KR101273717B1 - 천연 가스 액화 - Google Patents

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조 티. 린츠
행크 엠. 허드슨
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오르트로프 엔지니어스, 리미티드
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Abstract

천연 가스의 액화 공정이, 메탄보다 중질인 탄화수소를 주로 함유하는 액체 스트림의 생성과 함께 개시되어 있다. 본 공정에서, 액화시킬 천연 가스 스트림은 부분적으로 냉각시키고, 제1 및 제2 스트림으로 분할한다. 제1 스트림은 추가로 냉각하여 실질적으로 그의 전부를 응축시키고, 중간 압력으로 팽창시키며, 또한 그 후 증류 칼럼으로 제1 중간-칼럼 공급 지점에서 공급한다. 또한, 제2 스트림은 중간압력으로 팽창시키고, 그 후 증류 칼럼으로 제2 하부 중간-칼럼 공급 지점에서 공급한다. 증류 스트림은 제2 스트림의 공급 지점 아래의 칼럼으로부터 인출하고, 냉각하여 그의 적어도 일부를 응축시키고, 환류 스트림을 형성한다. 환류 스트림의 적어도 일부는 증류 칼럼으로 그의 최상부 공급물로써 인도한다. 이 증류 칼럼으로부터의 저부(bottom) 생성물은, 상기 액화 천연 가스의 순도를 감소시키는 메탄보다 중질인 임의의 탄화수소의 대부분을 우세하게 함유한다.
상기 증류 칼럼으로부터의 상기 잔류 가스 스트림은 보다 높은 중간 압력으로 압축하고, 가압하에 냉각하여 이를 응축시키고, 그 후 낮은 압력으로 팽창시켜 액화 천연 가스 스트림을 형성한다.

Description

천연 가스 액화 {NATURAL GAS LIQUEFACTION}
본 발명은 천연가스 또는 그 외의 메탄-풍부(methane-rich) 가스 스트림을 처리하여 높은 메탄 순도를 가지고, 메탄보다 중질(heavier)인 탄화수소를 주로 함유하는 액체 스트림을 가지는 액화 천연 가스(LNG)를 생산하기 위한 공정에 관한 것이다.
천연가스는 일반적으로 지하 저류층을 천공한 시추정으로부터 회수된다. 천연 가스는 일반적으로 메탄이 주성분인데, 즉, 메탄이 가스의 50 몰% 이상을 구성한다. 특정 지하 저류층에 따라, 천연 가스는 상대적으로 보다 적은 양의 중질 탄화수소, 예를 들어 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등과, 물, 수소, 질소, 이산화탄소 및 기타 가스를 또한 함유한다.
대부분의 천연 가스는 가스 형태로 취급된다. 정두 (wellhead)로부터 천연 가스 처리 설비로, 그리고 거기서부터 천연 가스 소비자에게 천연가스를 운반하는 가장 보편적인 수단은 고압 가스 수송관이다. 그러나, 다수의 경우에 운반 또는 이용 모두 천연 가스를 액화시키는 것이 필요하고/하거나 유리한 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 원격지에는 흔히 천연 가스를 시장으로 편리하게 수송할 수 있도록 하는 수송관 기반 시설이 전혀 없다. 이러한 경우, 가스 상태의 천연 가스에 비하여 훨씬 작은 비부피(specific volume)의 LNG가 화물선 및 수송 트럭을 사용하여 LNG를 배송할 수 있게 함으로써 운송비를 크게 절감할 수 있다.
천연 가스의 액화가 유리한 다른 상황은 자동차 연료로서의 그의 용도이다. 대도시권에서는, 이용가능한 경제적인 LNG 원(economic source of LNG)이 있을 경우 LNG로 구동되는 버스, 택시, 및 트럭의 차대 (fleet)가 있다. 이러한 LNG-연료의 차량은 보다 큰 분자량의 탄화수소를 연소시키는 가솔린 및 디젤 엔진으로 구동되는 유사한 차량과 비교할 때 천연 가스의 청정 연소 (clean-burning) 성질로 인하여 매우 적은 공기 오염을 생성한다. 또한, LNG가 고순도의 것일 경우 (즉, 메탄 순도가 95 몰% 이상임), 모든 다른 탄화수소 연료와 비교하여 메탄의 경우, 보다 낮은 탄소:수소의 비로 인하여 생성되는 이산화탄소 ("온실 가스")의 양이 상당히 적다.
본 발명은 일반적으로, 주로 메탄보다 중질인 탄화수소, 예를 들어 에탄, 프로판, 부탄 및 중질 탄화수소 성분으로 구성된 천연 가스액 (natural gas liquid, NGL), 프로판, 부탄 및 중질 탄화수소 성분으로 구성된 액화 석유 가스 (liquefied petroleum gas, LPG), 또는 부탄 및 중질 탄화수소 성분으로 구성된 콘덴세이트 (condensate)로 구성된 액체 스트림을 부산물로서 생산하는 천연 가스의 액화에 관한 것이다. 부산물 액체 스트림의 생성은 하기의 중요한 두 가지 이점을 갖는다: 생성된 LNG는 높은 메탄 순도를 가지며, 부산물 액체는 다수의 다른 목적으로 사용될 수 있는 가치있는 생성물이다. 본 발명에 따라 처리되는 천연 가스 스트림의 전형적인 분석치에 의하면, 대략적인 몰%로 메탄이 84.2%, 에탄 및 기타 C2 성분이 7.9%, 프로판 및 기타 C3 성분이 4.9%, 이소부탄이 1.0%, 노말 부탄이 1.1%, 펜탄 플러스가 0.8%이며, 나머지는 질소 및 이산화탄소로 구성되어 있다. 또한 유황을 함유하는 가스들도 때때로 존재한다.
천연 가스의 액화에 있어서 공지된 다수의 방법이 있다. 예를 들어, 다수의 그러한 공정의 개관에 있어서 문헌[Finn, Adrian J., Grant L. Johnson, and Terry R. Tomlinson, "LNG Technology for Offshore and Mid-Scale Plants", Proceedings of the Seventy-Ninth Annual Convention of the Gas Processors Association, pp. 429-450, Atlanta, Georgia, March 13-15,2000] 및 문헌[Kikkawa, Yoshitsugi, Masaaki Ohishi, and Noriyoshi Nozawa, "Optimize the Power System of Baseload LNG Plant", Proceedings of the Eightieth Annual Convention of the Gas Processors Association, San Antonio, Texas, March 12-14, 2001]을 참조한다. 미국 특허 제4,445,917호; 미국 특허 제4,525,185호; 미국 특허 제4,545,795호; 미국 특허 제4,755,200호; 미국 특허 제5,291,736호; 미국 특허 제5,363,655호; 미국 특허 제5,365,740호; 미국 특허 제5,600,969호; 미국 특허 제5,615,561호; 미국 특허 제5,651,269호; 미국 특허 제5,755,114호; 미국 특허 제5,893,274호; 미국 특허 제6,014,869호; 미국 특허 제 6,053,007호; 미국 특허 제6,062,041호; 미국 특허 제6,119,479호; 미국 특허 제6,125,653호; 미국 특허 제6,250,105 B1호; 미국 특허 제6,269,655 B1호; 미국 특허 제6,272,882 B1호; 미국 특허 제6,308,531 B1호; 미국 특허 제6,324,867 B1호; 미국 특허 제6,347,532 B1호; PCT 특허출원 WO 01/88447호; 및 2002년 6월 4일자로 출원된 본 발명자들의 공계류 중인 미국 특허 출원 제10/161,780호 및 2003년 10월 23일자로 출원된 제10/278,610호에도 관련 공정들이 개시되어 있다. 상기 방법들은 일반적으로 천연 가스를 (물 및 이산화탄소와 황 화합물과 같은 성가신 화합물을 제거하여) 정제하고, 냉각시키고, 응축시키고, 팽창시키는 단계를 포함한다. 천연 가스의 냉각 및 응축은 다수의 상이한 방식으로 달성될 수 있다. "캐스케이드 냉동법(cascade refrigeration)"에서는 연속적으로 더 낮은 비등점을 갖는 여러 냉매, 예를 들어, 프로판, 에탄 및 메탄을 이용한 천연 가스의 열교환이 이용된다. 대안으로서, 이러한 열교환은 단일 냉매를 사용하여 여러 상이한 압력 수준에서 냉매를 증발시킴으로써 성취될 수 있다. "다중 성분 냉동법(Multi-component refrigeration)"에서는 다수의 단일 성분 냉매들 대신 여러 냉매 성분으로 구성된 하나 이상의 냉매 유체를 이용한 천연 가스의 열교환이 이용된다. 천연 가스의 팽창은 (예를 들어, 줄-톰슨 (Joule-Thomson) 팽창을 이용하여) 등엔탈피적으로(isenthalpically), 그리고 (예를 들어, 작업-팽창 터빈을 이용하여) 등엔트로피적(isentropically)으로 달성될 수 있다.
천연 가스 스트림의 액화에 사용되는 방법과는 상관없이, 메탄-풍부 스트림을 액화하기 전에 메탄보다 중질인 탄화수소를 상당 부분을 제거하는 것이 일반적으로 필요하다. 이러한 탄화수소 제거 단계에 대한 이유는, LNG 스트림의 발열량 (heating value)의 제어 필요성, 및 생성물로서 당연한 상기의 중질 탄화수소 성분의 유용성을 비롯하여 무수히 많다. 불행하게도, 지금까지 상기 탄화수소 제거 단계의 효율에 대하여 주의가 거의 집중되지 않았다.
본 발명에 따르면, LNG 액화 공정 내로 탄화수소 제거 단계를 조심스럽게 융합함으로써 선행 기술의 공정보다 에너지를 훨씬 덜 사용하여 LNG 및 별도의 중질 탄화수소 액체 생성물 둘 모두를 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 본 발명은, 보다 낮은 압력에서 적용될 수 있지만, 400 내지 1500 psia [2,758 내지 10,342 kPa(a)] 또는 그 이상의 범위에서 공급 가스를 처리할 때 특히 유리하다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위하여, 하기의 실시예 및 도면을 참고한다.
도면에 대하여 언급하자면:
도 1은 본 발명에 따른 NGL의 공동 생산에 적합한 천연 가스 액화 설비의 흐름도이고;
도 2는 선행기술공정과 비교해 본 발명의 이점을 설명하기 위하여 사용된 메탄의 압력-엔탈피 상태도이고;
도 3, 4, 5, 6, 7, 및 8은 본 발명에 따른 액체 스트림의 공동 생산에 적합한 대안적인 천연 가스 액화 설비의 흐름도이다.
도면에 대한 하기 설명에서, 대표적인 공정 조건에 대해 계산된 흐름 속도(flow rate)가 요약된 표가 제공되었다. 본원에 나타내어진 표에서, 흐름 속도에 대한 값 (시간당 몰 단위)은 편의상 가장 가까운 정수로 반올림하였다. 표에 예시된 스트림의 총 흐름 속도는 모든 탄화수소 외 (non-hydrocarbon) 성분을 함유하며, 따라서 일반적으로 탄화수소 성분에 대한 스트림의 흐름 속도의 합보다 크다. 지시된 온도는 가장 가까운 온도로 반올림된 대략적인 값이다. 또한, 도면에 도시된 공정들을 비교할 목적으로 수행된 공정 설계 계산은 주위로부터 (또는 주위로의) 공정으로의 (또는 공정으로부터) 열 누출이 전혀 없다는 가정을 기초로 함을 유념해야한다. 구매가능한 절연재의 품질이 상기를 매우 합리적인 가정이 되게 하며, 이는 당업자에 의해 일반적으로 이루어진다.
편의상, 공정 파라미터들은 전통적인 영국 단위 (British units) 및 국제 단위계 (International System of Units, SI)의 단위 둘 모두로 보고하였다. 표에 나타낸 몰 흐름 속도(molar flow rate)는 시간당 파운드 몰 또는 시간당 킬로그램 몰로 해석될 수 있다. 마력 (HP) 및/또는 시간당 천 영국 열 단위 (MBTU/Hr)으로 보고되는 에너지 소비는 시간당 파운드 몰 단위로 명시된 몰 흐름 속도에 해당한다. 킬로와트 (kW)로 보고되는 에너지 소비는 시간당 킬로그램 몰 단위로 명시된 몰 흐름 속도에 해당한다. 시간당 파운드 (Lb/Hr)로 보고되는 생산율은 시간당 파운드 몰 단위로 명시된 몰 흐름 속도에 해당한다. 시간당 킬로그램 (kg/Hr)으로 보고되는 생산율은 시간당 킬로그램 몰 단위로 명시된 몰 흐름 속도에 해당한다.
발명에 대한 설명
이제 도 1과 관련하여, 본 발명자들은 천연 가스 공급 스트림 내에 에탄을 절반쯤, 그리고 프로판과 중질 성분의 대부분을 함유하는 NGL 부산물을 생성하는 데 바람직한 본 발명에 의한 공정의 설명으로 시작한다. 이러한 본 발명의 시뮬레이션에 있어서, 유입 가스는 90 ℉ [32 ℃] 및 1285 psia [8,860 kPa(a)]에서 스트림(31)으로서 설비로 유입된다. 유입 가스가 생성물 스트림의 표준을 충족시키지 못하도록 하는 이산화탄소 및/또는 황 화합물의 농축물을 함유할 경우, 상기 화합물은 공급 가스를 적절히 사전 처리하여 제거된다 (도시되어 있지 않음). 또한, 공급 스트림은 극저온 조건 하에서의 수화물 (얼음) 형성의 방지를 위하여 일반적으로 탈수된다. 고체 건조제(desiccant)가 이 목적을 위해 전형적으로 사용되었다.
공급 스트림(31)은 -44 ℉ [-42℃]에서, 플래싱된 (flashed) 분리기 액체 (스트림(39a)) 및 냉매 스트림을 이용한 열교환에 의해 열교환기(10)에서 냉각된다. 모든 경우에 열교환기(10)는 복수의 개별 열교환기 또는 단일 멀티-패스(multi-pass) 열교환기, 또는 상기의 모든 조합을 대표하는 것임을 주지한다 (지시된 냉각 서비스에 하나이상의 열교환기를 사용할 것인지에 대한 결정은 유입 가스 흐름 속도, 열교환기 크기, 스트림 온도 등을 포함하지만 이로 한정되지는 않는 다수의 요인에 따라 달라진다). 냉각된 스트림(31a)은 0 ℉ [-18℃] 및 1278 psia [8,812 kPa(a)]에서 분리기(11)로 유입되며, 여기서, 증기(스트림(32))는 응축된 액체(스트림(33))로부터 분리된다.
분리기(11)로부터 나온 증기(스트림(32))는 2개의 스트림(34 및 36)으로 분할되며, 스트림(34)은 전체 증기의 약 15%를 함유한다. 일부 상황에서 스트림(34)과 응축 액체의 일부(스트림(38))가 병합된 스트림(35)을 형성하는 것이 유리할 수도 있지만, 이 시뮬레이션에서의 스트림(38)에는 흐름이 전혀 없다. 스트림(35)은 냉매 스트림(71e) 및 액체 증류 스트림(40)과 열교환 관계로 열교환기(13)를 통과하며, 이는 스트림(35a)의 냉각 및 충분한 응축으로 이어진다. 이어서 -109 ℉ [-78℃]에서 충분히 응축된 스트림(35a)은 적절한 팽창 장치, 예를 들어 팽창 밸브(14)를 통하여, 분별탑(19)의 작동 압력 (대략 465 psia [3,206 kPa(a)])으로 플래시(flash) 팽창된다. 팽창 동안 스트림의 일부는 증발되어, 전체 스트림을 냉각시킨다. 도 1에 도시되어 있는 공정에서, 팽창 밸브(14)를 떠나는 팽창된 스트림(35b)은 -125 ℉ [-87℃]의 온도에 도달하고, 그 후 분별탑(19)의 흡수 구획(19a)의 상부 중간-지점 공급 위치에서 공급된다.
분리기(11)로부터의 증기 중 나머지 85%(스트림(36))는 작업 팽창기(15)에 유입되며, 여기서, 기계적 에너지는 상기 고압 공급물의 일부로부터 얻어진다. 기계(15)는 증기를 실질적으로, 등엔트로피적으로, 탑 작동 압력까지 팽창시키는데, 작업 팽창은 상기 팽창된 스트림(36a)을 대략 -76℉ [-60℃]의 온도로 냉각시킨다. 전형적인 구매가능한 팽창기는 이상적인 등엔트로피 팽창에서 이론적으로 가능한 작업 중 대략 80-85%를 회수할 수 있다. 회수된 작업은, 예를 들어, 상기 탑의 오버헤드 가스(스트림(49))의 재압축에 사용될 수 있는 원심분리형 압축기 (예를 들어 항목(16))를 구동하는 데에 흔히 사용된다. 팽창되고 부분적으로 응축된 스트림(36a)은 공급물로서 하부 중간-칼럼 공급 지점에서 증류 칼럼(19)의 흡수기 구획(19a)으로 공급된다. 분리기 액체(스트림(33)) 중 나머지 부분인 스트림(39)은 팽창 밸브(12)에 의해 탈메탄기(demethanizer)(19)의 작동 압력보다 약간 높게 플래쉬 팽창되어, 스트림(39)을 -44℉ [-42℃]로 냉각시키고 (스트림(39a)) 그 후 이것은 보다 초기에 기술한 바와 같이 들어오는 공급 가스를 냉각시킨다. 이어서, 이제 85℉ [29℃]인 스트림 (39b)은 제2 하부 중간-칼럼 공급 지점에서 탈메탄기(19)의 스트리핑 구획(19b)로 유입된다.
분별탑(19)의 탈메탄기는 복수의 수직으로 이격된 트레이, 하나 이상의 충진 베드 (packed bed), 또는 트레이와 충진물(packing)의 몇몇 조합을 포함하는 통상적인 증류 칼럼이다. 천연 가스 처리 설비에서 흔히 있는 일인 바와 같이, 분별탑은 2개의 구획으로 구성될 수 있다. 상부 흡수(정류) 구획(19a)은 트레이 및/또는 충진물을 포함하고 상향으로 상승하는 팽창된 스트림(36a)의 증기 부분과 하향으로 낙하하는 차가운(cold) 액체 사이의 필요한 접촉을 제공하여 에탄, 프로판, 및 중질 성분을 응축시키고 흡수한다; 또한 하부의 스트리핑 구획(19b)은 트레이 및/또는 충진물을 포함하고 하향으로 낙하하는 액체와 상향으로 상승하는 증기 사이의 필요한 접촉을 제공한다. 또한, 스트리핑 구획은 하나 이상의 재비기(reboiler, 예를 들어 재비기(20))도 포함하는데, 재비기는 칼럼 아래로 흐르는 액체의 일부를 가열 및 증발시켜 칼럼 위로 흐르는 스트리핑 (stripping) 증기를 제공하여 메탄과 경질 성분의 액체 생성물인 스트림(41)을 스트리핑한다. 액체 생성물 스트림(41)은, 저부(bottom) 생성물에서 몰 기준으로 0.020:1의 메탄 대 에탄 비율의 전형적인 표준에 기초하여, 150℉ [66℃]에서 탈메탄기(19)의 저부를 떠난다. 메탄과 경질성분을 주로 함유하는 오버헤드 증류 증기 스트림(37)은 -108℉ [-78℃]에서 탈메탄기(19)의 최상부를 떠난다.
증류 증기의 일부(스트림(42))가 스트리핑 구획(19b)의 상부 영역으로부터 인출된다. 상기 스트림은 -58℉ [-50℃]에서 -109℉ [-78℃]로 냉각되고, 열 교환기(13)에서 냉매 스트림(71e) 및 액체 증류 스트림(40)과의 열교환에 의해 부분적으로 응축된다(스트림(42a)). 환류 분리기(22)의 작동 압력(461psia[3,182 kPa(a)])은 탈메탄기(19)의 작동 압력보다 약간 낮게 유지되었다. 이는 추진력을 제공하며, 상기 추진력은 증류 증기 스트림(42)이 열 교환기(13)를 통과하여 흘러, 그 후 환류 분리기(22)로 진입하도록 하고, 여기서 응축된 액체(스트림(44))는 임의의 미응축 증기(스트림(43))로부터 분리된다. 스트림(43)은 탈메탄기(19)의 흡수 구획(19a)의 상부 영역을 떠나는 증류 증기 스트림(스트림(37))과 병합하여 -108℉ [-78℃]에서 차가운 잔류 가스 스트림(47)을 형성한다.
상기 응축된 액체(스트림(44))는 펌프(23)에 의해 고압으로 펌프되어, 여기서 스트림(44a)은 -109℉ [-78℃]에서 두 부분으로 분할된다. 일부분인 스트림(45)은 탈메탄기(19)의 흡수 구획(19a)의 상부 영역으로 보내져 차가운 액체로서 작용하고, 흡수 구획을 통과하여 상방으로 상승하는 증기와 접촉한다. 다른 부분은 환류 스트림(46)으로, 탈메탄기(19)의 스트리핑 구획(19b)의 상부 영역으로 공급된다.
액체 증류 스트림(40)은 탈메탄기(19)의 흡수 구획(19a)의 하부 영역으로부터 인출되고, 열교환기(13)으로 보내지며, 여기서 가열되어 증류 증기 스트림(42), 병합된 스트림(35), 및 냉매(스트림(71a))를 냉각시킨다. 상기 액체 증류 스트림은 -79℉ [-62℃]에서 -20℉ [-29℃]로 가열되고, 스트림(40a)을 부분적으로 증발시키며, 이후 스트림(40a)은 탈메탄기(19)의 스트리핑 구획(19b)으로 중간-칼럼 공급물로서 공급된다.
상기의 차가운 잔류 가스(스트림(47))는 열 교환기(24)에서 94℉ [34℃]로 가온되고, 그 후 일부분(스트림(48))은 인출되어 설비의 연료 가스로서 사용된다 (인출되어야 하는 연료 가스의 양은 설비의 가스 압축기, 예를 들면 냉매 압축기(본 실시예에서는 (64),(66) 및 (68)),를 구동하는 엔진 및/또는 터빈이 요구하는 연료에 의해 주로 결정된다). 상기 가온된 잔류 가스의 잔여물(스트림(49))은 팽창기((15), (61), 및 (63))에 의해 구동되는 압축기(16)에 의해 압축된다. 방전 냉각기(discharge cooler,(25))에서 100℉ [38℃]로 냉각시킨 후, 스트림(49b)은 열 교환기(24)에서 차가운 잔류 가스 스트림(47)과의 교차 교환(cross exchange)에 의해 -93℉ [-69℃]로 추가 냉각된다.
스트림(49c)은 그 후 열교환기(60)로 들어가 팽창된 냉매 스트림(71d)에 의해 -256℉ [-160℃]로 추가로 냉각되어 응축되고 서브냉각(subcooling)되며, 그 후 작업 팽창기(61)로 들어가고, 여기서 기계적 에너지가 상기 스트림으로부터 수득된다. 상기 기계(61)는 액체 스트림(49d)를 실질적으로, 등엔트로피적으로, 약 638psia[4,399 kPa(a)]에서 대기압보다 약간 높은 LNG 저장 압력 (15.5psia[107 kPa(a)])으로 팽창시킨다. 상기 작업 팽창은 상기 팽창된 스트림(49e)을 약 -257℉ [-160℃]의 온도로 냉각시키며, 그 후 상기 스트림은 LNG생성물(스트림(50))을 수용하는 LNG 저장 탱크(62)로 인도된다.
스트림(49c)의 모든 냉각과 스트림(35 및 42)의 부분 냉각은 폐쇄된 사이클 냉동 루프 (closed cycle refrigeration loop)에 의해 제공된다. 상기 냉동 사이클에 대한 상기 작업 유체(working fluid)는 탄화수소 및 질소의 혼합물이고, 필요한만큼 조정된 상기 혼합물의 조성물은 사용가능한 냉각 미디엄을 사용하는 적당한 압력에서의 응축동안 필요한 냉매 온도를 제공한다. 상기의 경우에서, 냉각수를 사용하는 응축이 가정되었으며, 따라서 질소, 메탄, 에탄, 프로판, 및 중질 탄화수소로 조성된 냉매 혼합물이 도 1의 공정의 시뮬레이션에서 사용되었다. 상기 스트림의 조성은, 대략의 몰퍼센트로, 질소가 6.9%, 메탄이 40.8%, 에탄이 37.8%, 및 프로판이 8.2%이고 나머지는 중질 탄화수소로 채워졌다.
상기 냉매 스트림(71)은 100℉ [38℃] 및 607psia[4,185 kPa(a)]에 방전 냉각기(69)를 떠난다. 상기 스트림은 열 교환기(10)로 들어가 -15℉ [-26℃]로 냉각되며, 부분적으로 가온되고 팽창된 냉매 스트림(71f)과 다른 냉매 스트림들에 의해 부분적으로 응축된다. 도 1의 시뮬레이션에서, 상기의 기타 냉매 스트림들은 세가지 상이한 온도 및 압력 수준의 공업용 품질인 프로판 냉매로 가정하였다. 부분적으로 응축된 냉매 스트림(71a)은 그 후 열 교환기(13)로 들어가 부분적으로 가온되고 팽창된 냉매 스트림(71e)에 의해 -109℉ [-78℃]로 추가 냉각되며, 부가적으로 상기 냉매(스트림 71b)를 응축한다. 냉매는 응축된 후, 팽창된 냉매 스트림(71d)에 의해 열 교환기(60)에서 -256℉ [-160℃]로 서브냉각된다. 상기 서브냉각된 액체 스트림(71c)은 작업 팽창기(63)로 들어가며, 여기서 기계적 에너지가 스트림으로부터 수득되는데, 이는 상기 스트림이 실질적으로, 등엔트로피적으로 약 586psia[4,040 kPa(a)]에서 약 34psia[234 kPa(a)]의 압력으로 팽창됨에 따른 것이다. 팽창동안, 스트림의 일부는 증발되어, 전체 스트림을 -262℉ [-163℃]로 냉각한다(스트림(71d)). 그 후, 팽창된 스트림(71d)은 열 교환기(60, 13, 및 10)로 다시 들어가며, 여기서 상기 스트림은 증발되고 과열되어 스트림(49c), 스트림(35), 스트림(42) 및 냉매(스트림(71), (71a), 및 (71b))를 냉각시킨다.
상기 과열된 냉매 증기(스트림(71g))는 93℉ [34℃]에서 열교환기(10)를 떠나며, 세 단계로 617psia[4,254 kPa(a)]까지 압축된다. 상기 세 압축 단계(냉매 압축기(64), (66), 및 (68)) 각각은 추가 동력원에 의해 구동되며 냉각기(방전 냉각기(65), (67), 및 (69))가 뒤따라 연결되어 압축열을 제거한다. 방전 냉각기(69)로부터 나온 상기 압축된 스트림(71)은 열 교환기(10)로 돌아가 사이클을 완료한다.
도 1에 도시된 상기 공정의 스트림 흐름 속도 및 에너지 소비율의 요약을 하기 표에 나타내었다:
Figure 112010025955360-pct00011
Figure 112010025955360-pct00012
LNG 생산 공정의 효율은 필요한 "비동력 소비율(specific power consumption)"을 사용하여 일반적으로 비교되는데, 상기 소비율은 총 냉동 압축 동력 대비 총 액체 생산율의 비이다. LNG 생산에 있어서의 선행 기술의 공정에 있어서의 비동력 소비율에 대한 공개된 정보는 0.168 HP-Hr/Lb [0.276 kW-Hr/kg] 내지 0.182 HP-Hr/Lb [0.300 kW-Hr/kg]의 범위를 나타내는데, 이는 LNG 생산 설비에 있어서 연간 340일의 온-스트림 (on-stream) 요인에 기초하는 것으로 여겨진다. 이와 동일한 것에 기초하면, 본 발명의 도 1의 실시 형태에 있어서의 비동력 소비율은 0.139 HP-Hr/Lb [0.229 kW-Hr/kg]이며, 이는 선행 기술의 공정에 비하여 효율이 21-31% 개선된 것이다.
본 발명의 효율 개선을 설명하는 두 가지 주요한 요인이 존재한다. 제1 요인은 액화 공정이 본 실시예에서 고려되는 것과 같은 고압 가스 스트림에 적용될 때, 그의 열역학적 조사에 의해 이해될 수 있다. 이 스트림의 주성분은 메탄이기 때문에, 메탄의 열역학적 특성이 본 발명에서 사용되는 사이클에 대하여 선행 기술의 공정에서 이용되는 액화 사이클을 비교하는 목적에 사용될 수 있다. 도 2는 메탄에 대한 압력-엔탈피 상태도를 포함한다. 대부분의 선행 기술의 액화 사이클에 있어서, 모든 가스 스트림의 냉각은 스트림이 고압인 동안 달성되며 (경로 A-B), 그 뒤 스트림은 LNG 보관 용기의 압력 (대기압보다 약간 높음)으로 팽창된다 (경로 B-C). 이러한 팽창 단계에는 작업 팽창기가 이용될 수 있는데, 상기 기계는 이상적인 등엔트로피 팽창에서 이론적으로 이용가능한 작업 중 대략 75-80%를 전형적으로 회수할 수 있다. 간단히 하기 위하여, 완전한 등엔트로피 팽창이 도 2에 경로 B-C로 도시되어 있다. 심지어 그렇다 해도, 이러한 작업 팽창에 의해 제공되는 엔탈피 감소는 매우 적은데, 그 이유는 일정 엔트로피의 선이 상태도의 액체 영역에서 거의 수직이기 때문이다.
이것은 현재 본 발명의 액화 사이클과 대조를 이룬다. 고압에서의 부분적 냉각(경로 A-A') 후, 가스 스트림은 중간 압력으로 작업 팽창된다 (경로 A'-A"). (다시, 간단히 하기 위하여 완전한 등엔트로피 팽창이 표시되었음). 나머지의 냉각은 중간 압력에서 달성되며 (경로 A"-B'), 그 후 스트림은 LNG 보관 용기의 압력으로 팽창된다 (경로 B'-C). 일정 엔트로피의 선은 상태도의 증기 영역에서 덜 가파르게 경사지기 때문에, 본 발명의 제1 작업 팽창 단계 (경로 A'-A")에 의해 유의하게 보다 큰 엔탈피 감소가 제공된다. 따라서, 본 발명에 요구되는 총 냉각 양 (경로 A-A'과 A"-B'의 합)은 선행 기술 공정에서 필요한 냉각 양(경로 A-B)보다 적어서, 가스 스트림의 액화에 필요한 냉동(refrigeration) (및 그에 따른 냉동 압축력)이 감소된다.
본 발명의 효율 개선을 설명하는 제2 요인은 보다 낮은 작동 압력에서의 탄화수소 증류 시스템의 탁월한 성능이다. 대부분의 선행 기술 공정에서의 탄화수소 제거 단계는, 유입되는 가스 스트림으로부터 중질 탄화수소를 제거하기 위하여 흡수 스트림으로서 차가운 탄화수소 액체를 이용하는 스크럽 (scrub) 칼럼을 전형적으로 사용하여 고압에서 수행되었다. 고압에서의 스크럽 칼럼의 작동은 그다지 효율적이지 못하며, 그 이유는 이것이 가스 스트림으로부터 메탄의 상당분율의 동시-흡수로 이어지기 때문인데, 상기 메탄은 상기 흡수 액체로부터 연속적으로 스트립되고 냉각되어 LNG 생성물의 일부가 되어야 한다. 본 발명에 있어서, 탄화수소 제거 단계는 중간 압력에서 행해지며, 여기서, 증기-액체 평형이 훨씬 더 유리한데, 이는 부산물 액체 스트림 중 요망되는 중질 탄화수소의 매우 효율적인 회수로 이어진다.
기타 실시 형태
당업자라면, 주어진 설비의 위치에서의 필요성에 가장 잘 맞는 바에 따라, 본 발명이 NGL 스트림, LPG 스트림, 또는 콘덴세이트(condensate) 스트림을 공동 생산할 수 있도록 모든 유형의 LNG 액화 설비에서 사용하기 위하여 변형될 수 있음을 인지할 것이다. 또한, 다양한 공정 배열이 액체 부산물 스트림의 회수를 위해 이용될 수 있음을 인지할 것이다. 본 발명은, 보다 초기에 기술한 바와 같이, C2 성분의 중간 분율만을 함유하는 NGL 부산물을 생산하기보다는, 공급 가스 내에 존재하는 고분율의 C2 성분을 함유하는 NGL 스트림의 회수, 공급 가스 내에 존재하는 C3 및 중질 성분만을 함유하는 LPG 스트림의 회수, 또는 공급 가스 내에 존재하는 C4 및 중질 성분만을 함유하는 콘덴세이트 스트림의 회수를 위해 변형될 수 있다.
본 발명은 선행 기술 공정에 비해, 도 1 실시 형태의 환류 스트림(45)이 C2 성분의 회수 수준과는 상관없이 매우 높은 C3 성분 회수를 유지함과 같이, 필수적으로 모든 C3 및 중질 성분을 획득하면서 공급 가스 내에 C2 성분의 일부만 회수하려 할 때 특히 유리하다.
본 발명에 따르면, 일반적으로 탈메탄기의 흡수(정류) 구획을 설계하여 다중 이론적 분리 단계를 포함하는 것이 유리하다. 그러나, 본 발명의 이점은 하나의 단계만큼 적은 이론적 단계로 달성될 수 있고, 심지어 이론적인 부분 단계와 균등한 단계로도 상기 이점을 획득할 수 있다고 여겨진다. 예를 들어, 환류 분리기(22)를 떠나는 펌프된 응축 액체(스트림(44a))의 전부 또는 일부와 팽창 밸브(14)로 부터의 팽창되고 실질적으로 응축된 스트림(35b)의 전부 또는 일부가 (탈메탄기에 팽창 밸브를 배관 접합하는 것과 같이) 조합될 수 있으며, 만약 완전히 섞여있다면, 증기 및 액체는 함께 혼합되고, 전체 병합된 스트림의 여러 성분들의 상대적 휘발성에 따라 분리될 것이다. 두 스트림의 상기와 같은 혼합은 흡수 구획의 구성에 따른 본 발명의 목적을 위해 고려되어야 할 것이다.
도 1은 지시된 공정 조건에 대한 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타낸다. 도 3 내지 8에는 특정 적용을 위해 고려될 수 있는 본 발명의 대안적인 실시 형태가 도시되어 있다. 공급 가스 중의 중질 탄화수소의 양 및 공급 가스 압력에 따라, 열교환기(10)를 떠나는 냉각된 공급 스트림(31a)은 액체를 전혀 함유하지 않는다 (그 이유는 상기 스트림이 그의 이슬점을 초과하기 때문이거나, 상기 스트림이 그의 크리콘덴바 (cricondenbar)를 초과하기 때문임). 상기의 경우에서, 도1 및 도 3 내지 8에 나타낸 분리기(11)는 필요하지 않으며, 상기 냉각된 공급 스트림은 스트림들(34 및 36)로 분할되며, 상기 스트림들은 그 후 열 교환기(스트림(34))로, 또한 작업 팽창기(15)와 같은 적절한 팽창 장치(스트림(36))로 흐를 수 있다.
앞서 설명한 바대로, 증류 증기 스트림(42)이 부분적으로 응축되고, 그 결과물인 콘덴세이트는 탈메탄기(19)의 흡수 구획(19a)(도 1, 4 내지 8) 또는 흡수기 칼럼(18)(도 3)을 통과하여 상승하는 증기로부터 유용한 C3 성분 및 중질 성분을 흡수하기 위해 사용된다. 그러나, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 증기의 일부 또는 콘덴세이트가 탈메탄기(19)의 흡수 구획(19a)를 우회해야함을 나타내는 다른 설계안의 경우에는, 이와 같이 상기 증기의 일부만을 처리하거나, 또는 흡수제로서 콘덴세이트의 일부만을 사용하는 것이 유리할 것이다. 일부의 경우는 열 교환기(13)에서의 증류 스트림(42)의 부분 응축보다는 오히려 전체 응축이 유리할 것이다. 다른 경우에서는, 증류 스트림(42)이 부분 증기 측면 유출(partial vapor side draw)이 되기보다는 오히려 분별 칼럼(19)으로부터의 전체 증기 측면 유출이 되는 것이 유리할 것이다.
본 발명의 실시에서는, 탈메탄기(19)와 환류 분리기(22) 사이의 근소한 압력 차이가 고려되어야할 것이다. 만약 증류 증기 스트림(42)이 어떤 압력 상승도 없이 열 교환기(13)을 통과하여 환류 분리기(22)로 들어간다면, 상기 환류 분리기는 반드시 탈메탄기(19)의 작동 압력보다 약간 낮은 작동 압력을 취해야한다. 이 경우, 상기 환류 분리기로부터 인출한 액체 스트림은 탈메탄기의 그의 공급 지점(들)으로 펌프될 수 있다. 또 다른 안은, 열교환기(13) 및 환류 분리기(22)에서 작동 압력을 충분히 높여서 액체 스트림(44)이 펌프작용 없이 탈메탄기(19)로 공급될 수 있도록 하는 증류 증기 스트림(42)에 대한 부스터 블로워 (booster blower)를 제공한다.
고압액체(도 1, 3 내지 8의 스트림(33))는 팽창되지 않아도 되며 증류 칼럼의 중간-칼럼 공급 지점으로 공급된다. 대신, 상기 고압액체의 전체 또는 일부가 열 교환기(13)로 흐르는 분리기 증기(스트림(34))의 일부와 병합될 수 있다. (이는 도1, 3 내지 8에서 파선의 스트림(38)로 나타내었다.) 액체의 임의의 나머지 부분은 팽창 밸브 또는 팽창기와 같은 적절한 팽창 장치로 팽창될 수 있고, 증류 칼럼의 중간-칼럼 공급 지점으로 공급된다 (도 1, 3 내지 8의 스트림(39b)). 또한, 도 1및 3 내지 8의 스트림(39)은, 도 1 및 3 내지 8의 파선의 스트림(39a)로 나타낸 바와 유사하게, 탈메탄기로 흐르기 전의 팽창 단계 전 또는 후에 유입 가스 냉각 또는 다른 열교환 서비스에 사용될 수 있다.
본 발명에 의해, 증기 공급물의 분리는 다수의 방법으로 달성될 수 있다. 도 1 및 3 내지 8의 공정에서, 증기의 분리는 형성되어진 임의의 액체의 냉각 및 분리에 후속하여 일어난다. 그러나, 고압가스는 유입 가스의 임의의 냉각 전 또는 가스의 냉각 후 및 임의의 분리 단계 전에 분리될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 증기 분리는 분리기에서 달성될 수 있다.
도 3은 흡수기 칼럼(18) 및 스트리퍼 칼럼(19)의 두 관(vessel)으로 구성된 분별탑을 도시화한다. 상기의 경우, 스트리퍼 칼럼(19)으로부터의 오버헤드 증기(스트림(53))는 두 부분으로 분리될 수 있다. 일 부분(스트림(42))은 앞서 기재한 바와 같이 열 교환기(13)로 보내져 흡수기 칼럼(18)을 위한 환류를 생성한다. 임의의 나머지 부분(스트림(54))은, 팽창되고 실질적으로 응축된 스트림(35b) 및 환류 액체(스트림(45))와 접촉하기 위해 흡수기 칼럼(18)의 하부 구획으로 흐른다. 펌프(26)는 흡수기 칼럼(18)의 저부로부터의 액체(스트림(51))를 스트리퍼 칼럼(19)의 최상부로 보내어, 두 탑은 하나의 증류 시스템으로서 효과적으로 기능한다. 분별탑을 (도 1 및 4 내지 8의 탈메탄기(19)와 같이) 하나의 관으로 또는 다수의 관으로 구성하는 것에 대한 결정은 설비 크기, 제조 시설까지의 거리 등과 같은 다수의 요인들에 의해 좌우된다.
일부의 경우는 열 교환을 위해 도 1 및 4 내지 8의 흡수 구획(19a) 또는 도 3의 흡수기 칼럼(18)을 떠나는 차가운 액체 증류 스트림(40)의 전체를 인출하는 것이 유리하지만, 동시에 다른 경우에서는 열 교환을 위해 스트림(40)을 인출하고 사용함이 유리하지 않을 수 있어, 도 1 및 3 내지 8의 스트림(40)은 파선으로 나타내었다. 비록 흡수 구획(19a)으로부터의 액체의 일부만이 본 발명의 구동에서 열 교환 공정에 사용되어 탈메탄기(19)에서의 에탄 회수의 감소 없이 공급 가스 내의 에탄의 고분율을 회수하고, 때때로 스트리핑 구획(19b)으로부터의 액체를 사용하는 종래의 부가적인 재비기를 사용하는 공정보다 상기 액체로부터 더 높은 효율을 수득할 수 있다. 이는 탈메탄기(19)의 흡수 구획(19a) 중의 액체를 스트리핑 구획(19b) 중의 액체보다 더욱 차가운 온도에서 이용할 수 있기 때문이다. 상기와 동일한 특성은, 도 3의 파선 스트림(40)으로 나타낸 바와 같이, 분별탑(19)이 두개의 관으로 구성될 때 달성될 수 있다. 도 3에서와 같이 흡수기 칼럼(18)으로부터의 액체가 펌프될 때, 펌프(26)를 떠나는 액체(스트림(51a))는 두 부분으로 분리되며, 한 부분(스트림(40))은 열 교환에 사용되며, 그 후 스트리퍼 칼럼(19)의 중간-칼럼 공급 지점으로 보내진다 (스트림(40a)). 모든 나머지 부분(스트림(52))은 스트리퍼 칼럼(19)의 최상부 공급물이 된다. 도 1 및 3 내지 8에서 파선 스트림(46)으로 나타내어진 바와 같이, 상기의 경우에서 환류 펌프(23)으로부터의 액체 스트림(스트림(44a))을 적어도 두 스트림으로 분리하는 것이 유리할 수 있고, 일 부분 (스트림(46))은 분별탑((19), 도 1 및 4 내지 8) 의 스트리핑 구획 또는 스트리퍼 칼럼 ((19), 도 3)으로 공급되어 증류 시스템의 그 부분의 액체 흐름을 증가시키고, 스트림(42)의 정류를 향상하며, 동시에 나머지 부분(스트림(45))은 흡수 구획((19a), 도 1 및 4 내지 8)의 최상부 또는 흡수기 칼럼((18), 도 3)의 최상부로 공급된다.
액체 부산물 스트림(도 1 및 3 내지 8의 스트림(47))의 회수 이후에 잔류하는 가스 스트림이 응축 및 서브냉각을 위해 열 교환기(60)으로 공급되기 전에, 상기 스트림의 처리(disposition)는 다수의 방식으로 달성될 수 있다. 도 1의 공정에서, 스트림이 가열되고, 하나 이상의 작업 팽창기로부터 나온 에너지를 사용하여 고압으로 압축되고, 방전 냉각기에서 부분적으로 냉각되고, 그 후 근원 스트림(original stream)과 교차 교환에 의해 추가적으로 냉각된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 일부 적용은, 예를 들어 외부 동력원에 의해 구동되는 추가적 압축기(59)를 이용하여 스트림을 고압으로 압축하는 것이 유리할 것이다. 도 1에 파선의 장치(열 교환기(24) 및 방전 냉각기(25))로 나타낸 바와 같이, 일부의 경우에서는 압축된 스트림이 열 교환기(60)으로 들어가기 전에 전냉각(pre-cooling)을 줄이거나 제거하여 (열 교환기(60)에 대한 냉각 부하 증가 및 냉매 압축기(64, 66 및 68)의 동력 소비율 증가 비용에 대한) 시설 자본 비용을 줄이는 것이 유리할 것이다. 상기의 경우에서, 압축기를 떠나는 스트림(49a)은 도 5에 나타낸 바와 같이 열교환기(24)로 바로 흐르거나, 도 6에 나타낸 바와 같이 열교환기(60)로 바로 흐를 것이다. 작업 팽창기가 고압 공급 가스의 임의적 부분의 팽창에 사용되지 않는다면, 도 7에 나타내어진 압축기(59)와 같은 외부 동력원으로 구동되는 압축기가 압축기(16)를 대신해서 사용될 것이다. 다른 경우는 스트림의 임의적 압축을 당연시하지 않을 것이므로, 스트림은 도 8에 나타낸 바와 같이 열 교환기(60)로, 도 1의 파선의 장치(열교환기(24), 압축기(16) 및 방전 냉각기(25))에 의해 바로 흐른다. 설비 연료 가스(스트림(48))가 인출되기 전에 스트림을 가열하기 위해 열교환기(24)가 포함되지 않는다면, 도 6 내지 8에 나타난 바와 같이 필요한 열을 공급하기 위해 유틸리티 스트림 또는 다른 공정 스트림을 이용하는 추가의 가열기(58)가 연료 가스가 소비되기 전에 이를 가온하기 위해 필요할 것이다. 상기와 같은 선택은 각 적용을 위해 일반적으로 평가되어야 하며, 가스 조성, 설비 크기, 원하는 부산물 스트림 회수 수준, 및 사용할 수 있는 장비와 같은 요인들이 모두 고려되어야 한다.
본 발명에 따라, 유입 가스 스트림과 LNG 생성 구획의 공급 스트림의 냉각은 다수의 방식으로 달성될 것이다. 도 1 및 3 내지 8의 공정에서, 유입 가스 스트림(31)은 외부 냉매 스트림 및 플래시된(flashed) 분리기 액체에 의해 냉각되고 응축된다. 그러나, 차가운 공정 스트림은 또한 고압 냉매(스트림(71a))에 대한 냉각의 일부를 보충하기 위해 사용된다. 또한, 상기 냉각될 스트림(들)에 비해 더 차가운 온도의 임의의 스트림이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 4 내지 8의 분별 탑(19) 또는 도 3의 흡수기 칼럼(18)으로부터의 증기의 측면 유출이 인출되어 냉각에 사용될 수 있다. 열교환 공정을 위한 탑 액체 및/또는 증기의 사용 및 분배, 및 유입가스 및 공급 가스 냉각을 위한 열 교환기의 특정한 배치는, 특정 열교환 서비스의 공정 스트림 선택과 마찬가지로 각 개개의 적용에 대해 평가되어야 한다. 냉각원의 선택은 공급 가스 조성 및 상태, 설비 크기, 열교환기 크기, 잠재적 냉각원 온도 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는 다수의 요인들에 좌우될 것이다. 또한, 당업자는 상기 냉각원 또는 냉각 방법의 임의의 조합이 원하는 공급 스트림 온도(들)를 달성하기 위해 조합되어 사용될 수 있음을 인지할 것이다.
또한, 추가적 외부 냉동(refrigeration)이 LNG 생성 구획에 대한 공급 스트림에 및 유입 가스 스트림에 공급되는 것 또한 여러 방식으로 달성될 것이다. 도 1 및 3 내지 8에서, 끓는 단일성분 냉매는 고 수준 외부 냉동에 사용되었으며, 또한 증발하는 다중성분 냉매는 낮은 수준 외부 냉동에 사용되었으며, 이때 단일 성분 냉매는 다중 성분 냉매 스트림을 전냉각(pre-cool)하기 위해 사용되었다. 대안으로, 높은 수준의 냉각 및 낮은 수준의 냉각 모두 연속적으로 보다 낮은 비등점을 갖는 (즉, "캐스케이드 냉동") 단일 성분 냉매, 또는 연속적으로 보다 낮은 증발 압력의 하나의 단일 성분 냉매를 사용하여 달성될 수 있다. 다른 대안으로, 높은 수준의 냉각 및 낮은 수준의 냉각 모두는 다중 성분 냉매 스트림을 사용하여 달성될 수 있는데, 이때 상기 스트림의 개개의 조성은 필요한 냉각 온도를 제공하도록 조정된다. 외부 냉동 제공 방법의 선택은 공급 가스의 조성 및 상태, 설비의 크기, 압축기 드라이버 (driver) 크기, 열교환기의 크기, 주위열발산판 (ambient heat sink)의 온도 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는 다수의 요인에 따라 좌우될 것이다. 또한, 당업자는 상기 외부 냉동의 제공 방법의 임의의 조합이, 원하는 공급 스트림의 온도(들)를 달성하기 위해 조합되어 사용될 수 있음을 인지할 것이다.
열교환기(60)를 떠나는 응축된 액체 스트림(도 1 및 3의 스트림(49d), 도 4의 스트림(49e), 도 5의 스트림(49c), 도 6 및 7의 스트림(49b), 및 도 8의 스트림(49a))의 서브냉각은 플래시 증기량을 감소하거나 제거하고, 이는 LNG 저장 탱크(62)의 작동 압력으로의 스트림의 팽창동안 일어날 것이다. 상기는 일반적으로 플래시 가스 압축(flash gas compression)의 필요성을 제거하여 LNG 생성에 대한 특정 동력 소비율을 감소시킨다. 그러나, 일부의 경우는 열교환기(60)의 크기 감소, 플래시 가스 압축 또는 다른 수단의 사용으로 생성될 임의의 플래시 가스의 처리에 의한 시설 자본 비용의 감소가 유리할 것이다.
비록 개별적 스트림 팽창이 특정 팽창 장치로 도시화되었지만, 대안적 팽창 수단이 적절한 곳에서 사용될 것이다. 예를 들어, 조건들이 실질적으로 응축된 공급 스트림 (도 1 및 3 내지 8의 스트림(35a))의 작업 팽창을 보증할 것이다. 또한, 등엔탈피적 플래시 팽창은 열교환기(60)를 떠나는 서브냉각된 액체 스트림(도 1 및 3의 스트림(49d), 도 4의 스트림(49e), 도5의 스트림(49c), 도 6 및 7의 스트림(49b), 및 도 8의 스트림(49a))의 작업 팽창을 대신하여 사용될 수 있지만, 팽창에 있어서 플래시 증기의 형성의 피하기 위해 열교환기(60)에서 더 많은 서브냉각을 필요로 하거나, 또는 부가적인 플래시 증기의 압축 또는 플래시 증기의 처리를 위한 기타 수단이 필요하게 된다. 이와 유사하게, 등엔탈피적 플래시 팽창이 열교환기 (60)를 떠나는 서브냉각된 고압 냉매 스트림 (도 1 및 도 3 내지 8에서 스트림 (71c))에 있어서 작업 팽창 대신 사용될 수 있으며, 그 결과 냉매의 압축을 위한 동력 소비율이 증가된다.
또한, 분리 증기 공급물의 각 분기(branch)에서 발견되는 공급물의 상대적 양은 가스 압력, 공급 가스 조성, 공급물로부터 경제적으로 수득가능한 열량, 액체 부산물 스트림에서 회수될 탄화수소 성분 및 사용 가능한 마력량을 포함하는 여러 요인들에 좌우될 것이다. 칼럼의 최상부에 공급물을 더 많이 공급하면 회수가 증가되며, 동시에 감소된 동력이 팽창기로부터 회수됨으로써 재압축 마력 요구량이 증가할 수 있다. 칼럼 하부에 공급물을 더 많이 공급하면 마력 소비율이 감소되지만 또한 생성물 회수를 감소시킬 수 있다. 중간-칼럼 공급의 상대적 위치는 유입 조성 또는 원하는 회수율 및 유입 가스 냉각 동안 형성된 액체량과 같은 다른 요인들로 좌우된다. 또한, 둘 이상의 공급 스트림, 또는 상기 스트림의 일부는 상대 온도 및 개별 스트림의 양에 좌우되어 병합될 것이며, 상기 병합된 스트림은 그 후 중간-칼럼 공급 지점으로 공급된다.
본원에는 본 발명의 바람직한 실시 형태인 것으로 여겨지는 것을 기술하였지만, 당업자라면 하기의 청구의 범위에 의해 정의되는 본 발명의 의도를 벗어나지 않고 본 발명에 다른, 추가의 변형을 행하여, 예를 들어 본 발명을 다양한 조건, 공급물의 유형, 또는 기타 요건에 적합하게 변형할 수 있다는 것을 인지할 것이다.

Claims (65)

  1. 메탄 및 메탄보다 더 무거운(heavier) 탄화수소 성분을 함유하는 천연 가스 스트림의 액화 공정으로서,
    (a) 상기 천연 가스 스트림을 가압 하에 냉각시켜 그의 적어도 일부를 응축시켜 응축된 스트림을 형성하고; 또한
    (b) 상기 응축된 스트림을 보다 낮은 압력으로 팽창시켜 액화 천연 가스 스트림을 형성하는 공정에 있어서,
    (1) 상기 천연 가스 스트림을 하나 이상의 냉각 단계에서 처리하고;
    (2) 상기의 냉각된 천연 가스 스트림을 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림으로 분할하고;
    (3) 상기 제1 스트림을 냉각하여 실질적으로 그 전부를 응축시키고 이후 중간 압력으로 팽창시키고;
    (4) 상기 제2 스트림을 상기 중간 압력으로 팽창시키고;
    (5) 상기 팽창된 제1 스트림 및 상기 팽창된 제2 스트림을 증류 칼럼 내로 인도하고, 여기서, 상기 스트림들은 보다 휘발성인 증기 증류 스트림 및 상기 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분을 함유하는 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분리되고;
    (6) 증기 증류 스트림을 상기 팽창된 제2 스트림 아래의 상기 증류 칼럼 영역으로부터 인출하고, 충분히 냉각하여 그의 적어도 일부를 응축시키고, 이에 의해 잔류 증기 스트림 및 환류 스트림을 형성하고;
    (7) 상기 환류 스트림을 상기 증류 칼럼 내로 최상부 공급물로서 인도하고, 상기 환류 스트림은 상기 증류 칼럼에 대한 유일한 환류의 소스(source)이며;
    (8) 상기 잔류 증기 스트림을 상기의 보다 휘발성인 증기 증류 스트림과 병합하여, 상기 메탄 및 메탄보다 가벼운 성분을 함유하는 휘발성 잔류 가스 분획을 형성하고; 또한
    (9) 상기 휘발성 잔류 가스 분획을 가압 하에 냉각시켜 그의 적어도 일부를 응축시키고, 이에 의해 상기의 응축된 스트림을 형성하는 것에 개선사항을 가지는 공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 천연 가스 스트림을 하나 이상의 냉각 단계에서 처리하여 부분적으로 응축시키고;
    상기 부분적으로 응축된 천연 가스 스트림을 분리하여 증기 스트림 및 액체 스트림을 공급하고;
    상기 증기 스트림을 적어도 상기 제1 스트림 및 상기 제2 스트림으로 분할하고;
    상기 액체 스트림을 상기 중간 압력으로 팽창시키고; 및
    상기 팽창된 제1 스트림, 상기 팽창된 제2 스트림 및 상기 팽창된 액체 스트림을 증류 칼럼 내로 인도하고, 여기서, 상기 스트림들은 보다 휘발성인 증기 증류 스트림 및 상기 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분들을 함유하는 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분리되는 것을, 특징으로 하는 공정.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 액체 스트림을 상기 중간 압력으로 팽창시키고 가열하고; 및
    상기 팽창된 제1 스트림, 상기 팽창된 제2 스트림 및 상기 가열되고 팽창된 액체 스트림을 증류 칼럼 내로 인도하고, 여기서, 상기 스트림들은 보다 휘발성인 증기 증류 스트림 및 상기 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분들을 함유하는 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분리되는 것을, 특징으로 하는 공정.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 스트림을 상기 액체 스트림의 적어도 일부분과 결합되어 결합 스트림을 형성하고;
    상기 액체 스트림의 잔류 부분을 상기 중간 압력으로 팽창시키고; 및
    상기 팽창된 결합 스트림, 상기 팽창된 제2 스트림 및 상기 액체 스트림의 상기 팽창된 잔류 부분을 증류 칼럼 내로 인도하고, 여기서, 상기 스트림들은 보다 휘발성인 증기 증류 스트림 및 상기 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분들을 함유하는 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분리되는 것을, 특징으로 하는 공정.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 액체 스트림의 잔류 부분을 상기 중간 압력으로 팽창시키고 가열하고; 및
    상기 팽창된 결합 스트림, 상기 팽창된 제2 스트림 및 상기 액체 스트림의 상기 가열되고 팽창된 잔류 부분을 증류 칼럼 내로 인도하고, 여기서, 상기 스트림들은 보다 휘발성인 증기 증류 스트림 및 상기 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분들을 함유하는 상대적으로 덜 휘발성인 분획으로 분리되는 것을, 특징으로 하는 공정.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증기 증류 스트림이 인출되는 영역 위의 위치에서 상기 증류 칼럼으로부터 액체 증류 스트림을 인출하고, 그 후에 상기 액체 증류 스트림을 가열하고 그 후 상기 증기 증류 스트림을 인출하는 영역 아래의 위치에서 상기 증류 칼럼으로 또다른 공급물로서 재인도하는 개선사항을 가지는 공정.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환류 스트림을 적어도 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하고, 그 후 상기 제1 부분을 상기 증류 칼럼으로 최상부 공급물로서 인도하고, 또한 상기 제2 부분을 상기 증류 칼럼에 다른 공급물로서, 상기 증기 증류 스트림을 인출하는 곳과 실질적으로 동일한 영역의 공급 위치에서 공급하는 개선사항을 가지는 공정.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 환류 스트림을 적어도 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하 고, 그 후 상기 제1 부분을 상기 증류 칼럼으로 최상부 공급물로서 인도하고, 또한 상기 제2 부분은 상기 증류 칼럼에 다른 공급물로서, 상기 증기 증류 스트림을 인출하는 곳과 실질적으로 동일한 영역의 공급 위치에서 공급하는 개선사항을 가지는 공정.
  9. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획을 압축시키고, 그 후 가압하에 냉각하여 그의 적어도 일부을 응축시키고, 이에 의해 상기의 응축된 스트림을 형성하는 개선사항을 가지는 공정.
  10. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획을 가열하고, 압축하고, 또한 그 후 가압하에 냉각하여 그의 적어도 일부를 응축시키고, 이에 의해 상기 응축된 스트림을 형성하는 개선사항을 가지는 공정.
  11. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획은 상기 메탄, 메탄보다 가벼운 성분, 및 C2성분과 C2성분+C3성분으로 구성된 군으로부터 선택된 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분을 함유하는 것을, 특징으로 하는 공정.
  12. 청구항 6에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획을 가열하고, 압축하고, 또한 그 후 가압하에 냉각하여 그의 적어도 일부를 응축시키고, 이에 의해 상기 응축된 스트림을 형성하는 개선사항을 가지는 공정.
  13. 청구항 7에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획을 가열하고, 압축하고, 또한 그 후 가압하에 냉각하여 그의 적어도 일부를 응축시키고, 이에 의해 상기 응축된 스트림을 형성하는 개선사항을 가지는 공정.
  14. 청구항 8에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획을 가열하고, 압축하고, 또한 그 후 가압하에 냉각하여 그의 적어도 일부를 응축시키고, 이에 의해 상기 응축된 스트림을 형성하는 개선사항을 가지는 공정.
  15. 청구항 6에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획은 상기 메탄, 메탄보다 가벼운 성분, 및 C2성분과 C2성분+C3성분으로 구성된 군으로부터 선택된 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분을 함유하는 것을, 특징으로 하는 공정.
  16. 청구항 7에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획은 상기 메탄, 메탄보다 가벼운 성분, 및 C2성분과 C2성분+C3성분으로 구성된 군으로부터 선택된 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분을 함유하는 것을, 특징으로 하는 공정.
  17. 청구항 8에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획은 상기 메탄, 메탄보다 가벼운 성분, 및 C2성분과 C2성분+C3성분으로 구성된 군으로부터 선택된 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분을 함유하는 것을, 특징으로 하는 공정.
  18. 청구항 9에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획은 상기 메탄, 메탄보다 가벼운 성분, 및 C2성분과 C2성분+C3성분으로 구성된 군으로부터 선택된 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분을 함유하는 것을, 특징으로 하는 공정.
  19. 청구항 10에 있어서, 상기 휘발성 잔류 가스 분획은 상기 메탄, 메탄보다 가벼운 성분, 및 C2성분과 C2성분+C3성분으로 구성된 군으로부터 선택된 메탄보다 더 무거운 탄화수소 성분을 함유하는 것을, 특징으로 하는 공정.
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