KR101368797B1

KR101368797B1 - 천연가스 분별증류 장치

Info

Publication number: KR101368797B1
Application number: KR1020120034192A
Authority: KR
Inventors: 윤호병
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2014-03-03
Also published as: WO2013151220A1; KR20130112083A; US20150082828A1

Abstract

천연가스 분별증류 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치는 응축된 천연가스가 유입되되, 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기와, 기액 분리기로부터 분리된 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기와, 기체 분리기에서 분리된 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기와, 제1 열교환기에서 응축된 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기와, 기체 분리기에서 분리된 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기와, 기액 분리기에서 분리된 액체류와 제1 팽창기에서 팽창된 제1 증기류 및 제2 팽창기에서 팽창된 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑을 포함하며, 제1 열교환기는, 기체 분리기에서 분리된 제1 증기류와 제1 팽창기에서 팽창된 제1 증기류 및 탑정 증기류를 상호 열교환시킬 수 있다.

Description

천연가스 분별증류 장치{APPARATUS FOR FRACTIONATING NATURAL GAS}

본 발명은, 천연가스 분별증류 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 천연가스 분별증류 장치에 관한 것이다.

천연 가스는 일반적으로 지하 저류층(reservoir) 내로 시추된 가스정(well)으로부터 회수된다. 천연가스는 메탄이 대부분을 차지하며, 물, 황화수소, 이산화탄소, 수은, 질소, 및 에탄, 프로판, 부탄 등의 중질 탄화수소(heavier hydrocarbon) 등 많은 소량의 성분들을 함유한다.

여기서, 물, 황화수소, 이산화탄소 및 수은 등과 같은 성분 중 몇몇은 천연가스(LNG)의 처리에서 해로운 오염물로 작용할 수 있으므로, 이들 오염물들은 천연가스 회수 공정 전에 제거되어야 한다.

그리고, 메탄보다 중질인 에탄, 프로판, 부탄 등의 중질 탄화수소 역시 상품으로서 가치가 충분하기 때문에 천연가스 액체로서 응축 및 회수되며, 분별(Fractionation)되어 가치있는 생성물들을 생성한다.

이와 같은, 천연가스 액체 회수 공정은 증류탑을 이용하여, 전처리된 천연가스로부터 메탄과 중질인 탄화수소를 분리한 후, 메탄과 중질인 탄화수소를 액화한다.

일반적으로 기체인 원료 천연가스를 액화시켜 액화 천연가스를 얻는 방법은 여러가지가 공지되어 있다. 천연가스는 기체 상태에서보다 액체 상태일 때에 더 적은 용적을 차지할 뿐만 아니라 액체 상태일 때에는 고압에서 저장될 필요가 없기 때문에, 천연가스가 액체 상태일 때 쉽게 저장되어 먼거리까지 수송될 수 있으며 또한 수송비용을 감소시킬 수 있다. 따라서 수송 등을 위해서 천연가스를 액화시키는 것이 바람직하다.

한편, 액화 천연가스를 얻는 분별증류 장치는, 원료 천연가스가 증류탑으로 유입된 후, 메탄을 포함하는 탑정 증기류와 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별한다.

이때, 증류탑에서 원료 천연가스를 기화하기 위하여 많은 열량이 투입되고, 기화된 탑정 증기류를 냉각 및 응축하기 위해 많은 에너지가 소모된다.

이와 같이, 원료 천연가스를 분리하여 회수하기 위한 제반 공정에 많은 에너지가 소모되어 에너지 효율이 저하될 수 있는 문제점이 있다.

[문헌1] KR 10-0963491 B1 (지에스건설 주식회사) 2010.06.17.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 원료인 천연가스를 분별함에 있어 소모되는 에너지를 절감하기 위하여 공정의 일부를 개선함으로써, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 천연가스 분별증류 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기; 상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기; 및 상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑을 포함하며, 상기 제1 열교환기는, 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 탑정 증기류를 상호 열교환시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 분별증류 장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기; 상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기; 및 상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑을 포함하며, 상기 제1 열교환기는, 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류와, 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류 및 상기 탑정 증기류를 상호 열교환시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 분별증류 장치가 제공될 수 있다.

상기 제1 열교환기에서 열교환 후 배출되는 상기 탑정 증기류와 천연가스를 상호 열교환하여 상기 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 열교환기에서 열교환 후 배출되는 상기 탑정 증기류를 압축하는 압축기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기; 상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기; 상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑; 및 상기 제1 열교환기에서 상기 제1 증기류와 상호 열교환한 후 상기 제1 열교환기에서 배출되는 상기 탑정 증기류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 천연가스를 상호 열교환하여 상기 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기를 포함하는 천연가스 분별증류 장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기; 상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기; 상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑; 및 상기 제1 열교환기에서 상기 제1 증기류와 상호 열교환한 후 상기 제1 열교환기에서 배출되는 상기 탑정 증기류와, 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류 및 천연가스를 상호 열교환하여 상기 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기를 포함하는 천연가스 분별증류 장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기; 상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기; 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류를 가열하는 제3 열교환기; 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기; 및 상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제3 열교환기에서 가열된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑을 포함하며, 상기 제1 열교환기는, 상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류와, 상기 탑정 증기류를 상호 열교환시키고, 상기 제3 열교환기는, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류와, 상기 제1 열교환기에서 배출되는 상기 탑정 증기류를 상호 열교환시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 분별증류 장치가 제공될 수 있다.

상기 제3 열교환기에서 열교환 후 배출되는 상기 탑정 증기류와, 천연가스를 상호 열교환하여 상기 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 기체 분리기는, 상기 제1 증기류와 상기 제2 증기류를 2:8 내지 1:9의 몰비율로 분리할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 기체 분리기에서 배출되는 제1 증기류와 탑정 증기류 및 제1 팽창기에서 팽창된 제1 증기류 또는 제2 팽창기에서 팽창된 제2 증기류를 제1 열교환기에서 상호 열교환하거나, 또는, 천연가스와 탑정 증기류 및 제1 팽창기에서 팽창된 제1 증기류 또는 제2 팽창기에서 팽창된 제2 증기류를 제2 열교환기에서 상호 열교환하거나, 또는, 제1 열교환기에서 배출되는 탑정 증기류와 제1 팽창기에서 배출되는 제1 증기류를 상호 열교환하는 제3 열교환기를 추가로 설치함으로써, 원료인 천연가스를 분별함에 있어 소모되는 에너지를 절감하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치를 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치를 나타내는 구성도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

이하에서 설명될 천연가스 스트림은 물, 황화수소, 이산화탄소, 수은, 질소 등이 제거된 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등을 포함하는 모든 탄화수소 화합물로 정의한다.

이하에서는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100)에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100)를 나타내는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100)는, 응축된 천연가스가 유입되되 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기(110)와, 기액 분리기(110)로부터 분리된 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기(120)와, 기체 분리기(120)에서 분리된 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기(130)와, 제1 열교환기(130)에서 응축된 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기(140)와, 기체 분리기(120)에서 분리된 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기(150)와, 기액 분리기(110)에서 분리된 액체류와 제1 팽창기(140)에서 팽창된 제1 증기류 및 제2 팽창기(150)에서 팽창된 제2 증기류가 유입되되 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑(160)과, 제1 열교환기(130)에서 열교환 후 배출되는 탑정 증기류와 천연가스를 상호 열교환하여 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기(170)와, 제2 열교환기(170)에서 열교환 후 배출되는 탑정 증기류를 압축하는 압축기(180)를 포함한다.

본 실시예에서 천연가스 분별증류 장치(100)는, 제1 팽창기(140)에서 감압되어 냉각된 제1 증기류를 제1 열교환기(130)의 냉매로 사용하여 증류탑(160)에 가해지는 에너지 및 증류탑(160)에서 배출되는 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

천연가스는 전처리 과정을 거친 후, 제1 유로(101)를 따라 제2 열교환기(170)로 유입된다. 제2 열교환기(170)는 전처리 과정을 거친 기체 상태의 천연가스를 응축하여 응축된 천연가스로 상태변화시키는 역할을 한다.

제2 열교환기(170)에서 응축된 천연가스는 제2 유로(102)를 따라 배출된다. 이때, 제2 열교환기(170)에서 천연가스는 증류탑(160) 및 제1 열교환기(130)를 순차로 거쳐 냉각된 탑정 증기류와 상호 열교환을 한다.

그리고, 응축된 천연가스는 제2 유로(102)를 따라 기액 분리기(110)로 유입된다. 기액 분리기(110)는 응축된 천연가스를 기체 상태의 증기류와 액체 상태인 액체류로 분리하는 역할을 한다.

액체류는 제3 유로(113)를 따라 증류탑(160)의 하부위치로 유입된다.

그리고, 기액 분리기(110)에서 분리된 기체 상태의 증기류는 제4 유로(111)를 따라 기체 분리기(120)로 유입된다. 기체 분리기(120)는 미리 설정된 비율에 따라 증기류를 제1 증기류와 제2 증기류로 분리한다.

이때, 제1 증기류 및 제2 증기류는 2:8 내지 1:9의 몰비율로 분리된다. 이는, 증류탑(160)으로 유입되는 증기류를 상기와 같은 비율로 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하고, 제1 증기류를 이용하여 증류탑(160)에서 배출되는 탑정 증기류를 냉각함으로써, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180)에 사용되는 에너지를 절감하여 전체 천연가스 분별증류 장치(100)의 에너지 효율을 향상시키기 위함이다.

그리고, 기체 분리기(120)에서 분리된 제2 증기류는 제5 유로(122)를 따라 제2 팽창기(150)로 유입된다. 제2 팽창기(150)는 제2 증기류를 팽창시키고 그 온도를 하강시키는 역할을 한다.

제2 팽창기(150)에서 팽창된 제2 증기류는 그 온도가 하강함에 따라, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다.

제2 팽창기(150)를 거친 제2 증기류는 제6 유로(124)를 따라 증류탑(160)으로 유입된다. 이때, 제6 유로(124)를 거친 제2 증기류가 제3 유로(113)를 거친 액체류보다 증류탑(160)의 상부 위치로 유입되도록, 제6 유로(124)는 제3 유로(113)보다 증류탑(160)의 상부 위치에 연결된다.

이는, 증류탑(160)에서 기화된 후, 증류탑(160)의 상부로 배출되는 탑정 증기류를 제6 유로(124)를 따라 증류탑(160)으로 유입되는 제2 증기류를 이용하여 냉각하여, 탑정 증기류를 냉각함에 투입되는 냉열을 줄일 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 제1 증기류는 제7 유로(121)를 따라 제1 열교환기(130)로 유입되고, 제1 열교환기(130)에서 배출된 제1 증기류는 제8 유로(123)를 따라 제1 팽창기(140)로 순차로 유입된다.

제1 팽창기(140)에서 제1 증기류는 급격히 팽창되어 감압되고 그 온도가 급격히 하강되며, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다. 제1 팽창기(140)를 통과한 제1 증기류는 본 실시예에서 가장 낮은 온도를 유지한다.

한편, 제1 팽창기(140)에서 배출된 제1 증기류는 제9 유로(125)를 따라 재차 제1 열교환기(130)로 유입된다. 그리고, 제1 열교환기(130)에는 증류탑(160)의 상부에서 제11 유로(161)를 따라 배출되는 탑정 증기류가 유입된다.

이처럼, 제1 열교환기(130)는 제7 유로(121)를 따라 유입되는 제1 증기류와, 제9 유로(125)를 따라 재차 유입되는 제1 증기류 및 제11 유로(161)를 따라 유입되는 탑정 증기류를 상호 열교환시킨다.

이때, 제9 유로(125)를 따라 유입된 제1 증기류가 냉매의 역할을 한다. 따라서, 제7 유로(121)를 따라 유입된 제1 증기류는 응축되어 배출되며 또한 제11 유로(161)를 따라 유입된 탑정 증기류도 응축되어 제1 열교환기(130)에서 배출된다. 그리고, 제9 유로(125)를 따라 유입된 제1 증기류는 제1 열교환기(130)에서 가열되어 배출된다.

이처럼, 제1 열교환기(130)를 거친 탑정 증기류는 냉각되어 배출되므로, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있으며, 제1 팽창기(140)를 통과한 후 제1 열교환기(130)를 거친 제1 증기류는 승온되어 증류탑(160)에 유입되므로 증류탑(160)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

그리고, 제1 열교환기(130)를 거친 제1 증기류는 제10 유로(127)를 따라 증류탑(160)으로 유입되는데, 제6 유로(124)를 거친 제2 증기류보다 증류탑(160)의 상부 위치로 유입된다. 즉, 제10 유로(127)는 제6 유로(124)보다 증류탑(160)의 상부 위치에 연결된다.

이는, 증류탑(160)에서 기화된 후, 증류탑(160)의 상부로 배출되는 탑정 증기류를 제6 유로(124)를 따라 증류탑(160)으로 유입되는 제2 증기류 및 제10 유로(127)를 따라 증류탑(160)으로 유입되는 제1 증기류를 이용하여 순차로 냉각하여, 탑정 증기류를 냉각함에 투입되는 냉열을 줄일 수 있도록 하기 위함이다.

이와 같이, 증류탑(160)으로 유입된 액체류, 제1 증기류 및 제2 증기류는 증류탑(160)의 하부에 설치된 순환유로를 따라 증류탑(160)에 인접하게 설치된 리보일러(Reboiler,164)에 의해 가열 및 기화된 후, 다시 증류탑(160)으로 유입된다.

여기서, 증류탑(160)은 원료 천연가스로부터 메탄 강화 탑정(Overhead) 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류를 분별하는 역할을 한다.

탑정 증기류는 증류탑(160)의 상부에서 배출되어 제11 유로(161)를 따라 제1 열교환기(130)를 거쳐 냉각되고, 제1 열교환기(130)에서 제12 유로(163)를 따라 배출되어 제2 열교환기(170)에 유입된다.

제2 열교환기(170)는 전처리 과정을 거친 원료 천연가스와 제12 유로(163)를 따라 유입되는 탑정 증기류를 상호 열교환시키는 역할을 한다. 전술한 바와 같이, 제2 열교환기(170)를 거친 천연가스는 제2 유로(102)를 따라 응축되어 배출된다.

그리고, 제2 열교환기(170)에서 배출되는 탑정 증기류는 제13 유로(165)를 따라 압축기(180)로 유입되어 압축 및 응축된 후, 제14 유로(167)를 따라 저장용기(미도시)에 저장될 수 있다.

한편, 증류탑(160)에서 배출되는 메탄보다 중질인 성분강화 하부류는 증류탑(160)의 하부에 연결된 배출유로(162)를 따라 외부에 저장될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100a)에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100a)를 나타내는 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100a)는, 응축된 천연가스가 유입되되 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기(110a)와, 기액 분리기(110a)로부터 분리된 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기(120a)와, 기체 분리기(120a)에서 분리된 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기(130a)와, 제1 열교환기(130a)에서 응축된 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기(140a)와, 기체 분리기(120a)에서 분리된 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기(150a)와, 기액 분리기(110a)에서 분리된 액체류와 제1 팽창기(140a)에서 팽창된 제1 증기류 및 제2 팽창기(150a)에서 팽창된 제2 증기류가 유입되되 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑(160a)과, 제1 열교환기(130a)에서 열교환 후 배출되는 탑정 증기류와 천연가스를 상호 열교환하여 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기(170a)와, 제2 열교환기(170a)에서 열교환 후 배출되는 탑정 증기류를 압축하는 압축기(180a)를 포함한다.

본 실시예에서 천연가스 분별증류 장치(100a)는, 제2 팽창기(150a)에서 감압되어 냉각된 제2 증기류를 제1 열교환기(130a)의 냉매로 사용하여 증류탑(160a)에 가해지는 에너지 및 증류탑(160a)에서 배출되는 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180a)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

천연가스는 전처리 과정을 거친 후, 제1 유로(101a)를 따라 제2 열교환기(170a)로 유입된다. 제2 열교환기(170a)는 전처리 과정을 거친 기체 상태의 천연가스를 응축하여 응축된 천연가스로 상태변화시키는 역할을 한다.

제2 열교환기(170a)에서 응축된 천연가스는 제2 유로(102a)를 따라 배출된다. 이때, 제2 열교환기(170a)에서 천연가스는 증류탑(160a) 및 제1 열교환기(130a)를 순차로 거쳐 냉각된 탑정 증기류와 상호 열교환을 한다.

그리고, 응축된 천연가스는 제2 유로(102a)를 따라 기액 분리기(110a)로 유입된다. 기액 분리기(110a)는 응축된 천연가스를 기체 상태의 증기류와 액체 상태인 액체류로 분리하는 역할을 한다.

액체류는 제3 유로(113a)를 따라 증류탑(160a)의 하부위치로 유입된다.

그리고, 기액 분리기(110a)에서 분리된 기체 상태의 증기류는 제4 유로(111a)를 따라 기체 분리기(120a)로 유입된다. 기체 분리기(120a)는 미리 설정된 비율에 따라 증기류를 제1 증기류와 제2 증기류로 분리한다.

이때, 제1 증기류 및 제2 증기류는 2:8 내지 1:9의 몰비율로 분리된다. 이는, 증류탑(160a)으로 유입되는 증기류를 상기와 같은 비율로 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하고, 제2 증기류를 이용하여 증류탑(160a)에서 배출되는 탑정 증기류를 냉각함으로써, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180a)에 사용되는 에너지를 절감하여 전체 천연가스 분별증류 장치(100a)의 에너지 효율을 향상시키기 위함이다.

그리고, 기체 분리기(120a)에서 분리된 제1 증기류는 제7 유로(121a)를 따라 제1 열교환기(130a)로 유입되고, 제1 열교환기(130a)에서 배출된 제1 증기류는 제8 유로(123a)를 따라 제1 팽창기(140a)로 순차로 유입된다.

제1 팽창기(140a)에서 제1 증기류는 급격히 팽창되어 감압되고 그 온도가 급격히 하강되며, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다. 제1 팽창기(140a)를 통과한 제1 증기류는 본 실시예에서 가장 낮은 온도를 유지한다.

한편, 제1 팽창기(140a)에서 배출된 제1 증기류는 제9 유로(125a)를 따라 증류탑(160a)으로 유입되는데, 제10 유로(127a)를 거친 제2 증기류보다 증류탑(160a)의 상부 위치로 유입된다. 즉, 제9 유로(125a)는 제10 유로(127a)보다 증류탑(160a)의 상부 위치에 연결된다.

이는, 증류탑(160a)에서 기화된 후, 증류탑(160a)의 상부로 배출되는 탑정 증기류를 제10 유로(127a)를 따라 증류탑(160a)으로 유입되는 제2 증기류 및 제9 유로(125a)를 따라 증류탑(160a)으로 유입되는 제1 증기류를 이용하여 순차로 냉각하여, 탑정 증기류를 냉각함에 투입되는 냉열을 줄일 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 기체 분리기(120a)에서 분리된 제2 증기류는 제5 유로(122a)를 따라 제2 팽창기(150a)로 유입된다. 제2 팽창기(150a)는 제2 증기류를 팽창시키고 그 온도를 하강시키는 역할을 한다. 제2 팽창기(150a)에서 팽창된 제2 증기류는 그 온도가 하강함에 따라, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다.

제2 팽창기(150a)를 거친 제2 증기류는 제6 유로(124a)를 따라 제1 열교환기(130a)로 유입된다. 그리고, 제1 열교환기(130a)에는 증류탑(160a)의 상부에서 제11 유로(161a)를 따라 배출되는 탑정 증기류가 유입된다.

이처럼, 제1 열교환기(130a)는 제7 유로(121a)를 따라 유입되는 제1 증기류와, 제6 유로(124a)를 따라 유입되는 제2 증기류 및 제11 유로(161a)를 따라 유입되는 탑정 증기류를 상호 열교환시킨다.

이때, 제6 유로(124a)를 따라 유입된 제2 증기류가 냉매의 역할을 한다. 따라서, 제7 유로(121a)를 따라 유입된 제1 증기류는 응축되어 배출되며 또한 제11 유로(161a)를 따라 유입된 탑정 증기류도 응축되어 제1 열교환기(130a)에서 배출된다. 그리고, 제6 유로(124a)를 따라 유입된 제2 증기류는 제1 열교환기(130a)에서 가열되어 배출된다.

이처럼, 제1 열교환기(130a)를 거친 탑정 증기류는 냉각되어 배출되므로, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180a)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있으며, 제2 팽창기(150a)를 통과한 후 제1 열교환기(130a)를 거친 제2 증기류는 승온되어 증류탑(160a)에 유입되므로 증류탑(160a)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

그리고, 제1 열교환기(130a)를 거친 제2 증기류는 제10 유로(127a)를 따라 증류탑(160a)으로 유입되는데, 제9 유로(125a)를 거친 제1 증기류보다 증류탑(160a)의 하부 위치로 유입된다. 즉, 제10 유로(127a)는 제9 유로(125a)보다 증류탑(160a)의 하부 위치에 연결된다.

이와 같이, 증류탑(160a)으로 유입된 액체류, 제1 증기류 및 제2 증기류는 증류탑(160a)의 하부에 설치된 순환유로를 따라 증류탑(160a)에 인접하게 설치된 리보일러(Reboiler,164aa)에 의해 가열 및 기화된 후, 다시 증류탑(160a)으로 유입된다.

여기서, 증류탑(160a)은 원료 천연가스로부터 메탄 강화 탑정(Overheada) 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류를 분별하는 역할을 한다.

탑정 증기류는 증류탑(160a)의 상부에서 배출되어 제11 유로(161a)를 따라 제1 열교환기(130a)를 거쳐 냉각되고, 제1 열교환기(130a)에서 제12 유로(163a)를 따라 배출되어 제2 열교환기(170a)에 유입된다.

제2 열교환기(170a)는 전처리 과정을 거친 원료 천연가스와 제12 유로(163a)를 따라 유입되는 탑정 증기류를 상호 열교환시키는 역할을 한다. 전술한 바와 같이, 제2 열교환기(170a)를 거친 천연가스는 제2 유로(102a)를 따라 응축되어 배출된다.

그리고, 제2 열교환기(170a)에서 배출되는 탑정 증기류는 제13 유로(165a)를 따라 압축기(180a)로 유입되어 압축 및 응축된 후, 제14 유로(167a)를 따라 저장용기(미도시)에 저장될 수 있다.

한편, 증류탑(160a)에서 배출되는 메탄보다 중질인 성분강화 하부류는 증류탑(160a)의 하부에 연결된 배출유로(162a)를 따라 외부에 저장될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100b)에 대하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100b)를 나타내는 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100b)는, 응축된 천연가스가 유입되되 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기(110b)와, 기액 분리기(110b)로부터 분리된 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기(120b)와, 기체 분리기(120b)에서 분리된 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기(130b)와, 제1 열교환기(130b)에서 응축된 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기(140b)와, 기체 분리기(120b)에서 분리된 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기(150b)와, 기액 분리기(110b)에서 분리된 액체류와 제1 팽창기(140b)에서 팽창된 제1 증기류 및 제2 팽창기(150b)에서 팽창된 제2 증기류가 유입되되 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑(160b)과, 제1 열교환기(130b)에서 제1 증기류와 상호 열교환한 후 제1 열교환기(130b)에서 배출되는 탑정 증기류와 제1 팽창기(140b)에서 팽창된 제1 증기류 및 천연가스를 상호 열교환하여 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기(170b)와, 제2 열교환기(170b)에서 열교환 후 배출되는 탑정 증기류를 압축하는 압축기(180b)를 포함한다.

본 실시예에서 천연가스 분별증류 장치(100b)는, 제1 팽창기(140b)에서 감압되어 냉각된 제1 증기류를 제2 열교환기(170b)의 냉매로 사용하여 증류탑(160b)에 가해지는 에너지 및 증류탑(160b)에서 배출되는 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180b)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

천연가스는 전처리 과정을 거친 후, 제1 유로(101b)를 따라 제2 열교환기(170b)로 유입된다. 제2 열교환기(170b)는 전처리 과정을 거친 기체 상태의 천연가스를 응축하여 응축된 천연가스로 상태변화시키는 역할을 한다.

제2 열교환기(170b)는 천연가스와 증류탑(160b) 및 제1 열교환기(130b)를 순차로 거쳐 냉각된 탑정 증기류 및 제1 팽창기(140b)를 거쳐 감압 및 냉각된 제1 증기류를 상호 열교환시킨다.

제2 열교환기(170b)에서 응축된 천연가스는 제2 유로(102b)를 따라 배출된다. 그리고, 응축된 천연가스는 제2 유로(102b)를 따라 기액 분리기(110b)로 유입된다. 기액 분리기(110b)는 응축된 천연가스를 기체 상태의 증기류와 액체 상태인 액체류로 분리하는 역할을 한다.

액체류는 제3 유로(113b)를 따라 증류탑(160b)의 하부위치로 유입된다.

그리고, 기액 분리기(110b)에서 분리된 기체 상태의 증기류는 제4 유로(111b)를 따라 기체 분리기(120b)로 유입된다. 기체 분리기(120b)는 미리 설정된 비율에 따라 증기류를 제1 증기류와 제2 증기류로 분리한다.

이때, 제1 증기류 및 제2 증기류는 2:8 내지 1:9의 몰비율로 분리된다. 이는, 증류탑(160b)으로 유입되는 증기류를 상기와 같은 비율로 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하고, 제1 증기류를 이용하여 증류탑(160b)에서 배출되는 탑정 증기류를 냉각함으로써, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180b)에 사용되는 에너지를 절감하여 전체 천연가스 분별증류 장치(100b)의 에너지 효율을 향상시키기 위함이다.

그리고, 기체 분리기(120b)에서 분리된 제2 증기류는 제5 유로(122b)를 따라 제2 팽창기(150b)로 유입된다. 제2 팽창기(150b)는 제2 증기류를 팽창시키고 그 온도를 하강시키는 역할을 한다.

제2 팽창기(150b)에서 팽창된 제2 증기류는 그 온도가 하강함에 따라, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다.

제2 팽창기(150b)를 거친 제2 증기류는 제6 유로(124b)를 따라 증류탑(160b)으로 유입된다. 이때, 제6 유로(124b)를 거친 제2 증기류가 제3 유로(113b)를 거친 액체류보다 증류탑(160b)의 상부 위치로 유입되도록, 제6 유로(124b)는 제3 유로(113b)보다 증류탑(160b)의 상부 위치에 연결된다.

이는, 증류탑(160b)에서 기화된 후, 증류탑(160b)의 상부로 배출되는 탑정 증기류를 제6 유로(124b)를 따라 증류탑(160b)으로 유입되는 제2 증기류를 이용하여 냉각하여, 탑정 증기류를 냉각함에 투입되는 냉열을 줄일 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 제1 증기류는 제7 유로(121b)를 따라 제1 열교환기(130b)로 유입되고, 제1 열교환기(130b)에서 배출된 제1 증기류는 제8 유로(123b)를 따라 제1 팽창기(140b)로 순차로 유입된다.

제1 팽창기(140b)에서 제1 증기류는 급격히 팽창되어 감압되고 그 온도가 급격히 하강되며, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다. 제1 팽창기(140b)를 통과한 제1 증기류는 본 실시예에서 가장 낮은 온도를 유지한다.

한편, 제1 팽창기(140b)에서 배출된 제1 증기류는 제9 유로(125b)를 따라 제2 열교환기(170b)로 유입된다.

제2 열교환기(170b)를 거친 제1 증기류는 제10 유로(127b)를 따라 증류탑(160b)으로 유입되는데, 제6 유로(124b)를 거친 제2 증기류보다 증류탑(160b)의 상부 위치로 유입된다. 즉, 제10 유로(127b)는 제6 유로(124b)보다 증류탑(160b)의 상부 위치에 연결된다.

이는, 증류탑(160b)에서 기화된 후, 증류탑(160b)의 상부로 배출되는 탑정 증기류를 제6 유로(124b)를 따라 증류탑(160b)으로 유입되는 제2 증기류 및 제10 유로(127b)를 따라 증류탑(160b)으로 유입되는 제1 증기류를 이용하여 순차로 냉각하여, 탑정 증기류를 냉각함에 투입되는 냉열을 줄일 수 있도록 하기 위함이다.

이와 같이, 증류탑(160b)으로 유입된 액체류, 제1 증기류 및 제2 증기류는 증류탑(160b)의 하부에 설치된 순환유로를 따라 증류탑(160b)에 인접하게 설치된 리보일러(Reboiler,164b)에 의해 가열 및 기화된 후, 다시 증류탑(160b)으로 유입된다.

여기서, 증류탑(160b)은 원료 천연가스로부터 메탄 강화 탑정(Overheadb) 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류를 분별하는 역할을 한다.

탑정 증기류는 증류탑(160b)의 상부에서 배출되어 제11 유로(161b)를 따라 제1 열교환기(130b)를 거쳐 냉각되고, 제1 열교환기(130b)에서 제12 유로(163b)를 따라 배출되어 제2 열교환기(170b)에 유입된다.

제2 열교환기(170b)는 전처리 과정을 거친 원료 천연가스와 제12 유로(163b)를 따라 유입되는 탑정 증기류 및 제9 유로(125b)를 따라 유입되는 제1 증기류를 상호 열교환시키는 역할을 한다. 전술한 바와 같이, 제2 열교환기(170b)를 거친 천연가스는 제2 유로(102b)를 따라 응축되어 배출된다.

제2 열교환기(170b)에서 제9 유로(125b)를 따라 유입된 제1 증기류가 냉매의 역할을 한다. 따라서, 제1 유로(101b)를 따라 유입된 천연가스는 응축되어 배출되며 또한 제12 유로(163b)를 따라 유입된 탑정 증기류도 응축되어 제2 열교환기(170b)에서 배출된다. 그리고, 제9 유로(125b)를 따라 유입된 제1 증기류는 제2 열교환기(170b)에서 가열되어 배출된다.

이처럼, 제2 열교환기(170b)를 거친 탑정 증기류는 냉각되어 배출되므로, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180b)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있으며, 제1 팽창기(140b)를 통과한 후 제2 열교환기(170b)를 거친 제1 증기류는 승온되어 증류탑(160b)에 유입되므로 증류탑(160b)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

그리고, 제2 열교환기(170b)에서 배출되는 탑정 증기류는 제13 유로(165b)를 따라 압축기(180b)로 유입되어 압축 및 응축된 후, 제14 유로(167b)를 따라 저장용기(미도시)에 저장될 수 있다.

한편, 증류탑(160b)에서 배출되는 메탄보다 중질인 성분강화 하부류는 증류탑(160b)의 하부에 연결된 배출유로(162b)를 따라 외부에 저장될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 제4 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100c)에 대하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100c)를 나타내는 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100c)는, 응축된 천연가스가 유입되되 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기(110c)와, 기액 분리기(110c)로부터 분리된 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기(120c)와, 기체 분리기(120c)에서 분리된 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기(130c)와, 제1 열교환기(130c)에서 응축된 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기(140c)와, 기체 분리기(120c)에서 분리된 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기(150c)와, 기액 분리기(110c)에서 분리된 액체류와 제1 팽창기(140c)에서 팽창된 제1 증기류 및 제2 팽창기(150c)에서 팽창된 제2 증기류가 유입되되 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑(160c)과, 제1 열교환기(130c)에서 제1 증기류와 상호 열교환한 후 제1 열교환기(130c)에서 배출되는 탑정 증기류와 제2 팽창기(150c)에서 팽창된 제2 증기류 및 천연가스를 상호 열교환하여 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기(170c)와, 제2 열교환기(170c)에서 열교환 후 배출되는 탑정 증기류를 압축하는 압축기(180c)를 포함한다.

본 실시예에서 천연가스 분별증류 장치(100c)는, 제2 팽창기(150c)에서 감압되어 냉각된 제2 증기류를 제2 열교환기(170c)의 냉매로 사용하여 증류탑(160c)에 가해지는 에너지 및 증류탑(160c)에서 배출되는 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180c)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

천연가스는 전처리 과정을 거친 후, 제1 유로(101c)를 따라 제2 열교환기(170c)로 유입된다. 제2 열교환기(170c)는 전처리 과정을 거친 기체 상태의 천연가스를 응축하여 응축된 천연가스로 상태변화시키는 역할을 한다.

제2 열교환기(170c)는 천연가스와 증류탑(160c) 및 제1 열교환기(130c)를 순차로 거쳐 냉각된 탑정 증기류 및 제2 팽창기(150c)를 거쳐 감압 및 냉각된 제2 증기류를 상호 열교환시킨다.

제2 열교환기(170c)에서 응축된 천연가스는 제2 유로(102c)를 따라 배출된다. 그리고, 응축된 천연가스는 제2 유로(102c)를 따라 기액 분리기(110c)로 유입된다. 기액 분리기(110c)는 응축된 천연가스를 기체 상태의 증기류와 액체 상태인 액체류로 분리하는 역할을 한다.

액체류는 제3 유로(113c)를 따라 증류탑(160c)의 하부위치로 유입된다.

그리고, 기액 분리기(110c)에서 분리된 기체 상태의 증기류는 제4 유로(111c)를 따라 기체 분리기(120c)로 유입된다. 기체 분리기(120c)는 미리 설정된 비율에 따라 증기류를 제1 증기류와 제2 증기류로 분리한다.

이때, 제1 증기류 및 제2 증기류는 2:8 내지 1:9의 몰비율로 분리된다. 이는, 증류탑(160c)으로 유입되는 증기류를 상기와 같은 비율로 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하고, 제2 증기류를 이용하여 증류탑(160c)에서 배출되는 탑정 증기류를 냉각함으로써, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180c)에 사용되는 에너지를 절감하여 전체 천연가스 분별증류 장치(100c)의 에너지 효율을 향상시키기 위함이다.

그리고, 기체 분리기(120c)에서 분리된 제1 증기류는 제7 유로(121c)를 따라 제1 열교환기(130c)로 유입되고, 제1 열교환기(130c)에서 배출된 제1 증기류는 제8 유로(123c)를 따라 제1 팽창기(140c)로 순차로 유입된다.

제1 팽창기(140c)에서 제1 증기류는 급격히 팽창되어 감압되고 그 온도가 급격히 하강되며, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다. 제1 팽창기(140c)를 통과한 제1 증기류는 본 실시예에서 가장 낮은 온도를 유지한다.

한편, 제1 팽창기(140c)에서 배출된 제1 증기류는 제9 유로(125c)를 따라 증류탑(160c)으로 유입되는데, 제10 유로(126c)를 거친 제2 증기류보다 증류탑(160c)의 상부 위치로 유입된다. 즉, 제9 유로(125c)는 제10 유로(126c)보다 증류탑(160c)의 상부 위치에 연결된다.

이는, 증류탑(160c)에서 기화된 후, 증류탑(160c)의 상부로 배출되는 탑정 증기류를 제10 유로(126c)를 따라 증류탑(160c)으로 유입되는 제2 증기류 및 제9 유로(125c)를 따라 증류탑(160c)으로 유입되는 제1 증기류를 이용하여 순차로 냉각하여, 탑정 증기류를 냉각함에 투입되는 냉열을 줄일 수 있도록 하기 위함이다.

그리고, 기체 분리기(120c)에서 분리된 제2 증기류는 제5 유로(122c)를 따라 제2 팽창기(150c)로 유입된다. 제2 팽창기(150c)는 제2 증기류를 팽창시키고 그 온도를 하강시키는 역할을 한다. 제2 팽창기(150c)에서 팽창된 제2 증기류는 그 온도가 하강함에 따라, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다.

한편, 제2 팽창기(150c)를 거친 제2 증기류는 제6 유로(124c)를 따라 제2 열교환기(170c)로 유입된다.

그리고, 제2 열교환기(170c)를 거친 제2 증기류는 제10 유로(126c)를 따라 증류탑(160c)으로 유입되는데, 제9 유로(125c)를 거친 제1 증기류보다 증류탑(160c)의 하부 위치로 유입된다. 즉, 제10 유로(126c)는 제9 유로(125c)보다 증류탑(160c)의 하부 위치에 연결된다.

이와 같이, 증류탑(160c)으로 유입된 액체류, 제1 증기류 및 제2 증기류는 증류탑(160c)의 하부에 설치된 순환유로를 따라 증류탑(160c)에 인접하게 설치된 리보일러(Reboiler,164ac)에 의해 가열 및 기화된 후, 다시 증류탑(160c)으로 유입된다.

여기서, 증류탑(160c)은 원료 천연가스로부터 메탄 강화 탑정(Overheadc) 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류를 분별하는 역할을 한다.

탑정 증기류는 증류탑(160c)의 상부에서 배출되어 제11 유로(161c)를 따라 제1 열교환기(130c)를 거쳐 냉각되고, 제1 열교환기(130c)에서 제12 유로(163c)를 따라 배출되어 제2 열교환기(170c)에 유입된다.

제2 열교환기(170c)는 전처리 과정을 거친 원료 천연가스와 제12 유로(163c)를 따라 유입되는 탑정 증기류 및 제6 유로(124c)를 따라 유입되는 제2 증기류를 상호 열교환시키는 역할을 한다. 전술한 바와 같이, 제2 열교환기(170c)를 거친 천연가스는 제2 유로(102c)를 따라 응축되어 배출된다.

제2 열교환기(170c)에서 제6 유로(124c)를 따라 유입된 제2 증기류가 냉매의 역할을 한다. 따라서, 제1 유로(101c)를 따라 유입된 천연가스는 응축되어 배출되며 또한 제12 유로(163c)를 따라 유입된 탑정 증기류도 응축되어 제2 열교환기(170c)에서 배출된다. 그리고, 제6 유로(124c)를 따라 유입된 제2 증기류는 제2 열교환기(170c)에서 가열되어 배출된다.

이처럼, 제2 열교환기(170c)를 거친 탑정 증기류는 냉각되어 배출되므로, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180c)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있으며, 제2 팽창기(150c)를 통과한 후 제2 열교환기(170c)를 거친 제2 증기류는 승온되어 증류탑(160c)에 유입되므로 증류탑(160c)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

그리고, 제2 열교환기(170c)에서 배출되는 탑정 증기류는 제13 유로(165c)를 따라 압축기(180c)로 유입되어 압축 및 응축된 후, 제14 유로(167c)를 따라 저장용기(미도시)에 저장될 수 있다.

한편, 증류탑(160c)에서 배출되는 메탄보다 중질인 성분강화 하부류는 증류탑(160c)의 하부에 연결된 배출유로(162c)를 따라 외부에 저장될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 제5 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100d)에 대하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100d)를 나타내는 구성도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 천연가스 분별증류 장치(100d)는, 응축된 천연가스가 유입되되 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기(110d)와, 기액 분리기(110d)로부터 분리된 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기(120d)와, 기체 분리기(120d)에서 분리된 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기(130d)와, 제1 열교환기(130d)에서 응축된 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기(140d)와, 제1 팽창기(140d)에서 팽창된 제1 증기류를 가열하는 제3 열교환기(190d)와, 기체 분리기(120d)에서 분리된 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기(150d)와, 기액 분리기(110d)에서 분리된 액체류와 제3 열교환기(190d)에서 가열된 제1 증기류 및 제2 팽창기(150d)에서 팽창된 제2 증기류가 유입되되 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑(160d)과, 제3 열교환기(190d)에서 열교환 후 배출되는 탑정 증기류와 천연가스를 상호 열교환하여 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기(170d)와, 제2 열교환기(170d)에서 열교환 후 배출되는 탑정 증기류를 압축하는 압축기(180d)를 포함한다.

본 실시예에서 천연가스 분별증류 장치(100d)는, 제1 열교환기(130d)에서 배출되는 탑정 증기류와 제1 팽창기(140d)에서 배출되는 제1 증기류를 상호 열교환하는 제3 열교환기(190d)를 추가로 설치함으로써, 증류탑(160d)에 가해지는 에너지 및 증류탑(160d)에서 배출되는 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180d)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

천연가스는 전처리 과정을 거친 후, 제1 유로(101d)를 따라 제2 열교환기(170d)로 유입된다. 제2 열교환기(170d)는 전처리 과정을 거친 기체 상태의 천연가스를 응축하여 응축된 천연가스로 상태변화시키는 역할을 한다.

제2 열교환기(170d)에서 응축된 천연가스는 제2 유로(102d)를 따라 배출된다. 이때, 제2 열교환기(170d)에서 천연가스는 증류탑(160d), 제1 열교환기(130d) 및 제3 열교환기(190d)를 순차로 거쳐 냉각된 탑정 증기류와 상호 열교환을 한다.

그리고, 응축된 천연가스는 제2 유로(102d)를 따라 기액 분리기(110d)로 유입된다. 기액 분리기(110d)는 응축된 천연가스를 기체 상태의 증기류와 액체 상태인 액체류로 분리하는 역할을 한다.

액체류는 제3 유로(113d)를 따라 증류탑(160d)의 하부위치로 유입된다.

그리고, 기액 분리기(110d)에서 분리된 기체 상태의 증기류는 제4 유로(111d)를 따라 기체 분리기(120d)로 유입된다. 기체 분리기(120d)는 미리 설정된 비율에 따라 증기류를 제1 증기류와 제2 증기류로 분리한다.

이때, 제1 증기류 및 제2 증기류는 2:8 내지 1:9의 몰비율로 분리된다. 이는, 증류탑(160d)으로 유입되는 증기류를 상기와 같은 비율로 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하고, 제1 증기류를 이용하여 증류탑(160d)에서 배출되는 탑정 증기류를 냉각함으로써, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180d)에 사용되는 에너지를 절감하여 전체 천연가스 분별증류 장치(100d)의 에너지 효율을 향상시키기 위함이다.

그리고, 기체 분리기(120d)에서 분리된 제2 증기류는 제5 유로(122d)를 따라 제2 팽창기(150d)로 유입된다. 제2 팽창기(150d)는 제2 증기류를 팽창시키고 그 온도를 하강시키는 역할을 한다.

제2 팽창기(150d)에서 팽창된 제2 증기류는 그 온도가 하강함에 따라, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다.

제2 팽창기(150d)를 거친 제2 증기류는 제6 유로(124d)를 따라 증류탑(160d)으로 유입된다. 이때, 제6 유로(124d)를 거친 제2 증기류가 제3 유로(113d)를 거친 액체류보다 증류탑(160d)의 상부 위치로 유입되도록, 제6 유로(124d)는 제3 유로(113d)보다 증류탑(160d)의 상부 위치에 연결된다.

이는, 증류탑(160d)에서 기화된 후, 증류탑(160d)의 상부로 배출되는 탑정 증기류를 제6 유로(124d)를 따라 증류탑(160d)으로 유입되는 제2 증기류를 이용하여 냉각하여, 탑정 증기류를 냉각함에 투입되는 냉열을 줄일 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 제1 증기류는 제7 유로(121d)를 따라 제1 열교환기(130d)로 유입되고, 제1 열교환기(130d)에서 배출된 제1 증기류는 제8 유로(123d)를 따라 제1 팽창기(140d)로 순차로 유입된다.

제1 팽창기(140d)에서 제1 증기류는 급격히 팽창되어 감압되고 그 온도가 급격히 하강되며, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다. 제1 팽창기(140d)를 통과한 제1 증기류는 본 실시예에서 가장 낮은 온도를 유지한다.

그리고, 제1 팽창기(140d)에서 배출된 제1 증기류는 제9 유로(125d)를 따라 제3 열교환기(190d)로 유입된다. 그리고, 제3 열교환기(190d)에는 증류탑(160d)의 상부에서 제11 유로(161d) 및 제12 유로(163d)를 따라 배출되는 탑정 증기류가 유입된다.

제1 열교환기(130d)는 제7 유로(121d)를 따라 유입되는 제1 증기류와, 제11 유로(161d)를 따라 유입되는 탑정 증기류를 상호 열교환시킨다.

이때, 제1 열교환기(130d)에서 제7 유로(121d)를 따라 유입된 제1 증기류가 냉매의 역할을 한다. 따라서, 제7 유로(121d)를 따라 유입된 제1 증기류는 가열되어 배출되며 제11 유로(161d)를 따라 유입된 탑정 증기류는 응축되어 배출된다.

이처럼, 제1 열교환기(130d)를 거친 탑정 증기류는 냉각되어 배출되므로, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180d)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

그리고, 제1 열교환기(130d)를 거친 제1 증기류는 제8 유로(123d)를 따라 제1 팽창기(140d)로 유입된다. 제1 팽창기(140d)에서 제1 증기류는 급격히 팽창되어 감압되고 그 온도가 급격히 하강되며, 기체 상태에서 액체 상태로 변화될 수 있으며, 또한 기체 상태와 액체 상태가 병존할 수 있다. 제1 팽창기(140d)를 통과한 제1 증기류는 본 실시예에서 가장 낮은 온도를 유지한다.

한편, 제1 팽창기(140d)에서 배출된 제1 증기류는 제9 유로(125d)를 따라 제3 열교환기(190d)로 유입된다. 그리고, 제3 열교환기(190d)에는 제12 유로(163d)를 따라 제1 열교환기(130d)에 배출되는 탑정 증기류가 유입된다.

제3 열교환기(190d)는 제9 유로(125d)를 따라 유입되는 제1 증기류와, 제12 유로(163d)를 따라 유입되는 탑정 증기류를 상호 열교환시킨다.

이때, 제9 유로(125d)를 따라 유입된 제1 증기류가 냉매의 역할을 한다. 따라서, 제12 유로(163d)를 따라 유입된 탑정 증기류는 응축되어 배출되고, 제9 유로(125d)를 따라 유입된 제1 증기류는 제3 열교환기(190d)에서 가열되어 배출된다.

이처럼, 제3 열교환기(190d)를 거친 탑정 증기류는 냉각되어 배출되므로, 탑정 증기류를 응축 및 냉각하는 압축기(180d)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있으며, 제1 팽창기(140d)를 통과한 후 제3 열교환기(190d)를 거친 제1 증기류는 승온되어 증류탑(160d)에 유입되므로 증류탑(160d)에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.

그리고, 제3 열교환기(190d)를 거친 제1 증기류는 제10 유로(127d)를 따라 증류탑(160d)으로 유입되는데, 제6 유로(124d)를 거친 제2 증기류보다 증류탑(160d)의 상부 위치로 유입된다. 즉, 제10 유로(127d)는 제6 유로(124d)보다 증류탑(160d)의 상부 위치에 연결된다.

이는, 증류탑(160d)에서 기화된 후, 증류탑(160d)의 상부로 배출되는 탑정 증기류를 제6 유로(124d)를 따라 증류탑(160d)으로 유입되는 제2 증기류 및 제10 유로(127d)를 따라 증류탑(160d)으로 유입되는 제1 증기류를 이용하여 순차로 냉각하여, 탑정 증기류를 냉각함에 투입되는 냉열을 줄일 수 있도록 하기 위함이다.

이와 같이, 증류탑(160d)으로 유입된 액체류, 제1 증기류 및 제2 증기류는 증류탑(160d)의 하부에 설치된 순환유로를 따라 증류탑(160d)에 인접하게 설치된 리보일러(Reboiler,164d)에 의해 가열 및 기화된 후, 다시 증류탑(160d)으로 유입된다.

여기서, 증류탑(160d)은 원료 천연가스로부터 메탄 강화 탑정(Overheadd) 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류를 분별하는 역할을 한다.

탑정 증기류는 증류탑(160d)의 상부에서 배출되어 제11 유로(161d)를 따라 제1 열교환기(130d)를 거쳐 냉각되고, 또한 제12 유로(163d)를 따라 제3 열교환기(190d)를 거쳐 냉각된 후, 제15 유로(165d)를 따라 제2 열교환기(170d)에 유입된다.

제2 열교환기(170d)는 전처리 과정을 거친 원료 천연가스와 제15 유로(165d)를 따라 유입되는 탑정 증기류를 상호 열교환시키는 역할을 한다. 전술한 바와 같이, 제2 열교환기(170d)를 거친 천연가스는 제2 유로(102d)를 따라 응축되어 배출된다.

그리고, 제2 열교환기(170d)에서 배출되는 탑정 증기류는 제13 유로(167d)를 따라 압축기(180d)로 유입되어 압축 및 응축된 후, 제14 유로(169d)를 따라 저장용기(미도시)에 저장될 수 있다.

한편, 증류탑(160d)에서 배출되는 메탄보다 중질인 성분강화 하부류는 증류탑(160d)의 하부에 연결된 배출유로(162d)를 따라 외부에 저장될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

110: 기액 분리기 120: 기체 분리기
130: 제1 열교환기 140: 제1 팽창기
150: 제2 팽창기 160: 증류탑
170: 제2 열교환기 180: 압축기
190: 제3 열교환기

Claims

응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기;
상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기; 및
상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑을 포함하며,
상기 제1 열교환기는,
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 탑정 증기류를 상호 열교환시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 분별증류 장치.
응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기;
상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기; 및
상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑을 포함하며,
상기 제1 열교환기는,
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류와, 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류 및 상기 탑정 증기류를 상호 열교환시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 분별증류 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 열교환기에서 열교환 후 배출되는 상기 탑정 증기류와 천연가스를 상호 열교환하여 상기 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기를 더 포함하는 천연가스 분별증류 장치.
제3항에 있어서,
상기 제2 열교환기에서 열교환 후 배출되는 상기 탑정 증기류를 압축하는 압축기를 더 포함하는 천연가스 분별증류 장치.
응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기;
상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기;
상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑; 및
상기 제1 열교환기에서 상기 제1 증기류와 상호 열교환한 후 상기 제1 열교환기에서 배출되는 상기 탑정 증기류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 천연가스를 상호 열교환하여 상기 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기를 포함하는 천연가스 분별증류 장치.
응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기;
상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기;
상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑; 및
상기 제1 열교환기에서 상기 제1 증기류와 상호 열교환한 후 상기 제1 열교환기에서 배출되는 상기 탑정 증기류와, 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류 및 천연가스를 상호 열교환하여 상기 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기를 포함하는 천연가스 분별증류 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 제2 열교환기에서 열교환 후 배출되는 상기 탑정 증기류를 압축하는 압축기를 더 포함하는 천연가스 분별증류 장치.
응축된 천연가스가 유입되되, 상기 응축된 천연가스를 증기류와 액체류로 분리하는 기액 분리기;
상기 기액 분리기로부터 분리된 상기 증기류를 제1 증기류 및 제2 증기류로 분리하는 기체 분리기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류를 응축하는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에서 응축된 상기 제1 증기류를 팽창시키는 제1 팽창기;
상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류를 가열하는 제3 열교환기;
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제2 증기류를 팽창시키는 제2 팽창기; 및
상기 기액 분리기에서 분리된 상기 액체류와, 상기 제3 열교환기에서 가열된 상기 제1 증기류 및 상기 제2 팽창기에서 팽창된 상기 제2 증기류가 유입되되, 메탄을 포함하는 탑정 증기류 및 메탄보다 중질인 성분강화 하부류로 분별하는 증류탑을 포함하며,
상기 제1 열교환기는,
상기 기체 분리기에서 분리된 상기 제1 증기류와, 상기 탑정 증기류를 상호 열교환시키고,
상기 제3 열교환기는,
상기 제1 팽창기에서 팽창된 상기 제1 증기류와, 상기 제1 열교환기에서 배출되는 상기 탑정 증기류를 상호 열교환시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 분별증류 장치.
제8항에 있어서,
상기 제3 열교환기에서 열교환 후 배출되는 상기 탑정 증기류와, 천연가스를 상호 열교환하여 상기 응축된 천연가스를 배출하는 제2 열교환기를 더 포함하는 천연가스 분별증류 장치.
제9항에 있어서,
상기 제2 열교환기에서 열교환 후 배출되는 상기 탑정 증기류를 압축하는 압축기를 더 포함하는 천연가스 분별증류 장치.
제1항, 제2항, 제5항, 제6항, 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기체 분리기는,
상기 제1 증기류와 상기 제2 증기류를 2:8 내지 1:9의 몰비율로 분리하는 것을 특징으로 하는 천연가스 분별증류 장치.