KR101281914B1 - 천연가스 액화공정 - Google Patents

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손영순
이영범
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박창원
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Abstract

본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 관한 것인데, 여기서 폐 루프 냉동 사이클은, 부분적인 응축으로 액상과 기상이 혼재하는 혼합 냉매를 액상의 제1 서브 스트림과 기상의 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계, 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 압축하는 제1 압축 단계, 제1 압축 단계 이후의 제2 서브 스트림을 액상의 제3 서브 스트림과 기상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계, 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 이용하여 제1 열교환 영역에서 천연가스를 예냉하는 예냉 단계, 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 이용하여 제2 열교환 영역에서 천연가스를 액화하는 액화 단계, 예냉 단계 이후의 제3 서브 스트림을 압축하는 제2 압축 단계, 액화 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하는 제3-1 압축 단계와 제3-1 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하는 제3-2 압축 단계를 구비하는 제3 압축 단계, 제2 압축 단계 이후의 제3 서브 스트림을 제3 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림에 혼입하는 제1 혼입 단계, 및 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 제3-1 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림에 혼입하는 제2 혼입 단계를 포함하며, 제3-2 압축 단계는 제2 혼입 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하고, 제3 서브 스트림과 제4 서브 스트림은 제2 분리 단계 이후에 서로간의 혼합 없이 독립된 루프를 경유하다 제1 혼입 단계에서 서로 혼합된다.

Description

천연가스 액화공정 {NATURAL GAS LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 천연가스 액화공정에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 펌프를 사용하지 않으면서도 액화공정의 구조를 단순하게 유지할 수 있고 액화공정의 제어를 손쉽게 행할 수 있는 천연가스 액화공정에 관한 것이다.
천연가스를 액화시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 열역학적 프로세스는 더 높은 효율과 더 큰 용량에 대한 요구를 포함한 다양한 과제들을 충족시키기 위해 1970년대부터 개발되어 왔다. 이러한 요구들을 만족시키기 위해, 즉 액화공정의 효율과 용량을 높이기 위해 서로 다른 냉매를 사용하거나, 또는 서로 다른 사이클을 사용하여 천연가스를 액화시키는 다양한 시도들이 현재까지도 지속적으로 이루어지고 있으나, 실용적으로 사용되고 있는 액화공정의 수는 매우 적다.
한편, 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 사용하기 때문에 액화공정의 구조가 단순하면서도 액화공정의 효율이 뛰어난 천연가스 액화공정이 최근에 제시된 바가 있다(특허문헌 1과 2 참조). 그런데 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 특허문헌 1의 도 4에 따른 액화공정은 냉매를 압송(壓送)하기 위해 펌프(191)를 사용한다. 그러나 이와 같이 펌프를 사용하면 액화공정의 효율이 떨어진다거나, 또는 액화공정의 제어나 운전이 어려워진다는 문제가 발생한다.
이에 대해서 보다 상술하면, 특허문헌 1의 도 4에 따른 액화공정에서 펌프(191)는 액상 스트림을 다음 단계로 압송하는 역할을 수행한다. 그런데 기액 분리기에서 분리되는 액상 스트림의 양은 액화공정의 상태(예를 들어, 기액 분리기로 유입되는 스트림의 온도, 기액 분리기로 유입되는 스트림의 유량이나 조성 등)에 따라 변동된다. 특히, 기액 분리기로 유입되는 스트림의 온도를 결정하는 냉각 수단(도면부호 146, 147 참조)은 대기의 온도 변화에 따라 영향을 받기 때문에, 기액 분리기로 유입되는 스트림의 온도도 대기의 온도 변화에 따라 변동된다. 이와 같은 변동으로 기액 분리기에서 분리되는 액상 스트림의 양이 변동되면, 이에 대응하여 펌프의 용량도 가변적일 필요가 있으며, 경우에 따라 펌프의 용량은 정상 상태에서 설계한 값에 대하여 20~400% 정도로 가변적일 필요가 있다. 그러나 이러한 필요를 충족시키기 위해 복수 개의 펌프를 사용하는 등의 수단을 강구하면, 액화공정의 설계나 운전이 어려워진다는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 특허문헌 1의 도 5에 따른 액화공정은 펌프를 사용하지 않는다(도 5 참조). 그러나 특허문헌 1의 도 5에 따른 액화공정에서도 여전히 문제가 발생하는데, 열교환기의 성능이 떨어진다거나, 또는 액화공정의 제어가 어렵다는 것이다. 이에 대해서 보다 자세히 상술하면, 천연가스 액화공정에서 사용되는 열교환기는 크게 SWHE(Spiral Wound Heat Exchanger)와 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger)가 있다. 이러한 열교환기들은 공통적으로 열교환의 효율을 높이기 위해 열교환기 내에서 냉매의 흐름을 여러 개의 흐름으로 나눈다. 이때 냉매의 흐름을 균등하게 나누면 나눌수록 열교환의 효율은 높아진다. 그러나 냉매가 액상과 기상을 모두 포함하고 있으면 냉매의 흐름을 균등하게 나누기 어렵기 때문에, 결과적으로 열교환의 효율이 떨어질 수밖에 없다. 이는 결국 액화공정의 효율을 떨어뜨리는 것으로 귀결된다.
그런데 특허문헌 1의 도 5에 따른 액화공정에서 도관(1621)의 냉매와 도관(1821)의 냉매는 서로 다른 압력을 가진다. 즉, 도관(1621)의 냉매의 압력이 도관(1821)의 냉매의 압력보다 높다. 이에 따라 서로 다른 압력을 가지는 2개의 냉매를 서로 혼합하기 위해서 도관(1621)의 냉매의 압력을 도관(1821)의 냉매의 압력까지 낮추어야 한다(도면부호 137의 팽창 수단 참조). 그러나 이와 같이 압력을 낮춘 다음에 2개의 냉매를 서로 혼합시키면 액상과 기상을 모두 포함하는 냉매가 생기기 때문에, 전술한 것과 같은 이유로 열교환기의 효율이 떨어진다는 문제가 발생한다. 또한 2개의 냉매의 압력을 서로 동일하게 만든 다음에 이들을 혼합시키는 것은 액화공정의 제어를 복잡하게 만드는 요인이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 도 6과 7에서 도시하고 있는 것과 같이 특허문헌 1의 도 3에 따른 액화공정과 특허문헌 2의 도 6에 따른 액화공정은 서로 다른 압력을 가지는 2개의 냉매를 서로 혼합시킨 다음에 이를 열교환기로 유입시키는 단계를 가지지 않는다. 즉, 특허문헌 1의 도 3에 따른 액화공정과 특허문헌 2의 도 6에 따른 액화공정은 도관(161, 171, 181)의 냉매를 모두 그대로 열교환기(120)로 유입시킨다. 그러나 열교환기는 매우 복잡한 구조를 가지는 장치이기 때문에 하나의 흐름을 더 추가하는 것은 열교환기의 설계나 제작을 매우 어렵게 만드는 요인이 된다. 또한 하나의 흐름을 추가하였기 때문에 JT 밸브(133)도 추가하여야 하는데, 이러한 JT 밸브의 추가는 결국 액화공정의 제어를 복잡하게 만드는 요인이 된다.
한국 등록특허공보 제1056890호 한국 등록특허공보 제1037249호
따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 펌프를 사용하지 않으면서도 액화공정의 구조를 단순하게 유지할 수 있고 액화공정의 제어를 손쉽게 행할 수 있는 천연가스 액화공정을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 관한 것인데, 여기서 폐 루프 냉동 사이클은, 부분적인 응축으로 액상과 기상이 혼재하는 혼합 냉매를 액상의 제1 서브 스트림과 기상의 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계, 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 압축하는 제1 압축 단계, 제1 압축 단계 이후의 제2 서브 스트림을 액상의 제3 서브 스트림과 기상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계, 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 이용하여 제1 열교환 영역에서 천연가스를 예냉하는 예냉 단계, 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 이용하여 제2 열교환 영역에서 천연가스를 액화하는 액화 단계, 예냉 단계 이후의 제3 서브 스트림을 압축하는 제2 압축 단계, 액화 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하는 제3-1 압축 단계와 제3-1 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하는 제3-2 압축 단계를 구비하는 제3 압축 단계, 제2 압축 단계 이후의 제3 서브 스트림을 제3 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림에 혼입하는 제1 혼입 단계, 및 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 제3-1 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림에 혼입하는 제2 혼입 단계를 포함하며, 제3-2 압축 단계는 제2 혼입 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하고, 제3 서브 스트림과 제4 서브 스트림은 제2 분리 단계 이후에 서로간의 혼합 없이 독립된 루프를 경유하다 제1 혼입 단계에서 서로 혼합된다.
본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 펌프를 사용하지 않으면서도, 천연가스의 예냉과 액화에 필요한 서브 스트림만을 열교환 수단으로 유입시키고 나머지 서브 스트림을 분리 이전으로 되돌리기 때문에 액화공정의 효율을 떨어뜨리는 요인, 그리고 액화공정의 구조를 복잡하게 만드는 요인이나 액화공정의 제어나 운전을 어렵게 만드는 요인을 모두 배제할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 2는 도 1에 따른 천연가스 액화공정에 대한 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 4는 특허문헌 1의 도 4에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 5는 특허문헌 1의 도 5에 따른 천연가스 액화공정은 도시하고 있는 흐름도
도 6은 특허문헌 1의 도 3에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도
도 7은 특허문헌 2의 도 6에 따른 천연가스 액화공정을 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 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 한 개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 이용하여 천연가스(NG)를 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 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고, 제2 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 적용될 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 액화공정은 추가적으로 혼합 냉매를 냉각하거나 또는 천연가스를 냉각하는 보조 냉동 사이클을 더 포함할 수도 있다.
이하에서는 한 개의 냉동 사이클을 포함하는 천연가스 액화공정에 적용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화공정을 보다 자세히 설명한다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 부분적인 응축으로 액상과 기상을 모두 포함하는 혼합 냉매는 분리 수단(112)으로 유입되어 액상의 제1 서브 스트림과 기상의 제2 서브 스트림으로 분리된다(제1 분리 단계). 여기서 분리 수단(112)은 통상의 기액 분리기(Vapor-Liquid Separator)일 수 있다. 이는 후술할 다른 분리 수단(110)도 동일하다.
이와 같은 분리 후에 기상의 제2 서브 스트림은 도관(151)을 통해 압축 수단(144)으로 유입되어 압축된다(제1 압축 단계). 여기서 압축 수단(144)은 통상의 압축기(compressor)일 수 있으며, 또한 다단일 수 있다. 이는 후술할 다른 압축 수단들도 동일하다. 이와 같은 압축 후에 제2 서브 스트림은 도관(152)을 통해 냉각 수단(149)으로 유입되어 냉각된다. 여기서 냉각 수단(149)은 수랭식 또는 공랭식 냉각기(cooler)일 수 있다. 이는 후술할 다른 냉각 수단들도 동일하다. 다만, 이러한 냉각 수단(149)이 반드시 구비되어야만 하는 것은 아니다. 즉, 냉각 수단(149)은 압축 수단(144)에 의한 압축 이후에 제2 서브 스트림을 냉각시킬 필요가 있을 경우에 사용될 수 있다.
이와 같은 냉각 후에 제2 서브 스트림은 도관(153)을 통해 분리 수단(110)으로 유입되어 다시 액상의 제3 서브 스트림과 기상의 제4 서브 스트림으로 분리된다(제2 분리 단계). 이와 같은 분리 후에 제3 서브 스트림은 일련의 과정을 통해 제1 열교환 영역(121)에서 천연가스를 예냉시킨다(예냉 단계). 이에 대해서 보다 상술하면, 제2 서브 스트림으로부터 분리된 제3 서브 스트림은 도관(161)을 통해 열교환이 이루어지는 제1 열교환 영역(121)으로 유입된다.
이와 같이 도관(161)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입된 제3 서브 스트림은 도관(163, 175)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입된 제3 서브 스트림 및 제4 서브 스트림과 열교환을 하며 냉각된다. 이와 같은 냉각 후에 제3 서브 스트림은 도관(162)을 통해 팽창 수단(131)으로 유입되어 팽창된다. 이러한 팽창으로 인해 제3 서브 스트림은 그 온도가 더욱 낮아진다. 이와 같은 온도의 하강을 위해 팽창 수단(131)을 J-T(Joule-Thomson) 밸브로 구성할 수 있다. 예를 들어, 팽창 수단(131)을 통상의 팽창 밸브(expansion valve)로 구성할 수 있다. 이는 후술할 다른 팽창 수단들도 동일하다. J-T 밸브는 J-T 효과를 통해 각 스트림의 압력과 온도를 모두 낮출 수 있다.
이와 같은 팽창 후에 제3 서브 스트림은 도관(163)을 통해 다시 제1 열교환 영역(121)으로 유입된다. 이와 같은 유입으로 제3 서브 스트림은 제1 열교환 영역(121)에서 열교환을 통해 다른 도관의 서브 스트림들을 냉각시킨다. 또한 제3 서브 스트림은 제1 열교환 영역(121)에서 열교환을 통해 천연가스를 예냉시킨다. 이와 같이 제3 서브 스트림은 일련의 과정을 통해 그 온도를 충분히 낮춘 다음에 제1 열교환 영역(121)에서 천연가스를 예냉시킨다.
이와 같은 예냉 후에 제3 서브 스트림은 도관(164)을 통해 압축 수단(141)으로 유입되어 압축된다(제2 압축 단계). 그런 다음에 제3 서브 스트림은 도관(165)을 통해 냉각 수단(146)으로 유입되어 냉각된다. 다만, 이러한 냉각 수단(146)이 반드시 구비되어야만 하는 것은 아니다. 즉, 냉각 수단(146)은 압축 수단(141)에 의한 압축 이후에 제3 서브 스트림을 냉각시킬 필요가 있을 경우에 사용될 수 있다.
한편, 제2 서브 스트림으로부터 분리된 제4 서브 스트림은 일련의 과정을 통해 제2 열교환 영역(122)에서 천연가스를 액화시킨다(액화 단계). 이에 대해서 보다 상술하면, 제2 서브 스트림으로부터 분리된 제4 서브 스트림은 도관(171)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 냉각된다. 이와 같은 냉각은 도관(163, 175)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입된 제3 및 제4 서브 스트림과의 열교환을 통해 이루어진다. 이와 같은 냉각 후에 제4 서브 스트림은 도관(172)을 통해 제2 열교환 영역(122)으로 유입되어 응축된다. 이와 같은 응축은 도관(174)을 통해 제2 열교환(122)으로 유입된 제4 서브 스트림과의 열교환을 통해 이루어진다.
이와 같은 응축 후에 제4 서브 스트림은 도관(173)을 통해 팽창 수단(132)으로 유입되어 팽창된다. 이러한 팽창으로 인해 제4 서브 스트림은 그 온도가 더욱 낮아진다. 그런 다음에 제4 서브 스트림은 도관(174)을 통해 다시 제2 열교환 영역(122)으로 유입된다. 이와 같은 유입으로 제4 서브 스트림은 제2 열교환 영역(122)에서 열교환을 통해 다른 도관의 서브 스트림을 냉각시킨다. 또한 제4 서브 스트림은 제2 열교환 영역(122)에서 열교환을 통해 천연가스를 액화시킨다. 이와 같이 제4 서브 스트림은 일련의 과정을 통해 그 온도를 충분히 낮춘 다음에 제2 열교환 영역(122)에서 천연가스를 액화시킨다.
참고로, 앞서 살펴본 2개의 열교환 영역(121, 122)은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 1개의 열교환 수단(120)의 내부에 구비될 수도 있고, 또는 2개의 열교환 수단의 내부에 각각 구비될 수도 있다. 여기서 열교환 수단은 통상의 열교환기(heat exchanger)일 수 있다. 그리고 앞서 살펴본 도관들은 도면부호에 따라 서로 다른 도관일 수도 있고 서로 같은 도관일 수도 있다. 즉, 1개의 도관이더라도 설명의 편의를 위해 2개의 도면부호가 부여될 수도 있다. 또는 이와는 반대로 2개의 도관이더라도 설명의 편의를 위해 1개의 도면부호가 부여될 수도 있다.
앞서 살펴본 액화 후에 제4 서브 스트림은 도관(175)을 통해 다시 제1 열교환 영역(121)으로 유입된다. 이러한 유입으로 제4 서브 스트림은 제1 열교환 영역(121)에서 열교환을 통해 다른 도관의 서브 스트림들을 추가적으로 냉각시킬 수 있다. 또한 제4 서브 스트림은 제1 열교환 영역(121)에서 열교환을 통해 천연가스를 추가적으로 예냉시킬 수 있다. 제4 서브 스트림은 제2 열교환 영역(122)에서 열교환을 마친 다음에도 충분히 낮은 온도를 가지기 때문에 제1 열교환 영역(121)에서 다시 열교환을 통한 냉각이 가능하다. 다만, 앞서 살펴본 천연가스의 액화 후에 제4 서브 스트림이 반드시 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어야 하는 것은 아니다.
이와 같은 냉각 후에 제4 서브 스트림은 도관(176)을 통해 압축 수단(142)으로 유입되어 압축된다(제3-1 압축 단계). 그런 다음에 제4 서브 스트림은 도관(177)을 통해 냉각 수단(147)으로 유입되어 냉각된다. 다만, 이러한 냉각 수단(147)이 반드시 구비되어야만 하는 것은 아니다. 그리고 제4 서브 스트림은 도관(178)을 통해 다시 압축 수단(143)으로 유입되어 재차 압축된다(제3-2 압축 단계). 그런 다음에 제4 서브 스트림은 도관(179)을 통해 냉각 수단(148)으로 유입되어 냉각된다. 이와 같은 냉각 수단(148)도 선택적으로 구비될 수 있다.
앞서 살펴본 압축과 냉각을 통해 제3 서브 스트림과 제4 서브 스트림은 부분적으로 응축된다. 이와 같이 부분적으로 응축된 이후에 제3 서브 스트림과 제4 서브 스트림은 하나의 스트림으로 혼합된다(제1 혼입 단계). 이와 같은 혼합은 1개의 도관(180)에 다른 1개의 도관(166)을 연결하는 것으로 달성될 수 있다. 또는 혼합을 위한 별도의 구성을 채용할 수도 있다. 이와 같은 혼합으로 하나의 스트림을 이룬 제3 서브 스트림과 제4 서브 스트림은 다시 분리 수단(112)으로 유입되어 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리된다. 참고로, 혼입은 상대적인 개념이다. 다시 말해, 도관을 어떻게 구성하느냐에 따라 제3 서브 스트림을 제4 서브 스트림에 혼입시킨다고 볼 수도 있고, 제4 서브 스트림을 제3 서브 스트림에 혼입시킨다고 볼 수도 있으며, 또한 제3 서브 스트림과 제4 서브 스트림을 분리 수단(112)으로 각각 독립적으로 유입시켜 분리 수단(112)에서 혼입시킨다고 볼 수도 있다.
한편, 제1 서브 스트림은 분리 이후에 도관(181)을 통해 팽창 수단(133)으로 유입되어 팽창된다. 이러한 팽창으로 제1 서브 스트림은 그 온도가 낮아진다. 이와 같은 팽창 후에 제1 서브 스트림은 냉각 수단(147)을 거친 제4 서브 스트림에 혼입된다(제2 혼입 단계). 이와 같은 혼입은 1개의 도관(178)에 다른 1개의 도관(182)을 연결하는 것으로 달성될 수 있다. 또는 혼합을 위한 별도의 구성을 채용할 수도 있다.
이러한 혼입으로 제1 서브 스트림은 제4 서브 스트림의 일부로서 제4 서브 스트림과 함께 유동한다. (또는 도관의 구성에 따라 제4 서브 스트림이 제1 서브 스트림의 일부로서 제1 서브 스트림과 함께 유동할 수도 있다.) 참고로, 제1 서브 스트림의 혼입으로 압축 수단(143)으로 유입되는 스트림의 유량이 증가한다 하더라도, 팽창 수단(133)에 의해 온도가 하강한 채로 제1 서브 스트림이 혼입되기 때문에, 결과적으로 혼입 이후의 온도가 하강하여 압축 수단(143)의 소요동력이 오히려 감소하는 효과가 생긴다.
앞서 살펴본 바와 같이 본 실시예에 따른 액화공정은 한 개의 폐 루프 냉동 사이클로 이루어지기 때문에, 액화공정의 구조가 단순하다는 장점이 있다. 또한 제3 서브 스트림과 제4 서브 스트림이 분리 이후에 서로 혼합되지 않고 일련의 과정을 거치기 때문에, 제3 서브 스트림과 제4 서브 스트림에 각각 최적의 조건을 부여할 수 있어 액화공정의 효율이 뛰어나다는 장점도 있다.
그리고 본 실시예에 따른 액화공정은 펌프를 사용하지 않는다. 이에 따라 본 실시예에 따른 액화공정은 앞서 살펴본 종래기술(도 4 참조)과 같은 문제가 발생하지 않는다. 또한 본 실시예에 따른 액화공정은 천연가스의 예냉과 액화에 필요한 제3 서브 스트림과 제4 서브 스트림만을 열교환 수단으로 유입시킨다. 즉, 본 실시예에 따른 액화공정은 제1 서브 스트림을 직접 열교환 수단으로 유입시키지 않는다. 이에 따라 본 실시예에 따른 액화공정은 앞서 살펴본 종래기술(도 6과 도 7 참조)과 같은 문제도 발생하지 않는다. 더욱이 분리 수단에 의해 액상으로 분리된 제3 서브 스트림과 기상으로 분리된 제4 서브 스트림을 그대로 열교환 수단으로 유입시키기 때문에, 제3 서브 스트림이나 제4 서브 스트림이 액상과 기상을 모두 포함한 채로 열교환 수단으로 유입되지 않는다. 이에 따라 본 실시예에 따른 액화공정은 앞서 살펴본 종래기술(도 5 참조)과 같은 문제도 발생하지 않는다.
결국, 본 실시예에 따른 액화공정은 펌프를 사용하지 않으면서도, 천연가스의 예냉과 액화에 필요한 서브 스트림만을 열교환 수단으로 유입시키고 나머지 서브 스트림을 분리 이전으로 되돌리기 때문에 액화공정의 효율을 떨어뜨리는 요인, 그리고 액화공정의 구조(예를 들어, 열교환 수단의 구조)를 복잡하게 만드는 요인이나 액화공정의 제어나 운전을 어렵게 만드는 요인을 모두 배제할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 액화공정은 도 2와 같은 변형이 가능하다. 도 2는 도 1에 따른 천연가스 액화공정에 대한 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 본 변형예에 따른 액화공정은 제1 서브 스트림이 제4 서브 스트림에 혼입되는 것이 아니라, 제3 서브 스트림에 혼입된다. 즉, 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 본 변형예에 따른 액화공정에서 제1 서브 스트림은 천연가스를 예냉시킨 제3 서브 스트림에 도관(1811, 1812)을 통해 혼입된다(제2 혼입 단계).
실시예 2
도 3는 본 발명의 실시예 2에 따른 천연가스 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정은 전술한 실시예 1에 따른 액화공정과 유사한 구성을 가진다. 다만, 본 실시예에 따른 액화공정은 제1 서브 스트림과 제3 서브 스트림의 흐름에 있어 전술한 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 3에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정은 제1 서브 스트림이 분리 이후에 도관(1821)을 통해 제1 열교환 영역(121)으로 유입되어 일련의 과정을 통해 제1 열교환 영역(121)에서 천연가스를 예냉시킨다. 즉, 본 실시예에 따른 액화공정의 제1 서브 스트림은 전술한 실시예 1에 따른 액화공정의 제3 서브 스트림과 유사한 흐름을 가진다(도 1의 도면부호 161 내지 166의 도관과 도 3의 도면부호 1821 내지 1826의 도관 참조). 그리고 본 실시예에 따른 액화공정의 제3 서브 스트림은 분리 이후에 냉각 수단(148)을 거친 제4 서브 스트림에 혼입된다(도면부호 1611, 1612의 도관 참조). 이에 따라 제1 서브 스트림과 제3 서브 스트림은 모두 냉각 수단(148)을 거친 제4 서브 스트림에 혼입된다. 한편, 제3 서브 스트림은 제4 서브 스트림에 혼입되기 전에 팽창 수단(134)으로 유입되어 팽창될 수 있다.
151~153, 161~166, 171~180, 181~182: 도관
110, 112: 분리 수단
120: 열교환 수단
121: 제1 열교환 영역
122: 제2 열교환 영역
131, 132, 133, 134: 팽창 수단
141, 142, 143, 144: 압축 수단
146, 147, 148, 149: 냉각 수단

Claims (11)

  1. 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서
    상기 폐 루프 냉동 사이클은,
    부분적인 응축으로 액상과 기상이 혼재하는 혼합 냉매를 액상의 제1 서브 스트림과 기상의 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계;
    상기 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 압축하는 제1 압축 단계;
    상기 제1 압축 단계 이후의 제2 서브 스트림을 액상의 제3 서브 스트림과 기상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계;
    상기 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 이용하여 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 예냉하는 예냉 단계;
    상기 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 이용하여 상기 제2 열교환 영역에서 상기 천연가스를 액화하는 액화 단계;
    상기 예냉 단계 이후의 제3 서브 스트림을 압축하는 제2 압축 단계;
    상기 액화 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하는 제3-1 압축 단계와 상기 제3-1 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하는 제3-2 압축 단계를 구비하는 제3 압축 단계;
    상기 제2 압축 단계 이후의 제3 서브 스트림을 상기 제3 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림에 혼입하는 제1 혼입 단계; 및
    상기 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 상기 제3-1 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림에 혼입하는 제2 혼입 단계를 포함하며,
    상기 제3-2 압축 단계는 상기 제2 혼입 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하고, 상기 제3 서브 스트림과 상기 제4 서브 스트림은 상기 제2 분리 단계 이후에 서로간의 혼합 없이 독립된 루프를 경유하다 상기 제1 혼입 단계에서 서로 혼합되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  2. 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서
    상기 폐 루프 냉동 사이클은,
    부분적인 응축으로 액상과 기상이 혼재하는 혼합 냉매를 액상의 제1 서브 스트림과 기상의 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계;
    상기 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 압축하는 제1 압축 단계;
    상기 제1 압축 단계 이후의 제2 서브 스트림을 액상의 제3 서브 스트림과 기상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계;
    상기 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 이용하여 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 예냉하는 예냉 단계;
    상기 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 이용하여 상기 제2 열교환 영역에서 상기 천연가스를 액화하는 액화 단계;
    상기 예냉 단계 이후의 제3 서브 스트림을 압축하는 제2 압축 단계;
    상기 액화 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하는 제3 압축 단계;
    상기 제2 압축 단계 이후의 제3 서브 스트림을 상기 제3 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림에 혼입하는 제1 혼입 단계; 및
    상기 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 상기 예냉 단계 이후의 제3 서브 스트림에 혼입하는 제2 혼입 단계를 포함하며,
    상기 제2 압축 단계는 상기 제2 혼입 단계 이후의 제3 서브 스트림을 압축하고, 상기 제3 서브 스트림과 상기 제4 서브 스트림은 상기 제2 분리 단계 이후에 서로간의 혼합 없이 독립된 루프를 경유하다 상기 제1 혼입 단계에서 서로 혼합되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 예냉 단계는, 상기 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 상기 제1 열교환 영역에서 열교환을 통해 냉각하는 단계, 상기 냉각하는 단계 이후의 제3 서브 스트림을 팽창하는 단계, 및 상기 팽창하는 단계 이후의 제3 서브 스트림을 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스와 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 액화 단계는, 상기 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 상기 제1 열교환 영역에서 열교환을 통해 냉각하는 단계, 상기 냉각하는 단계 이후의 제4 서브 스트림을 상기 제2 열교환 영역에서 열교환을 통해 응축하는 단계, 상기 응축하는 단계 이후의 제4 서브 스트림을 팽창하는 단계, 및 상기 팽창하는 단계 이후의 제4 서브 스트림을 상기 제2 열교환 영역에서 상기 천연가스와 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 압축 단계들은 상기 서브 스트림들을 각각 압축한 다음에 상기 서브 스트림들을 각각 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 분리 단계와 상기 제2 혼입 단계 사이에서 상기 제1 서브 스트림을 팽창하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  7. 혼합 냉매를 채용한 한 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 제1 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 제2 열교환 영역에서 냉매와의 열교환을 통해 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서
    상기 폐 루프 냉동 사이클은,
    부분적인 응축으로 액상과 기상이 혼재하는 혼합 냉매를 액상의 제1 서브 스트림과 기상의 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계;
    상기 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 압축하는 제1 압축 단계;
    상기 제1 압축 단계 이후의 제2 서브 스트림을 액상의 제3 서브 스트림과 기상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계;
    상기 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 이용하여 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스를 예냉하는 예냉 단계;
    상기 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 이용하여 상기 제2 열교환 영역에서 상기 천연가스를 액화하는 액화 단계;
    상기 예냉 단계 이후의 제1 서브 스트림을 압축하는 제2 압축 단계;
    상기 액화 단계 이후의 제4 서브 스트림을 압축하는 제3 압축 단계;
    상기 제2 압축 단계 이후의 제1 서브 스트림을 상기 제3 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림에 혼입하는 제1 혼입 단계; 및
    상기 제2 분리 단계 이후의 제3 서브 스트림을 상기 제3 압축 단계 이후의 제4 서브 스트림에 혼입하는 제2 혼입 단계를 포함하며,
    상기 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림과 상기 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림은 서로간의 혼합 없이 독립된 루프를 경유하다 상기 제1 혼입 단계에서 서로 혼합되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 예냉 단계는, 상기 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 상기 제1 열교환 영역에서 열교환을 통해 냉각하는 단계, 상기 냉각하는 단계 이후의 제1 서브 스트림을 팽창하는 단계, 및 상기 팽창하는 단계 이후의 제1 서브 스트림을 상기 제1 열교환 영역에서 상기 천연가스와 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 액화 단계는, 상기 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림을 상기 제1 열교환 영역에서 열교환을 통해 냉각하는 단계, 상기 냉각하는 단계 이후의 제4 서브 스트림을 상기 제2 열교환 영역에서 열교환을 통해 응축하는 단계, 상기 응축하는 단계 이후의 제4 서브 스트림을 팽창하는 단계, 및 상기 팽창하는 단계 이후의 제4 서브 스트림을 상기 제2 열교환 영역에서 상기 천연가스와 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 압축 단계들은 상기 서브 스트림들을 각각 압축한 다음에 상기 서브 스트림들을 각각 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 분리 단계와 상기 제2 혼입 단계 사이에서 상기 제3 서브 스트림을 팽창하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
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