KR101738335B1 - 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치 - Google Patents

천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치는 흡수탑, 저에너지 흡수액 재생탑, 흡착탑, 제품가스저장탱크, 흡착제제어부, 및 회수부를 포함하여 구성된다.

Description

천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치{Apparatus for removing water and acid gas of a natural gas}
본 발명은 천연가스에 포함된 산성가스와 수분을 제거하는 방법과 장치에 관한 것으로, 구체적으로는, 흡수 장치와 흡착 장치를 포함하는 혼성 장치를 사용하여 채굴된 천연가스를 액화 천연가스 급의 허용농도인 이산화탄소 50ppm 미만, 황화수소 4ppm 미만, 수분 1ppm 미만으로 제거된 천연가스를 생산하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 천연가스전에서 채굴되는 천연가스는 주성분인 메탄(CH4)으로 이루어져 있고, 그 외에 에탄(C2H6),프로판(C3H8)및 부탄(C4H10)등과 같은 탄화수소를 포함하며, 불순물로는 이산화탄소(CO2)와 황화수소(H2S)와 같은 산성가스 성분, 질소(N2),헬륨(He), 수분(H2O)및 수은(Hg) 등을 포함하고 있다.
천연가스는 운송 또는 저장과정 중에서 압축 또는 액화될 수 있는데, 그 중 이산화탄소 및 수분은 응결에 의한 관의 막힘 현상을 유발하고 반응을 통해 탄산(carbonic acid)을 형성하여 황화수소와 함께 관 및 장치에 부식을 일으킨다. 따라서 상기 불순물들은 천연가스 액화 전 반드시 이산화탄소 50ppm 미만, 황화수소 4ppm 미만, 수분 1ppm 미만의 허용 농도로 제거하여야 한다.
이러한 천연가스에 포함된 산성가스와 수분을 제거하기 위한 종래의 천연가스에 포함된 산성가스를 흡수 제거한다. 흡수탑에서 산성가스가 제거된 천연가스에는 수분이 포화되어 있으며, 이를 트라이에틸렌글리콜 (Triethylene glycol)을 이용한 가스 수분 제거 공정(gas dehydration process)과 몰레큘러시브 공정 (molecular seive process)을 거쳐 허용 농도인 1ppm 미만으로 제거하게 된다.
도 1은 종래의 천연가스에 포함된 산성가스 제거 공정 중 리보일러 재생에너지에 관한 것으로, 구체적으로는 리보일러 재생 에너지에 따른 흡수액의 이산화탄소 함유율을 나타낸 그래프이다. 여기에서 사용된 흡수액은 모노에탄올아민(Monoethanolamine:MEA), 다이에탄놀아민(Diethanolamine:DEA), 메틸디에탄올아민(Methyldiethanolamine:MDEA)이다. 여기에서 종래기술의 그래프는 Sakwattanapong. R. et al. Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 4465-4473에 기재되어 있는 내용을 이용하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 공정에서 리보일러 재생 에너지에 따른 흡수액의 이산화탄소 함유율은 리보일러 재생 에너지의 수치가 점점 증가할수록 흡수액의 이산화탄소 함유율이 가파르게 감소하다가, 특정 시점부터는 리보일러 재생 에너지의 수치가 증가하더라도 흡수액의 이산화탄소 함유율이 서서히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 흡수액에 흡수된 산성가스를 허용농도 이하로 제거하기 위해서는 많은 에너지가 필요한 문제점이 있다.
미국 공개특허공보 제2011-0290110호는 분리막과 아민 흡수를 이용한 산성가스 제거 혼성 공정에 관한 기술이다. 멤브레인을 이용하여 천연가스에 포함된 다량의 이산화탄소를 1차적으로 제거하고 2차적으로 아민 흡수제를 이용하여 이산화탄소 농도를 50ppm 미만으로 제거하는 특허이다. 상기 아민 흡수제는 재생탑에서 산성가스를 탈거하고 재사용된다. 미국 공개특허공보 제 2011-0110833은 중간 재생 아민 (semi-lean amine)과 재생 아민 (lean amine)을 사용하여 두 단계의 흡수 시스템과 다단계의 분리 시스템을 통해 산성가스를 제거하는 공정으로 폐열 회수를 통해 흡수액을 재생하므로 에너지를 절감이 가능한 특허이다. 국제공개특허공보 제2013-188367호 에서는, 아민 손실을 최소화할 수 있는 여러 가지 구조를 가진 아민들과 그것을 이용한 산성가스 제거 공정을 제시되어 있다. 미국 공개특허공보 제 4384875호는 재생된 아민의 순차적 팽창에서 발생하는 증기를 리보일러에 주입하여 산성가스를 탈거하는데 사용하여 재생에너지를 줄이는 방법에 관한 특허이다.
상기 방법들로 산성가스가 제거된 천연가스는 포화 수분을 포함하고 있으며, 수분 제거를 위해 트라이에틸렌글리콜 (Triethylene glycol)을 이용한 가스 수분 제거 공정(gas dehydration process)과 몰레큘러시브 공정 (molecular seive process)을 거쳐 허용 농도인 1ppm 미만으로 제거하게 된다.
이와 같이 종래의 기술은 산성가스 및 수분 제거를 위해 다단계를 공정을 거치게 되어 있어, 다량의 에너지 소모, 시설 투자 및 운전비용의 증가, 공정의 복잡성, 높은 아민 재생으로 인한 손실, 모듈화의 어려움 등의 문제점들이 있다.
또한, 해양플랜트에 단일 아민 흡수 공정 적용 시 흔들림으로 인한 아민 흡수 효율 저하로 액화 천연가스급의 천연가스를 생산하기 어려운 문제점이 있다.
미국 공개특허공보 제2011-0290110호 (2011.12.01. 공개) 미국 공개특허공보 제 2011-0110833호 (2011.05.12 공개) 미국 공개특허공보 제 4384875 (1983.05.24 공개)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 천연가스에 포함된 산성가스와 수분을 제거하는 구성의 재생에 필요한 에너지를 절감할 수 있는 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 천연가스에 포함된 산성가스와 수분을 허용농도 이하로 제거할 수 있는 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스가 화학적 흡수액과 향류 접촉하여 산성가스가 일부 제거된 천연가스가 생산되는 흡수탑(100); 상기 흡수탑(100)에서 산성가스를 흡수한 화학적 흡수액을 일부만 재생하여 일부 산성가스만 제거하여 반-린(semi-lean)흡수액을 생산하는 저에너지 흡수액 재생탑(800); 상기 흡수탑(100)에서 이송된 천연가스에 포함된 산성가스와 수분이 내부에 수용된 흡착제에 흡착되어 제품가스가 생산되는 다수의 흡착탑(200); 상기 흡착탑(200)에서 이송된 생산가스가 저장되는 제품가스저장탱크(300); 상기 흡착탑(200)들의 내부에 각각 수용된 흡착제의 파과점 도달 여부를 각각 측정하여, 파과점에 도달한 흡착제가 수용된 흡착탑(200)에 천연가스 이송을 중단시키며 파과점에 도달하지 않은 흡착제가 수용된 흡착탑(100)으로 천연가스를 이송하여 제품가스를 생산하고 상기 제품가스저장탱크(300)에 저장된 제품가스의 일부를 파과점에 도달한 흡착제가 수용된 흡착탑(200)으로 이송하여 그 흡착제를 탈착하여 재생하는 흡착제제어부; 및 상기 흡착제의 재생이 이루어진 흡착탑(200)에서 이송된 세정가스를 상기 흡수탑(100)으로 다시 이송하는 회수부(500);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수의 흡착탑(200)은 운용 사이클이 2개의 흡착탑(200)을 이용하는 2탑식으로 이루어질 경우, 흡착탑(200)에서 상기 흡착제의 산성가스 및 수분 흡착과 산성가스 및 수분 탈착이 순차적으로 이루어지며, 다른 흡착탑(200)에서 상기 흡착제의 산성가스 탈착과 산성가스 흡착이 순차적으로 이루어지며, 상기 산성가스 탈착은 상기 흡착제의 가열, 생산가스를 이용한 세정, 냉각이 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡착제제어부는 상기 흡착탑(200)의 내부에 설치되며 파과점에 도달한 흡착제가 수용된 흡착탑(200)을 가열하는 가열부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회수부(500)는 상기 흡착탑(200)에서 이송된 세정가스의 압력을 상기 흡수탑(100)에 수용된 천연가스의 압력과 동일하게 조절하는 압력조절부재(510)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000)는 상기 흡수탑(100)에서 이송된 화학적 흡수액이 감압되어 상기 화학적 흡수액에 흡수된 산성가스와 수분이 외부로 배출되는 플래쉬드럼(600); 및 상기 플래쉬드럼(600)에서 이송된 화학적 흡수액이 저에너지 흡수액 재생탑(800)에서 이송된 고온의 화학적 흡수액과 열교환되어 예열되는 열교환기(700);을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치는 천연가스에 포함된 산성가스를 1차적으로 화학적 흡수액과 산성가스 및 수분을 2차적으로 흡착제로 병행하여 액화 천연가스급으로 제거함으로써, 저농도 산성가스가 함유된 화학적 흡수액으로 재생할 필요가 없고, 가스 수분 제거 공정 및 몰레큘러시브 공정이 필요 없어 천연가스에 포함된 산성가스와 수분을 제거하는 구성의 재생에 필요한 에너지를 절감하고 공정을 단순화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 공정에서 리보일러 재생 에너지에 따른 흡수액의 이산화탄소 함유율을 나타낸 그래프
도 2는 본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치의 개략도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 천연가스에 포함된 산성가스와 수분을 제거하는 방법과 장치에 관한 것으로, 구체적으로는, 흡수 장치와 흡착 장치를 포함하는 혼성 장치를 사용하여 채굴된 천연가스를 액화 천연가스 급의 허용농도인 이산화탄소 50ppm 미만, 황화수소 4ppm 미만, 수분 1ppm 미만으로 제거된 천연가스를 생산하는 장치에 관한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000)는 1차적으로 산성가스를 제거하는 흡수 분리하는 구성으로, 흡수탑(100), 플래쉬 드럼(600), 열교환기(700), 저에너지 흡수액 재생탑(800)을 포함하여 구성되며; 상기 흡수 분리 장치로부터 1차 제거된 천연가스 내 산성가스 및 수분을 2차적으로 제거하는 구성으로 다수의 흡착탑(200), 제품가스저장탱크(300), 흡착제제어부, 및 회수부(500)를 포함하여 구성된다.
상기 흡수탑(100)은 천연가스에 포함된 산성가스가 화학적 흡수액과 향류 접촉하여 산성가스가 일부 제거된 천연가스가 생산된다.
이 때, 상기 화학적 흡수액은 아민 계열의 흡수제가 포함된 수용액으로 이루어질 수 있으며, 상기 아민 계열의 흡수제는 물과 혼합하여 사용하며, 흡수액의 아민 농도는 30-60 wt%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 아민 계열의 흡수제로는 모노에탄올아민(Monoethanolamine:MEA), 다이에탄놀아민(Diethanolamine:DEA), 메틸디에탄올아민(Methyldiethanolamine:MDEA), 디이소플로민아민(Diisopropylamine:DIPA)와 상기 아민들의 혼용으로 이루어질 수 있다.
상기 흡수탑(100)은 천연가스가 상기 흡수탑(100)의 하측으로 주입되며, 상기 화학적 흡수액이 상기 흡수탑(100)의 상부로 주입되며, 흡수액과의 향류 접촉을 통해 천연가스에 포함된 산성가스가 일부 제거된다.
여기에서, 천연가스에 포함된 산성가스는 이산화탄소(CO2)와 황화수소(H2S)이다.
상기 저에너지 흡수액 재생탑(800)은 상기 흡수탑(100)에서 산성가스를 흡수한 화학적 흡수액을 일부만 재생하여 일부 산성가스만 제거한다.
한편, 본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000) 중 흡수 분리 장치는 플래쉬드럼(600), 열교환기(700)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 플래쉬드럼(600)은 상기 흡수탑(100)에서 이송된 화학적 흡수액을 감압시켜 상기 화학적 흡수액에 흡수된 산성가스와 수분을 외부로 배출시킨다.
이 때, 상기 플래쉬드럼(600)은 상기 흡수탑(100)에서 이송된 화학적 흡수액을 대기압으로 감압시키는 플래쉬 과정을 통해 상기 화학적 흡수액에 흡수된 산성가스와 수분을 외부로 배출시킨다.
또한, 상기 열교환기(700)는 상기 플래쉬드럼(600)에서 이송된 화학적 흡수액이 저에너지 흡수액 재생탑(800)에서 이송된 고온의 화학적 흡수액과 열교환되어 예열된다.
물론, 상기 열교환기(700)는 상기 플래쉬드럼(600)에서 이송된 화학적 흡수액을 가열하는 히터(미도시)를 이용하여 예열할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
이 때, 상기 플래쉬드럼(600)과 열교환기(700)은 상기 흡수탑(100)과 저에너지 흡수액 재생탑(800) 사이에 설치될 수 있다.
산성가스를 흡수한 화학적 흡수액을 일부만 재생하여 일부 산성가스만 제거한 화학적 흡수액을 반-린(semi-lean) 화학적 흡수액이라고도 할 수 있다.
종래의 메틸디에탄올아민을 이용한 산성가스 제거 장치는 재생 후 아민 내 이산화탄소 농도를 0.02 molCO2/molMDEA 이하까지 하여 많은 재생에너지 2,640 ?? 2850 kJg/kgCO2를 소모하지만, 반-린 흡수액으로 재생 시 도 1의 변곡점에 해당하는 부분까지만 재생하면 되므로 재생에너지를 많이 절감할 수 있다.
상기 다수의 흡착탑(200)은 상기 흡수탑(100)에서 1차적으로 제거한 천연가스에 포함된 산성가스와 수분이 내부에 수용된 흡착제에 흡착되어 생산가스가 생산되되, 상기 산성가스와 수분이 상기 흡착제의 파과점인 액화급 천연가스 허용농도(이산화탄소 50ppm 미만, 황화수소 4ppm 미만, 수분 1ppm 미만)가 유지 될 때 까지 흡착된다.
여기에서 파과점이란 상기 흡착탑(200)의 내부로 주입된 천연가스에 포함된 산성가스와 수분이 액화급 천연가스 허용농도(이산화탄소 50ppm 미만, 황화수소 4ppm 미만, 수분 1ppm 미만)를 넘어가는 시점을 말한다.
상기 제품가스저장탱크(300)에는 상기 흡착탑(200)에서 이송된 생산가스의 일부가 저장된다.
상기 흡착제제어부는 상기 흡착탑(200)들의 내부에 각각 수용된 흡착제의 파과점 도달 여부를 각각 측정하여, 파과점에 도달한 흡착제가 측정되면 그 흡착제가 수용된 흡착탑(200)으로 천연가스 이송을 중단시키며 파과점에 도달하지 않은 흡착제가 수용된 흡착탑(100)으로 천연가스를 이송하여 제품가스를 생산하고 상기 제품가스저장탱크(300)에 저장된 생산가스를 일부 상기 흡착제의 세정가스로 공급하여 상기 흡착제에 흡착된 산성가스와 수분을 탈착시켜 상기 흡착제를 재생시킨다.
또한, 상기 흡착제제어부는 상기 흡수탑(100)에서 흡착탑(200)을 연결하는 제1밸브(미도시)의 개폐와 상기 제품가스저장탱크(300)에서 흡착탑(200)을 연결하는 제2밸브(미도시)의 개폐를 각각 제어하여, 파과점에 도달한 흡착제가 수용된 흡착탑(200)에 천연가스 이송을 중단시키며 상기 제품가스저장탱크(300)에 저장된 생산가스를 상기 흡착제의 세정가스로 이송하여 상기 흡착제를 재생할 수 있다.
이 때, 상기 제1밸브와 제2밸브는 모두 솔레노이드밸브로 구성될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
상기 회수부(500)는 상기 흡착제의 재생이 이루어진 흡착탑(200)에서 이송된 세정가스를 상기 흡수탑(100)으로 다시 이송하여 상기 세정가스에 포함된 천연가스가 상기 흡수탑(100)과 흡착탑(200)을 거쳐서 상기 제품가스저장탱크(300)로 회수되게 한다.
한편, 상기 흡착제제어부는 상기 흡착제의 재생이 이루어진 흡착탑(200)에서 이송된 세정가스를 상기 흡수탑(100)으로 다시 이송한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치는 천연가스에 포함된 산성가스를 1차적으로 화학적 흡수액과 산성가스 및 수분을 2차적으로 흡착제로 병행하여 액화 천연가스급으로 제거함으로써, 저농도 산성가스가 함유된 화학적 흡수액으로 재생할 필요가 없고, 가스 수분 제거 공정 및 몰레큘러시브 공정이 필요 없어 천연가스에 포함된 산성가스와 수분을 제거하는 구성의 재생에 필요한 에너지를 절감하고 공정을 단순화 할 수 있는 효과가 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 상기 흡착제제어부에 의해 상기 흡착탑(200)의 내부에 수용된 흡착제의 흡착 및 재생 과정이 반복되는 것을 온도 변동 흡착 공정(Temperature Swing Adsorption:TSA)이라고 부르기도 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000)는 상기 고압 온도 변동 흡착 공정을 이용하여 천연가스에 포함된 산성가스와 수분을 제거하고 상기 흡착제의 흡착 및 재생 과정이 반복됨으로써, 상기 흡착탑(200)에 별도의 콤프레서가 필요 없는 장점이 있다.
상기 다수의 흡착탑(200)은 운용 사이클이 2개의 흡착탑(200)을 이용하는 2탑식으로 이루어질 경우, 상기 흡착탑(200)에서 상기 흡착제의 산성가스 흡착과 산성가스 탈착이 순차적으로 이루어지며, 다른 흡착탑(200)에서 상기 흡착제의 산성가스 탈착과 산성가스 흡착이 순차적으로 이루어지며, 상기 흡착제의 산성가스 흡착 시간과 산성가스 탈착 시간이 서로 동일하며, 상기 산성가스 탈착은 상기 흡착제의 가열, 생산가스를 이용한 세정, 냉각이 순차적으로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 흡착탑(200)들이 2개씩 짝을 이루며, 하나의 흡착탑(200)에서 상기 흡착제의 산성가스 흡착과 산성가스 탈착이 순차적으로 이루어지며, 다른 흡착탑(200)에서 상기 흡착제의 산성가스 탈착과 산성가스 흡착이 순차적으로 이루어지는 것이다.
또한, 상기 흡착제는 제올라이트, 활성 알루미나, 활성 카본으로 이루어 질 수 있으며, 상기 흡착제 재질은 산성가스 외에도 수분도 흡착할 수 있는 성질이 있다. 또한, 포타슘 카보네이트, 소듐 카보네이트, 혹은 아민 관능기를 가지는 유기물을 상기 제올라이트, 활성알루미나, 활성카본 등에 함침한 흡착제가 사용될 수도 있다.　
또한, 상기 흡착제제어부는 상기 흡착탑(200)의 내부에 설치되며 파과점에 도달한 흡착제가 수용된 흡착탑(200)을 가열하는 가열부재를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 가열부재는 상기 파과점에 도달한 흡착제가 수용된 흡착탑(200)을 가열하여 상기 흡착제의 세정가스에 의한 재생속도를 극대화하는 역할을 한다.
또한, 상기 회수부(500)는 상기 흡착탑(200)에서 이송된 세정가스의 압력을 상기 흡수탑(100)에 수용된 천연가스의 압력과 동일하게 조절하는 압력조절부재(510)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이는 상기 흡착탑(200)에서 상기 회수부(500)로 이송된 세정가스의 압력과 상기 흡수탑(100)에 수용된 천연가스의 압력이 차이가 날 경우, 상기 흡수탑(100)에 수용된 천연가스가 상기 회수부(500)로 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000)의 작동원리에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000)에서 천연가스의 흐름에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 천연가스가 상기 흡수탑(100)에서 흡수액과의 향류 접촉을 통해 천연가스에 포함된 산성가스가 일부 제거된다.
다음으로, 상기 흡수탑(100)에서 산성가스가 일부 제거된 천연가스가 상기 흡착탑(200)으로 이송된다.
다음으로, 상기 흡착탑(200)으로 이송된 천연가스가 상기 흡착탑(200)의 내부에 수용된 흡착제에 흡착되어 제품가스가 생산된다.
이 때, 천연가스는 상기 흡착제제어부에 의해 상기 흡착탑(200) 중에서 흡착제의 파과점까지 흡착된 흡착탑(200)으로의 이송이 중단될 수 있다.
본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000)에서 제품가스의 흐름에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 상기 흡착탑(200)에서 생산된 제품가스의 일부가 상기 제품가스저장탱크(300)로 저장되고 생산된 제품가스는 액화 공정 및 NGL 회수 공정에서 사용될 수 있다.
이 때, 상기 제품가스는 산성가스와 수분 허용농도가 산성가스인 이산화탄소 50ppm 미만, 황화수소 4ppm 미만, 수분 1ppm 미만으로 이루어진 천연가스로서, 액화 공정에 바로 적용될 수 있다.
다음으로, 상기 제품가스저장탱크(300)에 저장된 제품가스 중 일부가 상기 흡착제제어부에 의해 파과된 흡착제가 수용된 흡착탑(200)에 흡착제의 세정가스로 이송된다.
본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000)에서 화학적 흡수액의 흐름도에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 상기 흡수탑(100)에서 천연가스에 포함된 산성가스를 흡수한 화학적 흡수액이 상기 플래쉬드럼(600)으로 이송된다.
다음으로, 상기 플래쉬드럼(600)으로 이송된 화학적 흡수액이 감압되어 상기 화학적 흡수액에 흡수된 산성가스가 외부로 배출된다.
다음으로, 상기 산성가스가 외부로 배출된 화학적 흡수액이 열교환기(700)로 이송되어 상기 열교환기(700)의 고온의 화학적 흡수액에 의해 예열된다.
다음으로, 예열된 상기 화학적 흡수액이 저에너지 흡수액 재생탑(800)으로 이송된다.
다음으로, 상기 저에너지 흡수액 재생탑(800)으로 이송된 화학적 흡수액이 가열 증발되어 상기 화학적 흡수액에 포함된 산성가스가 배출되어화학적 흡수액을 일부만 재생하여 반-린(semi-lean) 화학적 흡수액으로 재생한다.
다음으로, 상기 고온의 화학적 흡수액이 상기 열교환기(700)로 이송되어 상기 열교환기(700)로 이송되어 있던 화학적 흡수액과 열교환을 통해 냉각된 다음, 상기 흡수탑(100)으로 다시 이송된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
[실시예]
이산화탄소 15 vol%, 황화수소 200 ppm 및 수분 650 ppm 을 포함하는 메탄 가스를 모델 천연가스로 사용하여, 본 발명의 장치에 도입하여 산성가스 및 수분의 분리 효율을 측정하였다.
본 발명의 장치에 의한 aMDEA를 사용한 1차 흡수 분리 공정(첫번째 순환 공정)과 2탑식 온도변동흡착공정(TSA)의 2차 흡착 분리 공정(두번째 순환 공정)은 50 bar의 압력에서 수행하였다. 흡수 분리 공정에서 리치(rich) 아민량은 0.5 ?? 0.6 molCO2/molaMDEA, 반-린(semi-lean) 아민량은 0.05 ?? 0.06 molCO2/molaMDEA 으로 유지되게 순환유량과 재생온도를 설정하였다.
본 발명의 장치를 통해 배출된 가스의 조성과 2탑식 온도변동흡착공정을 통해 배출된 가스의 조성을 측정한 결과는 아래의 표 1과 같다.
도입된 모델 천연가스 흡수 공정 후 2탑식 온도변동흡착공정 후
CO2 15 vol% 1000 ppmv 48 ppm
H2O 650 ppm 650 ppm 0.1 ppm
H2S 200 ppm 10 ppm 0.2 ppm
상기 표 1의 실험 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 흡수 분리 장치에 의한 1차 분리 공정과 2탑식 온도변동흡착공정(TSA)의 2차 분리 공정을 통해 모델 천연가스 내의 산성가스와 수분의 농도는, 천연가스의 액화공정에 적합한 수준인, 이산화탄소 50ppm 미만, 황화수소 4 ppm 미만 및 수분 1 ppm 미만의 범위로 제거됨을 확인할 수 있었다. 이러한 실험을 통해 본 발명의 산성가스 및 수분 혼성 분리 장치는, 천연가스에 포함된 산성가스 및 수분을 효과적으로 제거할 수 있음을 알 수 있다.
표 2는 천연가스에 포함된 산성가스와 포화수분을 제거하는 기존 공정인 흡수 및 몰레큘러시브 공정과 혼성 흡수 및 흡착 공정의 에너지 소비량을 비교한 결과이다. 흡수 공정의 에너지 소비량은 도 1에 있는 기존 공정의 린-아민량에 따른 에너지 소비량의 값이며, 혼성 공정 중 흡착 공정의 에너지 소비량은 기존 수분제거 공정인 몰레큘러시브 공정의 에너지 소비량과 동일하다. 기존 공정에 린-아민 로딩에 비교하여 반-린 아민을 생산하므로 흡수 공정 중 아민 재생에너지를 획기적으로 줄일 수 있어 천연가스에 포함된 산성가스 및 수분을 제거하는데 필요한 전체 에너지 소비량을 40% 이상 낮출 수 있음을 알 수 있다.
흡수 흡착
에너지 소비량(린-아민 로딩) 에너지 소비량
(기존)

단일 흡수 산성가스 제거 공정 및 수분 제거 공정		 2,640 kJ/KgCO2
(0.04molCO2/molaMDEA)		 4362 kJ/kg H2O
[재생온도: 290oC (4A Mol. sieves)]
(신규)

흡수 흡착 혼성 산성가스 및 수분 제거 공정		 1,550 kJ/KgCO2
(0.05molCO2/molaMDEA)		 동일
10 : 천연가스저장용기
1000 : 본 발명에 따른 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치
100 : 흡수탑
200 : 흡착탑
300 : 제품가스저장탱크
500 : 회수부
510 : 압력조절부재
600 : 플래쉬드럼
700 : 열교환기
800 : 저에너지 흡수액 재생탑

Claims (5)

  1. 천연가스에 포함된 산성가스가 화학적 흡수액과 향류 접촉하여 산성가스가 일부 제거된 천연가스가 생산되는 흡수탑(100);
    상기 흡수탑(100)에서 산성가스를 흡수한 화학적 흡수액을 일부만 재생하여 일부 산성가스만 제거하여 반-린(semi-lean)흡수액을 생산하는 저에너지 흡수액 재생탑(800);
    상기 흡수탑(100)에서 이송된 천연가스에 포함된 산성가스와 수분이 내부에 수용된 흡착제에 흡착되어 제품가스가 생산되는 다수의 흡착탑(200);
    상기 흡착탑(200)에서 이송된 생산가스가 저장되는 제품가스저장탱크(300);
    상기 흡착탑(200)들의 내부에 각각 수용된 흡착제의 파과점 도달 여부를 각각 측정하여, 파과점에 도달한 흡착제가 수용된 흡착탑(200)에 천연가스 이송을 중단시키며 파과점에 도달하지 않은 흡착제가 수용된 흡착탑(100)으로 천연가스를 이송하여 제품가스를 생산하고 상기 제품가스저장탱크(300)에 저장된 제품가스의 일부를 파과점에 도달한 흡착제가 수용된 흡착탑(200)으로 이송하여 그 흡착제를 탈착하여 재생하는 흡착제제어부; 및
    상기 흡착제의 재생이 이루어진 흡착탑(200)에서 이송된 세정가스를 상기 흡수탑(100)으로 다시 이송하는 회수부(500);을 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000).
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 흡착탑(200)은
    운용 사이클이 2개의 흡착탑(200)을 이용하는 2탑식으로 이루어질 경우, 흡착탑(200)에서 상기 흡착제의 산성가스 및 수분 흡착과 산성가스 및 수분 탈착이 순차적으로 이루어지며, 다른 흡착탑(200)에서 상기 흡착제의 산성가스 탈착과 산성가스 흡착이 순차적으로 이루어지며, 상기 산성가스 탈착은 상기 흡착제의 가열, 생산가스를 이용한 세정, 냉각이 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000).
  3. 제1항에 있어서, 상기 흡착제제어부는
    상기 흡착탑(200)의 내부에 설치되며 파과점에 도달한 흡착제가 수용된 흡착탑(200)을 가열하는 가열부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000).
  4. 제1항에 있어서, 상기 회수부(500)는
    상기 흡착탑(200)에서 이송된 세정가스의 압력을 상기 흡수탑(100)에 수용된 천연가스의 압력과 동일하게 조절하는 압력조절부재(510)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000).
  5. 제1항에 있어서, 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000)는
    상기 흡수탑(100)에서 이송된 화학적 흡수액이 감압되어 상기 화학적 흡수액에 흡수된 산성가스와 수분이 외부로 배출되는 플래쉬드럼(600); 및
    상기 플래쉬드럼(600)에서 이송된 화학적 흡수액이 저에너지 흡수액 재생탑(800)에서 이송된 고온의 화학적 흡수액과 열교환되어 예열되는 열교환기(700);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스에 포함된 산성가스와 수분 제거 장치(1000).
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