KR101659224B1 - 냉각된 열 펌프를 이용하는 액화 천연 가스 제조시의 통합된 질소 제거 - Google Patents

냉각된 열 펌프를 이용하는 액화 천연 가스 제조시의 통합된 질소 제거 Download PDF

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고우리 크리쉬나무씨
페이 첸
양 리우
마크 쥴리안 로버츠
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고, 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은 제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시키고, 질소 풍부 생성물을 형성하기 위해 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림을 증류 칼럼에서 분리하는 단계를 포함하며, 증류 칼럼에 대한 환류를 제공하는 폐루프 냉각 장치가 메인 열교환기에 그리고 응축기 열교환기에 대한 냉각을 제공한다.

Description

냉각된 열 펌프를 이용하는 액화 천연 가스 제조시의 통합된 질소 제거{INTEGRATED NITROGEN REMOVAL IN THE PRODUCTION OF LIQUEFIED NATURAL GAS USING REFRIGERATED HEAT PUMP}
본 발명은 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 (예를 들어, 천연 가스 액화 플랜트 또는 다른 형태의 처리 설비와 같은) 장치에 관한 것이다.
천연 가스를 액화시키는 과정에서, 예를 들어 순도 및/또는 복구 요구로 인하여 원료 스트림으로부터 질소를 제거하는 반면에 생성물(메탄) 손실을 최소화하는 가끔 바람직하거나 필요하다. 제거된 질소 생성물은 연료 가스로 사용될 수 있거나 대기로 배기될 수 있다. 연료 가스로 사용된다면, 열량을 유지하기 위하여 질소 생성물은 상당한 양의 메탄(전형적으로 30 몰 % 이상)을 포함해야 한다. 이 경우에, 질소 생성물의 순도에 대한 정밀하지 않은 사양으로 인하여 질소의 분리는 어렵지 않으며, 최소한의 부가적 설비와 동력 소비를 갖는 가장 효율적인 공정을 선택하는 목적이 있다. 전기 모터로 구동되는 많은 소형 그리고 중형 액화 천연 가스(LNG) 설비에서, 연료 가스에 대한 요구가 거의 없으며 그리고 질소 생성물은 대기로 배기되어야 한다. 배기된다면, 환경적 관심으로 인하여 그리고/또는 메탄 회수 필요 조건으로 인하여 질소 생성물은 엄격한 순도 사양(예를 들어, 95 몰% 이상 또는 99 몰% 이상)을 만족시켜야 한다. 이 순도 필요 조건은 분리에 대한 도전을 제기한다. 천연 가스 원료 내에서의 매우 높은 질소 농도(전형적으로 10 몰% 이상, 일부 경우에 20 몰%까지 또는 그 이상)의 경우에, 전용 질소 폐기 유니트(NRU)는 질소를 효율적으로 제거하고 순수한 질소 생성물(99 몰% 이상)을 제조하기 위한 강력한 방법인 것으로 판명되었다. 그러나, 대부분의 경우에 천연 가스는 약 1 내지 10 몰%의 질소를 함유한다. 원료 내의 질소 농도가 이 범위 내에 있을 때, 부가적인 설비와 관련된 복잡도로 인한 높은 자본 비용에 의하여 NRU의 적용 가능성이 저해된다. 많은 선행 기술 문헌이 천연 가스에서 질소를 제거하기 위하여, NRU에 질소 재순환 스트림을 추가하거나 전용 정류기 칼럼을 이용하는 것을 포함하는 대안적인 해결책을 제안하고 있다. 그러나, 이 공정들은 흔히 매우 복잡하며, (관련된 자본 비용과 함께) 다량의 설비를 필요로 하고, 특히 낮은 질소 농도(5 몰% 미만)의 원료 스트림을 위하여 작동시키기 어려우며 그리고/또는 비효율적이다. 더욱이, 천연 가스 원료 내의 질소 농도가 시간에 따라 변화하는 것은 흔히 있는 경우이며, 이는 공정이 현재 질소 함유량이 높은 원료를 처리하고 있음에도 불구하고 이 경우를 유지할 것이라는 것을 공정이 보장할 수 없다는 것을 의미한다. 따라서, 간단하고 효율적이면서 낮은 질소 농도를 갖는 천연 가스 원료로부터 질소를 효과적으로 제거할 수 있는 공정을 개발하는 것이 바람직할 것이다.
미국특허 제3,721,099호는 천연 가스를 액화시키고 정류에 의하여 액화 천연 가스로부터 질소를 분리하는 공정을 개시한다. 이 공정에서, 천연 가스 원료는 사전 냉각되고 그리고 일련의 열교환기 내에서 부분적으로 액화되며, 상 분리기 내에서 액상과 기상 상태로 분리된다. 천연 가스 증기 스트림은 그후 액화되고 이중 정류 칼럼의 바닥부 내의 파이프-코일 내에서 과냉각되어, 고압 칼럼에 비등 일(boilup duty)을 제공한다. 파이프-코일로부터의 액체 천연 가스 스트림은 그후 열교환기 유니트 내에서 더 과냉각되고 팽창 밸브 내에서 팽창되고 그리고 고압 칼럼 내로 유입되고 고압 칼럼 내에서 분리된다. 고압 정류 칼럼의 바닥부에서 뽑아진 메탄이 풍부한 액체 스트림 그리고 상 분리기에서 얻어진 메탄이 풍부한 액체는 다른 열교환기 유니트 내에서 과냉각되고 팽창 밸브를 통하여 팽창되며 저압 칼럼 내로 유입되고 분리된다. 저압 칼럼으로의 환류가 고압 칼럼의 상부에서 얻어진 질소 스트림을 열교환기 유니트에서의 액화시킴으로써 얻어진 액체 질소 스트림에 의하여 제공된다. 약 0.5%의 질소가 함유된, 질소 감손 LNG(대부분 액체 메탄) 생성물이 저압 칼럼의 바닥부로부터 얻어져 LNG 저장 탱크로 전달된다. (약 95 몰% 질소를 포함한) 질소 풍부 스트림은 저압 칼럼의 상부에서 그리고 고압 칼럼의 상부에서 얻어진다. LNG 탱크로부터의 질소 풍부 스트림 그리고 보일 오프(boil-off) 가스는 다양한 열교환기 유니트 내에서 데워져 열교환기 유니트를 위한 냉각을 제공한다.
미국특허 제7,520,143호는 98 몰% 질소를 함유한 질소 배기 스트림이 질소 제거 칼럼에 의하여 분리되는 공정을 개시한다. 천연 가스 원료 스트림은 메인 열교환기의 제 1 (따듯한) 부분에서 액화되어 열교환기의 중간 위치로부터 배출된 LNG 스트림을 생성하며, 팽창 밸브에서 팽창되고 그리고 질소 제거 칼럼의 바닥부로 전달된다. 질소 제거 칼럼으로부터의 바닥부 액체는 메인 열교환기의 제 2 (차가운) 부분에서 과냉각되며 그리고 밸브를 통하여 플래시 드럼으로 팽창되어 질소 감손 (1.5 몰% 질소 이하의) LNG 생성물을 제공하고, 질소 배기 스트림보다 낮은 순도(30 몰% 질소)의 질소 풍부 스트림은 연료 가스를 위하여 사용된다. 질소 제거 칼럼으로부터의 오버헤드 증기가 분할되며, 이 증기의 일부는 질소 배기 스트림으로서 배출되고 나머지는 플래시 드럼 내의 열교환기 내에서 응축되어 질소 제거 칼럼으로의 환류를 제공한다. 메인 열교환기를 위한 냉각이 혼합된 냉매를 이용한 폐루프 냉각 시스템에 의하여 제공된다.
미국특허공개 제2011/0041389호는 미국특허 제7,520,143호에서 설명된 공정과 다소 유사한 공정을 개시하며, 이 공정에서 높은 순도의 질소 배기 스트림(전형적으로 90 내지 100 체적% 질소)이 정류 칼럼 내의 천연 가스 원료 스트림으로부터 분리된다. 천연 가스 원료 스트림은 메인 열교환기의 따듯한 부분에서 냉각되어 냉각된 천연 가스 스트림을 생성한다. 이 스트림의 부분은 메인 열교환기의 제 1 중간 위치로부터 배출되며 스트리핑 가스로서 정류 칼럼의 바닥부로 전달된다. 스트림의 나머지는 메인 열교환기의 중간 부분에서 더 냉각되고 액화되어 열교환기의 제 2 (더 차가운) 중간 위치로부터 배출된 LNG 스트림을 형성하며, 팽창되고 그리고 정류 칼럼의 중간 위치로 전달된다. 정류 칼럼으로부터의 바닥부 액체는 질소 감손 LNG 스트림으로서 배출되며, 메인 열교환기의 차가운 부분에서 과냉각되고 상 분리기 내로 팽창되어 질소 감손 LNG 생성물과 (압축되고 천연 가스 원료 스트림으로 뒤로 재순환된) 질소 풍부 스트림을 제공한다. 정류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기는 분할되어, 증기의 일부는 고순도 질소 배기 스트림으로서 배출되고, 나머지는 상 분리기 내의 열교환기 내에서 응축되어 정류 칼럼으로의 환류를 제공한다.
Ip.com 데이터 베이스에 관한 문헌 IPCOM000222164D는 질소 감손 천연 가스 스트림과 순수한 질소 배기 스트림을 제조하기 위하여 독립형 질소 제거 유니트(NRU)가 사용된 공정을 개시한다. 천연 가스 원료 스트림은 따듯한 열교환기 유니트 내에서 냉각되고 부분적으로 액화되며, 그리고 상 분리기에서 천연 가스 증기와 액체 스트림으로 분리된다. 증기 스트림은 차가운 열교환기 유니트 내에서 액화되고 그리고 증류 칼럼의 상부 또는 중간 위치로 전달된다. 액체 스트림은 증기 스트림과는 별개로 그리고 증기 스트림과 병렬로 차가운 열교환기 유니트 내에서 더 냉각되며, 그리고 그후 (증기 스트림이 유입되는 위치 아래의) 증류 칼럼의 중간 위치로 전달된다. 차가운 열교환기 내에서 증류 칼럼으로부터의 질소 감손 바닥부 액체의 부분을 워밍하고 기화시킴으로써 증류 칼럼에 대한 비등이 제공되며, 그로 인하여 유니트를 위한 냉각 또한 제공된다. 질소 감손 바닥부 액체의 나머지는 따듯한 열교환기 유니트 내로 펌핑되고 그리고 이 열 교환기 유니트 내에서 워밍되고 기화되며, 그로 인하여 유니트를 위한 냉각이 제공되며, 완전하게 기화된 기체 스트림으로서 따듯한 교환기를 벗어난다. 증류 칼럼으로부터 배출된 질소 풍부 오버헤드 증기는 차가운 그리고 따듯한 열교환기 유니트 내에서 워밍되어 위의 유니트로 다른 냉각을 제공한다. 증기 스트림이 증류 칼럼의 중간 위치로 유입되는 경우, 오버헤드 증기의 일부분을 응축함에 의하여 그리고 이 증기를 칼럼으로 복귀시킴에 의하여 칼럼을 위한 부가적인 환류가 제공될 수 있다. 이는 이코노마이저 열교환기 내에서 오버헤드 증기를 워밍하고, 워밍된 오버헤드 증기를 분할하고 그리고 워밍된 오버헤드 증기의 일부분을 이코노마이저 열교환기 내에서 응축시키고 그리고 응축된 부분을 증류 칼럼의 상부로 복귀시킴에 의하여 수행될 수 있다. 외부 냉각은 이 공정에서 사용되지 않는다.
미국특허공개 제2011/0289963호는 천연 가스 스트림으로부터 질소를 분리시키기 위하여 스트리핑 칼럼이 사용된 공정을 개시한다. 이 공정에서, 천연 가스 원료 스트림은 단일 혼합 냉매와의 열교환을 통하여 메인 열교환기의 따듯한 부분에서 냉각되고 부분적으로 액화된다. 부분적으로 응축된 천연 가스는 메인 열교환기로부터 빼출되며 그리고 상 분리기 또는 증류 용기 내에서 천연 가스 증기와 액체 스트림으로 분리된다. 팽창되고 질소 스트리핑 칼럼 내로 유입되기 전에, 액체 스트림은 메인 열교환기의 차가운 부분에서 더 냉각된다. (1 내지 3 체적% 질소를 포함한) 질소 감손 LNG 생성물은 스트리핑 칼럼의 바닥부로부터 배출되며, (10 체적% 이하의 메탄을 함유한) 질소 풍부 증기 스트림은 스트리핑 칼럼의 상부로부터 배출된다. 상 분리기 또는 증류 용기로부터의 천연 가스 증기 스트림은 개별적인 열교환기 내에서 팽창되고 냉각되며, 그리고 스트리핑 칼럼의 상부로 유입되어 환류를 제공한다. 스트리핑 칼럼으로부터의 바닥부 액체의 부분을 기화시킴에 의하여 (그로 인하여 칼럼으로부터의 비등 또한 제공된다) 그리고 스트리핑 칼럼의 상부로부터 배출된 질소 풍부 증기 스트림을 워밍함으로써 부가적인 열교환기에 대한 냉각이 제공된다.
미국특허 제8,522,574 호는 질소가 액화 천연 가스로부터 제거된 다른 공정을 개시한다. 이 공정에서, 천연 가스 원료 스트림은 메인 열교환기 내에서 먼저 냉각되고 액화된다. 액체 스트림은 그후 2차 열교환기 내에서 냉각되며 그리고 메탄이 풍부한 액체로부터 질소 풍부 증기가 분리되는 플래시 용기 내로 팽창된다. 증기 스트림은 더 팽창되고 그리고 분류 칼럼의 상부로 전달된다. 플래시 용기로부터의 액체 스트림은 분할되며, 한 부분은 분류 칼럼의 중간 위치 내로 유입되고, 다른 부분은 2차 열교환기에서 워밍되고 분류 칼럼의 바닥부로 유입된다. 분류 칼럼으로부터 얻어진 질소 풍부 오버헤드 증기는 2차 열교환기를 통과하고 워밍되어 이 열교환기에 부가적인 냉각을 제공한다. 액화 천연 가스 생성물은 분류 칼럼의 바닥부로부터 회수된다.
미국특허공개 제2012/019883호는 천연 가스 스트림을 액화하기 위한 그리고 이로부터 질소를 제거하는 공정을 개시한다. 천연 가스 원료 스트림은 메인 열교환기에서 액화되고, 팽창되며 그리고 분리 칼럼의 바닥부로 유입된다. 메인 열교환기를 위한 냉각이 혼합된 냉매를 순환시키는 폐루프 냉각 시스템에 의하여 제공된다. 분리 칼럼의 바닥부로부터 배출된 질소 감손 LNG는 팽창되고 그리고 상 분리기 내에서 더욱 분리된다. 상 분리기로부터의 질소 감손 LNG는 LNG 저장 탱크로 전달된다. 상 분리기로부터의 증기 스트림은 LNG 저장 탱크로부터의 보일 오프 가스와 결합되고, 메인 열 교환기에서 워밍되어 메인 열교환기에 부가적인 냉각을 제공하며, 압축되고 천연 가스 원료 스트림으로 재순환된다. 분리 칼럼의 상부로부터 배출된 질소 풍부 증기(90 내지 100 체적%)는 또한 메인 열교환기 내에서 워밍되어 메인 열교환기에 부가적인 냉각을 제공한다.
본 발명의 목적은 개선된 질소 제거 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고, 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 방법으로서,
(a) 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 상기 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 제 1 LNG 스트림을 생성하는 단계와,
(b) 제 1 LNG 스트림을 메인 열교환기로부터 배출시키는 단계와,
(c) 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고, 이 스트림이 증기 상과 액체 상으로 분리되는 증류 칼럼(distillation column)으로 이 스트림을 유입시키는 단계로서, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 제 1 LNG 스트림이거나, 또는 제 1 LNG 스트림으로부터 또는 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하여 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시킴으로써 형성되는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림인 것인, 단계와,
(d) 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기(overhead vapor)로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계와,
(e) 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기의 일부를 응축기 열교환기에서 응축함으로써 증류 칼럼에 대한 환류(reflux)를 제공하는 단계와,
(f) 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하는 단계를 포함하며,
메인 열교환기에 대한 그리고 응축기 열교환기에 대한 냉각이 폐루프 냉각 시스템에 의하여 제공되고,
폐루프 냉각 시스템에 의하여 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 워밍되며 그리고 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되는 것인 방법이 제공된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고, 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 장치로서,
제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 수용하기 위한 그리고 스트림을 냉각시키고 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키도록 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시키기 위한 냉각 통로를 갖는 메인 열교환기와,
팽창 장치 및 증류 칼럼으로서, 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림을 수용하고, 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키며, 이 스트림을 증류 칼럼에서 증기 상과 액체 상으로 분리하고, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 제1 LNG 스트림이거나, 또는 제 1 LNG 스트림으로부터 또는 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하여 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시킴으로써 형성되는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림인 것인, 팽창 장치 및 증류 칼럼과,
증류 칼럼으로부터 얻어진 오버헤드 증기의 일부를 응축시킴으로써 증류 칼럼에 대한 환류를 제공하기 위한 응축기 열 교환기와,
메인 열교환기와 응축기 열교환기에 대한 냉각을 제공하기 위한 폐루프 냉각 시스템을 포함하며,
폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 워밍되며 그리고 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되는 것인 장치가 제공된다.
본 발명의 바람직한 양태은 번호 #1 내지 #21의 하기 양태을 포함한다.
#1. 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고, 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 방법으로서,
(a) 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 상기 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 제 1 LNG 스트림을 생성하는 단계와,
(b) 제 1 LNG 스트림을 메인 열교환기로부터 배출시키는 단계와,
(c) 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고, 이 스트림이 증기 상과 액체 상으로 분리되는 증류 칼럼으로 이 스트림을 유입시키는 단계로서, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 제 1 LNG 스트림이거나, 또는 제 1 LNG 스트림으로부터 또는 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하여 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시킴으로써 형성되는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림인 것인, 단계와,
(d) 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계와,
(e) 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기의 일부를 응축기 열교환기에서 응축함으로써 증류 칼럼에 대한 환류를 제공하는 단계와,
(f) 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하는 단계를 포함하며,
메인 열교환기에 대한 그리고 응축기 열교환기에 대한 냉각이 폐루프 냉각 시스템에 의하여 제공되고,
폐루프 냉각 시스템에 의하여 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 워밍되며 그리고 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되는 것인 방법이 제공된다.
#2. 양태 #1의 방법에서, 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되는 냉매는 후속적으로 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 추가로 워밍된다.
#3. 양태 #1 또는 #2의 방법에서, 메인 열교환기에 그리고 응축기 열교환기에 냉각이 제공된 후에 얻어지는 워밍된 냉매는 압축된 냉매를 형성하기 위해 하나 이상의 압축기에서 압축되고 하나 이상의 애프터쿨러에서 냉각되고, 압축된 냉매는 메인 열교환기로부터 배출되는 냉각된 압축 냉매를 형성하기 위해 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 냉각되며, 냉각된 압축 냉매는 후속적으로 분할되어, 냉매의 일부는 팽창되고 그리고 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 워밍되도록 메인 열교환기로 직접 복귀되고, 냉매의 다른 부분은 팽창되고 그리고 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되도록 응축기 열교환기로 전달된다.
#4. 양태 #1 내지 #3 중 어느 하나의 방법에서, 폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 혼합 냉매이다.
#5. 양태 #4의 방법에서, 메인 열교환기에 그리고 응축기 열교환기에 냉각이 제공된 후에 얻어지는 워밍된 혼합 냉매는 압축되고 메인 열교환기에서 냉각되며 그리고 복수의 액화된 또는 부분적으로 액화된 차가운 다른 성분의 냉매 스트림을 제공하도록 냉각될 때 분리되며, 메인 열교환기의 냉단부(cold end)로부터 얻어진 더 경량 성분의 최고 농도를 갖는 차가운 냉매 스트림이 응축기 열교환기에서 워밍되는 냉매의 스트림 및 메인 열교환기의 냉단부로 복귀되어 냉단부에서 워밍되는 냉매의 스트림을 제공하도록 분할되어 팽창된다.
#6. 양태 #1 내지 #5 중 어느 하나의 방법에서, 응축기 열교환기를 위한 냉각은 폐루프 냉각 시스템에 의해 그리고 증류기 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기의 워밍(warming)에 의해 제공된다.
#7. 양태 #16 방법에서, 단계 (e)는 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기를 응축기 열교환기 내에서 따듯하게 하고, 따듯해진 오버헤드 증기의 제 1 부분을 압축하고, 압축된 부분을 응축기 열교환기에서 냉각시키고 적어도 부분적으로 응축시키며, 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된 부분을 팽창시켜 증류 칼럼의 상부로 다시 재유입시키는 단계를 포함하며,
단계 (d)는 워밍된 오버헤드 증기의 제 2 부분으로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계를 포함한다.
#8. 양태 #1 내지 #7 중 어느 하나의 방법에서, 단계 (c)는 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키며, 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 이 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 단계를 포함한다.
#9. 양태 #8의 방법은 제 2 LNG 스트림을 LNG 저장 탱크로 전달하는 단계를 더 포함한다.
#10. 양태 #1 내지 #7 중 어느 하나의 방법에서, 단계 (c)는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키며, 이 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 이 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 단계를 포함하며, 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 제 1 LNG 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하는 것과 이 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시키는 것에 의해 형성된다.
#11. 양태 #10의 방법에서, 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 (i) 질소 감손(nitrogen-depleted) LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 부분으로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계와, (ⅱ) 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 재순환 스트림을 압축하는 단계와, (ⅲ) 압축된 재순환 스트림을 냉각하고 이 스트림의 전부 또는 일부를 적어도 부분적으로 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 이 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 제조하는 단계에 의해 형성된다.
#12. 양태 #11의 방법에서, 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림은 팽창되어 LNG의 일부가 기화되는 LNG 저장 탱크 내로 이송되어, 질소 풍부 천연 가스 증기와 질소 감손 LNG 생성물이 형성되며, 질소 풍부 천연 가스 증기는 재순환 스트림을 LNG 저장 탱크로부터 배출된다.
#13. 양태 #11 또는 #11의 방법은 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 및 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위해 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계를 더 포함한다.
#14. 양태 #1 내지 #7 중 어느 하나의 방법에서, 단계 (c)는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고, 이 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 이 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 단계를 포함하며, 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하는 것과 이 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시키는 것에 의해 형성된다.
#15. 양태 #4의 방법에서, 단계 (a)는, (i) 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기의 온단부(warm end)로 유입시키고, 천연 가스 원료 스트림을 냉각하고 적어도 부분적으로 액화시키며, 냉각되고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 메인 열교환기의 중간 위치로부터 배출시키는 단계와, (ⅱ) 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림과 질소 감손 천연 가스 액체 스트림을 형성하기 위해 냉각되고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계와, (ⅲ) 증기 스트림과 액체 스트림을 메인 열교환기의 중간 위치로 개별적으로 재유입시켜 증기 스트림과 액체 스트림을 병렬로 추가로 냉각하는 단계를 더 포함하며, 액체 스트림은 제 1 LNG 스트림을 형성하도록 추가로 냉각되며 증기 스트림은 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 형성하도록 추가로 냉각되고 적어도 부분적으로 액화된다.
#16. 양태 #15의 방법은, (g) 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계와,
(h) 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 재순환 스트림을 압축하는 단계와,
(i) 천연 가스 원료 스트림과 결합되어 또는 천연 가스 원료 스트림과 개별적으로 냉각되고 적어도 부분적으로 액화되도록 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기로 복귀시키는 단계를 더 포함한다.
#17. 양태 #16의 방법에서, 단계 (g)는 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 팽창된 스트림을 LNG의 일부가 기화되는 LNG 저장 탱크 내로 이송시켜, 질소 풍부 천연 가스 증기 및 질소 감손 LNG 생성물을 형성하고, 재순환 스트림을 형성하기 위해 질소 풍부 천연 가스 증기를 LNG 저장 탱크로부터 배출시키는 단계를 포함한다.
#18. 양태 #16 또는 #17의 방법은 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 및 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위해 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계를 더 포함한다.
#19. 양태 #15 내지 #18 중 어느 하나의 방법에서, 단계 (a)(ii)는 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림, 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 스트리핑 가스 스트림, 및 질소 감손 천연 가스 액체 스트림을 형성하기 위해 냉각되고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계를 포함하며, 단계 (c)는 스트리핑 가스 스트림을 증류 칼럼의 바닥부로 유입시키는 단계를 더 포함한다.
#20. 양태 #1 내지 #19중 어느 하나의 방법에서, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 증류 칼럼의 중간 위치에서 증류 칼럼으로 유입되며, 증류 칼럼으로의 이 스트림의 유입 이전에 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림과의 간접적인 열교환을 통해 바닥부 액체의 일부를 리보일러 열교환기에서 가열하고 기화시킴으로써 증류 칼럼에 대한 비등(boil-up)이 제공된다.
#21. 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고, 천연 가스 원료 스트림으부터 질소를 제거하기 위한 장치로서,
제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 수용하기 위한 그리고 스트림을 냉각시키고 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키도록 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시키기 위한 냉각 통로를 갖는 메인 열교환기와,
팽창 장치 및 증류 칼럼으로서, 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림을 수용하고, 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키며, 이 스트림을 증류 칼럼에서 증기 상과 액체 상으로 분리하고, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 제1 LNG 스트림이거나, 또는 제 1 LNG 스트림으로부터 또는 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하여 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시킴으로써 형성되는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림인 것인, 팽창 장치 및 증류 칼럼과,
증류 칼럼으로부터 얻어진 오버헤드 증기의 일부를 응축시킴으로써 증류 칼럼에 대한 환류를 제공하기 위한 응축기 열 교환기와,
메인 열교환기와 응축기 열교환기에 대한 냉각을 제공하기 위한 폐루프 냉각 시스템을 포함하며,
폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 워밍되며 그리고 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되는 것인 장치가 제공된다.
도 1은 천연 가스 스트림으로부터 질소를 액화시키고 제거하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 4는 도 1에 도시된 방법 및 장치에서 이용된 응축기 열교환기를 위한 냉각 곡선을 도시한 그래프.
다르게 지시되지 않는 한, 상세한 설명 및 청구범위 내에서 설명된 본 발명의 실시예 내의 어떠한 특징에 적용될 때, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 부정 관사는 하나 이상을 의미한다. 제한이 특별하게 설명되지 않는 한, 부정 관사의 사용은 단일 특징에 대한 의미를 제한하는 것은 아니다. 단수 또는 복수 명사 또는 명사구 앞의 관사는 특별하게 특정된 특징 또는 특별하게 특정된 특징들을 나타내며 그리고 이 용어가 사용된 문장에 따라 단수 또는 복수의 함축된 의미를 가질 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 제 1 양태에 따르면, 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고, 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 방법으로서,
(a) 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 상기 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 제 1 LNG 스트림을 생성하는 단계와,
(b) 제 1 LNG 스트림을 메인 열교환기로부터 배출시키는 단계와,
(c) 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고, 이 스트림이 증기 상과 액체 상으로 분리되는 증류 칼럼으로 이 스트림을 유입시키는 단계로서, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 제 1 LNG 스트림이거나, 또는 제 1 LNG 스트림으로부터 또는 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하여 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시킴으로써 형성되는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림인 것인, 단계와,
(d) 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계와,
(e) 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기의 일부를 응축기 열교환기에서 응축함으로써 증류 칼럼에 대한 환류를 제공하는 단계와,
(f) 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하는 단계를 포함하며,
메인 열교환기에 대한 그리고 응축기 열교환기에 대한 냉각이 폐루프 냉각 시스템에 의하여 제공되고,
폐루프 냉각 시스템에 의하여 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 워밍되며 그리고 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되는 것인 방법이 제공된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용이 "천연 가스"는 또한 합성 그리고 대체 천연 가스를 포함한다. 천연 가스 원료 스트림은 메탄과 질소를 포함한다 (메탄은 전형적으로 주성분이다). 전형적으로 천연 가스 원료 스트림은 1 내지 10 mol%의 질소 농도를 가지며, 본 명세서에서 설명된 방법 및 장치는 천연 가스 원료 스트림 내의 질소 농도가 5 mol% 이하와 같이 상대적으로 낮을 때에도 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 효과적으로 제거할 수 있다. 천연 가스 스트림은 일반적으로 또한 예를 들어 하나 이상의 탄화수소와 같은 다른 성분 및/또는 헬륨, 이산화탄소, 수소 등과 같은 다른 성분을 포함할 것이다. 그러나, 이는 스트림의 냉각 또는 액화 동안에 메인 열교환기 내에서 얼려질 농도의 어떠한 부가적인 성분을 포함하지 않아야 한다. 따라서, 메인 열교환기 내로 유입되기 전에, 천연 가스 원료 스트림 내의 이러한 어떤 성분의 농도를 어떠한 냉각 문제가 야기되지 않을 이러한 수준 아래로 줄이기 위하여, 필요하다면 그리고 필요에 따라 천연 가스 원료 스트림은 전처리되어 물, 산성 가스, 수은 그리고 중탄화수소를 천연 가스 원료 스트림에서 제거할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이 그리고 별도로 지시되지 않는 한, 스트림 내의 질소의 농도가 천연 가스 원료 스트림 내의 질소의 농도보다 높다면 스트림은 "질소 풍부" 것이다. 스트림 내의 질소의 농도가 천연 가스 원료 스트림 내의 질소의 농도보다 낮다면 스트림은 "질소 감손"된 것이다. 위에서 설명된 바와 같은 본 발명의 제 1 양태에 따른 방법에서, 질소 풍부 증기 생성물은 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림보다 더 큰 질소 농도를 갖는다(따라서 질소 가스 원료 스트림에 대하여 질소가 더 풍부한 것으로 설명될 수 있다). 메탄과 질소에 더하여 천연 가스 원료 스트림이 다른 성분을 포함하는 경우, "질소 풍부 스트림"은 또한 다른 가벼운 성분(예를 들어, 질소의 비등점과 유사한 또는 이보다 낮은 비등점을 갖는, 예를 들어 헬륨과 같은 다른 요소)이 풍부해질 수 있으며, 그리고 "질소 감손" 스트림은 또한 다른 무거운 성분(예를 들어, 메탄의 비등점과 유사한 또는 이보다 높은 비등점을 갖는, 예를 들어 중질 탄화수소와 같은 다른 요소)의 함유량이 낮을 수 있다.
본 명세서에서 설명된 방법 및 장치에서, 그리고 달리 지시되지 않는 한, 경우에 스트림을 어떠한 적절한 팽창 장치를 통과시킴에 의하여 스트림은 팽창될 수 있고 그리고/또는 액체 스트림 또는 2상 스트림의 경우에는 팽창되고 그리고 부분적으로 기화될 수 있다. 예를 들어, 스트림의 정엔탈피 팽창(그리고 그로 인하여 플래시 기화)을 (본질적으로) 가져오기 스트림을 팽창 밸브 또는 J-T 밸브 또는 어떠한 다른 장치를 통과함에 의하여 스트림은 팽창될 수 있고 그리고 부분적으로 기화될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 예를 들어 스트림을 예를 들어, 유압 터빈 또는 터보 팽창기와 같은 일-추출 장치를 통과시키고 이를 통하여 일-팽창시킴에 의하여 스트림은 팽창될 수 있고 그리고 부분적으로 기화될 수 있으며, 그로 인하여 본질적으로 스트림의 정엔탈피 팽창이 야기된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "증류 칼럼"은 하나 이상의 분리 부분을 포함하는 칼럼(또는 칼럼의 세트)을 나타내며, 각 분리 부분은 패킹 및/또는 하나 이상의 트레이와 같은 인서트로 구성된다. 여기서, 인서트는 칼럼 내의 부분을 통하여 흐르는 상향 상승 증기와 하향 유동 액체 간의 접촉을 증가시키고 따라서 증기와 액체 간의 물질 전달을 향상시킨다. 이렇게 하여, 오버헤드 증기, 즉 칼럼의 상부에서 수집된 증기 내의 (질소와 같은) 보다 가벼운 성분의 농도가 증가되며, 그리고 바닥부 액체, 즉 칼럼의 바닥부에서 수집된 액체 내의 (메탄과 같은) 보다 무거운 요소의 농도는 증가된다. 칼럼의 "상부"는 분리 부분 위의 칼럼의 부분을 나타낸다. 칼럼의 "바닥부"는 분리 부분의 아래의 칼럼의 부분을 나타낸다. 칼럼의 "중간 위치"는 칼럼의 상부와 바닥부 사이, 전형적으로 직렬인 2개의 분리 부분 사이의 위치를 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "메인 열교환기"는 제 1 LNG 생성물을 제조하기 위하여 천연 가스 스트림의 전체 또는 부분을 냉각 및 액화에 책임이 있는 열교환기를 나타낸다. 아래에서 상세하게 설명된 바와 같이, 열교환기는 직렬로 그리고/또는 병렬로 배치된 하나 이상의 냉각 부분으로 이루어질 수 있다. 이러한 각 부분은 자신의 하우징을 갖는 별개의 열교환기 유니트를 구성할 수 있으나, 부분들은 동일하게 공통의 하우징을 공유하는 단일의 열교환기 유니트로 조합될 수 있다. 열교환기 유니트(들)은, 제한되지는 않지만 쉘과 튜브형, 권취 코일형, 또는 플레이트와 핀형의 열교환기 유니트와 같은 어떠한 적절한 형태일 수 있다. 이러한 유니트에서, 각 냉각부는 전형적으로 (유니트가 쉘과 튜브 또는 권취 코일형인 경우) 자신의 튜브 번들 또는 (유니트가 플레이트와 핀형인 경우) 플레이트와 핀 번들을 포함할 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 메인 열교환기의 "온단부"와 "냉단부"는 가장 높은 그리고 가장 낮은 온도의 메인 열교환기의 종단들을 (각각) 나타내는 상대적인 용어이며, 별도로 지시되지 않는 한 어떠한 특별한 온도 범위를 암시하는 것으로 의도되지 않는다. 관용구인 메인 열교환기의 "중간 위치"는 온단부와 냉단부 사이, 전형적으로 직렬 상태인 2개의 냉각 부분 사이의 위치를 나타낸다.
위에서 언급된 바와 같이, 메인 열교환기를 위한 그리고 응축기 열교환기를 위한 냉각의 일부 또는 전체는 폐루프 냉각 시스템에 의하여 제공되며, 폐루프 냉각 시스템에 의하여 순환된 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기 내에서 워밍되며 또한 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기 내에서 워밍된다. 폐루프 냉각 시스템이 어떠한 적절한 형태일 수 있다. 하나 이상의 폐루프 냉각 시스템을 포함하고 본 발명에 따라 사용될 수 있는 예시적인 냉각 시스템은 단일 혼합 냉매(SMR) 시스템, 이중 혼합 냉매(DMR) 시스템, 하이브리드 프로판 혼합 냉매(C2MR) 시스템, 질소 팽창 사이클(또는 다른 가스 팽창 사이클) 시스템 그리고 캐스케이드 냉각 시스템을 포함한다.
일부 실시예에서, 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기 내에서 워밍된 냉매는 그 후 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기 내에서 더 워밍된다.
일부 실시예에서, 냉각이 메인 열교환기에 그리고 응축기 열교환기에 제공된 후에 얻어진 워밍된 냉매는 하나 이상의 압축기에서 압축되고 그리고 하나 이상의 애프터쿨러에서 압축되어 압축 냉매를 형성하며; 압축된 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기 내에서 냉각되어 메인 열교환기로부터 배출된 냉각된 압축 냉매를 형성하고; 그리고 냉각된 압축 냉매는 그후 분리되며, 냉매의 부분은 (냉각된 압축 냉매의 분할됨 전 및/또는 후에) 팽창되고 그리고 메인 열교환기로 직접적으로 복귀되어 메인 열교환기를 통과하고 그 안에서 워밍되며, 그리고 냉매의 다른 부분은 (냉각된 압축 냉매의 분할됨 전 및/또는 후에) 팽창되고 응축기 열교환기로 전달되어 응축기 열교환기를 통과하고 그 안에서 워밍된다.
일부 실시예에서, 메인 열교환기 그리고 응축기 열교환기를 위하여 냉각을 제공하는 폐루프 냉각 시스템에 의하여 순환된 냉매는 혼합 냉매이다. 메인 열교환기 그리고 응축기 열교환기에 냉각이 제공된 후에 얻어진 워밍된 혼합 냉매는 압축될 수 있고 메인 열교환기에서 냉각될 수 있으며 그리고 복수의 액화된 또는 부분적으로 액화된 차가운, 다른 성분의 냉매 스트림을 제공하기 위하여 냉각됨에 따라 분리될 수 있으며, 응축기 열교환기 내에서 워밍된 냉매의 스트림 그리고 메인 열교환기의 냉단부로 복귀되어 그 안에서 워밍된 냉매의 스트림을 제공하기 위하여 메인 열교환기의 냉단부로부터 얻어진 더 경량 성분의 가장 큰 농도를 갖는 차가운 냉매 스트림은 그 후 분할되고 그리고 (분할되기 전 또는 후에) 팽창된다.
바람직한 실시예에서, 응축기 열교환기에 대한 냉각은 폐루프 냉각 시스템에 의해 그리고 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기의 워밍에 의해 제공된다. 이 실시예에서, 단계 (e)는 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기를 응축기 열교환기 내에서 워밍하고, 워밍된 오버헤드 증기의 제 1 부분을 압축시키고, 압축된 부분을 응축기 열교환기 내에서 냉각시키고 그리고 적어도 부분적으로 응축시키며, 그리고 냉각된 그리고 적어도 부분적으로 응축된 부분을 팽창시기고 그리고 증류 칼럼의 상부로 뒤로 복귀시키는 것을 포함할 수 있으며, 그리고 단계 (d)는 워밍된 오버헤드 증기의 제 2 부분으로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
한 실시예에서, 본 방법의 단계 (c)는 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키며, 그리고 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리시키기 위하여 이 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 것을 포함한다. 이 실시예에서, 제 2 LNG 스트림은 바람직하게는 LNG 저장 탱크로 전달된다.
다른 실시예에서, 본 방법의 단계 (c)는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키며, 그리고 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리시키기 위하여 이 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 것을 포함하며 여기서, 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 제 1 LNG 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리시키는 것으로부터 그리고 메인 열교환기 내에서 상기 스트림을 적어도 부분적으로 액화하는 것으로부터 형성된다.
이 실시예에서, 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 (i) 질소 감손 LNG 생성물 그리고 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위하여 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 부분으로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리시키는 것에 의하여, (ⅱ) 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위하여 재순환 스트림을 압축하는 것, 그리고 (ⅲ) 압축된 재순환 스트림을 냉각하기 위하여 그리고 그 스트림의 모두 또는 부분을 적어도 부분적으로 액화시키기 위하여 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기를 통과시키는 것에 의하여 형성될 수 있으며, 그로 인하여 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 제조된다. 바람직하게는, 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 부분으로부터 형성된 LNG 스트림을 분리시키기 위하여 LNG 저장 탱크가 사용되어 질소 감손 LNG 생성물과 재순환 스트림이 형성된다. 따라서, 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 부분으로부터 형성된 LNG 스트림은 팽창될 수 있고 그리고 LNG의 일부가 기화되는 LNG 저장 탱크 내로 전달될 수 있으며, 그로 인하여 질소 풍부 천연 가스 증기 그리고 질소 감손 LNG 생성물이 형성되며, 그리고 재순환 스트림을 형성하기 위하여 질소 풍부 천연 가스 증기는 그 후 탱크로부터 배출될 수 있다.
위의 문장에서 설명된 실시예에서, 본 방법은 또한 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기와 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위하여 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리시키는 것을 더 포함할 수 있다. 이 실시예 및 다른 실시예에서, 재순환 스트림을 위한 질소 풍부 천연 가스 증기 그리고 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위하여 제 1 LNG 스트림과 제 2 LNG 스트림 모두가 팽창되고, 기화되고 그리고 분리되는 경우, 이 과정은 제 1 및 제 2 LNG 스트림을 결합하고 그후 결합된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리함에 의하여; 스트림을 개별적으로 팽창 및 부분적으로 기화시키고, 팽창된 스트림을 결합하며, 그리고 결합된 스트림을 분리함에 의하여; 또는 각 스트림을 개별적으로 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리함에 의하여 수행될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 방법의 단계 (d)는 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리시키기 위하여 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키고 그리고 이 스트림을 증류 칼럼 내로 유입시키는 것을 포함하며, 여기서 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 질소 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리시키는 것으로부터 그리고 메인 열교환기에서 상기 스트림을 적어도 부분적으로 액화시키는 것으로부터 형성된다.
이 실시예에서, 본 방법의 단계 (a)는 (i) 메인 열교환기의 온단부로 천연 가스 원료 스트림을 유입시키고, 천연 가스 원료 스트림을 냉각 및 적어도 부분적으로 액화시키며, 그리고 메인 열교환기의 중간 위치로부터 냉각된 그리고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 배출시키고, (ⅱ) 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림과 질소 감손 천연 가스 액체 스트림을 형성하기 위하여 냉각된 그리고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하고, 그리고 (ⅲ) 증기 스트림과 액체 스트림을 메인 열교환기의 중간 위치로 개별적으로 재유입시키고 증기 스트림과 액체 스트림을 병렬로 더 냉각시키는 것을 더 포함할 수 있어, 제 1 LNG 스트림을 형성하기 위하여 액체 스트림은 더 냉각되며 그리고 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 형성하기 위하여 증기 스트림은 더 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 냉각된다.
위의 문장에서 설명된 실시예에서, 본 방법은 (g) 질소 감손 LNG 생성물 그리고 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위하여 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하고; (h) 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위하여 재순환 스트림을 압축시키며; 그리고 (i) 천연 가스 원료 스트림과 결합되어 또는 이와 개별적으로 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 액화되도록 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기로 복귀시키는 것을 더 포함할 수 있다. 이 방법은 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 그리고 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위하여 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리시키는 것을 더 포함할 수 있다. 다시 바람직하게는, 제 2 및/또는 제 1 LNG 스트림을 분리하기 위하여 LNG 저장 탱크가 사용되어 질소 감손 LNG 생성물과 재순환 스트림을 형성한다.
본 방법의 단계 (a)(ⅱ)는 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림, 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 스트리핑 가스 스트림 그리고 질소 감손 천연 가스 액체 스트림을 형성하기 위하여 냉각된 그리고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 것을 더 포함할 수 있다. 단계 (c)는 그후 증류 칼럼의 바닥부로 스트리핑 가스 스트림을 유입시키는 것을 더 포함할 수 있다.
액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 증류 칼럼의 중간 위치에서 증류 칼럼으로 유입될 수 있으며, 증류 칼럼으로의 이 스트림의 유입 이전에 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림과의 간접적인 열교환을 통해 리보일러 열교환기에서 바닥부 액체의 일부를 가열하고 기화시킴으로써 증류 칼럼에 대한 비등이 제공될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 제 2 양태에 따르면, 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고, 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 장치로서,
제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 수용하기 위한 그리고 스트림을 냉각시키고 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키도록 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시키기 위한 냉각 통로를 갖는 메인 열교환기와,
팽창 장치 및 증류 칼럼으로서, 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림을 수용하고, 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키며, 이 스트림을 증류 칼럼에서 증기 상과 액체 상으로 분리하고, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 제1 LNG 스트림이거나, 또는 제 1 LNG 스트림으로부터 또는 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하여 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시킴으로써 형성되는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림인 것인, 팽창 장치 및 증류 칼럼과,
증류 칼럼으로부터 얻어진 오버헤드 증기의 일부를 응축시킴으로써 증류 칼럼에 대한 환류를 제공하기 위한 응축기 열 교환기와,
메인 열교환기와 응축기 열교환기에 대한 냉각을 제공하기 위한 폐루프 냉각 시스템을 포함하며,
폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 워밍되며 그리고 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되는 것인 장치가 제공된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "유체 유동 연통"은 나타내어진 스트림들이 문제의 장치들 또는 시스템들에 의해 전달될 수 있고 수용될 수 있는 방식으로 문제의 장치들 또는 시스템들이 서로 연결된다는 것을 지시한다. 예를 들어 장치 또는 시스템은 문제의 스트림을 이송시키기 위한 적절한 튜브, 통로 또는 다른 형태의 도관에 의하여 연결될 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따른 장치는 본 발명의 제 1 양태에 따른 방법을 수행하기에 적합하다. 따라서 제 2 양태에 따른 장치의 다양한 바람직한 또는 선택적인 특징과 실시예는 제 1 양태에 따른 방법의 다양한 바람직한 또는 선택적인 실시예와 특징의 앞선 설명으로부터 명백해질 것이다.
단지 한 예로서, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예가 도 1 내지 도 4를 참고로 하여 설명될 것이다. 명확함과 간략화를 위하여, 이들 도면에서 한 특징이 많은 도면에 공통인 경우, 이 특징은 각 도면에서 동일한 도면 부호로 부여된다.
도 1을 참고하면, 천연 가스로부터 질소를 액화시키고 그리고 제거하기 위한, 본 발명의 한 실시예에 따른 방법 및 장치가 도시된다.
천연 가스 원료 스트림을 냉각, 액화 그리고 (전형적으로) 과냉시키기 위하여 먼저 천연 가스 원료 스트림(100)은 메인 열교환기 내의 한 세트의 냉각 통로를 통과하며, 그로 인하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 바와 같이 제 1 LNG 스트림(112)을 제조한다. 천연 가스 원료 스트림은 메탄과 질소를 포함한다. 전형적으로, 천연 가스 원료 스트림은 1 내지 10 몰%의 질소 농도를 가지며, 천연 가스 원료 스트림 내의 질소 농도가 5 몰% 또는 그 이하와 같은, 상대적으로 낮을 때에도 본 명세서에서 설명된 방법과 장치는 천연 가스로부터 질소를 효과적으로 제거할 수 있다. 본 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 천연 가스 원료 스트림은 스트림의 냉각 및 액화 동안에 메인 열교환기 내에서 얼려지는 농도에서 어떠한 부가적인 성분을 포함해서는 안된다. 따라서 어떠한 얼림 문제를 야기하지 않는 수준 아래로 천연 가스 스트림 내의 이러한 어떤 성분의 농도를 줄이기 위하여, 메인 열교환기 내로 유입되기 전에, 천연 가스 원료 스트림은 필요하다면 그리고 필요에 따라 전처리되어 천연 가스 원료 스트림으로부터 물, 산성 가스, 수은 그리고 중탄화수소를 제거할 수 있다. 탈수, 산성 가스 제거, 수은 제거 그리고 중탄화수소 제거를 가져오기 위한 적절한 설비 및 기술이 잘 알려져 있다. 천연 가스 스트림은 또한 주변 압력 이상이어야 하며, 따라서 메인 열교환기 내로 유입되기 전에 필요하다면 그리고 필요에 따라 하나 이상의 압축기 그리고 애프터쿨러(도시되지 않음)에서 압축되고 냉각되어야 한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 메인 열교환기는 직렬로 배치된 3개의 냉각 부분, 즉 천연 가스 원료 스트림(100)이 예비 냉각되는 따듯한 부분(102), 냉각된 천연 가스 원료 스트림(104)이 액화되는 중간 부분(106) 그리고 액화 천연 가스 원료 스트림(108)이 과냉되는 차가운 부분(110)으로 이루어지며, 따라서 천연 가스 원료 스트림(100)이 유입되는 따듯한 부분(102)의 종단은 메인 열교환기의 온단부를 구성하고, 그리고 따라서 제 1 LNG 스트림(112)이 배출되는 차가운 부분(110)의 종단은 메인 열교환기의 냉단부를 구성한다. 인식될 바와 같이, 이 문맥에서의 용어 "따듯한" 그리고 "차가운"은 단지 냉각 부분 내의 상대적인 온도를 나타내며 어떠한 특별한 온도 범위를 암시하지 않는다. 도 1에 도시된 장치에서, 이들 부분들 각각은 자신의 쉘, 케이싱 또는 다른 형태의 하우징을 갖는 개별적인 열교환기를 구성하고 있으나, 동일하게 2개 또는 3개의 부분들 모두는 공통 하우징을 공유하는 단일의 열교환기 유니트로 결합될 수 있다. 열교환기 유니트(들)은 제한되지는 않지만, 쉘과 튜브, 권취 코일 또는 플레이트와 핀 형태의 열교환 유니트와 같은 적절한 형태일 수 있다. 이러한 유니트에서, 각 냉각부는 전형적으로 (유니트가 쉘과 튜브 또는 권취 코일형인 경우) 자신의 튜브 번들 또는 (유니트가 플레이트와 핀형인 경우) 플레이트와 핀 번들을 포함할 것이다.
도 1에 도시된 실시예에서, 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1 (과냉각된) LNG 스트림(112)은 그후 팽창되고, 부분적으로 기화되고 그리고 증류 칼럼(162)으로 유입되며, 여기서 증류 칼럼 내에서 스트림은 증기 상과 액체 상으로 분리되어 질소 풍부 생성물(170)과 제 2 (질소 감손) LNG 스트림(1862)을 형성한다.
본 실시예에서의 증류 칼럼(162)은 2개의 부분을 포함하며, 각 부분은 패킹 및/또는 하나 이상의 트레이와 같은 인서트로 구성되어 칼럼 내에서의 상향 상승 증기와 하향 유동 액체 간의 접촉을 증가시키고 따라서 증기와 액체 간의 물질 전달을 향상시킨다. 제 1 LNG 스트림(112)은 리보일러 열교환기(174) 내에서 냉각되어 냉각된 스트림(156)을 형성하며, 이 냉각된 스트림은 이후 예를 들어, J-T 밸브(158) 또는 일-추출 장치(예를 들어, 유압 터빈 또는 터보 팽창기(도시지 않음))와 같은 팽창 장치를 통과함에 의하여 팽창되고 부분적으로 기화되어 팽창된 그리고 부분적으로 기화된 스트림(160)을 형성하되, 이 스트림은 증기 상과 액체 상으로의 분리를 위하여 분리 부분 사이의 증류 칼럼의 중간 위치로 유입된다. 증류 칼럼(162)으로부터의 바닥부 액체는 (제 1 LNG 스트림(112) 그리고 천연 가스 원료 스트림(100)에 비해) 질소가 감소한다. 증류 칼럼(162)으로부터의 오버헤드 증기는 (제 1 LNG 스트림(112) 그리고 천연 가스 원료 스트림(100)에 비해) 질소가 풍부해진다.
증류 칼럼으로부터의 바닥부 액체의 스트림(182)을 리보일러 열교환기(174)에서 워밍하고 적어도 부분적으로 기화시킴으로써 그리고 워밍되고 적어도 부분적으로 기화된 스트림(184)을 증류 칼럼의 바닥부로 복귀시킴으로써 증류 칼럼(162)에 대한 비등이 제공되며, 그로 인하여 칼럼에 대한 스트리핑 가스를 제공한다. 리보일러 열교환기(174) 내에서 기화되지 않은 바닥부 액체의 나머지는 증기 칼럼(162)으로부터 배출되어 제 2 LNG 스트림(186)을 형성한다. 도시된 실시예에서, 예를 들어, J-T 밸브(18) 또는 터보-창기(도시지 않음)와 같은 팽창 장치를 통과함에 의하여 제2 LNG 스트림(186)은 이후 더 팽창되어, 질소 감손 LNG 생성물(196)이 배출될 수 있는 LNG 저장 탱크(144) 내로 유입되는 팽창된 LNG 스트림을 형성한다.
증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기(164)의 부분을 응축기 열교환기 내에서 응축시키는 것에 의하여 증류 칼럼(162)을 위한 환류가 제공된다. 응축기 열교환기(154) 내에서 응축되지 않은 오버헤드 증기의 나머지가 증류 칼럼(162)으로부터 배출되어 질소 풍부 증기 생성물(170)을 형성한다. 메인 열교환기를 위한 냉각을 동일하게 제공하는 폐루프 냉각 시스템에 의하여 응축기 열교환기(154)를 위한 냉각이 제공된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 응축기 열교환기(154)를 위한 냉각의 일부 또한 차가운 오버헤드 증기(164) 자체에 의하여 제공된다.
구체적으로, 증류 칼럼(162)의 상부로부터 배출된 오버헤드 증기(164)는 먼저 응축기 열 교환기(154) 내에서 워밍된다. 워밍된 오버헤드 증기의 일 부분은 그후 압축기(166) 내에서 압축되고, (예를 들어, 주변 온도의 공기 또는 물과 같은 냉각수를 이용한) 애프터쿨러(168)에서 냉각되며, 그리고 응축기 열교환기(154) 내에서 더 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 액화되고, 예를 들어 J-T 밸브(176) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)와 같은 팽창 장치를 통하여 팽창되며, 그리고 증류 칼럼(162)의 상부로 복귀되어, 그로 인하여 증류 칼럼에 대한 환류를 제공한다. (증류 칼럼(162)의 운전 압력을 제어할 수 있는) 제어 밸브(169)를 통과한 후, 워밍된 오버헤드 증기의 나머지는 질소 풍부 증기 생성물(170)을 형성한다. 폐루프 냉각 시스템에 의하여 공급된 냉매(222)의 스트림에 의하여 응축기 열교환기(154)에 부가적인 냉각이 제공된다. 여기서, 더욱 상세하게 설명될 바와 같이, 폐루프 내동 시스템은 또한 메인 열교환기를 위한 냉각을 제공한다.
위에서 언급된 바와 같이, 메인 열교환기를 위한 일부 또는 모든 냉각이 어떠한 적절한 형태일 수 있는 폐루프 냉각 시스템에 의하여 제공될 수 있다. 사용될 수 있는 예시적인 냉각 시스템은 단일 혼합 냉매(SMR) 시스템, 이중 혼합 냉매(DMR) 시스템, 하이브리드 프로판 혼합 냉매(C3MR) 시스템, 질소 팽창 사이클(또는 다른 가스 팽창 사이클) 시스템 그리고 캐스케이드 냉각 시스템을 포함한다. SMR 그리고 질소 팽창 사이클 시스템에서, 폐루프 냉각 시스템에 의하여 순환되는 (SMR 시스템의 경우에는) 단일 혼합 냉매에 의하여 또는 (질소 팽창 사이클 시스템의 경우에는) 질소에 의하여 냉각은 메인 열교환기의 3개의 모든 부분(102, 106, 110)에 공급된다. DMR 시스템 그리고 C3MR 시스템에서, 메인 열교환기에 냉매를 공급하기 위하여 2개의 별도의 냉매(DMR 시스템의 경우에는 2개의 다른 혼합 냉매, 그리고 C3MR의 경우에는 프로판 냉매와 혼합 냉매)를 순환시키는 2개의 별도의 폐루프 냉각 시스템이 사용되어 다른 폐루프 시스템에 의하여 메인 열교환기의 다른 부분이 냉각될 수 있다. SMR, DMR, C3MR, 질소 팽창 사이클 그리고 다른 이러한 폐루프 냉각 시스템의 작동은 잘 알려져 있다.
한 예로서, 도 1에 도시된 실시예에서, 단일의 혼합 냉각(SMR) 시스템에 의하여 메인 열교환기를 위한 냉각이 제공되며, 메인 열교환기의 냉각 부분(102, 106) 각각은 권취 코일 형태의 열 교환기 유니트를 포함한다. 이러한 형태의 폐루프 시스템에서, 순환되는 혼합 냉매는 질소, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 그리고 이소펜탄의 혼합물과 같은, 성분의 혼합물로 이루어진다. 메인 열교환기의 온단부를 떠나는 따듯한 혼합 냉매(250)가 압축기(952)에서 압축되어 압축 스트림(256)을 형성한다. 압축된 스트림은 그후 애프터쿨러를 통과하여 스트림을 냉각 및 부분적으로 응축시키며, 그리고 그후 상 분리기에서 증기 스트림(258)과 액체 스트림(206)으로 분리된다. 증기 스트림(258)은 압축기(260) 내에서 더 압축되며, 냉각 그리고 부분적으로 더 응축되어 주위 온도에서 고압의 혼합 냉매 스트림(200)을 형성한다. 애프터쿨러는 공기, 담수, 해수 또는 증발 냉각 타워로부터의 물과 같은 어떠한 적절한 주변 히트 싱크를 사용할 수 있다.
고압의 혼합 냉매 스트림(200)은 상 분리기 내에서 증기 스트림(204)과 액체 스트림(202)으로 분리된다. 액체 스트림(202 및 206)이 그 압력이 줄어들고 그리고 결합하여 차가운 냉매 스트림(228)을 형성하기 전에, 이 액체 스트림들은 그후 메인 열교환기의 따듯한 부분(102)에서 과냉각된다. 여기서, 차가운 냉매 스트림은 메인 열교환기의 따듯한 부분(102)의 쉘 측을 통과하며 여기서 기화되고 워밍되어 따듯한 부분으로 냉각을 제공한다. 증기 스트림(204)이 메인 열교환기의 따듯한 부분(102)에서 냉각되고 그리고 부분적으로 액화되며, 스트림(208)으로서 배출된다. 스트림(208)은 그후 상 분리기 내에서 증기 스트림(212)과 액체 스트림(210)으로 분리된다. 액체 스트림(210)이 메인 열교환기의 중간 부분(106)에서 과냉각되며 그리고 그후 압력이 감소되어 차가운 냉매 스트림(230)을 형성하되, 차가운 냉매 스트림은 메인 열교환기의 중간 부분(106)의 쉘 측을 통과하며, 여기서 기화되고 워밍되어 중간 부분에 냉각을 제공한다. 증기 스트림(212)은 메인 열교환기의 중간 부분(106) 그리고 차가운 부분(110)에서 응축되고 그리고 과냉각되어 스트림(214)으로서 배출되며, 이 스트림은 이후 2개의 부분으로 분할된다.
차가운 냉매 스트림(232)을 제공하기 위하여 냉매 스트림(214)의 다량 부분(216)은 팽창된다. 여기서, 차가운 냉매는 메인 열교환기에서 기화되고 워밍되어 상기 부분에 냉각을 제공한다. 차가운 부분(110)의 쉘 측에서 나온 (스트림(232)에서 얻어진) 워밍된 냉매는 중간 부분(106)의 쉘 측에서 냉매 스트림(230)과 결합하며, 여기에서 냉매는 더 워밍되고 기화되어 이 부분에 부가적인 냉매를 제공한다. 중간 부분(106)의 쉘 측에서 나온, 결합된 워밍된 냉매는 따듯한 부분(102)의 쉘 측에서 냉매 스트림(228)과 결합되며, 여기에서 이 냉매는 더 워밍되고 기화되어 이 부분에 부가적인 냉매를 제공한다. 따듯한 부분(102)의 쉘 측에서 나온 결합된 워밍된 냉매는 완전하게 기화되며 그리고 바람직하게는 약 5℃까지 과열되고, 그리고 워밍된 혼합 냉매 스트림(250)으로서 배출되며, 따라서 냉각 루프를 완성한다.
위에서 설명된 바와 같이 증류 칼럼(164)에 환류를 제공하는 응축기 열교환기(154)에 냉각을 제공하기 위하여 냉매 스트림(214)의 다른 소량 부분(218; 전형적으로 20% 이하)이 사용되며, 메인 열교환기로 복귀 그리고 메인 열교환기에서 더 워밍되기 전에 메인 열교환기에 냉각을 제공하기 위하여 이 소량 부분은 응축기 열교환기(154)에서 워밍된다. 구체적으로, 예를 들어, 스트림을 J-T 밸브(220) 또는 (예를 들어, 터보-팽창기와 같은) 다른 적절한 형태의 팽창 장치를 통과시킴에 의하여 냉매 스트림(214)의 소량 부분(218)은 팽창되어 차가운 냉매 스트림(222)을 형성한다. 냉매 스트림(230)과 함께 메인 열교환기의 차가운 부분(110)의 쉘 측에서 나오고 그리고 중간 부분(106)의 쉘 측으로 들어가는 (스트림(232)에서 얻어진) 워밍된 냉매와 결합함에 의하여 메인 열교환기로 복귀하기 전에, 스트림(222)은 그후 응축기 열교환기(154)에서 워밍되고 적어도 부분적으로 기화된다.
증류 칼럼(162)의 상부를 더 차갑게 만들기 위하여 응축기 열교환기(154)를 사용(특히, 응축기 열교환기(154), 압축기(166) 그리고 애프터쿨러(168)를 포함한 질소 열 펌프 사이클을 사용)하는 것은 더 높은 순도의, 질소 풍부 생성물(170)이 얻어지는 것을 가능하게 한다. 응축기 열교환기(154)를 위한 냉각을 또한 제공하기 위하여 폐루프 냉각 시스템을 사용하는 것은 응축기 열교환기(154) 내의 내부 온도 차이를 최소화함에 의하여 공정의 전체 효율을 향상시키며, 혼합된 냉매는 재순환된 질소의 응축이 일어나는 적절한 온도에서의 냉각을 제공한다.
이는 도 4에 도시된 냉각 곡선들에 의하여 도시되며, 이 냉각 곡선들은 도 1에 도시된 그리고 위에서 설명된 실시예에 따라 작동될 때 응축기 열교환기(154)를 위하여 얻어진다. 바람직하게는, 압축기(166)의 배출 압력은 선택되어 응축기 열교환기(154) 내에서 냉각될 오버헤드 증기(172)의 압축된 그리고 워밍된 부분이 혼합된 냉매가 기화되는 온도 바로 위의 온도에서 응축된다. 증류 칼럼(62)으로부터 배출된 오버헤드 증기(164)는 그 이슬점(약 -159℃)에서 응축기 열교환기(154)로 들어갈 수 있으며 그리고 거의 주변 조건으로 데워질 수 있다. 질소 풍부 증기 생성물(170)의 배출 이후에, 나머지 오버헤드 증기가 그후 압축기(166) 내에서 압축되고 애프터쿨러(168)에서 거의 주변 온도로 냉각되며, 그리고 응축기 열교환기(154)로 복귀되어 냉각되고 응축되고 이전에 설명된 바와 같이 증류 칼럼(162)을 위한 환류를 제공한다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 이 도면들은 본 발명의 대안적인 실시예에 따라 천연 가스 스트림으로부터 질소를 액화하고 제거하는 다른 방법 및 장치를 도시한다. 이 실시예들에서 증기 상과 액체 상으로의 분리를 위하여 증류 칼럼(162)으로 전달된 스트림이 제 1 LNG 스트림(112)이 아니라, 대신에 제 1 LNG 스트림에서 또는 천연 가스 원료 스트림에서 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하는 것으로부터 얻어진 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144 또는 344)이라는 점에서 이 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 다르다.
도 2에 도시된 방법 및 장치에서, 증류 칼럼(162)으로 전달되고 그리고 증류 칼럼 내에서 분리된, 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 제 1 LNG 스트림(112)으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림(130)을 분리시키는 것으로부터 그리고 메인 열교환기 내에서 상기 스트림을 적어도 부분적으로 액화시키는 것으로부터 형성된다.
구체적으로, 예를 들어 스트림을 J-T 밸브(124) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통과시킴에 의하여 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1 LNG 스트림(122)은 팽창되어 팽창된 LNG 스트림(126)을 형성하며, 이 LNG 스트림은 LNG 저장 탱크(128) 내로 유입된다. LNG 저장 탱크(128) 내에서 LNG의 일부는 기화되고, 초기 팽창 및 탱크 내로의 LNG의 유입의 결과로서 그리고/또는 (저장 탱크가 완전하게 절연될 수 없기 때문에) 시간 경과에 따른 주변 가열 결과로서, 재순환 스트림(130)으로서 탱크의 상부 공간 내에 수집되고 이 상부 공간으로부터 배출된 질소 풍부 천연 가스 증기가 제조되며, 그리고 생성물 스트림(196)으로서 탱크 내에 저장되고 그리고 배출될 수 있는, 질소 감손 LNG 생성물을 남긴다. (도시되지 않은) 대안적인 실시예에서, LNG 저장 탱크(128)는 (플래시 드럼과 같은) 상 분리기 또는 다른 형태의 분리 장치로 대체될 수 있으며, 분리 장치에서는 팽창된 LNG 스트림(126)이 액체 상과 증기 상으로 분리되고, 액체 상과 증기 상은 질소 감손 LNG 생성물(196)과 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림(192)을 각각 형성한다. LNG 저장 탱크가 사용된 경우에, 탱크의 상부 공간 내에 수집되고 이 상부 공간으로부터 배출된 질소 풍부 천연 가스 증기는 또한 탱크 플래시 가스(TFG) 또는 보일-오프 가스(BOG)로 언급될 있다. 상 분리기가 사용된 경우, 상 분리기 내에서 형성되고 그리고 상 분리기로부터 배출된 질소 풍부 천연 가스 증기는 또한 엔드 플래시 가스(EFG)로 언급될 수 있다.
질소 풍부 천연 가스 증기로 구성된 재순환 스트림(130)은 그후 하나 이상의 압축기(132) 내에서 압축되고 그리고 하나 이상의 애프터쿨러(136)에서 냉각되어 압축된 재순환 스트림(138)을 형성한다. 이 재순환 스트림은 메인 열교환기로 재순환된다 (따라서 이 이유로 스트림은 재순환 스트림으로 언급된다). 애프터쿨러는 예를 들어, 대기 온도에서의 물 또는 공기와 같은 어떠한 적절한 형태의 냉각수를 사용할 수 있다. 애프터쿨러(136)를 나온, 압축된 그리고 냉각된 질소 풍부 천연 가스 증기는 또한 분할될 수 있으며(도시되지 않음), 이 가스의 한 부분은 메인 열교환기로 전달된 압축된 재순환 스트림(138)을 형성하고, 다른 부분(도시되지 않음)은 배출되어 플랜트 연료 수요(도시되지 않음)와 같은 다른 목적을 위하여 사용된다. 애프터쿨러(들)(136) 내에서 냉각된 결과로서, 압축된 재순환 스트림(138)은 천연 가스 원료 스트림(100)의 온도와 대략 동일한 온도(즉, 대기 온도)에 있으며, 그리고 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기의 따듯한, 중간 그리고 차가운 부분(102, 106 그리고 110) 내에서 개별적으로 냉각시키기 위하여, 압축된 재순환 스트림은 메인 열교환기의 온단부로 별도로 유입되며, 그리고 천연 가스 원료 스트림이 냉각되는 냉각 통로와 평행하게 나아가는 개별적인 냉각 통로 또는 일련의 냉각 통로를 통과하며, 여기서 압축된 재순환 스트림은 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 액화되어 제 1의 적어도 부분적으로 액화된(즉, 부분적으로 또는 완전하게 액화된), 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)을 형성한다.
메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1의 적어도 부분적으로 액화된(즉, 부분적으로 또는 완전하게 액화된), 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 팽창되고, 부분적으로 기화되고 그리고 증류 칼럼(162)으로 유입되며, 도 1에 도시된 그리고 위에서 설명된 본 발명의 실시예에서의 제 1 LNG 스트림(112)과 유사한 방식으로 증류 칼럼 내에서 스트림은 증기 상과 액체 상으로 분리되어 질소 풍부 증기 생성물(170)과 제 2 (질소 감손) LNG 스트림(186)을 형성한다. 구체적으로, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 리보일러 열교환기(174) 내에서 냉각되어 냉각된 스트림(456)을 형성하며, 이 냉각된 스트림은 그후 J-T 밸브(458) 또는 터보 팽창기(도시되지 않음)를 통과함에 의하여 팽창되고 그리고 부분적으로 기화되어 팽창된 그리고 부분적으로 기화된 스트림(460)을 형성하며, 이 기화된 스트림은 증기 상과 액체 상으로의 분리를 위하여 분리 부분들 사이의 증류 칼럼의 중간 위치로 유입된다.
본 실시예에서 질소가 더 풍부해진(즉, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)에 비해 질소가 증가되고 따라서 천연 가스 원료 스트림(100)에 비해 질소가 더 증가된), 증류 칼럼(162)으로부터의 오버헤드 증기는 다시 질소 풍부 증기 생성물(170)을 제공한다.
증류 칼럼(162)으로부터의 바닥부 액체가 다시 제 2 LNG 스트림(186)을 제공하며, 이 LNG 스트림은 LNG 저장 탱크(128)로 다시 전달된다. 구체적으로, 증류 칼럼(162)의 바닥부로부터 배출된 제 2 LNG 스트림(186)은 예를 들어 스트림을 J-T 밸브(188) 또는 터보 팽창기(도시되지 않음)를 통과시킴에 의하여 그후 팽창되어 팽창된 제 1 LNG 스트림(126)과 대략적으로 동일한 압력의 팽창된 스트림을 형성한다. 동일하게, 팽창된 제 2 LNG 스트림은 LNG 저장 탱크(128)로 유입되며, 위에서 설명된 바와 같이 이 탱크 내에서 LNG의 부분이 기화되어 질소 풍부 천연 가스 증기를 제공하며, 이 천연 가스 증기는 재순환 스트림(130)으로서 탱크의 상부 공간으로부터 배출되며 그리고 생성물 스트림(196)으로서 탱크 내에 저장되고 그리고 배출될 수 있는, 질소 감손 LNG 생성물을 남긴다. 따라서, 이 실시예에서, 제 2 LNG 스트림(186)과 제 1 LNG 스트림(112)은 팽창되고 결합되며 그리고 재순환 스트림(130)과 LNG 생성물(196)으로 함께 분리된다. 그러나, 도시되지 않은) 대안적인 실시예에서, 이후 결합되는 개별적인 재순환 스트림, 그리고 개별인 LNG생성물 스트림을 제조하기 위하여(제 2 LNG 스트림(186)과 제 1 LNG 스트림(112)은 팽창될 수 있고 그리고 다른 LNG 저장 탱크(또는 다른 형태의 분리 시스템)로 유입될 수 있다. 동일하게, (도시되지 않은) 또 다른 실시예에서, J-T 밸브, 터보-팽창기 또는 다른 형태의 팽창 장치를 통하여 팽창되기 전에, (유사한 압력이거나 유사한 압력으로 조정된다면) 제 2 LNG 스트림(186)과 제 1 LNG 스트림(112)은 결합될 수 있고, 그리고 그후 결합된 팽창된 스트림은 LNG 저장 탱크(또는 다른 형태의 분리 시스템) 내로 유입된다.
도 2에 도시된 실시예는 환경적인 순도 요구 조건을 만족하면서 배기될 수 있는 높은 순도의 LNG 생성물 그리고 높은 순도의 질소 스트림을 제조하기 위하여 현저한 메탄의 손실없이 천연 가스를 액화시키고 질소를 제거하는 간단하고 효율적인 수단을 제공한다. 대안적으로, 메탄 함유량이 충분히 높다면 연료를 위한 것과 같이 질소 스트림(170)은 또한 다른 곳에서 사용될 수 있다. 특히, 천연 가스 원료 스트림과 제 1 LNG 스트림과 비교하여 재순환 스트림은 질소가 풍부하며, 따라서 재순환 스트림을 적어도 부분적으로 액화시킴에 의하여(그로 인하여 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 형성) 그리고 그후 제 1 LNG 스트림 대신에 이 스트림을 증류 칼럼 내에서 분리함에 의하여, 유사한 분리 단계를 위하여 현저하게 높은 순도(즉, 더욱 높은 질소 농도)의, 질소 풍부 증기 생성물이 얻어진다. 동일하게, 이러한 공정을 수생하기 위하여 전용 열교환기와 냉각 시스템을 부가함에 의하여 재순환 스트림이 냉각될 수 있고 그리고 적어도 부분적으로 액화될 수 있을지라도, 재순환 스트림이 질소 풍부 생성물과 부가적인 LNG 생성물으로 분리될 수 있도록 하기 위하여 재순환 스트림을 냉각시키고 그리고 적어도 부분적으로 액화시키도록 메인 열교환기 그리고 그와 관련된 기존의 냉각 시스템을 사용하는 것은 더욱 콤팩트하고 그리고 비용면에서 효율적인 공정 및 장치를 제공한다.
도 3에 도시된 방법 및 장치에서, 증류 칼럼(162)으로 전달되고 그리고 분리된 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(344)은 천연 가스 원료 스트림(100)으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림(307)을 분리하는 것으로부터 그리고 메인 열교환기 내에서 상기 스트림을 적어도 부분적으로 액화하는 것으로부터 형성된다.
구체적으로, 도 3에 도시된 실시예에서, 천연 가스 원료 스트림(100)은 먼저 메인 열교환기 내의 일련의 냉각 통로들 통과하여 천연 가스 스트림을 냉각하고, 그의 일 부분을 액화 그리고(전형적으로) 과냉각하여 그로 인하여 제 1 LNG 스트림(112)을 제조하고, 그리고 천연 가스 스트림의 다른 부분을 적어도 부분적으로 액화하여, 그로 인하여 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(344)을 제조한다. 천연 가스 원료 스트림(100)은 메인 열교환기의 온단부로 유입되며 그리고 메인 열교환기의 따듯한 부분(102)과 중간 부분(106)을 통하여 나아가는 제 1 냉각 통로를 통과한다. 제 1 냉각 통로 내에서, 스트림은 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 액화되며, 그로 인하여 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림(341)을 제조한다. 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림(341)은 그후 메인 열교환기의 중간 부분과 차가운 부분 사이의, 메인 열교환기의 중간 위치로부터 배출되며, 그리고 팽창되고 부분적으로 기화되며 그리고 J-T 밸브(302) 또는 일-추출 장치(예를 들어, 유압 터빈 또는 (도시되지 않은) 터보 팽창기)와 같은 팽창 장치와 (플래시 드럼과 같은) 상 분리기(2308)로 구성된 분리 시스템 내에서 분리되어 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림(307)과 질소 감손 천연 가스 액체 스트림(309)을 형성한다. 증기 스트림(307)과 액체 스트림(309)은 그후 중간 부분(106)과 차가운 부분(110) 사이의, 메인 열교환기의 중간 위치로 개별적으로 재유입된다. 액체 스트림(309)은 메인 열교환기의 차가운 부분(110)을 통하여 나아가는 제 2 냉각 통로를 통과하며, 제 2 냉각 통로 내에서 스트림은 과냉각되어 제 1(과냉각된) LNG 스트림(112)을 형성한다. 증기 스트림(307)은 제 2 냉각 통로와 개별적으로 그리고 평행하게 메인 열교환기의 차가운 부분(110)을 통하여 나아가는 제 3 냉각 통로를 통과하며, 제 3 냉각 통로 내에서 스트림은 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 액화되어 제 1의 적어도 부분적으로 액화된(즉, 부분적으로 또는 전체적으로 액화된), 질소 풍부 천연 가스 스트림(344)을 형성한다. 제 1 LNG 스트림(112)과 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(344)은 그후 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된다.
도 1에 도시된 실시예에서의 제 1 LNG 스트림(112)과 유사한 방식으로, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(344)은 이후 팽창되고, 부분적으로 기화되고 그리고 증류 칼럼(162)으로 유입되며, 이 스트림은 증류 칼럼 내에서 증기 상과 액체 상으로 분리되어 질소 풍부 증기 생성물(170)과 제 2 (질소 감손) LNG 스트림(186)을 형성한다. 그러나, 도 3에 도시된 실시예에서, 증류 칼럼(162)에 비등을 제공하기 위해 리보일러 열교환기는 사용되지 않는다. 따라서, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(344)은 J-T 밸브(358) 또는 터보 팽창기(도시되지 않음)와 같은 팽창 장치를 통과함에 의하여 간단하게 팽창되고 그리고 부분적으로 기화되어 팽창된 그리고 부분적으로 기화된 스트림(360)을 형성한다. 여기서, 이 스트림은 증기 상과 액체 상으로의 분리를 위하여, 분리 부분들 사이의, 증류 칼럼의 중간 위치로 유입된다. 리보일러 열교환기를 사용하는 대신에, 상 분리기(308)로부터 얻어진 질소 풍부 천연 가스 증기의 부분에 의하여 증류 칼럼(162)을 위한 스트리핑 가스가 제공된다. 구체적으로, 상 분리기(308)에 의하여 제조된 질소 풍부 천연 가스 증기는 분할되어 2개의 질소 감손 천연 가스 증기 스트림(307, 374)을 제조한다. 대안적으로, 도 1 및 도 2를 위하여 도시된 것과 동일한 방식으로 이 실시예를 위한 리보일러 열교환기는 제공될 수 있다. 동일하게, 도 1 및 도 2에서의 스트리핑 증기는 도 3에 도시된 바와 같은 중간 번들과 차가운 번들 사이로부터의, 또는 (도시되지 않은) 액화 유니트의 온단부 또는 다른 중간 위치로부터의 따듯한 천연 가스로부터 얻어질 수 있다. 스트림(307)은 메인 열교환기의 차가운 부분(110)을 통과하고 그리고 그 안에서 더 냉각되어 위에서 설명된 바와 같이 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(344)을 형성한다. 예를 들어 J-T 밸브(384) 또는 터보 팽창기(도시되지 않음)를 통과함에 의하여 스트림(374)은 팽창되고 그리고 스트리핑 가스 스트림으로서 증류 칼럼(162)의 바닥부로 유입된다.
도 2에 도시된 실시예에서와 같이, 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1 LNG 스트림(112)은 (제 2 LNG 스트림(186)과 함께) 다시 팽창되고 LNG 저장 탱크(128; 또는 다른 분리 장치)로 전달되어 질소 감손 LNG 생성물(196) 그리고 질소 풍부 천연 가스 증기로 구성된 재순환 스트림(130)을 제공한다. 그러나, 도 3에 도시된 실시예에서, 재순환 스트림을 압축기(132) 내에서 압축시킴으로부터 그리고 압축된 재순환 스트림(134)을 애프터쿨러(136) 내에서 냉각시킴으로부터 형성된 압축된 재순환 스트림(138)은 천연 가스 원료 스트림(100)으로 뒤로 유입시킴으로써 메인 열교환기로 뒤로 재순환되며, 따라서 재순환 스트림은 천연 가스 원료 스트림과 결합하여 그리고 그의 부분으로서 메인 열교환기 내에서 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 액화된다.
도 2에 도시된 그리고 설명된 실시예와 마찬가지로, 도 3에 도시된 실시예는 상대적으로 적은 장비 개수를 갖는 방법 및 장치를 제공하며, 가동하기에 효율적이고 간단하고 또한 용이하며, 그리고 상대적으로 낮은 질소 농도의 천연 가스 원료 성분을 가질지라도 고순도 LNG 생성물과 고순도 질소 스트림의 제조을 허용한다. 제 1 LNG 스트림 대신에 증류 칼럼 내에서 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리함에 의하여, 현저하게 높은 순도의 질소 풍부 증기 생성물이 얻어지며, 그리고 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 발생시키기 위하여 전용 열교환기 그리고 냉각 시스템을 추가하기보다는, 메인 열교환기 그리고 그와 관련된 냉각 시스템을 이용함에 의하여, 더욱 콤팩트하고 비용 면에서 효율적인 공정 및 장치가 제공된다.
실험예
본 발명의 작동을 설명하기 위하여, 그리고 1%의 메탄을 갖는 질소 배기 스트림 그리고 1%의 질소를 갖는 액화 천연 가스 생성물을 얻기 위하여, (SMR 냉각 시스템 고정을 이용한) 도 1에 설명되고 도시된 공정을 지켜보았다. 천연 가스 원료 성분이 표 1에 도시되며, 표 2는 주요 스트림의 성분을 열거한다. 이 데이터는 ASPEN Plus 소프트웨어를 이용하여 생성되었다. 데이터로부터 볼 수 있는 바와 같이, 공정은 액화된 천연 가스 스트림으로부터 질소를 효과적으로 제거한다.
천연 가스 원료 처리 조건 및 성분
온도 (℉) 100
압력 (psi) 870
유속(lb 몰/시간) 5500

성분 (몰%)

N2
3

C1
96.48

C2
0.5

C3
0.02
스트림 조건 및 성분

112
160
164
170
218
224
108
196

몰 분율(%)

N2
3
3
99
99
16.5
16.3
3
0.4

C1
96.6
96.6
1
1
56.5
56.5
96.6
99.1

C2
0.4
0.4
0
0
0.5
0.5
0.4
0.5

C3
0.02
0.02
0
0
1.9
1.9
0.02
0

EL
0
0
0
0
24.5
24.5
0
0

온도(℉)
-244
-256
-314
73.4
-244
-214
-180
-260

압력 (psi)
223
223
18
15
445
76
283
15

증발분
0
0
1
1
0
0.4
0
0

전체 스트림
lb몰/시간
5883
5883
599
101.6
442
442
5883
5356
본 발명이 바람직한 실시예를 참고로 하여 위에서 설명된 상세한 설명에 제한되지 않으나 하기 청구범위에서 한정된 바와 같이 다양한 변경 및 변형이 본 발명의 사상 또는 범위에서 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것이 인식될 것이다.

Claims (21)

  1. 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고, 천연 가스 원료 스트림으부터 질소를 제거하기 위한 방법으로서,
    (a) 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 상기 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키기 위해 상기 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 제 1 LNG 스트림을 제조하는 단계와,
    (b) 상기 제 1 LNG 스트림을 메인 열교환기로부터 배출시키는 단계와,
    (c) 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고, 상기 스트림이 증기 상과 액체 상으로 분리되는 증류 칼럼(distillation column)으로 상기 스트림을 유입시키는 단계로서, 상기 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 상기 제 1 LNG 스트림이거나, 또는 상기 제 1 LNG 스트림으로부터 또는 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하여 상기 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시킴으로써 형성되는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림인 것인, 단계와,
    (d) 상기 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기(overhead vapor)로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계와,
    (e) 상기 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기의 일부를 응축기 열교환기에서 응축함으로써 증류 칼럼에 대한 환류(reflux)를 제공하는 단계와,
    (f) 상기 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 메인 열교환기에 대한 그리고 응축기 열교환기에 대한 냉각이 폐루프 냉각 시스템에 의해 제공되고,
    상기 폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 워밍되며 그리고 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되며,
    상기 응축기 열교환기에 대한 냉각은 폐루프 냉각 시스템에 의해 그리고 증류기 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기의 워밍에 의해 제공되고,
    상기 단계 (e)는 상기 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기를 응축기 열교환기에서 워밍하고, 워밍된 오버헤드 증기의 제 1 부분을 압축하고, 압축된 부분을 응축기 열교환기에서 냉각시키고 적어도 부분적으로 응축시키며, 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된 부분을 팽창시켜 증류 칼럼의 상부로 다시 재유입시키는 단계를 포함하며,
    상기 단계 (d)는 상기 워밍된 오버헤드 증기의 제 2 부분으로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되는 냉매는 후속적으로 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 추가로 워밍되는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 메인 열교환기에 그리고 응축기 열교환기에 냉각이 제공된 후에 얻어지는 워밍된 냉매는 압축된 냉매를 형성하기 위해 하나 이상의 압축기에서 압축되고 하나 이상의 애프터쿨러에서 냉각되고,
    상기 압축된 냉매는 메인 열교환기로부터 배출되는 냉각된 압축 냉매를 형성하기 위해 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 냉각되며,
    상기 냉각된 압축 냉매는 후속적으로 분할되어, 냉매의 일부는 팽창되고 그리고 메인 열교환기를 통과하여 메인 열교환기에서 워밍되도록 메인 열교환기로 직접 복귀되고, 냉매의 다른 부분은 팽창되고 그리고 응축기 열교환기를 통과하여 응축기 열교환기에서 워밍되도록 응축기 열교환기로 전달되는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 혼합 냉매인 것인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 메인 열교환기에 그리고 응축기 열교환기에 냉각이 제공된 후에 얻어지는 워밍된 혼합 냉매는 압축되고 메인 열교환기에서 냉각되며 그리고 복수의 액화된 또는 부분적으로 액화된 차가운 다른 성분의 냉매 스트림을 제공하도록 냉각될 때 분리되며,
    상기 메인 열교환기의 냉단부(cold end)로부터 얻어진 더 경량 성분의 최고 농도를 갖는 차가운 냉매 스트림이 응축기 열교환기에서 워밍되는 냉매의 스트림 및 메인 열교환기의 냉단부로 복귀되어 상기 냉단부에서 워밍되는 냉매의 스트림을 제공하도록 분할되어 팽창되는 것인 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 상기 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키며, 상기 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 상기 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제 2 LNG 스트림을 LNG 저장 탱크로 전달하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키며, 상기 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 상기 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 단계를 포함하며,
    상기 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 상기 제 1 LNG 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하는 것과 상기 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시키는 것에 의해 형성되는 것인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 (i) 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 상기 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계와, (ⅱ) 상기 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 상기 재순환 스트림을 압축하는 단계와, (ⅲ) 상기 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고 상기 스트림의 전부 또는 일부를 적어도 부분적으로 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 상기 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 제조하는 단계에 의해 형성되는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림은 팽창되어 LNG의 일부가 기화되는 LNG 저장 탱크 내로 이송되어, 질소 풍부 천연 가스 증기와 질소 감손 LNG 생성물이 형성되며,
    상기 질소 풍부 천연 가스 증기는 상기 재순환 스트림을 형성하도록 LNG 저장 탱크로부터 배출되는 것인 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 및 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위해 상기 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고, 상기 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 상기 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 단계를 포함하며,
    상기 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 상기 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하는 것과 상기 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시키는 것에 의해 형성되는 것인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 단계 (a)는, (i) 상기 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기의 온단부(warm end)로 유입시키고, 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키며, 냉각되고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 메인 열교환기의 중간 위치로부터 배출시키는 단계와, (ⅱ) 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림과 질소 감손 천연 가스 액체 스트림을 형성하기 위해 상기 냉각되고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계와, (ⅲ) 상기 증기 스트림과 액체 스트림을 메인 열교환기의 중간 위치로 개별적으로 재유입시키고 증기 스트림과 액체 스트림을 병렬로 추가로 냉각시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 액체 스트림은 제 1 LNG 스트림을 형성하도록 추가로 냉각되고, 상기 증기 스트림은 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 형성하도록 추가로 냉각되고 적어도 부분적으로 액화되는 것인 방법.
  16. 제15항에 있어서, (g) 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 상기 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계와,
    (h) 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 상기 재순환 스트림을 압축하는 단계와,
    (i) 상기 천연 가스 원료 스트림과 결합되어 또는 천연 가스 원료 스트림과 개별적으로 냉각되고 적어도 부분적으로 액화되도록 상기 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기로 복귀시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 단계 (g)는 상기 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 팽창된 스트림을 LNG의 일부가 기화되는 LNG 저장 탱크 내로 이송시켜, 질소 풍부 천연 가스 증기 및 질소 감손 LNG 생성물을 형성하고, 상기 재순환 스트림을 형성하기 위해 질소 풍부 천연 가스 증기를 LNG 저장 탱크로부터 배출시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 및 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위해 상기 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 단계 (a)(ⅱ)는 상기 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림, 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 스트리핑 가스 스트림, 및 질소 감손 천연 가스 액체 스트림을 형성하기 위해 상기 냉각되고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키며 그리고 분리하는 단계를 포함하며,
    상기 단계 (c)는 상기 스트리핑 가스 스트림을 증류 칼럼의 바닥부로 유입시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 증류 칼럼의 중간 위치에서 증류 칼럼으로 유입되며,
    상기 증류 칼럼으로의 상기 스트림의 유입 이전에 상기 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림과의 간접적인 열교환을 통해 상기 바닥부 액체의 일부를 리보일러 열교환기에서 가열하고 기화시킴으로써 증류 칼럼에 대한 비등(boil-up)이 제공되는 것인 방법.
  21. 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고, 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 장치로서,
    제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 수용하기 위한 그리고 상기 스트림을 냉각시키고 상기 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키도록 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시키기 위한 냉각 통로를 갖는 메인 열교환기와,
    팽창 장치 및 증류 칼럼으로서, 상기 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림을 수용하고, 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키며, 상기 스트림을 증류 칼럼에서 증기 상과 액체 상으로 분리하고, 상기 액화된 또는 부분적으로 액화된 천연 가스 스트림은 상기 제1 LNG 스트림이거나, 또는 상기 제 1 LNG 스트림으로부터 또는 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하여 상기 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기에서 적어도 부분적으로 액화시킴으로써 형성되는 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림인 것인, 팽창 장치 및 증류 칼럼과,
    상기 증류 칼럼으로부터 얻어진 오버헤드 증기의 일부를 압축하여 압축된 오버헤드 증기 스트림을 생성하기 위한 압축기와,
    상기 압축된 오버헤드 증기 스트림을 적어도 부분적으로 액화하여 압축되고 응축된 오버헤드 증기 스트림을 생성하기 위한 응축기 열 교환기와,
    상기 증류 칼럼에 대한 환류를 제공하기 위해 상기 압축되고 응축된 오버헤드 증기 스트림의 압력을 줄이는 팽창 장치와,
    상기 메인 열교환기와 응축기 열교환기에 대한 냉각을 제공하기 위한 폐루프 냉각 시스템을 포함하며,
    상기 폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기에서 워밍되며 그리고 응축기 열교환기를 통과하고 응축기 열교환기에서 워밍되는 것인 장치.
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