KR101680465B1 - 전용 재주입 회로를 이용하는 액화 천연 가스 제조시의 통합된 질소 제거 - Google Patents

전용 재주입 회로를 이용하는 액화 천연 가스 제조시의 통합된 질소 제거 Download PDF

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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고 그리고 천연 가스 원료 스트림으로부터 질소를 제거하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 방법 및 장치에서, 제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림은 메인 열교환기를 통과하며, 제 1 LNG 스트림은 분리되어 질소 감손 LNG 생성물과 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하고, 제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 재순환 스트림이 천연 가스 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 스트림과 병렬로 메인 열교환기를 통과하여, 질소 풍부 생성물을 제공하도록 분리된 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 제조된다.

Description

전용 재주입 회로를 이용하는 액화 천연 가스 제조시의 통합된 질소 제거{INTEGRATED NITROGEN REMOVAL IN THE PRODUCTION OF LIQUEFIED NATURAL GAS USING DEDICATED REINJECTION CIRCUIT}
본 발명은 질소 감손 액화 천연 가스(LNG) 생성물을 제조하기 위하여 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고 이로부터 질소를 제거하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위하여 천연 가스 원료 스트림을 액화시키고 이로부터 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 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% 이하)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 유니트에서 위밍되어 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 스트림과 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 분리하기 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 배출되며 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 상단으로부터 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 LNG 생성물 제조 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 질소 감손(nitrogen-depleted) LNG 생성물 제조하기 위한 방법으로서,
(a) 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 이 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 제 1 LNG 스트림을 생성하는 단계와,
(b) 메인 열교환기로부터 제 1 LNG 스트림을 배출시키는 단계와,
(c) 질소 감손 LNG 생성물 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계와,
(d) 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 재순환 스트림을 압축하는 단계와,
(e) 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고 압축된 재순환 스트림의 전부 또는 일부를 적어도 부분적으로 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 그로 인하여 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연가스 스트림을 제조하는 단계와,
(f) 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기로부터 배출시키는 단계와,
(g) 질소 풍부 기체 생성물을 형성하기 위해 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위한 장치로서,
메인 열교환기로서, 제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 천연 가스 원료 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키도록 천연 가스 원료 스트림을 수용하고 천연 가스 원료 스트림을 열교환기를 통과시키기 위한, 그리고 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 제조하기 위해 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키도록 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 압축된 재순환 스트림을 수용하고 압축된 재순환 스트림을 열교환기를 통과시키기 위한 냉각 통로를 가지며, 냉각 통로는 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 압축된 재순환 스트림을 열교환기를 통과시키도록 배치되는 것인, 메인 열교환기와,
냉각 통로를 냉각시키기 위해 냉매를 메인 열교환기에 공급하기 위한 냉각 시스템과,
메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림을 수용하고, 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하기 위한 제 1 분리 시스템과,
제 1 분리 시스템 및 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 재순환 스트림을 수용하고, 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 재순환 스트림을 압축하며, 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기로 복귀시키기 위한 압축기와, 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 질소 풍부 증기 생성물을 형성하기 위해 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 수용하고, 팽창시키고 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하기 위한 제 2 분리 시스템을 포함하는 장치가 제공된다.
본 발명의 바람직한 양태는 번호 #1 내지 #28의 다음의 양태를 포함한다.
#1. 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 방법으로서, 본 발명의 방법은
(a) 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 이 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 제 1 LNG 스트림을 생성하는 단계와,
(b) 메인 열교환기로부터 제 1 LNG 스트림을 배출시키는 단계와,
(c) 질소 감손 LNG 생성물 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계와,
(d) 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 재순환 스트림을 압축하는 단계와,
(e) 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고 압축된 재순환 스트림의 전부 또는 일부를 적어도 부분적으로 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 그로 인하여 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연가스 스트림을 제조하는 단계와,
(f) 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기로부터 배출시키는 단계와,
(g) 질소 풍부 기체 생성물을 형성하기 위해 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함한다.
#2. 양태 #1의 방법에서, 단계 (c)는 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림으로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키고, LNG의 일부가 기화되는 LNG 저장 탱크 내로 팽창된 스트림을 이송시켜, 질소 풍부 천연 가스 증기 및 질소 감손 LNG 생성물을 형성하고, 재순환 스트림을 형성하기 위해 질소 풍부 천연 가스 증기를 탱크로부터 배출시키는 단계를 포함한다.
#3. 양태 #2 또는 #3의 방법에서, 단계 (g)는 질소 풍부 증기 생성물 및 제 2 LNG 스트림을 형성하기 위해 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시켜, 스트림을 상 분리기에서 기체 상과 액체 상으로 분리하는 단계를 포함한다.
#4. 양태 #3의 방법에서, 단계 (c)는 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함하며,
본 발명의 방법은 (h) 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 및 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위해 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 더 포함한다.
#5. 양태 #1 또는 #2의 방법에서, 단계 (g)는 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고, 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 스트림을 증류 칼럼(distillation column)으로 유입시켜, 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기(overhead vapor)로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계를 포함한다.
#6. 양태 #5의 방법에서, 단계 (c)는 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함한다.
#7. 양태 #5의 방법에서, 단계 (c)는, (i) 질소 감손 LNG 스트림, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 스트리핑 가스 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계와, (ⅱ) 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 질소 감손 LNG 스트림을 추가로 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함한다.
단계 (g)는 스트리핑 가스 스트림을 증류 칼럼의 바닥부로 유입시키는 단계를 더 포함한다.
#8. 양태 #6 또는 #7의 방법에서, 단계 (g)는 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 생성하는 단계를 더 포함하며,
본 발명의 방법은 (h) 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 및 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위해 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 더 포함한다.
#9. 양태 #5의 방법에서, 단계 (c)는, (i) 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고 이 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 이 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 단계로서, 제 1 LNG 스트림은 제 1의 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 칼럼으로 유입되는 위치의 아래에 있는 위치에서 증류 칼럼으로 유입되는 것인, 유입 단계와, (ⅱ) 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하는 단계와, (ⅲ) 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함한다.
#10. 양태 #9의 방법에서, 제 1 LNG 스트림은 증류 칼럼의 중간 위치에서 증류 칼럼으로 유입되며, 증류 칼럼으로의 제 1 LNG 스트림의 유입 이전에 제 1 LNG 스트림과의 간접적인 열교환을 통해 리보일러 열교환기에서 바닥부 액체의 일부를 가열하고 기화시킴으로써 증류 칼럼에 대한 비등(boil-up)이 제공된다.
#11. 양태 #9의 방법에서, 제 1 LNG 스트림은 증류 칼럼의 바닥부로 유입된다.
#12. 양태 #5 내지 #10 중 어느 하나의 방법에서, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림의 증류 칼럼으로의 유입 이전에 이 스트림의 전체 또는 일부와의 간접적인 열교환을 통해 바닥부 액체를 리보일러 열교환기에서 가열하고 기화시킴으로써 증류 칼럼에 대한 비등이 제공된다.
#13. 양태 #5 내지 #12 중 어느 하나의 방법에서, 단계 (e)는 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기로 유입시키고, 압축된 재순환 스트림을 냉각시키며, 스트리핑 가스 스트림을 형성하기 위해 냉각된 압축 재순환 스트림의 일부를 메인 열교환기의 중간 위치로부터 배출시키고, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 형성하기 위해 냉각된 압축 재순환 스트림의 다른 부분을 추가로 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키는 단계를 포함하며, 단계 (g)는 스트리핑 가스 스트림을 증류 칼럼의 바닥부로 유입시키는 단계를 더 포함한다.
#15. 양태 #5 내지 #13 중 어느 하나의 방법에서, 제 1의 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 증류 칼럼의 상부로 유입된다.
#15. 양태 #5 내지 #13 중 어느 하나의 방법에서, 증류 칼럼으로 유입되기 전에 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 팽창되고, 부분적으로 기화되고 그리고 별개의 증기 스트림과 액체 스트림으로 분리되고, 액체 스트림은 중간 위치에서 증류 칼럼으로 유입되며, 증기 스트림은 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기와의 간접적인 열교환을 통해 응축기 열교환기에서 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된 후에, 증류 칼럼의 상부로 유입된다.
#16. 양태 #5 내지 #13 중 어느 하나의 방법에서, 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기의 일부를 응축기 열교환기에서 응축시킴으로써 증류 칼럼에 대한 환류(reflux)가 제공된다.
#17. 양태 #16의 방법에서, 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기를 워밍(warming)함으로써 응축기 열교환기에 대한 냉각이 제공된다.
#18. 양태 #16 또는 #17의 방법에서, 메인 열교환기에 대한 냉각을 유사하게 제공하는 폐루프 냉각 시스템에 의해 응축기 열교환기에 대한 냉각이 제공며, 폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 응축기 열교환기를 통과하고 그리고 응축기 열교환기에서 워밍된다.
#19. 양태 #1 내지 #18 중 어느 하나의 방법에서, 단계 (d)에서의 재순환 스트림의 압축 이전에 단계 (c)에서 얻어진 재순환 스트림에 질소 풍부 증기 생성물의 일부를 추가함으로써 질소 풍부 증기 생성물의 일부를 재순환시키는 단계를 더포함한다.
#20. 양태 #1 내지 #19 중 어느 하나의 방법에서, 메인 열교환기는 천연 가스 원료 스트림과 압축된 재순환 스트림이 병렬로 유입되는 온단부(warm end)와, 제 1 LNG 스트림과 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 병렬로 배출되는 냉단부(cold end)를 포함한다.
#21. 양태 #1 내지 #19 중 어느 하나의 방법에서, 메인 열교환기는 천연 가스 원료 스트림이 유입되는 온단부와, 제 1 LNG 스트림과 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 병렬로 배출되는 냉단부를 포함하며, 압축된 재순환 스트림은 메인 열교환기의 온단부와 냉단부 사이의 중간 위치에서 메인 열교환기로 유입된다.
#22. 양태 #21의 방법에서, 재순환 스트림은 단계 (d)에서 압축되기 전에 이코노마이저 열교환기에서 가열되며, 압축된 재순환 스트림은 단계 (e)에서 메인 열교환기로 유입되기 전에 애프터쿨러에서 냉각되고 이코노마이저 열교환기에서 추가로 냉각된다.
#23. 양태 #1 내지 #22 중 어느 하나의 방법에서, 메인 열교환기는 천연 가스 원료 스트림이 유입되는 온단부와, 제 1 LNG 스트림이 배출되는 냉단부를 포함하며,
단계 (a)는, (i) 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기의 온단부로 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 냉각되고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계와, (ⅲ) 증기 스트림과 액체 스트림을 메인 열 교환기의 중간 위치로 개별적으로 재유입시켜 증기 스트림과 액체 스트림을 병렬로 추가로 냉각시키는 단계를 포함하며, 액체 스트림은 제 1 LNG 스트림을 형성하기 위해 추가로 냉각되고, 증기 스트림은 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 형성하기 위해 추가로 냉각되고 적어도 부분적으로 액화되며,
단계 (b)는 제 1 LNG 스트림과 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출시키는 단계를 포함한다.
#24. 양태 #1, #2 및 #5 내지 #21 중 어느 하나에 따를 때, 양태 #23의 방법에서, 단계 (g)는, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림과 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키며, 이 스트림들을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 이 스트림들을 증류 칼럼으로 유입시키며, 증류 칼럼에서 배출된 오버헤드 증기로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계를 포함한다.
#25. 양태 #24의 방법에서, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 증류 칼럼으로 유입되는 위치의 위에 있는 위치에서 증류 칼럼으로 유입된다.
#26. 양태 #1 내지 #25 중 어느 하나의 방법에서, 메인 열교환기에 대한 냉각은 폐루프 냉각 시스템에 의해 제공되며, 폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 그리고 메인 열교환기에서 워밍된다.
#27. 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위한 장치는; 메인 열교환기로서, 제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 이 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키도록 천연 가스 원료 스트림을 수용하고 그리고 이 스트림을 열교환기를 통과시키기 위한, 그리고 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 제조하기 위해 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키도록 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 압축된 재순환 스트림을 수용하고 그리고 이 스트림을 열교환기를 통과시키기 위한 냉각 통로를 가지며, 냉각 통로는 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 압축된 재순환 스트림을 열교환기를 통과시키도록 배치되는 것인, 메인 열교환기와, 냉각 통로를 냉각시키기 위해 냉매를 메인 열교환기에 공급하기 위한 냉각 시스템과, 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림을 수용하고, 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하기 위한 제 1 분리 시스템과, 제 1 분리 시스템 및 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 재순환 스트림을 수용하고, 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 재순환 스트림을 압축하며, 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기로 복귀시키기 위한 압축기와, 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 질소 풍부 증기 생성물을 형성하기 위해 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 수용하고, 팽창시키고 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하기 위한 제 2 분리 시스템을 포함한다.
#28. 양태 #27에 따른 장치에서, 냉각 시스템은 폐루프 냉각 시스템이고, 제 1 분리 시스템은 팽창 장치와 LNG 탱크를 포함하며, 제 2 분리 시스템은 팽창 장치, 및 상 분리기 또는 증류 칼럼을 포함한다.
도 1은 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위하여 천연 가스 스트림으로부터 질소를 액화하고 제거하기 위한, 본 발명의 일 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 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법 및 장치를 도시한 개략적인 스트림도.
도 11은 도 10에 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 일 양태에 따르면,
a) 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 이 스트림의 전부 또는 일부를 액화(그리고, 전형적으로 과냉각)시키기 위해 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 제 1 LNG 스트림을 생성하는 단계와,
(b) 메인 열교환기로부터 제 1 LNG 스트림을 배출시키는 단계와,
(c) 질소 감손 LNG 생성물 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계와,
(d) 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 재순환 스트림을 압축하는 단계와,
(e) 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고 압축된 재순환 스트림의 전부 또는 일부를 적어도 부분적으로 액화시키기 위해 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기를 통과시켜, 그로 인하여 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연가스 스트림을 제조하는 단계와,
(f) 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기로부터 배출시키는 단계와,
(g) 질소 풍부 기체 생성물을 형성하기 위해 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "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 몰%의 질소 농도를 가지며, 본 명세서에서 설명된 방법 및 장치는 천연 가스 원료 스트림 내의 질소 농도가 5 몰l% 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 포함할 때, "질소 풍부" 스트림은 또한 다른 가벼운 성분(예를 들어, 질소의 비등점과 유사한 또는 이보다 낮은 비등점을 갖는, 예를 들어 헬륨과 같은 다른 요소)에서 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)에서 함유량이 낮을 수 있다.
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. 관용구 메인 열교환기의 "중간 위치"는 온단부와 냉단부 사이, 전형적으로 직렬 상태인 2개의 냉각 부분 사이의 위치를 나타낸다.
전형적으로, 메인 열교환기를 위한 냉각의 일부 또는 전체는 폐루프 냉각 시스템에 의하여 제공되며, 폐루프 냉각 시스템에 의하여 순환된 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 메인 열교환기 내에서 워밍된다. 폐루프 냉각 시스템(또는 메인 열교환기에 대한 냉각을 제공하기 위하여 하나 이상의 시스템이 사용된 경우, 폐루프 냉각 시스템들)이 어떠한 적절한 형태일 수 있다. 하나 이상의 폐루프 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(C3MR) 시스템, 질소 팽창 사이클(또는 다른 가스 팽창 사이클) 시스템 그리고 캐스케이드 냉각 시스템을 포함한다.
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.
바람직한 실시예에서, 본 방법의 단계 (c)는 제 1 LNG 스트림, 또는 제 1 LNG 스트림의 부분으로부터 형성된 LNG 스트림을 분리하기 위하여 LNG 저장 탱크를 이용하며, 그에 따라 질소 감손 LNG 생성물을 형성하고 스트림을 재순환시킨다. 따라서, 단계 (c)는 바람직하게는 제 1 LNG 스트림 또는 이로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키는 것, 팽창된 스트림을 LNG의 일부가 기화되는 LNG 저장 탱크로 이송시켜 그로 인하여 질소 풍부 천연 가스 증기와 질소 감손 LNG 생성물을 형성하는 것, 그리고 재순환 스트림을 형성하기 위하여 탱크로부터 질소 풍부 천연 가스 증기를 배출시키는 것을 포함한다.
한 실시예에서, 본 방법의 단계 (g)는 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하기 위하여 상 분리기를 사용하며, 따라서 질소 풍부 증기 생성물을 형성한다. 따라서 단계 (g)는 질소 풍부 증기 생성물 그리고 제 2 LNG 스트림을 형성하기 위하여 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키고 그리고 이 스트림을 상 분리기 내에서 증기 상과 액체 상으로 분리하는 것을 포함할 수 있다.
본 설명에서 사용된 바와 같이, 용어 "상 분리기"는 드럼 또는 다른 형태의 용기와 같은 장치를 언급하며, 스트림을 그 구성 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위하여 이 장치 내에 2개 상의 스트림이 유입될 수 있다. (아래에서 설명된) 증류 칼럼과 반대로, 용기는 용기 내에서의 역류 유체와 증기 스트림 간의 물질 전달을 가져오도록 설계된 어떠한 분리 부분을 포함하지 않는다. 분리되기 전에 스트림이 팽창되는(또는 팽창 및 부분적으로 기화되는) 경우, 스트림을 팽창시키기 위한 팽창 장치 그리고 스트림을 분리하기 위한 상 분리기는 예를 들어, (드럼에 대한 유입구가 팽창 밸브를 포함하는) 플래시 드럼과 같은 단일 장치로 결합될 수 있다.
단계 (g)가 위에서 설명된 바와 같이 상 분리기를 사용하는 경우, 본 발명의 단계 (c)는 바람직하게는 질소 감손 LNG 생성물 그리고 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위하여 (제 1 LNG 스트림의 부분으로부터 형성된 LNG 스트림과는 대조적으로) 제 1 LNG 스트림을 팽창, 부분적으로 기화 그리고 분리하는 것을 포함한다. 또한, 본 방법은 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 그리고 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위하여 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 것을 더 포함할 수 있다. 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 그리고 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위하여 제 2 LNG 스트림이 또한 팽창되고, 부분적으로 기화되고 그리고 분리되는 이 실시예 그리고 다른 실시예에서, 이 단계는 제 1 LNG 스트림과 제 2 LNG 스트림을 결합하고 그후 결합된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리함에 의하여; 스트림을 개별적으로 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키며 또한 팽창된 스트림들을 결합하고 그후 결합된 스트림을 분리함에 의하여; 또는 각 스트림을 개별적으로 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리함에 의하여 수행될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 본 방법의 단계 (g)는 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 분리하기 위하여 증류 칼럼을 이용하여 질소 풍부 증기 생성물을 형성한다. 따라서 단계 (g)는 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키고, 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위하여 상기 스트림을 증류 칼럼 내로 유입시키며, 그리고 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
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.
단계 (g)가 위에서 설명된 바와 같은 증류 칼럼을 사용하는 실시예에서, 본 발명의 단계 (c)는 질소 풍부 천연 가스 증기로 구성된 재순환 스트림 그리고 질소 감손 LNG 생성물을 형성하기 위하여 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 것을 포함할 수 있다. 단계 (g)는 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 또한 본 방법은 위에서 설명된 단계 (h)를 더 포함할 수 있다.
대안적으로, 본 방법의 단계 (c)는 (i) 질소 감손 LNG 스트림 그리고 질소 풍부 천연 가스 증기로 구성된 스트리핑 가스를 형성하기 위하여 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하며; 그리고 (ⅱ) 질소 감손 LNG 생성물 그리고 질소 풍부 천연 가스 증기로 구성된 재순환 스트림을 형성하기 위하여 질소 감손 LNG 스트림을 더 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법의 단계 (g)는 스트리핑 가스를 증류 칼럼의 바닥부로 유입시키는 것을 더 포함할 수 있다. 단계 (g)는 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 방법은 또한 위에서 설명된 단계 (h)를 더 포함할 수 있다.
대안적으로, 본 방법의 단계 (c)는, (i) 제 1의 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 칼럼 내로 유입된 위치의 아래의 위치에서 증류 칼럼 내로 유입된 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키며 그리고 이 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위하여 이 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키며; (ⅱ) 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하고; 그리고 (ⅲ) 질소 감손 LNG 생성물 그리고 질소 풍부 천연 가스 증기로 구성된 재순환 스트림을 형성하기 위하여 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 것을 포함할 수 있다. 제 1 LNG 스트림은 칼럼의 중간 위치에서 증류 칼럼 내로 유입될 수 있다. 제 1 LNG 스트림은 증류 칼럼의 바닥부로 유입될 수 있다.
증류 칼럼 내로의 제 1 LNG 스트림의 유입 전에, 제 1 LNG 스트림과의 간접적인 열교환을 통해 리보일러 열교환기에서 바닥부 액체의 일부를 가열하고 기화시킴으로써 증류 칼럼에 대한 비등이 제공될 수 있다.
제 1의 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림의 증류 칼럼 내로의 유입 전에, 이 천연 가스 스트림의 전부 또는 일부와의 간접적인 열교환을 통해 리보일러 열교환기에서 바닥부 액체의 일부를 가열하고 기화시킴으로써 증류 칼럼에 대한 비등이 제공될 수 있다.
(예를 들어, 그러나 제한되지는 않지만, 전기 히터와 같은) 외부 열원에 맞서 리보일러 열교환기에서 바닥부 액체의 일부를 가열하고 기화시킴으로써 증류 칼럼에 대한 비등이 제공될 수 있다.
단계 (e)는 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기 내로 유입시키고, 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고, 스트리핑 가스 스트림을 형성하기 위하여 메인 열교환기의 중간 위치로부터 냉각 압축된 재순환 스트림의 부분을 배출시키고, 그리고 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 형성하기 위하여 냉각 압축된 재순환 스트림의 다른 일부를 더 냉각시키고 그리고 적어도 부분적으로 액화시키는 것을 포함할 수 있다. 단계 (g)는 증류 칼럼의 바닥부로 스트리핑 가스 스트림을 유입시키는 것을 더 포함할 수 있다.
본 방법의 단계 (g)는 증류 칼럼의 바닥부 내로, 어떠한 적절한 공급원으로부터 발생된 스트리핑 가스 스트림의 유입을 더 포함할 수 있다. 위에서 설명된 공급원으로부터 발생된 스트리핑 가스 스트림에 더하여, 부가적인 또는 대안적인 공급원은 나머지 압축 재순환 가스가 압축 재순환 가스의 스트림으로서 메인 열교환기로 유입되기 전에 압축 재순환 가스의 부분으로부터 스트리핑 가스 스트림을 형성하는 것; 메인 열교환기의 중간 위치로부터 배출된 차가운 천연 가스 원료 스트림의 부분으로부터 스트리핑 가스 스트림을 형성하는 것; 그리고 천연 가스 원료의 부분으로부터 스트리핑 가스 스트림을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 증류 칼럼의 상부로 또는 칼럼의 중간 위치에서 증류 칼럼으로 유입된다.
증류 칼럼으로 유입되기 전에 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 팽창되고, 부분적으로 기화되고 그리고 개별적인 증기 스트림과 액체 스트림으로 분리될 수 있으며, 여기서 액체 스트림은 중간 위치에서 증류 칼럼으로 유입되고, 또한 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기와의 간접적인 열 교환을 통하여 증기 스트림은 응축기 열교환기 내에서 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 응축되며, 그리고 그후 칼럼의 상부로 유입된다. 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 바람직하게는 상 분리기 내에서 개별적인 증기 스트림과 액체 스트림으로 분리된다. 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 이미 2-위상 스트림인 경우, 스트림의 최소한의 부가적인 팽창 및 기화가 필요할 수 있으며, 이 경우에서 스트림을 상 분리기 내로 유입시키기 전에 스트림을 팽창 장치를 통과시키는 것이 필요하지 않을 수 있다 (요구되는 어떠한 팽창 및 기화는 드럼 또는 다른 이러한 용기 내로의 2상 스트림의 유입에 필연적으로 나타날 팽창 및 기화에 영향을 받는다).
증류 칼럼을 위한 환류는 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기의 일부분을 응축기 열교환기 내에서 응축시키는 것에 의하여 제공될 수 있다. 응축기 열교환기를 위한 냉각은 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기를 워밍함으로써 제공될 수 있다. 메인 열교환기를 위한 냉각을 동일하게 제공하는 폐루프 냉각 시스템에 의하여 응축기 열교환기를 위한 냉각이 제공될 수 있으며, 여기서 폐루프 냉각 시스템에 의하여 순환된 냉매는 응축기 열교환기를 통과하며 그리고 응축기 열교환기 내에서 워밍된다.
(위에서 설명된 본 발명의 어떠한 실시예를 포함하는) 본 발명의 제 1 양태에 따른 방법은 단계 (d)에서의 재순환 스트림의 압축 전에 질소 풍부 증기 생성물의 부분을 단계 (c)에서 얻어진 재순환 스트림에 추가함에 의하여 질소 풍부 증기 생성물의 부분을 재순환시키는 것을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 천연 가스 원료 스트림과 압축된 재순환 스트림은 메인 열교환기의 온단부로 병렬로 유입될 수 있으며, 그리고 제 1 LNG 스트림과 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 메인 열교환기의 냉단부로부터 병렬로 배출될 수 있다.
다른 실시예에서, 천연 가스 원료 스트림은 메인 열교환기의 온단부로 유입될 수 있으며, 압축된 재순환 스트림은 메인 열교환기의 중간 위치 내로 유입될 수 있고, 그리고 제 1 LNG 스트림과 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 메인 열교환기의 냉단부로부터 병렬로 배출될 수 있다. 이들 실시예에서, 본 방법의 단계 (d)에서 압축되기 전에 재순환 스트림은 이코노마이저 열교환기 내에서 가열될 수 있으며, 그리고 본 방법의 단계 (e)에서 메인 열교환기 내로 유입되기 전에 압축된 재순환 스트림은 애프터쿨러에서 냉각될 수 있고 또한 이코노마이저 열교환기 내에서 더 냉각될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 방법의 단계 (a)와 단계 (b)는 (i) 메인 열교환기의 온단부 내로 천연 가스 원료 스트림을 유입시키고, 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 그리고 적어도 부분적으로 기화시키며, 그리고 냉각된 또한 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 열교환기의 중간 위치로부터 배출시키고, (ⅱ) 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림과 질소 감손 천연 가스 액체 스트림을 형성하기 위하여 냉각된 그리고 적어도 부분적으로 액화된 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하며, (ⅲ) 메인 열교환기의 중간 위치로 증기 스트림과 액체 스트림을 개별적으로 다시 유입시키고, 그리고 증기 스트림과 액체 스트림을 병렬로 더 냉각시키되, 액체 스트림은 더 냉각되어 제 1 LNG 스트림을 형성하고 증기 스트림은 더 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 기화되어 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 형성하며; 그리고 제 1 LNG 스트림과 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출시키는 것을 포함할 수 있다.
위의 문장에서 설명된 실시예에서, 본 방법의 단계 (g)는 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림과 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 그리고 부분적으로 기화시키고, 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위하여 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키며, 그리고 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 증류 칼럼 내로 유입되는 위치 위의 위치에서 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 증류 칼럼 내로 유입될 수 있다.
또한, 위에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 제 2 양태에 따르면, 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위한 장치로서, 메인 열교환기로서, 제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 이 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키도록 천연 가스 원료 스트림을 수용하고 그리고 이 스트림을 열교환기를 통과시키기 위한, 그리고 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 제조하기 위해 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키도록 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 압축된 재순환 스트림을 수용하고 그리고 이 스트림을 열교환기를 통과시키기 위한 냉각 통로를 가지며, 냉각 통로는 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 압축된 재순환 스트림을 열교환기를 통과시키도록 배치되는 것인, 메인 열교환기와, 냉각 통로를 냉각시키기 위해 냉매를 메인 열교환기에 공급하기 위한 냉각 시스템과, 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림을 수용하고, 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하기 위한 제 1 분리 시스템과, 제 1 분리 시스템 및 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 재순환 스트림을 수용하고, 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 재순환 스트림을 압축하며, 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기로 복귀시키기 위한 압축기와, 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 질소 풍부 증기 생성물을 형성하기 위해 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 수용하고, 팽창시키고 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하기 위한 제 2 분리 시스템을 포함하는 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. 예를 들어, 제 2 양태에 따른 장치에서, 냉각 시스템은 바람직하게는 폐루프 냉각 시스템을 포함한다. 제 1 분리 시스템은 바람직하게는 팽창 장치와 LNG 탱크를 포함한다. 제 2 분리 시스템은 팽창 장치와 상 분리기, 팽창 장치와 증류 칼럼 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다.
단지 한 예로서, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예가 도 1 내지 도 11을 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, 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위하여 천연 가스로부터 질소를 액화시키고 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 냉각 통로 또는 한 세트의 냉각 통로를 통과하며, 그로 인하여 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.
메인 열교환기를 일부의 또는 모든 냉각은 어떠한 적절한 폐루프 냉각 시스템(도시되지 않음)에 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.
메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1 (과냉각된) LNG 스트림(112)은 그후 팽창되고, 부분적으로 기화되고 그리고 분리되어 질소 감손 (따라서 메탄이 풍부한) LNG 스트림(122) 그리고 질소 풍부 천연 가스 증기로 구성된 스트리핑 가스 스트림(120)을 형성한다. 아래에서 더 상세하게 설명될 바와 같이, 스트림(120)이 증류 칼럼으로 스트리핑 가스를 제공하기 위하여 사용되기 때문에 본 명세서에서 스트림(120)은 스트리핑 가스 스트림으로 언급된다. 도 1에 도시된 장치에서, 스트림을 상 분리기(118)로 J-T(주울-톰슨) 밸브(114)를 통과시킴에 의하여 제 1 LNG 스트림(112)은 팽창되고, 부분적으로 기화되고 그리고 분리된다. 그러나, 일-추출 장치와 같은 어떠한 대안적인 형태의 팽창 장치(예를 들어, 유압 터빈 또는 터보 팽창기) 그리고 다른 형태의 분리 장치가 동일하게 사용될 수 있다.
예를 들어 스트림을 J-T 밸브(124) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통과시킴에 의하여 질소 감손 LNG 스트림(122)은 그후 더욱 팽창되어 질소 감손 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(192, 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, 질소 감손 LNG 스트림(122)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(192, 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(들)(136) 내에서 냉각된 결과로서, 압축된 재순환 스트림(138)은 천연 가스 원료 스트림(100)의 온도와 대략 동일한 온도(즉, 대기 온도)에 있으나, 천연 가스 원료 스트림에 추가되거나 이와 혼합되지 않는다. 더 정확히 말하면, 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.
제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출되며, 그리고 그후 팽창되고 부분적으로 기화되며 그리고 증류 칼럼(162) 내로 유입되고, 증류 칼럼 내에서 이 스트림은 증기 상과 액체 상으로 분리된다. 구체적으로, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 예를 들어, J-T 밸브(146) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통하여 팽창되고, 부분적으로 기화되고, 그리고 상 분리기(150) 내에서 개별적인 증기 스트림(152)과 액체 스트림(172)으로 분리된다. 증기 스트림(152)은 열교환기(154)에서 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 응축되며, (J-T 밸브와 같은) 팽창 장치(158)에서 더 팽창되고, 그리고 액체 상과 증기 상으로의 분리를 위하여 스트림(160)으로서 증류 칼럼(162)으로 유입된다. 액체 스트림(172)은 리보일러 열교환기(174)에서 냉각되며, (J-T 밸브와 같은) 팽창 장치(178)에서 더 팽창되고, 그리고 액체 상과 증기 상으로의 분리를 위하여 스트림(180)으로서 증류 칼럼(162)으로 유입된다.
도 1에 도시된 실시예에서, 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 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)의 액체 부분으로부터 형성된, 냉각된 그리고 더 팽창된 스트림(180)은 2개의 분리 부분 사이의, 칼럼의 중간 위치에서 분리 증류 칼럼(162) 내로 유입된다. 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)의 증기 부분으로부터 형성된, 냉각된, 적어도 부분적으로 응축된 그리고 더 팽창된 증기 스트림(160)은 양 분리 부분 위의, 증류 칼럼(162)의 상부 내로 유입되어 칼럼을 위한 환류를 제공한다. 위에서 설명된 바와 같이 상 분리기(118) 내에서 제 1 LNG 스트림(112)으로부터 분리된 스트리핑 가스 스트림(120) 또한 칼럼의 바닥부에서 증류 칼럼(162) 내로 유입되며, 따라서 칼럼을 위한 스트리핑 가스를 제공한다. (제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)의 액체 부분(172)과의 간접적인 열 교환을 통하여) 리보일러 열교환기(174) 내에서 칼럼으로부터의 바닥부 액체의 부분(182)을 워밍하고 그리고 기화시킴으로써 그리고 기화된 바닥부 액체(184)를 증류 칼럼의 바닥부로 복귀시킴으로써 칼럼에 대한 비등 그리고 따라서 부가적인 스트리핑 가스가 또한 제공된다.
증류 칼럼(162)으로부터의 오버헤드 증기는 질소가 더 풍부해지고(즉, 이 증기는 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)에 비해 질소가 풍부하고 따라서 천연 가스 원료 스트림(100)에 비해 더 질소가 풍부하다) 그리고 질소 풍부 증기 생성물 스트림(164)으로서 증류 칼럼(162)의 상부로부터 배출된다. 이 스트림은 (제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)의 증기 부분(152)과의 간접적인 열교환을 통하여) 열교환기(154)에서 워밍되어 워밍된 질소 풍부 증기 생성물 스트림(166)을 제공한다. 여기서 증기 생성물 스트림은 제어 밸브(169; 이 밸브는 증류 칼럼의 운전 압력을 제어한다)를 통과하여 최종적인 질소 풍부 증기 생성물 스트림(170)을 형성한다. 재순환 스트림(130) 내의 안정적인 질소 농도 수준을 조정 및 유지하기 위하여, 원료 스트림(100) 내의 질소 농도 그리고 질소 풍부 생성물으로부터의 사양에 따라, 워밍된 질소 풍부 생성물 스트림(166)의 부분(165, 168)은 재순환 스트림(192)과 결합함에 의하여 재순환될 수 있어 천연 가스 원료 성분의 변동을 상쇄하고 재순환된 워밍된 질소 풍부 생성물 스트림(166)의 양이 밸브(167)에 의하여 제어된다. 스트림(165)과 밸브(167)를 갖는 것의 이점은 원료 가스 성분 또는 스트림이 변동될 때 이들이 액화 시스템과 증류 칼럼의 안정적인 운전이 유지되도록 할 수 있다는 것이다. 최종적인 질소 풍부 증기 생성물 스트림(170)은 다른 냉매 스트림과의 열 집적에 의하여 더 워밍될 수 있어 (도시되지 않은) 냉각을 회복한다.
증류 칼럼으로부터의 바닥부 액체의 나머지, 즉 리보일러 열교환기(174) 내에서 워밍되지 않고 그리고 기화되지 않은 바닥부 액체는 증류 칼럼의 바닥부로부터 배출되어 제 2 LNG 스트림(186)을 형성한다. 예를 들어, 스트림을 J-T 밸브(188) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통과시킴에 의하여 제 2 LNG 스트림(186)은 그후 팽창되어 제 1 LNG 스트림(112)으로부터 형성된, 질소 감손 팽창된 LNG 스트림(126)과 대략적으로 동일한 압력의 팽창된 스트림(190)을 형성한다. 팽창된 제 2 LNG 스트림은 동일하게, 위에서 설명된 바와 같이 LNG의 일부가 기화되는 LNG 저장 탱크(188) 내로 유입되어 재순환 스트림(192, 130)으로서 탱크의 상부 공간으로부터 배출된 질소 풍부 천연 가스 증기를 제공하며 그리고 생성물 스트림(196)으로서 탱크 내에 저장되고 그리고 배출될 수 있는, 질소 감손 LNG 생성물을 남긴다. 이렇게 하여, 제 1 LNG 스트림(112)으로부터 형성된, 질소 감손 LNG 스트림(122)과 제 2 LNG 스트림(186)은 팽창되고, 서로 결합되며 그리고 재순환 스트림(192, 130)과 LNG 생성물(196)으로 분리된다. 그러나, (도시되지 않은) 대안적인 실시예에서, 제 1 LNG 스트림(112)으로부터 형성된, 질소 감손 LNG 스트림(122)과 제 2 LNG 스트림(186)은 팽창될 수 있고 그리고 다른 LNG 저장 탱크(또는 다른 형태의 분리 시스템) 내로 유입될 수 있어 후에 결합되는 개별적인 재순환 스트림들을 제조하고 그리고 LNG 생성물 스트림들을 분리한다. 동일하게, (도시되지 않은) 또 다른 실시예에서, J-T 밸브, 터보-팽창기 또는 다른 형태의 팽창 장치를 통하여 팽창되기 전에, (유사한 압력이거나 유사한 압력으로 조정된다면) 질소 감손 LNG 스트림(122)과 제 2 LNG 스트림(186)은 결합될 수 있고, 그리고 그후 결합된 팽창된 스트림은 LNG 저장 탱크(또는 다른 형태의 분리 시스템) 내로 유입된다.
도 1에 도시된 실시예에서, 최종 질소 생성물(170)의 메탄 함유량은 1 몰% 미만에 도달할 수 있으며, LNG 탱크에 저장된 그리고 LNG 탱크로부터 배출된 LNG 생성물은 1 몰% 미만의 질소를 포함한다. 따라서 본 실시예는 현저한 메탄 손실을 야기하지 않고, 배기될 수 있는 반면에 환경적 순도 요구 조건을 맞출 수 있는 고순도의 LNG 생성물과 고순도의 질소 스트림을 제조하기 위하여 천연 가스를 액화하고 질소를 제거하는 간단하고 효율적인 수단을 제공한다. 특히, 천연 가스 원료와 병행하지만 천연 가스 원료와는 별도로 재순환 스트림을 냉각시키고 그리고 적어도 액화시키기 위하여 메인 열교환기를 사용하는 것은 분명한 이점을 제공한다. 최종적인 질소 감손 LNG 생성물의 제조 과정에서 분리된 그리고 본 발명에서 재순환 스트림을 형성하는 BOG/TFG/EFG 등과 같은 증기는 바람직하게는 회수된 현저한 양의 질소와 메탄을 아직 포함하고 있다. 이는, 일부 선행 기술의 공정에서 수행된 것과 같이, BOG/TFG/EFG를 천연 가스 원료 자체로 되돌려 재순환시킴에 의하여 이루어질 수 있다. 그러나, 천연 가스 원료 스트림과 비교하여 재순환 스트림은 질소가 풍부하며, 따라서 천연 가스 원료와 별도로 이 스트림을 액화 또는 부분적으로 액화하는 것 그리고 결과로 얻어진 적어도 부분적으로 응축된, 질소 풍부 스트림을 그후 분리하는 것은 재순환 스트림이 천연 가스 원료 스트림으로 다시 재순환되고 그리고 천연 가스 원료 스트림과 함께 분리될 때보다 재순환 스트림의 질소와 메탄 성분을 분리하는 효율적인 공정을 허용한다. 천연 가스 원료 스트림으로부터 재순환 스트림의 분리를 유지하는 것의 부가적인 이점은 재순환 스트림이 원료와 동일한 압력까지 압축될 필요가 없다는 것 그리고 어떠한 천연 가스 원료 후처리 시스템을 통과할 필요가 없다는 것(따라서 어떠한 이런 시스템 상의 부하를 감소시킴)을 포함한다. 동일하게, 냉각 및 액화를 수행하기 위하여 전용 열교환기와 냉각 시스템을 추가함에 의하여 재순환 스트림이 냉각될 수 있고 그리고 적어도 부분적으로 액화될 수 있는 반면에, 재순환 스트림을 냉각 그리고 적어도 부분적으로 액화하기 위하여 따라서 재순환 스트림이 질소 풍부 생성물 그리고 부가적인 LNG 생성물으로 분리될 수 있도록 메인 열교환기 및 그와 관련된 기존 냉각 시스템을 사용하는 것은 더 콤팩트하고 비용 면에서 효율적인 공정 및 장치를 허용한다.
이제 도 2 내지 도 10을 참고하면, 이 도면들은 본 발명의 대안적인 실시예에 따라 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위하여 천연 가스 스트림으로부터 질소를 액화시키고 제거하는 다양한 다른 방법 및 장치를 도시한다.
메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)이 증류 칼럼 안에서보다는 상 분리기 내에서 증기 상과 액체 상으로 분리되어 질소 풍부 증기 생성물과 제 2 LNG 스트림을 형성한다는 점에서 도 2에 도시된 방법 및 장치는 도 1에 도시된 방법 및 장치와 다르다. 구체적으로, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 예를 들어 J-T 밸브(146) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통하여 팽창되고, 부분적으로 기화되며 그리고 상 분리기(262)에서 분리되어 질소 풍부 증기 생성물(170) 및 제 2 LNG 스트림(186)을 형성한다. 또한, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)이 증류 칼럼이 아닌, 상 분리기에서 분리됨에 따라 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1 LNG 스트림(112)으로부터 스트리핑 가스 스트림을 생성하는 것에 이점이 없으며, 따라서 예를 들어 스트림을 J-T 밸브(114) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통과시킴에 의하여 제 1 LNG 스트림(112)은 팽창되며, 또한 질소 감손 팽창된 LNG 스트림(116)은 LNG 저장 탱크(128) 내로 직접적으로 유입된다. 여기서, 팽창된 제 2 LNG 스트림(190)은 또한 LNG 저장 탱크로 유입되고, 또한 질소 감손 LNG 생성물(196)은 LNG 저장 탱크로부터 배출된다.
질소 풍부 증기 생성물과 제 2 LNG 스트림을 형성하기 위하여 증류 칼럼 내로 유입되기 전에 그리고 증류 칼럼 내에서 증기 상과 액체 상으로 분리되기 전에, 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)이 증기 스트림과 액체 스트림으로 분리되지 않는다는 점에서 그리고 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1 LNG 스트림(112)으로부터 스트리핑 가스가 얻어지지 않는다는 점에서 도 3에 도시된 방법 및 장치는 도 1에 도시된 방법 및 장치와 다르다. 따라서 이 방법과 장치에서, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 리보일러 열교환기(374) 내에서 냉각되고, 예를 들어 J-T 밸브(358) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통하여 팽창 및 부분적으로 기화되며, 그리고 액체 상과 기체 상으로의 분리를 위하여 증류 칼럼(362) 내로 냉각된 팽창된 그리고 부분적으로 기화된 스트림(360)으로서 유입된다. 이 경우, 증류 칼럼(362)은 단일 분리 부분을 포함한다. 냉각되고, 팽창되고 그리고 부분적으로 기화된 스트림(360)은 분리 부분 위의 증류 칼럼(362)의 상부로 유입되어 칼럼을 위한 환류를 제공한다. 칼럼으로부터의 바닥부 액체의 부분(382)을 리보일러 열교환기(374)에서 워밍하고 기화시킴으로써 칼럼에 대한 비등이 제공된다. 바닥부 액체의 나머지는 증류 칼럼의 바닥부로부터 배출되어 제 2 LNG 스트림(186)을 형성한다. 예를 들어 제 1 LNG 스트림(112)과 제 2 LNG 스트림(186)을 J-T 밸브(114, 188) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통과시킴에 의하여 이 스트림들은 팽창되며, 그리고 LNG 저장 탱크(128)로 유입된다. 여기서 질소 감손 LNG 생성물(196) 그리고 재순환 스트림(130)은 이 LNG 저장 탱크로부터 배출된다. (도시되지 않은) 대안적인 실시예에서, 리보일러 열교환기(374)에 열을 공급하기 위하여 부가적인 또는 대안적인 열원이 사용될 수 있다. 예를 들어, 리보일러 열교환기 내에서 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)을 냉각시키는 대신에 또는 냉각시키는 것에 더하여, (전기 히터와 같은) 외부 열원이 사용될 수 있다.
증류 칼럼(362)에 비등을 제공하는 리보일러 열교환기(374)가 사용되지 않았다는 점에서 도 4에 도시된 방법 및 장치는 도 3에 도시된 방법 및 장치와 다르다. 대신에, 메인 열교환기의 중간 위치로부터 배출된 냉각된 압축 재순환 스트림(142)의 부분으로부터 형성된 스트리핑 가스(331)의 스트림에 의하여 증류 칼럼(362)을 위한 스트리핑 가스가 제공된다. 구체적으로, 도 4에 도시된 실시예에서, 압축된 재순환 스트림(138)은 앞서와 같이 메인 열교환기의 온단부로 유입되고 그리고 메인 열교환기의 따듯한 부분(102)과 중간 부분(106) 내에서 냉각되어 냉각된 압축 재순환 스트림(142; 이는 이 단계에서 바람직하게는 아직 적어도 대부분 모두 증기이다)을 형성하다. 이 스트림(142)은 후속하여 분할되며, 일부는 메인 열교환기로부터 배출되어 스트리핑 가스 스트림(331)을 형성하고, 그리고 스트림의 나머지(321)는 메인 열교환기의 차가운 부분(110)에서 더 냉각되고 또한 적어도 부분적으로 액화되어 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)을 형성한다. 여기서 천연 가스 스트림은 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된다. 스트리핑 가스 스트림(331)은 그후 예를 들어, J-T 밸브(332) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통하여 팽창되고, 그리고 스트림(333)으로서 증류 칼럼(362)의 바닥부로 유입되며, 그로 인하여 칼럼에 스트리핑 가스를 제공한다. 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 예를 들어, J-T 밸브(146) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통하여 팽창되고 그리고 부분적으로 기화되며, 또한 액체 상과 증기 상으로의 분리를 위하여, 팽창된 그리고 부분적으로 기화된 스트림(348)으로서 증류 칼럼(362)의 상부로 유입되며, 그로 인하여 또한 칼럼을 위한 환류를 제공한다.
(도시되지 않은) 대안적인 실시예에서, 증류 칼럼을 위한 스트리핑 가스는 부가적으로 또는 대안적으로 다른 위치 및/또는 공정 스트림으로부터 발생될 수 있다는 것 또한 주의되어야 한다. 예를 들어, 공정 조건에 따라 스트리핑 가스 스트림은 부가적으로 또는 대안적으로 메인 열교환기의 따듯한 부분(102)과 중간 부분(106) 사이의 차가운 압축 재순환 스트림(140); 애프터쿨러(136)을 떠나는 압축 재순환 가스(이 가스의 나머지는 이후 메인 열교환기의 온단부로 유입되는 압축 재순환 스트림(138)을 형성); 메인 열교환기의 중간 부분(106)과 차가운 부분(110) 사이의 (아직 증기라면) 차가운 천연 가스 원료 스트림(1080); 또는 천연 가스 원료(이 원료의 나머지는 이후 메인 열교환기의 온단부로 유입되는 천연 가스 원료 스트림(100)을 형성)로부터 취해질 수 있다.
증류 칼럼(462)이 2개의 분리 부분을 가지며 그리고 냉각된, 팽창된 또한 부분적으로 기화된 스트림(360)이 칼럼의 2개의 분리 부분 사이의 중간 위치에서 증류 칼럼(462) 내로 유입된다는 점에서 도 5에 도시된 방법 및 장치는 도 3에 도시된 방법 및 장치와 다르다. 응축기 열 교환기 내에서 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기의 일부를 응축함에 의하여 증류 칼럼을 위한 환류가 제공된다. 구체적으로, 증류 칼럼(462)의 상부로부터 배출된 오버헤드 증기(164)는 먼저 응축기 열 교환기(454) 내에서 워밍된다. 워밍된 오버헤드 증기의 일 부분은 그후 압축기(466) 내에서 압축되고, (예를 들어, 주변 온도의 공기 또는 물과 같은 냉각수를 이용한) 애프터쿨러(468)에서 냉각되며, 그리고 응축기 열교환기(454) 내에서 더 냉각되고 그리고 적어도 부분적으로 액화되고, 예를 들어 J-T 밸브(476)를 통하여 팽창되며, 그리고 증류 칼럼(462)의 상부로 복귀되어 환류를 제공한다. 워밍된 오버헤드 증기의 나머지는 질소 풍부 증기 생성물(170)을 형성한다. 증류 칼럼(462)의 상부를 훨씬 더 차갑게 하기 위한 (응축기 열교환기(454), 압축기(466) 그리고 애프터쿨러(468)를 포함하는) 이 질소 열 펌프 사이클의 사용을 통하여 더 높은 순도의 (예를 들어 약 99.9 몰%의 질소 농도를 갖는), 질소 풍부 생성물(170)이 얻어질 수 있다.
증류 칼럼(562)이 하나의 분리 부분을 가지며, 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)이 증류 칼럼으로 유입되기 전에 그리고 증류 칼럼에서 분리되기 전에 증기 상과 액체 상으로 분리되지 않고, 그리고 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 제 1 LNG 스트림(112) 또한 증류 칼럼으로 유입되고 증류 칼럼에서 분리된다는 점에서 도 6에 도시된 방법 및 장치는 도 1에 도시된 방법 및 장치와 다르다. 구체적으로, 이 방법 및 장치에서, 제 1 LNG 스트림(112)은 예를 들어, J-T 밸브(114) 또는 터보- 팽창기(도시되지 않음)를 통과함에 의하여 팽창되고 그리고 부분적으로 기화되고, 그리고 증기 상과 액체 상으로의 분리를 위하여 부분적으로 기화된 스트림(116)으로서 증류 칼럼(562)의 바닥부로 유입되며, 그로 인하여 칼럼을 위한 스트리핑 가스를 또한 제공한다. 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 예를 들어 J-T 밸브(146) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통과함에 의하여 팽창되고 부분적으로 기화되며, 그리고 증기 상과 액체 상으로의 분리를 위하여 부분적으로 기화된 스트림(148)으로서 증류 칼럼(562)의 상부로 유입되며, 그로 인하여 칼럼을 위한 스트리핑 가스를 또한 제공한다. 질소 감손 바닥부 액체는 증류 칼럼(562)의 바닥부로부터 배출되어 앞서와 같이 팽창되고 그리고 LNG 저장 탱크(128)로 유입된 제 2 LNG 스트림(186)을 형성한다. 여기서, 질소 감손 LNG 생성물(196) 그리고 재순환 스트림(130)은 그후 이 LNG 저장 탱크로부터 배출된다(이 경우에, 팽창된 제 2 LNG 스트림(190)은 다만 LNG 저장 탱크(128) 또는 다른 분리 시스템으로 유입된 LNG 스트림이다). 증류 칼럼의 상부로부터 배출된 오버헤드 증기는 질소 풍부 증기 생성물(170)을 다시 형성한다.
증류 칼럼(662)이 2개의 부분을 갖고 있고 제 1 LNG 스트림이 2개의 부분 사이의 증류 칼럼(662)의 중간 위치로 유입됨에 의하여 제 1 LNG 스트림(112)이 증류 칼럼에서 증기 상과 액체 상으로 분리된다는 점에서 도 7에 도시된 방법 및 장치는 도 6에 도시된 방법 및 장치와 다르다. 구체적으로, 제 1 LNG 스트림(112)은 리보일러 열교환기(654)에서 냉각되고, 예를 들어 이 스트림이 J-T 밸브(616) 또는 터보 팽창기(도시되지 않음)를 통과함에 의하여 팽창되고 부분적으로 기화되며, 그리고 부분적으로 기화된 증기(618)로서 증류 칼럼(662)의 중간 부분으로 유입된다. 이 실시예에서, 예를 들어 J-T 밸브(658) 또는 터보 팽창기(도시되지 않음)를 통과함에 의하여 팽창되고 그리고 부분적으로 기화되기 전에 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 또한 리보일러 열교환기(654)에서 냉각되며, 그리고 부분적으로 기화된 스트림(660)으로서 증류 칼럼(662)의 상부로 유입된다. 칼럼으로부터의 바닥부 액체의 일 부분(682)을 리보일러 열교환기(654)에서 워밍하고 기화시킴으로써 칼럼에 대한 비등이 제공되며, 바닥부 액체의 나머지는 증기 칼럼의 바닥부로부터 배출되어 제 2 LNG 스트림(186)을 형성한다.
압축된 재순환 스트림이 메인 열교환기의 온단부로 들어가지 않고 대신 메인 열교환기의 냉각 부분들 사이의 중간 위치에서 유입된다는 점에서 도 8에 도시된 방법 및 장치는 도 1에 도시된 방법 및 장치와 다르다. 예로서, 이 경우에 메인 열교환기는 또한 단지 2개의 냉각 부분을 포함한다. 따라서, 이 방법과 장치에서, 천연 가스 원료 스트림(100)은 따듯한 부분(706)으로 유입되고 따듯한 부분에서 냉각되며, 그리고 결과적인 냉각된 천연 가스 원료 스트림(708)은 그후 차가운 부분(710) 내에서 액화되고 그리고 과냉각되어 제 1 LNG 스트림(112)을 제조한다. LNG 탱크(128)로부터 배출된 재순환 스트림(192)은 먼저 이코노마이저 열교환기(794) 내에서 워밍되고, 그리고 워밍된 재순환 스트림은 그후 압축기(732) 내에서 압축되고, (예를 들어, 주변 온도의 물 또는 공기와 같은 적절한 냉각 매체에 맞서) 애프터쿨러(736) 내에서 냉각되며, 그리고 그후 (처음에 배출된 재순환 스트림(192)과의 열교환을 통하여) 이코노마이저 열교환기 내에서 더 냉각되어 냉각된 그리고 압축된 재순환 스트림(740)을 제공한다. 이코노마이저 열교환기 내에서의 냉각의 결과로서 냉각 천연 가스 원료 스트림(708)과 유사한 온도를 갖는, 이 냉각된 그리고 압축된 재순환 스트림은 2개의 냉각 부분들 사이의 중간 위치에서 메인 열교환기 내로 유입되며, 메인 열교환기의 따듯한 부분(706)을 우회하고, 그리고 차가운 부분(710)을 통과하고 차가운 부분에서 냉각 및 적어도 부분적으로 액화되어 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)을 제공한다.
천연 가스 원료 스트림의 단지 일부가 액화되고 그리고 제 1 LNG 스트림으로서 메인 열교환기로부터 배출되며, 천연 가스 원료 스트림이 나머지는 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림으로서 배출된다는 점에서 도 9에 도시된 방법 및 장치는 도 6에 도시된 방법 및 장치 (그리고 다른 이전에 설명된 실시예)와 다르다. 구체적으로, 도 9에 도시된 실시예에서, 메인 열교환기의 중간 부분(106)로부터 배출된 액화 천연 가스 원료 스트림(108)은 메인 열교환기의 차가운 부분(110)으로 곧바로 전달되지 않는다. 대신, 스트림은 예를 들어, J-T 밸브(850; 또는 예를 들어, 터보 팽창기와 같은 어떠한 다른 적절한 팽창 장치)를 통과함에 의하여 팽창되고 그리고 부분적으로 기화되며, 그리고 상 분리기(854)로 유입된다. 상 분리기에서 스트림은 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림(856)과 질소 감손 천연 가스 액체 스트림(858)으로 분리된다. 질소 감손 천연 가스 액체 스트림(858)으로부터 제 1 LNG 스트림(112)을 그리고 질소 풍부 천연 가스 증기 스트림(856)으로부터 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(812)을 형성하기 위하여, 2개의 스트림은 그후 메인 열교환기의 차가운 부분(110) 내의 별도의 냉각 통로들을 통과하며 따라서 2개의 스트림은 별도로 그러나 병렬로 더 냉각된다.
메인 열교환기의 냉단부로부터 배출된 후, 제 1 LNG 스트림(112), 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(812) 그리고 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 그후 모두 증류 칼럼(862)으로 전달되어 증기 상과 액체 상으로 분리된다. 이 예에서 증류 칼럼(862)은 2개의 분리 부분을 포함한다. 예를 들어 J-T 밸브(114) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통과함에 의하여 (이 실시예에서 스트림(112, 812 및 144) 중에서 가장 낮은 질소 농도를 갖는) 제 1 LNG 스트림(112)은 팽창되고 그리고 부분적으로 기화되며, 또한 부분적으로 기화된 스트림(116)으로서 증류기 칼럼(832)의 바닥부로 유입되어, 그로 인하여 칼럼을 위한 스트리핑 가스를 또한 제공한다. 예를 들어 J-T 밸브(814) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통과함에 의하여, 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(812)은 팽창되고 그리고 부분적으로 기화되며, 또한 부분적으로 기화된 스트림(816)으로서 증류 칼럼(862)의 2개의 부분 사이의 중간 위치 내로 유입된다. (이 예서 스트림(112, 812 및 144) 중에서 가장 높은 질소 농도를 갖는) 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)은 열교환기(846) 내에서 냉각되고, 예를 들어 J-T 밸브(848) 또는 터보-팽창기(도시되지 않음)를 통과함에 의하여 팽창되고 그리고 부분적으로 기화되며, 또한 부분적으로 기화된 스트림(860)으로서 증류기 칼럼(832)의 상부로 유입되어, 그로 인하여 칼럼을 위한 환류를 또한 제공한다. 질소 감손 바닥부 액체는 증류 칼럼(862)의 바닥부로부터 배출되어 제 2 LNG 스트림(186)을 형성하며, 이 제 2 LNG 스트림은 앞서와 같이 팽창되고 그리고 LNG 저장 탱크(128) 내로 유입된다. 여기서, 질소 감손 LNG 생성물(196)과 재순환 스트림(130)은 그후 이 LNG 저장 탱크로부터 배출된다(이 경우에서, 팽창된 제 2 LNG 스트림(190)은 단지 LNG 저장 탱크(128) 또는 다른 분리 시스템으로 유입된 LNG 스트림이다). 증류 칼럼의 상부로부터 배출된 오버헤드 증기는 질소 풍부 증기 생성물 스트림(164)을 다시 형성하며, 이 경우 이 증기 생성물 스트림은 (제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림(144)과의 간접적인 열교환을 통하여) 열교환기(846)에서 워밍되어 워밍된 질소 풍부 증기 생성물 스트림(170)을 제공한다. 이 실시예에서, 증류 칼럼의 상부에서 얻어진, 질소 풍부 증기 생성물 스트림(164, 170)은 거의 순수한 질소 증기 스트림일 수 있다.
방법 및 장치에서 응축기 열교환기(454)를 위한 부가적인 냉각이 메인 열교환기를 위한 냉각을 제공하는 폐루프 냉각 시스템에 의하여 제공된다는 점에서 도 10에 도시된 방법 및 장치는 도 5에 도시된 방법 및 장치와 다르다. 더 일반적으로, 도 10은 또한 본 발명의 앞서 설명된 어느 한 실시예에서 메인 열교환기에 냉각을 제공하기 위하여 사용될 수 있는 하나의 가능한 폐루프 냉각 시스템을 도시하는 역할을 한다.
구체적으로, 그리고 도 10에 도시된 바와 같이, 메인 열교환기를 위한 냉각은 예를 들어, 단일 혼합 냉매(SMR) 시스템에 의하여 제공될 수 있다. 이러한 형태의 폐루프 시스템에서, 순환된 혼합된 냉매는 질소, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 그리고 이소펜탄의 혼합물과 같은, 성분의 혼합물로 이루어진다. 또한, 예로서, 이 예에서의 메인 열교환기의 냉각 부분(102, 106 및 110)의 각각은 권취 코일 형태의 열교환기 유니트이다. 메인 열교환기의 온단부를 떠나는 워밍된 혼합 냉매(950)가 압축기(952)에서 압축되어 압축 스트림(956)을 형성한다. 압축된 스트림은 그후 애프터쿨러를 통과하여 스트림을 냉각 및 부분적으로 응축시키며, 그리고 그후 상 분리기에서 증기 스트림(958)과 액체 스트림(906)으로 분리된다. 증기 스트림(958)은 압축기(960) 내에서 더 압축되며, 냉각 그리고 부분적으로 더 응축되어 주위 온도에서 고압의 혼합 냉매 스트림(900)을 형성한다. 애프터쿨러는 공기, 담수, 해수 또는 증발 냉각 타워로부터의 물과 같은 어떠한 적절한 주변 히트 싱크를 사용할 수 있다.
고압의 혼합 냉매 스트림(900)은 상 분리기 내에서 증기 스트림(904)과 액체 스트림(902)으로 분리된다. 액체 스트림(902 및 906)이 그 압력이 즐어들고 그리고 결합하여 차가운 냉매 스트림(928)을 형성하기 전에, 이 액체 스트림들은 그후 메인 열교환기의 따듯한 부분(102)에서 과냉각된다. 여기서, 차가운 냉매 스트림은 메인 열교환기의 따듯한 부분(102)의 쉘측을 통과하며 여기서 기화되고 워밍되어 워밍된 부분으로 냉각을 제공한다. 증기 스트림(904)은 메인 열교환기의 따듯한 부분(102)에서 냉각되고 그리고 부분적으로 액화되며, 스트림(908)으로서 떠난다. 스트림(908)은 그후 상 분리기 내에서 증기 스트림(912)과 액체 스트림(910)으로 분리된다. 액체 스트림(910)이 메인 열교환기의 중간 부분(106)에서 과냉각되며 그리고 그후 압력이 감소되어 차가운 냉매 스트림(930)을 형성하되, 차가운 냉매 스트림은 메인 열교환기의 중간 부분(106)의 쉘 측을 통과하며, 여기서 기화되고 워밍되어 중간 부분에 냉각을 제공한다. 증기 스트림(912)은 메인 열교환기의 중간 부분(106) 그리고 차가운 부분(110)에서 응축되고 그리고 과냉각되어 스트림(914)으로서 떠난다. 스트림(914)은 팽창되어 적어도 차가운 냉매 스트림(932)을 제공하며, 이는 메인 열교환기의 차가운 부분(110)을 통과한다. 차가운 부분에서 차가운 냉매 스트림은 기화되고 워밍되어 이 부분에 냉각을 제공한다. 차가운 부분(110)의 쉘 측을 떠나는 (스트림(932)에서 얻어진) 워밍된 냉매는 중간 부분(106)의 쉘 측 내에서 냉매 스트림(930)과 결합되며, 여기서 워밍된 냉매는 더 워밍되고 기화되어 이 부분에 부가적인 냉각을 제공한다. 중간 부분(106)의 쉘 측으로부터 배출된 결합된 워밍된 냉매는 따듯한 부분(102)의 쉘 측에서 냉매 스트림(928)과 결합되며, 여기서 냉매는 더 워밍되고 기화되어 이 부분에 부가적인 냉각을 제공한다. 따듯한 부분(102)의 쉘 측을 떠나는 결합된 워밍된 냉매는 완전하게 기화되며 약 5 ℃까지 과열되고, 그리고 워밍된 혼합 냉매 스트림(950)로서 떠나, 냉각 루프를 완성한다.
위에서 언급된 바와 같이, 도 10에 도시된 실시예에서, 증류 칼럼을 위한 환류를 제공하기 위하여 폐루프 냉각 시스템은 또한 증류 칼럼(462)으로부터의 오버헤드 증기(164)의 부분(472)을 응축시키는 응축기 열교환기(454)를 위한 냉각을 제공한다. 냉매가 메인 열교환기로 복귀되기 전에 그리고 메인 열교환기에서 더 워밍되기 전에, 메인 열교환기를 떠나는 냉각된 혼합 냉매를 나눔으로서 그리고 응축기 열교환기(454) 내에서 워밍될 위의 냉매의 부분을 보냄으로써 위의 효과가 달성된다. 구체적으로, 메인 열교환기의 냉단부를 떠나는 혼합 냉매 스트림(914)은 2개의 부분, 소량 부분(918; 전형적으로 10% 이하)과 다량 부분(916)으로 분할될다. 위에서 설명된 바와 같이, 다량 부분은 팽창되어 메인 열교환기의 차가운 부분(110)에 냉매를 제공하기 위하여 사용된 차가운 냉매 스트림(932)을 제공한다. 예를 들어, 스트림을 J-T 밸브(920) 또는 (예를 들어, 터보-팽창기와 같은) 다른 적절한 형태의 팽창 장치를 통과시킴에 의하여 소량 부분(918)은 팽창되어 차가운 냉매 스트림(922)을 형성한다. 스트림(922)은 그후 응축기 열교환기(454)에서 워밍되고 그리고 적어도 부분적으로 기화되어 스트림(924)을 제조한다. 여기서, 냉매 스트림(930)과 함께 차가운 부분(110)의 쉘 측을 떠나고 그리고 중간 부분(106)의 쉘 측으로 들어가는 (스트림(932)에서 얻어진) 따듯한 냉매와 결합함에 의하여 이 스트림(924)은 그후 메인 열교환기로 복귀된다. 대안적으로, 스트림(924)은 또한 스트림(930: 도시되지 않음)과 직접적으로 혼합될 수 있다.
응축기 열교환기(454)를 위한 냉각을 또한 제공하기 위하여 폐루프 냉각 시스템을 사용하는 것은 응축기 열교환기(454) 내의 내부 온도 차이를 최소화함에 의하여 공정의 전체 효율을 향상시키며, 혼합된 냉매는 재순환된 질소의 응축이 일어나는 적절한 온도에서의 냉각을 제공한다. 이는 도 11에 도시된 냉각 곡선들에 의하여 도시되며, 이 냉각 곡선들은 도 10에 도시된 그리고 위에서 설명된 실시예에 따라 작동될 때 응축기 열교환기(454)를 위하여 얻어진다. 바람직하게는, 압축기(466)의 배출 압력은 선택되어 응축기 열교환기(454) 내에서 냉각될 오버헤드 증기(472)의 압축된 그리고 워밍된 부분이 혼합된 냉매가 기화되는 온도 바로 위의 온도에서 응축된다. 증류 칼럼(462)으로부터 배출된 오버헤드 증기(164)는 그 이슬점(약 -159℃)에서 응축기 열교환기(454)로 들어갈 수 있으며 그리고 거의 주변 조건으로 워밍될 수 있다. 질소 풍부 증기 생성물(170)의 배출 후에, 나머지 오버헤드 증기가 그후 압축기(466) 내에서 압축되고 애프터쿨러(468)에서 거의 주변 온도로 냉각되며, 그리고 응축기 열교환기(454)로 복귀되어 냉각되고 응축되고 이전에 설명된 바와 같이 증류 칼럼(462)을 위한 환류를 제공한다.
실험예
본 발명의 작동을 설명하기 위하여, 그리고 단지 1 몰%의 메탄을 갖는 질소 배기 스트림 그리고 단지 1몰%의 질소를 갖는 액화 천연 가스 생성물을 얻기 위하여, 도 1에서 설명된 그리고 도시된 공정을 지켜보았다. 원료 가스 성분은 표 1에 도시된 바와 같았다. 주요 스트림의 성분이 표 2에 주어진다. 데이터는 ASPEN 플러스 소프트웨어를 사용하여 생성되었다. 표 2 내의 데이터로부터 보여질 수 있는 바와 같이, 본 공정은 액화 천연 가스 스트림으로부터 질소를 효과적으로 제거할 수 있으며 또한 판매 가능한 LNG 생성물뿐만 아니라 배기될 수 있는 질소 스트림도 제공할 수 있다.
고려된 원료 조건 및 성분
온도 (℉) 91.4
압력 (psi) 957
유속(lb 몰/시간) 4098

성분 (몰%)

N2
5.0

C1
92.0

C2
1.5

C3
1.0

nC4
0.40

nC5
0.10
스트림 성분

144
152
172
120
122
186
170
196

몰 분율(%)

N2
39.2
86.6
36.0
43.6
4.0
5.9
99.0
1.0

C1
60.8
13.4
64.0
56.4
92.9
94.1
1.0
95.9

C2
0.0
0.0
0.0
0.0
1.5
0.0
0.0
1.6

C3
0.0
0.0
0.0
0.0
1.0
0.0
0.0
1.0

nC4
0.0
0.0
0.0
0.0
0.4
0.0
0.0
0.4

nC5
0.0
0.0
0.0
0.0
0.1
0.0
0.0
0.1

온도(℉)
-245.1
-252.7
-252.7
-246.0
-246.0
-269.6
-257.5
-262.5

압력 (psi)
448.6
127.9
127.9
43.5
43.5
23.2
18.0
15.2

증발분
0.0
1.0
0.0
1.0
0.0
0.0
1.0
0.0

전체 스트림
lb몰/시간
538.7
37.0
546.7
101.6
3996.7
435.3
171.1
3945.2
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 (28)

  1. 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 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 제조하는 단계와,
    (b) 상기 메인 열교환기로부터 제 1 LNG 스트림을 배출시키는 단계와,
    (c) 질소 감손 LNG 생성물 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계와,
    (d) 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 상기 재순환 스트림을 압축하는 단계와,
    (e) 상기 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고 상기 압축된 재순환 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, 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 제조하는 단계와,
    (f) 상기 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기로부터 배출시키는 단계와,
    (g) 질소 풍부 기체 생성물을 형성하기 위해 상기 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 상기 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림으로부터 형성된 LNG 스트림을 팽창시키고, LNG의 일부가 기화되는 LNG 저장 탱크 내로 상기 팽창된 스트림을 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.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 (g)는 질소 풍부 증기 생성물 및 제 2 LNG 스트림을 형성하기 위해 상기 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시켜, 상기 스트림을 상 분리기에서 기체 상과 액체 상으로 분리하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단계 (c)는 상기 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함하며,
    상기 방법은 (h) 상기 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 및 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위해 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 (g)는 상기 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고, 상기 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 상기 스트림을 증류 칼럼(distillation column)으로 유입시켜, 상기 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기(overhead vapor)로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 단계 (c)는 상기 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 단계 (c)는, (i) 질소 감손 LNG 스트림, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 스트리핑 가스 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계와, (ⅱ) 상기 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 질소 감손 LNG 스트림을 추가로 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함하며,
    상기 단계 (g)는 상기 스트리핑 가스 스트림을 증류 칼럼의 바닥부로 유입시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 단계 (g)는 상기 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 방법은 (h) 상기 재순환 스트림을 위한 부가적인 질소 풍부 천연 가스 증기 및 부가적인 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위해 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 단계 (c)는, (i) 상기 제 1 LNG 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키고 그리고 상기 스트림을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 상기 스트림을 증류 칼럼으로 유입시키는 단계로서, 상기 제 1 LNG 스트림은 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 상기 증류 칼럼으로 유입되는 위치의 아래에 있는 위치에서 증류 칼럼으로 유입되는 것인, 유입 단계와, (ⅱ) 상기 증류 칼럼으로부터 배출된 바닥부 액체로부터 제 2 LNG 스트림을 형성하는 단계와, (ⅲ) 상기 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 2 LNG 스트림을 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제 1 LNG 스트림은 상기 증류 칼럼의 중간 위치에서 증류 칼럼으로 유입되며, 상기 증류 칼럼으로의 제 1 LNG 스트림의 유입 이전에 제 1 LNG 스트림과의 간접적인 열교환을 통해 상기 바닥부 액체의 일부를 리보일러 열교환기에서 가열하고 기화시킴으로써 상기 증류 칼럼에 대한 비등(boil-up)이 제공되는 것인 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제 1 LNG 스트림은 증류 칼럼의 바닥부로 유입되는 것인 방법.
  12. 제5항에 있어서, 상기 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림의 증류 칼럼으로의 유입 이전에 상기 스트림의 전체 또는 일부와의 간접적인 열교환을 통해 바닥부 액체의 일부를 리보일러 열교환기에서 가열하고 기화시킴으로써 상기 증류 칼럼에 대한 비등이 제공되는 것인 방법.
  13. 제5항에 있어서, 상기 단계 (e)는 상기 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기로 유입시키고, 압축된 재순환 스트림을 냉각시키며, 스트리핑 가스 스트림을 형성하기 위해 냉각된 압축 재순환 스트림의 일부를 메인 열교환기의 중간 위치로부터 배출시키고, 그리고 상기 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 형성하기 위해 냉각된 압축 재순환 스트림의 다른 부분을 추가로 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키는 단계를 포함하며,
    상기 단계 (g)는 상기 스트리핑 가스 스트림을 증류 칼럼의 바닥부로 유입시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  14. 제5항에 있어서, 상기 제 1의 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 증류 칼럼의 상부로 유입되는 것인 방법.
  15. 제5항에 있어서, 상기 증류 칼럼으로 유입되기 전에 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 팽창되고, 부분적으로 기화되고 그리고 별개의 증기 스트림과 액체 스트림으로 분리되고,
    상기 액체 스트림은 중간 위치에서 증류 칼럼으로 유입되며,
    상기 증기 스트림은 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기와의 간접적인 열교환을 통해 응축기 열교환기에서 냉각되고 적어도 부분적으로 응축된 후에, 증류 칼럼의 상부로 유입되는 것인 방법.
  16. 제5항에 있어서, 상기 증류 칼럼으로부터의 오버헤드 증기의 일부를 응축기 열교환기에서 응축시킴으로써 상기 증류 칼럼에 대한 환류(reflux)가 제공되는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기를 워밍함으로써 상기 응축기 열교환기에 대한 냉각이 제공되는 것인 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 메인 열교환기에 대한 냉각을 유사하게 제공하는 폐루프 냉각 시스템에 의해 상기 응축기 열교환기에 대한 냉각이 제공되며, 상기 폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 응축기 열교환기를 통과하고 그리고 응축기 열교환기에서 워밍되는 것인 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 단계 (d)에서의 재순환 스트림의 압축 이전에 상기 단계 (c)에서 얻어진 재순환 스트림에 질소 풍부 증기 생성물의 일부를 추가함으로써 질소 풍부 증기 생성물의 일부를 재순환시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 메인 열교환기는 천연 가스 원료 스트림과 압축된 재순환 스트림이 병렬로 유입되는 온단부(warm end)와, 제 1 LNG 스트림과 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 병렬로 배출되는 냉단부(cold end)를 포함하는 것인 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 메인 열교환기는 천연 가스 원료 스트림이 유입되는 온단부와, 제 1 LNG 스트림과 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 병렬로 배출되는 냉단부를 포함하며,
    상기 압축된 재순환 스트림은 메인 열교환기의 온단부와 냉단부 사이의 중간 위치에서 메인 열교환기로 유입되는 것인 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 재순환 스트림은 상기 단계 (d)에서 압축되기 전에 이코노마이저 열교환기에서 가열되며, 상기 압축된 재순환 스트림은 상기 단계 (e)에서 메인 열교환기로 유입되기 전에 애프터쿨러에서 냉각되고 그리고 이코노마이저 열교환기에서 추가로 냉각되는 것인 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 메인 열교환기는 천연 가스 원료 스트림이 유입되는 온단부와, 제 1 LNG 스트림이 배출되는 냉단부를 포함하며,
    상기 단계(a)는, (i) 상기 천연 가스 원료 스트림을 메인 열교환기의 온단부로 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 기화시키고 그리고 분리하는 단계와, (ⅲ) 상기 증기 스트림과 액체 스트림을 메인 열 교환기의 중간 위치로 개별적으로 재유입시켜 증기 스트림과 액체 스트림을 병렬로 추가로 냉각시키는 단계를 포함하며, 상기 액체 스트림은 제 1 LNG 스트림을 형성하도록 추가로 냉각되고, 상기 증기 스트림은 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 형성하도록 추가로 냉각되고 적어도 부분적으로 액화되며,
    상기 단계(b)는 상기 제 1 LNG 스트림과 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 메인 열교환기의 냉단부로부터 배출시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 단계 (g)는, 상기 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림과 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 팽창시키고 부분적으로 기화시키며, 상기 스트림들을 증기 상과 액체 상으로 분리하기 위해 상기 스트림들을 증류 칼럼으로 유입시키고, 상기 증류 칼럼으로부터 배출된 오버헤드 증기로부터 질소 풍부 증기 생성물을 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림은 제 2의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림이 증류 칼럼으로 유입되는 위치의 위에 있는 위치에서 증류 칼럼으로 유입되는 것인 방법.
  26. 제1항에 있어서, 상기 메인 열교환기에 대한 냉각은 폐루프 냉각 시스템에 의해 제공되며, 상기 폐루프 냉각 시스템에 의해 순환되는 냉매는 메인 열교환기를 통과하고 그리고 메인 열교환기에서 워밍되는 것인 방법.
  27. 질소 감손 LNG 생성물을 제조하기 위한 장치로서,
    메인 열교환기로서, 제 1 LNG 스트림을 제조하기 위해 천연 가스 원료 스트림을 냉각시키고 상기 스트림의 전부 또는 일부를 액화시키도록 천연 가스 원료 스트림을 수용하고 그리고 상기 스트림을 열교환기를 통과시키기 위한, 그리고 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 제조하기 위해 압축된 재순환 스트림을 냉각시키고 적어도 부분적으로 액화시키도록 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 압축된 재순환 스트림을 수용하고 그리고 상기 스트림을 열교환기를 통과시키기 위한 냉각 통로를 가지며, 상기 냉각 통로는 천연 가스 원료 스트림과 별개로 그리고 천연 가스 원료 스트림과 병렬로 압축된 재순환 스트림을 열교환기를 통과시키도록 배치되는 것인, 메인 열교환기와,
    상기 냉각 통로를 냉각시키기 위해 냉매를 메인 열교환기에 공급하기 위한 냉각 시스템과,
    상기 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 질소 감손 LNG 생성물, 및 질소 풍부 천연 가스 증기로 이루어진 재순환 스트림을 형성하기 위해 제 1 LNG 스트림 또는 제 1 LNG 스트림의 일부로부터 형성된 LNG 스트림을 수용하고, 팽창시키고, 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하기 위한 제 1 분리 시스템과,
    상기 제 1 분리 시스템 및 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 재순환 스트림을 수용하고, 압축된 재순환 스트림을 형성하기 위해 재순환 스트림을 압축하며, 압축된 재순환 스트림을 메인 열교환기로 복귀시키기 위한 압축기와,
    상기 메인 열교환기와 유체 유동 연통되며, 질소 풍부 증기 생성물을 형성하기 위해 제 1의 적어도 부분적으로 액화된 질소 풍부 천연 가스 스트림을 수용하고, 팽창시키고 부분적으로 기화시키고 그리고 분리하기 위한 제 2 분리 시스템을 포함하는 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 폐루프 냉각 시스템이고, 상기 제 1 분리 시스템은 팽창 장치와 LNG 탱크를 포함하며, 상기 제 2 분리 시스템은 팽창 장치, 및 상 분리기 또는 증류 칼럼을 포함하는 것인 장치.
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