KR101242790B1 - 액화 가스의 감압 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 액화 가스의 감압 방법은 고압에서 가스를 액화 가스로 액화시킨 다음에 액화 가스를 저장이 가능한 압력으로 감압시키는 액화 가스의 감압 방법에 관한 것으로서, 액화 가스를 기상의 제1 서브 스트림과 액상의 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계, 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 감압시키는 제1 감압 단계, 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 감압시키는 제2 감압 단계, 제2 감압 단계 이후의 제2 서브 스트림을 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계, 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 제1 감압 단계 이후의 제1 서브 스트림에 혼입시키는 제1 혼입 단계, 및 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 저장하는 저장 단계를 포함한다.

Description

액화 가스의 감압 방법 {PRESSURE REDUCTION PROCESS FOR LIQUEFYING GAS}

본 발명은 액화 가스의 감압 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 추가적으로 동력을 제공하지 않더라도 액화 가스로부터 보다 많은 양의 액상 부분을 얻을 수 있는 액화 가스의 감압 방법에 관한 것이다.

천연가스나 이산화탄소와 같은 가스들은 저장이나 수송을 위해 액화되는 것이 일반적이다. 이러한 액화는 통상적으로 가스를 고압으로 승압시킨 다음에 이를 냉각시키는 액화 프로세스에 의해 달성된다. 이러한 액화 프로세스 중에 가장 대표적인 것은 천연가스를 액화시키는 'Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant Process(또는 C3/MR Process)'와 'Conoco Phillips' 사의 캐스케이드 공정(Cascade process)이다.

C3/MR 공정은 우선 공급 가스를 다단의 프로판 줄-톰슨(Joule-Thomson, JT) 사이클에 의해 대략 238 K까지 예냉(pre-cooled)시킨다. 그런 다음 C3/MR 공정은 공급 가스를 열교환기에서 혼합 냉매와의 열교환을 통해 123 K까지 액화(liquefied)시키고 과냉(sub-cooled)시킨다. 그리고 캐스케이드 공정은 순수 냉매(pure-component refrigerant)인 메탄, 에틸렌, 및 프로판을 사용하는 3개의 줄-톰슨 사이클로 공급 가스를 예냉시키고 액화시키며 과냉시킨다.

그런데 이러한 액화 프로세스를 통해 액화된 액화 가스는 통상적으로 매우 높은 압력을 가진다. 따라서 이러한 액화 가스를 저장하기 위해서는 액화 가스의 압력을 낮출 필요가 있다. 이를 위해 종래기술에 따른 감압 방법은 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이 액화 가스를 감압한 다음에 이를 바로 기상 부분과 액상 부분으로 분리한다.

이에 대해서 보다 상술하면, 액화 프로세스(L)를 통해 액화된 액화 가스는 도관(11)을 통해 감압 밸브(41)로 유입되어 감압된다. 그런 다음 액화 가스는 도관(12)을 통해 기액분리기(31)로 유입되어 기상 부분과 액상 부분으로 분리된다. 여기서 기상 부분은 그대로 외부로 배출되거나 또는 연료 가스로 사용되고, 액상 부분은 도관(26)을 통해 저장 탱크(미도시)로 유입되어 저장된다.

이와 같이 액화 가스를 실제로 저장하기 위해서는 액화 가스를 감압하는 것이 매우 중요하다. 그러나 지금까지 액화 프로세스의 개선(예를 들어, 효율의 향상)을 위한 노력은 다양하게 이루어졌으나, 감압 프로세스의 개선을 위한 노력은 거의 이루어지지 않았다. 따라서 현재 감압 프로세스를 개선할 필요성이 강하게 대두되고 있다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 감압 프로세스를 개선하여 추가적으로 동력을 제공하지 않더라도 액화 가스로부터 보다 많은 양의 액상 부분을 얻을 수 있는 감압 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 액화 가스의 감압 방법은 고압에서 가스를 액화 가스로 액화시킨 다음에 액화 가스를 저장이 가능한 압력으로 감압시키는 액화 가스의 감압 방법에 관한 것으로서, 액화 가스를 기상의 제1 서브 스트림과 액상의 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계, 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 감압시키는 제1 감압 단계, 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 감압시키는 제2 감압 단계, 제2 감압 단계 이후의 제2 서브 스트림을 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계, 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 제1 감압 단계 이후의 제1 서브 스트림에 혼입시키는 제1 혼입 단계, 및 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 저장하는 저장 단계를 포함한다

본 발명에 따른 감압 방법은 단순히 액화 가스를 감압한 다음에 이를 바로 기상 부분과 액상 부분으로 분리하는 것이 아니라, 액화 가스를 기상 부분과 액상 부분으로 분리한 다음에 이를 감압하고 나서 이를 다시 기상 부분과 액상 부분으로 분리하는 것이기 때문에, 추가적으로 동력을 제공하지 않더라도 액화 가스로부터 보다 많은 양의 액상 부분을 얻을 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 감압 방법을 도시하고 있는 흐름도
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 감압 방법을 도시하고 있는 흐름도
도 3은 도 2의 감압 방법의 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 4는 도 3의 감압 방법의 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 5는 종래기술에 따른 감압 방법을 도시하고 있는 흐름도

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 감압 방법을 도시하고 있는 흐름도이다. 천연가스나 이산화탄소와 같은 가스들은 저장이나 수송을 위해 액화되는 것이 일반적이다(예를 들어, 액화 천연가스나 액화 이산화탄소). 이러한 액화는 통상적으로 가스를 고압으로 승압시킨 다음에 이를 냉각시키는 액화 프로세스(L)에 의해 달성된다. 본 실시예에 따른 감압 방법은 이와 같은 액화 프로세스(L)를 통해 액화된 액화 가스를 저장이 가능한 압력으로 감압시키는 감압 방법에 적용된다. 이하에서는 도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 감압 방법을 보다 상술한다. 참고로, 본 발명에 따른 감압 방법은 다양한 액화 프로세스를 통해 액화된 액화 가스를 감압시키는 것에 적용될 수 있다. 이에 따라 본 도면에서는 액화 프로세스를 단순히 박스로 나타낸다.

천연가스나 이산화탄소와 같은 가스들은 통상적으로 액화 프로세스(L)를 통해 부분적으로 액화된다. 이에 따라 액화 프로세스(L)를 거친 액화 가스는 통상적으로 기상 부분과 액상 부분을 모두 포함한다. 본 실시예에 따른 감압 방법은 이러한 액화 가스를 기상의 제1 서브 스트림과 액상의 제2 서브 스트림으로 분리하는 단계로부터 시작된다. 즉, 액화 프로세스(L)를 거친 액화 가스는 우선 도관(111)을 통해 분리 수단(211)으로 유입되어 기상의 제1 서브 스트림과 액상의 제2 서브 스트림으로 분리된다(제1 분리 단계). 여기서 분리 수단은 통상의 기액 분리기(Vapor-Liquid Separator)일 수 있다. 이는 후술할 다른 분리 수단들도 동일하다.

이와 같은 분리 후에 제1 서브 스트림은 도관(112)을 통해 감압 수단(221)으로 유입되어 감압된다(제1 감압 단계). 여기서 감압 수단(221)은 통상의 감압 밸브나 통상의 팽창기일 수 있다. 이외에 감압 수단(221)은 스트림의 팽창을 통해 그 압력을 낮추는 수단 등일 수 있다. 이는 후술할 다른 감압 수단들도 동일하다. 참고로 압력을 낮추는 것과 함께 온도를 낮추기 위해 감압 수단을 J-T 밸브로 구성할 수도 있다. J-T 밸브를 통과하면서 팽창하면 J-T 효과에 의해 스트림은 그 압력과 온도가 모두 낮아질 수 있다.

그리고 제2 서브 스트림도 도관(116)을 통해 감압 수단(222)으로 유입되어 감압된다(제2 감압 단계). 그런 다음 제2 서브 스트림은 도관(117)을 통해 분리 수단(212)으로 유입되어 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리된다(제2 분리 단계).

그런 다음 제3 서브 스트림은 감압 수단(221)을 거친 제1 서브 스트림에 혼입된다(제1 혼입 단계). 이러한 혼입은 1개의 도관(113)에 다른 1개의 도관(121)을 연결하는 것으로 달성될 수 있다. 또는 혼입을 위한 별도의 구성을 채용할 수도 있다. 이와 같은 혼입 후에 제1 서브 스트림은 제3 서브 스트림과 함께 그대로 외부로 배출되거나 또는 연료 가스로 사용될 수 있다. 그리고 제4 서브 스트림은 도관(126)을 통해 저장 탱크(미도시)로 이송되어 저장된다(저장 단계). 제4 서브 스트림은 전술한 일련의 과정을 통해 저장에 적합한 압력으로 감압된다.

본 실시예에 따른 감압 방법은 전술한 과정들을 통해 액화 가스 중의 액상 부분을 보다 많이 얻을 수 있다. 이하에서는 이에 대해서 보다 상술한다. 압력과 온도에 따른 평형 상태에 따라 기액분리기는 액화 가스를 기상 부분과 액상 부분으로 분리한다. 즉, 기상 부분과 액상 부분이 혼재되어 있는 다성분의 혼합 액화 가스를 기액분리기를 통해 기상 부분과 액상 부분으로 분리하면, 압력과 온도에 따라 액화 가스가 서로 다른 양으로 기상 부분과 액상 부분으로 분리된다. 다시 말해, 압력과 온도가 달라지면 같은 조성의 액화 가스라도 기상 부분과 액상 부분으로 분리되는 양이 달라진다.

그런데 종래기술에 따른 감압 방법은 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이 액화 가스를 감압한 다음에 이를 바로 기상 부분과 액상 부분으로 분리한다. 이에 반해 본 실시예에 따른 감압 방법은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 액화 가스를 기상 부분과 액상 부분으로 분리한 다음에 이를 감압하고 나서 이를 다시 기상 부분과 액상 부분으로 분리한다. 이러한 차이에 따라 종래기술에 따른 감압 방법과 본 실시예에 따른 감압 방법은 서로 다른 압력과 온도에서 최종적으로 기액분리가 이루어진다. 즉, 종래기술에 따른 감압 방법은 액화 가스를 감압한 이후의 압력과 온도에서 기액분리가 이루어지는데 반해, 본 실시예에 따른 감압 방법은 액화 가스를 분리하고 감압한 이후의 압력과 온도에서 기액분리가 이루어진다.

이러한 차이에 따라 본 실시예에 따른 감압 방법은 보다 많은 양의 액상 부분이 기액분리기(도 1의 도면 부호 212 참조)에서 분리된다. 이는 다음의 전산모사 결과로도 확인된다. 아래 [표 1]의 전산모사 결과로 확인되는 것과 같이 본 실시예에 따른 감압 방법은 추가적인 동력이 없더라도 종래기술과 대비하여 많은 양의 액상 부분을 얻을 수 있다.

구분	성분	액화 조건	감압 조건	얻어지는 액상 부분의 양
메탄 혼합 가스	메탄(50%) 에탄 프로판 질소	50 bar인 메탄 혼합 가스 1,000 kg/hr를 -25 ℃까지 냉각 후 감압방법	1.2 bar	도 5에 따른 방법	278 kg/hr
				도 1에 따른 방법	409 kg/hr
이산화탄소 혼합 가스	이산화탄소 질소(일부)	100 bar인 이산화탄소 혼합 가스 1,000 kg/hr를 -60 ℃까지 냉각 후 감압방법	8 bar	도 5에 따른 방법	601 kg/hr
				도 1에 따른 방법	608 kg/hr

이와 같이 본 실시예에 따른 감압 방법은 단순히 액화 가스를 감압한 다음에 이를 바로 기상 부분과 액상 부분으로 분리하는 것이 아니라, 액화 가스를 기상 부분과 액상 부분으로 분리한 다음에 이를 감압하고 나서 이를 다시 기상 부분과 액상 부분으로 분리하는 것이기 때문에, 추가적으로 동력을 제공하지 않더라도 액화 가스로부터 보다 많은 양의 액상 부분을 얻을 수 있다.

실시예 2

도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 감압 방법을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 감압 방법은 전술한 실시예 1에 따른 감압 방법과 유사한 구성을 가진다. 다만, 본 실시예에 따른 감압 방법은 제1 서브 스트림을 다시 기상 부분과 액상 부분으로 분리한다는 점에서 전술한 실시예 1에 따른 감압 방법과 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 본 실시예에 따른 감압 방법은 전술한 제1 혼입 단계 이후의 제1 서브 스트림을 기상의 제5 서브 스트림과 액상의 제6 서브 스트림으로 분리한다는 점에 특징이 있다. 즉, 제3 서브 스트림의 혼입 이후에 제1 서브 스트림은 분리 수단(213)으로 유입되어 기상의 제5 서브 스트림과 액상의 제6 서브 스트림으로 분리된다(제3 분리 단계). 여기서 제5 서브 스트림은 그대로 외부로 배출되거나 또는 연료 가스로 사용될 수 있다(도면 부호 131의 도관 참조).

그리고 제6 서브 스트림은 제4 서브 스트림이 도관(126)을 통해 저장 탱크로 이송되어 저장되기 전에 제4 서브 스트림에 혼입된다(제2 혼입 단계). 이러한 혼입은 1개의 도관(126)에 다른 1개의 도관(136)을 연결하는 것으로 달성될 수 있다. 또는 혼입을 위한 별도의 구성을 채용할 수도 있다. 이러한 혼입 후에 제6 서브 스트림은 제4 서브 스트림과 함께 저장 탱크에 저장될 수 있다.

본 실시예에 따른 감압 방법은 실시예 1에 따른 감압 방법보다도 많은 양의 액상 부분을 얻을 수 있다. 실시예에 1에 따른 감압 방법은 제3 스트림의 혼입 후에 제1 스트림을 그대로 방출시키나, 본 실시예에 따른 감압 방법은 제3 스트림의 혼입 후에 제1 스트림을 다시 기상 부분과 액상 부분으로 분리하여 그 액상 부분을 저장 탱크로 이송하기 때문에 실시예 1에 따른 감압 방법보다도 많은 양의 액상 부분을 얻을 수 있다.

이러한 차이에 따라 본 실시예에 따른 감압 방법은 보다 많은 양의 액상 부분을 얻을 수 있다. 이는 다음의 전산모사 결과로도 확인된다. 아래 [표 2]의 전산모사 결과로 확인되는 것과 같이 본 실시예에 따른 감압 방법은 추가적인 동력이 없더라도 종래기술과 대비하여 많은 양의 액상 부분을 얻을 수 있다.

구분	성분	액화 조건	감압 조건	얻어지는 액상 부분의 양
이산화탄소 혼합 가스	이산화탄소 질소(일부)	100 bar인 이산화탄소 혼합 가스 1,000 kg/hr를 -60 ℃까지 냉각 후 감압방법	8 bar	도 5에 따른 방법	601 kg/hr
				도 1에 따른 방법	608 kg/hr
				도 2에 따른 방법	625 kg/hr

한편, 도 2의 감압 방법은 도 3과 같은 변형이 가능하다. 도 3은 도 2의 감압 방법의 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 본 변형예에 따른 감압 방법은 제3 서브 스트림의 혼입 전에 제1 서브 스트림을 다시 기상 부분과 액상 부분으로 분리한다는 점에 특징이 있다. 즉, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 감압 수단(221)을 거친 제1 서브 스트림은 도관(113)을 통해 분리 수단(214)으로 유입되어 기상의 제7 서브 스트림과 액상의 제8 서브 스트림으로 분리된다.

이와 같은 분리 후에 제3 서브 스트림이 제7 서브 스트림에 혼입된다. 이러한 혼입으로 제3 서브 스트림은 제7 서브 스트림의 일부로서 제7 서브 스트림과 함께 유동한다. 그리고 이러한 혼입은 1개의 도관(141)에 다른 1개의 도관(121)을 연결하는 것으로 달성될 수 있다. 이와 같은 혼입 후에 제7 서브 스트림은 분리 수단(213)으로 유입되어 기상의 제5 서브 스트림과 액상의 제6 서브 스트림으로 분리된다.

그리고 제8 서브 스트림은 감압 수단(222)을 거친 제2 서브 스트림에 혼입된다. 이러한 혼입으로 제8 서브 스트림은 제2 서브 스트림의 일부로서 제2 서브 스트림과 함께 유동한다. 또한 이러한 혼입은 1개의 도관(117)에 다른 1개의 도관(146)을 연결하는 것으로 달성될 수 있다. 이와 같은 혼입 후에 제2 서브 스트림은 분리 수단(212)으로 유입되어 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리된다.

그런데 도 3의 감압 방법은 도 4와 같은 변형이 가능하다. 도 4는 도 3의 감압 방법의 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 본 변형예에 따른 감압 방법은 제8 서브 스트림을 제4 서브 스트림에 혼입시킨다는 점에 특징이 있다. 즉, 도 3의 감압 방법은 제8 서브 스트림을 감압 수단(222)을 거친 제2 서브 스트림에 혼입시키는데 반해, 도 4의 감압 방법은 제4 서브 스트림이 도관(126)을 통해 저장 탱크로 이송되어 저장되기 전에 제8 서브 스트림을 제4 서브 스트림에 혼입시킨다.

이러한 혼입은 1개의 도관(126)에 다른 1개의 도관(156)을 연결하는 것으로 달성될 수 있다. 이러한 혼입 후에 제8 서브 스트림은 제4 서브 스트림과 함께 저장 탱크에 저장될 수 있다. 제6 서브 스트림도 함께 저장 탱크에 저장되는 것은 도 4에서 도시하고 있는 바와 같다.

111, 112, 113, 116, 117, 121, 126, 131, 136, 141, 146, 151, 156: 도관
211, 212, 213, 214: 분리 수단
221, 222: 감압 수단

Claims (6)

1. 고압에서 가스를 액화 가스로 액화시킨 다음에 상기 액화 가스를 저장이 가능한 압력으로 감압시키는 액화 가스의 감압 방법에 있어서,
   상기 액화 가스를 기상의 제1 서브 스트림과 액상의 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계;
   상기 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 감압시키는 제1 감압 단계;
   상기 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 감압시키는 제2 감압 단계;
   상기 제2 감압 단계 이후의 제2 서브 스트림을 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계;
   상기 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 상기 제1 감압 단계 이후의 제1 서브 스트림에 혼입시키는 제1 혼입 단계; 및
   상기 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 저장하는 저장 단계를 포함하는 액화 가스의 감압 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 혼입 단계 이후의 제1 서브 스트림을 기상의 제5 서브 스트림과 액상의 제6 서브 스트림으로 분리하는 제3 분리 단계; 및
   상기 제3 분리 단계 이후의 제6 서브 스트림을 상기 저장 단계 이전에 상기 제4 서브 스트림에 혼입시키는 제2 혼입 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 가스의 감압 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 감압 단계 이후의 제1 서브 스트림을 기상의 제7 서브 스트림과 액상의 제8 서브 스트림으로 분리하는 제4 분리 단계; 및
   상기 제4 분리 단계 이후의 제8 서브 스트림을 상기 제2 감압 단계 이후의 제2 서브 스트림에 혼입시키는 제3 혼입 단계를 더 포함하며,
   상기 제1 혼입 단계는 상기 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 상기 제4 분리 단계 이후의 제7 서브 스트림에 혼입시키고,
   상기 제2 분리 단계는 상기 제3 혼입 단계 이후의 제2 서브 스트림을 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리하며,
   상기 제3 분리 단계는 상기 제1 혼입 단계 이후의 제7 서브 스트림을 기상의 제5 서브 스트림과 액상의 제6 서브 스트림으로 분리하는 것을 특징으로 액화 가스의 감압 방법.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 감압 단계 이후의 제1 서브 스트림을 기상의 제7 서브 스트림과 액상의 제8 서브 스트림으로 분리하는 제4 분리 단계; 및
   상기 제4 분리 단계 이후의 제8 서브 스트림을 상기 저장 단계 이전에 상기 제4 서브 스트림에 혼입시키는 제3 혼입 단계를 더 포함하며,
   상기 제1 혼입 단계는 상기 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 상기 제4 분리 단계 이후의 제7 서브 스트림에 혼입시키고,
   상기 제3 분리 단계는 상기 제1 혼입 단계 이후의 제7 서브 스트림을 기상의 제5 서브 스트림과 액상의 제6 서브 스트림으로 분리하는 것을 특징으로 액화 가스의 감압 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 감압 단계 또는 상기 제2 감압 단계는 상기 제1 서브 스트림 또는 상기 제2 서브 스트림을 팽창시켜 감압시키는 것을 특징으로 하는 액화 가스의 감압 방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 액화 가스는 부분적으로 액화되어 기상 부분과 액상 부분이 혼재되어 있는 것을 특징으로 하는 액화 가스의 감압 방법.
   

Images