 왔다. 이러한 유닛을 사용하여 경제적인 방식으로 최대 99.99 몰%의 질소 순도를 달성할 수 있다. 멤브레인은 통상적으로 14 bara 미만의 공기 급송 압력과 50 ℃ 미만의 온도로 작동된다.
예냉각제로서 HFC 냉매를 사용할 때, 표면 레벨에서의 가연성 클라우드 형성 가능성으로 인해 FPSO 상에서 사용하기에 바람직하지 않은 것으로 간주되는 프로판의 사용은 제거될 수도 있고 거의 제거될 수도 있다.
주요 액화 교환기(115)는 권취 코일 교환기, 플레이트 핀(plate-fin) 교환기 또는 극저온 서비스에 있어서 전형적인 임의의 다른 교환기일 수 있다. 증기 스트림(114)은 주요 액화 열교환기(115)로 진입할 수 있고, 이 열교환기에서 응축되고 과냉되며, 예컨대 -140 ℃ 내지 -170 ℃의 온도 및 30 내지 85 bara의 압력의 LNG 생성물 스트림(116)으로서 빠져나간다.
응축되고 과냉된 LNG 생성물 스트림(116)은 액체 팽창기(도시하지 않음) 또는 플래시 밸브(도시하지 않음)에서 그 압력을 대략 1.2 bara로 줄이는 것에 의해 더욱 처리될 수 있으며, 이에 따라 플래시 가스와 액체 LNG 생성물을 형성한다. LNG 생성물은 후속하여, 예컨대 저장고로 송출될 수 있다.
고온 저압 주요 액화 냉매 스트림(130)은 일련의 중간 냉각 압축기(131, 135)로 송출될 수 있으며, 이때 스트림(130)은 우선 압축기(131)에서 압축되어 스트림(132)을 형성하고, 중간 냉각기(133)에서 냉각되어 스트림(134)을 형성하며, 압축기(135)에서 더욱 압축되어 스트림(138)을 형성한 다음, 최종 냉각기(139)에서 더 냉각되어 고압 유체 스트림(140)으로서 생성된다. 압축기(131, 135)는 드라이버(136)에 의해 구동된다. 드라이버(136)는 전기 모터 또는 가스 터빈일 수 있다. 고압 유체 스트림(140)은 30 내지 80 bara 범위의 압력과 (1) 중간 냉각기(133)와 최종 냉각기(139)에서 사용되는 냉각제; 및 (2) 중간 냉각기(133)와 최종 냉각기(139)의 크기에 의해 좌우되는 온도일 수 있다. 도 1은 하나의 중간 냉각기(133)와 하나의 최종 냉각기(139)를 구비하는 혼합 냉매 압축 시스템을 예시하고 있지만, 예컨대 복수의 중간 냉각기와 최종 냉각기가 구현될 수 있다. 중간 냉각기(133)와 최종 냉각기(139)에서 사용되는 냉각제는 공기일 수도 있고, 통상적으로 FPSO 용례에서는 해수 또는 신선한 물일 수도 있으며, 이것은 또한, 예컨대 해수에 의해 냉각된다.
저온 고압 냉매 스트림(140)은 예냉각 장치(101)를 이용하여 예냉각될 수 있고, 이에 따라 예냉각 스트림(141)을 형성한다. 예냉각 스트림(141)은 분리기(142)에서 경질의 냉매 스트림(143)과 중질의 냉매 스트림(144)으로 분리될 수 있다. 그 후, 경질의 냉매 스트림(143)은 주요 액화 교환기(115)에서 주요 액화 교환기(115)에서 기화하기 전에 응축되고 과냉되어 스트림(148)을 형성활 수 있고, J-T 밸브(149)에서 팽창되어 온도가 -180 ℃ 내지 -120 ℃인 극저온 냉매 스트림(150)을 생성할 수 있으며, 그 후 이 스트림(150)은 주요 액화 교환기(115)에서 기화된다. 중질의 냉매 액체 스트림(144)도 또한 주요 액화 교환기(115)에서 과냉되어 스트림(145)을 형성할 수 있고, 이 스트림(145)은 그 후 J-T 밸브(146)에서 팽창되어, 주요 액화 교환기(115)에서 역시 기화되는 극저온 냉매 스트림(147)을 생성할 수 있다. 현재의 프로세스는 또한 효율을 향상시키기 위해 J-T 밸브(146) 앞에 유압 팽창기(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
결합된 극저온 냉매 스트림(147, 150)은, 최종적으로 이슬점의 또는 이슬점보다 약간 높은 증기 스트림(130)으로서 교환기를 빠져나가기 전에 주요 액화 교환기(115)에서 흘러내리면서 연속적으로 고온으로 비등하고, 이에 의해 냉각 루프가 완료된다.
도 2는 하나 이상의 HFC 기화기를 포함하는 예냉각 장치(101)의 내부를 예시한다. HFC 기화기(222, 226, 230)는 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)을 대략 - 100 ℃ 내지 0 ℃로 냉각하는 데 사용된다. 기화기는, 예컨대 쉘 앤드 튜브(shell-and-tube) 타입 교환기일 수 있다. 쉘 앤드 튜브 타입 교환기는 또한 일반적으로 "케틀(kettle)"이라고도 하는데, 그 이유는 쉘측이 비등하는 HFC 냉매의 풀(pool)로 구성되기 때문이다. HFC 냉매 스트림(162)(도 1에도 도시되어 있음)은 또한 포화되거나 바람직하게는 응축기와 과냉기 크기뿐만 아니라 공기 또는 해수 냉각제에 의해 결정된 온도로 과냉된 HFC 액체일 수 있다. 예컨대, FPSO 용례에서 냉각되는 전형적인 해수는 다단 HFC 압축기(158)로부터의 HFC 배출물을 해수 온도보다 높은 5 내지 20 ℃로 냉각할 수 있다.
고압 과냉 HFC 스트림(162)은 스트림들(220, 240)로 분리할 수 있다. 스트림(220)은 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)에 대한 냉각을 제공할 수 있는 한편, 스트림(240)은 혼합 냉매 스트림(140)에 대한 냉각을 제공할 수 있다. 스트림(220)은 이어서 J-T 밸브(290)에서 팽창되어 스트림(221)을 형성한 다음, 기화기(222)에 있는 액체의 비등 풀로 송출될 수 있다. 기화기(222)를 빠져나가는 HFC 포화 증기 스트림(223)은 기화기(242)로부터 발생한 포화 증기 스트림(243)과 결합될 수 있고, 이때 결합된 스트림(163)(도 1에도 도시되어 있음)은 사이드 스트림(side stream)으로서 도 1의 다단 HFC 압축기(158)의 최고 압력 흡입 노즐로 송출될 수 있다. 증발되지 않은 222의 HFC 액체는 스트림(224)을 매개로, 그 압력과 온도를 더 줄여 스트림(225)을 형성하는 다른 압력 강하 J-T 밸브(292)로 송출될 수 있다. 비등하는 액체 스트림(225)은 기화기(226)로 송출될 수 있고, 이때 비등하는 액체 스트림은 스트림(201)에 대한 냉각을 더 제공한다. 기화기(226)로부터 발생하는 증기 스트림(227)은 기화기(246)로부터 발생하는 증기 스트림(247)과 결합될 수 있고, 이와 같이 결합된 스트림(164)(도 1에도 도시되어 있음)은 사이드 스트림으로서 다단 HFC 압축기(158)의 중간 압력 흡입 노즐로 송출된다. 스트림(228)인 226으로부터의 액체는 비등하는 스트림(229)을 형성하는 J-T 밸브(294)에서 더 플래싱될 수 있고, 기화기(230)에 있는 액체의 비등 풀로 송출될 수 있으며, 이때 상기 액체는 완전히 증발되어 포화 증기 스트림(231)을 형성할 수 있다. 포화 증기 스트림(231)은 기화기(250)로부터 발생하는 증기 스트림(251)과 결합될 수 있고, 결합된 스트림(165)(도 1에도 도시되어 있음)은 다단 HFC 압축기(158)의 저압 흡입 유입구로 송출될 수 있다.
기화기(230)는 스크럽 컬럼(103)을 위한 응축기로서의 역할을 한다. 기화기(230)에서 비등하는 액체의 온도, 최종 J-T 밸브(294)의 압력 및 HFC 자체는 수개의 기준에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 기화기(230)에서 충분히 낮은 비등 온도를 필요로 하는 스크럽 컬럼(103)으로의 충분한 리플럭스의 생성을 요구하는 LNG의 고발열량(Higher Heating Value; HHV)을 제한하는 것이 통상적이다. 일반적으로, 이러한 온도는 -20 ℃ 내지 -80 ℃로 변하지만, 이 온도가 상기 온도 범위 밖에 있을 수 있는 예외적인 경우도 있을 수 있다. 예컨대, R-410A와 같은 냉매는 대략 1.25 bara의 허용 가능 최소 압력으로 플래싱될 때 대략 -50 ℃의 온도를 제공한다. 이 경우, 기화기(230)의 유출구에서 약 -47 ℃의 최종 예냉각 온도에 도달할 수 있다. HFC 냉매는 또한 훨씬 낮은 온도를 달성하기 위해 대기압 미만 압력에서 안전하게 사용될 수 있다. 프로판과 달리 이것이 가능한 한가지 이유는, 공기-HFC 혼합물이 불연성이기 때문에, 일부 공기가 유입될지라도 연소에 관한 우려가 생기지 않기 때문이다. 따라서, HFC 냉매의 선택은 또한 공급 가스로부터 충분한 탄화수소를 응축하기 위해 달성해야 할 필요가 있는 최종 예냉각 온도에 의해 좌우될 수 있다.
전술한 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)과 마찬가지로, 기화기(242, 246, 250)는 예냉각 스트림(141)을 생성하도록 탄화수소 혼합 냉매 스트림(140)을 예냉각하기 위해 사용될 수 있다. 기화기(242)의 예냉각 온도는 기화기(222)와 동일할 수 있으며, 기화기(246)의 온도는 기화기(226)와 동일할 수 있고, 기화기(250)의 온도는 기화기(230)와 동일할 수 있다. 일반적으로, (n)개의 냉각단이 존재하면, 임의의 예냉각단(K)에서의 HFC의 비등 온도는 공급물 및 탄화수소 혼합 냉매 기화기 양자의 경우와 동일할 수 있다. 이러한 방식으로, 임의의 주어진 예냉각단에 있는 공급물 및 탄화수소 혼합 냉매 기화기 양자를 빠져나가는 포화 HFC 증기는 동일한 압력일 것이다. 이로 인해 증기 스트림이 혼합되고 단일 압축기단으로 송출되며, 따라서 압축기 유입 노즐의 개수가 줄어든다.
HFC 냉매를 예냉각제로서 사용하는 것의 다른 장점은 HFC 냉매가 50.0 ℃를 초과하는 임계 온도를 갖는다는 것이다. HFC 냉매의 임계 온도가 50.0 ℃를 초과하기 때문에, 다단 HFC 압축기(158)에 후속하는 HFC 응축기(161)(도 1에 도시되어 있음)는 초임계 영역에서 작동하지 않눈더. 다단 HFC 압축기(158)에 후속하는 HFC 응축기(161)가 초임계 영역에서 작동하지 않기 때문에, 시스템은 이에 따라 보다 높은 효율로 작동하는데, 그 이유는 아임계 조건에서 체적 유량 감소가 더 크기 때문이다. 또한, HFC 냉매는 수개의 비등단에서 공급물과 주요 액화 냉매에 대한 냉각을 제공할 수 있으며, 이로 인해 시스템은 냉각 곡선에 어느 정도 근접하게 매칭되게 되며, 이에 따라 효율이 보다 높아진다.
HFC는 탄화수소 스크럽 컬럼 리플럭스를 위해 프로판보다 낮은 온도의 응축 듀티를 제공하는 데 사용될 수 있으며, 이에 따라 액화 플랜트의 설계를 단순화할 수 있고, 탄화수소 혼합 냉매의 일부를 줄일 수 있다. 이러한 탄화수소 혼합 냉매의 경감은 시스템의 효율을 향상시키고 플랜트의 고가의 극저온 섹션의 크기와 자본비를 줄일 것이다. 또한, 보다 폭넓은 범위의 공급물 조성 및 생성물 사양에 걸쳐 보다 간단하고 보다 비용 효과적인 프로세스 구조가 사용될 수 있다.
도 3에 예시한 바와 같은 다른 실시예에서는, 스크럽 컬럼(303)을 위한 응축 듀티를 제공하기 위해 HFC 예냉각 시스템이 사용되지 않는다. 대신에, 탄화수소가 농후한 혼합 냉매가 스크럽 컬럼(303)을 위한 응축 듀티를 제공하기 위해 사용된다. 탈수 천연 가스 공급물 스트림(300)은 예냉각 스트림(302)을 생성하기 위해 예냉각 장치(301)의 2개 내지 4개의 예냉각단에서 예냉각된다. 예냉각 스트림(302)의 온도는 요구되는 탄화수소 제거 레벨과 스크럽 컬럼(303)에서의 리플럭스율에 의해 좌우된다. 주어진 리플러스율에 있어서, 예냉각 스트림(302)의 온도가 하강하면 스크럽 컬럼에서의 탄화수소 제거율이 증가한다. 스크럽 컬럼(303)을 빠져나가는 오버헤드 스트림(304)은 주요 액화 교환기(313)에 진입하여, 오버헤드 스트림이 냉각되고 부분적으로 액화되어 스트림(306)이 형성된다. 스트림(306)은 스크럽 컬럼 리플럭스 드럼(307)에서 상분리되어 스트림들(308, 312)이 형성된다. 스트림(308)은 펌프(309)로 펌핑된 후, 스트림(310)을 매개로 컬럼 리플럭스로서 스크럽 컬럼(303)으로 송출된다. 스트림(312)은 액화를 위해 주요 액화 교환기(313)로 다시 재유입되어 LNG 생성물 스트림(316)이 된다. 도 3에 도시한 장치와 나머지 스트림들은 도 1에 도시한 등가의 100 시리즈 스트림 및 장치와 유사하게 기능한다는 점에 유념해야 한다.
도 4a 및 도 4b는 2개의 HFC 압축기 드라이버 구조를 예시한다. 도 4a에는, HFC 압축기(158)가 멀티샤프트 가스 터빈 드라이버(154)(도 1에도 도시되어 있음)에 의해 구동되는 구조가 도시되어 있다. LM2500, LM6000 또는 PGT25와 같은 항공 전용 터빈은 시판중인 멀티샤프트 터빈의 예이다. 멀티샤프트 터빈 드라이버(154)는 각각의 샤프트 상에 가스 발생기(456)와 파워 터빈 팽창기(457)를 포함한다. 파워 터빈(457)은 높은 시동 토크를 요구하는데, 그 이유는 HFC 재고를 전혀 배기하지 않고 시동되는 다단 HFC 압축기(158)에 의해 파워 터빈이 부하를 받기 때문이다. 시동시에, 가스 발생기(456)에 의해 구동되는 공기 압축기(454)는 파워 터빈(457)을 시동하기 전에 최고 압력을 형성하게 된다. 공기 압축기(454)가 최고 압력을 형성하고 나면, 가스 발생기(456)로부터 배출되는 여전히 고압의 배기 가스가 파워 터빈(457)에 요구되는 높은 시동 토크를 제공한다. 멀티샤프트 항공 전용 터빈은 높은 시동 토크를 가질뿐만 아니라, 또한 연소기(455)의 출구, 가스 발생기(456)의 출구 및 파워 터빈(457)의 출구에서의 가스압을 제어하는 유연성으로 인해 상당한 속도 유연성을 갖는다. HFC 압축기(158)를 위한 높은 시동 토크를 제공하는 또 다른 방법은 다단 HFC 압축기(158)에 직접 연결된 스팀 터빈을 사용하는 것이다.
도 4b는 전기 모터 구동식 다단 HFC 압축기(158)를 예시한다. 모터(466)는 FPSO 상의 파워 그리드(power grid)와의 연결을 통해서나 멀티샤프트 가스 터빈에 의해 구동되는 발전기와의 연결을 통해 전원(464)으로부터 전력을 공급받는다. 그리드에서의 불안정성을 방지할 뿐만 아니라 코일 손상을 방지하기 위해 모터의 스테이터 코일에 걸쳐 전류, 전압 및 주파수를 제어하는 변속 드라이브(Variable Speed Drive; VSD)가 있을 수 있다. 전형적인 모터에 있어서, 시동 토크[또는 로터 로크업(lock-up) 토크]는 ψ×IRot에 비례하는데, 이 식에서 ψ는 스테이터 코일로부터 나온 자기 플럭스 강도이고 IRot는 로터 유도 전류이다. 또한, ψ는 스테이터 전압에 비례한다. 0 로터 속도에서, IRot는 스테이터 필드의 회전 주파수에 비례하는데, 이 스테이터 필드의 회전 주파수는 또한 입력 스테이터 전압의 주파수와 스테이터 극(pole)의 개수에 의해 결정되며, 즉 120 × (f/p)에 의해 결정되고, 이 식에서 f = 입력 스테이터 전압의 주파수이고 p = 스테이터 극의 개수이다. 따라서, 스테이터 권선에 충분히 높은 주파수와 전압을 인가하는 것에 의해, 로터는 압축기와 이 압축기에 포함되는 HFC 가스로 이루어진 부하 토크를 극복하는 시동 토크를 받을 수 있다. 가변 주파수 드라이브(Variable Frequency Drive; VFD) 기술은 충분히 높은 시동 토크를 제공하려는 목적으로 전압 대 주파수비를 유지하면서 스테이터 코일에 대한 입력 주파수를 조정하는 데 사용될 수 있다.
예컨대 프로판과 같은, LNG 서비스에 사용되는 종래의 예냉각 냉매에 비해 HFC의 분자량이 보다 높은 것으로 인해 HFC 압축기에 관한 우려가 발생한다. 프로판은 분자량이 44.096이지만, 독성, 가연성, 낮은 온도 구배 및 다른 소망하는 특성을 충족하는 R410A와 같은 HFC는 분자량이 72.58이다. 유체의 음속은 다음과 같이 계산되는 것을 잘 알려져 있다.
Figure 112010028898167-pat00001
[식 1]
상기 식에서 γ = HFC의 단열지수(Adiabatic exponent)이고, R = 일반 기체 상수(Universal Gas constant)(8.314 J/Mol·K)이며, T = 압축기의 임의의 지점에서의 HFC의 온도이고, MW = HFC의 분자량이다. 음속(C)은 유체의 분자량의 제곱근에 역비례하여 변한다. 따라서, 분자량이 보다 높은 냉매는 음속을 낮추게 된다. 대부분의 압축기 구조는 임펠러 팁의 마하수(Ma)를 아음속(sub-sonic) 레벨(즉, 1.0 미만)로 제한한다. Ma는 다음과 식에 의해 계산된다.
Figure 112010028898167-pat00002
[식 2]
상기 식에서, RPM은 임펠러의 분당 회전수이고, π = 3.14159이며, C는 상기 식 1로부터 계산된 음속이다. Ma를 아음속 레벨(즉, 1.0 미만)로 제한하기 위해, 압축기가 충분히 낮은 속도(RPM)로 작동되어야만 하거나 임펠러 직경이 작아야만 한다.
그러나, 압축기를 저속으로 작동시키는 것 및/또는 보다 작은 임펠러 직경을 사용하는 것은 확립된 원심 압축기 식에 의해 나타내는 바와 같은 단당 이론적 폴리트로픽 압력비(theoretical polytropic pressure ratio per stage)를 제한한다.
Figure 112010028898167-pat00003
[식 3]
상기 식에서, n = HFC 폴리트로픽 계수이고, ZAvg = 평균 HFC 압축 계수이며, R = 일반 기체 상수(8.314 J/Mol·K)이고, TIn = 임펠러의 유입구에서의 온도이며, PIn = 임펠러의 유입구에서의 압력이고, MW = 기체의 분자량이며, Vt , Out = 임펠러 팁에서의 HFC의 절대 접선 방향 속도이다. 상기 압력비는 임펠러 유입 통로로의 흐름이 접선 방향 성분을 갖지 않는 것으로 가정한다. 이러한 속도는 속도 삼각형 방법에 의해 얻은 잘 알려진 식에 의해 주어진다.
Figure 112010028898167-pat00004
[식 4]
상기 식에서, Q = 체적 유량이고, β = 반경 방향에 대한 임펠러 팁의 각도이며, DT = 임펠러 팁의 직경이고, b = 임펠러의 평균 흐름 채널 폭이다. 단위 질량당 필요한 이론적인 파워 입력은 다음 식에 의해 주어진다.
단당 파워 = Vt , Out × UT [식 5]
HFC의 응축 압력에 도달하도록 필요한 높은 압력비를 달성하기 위해, 다수의 임펠러-디퓨저(휠) 단들이 요구될 수 있는데, 이는 플랜트의 자본비에 추가되는 수개의 압축기 케이싱이 필요할 수 있다는 것을 시사한다. 그러나, 단일 케이싱 HFC 압축기가 R410A와 같은 HFC 냉매를 위해 구성될 수 있는 것으로 확인되었다. 표 3은 상이한 HFC 냉매의 영향과, Q = 75,000 ㎥/h, TIn = 10.00 ℃, 및 HFC 예냉각 프로세스의 압력 레벨들 중 하나에 있어서 통상적인 PIn = 2.92 bara인 흐름에 있어서의 단의 압력비에 대해 프로판과 같은 종래의 예냉각 냉매와 HFC 냉매를 비교한 것을 보여준다.
타입 조성 분자량 γ Z C(m/s) UT(m/s) 팁의
Ma		 Vt , Out
(m/s)		 POut/PIn
프로판 C3H8 44.10 1.17 0.94 249.66 115.45 0.46 69.48 1.17
R410A F32/F125 72.37 1.21 0.96 197.95 115.45 0.58 69.48 1.29
R134a C2H2F4 102.3 1.15 0.93 163.05 115.45 0.71 69.48 1.44
R125 C2HF% 120.02 1.13 0.95 148.71 115.45 0.78 69.48 1.53
상기 분석에 있어서, 임펠러 각도 β는 20도이고, 팁의 직경은 1.05 m이며, 평균 채널폭은 0.05 m였다. 임펠러는 2100 RPM으로 회전하였다. 단은 대략 설명의 간략화를 위해 거의 등엔트로피인 것으로 가정한다. 이것은 특히 압축기 블레이드의 흐름 통로의 길이를 따른 경계층의 분리를 방지하는 낮은 β값의 경우에 해당된다.
표 3은 이러한 임펠러의 형상 및 동일한 유입 흐름 조건에 있어서, 마하수는 분자량의 증가와 함께 증가한다는 것을 예시한다. 표 3은 또한 단의 압력비가 분자량에 강력히 좌우된다는 것을 예시한다. 압축기는 동일한 유입 체적 유량, 온도 및 압력에 대해서 프로판에 비해 HFC의 경우에 보다 높은 압력비를 달성한다. 표 3은 동일한 압축기 형상 및 입력 파워에 있어서 단당 높은 압력비의 관점에서 프로판과 같은 종래의 냉매에 비해, R410A와 같은 소정 HFC의 현저한 장점을 보여준다.
예
이 예시적인 설명에서, 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)은 HFC 예냉각 혼합 냉매 프로세스를 이용하여 액화되어 LNG를 형성하였다. 예냉각 섹션에 진입하는 총 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)은 대락 2.39 mmtpa 또는 301.2 tph였다. 건조기 베드(도 1에 도시되어 있지 않음)로부터 나온 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)이 15 ℃ 및 68.95 bara로 HFC 냉각 기화기(222)에 진입하여, -4.06 ℃의 온도로 냉각되었다. 공급물은 기화기(226)에서 대략 -24.39 ℃의 온도로 더 냉각되었으며, 그 후 스트림(102)으로서 스크럽 컬럼(103)으로 송출되었다. 스크럽 컬럼(103)의 저온 리플럭스 스트림(111)은 입력 스트림(102)으로부터 C3+(프로판, 부탄, 펜탄 등)의 제거를 유발하여, 증기 오버헤드 스트림(104)과 저부 중탄화수소 스트림(105)을 생성하였다.
표 4는 예시적인 설명으로부터의 다양한 스트림 조건을 요약한다.
스트림 102 104 105
유량 lbmol/h 38,298.94 37,757.67 4,819.31
온도 ℃ -24.38 -27.56 -24.47
압력 bara 68.31 68.27 68.29
증기
비율		 % 89.40 100.00 0.00
이슬점 ℃ -27.56
기포점 ℃ -57.90 -24.47
질소 몰% 0.95 1.01 0.22
메탄 몰% 85.32 89.11 48.04
에탄 몰% 6.81 6.33 14.02
프로판 몰% 3.73 2.66 15.61
이소부탄 몰% 0.48 0.22 2.90
n-부탄 몰% 1.63 0.59 10.73
이소펜탄 몰% 0.35 0.04 2.69
n-펜탄 몰% 0.36 0.03 2.78
헥산 몰% 0.38 0.00 3.01
이산화탄소 몰% 0.01 0.01 0.01
중탄화수소 스트림(105)은 통상 디메타나이저 컬럼으로 안내되어, 메탄 및 에탄과 같은 경질의 성분이 제거되어 추가의 연료 가스를 생성하는 한편, C3+가 풍부한 나머지 스트림은 더 분류되거나 저장되고 운송되었다. 스트림(107)은 이 스트림을 -44.39 ℃로 냉각하는 기화기(230)로 진입하여 부분적으로 응축된 스트림(108)을 생성하였으며, 이 부분적으로 응축된 스트림의 액체 부분은 스크럽 컬럼 리플럭스(103)로 사용되는 한편, 증기 스트림(114)은 주요 액화 교환기(115)로 송출되었다.
표 5는 스크럽 컬럼 응축기(110) 주변의 스트림들(108, 111, 114)에 관한 요약을 포함한다.
스트림 108 114 111
유량 lbmol/h 30,394.02 33,479.63 2,278.04
온도 ℃ -44.39 -42.30 -42.30
압력 bara 67.79 67.79 67.79
증기
비율		 % 91.89 100.00 0.00
이슬점 ℃ -42.30
기포점 ℃ -52.30 -42.30
질소 몰% 0.95 1.01 0.22
메탄 몰% 85.32 89.11 48.04
에탄 몰% 6.81 6.33 14.02
프로판 몰% 3.73 2.66 15.61
이소부탄 몰% 0.48 0.22 2.90
n-부탄 몰% 1.63 0.59 10.73
이소펜탄 몰% 0.35 0.04 2.69
n-펜탄 몰% 0.36 0.03 2.78
헥산 몰% 0.38 0.00 3.01
이산화탄소 몰% 0.01 0.01 0.01
표 5는 이슬점의 증기 스트림(114)이 주요 액화 교환기(115)로 송출되어, 완전히 응축되고 -152.72 ℃의 온도의 스트림(116)을 생성하기 위해 탄화수소가 풍부한 혼합 냉매 스트림에 대해 과냉되었다. 그 후, 스트림(116)은 LNG 유압 팽창기(상세히 도시하지 않음)에서 팽창되어 일부 파워를 추출하고, J-T 밸브에서 대략 1.17 내지 1.38 bara로 더 팽창되어 플래시 가스와 최종 LNG 생성물을 생성하였다.
탄화수소가 풍부한 혼합 냉매(HMR) 스트림(130)의 조성은 16.6 몰% N2, 40.99 몰%의 CH4 및 42.4 몰%의 C2H6였으며, 총 유량은 65,758 lbmol/h였다. 이 혼합물은 이슬점이 -62.28 ℃이고, 기포점이 -157.87 ℃였다. 고온 HMR 스트림(130)(T = -59.5 ℃, P = 8.47 bara)은 저압 압축기(131)의 흡입구로 안내되었다. 2개의 중간 냉각 압축단이 상기 스트림 압력을 증대시켜, 이슬점이 10.33 ℃이고 기포점이 -76.89 ℃인 스트림(138)(T = 46.50 ℃, P = 61.33 bara)을 생성하였다. 이에 따라, HMR 스트림은 포화 액체로 전환되도록 -76.89 ℃로 더 냉각되었고, 요구되는 극저온 냉각 온도를 제공하도록 더 과냉되었다. 이러한 냉각은 최종 냉각기(139), 기화기(242, 246, 250)의 HFC, 및 주요 액화 교환기(115)의 비등 HMR을 이용하여 행해졌다. HMR 스트림(141)은 -44.39 ℃ 및 59.23 bara로 최저온 HFC 기화기(250)를 빠져나왔다. 부분적으로 응축된 스트림(141)은 드럼(142)에서 상분리되어 경질의 탄화수소 HMR 스트림(143)과 중질의 HMR 스트림(144)을 생성하였다. 그 후, 스트림(143)은 주요 액화 교환기(115)에서 응축되고 과냉되어 저온 냉매 스트림(148)을 생성하는 한편, 스트림(144)은 과냉되어 냉매 스트림(145)을 생성하였다. 스트림(145, 148)은 J-T 밸브(146, 149)에서 더 팽창되어 저압 냉매 스트림(147, 150)을 생성하였으며, 이때 저압 냉매 스트림은 주요 액화 교환기(115)로 유입되어 공급물 스트림(114)과 HMR 스트림(143, 144)에 냉각을 제공한다.
표 6은 이 회로에 있는 다양한 HMR 스트림의 스트림 조건을 보여준다.
스트림 130 140 141 143 144
유량 lbmol/h 65,758.04 65,758.04 65,758.04 24,816.49 40,941.55
온도 ℃ -59.50 15.00 -44.42 -44.50 -44.50
압력 bara 8.47 60.73 59.23 59.03 59.03
증기 비율 % 100.00 100.00 37.62 100.00 0.00
이슬점 ℃ -62.28 -10.53 -11.04 -44.50 3.46
기포점 ℃ -157.87 -77.65 -79.60 -99.04 -44.50
질소 몰% 16.58 16.58 16.58 30.92 7.89
메탄 몰% 40.99 40.99 40.99 51.12 34.85
에탄 몰% 42.43 42.43 42.43 17.95 57.26
이제 HFC 예냉각 루프를 설명한다. 도 2를 참고하면, 증발단이 3개였다. 제1 단은, -7.11 ℃ 및 6.38 bara로 공급되는 R410A 스트림(222, 242)을 비등시키는 것에 의해 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)과 HMR 스트림(140)을 냉각하는 기화기(222, 242)를 포함하였다. 기화기(222, 242)로부터 나온 증기 스트림(223, 243)은 각각 R410A 압축기(158)의 고압 흡입구로 송출된다. 증발되지 않은 액체 스트림(224, 244)은 등엔탈피로 3.03 bara 및 -27.39 ℃로 플래싱되어 각각의 스트림(225, 245)를 형성하였다. 이들 스트림은 각각, 공급물과 혼합 냉매를 -24.39 ℃로 냉각하는 기화기(226, 246)로 송출되었다. 기화기(226, 246)를 빠져나오는 증기 스트림(227, 247)은 R410A 압축기(158)의 중간 압력 흡입 노즐로 안내되었다. 기화기(226, 246)를 빠져나오는 액체 스트림(228, 248)은 등엔탈피로 1.25 bara 및-47.39 ℃로 플래싱되어 저압 냉매 스트림(229, 249)을 각각 형성하였다. 스트림(229, 249)은 각각 스트림(231, 251)으로 완전히 기화되었고, R410A 압축기(158)의 저압 유입 노즐로 송출되었다. R410A 압축기(158)는, 저압 증기 스트림(165), 중간 레벨 압력 증기 스트림(164) 및 고압 증기 스트림(163)을 최종 압력 15.58 bara 및 65.11 ℃의 스트림(160)으로 압축하는 3단 머신이었다. 그 후, 스트림(160)은 교환기(161)에서 해수에 대해 완열되고(de-superheated) 응축되며 과냉되어 13.58 bara 및 15 ℃의 응축 R410A 스트림(162)을 생성하였고, R410A 기화기로 재순환되어 냉각 루프를 완료하였다. 이 경우, R410A의 총 순환율은 46,119 lbmol/h였다.
총 LNG 생성물은 약 2.39 mmtpa(million metric tons per annum)이었다. R410A 압축기(158)는 27 MW를 필요로 하였다. 중간단 냉각 MR 압축기(133, 135) 40.5 MW를 필요로 하였다. 대략 270.26 kwh/ton의 비출력(specific power)이 실현되었다.
해양 환경에 적합한 다양한 터빈 또는 전기 모터가 드라이버로서 사용될 수 있다. 예컨대, 26 C에서 약 28 MW의 디레이팅 파워 출력을 생성하는 GE LM6000은 2x50 % MR 압축기 스트링뿐만 아니라 R410A 압축기(158)를 위한 드라이버로서 사용될 수 있다. 임펠러 팁의 마하수 제한으로 인해 저속으로 작동하는 경향이 있는 R410A 압축기의 속도를 조정하기 위해 기어 박스를 이용할 수 있다.
미국 특허 제5,669,234호에 설명되어 있고 참고에 의해 본원에 포함되는 ConocoPhillips 캐스케이드 프로세스와 유사한 복수 개의 냉각 루프로 이루어진 순수 유체 캐스케이드 프로세스 내의 수소화불화탄소 역시 사용될 수 있다. 이 프로세스는 3개의 냉각 루프, 즉 (1) 공급물과, 에탄 또는 에틸렌과 같은 비등점이 보다 낮은 냉매를 예냉각하는 프로판을 이용하는 예냉각 루프; (2) 공급물과, 메탄과 같은 비등점이 낮은 냉매를 더 냉각하는 냉매로서 에탄을 사용하는 중간 냉각 루프; 및 (3) 메탄을 냉매로서 사용하고 공급물을 LNG 온도로 과냉하는 과냉각 루프를 포함한다. 일실시예에서, 캐스케이드 사이클의 예냉각 루프에 있는 프로판은 HFC 냉매들 중 하나로 대체될 수 있다. 케이스케이드 루프에 있는, 표준 비등점이 -89 ℃인 에탄은 표준 비등점이 -82.1 ℃인 R23(CHF3)과 같은 비등점이 낮은 HFC로 대체될 수 있다.
도 1의 프로세스는 또한 3개의 상이한 예냉각 냉매, 즉 R410A, 프로판 및 CO2로부터 얻은 에너지 효율을 혼합 냉매에 프로판을 사용한 경우와 그렇지 않은 경우에 대해서 kwh/ton LNG의 관점에서 비교하기 위해 사용되었다. 공급물 유량은 고정된 상태로 유지되었으며, 예냉각 및 혼합 냉매 압축기의 총 파워 소비는 최소화되었다. 비교의 균일성을 위해, 탈수 천연 가스 공급물 스트림(100)으로부터 충분한 양의 탄화수소를 응축하도록 예냉각 온도는 적어도 -37 ℃로 설정되었다. 몇몇 경우에, 최적 예냉각 온도는 -38 ℃보다 낮은 것으로 확인되었다. 표 7은 이들 결과를 보여준다.
첫번째 3개의 프로세스는 혼합 냉매에 프로판을 포함였다. 다음 3개의 프로세스는 혼합 냉매에 프로판을 갖지 않은 것을 예시한다. 마지막 3개의 프로세스에 있어서는, 표 5(스트림 114)로부터 혼합 냉매를 준비하기 위해 사용되는 메탄 스트림이 2.66 몰%의 프로판을 함유하는 것으로 가정하였다. 또한, 온사이트 디에타나이저 컬럼이, 1.0 %의 프로판과 99.0 %의 에탄을 함유하는 업계에서 일반적인 에탄 스트림을 생성하는 데 사용될 수 있다고 가정하였다. 40.99 %의 메탄과 42.4 %의 에탄으로 이루어진 조성을 갖는 일반적인 혼합 냉매는 0.4099 × 2.66 + 0.424 × 1.00 = 1.51 몰%의 프로판 함량을 초래할 것이다.
ASHRAE
독성 & 가연성 인덱스		 예냉각 냉매 액화 냉매 비출력
(kwh/ton LNG)		 MR에 있는 프로판의 몰% 스트림 229 및 249의 온도(℃) 스트림 229 및 249의 압력(bara)
A1 CO2 MR(프로판 함유) 262.26 11.80 -37.09 11.17
A3 프로판 MR(프로판 함유) 250.89 12.42 -37.36 1.24
A1 R410A MR(프로판 함유) 249.09 9.93 -37.29 1.99
A1 CO2 MR(프로판 비함유) 270.91 0.00 -37.22 11.12
A3 프로판 MR(프로판 비함유 256.59 0.00 -37.36 1.24
A1 R410A MR(프로판 비함유 251.96 0.00 -38.55 1.82

A1
CO2 		MR(제한된
프로판 함유)
273.76
1.51
-37.76
10.90

A3
프로판		 MR(제한된
프로판 함유)
254.65
1.51
-36.77
1.27

A1		 R410A MR(제한된
프로판 함유)
250.44
1.51
-39.01
1.78
우선, CO2를 사용하는 프로세스는 CO2를 사용하지 않는 프로세스보다 비출력 소비가 대략 5 내지 9 % 더 높고, 이에 따라 전자는 R410A 및 프로판 예냉각에 기초한 프로세스보다 덜 효율적이다. 두번째로, R410A 혼합 냉매(프로판 제외)를 이용하는 프로세스의 비출력은 C3MR(프로판 포함)을 이용하는 프로세스의 비출력보다 약 0.42 % 높았다. 프로세스 C3MR(프로판 포함)은 가능한 최대 에너지 효율을 갖는 대형 육상 플랜트를 위해 사용되었다. 이러한 비교는 액화 사이클로부터 프로판을 전부 제거할 시에 발생되는 출력 불이익이 미미하며, R410A에 기초한 프로세스의 에너지 효율이 가장 효율적인 육상 플랜트에 견줄만 한 것으로 고려될 수 있다는 것을 증명한다. 세번째로, 프로판 재고의 감소가 현저한데, 그 이유는 혼합 냉매에 프로판을 이용하는 프로세스를 위해 최적화된 혼합 냉매 조성이 9 내지 12 몰%의 프로판을 포함하기 때문이다. 프로판 재고와 자본비는 또한, 프로판을 제조하기 위해 통상적으로 마련되는 저장고와 분류 컬럼을 제거하는 것에 의해 더 줄어든다.
본 발명의 실시예는 또한 탄화수소 혼합 냉매 혼합물을 HFC 성분과 탄화수소, 및 N2와 같은 불활성 가스의 혼합물로 대체하는 데 적용될 수 있다. 그러한 프로세스에서, 예냉각은 일정한 비등 냉매(단일 성분 HFC 또는 공비 HFC 등)에 의해 실시되는 한편, 공급물의 액화와 과냉은 HFC 성분과 질소의 혼합물을 이용하여 실시될 것이다. 탄화수소 혼합 냉매 혼합물에 있는 프로판은, 예컨대 R410A 또는 R134A와 같은 HFC로 대체될 수 있다. 에탄은 R23으로 대체될 수 있으며, 메탄은 R14로 대체될 수 있다. 그러한 프로세스에서, HFC 혼합 냉매는 공기 또는 해수를 이용하여 압축되고 냉각되어, 부분적으로 응축된 냉매가 형성되는데, 이 냉매는 질소, 저비등점의 HFC가 풍부한 증기(도 1 및 도 3에서 스트림 143), 및 고비등점의 HFC가 풍부한 액체(도 1 및 도 3에서 144)를 생성하도록 분리될 것이다. 상기 증기와 액체는 그 후 더 냉각된 다음 팽창되어 공급물에 냉각을 제공할 것이다.
HFC 냉매는 종래의 C3MR 프로세스에서 프로판 냉매를 대체하는 데 사용될 수 있기 때문에, C3MR 프로세스의 구조 및 작동에 관한 다양한 경험이 이에 따라 여전히 이용될 수 있다. 예컨대, HFC 예냉각 냉매 루프는, 그 작동이 종래의 C3MR 시스템 및 프로세스에 확립된 일련의 수개의 기화기로 구성된다.
마지막으로, 사이드 스트림을 갖는 단일 케이싱 압축기가 시판중인 저비열 항공 전용 터빈의 광범위한 어레이에 대해 정상 작동 범위인 1700 내지 5000 RPM의 속도로 작동되는 HFC 서비스를 위해 구성될 수 있다는 것이 입증되었다.
다양한 도면에 관한 바람직한 실시예와 관련하여 본 발명의 양태들을 설명하였지만, 다른 유사한 실시예들을 이용할 수도 있고, 본 발명으로부터 벗어나는 일 없이 본 발명의 동일한 기능을 수행하도록 설명한 실시예에 대한 수정 및 추가가 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 청구되는 본 발명은 임의의 단일 실시예로 제한되어서는 안 되며, 오히려 첨부된 청구 범위에 따른 범위와 폭으로 해석되어야 한다.
101, 301 : 예냉각 장치
103, 303 : 스크럽 컬럼
110 : 증기 액체 분리기
115, 313 : 주요 액화 교환기
131, 135 : 중간 냉각 압축기
154 : 멀티샤프트 가스 터빈 드라이버
158 : 다단 HFC 압축기
454 : 공기 압축기
455 : 연속
456 : 가스 발생기
457 : 파워 터빈 팽창기
464 : 전원

Claims (19)

  1. 천연 가스 스트림을 액화하는 방법으로서,
    액화를 위한 탈수 천연 가스 스트림(dehydrated natural gas stream)을 공급하는 스트림 공급 단계와,
    예냉각 장치에서 상기 탈수 천연 가스 스트림을 예냉각하는 예냉각 단계로서, 예냉각은 수소화불화탄소(HydroFluoroCarbon; HFC) 냉매를 주성분으로 하는 예냉각제를 사용하는 것에 의해 실시되는 것인 예냉각 단계, 그리고
    액화 천연 가스 생성물 스트림을 생성하도록 주요 열교환기에서, 기화 탄화수소 혼합 냉매 냉각제에 대한 간접적인 열교환을 통해 예냉각 탈수 천연 가스 스트림을 더 냉각하는 냉각 단계
    를 포함하고, 상기 혼합 냉매 냉각제는 에탄, 메탄, 질소를 포함하고 프로판 또는 프로판보다 중질의 탄화수소를 3 몰% 이하로 포함하며,
    상기 천연 가스 스트림을 액화하는 방법은,
    파워 터빈을 시동하기 전에 가스 발생기에 의해 구동되는 공기 압축기에서 압력을 형성하는 단계와,
    상기 파워 터빈에 요구되는 높은 시동 토크를 제공하기 위해 가스 발생기로부터 배출되는 고온 고압 가스를 이용하는 단계
    를 더 포함하고, 상기 파워 터빈은 액화를 위한 적어도 탈수 천연 가스 스트림의 예냉각을 위한 다단 HFC 압축기를 구동하고, 상기 파워 터빈의 시동은 HFC 냉매를 배기하는 일 없이 일어나는 것인 천연 가스 스트림 액화법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 혼합 냉매 냉각제는 2 몰% 미만의 프로판을 포함하는 것인 천연 가스 스트림 액화법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 혼합 냉매 냉각제는 1 몰% 미만의 프로판을 포함하는 것인 천연 가스 스트림 액화법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수소화불화탄소 냉매는 R410A인 것인 천연 가스 스트림 액화법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수소화불화탄소 냉매는 온도 구배(temperature glide)가 7 ℃ 이하인 것인 천연 가스 스트림 액화법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 예냉각 탈수 천연 가스 스트림을 스크럽 컬럼(scrub column)으로 급송하여, 이 예냉각 탈수 천연 가스 스트림을 정류(精溜)하고 예냉각 탈수 천연 가스 스트림에 있는 중탄화수소의 일부를 제거하는 것과, 상기 스크럽 컬럼에서 나온 정류되고 중탄화수소의 일부가 제거된 천연 가스 스트림을 예냉각 장치로 다시 급송하여 이 천연 가스 스트림을 더 냉각하고 부분적으로 응축하는 것, 그리고 냉각되고 부분적으로 응축된 천연 가스 스트림을 분리기에서 분리하여, 상기 천연 가스 스트림의 액체 부분을 펌핑한 다음 리플럭스 스트림으로서 스크럽 컬럼으로 송출하고 상기 천연 가스 스트림의 증기 부분을 액화 천연 가스 생성물 스트림을 생성하도록 주요 열교환기로 송출하는 것을 포함하는 천연 가스 스트림 액화법.
  7. 제1항에 있어서, 주요 열교환기에서의 기화 이전에 예냉각 장치에서 탄화수소 혼합 냉매 냉각제를 예냉각하는 것을 더 포함하는 천연 가스 스트림 액화법.
  8. 삭제
  9. 천연 가스 스트림 액화 시스템으로서,
    다단 수소화불화탄소(HFC) 압축기와,
    상기 다단 HFC 압축기와 유체 연통되고, HFC 냉매를 이용하여 탈수 천연 가스 스트림을 예냉각하는 적어도 하나의 기화기를 포함하는 예냉각 장치, 그리고
    액체 천연 가스 생성물 스트림을 생성하도록 예냉각 탈수 천연 가스 스트림을 더 냉각하기 위한, 상기 예냉각 장치와 유체 연통되는 주요 열교환기
    를 포함하고, 에탄, 메탄, 질소 및 3 몰% 이하의 프로판 또는 프로판보다 중질의 탄화수소를 포함하는 기화 혼합 냉매 냉각제가 상기 주요 열교환기에서 냉각을 제공하며,
    상기 천연 가스 스트림 액화 시스템은 다단 HFC 압축기에 동력을 공급하는 멀티샤프트 가스 터빈 드라이버를 더 포함하고, 상기 멀티샤프트 가스 터빈 드라이버는
    제1 샤프트 상에서 상기 다단 HFC 압축기에 연결되는 파워 터빈과,
    제2 샤프트 상에서 상기 파워 터빈과 유체 연통되는 가스 발생기와,
    상기 제2 샤프트 상에서 가스 발생기에 연결되는 공기 압축기, 그리고
    상기 가스 발생기에 고온 고압 가스를 공급하기 위해 공기 압축기 및 가스 발생기와 유체 연통되는 연소기
    를 포함하는 것인 천연 가스 스트림 액화 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 천연 가스 스트림 액화 시스템은 부유식 생산 저장 하역 설비(Floating Production Storage and Offloading platform; FPSO)에서 운용되는 것인 천연 가스 스트림 액화 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 2 몰% 이하의 프로판을 포함하는 상기 기화 혼합 냉매 냉각제는 주요 열교환기에서 냉각을 제공하는 것인 천연 가스 스트림 액화 시스템.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서, 상기 천연 가스 스트림 액화 시스템은 상기 다단 HFC 압축기에 동력을 공급하는 전기 모터 조립체를 더 포함하고, 이 전기 모터 조립체는
    상기 다단 HFC 압축기에 연결되는 전기 모터와,
    상기 전기 모터에 연결되는 전원
    을 포함하는 것인 천연 가스 스트림 액화 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전기 모터의 전원은 부유식 생산 저장 하역 설비(FPSO)의 파워 그리드(power grid) 또는 멀티샤프트 가스 터빈에 의해 구동되는 발전기인 것인 천연 가스 스트림 액화 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 상기 기화기는 쉘 앤드 튜브(shell-and-tube) 타입 기화기인 것인 천연 가스 스트림 액화 시스템.
  16. 제9항에 있어서, 상기 주요 열교환기는 권취형 코일 교환기인 것인 천연 가스 스트림 액화 시스템.
  17. 제9항에 있어서, 상기 주요 열교환기에서의 혼합 냉매 냉각제의 기화 이전에 예냉각 장치에 혼합 냉매 냉각제를 급송하기 위해, 상기 주요 열교환기와 예냉각 장치 사이에 도관을 더 포함하는 천연 가스 스트림 액화 시스템.
  18. 천연 가스 스트림을 액화하는 방법으로서,
    액화를 위한 탈수 천연 가스 스트림을 공급하는 스트림 공급 단계와,
    예냉각 장치에서 상기 탈수 천연 가스 스트림을 예냉각하는 예냉각 단계로서, 예냉각은 수소화불화탄소(HFC) 냉매를 주성분으로 하는 예냉각제를 사용하는 것에 의해 실시되는 것인 예냉각 단계, 그리고
    액화 천연 가스 생성물 스트림을 생성하도록 주요 열교환기에서, 기화 탄화수소 혼합 냉매 냉각제에 대한 간접적인 열교환을 통해 예냉각 탈수 천연 가스 스트림을 더 냉각하는 냉각 단계
    를 포함하고, 상기 혼합 냉매 냉각제는 천연 가스 스트림으로부터 얻은 메탄 스트림과, 에탄을 주성분으로 하는 에탄이 농후한 스트림, 그리고 질소를 주성분으로 하는 질소 스트림을 포함하고, 프로판 또는 프로판보다 중질의 탄화수소를 3 몰% 이하로 포함하는 혼합물이며,
    상기 천연 가스 스트림을 액화하는 방법은,
    파워 터빈을 시동하기 전에 가스 발생기에 의해 구동되는 공기 압축기에서 압력을 형성하는 단계와,
    상기 파워 터빈에 요구되는 높은 시동 토크를 제공하기 위해 가스 발생기로부터 배출되는 고온 고압 가스를 이용하는 단계
    를 더 포함하고, 상기 파워 터빈은 액화를 위한 적어도 탈수 천연 가스 스트림의 예냉각을 위한 다단 HFC 압축기를 구동하고, 상기 파워 터빈의 시동은 HFC 냉매를 배기하는 일 없이 일어나는 것인 천연 가스 스트림 액화법.
  19. 제1항 또는 제18항에 있어서, 상기 천연 가스 스트림 액화법은 부유식 생산 저장 하역 설비(FPSO)에서 실시되는 것인 천연 가스 스트림 액화법.
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