KR101351440B1 - Membrane-absorption hybrid pretreatment apparatus for lng-fpso - Google Patents

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Abstract

An acidic gas processing apparatus suitable for a restricted available space of a floating marine LNG plant is disclosed. The apparatus of the present invention comprises: a separation film array which includes a front film for producing first penetration gas stream and first residue gas stream from natural gas flow that has flowed in, and two rear films for introducing the first penetration gas stream and the first residue gas stream of the front film; an absorption tower which includes an amine-based solution for absorbing acidic gas by introducing gas stream flowed through the separation film array; and a regeneration tower for regenerating the amine-based solution from an amine-based absorbent. The present invention: is able to reduce energy consumption by more than three times, as compared to an amine absorbing process for generally treating acidic gas, by being used as a pretreatment process for acidic gas among marine natural gas for LNG-FPSO; is able to be operated according to the changes in natural gas composition of various marine gas; minimizes the performance degradation of a pretreatment process according to the flowage of a hull; and is suitable for being applied to a restricted space of the LNG-FPSO.

Description

부유식 해양 LNG 액화 플랜트용 막분리―흡수 하이브리드 전처리 장치{Membrane-Absorption Hybrid Pretreatment Apparatus for LNG-FPSO}Membrane-Absorption Hybrid Pretreatment Apparatus for LNG-FPSO for Floating Offshore LPN Liquefaction Plants

본 발명은 부유식 해양 LNG 플랜트에 적용되는 전처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부유식 해양 LNG 플랜트의 한정된 가용 공간에 적합한 산성가스 처리장치(Acid Gas Removal Unit; AGRU)에 관한 것이다. The present invention relates to a pretreatment apparatus applied to a floating offshore LNG plant, and more particularly to an acid gas removal unit (AGRU) suitable for a limited available space of a floating offshore LNG plant.

부유식 해양 LNG 액화 플랜트(Liquefied Natural Gas-Floating Production, Storage and Offloading; LNG-FPSO)는 원거리 해양에 있는 가스전으로 이동하여 해양에 부유(Floating)하며 LNG를 생산(Production), 저장(Storage), 출하(Offloading)할 수 있는 해상 이동식 복합기능 플랜트를 말한다. 이 플랜트는 해저 가스전으로부터 유입된 천연가스를 전처리, 액화, 저장하는 설비를 갖춘 부유식 해상 구조물로 구성되며, 종전 천연가스 생산방식에 비해 생산 절차를 축약하여 생산비용이 저렴하며, 가스전 생산 완료시 이동이 가능한 방식이다. Liquefied Natural Gas-Floating Production, Storage and Offloading (LNG-FPSO) moves to gas fields in remote oceans, floating in the ocean, producing LNG, producing, storing, An offshore mobile offshore combined-use plant. The plant consists of floating offshore structures equipped with facilities for pretreatment, liquefaction, and storage of natural gas introduced from subsea gas fields. The plant is reduced in production cost compared to conventional natural gas production methods. This is the way to go.

통상 해상 가스전에서 나오는 천연가스는 주성분이 메탄으로 이루어져 있으며, 그 밖의 에탄, 프로판 및 부탄 등과 같은 탄화수소로 구성되어 있으며, 불순물로 이산화탄소(CO2 ))와 황화수소(H2S) 성분과 같은 산성가스 성분과 수분(H2O) 및 수은(Hg) 등을 포함하고 있다. Natural gas from the offshore gas field is composed mainly of methane and other hydrocarbons such as ethane, propane and butane, and is an impurity acidic gas such as carbon dioxide (CO 2 ) ) and hydrogen sulfide (H 2 S). It contains components, moisture (H 2 O), mercury (Hg), and the like.

천연가스 중의 수분은 천연가스와 함께 저온이 되면 하이드레이트(Hydrate)나 얼음을 생성하여 플랜트 장치를 폐쇄하는 문제를 일으킬 수 있고, 수은은 알루미늄 재질의 플레이트 핀 열교환기(Plate fin heat exchanger)의 취화를 유발한다. 또한, CO2 및 중질 가스성분은 극저온 설비에서 CO2 프리징(freezing) 문제를 발생시켜 이로 인한 막힘 현상을 초래할 수 있다. 따라서, 천연가스 중 이들 불순물은 액화공정으로 보내지기 전에 전처리 공정이 도입되며, 이들 불순물은 반드시 일정 수준 이하로 제거되어야 한다. Moisture in natural gas, together with natural gas, can cause hydration or ice to shut down the plant when it is cold, and mercury may cause embrittlement of the aluminum plate fin heat exchanger. cause. In addition, the CO 2 and heavy gas components may cause a CO 2 freezing problem in the cryogenic facility, which may result in clogging. Therefore, the pretreatment process is introduced before these impurities in natural gas are sent to the liquefaction process, and these impurities must be removed below a certain level.

한편, 해상 전처리 공정은 원료가스의 불순물 함유 정도에 따라 LNG-FPSO 데크(deck)의 가용공간 중 50%까지 차지하므로 소요 공간에 따라 크게 좌우되는 FPSO의 경제성에 지대한 영향을 끼치게 된다. 또한, 해상 전처리 공정은 거친 해양환경과 선박유동에 운전 안정성과 분리성능을 유지할 수 있어야 하므로, 강건한 구조 및 데크 설계가 필수적이다. Meanwhile, the marine pretreatment process takes up to 50% of the available space of the LNG-FPSO deck depending on the impurity content of the raw material gas, which greatly affects the economic efficiency of the FPSO, which is highly dependent on the required space. In addition, since the marine pretreatment process must be able to maintain operational stability and separation performance in the harsh marine environment and ship flow, robust structure and deck design is essential.

또한, 채굴되는 해상 가스전의 천연가스 조성변화와 선체운동에 따른 전처리 공정의 성능저하에 대비한 설계 최적화가 필요하다. In addition, it is necessary to optimize the design for the deterioration of the performance of the pretreatment process according to the natural gas composition change and hull motion of the offshore gas field mined.

전술한 바와 같이, LNG 전처리 공정에는 천연가스 중에 포함되어 있는 산성가스 성분인 이산화탄소와 황화수소 등을 제거하는 산성가스 제거 장치가 포함된다. As described above, the LNG pretreatment process includes an acid gas removal apparatus for removing carbon dioxide, hydrogen sulfide, and the like, which are acid gas components contained in natural gas.

이와 같은 산성가스 제거 기술에는 주로 아민흡수공정(Amine Absorption Process)이 사용되고 있다. 아민흡수공정에서 사용된 아민계 흡수제로는 MEA(Monoethanol amine), DEA(Diethanol amine) 등을 들 수 있으며, 현재는 MDEA(Methyldiethanol amine)에 첨가제로서 피페라진(Piperazine) 등을 추가한 흡수제(BASF Licensor 공정)가 주로 사용되고 있으며, 이산화탄소 함량이 많은 경우, 벤필드(Benfield Process)를 개선한 K2CO3 수용액에 첨가제로써 피페라진(Piperazine)가 사용되고 있다. The amine absorption process (Amine Absorption Process) is mainly used for this acid gas removal technology. The amine-based absorbents used in the amine absorption process include monoethanol amine (MEA) and diethanol amine (DEA), and are currently absorbers (Piperazine) added to the MDEA (Methyldiethanol amine) as an additive. Licensor process) is mainly used, and when the carbon dioxide content is high, piperazine (Piperazine) is used as an additive in the K 2 CO 3 aqueous solution to improve the Benfield (Benfield Process).

이와 같이 아민계 흡수제 등의 화학적 흡수제 사용 공정은 이산화탄소와 황화수소의 부분압에 상대적으로 덜 민감하기 때문에 이 두 성분을 ppm 레벨까지 낮출 수 있는 장점이 있으나, 탈거탑(Regeneration)에서 재생에너지가 많이 소요된다는 단점을 갖는다. 또한, 아민흡수공정이 LNG-FPSO와 같은 부유식 구조물에 적용될 때에는 구조물의 유동에 대비하여 흡수탑(Absorber)의 면적 및 높이를 충분히 크게 설계하여야 하는 문제점을 갖는다. As such, the process of using a chemical absorbent such as an amine absorber is relatively less sensitive to the partial pressure of carbon dioxide and hydrogen sulfide, which has the advantage of lowering these two components to the ppm level, but it requires a lot of renewable energy in the regeneration column. Has disadvantages. In addition, when the amine absorption process is applied to a floating structure such as LNG-FPSO, there is a problem in that the area and height of the absorber should be sufficiently large in preparation for the flow of the structure.

미국등록특허 제668792호US Patent No. 668792

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 다양한 해양 가스전에 적합한 LNG-FPSO 산성가스 전처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to provide an LNG-FPSO acid gas pretreatment apparatus suitable for various offshore gas fields.

또한 본 발명은 LNG-FPSO의 한정된 가용공간 및 구조물 유동 상황에 적용되기에 적합한 산성가스 전처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. It is also an object of the present invention to provide an acid gas pretreatment apparatus suitable for application to a limited availability space and structure flow situation of LNG-FPSO.

또한, 본 발명은 해상 가스전의 천연가스에 포함된 불순물의 함유량에 따라 가변 처리가 가능한 LNG-FPSO용 산성가스 전처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, an object of the present invention is to provide an acid gas pretreatment apparatus for LNG-FPSO that can be varied depending on the content of impurities contained in the natural gas of the offshore gas field.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 유입된 천연가스 흐름으로부터 제1 투과 가스 스트림 및 제1 잔류 가스 스트림을 생성하는 전단막과, 상기 전단막의 상기 제1 가스 스트림과 제1 잔류 가스 스트림을 각각 유입하는 2개의 후단막을 포함하는 분리막 어레이(Membrane Arrays); 상기 분리막 어레이를 통과하여 유입된 가스 스트림을 유입하여 산성가스를 흡수하는 아민계 용액를 포함하는 흡수탑; 및 상기 아민계 흡수제로부터 아민계 용액을 재생하기 위한 재생탑을 포함하는 LNG-FPSO용 산성가스 전처리 장치를 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a shear membrane for generating a first permeate gas stream and a first residual gas stream from an introduced natural gas stream, and the first gas stream and the first residual gas stream of the shear membrane, respectively. Membrane Arrays including two incoming membranes; An absorption tower including an amine-based solution for absorbing acid gas by introducing a gas stream introduced through the membrane array; And it provides an acid gas pre-treatment apparatus for LNG-FPSO comprising a regeneration tower for regenerating the amine-based solution from the amine-based absorbent.

또한 본 발명에서 상기 2 개의 후단막 중 하나는 상기 제1 투과 가스 스트림을 유입하여 제3 잔류 가스 스트림을 생성하고, 상기 제3 잔류 가스 스트림은 상기 유입된 천연가스 흐름에 피드백(Feedback) 될 수 있다. In the present invention, one of the two rear membranes may enter the first permeate gas stream to generate a third residual gas stream, and the third residual gas stream may be fed back to the introduced natural gas stream. have.

또한 본 발명에서 상기 2 개의 후단막 중 다른 하나는 상기 제1 잔류 가스 스트림을 유입하여 제2 투과 가스 스트림을 생성하고, 상기 제2 투과 가스 스트림은 상기 유입된 천연가스 흐름에 피드백 될 수 있다. In addition, in the present invention, the other one of the two rear membranes may enter the first residual gas stream to generate a second permeate gas stream, and the second permeate gas stream may be fed back to the introduced natural gas stream.

이 때, 상기 2 개의 후단막 중 최소한 어느 하나로부터 생성되어 피드백 되는 상기 가스 스트림을 압축하는 다단 압축기를 더 포함할 수 있다. At this time, it may further include a multi-stage compressor for compressing the gas stream is generated and fed back from at least one of the two rear membranes.

본 발명은, 상기 천연가스 흐름을 상기 분리막 어레이 또는 상기 흡수탑으로 선별적으로 유입시키는 수단을 더 포함할 수 있다. The present invention may further include means for selectively introducing the natural gas stream into the separator array or the absorption tower.

본 발명에 따르면, 막분리법과 흡수법의 장단점을 상호보완하면서 다양한 해양 가스전으로부터 천연가스 중에 포함되어 있는 불순물인 산성가스를 효과적으로 제거할 수 있게 된다.According to the present invention, it is possible to effectively remove acid gases, which are impurities contained in natural gas, from various marine gas fields while complementing the advantages and disadvantages of the membrane separation method and the absorption method.

또한 본 발명에 따르면, LNG-FPSO용 해양 천연가스 중의 산성가스 전처리 공정으로 적용하여 일반적인 산성가스 처리공정인 아민흡수공정에 비하여 에너지 소모량을 최대 3배 이상 감소시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, by applying the acid gas pretreatment process in the marine natural gas for LNG-FPSO can reduce energy consumption up to three times or more compared to the amine absorption process, which is a general acid gas treatment process.

또한 본 발명에 따르면, 아민흡수공정에 사용되는 흡수제의 양과 컬럼 크기 등을 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다. In addition, according to the present invention, it is possible to significantly reduce the amount of the absorbent used in the amine absorption process and column size.

또한, 본 발명은 다양한 해상 가스전의 천연가스 조성변화에 맞추어 운전 가능하며, 선체유동에 따른 전처리 공정의 성능저하를 최소화함과 동시에 LNG-FPSO의 제한된 공간에 적용하기에 적합하다.In addition, the present invention can be operated in accordance with the natural gas composition changes of various offshore gas fields, while minimizing the performance degradation of the pretreatment process according to the hull flow and is suitable for applying to the limited space of the LNG-FPSO.

도 1은 본 발명의 하이브리드 장치 중 전단 분리막 공정에 관여하는 분리막 어레이를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 하이브리드 장치 중 후단 아민흡수공정에 관여하는 흡수 설비를 개략적으로 도시한 도면이다.
1 is a view schematically showing a membrane array involved in the shear separator process of the hybrid device of the present invention.
2 is a view schematically showing an absorption facility involved in the rear end amine absorption process of the hybrid device of the present invention.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.

막분리법은 기체 혼합물의 분리막에 대한 투과속도 차이를 이용한 분리공정으로 상변화가 수반되지 않아 에너지 절약형이고, 기존 공정에 비하여 장치가 간단하여 시스템 설치에 필요공간이 간소하며, 운전 및 제어가 용이한 장점을 가지고 있으나, 대용량 가스처리에 한계가 있으며 고온에서 사용이 어려운 단점이 있다. 이에 반해, 흡수법은 대용량 가스처리가 용이하고 고순도 정제가 가능하나, 재생공정에서의 에너지 소모가 많으며 장치비용이 높은 단점이 있다. Membrane separation method is a separation process using the difference in permeation rate of gas mixture membrane. It is energy-saving type because it does not involve phase change. It is simpler than the existing process, so the space required for system installation is simple and operation and control is easy It has the advantages, but there is a limit to the large-capacity gas treatment and it is difficult to use at high temperatures. On the other hand, the absorption method is easy to process a large-capacity gas and can be purified with high purity, but there are disadvantages of high energy consumption and high device cost in the regeneration process.

본 발명은 막분리법과 흡수법의 장단점을 상호 보완하면서 다양한 해양 가스전으로부터 천연가스 중에 포함되어 있는 불순물인 산성가스(주로 이산화탄소)를 제거하는 막분리법(전단공정)과 아민 흡수법(후단공정)을 혼합한 LNG-FPSO에 적용될 새로운 복합공정(Hybrid process)을 채용한다. The present invention provides a membrane separation method (shear process) and an amine absorption method (stage process) to remove acid gases (mainly carbon dioxide), which are impurities contained in natural gas, from various marine gas fields while complementing the advantages and disadvantages of membrane separation and absorption methods. Adopt a new hybrid process to be applied to the mixed LNG-FPSO.

특히, 본 발명은 다양한 해상 가스전의 천연가스 조성변화에 쉽게 적용이 가능하며, 선체유동에 따른 전처리 공정의 성능저하를 최소화함과 동시에 LNG-FPSO의 선상부(topside)의 제한된 공간을 최대한 효율적으로 이용할 수 있도록 장치의 컴팩트화(Compactness)를 가능하게 한다.In particular, the present invention can be easily applied to natural gas composition changes of various offshore gas fields, and minimizes the performance degradation of the pretreatment process according to the hull flow and at the same time efficiently minimizes the limited space at the topside of LNG-FPSO. Enables compactness of the device for use.

기존의 흡수공정은 리보일러(reboiler)나 펌프(pump) 등에서 발생하는 듀티(duty)와 워크(work)로 인하여 에너지 소비가 많으나, 흡수공정의 전단에 분리막(Membrane)을 설치하여 분리막에 의해 일부 산성가스(주로 이산화탄소)를 제거해줌으로써 아민흡수공정에서의 산성가스 부하(load)를 줄일 수 있다. 또한 산성가스 제거를 위한 아민흡수제(Amine Solvent)의 양을 줄여줌으로써 흡수탑 및 재생탑의 크기(높이, 둘레)를 감소시켜 LNG-FPSO 선상부의 제한된 공간을 최대한 이용할 수 있도록 컴팩트화될 뿐만 아니라 거친 해상환경과 선박유동에도 운전 안정성과 분리성능을 유지할 수가 있다. Existing absorption process consumes a lot of energy due to duty and work generated from reboiler or pump, but it is partially installed by installing membrane in front of absorption process. By removing the acid gas (mainly carbon dioxide), the acid gas load in the amine absorption process can be reduced. In addition, by reducing the amount of Amine Solvent for acid gas removal, the size of the absorption tower and regeneration tower (height, circumference) can be reduced to make it possible to make the most of the limited space on the LNG-FPSO aboard. Operation stability and separation performance can be maintained even in marine environment and ship flow.

도 1은 본 발명의 전단공정인 분리막 공정을 수행하는 분리막 어레이를 설명하는 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a membrane array for performing a membrane process which is a shearing process of the present invention.

도 1을 참조하면, 유입 천연가스(FEED)가 혼합기(110), 전단막(120) 및 후단막(130, 140)으로 유입된다. Referring to FIG. 1, inflow natural gas (FEED) is introduced into the mixer 110, the front membrane 120, and the rear membranes 130 and 140.

본 발명에서 상기 전단막(120) 및 후단막(130, 140)으로는 예컨대 폴리설폰(Polysulfon)으로 제조된 중공사막(Hollow fiber membrane, OD 400 μm, ID 200 μm)으로 제조될 수 있다. 또한 상기 막은 예컨대 에어레인(Airrane)의 MC1507P와 같은 멤브레인 모듈 형태로 사용될 수 있다. In the present invention, the shear membrane 120 and the rear membrane 130 and 140 may be made of, for example, a hollow fiber membrane (Hollow fiber membrane, OD 400 μm, ID 200 μm) made of polysulfon. The membrane can also be used in the form of a membrane module, such as, for example, MC1507P from Airrane.

본 발명에서 상기 전단막(120) 및 후단막(130, 140)으로 구성되는 막분리 공정은 후속 아민흡수공정으로 유입되는 천연가스 중 이산화탄소의 비율을 유입 천연가스 대비 85%까지 제거하고, 메탄회수율을 98% 이상 올릴 수 있다. In the present invention, the membrane separation process consisting of the front membrane (120) and the rear membrane (130, 140) to remove the ratio of carbon dioxide in the natural gas flowing into the subsequent amine absorption process up to 85% compared to the incoming natural gas, methane recovery rate You can raise it by more than 98%.

이하에서는 도시된 3-스테이지(3-stage)로 구성된 분리막 공정을 상세히 설명한다. Hereinafter, the membrane process consisting of the illustrated three-stage (3-stage) will be described in detail.

예컨대, 소정 온도 및 압력(예컨대 45 oC, 60 bar)의 천연가스(Feed gas)가 전단막(120)을 통과한다. 전단막은 유입된 천연가스에 대해 산성가스 농도가 낮은 제1 잔류 스트림(residue 1)과 산성가스 농도가 높은 제1 투과 스트림(Permeate 1)을 생성한다. For example, a fed gas of a predetermined temperature and pressure (eg, 45 ° C., 60 bar) passes through the shear membrane 120. The shear membrane generates a first residual stream having a low acid gas concentration (residue 1) and a first permeate stream having a high acid gas concentration (Permeate 1) with respect to the introduced natural gas.

제1 잔류 스트림(residue 1)은 제2 후단막(140)을 통과하면서, 고농도의 메탄가스 예컨대 98.8% 이상의 메탄으로 이루어진 제2 잔류 스트림(residue 2)으로 회수된다. 제2 잔류 스트림(residue 2)은 필요에 따라 액체 생성시 기체와 액체를 분리하는 플래시 탱크(flash tank; 150)를 통과하여 후속 아민흡수공정으로 유입된다.The first residual stream (residue 1) is recovered through a second after-layer 140, as a second residual stream (residue 2) consisting of a high concentration of methane gas, such as 98.8% or more methane. The second residual stream (residue 2) is passed through a flash tank 150 which separates gas and liquid during liquid production as needed into the subsequent amine absorption process.

한편, 전단막(120)의 제1 투과 스트림(Permeate 1)은 제2 후단막(130)을 통과하면서 제3 투과 스트림(Permeate 3)과 제3 잔류 스트림(Residue 3)을 형성한다. 이 중 제3 잔류 스트림(Residue 3)은 메탄 회수율의 증대를 위해 다단 압축기(170, 180, 190)와 열교환기(175, 185, 195)를 통과하여 유입가스(FEED)의 온도 및 압력 조건으로 조정되어, 혼합기(110)으로 피드백 될 수 있다. Meanwhile, the first permeate stream (Permeate 1) of the shear membrane 120 forms a third permeate stream (Permeate 3) and a third residual stream (Residue 3) while passing through the second rear membrane 130. The third residual stream (Residue 3) is passed through the multi-stage compressor (170, 180, 190) and the heat exchanger (175, 185, 195) to increase the methane recovery rate to the temperature and pressure conditions of the inlet gas (FEED) Can be adjusted and fed back to the mixer 110.

마찬가지로, 제1 후단막(140)의 제2 투과 스트림(permeate 2)이 피드백 될 수 있고, 이 피드백 경로에는 제3 투과 스트림(permeate 2)과의 혼합을 위한 혼합기(160)가 구비될 수 있다. Similarly, the second permeate 2 of the first after-layer 140 may be fed back, and the feedback path may be provided with a mixer 160 for mixing with the third permeate 2. .

한편, 별도로 도시하지는 않았지만 높은 산성가스 농도를 갖는 상기 제2 후단막(130)의 투과가스 스트림(permeate 3)은 플레어(flare)로 보내져 태운 후 대기 중으로 방출될 수 있다. On the other hand, although not shown separately, the permeate stream (permeate 3) of the second rear membrane 130 having a high acid gas concentration may be sent to a flare and burned and then released into the atmosphere.

이상의 분리막 공정을 거친 낮은 산성가스 농도를 갖는 천연가스가 후속 아민흡수공정으로 유입된다. Natural gas having a low acid gas concentration, which has passed through the above membrane process, is introduced into a subsequent amine absorption process.

도 2는 본 발명에서 후속 아민 흡수 공정을 수행하는 아민 흡수 설비를 개략적으로 도시한 도면이다. Figure 2 is a schematic representation of an amine absorption plant for carrying out the subsequent amine absorption process in the present invention.

도 2를 참조하면, 아민흡수공정을 구성하는 장치는 크게 흡수탑(Absorber; 210)과 재생탑(Regenerator; 250)으로 이루어진다. Referring to FIG. 2, the apparatus constituting the amine absorption process is largely composed of an absorber 210 and a regenerator 250.

전단계의 분리막 공정을 통해 일부 산성가스가 제거된 천연가스 스트림(1)이 흡수탑(210) 하부로 유입된다. 유입된 천연가스 스트림(1)은 흡수탑 상부로 주입되는 린 아민(lean amine; 14)에 의하여 흡수탑을 걸쳐 1차적으로 스위트 가스(sweet gas; 15)로 배출된다. 이때, 배출되는 천연가스 중 CO2 농도는 50 ppm 이하로, H2S 농도는 4 ppm 이하로 제한된다. The natural gas stream 1 from which some acid gas is removed is introduced into the absorption tower 210 through the membrane process of the previous stage. The introduced natural gas stream 1 is first discharged as sweet gas 15 through the absorption tower by lean amine 14 injected into the absorption tower top. At this time, CO 2 concentration in the discharged natural gas is limited to 50 ppm or less, H 2 S concentration is limited to 4 ppm or less.

상기 흡수탑은 흡수제로 아민 계열의 흡수를 사용할 수 있다. 아민 계열의 흡수제는 수용액 상태로 제공되며, 흡수제의 농도는 10 ~ 65 wt%인 것이 바람직하다. 또한 상기 흡수제로는 MEA, DEA, MDEA 또는 DIPA 등이 사용될 수 있다. The absorption tower may use an amine-based absorption as an absorbent. The amine-based absorbent is provided in an aqueous solution, the concentration of the absorbent is preferably 10 to 65 wt%. In addition, the absorbent may be used, such as MEA, DEA, MDEA or DIPA.

흡수탑을 통과하여 가스 스트림 중 산성가스를 흡수하여 산성가스 농도가 높은 리치 아민(rich amine; 2)은 밸브를 통과하면서 대기압으로 감압된 후, 플래시 탱크로 유입된다(3). 유입된 아민은 플래시 과정을 통해 탄화수소가 제거되고 배출된다(4). 플래시 탱크를 통과하여 산성가스를 흡수한 리치 아민(5)은 후속되는 재생탑(250)으로 유입된다(6). 리치 아민의 유입에 의해 재생탑(250) 상부로는 다량의 CO2와 H2S가 배출되게 된다(7). 그리고 재생 과정을 거쳐 재생탑 하부로 린 아민이 배출되며(8), 배출된 린 아민은 열 교환기(Heat exchanger; 230)에서 플래시 탱크의 리치 아민(5)과 열교환된다. 열교환된 린 아민(9)은 혼합기(260, 270)와 열교환기(265)를 거치면서 아민(MEA)과 물(WATER)의 유입에 의해 메이크 업(make-up) 과정을 거치게 된다(10, 11). 메이크 업 과정을 통해 아민의 농도가 일정하게 유지된 린 아민은 펌프(Pump; 272)와 열교환기(275)를 거쳐 다시 흡수탑으로 보내지게 되며(12), 이러한 순환공정(Circulation Process)이 계속적으로 반복하면서 천연 가스 중 산성가스 제거공정이 수행된다.
Rich amine (2) having high acid gas concentration by absorbing acid gas in the gas stream through the absorption tower is reduced to atmospheric pressure through the valve and then flows into the flash tank (3). The introduced amines are hydrocarbons removed and discharged through the flash process (4). Rich amine (5), which has absorbed acid gas through the flash tank, enters the subsequent regeneration tower (250) (6). Due to the influx of rich amine, a large amount of CO 2 and H 2 S are discharged to the upper part of the regeneration tower 250 (7). The lean amine is discharged to the lower part of the regeneration tower through the regeneration process (8), and the discharged lean amine is heat-exchanged with the rich amine (5) of the flash tank in a heat exchanger (230). The heat exchanged lean amine 9 is subjected to a make-up process by the inflow of amine (MEA) and water (WATER) while passing through the mixers 260 and 270 and the heat exchanger 265 (10, 11). Lean amine, which maintains a constant amine concentration through the make-up process, is sent to the absorption tower through a pump (272) and a heat exchanger (275) (12), and this circulation process is continuously performed. The acid gas removal process in natural gas is performed while repeating.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments of the present invention.

(실시예)(Example)

본 발명의 하이브리드 공정으로 이루어진 전처리 공정에 대해 공정모사(Simulation)를 하였다. 공정모사는 도 1 및 도 2에서 설명한 3단으로 이루어진 분리막 공정과 흡수탑 및 재생탑으로 이루어진 아민흡수공정으로 이루어진 하이브리드 공정에 적용하여, 종래의 아민흡수공정과 대비하였다. 공정모사에는 인벤시스(Invensys)사의 PRO/II를 이용하였다. Simulation was performed on the pretreatment process consisting of the hybrid process of the present invention. Process simulation was applied to the hybrid process consisting of the three-stage membrane process described in Figures 1 and 2 and the amine absorption process consisting of the absorption tower and the regeneration tower, compared with the conventional amine absorption process. Process simulations were performed using Invensys PRO / II.

이를 위해 먼저, 종래의 아민흡수공정에 대한 공정모사는 다음과 같이 하였다. 공정모사에 사용된 유입 천연가스의 성분의 함량 및 피드 스트림 조건은 표 1과 같다. To this end, first, the process simulation for the conventional amine absorption process was as follows. The content of feed natural gas and feed stream conditions used in the process simulation are shown in Table 1.

Figure 112012063334095-pat00001
Figure 112012063334095-pat00001

종래의 아민흡수공정으로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 흡수탑 1개와 재생탑 1개로 이루어진 공정으로 구성하였으며, 아민 용매로는 MEA 30 wt%를 사용하였다. 표 1의 제시된 feed gas stream 조건의 천연가스가, 도 1의 FEED로 유입되어(1), lean amine(11)의 MEA가 흡수탑에서 반응하여 이산화탄소와 결합한 용매가 리치 아민(rich amine; 2)으로 이동하게 된다. 흡수탑 상부로는 스위트 가스(sweet gas; 15)가 배출되며, 이때 CO2는 50 ppm 이하, H2S는 4 ppm 이하로 제한하였다. 리치 아민(Rich amine; 2)은 재생탑으로 유입되어 상부로 산성가스(acid gas; 7)로 배출되고, 하부는 리치 아민 스트림(rich amine stream; 8, 9)과 열교환 된 후 순환되어 make-up 공정(10, 11)을 거쳐 다시 린 아민(14)으로 희석된 뒤 흡수탑으로 가게 되는 순환공정을 적용하였다. 표 2에 Invensys사의 PRO/II를 이용하여 공정모사한 결과 도출된 주요 stream 결과값을 나타내었다.As a conventional amine absorption process, as shown in Figure 2, it was composed of a process consisting of one absorption tower and one regeneration tower, MEA 30 wt% was used as the amine solvent. Natural gas under the feed gas stream conditions shown in Table 1 was introduced into the FEED of FIG. 1 (1), so that the solvent of the MEA of lean amine (11) reacted in the absorption tower and combined with carbon dioxide was rich amine (2). Will be moved to. Sweet gas (15) is discharged to the top of the absorption tower, where CO 2 is limited to 50 ppm or less and H 2 S to 4 ppm or less. Rich amine (2) enters the regeneration tower and is discharged as acid gas (7) at the top, and the bottom is circulated after heat exchange with rich amine streams (8, 9). After the up process (10, 11) was again diluted with lean amine (14) was applied to the circulation process to the absorption tower. Table 2 shows the main stream results derived from process simulation using Invensys' PRO / II.

Figure 112012063334095-pat00002
Figure 112012063334095-pat00002

한편, 본 발명의 하이브리드 공정에 대해 공정모사하였다. 본 발명의 하이브리드 공정은 전술한 아민흡수공정의 전단에 도 1의 분리막 공정과 결합하였다. On the other hand, the process simulation for the hybrid process of the present invention. The hybrid process of the present invention was combined with the membrane process of FIG. 1 at the front end of the amine absorption process described above.

공정모사에는 3단으로 구성된 막분리법을 적용하였고, 천연가스가 전단막을 통과하여 일부 산성가스가 제거된 잔류 스트림(residue 1)은 하부 후단막(140)을 통과하여 98% 이상의 메탄을 회수한 잔류 스트림(residue-2)을 생성하고 플래시 탱크(220)을 통과한 후 도 2의 아민흡수공정(후단공정)으로 유입되도록 하였다. 또한 전단막을 통과한 투과 스트림(permeate 1)은 상부 후단막(130)을 통과하고, 통과한 잔류 스트림(residue 3)은 메탄 회수율(Methane recovery)을 높이기 위하여 재순환시하였다. 투과 스트림(permeate 2)과 잔류 스트림(residue 3)은 메탄의 회수율을 증대하기 위하여 다단 압축기와 열교환기를 이용하여 피드 가스 조건의 온도(40 oC)와 압력(60 bar)로 재순환되게 하였다. 이 때, 분리막의 투과측(Membrane permeate side) 압력은 7.8 bar로 하였고, 막의 투과계수(Permeance coefficient)는 표 3과 같이 하였다. 제시되지 않은 성분은 메탄의 투과계수를 따르는 것으로 가정하였다. 그 이유는 메탄 성분이 가장 분리하기 어렵기 때문에 메탄 성분이 분리되면 제시되지 않은 성분들 또한 모두 분리되기 때문이다. 막분리 공정을 거친 천연가스(1)는 후속 공정인 아민흡수공정으로 유입이 되도록 하여 흡수탑과 재생탑을 거쳐 스위트 가스(sweet gas; 15)에서 CO2는 50 ppm 이하로 제한되도록 하였다. In the process simulation, a three-stage membrane separation method was used, and the residual stream (residue 1) from which natural gas passed through the shear membrane and some acid gas was removed was passed through the lower rear membrane 140 to recover 98% or more of methane. A stream (residue-2) was generated and passed through the flash tank 220 to be introduced into the amine absorption process (post process) of FIG. 2. In addition, the permeate stream (permeate 1) passing through the shear membrane is passed through the upper rear membrane 130, and the residual stream (residue 3) passed through the recycle to increase the methane recovery (methane recovery). Permeate 2 and residual 3 were recycled to feed gas conditions (40 o C) and pressure (60 bar) using a multistage compressor and heat exchanger to increase the recovery of methane. At this time, the membrane permeate side (Membrane permeate side) pressure was set to 7.8 bar, the permeance coefficient of the membrane (Permeance coefficient) was as shown in Table 3. Components not shown are assumed to follow the permeation coefficient of methane. This is because the methane component is the most difficult to separate, so when the methane component is separated, all components not shown are also separated. The natural gas (1) after the membrane separation process was introduced into the amine absorption process, which is a subsequent process, so that CO 2 in the sweet gas (15) was limited to 50 ppm or less through the absorption tower and the regeneration tower.

Figure 112012063334095-pat00003
Figure 112012063334095-pat00003

본 발명이 적용된 공정모사의 주요 스트림을 아래 표 4 및 표 5에 나타내었다. 표 4는 전단 공정인 분리막 공정에 대한 주요 스트림의 값이고, 표 5는 아민흡수공정의 주요 스트림의 값이다. The main streams of process simulations to which the present invention is applied are shown in Tables 4 and 5 below. Table 4 shows the main stream values for the membrane process, which is a shearing process, and Table 5 shows the main stream values for the amine absorption process.

Figure 112012063334095-pat00004
Figure 112012063334095-pat00004

Figure 112012063334095-pat00005
Figure 112012063334095-pat00005

표 6은 본 발명의 실시예에 따라 아민흡수공정 및 하이브리드 공정에 대한 공정모사 결과를 나타낸 표이다. Table 6 is a table showing the process simulation results for the amine absorption process and the hybrid process according to the embodiment of the present invention.

Figure 112012063334095-pat00006
Figure 112012063334095-pat00006

표 6을 참조하면, 종래의 아민흡수공정 적용시 스위트 가스(sweet gas)의 이산화탄소 농도는 48.85 ppm인데, 이 때 사용된 아민 용액의 순환유량은 122,349.49 kg/hr가 필요하다는 것을 알 수 있다. 또한, 이 때 재생탑의 하부온도는 111.7 ℃, 상부압력은 1.1 bar이며, 리보일러 듀티(reboiler duty)는 15.5926 Mkcal/hr 임을 알 수 있다.Referring to Table 6, the carbon dioxide concentration of the sweet gas (sweet gas) is 48.85 ppm when applying the conventional amine absorption process, it can be seen that the circulation flow rate of the amine solution used at this time needs 122,349.49 kg / hr. In this case, the lower temperature of the regeneration tower was 111.7 ° C., the upper pressure was 1.1 bar, and the reboiler duty was 15.5926 Mkcal / hr.

한편, 3단 막분리법을 포함하는 아민흡수공정 적용시 스위트 가스의 이산화탄소 농도가 49.09 ppm으로 유지되었으며, 이 때 사용된 아민 용액의 순환유량은 18,233 kg/hr가 필요하다는 것을 알 수 있다. 또한, 이 때 재생탑의 하부온도는 111.7 ℃, 상부압력은 1.1 bar이며, 리보일러 듀티(reboiler duty)는 2.3147 Mkcal/hr이고, 컴프레셔 액츄얼 워크(compressor actural work)는 2,846 kw, 컴프레셔 듀티(compressor duty)는 2.4478 Mkcal임을 알 수 있다. On the other hand, when the amine absorption process including the three-stage membrane separation method, the carbon dioxide concentration of the sweet gas was maintained at 49.09 ppm, it can be seen that the circulation flow rate of the amine solution used at this time requires 18,233 kg / hr. At this time, the regeneration tower had a lower temperature of 111.7 ° C, an upper pressure of 1.1 bar, a reboiler duty of 2.3147 Mkcal / hr, a compressor actural work of 2,846 kw, and a compressor duty of compressor duty) is 2.4478 Mkcal.

표 6의 결과를 바탕으로, 종래의 아민흡수공정 및 본 발명의 하이브리드 공정에서 요구되는 흡수탑과 재생탑의 컬럼 크기(column size)에 대한 결과를 각각 표 7 및 표 8에 나타내었다. 흡수탑과 재생탑의 컬럼 크기는 가스속도(Gas velocity)와 접촉면적(Contact area) 등을 고려한 전산모사를 통하여 계산하였다. Based on the results of Table 6, the results of the column size of the absorption tower and the regeneration tower required in the conventional amine absorption process and the hybrid process of the present invention are shown in Table 7 and Table 8, respectively. The column size of the absorption tower and regeneration tower was calculated by computer simulation considering gas velocity and contact area.

Figure 112012063334095-pat00007
Figure 112012063334095-pat00007

Figure 112012063334095-pat00008
Figure 112012063334095-pat00008

표 7과 8로부터 종래의 아민흡수공정에 비해 본 발명의 하이브리드 공정이 적용되는 경우, 컬럼 크기가 약 50% 정도 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 전단 공정인 막분리법으로 CO2를 원료 대비 85% 정도 제거함으로써 후단공정인 아민흡수공정으로의 CO2 부하를 줄여 아민 용매 순환량(solvent circulate rate)을 줄이게 되고, 그로 인해 전체 컬럼 크기를 절반 정도 줄이는 효과를 가져 오는 것이다. Tables 7 and 8 show that the column size is reduced by about 50% when the hybrid process of the present invention is applied compared to the conventional amine absorption process. The membrane separation method, which is a shearing process, removes about 85% of the CO 2 from the raw material, thereby reducing the CO 2 load on the amine absorption process, which is a post-stage process, to reduce the amine solvent circulate rate, thereby reducing the total column size by about half. The effect is to reduce.

따라서 본 발명에서 전단에 적용되는 막분리 공정은 해양환경과 선박유동에 영향을 전혀 받지 않는 공정이고, 해양환경 등에 영향을 받는 후단의 아민흡수공정의 흡수탑 및 재생탑 크기(높이, 둘레 등)를 줄일 수 있게 됨으로써 LNG-FPSO의 제한된 공간을 최대한 이용할 수 있도록 공정의 컴팩트화될 뿐만 아니라 거친 해양환경과 선박유동에도 운전 안정성과 분리성능을 유지할 수가 있게 된다.
Therefore, the membrane separation process applied to the front end of the present invention is a process that is not influenced at all by the marine environment and vessel flow, and the absorption tower and regeneration tower size (height, circumference, etc.) of the amine absorption process of the latter stage affected by the marine environment, etc. In addition, the process can be made compact to maximize the limited space of LNG-FPSO, while maintaining operational stability and separation performance in harsh marine environments and ship flows.

아래 표 9는 종래의 아민흡수공정(멤브레인 비적용)과 본 발명의 하이브리드 공정(멤브레인 적용)에서 소요되는 에너지 소모량을 비교하여 나타낸 것이다. 표 9에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 아민공정과 본 발명의 하이브리드 공정에는 현격한 에너지 소모량 차이가 나타남을 알 수 있다. 종래의 아민흡수공정에 소모되는 에너지량은 15.5926 Mkcal/hr인 반면, 본 발명에서는 소모되는 에너지량은 4.7625 Mkcal/hr을 나타낸다. 즉 본 발명은 종래의 아민흡수공정에 비해 에너지 소모량이 최대 3배 이상 감소되게 된다. Table 9 below shows a comparison of energy consumption in the conventional amine absorption process (membrane not applied) and the hybrid process (membrane application) of the present invention. As can be seen in Table 9, it can be seen that the difference in energy consumption is apparent between the conventional amine process and the hybrid process of the present invention. The amount of energy consumed in the conventional amine absorption process is 15.5926 Mkcal / hr, while in the present invention, the amount of energy consumed is 4.7625 Mkcal / hr. That is, the present invention is reduced energy consumption up to three times or more compared with the conventional amine absorption process.

Figure 112012063334095-pat00009
Figure 112012063334095-pat00009

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 공정은 선박유동을 포함하는 해양환경에의 적응성, 협소한 공간 제약에의 적용성 및 에너지 절감에 있어서 뛰어난 효과를 갖는다. 여기에 부가하여 본 발명의 하이브리드 장치는 원료인 천연가스의 성분에 따라 가변적인 공정의 적용에 의한 이점을 추가로 가질 수 있다. 예컨대, 본 발명의 장치는 상기 천연가스의 유입을 위한 분기 밸브를 더 구비하여, 천연가스에 이산화탄소 성분이 낮은 경우에는 분리막 공정으로 유입하지 않고 아민흡수공정으로 천연가스 흐름이 포함하도록 운전할 수 있다. 반면, 그렇지 않은 경우 전단의 분리막 공정을 포함하는 하이브리드 공정이 적용되도록 천연가스는 상기 분리막 공정에 유입될 수 있다.
As described above, the hybrid process of the present invention has excellent effects in adaptability to marine environments including ship flow, applicability to narrow space constraints, and energy saving. In addition to this, the hybrid apparatus of the present invention may further have the advantage of applying a variable process depending on the components of natural gas as a raw material. For example, the apparatus of the present invention may further include a branch valve for inflow of natural gas, and when the carbon dioxide component is low in natural gas, the natural gas flow may be operated by an amine absorption process without inflow into the membrane process. On the other hand, otherwise, natural gas may be introduced into the membrane process so that a hybrid process including a shear membrane process is applied.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 전술한 실시예는 본 발명을 예시하는 것이고 본 발명을 제한하는 것은 것이다.
While the preferred embodiments of the present invention have been described above, the above-described embodiments illustrate the present invention and limit the present invention.

100 분리막 어레이 110, 160, 260, 270 혼합기
120 전단막 130, 140 후단막
150 플래시 탱크 170, 180, 190 압축기
175, 185, 195 열교환기
200 아민 흡수 설비
210 흡수탑 220 플래시 탱크
230, 252, 254, 265, 275 열교환기
250 재생탑
100 Membrane Arrays 110, 160, 260, 270 Mixers
120 Shear 130, 140 Shear
150 flash tanks 170, 180, 190 compressor
175, 185, 195 heat exchanger
200 amine absorption plant
210 Absorption Tower 220 Flash Tank
230, 252, 254, 265, 275 Heat Exchanger
250 tower

Claims (5)

유입된 천연가스 흐름으로부터 제1 투과 가스 스트림 및 제1 잔류 가스 스트림을 생성하는 전단막과, 상기 전단막의 상기 제1 가스 스트림과 제1 잔류 가스 스트림을 각각 유입하는 2개의 후단막을 포함하는 분리막 어레이;
상기 분리막 어레이를 통과하여 유입된 가스 스트림을 유입하여 산성가스를 흡수하는 아민계 용액를 포함하는 흡수탑; 및
상기 아민계 흡수제로부터 아민계 용액을 재생하기 위한 재생탑을 포함하는 LNG-FPSO용 산성가스 전처리 장치.
Membrane array comprising a shear membrane for generating a first permeate gas stream and a first residual gas stream from the introduced natural gas stream, and two trailing membranes for respectively introducing the first gas stream and the first residual gas stream of the shear membrane. ;
An absorption tower including an amine-based solution for absorbing acid gas by introducing a gas stream introduced through the membrane array; And
Acid-gas pretreatment device for LNG-FPSO comprising a regeneration tower for regenerating the amine solution from the amine-based absorbent.
제1항에 있어서,
상기 2 개의 후단막 중 하나는 상기 제1 투과 가스 스트림을 유입하여 제3 잔류 가스 스트림을 생성하고, 상기 제3 잔류 가스 스트림은 상기 유입된 천연가스 흐름에 피드백 되는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 산성가스 전처리 장치.
The method of claim 1,
One of the two rear membranes is introduced into the first permeate gas stream to generate a third residual gas stream, the third residual gas stream is fed back to the introduced natural gas flow for LNG-FPSO Acid gas pretreatment device.
제1항에 있어서,
상기 2 개의 후단막 중 하나는 상기 제1 잔류 가스 스트림을 유입하여 제2 투과 가스 스트림을 생성하고, 상기 제2 투과 가스 스트림은 상기 유입된 천연가스 흐름에 피드백 되는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 산성가스 전처리 장치.
The method of claim 1,
One of the two downstream membranes may enter the first residual gas stream to produce a second permeate gas stream, and the second permeate gas stream is fed back to the introduced natural gas stream. Acid gas pretreatment device.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 2 개의 후단막 중 최소한 어느 하나로부터 생성되어 피드백되는 상기 가스 스트림을 압축하는 다단 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 산성가스 전처리 장치.
3. The method according to claim 1 or 2,
And a multistage compressor for compressing the gas stream generated and fed back from at least one of the two rear membranes.
제1항에 있어서,
상기 천연가스 흐름을 상기 분리막 어레이 또는 상기 흡수탑으로 선별적으로 유입시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 산성가스 전처리 장치.
The method of claim 1,
The acid gas pre-treatment apparatus for LNG-FPSO further comprises means for selectively introducing the natural gas flow into the membrane array or the absorption tower.
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